JP2003139857A

JP2003139857A - レーザ測距装置

Info

Publication number: JP2003139857A
Application number: JP2001336222A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ito; 達哉伊藤
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物へのパルス状レーザ光の発射から反射波
の検出までの時間測定を、比較的低周期のクロックを使
用して高精度の距離測定を可能にするレーザ測距装置を
提供すること。【解決手段】測距対象物０からの反射信号がピークレベ
ルとなる時点から測距カウンタ１１に入力されるその直
後のクロック信号の立上り時点までの時間をアナログ的
に計測し、測距カウンタ１１のカウント結果を上位レジ
スタ１２に入力し、アナログ計測の結果をＡ／Ｄ変換器
１３でデジタル変換して下位レジスタ１４に入力し、こ
れら両レジスタ１２、１４の出力を組み合わせて高測距
精度を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ測距装置に関
し、特にパルス状のレーザ光を測距対象物に対して照射
した時間と、反射による対象物からの受光信号を検知し
た時間との時間差をタイマ（カウンタ）を使用して検出
することにより対象物までの距離を測定するレーザ測距
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザを測距又は被測定対象物又は目標
物（以下、単に対象物という）に照射し、反射波を検出
して対象物までの距離を正確に測定するレーザ測距装置
は、測量装置等に使用されている。一般的なレーザ測距
装置は、レーザ光を対象物に照射し、反射波を検出し、
レーザ光の発射から反射波の受信までの時間差をタイ
マ、即ち一定周期のクロックを計数するカウンタの計数
値により求める。空気中又は水中におけるレーザ光の伝
播速度は既知であるので、この伝播速度と時間差により
距離を求めることが可能である。レーザ光の発射から反
射波の受信までの時間差をタイマにより測定すると、反
射波はクロックと非同期であるため、最大１クロック分
の測定誤差を生じる。そこで、高精度の測定には、クロ
ック周波数を高くする必要がある。

【０００３】斯かる課題を解決するための従来技術は、
例えば実開平５−２８９８３号公報の「レーザ測距装
置」等に開示されている。図4は、上述した従来のレー
ザ測距装置の構成を示すブロック図である。このレーザ
測距装置１００は、レーザ発振器１０１、受光素子１０
６、増幅部１０８、コンパレータ１１０、基準時間（ク
ロック）発生部１１２、カウンタ１１４、積分器１１
７、サンプルホールド器１１９、Ａ／Ｄ（アナログ・デ
ジタル）変換器１２１および演算部１２３により構成さ
れる。

【０００４】図５は、図４に示すレーザ測距装置１００
の動作を説明するタイミングチャートである。図５にお
いて、（ａ）はレーザ発振器１０１からのスタート信号
１０３、（ｂ）はコンパレータ１１０からのストップ信
号１１１、（ｃ）は基準時間発生部１１２からのクロッ
ク信号１１３、（ｄ）はカウンタ１１４のカウント（計
数）値１１５および（ｅ）は積分器１１７が出力する積
分信号１１８である。

【０００５】動作を説明すると、レーザ発振器１０１が
出力するレーザ光１０２を対象物１０４に向けて照射す
る。対象物１０４からの反射光１０５は、受光素子１０
６で受光１０７された後、増幅部１０８で増幅されて受
信信号１０９となり、コンパレータ１１０によりストッ
プ信号１１１（図５（ｂ）参照）を得る。このストップ
信号１１１は、カウンタ１１４と積分器１１７との両方
に入力される。積分器１１７の積分信号１１８（図５
（ｅ）参照）は、ストップ信号１１１が発生したときか
ら上昇し始め、ストップ信号１１１が発生した次のクロ
ック信号１１３（図５（ｃ）参照）で、サンプルホール
ド器１１９によりサンプルホールドされる。このホール
ド電圧１２０は、Ａ／Ｄ変換器１２１でデジタル値のス
トップ信号強度１２２となって演算部１２３に入力され
る。演算部１２３は、上述のカウンタ１１４のカウント
値１１５（図５（ｄ）参照）を、ストップ信号強度１２
２と積分器１１７の時間対電圧の関数を使用して補正す
ることによって、従来装置で生じていた測距値の量子化
誤差を軽減している。

