JP2013053975A - 距離測定装置及び軌道周辺支障物検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光などの投光波長以外の光を極限まで制限して、投光波長のみを受光できるようにする。
【解決手段】干渉膜を使った平面板の干渉フィルタを用いて広い視野の検出手段を構成すると、平面板の干渉フィルタへの入射角に応じて透過帯域の移動が起こり、所望の信号強度を得ることが困難となる。この発明は、干渉フィルタの形状を球面状にして全視野の受光光線を干渉フィルタの入射面に対して垂直に入射するようにして、透過帯の移動をなくし、所望の信号強度を得るようにした。また、受光レンズの第一主点と球面状干渉フィルタの球面中心とを一致させて配置することにより、干渉フィルタへ入射する反射光の入射角を０°にして透過帯域が変化しないようにした。
【選択図】図２

Description

本発明はＬＥＤやレーザ光のような狭い波長帯の光源からの光を照射して、日中太陽光の下で、鉄道の軌道周辺の建築物を検出して建築物までの距離を測定する距離測定装置及び軌道周辺支障物検出装置に関するものである。

鉄道線路には、軌道の側方や上方に各種の構造物などが多数建植されており、列車運転や旅客の安全を確保するために、車両の断面に対して車両限界が、さらにその外方に構造物などに対する建築限界が設けられている。このような建築限界を測定する従来の装置として、特許文献１及び特許文献２に記載のようなものがある。

特開平６−２５８０３０号公報 特開平６−３２３９０２号公報

特許文献１には、鉄道車両の屋根上からレーザ光を照射してトロリ線を検出する時、フォトダイオード素子に干渉フィルタを被せて、天空の自然光を除去するようにしたものが記載されている。特許文献２には鉄道車両の屋根上からレーザ光を照射したトロリ線支持電柱を検出する時、フォトダイオード素子に干渉フィルタを被せて、天空の自然光を除去することが記載されている。
これらはいずれも受光素子であるフォトダイオードに、レーザ光の波長だけを透過する干渉フィルタを被せて、レーザ光の波長以外の光を受光しないようにしている。干渉フィルタは平面板であるため、トロリ線等の被測定物からの反射光が干渉フィルタに入射するとき、入射角に応じてフィルタの透過帯域が短波長側へ移動するため、フィルタの透過帯域幅はこの移動分を加えた幅にしなければならず、太陽光の影響が大きいという問題を有していた。すなわち、従来は、干渉フィルタの透過帯域幅として、検出する為のＬＥＤやレーザによる照射光の波長幅と、斜入射受光による透過帯の移動分を加えた幅が必要であったため、必要な透過帯域幅がレーザ光の波長幅に比べて広くなり、この透過帯域から浸入する太陽光の量が多くなり、十分な信号強度を得るには強光源を用いなければならなかったり、あるいはその検出自体を諦めなければならないという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、太陽光などの投光波長以外の光を極限まで制限して、投光波長のみを受光することのできる距離測定装置及び軌道周辺支障物検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る距離測定装置の第１の特徴は、検出用の線状光を照射する投光手段と、前記線状光の照射によって被検出物から反射する反射光を受光する検出手段と、前記検出手段の受光レンズの前面に被せて前記線状光の波長を選択的に透過させるための干渉フィルタであって、球面の一部を切り取った形状の受光球面上に形成された干渉フィルタ手段とを備えたことにある。干渉膜を使った平面板の干渉フィルタを用いて広い視野の検出手段を構成すると、平面板の干渉フィルタへの入射角に応じて透過帯域の移動が起こり、所望の信号強度を得ることが困難であった。この発明では、干渉フィルタの形状を球面状にして全視野の受光光線を干渉フィルタの入射面に対して垂直に入射するようにして、透過帯の移動をなくし、所望の信号強度を得るようにした。受光球面は、入射角に対応した部分が球面であれば、それ以外の形状は通常の平板でもよい。

本発明に係る距離測定装置の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載の距離測定装置において、前記検出手段の前記受光レンズの第一主点と前記干渉フィルタ手段の受光面を形成する前記球面の中心とが一致するように構成したことにある。これは、受光レンズの第一主点と球面状干渉フィルタの球面中心とを一致させて配置することにより、干渉フィルタへ入射する反射光の入射角を０°にして透過帯域が変化しないようにしたものである。

