JP5568893B2 - Laser ranging device and laser ranging method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ測距装置及びレーザ測距方法に関し、特に、ランデブドッキング用のレーザ測距装置及びレーザ測距方法に関する。 The present invention relates to a laser distance measuring device and a laser distance measuring method, and more particularly to a laser distance measuring device and a laser distance measuring method for rendezvous docking.
宇宙ステーションに物資を運ぶ無人の輸送機の開発が各国で行われているが、無人ドッキングの技術は実績が少なく、高精度と高信頼性が要求されている。このためには、軌道上で健全性を確認する機能が必須であり、独自の角度基準を持ち、必要時にいつでも健全性確認や角度校正を行えることが重要となる。 Although unmanned transport aircraft that transport goods to the space station are being developed in various countries, unmanned docking technology has little track record and high accuracy and high reliability are required. For this purpose, a function for confirming soundness on the orbit is essential, and it is important to have a unique angle reference and perform soundness confirmation and angle calibration whenever necessary.
一方、上記輸送機では搭載品に対するリソース要求が厳しく、電力・重量への制限から大掛かりな装置は搭載性から不可であり、必要最小限のコンポーネントで上記機能を達成することが期待されている。 On the other hand, in the above-mentioned transport aircraft, the resource requirements for the mounted products are severe, and a large-scale device is impossible due to restrictions on power and weight, and it is expected to achieve the above functions with the minimum necessary components.
このような背景から、レーザ測距装置を用いて計測する方法が提案されており、例えば、下記特許文献1には、内部リファレンスとしての距離校正用の光ファイバ及びスキャナの走査範囲内の角度校正用のリファレンス位置を入射位置とした光ファイバを備えるレーザビームのスキャナを有する走査型のレーザ測距装置が開示されている。 From such a background, a method of measuring using a laser range finder has been proposed. For example, in Patent Document 1 below, an optical fiber for distance calibration as an internal reference and an angle calibration within a scanning range of a scanner are proposed. A scanning laser distance measuring device having a laser beam scanner including an optical fiber having an incident reference position as an incident position is disclosed.
上記スキャナを使用した走査型のパルスレーザ測距装置では、振動環境や熱環境により送信光のポインティングが初期値から変化してしまうことが問題となる。このレーザ測距装置を地上で使用する場合には、上記誤差を外部の基準ターゲットなどを用いて校正することができるが、宇宙空間で使用する場合には、基準を外部に用意することができないケースが多い。このため、内部リファレンスを使用することが考えられている。 In the scanning pulse laser range finder using the scanner, there is a problem that the pointing of the transmitted light changes from the initial value due to the vibration environment or the thermal environment. When this laser distance measuring device is used on the ground, the above error can be calibrated using an external reference target or the like, but when used in outer space, a reference cannot be prepared outside. There are many cases. For this reason, it is considered to use an internal reference.
角度校正用に内部リファレンスを用いる場合、測距用の光源の他にリファレンス用の光源を別に用意するか、送信用のビームを用いる場合には、必要な走査範囲から外れたところにリファレンス用光検出器を設置する必要がある。しかしながら、前者(特許文献1)では、本来の送信ビームのポインティングが本当に正しいのかが不明であり、後者では、本来精度が必要な走査範囲のリファレンスにはならないことが問題となっていた。 When an internal reference is used for angle calibration, a reference light source is prepared in addition to the distance measuring light source, or when a transmission beam is used, the reference light is out of the required scanning range. It is necessary to install a detector. However, in the former (Patent Document 1), it is unclear whether the original pointing of the transmission beam is really correct, and in the latter, there is a problem that it cannot be a reference of a scanning range that originally requires accuracy.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ポインティングリファレンスを簡単な構成で走査範囲内に設置することができるレーザ測距装置及び当該レーザ測距装置を用いたレーザ測距方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its main purpose is to use a laser range finder capable of setting a pointing reference in a scanning range with a simple configuration and the laser range finder. It is to provide a laser ranging method.
