JP3028943B2 - 赤外広角センサ及び自動追尾システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光等の光軸
合わせ、赤外通信時の送受信装置の正対制御、移動体と
固定基地間の距離を測量する土木測量器自動追尾装置、
照明の自動追尾等に利用可能な自動追尾システム及びそ
のシステムに用いる赤外広角センサに関し、特に、レー
ザ追尾を行う前の広角追尾に好適なセンサ及びそれを用
いた自動追尾システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動追尾方式は、装置側から発す
るレーザ光又は赤外線（発振光）をプリズムで反射さ
せ、その戻ってくる光を光学系を通して、２次元位置決
め素子（ＰＳＤ）で、位置を検出して、水平軸、垂直軸
に配したモータを駆動し、プリズムの動きに追従して行
くようになっている。

【０００３】例えば、土木測量等で行われている自動追
尾装置は、図１２に示すように測量機本体１から発振さ
れる光波（レーザ光、赤外光）を、測量点に設置したプ
リズム棒２のプリズム３に入光させ、戻ってくる平行光
をＰＳＤで検出する。その検出結果から測量機のプリズ
ムに対するズレ量を知り、正対する位置まで制御を行
い、サーボメカニズム（水平回動機構４，天地回動機構
４）により測量機本体を水平方向、天地方向に廻動せし
めて、理論的に正対する位置に、位置決めができた時点
で追尾を完了し、次の作業行程に移る。

【０００４】戻り光の検出を図１３により説明すると、
発振光をビームスプリッターに反射させてプリズムに入
光させ、このプリズムから出てきた発振光に平行な戻り
光をビームスプリッターを通してレンズで収束させ、Ｐ
ＳＤの面上に図１４に示す光スポットを結ばせる。光ス
ポットがＰ１点にある時、ＰＳＤ処理回路からＸ＝＋３
Ｖ，Ｙ＝＋３Ｖが出力される。この出力値に応じてＸ方
向（天地），Ｙ方向（水平）の制御を行い、光スポット
が中心に行くように自動追尾機構を廻動させる。光スポ
ットが中心に来た時、Ｘ，Ｙの出力がゼロになり、プリ
ズムと正対し、制御を停止する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の方法では物体で
光軸が切られると、位置センサが検出不可の状態にな
り、実際には追尾しなくなる。通常、対策としては、
予測管理をプログラムして、数秒〜１０秒ぐらい追尾
する。それで見つからない場合は、再視準、スキャ
ン追尾、プリズム側からの赤外誘導、無線誘導等の
方法が考えられる。

【０００６】上記〜についての課題を述べると、
の場合は時間の限定があり、予測からはずれた場合は追
尾できない。の場合は手間がかかる。の場合は検出
できる上下角（鉛直角）に制限があり、距離によって異
なるが±２゜ぐらい以内である。の場合はプリズム側
から概略方向を決めて赤外誘導をかけて、こちらに装置
を向かわせて位置決めをする。但し、その角度空間角で
２〜３゜ぐらい。の場合は無線で誘導する方式で、正
確にいきなり視準は出来ないので、２段階で赤外追尾を
入れることになるので、作業が複雑になる。

【０００７】本発明の目的は被計測点が装置本体から離
れることによる発生するノイズの影響を改善した赤外広
角センサを提供することにある。また他の目的は初期の
視準の為の作業を省くことができる自動追尾システムを
提供することにある。また他の目的はプリズムの移動速
度が速くて光軸が切られても、広角追尾が即追従するこ
とができる自動追尾システムを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る赤外広角センサは被計測点に
設置される赤外発光部から水平及び天地の２方向へ発せ
られる２種類のパルス変調光を入光させるフードと、該
フードの内部に設けられ、入光方向に開放されかつ区画
された複数のセルと、フードの各セルに配置された光検
知器とを具備した構成にある。

【０００９】上記請求項１の発明に関係した他の発明
は、以下の構成を備えたことを特徴とする。 （１）複数のセルがフード内部を仕切壁によって四等分
して形成されている。 （２）仕切壁近傍に光検出器が配置されている。 （３）仕切壁をフードの中心線に平行な面に対して傾斜
させている。 （４）各セルを構成するフードの側壁に入光方向に開放
された切除部が設けられている。

【００１０】次に請求項６の発明に係る自動追尾方法
は、請求項１から５のいずれか記載の赤外広角センサを
用いて、空間上の任意の点を赤外線による自動追尾をし
て概略方角を決めた後、レーザ光線による精密追尾を行
い、高精度の位置決めを行うようにした構成にある。上
記請求項６に関係した他の発明は、以下の構成を備えた
ことを特徴とする。 （１）水平及び天地の２方向から発せられる赤外線を用
いる。 （２）前記（１）の赤外線は異なるパルス変調光を用い
る。

