CN101566473B - 测量装置和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量装置，该测量装置包括用于发射测距光6的光源、用于使所述测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜56、用于使所述测距光以高于所述俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜62、用于投射所述测距光的测距光投射单元以及用于控制对所述高速偏转镜和所述俯仰旋转镜的驱动的运算控制单元。

Description

测量装置和测量系统

技术领域

本发明涉及当通过单个测量操作人员或通过两个或两个以上测量操作人员合作来执行测量操作时的测量装置和测量系统。

背景技术

在土木工程工作中进行的测量(surveying)操作中，例如在道路建设的测量操作中，在道路两侧的位置、具有高差的位置、道路的宽度位置等上进行测定(measurement)，并且同时测定多个测定点。因此，测量操作是通过两个或两个以上测量操作人员进行的合作的操作。

JP-A-2006-337302中公开了一种测量装置，通过该测量装置，可同时对多个测定点进行测定。

在根据JP-A-2006-337302的测量装置中，在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束，这些激光束包括三个或三个以上扇形激光束，其中至少一个激光束是倾斜的；并形成基准面。此外，根据待测定对象一侧的光检测单元接收多个扇形激光束时的时间差来测定俯仰角。并且，通过接收来自待测定对象的反射激光束，根据在接收反射激光束的那一刻扇形激光束的投射方向来测定水平角。此外，测量装置在旋转照射中投射沿垂直方向展开的测距光。然后，接收来自待测定对象的反射测距光，并对到待测定对象的距离执行电光距离测定。基于俯仰角和所测定的距离来计算待测定对象的垂直方向上的位置，并测定待测定对象的三维位置。

利用以上描述的测量装置，通过在旋转照射中投射扇形激光束和沿垂直方向展开的测距光，可以同时对存在于扇形激光束和测距光的投射范围内的多个待测定对象、即存在于这两种激光束的水平方向的整个圆周内以及垂直方向的展开范围内的多个待测定对象执行测定(下文称为“多测定”)。

通过以上描述的测量装置，在旋转照射中投射沿垂直方向展开的测距光。然后，接收来自待测定对象的反射光，并执行电光距离测定。结果，每个测距光的光强减小，并且噪声光的影响变得更大，这使得测定精度减小。此外，由于测距光高速旋转，所以一次测定的测定时间很短。而且，没有很多距离测定数据可以平均，并且不可能提高测定精度。为了提高测定精度，必须在旋转照射中多次投射光，测定需要更长的时间，并且工作效率降低。

此外，由于测距光沿垂直方向展开，所以当待测定距离越长时，所接收的光的光强降低得更多。因此，存在可测定的距离加长的问题以及其它问题。

已知，全站仪是用于以更高精度对测定点进行测定的部件。全站仪具有跟踪功能。例如，与基于设计的测量操作的情形类似，测量操作人员将待测定对象(棱镜)移动到每个测定点。全站仪跟踪每个待测定对象并在每个测定点上执行测定。

具有跟踪功能的全站仪可由一个操作人员操作(单人操作测定)。可在高精度下进行测定，并且测定的工作效率也很高，但是它不可能在多个点同时执行测定。因此，在必需在多个点同时执行测定的情况下，工作效率极度下降。

JP-A-2004-212058公开一种方法，通过该方法，在旋转照射中投射两个或两个以上扇形激光束，其中至少一个扇形激光束是倾斜的；形成水平基准面；并根据倾斜扇形激光束的倾斜角确定相对于水平基准面的俯仰角。

发明内容

本发明的目标是提供一种测量装置和测量系统，通过它们，可以在多个点上同时执行多测定，并且还可执行单人操作测定，并以高精度完成测定。

为了实现以上目标，本发明提供一种测量装置，该测量装置包括用于发射测距光的光源、用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、用于使测距光以高于俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜、用于投射测距光的测距光投射单元以及用于控制对高速偏转镜和俯仰旋转镜的驱动的运算控制单元。

