JP2016017918A - 距離測定装置、距離測定方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物との距離をより短時間に測定する。
【解決手段】実施形態の距離測定装置は、測定対象物へレーザ光を照射し、測定対象物へ照射するレーザ光の参照光と、レーザ光の測定対象物からの反射光とを検出する。また、距離測定装置は、検出された参照光および検出された反射光のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある複数のビート信号を生成し、検出された参照光より生成された複数のビート信号に基づいて検出された参照光におけるビートの位相と、検出された反射光より生成された複数のビート信号に基づいて検出された反射光におけるビートの位相との差分をもとに、測定対象物に対する距離を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、距離測定装置、距離測定方法およびプログラムに関する。

従来、測定対象物に対する距離を測定する距離測定装置では、測定対象物に照射するレーザ光と、測定対象物から反射されたレーザ光との位相差に基づいて距離を計測する位相比較法を用いるものがある。この位相差比較法においては、数ＭＨｚの周波数でパルス発振するレーザ光の周波数をうなり（ビート）によるビート信号に変調してビートダウンさせることで、測定誤差を減少させて高精度に距離を測定するヘテロダイン位相比較法がある。

ヘテロダイン位相比較法では、測定対象物に照射するレーザ光を検知した信号をビートダウンさせたビート信号の振幅がゼロとなるところ（ゼロクロスポイント）と、測定対象物より反射されたレーザ光を検知した信号をビートダウンさせたビート信号のゼロクロスポイントとの位相差に基づいて測距を行う。

特開平１１−１０８６２３号公報 特開２００５−１０１３０号公報 特開２０１３−１９５２４６号公報

上述した従来のヘテロダイン位相比較法によって高精度に距離を測定しようとした場合、測定対象物に照射するレーザ光によるビート信号および測定対象物より反射されたレーザ光によるビート信号のゼロクロスポイントが必要である。このため、従来のヘテロダイン位相比較法では、ダウンビートした周波数の１周期以上の測定時間が必要であり、ダウンビートした周波数の１周期以下の短時間で測定対象物との距離を測定することができなかった。

一つの側面では、測定対象物との距離をより短時間に測定できることにある。

一つの態様では、距離測定装置は、照射部と、第１光検出部と、第２光検出部と、生成部と、距離算出部とを備える。照射部は、測定対象物へレーザ光を照射する。第１光検出部は、測定対象物へ照射するレーザ光の参照光を検出する。第２光検出部は、レーザ光の測定対象物からの反射光を検出する。生成部は、検出された参照光および検出された反射光のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある複数のビート信号を生成する。距離算出部は、検出された参照光より生成された複数のビート信号に基づいて検出された参照光におけるビートの位相と、検出された反射光より生成された複数のビート信号に基づいて検出された反射光におけるビートの位相との差分をもとに、測定対象物に対する距離を算出する。

一つの側面として、測定対象物との距離をより短時間に測定できる。

図１は、第１の実施形態にかかる距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図２は、ビート信号を説明する説明図である。 図３は、角度演算を説明する説明図である。 図４は、距離測定装置の比較例を例示するブロック図である。 図５は、図４の距離測定装置におけるビート信号を説明する説明図である。 図６は、第２の実施形態にかかる距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図７は、第３の実施形態にかかる距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図８Ａは、投影面を上から見た場合を説明する説明図である。 図８Ｂは、投影面を横から見た場合を説明する説明図である。 図９は、タッチ判定の動作例を説明するフローチャートである。 図１０は、タッチ判定をケースごとに説明する説明図である。 図１１は、第４の実施形態にかかる距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図１２は、第４の実施形態にかかる距離測定装置による測定を説明する説明図である。 図１３は、第５の実施形態にかかる距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図１４は、第５の実施形態にかかる距離測定装置による測定を説明する説明図である。

以下、図面を参照して、実施形態にかかる距離測定装置、距離測定方法およびプログラムを説明する。実施形態において同一の機能を有する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、以下の実施形態で説明する距離測定装置、距離測定方法およびプログラムは、一例を示すに過ぎず、実施形態を限定するものではない。また、以下の各実施形態は、矛盾しない範囲内で適宜組みあわせてもよい。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる距離測定装置１の構成を例示するブロック図である。図１に示すように、距離測定装置１は、測定対象物Ｏに対するレーザの照射光Ｌ１と、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２とを検出して、測定対象物Ｏに対するレーザ光の送受の遅延差（位相差）および光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）をもとに、距離測定装置１から測定対象物Ｏまでの距離を測定する。具体的には、距離測定装置１は、送出部１０と、照射部２０と、第１光検出部３０と、第２光検出部４０と、ダウンビート生成部５０と、距離測定部６０とを有する。

送出部１０は、発信部１１、ＬＤ駆動部１２およびＬＤ１３を有し（ＬＤ：Laser Diode）、所定周波数で明滅（パルス発振）するレーザ光を送出する。発信部１１は、例えばセラミック発信子または水晶発信子などであり、所定周波数（本実施形態では１０ＭＨｚ）の信号を発信する。ＬＤ駆動部１２は、発信部１１からの信号をもとにした駆動信号を生成してＬＤ１３へ出力する。ＬＤ１３は、ＬＤ駆動部１２からの駆動信号をもとに所定数波数でパルス発振するレーザ光を送出する。具体的には、ＬＤ１３は、発信部１１から発信される周波数（１０ＭＨｚ）で明滅するレーザ光を照射光Ｌ１として送出する。

照射部２０は、送出部１０から送出された照射光Ｌ１を測定対象物Ｏへ照射する。具体的には、照射部２０は、プリズム２１を有し、照射光Ｌ１の一部を参照光として第１光検出部３０へ出力する。また、プリズム２１は、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２を第２光検出部４０へ出力する。

