JPH0610882U - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誤差の極めて少ない距離測定装置を得る。 【構成】 光源の温度を測定する温度センサ（２０）
と、光源の出力波長の変化に伴う媒体の屈折率の変化を
前記温度センサの出力に基づいて算出し、該屈折率の変
化に対応した補正値を作成する補正値算出手段（２２）
と、光源から出射された光パルスを測定対象物に向けて
送光し、測定対象物からの反射光パルスを受光器で受光
して、媒体中を伝搬する光パルスの伝搬時間を測定する
と共に、伝搬時間と補正値とから測定対象物までの距離
を算出する演算手段（１８）とを備える。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は変調された光信号を使用する距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来のこの種の装置は、測距目標に設置したプリズム反射鏡までを光が往復す る時間を測定することにより距離を求めており、光源を１５ＭＨｚ程度の高周波 で変調し、受信光から得られた信号と変調信号の間の位相を測定し、その後媒体 （大気）の屈折率ｎを乗じて距離Ｄを求める方式であった。

【０００３】 測距儀を用いた距離測定に伴う誤差は、気象条件等の外部要因と、機械内部の 構造や特性に起因する内部要因とに分けられる。通常、測距精度は、距離Ｄに依 存しない項と依存する項とで±（ａ＋ｂ×Ｄ）の如く表される。ａが距離に依存 しない項に対応し、ｂが距離に依存する項に対応している。距離に依存しない項 は、電気回路の温度安定性や、光学的，機械的安定性に起因するものである。距 離に依存する項は主に、周波数シンセサイザの原振に用いた水晶発振器の安定度 や光源の搬送波長の変動に起因するものである。

【０００４】 図４は、２０℃でλｃ＝０．８５μｍの赤外光を射出する発光素子を、一定の 駆動電流で駆動した場合における、発光素子の搬送波長の中心値λｃの変化特性 を示す。横軸は温度Ｔ（℃）を表し、縦軸は２０℃の時をゼロとした時のピーク 発光波長の偏差を表す。図から明らかなように、搬送波長の中心値λｃは、駆動 電流が一定であると温度の変動に伴って直線的に変化する。その理由は、温度変 動により、光源における共振器の長さと導波路形共振器内の活性層の屈折率が変 動し、縦モード周波数が変化するからである。温度に対する波長の変化率は発光 材料によって異なるが、０．２〜０．４ｎｍ／℃である。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】 従来の技術では、長距離測距儀用の光源として、波長安定化された気体レーザ や温度制御を施した半導体レーザ等を用いた場合には、上記の誤差項目のなかで 搬送波長の変動による影響は無視することができるが、温度制御しない場合には 、特に長距離測距時に誤差が発生する恐れがあった。

【０００６】 本考案はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、光源の温度制御を しなくても、誤差の極めて少ない距離測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案は、光源部から出射された光パルスを測定対象物に向けて送光し、測定 対象物からの反射光パルスを受光器で受光して、媒体中を伝搬する前記光パルス の伝搬時間を測定することにより、測定対象物までの距離を算出する距離測定装 置であって、光源部の温度を測定する温度センサ（例えば、実施例の温度センサ ２０）と、光源部の出力波長の変化に伴う媒体の屈折率の変化を前記温度センサ の出力に基づいて算出し、該屈折率の変化に対応した補正値を作成する補正値算 出手段（例えば、実施例の補正値算出回路２２）と、前記伝搬時間とこの補正値 とから測定対象物までの距離を算出する演算手段（例えば、実施例の演算処理回 路１８）とを備えたことを特徴とする。

【０００８】 光源は、発光素子（例えば、発光ダイオード，高輝度スーパールミネッセント ダイオードや半導体レーザ等の発光素子２４）とそれを保持する放熱部材（例え ば、実施例の放熱容器２６）とによって構成されることが好ましく、温度センサ は放熱部材に設けられることが好ましい。 また、放熱部材には、前記発光素子に近接した位置に孔が穿設され、温度セン サは該孔の内部に配置されることが好ましい。

