JP2000146523A - 距離測定装置および方法 - Google Patents

距離測定装置および方法

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JP2000146523A
JP2000146523A JP11232108A JP23210899A JP2000146523A JP 2000146523 A JP2000146523 A JP 2000146523A JP 11232108 A JP11232108 A JP 11232108A JP 23210899 A JP23210899 A JP 23210899A JP 2000146523 A JP2000146523 A JP 2000146523A
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Kazunori Hayashi
和慶 林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象物までの距離を正確に測定する。 【解決手段】 CCD７−１乃至７−３は、タイミング発
生回路１の制御に基づくタイミングで電子シャッタを開
放させ、その間に、対応するビームスプリッタ１１，１
２またはミラー１３を介して入力される反射光の光量を
電気信号（電圧）に変換して距離演算回路８に出力す
る。距離演算回路８は、CCDから入力された暗電圧ＶD、
反射電圧ＶR、および全電圧ＶAを用いてレーザ測距装置
から対象物までの距離を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、距離測定装置およ
び方法に関し、特に、対象物からの反射光に基づいて対
象物までの距離を測定する距離測定装置および方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光を対象物に照射し、その時点か
ら反射光が戻ってくるまでの時間を計測して距離を測定
する距離測定方法が知られている。また、他の距離測定
方法としては、例えば、PCT国際公開 WO97/0111, WO97/
0112, WO97/0113に開示されているように、レーザ光の
対象物からの反射光量を測定して距離を測定する方法も
ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した後
者の方法においては、対象物の光の反射率を考慮してい
ないので、正確な距離の測定が困難である課題があっ
た。
【０００４】また、上述した前者の方法を用いて、所定
の大きさを持つ対象物までの距離を測定する場合、レー
ザ光を対象物全体にスキャニングする必要がある。した
がって、対象物上のポイント毎に距離が測定される時刻
が異なるので、動きのある対象物の距離を正確に測定で
きない課題があった。
【０００５】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、対象物の光の反射率を考慮することによ
り、正確な距離の測定を可能にするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の距離測
定装置は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、対
象物で反射されたレーザ光を受光する少なくとも１つの
受光デバイスから構成される受光手段と、レーザ光発生
手段を制御してレーザ光を発生させるとともに、受光手
段を制御して、対象物で反射されたレーザ光を、受光手
段によって第１のタイミングと第２のタイミングで受光
させる制御手段と、第１のタイミングで受光された光の
受光量に対応する測定値、および第２のタイミングで受
光された光の受光量に対応する基準値を生成し、測定値
を基準値に基づいて正規化し、正規化された測定値に基
づいて対象物までの距離を演算する演算手段とを備える
ことを特徴とする。
【０００７】前記制御手段には、前記受光手段を制御さ
せ、前記対象物で反射されたレーザ光が前記受光手段に
よって受光されていない第３のタイミングで環境光を受
光させ、前記演算手段には、前記受光手段によって受光
された環境光の受光量に対応する環境光値を生成させ、
前記測定値および前記基準値を前記環境光値に基づいて
補正させるようにすることができる。
【０００８】前記受光手段は、複数の受光デバイスから
構成させ、前記制御手段には、前記レーザ光発生手段を
制御してレーザ光を発生させた後に、第１の受光デバイ
スに、前記レーザ光の反射光を前記第１のタイミングで
受光させ、第２の受光デバイスに、前記レーザ光の反射
光を、前記第１のタイミングと一部重なる前記第２のタ
イミングで受光させ、さらに第３の受光デバイスに、前
記環境光を、前記レーザ光が前記受光手段によって受光
されていない第３のタイミングで受光させるようにする
ことができる。
【０００９】前記受光手段は、単一の受光デバイスから
構成させ、前記制御手段には、前記レーザ光発生手段を
制御して第１のレーザ光を発生させた後に、前記受光手
段を制御して、前記単一の受光デバイスに、前記第１の
レーザ光の反射光を前記第１のタイミングで受光させ、
前記レーザ光発生手段を制御して、第２のレーザ光を発
生させた後に、前記受光手段を制御して、前記単一の受
光デバイスに、前記第２のレーザ光の反射光を、前記第
２のタイミングで受光させるようにすることができる。
【００１０】前記受光手段は、複数の受光デバイスから
