JP4116052B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザや発光ダイオード等の光源を駆動してパルス状の測定光を測定対象物に照射するとともに測定対象物からの反射光を検出し、測定光の出力タイミングから反射光の検出タイミングまでの光の飛行時間（遅延時間）に基づいて光源から測定対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time of Flight）方式による測距装置に関する。

この種の測距装置は、ロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用され、図１２に示すように、測定対象物１００に向けてパルス状の測定光を出力する光源１１０と、前記測定対象物１００からの反射光を検出する受光部１２０と、前記測定光の出力タイミングから前記受光部１２０による前記反射光の検出タイミングまでの遅延時間を検出する時間差検出部１３０と、前記時間差検出部１３０により検出された遅延時間から前記測定対象物までの距離を算出する演算部１４０を備えて構成されている。

具体的には、光源から測定対象物までの距離Ｌは、光の飛行時間Δｔ、光速Ｃに対して、〔数1〕に基づいて算出される。

前記時間差検出部では、図１３（ａ）に示すように、フォトダイオードで検出された反射波を増幅回路で増幅し、その出力信号である反射信号を所定の閾値Ｖで二値化した立ち上がりエッジを反射光の検出タイミングとして求めるものであるが、同図に示すように、光源と測定対象物が同じ距離であっても測定対象物の表面反射率により反射光強度が異なるため、反射信号の立ち上がりエッジにばらつきが生じ、このばらつきが算出した距離の誤差として現れるという問題があった。

特許文献１では、このような誤差を補正するため、反射信号のピーク値に対応する補正値を予め求めておき、時間差検出部で検出された遅延時間を当該補正値で補正することにより誤差の影響を排除する技術が開示されている。

上述のピーク値による遅延時間の補正は、増幅回路が線形な出力特性を示す非飽和の状態でのみ成立する補正技術に過ぎず、図１３（ｂ）に示すように、反射光の強度が大きくなり増幅回路が過飽和状態に到ると、正確なピーク値が得られず補正ができないという問題がある。

測定対象物の検出範囲を広くする等の目的で微弱な反射光も正確に検出するように増幅回路のゲインを大きくすると、強い反射光量に対して過飽和状態になることが避けられず、過飽和の程度によってはその波形が大きく乱れるのである。

そこで、特許文献２には、図１３（ｃ）に示すように、反射光を光電変換するフォトダイオード２００の出力を増幅する増幅回路２１０と増幅回路２１０の出力を二値化する比較器２２０に加えて、フォトダイオード２００に直列接続したショットキダイオード２３０とコンデンサ２４０と、コンデンサ２４０の後に接続されたゲインの小さな増幅回路２５０により、反射光の受光中にフォトダイオード２００を流れる全電荷量を測定して、その値に基づいて遅延時間を補正する技術が開示されている。
特開平７-１２８４３８号公報 特開平１０−２００３５号公報

しかし、上述の特許文献２に記載された補正技術では、反射光量の広いダイナミックレンジに対応して距離補正ができるが、全電荷量を測定するために別途の増幅回路が必要となり部品コストが嵩むばかりか、反射光量の低いときの増幅回路のリニアリティーが悪く補正精度が低下する等の問題があった。

さらに、増幅回路が過飽和状態になると、大量の漏れ電流が増幅回路に流れ、回路の増幅素子であるトランジスタまたはＦＥＴなどのゲインや動作点の設定を決定するバイアス回路などに影響を与え、波形の歪みや割れ、マイナス方向への振れが生じて動作が不安定になるという問題もあった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、微弱な反射光も正確に検出するべく増幅回路のゲインを大きくしながらも、強い反射光量に対して過飽和状態に到ることなく、安価な回路で安定に動作し精度の高い距離補正が可能な測距装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、測定対象物に向けてパルス状の測定光を出力する光源と、前記測定対象物からの反射光を検出する受光部と、前記測定光の出力タイミングから前記受光部による前記反射光の検出タイミングまでの遅延時間を検出する時間差検出部と、前記時間差検出部により検出された遅延時間から前記測定対象物までの距離を算出する演算部を備えている測距装置であって、前記反射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードと直列接続して前記フォトダイオードに生じる光電流をクランプするソフトリカバリーダイオードと、前記フォトダイオードの出力を増幅する増幅回路を備えて前記受光部を構成するとともに、前記増幅回路の出力を積分する積分処理部を備え、前記積分処理部の出力に基づいて前記遅延時間または前記距離を補正する距離補正部を備えている点にある。

