レーザー距離センサー/Time Of Flight

本サイトでは、PSoCとVL53L0Xを用いて（該当ページはココ）距離を計測しています。

TOF (Time Of Flight) とは

レーザーを発生させて、対象物に反射して戻ってくるまでの時間から、距離を計測します。まさに、飛行時間というわけです。

レーザーは光ですから、秒速30万km進みます。時間と光が進む距離の関係は下記のようになります。

大夫理解できる範囲まで来ました。30万キロといわれてもピンと来ませんが、30cmなら想像できますが、30万キロといわれてもピンと来ませんよね？

例えば 月と地球の平均距離が約38万kmですから、アポロ計画でNASAが月面に置いてきたプリズム反射鏡から

反射光が戻ってくるのには２秒以上もかかる事になります。

そんな強力な光は、そう簡単には出せませんが・・・（笑）

レーザー距離センサーによる距離の測定

レーザー距離センサーで距離計測は次の式によって表されます。l = ( c x t ) / 2 。l : 距離、c: 光速、t: 測定時間となります。なぜ、

2で割っているかとういと、レーザーが往復する時間を測定しているからです。cm単位まで測定しようとすると、レーザー光を発射

してから、それが物体にぶつかり反射して戻ってくるまでの時間を10ps単位で認識する必要があります。

この検出は、光の位相角のずれを識別することにより、対象物との距離かどのくらいかを測定しています。SIN成分とCOS成分を検出して、

ARCTANで位相角を求めて、距離に変換しています。

レーザ距離センサーによる距離測定の問題点

非常に短時間で距離測定できる（計算式にc光速が入っている）ことから、高速に動作するものから対象物との距離測定するという

ことが可能です。一方で、反面光の反射を利用しているために遠方のものを測定しようとすると、レーザーの出力レベルを上げる必要

があり、これは人にとっては危険です。また、太陽光のような非常に強力で、全ての波長を含む光源が存在すると、その反射によって、

自身が出力したものが反射したものか、太陽光により反射したものかを識別するのが困難となります。

私にも実験できるかも？

EME(Earth Moon Earth)は無理でもでも、30cmなら簡単に届くだろうという事は想像できますよね？、

上表から判るように約1ナノ秒かかって光が対象物に届き、反射して また１ナノ秒かかって戻ってくる訳です。

仮に１ナノ秒をカウンターで測ろうと思ったら測定用のクロックは1ナノ秒(10^-9)の逆数である

10⁹ = 1,000,000,000 = 1キガ [Hz]のクロツクを使えば２カウント程進んた状態が測定できる筈なので、

近代のFPGAであれば、クロックをPLLで逓倍してFPGA内部に高速カウンターとゲートを設置すれば、

既に私たちが自宅でも十分実験可能なところまで来ています。