特許 5748938 距離測定方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5748938

(24)【登録日】2015年5月22日

(45)【発行日】2015年7月15日

(54)【発明の名称】距離測定方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/10 20060101AFI20150625BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/10

【請求項の数】13

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2008-222274(P2008-222274)

(22)【出願日】2008年8月29日

(65)【公開番号】特開2009-63573(P2009-63573A)

(43)【公開日】2009年3月26日

【審査請求日】2011年8月18日

(31)【優先権主張番号】10-2007-0091192

(32)【優先日】2007年9月7日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(72)【発明者】

【氏名】姜 柄 敏

(72)【発明者】

【氏名】李 基 彰

【審査官】 中村 説志

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４９−０１１２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−００３４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０２１８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７６０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０７３２８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／５１

Ｇ０１Ｓ１３／００−１３／９５

Ｇ０１Ｓ１７／００−１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第２パルスの上昇時点で対象物体に第１パルスが照射された時から、前記照射された第１パルスが受信されるまでの第２パルスの数ｎをカウントするステップと、
前記第１パルスが受信された時から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数ｎ_ｓをカウントするステップと、
前記カウントされた前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓを利用して前記対象物体との距離を計算するステップと、を含み、
前記第１パルスは一定の周波数を持つ光パルスであり、
前記第２パルスは一定の周波数を持つクロックパルスであり、
前記重畳するとは、前記第１パルスの上昇時点と前記第２パルスの上昇時点とが一致することであり、
前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓは、一つのカウンタによってカウントされる、
ことを特徴とする距離測定方法。

【請求項2】

前記照射された第１パルスを受信するピクセルに蓄積された電荷量が最大である時に、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとは、前記重畳したものと判断し、
電荷は、クロックパルスがＨｉｇｈである場合にピクセルに蓄積される、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。

【請求項3】

前記第１パルスの周波数と前記第２パルスの周波数とは非整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定方法。

【請求項4】

前記対象物体との距離を計算するステップは、
前記カウントされた前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓを利用して前記第１パルスの往復時間を計算するステップと、
前記計算された往復時間及び前記第１パルスの移動速度を利用して前記対象物体との距離を計算するステップと、を含み、
前記往復時間を計算するステップは、
前記第１パルスが照射された時点から、前記照射された第１パルスが受信された時点までカウントされた第２パルスの数ｎを利用して、前記対象物体との巨視的時間Ｍを計算するステップと、
前記第１パルスが受信された時点から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでカウントされた前記第２パルスの数ｎ_ｓを利用して、前記対象物体との微視的時間Ｒを計算するステップと、
前記計算された前記巨視的時間Ｍと前記計算された前記微視的時間Ｒとを加算することによって前記往復時間を計算するステップと、を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の距離測定方法。

【請求項5】

前記第１パルスの周期Ｓ、前記第２パルスの周期Ｌ、前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓにより、前記巨視的時間Ｍは ｎ×Ｓ として、前記微視的時間Ｒは ｎ_ｓ×Ｓ−（ｎ_ｓ−１）×Ｌ として前記計算されることを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。

【請求項6】

前記巨視的時間Ｍおよび前記微視的時間Ｒに係る前記計算は、前記第１パルスが受信された時から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数が、均等目盛りの数の半分である半分値より大きい場合と、大きくない場合によって、前記巨視的時間と前記微視的時間を計算するのが第１距離計算部であるか第２距離計算部であるか異なり、
前記均等目盛りの数は、前記第１パルスの周波数と同一の数値である、
ことを特徴とする請求項４に記載の距離測定方法。

【請求項7】

請求項１に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。

【請求項8】

第２パルスの上昇時点で対象物体に第１パルスが照射された時から、前記照射された第１パルスが受信された時までの第２パルスの数ｎをカウントする第１カウンタ部と、
前記第１パルスが受信された時から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数ｎ_ｓをカウントする第２カウンタ部と、
前記カウントされた前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓを利用して前記対象物体との距離を計算する距離計算部と、を備え、
前記第１パルスは一定の周波数を持つ光パルスであり、
前記第２パルスは一定の周波数を持つクロックパルスであり、
前記重畳するとは、前記第１パルスの上昇時点と前記第２パルスの上昇時点とが一致することであり、
前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓは、一つのカウンタによってカウントされる、
ことを特徴とする距離測定装置。

【請求項9】

前記照射された第１パルスを受信するピクセルに蓄積された電荷量が最大である時に、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとは、前記重畳したものと判断し、
電荷は、クロックパルスがＨｉｇｈである場合にピクセルに蓄積される、
ことを特徴請求項８に記載の距離測定装置。

【請求項10】

前記第１パルスの周波数と前記第２パルスの周波数とは非整数倍であることを特徴とする請求項８または９に記載の距離測定装置。

【請求項11】

前記距離計算部は、
前記第１パルスを照射された時点から、前記照射された第１パルスが受信された時点までカウントされた前記第２パルスの数ｎを利用して、前記対象物体との巨視的時間Ｍを計算する巨視的時間計算モジュールと、
前記第１パルスが受信された時点から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでカウントされた前記第２パルスの数ｎ_ｓを利用して、前記対象物体との微視的時間Ｒを計算する微視的時間計算モジュールと、
前記計算された巨視的時間と前記計算された微視的時間とを利用して、前記対象物体との距離を計算する距離計算モジュールと、を備えることを特徴とする請求項８に記載の距離測定装置。