第１光検出部３０は、ＰＤ３１（ＰＤ：Photodetector）およびＡＭＰ３２（ＡＭＰ：Amplifier）を有し、測定対象物Ｏへ照射する照射光Ｌ１の参照光を検出する。具体的には、第１光検出部３０は、ＰＤ３１により検出された参照光の信号をＡＭＰ３２で増幅した後に出力する。

第２光検出部４０は、ＰＤ４１およびＡＭＰ４２を有し、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２を検出する。具体的には、第２光検出部４０は、ＰＤ４１により検出された反射光Ｌ２の信号をＡＭＰ４２で増幅した後に出力する。

ダウンビート生成部５０は、第１光検出部３０で検出された参照光および第２光検出部４０で検出された反射光Ｌ２のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある２つのビート信号を生成する。具体的には、ダウンビート生成部５０は、発信部５１と、第１、第２、第３、第４ダウンビート生成部５２、５４、５５、５６と、位相変換部５３と、物体検出部５７とを有する。

発信部５１は、例えばセラミック発信子または水晶発信子などであり、所定周波数の信号を出力する。この発信部５１が発信する信号の周波数は、送出部１０が送出するレーザ光を検出した信号に混合してうなりによるビート信号に変調するための基準周波数である。この基準周波数は、送出部１０のパルス発振に近い周波数（本実施形態では１０．０００１ＭＨｚ）とする。

第１ダウンビート生成部５２は、第１光検出部３０で検出されて出力された照射光Ｌ１の参照光の信号に、発信部５１より出力された信号を混合してビート信号Ｗｏｃ１を生成する。具体的には、第１ダウンビート生成部５２は、混合器５２１と、ＬＰＦ５２２（ＬＰＦ：ローパスフィルタ）と、ＡＤＣ５２３（ＡＤＣ：アナログ−デジタル変換）とを有する。

混合器５２１は、第１光検出部３０で検出された参照光の信号と、発信部５１より出力された信号とを混合してＬＰＦ５２２に出力する。ＬＰＦ５２２は、参照光の信号（周波数：１０ＭＨｚ）と、発信部５１が発信する基準周波数（１０．０００１ＭＨｚ）の信号との混合により生じるビート成分を透過し、その他の成分（高調波成分）を除去する。ＡＤＣ５２３は、ＬＰＦ５２２を透過したアナログ信号をデジタル信号に変換し、ビート信号Ｗｏｃ１として出力する。本実施形態では、１０ＭＨｚの信号と１０．０００１ＭＨｚの信号の混合であることから、ビート信号Ｗｏｃ１の周波数は１００Ｈｚとなる。

位相変換部５３は、入力される所定周波数の信号に対し、同じ周波数で位相を変換した信号を出力する位相シフト回路である。位相変換部５３は、発信部５１より出力される信号（基準周波数：１０．０００１ＭＨｚ）の位相を変換し、第２ダウンビート生成部５４および第４ダウンビート生成部５６へ出力する。本実施形態では、位相変換部５３は、発信部５１より出力される信号に対し、位相角にして９０度分の位相をずらした信号を出力するものとする。

第２ダウンビート生成部５４は、第１光検出部３０で検出されて出力された照射光Ｌ１の参照光の信号に、位相変換部５３より出力された信号を混合してビート信号Ｗｏｃ２を生成する。具体的には、第２ダウンビート生成部５４は、混合器５４１と、ＬＰＦ５４２と、ＡＤＣ５４３とを有する。

混合器５４１は、第１光検出部３０で検出された参照光の信号と、位相変換部５３より出力された信号とを混合してＬＰＦ５４２に出力する。ＬＰＦ５４２は、参照光の信号（周波数：１０ＭＨｚ）と、位相変換部５３が発信する基準周波数（１０．０００１ＭＨｚ）の信号との混合により生じるビート成分を透過し、その他の成分（高調波成分）を除去する。ＡＤＣ５４３は、ＬＰＦ５４２を透過したアナログ信号をデジタル信号に変換し、ビート信号Ｗｏｃ２として出力する。このビート信号Ｗｏｃ２は、ビート信号Ｗｏｃ１に対して同周波数（１００Ｈｚ）で９０度位相がずれた信号となっている。

第３ダウンビート生成部５５は、第２光検出部４０で検出されて出力された反射光Ｌ２の信号に、発信部５１より出力された信号を混合してビート信号Ｗｒｃ１を生成する。具体的には、第３ダウンビート生成部５５は、混合器５５１と、ＬＰＦ５５２と、ＡＤＣ５５３とを有する。

混合器５５１は、第２光検出部４０で検出された反射光Ｌ２の信号と、発信部５１より出力された信号とを混合してＬＰＦ５５２に出力する。ＬＰＦ５５２は、反射光Ｌ２の信号（周波数：１０ＭＨｚ）と、発信部５１が発信する基準周波数（１０．０００１ＭＨｚ）の信号との混合により生じるビート成分を透過し、その他の成分（高調波成分）を除去する。ＡＤＣ５５３は、ＬＰＦ５５２を透過したアナログ信号をデジタル信号に変換し、ビート信号Ｗｒｃ１として出力する。本実施形態では、１０ＭＨｚの信号と１０．０００１ＭＨｚの信号の混合であることから、ビート信号Ｗｒｃ１の周波数は１００Ｈｚとなる。

第４ダウンビート生成部５６は、第２光検出部４０で検出されて出力された反射光Ｌ２の信号に、位相変換部５３より出力された信号を混合してビート信号Ｗｒｃ２を生成する。具体的には、第４ダウンビート生成部５６は、混合器５６１と、ＬＰＦ５６２と、ＡＤＣ５６３とを有する。

