光波距離測定方法及び光波距離装置
【課題】パルス光を利用した光波距離測定に於いて簡単で而も高精度の測距が行える光波距離測定方法及び光波距離装置を提供する。
【解決手段】測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、パルス光を測距パルス光と内部参照パルス光とし、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器６と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部４とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する。
【解決手段】測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、パルス光を測距パルス光と内部参照パルス光とし、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器６と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部４とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス光を照射し、測定対象物で反射された反射パルス光を受光し、パルス光を照射し、反射パルス光を受光する迄の時間差に基づき測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定方法及び光波距離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パルス光を利用した光波距離装置には数々の方式が考案され、パルス波形を直接アナログデジタル変換するダイレクトサンプリング方式も利用されている。
【０００３】
従来のダイレクトサンプリング方式は、Ａ／Ｄ変換のサンプリング性能の制限により、測距性能がフィルタアレを用いた測距方式に比して劣る問題があった。然し乍ら、フィルタアレを用いた測距方式は回路構成が複雑であり、部品点数も多く大きな基板が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５４０８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は斯かる実情に鑑み、パルス光を利用した光波距離測定に於いて簡単で而も高精度の測距が行える光波距離測定方法及び光波距離装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定方法に係るものである。
【０００７】
又本発明は、測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する光波距離装置に係るものである。
【０００８】
又本発明は、前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えている光波距離装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行する光波距離装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行う光波距離装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記受光検出器からの電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、該トランスインピーダンスアンプの出力がログ出力である光波距離装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号に同期したパルス発光信号によりパルス測距光を発光する同期パルス発光光源である光波距離装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号とは非同期のパルス測距光を発光する非同期パルス発光光源である光波距離装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記パルス発光光源からのパルス光を前記受光検出器に導く前記内部参照光路と、該内部参照光路と受光光学系の光路とを結合する光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記内部参照光路を切替える光路切替え部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路にて受光したパルスと、前記内部参照光路にて受光したパルスから得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１６】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、測定対象物から反射された光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光した反射パルス光と、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１７】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割し、前記内部参照光路に導く光路分割部であり、測定対象物から反射された反射パルス光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する光路結合部を備え、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光と、前記測距光路から受光した反射パルス光から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１８】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ、前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部を備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１９】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を前記内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ光波距離装置内部で導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部とを備え、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定するので、粗測定で簡単に概略の測距が行えると共に粗測定の精度の不足を精密測定で補い、簡便に高精度の距離測定が行える。
【００２１】
又本発明によれば、測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定するので、粗測定で簡単に概略の測距が行えると共に粗測定の精度の不足を精密測定で補い、簡便に高精度の距離測定が行える。
【００２２】
又本発明によれば、前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えているので、ダイレクトサンプリング方式により、部品点数が少なく小型の基板で高性能な光波距離装置を提供することができる。
【００２３】
又本発明によれば、前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算するので、１つの受光信号から複数の測定値が得られ、高精度の測定が可能となる。
【００２４】
又本発明によれば、前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行するので、又、前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行うので、Ａ／Ｄ変換部での変換工程で生じる誤差を常時補正できるので、信頼性の高い測定結果を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施例に係る光波距離装置に於ける受光検出器がパルス光を受光した場合に発する信号波形の一例を示す図である。
【図３】第１の実施例に於ける計測部の概略構成図である。
【図４】該計測部に於いて、受光検出器が受光した波形をフーリエ変換して得られる周波数成分を時間領域に於いて分解表示した図である。
【図５】前記受光検出器が内部参照パルス光、反射パルス光を受光した場合の受光信号とパルス発光信号との関係を示す図である。
【図６】受光検出器が受光した波形をガウシアン波とし、ＡＤ変換する際のサンプリングとの関係を示す図である。
【図７】図６で示されるガウシアン波をフーリエ変換し、振幅と位相を計算した結果を示す図である。
【図８】受光検出器が受光した波形が矩形波であった場合の、ＡＤ変換する際のサンプリングとの関係を示す図である。
【図９】図８で示される矩形波をフーリエ変換し、振幅と位相を計算した結果を示す図である。
【図１０】第２の実施例に於ける計測部の概略構成図である。
【図１１】第３の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図１２】第４の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図１３】第４の実施例に於ける、パルス発光信号と内部参照光受光信号、第２内部参照光受光信号、反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【図１４】第３の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期でパルス光を発光した場合の、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【図１５】第４の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期でパルス光を発光した場合の、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００２７】