【０００６】即ち、レーザ測距のために求めたい時間
は、レーザ発振器１０１からのレーザ光１０２が発射さ
れたスタート信号１０３（図５（ａ）参照）の立ち上が
り時点ｔ0からコンパレータ１１０が出力するストップ
信号１１１（図５（ｂ）参照）の立ち上がり時点ｔ1ま
での時間差（ｔ0−ｔ1）である。しかし、図５（ｄ）に
示す如く、カウンタ１１４により測定されるカウント値
１１５は、レーザ光１０２の発生に対応するクロックＣ
0の時点ｔ0からストップ信号１１１が発生する直後のク
ロックＣｎの時点ｔ2までの時間（ｔ0−ｔ2）である。
そこで、図５（ｅ）に示す如く、時間（ｔ1−ｔ2）を積
分器１１７から出力される一定傾斜の傾斜電圧である積
分信号１１８のサンプルホールド電圧１２０をＡ／Ｄ変
換器１２１でデジタル変換して求め、上述した時間（ｔ
0−ｔ2）からこの時間（ｔ1−ｔ2）を演算部１２３で差
し引いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の如き従来のレー
ザ測距装置は幾つかの課題を有する。第１に、ストップ
信号１１１は、受光素子１０６で受信した対象物１０４
からの反射波１０５を増幅部１０８で増幅した受信信号
１０９をコンパレータ１１０でしきい値と比較して出力
である。しかし、反射波（又は受信信号）の幅を考慮し
ていない。即ち、実際の反射波は幅を有し、この幅は対
象物からの距離により変化する。高精度測定には、この
受信信号の中心値に基づいて時間測定する必要がある。

【０００８】第２に、カウンタ１４４のカウント値１１
５とＡ／Ｄ変換器１２１の出力であるストップ信号強度
１２２の減算を行う演算部１２３が必須である。斯かる
演算部１２３は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）等
を含むマイコンであって、比較的高価である。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、従来技術の上述した課題に鑑
みなされたものであり、比較的低速のクロックを使用し
て低消費電力化を図ると共に、高精度で距離測定を可能
にするレーザ測距装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ測距装置
は、パルス状のレーザ光を対象物に照射し、この対象物
から反射された受信信号を検知し、レーザ光の照射から
受信信号の受信までの時間差を、カウンタでクロック信
号をカウントすることにより求めて、対象物までの距離
を測定する装置であって、カウンタのカウント値が入力
される上位レジスタと、受信信号の受信からこの受信直
後のクロック信号までのアナログ時間測定のデジタル変
換値が入力される下位レジスタとを備えることを特徴と
する。本発明の好適実施形態によると、アナログ時間測
定は、受信信号のピークをホールドするピークホールド
回路、このピークホールド回路の出力を積分するアナロ
グ積分器および受信信号をしきい値と比較するコンパレ
ータを含んでいる。積分器は、受信信号がピークレベル
になった時点から積分を開始する。上位レジスタのデー
タから「１」を差し引き、下位レジスタのデータを反転
して「１」を加えた値を測距データとする。

【００１１】また、本発明のレーザ測距装置は、一定周
期のクロック信号を発生するクロックジェネレータと、
クロック信号をカウントする測距カウンタと、クロック
信号を受け測距カウンタのクリア信号およびスタート信
号を発生するパルス発生部と、このパルス発生部の出力
に基づいて対象物へ照射するレーザ光を発生するレーザ
光発生部と、対象物からの反射波を検出して電気信号に
変換する検知器と、この検知器からの電気信号を増幅し
て受信信号を出力するアンプと、受信信号をしきい値と
比較するコンパレータと、受信信号のピークレベルを検
出するピークホールド回路と、このピークホールド回路
の出力を積分するアナログ積分器と、このアナログ積分
器の出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、測距カウ
ンタの出力を一時的に記憶する上位レジスタと、Ａ／Ｄ
変換器の出力を一時的に記憶する下位レジスタとを備え
る。本発明の好適実施形態によると、ピークホールド回
路は、クロックジェネレータからのクロック信号により
動作する。Ａ／Ｄ変換器は、ピークホールド回路の出力
を、クロック信号の１周期分積分すると、全てのビット
が「１」となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるレーザ測距装
置の好適実施形態の構成および動作を、添付図面を参照
して詳細に説明する。