本発明に係る軌道周辺支障物検出装置の第１の特徴は、軌道周辺の支障物を検出してその距離を測定する軌道周辺支障物検出装置において、移動する車両の左右側面及び上面を含む外周面に線状光を照射し、隣り合う線状光同士で間断のない線状光となるように前記車両上に配置された複数の投光手段群と、前記投光手段群のそれぞれに対応して設けられ、前記線状光の照射によって被検出物から反射する反射光を受光する検出手段群と、前記検出手段の受光レンズの前面に被せて前記線状光の波長を選択的に透過させるための干渉フィルタであって、球面の一部を切り取った形状の受光球面上に形成された干渉フィルタ手段とを備えたことにある。これは、前記第１の特徴に記載の距離測定装置を軌道周辺支障物検出装置に応用したものである。

本発明に係る軌道周辺支障物検出装置の第２の特徴は、前記第１の特徴に記載の軌道周辺支障物検出装置において、前記検出手段の前記受光レンズの第一主点と前記干渉フィルタ手段の受光面を形成する前記球面の中心とが一致するように構成したことにある。これは、前記第２の特徴に記載の距離測定装置を軌道周辺支障物検出装置に応用したものである。

本発明によれば、太陽光などの投光波長以外の光を極限まで制限して、投光波長のみを受光することができるという効果がある。これによって、広い視野の検出範囲を持つ検出装置でも、干渉フィルタ特有の狭帯域波長選択特性が利用でき、太陽光の下で、太陽光の影響を極めて少なく抑えた検出ができる。

軌道周辺支障物測定車に対する複数の軌道周辺支障物検出装置の配置例を示す図であり、軌道周辺支障物測定車の進行方向に対する直角方向の断面を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る鉄道軌道周辺の建築物を検出して、軌道中心からの距離を測定する軌道周辺支障物検出装置単体の概略構成を示す図であり、軌道周辺支障物検出装置と建築物との関係を示す図である。 平面板で構成された干渉フィルタに受光光線が所定の角度をもって入射した場合における透過帯域の移動状態を示す図である。 軌道周辺支障物検出装置の受光装置に取り付けられるレンズと干渉フィルタの詳細構成示す図であり、図４（Ａ）はその分解図を示し、図４（Ｂ）はレンズと干渉フィルタとを組み合わせた完成状態を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態を説明する。図１は軌道周辺支障物測定車に対する複数の軌道周辺支障物検出装置の配置例を示す図であり、軌道周辺支障物測定車の進行方向に対する直角方向の断面を示す図である。この実施の形態では、２１個の軌道周辺支障物検出装置１０〜３０が軌道周辺支障物測定車１内に配置されている。すなわち、軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は図１に示すように図示していない軌道周辺支障物測定車１の支持枠上であって、軌道周辺支障物測定車１の外周に沿うようにそれぞれ取り付けられている。図２は、本発明の一実施の形態に係る鉄道軌道周辺の建築物を検出して、軌道中心からの距離を測定する軌道周辺支障物検出装置単体の概略構成を示す図であり、軌道周辺支障物検出装置と建築物との関係を示す図である。なお、図２は、図１の軌道周辺支障物検出装置１０を軌道周辺支障物検出装置１１側から見た上面図である。

軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は、軌道周辺支障物測定車１の走行方向（図１の紙面前後方向（Ｙ方向））に対して垂直な平面（ＸＺ平面）内に含まれるように投光光を照射する。各軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は、図２に示すように車両限界３と建築限界４との間に線状光を照射し、隣り合う線状光同士で間断のない（隙間なく投光された）線状光を形成するように軌道周辺支障物測定車１上に配置されている。軌道周辺支障物測定車１は、図示していないレール上を図１の紙面後方から前方（Ｙ方向）に向かって移動する。この移動によって、軌道周辺支障物検出装置１０〜３０はレールにそって移動し、その移動中に軌道周辺支障物測定車１の外側に線状投光光を照射する。線状投光光が被検出物に照射されると、被検出物には光切断線が発生する。軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は光切断線すなわち被検出物から反射する反射光を撮影して、その距離を測定する。

