JP2000002765A

JP2000002765A - 測距装置および測距方法

Info

Publication number: JP2000002765A
Application number: JP16949298A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Suzaki; 保司洲▲崎▼; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Masahiro Kurihara; 昌宏栗原; Mitsuo Takei; 三雄武井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】自然界に存在するさまざまな形状の凹凸、ある
いは傾斜面を有するターゲットの高精度な遠隔測距手段
を提供する。【解決手段】パルス幅１００ｐｓ以下のレーザーを使用
し、平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以
下の微弱な光領域で一定なるように受信光量を制御して
測距を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観測部から測距タ
ーゲットに向けてレーザーパルスを投射したとき、レー
ザーパルスがターゲットまで到達する時間と、該ターゲ
ットから反射して観測部まで戻ってくるまでの時間、つ
まりレーザーパルスの投射からその反射パルスの受信ま
での往復時間を計測して、ターゲットまでの距離を求め
る測距装置および方法に関し、詳しくは落石監視用に利
用して好適なレーザー測距装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスレーザー測距の分野には、人工衛
星や月をターゲットとし、該ターゲットまでの距離を測
距するシステムとしてＳＬＲ(Satellite Laser Ranging
System)やＬＬＲ(Lunar Laser Ranging System)などの
システムがある。これらのシステムはターゲットが遠距
離であることからレーザーや送受信望遠鏡等にも大型の
ものを用いてもターゲットからの反射信号、つまり測距
側で受信できる信号は微弱となることから、感度向上を
目的として早くから単一光電子レベルの信号で測距を行
う方式が採用されてきた。

【０００３】一方地上の近距離物体をターゲットとする
レーザー測距装置ではレンジファインダーと称せられる
システムがあり、種々な目的に使用され、実用化が進ん
でいる。

【０００４】レンジファインダーに使用されているレー
ザーは小型で簡易な半導体パルスレーザー、Ｑスイッチ
方式で半導体レーザー励起の固体レーザーなどである
が、パルス幅は１０ｎｓ前後のものが一般的に使用され
ている。レーザーのパルス幅としてはもっと短いものも
可能であるが大きさ、費用対効果などの点で簡易なレン
ジファインダーへの使用は阻まれていたと言える。１０
ｎｓのパルス幅は長さ換算で約１５０ｃｍに相当するこ
とからレンジファインダーの精度は最近まで標準偏差で
数１０ｃｍのオーダにあった。最近になりパルス幅は同
等であるが繰返しの早いレーザを使用し、多数の取得値
の統計処理を行って、１ｃｍオーダーの精度を実現する
装置が出現するに至っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように１ｃｍ級
の精度を標榜するパルスレーザーレンジファインダーの
出現により、さまざまな分野への応用が検討されるよう
になってきた。例えば、中でも近年国内の各地で問題と
なっているトンネル、道路や線路崖の落石、落岩、山崩
れ、地すべりなどの監視や２次災害防止のための監視に
強い期待がある。

【０００６】これらの分野では反射器なしで測距が成立
することと、精度は１ｃｍからｍｍ級の精度が期待され
ている。しかるに現状のレンジファインダーで１ｃｍの
精度を標榜する装置があるものの前記したように多数デ
ータを統計処理することでこれを実現しており、一定条
件下ではｃｍ級精度の測定が可能であるが、自然界にあ
るさまざまな形状で、凹凸があり、観測点から見て、い
ろいろな傾斜角度を有するターゲットに対しては大きな
誤差を生ずることがある。

【０００７】現状のレンジファインダーに使われている
レーザーはパルス幅が１０ｎｓ前後であることの他にも
う一つの問題はビームのクオリティが必ずしも良好では
ないということがある。

【０００８】ビームクオリティが良好でないことの問題
としてビーム拡がり角が狭小にできないこととビームパ
ターン内部の強度ムラと変動がある。

【０００９】現状レンジファインダーのビーム拡がり角
度は概ね数ｍｒａｄであるがこれは距離１００ｍのター
ゲットに対して数１０ｃｍのパターンで照射されること
を意味する。拡がりのあるビームが自然界の岩石などに
照射されるとき拡がりパターン内に含まれる照射面の傾
き、凹凸に対し環境条件の変化すなわち雨による濡れ、
塵埃等の付着による部分的な反射率変化、日光照射と日
陰の変化、昼夜による背景光の変動等が受信波に影響を
与え測距値に影響するという問題がある。またレーザー
ビームパターン内の強度分布にムラと変動があると凹凸
あるターゲットに対して強い光が当たる場所が変動する
ことから反射信号が時間軸上の強度分布、すなわち波形
が変化することになり測距値に変動を生ずる。

【００１０】落石、落岩の危険予知を目的とした監視に
おいては経時的なターゲットの位置変動を検知すること
が肝要なのでターゲットの変位以外で測距値が変わって
見えることは致命的な問題となる。

