JP4694304B2 - 測量装置 - Google Patents

Description

本発明は測量装置に関する。詳しくは、ターゲット等の測定対象物から反射されたパルス光を受光して時間差や距離の測定を行う測量装置に関する。

従来から、ターゲット等の測定対象物から反射されたパルス光を受光して時間差や距離の測定を行う装置があった。一般的に、測定対象物までの距離に応じて受光光量が大幅に変化する。測定対象物が遠距離にある場合などには、受光光量の増幅が必要になる一方、測定対象物が非常に近距離にある場合などには、測定光路中の反射パルス光の強度は非常に高く、そのままでは、受光信号がサチュレーションするなどにより測定誤差への影響が現われるという問題点があった。

また、受光信号の強度が変化すると受光信号処理等の過程で測定誤差が生じることから、参照光路を設けて、発光部の発光時間遅れや、受光信号処理回路の遅れなどの影響を除去することが行われてきた。特に、精度の高い測定を行うためには、測定光路と参照光路での受光光量（受光レベル）は略同一であることが望ましく、このため、参照光路にＮＤフィルター（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ：減光フィルター）などの光量調整装置を使用する方法、強度の異なる複数のパルスを射出し、近距離測定系用（低反射ミラーを使用）と遠距離測定系用に分けて利用する方法等が知られている。（例えば、特許文献１参照）

特開平２０００−２０６２４６号公報（段落００１６〜００２４，図１〜図７）

ところで、高速に時間差や距離の測定を行う場合には光量調整を行わずに測定を行う必要がある。しかしながら、光量調整を省くと、測定対象物までの距離に応じて受光光量が大きく変化するため、すべての光量を受信するには非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題があった。

また、近距離測定系用（低反射ミラーを使用）と遠距離測定系用に分けて利用する方法を用いても、カバーできるダイナミックレンジに限度があった。
また、一般的に受光信号処理において、電気回路のダイナミックレンジは光のダイナミックレンジをカバーできるほど大きくはない。つまり光量調整を行わない場合の測定範囲は電気回路のダイナミックレンジで決まってしまうという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解消し、光量調整を行わずに、広範囲のダイナミックレンジをカバーできる、時間差又は距離を測定する測量装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る測量装置は、例えば図３に示されるように、パルス光を射出する発光部１と、発光部１から射出されたパルス光を、基準光と測定光に分岐する光分離器３と、基準光を通過させる参照光路Ｆ１と、測定光を測定対象物に照射するために通過させ、また、測定対象物から反射された測定光を通過させる測定光路Ｆ２の一部であって、測定光を基に生成時間及び強度の異なる多重パルス光を生成する多重パルス生成部Ｍｐ１（図１参照）を有する部分と、参照光路Ｆ１からの基準光及び測定光路Ｆ２からの多重パルス光を受光する受光部９と、参照光路Ｆ１からの光と測定光路Ｆ２からの光を受光部９に導くために結合する光結合器７と、受光部９で受光された多重パルス光から、測定に用いるパルス光を選択するパルス選択部３８と、パルス選択部３８で選択されたパルス光（測定光に含まれる）と基準光との受光時間差及び選択されたパルス光の受光順番に基づき、測定光が正規の測定光路を通過する時間と基準光が参照光路Ｆ１を通過する時間との所要時間差を算定する又は測定対象物までの距離を算定する測定量算定部３９とを備える。

ここにおいて、測量装置には距離や方向を測定する装置の他に、光の所要時間差や受光時間差を測定する装置も含むものとする。また、測定光路Ｆ２は本装置のインタフェース部ＩＮから測定対象物まで延びているので、測定光路Ｆ２の一部とはこの装置外の部分を除く意味である。また、多重パルス光とは単一のパルスから生成される一群のパルス列を意味する。また、パルス光の受光順番とは受光パルスの受光順番をいうが、多重パルス生成部Ｍｐ１で生成された多重パルス光の生成順番で採番しても、多重パルス生成部が１つの場合、受光順番＝生成順番＋１であり、このように換算可能な場合には実質的に受光順番に含まれる。また、正規の測定光路とはファイバー端面での反射や迂回による時間遅延が生じていない測定光路、すなわち、光学的距離が最短の測定光路を意味する。また、パルス選択部３８、測定量算定部３９等の各部は必ずしも一体的に構成されていなくても良く、例えば演算に用いるコンピュータは電気回路と別に構成されていても良い。このように構成すると、光量調整を行わずに、広範囲のダイナミックレンジをカバーできる、時間差又は距離を測定する測量装置を提供できる。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様に係る測量装置において、生成時間及び強度の異なる多重パルス光は、等しい時間間隔で光量が順次一定の割合で減衰するパルス列である。

ここにおいて、等しい時間間隔、一定の割合とは装置の製造、組立のばらつきや測定誤差等を考慮して実質的に等しい時間間隔、一定の割合の意味である。このように構成すると、パルス光の発生順番と強度とを整然と対応付けられ、測定に用いるパルス光を選択するのに便宜であり、受光処理や算定の自動化も容易になる。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に係る測量装置において、例えば図３に示すように、パルス選択部３８は、受光された多重パルス光の受光レベルに基づき測定に用いるパルス光を選択する。

ここにおいて、受光レベルに基づき選択するとは、典型的には参照光の受光光量（受光レベル）と略同一の測定光を選択する。このように構成すると、参照光の受光光量と略同一の測定光を選択でき、測定誤差を微小にでき又は高精度の補正が可能である。

また、本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様に係る測量装置において、例えば図１に示されるように、多重パルス生成部は、両端面に入射光束の一部を通過させ、一部を反射させる反射部を有する多重反射光ファイバーＭｐ１を有する。

