JP3022987U - 光電測距儀用の電子制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光パルス遅延時間測定法を用いた測距儀用の制
御電子機器を、測定の精度を高めると同時に、該方法の
利点を有効ならしめるように製造すること。 【解決手段】スタート信号及びストップ信号の振幅を直
接的に測定する。測定された振幅に従って、制御技術手
段によってもたらせるのは、一定の帯域以内の振幅を有
するストップパルスのみが測定のために受け入れられる
ように、ストップパルス用の平均値が目標値に制御さ
れ、スタートパルス及びストップパルス用の常に同一の
平均値が各々の測距のために用いられるように、スター
トパルスの振幅が各々の測定のために一定の大きさに制
御されることである。目標値と実際値の差に応じて測定
が開始され、個々の測定が抑えられたり、許容される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、短い光パルスの光遅延時間の直接的な測定が測距のために用いられ る光電測距儀に設けられた電子制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、土地測量のために光電測距儀が用いられた。該光電測距儀の測定原理は 、正弦状に変調され・発信され・距離をあけて置かれた反射体から反射されて・ 到着する光波の間の位相差を評価し、そこから距離を推論することにある。この ような測定法では、数キロにおいて±５mmの精度が得られる。しかし、この測定 法の欠点は、測定経過が比較的複雑であることであり、該測定法では、あり得る 位相差の周期性に基づき、漸進的な変調周波数変化によって、測距の明確性を得 る必要がある。このプロセスは比較的長く続くので、用いられる装置は最大限１ ０秒の測定時間を必要とする。更に、こうした装置は、距離が数１０メートルを 越える場合には、高質な反射体への測定にのみ適当である。到達範囲が非常に大 きいこと、又反射体を有しない目標へ測距すること（受動的な測距）に対しては 、パルス遅延時間測定法が種々の理由により極めて好適である。光パルスを生起 するために、レーザ、例えばパルス駆動のダイオードレーザ（半導体レーザ）が 用いられるときは、反射体又は特に、受動反射の機能を有する目標への到達範囲 は著しく拡大され、測定時間は著しく減少される。しかし、従来、土地測量にこ の方法を用いるのに十分な精度を得ることができなかった。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の課題は、光パルス遅延時間測定法を用いた測距儀用の制御電子機器を 、測定の精度を高めると同時に、該方法の利点を有効ならしめるように製造する ことである。

【０００４】 上記課題を妨げる従来の主な理由は、レーザ光パルスがパルス駆動の半導体レ ーザの高い温度依存性に基づいて比較的高いこと、反射された信号の振幅が大気 の影響により非常に変動すること、及び光パルスの最終的な立上り時間と受光器 の最終的な帯域幅が、信号が一定でないので、かなりのエラーを引き起こすこと である。従って、発信された光パルス（スタートパルス）及び反射され受信され た光パルス（ストップパルス）を、測定精度を損なわない方法で、常に同一の大 きさに制御し、何時目標値が得られるかを確定することが前提となる。この場合 、ストップパルス用の制御範囲は数１０乗を越える。何故ならば、高質な反射体 における近い範囲では、不良な反射体での又は反射体を有しない反射における遠 い範囲よりも遥かに大きな反射信号が得られるからである。

【０００５】 上記課題は、本考案に基づき、請求項１の特徴部分に記載の特徴によって解決 される。本考案の電子制御装置では、スタートパルス及びストップパルスが同一 の受光器によって受信されることが前提になっている。この場合、受光器は、実 質的に、受信した光を電気信号に変換する光感度の高い素子、例えばホトダイオ ード、該ホトダイオードの給電用の制御電子機器、ホトダイオード又は増幅器の 自動的な感度制御のための割込み可能な回路により構成される。

