JP3711161B2 - マイクロレーザー測距装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、光パルスの往復時間を測定することによって測距儀(又は距離計)と目標体との間の距離を決定することが可能な装置に関し、光パルスはレーザーから射出され、本発明は従ってレーザー測距儀又はリーダー(LIDAR)の分野に属し、衝突予防システムを開発するための自動車分野、三次元幾何分野、ロボット用の環境知覚の分野において、短距離及び中間距離測定に用いられる。
【0002】
【従来の技術】
レーザー測距分野においては、レーザーダイオード又はレーザー等の光源が用いられている。近時、短距離又は中間距離測定への応用には、二つのタイプのレーザー光源が用いられている。第1に、レーザーダイオードが、100m以下の短距離測定に用いられている。これらのダイオードはピークパワーが制限されているのみならず、その長いパルス時間の結果として視覚安全基準が制限され、その長いパルス時間は7−10ナノ秒であり、ピークパワーは約30ワットである。レーザーダイオードが組み込まれた装置はフランス特許FR−B−2 666153に述べられている。
【0003】
このタイプの装置は、光源から出射されたビームを整形するための光学系の使用、フィードバックに対して保護する装置の使用及びレーザービームを変調するため、スイッチング電子工学回路を要求する。
【0004】
視覚安全(例えば、フランス基準NFC 43−801)の課題に関する作業基準は、パルス持続時間と光源の波長の関数として使用され得る最大パワーを与えている。たとえば、1.064μmの波長で8ナノ秒のパルスを用いると、最大パワーは250ワットであり、1ナノ秒以下のパルス持続時間に対する最大パワーは2000ワットである。このように、レーザーダイオードのあるものを用いると、そのような制限を決して受けない。半導体レーザー光源に関しては、短時間のパルス持続時間で高いピークパワーを得ることが可能である。というのは、接合に供給されるべき注入電流がチョークコイルとキャパシタンスとによって制限されるからである。
【0005】
通常の固体レーザーは、中間及び長距離の測定に用いられるが、それらは非常に大型でかつ非常に脆弱(耐久性がなく)であり、かつ、小型化されたシステムに合理的なコストで組み込み難い。更に、フランス特許FR−B−2 666 153に述べられた装置は、視覚安全基準及び限られた全体的な寸法で中間距離測定への応用を満足させることができない。
【0006】
現在のところ、光パルス通過時間を使用し、短距離及び中間距離測定可能性(100m〜2000m)、可能な限り一体の小型装置、スイッチング制御を要求されない簡略化された電子工学回路、視覚安全基準を満足すること、量産により低コストで製造可能という条件を考慮に入れて作動可能なパルスタイプ作動のレーザー測距装置は非公知である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光パルス通過時間測定原理で動作しかつ上述した全ての目的を達成することが可能なレーザー測距装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るマイクロレーザー測距装置は、光パルスの通過時間を測定する原理で作動し、
入射ミラーと出射ミラーとの間に配置された固体活性媒体および飽和吸収剤から成りパルス型作動の受動スイッチングマイクロレーザーと、
対象から反射された光パルスを受光しかつこの光パルスの受光時間を検出する手段と、
マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段と、
マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段とを備えている。、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段は、周期Tでパルスを供給する第1クロックと、全期間Tで続けられかつスタート信号(D)とストップ信号(F)との間に存在する第1クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、第1パルスからスタート信号(D)を分離する時間t1を決定する一方、ストップ信号(F)の前に終わる第1クロックの最終周期のエンドからストップ信号(F)を分離する時間t2を決定し、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってデジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とを有する。
【0009】
本発明の実施の形態によれば、マイクロレーザーキャビティは固体活性媒体、入射ミラー、出射ミラー、固体活性媒体に直接ディポジット(堆積)された薄い飽和吸収物質層形状の飽和吸収剤を有する。この発明の実施の形態によれば、マイクロレーザーの構造は積層からなり、それは低コストで量産実現性の可能性を保持させる。
【0010】
この多重層構造は単純性及びマイクロレーザーの量産工程を害さない。
【0011】
それは、並列されたモノシリックの受動スイッチングマイクロレーザー(すなわち、何の光学的セッッティングも不要)の製造を可能にし、不規則である。この構造は同一キャビティの一方の構成要素に他方の構成要素を接着又は嵌合する操作、いかなる調整操作をも必要としない。更に、同一媒体が活性媒体と飽和吸収剤媒体として共に用いられている「コドープ」レーザーと較べて、二つの媒体に活性イオンを集中させるのみならず、層の堆積又は層を堆積させた後の機械的薄肉化によってその厚さを加減することを可能にする。
【0012】
本発明の他の観点によれば、時間間隔(タイムインターバル)又はタイムスロット測定手段は、周期Tでパルスを供給する第1クロックと、
全期間Tで続けられかつスタート信号(D)とストップ信号(F)との間に存在する第1クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、
