JP4201180B2 - ビーム中心検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射された光ビームの中心を検出する検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
測量分野では、走査レーザ光を受光し、その走査位置を検出するレベル検出装置が知られている(特許文献1参照)。レベル検出装置は、回転するレーザビームを射出する回転レーザレベルからの光(走査レーザ光)を受光し、レーザビームが形成する平面と略直角方向におけるレベル(水準高)を検出するものである。具体的には、レーザビームを受光し、受光ビームの中心位置を検出し、これに基づいてレーザビームの軌跡が生成する光の面のレベルを得る。レーザビームは通常、ビーム広がりを有するので、ビーム軌跡が生成する面の厚さ方向の中心を検出する。特許文献1の装置では、レーザビームが当たっている受光素子の面積に比例した信号が受光ユニットから出力され、この信号を処理することによってレーザビームの中心位置を算出する。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−270160号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、回転レーザレベルから射出されるレーザビームは、レーザレベルからの距離が離れるほどビーム広がりが大きくなる。したがって、回転レーザレベルとレベル検出装置との距離が長くなる(たとえば、数100m)と、レベル検出装置の受光素子の全てがレーザビーム幅に含まれてしまう。特許文献1の装置は、受光素子上にレーザビームが当たる領域と当たらない領域とを有することを前提に中心位置を求めるので、受光素子の全てがレーザビーム幅に含まれると、レベル検出することができない。
【0005】
本発明は、光(レーザ)ビームに広がりが生じている場合でも光ビームの中心を正しく検出するようにしたビーム中心検出装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ビームの中心を検出するビーム中心検出装置に適用される。そして、一方向に複数のセンサが配列されたセンサ列を有する受光手段と、複数のセンサに対応して受光手段からそれぞれ出力される受光信号が所定の判定閾値以上か否かを判定する判定手段と、複数の全てのセンサに対応する全ての受光信号が判定手段によって第1判定閾値以上と判定された場合には、第1判定閾値より高い第2判定閾値へ変更することで、少なくともセンサ列の両端に位置する2つのセンサに対応する2つの受光信号が第2判定閾値未満に、かつ両端に位置する2つのセンサを除く他のセンサに対応する受光信号の少なくとも1つが第2判定閾値以上に、それぞれ判定手段で判定されるように第1判定閾値を変更する閾値変更手段と、判定手段によって第2判定閾値以上が判定された受光信号に対応するセンサの配列位置に基づいて中心を検出する中心検出手段とを備えることを特徴とする。
判定手段を比較回路で構成してもよく、この場合の閾値変更手段は、比較回路の比較基準信号レベルを変えるように構成するとよい。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を測量に使用される回転レーザレベルとレベル検出器を使用する変位測量システムを例に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態によるビーム中心検出装置を用いた変位測量システムの全体構成図である。図1において、変位測量システムは、回転レーザレベル1と、ビーム中心検出装置3とを含む。回転レーザレベル1は、レーザビームを水平方向に発するレーザ光源部を備える。レーザ光源部は、鉛直方向の軸を回転軸として回転可能に構成され、その回転速度はたとえば、600rpm(=10rps)である。レーザ光源部或いはレーザを投光する光学系の一部が回転しながらレーザビームを射出することにより、回転レーザレベル1からのレーザビームの軌跡11が光の平面2を形成する。
【0008】
