JP5411430B2

JP5411430B2 - 測距装置

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Publication number: JP5411430B2
Application number: JP2007524053A
Authority: JP
Inventors: 宏酒井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2026-07-03
Also published as: US7898647B2; EP1901091A4; CN101213474A; EP1901091A1; TW200710372A; CN102662176A; US20090115992A1; TWI424147B; JPWO2007004606A1; WO2007004606A1; CN101213474B; EP1901091B1

Description

本発明は、距離を測定する測距装置に関する。

測距装置と測定対象物との間でパルス光を往復させ、その際に掛かる時間を計測して、測定対象物までの距離を測定する測距装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。また、この装置では、測定対象物で反射したパルス光を検出する際、増幅器を介して信号の増幅を行い、パルス光の往復時間が短いほど増幅器のゲインを小さく設定する。このため、増幅器の飽和を回避しつつ近距離の測定を行うことができ、近距離から遠距離までの測定を正確に行うことができる。上記のようなゲイン調整が可能な増幅器には、例えば、ＡＧＣ(Automatic Gain Control)アンプやＳＴＣ(Sensitivity Time Control)アンプなどが知られている。

なお、測定対象物からの強い反射光が受信器に入射した場合、増幅器の入力電圧が急激に上昇し、規程以上になることがある。この場合、再び増幅器の電圧が正常に機能する領域に安定するまで時間を要する場合があり、その間、受信器は正常に反射光を受信することができなくなってしまう。この状態が、増幅器の飽和である。
特開平７−７１９５７号公報

しかし、上記のようなゲイン調整が可能な増幅器は、ゲインが固定されている一般的な増幅器と比較して、高価で回路規模も大きい。このため、測距装置の低コスト化や小型化の妨げとなってしまう。
本発明の目的は、低コスト化や小型化を実現でき、且つ、近距離から遠距離までの測定を正確に行うことができる測距装置を提供することにある。

本発明の測距装置は、測定対象物に向けて第１パルス光を出射する出射手段と、前記測定対象物で反射した前記第１パルス光を検出する光検出手段と、前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記信号の強度が所定値より大きい期間に前記反射した第１パルス光が検出されたことを示す受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第１計測手段と、前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記信号の強度が前記所定値未満から該所定値以上へ変化したタイミングで前記受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第２計測手段と、前記反射した第１パルス光の強度またはＳ／Ｎ比と所定の閾値との比較に基づいて、前記第１計測手段と前記第２計測手段とのいずれか一方によって計測される時間差を選択し、前記測定対象物までの距離を算出する算出手段とを備えたものである。

本発明の測距装置によれば、低コスト化や小型化を実現でき、且つ、近距離から遠距離までの測定を正確に行うことができる。

本実施形態の測距装置１０の内部構成を示すブロック図である。戻り光の強度変化に応じた時系列信号(ａ)と、その２値化信号(ｂ)とを説明する図である。レベルサンプリング回路２０における２値化信号のデジタルサンプリング(ａ)と、エッジサンプリング回路２１における２値化信号のデジタルサンプリング(ｂ)とを説明する図である。セレクタ２６を用いた構成例を説明する図である。パルス光Ｌ１の出射からの経過時間に応じたセレクタ２６の切り替え制御を説明する図である。メモリ２４に蓄積されたカウント値（時間差）の度数分布をヒストグラム化して示す図である。遅延回路を用いた場合のレベルサンプリング回路２０における受信信号と、ヒストグラムのバラツキ区間（および重心計算区間）とを説明する図である。遅延回路を用いた場合のエッジサンプリング回路２１における受信信号と、ヒストグラムのバラツキ区間（および重心計算区間）とを説明する図である。レベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１のカウント値の選択方法の一例を説明する図である。測距装置１０のＭＰＵ２５の内部構成などを説明する概略図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の測距装置１０には、図１に示す通り、コリメートレンズ１１と、半導体レーザ１２と、駆動回路１３と、モニタ回路１４と、集光レンズ１５と、光検出器１６と、増幅器１７と、２値化回路１８と、閾値設定回路１９と、レベルサンプリング回路２０と、エッジサンプリング回路２１と、発振器２２と、カウンタ回路２３と、メモリ２４と、ＭＰＵ２５とが設けられる。

