JP2008076145A - パルス光受光時間測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回路規模を大型化することなく、反射率の低い自然対象物から反射率の高い再帰反射部材までの測定対象物の三次元測定を高速で行う。
【解決手段】
測定対象物からの反射パルス光を受光する受光素子１３aと、受光素子１３aからの反射パルス光に基づく光パルス信号RPをダンピング信号DPに変換する共振回路部１３ｂと、共振回路部１３ｂからのダンピング信号DPを増幅する多段のアンプリファイア群１３ｃ１〜１３ｃ４と、多段のアンプリファイア群の各段からのダンピング信号DPを処理する振幅比較器１３ｆと零交差比較器１３ｇとからなるダンピング信号処理回路と、多段のアンプリファイア群の各段のアンプリファイアに接続された零交差比較器からの複数の信号線を一本の信号線にまとめてパルス光受光時間測定回路に向けて出力する集約論理回路１３eとを備え、アンプリファイア群の各振幅比較器の比較結果により、零交差比較器の動作を選択する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パルス光受光時間測定装置の改良に関する。
従来から、パルス光を測定対象物に照射し、測定対象物による反射光を受光回路の受光素子により受光して、パルス光の発射時点から測定対象物により反射された反射光が受光素子に到達するまでの時間を測定することにより高速で装置本体から測定対象物までの距離測定を行う距離測定装置が開発されつつある（例えば、特許文献等１参照）。
近年、反射率の低い自然対象物から反射率の高い再帰反射部材までの測定対象物の三次元測定を高速で行う高速距離測定の必要性が高まってきている。
この高速で装置本体から測定対象物までの距離の測定を行うには、従来の測量機で行っていたような光学的光量調整では間に合わず、かつ、受光回路は微弱な光量の検出から大きな光量の検出を許容する必要がある。
特開２００５−２１４７８６号公報
ところで、受光回路に用いるアンプリファイアの一段当たりのダイナミックレンジは通常５〜１０倍程度であるが、自然対象物から再帰反射部材までの反射光を測定するには、１０００倍以上のダイナミックレンジが必要となる。従って、１０００倍以上のダイナミックレンジを得るために、アンプリファイアを多段の構成とする必要がある。
ところが、多段のアンプリファイアの各段に光パルスの受光時間を測定するパルス光受光時間測定回路を付加すると、回路規模が大きくなる欠点がある。
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的は、回路規模を大型化することなく、反射率の低い自然対象物から反射率の高い再帰反射部材までの測定対象物の三次元測定を高速で行う距離測定装置に用いるのに好適なダイナミックレンジの広いパルス光受光時間測定装置を提供することにある。
請求項１記載のパルス光受光時間測定装置は、パルス光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射パルス光を受光し、パルス光の往復時間から距離を測定する距離測定装置において、
測定対象物からの反射パルス光を受光する受光素子と、該受光素子からの反射パルス光に基づく光パルス信号をダンピング信号に変換する共振回路部と、該共振回路部からのダンピング信号を増幅する多段のアンプリファイア群と、該多段のアンプリファイア群の各段からのダンピング信号を処理する振幅比較器と零交差比較器とからなるダンピング信号処理回路と、前記多段のアンプリファイア群の各段のアンプリファイアに接続された零交差比較器からの複数の信号線を一本の信号線にまとめてパルス光受光時間測定回路に向けて出力する集約論理回路とを備え、前記アンプリファイア群の各振幅比較器の比較結果により、前記零交差比較器の動作を選択することを特徴とする。
請求項２に記載のパルス光受光時間測定装置は、大光量の受光パルスを処理するために任意の減衰率で振幅を減衰する減衰器が前記共振回路と前記多段アンプリファイア群との間に介在されていることを特徴とする。
