JP2001124854A

JP2001124854A - レーザ測距装置およびその較正機構

Info

Publication number: JP2001124854A
Application number: JP30196799A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takizawa; 正行瀧澤; Shigenori Morishima; 成憲森島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】第一の課題は、レーザ測距装置における系内遅
延を測定する方式を提供することにある。第二の課題は
系外に較正用標的を設けることなく、較正用光軸一致調
整も零ないし一鏡のみで簡便に行うことのできる系内遅
延較正機構を提供することにある。【解決手段】第一の課題を解決のためにビームスプリッ
タと較正用切替ミラーないし二つの受信器とスイッチン
グ回路を用いて較正機構を構成する。第二の課題を解決
するために直接レーザを受信器に導入して系内遅延を測
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを対象物に
照射し、その対象物からの反射光の戻り時間から対象物
までの距離を測定するレーザ測距装置に係り、特にレー
ザ測距装置の内部温度変化等に起因する光学的、電気的
遅延量の変化の較正に有効な較正機構を有したレーザ測
距装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザを対象物に照射し、そのレーザを
対象物に向けて照射するときの送信時刻からレーザが対
象物から反射し、その反射光が受信用光電変換器に到達
するまでの往復時間を測定するレーザ測距装置は、その
測定値に測定原点から対象物までの距離往復時間の他に
光学的、電気的な系内遅延を含んでいる。従って、従来
は系内遅延の測定のために測定対象物とは別個に測量等
で予め距離の判っている較正用標的を設置して、較正を
行っていた。代表例として人工衛星または月測距用レー
ザレーダシステムがあるが、これらの系内の光学的およ
び電気的遅延量は地上に設けられた距離標準点を使用し
て測定される。距離標準点までの正確な距離を予め測量
しておく必要があるため、レーザ測距装置の可搬性に対
する制約となっていた。また測定対象とは別の標的を系
外に設けなければならないことで、標的切替の位置再現
性に起因する誤差の発生を招いていた。

【０００３】また、光学系内に較正用反射鏡を設け、こ
の反射光を受信用光電変換器に入射して系内遅延を測定
する方法がある。しかし、この方法では較正用反射鏡を
送受信光が同軸となる部分に挿入する必要があり、反射
鏡挿入位置の制約や、対象物への測定光との分離、受信
光軸調整の複雑さ等の問題が発生していた。

【０００４】図５に反射鏡設置および系外への較正用標
的設置による従来の系内遅延較正機構の実施例を示す。
図５において、２はレーザを出力するためのパルスレー
ザ発振器、３はレーザ光を分岐するためのビームスプリ
ッター、２３はスタート検出器へ光を導くためのミラ
ー、１３は光を電気信号に変換するためのスタート信号
検出器、１４はレーザを折り返し望遠鏡から出力するた
めのミラー、２４は系内遅延を測定するための反射鏡、
１５は距離が未知である測定対象、２５は距離が既知で
ある較正用の固定標的、１６は反射光を集光するための
望遠鏡凸レンズ、１７は集光度を調整するための望遠鏡
凹レンズ、１８と１９と２０はレーザを折り返すための
ミラー、６は光信号を電気信号に変換するためのストッ
プ信号検出器、２１はスタート信号検出器とストップ信
号検出器とから送られる電気信号の到達時間差を測定す
る時間計測器である。

【０００５】図５において、パルスレーザ発振器２より
発せられた送信レーザ光はビームスプリッタ３により２
方向に分岐される。一方はミラー２３で折り返された後
スタート信号検出器１３に入射し、他方は送信用の折り
返しミラー１４に入射する。スタート信号検出器１３に
入射した送信レーザ光は電気信号に変換されて時間計測
器２１に入力される。送信用折り返しミラー１４に入射
したレーザ光は望遠鏡で送受同軸にされて測定対象１５
に照射される。測定対象１５により反射された光は受信
レーザ光として望遠鏡凸レンズ１６に入射される。望遠
鏡凸レンズ１６と望遠鏡凹レンズ１７により必要な視野
角に調整された受信レーザ光は折り返しミラー１８、１
９、２０を経由してストップ信号検出器６に入射する。
ストップ信号検出器６に入射した受信レーザ光は電気信
号に変換されて時間計測器２１に入力される。時間計測
器２１において、入力された２つの電気信号の時間差を
知ることにより測距が完了する。また測定対象１５に照
射される送信レーザ光の一部は系内遅延測定用の反射鏡
２４により反射される。反射されたレーザ光は望遠鏡凸
レンズ１６に折り返し入射し、望遠鏡凹レンズ１７、折
り返しミラー１８、１９、２０を経由してストップ信号
検出器６に入射する。受信レーザ光の代わりに反射鏡２
４で折り返したレーザ光を電気信号に変換して時間測定
器２１に入力することにより、系内遅延を測定する。系
内遅延測定の他の方法として距離が既知である較正用標
的２５に望遠鏡を指向させる。送信用折り返しミラー１
４に入射したレーザ光は望遠鏡で送受同軸にされて較正
用標的２５に照射する。較正用標的２５により反射され
た光は望遠鏡凸レンズ１６、望遠鏡凹レンズ１７、折り
返しミラー１８、１９、２０を経由してストップ信号検
出器６に入射する。較正用標的２５により反射された光
を電気信号に変換して時間測定器２１に入力することに
より、系内遅延を測定する。

