JP2014224765A - レーザ測長装置及び測長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に構造物まで距離を測定することができるレーザ測長装置及び測長方法を得ることを目的とする。【解決手段】サーボ回路１１が、ＲＦパワーディテクタ１０により検出された受信信号の信号レベルと所定の閾値を比較し、その信号レベルが閾値より低い場合、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を調整する。これにより、高精度に構造物７まで距離Ｌを測定することができる。【選択図】図１

Description

この発明は、被計測物までの距離を測定するレーザ測長装置及び測長方法に関するものである。

被計測物である構造物の変位を高精度に直接測定する方法として、レーザ測長装置が構造物までの距離を測定し、その距離と以前に測定した距離とを比較することで、構造物の変位を算出する方法がある。
レーザ測長装置における構造物までの距離の測定は、次のように行われる（例えば、特許文献１を参照）。
まず、ミラーやレトロリフレクタなどのプリズムを構造物に取り付けてから、レーザ測長装置がレーザ光を上記構造物に向けて放射し、その構造物のプリズムに反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信する。
次に、レーザ測長装置は、放射レーザ光と受信レーザ光の位相差φを検出し、下記の式（１）に示すように、その位相差φを用いて、構造物までの距離Ｌを算出する。

式（１）において、λはレーザ光の波長である。

特開２０００−２８７２２号公報（段落番号［０００２］）

従来のレーザ測長装置は以上のように構成されているので、構造物の傾きや横ずれなどが原因で、構造物に取り付けているプリズムにおけるレーザ光の光軸に軸ずれが生じている状況下では、その構造物のプリズムに反射されて戻ってきたレーザ光の信号レベルが低下する。その結果、レーザ光の位相差の検出精度が劣化して、構造物までの距離Ｌの算出精度が劣化してしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高精度に被計測物まで距離を測定することができるレーザ測長装置及び測長方法を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザ測長装置は、レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、レーザ光発振手段により発振されたレーザ光を空間に放射し、被計測物に取り付けられているプリズムに反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信するレーザ光送受信手段と、レーザ光発振手段により発振されたレーザ光とレーザ光送受信手段により受信されたレーザ光との位相差を検出し、その位相差を用いて被計測物までの距離を算出する距離算出手段とを設け、光軸調整手段が、レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光の信号レベルが所定の閾値より低い場合、レーザ光送受信手段から放射されるレーザ光の光軸を調整するようにしたものである。

この発明によれば、光軸調整手段が、レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光の信号レベルが所定の閾値より低い場合、レーザ光送受信手段から放射されるレーザ光の光軸を調整するように構成したので、高精度に被計測物まで距離を測定することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザ測長装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザ測長装置の処理内容（測長方法）を示すフローチャートである。 コリメータ５の開口とレトロリフレクタ６の反射光との関係を示す説明図である。 サーボ回路１１による光軸の調整状況（初期補足時）を示す説明図である。 サーボ回路１１による光軸の調整状況（調整モード時）を示す説明図である。 サーボ回路１１による光軸の調整処理（調整モード）と位相比較器９による距離算出処理（測定モード）の関係を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２によるレーザ測長装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ測長装置の処理内容（測長方法）を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ測長装置を示す構成図である。
図１において、基準光源１は基準光であるレーザ光を発振する光源である。
ＲＦ発振器２は周波数ｆのＲＦ信号を出力する発振器である。
強度変調器３は基準光源１から発振されたレーザ光に対して、ＲＦ発振器２から出力された周波数ｆのＲＦ信号を印加することで周波数ｆの強度変調を実施し、強度変調後のレーザ光を出力する処理を実施する。
なお、基準光源１、ＲＦ発振器２及び強度変調器３からレーザ光発振手段が構成されている。

光サーキュレータ４は強度変調器３から出力されたレーザ光をコリメータ５に出力する一方、コリメータ５により受信されたレーザ光を光検出器８に出力する処理を実施する。
コリメータ５はＸＹ軸制御機構１２の上に設置されており、光サーキュレータ４から出力されたレーザ光を空間に放射し、被計測物である構造物７に取り付けられているレトロリフレクタ６に反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信する処理を実施する。
レトロリフレクタ６は構造物７に取り付けられており、中心に光を入射すると、その入射光と同軸に光を反射するプリズムである。

