JP6990864B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置が、種々の機器に搭載されている。光を用いた距離の測定方式として、たとえば、三角測量法を利用した方式が知られている。この方式では、光の出射方向と、この光が物体で反射された反射光の進行方向との間の角度に基づいて、物体までの距離が計測される。しかし、この方式では、物体までの距離が長い場合に、距離を正確に計測することが困難となる。この問題を抑制し得る方式として、光を出射してから反射光を受光するまでの時間（ランタイム）に基づいて、物体までの距離を測定する方式を用いることができる。

以下の特許文献１には、ランタイムに基づいて物体までの距離を測定する距離測定装置が記載されている。この距離測定装置では、同一方向に向かってレーザ光が所定回数照射されている間に、それまでに受光部から出力された受光信号を全て積算して積算信号が算出される。そして、積算信号のピークが反射物体からの反射光によって生じたものであると判定されると、所定回数のレーザ光の照射が行われている途中であっても、レーザ光の照射が停止される。これにより、無駄にレーザ光が照射されることが防止され得る。

特許第４８９４３６０号公報

ランタイムに基づいて物体までの距離を測定する距離測定装置では、物体から反射された反射光の受光タイミングを適切に検出することが必要となる。しかしながら、距離測定装置が受光する反射光の光量は、物体までの距離の２乗に反比例して減衰する。このため、物体までの距離が長くなると、反射光の検出信号が小さくなり、内部迷光や外光、ノイズ等の影響により、反射光の受光タイミングを適切に検出することが困難となる。

かかる課題に鑑み、本発明は、物体までの距離に拘わらず、距離を適切に検出することが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様は、距離測定装置に関する。この態様に係る距離測定装置は、測距用の投射光を出射する光源と、測距領域から反射された反射光を受光する光検出器と、コントローラと、を備える。ここで、前記コントローラは、前記投射光が照射された物体までの距離を取得するための測距動作時に、前記光検出器から出力される検出信号に基づいて、物体が遠距離にある場合の受光タイミングを検出する遠距離ルーチンと、物体が近距離にある場合の受光タイミングを検出する近距離ルーチンとを実行する。前記遠距離ルーチンにおいて、前記コントローラは、前記受光タイミングを検出するために前記検出信号に適用する閾値を、前記近距離ルーチンに比べて低く設定し、さらに、前記投射光に基づく内部迷光が前記光検出器に入射して生じる前記検出信号の変化を前記受光タイミングの検出対象から除外するために、前記内部迷光の出現期間を含むようにマスク時間を設定し、前記検出信号が前記閾値を超えるタイミングが前記マスク時間に含まれる場合は、当該タイミングを前記受光タイミングの検出対象外とするマスク処理を実行する。そして、前記コントローラは、前記遠距離ルーチンにより検出された前記受光タイミングと、前記近距離ルーチンにより検出された前記受光タイミングの何れか一方を選択し、選択した前記受光タイミングに基づいて、前記投射光が照射された物体までの距離を算出する。

本態様に係る距離測定装置によれば、遠距離ルーチンの検出結果と近距離ルーチンの検出結果の何れか一方が選択されて物体までの距離が算出されるため、物体までの距離に拘わらず、物体までの距離を適切に検出することができる。

以上のとおり、本発明に係る距離測定装置によれば、物体までの距離に拘わらず、距離を適切に検出することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態に係る固定部と回転部とを分離させた状態の距離測定装置の構成を示す斜視図である。 図３は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係るビームスプリッタの構成を示す平面図および側面図である。 図５（ａ）～（ｇ）は、それぞれ、閾値を用いた反射光の検出方法の一例を示す図である。 図６（ａ）は、光検出器から出力される検出信号の一例を示す図である。図６（ｂ）～（ｃ）は、ぞれぞれ、図６（ａ）の検出信号を、内部迷光および反射光信号の信号成分と、外光および暗電流の信号成分と、ノイズ成分とに分離して示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る遠距離ルーチンにおける反射光の検出方法を模式的に示す図である。図７（ｃ）は、実施の形態に係る近距離ルーチンにおける反射光の検出方法を模式的に示す図である。 図８は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す回路ブロック図である。 図９（ａ）は、実施の形態に係る測距処理の基本ルーチンを示すフローチャートである。図９（ｂ）は、実施の形態に係る１点測距ルーチンを示すフローチャートである。 図１０（ａ）は、実施の形態に係る遠距離ルーチンを示すフローチャートである。図１０（ｂ）は、実施の形態に係る近距離ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向は、距離測定装置１の高さ方向である。

図１は、距離測定装置１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、距離測定装置１は、円柱状の固定部１０と、固定部１０に回転可能に配置された回転部２０とを備える。回転部２０は、固定部１０と略同径の大径部２０ａと、大径部２０ａよりも径が小さい小径部２０ｂと、大径部２０ａと小径部２０ｂとを繋ぐ傾斜部２０ｃからなっている。大径部２０ａおよび小径部２０ｂは、何れも、円柱形状である。固定部１０と、回転部２０の大径部２０ａおよび小径部２０ｂとは、互いに同軸に配置されている。小径部２０ｂの側面に撮像レンズ３５が外部に露出するように配置されている。撮像レンズ３５から測距領域に向かってレーザ光（投射光）が投射される。撮像レンズ３５は、測距領域から反射された反射光を取り込むためのレンズ部を構成する。