上述の構成によれば、大きな反射光量でフォトダイオードに流れる電流が大きくなっても、ソフトリカバリーダイオードによりクランプされるので、増幅回路の出力が飽和することが無くなり、常に安定したレベルの出力波形が得られるようになる。そして、反射光の消失後はソフトリカバリーダイオードの逆回復特性、つまりダイオードの接合容量内に蓄積された少数キャリアの拡散による逆方向電流が増幅回路に入力され、増幅回路の出力波形の幅が逆方向電流の値に応じて長くなる。この逆方向電流は順方向に流れていた電流値、つまり反射光の受光中にフォトダイオードを流れる全電荷量に比例する。そこで、積分処理部により当該出力を積分することにより反射光によりフォトダイオードを流れる全電荷量が求められるのである。従って、補正部により当該積分値に基づいて前記遅延時間または前記距離が正確に補正できるのであり、フォトダイオードを流れる全電荷量を求めるための別途の増幅回路を設ける必要も無くなるのである。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記積分処理部は、前記反射光の検出時から前記反射光の消失後の前記ダイオードの逆回復時間までの前記増幅器の出力を所定インタバルでＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部の出力を加算する加算処理部で構成されている点にある。

上述の構成によれば、反射光の検出時から前記反射光の消失後の前記ダイオードの逆回復時間までの前記増幅器の出力が所定インタバルでＡＤ変換され、その値が加算されて積分値が求められるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記時間差検出回路は、前記ＡＤ変換部でＡＤ変換された前記反射光の立ち上がり特性に基づいて前記反射光の検出タイミングを算出する点にある。

上述の構成によれば、積分値を求めるためのＡＤ変換部の出力が反射光の検出タイミングを検出するために兼用されるので、シンプルで安価な回路構成を実現することができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、微弱な反射光も正確に検出するべく増幅回路のゲインを大きくしながらも、強い反射光量に対して過飽和状態に到ることなく、安価な回路で安定に動作し精度の高い距離補正が可能な測距装置を提供することができるようになった。

以下、本発明による測距装置の一例である走査式測距装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、この走査式測距装置１は、ハウジング２を備えると共に、このハウジング２の内部に、投光部３と、走査部４と、受光部５とを主たる構成要素として備えている。

ハウジング２は、図中の上下方向の両端が閉じられた円筒状を呈し、その周壁部２ａの全周から一部を除いた側壁（図１では右側壁に示している）に亘って上下方向に一定の幅を有する透光窓２ａ１が形成され、この透光窓２ａ１を介して、後述する投光部３から出力される測定光と、測定対象物で反射して受光部５に到る反射光とが往来可能となっている。

また、前記ハウジング２の内壁は前記透光窓２ａ１を除き、光の完全な遮光かつ反射防止のために、表面に凹凸を設けた暗幕等の吸光部材で被覆された光吸収壁で構成されている。

投光部３は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子と、発光素子の駆動回路を備えて構成され、発光素子は図中の下向きに測定光を出力するように配置されている。この投光部３から下向きに出力された測定光が通る投光入射光路Ｌ１上には、光のビーム径を一定にする光学レンズ７が配置されている。

走査部４は、投光部３から出力された測定光をハウジング２の透光窓２ａ１を介して外部の測定対象空間に走査するもので、回転体８と、測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を前記受光部５に導く反射部材９と、回転機構としてのモータ１１とから構成されている。回転体８は、筒状の周壁部８ａと、周壁部８ａの上端を塞ぐ天板部８ｂとから構成されている。周壁部８ａの下端部は縮径され、その内周面に軸受１２を介して中空軸１３が挿入されており、この中空軸１３によって回転可能に支承されている。

