JP5683782B2 - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents
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Description
(1)参照光路切換部60を制御して第1の参照光路R1と第2の参照光路R2を通過とし、測定光量調整部90(91(図2参照),92)を制御して測定送信光mt又は測定受信光mrを遮断し、光電気変換部140の出力からトリガ信号Trgと第1基準光r1の時間差(Tr1)、トリガ信号Trgと第2基準光r2の時間差(Tr2)を測定して記憶する機能を有し、
(2)第1参照光路R1及び第2参照光路R2を遮断し、かつ、測定送信光mt及び測定受信光mrを通過とし、測定受信光mrとトリガ信号Trgとの時間差(Tm)を測定する機能を有し、
(3)第1参照光路R1を通過、第2参照光路R2を遮断、測定送信光mt及び前記測定受信光mrを通過とし、測定受信光mtと第1基準光r1との時間差(Tm−Tr1)の値によって測定光路差(Tt)を決定する第1の測定機能を有し、
(4)第1参照光路R1を遮断、第2参照光路R2を通過、前記測定送信光mt及び測定受信光mrを通過とし、第2基準光r2と測定受信光mrとの時間差Td’=Tr2−Tmを求め、更に、上記(1)で求めたTr2,Tr1の値から、Td=Tr2−Tr1を求め、Td−Td’を計算することによって測定光路差(Tt)を決定する第2の測定機能を有し、
(5)前記(2)で得られた前記時間差Tmに基づいて前記第1の測定機能と前記第2の測定機能とを使い分ける機能を有し、
(6)前記測定光路差(Tt)から測定対象物160までの距離を決定する機能を有する。
トリガ信号Trgに同期してパルス的に発光する光源部10と、光源部10からの光を第1基準光r1と第2基準光r2と測定送信光mtに分岐する光分離部30と、第1基準光r1を通過させ、光学的距離変化が生じない第1参照光路R1と、第1参照光路R1に対して時間的な遅延を発生させる光学的遅延発生部50を含み第2基準光r2を通過させる第2参照光路R2と、第1参照光路R1及び第2参照光路R2のどちらか一方を通過にし、両方を通過にし、及び、両方を遮断にする機能を有する参照光路切換部60と、測定送信光mtを測定対象物160に対して照射する送信部110tと、照射された光の測定対象物160で反射された測定受信光mrを受信する受信部110rと、測定送信光mt又は測定受信光mrを遮断する測定光量調整部90(91(図2参照),92)と、第1参照光路R1の出力光、第2参照光路R2の出力光、及び受信部110rで受信された測定受信光mrを合成する光合成部70と、光合成部70で合成された光信号を電気信号に変換する光電気変換部140と、を備える距離測定装置1を使用した距離測定方法であって、
該距離測定方法は、
(1)参照光路切換部60を制御して第1の参照光路R1と第2の参照光路R2を通過とし、測定光量調整部90を制御して測定送信光mt又は測定受信光mrを遮断し、光電気変換部140出力からトリガ信号Trgと第1基準光r1の時間差(Tr1)、トリガ信号Trgと第2基準光r2の時間差(Tr2)を測定して記憶する工程(S10)と、
(2)第1参照光路R1及び第2参照光路R2を遮断し、かつ、測定送信光mt及び測定受信光mrを通過とし、測定受信光mrとトリガ信号Trgとの時間差(Tm)を測定する工程(S20)と、
(3)第1参照光路R1を通過、第2参照光路R2を遮断、測定送信光mt及び測定受信光mrを通過とし、測定受信光mrと第1基準光r1との時間差(Tm−Tr1)の値によって測定光路差(Tt)を決定する第1の測定工程(S40)と、
(4)第1参照光路R1を遮断、第2参照光路R2を通過、測定送信光mt及び測定受信光mrを通過とし、第2基準光r2と測定受信光mrとの時間差Td’=Tr2−Tmを求め、更に、上記(1)で求めたTr2,Tr1の値から、Td=Tr2−Tr1を求め、Td−Td’を計算することによって測定光路差(Tt)を決定する第2の測定工程(S50)と、
(5)上記(2)で得られた前記時間差Tmに基づいて第1の測定工程(S40)と第2の測定工程(S50)とを使い分ける工程(S30)と、
(6)前記測定光路差(Tt)から測定対象物160までの距離を決定する工程(S60)とを有する。