回転部２０は、Ｚ軸に平行、且つ、小径部２０ｂの中心を貫く回転軸Ｒ１０を中心に回転する。回転部２０の回転に伴い、撮像レンズ３５から投射されるレーザ光の光軸が回転軸Ｒ１０を中心に回転する。これに伴い、測距領域も回転する。距離測定装置１は、測距領域にレーザ光を投射したタイミングと、測距領域からレーザ光の反射光を受光したタイミングとの間の時間差（ランタイム）に基づいて、測距領域に存在する物体までの距離を計測する。具体的には、この時間差に光の速度を乗じた後、２で除算して、物体までの距離を求める。上記のように回転部２０が回転軸Ｒ１０の周りに１回転することにより、距離測定装置１は、周囲３６０度の範囲に存在する物体までの距離を計測できる。

図２は、固定部１０と回転部２０とを分離させた状態の距離測定装置１の構成を示す斜視図である。

図２に示すように、固定部１０は、円柱状の支持ベース１１と、コイル１２と、ヨーク１３と、ベアリングボール１５と、を備えている。支持ベース１１は、たとえば樹脂で形成されている。支持ベース１１の上面には、回転軸Ｒ１０を中心とする周方向に沿って、凹部１１ａが形成されている。この凹部１１ａに、薄板状のヨーク１３が嵌め込まれている。ヨーク１３は、円板の中央部が抜き取られた形状である。ヨーク１３は、ネジ１４で支持ベース１１に固着されている。

さらに、ヨーク１３の上面に複数のコイル１２が周方向に並ぶように配置されている。ここでは、１２個のコイル１２が、ヨーク１３の上面に装着されている。これらヨーク１３は、回転部２０側の磁石２２とともに、回転部２０を回転させるためのモータを構成する。

支持ベース１１の上面には、凹部１１ａの内側に深さ一定の案内溝１１ｂが周方向に延びるように形成されている。周方向に垂直な平面で切断した案内溝１１ｂの形状はＶ字状である。案内溝１１ｂは、周方向に繋がっている。案内溝１１ｂは、ベアリングボール１５を周方向に案内するためのものである。案内溝１１ｂに複数のベアリングボール１５が嵌められる。ベアリングボール１５間の距離を保つためのスペーサが、さらに案内溝１１ｂに嵌められてもよい。

支持部材２１の中央部に円柱状の突部１１ｃが設けられ、さらに、この突部１１ｃに凹部１１ｄが設けられている。この凹部１１ｄに、後述の光学系を構成する光学部材が配置される。図２には、光学部材として、ビームスプリッタ３３と、ミラー３６が示されている。

図２には、回転部２０が上下に反転した状態で示されている。回転部２０は、支持部材２１と、磁石２２とを備える。図２には示されていないが、回転部２０には、さらに、ヨーク２３（図３参照）が設置されている。図２の状態において、ヨーク２３は、磁石２２によって覆われている。

回転部２０の大径部２０ａには、回転軸Ｒ１０を中心とする周方向に沿って、凹部２１ａが形成されている。この凹部２１ａに、薄板状のヨーク２３（図３参照）が嵌め込まれている。ヨーク２３は、円板の中央部が抜き取られた形状である。ヨーク２３は、熱硬化接着剤または金属と樹脂の一体成形などの手段で大径部２０ａに固着されている。

さらに、ヨーク２３を覆うようにして、複数の磁石２２が周方向に並ぶように配置されている。これら磁石２２は、隣り合う磁石２２の極性が互いに反転するように配置されている。ここでは、１６個の磁石２２が、ヨーク２３を覆うように装着されている。これら磁石２２は、上記のように、固定部１０側のコイル１２とともに、回転部２０を回転させるためのモータを構成する。

支持部材２１には、凹部２１ａの内側に深さ一定の案内溝２１ｂが周方向に延びるように形成されている。周方向に垂直な平面で切断した案内溝２１ｂの形状はＶ字状である。案内溝２１ｂは、周方向に繋がっている。案内溝２１ｂは、固定部１０側の案内溝１１ｂとともに、ベアリングボール１５を周方向に案内するためのものである。図１に示すように回転部２０が固定部１０に重ねられると、ベアリングボール１５が、固定部１０側の案内溝１１ｂと、回転部２０側の案内溝２１ｂとによって挟まれる。これにより、回転部２０が、回転軸Ｒ１０を中心に回転可能に、固定部１０に支持される。

支持ベース１１の中央部に円筒状の壁部２１ｃが設けられ、さらに、この壁部２１ｃの内側に開口２１ｄが設けられている。この開口２１ｄに、後述の回転ミラー３４（図３参照）が設置される。開口２１ｄは、小径部２０ｂの側面に形成された開口２１ｅに繋がっている。この開口２１ｅに、撮像レンズ３５が設置される。なお、壁部２１ｃには、周方向に一定間隔で切欠き２１ｆが形成されている。切欠き２１ｆは、回転部２０の回転状態を検出するためのものである。

上記のように、回転部２０が固定部１０に重ねられると、ベアリングボール１５を介して、回転部２０が、回転軸Ｒ１０を中心に回転可能に、固定部１０に支持される。この状態において、回転部２０側に配置された複数の磁石２２が、固定部１０側に配置された複数のコイル１２に向き合う。こうして、回転部２０を回転方向に駆動するためのモータが構成される。

また、この状態において、回転部２０側の磁石２２と、固定部１０側のヨーク１３との間に磁気吸着力が生じる。この磁気吸着力によって、回転部２０が固定部１０に吸着され、固定部１０に対する回転部２０の支持状態が維持される。すなわち、ヨーク１３は、磁石２２との間で、回転部２０の脱落を規制するための磁気吸着力を生じさせるための磁性部を構成する。なお、支持ベース１１を磁性体で構成することにより、この磁気吸着を生じさせてもよい。

