WO2021245818A1 - 計測装置、計測方法、および計測プログラム - Google Patents

計測装置、計測方法、および計測プログラム Download PDF

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clock signal
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柳井康祐
藤吉新一
香原美勝
山下悦子
飯田弘一
境克司
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富士通株式会社
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Definitions

  • This case relates to measuring equipment, measuring methods, and measuring programs.
  • a technique for synchronizing a plurality of distance measuring devices including a light emitting element, a MEMS mirror, and a light receiving element is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
  • a correction table is prepared for the correction target range, and the correction table is referred to based on the phase difference acquired in the measuring device to perform position correction. It is difficult to adjust with high resolution because it is not possible to handle outside the correction range prepared in advance. On the other hand, when trying to realize high-resolution adjustment, the contents of the correction table become enormous. Therefore, a technique for detecting the internal clock and the frequency offset of the input data and inserting or deleting the adjustment clock pulse is disclosed (see, for example, Patent Document 2). However, in this technique, since the minute fluctuation caused by the OSC deviation or the like is corrected, the phase difference is finely adjusted. However, if the phase difference is finely adjusted, the followability between the measuring devices is impaired. On the other hand, if a large adjustment is made at one time, there is a concern that damage to the MEMS and unnecessary resonance may occur.
  • the purpose of this case is to provide a measuring device, a measuring method, and a measuring program that can easily synchronize the measuring devices.
  • the measuring device uses a drive signal generator that generates a sinusoidal drive signal according to the clock signal and a resonance frequency according to the drive signal to reflect the output light of the light emitting device.
  • a MEMS mirror that controls the above, a control unit that generates a control signal that controls the timing at which the drive signal generation unit generates the drive signal, and the clock signal according to the phase difference between the target control signal and the control signal. It is provided with a clock signal adjusting unit for adding or deleting a pulse of a reference clock signal for generating the above.
  • the measuring devices can be easily synchronized.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which illustrates the whole structure of the measurement system which concerns on embodiment. It is explanatory drawing of the TOF method.
  • A is a diagram illustrating a slave frame pulse
  • (b) is a diagram illustrating a slave line pulse
  • (c) is a diagram illustrating a vertical drive signal generated according to the timing of the frame pulse.
  • Yes is a diagram illustrating a horizontal drive signal generated according to the timing of the line pulse.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating the details of clock control by the synchronization control unit. It is a flowchart which shows an example of the operation of a measurement system. It is a flowchart which shows an example of the synchronization process of step S23. It is a figure which illustrates the application example of the measurement system. It is a figure which illustrates the hardware configuration.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the measurement system 300 according to the embodiment.
  • the measurement system 300 includes a plurality of measurement devices 100a, 100b, a control device 200, and the like.
  • the plurality of measuring devices 100a and 100b and the control device 200 are network-connected by wire or wirelessly.
  • the measuring device 100a functions as a master and the measuring device 100b functions as a slave.
  • the measuring device 100b includes a light emitting device 11, a MEMS mirror 12, a light receiving lens 13, a light receiving element 14, a main control unit 20, a reference clock generation unit 30, a synchronization control unit 40, a light emission signal generation unit 50, a laser light emission unit 60, and a drive signal. It includes a generation unit 70, a flight time measurement unit 80, and the like.
  • the measuring device 100a also has the same configuration as the measuring device 100b.
  • the light emitting device 11 is a device that emits laser light according to the instructions of the laser light emitting unit 60, and includes a light emitting element such as a semiconductor laser. As an example, the light emitting device 11 emits pulsed light at a predetermined sampling cycle.
  • the light emitting signal generation unit 50 controls the laser light emitting unit 60.
  • the timing at which the laser light emitting unit 60 instructs the light emitting device 11 to emit pulsed light is sent from the light emitting signal generation unit 50 to the flight time measuring unit 80. That is, the flight time measuring unit 80 acquires the emission timing of the pulsed light.
  • the MEMS mirror 12 is a Micro Electrical Mechanical System mirror, which is a mirror that changes the angle of the laser beam emitted in three dimensions.
  • the angle of the emitted laser light changes three-dimensionally by changing the rotation angle of the horizontal axis and the rotation angle of the vertical axis.
  • the rotation angle of the horizontal axis is referred to as a horizontal angle H
  • the rotation angle of the vertical axis is referred to as a vertical angle V.
  • the drive signal generation unit 70 indicates the horizontal angle H and the vertical angle V of the MEMS mirror 12.
  • the pulsed light emitted from the light emitting device 11 is deflected according to the horizontal angle H and the vertical angle V of the MEMS mirror 12.
  • the pulsed light reflected by the MEMS mirror 12 is applied to the distance measuring target, scattered (reflected), and returned to the light receiving lens 13. This return light is collected by the light receiving lens 13 and received by the light receiving element 14.
  • the flight time measuring unit 80 measures the distance to the distance measurement target by adopting the TOF (Time OF Flat) method.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the TOF method. As illustrated in FIG. 2, the flight time measuring unit 80 measures the round-trip time ( ⁇ T) until the light emitting device 11 emits a laser pulse and the return light returns from the distance measurement target, and multiplies the speed of light. By doing so, the distance to the distance measurement target is calculated. Since the flight time measuring unit 80 can measure the distance each time the light emitting device 11 emits the pulsed light, the distance can be measured in the sampling cycle.
