JP2016048237A - レーザ測量装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】測定対象物に照射されるパルス測距光のピーク出力を変更可能とするレーザ測量装置を提供する。【解決手段】パルス測距光２８を照射する発光部６と、反射パルス測距光を受光する受光部と、発光部を制御すると共に受光部からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを具備し、発光部は励起レーザ光２２を発光する発光源１７と、励起レーザ光のスポット径を変更するスポット径変更手段２０と、スポット径変更手段を介して入射される励起レーザ光をパルス測距光として照射する光共振部２１とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して測距を行うレーザ測量装置に関するものである。
従来より、レーザ光線をパルス状に測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光素子により受光し、パルス毎に測距を行うレーザ測量装置がある。
通常、パルス測距光により測距を行う場合、測定対象物で反射された反射パルス測距光を受光した後、次のパルス測距光を照射して測距を行うＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により測距が行われる。
ＴＯＦ方式により、橋やダム等、遠くにある測定対象物の測距を行う場合には、測定可能な強度を持った反射パルス測距光が受光できる様、ピーク出力の高いパルス測距光を照射し、測距を行うのが望ましい。逆に、室内等、近くにある測定対象物の測距を行う場合には、高密度に測定できる様、繰返し周波数の高いパルス測距光を照射し、測距を行うのが望ましい。この場合にはピーク出力の高いパルス測距光は必要としない。
上記した様に、ＴＯＦ方式による測距では、測定対象物迄の距離に応じて求められるパルス測距光のピーク出力が異なる。然し乍ら、従来のＱスイッチレーザ光源を用いたレーザ測量装置では、測定対象物に対して照射されるパルス測距光のピーク出力は固定であり、近くの測定対象物の測距を行う場合と、遠くの測定対象物の測距を行う場合とで、異なるレーザ測量装置を用いる必要があった。
特開２０１０−１６９５２５号公報
本発明は、測定対象物に照射されるパルス測距光のピーク出力を変更可能とするレーザ測量装置を提供するものである。
本発明は、パルス測距光を照射する発光部と、反射パルス測距光を受光する受光部と、前記発光部を制御すると共に前記受光部からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを具備し、前記発光部は励起レーザ光を発光する発光源と、前記励起レーザ光のスポット径を変更するスポット径変更手段と、該スポット径変更手段を介して入射される前記励起レーザ光を前記パルス測距光として照射する光共振部とを有するレーザ測量装置に係るものである。
又本発明は、前記スポット径変更手段は液体レンズを有し、前記スポット径変更手段は前記液体レンズに印加する電圧の変化により前記液体レンズの焦点距離を変更し、前記光共振部に入射される前記励起レーザ光の励起スポット径を変更するレーザ測量装置に係るものである。
又本発明は、前記液体レンズが周方向に分割された複数の電極を有し、前記スポット径変更手段は各電極毎に電圧を印加し、前記励起レーザ光の集光方向を変更するレーザ測量装置に係るものである。
更に又本発明は、前記制御演算部は、前記励起レーザ光のスポット径が小の時に低ピーク出力でパルス発光周波数を増大させ、前記励起レーザ光のスポット径が大の時に高ピーク出力でパルス発光周波数を減少させるレーザ測量装置に係るものである。
本発明によれば、パルス測距光を照射する発光部と、反射パルス測距光を受光する受光部と、前記発光部を制御すると共に前記受光部からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを具備し、前記発光部は励起レーザ光を発光する発光源と、前記励起レーザ光のスポット径を変更するスポット径変更手段と、該スポット径変更手段を介して入射される前記励起レーザ光を前記パルス測距光として照射する光共振部とを有するので、前記発光部より発光される前記パルス測距光のピーク出力を変更することができ、低ピーク高繰返しの前記パルス測距光が求められる近距離での測距、高ピーク低繰返しの前記パルス測距光が求められる遠距離での測距を共に行うことができる。