【請求項12】

前記第１パルスの周期Ｓ、前記第２パルスの周期Ｌ、前記第２パルスの数ｎおよび前記第２パルスの数ｎ_ｓにより、前記巨視的時間Ｍは ｎ×Ｓ として、前記微視的時間Ｒは ｎ_ｓ×Ｓ−（ｎ_ｓ−１）×Ｌ として前記計算されることを特徴とする請求項１１に記載の距離測定装置。

【請求項13】

前記巨視的時間Ｍおよび前記微視的時間Ｒに係る前記計算は、前記第１パルスが受信された時から、前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数が、均等目盛りの数の半分である半分値より大きい場合と、大きくない場合によって、前記巨視的時間と前記微視的時間を計算するのが第１距離計算部であるか第２距離計算部であるか異なり、
前記均等目盛りの数は、前記第１パルスの周波数と同一の数値である、
ことを特徴とする請求項１１に記載の距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は距離測定方法及び装置に係り、特に、距離を測定しようとする対象物体に光源を照射して、この対象物体に反射して戻ってきた光源の往復走行時間を利用して対象物体との距離を測定する距離測定方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に物体との距離を測定するために、距離を測定しようとする物体に光源を照射した後、この光源が物体に反射して戻ってきた光源の往復時間を測定し、この往復時間を利用して物体との距離を計算する方法が使われている。この場合、往復時間を２で割って光源の物体への到達時間を計算し、この到達時間に光源の速度、すなわち、光の速度をかけることによって物体との距離を計算できる。この時、光の速度は３×１０^８の定数であるため、物体との距離を正確に計算するためには、往復時間を正確に測定することがとても重要である。

【0003】

この時、往復時間を計算するために、非特許文献１に記載されている方法のように、照射時の光源の位相と物体に反射して戻ってきた光源の位相との差を利用できる。ところが、かかる位相差から往復時間を計算する方法は、位相差が３６０°を周期で反復されるので、その位相差が３６０°以上になる距離にある物体に対しては正確な往復時間を測定できないという問題点があった。

【0004】

これに対して、特許文献１によれば、高解像度タイミング回路（ＴＤＣ：タイム トゥ デジタル コンバータ）という往復時間測定装置を利用して光源の往復時間を測定するため、物体との距離の制約を受けない。この時、ＴＤＣは、光源この照射された時点から光源が戻ってくる時点までのパルスの数をカウントして往復時間を測定する。ところが、このようなＴＤＣが往復時間を正確に測定するためには、このパルスの長さが極めて短くなければならず、したがって、このパルスはとても高い周波数を持つべきである。例えば、距離１mmの精密度のためには数百ギガヘルツの周波数を持つパルスが使われねばならない。すなわち、この場合には距離測定の精密度を高めるためには、高い周波数のパルスを利用するＴＤＣが必要であり、高い電力が要求されるという問題点があった。

【非特許文献1】Ｒｏｂｅｒｔ Ｌａｎｇｅ ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ｓｅｉｔｓ，“Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｒａｎｇｅ Ｃａｍｅｒａ”，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３，ｐｐ．３９０−３９７，Ｍａｒｃｈ ２００１

【特許文献1】米国公開特許ＵＳ２００６−３５３２２９号明細書

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする技術的課題は、距離を測定しようとする物体との距離の制約を受けず、低い周波数を持つクロックパルスを使用しつつも高い精密度で対象物体との距離を計算可能にする距離測定方法及び装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記技術的課題を解決するための本発明による距離測定方法は、対象物体に第１パルスが照射された時から前記照射された第１パルスが受信されるまでの第２パルスの数をカウントするステップと、前記第１パルスが受信された時から前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数をカウントするステップと、前記カウントされた第２パルスの数を利用して前記対象物体との距離を計算するステップと、を含む。

【0007】

前記他の技術的課題を解決するために、本発明は、前記距離測定方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供する。

【0008】

前記技術的課題を解決するための本発明による距離測定装置は、対象物体に第１パルスが照射された時から前記照射された第１パルスが受信された時までの第２パルスの数をカウントする第１カウンタ部と、前記第１パルスが受信された時から前記受信された第１パルスと前記第２パルスとが重畳するまでの前記第２パルスの数をカウントする第２カウンタ部と、前記カウントされた第２パルスの数を利用して前記対象物体との距離を計算する距離計算部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明による距離測定方法は、光パルスが対象物体に照射された時から光パルスが受信されるまでのクロックパルスの数をカウントして、光パルスの往復時間中で巨視的時間を求める他に、光パルスの受信時点から光パルスとクロックパルスとが重畳するまでのクロックパルスの数をカウントして、光パルスの往復時間中で微視的時間を求めることによって、正確な光パルスの往復時間測定が可能であり、低い周波数を持つクロックパルスを使用しつつも高い精密度で対象物体との距離を計算可能にすることで、低コスト及び低消費電力をかけて高い精密度で距離を測定できる。

【発明を実施するための最良の形態】

【0010】

以下、添付した図面を参照して本発明による望ましい一実施形態を詳細に説明する。

【0011】

図１は、本発明の一実施形態による距離測定装置の構成を示すブロック図である。図１を参照するに、本実施形態による距離測定装置は、クロックパルス発生部１１０、光パルス照射部１２０、受光部１３０、第１カウンタ部１４０、検査部１５０、第２カウンタ部１６０及び距離計算部１７０で構成され、距離計算部１７０は、巨視的時間計算モジュール１７２、微視的時間計算モジュール１７４及び距離計算モジュール１７６で構成される。そして、本実施形態でパルスがＬｏｗからＨｉｇｈへ行って再びＬｏｗに戻るまでを１個のパルスという。

