JPH1020036A - Method and device for measuring distance - Google Patents

Method and device for measuring distance

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JPH1020036A
JPH1020036A JP18855896A JP18855896A JPH1020036A JP H1020036 A JPH1020036 A JP H1020036A JP 18855896 A JP18855896 A JP 18855896A JP 18855896 A JP18855896 A JP 18855896A JP H1020036 A JPH1020036 A JP H1020036A
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Japan
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light
waveform
means
phase
reflected light
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JP18855896A
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Japanese (ja)
Inventor
Takero Hongo
Akio Ori
Keiichi Watanabe
明男 小里
武朗 本郷
恵一 渡辺
Original Assignee
Toyota Central Res & Dev Lab Inc
株式会社豊田中央研究所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a distance at high speed with high precision even in low S/N by A/D-converting a reference light, evaluating the waveform to measure the phase of the reference light, A/D-converting the reflected light, evaluating the waveform to measure the phase of the reflected light, determining the phase difference from the phases of the reference light and reflected light, and determining the phase difference from the waveforms of the reference light and reflected light. SOLUTION: A light is modulated by a light modulating means 1, and projected to a subject to be measured by a projecting means 2. A reference light receiving means 3 outputs a part of the modulated light as reference light. The reflected light is received by a reflected light receiving means 4, and outputted as reflected light. A phase difference measuring means 5 measures the phase difference between the reference light and the reflected light. An A/D 5a A/D-converts the reference light signal to evaluate the waveform, and a waveform approximate means 5b approximates the waveform data to a triangular function waveform to calculate the phase of the reference light. An A/D 5c also A/D-converts the reflected light signal to evaluate the waveform, and calculates the phase of the reflected light. The phase difference between both the signals is determined by an arithmetic means 5e to determine the distance.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物までの距離を正確にかつ高速に計測できる距離計測方法および装置に関するものである。 The present invention relates to relates to a distance measuring method and apparatus which can measure accurately and at high speed a distance to the object to be measured.

【0002】 [0002]

【従来の技術】従来より、図1に示すような、レーザなどの光を強度変調して被測定物に投光し、反射光の位相が光の伝搬時間だけ遅れることを利用して距離を求める振幅変調−位相差計測による光波距離計測装置が開発されている。 Conventionally, as shown in FIG. 1, and the light intensity modulation, such as a laser light is projected to the object to be measured, the distance by utilizing the fact that the phase is delayed by the propagation time of light of the reflected light electronic distance measuring apparatus according to the phase difference measurement has been developed - amplitude modulation for obtaining. このとき、変調信号の波長をλ、位相差をφ In this case, the wavelength of the modulated signal lambda, the phase difference φ
とすると、距離Lは式(1) から求められる。 When the distance L is determined from equation (1).

【0003】L = (λφ)/ (4π) (1) [0003] L = (λφ) / (4π) (1)

【0004】これらの装置では、投光(参照光)および反射光の受光信号を変調周波数と数百〜数kHz 異なる信号と掛け合わせること、すなわちヘテロダイン検波によって位相の保存された数百〜数kHzの周波数に変換し、 [0004] In these devices, by multiplying the projected light (reference light) and the modulation frequency and hundreds to several kHz different signals received light signal of the reflected light, i.e. several hundreds to several kHz stored phase by heterodyne detection and the conversion of the frequency,
ゼロクロスコンパレータを用いてパルス波形に整形した後、フリップフロップ(FF)によって位相差に比例したパルス幅を持つパルスを生成し、この幅をカウンタによって計測し位相差を求めている。 After shaped into a pulse waveform using the zero-cross comparator, and generates a pulse having a pulse width proportional to the phase difference by the flip-flop (FF), and obtains a phase difference measuring the width by the counter. 例えば、周波数変換後の周波数を1kHz、カウンタのクロックを10MHzとすると0.01% の分解能で位相差を計測できるので、距離を正確に求めることができる。 For example, the frequency after frequency conversion 1 kHz, since the clock of the counter can measure a phase difference of 0.01% resolution When 10 MHz, the distance can be obtained accurately.

【0005】また、参照光および反射光の波形をA/D変換して数値データにし、フーリエ変換によりそれぞれの位相を求め、その位相差から距離を求める方法がある(特開平5-232232号公報、HS Hashemi, PI Hurs Further, the numerical data with the reference light and the reflected light of the waveform converting A / D, obtains the respective phase by the Fourier transform, there is a method for determining the distance from the phase difference (JP-A 5-232232 JP , HS Hashemi, PI Hurs
t, and JN Oliver, "Sourcesof error in a laser r t, and JN Oliver, "Sourcesof error in a laser r
angefinder",REv. Sci. Instrum. 65(10), Oct. 1994など)。 angefinder ", REv. Sci. Instrum. 65 (10), such as the Oct. 1994).

【0006】 [0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、位相差に比例したパルス幅を生成して距離を求める方法では、 [SUMMARY OF THE INVENTION However, in the method of obtaining the distance and generates a pulse width proportional to the phase difference,
反射光が弱くS/Nの低い受光信号しか得られない場合には、ノイズによって信号のゼロクロス点が正確に求められなくなり誤差の要因となっていた。 If the reflected light weakly S / N lower light receiving signal obtained only the zero-cross point of the signal due to noise is a factor of would error not be accurately determined. 同様に、装置に投光周波数に同期した残留ノイズがある場合、信号に重畳して誤差となり、距離が正確に求められない場合があった。 Similarly, if there is a residual noise synchronous with the light projection frequency device becomes error superimposed on the signal, the distance is in some cases not be accurately determined.

【0007】以上のような低S/N 時には、投光出力を上げることによってS/N を高めればよいが、レーザを光源として用いる場合、人体への安全性の観点から、実際にはそれほど高出力の光源は使えないという問題がある。 [0007] The above-mentioned low S / N times, but may be increased, the S / N by increasing the light projecting output, when using a laser as a light source, from the viewpoint of safety to the human body, in fact, much higher the output of the light source there is a problem that can not be used.
そこで、数〜数十回の測定値の平均を求めて精度を上げる方法が行われているが、測定時間がかかるという問題がある。 Therefore, a method of increasing the accuracy to determine the average of several to several tens of times of the measurement is being performed, there is a problem that the measurement time-consuming. 特に、レーザ距離計をスキャンすることにより被測定物の形状を測定する用途では大きな問題となる。 In particular, a major problem in applications for measuring the shape of the object to be measured by scanning the laser rangefinder.

【0008】また、フーリエ変換による方法では、精度を上げるためにデータ数を多くするとDSP(Digital Sign [0008] In the method according to the Fourier transform, allowing a larger number of data in order to improve the accuracy DSP (Digital Sign
al Prosesor)を用いても変換に時間がかかるという問題がある。 There is a problem that also takes time to conversion by using the al Prosesor). 上述のように、被測定物の形状を測定する用途では大きな問題となる。 As mentioned above, a significant problem in applications for measuring the shape of the object to be measured.

【0009】(発明の目的)本発明の目的は、低S/N 時でも高速、高精度な距離測定方法および装置を提供することにある。 [0009] (object of the invention) The purpose of the present invention is to provide a high speed even at low S / N, a high-precision distance measurement method and device.

【0010】 [0010]

【問題を解決するための手段】上記問題を解決するため、本発明の距離測定方法および装置は、請求項1に記載の距離測定方法が、光強度変調手段により強度変調した光を被測定物に投光し、強度変調した光の一部を参照光として取り出し、被測定物からの反射光を受光すると共に、参照光と反射光との位相差を計測し当該位相差から距離を算出する距離測定方法において、上記位相差計測は、参照光をA/D 変換して波形を数値化すると共に、 To solve the above problems In order to solve the problem], the distance measuring method and apparatus of the present invention, the distance measuring method according to claim 1, the object to be measured the light intensity-modulated by the light intensity modulating means is projected, the removed part of the light intensity modulation as the reference light, calculates a distance from the phase difference by measuring the phase difference as well as receiving reflected light from the object to be measured, and the reference light and the reflected light in the distance measuring method, together with the phase difference measurement quantifies the waveform reference light is converted a / D,
数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測し、反射光をA/D 変換して波形を数値化し、当該数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測し、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求め、参照光と反射光の波形から位相差を求めることを特徴とする。 The digitized waveform data is to measure the phase of approximating the trigonometric function wave reference light, the reflected light digitizing waveform converting A / D, approximating the waveform data corresponding digitized in trigonometric function waveform the phase of the reflected light is measured Te, it obtains a phase difference from the reference light phase and phase of the reflected light, to the waveform of the reference light and the reflected light and obtains the phase difference.

