JP2013003025A - Laser distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ測距において生じる測距誤差を補正する技術に関する。 The present invention relates to a technique for correcting a ranging error that occurs in laser ranging.
従来のレーザ画像計測装置(例えば、特許文献1)では、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行っている。
一定の距離の基準点とは、装置の内部に存在する送信レーザを受信光学系に反射する又は光ファイバを用いて折り返す機構である。
In a conventional laser image measurement device (for example, Patent Document 1), a reference point of a certain distance is provided inside the device to calibrate the distance measurement value.
The reference point of a certain distance is a mechanism that reflects the transmission laser existing inside the apparatus to the reception optical system or turns it back using an optical fiber.
特許文献1のレーザ画像計測装置において、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行う場合は、装置の温度、振動等の環境の変化や基準点からマルチパス等により光学的経路や電気的特性に差が生じ、測距誤差が生じるという課題がある。
例えば、特許文献1のレーザ画像計測装置では、走査された送信光は、校正用光学部、校正用ファイバを通って、送受信光学部に「一定距離の基準点」として、受光する。
変調光が校正用ファイバを通過する際に、熱の影響を受けて校正用ファイバの長さが変化し、このため、変調光の受光時に位相が変化する。
これにより、「一定距離の基準点」に距離誤差が発生する。
In the laser image measurement device of
For example, in the laser image measuring device of
When the modulated light passes through the calibration fiber, the length of the calibration fiber changes under the influence of heat, and the phase changes when receiving the modulated light.
As a result, a distance error occurs at the “fixed distance reference point”.
また、装置を設置する際に、変調器からレーザ走査光学系までの接続配線の距離を変更すると距離誤差を生じ調整が必要になるという課題もあった。 Further, when the apparatus is installed, there is a problem that if the distance of the connection wiring from the modulator to the laser scanning optical system is changed, a distance error occurs and adjustment is required.
また、装置内部に基準点を設ける場合は、受信ビームのダイナミックレンジを考慮し、基準点として特別な反射率の物体を使用する必要があり、コストが高くなるという課題がある。
基準点として配置する「特別な反射率の物体」とは、特許文献1の構成では、校正用光学部と校正用ファイバである。
In addition, when a reference point is provided inside the apparatus, it is necessary to use an object having a special reflectance as the reference point in consideration of the dynamic range of the received beam, and there is a problem that the cost increases.
The “special reflectance object” arranged as the reference point is a calibration optical unit and a calibration fiber in the configuration of
この発明は、上記のような課題を解決することを主な目的の一つとしており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる装置を実現することを主な目的とする。 The main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to realize an apparatus capable of deriving an accurate distance by correcting a ranging error with a simple configuration. And
本発明に係るレーザ測距装置は、
既定の位置に設置され、既定の測距対象面に既定の仰角にて対向し、レーザ光の出射角度を変化させながら前記測距対象面にレーザ光を出射し、出射したレーザ光の前記測距対象面からの反射光を受光するレーザ送受信部と、
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とする。
The laser distance measuring device according to the present invention is:
It is installed at a predetermined position, faces a predetermined distance measurement target surface at a predetermined elevation angle, emits laser light to the distance measurement target surface while changing the laser light emission angle, and measures the measured laser light. A laser transmitting / receiving unit that receives reflected light from a distance target surface;
A reference reflector disposed at a position where the laser beam from the laser transmitting / receiving unit is irradiated and reflecting the irradiated laser beam to the laser transmitting / receiving unit;
Based on the reflected light received by the laser transmitting / receiving unit, the phase value of the laser light at each reflection point where the laser light is reflected on the surface to be measured is detected, and the phase value of the laser light at the reference reflecting plate is determined. A phase value detector to detect;
Based on the positional relationship between the laser transmission / reception unit and the surface to be measured, the elevation angle of the laser transmission / reception unit, and the emission angle when each laser beam is emitted, the phase value of the laser beam at each reflection point is calculated. A phase value calculator,
Using the phase value at each reflection point detected by the phase value detection unit, the phase value at the reference reflector, and the phase value at each reflection point calculated by the phase value calculation unit, the reflection point And a correction value calculation unit for calculating a correction value used for calculation of the distance value between.
本発明によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を導出できる。 According to the present invention, the correction value is calculated using the phase value obtained by the calculation based on the known installation conditions, and the accurate distance can be derived by correcting the ranging error with a simple configuration.
実施の形態1.
本実施の形態及び実施の形態2では、レーザ光走査光学系より送信された送信ビームが既知の設置環境から反射した受信ビームの位相値に対して距離補正を行うレーザ画像計測装置を説明する。
In the present embodiment and the second embodiment, a laser image measurement device that performs distance correction on the phase value of a reception beam reflected from a known installation environment by a transmission beam transmitted from a laser beam scanning optical system will be described.
