JP4855749B2 - 距離測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して距離測定を行う距離測定装置に関するものである。
距離測定装置として、レーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を用いて測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定装置がある。
従来、光波距離測定装置では、レーザ光線を一定周波数で強度変調し、測距光として射出し、測定対象物で反射された反射測距光を受光し、受光された反射測距光の強度変調の位相と距離測定装置内部に形成した参照用光路で得られた内部参照光の強度変調の位相とを比較し、位相差から測定対象物迄の距離を測定している。
上記距離測定装置に於ける距離測定では、測距距離に応じて前記位相差が変化することを利用したものであり、内部参照光と反射測距光間の位相差をΔφ、測距距離をD、変調周波数をf、光速をCとすれば、位相差ΔφはΔφ=4πfD/C(式1)と表され、測距距離Dは位相差Δφを測定することで求めることができ、更に参照用光路長は既知であるので、求められた測定距離を内部参照光路で補正することで正確な測定距離が得られる。
又、距離測定に於いて、距離測定装置内部の検出回路等のドリフトが測定誤差として影響するが、内部参照光と反射測距光との位相を比較することで、検出回路等のドリフトの影響が相殺され、正確な距離の演算が可能となる。
図12に於いて、従来の距離測定装置の概略を説明する。
レーザダイオード等の発光素子1は発光駆動回路12によって所定周波数に強度変調されたレーザ光線を射出する。該レーザ光線はハーフミラー2によって測距光3と内部参照光4とに分割され、前記ハーフミラー2を透過した前記測距光3は対物レンズ5を通して測定対象物6、例えばコーナキューブ等の反射鏡に照射され、該測定対象物6で反射された反射測距光3′は前記対物レンズ5、ハーフミラー8を通してアバランシェフォトダイオード等の受光素子7により受光される。
前記ハーフミラー2で反射された前記内部参照光4は、前記反射測距光3′の光路上の前記ハーフミラー8で反射され、前記受光素子7に受光される。該受光素子7の受光信号は、受光回路13に入力され、該受光回路13は測距演算の為に前記受光素子7から入力される信号を処理する。
前記測距光3の光路と前記内部参照光4の光路に掛渡り光路切換え器9が設けられ、又前記反射測距光3′の光路には光量調整器11が設けられている。前記光路切換え器9は前記測距光3の光路と前記内部参照光4の光路とを択一的に遮断し、他方を透過するものであり、前記受光素子7には前記反射測距光3′と前記内部参照光4とが交互に受光される。
上記した様に、光強度変調された前記測距光3が使用され、該測距光3から得られる前記内部参照光4と前記反射測距光3′との位相差を求めて距離を演算している。該反射測距光3′と前記内部参照光4との受光光量の相違は、前記受光素子7や回路等の振幅による位相誤差を生じ、距離測定の精度に影響する。従って、前記光量調整器11が設けられている。該光量調整器11は、連続的に濃度が変化する濃度フィルタを有し、該濃度フィルタを回転させることで前記反射測距光3′の受光光量を一定に調整するものである。前記光量調整器11により、前記測定対象物6の距離によって反射光量が変化しても前記受光素子7が受光する前記内部参照光4の受光光量と前記反射測距光3′の受光光量が等しくなる様にしている。
前記光路切換え器9による光路切換え、及び前記光量調整器11による光量調整は駆動回路14によって制御される。
制御演算部15は前記発光駆動回路12を、前記発光素子1から射出されるレーザ光線が所定周波数の光強度変調となる様に制御し、又前記駆動回路14による前記光路切換え器9の光路切換えのタイミングを制御している。更に、前記制御演算部15は前記受光素子7の受光信号から、前記反射測距光3′の光量を前記内部参照光4の光量と等しくする制御信号を前記駆動回路14に送出する。
前記受光回路13は、前記受光素子7からの信号を増幅、A/D変換する等の信号処理を行うと共に前記内部参照光4の変調周波数と、前記反射測距光3′の変調周波数の位相差を求める等の処理を行い、前記制御演算部15に送出する。該制御演算部15は前記受光回路13から送出された位相差を基に上記(式1)により前記測定対象物6迄の距離を演算する。
上記した従来の距離測定装置では、前記内部参照光4と前記反射測距光3′との切換えを前記光路切換え器9によって機械的に切換えている。
光路の切換え、光量調整のいずれも機械的に行っているので、高速な光路切換え、高速な光量調整が難しく、高速の距離測定が難しい。この為、測定対象物が建築物等について距離測定を行う場合は問題がないが、1つの測定装置により複数の移動体、例えばブルドーザ等の建設機械について連続的に距離測定を行う場合等、高速の距離測定が要求される場合は測定が困難となる場合がある。又、トータルステーション等により建築物等について3次元測定する場合は、自動測量により多数点について測量する必要があり、測定速度の高速化が要求される。又、移動体等についての測量を行う場合は、光路切換え速度、光量調整速度が、移動体の移動速度に追従できず、距離測定を行えない場合が生ずる等の問題があった。
尚、測距光を回転させ、多方向、多数点の距離測定を行う距離測定装置としては、特許文献1、特許文献2に示されるものがある。
特許公報第2694647号公報
特開平4−313013号公報
本発明は斯かる実情に鑑み、距離測定装置に於ける光路切換えを省き、光量調整の高速化を図り、距離測定の高速化を実現するものである。