ビーム中心検出装置3は、回転レーザレベル1からのレーザビームを受光して当該ビームにおける鉛直方向の中心を検出する。回転レーザレベル1が10rpsで回転しながらレーザビームを射出するので、ビーム中心検出装置3は0.1secごとにレーザビームを受光する。ビーム中心検出装置3は、光の平面2に対して垂直方向に配設され、光の平面2の鉛直方向のレベル(水準高)を計測する。図1においてレベル測定方向4は、鉛直方向に対応する。
【0009】
図2は、回転レーザレベル1とビーム中心検出装置3との距離が近距離(たとえば、10m)で、ビーム中心検出装置3の位置におけるビーム広がりが大きくない場合のビーム中心検出装置3の拡大図である。図2において、ビーム中心検出装置3は、受光素子部31と、測定結果表示部32と、各種スイッチ33とを有する。受光素子部31は、図1のレベル測定方向4に対応して、図2の横方向より縦方向に長い受光面を有するように構成されている。ビーム広がりが大きくないので、回転レーザビームの軌跡11Aの幅は受光素子部31の縦方向の受光範囲より狭い。したがって、軌跡11Aの上端および下端のそれぞれが、受光素子部31の受光範囲内に存在する。
【0010】
測定結果表示部32は、受光素子部31で受光されるレーザビームの中心位置などの計測結果を表示する。各種スイッチ33は、ビーム中心検出装置3の電源ON/OFFや、測定精度設定操作などを行うための操作部材である。
【0011】
レーザビームの中心位置を検出する動作について、ビーム中心検出装置3のブロック図(図3)を参照して説明する。受光素子部31は、フォトダイオードなどのN個の受光素子が所定間隔(たとえば、1mmピッチ)で並べて配列された受光素子群によって構成される。受光素子の配列方向は、レベル測定方向4(図1)に対応する。図3において、上から受光素子No.1、受光素子No.2、…の順に受光素子No.Nまで配列されている。受光素子部31の各受光素子は、レーザビームを受光すると個別に受光信号(光電流)を出力するように構成されている。
【0012】
各受光素子からの受光信号は、それぞれ負荷抵抗41により電圧信号に変換される。この電圧信号は、コンデンサ42で直流成分が除去されてアンプ43へ入力される。コンデンサ42の容量は、上述した0.1secごと(すなわち、周波数10Hz)の受光信号を通過し、周波数10Hz未満の低周波成分を遮断するようにあらかじめ設定されている。アンプ43は、入力された受光信号を増幅してコンパレータ44へ出力する。
【0013】
コンパレータ44は、入力された信号電圧が判定閾値より高い場合にHレベルの信号を出力し、入力された信号電圧が判定閾値以下の場合にLレベルの信号を出力する。判定閾値は、マイクロプロセッサ46によって設定されている。すなわち、マイクロプロセッサ46が判定閾値を示すデータを設定し、D/Aコンバータ51が設定データに応じた電圧信号を生成する。コンパレータ44は、D/Aコンバータ51で生成された電圧信号を比較信号(判定閾値)とする。コンパレータ44を設けることで、外乱光やノイズなどによる誤検出を回避できる。
【0014】
なお、図3において図示を省略したが、上述した負荷抵抗41、コンデンサ42、アンプ43、およびコンパレータ44は、それぞれ各受光素子に対応してN個ずつ設けられている。各受光素子に同じ強さの光が入射されたとき、各アンプから出力される信号レベルが合致するように、N個のアンプ43の増幅率がそれぞれ調節されている。D/Aコンバータ51による比較信号は、N個のコンパレータ44に共通に与えられている。
【0015】
N個のコンパレータ44の出力信号(受光信号)は、それぞれマイクロプロセッサ46へ並列に入力される。マイクロプロセッサ46は、ビーム中心検出装置3の電源スイッチがONされている間、常に受光信号をモニタする。マイクロプロセッサ46は、Hレベルの信号を出力する複数のコンパレータ44に対応する複数の受光素子のうち、配列の中央に位置する受光素子の位置を受光素子部31で受光されるレーザビームの中心位置とする。
【0016】
