JPH1020036A

JPH1020036A - 距離測定方法および装置

Info

Publication number: JPH1020036A
Application number: JP8188558A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Watanabe; 恵一渡辺; Akio Ori; 明男小里; Takero Hongo; 武朗本郷
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】低Ｓ／Ｎ時でも高速、高精度に距離を測定す
る方法および装置を提供する。【解決手段】光強度変調手段により強度変調した光を
被測定物に投光し、強度変調した光の一部を参照光とし
て取り出し、被測定物からの反射光を受光すると共に、
参照光と反射光との位相差を計測し当該位相差から距離
を算出する距離測定方法において、上記位相差計測は、
参照光をA/D変換して波形を数値化すると共に、数値化
された波形データを三角関数波形に近似して参照光の位
相を計測し、反射光をA/D変換して波形を数値化し、当
該数値化された波形データを三角関数波形に近似して反
射光の位相を計測し、参照光の位相と反射光の位相から
位相差を求め、参照光と反射光の波形から位相差を求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物までの距離を
正確にかつ高速に計測できる距離計測方法および装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、図１に示すような、レーザな
どの光を強度変調して被測定物に投光し、反射光の位相
が光の伝搬時間だけ遅れることを利用して距離を求める
振幅変調−位相差計測による光波距離計測装置が開発さ
れている。このとき、変調信号の波長をλ、位相差をφ
とすると、距離Lは式(1) から求められる。

【０００３】L = (λφ)/ (4π) (1)

【０００４】これらの装置では、投光（参照光）および
反射光の受光信号を変調周波数と数百〜数kHz 異なる信
号と掛け合わせること、すなわちヘテロダイン検波によ
って位相の保存された数百〜数kHzの周波数に変換し、
ゼロクロスコンパレータを用いてパルス波形に整形した
後、フリップフロップ（ＦＦ）によって位相差に比例し
たパルス幅を持つパルスを生成し、この幅をカウンタに
よって計測し位相差を求めている。例えば、周波数変換
後の周波数を1kHz、カウンタのクロックを10MHzとする
と0.01% の分解能で位相差を計測できるので、距離を正
確に求めることができる。

【０００５】また、参照光および反射光の波形をA/D変
換して数値データにし、フーリエ変換によりそれぞれの
位相を求め、その位相差から距離を求める方法がある
（特開平5-232232号公報、H. S. Hashemi, P. I. Hurs
t, and J. N. Oliver, "Sourcesof error in a laser r
angefinder",REv. Sci. Instrum. 65(10), Oct. 1994な
ど）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、位相差
に比例したパルス幅を生成して距離を求める方法では、
反射光が弱くS/Nの低い受光信号しか得られない場合に
は、ノイズによって信号のゼロクロス点が正確に求めら
れなくなり誤差の要因となっていた。同様に、装置に投
光周波数に同期した残留ノイズがある場合、信号に重畳
して誤差となり、距離が正確に求められない場合があっ
た。

【０００７】以上のような低S/N 時には、投光出力を上
げることによってS/N を高めればよいが、レーザを光源
として用いる場合、人体への安全性の観点から、実際に
はそれほど高出力の光源は使えないという問題がある。
そこで、数〜数十回の測定値の平均を求めて精度を上げ
る方法が行われているが、測定時間がかかるという問題
がある。特に、レーザ距離計をスキャンすることにより
被測定物の形状を測定する用途では大きな問題となる。

【０００８】また、フーリエ変換による方法では、精度
を上げるためにデータ数を多くするとDSP(Digital Sign
al Prosesor)を用いても変換に時間がかかるという問題
がある。上述のように、被測定物の形状を測定する用途
では大きな問題となる。

【０００９】（発明の目的）本発明の目的は、低S/N 時
でも高速、高精度な距離測定方法および装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【問題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明の距離測定方法および装置は、請求項１に記
載の距離測定方法が、光強度変調手段により強度変調し
た光を被測定物に投光し、強度変調した光の一部を参照
光として取り出し、被測定物からの反射光を受光すると
共に、参照光と反射光との位相差を計測し当該位相差か
ら距離を算出する距離測定方法において、上記位相差計
測は、参照光をA/D 変換して波形を数値化すると共に、
数値化された波形データを三角関数波形に近似して参照
光の位相を計測し、反射光をA/D 変換して波形を数値化
し、当該数値化された波形データを三角関数波形に近似
して反射光の位相を計測し、参照光の位相と反射光の位
相から位相差を求め、参照光と反射光の波形から位相差
を求めることを特徴とする。

