JP7684148B2 - distance measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測距装置の技術に関する。 The present invention relates to distance measuring device technology.
LIDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)は、測距装置の一種であり、自動運転等の各種の分野に用いられている。LIDARは、対象物へ向けて光を出射し、その対象物において反射した光を検出して、その光が往復した伝播時間に基づいて自装置からその対象物までの距離を測定する。この光を出射する際にLIDARは、電気的なノイズ(電気ノイズという)を発生させることがある。 LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) is a type of distance measuring device that is used in various fields such as autonomous driving. LIDAR emits light toward an object, detects the light reflected from the object, and measures the distance from the device to the object based on the propagation time of the light back and forth. When emitting this light, LIDAR can generate electrical noise.
LIDARにおいて光を出射する出射部と反射光を受光する受光部とが互いに近くに配置されていると、出射部に生じる電気ノイズが受光部に影響し、正確な測距が阻害されることがある。このことは、LIDARのみならず、光を用いる測距装置に共通する課題である。 In a LIDAR, if the light emitting section that emits light and the light receiving section that receives reflected light are placed close to each other, electrical noise generated in the light emitting section can affect the light receiving section, hindering accurate distance measurement. This is an issue that is common not only to LIDAR but to all distance measurement devices that use light.
特許文献1は、受光折返ミラーを用いて到来光の経路を出射方向と異なる方向に屈曲させ、発光基板と受光基板とを互いの電気ノイズが影響し合わない配置にする構成を開示している。
特許文献1に記載の技術は、受光折返ミラーを必要とする。そのため、この技術は、第1に生産コストが上昇するという問題、第2に受光折返ミラーの角度調整が煩雑になるという問題、第3に受光折返ミラーによって受信信号が減衰するという問題を生じさせる。
The technology described in
また、一般的なLIDARは、雨や埃等の侵入を防ぐため、光路に樹脂やガラス製の窓を設けている。この窓は、反射光をできるだけ多く受光するように比較的、透過率が高い材質で形成される。しかし、窓の透過率を100%にすることは不可能であるため、窓に到達した光の一部は透過せずに反射し、光学的なノイズ(光学ノイズという)を発生させる。
In addition, typical LIDAR has a resin or glass window in the light path to prevent the intrusion of rain, dust, etc. This window is made of a material with a relatively high transmittance so as to receive as much reflected light as possible. However, since it is impossible to make the
本発明の目的の一つは、受光折返ミラー等の光路を屈曲させる部材を追加することなく、測距装置に生じるノイズを低減することである。 One of the objectives of the present invention is to reduce noise generated in a distance measuring device without adding components that bend the optical path, such as a light-receiving folding mirror.
本発明は、出射部から出射され対象物で反射して受光部により受光される測定光の伝播時間に基づいて該対象物までの距離を測定する測距装置であって、測定光の光路上に配置された光透過部材と、前記受光部の出力信号が入力される共振回路と、を備え、前記光透過部材は、測定光の出射時に生じる電気ノイズと該測定光の前記光透過部材における反射光との各々に応じた前記共振回路の出力信号が相殺される位置に配置されている測距装置、を第1の態様として提供する。 The present invention provides, as a first aspect, a distance measuring device that measures the distance to an object based on the propagation time of measurement light that is emitted from an emission unit, reflected by the object, and received by a light receiving unit, the distance measuring device comprising a light-transmitting member disposed on the optical path of the measurement light, and a resonant circuit to which an output signal from the light receiving unit is input, the light-transmitting member being disposed at a position where the output signal from the resonant circuit corresponding to each of electrical noise generated when the measurement light is emitted and the reflected light of the measurement light at the light-transmitting member are cancelled out.
第1の態様の測距装置によれば、光路を屈曲させる部材を追加することなく、測距装置に生じるノイズを低減することができる。 The distance measuring device of the first aspect can reduce noise generated in the distance measuring device without adding a component that bends the optical path.
第1の態様の測距装置において、測定光の光路のうち前記出射部から前記光透過部材まで、及び前記光透過部材から前記受光部までの距離の合計が、前記共振回路の共振周波数に応じた時間に光が伝播する距離になる位置に前記光透過部材が配置されている、という構成が第2の態様として採用されてもよい。 In the distance measuring device of the first aspect, the light-transmitting member may be disposed at a position in the optical path of the measurement light such that the sum of the distance from the emission unit to the light-transmitting member and the distance from the light-transmitting member to the light-receiving unit is the distance that the light propagates in a time period according to the resonant frequency of the resonant circuit.
