JP4979916B2

JP4979916B2 - 測量装置及び測量方法

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Publication number: JP4979916B2
Application number: JP2005264328A
Authority: JP
Inventors: 文夫大友; 政裕大石; 功峯岸
Original assignee: Topcon Corp
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Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2025-09-12
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Description

本発明は、測量装置及び測量方法に関する。詳しくは測定対象物に光を照射し、その反射光を受光して遅延時間又は距離を測定するための測量装置及び測量方法に関する。

従来、ターゲット等のなど測定対象物から反射されてくる反射光を光電子倍増管やＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）などで増幅して受光し、所定の処理を施し、遅延時間や距離測定を行なう装置があった。かかる装置においては、近距離からの強い反射光から遠方からの微小な反射光までの広範囲なレベルの光を受光することが求められ、このためダイナミックレンジを大きくするために、光電子倍増管やＡＰＤのバイアス電圧を調整するものがあった。（例えば、特許文献１参照）

特開２０００−２０６２４６号公報（段落０００６）

しかし、従来の装置のように、単なるバイアス電圧による増倍率の調整によるダイナミックレンジの幅には一定の制限があった。
特に、遥か遠方からの微小な反射光と極めて近方からの強い反射光の両者を受光することとなると、ダイナミックレンジに制限がある場合には、近方、遠方のいずれかの測定に支障がでるという問題があった。このため、ダイナミックレンジをさらに拡大する新しい測量装置及び測量方法が望まれていた。

本発明は、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量装置及び測量方法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１、図２、図４に示すように、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて端子間容量Ｃ_Ｒが変化する第２領域Ａ２とを有し、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ_１を受光信号として受光する受光素子９と、受光素子９に印加する逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整するバイアス電圧調整器３０と、受光信号ｒ、ｏ_１からタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を形成するタイミング信号形成部３６と、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ_１から形成されたタイミング信号ｏ_１’との受光時間差に基づき測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を算定する測定値算定部３３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、遅延時間と距離の測定はその一方を行なっても良く、遅延時間を測定した後に距離を測定しても良く、距離を測定した後に遅延時間を測定しても良い、また、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２は必ずしも明確な境界がなくてもよく、一部領域が重複しあっても良く、間にどちらにも属さない領域があっても良い。また、測定量算定部３３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、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間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、例えば図２、図５に示すように、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して電流増倍率αを増加させ、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させることにより、ダイナミックレンジを拡大する。

ここにおいて、標準範囲ＳＴとは受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲内に入る受光信号ｒ、ｏ_１のレベル範囲、すなわち、補正なしに遅延時間又は距離の正確な測定値を得られる受光信号ｒ、ｏ_１のレベル範囲をいう。このように構成すると、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整に関し、受光素子９の電流増倍率αの変化と端子間容量Ｃ_Ｒの変化の双方を利用して、大きなダイナミックレンジを実現することができる。

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２に示すように、受光素子９はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）から成る。
このように構成すると、ＡＰＤは逆バイアス電圧Ｖ_Ｒによる電流増倍率αの変化及び端子間容量Ｃ_Ｒの変化が共に大きいので、大きなダイナミックレンジを実現することができる。

また、本発明の第４の態様は、第２又は第３の態様に係る測量装置において、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合又は小さい場合に受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬ及び逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに対応して遅延時間又は距離の補正を行なう。
このように構成すると、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬの変化に応じて発生する遅延時間又は距離の測定誤差を高精度に補正できる。

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、遅延時間又は距離の補正は、測定値算定部３３において、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬ及び逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに対応する補正量を算出して又は補正量を記憶したテーブルを用いて補正を行なう。
このように構成すると、測定データ又はテーブルを用いることにより、確実かつ簡便に補正を実行できる。

また、本発明の第６の態様は、第１乃至第５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を含む。
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。

上記課題を解決するために、本発明の第７の態様に係る測量方法は、例えば図５に示すように、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて端子間容量Ｃ_Ｒが変化する第２領域Ａ２とを有する受光素子９を用いて、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ_１を受光信号として受光する受光工程（Ｓ０１）と、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬと標準範囲ＳＴとを比較するレベル比較工程（Ｓ０２）と、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して電流増倍率αを増加させ、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させるバイアス電圧調整工程（Ｓ０４、Ｓ０５）と、受光信号ｒ、ｏ_１からタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を形成するタイミング信号形成工程（Ｓ０６）と、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ_１から形成されたタイミング信号ｏ_１’との受光時間差に基づき測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する測定値算定工程（Ｓ０７）とを備える。

