JPH054080U - レーザ測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザ光が時間的な広がりを持つことによって生じる誤
差を軽減するレーザ測距装置を得る。 【構成】 レーザ発振器１からでたレーザ光は、目標４
を照射する。目標からの反射光は、受光された後増幅さ
れて受信信号９となる。受信信号９は第１の閾値を持つ
コンパレータ１７と、第２の閾値を持つ第２のコンパレ
ータ１９に入力される。ここで第１の閾値よりも第２の
閾値を高く設定しておくことによって、受信信号の強度
が検出できる。すなわち受信信号の強度が強い場合は、
カウント値１５と、第２のストップ信号２０とが演算部
１６に入力される。一方、受信信号の強度が弱い場合
は、カウント値１５のみが演算部１６に入力される。演
算部１６は受信信号の強度が強い場合は従来装置と全く
同じように目標までの距離計算を行うが、受信信号の強
度が弱い場合は閾値の違いによって生じる時間差の分を
補正して目標までの距離計算を行う。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案はレーザ測距装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図４は従来のレーザ測距装置の構成の一例を示す図で、１はレーザ発振器、２ はレーザ光、３はスタート信号、４は目標、５は目標からの反射光、６は受光素 子、７は電気信号、８は増幅部、９は受信信号、１０はコンパレータ、１１はス トップ信号、１２は基準時間発生部、１３は基準クロック信号、１４はカウンタ 、１５はカウント値、そして１６は演算部である。

【０００３】 次に動作について説明する。レーザ発振器１はレーザ光２を発射すると同時に スタート信号３を発生する。レーザ光２は、空間中を伝搬して目標４を照射する 。目標からの反射光５は再び空間を伝搬して受光素子６に入射する。受光素子６ はこの光を光電気変換して電気信号７を出力する。電気信号７は増幅器８で増幅 され、受信信号９となる。この受信信号の強度がコンパレータ１０の閾値を越え ると、ストップ信号１１が発生する。カウンタ１４は基準時間発生部１２の基準 クロック信号を前述のスタート信号３が発生してからストップ信号１１が発生す るまでの時間中カウントする。このカウント値１５はスタート信号とストップ信 号との時間差に比例する。即ち目標までの距離に比例するために、上記カウント 値を基にして目標までの距離を測定することができる。ここでスタート信号３が 発生してからストップ信号１１が発生するまでの時間をＴ〔ｓ〕、目標までの距 離をＲ〔ｍ〕、レーザ光の空間伝搬速度をＣ〔ｍ／ｓ〕、基準時間発生部のクロ ック信号の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、カウンタ１４がカウントしたパルス数をＰ〔個 〕とすると、式（１）、式（２）、式（３）が成立する。

【０００４】 Ｒ＝Ｃ×Ｔ／２ 〔ｍ〕 …（１） ここで Ｔ＝Ｐ×１／ｆ 〔ｓ〕 …（２） よって Ｒ＝Ｃ×Ｐ×１／（２×ｆ） 〔ｍ〕 …（３）

【０００５】 演算部１６は、カウント値１５を基にして上記式（３）の計算を行い、目標ま での距離を算出する。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

従来の装置は以上のように構成されているために、たとえば同じ距離にある目 標であってもレーザ光の反射率が異なる場合、あるいは大気の透過率が異なる場 合などは、レーザ光の時間的な幅によって生じる誤差のために同じ距離にある目 標に対して測距を行っても違った測距結果が得られてしまうという問題をもって いた。図５から図７を用いてこのレーザ光の時間的な幅によって測距結果に誤差 が生じるメカニズムを説明する。なお説明が複雑になることを避けるために、こ こでは大気の透過率の差異などによる受信信号の強度の変化を、目標の反射率の 差に置き換えて説明してある。 図５は目標に向けて発射するレーザ光強度の時間的変化を、図６には反射率の 高い目標からの受信信号の電圧波形を示し、図７には反射率の低い目標からの受 信信号の電圧波形を示した。図５に示すように目標に向けて発射するレーザ光は 時間的に広がっているために、そのパルス波形の裾野と頂点では、式（４）なる 時間差を持つ。

【０００７】 （ｔ₂ −ｔ₁ ） 〔ｓ〕 …（４）

【０００８】 一方、例えば同じ距離に反射率の高い目標と反射率の低い目標とを置いて測距 を行い、その受信信号を測定すると、それぞれ図６および図７に示す受信信号が 得られる。コンパレータの閾値電圧は図６および図７に示すように一定なので、 同じ距離にある目標であるにもかかわらずコンパレータの出力であるストップ信 号の発生に、式（４）なる時間的な遅れが発生する。この結果前述の式（１）中 の時間Ｔに差ができるために距離計算の結果に差が生じてしまうと言う問題があ った。