図1は、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置100の構成例を示す。
レーザ画像計測装置100は、レーザ測距装置の例である。
FIG. 1 shows a configuration example of a laser
The laser
図1に示すように、レーザ画像計測装置100は、基準信号発生部101、レーザ光送信部102、レーザ光走査部103、受信部104、信号処理部105、及び基準反射板6で構成される。
基準信号発生部101は、発振器1と分配器2で構成される。
レーザ光送信部102は、レーザ装置3と変調器4で構成される。
レーザ光走査部103は、レーザ光走査光学系5で構成される。
受信部104は、受信光学系7と受光器8で構成される。
信号処理部105は、位相検波器9、距離演算装置10、距離補正装置11、3次元画像処理装置12で構成される。
なお、レーザ光走査部103と受信部104とを合わせたものをレーザ送受信部という。
As shown in FIG. 1, the laser
The
The laser
The laser
The
The
A combination of the laser
発振器1は、基準となる正弦波の変調信号を発生する機能を有しており、分配器は前記変調信号を2つに分岐する機能を有する。
また、レーザ装置3は、レーザ光を発光させる機能をもち、変調器4は前記変調信号に基づき、レーザ光に対して変調をかける機能をもつ。
レーザ光走査光学系5は、ビーム形状を整形し、空間中にレーザ光を照射・走査する機能を有する。
基準反射板6は、レーザ光走査光学系5から固定距離に設置されており、レーザ光を反射する機能を有する。
受信光学系7は、対象物において反射されたレーザ光を受信し、受光器8上に集光する機能を有する。
また、受光器8は、受信光を電気信号に変換する機能を有する。
位相検波器9は、基準信号発生部101から出力する変調信号と受信部104での受信信号を受信して位相検波を行い、位相信号に相当する電気信号を出力する機能を有する。
また、距離演算装置10は、前記位相信号に相当する電気信号に基づき、距離値を算出する機能を有する。
距離補正装置11は、算出した基準反射板6の距離値を基に距離値を補正する機能を有する。
3次元画像処理装置12は、補正距離値と走査角信号を基に、3次元画像を生成する機能を有する。
The
The laser device 3 has a function of emitting laser light, and the
The laser beam scanning optical system 5 has a function of shaping the beam shape and irradiating and scanning the laser beam in the space.
The
The receiving optical system 7 has a function of receiving the laser light reflected by the object and condensing it on the
The
The phase detector 9 has a function of receiving a modulation signal output from the reference
The distance calculation device 10 has a function of calculating a distance value based on an electrical signal corresponding to the phase signal.
The distance correction device 11 has a function of correcting the distance value based on the calculated distance value of the
The three-dimensional image processing device 12 has a function of generating a three-dimensional image based on the correction distance value and the scanning angle signal.
なお、本実施の形態に係る基準反射板6は、以下の条件を満たす必要がある。
(1)レーザ光走査光学系5により走査されたレーザ光を、受信光学系7の受信視野内で反射すること。
(2)受光器8にて受信した光のパワーが適正な範囲(パワーが大きすぎず、小さすぎず)となるように反射できること(パワーが大きすぎると受光器8にて飽和してしまい、小さすぎるとノイズレベルとなり、距離を正確に測定できない)。
In addition, the reference | standard reflecting
(1) The laser beam scanned by the laser beam scanning optical system 5 is reflected within the reception visual field of the reception optical system 7.
(2) The light received by the
本実施の形態のレーザ画像計測装置100では、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器9のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部102において、変調器4を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置3に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置3にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
In laser
In this case, in order to measure the arrival time of the pulse from the transmission system to the reception system and derive the distance, for example, a time difference measurement circuit is used instead of the phase detector 9.
Further, in the laser
For example, a laser diode is used for the laser device 3 and a drive current synchronized with the modulation signal is injected to obtain directly modulated light.
図3は、本実施の形態に係るレーザ送受信部(レーザ光走査部103と受信部104)とレーザ光の走査範囲を示している。
FIG. 3 shows a laser transmission / reception unit (laser
図3(a)の角度は、レーザ送受信部のビーム走査半角θの2倍を表している。
レーザ光は、スキャナミラーで反射されて基準反射板6を照射するとともに、レーザ光の角度を変化させることによって、ビーム走査半角θの2倍の範囲内でレーザ光の出射方向が変化する。
後述するように、レーザ送受信部は所定の測距対象面に向けてレーザ光を出射する。
The angle in FIG. 3A represents twice the beam scanning half angle θ of the laser transmitting / receiving unit.
The laser beam is reflected by the scanner mirror and irradiates the
As will be described later, the laser transmission / reception unit emits laser light toward a predetermined distance measurement target surface.
レーザ送受信部は、図3(b)に示すように、j方向(データ番号0〜n−1の方向)にレーザ光を上下に走査し、mライン分(ここではi方向に1ラインずつデータを並べる)のレーザ光の送受信を行う。
なお、1ラインの走査には、n回(データ番号0〜n−1)のレーザ光の出射と、n回の反射光の受光が含まれる。
j方向の走査は、レーザ光の出射角度(ビーム走査角αj)を変化させることにより行われる。
図3(b)において、例えば、n=10(データ番号0〜9)であり、中間のデータ番号であるデータ番号4を基準(ビーム走査角α4=0度)とすれば、データ番号0とデータ番号4との間の幅が、データ番号0に対するビーム走査角α0に相当する。
このように、データ番号j=0〜n−1の各々に対して、レーザ光の出射角度(ビーム走査角αj)を変化させて、測距対象面の複数の点にレーザ光を照射する。
なお、ここでn=10としたのは、説明の簡明のためであり、実際の運用では、例えば、図2に示すように512(n=512)程度となる。
As shown in FIG. 3B, the laser transmitter / receiver scans the laser beam up and down in the j direction (
Note that one line of scanning includes n times (
Scanning in the j direction is performed by changing the laser beam emission angle (beam scanning angle α j ).
