CN100422762C

CN100422762C - 距离测量装置

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Publication number: CN100422762C
Application number: CNB2005101137820A
Authority: CN
Inventors: 矢部雅明
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2005-10-08
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2025-10-08
Also published as: US7327441B2; EP1645845A2; CN1758071A; US20060072100A1; JP4761751B2; EP1645845A3; JP2006105802A

Abstract

本发明的距离测量装置设有：向测量对象物照射脉冲激光束的激光光源；接受由测量对象物反射的外部光和从上述激光束分割一部分而成的内部光的受光元件；含有该受光元件的受光电路；根据由上述受光元件接受的外部光和内部光的受光来计算距离的控制计算部，所述受光电路形成非检测状态，该非检测状态形成在内部光的受光定时之前或之后。

Description

距离测量装置

技术领域

本发明涉及具有光波测距部的距离测量装置。

背景技术

作为距离测量装置中所设的光波测距部，有例如特开2004-144681号公报上所揭示的光波测距部。

图8中，1表示光波测距部，该光波测距部1含有光学系统2和测距计算部3。

上述光学系统2有测距光路4和内部参照光路5，在上述测距光路4上配设有激光光源6、直角反射镜7、物镜8、受光元件9，上述激光光源6是例如脉冲激光二极管(PLD)，从该激光光源6发出作为脉冲激光束的测距光，测距光由上述直角反射镜7偏转，测距光透过上述物镜8从上述光波测距部1射出。所射出的测距光由作为测量对象11的棱镜反射，反射测距光经上述物镜8入射，反射测距光由上述直角反射镜7偏转并由受光元件9接收。

另外，在上述测距光路4中设有半反射镜12，内部参照光由经半反射镜12反射测距光的一部分而形成，该内部参照光用反射镜13偏转，形成上述内部参照光路5。该内部参照光路5中设有中继透镜14、15，透过该中继透镜15的内部参照光5由反射镜16偏转，经设在上述测距光路4上的半反射镜17反射到上述测路光路4，由上述受光元件9接收。

在上述测距光路4的去路部分和上述内部参照光路5之间跨设有光路切换装置18，在上述测距光路4的归路部分和上述内部参照光路5之间跨设有光量调整装置19。

上述光路切换装置18设有旋转遮光板21，该旋转遮光板21在上述测距光路4和上述内部参照光路5中一方的光路透过光时，遮住另一方的光路。该旋遮光板21用马达等传动机构22带动而旋转。另外，上述光量调整装置19具有光量衰减滤光片23，该光量衰减滤光片23由马达等的传动机构24带动而旋转，调整到使入射到上述受光元件9上的测距光与内部参照光的光强度达到相等的光量。

由上述受光元件9接受的测距光、内部参照光作为受光信号被送往上述测距计算部3中。

通过用上述光路切换装置18切换光路，在上述受光元件9上交替地入射被时间序列分割的测距光和内部参照光，从上述受光元件9交替地向上述测距计算部3送出测距光的受光信号和内部参照光的受光信号。该测距计算部3比较测距光的脉冲和内部参照光的脉冲并计算差值，根据所得到的差值计算至上述测量对象物11的距离。

在上述的传统的距离测量装置的光波测距部1中，用上述旋转遮光板21机械地转换测距光与内部参照光的转换，例如在每1秒间切换光路，在1秒间接受测距光，下一秒间接受内部参照光。在机械地切换光路的场合，受限于马达的响应性等因素，难以高速切换，存在不能忽视上述测距计算部3的电路具有漂移的影响的问题，并存在着漂移使测量精度受到影响的问题。

再者，在切换的途中，存在着测距光、内部光都不接收的死区时间，有效测量时间变短，如果通过高速切换来缩短整体的测量时间，则存在所谓测量数据的取得量减少的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供这样的距离测量装置，其中：无机械上的光路切换，可以用电气方式辨别测距光的受光信号和内部参照光的受光信号，可以进行高速测距，没有漂移的影响并使测量精度提高，另外，由于可以变更测距光的受光信号与内部参照光的受光信号的辨别状态，使测量更加高速化，另外，可以防止由不需要的对象物产生的误测量。