スタート信号(D)の後で始まる第1クロックの第1パルスのスタートからスタート信号(D)を分離する時間t1を決定する一方停止信号(F)の前に終わる第1クロックの最終周期のエンドから停止信号(F)を分離する時間t2を決定して、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、
デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってディジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とからなる。
【0013】
この装置は、非常に高い正確さでかつ非常に長い時間間隔での測定を可能にし、スタート信号(D)及びストップ信号(F)は完全にそのクロックに非同期である。
【0014】
本発明の実施の形態によれば、ディジタル回路には第2クロックが設けられ、そのパルスは第1クロックのパルスに関してシフトされ、そのデジタル回路は全期間で続けられかつスタート信号(D)とストップ信号(F)との間で生じる第2クロックのパルスの数を計数し、アナログ回路はスタート信号(D)とスタート信号(D)の後に始まる第2クロックの第1パルスのスタートとを分離する時間を決定する一方、ストップ信号(F)の前に終わる第2クロックの最終周期のエンドからストップ信号(F)を分離する時間を決定し、前記アナログ回路は得られたデータをデジタルデータに変換可能であり、その装置は、二つのクロック(H1、H2)の一方のうち実行されるカウントのどれが考慮に入れられるべきであるかを決定することが可能な手段を有し、その結果、クロック周期カウントエラーに通じる曖昧状態を解消することが可能である。
【0015】
このように、スタート信号(D)とストップ信号(F)との少なくとも一つがクロックパルスに一致した場合のいかなる曖昧状態も避けることが可能である。
【0016】
他の観点及び実施の形態は従属クレームから知ることができるだろう。
【0017】
【作用】
請求項1に記載の受動スイッチング原理で作動するマイクロレーザーの使用による測距装置は以下に説明する長所を提供する。
【0018】
レーザー光源用のパルスタイプ制御電子光学回路を必要としないので、かつ、出力ビームの整形を必要としないので、従って、光学的セッチィングが不要となるので、従来の測距装置よりも一層シンプルになる。従って、エネルギー消費利得を与える長所もある。
【0019】
視覚安全性基準を考慮に入れつつかなりの測定範囲を可能にし、マイクロレーザーによって生成されるパルスは非常に狭い。視覚安全基準を考慮に入れた所定の平均パワーに対して、測距範囲又は距離範囲を増大させることが可能である。
【0020】
レーザー光源を製造するための光学配列を必要としないのでより一層堅固になる。つまり、耐久性が向上する。
【0021】
興味深いマイクロレーザー時間特性があり、正確さが向上する。
【0022】
マイクロレーザーは非常に小さく、一体の光学系に結合されるので、一層小さくなり、その結果、小型精密装置が得られる。
【0023】
マイクロレーザーはマイクロエレクトロニクス方法によって作成され、それは再現可能であり、量産に適しているので、信頼性、再現性が向上し、製造コストが低減される。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1において、本発明に係わる装置は、本質的に受動スイッチングマイクロレーザー2を有し、その受動スイッチングマイクロレーザー2は位置の決定が望まれる対象4の方向に光ビーム14を送出する。対象4によって反射されたビーム18は、例えば、受光レンズと組み合わされたビームスプリッタのような光ビーム受光手段6に導かれる。反射ビーム18の受光手段6の出射口で得られたビーム19は、例えば、ビーム通過時間を決定するために測定されるべき間隔のエンドをマークする電気的パルスを供給することが可能なホトディテクタ要素を有する検出回路10に導かれる。この検出回路10は増幅器からなる増幅チェィンを組み入れてあり、それは測定されるべき間隔のエンドを意味する信号をコンパレータ段に供給する。この信号は時間測定装置12に送信される。
【0025】
その装置はマイクロレーザーパルスの射出時間を検出する手段を有する。これらの手段は、例示されているように、マイクロレーザー2から射出されたビーム14の光束の部分20をサンプルするための、例えば、スプリットプレート等の装置8を組み入れている。
【0026】
その装置8の他の形態が図2に示されている。それは光ビーム14を二つのビーム、すなわち、主ビーム16と二次ビーム20とに分割するのを可能にし、その主ビーム16と二次ビーム20とのエネルギー比は非常に大きく、約1000を越えている。この実施例では、それは光ビーム14の光路に設置された線形偏光子22(例えば、グラン−トンプソンタイプ)と四分の一波長板24とからなる。その線形偏光子22は、接合面28で組み合わされた二個の複屈折性物質26、27から形成され、その組立体は長方形の平行六面体を形成する。線形偏光子22は、プリズム26に属する入射面29又は研磨入射口を有し、光ビーム14はその入射面29又は研磨入射口に突き当たる。その光ビームは、線形偏光子22を通過してプリズム27に属する研磨出射口又は出射面30から出射する。入射面29及び出射面30は光ビーム14に垂直である。例えば、方解石からなる四分の一波長板24はその線形偏光子22の出射面30に接着されている。符号32は光ビームの出力ジオプターを示し、出力ジオプター32は光ファイバ、レンズ、ガラス板の入射面であり得る。
【0027】
マイクロレーザー2からのレーザービーム14は線形偏光子22により直線偏光に偏光される。四分の一波長板24は、光ビーム14の伝搬軸(光軸)に関して45度の回転角度で配置され、直線偏光を円偏光に変換する。すなわち、四分の一波長板24は光ビームの位相を45度シフトさせる。光ビームがジオプター32に当たると、その大部分は主ビーム16を構成するためにジオプター32によって伝搬され、少量のビーム34が四分の一波長板24に向けて反射される。少量のビーム34はジオプター32に達する光ビームの光損失となり、結果的に光ビーム14のエネルギーと較べて非常に低いエネルギー波となり得る。