【0012】

クロックパルス発生部１１０は、一定の周波数を持つクロックパルスを発生させる。このように発生したクロックパルスは第１カウンタ部１４０及び第２カウンタ部１６０によりカウントされ、光パルスの往復時間を測定するのに使われる。

【0013】

光パルス照射部１２０は、クロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスの上昇時点に、距離を測定しようとする対象物体に一定の周波数を持つ光パルスを照射する。この時、光パルスの周波数は、クロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスの周波数との周波数差が非常に小さなことが望ましい。その理由は、後述する。

【0014】

受光部１３０は、光パルス照射部１２０により照射された光パルスが対象物体に反射して戻ってきた場合、この戻ってきた光パルスを受信する。この時、図３Ａに示したように、光パルスが受信された時点を時点２といい、光パルスの受信時点直前のクロックパルスの上昇時点を時点１という。

【0015】

これらの受光部１３０には光が受信されれば電荷を蓄積するピクセルがあるが、このピクセルにゲートやスイッチなどを設けることによって、クロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスがＨｉｇｈであれば、このゲートを開いて受信された光を通過させることによってピクセルに電荷を蓄積させ、逆にクロックパルスがＬｏｗであれば、このゲートを閉じて受信された光を通過させないことでピクセルに電荷を蓄積させない。

【0016】

第１カウンタ部１４０は、光パルス照射部１２０により光パルスが照射された時点から受光部１３０により光パルスが受信された時点までの期間中に、クロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスの数をカウントする。この時、カウントされたクロックパルスの数をｎという。

【0017】

検査部１５０は、クロックパルス発生部１１０のより発生したクロックパルスと受光部１３０により受信された光パルスとが重畳するかどうかを検査する。検査部１５０は、この二つのパルスが重畳するかどうかを、この二つのパルスの上昇時点が一致するかどうかで判断することによって検査できる。この時、この二つのパルスの上昇時点が一致する時を時点３という。

【0018】

特に、検査部１５０は図２に示したように、受光部１３０に蓄積された電荷量をチェックして、蓄積された電荷量が最大である時点を、この二つのパルスの上昇時点が一致する時といえる。これは、受光部１３０は、クロックパルスと光パルスとがいずれもＨｉｇｈである場合に電荷を蓄積するので、この二つのパルスの上昇時点が一致する場合に蓄積された電荷量が最大になるためである。このために、この二つのパルスがＨｉｇｈ状態を維持する時間を同一にすることが望ましい。

【0019】

第２カウンタ部１６０は、受光部１３０により光パルスが受信された時点から、検査部１５０の検査結果によってクロックパルスと光パルスとが重畳する時点までの期間中に、クロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスの数及び受光部１３０により受信された光パルスの数をカウントする。この時、カウントされたクロックパルスの数をｎ_ｓといい、カウントされた光パルスの数をｎ_ｌという。

【0020】

距離計算部１７０は、第１カウンタ部１４０によりカウントされたクロックパルスの数ｎ、第２カウンタ部１６０によりカウントされたクロックパルスの数ｎ_ｓ及び光パルスの数ｎ_ｌを利用して光パルスの往復時間を計算し、これに光の速度をかけて２で割ることで距離測定装置と対象物体との距離Ｄを計算する。この時の光パルスの往復時間は、図３Ａに示したように光パルス照射時点から時点２までの時間である。

【0021】

ところが、従来の発明では単にクロックパルスの数のみをカウントして光パルスの往復時間を計算するため、光パルスの往復時間を光パルスの照射時点から時点１までの時間として計算することによって往復時間の正確度が落ち、この精密度を向上させるために、クロックパルスの周波数として非常に大きい周波数を使用した。これに対し、本実施形態では、光パルスの往復時間を計算するときに、光パルス照射時点から時点１までの時間である巨視的時間Ｍの計算以外に、時点１から時点２までの時間である微視的時間Ｒを計算することによって、クロックパルスの周波数を高めなくても非常に正確に光パルスの往復時間を計算できる。

【0022】

まず、巨視的時間計算モジュール１７２は、図３Ａに示したように、光パルスの照射時点から時点１までの時間である巨視的時間を計算する。このために、巨視的計算モジュール１７２は、第１カウンタ部１４０によりカウントされたクロックパルスの数ｎにクロックパルスの周期Ｓをかけることによって巨視的時間Ｍを計算する。すなわち、巨視的時間計算モジュール１７２は、Ｍ＝ｎ×Ｓの演算を行うことによって巨視的時間を計算する。

【0023】

次いで、微視的時間計算モジュール１７４は、時点１から時点２までの時間である微視的時間を計算する。ところが、時点１から時点２までの時間である微視的時間は、図３Ｂに示したように、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差に該当する。そして、時点１から時点３までの時間は、クロックパルスの数ｎ_ｓとクロックパルスの周期Ｓとの積と同じであり、時点２から時点３まで時間は、光パルスの数ｎ_ｌと光パルスの周期Ｌとの積と同じである。したがって、微視的時間計算モジュール１７４は、クロックパルスの数ｎ_ｓにクロックパルスの周期Ｓをかけた値から、光パルスの数ｎ_ｌに光パルスの周期Ｌをかけた値を差し引くことで微視的時間Ｒを計算する。すなわち、微視的時間計算モジュール１７４は、Ｒ＝ｎ_ｓ×Ｓ−ｎ_ｌ×Ｌ演算を行うことによって微視的時間を計算する。