構成させ、前記制御手段には、前記レーザ光発生手段を
制御してレーザ光を発生させた後に、前記受光手段を制
御して、第１の受光デバイスで、前記レーザ光の反射光
を前記第１のタイミングで受光させると共に、第２の受
光デバイスで、前記レーザ光の反射光を、前記第１のタ
イミングと一部重なる前記第２のタイミングで受光させ
るようにすることができる。
【００１１】前記受光手段には、前記対象物の画像情報
も受光させるようにすることができる。
【００１２】前記受光手段は、複数の受光デバイスから
構成させ、前記第１および第２のタイミングで反射光を
受光する受光デバイスとは独立の受光デバイスで前記画
像情報を受光させるようにすることができる。
【００１３】前記制御手段には、前記第１のタイミング
で受光される反射光の最大時間長が、前記第２のタイミ
ングで受光される反射光の最大時間長と等しいか若しく
は短くなるように、前記受光手段を制御させるようにす
ることができる。
【００１４】前記第１のタイミングと第２のタイミング
は、同じ時間長とすることができる。
【００１５】前記制御手段には、測定範囲をレーザ光が
往復するのに要する時間と等しいか、若しくはより長い
時間、レーザ光が発生されるように、前記レーザ光発生
手段を制御させるようにすることができる。
【００１６】請求項１１に記載の距離測定方法は、レー
ザ発生部を制御してレーザ光を発生させるレーザ光発生
制御ステップと、対象物で反射されたレーザ光を、少な
くとも１つの受光デバイスから構成される受光部によっ
て第１のタイミングで受光するように制御する第１の受
光制御ステップと、対象物で反射されたレーザ光を受光
部によって第２のタイミングで受光するように制御する
第２の受光制御ステップと、第１のタイミングで受光さ
れた光の受光量に対応する測定値、および第２のタイミ
ングで受光された光の受光量に対応する基準値を生成
し、測定値を前記基準値に基づいて正規化し、正規化さ
れた測定値に基づいて、対象物までの距離を演算する演
算ステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】前記対象物で反射されたレーザ光が、前記
第１または第２の受光制御ステップの処理によって受光
されていない第３のタイミングで前記受光部によって環
境光を受光するように制御する第３の受光制御ステップ
を更に含め、前記演算ステップの処理では、前記受光部
によって受光された環境光の受光量に対応する環境光値
を生成し、前記測定値および前記基準値を前記環境光値
に基づいて補正させるようにすることができる。
【００１８】前記第１の受光制御ステップの処理では、
前記レーザ光発生制御ステップの処理においてレーザ光
が発生された後に、前記受光部を構成する第１の受光デ
バイスで前記レーザ光の反射光を前記第１のタイミング
で受光するよう制御させ、前記第２の受光制御ステップ
の処理では、前記受光部を構成する第２の受光デバイス
で前記レーザ光の反射光を、前記第１のタイミングと一
部重なる前記第２のタイミングで受光するよう制御さ
せ、前記第３の受光制御ステップの処理では、前記受光
部を構成する第３の受光デバイスで前記環境光を、前記
レーザ光が前記第１または第２の受光制御ステップの処
理によって受光されていない第３のタイミングで受光す
るよう制御させるようにすることができる。
【００１９】前記第１の受光制御ステップの処理では、
前記レーザ光発生制御ステップの処理において第１のレ
ーザ光が発生された後に、前記受光部を構成する単一の
受光デバイスで第１のレーザ光の反射光を前記第１のタ
イミングで受光するよう制御させ、前記第１の受光制御
ステップの処理では、前記レーザ光発生制御ステップの
処理において第２のレーザ光が発生された後に、前記単
一の受光デバイスで第２レーザ光の反射光を前記第２の
タイミングで受光するよう制御させるようにすることが
できる。
【００２０】前記第１の受光制御ステップの処理では、
前記レーザ発生ステップの処理においてレーザ光が発生
された後に、前記受光部を構成する第１の受光デバイス
で前記レーザ光の反射光を前記第１のタイミングで受光
するよう制御させ、前記第２の受光制御ステップの処理
では、前記受光部を構成する第２の受光デバイスで前記
レーザ光の反射光を、前記第１のタイミングと一部重な
る前記第２のタイミングで受光するよう制御させるよう
にすることができる。
【００２１】前記第１および第２のタイミングで反射光
を受光する受光デバイスとは独立の他の受光デバイスで
対象物の画像情報を受光する画像情報受光ステップを更
に含むようにすることができる。
【００２２】前記第１のタイミングで受光される反射光
の最大時間長は、前記第２のタイミングで受光される反
射光の最大時間長と等しいか若しくは短くすることがで
きる。
【００２３】前記第１のタイミングと第２のタイミング
は、同じ時間長とすることができる。
【００２４】前記レーザ光発生制御ステップの処理で
は、測定範囲をレーザ光が往復するのに要する時間と等
しいか、若しくはより長い時間、レーザ光を発光するよ
うにレーザ発生部を制御させるようにすることができ
る。
【００２５】請求項１に記載の距離測定装置および請求
項１１に記載の距離測定方法においては、 第１のタイ
ミングで受光された光の受光量に対応する測定値、およ
び第２のタイミングで受光された光の受光量に対応する
基準値が生成され、測定値が基準値に基づいて正規化さ
れ、正規化された測定値に基づいて、対象物までの距離