【0011】請求項2に記載の距離測定装置は、光を強度変調する手段と、強度変調した光を被測定物に投光する手段と、強度変調した光の一部を参照光として取り出す手段と、被測定物からの反射光を受光する手段と、参照光と反射光との位相差を計測する手段と、位相差から距離を算出する手段を持ち、参照光と反射光との位相差から距離を計測する距離測定装置において、上記位相差計測手段は、参照光をA/D 変換して波形を数値化する手段と、数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測する手段と、反射光をA/D 変換して波形を数値化する手段と、数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測する手段と、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求める手段から成ることを特徴 [0011] The distance measuring apparatus according to claim 2, comprising: means for light intensity modulation, and means for projecting light intensity-modulated in the measurement object, means for removing a portion of the light intensity modulation as the reference light When the phase difference between the means for receiving reflected light from the object to be measured, means for measuring the phase difference between the reference light and the reflected light has a means for calculating the distance from the phase difference, the reference light and the reflected light in the distance measuring apparatus for measuring a distance from, the phase difference measuring means, refers to the reference beam by approximating means for digitizing the waveform converting a / D, the digitized waveform data to the trigonometric function waveform light means for measuring the phase of the unit reflected light measuring means for digitizing the waveform converting a / D, the digitized waveform data trigonometric function waveform approximating the reflected light phase, see characterized in that it comprises means for determining the phase difference from the phase of light and the reflected light of the phase する。 To.

【0012】本発明の距離測定方法および装置は、詳述すれば、参照光および反射光の受光信号波形をA/D 変換して数値データに置き換え、得られたデータを三角関数波形に近似して位相を求める。 [0012] The distance measuring method and apparatus of the present invention, if specifically, a light reception signal waveform of the reference light and reflected light replaced with numerical data by converting A / D, by approximating the obtained data to the trigonometric function waveform to obtain the phase Te. すなわち、ゼロクロス点の時間データのみを用いるのではなく波形そのものを利用することにより精度を高める。 That is, increase the accuracy by utilizing the waveform itself rather than using only the time data of the zero-crossing points. 強度変調周波数をωとすると、受光信号v(t)は次式のようなsin波で表すことができる。 When the intensity modulation frequency and omega, received signal v (t) can be expressed by sin wave as follows.

【0013】v(t)=Vsin(ωt+φ) (2) [0013] v (t) = Vsin (ωt + φ) (2)

【0014】ここで、 [0014] In this case,

【0015】x1(t)=sinωt (3) [0015] x1 (t) = sinωt (3)

【0016】x2(t)=cosωt (4) [0016] x2 (t) = cosωt (4)

【0017】V=sqrt(b12+b22) (5) [0017] V = sqrt (b12 + b22) (5)

【0018】tanφ=b2/b1 (6) [0018] tanφ = b2 / b1 (6)

【0019】とすると、 When [0019],

【0020】v(t)=b1・x1(t)+b2・x2(t) (7) [0020] v (t) = b1 · x1 (t) + b2 · x2 (t) (7)

【0021】となる。 The [0021]. したがって、受光信号をA/D 変換して数値データとし、式(7) に当てはめてb1,b2 を求めれば、式(6) から位相を求めることができる。 Therefore, a light reception signal as numerical data by converting A / D, by obtaining a fit to b1, b2 in the equation (7) can be determined the phase from equation (6). 変調周波数ωとA/D 変換を行ったサンプリング時刻t は既知であるから、式(7) の2つの未知数b1,b2 は、2個の数値データがあれば容易に求められる。 Since the modulation frequency ω and A / D converting the sampling time t done is known, two unknowns b1, b2 of the formula (7) is easily obtained if there are two numerical data. 実際には、受光信号の増幅器にオフセットVoがあるため、式(2) は式(8) となる。 In practice, because of the offset Vo to the amplifier of the light reception signal, equation (2) becomes equation (8).

【0022】v(t)=Vsin(ωt+φ)+Vo (8) [0022] v (t) = Vsin (ωt + φ) + Vo (8)

【0023】したがって、式(7) は式(9) となる。 [0023] Thus, equation (7) is the formula (9).

【0024】v(t)=b1・x1(t)+b2・x2(t)+Vo (9) [0024] v (t) = b1 · x1 (t) + b2 · x2 (t) + Vo (9)

【0025】未知数はb1,b2,Voの3つとなり、3個の数値データがあれば求められる。 [0025] unknowns b1, b2, Vo of 3 Tsutonari, are required if there are three of numeric data. 以上は理想的な場合であるが、実際の装置では、受光信号に受光器やアンプなどのノイズが混入する。 The foregoing is an ideal case, in the actual device, noise such as light receiver or amplifier on the light-receiving signal is mixed. これが無視できない場合には多数の数値データを用いて回帰分析により式(9)の3個の未知数を求める。 This by if not negligible regression analysis using a number of numerical data determining the three unknowns of the formula (9). なお、数値データの平均値をオフセットVo The offset Vo the mean value of the numerical data
の近似値とすることで、未知数をb1,b2 の2個とした式 By approximation to two and the formula of the unknowns b1, b2
(7) の回帰分析とし、計算量を少なくすることができる。 A regression analysis of (7), it is possible to reduce the calculation amount.

【0026】この方法を用いれば、式(7) あるいは式 [0026] By using this method, equation (7) or formula
(9) の2ないし3個の未知変数を求める回帰分析と、式 (9) and regression analysis to determine the unknown variables three 2 to the formula
(6) を解くこと(arctan を求める) によって簡単に距離を求められる。 Determined easily distance by (6) by solving (Request arctan). 回帰分析は積和演算が大部分であること、arctanも積和演算による近似式があることからDSP It regression analysis product-sum operation is predominantly, DSP since the arctan also have approximate expression by the product-sum operation
により高速に処理できる。 It enables high-speed processing. 最近のマイクロプロセッサーでもよい。 It may be a recent microprocessor. また、強度変調周波数に同期した残留ノイズがある場合、あらかじめ、数値データから残留ノイズを減算して用いることにより波形ひずみを小さくすることができるので、測定誤差を低減することができる。 Also, if there is a residual noise synchronous with the intensity modulation frequency, in advance, it is possible to reduce the waveform distortion by using by subtracting the residual noise from the numerical data, it is possible to reduce measurement errors.

【0027】上記方法により参照光および反射光の受光信号の位相を求め、位相差を算出することにより高速、 The high speed by obtaining a phase of the received light signal of the reference light and reflected light by the above method to calculate the phase difference,
高精度な距離計測が可能である。 It is possible to highly accurate distance measurement. たとえば、変調周波数を10MHz (計測距離15mに相当)、A/D のサンプリング周波数を25MHz に選び、式(6)および(7) を解くよう高速乗除算器および加減算器で構成すれば、受光信号を2 For example, 10 MHz modulation frequencies (corresponding to the measurement distance 15 m), to select the sampling frequency of the A / D to 25 MHz, it is constructed at a high speed multiplication divider and adder-subtracter so as to solve the equation (6) and (7), the light receiving signal 2
回サンプリングして得られた2個の数値データを用いて距離を求められるので、変調周期(=1/10MHz=0.1μsec Since determined distances using two numerical data obtained by rotating sampling, modulation period (= 1 / 10MHz = 0.1μsec
)毎に距離を測定することができる。 ) The distance can be measured for each. 実際には、数十個以上の数値データから回帰分析により位相を求める方法が精度の点から望ましいが、データ数を250 個としても10μsec 毎(40nsec ×250 回) に距離を測定できる。 In practice, a method for determining the phase by regression analysis from several tens or more measures is desirable from the viewpoint of accuracy, it measures the distance data number for each 10μsec as 250 (40 nsec × 250 times).

【0028】また、回帰分析では近似式からの数値データの分散が求められる。 [0028] In addition, the variance of the numerical data from the approximate expression is required in the regression analysis. この分散は、受光信号が歪んだり、ノイズが大きい場合には大きくなるため、距離の測定信頼性と密接な関係がある。 This dispersion distorted received signal, to become large when the noise is large, the distance measuring reliability and closely related. したがって、近似式からの数値データの分散の大小によって距離測定の信頼性を評価できる。 Therefore, to assess the reliability of the distance measured by the variance of the magnitude of the numerical data from the approximate expression. また、近似式からの数値データのずれがあまりにも大きい場合は、何らかの原因によって受光信号にノイズが入ったと考えられる。 Also, if the deviation of the numerical data from the approximate expression is too large is considered a noise enters the light-receiving signal for some reason. したがって、ずれの大きなデータを取り除き、再度回帰分析を行うことによって精度を高めることができる。 Therefore, removing the large data shift, it is possible to improve the accuracy by performing again regression analysis.

