JP4930742B2 - 位置検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は位置検出装置に係わり、特に、2次元受光手段は受光光量を調整するための蓄積電荷を排出させる電子シャッタの機能を備え、この電子シャッタを停止させ、2次元受光手段が電荷を蓄積している時間内に、発光させる位置検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
目標に向けて光を発し、その反射光を受光することにより目標の位置を検出するための位置検出装置がある。この位置検出装置は、例えば、目標の位置を測定する測量機等の追尾装置である。目標位置は、測量機等の追尾装置からの追尾光を反射するプリズムによって間接的に示される様になっている。
【0003】
測量機等の追尾装置から射出された追尾光は、目標位置にあるプリズムで反射され、追尾装置に備えられた受光部で受光される様になっている。この受光部は、受光センサと、反射光を受光センサに導くための受光光学系とから構成される。受光された光を受光センサの特定の位置に結像するさせることにより、追尾装置の視準が目標に一致していることを検出することができる。
【0004】
代表的な受光センサとして4分割センサがあり、このセンサは、受光センサ中心から4つの受光エリアに分割されたセンサである。中心位置は、4エリアの受光量の出力比較から検出することができる。この出力信号に基づいて追尾装置の視準方向を制御すればよいが、中心を外れて、1つのエリアで受光される場合には、そのエリア内にあることしか分からない
【0005】
例えば、実公平7−6547号公報には、4分割センサを使用した追尾装置が開示されている。この追尾装置は、4分割受光素子の水平方向に相対する一対の分割エレメントの出力、及び垂直方向に相対する一対の分割エレメントの出力を、それぞれ差動増幅する増幅器と、この増幅器の水平方向出力信号及び垂直方向出力信号を、それぞれ平均化する水平方向積分回路と垂直方向積分回路等を備え、これらの制御信号に基づいてモータを制御することにより、追尾を行うものである。
【0006】
また、上記4分割センサより高価であるが、どの位置で受光しているかを検出することのできるエリアセンサがある。このエリアセンサは、2次元的に細かく分割されたセンサ部分から構成され、センサエリア内であれば、どの位置にあるかを検出することができるセンサである。このセンサは、4分割センサより、より高精度な視準制御が可能となる。例えば、特開昭60−123788号に、エリアセンサを使用した追尾装置が開示されている。このエリアセンサは、センサ表面が、小面素に区分されており、光の入射位置を2次元的に識別できる様に構成されている。そして演算処理手段が、入射光が、エリアセンサの中心に来る様に、垂直方向駆動装置及び水平方向駆動装置を制御駆動させることにより、追尾を行うことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様な4分割センサ、エリアセンサにしても反射光を受光するセンサである。このため、反射光を受光できる範囲が追尾範囲となる。追尾範囲を伸ばすには、射出する追尾光の強度を強くする必要があるが、射出光の強度は人間の目に損傷を与えない様に出力限界が定められており、無制限に射出光の強度を高めることはできない。
【0008】
そのため、パルス光を使い追尾距離を伸ばす技術や、受光データをデジタル化し蓄積することで、ノイズ光を除去する技術も採用する努力はなされているが、射出光に出力限界があるため、飛躍的に追尾距離を伸ばすことができないという問題点があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、発光手段と、この発光手段からの射出光を目標対象物に送光するための送光手段と、目標対象物からの反射光を受光し、電荷に変換するための2次元受光手段と、この2次元受光手段からの受光信号に基づき、目標対象物の位置を求めるための演算処理手段とからなり、測距光を射出するための測距光発光手段と、前記演算処理手段に対して測距用発光素子ドライバの駆動のためのタイミング信号を与えるための測距用タイミング発生回路とを有し、前記2次元受光手段は、受光光量を調整するための蓄積電荷を排出する電子シャッタの機能を備え、前記演算処理手段は、前記測距用タイミング発生回路のタイミング信号に基づき、前記測距光発光手段を発光させ、かつ、前記電子シャッタを停止させることで、蓄積電荷を掃き出している時間内で、目標対象物までの測距を行う構成となっている。
【0010】
また本発明は、電荷を蓄積している時間内で、発光手段の発光回数を変化させることにより、受光光量を制御する構成にすることもできる。
【0011】