【0028】
反射ビーム34は、ジオプター32の反射期間に180度位相をシフトされ、マイクロレーザー2の方向に向かって四分の一波長板24を横切る。このビーム34は更に45度位相をシフトされ、すなわち、全体として180度+90度位相をシフトされ、線形偏光子22に貫入する。線形偏光子22は90度変位された光波に対して透過性を有さず、ビーム34はプリズム27の面36に向けて反射される。面36は研磨されているので、ビーム20は線形偏光子22の出力側に集められる。
【0029】
ビーム20は二次ビームを構成する。そのエネルギーはジオプター32の入射面の反射率に比例している。ビーム20は図1の例えば、ビーム19を検出するのに用いられたものと同一のホトディテクタ要素、測定されるべき間隔のスタートをマークする信号をコンパレータ段に供給する増幅チェィン等を組み入れた回路10内で検出され、その信号は時間測定装置12に送信される。
【0030】
主ビーム16と二次ビーム20とは位相が一致しかつ同一の形であり、その振幅のみが異なっている。
【0031】
線形偏光子と四分の一波長板とからなる組立体は、レーザービーム14の光路に関して垂直に入射するように配置された入射面29によって、マイクロレーザー2に戻って来るエネルギーがもたらす乱れからの独立性を得ることを可能にする。このように、エネルギーサンプルの目的のために、線形偏光子29に補助的な研磨面29を与えることのみが必要であり、従って、前もって失われるだろうエネルギーを回復させる。
【0032】
それ故に、この装置は光学的ビーム偏光作用と信号サンプリング作用との二つの作用を果たす。
【0033】
マイクロレーザーの構造は、例えば、1991年発行の応用物理雑誌(Applied Physics Letters)の59卷,ナンバー27,の3519頁においてエヌ.マーミリオド(N. Mermilliod)等による論文で述べられ、多層からなっている。活性レーザー媒体は150μmから1000μmの制限された厚さでかつ小さなサイズ(数平方mm)によって構成され、その活性レーザー媒体に、誘電性キャビティミラーが直接デポジット(堆積)されている。この活性媒体はIII-Vレーザーダイオードによってポンプされ、そのIII-Vレーザーダイオードはマイクロレーザーに直接混成されるか又はそのマイクロレーザーに光ファイバーによって結合されている。
【0034】
通常の方法では、活性媒体の構成物質は、約1.06μmのレーザー放射のためネオジウム(Nd)でドープされる。この構成物質は、例えばYAG(Y3Al5O12)、LMA(LaMgAl11O19)、YVO4、YSO(Y2SiO5)、YLF(YLiF4)又はGdVO4等の物質群のうちの一つから選択されることができる。この選択は以下に記載する規準によって条件づけられる。
【0035】
その規準は、制限された物質厚さ(<1mm)を維持するが、ポンピング効率を増大させるために、ポンプ波長(例えば、III-Vレーザーダイオードに対して約800ナノメートル)での高吸収係数、レーザーダイオードの波長安定化の問題に従うために及びポンピングレーザーダイオードの電子制御とその選択を簡略化するために約800ナノメートルのポンプ波長での広い吸収帯、高効率と高出力パワーを得るために広い実効強制放射断面積、単一波長のレーザーを得るために放射帯の制限された幅又は逆に周波数調整レーザー放射を容易に得るための広い放射帯、物質の研磨仕上げを簡単化するために及びポンプ吸収によって発生する熱の良好な消散による有害な熱影響を制限するために良好な熱力学的特性(レーザーのエネルギー効率に依存する余分の熱)、長エネルギー蓄積期間のための励起状態における長寿命、又は急速スイッチング比のための短寿命、同時量産によって可能な限りの個数のマイクロレーザーを1個のレーザー結晶で可能にするために大きな寸法である。
【0036】
一般に、上述した全ての規準を同時に満足させる公知の物質は一つもない。しかしながら、公知の物質には、マイクロレーザー動作のために最も適合するものがある。
【0037】
YVO4:この物質は良好な係数と広い吸収帯を有するのみならず、良好な実効断面積を有するが、その熱伝導性が悪く、小寸法が得られるのみで脆弱である。
【0038】
YAG:この物質の吸収係数及び実効強制放射断面積は平均的であり、かつ、その吸収帯及び放射帯は小さいが、しかし、大寸法のため良好な熱伝導性を有し、ネオジウム(Nd)でドープされ、最も広く知られており、現在広く用いられている固体レーザー物質である。
【0039】
LMA:この物質は低い吸収係数と小さな実効断面積とを提供するが、吸収帯及び放射帯が広く、そのサイズは大きいが、その熱伝導性は悪い。
【0040】
他の波長における放射に対しては、異なる物質及びドープ材料が選択される。一般に、活性イオンが以下に記載する中から選択される。
【0041】
約1.06μm放射のためのNd;
約1.5μm放射のためのエルビウムEr又はコドープされたエルビウム−イッテリウム(Er+Yb);
約2.0μm放射のためのツリウムTm又はホルミウムHo又はコドープされたホルミウム;
他の決定パラメータは活性媒体の厚さeである。この厚さeはマイクロレーザーの特性を規定する。一方において、ポンピングビームの吸収は厚さeが増大すればするほど大きくなる。他方において、ファブリーペローキャビティの長軸(縦軸)方向モードの数が厚さに比例して増加し、縦軸方向単様レーザー(縦軸 monomodal レーザー)を得ることが望まれるなら、その厚さは小さいであろう。単波長レーザーに対しては、一般に最小厚さがN=1に対して選択される。厚さeが100μm以上である場合には、単一モードを得るための代表的厚さは、以下の通りである。
【0042】
YAG:L=750μm
