JP5462462B2

JP5462462B2 - レーザ装置および距離測定装置

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Publication number: JP5462462B2
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Inventors: 泰造江野; 正幸籾内
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Description

本発明は、異なる２波長のレーザ光を出力可能なレーザ装置、およびこのレーザ装置を用いた距離測定装置に関する。

レーザ光を利用して距離を測定する技術において、異なる２波長のレーザ光を用いる技術が知られている。異なる２波長のレーザ光を得る手段として、非線形結晶を用いて基本波から高調波を生成する技術が知られている。このような非線形結晶としては、特許文献１に記載されているような反転分極構造を有するものが知られている。

特開平９−２１１５１２号公報

これまで、異なる２波長のレーザ光を選択可能な構造とする場合、出力光の選択を光学系の切換や発振系の切換を行う構造が採用されていた。しかしながら、これらの方法は、構造が複雑になるという問題がある。

そこで本発明は、複数種類の波長のレーザ光を発生する構成において、より簡素な構造で出射光の波長の切換が可能な技術の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から出力される基本波が入射され、温度によって前記基本波の高調波への変換効率が変化し、反転分極構造を有する非線形結晶と、前記非線形結晶の温度を制御することで、前記非線形結晶から出力される前記基本波と前記高調波の比率を制御する比率制御手段と、前記非線形結晶からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、前記対象物から反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部と、前記基本波または前記高調波を選択する出力光選択手段とを備え、前記出力光選択手段において選択された前記基本波または前記高調波を前記出力部から前記所定の対象物に出力することを特徴とする距離測定装置である。請求項１に記載の発明によれば、基本波と高調波とを選択して利用可能な距離測定装置が提供される。また、請求項１に記載の発明によれば、対象物に照射する測定光として、基本波または高調波を選択できる。例えば、遠距離の測定を行うのであれば、高調波より高強度の出力を得ることができる長波長光を選択し、短距離で精度を求めるのであれば、高精度を追究できる短波長光を選択できる距離測定装置を得ることができる。

請求項１に記載の発明は、反転分極構造を有する非線形結晶の高調波への変換効率（基本波から高調波への変換効率）の温度依存性が強く、温度によって、基本波と第２高調波の割合が大きく変化する現象を利用している。すなわち、本発明では、当該非線形結晶の温度制御をすることで、ある温度で第２高調波の割合を最大として第２高調波を主に出力し、また第２高調波への変換効率が低くなる温度とすることで、基本波を主に出力するレーザ装置を得ている。また、本発明では、温度によって、当該非線形結晶から出力される基本波と第２高調波の比率が変化する現象を利用し、温度制御を行うことで、出力される基本波と第２高調波の比率を任意に制御可能なレーザ装置を得ている。

この構成によれば、当該非線形結晶の温度制御を行えばよいので、機械的な切換機構は必要とされず、機械的な切換構造を採用する場合に比較して構造をシンプルにできる。このため、コスト、信頼性、耐久性、小型化の点で有利となる。

反転分極構造を有する非線形結晶としては、擬似位相整合型波長変換素子（ＱＰＭ素子）を用いることができる。反転分極構造を有する非線形結晶の具体例としては、ＰＰＬＮ(Periodically Poled LiNbO₃)、ＰＰＳＬＴ(Periodically Poled Stoichiometric LiTaO₃)、ＰＰＫＴＰ(Periodically Poled KTP(KTiOPO₄))を挙げることができる。反転分極構造を有する非線形結晶については、特開平６−２４２４７８号公報、特開平９−２１１５１２号公報、特開２００３−３０４０１９号公報に記載されている。この反転分極構造を有する非線形結晶としては、基本波から第２高調波を得るための素子（ＱＰＭ・ＳＨＧ素子）として市販されているものを利用することができる。

比率制御手段は、当該非線形結晶の温度を制御する。温度の制御は、加熱ヒータ等の加熱手段と、ペルチェ素子等の冷却手段により行う。この温度の制御は、予め調べておいた当該非線形結晶における利用する基本波の第２高調波への変換効率の温度依存性に基づいて行われる。

基本波と第２高調波の比率の範囲は、限定されない。しかしながら、実際には、基本波の出力を完全に無くすことは実用上困難であるので、選択した波長光の純度が要求される場合、波長選択装置（光学フィルタ）を介して、選択した波長光の純度を高めることが望ましい。

請求項２に記載の発明は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ発振部から出力される基本波が入射され、温度によって前記基本波の高調波への変換効率が変化し、反転分極構造を有する非線形結晶と、前記非線形結晶の温度を制御することで、前記非線形結晶から出力される前記基本波と前記高調波の比率を制御する比率制御手段と、前記非線形結晶からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、前記対象物から反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部とを備え、前記出力部からは、前記基本波と前記高調波とが同時に出力され、前記受光部は、前記基本波の反射光を受光する第１の受光部と、前記高調波の反射光を受光する第２の受光部とを備え、前記信号処理部は、所定の条件に基づいて、前記第１の受光部の出力信号または前記第２の受光部の出力信号を選択し、前記対象物までの距離の算出を行うことを特徴とする距離測定装置である。請求項２に記載の発明によれば、対象物に基本波と高調波を同時に照射し、状況に応じていずれかの波を測定光として利用した距離測定装置を得ることができる。

本発明によれば、複数種類の波長のレーザ光を発生する構成において、より簡素な構造で出射光の波長の切換が可能な技術が提供される。

（１）第１の実施形態
（レーザ装置の構成）
まず、本発明を利用したレーザ装置の一例を説明する。ここで例示するレーザ装置は、異なる波長のパルスレーザ光を出力する機能を備える。図１は、本発明を利用したレーザ装置の一例を示す概念図である。

図１には、Ｑスイッチによりパルスレーザ光を生成するレーザ装置１０が示されている。レーザ装置１０は、半導体レーザ装置１０１、集光レンズ１０２、レーザ共振器１０３、非線形結晶１０７、波長切換装置１２０を備えている。

半導体レーザ装置１０１は、最終的に装置から出力されるレーザ光の元となる波長８０８ｎｍの励起用レーザ光を生成する。ここでは、半導体レーザ装置１０１として、半導体レーザ発光素子を利用している。集光レンズ１０２は、半導体レーザ装置１０１からの出力光を集光する。この集光されたレーザ光は、レーザ共振器１０３に入力される。

レーザ共振器１０３は、レーザ半導体装置１０１が生成した励起用レーザ光を利用してレーザ発振（レーザ増幅）を行う。レーザ共振器１０３は、その内部にレーザ媒質１０４、過飽和吸収体１０５および出力鏡１０６を備えている。レーザ媒質１０４の入力側には、図示省略したミラー面がコーティングされている。このミラー面は、入射する波長８０８ｎｍの光を透過し、内部から外側に向かう波長１０６４ｎｍの光を反射する光学特性とされている。レーザ媒質１０４は、レーザ発振を行うための媒質（増幅媒質）であり、ここではネオジム（Ｎｄ）がドープされたＹＡＧ結晶が利用されている。レーザ媒質へのドーピング物質としては、Ｅｒ（エルビウム）を用いることもできる。また、レーザ媒質として結晶の代わりにファイバを用いることもできる。

過飽和吸収体１０５は、Ｑスイッチとして機能する部材であり、レーザ光の吸収係数が非線形性を有する性質を備えている。ここでは、過飽和吸収体１０５として、クロムをドープしたＹＡＧ結晶が利用されている。過飽和吸収体１０５は、ある程度レーザ光を吸収すると飽和して透過率が急激に高まる光学的な性質を備えている。この性質を利用することで、レーザ光を間欠的に出力することができる。出力鏡１０６は、入射するレーザ光の９０％を反射し、１０％を透過する機能を備えている。レーザ媒質１０４の入射面に形成された図示省略したミラー面と出力鏡１０６との間の寸法は、波長１０６４ｎｍの定常波を形成するためのキャビティー（共振器）となる値に設定されている。なお、Ｑスイッチとしては、電気光学的な手法による方法や音響光学的な手法による構成を採用することも可能である。