In FIG. 3B, for example, if n = 10 (
As described above, the laser light emission angle (beam scanning angle α j ) is changed for each of the data numbers j = 0 to n−1, and the laser light is irradiated to a plurality of points on the surface to be measured. .
Here, n = 10 is set for simplicity of explanation, and in actual operation, for example, it is about 512 (n = 512) as shown in FIG.
また、図3(b)のj方向の全幅が、レーザ送受信部のビーム走査半角θの2倍に相当する。
また、基準反射板6には、強度画像/距離画像の上部の領域のレーザ光が照射される。
図3(b)では、データ番号0の領域のレーザ光のみが基準反射板6に照射されるようになっているが、より広範囲のレーザ光が基準反射板6に照射されてもよい。
3B corresponds to twice the beam scanning half angle θ of the laser transmitting / receiving unit.
Further, the
In FIG. 3B, only the laser beam in the area of
ここで、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置100の動作の詳細を説明する前に、信号処理部105における補正値の導出原理を概説する。
Here, before explaining the details of the operation of the laser
本実施の形態に係るレーザ送受信部は、レーザ光の出射角度(つまり、ビーム走査角αj)を変化させながら、基準反射板6及び測距対象面(例えば、路面)に対して、順次レーザ光を照射し、基準反射板6及び測距対象面からの反射光を受光する。
なお、レーザ送受信部は、測距対象面に既定の仰角にて対向している。
また、測距対象面における計測目標、つまり、レーザ光を反射する反射点の個数は既定値(=n)である。
ここでは、n個の反射点の各々を反射点j(j=0〜n−1)と表記する。
そして、位相検波器9は、反射点jからの反射光に基づき、反射点jでのレーザ光の位相値(φ’j)を検出する。
更に、位相検波器9は、基準反射板6からの反射光に基づき、基準反射板6でのレーザ光の位相値(φr)を検出する。
また、距離補正装置11が、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、各々のレーザ光出射時の出射角度(ビーム走査角αj)に基づき、反射点jでのレーザ光の位相値(φj)を算出する。
この位相値(φj)は、レーザ送受信部と測距対象面との位置関係、レーザ送受信部の仰角、ビーム走査角αjとの幾何的関係から導かれる論理値であり、正確な値である。
更に、距離補正装置11は、位相検波器9により検出された反射点jでの位相値(φ’j)と基準反射板6での位相値(φr)と、算出した反射点jでの位相値(φj)とを用いて、基準反射板6における位相値の補正値(φ0)を算出する。
そして、距離補正装置11は、位相検波器9により検出された反射点jでの位相値(φ’j)と基準反射板6での位相値(φr)と、算出した基準反射板6における位相値の補正値(φ0)を用いて、反射点jまでの正確な距離(補正距離値zcj)を求める。
The laser transmission / reception unit according to the present embodiment sequentially applies lasers to the
The laser transmitting / receiving unit faces the distance measurement target surface at a predetermined elevation angle.
The number of measurement targets on the surface to be measured, that is, the number of reflection points that reflect the laser light is a predetermined value (= n).
Here, each of the n reflection points is represented as a reflection point j (j = 0 to n−1).
Then, the phase detector 9 detects the phase value (φ ′ j ) of the laser light at the reflection point j based on the reflected light from the reflection point j.
Further, the phase detector 9 detects the phase value (φ r ) of the laser light at the
In addition, the distance correction device 11 has a reflection point j based on the positional relationship between the laser transmitter / receiver and the surface to be measured, the elevation angle of the laser transmitter / receiver, and the emission angle (beam scanning angle α j ) when each laser beam is emitted. The phase value (φ j ) of the laser beam is calculated.
This phase value (φ j ) is a logical value derived from the positional relationship between the laser transmission / reception unit and the distance measurement target surface, the elevation angle of the laser transmission / reception unit, and the geometric relationship with the beam scanning angle α j. is there.
Further, the distance correction device 11 includes the phase value (φ ′ j ) at the reflection point j detected by the phase detector 9, the phase value (φ r ) at the
Then, the distance correction device 11 uses the phase value (φ ′ j ) at the reflection point j detected by the phase detector 9, the phase value (φ r ) at the
なお、位相検波器9は、位相値検出部の例に相当する。
また、距離補正装置11は、位相値算出部と補正値算出部と距離値算出部の例に相当する。
The phase detector 9 corresponds to an example of a phase value detection unit.
The distance correction device 11 corresponds to an example of a phase value calculation unit, a correction value calculation unit, and a distance value calculation unit.
