(57)【要約】【課題】参照波及び反射波の到達時刻を正確に判定して高速高精度な距離計測を行う。【解決手段】物体９に向けて投射したパルス状の電磁波の物体からの反射波Ｒを受信部で受信するとともに、上記電磁波から分岐した参照波Ｓを既知の距離を経由させて受信部で受信し、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し、該時間差に基づいて物体までの距離を計測するにあたり、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルＶ０に到達する時刻ＴＶ０と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルＡＶ０に到達する時刻とＴＡＶ０を計測し、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻ＴＡｆを算出し、求めた立ち上がり時刻ＴＡｆをもとに上記時間差を算出して物体までの距離を計測する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に向けて投射したパルス状の電磁波の物体からの反射波を受信部で受信するとともに、上記電磁波から分岐した参照波を既知の距離を経由させて受信部で受信し、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し、該時間差に基づいて物体までの距離を計測する距離計測方法において、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測して、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻を算出し、求めた立ち上がり時刻をもとに上記時間差を算出して物体までの距離を計測することを特徴とする距離計測方法。
【請求項２】
参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルＶ０に到達時刻ＴＶ０と、第１の閾値レベルＶ０の整数Ａ倍である第２の閾値レベルＡＶ０に到達する時刻ＴＡＶ０とを計測し、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻ＴＡｆを
ＴＡｆ＝｛１／（Ａ−１）｝×（Ａ・ＴＶ０−ＴＡＶ０）
で算出することを特徴とする請求項１記載の距離計測方法。
【請求項３】
第１の閾値レベルを有する第１のコンパレータと第２の閾値を有する第２のコンパレータの２つのコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測することを特徴とする請求項１または２記載の距離計測方法。
【請求項４】
第１の閾値レベルと第２の閾値レベルとが切り換えられる単一のコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測することを特徴とする請求項１または２記載の距離計測方法。
【請求項５】
物体に向けてパルス状の電磁波を投射する発信部と、発信部から発信させた電磁波から参照波を分岐させる分岐手段と、投射された電磁波の物体からの反射波と上記参照波とを受信する受信部と、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し該時間差に基づいて物体までの距離を演算する演算処理部とを備えるとともに、受信部で受信した参照波及び反射波の波形に応じて受信した信号パルスの基準時刻を決定する演算部を備えていることを特徴とする距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体に電磁波を照射し、電磁波を送波してから物体により反射された電磁波が受波されるまでの時間に基づいて物体までの距離を計測する距離計測方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体に向けて照射した電磁波の送波してから物体により反射された電磁波が受波されるまでの時間に基づいて物体までの距離を計測するタイムオブフライト法による距離計測方法において、送波した電磁波の一部を既知の距離を経由する参照波として、物体による反射波と参照波とを一つの受波手段により受波し、受波手段より出力される信号成分を反射波に対応する反射信号成分と参照波に対応する参照信号成分とに分離し、参照波の受信時刻と反射波の受信時刻との時間差から物体までの距離を演算するとともに、この時、反射信号成分を所定の遅延時間だけ遅延させたタイミングでパルス状の電磁波を送波する動作を規定回数繰り返すとともに最初に反射信号成分を検出してから前記規定回数に達するまでに要した時間を積算する第１の期間と、参照信号成分を上記遅延時間だけ遅延させたタイミングでパルス状の電磁波を送波する動作を前記規定回数繰り返すとともに最初に参照信号成分を検出してから前記規定回数に達するまでに要した時間を積算する第２の期間とを設け、第１の期間で求めた積算値から第２の期間で求めた積算値を減算し、減算結果を