【０００６】 測定プロセスで周期的に発信される光パルスは、装置内で、わずかな部分、ダ イオードに向けられ、合成する電気パルスが増幅器で増幅される。距離に応じて 、少し遅れて、反射された信号が到着し、増幅された電気信号にも変換される。 増幅器のアナログ式の変調範囲にある２つのパルスが常に一定の大きさに制御さ れねばならないので、２つのパルスは分離したラインに送られて、振幅を別々に 測定することができる。この場合、パルスがわずかなナノ秒のパルス幅を有する のは、パルス繰返し数が高いにも拘らず、用いられた光学出力電力によって、危 険な範囲に至らないようにするため、及び連続的な直接的なアナログ・デジタル 変換等のような技術が目的に適わないので、パルスの短い立上り時間と幅によっ て、測距の不鮮明を予め制限するため、であることが前提になっている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 光パルス遅延時間測定法を用いた光電測距儀用の電子制御装置において、一定 の時間間隔で周期的に発信された短い光パルスのうちの小成分（スタートパルス ）が受光器に直接向けられ、測距されるべき対象物から反射された光パルス（ス トップパルス）が、往復の遅延時間だけ遅れて、スタートパルスと同様に、受光 器に制御可能に減衰して向けられ、２つの光パルスが、前記受光器によって、距 離に依存しており時間間隔で密に連続している２つのアナログ電気パルスすなわ ちスタートパルス及びストップパルスに変換されることによって生起されるスタ ートパルス及びストップパルスの各々の振幅は、実際の測定プロセスの前及びそ の最中に、測距に必要な条件を創出するために、各々のパルス発信によって直接 的に測定され、詳しくは、電気出力ラインを通って前記受光器から送られる２つ のパルスはコンパレータによって論理信号に変換され、時間測定装置に送られ、 他方では他の論理信号を生起するために用いられ、該論理信号は、スタートパル スが前記コンパレータを通過した直後に、２つのアナログスイッチ（双方のうち 予め一方は導通され、他方は阻止された）を反転させるので、コンパレータ分路 に対し平行に直接又は緩衝増幅器を介して前記２つのアナログスイッチに送られ かつ切換プロセスによって２つの別個のラインに分離されるアナログ電気パルス は、その都度ダイオードを介して、他のアナログスイッチによってその都度パル スの到着前に放電された夫々のコンパレータで積分され、前記コンデンサに残留 している電圧は、２つのサンプルホールド回路によって次のパルス発信まで固定 される振幅を表わし、常に新たなパルスが発信されることによって、サンプルホ ールド回路の出力端には段階状電圧信号が生じており、ストップパルスの振幅は 、以下のために、すなわち、平均のストップパルス信号振幅を、正確な測距のた めに常に一定の平均値に制御し、詳しくは、対応する段階状電圧信号が、光学ス トップパルスの光路に設けられ、これにより該光学ストップパルスの振幅を変化 する減衰フィルタ又は遮光手段を回動又は回転する装置に作用するモータの駆動 のために評価されるために、及び／又は、コンパレータにより、個々のパルス発 信のために、段階状電圧信号を目標値範囲と比較することによって、ストップパ ルス振幅が測距のために予め設定された振幅以下にあるか否かを確認するために 、及び／又は、コンパレータにより、平均化された段階状電圧信号を目標値範囲 又は目標値と比較することによって、ストップパルス振幅の平均値が測距に必要 な範囲以内にあるか否かを確認するために、及び、これから実際の測距プロセス のためのスタート信号を供給するために用いられ、スタートパルスの振幅は、以 下のために、すなわち、演算増幅器又はコンパレータにより、段階状電圧信号を 、スタートパルスのために予め設定された基準値と比較することによって、受光 器の感度制御のための制御信号を受信するために、及び、目標値及び実際値が狭 い範囲内で一致するように、前記受光器の感度を制御するために用いられること を特徴とする。