請求項３に記載のパルス光受光時間測定装置は、前記共振回路からのダンピング信号を梯子形抵抗器によって構成された減衰器に入力させ、前記梯子形抵抗器により任意に分圧された複数のダンピング信号と分圧されていないダンピング信号とを多段のアンプリファイア群に入力させ、微弱な光量の検出から大きな光量の検出までの検出範囲を拡大することを特徴とする。
本発明によれば、回路規模を大型化することなく、反射率の低い自然対象物から反射率の高い再帰反射部材までの測定対象物の三次元測定を高速で行う距離測定装置に用いるのに好適なダイナミックレンジの広いパルス光受光時間測定装置を提供できる。
以下に、本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の第１実施例を説明するための受光回路のブロック図である。
その図１において、１は本発明に係わる距離測定装置、OTは測定対象物である。距離測定装置１は、演算処理装置２、タイミング信号発生回路３、レーザー発振回路４、発光素子５、ハーフミラー６、光シャッター７、導光ファイバー８、三角プリズム９、対物レンズ１０、導光ファイバー１１、ハーフミラー１２、受光回路１３、内部参照光路１４、発振器１５、光シャッター１６を有する。
演算処理装置２は、測定対象物OTまでの距離測定を行う機能、すなわち、光パルスの受光時間を測定するパルス光受光時間測定回路としての機能を主として有する。
タイミング信号発生回路３は、演算処理装置２の指示に従って発振器１５からの基準信号に基づきレーザー発振回路４にタイミング信号を供給する。レーザー発振回路４はそのタイミング信号に基づき発光素子５に駆動信号を出力する。発光素子５は、例えば、パルスレーザーダイオードからなり、所定のタイミングでパルスレーザー光を発生する。
ハーフミラー６は、発光素子５からのパルスレーザー光の一部をそのまま透過し、残りの一部を内部参照光路１４に向けて反射する。
光シャッター７はハーフミラー６を透過したパルスレーザー光を導光ファイバー８に導くか否かを選択する機能を果たす。光シャッター１６はハーフミラー６により反射されたパルスレーザー光の内部参照光路１４に導くか否かを選択する機能を有する。
導光ファイバー８は光シャッター７を透過したパルスレーザー光を三角プリズム９に導く。三角プリズム９は導光ファイバー８から出射されたパルスレーザー光を対物レンズ１０に向けて反射し、三角プリズム９により反射されたパルスレーザー光は対物レンズ１０を介して測定対象物OTに照射される。
測定対象物OTにより反射されたパルスレーザー光は対物レンズ１０により集光されて三角プリズム９に導かれ、三角プリズム９により導光ファイバー１１に向けて反射される。三角プリズム９により反射されたパルスレーザー光は導光ファイバー１１を通り、ハーフミラー１２に導かれる。
内部参照光路１４に導かれたパルスレーザー光はハーフミラー１２に導かれ、このハーフミラー１２により受光回路１３の一部を構成する受光素子１３aに向けて反射される。導光ファイバー１１に導かれたパルスレーザー光はハーフミラー１２を透過して受光素子１３aに導かれる。
受光回路１３は、図２に示すように、共振回路部１３ｂと、多段アンプリファイア（増幅器）群１３ｃと、ダンピング信号処理部１３ｄと、集約論理回路部１３eとを有する。
受光素子１３aは、反射パルス光を光電変換して、反射パルス光に対応するパルス信号RPを図３（a）に示すように出力する。共振回路部１３ｂは、そのパルス信号RPの入力に応答して減衰振動波形信号（ダンピング信号）DPを出力する。
例えば、図３（a）に示すようなパルス信号RPが共振回路部１３ｂに入力されると、図３（ｂ）に示すように山と谷とが交互に周期的に現れしかも振幅が徐々に減少する減衰振動波形信号DPが得られる。
