JPS60262081A - レ−ザ測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は低速で移動する物体までの距離を数ｍから数＋
ｍ１ｌｌｌれた位置から精度１ｍａ程度で測定する方法
を提供するものである。

（発明の背景〕　□ 従来移動物体までの距離を測定する方法には種々の方法
があったが、数ｍから数十ｍ程度の距離を、精度１ｍ程
度で刻々に測定できる簡便な方法は無かった７ しかし、大形構造物の超音波探傷に於て、遠隔操軸され
る無軌道移動体に探触子を取付けて走査する場合に、発
見し元欠陥位置を１ｍｗｌｉ度の位置精度÷記録する必
要があり、これを満足できる測１勤法の開発が望まれて
いる。　′ 〔発明の目的〕 本発明の目的は此のような要望を満たすものである。

〔発明の概要〕

その構成の機能ブロック図を第１図に示す。

従来光又は電波によって距離を測定する方法としては、
送波の時刻から受波の時刻までの時間差又は位相遅れ角
度を測定して距離を算出する方法が行なおれていたが、
とれ等はすべで送波が目標で反射されて受波される迄の
１回の時間差を測定するものであった。

□　そのため、これ等の方法に於いては、距離差１６．
６６ＰＳ　を測定しなければ、１ｍの距離差を検出する
ことができず、技術的困難のために、実用可能な便利な
整置を作ることができなかった。

本発明に於ては、レーザー光を目標物に照射し、）目標
物に取付けた反射器で反射し、光源近傍の受波器で受波
される光量が変化する毎に光を開閉して光の矩形波を作
る事によって、正確に距離情報を反映した周期の矩形波
を発生させ、その周期を一定数ｍ個計数する時間を測定
する。

従って反射器までの距離の中のＩＩＩｗｌｌに相当する
光路長２ｎｏを光が伝達される時間−Ｘ　１０−１１秒
はｍ倍されるので、ｍを適当に選べば容易に測定できる
時間差にすることができる。

また本発明に於てはｍを一定数とするので、１周期を構
成する時間の中で、距離に無関係な一定時間遅れは、ｍ
個の波数を計数する時間内に於て］ もｍ倍された一定時間となるので、既知の距離を測定す
る事によって容易に校正する事ができる。

―　〔発明の実施例〕 以下本発明の一実施例のブロックダイヤグラムを示す第
１図とそのタイムチャート第２及第３図を用いて、本発
明の詳細な説明する。

第１図に於て１〜ＦＦＩはＲＳフリップフロップであり
、そのＱ出力は２〜増巾器４１を経て３〜光変調器Ｍを
変調し、４〜レ一ザ発振器から出力されるレーザー光を
開閉する。２７〜起動パルスを２６〜ＯＲ素子に入力す
ると、その２０１出力が１〜ＦＦＩのＳに入力されＱが
Ｈになって、３〜Ｍから２０３出力光が出始める。（第
２図参照） ３〜変調器Ｍを通った５〜レーザービームは、目標装置
に取付けられた６〜反射器に入射し、入射方向に平行な
７〜反射光ビームとなって送り返えされて、光路を往復
するに要する一定時間後２０４に８〜光センサーに受光
されて電気信号を発生し、その信号は９〜増巾器Ａ２を
経た後１０〜微分回路によって微分され２０６〜“微分
波となる。微分波の正パルスの、みが２４〜ダイオード
を通り２６〜ＯＲ素子を経て１〜フリツプフロツプＦＦ
Ｉ（７）Ｉｌ、：２０７−ＦＦＩＲ入カ波が入力され、
　）Ｑ出力２０８〜をＬにすることにより２〜Ａ１の出
力２０９をＬにし３〜Ｍの出力光２１０を閉める６従っ
てその一定時間後に２１１〜受光は減少し、その１０〜
微分回路の出力２１２〜負パルスは２５〜ダイオードを
通り！１〜極性反転器によって極性を反転されて２１３
正パルスとなり、その正パルスが１〜フリツプフロツプ
ＦＦ１のＳに入力され、２１４〜ＱをＨにする。

従って、３〜変調器の出力光が出始めた後では。

光が往復する一定時間後に９増巾器の出力が立上り、そ
の微分の正波が１〜ＦＦＩのＲに入力することによって
Ｑを１、に転じ、３〜変調器によって光を遮断する。

光が遮断されたて定時間後に９〜増巾器Ａ２の出力は立
下がり、微分波の負パルスは１１〜極性反転器で極性を
反転されて正パルスとなり、１〜ＦＦ１のＳに入力して
ＱをＨに戻し、３〜変調器から光を投射し始める。

