JP6947294B2 - 測距装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は測距装置に関する。

光波を利用して測距を行う測距装置が開発されている。光波を利用する測距装置は、測距装置から所定の送信光を送信し、その送信光が被測定物によって反射された反射光を受信し、その反射光を解析することで測距を行う。特許文献１は、振幅変調された測距光を測定対象物に送信し、受光した反射光と送信光との位相差に基づいて測距を行う技術を開示している。

特開２００６−３１２７号公報

本発明者は、光波を利用して測距を行う新たな技術を見出した。本発明の目的の一つは、光波を利用して測距を行う新たな技術を提供することである。

本発明の測距装置は、１）測距信号を生成する測距信号生成手段と、２）光搬送波を測距信号に基づいて周波数変調した送信光を生成する変調手段と、３）生成された送信光を送信する送信手段と、４）送信光が被測定物によって反射された光である反射光を受信する受信手段と、５）送信光を参照光と干渉させて第１ビート信号を生成する第１ビート信号生成手段と、６）反射光を参照光と干渉させて第２ビート信号を生成する第２ビート信号生成手段と、７）第１ビート信号と第２ビート信号との差異に基づいて被測定物までの距離を算出する算出手段と、を有し、変調手段は、前記光搬送波の周波数をシフトして送信光を生成し、算出手段は、第１ビート信号と第２ビート信号との差異から、送信光と反射光との位相差を特定し、特定した位相差に基づいて被測定物までの距離を算出し、参照光の周波数は、光搬送波の周波数である。

本発明の制御方法は、コンピュータによって実行される制御方法である。当該制御方法は、１）測距信号を生成する測距信号生成ステップと、２）光搬送波を測距信号に基づいて周波数変調した送信光を生成する変調ステップと、３）生成された送信光を送信する送信ステップと、４）送信光が被測定物によって反射された光である反射光を受信する受信ステップと、５）送信光を参照光と干渉させて第１ビート信号を生成する第１ビート信号生成ステップと、６）反射光を参照光と干渉させて第２ビート信号を生成する第２ビート信号生成ステップと、７）第１ビート信号と第２ビート信号との差異に基づいて被測定物までの距離を算出する算出ステップと、を有し、変調ステップにおいて、光搬送波の周波数をシフトして送信光を生成し、算出ステップにおいて、第１ビート信号と第２ビート信号との差異から、送信光と反射光との位相差を特定し、特定した位相差に基づいて被測定物までの距離を算出し、参照光の周波数は、光搬送波の周波数である。

本発明によれば、光波を利用して測距を行う新たな技術が提供される。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

実施形態１に係る測距装置の動作を概念的に説明するための図である。 測距装置の機能構成部を例示する図である。 測距装置のハードウエア構成を例示する図である。 参照光のバリエーションを例示する図である。 参照光のバリエーションを例示する図である。 測距装置によって実行される処理の流れを例示するフローチャートである。 位相差検出方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。 位相差検出方式において光搬送波の周波数と振幅を変調するケースについて、模式的に例示する図である。 ToF 方式において、光搬送波の強度を変調する方法を模式的に例示する図である。 強度変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。 ToF 方式において、光搬送波の周波数を変調する方法を模式的に例示する図である。 周波数変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、参照光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。 ToF 方式において、光搬送波の位相を変調する方法を模式的に例示する図である。 位相変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また各ブロック図において、特に説明がない限り、各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく機能単位の構成を表している。

［実施形態１］
＜概要＞
図１は、実施形態１に係る測距装置２０００の動作を概念的に説明するための図である。なお図１は、測距装置２０００の動作の理解を容易にすることを目的とする例示のための図であり、測距装置２０００の動作は図１によって何ら限定されない。

測距装置２０００は、光波を利用して、測距装置２０００から被測定物１０までの距離の測定（測距）を行う装置である。一般に、光波を利用した測距では、搬送波とする光波（以下、光搬送波）を測距信号で変調した送信光を送信し、その送信光が測距対象の物体によって反射された反射光を受信し、その反射光を解析することで、距離の算出が行われる。

測距装置２０００は、測距信号を生成し、生成した測距信号に基づいて光搬送波を変調することで、送信光を生成する。測距装置２０００は、生成した送信光を送信し、送信光が被測定物１０によって反射された反射光を受信する。

