JP4887803B2 - 距離計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物に向けて光を投光し、測定対象物からの反射光を受光することにより、測定対象物までの距離を測定する距離計測装置に関する。

従来より、ノイズ光の影響によって測定対象物までの距離が正確に計測できなくなることを防止するために、測定対象物に向けて光を投光してから一定時間経過後に光信号を受光する受光時間を設定し、反射光のみを受光できるようにゲート区間を設定する距離計測装置が知られている（特許文献１，２参照）。
特開平１１−３２５８２３号公報 特開２００３−７５５３４号公報

しかしながら、従来の距離計測装置は、最終段のアンプからの出力信号とその直前のアンプからの出力信号に基づいてゲート区間を設定するゲート信号を生成するように構成されているために、受光信号のレベルが小さく、複数段のアンプによって受光信号を増幅させなければ受光信号を検出できない場合等、アンプの出力信号レベルによっては、反射光を検出できないことがある。

また、従来の距離計測装置によれば、ゲート信号は予め設定された時刻に発生するために、測定対象物までの距離が変化する場合にはゲート信号が対応できないことがある。なお、このような問題を解決するために、ゲート区間の幅を広く設定することも考えられるが、ゲート区間を広く設定した場合にはノイズ光が検出されやすくなるために、測定対象物までの距離を誤って計測してしまうことがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反射光及び参照光に対応する電気パルス信号とノイズ光とを正確に分離することが可能な距離計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る距離計測装置は、測定対象物までの距離の計測を開始する前に、反射光及び参照光に対応する電気パルス信号が検出される検出時刻を想定し、測定対象物までの距離を計測する際は、想定された検出時刻の近傍時刻のみ電気パルス信号を検出可能にするゲート区間を設定し、設定されたゲート区間により検出可能な電気パルス信号を制限して測定対象物までの距離を計測する。

本発明に係る距離計測装置によれば、反射光及び参照光に対応する電気パルス信号が検出される時刻を含んだ区間のみ電気パルス信号を検出できるので、反射光及び参照光に対応する電気パルス信号とノイズ光とを正確に分離することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる距離計測装置の構成と動作について詳しく説明する。

〔距離計測装置の構成〕
本発明の実施形態となる距離計測装置１は、図１に示すように、測定対象物に向けて光を投光する光源部２と、測定対象物からの反射光と光源部２から送出された参照光を検出する受光部３と、受光部３における反射光及び参照光の検出タイミング差に基づいて測定対象物までの距離を算出，表示する演算部４とを主な構成要素として備える。

上記光源部２は、投光レンズ５を介して測定対象物に向けてパルス幅１０［ｎｓ］程度のパルス状の光を投光するレーザダイオード（ＬＤ）６と、演算部４から出力されるＬＤ駆動信号に従ってＬＤ６に電圧を印加することによりＬＤ６を駆動するＬＤ駆動回路７と、ＬＤ６が送出した光を参照光として受光部３側に分岐する光ファイバ８と、装置外部から到達した光を集光する受光レンズ９とを備える。

上記受光部３は、受光レンズ９により集光された光と光ファイバ８から出力された参照光を受光するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０と、ＤＡＣ２０から出力される高圧制御信号に従ってＡＰＤ１０に電圧を印加することによりＡＰＤ１０を駆動する高圧電源１１と、ＡＰＤ１０が受光した光信号（受光信号）を電気パルス信号（以下、受信パルスと表記）に光電変換するトランスインピーダンスアンプ１２と、ＣＰＵ１９から出力されるゲイン制御信号に従ってトランスピンピーダンスアンプ１２から出力される受信パルスの振幅レベルを調整する可変ゲインアンプ１３と、ＤＡＣ２０から出力されるスレッシュレベル制御信号に従って可変ゲインアンプ１３から出力される受信パルスの振幅レベルとスレッシュレベルとを比較することにより反射光及び参照光に対応する受信パルスを検出するコンパレータ１４，レベルコンバータ１５，及びフリップフロップ１６とを備える。

