(57)【要約】【課題】  ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定するための測量装置及び測量方法を提供する【解決手段】  逆バイアス電圧ＶＲに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧ＶＲに応じて端子間容量ＣＲが変化する第２領域Ａ２とを有する受光素子９を用いて、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ１を受光信号として受光し、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬと標準範囲ＳＴとを比較し、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを調整して電流増倍率αを増加させ、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きな場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして信号振幅を減少させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆バイアス電圧に応じて電流増倍率が変化する第１領域と、前記逆バイアス電圧に応じて端子間容量が変化する第２領域とを有し、基準パルス光及び測定パルス光を受光信号として受光する受光素子と；
前記受光素子に印加する逆バイアス電圧を調整するバイアス電圧調整器と；、
前記受光信号からタイミング信号を形成するタイミング信号形成部と、
前記基準パルス光から形成されたタイミング信号と前記測定パルス光から形成されたタイミング信号との受光時間差に基づき前記測定パルス光の前記基準パルス光に対する遅延時間又は測定対象物までの距離を算定する測定値算定部とを備える；
測量装置。
【請求項２】
前記受光信号のレベルが標準範囲に比べて小さい場合には前記第１領域で逆バイアス電圧を調整して電流増倍率を増加させ、受光信号のレベルが標準範囲に比べて大きい場合には前記第２領域で逆バイアス電圧を調整して前記受光素子の出力信号の時定数を大きくして前記出力信号の振幅を減少させることにより、ダイナミックレンジを拡大する；
請求項１に記載の測量装置。
【請求項３】
前記受光素子はアバランシェフォトダイオードから成る；
請求項１又は請求項２に記載の測量装置。
【請求項４】
前記受光信号のレベルが前記標準範囲に比べて大きい場合又は小さい場合に、前記受光信号のレベル及び前記逆バイアス電圧に対応して前記遅延時間又は前記距離の補正を行なう；
請求項２又は請求項３に記載の測量装置。
【請求項５】
前記遅延時間又は前記距離の補正は、前記測定値算定部において、前記受光信号のレベル及び前記逆バイアス電圧に対応する補正量を算出して又は前記補正量を記憶したテーブルを用いて補正を行なう；
請求項４に記載の測量装置。
【請求項６】
前記測定対象物がターゲットを含む；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の測量装置。
【請求項７】
逆バイアス電圧に応じて電流増倍率が変化する第１領域と、逆バイアス電圧に応じて端子間容量が変化する第２領域とを有する受光素子を用いて、基準パルス光及び測定パルス光を受光信号として受光する受光工程と；
前記受光信号のレベルと標準範囲とを比較するレベル比較工程と；
前記受光信号のレベルが標準範囲に比べて小さい場合には前記第１領域で逆バイアス電圧を調整して電流増倍率を増加させ、前記受光信号のレベルが標準範囲に比べて大きい場合には前記第２領域で逆バイアス電圧を調整して前記受光素子の出力信号の時定数を大きくして前記出力信号の振幅を減少させるバイアス電圧調整工程と；
前記受光信号からタイミング信号を形成するタイミング信号形成工程と、
前記基準パルス光から形成されたタイミング信号と前記測定パルス光から形成されたタイミング信号との受光時間差に基づき前記測定パルス光の前記基準パルス光に対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する測定値算定工程とを備える；
