JP3940806B2 - 光波測距装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス光を用いて測定対象物までの距離を測定する光波測距装置に係り、特にパルス光を送光することに伴い発生する迷光等による誤測定を防止した光波測距装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から光波を用いた測距装置の光学系の構造は、送光光路及び受光光路の相対的な配置の観点から、2軸型と同軸型とが知られている。これらのうち、装置の小型化、パララックスの回避及び送光光路を測定対象物に照準するための視準光路を設置するためには、同軸型の光学系が有利である。即ち、距離測定に用いる光波の送光軸と、測定対象物からの反射光を受光する受光軸が一致する送受光同軸型の光学系である。
【0003】
一方、光波を用いた測距装置の測距方式には、大別して光源にLEDまたは半導体レーザを用いた連続変調波方式と、大きなピークパワーを持つパルス光を出力するパルス駆動可能な半導体レーザを光源に用いたパルス方式とがある。これらの測距装置では、従来からその最大測距範囲の増大化の要求があり、また省力化・作業の効率化のために測定点に例えばコーナーキューブのような反射器を使用しないノンプリズムでの測定能力の要求も多くなっている。このような要求に応えるためには、大きなピークパワーを用いることのできるパルス方式が断然有利である。
【0004】
ところが、同軸型の光学系を採用して、大きなピークパワーをもつパルス光を送光路に投光すると、対物レンズの内側面や鏡筒内面などにより反射する光が迷光として受光光路で受光され、測定値に大きな誤差を生じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、送受光同軸型の光学系であっても迷光等による測定誤差をなくした光波測距装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明は、パルス光を対象物に 向けて送光する送光手段と、前記対象物で反射された反射パルス光を受光する受光手段 と、前記パルス光の送光時から受光時までの時間を計測する時間計測部とを有し、前記 時間計測部により計測された時間から対象物までの距離を求める光波測距装置において 、さらに、前記受光手段により受光した反射パルスの数が一つか複数かを検出するパル ス数検出部と、前記受光手段と前記時間計測部との間に信号選択手段と、を設けた光波 測距装置である。
【0007】
そして、前記信号選択手段は、前記受光手段からの受光信号が所定の 値 A 以上の時に時間計測終了信号を前記時間計測部に出力し、前記パルス数検出部は 、前記所定の値 A よりもわずかに小さい値に設定された所定の値 B 以上の反射パルス の数が一つか複数かを検出し、前記パルス光の送光に応答して複数の反射パルス光を 検出した時の前記対象物までの距離の値を除外する。
【0008】
このようにすれば、迷光等による反射パルス光に基づく時間計測終了信 号が時間計測部に入力された時、必ずパルス数検出部でも反射パルスに基づく信号が 検出されて反射パルス数がチェックされ、迷光等による反射パルス光が発生したとき の計測値を除外するので、迷光等による測定誤差が確実に防止できる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図面に従って説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。
図1は、本発明の実施の形態例の光波測距装置の回路ブロック図である。
CPUなどで構成される演算制御手段1は、オペレータ等からの測距指令にしたがい時間計測手段2に測距指令信号S101を与える。時間計測手段2は、例えばカウンタを有し、送光手段3にパルス発光指令S102を与えると共にそのカウンタによる時間計測を開始する。送光手段3は、例えば半導体レーザ駆動回路31、それにより駆動される半導体レーザ32、そして発光されたパルス光103を送光する送光光学系33を有する。
【0010】
