JP2001124855A

JP2001124855A - 距離計測方法およびその装置

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Publication number: JP2001124855A
Application number: JP30473099A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Yoshimura; 一成吉村; Kuninori Nakamura; 国法中村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-05-11
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: JP3654090B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的短い時間でかつ精度よく距離を測定す
る。【解決手段】半導体レーザ１１によりパルス状のレーザ
光を放射し、ビームスプリッタ１２により、物体１に照
射される物体波と参照波とに分岐する。物体波の物体１
による反射波と参照波とを一つのフォトダイオード２１
により受波する。フォトダイオード２１から出力される
信号成分は、マスク発生回路２４において反射波に対応
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
分離される。反射信号成分と参照信号成分とについて遅
延回路１５で遅延させた信号により半導体レーザ１１を
トリガする動作をカウンタ２５のカウントアップまでそ
れぞれ繰り返すとともにその時間を積算する。反射信号
成分について求めた時間から参照信号成分について求め
た時間を減算すれば物体１までの距離に対応した時間が
得られ、この時間が距離に換算される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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およびその装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来からこの種の距離計測装置として、
特許第２５１８０６４号公報に記載されているように、
パルスレーザ光を物体に照射するとともに物体からの反
射光を検出し、パルスレーザ光の投光から反射光の受光
までの時間を計測することによって、物体までの距離を
求める構成が知られている。上記公報に記載された距離
計測装置では、図１３に示すように、パルス発生回路４
１が可変ディレイ回路２２にディレイ値を与えた後に、
パルス発生回路４１から可変ディレイ回路４２にトリガ
信号を発生し、このトリガ信号をディレイ値に相当する
時間だけ遅延させた信号を駆動回路４３を通して半導体
レーザ４４に与えることによって、パルス状のレーザ光
を送出している。また、物体１によって反射されたレー
ザ光は光検出器回路４５に入力され、光検出器回路４５
の出力はゲート回路４６に入力される。さらに、パルス
発生回路４１からのトリガ信号は、レーザ光の立ち上が
り時間を見込んだ一定の遅延を生じさせる固定ディレイ
回路４７を通してゲート回路４６に入力され、ゲート回
路４６では固定ディレイ回路４７の出力が入力されてか
ら光検出器回路４５の出力が入力されるまでの期間にク
ロック発生回路４８からのクロック信号をカウンタ表示
器４９に与えてクロック信号をカウントさせる。つま
り、可変ディレイ回路４２での遅延時間をτｖ、固定デ
ィレイ回路４７での遅延時間をτｐとし、レーザ光の投
光から受光までの時間をτｔとすれば、カウンタ表示器
４９でカウントされるクロック出力の個数は、時間（τ
ｖ＋τｔ−τｐ）に相当することになる。

【０００３】ところで、上記公報に記載された装置は、
図１４に示すタイミングで駆動することが特徴になって
おり、図１４（ａ）のようにクロック発生器４１からク
ロック出力を発生させ、図１４（ｂ）のように固定ディ
レイ回路４２の出力を発生させるものとしたときに、図
１４（ｃ）〜（ｌ）のようにゲート回路４６の出力をカ
ウンタ表示器４９に入力するようになっている。つま
り、可変ディレイ回路４２のディレイ値をクロック出力
の周期の１０分の１ずつ変化させることによって、クロ
ック出力の周期Ｔに相当する距離単位よりも高い精度で
物体１までの距離を計測可能としている。図示例ではク
ロック出力を５ｍ単位に相当する周期Ｔで発生させてお
り、周期Ｔの１０分の１ずつずらしたタイミングで１０
回の距離測定を行うことによって、クロック出力の１０
分の１の単位、つまり０．５ｍ単位での測定が可能にな
っている。図示例では物体７までの距離が１００ｍの場
合の動作を実線で示し、１０２．５ｍの場合の動作を破
線で示している。要するに、パルスレーザ光を投光する
タイミングをクロック出力の周期Ｔの１０分の１ずつず
らしているから、物体１までの距離が１００〜１０５ｍ
の範囲であれば、１０回の測定の間に、物体１までの距
離に応じた比率で１００ｍと１０５ｍとの測定値が得ら
れることになる。たとえば、物体７までの距離が１００
ｍであれば図１５（ａ）のように１０回の測定ですべて
１００ｍの結果が得られ、１０２．５ｍであれば図１５
（ｂ）のように１０回の測定のうち５回は１００ｍ、残
りの５回は１０５ｍの結果になる。したがって、１００
ｍ＋（１０５ｍ−１００ｍ）×５／１０＝１０２．５ｍ
という結果が得られる。具体的には１０回の測定値の合
計の１０分の１を物体１までの距離として求めることが
できる。

【０００４】一方、特開平３−２６４８８５号公報に記
載された発明では、図１６に示すように、リセット可能
な非安定マルチ５１の出力をオア回路５２を通して単パ
ルス切出回路５３に入力し、単パルス切出回路５３によ
って幅の狭いパルスを生成するとともに、このパルスを
増幅器５４を介して発光素子５５に与えることによって
幅の狭い光パルスを発生させるように構成されている。
発光素子５５からの光は参照光路と測距光路との２つの
光路を通り光路切替器５７を通して受光装置５６に入射
する。測距光路では発光素子５５からの光が物体１に照
射され受光装置５６には物体１での反射光が入射され
る。また、参照光路では発光素子５５からの光が受光装
置５６に直接入射する。

【０００５】光路切替器５７は、受光装置５６に参照光
路からの光を入射させるか測距光路からの光を入射させ
るかを選択する回路であって、受光装置５６には測距光
路と参照光路とのいずれかを通った光が選択的に入射す
る。受光装置５６の出力は信号遅延回路５８で所定の遅
延時間だけ遅延された後に増幅器５９で増幅され、さら
に波形整形回路６０によって矩形波状に波形整形され
る。波形整形回路６０の出力はオア回路５２に入力され
ており、発光素子５５は非安定マルチ５１の出力と波形
整形回路６０の出力とのいずれかのタイミングで光パル
スを発生するようになっている。光路切替器５７は参照
光路と測距光路とを交互に選択するように制御されてお
り、受光装置５６には参照光路を通る光と測距光路を通
る光とが交互に入射される。

【０００６】したがって、発光素子５５から発生した光
パルスが測距光路を通って受光装置５６に入射すると、
信号遅延回路５８に設定された遅延時間の経過後に光パ
ルスが発生し（信号遅延回路５８以外の回路での遅れ時
間は無視している）、次には参照光路を通って光が受光
装置５６に入射してから遅延時間の経過後に光パルスが
発生することになる。ここに、波形整形回路６０は光パ
ルスの発光に同期して出力を立ち上げ、その後、受光装
置５６での受光に同期して出力を立ち下げ、出力の立ち
下げ時から信号遅延回路５８による遅延時間の経過後に
出力を立ち上げるように構成されている。つまり、波形
整形回路６０の出力の立ち上げから次の立ち上げまでの
時間は、光パルスの送波から受光装置５６での受波まで
の時間に信号遅延回路５８による遅延時間を加算したも
のになる。したがって、測距光路が選択されているとき
と参照光路が選択されているときとにおいて、波形整形
回路６０の出力が立ち上がればそれぞれ前回の立ち上が
り時との時間間隔を求め、測距光路が選択されたときに
求めた時間間隔から参照光路が選択されたときに求めた
時間間隔を減算する。いま、光パルスが発生してから測
距光路を通して受光装置５６に入射するまでの時間をτ
ｔ、参照光路を通して受光装置５６に入射するまでの時
間をτｒ、信号遅延回路５８での遅延時間をτｄとすれ
ば、上記動作によって、（τｔ＋τｄ）−（τｒ＋τ
ｄ）＝τｔ−τｒになり、参照光路は既知の長さである
から時間τｒも既知であって、結果的に測距光路に対応
した時間τｔを求めることができるのである。遅延時間
τｄは消去されるから、遅延時間τｄをどのように設定
しても測距の精度には影響しない。

