レーザ測距装置
【課題】簡易な構成により、測距誤差を補正する。
【解決手段】レーザ送受信部（レーザ光走査部１０３と受信部１０４）は、既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、出射角度を変化させながら測距対象面にレーザ光を出射し、反射光を受光する。基準反射板６は、レーザ光が照射される位置に配置され、レーザ光を反射する。位相検波器９は、反射光に基づき、測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点での位相値を検出するとともに、基準反射板６での位相値を検出する。距離補正装置１１は、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係と、レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点での位相値を算出し、位相検波器９により検出された各反射点での位相値と基準反射板６での位相値と、算出した各反射点での位相値とを用いて、補正値を算出する。
【解決手段】レーザ送受信部（レーザ光走査部１０３と受信部１０４）は、既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、出射角度を変化させながら測距対象面にレーザ光を出射し、反射光を受光する。基準反射板６は、レーザ光が照射される位置に配置され、レーザ光を反射する。位相検波器９は、反射光に基づき、測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点での位相値を検出するとともに、基準反射板６での位相値を検出する。距離補正装置１１は、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係と、レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点での位相値を算出し、位相検波器９により検出された各反射点での位相値と基準反射板６での位相値と、算出した各反射点での位相値とを用いて、補正値を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ測距において生じる測距誤差を補正する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ画像計測装置（例えば、特許文献１）では、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行っている。
一定の距離の基準点とは、装置の内部に存在する送信レーザを受信光学系に反射する又は光ファイバを用いて折り返す機構である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のレーザ画像計測装置において、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行う場合は、装置の温度、振動等の環境の変化や基準点からマルチパス等により光学的経路や電気的特性に差が生じ、測距誤差が生じるという課題がある。
例えば、特許文献１のレーザ画像計測装置では、走査された送信光は、校正用光学部、校正用ファイバを通って、送受信光学部に「一定距離の基準点」として、受光する。
変調光が校正用ファイバを通過する際に、熱の影響を受けて校正用ファイバの長さが変化し、このため、変調光の受光時に位相が変化する。
これにより、「一定距離の基準点」に距離誤差が発生する。
【０００５】
また、装置を設置する際に、変調器からレーザ走査光学系までの接続配線の距離を変更すると距離誤差を生じ調整が必要になるという課題もあった。
【０００６】
また、装置内部に基準点を設ける場合は、受信ビームのダイナミックレンジを考慮し、基準点として特別な反射率の物体を使用する必要があり、コストが高くなるという課題がある。
基準点として配置する「特別な反射率の物体」とは、特許文献１の構成では、校正用光学部と校正用ファイバである。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決することを主な目的の一つとしており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる装置を実現することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るレーザ測距装置は、
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の構成例を示す図。
【図２】実施の形態１及び２に係るレーザ画像計測装置の動作原理を説明する図。
【図３】実施の形態１に係るレーザ送受信部とレーザ光の走査範囲を示す図。
【図４】実施の形態１に係る距離補正手順を示すフローチャート図。
【図５】実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の構成例を示す図。
【図６】実施の形態２に係る距離補正手順を示すフローチャート図。
【図７】実施の形態１及び２に係る信号処理部のハードウェア構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態及び実施の形態２では、レーザ光走査光学系より送信された送信ビームが既知の設置環境から反射した受信ビームの位相値に対して距離補正を行うレーザ画像計測装置を説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の構成例を示す。
レーザ画像計測装置１００は、レーザ測距装置の例である。
【００１３】
図１に示すように、レーザ画像計測装置１００は、基準信号発生部１０１、レーザ光送信部１０２、レーザ光走査部１０３、受信部１０４、信号処理部１０５、及び基準反射板６で構成される。
基準信号発生部１０１は、発振器１と分配器２で構成される。
レーザ光送信部１０２は、レーザ装置３と変調器４で構成される。
レーザ光走査部１０３は、レーザ光走査光学系５で構成される。
受信部１０４は、受信光学系７と受光器８で構成される。
信号処理部１０５は、位相検波器９、距離演算装置１０、距離補正装置１１、３次元画像処理装置１２で構成される。
なお、レーザ光走査部１０３と受信部１０４とを合わせたものをレーザ送受信部という。
【００１４】
発振器１は、基準となる正弦波の変調信号を発生する機能を有しており、分配器は前記変調信号を２つに分岐する機能を有する。
また、レーザ装置３は、レーザ光を発光させる機能をもち、変調器４は前記変調信号に基づき、レーザ光に対して変調をかける機能をもつ。
レーザ光走査光学系５は、ビーム形状を整形し、空間中にレーザ光を照射・走査する機能を有する。
基準反射板６は、レーザ光走査光学系５から固定距離に設置されており、レーザ光を反射する機能を有する。
受信光学系７は、対象物において反射されたレーザ光を受信し、受光器８上に集光する機能を有する。
また、受光器８は、受信光を電気信号に変換する機能を有する。
位相検波器９は、基準信号発生部１０１から出力する変調信号と受信部１０４での受信信号を受信して位相検波を行い、位相信号に相当する電気信号を出力する機能を有する。
また、距離演算装置１０は、前記位相信号に相当する電気信号に基づき、距離値を算出する機能を有する。
距離補正装置１１は、算出した基準反射板６の距離値を基に距離値を補正する機能を有する。
３次元画像処理装置１２は、補正距離値と走査角信号を基に、３次元画像を生成する機能を有する。
【００１５】
なお、本実施の形態に係る基準反射板６は、以下の条件を満たす必要がある。
（１）レーザ光走査光学系５により走査されたレーザ光を、受信光学系７の受信視野内で反射すること。