【0024】

最後に、距離計算モジュール１７６は、巨視的時間計算モジュール１７２により計算された巨視的時間Ｍと、微視的時間計算モジュール１７４により計算された微視的時間Ｒとを加算することによって光パルスの往復時間を計算し、この光パルスの往復時間に光の速度であるｃをかけて２で割ることで、距離測定装置と対象物体との距離Ｄを計算する。すなわち、距離計算モジュールは、Ｄ＝１／２×ｃ×｛Ｍ＋Ｒ｝演算を行うことによって対象物体との距離を計算する。

【0025】

本実施形態による距離測定装置でどれほど測定距離の精密度が向上できるかを次のように説明する。

【0026】

例えば、光パルスの周波数が１MHzであり、クロックパルスの周波数がこれと類似した１．０００００１MHzとしよう。

【0027】

もし、クロックパルスのみを利用するならば、計算された距離の精密度は１／２×光速×クロックパルスの周期であるので、１／２×（３×１０^８）×１／（１，０００，００１）＝１５０ｍになる。

【0028】

一方、クロックパルス以外に受信される光パルスも利用して計算された距離の精密度は、次の通りである。この場合、図４に示したように、二つのパルス間の差であるＲ、ｄ１、ｄ２、ｄ３…などは、段々増加してから再び減少して時点３から０になり、時点４で再び最初の差と同じＲになる。この場合、時点１から時点４までの間に発生したクロックパルスの数は１，０００，００１であり、光パルスの数は、これより一つ少ない１，０００，０００である。したがって、距離計算の精密度において、クロックパルス１つの時間を１，０００，０００で均等に割って測定することと同じ効果をもたらす。すなわち、これらの光パルスを利用すれば、精密度が１５０ｍ／１，０００，０００＝１．５mmになって、単純にクロックパルスのみを利用する時より百万倍ほど精密度が向上する。この時、１，０００，０００のように均等に割る数値を均等目盛り数という。

【0029】

ところが、本実施形態では、光パルス照射部１２０により照射された光パルスの周波数とクロックパルス発生部１１０により発生したクロックパルスの周波数とは、次の２つの条件を満たすことが望ましい。

【0030】

第１の条件は、光パルスの周波数とクロックパルスの周波数のうちいずれか一つの周波数が他の一つの周波数の整数倍になってはならないということである。本実施形態では、クロックパルスの上昇時点と光パルスの上昇時点とが一致する時点である時点３を探すことが要求されるが、もし、いずれか一つの周波数が他の一つの周波数の整数倍になれば、同時にこの二つのパルスの上昇時点を探せないからである。

【0031】

第２の条件は、光パルスの周波数とクロックパルスの周波数との周波数差がクロックパルスの周波数と比較する時、十分に小さくなければならないということである。もし、この二つの周波数間の差が十分に小さくなければ、クロックパルスの上昇時点と光パルスの上昇時点とが一致する時点である時点３を探すのに難点があるからである。例えば、図５の上グラフに示したように、二つの周波数間の差が十分に小さな場合には、ピクセル内の電荷量が最大になる時点を容易に探すことができるが、図５の下グラフに示したように、二つの周波数間の差が大きい場合には、ピクセル内の電荷量が最大になる時点を容易に探せないという問題が発生する。

【0032】

そして、このような第２の条件によって、光パルスの周波数としてクロックパルスの周波数よりすこし小さな周波数を使用する場合には、第２カウンタ部１６０によりカウントされた光パルス数ｎ_ｌはクロックパルスの数ｎ_ｓより１ほど小さいので、別途にｎ_ｌをカウントする必要がなく、ｎ_ｌの代りにｎ_ｓ−１を使用して微視的時間計算モジュール１７４が微視的時間を計算すればよい。すなわち、これを利用すれば、微視的時間計算モジュール１７４は、微視的時間ＲをＲ＝ｎ_ｓ×Ｓ−（ｎ_ｓ−１）×Ｌで計算でき、その結果、距離計算モジュールは、距離ＤをＤ＝１／２×ｃ×［ｎ×Ｓ＋｛ｎ_ｓ×Ｓ−（ｎ_ｓ−１）×Ｌ｝］で計算できる。

【0033】

図６は、本発明の一実施形態による距離測定方法を示すフローチャートである。図６を参照するに、本実施形態による距離測定方法は、図１に示した距離測定装置で時系列的に処理されるステップで構成される。したがって、以下省略された内容であっても、図１に示した距離測定装置に関して以上で記述された内容は本実施形態による距離測定方法にも適用される。

【0034】

６１０ステップで距離測定装置は、距離を測定しようとする対象物体に一定の周波数を持つ光パルスを照射すると同時にクロックパルスの数をカウントし始める。この時、光パルスの周波数とクロックパルスの周波数との差は、クロックパルスの周波数と比較する時に非常に小さなことが望ましい。また、光パルスの周波数とクロックパルスの周波数とは互いに非整数倍でなければならない。

【0035】

６２０ステップで、距離測定装置は６１０ステップで照射された光パルスを受信する。この時、説明の便宜上、光パルスの受信時点を時点２といい、光パルスの受信時点の直前にクロックパルスの上昇時点を時点１という。

