(57)【要約】【課題】ＡＭ方式を採用しながらも、発光時間を短くし、且つ、波数エラーを補うことのできる測距装置を提供する。【解決手段】測定光を出力する光源３ａと、測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部３ｂと、ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部５と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部９１と、位相差検出部９１により検出された位相差に基づいて測定対象物Ｘまでの距離を算出する距離演算部９３を備えてなり、光源をパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部３ｂと、測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて正弦波の波数を検出する波数検出部９２とを備え、距離演算部９３が波数検出部により検出された波数と位相差検出部により検出された位相差に基づいて測定対象物までの距離を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出力する光源と、測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置であって、
前記光源をパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部とを備え、前記距離演算部が前記波数検出部により検出された波数と前記位相差検出部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算出する測距装置。
【請求項２】
前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記位相差検出部は前記ＡＤ変換部で変換されたデジタル反射信号をフーリエ変換して前記位相差を検出する請求項１記載の測距装置。
【請求項３】
前記位相差検出部は、前記ＡＤ変換部で変換され、複数の変調周期にわたり位相が対応するサンプリングタイミング毎に平均化処理されたデジタル反射信号をフーリエ変換して前記位相差を検出する請求項２記載の測距装置。
【請求項４】
前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記波数検出部は、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形を微分処理し、得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと前記測定光の出力タイミングに基づいて前記正弦波の波数を算出する請求項１から３の何れかに記載の測距装置。
【請求項５】
前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に基づいて外乱の有無を判別する判別部を備えている請求項２から４の何れかに記載の測距装置。
【請求項６】
光源から出力される測定光を所定の変調信号によりＡＭ変調して測定対象物に照射し、前記測定光と前記測定対象物で反射された反射光との位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する測距方法であって、
前記光源をパルス駆動してバースト発光させ、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて変調信号の波数を検出し、検出された波数と位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光を出力する光源と、測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、レーザ光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて対象物Ｘに照射し、対象物Ｘからの反射光を受光素子ＰＤで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてＡＭ（Amplitude Modify）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式の二種類が実用化されている。ＡＭ方式は、図９（ａ）及び（数１）に示すように、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、ＴＯＦ方式は、図９（ｂ）及び（数２）に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式である。ここに、Ｌは対象物までの距離、Ｃは光速、ｆは変調周波数、Δφは位相差、Δｔは遅延時間を示す。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
【数２】
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【０００５】
この種の測距装置は、ロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用されている。さらに、車の形状や人の形状を認識する場合にも利用され、例えば、ＥＴＣシステムでは、車種を判別し、通過する車の数をカウントするセンサとして利用され、人の数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する監視センサに利用される。
【０００６】
ＡＭ方式では測定ポイントが多く取れるために距離演算の平均化処理が容易で、それにより計測精度が高くできるという特徴があるが、位相遅れが変調周波数の一周期を超えると正確な距離が測定できないという問題がある。
【０００７】
この問題に対処すべく、米国特許第５１８０９９２号では、互いに異なる三種類の変調周波数で測定光を変調し、それぞれの周波数に対応する反射光に基づく距離演算値から正しい距離を検出する技術が開示されている。この場合、距離の測定精度は最も周波数の高い信号により決定される。
【０００８】
一方、ＴＯＦ方式は、発光パルス幅の短いレーザ光が測定光として使用されるため、ＩＥＣ６０８２５−１のクラス1を満足しながらも、ＡＭ方式に比べて発光強度を高くでき、検出感度が高く長距離の計測が可能になるという特長がある。
【０００９】
ＴＯＦ方式では計測点が信号の立ち上がり点にしかないため、検出精度が低下するという問題点があり、この問題点に対処すべく、米国特許第５４５５６６９号では、反射信号を１．５ＧＨｚの計測用クロック信号のカウンタの立ち上がり信号と立ち下がり信号を利用して計測し、３ＧＨｚの分解能で距離を計測する技術が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５１８０９９２号明細書
【特許文献２】米国特許第５４５５６６９号明細書
【特許文献３】特開平５−２３２２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、通常の環境でＡＭ方式により距離を計測する場合には、対象物の移動や測定光の走査により急激に反射光の強度が変動して、受光素子で光電変換された反射信号の信号波形が崩れ、測定位相が３６０度以上ずれる波数エラーを発生することがあった。
【００１２】
さらに、特許文献１による場合には、１ポイントを計測するため、三種類の周波数で変調した測定光を照射する必要があるために発光時間が長くなり、一般環境向けレーザ距離装置に必要とされるレーザ光の人の目に対する安全性を確保するための安全規格ＩＥＣ６０８２５−１のクラス１の規定を満足させることが難しいという問題のもあった。
【００１３】
従って、再帰性反射板等でなる検出対象物が所定の移動エリアに配置され、所定のルートを移動するクレーン装置の走行軌跡の検出など、限られた環境下で、安全規格ＩＥＣ６０８２５−１のクラス２を満足する赤色レーザのレーザ距離装置に限定して使用されるに過ぎないのが現実である。
【００１４】
しかし、特許文献２による場合、３ＧＨｚで計測しても距離換算では５０ｍｍ単位の精度でしか計測できず、ロボットなどへの搭載に際して要求される演算分解能１０ｍｍ程度の高精度な測距を実現することは困難である。またＧＨｚ帯域の信号処理回路はＡＳＩＣ化が困難で、部品点数の削減が図れず、小型化が困難であるという問題もあった。