  • ⁇ T round-trip time
  • the control device 200 transmits the frequency of the reference clock signal that defines the operation timing of the measuring device 100a and the measuring device 100b to the measuring device 100a and the measuring device 100b.
  • the frequency transmitted from the control device 200 is received by the main control unit 20.
  • the measuring device 100a sends the frame pulse (master frame pulse) and the line pulse (master line pulse) of the measuring device 100a to the inside and the outside of the measuring device 100a.
  • the frame pulse and the line pulse will be described later.
  • the main control unit 20 sends the frequency received from the measuring device 100a to the reference clock generation unit 30.
  • the reference clock generation unit 30 generates a reference clock signal of the received frequency.
  • the reference clock signal generated by the reference clock generation unit 30 is sent to the synchronization control unit 40.
  • the main control unit 20 sends the master line pulse and the correction maximum value to the synchronous control unit 40.
  • the main control unit 20 sends a frame pulse (slave frame pulse) and a line pulse (slave line pulse) to the drive signal generation unit 70, and also sends a slave line pulse to the synchronization control unit 40.
  • the synchronization control unit 40 adjusts the clock signal according to the received master line pulse, slave line pulse, and correction maximum value, and sends the clock signal to the light emission signal generation unit 50 and the drive signal generation unit 70.
  • the operation timing of the light emission signal generation unit 50 and the drive signal generation unit 70 is defined according to the clock signal received from the synchronization control unit 40.
  • the frequency of the clock signal is set lower than the frequency of the reference clock signal.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a slave frame pulse (vertical drive timing signal) output by the main control unit 20.
  • the frame pulse is a signal output by the MEMS mirror 12 at the scanning start timing of the scanning range. Therefore, the frame pulse is output every time the MEMS mirror 12 scans the scanning range once.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a slave line pulse (horizontal drive timing signal) output by the main control unit 20.
  • the line pulse is a signal output by the MEMS mirror 12 at the scanning start timing of each line in the scanning range. Therefore, the line pulse is output each time the MEMS mirror 12 scans each line once.
  • the scanning range includes 1000 lines. Therefore, the line pulse is output 1000 times in one cycle of the frame pulse.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating a vertical drive signal generated by the drive signal generation unit 70 according to the timing of the frame pulse.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the relative scanning angle in the vertical direction.
  • the "-1" on the vertical axis represents the smallest scanning angle in the vertical direction.
  • the “1” on the vertical axis represents the largest scanning angle in the vertical direction.
  • the vertical scanning angle in the vertical direction linearly changes from “-1" to “1” while the horizontal reciprocation is performed 880 times. After that, the scanning angle in the vertical direction linearly changes from "1" to "-1” while the horizontal reciprocation is performed 120 times. In this way, while the horizontal reciprocation is performed 1000 times, the vertical reciprocation is performed once.
  • the frequency at which the vertical reciprocation is repeated is about 28 Hz, and the frequency at which the horizontal reciprocation is repeated is about 28 kHz.
  • FIG. 3D is a diagram illustrating a horizontal drive signal generated by the drive signal generation unit 70 according to the timing of the line pulse.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the horizontal relative scanning angle.
  • the "-1" on the vertical axis represents the smallest scanning angle in the horizontal direction.
  • “1” on the vertical axis represents the largest scanning angle in the horizontal direction.
  • the horizontal drive signal is a sine wave.
  • sampling of 40 points is performed on the outward route from "0.95" to "-0.95", and the following "-0.95" to "0.95". 40 points of sampling (distance measurement) are performed on the return trip to.
  • the sampling interval is 320 ns as an example.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the invalid pixel region and the effective pixel region during one round trip in the vertical direction.
  • the example of FIG. 4 represents a raster scanning specification.
  • the effective pixel area is an area where sampling is performed.
  • the invalid pixel area is an area where sampling is not performed.
  • the number of invalid lines is 200 and the number of valid lines is 800. Further, a part of the horizontal outward path becomes an effective pixel area, and a part of the horizontal return path becomes an effective pixel area.
  • the MEMS mirror 12 uses normal resonance for at least one of the two horizontal and vertical axes in order to increase the scanning speed and the drive angle.
  • normal resonance is used in the horizontal direction where the number of round trips is large.
  • the resonance frequency may vary from individual to individual due to variations during manufacturing. Therefore, for example, when raster scanning is performed with horizontal resonance and vertical non-resonance, the scanning speed in the horizontal direction differs for each individual, and the frame rate may differ.
  • the large jitter generated by forcibly adjusting the MEMS mirrors 12 with different resonance frequencies to the reference frequency is stable in a system that requires fine control of nanosecond order at the same time as applying a load to the MEMS mirror 12. It can be a factor that lacks sex.
  • a highly accurate mechanism for synchronizing the phases of drive signals between a plurality of measuring devices having different resonance frequencies of the MEMS mirror 12 is required while minimizing jitter.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating the details of the synchronization control unit 40.
  • the synchronization control unit 40 includes a switching clock generation unit 41, a phase comparison unit 42, and a clock switching unit 43.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating the details of the phase comparison unit 42.
  • the phase comparison unit 42 includes a phase offset calculation unit 44 and a correction comparison unit 45.
  • the phase offset calculation unit 44 includes a count start unit 46, a count end unit 47, and a difference detection unit 48.
  • the master line pulse is sent to the count start unit 46.
  • the slave line pulse is sent to the count end unit 47.
  • the correction maximum value is sent to the correction comparison unit 45.
  • the reference clock signal defines the operation timing of the switching clock generation unit 41 and the phase offset calculation unit 44.