測量方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測量装置及び測量方法に関する。詳しくは測定対象物に光を照射し、その反射光を受光して遅延時間又は距離を測定するための測量装置及び測量方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ターゲット等のなど測定対象物から反射されてくる反射光を光電子倍増管やＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）などで増幅して受光し、所定の処理を施し、遅延時間や距離測定を行なう装置があった。かかる装置においては、近距離からの強い反射光から遠方からの微小な反射光までの広範囲なレベルの光を受光することが求められ、このためダイナミックレンジを大きくするために、光電子倍増管やＡＰＤのバイアス電圧を調整するものがあった。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０６２４６号公報（段落０００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の装置のように、単なるバイアス電圧による増倍率の調整によるダイナミックレンジの幅には一定の制限があった。
特に、遥か遠方からの微小な反射光と極めて近方からの強い反射光の両者を受光することとなると、ダイナミックレンジに制限がある場合には、近方、遠方のいずれかの測定に支障がでるという問題があった。このため、ダイナミックレンジをさらに拡大する新しい測量装置及び測量方法が望まれていた。
【０００５】
本発明は、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量装置及び測量方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の測量装置は、例えば図１、図２、図４に示すように、逆バイアス電圧ＶＲに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧ＶＲに応じて端子間容量ＣＲが変化する第２領域Ａ２とを有し、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ１を受光信号として受光する受光素子９と、受光素子９に印加する逆バイアス電圧ＶＲを調整するバイアス電圧調整器３０と、受光信号ｒ、ｏ１からタイミング信号ｒ’、ｏ１’を形成するタイミング信号形成部３６と、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ１から形成されたタイミング信号ｏ１’との受光時間差に基づき測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を算定する測定値算定部３３とを備える。
【０００７】
ここにおいて、測量装置には距離や方向を測定する装置の他に、光の所要時間差や受光時間差を測定する装置も含むものとする。また、遅延時間と距離の測定はその一方を行なっても良く、遅延時間を測定した後に距離を測定しても良く、距離を測定した後に遅延時間を測定しても良い、また、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２は必ずしも明確な境界がなくてもよく、一部領域が重複しあっても良く、間にどちらにも属さない領域があっても良い。また、測定量算定部３３等の各部は必ずしも一体的に構成されていなくても良く、例えば演算に用いるコンピュータは電気回路と別に構成されていても良い。このように構成すると、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量装置を提供できる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の測量装置において、例えば図２、図５に示すように、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを調整して電流増倍率αを増加させ、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させることにより、ダイナミックレンジを拡大する。
【０００９】
ここにおいて、標準範囲ＳＴとは受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲内に入る受光信号ｒ、ｏ１のレベル範囲、すなわち、補正なしに遅延時間又は距離の正確な測定値を得られる受光信号ｒ、ｏ１のレベル範囲をいう。このように構成すると、逆バイアス電圧ＶＲの調整に関し、受光素子９の電流増倍率αの変化と端子間容量ＣＲの変化の双方を利用して、大きなダイナミックレンジを実現することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の測量装置において、例えば図２に示すように、受光素子９はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）から成る。