上述した判定閾値は、たとえば、回転レーザレベル1とビーム中心検出装置3との距離が10m、受光素子部31の受光素子数Nが50個の場合に、レーザビームの受光によりHレベルの信号を出力するコンパレータ44の数が10個程度となるように設定するのが好ましい。つまり、レーザビームの軌跡11Aの幅が、受光素子10個分に対応する。
【0017】
図4は、受光素子部31の受光素子群と、アンプ43の出力信号分布曲線61と、コンパレータ44の判定閾値(基準レベル62A)との関係を示す図である。一般に、回転レーザレベル1から射出されるレーザビームは、ビームの中心で光パワーが最大となり、ビームの周辺に近づくにつれて光パワーが低下する。したがって、アンプ43の出力信号分布曲線61は、レーザビームの中心Bcに対応する点Pにおいて最大となり、ビーム中心Bcから上下に離れるにつれてそれぞれ低下する。マイクロプロセッサ46にHレベルが入力される信号は、出力信号分布曲線61のうち基準レベル62Aを超える部分に相当する受光信号である。図4では、マイクロプロセッサ46にHレベルが入力される受光信号に対応する受光素子を黒で示している。マイクロプロセッサ46は、受光素子部31の黒色の部分をレーザビーム幅とみなし、その上端位置および下端位置からレーザビームの中心位置を演算する。
【0018】
マイクロプロセッサ46が液晶表示部47に演算結果を表示する指示を出力することにより、測定結果表示部32(図2)に計測結果が表示される。計測結果は、たとえば、ビームの中心が位置する方向を示す矢印マークなどを表示させる。矢印マークの他に、表示色や点滅速度を変えたりする表示を行ってもよい。外部出力用通信ライン48は、計測結果を示す信号を外部機器へ送出するために使用される。
【0019】
図5は、回転レーザレベル1とビーム中心検出装置3との距離が遠距離(たとえば、500m)で、ビーム中心検出装置3の位置におけるビーム広がりが大きい場合のビーム中心検出装置3の拡大図である。図5において、ビーム広がりが大きいので、回転レーザビームの軌跡11Bの幅は受光素子部31の縦方向の受光範囲より広い。したがって、軌跡11Bの上端および下端のそれぞれが、受光素子部31の受光範囲外に存在し、受光素子部31の全受光素子でレーザビームが受光される。
【0020】
従来は、このようにレーザビームの広がりが受光素子部31より大きい場合にはビーム中心を検出することができなかった。本発明は、このようにビーム広がりが生じている場合の動作に特徴を有する。
【0021】
図6は、ビーム広がりが大きい場合の受光素子部31の受光素子群と、アンプ43の出力信号分布曲線66と、コンパレータ44の判定閾値(基準レベル62A)との関係を示す図である。受光素子部31の受光素子の全てでレーザビームが受光されるので、出力信号分布曲線66の全体が基準レベル62Aを超える。マイクロプロセッサ46は、このような場合にコンパレータ44の判定閾値を高く変更する。
【0022】
図7は、判定閾値変更後の受光素子部31の受光素子群と、アンプ43の出力信号分布曲線66と、コンパレータ44の判定閾値(基準レベル62B)との関係を示す図である。出力信号分布曲線66のうち基準レベル62Bを超える部分に相当する受光信号が、Hレベルとしてマイクロプロセッサ46に入力される。マイクロプロセッサ46は、受光素子部31の黒色の部分をレーザビーム幅とみなし、その上端位置および下端位置からレーザビームの中心位置を演算する。
【0023】
以上説明したビーム中心検出装置3でビーム中心を演算する処理の流れについて、図8のフローチャートを参照して説明する。図8による処理は、ビーム中心検出装置3が電源ONされている間、マイクロプロセッサ46が繰り返し行う。
【0024】
図8のステップS11において、マイクロプロセッサ46は、コンパレータ44に対する判定閾値を設定してステップS12へ進む。マイクロプロセッサ46がD/Aコンバータ51に対して判定閾値を示すデータを出力すると、D/Aコンバータ51がデータに応じた比較信号を出力する。判定閾値は、マイクロプロセッサ46内に前回の判定閾値が格納されている場合は、格納されている判定閾値が用いられる。電源ON直後で前回の判定閾値がマイクロプロセッサ46に格納されていない場合は、あらかじめ定められている初期値を用いる。初期値は、基準レベル62Aに相当する値である。
