JP5197527B2 - レーザ測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザ光を用いて測距対象物までの距離値を測距するレーザ測距装置に関する。

従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用のパルスレーザ光を測距対象物に照射し、測距対象物で反射した当該パルスレーザ光を検出することによって、所定位置から測距対象物の位置までの距離を測定するレーザ測距装置が利用されている。

従来のレーザ測距装置は、測定用のパルスレーザ光による走査を広範囲に行い、効率良く測距対象物を捕捉するために、例えばパルスレーザ光を測距対象物側に反射するための反射ミラー等を備えている。この場合において、レーザ測距装置は、反射ミラー等を駆動するために直交する２軸方向に駆動する複数のモータや駆動機構を使用して複数のモータを所定量ずつ回転駆動することにより、反射ミラーの光反射方向を徐々にずらすように制御して測距対象物を捕捉することができる。

また、パルスレーザ光の照射方向の操作に用いられるものとして、ウェッジ板が利用されている。ウェッジ板は、頂角（ウェッジ角）の小さな薄いプリズムレンズであり、ウェッジ板に垂直にレーザ光を入射することにより、ウェッジ角に応じた角度でレーザ光を屈曲させることができる。従来のレーザ測距装置は、測定用のパルスレーザ光の光路上にモータ等により回転可能なウェッジ板を設けることにより、ウェッジ板の回転角度を操作してパルスレーザの照射方向を制御することができ、効率良く測距対象物を捕捉することができる。

特許文献１には、１個の光源と１個の投射光学系を使用し、被検物を広範囲に直線的に走査して測距可能な距離測定装置が記載されている。この距離測定装置は、光源からの光を対象物へ投射する投光光学系と、投射された光が対象物で反射して入射する受光光学系とを備えており、各光学系内に光偏向手段を有している。

投光光学系に設けられた投射光偏向手段は、光源からの光を偏向させ、互いに反対方向に同じ角速度で回転する２枚の同一楔角を有する光学ウェッジを有し、投射する光の出射する角度を一直線上に反復変化する。一方、受光光学系に設けられた入射光偏向手段は、入射する光を偏向させ、互いに反対方向に同じ角速度で回転する２枚の同一楔角を有する光学ウェッジを有し、入射する光の入射してくる角度を一直線上に反復変化させる。

この距離測定装置によれば、投光光学系又は受光光学系に設けられた２枚の同一形状の光学ウェッジが互いに反対に同一回転速度で回転するので、複数のレーザダイオードや光学系を使用することなく、広い範囲で連続的な走査が可能であるとともに、特殊な発光素子等を使用せずに安価に装置を構成することができる。さらに、投射光偏向手段と入射光偏向手段とが同期することにより、広い範囲の中で対象物からの反射光を、外乱光を少なくして測定することができる。

特許文献２には、小型、軽量であり、信頼性が高い赤外線誘導装置及び飛翔体の誘導方法が記載されている。この赤外線誘導装置は、入射赤外線を集光する集光光学系と集光された赤外線を電気信号に変換する検知器とを含む検知部を備え、少なくとも検知部からの電気信号に基づいて生成される画像を参照して飛翔体を目標物に誘導する装置である。また、検知部は、一方の面が他方の面に対して所定の角度で傾斜する１以上のウェッジプリズムと、当該ウェッジプリズムを検知器の光軸に略直交する面内で回転させる回転機構とを備え、目標物から放射された赤外線を１以上のウェッジプリズムで屈折させて集光光学系に入射させる。

特許文献２に記載の赤外線誘導装置によれば、集光光学系の前段にウェッジプリズムを配置し、このウェッジプリズムを回転機構によって検知器の光軸に略直交する面内で回転させることによって視野の拡大を実現しているため、駆動部分自体のサイズを縮小することができる。さらに、１軸を中心に回転させる回転機構は、構造を簡略化することができるとともに、ウェッジプリズムのみを回転させるために検知器と集光光学系とが載置された筐体全体を駆動するジンバル方式に比べてトルクの小さい駆動手段を用いることができ、装置全体の軽量化に資する。

特開平７−２１８６３３号公報 特開２００６−１６２２０６号公報

しかしながら、レーザ測距中に測距対象物を見失った場合において、反射ミラーの角度調整やウェッジ板の回転によりレーザ光の照射方向を変えて測距対象物を捜索する方法は、照射方向の変位速度が反射ミラーの角度調整速度やウェッジ板の回転数に依存するため効率が悪いという問題点がある。機械的に回転させたウェッジ板は、最速でも数百Ｈｚ程度である。一方、レーザ光のパルス繰り返し周波数は、例えば数十ｋＨｚであるため、ウェッジ板の回転周波数よりも２桁程度大きい。したがって、ウェッジ板がほとんど動いていない間に（ほぼ同じ方向に）何度もレーザ光を照射することになるので、従来のレーザ測距装置は、見失った測距対象物の捜索時において無駄が多く効率が悪いと考えられる。