上記演算部４は、ＣＰＬＤ１７と、ＣＰＵ１８と、ＤＡＣ１９を備える。ＣＰＬＤ１７は、フリップフロップ１６から出力された反射光及び参照光に対応する受信パルスの検出タイミング差を出力すると共に、ＣＰＵ１８により生成されるＬＤ駆動信号に従ってＬＤ駆動回路７の印加電圧を制御する。また、ＣＰＬＤ１７は、図２に示すような構成を有し、ＣＰＵ１８から出力されるゲート制御信号に従って受信パルスを受付可能にするゲート区間を設定し、設定されたゲート区間に検出された反射光及び参照光に対応する受信パルスのタイミング差を出力する。なお、ＣＰＬＤ１７の詳細な動作について後述する。

上記ＣＰＵ１８は、ＣＰＬＤ１７から出力される反射光及び参照光に対応する受信パルスの検出タイミングに従って測定対象物までの距離を算出する。また、ＣＰＵ１８は、ＬＤ駆動回路７の印加電圧を制御するＬＤ駆動信号，高圧電源１１の印加電圧を制御する高圧制御信号，可変ゲインアンプ１３の増幅率を制御するゲイン制御信号，及びフリップフロップ１６のスレッシュレベルを制御するスレッシュレベル制御信号を生成する。上記ＤＡＣ１９は、ＣＰＵ１８により生成された高圧制御信号とスレッシュレベル制御信号に従って高圧電源１１とフリップフロップ１６を制御する。

〔距離計測処理の流れ〕
従来技術において述べたように、測定対象物に向けて光を投光してから反射光及び参照光に対応する受信パルスを検出するまでの間には様々なノイズ信号が検出される（図３参照）。そして、反射光及び参照光に対応する受信パルスを検出する前にノイズ信号を反射光及び参照光に対応する受信パルスとして誤って認識してしまうと、測定対象物までの距離が誤って計測されてしまう。そこで、上記距離計測装置１は、以下に示す距離計測処理を実行することにより、受信パルスのレベルに係わらず反射光及び参照光に対応する受信パルスとノイズ信号とを正確に分離し、測定対象物までの距離を計測する。以下、図４に示すフローチャートを参照して、この距離計測処理を実行する際の距離計測装置１の動作について説明する。

図４に示すフローチャートは、距離計測装置１の距離計測開始とするトリガ信号に応じて開始となり、距離計測処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、ＣＰＵ１８が、距離計測装置１内の各部の設定値を初期値に設定する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、距離計測処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ＣＰＵ１８が、反射光と参照光に対応する受信パルスを検出していない状態（ＬＤ６の消灯状態）でも光を検出可能な電圧にＡＰＤ１０への印加電圧を制御するようにＤＡＣ２０を介して高圧電源１１に高圧制御信号を出力する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、距離計測処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、ＣＰＵ１８が、ステップＳ２の処理において設定されたＡＰＤ１０への印加電圧を基準として、該ＡＰＤ１０が光を検出できない電圧までＡＰＤ１０への印加電圧を調整する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、距離計測処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、ＣＰＬＤ１７が、ＣＰＵ１８から出力されるゲート制御信号に従って受信パルスを検出可能にするゲート区間を反射光及び参照光それぞれに対し設定する（ゲート設定処理）。なお、このゲート設定処理の詳細について後述する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、距離計測処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、ＣＰＬＤ１７が、ステップＳ４の処理により設定されたゲート区間内において検出された反射光及び参照光に対応する受信パルスの検出タイミング差を出力し、ＣＰＵ１８が、ＣＰＬＤ１７から出力された検出タイミング差に基づいて測定対象物までの距離を算出する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の距離計測処理は終了する。

〔ゲート設定処理〕
次に、図５に示すフローチャートを参照して、上記ステップＳ４のゲート設定処理を実行する際の距離計測装置１の動作について説明する。

図５に示すフローチャートは、上記ステップＳ３の処理が完了するのに応じて開始となり、ゲート設定処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、ＣＰＬＤ１７が、ゲート制御信号とゲート１制御信号（詳しくは後述）の設定値を初期値に設定する。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、ゲート設定処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、ＣＰＬＤ１７が、ＣＰＵ１８から出力されるゲート制御信号に従ってゲート区間を定義するゲート信号の起動タイミングを設定する。なお、本実施形態では、ゲート制御信号は、１〜１５の値を有し、設定値が０である場合、ゲート信号はＬＤ６が光を投光したタイミングと同期して起動され、設定値が１５である場合には、ゲート信号はＬＤ６が光を投光してから１８０（＝１５×２０）［ｎＳ］後に起動される。これにより、ステップＳ１２の処理は完了し、ゲート設定処理はステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３の処理では、ＣＰＵ１８が、ＣＰＬＤ１７を介してＬＤ駆動回路７にＬＤ駆動信号を出力することによりＬＤ６から測定対象物に向けて光を投光する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、ゲート設定処理はステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４の処理では、ＣＰＬＤ１７が、反射光及び参照光に対応する受信パルスが所定時間内に検出されたか否かを判別する。そして、判別の結果、反射光及び参照光に対応する受信パルスが所定時間内に検出されていない場合、ＣＰＬＤ１７はゲート設定処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、反射光及び参照光に対応する受信パルスが所定時間内に検出された場合には、ＣＰＬＤ１７はゲート設定処理をステップＳ１８の処理に進める。