先ず、図１に於いて本発明が実施される光波距離装置の一例を説明する。
【００２８】
図１中、１は光波距離装置、２は測定対象物を示している。
【００２９】
前記光波距離装置１は、筐体（図示せず）と該筐体内部に収納される光学部３及び計測部４から概略構成される。
【００３０】
先ず、前記光学部３を説明する。
【００３１】
レーザ光線のパルス光を発するパルス発光光源５、測定対象物２からの反射光を検出し、電気信号を発する受光検出器６、前記パルス発光光源５をパルス発光させる光源駆動部７、前記パルス発光光源５から発せられたパルス光を測定対象物２に向けて照射する投光光学系８、測定対象物２からの反射パルス光を受光し、前記受光検出器６に導く受光光学系９、前記パルス発光光源５からのパルス光を前記受光検出器６に導く内部参照光路１０を具備している。前記投光光学系８、前記受光光学系９等は測距光路１３を構成している。
【００３２】
前記内部参照光路１０と前記投光光学系８との分岐点には光路切替え部１１が設けられ、前記受光光学系９と前記内部参照光路１０との合流点には光路結合部１２が設けられている。
【００３３】
前記光路切替え部１１は前記パルス発光光源５が発したパルス光を前記投光光学系８に射出するか、前記内部参照光路１０に射出するかを択一的に選択し、前記投光光学系８に射出されたパルス光は測距光として前記測定対象物２に照射され、前記内部参照光路１０に射出されたパルス光は内部参照パルス光とされる。
【００３４】
又、前記光路結合部１２は、例えばハーフミラー等の光学部材であり、前記受光光学系９からの反射パルス光は透過して前記受光検出器６に導き、前記内部参照光路１０からの内部参照パルス光は反射し、前記受光検出器６に導く。該受光検出器６は前記計測部４に受光信号を送出する。
【００３５】
前記計測部４は、前記光源駆動部７に、パルス発光信号を発し、該光源駆動部７の駆動を制御し、更に前記光路切替え部１１にも切替え信号を発し、前記光源駆動部７の発光タイミングに同期させ、前記光路切替え部１１の光路切替えを制御している。又、前記計測部４には前記受光検出器６から受光信号が入力され、該受光検出器６から入力される反射パルス光の受光信号、及び内部参照パルス光の受光信号に基づき前記測定対象物２迄の距離を演算する様になっている。
【００３６】
前記光路切替え部１１は、前記パルス発光光源５から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路１３に向け、又前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路１０に向けるパルス光誘導手段として機能する。
【００３７】
前記光波距離装置１による距離測定の概略を説明する。
【００３８】
前記光路切替え部１１が測距光としてのパルス光を通過させる。パルス光は前記測定対象物２に照射され、該測定対象物２で反射され、反射パルス光として前記受光光学系９に入射し、更に前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に反射パルス光が受光され、前記計測部４に受光信号を送出する。
【００３９】
又、前記光路切替え部１１が光路を切替え、パルス光が内部参照パルス光として前記内部参照光路１０、前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に受光される。該受光検出器６は内部参照パルス光の受光信号を前記計測部４に送出する。
【００４０】
該計測部４では、受光信号が予め設定されている閾値を横切った時点を受光したと判断し、反射パルス光、内部参照パルス光それぞれについて受光時間を求め、更に反射パルス光の受光時間と内部参照パルス光を受光した時間とを比較し、時間差を求める。この時間差はパルス光が測定対象物２迄を往復した時間であるので、光速と時間差に基づき測定対象物２迄の距離が演算される。
【００４１】
又、前記計測部４の検出回路等のドリフトが測定誤差として影響するが、内部参照パルス光と反射パルス光との差を求めることで、検出回路等のドリフトの影響が相殺され、正確な距離の演算が可能となる。
【００４２】
上記した測距の流れは、パルス光を用いて測距を行う一般的な方法であるが、反射パルス光の光量は、測定対象物２の反射面の状態、或は測距距離に応じて変化する。
【００４３】
図２は、反射パルス光の光量に対応した前記受光検出器６の受光信号の波形を示している。尚、該受光信号の波形をガウシアン波形として示しており、系列１、系列２、系列３は振幅１、振幅０．５、振幅０．２５の場合をそれぞれ示している。
【００４４】
反射パルス光の光量が大きい場合は、波形は振幅が大きく、最大値が突出した曲線（系列１）となっており、反射パルス光の光量が小さい場合は、波形は振幅が小さく（極大値が小さく）なだらかな曲線（系列３）となっている。
【００４５】
又、反射パルス光の光量の大小に拘らず振幅の最大位置（極大値）の位置（時間）が同じとした場合でも、上記した様に受光した時点の判断を閾値で判断すると、反射パルス光の光量の大小に対応して、受光時間が変化する。
【００４６】
図２に示される様に、閾値を受光信号の最大値に対して０．１とした場合、受光信号が閾値を横切る時間は光量により変化し、振幅の極大値が大きい曲線（系列１）では極大値から離れ、振幅の極大値が小さい曲線（系列３）では極大値に接近する。
【００４７】
従って、反射パルス光の光量が大きい場合は、極大値からｔ１早く受光したと判断され、反射パルス光の光量が小さい場合は、極大値からｔ３早く受光したと判断される。この為、反射パルス光の光量の大小により、Δｔ＝ｔ１−ｔ３が誤差として現れる。
【００４８】
更に、測定対象物２の反射面の性状により、反射パルス光の受光信号の波形が変化する場合があり、この場合も、受光を検出する時点が変化する場合もある。
【００４９】
本実施例では前記計測部４による信号処理で、反射パルス光の光量の大小に拘らず、又受光信号の波形の変化に拘らず、高精度の測距ができる様にしたものである。
【００５０】
以下、前記計測部４を説明する。
【００５１】
図３は、本発明の第１の実施例に於ける計測部４を示しており、図４中、該計測部４は、増幅部１５としてのトランスインピーダンスアンプ、Ａ／Ｄ変換部１６、データ取込み部１７、環状バッファ部１８、閾値検出部１９、記憶部２０、フーリエ変換部（以下ＦＦＴ部）２１、クロック発振部２４、粗時計カウンタ２５、粗時計記憶部２６及び測定対象物迄の距離を演算する演算制御部２７等から構成されている。
【００５２】
尚、前記増幅部１５には前記受光検出器６からの受光信号が入力され、前記クロック発振部２４からのクロック信号は、同期信号及び発光指令信号として前記光源駆動部７に入力される。
【００５３】
前記計測部４は、１光パルスが発光される毎に、得られる反射パルス光及び内部参照パルス光の受光信号について、以下に述べる信号処理を実行する。尚、反射パルス光及び内部参照パルス光は同様の処理が実行されるので、以下は反射パルス光について説明する。
【００５４】
反射パルス光が受光光学系９により集光され、前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に入射する。該受光検出器６で受光された反射パルス光は、前記受光検出器６によりパルス光電流に光電変換される。パルス光電流は前記増幅部１５へ入力され、該増幅部１５に於いてパルス光電流がパルス電圧信号に変換される。
【００５５】
前記増幅部１５から出力されたアナログのパルス電圧信号は、前記Ａ／Ｄ変換部１６へ入力される。該Ａ／Ｄ変換部１６は、前記クロック発振部２４から供給されるクロック信号を基に、アナログ信号から所定時間間隔でサンプリングし、更にサンプリングした信号をデジタル信号へ変換する。又前記増幅部１５からの出力は、ログ出力となっている。
【００５６】
前記データ取込み部１７は、前記Ａ／Ｄ変換部１６により変換されたデジタル信号を取込み、前記環状バッファ部１８と前記閾値検出部１９へ送出する。前記環状バッファ部１８は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデジタル信号を所要量記憶し、一時的に蓄積すると共に所要量を超えるデジタル信号が取込まれる場合は、時間的に古いデジタルデータに最新のデジタルデータを上書きし、逐次更新記憶する。
【００５７】
従って、前記環状バッファ部１８には、常に最新のデジタルデータから所要量前迄のデジタルデータが記憶されている。
【００５８】
前記閾値検出部１９には前記演算制御部２７より閾値が設定され、前記閾値検出部１９は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデジタルデータが前記閾値と交差した（閾値を超えた）か否かを検出し、交差したことを検出すると、交差信号を前記記憶部２０と前記粗時計記憶部２６へ出力する。
【００５９】
前記記憶部２０は、前記閾値検出部１９からの交差信号を基に、前記環状バッファ部１８に記憶されているデジタルデータから交差信号を基準とした所定範囲のデジタルデータを抽出し、各反射パルス光についての受光データ群２９として記憶する。従って、１光パルス毎に少なくとも１つの反射パルスが得られ、更に前記記憶部２０には反射パルス光毎に取得した受光データ群２９が少なくとも１つ記憶される。
【００６０】
該受光データ群２９は前記ＦＦＴ部２１に送出され、該ＦＦＴ部２１では前記受光データ群２９に基づきフーリエ変換（ＦＦＴ）し、受光波形を複数の周波数成分に分解する。例えば、受光波形が図２で示したガウシアン波形とした場合、フーリエ変換（ＦＦＴ）して得られる、複数の周波数成分の波形は図４に示される。図４中、曲線ｆ（ｔ）が前記受光検出器６が出力する受光波形であり、ｆ１〜ｆ６が分解された周波数成分である。
【００６１】