  • the switching clock generation unit 41 generates a switching clock for adjusting the phase of the clock signal (addition and deletion of pulses of the reference clock signal) from the reference clock signal.
  • the count start unit 46 starts counting at the rising timing of the master line pulse.
  • the count end unit 47 ends the count at the rising timing of the slave line pulse.
  • the difference detection unit 48 detects the phase difference between the master line pulse and the slave line pulse by using the count start of the count start unit 46 and the count end of the count end unit 47.
  • the correction comparison unit 45 outputs the clock switching signal generated by referring to the phase difference and the correction maximum value detected by the difference detection unit 48 to the clock switching unit 43.
  • the correction comparison unit 45 determines whether or not the phase difference detected by the difference detection unit 48 exceeds the correction maximum value. If it is determined that the value is exceeded, the correction comparison unit 45 replaces the phase difference with the correction maximum value.
  • the maximum correction value can be arbitrarily set from the control device 200.
  • the clock switching unit 43 adds and deletes the phase of the clock signal by switching between the 0 phase and the ⁇ phase of the switching clock according to the clock switching signal received from the phase comparison unit 42. As a result, a tuned clock signal is generated.
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are diagrams illustrating details of clock signal adjustment by the synchronization control unit 40.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a case where the phase of the slave line pulse is delayed with respect to the master line pulse.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a case where the phase of the slave line pulse is advanced with respect to the master line pulse.
  • a part of the clock signal is deleted, and the clock signal is shifted in the direction in which the phase is delayed.
  • a clock is inserted into the clock signal and shifted in the direction in which the phase advances.
  • the 0 phase and ⁇ phase of the clock signal are switched, and the pulse of the reference clock signal is added and deleted, so that fine resolution according to the clock signal speed is achieved. It is possible to make adjustments with. As a result, the maximum adjustment value can be set arbitrarily. As a result, the load applied to the MEMS mirror 12 at the time of phase correction can be reduced, the jitter characteristics associated with the phase correction can be improved, and the phase difference between the two signals can be eliminated.
  • the timing of the line pulse is matched between the plurality of measuring devices, but the timing is not limited to this.
  • the phase difference between the master line pulse and the slave line pulse may be adjusted so that the timing difference of the line pulse between the plurality of measuring devices becomes a specified value.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the operation of the measurement system 300. As illustrated in FIG. 8, the control device 200 transmits the frequency to the measuring device 100a and the measuring device 100b (step S1).
  • the main control unit 20 of the measuring device 100a generates a master line pulse using the reference clock signal of the frequency received from the control device 200 (step S11), and generates a master frame pulse (step S12).
  • the main control unit 20 of the measuring device 100a transfers the master line pulse to the measuring device 100b (step S13), and transfers the master frame pulse to the measuring device 100b (step S14).
  • the laser light emitting unit 60 emits pulsed light in the sampling cycle
  • the drive signal generation unit 70 generates a drive signal according to the master frame pulse and the master line pulse to control the MEMS mirror 12.
  • the flight time measuring unit 80 measures the distance in the sample ring cycle (step S15).
  • the main control unit 20 of the measuring device 100b generates a slave line pulse using the reference clock signal of the frequency received from the control device 200 (step S21), and generates a slave frame pulse (step S22).
  • the synchronization control unit 40 performs synchronization processing (step S23).
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of the synchronization process in step S23.
  • the drive signal generation unit 70 drives the MEMS mirror 12 in a drive cycle corresponding to the slave frame pulse and the slave line pulse (step S31).
  • the phase comparison unit 42 acquires the phase difference between the master line pulse and the slave line pulse (step S32).
  • the correction comparison unit 45 generates a clock switching instruction signal based on the acquired phase difference (step S33).
  • the clock switching unit 43 switches between the 0 phase and the ⁇ phase of the switching internal clock based on the clock switching instruction (step S34).
  • the synchronization process is completed by the above steps S31 to S34.
  • the laser light emitting unit 60 emits pulsed light in the sampling cycle
  • the drive signal generation unit 70 generates a drive signal according to the master frame pulse and the master line pulse to control the MEMS mirror 12.
  • the flight time measuring unit 80 measures the distance in the sample ring cycle (step S24).
  • the synchronization between the measuring device 100a and the measuring device 100b has been described, but the number of devices to be synchronized may be 3 or more.
  • a measuring device 100c having the same configuration as the measuring device 100a and the measuring device 100b may be provided.
  • the measuring device 100a functioning as a master may transfer the master line pulse and the master frame pulse to the measuring device 100b and the measuring device 100c functioning as slaves.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an application example of the measurement system 300.
  • a plurality of measuring devices 100a to 100d are installed. These measuring devices 100a to 100d are installed so as to surround the object to be measured (gymnast in the example of FIG. 10).
  • the measuring devices 100a to 100d are installed so as to be sandwiched from the front and back of the athlete. Thereby, detailed 3D data of the athlete can be measured.
  • FIG. 11 describes the hardware configuration of the main control unit 20, the reference clock generation unit 30, the synchronization control unit 40, the light emission signal generation unit 50, the laser light emission unit 60, the drive signal generation unit 70, and the flight time measurement unit 80. It is a block diagram for. As illustrated in FIG. 11, each of these parts is realized by a CPU 101, a RAM 102, a storage device 103, an interface 104, and the like. Each of these devices is connected by a bus or the like.
  • the CPU (Central Processing Unit) 101 is a central processing unit.