本発明は、測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第1発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第2発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第1受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線から内部参照パルス光を分割して第2受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第1受光部と前記第2受光部とに導く補正光路と、前記補正パルスレーザ光線、前記内部参照パルス光の光強度を可変する光量調整手段と、前記第1受光部と前記第2受光部から得られるパルス光の受光時間差を基に距離を演算する制御演算部とを具備した距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、前記内部参照光路と前記補正光路とに掛渡って設けられた距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、前記内部参照光路、前記補正光路それぞれに個別に設けられた距離測定装置に係り、又前記内部参照パルス光は、前記内部参照光路に設けられた前記光量調整手段により光強度を可変され、前記補正パルスレーザ光線は、前記第2発光部の出力を可変することで光強度を可変する距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、移動方向に濃度変化する濃度可変フィルタを有し、該濃度可変フィルタを移動させて前記補正パルスレーザ光線、前記内部参照パルス光の光強度が調整される様構成された距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材とを具備し、前記複数の光源を択一的に点灯することで前記補正パルスレーザ光線の光強度を調整する様構成した距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する光源と、該光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した距離測定装置に係り、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材が設けられると共に、前記複数の光源を択一的に点灯し、光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した距離測定装置に係り、又前記補正パルスレーザ光線は、測距パルス光と交互に発せられ、前記補正パルスレーザ光線の光強度調整は発光毎に行われる距離測定装置に係り、又前記補正パルスレーザ光線は、測距パルス光の発光周期内に所要数光量可変されて発光される距離測定装置に係り、更に又前記制御演算部は、記憶部を具備し、該記憶部は光強度が調整された各補正パルスレーザ光線に対応する前記第1受光部、前記第2受光部の受光信号と、内部参照パルス光の受光信号に基づく前記受光部の受光差を記憶し、前記制御演算部は前記反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい補正パルスレーザ光線による受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい内部参照光による受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、選択した内部参照光の受光信号と反射測距光の受光信号との関係に基づき、前記反射測距光と前記内部参照光により測距の演算を行う様構成した距離測定装置に係るものである。
本発明によれば、測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第1発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第2発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第1受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線から内部参照パルス光を分割して第2受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第1受光部と前記第2受光部とに導く補正光路と、前記補正パルスレーザ光線、前記内部参照パルス光の光強度を可変する光量調整手段と、前記第1受光部と前記第2受光部から得られるパルス光の受光時間差を基に距離を演算する制御演算部とを具備したので、距離測定に於いて前記内部参照光路と前記測距光路との機械的切換え作動が無く、高速での距離測定が可能となる等の優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
図1は第1の実施の形態に於ける測距部を示している。
第1光源21は測距光としてのパルスレーザ光線(測距パルス光)を任意のタイミングで射出するレーザダイオード、パルスレーザダイオード等の発光素子であり、前記第1光源21の第1光路22上に第1ハーフミラー23、対物レンズ24が配設され、前記第1光源21から発せられたパルスレーザ光線は、測定光として前記第1ハーフミラー23、前記対物レンズ24を透して測定対象物25に照射される様になっている。
該測定対象物25は照射された測定光を測定に必要な光量で反射するものであればよく、反射プリズム、再起反射プレート、或は自然物の面等である。前記測定対象物25で反射された反射測定光は第2光路26を経て前記対物レンズ24に入射し、更に第2ハーフミラー27を経てフォトダイオード等の第1受光素子28に受光される様になっている。前記第1光路22及び前記第2光路26により測距光路29が形成される。
前記第1ハーフミラー23により分割された測定光の一部(内部参照パルス光)は、第1ミラー31、第3ハーフミラー32を介してフォトダイオード等の第2受光素子33に受光される様になっている。前記第1ハーフミラー23を経て前記第1ミラー31で前記第2受光素子33に向う光路は、内部参照光路34を形成する。
第2光源35は補正光としてのパルスレーザ光線(補正パルス光)を任意のタイミングで射出するレーザダイオード、パルスレーザダイオード等の発光素子であり、前記第2光源35から発せられた補正光は、補正光路37を経て第2ミラー36により前記第2ハーフミラー27、前記第3ハーフミラー32に向う様に反射される。前記第2ハーフミラー27は前記補正光路37を第1補正光路37aと第2補正光路37bに分割し、補正光の一部を分割し前記第1補正光路37aを経て前記第1受光素子28に向け反射し、前記第3ハーフミラー32は前記第2ハーフミラー27を透過した残りの補正光を前記第2補正光路37bを経て前記第2受光素子33に向けて反射する。前記第2ミラー36、前記第2ハーフミラー27、前記第3ハーフミラー32等は前記補正光路37を形成する。前記第2光源35、前記補正光路37等は補正光学系41を構成する。