【０００９】 さらに従来の装置においてはストップ信号が発生した時間を基準時間発生部の 基準クロック信号のタイミングで演算部に取り込むために±１カウントの量子化 誤差が発生する。この量子化誤差を少なくするために基準時間発生部の基準クロ ック信号の周波数をできるかぎり高く設定するのであるが、例えばデジタル素子 にハイスピードＣＭＯＳロジックＩＣを用いると、カウントできるクロック周波 数の上限は約６０ＭＨｚとなり、上記量子化誤差は２．５〔ｍ〕に相当する。量 子化誤差を少なくするために上記デジタル素子に、より高いクロック周波数まで カウントできるＥＣＬタイプのＩＣを用いた場合、大幅な消費電力の増加や、負 の極性を持つ電源の増設や、これらに伴うコストの上昇および寸法の増大を招く ために製品化が困難であるなどの問題があった。

【００１０】 さらに従来の装置においては、基準時間発生部として水晶発信器が用いられる 。ところがこの水晶発信器の温度による基準クロック周波数の変動は、−２０〜 ＋５０℃にて１００ｐｐｍである。一方クロック周波数を６０ＭＨｚとすると、 １クロックパルスは２．５ｍに相当する。よって１クロックパルス当たりの誤差 は、式（５）となる。

【００１１】 ２．５×１００×１０^-6＝２．５×１０^-4 …（５）

【００１２】 この誤差は目標までの距離に比例し、距離が０ｍであれば誤差は０であるが、 例えば距離が１０ｋｍであれば、式（６）なる誤差が生じる。

【００１３】 １０×１０³ ／２．５×２．５×１０^-4＝１〔ｍ〕 …（６）

【００１４】 この水晶発信器の温度による誤差を少なくするために例えば水晶発信器を恒温 に保つようにするとヒータ等が必要となり、装置の消費電力が増大するなどの問 題があった。

【００１５】 この考案は上記のような課題を解消するためになされたものであり、レーザ光 が時間的な広がりを持つことによって生じる誤差を軽減することができる装置を 得ることを目的とする。

【００１６】 また、この考案の別の実施例においては基準時間発生部のクロック信号の周波 数によって定まる距離分解能を向上させることができる装置を得ることを目的と する。

【００１７】 また、この考案のさらに別の実施例においては基準時間発生部の温度変化によ って生じる誤差を軽減することができる装置を得ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

この考案によるレーザ測距装置は受信信号の強度によって距離計算の結果を補 正するものである。

【００１９】 別の実施例によるレーザ測距装置は基準時間発生部の基準クロック信号と、こ れに対して位相をずらしたクロック信号とを用いて目標までの距離を計算するも のである。

【００２０】 さらに別の実施例によるレーザ測距装置は、基準時間発生部の温度を検出し、 この温度および目標までの距離すなわちスタート信号とストップ信号との時間差 によって測距計算の結果を補正するものである。

【００２１】

【作用】

この考案におけるレーザ測距装置は受信信号の強度によって距離計算の結果を 補正するので、レーザ光が時間的な広がりを持つことによって生じる誤差を軽減 できる。

【００２２】 別の実施例におけるレーザ測距装置は基準時間発生部の基準クロック信号と、 これに対して位相をずらしたクロック信号とを用いて目標までの距離を計算する ので、基準時間発生部の基準クロック信号の周波数によって定まる距離分解能を 向上させることができる。

【００２３】 さらに別の実施例におけるレーザ測距装置は、基準時間発生部の温度を検出し 、目標までの距離に応じて距離計算の結果を補正するので、温度の変化によって 生じる誤差を軽減できる。

【００２４】

【実施例】

実施例１． 以下、この考案の一実施例を図について説明する。図１において１７は第１の 閾値を持つ第１のコンパレータ、１８は第１のストップ信号、１９は第２の閾値 を持つ第２のコンパレータ、２０は第２のストップ信号、そして２９は論理和を 行なうＯＲゲートであり、１から１６までは前述の従来装置と同じである。

【００２５】 次に動作について説明する。レーザ光が発生して目標４を照射し、その反射光 ５が受光素子６に入射し、電気信号７が増幅器８で増幅され、受信信号９となる までは、前述の従来装置と全く同じである。この受信信号９は第１の閾値を持つ 第１のコンパレータ１７と、第２の閾値を持つ第２のコンパレータ１９との両方 に入力される。ここで第１の閾値を図６のｔ₁ に相当する電圧に設定し、第２の 閾値を図６のｔ₂ に相当する電圧に設定しておく。 この状態で反射率の高い目標に向けて測距を行うと、図６に示す受信信号が得 られる。このとき図１のＯＲゲート２９には第１のストップ信号１８と第２のス トップ信号２０とが入力され、ストップ信号１１にはこれらの論理和が出力され るが、カウンタ１４はこれらの信号の一番早いものでカウントをストップする。 一方、演算部にはストップ信号１１によるカウント値１５と、第２のストップ信 号２０とが入力される。この場合は演算部１６は従来装置とまったく同じように カウント値１５を基に目標までの距離計算をおこなう。