非線形結晶１０７は、レーザ共振器１０３が増幅したレーザ光（上記波長１０６４ｎｍの基本波）の高調波（この場合は、第２高調波）を生成する。非線形結晶１０７は、光学的な非線形性を有し、入射したレーザ光の高調波を発生する。この例において、非線型結晶１０７は、温度によって前記基本波の高調波への変換効率が変化し、反転分極構造を有する非線形結晶であり、擬似位相整合型波長変換素子（ＱＰＭ素子）として機能する。ここでは、非線形結晶１０７として、Ｍｇを添加して領域を周期的に配列したＬｉＴａＯ_３単結晶（ＰＰＭｇＳＬＴ）を利用している。非線形結晶１０７に波長１０６４ｎｍのレーザ光が入射させると、入射光である波長１０６４ｎｍ（基本波）のレーザ光および／または第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が非線形結晶１０７から出力される。

図２は、波長１０６４ｎｍの基本波を入射した場合に非線形結晶１０７から出射される波長５３２ｎｍの第２高調波の出力強度の温度依存性を示すグラフである。ここで、図２の横軸は、非線形結晶１０７の温度であり、縦軸は、出力光の強度（エネルギー密度）の相対値である。縦軸は、出力光の最大強度を１として、規格化した値である。

図２から明らかなように、反転分極構造を有する非線形結晶は、第２高調波への変換効率が強い温度依存性を有している。この温度依存性が特徴的であり、ある温度（この例の場合は、３３℃）で第２高調波の出力レベルがピークとなり、基本波の出力レベルが最も低くなる。また、その温度から外れると、第２高調波の出力レベルが低下し、代わりに第２高調波に変換されなかった基本波の出力レベルが上昇する。ここで、第２高調波の出力レベルは、概ねガウス分布で近似される。

図１に示すように、本実施形態では、非線形結晶１０７の温度を調整する加熱冷却装置１０８を備えている。加熱冷却装置１０８は、電気加熱ヒータとペルチェ素子とを組み合わせたもので、非線形結晶１０７の温度を約０．１℃の精度で２０℃〜４０℃の範囲で調整可能な性能を備えている。非線形結晶１０７には、非線形結晶１０７の温度を検出するための温度センサ１０９が設けられている。温度センサ１０９の出力は、温度制御ユニット１１０に入力される。

温度制御ユニット１１０には、温度センサ１０９が検出した非線形結晶１０８の温度情報が入力される。また、温度制御ユニット１１０は、加熱冷却装置１０８の電気加熱ヒータに加える電圧の値の調整機能、およびペルチェ素子に加える電圧の調整機能を備えている。温度制御ユニット１１０は、温度センサ１０９の出力に基づき、電気加熱ヒータの加熱機能および／またはペルチェ素子の冷却機能を調整し、非線形結晶１０７の温度を調整する。すなわち、温度制御ユニット１１０により、加熱冷却装置１０８が制御され、非線形結晶１０７の温度の調整が行われる。

この例では、（１）基本波（１０６４ｎｍ）の出力を行う出力モード１、（２）第２高調波（５３２ｎｍ）の出力を行う出力モード２、（３）基本波５０％、第２高調波５０％の２波を同時に出力する出力モード３の３パターンの出力形態を選択可能とされている。以下、各モードについて説明する。

（出力モード１）
出力モード１では、非線形結晶１０７の温度を２４℃に保つ。すなわち、非線形結晶１０７の温度が２４℃に保たれるように、温度センサ１０９の検出温度に基づいて、温度制御ユニット１１０が加熱冷却手段１０８による温度調整機能をリアルタイムに調整する。この場合、図２のグラフから明らかなように、１０６４ｎｍの基本波の入力に対して、非線形結晶１０７は、第２高調波への変換効率がゼロに近く、よって基本波が変換されずにそのまま透過することとなるので、非線形結晶１０７からは、波長１０６４ｎｍの基本波が射出される。

（出力モード２）
出力モード２では、非線形結晶１０７の温度を３３℃に保つ。すなわち、非線形結晶１０７の温度が３３℃に保たれるように、温度センサ１０９の検出温度に基づいて、温度制御ユニット１１０が加熱冷却手段１０８による温度調整機能をリアルタイムに調整する。この場合、図２のグラフから明らかなように、１０６４ｎｍの基本波の入力に対して、非線形結晶１０７は、第２高調波への変換効率がピークであるため、基本波が透過する割合は最も低くなる。このため、第２高調波（５３２ｎｍ）の出力を得たい場合は非線形結晶１０７の第２高調波への変換効率がピークである結晶温度に設定すれば良い。

（出力モード３）
出力モード３では、非線形結晶１０７の温度を、非線形結晶１０７から射出される基本波と第２高調波との出力がほぼ等しくなる温度に保つ。すなわち、非線形結晶１０７の温度が、非線形結晶１０７から射出される基本波と第２高調波との出力がほぼ等しくなる温度に保たれるように、温度センサ１０９の検出温度に基づいて、温度制御ユニット１１０が加熱冷却手段１０８による温度調整機能をリアルタイムに調整する。

ここでは、基本波の出力が５０％、第２高調波の出力が５０％の例を説明したが、出力強度の比率は、非線形結晶１０７の温度制御により任意の組み合わせを実現できる。

非線形結晶１０７の出力側（図の右側）には、波長切換装置１２０が配置されている。波長選択装置１２０は、波長選択ミラー１２１と１２２を備え、図の上下方向に移動可能な構造とされている。この移動は、パルスモータによる駆動機構（図示省略）により行われる。なお、符号１２３は、波長選択ミラー１２１または１２２において反射された成分を吸収する光吸収部材である。

出力モード１が選択された場合、波長選択装置１２０では、波長選択ミラー１２１が光軸１１１上に挿入される（図１の状態）。この場合、基本波が図の右方向に出力される。この際、波長選択装置１２０は、非線形結晶１０７から出力される僅かに残った２次高調波成分を遮断し、基本波のみの純度を高める機能を有する。

出力モード２が選択された場合、波長選択装置１２０では、波長選択ミラー１２２が光軸１１１上に挿入される。この場合、第２高調波が図の右方向に出力される。この際、波長選択装置１２０は、非線形結晶１０７から射出する余分な基本波成分を遮断し、第２高調波のみの純度を高める機能を有する。

出力モード３が選択された場合、波長選択装置１２０では、波長選択ミラー１２１と１２２が光軸１１１上から退避する。この場合、非線形結晶１０７からの出力光が波長選択装置１２０を通過し、波長選択装置１２０からは、基本波と第２高調波とが同時に図の右方向に出力される。

（レーザ装置の動作）
半導体レーザ装置１０１から波長８０８ｎｍのレーザ光が連続発振（ＣＷ発振）されると、このレーザ光は、集光レンズ１０２で集光され、レーザ共振器１０３に入射する。レーザ媒質１０４は、波長８０８ｎｍの入射光により励起されて反転分布を形成し、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のコヒーレントなレーザ光が誘導放出される。レーザ光を吸収し、可飽和吸収体１０５の光吸収が飽和すると、過飽和吸収対１０５はレーザ光に対して透明になり、レーザ媒質１０４で大きな反転分布によって蓄積された波長１０６４ｎｍのレーザ光は図示省略したミラー面と出力鏡１０６との間で反射往復して、急速に振幅の大きな定常波を生成し、Ｑスイッチ発振に至る。そして、出力鏡１０６から波長１０６４ｎｍのレーザ光（基本波）が図の右方向に放出される。