また、従来のレーザ測距装置は、ウェッジ板及びそれを回転させるモータ等の回転機構を設置する必要があるため、装置が大型化するという問題点もある。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、小型化が容易であるとともに、測距対象物を見失った場合において、レーザ光の照射軸方向を迅速に変位し、効率よく測距対象物を捜索可能なレーザ測距装置を提供することを課題とする。

本発明に係るレーザ測距装置は、上記課題を解決するために、測距対象物に照射したパルスレーザ光の反射光を受光した時間に基づいて前記測距対象物までの距離情報を取得するレーザ測距装置であって、第１Ｑスイッチを用いてパルスレーザ光を生成するレーザ共振器と、前記レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を所定の方向に屈折させる１以上の第２Ｑスイッチと、前記第１Ｑスイッチに高周波電力をパルス状に印加してパルス状のレーザ光を生じさせるとともに、前記１以上の第２Ｑスイッチの各々のオン／オフを制御するＱスイッチドライバと、前記第１Ｑスイッチと前記１以上の第２Ｑスイッチの各々とが同期するように前記Ｑスイッチドライバを制御することにより、前記レーザ共振器から出射されたパルスレーザ光の進行方向を１パルス毎に制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化が容易であるとともに、測距対象物を見失った場合において、レーザ光の照射軸方向を迅速に変位し、効率よく測距対象物を捜索することができる。

本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置のＱスイッチによる光軸調整を説明する図である。 本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置による測距対象物を捜索する動作を示す図である。 本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置の別の構成例を示す図である。 本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置の別の構成例を示す図である。 本発明の実施例１の形態のレーザ測距装置の別の構成例による測距対象物を捜索する動作を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１のレーザ測距装置の構成を示す図である。図１を参照して、レーザ測距装置の構成を説明する。本実施例のレーザ測距装置は、図１に示すように、ミラー１，４、Ｑスイッチ２、レーザ溶媒３、Ｑスイッチ５，６、Ｑスイッチドライバ７、及び制御部１１により構成され、測距対象物に照射したパルスレーザ光の反射光を受光した時間に基づいて測距対象物までの距離情報を取得する。

ただし、図１に示すレーザ測距装置は、測距対象物に対してパルスレーザ光を照射する投光光学系の構成を示すものであり、反射光を受光する受光光学系を構成する機器の記載は省略されている。受光光学系を構成する機器は、必ずしも投光光学系を構成する機器と一体的に構成される必要は無く、離れた場所に設置することも可能だからである。ここでは、図１に示すように、本発明のレーザ測距装置の特に投光光学系を構成する部分について説明する。

ミラー１，４、Ｑスイッチ２、及びレーザ溶媒３は、本発明のレーザ共振器に対応し、Ｑスイッチ２を用いてパルスレーザ光を生成する。ミラー１とミラー４とは、互いに対向配置されており、レーザ光を共振させる。Ｑスイッチ２は、本発明の第１Ｑスイッチに対応し、パルス幅が狭くピークパワーの大きなパルスレーザ光を得るためのものである。また、レーザ溶媒３は、レーザ共振器内のレーザ光軸上に設けられている。

Ｑスイッチ５，６は、本発明の第２Ｑスイッチに対応し、レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を所定の方向に屈折させる。本実施例において、レーザ測距装置は、第２ＱスイッチとしてＱスイッチ５とＱスイッチ６の２つを備えているが、必ずしも２つに限らない。すなわち、本発明における第２Ｑスイッチは、１以上であれば幾つ設置されていてもよい。

Ｑスイッチ５，６は、例えばＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃ）Ｑスイッチを用いて構成することができる。ＡＯＱスイッチは、音響光学効果を有する材料にマイクロ波パルスを入力してパルス状の弾性波を発生させ、瞬時にレーザ光の方向を変化させることができるものである。

Ｑスイッチドライバ７は、第１Ｑスイッチ（Ｑスイッチ２）に高周波電力をパルス状に印加してパルス状のレーザ光を生じさせるとともに、１以上の第２Ｑスイッチ（Ｑスイッチ５，６）の各々のオン／オフを制御する。