【０００９】

【作用】

上記構成の本考案の距離測定装置においては、温度センサにより光源部の温度 が測定され、光源部の出力波長が算出される。実際に発光される光パルスの搬送 波長を求めているので、媒体における正確な位相屈折率または群屈折率を算出す ることができ、それに基づいて作成した補正値によって、伝搬時間から算出した 測定対象物までの距離が補正される。

【００１０】

【実施例】

本考案の実施例について図面を参照して詳しく説明する。図１は本考案による 測距装置の実施例を示す。トリガ発生回路２は、トリガ信号を出力する。パルス 駆動回路４は、トリガ信号を受けると、オン状態に切り換えられて電流パルスを 光源部６に供給し、光源部６から光パルスを発生させる。

【００１１】 光パルスは、送光光学系８により測定対象物へ向けて送光される。測定対象物 で反射した光の一部は、受光光学系１０を介して受光器１２にて検出される。こ の実施例では、受光器１２は受光パルスを電気信号である受光信号に変換する。 受光器１２から出力される受光信号は、増幅回路１４で増幅された後、時間測定 回路１６へ入力される。

【００１２】 時間測定回路１６は、トリガ発生回路２からトリガ信号を受けると同時に時間 測定を開始し、受光信号を受けると時間測定を終了する。こうして測定された光 パルスの伝搬時間は、演算処理回路１８に供給される。 光源部６には温度センサ２０が設けられており、温度センサ２０の測定出力は 、補正値算出回路２２に入力される。補正値算出回路２２は、後述する方法に従 って気象補正係数Ｋを算出する。算出された気象補正係数Ｋは、電気信号である 補正信号に変換されて、演算処理回路１８に入力される。演算処理回路１８は、 供給された伝搬時間測定値と補正信号とに基づいて、測定対象物までの距離Ｄを 計算する。

【００１３】 図２は、光源部６の構成の一例を示す。発光ダイオード，高輝度スーパールミ ネッセントダイオード，または半導体レーザ等から成る発光素子２４は、円筒状 の放熱容器２６の内部に配置される。放熱容器２６は、熱伝導率の高い金属等に よって形成され、内周に雌ねじが形成されている。放熱容器２６の内部には、外 周に雄ねじを有する押さえ環２８がねじ込まれ、発光素子２４の底面を放熱容器 ２６の内部表面に密接させるように、発光素子２４を固定している。放熱容器２ ６には小孔３０が設けられ、温度センサ２０が挿入されている。温度センサ２０ は、サーミスタ等の測温素子であり、発光素子２４の温度変化を放熱容器２０を 通して測定する。

【００１４】 次に、図１の実施例の動作を図３のフローチャートを参照しながら説明する。 測距開始に伴って、測距地点の気温，気圧，水蒸気圧等の気象条件を測定し、そ の結果を、例えば装置本体に設けられた図示なき操作部から、補正値算出回路２ ２に入力する（ステップ１）。次に、補正値算出回路２２は、温度センサ２０の 測定出力を読み出し（ステップ２）、ステップ３において光源部６の射出光の中 心波長λｃを、次のようにして算出する。

【００１５】 まず、温度に対する波長の変化率を求めておく。光スペクトルアナライザ等を 用いれば、光源のスペクトルの中心波長を計測できるので、任意の少なくとも２ か所の温度での中心波長を求めれば、その結果から温度に対する波長の変化率を 求めることができる。例えば、２０℃における中心波長を０．８５μｍ，温度に 対する波長の変化率をαとすると、ある温度Ｔ（℃）における中心波長λｃは、 数式１によって求められる。

【００１６】

【数１】

【００１７】 次のステップ４において、補正値算出回路２２は気象補正係数Ｋを算出する。 単一波長の光波は位相速度で大気中を進み、この時の大気中の屈折率を位相屈折 率ｎp と称する。また、複数の波長から成る光波は群速度で大気中を進み、この 時の屈折率を群屈折率ｎg と称する。本実施例のように、発光ダイオードやスー パールミネッセントダイオードを光源に用いた場合には、それらのスペクトル幅 が広いため、大気中の屈折率としては、群屈折率ｎg が用いられる。