第2の態様の測距装置によれば、共振回路の共振周波数に応じて光透過部材を配置することでノイズが低減される。 According to the distance measuring device of the second aspect, noise is reduced by arranging the light-transmitting member according to the resonant frequency of the resonant circuit.
第2の態様の測距装置において、前記共振周波数に応じた時間は、前記共振回路の半周期から前記受光部における電流信号から電圧信号への変換に要する時間を減じたものである、という構成が第3の態様として採用されてもよい。 In the distance measuring device of the second aspect, a configuration in which the time corresponding to the resonant frequency is the half period of the resonant circuit minus the time required for the light receiving unit to convert a current signal into a voltage signal may be adopted as a third aspect.
第3の態様の測距装置によれば、光透過部材で反射した光は、出射から、共振回路の半周期から受光部における信号の変換に要する時間を減じた時間が経過したときに受光部に到達する。 According to the distance measuring device of the third aspect, the light reflected by the light-transmitting member reaches the light receiving unit when the time from emission has elapsed that is the half period of the resonant circuit minus the time required for signal conversion in the light receiving unit.
第1から第3のいずれか1の態様の測距装置において、測定光の光路上の前記出射部と前記光透過部材との距離が変化するように前記出射部の位置を調整する機構を有する、という構成が第4の態様として採用されてもよい。 A distance measuring device according to any one of the first to third aspects may be adopted as a fourth aspect, which has a mechanism for adjusting the position of the emission part so that the distance between the emission part and the light-transmitting member on the optical path of the measurement light changes.
第4の態様の測距装置によれば、実際の共振周波数の設計値に対する誤差を出射部の位置により調整することができる。 According to the distance measuring device of the fourth aspect, the error of the actual resonant frequency relative to the design value can be adjusted by adjusting the position of the emission part.
第1から第4のいずれか1の態様の測距装置において、測定光の光路上の前記受光部と前記光透過部材との距離が変化するように前記受光部の位置を調整する機構を有する、という構成が第5の態様として採用されてもよい。 A fifth aspect of the distance measuring device may be one having a mechanism for adjusting the position of the light receiving unit so that the distance between the light receiving unit and the light transmitting member on the optical path of the measurement light changes.
第5の態様の測距装置によれば、実際の共振周波数の設計値に対する誤差を受光部の位置により調整することができる。 According to the fifth aspect of the distance measuring device, the error of the actual resonant frequency from the design value can be adjusted by adjusting the position of the light receiving unit.
第1から第5のいずれか1の態様の測距装置において、測定光の光路上の前記出射部及び前記受光部と前記光透過部材との距離が変化するように前記光透過部材の位置を調整する機構を有する、という構成が第6の態様として採用されてもよい。 A sixth aspect of the distance measuring device may be one having a mechanism for adjusting the position of the light-transmitting member so that the distance between the light-emitting unit and the light-receiving unit on the optical path of the measurement light changes from the light-transmitting member to the light-transmitting member.
第6の態様の測距装置によれば、実際の共振周波数の設計値に対する誤差を光透過部材の位置により調整することができる。 According to the sixth aspect of the distance measuring device, the error of the actual resonant frequency from the design value can be adjusted by adjusting the position of the light-transmitting member.
第1から第6のいずれか1の態様の測距装置において、前記共振回路は、共振周波数が可変である、という構成が第7の態様として採用されてもよい。 In the distance measuring device of any one of the first to sixth aspects, a seventh aspect may be adopted in which the resonant circuit has a variable resonant frequency.
第7の態様の測距装置によれば、光透過部材の位置に応じて、共振回路の共振周波数を調整することができる。 According to the seventh aspect of the distance measuring device, the resonant frequency of the resonant circuit can be adjusted according to the position of the light-transmitting member.
