JP2000266852A - 測距装置 - Google Patents

測距装置

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JP2000266852A
JP2000266852A JP11074838A JP7483899A JP2000266852A JP 2000266852 A JP2000266852 A JP 2000266852A JP 11074838 A JP11074838 A JP 11074838A JP 7483899 A JP7483899 A JP 7483899A JP 2000266852 A JP2000266852 A JP 2000266852A
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light
pulse
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distance
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JP11074838A
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English (en)
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Koichi Kanbe
幸一 掃部
Hiroshi Uchino
浩志 内野
Manami Kuiseko
真奈美 杭迫
Fumiya Yagi
史也 八木
Hidekazu Ide
英一 井手
Takashi Kondo
尊司 近藤
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】測定距離の大小に係わらず一定の精度を確保
し、且つ測定の高速化を図る。 【解決手段】パルス光の投射時点から受光時点までの時
間を測定して対物間距離データを出力する測距装置1に
おいて、互いに異なる波長のパルス光を射出する複数の
光源と、複数の光源のそれぞれから射出されたパルス光
の光軸を一致させる光学部材13と、受光したパルス光
を分離する分光手段と、分離されたパルス光のそれぞれ
に1個ずつ対応する複数の光電変換デバイスとを設け、
複数の光源を互いに異なる出力強度で同時又は順に発光
させて投射を行い、複数の光電変換デバイスの出力信号
のうち、ピーク値が適正範囲内で最も大きい出力信号に
基づいて受光時点を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を反射する物体
までの光の往復伝搬時間を距離情報として測定する測距
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光のパルスの送信から物体で反射して戻
ったパルスの受信までのいわゆる飛行時間(TOF:ti
me of flight)を測定することにより、既知の光伝搬速
度を適用して対物間距離を求めることができる。この手
法は土木や天文をはじめとする各種分野で応用されてい
る。原理的にはパルス幅が零に近いほど測定精度は高ま
るが、実際には光源の応答性や受信感度などの制約で決
まる値以上のパルス幅となる。一般の測距装置におい
て、パルス幅は数cm程度の分解能が得られる50〜1
00ns程度の値とされており、波形は単峰の山状であ
る。
【0003】パルス光を反射する物体が近いほど受信光
量が多く、光電変換のSN比が良好となる。しかし、物
体が近すぎると、光電変換信号が飽和してしまい、正確
に受光時点を特定することができなくなる。そこで、従
来において、適正レベルの光電変換信号を得ることので
きる測定範囲を拡げるために、強度の異なる複数のレー
ザ光を光軸を若干ずらして同時に投射する装置が提案さ
れている(特許第2765291号)。提案の装置は、
外部で反射して戻った複数のレーザ光をそれらの光軸の
ずれを利用して区別し、複数の受光素子を用いて電気信
号に変換する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の装置では、強度
の異なる複数のパルス光の光軸に差異があるので、どの
パルス光に基づいて測定を行うかによって測定結果に微
妙な差異が生じるという問題があった。この差異を無く
すには投射角度を微小変化させて複数回の投射を行う必
要があり、それによって測定の所要時間が長くなる。特
に複数の方向に投射して物体の形状を測定する場合に
は、投射角度の変更(走査)の制御が複雑になる。
【0005】本発明は、測定距離の大小に係わらず一定
の精度を確保し且つ測定の高速化を図ることを目的とし
ている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明においては、強度
及び波長の異なる複数のパルス光を投射する。強度の異
なる投射を行うことにより、単一強度の投射を行う場合
と比べて飽和していない適正な受信信号の得られる距離
範囲が拡がる。また、波長の異なる投射を行うことによ
り、複数のパルス光の光路を一致させても、分光によっ
て各パルス光を区別して光電変換をすることができる。
光路が同一であれば、どのパルス光に基づいて測定を行
っても結果は同一となる。
【0007】請求項1の発明の装置は、外部へパルス光
を投射する投光手段と、外部で反射した前記パルス光を
