JP2010197118A - Distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、距離を測定したいターゲットに向けてパルス状のレーザ光を照射し、ターゲットからの散乱光を受光することにより、レーザ光の送光時刻と受光時刻との時間差からターゲットまでの距離を計測する距離測定装置、特に、ターゲットからの複数の散乱光をそれぞれ検知するマルチチャンネル距離測定装置に関する。 The present invention irradiates the target whose distance is to be measured with a pulsed laser beam and receives the scattered light from the target, so that the distance to the target can be determined from the time difference between the laser beam transmission time and the light reception time. More particularly, the present invention relates to a multi-channel distance measurement device that detects a plurality of scattered lights from a target.
この種の従来例1は、4つの半導体レーザ素子(LD素子)から測定対象物に向け所定の順序で送り出される出射光を、同数の受光素子で受光するまでの時間を4系統にそれぞれ設けられたカウンタ部により計数している(特許文献1)。計数を行うクロックの周期は、通常、測定対象までの距離分解能に依存し、高分解能が要求される場合には短周期となる。したがって、この従来方式によれば、高速クロックにより動作するカウンタが受光系統数だけ必要となり、装置の規模および消費電力が増大することになる。 Conventional example 1 of this type is provided with four systems each for the time until light emitted from four semiconductor laser elements (LD elements) toward a measurement object in a predetermined order is received by the same number of light receiving elements. It is counted by the counter unit (Patent Document 1). The period of the clock for performing the counting usually depends on the distance resolution to the measurement object, and becomes a short period when high resolution is required. Therefore, according to this conventional method, counters that operate with a high-speed clock are required for the number of light receiving systems, and the scale and power consumption of the apparatus increase.
また、従来例2は、検知器が光子の入射以外の熱電子によるダークカウント(誤動作)を行った場合の対策として、同一ターゲットからの散乱光を光学的に分岐した複数の受光系統と、各受光系統におけるレーザ光の送出から受光までの時間を計数する同数のカウンタ回路を設け、相関の少ない計数値を排除するようにしている(特許文献2)。本方式の場合も、上述と同様な問題点がある上に、複数の測距回路の計数結果を元に演算部が個別に測距値を計算するため処理が複雑化する。 Conventional example 2 has a plurality of light receiving systems in which scattered light from the same target is optically branched as a countermeasure when the detector performs dark counting (malfunction) by thermal electrons other than the incidence of photons, The same number of counter circuits that count the time from the transmission of the laser light to the light reception in the light receiving system are provided to eliminate count values with little correlation (Patent Document 2). In the case of this method, there are the same problems as described above, and the calculation unit individually calculates distance values based on the counting results of a plurality of distance measuring circuits, and the processing becomes complicated.
特開平7−198850号公報
特開平9−101368号公報
JP-A-7-198850 JP-A-9-101368
解決しようとする問題点は、ターゲットからの複数の散乱光を受光して距離を測定する場合に、カウンタ数が多くなり、また演算処理が複雑化することである。 The problem to be solved is that when a plurality of scattered lights from the target are received and the distance is measured, the number of counters increases and the arithmetic processing becomes complicated.
本発明は、1つのターゲットからの受光パルスのみのカウンタ回路を設け、このカウンタ回路により算出された基準時間を基にして、且つ複数のターゲットからの受光パルスを基準時間に対する時系列のデジタルデータ化しマトリクス展開して、演算することを最も主要な特徴とする。 The present invention is provided with a counter circuit for only light reception pulses from one target, and based on the reference time calculated by the counter circuit, the light reception pulses from a plurality of targets are converted into time-series digital data with respect to the reference time. The main feature is to perform matrix expansion and computation.
本発明の距離測定装置は、1つのカウンタ回路で基準時間を算出し、全てのターゲットからの受光タイミングは基準時間との相対時間として求めることとしたため、カウンタ回路数を低減することができるという利点がある。 The distance measuring device of the present invention calculates the reference time with one counter circuit, and the light reception timing from all the targets is obtained as a relative time with respect to the reference time, so that the number of counter circuits can be reduced. There is.
また、全てのターゲットからの受光パルスを基準時間に対する時系列のデジタルデータ化しマトリクス展開して演算するため、演算機能を簡易化できるという利点がある。 Further, since the received light pulses from all targets are converted into time-series digital data with respect to the reference time and calculated by matrix development, there is an advantage that the calculation function can be simplified.