が演算される。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明を適用したレーザ測距装置
の構成について、図１を参照して説明する。タイミング
発生回路１は、レーザ電源２およびCCD撮像素子（以
下、単にCCDと記述する）７の動作タイミング（詳細
は、図３を用いて後述する）を制御するようになされて
いる。レーザ電源２は、タイミング発生回路１による制
御に基づいて、電力をレーザ光発生器３に供給するよう
になされている。レーザ光発生器３は、レーザ電源２か
ら供給される電力を用いてレーザ光を発生するようにな
されている。
【００２７】発生されたレーザ光は、ビームスプリッタ
４で反射され、レンズ５を介して対象物６に照射される
ようになされている。対象物６で反射されたレーザ光
（反射光）は、レンズ５を介してビームスプリッタ４に
入射され、ビームスプリッタ４を透過して、CCD７に入
射されるようになされている。
【００２８】光電変換素子が２次元状に配列されている
CCD７は、タイミング発生回路１の制御に基づくタイミ
ングで電子シャッタを動作させ、その間に入射した光量
を電気信号に変換（光電変換）して距離演算回路８に出
力するようになされている。距離演算回路８は、CCD７
から入力された電気信号を用いてレーザ測距装置から対
象物６までの距離を演算するようになされている。
【００２９】なお、このレーザ測距装置は、図２に示す
ように、最短測定距離ｄｎと最長測定距離ｄｆの間の測
定範囲に位置する対象物までの距離を測定するようにな
されている。以下、最短測定距離ｄｎを２０ｍとし、最
長測定距離ｄｆを３０ｍとした例について説明する。図
３は、タイミング発生回路１がレーザ電源２およびCCD
７を制御するタイミングを示している。レーザ電源２を
制御するタイミング、すなわちレーザ光発生器３がレー
ザ光を発光するタイミング（発光時間Tl）は、後に説明
するように、所定期間内でのCCD7による受光量に基づい
て対象物までの距離を算出するために、次式（１）に示
すように、レーザ光が測定範囲を往復する時間と等しい
か、それ以上の長さに設定する。 Tl≧2(df-dn)/ｃ (１) ここで、ｃは光速である。
【００３０】いまの例の場合、光速ｃを３×１０8(m/s)
とし、レーザ光の発生時間Tlを６６．７（＝（３０−２
０）×２／（３×１０8））ns（ナノ秒）間とする。
【００３１】ここで、発光されたレーザ光が距離ｄに位
置する対象物で反射した場合、反射光の先端がCCD７に
到達するまでの時間を反射光受光開始時間Tds、反射光
の終端がCCD７に到達するまでの時間を反射光受光終了
時間Tde、レーザ発生開始時刻を基準の時刻ｔ＝０とす
ると、レーザ光の戻り時間tは、下記の式（２）で表さ
れる。 Tds＜ｔ＜Tde (２) ここで、 Tds＝2d/ｃ (３) Tde＝2d/c＋Tl (４) である。
【００３２】さて、図３（Ａ）に示すように、Tl(６
６．７ns)の間発光されたレーザ光が、最短測定距離ｄ
ｎに位置する対象物で反射された場合、その反射光は、
式（２）に基づいてｄ＝ｄｎとして以下のように表され
る。 Tdns＜ｔ＜Tdne (５) ここで、 Tdns＝2dn/ｃ (６) Tdne＝2dn/ｃ＋Tl (７) である。
【００３３】式（５）に基づいて、Tl = 66.7nsで発光
されたレーザ光は、距離ｄｎ=20(m)に位置する対象物で
反射された場合には、１３３．３ns＜ｔ＜２００．０ns
の時間的範囲内にレーザ測距装置に戻る。
【００３４】また、図３（Ａ）に示すように、Tl(６
６．７ns)の間発光されたレーザ光が、最長測定距離ｄ
ｆに位置する対象物で反射した場合、その反射光は、式
（２）に基づいてｄ＝ｄｆとして以下のように表され
る。 Tdfs＜ｔ＜Tdfe (８) ここで、 Tdfs＝2df/ｃ (９) Tdfe＝2df/ｃ＋Tl (１０) である。
【００３５】式（８）に基づいて、Tl = 66.7nsで発光
されたレーザ光は、距離ｄｎ=30(m)に位置する対象物で
反射された場合には、２００．０ns＜ｔ＜２６６．７ns
の時間的範囲内にレーザ測距装置に戻る。
【００３６】したがって、測定範囲内に位置する対象物
からの反射光は、Tdns < t < TdfeのうちのTlの時間に
レーザ測距装置に戻ることになる。即ち、Tl = 66.7ns
で発光されたレーザ光は、１３３．３ns＜ｔ＜２６６．
７nsのうち、対象物の距離に応じた６６．７nsの間にレ
ーザ測距装置に戻ることになる。ここで、測定範囲内に
位置する対象物からの反射光の戻りが起こりうる時間長
（最大測定時間Tmax）を一般化すると、ｄ＝ｄｆにおけ
る反射光の受光終了時間およびｄ＝ｄｎにおける反射光
の受光開始時間反射光から以下の式(１１)のように記述
できる。 Tmax＝Tdfe−Tdns＝（2df/ｃ＋Tl）−2dn/ｃ (１１) ここで、式(１)において、Tl=2(df-dn)/cのとき、式(１
１)は、式(１２)のようになる。 Tmax＝４（df−dn）/ｃ (１２)
【００３７】式(１)に示したように、レーザ光の発光時
間を、レーザ光が測定範囲を往復する時間と等しいかそ
れ以上の長さに設定しているので、CCD７のシャッタ
を、Tdns < t < Tdfs (１３３．３ns＜ｔ＜２００．０n
s)の時間的範囲内だけ動作（開放）させれば、CCD７
は、対象物の位置（距離）に対応した量の反射光を受光
して、受光した光量（期間）に対応する電圧を発生する
ことになる。すなわち、対象物が最短測定距離ｄｎに位