このように構成すると、ＡＰＤは逆バイアス電圧ＶＲによる電流増倍率αの変化及び端子間容量ＣＲの変化が共に大きいので、大きなダイナミックレンジを実現することができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の測量装置において、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合又は小さい場合に受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬ及び逆バイアス電圧ＶＲに対応して遅延時間又は距離の補正を行なう。
このように構成すると、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬの変化に応じて発生する遅延時間又は距離の測定誤差を高精度に補正できる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の測量装置において、遅延時間又は距離の補正は、測定値算定部３３において、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬ及び逆バイアス電圧ＶＲに対応する補正量を算出して又は補正量を記憶したテーブルを用いて補正を行なう。
このように構成すると、測定データ又はテーブルを用いることにより、確実かつ簡便に補正を実行できる。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の測量装置において、測定対象物がターゲットを含む。
このように構成すると、ターゲットを用いて、効率良く高精度の測量を実行できる。なお、ターゲットとは、測量において測定対象物の位置、形状を高精度に特定するために、測定対象物に貼付する標識をいう。
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項７に記載の測量方法は、例えば図５に示すように、逆バイアス電圧ＶＲに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧ＶＲに応じて端子間容量ＣＲが変化する第２領域Ａ２とを有する受光素子９を用いて、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ１を受光信号として受光する受光工程（Ｓ０１）と、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬと標準範囲ＳＴとを比較するレベル比較工程（Ｓ０２）と、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを調整して電流増倍率αを増加させ、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させるバイアス電圧調整工程（Ｓ０４、Ｓ０５）と、受光信号ｒ、ｏ１からタイミング信号ｒ’、ｏ１’を形成するタイミング信号形成工程（Ｓ０６）と、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ１から形成されたタイミング信号ｏ１’との受光時間差に基づき測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する測定値算定工程（Ｓ０７）とを備える。
【００１５】
このように構成すると、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量方法を提供できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ダイナミックレンジを拡大する新しい遅延時間又は距離を測定する測量装置及び測量方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態では、光源として発光素子（パルスレーザーダイオード：ＰＬＤ）を用い、光源から照射された測定パルス光が測定対象物で反射され、その反射光が戻るまでに要する所要時間を検出することにより、測定パルス光の基準パルス光に対する遅延時間（所要時間差）又は測定対象物までの距離の測定を行う、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）測定を用いる測量装置について説明を行う。
【００１８】
図１に本発明の第１の実施の形態における装置構成例のブロック図を示す。
発光素子であるＰＬＤ１からの光束はコリメートレンズ２で平行光束にされた後、ビームスプリッタ３へ入射され、外部測定パルス光束（測定パルス光）ｏ１と内部測定パルス光束（基準パルス光）ｒとに分けられる。
【００１９】
