(57)【要約】【課題】  従来のレーザー受光器は、レーザーが光路を通過する際に生じる反射、回折、散乱などによる光ノイズや周囲光によるノイズによる影響を効果的に排除できなかった。各ノイズの強度が異なるために一定の閾値では対処出来なかった為である。【解決手段】  信号を有効とするための閾値を回路上やソフトウェア上での記憶手段により主信号の最大値の近傍に自動的に設定することにより、光雑音による外乱を削減し目的とする信号を精度良く測定することができる。【選択図】図４
2010261921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光照射領域に配置されるレーザー受光ユニットを具備し、そのレーザー光の有無を検知する際に測定領域内のレーザー光の強度を記憶し、最大光信号強度を持つ信号から光信号を有効とする閾値を自動的に決定して入力信号と比較することにより、レーザー光の散乱、反射、回折、又はレーザー光以外の照明光などの影響を削減して所定のレーザー光のみを選択し検知する受光システム。
【請求項２】
レーザー光照射領域に配置されるレーザー受光ユニットと位置測定システムを具備し、そのレーザー光の位置を検知する際に、測定領域内のレーザー光の強度とともに受光信号の位置を記憶し、最大光強度をもつ信号から光信号を有効とする閾値を自動的に決定して、各光信号とその入力位置を比較することにより、レーザー光の散乱、反射、回折、又はレーザー光以外の照明光などの影響を削減して所定のレーザー光のみの位置を選択し検知する受光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光測定分野における光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、レーザー光や光信号を受光して検知する際には、その光が直流光、変調光にかかわらずあらかじめ設定された閾値を越えた時に信号を有効とするようにしている。この方式では、距離によって主信号であるレーザー光の強度が変動する場合やレーザー光が光路内で散乱、拡散して閾値を超える照射光となってしまう場合や回折によって複数の光源が出現する場合などにおいては、光信号の強度の変動に閾値が追従できず、これらの出現する光源が実質的な光ノイズになり、誤動作を削減することは大変困難である。【０００３】  屋内屋外で使用する場合には、屋内照明、屋外照明は通常広い範囲の周波数スペクトルを持っている為に光ノイズとなり、この排除も必要であり閾値の設定は難しい。【０００４】  近年頻繁に使用されるようになったレーザー墨出し器では、明るい場所でレーザー光を肉眼で視認するのが難しいためにレーザー受光器が使われる。レーザー光の使用距離は０ｍから１００ｍ程度にまで及ぶ為にレーザー光の強度変動も大きく、屋外屋内で各種照明下での使用が前提となっているためにその閾値の設定は一義的には決定できない。【０００５】  またレーザー墨出し器においては光路内反射や回折による光ノイズが発生することが多く、これを排除するために受光器の信号検出閾値を高くすれば光ノイズには強くなるが感度が悪くなり、閾値を低くすれば感度は高くなるが光ノイズには弱くなる。この為、レーザー受光器の中には閾値を数段階に切り替えるようにしたものがあるが、信号検出に最適な閾値を設定することは難しい。特に受光距離が近いほど散乱光などが強く誤動作は多くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  以上に述べたように、従来の受光器では種々存在する光ノイズの最大の強度を予測することはできない為に閾値を切り替えても完全には対処できず誤動作を起こしていた。【０００７】  本発明は、このような従来のレーザー受光器が有していた問題を解決しようとするものであり、光ノイズによる誤動作を効果的に減少させたレーザー受光器を実現することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  第一の課題解決手段は、主信号と光ノイズを明確に弁別するために、殆どの場合は主信号が最も強度が大きいことに着目し、閾値を計測地点での最大信号値の近傍に自動的に設定する回路を組み込んだ受光装置である。【０００９】  第二の課題解決手段は、上記の閾値の設定をソフトウェアで処理するようにした受光装置である。【００１０】  第三の解決手段は、上記の回路とソフトウェアの両方を組み込んだ受光装置である。【００１１】  上記第一の課題解決手段による作用は次の通りである。本発明に関わる受光器は、単一