前記規定回数から１を引いた値で除算し、除算の結果を電磁波の送波から反射波の受波までの時間として用いたり、あるいは反射信号成分を所定の遅延時間だけ遅延させたタイミングでパルス状の電磁波を送波する動作を規定回数繰り返すとともに最初に反射信号成分を検出してから前記規定回数に達するまでに要した時間を積算する第１の期間と、参照信号成分を上記遅延時間だけ遅延させたタイミングでパルス状の電磁波を送波する動作を前記規定回数繰り返すとともに最初に参照信号成分を検出してから前記規定回数に達するまでに要した時間を積算する第２の期間とを設け、第１の期間で求めた積算値から第２の期間で求めた積算値を減算し、第１の期間と第２の期間とを交互に設定回数繰り返して減算結果の総和を求めた後に、前記規定回数と前記設定回数との積で減算結果の総和を除算し、除算の結果を電磁波の送波から反射波の受波までの時間として用いることを本出願人は特開２００１−１２４８５５公報で提案した。
【０００３】
この場合、物体波が送波されてから反射波を受波するまでの期間を正確に求めることができ、規定回数を適宜の大きさに設定することによって計時時間を長くすれば、比較的低精度で計時しても距離を高精度に測定できる上に、遅延時間を適宜に設定することによって電磁波を送波する周期を比較的長くすることができることから、比較的低い周波数に対応した部品を用いることが可能になって、高周波用の部品を用いる場合に比較すると低価格で提供することが可能になり、しかも、１つの受波手段で参照波と反射波とを受波しており、受波手段から出力される信号成分から反射信号成分と参照信号成分とを抽出するから、反射信号成分および参照信号成分の分離を電気的に行うことができて、光路を切り換える場合のような機械的構成が不要であり、結果的に構成が簡単で故障の可能性を低減することができ、しかも高速に処理することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような計測方法においては、受信した参照波及び反射波の信号は、通常、両者においてピークが異なり、単一の発信部から発信した電磁波であるにもかかわらず、波形も異なってしまっていることが多い。
【０００５】
このために単純にある閾値を越えたかどうかでその信号の到達時刻を判定すると、参照波と反射波とにおいて、実際の到達時刻に対するずれが異なってくることがある。
【０００６】
もちろん、上記のパルス状の電磁波を送波する動作を規定回数繰り返す動作は、上記ずれによる影響を少なくして距離の計測精度を上げることになるのであるが、正確な到達時刻を検出できるのであれば、繰り返し回数を少なくすることができるために、距離測定に要する時間を短縮することができる。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは参照波及び反射波の到達時刻を正確に判定して高速高精度な距離計測を行うことができる距離計測方法及びその装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る距離計測方法は、物体に向けて投射したパルス状の電磁波の物体からの反射波を受信部で受信するとともに、上記電磁波から分岐した参照波を既知の距離を経由させて受信部で受信し、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し、該時間差に基づいて物体までの距離を計測する距離計測方法において、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測して、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻を算出し、求めた立ち上がり時刻をもとに上記時間差を算出して物体までの距離を計測することに第１の特徴を有している。
【０００９】
この場合、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルＶ０に到達時刻ＴＶ０と、第１の閾値レベルＶ０の整数Ａ倍である第２の閾値レベルＡＶ０に到達する時刻ＴＡＶ０とを計測し、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻ＴＡｆを
ＴＡｆ＝｛１／（Ａ−１）｝×（Ａ・ＴＶ０−ＴＡＶ０）
で算出するとよい。
【００１０】
また、第１の閾値レベルを有する第１のコンパレータと第２の閾値を有する第２のコンパレータの２つのコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測するほか、第１の閾値レベルと第２の閾値レベルとが切り換えられる単一のコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測するようにしてもよい。
【００１１】