【００１１】請求項２に記載の距離測定装置は、光を強
度変調する手段と、強度変調した光を被測定物に投光す
る手段と、強度変調した光の一部を参照光として取り出
す手段と、被測定物からの反射光を受光する手段と、参
照光と反射光との位相差を計測する手段と、位相差から
距離を算出する手段を持ち、参照光と反射光との位相差
から距離を計測する距離測定装置において、上記位相差
計測手段は、参照光をA/D 変換して波形を数値化する手
段と、数値化された波形データを三角関数波形に近似し
て参照光の位相を計測する手段と、反射光をA/D 変換し
て波形を数値化する手段と、数値化された波形データを
三角関数波形に近似して反射光の位相を計測する手段
と、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求める手
段から成ることを特徴とする。

【００１２】本発明の距離測定方法および装置は、詳述
すれば、参照光および反射光の受光信号波形をA/D 変換
して数値データに置き換え、得られたデータを三角関数
波形に近似して位相を求める。すなわち、ゼロクロス点
の時間データのみを用いるのではなく波形そのものを利
用することにより精度を高める。強度変調周波数をωと
すると、受光信号v(t)は次式のようなsin波で表すこと
ができる。

【００１３】v(t)=Vsin(ωt+φ) (2)

【００１４】ここで、

【００１５】x1(t)=sinωt (3)

【００１６】x2(t)=cosωt (4)

【００１７】V=sqrt(b12+b22) (5)

【００１８】tanφ=b2/b1 (6)

【００１９】とすると、

【００２０】v(t)=b1・x1(t)+b2・x2(t) (7)

【００２１】となる。したがって、受光信号をA/D 変換
して数値データとし、式(7) に当てはめてb1,b2 を求め
れば、式(6) から位相を求めることができる。変調周波
数ωとA/D 変換を行ったサンプリング時刻t は既知であ
るから、式(7) の２つの未知数b1,b2 は、２個の数値デ
ータがあれば容易に求められる。実際には、受光信号の
増幅器にオフセットVoがあるため、式(2) は式(8) とな
る。

【００２２】v(t)=Vsin(ωt+φ)+Vo (8)

【００２３】したがって、式(7) は式(9) となる。

【００２４】v(t)=b1・x1(t)+b2・x2(t)+Vo (9)

【００２５】未知数はb1,b2,Voの３つとなり、３個の数
値データがあれば求められる。以上は理想的な場合であ
るが、実際の装置では、受光信号に受光器やアンプなど
のノイズが混入する。これが無視できない場合には多数
の数値データを用いて回帰分析により式(9)の3個の未知
数を求める。なお、数値データの平均値をオフセットVo
の近似値とすることで、未知数をb1,b2 の２個とした式
(7) の回帰分析とし、計算量を少なくすることができ
る。

【００２６】この方法を用いれば、式(7) あるいは式
(9) の2ないし３個の未知変数を求める回帰分析と、式
(6) を解くこと(arctan を求める) によって簡単に距離
を求められる。回帰分析は積和演算が大部分であるこ
と、arctanも積和演算による近似式があることからDSP
により高速に処理できる。最近のマイクロプロセッサー
でもよい。また、強度変調周波数に同期した残留ノイズ
がある場合、あらかじめ、数値データから残留ノイズを
減算して用いることにより波形ひずみを小さくすること
ができるので、測定誤差を低減することができる。

【００２７】上記方法により参照光および反射光の受光
信号の位相を求め、位相差を算出することにより高速、
高精度な距離計測が可能である。たとえば、変調周波数
を10MHz （計測距離15mに相当）、A/D のサンプリング
周波数を25MHz に選び、式(6)および(7) を解くよう高
速乗除算器および加減算器で構成すれば、受光信号を２
回サンプリングして得られた2個の数値データを用いて
距離を求められるので、変調周期（=1/10MHz=0.1μsec
）毎に距離を測定することができる。実際には、数十
個以上の数値データから回帰分析により位相を求める方
法が精度の点から望ましいが、データ数を250 個として
も10μsec 毎(40nsec ×250 回) に距離を測定できる。

【００２８】また、回帰分析では近似式からの数値デー
タの分散が求められる。この分散は、受光信号が歪んだ
り、ノイズが大きい場合には大きくなるため、距離の測
定信頼性と密接な関係がある。したがって、近似式から
の数値データの分散の大小によって距離測定の信頼性を
評価できる。また、近似式からの数値データのずれがあ
まりにも大きい場合は、何らかの原因によって受光信号
にノイズが入ったと考えられる。したがって、ずれの大
きなデータを取り除き、再度回帰分析を行うことによっ
て精度を高めることができる。