または複数の受光素子からなり、直流信号又は変調された光信号の光量を電気信号に変換する回路とその増幅手段と不要な成分を取り除く濾波器と信号が変調されていればその復調回路と入力された光信号の強度から閾値を自動的に決定し入力信号を有効にする回路とこれらの回路の出力に対応して信号を処理して測定光の位置の正確な視聴覚認知や制御の為の次段への出力のいずれかが出来る手段を具備したことを特徴とする。【００１２】  従って、光信号の中で主信号が最も強度が大きいと規定した時には、主信号と同等か、やや大きい、或いはやや小さな値を閾位置として測定ごとに設定し測定する。【００１３】  主信号よりやや大きな閾位置を設定しても本システムが有効となるのは、主信号や閾値が通常は雑音を含んでいる為である。【００１４】  一般的に平均値で規定される値であっても、雑音により、入力値に幅を持ってしまい閾値を横切るからである。この時、測定しようとする雑音が十分な振幅を持ちそれが測定精度内である時には、信号を有効とすることが出来る。また主信号と等しい値を閾値とした時も同様である。【００１５】  後述する図４の回路内のコンデンサＣｍに信号値をホールドした場合は時間と共にホールドされた電圧はやや減少するから、この場合は主信号値に対してやや小さな値を閾値として設定した場合に等しい。
【発明の効果】
【００１６】  従来の受光器において、固定閾値を持つシステムでは光ノイズによって閾値を越えた時にも信号が有効になっていたが、本発明に関わる光検知システムによれば、測定する領域での主信号の強度を検出、記憶し、これにより閾値を決定するようにしたから、主信号の強弱が予想される条件下で光ノイズにより計測が影響を受けることは非常に少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１ａ】  主信号と光ノイズが存在する位置での受光器による一回目の走査
【図１ｂ】  同様に逆方向からの受光器による二回目の走査
【図２】  従来の信号検出回路のブロックダイアグラムの例
【図３ａ】  従来の信号検出回路による一回目と二回目の走査の信号Ｖｓの出力と固定閾値Ｖａの関係
【図３ｂ】  同回路による一回目と二回目の走査の信号Ｖｓを有効とする出力Ｖｂ
【図４】  実施例１の信号検出回路のブロックダイアグラム
【図５ａ】  実施例１の回路による主信号と光ノイズが存在する位置での一回目と二回目の走査の信号Ｖｓの出力と信号により閾値Ｖａが決定される様子
【図５ｂ】  実施例１の回路による図３における一回目と二回目の走査の主信号の最大強度近傍の信号のみを有効とする出力Ｖｂ
【図６】  実施例２の信号検出回路のブロックダイアグラム
【図７ａ】  実施例２の回路による主信号と光ノイズが存在する位置での一回目と二回目の走査の信号Ｖｓの出力
【図７ｂ】  実施例２の回路による主信号と光ノイズが存在する位置での一回目と二回目の走査の信号の出力Ｖｓにより閾値Ｖａが決定されるソフトウェアの処理である。
【図７ｃ】  実施例２の回路による一回目と二回目の走査の主信号の最大強度近傍の信号のみを有効とする出力Ｖｂ
【図８】  位置情報が得られるスケールにレーザーを照射して、その位置を受光器で検知するようにした装置
【図９ａ】  固定した閾値と入力信号Ｖｓの関係
【図９ｂ】  固定した閾値に設定した時の入力信号を有効とする信号Ｖｂ
【図９ｃ】  図８において実施例１、実施例２の構成を用いたときの主信号を有効とする出力Ｖｂ
【図１０ａ】  図８におけるレーザー照射位置とレーザー信号強度との関係
【図１０ｂ】  図８における図４の回路または図６の回路により閾値を自動的に決定し時間的に最も新しい信号Ｖｓが出力されるための信号Ｖｓと閾値Ｖａ
【図１０ｃ】  図８において図４の回路または図６の回路を用いた時のコンピューターのプログラムにより一回の走査で主信号を検知する時に信号を有効とする出力Ｖｂ
【図１０ｄ】  測定終了後に、最も新しい信号Ｖｂが出力された位置を主信号の位置として出力する図
【図１１】  コンピューターに信号の強度を記憶させる為にＡ／Ｄコンバーター入力と位置情報を同時に取り込む場合の回路のブロックダイアグラム
【図１２ａ】  コンピューターに光強度信号Ｖｓとスケールの位置情報を同時に入力する場合の各信号の強度と位置
【図１２ｂ】  測定終了後に、最大強度の信号の位置を主信号の位置として出力する図
【発明を実施するための形態】
【００１８】  本発明に関わる［請求項１］による実施例１を図１ａ、図１ｂ図２、図３ａ、図３ｂ、図４、図５ａ、図５ｂ、図６、図７ａ、図７ｂ、図７ｃに基づいて説明する。
【００１９】  図１ａ，図１ｂ，のように主信号である線状のレーザーと光ノイズが存在し、それをレーザー受光器が横切って走査されるものとする。
【００２０】  図２は、通常使用するレーザー検知器のブロックダイアグラムである。Ａ１からＡ４は図２のように信号を処理し信号Ｖｓを認識手段ＰＣ１に入力する。ＰＣ１の前段にある比較器Ａ５で信号強度が固定閾値Ｖａより大きくなった時に比較器Ａ５から信号Ｖｓを有効とする信号Ｖｂを出力して主信号とノイズの弁別をしている。