【００１３】先ず、図１は、本発明によるレーザ測距装
置の好適実施形態の全体構成を示すブロック図である。
このレーザ測距装置２０は、クロックジェネレータ（ク
ロック発生部）１、パルス発生部２、レーザ光発生部
３、送光光学系４、受光光学系５、検知器６、アンプ
（増幅部）７、コンパレータ（比較部）８、ピークホー
ルド回路９、アナログ積分器１０、測距カウンタ１１、
上位レジスタ１２、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換
器１３および下位レジスタ１４により構成される。

【００１４】図１のレーザ測距装置２０において、クロ
ックジェネレータ１は、対象物０に対して照射するパル
ス状のレーザ光の発生および照射した時刻から受光信号
の受信時点までの時間を測定するクロック信号を発生す
る。パルス発生部２は、クロックジェネレータ１からの
クロック信号に基づきレーザ光発生部３からパルス状の
レーザ光発生に必要な制御パルス信号を発生する。ま
た、パルス発生部２は、後述する如く、測距カウンタ１
１にカウンタクリア信号およびスタート信号を送出す
る。レーザ光発生部３により発生したパルス状のレーザ
光は、送光光学系４を介して対象物０に照射される。対
象物０により反射された信号は、受光光学系５を通過し
た後に、検知器６に入射する。検知器６は、受信した光
信号を電気信号に変換し、アンプ７はこれを増幅する。

【００１５】次に、図２は、検知器６による受光パルス
のピークレベルとしきい値の関係を示す。横軸は時間を
表し、縦軸は受光パルスレベルを表す。このレーザ測距
装置２０と対象物０との距離が近い場合には、特性曲線
ａに示す如く、受光パルスのピークレベルは高く、波形
は急峻となる（即ち、受光パルス幅は狭い）。一方、対
象物０までの距離が遠い場合には、受光パルスのピーク
レベルは、低く、波形の立上りおよび立ち下がりは緩や
かになる（即ち、受光パルス幅は広い）。対象物０から
の反射信号であるか否かは、予め設定されるしきい値ｃ
と受光レベル（又は受信信号の振幅）を比較することに
より判定される。

【００１６】アンプ７により増幅された信号は、コンパ
レータ８およびピークホールド回路９に入力される。コ
ンパレータ８は、予め設定された受信判定しきい値（図
２のｃ参照）と入力信号のレベルを比較する。入力信号
がしきい値以上であれば、受信信号と判定し、その判定
結果をアナログ積分器１０に通知する。一方、入力信号
がしきい値以下のとき、ノイズと判定する。測距カウン
タ１１には、レーザ光発生前にパルス発生部２からカウ
ンタクリア信号が入力され、測距カウンタ１１のデータ
がクリアされる。

【００１７】測距カウンタ１１は、レーザ光発生部３に
制御信号を送出した時点にパルス発生部２が出力するス
タート信号から、ピークホールド回路９が受信信号のピ
ークレベルを検出した直後にクロック信号が入力される
までの時間をカウント（計数）し、そのカウント結果を
上位レジスタ１２に一時的に記憶させる。アナログ積分
器１０は、受光パルスがピークレベルに達した時点から
一定電圧レベルの電圧値を持つピークホールド信号の積
分を開始し、直後のクロック信号の立上りで積分を終了
する。この電圧レベルは、積分区間がクロック１周期の
場合には、下位レジスタ１４の各ビットの値が全て
「１」となるように調整されている。積分結果は、Ａ／
Ｄ変換器１３によりアナログ・デジタル変換され、その
結果は下位レジスタ１４に一時的に記憶される。

【００１８】次に、図３は、図１に示すレーザ測距装置
２０のタイミングチャートである。図３中において、
（ａ）は、レーザ送信パルスおよび受光パルスを示す。
（ｂ）は、クロック信号を示す。（ｃ）は、ピークホー
ルド回路９のピークホールド信号を示す。（ｄ）は、パ
ルス発生部２が測距カウンタ１１に入力するスタート信
号を示す。

