(57)【要約】【課題】分解能が低い二次元アレイセンサの位置を調整すること。【解決手段】レーザ測距方法は、レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、ターゲットの位置とターゲットとの間の距離を測定する方法である。該方法は、レーザ発振器の送信タイミングと受信タイミングとから距離を算出し、受信レベルに基づいて位置を算出し、凸レンズとアレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部へ、アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する。【選択図】図４
2019078682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を受信光として受光し、該受信光に基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置であって、
前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と、
凸レンズを含み、前記反射光を前記受信光として受信する受信光学系と、
複数のピクセルを有し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、前記ピクセル毎に受信タイミングと受信レベルとを出力する二次元アレイセンサと、
前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出し、前記受信レベルに基づいて前記位置を算出し、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する信号処理部と、
前記位置調整信号に応答して、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部と、
を有するレーザ測距装置。
【請求項２】
前記検知面位置調整部は、前記二次元アレイセンサに機械的に結合されている、請求項１に記載のレーザ測距装置。
【請求項３】
前記検知面位置調整部は、前記受信光学的に機械的に結像されている、請求項１に記載のレーザ測距装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器から発振された前記パルスレーザ光の一部を検知して、前記送信タイミングを前記信号処理部へ送出する送信用光検知器を更に有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記受信レベルに基づいて、前記二次元アレイセンサで受光される光入力の強度が当該二次元アレイセンサの閾値以上でかつダイナミックレンジ以内となるように、前記位置調整信号を出力する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ測距装置。
【請求項６】
レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距方法であって、
前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出する距離算出ステップと、
前記受信レベルに基づいて前記位置を算出する位置算出ステップと、
前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部へ、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する出力ステップと、
を含むレーザ測距方法。
【請求項７】
前記出力ステップでは、前記受信レベルに基づいて、前記二次元アレイセンサで受光される光入力の強度が当該二次元アレイセンサの閾値以上でかつダイナミックレンジ以内となるように、前記位置調整信号を出力する、
請求項６に記載のレーザ測距方法。
【請求項８】
レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置に用いられ、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部を、コンピュータに調整させる位置調整プログラムであって、
前記コンピュータに、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を、前記検知面位置調整部に送出する送出機能を実現させるための位置調整プログラム。
【請求項９】