为达成上述目的，本发明的距离测量装置设有：向测量对象物照射脉冲激光束的激光光源；接受由测量对象所反射的外部光和从上述激光束分割一部分而成的内部光的受光元件；包含该受光元件的受光电路；根据由上述受光元件接受的外部光与内部光的受光来计算距离的控制计算部；上述受光电路形成非检测状态，该非检测状态是在内部光的受光定时之前或之后形成的状态。

另外，本发明的距离测量装置是向测量对象照射脉冲激光束、接受由测量对象所反射的外部光和从上述激光束分割一部分而成的内部光并根据外部光与内部光的受光进行测距的距离测量装置，其中设有：根据发光命令发射脉冲激光束的激光光源；接受外部光与内部光的受光元件；使外部光与内部光同时入射到该受光元件上的光学系统；控制上述受光元件的受光状态的受光控制部；根据上述发光命令发出就绪信号的发光受光定时控制部；上述受光控制部根据就绪信号使得上述受光元件能够接受在就绪信号以后入射的最初的脉冲激光束，上述发光受光定时控制部是用来在上述发光元件接受内部光的时间之前或之后发出就绪信号的装置，另外，本发明的距离测量装置是上述受光元件接受内部光的时间的前、后交替地发出上述就绪信号的装置，另外，本发明的距离测量装置是相对于上述受光元件接受内部光的时间之前所发出的就绪信号，将上述受光元件在接受内部光的时间之后所发出的就绪信号增多的装置，另外，本发明的距离测量装置是能够相对于受光元件在接受内部光的时间之前所发出的就绪信号变更上述受光元件接受内部光的时间之后所发出的就绪信号的时间差的装置，另外，本发明的距离测量装置是设有对焦部的、其控制部从由对焦部产生的对焦状态的反馈信号计算到测量对象物的距离并根据计算结果发出就绪信号的装置。

依据本发明，设有：向测量对象物照射激光束的激光光源部；接受由测量对象物反射的外部光和从上述激光束分割一部分而成的内部光的受光元件；包含该受光元件的受光电路；根据由上述受光元件接受的外部光与内部光的受光计算距离的控制计算部，上述受光电路形成非检测状态，该非检测状态在内部光的受光定时之前或之后形成，内部光的受光与外部光的受光可以电气地高速切换，因此在切换途中不形成死区时间，提高了测量效率，可以实现短时间高精度的测量，由于测量时间的缩短，可以排除测距部的漂移的影响，使测量精度、可靠性提高。

另外，依据本发明的装置是：向测量对象物照射脉冲激光束，接受由测量对象物所反射的外部光和从上述激光束分割一部分而成的内部光，根据外部光与内部光的受光进行测距的距离测量装置，其中设有：根据发光命令射出脉冲激光束的激光光源；可接受外部光与内部光的受光元件；使外部光与内部光同时入射到该受光元件上的光学系统；控制上述受光元件的受光状态的受光控制部；根据上述发光命令发出就绪信号的发光受光定时控制部；上述受光控制部根据就绪信号使上述受光元件能够接受在就绪信号以后最初的脉冲激光束，上述发光受光定时控制部构成为在上述受光元件接受内部光的时间之前或之后发出就绪信号，因此能够电气地高速切换内部光与外部光的受光，在切换途中不形成死区时间，提高了测量效率，可以实现在短时间内高精度的测量，由于测量时间的缩短，可以排除测距部的漂移的影响，使测量精度、可靠性提高。

依据本发明，上述就绪信号在上述受光元件接受内部光的时间的前后交替地发出，或者，相对于上述受光元件在接受内部光的时间之前所发出的就绪信号，将在上述受光元件接受内部光的时间之后所发出的就绪信号增多，因此能够实现可通过采用按照测量状况调整外部光的受光次数，提高在规定时间内的测量精度，实现测量时间缩短等的高效率测量作业。

