專利名稱：距離測定裝置及距離測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及距離測定裝置及方法，通過對測定對象物照射光脈沖并測定到該反射光返回為止的時間，從而測定與測定對象物之間的距離。尤其涉及如下的距離測定裝置及方法，即，在采用了在參考光路中包括延遲元件的測定方式的距離測定裝置中，能夠消除該延遲元件的延遲時間的溫度變動等的影響，能夠進(jìn)行高精度的測定。
背景技術(shù)：
以往已知有這樣一種技術(shù)，朝向測定對象物照射脈沖光，利用距離測定裝置檢測從該測定對象物反射來的脈沖光，根據(jù)該脈沖光的往返傳播時間，測定與測定對象物之間的距離。在這種距離測定裝置中，為了盡可能提高精度，采用在光處理階段確定傳播時間的方式，以便不受距離測定裝置內(nèi)的電氣變動的影響。例如，如圖15所示，在距離測定裝置 100上設(shè)置脈沖光源101、從脈沖光源101分支出的參考光路Re、光檢測器104，以在參考光路Rc中的光脈沖到達(dá)時間為基準(zhǔn)，利用光檢測器104檢測與到測定對象物160的測定光路 Mc之間的傳播時間差，由此測定距離L。在此，參考光路Rc和測定光路Mc被光路切換器 103aU03b機(jī)械地切換，以時間上不同的定時獨(dú)立地測定分別經(jīng)由光路Re、Mc的脈沖光的傳播時間，根據(jù)測定結(jié)果計(jì)算傳播時間差。但是，該方法難以進(jìn)行快速動作，成為限制測定時間縮短的主要原因。作為解決該問題的一個方法，也可以想到過這樣的方法，即，不對經(jīng)由參考光路Rc 的光(參考光rc)和經(jīng)由測定光路Mc的光(測定光mc)進(jìn)行切換，而將參考光rc和測定光mc合成，利用一個光檢測器進(jìn)行檢測。但是，該方法在測定對象物160與距離測定裝置 100之間的距離較短的情況下，參考光rc和測定光mc在時間軸上重合，難以正確地檢測參考光rc與測定光mc之間的時間差(參見圖15(b)的示例1)。于是，又提出了這樣的方法， 將預(yù)先準(zhǔn)確地知道該延遲時間的光學(xué)延遲發(fā)生器插入到參考光路Rc或測定光路Mc中，使測定光mc和參考光rc在時間軸上分離，測定其時間差，然后對由光學(xué)延遲發(fā)生器的延遲時間值測定到的時間差進(jìn)行修正(參見圖15(b)的示例2，例如專利文獻(xiàn)1)。此外，在對脈沖光源101進(jìn)行驅(qū)動時，由于發(fā)光的瞬間的較大電流變化而導(dǎo)致在光檢測器104的電氣輸出側(cè)發(fā)生電磁感應(yīng)噪聲。若參考光路Rc的通過時間較短，則該感應(yīng)噪聲與參考光rc在時間軸上重合，有時產(chǎn)生測定誤差。為了避免該問題，在參考光路Rc上附加具有一定延遲時間的延遲元件，將參考光rc和測定光mc分離(例如，專利文獻(xiàn)2)。通常，脈沖光源101大多使用脈沖寬度為IOn秒左右的光源，但是為了產(chǎn)生該IOn 秒的延遲，延遲元件(使用了折射率1.5的光纖的情況下)的長度至少要2米。實(shí)際上，設(shè)定延遲時間時還會留出富余，所以優(yōu)選延遲時間為脈沖寬度的幾倍以上。作為延遲時間，假設(shè)要得到個位數(shù)以上的IOOn秒，則在作為延遲元件使用了光纖的情況下，光纖的長度達(dá)到約20米。此外，在采用了后述的、通過衰減振蕩波形進(jìn)行零點(diǎn)檢測而得到高精度的時間差測定方法的情況下，優(yōu)選將噪聲電平設(shè)在_58dB (1/800)以下，該情況下，作為延遲元件，經(jīng)
5光學(xué)距離換算需要200米以上的長尺寸。作為上述延遲元件，為了能夠自由彎曲、且以較小的形狀得到較大的延遲時間，適合使用光纖。但是，光纖具有傳播延遲時間因溫度而改變的特性。石英光纖的折射率的溫度系數(shù)為10ppm/°C左右(例如，非專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)2)，作為光纖長度，使用能夠得到與上述200米相當(dāng)?shù)难舆t時間的130米，在將室外的溫度變化量設(shè)為50°C的情況下，由延遲時間的變化引起的測定距離誤差為IOcm左右。該誤差作為測定精度在Imm左右的精密距離測定裝置的誤差來說是不能夠允許的。專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開昭57-147800號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平5-232231號公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn) 1 :Ι· H. Malitson ； 〃 Interspecimen Comparisonof the Refractive Index of Fused Silica" , Journal of the Optical Societyof America,vol. 55,no. 10, pp. 1205 (oct. 1965)非專利文獻(xiàn) 2 :Gorachaud Ghosh ； " TemperatureDispersion of Refractive Indexes in some Silicate Fiber Glasses"，IEEEPH0T0NICS TECHN0GY LETTERS,vol. 6, no. 3，pp. 431 (Mar. 1994)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于，提供一種距離測定裝置及方法，將距離測定裝置內(nèi)部的延遲電路的變動的影響抵消，能夠進(jìn)行高精度且高速的測定。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第一方面所涉及的距離測定裝置1，例如，如圖1所示，具備光源部10，與觸發(fā)信號Trg同步進(jìn)行脈沖發(fā)光；分光部30，將來自光源部10的光分支成第一基準(zhǔn)光r 1、第二基準(zhǔn)光r2及測定發(fā)送光mt ；第一參考光路Rl，使第一基準(zhǔn)光r 1 通過，而不發(fā)生光學(xué)距離變化；第二參考光路R1，包括相對于第一參考光路Rl發(fā)生時間延遲的光學(xué)延遲發(fā)生部50，使第二基準(zhǔn)光r2通過；參考光路切換部60，具有將第一參照光路 Rl和第二參考光路R2的任意一個設(shè)置為通過、將雙方設(shè)置為通過、及將雙方設(shè)置為遮蔽的功能；發(fā)送部110t，向測定對象物160照射測定發(fā)送光mt ；接收部110r，將照射的測定發(fā)送光mt在測定對象物上發(fā)生了反射的測定接收光mr接收；測定光量調(diào)整部90 (91 (參見圖 2) ,92)，將測定發(fā)送光mt或測定接收光mr遮蔽；光合成部70，將第一參考光路Rl的輸出光、第二參考光路R2的輸出光、以及被接收部IlOr接收到的測定接收光mr合成；光電變換部140，將由光合成部70合成出的光信號變換為電信號；以及測定控制部150，具有如下的功能，即，通過控制信號CONT對參考光路切換部60、測定光量調(diào)整部90進(jìn)行控制，根據(jù)由光電變換部140得到的信號的檢測時間來決定距離。