上記目的を達成するため、本発明は、レーザビームを第1のミラー及び第2のミラーで2次元に走査するレーザ測距装置において、前記レーザビームの送信側の前記第2のミラーは、前記レーザビームを部分的に透過するミラーであり、前記第2のミラーを透過したリファレンス用レーザビームを当該第2のミラーに反射する第3のミラーと、前記第3のミラーで反射され、前記第2のミラーの裏面で反射された前記リファレンス用レーザビームを集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記リファレンス用レーザビームを検出する2次元アレイ状の検出器と、を更に備え、前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度情報と前記検出器の検出信号と、に基づいて規定値からの変位量を計算し、前記変位量に基づいて前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度を校正するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a laser range finder that scans a laser beam two-dimensionally with a first mirror and a second mirror, wherein the second mirror on the laser beam transmission side includes: A mirror that partially transmits a laser beam; a reference laser beam that has passed through the second mirror; a third mirror that reflects the second mirror; the third mirror that reflects the reference laser beam; A condensing optical system for condensing the reference laser beam reflected by the back surface of the two mirrors, and a two-dimensional array detector for detecting the reference laser beam condensed by the condensing optical system; , And calculating a displacement amount from a specified value based on angle information of the first mirror and the second mirror and a detection signal of the detector, and based on the displacement amount, the first mirror Mirror and is intended to calibrate the angle of the second mirror.
本発明のレーザ測距装置及びレーザ測距方法によれば、従来、2つの光源を用いるか、装置の走査範囲外にしか設置できなかったポインティングリファレンスを、簡単な構成で装置の走査範囲に設置することができ、測距用の送信ビームそのもののポインティングを検出することが可能となる。また、その検出信号を元に走査角度の校正を行なうことが可能となる。 According to the laser distance measuring device and the laser distance measuring method of the present invention, a pointing reference that has conventionally been used only with two light sources or outside the scanning range of the device can be installed in the scanning range of the device with a simple configuration. It is possible to detect the pointing of the transmission beam for distance measurement itself. Further, the scanning angle can be calibrated based on the detection signal.
背景技術で示したように、人工衛星や宇宙ステーションへ輸送機がドッキングする際に使用する計測器として、レーザ測距装置を利用する方法が提案されている。このレーザ測距装置では、振動環境や熱環境により送信光のポインティングが初期値から変化してしまうことから、内部リファレンスが使用されるが、測距用の光源の他にリファレンス用の光源を用意した場合、本来の送信ビームのポインティングが本当に正しいのかが分からず、また、送信用のビームを用いる場合、必要な走査範囲から外れたところにリファレンス用光検出器を設置する必要があり、本来精度が必要な走査範囲のリファレンスにはならないという問題があった。 As shown in the background art, a method using a laser range finder has been proposed as a measuring instrument used when a transport aircraft is docked to an artificial satellite or a space station. This laser distance measuring device uses an internal reference because the pointing of the transmitted light changes from the initial value due to the vibration environment or thermal environment, but a reference light source is prepared in addition to the distance measuring light source. In this case, it is not known whether the pointing of the original transmission beam is really correct, and when using the transmission beam, it is necessary to install a reference photodetector outside the required scanning range, which is inherently accurate. However, there is a problem that it is not a reference for a necessary scanning range.
そこで、本発明では、輸送機側に搭載したレーザ測距装置から人工衛星や宇宙ステーションのマーカ(コーナキューブリフレクタ等)を2次元のスキャナによりレーザを走査して、パルスレーザの往復時間から得られる距離情報とスキャナの角度情報からマーカの位置を算出し、輸送機を誘導するレーザ測距装置において、打上時の振動や衝撃などの環境条件で変化する角度ズレを検出し、精度の健全性を検出すると共に、万が一ずれていた場合には角度校正値として使用できるようにする。 Therefore, in the present invention, a laser ranging device mounted on the transport aircraft side is scanned with a satellite or a space station marker (corner cube reflector, etc.) with a two-dimensional scanner, and obtained from the round trip time of the pulse laser. The position of the marker is calculated from the distance information and the angle information of the scanner, and in the laser distance measuring device that guides the transport aircraft, angle deviations that change due to environmental conditions such as vibration and impact at the time of launch are detected, and the soundness of accuracy is improved. In addition to being detected, in the event of a deviation, it can be used as an angle calibration value.