ステップＳ１５の処理では、ＣＰＵ１８が、ゲート制御信号の設定値が１であるか否かを判別する。そして、判別の結果、設定値が１である場合、ＣＰＵ１８は、ステップＳ１６の処理として現在の設定値をゲート制御信号の最終的な設定値に設定した後、一連のゲート設定処理を終了する。一方、設定値が１でない場合には、ＣＰＵ１８は、ステップＳ１７の処理として現在の設定値から２減算した値をゲート制御信号の最終的な設定値に設定した後、一連のゲート設定処理を終了する。

ステップＳ１８の処理では、ＣＰＵ１８が、ゲート制御信号の設定値を１増数する。これにより、ステップＳ１８の処理は完了し、ゲート設定処理はステップＳ１９の処理に進む。

ステップＳ１９の処理では、ＣＰＵ１８が、ゲート制御信号の設定値が１５以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、設定値が１５以下である場合、ＣＰＵ１８は、ゲート設定処理をステップＳ１２の処理に戻す。一方、設定値が１５以下でない場合には、ＣＰＵ１８は、ステップＳ２０の処理として現在の設定値から３減算した値をゲート制御信号の最終的な設定値に設定した後、一連のゲート設定処理を終了する。

〔具体例〕
最後に、図６を参照して、上述のゲート設定処理によって設定されたゲート区間に従って反射光及び参照光に対応する受信パルスを検出する際のＣＰＬＤ１７の動作について説明する。なお、図６に示す例はゲート制御信号の設定値が１である時のＣＰＬＤ１７の動作である。

図６（ａ）に示す時刻ｔ１においてＬＤ駆動信号が立ち上がると、ゲート１はｎ個のフリップフロップを介してクロック信号（ループクロック）をループさせ、カウンタは、クロック信号がループされる度毎にｎ−１番目のフリップフロップから出力されるカウンタクロック信号（図６（ｂ）参照）を受信することにより、ループクロックのループ回数を監視する。その後、カウンタは、ループクロックのループ回数がゲート制御信号の設定値と同じになったタイミング（図６（ｂ）に示す時刻ｔ２）において、受信パルスの検出を許容するゲート１制御信号を立ち上げ、ループクロックのループ回数がゲート制御信号の設定値以上になったタイミング（図６（ｂ）に示す時刻ｔ３）において、ゲート１制御信号を立ち下げる。そして、ゲート２は、ゲート１制御信号と受信パルスの論路積を算出し、論理和の信号の立ち上がり時刻（図６（ｅ）に示す時刻ｔ４）を受信パルスの検出タイミングとしてＣＰＵ１８に通知する。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる距離計測装置１では、測定対象物までの距離の計測を開始する前に、ＣＰＵ１８が、反射光及び参照光に対応する受信パルスが検出される時刻を想定し、測定対象物までの距離を計測する際は、想定された時刻の近傍時刻のみ受信パルスを検出可能にするゲート区間を設定し、設定されたゲート区間によってＣＰＬＤ１７により検出される受信パルスを制限するので、反射光及び参照光に対応する受信パルスとノイズ光とを正確に分離し、正確な距離計測を行うことができる。