<実施形態>
<測距装置の全体構成>
図1は、本発明の実施形態に係る測距装置1の全体構成の例を示す図である。図1には、測距装置1の構成要素の物理的な配置が示されている。図1に示す測距装置1は、筐体10、制御基板11B、出射部12、受光部13、及び光学系16を有する。
<Embodiment>
<Overall configuration of distance measuring device>
Fig. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a distance measuring
出射部12は、出射基板12B、発光素子122、及びコリメータレンズ120を有する。受光部13は、受光基板13B、受光素子131,及び集光レンズ130を有する。光学系16は、第1ミラー161、第2ミラー162、及び第3ミラー163を有する。
The
制御基板11Bは、出射部12の出射基板12B、及び受光部13の受光基板13Bと信号線で接続されており、これらを制御する。
The
筐体10は、出射部12が出射する測定光の光路上に窓100を有する。窓100は、ガラス等の光を透過する材料(光透過部材という)で形成されており、筐体10の内部に雨や埃等が侵入することを防止しつつ、測定光を筐体10の外部へ進ませる。つまり、この窓100は、測定光の光路上に配置された光透過部材の例である。
The
窓100、出射部12、受光部13、及び光学系16は、いずれも筐体10によって固定されている。そのため、窓100に対する出射部12、受光部13、及び光学系16の配置はいずれも定まっている。
The
図1に示す制御基板11Bは、出射基板12Bに指示をして発光素子122から測定光を出射させる。発光素子122から出射した測定光は、図1に実線で示す矢印Paに沿って進む。この測定光は、コリメータレンズ120を通って平行光になり、第1ミラー161、第2ミラー162を順に反射して窓100に到達する。到達した測定光のほとんどがこの窓100を透過し、筐体10の外部に進んで対象物に到達する。
The
なお、第2ミラー162は、筐体10に固定された軸を中心に回動し得るように設けられていてもよい。ここで回動し得るとは、正逆どちらにも回転可能であることをいう。この場合、制御基板11Bは、図示しないモータ等の駆動部を制御して第2ミラー162を回動させ、測定光の出射方向を変化させてもよい。これにより、測定光は、対象物の存在する空間を走査する。
The
対象物で反射した測定光は、図1に破線で示す矢印Pbに沿って、窓100を透過して筐体10の内部に入る。この反射した測定光は、第2ミラー162、第3ミラー163を順に反射して集光レンズ130で集められ、受光素子131により受光(検出)される。受光基板13Bは、受光素子131が測定光を受光したタイミングを信号にして制御基板11Bに送る。制御基板11Bは、測定光の伝播時間に基づいてその測定光を反射させた対象物までの距離を測定する。
The measurement light reflected by the object passes through
すなわち、この測距装置1は、出射部から出射され対象物で反射して受光部により受光される測定光の伝播時間に基づいて該対象物までの距離を測定する測距装置の例である。
In other words, this distance measuring
出射基板12Bは、発光素子122から測定光を出射させるときに電気ノイズを発生させることがある。受光基板13Bと出射基板12Bとの距離が近いと、この電気ノイズは、受光基板13Bによって検出される。
The
図2は、測距装置1の窓100における反射を説明するための図である。図2に示す通り、窓100は、発光素子122から出射した測定光のすべてを透過させることはなく、一部を反射させる。窓100において反射した測定光は、図2に二点鎖線で示す矢印Prに沿って進み、第2ミラー162、第3ミラー163を順に反射して集光レンズ130で集められ、受光素子131により受光される。
Figure 2 is a diagram for explaining reflection at the
このとき受光素子131が受光する光は、筐体10の外に存在する対象物で反射したものではなく、窓100で反射したものである。この光は、発光素子122から、第1ミラー161、及び第2ミラー162でそれぞれ反射して窓100に至るまでの距離L1と、窓100で反射してから、第2ミラー162、及び第3ミラー163でそれぞれ反射して受光素子131に至るまでの距離L2とを合計した距離を進んでいる。
At this time, the light received by the
なお、図2に示す矢印Prは、図1に示す矢印Pbのうち筐体10の内部における部分と異なった光路を示しているが、その差は比較的小さい。そのため、以下の説明においてこれらは同じ光路である、と見做すことがある。
Note that the arrow Pr in FIG. 2 indicates a different optical path from the arrow Pb in FIG. 1 within the
<測距装置の回路構成>
図3は、測距装置1の回路構成の例を示す図である。図3に示す測距装置1は、制御部11、出射部12、受光部13、光量測定部14、及び算出部15を有する。
<Circuit configuration of distance measuring device>
3 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the
制御部11は、上述した図1に示す制御基板11Bに設けられている。制御部11は、図示しないROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等のメモリを有し、メモリに記憶されているコンピュータプログラム(以下、単にプログラムという)を読み出して実行することにより測距装置1の各部を制御する。
The
制御部11は、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)であってもよいし、FPGAを含んでもよい。制御部11は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)や、他のプログラマブル論理デバイスを有し、これらによって制御を行ってもよい。また、制御部11は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等の、汎用的なプロセッサであってもよい。
The