回転体８を回転駆動するモータ１１は、固定子側にコイル１１ａを、回転子側にマグネット１１ｂをそれぞれ備え、マグネット１１ｂが、回転体８の周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられ、コイル１１ａとの相互作用により、回転体８が、前記反射部材９を所定の回転軸心Ｐ周りで回転させるように構成されている。

回転軸心Ｐは、図１中、破線で示すように、投光入射光路Ｌ１の光軸から所定距離ｘ離れた位置に設定されている。つまり、反射部材９は所定の回転軸心Ｐ周りに回転するように構成されている。

反射部材９は、投光部３と受光部５が反射部材９を挟んで対向配置されるとともに、前記反射部材９が投光部３から出力された測定光を測定対象空間に伝播させる第一反射部材９１としての投光ミラーと、測定対象物からの反射光を前記受光部５に導く第二反射部材９２としての受光ミラーの一対で構成されている。

回転体８の天板部８ｂの上下面には、回転軸から所定距離の位置に、第一反射部材９１と、第二反射部材９２とがそれぞれ傾斜姿勢で取り付けられ、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって第一反射部材９１に入射した後、反射して水平な投光出射光路Ｌ２に導かれるとともに、ハウジング２の外方に形成される測定対象空間である走査領域内に存在する物体、つまり測定対象物からの反射光が、回転体８の周壁部８ａの一部に形成されている開口部８ａ１を介して、受光入射光路Ｌ３によって第二反射部材９２に入射した後、反射して受光出射光路Ｌ４に導かれる。この受光出射光路Ｌ４上には、受光レンズ１４が取り付けられており、物体からの反射光が受光部５に集束されるようになっている。

また、回転体８の回転軸心Ｐを挟んで測定光の光軸と反対側に、投光部３より出射された測定光を回転体８の天板部８ｂの上面から下面へ導くための開孔１０が設けられており、図２に示すように、回転体８が回転して開孔１０が投光部３の直下に位置したときに、測定光の一部が基準光として装置の外部に出射されることなく開孔１０を通過して受光部５へ導かれる基準光路が形成されるように構成されている。開孔１０には減光フィルタが設けられており、基準光路を介して受光部５に導かれる基準光の光量が一定光量になるように構成されている。

なお、本実施形態では、第一反射部材９１及び第二反射部材９２は、回転体８の回転軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しており、投光出射光路Ｌ２及び受光出射光路Ｌ３とが、投光入射光路Ｌ１の光軸(受光入射光路Ｌ４の光軸)と直交する光軸をそれぞれ有し、互いに平行となるように設定されている。これにより、投光出射光路Ｌ１により物体に照射されて反射する反射光を、受光入射光路Ｌ３から取り込むことが可能となる。さらに、回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が、回転体８の外周面に固定された光学的スリットを有するスリット板１５ａと、スリット板１５ａの回転経路上に配置されたフォトインタラプタ１５ｂとから構成されている。

受光部５は、前記測定対象物からの反射光を検出するように構成されており、例えばアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と、光電変換された信号を増幅する増幅回路を備えて構成され、回転体８の内部に収容された状態で、投光部３と対向し且つ所定の回転軸心を中心とするような位置に配置されている。

詳述すると、受光部５は、回転体８を支承する中空軸１３の上端面に配置されており、モータ１１による回転体８の回転動作とは無関係に、常に静止状態を維持するようになっている。また、受光部５からの出力信号は、図示していないが、中空軸１３の内部空間に挿通された信号線により後述の信号処理回路に接続されている。

回転体８を回転させると、投光部３から出力された測定光は、回転体８の回転軸を中心として放射状に走査される。

図２に示すように、反射部材９が回転体８によって回転し、開孔１０が投光部５及び光学レンズ７の直下の特定回転位置にくると、図中の一点鎖線で示すように、投光部３から出力された測定光の一部が基準光として開孔１０を介して受光部５に導かれる。このとき、測定光の一部が第一反射部材９１に入射しても、光吸収壁で吸収され迷光は発生しないように構成されている。

本実施形態では、回転軸を中心として約２７０度の範囲で測定光が外部に走査されるように透光窓２ａ１が形成されているが、少なくとも開孔１０を介して基準光が受光部５に導かれるときには外部に測定光が出力されない範囲で透光窓２ａ１を形成するものであれば、２７０度以上の範囲で走査可能に構成することもできる。