前記送出機能は、前記コンピュータに、前記受信レベルに基づいて、前記二次元アレイセンサで受光される光入力の強度が当該二次元アレイセンサの閾値以上でかつダイナミックレンジ以内となるように、前記位置調整信号を送出させる、請求項８に記載の位置調整プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ測距装置、レーザ測距方法および位置調整プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のレーザ測距装置は、レーザビームを送信光として目標物（ターゲット）に向けて出射し、ターゲットからの反射光を受信し、この受信光に基づいて、ターゲットとの距離とターゲットの位置（方向）とを測定する装置である。詳述すると、レーザ測距装置は、送信光の送信タイミングと受信光の受信タイミングとから、レーザ測距装置とターゲットとの間の距離を算出する。また、レーザ測距装置は、受信光に基づいて、ターゲットの位置（方向）をも算出する。
【０００３】
例えば、特許文献１は、ポインティング検出機能を受光系のレベル検知機能に含め、かつ受光量を所定値に調整して受光検出を正確にさせた上、装置の小型を可能とした「レーザ測距装置」を開示している。特許文献１に開示されたレーザ測距装置は、レーザ、送信光学系、送光検知器、受信光学系、受光検知器、受光レベル検知部、測距カウンタ、制御部、および受光検知器位置調整部を備える。
【０００４】
レーザは、測距用の例えば繰り返しパルスレーザを送信光学系へ出力する光源である。送信光学系は、レーザから送出されたレーザビームを整形して目標物へ送信する。送光検知器は、レーザからレーザビームが送出されたタイミングを検出して、測定開始信号を測距カウンタに送る。
【０００５】
受信光学系は、目標物から反射するレーザビームを受けて受光検知器へ送る。受光検知器は、受信光学系を介して受けるビームを検知した際、測定停止信号として測距カウンタへ通知すると共に、受光レベル検知部へ受信信号として受光ビームを送る。確実な計測停止信号として一定レベル値のレーザビームを受けるため、制御部により制御される受光検知器位置調整部が受光検知器の位置を受光スポットとの位置関係で調整している。受光レベル検知器は、受光検知器から受信信号を受け、受光レベル値を検知し受光値データとして制御部に送出する。
【０００６】
測距カウンタは、計測開始信号を送光検知器から受けた時点から、測定停止信号を受光検知器から受けた時点までを計測する。測距カウンタはカウンタ計測値を制御部へ送られる。制御部は、距離測定機能と、目標物追尾のためのポインティング機能と、正確な測距のための受光レベル調整機能とを有している。ポインティング機能は、受光レベル検知部から受光量データとして検知面位置での受光レベル値を受け、受光検知器位置調整部を制御して受光検知器の検知面位置を調整する機能である。
【０００７】
制御部は、測距カウンタからカウンタ計測値を受けて目標物までの距離を演算する。レーザ測距装置が目標物を追尾する場合、レーザが制御部の指示を受けてパルスレーザビームを送光する。受信光学系を介して受光スポットの焦点が光軸上に形成される。受光スポットの検知面を表面にする受光検知器は、受光検知器位置調整部の制御により光軸方向に移動する。この際、受光スポットの検知面が焦点距離の焦点位置にあれば最大受光レベルが得られる。しかし、距離が変位すれば、焦点がぼけるため検知面の光密度は減少し、受光の検知に最適な受光レベル値を得ることができる。ポインティングの決定により、受光スポットの光軸を中央の受光検知器の中心位置に決定し、受光検知器を受光の検知に最適な受光レベル値を得る位置に設定する。
【０００８】
このようなレーザ測距装置には種々の受光検知器（検知装置）が用いられるが、その一つに２次元アレイ素子がある。この２次元アレイ素子を用いて、素子の分解能以上の精度でLOS角（視線視野角）の測定を行うために、次に述べるような手法が一般的に知られ、用いられている。その手法とは、本来得られる像をデフォーカスすることにより、受信光を複数の素子で検知することで分解能以上の精度で測定を行う手法である（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
デフォーカスする度合いは、測距距離や対象の像の大きさによって決められる。デフォーカスする度合いとして最適な度合いを検討する必要があり、それに合わせてデフォーカスをする必要がある。
【００１０】
本発明に関連する、次に述べるような特許文献も知られている。
【００１１】
