JP2005181039A - レーザ距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度影響に左右されることなく、正確な距離データを得ることができるレーザ距離測定装置を提供する。
【解決手段】 受信レーザ光ＬＲを電気信号である受信信号に変換する受信用フォトダイオード２１と、送信レーザ光ＬＴの基準信号と受信レーザ光ＬＲの受信信号に基づいて目標Ｔまでの距離を検出する距離検出手段１３と、送信レーザ光ＬＴを電気信号である補償用信号に変換する補償用フォトダイオード２８と、距離検出手段１３に対して受信用フォトダイオード２１からの入力と補償用フォトダイオード２８からの入力とを切り替えるスイッチ３０を備えたことにより、温度影響により発生する距離データの誤差を解消すると共に、小型化等を実現した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光源から発したレーザ光を目標に対して走査して距離を測定するレーザ距離測定装置に関するものである。

一般的に、レーザ距離測定装置は、レーザ光源から発した送信レーザ光を目標に向けて走査するとともに目標で反射した受信レーザ光を受け、送信レーザ光と受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するものとなっている。

図３に概略を示すレーザ距離測定装置は、レーザ出力回路１０１に接続されて送信レーザ光ＬＴを送信する出力部１０２と、送信レーザ光ＬＴの一部を参照光Ｌ１として受ける送信側センサ１０３と、目標で反射した受信レーザ光ＬＲを受ける受信側センサ１０４を備えると共に、各センサ１０３，１０４を各々のアンプ１０５，１０６を介して検波回路１０７に接続した構成になっている。検波回路１０７では、参照光Ｌ１と受信レーザ光ＬＲを電気信号に変換し、双方の時間的なずれに基づいてオン・オフを繰り返す検波信号を得る。このとき、オン状態の幅（時間）が目標までの距離に比例することとなり、これを距離データＲＤとして出力する。
特開平８−１２２４２６号公報

ところが、上記従来のレーザ距離測定装置にあっては、参照光Ｌ１及び受信レーザ光ＬＲの信号入力経路を構成する回路が環境温度や自己発熱による温度影響を受けると、変換した電気信号にずれが発生して距離データＲＤに誤差が生じるという問題点があり、測定距離の精度を高めるうえでの改善が必要であった。

本発明に係わるレーザ距離測定装置は、請求項１として、送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するレーザ距離測定装置において、受信レーザ光を電気信号である受信信号に変換する受信側変換手段と、送信レーザ光を送信するための基準信号と受信レーザ光の受信信号に基づいて目標までの距離を検出する距離検出手段と、送信レーザ光を電気信号である補償用信号に変換する送信側変換手段と、距離検出手段に対して受信側変換手段からの入力と送信側変換手段からの入力とを切り替えるスイッチを備えた構成とし、請求項２として、送信側変換手段が、送信レーザ光を送信するためのドライバに対して、変換した補償用信号を出力制御用信号として入力するフィードバック制御用の手段である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わるレーザ距離測定装置は、目標に向けて送信レーザ光を走査し、受信側変換手段において、目標で反射した受信レーザ光を受光して電気信号である受信信号に変換し、距離検出手段において、送信レーザ光を送信するための基準信号と受信レーザ光の受信信号を入力して、双方の時間的なずれと光速に基づいて目標までの距離を検出する。このとき、スイッチは、受信側変換手段からの受信信号を距離検出手段に入力する状態にある。

また、当該レーザ距離測定装置では、送信側変換手段において、送信レーザ光を電気信号である補償用信号に変換する。そして、上述したように目標までの距離を検出している間に、スイッチを一定間隔で切り替えて、補償用信号を距離検出手段に定期的に入力する。ここで、補償用信号は、電気信号として距離検出手段に直接入力するので、その経路の長さは一定である。

したがって、受信側変換手段から距離検出手段への信号入力経路を構成する回路が温度影響を受けていない場合には、スイッチ及び信号入力経路の回路を経て距離検出手段に入力した補償用信号と同距離検出手段に入力した基準信号との間には一定の差（測定距離が一定）が生じる。しかし、上記の信号入力経路の回路が温度影響を受けている場合には、同回路を経由する補償用信号にずれが生じ、距離検出手段において、正常ならば一定であるはずの補償用信号と基準信号との差の値に誤差が生じることとなる。

そこで、当該レーザ距離測定装置では、補償用信号と基準信号との間に生じた誤差すなわち温度影響による誤差を検出し、その誤差に基づいて目標の測定距離を補償し得ることとなる。