以下に、測定光の出力タイミングから受光部５による反射光の検出タイミングまでの遅延時間に基づいて測定対象物までの距離を算出する信号処理回路について説明する。

図３に示すように、信号処理回路７０は、測定対象物１００に対して測定光を照射する投光部３と、測定対象物１００からの反射光を受光する受光部５と、測定光を生成する駆動信号と受光部５で検出された反射光に対応するアナログの反射信号とを合成する合成回路７４と、合成されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器７３と、ＡＤ変換器７３で変換されたデジタル信号に基づいて測定光の出力タイミングから反射光の検出タイミングまでの時間差を算出するデジタル演算回路で構成される信号処理部７２と、システム全体を制御するとともに信号処理部７２で算出された時間差に基づいて距離情報を算出するＣＰＵを備えたシステム制御部７１等を備えて構成されている。

投光部３は、上述したように半導体レーザを光源とする発光素子３ａと、発光素子３ａを駆動して数ｎｓｅｃ．のパルス状の測定光を出力する駆動回路３ｂを備えている。

受光部５は、反射光を光電変換するアバランシェフォトダイオードＰＤでなる受光素子５ａと、受光素子５ａで光電変換された反射信号をインピーダンス変換して増幅するトランスインピーダンス増幅回路を備えた受光回路５ｂを備えている。

図４（ａ）に示すように、受光回路５ｂは、高圧の電源電圧がカソードに印加されたアバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）のアノードにダイオードＤが順方向に直列接続され、それらの接続点がトランスインピーダンス増幅回路５０に入力されている。ダイオードＤのカソードは接地され、反射光によりアバランシェフォトダイオードＰＤに生じる光電流をクランプすることによりトランスインピーダンス増幅回路５０が過飽和状態に到ることなく、線形特性を示す非飽和状態で安定的に増幅されるように構成されている。

反射光強度は測定対象物までの距離及び測定対象物の表面反射率により区々であり、それらに対応してトランスインピーダンス増幅回路５０のダイナミックレンジを設定するのは困難である。そこで、反射光強度が大きいときでもトランスインピーダンス増幅回路５０が過飽和状態に到ることのないように、ダイオードクランプ回路によりアバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）に流れる電流をクランプするのである。

反射光が消失してアバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）がオフすると、逆回復特性によりダイオードＤの接合容量内に蓄積された少数キャリアの拡散による逆方向電流がトランスインピーダンス増幅回路５０に入力される。

つまり、アバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）から流れる光電流が多くなると、ダイオードＤの順方向電流が多く流れ、ダイオードの２乗特性により、ダイオードＤの両端の電圧に比例した電圧がトランスインピーダンス増幅回路５０の出力側に出力される。この場合トランスインピーダンス増幅回路５０は過飽和状態にならず、安定した動作を続ける。ただし出力電圧は流れた電流値に対してリニアではなく逆２乗特性となる。

次に光がアバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）に入らなくなると、光電流が流れないため、ダイオードＤにかかる順方向電圧が０になる。その時ダイオードＤ内の接合容量に蓄えられていた電荷が、逆回復時間の間ダイオードを拡散し逆方向に流れる。その電荷量は順方向に流れていた電流値に比例する。逆方向に流れた電流はトランスインピーダンス増幅回路５０によって増幅され、その出力信号Ｓ５は反射光Ｓ４のパルス幅よりも延びたような信号となる。

この様子を図４（ｂ）に基づいて説明すると、アバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）に入力される強度の異なる反射光Ｓ４（Ｓ４０，Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４）に対して、トランスインピーダンス増幅回路５０からは夫々の強度に対応した反射信号Ｓ５（Ｓ５０，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ５３，Ｓ５４）が出力され、反射光Ｓ４の強度が強いほど反射信号Ｓ５の信号幅が長くなるのである。このような反射信号Ｓ５を後述の積分処理部で積分することにより、反射光Ｓ４によりアバランシェフォトダイオードＰＤ（５ａ）に生じる光電流に対応した信号値が得られるのである。図４（ｂ）に示す受光波形の積分値Ｓ７は、反射光Ｓ４４に対してトランスインピーダンス増幅回路５０から出力される反射信号Ｓ５４の積分範囲（ハッチングされた範囲）を積分した値を示す。