その後、レーザ共振器１０３はレーザ発振を停止して、再び半導体レーザ装置１００から入射した波長８０８ｎｍのレーザ光により励起されて徐々に反転分布を形成し、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のレーザ光が誘導放出される。レーザ光を吸収し、可飽和吸収体１０５の光吸収が飽和すると、過飽和吸収体１０５はレーザ光に対して透明になり、再びＱスイッチ発振が開始される。この動作を周期的に繰り返すことで、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のレーザ光（基本波）のパルス発振が行われる。

出力鏡１０６から出力された波長１０６４ｎｍのレーザ光（基本波）は、非線形結晶１０７に入力される。この際、上述した出力モード１〜３のいずれかのモード選択により、非線形結晶１０７からは、（１）基本波（１０６４ｎｍ）、（２）第２高調波（５３２ｎｍ）、（３）基本波５０％、第２高調波５０％の混合波の何れか一つのパルスレーザ光が、図の右方向に出力される。非線形結晶１０７からの出力光は、波長選択装置１２０に入射し、各モードに応じた光路が選択され、図の右方向に更に出力される。

（２）第２の実施形態
（構成）
発明を利用した距離測定装置の一例を説明する。図３は、本発明を利用した距離測定装置の一例である。ここで説明するのは、測定光として、基本波（長波長）と第２高調波（短波長）の何れかを選択可能な装置において、所定の条件に応じて、被測定物に照射する測定光を選択可能な構成に関する。以下に説明する距離測定装置では、第１の実施形態において説明したレーザ装置１０が測距光源として利用される。

（概要）
図３には、距離測定装置１が示されている。距離測定装置１は、本体２と、この本体２に対して回転可能な回転光学部３とを備えている。回転光学部３は、ベアリング４１および４２を介して本体２に対して回転自在な状態で固定されている。本体２と回転光学部３との間のデータ信号のやり取り、および本体２から回転光学部３への電力供給は、データ伝送装置４０および電力伝送装置５０で行われる。これら伝送装置は、回転中心を軸とするコイルを本体２側と回転光学部３側に備え、両コイルは、僅かに離間している。この構成によれば、回転光学部３の回転に関係なく、コイル間の相互誘導によりデータ信号および電力の電送が行われる。

（回転機構）
本体２には、ステータ２０１が配置されている。このステータ２０１は、コイルが巻かれた複数の磁極を円周上に配置した構造を備えている。ステータ２０１に対向する回転光学部３の部分には、ロータ３０１が配置されている。ロータ３０１は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。ステータ２０１の複数の磁極への通電が、図示しない制御回路によってスイッチングされることで、ステータ２０１に対してロータ３０１が回転しようとする力が生じ、本体２に対して回転光学部３が回転する。ステータ２０１とロータ３０１とは、ＤＣブラシレスモータの原理を利用したＤＤ（ダイレクト・ドライブ）モータを構成している。

（本体２の構成）
以下、本体２の構成について説明する。本体２は、集光レンズ２０２を備えている。集光レンズ２０２の後ろ（図の下方）には、斜め反射ミラー２１０が配置されている。斜め反射ミラー２１０は、両面が反射面とされている。斜め反射ミラー２１０の下方には、選択反射ミラー２０３が配置されている。選択反射ミラー２０３は、図の上方向から入射する入射光の内、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光を上方に選択的に反射し、他の波長を下方に透過する反射面２０３ａを上面に備えている。また、選択反射ミラー２０３は、図の上方から入射した光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光を選択的に図の左方向に反射させ、その他の波長の光を下方に透過させる斜めの反射面２０３ｂを備えている。

選択反射ミラー２０３の左側には、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光を検出する第１の受光部２０７が配置されている。また、斜め反射ミラー２１０の右側には、斜め反射ミラー２１１が配置され、その下方に波長５３２ｎｍ（λ_２）の光を検出する第２の受光部２０８が配置されている。第１の受光部２０７および第２の受光部２０８は、検出する波長帯域の感度を有するフォトダイオードおよびその周辺回路を備えている。斜め反射ミラー２１０の左側には、測距光発光部２０５が配置されている。測距光発光部２０５は、図１に示すレーザ装置１０の構成を備えている。選択反射ミラー２０３の下方には、ＣＣＤカメラ２０９が配置されている。ＣＣＤカメラ２０９は、回転反射ミラー３０２が捉えた画像を撮像し、その画像データを出力する。

上述した選択反射ミラー２０３を備えた構成によれば、測距光発光部２０５から出力された波長１０６４ｎｍ（λ_１）および波長５３２ｎｍ（λ_２）のレーザ光（測距光）は、斜め反射ミラー２１０の上面で上方に反射され、集光レンズ２０２に下方から入射する。この集光レンズ２０２に下方から入射したレーザ光（測距光）は、回転反射ミラー３０２で反射され、距離測定装置１の外部に放射される。

また、距離測定装置１の外部から回転反射ミラー３０２に入射した光は、そこで下方に反射されて、集光レンズ２０２で集光され、選択反射ミラー２０３に入射する。この選択反射ミラー２０３への入射光の内、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、反射面２０３ａにおいて上方に選択的に反射され、他の波長の光は、反射面２０３ａを透過する。反射面２０３ａで上方に反射された波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、斜め反射ミラー２１０の下面で右方向に反射され、さらに斜め反射ミラー２１１で下方に反射されて第２の受光部２０８に至る。

一方、反射面２０３ａを透過した透過光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光（基本波）は、反射面２０３ｂにおいて選択的に左方向に反射され、第１の受光部２０７に至る。また、反射面２０３ａを透過した透過光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）以外の光は、反射面２０３ｂを透過し、ＣＣＤカメラ２０９に至る。

こうして、装置の外部から入射した波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光は、第１の受光部２０７で検出され、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光（第２高調波）は、第２の受光部２０８で検出され、その他の波長の光は、ＣＣＤカメラ２０９で検出される。つまり、２波長の測距光を個別に検出し、また同時に回転反射ミラー３０２に映し出された画像をＣＣＤカメラ２０９によって撮像することができる。

本体２は、回転光学部３の指向している方向（水平測角（方位角））を検出するためのロータリエンコーダの角度読み取り部２１２を備えている。角度読み取り部２１２は、コの字形状の部材の一方の壁部に発光ダイオードを、他方の壁部にフォトトランジスタを備え、その間を通過する角度読み取られ部３１０のスリットを通過するパルス光をフォトトランジスタが検出することで、角度情報の信号を出力する。角度読み取られ部３１０と角度読み取り部２１２は、通常のロータリエンコーダと同じ原理により角度を検出する角度検出装置を構成している。

（回転光学部３の構成）
次に回転光学部３の構成について説明する。回転光学部３は、本体２のステータ２０１に対向する位置に、ロータ３０１を備えている。ロータ３０１は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。また、回転光学部３は、回転反射ミラー３０２を備えている。回転反射ミラー３０２は、仰角制御用回転軸３０３によって回転光学部３に対して仰角変化が可能な状態で固定されている。仰角制御用回転軸３０３は、ベアリング３０４および３０５によって回転光学部３に支持されている。また、図示されていないが、回転反射ミラー３０２の正面には、開口が設けられ、外部に光を照射し、また外部からの光を採り入れることができる構成とされている。なお、仰角は、水平面から上下（つまり±）に振ることが可能である。