光検出器８は光サーキュレータ４から出力されたレーザ光（コリメータ５により受信されたレーザ光）を電気信号（ＲＦ信号）に変換し、その電気信号である受信信号を出力する処理を実施する。
なお、光サーキュレータ４、コリメータ５及び光検出器８からレーザ光送受信手段が構成されている。

位相比較器９はＲＦ発振器２から出力された周波数ｆのＲＦ信号と光検出器８から出力された受信信号との位相差φを検出し、その位相差φを用いて、構造物７までの距離Ｌ_ｎｅｗを算出する処理を実施する。
また、位相比較器９は過去に算出した距離Ｌ_ｏｌｄを記憶しており、今回算出した距離Ｌ_ｎｅｗと過去に算出した距離Ｌ_ｏｌｄを比較することで、構造物７の変化量ΔＬ（＝Ｌ_ｎｅｗ−Ｌ_ｏｌｄ）を算出する処理を実施する。
なお、位相比較器９は距離算出手段を構成している。

ＲＦパワーディテクタ１０は光検出器８から出力された受信信号の信号レベルを検出する処理を実施する。
サーボ回路１１はＲＦパワーディテクタ１０により検出された受信信号の信号レベルと所定の閾値を比較し、その信号レベルが閾値より低い場合、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を調整する処理を実施する。
ＸＹ軸制御機構１２はサーボ回路１１の制御の下、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動が可能なステージである。
なお、ＲＦパワーディテクタ１０、サーボ回路１１及びＸＹ軸制御機構１２から光軸調整手段が構成されている。

次に動作について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１によるレーザ測長装置の処理内容（測長方法）を示すフローチャートである。
まず、サーボ回路１１は、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸の位置を初期設定することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を初期設定する（ステップＳＴ１，ＳＴ２）。

サーボ回路１１による光軸の初期設定が完了すると、基準光源１が基準光であるレーザ光を発振し、ＲＦ発振器２が周波数ｆのＲＦ信号を強度変調器３及び位相比較器９に出力する。
強度変調器３は、基準光源１から発振されたレーザ光に対して、ＲＦ発振器２から出力された周波数ｆのＲＦ信号を印加することで周波数ｆの強度変調を実施し、強度変調後のレーザ光を光サーキュレータ４に出力する。

光サーキュレータ４は、強度変調器３からレーザ光を受けると、そのレーザ光をコリメータ５に出力する。
コリメータ５は、光サーキュレータ４からレーザ光を受けると、そのレーザ光（平行光）を空間に放射する。
コリメータ５から放射されたレーザ光は、構造物７に取り付けられているレトロリフレクタ６に反射されてコリメータ５に戻り、コリメータ５によって受信される（ステップＳＴ３）。

ここで、図３はコリメータ５の開口とレトロリフレクタ６の反射光との関係を示す説明図である。
構造物７に傾きなどが生じておらず、レトロリフレクタ６の中心とレーザ光（平行光）の中心にずれ（光軸のずれ）が生じていなければ（図３（ａ）を参照）、コリメータ５の開口でレーザ光のけられは発生せず、そのレーザ光の受信信号の信号レベルは高い値になる。
一方、構造物７に傾きなどが生じて、レトロリフレクタ６の中心とレーザ光（平行光）の中心にずれ（光軸のずれ）が生じていると（図３（ｂ）を参照）、コリメータ５の開口でレーザ光のけられが発生して、そのレーザ光の受信信号の信号レベルは低い値になる。

光サーキュレータ４は、コリメータ５により受信されたレーザ光を光検出器８に出力する。
光検出器８は、光サーキュレータ４からレーザ光（コリメータ５により受信されたレーザ光）を受けると、そのレーザ光を電気信号（ＲＦ信号）に変換し、その電気信号である受信信号を位相比較器９及びＲＦパワーディテクタ１０に出力する。