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態としての距離測定装置1について説明する。光源部10はトリガ信号Trgを基に一定のタイミングで光パルス光(測定送信光mt)を発生する。光源部10は、発光素子12と発光素子12を駆動する発光用駆動回路11で構成される。発光素子12は典型的には、遠距離の測定対象物160に対しても細い光ビームを照射できる半導体レーザであるが、近距離の測定対象物160との距離を測定するものであればLEDのような非コヒーレントな光源でもよい。ここでは半導体レーザ、特にパルスレーザダイオードの場合、で説明する。発光用駆動回路11は発光素子12に駆動電流をドライブするもので、発光させたい期間だけ閾値以上の電流を流す。即ち、発光させたい瞬間に駆動電流を一気に流す。発光用駆動回路11ではトリガ信号を基に必要なパルス幅の発光素子駆動パルスを生成するが、駆動パルスは単一パルスであっても良く、またトリガ信号Trgに基づいて所定の周期の繰り返しパルスであってもよい。発光素子12で発生した光パルスはコリメートレンズ20で平行光束に変換される。
Td=Tr2−Tr1 (1)
Tdの値、及びTr1を制御部150のメモリに格納する。
Tt=Tm−Tr1 (2)
上記、Ttより、次式により、測定対象物160までの距離Lを求める(ステップS60)。
L=cTt/2 (3)
ここで、cは光速である。
Td=Tr2−Tr1 (4)
Td’=Tr2−Tm (5)
Tt=Td−Td’ (6)
次に、ケース1の場合と同様に、式(3)を用いて測定対象物160までの距離Lを求める(ステップS60)。
上記処理は、第1基準光r1の通過時間が異なる第2基準光r2を基準として測定を行うもので、これにより測定受信光mrと第1基準光r1とのパルスの重なりを分離することが出来る。
Td=Tr2+ΔTr2−Tr1 (4’)
Td’=Tr2+ΔTr2−Tm (5’)
となる。しかし、
Tt=Td−Td’=Tm−Tr1 (6’)
となって、Ttについては、ΔTr2(一般的には、Tr2)の影響が相殺される。一方、Tr1については、変動の影響があるが、前述したように、Tr1は遅延時間が短く設定されているので温度変化の影響は少ない。従って、温度等の影響を殆ど受けることなく精度の高い測定を行うことが出来る。
尚、校正用データ取得の工程を毎回の測定で行う場合、或いは、毎回の測定で全く省略する場合には、ステップS80は省略できることは言うまでもない。また、ステップS70、及びステップS80の判断は予め定めた手順に従って自動的に行ってもよいし、測定の都度手動で行ってもよい。
図1のように、本実施の形態では、この変動を吸収するために、受信側に測定光量調整部92を設けている。尚、図2のように、本測定光量調整部91を送信側に設ける場合、あるいは、その送信側及び受信側の両方に設ける場合があるが、受信側に設けるのが一番良い。測定光量調整部90(91,92)は、例えば、NDフィルターを機械的に調整する機構や液晶透過板のような電気光学的効果を用いたものが使用できる。尚、図6のステップS11のように、測定光路Mを完全に遮断する必要から透過光を完全に遮断できるものが必要である。これらの制御は図示しないレベル検出手段の検出結果を基に測定制御部150で行う。尚、上記自動制御を行う以外に手動による制御の形態もある。
測定受信光mrは空気中を伝播するので、途中、空気中の揺らぎ等によってその波高値が変動する場合がある。このような場合上記パルス時間差測定方式を用いると波高値の変動の影響を受け、測定誤差を生じる場合がある。ところで、測定受信光mrの電気変換後の信号を共振回路を通過させると、共振回路の定数で決まる時定数τの減衰波形になるが、この時の減衰波形の零交差点は測定受信光mrの重心位置が変動しない限り変動しないことが知られている(例えば、特開2003−185747)。従って、この零交差点の位置を検出することにより、正確な測定を行うことが出来る。尚、以下、このような距離測定方法を、「減衰振動波零交差点法」と呼ぶ。
t1との時間差を測定すれば精度の高い測定が可能となる。
図10は、二つの減衰振動波が時間的に接近して存在する場合を示したものである。例えば、第1基準光r1と測定受信光mrの間の時間差を求める場合である。上述のように、減衰振動波の零交差点を検出することにより高精度の測定が可能となるが、この零交差点近傍に干渉波があると、零交差点のタイミングの測定誤差となる。従って、図10のように測定受信光mrの零交差点付近まで第1基準光r1の減衰波形の余韻が継続している場合は、第1基準光r1の余韻成分が十分減衰するように測定受信光mrと第1基準光r1の時間的間隔を十分開ける必要がある。ここで、図10のように、測定受信光mrの第1周期を振幅レベルS(電圧表示)、周波数fsの正弦波で近似する。ここで周波数fsは共振回路170の共振周波数である。同様に、干渉波としての第1基準光r1の余韻成分を振幅レベルN(電圧表示)、周波数fsの正弦波で近似すると、干渉波による測定距離の誤差ΔLsと(N/S)には以下の関係がある。