更に本発明の位置検出装置は、通信用発光素子と、前記演算処理手段から通信を行うための通信データが供給されることで、通信データに相当する光を前記通信用発光素子で発光させるための通信用発光素子ドライバとを有し、前記演算処理手段は前記通信用発光素子ドライバを駆動して、電子シャッタを動作させ、蓄積電荷を掃き出している時間内で、通信を行う構成にすることもできる。
【0012】
また本発明は、前記発光手段の光源と、前記通信用発光素子の光源とが同一である構成にすることもできる。更に、前記発光手段の光源と、前記測距光発光手段の光源とが同一である構成にすることもできる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、送光手段が、発光手段からの射出光を目標対象物に送光し、2次元受光手段が、目標対象物からの反射光を受光して電荷に変換し、演算処理手段が、2次元受光手段からの受光信号に基づき、目標対象物の位置を求める様になっており、演算処理手段は、測距用タイミング発生回路のタイミング信号に基づき、測距光発光手段を発光させ、かつ、電子シャッタを停止させ、蓄積電荷を掃き出している時間内で、目標対象物までの測距を行うことができる。
【0017】
また本発明は、電荷を蓄積している時間内で、発光手段の発光回数を変化させることにより、受光光量を制御することもできる。
【0018】
更に本発明は、通信用発光素子と、前記演算処理手段から通信を行うための通信データが供給されることで、通信データに相当する光を前記通信用発光素子で発光させるための通信用発光素子ドライバとを有し、前記演算処理手段は前記通信用発光素子ドライバを駆動して、電子シャッタを動作させ、蓄積電荷を掃き出している時間内で、通信を行う請電子シャッタを動作させ、電荷を掃き出している時間内で、通信又は測距を行うこともできる。
【0019】
また本発明は、発光手段の光源と、通信用発光素子の光源とが同一である構成にすることもでき、更に、発光手段の光源と、測距光発光手段の光源とが同一である構成にすることもできる。
【0022】
【実施例】
【0023】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
【0024】
「第1実施例」
【0025】
図1は第1実施例の位置検出装置1000の光学的構成を示すもので、発光素子100と、第1のコンデンサレンズ110と、第1のミラー200と、対物レンズ300と、エリアセンサ400とから構成されている。
【0026】
発光素子100は発光手段に該当するもので、目標位置に設置された反射体、例えば、コーナーキューブ(プリズム)に向けて射出するための光を発光させるためのものである。パルスレーザーダイオード(PLD)等、適宜の発光素子が使用できる。なお、コーナーキューブ(プリズム)は、目標対象物に該当するものである。
【0027】
第1のコンデンサレンズ110は、発光素子100からの光を第1のミラー200を介して、対物レンズ300に送光するためのものである。
【0028】
第1のミラー200は、発光素子100からの光を反射させ、対物レンズ300を介して、射出光を、コーナーキューブ(プリズム)に向けさせるものである。
【0029】
対物レンズ300は、射出光をある程度拡がりを持った光束として、コーナーキューブ(プリズム)に向けて送光させるためのものである。
【0030】
エリアセンサ400は、2次元のCCDセンサであり、コーナーキューブ(プリズム)で反射された反射光を受光して、目標位置を検出するためのものである。
エリアセンサ400は、CCDに限らず、電子シャッタ機能を内蔵した2次元の画像等を受光できるセンサであれば、何れのセンサを使用することができる。
【0031】
なお、第1のコンデンサレンズ110と、第1のミラー200と、対物レンズ300とは、送光手段に該当するものである。
【0032】
図2は、本第1実施例の位置検出装置1000の電気的構成を示すもので、発光素子100と、発光素子ドライバー120と、エリアセンサ400と、エリアセンサドライバ410と、タイミング発生回路420と、サンプルホールド510と、第1のアンプ520と、A/Dコンバータ530と、フレームメモリ540と、CPU600とから構成されている。
【0033】
発光素子ドライバー120は、タイミング発生回路420のタイミング信号に基づき、発光素子100を駆動するためのものである。エリアセンサドライバ410は、エリアセンサ400が受光信号を形成するために必要な垂直同期信号、水平同期信号等を供給し、電子シャッタ等の動作を行うためのものである。
【0034】
サンプルホールド510は、エリアセンサ400からの受光信号を、タイミング発生回路420のタイミング信号に基づき、サンプルホールドするためのものである。