【０００７】ただし、測距光路を光が通過する時間はご
く短時間であって誤差が生じやすいから、上述の減算を
規定回数（たとえば１００００回）繰り返して誤差分を
平均化し測距の精度を高くしている。つまり、上述のよ
うに、受光装置５６で光を受光した時点から遅延時間の
経過後を光パルスの発生タイミングとしており、投光−
受光−投光というループを形成し、このループを規定回
数繰り返すことによって、測距の精度を高めているので
ある。また、上述のように遅延時間τｄを設定すること
によってループの周期を長くすることができ、結果的に
回路動作を比較的低速で行えるようになっている。

【０００８】測距光路と参照光路との時間差を求める構
成について簡単に説明しておく。上述した波形成形回路
６０の出力は１／Ｎカウンタ６１に入力されて波形整形
回路６０の出力の立ち上がりがＮ回になるまでカウント
される。また、１／Ｎカウンタ６１の出力は単安定マル
チ６２およびフリップフロップ６３に入力され、単安定
マルチ６２の出力によって１／Ｎカウンタ６１がリセッ
トされる。ここに、Ｎはたとえば１００００と設定され
る。１／Ｎカウンタ６１は波形整形回路６０の出力の立
ち上がりに対応した信号を出力し、フリップフロップ６
３の出力を増幅器６４に通して光路切替器５７に与える
ことによって、光路切替器５７を波形整形回路６０の出
力の変化に同期させて切り換えることができるのであ
る。フリップフロップ６３の出力はアップダウンカウン
タ６５にも与えられ、アップカウントかダウンカウント
かが選択される。アップダウンカウンタ６５はクロック
発生回路６６から出力されるクロック出力をカウントす
る。したがって、測距光路が選択されるときにアップカ
ウント、参照光路が選択されるときにダウンカウントに
切り換えておくことによって、アップダウンカウンタ６
５の出力値は、時間（τｔ−τｒ）に対応する値にな
る。フリップフロップ６３の出力は単安定マルチ６７に
も入力されており、アップダウンカウンタ６５の出力値
は単安定マルチ６７の出力に応じてホールド回路６８に
よりホールドされ、測距光路と参照光路とでの時間差を
Ｎ回積算した時点でのホールド回路６８の出力をＮで除
算した値が物体１までの距離に対応することになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特許第２５
１８０６４号公報に記載の構成では、距離の測定精度が
可変ディレイ回路４２での遅延時間に依存しており、遅
延時間は一般には抵抗やコンデンサを用いて設定される
ものであるから、距離の測定精度を十分に高くすること
が困難である。これに対して、特開平３−２６４８８５
号公報に記載された発明では多数回の検知結果を積算
し、かつ回路内部で発生する遅延時間τｄを消去するか
ら、距離を高精度で測定できると考えられる。しかしな
がら、この公報に記載の発明では、受光装置５６の前方
に配置した光路切替器５７を用いて参照光路と測距光路
とを交互に切り換えて受光装置５６を共用する構成とし
ているから、光路切替器５７には光学要素を用いた機械
的構成が必要になり、構成が複雑になるとともにメンテ
ナンスが面倒である。また、参照光路と測距光路とを交
互に多数回切り換えており、しかも参照光路と測距光路
とを切り換える構成が機械的構成であって比較的長い時
間を要するから、結局は検知結果が得られるまでに比較
的長い時間を要することになる。たとえば、参照光路で
の測定時間をτ１、測距光路での測定時間をτ２、参照
光路と測距光路との切換に要する時間をτ３とすれば、
（τ１＋τ２＋２τ３）で１周期となり、これをＮ回繰
り返すとすればＮ×（τ１＋τ２＋２τ３）となって、
非常に長い時間を要することになる。ここに、時間τ
１、τ２は距離の測定のために必須の時間であって、こ
れを短縮するのは困難である。

【００１０】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、比較的短い時間で距離を測定するこ
とができ、しかも精度よく距離を測定できるようにした
距離計測方法およびその装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１ないし請求項４
は距離計測方法の発明であって、以下の構成要件を備え
ている。

【００１２】請求項１の発明は、パルス状の電磁波を送
波するとともに送波された電磁波の一部が物体に照射さ
れる物体波となり残りが参照波となるように分岐し、物
体波の前記物体による反射波と前記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、電磁波の送波から反射波の受波
までの時間を距離に換算して前記物体までの距離を計測
する距離計測方法であり、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
て用いることを特徴とする。

【００１３】請求項２の発明は、パルス状の電磁波を送
波するとともに送波された電磁波の一部が物体に照射さ
れる物体波となり残りが参照波となるように分岐し、物
体波の前記物体による反射波と前記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、電磁波の送波から反射波の受波
までの時間を距離に換算して前記物体までの距離を計測
する距離計測方法であり、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
を特徴とする。

【００１４】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記参照信号成分を抽出する参照成
分分離マスクと前記反射信号成分を抽出する反射成分分
離マスクとが設定され、反射成分分離マスクを設定する
期間が測定可能な最大距離に応じて可変とされているこ
とを特徴とする。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、距離の測定精度に応じて前記規定回
数を設定することを特徴とする。

【００１６】請求項５ないし請求項１７の発明は距離計
測装置の発明であって、以下の構成要件を備えている。

【００１７】請求項５の発明は、パルス状の電磁波を送
波する送波手段と、送波された電磁波の一部が物体に照
射される物体波となり残りが参照波となるように分岐す
る分岐手段と、物体波の前記物体による反射波と前記参
照波とを受波する一つの受波手段と、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する信号分離手段
と、電磁波の送波から反射波の受波までの時間を距離に
換算して前記物体までの距離を計測する演算手段と、反
射信号成分と参照信号成分とをそれぞれ規定個数までカ
ウントするカウンタと、反射信号成分と参照信号成分と
をそれぞれ同じ遅延時間だけ遅延させる遅延手段と、反
射信号成分を前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規定回数繰り返す間
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の時計手段と、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
す間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の時計手段と
を備え、第１の時計手段で求めた積算値から第２の時計
手段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ることを特徴と
する。

【００１８】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、前記反射信号成分と前記参照信号成分との振幅をほ
ぼ等しくするゲイン調整回路と、前記受波手段により受
波される反射波の強度をほぼ一定に保つように前記送波
手段の出力強度を調節するＡＰＣ回路とを備えることを
特徴とする。

【００１９】請求項７の発明は、請求項５の発明におい
て、前記受波手段の出力を増幅するそれぞれ増幅率が異
なった複数個の前置増幅回路と、これらの前置増幅回路
から所望の前置増幅回路の出力を選択して信号分離手段
に入力させるセレクタとを備え、前記セレクタは前記反
射信号成分と前記参照信号成分との振幅をほぼ等しくす
る前置増幅回路の選択に用いられることを特徴とする。

【００２０】請求項８の発明は、請求項５の発明におい
て、周囲温度を検出する温度センサを備え、温度センサ
により検出される周囲温度に応じて周囲温度の影響によ
る測定誤差を補正することを特徴とする。

【００２１】請求項９の発明は、請求項５の発明におい
て、前記時計手段が一定周期で発生するクロック信号を
計時することを特徴とする。

【００２２】請求項１０の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記時計手段がコンデンサを定電流で充電する積
分回路であってコンデンサの両端電圧を時間に換算する
ことを特徴とする。

【００２３】請求項１１の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記遅延手段が前記信号分離手段と送波手段との
間に設けた遅延回路であることを特徴とする。

