JP2004361411A - 受光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部光や散乱光による，パルス光ビームに対する障害を効果的に抑制可能とした受光装置を提案する。
【解決手段】振幅が変調周波数（ｆ）で変調された光ビーム（２）を受光するための受光装置は，基準点（５）に対して局所的にシフトさせて配置した複数の光センサ（６）を有する光検出器（４）と，評価回路（７）と，出力手段（８）とを具える。少なくとも２個の光センサ（６）間に，変調周波数（ｆ）を感知するための位相シフタ（１０）を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は，位置決め装置におけるレーザ光ビームを受光するための受光装置に関するものである。

建設分野における位置決め作業では，マーキングのためにレーザ光ビームを発生する位置決め装置が使用される。特に，遠距離に配置された低反射係数の物体を対象とする場合や，位置決め精度に課される厳しい条件下では，正確なマーキング又は位置偏差の一義的な決定を行うために，光ビームを確実に検知する受光装置が位置決め装置に対応して必要とされている。

通常の受動的な受光装置において，楔型レンズ又はフレネルレンズ等の光学補助手段は，入射するレーザ光ビームの最小位置偏差を質的に異なるディスプレイに変換する。通常の能動的な受光装置においては，電源に接続された光検出器によりレーザ光ビームを受光し，評価回路に接続したディスプレイにより基準点に対する光ビームの変位を決定する。

米国特許第３８９４２３０号明細書（特許文献１）は，変調された光ビームを受光するための能動的な受光装置を記載している。この受光装置は，基準線に沿い，基準点に対してシフトさせた位置に配置された複数の光ダイオードで構成される，パルス制御による光ダイオードアレイと，評価回路と，基準点に対する光ビームの変位のデジタル出力とを具える。各光ダイオードに容量的に接続された保持回路は，任意の形態の光パルスに反応するため，外部光や散乱光により多様な障害が誘発される恐れがある。
米国特許第３８９４２３０号明細書

本発明の課題は，パルス光ビームに対する障害を効果的に抑制可能とした受光装置を提案することにある。

この課題を解決するため，本発明は，請求項１に記載した受光装置を要旨とするものである。また，好適な実施形態は従属請求項に記載したとおりである。

本発明において，振幅が変調周波数をもって変調された光ビームを受光するための受光装置は，基準点に対して局所的に特定して変位した複数の光センサを有する光検出器と，評価回路と，出力手段とを具え，少なくとも２個の光センサ間に，変調周波数を感知する位相シフタを配置する。

本発明によれば，少なくとも１個の光センサに入射する光ビームは，両光センサ間に配置した周波数選択性を有する位相シフタを通じてメッシュ電流を生じる。このメッシュ電流は，光センサを通じて光ビームの変調周波数に対応して互いに位相シフト状態で印加されるノード電圧を惹起する。これらのノード電圧は，位相選択的に評価回路により評価可能である。その結果，位置的にシフトした光センサが，位相シフタと共に評価回路に前置した変位振幅‐位相‐コンバータを構成する。

極めて障害のない評価を達成するため，位相シフタの両出力端子を評価回路の入力端子に接続し，前記評価回路が，両入力端子に供給される，光ビームの変調周波数で振幅変調した信号の位相差に応じた評価を行う構成とするのが有利である。評価回路における無干渉の位相を感知する評価の結果として，対応する変調周波数をもって変調された光ビームだけが検出されると共に，支障のある残光の影響が除外される。

光検出器の感度を高めるため，位相シフタの出力端子，好適には両出力端子間と，評価回路の対応する入力端子との間に信号増幅器を配置するのが有利である。

光検出器の干渉間隔が高まり，光ビームの特定の変調周波数に対してのみ感知可能とするため，信号増幅器は光ビームの変調周波数に対して周波数選択性をもたせるのが有利である。この場合，変調周波数を有する光ビームに関して光検出器は無干渉である。

僅かな受動部品によって位相シフタの大きな周波数選択性を実現するため，位相シフタを，容量と，好適にはインダクタンスを有する回路で構成するのが有利である。

変調周波数が位相シフタの共振周波数に一致する最大移相状態を達成するため，好適には１００ｋHz〜１０MHｚとする所定の変調周波数に対し，LC＝（２πｆ）²に基づいて容量C及びインダクタンスLを定めるのが有利である。

各光センサと位相シフタとの間で基準電圧に関して簡単な非対称信号伝達を実現するため，位相シフタの容量を基準電位に接続し，光センサを該基準電位に接続するのが有利である。

位相シフタの両出力端子は，好適には各１個の抵抗を介して電流源に接続するのが有利である。それにより，光センサには略一定の電流が供給されると共に，光ビームの変調周波数により振幅変調されたノード電圧が光センサに印加される。このノード電圧は，入射光ビームの振幅に依存する。２つのノード電圧の位相差は，作動状態にある光検出器のシフトした部位に入射する光ビームの強度の尺度である。