在此，“與觸發(fā)信號Trg同步地進(jìn)行脈沖發(fā)光”是指，根據(jù)觸發(fā)信號Trg的定時，決定發(fā)光定時，換句話說，只要觸發(fā)信號Trg的定時與發(fā)光的定時在時間上存在一定關(guān)系即可?！斑M(jìn)行脈沖發(fā)光”是指包括單脈沖、重復(fù)脈沖的雙方，而不是連續(xù)光。“發(fā)光”是指產(chǎn)生包括可見光、不可見光在內(nèi)的光?！肮庠础卑す夤饩€這類的相干光、從LED等發(fā)出的非相干光的全部?！暗谝粎⒖脊饴凡话l(fā)生光學(xué)距離變化變化”是指，相對于溫度等測定環(huán)境的能夠想到的變化，在第一參考光路中產(chǎn)生的通過時間的變化與距離測定裝置的測定精度相比小到可以忽略。也可以說“在實(shí)際應(yīng)用上不影響精度”或“幾乎不發(fā)生”。例如，在要求測定精度為Imm左右的情況下，相對于測定環(huán)境的變化，產(chǎn)生測定精度的1/10、即0. Imm左右的變化。“通過”是指使入射的光能的全部或一部分通過?！罢诒巍笔侵甘谷肷涞娜抗饽懿煌ㄟ^?！鞍l(fā)送部”是指從距離測定裝置1向測定對象物160發(fā)射束狀測定發(fā)送光mt的部分， “接收部”是指用于將在測定對象物160反射而返回到距離測定裝置1的測定接收光mr導(dǎo)入到光電變換部140的部分。發(fā)送部、接收部有時構(gòu)成為雙方具有公用部分。例如，在圖1 中，透鏡113是發(fā)送部IlOt的一部分，也是接收部IlOr的一部分。像這樣能夠獨(dú)立對第一及第二基準(zhǔn)光、測定發(fā)送光、接收測定光的遮斷/通過進(jìn)行控制，所以能夠提供能夠?qū)嵤┫旅鏀⑹龅牡诙矫嬉韵碌陌l(fā)明的安全性高的測定模式。 并且，僅測定第一及第二基準(zhǔn)光時，能夠在對測定對象物進(jìn)行了準(zhǔn)直的狀態(tài)進(jìn)行測定，能夠在與用于計(jì)算距離的測定接收光測定時接近的條件進(jìn)行測定。也就是說，無需為了僅測定第一及第二基準(zhǔn)光，而解除準(zhǔn)直狀態(tài)，以便不將接收測定光接收。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第二方面涉及的距離測定裝置1的測定控制裝置 150，例如，如圖1及圖4、圖5所示，在第一方面涉及的距離測定裝置中，1)具有這樣的功能，控制參考光路切換部60，將第一參考光路Rl和第二參考光路 R2設(shè)置為通過，控制測定光量調(diào)整部90 (91 (參見圖幻，92)，將測定發(fā)送光mt或測定接收光mr遮蔽，根據(jù)光電變換部140的輸出，測定觸發(fā)信號Trg與第一基準(zhǔn)光rl之間的時間差 (Trl)、以及觸發(fā)信號Trg與第二基準(zhǔn)光r2之間的時間差(Tr2)，并進(jìn)行存儲；2)具有這樣的功能，將第一參考光路Rl和第二參考光路R2遮蔽，且將測定發(fā)送光 mt和測定接收光mr設(shè)置為通過，對測定接收光mr與觸發(fā)信號Trg之間的時間差(Tm)進(jìn)行測定； 3)具有第一測定功能，將第一參考光路Rl設(shè)置為通過，將第二參考光路R2設(shè)置為遮蔽，將測定發(fā)送光mt和所述測定接收光mr設(shè)置為通過，根據(jù)測定接收光mr與第一基準(zhǔn)光rl之間的時間差(Tm-Trl)的值，決定測定光路差(Tt)；4)具有第二測定功能，將第一參考光路Rl設(shè)置為遮蔽，將第二參考光路R2設(shè)置為通過，將所述測定發(fā)送光mt和測定接收光mr設(shè)置為通過，求出第二基準(zhǔn)光r2與測定接收光mr之間的時間差Td，= Tr2-Tm，進(jìn)一步由在上述1)中求出的Tr2、Trl的值，求出Td = Tr2-Trl，計(jì)算Td-Td，，從而決定測定光路差(Tt)；5)具有這樣的功能，根據(jù)在上述2)中得到的所述時間差Tm，區(qū)分使用所述第一測定功能和所述第二測定功能；以及6)具有這樣的功能，根據(jù)所述測定光路差Tt決定到測定對象物160的距離。由于采用這種結(jié)構(gòu)，所以能夠在從近距離到遠(yuǎn)距離的寬距離范圍內(nèi)，進(jìn)行高精度的測定。即，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測定這樣的、測定接收光和基準(zhǔn)光能夠在時間軸上分離的情況下，不插入延遲機(jī)構(gòu)而進(jìn)行測定，所以處理簡單，且能夠進(jìn)行高精度的測定。并且，在進(jìn)行近距離測定這樣的、測定接收光和基準(zhǔn)光在時間軸上的分離不足，不能夠進(jìn)行高精度的測定的情況下，通過插入延遲機(jī)構(gòu)，將測定接收光和基準(zhǔn)光分離，并且能夠?qū)⒂缮鲜鲅舆t機(jī)構(gòu)的溫度變化等引起的延遲時間變動抵消，所以能夠進(jìn)行高精度的測定。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第三方面涉及的距離測定裝置1，例如，如圖1及圖4、圖5所示，在第一方面涉及的距離測定裝置中，測定光量調(diào)整部90還具有使測定接收光 mr或測定發(fā)送光mt衰減的功能，并且還具有使測定接收光mr的電平與第一基準(zhǔn)光rl及第二基準(zhǔn)光r2的電平大概一致的功能。在此，測定光量調(diào)整部90的調(diào)整對象包括測定發(fā)送光mt、測定接收光mr、或雙方的電平的調(diào)整。另外，插入測定光量調(diào)整部90的位置不限于圖1所示的設(shè)置于接收側(cè)的測定光量調(diào)整部91，也可以是如圖2所示的設(shè)置于發(fā)送側(cè)的測定光量調(diào)節(jié)部91。S卩，只要能夠控制測定接收光mr的電平即可，也可以是距離測定裝置的其他部分?！笆闺娖酱蟾乓恢隆?是指，在能夠防止因測定接收光mr、第一基準(zhǔn)光rl、以及第二基準(zhǔn)光r2的各脈沖的電平差而引起測定誤差，能夠高精度地測定時間位置的程度上，使電平一致。由于這樣構(gòu)成，所以能夠以良好的精度測定在參考光路中傳播的基準(zhǔn)光rl、r2與接收光mr之間的時間間隔。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第四方面涉及的距離測定裝置1，在上述第一方面或第二方面涉及的發(fā)明中，光學(xué)延遲發(fā)生部50的延遲時間被設(shè)定成，使第一參考光路Rl與所述第二參考光路R2之間的通過時間的差是在光源部10上生成的脈沖光mt的脈沖寬度Tp 的2倍以上。另外，在此，所述脈沖光不單單是指單脈沖光，也包括例如圖11、圖14所示的、 由多個脈沖(脈沖寬度Ts)構(gòu)成的脈沖串信號。此時的脈沖寬度Tp為脈沖串長度。若像這樣進(jìn)行設(shè)定，則即使不對第一參考光路Rl和第二參考光路R2進(jìn)行切換，而將第一基準(zhǔn)光r 1和第二基準(zhǔn)光r2的雙方輸入到一個光電變換部140中，也能夠?qū)⒌谝换鶞?zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2在時間上進(jìn)行分離，所以能夠以高測定精度測定Trl與Tr2的時間差。