JP7007637B2 - Laser ranging device, laser ranging method and position adjustment program - Google Patents
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本発明は、レーザ測距装置、レーザ測距方法および位置調整プログラムに関する。 The present invention relates to a laser ranging device, a laser ranging method and a position adjustment program.
この種のレーザ測距装置は、レーザビームを送信光として目標物(ターゲット)に向けて出射し、ターゲットからの反射光を受信し、この受信光に基づいて、ターゲットとの距離とターゲットの位置(方向)とを測定する装置である。詳述すると、レーザ測距装置は、送信光の送信タイミングと受信光の受信タイミングとから、レーザ測距装置とターゲットとの間の距離を算出する。また、レーザ測距装置は、受信光に基づいて、ターゲットの位置(方向)をも算出する。 This type of laser ranging device emits a laser beam as transmitted light toward a target (target), receives reflected light from the target, and based on this received light, the distance to the target and the position of the target. It is a device that measures (direction) and. More specifically, the laser ranging device calculates the distance between the laser ranging device and the target from the transmission timing of the transmitted light and the reception timing of the received light. The laser ranging device also calculates the position (direction) of the target based on the received light.
例えば、特許文献1は、ポインティング検出機能を受光系のレベル検知機能に含め、かつ受光量を所定値に調整して受光検出を正確にさせた上、装置の小型を可能とした「レーザ測距装置」を開示している。特許文献1に開示されたレーザ測距装置は、レーザ、送信光学系、送光検知器、受信光学系、受光検知器、受光レベル検知部、測距カウンタ、制御部、および受光検知器位置調整部を備える。 For example, Patent Document 1 includes a pointing detection function in the level detection function of the light receiving system, adjusts the amount of light received to a predetermined value to make the light receiving detection accurate, and enables the device to be compact. The device "is disclosed. The laser ranging device disclosed in Patent Document 1 includes a laser, a transmitting optical system, a light transmitting detector, a receiving optical system, a light receiving detector, a light receiving level detector, a distance measuring counter, a control unit, and a light receiving detector position adjustment. It has a part.
レーザは、測距用の例えば繰り返しパルスレーザを送信光学系へ出力する光源である。送信光学系は、レーザから送出されたレーザビームを整形して目標物へ送信する。送光検知器は、レーザからレーザビームが送出されたタイミングを検出して、測定開始信号を測距カウンタに送る。 The laser is a light source that outputs, for example, a repetitive pulse laser for distance measurement to a transmission optical system. The transmission optical system shapes the laser beam transmitted from the laser and transmits it to the target. The photodetector detects the timing at which the laser beam is transmitted from the laser and sends the measurement start signal to the ranging counter.
受信光学系は、目標物から反射するレーザビームを受けて受光検知器へ送る。受光検知器は、受信光学系を介して受けるビームを検知した際、測定停止信号として測距カウンタへ通知すると共に、受光レベル検知部へ受信信号として受光ビームを送る。確実な計測停止信号として一定レベル値のレーザビームを受けるため、制御部により制御される受光検知器位置調整部が受光検知器の位置を受光スポットとの位置関係で調整している。受光レベル検知器は、受光検知器から受信信号を受け、受光レベル値を検知し受光値データとして制御部に送出する。 The receiving optical system receives the laser beam reflected from the target and sends it to the light receiving detector. When the light receiving detector detects the beam received via the receiving optical system, it notifies the ranging counter as a measurement stop signal and sends the light receiving beam as a receiving signal to the light receiving level detection unit. In order to receive a laser beam having a constant level value as a reliable measurement stop signal, the light receiving detector position adjusting unit controlled by the control unit adjusts the position of the light receiving detector in the positional relationship with the light receiving spot. The light receiving level detector receives a received signal from the light receiving detector, detects the light receiving level value, and sends it to the control unit as light receiving value data.
測距カウンタは、計測開始信号を送光検知器から受けた時点から、測定停止信号を受光検知器から受けた時点までを計測する。測距カウンタはカウンタ計測値を制御部へ送られる。制御部は、距離測定機能と、目標物追尾のためのポインティング機能と、正確な測距のための受光レベル調整機能とを有している。ポインティング機能は、受光レベル検知部から受光量データとして検知面位置での受光レベル値を受け、受光検知器位置調整部を制御して受光検知器の検知面位置を調整する機能である。 The distance measuring counter measures from the time when the measurement start signal is received from the light transmission detector to the time when the measurement stop signal is received from the light receiving detector. The distance measurement counter sends the counter measurement value to the control unit. The control unit has a distance measuring function, a pointing function for tracking a target, and a light receiving level adjusting function for accurate distance measurement. The pointing function is a function that receives a light receiving level value at the detection surface position as light receiving amount data from the light receiving level detecting unit and controls the light receiving detector position adjusting unit to adjust the detection surface position of the light receiving detector.