又、前記ＦＦＴ部２１は、各周波数成分の実数部と虚数部を算出し、前記演算制御部２７に出力する。
【００６２】
前記クロック発振部２４は、前記Ａ／Ｄ変換部１６に供給したクロックと同期したクロックを前記データ取込み部１７、前記環状バッファ部１８、前記閾値検出部１９、前記粗時計カウンタ２５へそれぞれ供給する。
【００６３】
前記粗時計カウンタ２５は、前記Ａ／Ｄ変換部１６に供給されたクロックと同じ、又は低い周波数のクロックを基に時間を計数する。前記粗時計記憶部２６はパルス発光信号が発せられた時間と前記閾値検出部１９が発する交差信号に基づき、パルス発光信号が発せられた時点から反射パルス光を受光した時点迄のクロックのカウント数、即ち時間が記憶される。又、得られたカウント数は前記演算制御部２７に出力される。尚、前記粗時計カウンタ２５によりパルス光を受光した場合のクロックのカウントは、内部参照パルス光についても同様に行われる。
【００６４】
前記演算制御部２７は、前記粗時計記憶部２６から入力されるクロックのカウント数により、反射パルス光と内部参照パルス光との受光時間差を求め、該受光時間差と光速とで距離を演算する粗測定を実行する。
【００６５】
又、前記演算制御部２７は、反射パルス光及び内部参照パルス光について、それぞれ前記ＦＦＴ部２１から入力される各周波数成分の実数部と虚数部のデータから各周波数成分の振幅と位相を算出し、位相を算出することでクロック信号から得られる時間情報より、高い周波数の時間情報を得、得た時間情報に基づき反射パルス光及び内部参照パルス光間の精密時間差を求め、該精密時間差に基づき精密測定を実行する。
【００６６】
粗測定の結果に精密測定の結果を加算することで、測定対象物２迄の距離を高精度に測定することができる。
【００６７】
図５は、前記受光検出器６が内部参照パルス光、反射パルス光を受光した場合についての受光信号を示しており、前記粗時計記憶部２６は、パルス発光信号から内部参照パルス光を受光した時のクロック数ａ、パルス発光信号から反射パルス光を受光した時のクロック数ｂをそれぞれカウントし、前記演算制御部２７に出力する。
【００６８】
該演算制御部２７は、光速Ｃと測定対象物２迄の往復の時間（ｂ−ａ）に基づき粗測定を実行する。
【００６９】
次に、前記ＦＦＴ部２１から入力される各周波数成分の実数部と虚数部のデータに基づき実行される精密測定について説明する。
【００７０】
前記ＦＦＴ部２１にて演算された実数部、虚数部をＲ＋ｉＩとすると、振幅と位相は下記の式にて算出される。
振幅：Mag ＝√（Ｒ2 ＋Ｉ2 ）
位相：φ＝ｔａｎ-1（Ｉ／Ｒ）
【００７１】
図６は、受光信号をガウシアン波として示し、又３２データより表現されている。この３２データよりＦＦＴ変換することにより、図７に示されるｆ１からｆ１６迄の１６の周波数の波形に分解でき、更に各周波数成分に対する振幅と位相を求めることができる。尚、図７は、図６に示されたガウシアン波形のＦＦＴ結果である。
【００７２】
ＦＦＴ結果の周波数ｆｎは下記の式の通り、
ｆｎ＝ｆsample×（ｎ−１）／３２
ｆsample：Ａ／Ｄ変換部の変換周波数〔Ｈｚ〕
となる。
【００７３】
更に、これを距離に換算するには、ｆ１は、ＤＣ成分であるので利用しない。ｆ２からｆ１６迄の周波数成分の位相と振幅を用いて距離計算を行う。
【００７４】
周波数成分毎に測距光路１３による測距信号パルス波形の位相成分φＥｎと内部参照光路１０による参照信号パルス波形の位相成分φＩｎとの位相差を求める。
φＭｎ＝φＥｎ−φＩｎ〔ｒａｄ〕
【００７５】
周波数成分から得られた位相差を、周波数毎に下記の式で時間差として計算する。
ｔｎ＝φＭｎ／（２×Π）／ｆｎ〔ｓｅｃ〕
【００７６】
得られた周波数毎の時間差を周波数成分毎の振幅に応じて重み付け平均を行う。尚、位相差に重み付け平均をしてから時間差を求めても良い。ここで得られる時間差は、上記した精密時間差に対応し、該精密時間差に基づき、精密測定距離値を演算する。
【００７７】
下記式のMag ｎは、測距信号パルス波形より得られた振幅Mag Ｅｎ、又は、内部参照信号パルスから得られた振幅Mag ＩｎとMag Ｅｎの積を使用してもよい。
Dist(fine)＝(Σ(ｔｎ×Mag ｎ)／Σ(Mag ｎ)）×Ｃ／２〔ｍ〕(Ｃ：光速〔ｍ／Ｓ〕)
【００７８】
又、測距光路１３により得られた粗時計カウントCnt Ｅと、内部参照光路１０により得られた粗時計カウントCnt Ｉより下記の式で粗測定距離値を演算する。
Dist(coarse)＝（Cnt Ｅ−Cnt Ｉ）×（１／ｆsample）×Ｃ／２〔ｍ〕
【００７９】
更に、精密測定距離値と粗測定距離値を下記の式にて組合せ、距離値を演算する。
Dist＝Dist(coarse)＋Dist(fine)〔ｍ〕
【００８０】
尚、パルス波形のピーク値のデータ位置が、測距信号パルスと内部参照信号パルスで異なる場合は、高次の周波数から得られる位相が、ｆ２から得られる位相情報とｎ周期離れている可能性がある為、それを補正するか、データ位置が同一となる様に、図３中、閾値検出部１９は、パルス波形データの立上がりと立下りの両方を検出し、環状バッファ部１８のデータを記憶部２０に保存し計算する必要がある。
【００８１】
上記の補正方法の一例を以下に説明する。
【００８２】
測距信号パルスと内部参照信号パルスのピーク値からピーク値迄の時間Ｄｆｎをそれぞれの信号の立上がりと立下がりのカウント値より算出する。
【００８３】
各周波数と上記のピーク値からピーク値迄の時間の積をとり、位相差を２Πで正規化し差をとる。
ｆｎ×Ｄｆｎ―φＭｎ／２Π
上記の式の結果を四捨五入しCOR ｎを得る、補正する周期数を得て、周波数毎に下記の式で時間差として計算する。
ｔｎ＝（φＭｎ／２Π＋COR ｎ）／ｆ〔sec〕
【００８４】
図８は、前記増幅部１５が飽和した場合の波形を模式的に示したものである。図９は、図８に示した波形をＦＦＴ変換した結果である。ガウシアン波からＦＦＴ変換した図７と異なり、高い周波数成分迄振幅と位相情報を有していることが分かる。
【００８５】
又、立上がりエッジと立下りエッジの粗時計カウンタ２５の値を用い、受光パルス幅を検知することができ、受光パルス幅を検知することで、多重反射によりパルス幅が広がった受光データを無効とすることもできる。
【００８６】
図１０は、第２の実施例に於ける計測部４を示している。図１０に於いて、図３中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
第２の実施例は、前記Ａ／Ｄ変換部１６が温度によって特性が変化する場合の補正を行う様にしたものである。
【００８８】
前記Ａ／Ｄ変換部１６の温度を検出する温度センサ３１が設けられ、又前記演算制御部２７は前記Ａ／Ｄ変換部１６の特性を補正する為の校正データ３２を有している。
【００８９】
高速なＡ／Ｄ変換部１６では、内部にＡ／Ｄ変換用の複数のコアを具備し、複数のコアでＡ／Ｄ変換を並行して行うことで高速化されている。然し乍ら、コアはそれぞれの特性に違いがあり、Ａ／Ｄ変換部１６の性能を発揮するには、それらの特性の補正を行う必要がある。
【００９０】
補正には、基準となるサイン波を各コアに入力し出力されるデジタルデータをＦＦＴ変換し振幅、オフセット、位相データから補正データを算出しＡ／Ｄ変換部１６に入力しＡ／Ｄ変換部１６を校正する。Ａ／Ｄ変換部１６自体にこれらの校正を自動で行うものもあるが、コアの特性は温度により変化するため温度が変わる度に校正を行う必要がある。
【００９１】
前記演算制御部２７は前記温度センサ３１からの温度に基づき、Ａ／Ｄ変換部１６の温度を監視し、適宜校正を行う。
【００９２】
尚、予め使用温度範囲内でのＡ／Ｄ変換部１６の校正データ３２を取得し、前記演算制御部２７に記憶しておき、前記温度センサ３１から得られる温度に対応する校正データ３２に基づきＡ／Ｄ変換部１６を校正する様にすれば、常に最適な特性となる様に前記Ａ／Ｄ変換部１６を制御できる。
【００９３】
又、前記Ａ／Ｄ変換部１６内部の校正を説明したが、高速のＡ／Ｄ変換部１６を利用する際、Ａ／Ｄ変換部１６から出力される高速のデジタルデータも、各コアから出力される遅延が異なり、又、配線基板の配線長によってデジタル信号の遅延量が異なる。以下は、前記Ａ／Ｄ変換部１６との通信遅延の補正について説明する。
【００９４】
前記データ取込み部１７は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデータ線それぞれに対し、データの取込みタイミングを設定（同期化）し高速デジタル信号を取込む。
【００９５】
同期化の為、前記Ａ／Ｄ変換部１６よりテストパターンを出力させる。例として、１１クロックに１回、全てのデータ線がＨｉレベルとなるテストパターンとし、テストパターンの任意のビットを選択し、選択したビットの信号に任意の遅延（数十〜数百ピコ秒）を追加する。
【００９６】
遅延を追加した後、データがＨｉになったタイミングで内部カウンタをスタートさせ、内部カウンタが１１になった時にデータが再度Ｈｉとなることを確認し、１１クロック毎にＨｉになる同期信号をデータ取込み部１７内部で作成する。
【００９７】
上記で作成した同期信号を他のビットのデータを比較して同期信号がＨｉの時にデータもＨｉとなる様にデータの遅延を追加させ、全てのビットの遅延量をそれぞれ設定する。
【００９８】
又、データの遅延量を増減し、ＨｉからＬｏｗ、ＬｏｗからＨｉに変わる遅延量を取得し、Ｈｉの期間の中心に遅延を設定することで、各ビットでジッターやスキューから一番遠く、安定したデータ取得できる遅延量を算出設定できる。
【００９９】
前記増幅部１５は、ログアンプ構成とし、入力電流に対し非線形の領域を使用することにより、受光光量のダイナミックレンジを拡張することも可能である。
【０１００】
尚、トランスインピーダンスアンプの周波数特性が、Ａ／Ｄ変換部１６のナイキスト周波数を越える場合、トランスインピーダンスアンプとＡ／Ｄ変換部１６の間にローパスフィルタを入れると良い。
【０１０１】
図１１は、第３の実施例を示している。
【０１０２】
第３の実施例は、第１の実施例に対し、前記光路切替え部１１に代え光路分割部３４が設けられ、更に測距光路１３中に測距光路延長部３５が設けられたものである。