特許文献３は、３次元座標測定器を１台のみ使用する高精度な寸法計測方法を開示している。特許文献３では、レーザ測距儀は、レーザ光を正弦波変調し、変調光が測定点に取り付けたコーナキューブミラーに反射されて戻ってくるまでの時間差を変調光の位相差として検出し距離測定とする。視覚センサは、レーザの反射ビームをとらえ、検出したビームの像を画像処理装置へ供給している。画像処理装置は、画像情報からレーザビームの重心点と、画面上の軸センタとのずれ量を計算し、位置決め制御装置に出力する。位置決め制御装置は、画像処理装置から入力されたずれ量を０にするように、レーザ測距儀と視覚センサを載せた回転台に対し水平角、高度角のフィードバック制御を行い、かつ基準点からの水平角、高度角のふれ角を精密に測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−０４７２４２号公報
【特許文献２】特表２００８−５２７３５７号公報
【特許文献３】特開平０３−１６７４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１では、受光検知器として二次元アレイセンサを用いていない。したがって、特許文献１では、最大受光レベルを超えた場合に、焦点をぼかして、最大受光レベル以上を受光検知器の検知面で受光するのを回避しているに過ぎない。
【００１４】
特許文献３では、レーザ光を正弦波変調し、時間差を変調光の位相差として検出する技術を開示している。また、特許文献３では、レーザの反射ビームを視覚センサでとらえている。したがって、特許文献３でも、二次元アレイセンサを用いていない。さらに、特許文献３では、位置決め制御装置が、ずれ量を０とするようにレーザ測距儀と視覚センサを載せた回転台に対し水平角、高度角のフィードバック制御を行っているだけである。
【００１５】
特許文献２は、単に、検知器要素からなるアレイ上に、光源の画像をデフォーカスした画像を形成することを記載しているに過ぎない。
【００１６】
受光検知器として二次元アレイセンサを用い、ターゲットからの反射光に基づいて、ターゲットの位置と距離とを測定するレーザ測距装置においては、一般的に、測角精度は二次元アレイセンサのピクセルサイズで制限されている。これをピクセルサイズ以下の精度を実現する手法として、次の手法が知られている。すなわち、その手法では、二次元アレイセンサのアレイセンサ検知面を受信光学系の焦点位置から光軸方向にずらし、複数のピクセルで受信し、重心点などを計算してターゲットの位置を決定することでピクセル分解能以下の測角精度を実現している。この手法は、スタートラッカなどに用いられている。
【００１７】
この手法では、受信光のエネルギーが複数ピクセルに分割される。そのため、この手法には、長距離測距時に受信レベルが低下し、二次元アレイセンサのしきい値（最小受信感度）以下の光入力になってしまうという問題が生じる。
【００１８】
また、逆に近距離測距時の場合には、この手法では、1ピクセル当たりの最大入力レベルを上回る光入力が入ることで受信レベル検出のダイナミックレンジが外れ、飽和した値を出力する。このため、この手法には、ソフトウェアまたはハードウェアで算出される重心位置に誤差を生じるという問題がある。
【００１９】
関連する先行のレーザ測距装置では、受信光学系からセンサ検知面までの位置はある長さに固定されているものが多い。そのため、受信レベルの問題に対応することは難しい。
【００２０】
このようなレーザ測距装置における二次元アレイセンサに、検出感度の高いアバランシェフォトダイオード（APD）アレイの利用が増えている。APDには、リニアモードとガイガーモードとの２つの使用方法がある。リニアモードでは、出力信号が入力光量に対してリニアに変化する。ガイガーモードでは、シングルフォトンを検出するため逆バイアスをブレークダウンぎりぎりまで印加することで、デジタル的にオンかオフかが出力される。
【００２１】
より高感度なガイガーモードによるシングルフォトン検出器を用いることで入力光量が抑えられ、光学系を大きくする必要がなくなるため、レーザ測距装置は小型化につながる。APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、シングルフォトンレベルに相当する、数十ピコワット程度の非常に微弱な光を検出することが可能である。この反面、APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、CCD（charge coupled device）カメラなどの関連技術において用いられてきた素子に比べて素子サイズを小さくすることが困難である。そのため、APDを利用したガイガーモードでの二次元アレイ素子では、二次元アレイセンサそのものの分解能(解像度)の向上に限界がある。
【００２２】