図1は、本発明装置の一実施例のブロック図である。図1において、この距離測定装置は、スタートコンパレータ1,ストップコンパレータ2,OR回路3,フリップフロップ回路4,測距回路5,遅延線6,ラッチ回路7,レーザ部8,受光部9および演算部10から構成されている。レーザ部8は、距離を測定したい複数のターゲット(図示省略)に向けて、パルス状のレーザ光を照射し、N個のターゲットからの散乱光を受光部9で受光することにより、レーザ光の送光時刻と受光時刻との時間差からターゲットまでの距離を計測することができる。ここで、ターゲットは、N個の物体であっても、1つの物体のN個の部位や凹凸面を持つものであってもよい。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the apparatus of the present invention. 1, this distance measuring device includes a
スタートコンパレータ1は、レーザ部8からのレーザ光に伴う送光パルスを入力し、閾値Vref1以上の電圧レベルのみを有効としてスタートパルスを出力する。ストップコンパレータ2は、受光部9を構成するN個の光検知器9-1〜9-Nから出力された受光パルスを入力し、閾値Vref2以上の電圧レベルのみを有効としてN個の受光パルスを出力する。この受光パルスは、有効を“1”、無効を“0”に対応させれば、NビットデータD1〜DNとして表現される。
The
OR回路3は、N個の受光パルスの内で一番早いパルス、即ち、NビットデータD1〜DNの内で一番早く“1”となるパルスを検出し、フリップフロップ回路4はこのパルスからストップパルスを生成する。測距回路5HA、スタートパルスとストップパルス間の時間を計測し、これを基準時間として出力する。
The OR circuit 3 detects the earliest pulse among the N received light pulses, that is, the pulse that becomes “1” first among the N-bit data D1 to DN, and the flip-
遅延線6は、ストップパルスを遅延ステップ時間TでM通りに遅延した遅延パルスDL1〜DLMを出力する。遅延ステップ時間Tは、ターゲットに対する所望の距離分解能、つまり、距離基準値から想定される各ターゲットまでの距離値のバラツキを勘案して定められる。ラッチ回路7は、(M+1)個のラッチ7-1〜7-(M+1)から成り、ラッチ7-1はストップパルス、ラッチ7-2〜7-(M+1)は遅延パルスDL1〜DLMをそれぞれラッチクロックとして、NビットデータD1〜DNを上記の遅延ステップ時間Tで順次ラッチし、そのデータ(遅延0データ〜遅延(M+1)データ)を格納する。
The
演算部10は、測距回路5の出力である基準時間を入力し、次に、ラッチ回路7のラッチ7-1〜7-(M+1)に格納されている遅延0データ〜遅延Mデータを順次リードして、マトリクスに展開して、ストップパルスとターゲットからの反射光入力の時間差を求め、基準時間に基づく距離基準値を元にしてターゲットまでの実際の距離を計算する。
The
図2は、ストップコンパレータ2の入出力信号の波形を例示する。ここでは、N=16とし、受光パルスのレベルが小さい例(図2の1)として受光パルス9-1および16ビットデータD1、受光パルスのレベルが大きい例(図2の2)として受光パルス9-16および16ビットデータD16をとりあげている。前述のように、受光パルスは閾値Vref2で“1”と“0”に2値化されるので、入力レベルが小さい場合は“1”の数が少なく、入力レベルが大きい場合は“1”の数が多くなる。
FIG. 2 illustrates the waveforms of the input / output signals of the
図3は、図2に示したような受光パルス9-1と受光パルス9-16がストップコンパレータ2に入力された場合における、ラッチ回路7の入出力信号をM=10としてマトリックス表示している。この表の縦軸はラッチ回路7の入力である16ビットデータD1〜D16、横軸は遅延0データ〜遅延10データを示す。即ち、横軸は、どの時点の16ビットデータD1〜D16が、ラッチ回路7のどのラッチ7-1〜7-(M+1)に格納されるかを示している。図3の左方から、16ビットデータ1000〜00は遅延0データ〜遅延2データとしてラッチ7-1〜7-3、16ビットデータ0000〜00は遅延3データとしてラッチ7-4、16ビットデータ0000〜01は遅延4データ〜遅延8データとしてラッチ7-5〜7-9、16ビットデータ0000〜00は遅延9データ〜遅延1データ10としてラッチ7-10〜7-11に格納される。
FIG. 3 is a matrix display where the input / output signal of the
いま、レーザ部9がターゲットに照射したレーザ光に対して、図2に示したような受光パルス9-1と受光パルス9-16が入力したとして本発明装置の動作を説明する。スタートコンパレータ1は、レーザ光に伴う送光パルスの電圧レベルが閾値Vref1以上になった時点でスタートパルスを出力する。次に、ストップコンパレータ2には、先ず受光パルス9-1が入力し、その電圧レベルが閾値Vref2以上になると、その間、16ビットデータD1は“1”となる。受光パルス9-1に遅れて入力してくる16ビットデータD16も同様である。なお、この例では受光パルス9-2〜9-15は無いものとしており、16ビットデータD2〜D15は常時“0”を維持する。
Now, the operation of the apparatus of the present invention will be described on the assumption that the received light pulses 9-1 and 9-16 as shown in FIG. The
16ビットデータD1〜D16は、OR回路3を経てフリップフロップ回路4に入力され、フリップフロップ回路4は、図2(1)に示すように、16ビットデータD1の立上りでストップパルスを出力する。測距回路5はスタートパルスとストップパルスを入力し、スタートパルス入力から最初のストップパルス入力までの時間を計測して、これを基準時間として演算部10へ出力する。いま、スタートパルス入力から最初のストップパルス入力までのクロック数を80、クロック周波数を100MHzとすると、基準時間は800nsとなる。この場合、測距回路5による距離分解能は、クロック周期に光速を乗じた値を2で除算することにより1.5mとなる。