ビームスプリッタ３で反射された基準パルス光ｒは、集光レンズ４により集光されて基準ファイバー５を通過した後、再びレンズ６により平行光束に変換されてビームスプリッタ７に入射し、その反射光がレンズ８により受光素子であるＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）９上に集光される。ここに、ＰＬＤ１から、ビームスプリッタ３、基準ファイバー５、レンズ８を通過してＡＰＤ９に到る光路を参照光路Ｆ１といい、この基準パルス光ｒの受光される時間を基準時間ということとする。
【００２０】
ビームスプリッタ３を透過した測定パルス光ｏ１は、集光レンズ１０により発光ファイバー１１に集光される。この発光ファイバー１１を基準ファイバー５に対して十分に長くすることで、測定パルス光ｏ１を基準パルス光ｒに対し時間的に遅延させる遅延ファイバーとしての機能をもたせることが出来る。また光源の発光ムラやスペックルを除去するためのミキシング機能をもたせることも出来る。
【００２１】
発光ファイバー１１からの射出光はレンズ１２によりコリメートされた後ミラー１３により反射され、さらに、ミラー１４により反射されて装置外部へと導かれ、図示されない測定対象物へ照射される。ミラー１４は光軸上で回転可能に構成されており、本装置の外周を３６０度全域にわたって測定可能である。
【００２２】
測定対象物から反射された測定パルス光ｏ１は、ミラー１４により反射された後レンズ１５により受光ファイバー１６に集光される。受光ファイバー１６を透過した測定パルス光ｏ１はレンズ１７により平行光束に変換され、ビームスプリッタ７を透過してレンズ８によりＡＰＤ９上に集光される。
【００２３】
ここに、ＰＬＤ１から、ビームスプリッタ３、発光ファイバー１１を通過し、測定対象物で反射され、受光ファイバー１６、レンズ８を通過してＡＰＤ９に到る光路を測定パルス光路Ｆ２という。また、測定パルス光ｏ１が受光される時間を測定時間ということとし、測定時間と基準時間との時間差を求めることで、測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間及び測定物までの距離を求めることが可能である。
【００２４】
測定対象物が本測定装置から遠方にある場合から近辺にある場合まで、予想される光量変化は非常に大きくなるため、受光素子９には広いダイナミックレンジが要求される。他方、後述するように、受光光量により光束の波形が変化したり、受光処理部２１内のタイミング信号形成部３６で生成されるタイミング信号ｒ’、ｏ１’の位置がずれることから、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲（この範囲を標準範囲ＳＴと称することとする）内にある場合にのみ補正なしに正確な測定値が得られる。このため、精密測定には、測定パルス光ｏ１の光量をこの標準範囲ＳＴ内に調整する必要があった。受光素子であるＡＰＤ９は逆バイアス電圧ＶＲを変化させることでその電流増倍率αを変化できるので、逆バイアス電圧ＶＲの調整は受光信号（正確には、ＡＰＤの出力信号）のレベルを一定に保つ用途に用いられることが多かった。しかし本実施の形態は、測定のダイナミックレンジを広げるために逆バイアス電圧ＶＲの制御を行うものである。
【００２５】
駆動部３２は、発光素子ＰＬＤ１を駆動するＰＬＤドライバー３１と、受光素子ＡＰＤ９のバイアスを調整するバイアス調整器３０等で構成される。ＰＬＤドライバー３１の駆動によりＰＬＤ１から単一パルスが発生される。受光処理部２１はＡＰＤ９により受光された受光信号ｒ、ｏ１を測定値算定部３３の処理前に処理するもので、負荷１８、プリアンプ１９、コンパレータ２０、ピークホールド回路２９等により構成される。受光信号は、基準パルス光信号ｒ、測定パルス光信号ｏ１の順に受光素子ＡＰＤ９に入射され、ＡＰＤ９により増幅される。ＡＰＤ９の逆バイアス電圧ＶＲはバイアス調整器３０により制御され、電流増倍率αが調整される。ＡＰＤ９からの出力信号は負荷１８により電流電圧変換され、プリアンプ１９によってさらに増幅され、コンパレータ２０とピークホールド回路２９に入力される。コンパレータ２０により基準パルス光信号ｒおよび測定パルス光信号ｏ１はそれぞれデジタル的なタイミング信号ｒ’、ｏ１’に変換される。このように、受光処理部２１は受光信号ｒ、ｏ１からタイミング信号ｒ’、ｏ１’を形成するタイミング信号形成部３６（負荷１８、プリアンプ１９、コンパレータ２０で構成される）を有する。また、ピークホールド回路２９で基準パルス光信号ｒと測定パルス光信号ｏ１とが標準範囲ＳＴと比較され、比較の結果は後述するように、バイアス調整器３０に反映される。測定値算定部３３（演算部２７＋算定回路部２５）については後述する。
【００２６】
なお、光源ＰＬＤ１を駆動するＰＬＤドライバー３１は、演算部２７により制御する構成とした。この構成によると、受光光量の変化に影響を受けにくい受光処理部２１を構成出来る。
【００２７】
次にＡＰＤ９の制御について説明する。
【００２８】