本発明の目的は、上記問題を解決し、分解能が低い二次元アレイセンサの位置を調整することができる、レーザ測距装置、レーザ測距方法および位置調整プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によるレーザ測距装置は、パルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を受信光として受光し、該受信光に基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置であって、前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器と；凸レンズを含み、前記反射光を前記受信光として受信する受信光学系と；複数のピクセルを有し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、前記ピクセル毎に受信タイミングと受信レベルとを出力する二次元アレイセンサと；前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出し、前記受信レベルに基づいて前記位置を算出し、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する信号処理部と；前記位置調整信号に応答して、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部と、を有する。
【００２４】
本発明によるレーザ測距方法は、レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距方法であって、前記レーザ発振器の送信タイミングと前記受信タイミングとから前記距離を算出する距離算出ステップと；前記受信レベルに基づいて前記位置を算出する位置算出ステップと；前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部へ、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を出力する出力ステップと；を含む。
【００２５】
本発明による位置調整プログラムは、レーザ発振器からのパルスレーザ光を送信光としてターゲットに向けて出射し、該ターゲットで反射した反射光を、凸レンズを含む受信光学系で受信光として受光し、前記凸レンズで結像された像情報を受けるアレイセンサ検知面を持ち、複数のピクセルを有する二次元アレイセンサから出力される、前記ピクセル毎の受信タイミングと受信レベルとに基づいて、前記ターゲットの位置と前記ターゲットとの間の距離を測定するレーザ測距装置に用いられ、前記凸レンズと前記アレイセンサ検知面との間の光軸方向の相対位置を調整する検知面位置調整部を、コンピュータに調整させる位置調整プログラムであって、前記コンピュータに、前記受信レベルに基づいて、前記アレイセンサ検知面の位置を調整するための位置調整信号を、前記検知面位置調整部に送出する送出機能を実現させるためのものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、分解能が低い二次元アレイセンサの位置を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ測距装置の全体の構造を示すブロック図である。
【図２】図１に図示したレーザ測距装置の要部を示す図である。
【図３】像をデフォーカスさせ、複数の素子で受信させように、ぼかした場合の例を示す図である。
【図４】図１に図示したレーザ測距装置に使用される信号処理部で実行される位置調整アルゴリズムを説明するための流れ図である。
【図５】図１に図示したレーザ測距装置に使用される二次元アレイセンサのアレイセンサ検知面の移動軸の定義を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るレーザ測距装置の全体の構造を示すブロック図である。
【図７】図１に図示したレーザ測距装置の要部を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るレーザ測距装置の全体の構造を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
最初に、本発明の特徴について説明する。
【００２９】
本発明が適用されるレーザ測距装置は、二次元アレイセンサを持つ受光検知器において、測定対象（ターゲット）として遠方にあるコーナキューブのような、二次元アレイセンサのピクセル分解能以下のターゲットサイズからの反射光を受信する。そして、本発明が適用されるレーザ測距装置は、この受信した反射光から、当該レーザ測距装置とターゲットとの間の距離（測距情報）を算出するとともに、測距情報および二次元アレイセンサの像情報からターゲットの視線視野角(Line of Sight：LOS)角・姿勢角を算出する装置である。