制御部11は、ユーザに指示された、又は予め決められたタイミングで出射トリガ信号を生成し、この出射トリガ信号を出射部12に送信する。出射トリガ信号は、出射部12に指示して測定光を出射させる信号である。
The
出射部12は、制御部11の制御の下、光を出射する。図3に示す出射部12は、コリメータレンズ120、ドライバ121、発光素子122、及び検出器123を有する。ドライバ121、発光素子122、及び検出器123は、例えば、上述した図1に示す出射基板12Bに設けられている。
The
ドライバ121は、制御部11から出射トリガ信号を受信すると発光素子122を駆動させる。
When the
発光素子122は、対象物が存在する可能性がある空間に向けて光を出射するデバイスであり、例えば、レーザーダイオード(LD:Laser Diode)である。
The light-emitting
検出器123は、例えば、フォトダイオードと信号処理回路を有し、発光素子122による発光を検出して、そのタイミングを制御部11に通知する。
The
受光部13は、出射部12が出射した光が対象物により反射した場合に、その反射光を受光して検出する。図1に示す受光部13は、集光レンズ130、受光素子131、及び電流電圧変換器132を有する。受光素子131、及び電流電圧変換器132は、例えば、上述した図1に示す受光基板13Bに設けられている。
When the light emitted by the
受光素子131は、上述した対象物からの反射光を検出して電流による信号を発生させる素子であり、例えば、APD(avalanche photodiode)である。
The
電流電圧変換器132は、受光素子131が反射光を検出したときの電流を電圧に変換する変換器であり、例えば、TIA(Transimpedance Amplifier)である。
The current-
光量測定部14は、受光素子131が検出した反射光の光量を測定する。図1に示す光量測定部14は、積分器141、ピークホールド回路142、及びA/D変換器143を有する。この光量測定部14は、例えば図1に示す制御基板11Bに設けられている。なお、光量測定部14は、図1に示す受光基板13Bに設けられていてもよい。
The light
積分器141は、受光部13の電流電圧変換器132から出力された、受光素子131が検出した反射光の光量に応じた電圧値を積分する。
The
ピークホールド回路142は、積分器141による積分された値のピーク値を保持する。
The
A/D変換器143は、ピークホールド回路142が保持するピーク値によって示される光量のアナログ信号をデジタル信号に変換してこれを制御部11に送信する。
The A/
算出部15は、受光部13による反射光の受光結果を取得して、この受光結果に基づき対象物までの距離を算出するデバイスである。図1に示す算出部15は、共振回路150、コンパレータ151、及び時間情報生成器152を有する。算出部15は、例えば、図1に示す制御基板11Bに設けられている。なお、算出部15は、図1に示す受光基板13Bに設けられていてもよい。
The
共振回路150は、受光部13から出力信号の入力を受けて、この出力信号を予め定められた共振周波数に応じてフィルタリングする回路である。つまり、共振回路150は、受光部の出力信号が入力される共振回路の例である。共振回路150は、例えば、RLC並列共振回路である。
The
共振回路150は、受光部13の電流電圧変換器132から出力された電圧値の信号を予め定められた共振周波数に応じた正弦波に変換する。
The
コンパレータ151は、共振回路150において変換された正弦波の信号と閾値とを比較し、この電圧値が閾値を超えたときにそのタイミングを時間情報生成器152に通知する素子である。
The
時間情報生成器152は、出射部12が光を出射してから受光部13が反射光を受光するまでの時間を示す時間情報を生成するデバイスであり、要求される空間分解能に応じた時間分解能を達成するために、例えば、TDC(Time to Digital Converter)を備える。
The
時間情報生成器152は、出射部12の検出器123から制御部11へ送信される信号を分岐により取得して、取得したこの信号から光を出射したタイミングの情報を得る。また、時間情報生成器152は、上述したコンパレータ151からの通知を受取り、この通知が示すタイミングを受光部13が反射光を受光したタイミングとして捉える。
The
そして、時間情報生成器152は、出射部12が測定光を出射したタイミングと、受光部13が反射光を受光したタイミングとの時間差を時間情報として算出し、制御部11に送信する。制御部11は、時間情報生成器152で算出された時間情報に基づいて、測距装置1(自装置)から対象物までの距離を算出する。
Then, the
<測距装置の動作>
図4は、測距装置1におけるタイミングを説明するための図である。図4における横軸は時間であり、縦軸は信号の大きさを示している。図4(a)には出射トリガ信号のタイミングが、図4(b)には出射光のタイミングがそれぞれ示されている。
<Operation of distance measuring device>
Fig. 4 is a diagram for explaining timing in the
出射トリガ信号によって出射部12のドライバ121は、発光素子122を発光させ、測定光(出射光ともいう)を出射させる。出射トリガ信号が発されたタイミングから測定光が出射されるタイミングまでの時間差はほとんどなく、両者はほぼ同じである。
The emission trigger signal causes the
図4(c)には反射光のタイミングが示されている。ここでいう反射光は測距装置1の筐体10の外部に位置する対象物で反射した測定光である。図4に示す時間Δtは、測定光が出射してから反射光が受光されるまでの時間である。
Figure 4(c) shows the timing of the reflected light. The reflected light here is the measurement light reflected by an object located outside the
図4(d)には電気ノイズの発生するタイミングが、図4(e)には光学ノイズの発生するタイミングが、それぞれ示されている。 Figure 4(d) shows the timing when electrical noise occurs, and Figure 4(e) shows the timing when optical noise occurs.