【００１１】本発明の目的は、上記したように現状のレ
ンジファインダーで問題となる自然にある様々な形状の
凹凸、あるいは部分的に反射率のことなる斜面の測距に
おいて環境条件変化、ビームパターン内部の強度分布の
ムラと変動の結果として生ずる測距値変動と実際のター
ゲットの位置変化による測距値変動を識別可能とし、上
記ターゲットのより高精度な測距装置および方法を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、レーザーパルスのターゲットへの投射お
よび該ターゲットから反射して元に戻ってくるまでの往
復時間を計測して該ターゲットまでの距離を測定するレ
ンジファインダーからなる測距装置において、前記レー
ザーパルスの投射（ショット）毎に反射してくる反射信
号の平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以
下の光量域で一定となる方向に前記反射信号の受信光量
を制御する手段を設けている。

【００１３】また、本発明は、レーザーパルスのターゲ
ットへの投射および該ターゲットから反射して元に戻っ
てくるまでの往復時間を計測して該タ−ゲットまでの距
離を測定するレンジファインダ−からなる測距装置にお
いて、前記レーザーパルスの投射（ショット）毎に反射
してくる反射信号の平均受信信号の強さが０．１光電子
（ｐ．ｅ．）以下の光量域となるように前記反射信号の
受信光量を制御する手段を設けている。

【００１４】また、本発明は、前記レンジファインダー
が、パルスレーザーシングルフォトンレンジファインダ
ーであり、該ファインダーは、前記ターゲットの複数個
の凹凸面、または傾斜面の繰り返し測距によって得られ
る該凹凸面の距離差、または斜面であることから生ずる
奥行きに対応したバラツキのある測距集合データに対
し、受信率の極大、極小の位置と大きさを算出する手段
と、前記レーザーパルスの照射ビーム内にある前記ター
ゲットの凹凸面、または斜面の奥行きの距離情報を取得
する手段を設けている。

【００１５】また、本発明は、レーザーパルスをターゲ
ットに向けて投射するレーザーパルス発生手段と、前記
レーザーパルス発生手段から投射されるレーザーパルス
の一部を検知し、該検知パルスからスタート信号を生成
するスタート信号生成手段と、前記ターゲットからの反
射レーザーパルスを受信するレーザーパルス受信手段
と、前記レーザーパルス受信手段の受信信号のレベルを
制御する可変光アッテネータ手段と、前記レーザーパル
ス受信手段にて受信し、該受信信号からストップ信号を
生成するストップ信号生成手段と、前記スタート信号お
よび前記ストップ信号を受信し、スタートからストップ
までの時間をカウントする測距カウンタを含む測距手段
と、前記ストップ信号が生成されなかったとき前記カウ
ンタにリセットをかける制御手段と、前記カウンタによ
る測距が成立したときそのレートを測定し、該レートを
指定のカウントレートと比較するカウントレート比較手
段と、前記カウントレート比較手段の出力を受け、前記
両レートが一定となる方向に前記可変光アッテネータ手
段を制御するアッテネータ制御手段とを設けている。

【００１６】また本発明は、レンジファインダーをもっ
て、レーザーパルスのターゲットへの投射および該ター
ゲットから反射して元に戻ってくるまでの往復時間を計
測して該ターゲットまでの距離を測定する測距方法にお
いて、前記レーザーパルスの投射（ショット）毎の反射
信号の平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）
以下の光量域で一定となる方向に前記反射信号の受信光
量を制御している。

【００１７】また本発明は、レンジファインダーをもっ
て、レーザーパルスのターゲットへの投射および該ター
ゲットから反射して元に戻ってくるまでの往復時間を計
測して該ターゲットまでの距離を測定する測距方法にお
いて、前記レーザーパルスの投射（ショット）毎の反射
信号の平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）
以下の光量域となるように前記反射信号の受信光量を制
御し、前記ターゲットまでの測距を行うようにしてい
る。

【００１８】また、本発明は、前記レンジファインダー
が、パルスレーザーシンフルフォトンレンジファインダ
ーであり、該ファインダーでもって、前記ターゲットの
複数個の凹凸面、または傾斜面の繰り返し測距によって
得られる該凹凸面の距離差、または斜面であることから
生ずる奥行きに対応したバラツキのある測距集合データ
に対し、受信率の極大、極小の位置と大きさを算出し、
前記レーザーパルスの照射ビーム内にある前記ターゲッ
トの凹凸面、または斜面の奥行きの距離情報を取得す
る。

【００１９】また更に本発明は、レーザーパルスをター
ゲットに向けて投射するステップと、前記投射されるレ
ーザーパルスの一部を検知するステップと、前記検知パ
ルスからスタート信号を生成するステップと、前記ター
ゲットからの反射レーザーパルスを受信するステップ
と、前記レーザーパルス受信信号を受け、該受信信号か
らストップ信号を生成するステップと、前記スタート信
号および前記ストップ信号を受信し、スタートからスト
ップまでの時間をカウントするステップと、前記ストッ
プ信号が生成されなかったとき前記カウント時間をリセ
ットするステップと、前記カウント時間による測距が成
立したときそのレートを測定し、該レートを指定のカウ
ントレートと比較するステップと、前記カウントレート
比較ステップを受け、前記両レートが一定となる方向に
前記レーザーパルス受信信号のレベルを制御するステッ
プとを設けている。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明について説明する。