【0029】(発明の構成)上記本発明の方法および装置を実現する第1の構成は、例えば代表例の一つとして、図2に示すように、光を強度変調する変調手段1 The first configuration for implementing the methods and apparatuses of (Configuration INVENTION) The present invention, for example, as a typical example, as shown in FIG. 2, the modulation means 1 for intensity modulating the light
と、強度変調した光を被測定物に投光する投光手段2 When light projection means 2 for projecting light intensity-modulated with the workpiece
と、強度変調した光の一部を参照光として取り出す参照光受光手段3と、被測定物からの反射光を受光する反射光受光手段4と、参照光と反射光との位相差を計測する位相差計測手段5と、位相差から距離を算出する距離算出手段6から成り、位相差計測手段5は、参照光をA/D When, the reference light receiving unit 3 for taking out a part of the light intensity modulation as the reference light, to measure the phase difference between the reflected light receiving means 4 for receiving reflected light from the object to be measured, and the reference light and the reflected light a phase difference measuring means 5 consists of the distance calculating means 6 for calculating the distance from the phase difference, the phase difference measurement unit 5, the reference light a / D
変換して波形を数値化するA/D5aと、数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測する波形近似手段5bと、反射光をA/D変換して波形を数値化するA/D5cと、数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測する波形近似手段5dと、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求める位相差演算手段5eから成っている。 And A / D5a to quantify waveform converted, digitized waveform approximating means 5b the waveform data to measure the phase of approximating the trigonometric function wave reference light, waveform reflected light is A / D converted obtaining a a / D5c to quantify, a waveform approximating means 5d for the digitized waveform data which approximates trigonometric function waveform to measure the phase of the reflected light, and the phase of the reference light phase difference from the phase of the reflected light It is made from the phase difference calculation unit 5e.

【0030】また、本発明の方法および装置のその他の第2の構成は、図3に示すように、第1の構成に、波形データの分散を求めて測定値の信頼度として出力する分散算出手段5fが加えられたものである。 Further, other second configuration of the method and apparatus of the present invention, as shown in FIG. 3, to the first configuration, the variance calculation to output as the reliability of the measurements determined the variance of the waveform data in which means 5f was added.

【0031】さらに、第3の構成は、図4に示すように、第1の構成に、波形近似手段5dが求めた参照光の近似三角関数波形とA/D変換により数値化された波形データとの差を求め、この差が大きい波形データをノイズとして除去するノイズデータ除去手段5gと、近似三角関数波形との差が小さいデータのみを用いて、再度、近似三角関数波形を求め参照光の位相を正確に求める波形近似手段5hと、同様に反射光の位相を正確に求める5 Furthermore, a third configuration, as shown in FIG. 4, to the first configuration, digitized waveform data by approximating trigonometric function waveform and the A / D conversion of the reference light waveform approximation unit 5d was determined obtains the difference between the noise data removal means 5g removing this difference is large waveform data as noise, the difference between the approximate trigonometric function waveform using only a small data again, the reference light determined an approximate trigonometric function waveform a waveform approximating unit 5h for determining the phase accurately, likewise accurately determine the phase of the reflected light 5
i、5jが加えられたものである。 i, in which 5j was added.

【0032】第4の構成は、図5に示すように、第1の構成に、あらかじめ求められた距離測定装置に残留する強度変調周波数に同期した参照光データおよび反射光データの周期的ノイズが記憶された周期ノイズ記憶手段5 The fourth configuration, as shown in FIG. 5, to the first configuration, the periodic noise of the reference light data and reflected light data synchronized with the intensity modulation frequency remaining in the distance measuring device obtained in advance stored periodic noise storage means 5
k、5mと、A/D変換により数値化された波形データから周期的ノイズを取り除く減算手段5l、5nが加えられたものである。 k, 5 m and one in which digitized subtracting means 5l from the waveform data removing periodic noise, 5n is added by the A / D conversion.

【0033】 [0033]

【作用】第1の構成は、変調手段1によって光を強度変調し、投光手段2によって被測定物に投光する。 [Action] first configuration, the light intensity-modulated by the modulation means 1, for projecting an object to be measured by the light emitting means 2. 同時に、参照光受光手段3は強度変調した光の一部を参照光として取り出し参照光信号を出力する。 At the same time, the reference light receiving unit 3 outputs a reference light signal taken out part of the light intensity modulation as the reference light. 被測定物からの反射光は反射光受光手段4によって受光され反射光信号が出力される。 The reflected light from the object to be measured is output the reflected light signal is received by the reflected light receiving means 4. 位相差計測手段5は参照光信号と反射光信号との位相差を計測する。 The phase difference measuring means 5 for measuring the phase difference between the reference light signal and the reflected light signal. A/D5aは参照光信号をA/D A / D5a the reference light signal A / D
変換して波形を数値化し、波形近似手段5bは数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光信号の位相を算出する。 Converted by digitizing the waveform, the waveform approximation unit 5b calculates the phase of the approximation to the reference light signal waveform data digitized in trigonometric function waveform. また、A/D5cは反射光信号をA/D変換して波形を数値化し、波形近似手段5dは数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光信号の位相を算出する。 Further, A / D5c is digitized waveforms reflected light signal into A / D, the waveform approximation means 5d is approximated waveform data digitized in trigonometric function waveform to calculate the phase of the reflected optical signal. 位相差演算手段5eは参照光信号の位相と反射光信号の位相から位相差を求める。 Phase difference calculation means 5e obtains the phase difference from the phase and the reflected light signal of the reference optical signal phase. 距離算出手段6は位相差から距離を算出する。 Distance calculating means 6 calculates the distance from the phase difference.

【0034】第2の構成において、第1の構成と同じ構成要素の作用の説明は省略する。 [0034] In the second configuration, the description of the action of the same elements as the first configuration is omitted. 分散算出手段5fは波形データの分散を求めて測定値の信頼度として出力する。 Variance calculating means 5f is output as the reliability of the measurements determined the variance of the waveform data. 第3の装置において、ノイズデータ除去手段5g In the third device, the noise data removing unit 5g
は、波形近似手段5bが求めた近似三角関数波形とA/D The approximate trigonometric function waveform is the waveform approximation unit 5b was determined and the A / D
変換により数値化された波形データとの差を求め、この差が大きい波形データをノイズとして除去する。 It obtains the difference between the digitized waveform data by converting, removing the waveform data this difference is greater as noise. 波形近似手段5hは、近似三角関数波形との差が小さいデータのみを用いて、再度、参照光信号の近似三角関数波形を求める。 Waveform approximating means 5h, the difference between the approximate trigonometric function waveform using only a small data again, determine the approximate trigonometric function waveform of the reference optical signal. 同様に、ノイズデータ除去手段5i、波形近似手段5jは、反射光信号のノイズデータを除去して近似三角関数波形を求める。 Similarly, the noise data removing unit 5i, the waveform approximation means 5j removes the noise data of the reflected light signal obtaining an approximate trigonometric function waveform.

【0035】第4の構成において、周期ノイズ記憶手段5kには、あらかじめ求められた参照光信号の周期的残留ノイズが記憶されている。 [0035] In the fourth configuration, the periodic noise storage unit 5k, periodic residual noise of the reference light signal obtained in advance are stored. 減算手段5lは、A/D変換により数値化された波形データから周期ノイズ記憶手段5kに記憶された周期的残留ノイズを減算して参照光信号の周期的ノイズを取り除く。 Subtracting means 5l subtracts the periodic residual noise stored from digitized waveform data into periodic noise storage unit 5k by A / D converting remove periodic noise of the reference optical signal. 同様に、周期ノイズ記憶手段5m、減算手段5nは、反射光信号の周期的ノイズを取り除く。 Similarly, periodic noise storage unit 5 m, subtracting means 5n removes periodic noise of the reflected light signal.

【0036】 [0036]

【発明の効果】第1の構成により、参照光と反射光の波形をそれぞれ三角関数に近似することにより、その位相差から距離を正確にかつ高速に計測することができる。 EFFECT OF THE INVENTION A first configuration, the reference light reflected light waveform by approximating to trigonometric functions, respectively, it is possible to measure the distance from the phase difference accurately and fast.
第2の構成により、波形データのばらつきを求めることができるので、ばらつきが大きい場合には信頼性が低いといった信頼度を知ることができる。 The second configuration, it is possible to determine the variation of the waveform data, when the variation is large can be known reliability such unreliable. 第3の構成では、 In a third configuration,
近似波形から大きく異なった波形データを取り除いて再度近似するので、精度の高い測定ができる。 Since approximated again to remove the very different waveform data from the approximate waveform, it is highly accurate measurement. 第4の構成では、周期ノイズを除去することにより波形ひずみを取り除くことができるため、精度の高い測定ができる。 In the fourth configuration, it is possible to remove waveform distortion by removing the periodic noise can highly accurate measurement.

【0037】 [0037]

【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【第1の実施の形態】以下、本発明の第1の実施の形態を図6を用いて説明する。 [First Embodiment] Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 第1の実施の形態は、40MHz First embodiment, 40 MHz
の発振器1と、発振器1の出力からA/D 用サンプリングクロックを生成するサンプリングクロック生成器2と、 An oscillator 1, the output of the oscillator 1 and the sampling clock generator 2 for generating a sampling clock for A / D,
発振器1の出力からフリップフロップFFAのクロックを生成するクロックA3と、発振器1の出力からフリップフロップFFBのクロックを生成するクロックB4 A clock A3 to generate a clock of flip-flop FFA from the output of the oscillator 1, the clock B4 for generating a clock of flip-flop FFB from the output of the oscillator 1
と、発振器1から出力される連続波を1/4に分周する分周器5とから成る。 If, comprising a continuous wave output from the oscillator 1 from the frequency divider 5 for circumferential 1/4 minutes.

