JP3654090B2 - 距離計測方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【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４１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（τｖ＋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１００ｍ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、１００ｍ＋（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τｔ、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＋τｄ）＝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６３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６５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２５１８０６４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τ１、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３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、さらに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。
【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、さらに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。
【００１５】
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、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４ないし請求項１６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４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ように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、さらに信号分離手段では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。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４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６の発明は、請求項４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７の発明は、請求項４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８の発明は、請求項４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９の発明は、請求項４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１０の発明は、請求項４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１１の発明は、請求項４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１２の発明は、請求項４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１３の発明は、請求項４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１４の発明は、請求項４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１５の発明は、請求項４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１６の発明は、請求項４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１７の発明は、請求項４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２１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「１００００」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１１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１３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＋τｃ）｝／（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２３、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（Ｓ２）。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１５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１５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Ｔ１，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（Ｓ１３）。
【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Ｓｓ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Ｔ２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２１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２１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２２ａとを設けている。セレクタ２２ａは、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２２ａ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２６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１３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１０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３１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１１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１２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２４’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３３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の発明の方法によれば、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の発明の方法によれば、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】
さらに、請求項１、請求項２の発明はいずれも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から、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３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４の発明の構成によれば、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。さらに、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ように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る信号分離手段を備え、信号分離手段では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から、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。
【００５９】
請求項５の発明は、請求項４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６の発明は、請求項４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７の発明は、請求項４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８の発明は、請求項４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９の発明は、請求項４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１０の発明は、請求項４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１１の発明は、請求項４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１２の発明は、請求項４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１３の発明は、請求項４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１４の発明は、請求項４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１５の発明は、請求項４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１６の発明は、請求項４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１７の発明は、請求項４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
１４ ＡＰＣ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
１９ ４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
【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４１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（τｖ＋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１００ｍ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、１００ｍ＋（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τｔ、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＋τｄ）＝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６３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６５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２５１８０６４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τ１、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３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、さらに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。
【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、さらに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。
【００１５】
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、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４ないし請求項１６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４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ように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、さらに信号分離手段では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。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４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６の発明は、請求項４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７の発明は、請求項４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８の発明は、請求項４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９の発明は、請求項４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１０の発明は、請求項４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１１の発明は、請求項４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１２の発明は、請求項４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１３の発明は、請求項４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１４の発明は、請求項４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１５の発明は、請求項４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１６の発明は、請求項４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１７の発明は、請求項４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２１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「１００００」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１１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１３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＋τｃ）｝／（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２３、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（Ｓ２）。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１５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１５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Ｔ１，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（Ｓ１３）。
【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Ｓｓ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Ｔ２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２１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２１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２２ａとを設けている。セレクタ２２ａは、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２２ａ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２６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１３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１０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３１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１１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１２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２４’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３３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の発明の方法によれば、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の発明の方法によれば、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】
さらに、請求項１、請求項２の発明はいずれも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から、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３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４の発明の構成によれば、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。さらに、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ように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る信号分離手段を備え、信号分離手段では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から、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。
【００５９】
請求項５の発明は、請求項４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６の発明は、請求項４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７の発明は、請求項４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８の発明は、請求項４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９の発明は、請求項４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１０の発明は、請求項４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１１の発明は、請求項４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１２の発明は、請求項４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１３の発明は、請求項４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１４の発明は、請求項４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１５の発明は、請求項４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１６の発明は、請求項４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１７の発明は、請求項４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
１４ ＡＰＣ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
１９ ４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
Claims (17)
- 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、さらに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距離計測方法。
- 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、さらに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距離計測方法。
- 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。
- 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ように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、さらに信号分離手段では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距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
- 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４記載の距離計測装置。
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