  • the CPU 101 includes one or more cores.
  • the RAM (Random Access Memory) 102 is a volatile memory that temporarily stores a program executed by the CPU 101, data processed by the CPU 101, and the like.
  • the storage device 103 is a non-volatile storage device.
  • a ROM Read Only Memory
  • SSD solid state drive
  • the main control unit 20 the reference clock generation unit 30, the synchronization control unit 40, the light emission signal generation unit 50, the laser light emission unit 60, the drive signal generation unit 70, And the flight time measuring unit 80 is realized.
  • the main control unit 20, the reference clock generation unit 30, the synchronization control unit 40, the light emission signal generation unit 50, the laser light emission unit 60, the drive signal generation unit 70, and the flight time measurement unit 80 are ASICs (Application Specific Integrated Circuits). It may be realized by an integrated circuit such as FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the synchronization control unit 40, the light emission signal generation unit 50, and the drive signal generation unit 70 may be realized by the FPGA.
  • the main control unit 20, the reference clock generation unit 30, the synchronization control unit 40, the light emission signal generation unit 50, the laser light emission unit 60, the drive signal generation unit 70, and the flight time measurement unit 80 are dedicated circuits or the like. May be good.
  • the drive signal generation unit 70 is an example of a drive signal generation unit that generates a sine wave drive signal according to a clock signal.
  • the MEMS mirror 12 is an example of a MEMS mirror that controls the reflection direction of the output light of the light emitting device by using the resonance frequency according to the drive signal.
  • the main control unit 20 is an example of a control unit that generates a control signal that controls the timing at which the drive signal generation unit generates the drive signal.
  • the slave line pulse is an example of a control signal.
  • the master line pulse is an example of a target control signal.
  • the phase comparison unit 42 is an example of an instruction generation unit that generates a clock switching instruction from the phase difference.
  • the switching clock generation unit 41 is an example of a switching clock generation unit that generates a switching clock for adjustment according to the reference clock signal.
  • the clock switching unit 43 is an example of a clock switching unit that switches the clock of the clock signal using the switching clock in response to the clock switching instruction.

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Abstract

計測装置は、クロック信号に応じて正弦波の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記駆動信号に応じて、共振周波数を利用して、発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーと、前記駆動信号生成部が前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する制御部と、目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、前記クロック信号を生成するための基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なうクロック信号調整部と、を備える。　

Description

