JP7201088B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置に関し、特に、飛行時間方式の測距技術に関する。

従来から、物体との距離を測定する技術としてＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）方式が知られている。ＴＯＦ方式の測距処理では、レーザを発光させて、そのレーザ光が物体に反射して戻るまでの飛行時間を測定し、光速を乗じることで物体との距離を導出する（非特許文献１参照）。

ＴＯＦ方式の測距技術の具体例として、非特許文献２は、地表を掘削することなく下水道管などの管路を構築する工事に用いる地下の掘削機の位置を、ＴＯＦ方式で計測する測距装置を開示している。

また、非特許文献１および２に記載された技術では、時間を測定する基準となる参照信号と、測距対象の物体の表面を反射して戻ってきた光を光電変換した検出信号との２つの信号の時間差を測定する必要がある。例えば、２チャネルを持つアナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）を用いてこれら２つの信号が取り込まれる。このとき、２つの信号の時間差がΔｔだとすると、物体までの距離の測定値Ｌは、ｃΔｔ／２と表される。ここで、ｃは光速である。

このような従来の測距装置では、ＡＤＣのチャネル間のタイミング差（ｓｋｅｗ、スキュー）が時間変動する場合に、正確な測距ができなくなるという問題があった。つまり、ＡＤＣのチャネル間の信号取得時間にずれ（ｓｋｅｗ、スキュー）がある場合は、距離の測定値Ｌはそれに応じて変動する。例えば、参照信号に対して検出信号がＡＤＣのチャネル間スキューによってδｔだけ遅れた場合、物体までの距離の測定値Ｌ’はｃ（Δｔ＋δｔ）／２となり、ｃδｔ／２だけ異なる。

この場合は、スキューδｔが固定値であれば、予めスキューδｔを測定しておき、距離の測定時に、参照信号と検出信号との時間差から、予め測定されたスキューδｔを引けば、正しい距離が得られる。しかし、スキューδｔが、信号の取得ごとに異なる場合は、信号の取得ごとに距離の測定値が異なることとなり、得られた距離の精度が悪くなるという問題がある。

大石航志、太田充彦、松原弘幸、「レーザレーダにおけるＦＰＧＡを用いた複数反射光に対する飛行時間測定」、電子情報通信学会、２０１８年 電子情報通信学会総合大会 エレクトロニクス講演論文集２、ｐ．３８、Ｃ－１２－３、２０１８年０３月６日発行 小平徹、八木生剛、藤浦和夫、森治郎、渡邊武士、「波長掃引技術を応用した光掃引方式位置計測システム」、光技術コンタクト、５５巻、８号、ｐｐ．１８－２７、２０１７年０８月２０日発行

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ＡＤＣのチャネル間のタイミング差（ｓｋｅｗ、スキュー）が信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる測距装置および測距方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る測距装置は、周期的に強度変調された光の一部を参照光として受光し、第１参照信号に変換する第１フォトディテクタと、前記光が測定対象の物体の表面を反射した反射光を検出し、第１検出信号に変換する第２フォトディテクタと、前記第１参照信号と前記第１検出信号とのそれぞれに第１基準信号を加算して、第２参照信号と第２検出信号とをそれぞれ出力する加算器と、前記第２参照信号をＡＤ変換してディジタルの第３参照信号を出力する第１ＡＤ変換器と、前記第２検出信号をＡＤ変換してディジタルの第３検出信号を出力する第２ＡＤ変換器とを有するアナログ－ディジタル変換器と、前記第３参照信号から、前記参照光に基づく第４参照信号と前記第１基準信号に基づく第２基準信号とを取り出す第１フィルタと、前記第３検出信号から、前記反射光に基づく第４検出信号と前記第１基準信号に基づく第３基準信号とを取り出す第２フィルタと、前記第２基準信号と前記第３基準信号とに基づいて、前記第１ＡＤ変換器と前記第２ＡＤ変換器との間のタイミング差であるスキューを測定し、測定された前記スキューを示すスキュー信号を出力するスキュー測定部と、前記スキュー信号を用いて、前記第４参照信号の波形に含まれる第１ピークの第１ピーク時刻と、前記第４検出信号の波形に含まれる、前記第１ピークに対応する第２ピークの第２ピーク時刻との第１時刻差を補正する補正部と、補正された前記第１時刻差に基づいて、前記第１ピーク時刻ごとの前記物体までの距離を求め、距離信号を出力する測距部とを備える。

本発明によれば、第１ＡＤ変換器と第２ＡＤ変換器との間のタイミング差であるスキューを測定し、測定されたスキューを用いて、第１ＡＤ変換器でＡＤ変換された参照光に基づく第４参照信号の波形に含まれる第１ピークの第１ピーク時刻と、第２ＡＤ変換器でＡＤ変換された測定対象の物体を反射した反射光に基づく第４検出信号の波形に含まれる、第１ピークに対応する第２ピークの第２ピーク時刻との第１時刻差を補正する。そのため、ＡＤＣのチャネル間の時間差（ｓｋｅｗ、スキュー）が信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態に係る加算器の一例を示す回路図である。 図３は、本実施の形態に係る加算器の動作を説明するための図である。 図４は、本実施の形態に係るスキュー測定部の動作を説明するための図である。 図５は、本実施の形態に係る測距部の動作を説明するための図である。 図６は、本実施の形態に係る測距部の構成例を示すブロック図である。 図７は、本実施の形態に係る補正部の動作を説明するための図である。 図８は、本実施の形態に係る時間－角度変換部の動作を説明するための図である。 図９は、本実施の形態に係る信号処理装置を実現するコンピュータ構成の一例を示すブロック図である。 図１０は、本実施の形態に係る測距装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１１は、本実施の形態に係る補正前の距離信号を説明する図である。 図１２は、本実施の形態に係る補正前の距離信号を説明する図である。 図１３は、本実施の形態に係る補正後の距離信号を説明する図である。 図１４は、本実施の形態に係る補正後の距離信号を説明する図である。 図１５は、本実施の形態に係る測距装置の効果を説明するための図である。 図１６は、本実施の形態に係る測距装置の効果を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図１６を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置１の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る測距装置１は、図１に示すように、ＴＯＦ方式により、測距装置１から物体１０５までの距離を測定する。より詳細には、測距装置１は、カプラ１０２から光が出射されてから、測距対象の物体１０５の表面を反射した反射光がフォトディテクタＰＤｓ１０７で受光されるまでの飛行時間と、カプラ１０２から出射されてからフォトディテクタＰＤｒ１０６で受光されるまでの飛行時間の差を測定し、測距装置１から物体１０５までの距離を求める。

