レーザー距離計

レーザー距離計はレーザーテレメータとも呼ばれ、レーザー光線を使用して物体までの距離を測定する距離計です。最も一般的な形式のレーザー距離計は、飛行時間原理に基づいて動作し、物体に向かって細い光線のレーザーパルスを送信し、パルスがターゲットで反射して送信元に戻ってくるまでの時間を測定します。光速が速いため、この技術は高精度のサブミリメートル測定には適していません。代わりに三角測量やその他の技術がよく使用されます。レーザー距離計は、ハンドヘルドのスキャナーレスLIDARの一種として分類されることもあります。

距離計が妨害される可能性を減らすために、パルスをコード化することができます。ドップラー効果技術を使用して、物体が距離計に向かっているのか、それとも距離計から遠ざかっているのか、また遠ざかっている場合はその速度を判断する ことができます。

計測器の精度は、レーザーパルスの立ち上がり時間、^[1]、発散、出力、光学系の品質、搭載デジタル信号処理と相関関係にあります。環境要因によって範囲と精度が大幅に低下する可能性があります。

• 湿気、雪、ほこり、その他の空気中の微粒子によって信号が拡散します。
• 気温が高くなり、気圧が高くなると（標高が低くなると）、空気中の光の速度はわずかに低下します。
• ターゲットが小さく反射率が低いほど、返される情報も少なくなります。

条件が良ければ、熟練したオペレーターは精密レーザー距離計を使用して、約 3 キロメートルの距離にあるターゲットを 1 メートル以内の距離まで測定できます。

ビームは狭いにもかかわらず、レーザービームの発散、および空気中の水滴がレンズとして作用して微小なものから地球上のレーザービームの経路のおよそ半分の高さまでの大きさになることによって引き起こされるシンチレーションとビームワンダー効果により、最終的には長距離にわたって広がります。

これらの大気の歪みは、レーザー自体の発散と、大気の熱気泡を横方向に押し出す横風と相まって、例えば木の下や茂みの後ろ、あるいは開けた遮るもののない砂漠地帯での 1 km を超える長距離にある物体までの距離を正確に読み取ることが困難になる可能性があります。

レーザー光の一部は、対象物よりも近くにある葉や枝に反射して早く戻り、読み取り値が低すぎる場合があります。また、距離が 360 メートルを超える場合、対象物が地球に近いと、加熱された表面付近の空気の温度勾配によってレーザー光が曲げられ、蜃気楼のように消えてしまうことがあります。これらすべての影響を考慮する必要があります。

点Aと点Bの間の距離は次のように表される。

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

ここで、cは光の速度、t はA と B の間の往復にかかる時間です。

${\displaystyle t={\frac {\phi }{\omega }}}$

ここで、φ は光の進行によって生じる位相遅延であり、ω は光波の角周波数です。

次に、方程式に値を代入すると、

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

この式では、λは波長である。ｃ/ふ⁠ ; Δφ は位相遅延のうちπ を満たさない部分（つまり、φ をπで割ったもの）です。Nは往復の波の半周期の整数であり、 Δ N は残りの小数部分です。

飛行時間- 光パルスがターゲットまで移動して戻ってくるのにかかる時間を測定します。光の速度がわかっていて、かかる時間を正確に測定できれば、距離を計算できます。多数のパルスが連続して発射され、平均応答が最も一般的に使用されます。この技術には、非常に正確なナノ秒未満のタイミング回路が必要です。

複数周波数位相シフト- 反射時の複数周波数の位相シフトを測定し、いくつかの同時方程式を解いて最終的な測定値を算出します。

干渉法- 絶対距離ではなく距離の変化を測定するための最も正確かつ最も有用な技術。

大気吸収による光減衰- この方法は、大気中の化合物（H ₂ O、CO ₂、CH ₄、O ₂など）による吸収によって引き起こされるレーザービームの減衰を測定し、物体までの距離を計算します。光大気吸収減衰法では、変調されていない非干渉性光源と、デバイスの複雑さを軽減する低周波電子機器が必要です。これにより、低コストの光源を距離測定に使用できます。ただし、この方法の適用は、大気測定または惑星探査に限定されています。^[2]

レンジファインダーは、狙撃兵や砲兵の至近距離を超えたターゲットまでの正確な距離を提供します。また、軍事偵察や工学にも使用できます。通常、戦車は LRF を使用して直接射撃ソリューションを修正します。

携帯型軍用距離計は、2 km から最大 25 km の範囲で動作し、双眼鏡または単眼鏡と組み合わせて使用​​されます。距離計にデジタル磁気コンパス (DMC) と傾斜計が装備されている場合は、ターゲットの磁気方位、傾斜、高さ (長さ) を提供できます。一部の距離計は、観測者に対するターゲットの速度も測定できます。一部の距離計には、測定データを射撃管制コンピューターなどの他の機器に転送できるように、ケーブルまたはワイヤレス インターフェイスが備わっています。一部のモデルでは、アドオンの暗視モジュールを使用することもできます。ほとんどの携帯型距離計は、標準または充電式バッテリーを使用します。