図２にＡＰＤの逆バイアス特性の例を示す。この特性は日本電気（株）社製品のデータシートから抽出したＡＰＤ（型式番号ＮＤＬ１２０２）に関する例であり、図２（ａ）に電流増倍率αの逆バイアス電圧ＶＲ特性を、図２（ｂ）に端子間容量ＣＲの逆バイアス電圧ＶＲ特性を示す。図２（ａ）より、ＡＰＤの電流増倍率αは、逆バイアス電圧  ＶＲを制御することで変化する領域があり、この領域を第１領域Ａ１と呼ぶ。この領域において、電流増倍率αは２００倍以上の調整範囲を持つ（２〜５００）。したがって、遠方からの反射光などのため受光信号ｒ、ｏ１の振幅が小さい場合には、逆バイアス電圧ＶＲを大きくし電流増倍率αを上げるように制御できる。
【００２９】
図２（ｂ）より、電流増倍率αに対してＡＰＤの端子間容量ＣＲは、逆バイアス電圧  ＶＲを下げると大きくなる領域があり、この領域を第２領域Ａ２と呼ぶ。この領域において、１０倍程度の容量ＣＲ変化が生じるため、この効果を利用できる。すなわち、近い測定対象物からの反射光などで受光信号ｒ、ｏ１が大きくなる場合には、逆バイアス電圧ＶＲを下げていき、端子間容量ＣＲが大きくなるように制御することにより、受光波形の振幅を小さくすることが出来、この特性を利用すると、ＡＰＤの電流増倍率αにプラスアルファのゲイン可変範囲を得ることが可能になる。
【００３０】
なお、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが受光処理部２１の適切なダイナミックレンジの範囲（標準範囲）ＳＴにある場合には、例えば第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の境界近傍で、逆バイアス電圧ＶＲの調整なしに（例えば、逆バイアス電圧ＶＲ１２０〜１４０Ｖ、電流倍増率２〜３倍のいずれかに固定して）使用される。
【００３１】
図３に逆バイアス電圧調整による受光信号への影響を示す。受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴ内にある場合には（図５参照）、波形Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂに示すように、小さい倍増率（例えば２〜３倍）で増幅する。このとき、逆バイアス電圧ＶＲの調整は行なわない。受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には、波形Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂに示すように、第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを調整して電流増倍率αを大幅に増加させる。また、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には、波形Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂに示すように、第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを調整して受光素子ｒ、ｏ１の出力信号の時定数を大きくして、受光信号ｒ、ｏ１に周波数成分から波形のなまりを生じさせて、信号振幅を減少させる。このように、逆バイアス電圧ＶＲを調整することにより、受光処理部２１の負担を軽減し、受光信号検出に係るダイナミックレンジを拡大できる。すなわち、広いダイナミックレンジを持った受光処理部２１を構成することが出来る。
【００３２】
但し、逆バイアス電圧ＶＲを調整する場合には、図３に示すように受光信号（受光素子９の出力信号）の重心位置に波形のなまりにより時間遅れが生じるため、精密測定には、時間遅れの補正を行なうことが必要になる。
【００３３】
次に遅延時間、距離測定の流れを説明する。
【００３４】
図４は受光後の信号の流れを説明するための図である。ＰＬＤドライバー３１の駆動により発光素子ＰＬＤ１より単一パルスが発生する（（ａ）参照）。受光素子ＡＰＤ９に入射した受光信号は、負荷１８により電流電圧変換されプリアンプ１９によって増幅される。受光信号は、プリアンプ出力に示すように基準パルス光信号ｒ、測定パルス光信号ｏ１の順に発生する（（ｂ）参照）。基準パルス光信号ｒおよび測定パルス光信号ｏ１はコンパレータ２０によりそれぞれデジタル的なタイミング信号ｒ’、ｏ１’に変換される（（ｃ）参照）。コンパレータ２０の出力であるタイミング信号ｒ’、ｏ１’は、算定回路部２２に送られ、Ａ／Ｄコンバータ２５に入力されて遅延時間や距離の測定に用いられる。
【００３５】