具体的には、ポインティングリファレンス光学系とポインティング検出器を用いることで、初期値からのズレを検出し、万が一ずれていた場合にはスキャナ部への角度校正値として使用する。ポインティングリファレンス光学系は、スキャナミラーからの送信ビームの部分透過光を反射させ、再度スキャナ部に戻す機能を持つ。平行平板ガラスで作られたスキャナミラーの透過光は、スキャナの角度を変化させてもポインティングには影響しない。このため、部分透過光はスキャナミラーに入射したビームのポインティング情報を保持していることを意味する。もし、スキャナミラーに入射したビームが何らかの原因でずれていた場合、スキャナ部を事前に測定していた角度に設定しても、部分透過したビームのポインティングは事前に取得していた角度からずれてしまう。このずれたポインティングを、例えば4象限の光検知器を用いたポインティング検出器で検知することで、初期値との差異が分かる。また、初期値との差異をさらにスキャナのオフセット情報に盛り込むことで、校正値としても使用できる。 Specifically, by using a pointing reference optical system and a pointing detector, a deviation from the initial value is detected, and in the unlikely event, it is used as an angle calibration value to the scanner unit. The pointing reference optical system has a function of reflecting the partially transmitted light of the transmission beam from the scanner mirror and returning it to the scanner unit again. The transmitted light of the scanner mirror made of parallel flat glass does not affect the pointing even if the scanner angle is changed. For this reason, the partially transmitted light means that the pointing information of the beam incident on the scanner mirror is held. If the beam incident on the scanner mirror deviates for some reason, the pointing of the partially transmitted beam deviates from the previously acquired angle even if the scanner unit is set to the previously measured angle. End up. By detecting this shifted pointing with a pointing detector using, for example, a four-quadrant photodetector, the difference from the initial value can be found. Further, by incorporating the difference from the initial value into the offset information of the scanner, it can also be used as a calibration value.
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係るレーザ測距装置及びレーザ測距方法について、図1乃至図4を参照して説明する。図1は、本発明の一実施例に係るポインティングリファレンス機能を持つレーザ測距装置の構成を示すブロック図であり、図2は、レーザ測距装置の2軸スキャナの概略構成を示す斜視図である。また、図3は、レーザ測距装置の光学系の配置例を示す図であり、図4は、ポインティングリファレンス検出器の原理を示す図である。 In order to describe the above-described embodiment of the present invention in more detail, a laser distance measuring apparatus and a laser distance measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser range finder having a pointing reference function according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of a biaxial scanner of the laser range finder. is there. FIG. 3 is a diagram showing an arrangement example of the optical system of the laser distance measuring device, and FIG. 4 is a diagram showing the principle of the pointing reference detector.