【０００８】

【考案の実施の形態】

以下、添付した図面に基づき、本考案の光パルス遅延時間測定法を用いた光電 測距儀用の制御技術装置に関する一実施の形態を詳述する。

【０００９】 図１は光電測距儀用の制御技術装置の第１の実施の形態を示している。

【００１０】 増幅器のアナログ式の出力信号１はコンパレータ２を介して送られて、論理パ ルス３に形成され、該論理パルス３は一方では実際の測距回路４に送られ、他方 ではフリップフロップ６のクロック入力端５に送られる。測距回路４では、スタ ートパルスとストップパルスの制御に基づいて、測距のために評価が行なわれる が、ここではこれ以上記述しない。論理パルス３を送る際には、短いパルスに基 づいてＥＣＬ互換性の出力段を有する必要があるコンパレータ２の出力信号は、 予めリセットされたフリップフロップ６が、第１のパルスの終りすなわちスター トパルス７の後縁でセットされるように選択される。フリップフロップ６の出力 信号は、増幅器段８内で、高速のアナログスイッチ９，１０を制御するためのレ ベルで、一方のスイッチが開くと同時に他方が閉じるように適合される。アナロ グ信号は増幅器を離れた後に、緩衝増幅器１Ａを介して２つのアナログスイッチ ９，１０に送られる。例えば一方のアナログスイッチ９が導通され、他方のアナ ログスイッチ１０が遮断されている場合には、スタートパルスは伝導性のあるア ナログスイッチ９を通過し、該アナログスイッチ９はその直後閉じられ、これと 同時に、ストップパルスは、導通される他方のアナログスイッチ１０を通過する 。その後に、信号は分離され、２つの同一の分離された回路で更に処理される。 その際に、まず更なる増幅がなされ、次にダイオード１１によって通過方向に整 流がなされる。小型のコンデンサ１２は他のアナログスイッチ１３によって放電 された後に、ダイオード１１によって充電される。コンデンサ１２でパルスの整 流後にコンデンサ１２に残留する電圧はパルス振幅のための尺度である。この電 圧はサンプルホールド回路１４に固定され、そこで、その時々のパルスの振幅を 表わし、かつ発信された測定パルスの同期で変化する段階状電圧信号として残留 している。スタートパルスの発信後、最大限の通達範囲に対応する一定の時間後 に、ストップパルスが到達したに違いない。そうでなければ、その都度の個々の 測定を評価することができない（但し、実際の測定プロセスが既に開始された場 合に限る）。こうした監視を担う信号を、サンプルホールド回路１５を制御し続 いてアナログスイッチ１３によってコンデンサ１２を（符号１６で）消去するた めに用いることができるので、いずれの個々の測定の後にも振幅測定回路が次の 測定のために解放され、測定された振幅値は次のパルスの到着まで残留している 。

【００１１】 これによって、個々のパルスの振幅を表わす段階状電圧信号が、スタートパル ス及びストップパルスのために、次の個々の測定のための次のパルスの到着まで 残留して、制御のために用いられるようになる。

【００１２】 どのパルスも直接に測定することが重要である。スタートパルス段階状電圧信 号は演算増幅器１７に送られ、目標値１８と比較される。例えばアバランシェホ トダイオード（ＡＰＤ）２０が用いられる場合に、回路２２でホトダイオードの 熱的に安定化されたバイアスは、目標値と測定された実際値とが一致するまで、 コンパレータ又は演算増幅器の出力信号によって変化される。これと共に、周囲 温度又は漏れ電力によってレーザ１９に発生する温度変化と、レーザ又は受光器 の老化によって生じる変化とが調整される。ＡＰＤが用いられる場合には、ＡＰ Ｄのバイアス２１は、周知のごとく、ダイオードの内部増幅率が回路２２で温度 によって一定に保たれるように、予め熱的に安定化される。スタートパルスの制 御によって、感度を、予め調節されかつ最大限に許容され得る感度から、（ＡＰ Ｄの温度安定化によって）より低い値に制御することができる。温度が上昇する につれてレーザの出力電力が低下するので、目標値の設定が一定であるときは、 発信されかつスタートパルスとしてホトダイオードに導かれる光パルスの成分を 温度に対応して増大することによって、制御が初めから最大限の感度以下の値に 強制されるが故に、どのような場合にも十分な制御範囲が確実に形成される。測 距儀を製造する場合には、１度成分がこうして調節される。