そして本発明に係る距離計測装置は、物体に向けてパルス状の電磁波を投射する発信部と、発信部から発信させた電磁波から参照波を分岐させる分岐手段と、投射された電磁波の物体からの反射波と上記参照波とを受信する受信部と、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し該時間差に基づいて物体までの距離を演算する演算処理部とを備えるとともに、受信部で受信した参照波及び反射波の波形に応じて受信した信号パルスの基準時刻を決定する演算部を備えていることに特徴を有している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２は本発明に係る距離測定装置の概略ブロック図を示しており、図中１は駆動回路部７の出力によりパルス状のレーザ光の投光と受光とを行う投光・受光部であり、該投光・受光部１が備える半導体レーザなどから出力されたパルス状レーザ光は分岐手段であるビームスプリッタ１０によって物体波と参照波とに分岐され、物体波は目的とする物体９に照射され、物体９での反射波はレンズ（図示せず）を経て投光・受光部１におけるフォトダイオードなどに入射する。また、投光・受光部１では上記参照波の受信も行う。なお、参照波と反射波とは異なるタイミングでフォトダイオードに到達するようにしている。
【００１３】
投光・受光部１の出力は増幅回路において増幅される。マスク部４は参照成分分離マスクと反射成分分離マスクとを発生するとともに、両マスクの発生を切り換えるアナログスイッチを備えたものであり、参照成分分離マスクが発生する期間には参照信号成分のみを通過させ、反射成分分離マスクが発生する期間には反射信号成分のみを通過させる。図中の遅延回路部３は、投光・受光部１からの次のパルス状レーザ光の投光タイミングを決定するためのものである。
【００１４】
マスク部４の出力はパルス状レーザの投射を繰り返すためのカウンタ部５に入力される。カウンタ部５は時計機能を有して、マスク部４において参照成分分離マスクが選択が選択されている期間においてマスク部４から出力が最初に発生してからカウンタ部５がカウントアップするまでの時間と、反射成分分離マスクが選択されている期間においてマスク部４から出力が最初に発生してからカウンタ部５がカウントアップするまでの時間とがそれぞれ計時される。カウンタ部５のカウントアップの値はあらかじめ設定されており、たとえば「１００００」などの値に設定されている。
【００１５】
ここで、マスク部４において参照成分分離マスクと反射成分分離マスクとのどちらを選択するかはカウンタ部５によって制御されており、物体９までの距離の測定開始時には反射成分分離マスクが選択される。反射成分分離マスクが選択されている期間には反射信号成分がカウンタ部５に入力され、反射信号成分の個数がカウントアップの値に達すると、カウンタ部５からマスク部４に対して参照成分分離マスクを選択するように指示がなされる。
【００１６】
カウンタ部５において計時された２つの時間は演算処理部６に与えられる。参照波の経由距離は既知であることから、演算処理部６は反射成分分離マスクが選択されている期間に計時された時間と、参照成分分離マスクが選択されている期間に計時された時間とに基づいて、物体９までの距離を演算することができる。図３に反射波の測定をＮ回繰り返した後、参照波の測定をＮ回繰り返し、その後、反射波の繰り返し測定に要した時間Ｔ１と参照波の繰り返しに要した時間Ｔ２と光速（レーザ光信号速度）ｃとから物体９までの距離を測定している動作の概略フローチャートを示す。なお、上記マスク部４やカウンタ部５及び演算処理部６などの基本的動作は上記公報に示されたものと同様であることからここでは説明を省略する。
【００１７】
ここにおいて、反射波パルスＲ及び参照波パルスＳが投光・受光部１に到達した時刻の決定であるが、本発明においては次のようにして決定している。すなわち、図１に示すように、投光・受光部１から出力されて増幅された出力信号（電圧）に対して、第１の閾値レベルＶ０と第２の閾値レベルＡＶ０とを設定する。この時、第２の閾値レベルＡＶ０は第１の閾値レベルＶ０の整数倍、たとえば２倍となるようにしておく。
【００１８】
そして、参照波パルスＳ及び反射波パルスＲの波高が第１の閾値レベルＶ０に到達した時刻をＴＶ０、第１の閾値レベルＶ０の整数Ａ倍である第２の閾値レベルＡＶ０に到達した時刻をＴＡＶ０とする時、図４にも示すように、両時刻ＴＶ０，ＴＡＶ０を求めて、上記演算処理部６は両時刻ＴＶ０，ＴＡＶ０から信号パルスの立ち上がり時刻ＴＡｆを
ＴＡｆ＝｛１／（Ａ−１）｝×（Ａ・ＴＶ０−ＴＡＶ０）
で算出する。つまりは参照波パルスＳ及び反射波パルスＲの立ち上がりの角度に応じて立ち上がり時刻ＴＡｆを決定する。
【００１９】
この場合、第２の閾値レベルＡＶ０を第１の閾値レベルＶ０の整数倍としていることもあって、立ち上がり時刻ＴＡｆの演算が容易で高速に求めることができるものであり、また立ち上がり時刻ＴＡｆの判定をパルスのピーク値や幅などに影響されることなく正確に求めることができるために、物体９までの距離の測定の精度も向上する。
【００２０】