YVO:L=500μm
LMA:L=150μm
このように、実際、その厚さeは100μmから5mmに渡って変化する。
【0043】
マイクロレーザーキャビティをスイッチするために、ポンピングエネルギーが利得物質の励起レベルに蓄積される期間、それに対して時間内で各種のロスが追加され、それはある時間の間レーザー効果を禁止する。これらのロスは正確な時間で突然減少し、非常に短い時間内に蓄積エネルギーを解放する(ジャイアントパルス)。
【0044】
受動スイッチングの場合には、各種の損失はいわゆる飽和吸収剤又はSAの形でキャビティに導入され、それはレーザー波長で高い吸収があり、低出力密度で、その密度があるしきい値を越えると、ほとんど透明になり、そのしきい値はSA飽和強度と呼ばれている。
【0045】
本発明の実施例によれば、飽和吸収剤は固体活性媒体に直接薄層の形態で積着される。
【0046】
キャビティの実施例は図3aに図示され、符号38は活性媒体を示し、符号40は吸収剤薄層を示している。この二つの要素は一対のミラー42とミラー44との間に配置され、この一対のミラー42とミラー44とはレーザーキャビティ46を閉成している。
【0047】
飽和吸収剤40のために、吸収剤分子を含むポリマーによって構成された薄層を使用することが可能である。代表的には1.06μmのマイクロレーザーに対して、クロロベンゼンに6%重量のポリメチルメタクリレート(PMMA)を含む溶液にビス(4−ジエチルアミノジチオベンジル)ニッケル(BDN,Kodak,GAS No.51449−18−4)のような有機染料を飽和吸収剤として使用することが可能である。
【0048】
ポリビニルアルコール又はポリビニルアセタート又はポリスチレンのような他のポリマーはPMMAの代わりにそれらの各溶媒に使用されることができる。染料としてビス(4−ジメチルアミノジチオベンジル)ニッケル(BDN,Kodak,GAS No.38465−55−3)を使用することが可能である。染料はシリカゲルに組み入れられ、又は染料はポリマー鎖に接合される。多数の他の金属合成物とジチネス(dithienes)とが染料として用いられる。
【0049】
その技術は1.06μmよりも他の波長で作動するスイッチングレーザーに対して用いられることができる。例えば、エルビウム又はER+Yb合成物でドープされて約1.5μmの波長のビームを出射するレーザーはテトラエチルオクタハイドロテトラ−アザペンタフェン−ジチオラート−ニッケル
(tetraethyloctahydrotetraazapentaphene-dithiolato-nickel)でスイッチングされるだろう。
【0050】
このタイプの溶液は、レーザー物質(例えば、準備工程の詳細は後述する)に直接回転手段(ワーラ)によって直接積着される。これは、約1μm〜5μmの厚さを有する薄層又は薄膜を与える。
【0051】
図4aに図示された本発明の別の実施例によれば、飽和吸収剤50、40を活性物質8の各片側に積着することが可能である。これは、ポンピングビームのエネルギーをより一層吸収することが可能であり、しかしポンピングビームの入射側に配置された薄膜はそのビームによって非常に影響を受け易い。この符号42、44はキャビティ46の入射及び出射ミラーを示している。
【0052】
従来の技術(1992年5月、米国アナハイムで開催された”レーザと電気光学に関する会議”を収録した出版物”CLEO ’92CWG33”のP.282に記載されたEdo et al.の記事を参照)を利用すると、レーザ物質38上に、透明物質(シリカ等)から成るマイクロレンズ56の配列を製造することが可能である。これらマイクロレンズの代表的寸法は、直径が100〜数百(数100)ミクロン、曲率半径が数百ミクロン〜数ミリメータである。これらのマイクロレンズは、第2飽和性吸収層22が入射面に存在する場合、図3B、4Bに示されるように、平凹型の”安定”キャビティを形成するために使用される。これらのマイクロレンズで、ポンピング光束を合焦させることも可能である。
【0053】
公知の処理によって付着(デポジット)された入力ミラー42はダイクロイックミラーを用いてもよく、該ダイクロイックミラーは、レーザ波長で最高反射率(ほぼ100%)を有し、ポンピング波長(一般的に、Ndがドーピングされた物質で800nm、Erがドーピングされた物質で780nm、Tmがドーピングされた物質で780nm)で考えられ得る最高の透過率(>80%)を有する。出力ミラー44もダイクロイックミラー型のミラーを用いることが可能ではあるが、しかし、レーザ光束の数パーセントしか透過できない。
【0054】
上述のようなマイクロレーザキャビティを製造するための処理過程について以下に説明する。この処理過程は次の七つの段階から成る。
【0055】
1)第1段階は、活性レーザ物質を選択すること。使用可能な物質については既に述べた。
【0056】
2)第2段階は、選択された結晶を調整(コンデショニング)すること。この結晶は方位付けされ(オリエントされ)て厚さ0.5〜5mmの板に切断される。
【0057】
3)第3段階は、公知の処理法で、前記の板を研削、研磨すること。
【0058】
4)第4段階は、飽和性吸収薄層を準備してこの薄層を付着させること。この薄層はポリマーに溶解された有機性の飽和性吸収染料で構成される。PMMAに溶解されたBDMの例については既に述べた。液滴法でかつ回転遠心運動で、射出面(ダイクロイックミラーを有する入射面と反対の面)上の基板に上述の溶液を濾過して付着させる。このような処理をするために、ワーラ(遠心除滴装置)を使用することが可能である。このワーラ(遠心除滴装置)は、石版印刷(リソグラフィー)で使用される樹脂を付着させるために超小形電子工学で使用される装置に似た標準型の装置である。研磨作業で生じた不純物の痕跡を、前もって、基板からすべて取り除く。この薄層を20秒間、毎分2000rpmで回転させ、続いて30秒間、毎分5000rpmで回転させる。その後、70°Cのオーブンで2時間、乾燥させる。
【0059】
