专利名称：距离测定装置及距离测定方法
技术领域：
本发明涉及距离测定装置及方法，通过对测定对象物照射光脉冲并测定到该反射光返回为止的时间，从而测定与测定对象物之间的距离。尤其涉及如下的距离测定装置及方法，即，在采用了在参考光路中包括延迟元件的测定方式的距离测定装置中，能够消除该延迟元件的延迟时间的温度变动等的影响，能够进行高精度的测定。
背景技术：
以往已知有这样一种技术，朝向测定对象物照射脉冲光，利用距离测定装置检测从该测定对象物反射来的脉冲光，根据该脉冲光的往返传播时间，测定与测定对象物之间的距离。在这种距离测定装置中，为了尽可能提高精度，采用在光处理阶段确定传播时间的方式，以便不受距离测定装置内的电气变动的影响。例如，如图15所示，在距离测定装置 100上设置脉冲光源101、从脉冲光源101分支出的参考光路Re、光检测器104，以在参考光路Rc中的光脉冲到达时间为基准，利用光检测器104检测与到测定对象物160的测定光路 Mc之间的传播时间差，由此测定距离L。在此，参考光路Rc和测定光路Mc被光路切换器 103aU03b机械地切换，以时间上不同的定时独立地测定分别经由光路Re、Mc的脉冲光的传播时间，根据测定结果计算传播时间差。但是，该方法难以进行快速动作，成为限制测定时间缩短的主要原因。作为解决该问题的一个方法，也可以想到过这样的方法，即，不对经由参考光路Rc 的光(参考光rc)和经由测定光路Mc的光(测定光mc)进行切换，而将参考光rc和测定光mc合成，利用一个光检测器进行检测。但是，该方法在测定对象物160与距离测定装置 100之间的距离较短的情况下，参考光rc和测定光mc在时间轴上重合，难以正确地检测参考光rc与测定光mc之间的时间差(参见图15(b)的示例1)。于是，又提出了这样的方法， 将预先准确地知道该延迟时间的光学延迟发生器插入到参考光路Rc或测定光路Mc中，使测定光mc和参考光rc在时间轴上分离，测定其时间差，然后对由光学延迟发生器的延迟时间值测定到的时间差进行修正(参见图15(b)的示例2，例如专利文献1)。此外，在对脉冲光源101进行驱动时，由于发光的瞬间的较大电流变化而导致在光检测器104的电气输出侧发生电磁感应噪声。若参考光路Rc的通过时间较短，则该感应噪声与参考光rc在时间轴上重合，有时产生测定误差。为了避免该问题，在参考光路Rc上附加具有一定延迟时间的延迟元件，将参考光rc和测定光mc分离(例如，专利文献2)。通常，脉冲光源101大多使用脉冲宽度为IOn秒左右的光源，但是为了产生该IOn 秒的延迟，延迟元件(使用了折射率1.5的光纤的情况下)的长度至少要2米。实际上，设定延迟时间时还会留出富余，所以优选延迟时间为脉冲宽度的几倍以上。作为延迟时间，假设要得到个位数以上的IOOn秒，则在作为延迟元件使用了光纤的情况下，光纤的长度达到约20米。此外，在采用了后述的、通过衰减振荡波形进行零点检测而得到高精度的时间差测定方法的情况下，优选将噪声电平设在_58dB (1/800)以下，该情况下，作为延迟元件，经
5光学距离换算需要200米以上的长尺寸。作为上述延迟元件，为了能够自由弯曲、且以较小的形状得到较大的延迟时间，适合使用光纤。但是，光纤具有传播延迟时间因温度而改变的特性。石英光纤的折射率的温度系数为10ppm/°C左右(例如，非专利文献1、非专利文献2)，作为光纤长度，使用能够得到与上述200米相当的延迟时间的130米，在将室外的温度变化量设为50°C的情况下，由延迟时间的变化引起的测定距离误差为IOcm左右。该误差作为测定精度在Imm左右的精密距离测定装置的误差来说是不能够允许的。专利文献专利文献1 日本特开昭57-147800号公报专利文献2 日本特开平5-232231号公报非专利文献非专利文献 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)非专利文献 2 :Gorachaud Ghosh ； " TemperatureDispersion of Refractive Indexes in some Silicate Fiber Glasses"，IEEEPH0T0NICS TECHN0GY LETTERS,vol. 6, no. 3，pp. 431 (Mar. 1994)
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种距离测定装置及方法，将距离测定装置内部的延迟电路的变动的影响抵消，能够进行高精度且高速的测定。为了达到上述目的，本发明的第一方面所涉及的距离测定装置1，例如，如图1所示，具备光源部10，与触发信号Trg同步进行脉冲发光；分光部30，将来自光源部10的光分支成第一基准光r 1、第二基准光r2及测定发送光mt ；第一参考光路Rl，使第一基准光r 1 通过，而不发生光学距离变化；第二参考光路R1，包括相对于第一参考光路Rl发生时间延迟的光学延迟发生部50，使第二基准光r2通过；参考光路切换部60，具有将第一参照光路 Rl和第二参考光路R2的任意一个设置为通过、将双方设置为通过、及将双方设置为遮蔽的功能；发送部110t，向测定对象物160照射测定发送光mt ；接收部110r，将照射的测定发送光mt在测定对象物上发生了反射的测定接收光mr接收；测定光量调整部90 (91 (参见图 2) ,92)，将测定发送光mt或测定接收光mr遮蔽；光合成部70，将第一参考光路Rl的输出光、第二参考光路R2的输出光、以及被接收部IlOr接收到的测定接收光mr合成；光电变换部140，将由光合成部70合成出的光信号变换为电信号；以及测定控制部150，具有如下的功能，即，通过控制信号CONT对参考光路切换部60、测定光量调整部90进行控制，根据由光电变换部140得到的信号的检测时间来决定距离。