【００２９】（発明の構成）上記本発明の方法および装
置を実現する第１の構成は、例えば代表例の一つとし
て、図２に示すように、光を強度変調する変調手段１
と、強度変調した光を被測定物に投光する投光手段２
と、強度変調した光の一部を参照光として取り出す参照
光受光手段３と、被測定物からの反射光を受光する反射
光受光手段４と、参照光と反射光との位相差を計測する
位相差計測手段５と、位相差から距離を算出する距離算
出手段６から成り、位相差計測手段５は、参照光をA/D
変換して波形を数値化するA/D５ａと、数値化された波
形データを三角関数波形に近似して参照光の位相を計測
する波形近似手段５ｂと、反射光をA/D変換して波形を
数値化するA/D５ｃと、数値化された波形データを三角
関数波形に近似して反射光の位相を計測する波形近似手
段５ｄと、参照光の位相と反射光の位相から位相差を求
める位相差演算手段５ｅから成っている。

【００３０】また、本発明の方法および装置のその他の
第２の構成は、図３に示すように、第１の構成に、波形
データの分散を求めて測定値の信頼度として出力する分
散算出手段５ｆが加えられたものである。

【００３１】さらに、第３の構成は、図４に示すよう
に、第１の構成に、波形近似手段５ｄが求めた参照光の
近似三角関数波形とA/D変換により数値化された波形デ
ータとの差を求め、この差が大きい波形データをノイズ
として除去するノイズデータ除去手段５ｇと、近似三角
関数波形との差が小さいデータのみを用いて、再度、近
似三角関数波形を求め参照光の位相を正確に求める波形
近似手段５ｈと、同様に反射光の位相を正確に求める５
ｉ、５ｊが加えられたものである。

【００３２】第４の構成は、図５に示すように、第１の
構成に、あらかじめ求められた距離測定装置に残留する
強度変調周波数に同期した参照光データおよび反射光デ
ータの周期的ノイズが記憶された周期ノイズ記憶手段５
ｋ、５ｍと、A/D変換により数値化された波形データか
ら周期的ノイズを取り除く減算手段５ｌ、５ｎが加えら
れたものである。

【００３３】

【作用】第１の構成は、変調手段１によって光を強度変
調し、投光手段２によって被測定物に投光する。同時
に、参照光受光手段３は強度変調した光の一部を参照光
として取り出し参照光信号を出力する。被測定物からの
反射光は反射光受光手段４によって受光され反射光信号
が出力される。位相差計測手段５は参照光信号と反射光
信号との位相差を計測する。A/D５ａは参照光信号をA/D
変換して波形を数値化し、波形近似手段５ｂは数値化
された波形データを三角関数波形に近似して参照光信号
の位相を算出する。また、A/D５ｃは反射光信号をA/D変
換して波形を数値化し、波形近似手段５ｄは数値化され
た波形データを三角関数波形に近似して反射光信号の位
相を算出する。位相差演算手段５ｅは参照光信号の位相
と反射光信号の位相から位相差を求める。距離算出手段
６は位相差から距離を算出する。

【００３４】第２の構成において、第１の構成と同じ構
成要素の作用の説明は省略する。分散算出手段５ｆは波
形データの分散を求めて測定値の信頼度として出力す
る。第３の装置において、ノイズデータ除去手段５ｇ
は、波形近似手段５ｂが求めた近似三角関数波形とA/D
変換により数値化された波形データとの差を求め、この
差が大きい波形データをノイズとして除去する。波形近
似手段５ｈは、近似三角関数波形との差が小さいデータ
のみを用いて、再度、参照光信号の近似三角関数波形を
求める。同様に、ノイズデータ除去手段５ｉ、波形近似
手段５ｊは、反射光信号のノイズデータを除去して近似
三角関数波形を求める。

【００３５】第４の構成において、周期ノイズ記憶手段
５ｋには、あらかじめ求められた参照光信号の周期的残
留ノイズが記憶されている。減算手段５ｌは、A/D変換
により数値化された波形データから周期ノイズ記憶手段
５ｋに記憶された周期的残留ノイズを減算して参照光信
号の周期的ノイズを取り除く。同様に、周期ノイズ記憶
手段５ｍ、減算手段５ｎは、反射光信号の周期的ノイズ
を取り除く。

【００３６】

【発明の効果】第１の構成により、参照光と反射光の波
形をそれぞれ三角関数に近似することにより、その位相
差から距離を正確にかつ高速に計測することができる。
第２の構成により、波形データのばらつきを求めること
ができるので、ばらつきが大きい場合には信頼性が低い
といった信頼度を知ることができる。第３の構成では、
近似波形から大きく異なった波形データを取り除いて再
度近似するので、精度の高い測定ができる。第４の構成
では、周期ノイズを除去することにより波形ひずみを取
り除くことができるため、精度の高い測定ができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】