測距装置２０００は、送信光を参照光と干渉させることで、ビート信号を生成する。このビート信号を第１ビート信号と呼ぶ。また、測距装置２０００は、反射光を参照光と干渉させることで、別のビート信号を生成する。このビート信号を第２ビート信号と呼ぶ。そして測距装置２０００は、第１ビート信号と第２ビート信号との差異に基づいて、被測定物１０までの距離を算出する。なお、参照光は、光搬送波、又は別途配備した光源による局所光である。

＜作用・効果＞
測距装置２０００によれば、送信光と参照光とを干渉させることで得られる第１ビート信号と、反射光と参照光とを干渉させることで得られる第２ビート信号という２つのビート信号との差異に基づいて被測定物までの距離を算出するという新たな測距の技術が提供される。

以下、本実施形態についてさらに詳細を述べる。

＜測距装置２０００の機能構成の例＞
図２は、測距装置２０００の機能構成部を例示する図である。測距装置２０００は、測距信号生成部２０２０、変調部２０４０、送信部２０６０、受信部２０８０、第１ビート信号生成部２１００、第２ビート信号生成部２１２０、及び算出部２１４０を有する。測距信号生成部２０２０は、測距信号を生成する。変調部２０４０は、光搬送波を測距信号に基づいて周波数変調した送信光を生成する。送信部２０６０は、生成された送信光を送信する。受信部２０８０は、送信光が被測定物１０によって反射された光である反射光を受信する。第１ビート信号生成部２１００は、送信光を参照光と干渉させて第１ビート信号を生成する。第２ビート信号生成部２１２０は、反射光を参照光と干渉させて第２ビート信号を生成する。算出部２１４０は、第１ビート信号と第２ビート信号とに基づいて被測定物１０までの距離を算出する。

＜ハードウエア構成の例＞
図３は、測距装置２０００のハードウエア構成を例示する図である。図３の測距装置２０００は、デジタルシグナルプロセッサ（DSP: Digital Signal Processor）１０２０、デジタルアナログ（DA: Digital-Analog）コンバータ１０４０、光源１０６０、変調器１０８０、送信モジュール１１００、受信モジュール１１２０、コヒーレントレシーバ１１４０、コヒーレントレシーバ１１５０、アナログデジタル（AD: Analog-Digital）コンバータ１１６０、アナログデジタルコンバータ１１７０、及びデジタルシグナルプロセッサ１１８０を有する。

デジタルシグナルプロセッサ１０２０は、測距信号生成部２０２０を実現するプロセッサである。デジタルシグナルプロセッサ１０２０は、測距信号を表すデジタル信号を出力する。デジタルシグナルプロセッサ１０２０から出力された測距信号は、デジタルアナログコンバータ１０４０により、アナログの電気信号に変換される。ここで、測距信号を生成するための情報（測距信号を定義するパラメータなど）は、予めデジタルシグナルプロセッサ１０２０からアクセス可能な記憶装置に記憶させておく。デジタルシグナルプロセッサ１０２０は、この記憶装置から読み込んだ情報に従って測距信号を生成する。

変調器１０８０は、変調部２０４０を実現する変調器である。例えば変調器１０８０は、マッハツェンダー型の光変調器などによって実現される直交変調器である。ただし、変調部２０４０が行う変調は直交変調に限定されず、変調器１０８０は直交変調器に限定されない。

光源１０６０は、光搬送波を出力する任意の光源である。例えば送信光としてレーザ光を利用する場合、光源１０６０はレーザ発振器などで実現される。変調器１０８０は、測距信号に基づき、光源１０６０から出力される光搬送波に対して変調を施す。より具体的には、変調器１０８０は、デジタルアナログコンバータ１０４０から出力されるアナログ信号を用いて、光源１０６０から出力される光搬送波を変調する。

送信モジュール１１００は、送信部２０６０を実現するモジュールである。送信モジュール１１００は、送信光を測距装置２０００の外部に出力するための光学系（レンズなど）や、送信光の出力方向を制御するための光学系（ミラーなど）で構成される。

