JP7143780B2 - 測距装置および測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置および測距方法に関し、特に、飛行時間方式の測距技術に関する。

従来から、物体との距離を測定する技術としてＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）方式が知られている。ＴＯＦ方式の測距処理では、レーザを発光させて、そのレーザ光が物体に反射して戻るまでの飛行時間を測定し、光速を乗じることで物体との距離を導出する（非特許文献１参照）。

ＴＯＦ方式の測距技術の具体例として、非特許文献２は、地表を掘削することなく下水道管などの管路を構築する工事に用いる地下の掘削機の位置を、ＴＯＦ方式で計測する測距装置を開示している。

また、非特許文献１および２に記載された技術では、時間を測定する基準となる参照信号と、測距対象の物体の表面を反射して戻ってきた光を光電変換した検出信号との２つの信号の時間差を測定する必要がある。例えば、２チャネルを持つアナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）を用いてこれら２つの信号が取り込まれる。このとき、２つの信号の時間差がΔｔだとすると、物体までの距離の測定値Ｌは、ｃΔｔ／２と表される。ここで、ｃは光速である。

このような従来の測距装置では、ＡＤＣのチャネル間のタイミング差（ｓｋｅｗ）が時間変動する場合に、正確な測距ができなくなるという問題があった。つまり、ＡＤＣのチャネル間の信号取得時間にずれ（ｓｋｅｗ）がある場合は、距離の測定値Ｌはそれに応じて変動する。例えば、参照信号に対して検出信号がＡＤＣのチャネル間スキューによってδｔだけ遅れた場合、物体までの距離の測定値Ｌ’はｃ（Δｔ＋δｔ）／２となり、ｃδｔ／２だけ異なる。

この場合は、スキューδｔが固定値であれば、予めスキューδｔを測定しておき、距離の測定時に、参照信号と検出信号との時間差から、予め測定されたスキューδｔを引けば、正しい距離が得られる。しかし、スキューδｔが、信号の取得ごとに異なる場合は、信号の取得ごとに距離の測定値が異なることとなり、得られた距離の精度が悪くなるという問題がある。

大石航志、太田充彦、松原弘幸、「レーザレーダにおけるＦＰＧＡを用いた複数反射光に対する飛行時間測定」、電子情報通信学会、２０１８年 電子情報通信学会総合大会 エレクトロニクス講演論文集２、ｐ．３８、Ｃ－１２－３、２０１８年０３月６日発行 小平徹、八木生剛、藤浦和夫、森治郎、渡邊武士、「波長掃引技術を応用した光掃引方式位置計測システム」、光技術コンタクト、５５巻、８号、ｐｐ．１８－２７、２０１７年０８月２０日発行

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ＡＤＣのチャネル間のタイミング差（ｓｋｅｗ）が信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる測距装置および測距方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る測距装置は、周期的に強度変調された光を出力する光源と、前記光源の光を２つに分岐する光スプリッタと、前記光スプリッタの一方から出力された前記光を偏向して測定対象の物体に向けて出射する光偏向器と、前記光偏向器からみて前記物体側に配置されたミラーと、前記光偏向器から出射された出射光が前記物体および前記ミラーでそれぞれ反射した第１反射光および第２反射光を検出するフォトディテクタとを有する光学系と、前記第１反射光および前記第２反射光を検出するフォトディテクタからのアナログ信号と、前記光偏向器の偏向角度を示すアナログ信号とをディジタル信号に変換するアナログ－ディジタル変換器と、前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第１反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記物体までの距離を示す第１距離信号を出力する第１測距部と、前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第２反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記ミラーまでの距離を示す第２距離信号を出力する第２測距部と、前記第１距離信号を前記第２距離信号に基づいて、前記アナログ－ディジタル変換器のチャネル間のタイミング差の時間変動に起因する誤差に関して補正して、前記物体までの距離を示す第３距離信号を出力する距離補正部とを有する信号処理装置とを備える。また、前記ミラーからの反射光が受光される時間範囲が、前記光源の変調の周期より長くてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記ミラーは、前記光偏向器と前記物体とを結んだ線上とは異なる位置に配置されていてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記距離補正部は、前記第１距離信号から前記第２距離信号を引いた値を含む情報を、前記物体までの距離を示す前記第３距離信号として出力してもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記第１測距部は、求めた前記第１距離信号の各々に対応する時刻情報を取得し、前記信号処理装置は、前記第１測距部によって取得された前記時刻情報を前記光偏向器による偏向角度の情報に変換し、偏向角度と距離とが対応付けられた角度－距離信号を出力する時間－角度変換部を備えていてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記第１測距部は、前記光源の光強度のピーク時刻で、前記物体までの距離を示す前記第１距離信号を離散的に取得してもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記第１測距部が取得した、離散的な前記物体までの距離を示す前記第１距離信号に基づいて、前記第３距離信号の補間を行う補間部を備えていてもよい。