【００１３】 スタートパルス段階状電圧信号は３通りの制御技術的な目的に用いられる。第 １に、該信号はストップ信号を所定の目標値に制御するために用いられる。第２ に、個々の測定のいずれの場合にも、目標値と実際値との差が一定の大きさを越 えないか否かが決められる。第３に、目標値と、実際値の平均値とが一定の時間 の間に同一であるときに、実際の測定プロセスが開始される。ストップパルス振 動の変化範囲は、目標及び距離の上記の種々の反射度の点で、スタートパルスの 振動の変化範囲とは著しく異なっている。更に、ストップパルスは大気の影響下 にあり、該大気は密度変化及びビーム偏位によって数１０乗以上の振動変化を引 き起こすことがある。この理由から、まず第１に、スタートパルス段階状電圧信 号は演算増幅器２３によって目標値２４と比較され、差が演算増幅器２５で増幅 かつ平均化されて、以下のモータ２６を制御するために用いられる。このモータ ２６は減衰フィルタ２７又は遮光手段をストップパルス用の光路に出し入れして 、ストップパルスを目標値に制御する。大気の影響が統計的なプロセスであるの で、かくして平均値のみがしかるべく制御される。何故ならば、大気の影響に関 する研究が示すように、振幅変動はモータ２６によって制御することができない 程に高い周波数成分を有するからである。平均化されたスタートパルス段階状電 圧信号は、２つのコンパレータ２８による、正確に調節された基準電圧との比較 によって、同様に情報を伝送する。すなわち、振幅が大きすぎる信号３０、振幅 が小さすぎる信号３２、振幅が適切な信号３１である。該情報は利用者に適切に 表示されるので、利用者は容易に測距儀を目標に向けることができる。振幅が適 当である信号が一定の時間生起されている（すなわち、モータ制御の時定数より 大きい）場合には、実際の測定プロセスは自動的に符号３１で開始される。

【００１４】 他の回路では、ウインドコンパレータ３４によって、スタートパルス段階状電 圧信号が、測距に適切でありかつ基準電圧３３によって予め設定された範囲にあ るか否かが調べられる。こうして生起された評価信号３５は、十分に正確には調 整されない振幅値によってなされた個々の測定を測距回路４で消去するために用 いられる。かくして、通行人、走行する自動車、葉又は大気中の甚だしい妨害、 すなわち反射体との直接的な視覚的結付を妨げるあらゆる妨害によって及ぼされ る測定精度への影響を、測定時間を中断時間だけ延長することによって、容易に 排除することができる。

【００１５】 本考案の電子制御装置の種々の好ましい実施の形態も、従属の請求項の内容も 考えられる。

【００１６】 図２は制御技術装置に通じかつ特に非常な短距離の測定に適切である光学系の 略図である。

【００１７】 スタートパルスとストップパルスを、分離されたラインに接続し、続いて振幅 を測定するために自由になる時間は、特に、光パルスのパルス幅が光遅延時間を 上回るときには、数センチ乃至数メートルの範囲での測定にとって短すぎるので 、好ましくは投光器３６及び受光器３７用の別個の光路を設ける場合には、光源 ３９に非接触によって、更に、ロールとして形成され出力端の後方にあるグラス ファイバ部分４０を通って送られる光パルスが、目標を往復する純粋な光遅延時 間を越えかつ本考案の制御技術装置を利用できる時間差だけ、遅れることによっ て、スタートパルス３８が発生される。

【００１８】 図３は、本考案の第２の実施の形態を示す回路図であり、受光素子が２つある 他は第１の実施の形態と同じである。

【００１９】 図４は本考案の第２の実施の形態を示す概略図である。受光素子が２つあるた めビームスプリッタは１つですみ、反射されるスタートパルスの角度を小さくと れるため装置の小型化がはかれる。

【００２０】

【考案の効果】

要約すれば、以下の利点が生じる。

【００２１】 スタートパルスとストップパルスのパルス振幅を別個に測定することによって 、簡単な制御技術手段によるあらゆる測距のための常に同一の前提がもたらされ る。

【００２２】 受光器を通過する双方のパルスの通過遅延時間は同一であるように、スタート パルスとストップパルスの処理は異ならない。

【００２３】 統計的な振幅変動、及び反射体との直接的な視覚的結付の妨害があっても、測 定精度が悪化しないように、個々の測定が振幅測定のための条件を満たしている か否かを即座に調べる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光電測距儀用の制御技術装置の第１の実施の形
態を示す図