図１に示すように、測距装置１は、光源１００、光強度変調器１０１、カプラ１０２、サーキュレータ１０３、光偏向器１０４、フォトディテクタ（第１フォトディテクタ）（以下、「ＰＤｒ」という。）１０６、フォトディテクタ（第２フォトディテクタ）（以下、「ＰＤｓ」という。）１０７、加算器（以下、「ＡＤｒ」という。）１０８、加算器（以下、「ＡＤｓ」という。）１０９、アナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）１１０、および信号処理装置１１１を備える。カプラ１０２は光を分岐（スプリット）する光分岐器（光スプリッタ）として使用するものである。また、測距装置１の外部には、ファンクションジェネレータＦＧｍ，ＦＧｂが設けられている。

光源１００、光強度変調器１０１、カプラ１０２、サーキュレータ１０３、光偏向器１０４、ＰＤｒ１０６、およびＰＤｓ１０７は、測距装置１が備える光学系ＯＳを構成する。

光源１００は、時間的に強度が一定の光を物体１０５に向けて出射する。光源１００として、例えば、ＣＷ光源を用いることができる。

光強度変調器１０１は、光源１００から出射された光を周期的に強度変調する。より詳細には、ファンクションジェネレータＦＧｍによって生成されるパルス波や正弦波などの周期的な変調信号Ｓ_emで、光源１００の光の強度を変調する。光源１００から出射される光は、周期的に強度変調されて、後述の光偏向器１０４に入射される。

カプラ１０２は、光強度変調器１０１から出力された光を参照光路と物体光路とに分ける。カプラ１０２によって分けられた光の一方は、参照光路上のＰＤｒ１０６に入力され、他方の光は物体光路上のサーキュレータ１０３および光偏向器１０４を介して物体１０５に照射される。

サーキュレータ１０３は、光路上で互いに反対方向に進む光を分離する。より詳細には、サーキュレータ１０３は、カプラ１０２から出射され物体１０５に照射される光と、物体１０５を反射して戻ってきた光とを分離する。

光偏向器１０４は、光源１００から入射され、光強度変調器１０１で周期的な強度変調がなされた光の光軸を偏向して出射する。より詳細には、光偏向器１０４は、光源１００から出射され、光強度変調器１０１で正弦波などに強度変調され、カプラ１０２およびサーキュレータ１０３を介して入射される光を偏向して出射する。以下、光偏向器１０４が入射される光の光軸を変化させて出射することを「光を偏向する」ということとする。

光偏向器１０４は、予め設定された偏向角度の範囲で光強度変調器１０１からの光を偏向する。光偏向器１０４としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶を用いた偏向器を用いることができる。光偏向器１０４による偏向角度θは、ミラーの設計や光偏向器１０４が備える図示されない駆動装置による制御により所望の偏向角度の範囲となるように設定することができる。

光偏向器１０４は、光強度変調器１０１から出射された光を偏向して出射することによって、物体１０５ならびにその周辺の空間をスキャン（空間的に掃引、つまり、偏向）して、測距対象の物体１０５で反射させる。光偏向器１０４が、光強度変調器１０１からの光を設定された偏向角度θの範囲内で出射した光でスキャンする毎に、物体１０５からの反射光が後述のＰＤｓ１０７で検出される。

ＰＤｓ１０７は、物体１０５からの反射光をサーキュレータ１０３を介して検出し、アナログ信号の検出信号Ｓ_es（以下、「第１検出信号Ｓ_es」という。）に変換する。

ＰＤｒ１０６は、光源１００から出射され、光強度変調器１０１で周期的な光強度に変調され、カプラ１０２で参照光路に分けられた参照光を検出し、アナログ信号の参照信号Ｓ_er（以下、「第１参照信号Ｓ_er」という。）に変換する。

ＡＤｒ１０８は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成されたアナログの基準信号（以下、「第１基準信号」という。）Ｓ_ebと、第１参照信号Ｓ_erとを加算し、加算結果として第２参照信号Ｓ_er+ebを出力する。

ＡＤｓ１０９は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成されたアナログの第１基準信号Ｓ_ebと、第１検出信号Ｓ_esとを加算する。ＡＤｓ１０９は、加算演算の結果として第２検出信号Ｓ_es+ebを出力する。

ＡＤｒ１０８およびＡＤｓ１０９は、図２に示すようなオペアンプを利用したアナログ加算器を備えることができる。図２に示すアナログ加算器は、反転増幅器を使用しているので、出力は入力の極性を反転したものとなる。具体的に説明すると、図２に示すアナログ加算器の入力ＩＮ１の電圧をＶ１、入力ＩＮ２の電圧をＶ２とすると、出力電圧Ｖ_outは、－Ｒ_f（Ｖ１／Ｒ_i1＋Ｖ２／Ｒ_i2）と表される。このように、入力電圧Ｖ１、Ｖ２と出力電圧Ｖ_outは極性が反転する。ここで、Ｒ_fは帰還抵抗、Ｒ_i1，Ｒ_i2は入力抵抗である。

ＡＤｒ１０８、ＡＤｓ１０９は、極性が反転した出力電圧Ｖ_outを出力してもよいが、アナログ加算器の出力側に図示されない反転増幅器を設けて、出力電圧Ｖ_outの極性を入力電圧Ｖ１，Ｖ２の極性にそろえる構成としてもよい。

図２に示すアナログ加算器において、Ｒ_f＝Ｒ_i1＝Ｒ_i2とすると、Ｖ_out＝－（Ｖ１＋Ｖ２）の関係となる。この場合、アナログ加算器の設計が簡単化される利点がある。また、入力抵抗Ｒ_i1，Ｒ_i2の抵抗値を下げると、オペアンプの入力側の容量に起因して発現するローパスフィルタのカットオフ周波数が高周波となるので、入力信号ＩＮ１，ＩＮ２の高周波成分まで加算回路で加算演算することができる。例えば、入力抵抗Ｒ_i1，Ｒ_i2は、５０［Ω］とすることができる。

図３は、図２に例示したアナログ加算回路を備えるＡＤｒ１０８、およびＡＤｓ１０９のそれぞれにおける入力信号ＩＮ１，ＩＮ２、および出力信号ＯＵＴの関係を示している。図３の例では、入力信号ＩＮ１は、周波数が３０［ＭＨｚ］の正弦波、入力信号ＩＮ２は、周波数が１１［ＭＨｚ］の正弦波となっている。出力信号ＯＵＴは、これらの信号を足し合わせた信号である。