図4(d)に示す電気ノイズは、出射部12のドライバ121が制御部11から出射トリガ信号を受けて発光素子122を駆動させるときに発生する。出射トリガ信号の受信のタイミングと電気ノイズの発生のタイミングとはほぼ同時である。
The electrical noise shown in FIG. 4(d) occurs when the
図4(e)に示す光学ノイズは、窓100で反射した測定光を受光部13が受光するときに発生する。電気ノイズの発生のタイミングから光学ノイズの発生のタイミングまでには、図4に示す通り時間差Δt1がある。
The optical noise shown in FIG. 4(e) occurs when the
この時間差Δt1は、往復時間Δt2と、遅延時間Δt3との合計である。往復時間Δt2は、測定光が窓100で反射して筐体10の内部を往復するのに要する時間である。遅延時間Δt3は、受光部13における受光素子131から出力される電流信号を電流電圧変換器132が電圧信号へ変換するのに要する時間である。
This time difference Δt1 is the sum of the round trip time Δt2 and the delay time Δt3. The round trip time Δt2 is the time required for the measurement light to reflect off the
つまり、時間差Δt1、往復時間Δt2、及び遅延時間Δt3には以下の式(1)が成り立つ。 In other words, the following equation (1) holds for the time difference Δt1, the round trip time Δt2, and the delay time Δt3.
ここで、受光部13の電流電圧変換器132は、電気ノイズ、及び光学ノイズをパルス波として検出する。そして、測距装置1は、算出部15の共振回路150がこのパルス波を正弦波に変換する。
Here, the current-
パルス波として検出されるだけだと、電気ノイズ及び光学ノイズは、いずれも正の信号であるため、相殺し合うことがない。しかし、例えば、電気ノイズから変換された正弦波の瞬時値が負になる期間と、光学ノイズから変換された正弦波の瞬時値が正になる期間とが重なるように、それぞれの位相が調整されていれば、光学ノイズにより電気ノイズの波形の一部を相殺することは可能である。 When only detected as a pulse wave, electrical noise and optical noise are both positive signals and do not cancel each other out. However, if the phases of the noise and optical noise are adjusted so that, for example, the period when the instantaneous value of the sine wave converted from electrical noise is negative overlaps with the period when the instantaneous value of the sine wave converted from optical noise is positive, it is possible for the optical noise to cancel out part of the electrical noise waveform.
図5は、電気ノイズ及び光学ノイズを共振回路150が変換して出力した正弦波の例を示す図である。図5に示す正弦波(共振回路出力ともいう)は、いずれも一周期のみを表しており、この後の波形を省いている。図5に示す共振回路出力で、電気ノイズの瞬時値が負になる期間の一部は、光学ノイズの瞬時値が正になる期間に重なっている。
Figure 5 shows an example of a sine wave output by the
このように各期間が重なるためには、光学ノイズが電気ノイズよりも、例えば共振回路出力の半周期だけ遅れて発生すればよい。共振回路出力の一周期は、共振回路150の共振周波数f0の逆数であるから、共振回路出力の半周期は、その半分である。そして、この半周期が、上述した時間差Δt1と等しければ、電気ノイズの波形の一部は、光学ノイズにより相殺される。
For the periods to overlap in this way, the optical noise needs to occur later than the electrical noise, for example, by half a period of the resonant circuit output. One period of the resonant circuit output is the reciprocal of the resonant frequency f0 of the
すなわち、共振周波数f0と時間差Δt1とに以下の式(2)が成り立つ場合、電気ノイズの波形の一部は、光学ノイズにより相殺される。 In other words, when the following equation (2) holds for the resonant frequency f0 and the time difference Δt1, part of the electrical noise waveform is offset by the optical noise.
ところで、上述した式(1)に示す、時間差Δt1に含まれる往復時間Δt2は、測定光が上述した距離L1と、距離L2とを合計した距離を進むのに要する時間である。つまり、光の速度(光速)をcとすると、この往復時間Δt2は、以下の式(3)で表される。 The round trip time Δt2 included in the time difference Δt1 shown in the above formula (1) is the time required for the measurement light to travel the total distance of the above-mentioned distance L1 and distance L2. In other words, if the speed of light is c, this round trip time Δt2 is expressed by the following formula (3).