【００２１】凹凸面または傾斜面を有する自然界のさま
ざまなターゲットを高精度に測距を可能ならしめる方法
として現在使用されている１０ｎｓオーダーのパルス幅
のレーザーに変え、例えば１００ｐｓ以下のパルス幅の
レーザーを使用する。

【００２２】ｐｓのパルスレーザーはこれまでモードロ
ックレーザーの技術により実用化され、衛星測距装置な
どに使われてきたが、装置は大型で、環境変化に敏感で
あり、安定性に欠けるなどの問題があった。

【００２３】近年、この問題を是正する可能性を有する
半導体レーザーとＱスイッチ方式で半導体レーザー励起
のマイクロチップレーザーと称される小型のレーザーで
パルス幅１００ｐｓ前後で高速繰返し(100Hz以上)のパ
ルスレーザーが製品化されるようになってきた。しかる
にこれらレーザーの出力は１パルスあたりμＪ（１０~⁶
Ｊ）からｎＪ（１０~⁹J）オーダーであり現状のレンジ
ファインダーに使われているレーザーに比して１桁から
２桁低いレベルにある。従来と同様方式ではレンジファ
インダーへの適用は難しいが、本発明に適用することで
効果的な使い方が可能となる。

【００２４】本発明の第１のポイントはビーム内でビー
ム軸に沿って存在する複数の反射面を有するターゲット
面の奥行き位置情報が取得できる測距手段を提供するこ
とにある。

【００２５】照射ビーム径内で軸に沿って複数の反射面
が存在するターゲットからの反射信号を考え、その強さ
が平均で１光電子より小さい場合の測距について考察す
ると次のようなことが判明する。

【００２６】図１によりそのことを定性的に考察する。
図１は本発明の原理概念を説明するための図である。図
１において１は測距装置（シングルフォトンレンジファ
インダー）から投射されるパルス幅τのパルスレーザー
ビーム、２はレーザーが照射されるターゲット、１Ａ、
１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅはターゲット内の各反射面を示
し、レーザーのパルス幅τに比して十分大きな間隔を有
するビームに照射されている。１Ａ´、１Ｂ´、１Ｃ
´、１Ｄ´、１Ｅ´はターゲット２のそれぞれの反射面
からの反射光子群である。ターゲット２の凹凸の長さ
（最突出部と最奥部との距離）をＬとすると反射光子群
の拡がりは２Ｌとなる。それぞれの光子群は反射面の大
きさ、反射率、照射ビームの強度、傾斜角度などに依存
した強度と拡がり分布を有する。

【００２７】シングルフォトン受信を前提にして反射光
が十分強く、常に図１のような光子群が得られる場合に
おいては受信は概ね先頭の反射光１Ａ´の光子群よって
成されるであろうことが想像される。

【００２８】しかし信号が微弱になって全体で光子１個
のレベルより低い十分低いレベルとなるような状況を考
察すると、そのような状況下で取得する多数の受信信号
の分布は信号が微弱になるほどそれぞれのターゲットの
反射特性に依存した形となるであろうことが推察され
る。その結果として得られる図１に示す如く、４種類の
分析が可能となる。即ち、測距データの分布より受信率
の極大、極小位置及び受信率の平均位置３、受信率の最
大面の位置４、受信率の極大値の最近面の位置５、受信
率の極大値の最遠面の位置６などの算出が可能なる。こ
れらの情報はとりもなおさずレーザービームが照射する
ターゲット内部の詳細位置情報と光学的性状を現すもの
である。

【００２９】また、タ−ゲット各面の反射フォトン分布
の解析からタ−ゲット面の反射特性の変化つまり凹凸変
化を知ることができる。また更に、上記４種類の分析デ
ータの総合判定にてターゲットの変位を検知することも
できる。

【００３０】以下このことを定量的に説明する。

【００３１】いま、レーザー測距装置から投射されるレ
ーザービームの拡がりの中のターゲット面にｎ個の反射
面が存在するとする。またそれぞれの反射面は光軸に沿
って距離差を持って存在しているとする。観測点に近
い反射面よりそれぞれ番号を付し１，２- - -，ｉ，ｊ-
- -，ｍとする。それぞれの反射面からの反射光によっ
て得られる受信光電子数をそれぞれｎ₁，ｎ₂，- - ，ｎ
i，ｎj，- - -，ｎm(p.e.)とする。信号の検出スレッ
シホールドレベルＮtを等価光電子レベルで１光電子
（ｐ．ｅ．）とし、それぞれの反射面からの信号が検出
される確率（スレッシホールドＮt＝１ｐ．ｅ．を越え
る確率）をそれぞれｐ₁，ｐ₂，- - ，ｐi，ｐj，- - ，
ｐmとすると、任意のｊ番目の反射面からの反射信号に
よって最初に受信が成される確率Ｐj は光電子の発生が
確率的事象で、ポアソン分布をすることからおよそ