【0038】また、第1の実施の形態は、分周器5から出力される連続波を増幅するアンプ6と、アンプ6によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半導体レーザ7と、半導体レーザの光をスポット平行光にするコリメータレンズ8と、レーザ光の一部を参照光として取り出すビームスプリッタ9と、参照光を集光するレンズ10と、参照光を受光し参照光信号を出力するフォトダイオード11と、参照光信号を増幅するアンプ12と、 Further, the first embodiment, the partial and amplifier 6 for amplifying the continuous wave output from divider 5, a semiconductor laser for projecting driven intensity modulated light by the amplifier 6 to the object to be measured 7, a collimator lens 8 to the semiconductor laser light spot parallel light, a beam splitter 9 for taking out a part of the laser light as reference light, the reference light lens 10 for focusing, referring receives the reference light beam a photodiode 11 for outputting a signal, an amplifier 12 for amplifying the reference light signal,
増幅された参照光信号をサンプリングクロック生成器2 The amplified reference light signal sampling clock generator 2
のサンプリングクロックによりA/D変換するA/D13と、クロックA3の出力するクロックによりA/D13の波形データを保持するフリップフロップA14と、クロックB4の出力するクロックによりA/D13の波形データを保持するフリップフロップB15と、フリップフロップ14および15 Holding the A / D13 A / D conversion by the sampling clock, a flip-flop A14 which holds waveform data of A / D13 by the output clock of the clock A3, the clock output of the clock B4 waveform data of A / D13 of a flip-flop B15 to, the flip-flops 14 and 15
の波形データ基づいて距離を出力する位相マップ16とから成る。 Consisting phase map 16 for outputting a distance based on the waveform data.

【0039】さらに、第1の実施の形態は、被測定物からの反射光を集光するレンズ17と、反射光を受光し反射光信号を出力するフォトダイオード18と、反射光信号を増幅するアンプ19と、増幅された反射光信号をサンプリングクロック生成器2のサンプリングクロックによりA/ [0039] Further, the first embodiment amplifies a lens 17 for condensing reflected light from the object to be measured, a photodiode 18 for outputting a reflected light signal and receives the reflected light, the reflected light signal an amplifier 19, the amplified reflected light signal by the sampling clock of the sampling clock generator 2 a /
D変換するA/D20と、クロックA3の出力するクロックによりA/D20の出力する波形データを保持するフリップフロップA21と、クロックB4の出力するクロックにより And A / D20 to D converter, a flip-flop A21 which holds the waveform data output from the A / D20 by the output clock of the clock A3, the clock output of the clock B4
A/D20の出力する波形データを保持するフリップフロップB22と、フリップフロップ21および22の波形データ基づいて距離を出力する位相マップ23と、位相マップ16および23の差を求め位相差を出力する減算器24と、位相差から距離を求める距離算出回路25から成る。 A flip-flop B22 for holding the waveform data output from the A / D20, a phase map 23 for outputting a distance based on the waveform data of the flip-flops 21 and 22, subtraction and outputs the phase difference determines the difference in phase map 16 and 23 a vessel 24, made of a distance calculation circuit 25 for determining the distance from the phase difference.

【0040】以下、図6の構成図および図7のタイミング信号図をもとに動作を簡単に説明する。 [0040] Hereinafter, briefly explaining the operation based on the timing signal diagram of a configuration view and Fig. 7 in FIG. 発振器1は40 Oscillator 1 40
MHz の水晶発振器であり図7(a) に示すクロックを連続出力している。 Be MHz crystal oscillator Figure 7 the clock shown in (a) are continuous output. サンプリングクロック生成器2は40MHz Sampling clock generator 2 is 40MHz
のクロックから、A/D13 および20のサンプリングクロックである図7(b) を生成し、クロックA3はフリップフロップA14および21のクロック(c) 、クロックB4はフリップフロップB15および22のクロック(d) を生成する。 From the clock, generates FIG 7 (b) is a sampling clock of A / D13 and 20, the clock A3 is of the flip-flop A14 and 21 clock (c), the clock B4 is of the flip-flops B15 and 22 clock (d) to generate. 分周器5は発振器1のクロックを1/4 に分周し、 The frequency divider 5 to the oscillator 1 clock by frequency 1/4 minutes,
(e) に示す10MHz の連続波を出力する。 It outputs a 10MHz continuous wave shown in (e).

【0041】この連続波はアンプ6によって増幅され、 [0041] The continuous wave is amplified by the amplifier 6,
半導体レーザ7およびコリメータレンズ8により強度変調されたスポット平行光が被測定物に投光される。 Intensity-modulated spots parallel light by a semiconductor laser 7 and the collimator lens 8 is projected to the object to be measured. 強度変調光の変調周波数は10MHzであり、測距範囲は15mである。 Modulation frequency of the intensity-modulated light is 10 MHz, the distance measurement range is 15 m. また、ビームスプリッタ9によりレーザ光の一部が参照光として取り出される。 Also, part of the laser beam is taken out as the reference light by the beam splitter 9. 参照光(f) はレンズ10によって集光され、フォトダイオード11に受光される。 Reference light (f) is the lens 10 is condensed, and is received by the photodiode 11. フォトダイオー11の出力する参照光信号はアンプ12で増幅され、A/D13によって波形データに変換される。 Reference light signal output of the photodiode 11 is amplified by the amplifier 12, it is converted into the waveform data by the A / D13. A/D13のサンプリングは、サンプリングクロック生成器2の生成する図7(b)のクロックにより行われる。 Sampling A / D13 is performed by the clock shown in FIG. 7 (b) for generating the sampling clock generator 2.

【0042】被測定物からの反射光(g)はレンズ17によって集光され、フォトダイオード18に受光される。 The reflected light from the object to be measured (g) is condensed by the lens 17, and is received by the photodiode 18. フォトダイオード18の出力する反射光信号はアンプ19で増幅され、A/D20によって波形データに変換される。 Output reflected optical signal to the photodiode 18 is amplified by the amplifier 19, it is converted into the waveform data by the A / D20. A/D20のサンプリングは、サンプリングクロック生成器2の生成する図7(b)のクロックにより行われる。 Sampling A / D20 is performed by the clock shown in FIG. 7 (b) for generating the sampling clock generator 2. 次に、波形データから位相を直ちに算出する方法を説明する。 Next, a method to immediately calculate the phase from the waveform data. 反射光信号はA/D20 によって時刻t=0 よりサンプリングが開始される。 Reflected light signal sampling is started from time t = 0 by the A / D20. 従って、式(3) よりx1(0)=0 、式(4) よりx2 Therefore, x1 from the formula (3) (0) = 0, the equation (4) x2
(0)=1 となり、サンプリングデータをVra(0)とすると、 (0) = 1, the sampling data to Vra (0),
式(7) より From the equation (7)

【0043】Vra(0)=b2 (9) [0043] Vra (0) = b2 (9)

【0044】が得られる。 [0044] is obtained. このサンプリングデータはクロック(c) によりFFA21に保持される。 This sampling data is held in FFA21 by the clock (c). 次のサンプリングクロックは変調光の1/4 周期、すなわちπ/4だけずれている。 Next sampling clock is shifted by 1/4 period of the modulated light, i.e. [pi / 4. 従って、式(3) より x1(π/4)=1 、式(4) より x2(π/4)=0 となり、サンプリングデータをVrb(0)とすると、式(7)より Therefore, Equation (3) from x1 (π / 4) = 1, x2 from equation (4) (π / 4) = 0, and the when the sampling data to Vrb (0), the equation (7)

【0045】Vrb(0)=b1 (10) [0045] Vrb (0) = b1 (10)

【0046】が得られる。 [0046] is obtained. このサンプリングデータはクロック(d)によりFFB22に保持される。 This sampling data is held in FFB22 by the clock (d). 式(6) より、 From the equation (6),
反射光信号の位相差φr はatan(b2/b1) で求められるから、atan(b2/b1) をあらかじめ求めてマップにしておけば、b1、b2から直ちに位相差を求められる。 Since the phase difference φr of the reflected light signal is determined by atan (b2 / b1), if in the map beforehand seeking atan (b2 / b1), sought immediately retardation from b1, b2. 位相マップ Phase map
23はatan(b2/b1)をマップにしたものである。 23 is obtained by the map of the atan (b2 / b1). 従って、 Therefore,
FFA21およびFFB22に保持されたのサンプリングデータを位相マップ23に入力すれば直ちに反射光信号の位相が求められる。 Immediately reflected light signal of the phase by entering the sampling data held in FFA21 and FFB22 the phase map 23 is obtained. 同様に、参照光信号の位相はA/D13 、 Similarly, the reference light signal phase A / D13,
FFA14、FFB15および位相マップ16から、Vsa(0)、 FFA14, FFB15 and from the phase map 16, Vsa (0),
Vsb(0)を用いて直ちに求められる。 Immediately obtained by using the Vsb (0).