このように構成すると、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量方法を提供できる。

本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量装置及び測量方法を提供できる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態では、光源として発光素子（パルスレーザーダイオード：ＰＬＤ）を用い、光源から照射された測定パルス光が測定対象物で反射され、その反射光が戻るまでに要する所要時間を検出することにより、測定パルス光の基準パルス光に対する遅延時間（所要時間差）又は測定対象物までの距離の測定を行う、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）測定を用いる測量装置について説明を行う。

図１に本発明の第１の実施の形態における装置構成例のブロック図を示す。
発光素子であるＰＬＤ１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、ビームスプリッタ３へ入射され、外部測定パルス光束（測定パルス光）ｏ_１と内部測定パルス光束（基準パルス光）ｒとに分けられる。

ビームスプリッタ３で反射された基準パルス光ｒ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により受光素子である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、この基準パルス光ｒの受光される時間を基準時間ということとする。

ビームスプリッタ３を透過した測定パルス光ｏ_１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、測定パルス光ｏ_１を基準パルス光ｒに対し時間的に遅延させる遅延ファイバーとしての機能をもたせることが出来る。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もたせることも出来る。

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、さらに、ミラー１４により反射されて装置外部へと導かれ、図示されない測定対象物へ照射される。ミラー１４は光軸上で回転可能に構成されており、本装置の外周を３６０度全域にわたって測定可能である。

測定対象物から反射された測定パルス光ｏ_１は、ミラー１４により反射された後レンズ１５により受光ファイバー１６に集光される。受光ファイバー１６を透過した測定パルス光ｏ_１はレンズ１７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１６、レンズ８を通過してＡＰＤ９に到る光路を測定パルス光路Ｆ２という。また、測定パルス光ｏ_１が受光される時間を測定時間ということとし、測定時間と基準時間との時間差を求めることで、測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間及び測定物までの距離を求めることが可能である。

測定対象物が本測定装置から遠方にある場合から近辺にある場合まで、予想される光量変化は非常に大きくなるため、受光素子９には広いダイナミックレンジが要求される。他方、後述するように、受光光量により光束の波形が変化したり、受光処理部２１内のタイミング信号形成部３６で生成されるタイミング信号ｒ’、ｏ_１’の位置がずれることから、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲（この範囲を標準範囲ＳＴと称することとする）内にある場合にのみ補正なしに正確な測定値が得られる。このため、精密測定には、測定パルス光ｏ_１の光量をこの標準範囲ＳＴ内に調整する必要があった。受光素子であるＡＰＤ９は逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを変化させることでその電流増倍率αを変化できるので、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整は受光信号（正確には、ＡＰＤの出力信号）のレベルを一定に保つ用途に用いられることが多かった。しかし本実施の形態は、測定のダイナミックレンジを広げるために逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの制御を行うものである。

駆動部３２は、発光素子ＰＬＤ１を駆動するＰＬＤドライバー３１と、受光素子ＡＰＤ９のバイアスを調整するバイアス調整器３０等で構成される。ＰＬＤドライバー３１の駆動によりＰＬＤ１から単一パルスが発生される。受光処理部２１はＡＰＤ９により受光された受光信号ｒ、ｏ_１を測定値算定部３３の処理前に処理するもので、負荷１８、プリアンプ１９、コンパレータ２０、ピークホールド回路２９等により構成される。受光信号は、基準パルス光信号ｒ、測定パルス光信号ｏ_１の順に受光素子ＡＰＤ９に入射され、ＡＰＤ９により増幅される。ＡＰＤ９の逆バイアス電圧Ｖ_Ｒはバイアス調整器３０により制御され、電流増倍率αが調整される。ＡＰＤ９からの出力信号は負荷１８により電流電圧変換され、プリアンプ１９によってさらに増幅され、コンパレータ２０とピークホールド回路２９に入力される。コンパレータ２０により基準パルス光信号ｒおよび測定パルス光信号ｏ_１はそれぞれデジタル的なタイミング信号ｒ’、ｏ_１’に変換される。このように、受光処理部２１は受光信号ｒ、ｏ_１からタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を形成するタイミング信号形成部３６（負荷１８、プリアンプ１９、コンパレータ２０で構成される）を有する。また、ピークホールド回路２９で基準パルス光信号ｒと測定パルス光信号ｏ_１とが標準範囲ＳＴと比較され、比較の結果は後述するように、バイアス調整器３０に反映される。測定値算定部３３（演算部２７＋算定回路部２５）については後述する。

