特許 7221029 誤差補正装置、距離測定装置

(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】

(24)【登録日】2023-02-03

(45)【発行日】2023-02-13

(54)【発明の名称】誤差補正装置、距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20230206BHJP

【ＦＩ】

G01C3/06 120Q

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018214829

(22)【出願日】2018-11-15

(65)【公開番号】P2020085466

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-09-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003388

【氏名又は名称】東京計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101856

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 日出夫

(72)【発明者】

【氏名】菊地 亨

(72)【発明者】

【氏名】米田 哲治

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１８４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４２５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２９３１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５４１７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１１８１７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０１Ｓ ７／４８６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物に向けて放射されたパルス光が前記対象物により反射された反射光を受光し、該反射光の検出タイミングと、前記パルス光の放射タイミングとに基づいて、前記対象物までの距離を測定する距離測定装置による測定距離の誤差を補正する誤差補正装置であって、
前記距離測定装置により検出された前記反射光のパルス幅を取得するとともに、前記パルス光の一部が前記距離測定装置内において検出された基準光のパルス幅を取得するパルス幅取得部と、
予め定められた常温における基準光のパルス幅と前記取得された基準光のパルス幅との差に基づいて、前記反射光のパルス幅を補正するパルス幅補正部と、
予め定められた反射光のパルス幅と補正値とが対応付けられた補正情報を参照し、該補正情報において前記補正された反射光のパルス幅に対応付けられた補正値を取得する補正値取得部と、
前記取得された補正値に基づいて前記測定距離を補正する距離補正部と
を備える誤差補正装置。

【請求項2】

前記補正情報は、複数の距離範囲のそれぞれについて反射光のパルス幅と補正値とを対応付け、
前記誤差補正装置は、前記測定距離が前記複数の距離範囲のいずれに属するかを判定する距離判定部を更に備え、
前記補正値取得部は、前記測定距離が属する距離範囲について前記取得された反射光のパルス幅と対応付けられた補正値を取得することを特徴とする請求項１に記載の誤差補正装置。

【請求項3】

前記パルス幅補正部は、前記常温における基準光のパルス幅と前記取得された基準光のパルス幅との差に所定の係数を乗じた値を前記反射光のパルス幅から減じることにより、前記反射光のパルス幅を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誤差補正装置。

【請求項4】

パルス光を対象物に向けて出射する光源と、
前記対象物により反射された反射光を受光する受光素子と、
前記パルス光の放射タイミングと、該パルス光の一部である基準光のパルス幅と、前記反射光の受光タイミングと、前記反射光のパルス幅とを検出する検出部と、
前記放射タイミングと前記受光タイミングとに基づいて、前記対象物までの距離を測定距離として算出する演算部と、
予め定められた常温における基準光のパルス幅と前記検出された基準光のパルス幅との差に基づいて、前記反射光のパルス幅を補正するパルス幅補正部と、
予め定められた反射光のパルス幅と補正値とが対応付けられた補正情報を参照し、該補正情報において前記補正された反射光のパルス幅に対応付けられた補正値を取得する補正値取得部と、
前記取得された補正値に基づいて前記測定距離を補正する距離補正部と
を備える距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により対象物までの距離を測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、対象物へ投光されてから、対象物からの反射光を受光するまでの時間に基づいて対象物までの距離を測定する技術として、ＴＯＦ方式が知られている。

【0003】

また、関連する技術として、光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する発光部と、発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する受光部と、発光モードと受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、発光部および受光部を繰り返し動作させ、動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、光信号を反射した物体との距離を求める測距処理部とを備える距離測定装置、が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－１３７１０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

反射光のパワーは対象物の反射率によって減衰する。また、パルスの立ち上がり、立ち下がりのタイミングは、反射光のパワーが予め設定された閾値を上回った時点、閾値を下回った時点として検出される。そのため、従来のＴＯＦ方式の距離測定装置においては、反射光のパルス幅が対象物の反射率に起因して変動し、この変動によって測定距離に誤差が生じる、という問題がある。