制御部は、測距カウンタからカウンタ計測値を受けて目標物までの距離を演算する。レーザ測距装置が目標物を追尾する場合、レーザが制御部の指示を受けてパルスレーザビームを送光する。受信光学系を介して受光スポットの焦点が光軸上に形成される。受光スポットの検知面を表面にする受光検知器は、受光検知器位置調整部の制御により光軸方向に移動する。この際、受光スポットの検知面が焦点距離の焦点位置にあれば最大受光レベルが得られる。しかし、距離が変位すれば、焦点がぼけるため検知面の光密度は減少し、受光の検知に最適な受光レベル値を得ることができる。ポインティングの決定により、受光スポットの光軸を中央の受光検知器の中心位置に決定し、受光検知器を受光の検知に最適な受光レベル値を得る位置に設定する。 The control unit receives the counter measurement value from the distance measurement counter and calculates the distance to the target object. When the laser ranging device tracks the target object, the laser sends a pulsed laser beam in response to an instruction from the control unit. The focal point of the light receiving spot is formed on the optical axis via the receiving optical system. The light receiving detector whose surface is the detection surface of the light receiving spot moves in the optical axis direction under the control of the light receiving detector position adjusting unit. At this time, if the detection surface of the light receiving spot is at the focal length of the focal length, the maximum light receiving level can be obtained. However, if the distance is displaced, the focus is defocused, so that the light density of the detection surface is reduced, and the optimum light receiving level value for detecting the light reception can be obtained. By determining the pointing, the optical axis of the light receiving spot is determined at the center position of the light receiving detector in the center, and the light receiving detector is set at the position where the optimum light receiving level value for detecting the light receiving light is obtained.
このようなレーザ測距装置には種々の受光検知器(検知装置)が用いられるが、その一つに2次元アレイ素子がある。この2次元アレイ素子を用いて、素子の分解能以上の精度でLOS角(視線視野角)の測定を行うために、次に述べるような手法が一般的に知られ、用いられている。その手法とは、本来得られる像をデフォーカスすることにより、受信光を複数の素子で検知することで分解能以上の精度で測定を行う手法である(例えば、特許文献2参照)。 Various light receiving detectors (detection devices) are used for such a laser ranging device, and one of them is a two-dimensional array element. In order to measure the LOS angle (line-of-sight viewing angle) with an accuracy higher than the resolution of the element using this two-dimensional array element, the following methods are generally known and used. The method is a method of defocusing an originally obtained image and detecting the received light with a plurality of elements to perform measurement with an accuracy higher than the resolution (see, for example, Patent Document 2).
デフォーカスする度合いは、測距距離や対象の像の大きさによって決められる。デフォーカスする度合いとして最適な度合いを検討する必要があり、それに合わせてデフォーカスをする必要がある。 The degree of defocus is determined by the distance measurement distance and the size of the target image. It is necessary to consider the optimum degree of defocusing, and it is necessary to defocus accordingly.
本発明に関連する、次に述べるような特許文献も知られている。 The following patent documents related to the present invention are also known.
特許文献3は、3次元座標測定器を1台のみ使用する高精度な寸法計測方法を開示している。特許文献3では、レーザ測距儀は、レーザ光を正弦波変調し、変調光が測定点に取り付けたコーナキューブミラーに反射されて戻ってくるまでの時間差を変調光の位相差として検出し距離測定とする。視覚センサは、レーザの反射ビームをとらえ、検出したビームの像を画像処理装置へ供給している。画像処理装置は、画像情報からレーザビームの重心点と、画面上の軸センタとのずれ量を計算し、位置決め制御装置に出力する。位置決め制御装置は、画像処理装置から入力されたずれ量を0にするように、レーザ測距儀と視覚センサを載せた回転台に対し水平角、高度角のフィードバック制御を行い、かつ基準点からの水平角、高度角のふれ角を精密に測定する。 Patent Document 3 discloses a highly accurate dimensional measurement method using only one three-dimensional coordinate measuring device. In Patent Document 3, the laser rangefinder modulates the laser beam with a sinusoidal wave, and detects the time difference until the modulated light is reflected by the corner cube mirror attached to the measurement point and returns as the phase difference of the modulated light, and the distance is detected. It is a measurement. The visual sensor captures the reflected beam of the laser and supplies an image of the detected beam to the image processing device. The image processing device calculates the amount of deviation between the center of gravity of the laser beam and the axis center on the screen from the image information, and outputs it to the positioning control device. The positioning control device performs feedback control of the horizontal angle and altitude angle on the turntable on which the laser rangefinder and the visual sensor are mounted so that the amount of deviation input from the image processing device becomes 0, and from the reference point. Precisely measure the horizontal angle and the deflection angle of the altitude angle.
特許文献1では、受光検知器として二次元アレイセンサを用いていない。したがって、特許文献1では、最大受光レベルを超えた場合に、焦点をぼかして、最大受光レベル以上を受光検知器の検知面で受光するのを回避しているに過ぎない。 Patent Document 1 does not use a two-dimensional array sensor as a light receiving detector. Therefore, in Patent Document 1, when the maximum light receiving level is exceeded, the focus is blurred to avoid receiving light at the detection surface of the light receiving detector at or above the maximum light receiving level.