【００２１】  図２の回路では図１ａ，図１ｂのように光信号を横切った際、図３ａで設定された固定閾値Ｖａを越える主信号と光ノイズは共に比較器から信号Ｖｓを有効とする信号Ｖｂが図３ｂのように出力されてしまうために、複数の位置でレーザー光が検出されてしまい主信号を特定できず認識回路ＰＣ１が光ノイズを主信号として認識し誤動作する。
【００２２】  実施例１では、信号Ｖｓの値を図４の回路のようにオペアンプＡ６、Ａ７でピークホールド回路を構成して，その最大値をコンデンサＣｍにホールドし、演算して閾値ＶａとしてＡ５に入力する。これは説明００１１，００１２で述べたように閾値より大きい値、同じ値、小さな値のいずれの形にも設定出来るが、実施例１ではホールドされた値をＲ１とＲ２で分圧して信号の最大値の９５％の値に設定する。Ｖａには、回路の雑音による不安定さを解消する為にＲ３により僅かにバイアス電圧がかかっている。
【００２３】  最初に図１ａのようにレーザーが存在する範囲を一回走査する。それによってピークホールド回路のコンデンサＣｍに信号Ｖｓの最大値が記憶される。
【００２４】  二回目以降の走査では、図５ａ、図５ｂのように閾値Ｖａが信号Ｖｓの最大値の９５％の値に設定されているから、主信号以外の入力が主信号の最大値の９５％より小さい場合、比較器からは信号Ｖｂが出力されず、主信号の存在する位置でのみ信号Ｖｓを有効とする信号Ｖｂが出力される。
【００２５】  実施例２は、図６は実施例１の処理をコンピューターで行ったものであって、すなわち一回目の走査により、計測する信号の最大値をＡ／ＤコンバーターでコンピューターＰＣ２に取り込んで記憶し、その値の９５％を閾値としてＰＣ２内のプログラム上に自動的に設定して、識別、出力する。二回目以降の走査では実施例１と同様に主信号の存在する位置でのみ信号が有効となる。この時、図４のようなピークホールド回路は必要無い。図７ａ、図７ｂ、図７ｃは，図１ａ，図１ｂの走査をしたときの各信号である。
【００２６】  図４や図６の構成の場合に信号の入力条件が変わって新たな検出動作をさせる時には、リセット信号により記憶した値をゼロにする。このリセット信号は計測が終了する度に自動的に出力するようにしておくと便利である。図４の回路を使用した場合にはコンデンサの電圧がリーク放電により低下するまで待機してもよい。
【００２７】  請求項２による実施例３について図８、図９ａ、図９ｂ、図９ｃを参照して説明する。
【００２８】  図８は、長さを測定するスケール上において、レーザー照射器によりレーザー光が照射された位置を測定する装置である。この時、レーザー光の主信号をＤ、光ノイズをＥとし、それぞれのスケール上での位置をＤ１、Ｅ１とする。このスケール上をレーザー受光器が移動してレーザー光の照射された位置を検出する。なおスケール上の位置情報は機械式または磁気式エンコーダーで与えられる。
【００２９】  図８のレーザー光の検知に図２の固定閾値を用いた場合では、閾値を越える光ノイズがある時には複数の信号が有効とされ、図９ａの信号によって図９ｂの出力Ｖｂが複数の位置で出力されレーザー光の主信号Ｄの照射位置Ｄ１を決定できない。
【００３０】  図８のレーザー光検知回路に実施例１または実施例２のどちらかの構成を用いた場合には、二回目以降の走査では主信号の照射位置でのみ信号Ｖｓが有効となるから、図９ｃのように主信号の存在する位置Ｄ１だけを有効とすることができる。
【００３１】  さらに実施例３において、図４の回路と実施例２のコンピューターを用いて、一回の走査で位置の計測が終了する事例を説明する。
【００３２】  図１０ａは、図３ａと同様に信号とノイズが計測領域内に分布している様子である。
【００３３】  図１０ｂのように信号Ｖｓの最大値を記憶して演算によりその近傍で閾値を設定した後は、その閾値以下の信号が入力されても比較器Ａ５から信号Ｖｓを有効とする信号Ｖｂは出力されない。
【００３４】  従って測定時間内で時間的に最も新しく信号Ｖｂが出力された位置における信号を主信号Ｄとするプログラムをコンピューター内に構成し、図１０ｃのように計測時間終了後にその主信号Ｄが観測された位置Ｄ１を次段に出力すれば検出器の走査は一回で終了し往復する必要は無い。
【００３５】  実施例４において図１１の回路とコンピューターのプログラムを用いて、一回の走査で位置の計測が終了する事例を説明する。
【００３６】  図８における信号処理を図１１の構成とし、閾値を越える主信号やノイズの全ての信号の位置と各信号の強度を、位置情報はエンコーダーからのパルスとしてコンピューターのポートで取り込み、信号の強度ＶｓをコンピューターのＡ／Ｄ入力端子から取り込み、信号の強度と位置をそれぞれ対応させて記憶する。