（２）受光器８にて受信した光のパワーが適正な範囲（パワーが大きすぎず、小さすぎず）となるように反射できること（パワーが大きすぎると受光器８にて飽和してしまい、小さすぎるとノイズレベルとなり、距離を正確に測定できない）。
【００１６】
本実施の形態のレーザ画像計測装置１００では、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器９のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部１０２において、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置３に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置３にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
【００１７】
図３は、本実施の形態に係るレーザ送受信部（レーザ光走査部１０３と受信部１０４）とレーザ光の走査範囲を示している。
【００１８】
図３（ａ）の角度は、レーザ送受信部のビーム走査半角θの２倍を表している。
レーザ光は、スキャナミラーで反射されて基準反射板６を照射するとともに、レーザ光の角度を変化させることによって、ビーム走査半角θの２倍の範囲内でレーザ光の出射方向が変化する。
後述するように、レーザ送受信部は所定の測距対象面に向けてレーザ光を出射する。
【００１９】
レーザ送受信部は、図３（ｂ）に示すように、ｊ方向（データ番号０〜ｎ−１の方向）にレーザ光を上下に走査し、ｍライン分（ここではｉ方向に１ラインずつデータを並べる）のレーザ光の送受信を行う。
なお、１ラインの走査には、ｎ回（データ番号０〜ｎ−１）のレーザ光の出射と、ｎ回の反射光の受光が含まれる。
ｊ方向の走査は、レーザ光の出射角度（ビーム走査角αｊ）を変化させることにより行われる。
図３（ｂ）において、例えば、ｎ＝１０（データ番号０〜９）であり、中間のデータ番号であるデータ番号４を基準（ビーム走査角α４＝０度）とすれば、データ番号０とデータ番号４との間の幅が、データ番号０に対するビーム走査角α０に相当する。
このように、データ番号ｊ＝０〜ｎ−１の各々に対して、レーザ光の出射角度（ビーム走査角αｊ）を変化させて、測距対象面の複数の点にレーザ光を照射する。
なお、ここでｎ＝１０としたのは、説明の簡明のためであり、実際の運用では、例えば、図２に示すように５１２（ｎ＝５１２）程度となる。
【００２０】
また、図３（ｂ）のｊ方向の全幅が、レーザ送受信部のビーム走査半角θの２倍に相当する。
また、基準反射板６には、強度画像／距離画像の上部の領域のレーザ光が照射される。
図３（ｂ）では、データ番号０の領域のレーザ光のみが基準反射板６に照射されるようになっているが、より広範囲のレーザ光が基準反射板６に照射されてもよい。
【００２１】
ここで、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作の詳細を説明する前に、信号処理部１０５における補正値の導出原理を概説する。
【００２２】
本実施の形態に係るレーザ送受信部は、レーザ光の出射角度（つまり、ビーム走査角αｊ）を変化させながら、基準反射板６及び測距対象面（例えば、路面）に対して、順次レーザ光を照射し、基準反射板６及び測距対象面からの反射光を受光する。
なお、レーザ送受信部は、測距対象面に既定の仰角にて対向している。
また、測距対象面における計測目標、つまり、レーザ光を反射する反射点の個数は既定値（＝ｎ）である。
ここでは、ｎ個の反射点の各々を反射点ｊ（ｊ＝０〜ｎ−１）と表記する。
そして、位相検波器９は、反射点ｊからの反射光に基づき、反射点ｊでのレーザ光の位相値（φ’ｊ）を検出する。
更に、位相検波器９は、基準反射板６からの反射光に基づき、基準反射板６でのレーザ光の位相値（φｒ）を検出する。
また、距離補正装置１１が、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、各々のレーザ光出射時の出射角度（ビーム走査角αｊ）に基づき、反射点ｊでのレーザ光の位相値（φｊ）を算出する。
この位相値（φｊ）は、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、ビーム走査角αｊとの幾何的関係から導かれる論理値であり、正確な値である。
更に、距離補正装置１１は、位相検波器９により検出された反射点ｊでの位相値（φ’ｊ）と基準反射板６での位相値（φｒ）と、算出した反射点ｊでの位相値（φｊ）とを用いて、基準反射板６における位相値の補正値（φ０）を算出する。
そして、距離補正装置１１は、位相検波器９により検出された反射点ｊでの位相値（φ’ｊ）と基準反射板６での位相値（φｒ）と、算出した基準反射板６における位相値の補正値（φ０）を用いて、反射点ｊまでの正確な距離（補正距離値ｚｃｊ）を求める。
【００２３】
なお、位相検波器９は、位相値検出部の例に相当する。
また、距離補正装置１１は、位相値算出部と補正値算出部と距離値算出部の例に相当する。
【００２４】
次に、図２及び図４を参照して、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作を詳細に説明する。
図２はレーザ画像計測装置１００の動作原理を説明する図であり、図４は距離補正手順を示すフローチャート図である。
【００２５】
図２では、レーザ画像計測装置１００のヘッド部（レーザ送受信部が含まれる）が、歩道上の所定の高さ（ヘッド部設置高さ：Ｈ）に設置されており、測距対象面である路面の複数点にレーザ光を照射し、路面上の各点までの距離を求める例を示している。
図２では、図３（ｂ）のｊ方向にレーザ光が照射されている状態を示している。
図２の黒丸は、初期位相校正後のデータ、すなわち、路面上の反射点の正確な位置（測距誤差が補正された後の位置）を表している。
また、図２の白丸は、初期位相校正前のデータ、すなわち、測距誤差が補正される前の反射点の位置を表している。
なお、図２に示す値のうち、ヘッド部の取付仰角δ、ビーム走査半角θ、路面の傾斜角Θ、変調周波数ｆ、光速ｃ、円周率π、ヘッド部設置高さＨは、既知である。
また、反射点ｊの測定位相値φ’ｊは、位相検波器９により反射光から検知され、基準反射板６の測定位相値φｒは、位相検波器９により反射光から検知される。
ビーム走査角αｊは、距離補正装置１１によりビーム走査半角θから算出される。
補正値φ０も、距離補正装置１１により算出される。
また、反射点ｊまでの補正距離値ｚｃｊも、距離補正装置１１により算出される。
【００２６】
レーザ画像計測装置１００では、発振器１が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置３から発生したレーザ光を、変調器４によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系５によってレーザ光を１次元走査する。
対象物（基準反射板６及び図２の路面）からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系７で集光した後、受光器８で電気信号に変換する。
その後、位相検波器９で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
基準反射板６からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φｒに相当し、路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’ｊに相当する。
【００２７】
距離演算装置１０では、位相信号より反射点ｊの視線方向の距離ｚａｊを算出する。
