JP5388928B2 - Time measuring device and distance measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、時間計測装置および距離計測装置に関するものである。 The present invention relates to a time measuring device and a distance measuring device.
対象物までの距離を計測する距離計測装置としてTOF(Time-of-flight)法に拠るものが知られている(特許文献1,2を参照)。TOF法に拠る距離計測装置は、光源から対象物へパルス光を投光し、そのパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光素子により受光して、投光タイミングから受光タイミングまでの時間を計測することで、その時間から距離を求める。すなわち、TOF法に拠る距離計測装置は、投光タイミングから受光タイミングまでの時間を計測する時間計測装置を備えている。
An apparatus based on the TOF (Time-of-flight) method is known as a distance measuring device that measures the distance to an object (see
TOF法に拠る距離計測装置または時間計測装置は、部品の特性が温度によって異なったり、また、実際の部品の特性が設計値と異なったりすることにより、対象物までの計測結果に誤差を生じる場合がある。 The distance measuring device or time measuring device based on the TOF method may cause an error in the measurement results up to the target object due to differences in the component characteristics depending on the temperature or the actual component characteristics differing from the design values. There is.
特許文献1に開示された距離計測装置は、このような誤差の問題に対処することを意図するものであって、既知の長さを有する光ファイバを用いた計測の結果を用いて、対象物までの距離の計測結果を補正するものである。しかし、この距離計測装置も、光ファイバの特性が温度に依存することから、やはり、対象物までの計測結果に誤差を生じる場合がある。また、この距離計測装置は、光ファイバを用いた計測を行なう必要があることから、距離計測に要する時間が長くなり、また、大型となる。
The distance measuring device disclosed in
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、簡易な構成で高精度の時間計測を行うことができる時間計測装置、および、このような時間計測装置を含む距離計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and includes a time measuring device capable of measuring time with high accuracy with a simple configuration, and a distance measuring device including such a time measuring device. The purpose is to provide.
本発明に係る時間計測装置は、(1) 定電流源と、(2) 第1端および第2端を有し第1端が基準電位に接続されるJ個の容量素子C1〜CJと、(3) 各容量素子Cjの第2端と定電流源との間に設けられたスイッチSWjと、(4) 外部から与えられる信号に基づいて時刻t0から時刻tJまでの時間T0が既知の期間のうち時刻tj−1から時刻tjまでの期間においてJ個のスイッチSW1〜SWJのうちスイッチSWjを閉状態とするとともに他のスイッチを開状態とする制御部と、(5) 時刻t0に対する時刻tJの各容量素子Cjの第2端の電位変化量Vjおよび既知の時間T0に基づいて、時刻tj−1から時刻tjまでの時間Tjの何れかを求める演算部と、を備えることを特徴とする。ただし、Jは2以上の整数であり、jは1以上J以下の整数である。 The time measuring device according to the present invention includes (1) a constant current source, and (2) J capacitive elements C 1 to C J having a first end and a second end, and the first end is connected to a reference potential. And (3) a switch SW j provided between the second end of each capacitive element C j and the constant current source, and (4) from time t 0 to time t J based on a signal given from the outside. Of the J switches SW 1 to SW J , the switch SW j is closed and the other switches are opened in the period from the time t j−1 to the time t j in the period in which the time T 0 is known. (5) From time t j−1 to time t j based on the potential change amount V j at the second end of each capacitive element C j at time t J with respect to time t 0 and the known time T 0 And an operation unit for obtaining any one of the time periods Tj . However, J is an integer greater than or equal to 2, and j is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to J.
本発明に係る距離計測装置は、(1) パルス光を出力する光源と、(2) 光源を駆動して光源からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を出力する駆動部と、(3) 光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光して当該受光強度に応じた電流信号を出力する受光素子と、(4) 受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を出力するIV変換部と、(5) IV変換部から出力される電圧信号に基づいて、受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を出力する判断部と、(6) 駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻t0とし、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1〜tJ−1の何れかとして、対象物までの距離を表す時間を求める上記の本発明に係る時間計測装置と、を備えることを特徴とする。 The distance measuring device according to the present invention includes (1) a light source that outputs pulsed light, and (2) a drive unit that drives the light source to emit pulsed light from the light source and outputs a light emission timing signal representing the light emission timing. (3) a light receiving element that receives the reflected pulse light generated by projecting the pulsed light output from the light source onto the object and outputs a current signal corresponding to the received light intensity, and (4) from the light receiving element. An IV converter that converts the output current signal into a voltage signal and outputs the voltage signal; and (5) a timing at which the light receiving element receives the reflected pulse light based on the voltage signal output from the IV converter. represents a determination unit for outputting a light reception timing signal, (6) the time t 0 the timing of light emission timing signal is representative of the output from the drive unit, the time t 1 to a timing indicated by the received timing signal output from the determination unit ~t J- Any one of the time measurement devices according to the present invention described above for obtaining a time representing a distance to an object is provided.