ここで、前記第1ハーフミラー23、前記第2ハーフミラー27、前記第3ハーフミラー32は光量分割手段であり、光量分割手段としてはその他ビームスプリッタ等所要の光学部材が使用可能である。
前記内部参照光路34と前記補正光路37の所要位置、例えば前記内部参照光路34の前記第1ハーフミラー23と前記第1ミラー31との間、前記補正光路37の前記第2ミラー36と前記第3ハーフミラー32との間に、光量調整手段38が前記内部参照光路34と前記補正光路37とに掛渡って設けられる。
前記光量調整手段38は濃度可変フィルタ39と該濃度可変フィルタ39を回転するモータ等のアクチュエータ40を具備している。前記濃度可変フィルタ39は円周方向に連続的な濃度勾配を有し、前記内部参照光路34、前記補正光路37を遮る様に配設され、前記アクチュエータ40により前記濃度可変フィルタ39が回転されることで、前記内部参照光路34、前記補正光路37を遮る位置での濃度が図3に示される様に変化するものである(後述)。例えば、濃度0の範囲が所要角度存在し、その後角度の変化と共に濃度が増大する様になっている。尚、濃度変化は直線的に変化しても、又は2次曲線的等に変化しても、或は指数的に変化させても、角度変化と濃度変化との対応関係があればよい。
尚、前記光量調整手段38は、内部参照光路光量調整手段と補正光路光量調整手段の機能を有するが、内部参照光路光量調整手段を前記内部参照光路34に、又補正光路光量調整手段を前記補正光路37にそれぞれ個別に設けてもよい。尚、前記内部参照光路光量調整手段と前記補正光路光量調整手段を個別に設ける場合は、前記内部参照光路光量調整手段と前記補正光路光量調整手段とを同期駆動する。尚、発光状態、前記第1受光素子28、前記第2受光素子33の受光状態を記憶部48に記憶する様にすれば、非同期としてもよい。
制御演算部42は第1発光素子駆動回路43を介して前記第1光源21の発光状態を制御し、又第2発光素子駆動回路44を介して前記第2光源35の発光状態を制御する。又前記制御演算部42は、アクチュエータ駆動回路47に制御信号を発し、該アクチュエータ駆動回路47を介して前記アクチュエータ40を駆動し、前記濃度可変フィルタ39を回転する。
尚、該濃度可変フィルタ39は短冊状板で、直線的に濃度が増大し、リニアモータ等により往復駆動する様にしてもよい。
前記第1受光素子28から発せられた受光信号は、第1受光回路45で増幅、比較器による受光検出、A/D変換等、所要の信号処理されて前記制御演算部42に入力され、前記第2受光素子33から発せられた受光信号は、第2受光回路46で増幅、比較器による受光検出、A/D変換等、所要の信号処理されて前記制御演算部42に入力される。又、該制御演算部42は前記第1受光回路45、前記第2受光回路46からの受光信号量及び遅延時間を前記記憶部48に記憶させる。
該記憶部48は、前記第1受光素子28、前記第2受光素子33の受光信号量及び遅延時間を記憶するデータ格納部を有すると共にプログラム格納部を有し、該プログラム格納部には測定を実行する為のシーケンスプログラム、或は前記前記第1受光素子28、前記第2受光素子33の受光信号を基に距離を演算する為の演算プログラム等、測定に必要なプログラムが格納されている。
以下、作用について説明する。
先ず、概略を説明すると、前記第1光源21から発せられたパルスレーザ光線である測定光は前記第1光路22を経て前記測定対象物25に照射され、該測定対象物25で反射された反射測定光は前記第2光路26を経て前記第1受光素子28に受光される。又、前記第1光源21から発せられた測定光の一部は前記第1ハーフミラー23により分割され、前記内部参照光路34を経て前記第2受光素子33に内部参照パルス光として受光され、前記測距光と前記内部参照パルス光とが比較され受光時間差等が求められ、受光時間差等により前記測定対象物25迄の距離が測定される。
又、前記第1受光素子28と前記第2受光素子33とは個体差が有り、両受光素子間に生じる個体差等に基づく誤差は、前記補正光路37を利用して求めた測定差により補正される。
前記第2光源35から発せられたパルスレーザ光線である補正光は、前記第2ミラー36によって偏向された後、前記第2ハーフミラー27によって前記第1補正光路37aと前記第2補正光路37bとに分割され、前記第1受光素子28、前記第2受光素子33でそれぞれ受光される。前記第1受光素子28、前記第2受光素子33からの両受光信号が比較され、時間的な偏差が求められることで、前記第1受光素子28と前記第2受光素子33間に生じる誤差が測定される。
尚、前記内部参照光路34の光路長と前記補正光路37の光路長とは異なるが、それぞれの光路長は距離測定装置の機械的な構成から既知であり、前記第1受光素子28と前記第2受光素子33間に生じる誤差を補正することができる。
尚、前記第1光源21のパルスレーザ光線と前記第2光源35のパルスレーザ光線とは交互に発光され、前記第1光源21と前記第2光源35の発光タイミングは、前記第1光源21から発せられた測距光を前記第1受光素子28、前記第2受光素子33が受光後、次に前記第1光源21が発光する迄の間に、前記第2光源35が発光され、更に前記第1受光素子28、前記第2受光素子33が補正光を受光できる様になっている。
而して、反射測定光は前記第1受光素子28で受光され、内部参照パルス光は前記第2受光素子33で分離して受光される為、前記測距光路29と前記内部参照光路34の光路切換え手段は必要ない。
又、反射測距光は、前記測定対象物25迄の測距距離、或は該測定対象物25の反射状態で光強度が変化する。前記第1受光素子28、前記第2受光素子33は個体差があると共に光強度に対しても応答性が変化するので、前記内部参照光路34を経て前記第2受光素子33に受光される光強度を反射測距光の光強度とを同一か同等にする必要があり、又前記補正光の光強度も前記反射測距光の光強度と同一か同等にする必要がある。従って、上記した様に前記内部参照光路34、前記補正光路37に対して前記光量調整手段38が設けられている。