不図示の測定開始ボタンが測定者によって操作され、測定開始の指令が入力されると、ＭＰＵ２５は、駆動回路１３を介して半導体レーザ１２に発光指令を出力する。そして、半導体レーザ１２の発光タイミングを制御する。ＭＰＵ２５による発光タイミングの制御は、予め定めた時間間隔で繰り返し行われる（例えば５５０回）。
半導体レーザ１２は、不図示の測定対象物に向けてパルス光Ｌ１を出射する発光素子であり、ＭＰＵ２５による発光タイミングの制御に応じて、複数のパルス光Ｌ１を順に出射する。各々のパルス光Ｌ１が実際に出射されるタイミングは、モニタ回路１４によりモニタされ、ＭＰＵ２５に出力される。ＭＰＵ２５では、実際の発光タイミングを時間計測の基準として様々なタイミング制御を行う。

半導体レーザ１２からのパルス光Ｌ１は、コリメートレンズ１１を通過した後、測定対象物に照射される。そして、測定対象物で反射したパルス光Ｌ２や他の障害物(例えば雨など)で反射したパルス光や背景光など（総じて「戻り光」という）は、集光レンズ１５を通過した後、光検出器１６に入射する。光検出器１６は、例えばフォトダイオードなどの受光素子であり、戻り光を時系列的に光電変換して増幅器１７に出力する。

増幅器１７は、ゲインが固定されている一般的な増幅器であり、上記した従来のゲイン調整が可能な増幅器と比較して、安価で回路規模も小さい。増幅器１７では、固定されたゲインにしたがって光検出器１６からの信号を時系列的に増幅する。このように、光検出器１６と増幅器１７とを設けたことにより、戻り光が時系列的に検出され、戻り光の強度変化に応じた時系列信号（図２(ａ)）が、２値化回路１８に出力される。ここで、時系列信号とは、時間の経過と共に変化するデータ（戻り光の強度データ）の集まりを意味し、時系列的に検出とは、時間の経過と共に逐次検出することを意味する。

なお、図２(ａ)では、時系列信号に３つのパルス(１)〜(３)が現れている。これらのパルス(１)〜(３)は、例えば、測定対象物で反射したパルス光Ｌ２や他の障害物(例えば雨など)で反射したパルス光などに起因する。しかし、この時点では、真のパルス光Ｌ２と偽のパルス光Ｌ２（ノイズ成分）とを区別することは難しい。
また、本実施形態で用いた一般的な増幅器１７は、測定対象物で反射したパルス光Ｌ２の強度が強いと飽和する可能性がある。飽和した場合には時系列信号のパルス幅が本来のパルス幅より広がってしまう場合がある。

２値化回路１８は、図２(ｂ)に示す通り、増幅器１７からの時系列信号を入力し、これを所定の閾値にしたがって２値化し、２値化信号を生成する。このとき用いられる所定の閾値は、ノイズを低減するための閾値であり、予め、閾値設定回路１９によって自動的に設定される。図２(ｂ)の２値化信号は、時系列信号のパルス(１)〜(３)に対応する部分でレベルが立ち上がり、パルス(１)〜(３)となっている。

閾値設定回路１９は、ＭＰＵ２５からの設定指令に応じて、半導体レーザ１２からパルス光Ｌ１が出射される前（例えば測定者による測定開始の指令直後）に、背景光の強度を検知する。そして、背景光の強度から戻り光の背景レベルを推定し、その背景レベルに応じて自動的に閾値を設定する。例えば、背景レベルのピーク値を閾値として設定することが好ましい。背景レベルは測定環境におけるノイズレベルに相当する。この方法とは別に戻り光Ｌ２をもとに自動的に閾値を設定してもよい。

２値化回路１８で生成された２値化信号（図２(ｂ)）は、レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１に出力される。また、各サンプリング回路(２０,２１)には、発振器２２から特定の周波数のサンプリングクロック（図３参照）が入力され、カウンタ回路２３によるカウント値も入力される。このカウント値は、半導体レーザ１２から実際にパルス光Ｌ１が出射されたタイミングで、ＭＰＵ２５によってリセットされる。

レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１は、概略、図３(ａ),(ｂ)に示す通り、サンプリングクロックにしたがって２値化信号のデジタルサンプリングを行い、サンプリングクロックに同期した受信信号を生成する。そして、受信信号が立ち上がっている期間にカウンタ回路２３のカウント値を読み取ってメモリ２４に出力する。
ただし、メモリ２４に実際に出力されるカウント値は、レベルサンプリング回路２０によるカウント値とエッジサンプリング回路２１によるカウント値との何れか一方である。本実施形態では、例えば図４に示す通り、レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１の後段にセレクタ２６を設け、セレクタ２６の切り替え制御をＭＰＵ２５により行い、何れか一方のカウント値をメモリ２４に出力させる。