并且，本发明提供如上所述的测量装置，其中高速偏转镜赋予测距光沿俯仰方向的振幅。此外，本发明提供如上所述的测量装置，其中高速偏转镜设置在俯仰旋转镜的光轴通过部分上，经由高速偏转镜投射测距光，并经由聚光部件接收由待测定对象反射的反射测距光。并且，本发明提供如上所述的测量装置，其中高速偏转镜设置在俯仰旋转镜的一个表面上，并且俯仰旋转镜的另一个表面用作反射镜。此外，本发明提供如上所述的测量装置，其中通过利用高速偏转镜的镜面来设置俯仰旋转镜的镜面，并且俯仰旋转镜通过利用驱动单元来驱动用于固定高速偏转镜的固定单元而使测距光沿待测定对象的方向偏转。并且，本发明提供如上所述的测量装置，其中测距光投射单元包括用于在旋转照射中投射测距光的旋转器、图像旋转器以及用于旋转所述图像旋转器的图像旋转器旋转单元，并且其中可通过图像旋转器旋转单元来调节旋转器，以便使由高速偏转镜反射的测距光的偏转方向指向朝向待测定对象的方向。此外，本发明提供如上所述的测量装置，其中测距光投射单元具有用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜，其中高速偏转镜中的两个设置在彼此相对的位置，并且其中高速偏转镜包括具有不同移动方向的反射表面，并且经由这两个高速偏转镜投射的测距光的偏转方向可以调节，以便使它指向待测定对象。并且，本发明提供如上所述的测量装置，其中在通过偏转范围扩展部件扩展的俯仰方向上的偏转范围内投射测距光，并且其中经由聚光部件接收由待测定对象反射的反射测距光。此外，本发明提供如上所述的测量装置，该测量装置还包括：用于投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中至少一个扇形光束是倾斜的；用于接收从待测定对象反射的反射扇形光束的扇形光束接收单元；以及用于检测扇形光束投射单元的扇形光束投射方向的扇形光束投射方向检测单元，其中运算控制单元基于来自扇形光束接收单元以及来自扇形光束投射方向检测单元的信号计算待测定对象的方向。并且，本发明提供如上所述的测量装置，其中运算控制单元控制高速偏转镜和旋转单元，以便基于所获取的待测定对象的方向将所投射的测距光投射到待测定对象。此外，本发明提供如上所述的测量装置，其中高速偏转镜是MEMS镜。

并且，本发明提供一种测量系统，该测量系统包括测量装置和待测定对象，其中测量装置包括：用于投射测距光的测距光投射单元，该单元具有用于发射测距光的光源、用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、以及用于使测距光以高于俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜；用于检测来自测距光投射单元的测距光的投射方向的投射方向检测单元；用于基于来自待测定对象的反射光测定距离的测距单元；用于在旋转照射中投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中至少一个扇形光束是倾斜的；第一通信单元；以及用于控制对俯仰旋转镜和高速偏转镜的驱动的运算控制单元，并且其中待测定对象具有用于反射测距光的反射器、用于接收扇形光束的扇形光束接收单元、以及用于将来自扇形光束接收单元的信号传送到第一通信单元的第二通信单元。

本发明提供如上所述的测量系统，其中高速偏转镜设置在俯仰旋转镜的光轴通过部分上，经由高速偏转镜投射测距光，并经由聚光部件接收由待测定对象反射的反射测距光。并且，本发明提供如上所述的测量系统，其中高速偏转镜设置在俯仰旋转镜的一个表面上，并且俯仰旋转镜的另一个表面用作反射镜。此外，本发明提供如上所述的测量系统，其中测距光投射单元包括用于在旋转照射中投射测距光的旋转器、图像旋转器以及用于旋转所述图像旋转器的图像旋转器旋转单元，并且其中可通过图像旋转器旋转单元来调节旋转器，以便使由高速偏转镜反射的测距光的偏转方向指向朝向待测定对象的方向。并且，本发明提供如上所述的测量系统，其中测距光投射单元具有用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜，其中高速偏转镜中的两个设置在彼此相对的位置，并且其中高速偏转镜包括具有不同移动方向的反射表面，并且经由这两个高速偏转镜投射的测距光的偏转方向可以调节，以便使它指向待测定对象。此外，本发明提供如上所述的测量系统，其中以通过偏转范围扩展部件扩展的高低方向上的偏转范围投射测距光，并且其中经由聚光部件接收由待测定对象反射的反射测距光。