算定回路部２２は、基準クロック発生回路（ＴＣＸＯ）２３、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２４、２回路（基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号用）入りＡ／Ｄコンバータ２５、メモリ２６等により構成され、演算部３３と協働して測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間（所要時間差）又は測定対象物までの距離を算定する。すなわち、遅延時間や測定対象物までの距離を算出する測定量算定部３３は演算部２７と算定回路部２２により構成される。
【００３６】
算定回路部２２では、装置の基準となるクロックを基準クロック発生回路（ＴＣＸＯ）２３により発生させ、基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路２４によりある所定の周波数の基準サイン／コサイン信号を生成する（（ｄ）、（ｅ）参照）。基準サイン／コサイン信号は正確に９０度の位相差を持った既知の同一周波数の信号として生成されていれば、２回路入りＡ／Ｄコンバータ２５の２つのＡ／Ｄ変換器にそれぞれの波形を入力しておき、基準パルス光ｒ、測定パルス光ｏ１の受光タイミングを用いてサンプリングし、メモリ２６に保存することで、測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物からの距離を、サンプルされたサイン／コサインそれぞれの位相から計算で求めることが出来る。
【００３７】
以上の手順で記憶されたデータは基準パルス光ｒおよび測定パルス光ｏ１の光量が受光処理部２１の適正なダイナミックレンジの範囲（標準範囲）ＳＴ内にある場合にのみ補正なしに正確な値を検出できる。そこで基準パルス光ｒおよび測定パルス光ｏ１の光量が適正であるかどうかを判断するためプリアンプ１９の出力をピークホールドする。プリアンプ１９の出力はピークホールド回路２９に入力され、ある一定時間ＤＣレベルを保つ（（ｆ）参照）。ピークホールド回路２９の出力はＣＰＵ（中央処理ユニット）２８に入力され、受光信号ｒ、ｏ１の光量が適正であるかどうかを判断される。
【００３８】
受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴにある場合には、ＡＰＤ９の逆バイアス電圧ＶＲの調整は行なわれず、小さい倍増率（例えば２〜３倍）で増幅される。受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には、ＣＰＵ２８はバイアス調整器３０を第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを電流増倍率αを大幅に増加させるように調整する。また、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には、ＣＰＵ２８はバイアス調整器３０を第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを受光素子９の出力信号の時定数を大きくして、信号振幅を減少させるように調整する。このように、逆バイアス電圧ＶＲを調整することにより、受光信号ｒ、ｏ１に関するダイナミックレンジを拡大できる。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換され、メモリ２６に保存された基準サイン／コサイン波形の位相データは、演算部２７のＣＰＵ２８で計算処理され、測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間や対象物までの距離が計算される。
【００４０】
また、これらの信号位相差や振幅に誤差がある場合には、補正によりその時間差を正すことが可能となる。すなわち、逆バイアス電圧ＶＲによる波形の歪み及び受光レベルの変化に対して遅延時間や距離の測定値変動の補正が行われる。すなわち、さらに精度の高い測定をする場合は逆バイアス電圧ＶＲ及び基準パルス光ｒと測定パルス光ｏ１との厳密な光量差を計算しその差が原因で発生する遅延時間や距離の測定値の誤差を補正する。この場合光量差と測定値誤差の関係をあらかじめテーブル化しておき、測定の都度このテーブルの値に基づいて補正を実行すればよい。なお、広範な距離範囲で受光信号ｒ、ｏ１が標準範囲ＳＴ内に入るようにして測定した測定値をメモリに保持しておけば、測定の都度、このデータを用いて受光信号ｒ、ｏ１の測定値についての測定誤差を算定して補正することも可能である。
【００４１】
受光時間が０．０１ｎｓ異なると、距離にして１．５ｍｍの差異が生じる。したがって、１ｍｍ以下の精度で測量するには、パルスの重心の精度を０．０２／３ｎｓ以下にしなければならない。前記テーブルを用いて実際の補正の精度を標準偏差が０．３ｍｍ以下になるように行うと、１．０ｍｍの精度を確保できる。したがって、ｐｓオーダーの補正テーブルが作成される。