混合器５６１は、第２光検出部４０で検出された反射光Ｌ２の信号と、位相変換部５３より出力された信号とを混合してＬＰＦ５６２に出力する。ＬＰＦ５６２は、反射光Ｌ２の信号（周波数：１０ＭＨｚ）と、位相変換部５３が発信する基準周波数（１０．０００１ＭＨｚ）の信号との混合により生じるビート成分を透過し、その他の成分（高調波成分）を除去する。ＡＤＣ５６３は、ＬＰＦ５６２を透過したアナログ信号をデジタル信号に変換し、ビート信号Ｗｒｃ２として出力する。このビート信号Ｗｒｃ２は、ビート信号Ｗｒｃ１に対して同周波数（１００Ｈｚ）で９０度位相がずれた信号となっている。

物体検出部５７は、第２光検出部４０で検出されて出力された反射光Ｌ２の信号に基づいて、測定対象物Ｏの有無を検出する。具体的には、物体検出部５７は、測定対象物Ｏが有る場合には所定強度の反射光Ｌ２が検出されることから、所定の閾値以上の強さの反射光Ｌ２の信号が検出された場合に、測定対象物Ｏが有るものと検出する。また、照射光Ｌ１が照射される範囲に測定対象物Ｏが入ってくる場合には反射光Ｌ２に変動が生じることから、物体検出部５７は、反射光Ｌ２の信号に所定の閾値以上の変動がある場合に、測定対象物Ｏが有るものと検出してもよい。この物体検出部５７における、測定対象物Ｏの有無についての検出結果は距離測定部６０に出力される。具体的には、測定対象物Ｏが有ることを検出したタイミングで、物体検出部５７は、タイミングパルスを距離測定部６０に出力する。

距離測定部６０は、第１光検出部３０で検出された照射光Ｌ１の参照光をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相と、第２光検出部４０で検出された反射光Ｌ２をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相との位相差および光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）に基づいて、距離測定装置１から測定対象物Ｏまでの距離を測定する。具体的には、距離測定部６０は、ラッチ部６１、６３と、角度演算部６２、６４と、角度差分演算部６５と、距離演算部６６とを有する。

ラッチ部６１は、第１ダウンビート生成部５２より出力されるビート信号Ｗｏｃ１と、第２ダウンビート生成部５４より出力されるビート信号Ｗｏｃ２とを取り込んで保持する。具体的には、ラッチ部６１は、物体検出部５７からのタイミングパルスに応じて、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｏｃ２を同時に取り込んで保持する。

角度演算部６２は、ラッチ部６１に保持されたビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｏｃ２を参照し、照射光Ｌ１の参照光をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相を示す角度を算出する。

ラッチ部６３は、第３ダウンビート生成部５５より出力されるビート信号Ｗｒｃ１と、第４ダウンビート生成部５６より出力されるビート信号Ｗｒｃ２とを取り込んで保持する。具体的には、ラッチ部６３は、物体検出部５７からのタイミングパルスに応じて、ビート信号Ｗｒｃ１およびビート信号Ｗｒｃ２を同時に取り込んで保持する。

ラッチ部６１、６３では、同タイミング（同一時刻）における４つのビート信号Ｗｏｃ１、Ｗｏｃ２、Ｗｒｃ１、Ｗｒｃ２を保持する。

角度演算部６４は、ラッチ部６３に保持されたビート信号Ｗｒｃ１およびビート信号Ｗｒｃ２を参照し、反射光Ｌ２をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相を示す角度を算出する。

ここで、４つのビート信号Ｗｏｃ１、Ｗｏｃ２、Ｗｒｃ１、Ｗｒｃ２と、ビートの位相を示す角度の演算について図２、３を参照して説明する。

図２は、ビート信号を説明する説明図である。具体的には、図２は、時刻を横軸、振幅を縦軸とし、上段にビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１を、下段にビート信号Ｗｏｃ２およびビート信号Ｗｒｃ２を描いている。時刻ｔは、ビート信号Ｗｏｃ１、Ｗｏｃ２、Ｗｒｃ１、Ｗｒｃ２をラッチ部６１、６３が取得した時刻である。期間Ｔは、測定対象物Ｏに照射光Ｌ１が当たり、反射光Ｌ２が検出されている期間である。

図２に示すように、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１の間には、照射部２０からの照射光Ｌ１が測定対象物Ｏに当たり、反射光Ｌ２として検出されるまでの時間（遅延）分の位相差がある。したがって、互いの位相差と、ビートの周波数（１００Ｈｚ）、光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）をもとに、距離測定装置１から測定対象物Ｏまでの距離を算出することができる。

また、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｏｃ２の間には、位相角にして９０度分の位相ずれがある。同様に、ビート信号Ｗｒｃ１およびビート信号Ｗｒｃ２の間にも位相角にして９０度分の位相ずれがある。

図３は、角度演算を説明する説明図である。具体的には、図３の左側において、横軸に振幅Ｂ１、縦軸に振幅Ｂ２とし、照射光Ｌ１の参照光をもとに生成されたビートの位相を円で描いている。Θｏｃは、照射光Ｌ１の参照光をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相を示す角度である。また、図３の右側において、横軸に振幅Ａ１、縦軸に振幅Ａ２とし、反射光Ｌ２をもとに生成されたビートの位相を円で描いている。Θｒｃは、反射光Ｌ２をもとにダウンビート生成部５０により生成されたビートの位相を示す角度である。