なお、光源ＰＬＤ１を駆動するＰＬＤドライバー３１は、演算部２７により制御する構成とした。この構成によると、受光光量の変化に影響を受けにくい受光処理部２１を構成出来る。

次にＡＰＤ９の制御について説明する。

図２にＡＰＤの逆バイアス特性の例を示す。この特性は日本電気（株）社製品のデータシートから抽出したＡＰＤ（型式番号ＮＤＬ１２０２）に関する例であり、図２（ａ）に電流増倍率αの逆バイアス電圧Ｖ_Ｒ特性を、図２（ｂ）に端子間容量Ｃ_Ｒの逆バイアス電圧Ｖ_Ｒ特性を示す。図２（ａ）より、ＡＰＤの電流増倍率αは、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを制御することで変化する領域があり、この領域を第１領域Ａ１と呼ぶ。この領域において、電流増倍率αは２００倍以上の調整範囲を持つ（２〜５００）。したがって、遠方からの反射光などのため受光信号ｒ、ｏ_１の振幅が小さい場合には、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを大きくし電流増倍率αを上げるように制御できる。

図２（ｂ）より、電流増倍率αに対してＡＰＤの端子間容量Ｃ_Ｒは、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを下げると大きくなる領域があり、この領域を第２領域Ａ２と呼ぶ。この領域において、１０倍程度の容量Ｃ_Ｒ変化が生じるため、この効果を利用できる。すなわち、近い測定対象物からの反射光などで受光信号ｒ、ｏ_１が大きくなる場合には、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを下げていき、端子間容量Ｃ_Ｒが大きくなるように制御することにより、受光波形の振幅を小さくすることが出来、この特性を利用すると、ＡＰＤの電流増倍率αにプラスアルファのゲイン可変範囲を得ることが可能になる。

なお、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲（標準範囲）ＳＴにある場合には、例えば第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の境界近傍で、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整なしに（例えば、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒ１２０〜１４０Ｖ、電流倍増率２〜３倍のいずれかに固定して）使用される。

図３に逆バイアス電圧調整による受光信号への影響を示す。受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴ内にある場合には（図５参照）、波形Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂに示すように、小さい倍増率（例えば２〜３倍）で増幅する。このとき、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整は行なわない。受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には、波形Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂに示すように、第１領域Ａ１で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して電流増倍率αを大幅に増加させる。また、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には、波形Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂに示すように、第２領域Ａ２で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して受光素子ｒ、ｏ_１の出力信号の時定数を大きくして、受光信号ｒ、ｏ_１に周波数成分から波形のなまりを生じさせて、信号振幅を減少させる。このように、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整することにより、受光処理部２１の負担を軽減し、受光信号検出に係るダイナミックレンジを拡大できる。すなわち、広いダイナミックレンジを持った受光処理部２１を構成することが出来る。

但し、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整する場合には、図３に示すように受光信号（受光素子９の出力信号）の重心位置に波形のなまりにより時間遅れが生じるため、精密測定には、時間遅れの補正を行なうことが必要になる。

次に遅延時間、距離測定の流れを説明する。

図４は受光後の信号の流れを説明するための図である。ＰＬＤドライバー３１の駆動により発光素子ＰＬＤ１より単一パルスが発生する（（ａ）参照）。受光素子ＡＰＤ９に入射した受光信号は、負荷１８により電流電圧変換されプリアンプ１９によって増幅される。受光信号は、プリアンプ出力に示すように基準パルス光信号ｒ、測定パルス光信号ｏ_１の順に発生する（（ｂ）参照）。基準パルス光信号ｒおよび測定パルス光信号ｏ_１はコンパレータ２０によりそれぞれデジタル的なタイミング信号ｒ’、ｏ_１’に変換される（（ｃ）参照）。コンパレータ２０の出力であるタイミング信号ｒ’、ｏ_１’は、算定回路部２２に送られ、Ａ／Ｄコンバータ２５に入力されて遅延時間や距離の測定に用いられる。