具体的には、光速をｃ、位相差をΔφｊ、変調信号の周波数をｆとすると、距離ｚａｊは、次式（１）により導出される。
ｚａｊ＝（ｃ×Δφｊ）／（４×π×ｆ）・・・（１）
【００２８】
距離補正装置１１では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値ｚｃｊを算出する。
具体的には、図４の動作フローに従って、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００２９】
距離補正装置１１は、設置条件（仰角δ、設置高さＨ、路面傾斜Θ）及びビーム走査半角θ（ビーム走査角αｊ）を用いて暫定距離値ｚｂｊを算出し（Ｓ１０１）、格納する。
なお、暫定距離値ｚｂｊの算出は、３次元画像処理装置１２で行なってもよい。
この場合は、３次元画像処理装置１２も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
なお、式（３）により算出する代わりに、ビーム走査角αｊの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。
【００３２】
次に、距離補正装置１１は、算出した暫定距離値ｚｂｊから、反射点ｊにおけるレーザ光の位相値φｊを以下の式により、算出する（Ｓ１０２）。
【００３３】
【数２】
【００３４】
また、距離補正装置１１は、基準反射板６までの正確な位相値の補正値φ０を以下の式により、求める（Ｓ１０３）。
【００３５】
【数３】
【００３６】
なお、算出した補正値φ０を、これ以降、固定値として用いる。
【００３７】
次に、距離補正装置１１は、補正距離値ｚｃｊを以下の式により求め、補正距離値ｚｃｊを３次元画像処理装置１２に送信する（Ｓ１０４）。
【００３８】
【数４】
【００３９】
この補正距離値ｚｃｊが、図２の初期位相構成後のデータ（黒丸）に相当する。
なお、図２の初期位相構成前のデータ（白丸）は、以下の距離値ｚｄｊに相当する。
【００４０】
【数５】
【００４１】
また、距離補正装置１１は、位相検波器９が位相値の送信を停止するまで、Ｓ１０４の処理を繰り返す（Ｓ１０５）。
【００４２】
図３（ｂ）を例にとると、図４のＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、ライン番号０の走査に対して行われる。
図３（ｂ）のライン番号１以降の走査については、ライン番号０の走査に対してＳ１０３で算出した補正値φ０（式（５）で算出した補正値）を用いて、Ｓ１０４の手順（つまり、式（６）による計算）にて、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００４３】
また、以上では、ヘッド部設置高さＨが既知の場合に、式（２）により距離ｚｂｊを算出する例を説明した。
ヘッド部設置高さＨが不明の場合に、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離が把握できていれば、以下の式で、距離ｚｂｊを求めてもよい。
ｚｂｊ＝Ｘｊ／ｓｉｎ（αｊ＋δ＋Θ）・・・（８）
なお、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離は、図２に示すように、ヘッド部（レーザ送受信部）から反射点ｊまでの水平方向での距離である。
【００４４】
本実施の形態によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。
【００４５】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１で説明した基準反射板６を用いないレーザ画像計測装置１００を説明する。
【００４６】
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の構成は、図５に例示する通りである。
つまり、基準反射板６を用いない点以外は、図１の構成と同じである。
各要素は、図１に示したものと同様なので、説明を省略する。
【００４７】
また、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作原理も図２に示した通りである。
このため、図２に示す各要素の説明も省略する。
なお、図２に示すように、本実施の形態では、基準反射板６を用いないので、補正距離値ｚｃｊの式が実施の形態１とは異なっている。
【００４８】
また、本実施の形態でも、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器９のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部１０２において、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置３に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置３にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
【００４９】
次に、実施の形態２に係るレーザ画像計測装置１００の動作を説明する。
【００５０】
レーザ画像計測装置１００では、発振器１が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置３から発生したレーザ光を、変調器４によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系５によってレーザ光を１次元走査する。
対象物（図２の路面）からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系７で集光した後、受光器８で電気信号に変換する。
その後、位相検波器９で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’ｊに相当する。
【００５１】
距離演算装置１０では、位相信号より反射点ｊの視線方向の距離ｚａｊを算出する。
具体的には、光速をｃ、位相差をΔφｊ、変調信号の周波数をｆとすると、距離ｚａｊは、次式（１）により導出される。
ｚａｊ＝（ｃ×Δφｊ）／（４×π×ｆ）・・・（１）
【００５２】
距離補正装置１１では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値ｚｃｊを算出する。
具体的には、図６の動作フローに従って、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００５３】
距離補正装置１１は、設置条件（仰角δ、設置高さＨ、路面傾斜Θ）及びビーム走査半角θ（ビーム走査角αｊ）を用いて暫定距離値ｚｂｊを算出し（Ｓ２０１）、格納する。
なお、暫定距離値ｚｂｊの算出は、３次元画像処理装置１２で行なってもよい。
この場合は、３次元画像処理装置１２も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
【００５４】
【数６】
【００５５】
なお、式（３）により算出する代わりに、ビーム走査角αｊの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。
【００５６】
次に、距離補正装置１１は、算出した暫定距離値ｚｂｊから、反射点ｊにおけるレーザ光の位相値φｊを以下の式により、算出する（Ｓ２０２）。
【００５７】
【数７】
【００５８】
また、距離補正装置１１は、正確な位相値の補正値φ０を以下の式により、求める（Ｓ２０３）。
【００５９】
【数８】
【００６０】
なお、補正値φ０は、定期的に更新する。
【００６１】