送光光学系33中には、パルス光103を測距光路110と基準光路111とに分割する、例えばパルス光103の入射光路に45度に斜設された半透過鏡で構成された光路分割手段34が設けられている。従って、パルス光103は、測距光路110に測距パルス光104として測定対象物に向けて投光されると共に、基準光路111に基準パルス光105として送られる。基準光路111は光波測距装置の内部に設けられている。
【0011】
測距光路110に投光され測定対象物で反射され測距光路110を戻った反射パルス光106及び基準光路111を経由した基準パルス光105は、受光手段4内にある受光光学系41を経由して高感度の受光素子であるAPD(アバランシェフォトダイオード)42に受光され光電変換される。受光光学系41は各入射光軸に対して45度に斜設された半透過鏡43と、該半透過鏡43にパルス光が入射する測距光路110及び基準光路111を演算制御手段1からの指令に応じて一方を遮光すると共に他方を開放する光路切替手段44を備える。従って、APD42で光電変換された受信パルス信号S104は、光路切替手段44で遮光されていない側(開放側)の光路、測距光路110又は基準光路111からのパルス光に応じた信号となる。受光光学系41とAPD42との間には演算制御手段1からの指令により駆動される駆動手段46によって駆動され透過光量を調節する調光フィルタ45が配置されている。
【0012】
受信パルス信号S104は、信号増幅手段5により増幅され、増幅された受信パルス信号S105が信号処理手段6に供給される。そして、信号処理手段6の信号選択手段61では、ピーク値が所定のスレッショルド以上の受信パルス信号S105を検出して受信タイミング信号S106を時間計測手段2に出力する。時間計測手段2では、受信タイミング信号S106を受信したタイミングで時間計測を終了して、計測結果S112を演算制御手段1に転送する。そして、演算制御手段1では、計測時間S112と光速等から被測定物までの距離を演算する。
【0013】
図2は、図1の装置による測距方法の説明の図である。同図の(1)と(2)は、基準光路111を通過した場合のパルス発光指令S102と受信タイミング信号S106との関係を示す。また、(3)と(4)は、測距光路110を通過した場合のパルス発光指令S102と受信タイミング信号S106との関係を示す。
【0014】
図1に戻り、光路切替手段44が測距光路110を遮光(基準光路111を開放)した時、基準パルス光105が基準光路111に送光され、減光フィルタ35でそのパワーを大きく減衰されて受光手段4に至る。そして、信号処理手段6は、受信パルス信号S104に基づいて受信タイミング信号S106を時間計測手段2に出力する。時間計測手段2は、上記した通り、パルス発光指令S102から受信タイミング信号S106までの時間S112を計測し、演算制御手段1はその計測時間S112と光速をもとに基準光路111での測定距離Lrefを求める。
【0015】
一方、光路切替手段44が基準光路111を遮光(測距光路110を開放)した時、測距パルス光104が測距光路110に送光され、被測定物で反射され反射パルス光106として測距光路110を戻り、受光手段4で検出される。そして、上記した通り、受信パルス信号S104に基づく受信タイミング信号S106が生成され、上記と同様にして測距光路での測定距離Lsが演算により求められる。
【0016】
そして、演算制御手段1は測距光路での測定距離Lsから基準光路での測定距離Lrefを減じて被測定物までの距離Lを求める。
一般に、図1に示した電子回路は、APDが受光して光電変換されたパルス信号のパワーによってその遅延特性が異なる。そこで、APD42が受光する、基準パルス光105及び反射パルス光106のパワーが同等になる様に減光フィルタ35及び調光フィルタ45で調整する。
【0017】
即ち、増幅信号S105は光量検出手段7にも入力され、該光量検出手段7はAPD42が受光したパルス光の光量を示す受信光量信号S108を演算制御手段1に出力する。演算制御手段1は基準光路を開放した時の受信光量信号と測距光路を開放したときの受信光量信号とを比較して両者が同等になるように調光フィルタ45を制御する。
【0018】
更に詳述すると、基準パルス光105は、その光量が反射パルス光106の最大光量の約1/10*E6になるように半透過鏡34や減光フィルタ35で減光されている。
