JP2001074842A

JP2001074842A - 測距装置

Info

Publication number: JP2001074842A
Application number: JP25254199A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kanbe; 幸一掃部; Fumiya Yagi; 史也八木; Hidekazu Ide; 英一井手
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】物体で反射して戻ったパルスと時間的に重なる
ノイズに起因して測距が不正確になる事態を起こりにく
くし、測距装置の有用性を高めること。【解決手段】外部へパルス光を射出する送信手段と、外
部で反射したパルス光を受光して光電変換をする受信手
段とを備え、パルス光の送信時点から受信時点までの時
間に応じた測定データＤＬを出力する測距装置におい
て、受信手段へのパルス光の入射を遮断するためのシャ
ッタと、シャッタを閉じてパルス光を射出したときの受
信手段の出力Ｓ２０に応じたデータをノイズデータＤＮ
として記憶する記憶手段３４と、シャッタを開いてパル
ス光を射出したときの受信手段の出力Ｓ２０に応じたデ
ータである受光データＤＳに対して、ノイズデータＤＮ
を用いてノイズ除去のための演算を行うノイズ除去手段
３５とを設け、ノイズ除去手段３５の出力ｉｐに基づい
て測定データＤＬを生成するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、飛行時間測定方式
の測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス光の送信から物体で反射して戻っ
たパルス光の受信までの時間を測定することにより、既
知の光伝搬速度を適用して対物間距離を求めることがで
きる。この方法による測距では、物体で反射して戻った
光を光電変換し、必要に応じて増幅し、得られた電気信
号に基づいてパルスの受信時点を特定する。例えば、パ
ルスの前縁及び後縁を検出してパルス幅を求め、前縁か
らパルス幅の１／２が経過した時点を受信時点とする。
また、適当な周期で光電変換信号をサンプリングし、振
幅が最大となるピーク時点を検出して受信時点とする方
法もある。なお、送信時点については、光源の応答性を
考慮して発光制御タイミングを基準に特定する形態と、
発光量をモニターして受信と同様の要領で特定する形態
とがある。

【０００３】光電変換信号には外乱や回路動作に起因す
る種々のノイズが重畳するので、受信時点を特定するに
あたっての信頼性を確保する上でノイズ対策が必要であ
る。最も簡便な対策は、適切な閾値を設定し、閾値を越
える信号のみを有効とする手法である。特開平９−３１
８７４９号公報には、受信するパルスの強度に応じて閾
値及び信号増幅率を調整する測距装置が提案されてい
る。また、受光素子における光電変換に伴うショットノ
イズの対策としては、特開平１０−１９７６２１号公報
に、物体からの光を２個の受光素子に入射させ、２系統
の光電変換信号を合成してノイズ成分を打ち消す手法が
記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来においては、物体
で反射して戻ったパルスと時間的に重なるノイズが発生
した場合に、正しく受信時点を特定することができず、
測定誤差が大きくなったり、測定不能になったりすると
いう問題があった。すなわち、上述した閾値を設定する
ノイズ対策では、物体から戻ったパルスと時間的に重な
らないノイズの影響を無くすことはできるものの、ノイ
ズがパルスと重なった場合にパルス波形が歪んで正確な
測定が行えない。また、光電変換を２系統にする手法で
は、系統間で時間的にずれたノイズは除去できるもの
の、偶然に発生時期が一致したノイズどうしは打ち消さ
れない。時間的にパルスと重なるノイズが打ち消されず
に残ると、パルス波形は歪んでしまう。

【０００５】本発明は、物体で反射して戻ったパルスと
時間的に重なるノイズに起因して測距が不正確になる事
態を起こりにくくし、測距装置の有用性を高めることを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、物体
で反射したパルスを含めて外光を受光素子に入射させな
いようにして測定動作を行ったときの光電変換信号のサ
ンプリングデータ（ノイズデータ）を用いてノイズ除去
を行う。例えば、通常どおり外光を入射させるようにし
て測定動作を行ったときの光電変換信号のサンプリング
データ（受光データ）とノイズデータとの差分データを
算出し、差分データに基づいて受信時点を特定する。こ
れにより、測距装置の内部で発生するノイズのうちの発
生時期及び波形に再現性のあるノイズについて、その影
響を無くすことができる。差分データは受光情報から再
現性のあるノイズを除去した情報に相当するからであ
る。再現性のあるノイズとしては、光源から受光素子へ
迷光が伝搬することに因るノイズ、光源の瞬時発光に伴
うスイッチングノイズ、及びサンプリングクロックに係
わる高周波ノイズがある。なお、ノイズデータ及び受光
データのうち少なくとも一方を記憶すれば差分データを
生成することができる。温度に代表される動作環境条件
に大きな変化がない場合は必ずしも測定毎にノイズデー
タを得る必要はなく、ノイズデータを複数回の測定に共
用することも可能である。したがって、ノイズデータ及
び受光データのどちらかのみを記憶するとすれば、ノイ
ズデータを記憶する方が有利である。