このように構成すると、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列を生成でき、そのパルス列から、参照光の受光レベルと略同一の測定光を選択できる。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様に係る測量装置において、多重反射光ファイバーＭｐ１には、反射部に所定の反射率のフィルターが形成されている。

ここにおいて、所定の反射率のフィルターは典型的には端面コーティングにより形成される。反射率は例えばコーティング膜厚を調整して５０％等所望の値に設計される。このように構成すると、多重反射光ファイバーＭｐ１端面の反射率ｒ_０、透過率ｔ_０を調整することで受光光量の減衰の割合を自由に設定することが可能である。従ってそのパルス列の中に基準となる参照光の光量に近いものが存在するように多重反射光ファイバーＭｐ１を設計することが可能である。

また、本発明の第６の態様は、第４又は第５の態様に係る測量装置において、所定の反射率は、装置のダイナミックレンジとの関係から設定される。

このように構成すると、本測量装置の受光処理系のダイナミックレンジに応じて、基準となる参照光の光量に近いものが確実に存在するように多重反射光ファイバーＭｐ１端面の反射率を設計することが可能である。

また、本発明の第７の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様に係る測量装置において、多重パルス生成部は、入射光束の一部を迂回させる迂回路を有する。

このように構成すると、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列を生成でき、そのパルス列から、参照光の受光レベルと略同一の測定光を選択できる。

また、本発明の第８の態様は、第７の態様に係る測量装置において、例えば図９に示すように、多重パルス生成部Ｍｐ２は、一部反射ミラー４３を介して正規の測定光路から光束の一部を分岐させ、分岐された光束を迂回路４７に巡回させた後に、一部反射ミラー４３を介して正規の測定光路に復帰させる。

このように構成すると、光のエネルギーの使用効率をほぼ１００％にすることも可能である。

本発明の第９の態様は、第７の態様に係る測量装置において、例えば図１０に示すように、多重パルス生成部Ｍｐ３は、光結合器５３を介して正規の測定光路から光束の一部を光ファイバーループからなる迂回路５４に分岐させ、分岐された光束を光ファイバーループ５４に巡回させた後に、光結合器を５３介して正規の測定光路に復帰させる。

このように構成すると、光のエネルギーの使用効率をほぼ１００％にすることも可能である。

本発明の第１０の態様は、第１乃至第９のいずれかの態様に係る測量装置において、測定量算定部３９は、受光信号の受光レベルに対応する補正データを記憶した補正テーブルを有し、補正テーブルを用いて所要時間差又は測定対象物までの距離を補正する。

ここにおいて、受光レベルに対応する補正データとは、例えば光量差や振幅比（ピーク値の比）と補正量との対応関係を示すデータをいう。このように構成すると、基準光と測定光との厳密な光量差や振幅比を計算し、その差が原因で発生する時間差や距離の誤差を高精度に補正できる。

本発明の第１１の態様は、第１乃至第１０のいずれかの態様に係る測量装置において、測定対象物がターゲットである。

このように構成すると、ターゲットを用いて、効率良く高精度の測量を実行できる。なお、ターゲットとは、測量において測定対象物の位置、形状を高精度に特定するために、測定対象物に貼付する標識をいう。

本発明によれば、光量調整を行わずに、広範囲のダイナミックレンジをカバーできる、時間差又は距離を測定する測量装置を提供できる。

図１に本発明の第１の実施の形態における光回路の構成例を示す。
図１を用いて、本実施の形態の基本概念を説明する。発光部であるＰＬＤ（発光ダイオード）１からの光束はコリメートレンズ２で平行光束にされた後、光分離器としてのビームスプリッタ３へ入射され、外部測定光束（測定光）と内部測定光束（基準光）とに分けられる。ビームスプリッタ３で反射された基準光は、集光レンズ４により集光されて基準ファイバー５を通過した後、再びレンズ６により平行光束に変換されて光結合器としてのビームスプリッタ７に入射し、その反射光がレンズ８により受光部であるＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）９上に集光される。ここに、ＰＬＤ１から、ビームスプリッタ３、基準ファイバー５、レンズ８を通過してＡＰＤ９に到る光路を参照光路Ｆ１といい、この基準光の受光される時間を基準時間として使用する。

一方、ビームスプリッタ３を透過した測定光は、集光レンズ１０により発光ファイバー１１に集光される。この発光ファイバー１１として多重反射光ファイバーＭｐ１を使用する。多重反射光ファイバーＭｐ１とは、光ファイバー端面をコーティング等により加工して、透過率ｔ_０と反射率ｒ_０を意図的に設定したものである。透過率ｔ_０と反射率ｒ_０は例えばコーティング膜厚を調整して所定の値に設定できる。たとえば光ファイバーの両端が透過率ｔ_０＝５０［％］、反射率ｒ_０＝５０［％］である場合、光量１００の単一パルス光が入射されると、そのまま通過するパルスの他に、端面間を往復してから通過するパルスが生成され、出力には２５、６．２５、１．５６、０．３９、・・・・という、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列が現れる。発光ファイバー１１としてこの多重反射光ファイバーＭｐ１を用いた場合、発光部１から射出された単一パルスは、多重反射光ファイバーＭｐ１を通過することにより、順次一定の割合で減衰するパルス列となって出力され、多重反射光ファイバーＭｐ１は多重パルス生成部として機能する。なお、本装置と測定対象物との間で測定光を送受するためのインタフェース部ＩＮ（本装置に含まれる）において、１３’はミラー、１４’はレンズである。

この発光ファイバー１１を基準ファイバー５に対して十分に長くすることで、測定光を基準光に対し時間的に遅延させる遅延ファイバーとして機能させ、パルス列のパルス間隔を充分長くとることが出来る。また光源の発光ムラやスペックルを除去するためのミキシング機能を有させることも出来る。

