CN101044371B - 时间差测定装置、测定方法、测距装置和测距方法 - Google Patents

Abstract

一种时间差测定装置，对于以规定的时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，仅通过对这两个脉冲信号进行一次测定而能够高精度地进行测定。在测定开始信号(M1)和停止信号(M2)之间的时间差的时间差测定装置中，具有由基准信号发生部(41)发生具有π/2的相位差的两个基准信号(S1、S2)，基于开始信号(M1)以及停止信号(M2)的各发生定时的两基准信号(S1、S2)的对应振幅值(A11、A12)以及(A21、A22)，由相位差检测部(42)计算两脉冲信号(M1、M2)的发生定时之间的相位差Δθ(θstop-θstart)，并基于检测出的相位差Δθ以及基准信号(S1、S2)的周期(Ts)，由时间差计算部(44)计算两脉冲信号(M1、M2)之间的发生时间差Δt。

Description

时间差测定装置、测定方法、测距装置和测距方法

技术领域

本发明涉及时间差测定装置、时间差测定方法、测距装置和测距方法，详细地说，涉及非常短的时间间隔的脉冲信号之间的时间差测定的改善。

背景技术

代表近年的测量设备的测距装置，对测距对象射出例如激光或微波等测定波，检测来自该测距对象的反射波(以下总称为测定波)，基于该测定波的射出时刻和检测时刻的时间差，求出测定波的往返行进距离，由此计算到测距对象的距离。

这里，时间差(时间间隔)的测定例如如下进行，发生具有与测定波的射出到检测的时间差相比非常短的已知的周期的高频时钟信号，对在测定波的射出时刻到检测时刻为止的期间发生的该高频时钟信号的时钟数进行计数，并对该计数值乘以周期。但是，在这样的测定中，为了提高测定精度而需要提高时钟信号的频率，而对于提高时钟信号的发生频率有极限。

因此，考虑通过发生彼此具有规定的相位差的多个高频时钟信号，并对各时钟信号的时钟数进行计数，从而将时钟信号的频率虚拟地高频化的方法。但是，在该方法中，由于在提高精度的可靠性上，需要反复进行与该发生的时钟信号的数对应的测定，因此引起测定时间的长时间化，在实用方面存在问题。

因此，本申请人提出了以下的技术：分别以规定的时间间隔反复多次发生与测定波的射出时刻同步的开始信号和与检测时刻同步的停止信号，由反复的开始信号对以短于该反复周期的周期发生的正弦波等基准信号进行采样的同时，由反复的停止信号对以短于该反复周期的周期发生的正弦波等基准信号进行采样，并求出通过开始信号的采样而得到的第一采样波和通过停止信号的采样而得到的第二采样波的相位差，基于该相位差，求出开始信号和停止信号之间的相位差，并将得到的相位差换算为时间差(专利文献1)。

专利文献1：日本专利第2916780号公报

发明内容

但是，上述提出的技术必须多次发生开始信号和停止信号来进行多次检测，这从测定的进一步迅速化的观点出发是不利的。

特别在不是使用于对直到具有角锥棱镜反射器的固定测距对象为止的距离进行测定的测距装置，而是使用于以可能因风等环境的影响而容易移位的自然物等为对象的测距装置，或者按每一点对测距对象的轮廓进行测距从而确定测距对象整体的形状的测距装置中的情况下，要求进一步缩短各个测距时间。

即，由于自然物因环境的影响而容易移位，因此如果在进行反复的测定的期间中移位，则对于通过多次测定而得到的多个数据中，其中的一部分数据，由于包含移位所引起的误差、可靠性低，需要从多个数据中通过平均化等运算将那些可靠性低的数据除去。

此外，在按每一点对对象的轮廓进行扫描从而确定轮廓形状的情况下，由于测距对象点数非常多，因此对轮廓整体进行测距需要长的测定时间。

进而，上述提出的技术中，由于多个开始信号以及多个结束信号分别作为采样信号起作用，因此要求开始信号间的发生间隔以及停止信号间的发生间隔也要准确、固定，需要对该发生间隔进行固定控制。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种对于以规定的时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，能够通过一次测定而高精度地测定，而不必反复发生这两个脉冲信号的时间差测定装置、时间差测定方法、使用该时间差测定装置的测距装置以及使用时间差测定方法的测距方法。

本发明的第一种时间差测定装置测定以规定的时间差产生的两个以上的脉冲信号的该时间差，其特征在于，包括：基准信号发生部件，发生一个以上的基准信号；振幅检测部件，在依赖于所述各脉冲信号的发生定时的规定的两个定时，与对所述基准信号进行采样的情况实质上同等地求出基于所述基准信号的两个振幅；相位差检测部件，基于由所述振幅检测部件检测出的、对所述各脉冲信号求出的所述基准信号的各振幅，计算所述脉冲信号的发生定时之间的相位差；以及时间差计算部件，基于由所述相位差检测部件检测出的相位差以及所述基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差。

这里所说的“ 在依赖于脉冲信号的发生定时的规定的两个定时，与对基准信号进行采样的情况实质上同等地求基于基准信号的两个振幅”是指：例如，基准信号发生部件发生的基准信号是两个、且该基准信号具有规定的相位差时，一个基准信号的振动定时相对于另一个基准信号的振动定时的偏差相当于相位差的时间部分，由于在规定的定时同时对两个基准信号进行采样的情况，实质上与对单一的基准信号，在脉冲信号的发生定时和从该发生定时偏离了(相当于基准信号的规定的相位差的)时间差的另一定时的互相不同的两个定时进行采样的情况，能够同样地进行评价，所以，对于单一的基准信号也可以在两个不同的定时进行采样，对于具有相位差的两个基准信号也可以在单一的定时进行采样。

根据这样构成的本发明的第一种时间差测定装置，对于每个脉冲信号，两个振幅可以分别在两个不同的定时进行采样；基于这两个振幅，可以将各脉冲信号的发生定时表现为基准信号中的相位。对于各个脉冲信号，所得到的相位差可以用基准信号的周期来表示脉冲信号的发生定时的时间差。

而且，本发明的第一种时间差测定装置由于具有基于基准信号的周期和相位差检测部件检测出的相位差来计算两个脉冲信号的发生时间差的时间差计算部件，因此对两个脉冲信号在各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够求出两脉冲信号间的时间差，可以实现迅速测定。

另外，作为基准信号，优选采用例如正弦波信号和余弦波信号等。这是由于振幅和相位的对应关系具有一般性。但是，基准信号并非仅限定于上述正弦波信号和余弦波信号，如果通过查找表或函数等预先规定了振幅和相位的对应关系，也可以采用例如三角波信号、锯齿波信号等各种信号。

本发明的第二种时间差测定装置测定以规定的时间差而产生的两个脉冲信号的该时间差，包括：基准信号发生部件，发生具有大致π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇数倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)的相位差。以下相同)的至少两个基准信号；相位差检测部件，基于在所述两个脉冲信号的各发生定时的所述至少两个基准信号的振幅，计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差；以及时间差计算部件，基于由所述相位差检测部件检测出的相位差以及所述基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差。

这里，两个基准信号，相对于脉冲信号可以同步，也可以不同步。

根据这样构成的本发明的第二种时间差测定装置，对于基准信号发生部件发生的具有π/2弧度的相位差的两个基准信号，相位差检测部件在以时间差产生的两个脉冲信号的各发生定时仅进行一次采样，就可以检测出各采样时的各基准信号的振幅。

进而，相位差检测部件基于得到的各定时的两个基准信号间的振幅差或振幅比等振幅的关系，在各定时计算基准信号的相位，并计算与得到的两个定时分别对应的相位的差，并且根据该相位差和基准信号的周期来计算两个脉冲信号的发生时间差。

从而，对两个脉冲信号的各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够求出两脉冲信号间的时间差，可以实现迅速测定。