また、ＭＰＵ２５によるセレクタ２６の切り替え制御は、例えば図５に示す通り、半導体レーザ１２によるパルス光Ｌ１の出射からの経過時間に応じて自動的に行われる。つまり、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間（一般的に測定対象物で反射した強いパルス光Ｌ２によって増幅器１７が飽和し得る間）は、エッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択してメモリ２４に出力する。そして、所定時間ｔ１以降（パルス光Ｌ２が弱くて増幅器１７が飽和しない間）は、レベルサンプリング回路２０によるカウント値を選択してメモリ２４に出力する。

ここで、レベルサンプリング回路２０は、図３(ａ)に示す通り、サンプリングクロックの立ち上がりエッジで２値化信号のレベルをラッチして、受信信号を生成する。この場合、２値化信号の立ち上がり期間（図２(ｂ)の時系列信号のレベルが閾値より大きい期間と一致）に、サンプリングクロックが立ち上がると、測定対象物で反射したパルス光Ｌ２が検出されたと判断して、受信信号のレベルを立ち上げる。また、２値化信号の立ち下がり期間にサンプリングクロックが立ち上がると、パルス光Ｌ２は検出されなかったと判断し、受信信号のレベルを立ち下げる。そして、受信信号の立ち上がり期間に、パルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差を計測し、カウンタ回路２３のカウント値を図４のセレクタ２６に出力する。

このようなレベルサンプリング回路２０では、サンプリングクロックが立ち上がるごとに、２値化信号の立ち上がり/立ち下がり状態に応じて、パルス光Ｌ２の検出の有/無を判断するため、基本的に全てのパルス光Ｌ２の時間差を計測可能である。ただし、２値化信号の立ち上がり期間がサンプリングクロックの周期より短い場合（例えば２値化信号のパルス(１)の期間など）や、ロジックのセットアップ/ホールドを満足できない場合は、その計測を行えないこともある。図３(ａ)の例では、パルス(１)の期間での計測が行われず、パルス(２),(３)の期間での計測が行われたことになる。

また、上記のレベルサンプリング回路２０では、増幅器１７の飽和に起因して図２の時系列信号のパルス幅が本来のパルス幅より広い異常値を示した場合、その分だけ図２(ｂ),図３(ａ)の２値化信号のパルス幅も広くなり、受信信号の立ち上がり期間もそのまま広がってしまうため、パルス光Ｌ２の時間差を正確に計測できない。つまり、レベルサンプリング回路２０から図４のセレクタ２６に出力されるカウント値が不正確になる。

このため、本実施形態において、レベルサンプリング回路２０によるカウント値は、図５の所定時間ｔ１以降（パルス光Ｌ２が弱くて増幅器１７が飽和しない間）に選択され、メモリ２４に出力される。この期間は、増幅器１７が飽和せず、図３(ａ)の２値化信号のパルス幅が正常値を示すため、受信信号の立ち上がり期間も正常値を示し、パルス光Ｌ２の時間差を正確に計測することができ、正確なカウント値をメモリ２４に出力できる。また、Ｓ/Ｎ比が低くても、正確なカウント値をメモリ２４に出力できる。

ここで、図５の所定時間ｔ１は、例えば、測距装置から５０ｍの距離にある物体からの反射パルスを基準に設定すればよい。ただし、この所定時間ｔ１は、測距装置の使用環境等を考慮し、使用者が適宜コントローラの設定値を変更できるようにしてもよい。
一方、エッジサンプリング回路２１では、図３(ｂ)に示す通り、２値化信号の立ち上がりエッジで、サンプリングクロックとは非同期にラッチを行っている。そして、非同期ラッチの後、１つ目のサンプリングクロックの立ち上がりエッジでサンプルし、２つ目のサンプリングクロックの立ち上がりエッジで非同期ラッチをクリアしている（セットアップ/ホールドを確保するため）。１クロック間隔で２つの信号を合成すればマスクされない。