発光ファイバー１１からの射出光は装置外部へと導かれ、図示しないターゲット等の測定対象物へ照射される。測定対象物から反射して戻ってきた反射光はパルス列となり、このパルス列の光量は順次一定の割合で減衰する。測定対象物から反射された測定光は、受光ファイバー１５に集光される。受光ファイバー１５を透過した測定光はレンズ１６により平行光束に変換され、ビームスプリッタ７を透過してレンズ８により受光部ＡＰＤ９上に集光される。ここに、ＰＬＤ１から、ビームスプリッタ３、発光ファイバー１１を通過し、測定対象物で反射され、受光ファイバー１５、レンズ８を通過してＡＰＤ９に到る光路を測定光路Ｆ２という。

図２に光回路内の各所におけるパルス光の状況を示す。図２（ａ）に示すように発光部１から射出される発光パルスＰａは単一のパルスである。また、図２（ｂ）に示すように、発光ファイバー１１から射出されて測定対象物に到る対物出力パルスＰｂは、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列となる。また、図２（ｃ）に示すように、受光部９に受光される受光パルスＰｃは、まず、参照光路Ｆ１を通過した単一のパルスが現れ、次に測定対象物によって反射された、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列が現れる。よって、パルス列の複数のパルス（測定光）のうち基準となる参照光量に最も近いものを測定光として選択することができ、これにより、光量調整を行わずに時間差測定や距離測定が可能となる。

また、受光光量の減衰の割合は多重反射光ファイバーＭｐ１端面の反射率ｒ_０、透過率ｔ_０を調整することにより自由に調整可能である。従ってそのパルス列のなかに基準となる参照光の光量に近い測定光が存在するように多重反射光ファイバーＭｐ１を設計することが可能である。このように、受光処理系が有する有限なダイナミックレンジに最適な光量のパルスを検出可能となり、ターゲットから反射される光の大きなダイナミックレンジを無調整ですべてカバーする、時間差又は距離を測定する測量装置を構成することができる。

そして、測定光が測定光路Ｆ２を通過する時間と基準光が参照光路Ｆ１を通過する時間との所要時間差を求めることにより、測定対象物までの距離（測定対象距離）Ｌを求めることが可能になる。もし、参照光路Ｆ１における基準ファイバー５長が正規の測定光路における発光ファイバー１１長と受光ファイバー１５長の和に等しい場合には、上記所要時間差が測定光が受光された受光時間と基準光が受光された基準時間との受光時間差に等しくなるので、この受光時間差を求めることで、測定対象距離Ｌを求めることが可能になる。なお、測定対象距離Ｌ算定の詳細については後述する。

図３に本発明の第１の実施の形態における測量装置１００の構成例のブロック図を示す。
発光部１、受光部９、参照光路Ｆ１、発光ファイバー１１、受光ファイバー１５などの光回路構成は図１と同様である。インタフェース部ＩＮにおいて、発光ファイバー１１からの射出光は、レンズ１２によりコリメートされた後ミラー１３により反射されて測量装置外部へと導かれ、図示しない測定対象物へ照射される。測定対象物から反射された測定光は、レンズ１４により受光ファイバー１５に集光される。

図４に受光後の測量装置１００各所における信号の様子を示す。図４において、最左側に装置各所（ａ）〜（ｉ）を示す。横軸は時間軸であり、時間との関係から、左側に基準光に係る信号が、右側に測定光に係る信号が表示される。

図５のフローチャートに、本実施の形態における測定量算定の処理フロー例を示す。図３〜図５を用いて受光以後の処理の流れを説明する。

まず、受光とタイミング信号発生について説明する。
駆動部３５は、発光部ＰＬＤ１を駆動するＰＬＤドライバー３６と、受光部ＡＰＤ９のバイアスを調整するバイアス調整器３７等で構成される。ＰＬＤドライバー３６の駆動によりＰＬＤ１から単一パルスが発生される（図４（ａ）参照）。また、バイアス調整器３７はＡＰＤ９の増幅率に対応する逆バイアス電圧を生成する。受光処理部２０はＡＰＤ９により受光された受光信号を算定回路部２１の処理前に処理するもので、負荷１７、プリアンプ１８、コンパレータ１９、ピークホールド回路３２等により構成される。受光信号はＡＰＤ９に入射され、バイアス調整器３７で決定された増幅率で増幅され電気信号に変換される。ＡＰＤ９の出力は負荷１７により電流電圧変換され、プリアンプ１８によってさらに増幅される。受光信号は、プリアンプ１８出力に示すように基準光信号、測定光信号の順に発生し、測定光信号は、発光側に配置した多重反射光ファイバーＭｐ１を通過するため、光量が順次一定の割合で減衰する複数個（図ではｏ_１、ｏ_２、ｏ_３ の３個）の信号となる（図４（ｂ）参照）。

基準光信号ｒおよび測定光信号ｏ_１、ｏ_２、ｏ_３はコンパレータ１９によりそれぞれデジタル的なタイミング信号ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２ に変換される（図４（ｃ）参照）。このコンパレータ１９の出力信号ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２は、後段に続く算定回路部２１の制約を緩和するため、所望のパルス幅を生成するように、回路設計することができる。なお、多重反射光ファイバーＭｐ１の設計により所望のパルス間隔を生成できる。この段階で、コンパレータ１９に入力されるプリアンプ１８の出力のうちコンパレータ１９に設定されたスレッショルドのレベルを超えないｏ_３のような信号は、測定にふさわしくない信号として除去される。