此外，作为基准信号，例如可以采用正弦波信号以及余弦波信号这样的相位差为π/2弧度的信号，计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切(arc tangent)计算，则能够计算出相位θ，根据这两个相位可以检测出相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

即，由于正弦波信号在横切振动的中心(sinθ＝0)的位置附近，sinθ的变化量相对于θ的变化量较大，因此在该位置检测时能够得到高的检测灵敏度(分辨率)，但在振动的峰值位置附近，由于sinθ的变化量相对于θ的变化量较小，因此检测灵敏度(分辨率)变差。另一方面，由于余弦波信号与正弦波信号具有π/2弧度的相位差，因此在正弦波信号的灵敏度变差时，余弦波信号成为高检测灵敏度(分辨率)。从而，基于两者的比由反正切计算的相位，可以一直以高灵敏度以及高分辨率得到检测。

此外，在本发明的第二种时间差测定装置中，优选还包括用于检测所述两个脉冲信号的大致发生时间差的大致时间差检测部件，所述时间差计算部件除了基于由所述相位差检测部件检测出的相位差以及所述基准信号的周期而计算出的精密时间差之外，还根据由所述大致时间差检测部件检测出的所述大致发生时间差来计算所述两个脉冲信号的发生时间差。

该大致时间差检测部件只要能够以上述基准信号的一周期程度的分辨率来检测时间即可，可以采用通过公知的脉冲计数器等对基准信号的脉冲数进行计数来检测大致时间差的部件。

根据该优选的结构的时间差测定装置，由于可以通过大致时间差检测部件来检测两个脉冲信号的大致发生时间差，因此这两个脉冲信号的发生时间差即使是超过基准信号的一周期这样的长时间，也能够高精度地得到测定。

即，时间差计算部件检测出的两个脉冲信号间的相位差Δθ被计算为0弧度～2π弧度的范围内的值。但是，由于基准信号为周期信号，因此该相位差Δθ除了2π以下的Δθ之外，也潜在地表示为2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以用一般式2π(n-1)+Δθ(n：自然数)来表示。

另一方面，作为要计算的两个脉冲信号的发生时间差，上述一般式的第一项的相位差2π(n-1)弧度也需要作为时间被包含，需要确定该自然数n。

因此，即使在两个脉冲信号的发生时间差超过基准信号的一周期(2π弧度)的情况下，大致时间差检测部件也能够以该基准信号的一周期程度的分辨率来大致地检测该发生时间差，并且能够基于由该大致时间差检测部件检测出的大致发生时间差，决定一般式的第一项部分的相位差2π(n-1)弧度，因此，该第一部分和第二部分的相位差总和所对应的时间([2π(n-1)+Δθ]/2π乘以基准信号的周期(秒)后的值)，即两个脉冲信号的发生时间差可以作为唯一的特定值而被求出。

此外，在本发明的第一或第二种时间差测定装置中，作为所述两个基准信号，优选采用正弦波和余弦波。

正弦波(A0sinθ)和余弦波(A0cosθ)的组合与相位差为π/2弧度的两个正弦波的组合或者相位差为π/2的两个余弦波的组合同等，通过脉冲信号对这两个基准信号进行采样而得到的检测值Aij(振幅值)的比(A0sinθ/A0cosθ)可以计算为正切值(tanθ)，并且能够通过该得到的正切值的逆变换(＝逆三角函数tan^-1θ(反正切))计算出相位。然后，通过这样采用正弦波和余弦波作为基准信号，在计算上，正弦波以及余弦波的最大振幅值A0被抵消，因此实际运算处理时不必求该最大振幅值A0，能够简化运算处理。

而且，由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

此外，在本发明的第二种时间差测定装置中，优选相位差检测部件分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上领先的一个脉冲信号(开始信号)的发生定时的所述正弦波信号的振幅A11(-A0≤A11≤A0)以及余弦波信号的振幅A12(-A0≤A12≤A0)，计算这些振幅A11、A12的比A11/A12，基于该振幅比A11/A12，通过tan^-1(A11/A12)计算相位θstart(开始信号发生定时的正弦波以及余弦波的相位)；并且分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上后续的另一个脉冲信号(停止信号)的发生定时的所述正弦波信号的振幅A21(-A0≤A21≤A0)以及余弦波信号的振幅A22(-A0≤A22≤A0)，计算这些振幅A21、A22的比A21/A22，基于该振幅比A21/A22，通过tan^-1(A21/A22)计算相位θstop(停止信号发生定时的正弦波以及余弦波的相位)；并通过(θstop-θstart)计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差Δθ。

根据这样构成的时间差测定装置，通过简单的运算处理能够高精度地计算时间差。

此外，在本发明的第一种或第二种时间差测定装置中，优选的是：所述基准信号发生部件原始生成一个基准信号，同时相对于该原始生成的基准信号将该基准信号的相位大致延迟π/2弧度而生成新的基准信号，将所述原始生成的基准信号和所述新的基准信号作为具有所述大致π/2弧度的相位差的两个基准信号。

即，虽然基准信号发生部件生成的基准信号是唯一的，作为发生的(输出到外部的)信号，不仅包括该生成的原始的基准信号(第一个基准信号)，而且包括使相位相对于该原始的基准信号延迟大致π/2弧度而生成新的基准信号，并且将该新的基准信号输出到外部，从而发生两个基准信号。

这样，如果两个基准信号中的一个为原始信号，另一个为基于该原始信号而生成的信号，则在两个基准信号之间难以产生例如振幅差等信号波形的不同，并且能够抑制与振幅对应的相位的运算误差。

本发明的时间差测定方法测定以规定的时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，其特征在于，检测所述两个脉冲信号的大致发生时间差，发生具有大致π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇数倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)。以下相同)的两个基准信号的正弦波信号以及余弦波信号，基于在所述两个脉冲信号的各发生定时的所述正弦波信号以及所述余弦波信号的振幅，求出所述两个脉冲信号的发生定时的相位差，基于求出的相位差、所述基准信号的周期以及所述大致发生时间差，求出所述两个脉冲信号的发生时间差。

根据这样构成的本发明的时间差测定方法，对于具有π/2弧度的相位差的两个基准信号，在以时间差产生的两个脉冲信号的各发生定时仅进行一次采样，就可以检测出各采样时的各基准信号的振幅。

进而，基于得到的各定时的两个基准信号间的振幅差或振幅比等振幅的关系，在各定时计算基准信号的相位，并计算与得到的两个定时分别对应的相位的差，并且根据该相位差和基准信号的周期来计算两个脉冲信号的发生时间差。

从而，对两个脉冲信号的各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够求出两脉冲信号间的时间差，可以实现迅速测定。

此外，作为基准信号的正弦波信号以及余弦波信号，其相位差为π/2弧度，因此计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，则能够计算出相位θ，根据两个相位来检测相位差Δθ。

而且，由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

此外，通过检测两个脉冲信号的大致发生时间差，这两个脉冲信号的发生时间差即使是超过基准信号的一周期这样的长时间，也能够高精度地进行测定。

此外，在本发明的时间差测定方法中，优选的是：分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上领先的一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A11以及所述余弦波信号的振幅A12，计算这些振幅A11、A12的比A11/A12，基于该振幅比A11/A12，通过tan^-1(A11/A12)计算相位θstart；并且分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上后续的另一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A21以及所述余弦波信号的振幅A22，计算这些振幅A21、A22的比A21/A22，基于该振幅比A21/A22，通过tan^-1(A21/A22)计算相位θstop；并通过(θstop-θstart)计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差Δθ。

这样，根据优选的结构的时间差测定方法，通过简单的运算处理而能够高精度地计算时间差。

此外，本发明的第一种测距装置，包括：测定波射出部件，对测距对象射出测定波；反射波检测部件，检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；以及测距部件，在从所述测定波射出部件射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号，在由所述反射波检测部件检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号，基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离，其特征在于，所述测距部件包括本发明的时间差测定装置，基于由所述时间差测定装置测定而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