このようにして３〜変調器の出力光は、一定周期の矩形
波となり、これに伴って１〜ＦＦ１のＱ出力も矩形波と
なる。

この矩形波の周期は、変調器出力面から反射器表面まで
の空中光路伝達の時間と、反射器内伝達時間と、受光面
までの空中光路伝達時間と、８〜受光器から３〜変調器
までの電気信号の遅れ時間と、変調器の長さによる信号
の立上り時間とから構成されるが、空中光路伝達時間は
距離に比例し、その他は一定となる。、鼻下第１図及第
３図参照。

１〜ＦＩＬのＱ出力の・２２０〜矩形波は、１２〜カウ
ンタＣ１に同じ波形の入力波２２１が入力されて、その
立下り２２２〜毎にカウント数２２３〜を変え一定数を
カウントした２２４〜の後キャリー信号２２５を１３〜
ＤフリツプフロツプＦＦ２のＤに入力する。

１４〜デジタルスイッチＤＩＧ、ＳＷＩは１２〜カウン
タＣ］に２２７〜ＬＯＡＤ信号が入力されたとき１．Ｃ
１にＬＯ＾Ｄする数置を設定するもので、必要とするカ
ウント数ｍをセットするためのものである。

１５〜一定周波発振器は、１２〜カウンタＣ１がｍを計
数する時間を測るための２２８〜クロッり信号の発振器
である。

１２〜Ｃ，１のキャリー信号が立上った２２５〜の後で
クロック信号が立−ヒつだとき２２９〜に１３〜ＦＦ２
はキャリー信号を読込み、クロックが立下ったとき２３
０〜にＦ、Ｆ２のＱをＨ２２６にし互をＬにする。

」；３〜１２Ｆ２のＱがＨになった後でクロックが立、
トユる２３■、〜になると、１６〜Ｄフリツプフロツプ
ＦＦ３はＦＦ２のＱのＨを読込み、クロックが立Ｆる２
３２・〜になったときＦＦ３のＱ２２７〜をＩ−ｉにす
る。

このとき２３〜Ａ　Ｎ　Ｄ素子にｌ？　Ｆ’　２のＱの
Ｌと、ＦＦ３のＱのＨが入力されるが、その出力ＬＯＡ
Ｄ信号はＬのままであり、ＬＯＡＤはされない。

しかし、１２〜カウンタＣ１の入力が立上る２３３〜の
時刻になると、１２〜カウンタＣ１の−ＩＰ−ＹＩＪ−
信号′°４〜′１７．）”　）Ｊ　、　＋＋７１後１′
。７り２３５〜が立上り、続いて２３６〜立下ると、２
３７〜ＦＦ２−Ｑ２３７〜が立下る。そうすると１３〜
ドＦ２−互がＨになるので、２３〜ＡＮＤ素子出力はＩ
ＩとなりＣ２にＬＯＡＤ信号２３８〜が入力され、２０
〜デジタルスイッチＤＩＧ、ＳＷ２の内容が１８〜Ｃ２
にＬＯＡＤされる。

１３〜ＦＦ２のＱがＨになると、１７〜レジスタＲＥ　
ＧにＬ　Ａ　Ｔ　ＣＨ信号が入力され、１８〜距離力ウ
レタＣ２の内容を１７〜レジスタに寞し取り、２３９〜
その数値を１９〜数字表字器ＤＩＳＰＬＡＹで表示する
。

１２〜カウンタＣ１のキャリーが立下ると、キャリー信
号は２１〜信号反転器で信号反転されて、立上り信号に
なって２２〜ＡＮＤ素子に入力され。

１５〜発振器のクロック信号を１８〜力ウンタＣ１二人
力し始める。

１８〜カウンタＣ２では、２２〜ＡＮＤ素子の出力が立
上ったとき、クロックも同時に立上つそ２２〜ＡＮＤ素
子の出力を０２の第１桁に読込み、クロックが下るとき
Ｃ２の第１桁の出力をＨ又はＬに変える。