受光して光電変換をする受光手段とを備え、前記パルス
光の投射時点から受光時点までの時間を測定して対物間
距離データを出力する測距装置であって、前記投光手段
は互いに異なる波長のパルス光を射出する複数の光源
と、当該複数の光源のそれぞれから射出されたパルス光
の光軸を一致させる光学部材とを有し、前記受光手段
は、前記複数の光源のそれぞれから射出されたパルス光
を分離する分光手段と、分離されたパルス光のそれぞれ
に1個ずつ対応する複数の光電変換デバイスとを有し、
前記複数の光源を互いに異なる出力強度で同時又は順に
発光させて投射を行い、前記複数の光電変換デバイスの
出力信号のうち、ピーク値が適正範囲内で最も大きい出
力信号に基づいて前記受光時点を検出するものである。
【0008】請求項2の発明の測距装置は、前記パルス
光をその光軸の向き又は位置を変更して複数回投射し、
複数回分の前記対物間距離データを形状データとして出
力するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る測距装置の全
体構成図である。測距装置1は、投光手段としての送信
光学系10、受光手段としての受信光学系20、受信処
理回路30、コントローラ40、クロック発生器45、
及び出力ポート46から構成されている。送信光学系1
0は、2個の発光部11,12とこれらのそれぞれから
射出されたパルス光P1,P2の光軸を一致させる光路
統一部13とからなり、コントローラ40からの指示に
呼応して100ns程度のパルス幅のパルス光P1,P
2を外部へ射出する。時点tp0に射出されたパルス光
P1,P2は物体Qで反射して測距装置1へ戻り、時点
tp1に受信光学系20によって受光される。受信光学
系20は受光量に応じた受信信号(光電変換信号)S2
0を受信処理回路30へ出力し、受信処理回路30は受
信信号S20に基づいて時点tp1を示すデータD30
を生成する。時点tp0から時点tp1までの時間を光
伝搬時間(距離Lの往復の所要時間)Taとして求め、
さらに既知の光伝搬速度(3×108 m/s)を適用し
て距離Lを算出する演算はコントローラ40が受け持
つ。算出された距離Lは測定データDLとして出力ポー
ト46から他の装置(ディスプレイ、コンピュータな
ど)へ転送される。
【0010】図2は送信光学系のブロック図、図3は投
射動作のタイムチャートである。発光部11は、レーザ
光を射出する光源(半導体レーザ)111、発光用のド
ライバ112、発光時間を規定するパルス回路113、
及び投光用のレンズ(コリメータレンズ)114からな
る。発光部12も同様に光源121、ドライバ122、
パルス回路123、及びレンズ124からなる。ただ
し、本実施形態において、光源121の発光波長λ2は
光源111の発光波長λ1と異なる値に選定されている
(λ1≠λ2)。
【0011】これら発光部11,12にはコントローラ
40から投射タイミング信号S1が与えられる。パルス
回路113,123は投射タイミング信号S1の立上が
りt1,t2,t3,…に呼応して、所定幅のパルス信
号SP1,SP2を出力する。パルス信号SP1がアク
ティブのときに、ドライバ112から光源111に所定
の駆動電流が供給されて光源111が発光する。同様に
パルス信号SP2がアクティブのときに、ドライバ12
2から光源121に所定の駆動電流が供給されて光源1
21が発光する。このとき、光源111の射出するパル
ス光P1の強度(発光分布のピーク値)Pp1と光源1
21の射出するパルス光P2の強度Pp2とが異なるよ
うに発光が制御される。本例ではPp1>Pp2であ
る。例えばPp1をPp2の1.5〜2倍程度とする。
同時に発光したパルス光P1,P2は、光路統一部13
を経た後、同一の光路を通って物体Qに向かう。
【0012】なお、上述の時点tp0は、投射タイミン
グ信号S1の立上がりエッジから予め定めた時間が経過
した時点(発光強度の推定ピーク時期)としてもよい
し、発光強度のピーク検出によって設定してもよい。
【0013】図4は光路統一部の具体例を示す図であ
る。図示のようにプリズム131,132,133を組
み合わせることにより、コリメータレンズ114で平行
化された光の光軸とコリメータレンズ124で平行化さ
れた光の光軸とを一致させることができる。プリズム1
31は光路長の調整のために設けられる。
【0014】図5は受信光学系のブロック図である。受
信光学系20は、2個の受光素子(例えばフォトダイオ
ード)21,22、受光用のドライバ23,24、光電
流を電圧に変換する増幅器25,26、受光用のレンズ
27、及び光路分岐部28からなる。増幅器25,26
の出力S25,S26が受信信号S20として後段へ送
られる。光路分岐部28は、レンズ27で集光された受
信光を分光し、波長λ1のパルス光P1を受光素子21
へ導き、波長λ2のパルス光P2を受光素子22へ導
く。
【0015】図6は光路分岐部の具体例を示す図であ
る。所定特性の多層反射膜281とそれを挟む一対の三
角プリズム282,283とからなるダイクロイックプ
リズムにより、光路分岐部28の機能を実現することが
できる。
【0016】図7は受信処理回路のブロック図、図8は
重心演算の概念図である。受信処理回路30は、信号セ
レクタ31、A/D変換器32、メモリ33、及び重心
演算回路34からなる。強度の異なるパルス光P1,P
2のそれぞれを光電変換した受信信号S25,S26の
一方が信号セレクタ31によって選択され、A/D変換