算定回路部２２は、基準クロック発生回路（ＴＣＸＯ）２３、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２４、２回路（基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号用）入りＡ／Ｄコンバータ２５、メモリ２６等により構成され、演算部３３と協働して測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間（所要時間差）又は測定対象物までの距離を算定する。すなわち、遅延時間や測定対象物までの距離を算出する測定量算定部３３は演算部２７と算定回路部２２により構成される。

算定回路部２２では、装置の基準となるクロックを基準クロック発生回路（ＴＣＸＯ）２３により発生させ、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２４によりある所定の周波数の基準サイン／コサイン信号を生成する（（ｄ）、（ｅ）参照）。基準サイン／コサイン信号は正確に９０度の位相差を持った既知の同一周波数の信号として生成されていれば、２回路入りＡ／Ｄコンバータ２５の２つのＡ／Ｄ変換器にそれぞれの波形を入力しておき、基準パルス光ｒ、測定パルス光ｏ_１の受光タイミングを用いてサンプリングし、メモリ２６に保存することで、測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物からの距離を、サンプルされたサイン／コサインそれぞれの位相から計算で求めることが出来る。

以上の手順で記憶されたデータは基準パルス光ｒおよび測定パルス光ｏ_１の光量が受光処理部２１の適正なダイナミックレンジの範囲（標準範囲）ＳＴ内にある場合にのみ補正なしに正確な値を検出できる。そこで基準パルス光ｒおよび測定パルス光ｏ_１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１９の出力をピークホールドする。プリアンプ１９の出力はピークホールド回路２９に入力され、ある一定時間ＤＣレベルを保つ（（ｆ）参照）。ピークホールド回路２９の出力はＣＰＵ（中央処理ユニット）２８に入力され、受光信号ｒ、ｏ_１の光量が適正であるかどうかを判断される。

受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴにある場合には、ＡＰＤ９の逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整は行なわれず、小さい倍増率（例えば２〜３倍）で増幅される。受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には、ＣＰＵ２８はバイアス調整器３０を第１領域Ａ１で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを電流増倍率αを大幅に増加させるように調整する。また、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には、ＣＰＵ２８はバイアス調整器３０を第２領域Ａ２で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを受光素子９の出力信号の時定数を大きくして、信号振幅を減少させるように調整する。このように、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整することにより、受光信号ｒ、ｏ_１に関するダイナミックレンジを拡大できる。

Ａ／Ｄ変換され、メモリ２６に保存された基準サイン／コサイン波形の位相データは、演算部２７のＣＰＵ２８で計算処理され、測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間や対象物までの距離が計算される。

また、これらの信号位相差や振幅に誤差がある場合には、補正によりその時間差を正すことが可能となる。すなわち、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒによる波形の歪み及び受光レベルの変化に対して遅延時間や距離の測定値変動の補正が行われる。すなわち、さらに精度の高い測定をする場合は逆バイアス電圧Ｖ_Ｒ及び基準パルス光ｒと測定パルス光ｏ_１との厳密な光量差を計算しその差が原因で発生する遅延時間や距離の測定値の誤差を補正する。この場合光量差と測定値誤差の関係をあらかじめテーブル化しておき、測定の都度このテーブルの値に基づいて補正を実行すればよい。なお、広範な距離範囲で受光信号ｒ、ｏ_１が標準範囲ＳＴ内に入るようにして測定した測定値をメモリに保持しておけば、測定の都度、このデータを用いて受光信号ｒ、ｏ_１の測定値についての測定誤差を算定して補正することも可能である。

受光時間が０．０１ｎｓ異なると、距離にして１．５ｍｍの差異が生じる。したがって、１ｍｍ以下の精度で測量するには、パルスの重心の精度を０．０２／３ｎｓ以下にしなければならない。前記テーブルを用いて実際の補正の精度を標準偏差が０．３ｍｍ以下になるように行うと、１．０ｍｍの精度を確保できる。したがって、ｐｓオーダーの補正テーブルが作成される。