【００３０】
このようなレーザ測距装置において、本発明では、受信光学系の焦点位置から二次元アレイセンサのアレイセンサ検知面を光軸方向にずらすことにより、測角精度を向上させる機能を持つことを特徴とする。このほかに、本発明は、二次元アレイセンサの受信レベルに基づいて、アレイセンサ検知面の位置をフィードバック制御することで、視野角・姿勢角精度(測角精度)と受信レベルとを自律的に最適化する機能を有することを特徴とする。
【００３１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。
【００３２】
[第１の実施形態] 
[構成の説明]
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００の全体の構造を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００の要部を示す図である。
【００３３】
図示のレーザ測距装置１００は、レーザ発振器１１０と、送信受光系１２０と、送信用光検知器１３０と、受信光学系１４０と、受信用光検知器１５０と、信号処理部１６０と、検知面位置調整部１７０と、電源部１８０とを備える。図示の受信用光検知器１５０は、二次元アレイセンサから成る。電源部１８０は、各部１１０〜１７０へ電力を供給する。
【００３４】
図２に示されるように、受信用光学系１４０は凸レンズ１４２を含む。受信用光検知器１５０である二次元アレイセンサは、アレイセンサ検知面１５０ａを持つ。
【００３５】
信号処理部１６０は、トリガ信号をレーザ発振器１１０へ送出する。このトリガ信号に応答して、レーザ発振器１１０は、パルスレーザ光を発射する。発射されたパルスレーザ光は送信光学系１２０へ送出される。
【００３６】
送信光学系１２０は、この受け取ったパルスレーザ光を送信光としてターゲット（図示せず）へ向けて送信（出射）する。ターゲットは、例えば、コーナキューブのような再帰反射性を有する。送信光学系１２０より送信されたパルスレーザ光（送信光）は、このターゲットで反射パルスレーザ光として反射される。そして、この反射パルスレーザ光は受信光としてレーザ測距装置１００に戻ってくる。
【００３７】
この反射パルスレーザ光（受信光）は、受信光学系１４０の凸レンズ１４２を介して、受信用光検知器である二次元アレイセンサ１５０のアレイセンサ検知面１５０ａに入射する。
【００３８】
本レーザ測距装置１００からターゲットまでの距離（測距情報）は、パルスレーザ光の往復時間をカウントすることにより算出することが可能である。また、ターゲットに対するLOS角や、レーザ測距装置１００自身の姿勢角といった角度情報は、得られた測距情報およびアレイセンサ検知器面１５０ａにおける検知位置情報により信号処理部１６０でソフトウェアまたはハードウェアを用いて算出することが可能である。
【００３９】
角度情報の精度は、アレイセンサ検知器面１５０ａの検知位置情報、つまりアレイセンサ検知器面１５０ａの位置分解能(解像度)に大きく依存する。上述したように、位置分解能を向上させるために、アレイセンサ検知器面１５０ａを受信光の焦点位置（結像位置）から光軸方向にずらし、図３のように像をデフォーカスさせ、複数の素子で受信させることが一般的に知られている(上記特許文献２等参照)。
【００４０】
このアレイセンサ検知面１５０ａのずれ量は、二次元アレイセンサ１５０の最小受信感度やダイナミックレンジおよび結像する位置(焦点位置)を考慮して決定する必要があり、ターゲットまでの距離により最適な長さが異なる。そのため、本第１の実施形態では、図２に示されるように、二次元アレイセンサ１５０を検知面位置調整部１７０と機械的に接続させている。このことにより、本レーザ測距装置１００は、受信レベルのダイナミックレンジにあわせてアレイセンサ検知面１５２ａの位置を光軸方向に調整させる機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。また、本第１の実施形態では、得られた像情報(輝度情報)をもとに信号処理部１６０でソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心点の計算を行う。このことにより、本レーザ測距装置１００は、アレイセンサ検知面１５０ａの位置をフィードバック制御して、アレイセンサ検知面１５０ａを最適な位置に光軸方向に調整している。
【００４１】
詳述すると、アレイセンサ検知面１５０ａを受信光学系１４０の焦点からずらすことで、受信光はアレイセンサ検知面１５０ａで結像せず、図３のように二次元アレイセンサ１５０の複数ピクセルに受信光のエネルギーが分割されることになる。二次元アレイセンサ１５０は図２に示すように検知面位置調整部１７０と機械的に結合することで、アレイセンサ検知面１５０ａを任意の位置に設定することができる。