演算制御手段1は、光路切替手段44で基準光路111を開放し、駆動信号S109を駆動手段46に出力し光量調整フィルタ45の透過率を最大とする。そして、演算制御手段1はその時の受信光量信号S108を記憶する。次に、演算制御手段1は、光路切替手段44で測距光路110を開放し、得られた受信光量信号S108と前記記憶した受信光量信号S108とを比較し、得られた受信光量信号S108が前記記憶した受信光量信号S108と等しくなるような光量調整フィルタ45の透過率が得られるように駆動信号S109によって駆動手段46を駆動して調整する。
【0019】
なお、反射パルス光106による受光光量が前記反射パルス光の最大光量の約1/10*E6以下である場合、演算制御手段1は反射パルス光106を減光せず、基準パルス光105を減光させるように光量調整フィルタ45を調整する。これによって、最大測定距離を拡大することができる。この場合、基準パルス光105に対する信号増幅手段5からの増幅信号S105の大きさが、減光されない基準パルス光に対する増幅信号S105と同じになるように信号増幅手段5の増幅率を変化させる。
【0020】
しかしながら、高い測定精度を要する場合には最大測定距離を犠牲にして前記処理を行わない。高い測定精度を得るためには送光パルス光のパルス幅が狭いことが望まれるので、狭いパルス幅のパルス信号を増幅するには信号増幅手段5に広い対応帯域幅が要求されるが、現時点では十分な帯域幅で信号増幅手段5の増幅率を変化させることが困難だからである。
【0021】
かくして、反射パルス光106は、その光量が測定対象物までの距離や測定対象物の反射率などによって変化しても、基準光路からのパルス光の光量と等しくされてAPD42で受光される。
更に、電子回路は温度に依存してその遅延特性が異なる。一般的に温度が高くなると回路素子の動作が活発になることがその原因と考えられる。しかしながら、基準光路での測定距離Lrefを測距光路での測定距離Lsから減じることにより、上記の温度による遅延誤差はキャンセルされる。
【0022】
図3は、図1に示した本発明の実施の形態例の測距光路110、基準光路111、及び送光手段3、受光手段4の構成の詳細を示す図である。図1と同じ構成には同一の符号を付すと共に、必ずしも同一ではないが図1の構成と対応する構成には符号の後の()内に図1の対応する構成の符号を新出の時のみ示す。
半導体レーザ32で発光されたパルス光は、コリメータレンズ301で平行光束となり、半透過プリズム302(34)に入射する。半透過プリズム302は、例えば透過T対反射Rの比がT:R=1:99の特性を有し、基準光路111側へ送光されるパルス光は大きく減衰される。
そして、ミラー312で反射し、減光フィルタ313(35)を通過する。更に、最大透過率とされた光量調整フィルタ314(45)を透過し、ミラー314で反射する。光路切り替えシャッタ321(44)は、基準光路111の測定を行っている時には、ミラー314側の光路を開放し、基準光路111からのパルス光は半透過プリズム310(43)、コリメータレンズ311を通過して受光素子42で受光される。
【0023】
一方、半透過プリズム302で反射されて測距光路110側に送光されたパルス光は、コリメータレンズ303を通過し、ダイクロイックミラー304により対物レンズ305を介して測定対象物に向けて測距パルス光104として送光される。従って、ダイクロイックミラー304と対物レンズ305とで図1の送光光学系33が構成される。
【0024】
測定対象物で反射して戻ってきた反射パルス光106は、対物レンズ305で受光され、合焦レンズ306とダイクロイックミラー307を介して光ファイバ308に入射する。上記のダイクロイックミラー304と307は、赤外光を反射し、可視光を透過する特性を有する。
光ファイバ308に入射した反射パルス光106は、光ファイバ308の他端部に配設されたコリメータレンズ309で平行光とされた後、光量調整フィルタ314により、基準光路からの基準パルス光105と同等の光量に減衰されて半透過プリズム310で反射され、受光素子42に受光される。測距光路側が選択されている時は、光路切り替えシャッタ321により基準光路側が閉じられ、光ファイバ308側が開放される。以上の様に、対物レンズ305、合焦レンズ306及びダイクロイックミラー307で図1の受光光学系41が構成される。