【０００７】請求項１の発明の装置は、外部へパルス光
を射出する送信手段と、外部で反射した前記パルス光を
受光して光電変換をする受信手段とを備え、前記パルス
光の送信時点から受信時点までの時間に応じた測定デー
タを出力する測距装置であって、前記受信手段への前記
パルス光の入射を遮断するためのシャッタと、前記シャ
ッタを閉じてパルス光を射出したときの前記受信手段の
出力に応じたデータをノイズデータとして記憶する記憶
手段と、前記シャッタを開いてパルス光を射出したとき
の前記受信手段の出力に応じたデータである受光データ
に対して、前記ノイズデータを用いてノイズ除去のため
の演算を行うノイズ除去手段と、を有し、前記ノイズ除
去手段の出力に基づいて前記測定データを生成する。

【０００８】請求項２の発明の装置は、前記受信手段の
出力を増幅する増幅手段を有し、前記ノイズデータ及び
受光データは、前記増幅手段の出力に応じたデータであ
る。請求項３の発明の装置では、前記増幅手段は互いに
異なる増幅率の増幅が可能であり、前記ノイズ除去手段
は、前記受光データに対して、それと同じ増幅率の増幅
で得られたノイズデータを用いて演算を行う。

【０００９】請求項４の発明の装置では、前記送信手段
は互いに異なる強さのパルス光の射出が可能であり、前
記ノイズ除去手段は、前記受光データに対して、それと
同じ強さのパルス光を射出して得られたノイズデータを
用いて演算を行う。

【００１０】請求項５の発明の装置は、パルス光の射出
角度を変更する走査手段を備え、複数の方向のそれぞれ
にパルス光を投射して各方向における前記測定データを
３次元データとして出力する。

【００１１】

【発明の実施の形態】〔第１の実施形態〕図１は本発明
の第１の実施形態である測距装置１の全体構成図、図２
は送信部１０の構成を示す図、図３は受信部２０の構成
を示す図である。

【００１２】図１のように、測距装置１は、投光手段と
しての送信部１０、受光手段としての受信部２０、受信
処理回路３０、コントローラ４０、及びクロックジェネ
レータ５０から構成されている。

【００１３】コントローラ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、カウンタ、その他の周辺素子、適当なハードウエ
ア回路などから構成され、クロックジェネレータ５０か
ら得られるクロックＣＬＫに基づき、送信部１０、受信
部２０、及び受信処理部３０に対して測距動作に必要な
制御信号を送る。これによって、物体Ｑの測距が行われ
る。対物間の距離Ｌ及び後述する平均ノイズデータＤＮ
Ｈの算出はコントローラ４０が担う。

【００１４】図２のように、送信部１０は、発光素子
（半導体レーザ）１１、発光用のドライバ１２、発光時
間を規定するパルス回路１３、及び投光用のレンズ１４
を備え、コントローラ４０から送られる照射タイミング
信号ＳＣ１３に呼応して１００ｎｓ程度のパルス幅のパ
ルス光Ｐを外部へ射出する。また、パルス光Ｐの光量
（強さ）は、光量設定信号ＳＣ１２によって、ｍ段階の
光量ｐ１，ｐ２，…ｐｍに切り換えて設定できる。

【００１５】図３のように、受信部２０は、受光素子
（例えばフォトダイオード）２１、受光用のドライバ２
２、光電流を電圧に変換する回路２３、受光用のレンズ
２４、外部から入射する光を遮断するシャッタ２５、及
びシャッタ駆動回路２６を備え、受光量に応じた信号Ｓ
２０を出力する。

【００１６】本実施形態の測距装置１は、操作ボタンの
押下又は外部からのコマンド入力による測距開始指示に
呼応して、まずノイズデータを取得して記憶するノイズ
検出動作を行い、その後に対物間距離Ｌを測定する測距
動作を行う。

