(57)【要約】【課題】  安価なＡＤ変換器を用いてＡＭ方式光波測距装置を提供すること。【解決手段】  光波測距装置は、主発振器１１、第１ＰＬＬ回路１２、第２ＰＬＬ回路１３、レーザ駆動回路１４およびＬＡＳＥＲ１５からなる光源部１０と、ＡＰＤ２１および増幅器２２からなる受光部２０と、第１ＡＤ変換器３１および第２ＡＤ変換器３２からなるＡＤ変換手段３０と、位相差演算回路４１からなる位相差検出手段４０と、ＣＰＵ５１からなる距離検出手段５０で構成されている。主発振器１１から発振された基準電気信号が、互いに異なり、かつ択一的に選択される２種の周波数ｆ1、ｆ2を有し、サンプリング信号が、基準電気信号に対してｎ回に一度同期し、かつ、サンプリング信号の周波数ｆSが、基準電気信号の２種の周波数ｆ1、ｆ2に対して平均値を成し、ＡＤ変換手段が、サンプリング信号に基づいて、基準電気信号の一周期につき少なくとも一回のＡＤ変換を行なう。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の正弦波信号である基準電気信号により振幅変調された測距光を測定対象物に対して投光する光源部と、
前記測定対象物からの反射された測距光を受光して、受光電気信号に変換する受光部と、
サンプリング信号に基づいて前記基準電気信号および受光電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、
このＡＤ変換手段によりＡＤ変換された前記基準電気信号および受光電気信号から位相を検出し、この受光電気信号の位相から前記基準電気信号の位相を減算することにより位相差を検出する位相差検出手段と、
この位相差検出手段により検出された位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を検出する距離検出手段と、を具備する光波測距装置において、
前記基準電気信号が、互いに異なり、かつ択一的に選択される２種の周波数を有し、
前記サンプリング信号が、前記２種の周波数を有する基準電気信号に対してｎ回に一度同期し、かつ、前記サンプリング信号の周波数が、前記基準電気信号の２種の周波数に対して平均値を成し、
前記ＡＤ変換手段が、前記サンプリング信号に基づいて、前記基準電気信号および受光電気信号の一周期につき少なくとも一回のＡＤ変換を行なうことを特徴とする光波測距装置。
【請求項２】
前記基準電気信号の２種の周波数のうち、一の周波数をｆ1、他の周波数をｆ2とし、前記サンプリング信号の周波数をｆSとした時、
ｆ1／ｆS＝（ｎ＋１）／ｎ
ｆ2／ｆS＝（ｎ−１）／ｎ
の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の光波測距装置。
【請求項３】
前記測距光をバースト発光させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光波測距装置。
【請求項４】
前記位相差検出手段が、前記ＡＤ変換手段によりデジタルデータに変換された前記測距光の非発光時における受光電気信号に基づいて、前記基準電気信号および受光電気信号のデジタルデータに含まれる直流成分を除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光波測距装置。
【請求項５】
前記サンプリング信号が、周波数が同一で位相の異なる少なくとも２種の信号からなり、
前記位相差検出手段が、前記ＡＤ変換手段により変換された各デジタルデータを並べ替えることにより、前記基準電気信号および受光電気信号を復元することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光波測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振幅変調を施した光波を利用して測定対象物までの距離を測定する光波測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光波測距装置としては、ＴＯＦ（飛行時間）方式とＡＭ（振幅変調）方式が知られている。
【０００３】
ＴＯＦ方式は、パルス状に発光させた測距光を投光し、測定対象物で反射した測距光を受光し、測距光の投光から受光までの時間遅れにより測定対象物までの距離を観測するものである（特許文献１参照）。この方式は、測定に精度を求めるには極端に短い時間を測定しなければならないため、広帯域アンプや超高速演算回路が必要で、技術的にも製作が難しく、かつ使用部品が高価になる。それに対して、ＡＭ方式は、数十ＭＨｚの比較的低い周波数を用いて、高精度な距離測定ができるため、安価な使用部品で構成することができる。そのため、汎用性が要求される光波測距装置にはＡＭ方式が多く利用されている。このＡＭ方式の測定原理を図７に基づいて以下に説明する。
【０００４】