特許文献3では、レーザ光を正弦波変調し、時間差を変調光の位相差として検出する技術を開示している。また、特許文献3では、レーザの反射ビームを視覚センサでとらえている。したがって、特許文献3でも、二次元アレイセンサを用いていない。さらに、特許文献3では、位置決め制御装置が、ずれ量を0とするようにレーザ測距儀と視覚センサを載せた回転台に対し水平角、高度角のフィードバック制御を行っているだけである。 Patent Document 3 discloses a technique of sine-wave-modulating a laser beam and detecting a time difference as a phase difference of the modulated light. Further, in Patent Document 3, the reflected beam of the laser is captured by a visual sensor. Therefore, even in Patent Document 3, the two-dimensional array sensor is not used. Further, in Patent Document 3, the positioning control device only performs feedback control of the horizontal angle and the altitude angle with respect to the turntable on which the laser rangefinder and the visual sensor are mounted so that the deviation amount is zero.
特許文献2は、単に、検知器要素からなるアレイ上に、光源の画像をデフォーカスした画像を形成することを記載しているに過ぎない。 Patent Document 2 merely describes forming an image in which the image of the light source is defocused on an array composed of detector elements.
受光検知器として二次元アレイセンサを用い、ターゲットからの反射光に基づいて、ターゲットの位置と距離とを測定するレーザ測距装置においては、一般的に、測角精度は二次元アレイセンサのピクセルサイズで制限されている。これをピクセルサイズ以下の精度を実現する手法として、次の手法が知られている。すなわち、その手法では、二次元アレイセンサのアレイセンサ検知面を受信光学系の焦点位置から光軸方向にずらし、複数のピクセルで受信し、重心点などを計算してターゲットの位置を決定することでピクセル分解能以下の測角精度を実現している。この手法は、スタートラッカなどに用いられている。 In a laser ranging device that uses a two-dimensional array sensor as a light receiving detector and measures the position and distance of the target based on the reflected light from the target, the angle measurement accuracy is generally the pixel of the two-dimensional array sensor. Limited by size. The following method is known as a method for achieving accuracy smaller than the pixel size. That is, in that method, the array sensor detection surface of the two-dimensional array sensor is shifted from the focal position of the receiving optical system in the optical axis direction, received by a plurality of pixels, and the position of the target is determined by calculating the center of gravity and the like. Achieves an angle measurement accuracy lower than the pixel resolution. This method is used for star trackers and the like.
この手法では、受信光のエネルギーが複数ピクセルに分割される。そのため、この手法には、長距離測距時に受信レベルが低下し、二次元アレイセンサのしきい値(最小受信感度)以下の光入力になってしまうという問題が生じる。 In this technique, the energy of the received light is divided into multiple pixels. Therefore, this method has a problem that the reception level is lowered during long-distance distance measurement and the optical input is equal to or less than the threshold value (minimum reception sensitivity) of the two-dimensional array sensor.
また、逆に近距離測距時の場合には、この手法では、1ピクセル当たりの最大入力レベルを上回る光入力が入ることで受信レベル検出のダイナミックレンジが外れ、飽和した値を出力する。このため、この手法には、ソフトウェアまたはハードウェアで算出される重心位置に誤差を生じるという問題がある。 On the contrary, in the case of short-distance distance measurement, in this method, the dynamic range of reception level detection is out of range due to the input of optical input exceeding the maximum input level per pixel, and a saturated value is output. Therefore, this method has a problem that an error occurs in the position of the center of gravity calculated by software or hardware.
関連する先行のレーザ測距装置では、受信光学系からセンサ検知面までの位置はある長さに固定されているものが多い。そのため、受信レベルの問題に対応することは難しい。 In many of the related preceding laser ranging devices, the position from the receiving optical system to the sensor detection surface is fixed to a certain length. Therefore, it is difficult to deal with the problem of reception level.
このようなレーザ測距装置における二次元アレイセンサに、検出感度の高いアバランシェフォトダイオード(APD)アレイの利用が増えている。APDには、リニアモードとガイガーモードとの2つの使用方法がある。リニアモードでは、出力信号が入力光量に対してリニアに変化する。ガイガーモードでは、シングルフォトンを検出するため逆バイアスをブレークダウンぎりぎりまで印加することで、デジタル的にオンかオフかが出力される。 The use of avalanche photodiode (APD) arrays with high detection sensitivity is increasing for two-dimensional array sensors in such laser ranging devices. There are two ways to use APD, linear mode and Geiger mode. In the linear mode, the output signal changes linearly with respect to the amount of input light. In Geiger mode, a reverse bias is applied to the very limit of the breakdown to detect a single photon, and whether it is digitally turned on or off is output.
より高感度なガイガーモードによるシングルフォトン検出器を用いることで入力光量が抑えられ、光学系を大きくする必要がなくなるため、レーザ測距装置は小型化につながる。APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、シングルフォトンレベルに相当する、数十ピコワット程度の非常に微弱な光を検出することが可能である。この反面、APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、CCD(charge coupled device)カメラなどの関連技術において用いられてきた素子に比べて素子サイズを小さくすることが困難である。そのため、APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、二次元アレイセンサそのものの分解能(解像度)の向上に限界がある。 By using a single photon detector with a higher sensitivity Geiger mode, the amount of input light is suppressed and the optical system does not need to be enlarged, which leads to miniaturization of the laser ranging device. A two-dimensional array element in Geiger mode using APD can detect very weak light of several tens of picowats, which corresponds to a single photon level. On the other hand, it is difficult to reduce the element size of a two-dimensional array element in Geiger mode using APD as compared with an element used in related technologies such as a CCD (charge coupled device) camera. Therefore, in the two-dimensional array element in the Geiger mode using APD, there is a limit to the improvement of the resolution (resolution) of the two-dimensional array sensor itself.