計測装置、計測方法、および計測プログラム
　本件は、計測装置、計測方法、および計測プログラムに関する。
　発光素子、ＭＥＭＳミラーおよび受光素子を備えた複数の距離計測装置を同期させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１８－６３２２８号公報 特開昭６２－１６６１７２号公報
　しかしながら、上記技術では、補正対象範囲に対して補正テーブルを用意し、計測装置内で取得した位相差に基づいて補正テーブルを参照し、位置補正を行なっている。予め用意した補正範囲外には対応できないため、高分解能の調整が困難である。一方で、高分解能の調整を実現しようとすると、補正テーブルの内容が膨大になってしまう。そこで、内部クロックと入力データの周波数オフセットとを検出し、調整クロックパルスの挿入や削除を行なう技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この技術では、ＯＳＣ偏差などに起因する微小なゆらぎを補正するものであるため、位相差が細かく調整される。しかしながら、位相差を細かく調整していては、計測装置間の追従性が損なわれる。一方、１度に大きく調整しようとすると、ＭＥＭＳへのダメージや不要共振の発生が懸念される。
　１つの側面では、本件は、簡易に計測装置間を同期させることができる計測装置、計測方法および計測プログラムを提供することを目的とする。
　１つの態様では、計測装置は、クロック信号に応じて正弦波の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記駆動信号に応じて、共振周波数を利用して、発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーと、前記駆動信号生成部が前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する制御部と、目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、前記クロック信号を生成するための基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なうクロック信号調整部と、を備える。
　簡易に計測装置間を同期させることができる。
実施形態に係る計測システムの全体構成を例示する概略図である。 ＴＯＦ方式の説明図である。 （ａ）はスレーブフレームパルスを例示する図であり、（ｂ）はスレーブラインパルスを例示する図であり、（ｃ）はフレームパルスのタイミングに応じて生成される垂直駆動信号を例示する図であり、（ｄ）はラインパルスのタイミングに応じて生成される水平駆動信号を例示する図である。 垂直方向の１往復の間の無効画素領域と有効画素領域との関係を例示する図である。 同期制御部の詳細を例示するブロック図である。 位相比較部の詳細を例示するブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は同期制御部によるクロック制御の詳細を例示する図である。 計測システムの動作の一例を表すフローチャートである ステップＳ２３の同期処理の一例を表すフローチャートである。 計測システムの適用例を例示する図である。 ハードウェア構成を例示する図である。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
（実施形態）
　図１は、実施形態に係る計測システム３００の全体構成を例示する概略図である。図１で例示するように、計測システム３００は、複数の計測装置１００ａ，１００ｂ、制御装置２００などを備える。複数の計測装置１００ａ，１００ｂおよび制御装置２００は、有線または無線によりネットワーク接続されている。本実施形態においては、計測装置１００ａがマスタとして機能し、計測装置１００ｂがスレーブとして機能する。
　計測装置１００ｂは、発光装置１１、ＭＥＭＳミラー１２、受光レンズ１３、受光素子１４、メイン制御部２０、基準クロック生成部３０、同期制御部４０、発光信号生成部５０、レーザ発光部６０、駆動信号生成部７０、飛行時間測定部８０などを備える。計測装置１００ａも、計測装置１００ｂと同様の構成を有する。
　発光装置１１は、レーザ発光部６０の指示に従ってレーザ光を出射する装置であり、半導体レーザなどの発光素子を備える。発光装置１１は、一例として、所定のサンプリング周期でパルス光を出射する。発光信号生成部５０は、レーザ発光部６０を制御する。レーザ発光部６０が発光装置１１にパルス光の出射を指示するタイミングは、発光信号生成部５０から飛行時間測定部８０に送られる。すなわち、飛行時間測定部８０は、パルス光の出射タイミングを取得する。
　ＭＥＭＳミラー１２は、Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍミラーであって、３次元に出射するレーザ光の角度を変化させるミラーである。ＭＥＭＳミラー１２は、水平軸の回転角度および垂直軸の回転角度が変化することによって、出射するレーザ光の角度が３次元に変化する。水平軸の回転角度を水平角度Ｈと称し、垂直軸の回転角度を垂直角度Ｖと称する。駆動信号生成部７０は、ＭＥＭＳミラー１２の水平角度Ｈおよび垂直角度Ｖを指示する。発光装置１１から出射されたパルス光は、ＭＥＭＳミラー１２の水平角度Ｈおよび垂直角度Ｖに応じて偏向される。
　ＭＥＭＳミラー１２によって反射されたパルス光は、測距対象に照射され、散乱（反射）され、受光レンズ１３に戻る。この戻り光は、受光レンズ１３で集光され、受光素子１４で受光される。
　飛行時間測定部８０は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ＯＦ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式を採用することによって、測距対象までの距離を測定する。図２は、ＴＯＦ方式の説明図である。図２で例示するように、飛行時間測定部８０は、発光装置１１がレーザパルスを出射して戻り光が測距対象から戻ってくるまでの往復時間（ΔＴ）を計測し、光速を乗算することによって、測距対象までの距離を算出する。飛行時間測定部８０は、発光装置１１がパルス光を射出するごとに距離計測を行なうことができるため、サンプリング周期で距離計測を行なうことができる。
　制御装置２００は、計測装置１００ａおよび計測装置１００ｂの動作タイミングを規定する基準クロック信号の周波数を、計測装置１００ａおよび計測装置１００ｂに送信する。制御装置２００から送信された周波数は、メイン制御部２０が受信する。
　計測装置１００ａは、計測装置１００ａのフレームパルス（マスタフレームパルス）およびラインパルス（マスタラインパルス）を、計測装置１００ａ内と外部とに送る。フレームパルスおよびラインパルスについては、後述する。