【００２４】請求項１２の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記電磁波が光であって、前記受波手段として光
電子増倍管を用い、前記遅延手段による遅延時間の少な
くとも一部として光電子倍増管における受波から出力の
発生までの遅れ時間を用いることを特徴とする。

【００２５】請求項１３の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記電磁波が光であって、前記送波手段と物体と
の間にはレンズが配置され、前記分岐手段が前記送波手
段と前記レンズとの間に配置され前記送波手段からの光
を透過させ前記レンズを通して物体波として物体に照射
させるとともに前記レンズで反射された光および物体か
らの反射波を偏向して前記受波手段に入射させるように
構成され、レンズで反射された光が参照波として用いら
れることを特徴とする。

【００２６】請求項１４の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記電磁波が光であって、前記送波手段と物体と
の間にはレンズが配置され、前記分岐手段が前記送波手
段と前記レンズとの間に配置され前記送波手段からの光
を透過させ前記レンズを通して物体波として物体に照射
させるとともに前記レンズで反射された光および物体か
らの反射波を偏向して前記受波手段に入射させるように
構成された偏光ビームスプリッタであって、偏光ビーム
スプリッタと前記レンズとの間には４分の１波長板が配
置され、レンズで反射された光が参照波として用いられ
ることを特徴とする。

【００２７】請求項１５の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記送波手段が半導体レーザであって、受波手段
から出力される信号成分の立ち上がりのタイミングを抽
出して距離を演算することを特徴とする。

【００２８】請求項１６の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記送波手段が半導体レーザであって、時間幅の
短いパルスにより駆動されることを特徴とする。

【００２９】請求項１７の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記電磁波が光であって、前記受波手段と物体と
の間には反射波の光路を延長する光ファイバが設けられ
ることを特徴とする。

【００３０】請求項１８の発明は、請求項５の発明にお
いて、前記電磁波が光であって、参照波および反射波が
入射する受波手段としての光ファイバ増幅器を備え、光
ファイバ増幅器に内蔵した起動用レーザのオンオフによ
って反射波と参照波とに分離し、光ファイバ増幅器によ
り増幅した光を物体に向かって送波することを特徴とす
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本実施形態
では、従来技術と同様に、電磁波としてビーム状の光を
用いるが、光以外の波長を有する電磁波を用いることも
可能である。また、パルス状の光を物体に照射するとと
もに物体での反射光を受光し、光の投光から受光までの
時間を距離に換算することによって距離を測定する、い
わゆるタイムオブフライト法を用いる。つまり、光を投
光する投光装置と光を受光する受光装置とが物体に対し
て等しい距離に位置しているとすれば、その距離Ｌは、
投光から受光までの時間をｔ、光速をｃとするときに、
Ｌ＝ｃ・ｔ／２になる。上述した従来技術もこの原理に
基づくものであるが、上述した問題点を有している。

【００３２】そこで、本実施形態では、図１に示す構成
を採用することによって、従来技術の問題点を解決して
いる。すなわち、本実施形態では半導体レーザ１１を用
いて電磁波としてのレーザ光を送波し、送波されたレー
ザ光を分岐手段としてのビームスプリッタ１２によって
物体波と参照波とに分岐させる。物体波は目的とする物
体１に照射され、物体１での反射波はレンズ１７を通り
受波手段としてのフォトダイオード２１に入射する。ま
た、フォトダイオード２１にはビームスプリッタ１２に
より分岐された参照波も入射する。ただし、ビームスプ
リッタ１２とフォトダイオード２１との距離は、ビーム
スプリッタ１２と物体１との距離よりも十分に短く、ビ
ームスプリッタ１２により分岐された参照波と物体波に
対応する反射波とは、異なる時刻にフォトダイオード２
１に入射することになる。

【００３３】フォトダイオード２１の出力はゲイン調整
回路２２を通して出力レベルがほぼ一定になるように調
節された後、増幅回路２３において増幅される。増幅回
路２３の出力には参照波に対応する参照信号成分と反射
波に対応する反射信号成分とが含まれており、上述した
ように参照波と反射波とがフォトダイオード１２に受光
される時刻は異なるから、参照信号成分および反射信号
成分も増幅回路２３から出力される時刻が異なる。そこ
で、マスク発生回路２４において参照信号成分と反射信
号成分との一方をそれぞれ選択的に抽出する参照成分分
離マスクと反射成分分離マスクとを個別に発生させる。
マスク発生回路２４はアナログスイッチを備え、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。参照成分分離マスクおよび反
射成分分離マスクを発生させるタイミングについては後
述する。

【００３４】マスク発生回路２４の出力はカウンタ２５
に入力される。カウンタ２５は時計機能を有しており、
マスク発生回路２４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発生回路２４から
出力が最初に発生してからカウンタ２５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発生回路２４から出力が最初に
発生してからカウンタ２５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２５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「１
００００」などの値に設定されている。また、時計機能
のクロック信号は水晶振動子Ｘを用いて発生させてい
る。ここで、マスク発生回路２４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２５によって制御されており、物体１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２５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２５からマス
ク発生回路２４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。

【００３５】カウンタ２５において計時された２つの時
間は演算装置２６に与えられ、演算装置２６では反射成
分分離マスクが選択されている期間に計時された時間か
ら参照成分分離マスクが選択されている期間に計時され
た時間を減算し、減算結果をカウンタ２５のカウントア
ップの値から１を引いた値で除算する。この値は、ビー
ムスプリッタ１２から物体波が物体１に到達した後、物
体１から反射波がフォトダイオード２１に入射するまで
の時間になる。ビームスプリッタ１２とフォトダイオー
ド２１との位置関係は既知であるから、この位置関係に
相当する補正を上記時間に施せば物体１までの距離の２
倍に対応した時間を求めることができる。この時間の２
分の１に光速を乗じることによって、物体１の距離が求
められる。このようにして求められた距離が演算結果と
して出力され、図示しない表示器などに表示される。

【００３６】演算装置２６では物体１までの距離の計測
開始時には計測開始を指示し、カウンタ２５が２回カウ
ントアップすると計測終了を指示する。計測ゲート２７
では演算装置２６により計測開始を指示されてから計測
終了を指示されるまでの期間を計測ゲート期間としてお
り、計測ゲート期間には半導体レーザ１１からのレーザ
光の発生が可能になる。ここに、半導体レーザ１１はレ
ーザ駆動回路１３により発光が制御され、また半導体レ
ーザ１１への供給電力のピーク値はＡＰＣ（自動出力制
御）回路１４によってほぼ一定になるように制御され
る。レーザ駆動回路１３は上述のようにパルス状の駆動
信号を半導体レーザ１１に与えており、半導体レーザ１
１から出力されるレーザ光の立ち上がりは図２（ａ）の
ように急峻になっている。つまり、レーザ光の立ち上が
り時間ｔｒは短いから、フォトダイオード２１から出力
される信号成分もレーザ光の立ち上がり部分に対応した
急峻な立ち上がりになり、信号成分の立ち上がり部分を
基準とすることによって、参照波や反射波の受波のタイ
ミングを明確にすることができる。このことによって、
再現性よくかつ正確に時間を計測することができ、ひい
ては距離を精度よく測定できることになる。また、駆動
信号のパルス幅を短くして半導体レーザ１１への注入電
流を単パルスとすれば、図２（ｂ）のように狭い半値幅
ｔｗ（＝０．２〜０．５ｎｓｅｃ）を有したレーザ光を
発生させることができる。このような、時間幅の短いパ
ルス状のレーザ光を発生させることで、時間を計時する
タイミングを一層明確にすることができる。