ＲＦパワーディテクタ１０は、光検出器８から受信信号を受けると、その受信信号の信号レベルを検出する（ステップＳＴ４）。
サーボ回路１１は、ＲＦパワーディテクタ１０が受信信号の信号レベルを検出すると、その受信信号の信号レベルと所定の閾値を比較する（ステップＳＴ５）。
サーボ回路１１は、その受信信号の信号レベルが閾値以上であれば、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を調整する必要がないため、光軸の調整処理を実施しない。
一方、その受信信号の信号レベルが閾値より低い場合、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を調整する。

以下、サーボ回路１１による光軸の調整処理を具体的に説明する。
図４はサーボ回路１１による光軸の調整状況（初期補足時）を示す説明図であり、図５はサーボ回路１１による光軸の調整状況（調整モード時）を示す説明図である。
図６はサーボ回路１１による光軸の調整処理（調整モード）と位相比較器９による距離算出処理（測定モード）の関係を示すフローチャートである。
図６は、サーボ回路１１による光軸の調整処理（調整モード）が完了して、一旦、位相比較器９による距離算出処理（測定モード）に移行しても、受信信号の信号レベルが閾値より低くなると、再び、サーボ回路１１による光軸の調整処理（調整モード）に戻ることを表している。

サーボ回路１１は、初期補足時において、図４（ａ）に示すように、受信信号の信号レベルが閾値より低い場合（ステップＳＴ５）、図４（ｂ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸を掃引して（ステップＳＴ６）、受信信号の信号レベルが最大になるＸ軸の位置を特定する（ステップＳＴ７）。
調整モード時において、受信信号の信号レベルが閾値より低い場合（図５（ａ）を参照）、図５（ｂ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸を連続的に変化させて、受信信号の信号レベルが最大になるＸ軸の位置を特定する。
サーボ回路１１は、受信信号の信号レベルが最大になるＸ軸の位置を特定すると、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸の位置が、上述した信号レベルが最大になるＸ軸の位置になるように再調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸のＸ軸を再調整する（ステップＳＴ８）。

サーボ回路１１がＸＹ軸制御機構１２のＸ軸の位置を再調整すると、上記と同様に、コリメータ５がレーザ光を放射して、構造物７のレトロリフレクタ６に反射されて戻ってきたレーザ光を受信する（ステップＳＴ９）。
光サーキュレータ４は、コリメータ５により受信されたレーザ光を光検出器８に出力し、光検出器８は、光サーキュレータ４から出力されたレーザ光を電気信号に変換し、その電気信号である受信信号を位相比較器９及びＲＦパワーディテクタ１０に出力する。
ＲＦパワーディテクタ１０は、光検出器８から受信信号を受けると、その受信信号の信号レベルを検出する（ステップＳＴ１０）。

サーボ回路１１は、ＲＦパワーディテクタ１０が受信信号の信号レベルを検出すると、その受信信号の信号レベルと所定の閾値を比較する（ステップＳＴ１１）。
サーボ回路１１は、その受信信号の信号レベルが閾値以上であれば、光軸の調整処理を完了する。
一方、初期補足時において、その受信信号の信号レベルが閾値より低い場合、図４（ｄ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＹ軸を掃引して（ステップＳＴ１２）、受信信号の信号レベルが最大になるＹ軸の位置を特定する（ステップＳＴ１３）。
調整モード時において、受信信号の信号レベルが閾値より低い場合、図５（ｄ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＹ軸を連続的に変化させて、受信信号の信号レベルが最大になるＸ軸の位置を特定する。
サーボ回路１１は、受信信号の信号レベルが最大になるＹ軸の位置を特定すると、図４（ｅ）及び図５（ｅ）に示すように、ＸＹ軸制御機構１２のＹ軸の位置が、上述した信号レベルが最大になるＹ軸の位置になるように再調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸のＹ軸を再調整する（ステップＳＴ１４）。
以下、受信信号の信号レベルが閾値以上になるまで、ステップＳＴ３〜ＳＴ１４の処理を繰り返し実施する。