ダイオードＤの逆回復時間内の出力電流と順方向電流及び逆回復時間の特性は〔数２〕で表される。

ここに、Ｔｏｆｆは逆回復時間、Ｉｆは順方向電流、Ｉｒは逆電流、ＸはダイオードのＰｎ接合距離、Ｄｐは少数キャリアの拡散係数である。

光電流Ｉｆは、受光波形の波高値に相当し、Ｔｏｆｆ×Ｉｒに比例する。Ｉｒはダイオードの逆電流、Ｔｏｆｆはその幅に相当する。従って、両者の乗算値は波形積分値になる。

一般に、逆回復特性が大きいダイオードはスイッチング特性が悪いダイオードといわれている。例えばスイッチング特性のよいショットキダイオードやファーストリカバリーダイオードは逆回復時間が０に近い。このようなダイオードは信号の変化に忠実に応答するが、本発明ではクランプされた光電流が検出できないため使用できない。適切な逆回復特性を有するダイオード、例えば逆回復時間が十数ｎｓ程度の通常のシリコンダイオードを接続すれば、光電流が流れている間はダイオードの２乗特性による電流がグランドに流れ、光電流が途絶えると光電流値に比例した逆回復時間によりパルス幅が長く伸びる信号波形が得られるのである。

システム制御部７１には、モータ１１を駆動するモータ制御回路７５と、走査角度検出部１５が接続されている。

システムに電源が投入されると、システム制御部７１からモータ制御回路７５にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路７５によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータ１１の回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号がシステム制御部７１に入力され、当該パルス信号に基づいてシステム制御部７１では走査部４による測定光の出力方向が把握される。

走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置、つまり、上述した開口１０から受光部５に基準光が導かれる位置で、他と異なる間隔になるように形成されており、パルス信号の波形に基づいて基準位置が検出され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。

以下、図５に示すタイミングチャートを参照しながら信号処理アルゴリズムを説明する。

走査角度検出部１５から出力されるパルス信号に基づいて計測タイミングを算出したシステム制御部７１から、信号処理部７２のパルス信号生成部７２３（図６参照）に計測タイミング信号が入力されると、パルス信号生成部７２３から当該計測タイミング信号を基準とする所定タイミングでＡＤ変換器７３に変換開始信号が出力されるとともに、変換開始信号から僅かに遅れて投光部３に所定のデューティ比の発光駆動信号Ｓ１が出力される。発光素子３ａが当該発光駆動信号Ｓ１に同期して駆動され、パルス状の測定光Ｓ２が出力される。つまり、測定光Ｓ２の発光強度は当該発光駆動信号のデューティ比及び発光素子の駆動電流により制御され、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子３ａが間歇駆動される。

基準位置で発光素子３ａが駆動されると、測定光Ｓ２の一部が基準光Ｓ３として上述の基準光路を介して受光部５で検出されて基準信号Ｓ５ａが生成され、基準位置を経て透光窓２ａ１から測定対象空間に測定光Ｓ２が出力されると測定対象物からの反射光Ｓ４が受光部５で検出されて反射信号Ｓ５ｂが生成される。

発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂが合成回路で加算処理されて、時間軸上で発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂが連続する合成信号Ｓ６が生成されてＡＤ変換器７３に入力される。

アナログの合成信号Ｓ６はＡＤ変換器７３により所定のサンプリング周波数ｆｓでサンプリングされてデジタル信号に変換されて信号処理部７２に出力される。信号処理部７２では、デジタル変換された合成信号に基づいて発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ａの時間差Δｔａ、及び発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ｂの時間差Δｔｂが算出され、システム制御部７１では信号処理部７２により算出された時間差Δｔａ、Δｔｂの差分Δｔと走査角度検出部１５からの信号入力に基づいて測定対象物までの距離及び方向が算出される。

つまり、走査部４が一走査する間に一回基準位置で検出された時間差Δｔａによりその一走査の間で検出された時間差Δｔｂを補正することで、発光素子３ａや受光素子５ａの応答遅れなどのばらつき、及び、装置の機差によるばらつきに起因する誤差要因を排除するように構成されている。