【００１７】ノイズ検出動作においては、シャッタ２５
を閉状態（遮断状態）としてパルス光Ｐを投射する。し
たがって、外部で反射したパルス光Ｐは受光素子２１に
入射しない。この場合の信号Ｓ２０をノイズ信号ＳＮと
呼称する。一方、測距動作においては、シャッタ２５を
開状態（非遮断状態）としてパルス光Ｐを投射する。外
部で反射したパルス光Ｐを含む外光Ｒ１がレンズ２４に
より集光されて受光素子２１に入射する。この場合の信
号Ｓ２０を受光信号ＳＳと呼称する。シャッタ２５の切
替えはシャッタ駆動回路２６によって行われる。シャッ
タ駆動回路２６の制御はシャッタ開閉信号ＳＣ２６によ
って行われる。

【００１８】なお、シャッタ２５の配置に関しては次の
変形例がある。シャッタ２５はレンズ２４と受光素子２
１との間に配置してもよい。また、パルス光強度に対し
て外光強度が十分に低い場合には、必ずしもシャッタ２
５を受信部２０に設ける必要はなく、送信部１０におけ
るレンズ１４の前側又は後側に配置してもよい。

【００１９】図４は受信処理回路３０のブロック図、図
５は第２メモリ３４の記憶内容を示す図、図６は平均ノ
イズデータＤＮＨの数値例を示す図、図７は減算部３５
の入出力を示す図である。図６においては、送信光量を
ｐ１とし増幅率をＡ１、Ａ２、Ａｎとして取得された３
種類の平均ノイズデータＤＮＨ₁₁，ＤＮＨ₁₂，ＤＮＨ _1n
が示されている。

【００２０】受信処理回路３０は、増幅部３１、Ａ／Ｄ
変換器３２、第１メモリ３３、第２メモリ３４、減算部
３５、及び重心演算部３６から構成されている。増幅部
３１は、受光部２０からの信号Ｓ２０をそれに適した増
幅率で増幅する。増幅率は、増幅率設定信号ＳＣ３１に
よって、ｎ段階の値Ａ１，Ａ２，…Ａｎのいずれかに設
定される。Ａ／Ｄ変換器３２は、増幅部３１の出力信号
をクロックＣＬＫに同期して周期的にサンプリングホー
ルドしてディジタル化する。クロック周期はパルス光Ｐ
のパルス幅より十分に短く、具体的には１０ｎｓ程度で
ある。第１メモリ３３は、Ａ／Ｄ変換器３２で得られた
サンプリングデータＤ３２を記憶するために設けられ、
測定可能最長距離に対応した光伝搬時間Ｔａ分のデータ
量の少なくともＫ倍の記憶容量を有する。第２メモリ３
４は、上述のノイズ信号ＳＮのサンプリングデータに基
づいて算出される平均ノイズデータＤＮＨを記憶する。

【００２１】測距動作において、受光信号ＳＳのサンプ
リングデータＤ３２である受光データＤＳは、第１メモ
リ３３にサンプリング順に一旦格納される。サンプリン
グ及びデータ格納は、パルス光Ｐの送信に呼応して開始
され、測定可能最長距離に対応した光伝搬時間が経過す
るまで続けられる。所定時間分の受光データの記憶が終
わった後、受光データＤＳは第１メモリ３３から読み出
されて減算部３５へ送られる。これと同時に、予め第２
メモリ３４に記憶されている種々の動作条件（光量ｐ及
び増幅率Ａ）の平均ノイズデータＤＮＨのうち、受光デ
ータと同じ動作条件で得られたものが減算部３５へ送ら
れる。減算部３５は、受光データＤＳに対するノイズ除
去手段であり、受光データＤＳと平均ノイズデータＤＮ
Ｈとの差分データＤＳ’を出力する。重心演算部３６
は、差分データＤＳ’に基づいて時間重心ｉｐを求める
演算を行う。差分データＤＳ’に基づいて演算を行うこ
とにより、測距装置１の内部で発生するノイズのうちの
発生時期及び波形に再現性のあるノイズについて、その
影響を無くすことができる。差分データＤＳ’は受光情
報から再現性のあるノイズを除去した情報に相当するか
らである。再現性のあるノイズの影響が無くなる分だ
け、ノイズに起因して測定が不正確になる事態が起こり
にくくなる。

【００２２】コントローラ４０は、時間重心ｉｐを受信
時点とし、発光制御タイミングに基づく送信時点ｔｐ０
から時間重心ｉｐ１までの時間を光伝搬時間Ｔａとして
求める。光伝搬時間Ｔａと既知の光伝搬速度（３×１０
⁸ｍ／ｓ）とから算出された距離Ｌは、測定データＤＬ
として他の装置（ディスプレイ、コンピュータなど）へ
出力される。