図３は、距離測定装置１の構成を示す断面図である。図３には、図１に示した距離測定装置１を、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面により、Ｙ軸方向の中央位置で切断したときの断面図が示されている。図３では、レーザ光源３１から出射され、測距領域へと向かうレーザ光（投射光）が実線で示され、測距領域から反射された反射光が破線で示されている。光学系に付された一点鎖線は、光学系の光軸である。

図３に示すように、距離測定装置１は、光学系の構成として、レーザ光源３１と、リレーレンズ３２と、ビームスプリッタ３３と、回転ミラー３４と、撮像レンズ３５と、ミラー３６と、フィルタ３７と、光検出器３８、３９と、を備えている。レーザ光源３１と光検出器３８、３９は、回路基板４１に設置されている。リレーレンズ３２、ビームスプリッタ３３、ミラー３６およびフィルタ３７は、固定部１０側の支持ベース１１に設置されている。回転ミラー３４と撮像レンズ３５は、回転部２０の支持部材２１に設置されている。

レーザ光源３１は、所定波長のレーザ光を出射する。レーザ光源３１は、たとえば半導体レーザである。レーザ光源３１の出射光軸は、Ｚ軸に平行である。レーザ光源３１は、支持ベース１１の下面に設置された回路基板４１に設置されている。回路基板４１は、ネジ４２によって、支持ベース１１の下面に設置されている。レーザ光源３１から出射されたレーザ光は、リレーレンズ３２によって、放射角が絞られた後、ビームスプリッタ３３に入射する。レーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過して、回転ミラー３４へと向かう。

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ビームスプリッタ３３の構成を示す平面図および側面図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ３３は、厚みが一定の透明な基板３３ａの片面に反射膜３３ｂが形成された構成となっている。反射膜３３ｂは、円形の孔部３３ｃ以外の領域全てに設けられている。孔部３３ｃは、リレーレンズ３２側から入射したレーザ光が通過する領域よりもやや広めに設定されている。したがって、リレーレンズ３２側から入射したレーザ光は、略全てが、ビームスプリッタ３３を透過し、回転ミラー３４へと向かう。ビームスプリッタ３３は、Ｚ軸に対して４５度傾くように配置されている。

図３に戻り、回転ミラー３４は、板状の全反射ミラーである。回転ミラー３４は、反射面がビームスプリッタ３３に向き合うように、支持部材２１に設置される。回転ミラー３４の反射面は、平面である。回転ミラー３４は、反射面がＺ軸に対して４５度傾くように配置されている。ビームスプリッタ３３を透過したレーザ光は、回転ミラー３４によって光軸が９０度曲げられる。すなわち、レーザ光は、回転ミラー３４によって、撮像レンズ３５に向かう方向に反射される。

撮像レンズ３５は、光軸がＸ軸に平行となるように設置されている。撮像レンズ３５は、回転ミラー３４側から入射したレーザ光を、略平行光に変換して、測距領域へと投射する。撮像レンズ３５は、必ずしも、１つのレンズにより構成されなくともよく、複数のレンズが組み合わされた構成であってもよい。

測距領域に物体が存在する場合、測距領域に投射されたレーザ光は、物体で反射されて、再び、撮像レンズ３５へと向かう。こうして物体から反射された反射光が、撮像レンズ３５によって取り込まれる。反射光は、撮像レンズ３５を透過する間に、撮像レンズ３５から収束作用を受ける。撮像レンズ３５によって取り込まれた反射光は、回転ミラー３４で反射され、ビームスプリッタ３３に入射する。

図４（ｂ）を参照して、ビームスプリッタ３３に入射した反射光は、反射膜３３ｂによってＸ軸負方向に反射される。図４（ｂ）には、破線で反射光が示されている。孔部３３ｃに入射した反射光は反射されずに、ビームスプリッタ３３を透過する。孔部３３ｃ以外の反射膜３３ｂの領域に入射した反射光は、反射膜３３ｂによって、Ｘ軸負方向に反射され、ミラー３６に向かう。なお、図４（ｂ）には、便宜上、反射光が平行光であるかのように図示されているが、実際は収束光となっている。

図３に戻り、ビームスプリッタ３３によって反射された反射光は、ミラー３６によってＺ軸負方向に反射される。ミラー３６は、片面に反射面を有する全反射ミラーである。ミラー３６は、反射面がＺ軸に対して４５度傾くように設置されている。ミラー３６で反射された反射光は、フィルタ３７を透過して、光検出器３８に収束される。

フィルタ３７は、レーザ光源３１から出射されるレーザ光の波長帯の光を透過し、その他の波長帯の光を遮光するよう構成されている。フィルタ３７の入射面または出射面に、フィルタ３７に入射する反射光のビーム径と略同径のピンホールが設けられてもよい。これにより、迷光がさらに除去され得る。光検出器３８は、受光光量に応じた検出信号を出力する。なお、フィルタ３７にピンホールが設けられる場合、撮像レンズ３５の焦点位置にピンホールが位置づけられるように光学系が調整されてもよい。

なお、図３の構成では、回路基板４１の他に、サブ基板４３が支持ベース１１に設置され、このサブ基板４３に、検出器１６が設置されている。検出器１６は、発光部と、発光部に対向する受光部とを備えている。検出器１６は、発光部と受光部との間の隙間に、図２に示した回転部２０側の壁部２１ｃが位置付けられるように配置されている。