附图说明

图1是表示一例实施本发明的距离测量装置的正面图。

图2是表示本发明的实施例的概略框图。

图3是该实施例中的光学系统的概略结构图。

图4是该实施例的受光电路的框图。

图5是该实施例的测距部的发光受光定时控制部的框图。

图6(A)是表示激光光源的发光状态的图，图6(B)表示受光元件的受光状态的图，图6(C)、图6(D)是表示受光元件中的内部光、外部光的受光定时的图，图6(E)是表示测量时的受光元件的受光定时的图。

图7是第2实施例中的发光受光定时控制部的框图。

图8是表示传统的光学系统的概略图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的最佳实施例。

图1示出一例实施本发明的距离测量装置。

在安装在三角架(未图示)上的基台部25上设置架台26，在该架台26上支持包含光学系统的望远镜27。上述基台部25有校平螺钉30，可调整上述架台26达到水平。另外，该架台部26可以将垂直轴心作为中心旋转，上述望远镜部27构成可以将水平轴心作为中心旋转。再者，在上述架台26上设有带显示部28的操作输入部，在上述显示部28上显示到测量对象物的距离的测量值等。

接着，在图2中，就距离测量装置的概略结构进行说明。

距离测量装置设有控制计算部31、测距部32、测角部33、对焦部34，在控制计算部31上连接有存储部35、数据输入输出部36、上述操作输入部29和上述显示部28。

上述测距部32驱动控制激光光源6，从该激光光源6射出的测距光通过光学系统37照射到棱镜即测量对象物11上，由该测量对象物11反射的反射测距光通过光学系统37由光学元件9接收，受光信号被输入至上述测距部32，在该测距部32中计算至上述测量对象物11的距离，计算结果被输入至上述控制计算部31。

在上述测角部33上输入来自检测上述望远镜部27的倾斜角的垂直角编码器38的检测信号，同时上述测角部33被输入来自检测上述架台26的旋转角的水平角编码器39的检测信号，测量在用上述望远镜部27瞄准上述测量对象物11的状态下的瞄准方向的角度，测量结果被输入至上述控制计算部31。

另外，上述对焦部34进行上述望远镜部27的自动对焦，而对焦动作由上述控制计算部31控制，对焦状态被反馈至该控制计算部31。在上述存储部35中存有测距作业所需的序列程序(sequenceprogram)、距离计算程序等的程序。

上述控制计算部31进行距离测量装置全体的控制的同时，将来自上述测距部32的测距结果、来自上述测角部33的垂直角、水平角的测角结果显示在上述显示部28上。

图3表示本实施例中的光学系统37。图3中，在与图8所示的部件相同的部件上带有相同标记。

本实施例的光学系统37与用图8说明过的光学系统2具有大致相同的构造，在上述光学系统37中省略了光路切换装置18。因而，在受光元件9上，测距光、内部光同时入射，而该受光元件9用上述测距部32设有的受光电路40电气地限制检测状态，控制受光元件9，使其分别检测测距光、内部参照光，从上述受光元件9分别输出测距光的受光信号和内部参照光的受光信号。

以下，用图4说明上述受光电路40。

来自发信器41的时钟信号由合成器42变换成预定频率、例如8000Hz～9000Hz的脉冲串信号并输出，脉冲信号被送至LD驱动器43。在该LD驱动器43上输入来自后述的发光受光定时控制部47的发光定时控制信号53，一旦上述LD驱动器43被输入了上述发光定时控制信号53，就与上述脉冲信号同步地驱动上述激光光源6，使得从该激光源6发出脉冲激光束。

另外，来自上述发信器41的时钟信号被送入取样保持电路45。在该取样保持电路45中被取样的数据由A/D变换器46被变换成数字数据后，数据被送出至上述发光受光定时控制部47。

从发光受光定时控制部47输出上述发光定时控制信号53，同时输出复位信号55、就绪信号56(后述)，该复位信号55、就绪信号56被输入至受光控制电路48。该受光控制电路48根据复位信号55、就绪信号56控制上述受光元件9的受光状态。