回転光学部３には、ステータ３０６が配置されている。このステータ３０６は、コイルが巻かれた複数の磁極を円周上に配置した構造を備えている。ステータ３０６に対向する回転反射ミラー３０２側には、ロータ３０７が配置されている。ロータ３０７は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。ステータ３０６とロータ３０７とは、ＤＣブラシレスモータの原理を利用したＤＤ（ダイレクト・ドライブ）モータを構成している。ステータ３０６の複数の磁極への通電が、図示しない制御回路によってスイッチングされることで、ステータ３０６に対してロータ３０７が回転しようとする力が生じる。これにより、回転反射ミラー３０２の仰角制御を行うことができる。

仰角制御用回転軸３０３の他端には、円周方向にスリットが形成された角度読み取られ部３０８が取り付けられている。また、回転光学部３は、角度読み取り部３０９を備えている。角度読み取り部３０９は、コの字形状の部材の一方の壁部に発光ダイオードを、他方の壁部にフォトトランジスタを備え、その間を通過する角度読み取られ部３０８のスリットを通過するパルス光をフォトトランジスタが検出することで、角度情報の信号を出力する。角度読み取られ部３０８と角度読み取り部３０９は、通常のロータリエンコーダと同じ原理により角度を検出する角度検出装置を構成している。

回転光学部３の下部には、角度読み取られ部３１０が配置されている。角度読み取られ部３１０は、円周方向にスリットが形成された円環形状であり回転光学部３の回転時に、コの字形状の角度読み取り部２１２の間を通過する。

回転光学部３の上部には、照準装置３１１が配置されている。照準装置３１１は、距離測定装置１を操作する利用者が、計測対象物（目標）への照準を付けるための光学照準装置である。照準装置３１１は、照準用の表示や目盛等を備えた望遠鏡を基本構造としている。

（制御系の構成）
次に、距離測定装置１の制御系の構成について説明する。図４は、図３に示す距離測定装置１の制御系の構成の一例を示すブロック図である。図４に示す制御系は、ＣＰＵ４０１、ＲＡＭ４０２、ＲＯＭ４０３、表示部４０４、仰角検出センサ４０５、水平測角検出センサ４０６、水平測角制御部４０７、水平測角制御モータ４０８、仰角制御部４０９、仰角制御モータ４１０、発光制御部４１１、測距光発光部２０５、信号処理部４１２、第１の受光部２０７、第２の受光部２０８、画像処理部４１３、ＣＣＤカメラ２０９、および操作部４１４を備えている。

ＣＰＵ４０１は、距離測定装置１の動作を統括し、各種処理の演算を行う。具体的には、後述する処理手順を動作プログラムに基づいて実行する。ＲＡＭ４０２は、ＣＰＵ４０１が行う各種の処理の際に、プログラムやデータ等を一時的に記憶するワーキングエリアとして利用される。また、ＲＡＭには、動作に必要な各種の条件や測定データ等が記憶される。ＲＡＭ４０２は、半導体メモリやハードディスク装置等により構成されている。なお、ＲＡＭ４０２には、不揮発性メモリが含まれ、主電源がＯＦＦにされてもデータを保持できるようにされている。ＲＯＭ４０３は、ＣＰＵ４０１が行う処理の動作プログラムや動作に必要な条件等が記憶されている。

表示部４０４は、ディスプレイ（例えば液晶ディスプレイ）を備えている。このディスプレイには、距離測定装置１の動作状態、操作に必要な情報、さらに測定した距離の情報等が表示される。仰角検出センサ４０５は、回転反射ミラー３０２（図３参照）の仰角の値を検出する。仰角検出センサ４０５は、図３に示す角度読み取り部３０９に配置されている。水平測角検出センサ４０６は、回転光学部３の水平測角（方位角）を検出する。水平測角検出センサ４０６は、図３に示す角度読み取り部２１２に配置されている。

水平測角制御部４０７は、後述の水平測角制御モータ４０８を駆動する駆動回路と、その制御を行う制御回路を備えている。水平測角制御モータ４０８は、水平測角制御部４０７によって駆動されて回転光学部３（図３参照）を回転させ、その水平測角を制御する。水平測角制御モータ４０８は、図３に示すステータ２０１およびロータ３０１を備えている。仰角制御部４０９は、後述の仰角制御モータ４１０を駆動する駆動回路と、その制御を行う制御回路を備えている。仰角制御モータ４１０は、仰角制御部４０９によって駆動され、回転反射ミラー３０２の仰角を制御する。仰角制御モータ４１０は、図３に示すステータ３０６およびロータ３０７を備えている。

発光制御部４１１は、測距光発光部２０５（図３参照）の発光タイミングを制御する。また、発光制御部４１１は、測距光発光部２０５（図１のレーザ装置１０）から出力されるレーザ光の波長を決めるための制御信号を図１の温度制御ユニット１１０に送る。この制御信号により、当該距離測定装置から出力されるレーザ光が、（出力モード１）波長１０６４ｎｍ（λ_１）の基本波、（出力モード２）波長５３２ｎｍ（λ_２）の第２高調波、（出力モード３）両波長のレーザ光の同時出力となる３パターンのいずれかが選択される。また、発光制御部４１１から測距光発光部２０５に、上記各モードに対応させて、波長切換装置１２０の波長選択機能を切り換える切換信号を出力する。

信号処理部４１２は、第１の受光部２０７および／または第２の受光部２０８の出力に基づいて後述する処理を行い、対象物までの距離の算出を行うのに必要なデータを出力する。画像処理部４１３は、ＣＣＤカメラ２０９（図３参照）が撮像した画像のデータに基づいて後述の画像処理を行う。操作部４１４は、距離測定装置１（図３参照）の操作を行うための手動入力手段であり、操作のための各種スイッチを備えている。

（距離測定部）
以下、図４の信号処理部４１２の詳細な構成の一例を説明する。図５は、信号処理部４１２の機能を説明するブロック図である。図５には、波長１０６４ｎｍ（λ_１）（基本波）の測距光が第１の受光部に入射し、波長５３２ｎｍ（λ_２）（第２高調波）の測距光が第２の受光部に入射する状態が概念的に示されている。

図５に示すように、信号処理部４１２は、比較判定部４２１とデータ出力部４２２を備えている。比較判定部４２１は、第１の受光部２０７の出力と第２の受光部２０８の出力とを比較し、いずれの出力を距離データの算出に用いるかを判定する機能を有する。判定の内容については後述する。データ出力部４２２は、比較判定部４２１の判定結果に基づき、第１の受光部２０８の出力または第２の受光部２０８の出力を信号処理部４１２の外部に出力する。

（第１の測定動作）
以下、図３に示す距離測定装置１における距離測定動作の一例を説明する。ここでは、対象物までの測定距離に応じて、被測定対象に照射する測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図６は、距離の測定を行う手順の一例を示すフローチャートである。この例の場合、距離測定装置１（図３参照）の操作部４１４（図４参照）は、長距離測定エリアと短距離測定エリアの２種類の測定エリアを手動で設定するための設定ボタンを供えている。また、図４に示すＲＯＭ４０３には、以下の処理手順を実行するのに必要な動作プログラムが記憶されている。

操作部４１４（図４参照）が操作されて、距離計測の処理がスタートすると（ステップＳ１０１）、ＲＯＭ４０３に記憶されている上記の動作プログラムがＲＡＭ４０２に読み出され、以下の動作が開始される。

まず基準点を設置する処理が行われる（ステップＳ１０２）。この処理では、ＲＡＭ４０２に記憶されている基準点に関するデータが読み出される。この基準点に関するデータは、以下の処理において求められる距離データに関連付けされ、最終的な計測データが得られる。なお、この基準点に関するデータは、計測装置１を計測現場に設置した際に、手動入力やＧＰＳ衛星を用いた位置特定装置からのデータ伝送によって計測装置１に入力される。