在此，“与触发信号Trg同步地进行脉冲发光”是指，根据触发信号Trg的定时，决定发光定时，换句话说，只要触发信号Trg的定时与发光的定时在时间上存在一定关系即可。“进行脉冲发光”是指包括单脉冲、重复脉冲的双方，而不是连续光。“发光”是指产生包括可见光、不可见光在内的光。“光源”包括激光光线这类的相干光、从LED等发出的非相干光的全部。“第一参考光路不发生光学距离变化变化”是指，相对于温度等测定环境的能够想到的变化，在第一参考光路中产生的通过时间的变化与距离测定装置的测定精度相比小到可以忽略。也可以说“在实际应用上不影响精度”或“几乎不发生”。例如，在要求测定精度为Imm左右的情况下，相对于测定环境的变化，产生测定精度的1/10、即0. Imm左右的变化。“通过”是指使入射的光能的全部或一部分通过。“遮蔽”是指使入射的全部光能不通过。“发送部”是指从距离测定装置1向测定对象物160发射束状测定发送光mt的部分， “接收部”是指用于将在测定对象物160反射而返回到距离测定装置1的测定接收光mr导入到光电变换部140的部分。发送部、接收部有时构成为双方具有公用部分。例如，在图1 中，透镜113是发送部IlOt的一部分，也是接收部IlOr的一部分。像这样能够独立对第一及第二基准光、测定发送光、接收测定光的遮断/通过进行控制，所以能够提供能够实施下面叙述的第二方面以下的发明的安全性高的测定模式。 并且，仅测定第一及第二基准光时，能够在对测定对象物进行了准直的状态进行测定，能够在与用于计算距离的测定接收光测定时接近的条件进行测定。也就是说，无需为了仅测定第一及第二基准光，而解除准直状态，以便不将接收测定光接收。为了达到上述目的，本发明的第二方面涉及的距离测定装置1的测定控制装置 150，例如，如图1及图4、图5所示，在第一方面涉及的距离测定装置中，1)具有这样的功能，控制参考光路切换部60，将第一参考光路Rl和第二参考光路 R2设置为通过，控制测定光量调整部90 (91 (参见图幻，92)，将测定发送光mt或测定接收光mr遮蔽，根据光电变换部140的输出，测定触发信号Trg与第一基准光rl之间的时间差 (Trl)、以及触发信号Trg与第二基准光r2之间的时间差(Tr2)，并进行存储；2)具有这样的功能，将第一参考光路Rl和第二参考光路R2遮蔽，且将测定发送光 mt和测定接收光mr设置为通过，对测定接收光mr与触发信号Trg之间的时间差(Tm)进行测定； 3)具有第一测定功能，将第一参考光路Rl设置为通过，将第二参考光路R2设置为遮蔽，将测定发送光mt和所述测定接收光mr设置为通过，根据测定接收光mr与第一基准光rl之间的时间差(Tm-Trl)的值，决定测定光路差(Tt)；4)具有第二测定功能，将第一参考光路Rl设置为遮蔽，将第二参考光路R2设置为通过，将所述测定发送光mt和测定接收光mr设置为通过，求出第二基准光r2与测定接收光mr之间的时间差Td，= Tr2-Tm，进一步由在上述1)中求出的Tr2、Trl的值，求出Td = Tr2-Trl，计算Td-Td，，从而决定测定光路差(Tt)；5)具有这样的功能，根据在上述2)中得到的所述时间差Tm，区分使用所述第一测定功能和所述第二测定功能；以及6)具有这样的功能，根据所述测定光路差Tt决定到测定对象物160的距离。由于采用这种结构，所以能够在从近距离到远距离的宽距离范围内，进行高精度的测定。即，在进行远距离测定这样的、测定接收光和基准光能够在时间轴上分离的情况下，不插入延迟机构而进行测定，所以处理简单，且能够进行高精度的测定。并且，在进行近距离测定这样的、测定接收光和基准光在时间轴上的分离不足，不能够进行高精度的测定的情况下，通过插入延迟机构，将测定接收光和基准光分离，并且能够将由上述延迟机构的温度变化等引起的延迟时间变动抵消，所以能够进行高精度的测定。为了达到上述目的，本发明的第三方面涉及的距离测定装置1，例如，如图1及图4、图5所示，在第一方面涉及的距离测定装置中，测定光量调整部90还具有使测定接收光 mr或测定发送光mt衰减的功能，并且还具有使测定接收光mr的电平与第一基准光rl及第二基准光r2的电平大概一致的功能。在此，测定光量调整部90的调整对象包括测定发送光mt、测定接收光mr、或双方的电平的调整。另外，插入测定光量调整部90的位置不限于图1所示的设置于接收侧的测定光量调整部91，也可以是如图2所示的设置于发送侧的测定光量调节部91。S卩，只要能够控制测定接收光mr的电平即可，也可以是距离测定装置的其他部分。“使电平大概一致” 是指，在能够防止因测定接收光mr、第一基准光rl、以及第二基准光r2的各脉冲的电平差而引起测定误差，能够高精度地测定时间位置的程度上，使电平一致。由于这样构成，所以能够以良好的精度测定在参考光路中传播的基准光rl、r2与接收光mr之间的时间间隔。为了达到上述目的，本发明的第四方面涉及的距离测定装置1，在上述第一方面或第二方面涉及的发明中，光学延迟发生部50的延迟时间被设定成，使第一参考光路Rl与所述第二参考光路R2之间的通过时间的差是在光源部10上生成的脉冲光mt的脉冲宽度Tp 的2倍以上。另外，在此，所述脉冲光不单单是指单脉冲光，也包括例如图11、图14所示的、 由多个脉冲(脉冲宽度Ts)构成的脉冲串信号。此时的脉冲宽度Tp为脉冲串长度。若像这样进行设定，则即使不对第一参考光路Rl和第二参考光路R2进行切换，而将第一基准光r 1和第二基准光r2的双方输入到一个光电变换部140中，也能够将第一基准光rl和第二基准光r2在时间上进行分离，所以能够以高测定精度测定Trl与Tr2的时间差。 