次に、図2及び図4を参照して、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置100の動作を詳細に説明する。
図2はレーザ画像計測装置100の動作原理を説明する図であり、図4は距離補正手順を示すフローチャート図である。
Next, the operation of the laser
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the laser
図2では、レーザ画像計測装置100のヘッド部(レーザ送受信部が含まれる)が、歩道上の所定の高さ(ヘッド部設置高さ:H)に設置されており、測距対象面である路面の複数点にレーザ光を照射し、路面上の各点までの距離を求める例を示している。
図2では、図3(b)のj方向にレーザ光が照射されている状態を示している。
図2の黒丸は、初期位相校正後のデータ、すなわち、路面上の反射点の正確な位置(測距誤差が補正された後の位置)を表している。
また、図2の白丸は、初期位相校正前のデータ、すなわち、測距誤差が補正される前の反射点の位置を表している。
なお、図2に示す値のうち、ヘッド部の取付仰角δ、ビーム走査半角θ、路面の傾斜角Θ、変調周波数f、光速c、円周率π、ヘッド部設置高さHは、既知である。
また、反射点jの測定位相値φ’jは、位相検波器9により反射光から検知され、基準反射板6の測定位相値φrは、位相検波器9により反射光から検知される。
ビーム走査角αjは、距離補正装置11によりビーム走査半角θから算出される。
補正値φ0も、距離補正装置11により算出される。
また、反射点jまでの補正距離値zcjも、距離補正装置11により算出される。
In FIG. 2, the head unit (including the laser transmitting / receiving unit) of the laser
FIG. 2 shows a state in which laser light is irradiated in the j direction of FIG.
The black circles in FIG. 2 represent the data after the initial phase calibration, that is, the accurate position of the reflection point on the road surface (the position after the distance measurement error is corrected).
The white circles in FIG. 2 represent the data before the initial phase calibration, that is, the position of the reflection point before the distance measurement error is corrected.
Of the values shown in FIG. 2, the mounting elevation angle δ of the head portion, the beam scanning half angle θ, the road surface inclination angle Θ, the modulation frequency f, the speed of light c, the circumference ratio π, and the head portion installation height H are known. is there.
The measured phase value φ ′ j of the reflection point j is detected from the reflected light by the phase detector 9, and the measured phase value φ r of the
The beam scanning angle α j is calculated from the beam scanning half angle θ by the distance correction device 11.
The correction value φ 0 is also calculated by the distance correction device 11.
The correction distance value zc j to the reflection point j is also calculated by the distance correction device 11.
レーザ画像計測装置100では、発振器1が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置3から発生したレーザ光を、変調器4によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系5によってレーザ光を1次元走査する。
対象物(基準反射板6及び図2の路面)からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系7で集光した後、受光器8で電気信号に変換する。
その後、位相検波器9で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
基準反射板6からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φrに相当し、路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’jに相当する。
In the laser
The reflected light from the object (the
Thereafter, the phase detector 9 performs phase detection with the reference modulation signal, and outputs the reception intensity of the reflected light and an electric signal corresponding to the phase difference between the modulation signal and the reception signal.
Electrical signals obtained phase value from the reflected light from the
距離演算装置10では、位相信号より反射点jの視線方向の距離zajを算出する。
具体的には、光速をc、位相差をΔφj、変調信号の周波数をfとすると、距離zajは、次式(1)により導出される。
zaj=(c×Δφj)/(4×π×f)・・・(1)
The distance calculation device 10 calculates the distance za j in the line-of-sight direction of the reflection point j from the phase signal.
Specifically, assuming that the speed of light is c, the phase difference is Δφ j , and the frequency of the modulation signal is f, the distance za j is derived by the following equation (1).
za j = (c × Δφ j ) / (4 × π × f) (1)
距離補正装置11では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値zcjを算出する。
具体的には、図4の動作フローに従って、補正距離値zcjを算出する。
The distance correction device 11 corrects the distance value and calculates a corrected distance value zc j in order to obtain the distance accurately.
Specifically, the correction distance value zc j is calculated according to the operation flow of FIG.
距離補正装置11は、設置条件(仰角δ、設置高さH、路面傾斜Θ)及びビーム走査半角θ(ビーム走査角αj)を用いて暫定距離値zbjを算出し(S101)、格納する。
なお、暫定距離値zbjの算出は、3次元画像処理装置12で行なってもよい。
この場合は、3次元画像処理装置12も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
The distance correction device 11 calculates the provisional distance value zb j using the installation conditions (elevation angle δ, installation height H, road surface inclination Θ) and beam scanning half angle θ (beam scanning angle α j ) (S101) and stores it. .
The provisional distance value zb j may be calculated by the three-dimensional image processing device 12.
In this case, the three-dimensional image processing device 12 corresponds to an example of a phase value calculation unit.
For example, when the beam scanning is a sine wave, it is calculated by the following equation.
なお、式(3)により算出する代わりに、ビーム走査角αjの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。 Instead of calculating by the equation (3), each fixed value of the beam scanning angle α j may be held as a table.
次に、距離補正装置11は、算出した暫定距離値zbjから、反射点jにおけるレーザ光の位相値φjを以下の式により、算出する(S102)。 Then, the distance correction device 11, from the calculated provisional distance value zb j, the following equation phase value phi j of the laser beam in the reflection point j, is calculated (S102).
また、距離補正装置11は、基準反射板6までの正確な位相値の補正値φ0を以下の式により、求める(S103)。
Further, the distance correction device 11 obtains an accurate phase value correction value φ 0 up to the
なお、算出した補正値φ0を、これ以降、固定値として用いる。 Incidentally, the correction value phi 0 calculated, thereafter, used as a fixed value.