【図２】短距離の測定に適した光学系の構成を示す図

【図３】第２の実施の形態を示す回路図

【図４】第２の実施の形態を示す構成図

【符号の説明】

２ コンパレータ ４ 時間測定装置 ７ スタートパルス ９ アナログスイッチ １０ アナログスイッチ １１ ダイオード １２ コンパレータ １３ アナログスイッチ １４ サンプルホールド回路 １Ａ 緩衝増幅器

Claims (10)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】光パルス遅延時間測定法を用いた光電測距
   儀用の電子制御装置において、 一定の時間間隔で周期的に発信された短い光パルスのう
   ちの小成分（スタートパルス）が受光器に直接向けら
   れ、測距されるべき対象物から反射された光パルス（ス
   トップパルス）が、往復の遅延時間だけ遅れて、スター
   トパルスと同様に、受光器に制御可能に減衰して向けら
   れ、２つの光パルスが、前記受光器によって、距離に依
   存しており時間間隔で密に連続している２つのアナログ
   電気パルスすなわちスタートパルス及びストップパルス
   に変換されることによって生起されるスタートパルス及
   びストップパルスの各々の振幅は、実際の測定プロセス
   の前及びその最中に、測距に必要な条件を創出するため
   に、各々のパルス発信によって直接的に測定され、詳し
   くは、電気出力ラインを通って前記受光器から送られる
   ２つのパルスはコンパレータ２によって論理信号に変換
   され、時間測定装置４に送られ、他方では他の論理信号
   を生起するために用いられ、該論理信号は、スタートパ
   ルスが前記コンパレータを通過した直後に、２つのアナ
   ログスイッチ９，１０（双方のうち予め一方は導通さ
   れ、他方は阻止された）を反転させるので、コンパレー
   タ分路に対し平行に直接又は緩衝増幅器１Ａを介して前
   記２つのアナログスイッチ９，１０に送られかつ切換プ
   ロセスによって２つの別個のラインに分離されるアナロ
   グ電気パルスは、その都度ダイオード１１を介して、他
   のアナログスイッチ１３によってその都度パルスの到着
   前に放電された夫々のコンパレータ１２で積分され、前
   記コンデンサに残留している電圧は、２つのサンプルホ
   ールド回路１４によって次のパルス発信まで固定される
   振幅を表わし、常に新たなパルスが発信されることによ
   って、サンプルホールド回路の出力端には段階状電圧信
   号が生じており、 ストップパルスの振幅は、以下のために、すなわち平均
   のストップパルス信号振幅を、正確な測距のために常に
   一定の平均値に制御し、詳しくは、対応する段階状電圧
   信号が、光学ストップパルスの光路に設けられ、これに
   より該光学ストップパルスの振幅を変化する減衰フィル
   タ又は遮光手段を回動又は回転する装置に作用するモー
   タの駆動のために評価されるために、及び／又はコンパ
   レータにより、個々のパルス発信のために、段階状電圧
   信号を目標値範囲と比較することによって、ストップパ
   ルス振幅が測距のために予め設定された振幅以下にある
   か否かを確認するために、及び／又はコンパレータによ
   り、平均化された段階状電圧信号を目標値範囲又は目標
   値と比較することによって、ストップパルス振幅の平均
   値が測距に必要な範囲以内にあるか否かを確認するため
   に、及びこれから実際の測距プロセスのためのスタート
   信号を供給するために用いられ、 スタートパルスの振幅は、以下のために、すなわち演算
   増幅器又はコンパレータにより、段階状電圧信号を、ス
   タートパルスのために予め設定された基準値と比較する
   ことによって、受光器の感度制御のための制御信号を受
   信するために、及び目標値及び実際値が狭い範囲内で一
   致するように、前記受光器の感度を制御するために用い
   られること、を特徴とする光電測距儀用の電子制御装
   置。
2. 【請求項２】 上記受光器は２つありスタートパルスは
   ２つのうち１つの受光器に、ストップパルスは別の一方
   の受光器に向けられることを特徴とする請求項１に記載
   の光電測距儀用の電子制御装置。