図５に、本実施の形態における測量方法の処理フローを概略的に示す。
まず、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒに応じて端子間容量Ｃ_Ｒが変化する第２領域Ａ２とを有する受光素子９を用いて、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ_１を受光信号として受光する（受光工程：ステップＳ０１）。

次に、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬと標準範囲ＳＴとを比較する（レベル比較工程：ステップＳ０２）。受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに入る場合には、逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの調整を行わず、プリアンプ１９を通常の増幅率で使用する（ステップＳ０３）。受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して電流増倍率αを増加させ（第１領域Ａ１でのバイアス電圧調整工程：ステップＳ０４）、受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させる（第２領域Ａ２でのバイアス電圧調整工程：ステップＳ０５）。

次に、タイミング信号形成部３６（負荷１８、プリアンプ１９とコンパレータ２０で構成される）を用いて、受光信号ｒ、ｏ_１からタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を形成する（タイミング信号形成工程：ステップＳ０６）。
次に、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ_１から形成されたタイミング信号ｏ_１’との時間差に基づき測定パルス光ｏ_１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する（測定値算定工程：ステップＳ０７）。

次に本発明における第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態とはタイミング信号形成部３６の構成のみが異なる。すなわちタイミング信号形成部３６において、受光光量が変化した場合には誤差が大きくならないように、受光信号（受光素子９の出力信号）からダンピング信号を形成し、ダンピング信号における微小レベルの信号の増幅率を高く増幅し、増幅器により微小レベルの信号を増幅した出力信号を用いて、受光信号ｒ、ｏ_１からタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を形成するものである。

以下、信号処理について説明する。

図６に受光素子であるＡＰＤ９と接地の間に接続される負荷１８とＡＰＤ９の動作波形との関係を示す。図６（ａ）にＡＰＤ９の動作波形を、図６（ｂ）に受光処理部２１における負荷１８とプリアンプ１９の回路構成（ｍ１〜ｍ３）を示す。パルス発光された光束がＡＰＤ９に受光された場合、負荷１８が通常使用される抵抗３４の場合には（ｍ１参照）、その受光信号は波形Ｓ１Ｕのようになり、その０レベル付近を拡大すると波形Ｓ１Ｖのようになる。

ノイズの影響を除去するために、波形Ｓ１Ｖと閾値Ｌ１（レベルを破線で示す）との比較を行い、その大小で受光を判断するのが一般的であるが、波形Ｓ１Ｖのように波形が緩やかな勾配を有する場合には、受光光量が変化した場合には誤差が大きくなるという問題があった。すなわち、勾配が小さい程、波形Ｓ１Ｖが閾値Ｌ１とクロスする点は波形の立ち上がり点Ｑに遠く、勾配が大きい程、波形Ｓ１Ｖが閾値Ｌ１とクロスする点は波形の立ち上がり点Ｑに近い。したがって、閾値Ｌ１とのクロス点で受光時間を判定する場合には、波形の勾配が緩やかな場合には、受光信号の変動量が大きくなると、受光時間の測定値が大きく変化することが解る。

ところで、受光信号ｒ、ｏ_１の重心位置でタイミング信号ｒ’、ｏ_１’を発生させるのが、受光時間の測定誤差を小さくできて好ましい。波形Ｓ２Ｕに示すように、負荷１８にインダクタ３５を用い（ｍ２参照）、受光信号ｒ、ｏ_１からある周波数成分のみを取り出し、減衰振動波形を取り出すと、そのゼロクロスポイントＱ_０は振幅が変化しても移動せず、受光信号ｒ、ｏ_１の重心相当位置とみなせるので、ゼロクロスポイントを測定に使用する方法がとられている。

波形Ｓ２ＵのゼロクロスポイントＱ_０付近を拡大すると波形Ｓ２Ｖのようになる。そして、図中、上の破線を閾値Ｌ２、下の破線をゼロラインとすると、この減衰振動波形においても波形の勾配が緩やかな場合には、受光信号ｒ、ｏ_１の変動量が大きくなると、波形Ｓ２Ｖの勾配により閾値Ｌ２とクロスする点が変化し、受光時間の測定値が大きく変化する。