このように、ＡＤｒ１０８は、第１基準信号Ｓ_ebと参照信号の第１参照信号Ｓ_erとを加算した第２参照信号Ｓ_er+ebを、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ１に入力する。また、ＡＤｓ１０９は、第１基準信号Ｓ_ebと検出信号の第１検出信号Ｓ_esとを加算した第２検出信号Ｓ_es+ebを、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ２に入力する。

次に、ＡＤＣ１１０の構成について説明する。
ＡＤＣ１１０は、３つのチャネルを備え、アナログの入力信号をディジタル信号に変換して出力する。ＡＤＣ１１０がチャネルごとに変換して出力するディジタル信号は、信号処理装置１１１に入力される。

チャネルＣＨ１（第１ＡＤ変換器）に入力されたアナログの第２参照信号Ｓ_er+ebは、ディジタルの第３参照信号Ｓ_r+bに変換され、後述のフィルタＦ１，Ｆ３に入力される。チャネルＣＨ２（第２ＡＤ変換器）に入力された第２検出信号Ｓ_es+ebについても、ディジタルの第３検出信号Ｓ_s+bに変換され、フィルタＦ２，Ｆ４に入力される。また、チャネルＣＨ３には、光偏向器１０４の偏向角度を示すアナログ信号である角度信号Ｓ_ea（以下、「第１角度信号Ｓ_ea」という。）が入力され、ディジタルの角度信号Ｓ_a（以下、「第２角度信号Ｓ_a」という。）に変換されて、後述の時間－角度変換部１１４に入力される。

信号処理装置１１１は、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４、スキュー測定部１１２、測距部１１３、および時間－角度変換部１１４を備える。信号処理装置１１１は、ＡＤＣ１１０の各チャネルから出力される信号を入力として、偏向角度θごとの物体１０５までの距離Ｌ_angle,nを算出する。

フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４は、第３参照信号Ｓ_r+bおよび第３検出信号Ｓ_s+bをフィルタリングして、第３参照信号Ｓ_r+bおよび第３検出信号Ｓ_s+bのそれぞれに含まれる所定の信号を分離して出力する。

フィルタＦ１，Ｆ３（第１フィルタ）は、第３参照信号Ｓ_r+bから、参照光に基づく信号Ｓ_r（以下、「第４参照信号Ｓ_r」という。）と第１基準信号Ｓ_ebに基づく信号Ｓ_br（以下、「第２基準信号Ｓ_br」という。）とを取り出す。

フィルタＦ１は、第４参照信号Ｓ_rの周波数成分を通過させるフィルタであり、入力された第３参照信号Ｓ_r+bから、第４参照信号Ｓ_rを分離して出力する。分離された第４参照信号Ｓ_rは、測距部１１３に入力される。

フィルタＦ３は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成された第１基準信号Ｓ_ebに関する第２基準信号Ｓ_brの周波数成分を通過させるフィルタであり、入力された第３参照信号Ｓ_r+bから第２基準信号Ｓ_brを分離して出力する。分離された第２基準信号Ｓ_brは、スキュー測定部１１２に入力される。

フィルタＦ２，Ｆ４（第２フィルタ）は、第３検出信号Ｓ_s+bから、反射光に基づく信号Ｓ_s（以下、「第４検出信号Ｓ_s」という。）と第１基準信号Ｓ_ebに基づく信号Ｓ_bs（以下、「第３基準信号Ｓ_bs」という。）とを取り出す。

フィルタＦ２は、第４検出信号Ｓ_sの周波数成分を通過させるフィルタであり、入力された第３検出信号Ｓ_s+bから、第４検出信号Ｓ_sを分離して出力する。分離された第４検出信号Ｓ_sは、測距部１１３に入力される。

フィルタＦ４は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成された第１基準信号Ｓ_ebに基づく第３基準信号Ｓ_bsの周波数成分を通過させるフィルタであり、入力された第３検出信号Ｓ_s+bから第３基準信号Ｓ_bsを分離して出力する。分離された第３基準信号Ｓ_bsは、スキュー測定部１１２に入力される。

ここで、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の構成およびファンクションジェネレータＦＧｍ，ＦＧｂのそれぞれで生成される変調信号Ｓ_em、第１基準信号Ｓ_ebについてより詳細に説明する。

光源１００から出射された光の強度を変調するための変調信号Ｓ_em、およびＡＤｒ１０８、ＡＤｓ１０９に入力されて第１参照信号Ｓ_er、第１検出信号Ｓ_esのそれぞれと加算すなわち重畳される第１基準信号Ｓ_ebは、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４によって分離することができる信号波形を持つ電気信号である。本実施の形態では、フィルタＦ１，Ｆ２は、変調信号Ｓ_emを通過させて第１基準信号Ｓ_ebを阻止する。また、フィルタＦ３，Ｆ４は、第１基準信号Ｓ_ebを通過させて、変調信号Ｓ_emを阻止する。

例えば、ファンクションジェネレータＦＧｍが生成する変調信号Ｓ_em、およびファンクションジェネレータＦＧｂが生成する第１基準信号Ｓ_ebとしては、互いに周波数の異なる正弦波を用いることができる。例えば、第１基準信号Ｓ_ebおよび変調信号Ｓ_emが何らかの理由で歪むなどして、それぞれの高調波が発生する可能性がある。このような可能性を考慮した場合、各々の信号の周波数は、他方の信号の周波数の高調波の周波数に一致しないことが望ましい。

具体例として、変調信号Ｓ_emの周波数を３０［ＭＨｚ］、第１基準信号Ｓ_ebの周波数を１１［ＭＨｚ］とすると、第１基準信号Ｓ_ebの高調波は１１［ＭＨｚ］の整数倍であり、変調信号Ｓ_emの周波数（３０［ＭＨｚ］）になることはないといえる。

このように、変調信号Ｓ_emおよび第１基準信号Ｓ_ebを正弦波信号とする場合には、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４として周波数フィルタを用いることができる。具体的には、フィルタＦ１，Ｆ２は、変調信号Ｓ_emの周波数を中心周波数とし、第１基準信号Ｓ_ebの周波数をカットするフィルタとすることができる。フィルタＦ３，Ｆ４は、第１基準信号Ｓ_ebの周波数を中心周波数とし、変調信号Ｓ_emの周波数をカットするフィルタとすることができる。

例えば、［変調信号Ｓ_emの周波数］＞［第１基準信号Ｓ_ebの周波数］である場合、カットオフが［（変調信号Ｓ_emの周波数＋第１基準信号Ｓ_ebの周波数）／２］に設定されたハイパスフィルタをフィルタＦ１，Ｆ２に設け、ローパスフィルタをフィルタＦ３，Ｆ４に設けることができる。