本発明では、駆動部により駆動された光源からパルス光が出力される。また、駆動部からは、その発光タイミングを表す発光タイミング信号が出力される。光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光は受光素子により受光されて、当該受光強度に応じた電流信号が受光素子から出力される。その受光素子から出力された電流信号はIV変換部により電圧信号に変換される。判断部により、その電圧信号に基づいて、受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号が出力される。時間計測装置では、駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻t0とし、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1〜tJ−1の何れかとして、対象物までの距離を表す時間が求められる。 In the present invention, pulsed light is output from the light source driven by the driving unit. Further, a light emission timing signal representing the light emission timing is output from the drive unit. The reflected pulse light generated by projecting the pulsed light output from the light source onto the object is received by the light receiving element, and a current signal corresponding to the received light intensity is output from the light receiving element. The current signal output from the light receiving element is converted into a voltage signal by the IV converter. Based on the voltage signal, the determination unit outputs a light reception timing signal indicating the timing at which the light receiving element receives the reflected pulse light. In the time measuring device, the timing represented by the light emission timing signal output from the drive unit is defined as time t 0, and the timing represented by the light reception timing signal output from the determination unit is defined as any one of times t 1 to t J−1. A time representing the distance to the object is required.
時間計測装置では、制御部により制御されて、時刻t0から時刻tJまでの時間T0が既知の期間のうち、時刻tj−1から時刻tjまでの期間において、J個のスイッチSW1〜SWJのうちスイッチSWjが閉状態とされるとともに、他のスイッチが開状態とされて、これにより、J個の容量素子C1〜CJのうち容量素子Cjのみ電位が変化していく、そして、演算部により、時刻t0に対する時刻tJの各容量素子Cjの電位変化量Vjおよび既知の時間T0に基づいて、時刻tj−1から時刻tjまでの時間Tjの何れかが求められる。この求められた時間から、対象物までの距離が求められる。 In the time measuring device, J switches SW are controlled in the period from time t j −1 to time t j among the periods where the time T 0 from time t 0 to time t J is known. 1 to SW J , the switch SW j is closed, and the other switches are opened, so that the potential of only the capacitive element C j among the J capacitive elements C 1 to C J changes. Then, based on the potential change amount V j of each capacitive element C j at time t J with respect to time t 0 and the known time T 0 , the time from time t j −1 to time t j is calculated by the arithmetic unit. Any one of the times T j is obtained. From this determined time, the distance to the object is determined.
本発明に係る距離計測装置では、(a) 判断部は、IV変換部から出力される電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移するタイミングを表す第1受光タイミング信号を出力するとともに、IV変換部から出力される電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移するタイミングを表す第2受光タイミング信号を出力し、(b) 時間計測装置は、J値が3であり、判断部から出力される第1受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1とし、判断部から出力される第2受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t2として、時間T1,時間T2または時間T3を求める、のが好適である。 In the distance measuring device according to the present invention, (a) the determination unit outputs a first light reception timing signal indicating a timing at which the value of the voltage signal output from the IV conversion unit transitions from a state less than the threshold to a state exceeding the threshold. And a second light receiving timing signal indicating a timing at which the value of the voltage signal output from the IV conversion unit transitions from a state exceeding the threshold to a state below the threshold, and (b) the time measuring device has a J value of a 3, a timing indicated by the first light receiving timing signal output from the determination unit and the time t 1, as the time t 2 to a timing indicated by the second light receiving timing signal output from the determination unit, the time T 1, time T Request 2 or time T 3, it is preferable to.
また、本発明に係る距離計測装置では、(a) 判断部は、IV変換部から出力される電圧信号の値がピークとなるタイミング,IV変換部から出力される電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移するタイミング,および,IV変換部から出力される電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移するタイミング,のうちの何れかを表す受光タイミング信号を出力し、(b) 時間計測装置は、J値が2であり、判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1として、時間T1または時間T2を求めるのも好適である。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, (a) the determination unit has a timing when the value of the voltage signal output from the IV conversion unit reaches a peak, and the value of the voltage signal output from the IV conversion unit is less than a threshold value. A light receiving timing signal representing any one of a timing of transition from a state to a state exceeding a threshold and a timing of transition from a state where the value of a voltage signal output from the IV converter exceeds a threshold to a state below a threshold (B) The time measuring device preferably has a J value of 2 and obtains the time T 1 or the time T 2 with the timing represented by the light reception timing signal output from the determination unit as the time t 1. .