次に、距離補正装置１１は、補正距離値ｚｃｊを以下の式により求め、補正距離値ｚｃｊを３次元画像処理装置１２に送信する（Ｓ２０４）。
【００６２】
【数９】
【００６３】
この補正距離値ｚｃｊが、図２の初期位相構成後のデータ（黒丸）に相当する。
なお、図２の初期位相構成前のデータ（白丸）は、以下の距離値ｚｄｊに相当する。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
また、距離補正装置１１は、位相の補正値φ０の更新時間が経過したら（Ｓ２０５）、Ｓ２０３の処理により補正値φ０を更新する。
また、位相検波器９が位相値の送信を停止するまで、Ｓ２０４の処理を繰り返す（Ｓ２０６）。
【００６６】
図３（ｂ）を例にとると、図６のＳ２０１〜Ｓ２０３の処理は、ライン番号０の走査に対して行われる。
図３（ｂ）のライン番号１以降の走査については、補正値φ０の更新時間が経過していなければ、ライン番号０の走査に対してＳ２０３で算出した補正値φ０（式（９）で算出した補正値）を用いて、Ｓ２０４の手順（つまり、式（１０）による計算）にて、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００６７】
また、実施の形態１で説明したように、ヘッド部設置高さＨが不明の場合に、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離を用いて、距離ｚｂｊを求めてもよい。
【００６８】
また、レーザ画像計測装置１００が、反射点ｊに対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行う場合は、式（９）で用いる位相値φ’ｊを複数回の計測により得られた位相値の移動平均値とすることができる。
つまり、位相検波器９は、複数回の各回において、各反射点ｊでの位相値を検出し、距離補正装置１１は、複数回の計測により得られた位相値の移動平均値を算出し、式（９）の位相値φ’ｊの代わりに移動平均値を用いて、補正値φ０を算出するようにしてもよい。
また、式（１０）においても、位相値φ’ｊの代わりに移動平均値を用いてもよい。
【００６９】
以上、本実施の形態によれば、基準反射板を用いることなく、既知の設置環境に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。
【００７０】
最後に、実施の形態１及び２に示した信号処理部１０５のハードウェア構成例について説明する。
図７は、実施の形態１及び２に示す信号処理部１０５のハードウェア資源の一例を示す図である。
なお、図７の構成は、あくまでも信号処理部１０５のハードウェア構成の一例を示すものであり、信号処理部１０５のハードウェア構成は図７に記載の構成に限らず、他の構成であってもよい。
【００７１】
図７において、信号処理部１０５は、プログラムを実行するＣＰＵ９１１（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）を備えている。
ＣＰＵ９１１は、バス９１２を介して、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９１３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９１４、表示装置９０１、キーボード９０２、マウス９０３、磁気ディスク装置９２０と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。
更に、ＣＰＵ９１１は、通信ボード、ＦＤＤ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、コンパクトディスク装置（ＣＤＤ）、プリンタ装置、スキャナ装置等と接続していてもよい。
また、磁気ディスク装置９２０の代わりに、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク装置、メモリカード（登録商標）読み書き装置などの記憶装置でもよい。
【００７２】
磁気ディスク装置９２０には、オペレーティングシステム９２１（ＯＳ）、プログラム群９２３、ファイル群９２４が記憶されている。
プログラム群９２３のプログラムは、ＣＰＵ９１１がオペレーティングシステム９２１を利用しながら実行する。
【００７３】
また、ＲＡＭ９１４には、ＣＰＵ９１１に実行させるオペレーティングシステム９２１のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。
また、ＲＡＭ９１４には、ＣＰＵ９１１による処理に必要な各種データが格納される。
【００７４】
上記プログラム群９２３には、信号処理部１０５の各機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ９１１により読み出され実行される。
【００７５】
ファイル群９２４には、実施の形態１及び２の説明において、「〜の算出」、「〜の計算」、「〜の検知」、「〜の更新」、「〜の入力」、「〜の出力」等として説明している処理の結果を示す情報やデータや信号値や変数値やパラメータが、「〜ファイル」や「〜データベース」の各項目として記憶されている。
「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。
【００７６】
また、実施の形態１及び２で説明しているフローチャートの矢印の部分は主としてデータや信号の入出力を示す。
データや信号値は、記録媒体に記録される。
また、データや信号は、バス９１２や信号線やケーブルその他の伝送媒体によりオンライン伝送される。
【００７７】
また、実施の形態１及び２で説明したフローチャートに示すステップ、手順、処理により、信号処理部１０５の処理を信号処理方法として捉えることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 発振器、２ 分配器、３ レーザ装置、４ 変調器、５ レーザ光走査光学系、６ 基準反射板、７ 受信光学系、８ 受光器、９ 位相検波器、１０ 距離演算装置、１１ 距離補正装置、１２ ３次元画像処理装置、１００ レーザ画像計測装置、１０１ 基準信号発生部、１０２ レーザ光送信部、１０３ レーザ光走査部、１０４ 受信部、１０５ 信号処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ測距において生じる測距誤差を補正する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ画像計測装置（例えば、特許文献１）では、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行っている。
一定の距離の基準点とは、装置の内部に存在する送信レーザを受信光学系に反射する又は光ファイバを用いて折り返す機構である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のレーザ画像計測装置において、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行う場合は、装置の温度、振動等の環境の変化や基準点からマルチパス等により光学的経路や電気的特性に差が生じ、測距誤差が生じるという課題がある。
例えば、特許文献１のレーザ画像計測装置では、走査された送信光は、校正用光学部、校正用ファイバを通って、送受信光学部に「一定距離の基準点」として、受光する。
変調光が校正用ファイバを通過する際に、熱の影響を受けて校正用ファイバの長さが変化し、このため、変調光の受光時に位相が変化する。
これにより、「一定距離の基準点」に距離誤差が発生する。
【０００５】
また、装置を設置する際に、変調器からレーザ走査光学系までの接続配線の距離を変更すると距離誤差を生じ調整が必要になるという課題もあった。