这里，作为测距装置，也包含所谓的测量设备，或通过对测距对象进行测距来确定该测距对象的轮廓形状等的形状测定装置。

作为测定波射出部件对测距对象发生的信号波，例如采用微波或光波(激光、红外光等)等以往作为测距用射束而被使用的公知的各种电磁波。

根据这样构成的本发明的第一种测距装置，由于测距部件具有上述本发明的时间差测定装置，因此仅通过由该时间差测定装置进行一次第一以及第二脉冲信号的各发生定时的基准信号的检测，就能够迅速地测定两脉冲信号之间的时间差，从而，能够使基于该时间差的测定的测距动作迅速化。

此外，作为基准信号，采用例如正弦波信号以及余弦波信号这样的相位差为π/2弧度的信号，从而计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，则能够计算出相位θ，根据两个相位来检测出相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

本发明的测距方法对测距对象射出测定波，在射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号，检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波，在检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号，基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离，其特征在于，基于通过本发明的时间差测定方法而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

根据这样构成的本发明的测距方法，通过上述本发明的时间差测定方法，对第一以及第二脉冲信号的各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够迅速地测定两脉冲信号之间的时间差，从而，能够使基于该时间差的测定的测距动作迅速化。

此外，作为基准信号，采用例如正弦波信号以及余弦波信号这样的相位差为π/2弧度的信号，从而计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，则能够计算相位θ，根据两个相位来检测出相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

本发明的第三种时间差测定装置测定以规定的时间差产生的两个以上的脉冲信号的该时间差，其特征在于，包括：基准信号发生部件，发生单一的基准信号；振幅检测部件，在所述各脉冲信号的发生定时和与该发生定时对应的规定的延迟定时，分别求出所述基准信号的振幅；相位差检测部件，基于由所述振幅检测部件检测出的、对所述各脉冲信号求出的所述发生定时以及所述延迟定时的所述基准信号的各振幅，计算所述脉冲信号的发生定时之间的相位差；以及时间差计算部件，基于由所述相位差检测部件检测出的相位差以及所述基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差。

根据这样构成的时间差测定装置，对于基准信号发生部件发生的单一的基准信号，振幅检测部件对于单一的基准信号，在脉冲信号的发生定时和相当于从该发生定时起规定的延迟定时的相位差这样的互相不同的两个定时进行采样，并检测与各定时对应的基准信号的振幅。

进而，相位差检测部件基于在得到的各定时检测出的两个振幅差或振幅比等振幅的关系，对一个脉冲信号的发生定时计算基准信号的相位，并同样对另一个脉冲信号的发生定时计算基准信号的相位，计算得到的两个相位之差，根据该相位差和基准信号的周期来计算两个脉冲信号的发生时间差。

从而，对两个脉冲信号的各发生定时以及各延迟定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够求得两脉冲信号之间的时间差，可以实现迅速测定。

此外，作为基准信号，采用例如正弦波信号或余弦波信号，将与相当于基准信号的π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇数倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)。以下相同)的相位延迟对应的定时作为所述延迟定时，计算在各脉冲信号的发生定时和延迟定时分别直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，则能够计算各个该脉冲信号的相位θ，根据两个相位来检测出相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

即，由于例如正弦波信号在横切振动的中心(sinθ＝0)的位置附近，sinθ的变化量相对于θ的变化量较大，因此在该位置检测时能够得到高的检测灵敏度(分辨率)，但在振动的峰值位置附近，由于sinθ的变化量相对于θ的变化量较小，因此检测灵敏度(分辨率)变差。另一方面，由于在延迟定时，从相当于振动的峰值位置附近的相位产生π/2弧度的相位差，因此成为横切振动的中心的位置附近，并且成为高检测灵敏度(分辨率)。从而，基于由发生定时和延迟定时分别检测出的振幅的比而由反正切计算相位，可以一直以高灵敏度以及高分辨率得到检测。

此外，本发明的第二种测距装置包括：测定波射出部件，对测距对象射出测定波；反射波检测部件，检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；以及距离测定部件，在从所述测定波射出部件射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号，在由所述反射波检测部件检测到所述反射波的定时取得所述第二脉冲信号，基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得所述第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离，其特征在于，作为所述距离测定部件包括本发明的第一或第三的时间差测定装置，基于由所述时间差测定装置测定而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

这里，作为测距装置也包含所谓的测量设备，或通过对测距对象进行测距来确定该测距对象的轮廓形状等的形状测定装置。

作为测定波射出部件对测距对象发生的信号波，例如采用微波或光波(激光、红外光等)等以往作为测距用射束而被使用的公知的各种电磁波。

根据这样构成的本发明的第二种测距装置，由于测距部件具有上述本发明的时间差测定装置，因此由该时间差测定装置对第一以及第二脉冲信号的各发生定时以及各延迟定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够迅速地测定两脉冲信号之间的时间差，从而，能够使基于该时间差的测定的测距动作迅速化。

此外，作为基准信号，采用例如正弦波信号以及余弦波信号，使发生定时和延迟定时的相位差为大致π/2弧度，从而计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，则能够计算出相位θ，根据两个相位来检测出相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

根据本发明的时间差测定装置、时间差测定方法，对两个脉冲信号的各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，或对两个脉冲信号的各发生定时以及延迟定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够求出两脉冲信号之间的时间差，并且能够实现测定的迅速化。

此外，根据本发明的测距装置、测距方法，由于测距部件包含上述本发明的时间差测定装置，因此该时间差测定装置对第一以及第二脉冲信号的各发生定时的各基准信号仅进行一次检测，或对两个脉冲信号的各发生定时以及延迟定时的各基准信号仅进行一次检测，就能够迅速地测定两脉冲信号之间的时间差，从而能够实现基于该时间差测定的测距的迅速化。

附图说明

图1是表示包含本发明的一个实施例的时间差测定装置的测量装置的方框图。

图2是说明时间差测定的原理的图。

图3是表示图1所示的测量装置的具体的光学系统的图。

图4是表示图1所示的测量装置的具体的控制系统(有同步)的图。

图5是表示图1所示的测量装置的具体的控制系统(无同步)的图。

图6是表示变形例的相当于图4的控制系统的图，该变形例中基准信号发生部仅发生正弦波信号作为基准信号，并基于该发生了的正弦波信号，生成另一个基准信号。

图7表示包含本发明的其它实施例的时间差测定装置的测量装置的方框图。

图8是说明时间差测定的原理的图。

图9是表示图7所示的测量装置的具体的控制系统(有同步)的图。

图10是表示图7所示的测量装置的具体的控制系统(无同步)的图。

标号的说明

10  测定光射出部件(检测波射出部件)

11  PLD(光源)

20  反射光检测部件(反射波检测部件)

21  受光元件

30  测距部件

40  时间差测定装置

90  测距对象

100 测量装置(测距装置)

L1  激光

L2  反射激光

M1  开始信号(第一脉冲信号)

M2  停止信号(第二脉冲信号)

S1、S2基准信号

A11、A12、A21、A22振幅值

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的时间差测定装置和时间差测定方法以及测距装置和测距方法的最佳实施方式。

实施例1

图1是表示包括本发明的时间差测定装置作为测距部件的一部分的本发明的测距装置的一个实施例的测量装置100的结构的图。

图示的测量装置100包括：测定光射出部件10(测定波射出部件)，对测距对象90射出作为测定波的脉冲状的激光L1；反射光检测部件20(反射波检测部件)，检测激光L1被测距对象90反射而得到的反射激光L2(反射波)；测距部件30，在从测定光射出部件10射出激光L1的定时输出脉冲状的开始信号M1(第一脉冲信号)，在由反射光检测部件20检测到反射激光L2的定时输出脉冲状的停止信号M2(第二脉冲信号)，基于从输出开始信号M1的定时到输出停止信号M2的定时为止的时间差Δt，求出到测距对象90的距离；以及测距结果输出部50，可视地输出该测距结果。