【００１９】距離を測定する対象となるのは、レーザ光
発生部３からレーザ光が発射される時点から受光パルス
レベルのピーク値まで（図３中の時点ｔ0〜ｔ2）であ
り、これは測距カウンタ１１の値から、アナログ時間測
定部でアナログ積分された値の分を補正、即ち差し引く
ことにより得ることができる。本発明のレーザ測距装置
２０は、上位レジスタ１２のデータから「１」を差し引
き、下位レジスタ１４のデータを反転し「１」を加えた
値を測距離データとする。

【００２０】次に、図1に示す本発明によるレーザ測距
装置２０の好適実施形態の具体例について説明する。測
距カウンタ１１のデータを１６ビットおよび測距データ
を２０ビットとする場合のレーザ測距装置の具体例を説
明する。クロックジェネレータ１は、対象物０に対する
パルスレーザ光の発生および照射した時点（図3中の時
点ｔ0）から受光信号の受信時点（図3中の時点ｔ2）ま
での時間を測定するクロック信号を発生する。パルス発
生部２は、クロックジェネレータ１からのクロック信号
に基づきレーザ光発生部３のレーザ発生に必要な制御パ
ルス信号を発生すると同時に、後述する測距カウンタ１
１にカウンタクリア信号およびスタート信号（図３
（ｄ）参照）を送出する。レーザ光発生部３により発生
した送信パルスレーザ（図３（ａ）中の左側に示す）
は、送光光学系４を介して対象物０に照射される。対象
物０により反射した信号は、受光光学系５を通過した後
に、検知器６に入射する。検知器６は、受信した光信号
を電気信号に変換し、アンプ７はこれを増幅する。アン
プ７で増幅された受信信号は、コンパレータ８およびピ
ークホールド回路９に入力される。

【００２１】コンパレータ８は、予め設定された受信判
定しきい値と入力信号のレベルを比較する。入力信号が
しきい値以上ならば、受信信号と判定し、その判定結果
をアナログ積分器１０に通知する。測距カウンタ１１に
は、パルス発生部２によりレーザ光発生前にカウンタク
リア信号が入力され、カウンタデータがクリアされる。
測距カウンタ１１は、レーザ光発生部３に制御信号を送
出した時点にパルス発生部２から出力されるスタート信
号（図３（ｄ）参照）から、ピークホールド回路９が受
信信号のピークレベルを検出した直後にクロック信号が
入力されるまでの時間（図３中の時点ｔ3）をカウント
し、その結果を上位レジスタ１２に一時的に記憶させ
る。

【００２２】アナログ時間測定部を構成するアナログ積
分器１０は、受光パルスがピークレベルに達した時刻か
ら一定電圧レベルの電圧値を持つピークホールド信号
（図３（ｃ）参照）の積分を開始し、直後のクロック信
号の立上り時点（図３中、時点ｔ3）で積分を終了す
る。この電圧レベルは、アナログ積分器１０によるクロ
ック１周期分の積分結果を4ビットのＡ／Ｄ変換器１３
が「Ｆ［ＨＥＸ］」とエンコードするように予め調整さ
れており、その結果は下位レジスタ１４に一時的に記憶
される。このレーザ測距装置２０は、上位レジスタ１２
のデータから「１」を差し引き、下位レジスタ１４のデ
ータを反転し「１」を加えた値を測距データとする。

【００２３】例えば、測距カウンタ１１から上位レジス
タ１２が受け取った１６ビットデータを「０ＡＡＡ［Ｈ
ＥＸ］」、Ａ／Ｄ変換器１３から下位レジスタ１４が受
け取った４ビットデータを「Ａ［ＨＥＸ］」とする。こ
れは、測距カウンタ１１が、受光パルスのピーク値とな
る時点からクロック１周期の１０／１６の時間を経過し
た時点でカウントを終了したことを意味する。この場合
には、上位レジスタ１２から「１」を差し引いた「０Ａ
Ａ９」および下位レジスタ１４の反転データ「５［ＨＥ
Ｘ］」に「１」を加えた「６［ＨＥＸ］」を付け足した
「０ＡＡ９６」が測距データとなる。