【0025】
ステップS12において、マイクロプロセッサ46は、N個のコンパレータ44から入力される受光信号の中にHレベルの信号があるか否かを判定する。マイクロプロセッサ46は、Hレベルの信号が含まれている場合にステップS12を肯定判定してステップS13へ進み、Hレベルの信号が含まれていない場合にステップS12を否定判定し、図8による処理を終了する。ステップS12を否定判定する場合は、ビーム中心検出装置3の受光素子部31に回転レーザレベル1からのレーザビームが当たっていない場合である。
【0026】
ステップS13において、マイクロプロセッサ46は、N個のコンパレータ44から入力される受光信号の全てがHレベルか否かを判定する。マイクロプロセッサ46は、全てがHレベルの信号である場合にステップS13を肯定判定してステップS18へ進み、Lレベルの信号が含まれている場合にステップS13を否定判定し、ステップS14へ進む。ステップS18へ進む場合は、図6に示した状態である。
【0027】
ステップS14において、マイクロプロセッサ46は、受光素子No.1に対応するコンパレータ44から入力される受光信号がHレベルか否かを判定する。マイクロプロセッサ46は、Hレベルの信号が入力されている場合にステップS14を肯定判定してステップS19へ進み、Lレベルの信号が入力されている場合にステップS14を否定判定し、ステップS15へ進む。ステップS19へ進む場合は、回転レーザレベル1からのレーザビームが受光素子部31の上側に偏って当たる場合である。
【0028】
ステップS15において、マイクロプロセッサ46は、受光素子No.50に対応するコンパレータ44から入力される受光信号がHレベルか否かを判定する。マイクロプロセッサ46は、Hレベルの信号が入力されている場合にステップS15を肯定判定してステップS19へ進み、Lレベルの信号が入力されている場合にステップS15を否定判定し、ステップS16へ進む。ステップS19へ進む場合は、回転レーザレベル1からのレーザビームが受光素子部31の下側に偏って当たる場合である。
【0029】
ステップS16において、マイクロプロセッサ46は、中心C=(D+U)/2を算出する。ここで、Dは、Hレベルの信号が入力されている下端の受光素子番号である。Uは、Hレベルの信号が入力されている上端の受光素子番号である。マイクロプロセッサ46は、素子番号Cに対応する受光素子の配列位置をレーザビーム中心Bcとする。マイクロプロセッサ46は、レーザビーム中心Bcを算出すると、液晶表示部47に演算結果の表示を指示してステップS17へ進む。
【0030】
ステップS17において、マイクロプロセッサ46は、設定されている判定閾値をマイクロプロセッサ46内のメモリに記憶し、図8による処理を終了する。
【0031】
ステップS18において、マイクロプロセッサ46は、コンパレータ44に対し、現在の判定閾値を所定値Xだけ高めるように設定してステップS13へ戻る。これにより、判定閾値を基準レベル62Bに相当する値に近づけるように、判定閾値が高められる。所定値Xは、1回の判定閾値変更処理で判定閾値を基準レベル62Aから基準レベル62Bまで高めるような値でなくてもよい。すなわち、ステップS13およびステップS18の処理を繰り返しながら、判定閾値を徐々に高めるように所定値Xを設定してよい。
【0032】
ステップS19において、マイクロプロセッサ46は、コンパレータ44に対し、現在の判定閾値を所定値X/2だけ高めるように設定してステップS14へ戻る。これにより、判定閾値を基準レベル62Bに相当する値に近づけるように、判定閾値が高められる。ステップS19では、受光素子部31の上端(素子番号1)および下端(素子番号50)のうち一方からの信号がLレベルであるので、ステップS18に比べて半分の変更幅(X/2)で判定閾値を少しずつ高めるようにする。
【0033】