受信モジュール１１２０は、受信部２０８０を実現するモジュールである。受信モジュール１１２０は、反射光を測距装置２０００の内部へ取り込むための光学系（レンズやミラーなど）で構成される。

コヒーレントレシーバ１１４０は、第１ビート信号生成部２１００を実現するハードウエア要素である。例えばコヒーレントレシーバ１１４０は、送信光と参照光をミキシングして光ビート信号を生成する光コヒーレントミキサと、光ビート信号を光電変換するバランストレシーバとから構成され、これにより送信光と参照光の光ビート信号に対応するアナログの電気信号を出力する。以下、コヒーレントレシーバ１１４０から出力されるアナログの電気信号（すなわち、光ビート信号を光電変換することで得られる電気信号）を「第１アナログビート信号」と表記する。

コヒーレントレシーバ１１４０の構成は、前述した構成に限定されない。例えばコヒーレントレシーバ１１４０は、直交受信器によって直交受信を行う構成であってもよい。この場合、より具体的には、コヒーレントレシーバ１１４０は、IQ ミキサ（９０度ハイブリッド）と２つのバランストレシーバを有する。

コヒーレントレシーバ１１５０は、第２ビート信号生成部２１２０を実現するハードウエア要素である。コヒーレントレシーバ１１５０の構成は、送信光ではなく反射光が入力される点を除き、コヒーレントレシーバ１１４０と同様である。なお、コヒーレントレシーバ１１５０から出力されるアナログの電気信号（すなわち、光ビート信号を光電変換することで得られる電気信号）を「第２アナログビート信号」と表記する。

コヒーレントレシーバ１１４０とコヒーレントレシーバ１１５０に入力される参照光には、１）光源１０６０から出力される光搬送波、及び２）別途設けた他の光源から出力される局所光などを利用することができる。図４と図５は、参照光のバリエーションを例示する図である。図４と図５はそれぞれ、上記１）と２）のケースを例示している。図４において、光源１０６０から出力される光搬送波を複数の経路に分岐させる部分には、例えばスプリッタなどを設ける（図示せず）。ここで、例示した２種類の参照光が選択的に受信部２０８０へ入力されるようにするスイッチ機構を設け、スイッチの切り替えによってこれら２つの参照光のいずれかを適宜利用できる構成としてもよい（図示せず）。

コヒーレントレシーバ１１４０から出力された第１アナログビート信号は、アナログデジタルコンバータ１１６０に入力される。アナログデジタルコンバータ１１６０により、第１アナログビート信号がデジタル信号に変換される。以下、第１アナログビート信号をデジタル信号に変換することで得られるデジタル信号を「第１デジタルビート信号」と表記する。なお、コヒーレントレシーバ１１４０を直交受信器として構成する場合、アナログデジタルコンバータ１１６０を２つ設け、反射光の同相成分と直交成分それぞれの第１アナログビート信号をデジタル信号に変換するようにする。

コヒーレントレシーバ１１５０から出力された第２アナログビート信号は、アナログデジタルコンバータ１１７０に入力される。アナログデジタルコンバータ１１７０により、第２アナログビート信号がデジタル信号に変換される。以下、第２アナログビート信号をデジタル信号に変換することで得られるデジタル信号を「第２デジタルビート信号」と表記する。なお、コヒーレントレシーバ１１５０を直交受信器として構成する場合、アナログデジタルコンバータ１１７０を２つ設け、反射光の同相成分と直交成分それぞれの第２アナログビート信号をデジタル信号に変換するようにする。

デジタルシグナルプロセッサ１１８０は、算出部２１４０を実現するプロセッサである。デジタルシグナルプロセッサ１１８０には、アナログデジタルコンバータ１１６０から出力される第１デジタルビート信号と、アナログデジタルコンバータ１１７０から出力される第２デジタルビート信号とが入力される。デジタルシグナルプロセッサ１１８０は、第１デジタルビート信号と第２デジタルビート信号とを解析することで、被測定物１０までの距離を算出する。なお、コヒーレントレシーバ１１４０やコヒーレントレシーバ１１５０を直交受信器として構成する場合、デジタルシグナルプロセッサ１１８０は、同相成分の第１デジタルビート信号と直交成分の第１デジタルビート信号との組で表される複素信号と、同相成分の第２デジタルビート信号と直交成分の第２デジタルビート信号との組で表される複素信号とを解析することで、被測定物１０までの距離を算出する。