【0006】

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ＴＯＦ方式による測定距離の誤差を低減することができる誤差補正装置、距離測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決するため、本実施形態に係る誤差補正装置は、対象物に向けて放射されたパルス光が前記対象物により反射された反射光を受光し、該反射光の検出タイミングと、前記パルス光の放射タイミングとに基づいて、前記対象物までの距離を測定する距離測定装置による測定距離の誤差を補正する誤差補正装置であって、前記距離測定装置により検出された前記反射光のパルス幅を取得するパルス幅取得部と、予め定められた反射光のパルス幅と補正値とが対応付けられた補正情報を参照し、該補正情報において前記取得された反射光のパルス幅に対応付けられた補正値を取得する補正値取得部と、前記取得された補正値に基づいて前記測定距離を補正する距離補正部とを備える。

【0008】

また、本実施形態に係る距離測定装置は、パルス光を対象物に向けて出射する光源と、前記対象物により反射された反射光を受光する受光素子と、前記パルス光の放射タイミングと、前記反射光の受光タイミングと、前記反射光のパルス幅とを検出する検出部と、前記放射タイミングと前記受光タイミングとに基づいて、前記対象物までの距離を測定距離として算出する演算部と、前記検出されたパルス幅をパルス幅取得部と、予め定められた反射光のパルス幅と補正値とが対応付けられた補正情報を参照し、該補正情報において前記検出された反射光のパルス幅に対応付けられた補正値を取得する補正値取得部と、前記取得された補正値に基づいて前記測定距離を補正する距離補正部とを備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ＴＯＦ方式による測定距離の誤差を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る距離測定システムの構成を示すブロック図である。

【図2】誤差補正装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

【図3】誤差補正装置の機能構成を示すブロック図である。

【図4】誤差補正装置の動作を示すフローチャートである。

【図5】収録された距離誤差を示すグラフである。

【図6】反射光のパルス幅に対応する補正値を示すグラフである。

【図7】補正がなされない場合の距離誤差を示すグラフである。

【図8】補正がなされた場合の距離誤差を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0012】

（全体構成及び距離測定装置の構成）
本実施形態に係る距離測定システム及び距離測定装置の構成について説明する。図１は、実施形態に係る距離測定システムの構成を示すブロック図である。

【0013】

図１に示すように、距離測定システムは、対象物Ｔまでの距離を測定する距離測定装置１と距離測定装置１による測定距離の誤差を補正する誤差補正装置２とを備える。

【0014】

距離測定装置１は、光源１１、分岐カプラ１２、投光部１３、受光部１４、合流カプラ１５、受光素子１６、検出部１７、演算部１８を備える。光源１１は、パルス光を放射する発光体であり、本実施形態においてはレーザである。分岐カプラ１２は、光源１１、投光部１３、合流カプラ１５のそれぞれと光ファイバにより接続される。合流カプラ１５は、分岐カプラ１２、受光部１４、受光素子１６のそれぞれと光ファイバにより接続される。

【0015】

分岐カプラ１２は、光源１１から伝送されたパルス光を２つに分岐させ、一方のパルス光は投光部１３に伝送され、他方のパルス光は基準光として合流カプラ１５に伝送される。投光部１３は、分岐カプラ１２より伝送されたパルス光を出射光として距離測定装置１の外部へ出射する。この出射光は、距離測定装置１からの距離を測定する対象である対象物Ｔに向けて出射される。受光部１４は、投光部１３により出射された出射光が対象物Ｔにより反射された反射光として受光されるように形成され、受光した反射光を合流カプラ１５へ伝送する。合流カプラ１５は、分岐カプラ１２から伝送された基準光と、受光部１４から伝送された反射光とを合流させ、受光素子１６へ伝送する。

【0016】

受光素子１６は、合流カプラ１５により伝送されたパルス光を受光してその強度を検出するセンサである。検出部１７は、予め所定の強度に設定された閾値によって、受光素子１６により検出された基準光及び反射光のそれぞれにおけるパルスの立ち上がり、立ち下がりのタイミングを検出する。演算部１８は、検出部１７より検出されたパルスの立ち上がり、立ち下がり、またはこれらの中間のタイミングに基づいて、受光素子１６において基準光が受光されたタイミングと反射光が受光されたタイミングとの時間差を算出し、この時間差の半分に光速を掛けることにより対象物Ｔまでの距離を算出する。