【００３７】ところで、マスク発生回路２４から出力さ
れる参照信号成分または反射信号成分は遅延回路１５に
も入力され、遅延回路１５において規定の遅延時間だけ
遅延された後にＡＰＣ回路１４に入力される。ＡＰＣ回
路１４では計測ゲート期間において遅延回路１５の出力
が立ち上がると、これをトリガとしてレーザ駆動回路１
３に指示を与えて半導体レーザ１１を短時間だけ発光さ
せる。つまり、半導体レーザ１１からパルス状のレーザ
光が発生し、このレーザ光に対応する参照波または反射
波がフォトダイオード２１により受波されると、参照信
号成分または反射信号成分が抽出されて遅延回路１５に
よって遅延され、遅延された参照信号成分または反射信
号成分をトリガとしてレーザ光が再び投光されるのであ
る。このようにレーザ光の投受光に循環経路を形成して
いるから、フォトダイオード２１で参照波または反射波
を受波した後に半導体レーザ１１からレーザ光が出射さ
れるまでの時間は一定になる。いま、この時間をτａと
し、半導体レーザ１１から出射されたレーザ光が物体１
で反射され反射波としてフォトダイオード２１に入射す
るまでの時間をτｂ、半導体レーザ１１から出射された
レーザ光がフォトダイオード２１に参照波として入射す
るまでの時間をτｃとし、カウンタ２５のカウントアッ
プの値をＮとする。マスク発生回路２４で反射成分分離
マスクが選択されている期間においてカウンタ２５で計
時される時間は（Ｎ−１）×（τａ＋τｂ）になり、参
照成分分離マスクが選択されている期間においてカウン
タ２５で計時される時間は（Ｎ−１）×（τａ＋τｃ）
になるから、演算装置２６における演算結果は、｛（Ｎ
−１）×（τａ＋τｂ）−（Ｎ−１）×（τａ＋τ
ｃ）｝／（Ｎ−１）＝τｂ−τｃになる。つまり、物体
波がビームスプリッタ１２から物体１に到達し、反射波
が物体１からフォトダイオード２１に到達するまでの時
間が求められることになる。

【００３８】上記構成において、ゲイン調整回路２２お
よびＡＰＣ回路１４を設けているのは、物体１の表面の
反射率や物体１までの距離に応じて反射波の光量が異な
るからであって、ゲイン調整回路２２およびＡＰＣ回路
１４によって増幅回路２３から出力される反射信号成分
Ｓｒの振幅をほぼ一定に保つことによって増幅回路２
３、マスク発生回路２４、遅延回路２５、レーザ駆動回
路１５などのダイナミックレンジを比較的小さくするこ
とができる。なお、物体１の反射率は、物体１の表面の
色が白か黒かによって変化し、また物体１の表面が拡散
反射面か正反射面かによっても変化する。

【００３９】以上説明した動作の手順をまとめると図３
のようになる。つまり、物体１までの距離の測定を開始
すると、半導体レーザ１１からレーザ光が出射され、ビ
ームスプリッタ１２により参照波と物体波とに分岐され
る（Ｓ１）。物体波が物体１で反射された反射波および
参照波はともにフォトダイオード２１で受波される（Ｓ
２）。測定開始時には反射成分分離マスクが選択されて
いるから、フォトダイオード２１の出力のうち反射波に
対応する反射信号成分が抽出され（Ｓ３）、遅延回路１
５で反射信号成分を遅延させた信号をトリガとして半導
体レーザ１１を駆動する（Ｓ４）。このような処理を規
定回数Ｎだけ繰り返し（Ｓ５）、反射信号成分が最初に
抽出されてからＮ回抽出されるまでの時間Ｔ１（＝τａ
＋τｂ）が記憶される（Ｓ６）。さらに、Ｎ個目の反射
信号成分に対応して半導体レーザ１１からレーザ光が出
射され、ビームスプリッタ１２により参照波と物体波と
に分岐される（Ｓ７）。この場合も物体波が物体１で反
射された反射波および参照波はともにフォトダイオード
２１で受波される（Ｓ８）。ただし、Ｎ個目の反射信号
成分が発生した後には参照成分分離マスクが選択されて
いるから、フォトダイオード２１の出力のうち参照波に
対応する参照信号成分が抽出され（Ｓ９）、遅延回路１
５で参照信号成分を遅延させた信号をトリガとして半導
体レーザ１１を駆動する（Ｓ１０）。この処理も規定回
数Ｎだけ繰り返され（Ｓ１１）、参照信号成分が最初に
抽出されてからＮ回抽出されるまでの時間Ｔ２（＝τａ
＋τｃ）が記憶される（Ｓ１２）。こうして、時間Ｔ
１，Ｔ２が求められると、反射波に対応する時間Ｔ１か
ら参照波に対応する時間Ｔ２が減算され、減算結果（＝
Ｔ１−Ｔ２）の（Ｎ−１）分の１をさらに２分の１にし
た時間（＝（Ｔ１−Ｔ２）／２（Ｎ−１））に光速ｃを
乗じることによって、物体１までの距離（＝ｃ×（Ｔ１
−Ｔ２）／２（Ｎ−１））が求められるのである（Ｓ１
３）。

【００４０】一例として参照信号成分を抽出する場合の
動作について図４に示す。図４（ａ）のように演算装置
２６に対して計測開始の指示が与えられると、図４
（ｂ）のようにレーザ駆動回路１５から駆動信号が出力
され、図４（ｃ）のように半導体レーザ１１からパルス
状のレーザ光が出力される。このレーザ光によって生じ
る参照光と反射光とはともにフォトダイオード２１に入
射され、フォトダイオード２１からは図４（ｄ）のよう
に参照信号成分Ｓｓと反射信号成分Ｓｒとが順次出力さ
れる。反射波は参照波よりも長い光路を通っているから
光量が参照波より少なく、結果的に参照信号成分Ｓｓに
比較して反射信号成分Ｓｒのほうが振幅が小さくなる
が、ゲイン調整回路２２によって時間Ｔ１における反射
信号成分Ｓｒの振幅が時間Ｔ２における参照信号成分Ｓ
ｓの振幅とほぼ等しくなるように調節される。参照信号
成分Ｓｓと反射信号成分Ｓｒとは増幅回路２３によって
増幅され、増幅回路２３からは図４（ｅ）のように振幅
がほぼ等しい参照信号成分Ｓｓと反射信号成分Ｓｒとが
出力される。ここで、マスク発生回路２４において図４
（ｆ）のように参照成分分離マスクを選択していると、
増幅回路２３の出力のうち参照信号成分Ｓｓのみが抽出
されてカウンタ２５および遅延回路１５に入力される。
遅延回路１５に入力された参照信号成分Ｓｓは規定の遅
延時間τｄだけ遅延されて遅延回路１５からは図４
（ｇ）のタイミングで信号が出力され、この信号をトリ
ガとして図４（ｂ）のようにレーザ駆動回路１５から駆
動信号が出力されるのである。つまり、参照成分分離マ
スクが選択されているときには、半導体レーザ１１から
出射されたレーザ光がフォトダイオード２１に参照波と
して入射するまでの時間τｃに、フォトダイオード２１
で参照波を受波した後に半導体レーザ１１からレーザ光
が出射されるまでの時間τａを加算した時間が１周期Ｔ
２になり、時間τａには遅延時間τｄが含まれることに
なる。なお、参照成分分離マスクはレーザ光の送波後に
増幅回路２３から出力される参照信号成分Ｓｓを抽出で
きる程度の時間幅に設定される。また、反射成分分離マ
スクはレーザ光の送波後に参照成分分離マスクに相当す
る時間が経過した後からレーザ光の次の送波前までの時
間幅に設定される。