また、別の例を挙げると、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４としてバンドパスフィルタを用いることができる。具体的には、フィルタＦ１，Ｆ２は、変調信号Ｓ_emの周波数を中心周波数として第１基準信号Ｓ_ebの周波数およびその整数倍の周波数（第１基準信号Ｓ_ebの高調波の周波数）の信号を通さないバンドパスフィルタとし、フィルタＦ３，Ｆ４は、第１基準信号Ｓ_ebの周波数を中心周波数として変調信号Ｓ_emの周波数およびその整数倍の周波数（変調信号Ｓ_emの高調波の周波数）の信号を通さないバンドパスフィルタとしてもよい。また、これらのバンドパスフィルタを狭帯域フィルタとすると、ノイズや信号歪（元信号の高調波となって現れる歪等）の除去が可能となり、測距の高精度化に資する。

また、前述の変調信号Ｓ_emおよび第１基準信号Ｓ_ebは、互いに直交する信号を用いることができる。なお、正弦波信号の例においても変調信号Ｓ_emおよび第１基準信号Ｓ_ebは互いに直交している。直交する信号の具体例としては、Ｈａａｒ変換核、Ｗａｌｓｈ変換核、Ｈａｄａｍａｒｄ変換核、直交ウェーブレット核などが挙げられる。

上記の互いに直交する信号中においては、データの数に対応する数の変換核があり、例えば、ディジタル信号に含まれる離散データがＮ個であれば、Ｎ個の核が存在する。変調信号Ｓ_emおよび第１基準信号Ｓ_ebに対応して、これらの核の中から２つの核を選択して用いることができる。この場合、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４は、変調信号Ｓ_emおよび第１基準信号Ｓ_ebを分離するフィルタとなる。

次に、スキュー測定部１１２の機能構成について説明する。
スキュー測定部１１２は、ＡＤＣ１１０の２つのチャネルＣＨ１，ＣＨ２間の時間差、すなわちチャネル間のスキューを測定する。より詳細には、スキュー測定部１１２は、フィルタＦ３から出力された第２基準信号Ｓ_brのピークの時刻（第３ピークの第３ピーク時刻）を取得するとともに、そのピークに対応する、フィルタＦ４から出力された第３基準信号Ｓ_bsのピークの時刻（第４ピークの第４ピーク時刻）との時刻差（第２時刻差）を求める。なお、第２基準信号Ｓ_brは、チャネルＣＨ１から出力された第３参照信号Ｓ_r+bから分離された信号であり、第３基準信号Ｓ_bsは、チャネルＣＨ２から出力された第３検出信号Ｓ_s+bから分離された信号である。

スキュー測定部１１２において、図１に示すような光偏向器１０４により１次元的に光が偏向する偏光角度θの範囲で、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューを測定する際には、測距部１１３は、より細かい角度ごとに物体１０５までの距離を求めることが考えられる。本実施の形態では、スキュー測定部１１２は、第２基準信号Ｓ_brのピークごとにチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューを測定することとする。ピーク間に位置する時刻のスキューが必要な場合には、スキュー測定部１１２がピーク位置において求めたスキューを用いて、後述の補間部１３０にてスキューを補間し、所望の時刻におけるスキューを求めることとする。

次に、スキュー測定部１１２の動作について図４を用いて説明する。図４の（ａ）は、フィルタＦ４によって分離された第３基準信号Ｓ_bsの時間波形を示している。図４の（ｂ）は、フィルタＦ３によって分離された第２基準信号Ｓ_brの時間波形を示している。図４の例では、ファンクションジェネレータＦＧｂから出力される第１基準信号Ｓ_ebが正弦波である場合を示している。

スキュー測定部１１２がスキューを測定するピークの数は、第２基準信号Ｓ_brの光変調の周期をＴ_bとして、光偏向器１０４のスキャンの周期をＴ_swとすると、約Ｎ_bp＝Ｔ_sw／Ｔ_bと表される（図４）。

光偏向器１０４の偏向し始めの時刻をｔ＝０とし、時刻ｔ＝０の方から数えてｍ個目のピークの時刻をｔ_bmとする。図４の波形に共通する破線に対応する位置が、第２基準信号Ｓ_brのｍ個目のピークの時刻ｔ_bmである。この時刻ｔ_bmから±Ｔ_b／２の範囲にある第３基準信号Ｓ_bsのピーク時刻との差がΔｔ_bmであったとき（図４の（ａ））、スキュー測定部１１２は、ピーク時刻の時刻差Δｔ_bmをチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューとして求める。

スキュー測定部１１２は、時刻ｔ_bmと、時刻ｔ_bmでのスキューを示す時刻差Δｔ_bmとが対応付けられたデータを、図１に示すように、スキュー信号Ｔ_sk,mとして出力する。

次に、測距部１１３の機能構成について説明する。
測距部１１３は、図６に示すように、補間部１３０および補正部１３１を備える。
測距部１１３は、フィルタＦ１，Ｆ２によって分離された第４参照信号Ｓ_rおよび第４検出信号Ｓ_s、並びにスキュー測定部１１２によって求められたスキュー信号Ｔ_sk,mを入力として、測距装置１から物体１０５までの距離を求める。より詳細には、測距部１１３は、チャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキュー、すなわち、第４参照信号Ｓ_rと第４検出信号Ｓ_sとのタイミング差を補正し、参照信号に基づく第４参照信号Ｓ_rのピークの時刻（第１ピークの第１ピーク時刻）における測距装置１から物体１０５までの距離を求める。

測距部１１３が、光偏向器１０４によって１次元的に光を偏向する角度の範囲で測距を行う場合には、より細かい角度θごとに測距を行うことが考えられる。本実施の形態では、参照信号に基づく第４参照信号Ｓ_rのピークごとに物体１０５までの距離を算出することとする。ピーク間の物体１０５までの距離が必要な場合には、算出されたピーク位置の距離を使って補間して、より詳細な距離を求めることとする。

第４参照信号Ｓ_rのピーク数については、光強度変調器１０１が光変調した光源１００の光の光変調の周期をＴ_mとし、光偏向器１０４のスキャンの周期を前述したようにＴ_swとすると、ピーク数は、約Ｎ_p＝Ｔ_sw／Ｔ_mと表される。光偏向き１０４の偏向し始めの時刻ｔ＝０とし、時刻ｔ＝０の方から数えてｎ個目のピークの時刻をｔ_nとする。図５の波形に共通に示す破線に対応する位置が、第４参照信号Ｓ_rのｎ個目のピークの時刻ｔ_nである。この時刻ｔ_nから±Ｔ_m／２の範囲にある第４検出信号Ｓ_sのピークのピーク時刻（第２ピークの第２ピーク時刻）との差（第１時刻差）がΔｔ_nであるとする（図５の（ａ））。