3. 【請求項３】 出力でのＥＣＬ互換性のある高速コンパ
   レータはコンパレータ２として用いられ、該コンパレー
   タの反転出力はＥＣＬ互換性のあるフリップフロップ６
   に送られ、該フリップフロップ６は論理信号に変換され
   たスタートパルス７の後縁でセットされ、前記フリップ
   フロップ６の、レベルリミッタ素子８を介して適切に適
   合された相補的な出力信号により、前記アナログスイッ
   チ９，１０は、前記スタートパルスの後縁が前記アナロ
   グスイッチ９を通過したばかりの正にその時点で、制御
   されること、を特徴とする請求項１に記載の光電測距儀
   用の電子制御装置。
4. 【請求項４】 クロックにより周期的に論理信号が生起
   され、該論理信号は光パルスを発信させ、それから導出
   されて、 次の光パルスを発信するまでの時間よりも短い所定の時
   間内に、ストップ信号が到着し、該信号が以下のために
   用いられるか否か、 すなわち、最大限の測定距離に対応するこの所定の時間
   経過後に、正に残留している電圧値を積分コンデンサ１
   ２で引き受けるサンプルホールド回路１４を制御して、
   スタートパルス及びストップパルス用の連続的な段階状
   電圧信号が前記サンプルホールド回路の出力端に残留す
   るようにするために用いられるか否か、を監視する信号
   が形成されること、を特徴とする請求項１に記載の光電
   測距儀用の電子制御装置。
5. 【請求項５】 前記スタートパルスの前記段階状電圧信
   号はコンパレータ又は演算増幅器１７によって目標値１
   ８と比較され、 スタートパルス振幅の目標値と実際値が狭い範囲内で一
   致するまで、前記受光器のアバランシュホトダイオード
   ２０用の、ローパスフィルタによって平均化されたバイ
   アスが、前記演算増幅器１７の出力電力で制御されるこ
   と、を特徴とする請求項１に記載の光電測距儀用の電子
   制御装置。
6. 【請求項６】 前記ストップパルスの前記段階状電圧信
   号はウインドコンパレータ３４によって目標値範囲と比
   較され、「振幅が大きすぎる、振幅が小さすぎる」信号
   ３５は、測距回路４において、関連の個々の測定を抑え
   ること、を特徴とする請求項１に記載の光電測距儀用の
   電子制御装置。
7. 【請求項７】 前記演算増幅器２３の、ローパスフィル
   タによって平均化された出力信号は、２つのコンパレー
   タ２８によって前記ストップパルス２９の目標値範囲と
   比較され、「振幅が大きすぎる、振幅が小さすぎる、振
   幅が適当である」信号３０，３１，３２は、前記測距儀
   に適切に表示されて、操作者に、前記測距儀を目標に向
   けることができるようにすること、を特徴とする請求項
   １に記載の光電測距儀用の電子制御装置。
8. 【請求項８】 目標値範囲にあるストップパルスの振幅
   が平均化された信号３１が積分され、 積分された電圧がコンパレータ又は演算増幅器によって
   論理信号に変換されるのは、積分された電圧が一定の値
   を越えてしまい、そこから形成された論理信号が測距プ
   ロセスを開始するために前記測距回路４で用いられると
   きであること、を特徴とする請求項１に記載の光電測距
   儀用の電子制御装置。
9. 【請求項９】 グラスファイバで結合され、パルスで駆
   動される光源、好ましくはグラスファイバで結合された
   半導体レーザダイオードが光伝送素子として用いられ、
   前記光学スタート信号３０が結合箇所で区分され、前記
   受光器に送られる一方、送られた光パルスはなおグラス
   ファイバ部分４０を通過しなければならないので、スト
   ップパルスは、スタートパルスに比べて、目標を往復す
   る光遅延時間を越えて遅延させられること、を特徴とす
   る請求項１に記載の光電測距儀用の電子制御装置。
10. 【請求項１０】 光学装置部分を電子装置部分と分離す
    ることができるのは、光源及びホトダイオードがグラス
    ファイバで結合された設計になっており、グラスファイ
    バ４０，４１が前記２つの装置部分を結合する光伝送ケ
    ーブルとして形成されていることによってであること、
    を特徴とする請求項１に記載の光電測距儀用の電子制御
    装置。