ステップＳ１０２の後、整準実行・完了の処理が行われる（ステップＳ１０３）。この処理では、装置の水平や方角を決める調整が行われる。この処理は、図示省略する水準器や方角センサの出力に基づいて自動的に行われる。

ステップＳ１０３までの処理が終了したら、その旨が図４の表示部４０４に表示される。次に、距離測定装置１を操作する者が照準装置３１１を用いて、距離の測定を行う対象物に狙いを定め、距離測定装置１の大体の方向を定める。そして、図４の操作部４１４が操作されて、ＣＣＤカメラ２０９（図３参照）による測定エリアの撮像（ステップＳ１０４）が行われる。また、測定エリアの設定が行われる（ステップＳ１０５）。

また、このタイミングにおいて、操作者は、操作部４１４を操作し、測定距離が短距離か、長距離かを選択する設定を行う（ステップＳ１０５）。この際、操作者は、対象物までの距離を目測し、それが波長１０６４ｎｍの測距光の利用が適当な長距離測定範囲か、あるいは波長５３２ｎｍの測距光が利用できる短距離測定範囲かを判断し、何れかの範囲を設定する操作を行う。

ステップＳ１０５の処理を自動的に行うこともできる。この場合、ステップ１０４において撮像した画像を画像処理部４１３（図４参照）において画像解析し、対象物までの概略の距離を算出する。そして、この算出値に基づいて、長距離測定範囲または短距離測定範囲が選択され、選択された設定内容がＲＡＭ４０２内に記憶される。

次にステップＳ１０５において、設定された対象物までの距離に関する設定内容が読み取られ、設定内容が、短距離範囲の設定か、長距離範囲の設定かが判定される。ここでは、測長距離が短い設定であるか否か、が判定される（ステップＳ１０６）。測長距離が短い場合（つまり短距離範囲が設定されているのであれば）、ステップＳ１０７に進み、そうでなければステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０７では、短波長（波長５３２ｎｍ＝λ_２）（第２高調波）のパルスレーザ光を用いた測定エリアスキャンが行われる。ステップＳ１０７では、図３および４に図示する測距光発光部２０５を構成するレーザ装置（図１の符号１０）が、出力モード２の状態で動作し、波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光を出力する。このパルスレーザ光は、図３に示す測距光発光部２０５から出力され、斜め反射ミラー２１０で図の上方に反射され、集光レンズ２０２および回転反射ミラー３０２を経て、測定エリアに照射される。

この際、測距光は、測定エリア内に設定された複数の測定点を順次走査しつつ当該計測点（各対象物）に照射される。例えば、この測定点は、測定エリア内に格子状にｍ×ｎ個（ｍ、ｎは０を含まない自然数）設定されており、各測定点に１パルス以上のレーザパルスが照射されるように、パルス発振に対応させて、回転光学部３の水平測角と回転反射ミラー３０２の仰角が逐次制御される。

ステップＳ１０７に進まず、ステップＳ１０８に進んだ場合、測距光発光部２０５を構成するレーザ装置（図１の符号１０）が、波長１０６４ｎｍ（λ_１）（基本波）のパルスレーザ光を出力する。この際、図１のレーザ装置１０は、出力モード１の状態で動作する。このパルスレーザ光は、図３に示す測距発光部２０５から出力され、選択反射ミラー２０３で図の上方に反射され、集光レンズ２０２および回転反射ミラー３０２を経て、対象物に照射される。この際も、ステップＳ１０６の場合と同様なスキャン制御が行われる。

ステップＳ１０７またはＳ１０８において、測距用のパルスレーザ光の対象物への照射は、１または複数回のパルスで行われる。そして、対象物で反射され、距離測定装置１側に帰ってきた測距光の反射光は、その波長に対応して、第１の受光部２０７または第２の受光部２０８において受光される。すなわち、対象物に照射された測距光が波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光であれば、その反射光は、第１の受光部２０７において受光される。また、対象物に照射された測距光が波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光であれば、その反射光は、第２の受光部２０８において受光される。

ステップＳ１０７またはＳ１０８における対象物への測距光の照射が行われているタイミングに同期させて、その反射光の時間遅れに計測することで、対象物までの距離の算出（測定）が行われる（ステップＳ１０９）。

以下、図４のブロック図を主に参照してステップＳ１０９の処理内容を説明する。まず、発光制御部４１１からレーザパルスの発振タイミングに関する信号が出力される。また、信号処理部４１２から、反射光の受光タイミングに関する信号が出力される。レーザパルスの対象物への往復には、対象物までの距離に応じた時間（伝搬時間）を要するので、反射光のレーザパルスの受光タイミングは、測距用のレーザパルスの照射タイミングから対象物までの距離に応じた遅れを生じる。したがって、ＣＰＵ４０１において、上記２つの信号を比較することで、伝搬時間を算出し、それと光速の値とから、距離計測装置から対象物までの距離を算出することができる。この原理により、ステップＳ１０９における距離測定の処理が行われる。

この距離算出の処理は、測定エリア内に所定の密度で設定された計測対象物毎（計測対象点毎）に測距光を操作しつつ照射し、そのスキャニングに対応させて逐次行われる。なお、通常は、測定エリア内に格子状に測定点を設定し、そこを順次スキャンしてゆくことで、測定エリア内の距離データ群を得る。

ステップＳ１０９までの処理によって、当該対象エリアまでの距離データ群（３次元的な距離データのリスト）を得る。この距離データ群は、ステップＳ１０４において撮像した画像データやその他データ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶される。また、表示部４０５（図４参照）に測定された距離情報が表示される。

そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ１１０からステップＳ１１１に進み、処理を終了し、そうでなければ、ステップＳ１０５の前段階に戻り、ステップＳ１０５以下の処理を再度実行する。

（第１の測定動作の特徴）
上述した第１の測定動作によれば、測長距離の相対的な大小（遠いか、近いか）によって、測距光の波長が手動で選択される。すなわち、対象物までの距離が遠い場合には、長距離伝搬に有利な波長１０６４ｎｍのレーザ光（基本波）を選択し、対象物までの距離が近い場合は、長距離伝搬には、不利であるが、測定対象物の測定分解能の高い波長５３２ｎｍのレーザ光（第２高調波）が選択される。

（第２の測定動作）
ここでは、距離の測定を行う環境の空気透明度に応じて、測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図７は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。処理のスタート（ステップＳ２０１）からステップＳ２０３までは、図６のステップＳ１０１からＳ１０３と同じである。ステップＳ２０３の後、測定エリアの撮像が行われ（ステップＳ２０４）、また測定エリアの設定が行われる（ステップＳ２０５）。

次にステップＳ２０４において撮像された画像の内容が画像処理部４１３（図４参照）において解析され、測定環境の透明度（空気の透明度）が算出される。この透明度から塵や水蒸気等の分散値が算出され、塵や水蒸気等の影響が計測される。そして、この計測結果に基づき、散乱物質の量が判定され（ステップＳ２０６）、散乱物質が多いと判定された場合には、長波長λ_１でのエリアスキャンが行われ（ステップＳ２０７）、散乱物質が多くないと判定された場合には、短波長λ_２でのエリアスキャンが行われる（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０６における判定の基準は、予め実験的に求めておいたものを用いる。

ステップ２０９以下の処理は、図６のステップ１０９以下の処理と同じであるので、説明は省略する。なお、測定環境の透明度を操作者が判断し、ステップＳ２０６の真偽を判定する設定を操作者がマニュアル操作で装置に入力するようにすることもできる。