作为该受光元件9，采用例如APD(雪崩光电二极管)，上述受光控制电路48是控制来自该受光元件9的受光信号的检测的电路，上述受光控制电路48发出受光控制信号54，控制来自上述受光元件9的受光信号的检测，以接受输入上述就绪信号56后最初的脉冲激光束。另外，相对于上述复位信号55，以两种时间差T1、T2(T2＞T1)(参照图6)输入上述就绪信号56，若用时间差T1输入上述就绪信号56，则接受内部参照光，若用时间差T2输入上述就绪信号56，就接受测距光。

来自受光元件9的受光信号由放大器49放大，被输入至接收信号发生器51。该接收信号发生器51判断放大后的信号强度是否超过预定电平，也就是说，是否为来自上述测量对象物11的反射测距光，如果判断为光是反射测距光，则向上述取样保持电路45及计数器52发出接收信号。

上述取样保持电路45与来自上述接收信号发生器51的接收信号同步地进行数据取样。另外，上述计数器52对接收信号计数，计数数目达到预定值时，向上述控制计算部31输出计数信号。该控制计算部31一旦检测到计数信号，就向上述发光受光定时控制部47发出脉冲计数信号57。

上述发光受光定时控制部47根据上述脉冲计数信号57的输入，选择并输出上述发光定时控制信号53、复位信号55、就绪信号56。

在上述控制计算部31中，通过上述发光受光定时控制部47，输入受光信号的取样数据，并根据取样数据计算出至上述测量对象物11的距离，并作为测距结果显示在上述显示部28上。

关于上述发光受光定时控制部47，用图5进一步说明。

该发光受光定时控制部47设有发光定时电路60，该发光定时电路60发生与从上述发信器41发出的时钟信号同步的定时信号，来自上述发光定时电路60的定时信号被发往复位信号发生器64、第1定时器62、第2定时器63。

上述复位信号发生器64一旦被输入定时信号，就发出上述复位信号55，上述第1定时器62一旦被输入定时信号，就以t1的时间差(参照图6)将第1时差信号输入至就绪信号发生器65，另外，上述第2定时器63一旦被输入定时信号，就以t2(t2＞TR)的时间差(参照图6)将第2时差信号输入至上述就绪信号发生器65。该就绪信号发生器65根据来自控制电路67的指令与第1时差信号或第2时差信号同步地发出上述就绪信号56。

来自上述发光定时电路60的定时信号，也被输入至受光方式设定器66。该受光方式设定器66是设定上述就绪信号56的切换方式装置，例如，设定成使其交替地与第1时差信号和第2时差信号同步地发出就绪信号56。或者，设定成一发出与1次第1时差信号同步的上述就绪信号56，就发出与100次长的第2时差信号同步的上述就绪信号56等。

上述控制电路67按照设定在上述受光方式设定器66上的方式，控制上述就绪信号发生器65的上述就绪信号56的输出。

参照图6来说明其作用。

根据来自上述发信器41的时钟信号，从上述LD驱动器43对上述激光光源6发出发光命令，该激光光源进行脉冲发光。上述时钟信号以例如8.5kHz的频率(约为120μs的周期)发出，距离测量装置的测距距离被设定成在时钟信号的周期内接收反射测距光的范围。

脉冲激光束以8.5kHz从上述激光光源6射出，所射出的脉冲激光束的峰值例如以以dt时间滞后于发光命令。

一旦射出脉冲激光束，则首先经过上述内部参照光路5，以内部参照光(以下称为内部光)比脉冲激光束的峰值滞后TR时间入射到上述受光元件9上，接着，来自上述测量对象物11的反射光(以下称为外部光)以比脉冲激光束的峰值滞后TS的时间入射到上述受光元件9上，从上述受光元件9发出图6(B)所示的内部光和外部光的受光信号。