【００３２】

【数１】

【００３３】

【数２】

【００３４】で表される。

【００３５】モデルとして５個の反射面があり、トータ
ルの照射エネルギーに対する反射比率（規格化反射率）
が０．３、０．１、０．２、０．１、０．３であるよう
なターゲットの測距を行ったときのＰｊを１ショット毎
の平均受信光電子数をパラメータに計算した結果を表１
〜４表に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【００４０】表１〜表４においてＰｊ／ΣＰj は各反射
面からの反射光によって測距が成り立つ割合を示すもの
である。表から明らかなように平均受信光電子数が１
ｐ．ｅ．より十分小さい場合に各反射面の反射比率にほ
ぼ等しくなる。

【００４１】このことは平均受信光電子数が１ｐ．ｅ．
よりも十分小さくかつ一定となるように制御を行い、ス
レッシホールドレベルを等価光電子数で１ｐ．ｅ．に設
定するような測距系を構成すれば照射ビーム軸に沿って
存在する複数のターゲット面の位置情報と反射比率の情
報が得られる可能性を意味するものである。

【００４２】なお平均受信光電子数が１ｐ．ｅ．よりも
大きく、例えば１０ｐ．ｅ．の場合には複数のターゲッ
ト面の最突起面からの反射信号による検出確率が高くな
ることから、信号レベルを１０ｐ．ｅ．レベルに設定す
ることで最突起面の選択的測距を成さしめるシステムも
考えられる。

【００４３】以上の関係が明確に得られる前提としてビ
ームパターンの形状と強度分布が一定であることが必要
である。

【００４４】半導体レーザーや固体レーザーはこの点で
必ずしも良好な特性を有しているとは言えない。現状の
レンジファインダーはこの点でも改善が望まれる。ビー
ムパターンの形状と強度分布を一定化する手段としては
レーザーの出力部に光ファイバーやスペィシヤルフィル
ターを使う方法、レーザー発振器内部の光学歪などによ
って生ずる変形を補正する位相共役鏡を使う方法などが
知られている。将来的には十分良好なビームが得られる
可能性がある。現時点では比較的簡易な光ファイバー付
発振器の使用が考えられる。

【００４５】複数個存在する反射面の一部に光学的性質
の変化があってその面の測距データ取得率が変化を生ず
るか、またはデータが欠損する場合はターゲット全域か
らの測距取得数分布に変動が生ずる。

【００４６】言い替えると、このパターンの監視から例
えば平均測距値に変動が見られた場合、それがターゲッ
ト内の光学的性質変化から生じたものか真の測距値変化
によるものかの識別が可能となる。

【００４７】本発明はシングルフォトン受信方式を極微
弱光領域（０．１ｐ．ｅ．／ショツトレベル以下）に限
定して能動的制御を行って適用するところにその特徴を
有するがシングルフォトン受信方式のメリットである小
出力のレーザーで長距離測距を可能とする効果はもちろ
ん、微弱な出力エネルギーのレーザーでよいことからレ
ーザー応用でもっとも問題となるアイセーフシステムが
可能となるという効果もある。

【００４８】ちなみに本発明に適用してその効果が期待
できる、現在市販品として入手可能な小型、短パルスレ
ーザーを使用することを前提にＳ／Ｎの視点から、図３
を参考に具体的可能性を検討してみる。

【００４９】パルスレーザーレンジファインダーにおけ
る受信光電子数Ｎｓ（ｐ．ｅ．）と事実上測距の可否に
限界を与える背景雑音Ｎｎ（ｐ．ｅ．）は下記式で表さ
れる。また各パラメータについて現状の技術で可能ま
たは既知の数値を数値例に示す。

【００５０】

【数３】

【００５１】

【数４】

【００５２】上記数値例を入れてＮｓ、Ｎｎを計算する
と下記のごとくなる。

【００５３】

【数５】

【００５４】

【数６】

【００５５】上記結果の単純Ｓ／Ｎは

【００５６】

【数７】

【００５７】レンジゲートの幅を１０ｎｓとするとゲー
ト内における雑音光電子の数は１００倍となり、ゲート
内Ｓ／Ｎは６．２５となる。本発明の測距において、ゲ
ート内における雑音光電子の発生はランダムで一様であ
り、信号との識別は上記Ｓ／Ｎより可能であることがわ
かる。信号レベルが０．０１ｐ．ｅ．ということは雑音
を無視すれば１００ショットについて１個のデータ取得
が可能であることを意味する。数値例に示すレーザー
（パルス幅１００ｐｓ、出力２Ｗ）は繰返し１００ｋＨ
ｚまで発振可能であり、仮に１０ｋＨｚの繰返しショツ
トで測距を行うとすれば毎秒１００個のデータが得られ
ることになる。ただし現状技術レベルとして距離カウン
ターのデータ転送能力が毎秒２００Ｈｚ程度に限られる
ので、現実的には測距の繰返しレートを２００Ｈｚとす
ると毎秒あたり２個のデータが取得可能ということにな
る。３０分〜１時間程度の計測時間が許される場合には
データ数は３６００個（３０分の場合）〜７２００個
（１時間の場合）となり統計処理にも十分なデータ量と
いえる。ただし実際の計測においては距離不明のターゲ
ット位置を最初に探知する必要があり、その方法として
レンジゲートを自動走査する方法が考えられる。しかし
ターゲットからの信号のリターン率が小さい場合にはタ
ーゲット探知に時間を要することが想定される。この対
策としてシングルフォトンによる測距機能に加え、ター
ゲット位置の早期探知のための測距機能を付加すること
が考えられる。測距機能には従来型のレンジファインダ
ーの併用か、本装置のアッテネータの減衰率を低下し、
精度犠牲の下で受信率を向上させる方法等が考えられ
る。