【０００６】
また、装置内部に基準点を設ける場合は、受信ビームのダイナミックレンジを考慮し、基準点として特別な反射率の物体を使用する必要があり、コストが高くなるという課題がある。
基準点として配置する「特別な反射率の物体」とは、特許文献１の構成では、校正用光学部と校正用ファイバである。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決することを主な目的の一つとしており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる装置を実現することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るレーザ測距装置は、
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の構成例を示す図。
【図２】実施の形態１及び２に係るレーザ画像計測装置の動作原理を説明する図。
【図３】実施の形態１に係るレーザ送受信部とレーザ光の走査範囲を示す図。
【図４】実施の形態１に係る距離補正手順を示すフローチャート図。
【図５】実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の構成例を示す図。
【図６】実施の形態２に係る距離補正手順を示すフローチャート図。
【図７】実施の形態１及び２に係る信号処理部のハードウェア構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本実施の形態及び実施の形態２では、レーザ光走査光学系より送信された送信ビームが既知の設置環境から反射した受信ビームの位相値に対して距離補正を行うレーザ画像計測装置を説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の構成例を示す。
レーザ画像計測装置１００は、レーザ測距装置の例である。
【００１３】
図１に示すように、レーザ画像計測装置１００は、基準信号発生部１０１、レーザ光送信部１０２、レーザ光走査部１０３、受信部１０４、信号処理部１０５、及び基準反射板６で構成される。
基準信号発生部１０１は、発振器１と分配器２で構成される。
レーザ光送信部１０２は、レーザ装置３と変調器４で構成される。
レーザ光走査部１０３は、レーザ光走査光学系５で構成される。
受信部１０４は、受信光学系７と受光器８で構成される。
信号処理部１０５は、位相検波器９、距離演算装置１０、距離補正装置１１、３次元画像処理装置１２で構成される。
なお、レーザ光走査部１０３と受信部１０４とを合わせたものをレーザ送受信部という。
【００１４】
発振器１は、基準となる正弦波の変調信号を発生する機能を有しており、分配器は前記変調信号を２つに分岐する機能を有する。
また、レーザ装置３は、レーザ光を発光させる機能をもち、変調器４は前記変調信号に基づき、レーザ光に対して変調をかける機能をもつ。
レーザ光走査光学系５は、ビーム形状を整形し、空間中にレーザ光を照射・走査する機能を有する。
基準反射板６は、レーザ光走査光学系５から固定距離に設置されており、レーザ光を反射する機能を有する。
受信光学系７は、対象物において反射されたレーザ光を受信し、受光器８上に集光する機能を有する。
また、受光器８は、受信光を電気信号に変換する機能を有する。
位相検波器９は、基準信号発生部１０１から出力する変調信号と受信部１０４での受信信号を受信して位相検波を行い、位相信号に相当する電気信号を出力する機能を有する。
また、距離演算装置１０は、前記位相信号に相当する電気信号に基づき、距離値を算出する機能を有する。
距離補正装置１１は、算出した基準反射板６の距離値を基に距離値を補正する機能を有する。
３次元画像処理装置１２は、補正距離値と走査角信号を基に、３次元画像を生成する機能を有する。
【００１５】
なお、本実施の形態に係る基準反射板６は、以下の条件を満たす必要がある。
（１）レーザ光走査光学系５により走査されたレーザ光を、受信光学系７の受信視野内で反射すること。
（２）受光器８にて受信した光のパワーが適正な範囲（パワーが大きすぎず、小さすぎず）となるように反射できること（パワーが大きすぎると受光器８にて飽和してしまい、小さすぎるとノイズレベルとなり、距離を正確に測定できない）。
【００１６】
本実施の形態のレーザ画像計測装置１００では、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器９のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部１０２において、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置３に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置３にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
【００１７】
図３は、本実施の形態に係るレーザ送受信部（レーザ光走査部１０３と受信部１０４）とレーザ光の走査範囲を示している。
【００１８】
図３（ａ）の角度は、レーザ送受信部のビーム走査半角θの２倍を表している。
レーザ光は、スキャナミラーで反射されて基準反射板６を照射するとともに、レーザ光の角度を変化させることによって、ビーム走査半角θの２倍の範囲内でレーザ光の出射方向が変化する。
後述するように、レーザ送受信部は所定の測距対象面に向けてレーザ光を出射する。
【００１９】
レーザ送受信部は、図３（ｂ）に示すように、ｊ方向（データ番号０〜ｎ−１の方向）にレーザ光を上下に走査し、ｍライン分（ここではｉ方向に１ラインずつデータを並べる）のレーザ光の送受信を行う。
なお、１ラインの走査には、ｎ回（データ番号０〜ｎ−１）のレーザ光の出射と、ｎ回の反射光の受光が含まれる。
ｊ方向の走査は、レーザ光の出射角度（ビーム走査角αｊ）を変化させることにより行われる。
図３（ｂ）において、例えば、ｎ＝１０（データ番号０〜９）であり、中間のデータ番号であるデータ番号４を基準（ビーム走査角α４＝０度）とすれば、データ番号０とデータ番号４との間の幅が、データ番号０に対するビーム走査角α０に相当する。
このように、データ番号ｊ＝０〜ｎ−１の各々に対して、レーザ光の出射角度（ビーム走査角αｊ）を変化させて、測距対象面の複数の点にレーザ光を照射する。
なお、ここでｎ＝１０としたのは、説明の簡明のためであり、実際の運用では、例えば、図２に示すように５１２（ｎ＝５１２）程度となる。
【００２０】
また、図３（ｂ）のｊ方向の全幅が、レーザ送受信部のビーム走査半角θの２倍に相当する。
また、基準反射板６には、強度画像／距離画像の上部の領域のレーザ光が照射される。
図３（ｂ）では、データ番号０の領域のレーザ光のみが基準反射板６に照射されるようになっているが、より広範囲のレーザ光が基準反射板６に照射されてもよい。
【００２１】
ここで、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作の詳細を説明する前に、信号処理部１０５における補正値の導出原理を概説する。
【００２２】
本実施の形態に係るレーザ送受信部は、レーザ光の出射角度（つまり、ビーム走査角αｊ）を変化させながら、基準反射板６及び測距対象面（例えば、路面）に対して、順次レーザ光を照射し、基準反射板６及び測距対象面からの反射光を受光する。
なお、レーザ送受信部は、測距対象面に既定の仰角にて対向している。
また、測距対象面における計測目標、つまり、レーザ光を反射する反射点の個数は既定値（＝ｎ）である。
ここでは、ｎ個の反射点の各々を反射点ｊ（ｊ＝０〜ｎ−１）と表記する。