为了达到上述目的，本发明的第5方面涉及的距离测定装置1，在上述第二方面乃至第四方面的任意一个方面涉及的发明中，例如，如图4的O)、图5的( 所示，对第一基准光rl与测定接收光mr之间的时间差和所述脉冲光的脉冲宽度Tp进行比较，从而判断所述Trl和所述Tm是否分离。另外，在此，所述脉冲光不单单是指单脉冲光，也包括例如图 11、图14所示的、由多个脉冲(脉冲宽度Ts)构成的脉冲串信号。此时的脉冲宽度Tp为脉冲串长度。若像这样构成，则即使发送光mt的脉冲宽度Tp因光源部10的特性变动而改变， 也能够适当地进行在参考光路切换部60中的切换，能够确保高测定精度。为了达到上述目的，本发明的第6方面涉及的距离测定装置1，在上述第一方面乃至第5方面的任意一个方面涉及的发明中，例如，如图1所示，光学延迟发生部50是光纤。若像这样使用光纤，则通过将光纤卷得较�。佣芄皇迪中⌒颓已映偈奔浣洗蟮墓庋а映俜⑸浚阅芄唤嗬氩舛ㄗ爸谜逍⌒突�。为了达到上述目的，本发明的第7方面涉及的距离测定装置1，在上述第二方面乃至第6方面的任意一个方面涉及的发明中，例如，如图7、图8所示，光电变换部140具有谐振电路部170，该谐振电路部170将接受到的脉冲光信号变换为衰减振荡波形，根据该衰减振荡波形的零交叉点tl、t2、…访，决定所述时间差。即使接受到的光信号的振幅存在偏差，衰减振荡波形的零交叉点在时间轴上的位置在光信号的时间轴上的变化仍较小。因此，各种干扰的影响较小。并且，由于将在电气处理中产生的偏压的变动等的影响较小的零点作为基准，所以能够得到高精度。尤其，在开始
8振荡后的第一个零交叉点tl与其他零交叉点t2、…、tn相比，在时间轴上的位置更加稳定，所以所述时间差优选根据该零交叉点tl来决定。为了达到上述目的，本发明涉及的距离测定方法，例如，如图1、图4、图5、图6所示，是使用了距离测定装置1的距离测定方法，距离测定装置1具备光源部10，与触发信号Trg同步进行脉冲发光；分光部30，将来自光源部10的光分支成第一基准光rl、第二基准光r2及测定发送光mt ；第一参考光路R1，使第一基准光rl通过，而不发生光学距离变化；第二参考光路R1，包括相对于第一参考光路Rl发生时间延迟的光学延迟发生部50，使第二基准光r2通过；参考光路切换部60，具有将第一参照光路Rl和第二参考光路R2的任意一个设置为通过、将双方设置为通过、及将双方设置为遮蔽的功能；发送部110t，向测定对象物160照射测定发送光mt ；接收部110r，将照射的测定发送光mt在测定对象物上发生了反射的测定接收光mr接收；测定光量调整部90 (91 (参见图2、,92)，将测定发送光mt或测定接收光mr遮蔽；光合成部70，将第一参考光路Rl的输出光、第二参考光路R2的输出光、以及被接收部IlOr接收到的测定接收光mr合成；以及光电变换部140，将由光合成部 70合成出的光信号变换为电信号，该距离测定方法包括1)工序S10，控制参考光路切换部60，将第一参考光路Rl和第二参考光路R2设置为通过，控制测定光量调整部90(91 (参见图幻)，将测定发送光mt或测定接收光mr遮蔽， 根据光电变换部140的输出，测定触发信号Trg与第一基准光rl之间的时间差(Trl)、触发信号Trg与第二基准光r2之间的时间差(Tr2)，并进行存储；2)工序S20，将第一参考光路Rl和第二参考光路R2遮蔽，且将测定发送光mt和测定接收光mr设置为通过，对测定接收光mr与触发信号Trg之间的时间差(Tm)进行测定；
3)第一测定工序S40，将第一参考光路Rl设置为通过，将第二参考光路R2设置为遮蔽，将测定发送光mt和测定接收光mr设置为通过，根据测定接收光mr与第一基准光rl 之间的时间差(Tm-Trl)的值，决定测定光路差(Tt)；4)具有第二测定工序S50，将第一参考光路Rl设置为遮蔽，将第二参考光路R2设置为通过，将所述测定发送光mt和测定接收光mr设置为通过，求出第二基准光r2与测定接收光mr之间的时间差Td，= Tr2-I~m，进一步由在上述1)中求出的Tr2、Trl的值，求出 Td = Tr2-Trl，计算Td-Td’，从而决定测定光路差(Tt)；5)工序S30，根据在上述2)中得到的所述时间差Tm，区分使用所述第一测定工序 (S40)和所述第二测定工序(S50)；以及6)工序S60，由所述测定光路差(Tt)决定到测定对象物160的距离。由于采用这种结构，所以能够在从近距离到远距离的宽距离范围内，进行高精度的测定。即，在进行远距离测定这类的、测定接收光和基准光能够在时间轴上分离的情况下，不插入延迟机构而进行测定，所以处理简单，且能够进行高精度的测定。并且，在进行近距离测定这类的、测定接收光和基准光在时间轴上的分离不足，不能够进行高精度的测定的情况下，通过插入延迟机构，将测定接收光和基准光分离，并且能够将由上述延迟机构的温度变化等引起的延迟时间变动抵消，所以能够进行高精度的测定。
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图1是本发明的第一实施方式的距离测定装置的整体结构图。图2示出将测定光量调整部设置在发送侧的结构。图3示出使用了棱镜的发送部/接收部的结构。图4是示出本发明的测定(远距离示例1)的各部波形的图。图5是示出本发明的测定(近距离示例2)的各部波形的图。图6是示出本发明的测定流程的图。图7示出用于生成衰减振荡波形的谐振电路的例。图8是示出用于生成衰减振荡波的输入/输出波形的图。图9是示出第一基准光和第二基准光的关系的图。图10是示出衰减振荡波零交叉点法中的干扰的图。图11是说明串状光脉冲的图。图12是用线性调频(chirp)信号进行了调制的光脉冲信号的图。图13是说明进行了振幅调制的光脉冲的图。图14是说明特定图案的相关检测的图。图15是说明现有的测定原理的图。