【０１０３】
尚、該測距光路延長部３５を構成するものとしては、光ファイバ等が挙げられる。又、前記光路分割部３４は、パルス発光光源５から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路１３に向け、又前記パルス光を内部参照パルス光として内部参照光路１０に向けるパルス光誘導手段として機能する。
【０１０４】
第３の実施例では、前記光路分割部３４により１つのパルス光を測距パルス光と内部参照パルス光とに分割する。
【０１０５】
前記測距光路延長部３５は反射パルス光の前記受光検出器６への到達時間を遅延させ、前記内部参照光路１０を経由して受光検出器６へ到達する内部参照パルス光と、測定対象物２で反射され、前記受光光学系９を介して受光する反射パルス光の到達時間に差を作り、光路の切替えをすることなく、一つのパルス光から測距が可能となる構成である。
【０１０６】
図１２は、第４の実施例を示しており、第４の実施例では投光光学系８に第２光路切替え部３６が設けられ、受光光学系９に第２光路結合部３７が設けられ、更に前記第２光路切替え部３６と前記第２光路結合部３７とを連絡する第２内部参照光路３８が設けられたものであり、前記第２光路切替え部３６は演算制御部２７からの制御信号により光路を測距光路１３と第２内部参照光路３８とに切替える。第４の実施例では、測距光路１３の距離値と第２内部参照光路３８の距離値の差を求める事により距離値を算出する構成となっている。
【０１０７】
図１３は、第４の実施例に於けるパルス発光信号と受光信号の関係を示すものであり、前記受光検出器６には前記内部参照光路１０を経た内部参照パルス光と、前記第２内部参照光路３８を経た第２内部参照パルス光と、測距光路１３を経た反射パルス光とが入射し、前記受光検出器６からは受光したパルス光に対応する受光信号が発せられる。
【０１０８】
パルス発光信号基準として第２内部参照光受光信号迄の時間をａ、パルス発光信号基準として反射パルス光受光信号迄の時間をｂ、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号、反射パルス光受光信号間の時間差をそれぞれｃ，ｄとすると、測距光が測定対象物２迄を往復する時間は、（ｄ−ｃ）又は（ｂ−ａ）として計算される。
【０１０９】
上記実施例では、前記パルス発光光源５の発光をパルス発光信号に同期させ、受光信号迄の時間をパルス発光信号を基準として求めたが、パルス発光光源５がクロック発振部２４からのパルス発光信号に同期せず、非同期で発光させることもできる。
【０１１０】
前記パルス発光光源５を非同期で発光させる場合は、パルス光を光路切替え部１１で分割する方式の光波距離装置１に適用することができ、内部参照光の受光信号を基準として反射パルスを受光する迄の時間を計測する。
【０１１１】
図１４は、第３の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期で前記パルス発光光源５を発光した場合の、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示すものであり、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との受光時間差ａが距離演算に用いられる。
【０１１２】
図１５は、非同期で前記パルス発光光源５を発光した場合の、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号及び反射パルス光受光信号との関係を示すものであり、光学的な構成は図１２に示す第４の実施例に対応する。内部参照光受光信号を基準として、第２内部参照光受光信号迄の時間ａと、反射パルス光受光信号迄の時間ｂがそれぞれ求められ、測距光が測定対象物２迄を往復する時間は、（ｂ−ａ）として計算される。
【０１１３】
尚、非同期パルス発光光源の例としてはＱ−ＳＷレーザ、ファイバーレーザ等、自励発振するパルスレーザ光源がある。又、同期パルス発光光源の例としては、ＰＬＤ、ファイバーアンプレーザ等、発光のタイミングを電気的な信号により制御できるパルスレーザ光源がある。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 光波距離装置
２ 測定対象物
３ 光学部
４ 計測部
５ パルス発光光源
６ 受光検出器
７ 光源駆動部
８ 投光光学系
９ 受光光学系
１０ 内部参照光路
１３ 測距光路
１６ Ａ／Ｄ変換部
１７ データ取込み部
１８ 環状バッファ部
１９ 閾値検出部
２０ 記憶部
２１ ＦＦＴ部
２４ クロック発振部
２５ 粗時計カウンタ
２６ 粗時計記憶部
２７ 演算制御部
３１ 温度センサ
３２ 校正データ
【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス光を照射し、測定対象物で反射された反射パルス光を受光し、パルス光を照射し、反射パルス光を受光する迄の時間差に基づき測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定方法及び光波距離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パルス光を利用した光波距離装置には数々の方式が考案され、パルス波形を直接アナログデジタル変換するダイレクトサンプリング方式も利用されている。
【０００３】
従来のダイレクトサンプリング方式は、Ａ／Ｄ変換のサンプリング性能の制限により、測距性能がフィルタアレを用いた測距方式に比して劣る問題があった。然し乍ら、フィルタアレを用いた測距方式は回路構成が複雑であり、部品点数も多く大きな基板が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５４０８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は斯かる実情に鑑み、パルス光を利用した光波距離測定に於いて簡単で而も高精度の測距が行える光波距離測定方法及び光波距離装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定方法に係るものである。
【０００７】
又本発明は、測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定する光波距離装置に係るものである。
【０００８】
又本発明は、前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えている光波距離装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行する光波距離装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行う光波距離装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記受光検出器からの電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、該トランスインピーダンスアンプの出力がログ出力である光波距離装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号に同期したパルス発光信号によりパルス測距光を発光する同期パルス発光光源である光波距離装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号とは非同期のパルス測距光を発光する非同期パルス発光光源である光波距離装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記パルス発光光源からのパルス光を前記受光検出器に導く前記内部参照光路と、該内部参照光路と受光光学系の光路とを結合する光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記内部参照光路を切替える光路切替え部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路にて受光したパルスと、前記内部参照光路にて受光したパルスから得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１６】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、測定対象物から反射された光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光した反射パルス光と、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１７】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割し、前記内部参照光路に導く光路分割部であり、測定対象物から反射された反射パルス光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する光路結合部を備え、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光と、前記測距光路から受光した反射パルス光から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１８】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ、前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部を備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【００１９】