また、送信側変換手段は、送信レーザ光を送信するためのドライバに対して、変換した補償用信号を出力制御用信号として入力してフィードバック制御することができ、言い換えれば、既存のフィードバック制御用の手段から出力される出力制御用信号を補償用信号として利用し得るものとなる。

本発明の請求項１に係わるレーザ距離測定装置によれば、送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するレーザ距離測定装置において、温度影響により測定した距離データに誤差が生じるような場合においても、その誤差を補償して測定精度を高めることができる。また、電気信号である補償用信号を用いることから、別の光学的手段が不要であると共に、構造の簡略化、小型化及び軽量化を実現することができ、例えば、当該レーザ距離測定装置を天体探査に用いる場合、大きさや重量が厳しく制限される宇宙機に搭載するのに非常に好適なものとなる。

本発明の請求項２に係わるレーザ距離測定装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、送信側変換手段とドライバに対して出力制御用信号を入力するフィードバック制御用の手段とを兼用することから、１つの手段で送信レーザ光の高精度な出力制御と距離データの補償の両方を可能にすると共に、回路構成をより一層簡略化することができる。

以下、図面に基づいて、本発明に係わるレーザ距離測定装置の一実施例を説明する。
図１に示すレーザ距離測定装置１は、その構成が、走査光学手段１１、レーザ送受光手段１２、距離検出手段１３及びデータ処理手段１４に大別される。走査光学手段１１は、送信レーザ光ＬＴの送光系１５と、受信レーザ光ＬＲの受光系１６と、送信レーザ光ＬＴの走査方向を変更するために当該走査光学手段１１を駆動するモータ１７と、モータ１７を制御するモータドライバ１８を備えている。

レーザ送受光手段１２は、送信レーザ光ＬＴを発するレーザ光源であるコリメータ付きレーザダイオード１９、レーザダイオード１９の出力制御を行うレーザドライバ２０、受信用フォトダイオード２１、受信用フォトダイオード２１の電源２２、電源２２の温度センサ２３、第１〜第３の増幅器２４〜２６及びフィルタ２７を備えている。また、レーザ送受光手段１２は、レーザダイオード１９からの送信レーザ光ＬＴを電気信号である補償用信号に変換する補償用フォトダイオード２８を備えると共に、その補償用信号を増幅器２９に通してレーザドライバ２０に入力するようにしており、これにより送信レーザ光ＬＴの出力をフィードバック制御するようにしてある。

この実施例では、上記の受信用フォトダイオード２１が、受信レーザ光ＬＲを電気信号である受信信号に変換する受信側変換手段に相当すると共に、補償用フォトダイオード２８が、レーザダイオード１９からの送信レーザ光ＬＴを電気信号である補償用信号に変換する送信側変換手段に相当し、この送信側変換手段がフィードバック制御用の手段を兼用している。そして、受信用フォトダイオード２１と第１増幅器２４との間には、距離検出手段１３に対して、受信用フォトダイオード（受信側変換手段）２１からの入力と補償用フォトダイオード（送信側変換手段）２８からの入力とを切り替えるスイッチ３０を備えている。

距離検出手段１３は、受信用フォトダイオード２１からの電気信号に基づいて目標までの距離を検出するものであって、走査光学手段１１のモータドライバ１８を制御するモータ制御回路３１、送信レーザ光ＬＴを送信するための基準信号を発生させる基準信号源３２を備えている。また、距離検出手段１３は、レーザ送受光手段１２に対するデジタル／アナログ変換器３３、第１及び第２のアナログ／デジタル変換器３４，３５、ＦＰＧＡ３６とデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）３７から成る位相検出器３８、並びに第１及び第２のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３９，４０を備えている。なお、基準信号源３２で発生した基準信号は、レーザドライバ２０に入力されると共に、第一のアナログ／デジタル変換器３４を介して位相検出器３８にも入力される。

データ処理手段１４は、第１及び第２のランダムアクセスメモリ４１，４２の間に、中央処理装置（ＣＰＵ）４３を備えており、距離検出手段１３との間は、互いのインターフェース４４，４５を介して接続される。また、データ処理手段１４は、別のインターフェース４６を介して図示しない別のコンピュータに接続可能である。