来自上述发信器41的时钟信号也输入到上述发光受光定时控制部47，根据上述时钟信号，从上述发光定时电路60发出定时信号。上述复位信号发生器64一旦输入了定时信号，就在上述时钟信号的周期的例如3/4的时刻发出上述复位信号55，该复位信号55被输出至上述受光控制电路48。

另外，上述第1定时器62一旦被输入定时信号，就向上述就绪信号发生器发出距发光命令滞后t1的第1时差信号，上述第2定时器63向上述就绪信号发生器65发出距发光命令滞后t2的第2时差信号。

在上述受光方式设定器66中，预先设定有受光信号的检测方式，亦即，设定有以何种方式检测来自上述受光元件的内部受光信号和外部光受光信号，例如，在受光电路40中，当受光方式被设定成交替检测来自上述受光元件9的内部光受光信号和外部光受光信号时，上述受光方式设定器66按每一个从上述发光定时电路60输出的定时信号向上述控制电路67发出切换信号。该控制电路67按每一个切换信号控制从上述就绪信号发生器65所发出的上述就绪信号56发出定时是基于第1时差信号或是第2时差信号的信号。

例如，基于第1时差信号的就绪信号56in一旦输入到上述受光控制电路48，该受光控制电路48就设定成能够在上述就绪信号56in以后(从发光命令起经过t1时间后)，进行来自上述受光元件9的信号的检测。再者，上述t1的值被设定成t1＜dt(参照图6(C))。另外，上述受光控制电路48进行控制，使得来自上述受光元件9能够仅检测上述就绪信号56in后最初的信号。因而，上述受光元件9对应于1个脉冲激光束仅可接受1个内部光。在仅接受1个内部光之后，根据上述复位信号55，上述受光元件9的状态被复位，通过重新按照上述就绪信号56in建立就绪状态，上述受光元件9才可再次受光(参照图6(C))。

于是，从上述复位信号55输入到上述受光控制电路48的时刻起至上述就绪信号56被输入到上述受光控制电路48为止的期间，对于上述受光元件9的受光成为与加了电屏蔽(electric mask)的状态一样，从而可以分辨内部光和外部光。另外，加电屏蔽的时间如后述是可以调整的，方法是采用变更发出上述就绪信号56的时间。

然后，基于第2时差信号的就绪信号56out一旦被输入到上述受光控制电路48，该受光控制电路48就使得上述受光元件9在上述就绪信号56out以后(从发光命令起经过t2的时间以后)能够进行受光信号的检测。再者，上述t2的值被设定成TR＜t2(参照图6(D))。还有，上述内部参照光路5的光路长度的物理结构是已知的，上述TR的值也是已知的，上述t2是可事前设定的。上述受光元件9从发光命令起到就绪信号56out止是复位状态，受光元件9不能受光。因而，在该就绪信号56out之前入射到上述受光元件9的外部光不能被检测，也不能发出检测信号。仅在上述就绪信号56out之后入射的外部光可被接收，可以检测出关于外部光的受光信号(参照图6(D))。

从上述发光受光定时控制部47交替发出上述就绪信号56in、就绪信号56out以及输出上述复位信号55后的受光检测状态示于图6(E)。通过上述就绪信号56in、就绪信号56out被交替地输入到上述受光控制电路48，上述受光元件9能够交替地分辨并接受内部光和外部光。

通过求出内部光的检测信号与外部光的检测信号的时间差，可以测量至上述测量对象物11的距离。

如上所述，由于电气地进行内部光的受光与外部光的受光的切换，能够按每1个脉冲激光束进行高速切换，在切换的途中没有死区时间、增长了有效测量时间，可以缩短测量时间。因此，可以排除测距计算部的电路部分存在的漂移的影响，使测量精度提高。

另外，如果考虑外部光的S/N比(信噪比)和内部光的S/N比，则内部光受外部干扰的影响小，内部光的S/N比足够大。另一方面，外部光容易受外部干扰，外部光的S/N比较内部光的S/N比小。因而，采用在相同的时间内，较内部光的数据比多地采集外部光数据的方法来增大测量的平均效果，提高测量精度。