本発明の目的は、上記問題を解決し、分解能が低い二次元アレイセンサの位置を調整することができる、レーザ測距装置、レーザ測距方法および位置調整プログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laser ranging device, a laser ranging method, and a position adjusting program capable of solving the above problems and adjusting the position of a two-dimensional array sensor having low resolution.
本発明によるレーザ測距装置は、パルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を受信光として受光し、該受信光に基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置であって、前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と;凸レンズを含み、前記反射光を前記受信光として受信する受信光学系と;複数のピクセルを有し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、前記ピクセル毎に受信タイミングと受信レベルとを出力する二次元アレイセンサと;前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出し、前記受信レベルに基づいて前記位置を算出し、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する信号処理部と;前記位置調整信号に応答して、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部と、を有する。 The laser ranging device according to the present invention emits pulsed laser light as transmitted light toward a target, receives the reflected light reflected by the target as received light, and based on the received light, the position of the target and the above. A laser ranging device that measures the distance to a target, including a laser oscillator that oscillates the pulsed laser light; a receiving optical system that includes a convex lens and receives the reflected light as the received light; a plurality of pixels. A two-dimensional array sensor that has an array sensor detection surface that receives image information imaged by the convex lens and outputs reception timing and reception level for each pixel; transmission timing of the laser oscillator and reception. A signal processing unit that calculates the distance from the timing, calculates the position based on the reception level, and outputs a position adjustment signal for adjusting the position of the array sensor detection surface based on the reception level. It has a detection surface position adjusting unit that adjusts a relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface in response to the position adjustment signal.
本発明によるレーザ測距方法は、レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距方法であって、前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出する距離算出ステップと;前記受信レベルに基づいて前記位置を算出する位置算出ステップと;前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部へ、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する出力ステップと;を含む。 In the laser ranging method according to the present invention, a pulsed laser beam from a laser oscillator is emitted toward a target as transmitted light, and the reflected light reflected by the target is received as received light by a receiving optical system including a convex lens. The position of the target and the position of the target based on the reception timing and reception level for each pixel output from a two-dimensional array sensor having an array sensor detection surface that receives image information formed by a convex lens and having a plurality of pixels. A laser distance measuring method for measuring the distance to the target, wherein the distance is calculated from the transmission timing of the laser oscillator and the reception timing; the position is calculated based on the reception level. A position adjustment signal for adjusting the position of the array sensor detection surface is sent to the detection surface position adjustment unit that adjusts the relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface. Includes output steps to output and;
本発明による位置調整プログラムは、レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置に用いられ、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部を、コンピュータに調整させる位置調整プログラムであって、前記コンピュータに、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を、前記検知面位置調整部に送出する送出機能を実現させるためのものである。 The position adjustment program according to the present invention emits pulsed laser light from a laser oscillator as transmitted light toward a target, receives the reflected light reflected by the target as received light by a receiving optical system including a convex lens, and receives the convex lens. Based on the reception timing and reception level for each pixel output from a two-dimensional array sensor having an array sensor detection surface that receives the image information imaged in the above and having a plurality of pixels, the position of the target and the above. A position that causes a computer to adjust a detection surface position adjustment unit that is used in a laser ranging device that measures the distance to a target and adjusts the relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface. An adjustment program for realizing a transmission function for transmitting a position adjustment signal for adjusting the position of the array sensor detection surface to the detection surface position adjustment unit based on the reception level. It is a thing.
本発明によれば、分解能が低い二次元アレイセンサの位置を調整することができる。 According to the present invention, the position of the two-dimensional array sensor having low resolution can be adjusted.
最初に、本発明の特徴について説明する。 First, the features of the present invention will be described.
本発明が適用されるレーザ測距装置は、二次元アレイセンサを持つ受光検知器において、測定対象(ターゲット)として遠方にあるコーナキューブのような、二次元アレイセンサのピクセル分解能以下のターゲットサイズからの反射光を受信する。そして、本発明が適用されるレーザ測距装置は、この受信した反射光から、当該レーザ測距装置とターゲットとの間の距離(測距情報)を算出するとともに、測距情報および二次元アレイセンサの像情報からターゲットの視線視野角(Line of Sight:LOS)角・姿勢角を算出する装置である。 The laser ranging device to which the present invention is applied is a light receiving detector having a two-dimensional array sensor, from a target size equal to or less than the pixel resolution of the two-dimensional array sensor, such as a corner cube located far away as a measurement target (target). Receive the reflected light of. Then, the laser ranging device to which the present invention is applied calculates the distance (distance measuring information) between the laser ranging device and the target from the received reflected light, and also performs the ranging information and the two-dimensional array. It is a device that calculates the line of view angle (LOS) angle and attitude angle of the target from the image information of the sensor.