、１３〜ＦＦ２の。がＬ）こなった後でクロックが　（
立−Ｌり続いて立下がると、１６〜Ｆ　Ｆｉ　３のＱは
Ｌに転する。

従って１８〜Ｃ２のＬＯＡＤ信号も止み、Ｃ２はカラン
１−を始める。□ 此のとき１２〜Ｃ１もカウント状態にあるので、先組形
波周期の矩形波の波数をｍ個係数した後、キャリー信号
を発生する。

従って１８〜Ｃ２がカウントするのは１２〜カウンタＣ
］のキャリー信号がＨになる期間と１６〜Ｆ　Ｆ３−　
ＱがＨになる期間以外の時間である。

此の期間中に計数された数ｎは、此の期間に進む光の距
離を薗で表わした数の１７２となるように、１５〜発振
器の周波数を定める。

すなわち、距離を１ｗｎを識別するためのクロッｆ、は となる。

そうすると、空中光路２Ｑｎｗｎのｍ倍に当る時間Ｑ となってｎの計数値は距離をＩ単位で表した数となる。

実際の先組形波の周期は、前述した通り距離に比例する
時間のほかに一定遅れ時間を含んでおり、此の一定遅れ
時間に相当するＣ２のカウント数をＣ２のカウント数か
ら差引かなければならない。

２０〜デジタルスイッチＤＩＧ、ＳＷ２は定数分のカウ
ント数の補数を０２に入力して置くための入力用で、Ｃ
２の内容は定数を差引いたものを表わす。

今若しｆ。＝１．５ＭＨｚ＝１．５Ｘ１０’Ｈｚとする
と となり容易にカウント可能な周波数で距離をカウントで
きることがわかる。

１２〜Ｃ１は２１４でキャリーを出すものとすると、カ
ウント数１６３８４だから、ｍ　＝　４０，０００とす
るには、１４〜デジタルスイツチで６３８４をＬｏａｄ
　Ｌ／てやればよい。

先組形波の周波数は、距離をＱ　＝３０００ｍｍとした
とき、定数部分を無視すれば、 ２　Ｘ　３　Ｘ　１０” となり、Ｑ　＝３０，０００ｍ＝　３０　ｎｗとしたと
き５Ｍ七となり、何れも容易にカウントできる周波数と
なる。

従ってＱ＝３０ｍのときｍ　＝１０　ｔ　０００をカウ
ントなるから、０　、２　ｓｅｃで１．　ｍｍ移動する
ものまで園単０．２３ までか保証の限界となり、定数遅れを考えるととれより
遅くなる。

若しも１０倍の速さまで１ｍ単位で測定する必要があれ
ば、ｍ　＝　１０００とし、！、、　＝　１．ｊ　ＯＭ
　Ｈｚとする必要がある。

第４図に光変調器の原理図を示す。

１００〜レーザー光は１０１〜偏光板を通って１１０〜
の図に示す角度の偏差のみを１０４〜光電結晶体に送り
込む。

光電結晶体の結晶軸Ｘ１．　Ｘ２．　Ｘ３の方向は１１
３に示されている。

１０４には上下に電極１０４と１０５がつけられていて
、１０６〜変調電源Ｖの電圧がかけられている。

結晶１０４を通る偏光は、電極に電圧がかかると常光線
と異常光線に分れ、その伝播送度の差が大きくなり、結
晶を出る光は１１１〜に示す如き楕円偏光１０７に変り
、これが１１２に示す偏光のみを通す１．０９〜検光子
によって、その偏光面の成分のみがビーム光として目標
に照射される。

此のような光変調器によって、光を高速に開閉すること
ができ、結晶としてＬ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ、結晶の寸法０
．３１１ＩＩＩ×０．３ｒｍ×２２１１ＩＩ＋を使用し
たとき、波　（長０．６μ書のレーザー光を２００Ｍｂ
ｉｔ／ｓのパルスに変調でき本発明の変調素子として充
分である。

第４図に光変調器長さによる光パルスの立上り及び立下
り速さと微分出力の関係を示す。

立上り又は立下りの時間は、光が電極め長さを通過する
時間であり、その変化は直線的であるから、“同じ高さ
をよぎる時刻の間隙は、正しい周期を与える。

ｄ図に微分波形を示し、微分波の立上りが変調開始時刻
と一致する事を示している。

□本発明の光源にレーザビームを使用する理由は、約３
０ｍ往複合計６０ｍを通って、検出に必要な充分な光の
反射を得るためと、目標を正確に選択して、定められた
反射面からの反射を得ることによって、距離測定点の位
置を正確に定義するためである。