この時刻差Δｔ_nには、ＡＤＣ１１０のチャネル間スキューが含まれている。そのため、測距部１１３は、時刻差Δｔ_nからチャネル間のスキューを減算して補正する。

補間部１３０は、スキュー測定部１１２によって測定されたスキュー信号Ｔ_sk,mを補間して補間曲線を生成する。より詳細には、補間部１３０は、スキュー信号Ｔ_sk,mに含まれる、時刻ｔ_bmでのスキューを示す時刻差Δｔ_bmの離散データを補間する。

補正部１３１は、補間部１３０によって生成されたスキュー信号Ｔ_sk,mの補間曲線から、時刻ｔ_nでのスキューを示す時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を抽出する。また、補正部１３１は、次式（１）により、時刻ｔ_nでの第４参照信号Ｓ_rと第４検出信号Ｓ_sとの時刻差Δｔ_nからスキューを示す時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を減算して時刻差Δｔ_nを補正し、補正後の時刻差Δｔ_cor,nを求める。
Δｔ_cor,n＝Δｔ_n－Δｔ_b（ｔ_n） ・・・（１）

ここで、図７を参照して、測距部１１３、補間部１３０、および補正部１３１の動作を説明する。図７の（ａ）は、測距部１１３が算出した、第４参照信号Ｓ_rのピーク時刻ｔ_nを基準とした第４検出信号Ｓ_sのピーク時刻との時刻差Δｔ_nと時間との関係を示している。図７の（ｂ）は、スキュー測定部１１２によって求められたスキューを示す時刻差Δｔ_bmおよび補間部１３０によってスキューが補間されて生成された補間曲線を示している。図７の（ｃ）は、補正部１３１によって補正された時刻差Δｔ_cor,nと時間との関係を示している。

前述したように、変調信号Ｓ_emの周波数は、第１基準信号Ｓ_ebの周波数よりも高い周波数となるように設定されており、第４参照信号Ｓ_rの周期Ｔ_m（図５）と、第２基準信号Ｓ_brの周期Ｔ_b（図４）とは互いに異なる。図７に示すように、一般的には、測距部１１３が時刻差Δｔ_nを求めた際の時刻ｔ_nと、スキュー測定部１１２が時刻差ΔＴ_bmを求めた際の時刻ｔ_bmとは互いにずれていると考えられる。

図７の（ｂ）に示すように、補間部１３０は、スキュー測定部１１２が求めた、スキューを示す離散的なデータの時刻差Δｔ_bmを補間して、補間曲線を生成する。また、図７の（ｂ）の白抜きのプロット（マーカー）に示すように、補正部１３１は、補間部１３０が生成した補間曲線に基づいて、時刻ｔ_nにおけるスキューを示す時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を抽出する。

さらに、図７の（ｃ）に示すように、補正部１３１は、上述した式（１）を用いて、測距部１１３が求めた補正前の時刻差Δｔ_n（図７の（ａ））から補間曲線から抽出した時刻ｔ_nでの時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を減算して、時刻ｔ_nでの補正後の時刻差Δｔ_cor、nを求める。

測距部１１３は、補正部１３１によって求められた補正後の時刻差Δｔ_cor、nから、時刻ｔ_nで測定されるカプラ１０２から物体１０５までの距離Ｌ_nを次式（２）により求める。ただしｃは光速である。
Ｌ_n＝ｃΔｔ_cor、n／２ ・・・（２）

時間－角度変換部１１４は、第４参照信号Ｓ_rのピークが出現する時刻、つまり、補正された時刻差Δｔ_cor,nから算出された距離信号Ｌ_nに対応する時刻を偏向角に置き換える。

例えば、図８の（ａ）および（ｂ）に示すように、時刻ｔ_nでのディジタルの角度信号である第２角度信号Ｓ_aの強度がξ_nであるとする。時間－角度変換部１１４は、光偏向器１０４の偏向角度θに基づく第２角度信号Ｓ_aの強度ξ_nを、予め求められた、図８の（ｃ）に示す変換曲線θ（ξ）に代入することにより、強度ξ_nに対応する偏向角θ_n＝θ（ξ_n）を得る。そして、時間－角度変換部１１４は、偏向角θ_nと距離信号Ｌ_nとの対応付けを行った偏向角－距離データ（角度－距離信号）Ｌ_angle,nを出力する。

図８の（ｃ）に示す変換曲線θ（ξ）は、角度信号に基づく第２角度信号Ｓ_aの強度と偏向角度との関係を示している。時間－角度変換部１１４は、第４参照信号Ｓ_rに含まれる全てのピークの時刻における偏向角を求めて、各偏向角に対応する偏向角－距離データを出力する。

なお、時間－角度変換部１１４は、第４参照信号Ｓ_rのピーク間に含まれる偏向角度（時刻）における偏向角と距離信号Ｌ_nとが対応付けられた偏向角－距離データを補間により求めることができる。時間－角度変換部１１４は、第４参照信号Ｓ_rのピークとピークとの間に含まれる、より詳細な偏向角（時刻）に対する距離のデータを補間後の偏向角－距離データＬ’_angle,nとして出力してもよい。これにより、時間的（角度的）により密な距離を示すデータを求めることができる。

［信号処理装置のハードウェア構成］
次に、上述した機能を有する信号処理装置１１１のハードウェア構成の一例について、図９のブロック図を参照して説明する。

図９に示すように、信号処理装置１１１は、例えば、バス１１を介して接続されるプロセッサ１２、主記憶装置１３、通信Ｉ／Ｆ１４、補助記憶装置１５、入出力Ｉ／Ｏ１６を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。信号処理装置１１１は、例えば、表示装置１７がバス１１を介して接続され、表示画面に時間－角度変換部１１４から出力される偏向角－距離データＬ_angle,nや、時間－角度変換部１１４から出力される補間後の偏向角－距離データＬ’_angle,nを表示してもよい。また、例えば、ＡＤＣ１１０、ファンクションジェネレータＦＧｍ，ＦＧｂ、ＡＤｒ１０８，ＡＤｓ１０９や測距装置１の光学系ＯＳが、バス１１や入出力Ｉ／Ｏ１６を介して接続されている。