また、本発明に係る測距装置において、前記光源は、波長が時間と共に変化する波長掃引光源であり、前記光偏向器は、回折格子またはプリズムを含んでいてもよい。

上述した課題を解決するために、本発明に係る測距方法は、周期的に強度変調された光を光源から出力する第１ステップと、前記光源の光を光スプリッタによって２つに分岐する第２ステップと、前記第２ステップで前記光スプリッタの一方から出力された前記光を光偏向器によって偏向して測定対象の物体に向けて出射する第３ステップと、
前記第３ステップで前記光偏向器から出射された出射光が前記物体および前記光偏向器からみて前記物体側に配置されたミラーでそれぞれ反射した第１反射光および第２反射光をフォトディテクタで検出する第４ステップと、前記第１反射光および前記第２反射光を検出するフォトディテクタからのアナログ信号と前記光偏向器の偏向角度を示すアナログ信号とをアナログ－ディジタル変換器でディジタル信号に変換する第５ステップと、前記第２ステップで前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第１反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記物体までの距離を示す第１距離信号を出力する第６ステップと、前記第２ステップで前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第２反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記ミラーまでの距離を示す第２距離信号を出力する第７ステップと、前記第１距離信号を前記第２距離信号に基づいて、前記アナログ－ディジタル変換器のチャネル間のタイミング差の時間変動に起因する誤差に関して補正して、前記物体までの距離を示す第３距離信号を出力する第８ステップとを備える。また、前記ミラーからの反射光が受光される時間範囲が、前記光源の変調の周期より長くてもよい。

本発明によれば、光源からみて物体側に配置されたミラーまでの距離を示す第２距離信号用いて物体までの距離を示す第１距離信号を補正するので、ＡＤＣのチャネル間の時間差（ｓｋｅｗ）が信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態に係る測距装置の動作を説明するための図ある。 図３は、本実施の形態に係る信号処理装置を実現するコンピュータ構成の一例を示すブロック図である。 図４は、本実施の形態に係る測距方法を説明するフローチャートである。 図５は、本実施の形態に係る補正前の距離信号を説明する図である。 図６は、本実施の形態に係る補正前の距離信号を説明する図である。 図７は、本実施の形態に係る補正後の距離信号を説明する図である。 図８は、本実施の形態に係る補正後の距離信号を説明する図である。 図９Ａは、本実施の形態に係る測距装置の効果を説明するための図である。 図９Ｂは、本実施の形態に係る測距装置の効果を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図９Ｂを参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る測距装置１の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る測距装置１は、図１に示すように、ＴＯＦ方式により、測距装置１から物体１０４までの距離を測定する。より詳細には、測距装置１は、光源１００から光が出射されてから、測距対象の物体１０４の表面を反射した反射光が受光されるまでの飛行時間を測定し、測距装置１から物体１０４までの距離を求める。

図１に示すように、測距装置１は、光源１００、カプラ１０１、サーキュレータ１０２、光偏向器１０３、補正用ミラー（ミラー）１０５、フォトディテクタ（以下、「ＰＤｒ」という。）１０６、フォトディテクタ（以下、「ＰＤｓ」という。）１０７、アナログ－ディジタル変換器（ＡＤＣ）１０８、および信号処理装置１０９を備える。カプラ１０１は光を分岐（スプリット）する光分岐器（スプリッタ）として使用するものである。

光源１００、カプラ１０１、サーキュレータ１０２、光偏向器１０３、補正用ミラー１０５、ＰＤｒ１０６、およびＰＤｓ１０７は、測距装置１が備える光学系を構成する。

光源１００は、周期的に強度変調された光を物体１０４に向けて出射する。具体的には、光源１００は、正弦波やパルス信号などの周期的に強度変調された光を発生させる。光源１００から出射される光は後述の光偏向器１０３に入射される。

カプラ１０１は、光源１００から出射された光を参照光路と物体光路とに分ける。カプラ１０１によって分けられた光の一方は、参照光路上のＰＤｒ１０６に入力され、他方の光は物体光路上のサーキュレータ１０２および光偏向器１０３を介して物体１０４および補正用ミラー１０５に照射される。

ＰＤｒ１０６は、光源１００から出力された光を検出し、アナログ信号である第１参照信号ｒ１に変換する。得られた第１参照信号ｒ１は、ＡＤＣ１０８のチャネル１（ＣＨ１）に入力される。

サーキュレータ１０２は、光路上で互いに反対方向に進む光を分離する。より詳細には、サーキュレータ１０２は、カプラ１０１から出射され物体１０４および補正用ミラー１０５に照射される光と、物体１０４および補正用ミラー１０５を反射して戻ってきた光とを分離する。

光偏向器１０３は、光源１００から入射される光の光軸を偏向して出射する。より詳細には、光偏向器１０３は、光源１００から出射され、カプラ１０１およびサーキュレータ１０２を介して入射される光を偏向して出射する。以下、光偏向器１０３が入射される光の光軸を変化させて出射することを「光を偏向する」ということとする。

光偏向器１０３は、予め設定された偏向角度の範囲で光源１００からの光を偏向する。光偏向器１０３としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶を用いた偏向器を用いることができる。光偏向器１０３による偏向角度は、ミラーの設計や光偏向器１０３が備える図示されない駆動装置による制御により所望の偏向角度の範囲となるように設定することができる。

光偏向器１０３は、光源１００からの光を偏向して出射することによって、物体１０４および補正用ミラー１０５ならびのその周辺の空間をスキャン（空間的に掃引、つまり、偏向）して、測距対象の物体１０４の表面および補正用ミラー１０５で反射させる。光偏向器１０３が、光源１００からの光を設定された偏向角度の範囲内で出射した光でスキャンする毎に、物体１０４からの反射光（第１反射光）および補正用ミラー１０５からの反射光（第２反射光）のそれぞれが後述のＰＤｓ１０７で検出される。