【００４１】上述の説明から明らかなように、遅延回路
１５による遅延時間は上記時間τａに含まれているから
測定結果には影響しないが、半導体レーザ１１からパル
ス状のレーザ光を発生させる間隔は、レーザ光の送波後
に物体１により反射されて反射波がフォトダイオード２
１に受波されるまでの時間よりも長くなければならな
い。そこで、物体１までの測定可能な最大距離をＬｍと
するとき（Ｌｍ／ｃ）×２を許容最大時間と決め、レー
ザ光の発光間隔が許容最大時間より長くなるように遅延
時間を設定する。ただし、ｃは光速である。いま、遅延
回路１５を除く回路での時間遅れを無視すれば、遅延回
路１５における遅延時間と半導体レーザ１１を出射され
た光がフォトダイオード２１に戻るまでの時間とを加算
した時間間隔で半導体レーザ１１からレーザ光が出射さ
れることになる。したがって、この時間間隔を許容最大
時間よりも長く設定するのである。この条件を除けば遅
延時間は任意に設定可能であって、遅延時間を長く設定
すれば回路の構成要素の応答速度を下げることができる
から、比較的低価格の部品で構成することが可能にな
る。

【００４２】上述の動作から明らかなように、本実施形
態の構成ではカウンタ２５において時計に用いるクロッ
ク信号の周期には関係なく、カウンタ２５のカウントア
ップの値に距離の測定精度が依存しており、カウントア
ップの値を大きくするほど距離の測定精度を高めること
が可能になる。しかも、特開平３−２６４８８５号公報
に記載された発明と同様に、光の投受光を多数回繰り返
し、その結果の平均値を用いて物体１までの距離を算出
するから、誤差を小さくすることができる。ただし、カ
ウンタ２５のカウントアップの値（つまり、繰り返し回
数）が大きくなれば、物体１までの距離の測定に時間を
要することになるから、測定時間と測定精度とはトレー
ドオフになっており、目的に応じて測定時間を優先する
か測定精度を優先するかをカウンタ２５のカウントアッ
プの値によって調節することができる。

【００４３】なお、上述の構成例として分岐手段に用い
るビームスプリッタはハーフミラーで構成することが可
能である。また、受波手段としてはフォトダイオード２
１ではなく光電子増倍管を用いることもできる。さら
に、上述の実施形態では物体１までの距離を１回測定す
る間に反射成分分離マスクを用いる期間と参照成分分離
マスクを用いる期間とを１回ずつ設けているが、反射成
分分離マスクを用いる期間と参照成分分離マスクと用い
る期間とをそれぞれ複数回（たとえば１０回、５０回）
ずつ設けることもできる。つまり、レーザ光を複数回送
波する間は反射成分分離マスクを選択し、次の複数回の
送波の間は参照成分分離マスクを選択し、さらに次の複
数回の送波の間は反射成分分離マスクを選択するという
ように、物体１までの距離を１回測定する間に反射成分
分離マスクと参照成分分離マスクとを複数回ずつ選択す
るのである。このような構成でも同様の効果を得ること
ができる。

【００４４】（第２の実施の形態）本実施形態は、図５
に示すように、第１の実施の形態におけるビームスプリ
ッタ２１に代えてハーフミラー１６を半導体レーザ１１
の前方に配置し、ハーフミラー１６と物体１との間に配
置したレンズ１７での反射光をハーフミラー１６で再度
反射させることにより偏向し、この光をフォトダイオー
ド２１に参照波として入射させている。ここに、レンズ
１７の表面からの反射光が確実に得られるように、レン
ズ１７の表面に半透過性を有する被膜を被着してもよ
い。また、第１の実施の形態では物体波を送波する経路
とフォトダイオード２１に反射波を入射させる経路とが
異なっていたが、本実施形態では両経路を一致させてい
る。つまり、物体波と反射波とがレンズ１７の光軸を通
るように、半導体レーザ１１とハーフミラー１６とレン
ズ１７とフォトダイオード２１との位置関係を設定して
いる。その結果、反射波もハーフミラー１６により偏向
されてフォトダイオード２１に入射することになる。他
の構成および動作は第１の実施の形態と同様であって、
本実施形態の構成では位置合わせが正確に行われている
かぎり、物体１とレンズ１７との間を光が往復する時間
を補正なしに求めることができ、第１の実施の形態より
も調節箇所が少なくなる。

【００４５】（第３の実施の形態）本実施形態は、図６
に示すように、第１の実施の形態におけるビームスプリ
ッタ２１に代えて偏光ビームスプリッタ１８を用い、さ
らに偏光ビームスプリッタ１８と物体１との間に、４分
の１波長板１９およびレンズ１７を配置している。ま
た、第２の実施の形態と同様に、物体波と反射波とがレ
ンズ１７の光軸を通るように、半導体レーザ１１と偏光
ビームスプリッタ１８とレンズ１７とフォトダイオード
２１との位置関係を設定している。本実施形態の構成で
も位置合わせが正確に行われているかぎり、物体１とレ
ンズ１７との間を光が往復する時間を補正なしに求める
ことができ、第１の実施の形態よりも調節箇所が少なく
なる。

【００４６】偏光ビームスプリッタ１８は一方向の偏光
成分を透過させ、他方の偏光成分を反射させるから、半
導体レーザ１１からのレーザ光は透過させ、レンズ１７
により反射された光および物体１からの反射波は、反射
して偏向することによりフォトダイオード２１に入射さ
せることになる。つまり、参照波および反射波の大部分
をフォトダイオード２１に導くことができ、ハーフミラ
ーを用いる場合よりも感度が向上する。他の構成および
動作は第１の実施の形態と同様である。

【００４７】（第４の実施の形態）本実施形態は、図７
に示すように、第１の実施の形態の構成におけるゲイン
調整回路２２に代えて、フォトダイオード２１の出力を
それぞれ増幅する増幅率の異なる複数個の前置増幅回路
２２１〜２２ｎと、どの前置増幅回路２２１〜２２ｎの
出力を増幅回路２３に入力するかを選択するセレクタ２
２ａとを設けているマスク発生回路２４の動作に同期し
て動作し、参照信号成分を増幅するときには増幅率が最
小の前置増幅回路２２１を選択し、また反射信号成分を
増幅するときには他の前置増幅回路２２２〜２２ｎを選
択する。反射信号成分を増幅するときには、セレクタ２
２ａは前置増幅回路２２１〜２２ｎの中から出力が飽和
していない最大の増幅率のものを選択する。ここで、ど
の前置増幅回路２２１〜２２ｎを選択するかを判断して
選択するには時間がかかるから、前置増幅回路２２１〜
２２ｎからセレクタ２２ａへの入力は遅延されている。
他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【００４８】（第５の実施の形態）本実施形態は、図８
に示すように、フォトダイオード２１の特性を補償する
補償電源２８を設けたものであって、補償電源２８は周
囲温度を検出するサーミスタ２９により出力電圧が制御
されている。つまり、フォトダイオード２１に補償電源
２８からバイアス電圧を与えておき、サーミスタ２９で
検出される周囲温度に応じてバイアス電圧を調節するこ
とにより、フォトダイオード２１の出力特性が周囲温度
の影響を受けないようにしているのである。とくに、フ
ォトダイオード２１としてアバランシェフォトダイオー
ド（以下、ＡＰＤという）を用いる場合には、ブレーク
ダウン電圧に温度依存性があり、かつ増倍率がブレーク
ダウン電圧付近で急上昇するから、補償電源２８による
補償を行うことで、周囲温度の変化に伴うフォトダイオ
ード２１の出力特性の変化を抑制することが望ましい。
このようにフォトダイオード２１の出力特性の変化を抑
制することによって、周囲温度の変化の影響を受けるこ
となく安定に動作させることができ、距離の測定精度が
より高くなる。他の構成および動作は第１の実施の形態
と同様である。