【0035】
第1のアンプ520は、サンプルホールド510でサンプルホールドされた信号を増幅するためのものであり、増幅された信号は、A/Dコンバータ530でデジタル信号に変換された後、フレームメモリ540に記憶される様になっている。
【0036】
CPU600は、RAM、ROM等を含くむ演算処理手段に該当するものであり、各種演算処理を行うと共に、位置検出装置1000全体の制御を司っている。
【0037】
次に図3に基づいて、電子信号を詳細に説明する。
【0038】
エリアセンサ400は、2次元の受光センサであって、入射光を電荷に変換するものである。このエリアセンサ400は、一般の代表的なインターレス方式の画像センサと同様に、1画面(1フレーム)を、奇数と偶数の2フィールドにて構成する。エリアセンサ400で受光された電荷を、垂直同期信号(VD)と水平同期信号(HD)により転送する。垂直同期信号(VD)は、画面の1フィールドを定めるものである。水平同期信号(HD)は、1行の水平ライン分の転送を決定するための信号である。ここでは説明上、インターレース方式を採用したが、エリアセンサ400は、その他の全画素読みだし方式、フレームトランスファ方式等を採用することも可能である。
【0039】
電子シャッタは、エリアセンサ400の蓄積した電荷を転出、掃き出させる機能を有する。例えば、1フィールド内の所定時間作動させることにより、電荷を掃き出させる。電子シャッタの動作を停止する時間が、入射光の蓄積時間となる。
【0040】
エリアセンサ400が反射光以外の外光を受光し、1フイールド内の受光時間はノイズ光となる。ノイズ光を掃き出すことにより、反射光の検出は容易となる
。
【0041】
そしてCPU600は、タイミング発生回路420を介して、エリアセンサドライバ410を制御し、エリアセンサ400の受光信号を調整する電子シャッタを制御することができる。即ち、電子シャッタパルスが供給されている間は、エリアセンサ400の蓄積電荷を排出することができる。この電子シャッタは必要に応じて、転送ゲートパルス以降、任意の時間一定間隔でパルスを入力する様に構成されている。
【0042】
この結果、電子シャッタパルスを入力している時には、2次元のCCDセンサは電荷掃き出し時間となり、電子シャッタを停止した以降、次の転送ゲートパルスが来るまでの間は、2次元のCCDセンサは蓄積可能となる。そしてCPU600は、2次元のCCDセンサの受光位置から、コーナーキューブ(プリズム)の位置を検出することができる。
【0043】
CPU600は、電子シャッタパルスを停止している時に、タイミング発生回路420を介して発光素子ドライバー120を制御し、発光素子100を駆動することができる。即ちCPU600は、電子シャッタパルスが停止して、2次元のCCDセンサが蓄積時間となっているタイミングで、発光素子発光タイミングを供給し、発光素子100を発光させることができる。この結果、電子シャッタパルスを停止している時間(蓄積時間)を短くすることができるので、外光の蓄積量を減らすことができ、信号光とのS/N比を向上させることができ、目標位置までの実用距離を拡大することができるという効果がある。
【0044】
なおCPU600は上述の機能の他、発光素子100のON、OFFや、発光素子100のパルス数の設定や、電子シャッタの時間設定等を行うことができる。
例えば、電子シャッタパルスを停止して、2次元のCCDセンサが蓄積時間(電荷を蓄積している時間内)となっている時に、発光手段100の発光回数を変化させることにより、受光光量を制御することができる。
【0045】
「第2実施例」
【0046】
図4は第2実施例の位置検出装置2000の光学的構成を示すもので、発光素子100と、第1のコンデンサレンズ110と、通信用発光素子130と、第2のコンデンサレンズ140と、第2のハーフミラー150と、第1のミラー200と、対物レンズ300と、エリアセンサ400とから構成されている。
【0047】
通信用発光素子130は、光による通信を行うための光源であり、レーザーダイオード等、適宜の光源が使用される。第2のコンデンサレンズ140は、通信用発光素子130からの光を、第1のハーフミラー150と第1のミラー200とを介して、対物レンズ300に送光するためのものである。
【0048】
第1のハーフミラー150は、発光素子100からの光を透過させ、通信用発光素子130からの光を反射させるためのものである。
【0049】
第2実施例のその他の構成は、第1実施例と同様であるから説明を省略する。
【0050】
なお、発光素子100と通信用発光素子130とに、レーザーダイオード(LD)を使用する場合には、第1のハーフミラー150の代わりに、偏光ミラーが使用でき、波長が異なる場合には、ダイクロイックミラーを使用することができる。