補正用ミラー１０５は、図１に示すように、光偏向器１０３からみて物体１０４側に配置される。具体的には、補正用ミラー１０５は、物体１０４と光偏向器１０３とを結ぶ線上とは異なる位置に配置される。例えば、補正用ミラー１０５は、光偏向器１０３の偏向する範囲の端付近に設置することができる。より好適には、補正用ミラー１０５を、光偏向器１０３の偏向する範囲の端の位置に配置することで、偏向する範囲の大部分を物体１０４の測定用に利用することができる。

ＰＤｓ１０７は、物体１０４や補正用ミラー１０５からの反射光をサーキュレータ１０２を介して検出し、アナログ信号の第１検出信号ｓ１に変換する。得られた第１検出信号ｓ１は、ＡＤＣ１０８のチャネル２（ＣＨ２）に入力される。

ＡＤＣ１０８は、３つのチャネルを備え、アナログの入力信号をディジタル信号に変換して出力する。ＡＤＣ１０８がチャネルごとに変換して出力するディジタル信号は、信号処理装置１０９に入力される。チャネルＣＨ１に入力されたアナログの第１参照信号ｒ１は、ディジタルの第２参照信号ｒ２に変換され、後述の測距部１１０に入力される。チャネルＣＨ２に入力された第１検出信号ｓ１についても、ディジタルの第２検出信号ｓ２に変換され、測距部１１０に入力される。また、チャネルＣＨ３には、光偏向器１０３の偏向角度を示すアナログ信号である第１角度信号θ１が入力され、ディジタルの第２角度信号θ２に変換されて、後述の時間－角度変換部１１３に入力される。

図２の（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、ＡＤＣ１０８の各チャネルから出力されるディジタル信号の波形の一例を示している。なお、図２では、光源１００から出力される光は、正弦波で強度変調されている場合を示している。図２の（ａ）は、ＡＤＣ１０８でディジタル化した第２検出信号ｓ２（ＣＨ２）の強度と時間との関係を示している。図２の（ｂ）は、ＡＤＣ１０８でディジタル化した第２参照信号ｒ２（ＣＨ１）の強度と時間との関係を示している。光偏向器１０３が出射光を偏向してスキャンする周期は、図２に示すように、Ｔ_swと表している。

図２の（ｃ）は、ＡＤＣ１０８でディジタル化した第２角度信号θ２（ＣＨ３）の強度と時間との関係を示している。第２角度信号θ２は偏向角に対応している。光偏向器１０３によるスキャンの周期（時刻０からＴ_sw）に応じて、偏向角の角度が変化している。

図２の（ｃ）では、説明の簡単のため、時刻Ｔ_sw後に即座に時刻０の偏向角に戻ることを想定したものとなっている。しかし、現実にそのような偏向を行うことは難しいことが多いため、時刻Ｔ_sw後は時刻０～Ｔ_swの偏向角の推移を逆に辿るように偏向角を変化させ、時刻２Ｔ_swに偏向角が時刻０と同じとなるような偏向角の推移とすることが考えられる。この場合の周期は２Ｔ_swとなる。また、このような場合、図２の（ｃ）は、時刻Ｔ_swを中心とした対称形となる。あるいは、即座ではなく、ある一定の時間Ｔ_Bで偏向角を図２の（ｃ）に示される時刻０の角度まで戻す機構とする場合もある。この場合は、周期はＴ_sw＋Ｔ_Bとなる。

図１に示すように、信号処理装置１０９は、ＡＤＣ１０８からのディジタル信号を入力信号として、偏向角ごとの測距装置１から物体１０４までの距離を算出する。具体的には、カプラ１０１を起点とした物体１０４までの距離や、光偏向器１０３から物体１０４までの距離（より正確には、光路長）を求めることができる。

信号処理装置１０９は、測距部（第１測距部）１１０、補正用ミラー測距部（第２測距部）１１１、距離補正部１１２、時間－角度変換部１１３、および補間部１１４を備える。

測距部１１０は、ＡＤＣ１０８から出力される第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２に基づいて、第２参照信号ｒ２のピークの時刻を取得すると共に、その時刻における測距装置１から物体１０４までの距離を測距する。光偏向器１０３によって、１次元的に光が偏向する角度の範囲で測距する場合には、より細かい角度ごとに測距することが考えられる。本実施の形態では、第２参照信号ｒ２のピークごとに測距を行うこととし、ピーク間の距離が必要な場合には、後述の補間部１１４にて、ピーク位置の距離を使って補間して測距装置１から物体１０４までのより詳細な距離を求める。

第２参照信号ｒ２のピーク数については、光源１００の光変調の周期をＴ_mとし、光偏向器１０３のスキャンの周期を前述したようにＴ_swとすると、ピーク数は約Ｎ_p＝Ｔ_sw／Ｔ_mと表される。光偏向器１０３の偏向し始めの時刻を０とし、時刻０の方から数えてｎ個目のピークの時刻をｔ_nとする。図２の波形に共通に示す破線に対応する位置が、第２参照信号ｒ２のｎ個目のピークの時刻ｔ_nである。この時刻ｔ_nから±Ｔ_m／２の範囲にある第２検出信号ｓ２のピーク時刻との差がΔｔ_nであったとき（図２の（ａ））、測距部１１０は、時刻ｔ_nで測定されるカプラ１０１から物体１０４までの距離Ｌ_nをｃΔｔ_n／２と計算する。ただし、ｃは光速である。