この場合、２値化信号の立ち上がりエッジ（図２(ｂ)の時系列信号のレベルが閾値未満から閾値以上へ変化したタイミングと一致）で、パルス光Ｌ２が検出されたと判断して、エッジサンプルを立ち上げる。そして、次に１つ目のサンプリングクロックが立ち上がると、受信信号のレベルを立ち上げる。また、２値化信号の立ち下がりとは無関係に、２つ目のサンプリングクロックが立ち上がると、エッジサンプルを立ち下げ、受信信号のレベルを立ち下げる。ただし、２つのエッジサンプルの一方が立ち上がった状態で、他方のエッジサンプルが立ち下げられても、受信信号のレベルの立ち下げは行われず、立ち上がり状態が保持される。

このようなエッジサンプリング回路２１では、サンプリングクロックの周期に拘束されることなく、２値化信号の立ち上がりエッジのタイミングで、非同期に、パルス光Ｌ２の時間差を計測可能である。ただし、２値化信号の立ち上がり期間が短くてホールド時間が短すぎるような場合、その計測を行えないこともある。
また、上記のエッジサンプリング回路２１では、Ｓ/Ｎ比が低下して２値化信号の立ち上がりエッジが不明確になってしまう（ノイズに対して信号の立ち上がりエッジの位置が検出されにくくなる）と、パルス光Ｌ２の時間差を正確に計測できない。つまり、エッジサンプリング回路２１から図４のセレクタ２６に出力されるカウント値が不正確になる。例えば、図３(ｂ)のパルス(３)が真のパルス光Ｌ２に起因し、その前のパルス(２)が偽のパルス光Ｌ２（例えば雨粒などで反射したノイズ成分）に起因する場合、そのノイズ成分の影響でパルス(３)の立ち上がりエッジが不明確になると、カウント値が不正確になる。

このため、本実施形態において、エッジサンプリング回路２１によるカウント値は、図５に示すパルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間（測定対象物で反射した強いパルス光Ｌ２によって増幅器１７が飽和し得る間）に選択され、メモリ２４に出力される。この期間は、Ｓ/Ｎ比が良好であり、図３(ｂ)の２値化信号の立ち上がりエッジが明確であるため、パルス光Ｌ２の時間差を正確に計測することができ、正確なカウント値をメモリ２４に出力できる。また、増幅器１７が飽和しても、正確なカウント値をメモリ２４に出力できる。

このように、本実施形態の測距装置１０では、半導体レーザ１２によるパルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間（パルス光Ｌ２によって増幅器１７が飽和し得る間）、エッジサンプリング回路２１によるカウント値をメモリ２４に出力し、所定時間ｔ１以降（パルス光Ｌ２が弱くて増幅器１７が飽和しない間）、レベルサンプリング回路２０によるカウント値をメモリ２４に出力する。

ただし、１つのパルス光Ｌ１に起因して複数のカウント値が得られ、最小のカウント値が所定時間ｔ１に対応するカウント値より小さい場合には、最小のカウント値のみを採用してメモリ２４に出力し、それ以降のカウント値を排除することが好ましい。増幅器１７が仮に飽和してもエッジサンプリング回路２１によって得られた最小のカウント値は正確である。また、それ以降のカウント値は、増幅器１７の飽和に起因して増幅器１７が異常動作を起こすと不正確になる。したがって、上記のような場合に最小のカウント値のみを採用することで、誤検出された不正確なカウント値を排除できる。

さらに、本実施形態の測距装置１０では、半導体レーザ１２がパルス光Ｌ１の出射を繰り返すごとに、上記と同様の時間差の計測（メモリ２４へのカウント値の出力）を繰り返す。そして、このような繰り返しの結果、メモリ２４には、繰り返し回数（例えば５５０回）に応じて多数のカウント値が蓄積され、カウント値の度数分布が作成される。この度数分布をヒストグラム化すると、例えば図６のようになる。

ＭＰＵ２５は、半導体レーザ１２の発光タイミングの制御を終了すると、メモリ２４に蓄積されたカウント値（パルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差）を用いて、測定対象物までの距離を算出する。すなわち、例えば図６に示すカウント値の度数分布において最も度数の多い区間の時間差ｔ２に光速を乗じることにより、測定対象物までの距離を算出する。この場合、サンプリングクロックが周波数８０ＭＨｚ（周期１２.５ｎsec）であれば１.９ｍの分解能で距離を測定することができる。