【００３７】  図１２ａにおいて、Ｄが主信号、その位置をＤ１とし、光ノイズをＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５とし、各ノイズの位置をＷ１１からＷ１５とする。
【００３８】  計測終了後に、最大の信号強度を観測した位置を出力するプログラムを与えておく。
【００３９】  計測時間内にＡ／Ｄコンバーターより取り込んだ最大強度の信号Ｄの位置Ｄ１が主信号の位置を示すので、計測時間終了後に図１２ｂのように主信号Ｄの位置Ｄ１を次段に出力すれば検出器の走査は一回で終了し往復する必要は無い。
【００４０】  以上は、受光素子が単一の場合について述べたが２分割受光素子、複数分割受光素子などで中心位置を精密に測定する場合も、例えば２分割素子では２つの素子の出力値を合計した値の最大値を取り込み、実施例１、実施例２、実施例３、または実施例４の処理をすれば光雑音による影響を大幅に削減することができる。
【００４１】  本発明に基づき実証システムを製作し試験した。
【００４２】  この実証システムに使用したレーザー照射器に用いた光源は波長６３５ｎｍのレーザーダイオードで、光学系透過後の光出力が４ｍＷ、これを焦点距離１２ｍｍのコリメート光学系でコリメート光とした後、焦点距離３０ｍｍのシリンドリカルレンズにより垂直に線状として出射するように調整された５０％のデューティー比で変調周波数５．５ｋＨｚの１００％変調されたレーザー光である。
【００４３】  受光回路の構成は、図８の装置に受光素子として大きさが各３ｍｍ×３ｍｍの２分割受光素子を用い、レーザー受光回路を２回路搭載しその差分で精密に中心位置を計測するものとした。
【００４４】  この２分割された受光素子は、水平に２個配列され上記垂直方向に線上に照射されるレーザー光の位置を水平方向の移動により検出し、回路は上記の仕様によるレーザー光を４０ｍ以上の距離で検知可能な感度を与えられている。
【００４５】  最初に比較対照のために、レーザー光の受光回路として固定閾値とした図２の回路を２回路用いてその２回路の差分を取り、その差分が０になる時をレーザー光の中心位置として表示する回路で試験した。
【００４６】  実証システムに図２の回路を用いた場合では、レーザー照射器からレーザー受光器までの距離が０ｍから２ｍまでの範囲において、本来であれば同じ測定領域では受光する位置が一箇所である筈であるが、受光位置を複数表示する誤動作が頻繁に見られ、レーザー光の主信号の正確な位置を求めることは難しく、従って位置の測定精度も不可能な場合が多かった。特に距離が１ｍ以下である近距離ほど誤動作の回数は多かった。また光学系の汚損などにより誤動作を起こす距離と頻度は変動する為に正確な測定は困難であった。受光器までの距離が２ｍ以上の場合には誤動作は見られなかった。
【００４７】  次にレーザー受光回路として図４の回路を２回路搭載して同様に差分を取り試験した。
【００４８】  実証システムに図４の回路を用いた場合では、レーザー照射器からレーザー受光器までの距離が０ｍから５ｍまでの全範囲で二回目の走査以降は、常に受光表示位置は一箇所であり、周囲光を排除して目視で確認した位置と一致した。この条件でレーザー光の位置測定回数１０００回以上で、誤動作すること無く繰り返し位置精度±０．３ｍｍ以内の性能を実現し本発明が有効であることを確認した。
【図１ａ】
2010261921.tif 000003
【図１ｂ】
2010261921.tif 000004
【図２】
2010261921.tif 000005
【図３ａ】
2010261921.tif 000006
【図３ｂ】
2010261921.tif 000007
【図４】
2010261921.tif 000008
【図５ａ】
2010261921.tif 000009
【図５ｂ】
2010261921.tif 000010
【図６】
2010261921.tif 000011
【図７ａ】
2010261921.tif 000012
【図７ｂ】
2010261921.tif 000013
【図７ｃ】
2010261921.tif 000014
【図８】
2010261921.tif 000015
【図９ａ】
2010261921.tif 000016
【図９ｂ】
2010261921.tif 000017
【図９ｃ】
2010261921.tif 000018
【図１０ａ】
2010261921.tif 000019
【図１０ｂ】
2010261921.tif 000020
【図１０ｃ】
2010261921.tif 000021
【図１０ｄ】
2010261921.tif 000022
【図１１】
2010261921.tif 000023
【図１２ａ】
2010261921.tif 000024
【図１２ｂ】
2010261921.tif 000025