算定回路部２１は、基準クロック発生回路２２、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２３、２回路（基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号用）入りＡ／Ｄコンバータ２４、第１のメモリー２５、波数カウンタ／割り込み発生回路２６、アドレスカウンター２７、第１の遅延回路２８、光量検出用Ａ／Ｄコンバータ２９、第２のメモリー３０等により構成され、演算部３３と協働して所要時間差や測定対象物までの距離を算定する。すなわち、所要時間差や測定対象物までの距離を算出する測定量算定部３９は演算部３３と算定回路部２１により構成される。コンパレータ１９の出力であるタイミング信号ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２は、一方で波数カウンタ／割り込み発生回路２６に入力されて、時間差や距離の疎測定に用いられ、他方で精密測定のための２回路入りＡ／Ｄコンバータ２４のサンプリングクロックとして用いられる。

次に、疎測定およびタイミング信号取り込み終了通知について説明する。
波数カウンタ／割り込み発生回路２６では、全ての測定光タイミング信号ｏ’_１，ｏ’_２を取り込んだ時点でＣＰＵ（中央処理装置）３４にタイミング信号取り込み終了を通知し、ＣＰＵ３４はこの通知を受信する（ステップＳ０１）。通知と同時に又は通知後に疎測定が開始される。ただし、測定光タイミング信号数はターゲットからの光量レベルにより増減するため一定ではない。そこであらかじめ測定光タイミング信号の有効最大数を決定しておき、測定光タイミング信号の第１の信号ｏ’_１から有効最大数分の信号が受信できる時間の経過後に、ＣＰＵ３４タイミング信号取り込み終了通知を行うことにする。

波数カウンタ／割り込み発生回路２６では、発生したタイミング信号の総数Ｔをカウントする（ステップＳ０２）。１番目のカウントは基準光タイミング信号ｒ’によって発生し、２番目以降は測定光タイミング信号ｏ’_１、ｏ’_２によって発生する。本実施の形態ではＴ＝３である。

次に基準光タイミング信号ｒ’から複数の測定光タイミング信号ｏ’_１，ｏ’_２までのおよその時間を測定する。基準となるクロックを基準クロック発生回路２２により発生させ、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２３で作成される基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号（図４（ｄ），（ｅ）参照）のクロック数を用いて、波数カウンタ／割り込み発生回路２６で基準光タイミング信号ｒ’から測定光タイミング信号ｏ’_１，ｏ’_２までの時間におけるクロック数をカウントし、それらのカウントされたクロック数Ｍｎ（ｎは測定光タイミング信号の順番）を保持する。本実施の形態ではｒ’とｏ’_１間のクロック数をＭ_１、ｒ’とｏ’_２間のクロック数をＭ_２とする。ここで計測されたそれぞれのクロック数Ｍｎは後で説明する精密測定の計算値と組み合わされ、所要時間差及び測定対象物までの距離の算定に利用される。

この疎測定の分解能ｄは基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２３で作成される基準信号の周波数をｆｒ［Ｈｚ］、光速を３×１０^８［ｍ／ｓｅｃ］とすると（式１）で決定される。

ｄ＝（３×１０^８／ｆｒ）／２［ｍ］‥‥‥‥‥‥‥‥（式１）

なお、基準信号の周波数ｆｒとして例えば９０ＭＨｚを使用できる。

次に、精密測定のためのデータ収集について説明する。
精密測定のため、２回路入りＡ／Ｄコンバータ２４には基準ＳＩＮ信号、基準ＣＯＳ信号が被サンプリング波形として入力され、デジタルデータに変換される。この２つの波形はコンパレータ１９の出力ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２の立ちあがりのタイミングで同時にサンプリングされ、サンプリングされた基準ＳＩＮ波形のデータ（値）Ｄｓｘ、基準ＣＯＳ波形のデータ（値）Ｄｃｘは第１のメモリー２５に記憶される。

第１のメモリー２５のアドレスａ１１〜ａ１３はアドレスカウンター２７によって生成される。このアドレスカウンター２７のサンプリングクロックもコンパレータ１９の出力であるタイミング信号ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２を使うことができる。タイミング信号ｒ’によりサンプリングされたデータＤｓｒとＤｃｒはアドレスａ１１に記憶される。同様にタイミング信号ｏ’_１によりサンプリングされたデータＤｓ１とＤｃ１はアドレスａ１２に、タイミング信号ｏ’_２によりサンプリングされたデータＤｓ２とＤｃ２はアドレスａ１３に記憶される。以上の処理により、基準光に係る１組のデータ［Ｄｓｒ，Ｄｃｒ］と測定光に係る２組のデータ［Ｄｓ１，Ｄｃ１］、［Ｄｓ２，Ｄｃ２］が第１のメモリー２５に記憶される。

次に、受光信号が適正範囲にあるか否かの判断について説明する。
以上の手順で記憶されたデータは基準光および測定光の光量が受光回路の最適なダイナミックレンジの範囲内にある場合に高精度の測定に有用である。そこで基準光および測定光の光量が適正であるかどうかを判断するためプリアンプ１８の出力をピークホールドしそのレベルで適正を判断する。