多段アンプリファイア群１３ｃは、増幅率一定Aのアンプリファイア１３ｃ1、１３ｃ2、１３ｃ3、１３ｃ4から構成されている。例えば、増幅率A＝１０とすると、共振回路部１３ｂから出力されたダンピング信号DPはアンプリファイア１３ｃ1によって１０倍に増幅され、アンプリファイア１３ｃ2によって１００倍に増幅され、アンプリファイア１３ｃ3によって１０００倍に増幅され、アンプリファイア１３ｃ4によって１００００倍に増幅される。
ダンピング信号処理部１３ｄは、振幅比較器群１３ｆと零交差比較器群１３ｇとから構成されている。振幅比較器群１３ｆは、振幅比較器１３ｆ1、１３ｆ2、１３ｆ3、１３ｆ4から構成されている。零交差比較器群１３ｇは、零交差比較器１３ｇ1、１３ｇ2、１３ｇ3、１３ｇ4から構成されている。
アンプリファイア１３ｃ1の出力端１３ｃoは、振幅比較器１３ｆ1の入力端１３ｆiと零交差比較器１３ｇ1の入力端１３ｇiとアンプリファイア１３ｃ2の入力端１３ｃiとに接続され、アンプリファイア１３ｃ2の出力端１３ｃoは、振幅比較器１３ｆ2の入力端１３ｆiと零交差比較器１３ｇ2の入力端１３ｇiとアンプリファイア１３ｃ3の入力端１３ｃiとに接続され、アンプリファイア１３ｃ3の出力端１３ｃoは、振幅比較器１３ｆ3の入力端１３ｆiと零交差比較器１３ｇ3の入力端１３ｇiとアンプリファイア１３ｃ4の入力端１３ｃiとに接続され、アンプリファイア１３ｃ4の出力端１３ｃoは、振幅比較器１３ｆ4の入力端１３ｆiと零交差比較器１３ｇ4の入力端１３ｇiとに接続されている。
振幅比較器１３ｆ1、１３ｆ2、１３ｆ3、１３ｆ4は、図４に示すように、ダンピング信号DPの所定の応答波形DP１を基準レベルR１と比較し、基準レベルR１よりも応答波形DP１の絶対値が小さいときには、L信号（ローレベル信号）を出力し、基準レベルR1よりも応答波形DP１の絶対値が大きいときには、H信号（ハイレベル信号）を出力する。ここで、H信号は許可信号と禁止信号としての機能を有する。
振幅比較器１３ｆ1の出力端１３ｆoは零交差比較器１３ｇ1の許可端子Q１と零交差比較器１３ｇ2の禁止端子Q２’とに接続され、振幅比較器１３ｆ2の出力端１３ｆoは零交差比較器１３ｇ2の許可端子Q２と零交差比較器１３ｇ3の禁止端子Q３’とに接続され、振幅比較器１３ｆ3の出力端１３ｆoは零交差比較器１３ｇ3の許可端子Q３と零交差比較器１３ｇ4の禁止端子Q４’とに接続され、振幅比較器１３ｆ4の出力端１３ｆoは零交差比較器１３ｇ4の許可端子Q４に接続されている。
零交差比較器１３ｇ1、１３ｇ2、１３ｇ3、１３ｇ4は、その許可端子にL信号が入力されたときには、その出力がL信号（ローレベル信号）とされていると共に、その許可端子にH信号が入力されかつ禁止端子にH信号が入力されると、その出力がL信号（ローレベル信号）とされている。
零交差比較器１３ｇ1、１３ｇ2、１３ｇ3、１３ｇ4は、その許可端子にH信号が入力されかつ禁止端子にL信号が入力されていると、その出力端子からH信号（ハイレベル信号）が出力される。
例えば、図４に示すように、第１番目のアンプリファイア１３ｃ1のダンピング信号DPの応答波形DP１を基準レベルR１と比較すると、その基準レベルR1よりも応答波形DP１の絶対値が小さいので、振幅比較器１３ｆ1の出力はL信号である。従って、零交差比較器１３ｇ1の出力はL信号である。
ついで、第２番目のアンプリファイア１３ｃ2のダンピング信号DPの応答波形DP１を基準レベルR１と比較すると、その基準レベルR1よりも応答波形DP１の絶対値が大きくなるので、振幅比較器１３ｆ2の出力はH信号となる。従って、零交差比較器１３ｇ2の出力は、零交差時にH信号となる。
第３番目のアンプリファイア１３ｃ3のダンピング信号DPの応答波形DP１を基準レベルR１と比較すると、その基準レベルR1よりも応答波形DP１の絶対値が大きくなるので、零交差比較器１３ｇ3は状態がHとなるが、振幅比較器１３ｆ2の出力がH信号となるので、零交差比較器１３ｇ3の出力は禁止され、零交差比較器１３ｇ3の出力はL信号のままとなる。零交差比較器１３ｇ4も状態がHとなるが、振幅比較器１３ｆ3の出力がH信号となるので、零交差比較器１３ｇ34の出力は禁止され、零交差比較器１３ｇ4の出力はL信号のままとなる。