又本発明は、前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を前記内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ光波距離装置内部で導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部とを備え、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する光波距離装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定するので、粗測定で簡単に概略の測距が行えると共に粗測定の精度の不足を精密測定で補い、簡便に高精度の距離測定が行える。
【００２１】
又本発明によれば、測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定するので、粗測定で簡単に概略の測距が行えると共に粗測定の精度の不足を精密測定で補い、簡便に高精度の距離測定が行える。
【００２２】
又本発明によれば、前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えているので、ダイレクトサンプリング方式により、部品点数が少なく小型の基板で高性能な光波距離装置を提供することができる。
【００２３】
又本発明によれば、前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算するので、１つの受光信号から複数の測定値が得られ、高精度の測定が可能となる。
【００２４】
又本発明によれば、前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行するので、又、前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行うので、Ａ／Ｄ変換部での変換工程で生じる誤差を常時補正できるので、信頼性の高い測定結果を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施例に係る光波距離装置に於ける受光検出器がパルス光を受光した場合に発する信号波形の一例を示す図である。
【図３】第１の実施例に於ける計測部の概略構成図である。
【図４】該計測部に於いて、受光検出器が受光した波形をフーリエ変換して得られる周波数成分を時間領域に於いて分解表示した図である。
【図５】前記受光検出器が内部参照パルス光、反射パルス光を受光した場合の受光信号とパルス発光信号との関係を示す図である。
【図６】受光検出器が受光した波形をガウシアン波とし、ＡＤ変換する際のサンプリングとの関係を示す図である。
【図７】図６で示されるガウシアン波をフーリエ変換し、振幅と位相を計算した結果を示す図である。
【図８】受光検出器が受光した波形が矩形波であった場合の、ＡＤ変換する際のサンプリングとの関係を示す図である。
【図９】図８で示される矩形波をフーリエ変換し、振幅と位相を計算した結果を示す図である。
【図１０】第２の実施例に於ける計測部の概略構成図である。
【図１１】第３の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図１２】第４の実施例に係る光波距離装置の概略構成図である。
【図１３】第４の実施例に於ける、パルス発光信号と内部参照光受光信号、第２内部参照光受光信号、反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【図１４】第３の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期でパルス光を発光した場合の、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【図１５】第４の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期でパルス光を発光した場合の、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００２７】
先ず、図１に於いて本発明が実施される光波距離装置の一例を説明する。
【００２８】
図１中、１は光波距離装置、２は測定対象物を示している。
【００２９】
前記光波距離装置１は、筐体（図示せず）と該筐体内部に収納される光学部３及び計測部４から概略構成される。
【００３０】
先ず、前記光学部３を説明する。
【００３１】
レーザ光線のパルス光を発するパルス発光光源５、測定対象物２からの反射光を検出し、電気信号を発する受光検出器６、前記パルス発光光源５をパルス発光させる光源駆動部７、前記パルス発光光源５から発せられたパルス光を測定対象物２に向けて照射する投光光学系８、測定対象物２からの反射パルス光を受光し、前記受光検出器６に導く受光光学系９、前記パルス発光光源５からのパルス光を前記受光検出器６に導く内部参照光路１０を具備している。前記投光光学系８、前記受光光学系９等は測距光路１３を構成している。
【００３２】
前記内部参照光路１０と前記投光光学系８との分岐点には光路切替え部１１が設けられ、前記受光光学系９と前記内部参照光路１０との合流点には光路結合部１２が設けられている。
【００３３】
前記光路切替え部１１は前記パルス発光光源５が発したパルス光を前記投光光学系８に射出するか、前記内部参照光路１０に射出するかを択一的に選択し、前記投光光学系８に射出されたパルス光は測距光として前記測定対象物２に照射され、前記内部参照光路１０に射出されたパルス光は内部参照パルス光とされる。
【００３４】
又、前記光路結合部１２は、例えばハーフミラー等の光学部材であり、前記受光光学系９からの反射パルス光は透過して前記受光検出器６に導き、前記内部参照光路１０からの内部参照パルス光は反射し、前記受光検出器６に導く。該受光検出器６は前記計測部４に受光信号を送出する。
【００３５】
前記計測部４は、前記光源駆動部７に、パルス発光信号を発し、該光源駆動部７の駆動を制御し、更に前記光路切替え部１１にも切替え信号を発し、前記光源駆動部７の発光タイミングに同期させ、前記光路切替え部１１の光路切替えを制御している。又、前記計測部４には前記受光検出器６から受光信号が入力され、該受光検出器６から入力される反射パルス光の受光信号、及び内部参照パルス光の受光信号に基づき前記測定対象物２迄の距離を演算する様になっている。
【００３６】
前記光路切替え部１１は、前記パルス発光光源５から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路１３に向け、又前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路１０に向けるパルス光誘導手段として機能する。
【００３７】
前記光波距離装置１による距離測定の概略を説明する。
【００３８】
前記光路切替え部１１が測距光としてのパルス光を通過させる。パルス光は前記測定対象物２に照射され、該測定対象物２で反射され、反射パルス光として前記受光光学系９に入射し、更に前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に反射パルス光が受光され、前記計測部４に受光信号を送出する。
【００３９】
又、前記光路切替え部１１が光路を切替え、パルス光が内部参照パルス光として前記内部参照光路１０、前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に受光される。該受光検出器６は内部参照パルス光の受光信号を前記計測部４に送出する。
【００４０】
該計測部４では、受光信号が予め設定されている閾値を横切った時点を受光したと判断し、反射パルス光、内部参照パルス光それぞれについて受光時間を求め、更に反射パルス光の受光時間と内部参照パルス光を受光した時間とを比較し、時間差を求める。この時間差はパルス光が測定対象物２迄を往復した時間であるので、光速と時間差に基づき測定対象物２迄の距離が演算される。
【００４１】
又、前記計測部４の検出回路等のドリフトが測定誤差として影響するが、内部参照パルス光と反射パルス光との差を求めることで、検出回路等のドリフトの影響が相殺され、正確な距離の演算が可能となる。
【００４２】
上記した測距の流れは、パルス光を用いて測距を行う一般的な方法であるが、反射パルス光の光量は、測定対象物２の反射面の状態、或は測距距離に応じて変化する。
【００４３】
図２は、反射パルス光の光量に対応した前記受光検出器６の受光信号の波形を示している。尚、該受光信号の波形をガウシアン波形として示しており、系列１、系列２、系列３は振幅１、振幅０．５、振幅０．２５の場合をそれぞれ示している。
【００４４】
反射パルス光の光量が大きい場合は、波形は振幅が大きく、最大値が突出した曲線（系列１）となっており、反射パルス光の光量が小さい場合は、波形は振幅が小さく（極大値が小さく）なだらかな曲線（系列３）となっている。
【００４５】
又、反射パルス光の光量の大小に拘らず振幅の最大位置（極大値）の位置（時間）が同じとした場合でも、上記した様に受光した時点の判断を閾値で判断すると、反射パルス光の光量の大小に対応して、受光時間が変化する。
【００４６】
図２に示される様に、閾値を受光信号の最大値に対して０．１とした場合、受光信号が閾値を横切る時間は光量により変化し、振幅の極大値が大きい曲線（系列１）では極大値から離れ、振幅の極大値が小さい曲線（系列３）では極大値に接近する。
【００４７】
従って、反射パルス光の光量が大きい場合は、極大値からｔ１早く受光したと判断され、反射パルス光の光量が小さい場合は、極大値からｔ３早く受光したと判断される。この為、反射パルス光の光量の大小により、Δｔ＝ｔ１−ｔ３が誤差として現れる。
【００４８】
更に、測定対象物２の反射面の性状により、反射パルス光の受光信号の波形が変化する場合があり、この場合も、受光を検出する時点が変化する場合もある。
【００４９】
本実施例では前記計測部４による信号処理で、反射パルス光の光量の大小に拘らず、又受光信号の波形の変化に拘らず、高精度の測距ができる様にしたものである。
【００５０】
以下、前記計測部４を説明する。
【００５１】