【００１１】次に請求項８の発明に係る自動追尾装置
は、請求項１から５のいずれか記載の赤外広角センサを
用いた赤外線による広角追尾手段と、レーザ光線による
レーザ追尾手段と、前記広角追尾手段により所定の方角
まで追尾した時、前記レーザ追尾手段によるレーザ追尾
に切替える追尾切替手段とを備えた構成にある。

【００１２】上記請求項８に関係した他の発明は、以下
の構成を備えたことを特徴とする。 （１）広角追尾手段を構成する赤外発光部と、レーザ追
尾手段を構成するレーザ発振部から発振したレーザ光を
入光し、該レーザ光に平行な戻り光を反射させるプリズ
ムと、を一体化した移動体を備えた構成にある。 （２）赤外発光部を水平及び天地の２方向に配置する。 （２）各赤外発光部は異なるパルス変調光を発振する。 （３）レーザ追尾手段はレーザ光の発射・入射を導くレ
ーザ追尾用鏡筒を有し、該レーザ追尾用鏡筒の外周囲か
つ同芯に前記広角追尾手段の広角追尾用フードが配置さ
れている。

【００１３】

【発明の作用・効果】請求項１の発明によれば、水平及
び天地の２方向に２種類の変調光を発振するため、受光
側でのＸ方向、Ｙ方向の識別性が良くなり、精密な方向
制御ができる。また、センサのセルを複数個にすること
により方向分割性が向上する。請求項２の発明によれ
ば、フードを四等分してセルを形成することによりＸ，
Ｙ方向の識別性が良くなる。請求項３及び４の発明によ
れば、センサの不感帯を無くすことができる。仕切壁を
傾斜させた場合は更らに確実性が増す。請求項５の発明
によれば、切除部を設けることにより広い範囲の赤外線
を受光でき、センサの広角感知性能が向上する。

【００１４】請求項６から１２の自動追尾システムによ
れば、請求項１から５に記載された赤外広角センサを用
いて空間上の任意の点を赤外線による自動追尾をして概
略方角を決め、その後、レーザ追尾に切替えてレーザ光
線による高精度の位置決めを行うことができる。追尾が
切れた場合、赤外線による広角追尾システムが作動し空
間中のプリズムを１２０゜の空間角で追尾する。従っ
て、この空間内にプリズムがあればいち早く方角を検知
して、レーザ位置決めできるように、２次元のサーボモ
ータに制御指示を行って、レーザ追尾する。この広角追
尾によれば、初期の視準の為の作業を省くことができ
る。プリズムの移動速度が速くて光軸が切られても、広
角追尾が即追従する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態に於
ける自動追尾装置の構成図である。自動追尾装置は広角
追尾装置と、レーザ追尾装置とからなり、レーザ追尾の
ためのプリズム及び広角追尾のターゲットとしての赤外
発光部からなる移動体が付帯される。本装置には自動追
尾の為のプログラムとそれを実行するＣＰＵが内蔵され
ており、広角追尾・広角追尾からレーザ追尾への切替・
レーザ追尾のそれぞれを制御を行う。

【００１６】自動追尾装置は、図１に示す天地回動機構
４と水平回動機構５を有し、天地回動機構４には図３及
び図４に示す既知のレーザ発振部１１と、レーザ光の発
射・入射窓から入ってくるレーザ戻り光の光スポットに
応じた電気的な位置情報に変換する位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）１２を内蔵するレーザ追尾用鏡筒１０と、赤外広角
センサを構成し、レーザ追尾用鏡筒１０の外周囲でかつ
同芯に配置された広角追尾用フード２０とが組み込まれ
ている。

【００１７】移動体３０は、図３に示すレーザ発振部１
１で発振したレーザ光に対して平行なレーザ戻り光を反
射するプリズム３１を備え、そのプリズム３１のＸ−Ｙ
方向、つまり移動体３０の鉛直方向をＹ方向、水平方向
をＸ方向とし、その原点をレーザ戻り光の光軸に一致さ
せ、その原点から所定距離に赤外発光部３２が設けられ
ている。赤外発光部３２は、プリズム３１の外周部、即
ち、プリズムを中心にして配置されている。赤外発光部
３２はＸ方向及びＹ方向にそれぞれ延びた取付体３３に
設けられている。赤外発光部３２から発振される赤外線
は２種類のパルス変調光、例えばＹ方向の発振には５０
０ＨＺ，Ｘ方向の発振には１０００ＨＺが用いられる。
このようなＸ，Ｙ方向に独立した赤外線を発振すること
により２次元の方向性を認識することができる。更に、
２種類のパルス変調光を用いることにより上記認識を高
い精度で行うことができる。尚、赤外線の波長は本シス
テムの使用環境に於ける対ノイズ性を考慮して最適な波
長のものが使用される。