そして、位相検波器９は、反射点ｊからの反射光に基づき、反射点ｊでのレーザ光の位相値（φ’ｊ）を検出する。
更に、位相検波器９は、基準反射板６からの反射光に基づき、基準反射板６でのレーザ光の位相値（φｒ）を検出する。
また、距離補正装置１１が、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、各々のレーザ光出射時の出射角度（ビーム走査角αｊ）に基づき、反射点ｊでのレーザ光の位相値（φｊ）を算出する。
この位相値（φｊ）は、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、ビーム走査角αｊとの幾何的関係から導かれる論理値であり、正確な値である。
更に、距離補正装置１１は、位相検波器９により検出された反射点ｊでの位相値（φ’ｊ）と基準反射板６での位相値（φｒ）と、算出した反射点ｊでの位相値（φｊ）とを用いて、基準反射板６における位相値の補正値（φ０）を算出する。
そして、距離補正装置１１は、位相検波器９により検出された反射点ｊでの位相値（φ’ｊ）と基準反射板６での位相値（φｒ）と、算出した基準反射板６における位相値の補正値（φ０）を用いて、反射点ｊまでの正確な距離（補正距離値ｚｃｊ）を求める。
【００２３】
なお、位相検波器９は、位相値検出部の例に相当する。
また、距離補正装置１１は、位相値算出部と補正値算出部と距離値算出部の例に相当する。
【００２４】
次に、図２及び図４を参照して、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作を詳細に説明する。
図２はレーザ画像計測装置１００の動作原理を説明する図であり、図４は距離補正手順を示すフローチャート図である。
【００２５】
図２では、レーザ画像計測装置１００のヘッド部（レーザ送受信部が含まれる）が、歩道上の所定の高さ（ヘッド部設置高さ：Ｈ）に設置されており、測距対象面である路面の複数点にレーザ光を照射し、路面上の各点までの距離を求める例を示している。
図２では、図３（ｂ）のｊ方向にレーザ光が照射されている状態を示している。
図２の黒丸は、初期位相校正後のデータ、すなわち、路面上の反射点の正確な位置（測距誤差が補正された後の位置）を表している。
また、図２の白丸は、初期位相校正前のデータ、すなわち、測距誤差が補正される前の反射点の位置を表している。
なお、図２に示す値のうち、ヘッド部の取付仰角δ、ビーム走査半角θ、路面の傾斜角Θ、変調周波数ｆ、光速ｃ、円周率π、ヘッド部設置高さＨは、既知である。
また、反射点ｊの測定位相値φ’ｊは、位相検波器９により反射光から検知され、基準反射板６の測定位相値φｒは、位相検波器９により反射光から検知される。
ビーム走査角αｊは、距離補正装置１１によりビーム走査半角θから算出される。
補正値φ０も、距離補正装置１１により算出される。
また、反射点ｊまでの補正距離値ｚｃｊも、距離補正装置１１により算出される。
【００２６】
レーザ画像計測装置１００では、発振器１が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置３から発生したレーザ光を、変調器４によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系５によってレーザ光を１次元走査する。
対象物（基準反射板６及び図２の路面）からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系７で集光した後、受光器８で電気信号に変換する。
その後、位相検波器９で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
基準反射板６からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φｒに相当し、路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’ｊに相当する。
【００２７】
距離演算装置１０では、位相信号より反射点ｊの視線方向の距離ｚａｊを算出する。
具体的には、光速をｃ、位相差をΔφｊ、変調信号の周波数をｆとすると、距離ｚａｊは、次式（１）により導出される。
ｚａｊ＝（ｃ×Δφｊ）／（４×π×ｆ）・・・（１）
【００２８】
距離補正装置１１では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値ｚｃｊを算出する。
具体的には、図４の動作フローに従って、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００２９】
距離補正装置１１は、設置条件（仰角δ、設置高さＨ、路面傾斜Θ）及びビーム走査半角θ（ビーム走査角αｊ）を用いて暫定距離値ｚｂｊを算出し（Ｓ１０１）、格納する。
なお、暫定距離値ｚｂｊの算出は、３次元画像処理装置１２で行なってもよい。
この場合は、３次元画像処理装置１２も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
なお、式（３）により算出する代わりに、ビーム走査角αｊの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。
【００３２】
次に、距離補正装置１１は、算出した暫定距離値ｚｂｊから、反射点ｊにおけるレーザ光の位相値φｊを以下の式により、算出する（Ｓ１０２）。
【００３３】
【数２】
【００３４】
また、距離補正装置１１は、基準反射板６までの正確な位相値の補正値φ０を以下の式により、求める（Ｓ１０３）。
【００３５】
【数３】
【００３６】
なお、算出した補正値φ０を、これ以降、固定値として用いる。
【００３７】
次に、距離補正装置１１は、補正距離値ｚｃｊを以下の式により求め、補正距離値ｚｃｊを３次元画像処理装置１２に送信する（Ｓ１０４）。
【００３８】
【数４】
【００３９】
この補正距離値ｚｃｊが、図２の初期位相構成後のデータ（黒丸）に相当する。
なお、図２の初期位相構成前のデータ（白丸）は、以下の距離値ｚｄｊに相当する。
【００４０】
【数５】
【００４１】
また、距離補正装置１１は、位相検波器９が位相値の送信を停止するまで、Ｓ１０４の処理を繰り返す（Ｓ１０５）。
【００４２】
図３（ｂ）を例にとると、図４のＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、ライン番号０の走査に対して行われる。
図３（ｂ）のライン番号１以降の走査については、ライン番号０の走査に対してＳ１０３で算出した補正値φ０（式（５）で算出した補正値）を用いて、Ｓ１０４の手順（つまり、式（６）による計算）にて、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００４３】
また、以上では、ヘッド部設置高さＨが既知の場合に、式（２）により距離ｚｂｊを算出する例を説明した。
ヘッド部設置高さＨが不明の場合に、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離が把握できていれば、以下の式で、距離ｚｂｊを求めてもよい。
ｚｂｊ＝Ｘｊ／ｓｉｎ（αｊ＋δ＋Θ）・・・（８）
なお、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離は、図２に示すように、ヘッド部（レーザ送受信部）から反射点ｊまでの水平方向での距離である。
【００４４】
本実施の形態によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。
【００４５】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１で説明した基準反射板６を用いないレーザ画像計測装置１００を説明する。