【第１の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図６を用いて説明する。第１の実施の形態は、40MHz
の発振器１と、発振器１の出力からA/D 用サンプリング
クロックを生成するサンプリングクロック生成器２と、
発振器１の出力からフリップフロップＦＦＡのクロック
を生成するクロックＡ３と、発振器１の出力からフリッ
プフロップＦＦＢのクロックを生成するクロックＢ４
と、発振器１から出力される連続波を1/4に分周する分
周器５とから成る。

【００３８】また、第１の実施の形態は、分周器５から
出力される連続波を増幅するアンプ６と、アンプ６によ
って駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半
導体レーザ７と、半導体レーザの光をスポット平行光に
するコリメータレンズ８と、レーザ光の一部を参照光と
して取り出すビームスプリッタ９と、参照光を集光する
レンズ10と、参照光を受光し参照光信号を出力するフォ
トダイオード11と、参照光信号を増幅するアンプ12と、
増幅された参照光信号をサンプリングクロック生成器２
のサンプリングクロックによりA/D変換するA/D13と、ク
ロックＡ３の出力するクロックによりA/D13の波形デー
タを保持するフリップフロップＡ14と、クロックＢ４の
出力するクロックによりA/D13の波形データを保持する
フリップフロップＢ15と、フリップフロップ14および15
の波形データ基づいて距離を出力する位相マップ16とか
ら成る。

【００３９】さらに、第１の実施の形態は、被測定物か
らの反射光を集光するレンズ17と、反射光を受光し反射
光信号を出力するフォトダイオード18と、反射光信号を
増幅するアンプ19と、増幅された反射光信号をサンプリ
ングクロック生成器２のサンプリングクロックによりA/
D変換するA/D20と、クロックＡ３の出力するクロックに
よりA/D20の出力する波形データを保持するフリップフ
ロップＡ21と、クロックＢ４の出力するクロックにより
A/D20の出力する波形データを保持するフリップフロッ
プＢ22と、フリップフロップ21および22の波形データ基
づいて距離を出力する位相マップ23と、位相マップ16お
よび23の差を求め位相差を出力する減算器24と、位相差
から距離を求める距離算出回路25から成る。

【００４０】以下、図６の構成図および図７のタイミン
グ信号図をもとに動作を簡単に説明する。発振器１は40
MHz の水晶発振器であり図７(a) に示すクロックを連続
出力している。サンプリングクロック生成器２は40MHz
のクロックから、A/D13 および20のサンプリングクロッ
クである図７(b) を生成し、クロックＡ３はフリップフ
ロップＡ14および21のクロック(c) 、クロックＢ４はフ
リップフロップＢ15および22のクロック(d) を生成す
る。分周器５は発振器１のクロックを1/4 に分周し、
(e) に示す10MHz の連続波を出力する。

【００４１】この連続波はアンプ６によって増幅され、
半導体レーザ７およびコリメータレンズ８により強度変
調されたスポット平行光が被測定物に投光される。強度
変調光の変調周波数は10MHzであり、測距範囲は15mであ
る。また、ビームスプリッタ９によりレーザ光の一部が
参照光として取り出される。参照光(f) はレンズ10によ
って集光され、フォトダイオード11に受光される。フォ
トダイオー11の出力する参照光信号はアンプ12で増幅さ
れ、A/D13によって波形データに変換される。A/D13のサ
ンプリングは、サンプリングクロック生成器２の生成す
る図７(b)のクロックにより行われる。

【００４２】被測定物からの反射光(g)はレンズ17によ
って集光され、フォトダイオード18に受光される。フォ
トダイオード18の出力する反射光信号はアンプ19で増幅
され、A/D20によって波形データに変換される。A/D20の
サンプリングは、サンプリングクロック生成器２の生成
する図７(b)のクロックにより行われる。次に、波形デ
ータから位相を直ちに算出する方法を説明する。反射光
信号はA/D20 によって時刻t=0 よりサンプリングが開始
される。従って、式(3) よりx1(0)=0 、式(4) よりx2
(0)=1 となり、サンプリングデータをVra(0)とすると、
式(7) より

【００４３】Vra(0)=b2 (9)

【００４４】が得られる。このサンプリングデータはク
ロック(c) によりＦＦＡ21に保持される。次のサンプリ
ングクロックは変調光の1/4 周期、すなわちπ/4だけず
れている。従って、式(3) より x1(π/4)=1 、式(4) よ
り x2(π/4)=0 となり、サンプリングデータをVrb(0)と
すると、式(7)より

【００４５】Vrb(0)=b1 (10)