本発明によれば、簡易な構成で高精度の時間または距離の計測を行うことができる。 According to the present invention, highly accurate time or distance measurement can be performed with a simple configuration.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1実施形態) (First embodiment)
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置1の構成を示す図である。距離計測装置1は、対象物90までの距離を計測するものであって、時間計測装置10、光源20、駆動部30、受光素子40、IV変換部50および判断部60を備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
光源20は、駆動部30により駆動されて、対象物90へ向けてパルス光を出力する。光源20として好適にはレーザダイオードが用いられる。駆動部30は、光源20を駆動して光源20からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を距離計測装置10へ出力する。
The
受光素子40は、光源20から出力されたパルス光が対象物90に投光されて生じた反射パルス光を受光して、当該受光強度に応じた電流信号をIV変換部50へ出力する。受光素子40として好適にはアバンランシュフォトダイオードが用いられる。IV変換部50は、受光素子40から出力される電流信号を電圧信号に変換して、該電圧信号を判断部60へ出力する。判断部60は、IV変換部50から出力される電圧信号に基づいて、受光素子40が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を時間計測装置10へ出力する。
The light
時間計測装置10は、駆動部30から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部60から出力される受光タイミング信号をも入力して、発光タイミング信号が表すタイミングから受光タイミング信号が表すタイミングまでの時間を求める。この求められた時間は、光源20から対象物90までの距離と対象物90から受光素子40までの距離との和を表しており、すなわち、距離計測装置1から対象物90までの距離を表している。
The
図2は、第1実施形態に係る距離計測装置1に含まれる時間計測装置10の構成を示す図である。時間計測装置10は、定電流源11,制御部12,演算部13,容量素子C1〜C3,抵抗器R,スイッチSW0〜SW3および スイッチSW11〜SW13を備える。スイッチSW0〜SW3および スイッチSW11〜SW13それぞれはトランジスタからなる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the
定電流源11は、電流源11aおよびトランジスタTr1,Tr2を含む。電流源11aの一端は基準電位Vrefと接続され、電流源11aの他端はトランジスタTr1のドレイン端子と接続されている。トランジスタTr1のドレイン端子は、トランジスタTr1およびトランジスタTr2それぞれのゲート端子と接続されている。トランジスタTr1およびトランジスタTr2それぞれのソース端子は接地されている。トランジスタTr2のドレイン端子は、スイッチSW0および抵抗器Rを介して基準電位Vrefと接続されている。定電流源11は、カレントミラー回路を構成しており、トランジスタTr2のドレイン端子とソース端子との間に一定電流を流すことができる。
The constant
スイッチSW1の一端は、トランジスタTr2のドレイン端子と接続されている。スイッチSW1の他端は、スイッチSW11を介してリセット電位Vresetと接続され、また、容量素子C1を介して接地電位と接続されている。スイッチSW1の他端の電位が演算部13へ入力される。
One end of the switch SW 1 is connected to the drain terminal of the transistor Tr 2. The other end of the switch SW 1 is connected to the reset potential V reset via the switch SW 11 and is connected to the ground potential via the capacitive element C 1 . The potential at the other end of the switch SW 1 is input to the
スイッチSW2の一端は、トランジスタTr2のドレイン端子と接続されている。スイッチSW2の他端は、スイッチSW12を介してリセット電位Vresetと接続され、また、容量素子C2を介して接地電位と接続されている。スイッチSW2の他端の電位が演算部13へ入力される。
One end of the switch SW 2 is connected to the drain terminal of the transistor Tr 2. The other end of the switch SW 2 is connected to the reset potential V reset via the switch SW 12, also connected to the ground potential through the capacitor C 2. The potential of the other end of the switch SW 2 is input to the
スイッチSW3の一端は、トランジスタTr2のドレイン端子と接続されている。スイッチSW3の他端は、スイッチSW13を介してリセット電位Vresetと接続され、また、容量素子C3を介して接地電位と接続されている。スイッチSW3の他端の電位が演算部13へ入力される。
One end of the switch SW 3 is connected to the drain terminal of the transistor Tr 2. The other end of the switch SW 3 is connected to the reset potential V reset via the switch SW 13, also connected to the ground potential via a capacitor C 3. The potential of the other end of the switch SW 3 is inputted to the