このようなレーザ測距装置において、本発明では、受信光学系の焦点位置から二次元アレイセンサのアレイセンサ検知面を光軸方向にずらすことにより、測角精度を向上させる機能を持つことを特徴とする。このほかに、本発明は、二次元アレイセンサの受信レベルに基づいて、アレイセンサ検知面の位置をフィードバック制御することで、視野角・姿勢角精度(測角精度)と受信レベルとを自律的に最適化する機能を有することを特徴とする。 In such a laser ranging device, the present invention is characterized by having a function of improving the angle measurement accuracy by shifting the array sensor detection surface of the two-dimensional array sensor in the optical axis direction from the focal position of the receiving optical system. And. In addition, the present invention autonomously controls the viewing angle / attitude angle accuracy (angle measurement accuracy) and the reception level by feedback-controlling the position of the array sensor detection surface based on the reception level of the two-dimensional array sensor. It is characterized by having a function of optimizing.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to the embodiments and should be construed based on the description of the claims.
[第1の実施形態]
[構成の説明]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ測距装置100の全体の構造を示すブロック図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ測距装置100の要部を示す図である。
[First Embodiment]
[Description of configuration]
FIG. 1 is a block diagram showing the entire structure of the
図示のレーザ測距装置100は、レーザ発振器110と、送信受光系120と、送信用光検知器130と、受信光学系140と、受信用光検知器150と、信号処理部160と、検知面位置調整部170と、電源部180とを備える。図示の受信用光検知器150は、二次元アレイセンサから成る。電源部180は、各部110~170へ電力を供給する。
The illustrated
図2に示されるように、受信用光学系140は凸レンズ142を含む。受信用光検知器150である二次元アレイセンサは、アレイセンサ検知面150aを持つ。
As shown in FIG. 2, the receiving
信号処理部160は、トリガ信号をレーザ発振器110へ送出する。このトリガ信号に応答して、レーザ発振器110は、パルスレーザ光を発射する。発射されたパルスレーザ光は送信光学系120へ送出される。
The
送信光学系120は、この受け取ったパルスレーザ光を送信光としてターゲット(図示せず)へ向けて送信(出射)する。ターゲットは、例えば、コーナキューブのような再帰反射性を有する。送信光学系120より送信されたパルスレーザ光(送信光)は、このターゲットで反射パルスレーザ光として反射される。そして、この反射パルスレーザ光は受信光としてレーザ測距装置100に戻ってくる。
The transmission
この反射パルスレーザ光(受信光)は、受信光学系140の凸レンズ142を介して、受信用光検知器である二次元アレイセンサ150のアレイセンサ検知面150aに入射する。
The reflected pulsed laser light (received light) is incident on the array
本レーザ測距装置100からターゲットまでの距離(測距情報)は、パルスレーザ光の往復時間をカウントすることにより算出することが可能である。また、ターゲットに対するLOS角や、レーザ測距装置100自身の姿勢角といった角度情報は、得られた測距情報およびアレイセンサ検知器面150aにおける検知位置情報により信号処理部160でソフトウェアまたはハードウェアを用いて算出することが可能である。
The distance (distance measuring information) from the
角度情報の精度は、アレイセンサ検知器面150aの検知位置情報、つまりアレイセンサ検知器面150aの位置分解能(解像度)に大きく依存する。上述したように、位置分解能を向上させるために、アレイセンサ検知器面150aを受信光の焦点位置(結像位置)から光軸方向にずらし、図3のように像をデフォーカスさせ、複数の素子で受信させることが一般的に知られている(上記特許文献2等参照)。
The accuracy of the angle information largely depends on the detection position information of the array
このアレイセンサ検知面150aのずれ量は、二次元アレイセンサ150の最小受信感度やダイナミックレンジおよび結像する位置(焦点位置)を考慮して決定する必要があり、ターゲットまでの距離により最適な長さが異なる。そのため、本第1の実施形態では、図2に示されるように、二次元アレイセンサ150を検知面位置調整部170と機械的に接続させている。このことにより、本レーザ測距装置100は、受信レベルのダイナミックレンジにあわせてアレイセンサ検知面152aの位置を光軸方向に調整させる機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。また、本第1の実施形態では、得られた像情報(輝度情報)をもとに信号処理部160でソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心点の計算を行う。このことにより、本レーザ測距装置100は、アレイセンサ検知面150aの位置をフィードバック制御して、アレイセンサ検知面150aを最適な位置に光軸方向に調整している。
The amount of deviation of the array
詳述すると、アレイセンサ検知面150aを受信光学系140の焦点からずらすことで、受信光はアレイセンサ検知面150aで結像せず、図3のように二次元アレイセンサ150の複数ピクセルに受信光のエネルギーが分割されることになる。二次元アレイセンサ150は図2に示すように検知面位置調整部170と機械的に結合することで、アレイセンサ検知面150aを任意の位置に設定することができる。
More specifically, by shifting the array
複数ピクセルで受信後、二次元アレイセンサ150は、それぞれのピクセルから、受信タイミングと受信レベルとを信号処理部160へ出力する。信号処理部160は、ソフトウェア処理により受信タイミング信号と送信タイミング信号とから、当該レーザ測距装置100とターゲットとの間の距離の計算を行う。また、信号処理部160は、複数ピクセルの像情報(輝度情報)から重心点を算出し、ターゲットの位置をピクセル分解能以下まで測定する。
After receiving with a plurality of pixels, the two-
ここで、アレイセンサ検知面150aから受信光学系140までの距離により、結像位置や二次元アレイセンサ150の反応ピクセル数が異なり制御方法が変更になるため、それぞれについて述べる。