ステップS16においてマイクロプロセッサ46がレーザビーム中心Bcを算出する場合、複数の検出結果の平均値を算出するとよい。上述したように、レーザビームは0.1sec間隔(10Hz)で受光素子部31に入力される。そこで、たとえば、5回分の検出結果の平均値をとってレーザビーム中心Bcを得るようにすれば、0.5secごとに液晶表示部47の表示を更新することができる。
【0034】
以上説明した実施の形態によるビーム中心検出装置についてまとめる。
(1)コンパレータ44の判定閾値を可変に構成し、受光素子部31上の受光素子の全てでレーザビームが受光される場合(ステップS13を肯定判定)に、コンパレータ44の判定閾値を所定値Xずつ高く変更する(ステップS18)ようにした。これにより、受光素子部31の受光範囲をレベル測定方向4に広げる(すなわち、受光素子数を増やす)ことなく、回転レーザレベル1からのレーザビームに広がりが生じた場合でも、正確にビーム中心Bcを算出することができる。とくに、回転レーザレベル1とビーム中心検出装置3との距離が数百m以上離れている場合に有効である。
【0035】
(2)上記(1)に加えて、受光素子部31の上端(素子番号1)および下端(素子番号50)のうち一方からの受光信号がマイクロプロセッサ46に入力されない場合、上記(1)に比べて半分の変更幅(X/2)で少しずつ判定閾値を高めるようにした。これにより、判定閾値変更後にマイクロプロセッサ46に入力される受光信号の数が急激に減少することが防止される。
【0036】
(3)レベル測定方向4(図1)に沿って受光素子がN個(上記の例では50個)並べて配列される受光素子部31で回転レーザレベル1からのレーザビームを受光し、N個の受光信号をそれぞれN個のコンパレータ44を介してマイクロプロセッサ46へ並列に入力する。受光信号は、判定閾値より高い信号レベルのものがHレベルの信号としてマイクロプロセッサ46へ入力される。マイクロプロセッサ46は、入力された信号の上下端に対応する素子番号(UおよびD)の中央に位置する受光素子位置をビーム中心Bcとして算出する。これにより、デジタルピークホールド回路や高速A/D変換回路を用いることなく、簡単な構成でビーム中心検出装置3を得ることができる。この結果、ビーム中心検出装置3のコスト低減および消費電力を削減する効果が得られる。消費電力を低減すると、ビーム中心検出装置3を電池駆動の場合に連続使用時間を長くすることができる。
【0037】
(4)受光信号をコンパレータ44を介してマイクロプロセッサ46へ入力するようにしたので、回転レーザレベル1からのレーザビーム以外の外乱光による受光信号より高い判定閾値をコンパレータ44に設定することにより、外乱光およびノイズによる信号がマイクロプロセッサ46に入力されることを防止できる。この結果、正確にビーム中心Bcを算出することができる。
【0038】
上記説明において、マイクロプロセッサ46がステップS12を否定判定した場合に図8による処理を終了する例を説明したが、ステップS11へ戻るようにしてもよい。
【0039】
ステップS19において、コンパレータ44の判定閾値をX/2変化させるようにしたが、判定閾値の変更幅はX/2に限定されるものではなく、たとえば、X/4としてもよい。
【0040】
上述したD/Aコンバータ51は、マイクロプロセッサ46と別に構成される例を説明したが、マイクロプロセッサ46がD/A変換回路を内蔵している場合には、内蔵されるD/AコンバータをD/Aコンバータ51の代わりに使用してもよい。
【0041】
上述した実施の形態では、複数の受光素子の数と同数のアンプおよびコンパレータをそれぞれ設ける構成を説明した。この代わりに、複数の受光素子に対してアンプおよびコンパレータを1つずつ設け、このアンプで複数の受光素子からの信号をそれぞれ増幅し、増幅後の信号をコンパレータでレベル判定するように構成してもよい。複数の受光素子からの信号の切り換えは、たとえば、リレー回路などを用いて順次切り換えるようにする。
【0042】
また、複数の受光素子および複数のアンプに対してコンパレータを1つ設け、各アンプからの信号をコンパレータでそれぞれレベル判定するように構成してもよい。複数のアンプからの信号の切り換えは、たとえば、リレー回路などを用いて順次切り換えるようにする。
【0043】