図２に示すように、軌道周辺支障物検出装置１０は、レーザ光発生装置１０１と受光装置１０２とから構成される。レーザ光発生装置１０１は、特定波長（例えば波長１４２０［ｎｍ］）のレーザ光１０５を点線のように照射する。レーザ光発生装置１０１は、ポリゴンミラー等を用いて、レーザ光１０５の投光軸をレールの長手方向に対して垂直となる上下方向（図１の紙面の前後方向（Ｚ方向））に振幅移動させながら細長い線状投光光を軌道周辺支障物測定車１の外側に向かって照射する。受光装置１０２は、レーザ光１０５の投光軸に対して約３０度の角度位置となるように受光軸が配置され、レーザ光１０５が建築物（支障物）３ａ，３ｂに照射することによってできる線状投光光の反射光すなわち光切断線を受光し撮影するカメラシステムなどで構成される。受光装置１０２は、撮影した画像（光切断線）をデジタル処理して軌道周辺支障物測定車１の外周周辺の建築物を検出して、軌道中心からの距離を測定して、建築物などの支障物を検出する。また、図示していないが、受光装置１０２は、レーザ光の反射光以外に太陽光や照明等の光が進入してくるので偏光板等のフィルタを具備して光切断線のみを有効に撮影するように構成されている。

図２において、軌道周辺支障物測定車１は、全体的に図の上方向から下方向に向かって移動することになる。レーザ光によって照射される光切断線の線幅は約３〜５［ｍｍ］程度とする。軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は、この光切断法を用いて軌道周辺支障物測定車１の外周の建築物などの支障物を検出する。建築物（支障物）３ａは車両限界３に近い方（近方）の光切断線として検出され、逆に建築物（支障物）３ｂは車両限界３から遠い方（遠方）すなわち建築限界４に近い方の光切断線として検出される。ここでの近方とは受光装置１０２と建築物（支障物）までの距離が小さい場合を意味し、遠方とは受光装置１０２と建築物（支障物）までの距離が大きい場合を意味する。軌道周辺支障物測定車１は、建築物（支障物）３ａ，３ｂに生じる光切断線の位置を測定することによって、受光装置１０２からの距離、すなわち、建築物（支障物）３ａ，３ｂの外形を測定することができる。

この軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は、軌道周辺支障物測定車１や鉄道車両などに搭載され、レーザ光発生装置１０１から線状の検出光を外周周辺に射出しながら走行し、受光装置１０２の受光範囲（視野範囲／検出範囲）、すなわち図２に示す車両限界３付近と建築限界４付近との範囲内に物体がある場合には、射出光がこれらの物体（建築物や支障物）に照射するので、受光装置１０２はその時の反射光（光切断線）を受光して撮像する。このとき、受光装置１０２の撮影画像に背景が映っていると、それが検出物体と区別がつかないため、受光装置１０２の手前に干渉フィルタを配置して投光光の波長以外の光を受光しないようにして、背景の画像を撮影画像から除去している。

通常、干渉フィルタは平面板で構成されているので、受光装置１０２の受光軸に対して入射光が所定の角度を持って入射する。このように斜入射光に対しては干渉フィルタの透過特性が短波長側へ移動することが知られている。図３は、平面板で構成された干渉フィルタに受光光線が所定の角度をもって入射した場合における透過帯域の移動状態を示す図である。例えば、透過中心波長が１４８５［ｎｍ］、半値幅２１［ｎｍ］の特性を有する平面フィルタに、投光光が入射角０°で入射した場合の透過特性は、実線曲線５１のようになる。一方、投光光が入射角約１４°で入射した場合の透過特性は、点線曲線５３のようになる。

図３に示す曲線５１，５３のように、透過帯の移動量は、入射角により変化することが理解できる。図２に示す軌道周辺支障物検出装置の場合、投光光が平面フィルタに垂直に入射した場合の実際の受光強度が「３６３５」の時、図２に示すように測定範囲最近傍となる車両限界３付近から平面フィルタに斜入射した場合の実際の受光強度は「６８０」となり、測定範囲最遠方となる建築限界４付近から平面フィルタに斜入射した場合の実際の受光強度は「９１５」であった。すなわち、投光光が平面フィルタに斜入射した時の受光量は垂直に入射した場合の１９〜２５％以下になることが理解できる。そのため干渉フィルタの製作時に透過帯の移動分を含んだ拡大透過帯域の干渉フィルタを製作することになるが、透過帯域を拡大している分だけ外光も受光するため信号光対外光比が小さくなる。また、透過帯からは外光も入射してくることを示しており、投光波長以外の帯域はできるだけ狭い方が良い。