以下に、信号処理部７２の構成及びその動作について詳述する。図６に示すように、信号処理部７２は、第一メモリ７２１と、ローパスフィルタ７２２と、発光駆動信号Ｓ１及び基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂの夫々を微分する微分処理部７２４と、閾値設定部７２５と、反射光光量検出部７２６と、微分された発光駆動信号Ｓ１及び基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂから時間差Δｔを算出する時間差検出部７２８と、各種の演算結果を記憶する第二メモリ７２９と、発光駆動信号Ｓ１を生成するパルス信号生成部７２３を備えている。ここでメモリはＲＡＭ等の半導体メモリが用いられる。

第一メモリ７２１にはＡＤ変換器７３により変換されたデジタル信号が時系列的に一時記憶される。第一メモリ７２１から読み出されたデジタル信号はローパスフィルタ７２２により高周波ノイズ成分が除去されて微分処理部７２４等に供給される。

微分処理部７２４は、ローパスフィルタ７２２を通過した発光駆動信号Ｓ１及び基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂを含む出力信号Ｓ５を微分処理して時間差検出部７２８に出力する。具体的には、図８（ａ）に示す反射信号Ｓ５ｂに対して、Ｋ番目（Ｋはサンプリング順序を示す自然数である）のサンプリング値とＫ−１番目のサンプリング値の差分を各Ｋについて求め、その値を同図（ｂ）に示すような微分信号として算出する。なお、本実施形態では、差分値が負となる場合には零に丸め込み、正領域のみ抽出するように構成されている。

閾値設定部７２５は、ローパスフィルタ７２２を通過したデジタルの出力信号Ｓ５のうち、発光駆動信号Ｓ１の生成前の信号の最大レベルから最小レベルを減算して、基準信号Ｓ５ａまたは反射信号Ｓ５ｂを検出するための第一測定閾値Ｌ１を算出するとともに、発光駆動信号Ｓ１の生成前の信号の平均レベルをオフセット値に対応した第二測定閾値Ｌ２として算出する。

つまり、変換開始信号が出力された後、発光駆動信号Ｓ１が出力されるまでの間は、基準光や反射光が検出されることなく、微小な外乱光によるノイズ信号がオフセットレベルに重畳した信号がサンプリングされるので、その間にオフセットレベルやノイズレベルが算出されるのである。算出された第一測定閾値Ｌ１は時間差検出部７２８に出力され、第一及び第二測定閾値Ｌ１，Ｌ２は反射光光量検出部７２６に出力される。

時間差検出部７２８は、微分処理部７２４から入力される微分信号から、第一測定閾値Ｌ１より大となる領域の信号成分を抽出し、その正側領域（図７に示す微分波形の実線部）の重心位置を立ち上がりタイミングとして算出し、発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ａの立ち上がりタイミングの時間差Δｔａ、または、発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ｂの立ち上がりタイミングの時間差Δｔｂを求めて、その結果を第二メモリ７２９に格納する。ここに、時間差Δｔａは走査部４が基準位置にあるときに算出され、時間差Δｔｂは走査部４が測定対象空間からの反射光が検出されたときに算出されるものである。

具体的に反射信号Ｓ５ｂを例に説明すると、図８に示すように、微分信号のうち第一測定閾値Ｌ１を二回連続して超えるサンプリングポイントを検出し、二回目に第一測定閾値Ｌ１を超えたポイントの微分信号値Ｄｎを中心として、例えば前後に連続する１０点のサンプリングポイント（ｎ−１０〜ｎ＋１０）を重心演算範囲Ｒ１として、〔数３〕に示す数式に基づいて重心位置Ｐを算出する。つまり、重心位置Ｐはサンプリングポイント（ｎ−１０）からの時間情報として算出される。このような処理を基準信号Ｓ５ａに対しても行なうことにより、それぞれの重心位置Ｐが求められる。