【００５８】次に本発明をレンジファインダーに適用し
た実施例の構成を図２に示す。図２において、２１はパ
ルスレーザー発振器、２２ａ，２２ｂはレーザービーム
の空間強度分布を均一、良質化する目的の機能素子であ
り、２２ａは光ファイバー、２２ｂはスペイシャルフィ
ルターである。２３は送信望遠鏡、２４はシングルフォ
トンレベルの信号に検出感度を有する光検知器、２５は
受信望遠鏡、２６は受信信号レベルを制御する可変光ア
ッテネータ、２７は背景雑音を遮断する干渉フィルタ
ー、２８は視野絞り、２９は測距のスタートパルス検知
器、２１０はスタートパルスのディスクリミネータ、２
１１はストップパルスのディスクリミネータ、２１２は
測距カウンター、２１３は測距データの記録／処理装
置、２１４は測距のカウントレート比較器、２１５はＡ
ＴＴ（アッテネータ）の制御器、２１６はシステムの制
御装置である。

【００５９】パルスレーザー発振器２１からの出力は光
ファイバー２２ａ、スペイシャルフィルター２２ｂを経
て送信望遠鏡２３よりターゲットに向け投射される。タ
ーゲットからの反射光は受信望遠鏡２５により集光さ
れ、視野絞り２８、干渉フィルター２７を経て検知器２
４に入射する。検知器２４は受信バルス光を電気信号パ
ルスに変換しストップ信号を生成する。スタートパルス
検知器２９はレーザー発振光の一部をピックアップ、電
気信号パルスに変換しスタート信号を生成する。スター
ト、ストップ信号はそれぞれスタートディスクリミネー
タ２１０、ストップディスクリミネータ２１１を経て測
距カウンター２１２に入力する。

【００６０】図３〜図５はシングルフォトンレンジファ
インダーの検討例を示す図である。図３は前記したパル
スレーザー測距装置における受信信号と背景雑音に関わ
る因子を説明する図である。図中の記号の意味は（数
３）（数４）に示した。図４は測距カウンター２１２の
構成実施例を示す。図４において、２１２ａは周波数標
準器、２１２ｂはＴＩＣ（タイムインターバルカウンタ
ー）、２１２ｃはＴＡＣ（タイム／アンプチュードコン
バータ）、２１２ｄは計算器である。本装置の距離計測
部は高精度を得るために高い分解能と安定性が要求され
る。そこでＴＩＣ２１２ｂを安定に駆動するため周波数
安定度の高い、例えばＲｂ原子周波数標準器を２１２ａ
に示すように別に設け、使用することが考えられる。ま
た測距カウンターとしてｐｓオーダーの高い分解能を実
現するために時間間隔計測において、スタート、ストッ
プ信号と基本周波数で駆動するクロックとの差分の計測
を図に示すごとく、ＴＩＣ２１２ｂに併設した、ＴＡＣ
２１２ｃにより計測することが考えられる。ＴＡＣ２１
２ｃの機能は図５に示すように経過時間に比例して増加
するキャパシターへのチャージ電荷量を電圧値として出
力するものであり、その電圧値をマルチチヤンネルの波
高分析器を介して読むことで高分解時間計測を可能とす
る。本発明の特徴は平均受信信号が０．１ｐ．ｅ．以下
の極端に微弱な信号でかつそのレベルが一定となるよう
に能動制御をかける点にあり、その機能を実現するため
に検知器２４にはシングルフォトン検知が可能な光電子
増倍管、あるいは同様の機能を有するＡＰＤ（アバラン
シフォトダイオード）を使用することを前提としてい
る。しかし、これらの部品に限定されるものではない。
極微弱信号で、低受信率下での測距を成り立たしめ、か
つ雑音による誤カウントを低減するためシステム制御装
置２１６は背景雑音を遮断するためのレンジゲート信号
２１７とストップ信号が生成されなかった場合のリセッ
ト信号２１８をカウンター２１２に対して出力する機能
を有するものとする。信号レベルを一定化するための機
能としてカウントレート比較器２１４を設け、カウンタ
ーにより測距が成立した場合のレートを測定し、指定の
カウントレートと比較して受信信号のレベルが一定とな
るように、ＡＴＴ制御器２１５を介して可変光アッテネ
ータ２６を制御する。このレベル制御により測距誤差
（タイムウォ−ク）を最少化できる。