Here, the image formation position and the number of reaction pixels of the two-
まず、ターゲットまでの距離が遠距離であるとする。この場合、受信光学系140に入射する光はほぼ平行光とみなすことができる。したがって、受信光学系140の特性により結像する位置(焦点距離)が求まるため、アレイセンサ検知面150aのずれ量はほぼ同じとなる。
First, it is assumed that the distance to the target is a long distance. In this case, the light incident on the receiving
レーザ測距装置100がランデブー(接近)しているフェーズを考える。この場合、二次元アレイセンサ150の最小受信感度を下回る光入力が発生する場合が考えられる。そのような場合は、信号処理部160でのソフトウェアまたはハードウェアを用いて行う重心計算の精度が悪化するため、光入力の強度を考慮する必要がある。光入力の強度はターゲットまでの距離により決定される。そこで、本実施形態に係るレーザ測距装置100は、受信レベルの最小受信感度にあわせてアレイセンサ検知面150aの位置を光軸方向に調整する機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。すなわち、信号処理部160は、得られた像情報(輝度情報)をもとに、アレイセンサ検知面150aの位置をフィードバック制御して、アレイセンサ検知面150aを最適な位置に光軸方向に調整している。最適な位置に調整したのち、信号処理部160は、輝度重心法や、差分法などの手法により、ソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心位置の計算を行う。
Consider a phase in which the
一方、ターゲットまでの距離が近距離であるとする。この場合は、受信光学系140に入射する受信光は拡がり角を持っていると考えられる。このような状況では、結像位置は近距離になるほど長くなるため、測距値にあわせてフィードバック制御を行う必要がある。また、近距離での測距の場合、二次元アレイセンサ150のダイナミックレンジを上回る光入力が発生することが考えられ、信号処理部160での重心計算の精度が悪化することが考えられる。このときは遠距離の場合と同様に、本実施形態に係るレーザ測距装置100は、受信レベルのダイナミックレンジにあわせてアレイセンサ検知面150aの位置を光軸方向に調整する機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。
On the other hand, it is assumed that the distance to the target is short. In this case, it is considered that the received light incident on the receiving
[動作の説明]
次に、図1を用いて、レーザ測距装置100の動作について説明する。本発明の第1の実施形態に係るレーザ測距装置100は、パルスレーザの往復時間をカウントすることにより、ターゲットまでの距離を算出することを基本原理としている。
[Description of operation]
Next, the operation of the
測距開始位置に到達したレーザ測距装置100では、信号処理部160からトリガ信号を送り、レーザ発振器110よりパルスレーザ光を発する。パルスレーザ光の一部は送信用光検知器130に、残りは送信光学系120を介して送信光としてターゲットの方向に送信させる。送信用光検知器130は送信タイミングを信号処理部160に送信し、この送信タイミング信号をもって測距の開始とする。また、送信光学系120はレーザパルス光を受信部の二次元アレイセンサ150の視野角を包含するようなビーム拡がりに整形する。
In the
いま、二次元アレイセンサ150の視野角内にコーナキューブのような再帰反射特性を有するターゲットがあるとする。この場合、ターゲットに照射された送信光の一部が送信光の来た方向に向かって反射し、この反射光が受信光学部系140で受信光として受信される。受信光学系140は受信光を二次元アレイセンサ150のアレイセンサ検知面150aに伝播する。
Now, suppose that there is a target having retroreflection characteristics such as a corner cube within the viewing angle of the two-
このときアレイセンサ検知面150aが受信光学系140の焦点からずれている場合、受信光はアレイセンサ検知面150aで結像せず、二次元アレイセンサ150の複数ピクセルに受信光のエネルギーが分割されることになる。二次元アレイセンサ150は図2に示すように検知面位置調整部170と機械的に結合している。したがって、アレイセンサ検知面150aを検知面位置調整部170により光軸方向に調整して任意の位置に設定することができる。複数ピクセルで受信後、二次元アレイセンサ150は、それぞれのピクセルから、受信タイミングと受信レベルとを信号処理部160へ出力する。
At this time, if the array
次に、図4を参照して、信号処理部160で実行される位置調整アルゴリズムについて説明する。ここでは、アレイセンサ検知面150aの移動軸を図5に示すように定義する。
Next, the position adjustment algorithm executed by the
信号処理部160は、アレイセンサ検知面150aをあらかじめ初期位置X0に移動させておく(ステップS101)。レーザ測距装置100が測距位置に到達すると、信号処理部160はトリガ信号を発することにより測距を開始する(ステップS102)。
The
このとき二次元アレイセンサ150にて最小受信感度以下となり、検知不可となったとする(ステップS103のN)。この場合には、信号処理部160は位置調整信号を発し、アレイセンサ検知面150aを受信光学系140の焦点位置(原点)に移動させる(ステップS104)。その後、信号処理部160は再度測定を行い(ステップS105)、検知不可であった場合(ステップS106のN)には、信号処理部160は測距不可信号を上位システム200へ送信する(ステップS107)。その後、信号処理部160は再度測定を行い(ステップS105)、検知可能かの判定を行う(ステップS106のN)。
At this time, it is assumed that the two-
再測定の結果検知可能であった場合(ステップS106のY)には、信号処理部160は、アレイセンサ検知面150aを一定量X軸の+方向に移動させ(ステップS108)、再測定を行う(ステップS109)。ここで検知不可となった場合(ステップS110のN)には、信号処理部160は、アレイセンサ検知面150aを移動した分だけX軸の-方向に戻し再測定を行い(ステップS111)、素子毎の受信タイミング・受信レベルから距離の計算を行う(ステップS112)。検知可能であった場合(ステップS110のY)には、信号処理部160は、続いてアレイセンサ検知面150aの位置Xが初期位置X0にあるかの判定を行う(ステップS113)。X=X0の場合(ステップS113のY)には、信号処理部160は、位置調整を終了させ、素子毎の受信タイミング・受信レベルから、測距値等の計算を行う(ステップS112)。X≠X0の場合(ステップS113のN)には、信号処理部160は、再度アレイセンサ検知面150aを一定量+方向へ移動させ(ステップS108)、再度測定を行う(ステップS109)。
If the result of the remeasurement can be detected (Y in step S106), the