そこで、この実施の形態では、干渉フィルタの一部又は全部を球面形状にして斜入射光が生じないような形状にした。図４は、軌道周辺支障物検出装置の受光装置に取り付けられるレンズと干渉フィルタの詳細構成示す図であり、図４（Ａ）はその分解図を示し、図４（Ｂ）はレンズと干渉フィルタとを組み合わせた完成状態を示す図である。受光レンズ６２は、受光装置であるカメラシステム６１の受光部に取り付けられている。受光レンズ６２の先端部には凹部に球面干渉フィルタ６４を収納可能なフィルタホルダ６３が取り付けられている。フィルタホルダ６３の凹部に収納された球面干渉フィルタ６４は、フィルタホルダ６３の内周面に沿って球面干渉フィルタ６４を保持するフィルタホルダ補助部材６５によってフィルタホルダ６３の凹部内に固定されている。球面干渉フィルタ６４の球面中心と受光レンズ６２の第一主点とは互いに一致するように構成されている。これによって、受光レンズ６２に取り付けられた球面干渉フィルタ６４には斜入射光が生じないこととなり、図３に示すような透過帯の移動を抑えることができる。また、球面干渉フィルタの透過帯域幅を投光波長幅と等しくすることによって、外光として受光される波長がレーザ光の波長と等しい波長だけとなるので、信号光対外光比を大きくすることができる。さらに、受光角度はレンズの視野角により決まり、この実施例では測定範囲端では約±１４°とすることができ、全測定範囲において垂直入射と等しい受光量を得ることができるようになる。

上述の実施の形態では、図１に示すように車両の周囲を隙間なく検査するために、軌道周辺支障物検出装置１０〜３０を軌道周辺支障物測定車１の断面外周に沿って配置した場合を示した。このように軌道周辺支障物検出装置１０〜３０は一断面に配置することが理想ではあるが、軌道周辺支障物測定車１の車体の肩部や床下は配置が密になったり車体フレームが邪魔になることがあるため、一断面に配置できない場合もある。
また、上述の実施形態では鉄道軌道周辺の支障物を検出して距離測定する装置に適用する場合について説明したが、これに限らず、屋外等外光の下で限定波長の光を選択的に受光する場合は、極力外光受光を少なくするため干渉フィルタの透過帯域を狭くしたい。±５°以上の視野から、干渉フィルタを通して受光する場合にはフィルタの透過特性の変化を抑えるために、球面形状の干渉フィルタを用いることは有効であるから、被検出物に検出光を照射してその検出光を抽出することにより被検出物を検出するシステムには全て適用できる。
上述の実施の形態では、受光球面として全体が半球面状の干渉フィルタを例に説明したが、入射角に対応した部分のみが球面となっている干渉フィルタを構成してもよい。例えば、図４に示すように、横から見た全体形状がフィルタホルダ６３と球面干渉フィルタ６４を結合したような形とし、フィルタホルダ６３から突出した部分のみを球面干渉フィルタとしても良い。

１…軌道周辺支障物測定車、
１０〜３０…軌道周辺支障物検出装置、
１０１…レーザ光発生装置、
１０２…受光装置、
１０５…レーザ光、
３…車両限界、
３ａ，３ｂ…建築物（支障物）
４…建築限界、
６１…カメラシステム、
６２…受光レンズ、
６３…フィルタホルダ、
６４…球面干渉フィルタ、
６５…フィルタホルダ補助部材

Claims (4)

1. 検出用の線状光を照射する投光手段と、
   前記線状光の照射によって被検出物から反射する反射光を受光する検出手段と、
   前記検出手段の受光レンズの前面に被せて前記線状光の波長を選択的に透過させるための干渉フィルタであって、球面の一部を切り取った形状の受光球面上に形成された干渉フィルタ手段と
   を備えたことを特徴とする距離測定装置。
2. 請求項１に記載の距離測定装置において、前記検出手段の前記受光レンズの第一主点と前記干渉フィルタ手段の受光面を形成する前記球面の中心とが一致するように構成したことを特徴とする距離測定装置。
3. 軌道周辺の支障物を検出してその距離を測定する軌道周辺支障物検出装置において、
   移動する車両の左右側面及び上面を含む外周面に線状光を照射し、隣り合う線状光同士で間断のない線状光となるように前記車両上に配置された複数の投光手段群と、
   前記投光手段群のそれぞれに対応して設けられ、前記線状光の照射によって被検出物から反射する反射光を受光する検出手段群と、
   前記検出手段の受光レンズの前面に被せて前記線状光の波長を選択的に透過させるための干渉フィルタであって、球面の一部を切り取った形状の受光球面上に形成された干渉フィルタ手段と
   を備えたことを特徴とする軌道周辺支障物検出装置。
4. 請求項３に記載の軌道周辺支障物検出装置において、前記検出手段の前記受光レンズの第一主点と前記干渉フィルタ手段の受光面を形成する前記球面の中心とが一致するように構成したことを特徴とする軌道周辺支障物検出装置。

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