又本発明によれば、前記スポット径変更手段は液体レンズを有し、前記スポット径変更手段は前記液体レンズに印加する電圧の変化により前記液体レンズの焦点距離を変更し、前記光共振部に入射される前記励起レーザ光の励起スポット径を変更するので、レンズを駆動する為のモータ等を必要とせず、装置の小型化が図れると共に、消費電力の低減を図ることができる。
又本発明によれば、前記液体レンズが周方向に分割された複数の電極を有し、前記スポット径変更手段は各電極毎に電圧を印加し、前記励起レーザ光の集光方向を変更するので、前記光共振部に入射される前記励起レーザ光の入射位置を調整することができ、最適な励起状態が実現できる。
更に又本発明によれば、前記制御演算部は、前記励起レーザ光のスポット径が小の時に低ピーク出力でパルス発光周波数を増大させ、前記励起レーザ光のスポット径が大の時に高ピーク出力でパルス発光周波数を減少させるので、測定対象物迄の距離に応じて最適な測距ができるという優れた効果を発揮する。
本発明の実施例に係るレーザ測量装置を示す概略構成図である。 該レーザ測量装置の発光部を示す概略側面図である。 （Ａ）は発光部に用いられる液体レンズに印加する電圧が低い場合を示す概略側面図であり、（Ｂ）は該液体レンズに印加する電圧が高い場合を示す概略側面図である。 （Ａ）は本発明の実施例に係るレーザ測量装置により近距離にある測定対象物を測距する場合を示す説明図であり、（Ｂ）は前記レーザ測量装置により遠距離にある測定対象物を測距する場合を示す説明図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず、図１に於いて、本発明が実施されるレーザ測量装置の一例を説明する。尚、本実施例に係るレーザ測量装置は、レーザ光線の光パルスを照射し、光パルス毎に測距を行うレーザ測量装置である。
図１中、１はレーザ測量装置、２は測定対象物（ターゲット）、例えばプリズムを示している。
前記レーザ測量装置１は、制御演算部３、記憶部４、発光回路５、光源である発光部６、受光回路７、受光部である受光素子８、表示部９を有する。
前記記憶部４は、データ格納領域と、プログラム格納領域とを有する。前記データ格納領域には測距データ、後述する液体レンズの電圧と該液体レンズの曲率とを関連付けたデータ等のデータが格納される。前記プログラム格納領域には、前記レーザ測量装置１の測距を実行する為のシーケンスプログラム、前記受光回路７からの受光結果を基に距離を演算する距離演算プログラム、照射される光パルスのピーク出力を変更する為のピーク出力変更プログラム等のプログラムが格納されている。
前記発光部６はレーザ光線をパルス発光する光源であり、前記発光回路５により駆動される。発光された光パルスは、パルス測距光として測距光路（以下外部光路と称す）１０を介して前記測定対象物２に照射され、該測定対象物２で反射された反射光は、前記外部光路１０を介して前記受光素子８で受光される。又、前記レーザ測量装置１は内部参照光路（以下内部光路と称す）１１を有し、該内部光路１１は前記発光部６で発光されたパルス測距光の一部を内部参照光として前記受光素子８に導く様になっている。
前記外部光路１０はハーフミラー１２によって分岐され、前記パルス測距光の一部が内部参照光として前記ハーフミラー１２によって分割され、前記パルス測距光の一部が前記内部光路１１に導かれる様になっている。
前記外部光路１０の復路、前記内部光路１１にはそれぞれ、外部光量調整手段１３、内部光量調整手段１４が設けられ、前記外部光量調整手段１３、前記内部光量調整手段１４は独立して作動可能となっている。前記外部光量調整手段１３、前記内部光量調整手段１４によって、前記外部光路１０を経て入射する反射パルス測距光の光量と、前記内部光路１１を経て入射する内部参照光の光量が略同一となる様に光量調整される。
前記外部光量調整手段１３、前記内部光量調整手段１４は、例えば絞りであり、漸次開口径が小さく、或は漸次開口径が大きくなる絞り孔が同一円周上に穿設された円板である。該円板をモータ等のアクチュエータにより回転することで前記受光素子８に入射する光量を漸次増大、又は漸次減少させることができる。又、前記外部光量調整手段１３、前記内部光量調整手段１４は濃度フィルタであり、同一円周上に円周方向に沿って光透過率を漸次減少、又は漸次増大させたものとしてもよい。