【００４６】
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の構成は、図５に例示する通りである。
つまり、基準反射板６を用いない点以外は、図１の構成と同じである。
各要素は、図１に示したものと同様なので、説明を省略する。
【００４７】
また、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置１００の動作原理も図２に示した通りである。
このため、図２に示す各要素の説明も省略する。
なお、図２に示すように、本実施の形態では、基準反射板６を用いないので、補正距離値ｚｃｊの式が実施の形態１とは異なっている。
【００４８】
また、本実施の形態でも、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器９のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部１０２において、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置３に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置３にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
【００４９】
次に、実施の形態２に係るレーザ画像計測装置１００の動作を説明する。
【００５０】
レーザ画像計測装置１００では、発振器１が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置３から発生したレーザ光を、変調器４によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系５によってレーザ光を１次元走査する。
対象物（図２の路面）からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系７で集光した後、受光器８で電気信号に変換する。
その後、位相検波器９で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’ｊに相当する。
【００５１】
距離演算装置１０では、位相信号より反射点ｊの視線方向の距離ｚａｊを算出する。
具体的には、光速をｃ、位相差をΔφｊ、変調信号の周波数をｆとすると、距離ｚａｊは、次式（１）により導出される。
ｚａｊ＝（ｃ×Δφｊ）／（４×π×ｆ）・・・（１）
【００５２】
距離補正装置１１では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値ｚｃｊを算出する。
具体的には、図６の動作フローに従って、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００５３】
距離補正装置１１は、設置条件（仰角δ、設置高さＨ、路面傾斜Θ）及びビーム走査半角θ（ビーム走査角αｊ）を用いて暫定距離値ｚｂｊを算出し（Ｓ２０１）、格納する。
なお、暫定距離値ｚｂｊの算出は、３次元画像処理装置１２で行なってもよい。
この場合は、３次元画像処理装置１２も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
【００５４】
【数６】
【００５５】
なお、式（３）により算出する代わりに、ビーム走査角αｊの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。
【００５６】
次に、距離補正装置１１は、算出した暫定距離値ｚｂｊから、反射点ｊにおけるレーザ光の位相値φｊを以下の式により、算出する（Ｓ２０２）。
【００５７】
【数７】
【００５８】
また、距離補正装置１１は、正確な位相値の補正値φ０を以下の式により、求める（Ｓ２０３）。
【００５９】
【数８】
【００６０】
なお、補正値φ０は、定期的に更新する。
【００６１】
次に、距離補正装置１１は、補正距離値ｚｃｊを以下の式により求め、補正距離値ｚｃｊを３次元画像処理装置１２に送信する（Ｓ２０４）。
【００６２】
【数９】
【００６３】
この補正距離値ｚｃｊが、図２の初期位相構成後のデータ（黒丸）に相当する。
なお、図２の初期位相構成前のデータ（白丸）は、以下の距離値ｚｄｊに相当する。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
また、距離補正装置１１は、位相の補正値φ０の更新時間が経過したら（Ｓ２０５）、Ｓ２０３の処理により補正値φ０を更新する。
また、位相検波器９が位相値の送信を停止するまで、Ｓ２０４の処理を繰り返す（Ｓ２０６）。
【００６６】
図３（ｂ）を例にとると、図６のＳ２０１〜Ｓ２０３の処理は、ライン番号０の走査に対して行われる。
図３（ｂ）のライン番号１以降の走査については、補正値φ０の更新時間が経過していなければ、ライン番号０の走査に対してＳ２０３で算出した補正値φ０（式（９）で算出した補正値）を用いて、Ｓ２０４の手順（つまり、式（１０）による計算）にて、補正距離値ｚｃｊを算出する。
【００６７】
また、実施の形態１で説明したように、ヘッド部設置高さＨが不明の場合に、Ｘｊ＝ｊ番目の奥行計測距離を用いて、距離ｚｂｊを求めてもよい。
【００６８】
また、レーザ画像計測装置１００が、反射点ｊに対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行う場合は、式（９）で用いる位相値φ’ｊを複数回の計測により得られた位相値の移動平均値とすることができる。
つまり、位相検波器９は、複数回の各回において、各反射点ｊでの位相値を検出し、距離補正装置１１は、複数回の計測により得られた位相値の移動平均値を算出し、式（９）の位相値φ’ｊの代わりに移動平均値を用いて、補正値φ０を算出するようにしてもよい。
また、式（１０）においても、位相値φ’ｊの代わりに移動平均値を用いてもよい。
【００６９】
以上、本実施の形態によれば、基準反射板を用いることなく、既知の設置環境に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。
【００７０】
最後に、実施の形態１及び２に示した信号処理部１０５のハードウェア構成例について説明する。
図７は、実施の形態１及び２に示す信号処理部１０５のハードウェア資源の一例を示す図である。
なお、図７の構成は、あくまでも信号処理部１０５のハードウェア構成の一例を示すものであり、信号処理部１０５のハードウェア構成は図７に記載の構成に限らず、他の構成であってもよい。
【００７１】
図７において、信号処理部１０５は、プログラムを実行するＣＰＵ９１１（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）を備えている。
ＣＰＵ９１１は、バス９１２を介して、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９１３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９１４、表示装置９０１、キーボード９０２、マウス９０３、磁気ディスク装置９２０と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。
更に、ＣＰＵ９１１は、通信ボード、ＦＤＤ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、コンパクトディスク装置（ＣＤＤ）、プリンタ装置、スキャナ装置等と接続していてもよい。