以下、図2、図3を参照して具体的に説明する。
前記第1光源21と前記第2光源35とは同一発光周期Sでパルスレーザ光線を発し、又前記第1光源21の発光タイミングと前記第2光源35の発光タイミングとはt1 ずれている。又、測定中前記アクチュエータ40が駆動され、前記濃度可変フィルタ39は連続的に回転されている。該濃度可変フィルタ39の回転により前記内部参照光路34の内部参照パルス光と、前記補正光路37の補正パルス光の光量とが同期して変化する。
図3は、前記光量調整手段38による光量調整による光量変化を示すものであり、図中51は前記第2光源35の発光光量、52は前記濃度可変フィルタ39を透過した透過光量である。尚、前記発光光量51は連続光として示しているが、前記第2光源35からはパルスレーザ光線が発せられるので、前記第2光源35の発光毎に前記濃度可変フィルタ39は発光周期S分だけ回転し、前記透過光量52は最大透過光量から段階的に減少し、1回転で最大透過光量に復帰する。ここで最大透過光量は、前記反射測距光の光強度が最も大きい場合より更に大きく、又最小透過光量は前記反射測距光の光強度が最も小さい場合より更に小さく設定されている。
又、前記光量調整手段38は前記内部参照光路34についても、光量調整を行っており、前記補正光路37に対するのと同様な機能を前記内部参照光路34に与えている。
前記第1光源21から測距光パルス光A1 が発せられると、前記第1受光素子28及び前記第2受光素子33によりそれぞれパルス光が受光され、受光パルスPA1 、受光パルスQA1 をそれぞれ発する。前記測距光パルス光A1 の発光から前記受光パルスPA1 の発信迄の時間U1 が測距光パルス光A1 が前記測定対象物25を往復する迄の測距時間であり、前記測距光パルス光A1 の発光から前記受光パルスQA1 の発信迄の時間V1 が前記内部参照光路34を経た時間である。
前記測距光パルス光A1 の発光から時間t1 後に前記第2光源35が発光され、補正パルス光B1 が発せられると、前記第1受光素子28及び前記第2受光素子33が補正パルス光B1 を受光し、受光パルスPB1 、受光パルスQB1 をそれぞれ発する。補正パルス光B1 の発光から前記第1受光素子28が受光パルスPB1 を発する迄の時間U2 、補正パルス光B1 の発光から前記第2受光素子33が前記受光パルスQB1 を発する迄の時間V2 は、それぞれ前記補正光路37を通過するに要した時間であり、(時間U2 −時間V2 )が前記第1受光素子28と前記第2受光素子33との個体差(回路誤差を含む)及び前記第1補正光路37aと前記第2補正光路37bとの光路差となる。
前記内部参照光路34、前記補正光路37について、前記濃度可変フィルタ39は連続回転しているので、補正パルス光と内部参照パルス光は、光強度が連続的に変化している。前記濃度可変フィルタ39が1回転すると、前記第1受光素子28、前記第2受光素子33が受光する最大動作光量から最小動作光量迄光強度が変化する濃度可変範囲を有している。
前記第1受光素子28と前記第1受光回路45、前記第2受光素子33と前記第2受光回路46に関し、前記濃度可変フィルタ39が1回転する間の補正パルス光と内部参照パルス光を受光した場合に得られるそれぞれの受光パルスの信号量と受光時間差とを前記記憶部48に記憶しておく。
受光パルスPA1 の測距値を算出するには、受光パルスPA1 の信号量と等しいか、略等しいPBn 、受光パルスQAn 、受光パルスQBn から得られる受光時間差(図2では時間U4 、時間V3 、時間V4 )を用いている。これにより信号量の差異に起因する誤差を回避できる。時間U1 、時間V3 とから距離値を取得し、時間U4 、時間V4 から前記第1受光素子28と前記第1受光回路45、及び前記第2受光素子33と前記第2受光回路46から2系統の受光回路間の補正値を取得する。前記測定値を前記補正値により、補正することで真の距離値が得られる。
尚、測定値を補正することについては、後述する(式2)〜(式8)に示される。
上記した様に、前記濃度可変フィルタ39は連続回転しているので、補正光の透過する光量は段階的に減光される。前記濃度可変フィルタ39が1回転する間の前記第1受光素子28、前記第2受光素子33の受光パルスをサンプリングして前記記憶部48に記憶しておく。前記濃度可変フィルタ39が1回転することで最大透過光量から最小透過光量迄の光強度に対する前記第1受光素子28、前記第2受光素子33の受光パルスがサンプリングでき、時間U2 、時間V2 を得るための補正光は、前記制御演算部42に於いてサンプリングした受光パルスと反射測距光の受光パルスPAとを比較し、該受光パルスPAと同じか、最も近い値(パルス信号の大きさ)を持つ補正光パルスPB2 (図2参照)が選択されて用いられる。
尚、前記補正光のサンプリングは、測定開始時に1度実行してもよく、或は測定中連続してサンプリングを行い、常時最新のサンプリングデータに更新してもよい。
本発明では、測距光1パルス毎の距離測定が可能であり、距離測定時間を飛躍的に短縮できる。この為、測距光を走査させながらの多点の測定(スキャン測定)が可能になり、又高速で移動する移動体についての距離測定も可能となる。
図4及び図7は第2の実施の形態の要部を示すものである。
図4は、補正光についての他の光量調整手段を示している。
第2の実施の形態に於ける光量調整手段は、光源部57が具備している。
該光源部57は、複数の第2光源35a,35b,35c,35d,…を有し、それぞれコリメートレンズ54a,54b,54c,54d,…、NDフィルタ55a,55b,55c,55d,…、を通して補正パルス光を発する様になっている。前記第2光源35a,35b,35c,35d,…は、第2発光素子駆動回路44によって発光が制御され、該第2発光素子駆動回路44は前記制御演算部42(図1参照)から発光指令信号が入力されると、所定時間間隔で第2光源35aから第2光源35b,35c,35d,…、と順番にパルス発光する様になっている。
前記第2光源35aに対してはミラー56a、前記第2光源35b,35c,35d,…、に対してはハーフミラー56b,56c,56d,…が設けられ、前記第2光源35a,35b,35c,35d,…から射出された補正パルス光をそれぞれ補正光路37(図1参照)上に反射する様になっている。