【００４９】なお、内部回路の遅延時間も周囲温度の影
響を受けるから、周囲温度を測定しておき、演算装置２
６による距離の演算時に周囲温度を考慮した補正値を与
えるようにすれば、距離の測定精度の向上につながる。

【００５０】（第６の実施の形態）第１の実施の形態で
は、受波手段としてフォトダイオード２１を用いている
が本実施形態では図９のように光電子増倍管２１’を用
いている。光電子増倍管２１’はＡＰＤと同様に光の増
倍作用があるから、微弱な光でも検出することができ
る。つまり、反射波が微弱でも比較的高いＳ／Ｎ比で検
出することができる。ただし、光電子増倍管２１’を駆
動するために光電子増倍管電源２１ａ’を必要としてい
る。なお、光電子増倍管２１’は光を受波してから出力
が得られるまでに電子走行時間による時間遅れがあり
（たとえば、５．４ｎｓｅｃ）、この時間を遅延時間の
一部（または全部）に利用することが可能である。つま
り、遅延手段として光電子増倍管２１’を用いることが
できる。また、本実施形態の構成においても遅延回路１
３を併用することができる。他の構成および動作は第１
の実施の形態と同様である。

【００５１】（第７の実施の形態）本実施形態は、図１
０に示すように、反射波をフォトダイオード２１に入射
させる経路に光ファイバ３１を介在させているものであ
る。光ファイバ３１を設けることによって、レーザ光の
送波から反射波がフォトダイオード２１に入射するまで
の時間を延長することができる。つまり、光ファイバ３
１を用いるときと用いないときとで物体１までの距離が
等しいとすれば、光ファイバ３１を用いた場合には、参
照波がフォトダイオード２１に入射してから反射波が入
射するまでの時間差を大きくすることができ、参照波と
反射波とを分離しやすくなる。また、物体１までの距離
が近い場合でも参照波と反射波との受波タイミングに時
間差を付けることができるから、測定可能な最小距離を
より小さくすることができる。他の構成および動作は第
１の実施の形態と同様である。

【００５２】（第８の実施の形態）本実施形態は、図１
１に示すように、カウンタ２５にクロック信号を計数す
る時機能を設ける代わりに積分回路３２を付設し、カウ
ンタ２５がカウントを開始してからカウントアップする
までの時間に対応する積分値を積分回路３２によって求
めるようにしたものである。この積分回路３２はコンデ
ンサを微小電流で充電するように構成されており、充電
電流は十分に安定化されている。したがって、コンデン
サの両端電圧は時間に正確に対応しており、この電圧を
Ａ／Ｄ変換して演算装置２６に与えることによって、物
体１までの距離の演算が可能になっている。ここに、反
射成分分離マスクが選択されているときにコンデンサの
充電を行い、参照成分分離マスクが選択されているとき
にコンデンサの放電を行う構成を採用すれば（ただし、
充電電流と放電電流とは等しくなるように管理してお
く）、反射成分分離マスクが選択されている期間と参照
成分分離マスクが選択されている期間との経過後におけ
るコンデンサの両端電圧をＡ／Ｄ変換するだけで、物体
１までの距離に対応したデジタル値を演算装置２６に与
えることができる。したがって、演算装置２６ではこの
デジタル値を距離に換算する演算のみを行えばよいこと
になる。他の構成および動作は第１の実施の形態と同様
である。

【００５３】（第９の実施の形態）本実施形態は、図１
２に示すように、光ファイバ増幅器３３を用いるもので
ある。ここに、光ファイバ増幅器３３には光ビームを出
力するために起動用レーザ３４を別途に設けている。ま
た、マスク発生回路２４’は光ファイバ増幅器３３に内
蔵された励起用レーザをオンオフさせ、励起用レーザの
オン時にのみ光ファイバ増幅器３３への入射光を選択的
に増幅することによって実現している。つまり、光ファ
イバ増幅器３３は参照波および反射波が入射するように
配置され、参照波と反射波とのうちマスク発生回路２
４’としての励起用レーザのオン期間に入射した光のみ
が光電変換を施されることなく増幅されて光ファイバ増
幅器３３から出射される。また、光ファイバ増幅器３３
に設けたマスク発生回路２４’により選択された光は、
光ファイバ増幅器３３の出力側に設けたモニタ用のフォ
トダイオード（図示せず）で検出され、カウンタ２５に
入力される。また、モニタ用のフォトダイオードの出力
によりマスク発生回路２４’（つまり、励起用レーザ）
のオンオフのタイミングが設定される。光ファイバ増幅
器３３から出射された光はビームスプリッタ１２により
参照波と物体波とに分岐される。つまり、起動用レーザ
３４で最初に光を発生させた後は、光ファイバ増幅器３
３により送波と受波とを繰り返すことができる。この構
成を採用すれば、受波した光を光電変換せずに増幅して
投光することができるから効率がよく、また遅延が生じ
ないから計測時間を短くすることができる。なお、起動
用レーザは光ファイバ増幅器３３とは別に、光ファイバ
増幅器３３の出口付近に設けてもよい。他の構成よび原
理は第１の実施の形態と同様である。

【００５４】

【発明の効果】請求項１の発明は、パルス状の電磁波を
送波するとともに送波された電磁波の一部が物体に照射
される物体波となり残りが参照波となるように分岐し、
物体波の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、電磁波の送波から反射波の受波までの
時間を距離に換算して物体までの距離を計測する距離計
測方法であり、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ることを特徴とし、第
１の期間では受波手段が反射波を規定回数受波する期間
を計時し、第２の期間では受波手段が参照波を規定回数
受波する期間を計時するから、第１の期間で求めた時間
から第２の期間で求めた時間を減算して規定回数から１
を引いた値で除算すれば、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
に測定できるという利点がある。また、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、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る。
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っ
て、結果的に構成が簡単であり、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。

【００５５】請求項２の発明は、パルス状の電磁波を送
波するとともに送波された電磁波の一部が物体に照射さ
れる物体波となり残りが参照波となるように分岐し、物
体波の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、電磁波の送波から反射波の受波までの時
間を距離に換算して物体までの距離を計測する距離計測
方法であり、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
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、規定回数と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特徴とし、第１の期間では受波
手段が反射波を規定回数受波する期間を計時し、第２の
期間では受波手段が参照波を規定回数受波する期間を計
時しており、さらに第１の期間と第２の期間とを交互に
設定回数繰り返すから、第１の期間で求めた時間の総和
から第２の期間で求めた時間の総和を減算して規定回数
と設定回数との積で除算すれば、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、規定回数および設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という利点がある。
しかも、第２の期間は第１の期間で求める時間のうち物
体までの距離を反映していない時間を求める期間である
からオフセット値を求めていることに相当し、距離の測
定期間中にオフセット値を繰り返して求めることによっ
て、より正確なオフセット値を求めることができて距離
を正確に測定できることになる。また、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、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る。
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っ
て、結果的に構成が簡単であり、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。

【００５６】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、参照信号成分を抽出する参照成分分
離マスクと反射信号成分を抽出する反射成分分離マスク
とが設定され、反射成分分離マスクを設定する期間が測
定可能な最大距離に応じて可変とされていることを特徴
とし、反射成分分離マスクの期間を変えることによって
測定可能な最大距離を調節することが可能になる。

【００５７】請求項４の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、距離の測定精度に応じて前記規定回
数を設定することを特徴とし、測定精度と測定時間とが
トレードオフになっているから、前記規定回数を調節す
ることで使用目的に応じて測定精度と測定時間とのいず
れかを優先させることが可能になる。