また、磁気ディスク装置９２０の代わりに、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク装置、メモリカード（登録商標）読み書き装置などの記憶装置でもよい。
【００７２】
磁気ディスク装置９２０には、オペレーティングシステム９２１（ＯＳ）、プログラム群９２３、ファイル群９２４が記憶されている。
プログラム群９２３のプログラムは、ＣＰＵ９１１がオペレーティングシステム９２１を利用しながら実行する。
【００７３】
また、ＲＡＭ９１４には、ＣＰＵ９１１に実行させるオペレーティングシステム９２１のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。
また、ＲＡＭ９１４には、ＣＰＵ９１１による処理に必要な各種データが格納される。
【００７４】
上記プログラム群９２３には、信号処理部１０５の各機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ９１１により読み出され実行される。
【００７５】
ファイル群９２４には、実施の形態１及び２の説明において、「〜の算出」、「〜の計算」、「〜の検知」、「〜の更新」、「〜の入力」、「〜の出力」等として説明している処理の結果を示す情報やデータや信号値や変数値やパラメータが、「〜ファイル」や「〜データベース」の各項目として記憶されている。
「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。
【００７６】
また、実施の形態１及び２で説明しているフローチャートの矢印の部分は主としてデータや信号の入出力を示す。
データや信号値は、記録媒体に記録される。
また、データや信号は、バス９１２や信号線やケーブルその他の伝送媒体によりオンライン伝送される。
【００７７】
また、実施の形態１及び２で説明したフローチャートに示すステップ、手順、処理により、信号処理部１０５の処理を信号処理方法として捉えることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 発振器、２ 分配器、３ レーザ装置、４ 変調器、５ レーザ光走査光学系、６ 基準反射板、７ 受信光学系、８ 受光器、９ 位相検波器、１０ 距離演算装置、１１ 距離補正装置、１２ ３次元画像処理装置、１００ レーザ画像計測装置、１０１ 基準信号発生部、１０２ レーザ光送信部、１０３ レーザ光走査部、１０４ 受信部、１０５ 信号処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項２】
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された反射点での位相値から前記基準反射板での位相値を差し引いた差分値を、前記位相値算出部により算出された反射点での位相値から差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出する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】
前記レーザ測距装置は、更に、
前記位相値検出部により検出された反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ測距装置。
【請求項４】
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項５】
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値算出部により算出された位相値から前記位相値検出部により検出された位相値を差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出することを特徴とする請求項４に記載のレーザ測距装置。
【請求項６】
前記レーザ測距装置は、
各反射点に対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行い、
前記位相値検出部は、
前記複数回の各回において、各反射点でのレーザ光の位相値を検出し、
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された位相値の前記複数回における平均値を算出し、
算出した各反射点の位相値の平均値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、前記補正値を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザ測距装置。
【請求項７】
前記レーザ測距装置は、更に、
前記位相値検出部により検出された位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のレーザ測距装置。
【請求項１】
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項２】
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された反射点での位相値から前記基準反射板での位相値を差し引いた差分値を、前記位相値算出部により算出された反射点での位相値から差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出する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】
前記レーザ測距装置は、更に、
前記位相値検出部により検出された反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ測距装置。
【請求項４】
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項５】
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値算出部により算出された位相値から前記位相値検出部により検出された位相値を差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出することを特徴とする請求項４に記載のレーザ測距装置。
【請求項６】
前記レーザ測距装置は、
各反射点に対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行い、
前記位相値検出部は、
前記複数回の各回において、各反射点でのレーザ光の位相値を検出し、
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された位相値の前記複数回における平均値を算出し、
算出した各反射点の位相値の平均値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、前記補正値を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザ測距装置。
【請求項７】
前記レーザ測距装置は、更に、
前記位相値検出部により検出された位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のレーザ測距装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３０２５（Ｐ２０１３−３０２５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５８４７（Ｐ２０１１−１３５８４７）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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