【００４６】が得られる。このサンプリングデータはク
ロック(d)によりＦＦＢ22に保持される。式(6) より、
反射光信号の位相差φr はatan(b2/b1) で求められるか
ら、atan(b2/b1) をあらかじめ求めてマップにしておけ
ば、b1、b2から直ちに位相差を求められる。位相マップ
23はatan(b2/b1)をマップにしたものである。従って、
ＦＦＡ21およびＦＦＢ22に保持されたのサンプリングデ
ータを位相マップ23に入力すれば直ちに反射光信号の位
相が求められる。同様に、参照光信号の位相はA/D13 、
ＦＦＡ14、ＦＦＢ15および位相マップ16から、Vsa(0)、
Vsb(0)を用いて直ちに求められる。

【００４７】減算器24は位相マップ16および23の差を演
算出力し、参照光信号と反射光信号の位相差を求める。
距離算出回路25は、式(1) の演算を行い、参照光信号と
反射光信号の位相差から被測定物までの距離を出力す
る。この方法によれば、100nsec(=1/10MHz) 毎に距離デ
ータ得られる。精度を上げるには距離データを平均すれ
ばよい。

【００４８】

【第２の実施の形態】次に、第２の実施の形態を図８を
用いて説明する。第２の実施の形態の装置は、10.7MHz
の発振器１と、10MHzのA/D用サンプリングクロックを生
成するサンプリングクロック生成器２と、発振器１から
出力される連続波を増幅するアンプ３と、アンプ３によ
って駆動され強度変調された光を被測定物に投光する半
導体レーザ４と、半導体レーザの光をスポット平行光に
するコリメータレンズ５と、レーザ光の一部を参照光と
して取り出すビームスプリッタ６とからなる。

【００４９】また、第２の実施の形態の装置は、参照光
を集光するレンズ７と、参照光を受光し参照光信号を出
力するフォトダイオード８と、参照光信号を増幅するア
ンプ９と、サンプリングクロック生成器２の出力するサ
ンプリングクロックによりA/D変換するA/D10と、A/D10
の出力する参照信号波形データを記憶するメモリ11と、
被測定物からの反射光を集光するレンズ12と、反射光を
受光し反射光信号を出力するフォトダイオード13と、反
射光信号を増幅するアンプ14と、サンプリングクロック
生成器２の出力するサンプリングクロックによりA/D 変
換するA/D15と、A/D15 の出力する反射光信号波形デー
タを記憶するメモリ16と、メモリ11および16に記憶され
た波形データを取り込み反射光信号および参照光信号の
位相を算出し、その位相差を求め、位相差から距離を求
める距離算出回路17からなる。

【００５０】第２の実施の形態例の動作について簡単に
説明する。ここで、投光部および受光部の構成は第１の
実施例装置と同じなので、異なる点のみを簡単に説明す
る。この装置では、受光信号の周波数は10.7MHz 、A/D
のサンプリング周波数は10MHz であるから、A/D は受光
信号をアンダーサンプリングしていることになる。しか
し、この実施例では入力周波数帯域 50MHz以上のサンプ
リングA/Dコンバータを用いているので、10.7MHzの受光
信号を正確に数値データに変換できる。また、第９図に
示すように、受光信号(a) とサンプリングクロック(b)
は周期が7%異なるが、受光信号107 パルスとサンプリン
グクロック100 パルスの周期が一致するので、サンプリ
ングデータを 100個連続して取り込むことにより(c) の
ように10.7MHzの受光信号を１周期再現できる。

【００５１】距離算出回路17は、上記のように、 100個
の連続したデータを用いれば１周期分の波形を再現でき
るので、最初にメモリ11から参照光信号の波形データを
100個取り込み回帰分析により式(9) の未知数b1,b2,Vo
を求める。同時に、データの分散を求め、分散値の大き
さに対応したsin近似の信頼度を出力する。分散大きい
場合はデータのばらつきが大きいと判断できるので、信
頼度は低くなる。また、b1,b2,Voから得られたsin 波形
から各データのずれ量を求め、この値が大きいデータは
ノイズの影響が大きいものと判断して取り除き、再度、
回帰分析により式(9) の未知数b1,b2,Voを求める。次
に、式(6) から位相φr を算出する。同様に、メモリ16
から反射光信号の波形データを100 個取り込み、位相φ
s を算出する。さらに、φr とφs の位相差を求め、式
(1) から距離を求める。ここでは、DSP(Digital Signal
Prosesor)を用い、これらの演算をプログラムして距離
を求めている。

【００５２】なお、この実施の形態例では数値データを
100 個取り込む、すなわち、 0.1μsec ×100=10μsec
毎に距離を求めているが、第９図(b) のサンプリングデ
ータを結ぶと(d) に示す700kHzのsin 波になる。そこ
で、約1 周期分に相当する14個のデータが得られる毎に
距離を算出できるようDSP のプログラムを変更すること
もできる。この場合、距離を算出する間隔を短くでき
る。