【０００６】図６により従来のレーザ測距装置で生じて
いた較正機構の問題について説明する。図６は一般に用
いられる２つの較正方式を示している。第一の方式とし
て、折り返しミラー１４を介して測定対象１５にレーザ
光が照射され、スタート信号検出器１３とストップ信号
検出器６から入力された電気信号の時間差を時間計測器
２１により得た後、較正のために折り返しミラー１
４'、凸レンズ１６'、凹レンズ１７'で示される望遠鏡
を、予め測量などで距離の判っている較正用固定標的２
５に指向して測距を行う方法がある。

【０００７】第二の方式として装置系内に較正用反射鏡
を設置する場合、設置調整の段階で折り返しミラー１
８、１９、２０または機構によりこれ以上のミラーを通
過する望遠鏡の光軸と反射鏡の光軸２６を一致させなけ
ればならない。設置されたミラー一枚に対し調整方向は
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸を有するため、光軸の一致を調
整するためにはミラーの数の増加に伴い級数的に調整軸
数が増加するという現象が発生する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のレーザ測距装置では、対象物以外に較正用標的を設
けなければならないことによる設置位置の制約、標的切
替位置再現精度に起因する測定誤差あるいは系内反射鏡
の光軸調整の困難さという問題があり、運用効率低下の
一因となっていた。

【０００９】本発明では、上記従来の問題点に鑑みなさ
れ、送信レーザ光を受信用光電変換器に入射可能にする
ことで、構成の簡易化と設置の容易化を図ることが可能
なレーザ測距装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、レーザ送信光を対象物測定用と較正用の光に
分配し、較正用入射光強度を光減衰手段例えばフィルタ
で調整することによって光電変換器の測定可能光量レベ
ルとし、かつ光電変換器からの出力信号を遅延調整する
ことによって、時間計測器が測定可能な時間間隔に調整
せしめるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。図１は、レーザ測距装置の較正機構１の一実施例に
ついて説明した図である。図１において、パルスレーザ
発振器２より発せられた送信レーザ光はビームスプリッ
タ３により分岐される。一方は、スタート信号検出器等
を含む以降の光学機器に導入するために、送信レーザ光
８として送出される。もう一方は、光減衰フィルタ４、
較正切替ミラー５、遅延回路６を介して遅延調整回路７
に導かれる。光減衰フィルタ４は、ビームスプリッタ３
により分岐した送信レーザ光をストップ信号検出器６の
入力光信号許容強度まで減衰するために、較正測距位置
に配置する。光減衰フィルタ４の減衰量はレーザ出力、
ビームスプリッタ３の分配比およびストップ信号検出器
６の許容信号強度により決定する。一例としてレーザ出
力を２０００Ｗ、ビームスプリッタ3の分配比を４％、
ストップ信号検出器の許容信号強度を２５０ｍＷとする
と、光減衰量は１０-2.5程度となるので、光学濃度２．
５の光減衰フィルタを挿入する。ビームスプリッタ３に
より分岐され、光減衰フィルタ４により減衰されたレー
ザ光は較正切替ミラー５により光路を切り替えられ、ス
トップ信号検出器６に導入される。較正切替ミラーが
５’の位置（標的測距位置）にあるときには、測定対象
に対する測距により得られる受信レーザ光９がストップ
信号検出器６に導入される。較正切替ミラー５によりパ
ルスレーザ発振器から直接的に導入されるレーザ光は、
レーザ射出から受信までの時間間隔がほとんどないた
め、ストップ信号検出器６の出力電気信号とスタート信
号との時間間隔を測定可能とするために遅延調整回路7
を設置することにより、レーザへの送信命令時間、レー
ザ発振器固有の送信ジッター等の送信に係わる系内遅延
の測定を、系外に較正用標的を置くことなく、受信光軸
との一致調整を１ヶ所で行うのみで簡便に行うことが可
能となる。