本実施形態の測距装置１０は、レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１とを備え、レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１との何れか一方によって計測される時間差を用いて距離を測定するため、ゲインが固定されている一般的な増幅器１７を用いて信号を増幅する場合でも、近距離から遠距離までの測定を正確に行うことができる。さらに、一般的な増幅器１７を用いるため、測距装置１０の低コスト化や小型化を実現できる。

また、図５に示す通り、パルス光Ｌ１の出射からの経過時間に応じて自動的にレベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１との何れか一方を選択するので、その選択を簡単かつ適切に行うことができる。
さらに、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間、エッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択するため、増幅器１７が飽和しても正確なカウント値を得ることができ、さらに、所定時間ｔ１以降は、レベルサンプリング回路２０によるカウント値を選択するため、Ｓ/Ｎ比が低くても正確なカウント値を得ることができる。つまり、パルス光Ｌ１の出射からの経過時間に拘わらず、常に、正確なカウント値を得ることができる。したがって、近距離から遠距離までの正確な測定を確実に行える。

また、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間、エッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択するため、特開２００２−３２８１７０号公報に記載の遅延回路を用いて重心計算を行う場合にもパルス幅の影響を受けずに正確な測定を行える。このような測定方法の概略を説明すると、ＭＰＵ２５が半導体レーザ１２の発光タイミングを制御する際に、遅延回路を用いて発光タイミングを所定量（例えばサンプルクロックの１/４程度）ずつ順次シフトさせながら、上記と同様の度数分布（図６のヒストグラム）を作成し、得られた度数分布の所定区間（例えば３クロック分の区間）で重心計算を行うことによりパルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差を算出し、その結果を用いて距離を測定する手順となる。

ここで仮に、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間にパルス幅が広がっていたにも拘わらず、レベルサンプリング回路２０によるカウント値を選択することとした場合を考える。この場合、図７(ａ),(ｂ)のヒストグラムの比較から分かるように、パルス幅が広がった分だけヒストグラムのバラツキ区間も広がってしまうため、所定区間で重心計算を行っても正確な重心（パルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差）を算出できない。

これに対して、本実施形態のように、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間、エッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択すると、図８(ａ),(ｂ)のヒストグラムの比較から分かる通り、パルス幅が広がってもヒストグラムのバラツキ区間は変化しない。このため、所定区間での重心計算により、常に正確な重心（パルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差）を算出できる。そして、半導体レーザ１２の発光タイミングのシフト量の分だけ距離の測定分解能を向上させることができる。
（変形例１）
なお、上記した実施形態では、エッジサンプリング回路２１において２値化信号の立ち上がりエッジでサンプリングクロックとは非同期にラッチした（図３(ｂ)）が、本発明はこれに限定されない。増幅器の飽和の程度が小さいか無い場合には、２値化信号の立ち下がりエッジで非同期にラッチしてもよい。

さらに、上記した実施形態では、増幅器１７が飽和するか否かに応じてセレクタ２６の切り替え制御の所定時間ｔ１を設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば増幅器の飽和が予想されるような場合、所定時間ｔ１の設定を、Ｓ/Ｎ比の高低に応じて行ってもよい。この場合、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間（パルス光Ｌ２が強くてＳ/Ｎ比が高い間）は、エッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択して、所定時間ｔ１以降（パルス光Ｌ２が弱くてＳ/Ｎ比が低い間）は、レベルサンプリング回路２０によるカウント値を選択することが好ましい。

また、上記した実施形態では、２値化回路１８からの２値化信号をレベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１との双方に出力して、それぞれでパルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差を計測し、セレクタ２６の切り替え制御により何れか一方の時間差（カウント値）をメモリ２４に出力したが、本発明はこれに限定されない。セレクタ２６を省略してレベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１とのそれぞれに専用のメモリを設け、ＭＰＵ２５が距離を算出するときに、何れか一方のメモリに蓄積されたカウント値（時間差）を選択するようにしてもよい。また、２値化回路１８からの２値化信号をレベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１に振り分け、何れか一方にて計測された時間差（カウント値）をメモリ２４に出力するようにしてもよい。

さらに、上記した実施形態では、パルス光Ｌ１の出射からの経過時間に応じてセレクタ２６の切り替え制御を行い、レベルサンプリング回路２０によるカウント値またはエッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択した（図５）が、本発明はこれに限定されない。次の方法（Ａ）〜（Ｄ）の何れかを用いてレベルサンプリング回路２０によるカウント値またはエッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択する場合にも、本発明を適用できる。さらに、次の方法（Ａ）〜（Ｄ）と上記した経過時間による方法とを任意に組み合わせてもよい。