　メイン制御部２０は、計測装置１００ａから受信した周波数を基準クロック生成部３０に送る。基準クロック生成部３０は、受け取った周波数の基準クロック信号を生成する。基準クロック生成部３０が生成した基準クロック信号は、同期制御部４０に送られる。また、メイン制御部２０は、マスタラインパルス、および補正最大値を同期制御部４０に送る。また、メイン制御部２０は、フレームパルス（スレーブフレームパルス）およびラインパルス（スレーブラインパルス）を駆動信号生成部７０に送るとともに、スレーブラインパルスを同期制御部４０に送る。
　同期制御部４０は、受け取ったマスタラインパルス、スレーブラインパルスおよび補正最大値に応じてクロック信号を調整し、発光信号生成部５０および駆動信号生成部７０に送る。発光信号生成部５０および駆動信号生成部７０の動作タイミングは、同期制御部４０から受け取ったクロック信号に応じて規定される。なお、クロック信号の周波数は、基準クロック信号の周波数よりも低く設定されている。
　ＭＥＭＳミラー１２は、垂直軸および水平軸の２軸で駆動することで、発光装置１１からの反射光を走査範囲内で走査する。図３（ａ）は、メイン制御部２０が出力するスレーブフレームパルス（垂直駆動タイミング信号）を例示する図である。フレームパルスは、ＭＥＭＳミラー１２が走査範囲の走査開始タイミングで出力される信号である。したがって、フレームパルスは、ＭＥＭＳミラー１２が走査範囲を１度走査するごとに出力される。
　図３（ｂ）は、メイン制御部２０が出力するスレーブラインパルス（水平駆動タイミング信号）を例示する図である。ラインパルスは、ＭＥＭＳミラー１２が走査範囲の各ラインの走査開始タイミングで出力される信号である。したがって、ラインパルスは、ＭＥＭＳミラー１２が各ラインを１度走査するごとに出力される。本実施形態においては、走査範囲に１０００本のラインが含まれている。したがって、フレームパルスの１周期に、ラインパルスが１０００回出力されることになる。
　図３（ｃ）は、フレームパルスのタイミングに応じて駆動信号生成部７０で生成される垂直駆動信号を例示する図である。図３（ｃ）において、横軸は時間を表し、縦軸は垂直方向の相対走査角度を表す。縦軸の「－１」が、垂直方向の最も小さい走査角度を表している。縦軸の「１」が、垂直方向の最も大きい走査角度を表している。この垂直方向の相対走査角度が「－１」と「１」との間を往復することで、垂直方向の走査角度が一往復する。垂直方向の相対走査角度を１０００分割した各角度は、各ラインに対応する。
　図３（ａ）で例示するフレームパルスのタイミングから次のフレームパルスのタイミングまでに、垂直方向の走査角度の一往復が完了する。本実施形態においては、一例として、水平方向の往復が８８０回行われる間に、垂直方向の走査角度が「－１」から「１」まで線形変化する。その後、水平方向の往復が１２０回行われる間に、垂直方向の走査角度が「１」から「－１」に線形変化する。このように、水平方向の往復が１０００回行われる間に、垂直方向の往復が１回行われる。垂直方向の往復が繰り返される周波数は約２８Ｈｚであり、水平方向の往復が繰り返される周波数は約２８ｋＨｚである。
　図３（ｄ）は、ラインパルスのタイミングに応じて駆動信号生成部７０で生成される水平駆動信号を例示する図である。図３（ｄ）において、横軸は時間を表し、縦軸は水平方向の相対走査角度を表す。縦軸の「－１」が、水平方向の最も小さい走査角度を表している。縦軸の「１」が、水平方向の最も大きい走査角度を表している。この水平方向の相対走査角度が「－１」と「１」との間を往復することで、水平方向の走査角度が一往復する。水平駆動信号は、正弦波となる。
　図３（ｂ）で例示するラインパルスのタイミングから次のラインパルスのタイミングまでに、水平方向の走査角度の一往復が完了する。本実施形態においては、一例として、「０．９５」から「－０．９５」までの往路で４０点のサンプリング（距離計測）が行われ、次の「－０．９５」から「０．９５」までの復路で４０点のサンプリング（距離計測）が行われる。サンプリング間隔は、一例として、３２０ｎｓである。
　図４は、このような垂直方向の１往復の間の、無効画素領域と有効画素領域との関係を例示する図である。図４の例は、ラスター走査仕様を表している。有効画素領域とは、サンプリングが行われる領域である。無効画素領域とは、サンプリングが行われない領域である。図４で例示するように、無効ラインは２００ラインとなり、有効ラインは８００ラインとなる。また、水平往路の一部が有効画素領域となり、水平復路の一部が有効画素領域となる。
　ＭＥＭＳミラー１２は、走査速度を大きくしかつ駆動角度を大きくするために、水平軸および垂直軸の２軸のうち少なくとも１軸については、通常共振を利用している。本実施形態においては、往復回数が多い水平方向に通常共振が利用されている。共振周波数は、製造時のバラツキにより個体差が生じる場合がある。したがって、たとえば、水平共振および垂直非共振でラスタースキャンを行った場合、個体毎に水平方向の走査速度が異なり、フレームレートが異なるおそれがある。共振周波数の異なるＭＥＭＳミラー１２を強制的に基準となる周波数に合わせ込む事により発生する大きなジッタは、ＭＥＭＳミラー１２に負荷をかけると同時にナノ秒オーダの微細な制御を必要とするシステムにおいて、安定性を欠く要因となり得る。ジッタを最小限に抑えつつ、ＭＥＭＳミラー１２の共振周波数の異なる複数計測装置間の駆動信号の位相を同期する高精度な仕組みが求められる。
　そこで、本実施形態においては、複数の計測装置間でＭＥＭＳミラー１２の個体差に起因する共振点のズレを補正し、複数の計測装置を同期動作させる構成を有している。
　図５は、同期制御部４０の詳細を例示するブロック図である。図５で例示するように、同期制御部４０は、切替クロック生成部４１、位相比較部４２、およびクロック切替部４３を備える。図６は、位相比較部４２の詳細を例示するブロック図である。図６で例示するように、位相比較部４２は、位相オフセット算出部４４および補正比較部４５を備える。位相オフセット算出部４４は、カウント開始部４６、カウント終了部４７、および差分検出部４８を備える。
　マスタラインパルスは、カウント開始部４６に送られる。スレーブラインパルスは、カウント終了部４７に送られる。補正最大値は、補正比較部４５に送られる。基準クロック信号は、切替クロック生成部４１および位相オフセット算出部４４の動作タイミングを規定する。
　切替クロック生成部４１は、クロック信号の位相調整（基準クロック信号のパルスの追加および削除）を行なうための切替用クロックを、当該基準クロック信号から生成する。
　カウント開始部４６は、マスタラインパルスの立ち上がりタイミングでカウントを開始する。カウント終了部４７は、スレーブラインパルスの立ち上がりタイミングでカウントを終了する。差分検出部４８は、カウント開始部４６のカウント開始とカウント終了部４７のカウント終了とを用いて、マスタラインパルスとスレーブラインパルスとの間の位相差を検出する。
　補正比較部４５は、差分検出部４８が検出した位相差および補正最大値を参照して生成したクロック切替信号をクロック切替部４３に出力する。補正比較部４５は、差分検出部４８が検出した位相差が補正最大値を上回っているか否かを判定する。上回っていると判定された場合、補正比較部４５は、位相差を補正最大値で置き換える。補正最大値は、制御装置２００から任意に設定することができる。