【００５３】

【第３の実施の形態】次に、第３の実施の形態例を図10
を用いて説明する。第３の実施の形態例の装置は、10.7
MHz の発振器１と、10MHz のA/D 用サンプリングクロッ
クを生成するサンプリングクロック生成器２と、発振器
１から出力される連続波を増幅するアンプ３と、アンプ
３によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光
する半導体レーザ４と、半導体レーザの光をスポット平
行光にするコリメータレンズ５と、レーザ光の一部を参
照光として取り出すビームスプリッタ６とからなる。

【００５４】また、第３の実施の形態例の装置は、参照
光を集光するレンズ７と、参照光を受光し参照光信号を
出力するフォトダイオード８と、参照光信号を増幅する
アンプ９と、サンプリングクロック生成器２の出力する
サンプリングクロックによりA/D 変換するA/D10 と、強
度変調信号に同期したノイズ波形が記憶されたノイズデ
ータメモリ11と、A/D10 が出力するの波形データからノ
イズデータメモリ11に記憶されたノイズ波形データを減
算する減算器12と、減算器12の出力する反射光信号波形
データを記憶するメモリ13とからなる。

【００５５】さらに、第３の実施の形態例の装置は、被
測定物からの反射光を集光するレンズ14と、反射光を受
光し反射光信号を出力するフォトダイオード15と、反射
光信号を増幅するアンプ16と、サンプリングクロック生
成器２の出力するサンプリングクロックによりA/D 変換
するA/D17と、強度変調信号に同期したノイズ波形が記
憶されたノイズデータメモリ18と、A/D17 が出力するの
波形データからノイズデータメモリ18に記憶されたノイ
ズ波形データを減算する減算器19と、減算器19の出力す
る反射光信号波形データを記憶するメモリ20と、メモリ
13および20に記憶された波形データを取り込み反射光信
号および参照光信号の位相を算出し、その位相差を求
め、位相差から距離を求める距離算出回路21からなる。

【００５６】第３の実施の形態例の動作について簡単に
説明する。投光部および受光部の構成は第２の実施の形
態例装置と同じなので、異なる点のみ、すなわち、ノイ
ズデータメモリおよび減算器について説明する。レーザ
光が目に入っても安全なレベルにレーザ光の出力を制限
すると、10m程度離れた被測定物の表面が黒色かつ散乱
面である場合、得られる反射光は数nWと非常に小さなも
のとなる。したがって、ホトダイオードの出力電圧は数
nVと非常に小さく、レーザを駆動するアンプ３など大き
な電流を消費する回路の影響により強度変調信号に同期
した重畳ノイズが無視できなくなる。図11は実験結果の
一例であり、半導体レーザの駆動波形と受光回路に重畳
したノイズ波形である。

【００５７】図11から明らかなように、ノイズ波形は、
回路のランダムノイズに変調信号に同期したノイズが重
畳したものとなっている。そこで、あらかじめノイズ波
形を求め（ランダムノイズ成分は平均値とする）、ノイ
ズデータメモリ11および16に記憶しておく。そして、参
照光信号に対しては、減算器12によりA/D10の波形デー
タからノイズデータメモリ11に記憶されたノイズ波形デ
ータを減算することにより重畳ノイズを取り除く。反射
光信号に対しても同様に、減算器19により重畳ノイズを
取り除く。ノイズが除去された参照光および反射光信号
の数値データは、それぞれメモリ13、20に記憶され、距
離算出回路21にて距離が算出される。この実施の形態例
も第２の実施の形態例と同様に、DSPを用いている。な
お、参照光は変調光の一部を直接受光しているのでノイ
ズを無視できる場合がある。このとき、ノイズデータメ
モリ11、減算器12を省くことができる。

【００５８】

【第４の実施の形態】次に、第４の実施の形態例を図12
の構成図、図13のタイミングチャートを用いて説明す
る。第４の実施の形態例装置は、図13(a)に示すような
周波数510MHzのパルスを51個(0.1μsec)、0.1msec間隔
で発生するバースト波発振器１と、500MHzの連続波を出
力するサンプリングクロック生成器２と、発振器１から
出力されるバースト波を増幅するアンプ３と、アンプ３
によって駆動され強度変調された光を被測定物に投光す
る半導体レーザ４と、半導体レーザ４の光をスポット平
行光にするコリメータレンズ５と、レーザ光の一部を参
照光として取り出すビームスプリッタ６とからなる。