【００４２】
図５に、本実施の形態における測量方法の処理フローを概略的に示す。
まず、逆バイアス電圧ＶＲに応じて電流増倍率αが変化する第１領域Ａ１と、逆バイアス電圧ＶＲに応じて端子間容量ＣＲが変化する第２領域Ａ２とを有する受光素子９を用いて、基準パルス光ｒ及び測定パルス光ｏ１を受光信号として受光する（受光工程：ステップＳ０１）。
【００４３】
次に、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬと標準範囲ＳＴとを比較する（レベル比較工程：ステップＳ０２）。受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに入る場合には、逆バイアス電圧ＶＲの調整を行わず、プリアンプ１９を通常の増幅率で使用する（ステップＳ０３）。受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて小さい場合には第１領域Ａ１で逆バイアス電圧ＶＲを調整して電流増倍率αを増加させ（第１領域Ａ１でのバイアス電圧調整工程：ステップＳ０４）、受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬが標準範囲ＳＴに比べて大きい場合には第２領域Ａ２で逆バイアス電圧ＶＲを調整して受光素子９の出力信号の時定数を大きくして出力信号の振幅を減少させる（第２領域Ａ２でのバイアス電圧調整工程：ステップＳ０５）。
【００４４】
次に、タイミング信号形成部３６（負荷１８、プリアンプ１９とコンパレータ２０で構成される）を用いて、受光信号ｒ、ｏ１からタイミング信号ｒ’、ｏ１’を形成する（タイミング信号形成工程：ステップＳ０６）。
次に、基準パルス光ｒから形成されたタイミング信号ｒ’と測定パルス光ｏ１から形成されたタイミング信号ｏ１’との時間差に基づき測定パルス光ｏ１の基準パルス光ｒに対する遅延時間又は測定対象物までの距離を測定する（測定値算定工程：ステップＳ０７）。
【００４５】
次に本発明における第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態とはタイミング信号形成部３６の構成のみが異なる。すなわちタイミング信号形成部３６において、受光光量が変化した場合には誤差が大きくならないように、受光信号（受光素子９の出力信号）からダンピング信号を形成し、ダンピング信号における微小レベルの信号の増幅率を高く増幅し、増幅器により微小レベルの信号を増幅した出力信号を用いて、受光信号ｒ、ｏ１からタイミング信号ｒ’、ｏ１’を形成するものである。
【００４６】
以下、信号処理について説明する。
【００４７】
図６に受光素子であるＡＰＤ９と接地の間に接続される負荷１８とＡＰＤ９の動作波形との関係を示す。図６（ａ）にＡＰＤ９の動作波形を、図６（ｂ）に受光処理部２１における負荷１８とプリアンプ１９の回路構成（ｍ１〜ｍ３）を示す。パルス発光された光束がＡＰＤ９に受光された場合、負荷１８が通常使用される抵抗３４の場合には（ｍ１参照）、その受光信号は波形Ｓ１Ｕのようになり、その０レベル付近を拡大すると波形Ｓ１Ｖのようになる。
【００４８】
ノイズの影響を除去するために、波形Ｓ１Ｖと閾値Ｌ１（レベルを破線で示す）との比較を行い、その大小で受光を判断するのが一般的であるが、波形Ｓ１Ｖのように波形が緩やかな勾配を有する場合には、受光光量が変化した場合には誤差が大きくなるという問題があった。すなわち、勾配が小さい程、波形Ｓ１Ｖが閾値Ｌ１とクロスする点は波形の立ち上がり点Ｑに遠く、勾配が大きい程、波形Ｓ１Ｖが閾値Ｌ１とクロスする点は波形の立ち上がり点Ｑに近い。したがって、閾値Ｌ１とのクロス点で受光時間を判定する場合には、波形の勾配が緩やかな場合には、受光信号の変動量が大きくなると、受光時間の測定値が大きく変化することが解る。
【００４９】
ところで、受光信号ｒ、ｏ１の重心位置でタイミング信号ｒ’、ｏ１’を発生させるのが、受光時間の測定誤差を小さくできて好ましい。波形Ｓ２Ｕに示すように、負荷１８にインダクタ３５を用い（ｍ２参照）、受光信号ｒ、ｏ１からある周波数成分のみを取り出し、減衰振動波形を取り出すと、そのゼロクロスポイントＱ０は振幅が変化しても移動せず、受光信号ｒ、ｏ１の重心相当位置とみなせるので、ゼロクロスポイントを測定に使用する方法がとられている。
【００５０】
波形Ｓ２ＵのゼロクロスポイントＱ０付近を拡大すると波形Ｓ２Ｖのようになる。そして、図中、上の破線を閾値Ｌ２、下の破線をゼロラインとすると、この減衰振動波形においても波形の勾配が緩やかな場合には、受光信号ｒ、ｏ１の変動量が大きくなると、波形Ｓ２Ｖの勾配により閾値Ｌ２とクロスする点が変化し、受光時間の測定値が大きく変化する。
【００５１】