スイッチSW0は、制御部12から与えられるtacoff信号により開閉制御される。スイッチSW1は、制御部12から与えられるtac1信号により開閉制御される。スイッチSW2は、制御部12から与えられるtac2信号により開閉制御される。スイッチSW3は、制御部12から与えられるtac3信号により開閉制御される。スイッチSW11は、制御部12から与えられるreset1信号により開閉制御される。スイッチSW12は、制御部12から与えられるreset2信号により開閉制御される。スイッチSW13は、制御部12から与えられるreset3信号により開閉制御される。
The switch SW 0 is controlled to open and close by a taoff signal given from the
制御部12は、駆動部30から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部60から出力される受光タイミング信号をも入力して、tacoff信号,tac1信号,tac2信号,tac3信号を生成する。そして、制御部12は、これらの信号をスイッチSW0〜SW3の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。また、制御部12は、駆動部30から出力される発光タイミング信号により、reset1信号,reset2信号およびreset3信号を生成し、これらの信号をスイッチSW11〜SW13 の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。
The
演算部13は、スイッチSW1と容量素子C1との接続点の電位Vout1、スイッチSW2と容量素子C2との接続点の電位Vout2、および、スイッチSW3と容量素子C3との接続点の電位Vout3を入力して、これらの電位Vout1〜Vout3に基づいて所定の演算を行い、対象物90までの距離を表す時間を求める。演算部13は、アナログ演算を行ってもよいし、デジタル演算を行ってもよい。
The
次に、第1実施形態に係る距離計測装置1および時間計測装置10の動作について説明する。図3は、第1実施形態に係る時間計測装置10の動作例を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、駆動部30から時間計測装置10の制御部12に与えられる発光タイミング信号、IV変換部50から出力され判断部60に入力される電圧信号、判断部60から時間計測装置10の制御部12に与えられる受光タイミング信号、制御部12からスイッチSW0に与えられるtacoff信号、制御部12からスイッチSW1に与えられるtac1信号、制御部12からスイッチSW2に与えられるtac2信号、制御部12からスイッチSW3に与えられるtac3信号、スイッチSW1と容量素子C1との接続点の電位Vout1、スイッチSW2と容量素子C2との接続点の電位Vout2、および、スイッチSW3と容量素子C3との接続点の電位Vout3、が示されている。
Next, operations of the
駆動部30から時間計測装置10の制御部12に与えられる発光タイミング信号は、光源20がパルス光を発光した時刻t0に立ち上がる。また、この発光タイミング信号は、この時刻t0から既知の時間T0が経過した時刻t3に立ち下がる。すなわち、発光タイミング信号は、パルス幅T0の信号である。
The light emission timing signal given from the
IV変換部50から出力され判断部60に入力される電圧信号は、受光素子40に到達した反射パルス光の強度の時間的変化を表す信号である。
The voltage signal output from the
判断部60から時間計測装置10の制御部12に与えられる受光タイミング信号は、受光素子40が反射パルス光を受光したタイミングを表す信号であり、IV変換部50から出力された電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移する時刻t1に立ち上がり、該電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移する時刻t2に立ち下がる。
The light reception timing signal given from the
制御部12により、駆動部30から出力される発光タイミング信号および判断部60から出力される受光タイミング信号に基づいて、tacoff信号,tac1信号,tac2信号,tac3信号が生成される。また、制御部12により、駆動部30から出力される発光タイミング信号に基づいて,reset1信号,reset2信号およびreset3信号が生成される。
Based on the light emission timing signal output from the
時刻t0前に、reset1信号,reset2信号およびreset3信号それぞれが有意値であり、スイッチSW11〜SW13それぞれが閉じていて、電位Vout1〜Vout3それぞれはリセット電位Vresetとされる。時刻t0に、reset1信号,reset2信号およびreset3信号それぞれは非有意値に転じて、スイッチSW11〜SW13それぞれは開状態に転じる。
Prior to time t 0 , the
時刻t0前または時刻t3後では、tacoff信号,tac1信号,tac2信号およびtac3信号のうちtacoff信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW3のうちスイッチSW0のみが閉状態となる。 The time t 0 before or at time t after 3, Tacoff signals, TAC1 signal, only Tacoff signal of tac2 signals and tac3 signal is a significant value, only the switch SW 0 of the switch SW 0 to SW 3 are closed.
時刻t0から時刻t1までの期間では、tacoff信号,tac1信号,tac2信号およびtac3信号のうちtac1信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW3のうちスイッチSW1のみが閉状態となる。
In the period from time t 0 to time t 1 , only the
時刻t1から時刻t2までの期間では、tacoff信号,tac1信号,tac2信号およびtac3信号のうちtac2信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW3のうちスイッチSW2のみが閉状態となる。 In the period from time t 1 to time t 2, tacoff signal, TAC1 signal, only tac2 signal of tac2 signals and tac3 signal is a significant value, only the switch SW 2 of the switch SW 0 to SW 3 are closed .