次に、距離補正装置11は、補正距離値zcjを以下の式により求め、補正距離値zcjを3次元画像処理装置12に送信する(S104)。 Next, the distance correction device 11 obtains a correction distance value zc j by the following equation, and transmits the correction distance value zc j to the three-dimensional image processing device 12 (S104).
この補正距離値zcjが、図2の初期位相構成後のデータ(黒丸)に相当する。
なお、図2の初期位相構成前のデータ(白丸)は、以下の距離値zdjに相当する。
This correction distance value zc j corresponds to the data (black circle) after the initial phase configuration in FIG.
Note that the data (white circles) before the initial phase configuration in FIG. 2 corresponds to the following distance value zd j .
また、距離補正装置11は、位相検波器9が位相値の送信を停止するまで、S104の処理を繰り返す(S105)。 The distance correction device 11 repeats the process of S104 until the phase detector 9 stops transmitting the phase value (S105).
図3(b)を例にとると、図4のS101〜S103の処理は、ライン番号0の走査に対して行われる。
図3(b)のライン番号1以降の走査については、ライン番号0の走査に対してS103で算出した補正値φ0(式(5)で算出した補正値)を用いて、S104の手順(つまり、式(6)による計算)にて、補正距離値zcjを算出する。
Taking FIG. 3B as an example, the processing of S101 to S103 of FIG.
The
また、以上では、ヘッド部設置高さHが既知の場合に、式(2)により距離zbjを算出する例を説明した。
ヘッド部設置高さHが不明の場合に、Xj=j番目の奥行計測距離が把握できていれば、以下の式で、距離zbjを求めてもよい。
zbj=Xj/sin(αj+δ+Θ)・・・(8)
なお、Xj=j番目の奥行計測距離は、図2に示すように、ヘッド部(レーザ送受信部)から反射点jまでの水平方向での距離である。
In the above description, the example in which the distance zb j is calculated by the equation (2) when the head portion installation height H is known has been described.
If the head portion installation height H is unknown, the distance zb j may be obtained by the following equation if X j = jth depth measurement distance is known.
zb j = X j / sin (α j + δ + Θ) (8)
Note that X j = jth depth measurement distance is a horizontal distance from the head unit (laser transmission / reception unit) to the reflection point j, as shown in FIG.
本実施の形態によれば、既知の設置条件に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。 According to the present embodiment, the correction value is calculated using the logical value of the phase value obtained by the calculation based on the known installation conditions, and the accurate distance is corrected by correcting the ranging error with a simple configuration. Can be requested.
実施の形態2.
本実施の形態では、実施の形態1で説明した基準反射板6を用いないレーザ画像計測装置100を説明する。
In the present embodiment, a laser
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置100の構成は、図5に例示する通りである。
つまり、基準反射板6を用いない点以外は、図1の構成と同じである。
各要素は、図1に示したものと同様なので、説明を省略する。
The configuration of the laser
That is, the configuration is the same as that of FIG. 1 except that the
Each element is the same as that shown in FIG.
また、本実施の形態に係るレーザ画像計測装置100の動作原理も図2に示した通りである。
このため、図2に示す各要素の説明も省略する。
なお、図2に示すように、本実施の形態では、基準反射板6を用いないので、補正距離値zcjの式が実施の形態1とは異なっている。
Further, the operation principle of the laser
For this reason, description of each element shown in FIG. 2 is also omitted.
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the
また、本実施の形態でも、変調信号は正弦波でなく、パルスでもよい。
この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測し距離を導出するため、位相検波器9のかわりに、例えば時間差計測回路を用いることになる。
また、レーザ光送信部102において、変調器4を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、変調信号をレーザ装置3に入力し、直接変調光を得る場合もある。
例えば、レーザ装置3にレーザダイオードを用い、変調信号に同期した駆動電流を注入し、直接変調光を得る。
Also in this embodiment, the modulation signal may be a pulse instead of a sine wave.
In this case, in order to measure the arrival time of the pulse from the transmission system to the reception system and derive the distance, for example, a time difference measurement circuit is used instead of the phase detector 9.
Further, in the laser
For example, a laser diode is used for the laser device 3 and a drive current synchronized with the modulation signal is injected to obtain directly modulated light.
次に、実施の形態2に係るレーザ画像計測装置100の動作を説明する。
Next, the operation of the laser
レーザ画像計測装置100では、発振器1が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置3から発生したレーザ光を、変調器4によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系5によってレーザ光を1次元走査する。
対象物(図2の路面)からの反射光を、対応する受信視野をもつ受信光学系7で集光した後、受光器8で電気信号に変換する。
その後、位相検波器9で基準となる変調信号と位相検波を行い、反射光の受信強度と、変調信号と受信信号との位相差に相当する電気信号を出力する。
路面の各点からの反射光から得られた位相値の電気信号が位相値φ’jに相当する。
In the laser
The reflected light from the object (the road surface in FIG. 2) is collected by the receiving optical system 7 having a corresponding reception field of view, and then converted into an electric signal by the
Thereafter, the phase detector 9 performs phase detection with the reference modulation signal, and outputs the reception intensity of the reflected light and an electric signal corresponding to the phase difference between the modulation signal and the reception signal.