【００１２】図２は、本発明の他の例を示す実施例であ
る。図２において、パルスレーザ発振器２より発せられ
た送信レーザ光はビームスプリッタ３により分岐され
る。一方はスタート信号検出器等を含む以降の光学機器
に導入するため、送信レーザ光８として送出し、もう一
方は分岐した送信レーザ光を光減衰フィルタ４によって
許容光信号強度まで減衰されてストップ信号検出器６に
入力する。光減衰フィルタ４の減衰量は上述した実施例
と同様に、レーザ出力、ビームスプリッタ３の分配比お
よびストップ信号検出器６の許容信号強度により決定す
る。このストップ信号検出器６から出力される電気信号
とスタート信号との時間間隔を測定可能とするために遅
延調整回路７を設置することにより、系内遅延測定を行
う。一方測定対象から受信される受信レーザ光は別のス
トップ信号検出器に導入し、スタート信号との時間間隔
を測定する。これにより系内遅延の測定を、受信光軸と
の一致調整を行う必要なく簡便に行うことが可能とな
る。

【００１３】次に図３および図４は、上記較正機構をレ
ーザ測距装置に適用した実施例を示すものである。図３
は図５に示した従来のレーザ測距装置に、図１のレーザ
測距装置較正機構1を追加した例である。図３におい
て、スタート信号検出器１３に光を導入する折り返しミ
ラー１０および光減衰フィルタ４、較正切替ミラー５お
よび遅延調整回路７を設ける。以前に測定されていた測
定対象までの距離（時間計測器２１で時間間隔として計
測される）は、遅延調整回路７で生成される固定の遅延
量(既知)だけ加算される。遅延調整回路７で調整される
遅延量は、電気信号伝達経路を含んで、スタート信号と
ストップ信号の信号間隔が時間計測器２１で測定可能な
信号間隔になるよう調整されなければならない。一例と
して、時間計測器２１の最低測定可能間隔が１０ｎｓで
あるとし、スタート信号検出器１３の光検出から時間計
測器への信号伝達時間が１５ｎｓ、ストップ信号検出器
6の光検出から時間計測器２１への信号伝達時間が５ｎ
ｓであるとすれば、２０ｎｓ以上の遅延調整が必要とな
る。遅延調整には、調整量が小さければストップ信号経
路にケーブルを挿入する方法を利用し、遅延量５ｎｓ／
ｍのケーブルを使用した場合、ケーブル４ｍを挿入す
る。調整量が大きければアナログまたはデジタル式ディ
レイジェネレータをストップ信号経路に追加することに
よって遅延量を調整する。これにより、図５に示される
較正用固定標的２５あるいは較正用反射鏡２４に代えて
直接レーザ光により系内遅延が測定可能となる。測定対
象１５までの測定値は、対象までの光折り返し時間すな
わち時間計測器２１で得られた時間間隔測定値から、較
正経路により得られた時間計測器２１での時間間隔測定
値、および予め距離既知の対象測定で取得しておくオフ
セット量を差し引くことにより得る。

【００１４】次に、図２の較正機構をレーザ測距装置に
適用した実施例を説明する。図４は、図５に示した従来
のレーザ測距装置に図２のレーザ測距装置較正機構１を
追加した実施例である。図４において、スタート信号検
出器１３に光を導入する折り返しミラー１０、光減衰フ
ィルタ４、折り返しミラー１０を設ける。また、ストッ
プ信号検出器６の他に測定対象１５からの受信レーザ光
用にストップ信号検出器１１を追加し、遅延調整回路７
を追加する。また較正用ストップ信号と測定対象からの
ストップ信号を切り替えるスイッチング回路２２を追加
する。このスイッチング回路２２により、直接レーザ光
により系内遅延の測定と測定対象への測距の切替が可能
となる。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように、レーザ測距装置を用
いて測距を行う時に、従来技術では較正用標的設置の必
要性による可搬性の低下や調整所要時間の増大に起因す
る運用効率の低下を招いていたが、本発明によれば、較
正用標的設置の必要性がないので、構成の簡略化と調整
の容易化を図ることが可能になる。その結果、調整頻度
を減少せしめ調整のバラツキに起因する誤差要因を取り
除くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すレーザ測距装置の較正
機構を示す図。