回転部２０の回転に伴い、壁部２１ｃに形成された切欠き２１ｆが検出器１６の発光部と受光部との間に位置付けられると、発光部からの光が受光部により受光され、検出器１６からハイレベルの信号が出力される。切欠き２１ｆが通過すると、発光部からの光が壁部２１ｃで遮光され、検出器１６の信号がローレベルに立ち下がる。したがって、回転部２０が回転すると、検出器１６から、回転速度に応じた周期のパルス信号が出力される。この信号によって、回転部２０の回転状態が検出可能となる。サブ基板４３は、図示しない信号線によって、回路基板４１に電気的に接続されている。

支持ベース１１には、ビームスプリッタ３３の入射面（レーザ光源３１側の面）で反射されたレーザ光を光検出器３９に導くためのガイド孔１７が形成されている。レーザ光源３１から出射された投射光は、大部分がビームスプリッタ３３の入射面を透過し、一部が入射面で反射されてガイド孔１７に入射する。ガイド孔１７の内側面は、より多くの投射光を光検出器３９へと導くことが可能なように鏡面であることが好ましい。

図４（ｂ）に示した孔部３３ｃよりも僅かに広いビーム径で投射光を反射膜３３ｂに入射させ、孔部３３ｃからはみ出した透過光の部分を、反射膜３３ｂで反射させて、図３のガイド孔１７に導くようにしてもよい。こうすると、より多くの投射光を光検出器３９に導くことができる。後述のように、光検出器３９からの検出信号は、投射光の発光タイミングを規定するために用いられる。

ところで、測距領域に存在する物体までの距離を測定するためには、投射光の投射タイミングと反射光の受光タイミングを正確に検出する必要がある。ここで、光検出器３８により受光される反射光の強度は、物体までの距離が離れるほど小さくなる。すなわち、光検出器３８により受光される反射光の強度は、物体までの距離の２乗に反比例して減衰する。したがって、距離の測定においては、このような微弱な反射光の受光タイミングを正確に検出する必要がある。

図５（ａ）は、閾値Ｄｔｈを用いた反射光の検出方法の一例を示す図である。図５（ａ）において、横軸はレーザ光源３１から投射光が出射されてからの経過時間であり、縦軸は、光検出器３８から出力される検出信号の電圧値である。

レーザ光源３１から出射された投射光の一部は、たとえば、図３の示した撮像レンズ３５の入射面（Ｘ軸負側の面）で反射されて内部迷光となり、この内部迷光が光検出器３８に入射する。このような内部迷光は、撮像レンズ３５の入射面に反射防止膜を形成しても生じてしまう。このため、光検出器３８からの検出信号には、図５（ａ）に示すように、反射光に基づく波形の他に、内部迷光に基づく波形が生じる。この場合、図５（ａ）のように、内部迷光の波高値と反射光の波高値との間に閾値Ｄｔｈを設定することにより、反射光の受光タイミングを取得できる。たとえば、検出信号が立ち上がり方向に閾値Ｄｔｈを超えたタイミングを反射光の受光タイミングとして取得することができる。

しかしながら、光検出器３８には、反射光の他、外部から取り込まれた自然光（外光）が高い光量で入射することが起こり得る。この場合、図５（ｂ）に示すように、外光に基づく信号成分が光検出器３８からの検出信号に重畳され、内部迷光の波形と反射光の波形が、外光の信号成分のレベルだけ高められる。このため、内部迷光の波形が閾値Ｄｔｈを超えることとなり、閾値Ｄｔｈによっては反射光の受光タイミングを適切に検出できなくなってしまう。

このような問題は、たとえば、図５（ｃ）に示すように、内部迷光のレベルをさらに減少させて、反射光に基づく波形の波高値と内部迷光に基づく波形の波高値との差異を広げることにより解消できる。ここで、内部迷光は、たとえば、撮像レンズ３５の入射面に形成される反射防止膜の性能を高めることによって抑制され得る。これにより、図５（ｄ）のように、外光の信号成分が重畳された場合も内部迷光の波形が閾値Ｄｔｈを超えることを抑制でき、閾値Ｄｔｈによって反射光の受光タイミングを適切に検出できる。

ところが、投射光の出力レベルは、消費電力の抑制および人体への影響の回避との見地から、なるべく小さく抑えることが望まれる。このような見地から、投射光の出力レベルを低減させると、反射光の受光光量が、投射光の出力レベルの低減に伴い低下する。このため、検出信号における反射光の波高値は、図５（ｅ）に示すように小さくなり、迷光の波高値に接近するようになる。この場合、図５（ｅ）のように閾値を設定すると、図５（ｆ）に示すように、外光の信号成分が重畳された場合も、内部迷光の波形が閾値Ｄｔｈを超えることはない。

しかしながら、光検出器３８からの検出信号には、回路的に生じるランダムなノイズ成分も重畳され得る。この場合、図５（ｇ）に示すように、内部迷光の波形にノイズ成分が重畳されると、内部迷光の波形が閾値Ｄｔｈを超えることが起こり得る。こうなると、反射光の受光タイミングを適切に検出できなくなってしまう。

図６（ａ）は、光検出器３８から出力される検出信号の一例を示す図である。図６（ｂ）～（ｃ）は、ぞれぞれ、図６（ａ）の検出信号を、内部迷光および反射光の信号成分と、外光および暗電流の信号成分と、ノイズ成分とに分離して示す図である。図６（ａ）～（ｄ）において、横軸は、投射光が投射されてからの経過時間であり、縦軸は、各信号の電圧値である。ここでは、内部迷光、外光およびノイズの他に、光検出器３８の暗電流に基づく信号成分が考慮されている。