方法（Ａ）は、測定者による外部操作に応じて、レベルサンプリング回路２０によるカウント値またはエッジサンプリング回路２１によるカウント値を選択するものである。測距装置１０の筐体に切り替えボタンを設けて、そのボタンの操作に応じてレベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択を行うことが考えられる。切り替えボタンとしては、例えば、近距離優先ボタンと遠距離優先ボタンとの少なくとも一方を設けることが考えられる。ボタンの操作に応じて測定者が近距離優先を指示した場合は、エッジサンプリング回路２１を強制的に選択し、遠距離優先を指示した場合は、レベルサンプリング回路２０を選択することが好ましい。

方法（Ｂ）は、閾値設定回路１９がパルス光Ｌ１の出射前に推定した背景レベルに応じて、レベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択を行うものである。背景レベルはＳ/Ｎ比の目安となるので、背景レベルそのものをレベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択に用いてもよいし、上記のように背景レベルに応じて２値化回路１８に設定した閾値（図２(ｂ)）を用いてもよい。閾値設定回路１９は、背景レベルが小さいとき、Ｓ/Ｎ比を上げるために閾値の設定を下げる。このため、測定対象物の反射率が高いと、遠距離であっても、その反射パルス光によって増幅器１７が飽和する可能性があり、エッジサンプリング回路２１を選択することが好ましい。レベルサンプリング回路２０よりもエッジサンプリング回路２１の方が高精度なため、遠距離であってもエッジサンプリング回路２１を優先することが好ましい。さらに、パルス光Ｌ１の出射（本発光）前に、プリ発光を行い、そのときの反射光の強度に応じてレベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択を行ってもよい。

方法（Ｃ）は、パルス光Ｌ１を出射したときの戻り光の強度に応じて、レベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択を行うものである。戻り光は、測定対象物で反射したパルス光Ｌ２や他の障害物(例えば雨など)で反射したパルス光や背景光などを含み、Ｓ/Ｎ比の目安となる。このため、戻り光の強度そのものをレベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１の選択に用いてもよいし、戻り光の平均強度を用いてもよいし、戻り光の強度に応じたノイズ低減のための閾値を用いてもよい。戻り光の強度が所定値より強くなったらエッジサンプリング回路２１を選択し、所定値より弱くなったら、レベルサンプリング回路２０を選択することが好ましい。また、この場合、測距前にプリ測距を行い、プリ測距の戻り高によるデータを基にしてもよい。

方法（Ｄ）は、複数のパルス光Ｌ１の出射によってメモリ２４に蓄積されたカウント値の度数分布（図６のヒストグラム）のうち、カウント値（時間差）が所定値以下の区間（増幅器１７が飽和し得る区間）における度数に応じて、レベルサンプリング回路２０またはエッジサンプリング回路２１のカウント値の選択を行うものである。この場合、レベルサンプリング回路２０とエッジサンプリング回路２１とのそれぞれに専用のメモリを設け、ＭＰＵ２５が距離を算出するときに、何れか一方のメモリに蓄積されたカウント値を選択することが好ましい。

例えば図９(ａ)に示す通り、メモリ内の度数分布のうち「飽和し得る区間」に、度数が閾値以上の区間（図中の区間Ｋ１,Ｋ２に相当）が存在する場合には、増幅器１７が飽和したと判断する。パルス光Ｌ２を含む戻り光の強度が強いほど度数が増える傾向にあるからである。そして、エッジサンプリング回路２１によるカウント値の方を選択する。さらに、そのメモリ内の度数分布に複数のピーク(Ｋ１〜Ｋ３)が存在する場合、最小のカウント値のピーク(Ｋ１)を採用し、それ以降のカウント値のピーク(Ｋ２,Ｋ３)は異常波形の可能性があるため排除することが好ましい。図９(ｂ)に示す度数分布では「飽和し得る区間」に度数が閾値以上の区間が存在しないため、増幅器１７は飽和しなかったと考えられ、全てのピーク(Ｋ４,Ｋ５)を正常波形として採用することができる。