这里，测定光射出部件10包括：半导体激光器(PLD)11，是射出脉冲状的激光L1的光源；以及射出光学系统12，其包含将从该PLD11射出的激光L1向测距对象90进行导光的透镜等，从PLD11射出的激光L1是具有比较大的峰值功率且占空比为0.01％程度的脉冲状的激光。

反射光检测部件20包括：受光元件21，检测反射激光L2；以及检测光学系统22，将来自测距对象90的反射激光L2引导至受光元件21。另外，受光元件21只要是能够检测脉冲状的反射激光L2的元件即可，例如，使用雪崩光电二极管(APD)等。

测距部件30包括：时间差测定装置40，测定在激光L1的检测定时以及反射激光L2的检测定时由内部输出的两个脉冲信号M1、M2之间的输出时间差Δt；以及距离换算部31，将该测定的时间差Δt换算为距离并输出结果。

该时间差测定装置40由内部发生上述两个脉冲信号M1、M2。此外，时间差测定装置40包括：基准信号发生部41(基准信号发生部件)，发生互相具有π/2的相位差的两个基准信号S1、S2；相位差检测部42(相位差检测部件)，基于两个脉冲信号M1、M2的各发生定时的两个基准信号S1、S2的振幅A11(开始信号M1的发生定时的基准信号S1的振幅)、A12(开始信号M1的发生定时的基准信号S2的振幅)、A21(停止信号M2的发生定时的基准信号S1的振幅)、A22(停止信号M2的发生定时的基准信号S2的振幅)，计算两个脉冲信号M1、M2的各发生定时之间的基准信号S1(或基准信号S2)的相位差Δθ；大致时间差检测部43(大致时间差检测部件)，检测两个脉冲信号M1、M2的各发生定时的大致时间差ta；以及时间差计算部44(时间差计算部件)，基于由相位差检测部42检测出的相位差Δθ和基准信号S1、S2的周期Ts以及由大致时间差检测部43检测出的大致时间差ta，计算开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt。

这里，本实施例中的上述两个基准信号S1、S2，例如采用正弦波(A0sinθ；A0表示最大振幅值)的基准信号S1，和相对于该正弦波基准信号S1具有π/2的相位差的正弦波(A0sin(θ+π/2))相当的余弦波(A0cosθ)的基准信号S2。但是，基准信号S1、S2不限定于这些正弦波以及余弦波的信号的组合，只要是互相具有π/2的相位差的关系的周期函数的两个信号，也可以是其它任何信号的组合。

此外，大致时间差检测部43只要能够以基准信号S1、S2的一周期Ts程度的分辨率检测时间即可，也可以采用例如公知的脉冲计数器等对基准信号S1或S2的脉冲数Pc进行计数来检测大致时间差ta(＝Pc×Ts)等。

此外，测距结果输出部50只要能可视地输出测距结果，可以是进行显示输出的监视器等显示装置，也可以是进行印刷输出的打印机。

接着，参照图2说明本实施例的测量装置100的时间差测定装置40对开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt的进行计算的原理。

首先，时间差测定装置40的基准信号发生部41发生图2(b)所示的正弦波信号S1和同图(c)所示的余弦波信号S2。

接着，时间差测定装置40在从PLD11射出激光L1的定时，发生图2(a)所示的开始信号M1，相位差检测部42通过该开始信号M1对两基准信号S1、S2进行采样保持(sample hold)。此时，进行采样保持而得到的各基准信号S1、S2的振幅值A11、A12，如图2(d)所示，用基准信号发生时刻的相位θstart可以表示为

A11＝A0sinθstart  (1)

A12＝A0cosθstart  (2)，

由于

A11/A12＝tanθstart  (3)，

因此，相位差检测部42通过

θstart＝tan^-1(A11/A12)  (4)

来计算开始信号M1发生时刻的基准信号S1、S2的相位θstart，并将其临时存储在未图示的存储区域中。

此外，时间差测定装置40在受光元件21检测反射激光L2的定时，发生图2(a)所示的停止信号M2，相位差检测部42通过该停止信号M2对两基准信号S1、S2进行采样保持。此时，进行采样保持而得到的各基准信号S1、S2的振隔值A21、A22，如图2(d)所示，用基准信号发生时刻的相位θstop可以表示为

A21＝A0sinθstop  (5)

A22＝A0cosθstop  (6)，

由于

A21/A22＝tanθstop  (7)，

因此，相位差检测部42通过

θstop＝tan^-1(A21/A22)  (8)

来计算停止信号M2发生时刻的基准信号S1、S2的相位θstop，并将其临时存储在未图示的存储区域中。

然后，相位差检测部42读出在存储区域中存储的两个相位θstart、θstop，通过

Δθ＝θstop-θstart  (9)

来计算对于开始信号M1的发生时刻和停止信号M2的发生时刻之间的时间所对应的基准信号S1、S2的相位差Δθ。

这里，在两脉冲信号M1、M2的时间差Δt短于基准信号S1、S2的一周期Ts时，两脉冲信号M1、M2的时间差Δt可以根据上述相位差Δθ以及周期Ts，通过

Δt＝(Δθ/2π)Ts  (10)

来计算。

但是，由相位差检测部42通过算式(9)计算出的相位差Δθ是0弧度～2π弧度的范围内的值，但基准信号S1、S2是周期信号，因此计算出的相位差Δθ中除了2π弧度以下的Δθ之外，也潜在地含有2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以表示为一般式2π(n-1)+Δθ(n：自然数)。

另一方面，作为要计算的两个脉冲信号M1、M2的时间差Δt，上述一般式的第一项的相位差2π(n-1)弧度也需要被换算，并且需要确定该自然数n。

因此，即使在两个脉冲信号M1、M2的时间差Δt超过基准信号S1、S2的一周期(2π弧度)的情况下，大致时间差检测部件43也能够以该基准信号S1、S2的一周期程度的分辨率来大致地检测该时间差Δt。

而且，时间差计算部44参照由大致时间差检测部43检测出的大致时间差ta，将与相位差检测部42检测出的相位差Δθ(＝{Δθ，2π+Δθ，4π+Δθ，...，2π(n-1)+Δθ，...})对应的算式(10)的各时间差Δt(＝(Δθ/2π)Ts)中最接近大致时间差ta的时间差Δt，选择作为需要求出的时间差。

本实施例的测量装置100的时间差测定装置40通过以上原理，计算开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt。

然后，测距部件30的距离换算部31基于由时间差测定装置40测定的时间差Δt，通过下述算式(11)计算到测距对象90的距离D。另外，在算式(11)中，常数c表示光速[米/秒]。

D＝cΔt/2    (11)

如以上这样，到测定的测距对象90的距离D由测距结果输出部50输出，该测量装置100的使用者能够确定所述距离D。

另外，测距结果输出部50是作为显示装置来显示作为测距结果的到测距对象90的距离D等数值信息的，但除了该距离D之外，也可以一并显示该测量装置100的各种设定信息等。

这样，根据本实施例的时间差测定装置40以及测量装置100，对一组开始信号M1和停止信号M2的各发生定时的各基准信号S1、S2仅进行一次检测，就能够高精度地求出两信号M1、M2的发生时间差，并且能够实现时间差以及距离的测定的迅速化。

此外，通过采用正弦波信号以及余弦波信号这样的相位差为π/2的信号作为基准信号S1、S2，计算直接检测出的值(振幅值)的比值，通过对该比值进行反正切计算，就能够计算出相位θ，根据这两个相位来检测相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