一般に、反射光の光量は測定対象物の反射特性により変動するため、反射信号Ｓ５ｂの立ち上がりタイミングを所定の閾値を超えたタイミングとして求める場合には、反射光が同じタイミングで受光部５に入射しても、その光量によって立ち上がり特性が異なり僅かな誤差が発生するが、反射信号Ｓ５ｂを微分してその正側領域の重心位置として求める場合には、光量が異なる場合であってもほぼ等しい値として求まるのである。

システム制御部７１は、第二メモリ７２９に記憶された遅延時間Δｔｂから遅延時間Δｔａを減算補正した遅延時間Δｔに基づいて、〔数４〕に示す演算式により測定対象物までの距離Ｌを算出するとともに、そのときの走査角度検出部１５からの信号入力に基づいて測定対象物の存在する方向を同定する。なお、〔数４〕のＣは光速を示す。

このようにして求められる測定対象物までの距離Ｌは、発光素子３ａや受光素子５ａの応答遅れなどのばらつき、及び、装置の機差によるばらつきに起因する誤差要因が排除された値となるのであるが、上述のアルゴリズムで求められた反射信号Ｓ５ｂの立ち上がりタイミングは、ダイオードＤによりクランプされた後の増幅回路５０の出力信号に基づいて求められたものであり、クランプ動作に起因する誤差が含まれている。

そこで、上述した積分処理部としても機能する反射光光量検出部７２６により、トランスインピーダンス増幅回路５０から出力される反射信号Ｓ５ｂの積分値Ｓ７が算出され、その結果が第二メモリ７２９に格納されるように構成されている。反射光光量検出部７２６は、図９に示すように、ローパスフィルタ７２２を通過した出力信号Ｓ５のうち、発光駆動信号Ｓ２の次に現れる反射信号Ｓ５ｂに対して第一測定閾値Ｌ１と第二測定閾値Ｌ２の加算値を最初に超える直前のサンプリング値から第二測定閾値Ｌ２を最初に下回るサンプリング値までを積分範囲Ｒ２として積分処理する。積分処理に際して、積分範囲Ｒ２に対応する積分値から第二測定閾値Ｌ２以下の領域の積分値を減算することによりオフセット誤差を除去する。ここで、オフセット誤差を除去するために、積分範囲Ｒ２のサンプリング値から第二測定閾値Ｌ２を減算した値に対して積分することも可能である。

積分処理に際しては、積分範囲Ｒ２の各サンプリング値とサンプリング間隔の積和を求めるものであってもよいし、簡略化して積分範囲Ｒ２の各サンプリング値を加算処理するものであってもよい。

システム制御部７１は第二メモリ７２９に記憶された積分値を読み出して、予め設定された積分値と補正距離の関係を示す補正テーブル値に基づいて、算出された距離Ｌを補正するのである。つまり、システム制御部７１が、積分処理部の出力に基づいて距離Ｌを補正する距離補正部として機能する。

図１０は実験によって確認された反射光量、積分値、距離の補正量のそれぞれの相関関係を示している。図１０（ａ）に入力光量と積分値の相関関係、図１０（ｂ）に反射光量と距離の補正量の関係、図１０（ｃ）に積分値と距離の補正量の関係を示す。積分値は反射光量が弱い領域では僅かな増加で急峻に立ち上がるが、反射光量が強い領域では大きく増加してもその傾きはきわめて小さい。また、反射光量と距離の補正量も同様の傾向となる。従って、系全体では積分値と距離の補正量はリニアな関係を示す。

実験によれば、本発明により、黒色の無反射シートからミラー反射まで１００万倍以上の反射率の差がある物体からの反射光であっても、検出誤差が一定で安定した距離の算出ができることが確認された。

なお、システム制御部７１は、遅延時間Δｔに基づいて算出された距離Ｌを当該積分値に基づいて補正するもの以外に、当該積分値と遅延時間Δｔの関係を示す補正テーブル値に基づいて、遅延時間Δｔを補正した後に距離Ｌを算出するように構成するものであってもよい。

また、上述の実施形態において、各信号Ｓ１、Ｓ５ａ、Ｓ５ｂの立ち上がりタイミングを、微分信号の正側領域の重心位置により求めるものを説明したが、立ち上がりタイミングを求めるための演算は、これに限るものではなく、例えば各信号Ｓ１、Ｓ５ａ、Ｓ５ｂの立ち上がり部分の時間軸上での重心位置を算出する方法や、信号の立ち上がり部分を直線近似又は多項式近似して、その近似線と出力信号Ｓ５のオフセットレベルとの交点の位置を算出する方法等を採用することができる。