具体实施例方式本申请是以于2008年12月25日在日本提出的特愿2008-330162号申请为基�。� 其内容作为本申请的内容，构成其一部分。本发明能够通过下面的详细说明进一步完整地理解。本发明的进一步的应用范围将通过下面的详细说明更加明确。但是，详细说明及特定的实例只是本发明的优选实施方式，是为了便于说明而记载的。显然，对于本领域的技术人员来说，可以根据此详细说明，在本发明的宗旨和范围内进行各种变更、改变。申请人并不意图将所记载的实施方式的任何一项献于公众，对于在改变、代替案之中、即使在字面上不包括在权利要求书范围内的内容，在等效论下也属于发明的一部分。下面，参照附图，说明本发明的实施方式。另外，在各图中，对于相同或相应的部分赋予相同的符号，省略重复说明。[距离测定装置的结构例]参照图1，对作为本发明的第一实施方式的距离测定装置1进行说明。光源部10根据触发信号Trg，以一定的定时生成脉冲光(测定发送光mt)。光源部10由发光元件12和发光用驱动电路11构成，发光用驱动电路11对发光元件12进行驱动。发光元件12比较典型的是采用能够对远距离的测定对象物160照射较细的光束的半导体激光器，但如果用于测定与近距离的测定对象物160之间的距离，则也可以使用LED这样的非相干(coherent) 光源。在此，说明采用半导体激光器、尤其是脉冲激光二极管的情况。发光用驱动电路11 使驱动电流流入发光元件12，只在想要进行发光的期间流入阈值以上的电流。即，在想要进行发光的瞬间一口气流入驱动电流。在发光用驱动电路11中，根据触发信号，生成所需脉冲宽度的发光元件驱动脉冲，驱动脉冲可以是单脉冲，也可以是根据触发信号Trg具有预定周期的重复脉冲。在发光元件12中生成的光脉冲被准直透镜20变换成平行光束。被准直透镜(collimator lens) 20变换为平行光束的光脉冲被分光部30分离成测定发送光mt、第一基准光rl、第二基准光r2。分光部30例如由两个分束器(beam
10splitter) 31、32构成。即，利用分束器31将来自准直透镜20的平行光束分离成2个光束， 将其中一个光束作为测定发送光mt，再用分束器32对另一个光束进行二分割，并分别作为第一基准光rl、第二基准光r2。从分束器31输出的测定发送光mt被聚光透镜80聚光，输入到用于与发送部IlOt连接的光纤100。在发送部IlOt中，利用准直透镜111再次将在光纤100内传播的测定发送光mt 变换为平行光束，利用投光镜112将其方向变换为直角方向，通过在物镜113的中心附近开口的孔113a，朝向测定对象物160照射。在测定对象物160上进行了反射的光被设置于接收部IlOr上的物镜113聚光，输入到连接用光纤120。在光纤120内传播的光被准直透镜81变换为平行光束。图3示出发送部IlOt/接收部IlOr的其他实施方式。如图所示，本实施方式采用了在透镜180和透镜190之间、以及在透镜200和透镜190之间插入了棱镜210的结构。再次返回到图1，继续进行说明。在聚光透镜80和光纤100之间(发送侧)、或者在准直透镜81和光纤120之间(接收侧)设置有测定光量调整部90 (91、92)。测定光量调整部的插入位置可以是在发送侧，也可以是在接收侧，但优选在接收侧。这是因为，若在发送侧使光量改变，则由装置内部的光学部件的表面反射等引起的内部反射噪声的量改变， 难以得到稳定的测距精度，而若设置在接收侧，则该内部反射噪声量恒定，能够得到稳定的测距精度。这些部件用于对入射的光赋予所需的衰减，由测定控制部150进行控制。衰减量可以到无限大，如果构成为能够将入射的光完全遮蔽，则也能够作为在后面进行说明的测定光的遮蔽单元使用。并且，除了图1中示出的位置之外，测定光量调整部90(91、92)的配置位置还可以在聚光透镜80和分光部30之间，或者准直透镜81和光合成部70之间。被分束器32分离的第一基准光rl和第二基准光r2被参考光路切换部60选为基准光。例如，如图1所示，被分离的第一基准光rl和第二基准光r2分别被输入到第一参考光路切换器61和第二参考光路切换器62。第一参考光路切换器61和第二参考光路切换器 62由测定控制部150进行控制，以便能够使入射的光通过或是将入射的光遮蔽。通过了第一参考光路切换器61的光经由第一参考光路Rl输入到光合成部70。第一参考光路Rl比较典型的是光路长度较短的单一空间。即，第一参考光路切换器61和光合成部70在光学上串联，基本不会发生光学距离变化。另外，第一参考光路Rl能够使用在实际使用时基本不会发生距离变化的短光纤。例如，在精度为1毫米的情况下，光纤长度为几十厘米左右。通过了第二参考光路切换器62的光经由第二参考光路R2输入到光合成部70。在第二参考光路R2上插入有光学延迟发生部50。光学延迟发生部50对第一参考光路Rl和第二参考光路R2的传播时间赋予差，比较典型的是光纤。此外，具体地讲，采用梯度型光纤 (Graded index fiber)。分别在第一参考光路Rl和第二参考光路R2中传播的光被光合成部70内的分束器71合成，利用基准光量调整部93对合成后的信号的电平进行调整之后，进一步利用分束器72与测定接收光mr合成。利用分束器72进行了合成的光信号被聚光透镜130聚光，入射到设置于光电变换部140内的受光元件141。受光元件141比较典型的是APD (Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)，但只要能够充分地对从光源部10射出的光脉冲进行响应，具有必要的灵敏度，则也可以使用其他元件。受光元件141的检测输出作为电信号出现在负载142的两端， 被前置放大器143放大后，作为测定输出Mes输出。使用图6的测定流程图和图4、图5，说明本距离测定装置1的动作。如图6所示， 本流程由(1)校正用数据取得过程、(2)目标物(测定对象物)概略位置检测过程、(3)测距过程构成。