（第２の測定動作の特徴）
上述した第２の測定動作によれば、測長環境の空気の透明度に応じて、測距光の波長が選択される。すなわち、空気の透明度が高い場合は、光の散乱が少ないので、出力強度は低いが、高分解能の測長を行うことができる波長５３２ｎｍ（λ_２）の短波長光が選択される。この場合、高分解能の測長を行うことができる。

一方、測長環境の透明度が悪い場合は、出力強度が高い長波長の測距光（波長１０６４ｎｍ（λ_１））が選択される。この場合、測定分解能は犠牲になるが、透明度の悪い悪条件であっても、測長を行うことができる。

このように、測長環境の透明度に応じて、測距光の波長を選択することで、測長環境が悪くても（測定環境の透明度が悪くても）測長を行うことができ、また測長環境が良い場合は、高分解能の測長を行うことができる。

（第３の測定動作）
ここでは、測定対象物の色に応じて、測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図８は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ３０１）からステップＳ３０５までは、図７のステップＳ２０１からＳ２０５と同じである。

ステップＳ３０５の後、画像処理部４１３において、ステップＳ３０４で撮像した画像のデータに対して画像処理を行い、測定エリアの画像をＲＧＢの３色素の画像に分解する（ステップＳ３０６）。ＲＧＢの各画像データは、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶させる。

次に、短波長の波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ３０７）。この際、各測定点におけるデータを各測定点の座標データと関連付けて取得し、ＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、この段階で距離算出のための演算は行わず、発光制御部４１１から出力されるレーザパルスの出力タイミングに関するデータと、それに対応する信号処理部から出力される当該レーザパルスの受光タイミングに関するデータをそのまま（生データとして）ＲＡＭ４０２に記憶させる。

次に、長波長の波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ３０８）。この際も各測定点におけるデータを取得し、その生データをＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、ステップＳ３０７とＳ３０８とは、その実行順序が逆であっても良い。

次にＲＡＭ４０２（図４参照）内から、ステップＳ３０７およびＳ３０８において取得したデータ、および測定エリアの撮像画像をＲＧＢに分解した画像データを読み出し、以下の処理を行う。この処理では、ＣＣＤ２０９の撮像画像中における複数ある計測点について、次の処理を行う。すなわち、例えば格子状に設定された撮像画像中の計測点を左上から順に調べ、当該計測点が、ＲおよびＢの色素である（またはその成分の影響が大である）場合に、その計測点の距離データとしてλ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光のデータを選択する。また、当該計測点が、Ｇの色素である（またはその成分の影響が大である）場合に、その計測点の距離データとしてλ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光のデータを選択する（ステップＳ３０９）。

ステップＳ３０９におけるデータ選択の後、選択されたデータに基づく距離の算出が行われ、測定エリア内の測定値に関する距離を測定する（ステップＳ３１０）。こうして当該対象エリアまでの距離データ群を得る。この距離データ群は、ステップＳ３０４において撮像した画像データやその他のデータ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２に記憶される。また、表示部４０５に測定された距離情報が表示される。そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ３１１からステップＳ３１２に進み、そうでなければ、ステップＳ３０５以下の処理を再度実行する。

この処理によれば、測距光が照射された対象物（計測点）の色がＲとＢである場合、波長５３２ｎｍの吸収率が高いので、λ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光の反射光量が十分に得られないと予測し、より大きな反射光量が期待できるλ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光を選択する。また、逆に測距光が照射された対象物（計測点）の色がＧである場合、波長１０６４ｎｍの吸収率が高いので、λ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光の反射光量が十分に得られないと予測し、より大きな反射光量が期待できるλ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光を選択する。これにより、測定エリア内の色彩分布に応じて、適宜より大きな反射光量を期待できる波長の測距光を選択することができ、反射光量の不足による計測誤差を減らすことができる。

（第３の測定動作の特徴）
第３の測定動作によれば、測定対象物における反射強度の波長依存性の問題を緩和あるいは解決することができる。すなわち、測定対象物の色や材質によって、反射率の波長依存性があり、測定対象物と波長との組み合わせによって、反射光の強度が微弱になり、その検出が困難になる場合があるが、測距光として２種類の波長を用い、画像解析から測距光の照射位置の反射状態を推測し、その結果に応じて、いずれかの測距光の反射光データを選択することで、より大きな反射光量の受光データを利用することができる。このため、測定対象物と波長との組み合わせによって、反射光の強度が微弱になり、その検出が困難になる問題を緩和あるいは解決することができる。

（第４の測定動作）
ここでは、２種類の波長の測距光を対象物に照射し、反射光の強度の高い方の反射光データ用いる例を説明する。図９は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ４０１）からステップＳ４０５までは、図８のステップＳ３０１からＳ３０５と同じである。

ステップＳ４０５において、測定エリアを設定したら、短波長の波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ４０６）。この際、各測定点におけるデータを各測定点の座標データと関連付けて取得し、ＲＡＭ４０２（図４参照）内にそれを記憶させておく。なお、この段階で距離算出のための演算は行わず、発光制御部４１１から出力されるレーザパルスの出力タイミングに関するデータと、それに対応する信号処理部４１２から出力される当該レーザパルスの受光タイミングに関するデータをそのまま（生データとして）ＲＡＭ４０２に記憶させる。また、信号処理部４１２は、受光した反射光の受光強度（受光素子の出力レベル）に関する情報を出力し、この情報は、上記受光タイミングに関するデータに関連付けされてＲＡＭ４０２に記憶される。

次に、長波長の波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ４０７）。この際も各測定点における送受のタイミングデータおよび受光強度のデータを取得し、その生データをＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、ステップＳ４０６とＳ４０７とは、その実行順序が逆であっても良い。

次にＲＡＭ４０２（図４参照）内から、ステップＳ４０６およびＳ４０７において取得したデータを読み出し、同一の測定点における２つの反射測距光の受信強度を比較する。そして、より高強度の受光データを選択する（ステップＳ４０８）。この処理は、例えば図４の比較判定部４２１において行われる。勿論、この処理をＣＰＵ４０１において行っても良い。

次に選択された受光データを用いての距離の算出が、測定点毎に行われる（ステップＳ４０９）。ステップＳ４０９の処理の内容は、ステップＳ１０９と同じである。こうして当該対象エリアまでの距離データ群を得る。この距離データ群は、ステップＳ４０４において撮像した画像データやその他のデータ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶される。また、表示部４０５（図４参照）に測定された距離情報が表示される。そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ４１０からステップＳ４１１に進み、そうでなければ、ステップＳ４０５以下の処理を再度実行する。

第４の測定動作によれば、測距光として２種類の波長を用い、より受光強度の大きい反射光の受光データが採用されるので、塵や濃霧の影響による測定誤差の増大や測定不能の問題、対象物の色や材質に起因する反射光が微弱となる問題を緩和、あるいは解決することができる。

（３）第３の実施形態
（制御系の構成）
次に、第２の実施形態とは異なる方式で距離の測定を行う装置の例を説明する。本実施形態における距離測定装置のハードウェア構成は、基本的に第２の実施形態の説明において述べた図３に例示する距離測定装置と同じである。この例では、基本波と第２高調波の２波を同時に被測定対象物に照射し、受光側で所定の条件に基づいて反射光に含まれる何れかの波長の測定光を選択し、距離の測定を行う構成について説明する。

以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。本実施形態が第２の実施形態と異なるのは、図４における信号処理部４１２の構成および動作制御（データの処理方法）にある。本実施形態でも、図１に例示するレーザ装置１０を測距光発光部２０５として採用する。この例では、レーザ装置１０を基本波と第２高調波とを同時に出力する出力モード３で用いる。