図６（ａ）の検出信号では、図６（ｂ）に示すように、電圧１．０Ｖ程度の閾値Ｄｔｈを設定することにより、反射光の受光タイミングを取得できる。しかしながら、この閾値Ｄｔｈでは、図６（ｃ）、（ｄ）に示すような外光および暗電流に基づく信号成分と、ノイズに基づく信号成分とが検出信号に重畳されると、図６（ａ）に示すように、反射光に基づく波形とともに内部迷光に基づく波形が閾値Ｄｔｈを超えてしまい、反射光の受光タイミングを適切に検出することができなくなる。

そこで、本実施の形態では、以下に示す手法を用いることにより、微弱な反射光の受光タイミングを適切に検出することを実現している。

本実施の形態では、１つの測距動作時に、光検出器３８から出力される検出信号に基づいて、物体が遠距離にある場合の受光タイミングを検出する遠距離ルーチンと、物体が近距離にある場合の受光タイミングを検出する近距離ルーチンとが実行される。そして、遠距離ルーチンによる受光タイミングの検出結果と、近距離ルーチンによる受光タイミングの検出結果の何れか一方が選択され、選択された検出結果に基づいて、投射光が照射された物体までの距離が算出される。

図７（ａ）、（ｂ）は、遠距離ルーチンにおける反射光の検出方法を模式的に示す図、図７（ｃ）は、近距離ルーチンにおける反射光の検出方法を模式的に示す図である。

物体が近距離にある場合、物体により反射された反射光が光検出器３８により受光される光量が多いため、図７（ｃ）に示すように、反射光に基づく検出信号の波高値が高くなる。このため、内部迷光に基づく検出信号の波高値と反射光に基づく検出信号の波高値との差異が大きくなる。この場合、図７（ｃ）に示すように閾値Ｄｔｈを設定すれば、外光、暗電流およびノイズに基づく信号成分が重畳されたとしても、内部迷光に基づく波形が閾値Ｄｔｈを超えることがない。

近距離ルーチンでは、このような観点から閾値Ｄｔｈが設定され、反射光の受光タイミングが検出される。近距離ルーチンにおける閾値Ｄｔｈは、外光、暗電流およびノイズに基づく信号成分が、想定され得る最大レベルで検出信号に重畳されたとしても、内部迷光に基づく波形が閾値Ｄｔｈを超えることがなく、且つ、反射光の波形を適切に検出できるレベルに設定される。

物体が遠距離にある場合、物体により反射された反射光が光検出器３８により受光される光量が少ないため、図７（ａ）に示すように、反射光に基づく検出信号の波高値が小さくなる。このため、内部迷光に基づく検出信号の波高値と反射光に基づく検出信号の波高値との差異が小さくなる。よって、この場合は、図７（ａ）に示すように閾値Ｄｔｈを設定したとしても、図７（ｂ）に示すように、外光および暗電流の信号成分やノイズに基づく信号成分が重畳した場合に、内部迷光に基づく波形が閾値Ｄｔｈを超えることが起こり得る。

そこで、遠距離ルーチンでは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、反射光の波形を検出可能に、閾値Ｄｔｈが近距離ルーチンよりも低く設定された上で、少なくとも内部迷光の出現期間を含むようにマスク時間が設定され、検出信号が閾値Ｄｔｈを超えるタイミングがマスク時間に含まれる場合は、当該タイミングが受光タイミングの検出対象外とされる。

遠距離ルーチンによる受光タイミングの検出結果と近距離ルーチンの受光タイミングの検出結果の何れを距離の計測に用いるかは、何れの検出結果が物体からの受光タイミングとして確からしいかに基づいて選択される。たとえば、この確からしさの判定方法として、１つの測定動作において遠距離ルーチンと近距離ルーチンをそれぞれ複数回実行し、検出された受光タイミングの総数が多い方のルーチンにより検出された受光タイミングが、物体からの受光タイミングとして確からしいと判定する方法を用い得る。なお、確からしさの判定手法として、これ以外の判定手法を用いるようにしてもよい。

以下、遠距離ルーチンと近距離ルーチンを用いた距離計測の具体的構成について説明する。

図８は、距離測定装置１の構成を示す回路ブロック図である。

図８に示すように、距離測定装置１は、回路部の構成として、コントローラ１０１と、レーザ駆動回路１０２と、回転駆動回路１０３と、信号処理回路１０４とを備えている。

コントローラ１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理回路と、メモリ１０１ａとを備え、所定の制御プログラムに従って各部を制御する。レーザ駆動回路１０２は、コントローラ１０１からの制御に応じて、レーザ光源３１を駆動する。回転駆動回路１０３は、コントローラ１０１からの制御に応じて、コイル１２に電流を導通させる。たとえば、コントローラ１０１は、検出器１６から入力されるパルス信号に基づいて、回転部２０が所定の回転速度で回転するように、回転駆動回路１０３を制御する。これに応じて、回転駆動回路１０３は、コイル１２に導通させる電流量と導通タイミングとを調節する。

信号処理回路１０４は、光検出器３８から入力される検出信号に対し、増幅等の処理を施して、コントローラ１０１に出力する。信号処理回路１０４は、検出信号に対して、増幅処理の他、高周波成分を平滑化して低周波成分を抽出するスムージングの処理等を実行してもよい。さらに、信号処理回路１０４は、光検出器３９からの検出信号に対しても増幅等の処理を施して、コントローラ１０１に出力する。

通信インタフェース１０５は、距離測定装置１が設置される機器との間で通信を行うためのインタフェースである。通信インタフェース１０５を介して、当該機器から測距の開始および終了の指示等の各種コマンドがコントローラ１０１に入力される。