【００１８】赤外広角センサは、図２に示すように円錐
形状の広角追尾用フードを有し、その広角追尾用フード
の最深部に光検知手段が配置されている。レーザ追尾用
鏡筒１０のレーザ光の発射・入射窓の周囲に位置する広
角追尾用フード２０の大径側の開口から赤外線を受光
し、光検知手段で検知する。広角追尾用フード２０の内
部は、水平方向Ｘ−Ｘ’、鉛直方向Ｙ−Ｙ’に直交した
仕切壁２２によって上下左右に四つのセルを配してい
る。各セルの最深部には、光検知手段として図３に示す
ホトダイオードからなる赤外検知器２１が設置されてお
り、その赤外検知器２１は仕切壁２２によって特定され
た方向から一つのセルに入射される赤外線のみを検出可
能に配置されている。

【００１９】図５に赤外広角センサの他の実施例を示
す。本例は４つのセルのそれぞれに対応した広角追尾用
フード２０の側部を開口から最深部に向けて、つまり入
光方向に開放させた切除部２３を形成した構造にある。
切除部２３を設けることにより広角性を更に向上させる
ことができる。即ち、切除部の効果として、空間角で１
２０゜〜１６０゜の範囲にある赤外発光部をとらえるこ
とができる。

【００２０】赤外広角センサの原理を説明する。各セル
は、図６に示すようにＡ，Ｂ，Ｃ及びＤの方向から入力
される赤外線を検出するように受け持つことになる。例
えば、図７に示すようにＡの方向からの赤外線入力があ
った場合、センサＳ１が対応し、モータがセンサＳ２と
Ｓ３の方向に動くように作動する。図８に示すようにＡ
の方向の入力がセンサのセンター軸に平行でセンサＳ１
〜Ｓ４全体が動作する。この時に、広角追尾がほぼ中心
をとらえたことになる。

【００２１】自動追尾を広角追尾からレーザ精密追尾に
移行させる場合、広角追尾の中心位置決め精度が問題に
なる。図９において、中心光Ａの近傍に存在する光Ａ１
〜Ａ４はセンサＳ１〜Ｓ４を全て反応させ、次の追尾へ
移行できないことも起こる。その対策として、センサＳ
１とＳ４を細長い筒の奥に設置することにより解決でき
るが、不感帯の問題と広角追尾ができなくなるという問
題が残る。

【００２２】上記の問題を解決した赤外広角センサにつ
いて説明する。図１０は赤外広角センサの一つの実施形
態を示す正面図である。図１１は赤外検出器Ｓ１部分の
断面図である。センサ本体の内部は４つのセルに区画さ
れ、その隣接するセルを区画する仕切壁２３はセンサ本
体の中心を通る線に平行な面に対して仕切壁２３の面を
わずかに傾斜させて取り付けられている。仕切壁２３の
傾斜角は正面からセンサを見たときセンサのほぼ半分が
仕切壁２３に隠れ、ほぼ半分が見えるように設置する。

【００２３】例えば、に最初に入射した光は、入光し
ていない〜の方向へ装置が廻動するようにサーボ系
に指示を与える。やがて〜に入光するようになると
全部のセンサに均等に入射される。この時の全てのセン
サの感度が半分になり、つまり同じ感度を示すことにな
る。この時が正確に正対し、入射光と受光器の中心線が
平行で、互いに一致している状態となる。仕切壁を通し
てとのバランスが崩れれば、Y−Y’軸を制御するモ
ータがバランスを取るように作動し、またとも同様
にX−X’軸を制御するモータが作動し、バランスをと
る。前述のモータ制御により、各方向からの光は全ての
センサが見える（受光）ところでバランスして止まるの
で、不感帯をなくすことができる。

【００２４】本発明の自動追尾装置は追尾する本体を一
定の場所に固定し、被追尾体である、プリズムと赤外発
光部を一体にした移動体として組み合わせることによ
り、追尾装置の正面（任意の点）を、移動体の方向に常
に正確に向かわせることが可能となる。これは移動体が
常に動いている状態でも可能となる。また一度、移動体
の急激な動きによって、追尾できなくなっても、広角追
尾機能によって、移動体の方向を見極めて、再追尾可能
となる。