前記制御演算部３は、前記発光回路５を介して前記発光部６の発光状態、例えば発光強度、パルス発光周波数を制御し、又前記外部光量調整手段１３による光量調整及び前記内部光量調整手段１４による光量調整を制御する。又、前記制御演算部３は後述するスポット径変更手段２０を制御し、励起レーザ光のスポット径の大きさを制御する。
前記レーザ測量装置１で測距を行う場合は、前記発光回路５を駆動してパルス測距光を射出し、前記外部光路１０を介して前記測定対象物２に照射し、前記測定対象物２からの反射光を前記受光素子８で受光する。該受光素子８からの受光信号を、前記受光回路７で信号処理する等し、前記記憶部４に記憶する。
又、前記内部光路１１を介して内部参照光を所定時間前記受光素子８で受光し、受光信号は前記受光回路７で所要の信号処理をされ前記記憶部４に記憶される。前記制御演算部３は、前記受光素子８で反射パルス測距光を受光した時間と、前記受光素子８で内部参照光を受光した時間との時間差を演算し、前記制御演算部３は時間差と光速によって前記測定対象物２迄の距離を演算する。
尚、測距に於いて、高精度が要求されない場合は、前記内部光路１１を遮断し、或は内部参照光を省略し、反射パルス測距光のみで測距してもよい。
又、距離演算に於いて、前記内部光路１１の内部光路長は既知であるので、演算の過程で該内部光路長を引くことで正確な測距ができると共に前記発光回路５、前記受光回路７が持つ回路上の誤差が相殺される。
次に、図２に於いて、前記発光部６の詳細について説明する。
該発光部６は筐体１５を有し、該筐体１５内に、発光源１７と、第１集光レンズ１８と、第２集光レンズである液体レンズ１９と、光共振部２１とが設けられている。図２中、１６は前記筐体１５の一部であるレーザ出力鏡を示している。又、前記第１集光レンズ１８と前記液体レンズ１９とは、前記スポット径変更手段２０を構成している。
前記発光源１７は、例えばレーザダイオードであり、波長８０８ｎｍの励起レーザ光２２を発光する様になっている。前記第１集光レンズ１８及び前記液体レンズ１９は、前記励起レーザ光２２を集光し、所定の励起スポット径で該励起レーザ光２２を前記光共振部２１に入射する。
又、前記光共振部２１は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶等のレーザ結晶２３、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶等の可飽和吸収体２４、及び入射面に設けられた第１共振部ミラー２５、照射面に設けられた第２共振部ミラー２６とから構成されている。前記液体レンズ１９より前記光共振部２１に入射された前記励起レーザ光２２は、前記レーザ結晶２３に吸収され波長１０６４ｎｍの近赤外光を発光する。近赤外光は前記可飽和吸収体２４及び前記光共振部２１によってＱスイッチパルス動作で発振し、前記レーザ出力鏡１６を介して、所定のピーク出力を有する波長１０６４ｎｍのパルス測距光２８が出射される様になっている。
ここで、該パルス測距光２８のピーク出力Ｐは、以下の式で表すことができる。
Ｐ＝（ｈνＡｌ′／ｔｒ）ｌｎ（１／Ｒ）φｍａｘ′
上記式に於いて、ｈはプランク定数、νは振動数、Ａは前記光共振部２１に入射された前記励起レーザ光２２の励起スポット径、ｌ′は前記光共振部２１の長さ、ｔｒは共振器のラウンドトリップタイム、Ｒは前記第１共振部ミラー２５と前記第２共振部ミラー２６の反射率の積、φｍａｘ′は前記光共振部２１で溜められる光子の数を示している。従って、前記パルス測距光２８のピーク出力は、入射される前記励起レーザ光２２の励起スポット径に比例する。
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に於いて、前記液体レンズ１９について説明する。
該液体レンズ１９は液体レンズ要素が内部に封止される構造となっており、中心部には前記励起レーザ光２２が透過する窓部２９が形成されている。該窓部２９の前後両面は透明な樹脂等からなる封止板３１，３１により内部が液密に封止されている。前記窓部２９内には液体レンズ要素として伝導性の水溶液３２と非伝導性の油３３が封入され、前記水溶液３２と前記油３３との境界面によりレンズ部３４が形成されている。