前記第2光源35a,35b,35c,35d,…の数は、測定に予想される反射測距光の光強度変化に対応して適宜決定される。
又、前記第2光源35a,35b,35c,35d,…、からの補正光が、前記ハーフミラー56dを透過、或は反射され、前記補正光路37に射出された場合に、補正パルス光の光強度が、所定の光量差で段階的に変化する様に、前記NDフィルタ55a,55b,55c,55d,…、前記ハーフミラー56b,56c,56d,…の透過率、反射率が設定されている。尚、前記ハーフミラー56b,56c,56d,…の透過率、反射率の設定により、前記NDフィルタ55a,55b,55c,55d,…を省略することも可能である。
図7に於いて、第2の実施の形態の作用について説明する。
前記第1光源21から測距光パルス光A1 ,A2 ,…が発せられると、前記第1受光素子28及び前記第2受光素子33にそれぞれパルス光が受光され、受光パルスPA1 、受光パルスQA1 をそれぞれ発する。
又前記測距光パルス光A1 ,A2 ,…の発光周期Sの間に前記第2光源35a,35b,35c,35d,…の光量の異なる補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])が順番で発せられる。前記第2光源35a,35b,35c,35d,…の発光タイミングは、前記第1受光素子28が受光パルスPAを発して充分の時間間隔を有し、又前記第2光源35a,35b,35c,35d,…、が発光し終る時期は、次の測距光パルス光A2 が発光される時期と重ならない様になっている。
補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])が発せられると、補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])は前記第1受光素子28、前記第2受光素子33によって受光され、それぞれ受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])、受光パルス(QB1 [a,b,c,d,e])を発する。又、補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])の各パルス光に対して、受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])、受光パルス(QB1 [a,b,c,d,e])の各パルスが対応し、それぞれ図2で示した関係を有する。例えばB1 [a]に対してPB1 [a]、QB1 [a]が対応し、B1 [a]とPB1 [a]との間にはU2 の時間差が有り、B1 [a]とQB1 [a]との間にはV2 の時間差がある。
前記第1受光素子28、前記第2受光素子33が補正パルス光を受光した時のパルス信号量、及び受光時間差については関連付けがされて、前記記憶部48に記憶される。
測距光が発せられ、前記第1受光素子28で受光されると、受光パルスPA1 信号は前記制御演算部42に送出され、該制御演算部42に於いて、前記記憶部48に記憶された受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])信号と受光パルスPA1 信号とが比較され、信号値が等しいか略等しい受光パルス信号が選択される。図7に示されるものでは、受光パルスPA1 信号と略等しい、PB1 [c]が選択され、更にPB1 [c]に対応する第2受光素子33の受光パルス信号QB1 [c]が選択される。内部参照パルス光は、前記光量調整手段38により光量が最大動作光量から最小動作光量迄光強度変化しており、受光パルスPA1 と等しいか略等しいQA2 が選択され、QA2 と時間的に近傍に存在するQBn の中からPB1 で選択された[c]と同じ補正パルス光による受光パルス信号が選択される。図7ではQB2 [c]となる。それぞれの受光パルスから得られる受光時間差から、第1の実施の形態と同様に距離が演算される。
本実施の形態に於いても、1測定パルス光毎に、距離測定が可能であり、機械的な光路の切換え、濃度調整が必要ないので高速で多数点についての距離測定が可能となる。
図5は第3の実施の形態を示すものであり、該第3の実施の形態では、第2発光素子駆動回路44によって1パルス毎に第2光源35の光強度を変更して発光させる様にしたものであり、例えば該第2光源35の発光強度を10段階に変更させる様にしたものである。尚、本実施の形態の作用については、図7で示したものと同様であるので説明を省略する。
図6は第4の実施の形態を示すものであり、該第4の実施の形態は上述した第2の実施の形態と第3の実施の形態を組合わせたものであり、複数の第2光源35a,35bと該第2光源35a,35bに対してコリメートレンズ54a,54b、NDフィルタ55a,55b、ミラー56a、ハーフミラー56bを有し、第2発光素子駆動回路44a,44bにより前記第2光源35a,35bの発光強度をパルス毎に変更すると共に前記NDフィルタ55a,55b、前記ミラー56a、前記ハーフミラー56bにより光量を2段階で変更する様にしたものである。
複数の第2光源35a,35bの発光強度を個々に調整し、更に前記NDフィルタ55a,55b等で光学的に濃度調整する様にしたので、より多段階の濃度調整が可能となり、或は1つの第2光源35に対しては発光強度の調整が簡略化できる。
次に、上述した様に、第1光源21、第2光源35、第1受光素子28、第2受光素子33等は個体差があり、又発光回路、受光回路も誤差を含んでいる。以下、これら誤差について(式2)〜(式8)に示す。尚、式中の記号の内容は下記の通りである。
第1光源21発光時間:tL1
第1光源21発光遅延時間:ΔtL1(発光回路の遅延時間を含む)
第2光源35発光時間:tL2
第2光源35発光遅延時間:ΔtL2(発光回路の遅延時間を含む)
第1光源21からのパルス光に対する受光系の誤差要因
第1受光素子28遅延時間:ΔR1 受光回路の遅延時間を含む)
第1受光素子28振幅誤差:RA1 受光回路の振幅誤差を含む)
第2受光素子33遅延時間:ΔR2 受光回路の遅延時間を含む)