【0036】

６３０ステップで、距離測定装置は６２０ステップで光パルスが受信されれば、クロックパルスの数カウントを中断し、受信された光パルスの数カウント及びクロックパルスの数カウントを始める。この時、中断時までカウントされたクロックパルスの数をｎという。

【0037】

６４０ステップで距離測定装置は、クロックパルスと６２０ステップで受信された光パルスとが重畳するかどうかを検査する。この場合、二つのパルスが重畳するかどうかを、この二つのパルスの上昇時点が一致するかどうかを判断することによって検査できる。

【0038】

６５０ステップで距離測定装置は、６４０ステップでの検査結果、一致していなければ、光パルスの数カウント及びクロックパルスの数カウントを進め続ける。

【0039】

６６０ステップで距離測定装置は、６４０ステップでの検査結果、一致したならば、光パルスの数カウント及びクロックパルスの数カウントを中断する。この時、中断当時の時点を時点３といい、これまでカウントされたクロックパルスの数をｎ_ｓといい、これまでカウントされた光パルスの数をｎ_ｌという。

【0040】

６７０ステップで距離測定装置は、６３０ステップによるクロックパルスの数ｎにクロックパルスの周期Ｓをかけることによって、図２Ａに示したように、対象物体に光パルスが照射された時点から時点１までの時間である巨視的時間Ｍを計算する。これを数式で表現すれば、Ｍ＝ｎ×Ｓである。

【0041】

６８０ステップで距離測定装置は、６６０ステップによるクロックパルスの数であるｎ_ｓと光パルスの数であるｎ_ｌとを利用して、時点１から時点２までの時間である微視的時間Ｒを計算する。

【0042】

６８０ステップで微視的時間Ｒを計算する方法は、図２Ｂを参照してさらに詳細に説明する。まず、微視的時間Ｒは、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差と同じである。そして、時点１から時点３までの時間は、クロックパルスの数ｎ_ｓとクロックパルスの周期Ｓとの積と同じであり、時点２から時点３まで時間は、光パルスの数ｎ_ｌと光パルスの周期Ｌとの積と同じである。したがって、微視的時間Ｒは、クロックパルスの数ｎ_ｓにクロックパルスの周期Ｓをかけた値から、光パルスの数ｎ_ｌに光パルスの周期Ｌをかけた値を引いた値である。これを数式で表現すれば、Ｒ＝ｎ_ｓ×Ｓ−ｎ_ｌ×Ｌである。

【0043】

６９０ステップで距離測定装置は、６７０ステップで計算された巨視的時間Ｍと６８０ステップで計算された微視的時間Ｒとを加算することによって光パルスの往復走行時間を計算し、この往復走行時間に光速ｃをかけて２で割ることで、距離測定装置と対象物体間の距離Ｄを計算する。これを数式で表現すれば、Ｄ＝１／２×ｃ×｛Ｍ＋Ｒ｝＝１／２×ｃ×｛ｎ×Ｓ＋（ｎ_ｓ×Ｓ−ｎ_ｌ×Ｌ）｝である。

【0044】

図７は、本発明の他の一実施形態による距離測定装置を示すブロック図である。図７に示したように、光パルス照射部７１０、第１カウンタ部７２０、受光部７３０、検査部７４０、第２カウンタ部７５０、計算方法決定部７６０、第１距離計算部７７０及び第２距離計算部７８０で構成され、第１カウンタ部７２０と第２カウンタ部７５０とは一つのカウンタ部によっても構成されうる。例えば、第１カウンタ部７２０で使われたカウンタは、第２カウンタ部７５０で再び使われうる。すなわち、カウンタを二つ使用せず、１つのカウンタを使用できる。

【0045】

光パルス照射部７１０は、クロックパルスの上昇時点で距離を測定しようとする対象物体に光パルスを照射する。

【0046】

第１カウンタ部７２０は、光パルス照射部７１０により光パルスが照射された時点から、クロックパルスの上昇時点ごとに一つずつクロックパルスに対するカウントを行う。そして、第１カウンタ部７２０は、受光部７３０で光パルスを受信してピクセルに電荷が発生すれば、クロックパルスに対するカウントを中断する。この時、中断当時のクロックパルスに対するカウントをＰ_Ｍという。

【0047】

受光部７３０は、対象物体により反射して戻ってきた光パルスを受信する。この時、光パルスの受信時点を時点２といい、光パルスの受信時点の直前にクロックパルスの上昇時点を時点１という。

【0048】

検査部７４０は、クロックパルスの上昇時点と受光部７３０を通じて受信された光パルスの上昇時点とが一致するかどうかを検査する。この時、クロックパルスの上昇時点と光パルスの上昇時点とが一致する時点を時点３という。特に、検査部７４０は、受光部７３０のピクセルに蓄積された電荷量をチェックして、蓄積された電荷量が最大である場合に、この二つのパルスの上昇時点が一致すると判断できる。

【0049】

第２カウンタ部７５０は、第１カウンタ部７２０がカウントを中断してから、クロックパルスの上昇時点ごとに一つずつクロックパルスに対するカウントを行う。そして、第２カウンタ部７５０は検査部７４０の検査結果によって、受光部７３０のピクセルに蓄積された電荷量が最大である時点で１パルスをさらにカウントし、クロックパルスに対するカウントを中断する。その理由は、受光部７３０に蓄積された電荷量は増加し続けてから減少するが、減少直前の時点が蓄積された電荷量の最大時点であるため、第２カウンタ部７５０が減少する時点までカウントして初めて検査部７４０は最大時点が分かるためである。