最初の測距において測距可能であった場合(ステップS103のY)は、信号処理部160は、ダイナミックレンジ以上の入力がないかの判定を行う(ステップS114)。ダイナミックレンジ以上の入力がある場合(ステップS114のN)には、信号処理部160は、アレイセンサ検知面150aを一定量X軸の-方向へ移動させ(ステップS115)、再度測定等を行い(ステップS116)、同様の判定を行う(ステップS117)。すべての反応素子においてダイナミックレンジ以下の入力であった場合(ステップS114のYおよびステップS114のY)には、信号処理部160は、位置調整を終了させ、受信タイミング信号と送信タイミング信号とから距離の計算を行う(ステップS112)。また、信号処理部160は、複数ピクセルの像情報(輝度情報)からソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心点を算出し、ターゲットの位置をピクセル分解能以下まで測定する(ステップS112)。最後に、信号処理部160は、その計算結果を上位システム200へ送信する(ステップS118)。
When the distance can be measured in the first distance measurement (Y in step S103), the
[効果の説明]
次に、本第1の実施形態の効果について説明する。
[Explanation of effect]
Next, the effect of the first embodiment will be described.
第1の効果は、測距距離に応じてアレイセンサ検知面150aの位置を制御することで、二次元アレイセンサ150のダイナミックレンジや最小受信感度など素子側の問題を解決できることである。
The first effect is that by controlling the position of the array
第2の効果は、二次元アレイセンサ150の複数素子で受信することで解像度以上の測角精度が見込まれることである。
The second effect is that the angle measurement accuracy higher than the resolution can be expected by receiving with a plurality of elements of the two-
[第2の実施形態]
[構成の説明]
次に、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[Second Embodiment]
[Description of configuration]
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図6は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ測距装置100Aの全体の構造を示すブロック図である。図7は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ測距装置100Aの要部を示す図である。
FIG. 6 is a block diagram showing the entire structure of the
図示のレーザ測距装置100Aは、検知面位置調整部170の配置場所が相違している点を除いて、図1に図示したレーザ測距装置100と同様の構成を有し動作する。説明の簡略化のために、以下では、第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
The illustrated
上記第1の実施形態では、検知面位置調整部170により二次元アレイセンサ150のアレイセンサ検知面150aを移動させていた。
In the first embodiment, the array
これに対して、本第2の実施形態では、検知面位置調整部170により受信光学系140を移動させ、結像位置を変化させている。
本レーザ測距装置100Aは、上述した第1の実施形態に係るレーザ測距装置100と同様の動作をするので、その説明を省略する。
On the other hand, in the second embodiment, the receiving
Since the
また、本レーザ測距装置100Aも、上述した第1の実施形態に係るレーザ測距装置100と同様の効果を奏する。
Further, the
[第3の実施形態]
[構成の説明]
次に、本発明の第3の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[Third Embodiment]
[Description of configuration]
Next, a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図8は、本発明の第3の実施形態に係るレーザ測距装置100Bの全体の構造を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing the entire structure of the
図示のレーザ測距装置100Bは、送信用光検知器130が省略され、信号処理部の動作が相違している点を除いて、図1に図示したレーザ測距装置100と同様の構成を有し動作する。したがって、信号処理部に160Aの参照符号を付してある。説明の簡略化のために、以下では、第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
The illustrated
上記第1の実施形態では、送信用光検知器130を用いて送信タイミングを計測し、測距の開始としていた。
In the first embodiment, the transmission timing is measured by using the transmission
これに対して、本第3の実施形態では、信号処理部160Aの内部で、レーザ発振器110での遅延を補正することで、信号処理部160Aからのトリガ信号をもって測距開始としている。
On the other hand, in the third embodiment, the delay in the
このような構成を採用することにより、送信用光検知器130を不要とすることができる。
By adopting such a configuration, the
本レーザ測距装置100Bは、上述した第1の実施形態に係るレーザ測距装置100と同様の動作をするので、その説明を省略する。
Since the
また、本レーザ測距装置100Bも、上述した第1の実施形態に係るレーザ測距装置100と同様の効果を奏する。
Further, the
尚、上記信号処理部160、160Aは、図示はしないが、プロセッサ、プログラムメモリ、およびデータを一時的に格納するためのワークメモリを備える情報処理装置によって実現可能である。
Although not shown, the
このような情報処理装置で実現された信号処理部160、160Aにおいては、プログラムメモリには図4に示された位置調整アルゴリズムを実施するための位置調整プログラムが格納される。そして、プログラムメモリに格納されている位置調整プログラムに従ってプロセッサが処理を実行することで、図4に示された位置調整アルゴリズムを実行する、信号処理部160、160Aの機能を実現する。
In the
以上、本発明の実施の形態および実施例を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態および実施例を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。 Although embodiments and examples of the present invention have been described above with reference to the drawings, those skilled in the art can use other similar embodiments and examples, and from the present invention. It should be noted that the form can be changed or added as appropriate without deviation.
