JP2003057343A

JP2003057343A - レーザ測距装置

Info

Publication number: JP2003057343A
Application number: JP2001248119A
Authority: JP
Inventors: Yukiaki Aikawa; 幸昭相河; Shigenori Morishima; 成憲森島; Masayuki Takizawa; 正行瀧澤; Shunei Koyama; 俊英小山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】計測対象の奥行き方向、視野内に分布する複
数の受信信号を分離して計測することを可能にし、計測
対象の姿勢、微小変位などの高度な計測を行う。【解決手段】受信光学系９の焦点面上に視野制限機構
１４を設置し視野内の任意の位置及び形状のレーザ反射
光のみを選択的に光検知器１９に導き、スタート光検知
器２０の出力から光検知器１９の出力までの時間間隔を
測定装置２４により測定し、計算機２５により距離を算
出する。また、ビームスプリッタ１６により分岐した受
信光から対象物の自然光による画像及びレーザ反射光イ
メージを取得する手段２３を有し、対象物の特徴点選択
を可能としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ測距装置に
係り、特に、レーザ光の目標までの往復時間を測定する
ことにより距離を求めるレーザ測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ測距装置における計測は、
一般に、レーザ測距装置の受信光学視野内の対象物から
の送信したレーザ光を含む反射光を１つの信号として取
り込み、信号が一定の基準を充たした、例えば、一定の
基準値を越えた場合に、送信したレーザ光の反射光を検
出したとして、その時点で計測を完了して計測値とする
というように行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術は、
受信光学系で受光した受信光を１つの信号波形として処
理して出力することだけしか行うことができず、計測視
野内に目標対象物の複数の代表点があったり、目標対象
物に奥行きを有していた場合に、これを判別することが
困難であった。このため、前述した従来技術は、対象物
の姿勢判別や微小変位の計測等が必要とされる場面で
は、その目的に合致した充分な計測をおこなうことがで
きないものであった。

【０００４】前述のような問題点を回避するための他の
従来技術として、例えば、受信光学系自体を機械的に駆
動して複数の計測を行うことを可能にし、対象物の姿勢
または変位を判別することを可能にした技術も知られて
いる。しかし、この従来技術は、受信光学系自体を測定
の都度駆動する必要があり、また、対象物に応じた視野
範囲の変更を行うこともできないため、場面に応じた適
切な計測を行うには不充分であり、また、視野を狭い範
囲に限定するため、広い対象物の一部を計測する場合に
は実際に計測対象としているポイントの照合が困難であ
るという問題点を有している。

【０００５】また、前述した従来技術は、受信光学系で
受光した受信光の内、信号識別装置が検出し得る一定強
度の信号強度を有する信号の中の最も近距離側の信号の
計測しか行うことができず、距離方向に奥行きを有する
計測対象の微小変位を検出しようとする場合に、視野内
の遠距離側に別の反射信号があった場合でもその存在を
確認することが困難であり、特に、計測対象の微小変位
計測等が必要とされる場合に、計測対象の特徴に応じた
効率的な計測を行うことができないという問題点を有し
ている。

【０００６】前述のような問題点を回避することができ
る他の従来技術として、例えば、特開２０００−２７６
５号公報等に記載された技術がしられている。この従来
技術は、信号強度を単一光電子レベルに制御し統計学的
な原理に基づいて、遠距離側の信号を分離して検出でき
るようにしたものである。

【０００７】しかし、このような従来技術も、視野内奥
行き方向に複数の反射信号が存在するということを確認
することができるだけにとどまり、例えば、計測軸に直
交する方向に計測対象が微動した場合等に、その変位を
検出することが原理的に困難であるという問題点を有し
ている。

【０００８】本発明の目的は、前述した従来技術の問題
点を解決し、受信光学系の視野を任意の形状に変更する
ことができる視野制限機構と、視野内の対象物画像及び
反射光の強度分布を計測する撮像装置とを備えることに
より、計測対象の奥行き方向及び視野内に分布する複数
の受信信号を分離して計測することを可能にし、計測対
象の姿勢、微小変位などの高度な計測を行うことができ
るレーザ測距装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば前記目的
は、レーザ光発信装置と、該レーザ光発信装置から発射
されたレーザ光を計測対象に対して送信し、計測対象か
らの反射光を集光する光学系を備えたレーザ測距装置に
おいて、光学系受信視野の透過位置、大きさ及び形状を
視野内で任意に変更可能な視野制限機構を備え、受信視
野内の前記視野制限機構を経た位置の計測対象内の計測
目標までの距離を計測するようにすることにより達成さ
れる。