この処理により、厚さ1ミクロン(μm)の膜が形成される。この膜は3%の活性分子(BDN)を有し、この膜の光学的強度は飽和前で0.13〜1.06ミクロン(透過率74%)である。
【0060】
ポリマー濃度パラメータ、その分子量あるいはその溶剤、染料の比率、およびワーラの回転速度を変えることによって、飽和性吸収剤の性能特性を調整することが可能である。
【0061】
ポリマーと染料の他の例について以下に述べる。
【0062】
5)第5段階は、入力ミラーを付着させること。この入力ミラーは誘電多層体を付着させることによって獲得されるダイクロイックミラーであり、第4段階の前か後に行なわれる。
【0063】
6)第6段階は、第5段階と同じ方法で、薄層上に出力ミラーを付着させること。
【0064】
7)第7段階は、マイクロレーザチップを得るために板を細かく切断すること。切断は、例えば、SIチップ切断用に超小形電子工学で使用されるタイプのダイアモンド鋸で行なうことが可能である。この細断作業の後に、上述のように形成されたレーザキャビティを修復するために、獲得されたウェーハ(薄小片)を数mm2の”スモールチップ”にさらに細断してもよい。
【0065】
得られたレーザチップは、箱内に、ポンプ源(レーザダイオード)と一体成形される。
【0066】
前述したように、得られるレーザは単一周波数タイプのレーザである。なぜなら、キャビティの長さが数百マイクロメータと短いからである。したがって、レーザ結晶の利得帯において、単一縦モード(物質の作用として1〜3ナノメータ)が得られる。さらに、縦ポンピングによって、利得の空間分布(ポンプの像)とレーザキャビティの横モードに関連する分布との間で、重なり積分を最適化することが可能である。
【0067】
さらに発射波長を、1〜2ナノメータの程度まで、きわめて正確な方法で、しかもきわめて簡単に調整することが可能である。すなわち、レーザチップ温度を調整することによって、あるいは、圧電セルでその長さを調整することによって、又は、ふたつの連結されたキャビティの構成における電気光学的要素でその長さを調整することによって発射波長を調整することが可能である。圧電効果または電気光学効果により、キャビティの温度または長さを制御することによって波長を安定化できる。飽和性吸収構造体を上述のように定義すると、高いピーク電力(1kw以上)のもとで、きわめて短時間のパルス(1ナノ秒以下で永続する)を獲得することができる。現在のところ、獲得されるパルスは300ピコ秒以下の立ち上がり時間を有する。これは次のことを意味する。すなわち、光パルスの走行時間の計測にとって、信号ノイズ比4に対して、統計的累算ではなく一回の測定で、精度が2cmであることである。レーザダイオードを使用した測距儀または距離計では、この精度を獲得することはできない。したがって、必要な電力を生成するために必要な注入電流は、300ピコ秒の立ち上がり時間で、20アンペアを超える。寄生インダクタンスと接合容量によって引き起こされる制限によって、これを獲得することは不可能である。
【0068】
次に図1の検知回路12について述べる。この回路の実施例については図5ないし図8を参照しながら述べる。この回路によって、マイクロレーザパルス発射時間と発射されたパルスが物体に反射されてから戻るまでの時間との間の時間間隔すなわちスロットを計測することが可能となる。この回路によって、マイクロレーザのパルスと時間計測装置のクロックとの間の数マイクロ秒(μs)の変動の非同期について考慮することが可能となる。
【0069】
発射された光パルスDと受け取られたパルスFとの間のタイムスロットの間隔を計測するために、デジタル方式でタイムスロットの粗(ラフ)部計測が行なわれ、アナログ方式でタイムスロットの微細(ファイン)部計測が行なわれる。
【0070】
この計測結果を得るために、上述のようにして獲得されたパラメータを組み換える。したがって、カウントされたクロック周期の数の形でのデジタル量と、時間を電圧振幅に変換したアナログ量とを結合させることによって、時間測定値が得られる。
【0071】
図5のタイミング図を参照しつつ、この原理について、さらに詳しく説明する。スタートパルスD(検知回路12へ送信され、マイクロレーザによって発射されたパルスに対応したスロットスタート信号)と、測定されるスロットのエンド用のパルスF(検知回路12へ送信され、リターンパルス18に対応したスロットのストップ信号)との間の時間間隔tvを測定することが目的である。
【0072】
この目的のために、周期Tの基本クロックHが利用され、時間tvの間の周期数nをカウントする。この期間経過に対応する総時間はnTである。クロックはスタート信号Dとストップ信号Fとに同期していないので、スタート信号Dとスタート信号Dの後に始まる第1クロックパルスのスタートとの間に経過する時間t1を決定することが必要であり、一方では、ストップ信号Fとストップ信号Fの前で終る最終クロック期間のエンドとの間に経過する時間t2を決定することも必要である。タイムスロットtvの期間を獲得するためには、計測された3種類の時間を単に加算するだけでよい(t1+nT+t2)。
【0073】
t1とt2を決定するために、振幅がAで周期Tの基本クロックと同期した周期2Tの三角波信号Rを利用する。どんな場合でも、もしaがランプ(傾斜部)で計測された振幅であるとすれば、そのランプからスタートして経過した時間tは(T/A)・aとなる。スタート信号Dとストップ信号Fが生じた時にランプをサンプリングすることによって、それぞれt1、t2に相当する振幅a1、a2が得られる。
【0074】
もし、立ち上がりランプの期間中にスタートパルスが発生すれば、t1=(T/A)・a1が得られる。
【0075】
もし、立ち下がりランプの期間中にスタートパルスが発生すれば、t1=T−(T/A)・a1が得られる。
【0076】
もし、立ち上がりランプにストップパルスFが発生すれば、t2=(T/A)・a2が得られる。
【0077】
もし、立ち下がりランプにストップパルスFが発生すれば、t2=T−(T/A)・a2が得られる。
【0078】