【0047】減算器24は位相マップ16および23の差を演算出力し、参照光信号と反射光信号の位相差を求める。 The subtractor 24 calculates outputs the difference between the phase map 16 and 23, determine the phase difference between the reference light signal and the reflected light signal.
距離算出回路25は、式(1) の演算を行い、参照光信号と反射光信号の位相差から被測定物までの距離を出力する。 Distance calculating circuit 25 performs the calculation of Expression (1), and outputs the distance to the object to be measured from the phase difference between the reference light signal and the reflected light signal. この方法によれば、100nsec(=1/10MHz) 毎に距離データ得られる。 According to this method, the resulting distance data every 100nsec (= 1 / 10MHz). 精度を上げるには距離データを平均すればよい。 The distance data may be averaged to improve accuracy.

【0048】 [0048]

【第2の実施の形態】次に、第2の実施の形態を図8を用いて説明する。 [Second Embodiment] Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. 第2の実施の形態の装置は、10.7MHz The apparatus of the second embodiment, 10.7 MHz
の発振器1と、10MHzのA/D用サンプリングクロックを生成するサンプリングクロック生成器2と、発振器1から出力される連続波を増幅するアンプ3と、アンプ3によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半導体レーザ4と、半導体レーザの光をスポット平行光にするコリメータレンズ5と、レーザ光の一部を参照光として取り出すビームスプリッタ6とからなる。 An oscillator 1, a sampling clock generator 2 for generating a sampling clock for 10MHz of A / D, an amplifier 3 for amplifying the continuous wave output from the oscillator 1 is driven by the amplifier 3 intensity-modulated light to be a semiconductor laser 4 for emitting to the object to be measured, a collimator lens 5 to the semiconductor laser light spot parallel light, the beam splitter 6 for taking out a part of the laser beam as a reference beam.

【0049】また、第2の実施の形態の装置は、参照光を集光するレンズ7と、参照光を受光し参照光信号を出力するフォトダイオード8と、参照光信号を増幅するアンプ9と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックによりA/D変換するA/D10と、A/D10 [0049] The device of the second embodiment, the reference light lens 7 for focusing, a photodiode 8 for outputting a reference light signal receiving reference light, an amplifier 9 for amplifying the reference light signal , and a / D10 a / D conversion by sampling clock output from the sampling clock generator 2, a / D10
の出力する参照信号波形データを記憶するメモリ11と、 A memory 11 for storing the reference signal waveform data output,
被測定物からの反射光を集光するレンズ12と、反射光を受光し反射光信号を出力するフォトダイオード13と、反射光信号を増幅するアンプ14と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックによりA/D 変換するA/D15と、A/D15 の出力する反射光信号波形データを記憶するメモリ16と、メモリ11および16に記憶された波形データを取り込み反射光信号および参照光信号の位相を算出し、その位相差を求め、位相差から距離を求める距離算出回路17からなる。 A lens 12 for condensing reflected light from the object to be measured, a photodiode 13 for outputting a reflected light signal and receives the reflected light, an amplifier 14 for amplifying a reflected light signal, sampling the output of the sampling clock generator 2 and a / D15 a / D conversion by the clock, a memory 16 for storing the reflected light signal waveform data output from the a / D15, of the reflected optical signal and the reference light signal input waveform data stored in the memory 11 and 16 calculating the phase, the phase difference determined, consisting of a distance calculating circuit 17 for obtaining the distance from the phase difference.

【0050】第2の実施の形態例の動作について簡単に説明する。 The operation will be briefly described in the second embodiment. ここで、投光部および受光部の構成は第1の実施例装置と同じなので、異なる点のみを簡単に説明する。 Since configuration of the light projecting section and a light receiving portion is the same as the first embodiment apparatus, briefly described and only different points. この装置では、受光信号の周波数は10.7MHz 、A/D In this apparatus, the frequency of the received light signal is 10.7 MHz, A / D
のサンプリング周波数は10MHz であるから、A/D は受光信号をアンダーサンプリングしていることになる。 Since the sampling frequency of a 10 MHz, A / D will be that undersampling the received light signal. しかし、この実施例では入力周波数帯域 50MHz以上のサンプリングA/Dコンバータを用いているので、10.7MHzの受光信号を正確に数値データに変換できる。 However, since this embodiment uses the above input frequency band 50MHz sampling A / D converter, it can be accurately converted into numerical data received light signal of 10.7 MHz. また、第9図に示すように、受光信号(a) とサンプリングクロック(b) Further, as shown in FIG. 9, the light-receiving signal (a) and the sampling clock (b)
は周期が7%異なるが、受光信号107 パルスとサンプリングクロック100 パルスの周期が一致するので、サンプリングデータを 100個連続して取り込むことにより(c) のように10.7MHzの受光信号を1周期再現できる。 Although different periods 7%, since the period of the received light signal 107 pulses and the sampling clock 100 pulses coincide, one cycle reproduces the received light signal of 10.7MHz as by incorporating sampling data 100 contiguous with (c) it can.

【0051】距離算出回路17は、上記のように、 100個の連続したデータを用いれば1周期分の波形を再現できるので、最初にメモリ11から参照光信号の波形データを The distance calculating circuit 17, as described above, since 100 contiguous waveform of one cycle by using the data can be reproduced, the waveform data of the reference optical signal from the first memory 11
100個取り込み回帰分析により式(9) の未知数b1,b2,Vo Unknowns of the formula (9) by 100 uptake regression analysis b1, b2, Vo
を求める。 The seek. 同時に、データの分散を求め、分散値の大きさに対応したsin近似の信頼度を出力する。 At the same time, we obtain the dispersion of the data, and outputs the reliability of sin approximation corresponding to the magnitude of the variance. 分散大きい場合はデータのばらつきが大きいと判断できるので、信頼度は低くなる。 Because when the variance large it can be determined that the variation of data is large, the reliability is low. また、b1,b2,Voから得られたsin 波形から各データのずれ量を求め、この値が大きいデータはノイズの影響が大きいものと判断して取り除き、再度、 Also, determine the shift amount of each data from the sin waveform obtained from b1, b2, Vo, data this value is high remove it is determined that a large effect of noise, again,
回帰分析により式(9) の未知数b1,b2,Voを求める。 Request unknowns b1, b2, Vo of the formula (9) by regression analysis. 次に、式(6) から位相φr を算出する。 Then, to calculate the phase φr from equation (6). 同様に、メモリ16 Similarly, the memory 16
から反射光信号の波形データを100 個取り込み、位相φ 100 pieces of waveform data of the reflected light signals from the acquisition, the phase φ
s を算出する。 To calculate the s. さらに、φr とφs の位相差を求め、式 Moreover, obtains a phase difference φr and .phi.s, wherein
(1) から距離を求める。 (1) determine the distance from. ここでは、DSP(Digital Signal In this case, DSP (Digital Signal
Prosesor)を用い、これらの演算をプログラムして距離を求めている。 Using Prosesor), and obtains distances to program these operations.

【0052】なお、この実施の形態例では数値データを [0052] Incidentally, the numerical data in the embodiment of the present
100 個取り込む、すなわち、 0.1μsec ×100=10μsec Take in 100, that is, 0.1μsec × 100 = 10μsec
毎に距離を求めているが、第9図(b) のサンプリングデータを結ぶと(d) に示す700kHzのsin 波になる。 While seeking distance for each, the sin wave of 700kHz shown in the connecting sampled data (d) of FIG. 9 (b). そこで、約1 周期分に相当する14個のデータが得られる毎に距離を算出できるようDSP のプログラムを変更することもできる。 Therefore, it is also possible to change the DSP program so we can determine the distance each time the 14 pieces of data corresponding to about one cycle is obtained. この場合、距離を算出する間隔を短くできる。 In this case, the interval for calculating the distance can be shortened.

【0053】 [0053]

【第3の実施の形態】次に、第3の実施の形態例を図10 [Third Embodiment] Next, FIG form of the third embodiment 10
を用いて説明する。 It will be described with reference to. 第3の実施の形態例の装置は、10.7 Apparatus of the third embodiment is 10.7
MHz の発振器1と、10MHz のA/D 用サンプリングクロックを生成するサンプリングクロック生成器2と、発振器1から出力される連続波を増幅するアンプ3と、アンプ3によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半導体レーザ4と、半導体レーザの光をスポット平行光にするコリメータレンズ5と、レーザ光の一部を参照光として取り出すビームスプリッタ6とからなる。 An oscillator 1 MHz, the sampling clock generator 2 for generating a sampling clock for 10MHz of A / D, an amplifier 3 for amplifying the continuous wave output from the oscillator 1 is driven by the amplifier 3 the intensity-modulated light a semiconductor laser 4 for emitting a measured object, a collimator lens 5 to the semiconductor laser light spot parallel light, the beam splitter 6 for taking out a part of the laser beam as a reference beam.