時刻t2から時刻t3までの期間では、tacoff信号,tac1信号,tac2信号およびtac3信号のうちtac3信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW3のうちスイッチSW3のみが閉状態となる。 In the period from time t 2 to time t 3, tacoff signals, TAC1 signal, only tac3 signal of tac2 signals and tac3 signal is a significant value, only the switch SW 3 of the switch SW 0 to SW 3 are closed .
電位Vout1は時刻t0から時刻t1までの期間に亘って変化し、その電位変化量はV1となる。電位Vout2は時刻t1から時刻t2までの期間に亘って変化し、その電位変化量はV2となる。また、電位Vout3は時刻t2から時刻t3までの期間に亘って変化し、その電位変化量はV3となる。 The potential V out1 changes over a period from time t 0 to time t 1, and the amount of potential change is V 1 . Potential V out2 changes over a period from time t 1 to time t 2, the potential thereof variation becomes V 2. The potential V out3 changes over a period from time t 2 to time t 3, the potential change amount is V 3.
ここで、時刻t0から時刻t1までの時間をT1とし、時刻t1から時刻t2までの時間をT2とし、時刻t2から時刻t3までの時間をT3とする。容量素子C1〜C3それぞれの容量値が互いに等しくCであるとする。また、定電流源11を流れる電流をIとする。このとき、これらのパラメータの間に以下の関係式が成り立つ。
V1=T1I/C …(1)
V2=T2I/C …(2)
V3=T3I/C …(3)
T0=T1+T2+T3 …(4)
Here, the period from time t 0 to time t 1 and T 1, the time from time t 1 to time t 2 and T 2, the time from time t 2 to time t 3 and T 3. Assume that the capacitance values of the capacitive elements C 1 to C 3 are equal to each other and C. Also, let I be the current flowing through the constant
V 1 = T 1 I / C (1)
V 2 = T 2 I / C (2)
V 3 = T 3 I / C (3)
T 0 = T 1 + T 2 + T 3 (4)
上記(1)式〜(4)式から以下の関係式が得られる。
T1=T0V1/(V1+V2+V3) …(5)
T2=T0V2/(V1+V2+V3) …(6)
T3=T0V3/(V1+V2+V3) …(7)
The following relational expressions are obtained from the above expressions (1) to (4).
T 1 = T 0 V 1 / (V 1 + V 2 + V 3 ) (5)
T 2 = T 0 V 2 / (V 1 + V 2 + V 3 ) (6)
T 3 = T 0 V 3 / (V 1 + V 2 + V 3 ) (7)
演算部13は、電位変化量V1〜V3および既知の時間T0に基づいて以上のような演算を行って、時間T1〜T3を求めることができる。そして、時間T1、時間(T1+T2) または 時間(T1+T2/2) に基づいて、対象物90までの距離を求めることができる。また、発光のピーク値が発光時間の中心にあるとは限らないため、受光タイミング信号の大きさ、すなわち、反射パルス光の光量と発光のピーク位置を関係づけるルックアップテーブル(LUT)または関数を用意して、反射パルス光の光量に基づいて距離を算出してもよい。
The
以上のように、本実施形態では、時間T1〜T3は、上記(5)〜(7)式により求められるので、定電流源11を流れる電流Iのばらつきの影響を受けない。また、本実施形態では、特許文献1に開示された発明の如く光ファイバを用いた補正の為の計測を行なう必要はない。したがって、本実施形態では、簡易な構成で高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。
As described above, in the present embodiment, the times T 1 to T 3 are obtained by the above equations (5) to (7), and thus are not affected by variations in the current I flowing through the constant
また、本実施形態では、スイッチSW0および抵抗器Rが設けられていることにより、時刻t0前にも定電流源11を電流が流れるので、時刻t0以降に定電流源11の安定した動作が得られ、この点でも高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。
Further, in the present embodiment, by switch SW 0 and resistor R are provided, since the time t 0 the current also flows through the constant
(第2実施形態) (Second Embodiment)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る距離計測装置の構成は、第1実施形態の場合と比較すると時間計測装置の構成の点で相違する。図4は、第2実施形態に係る距離計測装置に含まれる時間計測装置10Aの構成を示す図である。
Next, a second embodiment will be described. The configuration of the distance measuring apparatus according to the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the time measuring apparatus. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a