制御部１１は、第１Ｑスイッチ（Ｑスイッチ２）と１以上の第２Ｑスイッチ（Ｑスイッチ５，６）の各々とが同期するようにＱスイッチドライバ７を制御することにより、レーザ共振器から出射されたパルスレーザ光の進行方向を１パルス毎に制御する。

具体的には、制御部１１は、レーザ共振器によるパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、１パルス毎に１以上の第２Ｑスイッチ（Ｑスイッチ５，６）の各々に対するオン／オフの組み合わせを変更し、最終的に１以上の第２Ｑスイッチ（Ｑスイッチ５，６）の各々に対するオン／オフの全ての組み合わせを網羅するように、Ｑスイッチドライバ７を制御する。

なお、制御部１１は、必ずしもＱスイッチ５，６の各々に対するオン／オフの組み合わせを１パルス毎に変更しなければならないわけではなく、例えば５パルス毎、あるいは１０パルス毎に組み合わせを変更してもよい。ただし、制御部１１は、１パルス毎にＱスイッチ５，６の各々に対するオン／オフの組み合わせを変更することにより、最も迅速に測距対象物の捜索を行うことができる。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。最初にレーザ測距装置は、測距対象物を捜索する必要がある。あるいは、レーザ測距装置は、捕捉していた測距対象物を見失った場合に、測距対象物を捜索する必要がある。

このような場合において、制御部１１は、Ｑスイッチ２とＱスイッチ５，６の各々とが同期するようにＱスイッチドライバ７を制御するための制御信号を生成して出力する。Ｑスイッチドライバ７は、制御部１１により生成された制御信号に基づいて、Ｑスイッチ２に高周波電力をパルス状に印加してパルス状のレーザ光を生じさせるとともに、Ｑスイッチ５，６の各々のオン／オフを制御する。

図２は、本実施例のレーザ測距装置のＱスイッチ５，６による光軸調整を説明する図である。本実施例のレーザ測距装置は、２つのＱスイッチを使用することにより、パルスレーザ光の照射方向をアジマス方向とエレベーション方向の２軸方向に対して変化させることができる。

本実施例において、Ｑスイッチ５は、Ｑスイッチドライバ７の制御に応じてオン／オフし、レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を図２に示すように左右方向（アジマス方向）に屈折させる。

一方、Ｑスイッチ６は、Ｑスイッチドライバ７の制御に応じてオン／オフし、レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を図２に示すように上下方向（エレベーション方向）に屈折させる。

なお、Ｑスイッチ５，６によるパルスレーザ光進行方向の厳密な角度調整を行うことはできないので、Ｑスイッチ５はオン／オフ制御に応じて２方向（左か右か）の選択を行うことができるのみであり、Ｑスイッチ６はオン／オフ制御に応じて２方向（上か下か）の選択を行うことができるのみである。

すなわち、本実施例のレーザ測距装置は、Ｑスイッチ５，６を備えることにより、パルスレーザ光の進行方向について、２×２＝４方向のいずれかを選択することができ、制御部１１がＱスイッチ５，６の各々に対するオン／オフの全ての組み合わせを網羅するようにＱスイッチドライバ７を制御するので、４方向全てについて測距対象物の捜索を行うことができる。

図３は、本実施例のレーザ測距装置による測距対象物９を捜索する動作を示す図である。ここで、Ｑスイッチ５は、オンした場合にパルスレーザ光の進行方向を左に曲げ、オフした場合にパルスレーザ光の進行方向を右に曲げるものと仮定する。また、Ｑスイッチ６は、オンした場合にパルスレーザ光の進行方向を上に曲げ、オフした場合にパルスレーザ光の進行方向を下に曲げるものと仮定する。

制御部１１は、Ｑスイッチ２とＱスイッチ５，６の各々とが同期するようにＱスイッチドライバ７を制御し、レーザ共振器から出射された１パルス目のパルスレーザ光の進行方向が左上方向となるように、Ｑスイッチドライバ７を介してＱスイッチ５をオンに制御するとともにＱスイッチ６をオンに制御する。その結果、図３に示すように、Ｑスイッチ６から出射されたパルスレーザ光は、左上方向に進行する（レーザ光８ａ）。この場合には、レーザ光８ａの進行先に測距対象物９が存在しないため、受光光学系において反射光が戻ってくることは無い。

次に、制御部１１は、レーザ共振器から出射された２パルス目のパルスレーザ光の進行方向が右上方向となるように、Ｑスイッチドライバ７を介してＱスイッチ５をオフに制御するとともにＱスイッチ６をオンに制御する。その結果、図３に示すように、Ｑスイッチ６から出射されたパルスレーザ光は、右上方向に進行する（レーザ光８ｂ）。この場合には、レーザ光８ｂの進行先に測距対象物９が存在しないため、受光光学系において反射光が戻ってくることは無い。