位相比較器９は、サーボ回路１１による光軸の調整処理が完了して測定モードに移行した後、光検出器８から受信信号を受けると、その受信信号とＲＦ発振器２から出力された周波数ｆのＲＦ信号との位相差φを検出する。なお、その受信信号とＲＦ信号の位相差φを検出することは、放射レーザ光と受信レーザ光の位相差を検出することと等価である。
位相比較器９は、位相差φを検出すると、その位相差φを上記の式（１）に代入することで、構造物７までの距離Ｌを算出する。
また、位相比較器９は、過去に算出した距離Ｌ_ｏｌｄを記憶しており、今回算出した距離ＬをＬ_ｎｅｗとして、下記の式（２）に示すように、構造物７の変化量ΔＬを算出する。
ΔＬ＝Ｌ_ｎｅｗ−Ｌ_ｏｌｄ （２）

なお、レーザ測長装置における測定範囲Ｍは、強度変調の周波数ｆを用いて表すことができる。

式（３）において、ｃは光速である。
また、レーザ測長装置における距離Ｌの測定精度は、受信信号の信号雑音比（ＳＮＲ）を用いて算出することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、サーボ回路１１が、ＲＦパワーディテクタ１０により検出された受信信号の信号レベルと所定の閾値を比較し、その信号レベルが閾値より低い場合、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を調整することで、コリメータ５から放射されるレーザ光の光軸を調整するように構成したので、高精度に構造物７まで距離Ｌを測定することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、強度変調器３が、基準光源１から発振されたレーザ光に対して、ＲＦ発振器２から出力された周波数ｆのＲＦ信号を印加することで周波数ｆの強度変調を実施する強度変調方式を用いる例を示したが、レーザ光の変調方式は強度変調方式に限るものではなく、例えば、光ヘテロダイン方式や２波長ヘテロダイン方式を用いるようにしてもよい。
また、レトロリフレクタ６が構造物７に取り付けられている例を示したが、トロリフレクタの代わりに、コーナーキューブミラーなどが構造物７に取り付けられていてもよい。
また、調整モード時では、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を連続的に変化させるものを示したが、ＸＹ軸制御機構１２のＸ軸及びＹ軸を断続的に変化させるようにしてもよい。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２によるレーザ測長装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
レトロリフレクタ６ａ，６ｂ，６ｃは構造物７に取り付けられており、中心に光を入射すると、その入射光と同軸に光を反射するプリズムである。
指向角度制御機構２１は、例えばアダプティブミラー対などの光アンテナに実装されており、指向角度制御回路２２の制御の下、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度を切り換えることが可能な機構である。
指向角度制御回路２２は指向角度制御機構２１の角度を制御して、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度を、順番に、レトロリフレクタ６ａ，６ｂ，６ｃに対応する角度に切り換える処理を実施する。
なお、指向角度制御機構２１及び指向角度制御回路２２から指向角度制御手段が構成されている。

上記実施の形態１では、１つのレトロリフレクタ６が構造物７に取り付けられている例を示したが、巨大な構造物７の場合、複数のレトロリフレクタ６ａ，６ｂ，６ｃが構造物７に取り付けられ、構造物７の複数箇所の変位を測定する必要があることがある。
このような場合、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度を順番に切り換えて、複数箇所の変位を順番に測定するようにする。
図８はこの発明の実施の形態２によるレーザ測長装置の処理内容（測長方法）を示すフローチャートである。

まず、指向角度制御回路２２は、指向角度制御機構２１の角度を制御して、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度をレトロリフレクタ６ａに対応する角度に設定する（ステップＳＴ２１）。
コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度がレトロリフレクタ６ａに対応する角度に設定されている状態で、上記実施の形態１と同様に、光軸の調整処理を実施したのち（ステップＳＴ２２）、位相比較器９が、上記実施の形態１と同様の方法で、構造物７のレトロリフレクタ６ａまでの距離Ｌや変化量ΔＬを算出する（ステップＳＴ２３）。