周波数ｆの信号で振幅変調された測距光をレーザ等の光源部７０から投光し、測定対象物８０で反射された測距光をＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）等の受光部９０で受光する。このとき、受光された測距光は測定対象物までの距離Ｌに応じた位相差ΔΦを持っている。そこで、測距光の投光時および受光時の位相差ΔΦを測定すれば、数式１より距離Ｌを求めることができる。ここで、Ｃは光速とする。
【数１】
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【０００５】
なお、実際の測定は、前記測距光を振幅変調する周波数は２種以上に変化させて行われる。これは、数式１において、距離ＬがＣ／２ｆの倍数になったとき位相差ΔΦが０となり、Ｃ／２ｆ以上の距離で計測ができなくなるのを回避するためである（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−６３８５３号公報
【特許文献２】特開２００２−９０４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のＡＭ方式では測距光の投光時および受光時の位相差検出を測距光から直接求めるには、測距光の周波数に対して、数倍の周波数をもつサンプリング信号でＡＤ変換しなければならない。そのため、このサンプリング信号の周波数に応答可能な高価なＡＤ変換器が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、所定周波数の正弦波信号である基準電気信号により振幅変調された測距光を測定対象物に対して投光する光源部と、前記測定対象物からの反射された測距光を受光して、受光電気信号に変換する受光部と、サンプリング信号に基づいて前記基準電気信号および受光電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、このＡＤ変換手段によりＡＤ変換された前記基準電気信号および受光電気信号から位相を検出し、この受光電気信号の位相から前記基準電気信号の位相を減算することにより位相差を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段により検出された位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を検出する距離検出手段と、を具備する光波測距装置において、前記基準電気信号が、互いに異なり、かつ択一的に選択される２種の周波数を有し、前記サンプリング信号が、前記２種の周波数を有する基準電気信号に対してｎ回に一度同期し、かつ、前記サンプリング信号の周波数が、前記基準電気信号の２種の周波数に対して平均値を成し、前記ＡＤ変換手段が、前記サンプリング信号に基づいて、前記基準電気信号および受光電気信号の一周期につき少なくとも一回のＡＤ変換を行なうことを特徴とすることを特徴とする光波測距装置である。ここで、ｎは整数を意味するものとする。
【０００８】
上記構成により、基準電気信号および受光電気信号は、各々の波長ごとにＡＤ変換が行なわれ、基準電気信号およびサンプリング信号の周波数差の周波数をもつ信号によって、ダウンコンバートされる。すなわち、信号波形から直接位相を検出する場合に比べて、演算処理能力の小さいＡＤ変換手段で位相を演算することができる。
【０００９】
更に、本発明は、前記基準電気信号の２種の周波数のうち、一の周波数をｆ1、他の周波数をｆ2とし、前記サンプリング信号の周波数をｆSとした時、数式２の関係を有するようにすることもできる。
【数２】
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【００１０】
更に、本発明は、前記測距光をバースト発光させることもできる。
【００１１】
更に、本発明は、前記位相差検出手段が、前記ＡＤ変換手段によりデジタルデータに変換された前記測距光の非発光時における受光電気信号に基づいて、前記基準電気信号および受光電気信号のデジタルデータに含まれる直流成分を除去するようにすることもできる。
【００１２】
更に、本発明は、前記サンプリング信号が、周波数が同一で位相の異なる少なくとも２種の信号からなり、前記位相差検出手段が、前記ＡＤ変換手段により変換された各デジタルデータを並べ替えることにより、前記基準電気信号および受光電気信号を復元するようにすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は前述の如く、測距光をＡＤ変換する際に、ＡＤ変換手段に高速演算処理を要しないため、安価なＡＤ変換器を用いてＡＭ方式光波測距装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の光波測距装置に係る一実施形態を図１に基づいて説明する。この測距装置は、主発振器１１、第１ＰＬＬ（位相ロックループ）回路１２、第２ＰＬＬ回路１３、レーザ駆動回路１４および発光素子であるＬＡＳＥＲ１５からなる光源部１０と、ＡＰＤ２１および増幅器２２からなる受光部２０と、第１ＡＤ変換器３１および第２ＡＤ変換器３２からなるＡＤ変換手段３０と、位相差演算回路４１からなる位相差検出手段４０と、ＣＰＵ５１からなる距離検出手段５０から構成されている。なお、本実施形態では、サンプリング信号は第３ＰＬＬ回路６０により発生させるようになっている。また、第１〜３ＰＬＬ回路１２、１３、６０は、入力信号の周波数を任意の値に変化させて出力する他の回路に、ＬＡＳＥＲ１５は他の発光素子に、ＡＰＤ２１は他の受光素子に変えることができる（以下、同様）。以下にそれぞれの構成について説明する。