【0051】
図5は、本第2実施例の位置検出装置2000の電気的構成を示すもので、発光素子100と、発光素子ドライバー120と、通信用発光素子130と、通信用発光素子ドライバ160と、エリアセンサ400と、エリアセンサドライバ410と、タイミング発生回路420と、サンプルホールド510と、アンプ520と、A/Dコンバータ530と、フレームメモリ540と、
CPU600とから構成されている。
【0052】
CPU600は、通信を行うための通信データを通信発光素子ドライバー160に供給し、通信用発光素子130は通信データに相当する光を発光させ、光通信を行うことができる。
【0053】
なおCPU600が通信用発光素子ドライバを駆動して、光通信を行うタイミングは、図6に示す様に電子シャッタを動作させて、2次元のCCDセンサが電荷掃き出し時間となっている時となっている。この結果、外光の蓄積量を減らすことができ、信号光とのS/N比を向上させることができ、目標位置までの実用距離を拡大することができる上、互いに影響を与えず通信を行うことができるという効果がある
【0054】
なお、通信用発光素子130を発光素子100と共用し、通信発光素子ドライバー160を発光素子ドライバー120と共用することもできる。なお、この場合には、第1のハーフミラー150は不要となる。
【0055】
第2実施例のその他の構成、及び作用は、第1実施例と同様であるから、説明を省略する。
【0056】
「第3実施例」
【0057】
図7は第3実施例の位置検出装置3000の光学的構成を示すもので、発光素子100と、第1のコンデンサレンズ110と、測距用発光素子700と、第2のコンデンサレンズ140と、第1のハーフミラー150と、第1のミラー200と、対物レンズ300と、測距用受光素子800と、第2のハーフミラー820と、エリアセンサ400とから構成されている。
【0058】
測距用発光素子700と測距用受光素子800とは、光により距離を測定するための光波距離計を構成する。測距用発光素子700は、第2実施例の通信用発光素子130と置き換えて配置されている。本第3実施例は、光波距離計に相当する機能をCPU600とパルス遅延時間測定手段900等とにより実現している。
【0059】
測距用受光素子800は、測距用発光素子700から射出され、目標位置等に設置されたコーナーキューブ(プリズム)で反射された反射光を受光するためのものである。
【0060】
第2のハーフミラー820は、発光素子100から発光された位置検出用パルスを透過させてエリアセンサ400に導き、測距用発光素子700から発光された測距用パルスを反射させ、測距用受光素子800に導くためのものである。
【0061】
追尾用と測距用で波長が異なる場合には、第2のハーフミラー820に代えて、ダイクロイックプリズムの使用が望ましい。
【0062】
第3実施例のその他の構成は、第1実施例と第2実施例と同様であるから説明を省略する。
【0063】
図8は、本第3実施例の位置検出装置3000の電気的構成を示すもので、発光素子100と、発光素子ドライバー120と、エリアセンサ400と、エリアセンサドライバ410と、タイミング発生回路420と、サンプルホールド510と、アンプ520と、A/Dコンバータ530と、フレームメモリ540と、CPU600と、測距用発光素子700と、測距用発光素子ドライバ710と、測距用タイミング発生回路720と、測距用受光素子800と、第2のアンプ810と、パルス遅延時間測定手段900とから構成されている。
【0064】
CPU600は、測距用タイミング発生回路720のタイミング信号に基づき、測距用発光素子ドライバ710を駆動し、測距用発光素子700を発光させる。目標位置等に設置されたコーナーキューブ(プリズム)で反射された反射光は、測距用受光素子800で受光され、受光信号は、第2のアンプ810で増幅された後、パルス遅延時間測定手段900で遅延時間が測定され、CPU600により、目標位置までの距離が算出される。
【0065】
なおCPU600が測距用発光素子ドライバを駆動して、測距を行うタイミングは、図9に示す様に電子シャッタを動作させて、2次元のCCDセンサが電荷掃き出し時間となっている時となっている。この結果、外光の蓄積量を減らすことができ、信号光とのS/N比を向上させることができ、目標位置までの実用距離を拡大することができる上、互いに影響を与えず位置検出及び測距を行うことができるという効果がある
【0066】
なお、測距用発光素子700を発光素子100と共用し、測距用発光素子ドライバを発光素子ドライバー120と共用することもできる。
【0067】
第3実施例のその他の構成、及び作用は、第1実施例及び第2実施例と同様であるから、説明を省略する。