図１０は、本実施形態における信号処理部４１２の構成を示すブロック図である。図１０には、波長１０６４ｎｍ（λ_１）（基本波）のレーザ光が第１の受光部に入射し、波長５３２ｎｍ（λ_２）（第２高調波）のレーザ光が第２の受光部に入射する状態が概念的に示されている。第１の受光部および第２の受光部が出力したパルス信号は図示省略したアンプで増幅され、信号処理部４１２に入力する。

信号処理部４１２は、比較判定部４２１と時間計測部４００を備えている。まず、比較判定部４２１は、第１の受光部２０７のパルス信号と第２の受光部２０８のパルス信号とのパルス幅を所定の周波数に基づいてサンプリング検出する。そして、比較判定部４２１は、パルス信号を検出後、どちらの波長を距離の算出に用いるかを判定して、時間計測部４００にエンドトリガ信号を出力する。

時間計測部４００は、予め測距光発光部２０５がレーザ光を出射したときにスタートトリガ信号を入力してカウントを開始し、比較判定部４２１から入力したエンドトリガ信号でカウントを停止する。時間計測部４００は、停止した際のカウント値（レーザ光の飛行時間）をバッファに配列データとして格納する。バッファに格納されたレーザ光の飛行時間の配列データは、ＲＯＭ４０３に格納された後述するプログラム（データ処理部４２３）によって読み出し可能となる。

（第１の測定動作）
以下、本実施形態における距離測定装置１（図３参照）における距離測定動作の一例を説明する。ここでは、対象物までの測定距離に応じて、測定に用いるレーザ光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図１１は、距離の測定を行う手順の一例を示すフローチャートである。この例の場合、距離測定装置１の操作部４１４（図４参照）は、長距離測定エリアと短距離測定エリアの２種類の測定エリアを手動で設定するための設定ボタンを供えている。また、ＲＯＭ４０３には、以下の処理手順を実行するのに必要な動作プログラムが記憶されている。

操作部４１４が操作されて、距離計測の処理がスタートすると（ステップＳ６０１）、ＲＯＭ４０３に記憶されている上記の動作プログラムがＲＡＭ４０２に読み出され、以下の動作が開始される。まず基準点を設置する処理が行われる（ステップＳ６０２）。この基準点に関するデータは、以下の処理において求められる各測定点の距離データに関連付けされ、最終的な３次元計測データが得られる。なお、この基準点に関するデータは、距離測定装置１を計測現場に設置した際に、手動入力やＧＰＳ衛星を用いた位置特定装置からのデータ伝送によって距離測定装置１に入力される。

ステップＳ６０２の後、整準実行・完了の処理が行われる（ステップＳ６０３）。この処理では、装置の水平や方角を決める調整が行われる。この処理は、図示省略する水準器や方角センサの出力に基づいて自動的に行われる。ステップＳ６０３までの処理が終了したら、その旨が図４の表示部４０４に表示される。次に距離測定装置１を操作する者が照準装置３１１を用いて、距離の測定を行う対象物に狙いを定め、距離測定装置１の大体の方向を定める。そして、図４の操作部４１４が操作されて、ＣＣＤカメラ２０９（図３参照）による測定エリアの撮像（ステップＳ６０４）が行われる。また、撮像した画像に基づいて測定エリアの設定が行われる（ステップＳ６０５）。

また、このタイミングにおいて、操作者は操作部４１４を操作し、測定距離が短距離か、長距離かを選択する設定を行う（ステップＳ６０５）。この際、操作者は、対象物までの距離を目測し、それが波長１０６４ｎｍのレーザ光の利用が適当な長距離測定範囲（約５０ｍ〜８００ｍ）か、あるいは波長５３２ｎｍのレーザ光が利用できる短距離測定範囲（約１ｍ〜５０ｍ）かを判断し、何れかの範囲を設定する操作を行う。

ステップＳ６０６では、長波長（波長１０６４ｎｍ＝λ_１）（基本波）と短波長（波長５３２ｎｍ＝λ_２）（第２高調波）のパルスレーザ光を同時出力した測定エリアスキャンが行われる。すなわち、測距光発光部２０５を構成するレーザ装置（図１参照）が動作し、波長１０６４ｎｍ（λ_１）と波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光を同時に出力する。このパルスレーザ光は、図４に示す測距光発光部２０５から出力され、斜め反射ミラー２１０で図の上方に反射され、集光レンズ２０２および回転反射ミラー３０２を経て、測定エリアに照射される。

この際、レーザ光は、測定エリア内に設定された複数の測定点を順次走査しつつ当該測定点（各対象物）に照射される。例えば、この測定点は、測定エリア内に格子状にｍ×ｎ個（ｍ、ｎは０を含まない自然数）設定されており、各測定点に少なくとも２以上のパルスのレーザ光が照射される。また、このパルス発振に対応させて、回転光学部３の水平測角と回転反射ミラー３０２の仰角が逐次制御される。

ステップＳ６０６において、測定エリア内の対象物で反射して距離測定装置１に戻ってきたレーザ光の反射光は、その波長に対応して選択反射ミラー２０３（図３参照）によって分光され、第１の受光部２０７または第２の受光部２０８において受光される。すなわち、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の反射光は、第１の受光部２０７において受光される。また、波長５３２ｎｍ（λ_２）の反射光は、第２の受光部２０８において受光される。

ステップＳ６０７において、比較判定部４２１は、ステップＳ６０５で設定された対象物までの距離に関する設定内容を読み取り、長距離範囲の設定の場合には第１の受光部２０７のパルス出力（波長１０６４ｎｍ＝λ_１）を検出後に時間計測部４００にエンドトリガ信号を出力し、短距離範囲の設定の場合には第２の受光部２０８のパルス出力（波長５３２ｎｍ＝λ_２）を検出後に時間計測部４００にエンドトリガ信号を出力する。

ステップＳ６０６における対象物へのレーザ光の照射が行われているタイミングに同期して、エンドトリガ信号を入力した時間計測部４００は、カウントされたレーザ光の飛行時間をバッファに格納し、カウントを初期化する。そして、測距光発光部２０５から再度スタートトリガ信号を入力して時間を計測し始める。この時間計測処理は、ステップＳ６０５において設定された測定エリア内の格子状の測定点に測距光を連続照射し、その走査に対応させて繰り返し実行される。

その後、データ処理部４２３（図１０参照）は、レーザ光の飛行時間の配列データを時間計測部４００のバッファからＲＡＭ４０２（図４参照）に読み出し、この飛行時間に光速を乗算して対象物までの距離を測定する（ステップＳ６０８）。ステップＳ６０８までの処理によって、データ処理部４２３は、基準点から測定エリアの３次元点群データを生成する。この３次元点群データは、ステップＳ６０４において撮像した測定エリアの画像データ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２に記憶される。また、表示部４０４（図４参照）に測定された距離情報が表示される。そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ６０９からステップＳ６１０に進み、処理を終了し、そうでなければ、ステップＳ６０５の前段階に戻り、ステップＳ６０５以下の処理を再度実行する。

（第２の測定動作）
ここでは、距離の測定を行う環境の空気透明度に応じて、レーザ光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図１２は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。処理のスタート（ステップＳ７０１）からステップＳ７０４までは、図１１のステップＳ６０１からＳ６０４と同じである。ステップＳ７０４の後、測定エリアの設定が行われる（ステップＳ７０５）。

ステップＳ７０５において、操作者は、操作部４１４からマニュアル操作により測定環境の空気透明度を選択することができる。例えば、空気の透明度は「良」、「不良」の２種類から選択されるように操作部４１４を構成し、測定環境が地下トンネル内や霧発生などの高湿度環境や塵などが多いスモッグ環境である場合には、空気の透明度を「不良」に設定することにより、波長５３２ｎｍのパルスレーザ光より高強度の出力が得られる波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を距離計測に使用することができる。