次にt1とt2とをデジタル化し、ふたつの対応する値T1とT2を付与する。その結果、タイムスロットの期間(tv−nT+T1+T2)が得られる。
【0079】
本発明を行なうための装置を図6に示す。クロックHは、ANDゲート52の入力端子の一方に対して周期Tのパルスを与える。クロックHは、例えば200MHzの振動数で作動するクリスタルクォーツ発振器から生成される。ANDゲート52のもうひとつ別の入力端子はRーSフリップフロップ54の出力端子からの信号を受け取る。RーSフリップフロップ54の入力端子Sにスタート信号Dが与えられる。一方、RーSフリップフロップ54の入力端子Rはストップ信号Fによって制御される。ANDゲート52、RーSフリップフロップ54、およびクロックHによって構成されるユニットはデジタル計測回路を構成し、このデジタル計測回路によって、計測されるタイムスロットの粗値(ラフ値)を得ることができる。この粗値(ラフ値)はnTとなる。ここで、nはスタート信号Dとストップ信号Fとの間で経過したクロック周期Tの数であり、カウンタ53で計数される。
【0080】
これに平行して、クロックHの信号の振動数の分割が、例えば、フリップフロップによって構成されるデバイダ(分周器)56によって行なわれる。デバイダ56はランプジェネレータ(ランプ発生器)58に出力する。このジェネレータ58はコンデンサの一定の充電、放電によってその機能を発揮する。これらランプの期間と傾斜はきわめて良く定義される。ランプジェネレータ58は高速アナログデジタル変換器60(例えば、フラッシュ型、あるいは高速サンプル+型の変換器)へ出力する。高速アナログデジタル変換器60の別の入力端子は、測定される期間のスタート信号Dとストップ信号Fとによって制御された、例えば、フリップフロップ62からの信号を受け取る。したがって、コンバータ60は測定されるタイムスロットのスタート時Dとストップ時Fにランプの振幅に関する情報をサンプリングし、さらに、これらスタート時Dとストップ時Fでのランプのパリティに関する情報、すなわち立ち上がりまたは立ち下がり特性の情報をサンプリングする。このコンバータ60によって、T1とT2の値に関する情報を獲得し、それをメモリ63に記憶させることが可能となる。
【0081】
nTに関する粗情報と、スロットT1とT2とに関する微細情報(ファイン情報)とは、処理回路64に提供され、この処理回路64によって、測定されるタイムスロットの期間tvが計算される。
【0082】
本発明の装置によって、良好な精度を得ることができる。なぜなら、タイマあるいはクロノメータクロックHに関連した測定スタート信号Dと測定ストップ信号Fとは同期に無関係であるからである。また、その振動数が固定されているので、数秒ないし無限大の間で変わり得るわずかな、かつ、きわめて長い時間の偏差を決定するためのクロノメータの限定された容量とは無関係に測定することが可能となる。
【0083】
本発明の装置によって、長い時間間隔がどのようなものであっても、不変の精度でその長い時間間隔を決定することも可能である。このことは従来のタイムスロット間隔測定装置、特に、1993年7月2日のフランス特許出願9308145において提示された測定装置にはあてはまらない。つまり、後者の装置においては、タイムスロットの測定のスタート時点でコンデンサが放電され、タイムスロットの測定の終了時点で前記コンデンサが充電される。しかしながら、信号Dの到着直後に測定された電荷は、測定されるタイムスロットの最後部に達する前に、ストップ信号の直前に変わり得る。この電荷は測定されるタイムスロットが長くなるにつれて増加する。本発明の装置においては、周期三角波を使用することによってこの問題を解消することができる。
【0084】
最後に、コンパクトな回路を形成するために、この種の装置を簡単に一体成形することができる。検知回路12のもうひとつ別の実施例によれば、スタート信号Dとストップ信号Fに関する不明状態に関連した問題を考慮することが可能である。これらの問題が起きるのは、クロックの信号の立ち上がり前端または後端、あるいはクロック信号の立ち下がり前端または後端で信号のひとつ、またはそれ以外の信号が同時に発生する時である。タイムスロットの粗測定値を決定する本装置のデジタル部のカウンタは、まだ計測されていない補助クロック信号をカウントすることができる。
【0085】
この問題を解決するために、本発明は図7に示された原理にしたがって作動する装置を提案する。前述した説明にしたがい、クロックH1は周期Tの信号を供給する。本装置によれば、クロックH1の信号と同期した周期2Tの信号を生成することが可能である。
【0086】
振幅Aの上下動する傾斜波(三角波)R1を発生することが可能である。装置の遅れは第1信号H1に基づいて第2信号(クロック)H2を発生させ得る。第2信号H2は第1信号に関してT/2だけ位相がシフトされる。このように、図7に示されているように、矩形波パルスH2の立ち下がり端は矩形波パルスH1の立ち上がり端に対応している。このクロック信号H2はクロックH1に対して詳細に前述したように周期2Tの信号S2を発生させ得る。その信号S2は傾斜波(三角波)R1と同じ振幅Aの傾斜波(三角波)R2を制御する。測定スタート信号Dが生じると、2個の傾斜波(三角波)R1、R2に同時サンプリングが生じる。仮に、例えば、測定スタート信号Dと矩形波パルスH1との間の不明瞭性、すなわち、測定スタート信号Dが矩形波パルスH1の重なり合わされた時、二つのチャンネルの半周期の位相ずれに起因して、測定スタート信号Dと矩形波H2によって発生された信号との間のあいまいさが同時であることが不可能である。従って、測定スタート信号Dに伴ってあいまい状態にないクロックを同定すること及び時間t1を決定するために対応する傾斜波(三角波)Rに対応するサンプル値を保持することのみが必要であるのみである。例えば、仮にあいまい状態がスタート信号DとクロックH1との間で生じる場合、時間t1の測定を決定するための有効クロックはクロックH2であり、考慮に入れられるべき値は傾斜波(三角波)R2に基づいて測定されたそれである。