【0025】
なお、反射パルス光106の光量が基準パルス光105の光量よりも小さい場合には、光量調節フィルタ314は、反射パルス光106を減衰させることなく基準パルス光を減衰させる。即ち、最大測定距離をできるだけ長くする為に、反射パルス光の光量が基準パルス光のそれよりも大きい時のみ、反射パルス光の光量を光量調整フィルタ314で減衰させ、反射パルス光の光量が小さい時は、その反射パルス光を減衰させることなく基準パルス光を減衰させて、両者の光量を同等に調整する。
【0026】
光量調整フィルタ314は、基準パルス光及び測距パルス光の通過位置において、その透過率が円周方向で夫々に変化する円盤状フィルタであり、その中心を駆動モータ322(46)で回転駆動される。基準パルス光の通過位置における前記フィルタの透過率は、基準パルス光の光量よりも大きい反射パルス光の光量を得られる範囲では最大透過率で変化せず、基準パルス光の光量よりも大きい反射パルス光の光量が得られない範囲のみ円周方向で変化する。
【0027】
図3には、更に測定対象物方向に送光、受光光学系の光軸を一致させる為の視準光学系が示されている。即ち、オペレータ319に対して、接眼レンズ318、レチクル317、正立プリズム316、合焦レンズ306及び対物レンズ305により視準光学系が構成される。ダイクロイックミラー304、307は共に可視光を透過する特性を有する。この様に、図3に示した実施の形態例では、視準光学系も、送光光学系及び受光光学系と同一の光軸に構成される。
【0028】
従って、確実に測定対象物までの距離を測定できると共に、測距装置を小型化することができる。
さて、上記したハイパワーのパルス光が送光光学系に送られると、例えば送光光学系の対物レンズ305の内面側で反射されてダイクロイックミラー307を介して光ファイバ308に入射する。かかる光は、迷光と呼ばれ、測距光路の測定誤差の原因となる。
【0029】
即ち、従来装置では、図2に示した通り、測距光路の測定は、パルス発光指令S102から、信号選択手段61がある所定の値以上の受信パルス信号S105を受信したことを示す受信タイミング信号S106のうち最初の信号までの時間と光速をもとに演算される。従って、図2(4)に破線で示したように、迷光が比較的強いパルス光として受光素子42に入射されると、その迷光によるパルス光が正規の反射パルス光と誤認され、誤った受信タイミング信号が発生され、誤った測距光路での測定距離が求められる。迷光によるパルス光の後に検出された正規の反射パルス光による信号は無視される。
【0030】
しかも、この迷光によるパルス光は、常に信号選択手段61が検出するほどのパルス信号になるとは限られない。即ち、上記した通り、弱い反射パルス光の光量を減らすことなく、反射パルス光と基準パルス光との光量を同等レベルにするように光量調整フィルタ314で測距光路110の光量が調整される。従って、反射パルス光の光量が小さい時は、迷光によるパルス光は減衰されることなく受光素子42に受光される。また、反射パルス光の光量が大きい時は、光量調整フィルタ314で大幅に減衰されるので、迷光によるパルス光も同様に大幅に減衰されて検出されない場合もある。
【0031】
送光光学系による迷光以外にも、該迷光と同様の正規の反射パルス光以外の反射パルス光が多重反射光として検出される場合がある。例えば、測定対象物としてコーナーキュウブプリズムを用いた場合、該コーナーキュウブプリズムで反射された反射パルス光の一部が受光光学系の対物レンズ305で反射され、再びコーナーキューブプリズムに向けて投光され、第2の反射パルス光として検出されることがある。このような多重反射光はコーナーキューブプリズムの中心以外の部分が視準されたときに発生し易く、コーナーキューブプリズムの中心部が視準されたときには発生し難い。
【0032】
更には、測定対象物と距離測定装置との間の送光光路内に例えば木の枝などの物体が存在する場合や、測定対象物までの距離が長く送光パルス光が測定対象物の大きさ以上に拡大し且つ測定対象物の後方の前記拡大した送光パルス光内に物体が存在した場合、複数ターゲットとなり正規の反射パルスと共に前記物体による反射パルス光が検出される。