【００６１】前記したごとく信号レベルが０．１ｐ．
ｅ．／ショツト以下の場合にターゲットの奥行き情報
（複数反射面の存在と反射率（反射面積）の情報）の正
確な取得が可能になるという知見が本発明の主眼点であ
り、上記構成によりこのことが実現できる。

【００６２】上記に詳述しなかったがターゲットの正確
な奥行き情報を得るためのもう一つの必要条件としてビ
ームの強度分布が一定不変であることが要求される。こ
のための仕掛けとしてレーザー発振器の出力部に光ファ
イバー２２ａとスペイシャルフィルター２２ｂを設けビ
ームクオリティを改善している。

【００６３】図６は崖の落石、落岩監視が目的で運用に
必要なターゲットのポインティング機能を付加した、本
発明に基づく、レンジファインダーの具体的実施例の構
造概念図を示す。図６において３１はレンジファインダ
ーの光学ヘッド部、３３は光学系を搭載し、任意の方向
にポインティングを可能とする高度方位マウント部、３
４はエレクトロニクスと基礎台を兼ねた収納ラック部、
３５は制御／データ処理用パソコンをである。３１１は
パルスレーザー発振器、３１２は出力用光ファイバー、
３１３はスペイシャルフィルター、３１４はビームコリ
メータレンズ、３１５はミラー、３１６は窓、３１７は
受信鏡、３１８は光アッテネータ、３１９は視野絞り、
３２０はリレーレンズ、３２１はビームスプリッター、
３２２は照準用ミラー、３２３は干渉フィルター、３２
４は集光レンズ、３２５は検知器、３２６は検知器用受
信回路ボード、３２７は照準用接眼レンズである。３３
１はヨークアーム、３３２は高度モータ／エンコーダ、
３３３は方位モータ／エンコーダ、３３４は基盤、３３
５は水準調整機構である。３４１は制御用インターフェ
イスユニット、３４２は測距カウンター、３４３はレー
ザー電源、３４４はモーター駆動電源／制御装置であ
る。光学ヘッド部３１はパルスレーザー３１１と検知器
３２５を備え、送受信軸はミラー３１５により同軸とな
るようにしてある。これは比較的近距離のターゲット
（〜２００ｍ）を想定しパララックスによる照準ズレが
生じないことを考慮している。アッテネータ３１８はロ
ータリー形で円周に沿って透過率が連続可変となるよう
にしてある。ビームスプリッター３２１はレーザーの反
射光のみ選択透過、その他の光を反射させて照準接眼レ
ンズ３２６に導き、ターゲットの照準ポイントを確認で
きるようにしている。受信鏡３１７の口径は信号／雑音
レベル計算で例示した１０ｃｍφを想定している。高度
方位マウント３３はヨークアーム３３１に光学ヘッド部
３１を抱え、高度方位２軸にそれぞれモータ／エンコー
ダを備え、遠隔制御で任意方向に送受信軸を指向できる
と同時に照準角度を読み出せるようにしてある。エレク
トロニクス部の内、測距カウンター３４２とレーザー電
源３４３は現在入手可能な既製品を使用することを想定
しており、図の如き、やや大きな構造となっているが、
今後製品の小型化あるいは、専用のボート形機開発によ
り光学ヘッド部内に収納できる可能性のあることを指摘
しておきたい。

【００６４】本発明の効果を用途から求められている１
ｃｍ以内の精度レベルにおいて実現するためにはレンジ
ファインダーとしての装置精度が１ｃｍ以内である必要
がある。このためには、従来のレンジファインダーで使
用されているパルス幅が１０ｎｓ（距離換算１５０ｃ
ｍ）前後のレーザーではなく１００ｐｓ（距離換算１．
５ｃｍ）以下、理想的には１０ｐｓのレーザとそれに見
合った高速応答の検知器及びカウンターを必要性とす
る。このような性能を満たす機器は、現在のそれぞれの
関連技術の開発動向から見て、近い将来に実現される可
能性は十分に期待できる。本願書で具体的に示した数値
例は現時点で入手可能な機器の仕様を前提にしており、
現実的なものである。

【００６５】つぎにレーザーの安全性の視点からの効果
を検討してみる。ＪＩＳＣ６８０２の規定によれば
実施例で示した波長０．８μｍ、パルス幅１００ｐｓ、
繰返し２００Ｈｚのレーザーはクラス分け規定でクラス
３Ａに属するが、このレーザーに対する最大許容露光量
（ＭＰＥ）は繰返しＮ＝２００Ｈｚを考慮すると