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第5方面涉及的距離測定裝置1，在上述第二方面乃至第四方面的任意一個方面涉及的發(fā)明中，例如，如圖4的O)、圖5的( 所示，對第一基準(zhǔn)光rl與測定接收光mr之間的時間差和所述脈沖光的脈沖寬度Tp進(jìn)行比較，從而判斷所述Trl和所述Tm是否分離。另外，在此，所述脈沖光不單單是指單脈沖光，也包括例如圖 11、圖14所示的、由多個脈沖(脈沖寬度Ts)構(gòu)成的脈沖串信號。此時的脈沖寬度Tp為脈沖串長度。若像這樣構(gòu)成，則即使發(fā)送光mt的脈沖寬度Tp因光源部10的特性變動而改變， 也能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行在參考光路切換部60中的切換，能夠確保高測定精度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第6方面涉及的距離測定裝置1，在上述第一方面乃至第5方面的任意一個方面涉及的發(fā)明中，例如，如圖1所示，光學(xué)延遲發(fā)生部50是光纖。若像這樣使用光纖，則通過將光纖卷得較小，從而能夠?qū)崿F(xiàn)小型且延遲時間較大的光學(xué)延遲發(fā)生部，所以能夠?qū)⒕嚯x測定裝置整體小型化。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第7方面涉及的距離測定裝置1，在上述第二方面乃至第6方面的任意一個方面涉及的發(fā)明中，例如，如圖7、圖8所示，光電變換部140具有諧振電路部170，該諧振電路部170將接受到的脈沖光信號變換為衰減振蕩波形，根據(jù)該衰減振蕩波形的零交叉點(diǎn)tl、t2、…訪，決定所述時間差。即使接受到的光信號的振幅存在偏差，衰減振蕩波形的零交叉點(diǎn)在時間軸上的位置在光信號的時間軸上的變化仍較小。因此，各種干擾的影響較小。并且，由于將在電氣處理中產(chǎn)生的偏壓的變動等的影響較小的零點(diǎn)作為基準(zhǔn)，所以能夠得到高精度。尤其，在開始
8振蕩后的第一個零交叉點(diǎn)tl與其他零交叉點(diǎn)t2、…、tn相比，在時間軸上的位置更加穩(wěn)定，所以所述時間差優(yōu)選根據(jù)該零交叉點(diǎn)tl來決定。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明涉及的距離測定方法，例如，如圖1、圖4、圖5、圖6所示，是使用了距離測定裝置1的距離測定方法，距離測定裝置1具備光源部10，與觸發(fā)信號Trg同步進(jìn)行脈沖發(fā)光；分光部30，將來自光源部10的光分支成第一基準(zhǔn)光rl、第二基準(zhǔn)光r2及測定發(fā)送光mt ；第一參考光路R1，使第一基準(zhǔn)光rl通過，而不發(fā)生光學(xué)距離變化；第二參考光路R1，包括相對于第一參考光路Rl發(fā)生時間延遲的光學(xué)延遲發(fā)生部50，使第二基準(zhǔn)光r2通過；參考光路切換部60，具有將第一參照光路Rl和第二參考光路R2的任意一個設(shè)置為通過、將雙方設(shè)置為通過、及將雙方設(shè)置為遮蔽的功能；發(fā)送部110t，向測定對象物160照射測定發(fā)送光mt ；接收部110r，將照射的測定發(fā)送光mt在測定對象物上發(fā)生了反射的測定接收光mr接收；測定光量調(diào)整部90 (91 (參見圖2、,92)，將測定發(fā)送光mt或測定接收光mr遮蔽；光合成部70，將第一參考光路Rl的輸出光、第二參考光路R2的輸出光、以及被接收部IlOr接收到的測定接收光mr合成；以及光電變換部140，將由光合成部 70合成出的光信號變換為電信號，該距離測定方法包括1)工序S10，控制參考光路切換部60，將第一參考光路Rl和第二參考光路R2設(shè)置為通過，控制測定光量調(diào)整部90(91 (參見圖幻)，將測定發(fā)送光mt或測定接收光mr遮蔽， 根據(jù)光電變換部140的輸出，測定觸發(fā)信號Trg與第一基準(zhǔn)光rl之間的時間差(Trl)、觸發(fā)信號Trg與第二基準(zhǔn)光r2之間的時間差(Tr2)，并進(jìn)行存儲；2)工序S20，將第一參考光路Rl和第二參考光路R2遮蔽，且將測定發(fā)送光mt和測定接收光mr設(shè)置為通過，對測定接收光mr與觸發(fā)信號Trg之間的時間差(Tm)進(jìn)行測定；
3)第一測定工序S40，將第一參考光路Rl設(shè)置為通過，將第二參考光路R2設(shè)置為遮蔽，將測定發(fā)送光mt和測定接收光mr設(shè)置為通過，根據(jù)測定接收光mr與第一基準(zhǔn)光rl 之間的時間差(Tm-Trl)的值，決定測定光路差(Tt)；4)具有第二測定工序S50，將第一參考光路Rl設(shè)置為遮蔽，將第二參考光路R2設(shè)置為通過，將所述測定發(fā)送光mt和測定接收光mr設(shè)置為通過，求出第二基準(zhǔn)光r2與測定接收光mr之間的時間差Td，= Tr2-I~m，進(jìn)一步由在上述1)中求出的Tr2、Trl的值，求出 Td = Tr2-Trl，計(jì)算Td-Td’，從而決定測定光路差(Tt)；5)工序S30，根據(jù)在上述2)中得到的所述時間差Tm，區(qū)分使用所述第一測定工序 (S40)和所述第二測定工序(S50)；以及6)工序S60，由所述測定光路差(Tt)決定到測定對象物160的距離。由于采用這種結(jié)構(gòu)，所以能夠在從近距離到遠(yuǎn)距離的寬距離范圍內(nèi)，進(jìn)行高精度的測定。即，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離測定這類的、測定接收光和基準(zhǔn)光能夠在時間軸上分離的情況下，不插入延遲機(jī)構(gòu)而進(jìn)行測定，所以處理簡單，且能夠進(jìn)行高精度的測定。并且，在進(jìn)行近距離測定這類的、測定接收光和基準(zhǔn)光在時間軸上的分離不足，不能夠進(jìn)行高精度的測定的情況下，通過插入延遲機(jī)構(gòu)，將測定接收光和基準(zhǔn)光分離，并且能夠?qū)⒂缮鲜鲅舆t機(jī)構(gòu)的溫度變化等引起的延遲時間變動抵消，所以能夠進(jìn)行高精度的測定。


9
圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的距離測定裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。圖2示出將測定光量調(diào)整部設(shè)置在發(fā)送側(cè)的結(jié)構(gòu)。圖3示出使用了棱鏡的發(fā)送部/接收部的結(jié)構(gòu)。圖4是示出本發(fā)明的測定(遠(yuǎn)距離示例1)的各部波形的圖。圖5是示出本發(fā)明的測定(近距離示例2)的各部波形的圖。圖6是示出本發(fā)明的測定流程的圖。圖7示出用于生成衰減振蕩波形的諧振電路的例。圖8是示出用于生成衰減振蕩波的輸入/輸出波形的圖。圖9是示出第一基準(zhǔn)光和第二基準(zhǔn)光的關(guān)系的圖。圖10是示出衰減振蕩波零交叉點(diǎn)法中的干擾的圖。圖11是說明串狀光脈沖的圖。圖12是用線性調(diào)頻(chirp)信號進(jìn)行了調(diào)制的光脈沖信號的圖。圖13是說明進(jìn)行了振幅調(diào)制的光脈沖的圖。圖14是說明特定圖案的相關(guān)檢測的圖。圖15是說明現(xiàn)有的測定原理的圖。