図３に示すように、Θｏｃは、振幅Ｂ１、Ｂ２の逆正接（アークタンジェント）演算を行うことで求めることができる。よって、角度演算部６２では、時刻ｔにおける振幅Ｂ１、Ｂ２の逆正接演算を行って、照射光Ｌ１の参照光をもとに生成されたビートの時刻ｔにおける位相を示すΘｏｃを算出する。

同様に、Θｒｃは、振幅Ａ１、Ａ２の逆正接演算を行うことで求めることができる。よって、角度演算部６４では、時刻ｔにおける振幅Ａ１、Ａ２の逆正接演算を行って、反射光Ｌ２をもとに生成されたビートの時刻ｔにおける位相を示すΘｒｃを算出する。

図１に戻り、角度差分演算部６５は、角度演算部６２により算出されたΘｏｃと、角度演算部６４により算出されたΘｒｃとの差分を算出する。角度差分演算部６５は、算出した角度の差分を距離演算部６６へ出力する。この角度の差分は、照射光Ｌ１の参照光をもとにしたビートの位相と、反射光Ｌ２をもとにしたビートの位相との位相差である。

距離演算部６６は、角度差分演算部６５で算出された角度の差分（位相差）と、ビートの周波数（１００Ｈｚ）と、光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）とをもとに、距離測定装置１から測定対象物Ｏまでの距離を算出する。距離演算部６６は、算出した距離を距離情報として外部装置（例えばパソコン、ディスプレイ、携帯型端末装置など）へ出力する。

上述したダウンビート生成部５０および距離測定部６０の各構成は、電子回路や集積回路により実現される。例えば、集積回路としては、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。また、電子回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などが挙げられる。例えば、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭ（Random Access Memory）に展開して順次実行することで、ダウンビート生成部５０および距離測定部６０としての機能を提供する。

図２に示すように、連続して測定対象物Ｏに照射光Ｌ１が当たるような場合は、ビート信号Ｗｒｃ１およびビート信号Ｗｒｃ２は点線のような波形となる。これに対し、期間Ｔの間、測定対象物Ｏに照射光Ｌ１が当たるような場合は、図中の太線で示したような波形となる。このように、ビートの１周期に対して十分に短い期間Ｔでビート信号Ｗｒｃ１およびビート信号Ｗｒｃ２が得られる場合には、ゼロクロスポイントを用いて位相差を求めることができない。

しかしながら、距離測定装置１では、第１光検出部３０で検出された照射光Ｌ１の参照光をもとに、ビート信号Ｗｏｃ１と、位相角にして９０度分の位相ずれがあるビート信号Ｗｏｃ２とを生成する。そして、距離測定装置１は、期間Ｔの間の時刻ｔにおけるビート信号Ｗｏｃ１の振幅Ｂ１と、ビート信号Ｗｏｃ２の振幅Ｂ２とをもとに逆正接演算を行うことで、時刻ｔにおけるビートの位相を示すΘｏｃを求めることができる。

同様に、距離測定装置１では、第２光検出部４０で検出された反射光Ｌ２をもとに、ビート信号Ｗｒｃ１と、位相角にして９０度分の位相ずれがあるビート信号Ｗｒｃ２とを生成する。そして、距離測定装置１は、期間Ｔの間の時刻ｔにおけるビート信号Ｗｒｃ１の振幅Ａ１と、ビート信号Ｗｒｃ２の振幅Ａ２とをもとに逆正接演算を行うことで、時刻ｔにおけるビートの位相を示すΘｒｃを求めることができる。

したがって、距離測定装置１では、ビートの１周期に対して十分に短い期間Ｔにおいて測定対象物Ｏへ照射したレーザ光の検出で、短時間に測定対象物Ｏとの距離を求めることができる。

図４は、距離測定装置１の比較例（距離測定装置１００）を例示するブロック図である。図４に示すように、距離測定装置１００は、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１のゼロクロスポイントを検出することで、レーザ光の送受の遅延差を求めて測定対象物Ｏとの距離を測定する。具体的には、距離測定装置１００は、送出部１１０と、照射部１２０と、第１光検出部１３０と、第２光検出部１４０と、ダウンビート生成部１５０と、距離測定部１６０とを有する。

送出部１１０は、発信部１１１よりＬＤ駆動部１１２に出力された信号をもとに、ＬＤ１１３より所定周波数で明滅するレーザ光を送出する。照射部１２０は、プリズム１２１により照射光Ｌ１の一部を参照光として第１光検出部１３０へ出力し、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２を第２光検出部１４０へ出力する。第１光検出部１３０は、ＰＤ１３１により検出された参照光の信号をＡＭＰ１３２で増幅した後に出力する。第２光検出部１４０は、ＰＤ１４１により検出された反射光Ｌ２の信号をＡＭＰ１４２で増幅した後に出力する。

ダウンビート生成部１５０は、発信部１５１と、送信側ダウンビート生成部１５２と、受信側ダウンビート生成部１５３とを有する。送信側ダウンビート生成部１５２は、混合器１５２１、ＬＰＦ１５２２およびＡＤＣ１５２３を有し、第１光検出部１３０で検出された参照光の信号に発信部１５１からの信号を混合してビート信号Ｗｏｃ１を生成する。受信側ダウンビート生成部１５３は、混合器１５３１、ＬＰＦ１５３２およびＡＤＣ１５３３を有し、第２光検出部１４０で検出された反射光Ｌ２の信号に発信部１５１からの信号を混合してビート信号Ｗｒｃ１を生成する。

距離測定部１６０は、０クロス検出部１６１、１６２および距離演算部１６３を有する。０クロス検出部１６１は、ダウンビート生成部１５０で生成されたビート信号Ｗｏｃ１の振幅が０となるゼロクロスポイントを検出する。０クロス検出部１６２は、ダウンビート生成部１５０で生成されたビート信号Ｗｒｃ１の振幅が０となるゼロクロスポイントを検出する。距離演算部１６３は、０クロス検出部１６１、１６２で検出されたゼロクロスポイントによる遅延差（位相差）、光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）をもとに、距離測定装置１００から測定対象物Ｏまでの距離を算出する。