以下、時刻ｔ_nに対応する距離のデータを、特に、補正前の距離信号（第１距離信号）Ｌ_nと呼ぶ。このように、測距部１１０は、光偏向器１０３が光をスキャンする周期ごとに、物体１０４からの反射光および補正用ミラー１０５からの反射光両方に基づいて測距を行う。図２の（ｄ）は、測距部１１０によって求められた補正前の距離信号Ｌ_nを示している。

ここで、図２において、一点鎖線で示した横軸の範囲は、補正用ミラー１０５の反射光がＰＤｓ１０７で検出される時間範囲を示している。なお、補正用ミラー１０５の反射光が、光偏向器１０３が光をスキャンする周期中（時刻０～Ｔ_sw）のどこに存在するかについては、事前に求めておく。本実施の形態では、図２に示すように、補正用ミラー１０５からの反射光の第２検出信号ｓ２が、時刻Ｔ_ms～Ｔ_meの間にあることが事前にわかっている。特に、図２では、時刻Ｔ_meがスキャン周期の時刻Ｔ_swと一致する場合について示している。このような構成を採用することで、本来測距したい時間の範囲が時刻０～Ｔ_msの連続領域となる利点がある。

なお、本実施の形態ではＴ_me－Ｔ_ms＞Ｔ_mであることが少なくとも必要である。これは、時刻Ｔ_ms～Ｔ_meの間に第２検出信号ｓ２のピークと、第２参照信号ｒ２のピークがそれぞれ１つ以上無ければ、補正用ミラー１０５までの距離を測距できないからである。図３の（ｃ）ではＴ_me－Ｔ_ms≒Ｔ_mの場合が示されている。さらにＴ_me－Ｔ_ms≧３Ｔ_mであると、補正用ミラー１０５の位置が正確に測定できるので、より望ましい。

Ｔ_me－Ｔ_ms≧３Ｔ_mの場合、補正用ミラー１０５からの反射光から得られる第２検出信号ｓ２のピークは３個となるが、３個の内の端に位置するピークは、ビームの一部が補正用ミラー１０５から返ってこない（ビームの一部が補正用ミラー１０５から外れる）影響を受けて強度が減少する。それに対して、３個のうちの真ん中のピークは、ビームの一部が補正用ミラー１０５から外れる影響を受けにくく、周期Ｔ_mでピークがある信号にあたかも単峰性の窓関数をかけた信号形状となる。このような場合、窓関数のピーク付近などの傾きが０に近い部分のピークの位置は、窓関数をかける前のピーク位置とほぼ変わらないが、窓関数の傾きが大きな所にあるピーク程、ピーク位置が元の位置から変化する。

したがって、ピークが３個ある場合は、ピーク位置ずれの影響の少ない真ん中のピークを使用することによって、補正用ミラー１０５の位置を、Ｔ_me－Ｔ_ms＜３Ｔ_mの場合よりも正確に測定できる。Ｔ_mに対してＴ_me－Ｔ_msが大きいほど、ピークの位置ずれの影響は少なくなるので、補正用ミラー１０５の位置はより正確性を増す。

補正用ミラー測距部１１１は、カプラ１０１から光が出射されてから、補正用ミラー１０５を反射した反射光がＰＤｓ１０７で受光されるまでの時間に基づいて求められる補正用ミラー１０５までの距離を示す距離信号（第２距離信号）を補正値として出力する。より詳細には、補正用ミラー測距部１１１は、測距部１１０で求められた補正前の距離信号Ｌ_nのうち、図２の（ａ）において補正用ミラー１０５から反射される時間帯Ｔ_ms～Ｔ_meで測定された第２検出信号ｓ２に基づいて、距離補正部１１２が使用する補正値Ｌ_corを求める。

補正用ミラー測距部１１１は、例えば、時間帯Ｔ_ms～Ｔ_meでの補正前の距離信号Ｌ_nの平均値を補正値Ｌ_corとしてもよい。あるいは、補正用ミラー測距部１１１は、時間帯Ｔ_ms～Ｔ_meの中心時刻（Ｔ_ms～Ｔ_me）／２での補正前の距離信号Ｌ_nの値を補正値Ｌ_corとして用いてもよい。

あるいは、補正用ミラー測距部１１１は、補正前の距離信号Ｌ_nについて強度減少が生じていない時間帯において取得し、その時間帯での補正前の距離信号Ｌ_nの平均値を補正値Ｌ_corとしてもよい。強度変調を生じていない時間帯を取得する方法としては、予め時間帯を選んでおいても良いし、時間帯Ｔ_ms～Ｔ_me内のピーク値を得てから、そのピーク値の一定割合（たとえば９０％等）以上の範囲のピークが存在する時間帯としてもよい。

距離補正部１１２は、測距部１１０が求めた補正前の距離信号Ｌ_nを、補正値Ｌ_corに基づいて補正し、補正後の距離信号（第３距離信号）Ｌ_n,corを出力する。具体的には、距離補正部１１２は、補正前の距離信号Ｌ_nから補正値Ｌ_corを引き算した結果を補正後の距離信号Ｌ_n,corとして出力する。例えば、時刻ｔ_nでの補正後の距離信号Ｌ_n,corは、Ｌ_n－Ｌ_corによって算出される。このような計算によって得られる距離は、補正用ミラー１０５を距離の基準（０ｍ）とした距離となる。