第2受光素子33振幅誤差:RA2 受光回路の振幅誤差を含む)
第2光源35からのパルス光に対する受光系の誤差要因
第1受光素子28遅延時間:ΔR1n(受光回路の遅延時間を含む)
第1受光素子28振幅誤差:RA1n(受光回路の振幅誤差を含む)
第2受光素子33遅延時間:ΔR2n(受光回路の遅延時間を含む)
第2受光素子33振幅誤差:RA2n(受光回路の振幅誤差を含む)
※nは光量調整手段38により光量が可変された第2光源35から得られる、振幅が異なる値より選択された任意であることを意味する。
測定光距離の時間遅延:tL1o
内部参照光距離の時間遅延:tL1i
第1補正光距離の時間遅延:tL2o
第2補正光距離の時間遅延:tL2i
測定光路の遅延時間
(tL1+ΔtL1+tL1o )+(ΔR1 +RA1 ) (式2)
内部参照光路の遅延時間
(tL1+ΔtL1+tL1i )+(ΔR2 +RA2 ) (式3)
(式2)−(式3)
tL1o −tL1i +ΔR1 −ΔR2 +RA1 −RA2 (式4)
第1補正光路の遅延時間
(tL2+ΔtL2+tL2o )+(ΔR1n+RA1n) (式5)
第2補正光路の遅延時間
(tL2+ΔtL2+tL2i )+(ΔR2n+RA2n) (式6)
(式5)−(式6)
tL2o −tL2i +ΔR1n−ΔR2n+RA1n−RA2n (式7)
第1光源21からのパルス光と第2光源35からのパルス光を測定する間隔が受光素子の遅延時間の変化に比して十分短い場合、ΔR1 =ΔR1n、ΔR2 =ΔR2nとみなせる。
(式4)−(式7)
tL1o −tL1i −(tL2o −tL2i )+(RA1 −RA2 )−(RA1n−RA2n) (式8)
図7の波形を基に説明すると、前記光量調整手段38を用いることで、前記測距光路29の受光パルスPA1 と同じパルス振幅の内部参照光路の受光パルスQA2 と、測距光路の受光パルスPA1 に近い受光パルスPB1 [c]と、受光パルスQA2 と時間的に近傍に存在する受光パルスQB2 [c]の遅延時間を測定することにより、(RA1 −RA2 )−(RA1n−RA2n)≒0
よって、振幅による誤差の影響を回避できる。
内部参照光路長と第1補正光路長と第2補正光路長は既知である為、測定光路長を求めることが可能となる。
図8は第5の実施の形態を示すものであり、図8中、図1中で示したものと同等のものには同符号を付してある。又、第1の実施の形態と同様、測距光路29、内部参照光路34、補正光路37を有し、前記内部参照光路34の所要位置、例えば第1ハーフミラー23と第1ミラー31との間に光量調整手段38が設けられる。
該光量調整手段38は、前記内部参照光路34を横切る円板状の濃度可変フィルタ77と、該濃度可変フィルタ77を回転するモータ等のアクチュエータ40を有し、前記濃度可変フィルタ77は円周方向に連続的な濃度勾配を有し、前記アクチュエータ40により前記濃度可変フィルタ77が回転されることで、前記内部参照光路34を遮る位置での濃度が漸次変化し、前記濃度可変フィルタ77を透過する内部参照パルス光の光強度が漸次減少する様に設定されている(図3参照)。例えば、濃度0の範囲が所要角度存在し、その後角度の変化と共に濃度が増大する様になっている。尚、濃度変化は直線的に変化しても、又は2次曲線的等に変化しても、或は指数的に変化させても、角度変化と濃度変化との対応関係があればよい。
制御演算部42は、第2発光素子駆動回路44を介して第2光源35の発光状態を制御する。又前記制御演算部42は、アクチュエータ駆動回路47に制御信号を発し、該アクチュエータ駆動回路47を介して前記アクチュエータ40を駆動し、前記濃度可変フィルタ77を回転する。
尚、該濃度可変フィルタ77は短冊状板で、直線的に濃度が増大し、リニアモータ等により往復駆動する様にしてもよい。
前記補正光路37上に補正パルスレーザ光線を発する光源部57は、補正パルスレーザ光線の光量を段階的、或は連続的に変化させる光量調整手段を有する。光量調整手段としては、例えば図4で示したもの、図5で示したもの、図6で示したものが使用される。以下は、図4で示される光源部57が使用された場合を説明する。
尚、前記光量調整手段38、前記光源部57の他は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
以下、図9により、第5の実施の形態の作用について説明する。
第1光源21から測距光パルス光A1 ,A2 ,…が発せられると、第1受光素子28及び第2受光素子33にそれぞれパルス光が受光され、受光パルスPA1 、受光パルスQA1 をそれぞれ発する。
又前記測距光パルス光A1 ,A2 ,…が発せられる発光周期Sの間に前記第2光源35a,35b,35c,35d,…から光量の異なる補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])が順番で発せられる。前記第2光源35a,35b,35c,35d,…の発光タイミングは、前記第1受光素子28が受光パルスPA1 を発して充分の時間間隔を有し、又前記第2光源35a,35b,35c,35d,…、が発光し終る時期は、次の測距光パルス光A2 が発光される時期と重ならない様になっている。
補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])が発せられると、補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])は前記第1受光素子28、前記第2受光素子33によって受光され、それぞれ受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])、受光パルス(QB1 [a,b,c,d,e])を発する。又、補正パルス光(B1 [a,b,c,d,e])の各パルス光に対して、受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])、受光パルス(QB1 [a,b,c,d,e])の各パルスが対応し、それぞれ図9で示した関係を有する。例えば、A1 に対してPA1 、QA1 が対応し、A1 とPA1 との間にはU1 の時間差が有り、A1 とQA1 との間にはV1 の時間差がある。又、B1 [a]に対してPB1 [a]、QB1 [a]が対応し、B1 [a]とPB1 [a]との間にはU2 の時間差が有り、B1 [a]とQB1 [a]との間にはV2 の時間差がある。