【0033】
以下、これら正規反射パルス光以外の反射パルス光を迷光等と総称する。
前記迷光等に起因する問題点は、比較的精度を要求しない測距装置のように基準光路を利用しない場合でも、例えば電子回路のダイナミッックレンジ内に反射パルス光の光量を納める為に行われる光量調整によって同様の問題を引き起こす。
【0034】
受光光学系の測定対象物側に送光方向以外を不透明体で囲った送光光学系を配置することによりこの迷光等自体をなくす方法もあるが、それは受光光量を減少させ、最大測定距離の増大の目的に反する結果となる。
そこで、本発明では、光学系による迷光等が発生しても、その迷光等による測定誤差を信号処理側で解決した。
【0035】
本発明の実施の形態例では、測距に先立って測距光路側に予備発光して測距光路からの光量を光量調整フィルタ314で調整した後に、測距光路に測距パルス光を送光し被測定物までの距離を求める。この時、パルス数検出手段62によって受光側が迷光等によるパルス光と反射パルス光の2つ以上のパルス光を検出するか、或いは反射パルス光のみの1つのパルス光を検出するかを検出する。
【0036】
そして、前者の場合は、求めた測定結果を無効なものとして棄却する。後者の場合は、求めた測定結果を有効なものとして演算制御手段1のメモリに記憶する。そして、測距を所定数の有効測定値が得られるまで繰り返し、演算制御手段1はメモリに記憶した測定結果の平均値を算出し、表示・出力する。無効な測定結果の割合が多く所定数の測定結果を得る間での時間が所定の時間を超える場合は、視準状態、測距光路或いはその周囲の環境に問題がある可能性が高いのでエラーとし、点検を促す。
【0037】
なお、反射パルス光が一つも検出できない程小さい場合は、最初の段階で測定不能としておく。
図4(1)は、パルス数検出手段62の回路構成であり、図4(2)はそのタイミングチャートである。以下、この回路の動作を図4(1)、(2)によって説明する。
【0038】
信号増幅手段5の出力S105は、コンパレータ201に入力される。コンパレータ201のもう一方の入力端子には所定に直流電圧が入力され、入力信号S105のスレッショルドとなっている。このスレッショルドは前述のように信号選択手段61のスレッショルドよりもやや低く設定されている。Dフリップフロップ202の出力S22及びDフリップフロップ203の出力S107は、オペレータからの測距指令に基づく演算制御手段からのリセット信号によりLレベルとされている。
【0039】
コンパレータ201に前記所定のスレッショルドよりも大きい信号(図4(2)の▲1▼のS1、S2)が入力されると、コンパレータ201の出力S21にパルス信号(図4(2)の▲2▼のP1、P2)が生成される。コンパレータ201の出力信号S21はDフリップフロップ202、203の clk端子に入力されている。Dフリップフロップ202のQ出力S22は前記リセット時にLになっている。
【0040】
コンパレータ201に1つ目のパルス信号入力S1があると、Dフリップフロップ202のQ出力S22はパルス信号P1の立ち上がりエッジによりL→Hとなる(図4(2)の▲3▼)。このときDフリップフロップ203のQ出力S107はLのままである(図4(2)の▲4▼のA部)。即ち、コンパレータ201に入力されるパルス信号が一つだけならばS107はLレベルを維持する。
【0041】
一方、コンパレータ201に2つ目のパルス信号入力S2があると、Dフリップフロップ202の clk端子にパルス信号P2が更に入力されると、パルス信号P2の立ち上がりエッジによりDフリップフロップ203のQ出力S107はL→Hとなる(図4(2)の▲4▼のB部)。コンパレータ201に3つ目以降のパルス信号入力があっても、Dフリップフロップ203のQ出力S107はHレベルを維持する。
【0042】
演算制御手段1はDフリップフロップ203のQ出力S107を参照し、出力信号S107がLの時は、求めた測距値を有効と判断し平均値の計算に用い、出力信号S107がHの時は、求めた測距値を無効と判断し平均値の計算に用いるデータから除外する。
図5は、本発明の実施の形態例の測定のフローチャートである。
【0043】