具體實(shí)施例方式本申請是以于2008年12月25日在日本提出的特愿2008-330162號申請為基礎(chǔ)， 其內(nèi)容作為本申請的內(nèi)容，構(gòu)成其一部分。本發(fā)明能夠通過下面的詳細(xì)說明進(jìn)一步完整地理解。本發(fā)明的進(jìn)一步的應(yīng)用范圍將通過下面的詳細(xì)說明更加明確。但是，詳細(xì)說明及特定的實(shí)例只是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，是為了便于說明而記載的。顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)此詳細(xì)說明，在本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更、改變。申請人并不意圖將所記載的實(shí)施方式的任何一項(xiàng)獻(xiàn)于公眾，對于在改變、代替案之中、即使在字面上不包括在權(quán)利要求書范圍內(nèi)的內(nèi)容，在等效論下也屬于發(fā)明的一部分。下面，參照附圖，說明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在各圖中，對于相同或相應(yīng)的部分賦予相同的符號，省略重復(fù)說明。[距離測定裝置的結(jié)構(gòu)例]參照圖1，對作為本發(fā)明的第一實(shí)施方式的距離測定裝置1進(jìn)行說明。光源部10根據(jù)觸發(fā)信號Trg，以一定的定時生成脈沖光(測定發(fā)送光mt)。光源部10由發(fā)光元件12和發(fā)光用驅(qū)動電路11構(gòu)成，發(fā)光用驅(qū)動電路11對發(fā)光元件12進(jìn)行驅(qū)動。發(fā)光元件12比較典型的是采用能夠?qū)h(yuǎn)距離的測定對象物160照射較細(xì)的光束的半導(dǎo)體激光器，但如果用于測定與近距離的測定對象物160之間的距離，則也可以使用LED這樣的非相干(coherent) 光源。在此，說明采用半導(dǎo)體激光器、尤其是脈沖激光二極管的情況。發(fā)光用驅(qū)動電路11 使驅(qū)動電流流入發(fā)光元件12，只在想要進(jìn)行發(fā)光的期間流入閾值以上的電流。即，在想要進(jìn)行發(fā)光的瞬間一口氣流入驅(qū)動電流。在發(fā)光用驅(qū)動電路11中，根據(jù)觸發(fā)信號，生成所需脈沖寬度的發(fā)光元件驅(qū)動脈沖，驅(qū)動脈沖可以是單脈沖，也可以是根據(jù)觸發(fā)信號Trg具有預(yù)定周期的重復(fù)脈沖。在發(fā)光元件12中生成的光脈沖被準(zhǔn)直透鏡20變換成平行光束。被準(zhǔn)直透鏡(collimator lens) 20變換為平行光束的光脈沖被分光部30分離成測定發(fā)送光mt、第一基準(zhǔn)光rl、第二基準(zhǔn)光r2。分光部30例如由兩個分束器(beam
10splitter) 31、32構(gòu)成。即，利用分束器31將來自準(zhǔn)直透鏡20的平行光束分離成2個光束， 將其中一個光束作為測定發(fā)送光mt，再用分束器32對另一個光束進(jìn)行二分割，并分別作為第一基準(zhǔn)光rl、第二基準(zhǔn)光r2。從分束器31輸出的測定發(fā)送光mt被聚光透鏡80聚光，輸入到用于與發(fā)送部IlOt連接的光纖100。在發(fā)送部IlOt中，利用準(zhǔn)直透鏡111再次將在光纖100內(nèi)傳播的測定發(fā)送光mt 變換為平行光束，利用投光鏡112將其方向變換為直角方向，通過在物鏡113的中心附近開口的孔113a，朝向測定對象物160照射。在測定對象物160上進(jìn)行了反射的光被設(shè)置于接收部IlOr上的物鏡113聚光，輸入到連接用光纖120。在光纖120內(nèi)傳播的光被準(zhǔn)直透鏡81變換為平行光束。圖3示出發(fā)送部IlOt/接收部IlOr的其他實(shí)施方式。如圖所示，本實(shí)施方式采用了在透鏡180和透鏡190之間、以及在透鏡200和透鏡190之間插入了棱鏡210的結(jié)構(gòu)。再次返回到圖1，繼續(xù)進(jìn)行說明。在聚光透鏡80和光纖100之間(發(fā)送側(cè))、或者在準(zhǔn)直透鏡81和光纖120之間(接收側(cè))設(shè)置有測定光量調(diào)整部90 (91、92)。測定光量調(diào)整部的插入位置可以是在發(fā)送側(cè)，也可以是在接收側(cè)，但優(yōu)選在接收側(cè)。這是因?yàn)椋粼诎l(fā)送側(cè)使光量改變，則由裝置內(nèi)部的光學(xué)部件的表面反射等引起的內(nèi)部反射噪聲的量改變， 難以得到穩(wěn)定的測距精度，而若設(shè)置在接收側(cè)，則該內(nèi)部反射噪聲量恒定，能夠得到穩(wěn)定的測距精度。這些部件用于對入射的光賦予所需的衰減，由測定控制部150進(jìn)行控制。衰減量可以到無限大，如果構(gòu)成為能夠?qū)⑷肷涞墓馔耆诒?，則也能夠作為在后面進(jìn)行說明的測定光的遮蔽單元使用。并且，除了圖1中示出的位置之外，測定光量調(diào)整部90(91、92)的配置位置還可以在聚光透鏡80和分光部30之間，或者準(zhǔn)直透鏡81和光合成部70之間。被分束器32分離的第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2被參考光路切換部60選為基準(zhǔn)光。例如，如圖1所示，被分離的第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2分別被輸入到第一參考光路切換器61和第二參考光路切換器62。第一參考光路切換器61和第二參考光路切換器 62由測定控制部150進(jìn)行控制，以便能夠使入射的光通過或是將入射的光遮蔽。通過了第一參考光路切換器61的光經(jīng)由第一參考光路Rl輸入到光合成部70。第一參考光路Rl比較典型的是光路長度較短的單一空間。即，第一參考光路切換器61和光合成部70在光學(xué)上串聯(lián)，基本不會發(fā)生光學(xué)距離變化。另外，第一參考光路Rl能夠使用在實(shí)際使用時基本不會發(fā)生距離變化的短光纖。例如，在精度為1毫米的情況下，光纖長度為幾十厘米左右。通過了第二參考光路切換器62的光經(jīng)由第二參考光路R2輸入到光合成部70。在第二參考光路R2上插入有光學(xué)延遲發(fā)生部50。光學(xué)延遲發(fā)生部50對第一參考光路Rl和第二參考光路R2的傳播時間賦予差，比較典型的是光纖。此外，具體地講，采用梯度型光纖 (Graded index fiber)。分別在第一參考光路Rl和第二參考光路R2中傳播的光被光合成部70內(nèi)的分束器71合成，利用基準(zhǔn)光量調(diào)整部93對合成后的信號的電平進(jìn)行調(diào)整之后，進(jìn)一步利用分束器72與測定接收光mr合成。利用分束器72進(jìn)行了合成的光信號被聚光透鏡130聚光，入射到設(shè)置于光電變換部140內(nèi)的受光元件141。