次に、指向角度制御回路２２は、指向角度制御機構２１の角度を制御して（ステップＳＴ２５）、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度をレトロリフレクタ６ｂに対応する角度に設定する（ステップＳＴ２１）。
コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度がレトロリフレクタ６ｂに対応する角度に設定されている状態で、上記実施の形態１と同様に、光軸の調整処理を実施したのち（ステップＳＴ２２）、位相比較器９が、上記実施の形態１と同様の方法で、構造物７のレトロリフレクタ６ｂまでの距離Ｌや変化量ΔＬを算出する（ステップＳＴ２３）。

次に、指向角度制御回路２２は、指向角度制御機構２１の角度を制御して（ステップＳＴ２５）、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度をレトロリフレクタ６ｃに対応する角度に設定する（ステップＳＴ２１）。
コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度がレトロリフレクタ６ｃに対応する角度に設定されている状態で、上記実施の形態１と同様に、光軸の調整処理を実施したのち（ステップＳＴ２２）、位相比較器９が、上記実施の形態１と同様の方法で、構造物７のレトロリフレクタ６ｃまでの距離Ｌや変化量ΔＬを算出する（ステップＳＴ２３）。
以下、測定処理を終了するまで（ステップＳＴ２４）、ステップＳＴ２１〜ＳＴ２５の処理を繰り返し実施する。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、指向角度制御回路２２が、指向角度制御機構２１の角度を制御して、コリメータ５から放射されるレーザ光の指向角度を、順番に、レトロリフレクタ６ａ，６ｂ，６ｃに対応する角度に切り換えるように構成したので、構造物７の複数の箇所までの距離や変位を測定することができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 基準光源（レーザ光発振手段）、２ ＲＦ発振器（レーザ光発振手段）、３ 強度変調器（レーザ光発振手段）、４ 光サーキュレータ（レーザ光送受信手段）、５ コリメータ（レーザ光送受信手段）、６，６ａ，６ｂ，６ｃ レトロリフレクタ、７ 構造物（被計測物）、８ 光検出器（レーザ光送受信手段）、９ 位相比較器（距離算出手段）、１０ ＲＦパワーディテクタ（光軸調整手段）、１１ サーボ回路（光軸調整手段）、１２ ＸＹ軸制御機構（光軸調整手段）、２１ 指向角度制御機構（指向角度制御手段）、２２ 指向角度制御回路（指向角度制御手段）。

Claims (3)

1. レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、
   上記レーザ光発振手段により発振されたレーザ光を空間に放射し、被計測物に取り付けられているプリズムに反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信するレーザ光送受信手段と、
   上記レーザ光発振手段により発振されたレーザ光と上記レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光との位相差を検出し、上記位相差を用いて上記被計測物までの距離を算出する距離算出手段と、
   上記レーザ光送受信手段により受信されたレーザ光の信号レベルが所定の閾値より低い場合、上記レーザ光送受信手段から放射されるレーザ光の光軸を調整する光軸調整手段と
   を備えたレーザ測長装置。
2. 被計測物の複数の箇所にプリズムが取り付けられている場合、レーザ光送受信手段から放射されるレーザ光の指向角度を各々のプリズムに対応する角度に切り換える指向角度制御手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ測長装置。
3. レーザ光を発振するレーザ光発振処理ステップと、
   上記レーザ光発振処理ステップで発振されたレーザ光を空間に放射し、被計測物に取り付けられているプリズムに反射されて戻ってきた上記レーザ光を受信するレーザ光送受信処理ステップと、
   上記レーザ光発振処理ステップで発振されたレーザ光と上記レーザ光送受信処理ステップで受信されたレーザ光との位相差を検出し、上記位相差を用いて上記被計測物までの距離を算出する距離算出処理ステップと、
   上記レーザ光送受信処理ステップで受信されたレーザ光の信号レベルが所定の閾値より低い場合、上記レーザ光送受信処理ステップで放射されるレーザ光の光軸を調整する光軸調整処理ステップと
   を備えた測長方法。

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