【００２３】図８は時間重心ｉｐの概念図である。時間
重心ｉｐは、サンプリング数ｕ（図ではｕ＝３０）の受
光データの分布における時間軸上の重心であって、受光
量が最大となるピーク時点に相当する。各サンプリング
時点の受光データ（差分データＤＳ）に１〜ｕのサンプ
リング番号を付す。ｉ番の受光データはＸｉで表され
る。ｉは１〜ｕの整数であり、受光データを記憶するメ
モリのアドレスに対応している。１〜ｕ番の受光データ
Ｘ１〜Ｘｕについての時間重心ｉｐは、ｕ個の受光デー
タについて、ｉ・Ｘｉの総和Σｉ・ＸｉをＸｉの総和Σ
Ｘｉで除すことにより求められる。すなわち、

【００２４】

【数１】

【００２５】となる。以下、ノイズ検出動作について説
明する。図９及び図１０はノイズ検出の動作を示すフロ
ーチャートである。

【００２６】測距動作の開始が指示されると、コントロ
ーラ４０はシャッタ２５を閉じ（＃１１）、送受の動作
条件を設定する（＃１２、＃１３）。パルス光Ｐの送信
光量の設定初期値はｐ１であり、増幅率の設定初期値は
Ａ１である。

【００２７】コントローラ４０から送信部１０へ照射タ
イミング信号ＳＣ１３が送出されると同時に、第１メモ
リ３３はノイズ信号ＳＮのサンプリングデータ（ノイズ
データ）の書込みを開始する（＃１４）。そして、測定
可能最長距離に対応した所定時間が経過すると、書込み
を一旦終了する（＃１５、＃１６）。このようなノイズ
データの書込み動作をＫ回繰り返す（＃１７、＃１
４）。つまり、１つの動作条件についてノイズ検出をＫ
回行う。

【００２８】測距装置１は、増幅率の設定をＡ１からＡ
２に更新して再びＫ回の検出を行う。同様に増幅率をＡ
ｎまで１段ずつ更新し、各増幅率についてＫ組のノイズ
データを記憶する（＃１８、＃１３）。さらに、送信光
量をｐ１からｐｍまで１段ずつ更新し、各送信光量につ
いてｎ通りの増幅率のノイズデータをＫ組ずつ取得する
（＃１９、＃１２）。第１メモリ３３は、ｍ×ｎ×Ｋ組
（１組はｕ個のサンプリングデータ）を記憶することに
なる。

【００２９】測距装置１は、ｍ×ｎ通りの動作条件のそ
れぞれについて、サンプリング順位ｊ（ｊ＝１〜ｕ）の
Ｋ個のノイズデータに対する平均演算を行い、ｕ個のサ
ンプリング時点のそれぞれのノイズレベルを示す平均ノ
イズデータＤＮＨを算出する（＃２０、＃２１）。そし
て、算出したｍ×ｎ組の平均ノイズデータＤＮＨを第２
メモリ３４に格納する（＃２２、＃２３）。〔第２の実施形態〕図１１は本発明の第２の実施形態で
ある測距装置２の全体構成を示す図である。

【００３０】測距装置２は、投光手段としての送信部１
００、受光手段としての受信部２００、受信処理回路３
００、コントローラ４００、クロックジェネレータ５０
０、及び走査部６００から構成されている。

【００３１】測距装置２は、測距装置１の構成に加えて
走査部６００を有する。走査部６００以外の構成につい
ては、測距装置１とほぼ同様であり、それらの説明を省
略する。

【００３２】走査部６００は、回転可能なミラー、ミラ
ー駆動機構、及び固定ミラーなどを備え、送信部１００
から射出されたパルス光Ｐの投射角を２方向に変更し
て、物体Ｑを２方向走査する。これにより、物体Ｑの３
次元形状の計測が可能である。

【００３３】上述の実施形態において、受信時間の特定
は、差分データＤＳ’に基づいて行われる。差分データ
ＤＳ’は、受光データＤＳからノイズデータＤＮが除去
された受光データである。したがって、受光データＤＳ
とノイズデータＤＮとが時間的に重なる場合があって
も、受信時点が不正確になる事態は起こりにくい。

【００３４】上述の実施形態では、減算部３５において
受光データＤＳから平均ノイズデータＤＮＨを減算する
ことによりノイズの除去された差分データＤＳ’を求
め、差分データＤＳ’に基づいて受信時間を特定した
が、以下の演算を重心演算部３６で行うことにより、受
信時点を特定することも可能である。この場合には減算
部３５は不要となる。