図３は、本発明の第１の実施例に於ける計測部４を示しており、図４中、該計測部４は、増幅部１５としてのトランスインピーダンスアンプ、Ａ／Ｄ変換部１６、データ取込み部１７、環状バッファ部１８、閾値検出部１９、記憶部２０、フーリエ変換部（以下ＦＦＴ部）２１、クロック発振部２４、粗時計カウンタ２５、粗時計記憶部２６及び測定対象物迄の距離を演算する演算制御部２７等から構成されている。
【００５２】
尚、前記増幅部１５には前記受光検出器６からの受光信号が入力され、前記クロック発振部２４からのクロック信号は、同期信号及び発光指令信号として前記光源駆動部７に入力される。
【００５３】
前記計測部４は、１光パルスが発光される毎に、得られる反射パルス光及び内部参照パルス光の受光信号について、以下に述べる信号処理を実行する。尚、反射パルス光及び内部参照パルス光は同様の処理が実行されるので、以下は反射パルス光について説明する。
【００５４】
反射パルス光が受光光学系９により集光され、前記光路結合部１２を経て前記受光検出器６に入射する。該受光検出器６で受光された反射パルス光は、前記受光検出器６によりパルス光電流に光電変換される。パルス光電流は前記増幅部１５へ入力され、該増幅部１５に於いてパルス光電流がパルス電圧信号に変換される。
【００５５】
前記増幅部１５から出力されたアナログのパルス電圧信号は、前記Ａ／Ｄ変換部１６へ入力される。該Ａ／Ｄ変換部１６は、前記クロック発振部２４から供給されるクロック信号を基に、アナログ信号から所定時間間隔でサンプリングし、更にサンプリングした信号をデジタル信号へ変換する。又前記増幅部１５からの出力は、ログ出力となっている。
【００５６】
前記データ取込み部１７は、前記Ａ／Ｄ変換部１６により変換されたデジタル信号を取込み、前記環状バッファ部１８と前記閾値検出部１９へ送出する。前記環状バッファ部１８は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデジタル信号を所要量記憶し、一時的に蓄積すると共に所要量を超えるデジタル信号が取込まれる場合は、時間的に古いデジタルデータに最新のデジタルデータを上書きし、逐次更新記憶する。
【００５７】
従って、前記環状バッファ部１８には、常に最新のデジタルデータから所要量前迄のデジタルデータが記憶されている。
【００５８】
前記閾値検出部１９には前記演算制御部２７より閾値が設定され、前記閾値検出部１９は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデジタルデータが前記閾値と交差した（閾値を超えた）か否かを検出し、交差したことを検出すると、交差信号を前記記憶部２０と前記粗時計記憶部２６へ出力する。
【００５９】
前記記憶部２０は、前記閾値検出部１９からの交差信号を基に、前記環状バッファ部１８に記憶されているデジタルデータから交差信号を基準とした所定範囲のデジタルデータを抽出し、各反射パルス光についての受光データ群２９として記憶する。従って、１光パルス毎に少なくとも１つの反射パルスが得られ、更に前記記憶部２０には反射パルス光毎に取得した受光データ群２９が少なくとも１つ記憶される。
【００６０】
該受光データ群２９は前記ＦＦＴ部２１に送出され、該ＦＦＴ部２１では前記受光データ群２９に基づきフーリエ変換（ＦＦＴ）し、受光波形を複数の周波数成分に分解する。例えば、受光波形が図２で示したガウシアン波形とした場合、フーリエ変換（ＦＦＴ）して得られる、複数の周波数成分の波形は図４に示される。図４中、曲線ｆ（ｔ）が前記受光検出器６が出力する受光波形であり、ｆ１〜ｆ６が分解された周波数成分である。
【００６１】
又、前記ＦＦＴ部２１は、各周波数成分の実数部と虚数部を算出し、前記演算制御部２７に出力する。
【００６２】
前記クロック発振部２４は、前記Ａ／Ｄ変換部１６に供給したクロックと同期したクロックを前記データ取込み部１７、前記環状バッファ部１８、前記閾値検出部１９、前記粗時計カウンタ２５へそれぞれ供給する。
【００６３】
前記粗時計カウンタ２５は、前記Ａ／Ｄ変換部１６に供給されたクロックと同じ、又は低い周波数のクロックを基に時間を計数する。前記粗時計記憶部２６はパルス発光信号が発せられた時間と前記閾値検出部１９が発する交差信号に基づき、パルス発光信号が発せられた時点から反射パルス光を受光した時点迄のクロックのカウント数、即ち時間が記憶される。又、得られたカウント数は前記演算制御部２７に出力される。尚、前記粗時計カウンタ２５によりパルス光を受光した場合のクロックのカウントは、内部参照パルス光についても同様に行われる。
【００６４】
前記演算制御部２７は、前記粗時計記憶部２６から入力されるクロックのカウント数により、反射パルス光と内部参照パルス光との受光時間差を求め、該受光時間差と光速とで距離を演算する粗測定を実行する。
【００６５】
又、前記演算制御部２７は、反射パルス光及び内部参照パルス光について、それぞれ前記ＦＦＴ部２１から入力される各周波数成分の実数部と虚数部のデータから各周波数成分の振幅と位相を算出し、位相を算出することでクロック信号から得られる時間情報より、高い周波数の時間情報を得、得た時間情報に基づき反射パルス光及び内部参照パルス光間の精密時間差を求め、該精密時間差に基づき精密測定を実行する。
【００６６】
粗測定の結果に精密測定の結果を加算することで、測定対象物２迄の距離を高精度に測定することができる。
【００６７】
図５は、前記受光検出器６が内部参照パルス光、反射パルス光を受光した場合についての受光信号を示しており、前記粗時計記憶部２６は、パルス発光信号から内部参照パルス光を受光した時のクロック数ａ、パルス発光信号から反射パルス光を受光した時のクロック数ｂをそれぞれカウントし、前記演算制御部２７に出力する。
【００６８】
該演算制御部２７は、光速Ｃと測定対象物２迄の往復の時間（ｂ−ａ）に基づき粗測定を実行する。
【００６９】
次に、前記ＦＦＴ部２１から入力される各周波数成分の実数部と虚数部のデータに基づき実行される精密測定について説明する。
【００７０】
前記ＦＦＴ部２１にて演算された実数部、虚数部をＲ＋ｉＩとすると、振幅と位相は下記の式にて算出される。
振幅：Mag ＝√（Ｒ2 ＋Ｉ2 ）
位相：φ＝ｔａｎ-1（Ｉ／Ｒ）
【００７１】
図６は、受光信号をガウシアン波として示し、又３２データより表現されている。この３２データよりＦＦＴ変換することにより、図７に示されるｆ１からｆ１６迄の１６の周波数の波形に分解でき、更に各周波数成分に対する振幅と位相を求めることができる。尚、図７は、図６に示されたガウシアン波形のＦＦＴ結果である。
【００７２】
ＦＦＴ結果の周波数ｆｎは下記の式の通り、
ｆｎ＝ｆsample×（ｎ−１）／３２
ｆsample：Ａ／Ｄ変換部の変換周波数〔Ｈｚ〕
となる。
【００７３】
更に、これを距離に換算するには、ｆ１は、ＤＣ成分であるので利用しない。ｆ２からｆ１６迄の周波数成分の位相と振幅を用いて距離計算を行う。
【００７４】
周波数成分毎に測距光路１３による測距信号パルス波形の位相成分φＥｎと内部参照光路１０による参照信号パルス波形の位相成分φＩｎとの位相差を求める。
φＭｎ＝φＥｎ−φＩｎ〔ｒａｄ〕
【００７５】
周波数成分から得られた位相差を、周波数毎に下記の式で時間差として計算する。
ｔｎ＝φＭｎ／（２×Π）／ｆｎ〔ｓｅｃ〕
【００７６】
得られた周波数毎の時間差を周波数成分毎の振幅に応じて重み付け平均を行う。尚、位相差に重み付け平均をしてから時間差を求めても良い。ここで得られる時間差は、上記した精密時間差に対応し、該精密時間差に基づき、精密測定距離値を演算する。
【００７７】
下記式のMag ｎは、測距信号パルス波形より得られた振幅Mag Ｅｎ、又は、内部参照信号パルスから得られた振幅Mag ＩｎとMag Ｅｎの積を使用してもよい。
Dist(fine)＝(Σ(ｔｎ×Mag ｎ)／Σ(Mag ｎ)）×Ｃ／２〔ｍ〕(Ｃ：光速〔ｍ／Ｓ〕)
【００７８】
又、測距光路１３により得られた粗時計カウントCnt Ｅと、内部参照光路１０により得られた粗時計カウントCnt Ｉより下記の式で粗測定距離値を演算する。
Dist(coarse)＝（Cnt Ｅ−Cnt Ｉ）×（１／ｆsample）×Ｃ／２〔ｍ〕
【００７９】
更に、精密測定距離値と粗測定距離値を下記の式にて組合せ、距離値を演算する。
Dist＝Dist(coarse)＋Dist(fine)〔ｍ〕
【００８０】
尚、パルス波形のピーク値のデータ位置が、測距信号パルスと内部参照信号パルスで異なる場合は、高次の周波数から得られる位相が、ｆ２から得られる位相情報とｎ周期離れている可能性がある為、それを補正するか、データ位置が同一となる様に、図３中、閾値検出部１９は、パルス波形データの立上がりと立下りの両方を検出し、環状バッファ部１８のデータを記憶部２０に保存し計算する必要がある。
【００８１】
上記の補正方法の一例を以下に説明する。
【００８２】
測距信号パルスと内部参照信号パルスのピーク値からピーク値迄の時間Ｄｆｎをそれぞれの信号の立上がりと立下がりのカウント値より算出する。
【００８３】
各周波数と上記のピーク値からピーク値迄の時間の積をとり、位相差を２Πで正規化し差をとる。
ｆｎ×Ｄｆｎ―φＭｎ／２Π
上記の式の結果を四捨五入しCOR ｎを得る、補正する周期数を得て、周波数毎に下記の式で時間差として計算する。
ｔｎ＝（φＭｎ／２Π＋COR ｎ）／ｆ〔sec〕
【００８４】
図８は、前記増幅部１５が飽和した場合の波形を模式的に示したものである。図９は、図８に示した波形をＦＦＴ変換した結果である。ガウシアン波からＦＦＴ変換した図７と異なり、高い周波数成分迄振幅と位相情報を有していることが分かる。
【００８５】
又、立上がりエッジと立下りエッジの粗時計カウンタ２５の値を用い、受光パルス幅を検知することができ、受光パルス幅を検知することで、多重反射によりパルス幅が広がった受光データを無効とすることもできる。
【００８６】
図１０は、第２の実施例に於ける計測部４を示している。図１０に於いて、図３中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
第２の実施例は、前記Ａ／Ｄ変換部１６が温度によって特性が変化する場合の補正を行う様にしたものである。