An electric signal having a phase value obtained from the reflected light from each point on the road surface corresponds to the phase value φ ′ j .
距離演算装置10では、位相信号より反射点jの視線方向の距離zajを算出する。
具体的には、光速をc、位相差をΔφj、変調信号の周波数をfとすると、距離zajは、次式(1)により導出される。
zaj=(c×Δφj)/(4×π×f)・・・(1)
The distance calculation device 10 calculates the distance za j in the line-of-sight direction of the reflection point j from the phase signal.
Specifically, assuming that the speed of light is c, the phase difference is Δφ j , and the frequency of the modulation signal is f, the distance za j is derived by the following equation (1).
za j = (c × Δφ j ) / (4 × π × f) (1)
距離補正装置11では、正確に距離を求めるために、距離値を補正し、補正距離値zcjを算出する。
具体的には、図6の動作フローに従って、補正距離値zcjを算出する。
The distance correction device 11 corrects the distance value and calculates a corrected distance value zc j in order to obtain the distance accurately.
Specifically, the correction distance value zc j is calculated according to the operation flow of FIG.
距離補正装置11は、設置条件(仰角δ、設置高さH、路面傾斜Θ)及びビーム走査半角θ(ビーム走査角αj)を用いて暫定距離値zbjを算出し(S201)、格納する。
なお、暫定距離値zbjの算出は、3次元画像処理装置12で行なってもよい。
この場合は、3次元画像処理装置12も、位相値算出部の例に相当する。
例えば、ビーム走査がサイン波の場合は、以下のような式で算出される。
The distance correction device 11 calculates the provisional distance value zb j using the installation conditions (elevation angle δ, installation height H, road surface inclination Θ) and beam scanning half angle θ (beam scanning angle α j ) (S201) and stores it. .
The provisional distance value zb j may be calculated by the three-dimensional image processing device 12.
In this case, the three-dimensional image processing device 12 corresponds to an example of a phase value calculation unit.
For example, when the beam scanning is a sine wave, it is calculated by the following equation.
なお、式(3)により算出する代わりに、ビーム走査角αjの各々の固定値をテーブルとして持っておいてもよい。 Instead of calculating by the equation (3), each fixed value of the beam scanning angle α j may be held as a table.
次に、距離補正装置11は、算出した暫定距離値zbjから、反射点jにおけるレーザ光の位相値φjを以下の式により、算出する(S202)。 Then, the distance correction device 11, from the calculated provisional distance value zb j, the following equation phase value phi j of the laser beam in the reflection point j, is calculated (S202).
また、距離補正装置11は、正確な位相値の補正値φ0を以下の式により、求める(S203)。 The distance correcting apparatus 11, by the following equation correction value phi 0 of correct phase value, determined (S203).
なお、補正値φ0は、定期的に更新する。 It should be noted that the correction value φ 0 is regularly updated.
次に、距離補正装置11は、補正距離値zcjを以下の式により求め、補正距離値zcjを3次元画像処理装置12に送信する(S204)。 Next, the distance correction device 11 obtains a correction distance value zc j by the following equation, and transmits the correction distance value zc j to the three-dimensional image processing device 12 (S204).
この補正距離値zcjが、図2の初期位相構成後のデータ(黒丸)に相当する。
なお、図2の初期位相構成前のデータ(白丸)は、以下の距離値zdjに相当する。
This correction distance value zc j corresponds to the data (black circle) after the initial phase configuration in FIG.
The data (white circle) before the initial phase configuration in FIG. 2 corresponds to the following distance value zd j .
また、距離補正装置11は、位相の補正値φ0の更新時間が経過したら(S205)、S203の処理により補正値φ0を更新する。
また、位相検波器9が位相値の送信を停止するまで、S204の処理を繰り返す(S206)。
The distance correcting apparatus 11, after the lapse update time correction value phi 0 in phase (S205), and updates the correction value phi 0 by the processing of S203.
Moreover, the process of S204 is repeated until the phase detector 9 stops transmission of a phase value (S206).
図3(b)を例にとると、図6のS201〜S203の処理は、ライン番号0の走査に対して行われる。
図3(b)のライン番号1以降の走査については、補正値φ0の更新時間が経過していなければ、ライン番号0の走査に対してS203で算出した補正値φ0(式(9)で算出した補正値)を用いて、S204の手順(つまり、式(10)による計算)にて、補正距離値zcjを算出する。
Taking FIG. 3B as an example, the processing of S201 to S203 of FIG. 6 is performed for the scan of
For the scan after
また、実施の形態1で説明したように、ヘッド部設置高さHが不明の場合に、Xj=j番目の奥行計測距離を用いて、距離zbjを求めてもよい。 Further, as described in the first embodiment, when the head portion installation height H is unknown, the distance zb j may be obtained using X j = j-th depth measurement distance.