プリアンプ１８の出力ｒ、ｏ_１、ｏ_２はピークホールド回路３２に入力され、ある一定時間ピーク値に相応するＤＣレベルを保つ（図４（ｆ）参照）。プリアンプ１８の出力ｒ、ｏ_１、ｏ_２に対応するピークホールド回路３２の出力はＰｒ、Ｐ１、Ｐ２である。このＤＣレベル信号は光量検出用Ａ／Ｄコンバータ２９に入力される。ピークホールド値が適正範囲にある信号をサンプリングするため第１の遅延回路２８を通過した受信タイミング信号ｒ’１、ｏ’_１１、ｏ’_２１（図４（ｇ）参照）がＡ／Ｄコンバータ２９のサンプリングクロックとして入力され、光量（ピークホールド値）Ｐｒ、Ｐ１、Ｐ２がデジタルデータに変換され、第２のメモリー３０に格納される。第２のメモリー３０のアドレスは測定光タイミング信号データを格納する第１のメモリー２５と同じアドレスカウンター２７の出力を利用できる。よって本実施の形態の場合は、遅延出力ｒ’１によりサンプリングされたピークホールド値Ｐｒはアドレスａ２１に、遅延出力ｏ’_１１によりサンプリングされたピークホールド値Ｐ１はアドレスａ２２に、遅延出力ｏ’_２１によりサンプリングされたピークホールド値Ｐ２はアドレスａ２３に格納される。

なおピークホールド回路３２に保持されたピークホールド値Ｐｒ、Ｐ１、Ｐ２は次の信号を受信するために一定時間の後リセットされる必要がある。本実施の形態ではこのリセット信号として第２の遅延回路３１を通過した後のコンパレータ１９の出力（ｒ’２，ｏ’_１２，ｏ’_２２）を利用している。

演算部３３はＣＰＵ３４等で構成され、時間差や距離に関する算定を行う。また、ピークホールド回路３２等と協働して、受光部９で受光された多重パルス光から、時間差や距離の測定に用いるパルス光を選択するパルス選択部３８としての機能を果たす。すなわち、パルス選択部３８は、演算部３３、ピークホールド回路３２、光量検出用Ａ／Ｄコンバータ２９、第２のメモリー３０、第２の遅延回路３１等から構成される。

第２のメモリー３０に記憶された受信レベルに係るピークホールド値Ｐｒ、Ｐ１、Ｐ２は演算部３３にあるＣＰＵ３４により読み込まれ（ステップＳ０３）、測定光のピークホールド値Ｐ１、Ｐ２が予め決められた光量レベルの適正範囲にあるか否か、すなわち、基準光のピークホールド値Ｐｒと略同一か否かが判断され、適正範囲と判断されたデータの測定光タイミング信号の順番ｎを記憶する（ステップＳ０４）。仮に測定光信号ｏ_１が受信回路のダイナミックレンジを超え飽和してしまっているような場合、ＣＰＵ３４はアドレスａ２１に格納されているピークホールド値Ｐ１から適正光量の範囲外であると判断する。また測定光信号ｏ_２が適正光量の範囲内である場合、ＣＰＵ３４はアドレスａ２２に格納されているピークホールド値Ｐ２から適正光量であると判断する。このようにしてＣＰＵ３４は複数の測定光信号ｏ_１、ｏ_２、ｏ_３のうち２番目の信号ｏ_２ が測定にふさわしい信号であると判断する。

このようにして、受光部９で受光された多重パルス光から、所要時間差や測定対象物の距離の算出に用いるためのパルス光が選択され、演算部３３はピークホールド回路３２、光量検出用Ａ／Ｄコンバータ２９、第２のメモリー３０、第２の遅延回路３１等と協働してパルス選択部３８の機能を果たす。測定にふさわしいと判断した測定光信号ｏ_２の番号を測定光信号の第１の信号ｏ_１を１番としてかぞえた順番、すなわち測定光タイミング信号の順番ｎで記憶しておく。本実施の形態ではｎ＝２である。ここでは、パルス光の受光順番に代えて、多重パルス生成部Ｍｐ１で生成された多重パルス光の生成順番で採番しているが、受光パルスの受光順番を使用しても良い。

次に、精密測定について説明する。
次にＣＰＵ３４は以上収集したデータを用いて測定対象物までの距離の計算を行う。
測定光信号ｏ_２が測定にふさわしい信号であると判断されたので、算定に用いるデータは、疎測定のためのクロック数Ｍ２、精密測定のための基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号データ［Ｄｓｒ，Ｄｃｒ］と［Ｄｓ２，Ｄｃ２］となる。ＣＰＵ３４はこれらのデータを波数カウンタ／割り込み発生回路２６及び第１のメモリー２５から読み込む（ステップＳ０５）。

真に取得したい測定対象距離は図４中のＬ（測定光信号ｏ_１が測定光路Ｆ２を通過する時間と基準光信号ｒが参照光路Ｆ１を通過する時間との時間差に対応する距離）であるが、測定光信号ｏ_１が適正光量ではないためＬ’（測定光信号ｏ_２が測定光路Ｆ２を通過する時間と基準光信号ｒが参照光路Ｆ１を通過する時間との時間差に対応する距離）を計算し、その後多重反射光ファイバーＭｐ１の光学的ファイバー長Ｌｆによる遅延分Ｌｆ×（ｎ−１）を引算する。なお、参照光路Ｆ１における基準ファイバー５長が正規の測定光路における発光ファイバー１１長と受光ファイバー１５長の和に等しい場合であるものとする。まず、先に疎測定のために計測されたクロック数Ｍ２から（式２）に従って疎距離Ｌｍを計算する（ステップＳ０６）。

