光波測距儀

光波測距儀とは

光波測距儀（こうはそっきょぎ、英: electro-optical distance measuring instrument）は、主にレーザー光を用いて距離を測定する装置です。レーザーの直進性を利用することで、従来の電波測距儀よりも高い精度で距離を測定できます。ただし、光を用いるため、悪天候の影響を受けやすいという弱点もあります。

光波測距儀の基本的な考え方は、アルマン・フィゾーの光速測定実験に遡ることができます。この実験が、後の光波測距儀の開発に繋がったと言えるでしょう。

光波測距儀の方式

光波測距儀には、主に以下の二つの方式があります。

位相差方式

位相差方式は、測距儀から発射した変調光（一定の周期で明滅する光）が、反射プリズムで反射して戻ってくるまでの位相のずれを測定することで、距離を算出します。具体的には、以下の手順で距離を計算します。

1. 測距儀から、強度変調された光波を発射します。
2. 測点に設置された反射プリズムで光波を反射させます。
3. 反射光を測距儀で受信し、内部の参照信号との位相のずれを検出します。
4. 位相のずれと、光波の変調周波数から距離を計算します。

位相のずれは360°ごとに0になるため、測定距離に応じて複数の周波数を切り替える必要があります。また、高精度な測定のためには、内部の信号を分周し、外部からの信号を電気信号に変換して増幅するなどの技術が用いられます。

以前は光の変調にケルセルが使用されていましたが、耐久性の問題から現在は直接光源を変調する方法が主流です。光源には、発光ダイオード（LED）やレーザー光が使用されます。特に、レーザー光は直進性に優れているため、長距離かつ高精度の測定に適しています。

パルス方式

パルス方式は、短く強い光のパルスを発射し、それが物体で反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、距離を算出します。この方式では、光源にレーザーが用いられます。

光波測距儀の応用

光波測距儀は、測量分野だけでなく、さまざまな分野で利用されています。

測量: 土地や建物の測量、地形の計測、地盤沈下の観測など、測量分野で幅広く活用されています。特に、トータルステーションと呼ばれる、距離だけでなく角度も測定できる測距儀は、測量作業の効率化に大きく貢献しています。
軍事: 射撃照準、目標までの距離測定などに利用されます。携帯型のものは、双眼鏡や単眼鏡に組み込まれており、目標の距離、方位、角度などを迅速に測定できます。また、測定データを火器管制コンピュータに転送して、兵器の制御に利用することもできます。
製造業: 部品の寸法測定、組み立て作業の精度管理などに利用されています。レーザー距離計は、従来の巻尺よりも正確で迅速な測定が可能なため、製造現場での作業効率向上に貢献しています。
不動産業: 部屋の広さや建物の寸法測定などに利用されています。レーザー距離計は、広い範囲や凹凸のある場所でも簡単に測定できるため、不動産業界でも広く普及しています。

トータルステーションシステム

光波測距儀やGPS測量機の中には、マイコンやオペレーティングシステムを搭載し、遠隔操作やデータ記録、計算機能を持つものがあります。これらはトータルステーションシステムと呼ばれ、測量作業の効率化に大きく貢献しています。

測定可能距離

理論的には、反射光が戻ってくる距離であれば、地球周回軌道を周回する測地衛星のような超長距離でも測定可能ですが、実際には大気の揺らぎや空気中の微粒子によってレーザー光が拡散するため、地上での測定可能距離は、理論値よりも短くなります。一般的には、見通せる距離の約半分程度が測定可能距離とされています。

衛星レーザー測距

人工衛星にコーナーキューブを搭載し、地上からレーザーを照射して距離を測定する技術を衛星レーザー測距と呼びます。この技術は、測量だけでなく、一般相対性理論の検証などにも利用されています。

距離の計算

光波測距儀で距離を計算する基本的な式は以下の通りです。

$$ D = \frac{ct}{2} $$

ここで、Dは距離、cは光速、tは光が往復する時間です。この時間は、光波の位相のずれを測定することで算出できます。位相のずれをφ、光波の角速度をωとすると、時間は以下のように表せます。

$$ t = \frac{\varphi}{\omega} $$

これらの式から、距離は次のように計算できます。

$$ D = \frac{1}{2}ct = \frac{1}{2}\frac{c\varphi}{\omega} = \frac{c}{4\pi f}(N\pi + \Delta\varphi) = \frac{\lambda}{4}(N + \Delta N) $$

ここで、fは光波の周波数、λは波長、Nは往復時間の半周期の整数、ΔNは残りの小数部です。

光波測距儀の技術

光波測距儀の技術は、主に以下の3つに分類されます。

1. 光速度測定: 光が往復する時間を測定することで距離を算出します。高精度な検出回路が必要です。
2. 複数周波数位相シフト: 複数の周波数で反射して戻ってきた反射光と参照光の位相のずれを測定することで距離を算出します。
3. 干渉計: 変位を測定するための高精度な技術です。

安全性

一般向けのレーザー距離計は、クラス1に分類され、目に対する安全性が高いと考えられています。ただし、軍用のレーザー距離計は、より高出力のものがあり、注意が必要です。

参考文献

須田 教明『電磁波測距儀』（改訂版）森北出版、1976年。
丸安 隆和『大学課程 測量(1)』（第２版）オーム社、1991年。
半田 孝司 (1976), 光波測量の精度について：ジオジメーター700型の特性, https://cir.nii.ac.jp/crid/1390853649733147520
「光学式距離測定システムの設計 測定原理から信号処理の方法まで」『トランジスタ技術』、CQ出版、1993年7月、288-303頁。

外部リンク

* レーザー距離計（YouTube動画）

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