本実施の形態では、波形Ｓ３Ｕに示すように、受光素子（ＡＰＤ）９の負荷１８に直接インダクタ３５を配置して減衰振動を発生させ、さらにその出力に、微小レベルの信号の増幅率を高く増幅するプリアンプ１９を配置して、光量変化に影響を受けにくい受光処理部２１を構成した（ｍ３参照）。すなわち、波形Ｓ３Ｖに示すように、ゼロクロスポイントＱ０付近の勾配を急峻にした。図中、上の破線を閾値Ｌ２、下の破線をゼロラインとすると、微小レベルの信号の増幅率を高く増幅することにより、光量変化による閾値Ｌ２とのクロス点の時間の変化を極力抑制する構成としている。
【００５２】
また、プリアンプ１９は、波形の高いレベルについては、増幅による位相の変化がない、すなわちゼロクロスポイントが移動しない増幅器であることが好ましく、このため、増幅率が低いか又は飽和しても位相の変化がない増幅器が好ましい。これらの増幅器として、リミッティングアンプやログアンプを用いることで、所望の特性を得ることが出来る。
【００５３】
このように、測定の対象をダンピング信号のゼロクロスとした場合は、スレッショルドなどにより信号振幅によって誤差を生じることとなるが、本実施の形態のようにログアンプやリミッティングアンプにより増幅し、ゼロクロス付近の増幅率を大きくすることにより、立ち上がりの傾斜による誤差の影響を少なくすることができる。
タイミング信号形成部３６の構成以外は第１の実施の形態と同様の構成であり、同様の効果を奏する。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜実施の形態に変更を加えられることは明白である。
【００５５】
例えば、上記実施の形態では、受光器（ＡＰＤ）９のプリアンプ１９の出力をピークホールド回路２９により検出し、演算部２７のＣＰＵ２８で受光信号ｒ、ｏ１のレベルＲＬに応じて駆動部３２のバイアス調整器３０でＡＰＤ９の逆バイアス電圧ＶＲの制御が行える構成としたが、ピークホールド回路２９のデータをバイアス調整器３０が直接受けてＡＰＤ９の逆バイアス電圧ＶＲを制御しても良い。また、上記実施の形態では、受光信号ｒ、ｏ１と標準範囲ＳＴの比較をピークホールド回路２９で行う例を説明したが、コンパレータ２０でこの比較をして、比較結果をバイアス調整器３０やＣＰＵ２８に送信しても良い。また、光源１については発光素子に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、測定対象物に光を照射し、その反射光を受光して遅延時間又は距離を測定するための測量装置及び測量方法に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態における装置構成例のブロック図である。
【図２】ＡＰＤの逆バイアス特性の例を示す図である。
【図３】逆バイアス電圧調整による受光信号への影響を示す図である。
【図４】受光後の信号の流れを説明するための図である
【図５】第１の実施の形態における測量方法の処理フローを概略的に示す図である。
【図６】負荷とＡＰＤの動作波形との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１    発光素子（ＰＬＤ）
２    コリメートレンズ
３    ビームスプリッタ
４    集光レンズ
５    基準ファイバー
６    レンズ
７    ビームスプリッタ
８    レンズ
９    受光素子（ＡＰＤ）
１０  集光レンズ
１１  発光ファイバー
１２  レンズ
１３  ミラー
１４  ミラー
１５  レンズ
１６  受光ファイバー
１７  レンズ
１８  負荷
１９  プリアンプ
２０  コンパレータ
２１  受光処理部
２２  算定回路部
２３  基準クロック発生回路
２４  基準ＳＩＮ／ＣＯＳ信号発生回路
２５  ２回路入りＡ／Ｄコンバータ
２６  メモリ
２７  演算部
２８  ＣＰＵ
２９  ピークホールド回路
３０  バイアス調整器
３１  ＰＬＤドライバー
３２  駆動部
３３  測定量算定部
３４  抵抗
３５  インダクタ
３６  タイミング信号形成部
Ａ１  第１領域
Ａ２  第２領域
ＣＲ  端子間容量
Ｆ１  参照光路
Ｆ２  測定パルス光路
Ｌ１、Ｌ２  閾値
ｍ１〜ｍ３  受光処理部の回路構成（負荷とプリアンプの部分）
ｏ１  測定パルス光信号
Ｑ  立ち上がり点
Ｑ０  ゼロクロスポイント
ｒ    基準パルス光信号
ｒ’、ｏ１’  タイミング信号
ＲＬ  受光信号のレベル
Ｓ１Ａ〜Ｓ３Ｂ、Ｓ１Ｕ〜Ｓ３Ｖ  信号波形
ＳＴ  標準範囲
ＶＲ  逆バイアス電圧
α    電流増倍率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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