同様に、制御部１１は、レーザ共振器から出射された３パルス目のパルスレーザ光の進行方向が左下方向となるように、Ｑスイッチドライバ７を介してＱスイッチ５をオンに制御するとともにＱスイッチ６をオフに制御する。その結果、図３に示すように、Ｑスイッチ６から出射されたパルスレーザ光は、左下方向に進行する（レーザ光８ｃ）。この場合には、レーザ光８ｃの進行先に測距対象物９が存在するため、受光光学系において反射光が戻ってくる。

最後に、制御部１１は、レーザ共振器から出射された４パルス目のパルスレーザ光の進行方向が右下方向となるように、Ｑスイッチドライバ７を介してＱスイッチ５をオフに制御するとともにＱスイッチ６をオフに制御する。その結果、図３に示すように、Ｑスイッチ６から出射されたパルスレーザ光は、右下方向に進行する（レーザ光８ｄ）。この場合には、レーザ光８ｄの進行先に測距対象物９が存在しないため、受光光学系において反射光が戻ってくることは無い。

このように、制御部１１がレーザ共振器によるパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、１パルス毎にＱスイッチ５，６の各々に対するオン／オフの組み合わせを変更することにより、４パルスでＱスイッチ５，６の各々に対するオン／オフの全ての組み合わせを網羅することができ、当該レーザ測距装置は、４方向全ての方向に対して測距対象物９の捜索を行うことができる。

以上の動作を行うことにより、本実施例のレーザ測距装置は、迅速に測距対象物を捜索することができるが、さらに受光光学系を備えることにより、捜索結果をＱスイッチ５，６の制御に反映させることもできる。

図４は、本実施例のレーザ測距装置の別の構成例を示す図である。図１に示すレーザ測距装置の構成と異なる点は、受光部１０をさらに備えている点である。

受光部１０は、測距対象物からの反射光を受光し、受光強度がしきい値を超えた場合に反射光があったと判定し、判定結果を制御部１１に出力する。

制御部１１は、受光部１０による反射光の受光タイミングと、当該受光タイミング直前の１以上の第２Ｑスイッチ（Ｑスイッチ５，６）の各々に対するオン／オフの組み合わせに基づいて、測距対象物の方向を特定する。

具体的には、図３で説明したように、３パルス目のレーザ光８ｃに対して測距対象物９から反射光が戻ってきた場合に、制御部１１は、受光部１０による受光タイミングが左下方向（Ｑスイッチ５をオン、Ｑスイッチ６をオフ）のレーザ光８ｃの出射直後であることから、測距対象物９が左下方向であると特定することができる。

その後、制御部１１は、測距対象物９を継続して捕捉する必要がある場合に、パルスレーザ光が左下方向に継続して出射されるように、Ｑスイッチドライバ７を介してＱスイッチ５をオンに制御するとともにＱスイッチ６をオフに制御することができる。仮に測距対象物９を見失った場合には、制御部１１は、レーザ光の進行方向を左下方向に固定するのを止めて、再び１パルス毎に進行方向を変えて測距対象物９を捜索する。

なお、測距対象物９を継続して捕捉する必要が無い場合には、制御部１１は、必ずしも測距対象物捕捉後にパルスレーザ光の進行方向を固定する構成でなくてもよい。例えば、単に測距対象物９までの距離が１度でも算出できればよい場合には、制御部１１は、パルスレーザ光の照射軸を４方向（図３の８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）に回転し、反射光が戻って測距対象物９までの距離が判明した時点でレーザ光の照射を止めるように制御する構成でもよい。

測距対象物９までの距離は、制御部１１により算出される構成としてもよいし、別の距離算出部（図示しない）等が算出してもよい。制御部１１により算出される構成の場合には、制御部１１は、Ｑスイッチ２によるパルスレーザ光の生成タイミングと、受光部１０による反射光の受光タイミングとに基づいて、測距対象物までの距離を算出する。算出結果は、ディスプレイ等に表示されてもよいし、記憶装置に記憶され、あるいはネットワーク上に送信される構成でもよい。

上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係るレーザ測距装置によれば、測距対象物を新たに捜索する場合や測距対象物を見失った場合において、レーザ光の照射軸方向を迅速に変位し、効率よく測距対象物を捜索することができる。Ｑスイッチ５，６のオン／オフは、高周波電気信号により制御されるため、従来のレーザ測距装置のようにウェッジ板を機械的に回転させる方法に比して圧倒的に速い速度でレーザ光の照射軸を変位させることができ、レーザ光のパルス繰り返し周波数に完全に同期させることができる。したがって、従来のレーザ測距装置に比して、本発明のレーザ測距装置は、非常に効率良く測距対象物を捜索することができる。