また、上記した実施形態では、戻り光の強度変化に応じた時系列信号（図２(ａ)）を、２値化回路１８において２値化する例（図２(ｂ)）を説明したが、本発明はこれに限定されない。２値化を行わずに、パルス光Ｌ１の出射からパルス光Ｌ２の検出までの時間差を計測する場合にも、本発明を適用できる。
さらに、上記した実施形態では、増幅器１７が飽和するような場合にエッジサンプリング回路２１を選択する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、測定対象物に依存して、戻り光に含まれるパルスＬ２の特性が変化する（例えばパルス幅が広くなる）ことがある。例えば、厚みのあるガラスで反射したパルス光Ｌ２や、平面でない乱反射するような表面からのパルス光Ｌ２は、そのパルス幅が広くなる。このような場合にも、エッジサンプリング回路２１を選択することにより（例えば切り替えボタンの操作により手動で選択することが好ましい）、距離の測定を正確に行える。

また、上記した実施形態では、レベルサンプリング回路２０によるカウント値とエッジサンプリング回路２１によるカウント値との何れか一方を選択する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。レベルサンプリング回路２０によるカウント値とエッジサンプリング回路２１によるカウント値との双方を用いて距離を算出する場合にも、本発明を適用できる。
（変形例２）
上記した実施形態では、Ｓ/Ｎ比が低下して２値化信号の立ち上がりエッジが不明確になると、エッジサンプリング回路２１から図４のセレクタ２６に出力されるカウント値が不正確になるとの説明を行ったが、この場合、予めオフセット量を設定して測距値を修正し、表示するようにしてもよい。
（変形例３）
上記した実施形態では、パルス光Ｌ１の出射から所定時間ｔ１が経過するまでの間はエッジサンプリング回路２１、所定時間ｔ１以降はレベルサンプリング回路２０によりカウント値をメモリ２４に出力しているが、本発明はこれに限定されない。

所定時間ｔ１以降に増幅器が飽和することが確認された場合、または、予め所定時間ｔ１以降に増幅器が飽和することが予測される場合には、所定時間ｔ１以降または全時間領域に渡って、エッジサンプリング回路２１によりカウント値をメモリ２４に出力されるようにしてもよい。
この場合、増幅器の飽和を検出する手段を設けてもよい。例えば、予め検出信号の正常と思われる範囲のパルス幅を記憶しておき、それを超えた場合には、レベルサンプリングは不能と判断して、エッジサンプリングに切替えるようにすることが可能である。

または、所定値を超える強度の反射光が入射した場合、増幅器が飽和することが予測されることから、この場合にはエッジサンプリングを採用するようにしてもよい。これらのサンプリング回路の切換えは、検出値により自動制御されることが好ましいが、サンプリング方法を切替えるよう使用者に通知するようにし、これを確認した使用者が、手動でサンプリング方法を切替えるようにしてもよい。

この場合、測距装置１０のＭＰＵ２５に接続された第１および第２の操作ボタン（例えば次に説明する図１０の操作ボタン３１,３２を参照）の切り換えモードに、エッジサンプリングモードとレベルサンプリングモードとの切換え機能を備えるようにすればよい。
（変形例４）
さらに、図１０に示す通り、上記のＭＰＵ２５の内部にコントローラ３０を設け、このコントローラ３０に対して、第１および第２の操作ボタン３１,３２からの操作信号を入力してもよい。これらの操作ボタン３１,３２を操作することで、次に説明する２種類の測定モードを切り換えることができる。第１の測定モードは「遠距離モード」であり、第２の測定モードは「近距離モード」である。

「遠距離モード」とは、算出された複数の測距値のうち、測距装置から最も離れている物体までの距離を、物体までの測距値と見なすモードである。または、測距値を算出するために受信された複数の反射信号のうち、測距装置から最も離れている物体からの反射信号を物体までの信号と見なし、測距値を算出するモードである。
「近距離モード」とは、算出された複数の測距値のうち、測距装置から最も近い物体までの距離を、物体までの測距値と見なすモードである。または、測距値を算出するために受信された複数の反射信号のうち、測距装置から最も近い物体からの反射信号を物体までの信号と見なし、測距値を算出するモードである。

コントローラ３０は、被測定物までの距離を算出する距離算出器(３３〜３８)を有する。また、距離算出器(３３〜３８)は、モード判断部３３、カウント部３４、表作成部３５、距離判定部３６、閾値選択部３７および距離選択部３８を有している。
操作ボタン３１,３２の操作により測定モードが切り換えられるとき、操作ボタン３１,３２からの操作信号に応じて、コントローラ３０内のモード判断部３３が測定モード（遠距離モードまたは近距離モード）の判断を行う。そして、被測定物までの距離を判定するために、測定モードに応じた度数分布表（ヒストグラム）上の判定閾値が、コントローラ３０内の閾値選択部３７により選択される。