主記憶装置１３は、例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、およびＲＯＭなどの半導体メモリによって実現される。主記憶装置１３には、プロセッサ１２が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。プロセッサ１２と主記憶装置１３とによって、図１に示したフィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４、スキュー測定部１１２、測距部１１３、時間－角度変換部１１４を含む信号処理装置１１１の各機能が実現される。また、プロセッサ１２と主記憶装置１３とによって、光学系ＯＳやＡＤＣ１１０などの設定や制御を行うことができる。

通信Ｉ／Ｆ１４は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。信号処理装置１１１は、通信Ｉ／Ｆ１４を介して、例えば外部に偏向角－距離データＬ_angle,nなどを送出してもよい。

通信Ｉ／Ｆ１４としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、５Ｇ、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線データ通信規格に対応したインターフェースおよびアンテナが用いられる。通信ネットワークＮＷは、例えば、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネット、専用回線、無線基地局、プロバイダなどを含む。

補助記憶装置１５は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。補助記憶装置１５には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。

補助記憶装置１５は、信号処理装置１１１がフィルタリング処理、スキュー測定処理、測距処理、補正処理、変換処理、および補間処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、補助記憶装置１５は、例えば、上述したデータやプログラムやなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。

補助記憶装置１５は、時間－角度変換部１１４が変換処理に用いる変換曲線を記憶している。また、補助記憶装置１５は、第４参照信号Ｓ_rの周期Ｔ_mを記憶している。また、補助記憶装置１５は、第２基準信号Ｓ_brの周期Ｔ_bを記憶している。

入出力Ｉ／Ｏ１６は、表示装置１７など外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりするＩ／Ｏ端子により構成される。

なお、信号処理装置１１１は、１つのコンピュータによって実現される場合だけでなく、互いに通信ネットワークＮＷで接続された複数のコンピュータによって分散されていてもよい。また、プロセッサ１２は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアによって実現されていてもよい。

［測距装置の動作］
次に、上述した構成を有する測距装置１の全体の動作について、図１０のフローチャートを参照して説明する。

まず、光源１００から、光を出射する（ステップＳ１）。光源１００には、例えばＣＷ光源が用いられる。次に、光強度変調器１０１は、光源１００から出射された光の光強度に、正弦波などで周期的な変調を与える（ステップＳ２）。具体的には、光強度変調器１０１は、ファンクションジェネレータＦＧｍによって生成された、例えば、正弦波の変調信号Ｓ_emを用いて、正弦波で光源１００の光の光強度を変調し、変調した光を出力する。

光源１００から出射され、光強度変調器１０１で周期的に強度変調された光は、カプラ１０２によって参照光路側と物体光路側とに分けられる。参照光路側の参照光は、ＰＤｒ１０６で受光され、光電変換されて第１参照信号Ｓ_erが出力される（ステップＳ３）。一方、物体光路側の光は、サーキュレータ１０３を介して、光偏向器１０４によって偏向され、スキャン周期をＴ_swとして、物体１０５の周辺の空間が光でスキャンされる（ステップＳ４）。

次に、光偏向器１０４によって偏向された光が空間内を１回スキャンすると、物体１０５に光が照射され、反射光が光偏向器１０４およびサーキュレータ１０３を介して、ＰＤｓ１０７で受光されて、光電変換により電気信号に変換され、第１検出信号Ｓ_esが出力される（ステップＳ５）。

次に、ＡＤｒ１０８およびＡＤｓ１０９のそれぞれは、２つの入力信号を加算して、加算された信号を出力する（ステップＳ６）。より詳細には、ＡＤｒ１０８は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成された第１基準信号Ｓ_ebと、ＰＤｒ１０６から出力された第１参照信号Ｓ_erとを加算して、第２参照信号Ｓ_er+ebを出力する。一方、ＡＤｓ１０９は、ファンクションジェネレータＦＧｂで生成された第１基準信号Ｓ_ebと、ＰＤｓ１０７から出力された第１検出信号Ｓ_esとを加算して、第２検出信号Ｓ_es+ebを出力する。

その後、ＡＤＣ１１０は、チャネルＣＨ１、ＣＨ２、およびＣＨ３に入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する（ステップＳ７）。より詳細には、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ１には、アナログの第２参照信号Ｓ_er+ebが入力され、ディジタルの第３参照信号Ｓ_r+bに変換される。ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ２には、物体１０５からの反射光に基づくアナログの第２検出信号Ｓ_es+ebが入力され、ディジタルの第３検出信号Ｓ_s+bに変換される。また、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ３には偏向角度θを示すアナログの第１角度信号Ｓ_eaが入力され、ディジタルの第２角度信号Ｓ_aに変換される。

次に、信号処理装置１１１において、フィルタＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４のそれぞれは、ＡＤＣ１１０から入力された信号をフィルタリングする（ステップＳ８）。具体的には、フィルタＦ１，Ｆ３には、チャネルＣＨ１から第３参照信号Ｓ_r+bが入力される。フィルタＦ１は、第３参照信号Ｓ_r+bから第４参照信号Ｓ_rを分離して取り出す。フィルタＦ３は、第３参照信号Ｓ_r+bから第２基準信号Ｓ_brを分離して取り出す。

一方、フィルタＦ２，Ｆ４には、チャネルＣＨ２から第３検出信号Ｓ_s+bが入力される。フィルタＦ２は、第３検出信号Ｓ_s+bから第４検出信号Ｓ_sを分離して取り出す。フィルタＦ４は、第３検出信号Ｓ_s+bから第３基準信号Ｓ_bsを分離して取り出す。

フィルタＦ１，Ｆ２によって分離された第４参照信号Ｓ_rおよび第４検出信号Ｓ_sは、測距部１１３に入力される。フィルタＦ３，Ｆ４によって分離された第２基準信号Ｓ_brおよび第３基準信号Ｓ_bsは、スキュー測定部１１２に入力される。

次に、スキュー測定部１１２は、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューを測定してスキュー信号Ｔ_sk,mを出力する（ステップＳ９）。より詳細には、スキュー測定部１１２は、第２基準信号Ｓ_brの周期Ｔ_bに基づいて、各ピークの時刻ｔ_bmから±Ｔ_b／２の範囲にある第３基準信号Ｓ_bsのピーク時刻との時刻差Δｔ_bmをスキューとして求める（図４）。スキュー測定部１１２は、時刻ｔ_bmと時刻差Δｔ_bmとが関連付けられたスキュー信号Ｔ_sk,mを出力する。

次に、測距部１１３は、スキュー測定部１１２から入力されたチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキュー信号Ｔ_sk,mに基づいて、チャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューを補正する（ステップＳ１０）。