図1に示すように、本実施例のポインティングリファレンス機能を持つレーザ測距装置10は、レーザ11、送受信光学部12、スキャナ部13、スキャナ駆動部14、受光部15、測距カウンタ部16、レベル検出部17、ポインティングリファレンス光学系18、ポインティング検出器19、制御部20、電源部21などによって構成される。
As shown in FIG. 1, a laser distance measuring device 10 having a pointing reference function according to the present embodiment includes a
レーザ11は、パルスレーザを発射する。送受信光学部12は、送信ビームの整形及び受信光の受光部15への伝送を行う。スキャナ部13は、レーザビームを2次元に走査し、かつ送信光の一部を部分透過する。スキャナ駆動部14は、このスキャナに角度指令信号を送信する。受光部15は、送受信光を検知し、電気信号へ変換する。測距カウンタ部16は、受光部15からの送受信パルスから送受信パルス間の時間をカウントする。レベル検出部17は、受信パルスのレベルを検出する。ポインティングリファレンス光学系18は、スキャナの部分透過光をポインティング検出器19に伝送する。ポインティング検出器19は、ポインティングリファレンス光学系18から伝送される送信光の部分透過光から送信ビームのポインティングを検出する。制御部20は、スキャナの角度情報・ポインティング検出器19からのポインティング検出信号から初期値との差異を計算し、ズレが発生していた場合にスキャナ角度の校正を行う。電源部21は、それら各部に電力を供給する。
The
また、図2及び図3に示すように、スキャナ部13は、レーザビームを2次元に走査する2つのミラー(fast軸ミラー及びslow軸ミラー)などを備え、slow軸ミラーは、送信光の一部を部分透過する部分透過型ミラー13aとして機能する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
また、ポインティングリファレンス光学系18は、上記部分透過型ミラー13aからの部分透過光を反射するミラー(正対ミラー18a)と、ポインティング検出器19(4象限検知器など)の検知面へビームを集光する集光光学系(集光レンズ18b)などを備える。なお、スキャナ部13のfast軸ミラー及びslow軸ミラーを基準位置にした場合に、正対ミラー18aの法線は、fast軸ミラーで反射したレーザビームの光軸と一致し、集光レンズ18b及びポインティング検出器19の光軸は、slow軸ミラーで反射したレーザビームの光軸と一致する。
The pointing reference optical system 18 collects a beam on the detection surface of a mirror (facing mirror 18a) that reflects the partially transmitted light from the partial transmission mirror 13a and a pointing detector 19 (such as a four-quadrant detector). A condensing optical system that emits light (condensing lens 18b) is provided. When the fast axis mirror and the slow axis mirror of the
次に、本実施例のレーザ測距装置10の動作の概要を説明する。 Next, an outline of the operation of the laser distance measuring device 10 of the present embodiment will be described.
先ず、通常のレーザ測距動作について説明する。 First, a normal laser ranging operation will be described.
レーザ11から出力されたパルスは、送受信光学部12でビームを整形し、スキャナ部13へ伝送する。スキャナ部13では、ビームを2軸に走査することで角度情報を得ることができ、ターゲットからの反射光を受信し、受光部15で電気信号へ変換し、レーザ発射時の送信光パルスとの時間をカウントすることでターゲットまでの距離を計測することができ、2軸の角度と距離情報からの3次元情報を得ることができる。
The pulse output from the
次に、ポインティングリファレンス機能について説明する。 Next, the pointing reference function will be described.
図2及び図3に示すように、スキャナ部13のミラーで反射され、ターゲットへ送信するビームの一部を、スキャナミラーの部分透過光を使用してポインティングリファレンス光学系18へ伝送する。この部分透過光は、正対ミラー18aで反射され、再度スキャナミラー(部分透過型ミラー13a)に伝送される。そして、スキャナミラーの裏面(送信用のミラー面とは逆の面)で再度反射され、集光レンズ18bでポインティング検出器19の光検知面に集光される。
As shown in FIGS. 2 and 3, a part of the beam reflected by the mirror of the
集光点の位置は送信光のポインティング情報を持っており、集光点の位置を4象限の光検出器などで検出することで、送信光のポインティングを確認することができる。送信光のポインティングは、スキャナの角度で変化するが、スキャナミラーの裏面で反射されるポインティング検出用のビームも同時に変化し、スキャナの角度とポインティング検出器上の集光点の位置の関係は初期値として記録できる。この記録された初期値と、軌道上での健全性確認データとを比較することで、異常の判断や校正値に使用することが可能になる。 The position of the condensing point has pointing information of the transmission light, and the pointing of the transmission light can be confirmed by detecting the position of the condensing point with a four-quadrant photodetector or the like. The pointing of the transmitted light changes with the angle of the scanner, but the pointing detection beam reflected on the back of the scanner mirror also changes at the same time, and the relationship between the scanner angle and the position of the focal point on the pointing detector is initial. Can be recorded as a value. By comparing the recorded initial value with the soundness confirmation data on the orbit, it is possible to use it for the determination of abnormality and the calibration value.