図５に示すものは、反射波パルスＲの時刻ＴＶ０の計測をＮ回繰り返すことを２セット行った後、反射波パルスＲの時刻ＴＡＶ０の計測をＮ回繰り返し、立ち上がり時刻ＴＶ０の総和（２ＴＶ０）と、立ち上がり時刻ＡＴＶ０の総和（ＴＡＶ０）とから立ち上がり時間ＴＡｆ＝２ＴＶ０−ＴＡＶ０を算出して、１回目の受光からＮ回目の受光までの時間Ｔ１（＝処理開始時刻−ＴＡｆ）を記録し、さらに参照波パルスＳの時刻ＴＶ０の計測をＮ回繰り返すことを２セット行った後、参照波パルスＳの時刻ＡＴＶ０の計測をＮ回繰り返し、立ち上がり時刻ＴＶ０の総和（２ＴＶ０）と、立ち上がり時刻ＴＡＶ０の総和（ＴＡＶ０）とから立ち上がり時刻ＴＡｆ＝２ＴＶ０−ＴＡＶ０を算出して、１回目の受光からＮ回目の受光までの時間Ｔ２（＝処理開始時間−ＴＡｆ）を記録し、これらの時間Ｔ１，Ｔ２から物体９までの距離（＝ｃ×（Ｔ１−Ｔ２）／２（Ｎ−１））を求めている場合を示す。
【００２１】
ここで、上記時刻ＴＶ０，ＴＡＶ０は図６に示すように第１の閾値レベルＶ０と第２の閾値レベルＡＶ０とを基準電圧としている２つのコンパレータＣ１，Ｃ２とを用いて求めたり、あるいは図７に示すように、第１の閾値レベルＶ０と第２の閾値レベルＡＶ０との２つの基準電圧をスイッチＳＷで切り換えられる単一のコンパレータＣを用いて求めることができる。
【００２２】
また、図２に示すように、演算処理部６の制御を司る制御部２においてコンパレータの基準電圧の切り換えを行うようにしてもよい。
【００２３】
図８〜図１０は参照波パルスＳ及び反射波パルスＲの波高が所定の閾値レベルＶ０に到達する時刻ＴＶ０と、上記波高が所定の閾値レベルＶ０以下となる時刻Ｔｖ１とを計測して、両時刻の中間時刻Ｔｍｆを信号パルスの立ち上がり時刻（基準時刻）とすることも考えられる。この場合、ピーク値及びパルス幅にかかわらず信号到達時刻を決定することができ、そして時間差を算出して物体までの距離を計測することができる。
【００２４】
以上の説明ではレーザを用いたもので説明したが、光以外の波長を有する電磁波を用いたものであってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、物体に向けて投射したパルス状の電磁波の物体からの反射波を受信部で受信するとともに、上記電磁波から分岐した参照波を既知の距離を経由させて受信部で受信し、受信部から出力される上記両波の信号を分離して両者の時間差を算出し、該時間差に基づいて物体までの距離を計測する距離計測方法において、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測して、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻を算出し、求めた立ち上がり時刻をもとに上記時間差を算出して物体までの距離を計測するものであり、信号波形ピーク値や幅などに変化があっても簡単な演算処理で立ち上がりの時刻を正確に求めることができて、物体までの距離の測定の精度も向上するものであり、しかも第２の閾値レベルを第１の閾値レベルの整数倍としていることもあって、立ち上がり時刻の演算は簡単な回路で高速に求めることができる。
【００２６】
この場合、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルＶ０に到達時刻ＴＶ０と、第１の閾値レベルＶ０の整数Ａ倍である第２の閾値レベルＡＶ０に到達する時刻ＴＡＶ０とを計測し、両時刻から信号パルスの立ち上がり時刻ＴＡｆを
ＴＡｆ＝｛１／（Ａ−１）｝×（Ａ・ＴＶ０−ＴＡＶ０）
で算出すると、立ち上がり時刻の演算を簡便に且つ高速に行うことができる。
【００２７】
また、第１の閾値レベルを有する第１のコンパレータと第２の閾値を有する第２のコンパレータの２つのコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測したり、第１の閾値レベルと第２の閾値レベルとが切り換えられる単一のコンパレータを用いて、参照波及び反射波の信号パルスの波高が第１の閾値レベルに到達する時刻と、第１の閾値レベルの整数倍である第２の閾値レベルに到達する時刻とを計測すれば、複雑な処理フローを実行することなく簡単な構造で高精度な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の動作説明図である。
【図２】同上のブロック回路図である。
【図３】同上の動作のフローチャートである。
【図４】同上の動作の要部のフローチャートである。
【図５】同上の他例の動作のフローチャートである。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は別の例の概略説明図である。
【図７】更に別の例の概略説明図である。
【図８】他例の動作説明図である。
【図９】同上の動作のフローチャートである。
【図１０】同上の動作の要部のフローチャートである。
【符号の説明】
１　投光・受光部
９　物体
Ｒ　反射波パルス
Ｓ　参照波パルス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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