上述した実施形態では、走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部３と走査部４を配置し、走査部４の特定回転位置で投光部３から出力された測定光の一部が基準光として受光部５に導かれるように基準光路を構成した測距装置を説明したが、本発明が適用される測距装置の基準光路はこのような構成に限るものではなく他の構成によっても実現できるものである。

例えば、走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが一致するように投光部３と走査部４を配置し、基準位置で測定光が受光部に反射される反射部材をハウジング２の内壁に設けることにより基準光路を構成するものであってもよい。

さらには、図１１に示すように、走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが一致するように投光部３と走査部４を配置し、回転機構と一体回転し、投光ミラーで反射した測定光の一部を受光ミラーに導く光ファイバなどの導光部材６を備えて構成するものであってもよい。この場合には、周囲３６０度に亘って高精度な距離測定を実現することができる。なお、このような構成を採用する場合には、同一の走査位置で基準光と反射光がともに計測されるため、基準光と反射光の立ち上がりタイミングの時間差により遅延時間Δｔが求められる。

上述した実施形態では、本発明を走査式測距装置に適用した場合を説明したが、本発明の適用対象は走査式測距装置に限るものではなく、ＴＯＦ（Time of Flight）方式による測距装置であればその対象が制限されるものではない。

上述した実施形態は、本発明の一実施例であり、形状、材料、回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。

本発明による走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 図１の走査式測距装置の基準位置での全体構成を示す概略縦断面図 本発明による走査式測距装置の信号処理回路のブロック構成図 （ａ）は受光回路の構成図、（ｂ）は受光回路の動作説明図 図１の走査式測距装置における光信号波形と電気信号波形のタイミングを示す説明図 図３に示す信号処理部のブロック構成図 遅延時間を算出するための信号処理の説明図 微分処理及び重心位置算出処理の説明図 反射信号に対するサンプリング処理及び積分処理の説明図 反射光量と距離補正量の特性説明図 別実施形態を示し、走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 ＴＯＦ方式による測距原理の説明図 従来技術の説明図

符号の説明

１ 走査式測距装置
２ ハウジング
３ 投光部
４ 走査部
５ 受光部
６ 光ファイバ
８ 回転体
９ 投光ミラー
１０ 受光ミラー
１１ モータ
１５ 走査角度検出部
７０ 信号処理回路
７１ システム制御部（距離補正部）
７２ 信号処理部
７３ ＡＤ変換器
７４ モータ制御回路
７２１ 第一メモリ
７２２ ローパスフィルタ
７２３ パルス信号生成部
７２４ 微分処理部
７２５ 閾値設定部
７２６ 反射光光量検出部（積分処理部）
７２９ 第二メモリ

Claims (3)

1. 測定対象物に向けてパルス状の測定光を出力する光源と、前記測定対象物からの反射光を検出する受光部と、前記測定光の出力タイミングから前記受光部による前記反射光の検出タイミングまでの遅延時間を検出する時間差検出部と、前記時間差検出部により検出された遅延時間から前記測定対象物までの距離を算出する演算部を備えている測距装置であって、
   前記反射光を光電変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードと直列接続して前記フォトダイオードに生じる光電流をクランプするソフトリカバリーダイオードと、前記フォトダイオードの出力を増幅する増幅回路を備えて前記受光部を構成するとともに、前記増幅回路の出力を積分する積分処理部を備え、前記積分処理部の出力に基づいて前記遅延時間または前記距離を補正する距離補正部を備えている測距装置。
2. 前記積分処理部は、前記反射光の検出時から前記反射光の消失後の前記ダイオードの逆回復時間までの前記増幅器の出力を所定インタバルでＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部の出力を加算する加算処理部で構成されている請求項１記載の測距装置。
3. 前記時間差検出回路は、前記ＡＤ変換部でＡＤ変換された前記反射光の立ち上がり特性に基づいて前記反射光の検出タイミングを算出する請求項２記載の測距装置。

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