即ち、時間U1 は前記測距光路29の光路長に対応し、時間V1 は前記内部参照光路34の光路長に対応するものである。又、時間U2 は前記第2光源35から前記第1受光素子28に至る補正光路37aの光路長に対応するものであり、時間V2 は前記第2光源35から前記第2受光素子33に至る補正光路37bの光路長に対応するものである。
前記第1受光素子28、前記第2受光素子33が変化する各補正パルス光を受光した時のそれぞれのパルス信号量、及びそれぞれの受光時間差については関連付けがされて、記憶部48に記憶される。
測距光が発せられ、前記第1受光素子28で受光されると、該第1受光素子28から受光パルスPA1 信号が発せられ、受光パルスPA1 信号は前記制御演算部42に送出され、該制御演算部42に於いて、前記記憶部48に記憶された補正パルス光の受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])信号と受光パルスPA1 信号とが比較され、前記受光パルス(PB1 [a,b,c,d,e])信号の内、信号値が等しいか略等しい受光パルス信号、例えばPB1 [c]が選択される。
更に、前記第1光源21によりレーザ光線のパルス発光が行われ、同時に前記アクチュエータ駆動回路47により前記アクチュエータ40が駆動され、前記濃度可変フィルタ77が回転される。該濃度可変フィルタ77の回転により、該濃度可変フィルタ77を透過した内部参照光はパルス毎に光強度が減ぜられる。
漸次光強度が減じていく内部参照光は、前記第2受光素子33で受光され、前に受光され前記記憶部48に記憶されている受光パルス(QB1 [a,b,c,d,e])の内、PB1 [c]と対応するQB1 [c]の強度と比較される。受光パルスQB1 [c]の強度と一致した内部参照光のパルス信号QAn (前記第1光源21が前記濃度可変フィルタ77が回転している間に発光したn番目を示す)が第2受光回路46により取込まれる。
而して、前記第1受光素子28で受光して発せられる受光パルスPAn に対応する時間Unと、前記第2受光素子33で受光して発せられる受光パルスQAn に対応する時間Vn との時間差、及び前記第1受光素子28で発せられるPB1 [c]に対応する時間U2cとQB1 [c]に対応する時間V2cとの時間差に基づき、前記測距光路29と前記内部参照光路34との光路長差(測距距離)が演算される。又、前記補正光路37の前記第1受光素子28と前記第2受光素子33間の光路長差、更に前記第1受光素子28と前記第2受光素子33との個体差に基づく時間差が演算され、得られた前記補正光路37の光路長差、及び個体差によって前記測距距離が補正され、精度の高い測距が行われる。
尚、前記第1光源21の発光周期は、例えば数KHz〜数十KHzであるので、前記光量調整手段38による参照光パルスの光量調整が行われたとしても、高速での距離測定が可能となる。
次に、図10、図11に於いて、本発明が実施される距離測定装置について説明する。
図10に示される距離測定装置59は、上述した測距部を具備している。前記距離測定装置59は、測距光路29上に測距光60を射出し、又該測距光60を回転照射可能であり、回転照射中に該測距光60により照射される複数箇所の測定対象物25迄の距離を測定可能としている。
図11は前記距離測定装置59の回転照射部の概略を示しており、例えばトータルステーションの回転照射部を示している。尚、図11に於ける説明中、図1を参照し、図中、図1中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
基板62の上側には円筒状の投光窓63が配置され、該投光窓63は透明ガラス等の材質となっている。該投光窓63の上端には上基板64が設けられ、前記投光窓63の内部には中間基板65が設けられている。
前記基板62、前記中間基板65に軸受66を介してミラーホルダ67が回転自在に設けられ、該ミラーホルダ67にはミラー68が保持されている。
前記上基板64にはレンズホルダ69が設けられ、該レンズホルダ69に対物レンズ24が保持されており、該対物レンズ24の光軸(測距光路29:図1参照)は前記ミラーホルダ67の回転中心と合致している。又、前記対物レンズ24の光軸上には該対物レンズ24の径より小さい偏向ミラー70、受光側光ファイバ71の入射端面が配置されており、該受光側光ファイバ71には反射測距光75が入射し、前記受光側光ファイバ71は反射測距光を前記第1受光素子28に導くものである。又、前記偏向ミラー70によって偏向された光軸上には発光側光ファイバ72の射出端面が配置されている。該発光側光ファイバ72は前記第1光源21からの測距光を前記対物レンズ24に導くものである。
前記ミラーホルダ67は走査モータ73によって回転され、又前記測距光60の照射方向(照射水平角)はエンコーダ74によって検出される様になっている。
前記走査モータ73は、制御演算部42(以下、図1参照)によって駆動が制御され、又前記測定対象物25で反射された反射測距光が前記受光側光ファイバ71を介して第1受光素子28に受光された時の角度が前記エンコーダ74から検出され、検出角度は前記制御演算部42を介して記憶部48に記憶される。
前記距離測定装置59による測定は、前記測距光60を射出した状態で、又前記走査モータ73により前記ミラーホルダ67が連続的に回転された状態で実施される。
前記発光側光ファイバ72から射出された前記測距光60は、連続回転照射され、所要箇所の測定対象物25を照射することで該測定対象物25からの反射測距光が前記ミラー68に入射し、更に前記対物レンズ24を経て前記受光側光ファイバ71に入射し、該受光側光ファイバ71を介して前記第1受光素子28により受光されて測定対象物25迄の測距が行われる。又、前記第1受光素子28からの受光と対応させて前記測距光60の照射方向が前記エンコーダ74によって検出されるので、測距結果と照射方向の角度が対応されて前記記憶部48に記憶される。又、前記照射方向が検出されるので、測定した前記測定対象物25の特定も同時に行われる。
