(57)【要約】【課題】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。【解決手段】レーザビームを第１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。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、ことを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項２】
前記第１のミラー及び前記第２のミラーを基準位置にした場合に、
前記第３のミラーの法線は、前記第１のミラーで反射した前記レーザビームの光軸と一致し、
前記集光光学系及び前記検出器の光軸は、前記第２のミラーで反射した前記レーザビームの光軸と一致する、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ測距装置。
【請求項３】
前記レーザ測距装置は、人工衛星又は宇宙ステーションに無人でドッキングする輸送機に設置されるものである、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。
【請求項４】
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を用いたレーザ測距方法であって、
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、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。
【請求項５】
前記第１のミラー及び前記第２のミラーを基準位置にした場合に、
前記第３のミラーの法線は、前記第１のミラーで反射した前記レーザビームの光軸と一致し、
前記集光光学系及び前記検出器の光軸は、前記第２のミラーで反射した前記レーザビームの光軸と一致する、ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ測距方法。
【請求項６】
前記レーザ測距装置を、人工衛星又は宇宙ステーションに無人でドッキングする輸送機に設置し、前記人工衛星又は前記宇宙ステーションのマーカで反射したレーザビームを検出して、前記マーカの位置を特定する、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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る。
【図２】本発明の一実施例に係るレーザ測距装置の２軸スキャナの概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例に係るレーザ測距装置の光学系の配置例を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【実施例】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
先ず、通常のレーザ測距動作について説明する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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