より詳細には、測距部１１３は、第４参照信号Ｓ_rの周期Ｔ_mを用いて、各ピークの時刻ｔ_nから±Ｔ_m／２の範囲にある第４検出信号Ｓ_sのピーク時刻との時刻差Δｔ_nを求める（図５）。第４参照信号Ｓ_rは、チャネルＣＨ１でＡＤ変換された信号をフィルタＦ１を用いてフィルタリングした信号である。第４検出信号Ｓ_sは、チャネルＣＨ２でＡＤ変換された信号をフィルタＦ２を用いてフィルタリングした信号である。

ステップＳ１０において、補間部１３０は、第２基準信号Ｓ_brのピーク時刻ｔ_bmごとに求められた、チャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキュー信号Ｔ_sk,mについての補間を行い、補間曲線を生成する。

また、ステップＳ１０において、補正部１３１は、補間曲線から、時刻ｔ_nでのスキューを示す時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を抽出し、上述した式（１）により時刻差Δｔ_nからスキューを示す時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を減算して時刻差Δｔ_nを補正し、補正後の時刻差Δｔ_cor,nを出力する。

その後、測距部１１３は、補正部１３１によってチャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューが補正された時刻差Δｔ_b（ｔ_n）を用いて、上述の式（２）から、距離信号Ｌ_nを算出する（ステップＳ１１）。

次に、時間－角度変換部１１４は、ステップＳ１１で求められた距離信号Ｌ_nに対応する時刻ｔ_nを角度に変換する（ステップＳ１２）。より詳細には、時間－角度変換部１１４は、測距部１１３で求めた第４参照信号Ｓ_rのピーク時刻、つまり、チャネル間のスキューを補正した後に算出された距離信号Ｌ_nに対応する時刻ｔ_nを偏向角θ_nに置き換え、偏向角θ_nと距離信号Ｌ_nが対応付けられた偏向角－距離データＬ_angle,nを出力する。

具体的には、時間－角度変換部１１４は、予め補助記憶装置１５などに記憶されている図８の（ｃ）に示す変換曲線θ（ξ）を読み出して、時刻ｔ_nでの第２角度信号Ｓ_aの強度ξ_nを変換曲線θ（ξ）に代入し時刻ｔ_nを偏向角θ_n＝θ（ξ_n）に変換する。さらに、時間－角度変換部１１４は、偏向角θ_nと距離信号Ｌ_nが対応付けられた偏向角－距離データＬ_angle,nを求める。

その後、時間－角度変換部１１４は、偏向角－距離データＬ_angle,nを出力する（ステップＳ１３）。例えば、表示装置１７は、時間－角度変換部１１４から出力された偏向角－距離データＬ_angle,nを表示画面に表示することができる。また、表示装置１７は、スキュー信号Ｔ_sk,mやその他のデータを表示画面に表示してもよい。

なお、時間－角度変換部１１４は、ステップＳ１２で求めた偏向角－距離データＬ_angle,nから、第４参照信号Ｓ_rのピーク間の値を補間してもよい。

次に、本実施の形態に係る信号処理装置１１１によって処理された、ある１点の時刻（偏向角）におけるチャネル間のスキューの補正前および補正後の物体１０５までの距離を図１１から図１４に示す。
図１１および図１２は、補正前の測定対象の物体１０５までの距離を示している。図１３および図１４は、補正後の物体１０５までの距離を示している。また、図１１および図１３は、１００回の測定を繰り返した場合の各回での物体１０５までの距離の測定値のプロットである。図１２および図１４は、距離の測定値をヒストグラムで示している。

図１１から図１４に示す測定例では、ＡＤＣ１１０において、第１検出信号Ｓ_esが入力されたチャネルＣＨ２と、第１参照信号Ｓ_erが入力されたチャネルＣＨ１とのスキューの時間変動が２極化しており、その差は、約０．５［ｎｓ］であった。そのため、図１１および図１２に示すように、補正前と補正後の距離の差は、約７．５［ｃｍ］（＝３×１０⁸×０．５×１０^-9／２［ｍ］）であった。

本実施の形態に係る信号処理装置１１１により、チャネルＣＨ１，ＣＨ２間のスキューの測定および補正処理を行うことによって、図１３および図１４に示すように、距離の値における２極化がなくなる効果が得られた。なお、標準偏差については、補正前では３．６９５２［ｃｍ］であったものが、補正後は０．８４８８［ｃｍ］となり、補正前の２３％程度まで小さくなった。このように、補正処理を行うことで距離の測定精度を改善することができた。

図１５および図１６は、本実施の形態に係る測距装置１によって、物体１０５が載置された移動ステージを０［ｃｍ］～５５［ｃｍ］までずらしながら、距離を測定した結果である。物体１０５が載置された移動ステージの位置ごとに１００回の測定を行い、補正前および補正後の距離の平均値と標準偏差をそれぞれ求めた。

図１５に示す補正前の標準偏差は、３．８［ｃｍ］程度であったが、図１６に示す補正後の標準偏差は１［ｃｍ］程度まで小さくなっている。このことから、本実施の形態に係る信号処理装置１１１による補正処理を行うことによって、距離測定の精度が向上していることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態に係る測距装置１によれば、スキュー測定部１１２によって測定されたスキュー信号Ｔ_sk,mを用いて、ＡＤＣ１１０のチャネルＣＨ１から出力される第４参照信号Ｓ_rの波形に含まれるピーク時刻と、チャネルＣＨ２から出力される第４検出信号Ｓ_sの波形に含まれる対応するピーク時刻との時刻差を補正する。測距装置１は、チャネル間のスキューが補正された時刻差に基づいて、第４参照信号Ｓ_rのピーク時刻ごとに物体１０５までの距離を算出する。そのため、ＡＤＣのチャネル間のスキューが信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる。

以上、本発明の測距装置における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

例えば、説明した実施の形態では、信号処理装置１１１において、時間－角度変換部１１４が距離信号Ｌ_nを偏向角－距離データＬ_angle,nに変換した後に、時間－角度変換部１１４が補間処理を行う例について説明した。しかし、例えば測距部１１３が、時間－角度変換部１１４による変換処理の前に補間処理を実行してもよい。この場合、例えば、測距部１１３は、距離信号Ｌ_nに基づいて第４参照信号Ｓ_rのピーク間の補間を行い、その後、時刻を偏向角に変換することになる。

補間処理を時間－角度変換処理の前に行う場合において、変換処理で必要となる時刻情報として、測距部１１３で取得された第４参照信号Ｓ_rのピーク時刻をそのまま使用できない。なぜなら、測距部１１３で得られた距離の数（測距部１１３で得られた時刻の数と等しい）は補間処理を経て出力される距離の数と異なるからである。そこで、補間処理において、測距部１１３で取得した第４参照信号Ｓ_rのピーク時刻を用いて、補間で得た距離情報に対応する時刻を算出し、その時刻を用いて時間－角度変換部１１４が時刻を角度に変換する。