【0087】
同じ状態はストップ信号Fのいかなるあいまいさに対しても生じる。ストップ信号Fが生じると、2個の傾斜波(三角波)R1、R2に同時サンプリングが生じる。時間t2に対して、信号Fに伴ってとあいまいさを有さないクロックH1又はH2から傾斜波(三角波)R1、R2の値が得られる。
【0088】
あいまい状態が測定スタート信号Dと測定ストップ信号Fとに同時に存在する場合には、クロックH1、H2に関してそれぞれ位相シフトされた第3回路を付加することが可能である。
【0089】
あいまいさがない場合には、クロックH1でも、クロックH2でもなく、得られた時間(t1又はt2)は2個のクロックに対応する2個の回路の一方又は他方に生じる。
【0090】
この発明の実施例に対応する装置は、図8に示され、第1ブロック74における第1カウンタ75がその許可入力端子CEに基づきフリップフロップ73からのカウント命令を受取り、その入力端子Cにクロック信号H1を受け取る。第1カウンタ75からの出力データは、オアゲート82によって制御されるスイッチング(又は配備)回路86によって処理回路72に伝送される。
【0091】
Dフリップフロップ76、80はオア回路90、91によって信号D及びFをそれらの入力端子Dに受け取る。許可入力端子信号CEを供給するフリップフロップ73は、同じく信号D及びFによって制御され、その信号D及びFは例えば論理ゲート内でタイムラグを生ぜしめる装置69、92による3個の伝播時間に接近する量によって共に遅延される。第1アンドゲート77はフリップフロップ76の出力とクロックH2とのアンドを履行する。後者の信号H2はクロックH1とゲート内の伝播時間を生ぜしめる遅延回路68とから得られる。
【0092】
第2ブロック78内で、第2カウンタ79はその入力端子CEにフリップフロップ73からカウント命令を受け取る。そのカウンタ79のデータは回路86を経由して処理回路72に伝送される。第2Dフリップフロップは前述したと同様の作用を果たす。第2アンドゲート81は回路80の出力とクロックH1との間のアンド作用を履行する。
【0093】
回路82の出力は最初にDフリップフロップ76又は80がスイッチされなかったカウンタ75又は79の読み出しを得るためにスイッチング(又は配備)回路86の作動を制御する。それはスイッチされたフリップフロップ76又は80の最初のものを検出し、かつ、それは状態が変更されないフリップフロップのカウンタの読み出しを許可する。
【0094】
仮に、不確定状態が例えばカウントのスタート時にカウンタの一方又は他方に対してあると、回路76、80を切替える当該同定の最初はクロックH1又はH2の選択を有効にする。有効にされたカウンタは変更されない状態で残っており、一方他方のカウンタは信号Dに続く第2クロックパルスの到着前にゼロにされる。これは第1カウンタ、第2カウンタに対して回路94、95及び96、97によってそれぞれ実行される。回路94、96はアンドゲートであり、一方回路95、97は時間形成タイプである。RSフリップフロップ83はそのセット入力端子に回路92及び69によって遅延された信号D及びFに入力が一致するオアゲート84の出力を受け取る。フリップフロップ83はその他方の入力端子に2個のアンドゲート77、81の出力を受け取る。
【0095】
フリップフロップ83はアナログデジタルコンバータ100の一方の入力端子とアナログデジタルコンバータ102の一方の入力端子とを制御する。これらのコンバータ100、102の各他方の入力端子はそれぞれクロックH1、H2に各フリップフロップ101、103及び各傾斜波R1、R2を発生するための傾斜波発生器105、107によって接続されている。各フリップフロップ101、103はそれぞれ周期2Tの信号S1、S2を発生させることを可能にする。アナログデジタルコンバータの下流には、2個のメモリ110、112及び回路82によって制御されるスイッチング回路106がある。
【0096】
次に、マイクロレーザーから出射され対象によって反射された光パルスの出射戻り経過時間の測定を述べることが必要である。このために、出射された光パルスの展開と受光された光パルスの展開とをそれぞれ述べる図9a、9bが参照されるべきである。仮にdが出射装置(すなわちマイクロレーザー)と対象との間の距離であり、cが光速、tdが出射及び戻り経過時間であると、
td=2d/cを得る。
【0097】
出射されたパワーPeの関数として、受光パワーPrの比は、
Pr/Pe=kt・kd/d2
ここで、ktは大気透過率であり、kdは物質によって生ぜしめられる散乱係数である。
【0098】
測定の正確さは、σx=tr・c/(2.36・snr)で与えられ、ここで、trはパルス発生時間であり、snrは検出装置における信号ノイズ比である。
【0099】
【発明の効果】
本発明の請求項1に記載のマイクロレーザー付き測距装置は、以上説明したように構成したので、短距離及び中間距離測定可能性(100m〜2000m)、可能な限り一体の小型装置、スイッチング制御を要求されない簡略化された電子光学回路、視覚安全基準を満足すること、量産により低コストで製造可能という条件を考慮に入れて作動可能で光パルス通過時間測定原理で動作するレーザー測距装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係わる測距装置の主構成要素のブロック図である。
【図2】 マイクロレーザーからの光ビームを主ビームと二次ビームとに分割する装置の一例を示す図である。
【図3】 本発明に従う測距装置のレーザーキャビティの実施例を示す図であり、図3Aは吸収剤が1個でマイクロレンズアレイがない状態を示し、図3Bは吸収剤が1個でマイクロレンズアレイがある状態を示している。
【図4】 本発明に従う測距装置のレーザーキャビティの実施例を示す図であり、図4Aは吸収剤が2個でマイクロレンズアレイがない状態を示し、図4Bは吸収剤が2個でマイクロレンズアレイがある状態を示している。
【図5】 本発明に従う測距装置に用いられる通過時間測定原理のタイミング図である。