図５は、図４の距離測定装置１００におけるビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１を説明する説明図である。図５におけるケースＣ１、Ｃ２では、距離測定装置１００から測定対象物Ｏまでの距離が異なり、ケースＣ１よりもケースＣ２の方が遠距離である。

距離測定装置１００では、ビート信号Ｗｏｃ１のゼロクロスポイント（時刻ｔ１１、ｔ１２…）と、ビート信号Ｗｒｃ１のゼロクロスポイント（時刻ｔ２１、ｔ２２…）との遅延差をもとに距離を算出する。具体的には、時刻ｔ１１／ｔ２１（もしくは時刻ｔ１２／ｔ２２でもよい）を通過する時間を測定することでレーザ光の送受の遅延差（位相差）と光速（３×１０＾８［ｍ／ｓ］）から距離を算出する。したがって、比較例では、ゼロクロスポイントの検出のため、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１の１周期以上（時刻ｔ１１／時刻ｔ１２の両方で検出する場合は半周期以上）の時間が必要である。また、ケースＣ１、Ｃ２を比較しても明らかなように、距離測定装置１００から測定対象物Ｏまでの距離が変化すると、必要となる時間も変化する。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる距離測定装置１ａの構成を例示するブロック図である。図６に示すように、距離測定装置１ａは、距離測定部６０ａと、制御部７０とを有することが、第１の実施形態にかかる距離測定装置１と異なっている。

距離測定部６０ａは、上述した距離測定部６０に、ビート信号Ｗｏｃ１およびビート信号Ｗｒｃ１のゼロクロスポイントを検出して測定対象物Ｏまでの距離を算出するための０クロス検出部１６１、１６２および距離演算部１６３を加えた構成である。したがって、距離測定部６０ａは、測定対象物Ｏに照射光Ｌ１が当たり反射光Ｌ２が検出されている間、距離演算部６６から距離情報が逐次得られる。そして、距離測定部６０ａでは、ゼロクロスポイントの検出ができたタイミングで距離演算部１６３からも距離情報が得られる。

制御部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどであり、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して順次実行することで、距離測定装置１ａの各種動作を制御する。具体的には、制御部７０は、距離演算部６６から得られた距離情報および距離演算部１６３から得られた距離情報をもとに、測定結果としての距離情報を出力させる。例えば、制御部７０は、距離演算部６６から得られた距離情報および距離演算部１６３から得られた距離情報の平均を出力させてもよい。

また、制御部７０は、距離演算部６６から距離情報が得られている間はその距離情報を出力させ、距離演算部１６３から距離情報が得られた場合は距離演算部１６３からの距離情報を優先して出力させてもよい。また、制御部７０は、距離測定部６０ａより得られた距離情報が示す測定対象物Ｏまでの距離値に基づいて、出力する距離情報を切り替えてもよい。

図５に示すように、測定対象物Ｏまでの距離が遠い場合にはビート信号（Ｗｒｃ１）の振幅は小さくなる。したがって、距離が遠いほど振幅に基づいてビートの位相を精度よく求めることは困難となる。よって、制御部７０は、測定対象物Ｏまでの距離値が所定値より大きく、距離が遠い場合には距離演算部６６からの距離情報を出力させずに、距離演算部１６３からの距離情報を出力させてもよい。

また、図５に示すように、ゼロクロスポイントの検出にはある程度の時間が必要であることから、測定対象物Ｏに動きがある場合には正確（リアルタイム）な距離を求めることは困難となる。よって、制御部７０は、単位時間内において測定対象物Ｏまでの距離値が所定値以上変動する場合には距離演算部１６３からの距離情報を出力させずに、距離演算部６６からの距離情報を出力させてもよい。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態にかかる距離測定装置１ｂの構成を例示するブロック図である。図７に示すように、距離測定装置１ｂは、照射部２０ａと、制御部７０ａとを有し、映像などを表示する投影面での測定対象物Ｏの距離を測定することが、第１の実施形態にかかる距離測定装置１と異なっている。

照射部２０ａは、プリズム２１と、ＭＥＭＳミラー２２（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）とを有する。プリズム２１は、測定対象物Ｏとの距離を測定するための照射光Ｌ１とともに、制御部７０ａからの表示光Ｌ３を投影面に照射する。ＭＥＭＳミラー２２は、制御部７０ａの制御のもと、プリズム２１より照射される照射光Ｌ１および表示光Ｌ３の照射方向を変更する。

図８Ａは、投影面Ｐを上から見た場合を説明する説明図である。図８Ｂは、投影面Ｐを横から見た場合を説明する説明図である。図８Ａに示すように、照射部２０ａは、ＭＥＭＳミラー２２により照射光Ｌ１および表示光Ｌ３の照射方向を左右・上下に変更（走査）して、投影面Ｐ上の表示範囲Ｒ１に表示光Ｌ３による表示画面を表示させる。また、図８Ｂに示すように、照射部２０ａは、投影面Ｐの上方から照射光Ｌ１および表示光Ｌ３を照射する。したがって、投影面Ｐの表示範囲Ｒ１上にユーザの指などの測定対象物Ｏがある場合は、照射光Ｌ１が測定対象物Ｏに当たって反射光Ｌ２として検出される。