【００６６】

【数８】

【００６７】ここに

【００６８】

【数９】

【００６９】

【数１０】

【００７０】λは波長で８００ｎｍであるので

【００７１】

【数１１】

【００７２】繰返し数Ｎ＝２００Ｈｚに対するＭＰＥ
（ｔｒａｉｎ）

【００７３】

【数１２】

【００７４】いまレーザーを口径３ｃｍ０．０３ｍ）で
出力するとすれば段面積Ａは

【００７５】

【数１３】

【００７６】このときの出力強度Ｑは

【００７７】

【数１４】

【００７８】となりＭＰＥ（ｔｒａｉｎ）＝２．１×１
０⁶ Ｗ・ｍ~²に比し約３桁低いレベルである完全なア
イセーフシステムが可能である。

【００７９】本発明によって実現できるターゲットの奥
行き情報のデータ取得が可能なことの効用の一つに、従
来のレンジファインダーでは障害となる、近年落石、落
岩対策として広く施工されている金網で覆われた岩石面
の遠隔測距が可能になるという点である。

【００８０】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、自
然界に存在する様々な形状と凹凸、斜面を有するターゲ
ット例えば岩石や崖面の高精度な距離計測が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシングルフォトンレンジファインダー
の原理概念説明図。

【図２】本発明のシングルフォトンレンジファインダー
の実施構成例。

【図３】シングルフォトンレンジファインダーの検討例
を示す図。

【図４】測距カウンターの一例を示す図。

【図５】測距カウンターの動作説明図。

【図６】本発明のシングルフォトンレンジファインダー
にポインティング機能を付した装置の構造概念図。

【符号の説明】

１…パルスレーザービーム、２…ターゲット、１
Ａ〜１Ｅ…反射面、１Ａ´〜１Ｅ´…反射光子群３…受信率の平均位置、４…受信率の最大面
位置、５…受信率の極大値の最近面位置、６…受信率の
極大値の最遠面位置、２１…パルスレーザー発振器、
２２ａ…光ファイバー、２２ｂ…スペイシャルフィルタ
ー、２３…送信望遠鏡、２４…光検知器、
２５…受信望遠鏡、２６…可変光アッテネータ、
２７…干渉フィルター、２８…視野絞り、
２９…スタートパルス検知器、２１０…スター
トパルスディスクリミネータ、２１１…ストップパルス
ディスクリミネータ、２１２…測距カウンター、
２１２ａ…周波数標準器、２１２ｂ…ＴＩＣ（タイムイ
ンターバルカウンター）、２１２ｃ…ＴＡＣ（タイム／
アンプリチュードコンバータ）、２１２ｄ…計算器、２
１３…測距データ記録／処理装置、２１４…測距カウン
トレート比較器、２１５…光アッテネータ（ＡＴＴ）制
御器、２１６…システム制御器、２１７…レン
ジゲート信号、２１８…リセット信号、３
１…光学ヘツド部、３３…高度方位マウント部、３４…
エレクトロニクスと基礎台を兼ねた収納ラック部、３５
…制御／データ処理用パソコン、３１１…パルスレーザ
ー発振器、３１２…出力用光ファイバー、３１３…ス
ペイシャルフィルター、３１４…ビームコリメータレン
ズ、３１５…ミラー、３１６…窓、３１７…受信
鏡、３１８…光アアツテネータ、３１９…視野絞
り、３２０…リレーレンズ、３２１…ビーム
スプリッター、３２２…照準用ミラー、３２
３…干渉フィルター、３２４…集光レンズ、
３２５…検知器、３２６…受信回路ボード、
３２７…照準用接眼レンズ、３３１…ヨークアーム、３
３２…高度モータ／エンコーダー、３３３…方位モータ
／エンコーダー、３３４…基盤、３
３５…水準調整機構、３４１…制御インターフェイスユ
ニット、３４２…測距カウンター、３４３…レ
ーザー電源、３４４…モーター駆動電源／制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栗原昌宏神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所情報通信事業部内 (72)発明者武井三雄神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所情報通信事業部内Ｆターム(参考） 5J084 AA05 AB17 AD01 BA04 BA32 BB02 BB04 BB20 BB21 CA03 CA31 DA01 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザパルスのターゲットへの投射および
該ターゲットから反射して元に戻ってくるまでの往復時
間を計測して該ターゲットまでの距離を測定するレンジ
ファインダーからなる測距装置において、前記レーザー
パルスの投射（ショット）毎に反射してくる反射信号の
平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以下の
光量域で一定となるように前記反射信号の受信光量を制
御する手段を設けたことを特徴とする測距装置。
【請求項２】レーザーパルスのターゲットへの投射およ
び該ターゲットから反射して元に戻ってくるまでの往復
時間を計測して該ターゲットまでの距離を測定するレン
ジファインダーからなる測距装置において、前記レーザ
ーパルスの投射（ショット）毎に反射してくる反射信号
の平均受信信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以下
の光量域となるように前記反射信号の受信光量を制御す