【図6】 図5に示す原理を実行する装置を示す図である。
【図7】 本発明に従う測距装置における通過時間を測定する他の方法を示す図である。
【図8】 図7に示された原理を実行する装置を示す図である。
【図9】 時間パルスの展開図であり、図9aはマイクロレーザーによって出射された光パルスの時間展開図、図9bは対象から反射されて装置に到着した光パルスの時間展開図を示す。
【符号の説明】
2…マイクロレーザー
4…対象
6、8、10…手段
12…タイムスロット測定手段
18、19…光パルス
Claims (11)
- 光パルスの通過時間を測定する原理で作動し、
入射ミラーと出射ミラーとの間に配置された固体活性媒体および飽和吸収剤から成りパルス型作動の受動スイッチングマイクロレーザーと、
対象から反射された光パルスを受光しかつ該光パルスの受光時間を検出する手段と、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段と、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段とを備え、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段は、周期Tでパルスを供給する第1クロックと、全期間Tで続けられかつスタート信号(D)とストップ信号(F)との間に存在する第1クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、第1パルスからスタート信号(D)を分離する時間t1を決定する一方、ストップ信号(F)の前に終わる第1クロックの最終周期のエンドからストップ信号(F)を分離する時間t2を決定し、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってデジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とを有するマイクロレーザー測距装置。 - 前記飽和吸収剤は固体活性媒体に直接ディポジットされた薄い飽和吸収物質層である請求項1に記載のマイクロレーザー測距装置。
- 固体活性媒体は、Y3Al5O12、LaMgAl11O19、YVO4、Y2SiO5、YLiF4又はGdVO4の中から選択された基質によって構成され、ネオジウム(Nd)イオン、エルビウム(Er)イオン、ツリウム(Tm)イオン、ホルミウム(Ho)イオンでドープされるか又はエルビウム及びイッテルビウム(Er+Yb)イオンでコドープされるか又はツリウム及びホルミウム(Tm+Ho)イオンでコドープされている請求項2に記載のマイクロレーザー測距装置。
- 薄層がポリマー溶媒に溶解された有機染料によって構成されている請求項2又は請求項3に記載のマイクロレーザー測距装置。
- 有機染料がビス(4−ジエチルアミノジチオベンジル)ニッケル又はビス(4−ジメチルアミノジチオベンジル)ニッケルから選択され、溶媒はポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタート又はポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項4に記載のマイクロレーザー測距装置。
- 薄層が液相結晶成長法によって得られる請求項2に記載のマイクロレーザー測距装置。
- マイクロレーザーが第2の飽和吸収層を有している請求項2ないし請求項6のいずれか1項に記載のマイクロレーザー測距装置。
- マイクロレーザーがマイクロレンズ配列を有している請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のマイクロレーザー測距装置。
- 入射ミラーと出射ミラーとがダイクロイックミラーである請求項2ないし請求項8のいずれか1項に記載のマイクロレーザー測距装置。
- マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段を有し、該手段は、接合面で組み合わされた複屈折性物質からなりかつマイクロレーザーパルスの光路に設置された二個のプリズムを有し、光パルスが一対のプリズムの一方に属する入射面に貫入するようにかつプリズムの他方に属する出射面を貫通するように配置され、入射面及び出射面がマイクロレンズパルスの光路に対して垂直に研磨された線形偏光子と、該線形偏光子の出射面に平行に配置された四分の一波長板と、前記パルスを、主パルスを形成するために透過される第1部分と四分の一波長板と二次パルスを生ぜしめるための線形偏光子とに向けて反射される第2部分とに分離するために、四分の一波長板を通過する光パルスの光路に配置された手段とからなり、前記線形偏光子は、線形偏光子から射出された二次パルスをサンプルすることを可能にするために、第3研磨面を有する請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のマイクロレーザー測距装置。
- デジタル回路には第2クロック(H2)が設けられ、そのパルスは第1クロック(H1)のパルスと比較して位相がシフトされ、そのデジタル回路は全期間Tで続けられかつスタート信号(D)とストップ信号(F)との間で生じる第2クロックのパルスの数を計数し、アナログ回路はスタート信号(D)とスタート信号(D)の後に始まる第2クロックの第1パルスのスタートとを分離する時間を決定する一方、ストップ信号(F)の前に終わる第2クロックの最終周期のエンドからストップ信号(F)を分離する時間を決定し、前記アナログ回路は得られたデータをデジタルデータに変換可能であり、二つのクロック(H1、H2)の一方のうち実行されるカウントのどれが考慮に入れられるべきであるかを決定することが可能な手段を有し、その結果、クロック周期カウントエラーに通じる曖昧状態を解消することが可能である請求項1に記載のマイクロレーザー測距装置。
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