制御部７０ａは、パソコン、携帯端末などの外部機器から送られてくる映像の投影面Ｐへの表示、投影面Ｐ上にあるユーザの指（測定対象物Ｏ）検出に対応した操作指示の外部機器への通知などを行う。具体的には、制御部７０ａは、表示制御部７１、映像表示部７２、タッチ判定部７３およびインタフェース部７４を有する。

表示制御部７１は、ＭＥＭＳミラー２２および映像表示部７２を制御する。映像表示部７２は、表示制御部７１の制御のもと、ＲＧＢ各色の表示光Ｌ３を送出する。タッチ判定部７３は、距離測定部６０からの距離情報をもとに、ユーザの指（測定対象物Ｏ）が投影面Ｐに接触（タッチ）しているか否かを判定する。インタフェース部７４は、パソコン、携帯端末などの外部機器とデータの送受信を行うインタフェースである。

制御部７０ａでは、パソコン、携帯端末などの外部機器から送られてくる映像のデータをインタフェース部７４で受け取り、映像を映像表示部７２に出力する。また、インタフェース部７４は、映像表示部７２に出力する映像の映像タイミング（例えば、映像に含まれる所定画素の表示タイミングなど）を表示制御部７１へ出力する。表示制御部７１は、映像タイミングをもとに、所定位置に表示光Ｌ３が照射されるようにＭＥＭＳミラー２２を制御する。そして、表示制御部７１は、ＭＥＭＳミラー２２の制御に合わせて映像出力のタイミングを映像表示部７２に通知する。また、表示制御部７１は、表示光Ｌ３が照射される位置（表示位置）の情報をタッチ判定部７３に通知する。映像表示部７２は、表示制御部７１からの映像出力のタイミングをもとに、ＲＧＢ各色の表示光Ｌ３を照射する。制御部７０ａは、上述した動作を繰り返し、表示光Ｌ３の照射方向を左右・上下に走査して投影面Ｐ上に表示画面を表示させる。

次に、ユーザの指（測定対象物Ｏ）の投影面Ｐへのタッチ判定にかかる動作の詳細を説明する。図９は、タッチ判定の動作例を説明するフローチャートである。

図９に示すように、処理が開始されると、タッチ判定部７３は、物体検出部５７の判定結果をもとに、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２による光受信（検出）の有無を判定する（Ｓ１）。図８Ｂに示すように、投影面Ｐの表示範囲Ｒ１上にユーザの指などの測定対象物Ｏがある場合には、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２が検出される（Ｓ１：ＹＥＳ）。また、投影面Ｐの表示範囲Ｒ１上にユーザの指などの測定対象物Ｏが無い場合には反射光Ｌ２は検出されない（Ｓ１：ＮＯ）。

投影面Ｐの表示範囲Ｒ１上にユーザの指などの測定対象物Ｏがあり、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２が検出された場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、タッチ判定部７３は、表示制御部７１から通知された表示位置より、その表示位置における投影面Ｐまでの投影距離を算出する（Ｓ２）。

図１０は、タッチ判定をケースごとに説明する説明図である。なお、ケースＣ３は、投影距離２０ｃｍのところで測定対象物Ｏが投影面Ｐに接触している状態を示している。ケースＣ４は、投影距離２０ｃｍのところの投影面Ｐの上方に測定対象物Ｏがある（接触していない）状態を示している。

図１０に示すように、照射部２０ａは、ＭＥＭＳミラー２２による照射方向の走査により、照射光Ｌ１の送出をＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４の順に行っている。この時、ＰＤ４１では、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４の順に送出された照射光Ｌ１の反射光Ｌ２がＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４の順に検出される。

タッチ判定部７３は、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４の順に照射光Ｌ１とともに表示光Ｌ３が送出された投影面Ｐ上の投影距離を、表示制御部７１から通知された表示位置をもとに逐次算出する。この投影距離は、ＬＤ１３およびＰＤ４１の取り付け位置と、投影面Ｐとの位置の情報をメモリなどに予め記録しておくことで算出することができる。また、タッチ判定部７３は、表示位置ごとの投影距離を予め計算した値をテーブルデータとしてメモリに保持し、表示制御部７１から通知された表示位置をもとにテーブルデータを参照して投影距離を求めてもよい。

次いで、タッチ判定部７３は、距離測定部６０からの距離情報をもとに、算出した投影距離が測定対象物Ｏの測定距離と等しいか否かを判定する（Ｓ３）。例えば、図１０のように、投影距離２０ｃｍのところの投影面Ｐの上方に測定対象物Ｏがある（接触していない）場合および接触している場合は、測定対象物Ｏの測定距離は２０ｃｍとなる。しかしながら、接触していない場合は、Ｌ１２（投影距離＝２５ｃｍ）、Ｌ１３（投影距離＝３０ｃｍ）、Ｌ１４（投影距離＝４０ｃｍ）における測定対象物Ｏの測定距離（２０ｃｍ）が得られることから、投影距離が測定距離と等しいと判定されることはない（Ｓ３：ＮＯ）。これに対し、接触している場合は、Ｌ１１（投影距離＝２０ｃｍ）、Ｌ１２（投影距離＝２５ｃｍ）、Ｌ１３（投影距離＝３０ｃｍ）、Ｌ１４（投影距離＝４０ｃｍ）における測定対象物Ｏの測定距離（２０ｃｍ）が得られることから、Ｌ１１において投影距離が測定距離と等しいと判定される（Ｓ３：ＹＥＳ）。

したがって、投影距離が測定距離と等しい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、タッチ判定部７３は、ユーザの指である測定対象物Ｏが投影面Ｐにタッチしたものと判定し、表示位置に対応した座標をインタフェース部７４に通知する（Ｓ４）。インタフェース部７４は、タッチ判定部７３より通知された座標を投影面Ｐ上に表示された表示画面上のタッチ位置として外部機器に通知する。これにより、外部機器では、タッチ位置に応じたユーザ指示を受け付けることができる。また、距離測定装置１ｂのように、ユーザの指である測定対象物Ｏの検出に応用することで、タッチ位置の検出を高速に行うことができる。