時間計測装置10Aは、定電流源11,制御部12A,演算部13A,容量素子C1,C2,抵抗器R,スイッチSW0〜SW2および スイッチSW11〜SW12を備える。スイッチSW0〜SW2および スイッチSW11〜SW12それぞれはトランジスタからなる。
図2に示された第1実施形態に係る時間計測装置10の構成と比較すると、この図4に示される第2実施形態に係る時間計測装置10Aは、スイッチSW3,SW13および容量素子C3を備えていない点で相違し、制御部12に替えて制御部12Aを備える点で相違し、また、演算部13に替えて演算部13Aを備える点で相違する。
Compared to the configuration of the
制御部12Aは、駆動部30から出力される発光タイミング信号を入力するとともに、判断部60から出力される受光タイミング信号をも入力して、tacoff信号,tac1信号,tac2信号を生成する。そして、制御部12Aは、これらの信号をスイッチSW0〜SW2 および スイッチSW11〜SW12の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。また、制御部12Aは、駆動部30から出力される発光タイミング信号を入力して、reset1信号およびreset2信号を生成し、これらの信号をスイッチSW11〜SW12 の何れかへ与えて、これらのスイッチの開閉動作を制御する。
The
演算部13Aは、スイッチSW1と容量素子C1との接続点の電位Vout1、および、スイッチSW2と容量素子C2との接続点の電位Vout2を入力して、これらの電位Vout1,Vout2に基づいて所定の演算を行い、対象物90までの距離を表す時間を求める。演算部13Aは、アナログ演算を行ってもよいし、デジタル演算を行ってもよい。
The
次に、第2実施形態に係る距離計測装置および時間計測装置10Aの動作について説明する。図5は、第2実施形態に係る時間計測装置10Aの動作例を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、駆動部30から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる発光タイミング信号、IV変換部50から出力され判断部60に入力される電圧信号、判断部60から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる受光タイミング信号、制御部12AからスイッチSW0に与えられるtacoff信号、制御部12AからスイッチSW1に与えられるtac1信号、制御部12AからスイッチSW2に与えられるtac2信号、スイッチSW1と容量素子C1との接続点の電位Vout1、および、スイッチSW2と容量素子C2との接続点の電位Vout2、が示されている。
Next, operations of the distance measuring device and the
駆動部30から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる発光タイミング信号は、光源20がパルス光を発光した時刻t0に立ち上がる。また、この発光タイミング信号は、この時刻t0から既知の時間T0が経過した時刻t2に立ち下がる。すなわち、発光タイミング信号は、パルス幅T0の信号である。
Emission timing signal supplied from the
IV変換部50から出力され判断部60に入力される電圧信号は、受光素子40に到達した反射パルス光の強度の時間的変化を表す信号である。
The voltage signal output from the
判断部60から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる受光タイミング信号は、受光素子40が反射パルス光を受光したタイミングを表す信号であり、IV変換部50から出力された電圧信号の値がピークとなる時刻t1に立ち上がる。また、受光タイミング信号は、時刻t2に立ち下がる。なお、電圧信号の時間微分値の符号の変化を検出することで、電圧信号の値がピークとなるタイミングを検出することができる。
The light reception timing signal given from the
制御部12Aにより、駆動部30から出力される発光タイミング信号および判断部60から出力される受光タイミング信号に基づいて、tacoff信号,tac1信号,tac2信号が生成される。また、制御部12Aにより、駆動部30から出力される発光タイミング信号に基づいて,reset1信号およびreset2信号が生成される。
Based on the light emission timing signal output from the
時刻t0前に、reset1信号およびreset2信号それぞれが有意値であり、スイッチSW11,SW12それぞれが閉じていて、電位Vout1,Vout2それぞれはリセット電位Vresetとされる。時刻t0に、reset1信号およびreset2信号それぞれは非有意値に転じて、スイッチSW11,SW12それぞれは開状態に転じる。
Prior to time t 0 , the
時刻t0前または時刻t2後では、tacoff信号,tac1信号およびtac2信号のうちtacoff信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW2のうちスイッチSW0のみが閉状態となる。 The time t 0 before or after the time t 2, tacoff signal, only Tacoff signal of tac1 signals and tac2 signal is a significant value, only the switch SW 0 of the switch SW 0 to SW 2 are closed.
時刻t0から時刻t1までの期間では、tacoff信号,tac1信号およびtac2信号のうちtac1信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW2のうちスイッチSW1のみが閉状態となる。
During the period from time t 0 to time t 1 , only the
時刻t1から時刻t2までの期間では、tacoff信号,tac1信号およびtac2信号のうちtac2信号のみが有意値となり、スイッチSW0〜SW2のうちスイッチSW2のみが閉状態となる。 In the period from time t 1 to time t 2, tacoff signal, only tac2 signal of tac1 signals and tac2 signal is a significant value, only the switch SW 2 of the switch SW 0 to SW 2 are closed.