本実施の形態では、波形Ｓ３Ｕに示すように、受光素子（ＡＰＤ）９の負荷１８に直接インダクタ３５を配置して減衰振動を発生させ、さらにその出力に、微小レベルの信号の増幅率を高く増幅するプリアンプ１９を配置して、光量変化に影響を受けにくい受光処理部２１を構成した（ｍ３参照）。すなわち、波形Ｓ３Ｖに示すように、ゼロクロスポイントＱ_０付近の勾配を急峻にした。図中、上の破線を閾値Ｌ２、下の破線をゼロラインとすると、微小レベルの信号の増幅率を高く増幅することにより、光量変化による閾値Ｌ２とのクロス点の時間の変化を極力抑制する構成としている。

また、プリアンプ１９は、波形の高いレベルについては、増幅による位相の変化がない、すなわちゼロクロスポイントが移動しない増幅器であることが好ましく、このため、増幅率が低いか又は飽和しても位相の変化がない増幅器が好ましい。これらの増幅器として、リミッティングアンプやログアンプを用いることで、所望の特性を得ることが出来る。

このように、測定の対象をダンピング信号のゼロクロスとした場合は、スレッショルドなどにより信号振幅によって誤差を生じることとなるが、本実施の形態のようにログアンプやリミッティングアンプにより増幅し、ゼロクロス付近の増幅率を大きくすることにより、立ち上がりの傾斜による誤差の影響を少なくすることができる。
タイミング信号形成部３６の構成以外は第１の実施の形態と同様の構成であり、同様の効果を奏する。

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、上記実施の形態では、受光器（ＡＰＤ）９のプリアンプ１９の出力をピークホールド回路２９により検出し、演算部２７のＣＰＵ２８で受光信号ｒ、ｏ_１のレベルＲＬに応じて駆動部３２のバイアス調整器３０でＡＰＤ９の逆バイアス電圧Ｖ_Ｒの制御が行える構成としたが、ピークホールド回路２９のデータをバイアス調整器３０が直接受けてＡＰＤ９の逆バイアス電圧Ｖ_Ｒを制御しても良い。また、上記実施の形態では、受光信号ｒ、ｏ_１と標準範囲ＳＴの比較をピークホールド回路２９で行う例を説明したが、コンパレータ２０でこの比較をして、比較結果をバイアス調整器３０やＣＰＵ２８に送信しても良い。また、光源１については発光素子に限られない。

本発明は、測定対象物に光を照射し、その反射光を受光して遅延時間又は距離を測定するための測量装置及び測量方法に利用できる。

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。ＡＰＤの逆バイアス特性の例を示す図である。逆バイアス電圧調整による受光信号への影響を示す図である。受光後の信号の流れを説明するための図である第１の実施の形態における測量方法の処理フローを概略的に示す図である。負荷とＡＰＤの動作波形との関係を示す図である。

符号の説明

１発光素子（ＰＬＤ）
２コリメートレンズ
３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ビームスプリッタ
８レンズ
９受光素子（ＡＰＤ）
１０集光レンズ
１１発光ファイバー
１２レンズ
１３ミラー
１４ミラー
１５レンズ
１６受光ファイバー
１７レンズ
１８負荷
１９プリアンプ
２０コンパレータ
２１受光処理部
２２算定回路部
２３基準クロック発生回路
２４基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路
２５２回路入りＡ／Ｄコンバータ
２６メモリ
２７演算部
２８ＣＰＵ
２９ピークホールド回路
３０バイアス調整器
３１ＰＬＤドライバー
３２駆動部
３３測定量算定部
３４抵抗
３５インダクタ
３６タイミング信号形成部
Ａ１第１領域
Ａ２第２領域
Ｃ_Ｒ端子間容量
Ｆ１参照光路
Ｆ２測定パルス光路
Ｌ１、Ｌ２閾値
ｍ１〜ｍ３受光処理部の回路構成（負荷とプリアンプの部分）
ｏ_１測定パルス光信号
Ｑ立ち上がり点
Ｑ_０ゼロクロスポイント
ｒ基準パルス光信号
ｒ’、ｏ_１’ タイミング信号
ＲＬ受光信号のレベル
Ｓ１Ａ〜Ｓ３Ｂ、Ｓ１Ｕ〜Ｓ３Ｖ信号波形
ＳＴ標準範囲
Ｖ_Ｒ逆バイアス電圧
α 電流増倍率