また、本発明のレーザ測距装置は、小型のＱスイッチ５，６によりレーザ光の照射軸調整が可能であるため、従来のレーザ測距装置のようにウェッジ板及びそれを回転させるモータ等の回転機構を設置する必要が無く、装置の小型化が容易であるという利点も有する。

図５は、本実施例のレーザ測距装置の別の構成例を示す図である。図１に示すレーザ測距装置の構成と異なる点は、Ｑスイッチ５，６の代わりにＱスイッチ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを備えている点である。

Ｑスイッチ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、いずれも本発明の第２Ｑスイッチに対応し、レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を所定の方向に屈折させる。図５に示すように、パルスレーザ光の照射軸調整用に多数のＱスイッチを備えることにより、レーザ測距装置は、多方向にレーザ光を曲げることができ、さらに広範囲且つ高精度に測距対象物を捜索し、レーザ光を照射することができる。

図６は、本発明の第２Ｑスイッチに該当するＱスイッチを多数備えていた場合のレーザ測距装置による測距対象物９を捜索する動作を示す図である。レーザ光の照射軸を回転して多方向に亘って測距対象物９を捜索し、図３で説明した４方向のみにレーザ光を照射する場合に比して、広範囲且つ高精度に測距対象物を捜索できることがわかる。

例えば、図５に示すＱスイッチ１２ａ，１２ｂは、アジマス方向にパルスレーザ光の進行方向を調整し、Ｑスイッチ１３ａ，１３ｂは、エレベーション方向にパルスレーザ光の進行方向を調整するものとしてもよい。図５に示すレーザ測距装置は、Ｑスイッチ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを備えることにより、パルスレーザ光の進行方向について、２×２×２×２＝１６方向のいずれかを選択することができ、制御部１１がＱスイッチ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々に対するオン／オフの全ての組み合わせを網羅するようにＱスイッチドライバ７を制御するので、１６方向全てについて測距対象物の捜索を行うことができる。

本発明に係るレーザ測距装置は、パルスレーザ光を用いて測距対象物までの距離値を測距するレーザ測距装置に利用可能である。

１ ミラー
２ Ｑスイッチ
３ レーザ溶媒
４ ミラー
５ Ｑスイッチ
６ Ｑスイッチ
７ Ｑスイッチドライバ
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ レーザ光
９ 測距対象物
１０ 受光部
１１ 制御部
１２ａ，１２ｂ Ｑスイッチ
１３ａ，１３ｂ Ｑスイッチ

Claims (4)

1. 測距対象物に照射したパルスレーザ光の反射光を受光した時間に基づいて前記測距対象物までの距離情報を取得するレーザ測距装置であって、
   第１Ｑスイッチを用いてパルスレーザ光を生成するレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器により生成されたパルスレーザ光の進行方向を所定の方向に屈折させる１以上の第２Ｑスイッチと、
   前記第１Ｑスイッチに高周波電力をパルス状に印加してパルス状のレーザ光を生じさせるとともに、前記１以上の第２Ｑスイッチの各々のオン／オフを制御するＱスイッチドライバと、
   前記第１Ｑスイッチと前記１以上の第２Ｑスイッチの各々とが同期するように前記Ｑスイッチドライバを制御することにより、前記レーザ共振器から出射されたパルスレーザ光の進行方向を１パルス毎に制御する制御部と、
   を備えることを特徴とするレーザ測距装置。
2. 前記制御部は、１パルス毎に前記１以上の第２Ｑスイッチの各々に対するオン／オフの組み合わせを変更し、前記１以上の第２Ｑスイッチの各々に対するオン／オフの全ての組み合わせを網羅するように、前記Ｑスイッチドライバを制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
3. 前記測距対象物からの反射光を受光し、受光強度がしきい値を超えた場合に反射光があったと判定する受光部を備え、
   前記制御部は、前記受光部による反射光の受光タイミングと、当該受光タイミング直前の前記１以上の第２Ｑスイッチの各々に対するオン／オフの組み合わせとに基づいて、前記測距対象物の方向を特定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ測距装置。
4. 前記制御部は、前記第１Ｑスイッチによるパルスレーザ光の生成タイミングと、前記受光部による反射光の受光タイミングとに基づいて前記測距対象物までの距離を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーザ測距装置。

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