又、前記液体レンズ１９は、前記窓部２９を画成する環状のレンズ枠体３５を有する。該レンズ枠体３５の前記励起レーザ光２２入射側には漸次拡径する斜面３６が形成されている。前記レンズ枠体３５は第１電極となっている。又、該レンズ枠体３５と照射面側の前記封止板３１との間に、外縁に沿ってリング状の絶縁体３７及び第２電極３８が設けられ、前記レンズ枠体３５と前記第２電極３８とは電気的に絶縁されている。
前記第２電極３８は、電圧調整器３９を介して焦点調整用電源４１の−極に接続され、前記レンズ枠体３５は前記焦点調整用電源４１の＋極に接続される。前記レンズ枠体３５に電圧を印加すると、前記斜面３６に接触しようとする力が前記水溶液３２に働く。その結果、前記油３３の中央部が照射面側に押出され、前記レンズ部３４の曲率が変化する。更に、印加する電圧は、前記制御演算部３からの制御信号に従って前記電圧調整器３９によって調整され、電圧を調整することで前記レンズ部３４の曲率を変化させることが可能となっている。
図３（Ａ）は、前記レンズ枠体３５に４５Ｖの電圧を印加した状態を示しており、図３（Ｂ）は、前記レンズ枠体３５に６０Ｖの電圧を印加した状態を示している。図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示される様に、前記レンズ枠体３５に印加する電圧を変化させることで、前記レンズ部３４の曲率を変化させることができ、前記液体レンズ１９の焦点距離を変更することができる。
前記レンズ部３４の曲率と前記レンズ枠体３５に印加する電圧とを関連付けたデータは、予め前記記憶部４（図１参照）に格納されている。前記電圧調整器３９による印加電圧の調整で、前記レンズ部３４を所望の曲率に制御し、前記液体レンズ１９を所望の焦点距離となる様制御することができる。
従って、前記液体レンズ１９の焦点距離を変化させ、前記光共振部２１に入射される前記励起レーザ光２２のスポット径を変化させることができ、前記発光部６より照射される前記パルス測距光２８が所望のピーク出力となる様制御することができる。
次に、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に於いて、前記レーザ測量装置１により前記測定対象物２の測定を行う場合について説明する。図４（Ａ）は、該測定対象物２との距離が近い場合を示しており、図４（Ｂ）は、該測定対象物２との距離が遠い場合を示している。
図４（Ａ）、図４（Ｂ）中、Ｐは前記パルス測距光２８のピーク出力、Ｌは前記測定対象物２迄の距離を示している。パルス周波数ｆ（Ｈｚ）、折返し時間ｔ（ｓ）は、以下の式で表すことができる。
ｔ＝２Ｌ／ｃ（光速：３×１０8 ｍ／ｓ）
ｆ＝１／ｔ
又、前記測定対象物２で反射された反射パルス測距光４２のピーク出力は、１／Ｌ2 に比例する。
従って、図４（Ａ）に示される様に、前記測定対象物２迄の距離Ｌ1 の値が小さい場合には、折返し時間ｔが短くなり、パルス周波数ｆを大きくすることができる。即ち、繰返し周波数（パルス周波数）をｆ＜ｃ／（２×Ｌ1 ）迄高くすることができる。又、距離Ｌ1 の値が小さい場合には、前記反射パルス測距光４２の減衰が少なくなるので、前記レーザ測量装置１から照射される前記パルス測距光２８のピーク出力Ｐ1 は小さくてもよい。
又、図４（Ｂ）に示される様に、前記測定対象物２迄の距離Ｌ2 の値が大きい場合には、前記反射パルス測距光４２の減衰が多くなるので、前記レーザ測量装置１から照射される前記パルス測距光２８のピーク出力Ｐ2 を大きくする必要がある。又、距離Ｌ2 の値が大きい場合には、折返し時間ｔが長くなるので、パルス繰返し周波数はｆ＜ｃ／（２×Ｌ2 ）迄しか高くできなくなる。
従って、室内等の近い位置にある前記測定対象物２の測距を行う場合には、前記スポット径変更手段２０は前記レンズ枠体３５に印加する電圧を大きくし、前記液体レンズ１９の焦点距離を短くする（焦点位置を前記光共振部２１に合致させる）ことで、前記光共振部２１に入射される前記励起レーザ光２２の励起スポット径が小さくなり、低ピーク高繰返しの前記パルス測距光２８を照射することができる。低ピーク高繰返しの前記パルス測距光２８を照射することで、短時間且つ高密度に前記測定対象物２に対する測距を行うことができる。