別の例を挙げると、距離補正部１１２は、補正後の距離信号Ｌ_n,corをＬ_n－Ｌ_cor＋Ｌ_mirrorとしてもよい。Ｌ_mirrorは、補正用ミラー１０５の距離として事前に精密に求めてある距離である。補正用ミラー１０５の距離Ｌ_mirrorについては、例えば、予め多くの補正値Ｌ_corを求めておき、その平均値を補正用ミラー１０５の距離Ｌ_mirrorとして用いてもよい。

このような計算による物体１０４までの距離は、図１に示すように、カプラ１０１を起点として、カプラ１０１－ＰＤｒ１０６と、カプラ１０１－ＰＤｓ１０７との光路長差に対する距離となる。補正用ミラー１０５の距離Ｌ_mirrorが０ｍとなる位置に補正用ミラー１０５を配置すれば、補正値Ｌ_corは０ｍを中心とした分布を持つので、Ｌ_n－Ｌ_corを計算することで、Ｌ_n－Ｌ_cor＋Ｌ_mirrorと同じ値が得られる。

また、光偏向器１０３と補正用ミラー１０５間の距離Ｌ_{deflector,mirror}を予め測定しておくなどして事前にわかっていれば、光偏向器１０３から物体１０４までの距離は、Ｌ_n－Ｌ_cor＋Ｌ_{deflector,mirror}によって求めることができる。

時間－角度変換部１１３は、測距部１１０にて取得した第２参照信号ｒ２のピークが出現する時刻、つまり、補正後の距離信号Ｌ_n,corに対応する時刻を偏向角に置き換える。例えば、時刻ｔ_nでの第２角度信号θ２の強度がξ_nであるとする。時間－角度変換部１１３は、第２角度信号θ２の強度ξ_nを、予め求められている、図２の（ｅ）に示す変換曲線θ（ξ）に代入することにより、強度ξ_nに対応する偏向角θ_n＝θ（ξ_n）を得る。そして、時間－角度変換部１１３は、偏向角θ_nと補正後の距離信号Ｌ_n,corとの対応付けを行った偏向角－距離データ（角度－距離信号）ａを出力する。図２の（ｅ）に示す変換曲線は、第２角度信号θ２の強度と偏向角の角度との関係を示している。

時間－角度変換部１１３は、第２参照信号ｒ２に含まれる全てのピークの時刻における偏向角を求めて、各偏向角に対応する補正後の距離のデータを出力する。

補間部１１４は、第２参照信号ｒ２のピーク間に含まれる偏向角度（時刻）における偏向角と補正後の距離信号Ｌ_n,corとが対応付けられた偏向角－距離データを補間により求める。補間部１１４は、第２参照信号ｒ２のピークとピークとの間に含まれる、より詳細な偏向角（時刻）に対する距離のデータを補間後の偏向角－距離データｂとして出力する。このように、補間部１１４を設けることにより、時間的（角度的）により密な距離を示すデータを求めることができる。

［信号処理装置のハードウェア構成］
次に、上述した機能を有する信号処理装置１０９のハードウェア構成の一例について図３を参照して説明する。

図３に示すように、信号処理装置１０９は、例えば、バス１９１を介して接続されるプロセッサ１９２、主記憶装置１９３、通信インターフェース１９４、補助記憶装置１９５、入出力装置１９６を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。信号処理装置１０９は、例えば、表示装置１９７がバス１９１を介して接続され、表示画面に補間後の偏向角－距離データなどを表示してもよい。また、ＡＤＣ１０８や測距装置１の光学系が、バス１９１や入出力装置１９６を介して接続されている。

主記憶装置１９３は、例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、およびＲＯＭなどの半導体メモリによって実現される。主記憶装置１９３には、プロセッサ１９２が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。プロセッサ１９２と主記憶装置１９３とによって、図１に示した測距部１１０、補正用ミラー測距部１１１、距離補正部１１２、時間－角度変換部１１３、および補間部１１４を含む信号処理装置１０９の各機能が実現される。また、プロセッサ１９２と主記憶装置１９３とによって、光学系やＡＤＣ１０８の設定や制御を行うことができる。

通信インターフェース１９４は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。信号処理装置１０９は、通信インターフェース１９４を介して、例えば外部に補間後の偏向角－距離データなどを送出してもよい。

通信インターフェース１９４としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線データ通信規格に対応したインターフェースおよびアンテナが用いられる。通信ネットワークＮＷは、例えば、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネット、専用回線、無線基地局、プロバイダなどを含む。

補助記憶装置１９５は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。補助記憶装置１９５には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。

補助記憶装置１９５は、信号処理装置１０９が測距処理、補正処理、変換処理、および補間処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、補助記憶装置１９５は、例えば、上述したデータやプログラムやなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。

補助記憶装置１９５は、補正用ミラー測距部１１１が用いる補正用ミラー１０５からの反射光をＰＤｓ１０７が受光する時間範囲Ｔ_ms～Ｔ_meに関する情報を記憶している。また、補助記憶装置１９５は、時間－角度変換部１１３が変換処理に用いる変換曲線を記憶している。

入出力装置１９６は、表示装置１９７など外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりするＩ／Ｏ端子により構成される。