【0054】また、第3の実施の形態例の装置は、参照光を集光するレンズ7と、参照光を受光し参照光信号を出力するフォトダイオード8と、参照光信号を増幅するアンプ9と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックによりA/D 変換するA/D10 と、強度変調信号に同期したノイズ波形が記憶されたノイズデータメモリ11と、A/D10 が出力するの波形データからノイズデータメモリ11に記憶されたノイズ波形データを減算する減算器12と、減算器12の出力する反射光信号波形データを記憶するメモリ13とからなる。 [0054] In addition, the amplifier 9 apparatus of the third embodiment is to amplify the reference light lens 7 for focusing, a photodiode 8 for outputting a reference light signal receiving reference light, the reference light signal When an a / D10 to a / D conversion by sampling clock output from the sampling clock generator 2, and noise data memory 11 noise waveform synchronized with the intensity-modulated signal is stored, the waveform data of a / D10 outputs a subtractor 12 for subtracting the stored noise waveform data to the noise data memory 11 from, of memory 13 for storing the reflected light signal waveform data output from the subtractor 12.

【0055】さらに、第3の実施の形態例の装置は、被測定物からの反射光を集光するレンズ14と、反射光を受光し反射光信号を出力するフォトダイオード15と、反射光信号を増幅するアンプ16と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックによりA/D 変換するA/D17と、強度変調信号に同期したノイズ波形が記憶されたノイズデータメモリ18と、A/D17 が出力するの波形データからノイズデータメモリ18に記憶されたノイズ波形データを減算する減算器19と、減算器19の出力する反射光信号波形データを記憶するメモリ20と、メモリ [0055] Furthermore, apparatus of the third embodiment includes a lens 14 for condensing reflected light from the object to be measured, a photodiode 15 for outputting a reflected light signal and receives the reflected light, the reflected light signal an amplifier 16 for amplifying a and a / D17 a / D conversion by sampling clock output from the sampling clock generator 2, and noise data memory 18 the noise waveform in synchronization with the intensity-modulated signal is stored, a / D17 is a subtracter 19 for subtracting the noise waveform data stored from the output to the waveform data to the noise data memory 18, a memory 20 for storing the reflected light signal waveform data output of the subtracter 19, a memory
13および20に記憶された波形データを取り込み反射光信号および参照光信号の位相を算出し、その位相差を求め、位相差から距離を求める距離算出回路21からなる。 Calculating a phase of 13 and 20 the waveform data stored in the capture reflected light signal and the reference light signal, the phase difference determined, consisting of a distance calculating circuit 21 for obtaining the distance from the phase difference.

【0056】第3の実施の形態例の動作について簡単に説明する。 [0056] will be briefly described the operation of the third embodiment. 投光部および受光部の構成は第2の実施の形態例装置と同じなので、異なる点のみ、すなわち、ノイズデータメモリおよび減算器について説明する。 The configuration of the light projecting section and a light receiving portion is the same as embodiment apparatus of the second embodiment, only different points, that is, will be described noise data memory and a subtracter. レーザ光が目に入っても安全なレベルにレーザ光の出力を制限すると、10m程度離れた被測定物の表面が黒色かつ散乱面である場合、得られる反射光は数nWと非常に小さなものとなる。 When the laser beam limits the output of the laser light to a safe level even eyes, when the surface of the object to be measured at a distance of about 10m is black and scattering surface, the reflected light obtained several nW and very small to become. したがって、ホトダイオードの出力電圧は数 Therefore, the output voltage of the photodiode is number
nVと非常に小さく、レーザを駆動するアンプ3など大きな電流を消費する回路の影響により強度変調信号に同期した重畳ノイズが無視できなくなる。 Very small and nV, superimposed noise can not be ignored in synchronization with the intensity-modulated signal due to the influence of circuit that consumes a large current such as an amplifier 3 which drives the laser. 図11は実験結果の一例であり、半導体レーザの駆動波形と受光回路に重畳したノイズ波形である。 Figure 11 is an example of the experimental results, a noise waveform superimposed on a drive waveform and a light receiving circuit of the semiconductor laser.

【0057】図11から明らかなように、ノイズ波形は、 [0057] As is clear from FIG. 11, the noise waveform,
回路のランダムノイズに変調信号に同期したノイズが重畳したものとなっている。 Noise synchronized with the random noise to the modulation signal of the circuit and is obtained by superposition. そこで、あらかじめノイズ波形を求め(ランダムノイズ成分は平均値とする)、ノイズデータメモリ11および16に記憶しておく。 Therefore, advance the noise waveform calculated (random noise component is defined as the mean value), stored in the noise data memory 11 and 16. そして、参照光信号に対しては、減算器12によりA/D10の波形データからノイズデータメモリ11に記憶されたノイズ波形データを減算することにより重畳ノイズを取り除く。 Then, the reference light signal, removes the superimposed noise by subtracting the noise waveform data stored from the waveform data of A / D10 noise data memory 11 by the subtractor 12. 反射光信号に対しても同様に、減算器19により重畳ノイズを取り除く。 Similarly for the reflected light signal, it removes the superimposed noise by the subtracter 19. ノイズが除去された参照光および反射光信号の数値データは、それぞれメモリ13、20に記憶され、距離算出回路21にて距離が算出される。 Numerical data of the reference light and the reflected light signal from which the noise has been removed is stored in the memory 13 and 20 respectively, the distance is calculated by the distance calculation circuit 21. この実施の形態例も第2の実施の形態例と同様に、DSPを用いている。 Embodiments of the implemented similarly to the embodiment of the second embodiment uses a DSP. なお、参照光は変調光の一部を直接受光しているのでノイズを無視できる場合がある。 Incidentally, the reference light may be able to ignore the noise because it receives a part of the modulated light directly. このとき、ノイズデータメモリ11、減算器12を省くことができる。 In this case, it is possible to omit noise data memory 11, a subtractor 12.

【0058】 [0058]

【第4の実施の形態】次に、第4の実施の形態例を図12 [Fourth Embodiment] Next, FIG form of the fourth embodiment 12
の構成図、図13のタイミングチャートを用いて説明する。 Diagram will be described with reference to the timing chart of FIG 13. 第4の実施の形態例装置は、図13(a)に示すような周波数510MHzのパルスを51個(0.1μsec)、0.1msec間隔で発生するバースト波発振器1と、500MHzの連続波を出力するサンプリングクロック生成器2と、発振器1から出力されるバースト波を増幅するアンプ3と、アンプ3 Fourth Embodiment Examples device, pulse 51 amino frequency 510MHz as shown in FIG. 13 (a) (0.1μsec), and the burst wave oscillator 1 for generating at 0.1msec intervals, and outputs a continuous wave 500MHz a sampling clock generator 2, an amplifier 3 for amplifying a burst wave output from the oscillator 1, the amplifier 3
によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半導体レーザ4と、半導体レーザ4の光をスポット平行光にするコリメータレンズ5と、レーザ光の一部を参照光として取り出すビームスプリッタ6とからなる。 A semiconductor laser 4 for emitting a driven intensity modulated light to the object to be measured by the beam splitter 6 for taking out the light of the semiconductor laser 4 and collimator lens 5 to the spot collimated light, a part of the laser beam as a reference beam consisting of.

【0059】また、第4の実施の形態例装置は、参照光を集光するレンズ7と、参照光を受光し参照光信号を出力するフォトダイオード8と、参照光信号を増幅するアンプ9と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックにより参照光信号をA/D変換し参照光波形データを出力するA/D10 と、A/D10 の出力する参照光波形データと所定の閾値Vthを比較し参照光受光タイミング信号を出力するコンパレータ11と、バースト波発生時から参照光受光タイミング信号発生時までの時間を測るタイマー12と、参照光受光タイミング信号発生後 [0059] The fourth example of the embodiment device, the reference light lens 7 for focusing, a photodiode 8 for outputting a reference light signal receiving reference light, an amplifier 9 for amplifying the reference light signal Compare the reference light signal by the sampling clock and a / D10 for outputting the reference light waveform data converted a / D, the reference light waveform data and a predetermined threshold value Vth to output the a / D10 of the output of the sampling clock generator 2 a comparator 11 for outputting a reference light receiving timing signals, a timer 12 to measure the time until the reference light receiving timing signal generated by the burst wave generation, the reference light receiving timing signal after generation
A/D10 の出力する参照光波形データを50個記憶するメモリ13と、被測定物からの反射光を集光するレンズ14と、 A memory 13 for reference light waveform data 50 stores output by the A / D10, a lens 14 for condensing reflected light from the measurement object,
反射光を受光し反射光信号を出力するアバランシェフォトダイオード(APD)15 と、反射光信号を増幅するアンプ The avalanche photodiode (APD) 15 for outputting a reflected light signal and receives the reflected light, an amplifier for amplifying the reflected optical signal
16と、サンプリングクロック生成器2の出力するサンプリングクロックにより反射光信号をA/D 変換し反射光波形データを出力するA/D17 とからなる。 16, it becomes a reflected light signal by a sampling clock output from the sampling clock generator 2 from A / D17 for outputting the A / D conversion and the reflected light waveform data.