【００２６】 次に同じ距離にある反射率の低い目標に向けて測距を行うと、今度は図７に示 す受信信号が得られる。この時、受信電圧は第２の閾値電圧を越えないので第２ のストップ信号２０は得られない。よって図１の演算部１６にはカウント値１５ のみが得られる。このようにカウント値１５が得られて、かつ、第２のストップ 信号２０が得られない場合は、演算部１６は図５の、式（４）に相当する距離の 分を減算して目標までの距離計算をするように設定しておく。

【００２７】 実施例２． 図２は、別の実施例によるレーザ測距装置の構成を示す図である。図において ２１はフェーズロックドループ部（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ 以下 ＰＬＬと略す）、２２は位相をずらしたクロック信号、２３は第１のカウンタ、 ２４は第１のカウント値、２５は第２のカウンタ、２６は第２のカウント値であ る。基準時間発生部１２からの基準クロック信号１３は、第１のカウンタ２３に 入力される。このため第１のカウンタ２３はスタート信号３が発生してからスト ップ信号１１が発生するまでの時間中、基準クロック信号１３をカウントする。 一方基準時間発生部１２の基準クロック信号１３はＰＬＬ２１にも入力される。 ＰＬＬ２１は基準クロック信号１３と全く同じ周波数で、かつ、１８０度位相を ずらしたクロック信号２２を発生する。この位相をずらしたクロック信号２２は 、第２のカウンタ２５に入力される。よって第２のカウンタ２５はスタート信号 ３が発生してからストップ信号１１が発生するまでの時間中、位相をずらしたク ロック信号２２をカウントする。ここで各々のカウンタに例えばハイスピードＣ ＭＯＳを用いると、カウント可能なクロック信号の周波数の上限は、６０ＭＨｚ となる。ところが各々のカウンタのカウントする信号はＰＬＬによって位相を１ ８０度ずらしてあるので、等価的にこのカウンタは基準クロック周波数６０ＭＨ ｚの２倍である１２０ＭＨｚ相当の分解能を持つ。よって演算部は第１のカウン ト値２４と第２のカウント値２６とを加算し、前述の、式（３）中のクロック周 波数ｆ〔Ｈｚ〕の代りに、式（７）を代入することにより、従来の２倍の距離分 解能で目標までの距離を求めることができる。

【００２８】 ２×ｆ 〔Ｈｚ〕 …（７）

【００２９】 実施例３． 図３は、さらに別の実施例によるレーザ測距装置の構成を示す図である。図に おいて２７は温度検出素子、２８は温度信号である。 温度検出素子２７は基準時間発生部１２と熱的に結合するように配置されてい るので、その出力である温度信号２８は基準時間発生部１２の温度を検出するこ とができる。基準時間発生部１２の発振周波数は、温度によって変化する。演算 部１６は上記検出した温度によって１パルス当たりの補正量を決める。一方、こ の例の測距装置の動作より明らかなように、この温度による誤差は目標までの距 離に正比例する。よって上述の１パルス当たりの補正量と、カウンタ１４のカウ ント値１５を乗じて補正すべき量を決め、距離計算の結果を補正するように、あ らかじめ演算部１６を設定しておけば、温度の変化によって生じる誤差を軽減す ることができる。

【００３０】 なお上記実施例では、受信信号の強度を２段階に分けて検出したが、３段階以 上に分けることによって、さらに細かい補正を行ってもかまわない。 さらに受信信号の強度を検出する手段としてコンパレータを用いたが、高速の Ａ／Ｄ変換器などを用いてもよい。 また、位相をずらしたクロック信号を作るために、ＰＬＬを用いたが、抵抗と コンデンサで波形を遅らせ、そのあと波形整形用のデジタルＩＣを用いてももち ろん良く、その他コイルやコンデンサなどによる位相のずれを用いても、またこ れら以外の手段を用いて位相をずらしてもよいことは言うまでもない。 さらにここでは位相を１８０度ずらしてカウンタを２個用いた例について説明 したが、位相を１２０度ずらしてカウンタを３個用いてもよく、さらにカウンタ を４個以上もちいて、これに相当する量だけ位相をずらしてももちろんかまわな い。 また、この例ではスタート信号とストップ信号の間に入力される基準クロック 信号をカウンタでカウントする方式について説明したが、例えばスタートパルス が発生したタイミングと、受信信号が発生したタイミングを基準クロック信号を 基にした信号で動作するＲＡＭの中に書き込み、後でこの内容を測距値に変換す る方式であってもかまわない。 さらに、前述の３つの実施例の２つ以上を組合せて用いてもよいことは、言う までもない。 なお、この実施例では動作をわかりやすくするためにカウンタと、演算部とを 分離して説明したが、カウンタの機能を演算部に持たせてもよく、また同様にＯ Ｒゲートの機能を演算部に持たせてもよい。さらに距離計算の補正はハードウェ ア的に行っても、またソフトウェア的に行ってもよい。また、この例では距離計 算の補正を減算にて行ったが、あらかじめスタートパルスをディレイライン等で 遅延させることによって、加算による補正を行ってもよいことは言うまでもない 。