なお、信号処理装置１０９は、１つのコンピュータによって実現される場合だけでなく、互いに通信ネットワークＮＷで接続された複数のコンピュータによって分散されていてもよい。また、プロセッサ１９２は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアによって実現されていてもよい。

［測距装置の動作］
次に、本実施の形態に係る測距装置１の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、光源１００から、周期的な強度変調された光、例えば、正弦波で強度変調された光を出力する（ステップＳ１）。光源１００から出射された光は、カプラ１０１によって参照光路側と物体光路側とに分けられる。参照光路側の光は、ＰＤｒ１０６で受光され、光電変換されて第１参照信号ｒ１が出力される。一方、物体光路側の光は、サーキュレータ１０２を介して、光偏向器１０３によって偏向され、物体１０４の周辺の空間がスキャン周期をＴ_swとして、光でスキャンされる（ステップＳ２）。

次に、光偏向器１０３によって偏向された光が空間内を１回スキャンすると、物体１０４および補正用ミラー１０５のそれぞれに光が照射され、反射光が光偏向器１０３およびサーキュレータ１０２を介して、ＰＤｓ１０７で検出される（ステップＳ３）。なお、補正用ミラー１０５は、例えば、最大偏向角の位置に設置することができる。また、光偏向器１０３が光を偏向する偏向角度を示す第１角度信号θ１は、ＡＤＣ１０８のチャネルＣＨ３に入力される。

その後、ＡＤＣ１０８は、チャネルＣＨ１、ＣＨ２、およびＣＨ３に入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する（ステップＳ４）。より詳細には、ＡＤＣ１０８のチャネルＣＨ１には、アナログの第１参照信号ｒ１が入力され、ディジタルの第２参照信号ｒ２に変換される。ＡＤＣ１０８のチャネルＣＨ２には、物体１０４および補正用ミラー１０５からの反射光に基づくアナログの第１検出信号ｓ１が入力され、ディジタルの第２検出信号ｓ２に変換される。また、ＡＤＣ１０８のチャネルＣＨ３には第１角度信号θ１が入力され、ディジタルの第２角度信号θ２に変換される。

次に、信号処理装置１０９において、測距部１１０は、第２参照信号ｒ２および第２検出信号ｓ２に基づいて、補正前の距離信号Ｌ_nとＬ_nに対応する時刻ｔ_nを求める（ステップＳ５）。より詳細には、測距部１１０は、図２の（ｂ）における第２参照信号ｒ２の各ピーク時の時刻ｔ_nでの測距装置１から物体１０４までの距離を示す、補正前の距離信号Ｌ_nを算出する（図２の（ｄ））。

次に、補正用ミラー測距部１１１は、測距部１１０によって求められた距離信号Ｌ_nを補正するための補正値Ｌ_corを求める（ステップＳ６）。具体的には、補正用ミラー測距部１１１は、図２の（ａ）に示すように、補正用ミラー１０５から光が反射される時間帯Ｔ_m～Ｔ_meで測定された第２検出信号ｓ２に基づいて、補正値Ｌ_corを算出する。補正用ミラー測距部１１１は、例えば、時間帯Ｔ_m～Ｔ_meでの距離（Ｌ_n）の平均値を補正値Ｌ_corとして用いることができる。

次に、距離補正部１１２は、ステップＳ６で求められた補正値Ｌ_corを用いて、測距部１１０がステップＳ５で求めた補正前の距離信号Ｌ_nを補正する（ステップＳ７）。具体的には、距離補正部１１２は、Ｌ_n－Ｌ_corによって、時刻ｔ_nでの補正後の距離信号Ｌ_n,corを算出する。

その後、時間－角度変換部１１３は、ステップＳ７で求められた補正後の距離信号Ｌ_n,corを変換し、測距部１１０で求めた第２参照信号ｒ２のピーク時刻、つまり、補正後の距離信号Ｌ_n,corに対応する時刻ｔ_nを偏向角θ_nに置き換えた偏向角－距離データａを出力する（ステップＳ８）。より詳細には、時間－角度変換部１１３は、予め補助記憶装置１９５などに記憶されている図２の（ｅ）に示す変換曲線θ（ξ）を読み出して、時刻ｔ_nでの第２角度信号θ２の強度ξ_nを変換曲線θ（ξ）に代入し時刻ｔ_nを偏向角θ_n＝θ（ξ_n）に変換する。さらに、時間－角度変換部１１３は、偏向角θ_nと補正後の距離信号Ｌ_n,corが対応付けられた偏向角－距離データａを求める。

次に、補間部１１４は、ステップＳ８で求められた偏向角と距離とが対応付けられたデータａに基づいて、第２参照信号ｒ２のピーク間の値を補間する（ステップＳ９）。その後、補間部１１４は、補間した偏向角－距離データｂを出力する（ステップＳ１０）。

次に、本実施の形態に係る信号処理装置１０９によって処理された、ある１点の時刻における補正前および補正後の物体１０４までの距離を図５から図８に示す。
図５および図６は、補正前の物体１０４までの距離を示しており、図７および図８は、補正後の物体１０４までの距離を示している。また、図５および図７は、１０００回測定を繰り返した場合の各回の物体１０４までの距離の測定値のプロットである。図６および図８は、距離の測定値をヒストグラムで示している。