置する場合、シャッタ動作期間中の全ての期間において
反射光が受光され、対象物が最短測定距離ｄｎと最長測
定距離ｄｆの中点に位置する場合、シャッタ動作期間中
の１／２の期間において反射光が受光される。また、対
象物が最長測定距離ｄｆに位置する場合、シャッタ動作
期間中、反射光はほとんど受光されない。
【００３８】ここで、CCD７のシャッタ動作時間を一般
化すれば、シャッタ動作開始時間Ｔsおよびシャッタ動
作終了時間Ｔeは、それぞれ、式(１３)または式(１４)
のように記述できる。 Ts≦2dn/ｃ (１３) Te＝2df/ｃ (１４)
【００３９】ところで、反射光の受光量は、受光期間だ
けでなく、受光強度にも依存し、反射光の強度は対象物
の反射率に影響される。そこで、反射率による影響を補
正するために、発光されたレーザ光の反射光が全期間受
光された場合の出力電圧（全電圧）ＶAで、反射光が所
定期間内に受光された場合の出力電圧（反射電圧）ＶR
が正規化される。全電圧ＶAを計測するためには、図３
（Ｂ）に示すように、少なくとも、最短測定距離ｄｎに
おける反射光を受光開始してから、最長測定距離ｄｆに
おける反射光を受光終了するまでの期間であるTdns < t
<TdfeのTmaxの期間、すなわち１３３．３ns＜ｔ＜２６
６．７nsの１３３．３nsの期間、CCD７のシャッタを動
作する必要がある。
【００４０】しかしながら、シャッタ動作時間を、全電
圧ＶA測定時間と、反射電圧ＶR測定時間において異なら
せると、シャッタ動作の制御が複雑になる。そこで、反
射電圧ＶRを計測するときのシャッタ動作時間を、全電
圧ＶAを計測するときと等しくする。 Ts'＝Te−Tmax＝２dn/ｃ−Tl (１５)
【００４１】シャッタ動作開始時刻を、式(７)に基づい
て、レーザ光の発光時間Tlだけ早めることにより、シャ
ッタ動作時間を６６．７ns＜ｔ＜２００．０nsの１３
３．３nsの期間とする。
【００４２】次に、レーザ測距装置の測距処理につい
て、図４のフローチャートを参照して説明する。ここ
で、ｄｎ＝２０（m），ｄｆ＝３０（ｍ），ｃ＝３×１
０8(m/s)，Tl=2(df-dn)/cのときの値を括弧内に示す。
【００４３】ユーザが、距離を測定する対象物６にレー
ザ測距装置を向けて、測定開始を指令すると、ステップ
Ｓ１において、レーザ光以外の環境光（周囲光）による
影響を補正するために、暗電流ＶDが計測される。すな
わち、CCD７は、タイミング発生回路１による制御に基
づいて、図５に示すように、後述する第１回目のレーザ
発生開始時刻（ｔ＝０）の直前のｔ＝−Tmax(−１３
３．３ns)からｔ＝０までの期間（以下、このような期
間を−Tmax＜ｔ＜０と記述する）、シャッタを動作さ
せ、その間に受光した光量を電圧（以下、暗電圧ＶDと
記述する）に変換して、距離演算回路８に出力する。
【００４４】ステップＳ２において、タイミング発生回
路１は、レーザ電源２を制御して、電力をレーザ光発生
器３に供給させる。レーザ光発生器３は、図５に示すよ
うに、０＜ｔ＜Tl (０＜ｔ＜６６．７ns)の期間に、第
１回目のレーザ発光を行う。レーザ光は、ビームスプリ
ッタ４で反射され、レンズ５を介して、対象物６に照射
される。対象物６からの反射光は、レンズ５を介して、
ビームスプリッタ４に入射され、そこを透過して、CCD
７に入射される。この反射光は、Tdns＜ｔ＜Tdfe（１３
３．３ns＜ｔ＜２６６．７ns）のうちの所定のTl(６
６．７ns)の期間にCCD７に戻ることになる。
【００４５】ステップＳ３において、CCD７は、タイミ
ング発生回路１による制御に基づいて、図５に示すよう
に、Tdfs-Tl < t < Tdfs（６６．７ns＜ｔ＜２００．０
ns）の期間に、シャッタを動作させる。したがって、CC
D７に受光される光量は、対象物６の位置に対応したも
のとなる。さらに、CCD７は、受光した反射光を電気信
号（反射電圧ＶR）に変換して、距離演算回路８に出力
する。
【００４６】ステップＳ４において、タイミング発生回
路１は、レーザ電源２を制御して、第２回目の電力をレ
ーザ光発生器３に供給させる。ここで、この第２回目の
レーザ発光に対する各処理のタイミングの計算は、ｔ＝
Ｔｄｆｅを基準にして計算される。レーザ光発生器３
は、図５に示すように、Tdfe ＜ｔ＜Tdfe+Tl (２６６．
７ns＜ｔ＜３３３．３ns)の期間において、第２回目の
レーザ発光を行う。すなわち、上述のごとく、Tdfe(２
６６．７ns)までの時間はｄｆからの反射光の戻りが起
こる可能性があるため、Tdfe(２６６．７ns)以降にレー
ザ発光を行う。対象物６で反射されたその反射光は、レ
ーザ光が発光してからTdns(１３３．３ns)後、すなわ
ち、Tdfe+Tdns < t < Tdfe+Tdfe (４００．０ns＜ｔ＜
５３３．３ns)の期間のうちの、所定のTl(６６．７ns)
の期間にCCD７に入射することになる。
【００４７】ステップＳ５において、CCD７は、タイミ
ング発生回路１による制御に基づいて、図５に示すよう
に、Tdfe+Tdns < t < Tdfe+Tdfe (４００．０ns＜ｔ＜
５３３．３ns)の期間に、シャッタを動作させる。した
がって、CCD７は、全てのタイミングの反射光を受光す
ることになる。さらに、CCD７は、受光した反射光を電
気信号（全電圧ＶA）に変換して、距離演算回路８に出
力する。
【００４８】ステップＳ６において、距離演算回路８
は、次式に示すように、反射電圧ＶRおよび全電圧ＶAか