なお、ステップＳ７０４において撮像された画像の内容が画像処理部４１３において解析され、測定環境の空気の透明度が自動算出されるようにしてもよい。この空気の透明度の閾値は適宜設定される。ステップＳ７０６以降の処理は、図１１のステップＳ６０６以降の処理と同じであるので、説明は省略する。

（第３の測定動作）
ここでは、測定対象物の色に応じて、レーザ光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図１３は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ８０１）からステップＳ８０５までは、図１２のステップＳ７０１からＳ７０５と同じである。

ステップＳ８０５の後、画像処理部４１３において、ステップＳ８０４で撮像した画像データに対して画像処理を行い、測定エリアの画像をＲＧＢの３色画像に分解する（ステップＳ８０６）。このＲＧＢの画像データは、ＲＡＭ４０２に記憶される。次に、測定エリアスキャンを行う（ステップＳ８０７）。この際、時間計測部４００（図１０参照）は、各測定点における波長１０６４ｎｍ（λ_１）と波長５３２ｎｍ（λ_２）のレーザ光の飛行時間の配列データをバッファに格納する。

そして、データ処理部４２３は、ステップＳ８０６において取得した測定エリアのＲＧＢ画像データを読み出し、以下の処理を行う。まず、測定エリアのＲＧＢ画像を左上のピクセルから順に調べ、このピクセルのＲおよびＢの色成分が強い場合には、その測定点の距離データの算出にλ_１（波長１０６４ｎｍ）のレーザ光の飛行時間データを選択する。また、このピクセルのＧの色成分が強い場合には、その測定点の距離データの算出にλ_２（波長５３２ｎｍ）のレーザ光の飛行時間データを選択する（ステップＳ８０８）。

ステップＳ８０８において飛行時間データが選択された後、データ処理部４２３は、選択された飛行時間データに光速を乗算して距離の測定を行う（ステップＳ８０９）。このステップＳ８０８およびステップＳ８０９の処理は、ＲＧＢ画像のピクセルごと実行される。ステップＳ８１０以降の処理は、図１１のステップＳ６０９以降の処理と同じであるので、説明は省略する。

（第４の測定動作）
ここでは、測定エリアに照射された２波長のレーザ光のうち、反射光の強度の高い方の飛行時間データを用いる例について説明する。図１４は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ９０１）からステップＳ９０５までは、図１３のステップＳ８０１からＳ８０５と同じである。

波長１０６４ｎｍ（λ_１）と波長５３２ｎｍ（λ_２）の２波長のレーザ光を同時出力した測定エリアスキャンが行われる（ステップＳ９０６）。この際、比較判定部４２１は、２波長のパルスを検出して同一の測定点における２波長（λ_１、λ_２）の反射光の受光強度を比較する。そして、比較判定部４２１はより高強度の波長の飛行時間データを選択してバッファに格納する（ステップＳ９０７）。ステップＳ９０８以降の処理は、図１１のステップＳ６０８以降の処理と同じであるので、説明は省略する。

（その他）
以下、本明細書で開示されている発明について簡素に説明する。本明細書には、出力光が相対的に長波長の第１の波長λ_１を有し、前記出力光の高調波が相対的に短波長の第２の波長λ_２を有し、前記λ_１が赤外光の波長域であり、前記λ_２が可視光の波長域である内容が開示されている。

本明細書には、レーザ発振部は、レーザ媒質を含み、レーザ媒質は、ＮｄイオンまたはＥｒイオンをドープした結晶またはファイバである内容が開示されている。本明細書には、対象物までの距離に基づいて、基本波を用いるか高調波を用いるか選択する内容が開示されている。

本明細書には、対象物との間における空気の透明度を検出する透明度検出手段を備え、透明度検出手段の出力に基づいて基本波を用いるか高調波を用いるか選択する内容が開示されている。本明細書には、対象物を含む対象エリアを撮影する画像撮影部と、画像撮影部で撮影された画像を赤緑青の３色に分解し、対象物の色彩データを得る画像処理部とを備え、色彩データに基づいて、基本波を用いるか高調波を用いるか選択する内容が開示されている。本明細書には、受光部で受光した光の受光強度に基づいて、基本波を用いるか高調波を用いるか選択する内容が開示されている。

本明細書には、測定エリアまでの距離の相対的な遠近を選択する選択部を備え、信号処理部は、選択部で選択された測定エリアまでの距離の相対的な遠近に基づいて第１の受光部の出力信号または第２の受光部の出力信号を選択して測定エリアの測定点までの距離を測定する内容が記載されている。本明細書には、測定エリアにおける空気の透明度を選択する選択部を備え、信号処理部は、選択部で選択された測定エリアにおける空気の透明度に基づいて第１の受光部の出力信号または第２の受光部の出力信号を選択して測定エリアの測定点までの距離を測定する内容が記載されている。

本明細書には、測定エリアの画像を撮影する画像撮影部と、画像撮影部で撮影された画像を赤緑青の３色の画像に色分解する画像処理部とを備え、信号処理部は、画像処理部が色分解した画像の色成分に基づいて第１の受光部の出力信号または第２の受光部の出力信号を選択して測定エリアの測定点までの距離を測定する内容が記載されている。本明細書には、信号処理部は、第１の受光部および第２の受光部の受光強度に基づいて第１の受光部の出力信号または第２の受光部の出力信号を選択して測定エリアの測定点までの距離を測定する内容が記載されている。

本発明は、レーザ光を出力するレーザ装置、さらにレーザ光を用いて距離を測定する距離測定装置に利用することができる。

発明を利用したレーザ装置の概要を示す概念図である。基本波を入射した場合に非線形結晶から出射される第２高調波の温度依存性を示すグラフである。発明を利用した距離測定装置の概要を示す概念図である。距離測定装置の制御系の構成を示すブロック図である。信号処理部の構成を示す概念図である。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。信号処理部の他の一例を示す概念図である。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…レーザ装置、１０１…半導体レーザ装置、１０２…集光レンズ、１０３…レーザ共振器、１０４…レーザ媒質、１０５…過飽和吸収体、１０６…出力鏡、１０７…非線形結晶、１０８…加熱冷却装置、１０９…温度センサ、１１１…光軸、１２０…波長選択装置、２０１…ステータ、２０２…集光レンズ、２０３…選択反射ミラー、２０５…測距光発光部、２０７…第１の受光部、２０８…第２の受光部、２０９…ＣＣＤカメラ。

Claims

レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から出力される基本波が入射され、温度によって前記基本波の高調波への変換効率が変化し、反転分極構造を有する非線形結晶と、
前記非線形結晶の温度を制御することで、前記非線形結晶から出力される前記基本波と前記高調波の比率を制御する比率制御手段と、
前記非線形結晶からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、
前記対象物から反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部と、
前記基本波または前記高調波を選択する出力光選択手段と、
を備え、
前記出力光選択手段において選択された前記基本波または前記高調波を前記出力部から前記所定の対象物に出力することを特徴とする距離測定装置。
レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から出力される基本波が入射され、温度によって前記基本波の高調波への変換効率が変化し、反転分極構造を有する非線形結晶と、
前記非線形結晶の温度を制御することで、前記非線形結晶から出力される前記基本波と前記高調波の比率を制御する比率制御手段と、
前記非線形結晶からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、
前記対象物から反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部と
を備え、
前記出力部からは、前記基本波と前記高調波とが同時に出力され、
前記受光部は、前記基本波の反射光を受光する第１の受光部と、前記高調波の反射光を受光する第２の受光部とを備え、
前記信号処理部は、所定の条件に基づいて、前記第１の受光部の出力信号または前記第２の受光部の出力信号を選択し、前記対象物までの距離の算出を行うことを特徴とする距離測定装置。