電位Vout1は時刻t0から時刻t1までの期間に亘って変化し、その電位変化量はV1となる。また、電位Vout2は時刻t1から時刻t2までの期間に亘って変化し、その電位変化量はV2となる。 The potential V out1 changes over a period from time t 0 to time t 1, and the amount of potential change is V 1 . The potential V out2 changes over a period from time t 1 to time t 2 , and the potential change amount is V 2 .
ここで、時刻t0から時刻t1までの時間をT1とし、時刻t1から時刻t2までの時間をT2とする。容量素子C1,C2それぞれの容量値が互いに等しくCであるとする。また、定電流源11を流れる電流をIとする。このとき、これらのパラメータの間に以下の関係式が成り立つ。
V1=T1I/C …(8)
V2=T2I/C …(9)
T0=T1+T2 …(10)
Here, the period from time t 0 to time t 1 and T 1, the time from time t 1 to time t 2 and T 2. Assume that the capacitance values of the capacitive elements C 1 and C 2 are equal to each other and C. Also, let I be the current flowing through the constant
V 1 = T 1 I / C (8)
V 2 = T 2 I / C (9)
T 0 = T 1 + T 2 (10)
上記(8)式〜(10)式から以下の関係式が得られる。
T1=T0V1/(V1+V2) …(11)
T2=T0V2/(V1+V2) …(12)
The following relational expressions are obtained from the above expressions (8) to (10).
T 1 = T 0 V 1 / (V 1 + V 2 ) (11)
T 2 = T 0 V 2 / (V 1 + V 2 ) (12)
演算部13Aは、電位変化量V1,V2および既知の時間T0に基づいて以上のような演算を行って、時間T1,T2を求めることができる。そして、時間T1に基づいて、対象物90までの距離を求めることができる。
The
図6および図7は、第2実施形態に係る時間計測装置10Aの他の動作例を説明するタイミングチャートである。図6に示される動作例では、判断部60から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる受光タイミング信号は、IV変換部50から出力された電圧信号の値が閾値未満の状態から閾値を超える状態に遷移する時刻t1に立ち上がる。図7に示される動作例では、判断部60から時間計測装置10Aの制御部12Aに与えられる受光タイミング信号は、IV変換部50から出力された電圧信号の値が閾値を超える状態から閾値未満の状態に遷移する時刻t1に立ち上がる。これらの場合にも、演算部13Aは、電位変化量V1,V2および既知の時間T0に基づいて同様の演算を行って、時間T1,T2を求めることができる。そして、時間T1に基づいて、対象物90までの距離を求めることができる。
6 and 7 are timing charts for explaining another example of the operation of the
以上のように、本実施形態でも、時間T1,T2は、上記(11〜(12)式により求められるので、定電流源11を流れる電流Iのばらつきの影響を受けない。また、本実施形態でも、特許文献1に開示された発明の如く光ファイバを用いた補正の為の計測を行なう必要はない。したがって、本実施形態でも、簡易な構成で高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。
As described above, also in this embodiment, the times T 1 and T 2 are obtained by the above equations (11 to (12), and thus are not affected by variations in the current I flowing through the constant
また、本実施形態でも、スイッチSW0および抵抗器Rが設けられていることにより、時刻t0前にも定電流源11を電流が流れるので、時刻t0以降に定電流源11の安定した動作が得られ、この点でも高精度の時間計測や距離計測を行うことができる。
Also, in this embodiment, by switch SW 0 and resistor R are provided, since the time t 0 the constant
(変形例) (Modification)
定電流源11を流れる電流Iは、上記実施形態では一定であるとしたが、可変であってもよい。また、容量素子C1〜C3それぞれの容量値は、上記実施形態では互いに等しいとしたが、可変であってもよく、互いに異ならせてもよい。例えば、第1実施形態において、時間T1と比べて時間T2が非常に短い場合には、容量素子C1の容量値と比べて容量素子C2の容量値が小さいのが好ましく、このようにすることで、電位変化量V2が高感度に検出され得る。また、計測レンジや分解能に応じて、定電流源11を流れる電流Iや容量素子の容量値を調整するのが好ましい。
The current I flowing through the constant
1…距離計測装置、10,10A…時間計測装置、11…定電流源、11a…電流源、12,12A…制御部、13,13A…演算部、20…光源、30…駆動部、40…受光素子、50…IV変換部、60…判断部、C1〜C3…容量素子、R…抵抗器、SW0〜SW3,SW11〜SW13…スイッチ、Tr1,Tr2…トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
第1端および第2端を有し前記第1端が基準電位に接続されるJ個の容量素子C1〜CJと、
各容量素子Cjの前記第2端と前記定電流源との間に設けられたスイッチSWjと、
外部から与えられる信号に基づいて時刻t0から時刻tJまでの時間T0が既知の期間のうち時刻tj−1から時刻tjまでの期間においてJ個のスイッチSW1〜SWJのうちスイッチSWjを閉状態とするとともに他のスイッチを開状態とする制御部と、
時刻t0に対する時刻tJの各容量素子Cjの前記第2端の電位変化量Vjおよび既知の時間T0に基づいて、時刻tj−1から時刻tjまでの時間Tjの何れかを求める演算部と、
を備えることを特徴とする時間計測装置(ただし、Jは2以上の整数、jは1以上J以下の整数)。 A constant current source;
And the J capacitive element C 1 -C J to the first end having a first end and a second end connected to a reference potential,
A switch SW j provided between the second end of each capacitive element C j and the constant current source;
Of the period of time T 0 from time t 0 on the basis of a signal given from the outside to the time t J from the time t j-1 of the known time to time t j of J switches SW 1 to SW J A control unit for closing the switch SW j and opening the other switches;
Potential change amount of the second end of the capacitor element C j at time t J against time t 0 V j and known time based on T 0, any time T j from time t j-1 to time t j An arithmetic unit for obtaining