しかし目標に取付けた反射器が平面であると、ビームの
入射方向が法線よりずれたとき、法線に対する２倍の方
向誤差の方向に反射され、送波点で有効に受光する事が
できない。

そこで本発明に於ては直角プリズムを組合せた第７図に
示す如き反射器を使用して、反射器の向きに多少の角度
誤差があっても、正しく入射方向と平行な方向に反射波
を送り返えす反射器を使用する。

第６図は平面内で入射方向の誤差があっても。

その平面と直角な互に９０″の角度の２つの平面鏡によ
って、入射方向に平行な反射光を生ずる原理図である。

第６図の反射操作を直角な面内に於ても行なうように鏡
面を組合せたものが第７図の反射器である。その反射面
としてはプリズム面の全反射が利用できる。

このような反射器は、月までの距離をレーザー光で測定
するために、月面に設置されたというニュースによって
一般に知られている。

移動体の全周任意な方向から照射されるレーザービーム
を、照射された方向に反射するには、このような反射プ
リズムを移動体に回転軸によって取付け、移動体上でレ
ーザビーム照射を感知したら反射器をレーザービーム方
向まで回転して止めればよく、その停止角度に多少の誤
差は許される。

また此のようなプリズム反射器を複数個円環状または半
球状となるように並べれば、全周どの方向から到来した
レーザービームも、それぞれに平行な反射光ビームとし
て反射されるので、複数方向から同時に測距することが
可能になり、１１Ｉｌ１１単位で座標の標定が可能にな
る。

従って、此の装置と、目標となる移動体につけた反射器
の刻々の方向に追従して、送波レーザービームの方向を
変える機構とを組合わせれば、任意な運動をする移動物
体までの距離を測定することができる。

本方式は３〜数十ｍ程度の移動体までの直距離を測定す
る事を主目的として発明したものであるが、光源の強さ
さえ充分であ′れば、数Ｋｍまでの距離でも１＋ｎｍ単
位で測定できる方法である。しかし測定に必要な時間は
距離に比例して大きくなる。

−また０、１ｍｍ単位で測定するには、ｍの数を１０倍
にすればよいが、これも測定時間が１０倍になる。

此のような応用は、ポールによる測地測量の測距装置と
しても有用である。

〔発明の効果〕

本発明によって２点又は３点の定点から無軌道自走移動
体に取付けた超音波探触子の刻々の位置を、直距離１ｗ
ｗ＋＋単位で記録する事が可能となるので、発見した欠
陥位置を再現可能な、正確な座標として表わす事ができ
るようになる。

従って従来位置検出のために設けていた歯付軌道の必要
が無くなり、遠隔制御無軌道走行体による超音波探傷が
可能になり、軌道設置のための建設費を節約する事がで
きる。

又これを測地用に応用した場合、従来の測距装置に比べ
、その精度を高める事ができる。

従って地盤の伸縮を数Ｋｍを０．１肩車位で測定する事
によって、地震予知の資料を得る事も容易にできるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の機能ブロック図、　（第２
図はレーザ光が矩形波となることを示、すタイムチャー
ト図、第３図は第１図の各部電圧波形間の関係を示すタ
イムチャート図、第４図は本発明に用いる光変調装置の
原理図、第５図は光変調器の出力光の立上り及立下りの
詳細な様子と、微分波立上り時刻の関係を示す説明図、
第６図は本発明に使用する反射器の原理説明図、第７図
は本装置に使用する反射器の構造と光線の経路の説明図
である。 ３・・・光変−器Ｍ、４・・・連続レーザービーム発振
器、５・・・送出レーザー光、６・・・反射器、７・・
・反射レーザー光、８・・・光センサ−Ｐ８．９・・・
増）重器、１０・・・微分回路、１１・・・極性反転器
、２４・・・ダイオード、２５・・・ダイオード、２６
・・・起動用ＯＲ素子。 ２７・・・起動パルス入力。 代理人　弁理士　高橋明夫 不ω日 も６図 弔］図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■、レーザー光を目標位置で反射させ、反射波の光量変
   化を光検出器で検出する度に光を開又は閉、して矩形波
   信号を発生し、この矩形波を一定波数計測する時間を、
   一定周期クロックパルスで計数し、その数値で距離を表
   す°ことを特徴とする、レーザー測距装置。