【００３５】第２メモリ３４により次のデータを記憶す
る。

【００３６】

【数２】

【００３７】そして、次式で表されるｉｐ’を求める。

【００３８】

【数３】

【００３９】ｉはメモリのアドレス、Ｘｉはｉ番目のア
ドレスの受光データＤＳ、Ｎｉはｉ番目のアドレスのノ
イズデータＤＮ、ｉｐ’は時間重心（重心アドレス）に
対応する。

【００４０】上述の実施形態においては、送信光量及び
増幅率の双方を変更してノイズ検出を行っているが、一
方の動作条件のみを変更してもよい。また、ある増幅率
でノイズ検出を行い、その結果に所定の係数を乗じるこ
とによって複数の増幅率に対応するノイズデータを取得
して記憶してもよい。

【００４１】上述の実施形態においては、ノイズ検出を
測距動作の開始時に行っているが、測距装置の電源投入
時に行うようにしてもよい。上述の実施形態において
は、重心演算によって受信時点を特定しているが、受光
信号ＳＳのピーク検出やパルスエッジ検出の結果に基づ
いて受信時点を特定してもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、ノイズに起因して測定
が不正確になる事態を起こりにくくし、測距装置の有用
性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である測距装置の全体
構成図である。

【図２】送信部の構成を示す図である。

【図３】受信部の構成を示す図である。

【図４】受信処理回路のブロック図である。

【図５】第２メモリの記憶内容を示す図である。

【図６】平均ノイズデータの数値例を示す図である。

【図７】減算部の入出力を示す図である。

【図８】時間重心の概念を示す図である。

【図９】ノイズ検出の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１０】ノイズ検出の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１１】本発明の第２の実施形態である３次元データ
入力装置の全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１，２測距装置１０，１００送信部（送信手段）２０，２００受信部（受信手段）２５シャッタ３１増幅部（増幅手段）３４第２メモリ（記憶手段）３５減算部（ノイズ除去手段）３６重心演算部（ノイズ除去手段）６００走査部（走査手段）ＤＬ測定データＤＮノイズデータＤＳ受光データＰパルス光Ｓ２０信号（出力）ｔｐ０送信時点ｉｐ０受信時点

フロントページの続き (72)発明者井手英一大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2F112 AD01 BA07 CA12 DA13 DA15 EA05 EA20 FA03 FA07 FA21 FA33 FA45 GA10 5J084 AA05 AD01 BA04 BA36 BA50 BB02 BB28 BB35 CA03 CA06 CA12 CA25 CA28 CA31 CA45 CA52 CA70 CA76 DA01 DA07 DA10 EA02 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部へパルス光を射出する送信手段と、外
部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受
信手段とを備え、前記パルス光の送信時点から受信時点
までの時間に応じた測定データを出力する測距装置であ
って、前記受信手段への前記パルス光の入射を遮断するための
シャッタと、前記シャッタを閉じてパルス光を射出したときの前記受
信手段の出力に応じたデータをノイズデータとして記憶
する記憶手段と、前記シャッタを開いてパルス光を射出したときの前記受
信手段の出力に応じたデータである受光データに対し
て、前記ノイズデータを用いてノイズ除去のための演算
を行うノイズ除去手段と、を有し、前記ノイズ除去手段の出力に基づいて前記測定データを
生成することを特徴とする測距装置。
【請求項２】前記受信手段の出力を増幅する増幅手段を
有し、前記ノイズデータ及び受光データは、前記増幅手段の出
力に応じたデータである請求項１記載の測距装置。
【請求項３】前記増幅手段は互いに異なる増幅率の増幅
が可能であり、前記ノイズ除去手段は、前記受光データに対して、それ
と同じ増幅率の増幅で得られたノイズデータを用いて演
算を行う請求項２記載の測距装置。
【請求項４】前記送信手段は互いに異なる強さのパルス
光の射出が可能であり、前記ノイズ除去手段は、前記受光データに対して、それ
と同じ強さのパルス光を射出して得られたノイズデータ
を用いて演算を行う請求項１乃至請求項３のいずれかに
記載の測距装置。
【請求項５】パルス光の射出角度を変更する走査手段を
備え、複数の方向のそれぞれにパルス光を投射して各方向にお
ける前記測定データを３次元データとして出力する請求
項１乃至請求項４のいずれかに記載の測距装置。