位相シフタの２個の出力端子間に位相シフタ連鎖回路を配置し，少なくとも２個の周波数選択式の部分的な位相シフタを２個の光センサ間にそれぞれ配置する構成として，位相シフタ連鎖回路の出力端子に対して複雑に重畳する移相したノード電圧を部分的な位相シフタに印加するのが有利である。

光センサアレイを構成する少なくとも３個，好適には５個の光センサを，互いに位置的に等間隔で基準線に沿って配置するのが有利である。それにより，光センサの位置に関し，近似的に十分に線形化された簡単な変位／位相‐特性曲線を実現することが可能である。

光センサアレイの各２個の光センサ間に位相シフタ連鎖回路の各１個の部分位相シフタを配置するのが有利である。それにより，位相シフタ連鎖回路の位置に関し，十分に線形化された変位／位相‐特性を有する光センサアレイが実現され，その特性をバッファ測定に使用することが可能である。

少なくとも２個の基準線に沿って等間隔で配置した光センサは，光センサ群として互いに並列に配置するのが有利である。それにより，分岐電流が同相で加算され，変位／位相‐特性曲線における光センサの位置に関する局所的依存性を低減することが可能である。

基準点に隣接してシフトさせた２個の光センサ群を，位相シフタの各１個の出力端子に接続するのが有利である。それにより，変位／位相‐特性曲線の基準点に関し，局所的に高められた依存性が実現され，この依存性は零位検出のために使用可能である。

変位／位相‐特性曲線を使用目的に応じて選択可能とするため，多極スイッチにより光センサアレイのみならず，光センサ群を構成する複数の光センサを位相シフタに関して切り替え可能とするのが有利である。

変位／位相‐特性曲線における不連続に離間した光センサから生じる残留リップルを回避するため，基準線に沿って作用する光学拡散素子を光の入射側で光センサに対応させて配置し，好適には前記光学拡散素子の基準線に沿う半幅値を光センサの間隔の１／２〜２倍の範囲内の値とするのが有利である。この場合，少数の光センサにより，基準線に沿って作用する大きな検出領域をもって略線形的な検出をおこなうことが可能である。

以下，本発明を図示の実施形態について更に具体的に説明する。

図１は，振幅が変調周波数ｆで変調された，スポット状の入射光ビーム２を対象とする受光装置１を示す。受光装置１は，キーボード等の入力手段３と，基準点５に対して基準線Xに沿って局所的に変位した４個の光センサ６を光センサアレイ２２として含む光検出器４と，評価回路７と，入射光ビーム２の基準点５に対するオフセット量に応じて制御されて点滅する発光ダイオードとを具える。

図２は，受光装置１の基本原理を示す。図２において，基準線Xに沿って位置的に等間隔Aで特定して配置した光センサ６には，光の入射側で光学拡散素子を対応させて配置する。この光学拡散素子は，基準線Xに沿う半幅値Bを有し，この半幅値Bは不連続的に離間配置した光センサ６の間隔Aに相当する。４個の光センサ６を含む光検出器４は，変位振幅‐位相‐コンバータ９として構成する。２個の光センサ６間に，変調周波数ｆを感知する位相シフタ１０を配置する。同一の変調周波数ｆで両出力端子１１に印加される信号は，複雑に重畳可能である。そこで生じる位相差△ψは，光検出器４の基準線Xに沿って変位した位置に入射する光ビーム２の強度の尺度である。位相シフタ１０の両出力端子１１は，変調周波数ｆに対して周波数選択的に振幅制限する信号増幅器１２を介して評価回路７の各入力端子１３に接続する。評価回路７では，光ビーム２の変調周波数ｆで振幅変調され，両入力端子１３に供給される信号について，内蔵した位相弁別器により位相差△ψに応じて評価を行うと共に，ビートにより出力手段８を制御する。そのゼロビートは，基準点５上の光ビーム２の入射に一致する。

図３に示す変位振幅‐位相‐コンバータ９において，位相シフタ１０は容量C，コンダクタンスLとする回路網から形成される。C＝４．７ｐＦ，Ｌ＝１０μH，１ＭＨｚの変調周波数ｆを所与とする共振条件LC＝（２πｆ）²に従って回路定数を定めることにより，位相時間についてＴ²＝ＬＣがほぼ成立する。櫛型の回路網では，位相シフタ１０の容量Ｃが基準電位１４に接続され，遮断方向に配置された光ダイオードで構成する光センサ６も基準電位１４に接続する。位相シフタ１０の両出力端子１１は，バッテリ等で構成する電源１６を有する各１個の抵抗１５を介して電位Ｖｃｃに接続し，抵抗値は位相シフタのインピーダンス：Ｚ²＝Ｌ／Ｃと一致する。入射光ビーム２の強度に依存するノード電圧ｕが，光センサ６を通じて印加される。このノード電圧ｕは，光ビーム２の変調周波数ｆで振幅変調される。位相シフタ１０の両出力端子１１間に位相シフタ連鎖回路１７を配置する。位相シフタ連鎖回路１７における周波数選択性を有する３個の部分的な位相シフタ１０’を，基準線Xに沿う光センサアレイ２２として等間隔に配置した２個の光センサ６間に配置する。