以上の説明では、コンパレータ44を用いる例を説明したが、コンパレータ44の代わりにA/D変換回路を使用する場合にも本発明を適用することができる。この場合には、A/D変換後の受光信号(デジタル値)をマイクロプロセッサ46に入力する。マイクロプロセッサ46は、入力されるデジタル値が有効閾値より高い場合に受光信号とみなし、有効閾値より低い場合は受光信号とみなさない。この有効閾値は、上述したコンパレータ44の判定閾値に対応する。
【0044】
上述した説明では、レーザビームの中心で光パワーが最大となり、ビームの周辺に近づくにつれて光パワーが低下するガウス分布を例に説明した。本発明は、このような分布の他に、たとえば、TEM10モードの分布を有するビームの中心の検出にも適用できる。
【0045】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。一方向は、たとえば、レベル測定方向4が対応する。受光手段は、たとえば、受光素子部31によって構成される。センサ列は、受光素子群が対応する。判定手段は、たとえば、コンパレータ44によって構成される。閾値変更手段は、たとえば、マイクロプロセッサ46およびD/Aコンバータ51によって構成される。中心検出手段は、たとえば、マイクロプロセッサ46によって構成される。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【0046】
【発明の効果】
本発明によるビーム中心検出装置は、光(レーザ)ビームに広がりが生じている場合でもビームの中心を正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるビーム中心検出装置を用いた変位測量システムの全体構成図である。
【図2】ビーム広がりが大きくない場合のビーム中心検出装置の拡大図である。
【図3】ビーム中心検出装置のブロック図である。
【図4】受光素子部の受光素子群と、アンプの出力信号分布曲線と、コンパレータの判定閾値との関係を示す図である。
【図5】ビーム広がりが大きい場合のビーム中心検出装置の拡大図である。
【図6】受光素子部の受光素子群と、アンプの出力信号分布曲線と、コンパレータの判定閾値との関係を示す図である。
【図7】受光素子部の受光素子群と、アンプの出力信号分布曲線と、コンパレータの判定閾値との関係を示す図である。
【図8】ビーム中心を演算する処理の流れを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…回転レーザレベル、 2…光の平面、
3…ビーム中心検出装置、 4…レベル測定方向、
11(11A、11B)…ビームの軌跡、
31…受光素子部、 32…測定結果表示部、
44…コンパレータ、 46…マイクロプロセッサ、
51…D/Aコンバータ
Claims (2)
- 光ビームの中心を検出するビーム中心検出装置において、
一方向に複数のセンサが配列されたセンサ列を有する受光手段と、
前記複数のセンサに対応して前記受光手段からそれぞれ出力される受光信号が所定の判定閾値以上か否かを判定する判定手段と、
前記複数の全てのセンサに対応する全ての受光信号が前記判定手段によって第1判定閾値以上と判定された場合には、前記第1判定閾値より高い第2判定閾値へ変更することで、少なくとも前記センサ列の両端に位置する2つのセンサに対応する2つの受光信号が前記第2判定閾値未満に、かつ前記両端に位置する2つのセンサを除く他のセンサに対応する受光信号の少なくとも1つが前記第2判定閾値以上に、それぞれ前記判定手段で判定されるように前記第1判定閾値を変更する閾値変更手段と、
前記判定手段によって前記第2判定閾値以上が判定された受光信号に対応するセンサの配列位置に基づいて前記中心を検出する中心検出手段とを備えることを特徴とするビーム中心検出装置。 - 請求項1に記載のビーム中心検出装置において、
前記判定手段は、比較回路で構成され、
前記閾値変更手段は、前記比較回路の比較基準信号レベルを変えることを特徴とするビーム中心検出装置。
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