这里，作为测定光射出部件10和反射光检测部件20，例如可以采用图3所示的结构。

图示的光学系统是射出光学系统12和检测光学系统22在功能上兼用的结构，包括：镜子14，将从PLD11射出的激光L1反射而引导至受光元件(APD)21；以及棱镜13和透镜15，将激光L1向测距对象90进行导光，同时将来自测距对象90的反射激光L2引导至受光元件21。

另外，图示的结构不过是一例，本发明的时间差测定装置、测距装置不限定于这样的结构。

此外，作为时间差测定装置40的具体的控制系统，例如可以采用图4所示的结构。

图示的控制系统中，基于从振荡电路(TXCO)41a输出的15 MHz的脉冲，正弦波生成部(Sin)41b以及余弦波生成部(Cos)41c分别发生相位偏离π/2的正弦波的基准信号S1、余弦波的基准信号S2，这些基准信号S1、S2由对应的带通滤波器(BPF)42b、42b限制频带，在脉冲检测器(Puls Det)42a基于由受光元件(APD)21检测出的激光L1以及反射激光L2而生成的开始信号M1以及停止信号M2的发生定时，A/D变换器(A/D)42c、42c对被限制了频带的基准信号S1、S2分别进行采样保持，该采样保持后的值，即振幅值A11、A12以及振幅值A21、A22被输入CPU44a。

另一方面，振荡电路41a的输出脉冲被输入脉冲计数器(CNTR)43a，该脉冲计数器43a对从脉冲检测器42a发生开始信号M1的定时到发生停止信号M2的定时之间输入的输出脉冲的脉冲数进行计数，该计数结果被输入CPU44a，用于CPU44a计算大致时间差ta。另外，连接到CPU44a的存储器(RAM)44b中存储计算结果和各常数等。

另外，虽然本发明的时间差测定装置以及测距装置仅通过分别各检测一次差时发生的两个脉冲信号，就能够高精度地检测这两个脉冲信号之间的时间差，但在实际测定时，优选的是：进行多次测定，求得到的多个测定结果的平均值，或计算标准偏差等，从而提高测定结果的可靠性。

因此，图4所示的控制系统多次输出开始信号M1，以使成为生成基准信号S1、S2的基础的振荡电路41a的输出脉冲和开始信号M1在输出脉冲的每个规定周期同步(相位差成为0)。

另外，由于基准信号S1(或基准信号S2)与从振荡电路41a输出的输出脉冲同步，因此通过该控制系统，基准信号S1和开始信号M1在基准信号S1的每个规定周期同步。

这里，在图示的控制系统中，基准信号S1的99周期和开始信号M1的100周期被设定为同步。

即，从振荡电路41a输出的输出脉冲由第一分频器(Divider)11a分频为1/99而成为151.51kHz，通过合成器(SYH)11b被递增为100倍而成为15.151MHz，该第100周期和15MHz的输出脉冲的第99周期相位差为0，即同步。

由合成器11b递增后的15.151 MHz的信号再由第二分频器(Div)11c分频为1/(23×77)，该分频后的输出脉冲被输入驱动器(DRIVER)11d，该驱动器11d驱动PLD11，PLD11输出脉冲状的激光L1。

从而，从PLD11以大约8.5 kHz的频率反复射出脉冲状的激光L1，并且伴随该反复的射出，反射激光L2被反复检测，能够测定多次的开始信号M1和停止信号M2之间的时间差，并且通过这样的多次的测定，能够提高测定结果的可靠性。

另外，图4所示的是使基准信号S1(或基准信号S2)和开始信号M1同步的结构的控制系统，这些信号不一定非要同步，两信号S1(或S2)、M1也可以完全不同步，即两信号S1(或S2)、M1例如图5所示，是完全非同步的，即两信号仅依赖于从互相独立的两个振荡电路单独输出的信号，互相之间没有依赖关系。

该图5所示的控制系统中，生成基准信号S1、S2的控制系统和使PLD11射出激光L1的控制系统是完全分离独立的。生成基准信号S1、S2的控制系统与图4所示的控制系统相同，而使PLD11射出激光L1的控制系统依赖于与振荡电路41a另外独立的振荡器(OSC)11e的输出脉冲，从该振荡器11e输出的输出脉冲由分频器(Div)11f分频，基于该分频后的输出脉冲，驱动器(DRIVER)11g驱动PLD11，在与基准信号S1或S2的定时完全无关的定时，从PLD11输出激光L1。

而且，即使是具有这样构成的控制系统的时间差测定装置、测距装置，通过多次测定也能够提高测定结果的可靠性。

此外，本实施例中所说明的测量装置采用半导体激光器作为光源，但在本发明的测距装置中，并不限定于这种形态的光源，也可以采用射出其它种类的激光的光源、射出激光以外的光的光源、或者发生光以外的微波等测定波的测定波射出源，起到与本实施例同样的作用，并且发挥同样的效果。

另外，虽然可以基于实际的检测值：振幅值A11以及A12来计算相位θstart、基于实际的检测值：振幅值A21以及A22来计算相位θstop，但如果两基准信号S1、S2的最大振幅A0不是完全相同地被生成的话，则在计算出的相位θstart，以及由基准信号S1的最大振幅的实测值A0’和检测振幅值A11以及基准信号S2的最大振幅的实测值A0”和检测振幅值A12计算的相位θstart’之间产生误差，从而使图2(d)所示的半径A0的圆变形为椭圆形。同样，在计算出的相位θstop，以及由基准信号S1的最大振幅的实测值A0’和检测振幅值A21以及基准信号S2的最大振幅的实测值A0”和检测振幅值A22计算的相位θstop’之间也产生误差，从而使半径A0的圆变形为椭圆形。

但是，即使在产生了这样的误差的情况下，通过进行多次的测定，在每次各测定时，由于每次的相位θstar以及θstop稍微偏离，导致椭圆发生自转，从而发挥自我校正功能，消除测定值的误差。

(变形例)

上述实施例1的结构中，基准信号发生部41如图4所示单独地生成正弦波信号的一个基准信号S1和余弦波信号的另一个基准信号S2，并分别单独地输出。但例如图6所示的结构，基准信号发生部41不具有余弦波生成部(Cos)41c，而具有延迟电路42d。该延迟电路42d仅对正弦波生成部(Sin)41b发生的正弦波的基准信号S1施加使其延迟与基准信号S1中的相位差π/2弧度((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)相当的时间的处理。

即，基准信号发生部41原始仅生成一个基准信号(正弦波信号)S1，但延迟电路42d对于该原始生成的基准信号S1，将基准信号S1中的相位仅延迟π/2弧度而生成新的基准信号。

该新生成的基准信号对于基准信号即正弦波信号具有π/2弧度的相位差，因此成为余弦波信号。

因此，正弦波信号和余弦波信号被输出，实质上可以得到与上述实施例1同样的作用效果。

另外，这样的两个基准信号中一个为原始信号，另一个为基于该原始信号而生成的信号，在两基准信号之间难以产生例如振幅差等信号波形的不同，并且能够抑制与振幅对应的相位的运算误差。

实施例2

图7是表示本发明测距装置的一个实施例的测量装置100’的结构的图，其测距部件的一部分包含本发明的时间差测定装置。

图示的测量装置100’包括：测定光射出部件10(测定波射出部件)，对测距对象90射出作为测定波的脉冲状的激光L1；反射光检测部件20(反射波检测部件)，检测激光L1被测距对象90反射而得到的反射激光L2(反射波)；测距部件30’，在从测定光射出部件10射出激光L1的定时输出脉冲状的开始信号M1(第一脉冲信号)，在由反射光检测部件20检测到反射激光L2的定时输出脉冲状的停止信号M2(第二脉冲信号)，基于从输出开始信号M1的定时到输出停止信号M2的定时为止的时间差Δt，求到测距对象90的距离；以及测距结果输出部50，可视地输出该测距结果。