る手段を設けたことを特徴とする測距装置。
【請求項３】前記レンジファインダーが、パルスレーザ
ーシングルフォトンレンジファインダーであり、該ファ
インダーは、前記ターゲットの複数個の凹凸面、または
傾斜面の繰り返し測距によって得られる該凹凸面の距離
差、または斜面であることから生ずる奥行きに対応した
バラツキのある測距集合データに対し、受信率の極大、
極小の位置と大きさを算出する手段と、前記レーザーパ
ルスの照射ビーム内にある前記ターゲットの凹凸面、ま
たは斜面の奥行きの距離情報を取得する手段を設けたこ
とを特徴とする測距装置。
【請求項４】レーザーパルスをターゲットに向けて投射
するレーザーパルス発生手段と、前記レーザーパルス発
生手段から投射されるレーザーパルスの一部を検知し、
該検知パルスからスタート信号を生成するスタート信号
生成手段と、前記ターゲットからの反射レーザーパルス
を受信するレーザーパルス受信手段と、前記レーザーパ
ルス受信手段の受信信号のレベルを制御する可変光アッ
テネータ手段と、前記レーザーパルス受信手段にて受信
し、該受信信号からストップ信号を生成するストップ信
号生成手段と、前記スタート信号および前記ストップ信
号を受信し、スタートからストップまでの時間をカウン
トする測距カウンタを含む測距手段と、前記ストップ信
号が生成されなかったとき前記カウンタにリセットをか
ける制御手段と、前記カウンタによる測距が成立したと
きそのレートを測定し、該レートを指定のカウントレー
トと比較するカウントレート比較手段と、前記カウント
レート比較手段の出力を受け、前記両レートが一定とな
る方向に前記可変光アッテネータ手段を制御するアッテ
ネ−タ制御手段とを有した測距装置。
【請求項５】レーザーパルスをターゲットへ投射し、該
ターゲットから反射して元に戻ってくる反射信号を受信
し、該反射受信信号から該ターゲットまでの測距データ
を取得するレンジファインダーからなる測距装置におい
て、前記測距データの分布により反射信号の受信率の平
均位置を算出する手段と、前記受信率の平均位置に変動
が見られたとき、該受信率の平均位置が前記反射信号の
極微弱光領域において一定となるように前記反射信号の
受信光量を制御する手段とからなる測距装置。
【請求項６】前記レーザーパルスのパルス幅が１００ｐ
ｓ以下であり、前記極微弱光領域が０．１ｐ．ｅ．／シ
ョットレベル以下である請求項５記載の測距装置。
【請求項７】レーザーパルスのターゲットへの投射およ
び該ターゲットから反射して元に戻ってくるまでの往復
時間を計測して該ターゲットまでの距離を測定するレン
ジファインダーからなる測距装置において、前記レーザ
ーパルスの投射（ショット）毎に反射してくる反射信号
の平均受信信号の強さが１０１光電子（ｐ．ｅ．）以下
の光量で一定となるようにして、反射信号の検出がター
ゲットの最突起面からの反射信号によって成されるよう
にしたことを特徴とする測距装置。
【請求項８】レンジファインダーをもって、レーザーパ
ルスのターゲットへの投射および該ターゲットから反射
して元に戻ってくるまでの往復時間を計測して該ターゲ
ットまでの距離を測定する測距方法において、前記レー
ザーパルスの投射（ショット）毎の反射信号の平均受信
信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以下の光量域で
一定となる方向に前記反射信号の受信光量を制御し、前
記ターゲットまでの距離を行うことを特徴とする測距方
法。
【請求項９】レンジファインダーをもって、レーザーパ
ルスのターゲットへの投射および該ターゲットから反射
して元に戻ってくるまでの往復時間を計測して該ターゲ
ットまでの距離を測定する測距方法において、前記レー
ザーパルスの投射（ショット）毎の反射信号の平均受信
信号の強さが０．１光電子（ｐ．ｅ．）以下の光量域と
なるように前記反射信号の受信光量を制御し、前記ター
ゲットまでの測距を行うことを特徴とする測距方法。
【請求項１０】前記レンジファインダーが、パルスレー
ザシングルフォトンレンジファインダーであり、該ファ
インダーでもって、前記ターゲットの複数個の凹凸面、
または傾斜面の繰り返し測距によって得られる該凹凸面
の距離差、または斜面であることから生ずる奥行きに対
応したバラツキのある測距集合デ−タに対し、受信率の
極大、極小の位置と大きさを算出し、前記レーザーパル
スの照射ビーム内にある前記ターゲットの凹凸面、また
は斜面の奥行きの距離情報を取得することを特徴とする
測距方法。
【請求項１１】レーザーパルスをターゲットに向けて投
射するステップと、前記投射されるレーザーパルスの一
部を検知するステップと、前記検知パルスからスタート
信号を生成するステップと、前記タ−ゲットからの反射
レーザーパルスを受信するステップと、前記レーザーパ
ルス受信信号を受け、該受信信号からストップ信号を生
成するステップと、前記スタート信号および前記ストッ
プ信号を受信し、スタートからストップまでの時間をカ
ウントするステップと、前記ストップ信号が生成されな
かったとき前記カウント時間をリセットするステップ
と、前記カウント時間による測距が成立したときそのレ
ートを測定し、該レートを指定のカウントレートと比較
するステップと、前記カウントレート比較ステップを受
け、前記両レートが一定となる方向に前記レーザーパル
ス受信信号のレベルを制御するステップとを備えたこと
を特徴とする測距方法。