測定モードが予め近距離モードに設定されていたとき、測定モードを遠距離モードに切り換える場合、操作ボタン３２を所定の時間（例えば１.５秒間）操作した後、さらに操作ボタン３１を所定の時間（例えば２秒間）操作する。この場合、操作ボタン３１からの操作信号に基づいて、コントローラ３０内のモード判断部３３により、測定モードが遠距離モードに設定されたことが判断される。そして、選択された測定モード（この場合は遠距離モード）に応じた距離判定のための判定閾値が閾値選択部３７により選択される。

遠距離モードが選択された場合、コントローラ３０は、受信信号が第２計測手段であるレベルサンプリング回路２０に送信されるように制御する。これにより、予め遠距離側の受信信号を受信することが判っているので、近距離側の受信器の飽和の恐れがなく、より精度の高いレベルサンプリングによる処理を行うことができる。
さらに、近距離モードが選択された場合、コントローラ３０は、受信信号が第１計測手段であるエッジサンプリング回路２１に送信されるように制御する。これにより、予め近距離側の受信信号を受信することが判っているので、受信器が飽和すること予め防止することができる。

Claims

測定対象物に向けて第１パルス光を出射する出射手段と、
前記測定対象物で反射した前記第１パルス光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記信号の強度が所定値より大きい期間に前記反射した第１パルス光が検出されたことを示す受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第１計測手段と、
前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記信号の強度が前記所定値未満から該所定値以上へ変化したタイミングで前記受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第２計測手段と、
前記反射した第１パルス光の強度またはＳ／Ｎ比と所定の閾値との比較に基づいて、前記第１計測手段と前記第２計測手段とのいずれか一方によって計測される時間差を選択し、前記測定対象物までの距離を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置において、
前記出射手段は、複数の前記第１パルス光を順に出射し、
前記算出手段は、前記第１計測手段による時間差と前記第２計測手段による時間差との少なくとも一方に関わる度数分布を作成し、該度数分布のうち時間差が所定値以下の区間における度数に基づいて前記反射した第１パルス光の強度を判定して、前記第１計測手段による時間差または前記第２計測手段による時間差を選択し、前記測定対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距装置。
請求項１または請求項２に記載の測距装置において、
前記第１計測手段は、前記信号を２値化し、該２値化によって生成される信号の強度を前記サンプリングクロックの立上がりエッジでラッチすることにより、前記受信信号を生成して前記時間差を計測し、
前記第２計測手段は、前記信号を２値化し、該２値化によって生成される信号の強度を前記サンプリングクロックとは非同期にラッチした後、該サンプリングクロックの１つ目の立上がりエッジでサンプルして、２つ目の立上がりエッジでクリアすることにより、前記受信信号を生成して前記時間差を計測する
ことを特徴とする測距装置。
請求項３に記載の測距装置において、
前記第１パルス光の出射前に該第１パルス光の背景レベルを推定する推定手段を備え、
前記背景レベルから前記２値化の閾値を設定する
ことを特徴とする測距装置。
測定対象物に向けて第１パルス光を出射する出射手段と、
前記測定対象物で反射した前記第１パルス光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記光検出手段で検出された前記反射した第１パルス光の強度が所定値より大きい期間に前記反射した第１パルス光が検出されたことを示す受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第１計測手段と、
前記光検出手段から出力される信号を所定の周期でサンプリングして、前記光検出手段で検出された前記反射した第１パルス光の強度が前記所定値未満から該所定値以上へ変化したタイミングで前記受信信号を生成し、前記第１パルス光の出射タイミングと前記受信信号とに基づいて前記第１パルス光の出射から検出までの時間差を計測する第２計測手段と、
前記第１パルス光の出射からの経過時間が所定時間を経過するまでの間は前記第２計測手段による時間差を選択し、前記第１パルス光の出射からの経過時間が前記所定時間を経過した場合には第１計測手段による時間差を選択して、前記測定対象物までの距離を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とする測距装置。
請求項５に記載の測距装置において、
前記算出手段は、前記所定時間を前記反射した第１パルス光のＳ／Ｎ比に基づいて設定して、前記第１計測手段による時間差または前記第２計測手段による時間差を選択し、前記測定対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする測距装置。