这里，除了测距部件30’之外的其它结构与图1的实施例1的测量装置100中被赋予同一标号的结构相同，因此省略说明。

反射光检测部件20包括：受光元件21，检测反射激光L2；以及检测光学系统22，将来自测距对象90的反射激光L2引导至受光元件21。另外，受光元件21只要是能够检测脉冲状的反射激光L2的元件即可，例如，使用雪崩光电二极管(APD)等。

测距部件30’包括：时间差测定装置40’，测定在激光L1的检测定时以及反射激光L2的检测定时由内部输出的两个脉冲信号M1、M2之间的输出时间差Δt；以及距离换算部31，将该测定的时间差Δt换算为距离并输出结果。

该时间差测定装置40’由内部发生上述两个脉冲信号M1、M2。该时间差测定装置40’包括：基准信号发生部41’(基准信号发生部件)，发生单一的基准信号S3；振幅检测部45’，在两个脉冲信号M1、M2的各发生定时t1、t2和从这些各发生定时t1、t2分别延迟与基准信号S3的相位的π/2弧度相当的时间Δt1(＝Ts/4；Ts表示基准信号S3的周期)、Δt2(＝Δt1)后的延迟定时t1’(＝t1+Δt1)、t2’(＝t2+Δt2)，检测基准信号S3的振幅A11’(开始信号M1的发生定时t1的基准信号S3的振幅)、A12’(开始信号M1的延迟定时t1’的基准信号S3的振幅)、A21’(停止信号M2的发生定时t2的基准信号S3的振幅)、A22’(停止信号M2的延迟定时t2’的基准信号S3的振幅)；相位差检测部42’(相位差检测部件)，基于各脉冲信号M1、M2的发生定时t1、t2的振幅A11’、A21’和延迟定时t1’、t2’的振幅A12’、A22’的组(A11’以及A12’)、(A21’以及A22’)，求与各脉冲信号M1、M2的发生定时t1、t2对应的基准信号S3的相位θstart、θstop，使用这些相位θstart、θstop，计算与两个脉冲信号M1、M2的各发生定时t1、t2之间对应的基准信号S3中的相位差Δθ(＝θstop-θstart)；大致时间差检测部43(大致时间差检测部件)，检测两个脉冲信号M1、M2的各发生定时的大致时间差ta；以及时间差计算部44(时间差计算部件)，基于由相位差检测部42’检测出的相位差Δθ和基准信号S3的周期Ts以及由大致时间差检测部43检测出的大致时间差ta，计算开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt。

这里，本实施例中的上述基准信号S3例如是正弦波(A0sinθ；A0表示最大振幅值)的信号，也可以是余弦波(A0cosθ)的信号。

另外，由振幅检测部45’设定的延迟时间Δt1、Δt2(＝Ts/4)相当于基准信号S3中的π/2弧度的相位差，但也可以是相当于基准信号S3中的π/2弧度的奇数倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)的相位差的时间。

接着，参照图8说明本实施例的测量装置100’的时间差测定装置40’对开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt的进行计算的原理。

首先，时间差测定装置40’的基准信号发生部41’发生图8(b)所示的正弦波信号S3。

接着，时间差测定装置40’在从PLD11射出激光L1的定时，发生图8(a)所示的开始信号M1，振幅检测部45’通过该开始信号M1的发生定时t1对基准信号S3进行采样保持，检测该发生定时t1中的基准信号S3的振幅A11’。

进而，振幅检测部45’对开始信号M1实施从发生定时t1起延迟与基准信号S3的相位π/2弧度相当的时间Δt1的处理，在该延迟定时t1’(＝t1+Δt1)，发生与开始信号M1相同的脉冲信号M1’，通过在该延迟定时t1’发生的脉冲信号M1’对基准信号S3进行采样保持，并检测该延迟定时t1’的基准信号S3的振幅A12’。

此时，通过采样保持而得到的基准信号S3的振幅值A11’、A12’使用基准信号S3的发生定时起的相位θstart，表示为

A11’＝A0sin θstart (1’)

A12’＝A0sin(θstart+π/2)  (2’)。

其中，θstart使用基准信号S3的周期Ts表示为θstart＝2π(t1/Ts)。

这里，可以将算式(2’)变形为

A12’＝A0cos θstart  (2”)，

在纵轴上表示开始信号M1的发生定时t1的振幅A11’，在横轴上表示延迟定时t1’的振幅A12’，两振幅A11’、A12’的交点，如图8(c)所示，配置在与图2(d)同样的圆周上。

而且，由于这些振幅比A11’/A12’为

A11’/A12’＝tanθstart  (3’)，

因此，相位差检测部42’通过

θstart＝tan^-1(A11’/A12’)  (4’)

来计算开始信号M1发生时的基准信号S3的相位θstart，并将其临时存储在未图示的存储区域中。

此外，时间差测定装置40’在受光元件21检测反射激光L2的定时，发生图8(a)所示的停止信号M2，振幅检测部45’通过该停止信号M2的发生定时t2对基准信号S3进行采样保持，检测该发生定时t2的基准信号S3的振幅A21’。

进而，振幅检测部45’对停止信号M2实施从发生定时t2起延迟与基准信号S3的相位π/2弧度相当的时间Δt2的处理，在该延迟定时t2’(＝t2+Δt2)，发生与停止信号M2相同的脉冲信号M2’，通过在该延迟定时t2’发生的脉冲信号M2’对基准信号S3进行采样保持，并检测该延迟定时t2’的基准信号S3的振幅A22’。

此时，通过采样保持而得到的基准信号S3的振幅值A21、A22’使用基准信号S3的发生定时起的相位θstop，表示为

A21’＝A0sinθstop  (5’)

A22’＝A0sin(θstop+π/2)  (6’)。

其中，θstop使用基准信号S3的周期Ts表示为θstop＝2π(t2/Ts)。

这里，可以将算式(6’)变形为

A22’＝A0cosθstop  (6”)，

在纵轴上表示停止信号M2的发生定时t2的振幅A21’，在横轴上表示延迟定时t2’的振幅A22’，两振幅A21’、A22’的交点，如图8(c)所示，配置在圆周上。

而且，由于这些振幅比A21’/A22’为

A21’/A22’＝tanθstop  (7’)，

因此，相位差检测部42’通过

θstop＝tan^-1(A21’/A22’)  (8’)

来计算停止信号M2发生时的基准信号S3的相位θstop，并将其临时存储在未图示的存储区域中。

然后，相位差检测部42’读出在存储区域中存储的两个相位θstart、θstop，通过

Δθ＝θstop-θstart  (9)

来计算对于开始信号M1的发生定时和停止信号M2的发生定时之间的时间所对应的基准信号S3的相位差Δθ。

这里，在两脉冲信号M1、M2的时间差Δt短于基准信号S3的一周期Ts时，两脉冲信号M1、M2的时间差Δt可以根据上述相位差Δθ以及周期Ts，通过

Δt＝(Δθ/2π)Ts  (10)

来计算。

但是，由相位差检测部42’通过算式(9)计算出的相位差Δθ是0弧度～2π弧度的范围内的值，但基准信号S3是周期信号，因此计算出的相位差Δθ中除了2π以下的Δθ之外，也潜在地含有2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以表示为一般式2π(n-1)+Δθ(n：自然数)。

另一方面，作为要计算的两个脉冲信号M1、M2的时间差Δt，上述一般式的第一项的相位差2π(n-1)弧度也需要被换算，并且需要确定该自然数n 。

因此，即使在两个脉冲信号M1、M2的时间差Δt超过基准信号S3的一周期(2π弧度)的情况下，大致时间差检测部件43也能够以该基准信号S3的一周期程度的分辨率来大致地检测该时间差Δt。