Claims

逆バイアス電圧に応じて電流増倍率が変化する第１領域と、前記逆バイアス電圧に応じて端子間容量が変化する第２領域とを有し、基準パルス光及び測定パルス光を受光信号として受光する受光素子と；
前記受光素子に印加する逆バイアス電圧を調整するバイアス電圧調整器と；
前記受光信号からタイミング信号を形成するタイミング信号形成部と、
前記基準パルス光から形成されたタイミング信号と前記測定パルス光から形成されたタイミング信号との受光時間差に基づき前記測定パルス光の前記基準パルス光に対する遅延時間又は測定対象物までの距離を算定する測定値算定部とを備え；
前記受光信号から得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離について補正することなしに正確な測定値が得られるレベルの範囲を標準範囲と称し、前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧は前記第１領域と前記第２領域の境界近傍にあり；
前記受光信号から得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離は、前記受光信号から形成されたタイミング信号間の前記受光時間差に基づいて得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離であり；
前記補正は、逆バイアス電圧が原因で発生する、又は、基準パルス光と測定パルス光との光量差が原因で発生する遅延時間や距離の測定値の誤差を補正するものであり；
前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて小さい場合には前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧の高電圧側の前記第１領域で逆バイアス電圧を調整して電流増倍率を増加させ、受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて大きい場合には前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧の低電圧側の前記第２領域で逆バイアス電圧を調整して前記受光素子の出力信号の時定数を大きくして前記出力信号の振幅を減少させることにより、ダイナミックレンジを拡大する；
測量装置。
前記受光素子はアバランシェフォトダイオードから成る；
請求項１に記載の測量装置。
前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて大きい場合又は小さい場合に、前記基準パルス光と前記測定パルス光との光量差及び前記逆バイアス電圧に対応して前記遅延時間又は前記距離の前記誤差について補正を行なう；
請求項１又は請求項２に記載の測量装置。
逆バイアス電圧に応じて電流増倍率が変化する第１領域と、逆バイアス電圧に応じて端子間容量が変化する第２領域とを有する受光素子であって；
前記受光信号から得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離について補正することなしに正確な測定値が得られるレベルの範囲を標準範囲と称し、前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧は前記第１領域と前記第２領域の境界近傍にある受光素子を用いて、基準パルス光及び測定パルス光を受光信号として受光する受光工程と；
前記受光信号のレベルと前記標準範囲とを比較するレベル比較工程と；
前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて小さい場合には前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧の高電圧側の前記第１領域で逆バイアス電圧を調整して電流増倍率を増加させ、前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて大きい場合には前記標準範囲で使用する逆バイアス電圧の低電圧側の前記第２領域で逆バイアス電圧を調整して前記受光素子の出力信号の時定数を大きくして前記出力信号の振幅を減少させるバイアス電圧調整工程と；
前記受光信号からタイミング信号を形成するタイミング信号形成工程と、
前記基準パルス光から形成されたタイミング信号と前記測定パルス光から形成されたタイミング信号との受光時間差に基づき前記測定パルス光の前記基準パルス光に対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する測定値算定工程とを備え；
前記受光信号から得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離は、前記受光信号から形成されたタイミング信号間の前記受光時間差に基づいて得られる遅延時間について又は測定対象物までの距離であり；
前記補正は、逆バイアス電圧が原因で発生する、又は、基準パルス光と測定パルス光との光量差が原因で発生する遅延時間や距離の測定値の誤差を補正するものである；
測量方法。
前記受光素子はアバランシェフォトダイオードから成る；
請求項４に記載の測量方法。
前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて大きい場合又は小さい場合に、前記基準パルス光と前記測定パルス光との光量差及び前記逆バイアス電圧に対応して前記遅延時間又は前記距離の前記誤差について補正を行なう；
請求項４又は請求項５に記載の測量方法。
前記遅延時間又は前記距離の補正は、前記測定値算定工程において、前記基準パルス光と前記測定パルス光との光量差及び前記逆バイアス電圧に対応する補正量を算出して又は前記補正量を記憶したテーブルを用いて補正を行なう；
請求項４に記載の測量方法。