【００４２】
複数ピクセルで受信後、二次元アレイセンサ１５０は、それぞれのピクセルから、受信タイミングと受信レベルとを信号処理部１６０へ出力する。信号処理部１６０は、ソフトウェア処理により受信タイミング信号と送信タイミング信号とから、当該レーザ測距装置１００とターゲットとの間の距離の計算を行う。また、信号処理部１６０は、複数ピクセルの像情報(輝度情報)から重心点を算出し、ターゲットの位置をピクセル分解能以下まで測定する。
【００４３】
ここで、アレイセンサ検知面１５０ａから受信光学系１４０までの距離により、結像位置や二次元アレイセンサ１５０の反応ピクセル数が異なり制御方法が変更になるため、それぞれについて述べる。
【００４４】
まず、ターゲットまでの距離が遠距離であるとする。この場合、受信光学系１４０に入射する光はほぼ平行光とみなすことができる。したがって、受信光学系１４０の特性により結像する位置(焦点距離)が求まるため、アレイセンサ検知面１５０ａのずれ量はほぼ同じとなる。
【００４５】
レーザ測距装置１００がランデブー(接近)しているフェーズを考える。この場合、二次元アレイセンサ１５０の最小受信感度を下回る光入力が発生する場合が考えられる。そのような場合は、信号処理部１６０でのソフトウェアまたはハードウェアを用いて行う重心計算の精度が悪化するため、光入力の強度を考慮する必要がある。光入力の強度はターゲットまでの距離により決定される。そこで、本実施形態に係るレーザ測距装置１００は、受信レベルの最小受信感度にあわせてアレイセンサ検知面１５０ａの位置を光軸方向に調整する機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。すなわち、信号処理部１６０は、得られた像情報(輝度情報)をもとに、アレイセンサ検知面１５０ａの位置をフィードバック制御して、アレイセンサ検知面１５０ａを最適な位置に光軸方向に調整している。最適な位置に調整したのち、信号処理部１６０は、輝度重心法や、差分法などの手法により、ソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心位置の計算を行う。
【００４６】
一方、ターゲットまでの距離が近距離であるとする。この場合は、受信光学系１４０に入射する受信光は拡がり角を持っていると考えられる。このような状況では、結像位置は近距離になるほど長くなるため、測距値にあわせてフィードバック制御を行う必要がある。また、近距離での測距の場合、二次元アレイセンサ１５０のダイナミックレンジを上回る光入力が発生することが考えられ、信号処理部１６０での重心計算の精度が悪化することが考えられる。このときは遠距離の場合と同様に、本実施形態に係るレーザ測距装置１００は、受信レベルのダイナミックレンジにあわせてアレイセンサ検知面１５０ａの位置を光軸方向に調整する機能を有することで、受信レベルの問題を解決している。
【００４７】
[動作の説明]
次に、図１を用いて、レーザ測距装置１００の動作について説明する。本発明の第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００は、パルスレーザの往復時間をカウントすることにより、ターゲットまでの距離を算出することを基本原理としている。
【００４８】
測距開始位置に到達したレーザ測距装置１００では、信号処理部１６０からトリガ信号を送り、レーザ発振器１１０よりパルスレーザ光を発する。パルスレーザ光の一部は送信用光検知器１３０に、残りは送信光学系１２０を介して送信光としてターゲットの方向に送信させる。送信用光検知器１３０は送信タイミングを信号処理部１６０に送信し、この送信タイミング信号をもって測距の開始とする。また、送信光学系１２０はレーザパルス光を受信部の二次元アレイセンサ１５０の視野角を包含するようなビーム拡がりに整形する。
【００４９】
いま、二次元アレイセンサ１５０の視野角内にコーナキューブのような再帰反射特性を有するターゲットがあるとする。この場合、ターゲットに照射された送信光の一部が送信光の来た方向に向かって反射し、この反射光が受信光学部系１４０で受信光として受信される。受信光学系１４０は受信光を二次元アレイセンサ１５０のアレイセンサ検知面１５０ａに伝播する。
【００５０】
このときアレイセンサ検知面１５０ａが受信光学系１４０の焦点からずれている場合、受信光はアレイセンサ検知面１５０ａで結像せず、二次元アレイセンサ１５０の複数ピクセルに受信光のエネルギーが分割されることになる。二次元アレイセンサ１５０は図２に示すように検知面位置調整部１７０と機械的に結合している。したがって、アレイセンサ検知面１５０ａを検知面位置調整部１７０により光軸方向に調整して任意の位置に設定することができる。複数ピクセルで受信後、二次元アレイセンサ１５０は、それぞれのピクセルから、受信タイミングと受信レベルとを信号処理部１６０へ出力する。