従って、４個のうちの零交差比較器１３ｇ1、１３ｇ2、１３ｇ3、１３ｇ4のいずれか１個の零交差比較器からH信号が出力され、集約論理回路部１３eに入力される。集約論理回路部１３eは例えばオア回路から構成され、零交差比較器のH信号は、時間軸測定回路の一部を構成する演算処理装置２に入力される。演算処理装置２は、そのH信号の立ち上がり時点ｔ０に基づいて測定対象物OTまでの距離を求める。
その振幅比較器１３ｆ1、１３ｆ2、１３ｆ3、１３ｆ4、零交差比較器１３ｇ1、１３ｇ2、１３ｇ3、１３ｇ4は、そのダンピング信号DPの検出後、解除信号RSによってリセットされる。
ここでは、図４に示すように、零交差比較器１３ｇ2の出力がH信号となっているので、演算処理装置２は、内部参照光路１４に対応するダンピング信号DPにより得られた零交差比較器１３ｇ2のH信号の立ち上がり時点ｔ０と測距対象物OTからの反射パルス光に対応するダンピング信号DPにより得られたH信号の立ち上がり時点ｔ０との時間差に基づいて、装置本体から測定対象物OTまでの距離を求める。
図５は本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の第２実施例を説明するための受光回路を示している。この第２実施例では、共振回路部１３ｂと多段アンプリファイア群１３ｃとの間に減衰器１３ｈが設けられている。
このように構成すると、人工の測定対象物OTが近距離に存在して明るい反射パルス光を受光素子１３aが受光した場合でも、一律に減衰したダンピング信号DPを後段の多段アンプリファイア群１３ｃに提供できるので、人工の測定対象物OTが近距離に存在していて、明るい反射パルス光が受光素子１３aに受光された場合でも、ダンピング信号DPを飽和させることなく、受光時間を求めることができる。
すなわち、この第２実施例によれば、大光量の受光パルスを処理するために任意の減衰率でダンピング信号の振幅を減衰できるので、明るい反射パルス光が受光素子１３aに受光された場合でも、ダンピング信号DPを飽和させることなく、受光時間を求めることができる。
図６は本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の第３実施例を説明するための受光回路を示している。この第３実施例では、共振回路部１３ｂと多段アンプリファイア群１３ｃとの間に、梯子形減衰器（梯子形抵抗器）１３iが設けられている。
この第３実施例では、共振回路部１３ｂは、図７に示すように、抵抗器R１、R２、コイルL１から構成されている。抵抗器R１の一端には電源電圧Vｃｃが印加され、抵抗器R１の他端は抵抗器R２の一端とコイルL１の一端とに接続されている。抵抗器R２の他端は接地（GND）されている。コイルL１の他端は、受光素子１３aのアノードに接続され、受光素子１３aのカソードには電源電圧Vｃｃが印加されている。
梯子形減衰器１３iはトランジスタTｒと抵抗器R３、R４、R５から構成されている。トランジスタTｒのコレクタには電源電圧Vｃｃが印加されている。トランジスタTrのベースは受光素子１３aのアノードに接続されている。トランジスタTrのエミッタは抵抗器R３の一端とアンプリファイア１３ｃ3の入力端１３ｃiとに接続されている。
抵抗器R３の他端は抵抗器R４の一端とアンプリファイア１３ｃ2の入力端１３ｃiとに接続されている。抵抗器R４の他端は抵抗器R５の一端とアンプリファイア１３ｃ1の入力端１３ｃiとに接続されている。抵抗器R５の他端は接地（GND）されている。
受光素子１３aに反射パルス光が受光されると、その光電変換信号が共振回路部１３ｂによって、ダンピング信号DPに変換されて、トランジスタTｒのベースに入力される。そのダンピング信号DPは振幅係数１倍としてアンプリファイア１３ｃ3の入力端１３ｃiに入力される。また、そのダンピング信号DPは抵抗器R３によって例えば振幅係数１／１０倍に減衰されてアンプリファイア１３ｃ2の入力端１３ｃiに入力される。更に、そのダンピング信号DPは抵抗器R４によって例えば振幅係数１／１００倍に減衰されてアンプリファイア１３ｃ1の入力端１３ｃiに入力される。