在测距过程中，进一步根据到测定对象物的距离，分为第一测定和第二测定。 首先，在图6中，在步骤SlO中，求出光在第一参考光路Rl和第二参考光路R2中的通过时间之差Td，将该值存储。步骤SlO由步骤Sll 步骤S12构成。在步骤Sll中，根据测定控制部150的指令，将第一参考光路切换器61设置为通过，以及将第二参考光路切换器62 设置为通过，而将测定光量调整部90设置为遮蔽。接着，在步骤S12中，测定第一基准光rl 和第二基准光r2之间的时间差Td。这样，来自光源部10的光在第一参考光路Rl和第二参考光路R2中传播，并入射到光电变换部140中，但是测定发送光mt不传播。将该情况示于图4的⑴和图5的(1)。另外，在图4、图5中，以触发信号Trg的定时TO为基准，测定 Trl、Tr2，但不限于此，只要与测定发送光mt保持一定的时间间隔即可。其中，以触发信号 Trg的定时TO为基准时，能够作为电信号进行处理，不稳定因素较少，能够进行高精度的测定。下面的说明以TO为基准。图4的⑴和图5的⑴中示出第一基准光rl和第二基准光r2在光电变换部 140中的输出波形。第一基准光rl和第二基准光r2被受光元件141接受时，分别从基准时刻TO延迟Trl、Tr2的量。各个脉冲宽度为Tp (另外，如后所述，光源部的输出波形是由多个脉冲的集合构成的脉冲串信号(burst signle)时，为脉冲串宽度)。在图6的步骤S12 中，测定第一基准光rl和第二基准光r2的光源部10的输出定时，以便以触发信号Trg的输入时间为基准，在一定的定时将第一基准光rl和第二基准光r2接受。测定发送光mt的发生定时与触发信号Trg的输入定时TO同步，但是通常会有一定的时间延迟。即使在该情况下，光源部10的输出的上升定时和触发信号Trg的输入时刻TO的时间间隔仍保持恒定。 因此，能够以触发信号Trg的输入时刻TO为基准(下面称为基准时刻TO)，决定第一基准光 rl和第二基准光r2的传播时间Td。艮P，Td = Tr2-Trl(1)将Td的值和Trl存储到控制部150的存储器中。Tr2的值因插入到第二参考光路R2的作为光学延迟发生部50的光纤的温度变化等而变动。将该变动量设为ΔΤγ2。另一方面，由于第一参考光路Rl中不包括较大的延迟元件，所以ATrl几乎可以忽略。ΔΤγ2是测定误差的主要原因，而本发明的特征在于，能够抵消该误差。对于这一点，将在后面详细进行说明。接着，将测定光量调整部90设置为通过，使测定光在测定光路M中传播，将第一参考光路Rl和第二参考光路R2设置为遮蔽，利用光电变换部140对测定接收光mr进行观测， 对接收定时Tm进行测定(步骤S20)。使用Tm的值和在SlO中记录的Trl和脉冲宽度Tp， 判断是否为Tm < Trl+Tp (示例2)，或者是否为Tm彡Trl+Tp (示例1)(步骤S30)。在示例 2的情况下，测定对象物160与距离测定装置1之间的距离较短，有时测定接收光mr和第一基准光rl的脉冲在时间上重合。将这种情况下的波形示于图5的O)。在示例1的情况下，测定对象物160与距离测定装置1之间的距离较长，测定接收光mr和第一基准光rl的脉冲不会在时间上重合。将这种情况下的波形示于图4的O)。
在步骤S30中的比较结果，在属于示例1的情况下，通过下面的数学式( 来计算 Tt (步骤 S40)。Tt = Tm-Trl(2)采用下述数学式，由Tt求出到测定对象物160的距离L(步骤S60)。L = cTt/2(3)在此，c为光速。在属于示例2的情况下，有时不能进行以第一基准光rl为基准的测定。在这种情况下，执行图6的步骤S50的处理。S卩，使用Tr2与Tm之间的时间差Td’、及存储于存储器中的Td，实施下面的运算(步骤S51、S52)。Td = Tr2-Trl(4)Td，= Tr2-Tm(5)Tt = Td-Td，(6)接着，采用与示例1的情况相同的方式，使用数学式(3)，求出到测定对象物160的距离L (步骤S60)。上述处理是以第二基准光r2为基准进行测定，该第二基准光r2与第一基准光rl 的通过时间不同，由此，能够将测定接收光mr和第一基准光rl之间的脉冲的重合分开。但是，如上所述，Tr2中包括光学延迟发生部50的延迟时间变动，在由光纤构成的情况下，存在因温度等的变化而引起的通过时间的变动。即，若Tr2变动为Tr2+ Δ Tr2,则变
为Td = Tr2+ATr2-Trl(4，)Td' = Tr2+ATr2-Tm(5，)。但是，Tt = Td-Td，= Tm-Trl(6，)对于Tt，ΔΤΓ2(通常为Tr2)的影响相抵消。另一方面，对于Trl，虽然存在变动的影响，然而如上所述，由于延迟时间被设定得较短，所以温度变化对于Trl的影响较小。因此，能够几乎不受温度等的影响，进行高精度的测定。以上，对一个对象物进行的测定结束，在重复进行测定的情况下(步骤S70中为 “是”)，再次在下一次测定中判断测定环境是否变更(步骤S80)。在此，“测定环境的变更” 是指温度的变更、距离测定装置的设置位置的变更等，有时在步骤SlO中测定到的校正数据发生变动。在不发生这种变动的情况下(步骤S80中为“否”)，返回到步骤S20，重复进行测定。在发生了测定环境的变动的情况下(步骤S80中为“是”)，返回到步骤S10，再次测定作为校正用数据的Td，改写已存储的测定值。由于采用这种结构，所以无需在全部测定中，每次进行测定时都实施步骤S10。因此，能够实现迅速的测定。在结束测定的情况下 (步骤S70中为“否”)，结束图6的流程。另外，显而易见，在每次测定中都进行校正用数据取得的过程的情况下，或者在每次测定中都省略的情况下，可以省略步骤S80。并且，步骤S70和步骤S80的判断可以按照预先制定的流程自动进行，也可以在每次测定时手动进行。若测定接收光mr、第一基准光rl、第二基准光r2之间的电平差较大，则测定误差增大。因此，优选使上述3个光的电平一致。对于第一基准光rl、第二基准光r2的电平，由