而且，时间差计算部44参照由大致时间差检测部43检测出的大致时间差ta，将与相位差检测部42’检测出的相位差Δθ(＝{Δθ，2π+Δθ，4π+Δθ，...，2π(n-1)+Δθ，...})对应的算式(10)的各时间差Δt(＝(Δθ/2π)Ts)中最接近大致时间差ta的时间差Δt，选择作为要求的时间差。

本实施例的测量装置100’的时间差测定装置40’通过以上原理，计算开始信号M1和停止信号M2的发生时间差Δt。

然后，测距部件30’的距离换算部31基于由时间差测定装置40’测定的时间差Δt，通过下述算式(11)计算到测距对象90的距离D。另外，在算式(11)中，常数c表示光速[米/秒]。

D＝cΔt/2    (11)

如以上这样，到测定的测距对象90的距离D由测距结果输出部50输出，该测量装置100’的使用者能够确定距离D。

另外，测距结果输出部50是作为显示装置来显示作为测距结果的到测距对象90的距离D等数值信息的，但除了该距离D之外，也可以一并显示该测量装置100’的各种设定信息等。

这样，根据本实施例的时间差测定装置40’以及测量装置100’，对一组开始信号M1和停止信号M2的各发生定时和各延迟定时的基准信号S3的振幅仅进行一次检测，就能够高精度地求出两信号M1、M2的发生时间差，实现时间差以及距离的测定的迅速化。

此外，基准信号S3，采用了正弦波信号(或余弦波信号)，并且作为对脉冲信号M1、M2延迟的时间Δt1、Δt2，采用了基准信号S3中的相位差π/2弧度(也可以是该相位差π/2弧度的奇数倍的相位差)，从而取直接检测出的值(振幅值)的比值，对该比值的进行反正切计算，则能够计算出各脉冲信号M1、M2的发生定时的基准信号S3中对应的相位θ(θstart，θstop)，根据两个相位来检测相位差Δθ。

由于由反正切计算的相位的时间变化量通常一定，因此能够得到一定的分辨率以及检测灵敏度而与对于基准信号的两个脉冲信号的发生定时无关。

另外，作为测定光射出部件10以及反射光检测部件20，可以与实施例1同样采用例如图3所示的结构。

此外，作为时间差测定装置40’的具体的控制系统，例如可以采用图9所示的结构。

图示的控制系统中，基于从振荡电路(TXCO)41a’输出的15MHz的脉冲，正弦波生成部(Sin)41b’发生正弦波的基准信号S3，该基准信号S3由带通滤波器(BPF)42b’限制频带，在脉冲检测器(Puls Det)42a’基于由受光元件(APD)21检测出的激光L1以及反射激光L2而生成的开始信号M1以及停止信号M2的发生定时，以及相位由延迟电路42d’延迟了π/2弧度的开始信号M1以及停止信号M2的延迟定时，A/D变换器(A/D)42c’对被限制了频带的基准信号S3进行采样保持，该采样保持后的值，即振幅值A11’、A12’以及振幅值A21’、A22’被输入CPU44a。

另一方面，振荡电路41a’的输出脉冲被输入脉冲计数器(CNTR)43a，该脉冲计数器43a对在从脉冲检测器42a’发生开始信号M1的定时到发生停止信号M2的定时之间输入的输出脉冲的脉冲数进行计数，该计数结果被输入CPU44a，用于CPU44a计算大致时间差ta。另外，连接到CPU44a的存储器(RAM)44b中存储计算结果和各常数等。

另外，本发明的时间差测定装置以及测距装置仅通过在发生定时和延迟定时分别各检测一次(由于对两个信号分别形成了两个定时，因此合计四次)差时发生的两个脉冲信号，就能够高精度地检测这两个脉冲信号之间的时间差，但在实际测定时，优选的是：多次进行测定，求得到的多个测定结果的平均值，或计算标准偏差等，从而提高测定结果的可靠性。

因此，图9所示的控制系统多次输出开始信号M1，以使成为生成基准信号S3的基础的振荡电路41a’的输出脉冲和开始信号M1在输出脉冲的每个规定周期同步(相位差成为0)。

另外，由于基准信号S3与从振荡电路41a’输出的输出脉冲同步，因此通过该控制系统，基准信号S3和开始信号M1在基准信号S3的每个规定周期同步。

这里，在图示的控制系统中，基准信号S3的99周期和开始信号M1的100周期被设定为同步。

即，从振荡电路41a’输出的输出脉冲由第一分频器(Divider)11a分频为1/99而成为151.51kHz，通过合成器(SYH)11b被递增为100倍而成为15.151MHz，该第100周期和15MHz的输出脉冲的第99周期相位差为0，即同步。

由合成器11b递增后的15.151MHz的信号再由第二分频器(Div)11c分频为1/(23×77)，该分频后的输出脉冲被输入驱动器(DRIVER)11d，该驱动器11d驱动PLD11，PLD11输出脉冲状的激光L1。

从而，从PLD11以大约8.5kHz的频率反复射出脉冲状的激光L1，并且伴随该反复的射出，反射激光L2被反复检测，能够测定多次的开始信号M1和停止信号M2之间的时间差，并且通过这样的多次的测定，能够提高测定结果的可靠性。

另外，图9所示的是使基准信号S3和开始信号M1同步的结构的控制系统，这些信号不一定非要同步，两信号S3、M1也可以完全不同步，即两信号S3、M1例如图10所示，是完全非同步的，即两信号仅依赖于从互相独立的两个振荡电路单独输出的信号，且互相之间没有依赖关系。

该图10所示的控制系统中，生成基准信号S3的控制系统和PLD11射出激光L1的控制系统是完全分离独立的。生成基准信号S3的控制系统与图9所示的控制系统相同，而使PLD11射出激光L1的控制系统依赖于与振荡电路41a’另外独立的振荡器(OSC)11e的输出脉冲，从该振荡器11e输出的输出脉冲由分频器(Div)11f分频，基于该分频后的输出脉冲，驱动器(DRIVER)11g驱动PLD11，在与基准信号S3的定时完全无关的定时，从PLD11输出激光L1。

而且，即使是具有这样构成的控制系统的时间差测定装置、测距装置，通过多次测定也能够提高测定结果的可靠性。

此外，本实施例中所说明的测量装置采用半导体激光器作为光源，但在本发明的测距装置并不限定于这种形态的光源，也可以采用射出其它种类的激光的光源、射出激光以外的光的光源、或者发生光以外的微波等测定波的测定波射出源，起到与本实施例同样的作用，并且发挥同样的效果。

本实施例中基于实际的检测值：振幅值A11’以及A12’来计算相位θstart，基于振幅值A21’以及A22’来计算相位θstop。而在实施例1中基准信号S1、S2是分别生成的，因此也可能引起在两基准信号S1、S2之间，最大振幅A0不完全相同，或者在生成时两基准信号S1、S2不完全同步的情况。

但是，本实施例与实施例1不同，基准信号S3为单一的，因此不必如实施例1这样，需要考虑多个基准信号之间的同步或同一性等。

以上，用例示的实施例对本发明作了说明，但本发明不限定于此。本领域的技术人员，在不脱离本发明的范围或精神的前提下对本发明的结构所作的各种改进和变更，均包含于本发明的权利要求范围及其均等范围内。

本申请基于2004年10月4日申请的日本专利申请号2004-291495和2005年6月9日申请的日本专利申请号2005-169500，要求了优先权，所述申请的说明书、附图以及专利请求的范围的全部内容都包含在本申请中。

产业上的可利用性

在上述实施方式中，作为包含本发明的时间差测定装置的测距装置以测量装置为例进行了说明，但本发明不限于此，也可以广泛地应用于测定非常短的时间间隔的脉冲信号间的时间差的领域，或可能因风等环境的影响而容易移位的自然物等为测距对象的测距装置或者通过对测距对象进行测距来确定该测距对象的轮廓形状等的形状测定装置等要求迅速且高精度的测距的领域中。