（第４の実施形態）
図１１は、第４の実施形態にかかる距離測定装置１ｃの構成を例示するブロック図である。図１２は、第４の実施形態にかかる距離測定装置１ｃによる測定を説明する説明図である。図１１に示すように、距離測定装置１ｃは、照射部２０ｂと、ダウンビート生成部５０ａと、制御部７０ｂとを有することが、第１の実施形態にかかる距離測定装置１と異なっている。そして、図１２に示すように、距離測定装置１ｂは、測定対象物Ｏの３Ｄスキャン（全体スキャン）による３Ｄ映像を表示装置２の表示画面Ｇに表示出力する。

照射部２０ｂは、プリズム２１と、ＭＥＭＳミラー２２とを有し、プリズム２１より照射される照射光Ｌ１の照射方向を変更（走査）して測定対象物Ｏの全体スキャンを行う。ダウンビート生成部５０ａは、測定対象物Ｏの全体スキャンを行うことが前提となることから、ダウンビート生成部５０より物体検出部５７を除いた構成となっている。

制御部７０ｂは、距離測定装置１ｃの動作を制御する。具体的には、制御部７０ｂは、インタフェース部７４およびスキャン制御部７５を有する。インタフェース部７４は、表示装置２との送受信を行うインターフェースである。スキャン制御部７５は、照射光Ｌ１の走査、測定対象物Ｏの距離測定などの動作を制御する。

制御部７０ｂでは、スキャン制御部７５の制御のもと、ＭＥＭＳミラー２２を制御して照射光Ｌ１の走査に合わせて測定対象物Ｏの距離情報を取得することで、測定対象物Ｏの全体スキャンにおける測定ポイントごとの距離を取得する。

具体的には、スキャン制御部７５は、測定ポイントに照射光Ｌ１を照射させるためにＭＥＭＳミラー２２を制御する。そして、測定ポイントに照射光Ｌ１を照射したタイミングを示すラッチタイミングパルスをラッチ部６１、６３へ出力する。これにより、測定ポイントに照射光Ｌ１を照射したタイミングで、その測定ポイントでの反射光Ｌ２を検出することができる。したがって、スキャン制御部７５は、測定ポイントで検出した反射光Ｌ２による距離情報を距離演算部６６より取得することができる。制御部７０ｂは、上述した動作を全ての測定ポイントで繰り返すことで、測定対象物Ｏの全体スキャンを行うことができる。

次いで、スキャン制御部７５では、測定対象物Ｏの全体スキャンで得られた測定ポイントごとの距離に基づいた表示画像を作成し、インタフェース部７４を介して表示装置２に出力する。これにより、表示装置２では、図１２に示すように、測定ポイント（Ｇ１１）ごとの距離を、色合い、明るさなどの表示態様の変化で表した画像を表示画面Ｇ上に表示できる。また、距離測定装置１ｃのように、測定対象物Ｏの３Ｄスキャン（全体スキャン）に応用した場合は、全体スキャンのスキャン時間を大幅に短縮することが可能となる。

（第５の実施形態）
図１３は、第５の実施形態にかかる距離測定装置１ｄの構成を例示するブロック図である。図１４は、第５の実施形態にかかる距離測定装置１ｄによる測定を説明する説明図である。図１３に示すように、距離測定装置１ｄは、照射部２０ｃと、ダウンビート生成部５０ａと、制御部７０ｃとを有することが、第１の実施形態にかかる距離測定装置１と異なっている。そして、図１４に示すように、距離測定装置１ｄは、ベルトコンベア等の移動テーブル２３に載せられて流れてくる測定対象物Ｏとの距離を正確かつ高速に求め、測定対象物Ｏの検査を行う。例えば、距離測定装置１ｄは、製造品の製造精度を測定する流れ品検査の測定装置として用いることができる。

照射部２０ｃは、プリズム２１と、移動テーブル２３とを有し、移動テーブル２３上の測定対象物Ｏに照射光Ｌ１を照射する。ダウンビート生成部５０ａは、移動テーブル２３上の測定対象物Ｏの測定が前提となることから、ダウンビート生成部５０より物体検出部５７を除いた構成となっている。

制御部７０ｃは、距離測定装置１ｄの動作を制御する。具体的には、制御部７０ｃは、インタフェース部７４およびテーブル制御部７６を有する。テーブル制御部７６は、移動テーブル２３の制御、測定対象物Ｏの距離測定などの動作を制御する。

制御部７０ｃでは、テーブル制御部７６の制御のもと、移動テーブル２３を制御して測定対象物Ｏを移動させる。そして、テーブル制御部７６は、照射光Ｌ１が照射されるポイントに測定対象物Ｏを移動させたタイミングで、ラッチタイミングパルスをラッチ部６１、６３へ出力する。これにより、照射光Ｌ１が照射されるポイントに測定対象物Ｏが移動したところで、測定対象物Ｏからの反射光Ｌ２を検出することができる。したがって、テーブル制御部７６は、検出した反射光Ｌ２による距離情報を距離演算部６６より取得し、測定対象物Ｏまでの距離を測定することができる。