【００２４】以上、本発明によるレーザ測距装置の好適
実施形態の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる
実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明
を限定するものではない。本発明の要旨を逸脱すること
なく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であるこ
と、当業者には容易に理解できよう。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、本発明
のレーザ測距装置によると、次の如き実用上の顕著な効
果が得られる。第１に、比較的低速のクロック信号を使
用するにも拘らず高精度の測距が可能である。その理由
は、測距カウンタの出力を上位レジスタに入力し、受光
信号のピークレベルから直後のクロック信号の立上りま
での時間アナログ積分を行い、デジタル変換して下位レ
ジスタに入力し、これら上位および下位レジスタの出力
を合成して測距データとするためである。

【００２６】第２に、低速のクロック信号を使用するこ
とにより低消費電力にすると共に、例えば測距カウンタ
のデータを１６ビット、Ａ／Ｄ変換器を４ビットとし
て、それぞれ上位レジスタおよび下位レジスタに入力し
て、合計２０ビットの高精度測距データが得られる。

【００２７】第３に、受信信号の形状（幅）に関係なく
高精度の測距データが得られる。その理由は、ピークホ
ールド回路を使用して、受信信号のピークを検出して測
距データを得るからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ測距装置の好適実施形態の
構成を示すブロック図である。

【図２】受光パルスのピークレベルとしきい値との関係
を示す図である。

【図３】本発明のレーザ測距装置の動作を説明するタイ
ミングチャートである。

【図４】従来のレーザ測距装置の構成を示すブロック図
である。

【図５】図４のレーザ測距装置の動作を説明するタイミ
ングチャートである。

【符号の説明】

０測距対象物１クロックジェネレータ２パルス発生部３レーザ光発生部４送光光学系５受光光学系６検知器７アンプ８コンパレータ９ピークホールド回路１０アナログ積分器１１測距カウンタ１２上位レジスタ１３Ａ／Ｄ変換器１４下位レジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス状のレーザ光を対象物に照射し、該
対象物から反射された受信信号を検知し、前記レーザ光
の照射から前記受信信号の受信までの時間差を、カウン
タでクロック信号をカウントして求めて前記対象物まで
の距離を測定するレーザ測距装置において、前記カウンタのカウント値が入力される上位レジスタ
と、前記受信信号の受信から該受信直後の前記クロック
信号までのアナログ時間測定のデジタル変換値が入力さ
れる下位レジスタとを備えることを特徴とするレーザ測
距装置。
【請求項２】前記アナログ時間測定は、前記受信信号の
ピークホールドするピークホールド回路、該ピークホー
ルド回路の出力を積分するアナログ積分器および前記受
信信号をしきい値と比較するコンパレータを含むことを
特徴とする請求項１に記載のレーザ測距装置。
【請求項３】前記積分器は、前記受信信号がピークレベ
ルになった時点から積分を開始することを特徴とする請
求項２に記載のレーザ測距装置。
【請求項４】前記上位レジスタのデータから「１」を差
し引き、前記下位レジスタのデータを反転し「１」を加
えた値を測距データとすることを特徴とする請求項１、
２又は３に記載のレーザ測距装置。
【請求項５】一定周期のクロック信号を発生するクロッ
クジェネレータと、前記クロック信号をカウントする測
距カウンタと、前記クロック信号を受け前記測距カウン
タのクリア信号およびスタート信号を発生するパルス発
生器と、該パルス発生器の出力に基づいて対象物へ照射
するレーザ光を発生するレーザ光発生部と、前記対象物
からの反射波を検出して電気信号に変換する検知器と、
該検知器からの電気信号を増幅して受信信号を出力する
アンプと、前記受信信号をしきい値と比較するコンパレ
ータと、前記受信信号のピークレベルを検出するピーク
ホールド回路と、該ピークホールド回路の出力を積分す
るアナログ積分器と、該アナログ積分器の出力をデジタ
ル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記測距カウンタの出力を
一時的に記憶する上位レジスタと、前記Ａ／Ｄカウンタ
の出力を一時的に記憶する下位レジスタとを備えること
を特徴とするレーザ測距装置。
【請求項６】前記ピークホールド回路は、前記クロック
ジェネレータからのクロック信号により動作することを
特徴とする請求項５に記載のレーザ測距装置。
【請求項７】前記Ａ／Ｄ変換器は、前記ピークホールド
回路の出力を、前記クロック信号の１周期間積分すると
全ビットが「１」となることを特徴とする請求項５又は
６に記載のレーザ測距装置。