また、本発明の実施形態となる距離計測装置１では、ＣＰＵ１８は、反射光及び参照光の検出レベルを測定対象物までの距離を計測する際の検出レベルに設定し、ＬＤ６が光を送出してから所定時間経過後に所定パルス幅を有するゲート信号を起動し、ゲート信号が起動されている間に検出された受信パルスを反射光及び参照光の受信パルスとし、ゲート信号が起動されている間に受信パルスが検出されなくなるまでゲート信号起動時刻をＬＤ６の光の送出時刻から所定時間毎に遅らせ、受信パルスが検出されなくなったゲート信号起動時刻の１つ以上前のゲート信号起動時刻をゲート信号起動時刻として設定するので、測定対象物の状態，回路状態，測定距離に応じてゲート区間の起動時刻を微調整し、より正確な距離計測を行うことができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、ＣＰＬＤ１７のゲート区間は外部又はＣＰＵ１８を介して可変設定できるようにしてもよい。このような構成によれば、測定距離が固定値である場合等のゲート区間がが事前に設定可能な場合には、不要な処理を行うことなくゲート区間を設定することができる。また、参照光に対するゲート区間はＬＤ６が光を送出する時刻より最短のタイミング又は最長のタイミングで起動することが望ましい。このような構成によれば、参照光の検出時刻は規定時刻であるので、不要な処理を追加することなく最小限の処理で距離測定を行うことができる。さらに、ＣＰＵ１８は、測定対象物までの距離の計測を開始する前に測定対象物までの距離を複数回実行し、複数回の処理の実行中にゲート区間を設定するようにしてもよい。このような構成によれば、ＣＰＵ１８の発熱状態を一定にしてＣＰＵ１８の処理を安定させることができると共に、余分な処理を最低限にすることができるので、距離計測処理を安定させることができると共に、測定対象物までの距離に応じてゲート区間を最適化することができる。また、ＣＰＬＤ１７とＣＰＵ１８を一体により構成してもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる距離計測装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すＣＰＬＤの内部構成を示すブロック図である。 測定対象物に向けて光を投光してから反射光と参照光に対応する受信パルスを検出するまでの間にノイズ信号が検出される様子を説明するための図である。 本発明の実施形態となる距離計測処理の流れを示すフローチャート図である。 図４に示すゲート設定処理の流れを示すフローチャート図である。 図２に示すＣＰＬＤの動作を説明するためのタイミングチャート図である。

符号の説明

１：距離計測装置
２：光源部
３：受光部
４：演算部
５：投光レンズ
６：レーザダイオード（ＬＤ）
７：ＬＤ駆動回路
８：光ファイバ
９：受光レンズ
１０：アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１１：高圧電源
１２：トランスインピーダンスアンプ
１３：可変ゲインアンプ
１４：コンパレータ
１５：レベルコンバータ
１６：フリップフロップ
１７：ＣＰＬＤ１７
１８：ＣＰＵ
１９：ＤＡＣ

Claims (3)

1. 測定対象物に向けてパルス状の光を送出する光源部と、
   前記光源部から送出された光を参照光として分岐する分岐部と、
   前記測定対象物からの反射光と前記分岐手段によって分岐された参照光を受光する受光素子と、
   前記反射光、及び前記参照光を電気パルス信号に変換する受光部と、
   前記受光部にて変換された電気パルス信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部により増幅された電気パルス信号の中から前記反射光及び前記参照光に対応する電気パルス信号を検出する検出部と、
   前記検出部における反射光及び参照光に対応する電気パルス信号の検出タイミング差から前記測定対象物までの距離を算出する演算部と、
   前記測定対象物までの距離の計測を開始する前に、前記パルス状の光を送出し、且つ、前記参照光を送出し、更に、前記検出部が前記反射光及び前記参照光に対応する電気パルス信号を受光し、この電気パルス信号が受光される時刻に基づいてゲート区間を設定し、その後、前記測定対象物までの距離を計測する際には、前記ゲート区間として設定した時間帯を、電気パルス信号を検出可能な時間帯として設定する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記光源部が消灯しているときに光が検出されないように、前記受光素子の検出レベルを決定するための印加電圧を設定し、
   更に、時系列的に設定される所定時間間隔とされた時刻毎に光を照射し、今回の時刻で光を照射した後、所定時間内に受信パルスが検出される場合には、次回の時刻で光を照射する処理を繰り返し、
   所定時間内に受信パルスが検出されない場合の光の照射時刻よりも時間的に早い時刻をゲート開始時刻として、前記ゲート区間を設定することを特徴とする距離計測装置。
2. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記ゲート区間は外部又は演算部を介して可変設定できることを特徴とする距離計測装置。
3. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記制御部は前記演算部と一体で形成されていることを特徴とする距離計測装置。

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