次いで、テーブル制御部７６では、測定対象物Ｏまでの距離に基づいた表示画像を作成し、インタフェース部７４を介して表示装置２に出力する。例えば、テーブル制御部７６は、事前に測定対象物Ｏがない時にラッチタイミングパルスをラッチ部６１、６３へ出力し、移動テーブル２３までの距離を取得しておく。そして、テーブル制御部７６は、測定対象物Ｏまでの距離と、移動テーブル２３までの距離との差（測定対象物Ｏの高さ）を確認結果とする表示画像を作成し、表示装置２に出力する。これにより、ユーザは、測定対象物Ｏの高さについての確認を行うことができる。また、距離測定装置１ｄのように、測定対象物Ｏの検査に応用した場合は、検査に要する時間を大幅に短縮することが可能となり、検査効率を向上させることができる。

なお、上述したダウンビート生成部５０、５０ａ、距離測定部６０、６０ａ、制御部７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃなどの各構成は、電子回路や集積回路により実現される。例えば、集積回路としては、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。また、電子回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などが挙げられる。例えば、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭ（Random Access Memory）に展開して順次実行することで、各構成における機能を提供する。

また、互いに位相ずれのあるビート信号（Ｗｏｃ１とＷｏｃ２の組、Ｗｒｃ１とＷｒｃ２の組）については、９０度以外に２７０度の位相ずれがあってもよい。２７０度の位相ずれである場合も９０度と同様に、ビートの位相を求めることができる。また、互いに位相ずれのあるビート信号は、２つだけでなく、３つ以上生成してもよい。例えば、９０度、２７０度の位相ずれのあるビート信号を生成し、逆正接演算によってビートの位相を求めてもよい。また、０度に対して１２０度および２４０度の位相ずれのある３つのビート信号を生成し、逆三角関数による演算や、３つのビート信号における振幅−位相間の関係を記述したテーブルデータなどを参照して、ビートの位相を求めてもよい。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ…距離測定装置
２…表示装置
１０…送出部
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…照射部
３０…第１光検出部
４０…第２光検出部
５０、５０ａ…ダウンビート生成部
６０、６０ａ…距離測定部
６６…距離演算部
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ…制御部
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…振幅
Ｃ１〜Ｃ４…ケース
Ｌ１…照射光
Ｌ２…反射光
Ｌ３…表示光
Ｏ…測定対象物
Ｐ…投影面
ｔ、ｔ１１、ｔ１２、ｔ２１、ｔ２２…時刻
Ｔ…期間

Claims (8)

1. 測定対象物へレーザ光を照射する照射部と、
   前記測定対象物へ照射するレーザ光の参照光を検出する第１光検出部と、
   前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光を検出する第２光検出部と、
   前記検出された参照光および前記検出された反射光のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある複数のビート信号を生成する生成部と、
   前記検出された参照光より生成された複数のビート信号に基づいた前記検出された参照光におけるビートの位相と、前記検出された反射光より生成された複数のビート信号に基づいた前記検出された反射光におけるビートの位相との差分をもとに、前記測定対象物に対する距離を算出する距離算出部と
   を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記生成部は、前記検出された参照光および前記検出された反射光のそれぞれについて、互いに９０度位相ずれのある２つのビート信号を生成し、
   前記距離算出部は、前記検出された参照光より生成された２つのビート信号の振幅をもとに逆正接演算して得られたビートの位相角と、前記検出された反射光より生成された２つのビート信号の振幅をもとに逆正接演算して得られたビートの位相角との位相角差をもとに、前記測定対象物に対する距離を算出する
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記距離算出部は、前記検出された参照光より生成された複数のビート信号の中の一つのビート信号のゼロクロスポイントと、前記検出された反射光より生成された複数のビート信号の中の前記一つのビート信号に対応したビート信号のゼロクロスポイントとの差分をもとに、前記測定対象物に対する距離を算出する
   請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 前記ビートの位相との差分をもとに算出された前記測定対象物に対する距離と、前記ゼロクロスポイントとの差分をもとに算出された前記測定対象物に対する距離とに基づいて、測定結果としての距離を出力させる制御部を更に備える
   請求項３に記載の距離測定装置。
5. 前記検出された反射光に基づいて、前記測定対象物の有無を検出する物体検出部を更に備え、
   前記距離算出部は、前記測定対象物が検出された場合に、当該測定対象物に対する距離を算出する
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 投影面への前記測定対象物の接触を判定する判定部を更に備え、
   前記照射部は、前記投影面に対して表示用の光とともに距離測定用のレーザ光を走査し、
   前記第１光検出部は、前記距離測定用のレーザ光の参照光を検出し、
   前記第２光検出部は、前記距離測定用のレーザ光の反射光を検出し、
   前記判定部は、前記照射部の走査位置における投影面に対する距離と前記検出された測定対象物に対する距離とが一致した場合に、前記測定対象物が前記投影面に接触したものと判定する
   請求項５に記載の距離測定装置。
7. 距離測定装置が、
   測定対象物へレーザ光を照射し、
   前記測定対象物へ照射するレーザ光の参照光を検出し、
   前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光を検出し、
   前記検出された参照光および前記検出された反射光のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある複数のビート信号を生成し、
   前記検出された参照光より生成された複数のビート信号に基づいた前記検出された参照光におけるビートの位相と、前記検出された反射光より生成された複数のビート信号に基づいた前記検出された反射光におけるビートの位相とをもとに、前記測定対象物に対する距離を算出する
   処理を実行することを特徴とする距離測定方法。
8. 距離測定装置のコンピュータに、
   測定対象物へ照射するレーザ光の参照光および前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光のそれぞれについて、所定の周波数において互いに位相ずれのある信号を混合して互いに位相ずれのある複数のビート信号を生成し、
   前記参照光より生成された複数のビート信号に基づいた前記参照光におけるビートの位相と、前記反射光より生成された複数のビート信号に基づいた前記反射光におけるビートの位相とをもとに、前記測定対象物に対する距離を算出する
   処理を実行させることを特徴とするプログラム。

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