【0068】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、発光手段と、この発光手段からの射出光を目標対象物に送光するための送光手段と、目標対象物からの反射光を受光し、電荷に変換するための2次元受光手段と、この2次元受光手段からの受光信号に基づき、目標対象物の位置を求めるための演算処理手段とからなり、測距光を射出するための測距光発光手段と、前記演算処理手段に対して測距用発光素子ドライバの駆動のためのタイミング信号を与えるための測距用タイミング発生回路とを有し、前記2次元受光手段は、受光光量を調整するための蓄積電荷を排出する電子シャッタの機能を備え、前記演算処理手段は、前記測距用タイミング発生回路のタイミング信号に基づき、前記測距光発光手段を発光させ、かつ、前記電子シャッタを停止させることで、蓄積電荷を掃き出している時間内で、目標対象物までの測距を行う構成となっているので、効率的に、外光の蓄積量を減らすことができ、信号光とのS/N比を向上させることができるので、目標位置までの実用距離を拡大することができるという効果がある。
【0069】
更に本発明は、電子シャッタを動作させている時間内に、通信及び測距を行うことができるという卓越した効果がある。
【0070】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の位置検出装置1000の光学的構成を説明する図である。
【図2】本発明の第1実施例の位置検出装置1000の電気的構成を説明する図である。
【図3】本第1実施例の位置検出装置1000の電子信号を説明を説明する図である。
【図4】本発明の第2実施例の位置検出装置2000の光学的構成を説明する図である。
【図5】本発明の第2実施例の位置検出装置2000の電気的構成を説明する図である。
【図6】本第2実施例の位置検出装置2000の電子信号を説明を説明する図である。
【図7】本発明の第3実施例の位置検出装置3000の光学的構成を説明する図である。
【図8】本発明の第3実施例の位置検出装置3000の電気的構成を説明する図である。
【図9】本第3実施例の位置検出装置3000の電子信号を説明を説明する図である。
【符号の説明】
1000 第1実施例の位置検出装置
2000 第2実施例の位置検出装置
3000 第3実施例の位置検出装置
100 発光素子
110 第1のコンデンサレンズ
120 発光素子ドライバー
130 通信用発光素子
140 第2のコンデンサレンズ
150 第1のハーフミラー
160 通信用発光素子ドライバ
200 第1のミラー
300 対物レンズ
400 エリアセンサ
410 エリアセンサドライバ
420 タイミング発生回路
510 サンプルホールド
520 第1のアンプ
530 A/Dコンバータ
540 フレームメモリ
600 CPU
700 測距用発光素子
710 測距用発光素子ドライバ
800 測距用受光素子
810 第2のアンプ
820 第2のハーフミラー
900 パルス遅延時間測定手段
Claims (5)
- 発光手段と、この発光手段からの射出光を目標対象物に送光するための送光手段と、目標対象物からの反射光を受光し、電荷に変換するための2次元受光手段と、この2次元受光手段からの受光信号に基づき、目標対象物の位置を求めるための演算処理手段とからなり、測距光を射出するための測距光発光手段と、前記演算処理手段に対して測距用発光素子ドライバの駆動のためのタイミング信号を与えるための測距用タイミング発生回路とを有し、前記2次元受光手段は、受光光量を調整するための蓄積電荷を排出する電子シャッタの機能を備え、前記演算処理手段は、前記測距用タイミング発生回路のタイミング信号に基づき、前記測距光発光手段を発光させ、かつ、前記電子シャッタを停止させることで、蓄積電荷を掃き出している時間内で、目標対象物までの測距を行う位置検出装置。
- 電荷を蓄積している時間内で、発光手段の発光回数を変化させることにより、受光光量を制御する請求項1記載の位置検出装置。
- 更に前記位置検出装置は、通信用発光素子と、前記演算処理手段から通信を行うための通信データが供給されることで、通信データに相当する光を前記通信用発光素子で発光させるための通信用発光素子ドライバとを有し、前記演算処理手段は前記通信用発光素子ドライバを駆動して、電子シャッタを動作させ、蓄積電荷を掃き出している時間内で、通信を行う請求項1又は2記載の位置検出装置。
- 前記発光手段の光源と、前記通信用発光素子の光源とが同一である請求項3記載の位置検出装置。
- 前記発光手段の光源と、前記測距光発光手段の光源とが同一である請求項3記載の位置検出装置。
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