Ｌｍ＝｛（３×１０^８／ｆｒ）×Ｍ２｝／２‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（式２）

なお、２で除算するのは、測定光が本装置と測定対象物間を往復するからである。

次に基準光信号、測定光信号における１周期未満の距離Ｌｒ、Ｌｎ（ここではＬ２）を（式３）、（式４）で計算する（ステップＳ０７）。

Ｌｒ＝｛（３×１０^８／ｆｒ）×（１−ｔａｎ^−１（Ｄｓｒ／Ｄｃｒ）／２π）｝／２‥‥‥‥‥‥‥‥（式３）

Ｌｎ＝Ｌ２
＝｛（３×１０^８／ｆｒ）×（ｔａｎ^−１（Ｄｓ２／Ｄｃ２）／２π）｝／２‥‥‥‥‥‥‥‥‥（式４）

（式２）〜（式４）よりＬ’を（式５）で計算する（ステップＳ０８）。

Ｌ’＝Ｌｍ＋Ｌｒ＋Ｌｎ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥・・（式５）

また光学的ファイバー長Ｌｆはあらかじめ決まっているので最終的に求めるべき測定対象距離Ｌは（式６）で表される（ステップＳ０９）。

Ｌ＝Ｌ’−Ｌｆ×（ｎ−１）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（式６）

以上の計算から測定対象距離Ｌを求めることができる。

一連の処理が終了したらＣＰＵ３４は次の受光のために波数カウンタ／割り込み発生回路２６、アドレスカウンター２７、第１のメモリー２５および第２のメモリー３０をクリアする。

なお、測定対象距離Ｌでなく、所要時間差を求める場合には、（式２）〜（式４）において、光速（３×１０^８／ｆｒ）を乗算しないで計算すれば良い。結果として、求めるべき所要時間差は（式６）で求めた測定対象距離Ｌを光速で除算した値と一致する。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では発光ファイバーとして多重反射光ファイバーを使用する例を説明したが、本実施の形態では受光ファイバーとして多重反射光ファイバーを使用する例を示す。

図６に多重反射光ファイバーを受光側に設けた場合の光回路の構成例を示す。図６において、図１と異なる点は、発光ファイバー１１に代えて受光ファイバー１５を多重反射光ファイバーＭｐ１とした点のみであり、他の構成は第１の実施の形態と同様である。

図７に光回路内の各所におけるパルス光の状況を示す。図７（ａ）に示すように発光部１から射出される発光パルスＰａは単一のパルスである。また、図７（ｂ）に示すように、発光ファイバー１１から射出されて測定対象物に到る対物出力パルスＰｂも単一のパルスである。また、図７（ｃ）に示すように、受光部９に受光される受光パルスＰｃは、まず、参照光路Ｆ１を通過した単一のパルスが現れ、次に測定対象物から反射後に多重反射光ファイバーＭｐ１を通過することにより、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列が現れる。よって、パルス列の複数のパルスのうち基準となる参照光量に最も近いものを測定光として選択することができ、これにより、光量調整を行わずに所要時間差や測定対象物までの距離の測定が可能となる。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態又は第２の実施の形態を基に、高精度化ための補正機能を有するものである。

まず、光量誤差による時間差や距離の変動の補正が行われる。すなわち、基準光と測定光との厳密な光量差を計算し、その差が原因で発生する時間差や距離の誤差を補正することにより、より精度の高い測定結果を得ることができる。この場合、測定量算定部３９は、受光信号の受光レベルに対応する補正データとして光量差と補正量の関係を記憶した補正テーブルを有し、測定の度にこの補正テーブルに基づいて補正を実行すればよい。

さらに、複数最適パルスによる測定値の平均化を行なうことにより、測定精度を向上できる。すなわち、第１、第２の実施の形態では測定光の最適な信号が１つだけの場合を説明したが、多重反射光ファイバーＭｐ１の減衰率を適切に設定することにより、受光光量が適正範囲に入る測定光信号を複数発生させることも可能である。この場合は適正範囲に入った各測定光信号について第１、第２の実施の形態で行った時間差計算や距離計算を行い、上記補正を行った上で、求めた全ての時間差値又は距離値の平均を最終結果として採用することにより、平均効果が加味され、より安定した測定結果を得ることができる。

なお、上記補正と平均化の順序を逆に行っても良く、或は、上記補正と平均化の一方のみを行っても良い。

次に本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第３の実施の形態と同様に、第１の実施の形態又は第２の実施の形態を基に、高精度化のための補正機能を有するものである。第３の実施の形態では光量差に対して誤差を補正したが、本実施の形態では振幅比に対して誤差を補正する。測定量算定部３９は、受光信号の受光レベルに対応する補正データとして振幅比と補正量の関係を記憶した補正テーブルを有し、測定の度にこの補正テーブルに基づいて補正を実行すればよい。

図８に、本実施の形態における補正テーブルの例を示す。この補正テーブルには振幅比に対する誤差の補正量（ｍｍ単位）が示されている。あらかじめ距離の解っているターゲットについて時間差や距離を実測し、振幅比に対する誤差の補正量のテーブルを作成したものである。

振幅比とは、（測定光による電気信号の振幅）÷（基準光による電気信号の振幅）である。
時間差算定や距離算定に採用するパルスを２番目のパルスとすると、振幅比Ｇは（式７）で表される。
Ｇ＝Ｐ２／Ｐｒ・・・・・・（式７）

演算部３３は、このＧの値に近い値を補正テーブルから２点又は数点選び、この選択した値から線形（２点選ぶ）或いは非線形（数点選ぶ）近似による計算で振幅比Ｇに対する補正量ｄｇを求める。さらに（式６）で求められた測定対象距離Ｌに補正量ｄｇを加算して補正後の最終的な測定値とする。なお、時間差を求める場合には、補正量ｄｇ及び測定対象距離Ｌを光速で除算すれば良い。

このように、振幅比に対して誤差を補正することにより、第３の実施の形態と同様に、より精度の高い測定結果を得ることができる。この補正においても、平均化と併用しても良い。

次に本発明の第５の実施の形態について説明する。第１〜第４の実施の形態では、多重パルス生成部として、多重反射光ファイバーＭｐ１を使用する例を説明したが、本実施の形態では、多重パルス生成部として、入射光束の一部を迂回させる迂回路を有する例を説明する。