【0060】また、第4の実施の形態例装置は、A/D17 [0060] The fourth example of the embodiment apparatus of, A / D17
の出力する反射光波形データと所定の閾値Vth を比較し反射光受光タイミング信号を出力するコンパレータ18 Comparator 18 for comparing the reflected light waveform data and a predetermined threshold value Vth to output the outputs of the reflected light receiving timing signal
と、バースト波発生時から反射光受光タイミング信号発生時までの時間を測るタイマー19と、反射光受光タイミング信号発生後A/D17 の出力する反射光波形データを51 When, a timer 19 for measuring the time from when the burst wave generating until reflected light receiving timing signal generator, the reflected light waveform data output from the reflected light receiving timing signal generator after the A / D17 51
個記憶するメモリ20と、タイマー12から参照光受光時間、メモリ13から参照光波形データ、タイマー19から反射光受光時間、メモリ20から反射光波形データを取り込み反射光信号および参照光信号の位相を算出し、その位相差を求め、位相差から距離を求める距離算出回路21からなる。 A memory 20 for individual stores, the reference light receiving time from the timer 12, the reference light waveform data from the memory 13, the reflected light receiving time from the timer 19, the phase of the reflected optical signal and the reference light signal captures light reflected waveform data from the memory 20 calculated, the phase difference determined, consisting of a distance calculating circuit 21 for obtaining the distance from the phase difference.

【0061】第4の実施の形態例の動作について簡単に説明する。 [0061] will be briefly described the operation of the fourth embodiment. 投光部および受光部の構成は第2の実施の形態例の装置と同じなので、異なる点のみを簡単に説明する。 The configuration of the light projecting section and a light receiving portion is the same as apparatus of the second exemplary embodiment will be briefly described, and only different points. この装置では、図13(a) に示すバースト波発振器1 In this device, the burst wave oscillator 1 shown in Fig. 13 (a)
の出力する510MHzの高周波バースト波変調光を被測定物に投光し、図13(b)に示す参照光、 (d)に示す受光信号を500MHzの高速サンプリングA/D コンバータ10および17 And projecting the output high-frequency burst waves modulated light 510MHz measured object, 13 reference light (b), the high-speed sampling 500MHz light reception signals shown in (d) A / D converters 10 and 17
で数値データに変換し、メモリ13および20に記憶する。 In converted into numerical data, stored in the memory 13 and 20.
コンパレータ11は参照光信号のノイズレベルよりわずかに高い閾値を持ち、参照光が受光されると図13(c)に示す参照光受光タイミング信号を出力する。 Comparator 11 has a slightly higher threshold than the noise level of the reference optical signal, reference light outputs the reference light receiving timing signal shown in FIG. 13 (c) when it is received. タイマー12は参照光受光タイミング信号により図13(b) に示すTsを計測する。 The timer 12 measures the Ts shown in FIG. 13 (b) by the reference light receiving timing signal. メモリ13には、参照光受光タイミング信号発生時の参照光波形データが記憶される。 In the memory 13, the reference light waveform data at the time of the reference light receiving timing signal generator are stored. 同様に、コンパレータ18、タイマー19、メモリ20が動作し、図13(d) に示すTrが計測されて反射光波形データが記憶される。 Similarly, a comparator 18, a timer 19, a memory 20 operates, the reflected light waveform data Tr is measured shown in FIG. 13 (d) are stored.

【0062】次に、距離算出回路21の動作を説明する。 Next, the operation of the distance calculating circuit 21.
被測定物までの距離は、反射光と参照光の受光時間差Tr Distance to the object to be measured, the light receiving time difference Tr of the reference light and the reflected light
−Tsから求められる。 Obtained from -Ts. タイマー12および19はカウンタであり、500MHzのクロックで動作する。 Timer 12 and 19 is a counter, operating at 500MHz clock. すなわち、時間分解能は2nsecで、TrおよびTsを求められる。 That is, the time resolution is 2 nsec, asked to Tr and Ts. 光の伝搬速度は300,000km/secであるから、距離測定分解能は30cm Since propagation velocity of light is 300,000 km / sec, the distance measurement resolution is 30cm
である。 It is. そこで、図14に示すように、受光時刻Ttを正確に求めるために、受光信号(a) をコンパレータで閾値Vt Therefore, as shown in FIG. 14, in order to obtain the light receiving time Tt precisely, the threshold Vt of the receiving signal (a) by a comparator
h と比較し、500MHzのクロック(c) を用いたタイマーによりTsを求める。 Compared it is h, obtaining the Ts by the timer with a 500MHz clock (c).

【0063】さらに、受光タイミング信号(b) が発生している間、クロック(c) により受光信号をA/D 変換して波形データを求め、位相φsを求める。 [0063] Further, while the light reception timing signal (b) has occurred, determine the waveform data received light signal by the clock (c) converting A / D, we obtain the phase .phi.s. 500MHzのサンプリングクロックは、510MHzのバースト波と周期が1/50ずれており、50個の波形データにより1周期分のデータが得られる。 500MHz sampling clock of the burst wave and the period of 510MHz are shifted 1/50, the data for one period can be obtained by 50 waveform data. そこで、50個の波形データを取り込み、回帰分析により式(9) の未知数b1,b2,Voを求め、式(6) から位相φsを算出する。 Therefore, captures 50 waveform data, determine the unknowns b1, b2, Vo of the formula (9) by regression analysis, calculates a phase φs from equation (6). 位相φs を1degの分解能で計測できれば、距離を30cm/360=0.8mm の分解能で計測できる。 If measured phase φs at a resolution of 1 deg, the distance to be measured with a resolution of 30cm / 360 = 0.8mm.

【0064】距離算出回路21は、タイマー12からTsを取り込み、次にメモリ13から参照光波形データを取り込んで回帰分析により位相φssを求め、Tsおよびφssから参照光受光時刻Tst を求める。 [0064] The distance calculating circuit 21 takes in the Ts from the timer 12, then takes in the reference light waveform data from the memory 13 obtains a phase .phi.SS by regression analysis, determining the reference light receiving time Tst from Ts and .phi.SS. 同様に、タイマー19からT Similarly, T from the timer 19
r、メモリ20から反射光波形データを取り込み、反射光受光時刻Trtを求める。 r, it takes in the reflected light waveform data from the memory 20, obtains the reflected light reception time Trt. さらに、受光時間差Trt −Tstから距離を正確に求める。 Further, accurately determine the distance from the light receiving time difference Trt -Tst. この実施の形態例も第2の実施の形態例と同様に、DSP(Digital Signal Prosesor)を用いている。 Embodiments of the implemented similarly to the embodiment of the second embodiment uses a DSP (Digital Signal Prosesor). この実施の形態例のように、バースト波を投光する方法は平均投光パワーを小さくできるので、高出力レーザを用いても安全に遠方までの距離を計測できる。 As in this exemplary embodiment, a method for projecting a burst wave can be small average light projecting power, can measure the distance to the safe farther using a high output laser.

【0065】なお、本発明では参照光信号を投光変調光の一部を取り出して用いているが、変調器の出力波形との位相差から位相を求めてもよい。 [0065] Although the present invention employs a reference optical signal taken out a part of the light projecting modulated light, it may be obtained the phase from the phase difference between the output waveform of the modulator. また、いずれの実施の形態例においても受光信号をそのままA/D 変換しているが、ヘテロダイン検波により100kHz程度の周波数に変換して位相を計測してもよい。 In addition, although it is A / D converting a received signal even in the embodiment of any of the embodiments may measure the phase is converted into a frequency of about 100kHz by heterodyne detection.