13于传播路径在距离测定装置内，所以只要在第一参考光路Rl或第二参考光路R2内设置适当的电平调整单元即可，无需根据测定环境进行调整。另一方面，测定接收光mr的电平根据测定距离L、测定对象物160的反射条件等测定环境发生变动。如图1所示，在本实施方式中，为了吸收该变动，在接收侧设置测定光量调整部 92。另外，如图2所示，有时也在发送侧设置测定光量调整部91，或者在发送侧和接收侧的两侧都设置，但是最好在接收侧设置。测定光量调整部90(91、9幻例如能够使用对ND滤波器进行机械调整的机构或液晶透光板这样的采用了电光学效果的机构。另外，如图6的步骤Sll所示，由于需要将测定光路M完全遮蔽，所以需要能够将透过光完全遮蔽的机构。对这些机构的控制由测定控制部150根据未予图示的电平检测单元的检测结果进行。另外， 除了进行上述自动控制之外，也可以采用基于手动的控制方式。使用图9，说明光学延迟发生部50的所需延迟设定量Tq。如在图4、图5中所说明的，Td是第一基准光rl和第二基准光r2通过各自光路的时间之差，具有大致与光学延迟发生部50的延迟时间设定值Tq接近的值，但是因距离测定装置的其他部分的延迟时间的影响而稍有偏差。为了在这样的情况下也能够使第一基准光rl和第二基准光r2不在时间上重合，以良好的精度决定Td，将Tq设定为测定发送光脉冲的脉冲宽度Tp (如后述的图 11所示，在1个测定发送光是由脉冲宽度Ts的η个单脉冲构成的脉冲串(burst)光的情况下，Tp > nTs)的2倍以上较好。Trl、Tr2、Tm的测定能够使用测定两个脉冲之间的时间差Δ T的现有技术。例如， 可以举出如下的方法等，为了测定开始信号Ml (脉冲信号)与停止信号Μ2(脉冲信号)之间的时间差，使基准频率发生器生成具有η /2相位差的2个基准信号Si、S2，根据开始信号Ml和停止信号Μ2的各个生成定时处的基准信号S1、S2的基准频率发生器的对应振幅值 A11、A12及A21、A22，检测相位差Δ θ，根据检测到的相位差Δ θ和基准信号S1、S2的周期，计算ΔΤ(例如，日本特开2006-133214号脉冲时间差方式)。这些是周知技术，所以无需进一步说明。[采用衰减振荡波的方法]由于测定接收光mr在空气中传播，所以有时在传播途中，会因空气中的波动等导致接收光的峰值变动。在这种情况下，若采用上述脉冲时间差测定方式，则受到峰值变动的影响，有时会产生测定误差。但是，若使测定接收光mr的电气变换后的信号通过谐振电路， 则成为由谐振电路的常数决定的时间常数τ的衰减波形，众所周知，只要测定接收光mr的重心位置不变动，此时的衰减波形的零交叉点就不会变动(例如，日本特开2003-185747)。 因此，通过检测该零交叉点的位置，能够进行正确的测定。另外，下面将这种距离测定方法称为“衰减振荡波零交叉点法”。图7示出应用了衰减振荡波零交叉点法的情况下的结构。如图所示，在光电变换部140的输出端上连接有谐振电路170。谐振电路170比较典型的是电阻器Rd、电感器Ld、 电容器Cd的串联电路或并联电路。另外，Rd包括前置放大器143的输出电阻。图8示出光电变换部140和谐振电路170的输出波形。如图8(b)所示，相对于图 8(a)的单脉冲，得到衰减振荡波形。衰减振荡的各频率ω0 = l/(Ld · Cd)"2，在串联谐振电路的情况下，衰减时间常数τ为τ = Rd · Cd。虚线示出峰值变动(增加)的情况。如图所示，即使峰值变动，零交叉点tl Tn也不变动。因此，只要对基准时刻与在波形上最
14稳定的零交叉点tl之间的时间差进行测定，就能够进行高精度的测定。检测零交叉点并测定与基准时刻之间的时间差的结构属于公知技术，所以省略进一步的说明(例如，日本特开平5-2322 号公报)。[采用衰减振荡波零交叉点法的情况下的所需延迟量的设定]图10示出两个衰减振荡波在时间上较接近地存在时的情况。例如，求出第一基准光rl和测定接收光mr之间的时间差的情况。如上所述，通过检测衰减振荡波的零交叉点， 能够进行高精度的测定，但是，若在该零交叉点附近存在干扰波，则成为零交叉点的定时的测定误差。因此，如图10所示，到测定接收光mr的零交叉点附近为止，第一基准光rl的衰减波形的回声持续的情况下，需要使测定接收光mr与第一基准光rl之间的时间间隔足够大，以便使第一基准光rl的回声成分充分衰减。在此，如图10所示，将测定接收光mr的第一周期以振幅电平S(电压表示)、频率fs的正弦波进行近似。在此，频率fs是谐振电路 170的谐振频率。同样地，若将作为干扰波的第一基准光rl的回声成分，以振幅电平N(电压表示)、频率fs的正弦波进行近似，则干扰波引起的测定距离的误差Δ Ls和(N/S)存在如下关系。Δ Ls {(N/S)/2 31 } · {(c/fs)/2}(7)在此，若将频率fs设为30MHz，将测定误差| Δ Ls |设为1mm，则需要满足N/S < 1/800 (-58dB)这样的关系。在此，若代入到衰减信号波形为每一周期衰减1/3振幅的情况，则振幅衰减到1/800所需的光学距离为30m。在此基础上加上余量，若光学距离为50m， 则能够充分满足条件。由此，在使用第一基准光rl的情况下，测定对象物160设定为50m 以上的范围较好。以上是使用第一基准光rl时的结果，即使在使用了第二基准光r2的情况下，也会发生同样的干扰。由于将在使用第一基准光rl的情况下的测距范围设为50m以后，所以测定光在时间上最接近第二基准光r2这一情况表示测定对象物160存在于50m的距离的情况。