次に、ポインティング検出器19の動作について説明する。ここでは、一例として、4象限の光検出器を用いた場合を説明する。同様の動作はCCD(Charge Coupled Devices)などの2次元アレイセンサを使用しても可能である。
Next, the operation of the pointing
図4に示すように、スキャナミラー(部分透過型ミラー13a)の裏面で反射されたレーザビームをポインティングリファレンス光学系18で集光して4分割光検知器に入力し、4チャンネルの電気信号に変換する。変換されたアナログ信号をA/D変換して、4チャンネルの信号強度の分布から、レーザビームの方位を検出する。4分割PDはスキャナの2軸(fast軸、slow軸)が図に示す方向になるように設置する。4分割PDの各出力から、制御部20は、下記の処理によってfast軸誤差信号とslow軸誤差信号を出力する。
As shown in FIG. 4, the laser beam reflected by the back surface of the scanner mirror (partially transmissive mirror 13a) is collected by a pointing reference optical system 18 and input to a four-divided photodetector, and converted into a four-channel electrical signal. Convert. The converted analog signal is A / D converted, and the direction of the laser beam is detected from the distribution of the signal intensity of the four channels. The quadrant PD is installed so that the two axes (fast axis and slow axis) of the scanner are in the direction shown in the figure. From each output of the quadrant PD, the
A+BとC+Dの差分=fast軸誤差信号δVfast(単位はV)
A+DとB+Cの差分=slow軸誤差信号δVslow(単位はV)
Difference between A + B and C + D = fast axis error signal δVfast (unit: V)
Difference between A + D and B + C = slow axis error signal δVslow (unit: V)
そして、この誤差信号をA/D変換し、この誤差信号が規定値以下になるように(すなわち、誤差信号をスキャナ部13の2つのミラーの角度情報を用いて補正し、補正した値と予め求めた基準値(2つのミラーを基準位置とした場合の値)とを比較し、その差分が規定値以下になるように)、スキャナのfast軸、slow軸をそれぞれ制御する。この時のfast軸、slow軸のそれぞれの制御角度が、ポインティングの変位量δθfast、δθslowとなる。
Then, the error signal is A / D converted, and the error signal is corrected using the angle information of the two mirrors of the
このように、スキャナ部13のビーム送信側のミラーを部分透過型ミラー13aとすると共に、部分透過光を反射する正対ミラー18aと、正対ミラー18aで反射し、部分透過型ミラー13aの裏面で反射したビームを集光する集光レンズ18bと、集光レンズ18bで集光されたビームを検出する2次元アレイ状の光検出器とを設け、スキャナの角度情報及びポインティング検出器19からのポインティング検出信号から初期値との差異を計算することによりズレを検出し、ズレが発生していた場合にスキャナ角度の校正を行うことができる。
As described above, the mirror on the beam transmission side of the
なお、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その構成及び制御方法は適宜変更可能である。 In addition, this invention is not limited to the said Example, The structure and control method can be changed suitably, unless it deviates from the meaning of this invention.
本発明は、人工衛星や宇宙ステーションにランデブドッキングを行う輸送機や、軌道上サービスを目的とした衛星に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a transport aircraft that performs rendezvous docking on an artificial satellite or a space station, and a satellite for on-orbit service.