【００１５】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、ＡＭ方式を採用しながらも、発光時間を短くし、且つ、波数エラーを補うことのできる測距装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明による測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、測定光を出力する光源と、測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置であって、前記光源をパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部とを備え、前記距離演算部が前記波数検出部により検出された波数と前記位相差検出部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算出する点にある。
【００１７】
上述の構成によれば、バースト駆動部により光源から出力されるパルス状の測定光が、ＡＭ変調部によりＡＭ変調されて測定対象物に照射され、波数演算部によりその反射光の遅延時間に基づいて測定対象物までの距離が算出され、このとき算出された距離に基づいてＡＭ変調部による変調信号の波長が求められる。一方、位相差演算部では測定光と反射光の位相差が求められ、距離演算部ではその位相差に基づいて変調信号の一波長内における測定対象物までの仮の距離が算出され、求められた仮の距離に波数演算部で求められた波数が加算されて測定対象物までの正確な距離が算出される。つまり、測定対象物までの距離が変調信号の一波長以上にわたる場合であっても、波数演算部により求められる波数により正確な距離が算出されるようになる。
【００１８】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記位相差検出部は前記ＡＤ変換部で変換されたデジタル反射信号をフーリエ変換して前記位相差を検出する点にある。
【００１９】
上述の構成によれば、変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でＡＤ変換される結果、ＡＤ変換された信号値が反射信号の一変調周期の異なる位相に対応する複数の振幅データとして得られるようになる。このような信号値は反射信号と等しい位相情報が維持されるので、フーリエ変換により反射信号の位相を算出することができる。
【００２０】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記位相差検出部は、前記ＡＤ変換部で変換され、複数の変調周期にわたり位相が対応するサンプリングタイミング毎に平均化処理されたデジタル反射信号をフーリエ変換して前記位相差を検出する点にある。
【００２１】
上述の構成によれば、変調信号の複数周期にわたり対応する位相毎に平均化処理されるので、検出された反射信号の変動誤差が吸収されて精度よく位相差が求められるようになる。
【００２２】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記波数検出部は、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形を微分処理し、得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと前記測定光の出力タイミングに基づいて前記正弦波の波数を算出する点にある。
【００２３】
上述の構成よれば、ＡＤ変換された反射信号に対して、変調信号の一周期に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて求め、求まった平均値を時系列的に配列した平均波形が算出されるので、反射光の強度により検出光の立ち上がりタイミングに変動が生じる場合であっても平準化された立ち上がり特性の波形が得られるのである。そして、そのような平均波形を微分処理して得られた微分波形の重心位置を反射光の立ち上がりタイミングとすることにより、精度よく立ち上がりタイミングを算出することができるようになる。
【００２４】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に基づいて外乱の有無を判別する判別部を備えている点にある。
【００２５】
上述の構成によれば、反射光に何らかの外乱、例えば近傍に配置された同形式の測距装置殻の測定光による影響が生じている場合には、平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に顕著な変動が見出されるようになり、位相差検出部では検出できない外乱が効果的に転出できるようになる。
【００２６】
本発明による測距方法の特徴構成は、光源から出力される測定光を所定の変調信号によりＡＭ変調して測定対象物に照射し、前記測定光と前記測定対象物で反射された反射光との位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する測距方法であって、前記光源をパルス駆動してバースト発光させ、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて変調信号の波数を検出し、検出された波数と位相差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する点にある。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明した通り、本発明によれば、ＡＭ方式を採用しながらも、発光時間を短くし、且つ、波数エラーを補うことのできる測距装置を提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明による測距装置を走査式測距装置に適用した例を説明する。
【００２９】
図１に示すように、走査式測距装置１００は、内壁面が迷光を吸収する暗幕等の吸光部材で被覆された略円筒状のケーシング１０１に、測定光を出力する投光部３と反射光を検出する受光部５が対向配置され、投光部３と受光部５との間に測定光を走査する走査部４が配置されている。
【００３０】
走査部４は、所定の回転軸心Ｐ周りに回転する回転体８と、回転体８と一体回転する偏向ミラー９と、回転体８を回転駆動するモータ１１を備え、回転体８は、下端部が縮径された円筒状の周壁部８ａと天板部８ｂとからなり、その内周面に備えた軸受１２を介して中空軸１３によって回転可能に支承されている。
【００３１】
偏向ミラー９は、回転体８の天板部８ｂの上面に配置された第一偏向ミラー９ａと、天板部８ｂの下面に配置された第二偏向ミラー９ｂとで構成され、夫々が回転軸心Ｐに対して約４５度の傾斜角度で配置されている。
【００３２】
モータ１１は、縮径された周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられたマグネット１１ｂでなる回転子と、ケーシング側に配置されたコイル１１ａでなる固定子とで構成され、コイル１１ａとマグネット１１ｂとの相互作用により、回転体８が前記回転軸心Ｐ周りで回転可能に構成されている。
【００３３】
回転体８の外周面に光学的スリットを有するスリット板１５ａが設置されるとともに、スリット板１５ａの回転経路上にフォトインタラプタ１５ｂが配置され、これらにより回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が設けられている。
【００３４】
投光部３は、半導体レーザを用いた発光素子３ａでなる光源と、発光素子３ａの駆動回路３ｂを備えて構成され、発光素子３ａは、そこから出力される測定光の光軸Ｌ１と軸心Ｐが一致するようにケーシング１０１の上方に固定配置されるとともに光軸Ｌ１上に光のビーム径を一定にする光学レンズ３ｃが配置されている。
【００３５】
受光部５は、回転軸心Ｐ上に走査部４を挟んで投光部３と対向するように回転体８の内部に固定配置され、反射光を検出するアバランシェフォトダイオードでなる受光素子５ａと、受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する増幅回路５ｂを備えて構成されている。
【００３６】
ケーシング１０１の周壁部には、投光部３から出力された測定光が走査部４により測定対象空間に照射され、測定対象空間に存在する測定対象物Ｘで反射した反射光が受光部５で検出されるように、上下方向に一定幅を有する透光窓１０２が設けられている。