また、これまで説明した実施の形態では、光強度変調器１０１から出力される光は、正弦波など周期的に強度変調された光である場合について説明した。しかし、光源１００を波長掃引光源とし、光源１００と光強度変調器１０１とによって周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源を実現してもよい。この場合、光偏向器１０４には、透過型や反射型の回折格子や屈折率分散の大きい材料からなるプリズムなどの受動光学素子が用いられる。なお、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源を採用した場合であっても、光偏向器１０４として公知の空間光変調器を用いることができる。

この場合、回折格子の格子定数などは、光源１００の光の波長や、測定が要求される最大距離、および測距装置１の大きさなどに応じて、所望の角度の範囲で偏向するように設計することができる。また、プリズムの屈折率やその波長分散についても、同様に所望の角度で偏向するように、屈折率やその波長分散を持つ材料を選ぶことができる。また、光源１００および光強度変調器１０１において、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源が採用される場合、偏向角度を示す第１角度信号Ｓ_eaは、光強度変調器１０１から出力される光の波長に連動する構成となる。

光源１００および光強度変調器１０１を、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源として設け、光偏向器１０４を回折格子やプリズム等の受動光学素子とする利点としては、光偏向器１０４に機械動作を必要とする部品が必要なくなることが挙げられる。このことから、例えば、測距装置１が備える光学系を光偏向器１０４とそれ以外とに分離して、光偏向器１０４をプローブ、それ以外を本体として、プローブと本体を光ファイバで接続した場合、プローブを小型化できる。そのため、測距装置１を狭い場所等にも設置したり、あるいは、人が簡単にプローブ部を持ち運ぶなどして、測定ができる。また、プローブには機械動作をする部品がないため、プローブの振動に対する耐性が高くなる。そのため、本体とプローブを離して、本体を振動の緩慢な場所に退避することにより、振動の激しい環境においても正確に測定ができる。

１…測距装置、１００…光源、１０１…光強度変調器、１０２…カプラ、１０３…サーキュレータ、１０４…光偏向器、１０５…物体、１０６…フォトディテクタＰＤｒ、１０７…フォトディテクタＰＤｓ、１０８…加算器ＡＤｒ、１０９…加算器ＡＤｓ、１１０…ＡＤＣ、１１１…信号処理装置、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…フィルタ、１１２…スキュー測定部、１１３…測距部、１１４…時間－角度変換部、ＦＧｍ，ＦＧｂ…ファンクションジェネレータ、１１…バス、１２…プロセッサ、１３…主記憶装置、１４…通信Ｉ／Ｆ、１５…補助記憶装置、１６…入出力Ｉ／Ｏ、１７…表示装置。

Claims (7)

1. 周期的に強度変調された光の一部を参照光として受光し、第１参照信号に変換する第１フォトディテクタと、
   前記光が測定対象の物体の表面を反射した反射光を検出し、第１検出信号に変換する第２フォトディテクタと、
   前記第１参照信号と前記第１検出信号とのそれぞれに第１基準信号を加算して、第２参照信号と第２検出信号とをそれぞれ出力する加算器と、
   前記第２参照信号をＡＤ変換してディジタルの第３参照信号を出力する第１ＡＤ変換器と、
   前記第２検出信号をＡＤ変換してディジタルの第３検出信号を出力する第２ＡＤ変換器と
   を有するアナログ－ディジタル変換器と、
   前記第３参照信号から、前記参照光に基づく第４参照信号と前記第１基準信号に基づく第２基準信号とを取り出す第１フィルタと、
   前記第３検出信号から、前記反射光に基づく第４検出信号と前記第１基準信号に基づく第３基準信号とを取り出す第２フィルタと、
   前記第２基準信号と前記第３基準信号とに基づいて、前記第１ＡＤ変換器と前記第２ＡＤ変換器との間のタイミング差であるスキューを測定し、測定された前記スキューを示すスキュー信号を出力するスキュー測定部と、
   前記スキュー信号を用いて、前記第４参照信号の波形に含まれる第１ピークの第１ピーク時刻と、前記第４検出信号の波形に含まれる、前記第１ピークに対応する第２ピークの第２ピーク時刻との第１時刻差を補正する補正部と、
   補正された前記第１時刻差に基づいて、前記第１ピーク時刻ごとの前記物体までの距離を求め、距離信号を出力する測距部と
   を備える測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記スキュー測定部は、前記第２基準信号の波形に含まれる第３ピークの第３ピーク時刻と、前記第３基準信号の波形に含まれる前記第３ピークに対応する第４ピークの第４ピーク時刻との第２時刻差を前記スキューとして測定し、前記第３ピーク時刻ごとの前記スキューを前記スキュー信号として出力する
   ことを特徴とする測距装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の測距装置において、
   前記スキュー測定部から出力される離散的な前記スキュー信号を補間して補間曲線を生成する補間部をさらに備え、
   前記補正部は、前記補間部によって生成された前記補間曲線から、前記第１ピーク時刻でのスキューを抽出し、前記第１時刻差から抽出された前記第１ピーク時刻でのスキューを引いて、前記第１時刻差を補正する
   ことを特徴とする測距装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の測距装置において、
   光源からの光を周期的に強度変調して出力する光強度変調器と、
   前記光強度変調器からの光を２つに分岐する光スプリッタと、
   前記光スプリッタの一方から出力された光を偏向して前記物体に向けて出射する光偏向器と
   をさらに備え、
   前記第１フォトディテクタは、前記光スプリッタの他方から出力された前記参照光を受光し、前記第１参照信号に変換し、
   前記第２フォトディテクタは、前記光偏向器から出射された出射光が前記物体の表面で反射した前記反射光を検出し、前記第１検出信号に変換する
   ことを特徴とする測距装置。
5. 請求項４に記載の測距装置において、
   前記第１ピーク時刻ごとに求めた前記距離信号の前記第１ピーク時刻を前記光偏向器による偏向角度の情報に変換し、偏向角度と距離とが対応付けられた角度－距離信号を出力する時間－角度変換部をさらに備える
   ことを特徴とする測距装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記光を周期的に強度変調する変調信号の周波数は、前記第１基準信号の周波数とは異なる
   ことを特徴とする測距装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記測距部は、前記第１ピーク時刻ごとに求めた前記物体までの距離を示す前記距離信号に基づいて、離散的な前記距離信号の補間を行う
   ことを特徴とする測距装置。

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