図９に第５の実施の形態における多重パルス生成部Ｍｐ２の構成例を示す。図９は正規の測定光路から迂回路へ光信号を分岐し、また、分岐された光束を迂回路に巡回させた後に、迂回路から正規の測定光路に光信号を復帰させるために、一部反射ミラー（ハーフミラー）４３を用いる例である。この方法は入力ファイバー４１と出力ファイバー４５の途中にハーフミラー４３を配置し、入力された光束の一部を分岐させて帰還用ファイバー（迂回路）４７へ導くものである。帰還用ファイバー４７に導かれた光はその中を巡回し、巡回後に再度ハーフミラー４３を介して出力ファイバー４５に反射される。初めにハーフミラー４３を透過して帰還用ファイバー４７を通過しない測定光、すなわち正規の測定光路を通過する測定光は、最も光量が大きいパルス光として最初に出力ファイバー４５から射出され、以下帰還用ファイバー４７を１巡、２巡、…した測定光の順に、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列となって、出力ファイバー４５から射出される。４２，４８は平行光を形成するコリメータレンズ、４４，４６は光ファイバー４５，４７に集光するための集光レンズである。

多重パルス生成部Ｍｐ２をこのような構成とすることでエネルギーロスのない多重パルス発生が可能となる。すなわち、第１〜第４の実施の形態における多重反射光ファイバーＭｐ１の場合には、ファイバー端面でその透過率分だけ光が外に漏れて、光のエネルギーの使用効率が低くなるが、このハーフミラーによる構成では、光の系外への漏れをなくすことができ、ほぼ１００％の使用効率とすることも可能である。

次に本発明の第６の実施の形態について説明する。本実施の形態では、第５の実施の形態と同様に、多重パルス生成部として、入射光束の一部を迂回させる迂回路を有する例を説明する。

図１０に第６の実施の形態における多重パルス生成部Ｍｐ３の構成例を示す。図１０は正規の測定光路から迂回路へ光信号を分岐し、また、分岐された光束を迂回路に巡回させた後に、迂回路から正規の測定光路に光信号を復帰させるために、光結合器５３を用いる例である。光結合器５３として途中が二股に分かれたファイバーを用いても良い。この例では入力ファイバー５１と出力ファイバー５２の途中光結合器５３を配置し、光束の一部を光ファイバーループ５４からなる迂回路に分岐させ、分岐された光束を光ファイバーループ５４に巡回させた後に、光結合器５３を介して正規の測定回路に復帰させるものである。光ファイバーループ５４を通過しない測定光、すなわち正規の測定光路を通過する測定光は、最も光量が大きいパルス光として最初に出力ファイバー５２から射出され、光ファイバーループ５４を１巡、２巡、…した測定光の順に、光量が順次一定の割合で減衰するパルス列となって、出力ファイバー５２から射出される。このような多重パルス生成部Ｍｐ３でも使用効率１００％の多重パルス生成も可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜実施の形態に変更を加えられることは明白である。

例えば、第１〜第４の実施の形態では、発光ファイバー又は受光ファイバーとして多重反射光ファイバーを使用する例を説明したが、発光ファイバー又は受光ファイバーの一部に多重反射光ファイバーを使用しても良い。また、第１〜第６の実施の形態では多重パルス生成部が１つの例を説明したが、複数使用しても良く、ネスティング構成にしても良い。これらの場合、パルス列が複数になるため、生成される多重パルスは必ずしも光量が順次一定の割合で減衰するパルス列とはならない。

また、上記実施の形態では、参照光路Ｆ１における基準ファイバー５長が正規の測定光路における発光ファイバー１１長と受光ファイバー１５長の和に等しく、測定光が測定光路Ｆ２を通過する時間と基準光が参照光路Ｆ１を通過する時間との所要時間差が測定光が受光された受光時間と基準光が受光された基準時間との受光時間差に等しくなり、受光時間差から測定対象距離Ｌを求める例を説明したが、ファイバー長が上記関係にない場合には、光学長の差に相当する分の時間差や距離を補正すれば良い。また、インタフェース部ＩＮで上記関係から差異が生じる場合にも、光学長の差に相当する分の時間差や距離を補正すれば良い。

また、上記実施の形態では、パルス光の受光順番として多重パルス生成部で生成された多重パルス光の生成順番で採番する例を説明したが、受光パルスの受光順番で採番しても良いことは明らかである。また、インタフェース部ＩＮにおいて、レンズ１４と測定対象物との間にミラーを挿入し、さらにこのミラーをレンズ１４の光軸の回りに回転可能な構成にすると、本装置の外周３６０度全域に在る測定対象物との距離を測定可能にできる。また、発光部としてＰＬＤの他に別のレーザー等、その他の発光素子、光源も使用でき、受光部としてＡＰＤの他に、その他の受光素子、受光機器も使用できる。