【0050】

検査部７４０が、実際に受光部７３０のピクセルに蓄積された電荷量が最大である場合を判断するためには、第２カウンタ部７５０がその最大である時点より１パルスさらにカウントするまで待つべきである。

【0051】

この時、中断当時のクロックパルスに対するカウントをＰ_ｍＳといい、カウントの中断時点計算方法決定部７６０は、第２カウンタ部７５０でカウントされたＰ_ｍＳが均等目盛りの数の半分（以下、“半分値”という。）より大きい値であるかどうかを判断し、判断結果、Ｐ_ｍＳが半分値より大きければ、第１距離計算部７７０が距離を計算できるようにし、Ｐ_ｍＳが半分値より大きくなければ、第２距離計算部７８０が距離を計算できるようにする。

【0052】

第１距離計算部７７０は、Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合に、距離測定装置と対象物体間の距離を計算する。図８Ａは、Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合にクロックパルスと光パルスとを示したものであり、図８Ａを参照して、第１距離計算部７７０が距離測定装置と対象物体間の距離を計算する方法を詳細に説明する。

【0053】

第１距離計算部７７０は、第１カウンタ部７２０によるＰＭを利用して巨視的時間Ｍを計算し、第２カウンタ部７５０によるＰ_ｍＳを利用して巨視的時間を補完する微視的時間Ｒを計算して、巨視的時間Ｍに微視的時間Ｒを加算することによって光パルスの往復時間を計算した後、この往復時間に光速ｃをかけて２で割ることで、距離測定装置から対象物体間の距離Ｄを計算する。この時、２で割るのは、距離測定装置で対象物体に光パルスが到達する時間は、光パルスの往復時間の半分であるためである。これを数式で表示すれば、距離Ｄは、Ｄ＝１／２×ｃ×（Ｍ＋Ｒ）の通りである。

【0054】

そして、第１距離計算部７７０は、巨視的時間Ｍを次の数式を通じて計算する。

【0055】

Ｍ＝（ＰＭ−１）×Ｓ
巨視的時間Ｍは、対象物体に光パルスが照射された時点から時点１までの時間である。したがって、巨視的時間Ｍは、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとをかけた値と同じである。そして、この時の光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数は、第１カウンタ部７２０でカウントされたＰ_Ｍから１を減算した値と同じである。ここで、Ｐ_Ｍに１を減算した値と同じ理由は、Ｐ_Ｍはクロックパルスの上昇時点ごとにカウントされた値であるため、実際クロックパルスの数より１ほどさらにカウントされたからである。

【0056】

そして、第１距離計算部７７０は、微視的時間Ｒを次の数式を通じて計算する。

【0057】

Ｒ＝（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−２）×Ｌである。

【0058】

微視的時間Ｒは、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である。そして、時点１から時点３までの時間は、この期間中のクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとの積と同じである。そして、この時のクロックパルスの数は、第２カウンタ部７５０でカウントされたＰ_ｍＳから１を減算した値と同じである。ここで、Ｐ_ｍＳから１を減算した値と同じ理由は、第２カウンタ部７５０は、受光部７３０のピクセルに蓄積された電荷量が最大である時点を過ぎて１パルスさらにカウントしたため、実際クロックパルスの数より１ほどさらにカウントされたからである。そして、時点２から時点３までの時間は、この期間中の光パルスの数と光パルスの周期Ｌとの積と同じであるが、光パルスの数はクロックパルスの数より１が小さいので、Ｐ_ｍＳから２を減算した値と同じである。

【0059】

したがって、第１距離計算部７７０は、次の数式を通じて距離Ｄを計算する。

【0060】

Ｄ＝１／２×３×１０^８×｛（Ｐ_Ｍ−１）×Ｓ＋（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−２）×Ｌ）｝
第２距離計算部７８０は、Ｐ_ｍＳが半分値より大きくない場合に、距離測定装置と対象物体間の距離を計算する。図８Ｂは、Ｐ_ｍＳが半分値より大きくない場合にクロックパルス及び光パルスを示したものであり、図８Ｂを参照して、第２距離計算部７８０が距離測定装置と対象物体間の距離を計算する方法を詳細に説明する。

【0061】

第２距離計算部７８０も第１距離計算部７７０と同様に、第１カウンタ部７２０によるＰ_Ｍを利用して巨視的時間Ｍを計算し、第２カウンタ部７５０によるＰ_ｍＳを利用して微視的時間Ｒを計算して、巨視的時間に微視的時間を加算することによって光パルスの往復時間を計算した後、この往復時間に光速ｃをかけて２で割ることで距離測定装置と対象物体間の距離Ｄを計算する。ところが、第２距離計算部７８０は、第１距離計算部７７０で巨視的Ｍと微視的時間Ｒとを計算する方法と若干異なる方法でこれらを計算する。

【0062】

まず、第２距離計算部７８０は、巨視的時間Ｍを次の数式を通じて計算する。

【0063】

Ｍ＝（Ｐ_Ｍ−２）×Ｓ
巨視的時間Ｍは、対象物体に光パルスが照射された時点から時点１までの時間である。したがって、巨視的時間Ｍは、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとをかけた値と同じである。ところが、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数は、第１カウンタ部７２０でカウントされたＰ_Ｍから２を減算した値と同じである。ここで、Ｐ_Ｍから２を減算した値と同じ理由は、Ｐ_Ｍは、ピクセルに電荷が発生するまでカウントされた値であるため、時点１までもう１つカウントされたために１を減算せねばならず、Ｐ_Ｍは、クロックパルスの上昇時点ごとにカウントされた値であるため、実際クロックパルスの数より１ほどさらにカウントされたためにまた１を減算せねばならないからである。
そして、第２距離計算部７８０は、微視的時間Ｒを次の数式を通じて計算する。