受光元件141比較典型的是APD (Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管)，但只要能夠充分地對從光源部10射出的光脈沖進(jìn)行響應(yīng)，具有必要的靈敏度，則也可以使用其他元件。受光元件141的檢測輸出作為電信號出現(xiàn)在負(fù)載142的兩端， 被前置放大器143放大后，作為測定輸出Mes輸出。使用圖6的測定流程圖和圖4、圖5，說明本距離測定裝置1的動作。如圖6所示， 本流程由(1)校正用數(shù)據(jù)取得過程、(2)目標(biāo)物(測定對象物)概略位置檢測過程、(3)測距過程構(gòu)成。在測距過程中，進(jìn)一步根據(jù)到測定對象物的距離，分為第一測定和第二測定。 首先，在圖6中，在步驟SlO中，求出光在第一參考光路Rl和第二參考光路R2中的通過時間之差Td，將該值存儲。步驟SlO由步驟Sll 步驟S12構(gòu)成。在步驟Sll中，根據(jù)測定控制部150的指令，將第一參考光路切換器61設(shè)置為通過，以及將第二參考光路切換器62 設(shè)置為通過，而將測定光量調(diào)整部90設(shè)置為遮蔽。接著，在步驟S12中，測定第一基準(zhǔn)光rl 和第二基準(zhǔn)光r2之間的時間差Td。這樣，來自光源部10的光在第一參考光路Rl和第二參考光路R2中傳播，并入射到光電變換部140中，但是測定發(fā)送光mt不傳播。將該情況示于圖4的⑴和圖5的(1)。另外，在圖4、圖5中，以觸發(fā)信號Trg的定時TO為基準(zhǔn)，測定 Trl、Tr2，但不限于此，只要與測定發(fā)送光mt保持一定的時間間隔即可。其中，以觸發(fā)信號 Trg的定時TO為基準(zhǔn)時，能夠作為電信號進(jìn)行處理，不穩(wěn)定因素較少，能夠進(jìn)行高精度的測定。下面的說明以TO為基準(zhǔn)。圖4的⑴和圖5的⑴中示出第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2在光電變換部 140中的輸出波形。第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2被受光元件141接受時，分別從基準(zhǔn)時刻TO延遲Trl、Tr2的量。各個脈沖寬度為Tp (另外，如后所述，光源部的輸出波形是由多個脈沖的集合構(gòu)成的脈沖串信號(burst signle)時，為脈沖串寬度)。在圖6的步驟S12 中，測定第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2的光源部10的輸出定時，以便以觸發(fā)信號Trg的輸入時間為基準(zhǔn)，在一定的定時將第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2接受。測定發(fā)送光mt的發(fā)生定時與觸發(fā)信號Trg的輸入定時TO同步，但是通常會有一定的時間延遲。即使在該情況下，光源部10的輸出的上升定時和觸發(fā)信號Trg的輸入時刻TO的時間間隔仍保持恒定。 因此，能夠以觸發(fā)信號Trg的輸入時刻TO為基準(zhǔn)(下面稱為基準(zhǔn)時刻TO)，決定第一基準(zhǔn)光 rl和第二基準(zhǔn)光r2的傳播時間Td。艮P，Td = Tr2-Trl(1)將Td的值和Trl存儲到控制部150的存儲器中。Tr2的值因插入到第二參考光路R2的作為光學(xué)延遲發(fā)生部50的光纖的溫度變化等而變動。將該變動量設(shè)為ΔΤγ2。另一方面，由于第一參考光路Rl中不包括較大的延遲元件，所以ATrl幾乎可以忽略。ΔΤγ2是測定誤差的主要原因，而本發(fā)明的特征在于，能夠抵消該誤差。對于這一點(diǎn)，將在后面詳細(xì)進(jìn)行說明。接著，將測定光量調(diào)整部90設(shè)置為通過，使測定光在測定光路M中傳播，將第一參考光路Rl和第二參考光路R2設(shè)置為遮蔽，利用光電變換部140對測定接收光mr進(jìn)行觀測， 對接收定時Tm進(jìn)行測定(步驟S20)。使用Tm的值和在SlO中記錄的Trl和脈沖寬度Tp， 判斷是否為Tm < Trl+Tp (示例2)，或者是否為Tm彡Trl+Tp (示例1)(步驟S30)。在示例 2的情況下，測定對象物160與距離測定裝置1之間的距離較短，有時測定接收光mr和第一基準(zhǔn)光rl的脈沖在時間上重合。將這種情況下的波形示于圖5的O)。在示例1的情況下，測定對象物160與距離測定裝置1之間的距離較長，測定接收光mr和第一基準(zhǔn)光rl的脈沖不會在時間上重合。將這種情況下的波形示于圖4的O)。
在步驟S30中的比較結(jié)果，在屬于示例1的情況下，通過下面的數(shù)學(xué)式( 來計(jì)算 Tt (步驟 S40)。Tt = Tm-Trl(2)采用下述數(shù)學(xué)式，由Tt求出到測定對象物160的距離L(步驟S60)。L = cTt/2(3)在此，c為光速。在屬于示例2的情況下，有時不能進(jìn)行以第一基準(zhǔn)光rl為基準(zhǔn)的測定。在這種情況下，執(zhí)行圖6的步驟S50的處理。S卩，使用Tr2與Tm之間的時間差Td’、及存儲于存儲器中的Td，實(shí)施下面的運(yùn)算(步驟S51、S52)。Td = Tr2-Trl(4)Td，= Tr2-Tm(5)Tt = Td-Td，(6)接著，采用與示例1的情況相同的方式，使用數(shù)學(xué)式(3)，求出到測定對象物160的距離L (步驟S60)。上述處理是以第二基準(zhǔn)光r2為基準(zhǔn)進(jìn)行測定，該第二基準(zhǔn)光r2與第一基準(zhǔn)光rl 的通過時間不同，由此，能夠?qū)y定接收光mr和第一基準(zhǔn)光rl之間的脈沖的重合分開。但是，如上所述，Tr2中包括光學(xué)延遲發(fā)生部50的延遲時間變動，在由光纖構(gòu)成的情況下，存在因溫度等的變化而引起的通過時間的變動。即，若Tr2變動為Tr2+ Δ Tr2,則變
為Td = Tr2+ATr2-Trl(4，)Td' = Tr2+ATr2-Tm(5，)。但是，Tt = Td-Td，= Tm-Trl(6，)對于Tt，ΔΤΓ2(通常為Tr2)的影響相抵消。另一方面，對于Trl，雖然存在變動的影響，然而如上所述，由于延遲時間被設(shè)定得較短，所以溫度變化對于Trl的影響較小。因此，能夠幾乎不受溫度等的影響，進(jìn)行高精度的測定。以上，對一個對象物進(jìn)行的測定結(jié)束，在重復(fù)進(jìn)行測定的情況下(步驟S70中為 “是”)，再次在下一次測定中判斷測定環(huán)境是否變更(步驟S80)。在此，“測定環(huán)境的變更” 是指溫度的變更、距離測定裝置的設(shè)置位置的變更等，有時在步驟SlO中測定到的校正數(shù)據(jù)發(fā)生變動。在不發(fā)生這種變動的情況下(步驟S80中為“否”)，返回到步驟S20，重復(fù)進(jìn)行測定。在發(fā)生了測定環(huán)境的變動的情況下(步驟S80中為“是”)，返回到步驟S10，再次測定作為校正用數(shù)據(jù)的Td，改寫已存儲的測定值。由于采用這種結(jié)構(gòu)，所以無需在全部測定中，每次進(jìn)行測定時都實(shí)施步驟S10。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速的測定。在結(jié)束測定的情況下 (步驟S70中為“否”)，結(jié)束圖6的流程。另外，顯而易見，在每次測定中都進(jìn)行校正用數(shù)據(jù)取得的過程的情況下，或者在每次測定中都省略的情況下，可以省略步驟S80。并且，步驟S70和步驟S80的判斷可以按照預(yù)先制定的流程自動進(jìn)行，也可以在每次測定時手動進(jìn)行。若測定接收光mr、第一基準(zhǔn)光rl、第二基準(zhǔn)光r2之間的電平差較大，則測定誤差增大。因此，優(yōu)選使上述3個光的電平一致。對于第一基準(zhǔn)光rl、第二基準(zhǔn)光r2的電平，由