算出部２１４０は、アナログデジタルコンバータから出力されたデジタル信号に対して光学系の収差や送受信に含まれるアナログ電気回路特性の不完全性等を補償するための補償回路をさらに含んでもよい（図示せず）。例えばこの補償回路の実現には、既存の技術を利用することができる。

＜処理の流れ＞
図６は、測距装置２０００によって実行される処理の流れを例示するフローチャートである。生成部２０２０は、測距信号を生成する（Ｓ１０２）。変調部２０４０は、生成した測距信号を用いて、光搬送波に対して変調を施した送信光を生成する（Ｓ１０４）。送信部２０６０は、生成された送信光を送信する（Ｓ１０６）。

第１ビート信号生成部２１００は、送信光と参照光とを干渉させて第１ビート信号を生成する（Ｓ１０８）。受信部２０８０は、送信光が被測定物１０によって反射された反射光を受信する（Ｓ１１０）。第２ビート信号生成部２１２０は、反射光と参照光とを干渉させて第２ビート信号を生成する（Ｓ１１２）。

算出部２１４０は、第１ビート信号と第２ビート信号との差異に基づいて被測定物１０までの距離を算出する（Ｓ１１４）。

＜測距方式ごとの詳細な説明＞
測距装置２０００は、種々の測距方式を利用することができる。以下では、測距装置２０００が利用する測距方式ごとに、測距装置２０００の動作をより詳細に説明する。

＜位相差検出方式＞
位相差検出方式では、送信光と反射光との位相差を用いて、測定対象までの距離が算出される。ここで、受信部２０８０においてヘテロダイン受信を実現するため、変調部２０４０は、光搬送波の周波数を所定量シフトする。ここでは、光搬送波の周波数を fc とし、この周波数を fm1 だけずらした fs=fc+fm1 にシフトさせることで、送信光が生成されるとする。なお、光信号の周波数をシフトさせる具体的な技術には、既存の技術を利用することができる。

図７は、位相差検出方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。本来、光の周波数は非常に高く、正確に波として図示するのが困難であるため、ここでは、光の周波数をイメージできるよう、便宜的に遅い周期の波として表している。後述の各図についても同様である。

第１ビート信号生成部２１００は、送信光と参照光とを干渉させることでヘテロダイン受信を行い、第１ビート信号を生成する。第２ビート信号生成部２１２０は、反射光と参照光とを干渉させることでヘテロダイン受信を行い、第２ビート信号を生成する。ここで、デジタルビート信号の周波数は、fs-fc（＝fm1） となる。この方式では、参照光として、光搬送波、又は光搬送波に相当する局所光が利用される。

算出部２１４０は、第１ビート信号と第２ビート信号との位相差を検出する。この位相差は、送信光と反射光の位相差に相当する。算出部２１４０は、検出した位相差に基づいて、測距装置２０００と被測定物１０との間を光が往復するのにかかる時間（送信光の飛行時間）を算出する。そして、算出部２１４０は、算出した時間に基づいて、測距装置２０００から被測定物１０までの距離を算出する。なお、送信光と反射光の位相差から送信光の飛行時間を特定する技術には、既存の技術を利用することができる。

ここで、位相差を利用して測距を行う従来技術（特許文献１参照）では、光波の振幅を変調する。これに対し、上述した方法において、測距装置２０００は、光搬送波を周波数変調することで生成した送信光を用いて、送信光と反射光の位相差に基づく測距を行う。光搬送波を周波数変調した送信光は、光搬送波を振幅変調した送信光と比較し、振幅雑音の影響を受けにくい。そのため、測距装置２０００によれば、送信光と反射光の位相差に基づいて測定距離を算出する方式において、振幅雑音の影響を受けにくい高精度な測距を実現することができる。

なお、振幅変調によって生成した送信光を利用する場合には、送信光と反射光の振幅の違いに基づいて、これらの位相差を容易に検出することができる。一方で、本実施形態で説明した光搬送波の位相差そのもの検出する場合、送信光源である光搬送波の位相雑音により位相が揺らぐため、正確な位相を検出することは容易ではない。