【0066】また、変調周波数と7/107 (第2および第3の実施の形態例)、あるいは1/51(第4の実施の形態例)異なる周波数によるサンプリングデータをそれぞれ [0066] The modulation frequency and 7/107 (the second and third exemplary embodiment), or 1/51 (Fourth embodiment embodiment) different frequencies by the sampling data respectively
100個、50個用いて位相を求めているが、たとえば、第2の実施の形態例において10.7MHzと5/4周期の長い8.56 100, but is seeking 50 using a phase, for example, long 10.7MHz and 5/4 cycle in the form of the second embodiment 8.56
MHzのサンプリング周波数によりA/D変換し、これを80個用いて次のように位相を求めてもよい。 A / D conversion by the sampling frequency of MHz, which may eighty used also seeking phase, as follows. 1番目のデータと5番目のデータは10.7MHzに対し同位相である。 First data and fifth data are in phase to 10.7 MHz. さらに、9番目、13番目、・・・ 、77番目も同位相である。 In addition, the 9 th, 13 th, ..., 77 th is also the same phase. 同様に2、6、・・・ 、78番目は同位相である。 Similarly, 2,6, ..., the 78th is the same phase. 3、7、・・ 3, 7, ...
・ 、79番目および4、8、・・・ 、80番目も同様である。 -, 79 th and 4,8, ..., is the same 80 th.
そこで、1、5、・・・ 、77番目のデータを加算、2、 So, 1,5, ..., adds the 77-th data, 2,
6、・・・ 、78番目のデータを加算、3、7、・・・ 、79番目のデータを加算、4、8、・・・ 、80番目のデータを加算し、得られた4個の加算データを用いて回帰分析をしてもよい。 6, ..., adds the 78 th data, 3,7, ..., adds the 79 th data, 4,8, ..., it adds the 80 th data, four resulting in it may be a regression analysis using the sum data. 累積加算器はロジックICで構成できるのでリアルタイム演算が可能であり、回帰分析も計算量が大幅に低減できるので非常に高速処理できる。 Cumulative adder can be constructed by a logic IC is capable of real time operation, it can be very high-speed processing because even computational regression analysis can be greatly reduced.

【0067】また、本発明における実施の形態例は波形が1周期得られるようにデータ数を選んでいるが、半周期でも、2〜3周期でもデータの収集時間は任意である。 [0067] Also, embodiments of the embodiment of the present invention is the waveform are choosing the number of data so as to obtain one period, at half-cycle, the collection time data in two or three cycles are optional. また、等間隔サンプリングでなくても位相を求めることができる。 Moreover, even if not equidistant sampling can be determined phase.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】振幅変調−位相差計測による光波距離計測装置の測定原理の説明図 [1] the amplitude modulation - illustration of measurement principle of the optical distance measuring apparatus according to the phase difference measurement

【図2】本発明の第1の構成図 The first diagram of the invention; FIG

【図3】本発明の第2の構成図 The second diagram of the present invention; FIG

【図4】本発明の第3の構成図 The third diagram of the present invention; FIG

【図5】本発明の第4の構成図 [5] fourth configuration diagram of the present invention

【図6】第1の実施の形態例装置の構成図 Figure 6 is a configuration diagram of a embodiment device of the first embodiment

【図7】第1の実施例の形態装置のタイミング信号図 Figure 7 is a timing signal diagram form apparatus of the first embodiment

【図8】第2の実施の形態例装置の構成図 Figure 8 is a configuration diagram of a embodiment device of the second embodiment

【図9】受光信号とA/Dコンバータのサンプリングタイミングの説明図 Figure 9 is an explanatory diagram of a sampling timing of the received signal and the A / D converter

【図10】第3の実施の形態例装置の構成図 Figure 10 is a configuration diagram of a embodiment device of the third embodiment

【図11】受光回路の重畳ノイズの説明図 Figure 11 is an illustration of superimposed noise of the light receiving circuit

【図12】第4の実施の形態例装置の構成図 Figure 12 is a configuration diagram of a embodiment device of the fourth embodiment

【図13】第4の実施の形態例装置のタイミングチャート Figure 13 is a timing chart of the fourth embodiment device

【図14】受光時刻を正確に求める方法の説明図 FIG. 14 is an explanatory diagram of a method to accurately determine the light-receiving time

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 光強度変調変調手段 2 投光手段 3 参照光受光手段 4 反射光受光手段 5 位相差計測手段 6 距離算出手段 5a 参照光をA/D変換して波形を数値化するA/D 5b 波形近似手段 5c 反射光をA/D変換して波形を数値化するA/D 5d 波形近似手段 5e 位相差演算手段 First light intensity modulation modulating means 2 light projecting means 3 the reference light receiving means 4 reflected light receiving means 5 of the phase difference measuring means 6 distance calculating unit 5a reference light to quantify the waveform converting A / D A / D 5b waveform approximated a / D 5d waveform approximating means 5e phase difference computation means to quantify the waveform by a / D conversion unit 5c reflected light

Claims (4)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 光強度変調手段により強度変調した光を被測定物に投光し、強度変調した光の一部を参照光として取り出し、被測定物からの反射光を受光すると共に、 [Claim 1] and projecting light intensity-modulated by the light intensity modulating means to the object to be measured, taking out a portion of the light intensity modulation as the reference beam, the receiving light reflected from the object to be measured,
    参照光と反射光との位相差を計測し当該位相差から距離を算出する距離測定方法において、 上記位相差計測は、参照光をA/D変換して波形を数値化すると共に、数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測し、反射光をA/D変換して波形を数値化し、当該数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測し、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求め、参照光と反射光の波形から位相差を求めることを特徴とする距離測定方法。 In the distance measuring method for calculating the distance to measure the phase difference between the reference light and the reflected light from the phase difference, the phase difference measurement, the reference beam with digitizing waveform converting A / D, is digitized and the waveform data approximating the trigonometric function waveform phase of the reference light is measured by the reflected light to quantify the waveform converting a / D, the reflected light approximates the digitized waveform data to the trigonometric function waveform distance measuring method the phase measuring, obtains a phase difference from the reference light phase and phase of the reflected light, to the waveform of the reference light and the reflected light and obtains the phase difference.
  2. 【請求項2】 光を強度変調する手段と、強度変調した光を被測定物に投光する手段と、強度変調した光の一部を参照光として取り出す手段と、被測定物からの反射光を受光する手段と、参照光と反射光との位相差を計測する手段と、位相差から距離を算出する手段を持ち、参照光と反射光との位相差から距離を計測する距離測定装置において、 上記位相差計測手段は、参照光をA/D変換して波形を数値化する手段と、数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測する手段と、反射光を Wherein the means for the intensity modulation of light, and means for projecting light intensity-modulated in the measurement object, means for taking out part of the light intensity modulation as the reference light, reflected light from the object to be measured means for receiving and means for measuring the phase difference between the reference light and the reflected light has a means for calculating the distance from the phase difference, the distance measuring device for measuring the distance from the phase difference between the reference light and the reflected light the phase difference measuring means, the reference light and means for measuring and means for digitizing the waveform converting a / D, the digitized waveform data trigonometric function waveform approximate to the phase of the reference light, reflecting the light
    A/D変換して波形を数値化する手段と、数値化された波形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測する手段と、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求める手段から成ることを特徴とする距離測定装置。 Phase difference from means and, quantified and means for measuring the phase of the reflected light waveform data approximates trigonometric function waveform, the reference light phase and phase of the reflected light to quantify the waveform is A / D converted distance measuring apparatus characterized by comprising a means for obtaining.
  3. 【請求項3】 請求項2記載の位相計測手段は、波形データを三角関数波形に近似するとともに波形データの分散を求めて測定値の信頼度として出力する手段を有し、 Phase measurement means 3. A second aspect includes means for outputting the waveform data as the reliability of the measurements determined the variance of the waveform data along approximated to trigonometric function waveform,
    分散が大きいときには距離測定値の信頼性が低いこと、 It is unreliable range measurements when the variance is large,
    また分散が小さいときには測定値の信頼性が高いことを出力することを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device and outputting a higher reliability of the measurement value when the dispersion is small.
  4. 【請求項4】 請求項2記載の位相差計測手段は、位相計測手段が求めた近似三角関数波形とA/D変換により数値化された波形データとの差を求め、この差が大きい波形データをノイズとして除去する手段と、近似三角関数波形との差が小さいデータのみを用いて、再度、近似三角関数波形を求めて正確に位相を求める手段を有することを特徴とする距離測定装置。 Phase difference measurement means 4. A second aspect, obtains a difference between the digitized waveform data by approximating trigonometric function waveform and the A / D conversion by the phase measurement unit determined, this difference is large waveform data and means for removing the noise, using only a small difference data between the approximate trigonometric function waveform, again, the distance measuring apparatus characterized by comprising means for determining the exact phase seeking approximate trigonometric function waveform. 【請求項4】 請求項2記載の位相差計測手段は、あらかじめ求められた距離測定装置に残留する強度変調周波数に同期した周期的ノイズが記憶された手段と、A/D変換により数値化された波形データから周期的ノイズを取り除く減算手段を有し、周期的残留ノイズをキャンセルすることにより誤差を低減し、かつ、高速、高精度に測定することを特徴とする距離計測装置。 4. A phase difference measurement unit of claim 2 wherein the means for synchronizing the periodic noise stored in the intensity modulation frequency remaining in the distance measuring device obtained in advance, is quantified by the A / D converter a subtraction means for removing periodic noise from the waveform data to reduce the error by canceling periodic residual noise, and high speed, the distance measuring apparatus characterized by measuring with high accuracy.
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