本実施の形態例では、まず、光量調整フィルタ314を透過率最大の状態として測距光路側の反射パルス光のレベルを検出する(ステップ81)。そこで、被測定物までの距離が最大測定距離より遠い場合や被測定物の反射率が低い場合は、反射パルス光の光量が弱く、検出不能として測定エラーとする。ある程度の光量の反射パルス光が検出されると、上記した方法に従い、制御演算手段からの駆動信号によって駆動モータ322を駆動することにより光量調整フィルタ314が駆動されその減衰量が調整される(ステップ82)。その後、調整された光量調整フィルタ314の状態で、再度測距光路にパルス光が送光され測定対象物までの距離が測定される(ステップ83)。
【0044】
そして、その送光されたパルス光に対してパルス数検出手段が1個のパルス光を検出するか2個以上のパルス光を検出するかの迷光等パルス光検出工程が実施される(ステップ84)。2個以上のパルス光が検出された時は、迷光等ありと判定されステップ86へ進む。1個のパルス光しか検出されない場合は、迷光等なしで反射光のみと判定されステップ85へ進む。
【0045】
迷光等なしと判定したステップ85では、ステップ83で求めた測定値が演算制御部のメモリに記憶されてステップ87へ進む。迷光等ありと判定されたステップ86では、ステップ83で求めた測定値が棄却されステップ87へ進む。そして、前記メモリに記憶され測定値の数が所定の数になったか否かが判定され(スップ87)、所定数の測定値が得られたならば平均値が算出され測定結果として表示され(ステップ88)、処理が終了する。所定数に満たなければステップ83で測距を開始してからの時間が所定値以内か否かを判定し(ステップ89)処置値以内であればステップ83に戻り、再度距離を測定する。ステップ89において所定値を超えているならば、受信光量が小さいために光量調整フィルタの透過率が高く設定され、その結果、迷光等が受光されているか、あるいは、送光光路内に被測定物以外の障害物が入っている可能性が高いので、その旨を示す表示をして(ステップ90)処理が終了する。
【0046】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、迷光等による測定距離の誤差をなくすことができる。また、送光光学系と受光光学系を同軸構成にしたパルス光測距方式でも、発生する迷光等による測定誤差をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例の測距装置の回路ブロック図である。
【図2】パルス光を利用した測距方法を説明するための図である。
【図3】本発明の実施の形態例の測距光路と基準光路及び発光、受光光学系の構成を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態例のパルス数検出手段62の詳細な回路図、及びタイミングチャートである。
【図5】本発明の実施の形態例の測定のフローチャートである。
【符号の説明】
1………………演算制御手段 6………………号処理手段
2………………時間計測手段 7………………光量検出手段
3………………送光手段 61………………号選択手段
4………………受光手段 62………………ルス数検出手段
Claims (1)
- パルス光を対象物に向けて送光する送光手段と、
前記対象物で反射された反射パルス光を受光する受光手段と、
前記パルス光の送光時から受光時までの時間を計測する時間計測部とを有し、
前記時間計測部により計測された時間から対象物までの距離を求める光波測距装置において、
さらに、前記受光手段により受光した反射パルスの数が一つか複数かを検出するパルス数検出部と、前記受光手段と前記時間計測部との間に、前記受光手段からの受光信号が所定の値 A 以上の時に時間計測終了信号を前記時間計測部に出力する信号選択手段と、を設け、
前記パルス数検出部は、前記所定の値 A よりもわずかに小さい値に設定された所定の値 B 以上の反射パルスの数が一つか複数かを検出し、前記パルス光の送光に応答して複数の反射パルス光を検出した時の前記対象物までの距離の値を除外することを特徴とする光波測距装置。
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