【図２】本発明の他の実施例を示すレーザ測距装置の較
正機構を示す図。

【図３】図１の較正機構をレーザ測距装置に適用した一
実施例を示す図。

【図４】図２の較正機構をレーザ測距装置に適用した他
の実施例を示す図。

【図５】従来のレーザ測距装置の実施例を示す図。

【図６】従来のレーザ測距装置を説明するための図。

【符号の説明】

１・・・レーザ測距装置較正機構２・・・パルスレーザ発振装置３・・・ビームスプリッタ４・・・光減衰フィルタ５・・・較正切替ミラー(較正測距位置) ５'・・・較正切替ミラー(標的測距位置) ６・・・ストップ信号検出器(光電変換器) ７・・・遅延調整回路８・・・送信レーザ光９・・・受信レーザ光１０・・・折り返しミラー１１・・・ストップ信号検出器(光電変換器) １２・・・ビームスプリッタ１３・・・スタート信号検出器１４・・・レーザ送信用折り返しミラー１４'・・・レーザ送信用折り返しミラー(較正用固定標
的指向時) １５・・・測定対象(距離未知) １６・・・望遠鏡凸レンズ１６'・・・望遠鏡凸レンズ(較正用固定標的指向時) １７・・・望遠鏡凹レンズ１７'・・・望遠鏡凹レンズ(較正用固定標的指向時) １８・・・折り返しミラー１９・・・折り返しミラー２０・・・折り返しミラー２１・・・時間計測器２２・・・較正切替スイッチング回路２３・・・スタート信号検出器用折り返しミラー２４・・・較正用反射鏡２５・・・較正用固定標的(距離既知) ２６・・・較正用反射鏡からの戻り光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光の反射往復時間を測定するレーザ
測距装置の較正機構において、レーザ光送信系の送信レ
ーザ光の一部を分岐するレーザ光分岐手段と、上記分岐
レーザ光を折り返し、レーザ光受信系にあるレーザ光受
信用光電変換器に導くようにする折り返し手段と、上記
分岐レーザビームを上記レーザ光受信用光電変換器の入
力光信号許容強度まで減衰する光減衰手段と、上記受信
用光電変換器の出力信号と上記レーザ光送信系の送信レ
ーザ光を照射するときのスタート信号との時間間隔を測
定可能とする遅延調整手段とを設け、レーザ測距離装置
系内遅延量を測定可能としたレーザ測距装置の較正機
構。
【請求項２】上記レーザ光分岐手段がビームスプリッタ
からなり、上記折り返し手段が較正切替えミラーからな
り、上記光減衰手段が光減衰フイルタからなり、上記較
正切替えミラーが移動可能に構成され、較正測距のとき
と目的測距のときとで配置が切り替わえることが可能の
ように構成してある請求項１記載のレーザ測距装置の較
正機構。
【請求項３】レーザ光の反射往復時間を測定するレーザ
測距装置の較正機構において、レーザ光送信系の送信レ
ーザ光の一部を分岐するレーザ光分岐手段と、上記分岐
レーザ光を折り返し、較正用のレーザ光受信用光電変換
器に導く折り返し手段と、上記分岐レーザ光を上記レー
ザ光受信用光電変換器の入力光信号許容強度まで減衰す
る光減衰手段と、上記レーザ光受信用光電変換器の出力
信号と上記送信系の送信レーザ光を照射するときのスタ
ート信号との時間間隔を測定可能とする遅延調整手段
と、上記送信レーザ光の反射光である受信レーザ光を受
信するレーザ光受信用光電変換器を設け、レーザ測距離
装置系内遅延量を測定可能としたレーザ測距装置の較正
機構。
【請求項４】レーザ光の反射往復時間を測定するレーザ
測距装置において、パルスレーザ光を発振する手段と、
上記パルスレーザ光を測定対象物に向けて送出する第１
光学系と、上記測定対象物からの反射光を受信し、スト
ップ信号検出器に導く第２光学系と、上記パルスレーザ
光を分岐し、かつ折り返し、スタート信号検出器に導く
第３光学系と、上記パルスレーザ光の分岐光を上記スト
ップ信号検出器に導く第４光学系と、上記第光学系に配
置され、上記分岐光を上記ストップ信号検知器の入力光
信号許容強度まで減衰する光減衰手段と、上記ストップ
信号検出器と時間計測器との間に配置され、上記ストッ
プ信号検出器のストップ号と上記スタート信号検出器の
スタート信号との時間間隔を測定可能とする遅延調整手
段とを備え、レーザ測距離装置系内遅延量を測定可能と
したレーザ測距装置。
【請求項５】レーザ光の反射往復時間を測定するレーザ
測距装置において、パルスレーザ光を発振する手段と、
上記パルスレーザ光を測定対象物に向けて送出する第１
光学系と、上記測定対象物からの反射光を受信し、第１
ストップ信号検出器に導く第２光学系と、上記パルスレ
ーザ光を分岐し、かつ折り返し、スタート信号検出器に
導く第３光学系と、上記パルスレーザ光の分岐光を第２
ストップ信号検出器に導く第４光学系と、上記第光学系
に配置され、上記分岐光を上記ストップ信号検知器の入
力光信号許容強度まで減衰する光減衰手段と、上記スト
ップ信号検出器と時間計測器との間に配置され、上記ス
トップ信号検出器のストップ号と上記スタート信号検出
器のスタート信号との時間間隔を測定可能とする遅延調
整手段と、上記遅延調整手段と上記第１ストップ信号検
出器のいずれか一方を上記時間計測器に導く較正切替ス
イッチ手段とを備え、レーザ測距離装置系内遅延量を測
定可能としたレーザ測距装置。