【００３７】
従って、投光部３から出射された測定光が光軸Ｌ１に沿って第一偏向ミラー９ａに入射して水平方向に偏向されて、透光窓１０２を介して測定対象空間に照射され、透光窓１０２を介して水平方向から入射した測定対象物からの反射光が第二偏向ミラー９ｂにより垂直下方に偏向されて受光部５に導かれる。
【００３８】
なお、反射光が受光部５に導かれる光軸Ｌ２上には、測定対象物からの反射光を受光部５に集束させる受光レンズ１４が設けられている。
【００３９】
ケーシング１０１の底部には、走査部４を回転制御するとともに、発光素子３ａを駆動制御して、受光部５で検出された反射信号に基づいて測定対象物までの距離を算出する信号処理基板９が配置されている。
【００４０】
信号処理基板９は、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて走査部４の回転角度を算出することにより、反射光に対応する測定対象物の位置する方位が把握される。
【００４１】
透明窓１０２は、測定光が回転軸心Ｐを中心として約１８０度から２７０度の範囲で走査可能に配置されており、透明窓１０２に対向するケーシング１０１の内壁部に、反射光により算出される距離を補正するための基準光を導く導光部材７としてのプリズムが配置されている。つまり、走査部４により測定光が一走査される度に、受光部５で導光部材７を介した基準光が検出され、このときに測距装置内での投光部３から受光部５までの基準距離が算出されるのである。
【００４２】
以下、信号処理基板９に構成されている信号処理回路について詳述する。信号処理回路は、図２に示すように、光源３ａをパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と発光された測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部とからなる駆動回路３ｂと、反射信号が受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する受光回路５ｂと、基準クロックを生成する発信器９４と、受光回路５ｂで増幅されたアナログ反射信号をデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部９０と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部９１と、測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部９２と、波数検出部９２により検出された波数と位相差検出部９１により検出された位相差に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離演算部９３等を備えて構成されている。
【００４３】
距離演算部９３はマイクロコンピュータ及びその周辺回路を備えて構成され、システム全体を制御するように構成され、距離演算部９３には、モータ１１を駆動するモータ制御回路１４と、走査角度検出部１５が接続されている。
【００４４】
システムに電源が投入されると、距離演算部９３からモータ制御回路１４にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路１４によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータ１１の回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号が距離演算部９３に入力され、当該パルス信号に基づいて距離演算部９３では走査部４による測定光の出力方向が把握される。
【００４５】
走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置、つまり、上述した導光部材７から受光部５に基準光が導かれる位置で、他と異なる間隔になるように形成されており、検出されるパルス信号の波形に基づいて基準位置が把握され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。
【００４６】
発信器９４から出力された基準クロックが分周器９５で１／Ｎに分周されて駆動回路３ｂに入力され、分周周期に基づく正弦波の変調信号が生成される。図３に示すように、距離演算部９３から出力される所定周期、本実施例では、１８μｓｅｃ．でデューティ比１．６％の駆動パルスに同期して光源が最大パワー２００ｍＷで０．２８８μｓｅｃ．駆動され、光源から出力される測定光が変調信号によりＡＭ変調されて測定光が出力される。つまり、測定光は正弦波でＡＭ変調されたバースト光として測定対象空間に照射される。測定対象物からの反射光は、測定光より光の伝播時間だけ遅延するとともに位相がずれて受光部５により検出される。ＡＤ変換部９０では、発信器９４から出力される基準クロックを分周器９６で１／Ｍに分周したサンプリング信号に基づいて反射信号がＡＤ変換される。
【００４７】
検出距離１０ｍを実現するには、ＡＭ方式では最大発光出力２００ｍｗ以上のパワーが測定光に要求される。そこで、レーザ光の安全基準であるＩＥＣ６０８２５−１のクラス１を実現するため、バースト状に発光させた測定光を用いることにより平均発光出力を下げてクラス1を実現するように設定しているのである。
【００４８】
図４に示すように、受光部５で検出された反射信号は、測定光と周波数及び位相が等しい変調信号に対して、その立ち上がりから時間Δｔだけ遅延するとともに位相がΔφずれている。例えば、変調周波数５０ＭＨｚの場合、信号１波長は約３ｍとなる。図で示した距離に比例する時間遅れΔｔは２波数＋Δφとなる。従って検出距離は、(２＋Δφ／２π)×３０００ｍｍと算出される。
【００４９】
波数検出部９２では駆動パルスの立ち上がりタイミングから反射信号の立ち上がりタイミングまでの時間遅れΔｔが検出され、時間遅れΔｔに基づいて上述した（数２）により当該時間遅れに対応する距離が求められ、その距離を変調信号の波長で除算することにより変調信号の波数が算出される。
【００５０】
位相差検出部９１では変調信号に対する反射信号の一波長内の位相遅れΔφが算出され、位相遅れΔφに基づいて上述した（数１）により当該位相遅れに対応する距離が検出される。
【００５１】
距離演算部９３では、波数検出部９２で検出された変調信号の波数と、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離を加算することにより測定対象物までの距離が算出される。
【００５２】
同様にして、基準光に対しても波数検出部９２で検出された変調信号の波数と、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離に基づいて基準距離が算出される。なお、基準距離が変調信号の波長よりも小さいときには波数を検出する必要はなく、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離が基準距離となる。
【００５３】
走査部４の一回転つまり一走査に一度基準距離が算出され、次の一走査の間に反射光に基づいて検出された測定対象物に対する距離が当該基準距離に基づいて補正される。このようにして、測距装置１００から測定対象物までの距離及び方位が検出されるのである。
【００５４】
以下、位相差検出部９１及び波数検出部９２について詳述する。位相差検出部９１は、ＡＤ変換部９０により時系列的にデジタル値に変換された反射信号を並べ替える並び替え処理部９１ａと、並び替えられた反射信号をフーリエ変換して反射信号の位相を検出する位相差算出部９１ｂを備えて構成されている。
【００５５】
本実施形態では、発信器９４により周波数５００ＭＨｚで発振する基準クロックが、分周器９５で１／９に分周（Ｎ＝９）された５５．５ＭＨｚのクロック信号に基づいて変調信号が生成される。また、ＡＤ変換部９０では、基準クロックが分周器９６で１／２に分周（Ｍ＝２）された周波数２５０ＭＨｚのサンプリングクロックによりＡＤ変換される。
【００５６】
つまり、サンプリング信号は変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回変調信号の特定位相と同期する信号となる。ここで、Ｎは正の整数値でＮの値を小さくすると、変調信号の一波長内でのサンプリング数が少なくなり、測定対象物からの不安定な反射光や、増幅器の周波数特性により反射信号が歪んだ場合、位相演算を間違うことがあるため、通常８以上の値を採用することが好ましい。