【００５１】
次に、図４を参照して、信号処理部１６０で実行される位置調整アルゴリズムについて説明する。ここでは、アレイセンサ検知面１５０ａの移動軸を図５に示すように定義する。
【００５２】
信号処理部１６０は、アレイセンサ検知面１５０ａをあらかじめ初期位置X0に移動させておく（ステップＳ１０１）。レーザ測距装置１００が測距位置に到達すると、信号処理部１６０はトリガ信号を発することにより測距を開始する（ステップＳ１０２）。
【００５３】
このとき二次元アレイセンサ１５０にて最小受信感度以下となり、検知不可となったとする（ステップＳ１０３のＮ）。この場合には、信号処理部１６０は位置調整信号を発し、アレイセンサ検知面１５０ａを受信光学系１４０の焦点位置(原点)に移動させる（ステップＳ１０４）。その後、信号処理部１６０は再度測定を行い（ステップＳ１０５）、検知不可であった場合（ステップＳ１０６のＮ）には、信号処理部１６０は測距不可信号を上位システム２００へ送信する（ステップＳ１０７）。その後、信号処理部１６０は再度測定を行い（ステップＳ１０５）、検知可能かの判定を行う（ステップＳ１０６のＮ）。
【００５４】
再測定の結果検知可能であった場合（ステップＳ１０６のＹ）には、信号処理部１６０は、アレイセンサ検知面１５０ａを一定量X軸の＋方向に移動させ（ステップＳ１０８）、再測定を行う（ステップＳ１０９）。ここで検知不可となった場合（ステップＳ１１０のＮ）には、信号処理部１６０は、アレイセンサ検知面１５０ａを移動した分だけX軸の−方向に戻し再測定を行い（ステップＳ１１１）、素子毎の受信タイミング・受信レベルから距離の計算を行う（ステップＳ１１２）。検知可能であった場合（ステップＳ１１０のＹ）には、信号処理部１６０は、続いてアレイセンサ検知面１５０ａの位置Xが初期位置X0にあるかの判定を行う（ステップＳ１１３）。X＝X0の場合（ステップＳ１１３のＹ）には、信号処理部１６０は、位置調整を終了させ、素子毎の受信タイミング・受信レベルから、測距値等の計算を行う（ステップＳ１１２）。X≠X0の場合（ステップＳ１１３のＮ）には、信号処理部１６０は、再度アレイセンサ検知面１５０ａを一定量＋方向へ移動させ（ステップＳ１０８）、再度測定を行う（ステップＳ１０９）。
【００５５】
最初の測距において測距可能であった場合（ステップＳ１０３のＹ）は、信号処理部１６０は、ダイナミックレンジ以上の入力がないかの判定を行う（ステップＳ１１４）。ダイナミックレンジ以上の入力がある場合（ステップＳ１１４のＮ）には、信号処理部１６０は、アレイセンサ検知面１５０ａを一定量X軸の−方向へ移動させ（ステップＳ１１５）、再度測定等を行い（ステップＳ１１６）、同様の判定を行う（ステップＳ１１７）。すべての反応素子においてダイナミックレンジ以下の入力であった場合（ステップＳ１１４のＹおよびステップＳ１１４のＹ）には、信号処理部１６０は、位置調整を終了させ、受信タイミング信号と送信タイミング信号とから距離の計算を行う（ステップＳ１１２）。また、信号処理部１６０は、複数ピクセルの像情報(輝度情報)からソフトウェアまたはハードウェアを用いて重心点を算出し、ターゲットの位置をピクセル分解能以下まで測定する（ステップＳ１１２）。最後に、信号処理部１６０は、その計算結果を上位システム２００へ送信する（ステップＳ１１８）。
【００５６】
［効果の説明］ 
次に、本第１の実施形態の効果について説明する。
【００５７】
第１の効果は、測距距離に応じてアレイセンサ検知面１５０ａの位置を制御することで、二次元アレイセンサ１５０のダイナミックレンジや最小受信感度など素子側の問題を解決できることである。
【００５８】
第２の効果は、二次元アレイセンサ１５０の複数素子で受信することで解像度以上の測角精度が見込まれることである。
【００５９】
[第２の実施形態] 
[構成の説明]
次に、本発明の第２の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００６０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ測距装置１００Ａの全体の構造を示すブロック図である。図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ測距装置１００Ａの要部を示す図である。
【００６１】