10 レーザ測距装置
11 レーザ
12 送受信光学部
13 スキャナ部
13a 部分透過型ミラー
14 スキャナ駆動部
15 受光部
16 測距カウンタ部
17 レベル検出部
18 ポインティングリファレンス光学系
18a 正対ミラー
18b 集光レンズ
19 ポインティング検出器
20 制御部
21 電源部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser
Claims (6)
前記レーザビームの送信側の前記第2のミラーは,前記レーザビームを部分的に透過するミラーであり,
前記第2のミラーを透過した部分透過光を当該第2のミラーに反射する第3のミラーと,
前記第3のミラーで反射され,前記第2のミラーの裏面で反射された前記部分透過光を集光する集光光学系と,
前記集光光学系で集光された前記部分透過光を検出する2次元アレイ状の検出器と,
を更に備え,
前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度情報と前記検出器の検出信号とに基づいて規定値からの変位量を計算し,前記変位量に基づいて前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度を校正する,
ことを特徴とするレーザ測距装置. In a laser range finder that scans a laser beam two-dimensionally with a first mirror and a second mirror,
The second mirror on the laser beam transmission side is a mirror that partially transmits the laser beam,
A third mirror that reflects the partially transmitted light transmitted through the second mirror to the second mirror;
A condensing optical system that condenses the partially transmitted light reflected by the third mirror and reflected by the back surface of the second mirror;
A two-dimensional array of detectors for detecting the partially transmitted light collected by the condensing optical system;
Further comprising
A displacement amount from a specified value is calculated based on angle information of the first mirror and the second mirror and a detection signal of the detector, and the first mirror and the second mirror are calculated based on the displacement amount. Calibrate the mirror angle,
Laser ranging device characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ測距装置. When the first mirror and the second mirror are set to the reference position, the normal line of the third mirror coincides with the optical axis of the laser beam reflected by the first mirror, and the condensing is performed. The optical axis of the optical system and the detector coincides with the optical axis of the laser beam reflected by the second mirror,
2. The laser distance measuring device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ測距装置. The laser range finder is installed in a transport aircraft that is unattended and docked to an artificial satellite or space station.
The laser range finder according to claim 1 or 2, wherein
前記レーザビームの送信側の前記第2のミラーを,前記レーザビームを部分的に透過するミラーとし,
前記第2のミラーを透過した部分透過光を当該第2のミラーに反射する第3のミラーと,
前記第3のミラーで反射され,前記第2のミラーの裏面で反射された前記部分透過光を集光する集光光学系と,
前記集光光学系で集光された前記部分透過光を検出する2次元アレイ状の検出器と,
を更に設け,
前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度情報と前記検出器の検出信号とに基づいて規定値からの変位量を計算し,前記変位量に基づいて前記第1のミラー及び前記第2のミラーの角度を校正する,
ことを特徴とするレーザ測距方法. A laser ranging method using a laser ranging device that scans a laser beam two-dimensionally with a first mirror and a second mirror,
The second mirror on the transmission side of the laser beam is a mirror that partially transmits the laser beam,
A third mirror that reflects the partially transmitted light transmitted through the second mirror to the second mirror;
A condensing optical system that condenses the partially transmitted light reflected by the third mirror and reflected by the back surface of the second mirror;
A two-dimensional array of detectors for detecting the partially transmitted light collected by the condensing optical system;
Further provided,
A displacement amount from a specified value is calculated based on angle information of the first mirror and the second mirror and a detection signal of the detector, and the first mirror and the second mirror are calculated based on the displacement amount. Calibrate the mirror angle,
Laser ranging method characterized by the above.
ことを特徴とする請求項4に記載のレーザ測距方法. When the first mirror and the second mirror are set to the reference position, the normal line of the third mirror coincides with the optical axis of the laser beam reflected by the first mirror, and the condensing is performed. The optical axis of the optical system and the detector coincides with the optical axis of the laser beam reflected by the second mirror,
5. The laser ranging method according to claim 4, wherein:
ことを特徴とする請求項4又は5に記載のレーザ測距方法. The laser range finder is installed in a transport aircraft that is unattended docked to a satellite or space station, and the position of the marker is determined by detecting a laser beam reflected by the marker of the satellite or space station.
6. The laser distance measuring method according to claim 4 or 5, wherein
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