Claims (17)

1.一种时间差测定装置，测定以某一时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，包括：

基准信号发生单元，发生具有大致π/2的相位差的两个的基准信号；

振幅检测单元，在依赖于所述各脉冲信号的发生定时的规定的两个定时，对所述基准信号进行采样，从而求出基于所述基准信号的两个振幅；

相位差检测单元，基于由所述振幅检测单元检测出的、在所述两个脉冲信号的所述发生定时的每一个发生定时的所述两个基准信号的振幅，并基于所述基准信号的振幅的比，计算所述两个脉冲信号的所述发生定时的相位差；以及

时间差计算单元，基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差。

2.如权利要求1所述的时间差测定装置，还包括用于检测所述两个脉冲信号的发生定时之间的大致发生时间差的大致时间差检测单元，

所述时间差计算单元除了计算基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述基准信号的周期而计算出的精密时间差之外，还计算与由所述大致时间差检测单元检测出的所述大致发生时间差相关的所述两个脉冲信号的发生时间差。

3.如权利要求1所述的时间差测定装置，其中，

所述两个基准信号是正弦波信号和余弦波信号。

4.如权利要求3所述的时间差测定装置，其中，所述相位差检测单元，

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上领先的一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A11以及所述余弦波信号的振幅A12；

计算这些振幅A11、A12的比A11/A12；

基于该振幅比A11/A12，通过tan^-1(A11/A12)计算相位θstart，

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上后续的另一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A21以及所述余弦波信号的振幅A22；

计算这些振幅A21、A22的比A21/A22；

基于该振幅比A21/A22，通过tan^-1(A21/A22)计算相位θstop，

并通过(θstop-θstart)计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差Δθ。

5.如权利要求1所述的时间差测定装置，其中，

所述基准信号发生单元原始生成一个基准信号，同时相对于该原始生成的基准信号将该基准信号的相位大致延迟π/2而生成新的基准信号，将所述原始生成的基准信号和所述新的基准信号作为具有所述大致π/2的相位差的两个基准信号而发生。

6.一种时间差测定装置，测定以某一时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，包括：

基准信号发生单元，发生具有大致π/2的相位差的两个基准信号；

相位差检测单元，基于在所述两个脉冲信号的各发生定时的所述两个基准信号的振幅，计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差；

时间差计算单元，基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述两个基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差；以及

大致时间差检测单元，用于检测所述两个脉冲信号的发生定时之间的大致发生时间差，

所述时间差计算单元除了计算基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述基准信号的周期而计算出的精密时间差之外，还计算与由所述大致时间差检测单元检测出的所述大致发生时间差相关的所述两个脉冲信号的发生时间差。

7.如权利要求6所述的时间差测定装置，其中，

所述两个基准信号是正弦波信号和余弦波信号。

8.如权利要求7所述的时间差测定装置，其中，所述相位差检测单元，

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上领先的一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A11以及所述余弦波信号的振幅A12；

计算这些振幅A11、A12的比A11/A12；

基于该振幅比A11/A12，通过tan^-1(A11/A12)计算相位θstart，

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上后续的另一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A21以及所述余弦波信号的振幅A22；

计算这些振幅A21、A22的比A21/A22；

基于该振幅比A21/A22，通过tan^-1(A21/A22)计算相位θstop，

并通过(θstop-θstart)计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差Δθ。

9.如权利要求6所述的时间差测定装置，其中，

所述基准信号发生单元原始生成一个基准信号，同时相对于该原始生成的基准信号将该基准信号的相位大致延迟π/2而生成新的基准信号，将所述原始生成的基准信号和所述新的基准信号作为具有所述大致π/2的相位差的两个基准信号而发生。

10.一种时间差测定方法，测定以某一时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，包括：

检测所述两个脉冲信号的发生定时之间的大致发生时间差；

发生具有大致π/2的相位差的正弦波信号以及余弦波信号作为两个基准信号；

基于在所述两个脉冲信号的各发生定时的所述正弦波信号以及所述余弦波信号的振幅，求出所述两个脉冲信号的发生定时的相位差；

基于求出的相位差、所述基准信号的周期以及所述大致发生时间差，求出所述两个脉冲信号的发生时间差，

除了计算基于检测出的相位差以及所述基准信号的周期而计算出的精密时间差之外，还计算与检测出的所述大致发生时间差相关的所述两个脉冲信号的发生时间差。

11.如权利要求10所述的时间差测定方法，包括：

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上领先的一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A11以及所述余弦波信号的振幅A12；

计算这些振幅A11、A12的比A11/A12；

基于该振幅比A11/A12，通过tan^-1(A11/A12)计算相位θstart，

分别检测所述两个脉冲信号中在时间序列上后续的另一个脉冲信号的发生定时的所述正弦波信号的振幅A21以及所述余弦波信号的振幅A22；

计算这些振幅A21、A22的比A21/A22；

基于该振幅比A21/A22，通过tan^-1(A21/A22)计算相位θstop，

并通过(θstop-θstart)计算所述两个脉冲信号的发生定时的相位差Δθ。

12.一种测距装置，包括：

测定波射出单元，对测距对象射出测定波；

反射波检测单元，检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；以及

测距单元，在从所述测定波射出单元射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号，在由所述反射波检测单元检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号，基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得所述第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离，

其中，所述测距单元包括权利要求1至8的任何一项所述的时间差测定装置，基于由所述时间差测定装置测定而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

13.一种测距方法，包括：

对测距对象射出测定波；

在射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号；

检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；

在检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号；

基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得所述第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离；以及

基于通过权利要求10所述的时间差测定方法而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

14.一种测距方法，包括：

对测距对象射出测定波；

在射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号；

检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；

在检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号；

基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得所述第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离；以及

基于通过权利要求11所述的时间差测定方法而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

15.一种时间差测定装置，测定以某一时间差产生的两个脉冲信号的该时间差，包括：

基准信号发生单元，发生单一的基准信号；

振幅检测单元，在所述各脉冲信号的发生定时和与该发生定时对应的规定的延迟定时，分别求出所述基准信号的振幅；

相位差检测单元，基于由所述振幅检测单元检测出的、对所述各脉冲信号求出的所述发生定时以及所述延迟定时的所述基准信号的各振幅，计算所述脉冲信号的发生定时之间的相位差；

时间差计算单元，基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述基准信号的周期，计算所述两个脉冲信号的发生时间差；以及

大致时间差检测单元，用于检测所述两个脉冲信号的发生定时之间的大致发生时间差，

所述时间差计算单元除了计算基于由所述相位差检测单元检测出的相位差以及所述基准信号的周期而计算出的精密时间差之外，还计算与由所述大致时间差检测单元检测出的所述大致发生时间差相关的所述两个脉冲信号的发生时间差。

16.如权利要求15所述的时间差测定装置，其中，

所述基准信号发生单元，发生正弦波信号或余弦波信号作为所述基准信号，

所述振幅检测单元将从所述发生定时起、与相当于所述基准信号的π/2的相位差的奇数倍的相位延迟对应的定时，作为所述延迟定时。

17.一种测距装置，包括：

测定波射出单元，对测距对象射出测定波；

反射波检测单元，检测所述测定波被所述测距对象所反射而得到的反射波；以及

距离测定单元，在从所述测定波射出单元射出所述测定波的定时取得第一脉冲信号，在由所述反射波检测单元检测到所述反射波的定时取得第二脉冲信号，基于从取得所述第一脉冲信号的定时到取得所述第二脉冲信号的定时为止的时间差，求出到所述测距对象的距离，

其中，所述距离测定单元包括权利要求15所述的时间差测定装置，基于由所述时间差测定装置测定而得到的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间差，求出到所述测距对象的距离。

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