そこで測距装置２０００は、送信光と参照光とを干渉させることで得られる第１ビート信号と、反射光と参照光とを干渉させることで得られる第２ビート信号とを比較する。同一の参照光を基準としたそれぞれの位相差を検出することにより、送信光と反射光とに振幅の違いがなくても、これらの位相差を検出することができる。すなわち、光搬送波の振幅を変調することなく、送信光と反射光の位相差を検出することができる。

なお、同一の参照光と比較するとはいえ、第１ビート信号生成部２１００および第２ビート信号生成部２１２０へ入力する参照光は、分波器などを用いてそれぞれ分岐した参照光を入力する必要があるため、厳密にはそれらの光路長に差分が生じる。従って、第１ビート信号生成部２１００に入力される参照光と、第２ビート信号生成部２１２０に入力される参照光には、何らかの位相差が生じる可能性があるが、この位相差は装置およびデバイス製造時の光学部品の製造ばらつきによるものが支配的であり、変動するものではないため、例えば、予め出荷試験などでこの位相差を測定して、その差分を補償しておくなどのキャリブレーションを実施すれば問題ではなくなる。

ただし、位相差検出方式を採用する場合であっても、測距装置２０００は、光搬送波の周波数に加えて振幅も変調することで送信光を生成してもよい。図８は、位相差検出方式において光搬送波の周波数と振幅を変調する方法について、模式的に例示する図である。図８において、光搬送波は、周波数が fc から fc+fm1 にシフトされ、なおかつ振幅が周波数 fm2 で変動するように変調されている。参照光としては、光搬送波、又は光搬送波に相当する局所光が利用される。

このように送信光を変調すると、第１ビート信号生成部２１００と第２ビート信号２１２０が生成するビート信号では、そのエンベロープの強度が周波数 fm2 で変化する。そこで算出部２１４０は、第１ビート信号と第２ビート信号を解析して、それぞれのエンベロープを検出する。そして、算出部２１４０は、これらのエンベロープの位相差を検出する。この位相差は、送信光と反射光の位相差に相当する。そこで算出部２１４０は、この位相差に基づいて測距装置２０００から被測定物１０までの距離を算出する。

また、このように、それぞれのビート信号のエンベロープ、すなわち、強度信号の位相比較を行う場合は、参照光と干渉させて受信を行うコヒーレント検波ではなく、光強度を直接フォトダイオードで検出する直接検波方式を用いてエンベロープ信号を検出しても良い。この場合は、振幅方向の雑音に対する耐性は低下するものの、コヒーレント検波に比べて、光干渉系などが不必要となり、光受信器の構成を簡素化できるというメリットがある。

＜ToF 方式＞
ToF 方式では、光の飛行時間に基づいて、測定対象までの距離が算出される。ToF 方式を利用する場合、時間軸上において光搬送波の一部を変化させるように光搬送波を変調することで、送信光を生成する。変化させる光搬送波の要素は、強度（振幅）であってもよいし、周波数であってもよいし、位相であってもよい。

＜＜強度を変調するケース＞＞
図９は、ToF 方式において、光搬送波の強度を変調する方法を模式的に例示する図である。上段は送信光を、下段は送信光に施す強度変動の様子を示している。ここで、光搬送波の周波数は fc であるとする。図示するとおり、強度変調を用いた ToF 方式における送信光は、パルス幅が t1 であり、周期が T であるパルス信号である。また、ヘテロダイン受信のために、変調部２０４０は、光搬送波に対して強度変調に加えて周波数シフトを施す。具体的には、変調部２０４０は、パルスがオンである期間の送信光を、光搬送波の周波数を fc から fm1 だけシフトした周波数 fs=fc+fm1 の光信号とし、パルスがオフである期間の送信光の強度を０にする。

第１ビート信号生成部２１００は、送信光を参照光と干渉させてヘテロダイン受信を行い、第１デジタルビート信号を出力する。第２ビート信号生成部２１２０は、反射光を参照光と干渉させてヘテロダイン受信を行い、第２デジタルビート信号を出力する。参照光としては、光搬送波、又は光搬送波に相当する局所光を利用する。