【００５８】請求項５の発明は、パルス状の電磁波を送
波する送波手段と、送波された電磁波の一部が物体に照
射される物体波となり残りが参照波となるように分岐す
る分岐手段と、物体波の物体による反射波と参照波とを
受波する一つの受波手段と、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する信号分離手段と、電磁波
の送波から反射波の受波までの時間を距離に換算して物
体までの距離を計測する演算手段と、反射信号成分と参
照信号成分とをそれぞれ規定個数までカウントするカウ
ンタと、反射信号成分と参照信号成分とをそれぞれ同じ
遅延時間だけ遅延させる遅延手段と、反射信号成分を遅
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間に最初に反射信号成
分を検出してから規定回数に達するまでに要した時間を
積算する第１の時計手段と、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
する動作を規定回数繰り返す間に最初に参照信号成分を
検出してから規定回数に達するまでに要した時間を積算
する第２の時計手段とを備え、第１の時計手段で求めた
積算値から第２の時計手段で求めた積算値を減算し、減
算結果を規定回数から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
いるものであり、第１の期間では受波手段が反射波を規
定回数受波する期間を計時し、第２の期間では受波手段
が参照波を規定回数受波する期間を計時するから、第１
の期間で求めた時間から第２の期間で求めた時間を減算
して規定回数から１を引いた値で除算すれば、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という利点がある。ま
た、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、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
ことが可能になる。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
的構成が不要であって、結果的に構成が簡単であり、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。

【００５９】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、反射信号成分と参照信号成分との振幅をほぼ等しく
するゲイン調整回路と、受波手段により受波される反射
波の強度をほぼ一定に保つように送波手段の出力強度を
調節するＡＰＣ回路とを備えるものであり、反射信号成
分と参照信号成分との振幅をほぼ等しくすることによっ
て、後段にダイナミックレンジの小さい回路を用いるこ
とが可能になり、低コスト化が可能になる。また、受波
手段により受波される反射波の強度をほぼ一定に保つよ
うに送波手段の出力強度を調節するから、物体までの距
離や物体の反射率の影響による測定精度の低下を抑制す
ることができる。つまり、送波される電磁波は一般には
矩形波状とすることは難しく、時間経過とともに強度が
増加する波形になるから、反射信号成分が適宜の閾値を
超えた時点で反射波を受波したと判断するとすれば、反
射波を受波したと判断するタイミングは反射波の強度に
応じて変化することになるのであるが、上述のように、
反射波の受波強度をほぼ一定に保つことによって、この
ようなタイミングのずれを抑制することができ、物体ま
での距離によって測定精度が変化するのを防止すること
ができる。

【００６０】請求項７の発明は、請求項５の発明におい
て、受波手段の出力を増幅するそれぞれ増幅率が異なっ
た複数個の前置増幅回路と、これらの前置増幅回路から
所望の前置増幅回路の出力を選択して信号分離手段に入
力させるセレクタとを備え、セレクタは反射信号成分と
参照信号成分との振幅をほぼ等しくする前置増幅回路の
選択に用いられるものであり、複数の前置増幅回路から
所望の増幅率を有する前置増幅回路を選択することによ
って、後段にダイナミックレンジの小さい回路を用いる
ことが可能になるとともに、物体までの距離による測定
精度の変化を抑制することが可能になる。

【００６１】請求項８の発明は、請求項５の発明におい
て、周囲温度を検出する温度センサを備え、温度センサ
により検出される周囲温度に応じて周囲温度の影響によ
る測定誤差を補正するものであり、周囲温度の影響によ
る測定誤差を抑制することができる。

【００６２】請求項９の発明は、請求項５の発明におい
て、時計手段が一定周期で発生するクロック信号を計時
するものであり、クロック信号を用いることによって高
い精度で時間を測定することができる。

【００６３】請求項１０の発明は、請求項５の発明にお
いて、時計手段がコンデンサを定電流で充電する積分回
路であってコンデンサの両端電圧を時間に換算するもの
であり、コンデンサを充電するとともにコンデンサの両
端電圧を時間に換算するから、比較的簡単な構成で時間
を測定することができる。

【００６４】請求項１１の発明は、請求項５の発明にお
いて、遅延手段が信号分離手段と送波手段との間に設け
た遅延回路であるから、遅延時間を調節することによっ
て電磁波の送波周期を容易に調節することができる。

【００６５】請求項１２の発明は、請求項５の発明にお
いて、電磁波が光であって、受波手段として光電子増倍
管を用い、遅延手段による遅延時間の少なくとも一部と
して光電子倍増管における受波から出力の発生までの遅
れ時間を用いるものであり、光電子増倍管の内部で生じ
る遅れ時間を遅延時間の少なくとも一部として用いるこ
とにより、別途の遅延手段を設けずに構成することが可
能であり、構成が簡単になる。

【００６６】請求項１３の発明は、請求項５の発明にお
いて、電磁波が光であって、送波手段と物体との間には
レンズが配置され、分岐手段が送波手段とレンズとの間
に配置され送波手段からの光を透過させレンズを通して
物体波として物体に照射させるとともにレンズで反射さ
れた光および物体からの反射波を偏向して受波手段に入
射させるように構成され、レンズで反射された光が参照
波として用いられるものであり、物体波と反射波とが同
じ経路を通ることになり、しかもレンズで反射された光
を参照波に用いるから、レンズと物体との間の光の往復
時間に相当する時間を正確に求めることができる。しか
も、物体波と反射波とが別経路を通る構成に比較すると
光学要素が少なくなり調整が簡単になる。

【００６７】請求項１４の発明は、請求項５の発明にお
いて、電磁波が光であって、送波手段と物体との間には
レンズが配置され、分岐手段が送波手段とレンズとの間
に配置され送波手段からの光を透過させレンズを通して
物体波として物体に照射させるとともにレンズで反射さ
れた光および物体からの反射波を偏向して受波手段に入
射させるように構成された偏光ビームスプリッタであっ
て、偏光ビームスプリッタとレンズとの間には４分の１
波長板が配置され、レンズで反射された光が参照波とし
て用いられるものであり、物体波と反射波とが同じ経路
を通ることになり、しかもレンズで反射された光を参照
波に用いるから、レンズと物体との間の光の往復時間に
相当する時間を正確に求めることができる。しかも、物
体波と反射波とが別経路を通る構成に比較すると光学要
素が少なくなり調整が簡単になる。さらに、偏光ビーム
スプリッタと４分の１波長板とを組み合わせて用いてい
るから、送波手段から放射された光の特定の偏光成分が
通過し、物体波および参照波はほとんど透過せずに偏向
されて受波手段に入射するから、ハーフミラーを用いる
場合よりも受波手段への入射量が大きくなり高い感度が
得られる。

【００６８】請求項１５の発明は、請求項５の発明にお
いて、送波手段が半導体レーザであって、受波手段から
出力される信号成分の立ち上がりのタイミングを抽出し
て距離を演算するものであり、一般に半導体レーザの光
出力の立ち上がりは急峻であって、この立ち上がりのタ
イミングを時間測定の基準に用いることで時間測定の基
準が明確になり、再現性よく正確に距離を測定すること
が可能になる。

【００６９】請求項１６の発明は、請求項５の発明にお
いて、送波手段が半導体レーザであって、時間幅の短い
パルスにより駆動されるものであるから、レーザ光も短
時間だけ送出され時間測定の基準が取りやすくなる。

【００７０】請求項１７の発明は、請求項５の発明にお
いて、電磁波が光であって、受波手段と物体との間には
反射波の光路を延長する光ファイバが設けられるもので
あり、反射波を遅延させることによって参照波と反射波
との時間差を大きくすることができ、信号分離手段によ
る参照信号成分と反射信号成分との分離が容易になる。