【0064】

Ｒ＝（Ｐ_ｍＳ）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｌ
微視的時間Ｒは、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である。そして、時点１から時点３までの時間は、この期間中のクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとの積と同じであり、この時のクロックパルスの数は、第２カウンタ部７５０でカウントされたＰ_ｍＳと同じである。

【0065】

これは、Ｐ_ｍＳは時点１より１パルス遅くカウントを始めるので、Ｐ_ｍＳに１を加算せねばならないためである。また、第２カウンタ部７５０は、受光部７３０のピクセルに蓄積された電荷量が最大である時点を過ぎて１パルスさらにカウントしたものであるので、実際クロックパルスの数より１ほどさらにカウントされたために１を減算せねばならないからである。結局、Ｐ_ｍＳに１を加算して１を減算せねばならないので、Ｐ_ｍＳと同様になる。

【0066】

そして、時点２から時点３までの時間は、この期間中の光パルスの数と光パルスの周期Ｌとの積と同じであり、この時の光パルスの数はクロックパルスの数より１ほど小さいので、Ｐ_ｍＳから１を減算した値と同じである。

【0067】

したがって、第２距離計算部７８０は、次の数式を通じて距離Ｄを計算する。

【0068】

Ｄ＝１／２×３×１０^８×｛（Ｐ_Ｍ−２）×Ｓ＋（Ｐ_ｍＳ）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｌ）｝
図９は、発明の他の一実施形態による距離測定方法を示すフローチャートである。図９を参照するに、本実施形態による距離測定方法は、図７に示した距離測定装置で時系列的に処理されるステップで構成される。したがって、以下省略された内容であっても、図７に示した距離測定装置に関して以上で記述された内容は本実施形態による距離測定方法にも適用される。

【0069】

図９を参照するに、９１０ステップで距離測定装置は、クロックパルスの上昇時点で距離を測定しようとする対象物体に光パルスを照射する。そして、クロックパルスの上昇時点ごとに一つずつクロックパルスに対するカウントを行う。そして、距離測定装置のセンサー内に光を受信する各ピクセルにゲート電極を設けて、センサーのクロックパルスがＨｉｇｈであれば、ゲートを開いて受信された光を通過させ、逆にセンサーのクロックパルスがＬｏｗであれば、ゲートを閉じて受信された光を通過させないようにする。これらのゲートを設けるのは、図２で説明したように、ピクセルに蓄積された電荷量が最大である時点を、この二つのパルスの上昇時点が一致する時点とするためである。

【0070】

９２０ステップで距離測定装置は、９１０ステップで照射された光パルスを受信する。光パルスは距離測定装置で照射された後、対象物体に反射して再び距離測定装置に到達するので、距離測定装置と対象物体間の距離による時間が経過すれば、距離測定装置は光パルスを受信する。この時、光パルスの受信時点を時点２といい、光パルスの受信時点の直前にクロックパルスの上昇時点を時点１という。

【0071】

９３０ステップで距離測定装置は、９２０ステップで光パルスを受信してセンサー内のピクセルに電荷が発生すれば、クロックパルスに対するカウントを中断する。この時、中断当時のクロックパルスのカウントを便宜上Ｐ_Ｍという。そして、再び最初からクロックパルスの上昇時点ごとに一つずつクロックパルスに対するカウントを行う。

【0072】

９４０ステップで距離測定装置は、クロックパルスの上昇時点と９２０ステップで受信された光パルスの上昇時点とが一致するかどうかを検査する。この時には、図２で説明したように、クロックパルスと光パルスの上昇時点が一致する時、ピクセルに発生した電荷量が最大という性質を利用してその一致如何を検査する。

【0073】

９５０ステップで距離測定装置は、９４０ステップでの検査結果、一致していなければ、クロックパルスの上昇時点ごとに一つずつクロックパルスに対するカウントを行い続ける。

【0074】

９６０ステップで距離測定装置は、９４０ステップでの検査結果、一致したならば、クロックパルスに対するカウントを中断する。この時、中断当時のクロックパルスのカウントを便宜上Ｐ_ｍＳとし、カウントの中断時点であるクロックパルスの上昇時点と光パルスの上昇時点とが一致する時点を時点３としよう。

【0075】

９７０ステップで距離測定装置は、９３０ステップによるＰ_Ｍを利用して巨視的時間Ｍを計算し、９６０ステップによるＰ_ｍＳを利用して巨視的時間を補完する微視的時間Ｒを計算して、巨視的時間に微視的時間を加算することによって光パルスの往復走行時間を計算した後、この往復走行時間に光速ｃをかけて２で割ることで距離測定装置と対象物体間の距離Ｄを計算する。この時、２で割るのは、距離測定装置で対象物体に光パルスが到達する時間は、計算された往復走行時間の半分であるからである。これを数式で表示すれば、次の通りである。

【0076】

Ｄ＝１／２×ｃ×（Ｍ＋Ｒ）
ところが、これらの巨視的時間及び微視的時間は、Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合及びＰ_ｍＳが半分値より小さな場合に、それぞれ異なる方法で計算せねばならない。

【0077】

まず、Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合に巨視的距離及び微視的距離を計算する方法を説明する。