13于傳播路徑在距離測定裝置內(nèi)，所以只要在第一參考光路Rl或第二參考光路R2內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娖秸{(diào)整單元即可，無需根據(jù)測定環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。另一方面，測定接收光mr的電平根據(jù)測定距離L、測定對象物160的反射條件等測定環(huán)境發(fā)生變動。如圖1所示，在本實(shí)施方式中，為了吸收該變動，在接收側(cè)設(shè)置測定光量調(diào)整部 92。另外，如圖2所示，有時也在發(fā)送側(cè)設(shè)置測定光量調(diào)整部91，或者在發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的兩側(cè)都設(shè)置，但是最好在接收側(cè)設(shè)置。測定光量調(diào)整部90(91、9幻例如能夠使用對ND濾波器進(jìn)行機(jī)械調(diào)整的機(jī)構(gòu)或液晶透光板這樣的采用了電光學(xué)效果的機(jī)構(gòu)。另外，如圖6的步驟Sll所示，由于需要將測定光路M完全遮蔽，所以需要能夠?qū)⑼高^光完全遮蔽的機(jī)構(gòu)。對這些機(jī)構(gòu)的控制由測定控制部150根據(jù)未予圖示的電平檢測單元的檢測結(jié)果進(jìn)行。另外， 除了進(jìn)行上述自動控制之外，也可以采用基于手動的控制方式。使用圖9，說明光學(xué)延遲發(fā)生部50的所需延遲設(shè)定量Tq。如在圖4、圖5中所說明的，Td是第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2通過各自光路的時間之差，具有大致與光學(xué)延遲發(fā)生部50的延遲時間設(shè)定值Tq接近的值，但是因距離測定裝置的其他部分的延遲時間的影響而稍有偏差。為了在這樣的情況下也能夠使第一基準(zhǔn)光rl和第二基準(zhǔn)光r2不在時間上重合，以良好的精度決定Td，將Tq設(shè)定為測定發(fā)送光脈沖的脈沖寬度Tp (如后述的圖 11所示，在1個測定發(fā)送光是由脈沖寬度Ts的η個單脈沖構(gòu)成的脈沖串(burst)光的情況下，Tp > nTs)的2倍以上較好。Trl、Tr2、Tm的測定能夠使用測定兩個脈沖之間的時間差Δ T的現(xiàn)有技術(shù)。例如， 可以舉出如下的方法等，為了測定開始信號Ml (脈沖信號)與停止信號Μ2(脈沖信號)之間的時間差，使基準(zhǔn)頻率發(fā)生器生成具有η /2相位差的2個基準(zhǔn)信號Si、S2，根據(jù)開始信號Ml和停止信號Μ2的各個生成定時處的基準(zhǔn)信號S1、S2的基準(zhǔn)頻率發(fā)生器的對應(yīng)振幅值 A11、A12及A21、A22，檢測相位差Δ θ，根據(jù)檢測到的相位差Δ θ和基準(zhǔn)信號S1、S2的周期，計(jì)算ΔΤ(例如，日本特開2006-133214號脈沖時間差方式)。這些是周知技術(shù)，所以無需進(jìn)一步說明。[采用衰減振蕩波的方法]由于測定接收光mr在空氣中傳播，所以有時在傳播途中，會因空氣中的波動等導(dǎo)致接收光的峰值變動。在這種情況下，若采用上述脈沖時間差測定方式，則受到峰值變動的影響，有時會產(chǎn)生測定誤差。但是，若使測定接收光mr的電氣變換后的信號通過諧振電路， 則成為由諧振電路的常數(shù)決定的時間常數(shù)τ的衰減波形，眾所周知，只要測定接收光mr的重心位置不變動，此時的衰減波形的零交叉點(diǎn)就不會變動(例如，日本特開2003-185747)。 因此，通過檢測該零交叉點(diǎn)的位置，能夠進(jìn)行正確的測定。另外，下面將這種距離測定方法稱為“衰減振蕩波零交叉點(diǎn)法”。圖7示出應(yīng)用了衰減振蕩波零交叉點(diǎn)法的情況下的結(jié)構(gòu)。如圖所示，在光電變換部140的輸出端上連接有諧振電路170。諧振電路170比較典型的是電阻器Rd、電感器Ld、 電容器Cd的串聯(lián)電路或并聯(lián)電路。另外，Rd包括前置放大器143的輸出電阻。圖8示出光電變換部140和諧振電路170的輸出波形。如圖8(b)所示，相對于圖 8(a)的單脈沖，得到衰減振蕩波形。衰減振蕩的各頻率ω0 = l/(Ld · Cd)"2，在串聯(lián)諧振電路的情況下，衰減時間常數(shù)τ為τ = Rd · Cd。虛線示出峰值變動(增加)的情況。如圖所示，即使峰值變動，零交叉點(diǎn)tl Tn也不變動。因此，只要對基準(zhǔn)時刻與在波形上最
14穩(wěn)定的零交叉點(diǎn)tl之間的時間差進(jìn)行測定，就能夠進(jìn)行高精度的測定。檢測零交叉點(diǎn)并測定與基準(zhǔn)時刻之間的時間差的結(jié)構(gòu)屬于公知技術(shù)，所以省略進(jìn)一步的說明(例如，日本特開平5-2322 號公報(bào))。[采用衰減振蕩波零交叉點(diǎn)法的情況下的所需延遲量的設(shè)定]圖10示出兩個衰減振蕩波在時間上較接近地存在時的情況。例如，求出第一基準(zhǔn)光rl和測定接收光mr之間的時間差的情況。如上所述，通過檢測衰減振蕩波的零交叉點(diǎn)， 能夠進(jìn)行高精度的測定，但是，若在該零交叉點(diǎn)附近存在干擾波，則成為零交叉點(diǎn)的定時的測定誤差。因此，如圖10所示，到測定接收光mr的零交叉點(diǎn)附近為止，第一基準(zhǔn)光rl的衰減波形的回聲持續(xù)的情況下，需要使測定接收光mr與第一基準(zhǔn)光rl之間的時間間隔足夠大，以便使第一基準(zhǔn)光rl的回聲成分充分衰減。在此，如圖10所示，將測定接收光mr的第一周期以振幅電平S(電壓表示)、頻率fs的正弦波進(jìn)行近似。在此，頻率fs是諧振電路 170的諧振頻率。同樣地，若將作為干擾波的第一基準(zhǔn)光rl的回聲成分，以振幅電平N(電壓表示)、頻率fs的正弦波進(jìn)行近似，則干擾波引起的測定距離的誤差Δ Ls和(N/S)存在如下關(guān)系。Δ Ls {(N/S)/2 31 } · {(c/fs)/2}(7)在此，若將頻率fs設(shè)為30MHz，將測定誤差| Δ Ls |設(shè)為1mm，則需要滿足N/S < 1/800 (-58dB)這樣的關(guān)系。在此，若代入到衰減信號波形為每一周期衰減1/3振幅的情況，則振幅衰減到1/800所需的光學(xué)距離為30m。在此基礎(chǔ)上加上余量，若光學(xué)距離為50m， 則能夠充分滿足條件。由此，在使用第一基準(zhǔn)光rl的情況下，測定對象物160設(shè)定為50m 以上的范圍較好。