また、レーザ画像計測装置100が、反射点jに対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行う場合は、式(9)で用いる位相値φ’jを複数回の計測により得られた位相値の移動平均値とすることができる。
つまり、位相検波器9は、複数回の各回において、各反射点jでの位相値を検出し、距離補正装置11は、複数回の計測により得られた位相値の移動平均値を算出し、式(9)の位相値φ’jの代わりに移動平均値を用いて、補正値φ0を算出するようにしてもよい。
また、式(10)においても、位相値φ’jの代わりに移動平均値を用いてもよい。
Further, when the laser
That is, the phase detector 9 detects the phase value at each reflection point j at each of a plurality of times, and the distance correction device 11 calculates a moving average value of the phase values obtained by the plurality of times of measurement, The correction value φ 0 may be calculated using a moving average value instead of the phase value φ ′ j in the equation (9).
Also in Equation (10), a moving average value may be used instead of the phase value φ ′ j .
以上、本実施の形態によれば、基準反射板を用いることなく、既知の設置環境に基づく計算により得られた位相値の論理値を用いて補正値を算出しており、簡易な構成により、測距誤差を補正して正確な距離を求めることができる。 As described above, according to the present embodiment, the correction value is calculated using the logical value of the phase value obtained by the calculation based on the known installation environment without using the reference reflector, and with a simple configuration, An accurate distance can be obtained by correcting the distance measurement error.
最後に、実施の形態1及び2に示した信号処理部105のハードウェア構成例について説明する。
図7は、実施の形態1及び2に示す信号処理部105のハードウェア資源の一例を示す図である。
なお、図7の構成は、あくまでも信号処理部105のハードウェア構成の一例を示すものであり、信号処理部105のハードウェア構成は図7に記載の構成に限らず、他の構成であってもよい。
Finally, a hardware configuration example of the
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of hardware resources of the
The configuration in FIG. 7 is merely an example of the hardware configuration of the
図7において、信号処理部105は、プログラムを実行するCPU911(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう)を備えている。
CPU911は、バス912を介して、例えば、ROM(Read Only Memory)913、RAM(Random Access Memory)914、表示装置901、キーボード902、マウス903、磁気ディスク装置920と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。
更に、CPU911は、通信ボード、FDD(Flexible Disk Drive)、コンパクトディスク装置(CDD)、プリンタ装置、スキャナ装置等と接続していてもよい。
また、磁気ディスク装置920の代わりに、SSD(Solid State Drive)、光ディスク装置、メモリカード(登録商標)読み書き装置などの記憶装置でもよい。
In FIG. 7, the
The
Furthermore, the
Further, instead of the
磁気ディスク装置920には、オペレーティングシステム921(OS)、プログラム群923、ファイル群924が記憶されている。
プログラム群923のプログラムは、CPU911がオペレーティングシステム921を利用しながら実行する。
The
The programs in the
また、RAM914には、CPU911に実行させるオペレーティングシステム921のプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。
また、RAM914には、CPU911による処理に必要な各種データが格納される。
The
The
上記プログラム群923には、信号処理部105の各機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、CPU911により読み出され実行される。
The
ファイル群924には、実施の形態1及び2の説明において、「〜の算出」、「〜の計算」、「〜の検知」、「〜の更新」、「〜の入力」、「〜の出力」等として説明している処理の結果を示す情報やデータや信号値や変数値やパラメータが、「〜ファイル」や「〜データベース」の各項目として記憶されている。
「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。
In the
The “˜file” and “˜database” are stored in a recording medium such as a disk or a memory.
また、実施の形態1及び2で説明しているフローチャートの矢印の部分は主としてデータや信号の入出力を示す。
データや信号値は、記録媒体に記録される。
また、データや信号は、バス912や信号線やケーブルその他の伝送媒体によりオンライン伝送される。
In addition, the arrows in the flowcharts described in the first and second embodiments mainly indicate input / output of data and signals.
Data and signal values are recorded on a recording medium.
Data and signals are transmitted online via a bus 912, signal lines, cables, or other transmission media.
また、実施の形態1及び2で説明したフローチャートに示すステップ、手順、処理により、信号処理部105の処理を信号処理方法として捉えることができる。
Further, the processing of the
1 発振器、2 分配器、3 レーザ装置、4 変調器、5 レーザ光走査光学系、6 基準反射板、7 受信光学系、8 受光器、9 位相検波器、10 距離演算装置、11 距離補正装置、12 3次元画像処理装置、100 レーザ画像計測装置、101 基準信号発生部、102 レーザ光送信部、103 レーザ光走査部、104 受信部、105 信号処理部。 1 oscillator, 2 distributor, 3 laser device, 4 modulator, 5 laser beam scanning optical system, 6 reference reflector, 7 receiving optical system, 8 light receiver, 9 phase detector, 10 distance calculation device, 11 distance correction device , 12 3D image processing device, 100 laser image measurement device, 101 reference signal generation unit, 102 laser light transmission unit, 103 laser light scanning unit, 104 reception unit, 105 signal processing unit.