上記構成を備えたレーザ距離測定装置１は、レーザダイオード１９から発したパルス状の送信レーザ光ＬＴを送光系１５から図示しない目標に向けて走査する。また、目標で反射した受信レーザ光ＬＲは、受光系６を経て受信用フォトダイオード２１に到達する。そして、受信用フォトダイオード２１において受信レーザ光ＬＲを電気信号である受信信号に変換し、この受信信号をスイッチ３０、第１〜第３の増幅器２４〜２６及びフィルタ２７に通して距離検出手段１３に入力し、距離検出手段１３において、基準信号源３６からの基準信号と受信レーザ光ＬＲの受信信号の時間的なずれ及び光速に基づいて目標までの距離を測定する。

ところで、この種のレーザ距離測定装置では、受信レーザ光ＬＲの信号入力経路を構成する回路、すなわち第１〜第３の増幅器２４〜２６及びフィルタ２７が環境温度や自己発熱といった温度影響を受けると、これらを経由した受信信号にずれが発生し、その結果、距離検出手段１３で得た距離データＲＤに誤差が生じることとなる。

これに対して、当該レーザ距離測定装置１では、上述の如く目標までの距離を測定する一方で、スイッチ３０を図１に示す状態から周期的に切り替えて、補償用フォトダイオード２８からの補償用信号を距離検出手段１３に定期的に入力する。

このとき、補償用信号は、電気信号としてスイッチ３０を介して距離検出手段１３に入力されるものであるから、その経路の長さは一定である。したがって、第１〜第３の増幅器２４〜２６及びフィルタ２７が温度影響を受けていない場合には、これらを経て距離検出手段１３に入力する補償用信号と、基準信号源３２からの基準信号との間には一定の差（測定距離が一定）が生じる。

しかし、第１〜第３の増幅器２４〜２６及びフィルタ２７が温度影響を受けている場合には、これらを経由した補償用信号にずれが生じ、距離検出手段１３において、正常では一定であるはずの補償用信号と基準信号との差の値に誤差が生じる。そこで、当該レーザ距離測定装置１では、上記の如くスイッチ３０を周期的に切り替えて、目標までの距離測定と、補償用信号と基準信号の比較を交互に行うことにより、補償用信号と基準信号との間に生じた誤差すなわち温度影響による誤差を検出し、その誤差に基づいて目標までの距離データを補償する。

図２は、一定距離における目標に対して、温度影響による誤差を補償しないで測定した場合と、補償して測定した場合の時間経過に伴う距離データの変化を示すグラフである。同図から明らかなように、誤差を補償しない場合には、一定距離である目標までの距離データが変化して誤差が増大するのに対して、誤差を補償した場合には、距離データの変化がきわめて小さく、拡大したグラフに示すように誤差は±１０ｃｍ以内であって、充分な精度であることが判明した。

このように、上記実施例のレーザ距離測定装置１では、送信側変換手段である補償用フォトダイオード２８やスイッチ３０を採用したことから、温度影響により測定した距離データに誤差が生じるような場合でも、これを補償して測定精度を高めることができ、また、電気信号である補償用信号を距離検出手段１３に直接入力するので、別の光学的手段が不要であると共に、構造の簡略化、小型化及び軽量化を実現し得るものとなっている。

また、本発明に係わるレーザ距離測定装置は、その詳細な構成が上記実施例のみに限定されることは無く、例えば、フィードバック制御用のフォトダイオードと送信側変換手段を別にしても良いが、上記実施例のように双方を兼用することにより、構成がより簡単なものとなる。

本発明に係わるレーザ距離測定装置の一実施例を示すブロック図である。 一定距離の目標に対して補償をせずに測定をした場合と補償をして測定をした場合の時間経過に伴う距離データの変化を示すグラフである。 従来のレーザ距離測定装置の概要を説明する回路図である。

符号の説明

１ レーザ距離測定装置
１３ 距離検出手段
２０ レーザドライバ
２１ 受信用フォトダイオード（受信側変換手段）
２８ 補償用フォトダイオード（送信側変換手段）
３０ スイッチ
ＬＲ 受信レーザ光
ＬＴ 送信レーザ光

Claims (2)

1. 送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するレーザ距離測定装置において、受信レーザ光を電気信号である受信信号に変換する受信側変換手段と、送信レーザ光を送信するための基準信号と受信レーザ光の受信信号に基づいて目標までの距離を検出する距離検出手段と、送信レーザ光を電気信号である補償用信号に変換する送信側変換手段と、距離検出手段に対して受信側変換手段からの入力と送信側変換手段からの入力とを切り替えるスイッチを備えたことを特徴とするレーザ距離測定装置。
2. 送信側変換手段が、送信レーザ光を送信するためのドライバに対して、変換した補償用信号を出力制御用信号として入力するフィードバック制御用の手段であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ距離測定装置。

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