ΔLs≒{(N/S)/2π}・{(c/fs)/2} (7)
ここで、周波数fsを30MHz、測定誤差|ΔLs|を1mmとすると、N/S<1/800 (−58dB)という関係が必要となる。ここで、減衰信号波形として1周期ごとに1/3ずつ振幅が減衰する場合に当てはめると、振幅が1/800に減衰するのに必要な光学的距離は30mとなる。このことから余裕を見て、光学的距離は50mあれば十分条件を満たすことができる。よって、第1基準光r1を用いる場合は測定対象物160が50m以降の範囲と設定すると良い。
図11(b)は、図11(a)のバースト状パルスの場合において、各単発パルスが異なるパルス幅Ts1,Ts2,Tsnでつづいている場合である。
図12は、光パルスがチャープ信号で変調されたものである。ここで、チャープ信号とは周波数が時間的に連続的に変化する信号である。
図13は、光パルスが振幅変調されたものである。
図14は、一つの光パルスが或る特定のパターンの符号で構成されたものである。あるいは、或る特定のパターンの符号で変調されたものである。このようなパルス(被測定バースト)を同じパターンの基準バーストとの間で相関検出を行うことにより基準バーストとの時間差ΔTを測定する。
以上のような実施の形態により、受信測定光mr、基準光r1、r2の検出時間を正確に測定することが出来る。
10 光源部
11 発光用駆動回路
12 発光素子
20 コリメートレンズ
30 光分離部
31 ビームスプリッタ
32 ビームスプリッタ
50 光学的遅延発生部
60 参照光路切換部
61 第1参照光路切換器
62 第2参照光路切換器
70 光合成部
71 ビームスプリッタ
72 ビームスプリッタ
80 集光レンズ
81 コリメートレンズ
90 測定光量調整部
91 測定光量調整部(送信側)
92 測定光量調整部(受信側)
93 基準光量調整部
100 光ファイバ
104 光検出器
110r 受信部
110t 送信部
111 コリメートレンズ
112 投光ミラー
113 対物レンズ
113a 孔(対物レンズ)
120 光ファイバ
130 集光レンズ
140 光電気変換部
141 受光素子
143 プリアンプ
150 測定制御部
160 測定対象物
170 共振回路
180 レンズ
190 レンズ
200 レンズ
210 プリズム
Cont 制御信号
M 測定光路
Mes 測定出力
mr 測定受信光
mt 測定送信光
r1 第1基準光
R1 第1参照光路
r2 第2基準光
R2 第2参照光路
Trg トリガ信号
Claims (7)
- トリガ信号に同期してパルス的に発光する光源部と;
前記光源部からの光を第1基準光と第2基準光と測定送信光に分岐する光分離部と;
前記第1基準光を通過させ、光学的距離変化が生じない第1参照光路と;
前記第1参照光路に対して時間的な遅延を発生させる光学的遅延発生部を含み前記第2基準光を通過させる第2参照光路と;
前記第1及び前記第2参照光路のどちらか一方を通過にし、両方を通過にし、及び、両方を遮断にする機能を有する参照光路切換部と;
前記測定送信光を測定対象物に対して照射する送信部と;
前記照射された光の測定対象物で反射された測定受信光を受信する受信部と;
前記測定送信光又は前記測定受信光を遮断する測定光量調整部と;
前記第1参照光路の出力光、前記第2参照光路の出力光、及び前記受信部で受信された測定受信光を合成する光合成部と;
前記光合成部で合成された光信号を電気信号に変換する光電気変換部と;
前記参照光路切換部、前記測定光量調整部を制御し、前記光電気変換部で得られた信号の検出時間を基に距離を決定する機能を有する測定制御部と;を備え、
前記測定制御部は、
(1)前記参照光路切換部を制御して第1の参照光路と第2の参照光路を通過とし、前記測定光量調整部を制御して前記測定送信光又は測定受信光を遮断し、前記光電気変換部出力から前記トリガ信号と前記第1基準光の時間差(Tr1)、前記トリガ信号と前記第2基準光の時間差(Tr2)を測定して記憶する機能を有し、
(2)前記第1及び第2参照光路を遮断し、かつ、前記測定送信光及び測定受信光を通過とし、前記測定受信光と前記トリガ信号との時間差(Tm)を測定する機能を有し、
(3)前記第1参照光路を通過、前記第2参照光路を遮断、前記測定送信光及び前記測定受信光を通過とし、前記測定受信光と前記第1基準光との時間差(Tm−Tr1)の値によって測定光路差(Tt)を決定する第1の測定機能を有し、