【0078】

巨視的時間Ｍは、対象物体に光パルスが照射された時点から時点１までの時間である。したがって、巨視的時間Ｍは、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数とクロックパルスの周期とをかけた値と同じである。ところが、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数は、９３０ステップでのＰ_Ｍから１を減算した値と同じである。ここで、Ｐ_Ｍから１を減算した値と同じ理由は、Ｐ_Ｍは、クロックパルスの上昇時点ごとにカウントされた値であるので、実際クロックパルスの数より１ほど大きい値であるからである。

【0079】

したがって、巨視的時間Ｍは、次の数式を通じて計算できる。

【0080】

Ｍ＝（Ｐ_Ｍ−１）×Ｓ
そして、微視的時間Ｒは、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である。

【0081】

そして、時点１から時点３までの時間は、この期間中のクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとの積と同じであるが、クロックパルスの数は、９６０ステップのＰ_ｍＳから１を減算した値と同じである。

【0082】

そして、時点２から時点３までの時間は、この期間中の光パルスの数と光パルスの周期Ｌとの積と同じであるが、光パルスの数は、クロックパルスの数より１ほど小さいので、Ｐ_ｍＳから２を減算した値と同じである。

【0083】

したがって、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である微視的時間Ｒを数式で表現すれば、Ｒ＝（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−２）×Ｌである。

【0084】

したがって、最終距離Ｄは、次の数式を通じて計算できる。

【0085】

Ｄ＝１／２×３×１０^８×｛（Ｐ_Ｍ−１）×Ｓ＋（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−２）×Ｌ）｝
次いで、まず、Ｐ_ｍＳが半分値より大きくない場合に、巨視的距離と微視的距離とを計算する方法を説明する。

【0086】

巨視的時間Ｍは、対象物体に光パルスが照射された時点から時点１までの時間である。したがって、巨視的時間Ｍは、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数とクロックパルスの周期とをかけた値と同じである。ところが、光パルス照射時点から時点１までのクロックパルスの数は、９３０ステップでのＰ_Ｍから２を減算した値と同じである。

【0087】

したがって、巨視的時間Ｍを数式で表現すれば、Ｍ＝（Ｐ_Ｍ−２）×Ｓである。

【0088】

そして、微視的時間Ｒは、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である。そして、時点１から時点３までの時間は、この期間中のクロックパルスの数とクロックパルスの周期Ｓとの積と同じであるが、クロックパルスの数は９６０ステップのＰ_ｍＳと同じである。

【0089】

そして時点２から時点３までの時間は、この期間中の光パルスの数と光パルスの周期Ｌとの積と同じであるが、光パルスの数はクロックパルスの数より１ほど小さいので、Ｐ_ｍＳから１を減算した値と同じである。

【0090】

したがって、時点１から時点３までの時間と時点２から時点３までの時間との差である微視的時間Ｒを数式で表現すれば、Ｒ＝（Ｐ_ｍＳ）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｌである。

【0091】

したがって、最終距離Ｄは、次の数式を通じて計算できる。

【0092】

Ｄ＝１／２×３×１０^８×｛（Ｐ_Ｍ−２）×Ｓ＋（Ｐ_ｍＳ）×Ｓ−（Ｐ_ｍＳ−１）×Ｌ）｝
本発明はまた、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なコードとして具現することができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取られるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例には、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光データ保存装置などがあり、またキャリアウェーブ（例えば、インターネットを通じた伝送）の形態で具現されるものも含む。またコンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散されて、分散方式でコンピュータで読み取り可能なコードが保存されて実行されうる。

【0093】

これまで本発明についその望ましい実施形態を中心に説明した。当業者ならば、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現できるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施形態は限定的な観点ではなく説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は本発明に含まれていると解釈されねばならない。

【産業上の利用可能性】

【0094】

本発明は、距離測定装置関連の技術分野に好適に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【0095】

【図1】本発明の一実施形態による距離測定装置の構成を示すブロック図である。

【図2】経時的に受光部のピクセルに充電される電荷量の変化を示す図である。

【図3A】巨視的時間及び微視的時間を計算する方法を説明するために、光パルス及びクロックパルスを示す図である。

【図3B】巨視的時間及び微視的時間を計算する方法を説明するために、光パルス及びクロックパルスを示す図である。

【図4】本実施形態による距離測定装置により測定距離の精密度が向上する程度を説明するための図である。

【図5】光パルスの周波数とクロックパルスの周波数との差が大きい場合と小さな場合に、それぞれピクセル内の電荷量が最大になる時点を説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態による距離測定方法を示すフローチャートである。

【図7】本発明の他の一実施形態による距離測定装置の構成を示すブロック図である。

【図8A】Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合と小さな場合の光パルス及びクロックパルスを示す図である。

【図8B】Ｐ_ｍＳが半分値より大きい場合と小さな場合の光パルス及びクロックパルスを示す図である。

【図9】発明の他の一実施形態による距離測定方法を示すフローチャートである。

【符号の説明】

【0096】

１１０ クロックパルス発生部
１２０、７１０ 光パルス照射部
１３０、７３０ 受光部
１４０、７２０ 第１カウンタ部
１５０、７４０ 検査部
１６０、７５０ 第２カウンタ部
１７０ 距離計算部
１７２ 巨視的時間計算モジュール
１７４ 微視的時間計算モジュール
１７６ 距離計算モジュール
７６０ 計算方法決定部
７７０ 第１距離計算部
７８０ 第２距離計算部

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】