以上是使用第一基準(zhǔn)光rl時的結(jié)果，即使在使用了第二基準(zhǔn)光r2的情況下，也會發(fā)生同樣的干擾。由于將在使用第一基準(zhǔn)光rl的情況下的測距范圍設(shè)為50m以后，所以測定光在時間上最接近第二基準(zhǔn)光r2這一情況表示測定對象物160存在于50m的距離的情況。因此，在使用第二基準(zhǔn)光r2進(jìn)行測定的情況下(圖4的示例1的情況下)，為了能夠忽略干擾波的影響(N/S < 1/800)，所需的光學(xué)距離需要設(shè)定為在上述基礎(chǔ)上相加了 50m的值、即100m。由于該光學(xué)距離IOOm是將光的往返換算為測定距離的值，所以實(shí)際上光行進(jìn)的距離為200m。具體地說，在利用光纖實(shí)現(xiàn)了光學(xué)延遲發(fā)生部50的情況下，若考慮光纖的折射率(1.5)，則其物理長度為130m。像這樣，若使用衰減振蕩波的零交叉點(diǎn)檢測法，精度雖然提高，但需要較大的延遲發(fā)生部，該延遲時間的溫度等引起的變動增大。即使在這種情況下，若應(yīng)用本發(fā)明，則通過時間變動被抵消，能夠維持高精度的測定。如圖10，在衰減振蕩波零交叉點(diǎn)法中，變換為電信號的光脈沖信號的脈沖寬度 Tp’比測定發(fā)送光mt的脈沖寬度Tp寬。因此，到現(xiàn)在為止所說明的與脈沖寬度Tp有關(guān)的記載之中，對于受光脈沖寬度，替代單脈沖時的Tp，使用衰減振蕩的持續(xù)時間Tp’。Tp’由衰減常數(shù)τ和測定發(fā)送光mt的脈沖寬度Tp決定。以上的說明是發(fā)送測定光mt為單脈沖的情況。單脈沖以外有如圖11 圖14所示的實(shí)施方式。圖11 (a)表示光脈沖(脈沖寬度Tp)是由連續(xù)的多個單脈沖(脈沖寬度Ts)構(gòu)成的串狀脈沖的情況。圖11(b)表示在圖11(a)的串狀脈沖的情況下，各個單脈沖以不同的脈沖寬度Tsl、Ts2、Tsn連續(xù)的情況。圖12表示利用線性調(diào)頻信號對光脈沖進(jìn)行了調(diào)制。在此，線性調(diào)頻信號是指，頻率在時間上連續(xù)變化的信號。圖13表示對光脈沖進(jìn)行了振幅調(diào)制。圖14表示一個光脈沖采用某種特定圖案的符號構(gòu)成?；蛘?，采用某一特定圖案的符號進(jìn)行了調(diào)制。通過對這種脈沖(被測定脈沖串)和相同圖案的基準(zhǔn)脈沖串之間進(jìn)行相關(guān)檢測，從而測定與基準(zhǔn)脈沖串之間的時間差Δ T。通過以上的實(shí)施方式，能夠準(zhǔn)確地測定接收測定光mr、基準(zhǔn)光rl、r2的檢測時間。對于在本發(fā)明的說明(尤其是權(quán)利要求書)中使用的名詞及代詞，在本說明書中沒有特別指出的情況下，而且上下文沒有明顯矛盾的情況下，應(yīng)被解釋為涉及單數(shù)和復(fù)數(shù)的雙方。在沒有特別指出的情況下，詞語“具備”、“具有”、“包括”應(yīng)被解釋為開放式(即， “包括但不限于”的意思)。在本說明書中沒有特別指出的情況下，本說明書中的數(shù)值范圍只是起到用于分別表示屬于該范圍內(nèi)的各個值的省略記法的作用，各個值是以在本說明書中分別列舉那樣代入到說明書。在本說明書中沒有特別指出，而且上下文沒有明顯矛盾的情況下，在本說明書中說明的全部方法能夠以任意適當(dāng)?shù)捻樞蜻M(jìn)行。對于在本說明書中使用的全部例或例示性表現(xiàn)(例如“等”)，在沒有特別主張的情況下，只是為了更加良好地說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。說明書中的任何表達(dá)方式，都不應(yīng)被解釋為實(shí)施本發(fā)明不可缺少的、權(quán)利要求中沒有記載的要素。在本說明書中，包括本發(fā)明人所知的為實(shí)施本發(fā)明而最佳的實(shí)施方式在內(nèi)，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在閱讀了上述說明之后，顯然也能夠了解到這些優(yōu)選實(shí)施方式的變形。本發(fā)明人期待熟練者能夠適當(dāng)應(yīng)用這種變形，也打算利用在本說明書中具體說明的方法以外的方法實(shí)施本發(fā)明。因此，如法律上所允許的， 本發(fā)明包括附加在說明書后的權(quán)利要求書中記載的內(nèi)容的修正及等效物的全部。此外，在本說明書中沒有特別指出，而且上下文沒有明顯矛盾的情況下，全部變形的上述要素的任意組合也包括在本發(fā)明中。附圖標(biāo)記說明1距離測定裝置10光源部11發(fā)光用驅(qū)動電路12發(fā)光元件20準(zhǔn)直透鏡30分光部31分束器32分束器50光學(xué)延遲發(fā)生部60參考光路切換部61第一參考光路切換器62第二參考光路切換器70光合成部
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71分束器72分束器80聚光透鏡81準(zhǔn)直透鏡90測定光量調(diào)整部91測定光量調(diào)整部(發(fā)送側(cè))92測定光量調(diào)整部(接收側(cè))93基準(zhǔn)光量調(diào)整部100 光纖104光檢測器IlOr 接收部IlOt 發(fā)送部111準(zhǔn)直透鏡112投光鏡113 物鏡113a 孔(物鏡)120 光纖130聚光透鏡140光電變換部141受光元件143前置放大器150測定控制部160測定對象物170諧振電路180 透鏡190 透鏡200 透鏡210 棱鏡Cont控制信號M測定光路Mes測定輸出mr測定接收光mt測定發(fā)送光rl第一基準(zhǔn)光Rl第一參考光路r2第二基準(zhǔn)光R2第二參考光路Trg觸發(fā)信號
1權(quán)利要求
1.一種距離測定裝置，具備光源部，與觸發(fā)信號同步進(jìn)行脈沖發(fā)光；分光部，將來自所述光源部的光分支成第一基準(zhǔn)光、第二基準(zhǔn)光及測定發(fā)送光； 第一參考光路，使所述第一基準(zhǔn)光通過，而不發(fā)生光學(xué)距離變化； 第二參考光路，包括相對于所述第一參考光路發(fā)生時間延遲的光學(xué)延遲發(fā)生部，使所述第二基準(zhǔn)光通過；參考光路切換部，具有將所述第一及所述第二參考光路的任意一個設(shè)置為通過、將雙方設(shè)置為通過、及將雙方設(shè)置為遮蔽的功能； 發(fā)送部，向測定對象物照射所述測定發(fā)送光；接收部，將所述照射的光在測定對象物上發(fā)生了反射的測定接收光接收； 測定光量調(diào)整部，將所述測定發(fā)送光或所述測定接收光遮蔽； 光合成部，將所述第一參考光路的輸出光、所述第二參考光路的輸出光、以及被所述接收部接收到的測定接收光合成；光電變換部，將由所述光合成部合成出的光信號變換為電信號；以及測定控制部，具有如下的功能，即，對所述參考光路切換部和所述測定光量調(diào)整部進(jìn)行控制，根據(jù)由所述光電變換部得到的信號的檢測時間來決定距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離測定裝置，其中， 所述測定控制部，1)具有這樣的功能，控制所述參考光路切換部，將第一及第二參考光路設(shè)置為通過，控制所述測定光量調(diào)整部，將所述測定發(fā)送光或測定接收光遮蔽，根據(jù)所述光電變換部輸出， 