【００１８】 大気の群屈折率ｎg を求めるには、位相屈折率ｎp を求め、これを換算する。 即ち、まず数式２に従って位相屈折率ｎp を求める。

【００１９】

【数２】

【００２０】 ここでσ＝１／λｃ（μｍ^-1），Ｐは気圧（Ｔｏｒｒ），ｔは気温（℃），ｆは 水蒸気圧（Ｔｏｒｒ）をそれぞれ表す。そして、数式３に従って群屈折率ｎg を 求める。

【００２１】

【数３】

【００２２】 数式３において、σ² をΣと置いて、数式２を数式３に代入し、群屈折率ｎg を求めると、数式４の如く計算される。

【００２３】

【数４】

【００２４】 工業標準（気温２０℃，気圧７６０Torr，水蒸気圧１０Torr，炭酸ガス０．０ ３％）における群屈折率（ｎg ＝１．０００２７３７７０）を使用した時の気象 補正係数Ｋは、数式５の如くになる。

【００２５】

【数５】

【００２６】 次のステップ５では、以下のようにして測距値Ｄが算出される。即ち、トリガ 発生回路２がトリガ信号を出力する。パルス駆動回路４は、トリガ信号を受ける と、オンに切り換えられて電流パルスを光源部６に供給し、光源部６から光パル スを発生させる。光パルスは、送光光学系８により測定対象物へ向けて送光され る。測定対象物で反射した光の一部は、受光光学系１０を介して受光器１２にて 検出される。受光器１２は、受光パルスを電気信号である受光信号に変換して出 力する。受光信号は、増幅回路１４で増幅された後、時間測定回路１６に入力さ れる。

【００２７】 一方、時間測定回路１６は、トリガ発生回路２のトリガ信号に同期して、時間 測定を開始し、増幅された受光信号を受けると時間測定を終了する。このように して測定された光パルスの伝搬時間は、演算処理回路１８に供給される。演算処 理回路１８は、供給された伝搬時間測定値に基づいて測距値Ｄを算出する。 次のステップ６において、演算処理回路１８は、測距値Ｄと補正値算出回路２ ２で算出された気象補正係数Ｋとを用いて、気象補正された距離Ｄ’を数式６に 従って計算する。

【００２８】

【数６】

【００２９】 そして演算処理回路１８は、この気象補正された距離Ｄ’を、最終的な測距値 として出力する（ステップ７）。

【００３０】

【考案の効果】

以上のように、本考案によれば、光源の中心出力波長を実時間で測定すること ができるため、温度変化に伴なう波長変動に起因する測距誤差を回避し、長距離 測距においても極めて高精度な距離測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による高精度測距装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】光源部の実施例の断面図である。

【図３】本考案の実施例の動作を示すフローチャートで
ある。

【図４】光源の射出光における中心波長の温度依存性を
示すグラフである。

【符号の説明】

６ ・・・・光源部 １６・・・・時間測定回路 １８・・・・演算処理回路 ２０・・・・温度センサ ２２・・・・補正値算出回路 ２４・・・・発光素子 ２６・・・・放熱容器 ３０・・・・小孔

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源部から出射された光パルスを測定対
   象物に向けて送光し、前記測定対象物からの反射光パル
   スを受光器で受光して、媒体中を伝搬する前記光パルス
   の伝搬時間を測定することにより、前記測定対象物まで
   の距離を算出する距離測定装置において、 前記光源部の温度を測定する温度センサと、 前記光源部の出力波長の変化に伴う媒体の屈折率の変化
   を前記温度センサの出力に基づいて算出し、該屈折率の
   変化に対応した補正値を作成する補正値算出手段と、 前記伝搬時間と前記補正値とから前記測定対象物までの
   距離を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする距
   離測定装置。
2. 【請求項２】 前記光源部は、発光素子と、該発光素子
   を保持する放熱部材とを有し、前記温度センサは前記放
   熱部材に設けられたことを特徴とする請求項１記載の距
   離測定装置。
3. 【請求項３】 前記放熱部材には、前記発光素子に近接
   した位置に穿設された孔を有し、前記温度センサは該孔
   の内部に配置されたことを特徴とする請求項２記載の距
   離測定装置。