図４に示す実施形態における変位振幅‐位相‐コンバータ９において，並列に配置される複数の光センサ６で光センサ群１９を構成する。電子制御可能なアナログスイッチ等で構成することのできる図示の多極スイッチ２０により，各光センサ６は位相シフタ１０に関し，基準点５の回りで隣接して変位した２個の光センサ群１９を構成する各４個の光ダイオード６のみならず，光センサアレイ２２として構成した図３に示す回路についても切り替え可能である。

図５に示す変位振幅‐位相‐コンバータにおいて，変位／位相‐特性曲線２１を基準点５で局所的に最大勾配となるように構成する。すなわち，基準点５からの僅かな変位が位相差△ψを大きく変化させるものである。

本発明の受光装置を示す説明図である。 受光装置の基本原理を示す回路図である。 受光装置の細部を示す回路図である。 図３に示した細部の変形例を示す回路図である。 変位／位相‐特性曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ 受光装置
２ 光ビーム
３ 入力手段
４ 光検出器
５ 基準点
６ 光センサ
７ 評価回路
８ 出力手段
９ 変位振幅‐位相‐コンバータ
１０ 位相シフタ
１１ 出力端子
１２ 信号増幅器
１３ 入力端子
１４ 基準電位
１５ 抵抗
１６ 電源
１７ 位相シフタ連鎖
１８ 光学拡散素子
１９ 光センサ群
２０ 多極スイッチ
２１ 変位／位相‐特性曲線
２２ 光センサアレイ

Claims (15)

1. 振幅が変調周波数（ｆ）で変調された光ビーム（２）を受光するための受光装置であって，基準点（５）に対して局所的に変位させた複数の光センサ（６）を有する光検出器（４）と，評価回路（７）と，出力手段（８）とを具え，少なくとも２個の光センサ（６）間に変調周波数（ｆ）を感知する位相シフタ（１０）を配置したことを特徴とする受光装置。
2. 請求項１記載の受光装置において，位相シフタ（１０）の出力端子（１１）を評価回路（７）の入力端子（１３）に接続し，該評価回路（７）により，両入力端子（１３）に供給される，光ビーム（２）の変調周波数（ｆ）で振幅変調された信号の位相差（△ψ）に応じて評価を行うことを特徴とする受光装置。
3. 請求項１又は２に記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）の出力端子（１１），好適には両出力端子と，評価回路（７）の対応する入力端子（１３）との間に，信号増幅器（１２）を配置したことを特徴とする受光装置。
4. 請求項３記載の受光装置において，前記信号増幅器（１２）は，光ビーム（２）の変調周波数（ｆ）に対して周波数選択性を有することを特徴とする受光装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）を，容量（C）を有し，所要に応じてインダクタンス（L）を有する回路で構成したことを特徴とする受光装置。
6. 請求項５記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）の容量（C）及びインダクタンス（L）を，所定の変調周波数（ｆ）に対してLC＝（２πｆ）²が成立するよう定めることを特徴とする受光装置。
7. 請求項５又は６に記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）の容量（C）を，光センサ（６）に接続された基準電位（１４）に接続したことを特徴とする受光装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）の出力端子（１１）を，好適には抵抗（１５）を介して電流源（１６）に接続したことを特徴とする受光装置。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の受光装置において，前記位相シフタ（１０）の出力端子（１１）間に位相シフタ連鎖回路（１７）を配置し，周波数選択性を有する少なくとも２個の部分的な位相シフタ（１０’）を２個の光センサ（６）間にそれぞれ配置することを特徴とする受光装置。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の受光装置において，光センサアレイ（２２）を構成する少なくとも３個の光センサ（６）を，互いに位置的に等間隔で基準線（X）に沿って配置したことを特徴とする受光装置。
11. 請求項１０記載の受光装置において，前記光センサアレイ（２２）における各２個の光センサ（６）間に，位相シフタ連鎖回路（１７）における部分的な位相シフタ（１０’）を配置したことを特徴とする受光装置。
12. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の受光装置において，基準線（X）に沿って等間隔で配置した少なくとも２個の光センサ（６）を，光センサ群（１９）として互いに並列に接続したことを特徴とする受光装置。
13. 請求項１２記載の受光装置において，２個の光センサ群（１９）を位相シフタ（１０）における出力端子（１１）に接続したことを特徴とする受光装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の受光装置において，複数の光センサ（６）と位相シフタ（１０）との間に多極スイッチ（２０）を配置し，該多極スイッチ（２０）により，光センサアレイ（２２）のみならず，光センサ群（１９）を構成する複数の光センサ（６）及び位相シフタ（１０）を切り替え可能としたことを特徴とする受光装置。
15. 請求項１０〜１４の何れか一項に記載の受光装置において，基準線（Ｘ）に沿って作用する光学拡散素子（１８）を光ビームの入射側で光センサ（６）に対応して配置し，好適には前記光学拡散素子（１８）の基準線（Ｘ）に沿う半幅値（Ｂ）を，不連続的に配置した光センサ（６）の間隔（Ａ）の１／２倍〜２倍の範囲内の値としたことを特徴とする受光装置。

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