【００８８】
前記Ａ／Ｄ変換部１６の温度を検出する温度センサ３１が設けられ、又前記演算制御部２７は前記Ａ／Ｄ変換部１６の特性を補正する為の校正データ３２を有している。
【００８９】
高速なＡ／Ｄ変換部１６では、内部にＡ／Ｄ変換用の複数のコアを具備し、複数のコアでＡ／Ｄ変換を並行して行うことで高速化されている。然し乍ら、コアはそれぞれの特性に違いがあり、Ａ／Ｄ変換部１６の性能を発揮するには、それらの特性の補正を行う必要がある。
【００９０】
補正には、基準となるサイン波を各コアに入力し出力されるデジタルデータをＦＦＴ変換し振幅、オフセット、位相データから補正データを算出しＡ／Ｄ変換部１６に入力しＡ／Ｄ変換部１６を校正する。Ａ／Ｄ変換部１６自体にこれらの校正を自動で行うものもあるが、コアの特性は温度により変化するため温度が変わる度に校正を行う必要がある。
【００９１】
前記演算制御部２７は前記温度センサ３１からの温度に基づき、Ａ／Ｄ変換部１６の温度を監視し、適宜校正を行う。
【００９２】
尚、予め使用温度範囲内でのＡ／Ｄ変換部１６の校正データ３２を取得し、前記演算制御部２７に記憶しておき、前記温度センサ３１から得られる温度に対応する校正データ３２に基づきＡ／Ｄ変換部１６を校正する様にすれば、常に最適な特性となる様に前記Ａ／Ｄ変換部１６を制御できる。
【００９３】
又、前記Ａ／Ｄ変換部１６内部の校正を説明したが、高速のＡ／Ｄ変換部１６を利用する際、Ａ／Ｄ変換部１６から出力される高速のデジタルデータも、各コアから出力される遅延が異なり、又、配線基板の配線長によってデジタル信号の遅延量が異なる。以下は、前記Ａ／Ｄ変換部１６との通信遅延の補正について説明する。
【００９４】
前記データ取込み部１７は、前記Ａ／Ｄ変換部１６からのデータ線それぞれに対し、データの取込みタイミングを設定（同期化）し高速デジタル信号を取込む。
【００９５】
同期化の為、前記Ａ／Ｄ変換部１６よりテストパターンを出力させる。例として、１１クロックに１回、全てのデータ線がＨｉレベルとなるテストパターンとし、テストパターンの任意のビットを選択し、選択したビットの信号に任意の遅延（数十〜数百ピコ秒）を追加する。
【００９６】
遅延を追加した後、データがＨｉになったタイミングで内部カウンタをスタートさせ、内部カウンタが１１になった時にデータが再度Ｈｉとなることを確認し、１１クロック毎にＨｉになる同期信号をデータ取込み部１７内部で作成する。
【００９７】
上記で作成した同期信号を他のビットのデータを比較して同期信号がＨｉの時にデータもＨｉとなる様にデータの遅延を追加させ、全てのビットの遅延量をそれぞれ設定する。
【００９８】
又、データの遅延量を増減し、ＨｉからＬｏｗ、ＬｏｗからＨｉに変わる遅延量を取得し、Ｈｉの期間の中心に遅延を設定することで、各ビットでジッターやスキューから一番遠く、安定したデータ取得できる遅延量を算出設定できる。
【００９９】
前記増幅部１５は、ログアンプ構成とし、入力電流に対し非線形の領域を使用することにより、受光光量のダイナミックレンジを拡張することも可能である。
【０１００】
尚、トランスインピーダンスアンプの周波数特性が、Ａ／Ｄ変換部１６のナイキスト周波数を越える場合、トランスインピーダンスアンプとＡ／Ｄ変換部１６の間にローパスフィルタを入れると良い。
【０１０１】
図１１は、第３の実施例を示している。
【０１０２】
第３の実施例は、第１の実施例に対し、前記光路切替え部１１に代え光路分割部３４が設けられ、更に測距光路１３中に測距光路延長部３５が設けられたものである。
【０１０３】
尚、該測距光路延長部３５を構成するものとしては、光ファイバ等が挙げられる。又、前記光路分割部３４は、パルス発光光源５から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路１３に向け、又前記パルス光を内部参照パルス光として内部参照光路１０に向けるパルス光誘導手段として機能する。
【０１０４】
第３の実施例では、前記光路分割部３４により１つのパルス光を測距パルス光と内部参照パルス光とに分割する。
【０１０５】
前記測距光路延長部３５は反射パルス光の前記受光検出器６への到達時間を遅延させ、前記内部参照光路１０を経由して受光検出器６へ到達する内部参照パルス光と、測定対象物２で反射され、前記受光光学系９を介して受光する反射パルス光の到達時間に差を作り、光路の切替えをすることなく、一つのパルス光から測距が可能となる構成である。
【０１０６】
図１２は、第４の実施例を示しており、第４の実施例では投光光学系８に第２光路切替え部３６が設けられ、受光光学系９に第２光路結合部３７が設けられ、更に前記第２光路切替え部３６と前記第２光路結合部３７とを連絡する第２内部参照光路３８が設けられたものであり、前記第２光路切替え部３６は演算制御部２７からの制御信号により光路を測距光路１３と第２内部参照光路３８とに切替える。第４の実施例では、測距光路１３の距離値と第２内部参照光路３８の距離値の差を求める事により距離値を算出する構成となっている。
【０１０７】
図１３は、第４の実施例に於けるパルス発光信号と受光信号の関係を示すものであり、前記受光検出器６には前記内部参照光路１０を経た内部参照パルス光と、前記第２内部参照光路３８を経た第２内部参照パルス光と、測距光路１３を経た反射パルス光とが入射し、前記受光検出器６からは受光したパルス光に対応する受光信号が発せられる。
【０１０８】
パルス発光信号基準として第２内部参照光受光信号迄の時間をａ、パルス発光信号基準として反射パルス光受光信号迄の時間をｂ、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号、反射パルス光受光信号間の時間差をそれぞれｃ，ｄとすると、測距光が測定対象物２迄を往復する時間は、（ｄ−ｃ）又は（ｂ−ａ）として計算される。
【０１０９】
上記実施例では、前記パルス発光光源５の発光をパルス発光信号に同期させ、受光信号迄の時間をパルス発光信号を基準として求めたが、パルス発光光源５がクロック発振部２４からのパルス発光信号に同期せず、非同期で発光させることもできる。
【０１１０】
前記パルス発光光源５を非同期で発光させる場合は、パルス光を光路切替え部１１で分割する方式の光波距離装置１に適用することができ、内部参照光の受光信号を基準として反射パルスを受光する迄の時間を計測する。
【０１１１】
図１４は、第３の実施例と同様な光学的な構成を有し、非同期で前記パルス発光光源５を発光した場合の、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との関係を示すものであり、内部参照光受光信号と反射パルス光受光信号との受光時間差ａが距離演算に用いられる。
【０１１２】
図１５は、非同期で前記パルス発光光源５を発光した場合の、内部参照光受光信号と第２内部参照光受光信号及び反射パルス光受光信号との関係を示すものであり、光学的な構成は図１２に示す第４の実施例に対応する。内部参照光受光信号を基準として、第２内部参照光受光信号迄の時間ａと、反射パルス光受光信号迄の時間ｂがそれぞれ求められ、測距光が測定対象物２迄を往復する時間は、（ｂ−ａ）として計算される。
【０１１３】
尚、非同期パルス発光光源の例としてはＱ−ＳＷレーザ、ファイバーレーザ等、自励発振するパルスレーザ光源がある。又、同期パルス発光光源の例としては、ＰＬＤ、ファイバーアンプレーザ等、発光のタイミングを電気的な信号により制御できるパルスレーザ光源がある。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 光波距離装置
２ 測定対象物
３ 光学部
４ 計測部
５ パルス発光光源
６ 受光検出器
７ 光源駆動部
８ 投光光学系
９ 受光光学系
１０ 内部参照光路
１３ 測距光路
１６ Ａ／Ｄ変換部
１７ データ取込み部
１８ 環状バッファ部
１９ 閾値検出部
２０ 記憶部
２１ ＦＦＴ部
２４ クロック発振部
２５ 粗時計カウンタ
２６ 粗時計記憶部
２７ 演算制御部
３１ 温度センサ
３２ 校正データ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定することを特徴とする光波距離測定方法。
【請求項２】
測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定することを特徴とする光波距離装置。
【請求項３】
前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えている請求項２の光波距離装置。
【請求項４】
前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算する請求項３の光波距離装置。
【請求項５】
前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行する請求項３の光波距離装置。
【請求項６】
前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行う請求項５の光波距離装置。
【請求項７】
前記受光検出器からの電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、該トランスインピーダンスアンプの出力がログ出力である請求項５の光波距離装置。
【請求項８】
前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号に同期したパルス発光信号によりパルス測距光を発光する同期パルス発光光源である請求項３の光波距離装置。
【請求項９】
前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号とは非同期のパルス測距光を発光する非同期パルス発光光源である請求項３の光波距離装置。
【請求項１０】