【００２５】本実施例では広角追尾用フードを四等分し
たセルを有する赤外広角センサ及びその赤外広角センサ
を用いた自動追尾システムについて説明したが、四等分
以外の等分であっても演算によってＸ，Ｙ方向の成分を
求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の自動追尾システムの構成図である。

【図２】 本発明の赤外広角センサの斜視図である。

【図３】 赤外広角センサの正面図である。

【図４】 レーザ追尾用鏡筒と赤外広角センサの縦断面
図である。

【図５】 赤外広角センサの他の実施例を示す斜視図で
ある。

【図６】 赤外広角センサの各セルに入る光方向の説明
図である。

【図７】 Ａ方向の入光を示す図である。

【図８】 Ａ方向の入光によって追尾した様子を示す図
である。

【図９】 Ａ方向の中心光に対する周囲から入る込む光
の影響を説明する図である。

【図１０】 不感帯を改良した赤外広角センサの正面図
である。

【図１１】 図１０のＩ−Ｉ断面図である。

【図１２】 従来の土木測量等の自動追尾装置の構成図
である。

【図１３】 戻り光位置検出の構成図である。

【図１４】 ２次元位置検出素子の面を示す図である。

【符号の説明】

４…天地回動機構、５…水平回動機構、１０…レーザ追
尾用鏡筒、１１…レーザ発振部、１２…位置検出素子
（ＰＳＤ）、２０…広角追尾用フード、２１…赤外検知
器、２２…仕切壁、２３…切除部、３０…移動体、３１
…プリズム、３２…赤外発光部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/10 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｒ 10/105 10/22 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 1/00 F15B 9/16 G01C 15/00 G01S 3/78 - 3/789 H04B 10/10 H04B 10/105 H04B 10/22

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被計測点に設置される赤外発光部から水
   平及び天地の２方向へ発せられる２種類のパルス変調光
   を入光させるフードと、 該フードの内部に設けられ、前記入光方向に開放されか
   つ区画された複数のセルと、 前記フードの各セルに配置された光検知器とを具備した
   赤外広角センサ。
2. 【請求項２】 前記複数のセルがフード内部を仕切壁に
   よって四等分して形成されていることを特徴とする請求
   項１記載の赤外広角センサ。
3. 【請求項３】 前記仕切壁近傍に光検出器を配置したこ
   とを特徴とする請求項２記載の赤外広角センサ。
4. 【請求項４】 前記仕切壁をフードの中心線に平行な面
   に対して傾斜させたことを特徴とする請求項２及び３記
   載の赤外広角センサ。
5. 【請求項５】 前記各セルを構成するフードの側壁が入
   光方向に開放された切除部を有することを特徴とする請
   求項１から４のいずれか記載の赤外広角センサ。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか記載の赤外広
   角センサを用いて、空間上の任意の点を赤外線による自
   動追尾をして概略方角を決めた後、レーザ光線による精
   密追尾を行い、高精度の位置決めを行う自動追尾方法。
7. 【請求項７】 前記赤外線は２種類のパルス変調光であ
   ることを特徴とする請求項６の自動追尾方法。
8. 【請求項８】 請求項１から５のいずれか記載の赤外広
   角センサを用いた赤外線による広角追尾手段と、レーザ
   光線によるレーザ追尾手段と、前記広角追尾手段により
   所定の方角まで追尾した時、前記レーザ追尾手段による
   レーザ追尾に切替える追尾切替手段とを備えた自動追尾
   装置。
9. 【請求項９】 前記広角追尾手段を構成する赤外発光部
   と、前記レーザ追尾手段を構成するレーザ発振部から発
   振したレーザ光を入光し、該レーザ光に平行な戻り光を
   反射させるプリズムと、を一体化した移動体を備えた請
   求項８記載の自動追尾装置。
10. 【請求項１０】 前記赤外発光部を水平及び天地の２方
    向に配置したことを特徴とする請求項９記載の自動追尾
    装置。
11. 【請求項１１】 前記各赤外発光部が異なるパルス変調
    光を発振することを特徴とする請求項１０記載の自動追
    尾装置。
12. 【請求項１２】前記レーザ追尾手段はレーザ光の発射・
    入射を導くレーザ追尾用鏡筒を有し、該レーザ追尾用鏡
    筒の外周囲かつ同芯に前記広角追尾手段の広角追尾用フ
    ードが配置されていることを特徴とする請求項８記載の
    自動追尾装置。