(Where J is an integer of 2 or more, j is an integer of 1 or more and J or less).
前記光源を駆動して前記光源からパルス光を発光させるとともに、その発光タイミングを表す発光タイミング信号を出力する駆動部と、
前記光源から出力されたパルス光が対象物に投光されて生じた反射パルス光を受光して当該受光強度に応じた電流信号を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を出力するIV変換部と、
前記IV変換部から出力される電圧信号に基づいて、前記受光素子が反射パルス光を受光したタイミングを表す受光タイミング信号を出力する判断部と、
前記駆動部から出力される発光タイミング信号が表すタイミングを時刻t0とし、前記判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1〜tJ−1の何れかとして、前記対象物までの距離を表す時間を求める請求項1に記載の時間計測装置と、
を備えることを特徴とする距離計測装置。 A light source that outputs pulsed light;
A drive unit for driving the light source to emit pulsed light from the light source and outputting a light emission timing signal indicating the light emission timing;
A light receiving element that receives reflected pulse light generated by projecting the pulsed light output from the light source onto an object and outputs a current signal corresponding to the received light intensity;
An IV converter that converts a current signal output from the light receiving element into a voltage signal and outputs the voltage signal;
A determination unit that outputs a light reception timing signal indicating a timing at which the light receiving element receives the reflected pulse light based on a voltage signal output from the IV conversion unit;
The timing represented by the light emission timing signal output from the drive unit is defined as time t 0, and the timing represented by the light reception timing signal output from the determination unit is defined as any one of times t 1 to t J−1 up to the object. The time measuring device according to claim 1 for obtaining a time representing a distance of
A distance measuring device comprising:
前記時間計測装置は、J値が3であり、前記判断部から出力される第1受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1とし、前記判断部から出力される第2受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t2として、時間T1,時間T2または時間T3を求める、
ことを特徴とする請求項2に記載の距離計測装置。 The determination unit outputs a first light reception timing signal representing a timing at which a value of a voltage signal output from the IV conversion unit transitions from a state less than the threshold to a state exceeding the threshold, and from the IV conversion unit Outputting a second light receiving timing signal representing a timing at which the value of the output voltage signal transitions from a state exceeding the threshold to a state below the threshold;
The time measuring device, J value is 3, the timing of the first light receiving timing signal output from the determination unit represented by the time t 1, the timing indicated by the second light receiving timing signal output from the determination unit As time t 2 , time T 1 , time T 2 or time T 3 is obtained.
The distance measuring device according to claim 2.
前記時間計測装置は、J値が2であり、前記判断部から出力される受光タイミング信号が表すタイミングを時刻t1として、時間T1または時間T2を求める、
ことを特徴とする請求項2に記載の距離計測装置。
The determination unit transitions to a timing at which the value of the voltage signal output from the IV conversion unit reaches a peak, and from a state where the value of the voltage signal output from the IV conversion unit is less than the threshold to a state exceeding the threshold. A light reception timing signal representing any one of timing and a timing at which the value of the voltage signal output from the IV conversion unit transitions from a state exceeding the threshold to a state below the threshold;
The time measuring device calculates a time T 1 or a time T 2 with a J value of 2 and a timing represented by a light reception timing signal output from the determination unit as a time t 1 .
The distance measuring device according to claim 2.
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