図５から図８に示す測定例では、ＡＤＣ１０８の第１検出信号ｓ１を入力したチャネルＣＨ２と第１参照信号ｒ１を入力したチャネルＣＨ１のスキューの時間変動が２極化しており、その差は、約０．５［ｎｓ］であった。そのため、図５および図６に示すように、補正前と補正後の距離の差は、約７．５［ｃｍ］（＝３×１０⁸×０．５×１０^-9／２［ｍ］）であった。

本実施の形態に係る信号処理装置１０９による補正処理を行うことによって、図７および図８に示すように、距離の値における２極化がなくなる効果が得られた。なお、標準偏差については、補正前では３．７６５６［ｃｍ］であったものが、補正後は０．８６５４［ｃｍ］となり、補正前の２３％程度まで小さくなった。このように、補正処理を行うことで距離の測定精度を改善することができた。

また、図５において補正前の距離が－０．８１［ｍ］～－０．８９［ｍ］付近であるのに対し、補正後の距離が－０．４５［ｍ］付近にみられるのは、補正用ミラー１０５の距離Ｌ_mirrorが－０．３６［ｍ］～－０．４４［ｍ］付近に位置することによる。補正用ミラー１０５による補正値Ｌ_corの１０００個の値の平均値は０．４４７４９［ｍ］である。

この平均値をＬ_mirrorとして、補正後の距離信号をＬ_n－Ｌ_cor＋Ｌ_mirrorを用いて計算すると、図１で説明したカプラ１０１を起点としてカプラ１０１－ＰＤｒ１０６と、カプラ１０１－ＰＤｓ１０７との光路長差に対する物体１０４の距離を計算することができる。

図９Ａおよび図９Ｂは、本実施の形態に係る測距装置１によって物体１０４の位置を起点から２０［ｃｍ］～１５５［ｃｍ］までずらしながら、距離を測定した結果である。物体１０４が設置された位置ごとに１００回の測定を行い、補正前および補正後の距離の平均値と標準偏差をそれぞれ求めた。

図９Ａに示す補正前の標準偏差は、３．８［ｃｍ］程度であったが、図９Ｂに示す補正後の標準偏差は１［ｃｍ］程度まで小さくなっている。このことから、本実施の形態に係る信号処理装置１０９による補正処理を行うことによって、距離測定の精度が向上していることがわかる。

図９Ａに示す補正前の物体１０４までの距離の平均値と、図９Ｂに示す補正後の距離の平均値とは互いに近い値となっている。これは、図１で説明したカプラ１０１を起点とした、カプラ１０１－ＰＤｒ１０６と、カプラ１０１－ＰＤｓ１０７との光路長差がほぼ等しい、すなわち、ほぼ０ｍとなる位置に補正用ミラー１０５が配置されていることに起因する。

以上説明したように、本実施の形態に係る測距装置１によれば、補正用ミラー１０５からの反射光に基づいて補正値Ｌ_corを求め、測距装置１から物体１０４までの距離信号Ｌ_nを補正する。そのため、ＡＤＣのチャネル間のタイミング差（ｓｋｅｗ）が信号の取得ごとに変動する場合であっても、物体までの距離を高精度に測定することができる。

また、本実施の形態に係る測距装置１は、参照信号のピーク間の距離データを補間するので、物体までの距離をより高精度に測定することができる。

以上、本発明の測距装置および測距方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

例えば、説明した実施の形態では、信号処理装置１０９において、時間－角度変換部１１３が補正後の距離信号Ｌ_n,corを偏向角－距離データａに変換した後に、補間部１１４が補間処理を行う具体例を説明した。しかし、補間処理は時間－角度変換部１１３による変換処理の前に実行してもよい。この場合、補間部１１４は、補正後の距離信号Ｌ_n,corに基づいて第２参照信号ｒ２のピーク間の補間を行い、その後、時間－角度変換部１１３が、時刻を偏向角に変換することになる。

補間処理を時間－角度変換処理の前に行う場合は、時間－角度変換部１１３で必要となる時刻情報は、測距部１１０で取得した第２参照信号ｒ２のピーク時刻をそのまま使用できない。なぜなら、測距部１１０で得られた距離の数（測距部１１０で得られた時刻の数と等しい）は補間部１１４から出力される距離の数と異なるからである。そこで、補間部１１４において、測距部１１０で取得した第２参照信号ｒ２のピーク時刻を用いて、補間で得た距離情報に対応する時刻を算出し、その時刻を用いて時間－角度変換部１１３にて時刻を角度に変換する。

これまで説明した実施の形態では、光源１００から出力される光は、正弦波など周期的に強度変調された光であり、波長掃引された光ではない場合について説明した。しかし、光源１００は、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源であってもよい。この場合、光偏向器１０３には、透過型や反射型の回折格子や屈折率分散の大きい材料からなるプリズムなどの受動光学素子が用いられる。また、光源１００は、周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源であっても、公知の空間光変調器を光偏向器１０３に用いてもよい。

この場合、回折格子の格子定数などは、光源１００の光の波長や、測定が要求される最大距離、および測距装置１の大きさなどに応じて、所望の角度の範囲で偏向するように設計することができる。また、プリズムの屈折率やその波長分散についても、同様に所望の角度で偏向するように、屈折率やその波長分散を持つ材料を選ぶことができる。また、光源１００として周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源を用いる場合、第１角度信号θ１は、光源１００から出力される光の波長に連動する構成となる。