【００１５】
主発振器１１は周波数ｆ0の信号を発振するもので、第１ＰＬＬ回路１２および第２ＰＬＬ回路１３に接続されている。第１ＰＬＬ回路１２および第２ＰＬＬ回路１３は、主発振器１１の周波数ｆ0から２つの周波数ｆ1、ｆ2の正弦波信号である基準電気信号を出力するものである。この基準電気信号はそれぞれ周波数選択および振幅変調を行なうレーザ駆動回路１４に供給され、この出力端子に接続されたＬＡＳＥＲ１５から周波数ｆ1又はｆ2の測距光が選択的に出力されるようになっている。また、レーザ駆動回路１４で選択された基準電気信号は、第１ＡＤ変換器３１にも供給されるようになっている。基準電気信号と投光時の測距光は、同一の位相情報をもっているため、本実施形態では、基準電気信号を第１ＡＤ変換器３１に直接供給するようになっている。
【００１６】
一方、ＡＰＤ２１は、ＬＡＳＥＲ１５から投光され、測定対象物で反射してきた測距光を受光し、受光電気信号を出力するようになっている。この受光電気信号は、増幅器２２を介して第２ＡＤ変換器３２に供給される。
【００１７】
主発振器１１には、第１ＰＬＬ回路１２および第２ＰＬＬ回路１３の他に第３ＰＬＬ回路６０が接続されている。この第３ＰＬＬ回路６０は、主発振器１１の周波数ｆ0から周波数ｆSのサンプリング信号を出力し、第１ＡＤ変換器３１および第２ＡＤ変換器３２に供給するようになっている。このサンプリング信号の周波数ｆSに基づいて、第１ＡＤ変換器３１は、基準電気信号をＡＤ変換し、第２ＡＤ変換器３２は、受光電気信号をＡＤ変換する。ＡＤ変換により得られた各デジタルデータは、それぞれ位相差演算回路４０に送られ、基準電気信号と受光電気信号の位相差が演算される。この演算結果は、ＣＰＵ５１に入力され、距離に変換される。なお、ＣＰＵ５１は、図示していないが、レーザ駆動回路１４に基準電気信号の周波数を選択する周波数選択信号を供給することができ、また検出された距離データ等のデータを外部インターフェイスと通信できるようにもなっている。また、レーザ駆動回路１４からの基準電気信号は直接第１ＡＤ変換器３１に入力されているが、レーザ（ＬＡＳＥＲ１５）と受光回路（ＡＰＤ２１）を基準長さ離して設置し、第１ＡＤ変換器３１に入力することもできる。この場合、投光系および受光系の温度変化による位相遅れがキャンセルできるため、より高精度な測定が実現できる。
【００１８】
次に測定対象物までの距離演算の原理について以下に説明する。
【００１９】
本実施形態では、サンプリング信号の周波数ｆSと、基準電気信号の周波数ｆ1およびｆ2は数式２を満たす関係を有するようになっている。周波数ｆ1の基準電気信号により変調された測距光を投光すると、測定対象物で反射した測距光を受光した受光電気信号も同様に周波数ｆ1をもつ。このとき、周波数ｆSをもつサンプリング信号に基づいて、基準電気信号および受光電気信号をＡＤ変換すれば、各々の波長ごとにＡＤ変換が行なわれることになる。図２に、位相差演算回路４１で復元された信号波形の概念図を示す。図に示すように、周波数ｆ1をもつ基準電気信号および受光電気信号は、周波数ｆSをもつサンプリング信号に基づいてＡＤ変換すると、周波数ｆ1と周波数ｆSの周波数差（ｆ1−ｆS）の絶対値を持つ信号が一周期をｎ分割して得られる。この信号は、ｆ1をもつ基準電気信号および受光電気信号と同様の位相をもったままダウンコンバートされるため、この信号を解析することにより位相を求めることができる。このときの位相は、ＡＤ変換された各デジタルデータをＳkとすると、数式３のように表わされる。ただし、ｋは、０〜（ｎ−１）までの整数とする。
【数３】
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【００２０】
数式３は、フーリエ変換の手法により位相を求めたことに相当するもので、基準電気信号および受光電気信号の位相は、この式により演算される。受光電気信号の位相から基準電気信号の位相を減算することにより、位相差ΔΦが求められる。この位相差ΔΦは、数式１により距離へと変換される。以上は、基準電気信号の周波数がｆ1のときについて説明したが、基準電気信号の周波数がｆ2のときも同様である。
【００２１】