【００５７】
なお、高速のＡＤ変換器を用いると反射信号の一周期のサンプリング数が多くなり、それにより検出精度が向上するが、超高速のＡＤコンバータは非常に高価なため、コストと精度から最適な変換速度のＡＤコンバータを使用することが好ましい。
【００５８】
図５に示すように、ＡＤ変換部９０における周波数２５０ＭＨｚのサンプリングタイミングが９回に一度反射信号の特定位相と同期するようになり（図中、Ｄ１のサンプリングポイント）、他の８回のサンプリングタイミングでは夫々反射信号の一周期の異なる特定位相に対応する振幅データとして得られる。それら振幅データはサンプリングタイミングに対応して順次内部メモリに記憶される。
【００５９】
反射信号の二周期にわたる９回のサンプリングデータＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９により反射信号の一周期の各位相の振幅データが得られるので、それらのサンプリングデータＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９を、並び替え処理部９１ａにより対応する位相順でデータＡ１，Ａ２，・・・，Ａ９に並べ替え処理することにより、反射信号と等しい位相をもったままで変調周波数の１／２にダウンコンバートされた信号データが得られる。
【００６０】
つまり、変調信号に対するサンプリングタイミングの各位相のずれが、変調信号の周期の１／Ｎでない場合には、サンプリングされた振幅データを並びかえることにより変調信号と相似する正弦波データが再現されるのである。なお、このような信号処理に関連する技術は特開平５−２３２２３２号に詳述されている。
【００６１】
この場合、変調信号の約１６周期にわたる時間だけ測定光が出力されるので、ダウンコンバートされた８周期にわたる信号データを位相毎に加算平均された値に（数３）を適用してフーリエ変換することにより反射信号の位相θが算出される。つまり、位相差検出部９１は、複数の分周周期にわたり位相が対応するサンプリングタイミング毎に平均化処理されたデジタル反射信号をフーリエ変換して位相差を検出するように構成されている。なお、（数３）中、Ａｎは、各位相に対応する振幅値の加算平均値を示す。
【００６２】
【数３】
2008076131.tif 000005
【００６３】
上述の構成によれば、サンプリング信号と変調信号がともに発信器９４からの基準クロックにより生成されて同期がとられているため、測定光の位相を算出する必要が無く、算出された位相θが位相遅れΔφとして求められ、さらに、サンプリング時の波形のゆらぎによる影響が少なく高精度な測定が可能になる。
【００６４】
波数検出部９２は、図６及び図７に示すように、ＡＤ変換部９０で変換された一分周周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて得られる平均波形を微分処理する平均／微分演算部９２ａと、平均／微分演算部９２ａで得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと測定光の出力タイミングに基づいて正弦波の波数を算出する波数算出部９２ｂを備えて構成されている。
【００６５】
平均／微分演算部９２ａは、図６の上部に示すように、先ず、ＡＤ変換部９０で変換されたデジタル反射信号Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９、Ｄ１０，・・・，Ｄ１９，・・・に対して、一分周周期内のデジタル反射信号（Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９）、（Ｄ１０，Ｄ１１，・・・，Ｄ１８）・・・の移動平均値を求める処理を、一サンプリングタイミングずつずらせて行ない、図６の下部に示すように、得られた移動平均値をサンプリング周期に沿って配列することにより移動平均波形Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂ９，・・・を求める。
【００６６】
次に、図７に示すように、移動平均波形を微分処理して、移動平均波形の立ち上がり部と立下り部で微分エッジ信号ＡＤｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）を抽出し、抽出された立ち上がり部の微分エッジの頂点位置Ｗを（数４）に示す重心演算式で求め、頂点位置と距離演算部９３から出力される駆動パルスの立ち上がりエッジとの間の時間差を時間遅れΔｔとして算出する。（数４）中、Ｈｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）はサンプリング時間、ＡＤｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）はそのときの微分信号値である。
【００６７】
【数４】
2008076131.tif 000006
【００６８】
波数算出部９２ｂでは、求められた時間遅れΔｔを変調信号の周期で除算してその商により波数が求められる。このように、波数算出部９２ｂでは変調信号の波数が算出されるだけであるので、微分エッジの頂点位置Ｗの精度はそれほど要求されず、重心演算式では変調周波数の一周期のサンプリング数程度の信号数を対象とする演算でよいが、二周期のサンプリング数、つまり９ポイントの信号を対象とすることが好ましい。
【００６９】
本実施形態では、ＡＤ変換部９０で変換された時系列のデジタル反射信号に対して、移動平均波形を求めるものを説明したが、ＡＤ変換部９０で変換された時系列のデジタル反射信号を正弦波になるように並び換えた後に移動平均波形を求めるものであってもよい。この方法の方が加算信号が滑らかになり、波数演算の誤差を小さく抑えることができる。
【００７０】
本方式では、単一の変調信号により変調された反射信号を検出するため、受光回路５ｂに濾波特性の急峻な帯域フィルタを備え、外部から入射するノイズ光を効果的に除去することができるようになる。
【００７１】
しかし、測定光が同一の変調周波数で変調される測距装置が周辺に配置される場合には、それらの測定光も当該帯域フィルタを通過するため、以下の対策が施されている。
【００７２】
つまり、波数算出部９２ｂに、さらに、移動平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に基づいて外部からの干渉光の有無を判別する判別部を備えている。
【００７３】
具体的には、図８に示すように、測定光に他の測距装置からの干渉光が入射したり測定対象物の位置が急激に変動すると、反射光の波形に強弱の変動が生じ、これにより移動平均波形の立ち上がりから後のフラットな領域に変動が生じる。このような移動平均波形が微分処理されると、本来微分波形に現れないエッジが出現する。図８では、微分波形の立ち上がり部と立下り部の間に、本来存在しないエッジが検出されるようになる。
【００７４】
判別部がこのような好ましくないエッジを検出したときに、位相差検出部９１による検出結果が信頼できない旨を示すエラー信号を距離演算部９３に出力するように構成することにより、同タイミングの測距演算をキャンセルすることができるようになる。この場合には、例えば、装置に設けられた表示部にエラー表示するように構成することができる。
【００７５】
また、判別部がこのような好ましくないエッジを検出したときに、その検出タイミングを位相検出部９１に出力するように構成する場合には、位相検出部９１が、通常実行される８周期にわたる信号データの位相毎の加算平均処理から、該当周期のデータを除去した残余の正常なデータのみに基づいて加算平均処理を行なうことにより検出精度の低下を招くことなく、反射信号の位相θを算出することができるようになる。
【００７６】
上述した位相差検出部９１、波数検出部９２の信号処理ブロックは複数の論理演算素子を集積化したＡＳＩＣで構成することができ、必要に応じてデジタルシグナルプロセッサを組み込むことにより実現することができる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態では、約１０ｍの検出距離を約７．５ｍｍの検出精度で検出実現できるようになる。
【００７８】
以下、別実施形態について説明する。
【００７９】
発振器９４の発振周波数、分周器９５の分周比、光源に対するパルス駆動信号の周期及びデューティ比は例示であり、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であるが、計測精度１０ｍｍを実現するには、変調信号５０ＭＨｚ以上且つ検出ポイント数６０点以上必要であることは、実験により明らかになっている。