光源１００を周期的な強度変調機能を備えた波長掃引光源として、光偏向器１０３を回折格子やプリズム等の受動光学素子とする利点は、光偏向器１０３に機械動作を必要とする部品が必要なくなることである。このことから、たとえば、測距装置１が備える光学系を光偏向器１０３とそれ以外に分離して、偏向器をプローブ、それ以外を本体として、プローブと本体を光ファイバで接続した場合、プローブを小型化できるので、狭い場所等にも設置したり、あるいは、人が簡単にプローブ部を持ち運ぶなどして、測定ができる。また、プローブには機械動作をする部品がないため、プローブの振動に対する耐性が高くなるので、本体とプローブを離して、本体を振動の緩慢な場所に退避することにより、振動の激しい環境においても正確に測定ができる。

１…測距装置、１００…光源、１０１…カプラ、１０２…サーキュレータ、１０３…光偏向器、１０４…物体、１０５…補正用ミラー、１０６…フォトディテクタＰＤｒ、１０７…フォトディテクタＰＤｓ、１０８…ＡＤＣ、１０９…信号処理装置、１１０…測距部、１１１…補正用ミラー測距部、１１２…距離補正部、１１３…時間－角度変換部、１１４…補間部、１９１…バス、１９２…プロセッサ、１９３…主記憶装置、１９４…通信インターフェース、１９５…補助記憶装置、１９６…入出力装置、１９７…表示装置。

Claims (10)

1. 周期的に強度変調された光を出力する光源と、
   前記光源の光を２つに分岐する光スプリッタと、 前記光スプリッタの一方から出力された前記光を偏向して測定対象の物体に向けて出射する光偏向器と、
   前記光偏向器からみて前記物体側に配置されたミラーと、
   前記光偏向器から出射された出射光が前記物体および前記ミラーでそれぞれ反射した第１反射光および第２反射光を検出するフォトディテクタと
   を有する光学系と、
   前記第１反射光および前記第２反射光を検出するフォトディテクタからのアナログ信号と、前記光偏向器の偏向角度を示すアナログ信号とをディジタル信号に変換するアナログ－ディジタル変換器と、
   前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第１反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記物体までの距離を示す第１距離信号を出力する第１測距部と、
   前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第２反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記ミラーまでの距離を示す第２距離信号を出力する第２測距部と、
   前記第１距離信号を前記第２距離信号に基づいて、前記アナログ－ディジタル変換器のチャネル間のタイミング差の時間変動に起因する誤差に関して補正して、前記物体までの距離を示す第３距離信号を出力する距離補正部と
   を有する信号処理装置と
   を備える測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記ミラーからの反射光が受光される時間範囲が、前記光源の変調の周期より長いことを特徴とする測距装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の測距装置において、
   前記ミラーは、前記光偏向器と前記物体とを結んだ線上とは異なる位置に配置されることを特徴とする測距装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記距離補正部は、前記第１距離信号から前記第２距離信号を引いた値を含む情報を、前記物体までの距離を示す前記第３距離信号として出力することを特徴とする測距装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記第１測距部は、求めた前記第１距離信号の各々に対応する時刻情報を取得し、
   前記信号処理装置は、
   前記第１測距部によって取得された前記時刻情報を前記光偏向器による偏向角度の情報に変換し、偏向角度と距離とが対応付けられた角度－距離信号を出力する時間－角度変換部を備える
   ことを特徴とする測距装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記第１測距部は、前記光源の光強度のピーク時刻で、前記物体までの距離を示す前記第１距離信号を離散的に取得することを特徴とする測距装置。
7. 請求項６に記載の測距装置において、
   前記信号処理装置は、
   前記第１測距部が取得した、離散的な前記物体までの距離を示す前記第１距離信号に基づいて、前記第３距離信号の補間を行う補間部を備えることを特徴とする測距装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記光源は、波長が時間と共に変化する波長掃引光源であり、
   前記光偏向器は、回折格子またはプリズムを含む
   ことを特徴とする測距装置。
9. 周期的に強度変調された光を光源から出力する第１ステップと、
   前記光源の光を光スプリッタによって２つに分岐する第２ステップと、
   前記第２ステップで前記光スプリッタの一方から出力された前記光を光偏向器によって偏向して測定対象の物体に向けて出射する第３ステップと、
   前記第３ステップで前記光偏向器から出射された出射光が前記物体および前記光偏向器からみて前記物体側に配置されたミラーでそれぞれ反射した第１反射光および第２反射光をフォトディテクタで検出する第４ステップと、
   前記第１反射光および前記第２反射光を検出するフォトディテクタからのアナログ信号と前記光偏向器の偏向角度を示すアナログ信号とをアナログ－ディジタル変換器でディジタル信号に変換する第５ステップと、
   前記第２ステップで前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第１反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記物体までの距離を示す第１距離信号を出力する第６ステップと、
   前記第２ステップで前記光スプリッタから前記光が出力されてから前記第２反射光が前記フォトディテクタで検出されるまでの時間に基づいて、前記ミラーまでの距離を示す第２距離信号を出力する第７ステップと、
   前記第１距離信号を前記第２距離信号に基づいて、前記アナログ－ディジタル変換器のチャネル間のタイミング差の時間変動に起因する誤差に関して補正して、前記物体までの距離を示す第３距離信号を出力する第８ステップと
   を備える測距方法。
10. 請求項９に記載の測距方法において、
    前記ミラーからの反射光が受光される時間範囲が、前記光源の変調の周期より長いことを特徴とする測距方法。

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