尚、建築物等を3次元測定する為に多数の点を自動測量する場合は、回転角度を設定し、設定した角度の範囲で往復走査しつつ、所定時間間隔で測距の実施がなされる。
上記実施の形態で説明した様に、内部参照光と測距光との切換え、測定中の光量調整が電気信号の切換え等で行われ、機械的な動作がないので、高速、多点の測定が可能である。
本発明の第1の実施の形態を示す概略構成図である。 第1の実施の形態に於ける第1光源、第2光源の発光状態、第1受光素子、第2受光素子の受光状態を示す説明図である。 第1の実施の形態に於ける光量調整手段による光量変化を示す説明図である。 本発明の第2の実施の形態を示す要部概略構成図である。 本発明の第3の実施の形態を示す要部概略構成図である。 本発明の第4の実施の形態を示す要部概略構成図である。 第2の実施の形態に於ける第1光源、第2光源の発光状態、第1受光素子、第2受光素子の受光状態を示す説明図である。 本発明の第5の実施の形態を示す概略構成図である。 第5の実施の形態に於ける第1光源、第2光源の発光状態、第1受光素子、第2受光素子の受光状態を示す説明図である。 本発明が実施される距離測定装置の説明図である。 該距離測定装置の回転照射部の概略を示す断面図である。 従来の距離測定装置を示す概略図である。
符号の説明
21 第1光源
28 第1受光素子
29 測距光路
33 第2受光素子
34 内部参照光路
35 第2光源
37 補正光路
38 光量調整手段
39 濃度可変フィルタ
42 制御演算部
43 第1発光素子駆動回路
44 第2発光素子駆動回路
45 第1受光回路
46 第2受光回路
47 アクチュエータ駆動回路
48 記憶部

Claims (11)

  1. 測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第1発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第2発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第1受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線から内部参照パルス光を分割して第2受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第1受光部と前記第2受光部とに導く補正光路と、前記補正パルスレーザ光線前記内部参照パルス光の光強度を最大から最小迄繰返し変更する光量調整手段と、最大から最小迄光強度が変更されて得られた前記第1受光部及び前記第2受光部からの受光信号を記憶する記憶部と、前記第1受光部と前記第2受光部から得られるパルス光の受光時間差を基に距離を演算する制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記反射光と、前記記憶部に記憶され、前記反射光の光強度に最も近い光強度を持つ内部参照パルス光との組合わせを基に距離を演算することを特徴とする距離測定装置。
  2. 前記光量調整手段は、前記内部参照光路と前記補正光路とに掛渡って設けられた請求項1の距離測定装置。
  3. 前記光量調整手段は、前記内部参照光路、前記補正光路それぞれに個別に設けられた請求項1の距離測定装置。
  4. 前記内部参照パルス光の光量調整手段は、前記内部参照光路に設けられたフィルタにより光強度を可変
    前記補正パルスレーザ光線の光量調整手段は、前記第2発光部の出力を可変することで可変する請求項1の距離測定装置。
  5. 前記光量調整手段は、移動方向に濃度変化する濃度可変フィルタを有し、該濃度可変フィルタを移動させて前記補正パルスレーザ光線、前記内部参照パルス光の光強度が調整される様構成された請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  6. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材とを具備し、前記複数の光源を択一的に点灯することで前記補正パルスレーザ光線の光強度を調整する様構成した請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  7. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する光源と、該光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  8. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材が設けられると共に、前記複数の光源を択一的に点灯し、光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  9. 前記補正パルスレーザ光線は、測距パルス光と交互に発せられ、前記補正パルスレーザ光線の光強度調整は発光毎に行われる請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  10. 前記補正パルスレーザ光線は、測距パルス光の発光周期内に所要数光量可変されて発光される請求項1又は請求項4の距離測定装置。
  11. 前記制御演算部は、記憶部を具備し、該記憶部は光強度が調整された各補正パルスレーザ光線に対応する前記第1受光部、前記第2受光部の受光信号と、内部参照パルス光の受光信号に基づく前記受光部の受光差を記憶し、前記制御演算部は前記反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい補正パルスレーザ光線による受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい内部参照光による受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、選択した内部参照光の受光信号と反射測距光の受光信号との関係に基づき、前記反射測距光と前記内部参照光により測距の演算を行う様構成した請求項1又は請求項7又は請求項8の距離測定装置。
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