【００３１】

【考案の効果】

以上のようにこの考案によれば、受信信号の強度を検出し、これによって距離 計算の結果を補正するので、レーザ光が時間的な広がりを持つことによって生じ る誤差を軽減することができる。

【００３２】 また、この考案の別の実施例によれば基準時間発生部の基準クロック信号と、 これにたいして位相をずらしたクロック信号を用いて、目標までの距離を計算す るので、距離分解能を向上させることができる。

【００３３】 また、この考案の別の実施例によれば基準時間発生部の温度を検出し、これに よって１パルス当たりの補正量を決定し、目標までの距離に比例して距離計算の 結果を補正するので、温度によって生じる誤差を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の１実施例によるレーザ測距装置を示
す構成図である。

【図２】この考案の別の実施例によるレーザ測距装置を
示す構成図である。

【図３】この考案のさらに別の実施例によるレーザ測距
装置を示す構成図である。

【図４】従来のレーザ測距装置を示す構成図である。

【図５】レーザ光強度の時間的変化を示す図である。

【図６】反射率の高い目標からの受信信号の電圧波形を
示す図である。

【図７】反射率の低い目標からの受信信号の電圧波形を
示す図である。

【符号の説明】

２ レーザ光 ３ スタート信号 ４ 目標 ５ 目標からの反射光 ７ 電気信号 ９ 受信信号 １１ ストップ信号 １３ 基準クロック信号 １５ カウント値 １８ 第１のストップ信号 ２０ 第２のストップ信号 ２２ 位相をずらしたクロック信号 ２４ 第１のカウント値 ２６ 第２のカウント値 ２８ 温度信号

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 目標に向けてレーザ光を発射すると同時
   にスタート信号を発生するレーザ発振器と、目標からの
   反射光を受信して電気信号を発生する受光素子と、この
   受光素子の電気信号を増幅して受信信号を作る増幅部
   と、この受信信号の強度が閾値を越えたときにストップ
   信号を作るコンパレータと、基準クロック信号を発生す
   る基準時間発生部と、前記スタート信号と上記ストップ
   信号との時間差を基にして目標までの距離計算をする演
   算部とからなるレーザ測距装置において、前記受信信号
   の強度を検出する手段と、この受信信号の強度によって
   前記距離計算の結果を補正する手段とを備えたことを特
   徴とするレーザ測距装置。
2. 【請求項２】 目標に向けてレーザ光を発射すると同時
   にスタート信号を発生するレーザ発振器と、目標からの
   反射光を受信して電気信号を発生する受光素子と、この
   受光素子の電気信号を増幅して受信信号を作る増幅部
   と、この受信信号の強度が閾値を越えたときにストップ
   信号を作るコンパレータと、基準クロック信号を発生す
   る基準時間発生部と、前記スタート信号と上記ストップ
   信号との時間差を基にして目標までの距離計算をする演
   算部とからなるレーザ測距装置において、前記基準時間
   発生部の基準クロック信号に対して位相をずらしたクロ
   ック信号を作る手段と、上記基準時間発生部の基準クロ
   ック信号及び上記位相をずらしたクロック信号とを用い
   て目標までの距離を計算する手段とを備えたことを特徴
   とするレーザ測距装置。
3. 【請求項３】 目標に向けてレーザ光を発射すると同時
   にスタート信号を発生するレーザ発振器と、目標からの
   反射光を受信して電気信号を発生する受光素子と、この
   受光素子の電気信号を増幅して受信信号を作る増幅部
   と、この受信信号の強度が閾値を越えたときにストップ
   信号を作るコンパレータと、基準クロック信号を発生す
   る基準時間発生部と、前記スタート信号と上記ストップ
   信号との時間差を基にして目標までの距離計算をする演
   算部とからなるレーザ測距装置において、前記基準時間
   発生部の温度を検出する手段と、この検出した温度によ
   って前記スタート信号とストップ信号の時間差に比例し
   て前記距離計算の結果を補正する手段を持つことを特徴
   とするレーザ測距装置。