従って、各アンプリファイアの増幅率Aを１０倍とすると、アンプリファイア１３ｃ4の出力端１３ｃoから１００倍に増幅されたダンピング信号DPが出力され、アンプリファイア１３ｃ3の出力端１３ｃoから１０倍に増幅されたダンピング信号DPが出力され、アンプリファイア１３ｃ2の出力端１３ｃoから１倍に増幅されたダンピング信号DPが出力され、アンプリファイア１３ｃ1の出力端１３ｃoから１／１０倍に増幅されたダンピング信号DPが出力されることになる。
このように梯子形減衰器１３iを設けることにすると、増幅率が１以下のダンピング信号DPから増幅率が１以上のダンピング信号DPを生成できるので、反射率が高くて近距離に存在する測定対象物OTから反射率が低くて遠距離に存在する測定対象物OTまで幅広いダイナミックレンジにおいて、装置本体から測定対象物OTまでの距離測定が可能となる。
すなわち、この第３実施例によれば、この梯子形減衰器（梯子形抵抗器）１３iにより任意に分圧された複数のダンピング信号と分圧されていないダンピング信号とを多段のアンプリファイア群１３ｃに入力させる構成であるので、微弱な光量の検出から大きな光量の検出まで検出範囲を拡大できる。
本発明に係わる距離測定装置の一例を示すブロック回路図である。 図１に示す受光回路のブロック回路図である。 本発明に係わるダンピング信号の一例を説明するための図であって、（a）は反射パルス光に基づくパル信号の波形図、（ｂ）は（a）に示すパルス信号に応答するダンピング信号の波形図である。 図２に示す受光回路の作用を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の第２実施例を説明するための受光回路のブロック回路図である。 本発明に係わるパルス光受光時間測定装置の第３実施例を説明するための受光回路のブロック回路図である。 図６に示す梯子形抵抗器の詳細構成を示す回路図である。
符号の説明
１３a…受光素子
１３ｂ…共振回路部
RP…光パルス信号
DP…ダンピング信号
１３ｃ１〜１３ｃ４…アンプリファイア群
１３ｆ…振幅比較器
１３ｇ…零交差比較器

Claims (3)

  1. パルス光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射パルス光を受光し、パルス光の往復時間から距離を測定する距離測定装置において、
    測定対象物からの反射パルス光を受光する受光素子と、該受光素子からの反射パルス光に基づく光パルス信号をダンピング信号に変換する共振回路部と、該共振回路部からのダンピング信号を増幅する多段のアンプリファイア群と、該多段のアンプリファイア群の各段からのダンピング信号を処理する振幅比較器と零交差比較器とからなるダンピング信号処理回路と、前記多段のアンプリファイア群の各段のアンプリファイアに接続された零交差比較器からの複数の信号線を一本の信号線にまとめてパルス光受光時間測定回路に向けて出力する集約論理回路とを備え、前記アンプリファイア群の各振幅比較器の比較結果により、前記零交差比較器の動作を選択することを特徴とするパルス光受光時間測定装置。
  2. 大光量の受光パルスを処理するために任意の減衰率で振幅を減衰する減衰器が前記共振回路と前記多段アンプリファイア群との間に介在されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス光受光時間測定装置。
  3. 前記共振回路からのダンピング信号を梯子形抵抗器によって構成された減衰器に入力させ、前記梯子形抵抗器により任意に分圧された複数のダンピング信号と分圧されていないダンピング信号とを多段のアンプリファイア群に入力させ、微弱な光量の検出から大きな光量の検出までの検出範囲を拡大することを特徴とする請求項１に記載のパルス光受光時間測定装置。
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