より強力な距離計モデルは、最大 40 km までの距離を測定でき、通常は三脚に取り付けるか、車両、船舶、ジェット機、ヘリコプター、または砲台に直接取り付けます。後者の場合、距離計モジュールは、搭載された熱探知機、暗視装置、昼間観測装置と統合されます。最も高度な軍用距離計は、コンピューターと統合できます。

レーザー距離計やレーザー誘導兵器が軍事目標に対してあまり役に立たないようにするために、さまざまな軍隊が車両用のレーザー吸収塗料を開発している可能性があります。しかし、一部の物体はレーザー光をあまりよく反射せず、そのような物体にレーザー距離計を使用するのは困難です。

最初の商用レーザー距離計は、ヒューズ・エアクラフト社と共同で開発されたバー・アンド・ストラウド社のLF1で、1965年に発売された。その後、距離計を戦車の照準器に統合したバー・アンド・ストラウド社のLF2が発売され、 1969年にチーフテン戦車に使用された。これは、このようなシステムを搭載した最初の車両であった。どちらのシステムもルビーレーザーを使用していた。^[4]

レーザー距離計は、3D オブジェクト認識、3D オブジェクト モデリング、およびさまざまなコンピューター ビジョン関連の分野で広く使用されています。この技術は、いわゆる飛行時間型 3D スキャナーの核心です。軍用機器とは対照的に、レーザー距離計は、片面または 360 度のスキャン モードのいずれかで高精度のスキャン機能を提供します。

単一の物体の複数の角度から取得した距離データを結合して、できるだけ誤差の少ない完全な 3D モデルを作成するためのアルゴリズムが数多く開発されています。レーザー距離計が他のコンピューター ビジョン方法よりも優れている点の 1 つは、立体視方法のように深度情報を決定するために 2 つの画像の特徴を相関させる必要がないことです。

コンピューター ビジョン アプリケーションで使用されるレーザー距離計の深度解像度は、多くの場合 0.1 mm 以下です。これは、 LIDARで使用される飛行時間技術とは異なり、三角測量または屈折測定技術を使用することで実現できます。

林業では、特殊なレーザー距離計が使用されています。これらの装置には、防葉フィルターが付いており、反射板と連動します。レーザー光線はこの反射板からのみ反射するため、正確な距離測定が保証されます。防葉フィルター付きのレーザー距離計は、たとえば森林調査に使用されます。

レーザー距離計は、ゴルフ、狩猟、アーチェリーなど、正確な距離測定を必要とするさまざまなスポーツで効果的に使用できます。人気のあるメーカーには、Caddytalk、Opti-logic Corporation、Bushnell、Leupold、LaserTechnology、Trimble、Leica、Newcon Optik、Op. Electronics、Nikon、Swarovski Optik、Zeissなどがあります。Bushnellの多くの距離計には、ARC（角度範囲補正）、マルチ距離機能、スロープ、JOLT（ターゲットがロックされたときに振動する）、ピンシーキングなどの高度な機能が搭載されています。ARCはライフルマンの定理を使用して手動で計算できますが、狩猟中に距離計に計算させると、通常ははるかに簡単になります。時間が最も重要なゴルフでは、レーザー距離計は旗までの距離を見つけるのに役立ちます。ただし、すべての機能がゴルフトーナメントで100％合法であるわけではありません。^[5]米国東部のハンターの多くは距離計を必要としませんが、射撃距離が長く、広い空間が多い西部のハンターの多くは距離計を必要とします。

重要な用途としては、鉄鋼業界における在庫管理システムや生産プロセスの自動化におけるレーザー距離計技術の使用が挙げられます。

レーザー距離計は、建設、改築、不動産などのさまざまな業界で巻尺の代替品としても使用されており、1993年にフランスでライカジオシステムズによって初めて導入されました。部屋などの大きな対象物を巻尺で測定するには、別の人が反対側の壁に巻尺を持ち、部屋を横切る明確な直線で巻尺を伸ばす必要があります。レーザー測定ツールを使用すると、視線があれば1人のオペレーターで作業を完了できます。巻尺は技術的には完全に正確ですが、レーザー測定ツールははるかに正確です。レーザー測定ツールには通常、部屋の面積や容積などの簡単な計算を行う機能が含まれています。これらのデバイスは、金物店やオンラインマーケットプレイスで見つけることができます。

レーザー距離計の価格は、製品の品質と用途によって異なります。軍用グレードの距離計は、可能な限り正確で、長距離まで測定できなければなりません。これらの機器は数十万ドルもします。狩猟やゴルフなどの民間用途では、機器はより手頃な価格で、入手も容易です。^{[6] [7]}

レーザー距離計は4つのクラスといくつかのサブクラスに分けられます。消費者が利用できるレーザー距離計は通常、レーザークラス1またはクラス2のデバイスであり、比較的目に安全であると考えられています。^[8]安全評価に関係なく、直接の目への接触は常に避けてください。軍事用のレーザー距離計のほとんどは、レーザークラス2のエネルギーレベルを超えています。

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ウィキメディア・コモンズのレーザー距離計に関連するメディア

• [1] 狩猟用距離計とその種類についての簡単な説明。