図１０は、強度変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。第１デジタルビート信号は、送信光の強度が０である期間については強度が０となり、送信光の強度が０でない期間については周波数 fs-fc（＝fm1）の信号となる。そのため算出部２１４０は、送信光の強度が０でない期間を容易に特定することができる。同様に、第２デジタルビート信号は、反射光の強度が０である期間については強度が０となり、反射光の強度が０でない期間については周波数 fs-fc（＝Δfs）の信号となる。そのため算出部２１４０は、反射光の強度が０でない期間を容易に特定することができる。

ここで、反射光は、測距装置２０００から被測定物１０までの距離に応じ、送信光が遅れたものとなる。そのため、第２デジタルビート信号において強度が０でない期間と、第２デジタルビート信号において強度が０でない期間との時間のずれが、光が測距装置２０００と被測定物１０との間を往復するのに要した時間に一致する。そこで算出部２１４０は、この時間ずれを算出し、算出した時間ずれに基づいて、測距装置２０００から被測定物１０までの距離を算出する。

＜＜周波数を変調するケース＞＞
図１１は、ToF 方式において、光搬送波の周波数を変調する方法を模式的に例示する図である。上段は送信光を、下段は送信光の周波数の変化の様子を示している。ここで、光搬送波は、周波数 fc の正弦波であるとする。図示するとおり、周波数変調を用いた ToF 方式における送信光は、パルス幅が t1 であり、周期が T であるパルス信号であるが、図９とは違い、光の周波数がパルス状に変化する信号となる。ここでも同様に、ヘテロダイン受信のため、変調部２０４０は、光搬送波に対して周波数変調を施す。具体的には、変調部２０４０は、パルスがオンである期間について光搬送波の周波数を fc+fm1 にシフトし、パルスがオフである期間について光搬送波の周波数を fc+fm2 にシフトすることで、送信光を生成する。

第１ビート信号生成部２１００は、送信光を参照光と干渉させてヘテロダイン受信を行い、第１デジタルビート信号を出力する。同様に第２ビート信号生成部２１２０は、反射光を参照光と干渉させてヘテロダイン受信を行い、第２デジタルビート信号を出力する。参照光としては、光搬送波、又は光搬送波に相当する局所光を利用する。

図１２は、周波数変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、参照光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。送信光の周波数が fc+fm1 である期間の第１デジタルビート信号は、周波数 fm1 の信号となる。一方、送信光の周波数が fc+fm2 である期間の第１デジタルビート信号は、周波数 fm2 の信号となる。算出部２１４０は、第１デジタルビート信号を解析することで、第１デジタルビート信号において周波数が切り替わるタイミングを検出する。第２デジタルビート信号についても同様の処理を行う。

反射光は、測距装置２０００から被測定物１０までの距離に応じ、送信光が遅れたものとなる。そのため、送信光において周波数が fc+fm1 となっている期間と、反射光において周波数が fc+fm1 となっている期間との時間のずれが、光が測距装置２０００と被測定物１０との間を往復するのに要した時間に一致する。そこで算出部２１４０は、この時間ずれを算出し、算出した時間ずれに基づいて、測距装置２０００から被測定物１０までの距離を算出する。

ここで、周波数 fs を大きくすると、送信光の周波数が fc である期間の第１デジタルビート信号と、送信光の周波数が fs である期間の第１デジタルビート信号との違いが大きくなり、これらの期間の境界を検出しやすくなる。第２デジタルビート信号についても同様である。好適な周波数 fs の値は、例えば、予め測距装置２０００をテスト動作させることで把握することができる。

＜＜位相を変調するケース＞＞
図１３は、ToF 方式において、光搬送波の位相を変調する方法を模式的に例示する図である。上段は送信光を、下段は送信光の位相の変化の様子を示している。ここで、光搬送波は、周波数 fc の正弦波であるとする。図示するとおり、位相変調を用いた ToF 方式における送信光は、パルス幅が t1 であり、周期が T であるパルス信号であるが、図９や図１１とは違い、光の位相がパルス状に変化する信号となる。変調部２０４０は、光搬送波に対して位相変調を施す。具体的には、変調部２０４０は、測距信号においてパルスがオンである期間について光搬送波の位相を１８０度反転させた光信号を、送信光として生成する。また、ヘテロダイン受信のための周波数シフトも施す。