【００５９】また、第４の実施の形態例装置は、参照光
を集光するレンズ７と、参照光を受光し参照光信号を出
力するフォトダイオード８と、参照光信号を増幅するア
ンプ９と、サンプリングクロック生成器２の出力するサ
ンプリングクロックにより参照光信号をA/D変換し参照
光波形データを出力するA/D10 と、A/D10 の出力する参
照光波形データと所定の閾値Vthを比較し参照光受光タ
イミング信号を出力するコンパレータ11と、バースト波
発生時から参照光受光タイミング信号発生時までの時間
を測るタイマー12と、参照光受光タイミング信号発生後
A/D10 の出力する参照光波形データを50個記憶するメモ
リ13と、被測定物からの反射光を集光するレンズ14と、
反射光を受光し反射光信号を出力するアバランシェフォ
トダイオード(APD)15 と、反射光信号を増幅するアンプ
16と、サンプリングクロック生成器２の出力するサンプ
リングクロックにより反射光信号をA/D 変換し反射光波
形データを出力するA/D17 とからなる。

【００６０】また、第４の実施の形態例装置は、A/D17
の出力する反射光波形データと所定の閾値Vth を比較し
反射光受光タイミング信号を出力するコンパレータ18
と、バースト波発生時から反射光受光タイミング信号発
生時までの時間を測るタイマー19と、反射光受光タイミ
ング信号発生後A/D17 の出力する反射光波形データを51
個記憶するメモリ20と、タイマー12から参照光受光時
間、メモリ13から参照光波形データ、タイマー19から反
射光受光時間、メモリ20から反射光波形データを取り込
み反射光信号および参照光信号の位相を算出し、その位
相差を求め、位相差から距離を求める距離算出回路21か
らなる。

【００６１】第４の実施の形態例の動作について簡単に
説明する。投光部および受光部の構成は第２の実施の形
態例の装置と同じなので、異なる点のみを簡単に説明す
る。この装置では、図13(a) に示すバースト波発振器１
の出力する510MHzの高周波バースト波変調光を被測定物
に投光し、図13(b)に示す参照光、 (d)に示す受光信号
を500MHzの高速サンプリングA/D コンバータ10および17
で数値データに変換し、メモリ13および20に記憶する。
コンパレータ11は参照光信号のノイズレベルよりわずか
に高い閾値を持ち、参照光が受光されると図13(c)に示
す参照光受光タイミング信号を出力する。タイマー12は
参照光受光タイミング信号により図13(b) に示すTsを計
測する。メモリ13には、参照光受光タイミング信号発生
時の参照光波形データが記憶される。同様に、コンパレ
ータ18、タイマー19、メモリ20が動作し、図13(d) に示
すTrが計測されて反射光波形データが記憶される。

【００６２】次に、距離算出回路21の動作を説明する。
被測定物までの距離は、反射光と参照光の受光時間差Tr
−Tsから求められる。タイマー12および19はカウンタで
あり、500MHzのクロックで動作する。すなわち、時間分
解能は2nsecで、TrおよびTsを求められる。光の伝搬速
度は300,000km/secであるから、距離測定分解能は30cm
である。そこで、図14に示すように、受光時刻Ttを正確
に求めるために、受光信号(a) をコンパレータで閾値Vt
h と比較し、500MHzのクロック(c) を用いたタイマーに
よりTsを求める。

【００６３】さらに、受光タイミング信号(b) が発生し
ている間、クロック(c) により受光信号をA/D 変換して
波形データを求め、位相φsを求める。500MHzのサンプ
リングクロックは、510MHzのバースト波と周期が1/50ず
れており、50個の波形データにより１周期分のデータが
得られる。そこで、50個の波形データを取り込み、回帰
分析により式(9) の未知数b1,b2,Voを求め、式(6) から
位相φsを算出する。位相φs を1degの分解能で計測で
きれば、距離を30cm/360＝0.8mm の分解能で計測でき
る。

【００６４】距離算出回路21は、タイマー12からTsを取
り込み、次にメモリ13から参照光波形データを取り込ん
で回帰分析により位相φssを求め、Tsおよびφssから参
照光受光時刻Tst を求める。同様に、タイマー19からT
r、メモリ20から反射光波形データを取り込み、反射光
受光時刻Trtを求める。さらに、受光時間差Trt −Tstか
ら距離を正確に求める。この実施の形態例も第２の実施
の形態例と同様に、DSP(Digital Signal Prosesor)を用
いている。この実施の形態例のように、バースト波を投
光する方法は平均投光パワーを小さくできるので、高出
力レーザを用いても安全に遠方までの距離を計測でき
る。

【００６５】なお、本発明では参照光信号を投光変調光
の一部を取り出して用いているが、変調器の出力波形と
の位相差から位相を求めてもよい。また、いずれの実施
の形態例においても受光信号をそのままA/D 変換してい
るが、ヘテロダイン検波により100kHz程度の周波数に変
換して位相を計測してもよい。