如上所述，如果用例如上述受光方式设定器66将受光方式设定为：一旦发出与1次的第1时差信号同步的就绪信号56in，就接着发出与100次的第2时差信号同步的就绪信号56out等，则设定与原来同样的测量时间时，数据的取得量大幅增加，测距精度提高。另外，由于在短时间内可以取得与原来同等的数据量，不会使测距精度下降，能够在短时间内完成测量。

缩短测量时间的结果，可以实现原来不适应的高速移动体的测距。

图7是表示第2实施例的结构。

在该第2实施例中，是将上述第2定时器63的时间差t2的值用上述控制计算部31来改变，另外，根据来自取决于上述控制电路67的上述第1定时器62、第2定时器6 3的时差信号，将就绪信号56in、就绪信号56out的切换设为可变的结构。

这里就将上述第2定时器63的时间差t2的值用上述控制计算部31可变的情况进行说明。

如图2所示，在上述控制计算部31中，输入来自上述对焦部34的对焦状态的反馈信号。作为对焦状态的反馈信号，采用例如用线性传感器检测对焦透镜的位置而得到的反馈信号。根据反馈信号由上述控制计算部31计算至瞄准的测量对象物11的距离的计算，再根据所计算的距离计算上述时间差t2。上述控制计算部31根据上述时间差t2向上述控制电路67发出控制信号，该控制电路67发出成为上述时间差那样的就绪信号56out。由于用上述时间差t2的就绪信号56out限制来自上述受光元件9的受光信号的检测，就不能检测在上述时间差t2入射的外部光。亦即，可以切断来自存在于上述测量对象物11更前面的不需要发射体的反射光。

例如，在必须透过在上述测量对象物11与距离测量装置之间存在金属网、树木，或透过透明玻璃测量至该测量对象物11的距离的场合测量稳定，同时测量精度也提高。

当然，也可以不用对焦状态的反馈信号，从上述操作输入部29通过上述控制计算部31用手动变更就绪信号56out的时间差t2。

另外，也可以用上述控制计算部31进行受光方式的设定、变更。例如，在大气状态不稳定时，在不改变内部光的受光次数的情况下，增多外部光的受光次数，提高平均效果。或者在不要求高精度的测量中，使数据取得量减少等。

Claims

1. 一种距离测量装置，其中设有：向测量对象物照射脉冲激光束的激光光源；接收由测量对象物反射的外部光和从所述激光束分割一部分而成的内部光的受光元件；包含该受光元件的受光电路；以及根据所述受光元件对外部光和内部光的受光来计算距离的控制计算部；所述受光电路形成非检测状态，该非检测状态形成在内部光的受光定时之前或之后。

2. 一种距离测量装置，它向测量对象物照射脉冲激光束，接收由测量对象物反射的外部光和从所述激光束分割一部分而成的内部光，并基于外部光与内部光的受光进行测距，其中设有：根据发光命令射出脉冲激光束的激光光源；能够接收外部光和内部光的受光元件；使外部光和内部光同时入射到该受光元件的光学系统；控制所述受光元件的受光状态的受光控制部；以及根据所述发光命令发出就绪信号的发光受光定时控制部；所述受光控制部根据就绪信号使所述受光元件能够接收在就绪信号以后入射的最初的脉冲激光束，所述发光受光定时控制部在所述受光元件接收内部光的时间之前或之后发生就绪信号。

3. 如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于：在所述受光元件接收内部光的时间之前或之后交替地发出所述就绪信号。

4. 如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于：相对于在所述受光元件接收内部光的时间之前发出的就绪信号，增加了在所述受光元件接收内部光的时间之后发出的就绪信号。

5. 如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于：可相对于在所述受光元件接收内部光的时间之前发出的就绪信号变更在所述受光元件接收内部光的时间之后发出的就绪信号的时间差。

6. 如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于：还设有对焦部，控制部从由对焦部的对焦状态的反馈信号计算至测量对象物的距离，并根据计算结果发出就绪信号。