The 16-bit data D1 to D16 are input to the flip-
また、ラッチ回路7のラッチ7-1は、ストップパルスが入力した時点の16ビットデータD1〜D16をデジタル16ビットデータとしてラッチし、遅延0データとして演算器10へ出力する。いま、遅延ステップ時間T=1nsとすると、遅延線6に入力したストップパルスは、1nsの遅延から時間MT=10nsまで1ns刻みで遅延され、1nsずつ遅延した遅延パルスDL1〜DL10として、ラッチ回路7のラッチ7-1〜7-11へ出力される。この場合、ストップパルス発生時刻差による距離分解能は、遅延ステップ時間Tに光速を乗じた値を2で除算することにより15cmとなる。
The latch 7-1 of the
その結果、ラッチ回路7は、16ビットデータD1〜D16を1nsステップでデジタル16ビットデータとして遅延パルスDL1〜DL10により順次ラッチし、遅延1データ〜遅延10データとして演算器10へ出力する。例えば、ラッチ7-11はストップパルス出力から10ns後の16ビットデータD1〜D16を遅延10データとして演算器10へ出力する。
As a result, the
演算器10は、以上のようにして入力される基準時間および遅延0データ〜遅延10データを、図3に示したようにマトリックス展開し、ターゲットまでの実際の距離を計算する。16ビットデータD1に注目すると、“1”がラッチされているのは遅延0データ〜遅延2データであるので、中心位置は遅延1データ、即ち(基準時間+1ns)となる。従って、受光パルス9-1に対応するターゲットの距離は、この時間に光速を乗じて、2で除算することにより、120.15mとなる。
The
同様にして、16ビットデータD16に注目すると、“1”がラッチされているのは遅延4データ〜遅延8データであるので、中心位置は遅延6データ、即ち(基準時間+6ns)となる。従って、受光パルス9-16に対応するターゲットの距離は、この時間に光速を乗じて、2で除算することにより、120.90mとなる。
Similarly, paying attention to the 16-bit data D16, since “1” is latched from the
このように本発明回路は、16個のターゲットまでの往復時間を同時に取得し、16個のターゲットの距離を1回の測定で求めることができるのである。 As described above, the circuit according to the present invention can simultaneously acquire the round-trip time to 16 targets and can determine the distance of 16 targets by one measurement.
1 スタートコンパレータ
2 ストップコンパレータ
3 OR回路
4 フリップフロップ回路
5 測距回路
6 遅延線
7 ラッチ回路
8 レーザ部
9 受光部
10 演算部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レーザ光に伴う送光パルスからスタートパルスを生成するスタートコンパレータと、
前記N個のターゲットからの各受光パルスを電圧レベルによって2値化しNビットデータとして時系列的に出力するストップコンパレータと、
前記スタートパルスと、前記Nビットデータの内で一番早く“1”となるパルス(ストップパルス)間の時間を計測し基準時間として出力する測距回路と、
前記ターゲットに対する所望の距離分解能に応じて定められる遅延ステップ時間刻みで前記ストップパルスを遅延させた遅延パルスを前記距離分解能対応の数Mだけ出力する遅延線と、
前記Nビットデータを前記ストップパルスおとび前記各遅延パルスでラッチし遅延データとして出力するラッチ回路を有し、
前記基準時間と前記遅延データにより前記ターゲットまでの距離を計算することを特徴とする距離測定装置。 In a distance measuring device that measures the distance to N targets from the time difference between the time of laser light transmission and the time of light reception,
A start comparator for generating a start pulse from a light transmission pulse accompanying the laser beam;
A stop comparator that binarizes each light-receiving pulse from the N targets according to a voltage level and outputs the received light as N-bit data in time series;
A distance measuring circuit that measures a time between the start pulse and a pulse (stop pulse) that becomes “1” earliest in the N-bit data and outputs it as a reference time;
A delay line for outputting a delay pulse obtained by delaying the stop pulse at a delay step time interval determined according to a desired distance resolution for the target by a number M corresponding to the distance resolution;
A latch circuit that latches the N-bit data with the stop pulse and the delay pulses and outputs the delayed data as delay data;
A distance measuring apparatus that calculates a distance to the target based on the reference time and the delay data.
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