【００８０】
上述した実施形態では、本発明を走査式測距装置に適用した場合を説明したが、本発明の適用対象は走査式測距装置に限るものではなく、ＡＭ方式による測距装置であればその対象が制限されるものではない。
【００８１】
上述した実施形態は、本発明の一実施例であり、形状、材料、回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。例えば、受光部５を投光部３側に配置し、走査部４に設けた第一偏向ミラー９ａと第二偏向ミラー９ｂでなる偏向ミラーを単一の偏向ミラーで構成し、反射光を受光部５に導く光学系を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明による測距装置の全体構成を示す概略縦断面図
【図２】信号処理回路のブロック構成図
【図３】測定光と反射光の波形説明図
【図４】測定対象物に照射される測定光と測定対象物から反射される反射光のタイミング説明図
【図５】位相差検出部による信号処理手順の説明図
【図６】波数検出部による信号処理手順の説明図
【図７】波数検出部による微分処理及び重心位置算出処理の信号処理手順の説明図
【図８】判別部による反射信号の異常判別処理の説明図
【図９】ＡＭ方式とＴＯＦ方式の測距原理の説明図
【符号の説明】
【００８３】
３：投光部
３ａ：光源
３ｂ：ＡＭ変調部、バースト駆動部（駆動回路）
４：走査部
５：受光部
５ａ：受光素子
５ｂ：受光回路（増幅回路）
７：導光部材
８：回転体
９：偏向ミラー
１１：モータ
９０：ＡＤ変換部
９１：位相差検出部
９２：波数検出部
９３：距離演算部
【図１】
2008076131.tif 000007
【図２】
2008076131.tif 000008
【図３】
2008076131.tif 000009
【図４】
2008076131.tif 000010
【図５】
2008076131.tif 000011
【図６】
2008076131.tif 000012
【図７】
2008076131.tif 000013
【図８】
2008076131.tif 000014
【図９】
2008076131.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出力する光源と、前記光源をパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と、バースト発光された測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部と、前記波数検出部により検出された波数と前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置であって、
前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記波数検出部は、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形を微分処理し、得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと前記測定光の出力タイミングに基づいて前記正弦波の波数を算出する測距装置。
【請求項２】
前記平均波形の立ち上がり部と立下り部の間の波形を微分処理し、エッジが検出されたときに外乱が発生したと判別する判別部を備えている請求項２記載の測距装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光を出力する光源と、測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、レーザ光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて対象物Ｘに照射し、対象物Ｘからの反射光を受光素子ＰＤで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてＡＭ（Amplitude Modify）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式の二種類が実用化されている。ＡＭ方式は、図９（ａ）及び（数１）に示すように、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、ＴＯＦ方式は、図９（ｂ）及び（数２）に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式である。ここに、Ｌは対象物までの距離、Ｃは光速、ｆは変調周波数、Δφは位相差、Δｔは遅延時間を示す。
【０００３】
【数１】
2008076131.tif 000016
【０００４】
【数２】
2008076131.tif 000017
【０００５】
この種の測距装置は、ロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用されている。さらに、車の形状や人の形状を認識する場合にも利用され、例えば、ＥＴＣシステムでは、車種を判別し、通過する車の数をカウントするセンサとして利用され、人の数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する監視センサに利用される。
【０００６】
ＡＭ方式では測定ポイントが多く取れるために距離演算の平均化処理が容易で、それにより計測精度が高くできるという特徴があるが、位相遅れが変調周波数の一周期を超えると正確な距離が測定できないという問題がある。
【０００７】
この問題に対処すべく、米国特許第５１８０９９２号では、互いに異なる三種類の変調周波数で測定光を変調し、それぞれの周波数に対応する反射光に基づく距離演算値から正しい距離を検出する技術が開示されている。この場合、距離の測定精度は最も周波数の高い信号により決定される。
【０００８】
一方、ＴＯＦ方式は、発光パルス幅の短いレーザ光が測定光として使用されるため、ＩＥＣ６０８２５−１のクラス1を満足しながらも、ＡＭ方式に比べて発光強度を高くでき、検出感度が高く長距離の計測が可能になるという特長がある。
【０００９】
ＴＯＦ方式では計測点が信号の立ち上がり点にしかないため、検出精度が低下するという問題点があり、この問題点に対処すべく、米国特許第５４５５６６９号では、反射信号を１．５ＧＨｚの計測用クロック信号のカウンタの立ち上がり信号と立ち下がり信号を利用して計測し、３ＧＨｚの分解能で距離を計測する技術が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５１８０９９２号明細書
【特許文献２】米国特許第５４５５６６９号明細書
【特許文献３】特開平５−２３２２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、通常の環境でＡＭ方式により距離を計測する場合には、対象物の移動や測定光の走査により急激に反射光の強度が変動して、受光素子で光電変換された反射信号の信号波形が崩れ、測定位相が３６０度以上ずれる波数エラーを発生することがあった。
【００１２】
さらに、特許文献１による場合には、１ポイントを計測するため、三種類の周波数で変調した測定光を照射する必要があるために発光時間が長くなり、一般環境向けレーザ距離装置に必要とされるレーザ光の人の目に対する安全性を確保するための安全規格ＩＥＣ６０８２５−１のクラス１の規定を満足させることが難しいという問題のもあった。
【００１３】
従って、再帰性反射板等でなる検出対象物が所定の移動エリアに配置され、所定のルートを移動するクレーン装置の走行軌跡の検出など、限られた環境下で、安全規格ＩＥＣ６０８２５−１のクラス２を満足する赤色レーザのレーザ距離装置に限定して使用されるに過ぎないのが現実である。
【００１４】
しかし、特許文献２による場合、３ＧＨｚで計測しても距離換算では５０ｍｍ単位の精度でしか計測できず、ロボットなどへの搭載に際して要求される演算分解能１０ｍｍ程度の高精度な測距を実現することは困難である。またＧＨｚ帯域の信号処理回路はＡＳＩＣ化が困難で、部品点数の削減が図れず、小型化が困難であるという問題もあった。