図９（ａ）は、測距処理の基本ルーチンを示すフローチャートである。ここでは、回転部２０が１度回転するごとに測距が行われる。

測距動作が開始すると、コントローラ１０１は、回転部２０が１度回転したか否かを判定する（Ｓ１０１）。回転部２０が１度回転すると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、コントローラ１０１は、この角度位置における距離測定処理（以下、「１点測距ルーチン」という）を実行する（Ｓ１０２）。１点測距ルーチンが完了すると、コントローラ１０１は、通信インタフェース１０５を介して測距の終了指示を受信したか否かを判定する（Ｓ１０３）。こうして、コントローラ１０１は、終了指示を受信するまで（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、回転部２０が１度回転するごとに（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、１点測距ルーチンを繰り返し実行する（Ｓ１０３）。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した１点測距ルーチン（Ｓ１０２）を示すフローチャートである。

コントローラ１０１は、変数ｋに１を設定し（Ｓ２０１）、図７（ａ）、（ｂ）および図７（ｃ）に示した遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンを実行する（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。コントローラ１０１は、変数ｋが１０に到達したか否かを判定し（２０４）、変数ｋが１０に到達していなければ（Ｓ２０４：ＮＯ）、変数ｋに１を加算して（Ｓ２０５）、再度、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンを実行する（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。こうして、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンが、１０回繰り返し実行される。

図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図９（ｂ）に示した遠距離ルーチンおよび近距離ルーチン（Ｓ２０２、Ｓ２０３）を示すフローチャートである。

まず、図１０（ａ）を参照して、遠距離ルーチンについて説明する。コントローラ１０１は、閾値Ｄｔｈを低レベルに設定し（Ｓ３０１）、レーザ光源３１をパルス発光させる（Ｓ３０２）。本実施の形態では、レーザ光源３１から１つのパルス光が投射光として出射される。投射光は、パルス発光後直ちに光検出器３９により受光され、光検出器３８から検出信号が出力される。コントローラ１０１は、光検出器３９からの検出信号を受信すると（Ｓ３０３）、内部タイマをゼロにリセットして計時を開始する（Ｓ３０４）。

その後、コントローラ１０１は、光検出器３８からの検出信号が閾値Ｄｔｈを増加方向に超えるタイミング（以下、「Ｔｒ時刻」という）を検出したか否かを判定する（Ｓ３０５）。Ｔｒ時刻を検出すると（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、コントローラ１０１は、検出したＴｒ時刻が、図７（ａ）、（ｂ）に示したマスク時間以外の時間範囲に含まれるか否かを判定する（Ｓ３０６）。Ｔｒ時刻がマスク時間に含まれる場合（Ｓ３０６：ＮＯ）、コントローラ１０１は、当該Ｔｒ時刻を無視して、Ｔｒ時刻の検出を継続する（Ｓ３０５）。

Ｔｒ時刻の検出と並行して、コントローラ１０１は、ステップＳ３０４で計時を開始した経過時間が上限時間に到達したか否かを判定する（Ｓ３０８）。ここで、上限時間は、距離測定装置１が測距を行うべき距離範囲の最大値に対応した経過時間に設定される。たとえば、上限時間は、図６（ａ）に示した１５０ｎｓｅｃとされる。この場合、距離測定装置１が測距を行うべき距離範囲の最大値は、２０ｍ程度（光速×１５０ｎｓｅｃ）となる。

こうして、コントローラ１０１は、経過時間が上限時間に到達するまで（Ｓ３０７：ＹＥＳ）、Ｔｒ時刻の検出を継続する（Ｓ３０５）。そして、コントローラ１０１は、経過時間が上限時間に到達するまでに（Ｓ３０７：ＹＥＳ）、マスク時間外のＴｒ時刻を検出すると（Ｓ３０５：ＹＥＳ、Ｓ３０６：ＹＥＳ）、検出したＴｒ時刻をメモリ１０１ａに記憶に記憶して（Ｓ３０８）、遠距離ルーチンを終了する。他方、コントローラ１０１は、経過時間が上限時間に到達するまでに（Ｓ３０７：ＹＥＳ）、マスク時間外のＴｒ時刻を検出できなければ（Ｓ３０５：ＮＯ、Ｓ３０６：ＮＯ）、メモリ１０１ａにＴｒ時刻を記憶することなく、遠距離ルーチンを終了する。

次に、図１０（ｂ）を参照して、近距離ルーチンについて説明する。近距離ルーチンは、遠距離ルーチンに比べて、ステップＳ４０１が相違し、また、遠距離ルーチンにおけるステップＳ３０６が省略されている。

コントローラ１０１は、閾値Ｄｔｈを高レベルに設定する（Ｓ４０１）。このときの閾値Ｄｔｈは、図７（ａ）、（ｂ）および図７（ｃ）に示したように、遠距離ルーチンにおける閾値Ｄｔｈよりも高くなっている。その後、コントローラ１０１は、遠距離ルーチンのステップＳ３０２～３０４と同様の処理により、投射光をパルス発光させ、タイマによる計時を開始させる（Ｓ４０２～Ｓ４０４）。

そして、コントローラ１０１は、経過時間が上限時間に到達するまでＴｒ時刻の検出を継続し（Ｓ４０５、Ｓ４０６）、Ｔｒ時刻が検出できれば（Ｓ４０５：ＹＥＳ）、検出したＴｒ時刻をメモリ１０１ａに記憶して（Ｓ４０７）、近距離ルーチンを終了する。他方、経過時間が上限時間に到達するまでに（Ｓ４０６：ＹＥＳ）、Ｔｒ時刻を検出できなければ（Ｓ４０５：ＮＯ）、コントローラ１０１は、メモリ１０１ａにＴｒ時刻を記憶することなく、近距離ルーチンを終了する。