実際の測定では、基準電気信号の周波数ｆ1およびｆ2で変調された測距光が交互に投光されので、受光電気信号も周波数ｆ1およびｆ2をもつことになる。この基準電気信号の周波数を任意に設定する場合は、数式３を実行する位相差演算回路４１が基準電気信号の周波数の種類と同数必要になる。本実施形態では、基準電気信号の周波数は、２つあるので、２つの位相差演算回路が必要となり、回路の小型化を図ることは難しい。しかし、数式２を満たすように、サンプリング信号の周波数ｆSと、基準電気信号の周波数ｆ1およびｆ2を設定することで同一の位相差演算回路４１で位相差演算ができる。以下に同一の位相差演算回路４１により演算ができることを説明する。
【００２２】
周波数ｆ1をもつ受光電気信号をＦ1とし、周波数ｆ2をもつ受光電気信号をＦ2とすると、それぞれの位相は、異なった値を示して観測される。この位相をそれぞれΦ1、Φ2とすると、受光電気信号はＦ1＝ｓｉｎ（２πｆ1ｔ＋Φ1）およびＦ2＝ｓｉｎ（２πｆ2ｔ＋Φ2）と表わすことができる。この受光電気信号をＡＤ変換した各デジタルデータのうち、ｋ番目のデジタルデータは、数式２を用いて、数式４のように表わせる。
【数４】
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【００２３】
受光電気信号のデジタルデータが数式４に示すＦ1である場合は、受光電気信号の位相は、このＦ1を数式３に代入して数式５のようになる。
【数５】
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【００２４】
数式５中の分母、分子の第１項は、それぞれ周期関数の一周期分の総和となり、零となるので、数式５の右辺はｔａｎΦ1となる。
【００２５】
一方、受光電気信号のデジタルデータが数式４に示すＦ2である場合は、その位相は数式５と同様にして、数式６のようになる。
【数６】
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【００２６】
数式６中、分母、分子の第２項は、それぞれ数式５と同様の理由で零となるので、数式６の右辺は−ｔａｎΦ2となる。したがって、周波数ｆ1、ｆ2のそれぞれの受光電気信号の位相演算は、符号が反転するだけで、同一演算回路で行なうことができる。これにより、位相差演算回路４１を含めた光波測距装置の小型化を図ることができる。なお、ＣＰＵ５１等において、この符号の反転は補正することができるようになっている。以上は、受光電気信号の場合について説明したが、基準電気信号についても同様である。
【００２７】
また、レーザの安全基準を考慮した場合には、測距光をバースト発光させることもできる。安全基準を満たすと、装置にさまざまな危険防止措置を講じる必要がなくなるため、レーザ装置には非常に重用なことである。レーザの安全基準は、ある一定期間中の光の総パワーで規定されている。そのため、レーザの安全基準内で測距光を連続的に発光させた場合に比べて、測距光をバースト発光させた場合は、瞬間的な光パワーを上げることができ、受光時の測距光の検出感度を向上させることができる。なお、レーザ駆動回路１４は、基準電気信号にバースト信号を乗じることで測距光をバースト発光させることができるようになっている。
【００２８】
また、距離演算の高速化を図るために、位相差演算回路４１は、第２ＡＤ変換回器３２によりデジタルデータに変換された測距光の非発光時における受光電気信号に基づいて、基準電気信号および受光電気信号のデジタルデータに含まれる直流成分を除去することもできる。基準電気信号および受光電気信号は、信号の直流成分および交流成分の足し合わせで表わされ、位相演算には信号の交流成分のみが必要である。しかし、復元された信号が波長の整数倍でない場合には、信号の直流成分が位相演算に含まれる。そこで、測距光の非発光時の受光電気信号を直流成分とみなして、第２ＡＤ変換回路３２により、この直流成分をＡＤ変換し、デジタルデータＳkDCを作り、数式３により値を演算し、この値を測距光発光時の位相から減算することで信号の直流成分を除去することができる。これにより、復元された信号が一波長に満たない場合でも位相演算が可能となり、距離演算の高速化を図ることができる。なお、復元された信号の直流成分の除去は、数式３において、デジタルデータＳkを（Ｓk−ＳkDC）とすることによっても行なうことができる。この場合、特に元信号の直流成分が、一定値と見なせる場合に有効である。つまり、測距光の非発光時の受光電気信号を任意の一点につき、デジタルデータＳkDCを測定すればよく、距離演算をさらに高速化することができる。
【００２９】