　クロック切替部４３は、位相比較部４２から受け取ったクロック切替信号によって切替クロックの０相とπ相とを切り替えることで、クロック信号の位相の追加および削除を行なう。それにより、調整されたクロック信号が生成される。
　図７（ａ）および図７（ｂ）は、同期制御部４０によるクロック信号調整の詳細を例示する図である。図７（ａ）は、マスタラインパルスに対してスレーブラインパルスの位相が遅れている場合を例示する図である。図７（ｂ）は、マスタラインパルスに対してスレーブラインパルスの位相が進んでいる場合を例示する図である。
　図７（ａ）の例では、クロック信号の一部が削除され、位相が遅れる方向にシフトさせる。図７（ｂ）の例では、クロック信号にクロックが挿入され、位相が進む方向にシフトさせる。
　このように、２信号間の位相差を調整するにあたり、クロック信号の０相およびπ相を切り替えて、基準クロック信号のパルスの追加および削除を行なうことで、クロック信号速度に応じた細かな分解能での調整が可能となる。それにより、調整の最大値を任意に設定することができるようになる。その結果、位相補正時にＭＥＭＳミラー１２にかかる負荷を低減することができるとともに、位相補正に伴うジッタ特性が改善され、２信号間の位相差を解消することができるようになる。
　なお、本実施形態においては、補正テーブルなどを用意しなくてもよい。したがって、膨大な補正テーブルを用意しなくても、広い走査範囲に対して高分解能を実現することができる。また、ＯＳＣ偏差などに起因する微小なゆらぎを補正するものではないため、計測装置間の追従性が良好となる。また、大きなゆらぎ(位相ずれ)の補正調整最大値を任意設定することで、過度な補正がかからないようにし、ＭＥＭＳミラー１２へのダメージを防ぎつつ、良好な追従性を実現することができる。
　以上のことから、本実施形態によれば、簡易に計測装置間を同期させることができる。
　なお、図７（ａ）および図７（ｂ）の例では、複数の計測装置間で、ラインパルスのタイミングを一致させているが、それに限られない。複数の計測装置間でラインパルスのタイミング差が規定値となるように、マスタラインパルスとスレーブラインパルスとの位相差を調整してもよい。
　図８は、計測システム３００の動作の一例を表すフローチャートである。図８で例示するように、制御装置２００は、周波数を計測装置１００ａおよび計測装置１００ｂに送信する（ステップＳ１）。
　計測装置１００ａのメイン制御部２０は、制御装置２００から受信した周波数の基準クロック信号を用いてマスタラインパルスを生成し（ステップＳ１１）、マスタフレームパルスを生成する（ステップＳ１２）。計測装置１００ａのメイン制御部２０は、マスタラインパルスを計測装置１００ｂに転送し（ステップＳ１３）、マスタフレームパルスを計測装置１００ｂに転送する（ステップＳ１４）。その後、計測装置１００ａにおいて、レーザ発光部６０はサンプリング周期でパルス光を出射し、駆動信号生成部７０はマスタフレームパルスおよびマスタラインパルスに応じて駆動信号を生成してＭＥＭＳミラー１２を制御する。飛行時間測定部８０は、サンプルリング周期で距離測定を行なう（ステップＳ１５）。
　計測装置１００ｂのメイン制御部２０は、制御装置２００から受信した周波数の基準クロック信号を用いてスレーブラインパルスを生成し（ステップＳ２１）、スレーブフレームパルスを生成する（ステップＳ２２）。次に、同期制御部４０は、同期処理を行なう（ステップＳ２３）。
　図９は、ステップＳ２３の同期処理の一例を表すフローチャートである。図９で例示するように、駆動信号生成部７０は、スレーブフレームパルスおよびスレーブラインパルスに応じた駆動周期でＭＥＭＳミラー１２を駆動する（ステップＳ３１）。次に、位相比較部４２は、マスタラインパルスとスレーブラインパルスとの位相差を取得する（ステップＳ３２）。次に、補正比較部４５は、取得した位相差に基づいてクロック切替指示信号を生成する（ステップＳ３３）。次に、クロック切替部４３は、クロック切替指示に基づき、切替用内部クロックの０相とπ相とを切り替える（ステップＳ３４）。以上のステップＳ３１～ステップＳ３４によって、同期処理が完了する。
　その後、計測装置１００ｂにおいて、レーザ発光部６０はサンプリング周期でパルス光を出射し、駆動信号生成部７０はマスタフレームパルスおよびマスタラインパルスに応じて駆動信号を生成してＭＥＭＳミラー１２を制御する。飛行時間測定部８０は、サンプルリング周期で距離測定を行なう（ステップＳ２４
　上記実施形態では、計測装置１００ａと計測装置１００ｂとの間の同期について説明したが、同期させる装置数は、３以上であってもよい。例えば、計測装置１００ａおよび計測装置１００ｂに加えて、計測装置１００ａおよび計測装置１００ｂと同様の構成を有する計測装置１００ｃが備わっていてもよい。例えば、マスタとして機能する計測装置１００ａが、スレーブとして機能する計測装置１００ｂおよび計測装置１００ｃに、マスタラインパルスおよびマスタフレームパルスを転送してもよい。
　図１０は、計測システム３００の適用例を例示する図である。図１０で例示するように、複数の計測装置１００ａ～１００ｄを設置する。これらの計測装置１００ａ～１００ｄは、測定対象物（図１０の例では体操選手）を取り囲むように設置される。選手自身の体の一部や、器具によって、陰ができ、選手の体の３Ｄデータが取得できない部分が生じるおそれがある。そこで、選手の表裏から挟み込むように計測装置１００ａ～１００ｄを設置する。それにより、選手の詳細な３Ｄデータを測定することができる。このように向かい合うことにより、より干渉が乗りやすくなるので、上記実施形態のような同期技術を用いて干渉を回避することができるようになる。
　図１１は、メイン制御部２０、基準クロック生成部３０、同期制御部４０、発光信号生成部５０、レーザ発光部６０、駆動信号生成部７０、および飛行時間測定部８０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１１で例示するように、これらの各部は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などによって実現される。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されているプログラムを実行することによって、メイン制御部２０、基準クロック生成部３０、同期制御部４０、発光信号生成部５０、レーザ発光部６０、駆動信号生成部７０、および飛行時間測定部８０が実現される。なお、メイン制御部２０、基準クロック生成部３０、同期制御部４０、発光信号生成部５０、レーザ発光部６０、駆動信号生成部７０、および飛行時間測定部８０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現されてもよい。例えば、同期制御部４０、発光信号生成部５０および駆動信号生成部７０がＦＰＧＡによって実現されてもよい。または、メイン制御部２０、基準クロック生成部３０、同期制御部４０、発光信号生成部５０、レーザ発光部６０、駆動信号生成部７０、および飛行時間測定部８０は、専用の回路などであってもよい。