【００１０】また、前記目的は、前記計測対象からの自
然光、または、レーザ反射光の一部または全部を分岐し
画像情報及び反射光の強度分布を取得する機構と、前記
取得した画像情報及び反射光の強度分布から計測対象内
の計測目標を選択し、この計測目標からのレーザ反射光
が前記視野制限機構を透過するように、前記視野制限機
構を制御する機構とを備えることにより達成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるレーザ測距装
置の実施形態を図面により詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施形態によるレーザ測
距装置の概略構成を示す図である。図１において、１は
レーザ発信器、２は送信光学系、３、４はミラー、５は
送受信軸の方向、６は計測対象、７は選択対象面、８は
受信光の受信方向、９は受信光学系、１０は受信光経
路、１１は受信光学系９の焦点面、１２はドライバ、１
３はエンコーダ付モータ、１４は視野制限機構、１５、
１８、２２はリレーレンズ、１６はビームスプリッタ、
１７、２１はスペクトラルフィルター、１９は光検知
器、２０はスタート光検知器、２３は撮像装置、２４は
時間間隔測定装置、２５は計算機である。

【００１３】本発明の一実施形態によるレーザ測距装置
は、図１に示すように、レーザ光を発信させるレーザ発
信器１、送信レーザ光に適当な拡がり角を付与する送信
光学系２、送信レーザ光を送受信軸に沿って送信するミ
ラー３、４、受信光を集光する受信光学系９、焦点面１
１上を透過する受信光を任意の形状をもって制限する視
野制限機構１４、視野制限機構１４を駆動するエンコー
ダ付モータ１３、エンコーダ付モータ１３のドライバ１
２、一旦集光した受信光を各光検出器に再集光するリレ
ーレンズ１５、１８、２２、受信光を分離するビームス
プリッタ１６、受信光からレーザ波長のみを透過させる
スペクトラルフィルター１７、２１、受信光を検出する
光検知器１９、レーザ発信時に送信レーザ光を検知する
スタート光検知器２０、計測対象画像又は受信光強度分
布をイメージとして取り込む撮像装置２３、スタート光
検知器２０で検出したスタート信号と光検知器２０で検
出する各信号の時間間隔を測定する時間間隔測定装置２
４、計測の制御及び計測データの処理を行う計算機２５
を備えて構成されている。

【００１４】前述したような構成を有する本発明の一実
施形態によるレーザ測距装置において、レーザ発信器１
は、計測時、パルス状のレーザ光を発信する。このレー
ザ光は、所定の繰り返し周期を持って発信されてもよ
い。レーザ発信器１から発信されたレーザ光は、送信光
学系２により適当な拡がり角を付与された後、ミラー３
及びミラー４を介して送受信軸方向５に沿って計測対象
６に対して送信されると共に、レーザ光の一部がミラー
４の透過光となってスタート光検知器２０に入力され
る。

【００１５】送信レーザ光は、送受信軸５に沿って計測
対象面全体に照射されるが、反射光は、計測対象６の中
の選択対象面の位置により送受信軸５と一定の角度をも
って装置側に反射されてくる。図１に示している選択対
象面７からの反射光の場合、その反射光は、送受信軸５
と角度Δθを持つ受信方向８に沿って受信光学系９に入
射し集光される。ここで、選択対象７からの反射光は、
送受信軸とΔθの角度を持つため、受信光学系９を通過
した後、受信光経路１０に沿って受信光学系９の焦点面
中心から以下に示す式１に従ったΔｄだけシフトした位
置に結像することになる。

【００１６】 Δｄ＝ｆ・tan(Δθ) ……（１）焦点面１１の位置に設けられる視野制限機構１４は、焦
点面中心からΔｄだけシフトした位置の視野の結像光だ
けを通過させ、その周辺の視野を制限するように計算機
２５の命令に従いエンコーダ付モータ用ドライバ１２を
介してエンコーダ付モータ１３により制御することによ
り、選択対象面７からの反射光のみを選択的に透過させ
ることができる。

【００１７】前述したような機能を持つ視野制限機構１
４は、例えば、スリット幅を可変することができ、か
つ、その位置を変更することが可能な２枚のスリット板
をスリットが直行するように重ね合わせた構造を持って
構成される。そして、この視野制限機構１４は、２枚の
スリット板のスリット幅とその位置とを、独立に制御す
ることにより、任意の大きさを持った絞り穴を、焦点面
の任意の位置に位置させることができる。