【0017】

このようなＴＯＦ方式の距離測定装置１においては、対象物Ｔの反射率や対象物Ｔまでの距離による反射光のパワーの減衰、更には、環境温度の変動による光源１１の投光パワーや受光素子１６の感度の変動に起因して、測定距離に距離誤差が生じ得る。

【0018】

（誤差補正装置の構成）
誤差補正装置２のハードウェア構成及び機能構成について説明する。図２は、誤差補正装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図３は、誤差補正装置の機能構成を示すブロック図である。

【0019】

誤差補正装置２は、ハードウェアとして、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２２、記憶装置２３、外部Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２４を備える。

【0020】

ＣＰＵ２１及びＲＡＭ２２は協働して後述する各種機能を実行し、記憶装置２３は各種機能により実行される処理に用いられる各種データを記憶する。外部Ｉ／Ｆ２４は、外部装置としての距離測定装置１とのデータの入出力を行う。なお、記憶装置２３には、近距離範囲、中距離範囲、長距離範囲のそれぞれについて、反射光のパルス幅と、測定距離における距離誤差を補正する補正値とを対応付けた補正情報が記憶される。

【0021】

また、誤差補正装置２は、機能として、図３に示すように、パルス幅取得部２０１、パルス幅補正部２０２、距離取得部２０３、距離判定部２０４、補正値取得部２０５、距離補正部２０６を備える。

【0022】

パルス幅取得部２０１は、基準光及び反射光それぞれの立ち上がり、立下りのタイミングを、基準光及び反射光それぞれのパルス幅として距離測定装置１から取得する。パルス幅補正部２０２は、パルス幅取得部２０１により取得された反射光のパルス幅を補正する。距離取得部２０３は、演算部１８により算出された測定距離を距離測定装置１から取得する。距離判定部２０４は、距離取得部２０３により取得された測定距離について、予め設定された複数の距離範囲のうち、いずれの距離範囲に属するかを判定する。補正値取得部２０５は、距離判定部２０４により判定された測定距離が属する距離範囲と、パルス幅補正部２０２により補正された反射光のパルス幅とに基づいて、記憶装置２３に記憶された補正値を取得する。距離補正部２０６は、補正値取得部２０５により取得された補正値により距離取得部２０３により取得された測定距離を補正する。

【0023】

（誤差補正装置の動作）
誤差補正装置の動作について説明する。図４は、誤差補正装置の動作を示すフローチャートである。

【0024】

図４に示すように、まず、距離取得部２０３が、距離測定装置１から測定距離を取得し（Ｓ１０１）、パルス幅取得部２０１が、距離測定装置１から基準光、反射光それぞれのパルス幅を取得し（Ｓ１０２）、パルス幅補正部２０２が、パルス幅取得部２０１により取得された反射光のパルス幅を補正する（Ｓ１０３）。

【0025】

ここで、パルス幅補正部２０２による反射光のパルス幅の補正は、補正後の反射光のパルス幅をＷ_ｂc、パルス幅取得部２０１により取得された反射光のパルス幅をＷ_ｂ、パルス幅取得部２０１により取得された基準光のパルス幅をＷ_ａ、常温における基準光のパルス幅をＷ_ａｒ、予め設定された係数をＣとした場合、補正後の反射光のパルス幅を、Ｗ_ｂｃ＝Ｗ_ｂ－Ｃ（Ｗ_ａ－Ｗ_ａｒ）の式により算出することによりなされる。

【0026】

この基準光のパルス幅の変動に基づく反射光のパルス幅の補正を行えば、環境温度の変化によって生じる、光源１１の投光パワーの変動や受光素子１６の感度の変動に起因する測定距離の誤差を低減することができる。

【0027】

次に、距離判定部２０４は、距離取得部２０３により取得された測定距離が、予め設定された第１距離未満である近距離範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１０４）。