【００１５】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、ＡＭ方式を採用しながらも、発光時間を短くし、且つ、波数エラーを補うことのできる測距装置を安価に提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明による測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、測定光を出力する光源と、前記光源をパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と、バースト発光された測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部と、前記ＡＭ変調部により変調された測定光が測定対象物で反射された反射光を検出する受光部と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部と、前記測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部と、前記波数検出部により検出された波数と前記位相差検出部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算出する距離演算部を備えてなる測距装置であって、前記受光部で検出された反射光に対応するアナログ反射信号を、前記変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回前記変調信号の特定位相と同期するサンプリング信号でデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部を備え、前記波数検出部は、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形を微分処理し、得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと前記測定光の出力タイミングに基づいて前記正弦波の波数を算出する点にある。
【００１７】
上述の構成によれば、バースト駆動部により光源から出力されるパルス状の測定光が、ＡＭ変調部によりＡＭ変調されて測定対象物に照射され、波数演算部によりその反射光の遅延時間に基づいて測定対象物までの距離が算出され、このとき算出された距離に基づいてＡＭ変調部による変調信号の波長が求められる。一方、位相差演算部では測定光と反射光の位相差が求められ、距離演算部ではその位相差に基づいて変調信号の一波長内における測定対象物までの仮の距離が算出され、求められた仮の距離に波数演算部で求められた波数が加算されて測定対象物までの正確な距離が算出される。つまり、測定対象物までの距離が変調信号の一波長以上にわたる場合であっても、波数演算部により求められる波数により正確な距離が算出されるようになる。
【００１８】
このとき、ＡＤ変換された反射信号に対して、変調信号の一周期に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて求め、求まった平均値を時系列的に配列した平均波形が算出されるので、反射光の強度により検出光の立ち上がりタイミングに変動が生じる場合であっても平準化された立ち上がり特性の波形が得られるのである。そして、そのような平均波形を微分処理して得られた微分波形の重心位置を反射光の立ち上がりタイミングとすることにより、精度よく立ち上がりタイミングを算出することができるようになる。
【００１９】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記ＡＤ変換部で変換された一変調周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて算出し、前記平均値を時系列で配列した平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に基づいて外乱の有無を判別する判別部を備えている点にある。
【００２０】
上述の構成によれば、反射光に何らかの外乱、例えば近傍に配置された同形式の測距装置からの測定光による影響が生じている場合には、平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に顕著な変動が見出されるようになり、位相差検出部では検出できない外乱が効果的に検出できるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した通り、本発明によれば、ＡＭ方式を採用しながらも、発光時間を短くし、且つ、波数エラーを補うことのできる測距装置を安価に提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明による測距装置を走査式測距装置に適用した例を説明する。
【００２３】
図１に示すように、走査式測距装置１００は、内壁面が迷光を吸収する暗幕等の吸光部材で被覆された略円筒状のケーシング１０１に、測定光を出力する投光部３と反射光を検出する受光部５が対向配置され、投光部３と受光部５との間に測定光を走査する走査部４が配置されている。
【００２４】
走査部４は、所定の回転軸心Ｐ周りに回転する回転体８と、回転体８と一体回転する偏向ミラー９と、回転体８を回転駆動するモータ１１を備え、回転体８は、下端部が縮径された円筒状の周壁部８ａと天板部８ｂとからなり、その内周面に備えた軸受１２を介して中空軸１３によって回転可能に支承されている。
【００２５】
偏向ミラー９は、回転体８の天板部８ｂの上面に配置された第一偏向ミラー９ａと、天板部８ｂの下面に配置された第二偏向ミラー９ｂとで構成され、夫々が回転軸心Ｐに対して約４５度の傾斜角度で配置されている。
【００２６】
モータ１１は、縮径された周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられたマグネット１１ｂでなる回転子と、ケーシング側に配置されたコイル１１ａでなる固定子とで構成され、コイル１１ａとマグネット１１ｂとの相互作用により、回転体８が前記回転軸心Ｐ周りで回転可能に構成されている。
【００２７】
回転体８の外周面に光学的スリットを有するスリット板１５ａが設置されるとともに、スリット板１５ａの回転経路上にフォトインタラプタ１５ｂが配置され、これらにより回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が設けられている。
【００２８】
投光部３は、半導体レーザを用いた発光素子３ａでなる光源と、発光素子３ａの駆動回路３ｂを備えて構成され、発光素子３ａは、そこから出力される測定光の光軸Ｌ１と軸心Ｐが一致するようにケーシング１０１の上方に固定配置されるとともに光軸Ｌ１上に光のビーム径を一定にする光学レンズ３ｃが配置されている。
【００２９】
受光部５は、回転軸心Ｐ上に走査部４を挟んで投光部３と対向するように回転体８の内部に固定配置され、反射光を検出するアバランシェフォトダイオードでなる受光素子５ａと、受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する増幅回路５ｂを備えて構成されている。
【００３０】
ケーシング１０１の周壁部には、投光部３から出力された測定光が走査部４により測定対象空間に照射され、測定対象空間に存在する測定対象物Ｘで反射した反射光が受光部５で検出されるように、上下方向に一定幅を有する透光窓１０２が設けられている。
【００３１】
従って、投光部３から出射された測定光が光軸Ｌ１に沿って第一偏向ミラー９ａに入射して水平方向に偏向されて、透光窓１０２を介して測定対象空間に照射され、透光窓１０２を介して水平方向から入射した測定対象物からの反射光が第二偏向ミラー９ｂにより垂直下方に偏向されて受光部５に導かれる。
【００３２】
なお、反射光が受光部５に導かれる光軸Ｌ２上には、測定対象物からの反射光を受光部５に集束させる受光レンズ１４が設けられている。
【００３３】
ケーシング１０１の底部には、走査部４を回転制御するとともに、発光素子３ａを駆動制御して、受光部５で検出された反射信号に基づいて測定対象物までの距離を算出する信号処理基板９が配置されている。
【００３４】
信号処理基板９は、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて走査部４の回転角度を算出することにより、反射光に対応する測定対象物の位置する方位が把握される。
【００３５】