【００１８】前述した視野制限機構１４の絞り穴を通過
した受信光は、リレーレンズ１５により一旦並行光にさ
れた後スペクトラルフィルタ１７によりレーザ光の波長
の受信光のみが透過され、リレーレンズ１８により、光
検出器１９に再結像されて検出される。時間間隔測定器
２４は、スタート光検出器２０により検出された信号を
スタート信号とし、光検出器１９により検出された受信
光の信号をストップ信号として入力され、スタート信号
からストップ信号までの時間間隔を測定する。測定され
た時間間隔は、選択対象面７迄に要するレーザ光の往復
時間であり、これにより、計算機２５は、選択対象面７
迄の距離を算出することができる。

【００１９】前述では、視野制限機構１４を駆動して所
定の視野のみの反射光を選択して、計測対象６の任意の
選択対象面７の位置、すなわち、測距装置からの距離を
測定するものとして説明した。本発明の実施形態は、選
択的な計測を行うための計測対象に関する情報を使用者
に表示することができ、以下、これについて説明する。

【００２０】図１に示す本発明の実施形態において、視
野制限機構１４を制御し視野全体からの反射光を透過さ
せるように設定し、レーザ発信器１からのレーザ光を連
続光あるいは繰り返し周期を短くして実質的に連続光と
見做してもよい状態とすると、視野内から反射する全て
の反射光がビームスプリッタ１６以降の光学系に入力さ
れる。このとき、ビームスプリッタ１６で分岐され、ス
ペクトラルフィルター２１及びリレーレンズ２２を透過
した光は、撮像素子２３に結像され、計測対象面上のレ
ーザ反射光の分布を示すことになる。このレーザ反射光
の分布を示す画像情報は、計算機２５の表示装置に表示
される。

【００２１】そこで、レーザ反射光の分布に基づいて対
象面上の特徴点を選択対象面７として選択し、視野制限
機構１４を駆動して、前述したようにしてその選択対象
面７迄の距離を計測する。計測対象面内に複数の特徴点
が存在する場合、順次これらを選択し計測することによ
り、計測対象に関する３次元的な距離情報を取得するこ
とができる。

【００２２】前述した説明は、レーザ光の反射光分布を
取得する目的でスペクトラルフィルター２１を使用する
としているが、スペクトラルフィルター２１を外した状
態で、しかも、レーザ発信器１を不動作として計測を行
うことにより、計測対象面の自然光による可視画像を取
得することができる。そして、取得した可視画像から特
徴点を選択することにより、例えば、計測対象が岩盤な
どであれば、任意の石を特徴点として登録しておき、そ
れについて重点監視するようにすることも可能である。

【００２３】図２は計測対象面の自然光による可視イメ
ージ画像の例を示す図、図３は計測対象面のレーザ光の
照射によるイメージ画像の例を示す図、図４は計測対象
面の中の各特徴点の距離を模式的に表現して示す図、図
５は距離情報を入れて表示した可視画像の例を示す図で
あり、次に、これらの図面を参照して、計測対象面の中
から特徴点を抽出して、各特徴点迄の距離を計測する手
順を説明する。

【００２４】まず、スペクトラルフィルタ２１を外した
状態で、視野制限機構１４を視野全体からの反射光を透
過させるように設定し、図２に示すような計測対象６全
体の自然光イメージを取得する。次に、スペクトラルフ
ィルター２１を入れた状態とし、レーザ発信器１からの
レーザ光を連続光として、図３に示すようなレーザ反射
光によるイメージを取得する。

【００２５】次に、自然光イメージによる反射光の分布
に基づいて、自然光イメージの特徴点３１〜３４を選択
して、画像内の位置を記録する。このとき、この特徴点
３１〜３４に対応したレーザー反射光分布内の特徴点か
らは４１〜４４のような反射光が得られる。前述したよ
うな特徴点の選択、記録を行った後、各特徴点に対し
て、視野制限機構１４を駆動して、各特徴点までの距離
を測定する。この結果、例えば、図４に示すように各特
徴点迄の距離を得ることができる。

【００２６】前述した結果に基づき、自然光イメージ上
の特徴点のそれぞれについての計測距離を自然光イメー
ジによる画面上に同時に重畳表示することにより、図５
に示すような距離画像を得ることができる。