　上記各例において、駆動信号生成部７０が、クロック信号に応じて正弦波の駆動信号を生成する駆動信号生成部の一例である。ＭＥＭＳミラー１２が、前記駆動信号に応じて、共振周波数を利用して、発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーの一例である。メイン制御部２０が、前記駆動信号生成部が前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する制御部の一例である。スレーブラインパルスが、制御信号の一例である。マスタラインパルスが、目標制御信号の一例である。同期制御部４０が、目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なうことで前記クロック信号を調整するクロック信号調整部の一例である。位相比較部４２が、前記位相差分からクロック切替指示を生成する指示生成部の一例である。切替クロック生成部４１が、前記基準クロック信号に応じて調整用の切替クロックを生成する切替クロック生成部の一例である。クロック切替部４３が、前記クロック切替指示に応じて、前記切替クロックを用いて前記クロック信号のクロックを切り替えるクロック切替部の一例である。
　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　１１　発光装置
　１２　ＭＥＭＳミラー
　１３　受光レンズ
　１４　受光素子
　２０　メイン制御部
　３０　基準クロック生成部
　４０　同期制御部
　４１　切替クロック生成部
　４２　位相比較部
　４３　クロック切替部
　４４　位相オフセット算出部
　４５　補正比較部
　４６　カウント開始部
　４７　カウント終了部
　４８　差分検出部
　５０　発光信号生成部
　６０　レーザ発光部
　７０　駆動信号生成部
　８０　飛行時間測定部
　１００ａ，１００ｂ　計測装置
　２００　制御装置
　３００　計測システム

Claims (12)

  1. 　クロック信号に応じて正弦波の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
    　前記駆動信号に応じて、共振周波数を利用して、発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーと、
    　前記駆動信号生成部が前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する制御部と、
    　目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、前記クロック信号を生成するための基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なうクロック信号調整部と、を備えることを特徴とする計測装置。
  2. 　前記目標制御信号は、他の計測装置が、当該他の計測装置が有するＭＥＭＳミラーを駆動するための駆動信号を生成するタイミングを制御する信号であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
  3. 　前記クロック信号調整部は、
    　前記位相差分からクロック切替指示を生成する指示生成部と、
    　前記基準クロック信号に応じて調整用の切替クロックを生成する切替クロック生成部と、
    　前記クロック切替指示に応じて、前記切替クロックを用いて前記クロック信号のクロックを切り替えるクロック切替部と、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
  4. 　前記クロック信号調整部のクロック調整量に最大値が定められていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の計測装置。
  5. 　コンピュータが、
    　共振周波数を利用して発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーを駆動する正弦波の駆動信号を、クロック信号に応じて生成する処理と、
    　前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する処理と、
    　目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、前記クロック信号を生成するための基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なう処理と、を実行することを特徴とする計測方法。
  6. 　前記目標制御信号は、他の計測装置が、当該他の計測装置が有するＭＥＭＳミラーを駆動するための駆動信号を生成するタイミングを制御する信号であることを特徴とする請求項５に記載の計測方法。
  7. 　前記コンピュータは、
    　前記位相差分からクロック切替指示を生成する処理と、
    　前記基準クロック信号に応じて調整用の切替クロックを生成する処理と、
    　前記クロック切替指示に応じて、前記切替クロックを用いて前記クロック信号のクロックを切り替える処理と、を実行することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の計測方法。
  8. 　クロック調整量に最大値が定められていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の計測方法。
  9. 　コンピュータに、
    　共振周波数を利用して発光装置の出力光の反射方向を制御するＭＥＭＳミラーを駆動する正弦波の駆動信号を、クロック信号に応じて生成する処理と、
    　前記駆動信号を生成するタイミングを制御する制御信号を生成する処理と、
    　目標制御信号と前記制御信号との位相差分に応じて、前記クロック信号を生成するための基準クロック信号のパルスの追加または削除を行なう処理とを、実行させることを特徴とする計測プログラム。
  10. 　前記目標制御信号は、他の計測装置が、当該他の計測装置が有するＭＥＭＳミラーを駆動するための駆動信号を生成するタイミングを制御する信号であることを特徴とする請求項９に記載の計測プログラム。
  11. 　前記コンピュータに、
    　前記位相差分からクロック切替指示を生成する処理と、
    　前記基準クロック信号に応じて調整用の切替クロックを生成する処理と、
    　前記クロック切替指示に応じて、前記切替クロックを用いて前記クロック信号のクロックを切り替える処理と、を実行させることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の計測プログラム。
  12. 　クロック調整量に最大値が定められていることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の計測プログラム。
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