器32へ送られる。A/D変換器32は、クロック発生
器45からのクロックに同期したタイミングで、入力信
号をサンプリングホールドして量子化する。A/D変換
器32の出力はメモリ33に時系列に格納された後、重
心演算回路34へ送られる。重心演算回路34は、クロ
ック周期より短い時間単位で受光時点tp1を特定して
測定精度を高めるために設けられており、次の式で表さ
れる時間重心ipをデータD30として算出する。
【0017】
【数1】
【0018】図8のとおり、時間重心ipは、パルス光
の受光量を周期的にサンプリングして得られた所定数n
(図ではn=30)の受光データの分布における時間軸
上の重心であって、受光量が最大となるピーク時点に相
当する。
【0019】図9は信号セレクタの動作を説明するため
の図である。信号セレクタ31は、受信信号S25,S
26のピーク値Vp1,Vp2を検出し、ピーク値Vp
1,Vp2と閾値Vmaxとを比較する。図9(a)の
ようにVp1<Vmaxの場合(すなわち遠距離測定
時)には、受信信号S26よりのノイズの影響の少ない
受信信号S25を出力として選択する。図9(b)のよ
うにVp1>Vmaxの場合(すなわち近距離測定時で
受光素子21が飽和している状態)には受信信号S25
を選択する。重心演算及びピーク検出のどちらであって
も、受信信号が飽和していると正確に受信時点tp1を
特定することができない。
【0020】以上の実施形態では、光路統一及び光路分
岐にプリズムを用いた例を挙げたが、光ファイバーのス
ターカプラを用いてもよい。光源の数は2に限らず、3
個以上の光源を用いればより広範囲の測定が可能とな
る。また、投射角度を変更し又は投射の起点を平行移動
させる走査機構を設け、2方向の走査を行うことによ
り、3次元形状の計測が可能である。
【0021】
【発明の効果】請求項1又は請求項2の発明によれば、
測定距離の大小に係わらず一定の精度を確保し且つ測定
の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る測距装置の全体構成図である。
【図2】送信光学系のブロック図である。
【図3】投射動作のタイムチャートである。
【図4】光路統一部の具体例を示す図である。
【図5】受信光学系のブロック図である。
【図6】光路分岐部の具体例を示す図である。
【図7】受信処理回路のブロック図である。
【図8】重心演算の概念図である。
【図9】信号セレクタの動作を説明するための図であ
る。
【符号の説明】
1 測距装置 P1,P2 パルス光 10 送信光学系(投光手段) 20 受信光学系(受光手段) tp0 時点(投射時点) tp1 時点(受光時点) Ta 光伝搬時間(時間) DL 距離データ(対物間距離データ) 111,121 光源 13 光路統一部(光学部材) 40 コントローラ(投射制御手段) 28 光路分岐部(分光手段) λ1,λ2 発光波長 21,22 受光素子(光電変換デバイス)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杭迫 真奈美 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 八木 史也 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 井手 英一 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 近藤 尊司 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA06 DD03 FF31 GG04 JJ05 LL04 LL46 2F112 AD01 5J084 AA05 AD01 BA03 BA12 BA19 BA36 BA38 BB02 BB04 BB11 BB24 CA03 CA57 CA61 CA70 DA09 EA04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外部へパルス光を投射する投光手段と、外
    部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受
    光手段とを備え、前記パルス光の投射時点から受光時点
    までの時間を測定して対物間距離データを出力する測距
    装置であって、 前記投光手段は互いに異なる波長のパルス光を射出する
    複数の光源と、当該複数の光源のそれぞれから射出され
    たパルス光の光軸を一致させる光学部材とを有し、 前記受光手段は、前記複数の光源のそれぞれから射出さ
    れたパルス光を分離する分光手段と、分離されたパルス
    光のそれぞれに1個ずつ対応する複数の光電変換デバイ
    スとを有し、 前記複数の光源を互いに異なる出力強度で同時又は順に
    発光させて投射を行い、前記複数の光電変換デバイスの
    出力信号のうち、ピーク値が適正範囲内で最も大きい出
    力信号に基づいて前記受光時点を検出することを特徴と
    する測距装置。
  2. 【請求項2】前記パルス光をその光軸の向き又は位置を
    変更して複数回投射し、複数回分の前記対物間距離デー
    タを形状データとして出力する請求項1記載の測距装置
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