【００２７】前述した説明では、自然光イメージによる
反射光の分布に基づいて、自然光イメージの特徴点３１
〜３４を選択するとして説明したが、レーザ反射光によ
るイメージから直接特徴点４１〜４４を選択するように
してもよい。また、特徴点の選択は、自然光またはレー
ザ反射光の強度の大きい部分を計算機２５により選択さ
せるように行ってもよく、また、測定者が自然光または
レーザ反射光によるイメージの画像を見て行うようにし
てもよい。

【００２８】また、前述した本発明の実施形態におい
て、視野制限機構１４は、スリット幅と、その位置とを
変更することが可能な２枚のスリット板をスリットが直
行するように重ね合わせた構造を有するものとしている
ので、計測対象の状況により、絞り穴の形状を縦横比を
任意に設定した矩形形状に変更することができる。ま
た、絞り穴の形状として、円形の形状が望まれる場合、
視野制限機構１４として、カメラの絞り機構と同様な絞
り板を設け、この絞り板を焦点面の位置で光軸に直角な
方向に移動させるようにすることもできる。

【００２９】さらに、前述した実施形態は、計測対象
が、測距装置からみて無限遠と見做せる位置にあるとし
て説明しているので、視野制限機構１４を受信光学系９
の焦点面に設置しているが、計測対象が、無限遠と見做
すことができない程度に近い場合に対応するために、視
野制限機構１４を光軸に沿って移動させる機構を設ける
ようにすることもできる。

【００３０】前述した本発明の実施形態によれば、従来
技術の場合には困難であった計測対象の姿勢判別や微小
変位の検出を、受信光強度分布を取得しその分布に応じ
て選択した複数の特徴点のそれぞれについて行うことが
できる。例えば、計測対象が崖等の中腹にある岩石等で
あった場合、定期的に、前述したような計測を行うこと
により、その岩石の落下等の事態を事前に予測すること
が可能となり、災害の発生等を予防することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、計
測対象の奥行き方向及び視野内に分布する複数の受信信
号を分離して計測することを可能にし、計測対象の姿
勢、微小変位などの高度な計測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるレーザ測距装置の概
略構成を示す図である。

【図２】計測対象面の自然光による可視イメージ画像の
例を示す図である。

【図３】計測対象面のレーザ光の照射によるイメージ画
像の例を示す図である。

【図４】計測対象面の中の各特徴点の距離を模式的に表
現して示す図である。

【図５】距離情報を入れて表示した可視画像の例を示す
図である。

【符号の説明】１レーザ発信器２送信光学系３、４ミラー５送受信軸の方向６計測対象７選択対象面８受信光の受信方向９受信光学系１０受信光経路１１受信光学系９の焦点面１２ドライバ１３エンコーダ付モータ１４視野制限機構１５、１８、２２リレーレンズ１６ビームスプリッタ１７、２１スペクトラルフィルター１９光検知器２０スタート光検知器２３撮像装置２４時間間隔測定装置２５計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森島成憲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ディフェンスシステム事業部内 (72)発明者瀧澤正行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ディフェンスシステム事業部内 (72)発明者小山俊英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ディフェンスシステム事業部内Ｆターム(参考） 2F112 AA09 AD01 BA06 CA06 DA05 DA09 DA19 DA25 EA03 FA03 2H051 AA00 BB27 CB22 5J084 AA05 AD01 BA02 BA34 BB14 BB20 BB21 CA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光発信装置と、該レーザ光発信装
置から発射されたレーザ光を計測対象に対して送信し、
計測対象からの反射光を集光する光学系を備えたレーザ
測距装置において、光学系受信視野の透過位置と大きさ
とを視野内で任意に変更可能な視野制限機構を備え、受
信視野内の前記視野制限機構を経た位置の計測対象内の
計測目標までの距離を計測することを特徴とするレーザ
測距装置。
【請求項２】前記視野制限機構は、光学系受信視野の
透過位置の形状を任意に変更可能であることを特徴とす
る請求項１記載のレーザ測距装置。
【請求項３】前記計測対象からの自然光、または、レ
ーザ反射光の一部または全部を分岐し画像情報及び反射
光の強度分布を取得する機構を備えることを特徴とする
請求項１または２記載のレーザ測距装置。
【請求項４】前記取得した画像情報及び反射光の強度
分布から計測対象内の計測目標を選択し、この計測目標
からのレーザ反射光が前記視野制限機構を透過するよう
に、前記視野制限機構を制御する機構を備えることを特
徴とする請求項３記載のレーザ測距装置。