【0028】

測定距離が近距離範囲内にない場合（Ｓ１０４，ＮＯ）、距離判定部２０４は、距離取得部２０３により取得された測定距離が、予め第１距離よりも大きく設定された第２距離以上である遠距離範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１０５）。

【0029】

測定距離が遠距離範囲内にない場合（Ｓ１０５，ＮＯ）、即ち、測定距離が、第１距離以上且つ第２距離未満である中距離範囲内にある場合、補正値取得部２０５が、補正情報において、中距離範囲について、補正された反射光のパルス幅と対応付けられた補正値を取得し（Ｓ１０６）、距離補正部２０６が、この補正値に基づいて測定距離を補正する（Ｓ１０７）。ここで、測定距離の補正は、距離取得部２０３により取得された測定距離を、補正値取得部２０５により取得された補正値により減算することによってなされる。

【0030】

一方、測定距離が遠距離範囲内にある場合（Ｓ１０５，ＹＥＳ）、補正値取得部２０５が、補正情報において、遠距離範囲について、補正された反射光のパルス幅と対応付けられた補正値を取得し（Ｓ１０８）、距離補正部２０６が、この補正値に基づいて測定距離を補正する（Ｓ１０７）。

【0031】

また、ステップＳ１０４において、測定距離が近距離範囲内にある場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、補正値取得部２０５が、補正情報において、近距離範囲について、補正された反射光のパルス幅と対応付けられた補正値を取得し（Ｓ１０９）、距離補正部２０６が、この補正値に基づいて測定距離を補正する（Ｓ１０７）。

【0032】

（補正情報）
補正情報について説明する。図５は、収録された距離誤差を示すグラフである。図６は、反射光のパルス幅に対応する補正値を示すグラフである。

【0033】

上述したように、補正情報は、近距離範囲、中距離範囲、遠距離範囲のそれぞれについて、別個に、反射光のパルス幅と補正値とが対応付けられるものであり、予め記憶装置２３に記憶される。

【0034】

この補正情報は、事前に収録される収録データに基づいて作成される。収録データは、対象物Ｔとの距離を既知として、この距離が、近距離範囲に属する所定の近距離である場合、遠距離範囲に属する所定の遠距離である場合のそれぞれについて、対象物Ｔの反射率を変化させながら収録される。図５に示すように、個々の収録データは、測定距離の距離誤差とこれに対応する反射光のパルス幅とを含み、距離誤差、反射光のパルス幅のそれぞれを軸にとる２軸上にプロットされる。

【0035】

次に、近距離の場合、遠距離の場合のそれぞれについて、図６に示すような、プロットされた複数の収録データから近似曲線を求めたグラフが作成され、このグラフに基づいて近距離範囲、遠距離範囲のそれぞれについて、反射光のパルス幅と補正値とを対応付けた補正情報が作成される。また、中距離範囲については、近距離範囲の補正情報と、遠距離範囲の補正情報とを線形補間することにより作成される。

【0036】

（誤差補正装置による効果）
誤差補正装置による効果について説明する。図７は、補正がなされない場合の距離誤差を示すグラフである。図８は、補正がなされた場合の距離誤差を示すグラフである。

【0037】

誤差補正装置２によれば、図７に示すような測定距離における距離誤差を、図８に示すように低減させることができる。また、図７においては、反射率や測定距離が距離誤差に影響を及ぼしているのに対し、補正によって、反射率や測定距離の影響が低減されることが図８からわかる。

【0038】

なお、本実施形態において、誤差補正装置２を距離測定装置１とは異なる装置として説明したが、距離測定装置１の一機能として提供されても良い。また、誤差補正装置２は、測定距離の誤差に係る情報を、必ずしも直接に距離測定装置１から取得する必要なく、例えば、測定距離の誤差に係る情報が記録されたデータベースから取得するようにしても良い。また、補正情報についても、外部のデータベースから取得するようにしても良い。

【0039】

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

２ 誤差補正装置
２０１ パルス幅取得部
２０５ 補正値取得部
２０６ 距離補正部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】