この測距装置1では、上述した式(1)、式(2)、及び式(3)がいずれも成り立つように、距離L1、距離L2、及び共振周波数f0が予め定められている。つまり、この測距装置1は、出射部12から窓100までの距離L1と、窓100から受光部13までの距離L2との合計が、共振回路150の共振周波数f0に応じた時間に測定光が伝播する距離になるように、予め、窓100、出射部12、及び受光部13の配置が設計されている。
In this
ここで「共振周波数f0に応じた時間」とは、上述した式(1)、及び式(2)を満たす往復時間Δt2である。式(2)を満たす時間差Δt1は、共振周波数f0を定める共振回路150の半周期である。そして、式(1)を満たす往復時間Δt2は、遅延時間Δt3と合計することによって時間差Δt1となる時間である。つまり、この往復時間Δt2は、共振回路150の半周期である時間差Δt1から遅延時間Δt3を減じることにより算出される。
Here, "the time according to the resonant frequency f0" refers to the round trip time Δt2 that satisfies the above-mentioned formula (1) and formula (2). The time difference Δt1 that satisfies formula (2) is a half period of the
すなわち、この「共振周波数f0に応じた時間」は、共振回路の半周期から受光部における電流信号から電圧信号への変換に要する時間を減じた時間の例である。 In other words, this "time according to the resonant frequency f0" is an example of the time obtained by subtracting the time required for the current signal in the light receiving unit to be converted into a voltage signal from the half period of the resonant circuit.
そして、この測距装置1は、測定光の光路のうち出射部から光透過部材まで、及び光透過部材から受光部までの距離の合計が、共振回路の共振周波数に応じた時間に光が伝播する距離になる位置に光透過部材が配置されている測距装置の例である。
This
このように設計されているため、この測距装置1において、電気ノイズから変換された正弦波のうち、瞬時値が負になる期間の信号の少なくとも一部は、光学ノイズから変換された正弦波のうち、瞬時値が正になる期間の信号によって相殺される。
Because of this design, in this
つまり、この測距装置1が有する窓100は、測定光の出射時に生じる電気ノイズと測定光の光透過部材における反射光との各々に応じた共振回路の出力信号が相殺される位置に配置されている光透過部材の例である。
In other words, the
図6は、閾値を超えないように相殺されたノイズの例を示す図である。図4(d)に示した電気ノイズ、及び図4(e)に示した光学ノイズの電流電圧変換器132における各出力を単純に合成するだけだと、合成された信号は、図6(a)に示す受信信号の波形になる。これでは、電気ノイズを光学ノイズが相殺していないため、ノイズが測距を阻害する場合がある。
Figure 6 is a diagram showing an example of noise that has been offset so as not to exceed a threshold. If the outputs of the current-to-
一方、電気ノイズ及び光学ノイズの上述した共振回路150の出力は、それぞれ図6(b)に破線で示す形状となっている。そして、これらを重ね合わせると、図6(b)に実線で示す通り、電気ノイズに由来する共振回路150の出力信号は、瞬時値が負になる期間において光学ノイズにより相殺される。
On the other hand, the outputs of the above-mentioned
測距装置1の算出部15は、コンパレータ151に負の閾値を設定している。算出部15の時間情報生成器152は、この閾値未満の信号がコンパレータ151により検出されたときに対象物までの距離を算出する。上述した通り、電気ノイズに由来する出力信号は、光学ノイズに由来する出力信号との重ね合わせにより、瞬時値が負になる期間において相殺されるので、図6(b)に示す通り、設定された負の閾値を下回って検出されない。これにより、測距装置1は、対象物までの距離を測定する際に、電気ノイズ及び光学ノイズの影響を受け難くなる。
The
なお、測距装置1の窓100から対象物までの距離Lとすると、この距離Lは、上述した時間Δtから時間差Δt1を減じた時間に測定光、及びその反射光がそれぞれ進む距離である。つまり、時間Δt、時間差Δt1、光速c、及び距離Lには、以下の式(4)が成り立つ。
If the distance from the
<設計例>
上述した測距装置1は、例えば以下の通り設計される。共振回路150の共振周波数f0が100MHzである場合、共振回路出力の一周期は10nsであり、半周期は5nsである。測距装置1は、この半周期が上述した時間差Δt1となるように設計される。
<Design example>
The above-mentioned
遅延時間Δt3は、回路、基板の構成からある程度の予測はできるが、回路、基板を構成する部品の個体差が大きいため実測が必要である。この遅延時間Δt3が、実測により、例えば4nsであることがわかった場合、上述した往復時間Δt2は、式(1)を満たすので、1nsである。 The delay time Δt3 can be predicted to some extent from the configuration of the circuit and board, but actual measurement is necessary due to large individual differences in the components that make up the circuit and board. If this delay time Δt3 is found to be, for example, 4 ns through actual measurement, the round trip time Δt2 described above is 1 ns because it satisfies formula (1).