透明窓１０２は、測定光が回転軸心Ｐを中心として約１８０度から２７０度の範囲で走査可能に配置されており、透明窓１０２に対向するケーシング１０１の内壁部に、反射光により算出される距離を補正するための基準光を導く導光部材７としてのプリズムが配置されている。つまり、走査部４により測定光が一走査される度に、受光部５で導光部材７を介した基準光が検出され、このときに測距装置内での投光部３から受光部５までの基準距離が算出されるのである。
【００３６】
以下、信号処理基板９に構成されている信号処理回路について詳述する。信号処理回路は、図２に示すように、光源３ａをパルス駆動してバースト発光させるバースト駆動部と発光された測定光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調するＡＭ変調部とからなる駆動回路３ｂと、反射信号が受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する受光回路５ｂと、基準クロックを生成する発信器９４と、受光回路５ｂで増幅されたアナログ反射信号をデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部９０と、測定光と反射光との位相差を求める位相差検出部９１と、測定光の出力から反射光の検出までの遅延時間に基づいて前記正弦波の波数を検出する波数検出部９２と、波数検出部９２により検出された波数と位相差検出部９１により検出された位相差に基づいて測定対象物までの距離を算出する距離演算部９３等を備えて構成されている。
【００３７】
距離演算部９３はマイクロコンピュータ及びその周辺回路を備えて構成され、システム全体を制御するように構成され、距離演算部９３には、モータ１１を駆動するモータ制御回路１４と、走査角度検出部１５が接続されている。
【００３８】
システムに電源が投入されると、距離演算部９３からモータ制御回路１４にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路１４によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータ１１の回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号が距離演算部９３に入力され、当該パルス信号に基づいて距離演算部９３では走査部４による測定光の出力方向が把握される。
【００３９】
走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置、つまり、上述した導光部材７から受光部５に基準光が導かれる位置で、他と異なる間隔になるように形成されており、検出されるパルス信号の波形に基づいて基準位置が把握され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。
【００４０】
発信器９４から出力された基準クロックが分周器９５で１／Ｎに分周されて駆動回路３ｂに入力され、分周周期に基づく正弦波の変調信号が生成される。図３に示すように、距離演算部９３から出力される所定周期、本実施例では、１８μｓｅｃ．でデューティ比１．６％の駆動パルスに同期して光源が最大パワー２００ｍＷで０．２８８μｓｅｃ．駆動され、光源から出力される測定光が変調信号によりＡＭ変調されて測定光が出力される。つまり、測定光は正弦波でＡＭ変調されたバースト光として測定対象空間に照射される。測定対象物からの反射光は、測定光より光の伝播時間だけ遅延するとともに位相がずれて受光部５により検出される。ＡＤ変換部９０では、発信器９４から出力される基準クロックを分周器９６で１／Ｍに分周したサンプリング信号に基づいて反射信号がＡＤ変換される。
【００４１】
検出距離１０ｍを実現するには、ＡＭ方式では最大発光出力２００ｍｗ以上のパワーが測定光に要求される。そこで、レーザ光の安全基準であるＩＥＣ６０８２５−１のクラス１を実現するため、バースト状に発光させた測定光を用いることにより平均発光出力を下げてクラス1を実現するように設定しているのである。
【００４２】
図４に示すように、受光部５で検出された反射信号は、測定光と周波数及び位相が等しい変調信号に対して、その立ち上がりから時間Δｔだけ遅延するとともに位相がΔφずれている。例えば、変調周波数５０ＭＨｚの場合、信号１波長は約６ｍとなる。図で示した距離に比例する時間遅れΔｔは２波数＋Δφとなる。従って検出距離は、(２＋Δφ／２π)×６０００×１／２ｍｍと算出される。
【００４３】
波数検出部９２では駆動パルスの立ち上がりタイミングから反射信号の立ち上がりタイミングまでの時間遅れΔｔが検出され、時間遅れΔｔに基づいて上述した（数２）により当該時間遅れに対応する距離が求められ、その距離を変調信号の波長で除算することにより変調信号の波数が算出される。
【００４４】
位相差検出部９１では変調信号に対する反射信号の一波長内の位相遅れΔφが算出され、位相遅れΔφに基づいて上述した（数１）により当該位相遅れに対応する距離が検出される。
【００４５】
距離演算部９３では、波数検出部９２で検出された変調信号の波数と、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離を加算することにより測定対象物までの距離が算出される。
【００４６】
同様にして、基準光に対しても波数検出部９２で検出された変調信号の波数と、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離に基づいて基準距離が算出される。なお、基準距離が変調信号の波長よりも小さいときには波数を検出する必要はなく、位相差検出部９１で検出された一波長内の位相遅れΔφに対応する距離が基準距離となる。
【００４７】
走査部４の一回転つまり一走査に一度基準距離が算出され、次の一走査の間に反射光に基づいて検出された測定対象物に対する距離が当該基準距離に基づいて補正される。このようにして、測距装置１００から測定対象物までの距離及び方位が検出されるのである。
【００４８】
以下、位相差検出部９１及び波数検出部９２について詳述する。位相差検出部９１は、ＡＤ変換部９０により時系列的にデジタル値に変換された反射信号を並べ替える並び替え処理部９１ａと、並び替えられた反射信号をフーリエ変換して反射信号の位相を検出する位相差算出部９１ｂを備えて構成されている。
【００４９】
本実施形態では、発信器９４により周波数５００ＭＨｚで発振する基準クロックが、分周器９５で１／９に分周（Ｎ＝９）された５５．５ＭＨｚのクロック信号に基づいて変調信号が生成される。また、ＡＤ変換部９０では、基準クロックが分周器９６で１／２に分周（Ｍ＝２）された周波数２５０ＭＨｚのサンプリングクロックによりＡＤ変換される。
【００５０】
つまり、サンプリング信号は変調信号と周波数をずらしてＮ回に１回変調信号の特定位相と同期する信号となる。ここで、Ｎは正の整数値でＮの値を小さくすると、変調信号の一波長内でのサンプリング数が少なくなり、測定対象物からの不安定な反射光や、増幅器の周波数特性により反射信号が歪んだ場合、位相演算を間違うことがあるため、通常８以上の値を採用することが好ましい。
【００５１】
なお、高速のＡＤ変換器を用いると反射信号の一周期のサンプリング数が多くなり、それにより検出精度が向上するが、超高速のＡＤコンバータは非常に高価なため、コストと精度から最適な変換速度のＡＤコンバータを使用することが好ましい。
【００５２】
図５に示すように、ＡＤ変換部９０における周波数２５０ＭＨｚのサンプリングタイミングが９回に一度反射信号の特定位相と同期するようになり（図中、Ｄ１のサンプリングポイント）、他の８回のサンプリングタイミングでは夫々反射信号の一周期の異なる特定位相に対応する振幅データとして得られる。それら振幅データはサンプリングタイミングに対応して順次内部メモリに記憶される。
【００５３】
反射信号の二周期にわたる９回のサンプリングデータＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９により反射信号の一周期の各位相の振幅データが得られるので、それらのサンプリングデータＤ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９を、並び替え処理部９１ａにより対応する位相順でデータＡ１，Ａ２，・・・，Ａ９に並べ替え処理することにより、反射信号と等しい位相をもったままで変調周波数の１／２にダウンコンバートされた信号データが得られる。
【００５４】