(4)前記第1参照光路を遮断、前記第2参照光路を通過、前記測定送信光及び前記測定受信光を通過とし、前記第2基準光と前記測定受信光との時間差Td’=Tr2−Tmを求め、更に、上記(1)で求めたTr2,Tr1の値から、Td=Tr2−Tr1を求め、Td−Td’を計算することによって測定光路差(Tt)を決定する第2の測定機能を有し、
(5)前記(2)で得られた前記時間差Tmに基づいて前記第1の測定機能と前記第2の測定機能とを使い分ける機能を有し、
(6)前記測定光路差(Tt)から測定対象物までの距離を決定する機能を有する、
距離測定装置。 - 前記測定光量調整部は、更に、前記測定受信光又は前記測定送信光を減衰させる機能を有し、前記測定受信光のレベルを第1基準光r1、及び、第2基準光r2のレベルに概ね合せる機能を有する、
請求項1に記載の距離測定装置。 - 前記第1参照光路と前記第2参照光路との通過時間の差が前記光源部で発生するパルス光のパルス幅の2倍以上になるように前記光学的遅延発生部の遅延時間が設定されている、
請求項1又は請求項2に記載の距離測定装置。 - 前記測定制御部は、第1基準光と前記測定受信光との時間差を前記パルス光のパルス幅と比較することによって前記第1基準光と前記測定受信光とが分離しているかの判断を行い、
分離しているとの判断の際には前記第1の測定機能を有効とし、
分離していないとの判断の際には前記第2の測定機能を有効とする、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の距離測定装置。 - 前記光学的遅延発生部が光ファイバである、
請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の距離測定装置。 - 前記光電気変換部は、受光した前記パルス光信号を減衰振動波形に変換する共振回路部を有し、前記時間差を該減衰振動波形の零交差点を基に決定する、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の距離測定装置。 - トリガ信号に同期してパルス的に発光する光源部と、前記光源部からの光を第1基準光と第2基準光と測定送信光に分岐する光分離部と、前記第1基準光を通過させ、光学的距離変化が生じない第1参照光路と、前記第1参照光路に対して時間的な遅延を発生させる光学的遅延発生部を含み前記第2基準光を通過させる第2参照光路と、前記第1及び前記第2参照光路のどちらか一方を通過にし、両方を通過にし、及び、両方を遮断にする機能を有する参照光路切換部と、前記測定送信光を測定対象物に対して照射する送信部と、前記照射された光の測定対象物で反射された測定受信光を受信する受信部と、前記測定送信光又は前記測定受信光を遮断する測定光量調整部と、前記第1参照光路の出力光、前記第2参照光路の出力光、及び前記受信部で受信された測定受信光を合成する光合成部と、前記光合成部で合成された光信号を電気信号に変換する光電気変換部と、を備える距離測定装置を使用した距離測定方法であって、
該距離測定方法は、
(1)前記参照光路切換部を制御して第1の参照光路と第2の参照光路を通過とし、前記測定光量調整部を制御して前記測定送信光又は測定受信光を遮断し、前記光電気変換部出力から前記トリガ信号と前記第1基準光の時間差(Tr1)、前記トリガ信号と前記第2基準光の時間差(Tr2)を測定して記憶する工程と;
(2)前記第1及び第2参照光路を遮断し、かつ、前記測定送信光及び測定受信光を通過とし、前記測定受信光と前記トリガ信号との時間差(Tm)を測定する工程と;
(3)前記第1参照光路を通過、前記第2参照光路を遮断、前記測定送信光及び前記測定受信光を通過とし、前記測定受信光と前記第1基準光との時間差(Tm−Tr1)の値によって測定光路差(Tt)を決定する第1の測定工程と;
(4)前記第1参照光路を遮断、前記第2参照光路を通過、前記測定送信光及び前記測定受信光を通過とし、前記第2基準光と前記測定受信光との時間差Td’=Tr2−Tmを求め、更に、上記(1)で求めたTr2,Tr1の値から、Td=Tr2−Tr1を求め、Td−Td’を計算することによって測定光路差(Tt)を決定する第2の測定工程と;
(5)前記(2)で得られた前記時間差Tmに基づいて前記第1の測定工程と前記第2の測定工程とを使い分ける工程と;
(6)前記測定光路差(Tt)から測定対象物までの距離を決定する工程と;を有する、
距離測定方法。
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