因此，在使用第二基准光r2进行测定的情况下(图4的示例1的情况下)，为了能够忽略干扰波的影响(N/S < 1/800)，所需的光学距离需要设定为在上述基础上相加了 50m的值、即100m。由于该光学距离IOOm是将光的往返换算为测定距离的值，所以实际上光行进的距离为200m。具体地说，在利用光纤实现了光学延迟发生部50的情况下，若考虑光纤的折射率(1.5)，则其物理长度为130m。像这样，若使用衰减振荡波的零交叉点检测法，精度虽然提高，但需要较大的延迟发生部，该延迟时间的温度等引起的变动增大。即使在这种情况下，若应用本发明，则通过时间变动被抵消，能够维持高精度的测定。如图10，在衰减振荡波零交叉点法中，变换为电信号的光脉冲信号的脉冲宽度 Tp’比测定发送光mt的脉冲宽度Tp宽。因此，到现在为止所说明的与脉冲宽度Tp有关的记载之中，对于受光脉冲宽度，替代单脉冲时的Tp，使用衰减振荡的持续时间Tp’。Tp’由衰减常数τ和测定发送光mt的脉冲宽度Tp决定。以上的说明是发送测定光mt为单脉冲的情况。单脉冲以外有如图11 图14所示的实施方式。图11 (a)表示光脉冲(脉冲宽度Tp)是由连续的多个单脉冲(脉冲宽度Ts)构成的串状脉冲的情况。图11(b)表示在图11(a)的串状脉冲的情况下，各个单脉冲以不同的脉冲宽度Tsl、Ts2、Tsn连续的情况。图12表示利用线性调频信号对光脉冲进行了调制。在此，线性调频信号是指，频率在时间上连续变化的信号。图13表示对光脉冲进行了振幅调制。图14表示一个光脉冲采用某种特定图案的符号构成。或者，采用某一特定图案的符号进行了调制。通过对这种脉冲(被测定脉冲串)和相同图案的基准脉冲串之间进行相关检测，从而测定与基准脉冲串之间的时间差Δ T。通过以上的实施方式，能够准确地测定接收测定光mr、基准光rl、r2的检测时间。对于在本发明的说明(尤其是权利要求书)中使用的名词及代词，在本说明书中没有特别指出的情况下，而且上下文没有明显矛盾的情况下，应被解释为涉及单数和复数的双方。在没有特别指出的情况下，词语“具备”、“具有”、“包括”应被解释为开放式(即， “包括但不限于”的意思)。在本说明书中没有特别指出的情况下，本说明书中的数值范围只是起到用于分别表示属于该范围内的各个值的省略记法的作用，各个值是以在本说明书中分别列举那样代入到说明书。在本说明书中没有特别指出，而且上下文没有明显矛盾的情况下，在本说明书中说明的全部方法能够以任意适当的顺序进行。对于在本说明书中使用的全部例或例示性表现(例如“等”)，在没有特别主张的情况下，只是为了更加良好地说明本发明，并不限制本发明的范围。说明书中的任何表达方式，都不应被解释为实施本发明不可缺少的、权利要求中没有记载的要素。在本说明书中，包括本发明人所知的为实施本发明而最佳的实施方式在内，对本发明的优选实施方式进行了说明。对于本领域技术人员来说，在阅读了上述说明之后，显然也能够了解到这些优选实施方式的变形。本发明人期待熟练者能够适当应用这种变形，也打算利用在本说明书中具体说明的方法以外的方法实施本发明。因此，如法律上所允许的， 本发明包括附加在说明书后的权利要求书中记载的内容的修正及等效物的全部。此外，在本说明书中没有特别指出，而且上下文没有明显矛盾的情况下，全部变形的上述要素的任意组合也包括在本发明中。附图标记说明1距离测定装置10光源部11发光用驱动电路12发光元件20准直透镜30分光部31分束器32分束器50光学延迟发生部60参考光路切换部61第一参考光路切换器62第二参考光路切换器70光合成部
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71分束器72分束器80聚光透镜81准直透镜90测定光量调整部91测定光量调整部(发送侧)92测定光量调整部(接收侧)93基准光量调整部100 光纤104光检测器IlOr 接收部IlOt 发送部111准直透镜112投光镜113 物镜113a 孔(物镜)120 光纤130聚光透镜140光电变换部141受光元件143前置放大器150测定控制部160测定对象物170谐振电路180 透镜190 透镜200 透镜210 棱镜Cont控制信号M测定光路Mes测定输出mr测定接收光mt测定发送光rl第一基准光Rl第一参考光路r2第二基准光R2第二参考光路Trg触发信号
1权利要求
1.一种距离测定装置，具备光源部，与触发信号同步进行脉冲发光；分光部，将来自所述光源部的光分支成第一基准光、第二基准光及测定发送光； 第一参考光路，使所述第一基准光通过，而不发生光学距离变化； 第二参考光路，包括相对于所述第一参考光路发生时间延迟的光学延迟发生部，使所述第二基准光通过；参考光路切换部，具有将所述第一及所述第二参考光路的任意一个设置为通过、将双方设置为通过、及将双方设置为遮蔽的功能； 发送部，向测定对象物照射所述测定发送光；接收部，将所述照射的光在测定对象物上发生了反射的测定接收光接收； 测定光量调整部，将所述测定发送光或所述测定接收光遮蔽； 光合成部，将所述第一参考光路的输出光、所述第二参考光路的输出光、以及被所述接收部接收到的测定接收光合成；光电变换部，将由所述光合成部合成出的光信号变换为电信号；以及测定控制部，具有如下的功能，即，对所述参考光路切换部和所述测定光量调整部进行控制，根据由所述光电变换部得到的信号的检测时间来决定距离。