つまり、変調信号に対するサンプリングタイミングの各位相のずれが、変調信号の周期の１／Ｎでない場合には、サンプリングされた振幅データを並びかえることにより変調信号と相似する正弦波データが再現されるのである。なお、このような信号処理に関連する技術は特開平５−２３２２３２号に詳述されている。
【００５５】
この場合、変調信号の約１６周期にわたる時間だけ測定光が出力されるので、ダウンコンバートされた８周期にわたる信号データを位相毎に加算平均された値に（数３）を適用してフーリエ変換することにより反射信号の位相θが算出される。つまり、位相差検出部９１は、複数の分周周期にわたり位相が対応するサンプリングタイミング毎に平均化処理されたデジタル反射信号をフーリエ変換して位相差を検出するように構成されている。なお、（数３）中、Ａｎは、各位相に対応する振幅値の加算平均値を示す。
【００５６】
【数３】
2008076131.tif 000018
【００５７】
上述の構成によれば、サンプリング信号と変調信号がともに発信器９４からの基準クロックにより生成されて同期がとられているため、測定光の位相を算出する必要が無く、算出された位相θが位相遅れΔφとして求められ、さらに、サンプリング時の波形のゆらぎによる影響が少なく高精度な測定が可能になる。
【００５８】
波数検出部９２は、図６及び図７に示すように、ＡＤ変換部９０で変換された一分周周期内のデジタル反射信号に対する平均値を一サンプリングタイミングずつずらせて得られる平均波形を微分処理する平均／微分演算部９２ａと、平均／微分演算部９２ａで得られた微分波形の重心位置を示すタイミングと測定光の出力タイミングに基づいて正弦波の波数を算出する波数算出部９２ｂを備えて構成されている。
【００５９】
平均／微分演算部９２ａは、図６の上部に示すように、先ず、ＡＤ変換部９０で変換されたデジタル反射信号Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９、Ｄ１０，・・・，Ｄ１９，・・・に対して、一分周周期内のデジタル反射信号（Ｄ１，Ｄ２，・・・，Ｄ９）、（Ｄ１０，Ｄ１１，・・・，Ｄ１８）・・・の移動平均値を求める処理を、一サンプリングタイミングずつずらせて行ない、図６の下部に示すように、得られた移動平均値をサンプリング周期に沿って配列することにより移動平均波形Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂ９，・・・を求める。
【００６０】
次に、図７に示すように、移動平均波形を微分処理して、移動平均波形の立ち上がり部と立下り部で微分エッジ信号ＡＤｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）を抽出し、抽出された立ち上がり部の微分エッジの頂点位置Ｗを（数４）に示す重心演算式で求め、頂点位置と距離演算部９３から出力される駆動パルスの立ち上がりエッジとの間の時間差を時間遅れΔｔとして算出する。（数４）中、Ｈｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）はサンプリング時間、ＡＤｍ（ｍ＝１，２，３、・・・）はそのときの微分信号値である。
【００６１】
【数４】
2008076131.tif 000019
【００６２】
波数算出部９２ｂでは、求められた時間遅れΔｔを変調信号の周期で除算してその商により波数が求められる。このように、波数算出部９２ｂでは変調信号の波数が算出されるだけであるので、微分エッジの頂点位置Ｗの精度はそれほど要求されず、重心演算式では変調周波数の一周期のサンプリング数程度の信号数を対象とする演算でよいが、二周期のサンプリング数、つまり９ポイントの信号を対象とすることが好ましい。
【００６３】
本実施形態では、ＡＤ変換部９０で変換された時系列のデジタル反射信号に対して、移動平均波形を求めるものを説明したが、ＡＤ変換部９０で変換された時系列のデジタル反射信号を正弦波になるように並び換えた後に移動平均波形を求めるものであってもよい。この方法の方が加算信号が滑らかになり、波数演算の誤差を小さく抑えることができる。
【００６４】
本方式では、単一の変調信号により変調された反射信号を検出するため、受光回路５ｂに濾波特性の急峻な帯域フィルタを備え、外部から入射するノイズ光を効果的に除去することができるようになる。
【００６５】
しかし、測定光が同一の変調周波数で変調される測距装置が周辺に配置される場合には、それらの測定光も当該帯域フィルタを通過するため、以下の対策が施されている。
【００６６】
つまり、波数算出部９２ｂに、さらに、移動平均波形の立ち上がりから立下りまでの間の波形に基づいて外部からの干渉光の有無を判別する判別部を備えている。
【００６７】
具体的には、図８に示すように、測定光に他の測距装置からの干渉光が入射したり測定対象物の位置が急激に変動すると、反射光の波形に強弱の変動が生じ、これにより移動平均波形の立ち上がりから後のフラットな領域に変動が生じる。このような移動平均波形が微分処理されると、本来微分波形に現れないエッジが出現する。図８では、微分波形の立ち上がり部と立下り部の間に、本来存在しないエッジが検出されるようになる。
【００６８】
判別部がこのような好ましくないエッジを検出したときに、位相差検出部９１による検出結果が信頼できない旨を示すエラー信号を距離演算部９３に出力するように構成することにより、同タイミングの測距演算をキャンセルすることができるようになる。この場合には、例えば、装置に設けられた表示部にエラー表示するように構成することができる。
【００６９】
また、判別部がこのような好ましくないエッジを検出したときに、その検出タイミングを位相検出部９１に出力するように構成する場合には、位相検出部９１が、通常実行される８周期にわたる信号データの位相毎の加算平均処理から、該当周期のデータを除去した残余の正常なデータのみに基づいて加算平均処理を行なうことにより検出精度の低下を招くことなく、反射信号の位相θを算出することができるようになる。
【００７０】
上述した位相差検出部９１、波数検出部９２の信号処理ブロックは複数の論理演算素子を集積化したＡＳＩＣで構成することができ、必要に応じてデジタルシグナルプロセッサを組み込むことにより実現することができる。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態では、約１０ｍの検出距離を約７．５ｍｍの検出精度で検出実現できるようになる。
【００７２】
以下、別実施形態について説明する。
【００７３】
発振器９４の発振周波数、分周器９５の分周比、光源に対するパルス駆動信号の周期及びデューティ比は例示であり、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であるが、計測精度１０ｍｍを実現するには、変調信号５０ＭＨｚ以上且つ検出ポイント数６０点以上必要であることは、実験により明らかになっている。
【００７４】
上述した実施形態では、本発明を走査式測距装置に適用した場合を説明したが、本発明の適用対象は走査式測距装置に限るものではなく、ＡＭ方式による測距装置であればその対象が制限されるものではない。
【００７５】
上述した実施形態は、本発明の一実施例であり、形状、材料、回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。例えば、受光部５を投光部３側に配置し、走査部４に設けた第一偏向ミラー９ａと第二偏向ミラー９ｂでなる偏向ミラーを単一の偏向ミラーで構成し、反射光を受光部５に導く光学系を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明による測距装置の全体構成を示す概略縦断面図
【図２】信号処理回路のブロック構成図
【図３】測定光と反射光の波形説明図
【図４】測定対象物に照射される測定光と測定対象物から反射される反射光のタイミング説明図
【図５】位相差検出部による信号処理手順の説明図
【図６】波数検出部による信号処理手順の説明図
【図７】波数検出部による微分処理及び重心位置算出処理の信号処理手順の説明図
【図８】判別部による反射信号の異常判別処理の説明図
【図９】ＡＭ方式とＴＯＦ方式の測距原理の説明図
【符号の説明】
【００７７】
３：投光部
３ａ：光源
３ｂ：ＡＭ変調部、バースト駆動部（駆動回路）
４：走査部
５：受光部
５ａ：受光素子
５ｂ：受光回路（増幅回路）
７：導光部材
８：回転体
９：偏向ミラー
１１：モータ
９０：ＡＤ変換部
９１：位相差検出部
９２：波数検出部
９３：距離演算部