前記パルス発光光源からのパルス光を前記受光検出器に導く前記内部参照光路と、該内部参照光路と受光光学系の光路とを結合する光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記内部参照光路を切替える光路切替え部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路にて受光したパルスと、前記内部参照光路にて受光したパルスから得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項８の光波距離装置。
【請求項１１】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、測定対象物から反射された光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光した反射パルス光と、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項９の光波距離装置。
【請求項１２】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割し、前記内部参照光路に導く光路分割部であり、測定対象物から反射された反射パルス光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する光路結合部を備え、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光と、前記測距光路から受光した反射パルス光から得られたデータより距離を演算する請求項９の光波距離装置。
【請求項１３】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ、前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部を備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項８の光波距離装置。
【請求項１４】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を前記内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ光波距離装置内部で導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部とを備え、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項９の光波距離装置。
【請求項１】
内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記内部参照パルス光の受光波形、前記測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定することを特徴とする光波距離測定方法。
【請求項２】
測距光路と、内部参照光路と、パルス光を発するパルス発光光源と、該パルス発光光源から発せられるパルス光を測距パルス光として前記測距光路に向け、前記パルス光を内部参照パルス光として前記内部参照光路に向けるパルス光誘導手段と、測距パルス光及び前記内部参照パルス光を受光して受光信号を発する受光検出器と、該受光検出器からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する計測部とを具備し、該計測部は、内部参照パルス光と測定対象物で反射された測距パルス光との受光時間差に基づき粗測距を行い、前記受光検出器が出力する内部参照パルス光の受光波形、測距パルス光の受光波形をそれぞれフーリエ変換し、複数の周波数成分に分解し、得られた周波数成分毎に位相差を求め、位相差から得られる時間差に基づき精密測距を行い、粗測距と精密測距とを加算して測定対象物迄の距離を測定することを特徴とする光波距離装置。
【請求項３】
前記計測部は、前記受光検出器から得られる受光信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部からのデジタル信号を受けるデータ取込み部と、該データ取込み部からのデータを逐次記憶するバッファ部と、前記データ取込み部からのデータが設定された閾値を交差した事を検出する閾値検知部と、該閾値検知部からの信号を基にバッファ部のデータを記憶する抽出記憶部と、該抽出記憶部のデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部のサンプリングクロックをカウントする粗時計カウンタと前記閾値検知部からの信号を基に粗時計カウンタのカウント値を記憶する粗時計記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部、前記データ取込み部、前記バッファ部、前記閾値検知部、前記粗時計カウンタに同期したクロックを供給するクロック発振部と、前記粗時計記憶部と前記フーリエ変換部からの全てのデータを基に距離を演算する演算制御部とを備えている請求項２の光波距離装置。
【請求項４】
前記フーリエ変換部からの全てのデータより、分解された周波数成分の振幅及び位相を求め、前記振幅を基に位相データに重み付けを行い、距離を演算する請求項３の光波距離装置。
【請求項５】
前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサからの検出信号を基に、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を実行する請求項３の光波距離装置。
【請求項６】
前記演算制御部が前記Ａ／Ｄ変換部の温度に対応した校正データを有し、前記演算制御部は前記温度センサからの温度検出信号に基づき前記校正データを選択し、前記Ａ／Ｄ変換部の校正を行う請求項５の光波距離装置。
【請求項７】
前記受光検出器からの電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、該トランスインピーダンスアンプの出力がログ出力である請求項５の光波距離装置。
【請求項８】
前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号に同期したパルス発光信号によりパルス測距光を発光する同期パルス発光光源である請求項３の光波距離装置。
【請求項９】
前記パルス発光光源が、前記クロック発振部からの信号とは非同期のパルス測距光を発光する非同期パルス発光光源である請求項３の光波距離装置。
【請求項１０】
前記パルス発光光源からのパルス光を前記受光検出器に導く前記内部参照光路と、該内部参照光路と受光光学系の光路とを結合する光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記内部参照光路を切替える光路切替え部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路にて受光したパルスと、前記内部参照光路にて受光したパルスから得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項８の光波距離装置。
【請求項１１】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、測定対象物から反射された光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部とを備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光した反射パルス光と、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項９の光波距離装置。
【請求項１２】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割し、前記内部参照光路に導く光路分割部であり、測定対象物から反射された反射パルス光と前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する光路結合部を備え、前記内部参照光路から受光した内部参照パルス光と、前記測距光路から受光した反射パルス光から得られたデータより距離を演算する請求項９の光波距離装置。
【請求項１３】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ、前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、測定対象物へパルス光を照射する前記測距光路と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部を備え、パルス発光信号と、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項８の光波距離装置。
【請求項１４】
前記パルス光誘導手段がパルス発光光源からのパルス光を分割する光路分割部であり、該光路分割部は分割したパルス光を前記内部参照光路に導き、前記測距光路に設けられ前記内部参照光路との光路差を形成する測距光路延長部と、前記内部参照光路と前記測距光路延長部からの光路を結合する前記光路結合部と、パルス発光光源からのパルス光を、前記測距光路延長部へ光波距離装置内部で導く第２内部参照光路と、該第２内部参照光路と測定対象物から反射された光を結合する第２光路結合部と、前記第２内部参照光路を切替える第２光路切替え部とを備え、前記測距光路から受光したパルスと、前記内部参照光路から受光したパルスと、前記第２内部参照光路から得られたデータより距離を演算する請求項２又は請求項３又は請求項９の光波距離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−１１５５８（Ｐ２０１３−１１５５８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５６０５（Ｐ２０１１−１４５６０５）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
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