又、橋やダム等の遠い位置にある前記測定対象物２の測距を行う場合には、前記スポット径変更手段２０は前記レンズ枠体３５に印加する電圧を小さくし、前記液体レンズ１９の焦点距離を長くすることで、前記光共振部２１に入射される前記励起レーザ光２２がアンフォーカス状態となり、励起スポット径が大きくなり、高ピーク低繰返しの前記パルス測距光２８を照射することができる。高ピーク低繰返しの前記パルス測距光２８を照射することで、前記測定対象物２に反射された前記反射パルス測距光４２に十分なピーク出力を持たせることができ、前記測定対象物２に対する測距を確実に行うことができる。
上述の様に、本実施例では、前記発光部６内に前記スポット径変更手段２０を設け、該スポット径変更手段２０により前記光共振部２１に入射される前記励起レーザ光２２が励起スポット径を変更可能としたので、前記発光部６より照射される前記パルス測距光２８のピーク出力を変更することができる。
従って、低ピーク高繰返しの前記パルス測距光２８が求められる近距離での測距、高ピーク低繰返しの前記パルス測距光２８が求められる遠距離での測距を、１台の前記レーザ測量装置１で行うことができる。
又、本実施例では、前記スポット径変更手段２０として、前記第１集光レンズ１８と前記液体レンズ１９とを用い、該液体レンズ１９に印加する電圧量により焦点距離を変更し、励起スポット径を変更可能としているので、レンズの位置を変更する為のモータ等を必要とせず、装置の小型化、簡略化が図れると共に、消費電力の低減を図ることができる。
尚、本実施例では、前記スポット径変更手段２０として、前記第１集光レンズ１８と前記液体レンズ１９とを用いているが、前記励起レーザ光２２の焦点距離を変更し、励起スポット径を変更できれば他の構成を用いてもよい。
例えば、前記励起レーザ光２２の光軸上を移動可能な２枚のレンズを設け、図示しないズーム機構によって２枚のレンズを近接離反させることで、前記励起レーザ光２２の焦点距離を変更し、励起スポット径を変更する様にしてもよい。又、焦点距離の異なる複数のレンズを有するレンズホルダを設け、該レンズホルダを回転させて前記励起レーザ光２２の光軸上に位置するレンズを切替えることにより、前記励起レーザ光２２の焦点距離を変更し、励起スポット径を変更する様にしてもよい。
更に、本実施例では、前記液体レンズ１９の前記レンズ枠体３５、前記第２電極３８を環状としているが、前記レンズ枠体３５、前記第２電極３８を例えば周方向に８分割し、分割した各電極毎に前記スポット径変更手段２０が電圧を印加できる様にしてもよい。
該スポット径変更手段２０が各電極毎に印加する電圧を異ならせることで、前記レンズ部３４の形状が変化する。前記液体レンズ１９を透過する前記励起レーザ光２２の照射方向を変化させることができるので、前記光共振部２１に入射する前記励起レーザ光２２の入射位置を調整することができ、最適な励起状態が実現できる。
１ レーザ測量装置
２ 測定対象物
３ 制御演算部
４ 記憶部
６ 発光部
１７ 発光源
１８ 第１集光レンズ
１９ 液体レンズ
２０ スポット径変更手段
２１ 光共振部
２２ 励起レーザ光
２８ パルス測距光
３４ レンズ部
３５ レンズ枠体
３８ 第２電極
４２ 反射パルス測距光

Claims (4)

  1. パルス測距光を照射する発光部と、反射パルス測距光を受光する受光部と、前記発光部を制御すると共に前記受光部からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを具備し、前記発光部は励起レーザ光を発光する発光源と、前記励起レーザ光のスポット径を変更するスポット径変更手段と、該スポット径変更手段を介して入射される前記励起レーザ光を前記パルス測距光として照射する光共振部とを有するレーザ測量装置。
  2. 前記スポット径変更手段は液体レンズを有し、前記スポット径変更手段は前記液体レンズに印加する電圧の変化により前記液体レンズの焦点距離を変更し、前記光共振部に入射される前記励起レーザ光の励起スポット径を変更する請求項１に記載のレーザ測量装置。
  3. 前記液体レンズが周方向に分割された複数の電極を有し、前記スポット径変更手段は各電極毎に電圧を印加し、前記励起レーザ光の集光方向を変更する請求項２に記載のレーザ測量装置。
  4. 前記制御演算部は、前記励起レーザ光のスポット径が小の時に低ピーク出力でパルス発光周波数を増大させ、前記励起レーザ光のスポット径が大の時に高ピーク出力でパルス発光周波数を減少させる請求項１〜請求項３のうちいずれか１つに記載のレーザ測量装置。
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