図９（ｂ）に戻り、コントローラ１０１は、上述の遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンを１０回繰り返して（Ｓ２０２～Ｓ２０５）、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンごとにＴｒ時刻の取得を行う。そして、コントローラ１０１は、取得できたＴｒ時刻の総数を遠距離ルーチンと近距離ルーチンとの間で比較し（Ｓ２０６）、総数が多い方のルーチンで取得したＴｒ時刻を、反射光の受光タイミングの算出に用いる。たとえば、遠距離ルーチンで取得できたＴｒ時刻の総数が８個で、近距離ルーチンで取得できたＴｒ時刻の総数が１個である場合、コントローラ１０１は、遠距離ルーチンで取得したＴｒ時刻を反射光の受光タイミングの算出に用いる。

コントローラ１０１は、総数が多い方のルーチンで取得したＴｒ時刻の平均値を算出し、この平均値を、反射光の受光タイミングに設定する（Ｓ２０７）。そして、コントローラ１０１は、算出した受光タイミングをパルス発光と反射光の受光との間の時間差として、測距領域に存在する物体までの距離を算出し、算出した距離を、今回の角度位置における距離としてメモリ１０１ａに記憶する（Ｓ２０８）。

その後、コントローラ１０１は、図９（ａ）に示したステップＳ１０３で測距の終了指示を受信するまで、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を繰り返す。こうして、測距の終了指示を受信すると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、コントローラ１０１は、測距処理を終了する。

＜実施形態の効果＞
以上、実施の形態によれば、以下の効果が奏される。

図９（ｂ）に示したように、コントローラ１０１は、１つの測距動作時（１点測距ルーチン）において、遠距離ルーチンと近距離ルーチンを実行し、遠距離ルーチンによる受光タイミングの検出結果（Ｔｒ時刻）と、近距離ルーチンによる受光タイミングの検出結果（Ｔｒ時刻）の何れか一方を選択し、選択した検出結果に基づいて、投射光が照射された物体までの距離を算出する。このように、遠距離ルーチンの検出結果と近距離ルーチンの検出結果の何れか一方が選択されて物体までの距離が算出されるため、物体までの距離に拘わらず、距離を適切に検出することができる。

このとき、コントローラ１０１は、１つの測距動作時に（１点測距ルーチン）、遠距離ルーチンと近距離ルーチンをそれぞれ１０回実行し、受光タイミング（Ｔｒ時刻）の検出数が多い方のルーチンの検出結果（Ｔｒ時刻）を距離算出用の検出結果として選択する。このように検出結果（Ｔｒ時刻）の総数により何れのルーチンにより算出された検出結果が反射光の受光タイミングとして確からしいかを判定することにより、簡便な処理により正確かつ効率的に、計測に用いるべき検出結果を選択することができる。

また、図９（ｂ）のステップＳ２０７、Ｓ２０８に示したとおり、コントローラ１０１は、Ｔｒ時刻の取得総数が多い方のルーチンの検出結果の平均値を反射光の受光タイミングとして、物体までの距離を算出する。このように、検出結果の平均値を受光タイミングに設定することにより、簡便な処理により受光タイミングを適切に取得することができる。

図７（ａ）、（ｂ）および図１０（ａ）のステップＳ３０１、Ｓ３０６に示したとおり、遠距離ルーチンにおいて、コントローラ１０１は、受光タイミングを検出するために検出信号に適用する閾値Ｄｔｈを、近距離ルーチンに比べて低く設定し、投射光に基づく内部迷光が光検出器３８に入射して生じる検出信号の変化を受光タイミングの検出対象から除外するマスク処理を実行する。具体的には、マスク処理において、コントローラ１０１は、少なくとも内部迷光の出現期間を含むようにマスク時間を設定し、検出信号が閾値を超えるタイミング（Ｔｒ時刻）がマスク時間に含まれる場合は、当該タイミング（Ｔｒ時刻）を受光タイミングの検出対象外とする。これにより、遠距離の物体から生じた微弱な反射光であっても、内部迷光と区別して、適切かつ正確に、受光タイミングを取得することができる。

また、図１０（ａ）のステップＳ３０７および図１０（ｂ）のステップＳ４０６に示したとおり、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンにおいて、コントローラ１０１は、投射光が投射されてからの経過時間が、測距を行うべき距離範囲の最大値に対応した上限時間に到達するまでの間に、反射光の受光タイミング（Ｔｒ時刻）を検出できなかった場合、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンを終了する。これにより、測距範囲外の無駄な計測動作を行うことが回避することができる。また、遠距離ルーチンと近距離ルーチンとで同一の上限時間を設けることにより、図９（ｂ）のステップＳ２０６における総数の比較において、遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンの基準を揃えることができ、何れのルーチンで取得された検出結果が反射光の受光タイミングとして確からしいかを適切に判定することができる。

＜変更例＞
距離測定装置１の構成は、上記実施の形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、図９（ｂ）に示したように遠距離ルーチンと近距離ルーチンがそれぞれ１０回ずつ繰り返されたが、遠距離ルーチンと近距離ルーチンの繰り返し回数は、これに限られるものではない。遠距離ルーチンおよび近距離ルーチンの繰り返し回数が多いほど、遠距離ルーチンによる検出結果（Ｔｒ時刻）の総数と近距離ルーチンによる検出結果（Ｔｒ時刻）の総数との差が広がるため、何れのルーチンによる検出結果が反射光の受光タイミングに対応するかをより正確に判定できる。しかし、遠距離ルーチンと近距離ルーチンの繰り返し回数が多いほど、Ｔｒ時刻の収集に時間が掛かり、処理負荷の増大とメモリ容量の増加を招く。よって、遠距離ルーチンと近距離ルーチンの繰り返し回数は、これらの要素を総合的に勘案して、適正な回数に設定することが好ましい。