Claims (7)
前記レーザ送受信部からのレーザ光が照射される位置に配置され、照射されたレーザ光を前記レーザ送受信部に反射する基準反射板と、
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出するとともに、前記基準反射板でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。 It is installed at a predetermined position, faces a predetermined distance measurement target surface at a predetermined elevation angle, emits laser light to the distance measurement target surface while changing the laser light emission angle, and measures the measured laser light. A laser transmitting / receiving unit that receives reflected light from a distance target surface;
A reference reflector disposed at a position where the laser beam from the laser transmitting / receiving unit is irradiated and reflecting the irradiated laser beam to the laser transmitting / receiving unit;
Based on the reflected light received by the laser transmitting / receiving unit, the phase value of the laser light at each reflection point where the laser light is reflected on the surface to be measured is detected, and the phase value of the laser light at the reference reflecting plate is determined. A phase value detector to detect;
Based on the positional relationship between the laser transmission / reception unit and the surface to be measured, the elevation angle of the laser transmission / reception unit, and the emission angle when each laser beam is emitted, the phase value of the laser beam at each reflection point is calculated. A phase value calculator,
Using the phase value at each reflection point detected by the phase value detection unit, the phase value at the reference reflector, and the phase value at each reflection point calculated by the phase value calculation unit, the reflection point And a correction value calculation unit for calculating a correction value used for calculation of the distance value between.
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された反射点での位相値から前記基準反射板での位相値を差し引いた差分値を、前記位相値算出部により算出された反射点での位相値から差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出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。 The correction value calculation unit
For each reflection point, the difference value obtained by subtracting the phase value at the reference reflector from the phase value at the reflection point detected by the phase value detection unit is the phase at the reflection point calculated by the phase value calculation unit. Calculate by subtracting from the value,
2. The laser distance measuring device according to claim 1, wherein the correction value is calculated by taking an average of the calculated values for each reflection point obtained.
前記位相値検出部により検出された反射点での位相値と前記基準反射板での位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有す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。 The laser distance measuring device further includes:
Using the phase value at the reflection point detected by the phase value detection unit, the phase value at the reference reflector, and the correction value calculated by the correction value calculation unit, for each reflection point, The laser distance measuring device according to claim 1, further comprising a distance value calculating unit that calculates the distance value of the distance.
前記レーザ送受信部が受光した反射光に基づき、前記測距対象面においてレーザ光を反射した各反射点でのレーザ光の位相値を検出する位相値検出部と、
前記レーザ送受信部と前記測距対象面との位置関係と、前記レーザ送受信部の仰角と、各々のレーザ光出射時の出射角度とに基づき、各反射点でのレーザ光の位相値を算出する位相値算出部と、
前記位相値検出部により検出された各反射点での位相値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、反射点との距離値の算出に用いる補正値を算出する補正値算出部とを有することを特徴とするレーザ測距装置。 It is installed at a predetermined position, faces a predetermined distance measurement target surface at a predetermined elevation angle, emits laser light to the distance measurement target surface while changing the laser light emission angle, and measures the measured laser light. A laser transmitting / receiving unit that receives reflected light from a distance target surface;
A phase value detection unit that detects a phase value of the laser beam at each reflection point that reflects the laser beam on the surface to be measured based on the reflected light received by the laser transmitting and receiving unit;
Based on the positional relationship between the laser transmission / reception unit and the surface to be measured, the elevation angle of the laser transmission / reception unit, and the emission angle when each laser beam is emitted, the phase value of the laser beam at each reflection point is calculated. A phase value calculator,
Correction value used to calculate the distance value from the reflection point using the phase value at each reflection point detected by the phase value detection unit and the phase value at each reflection point calculated by the phase value calculation unit And a correction value calculation unit for calculating the laser range finder.
反射点ごとに、前記位相値算出部により算出された位相値から前記位相値検出部により検出された位相値を差し引く計算を行い、
得られた反射点ごとの計算値の平均をとって前記補正値を算出することを特徴とする請求項4に記載のレーザ測距装置。 The correction value calculation unit
For each reflection point, perform a calculation to subtract the phase value detected by the phase value detection unit from the phase value calculated by the phase value calculation unit,
5. The laser distance measuring device according to claim 4, wherein the correction value is calculated by taking an average of the calculated values for each obtained reflection point.
各反射点に対するレーザ光の出射を複数回にわたって繰り返し行い、
前記位相値検出部は、
前記複数回の各回において、各反射点でのレーザ光の位相値を検出し、
前記補正値算出部は、
反射点ごとに、前記位相値検出部により検出された位相値の前記複数回における平均値を算出し、
算出した各反射点の位相値の平均値と前記位相値算出部により算出された各反射点での位相値とを用いて、前記補正値を算出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装置。 The laser range finder is
Repeatedly emitting laser light to each reflection point multiple times,
The phase value detector
In each of the plurality of times, the phase value of the laser beam at each reflection point is detected,
The correction value calculation unit
For each reflection point, calculate the average value of the phase value detected by the phase value detector in the plurality of times,
The correction value is calculated using the average value of the calculated phase values of each reflection point and the phase value at each reflection point calculated by the phase value calculation unit. The laser distance measuring device described.
前記位相値検出部により検出された位相値と、前記補正値算出部により算出された補正値とを用いて、反射点ごとに、反射点との距離値を算出する距離値算出部を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のレーザ測距装置。 The laser distance measuring device further includes:
A distance value calculation unit that calculates a distance value from the reflection point for each reflection point using the phase value detected by the phase value detection unit and the correction value calculated by the correction value calculation unit. The laser range finder according to any one of claims 4 to 6.
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