ら暗電圧ＶDを減算することにより、環境光の影響を補
正する。さらに、反射電圧ＶRの測定時における反射光
の最大受光量と、反射電圧ＶAの測定時における最大受
光量との差を補正する係数Ctで、補正された反射電圧
(ＶR−ＶD)の値を補正する。この補正された反射電圧Ct
(ＶR−ＶD)を、補正された全電圧(ＶA−ＶD)で除算して
正規化し、補正正規化反射電圧Ｖを演算する。 V＝Ct（VR−VD）/（VA−VD） (１６) ここで、 Ct＝Tl/(Tdfs−Tdns) (１７) である。
【００４９】ここで、式(１７)に示された補正係数Ctに
ついて説明する。補正係数Ctは、上述のように、反射電
圧ＶRの測定時における反射光の最大受光量と、反射電
圧ＶAの測定時における最大受光量との差を表す係数で
ある。
【００５０】反射電圧ＶAの測定時において、対象物に
よって反射されたレーザ光は、図３（Ａ）および（Ｂ）
に示したように距離dnからの反射光および距離ｄfから
の反射光の全てを受光可能なタイミングでCCD7のシャッ
タが開放される。このシャッタ開放時間に受光される反
射光の長さはTlとなる。一方、反射電圧ＶRの測定時に
おいて、対象物によって反射されたレーザ光は、対象物
の距離に応じた量の反射光を受光するようにCCD7のシャ
ッタの開放を制御しているため、レーザ光を発光してか
らTdns < t < Tdfsの時間でのみ反射光が受光される。
すなわち、反射電圧ＶRの測定時においては、多くと
も、距離dnの対象物によって反射された反射光をの一部
の期間であるTdfs-Tdnsの時間長の光を受光できるのみ
である。
【００５１】ここで、式(１)において、レーザ光の発光
時間Tlを、レーザ光が測定範囲を往復する時間よりも長
く設定した場合には、Tdfs-Tdns < Tlとなる。このた
め、反射電圧ＶRの測定におけるCCD7のシャッタの開放
時間内では、測定範囲内のいずれの距離においても、全
ての反射光を受光することができない。
【００５２】すなわち、補正係数Ctは、上述の最大の受
光量を補正するために用いられる、反射光の最大受光時
間の比でである。尚、レーザ光の発光時間Tlが、レーザ
光が測定範囲を往復する時間と等しい場合には、Tdfs-T
dns = Tlとなり、距離dnからの反射光は全て受光するこ
とができる。
【００５３】以上のようにして求められた補正正規化反
射電圧Ｖは、レーザ測距装置と対象物６との距離Ｄに比
例している。例えば、補正正規化反射電圧Ｖ＝１のと
き、距離Ｄ＝最短測定距離ｄｎであり、補正正規化反射
電圧Ｖ＝０のとき、距離Ｄ＝最長測定距離ｄｆである。
【００５４】ステップＳ７において、距離演算回路８
は、次式に示すように、補正正規化反射電圧Ｖを用い
て、距離Ｄを演算する。 D＝df−V（df−dn） (１８)
【００５５】なお、ステップＳ１における暗電圧ＶDの
計測は、全電圧ＶAを測定した後、2Tdfe < t < 2Tdfe+T
max(５３３．４ns＜ｔ＜６６６．７ns)の期間に実施し
てもよい。
【００５６】ところで、図１に示したレーザ測距装置
は、上述したように、１回の距離測定のために２回のレ
ーザ照射が必要であり、１個のCCD７を用いて、順次、
上述したタイミングで反射光を受光し、暗電圧ＶD、反
射電圧ＶR、および全電圧ＶAを発生しているので、一連
の処理に時間がかかる。したがって、移動しない対象物
６までの距離は正確に測定することができるが、移動す
る対象物までの距離を正確に計測することが困難にな
る。そこで、暗電圧ＶD、反射電圧ＶR、および全電圧Ｖ
Aを、それぞれ個別のCCDで発生することにより、光電変
換にかかる時間を短縮し、移動する対象物までの距離を
測定できるようにしたものが、図６に示すレーザ測距装
置である。なお、図６のレーザ測距装置において、図１
に示したレーザ測距装置と対応する部分には同一の符号
を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００５７】CCD７−１乃至７−３は、タイミング発生
回路１の制御に基づくタイミングで電子シャッタを動作
させ、その間に、対応するビームスプリッタ１１、ビー
ムスプリッタ１２、またはミラー１３を介して入射され
る反射光の光量を電気信号（電圧）に変換して距離演算
回路８に出力するようになされている。例えば、CCD７
−１は暗電圧ＶDを発生し、CCD７−２は反射電圧ＶRを
発生し、CCD７−３は全電圧ＶAを発生する。
【００５８】距離演算回路８は、CCD７−１乃至７−３
から、それぞれ入力された暗電圧ＶD、反射電圧ＶR、お
よび全電圧ＶAを用いてレーザ測距装置から対象物６ま
での距離を演算するようになされている。
【００５９】次に、このレーザ測距装置の測距処理につ
いて、図７のフローチャートを参照して説明する。ユー
ザが、距離を測定する対象物６にレーザ測距装置を向け
て、測定開始を指令すると、レーザ光以外の環境光によ
る影響を補正する際に用いる暗電流ＶDを計測するため
に、ステップＳ１１において、CCD７−１は、タイミン
グ発生回路１による制御に基づいて、図８に示すよう
に、-Tmax < t < 0 (−１３３．３ns＜ｔ＜０ns)の期間
において、シャッタを開放させ、その期間に、レンズ
５、ビームスプリッタ４、およびビームスプリッタ１１
を介して受光した光の光量を暗電圧ＶDに変換して、距
離演算回路８に出力する。
【００６０】ステップＳ１２において、タイミング発生
回路１は、レーザ電源２を制御して、電力をレーザ光発