この往復時間Δt2で、測定光及びその反射光が距離L1及び距離L2の合計距離を進むので、光速cを約3×108m/sとするとこの合計距離は約0.3mである。つまり、測距装置1において窓100は、出射部12までの距離L1と受光部13までの距離L2との合計距離が約30センチメートルになるように設けられる。
Since the measurement light and its reflected light travel the total distance of distance L1 and distance L2 in this round trip time Δt2, if the speed of light c is about 3× 10 m/s, this total distance is about 0.3 m. In other words, in
このように設計されることにより、測距装置1は、出射部12に生じた電気ノイズを窓100における反射光により生じる光学ノイズによって相殺するので、ノイズによる測距の阻害が起こり難い。
By designing it in this way, the
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ及び配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 The configuration, shape, size, and layout relationship described in the above embodiments are merely shown in a schematic manner to enable the present invention to be understood and implemented. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the technical ideas set forth in the claims.
<変形例>
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例は組み合わされてもよい。
<Modification>
The above is a description of the embodiment, but the contents of this embodiment may be modified as follows. In addition, the following modifications may be combined.
<1>
上述した実施形態において、測距装置1は、出射部12から窓100までの距離L1と、窓100から受光部13までの距離L2との合計が、共振回路150の共振周波数f0に応じた時間に測定光が伝播する距離になるように、予め、窓100、出射部12、及び受光部13の配置が設計されていた。しかし、遅延時間Δt3は、例えば電流電圧変換器132を構成する部品の個体差が大きいため実測が必要であり、距離L1と距離L2との合計距離として理想的な距離は、実際の遅延時間Δt3によって設計段階から変化することがある。そこで、距離L1、及び距離L2の少なくとも一方を変更できるように、窓100、出射部12、及び受光部13のいずれかは、光路に沿って位置を調整できるように構成されてもよい。
<1>
In the above-described embodiment, the arrangement of the
図7は、配置が調整可能に構成された受光部13の例を示す図である。図7に示す受光部13は、集光レンズ130を固定する円筒状のプラグであり、連結部133を有する。この連結部133にはネジが設けられている。
Figure 7 is a diagram showing an example of a
一方、図7に示す筐体10には、ソケット101、及び固定部102を有する。ソケット101は、図7に破線で示す矢印方向に受光部13が挿し込まれる穴であり、連結部133に設けられたネジに嵌合するネジが設けられている。固定部102は、矢印方向に挿し込まれた受光部13の位置を固定する部材であり、例えば、いわゆるイモネジと呼ばれるネジである。固定部102は、例えば、上述した破線で示す矢印方向に交差する方向にねじ込まれ、連結部133を押し付けることにより受光部13を筐体10において調整された位置に固定する。
On the other hand, the
図8は、固定部102によって光路上の位置が固定された受光部13の例を示す図である。受光部13は、固定部102に連結部133を押し付けられることにより、ソケット101における位置が固定される。
Figure 8 is a diagram showing an example of a
測距装置1のユーザは、実際の遅延時間Δt3を測定によって知ると、これに応じてソケット101に受光部13を挿し込む深さを決める。そして、ユーザは、固定部102を回して、決められた深さまでソケット101に挿し込まれた受光部13を、側面から押し付けることにより、ソケット101における受光部13の位置を固定する。これにより、距離L2は、遅延時間Δt3の実測値に応じて調整される。
When the user of the
この場合、連結部133、ソケット101、及び固定部102は、測定光の光路上の受光部と光透過部材との距離が変化するように受光部の位置を調整する機構の例である。 In this case, the connecting portion 133, the socket 101, and the fixing portion 102 are examples of a mechanism that adjusts the position of the light receiving portion so that the distance between the light receiving portion and the light transmitting member on the optical path of the measurement light changes.