2.根据权利要求1所述的距离测定装置，其中， 所述测定控制部，1)具有这样的功能，控制所述参考光路切换部，将第一及第二参考光路设置为通过，控制所述测定光量调整部，将所述测定发送光或测定接收光遮蔽，根据所述光电变换部输出， 测定所述触发信号与所述第一基准光之间的时间差、即扑1，以及所述触发信号与所述第二基准光之间的时间差、即Tr2，并进行存储；2)具有这样的功能，将所述第一及第二参考光路遮蔽，且将所述测定发送光和测定接收光设置为通过，测定所述测定接收光与所述触发信号之间的时间差、即Tm ；3)具有第一测定功能，将所述第一参考光路设置为通过，将所述第二参考光路设置为遮蔽，将所述测定发送光和所述测定接收光设置为通过，根据所述测定接收光与所述第一基准光之间的时间差、即Tm-Trl的值，决定测定光路差、即Tt ；4)具有第二测定功能，将所述第一参考光路设置为遮蔽，将所述第二参考光路设置为通过，将所述测定发送光和所述测定接收光设置为通过，求出所述第二基准光与所述测定接收光之间的时间差Τ(1’ = 2- ιι，进一步由在上述1)中求出的I~r2、Trl的值，求出Td = Tr2-Tr 1，计算Td_Td，，从而决定测定光路差、即Tt ；5)具有这样的功能，根据在上述2)中得到的所述时间差Tm，区分使用所述第一测定功能和所述第二测定功能；以及6)具有这样的功能，根据所述测定光路差、即Tt决定到测定对象物的距离。
3.根据权利要求2所述的距离测定装置，其中，所述测定光量调整部还具有使所述测定接收光或所述测定发送光衰减的功能，并且还具有使所述测定接收光的电平与第一基准光rl及第二基准光r2的电平大概一致的功能。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的距离测定装置，其中，所述光学延迟发生部的延迟时间被设定成，使所述第一参考光路与所述第二参考光路之间的通过时间差是在所述光源部生成的脉冲光的脉冲宽度的2倍以上。
5.根据权利要求2 4的任意一项所述的距离测定装置，其中，所述测定控制部对第一基准光与所述测定接收光之间的时间的差和所述脉冲光的脉冲宽度进行比较，从而判断所述第一基准光和所述测定接收光是否分离， 在判断为分离时，将所述第一测定功能设置为有效， 在判断为未分离时，将所述第二测定功能设置为有效。
6.根据权利要求1 5的任意一项所述的距离测定装置，其中， 所述光学延迟发生部是光纤。
7.根据权利要求2 6的任意一项所述的距离测定装置，其中，所述光电变换部具有谐振电路部，该谐振电路部将接受到的所述脉冲光信号变换为衰减振荡波形，根据该衰减振荡波形的零交叉点，决定所述时间差。
8.—种距离测定方法，使用了距离测定装置，该距离测定装置具备 光源部，与触发信号同步进行脉冲发光；分光部，将来自所述光源部的光分支成第一基准光、第二基准光及测定发送光； 第一参考光路，使所述第一基准光通过，而不发生光学距离变化； 第二参考光路，包括相对于所述第一参考光路发生时间延迟的光学延迟发生部，使所述第二基准光通过；参考光路切换部，具有将所述第一及所述第二参考光路的任意一个设置为通过、将双方设置为通过、及将双方设置为遮蔽的功能； 发送部，向测定对象物照射所述测定发送光；接收部，将所述照射的光在测定对象物上发生了反射的测定接收光接收； 测定光量调整部，将所述测定发送光或所述测定接收光遮蔽； 光合成部，将所述第一参考光路的输出光、所述第二参考光路的输出光、以及被所述接收部接收到的测定接收光合成；以及光电变换部，将由所述光合成部合成出的光信号变换为电信号， 所述距离测定方法包括如下工序1)控制所述参考光路切换部，将第一及第二参考光路设置为通过，控制所述测定光量调整部，将所述测定发送光或测定接收光遮蔽，根据所述光电变换部输出，测定所述触发信号与所述第一基准光之间的时间差、即扑1，以及所述触发信号与所述第二基准光之间的时间差、即Tr2，并进行存储的工序；2)将所述第一及第二参考光路遮蔽，且将所述测定发送光和测定接收光设置为通过， 测定所述测定接收光与所述触发信号之间的时间差、即Tm的工序；3)将所述第一参考光路设置为通过，将所述第二参考光路设置为遮蔽，将所述测定发送光和所述测定接收光设置为通过，根据所述测定接收光与所述第一基准光之间的时间差、即Tm-Trl的值，决定测定光路差、即Tt的第一测定工序；4)将所述第一参考光路设置为遮蔽，将所述第二参考光路设置为通过，将所述测定发送光和所述测定接收光设置为通过，求出所述第二基准光与所述测定接收光之间的时间差 Td' = Tr2-Tm,进一步由在上述1)中求出的Tr2,Trl的值，求出Td = Tr2_Trl，计算Td-Td'， 从而决定测定光路差、即Tt的第二测定工序；5)根据在上述幻中得到的所述时间差Tm，区分使用所述第一测定工序和所述第二测定工序的工序；以及6)根据所述测定光路差、即Tt决定到测定对象物的距离的工序。
全文摘要
本发明实现一种距离测定装置及方法，将距离测定装置内部的延迟电路的变动抵消，能够进行高精度且快速的测定。该距离测定装置及方法从进行脉冲发光的光源部(10)分支出第一基准光r1、第二基准光r2、测定发送光mt，通过对在大致不发生光学变化的第一参照光路R1中传播的第一基准光r1、在插入有光学延迟发生部(50)的第二参考光路中传播的第二基准光r2、将测定发送光照射到测定对象物(160)而反射回来的测定接收光mr之间的检测时间差进行测定，从而测定与测定对象物(160)之间的距离，其中，在测定接收光mr与第一基准光r1在时间上分离的情况下，根据两者的检测时间差计算距离，在测定接收光mr与第一基准光r1在时间上不分离的情况下，根据第一基准光r1与第二基准光r2之间的检测时间差Td、及测定接收光mr与第二基准光r2之间的检测时间插Td’，计算距离L。
文档编号G01C3/06GK102265178SQ20098015152
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月25日
发明者大石政裕, 德田义克 申请人:株式会社拓普康
专业数控铣床产品供应商
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