また、上記実施形態ではサンプリング信号が１種の場合について説明してが、サンプリング信号を周波数が同一で位相の異なる少なくとも２種の信号からなるようにすることもできる。この際、位相差検出回路４１は、ＡＤ変換器により変換された各デジタルデータを並べ替えることにより、基準電気信号および受光電気信号を復元するようにするようにすることができる。このように構成すると、基準電気信号および受光電気信号は、一周期に少なくとも２点のＡＤ変換が行なわれるので、デジタルデータのデータ点数が増え、測定精度を向上させることができる。また、安価なＡＤ変換器で分担して、ＡＤ変換することができるようになり、結果として、低コストな光波測距装置で高精度な距離測定を行なうことができる。前述のデジタルデータの並び替えは、復元される信号の周波数が基準電気信号とサンプリング信号の周波数差をもつことが予めわかっているので、この周波数に基づいて適宜デジタルデータを並べ替えることで復元することができる。ここで、サンプリング信号が位相の異なるｍ個の信号からなるとすると、位相差演算回路４１は、ｍ×ｎ個のアドレスを有するメモリ部を有し、基準電気信号または受光電気信号を復元する際に、各アドレスに記憶されたデジタルデータを呼び出すようにすることができる。
【実施例１】
【００３０】
本実施形態の光波測距装置の有用性を検証するために、測定対象物までの距離を実測した一実施例を以下に示す。
【００３１】
主発振器１１は水晶発振器を用い、１３.３ＭＨｚで発振した。この発振器１１の周波数ｆ0を第１〜第３ＰＬＬ回路１２、１３、６０を用いて、基準電気信号は周波数ｆ1、ｆ2がそれぞれ４６.７ＭＨｚ、５３.３ＭＨｚの正弦波信号とし、サンプリング信号は周波数ｆSが５０ＭＨｚで、互いに位相が９０度ずれた２種の信号とした。この基準電気信号の周波数ｆ1、ｆ2およびサンプリング信号の周波数ｆSの関係は数式２を満たすものであり、このときのｎは１５となる。ＬＡＳＥＲ１５には波長７８５ｎｍの赤外レーザを用い、前記基準電気信号によって振幅変調し、レーザ駆動回路１４において、１８μｓ当たり３μｓの発光時間をもつように、バースト信号を基準電気信号に乗じ、図３に示す発光状態をもつ測距光をＬＡＳＥＲ１５から測定対象物に対して発振した。なお、図に示すバースト発光させた測距光は、レーザの安全基準のうち最も厳しいＩＥＣ６０８２５−２を満たしつつ、この安全基準の規定値（最大３．７ｍＷ）の６倍、すなわち２２.２ｍＷにまで瞬間最大パワーを引き上げたものである。第１ＡＤ変換器３１および第２ＡＤ変換器３２は、５０ＭＨｚの演算速度を有するものを用いた。なお、第２ＡＤ変換器３２は５０ＭＨｚのＡＤ変換器２台で構成し、実質的には１００ＭＨｚのサンプリング周波数でＡＤ変換を行なった。このとき、受光電気信号は、一波長当たり２点のサンプリングがされ、１５波長分のサンプリングデータで一波長が復元される。
【００３２】
はじめに、白紙を測距装置から１００、２０００、４０００ｍｍに配置した場合と、何も配置しなかった場合での、位相差検出回路で復元された基準電気信号および受光電気信号を確認した。その結果を図４に示す。なお、図中において、実線は基準電気信号、破線は受光電気信号を示している。これによれば、仕様で最大検出距離とされる４０００ｍｍにおいても受光電気信号が復元されていることがわかる。
【００３３】
次に、同じ白紙を用いて、距離とその偏差および受光電気信号のレベルを計測した。その結果を図５に示す。図４の結果を反映して、計測距離が増大するにつれて受光電気信号のレベルは低下しているが、最大検出距離（４０００ｍｍ）を超える４５００ｍｍでも距離・偏差ともに良好な結果が得られた。
【００３４】
最後に、白紙以外の材質の測定対象物での距離計測を行なった。その結果を図６に示す。なお、図中の実線は期待値を示している。測定対象物の種類はアルミ板、カードボード、ＰＣ板、ベルベット、黒紙、木材、塗装板である。この結果から、測定対象物の材質によらず、距離計測は良好な結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の光波測距装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は受光電気信号波形、（ｂ）はサンプリング信号波形、（ｃ）は復元された信号波形を示す概念図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は投光時の測距光の発光状態、（ｃ）は受光時の測距光の発光状態を示す図である。
【図４】復元波形を示す図である。
【図５】実験結果を示す図である。
【図６】実験結果を示す図である。
【図７】ＡＭ方式光波測距装置の計測原理を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    光源部
１１    主発振器
１２    第１ＰＬＬ回路
１３    第２ＰＬＬ回路
１４    レーザ駆動回路
１５    ＬＡＳＥＲ
２０    受光部
２１    ＡＰＤ
２２    増幅器
３０    ＡＤ変換手段
３１    第１ＡＤ変換器
３２    第２ＡＤ変換器
４０    位相差検出手段
４１    位相差演算回路
５０    距離検出手段
５１    ＣＰＵ
６０    第３ＰＬＬ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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