図示のレーザ測距装置１００Ａは、検知面位置調整部１７０の配置場所が相違している点を除いて、図１に図示したレーザ測距装置１００と同様の構成を有し動作する。説明の簡略化のために、以下では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００６２】
上記第１の実施形態では、検知面位置調整部１７０により二次元アレイセンサ１５０のアレイセンサ検知面１５０ａを移動させていた。
【００６３】
これに対して、本第２の実施形態では、検知面位置調整部１７０により受信光学系１４０を移動させ、結像位置を変化させている。 
本レーザ測距装置１００Ａは、上述した第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００と同様の動作をするので、その説明を省略する。
【００６４】
また、本レーザ測距装置１００Ａも、上述した第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００と同様の効果を奏する。
【００６５】
[第３の実施形態] 
[構成の説明]
次に、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００６６】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ測距装置１００Ｂの全体の構造を示すブロック図である。
【００６７】
図示のレーザ測距装置１００Ｂは、送信用光検知器１３０が省略され、信号処理部の動作が相違している点を除いて、図１に図示したレーザ測距装置１００と同様の構成を有し動作する。したがって、信号処理部に１６０Ａの参照符号を付してある。説明の簡略化のために、以下では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００６８】
上記第１の実施形態では、送信用光検知器１３０を用いて送信タイミングを計測し、測距の開始としていた。
【００６９】
これに対して、本第３の実施形態では、信号処理部１６０Ａの内部で、レーザ発振器１１０での遅延を補正することで、信号処理部１６０Ａからのトリガ信号をもって測距開始としている。
【００７０】
このような構成を採用することにより、送信用光検知器１３０を不要とすることができる。
【００７１】
本レーザ測距装置１００Ｂは、上述した第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００と同様の動作をするので、その説明を省略する。
【００７２】
また、本レーザ測距装置１００Ｂも、上述した第１の実施形態に係るレーザ測距装置１００と同様の効果を奏する。
【００７３】
尚、上記信号処理部１６０、１６０Ａは、図示はしないが、プロセッサ、プログラムメモリ、およびデータを一時的に格納するためのワークメモリを備える情報処理装置によって実現可能である。
【００７４】
このような情報処理装置で実現された信号処理部１６０、１６０Ａにおいては、プログラムメモリには図４に示された位置調整アルゴリズムを実施するための位置調整プログラムが格納される。そして、プログラムメモリに格納されている位置調整プログラムに従ってプロセッサが処理を実行することで、図４に示された位置調整アルゴリズムを実行する、信号処理部１６０、１６０Ａの機能を実現する。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態および実施例を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態および実施例を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、レーザ等を用いた測距装置において、位置・姿勢を認識するミッションに利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００Ａ、１００Ｂ    レーザ測距装置
１１０    レーザ発振器
１２０    送信光学系
１３０    送信用光検知器
１４０    受信光学系
１４２    凸レンズ
１５０    受信用光検知器（二次元アレイセンサ）
１６０、１６０Ａ    信号処理部
１７０    検知面位置調整部
１８０    電源部
２００    上位システム
【図１】
2019078682.tif 000003
【図２】
2019078682.tif 000004
【図３】
2019078682.tif 000005
【図４】
2019078682.tif 000006
【図５】
2019078682.tif 000007
【図６】
2019078682.tif 000008
【図７】
2019078682.tif 000009
【図８】
2019078682.tif 000010