生器３に供給させる。レーザ光発生器３は、図８に示す
ように、0 < t < Tl (０＜ｔ＜６６．７ns)の期間にお
いて、レーザ発光を行う。レーザ光は、ビームスプリッ
タ４で反射され、レンズ５を介して、対象物６に照射さ
れる。対象物６からの反射光は、レンズ５を介して、ビ
ームスプリッタ４に入射され、そこを透過して、ビーム
スプリッタ１１，１２で反射されてCCD７−２に入射さ
れる。また、反射光の一部は、ビームスプリッタ１２を
透過し、ミラー１３で反射されてCCD７−３に入射され
る。この反射光の入射期間は、Tdns＜ｔ＜Tdfe (１３
３．３ns＜ｔ＜２６６．７ns)のうちの所定のTl (６
６．７ns)の期間である。
【００６１】ステップＳ１３において、CCD７−２は、
タイミング発生回路１による制御に基づいて、図８に示
すように、Tdfs-Tl < t < Tdfs（６６．７ns＜ｔ＜２０
０．０ns)の期間において、シャッタを開放させる。し
たがって、CCD７−２に受光される光の光量は、対象物
６の位置に対応したものとなる。さらに、CCD７−２
は、受光した反射光を電気信号（反射電圧ＶR）に変換
して、距離演算回路８に出力する。
【００６２】ステップＳ１４において、CCD７−３は、
タイミング発生回路１による制御に基づいて、図８に示
すように、Tdns＜ｔ＜Tdfe (１３３．３ns＜ｔ＜２６
６．７ns)の期間において、シャッタを開放させる。し
たがって、CCD７−３は、全てのタイミングの反射光を
受光することになる。さらに、CCD７−３は、受光した
反射光を電気信号（全電圧ＶA）に変換して、距離演算
回路８に出力する。
【００６３】ステップＳ１５，Ｓ１６において、距離演
算回路８は、図１における場合と同様に、暗電圧ＶD、
反射電圧ＶR、および全電圧ＶAを用いて、レーザ測距装
置と対象物６との距離Ｄを演算する。
【００６４】なお、ステップＳ１１における暗電圧ＶD
の計測は、全電圧ＶAを測定した後、Tdfe < t < Tdfe+T
max (２６６．７ns＜ｔ＜４００．０ns)の期間に実施し
てもよい。
【００６５】また、CCD７−２またはCCD７−３に、光電
変換を２回連続して実行できるものを用いれば、CCD７
−１を省略し、CCD７−２またはCCD７−３で暗電圧ＶD
を計測するようにしてもよい。
【００６６】図９は、本発明を適用したレーザ測距装置
のさらに他の構成を示している。このレーザ測距装置
は、図６に示したレーザ測距装置のミラー１３をビーム
スプリッタ２１に置き換え、CCD７−４を追加したもの
である。CCD７−４は、ビームスプリッタ２１を透過し
た反射光を受光して電気信号に変換し、画像データとし
て出力するようになされている。このように、画像デー
タを出力するCCD７−４を追加することにより、対象物
６を撮影した画像と、その画像を構成する画素毎の距離
（画素に対応する対象物６の部分までの距離）を得るこ
とができる。
【００６７】なお、本実施の形態においては、反射光の
受光素子としてＣＣＤを用いているが、光を受光し電気
信号に変換する素子であればよく、例えば、ＣＭＯＳセ
ンサで構成された受光素子を適用することも可能であ
る。
【００６８】また、本実施の形態においては、受光素子
の受光制御を行うために、電子シャッタを用いている
が、受光素子への光の入力を制御するものであればよ
く、例えば、オプティカルシャッタを使うことも可能で
ある。オプティカルシャッタとしては、例えば、イメー
ジインテンシファイアや、偏光シャッタなどがある。イ
メージインテンシファイアは、入力された光を光電変換
し、電子を通す細い管を集積したデバイス（マイクロチ
ャネルプレートと呼ばれる）の両端に高電圧をかけて電
子を加速し、再度、電子を光に変換する光電子増倍管の
一種である。元々暗い光を明るく増幅する目的に開発さ
れたものであるが、マイクロチャネルプレートにかける
高電圧を高速にスイッチングすることにより、光シャッ
タとしても使用することが可能である。偏光シャッタ
は、ポッケルス効果、カー効果を応用したシャッタであ
り、結晶に電場をかけると複屈折が起きるという特性を
利用して、その結晶の前後に位相の異なる偏向板を配置
し、電場をかけて光シャッタとして利用するものであ
る。
【００６９】なお、本実施の形態においては、測定範囲
におけ反射光の前半部分、即ちTdns< t < Tdfsの時間範
囲でシャッタを開放し反射光の受光を行ったが、後半部
分Tdns < t < Tdfeでの反射光を受光し、受光量に基づ
いて距離を算定するように構成してもよい。
【００７０】本実施の形態においては、１回の測距でレ
ーザ光の照射面積に相当する画素毎の距離を得ることが
できるので、レーザ光の照射面積を広げれば、レーザ光
をスキャニングすることなく、対象物６の３次元距離情
報を得ることができる。
【００７１】また、上記各処理を行うコンピュータプロ
グラムは、磁気ディスク、CD-ROM等の情報記録媒体より
なる提供媒体のほか、インターネット、デジタル衛星な
どのネットワーク提供媒体を介してユーザに提供するこ
とができる。
【００７２】
【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の距離測
定装置および請求項１１に記載の距離測定方法によれ
ば、第１のタイミングで受光された光の受光量に対応す
る測定値、および第２のタイミングで受光された光の受
光量に対応する基準値を生成し、測定値を基準値に基づ
いて正規化し、正規化した測定値に基づいて、対象物ま