図１４は、位相変調を行う ToF 方式における送信光、参照光、反射光、及びデジタルビート信号を模式的に例示する図である。参照光としては、光搬送波、又は光搬送波に相当する局所光を用いる。

算出部２１４０は、第１デジタルビート信号を解析することで、第１デジタルビート信号において位相が切り替わるタイミングを検出する。第２デジタルビート信号についても同様の処理を行う。

前述したように、反射光は、測距装置２０００から被測定物１０までの距離に応じ、送信光が遅れたものとなる。そのため、送信光において位相が変調されている期間と、反射光において位相が変調されている期間との時間のずれが、光が測距装置２０００と被測定物１０との間を往復するのに要した時間に一致する。そこで算出部２１４０は、この時間ずれを算出し、算出した時間ずれに基づいて、測距装置２０００から被測定物１０までの距離を算出する。

＜結果の出力＞
算出部２１４０によって算出された測定距離の出力先は様々である。例えば算出部２１４０は、算出した測定距離を所定の記憶装置に記憶させる。その他にも例えば、算出部２１４０は、測距装置２０００に接続されているディスプレイ装置に、算出した測定距離を表示させる。その他にも例えば、算出部２１４０は、算出した測定距離を他の計算機（PC、サーバ装置、又は携帯端末など）に出力してもよい。

なお、同一のパターンを繰り返す送信光を用いれば、算出部２１４０は、パターン毎に１つの測定距離を算出することができる。そこで算出部２１４０は、所定期間（例えば１秒間）において複数のパターンで算出された測定距離の統計値を算出し、この統計値を算出結果として出力するように構成されていてもよい。例えば統計値は平均値などである。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

Claims (6)

1. 光搬送波を変調して送信光を生成する変調手段と、
   前記生成された送信光を送信する送信手段と、
   前記送信光が被測定物によって反射された光である反射光を受信する受信手段と、
   前記送信光を参照光と干渉させて第１ビート信号を生成する第１ビート信号生成手段と、
   前記反射光を参照光と干渉させて第２ビート信号を生成する第２ビート信号生成手段と、
   前記第１ビート信号と前記第２ビート信号との差異に基づいて前記被測定物までの距離を算出する算出手段と、を有し、
   前記変調手段は、前記光搬送波の周波数をシフトして送信光を生成し、
   前記算出手段は、前記第１ビート信号と前記第２ビート信号との差異から、前記送信光と前記反射光との位相差を特定し、前記特定した位相差に基づいて前記被測定物までの距離を算出し、
   前記参照光の周波数は、前記光搬送波の周波数である、測距装置。
2. 前記参照光は、前記光搬送波、又は前記光搬送波の光源とは別の光源から出力される局所光である、請求項１に記載の測距装置。
3. 前記変調手段は、直交変調によって前記光搬送波の周波数を変調する、請求項１又は２に記載の測距装置。
4. コンピュータによって実行される制御方法であって、
   光搬送波を変調して送信光を生成する変調ステップと、
   前記生成された送信光を送信する送信ステップと、
   前記送信光が被測定物によって反射された光である反射光を受信する受信ステップと、
   前記送信光を参照光と干渉させて第１ビート信号を生成する第１ビート信号生成ステップと、
   前記反射光を参照光と干渉させて第２ビート信号を生成する第２ビート信号生成ステップと、
   前記第１ビート信号と前記第２ビート信号との差異に基づいて前記被測定物までの距離を算出する算出ステップと、を有し、
   前記変調ステップにおいて、前記光搬送波の周波数をシフトして送信光を生成し、
   前記算出ステップにおいて、前記第１ビート信号と前記第２ビート信号との差異から、前記送信光と前記反射光との位相差を特定し、前記特定した位相差に基づいて前記被測定物までの距離を算出し、
   前記参照光の周波数は、前記光搬送波の周波数である、制御方法。
5. 前記参照光は、前記光搬送波、又は前記光搬送波の光源とは別の光源から出力される局所光である、請求項４に記載の制御方法。
6. 前記変調ステップにおいて、直交変調によって前記光搬送波の周波数を変調する、請求項４又は５に記載の制御方法。

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