【００６６】また、変調周波数と7/107 （第２および第
３の実施の形態例）、あるいは1/51（第４の実施の形態
例）異なる周波数によるサンプリングデータをそれぞれ
100個、50個用いて位相を求めているが、たとえば、第
２の実施の形態例において10.7MHzと5/4周期の長い8.56
MHzのサンプリング周波数によりA/D変換し、これを80個
用いて次のように位相を求めてもよい。1番目のデータ
と5番目のデータは10.7MHzに対し同位相である。さら
に、9番目、13番目、・・・、77番目も同位相である。同
様に２、６、・・・、78番目は同位相である。３、７、・・
・、79番目および４、８、・・・、80番目も同様である。
そこで、１、５、・・・、77番目のデータを加算、２、
６、・・・、78番目のデータを加算、３、７、・・・、79番
目のデータを加算、４、８、・・・、80番目のデータを加
算し、得られた４個の加算データを用いて回帰分析をし
てもよい。累積加算器はロジックICで構成できるのでリ
アルタイム演算が可能であり、回帰分析も計算量が大幅
に低減できるので非常に高速処理できる。

【００６７】また、本発明における実施の形態例は波形
が1周期得られるようにデータ数を選んでいるが、半周
期でも、２〜３周期でもデータの収集時間は任意であ
る。また、等間隔サンプリングでなくても位相を求める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】振幅変調−位相差計測による光波距離計測装置
の測定原理の説明図

【図２】本発明の第１の構成図

【図３】本発明の第２の構成図

【図４】本発明の第３の構成図

【図５】本発明の第４の構成図

【図６】第１の実施の形態例装置の構成図

【図７】第１の実施例の形態装置のタイミング信号図

【図８】第２の実施の形態例装置の構成図

【図９】受光信号とA/Dコンバータのサンプリングタイ
ミングの説明図

【図１０】第３の実施の形態例装置の構成図

【図１１】受光回路の重畳ノイズの説明図

【図１２】第４の実施の形態例装置の構成図

【図１３】第４の実施の形態例装置のタイミングチャー
ト

【図１４】受光時刻を正確に求める方法の説明図

【符号の説明】

１光強度変調変調手段２投光手段３参照光受光手段４反射光受光手段５位相差計測手段６距離算出手段５ａ参照光をA/D変換して波形を数値化するA/D ５ｂ波形近似手段５ｃ反射光をA/D変換して波形を数値化するA/D ５ｄ波形近似手段５ｅ位相差演算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光強度変調手段により強度変調した光を
被測定物に投光し、強度変調した光の一部を参照光とし
て取り出し、被測定物からの反射光を受光すると共に、
参照光と反射光との位相差を計測し当該位相差から距離
を算出する距離測定方法において、上記位相差計測は、参照光をA/D変換して波形を数値化
すると共に、数値化された波形データを三角関数波形に
近似して参照光の位相を計測し、反射光をA/D変換して
波形を数値化し、当該数値化された波形データを三角関
数波形に近似して反射光の位相を計測し、参照光の位相
と反射光の位相から位相差を求め、参照光と反射光の波
形から位相差を求めることを特徴とする距離測定方法。
【請求項２】光を強度変調する手段と、強度変調した
光を被測定物に投光する手段と、強度変調した光の一部
を参照光として取り出す手段と、被測定物からの反射光
を受光する手段と、参照光と反射光との位相差を計測す
る手段と、位相差から距離を算出する手段を持ち、参照
光と反射光との位相差から距離を計測する距離測定装置
において、上記位相差計測手段は、参照光をA/D変換して波形を数
値化する手段と、数値化された波形データを三角関数波
形に近似して参照光の位相を計測する手段と、反射光を
A/D変換して波形を数値化する手段と、数値化された波
形データを三角関数波形に近似して反射光の位相を計測
する手段と、参照光の位相と反射光の位相から位相差を
求める手段から成ることを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】請求項２記載の位相計測手段は、波形デ
ータを三角関数波形に近似するとともに波形データの分
散を求めて測定値の信頼度として出力する手段を有し、
分散が大きいときには距離測定値の信頼性が低いこと、
また分散が小さいときには測定値の信頼性が高いことを
出力することを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】請求項２記載の位相差計測手段は、位相
計測手段が求めた近似三角関数波形とA/D変換により数
値化された波形データとの差を求め、この差が大きい波
形データをノイズとして除去する手段と、近似三角関数
波形との差が小さいデータのみを用いて、再度、近似三
角関数波形を求めて正確に位相を求める手段を有するこ
とを特徴とする距離測定装置。【請求項４】請求項２記載の位相差計測手段は、あら
かじめ求められた距離測定装置に残留する強度変調周波
数に同期した周期的ノイズが記憶された手段と、A/D変
換により数値化された波形データから周期的ノイズを取
り除く減算手段を有し、周期的残留ノイズをキャンセル
することにより誤差を低減し、かつ、高速、高精度に測
定することを特徴とする距離計測装置。