での距離を演算するようにしたので、対象物までの距離
を正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したレーザ測距装置の構成を示す
ブロック図である。
【図２】図１のレーザ測距装置の測定範囲を説明するた
めの図である。
【図３】図１のタイミング発生回路１による制御を説明
するための図である。
【図４】図１のレーザ測距装置の動作を説明するフロー
チャートである。
【図５】図１のレーザ測距装置の動作を説明するための
図である。
【図６】本発明を適用したレーザ測距装置の他の構成を
示すブロック図である。
【図７】図６のレーザ測距装置の動作を説明するフロー
チャートである。
【図８】図６のレーザ測距装置の動作を説明するための
図である。
【図９】本発明を適用したレーザ測距装置の他の構成を
示すブロック図である。
【符号の説明】
１ タイミング発生回路， ２ レーザ電源， ３ レ
ーザ光発生器， ４ビームスプリッタ， ５ レンズ，
６ 対象物， ７ CCD， ８ 距離演算回路

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光を用いて対象物までの距離を計
    測する距離測定装置において、 レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、 対象物で反射されたレーザ光を受光する少なくとも１つ
    の受光デバイスから構成される受光手段と、 前記レーザ光発生手段を制御してレーザ光を発生させる
    とともに、前記受光手段を制御して、前記対象物で反射
    されたレーザ光を、前記受光手段によって第１のタイミ
    ングと第２のタイミングで受光させる制御手段と、 前記第１のタイミングで受光された光の受光量に対応す
    る測定値、および前記第２のタイミングで受光された光
    の受光量に対応する基準値を生成し、前記測定値を前記
    基準値に基づいて正規化し、正規化された測定値に基づ
    いて前記対象物までの距離を演算する演算手段とを備え
    ることを特徴とする距離測定装置。
  2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記受光手段を制御し
    て、前記対象物で反射されたレーザ光が前記受光手段に
    よって受光されていない第３のタイミングで環境光を受
    光させ、 前記演算手段は、前記受光手段によって受光された前記
    環境光の受光量に対応する環境光値を生成し、前記測定
    値および前記基準値を前記環境光値に基づいて補正する
    ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 【請求項３】 前記受光手段は、複数の受光デバイスか
    ら構成され、 前記制御手段は、前記レーザ光発生手段を制御してレー
    ザ光を発生させた後に、第１の受光デバイスに、前記レ
    ーザ光の反射光を前記第１のタイミングで受光させ、第
    ２の受光デバイスに、前記レーザ光の反射光を、前記第
    １のタイミングと一部重なる前記第２のタイミングで受
    光させ、さらに第３の受光デバイスに、前記環境光を、
    前記レーザ光が前記受光手段によって受光されていない
    第３のタイミングで受光させることを特徴とする請求項
    １に記載の距離測定装置。
  4. 【請求項４】 前記受光手段は、単一の受光デバイスか
    ら構成され、 前記制御手段は、前記レーザ光発生手段を制御して第１
    のレーザ光を発生させた後に、前記受光手段を制御し
    て、前記単一の受光デバイスに、前記第１のレーザ光の
    反射光を前記第１のタイミングで受光させ、前記レーザ
    光発生手段を制御して、第２のレーザ光を発生させた後
    に、前記受光手段を制御して、前記単一の受光デバイス
    に、前記第２のレーザ光の反射光を、前記第２のタイミ
    ングで受光させることを特徴とする請求項１に記載の距
    離測定装置。
  5. 【請求項５】 前記受光手段は、複数の受光デバイスか
    ら構成され、 前記制御手段は、前記レーザ光発生手段を制御してレー
    ザ光を発生させた後に、前記受光手段を制御して、第１
    の受光デバイスで、前記レーザ光の反射光を前記第１の
    タイミングで受光させると共に、第２の受光デバイス
    で、前記レーザ光の反射光を、前記第１のタイミングと
    一部重なる前記第２のタイミングで受光させることを特
    徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
  6. 【請求項６】 前記受光手段は、前記対象物の画像情報
    も受光することを特徴とする請求項１に記載の距離測定
    装置。
  7. 【請求項７】 前記受光手段は、複数の受光デバイスか
    ら構成され、前記第１および第２のタイミングで反射光
    を受光する受光デバイスとは独立の受光デバイスで前記
    画像情報を受光する。ことを特徴とする請求項６に記載
    の距離測定装置。
  8. 【請求項８】 前記制御手段は、前記第１のタイミング
    で受光される反射光の最大時間長が、前記第２のタイミ
    ングで受光される反射光の最大時間長と等しいか若しく
    は短くなるように、前記受光手段を制御することを特徴
    とする請求項１に記載の距離測定装置。