また、図９（ｂ）のステップＳ２０７では、検出されたＴｒ時刻の総数が多い方のルーチンにより取得されたＴｒ時刻の平均値を反射光の受光タイミングに決定したが、受光タイミングに決定すべき値は平均値に限られるものではない。たとえば、Ｔｒ時刻の総数が多い方のルーチンにより取得されたＴｒ時刻の時間軸上における偏りをより反映する算出方法により、受光タイミングに決定すべき値を算出してもよい。

また、上記実施の形態では、図９（ａ）に示したように、回転部２０が１度回転するごとに１点測距ルーチンが実行されたが、１点測距ルーチンの実行タイミングはこれに限られるものではない。たとえば、回転部２０が０．５度回転するごとに１点測距ルーチンが実行されてもよく、１点測距ルーチンを実行する角度位置が所定の規則によって適宜設定されてもよい。

また、上記実施の形態では、図９（ｂ）の一点測距離ルーチンの処理をコントローラ１０１が行う構成であったが、一点測距ルーチンの一部の処理を他の回路部が負担する構成であってもよい。たとえば、一点測距離ルーチンにおけるＴｒ時刻の検出処理を、図８の信号処理回路１０４が負担し、検出されたＴｒ時刻が信号処理回路１０４からコントローラ１０１に送信される構成であってもよい。この場合、信号処理回路１０４においても、図１０（ａ）、（ｂ）のステップＳ３０４、Ｓ４０４と同様の計時処理が行われ、ステップＳ３０５、Ｓ４０５では、コントローラ１０１が信号処理回路１０４からＴｒ時刻を受信したか否かの判定が行われる。このように、一点測距ルーチンの一部の処理を他の回路部が負担する場合、コントローラ１０１と当該回路とによって、特許請求の範囲に記載のコントローラが構成されると解釈される。

また、上記実施の形態では、出射直後の投射光を受光する光検出器３９が投射光を受光したタイミング、すなわち、光検出器３９が検出信号を出力したタイミングが経過時間およびＴｒ時刻の起点とされたが、レーザ光源３１をパルス発光させるタイミング、すなわち、レーザ光源３１の駆動信号がパスル状に立ち上がるタイミングを、経過時間およびＴｒ時刻の起点としてもよい。ただし、この場合は、レーザ光源３１を駆動してから実際にレーザ光が発光するまでのタイムラグを考慮して、発光タイミングと受光タイミングとの間の時間差を取得し、距離を算出するように、距離の演算処理を構成する必要がある。なお、このように、レーザ光源３１をパルス発光させるタイミングを経過時間およびＴｒ時刻の起点とする場合は、図３に示した光検出器３９が省略されるため、構成の簡素化とコストの削減を図ることができる。

また、距離測定装置１の光学系および機構部の構成は、図１～図３に示した構成に限られるものではない。たとえば、上記実施の形態では、周方向に並ぶ複数のコイル１３と複数の磁石２２を組み合わせたモータにより回転部２０を回転させたが、ステッピングモータとギアとを組み合わせた機構によって回転部２０を回転させてもよい。また、必ずしも投射光が回転しなくてもよく、たとえば、投射光が投射方向に垂直な方向に直線移動するような構成や、投射光が移動しない構成であってもよい。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 距離測定装置
３１ … レーザ光源（光源）
３８ … 光検出器
１０１ … コントローラ

Claims (4)

1. 測距用の投射光を出射する光源と、
   測距領域から反射された反射光を受光する光検出器と、
   コントローラと、を備え、
   前記コントローラは、
   前記投射光が照射された物体までの距離を取得するための測距動作時に、前記光検出器から出力される検出信号に基づいて、物体が遠距離にある場合の受光タイミングを検出する遠距離ルーチンと、物体が近距離にある場合の受光タイミングを検出する近距離ルーチンとを実行し、
   前記遠距離ルーチンにおいて、
   前記受光タイミングを検出するために前記検出信号に適用する閾値を、前記近距離ルーチンに比べて低く設定し、
   前記投射光に基づく内部迷光が前記光検出器に入射して生じる前記検出信号の変化を前記受光タイミングの検出対象から除外するために、前記内部迷光の出現期間を含むようにマスク時間を設定し、前記検出信号が前記閾値を超えるタイミングが前記マスク時間に含まれる場合は、当該タイミングを前記受光タイミングの検出対象外とするマスク処理を実行し、
   前記遠距離ルーチンにより検出された前記受光タイミングと、前記近距離ルーチンにより検出された前記受光タイミングの何れか一方を選択し、
   選択した前記受光タイミングに基づいて、前記投射光が照射された物体までの距離を算出する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 請求項１に記載の距離測定装置において、
   前記コントローラは、前記測距動作時に、前記遠距離ルーチンと前記近距離ルーチンをそれぞれ複数回実行し、前記受光タイミングの検出数が多い方のルーチンの前記受光タイミングを距離算出用の受光タイミングとして選択する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
3. 請求項２に記載の距離測定装置において、
   前記コントローラは、前記選択したルーチンの前記受光タイミングの平均値を前記反射光の受光タイミングとして、前記物体までの距離を算出する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記遠距離ルーチンおよび前記近距離ルーチンにおいて、前記コントローラは、前記投射光が投射されてからの経過時間が、測距を行うべき距離範囲の最大値に対応した上限時間に到達するまでの間に、前記反射光の受光タイミングを検出できなかった場合、前記遠距離ルーチンおよび前記近距離ルーチンを終了する、
   ことを特徴とする距離測定装置。

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