本発明は、ターゲットからの反射されたパルス光束を受光して時間差や距離測定を行う装置に利用される。

本発明の第１の実施の形態における光回路の構成例を示す図である。 第１の実施の形態における光回路内のパルス光の状況を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における装置構成例のブロック図である。 受光後の装置各所における信号の様子を示す図である。 第１の実施の形態における測定量算定の処理フロー例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における光回路の構成例を示す図である。 第２の実施の形態における光回路内のパルス光の状況を示す図である。 第４の実施の形態における補正テーブルの例を示す図である。 第５の実施の形態における多重パルス生成部の構成例を示す図である。 第６の実施の形態における多重パルス生成部の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 発光部（ＰＬＤ）
２ コリメートレンズ
３ 光分離器（ビームスプリッタ）
４ 集光レンズ
５ 基準ファイバー
６ レンズ
７ 光結合器（ビームスプリッタ）
８ レンズ
９ 受光部（ＡＰＤ）
１０ 集光レンズ
１１ 発光ファイバー
１２ レンズ
１３，１３’ ミラー
１４，１４’ レンズ
１５ 受光ファイバー
１６ レンズ
１７ 負荷
１８ プリアンプ
１９ コンパレータ
２０ 受光処理部
２１ 算定回路部
２２ 基準クロック発生回路
２３ 基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路
２４ Ａ／Ｄコンバータ
２５ 第１のメモリー
２６ 波数カウンタ／割り込み発生回路
２７ アドレスカウンター
２８ 第１の遅延回路
２９ 光量検出用Ａ／Ｄコンバータ
３０ 第２のメモリー
３１ 第２の遅延回路
３２ ピークホールド回路
３３ 演算部
３４ ＣＰＵ（中央処理装置）
３５ 駆動部
３６ ＰＬＤドライバー
３７ バイアス調整器
３８ パルス選択部
３９ 測定量算定部
４１ 入力ファイバー
４２ コリメータレンズ
４３ ハーフミラー（一部反射ミラー）
４４ 集光レンズ
４５ 出力ファイバー
４６ 集光レンズ
４７ 帰還用ファイバー（迂回路）
４８ コリメータレンズ
５１ 入力ファイバー
５２ 出力ファイバー
５３ 光結合器
５４ 光ファイバーループ
１００ 測量装置
ａ１ｎ 第１のメモリーにおけるｎ番目の測定光タイミング信号データのアドレス
ａ２ｎ 第２のメモリーにおけるサンプリングされたピークホールド値のアドレス
Ｄｓｘ 基準ＳＩＮ信号のデータ
Ｄｃｘ 基準ＣＯＳ信号のデータ
Ｆ１ 参照光路
Ｆ２ 測定光路
ＩＮ インタフェース部
Ｌ 測定対象距離
Ｌｆ 多重反射光ファイバーの光学的ファイバー長
Ｌｍ 疎距離
Ｍｎ クロック数
Ｍｐ１ 多重反射光ファイバー
Ｍｐ２、Ｍｐ３ 多重パルス生成部
ｎ 測定光タイミング信号の順番
ｏ_１、ｏ_２、ｏ_３ 測定光信号
Ｐａ 発光パルス
Ｐｂ 対物出力パルス
Ｐｃ 受光パルス
Ｐｒ、Ｐ１、Ｐ２ ピークホールド回路の出力
ｒ’、ｏ’_１、ｏ’_２ タイミング信号
ｒ 基準光信号
ｒ_０ 反射率
Ｔ タイミング信号の総数
ｔ_０ 透過率

Claims (11)

1. パルス光を射出する発光部と；
   前記発光部から射出されたパルス光を、基準光と測定光に分岐する光分離器と；
   前記基準光を通過させる参照光路と；
   前記測定光を測定対象物に照射するために通過させ、また、前記測定対象物から反射された測定光を通過させる測定光路の一部であって、前記測定光を基に生成時間及び強度の異なる多重パルス光を生成する多重パルス生成部を有する部分と；
   前記参照光路からの基準光及び前記測定光路からの前記多重パルス光を受光する受光部と；
   前記参照光路からの光と前記測定光路からの光を前記受光部に導くために結合する光結合器と；
   前記受光部で受光された前記多重パルス光から、測定に用いるパルス光を選択するパルス選択部と；
   前記パルス選択部で選択されたパルス光と前記基準光との受光時間差及び前記選択されたパルス光の受光順番に基づき、前記測定光が正規の測定光路を通過する時間と前記基準光が前記参照光路を通過する時間との所要時間差を算定する又は前記測定対象物までの距離を算定する測定量算定部とを備える；
   測量装置。
2. 前記生成時間及び強度の異なる多重パルス光は、等しい時間間隔で光量が順次一定の割合で減衰するパルス列である；
   請求項１に記載の測量装置。
3. 前記パルス選択部は、受光された前記多重パルスの受光レベルに基づき前記測定に用いるパルス光を選択する；
   請求項１又は請求項２に記載の測量装置。
4. 前記多重パルス生成部は、両端面に入射光束の一部を通過させ、一部を反射させる反射部を有する多重反射光ファイバーを有する；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の測量装置。
5. 前記多重反射光ファイバーには、前記反射部に所定の反射率のフィルターが形成されている；
   請求項４に記載の測量装置。
6. 前記所定の反射率は、装置のダイナミックレンジとの関係から設定される；
   請求項４又は請求項５に記載の測量装置。
7. 前記多重パルス生成部は、入射光束の一部を迂回させる迂回路を有する；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の測量装置。
8. 前記多重パルス生成部は、一部反射ミラーを介して前記正規の測定光路から光束の一部を分岐させ、分岐された光束を前記迂回路に巡回させた後に、前記一部反射ミラーを介して前記正規の測定光路に復帰させる；
   請求項７に記載の測量装置。
9. 前記多重パルス生成部は、光結合器を介して前記正規の測定光路から光束の一部を光ファイバーループからなる前記迂回路に分岐させ、分岐された光束を前記光ファイバーループに巡回させた後に、前記光結合器を介して前記正規の測定光路に復帰させる；
   請求項７に記載の測量装置。
10. 前記測定量算定部は、受光信号の受光レベルに対応する補正データを記憶した補正テーブルを有し、前記補正テーブルを用いて前記所要時間差又は前記測定対象物までの距離を補正する；
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の測量装置。
11. 前記測定対象物がターゲットである；
    請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の測量装置。
    
    

Images