そして、この測距装置1は、測定光の光路上の受光部と光透過部材との距離が変化するように受光部の位置を調整する機構を有する測距装置の例である。
<2>
上述した変形例において、測距装置1の受光部13は、光路上の位置を調整可能な機構を有していたが、この機構は、出射部12に設けられてもよい。この場合、この測距装置1は、測定光の光路上の出射部と光透過部材との距離が変化するように出射部の位置を調整する機構を有する測距装置の例である。
This
<2>
In the above-described modified example, the
また、この機構は、窓100に設けられてもよい。この場合、この測距装置1は、測定光の光路上の出射部及び受光部と光透過部材との距離が変化するように光透過部材の位置を調整する機構を有する測距装置の例である。
This mechanism may also be provided in the
<3>
上述した実施形態において、共振回路150は、予め定められた共振周波数f0に応じて入力信号をフィルタリングしていたが、共振周波数f0を変更することができる機構を有してもよい。共振回路150は、例えば、可変抵抗や可変コンデンサ等を用いて、共振周波数f0を変更すればよい。この場合、この共振回路150は、共振周波数が可変である共振回路の例である。これにより、測距装置1は、実測された遅延時間Δt3に応じて距離L1及び距離L2のいずれかを調整しなくても、共振周波数f0を変更することで、ノイズを相殺することができる。
<3>
In the above-described embodiment, the
1…測距装置、10…筐体、100…窓、101…ソケット、102…固定部、11…制御部、11B…制御基板、12…出射部、120…コリメータレンズ、121…ドライバ、122…発光素子、123…検出器、12B…出射基板、13…受光部、130…集光レンズ、131…受光素子、132…電流電圧変換器、133…連結部、13B…受光基板、14…光量測定部、141…積分器、142…ピークホールド回路、143…A/D変換器、15…算出部、150…共振回路、151…コンパレータ、152…時間情報生成器、16…光学系、161…第1ミラー、162…第2ミラー、163…第3ミラー。 1... distance measuring device, 10... housing, 100... window, 101... socket, 102... fixed part, 11... control part, 11B... control board, 12... emission part, 120... collimator lens, 121... driver, 122... light emitting element, 123... detector, 12B... emission board, 13... light receiving part, 130... condenser lens, 131... light receiving element, 132... current-voltage converter, 133... connection part, 13B... light receiving board, 14... light quantity measuring part, 141... integrator, 142... peak hold circuit, 143... A/D converter, 15... calculation part, 150... resonance circuit, 151... comparator, 152... time information generator, 16... optical system, 161... first mirror, 162... second mirror, 163... third mirror.
Claims (7)
測定光の光路上に配置された光透過部材と、前記受光部の出力信号が入力される共振回路と、を備え、
前記光透過部材は、測定光の出射時に生じる電気ノイズと該測定光の前記光透過部材における反射光との各々に応じた前記共振回路の出力信号が相殺される位置に配置されている
測距装置。 A distance measuring device that measures a distance to an object based on a propagation time of measurement light that is emitted from an emission unit, reflected by the object, and received by a light receiving unit, comprising:
a light transmitting member disposed on an optical path of the measurement light; and a resonant circuit to which an output signal of the light receiving unit is input,
the light transmitting member is disposed at a position where output signals of the resonant circuit corresponding to electrical noise generated when measurement light is emitted and reflected light of the measurement light at the light transmitting member are cancelled out.
請求項1に記載の測距装置。 2. The distance measuring device according to claim 1, wherein the light-transmitting member is positioned at a position on the optical path of the measurement light such that the sum of the distance from the emission portion to the light-transmitting member and the distance from the light-transmitting member to the light-receiving portion is a distance that the light propagates in a time period corresponding to the resonant frequency of the resonant circuit.
請求項2に記載の測距装置。 3. The distance measuring device according to claim 2, wherein the time according to the resonant frequency is a half period of the resonant circuit minus a time required for conversion from a current signal to a voltage signal in the light receiving section.
請求項1から3のいずれか1項に記載の測距装置。 The distance measuring device according to claim 1 , further comprising a mechanism for adjusting a position of the emission part so that a distance between the emission part and the light transmitting member on an optical path of the measurement light changes.
請求項1から4のいずれか1項に記載の測距装置。 The distance measuring device according to claim 1 , further comprising a mechanism for adjusting a position of the light receiving unit so that a distance between the light receiving unit and the light transmitting member on an optical path of the measurement light changes.
請求項1から5のいずれか1項に記載の測距装置。 The distance measuring device according to claim 1 , further comprising a mechanism for adjusting a position of the light transmitting member so that a distance between the light transmitting member and the light emitting unit and the light receiving unit on an optical path of the measurement light changes.
請求項1から6のいずれか1項に記載の測距装置。 The distance measuring device according to claim 1 , wherein the resonant circuit has a variable resonant frequency.
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