【００７１】請求項１８の発明は、請求項５の発明にお
いて、電磁波が光であって、参照波および反射波が入射
する受波手段としての光ファイバ増幅器を備え、光ファ
イバ増幅器に内蔵した起動用レーザのオンオフによって
反射波と参照波とに分離し、光ファイバ増幅器により増
幅した光を物体に向かって送波するものであり、受波し
た光を光電変換せずに送波に用いるから、効率が高くか
つ受波から送波までの時間遅れが少なく、計測時間を短
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図２】同上の動作説明図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】同上の動作説明図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図８】本発明の第５の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図９】本発明の第６の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図１０】本発明の第７の実施の形態を示すブロック図
である。

【図１１】本発明の第８の実施の形態を示すブロック図
である。

【図１２】本発明の第９の実施の形態を示すブロック図
である。

【図１３】従来例を示すブロック図である。

【図１４】同上の動作説明図である。

【図１５】同上の動作説明図である。

【図１６】他の従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１物体１１半導体レーザ１２ビームスプリッタ１３レーザ駆動回路１４ＡＰＣ回路１５遅延回路１６ハーフミラー１７レンズ１８偏光ビームスプリッタ１９４分の１波長幅２１フォトダイオード２１’ 光電子増倍管２２ゲイン調整回路２２１〜２２ｎ前置増幅回路２２ａセレクタ２４マスク発生回路２５カウンタ２６演算装置２９サーミスタ３１光ファイバ３２積分回路Ｓｒ反射信号成分Ｓｓ参照信号成分

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA06 DD03 DD06 EE01 FF12 GG06 GG12 HH04 HH13 JJ01 JJ18 KK02 LL02 NN02 PP22 QQ11 QQ13 QQ42 QQ53 UU05 5J084 AA05 AD01 BA04 BA14 BA36 BA52 BB02 BB14 BB24 BB31 CA03 CA10 CA12 CA21 CA44 CA45 CA64 CA80 DA01 EA04 EA05 EA12 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス状の電磁波を送波するとともに送
波された電磁波の一部が物体に照射される物体波となり
残りが参照波となるように分岐し、物体波の前記物体に
よる反射波と前記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、電磁波の送波から反射波の受波までの時間を距離
に換算して前記物体までの距離を計測する距離計測方法
であり、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ることを特
徴とする距離計測方法。
【請求項２】パルス状の電磁波を送波するとともに送
波された電磁波の一部が物体に照射される物体波となり
残りが参照波となるように分岐し、物体波の前記物体に
よる反射波と前記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、電磁波の送波から反射波の受波までの時間を距離
に換算して前記物体までの距離を計測する距離計測方法
であり、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特徴とする距離
計測方法。
【請求項３】前記参照信号成分を抽出する参照成分分
離マスクと前記反射信号成分を抽出する反射成分分離マ
スクとが設定され、反射成分分離マスクを設定する期間
は測定可能な最大距離に応じて可変とされていることを
特徴とする請求項１または請求項２記載の距離計測方
法。
【請求項４】距離の測定精度に応じて前記規定回数を
設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載
の距離計測方法。
【請求項５】パルス状の電磁波を送波する送波手段
と、送波された電磁波の一部が物体に照射される物体波
となり残りが参照波となるように分岐する分岐手段と、
物体波の前記物体による反射波と前記参照波とを受波す
る一つの受波手段と、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する信号分離手段と、電磁波の送波
から反射波の受波までの時間を距離に換算して前記物体
までの距離を計測する演算手段と、反射信号成分と参照
信号成分とをそれぞれ規定個数までカウントするカウン
タと、反射信号成分と参照信号成分とをそれぞれ同じ遅
延時間だけ遅延させる遅延手段と、反射信号成分を前記
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
を送波する動作を規定回数繰り返す間に最初に反射信号
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の時計手段と、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間に最初に参照
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の時計手段とを備え、第１の時
計手段で求めた積算値から第２の時計手段で求めた積算
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ることを特徴とする距離計測装
置。
【請求項６】前記反射信号成分と前記参照信号成分と
の振幅をほぼ等しくするゲイン調整回路と、前記受波手
段により受波される反射波の強度をほぼ一定に保つよう
に前記送波手段の出力強度を調節するＡＰＣ回路とを備
えることを特徴とする請求項５記載の距離計測装置。
【請求項７】前記受波手段の出力を増幅するそれぞれ
増幅率が異なった複数個の前置増幅回路と、これらの前
置増幅回路から所望の前置増幅回路の出力を選択して信
号分離手段に入力させるセレクタとを備え、前記セレク
タは前記反射信号成分と前記参照信号成分との振幅をほ
ぼ等しくする前置増幅回路の選択に用いられることを特
徴とする請求項５記載の距離計測装置。
【請求項８】周囲温度を検出する温度センサを備え、
温度センサにより検出される周囲温度に応じて周囲温度
の影響による測定誤差を補正することを特徴とする請求
項５記載の距離計測装置。
【請求項９】前記時計手段は一定周期で発生するクロ
ック信号を計時することを特徴とする請求項５記載の距
離計測装置。
【請求項１０】前記時計手段はコンデンサを定電流で
充電する積分回路であってコンデンサの両端電圧を時間
に換算することを特徴とする請求項５記載の距離計測装
置。
【請求項１１】前記遅延手段は前記信号分離手段と送
波手段との間に設けた遅延回路であることを特徴とする
請求項５記載の距離計測装置。
【請求項１２】前記電磁波は光であって、前記受波手
段として光電子増倍管を用い、前記遅延手段による遅延
時間の少なくとも一部として光電子倍増管における受波
から出力の発生までの遅れ時間を用いることを特徴とす
る請求項５記載の距離計測装置。
【請求項１３】前記電磁波は光であって、前記送波手
段と物体との間にはレンズが配置され、前記分岐手段は
前記送波手段と前記レンズとの間に配置され前記送波手
段からの光を透過させ前記レンズを通して物体波として
物体に照射させるとともに前記レンズで反射された光お
よび物体からの反射波を偏向して前記受波手段に入射さ
せるように構成され、レンズで反射された光が参照波と
して用いられることを特徴とする請求項５記載の距離計
測装置。
【請求項１４】前記電磁波は光であって、前記送波手
段と物体との間にはレンズが配置され、前記分岐手段は
前記送波手段と前記レンズとの間に配置され前記送波手
段からの光を透過させ前記レンズを通して物体波として
物体に照射させるとともに前記レンズで反射された光お
よび物体からの反射波を偏向して前記受波手段に入射さ
せるように構成された偏光ビームスプリッタであって、
偏光ビームスプリッタと前記レンズとの間には４分の１
波長板が配置され、レンズで反射された光が参照波とし
て用いられることを特徴とする請求項５記載の距離計測
装置。
【請求項１５】前記送波手段は半導体レーザであっ
て、受波手段から出力される信号成分の立ち上がりのタ
イミングを抽出して距離を演算することを特徴とする請
求項５記載の距離計測装置。
【請求項１６】前記送波手段は半導体レーザであっ
て、時間幅の短いパルスにより駆動されることを特徴と
する請求項５記載の距離計測装置。
【請求項１７】前記電磁波は光であって、前記受波手
段と物体との間には反射波の光路を延長する光ファイバ
が設けられることを特徴とする請求項５記載の距離計測
装置。
【請求項１８】前記電磁波は光であって、参照波およ
び反射波が入射する受波手段としての光ファイバ増幅器
を備え、光ファイバ増幅器に内蔵した起動用レーザのオ
ンオフによって反射波と参照波とに分離し、光ファイバ
増幅器により増幅した光を物体に向かって送波すること
を特徴とする請求項５記載の距離計測装置。