  9. 【請求項９】 前記第１のタイミングと第２のタイミン
    グは、同じ時間長であることを特徴とする請求項 ８に
    記載の距離測定装置。
  10. 【請求項１０】 前記制御手段は、測定範囲をレーザ光
    が往復するのに要する時間と等しいか、若しくはより長
    い時間、レーザ光が発生されるように、前記レーザ光発
    生手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の距
    離測定装置。
  11. 【請求項１１】 レーザ光を用いて対象物までの距離を
    計測する距離測定方法において、 レーザ発生部を制御してレーザ光を発生させるレーザ光
    発生制御ステップと、 前記対象物で反射されたレーザ光を、少なくとも１つの
    受光デバイスから構成される受光部によって第１のタイ
    ミングで受光するように制御する第１の受光制御ステッ
    プと、 前記対象物で反射されたレーザ光を前記受光部によって
    第２のタイミングで受光するように制御する第２の受光
    制御ステップと、 前記第１のタイミングで受光された光の受光量に対応す
    る測定値、および前記第２のタイミングで受光された光
    の受光量に対応する基準値を生成し、前記測定値を前記
    基準値に基づいて正規化し、正規化された測定値に基づ
    いて、前記対象物までの距離を演算する演算ステップと
    を含むことを特徴とする距離測定方法。
  12. 【請求項１２】 前記対象物で反射されたレーザ光が、
    前記第１または第２の受光制御ステップの処理によって
    受光されていない第３のタイミングで、前記受光部によ
    って環境光を受光するように制御する第３の受光制御ス
    テップを更に含み、 前記演算ステップの処理では、前記受光部によって受光
    された前記環境光の受光量に対応する環境光値を生成
    し、前記測定値および前記基準値を前記環境光値に基づ
    いて補正することを特徴とする請求項 １１に記載の距
    離測定方法。
  13. 【請求項１３】 前記第１の受光制御ステップの処理で
    は、前記レーザ光発生制御ステップの処理においてレー
    ザ光が発生された後に、前記受光部を構成する第１の受
    光デバイスで前記レーザ光の反射光を前記第１のタイミ
    ングで受光するよう制御し、 前記第２の受光制御ステップの処理では、前記受光部を
    構成する第２の受光デバイスで前記レーザ光の反射光
    を、前記第１のタイミングと一部重なる前記第２のタイ
    ミングで受光するよう制御し、 前記第３の受光制御ステップの処理では、前記受光部を
    構成する第３の受光デバイスで前記環境光を、前記レー
    ザ光が前記第１または第２の受光制御ステップの処理に
    よって受光されていない第３のタイミングで受光するよ
    う制御することを特徴とする請求項 １１に記載の距離
    測定方法。
  14. 【請求項１４】 前記第１の受光制御ステップの処理で
    は、前記レーザ光発生制御ステップの処理において第１
    のレーザ光が発生された後に、前記受光部を構成する単
    一の受光デバイスで前記第１のレーザ光の反射光を前記
    第１のタイミングで受光するよう制御し、 前記第１の受光制御ステップの処理では、前記レーザ光
    発生制御ステップの処理において第２レーザ光が発生さ
    れた後に、前記単一の受光デバイスで第２のレーザ光の
    反射光を前記第２のタイミングで受光するよう制御する
    ことを特徴とする請求項 １１に記載の距離測定方法。
  15. 【請求項１５】 前記第１の受光制御ステップの処理で
    は、前記レーザ光発生制御ステップの処理においてレー
    ザ光が発生された後に、前記受光部を構成する第１の受
    光デバイスで前記レーザ光の反射光を前記第１のタイミ
    ングで受光するよう制御し、 前記第２の受光制御ステップの処理では、前記受光部を
    構成する第２の受光デバイスで前記レーザ光の反射光
    を、前記第１のタイミングと一部重なる前記第２のタイ
    ミングで受光するよう制御することを特徴とする請求項
    １１に記載の距離測定方法。
  16. 【請求項１６】 前記第１および第２のタイミングで反
    射光を受光する受光デバイスとは独立の他の受光デバイ
    スで、前記対象物の画像情報を受光する画像情報受光ス
    テップを更に含むことを特徴とする請求項 １１に記載
    の距離測定方法。
  17. 【請求項１７】 前記第１のタイミングで受光される反
    射光の最大時間長は、前記第２のタイミングで受光され
    る反射光の最大時間長と等しいか若しくは短いことを特
    徴とする請求項 １１に記載の距離測定方法。
  18. 【請求項１８】 前記第１のタイミングと第２のタイミ
    ングは、同じ時間長であることを特徴とする請求項 １
    ７に記載の距離測定方法。
  19. 【請求項１９】 前記レーザ光発生制御ステップの処理
    では、測定範囲をレーザ光が往復するのに要する時間と
    等しいか、若しくはより長い時間、レーザ光を発光する
    ようにレーザ発生部を制御することを特徴とする請求項
    １１に記載の距離測定方法。
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