本発明は、レーザ等を用いた測距装置において、位置・姿勢を認識するミッションに利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a mission to recognize a position / posture in a distance measuring device using a laser or the like.
100、100A、100B レーザ測距装置
110 レーザ発振器
120 送信光学系
130 送信用光検知器
140 受信光学系
142 凸レンズ
150 受信用光検知器(二次元アレイセンサ)
160、160A 信号処理部
170 検知面位置調整部
180 電源部
200 上位システム
100, 100A, 100B
160, 160A
Claims (9)
前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、
凸レンズを含み、前記反射光を前記受信光として受信する受信光学系と、
複数のピクセルを有し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、前記ピクセル毎に受信タイミングと受信レベルとを出力する二次元アレイセンサと、
前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出し、前記受信レベルに基づいて前記位置を算出し、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する信号処理部と、
前記位置調整信号に応答して、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部と、
を有するレーザ測距装置。 The pulsed laser light is emitted toward the target as transmitted light, the reflected light reflected by the target is received as received light, and the distance between the target position and the target is measured based on the received light. It is a laser ranging device,
A laser oscillator that oscillates the pulsed laser beam and
A receiving optical system including a convex lens and receiving the reflected light as the received light,
A two-dimensional array sensor that has a plurality of pixels, has an array sensor detection surface that receives image information imaged by the convex lens, and outputs reception timing and reception level for each pixel.
The distance is calculated from the transmission timing and the reception timing of the laser oscillator, the position is calculated based on the reception level, and the position for adjusting the position of the array sensor detection surface is adjusted based on the reception level. A signal processing unit that outputs adjustment signals and
A detection surface position adjusting unit that adjusts the relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface in response to the position adjustment signal.
Laser ranging device with.
前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出する距離算出ステップと、
前記受信レベルに基づいて前記位置を算出する位置算出ステップと、
前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部へ、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する出力ステップと、
を含むレーザ測距方法。 The pulsed laser light from the laser oscillator is emitted toward the target as transmission light, the reflected light reflected by the target is received as reception light by the receiving optical system including the convex lens, and the image information formed by the convex lens is received. The distance between the target position and the target is measured based on the reception timing and reception level for each pixel output from the two-dimensional array sensor having the receiving array sensor detection surface and having a plurality of pixels. Laser distance measurement method
A distance calculation step for calculating the distance from the transmission timing and the reception timing of the laser oscillator, and
A position calculation step for calculating the position based on the reception level, and
An output step for outputting a position adjustment signal for adjusting the position of the array sensor detection surface to the detection surface position adjustment unit for adjusting the relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface, and an output step.
Laser ranging methods including.
請求項6に記載のレーザ測距方法。 In the output step, the position adjustment signal is output so that the intensity of the optical input received by the two-dimensional array sensor is equal to or higher than the threshold value of the two-dimensional array sensor and is within the dynamic range based on the reception level. do,
The laser ranging method according to claim 6.
前記コンピュータに、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を、前記検知面位置調整部に送出する送出機能を実現させるための位置調整プログラム。 The pulsed laser light from the laser oscillator is emitted toward the target as transmission light, the reflected light reflected by the target is received as reception light by the receiving optical system including the convex lens, and the image information formed by the convex lens is received. The distance between the target position and the target is measured based on the reception timing and reception level for each pixel output from the two-dimensional array sensor having the receiving array sensor detection surface and having a plurality of pixels. This is a position adjustment program that allows a computer to adjust the detection surface position adjustment unit that adjusts the relative position in the optical axis direction between the convex lens and the array sensor detection surface, which is used in the laser ranging device.
A position adjustment program for realizing a transmission function of sending a position adjustment signal for adjusting the position of the array sensor detection surface to the detection surface position adjustment unit to the computer based on the reception level.
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