測定所述觸發(fā)信號與所述第一基準(zhǔn)光之間的時間差、即撲1，以及所述觸發(fā)信號與所述第二基準(zhǔn)光之間的時間差、即Tr2，并進(jìn)行存儲；2)具有這樣的功能，將所述第一及第二參考光路遮蔽，且將所述測定發(fā)送光和測定接收光設(shè)置為通過，測定所述測定接收光與所述觸發(fā)信號之間的時間差、即Tm ；3)具有第一測定功能，將所述第一參考光路設(shè)置為通過，將所述第二參考光路設(shè)置為遮蔽，將所述測定發(fā)送光和所述測定接收光設(shè)置為通過，根據(jù)所述測定接收光與所述第一基準(zhǔn)光之間的時間差、即Tm-Trl的值，決定測定光路差、即Tt ；4)具有第二測定功能，將所述第一參考光路設(shè)置為遮蔽，將所述第二參考光路設(shè)置為通過，將所述測定發(fā)送光和所述測定接收光設(shè)置為通過，求出所述第二基準(zhǔn)光與所述測定接收光之間的時間差Τ(1’ = 2- ιι，進(jìn)一步由在上述1)中求出的I~r2、Trl的值，求出Td = Tr2-Tr 1，計(jì)算Td_Td，，從而決定測定光路差、即Tt ；5)具有這樣的功能，根據(jù)在上述2)中得到的所述時間差Tm，區(qū)分使用所述第一測定功能和所述第二測定功能；以及6)具有這樣的功能，根據(jù)所述測定光路差、即Tt決定到測定對象物的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的距離測定裝置，其中，所述測定光量調(diào)整部還具有使所述測定接收光或所述測定發(fā)送光衰減的功能，并且還具有使所述測定接收光的電平與第一基準(zhǔn)光rl及第二基準(zhǔn)光r2的電平大概一致的功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的距離測定裝置，其中，所述光學(xué)延遲發(fā)生部的延遲時間被設(shè)定成，使所述第一參考光路與所述第二參考光路之間的通過時間差是在所述光源部生成的脈沖光的脈沖寬度的2倍以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2 4的任意一項(xiàng)所述的距離測定裝置，其中，所述測定控制部對第一基準(zhǔn)光與所述測定接收光之間的時間的差和所述脈沖光的脈沖寬度進(jìn)行比較，從而判斷所述第一基準(zhǔn)光和所述測定接收光是否分離， 在判斷為分離時，將所述第一測定功能設(shè)置為有效， 在判斷為未分離時，將所述第二測定功能設(shè)置為有效。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5的任意一項(xiàng)所述的距離測定裝置，其中， 所述光學(xué)延遲發(fā)生部是光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求2 6的任意一項(xiàng)所述的距離測定裝置，其中，所述光電變換部具有諧振電路部，該諧振電路部將接受到的所述脈沖光信號變換為衰減振蕩波形，根據(jù)該衰減振蕩波形的零交叉點(diǎn)，決定所述時間差。
8.—種距離測定方法，使用了距離測定裝置，該距離測定裝置具備 光源部，與觸發(fā)信號同步進(jìn)行脈沖發(fā)光；分光部，將來自所述光源部的光分支成第一基準(zhǔn)光、第二基準(zhǔn)光及測定發(fā)送光； 第一參考光路，使所述第一基準(zhǔn)光通過，而不發(fā)生光學(xué)距離變化； 第二參考光路，包括相對于所述第一參考光路發(fā)生時間延遲的光學(xué)延遲發(fā)生部，使所述第二基準(zhǔn)光通過；參考光路切換部，具有將所述第一及所述第二參考光路的任意一個設(shè)置為通過、將雙方設(shè)置為通過、及將雙方設(shè)置為遮蔽的功能； 發(fā)送部，向測定對象物照射所述測定發(fā)送光；接收部，將所述照射的光在測定對象物上發(fā)生了反射的測定接收光接收； 測定光量調(diào)整部，將所述測定發(fā)送光或所述測定接收光遮蔽； 光合成部，將所述第一參考光路的輸出光、所述第二參考光路的輸出光、以及被所述接收部接收到的測定接收光合成；以及光電變換部，將由所述光合成部合成出的光信號變換為電信號， 所述距離測定方法包括如下工序1)控制所述參考光路切換部，將第一及第二參考光路設(shè)置為通過，控制所述測定光量調(diào)整部，將所述測定發(fā)送光或測定接收光遮蔽，根據(jù)所述光電變換部輸出，測定所述觸發(fā)信號與所述第一基準(zhǔn)光之間的時間差、即撲1，以及所述觸發(fā)信號與所述第二基準(zhǔn)光之間的時間差、即Tr2，并進(jìn)行存儲的工序；2)將所述第一及第二參考光路遮蔽，且將所述測定發(fā)送光和測定接收光設(shè)置為通過， 測定所述測定接收光與所述觸發(fā)信號之間的時間差、即Tm的工序；3)將所述第一參考光路設(shè)置為通過，將所述第二參考光路設(shè)置為遮蔽，將所述測定發(fā)送光和所述測定接收光設(shè)置為通過，根據(jù)所述測定接收光與所述第一基準(zhǔn)光之間的時間差、即Tm-Trl的值，決定測定光路差、即Tt的第一測定工序；4)將所述第一參考光路設(shè)置為遮蔽，將所述第二參考光路設(shè)置為通過，將所述測定發(fā)送光和所述測定接收光設(shè)置為通過，求出所述第二基準(zhǔn)光與所述測定接收光之間的時間差 Td' = Tr2-Tm,進(jìn)一步由在上述1)中求出的Tr2,Trl的值，求出Td = Tr2_Trl，計(jì)算Td-Td'， 從而決定測定光路差、即Tt的第二測定工序；5)根據(jù)在上述幻中得到的所述時間差Tm，區(qū)分使用所述第一測定工序和所述第二測定工序的工序；以及6)根據(jù)所述測定光路差、即Tt決定到測定對象物的距離的工序。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種距離測定裝置及方法，將距離測定裝置內(nèi)部的延遲電路的變動抵消，能夠進(jìn)行高精度且快速的測定。該距離測定裝置及方法從進(jìn)行脈沖發(fā)光的光源部(10)分支出第一基準(zhǔn)光r1、第二基準(zhǔn)光r2、測定發(fā)送光mt，通過對在大致不發(fā)生光學(xué)變化的第一參照光路R1中傳播的第一基準(zhǔn)光r1、在插入有光學(xué)延遲發(fā)生部(50)的第二參考光路中傳播的第二基準(zhǔn)光r2、將測定發(fā)送光照射到測定對象物(160)而反射回來的測定接收光mr之間的檢測時間差進(jìn)行測定，從而測定與測定對象物(160)之間的距離，其中，在測定接收光mr與第一基準(zhǔn)光r1在時間上分離的情況下，根據(jù)兩者的檢測時間差計(jì)算距離，在測定接收光mr與第一基準(zhǔn)光r1在時間上不分離的情況下，根據(jù)第一基準(zhǔn)光r1與第二基準(zhǔn)光r2之間的檢測時間差Td、及測定接收光mr與第二基準(zhǔn)光r2之間的檢測時間插Td’，計(jì)算距離L。
文檔編號G01C3/06GK102265178SQ20098015152
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者大石政裕, 德田義克 申請人:株式會社拓普康