本发明提供一种测量装置，该测量装置包括用于发射测距光的光源、用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、用于使测距光以高于俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜、用于投射测距光的测距光投射单元以及用于控制对高速偏转镜和俯仰旋转镜的驱动的运算控制单元。因此，在较宽范围内存在多个待测定对象的情况下，通过在旋转照射中投射扇形光束，可以同时对多个待测定对象执行测定。并且在存在一个待测定对象的情况下，通过投射点型光，可以在高精度的情况下执行测定。因此，可以通过单个测量装置对多个待测定对象执行较宽范围内的测定以及高精度的测定。此外，光密度不会降低，并且可以对长距离执行测定，因为可以通过放大点型光而形成扇形测距光。

并且，本发明提供如上所述的测量装置，该测量装置还包括：用于投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中至少一个扇形光束是倾斜的；用于接收从待测定对象反射的反射扇形光束的扇形光束接收单元；以及用于检测扇形光束投射单元的扇形光束投射方向的扇形光束投射方向检测单元，其中运算控制单元基于来自扇形光束接收单元以及来自扇形光束投射方向检测单元的信号计算待测定对象的方向。因此，可以快速且精确地获得来自待测定对象的反射光，并提高测量操作的效率。

此外，本发明提供一种测量系统，该测量系统包括测量装置和待测定对象，其中测量装置包括：用于投射测距光的测距光投射单元，该单元具有用于发射测距光的光源、用于使测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、以及用于使测距光以高于俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜；用于检测来自测距光投射单元的测距光的投射方向的投射方向检测单元；用于基于来自待测定对象的反射光测定距离的测距单元；用于在旋转照射中投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中至少一个扇形光束是倾斜的；第一通信单元；以及用于控制对俯仰旋转镜和高速偏转镜的驱动的运算控制单元，并且其中待测定对象具有用于反射测距光的反射器、用于接收扇形光束的扇形光束接收单元、以及用于将来自扇形光束接收单元的信号传送到第一通信单元的第二通信单元。因此，可以在测量装置和待测定对象之间给出并取得测定数据和信息，并且可以在宽范围内以高工作效率执行测定。

附图说明

图1是在执行多测定的情况下的本发明第一实施例的示意图；

图2是示出执行单人操作测定的情形的本发明第一实施例的示意图；

图3是根据本发明第一实施例的测量装置的示意框图；

图4是示出测量装置的旋转单元的局部视图；

图5是示出测量装置的测距光学系统的示意框图；

图6是沿图3中的箭头A截取的箭头图，并且图6是示出测量装置的基准面形成单元的布置的示意图；

图7是通过利用测量装置执行单人操作测定的情况下的旋转单元的局部视图；

图8是本发明第二实施例的旋转单元的局部视图，其示出执行多测定时的旋转单元；

图9是本发明第二实施例中的测距光的轨迹的说明图；

图10是示出根据本发明第三实施例的测量装置的示意图；

图11是示出本发明第三实施例中的测距光学单元的示意图；以及

图12是示出本发明第四实施例中的测距光学单元的示意图。

具体实施方式

下文将通过参照附图描述用于实现本发明的最佳模式。

首先，参照图1和图2，将描述本发明一个实施例中的测量系统的一般特征。

该测量系统包括测量装置1和至少一个光检测装置7。测量装置1和光检测装置7可以经由通信手段给予彼此数据以及从彼此取得数据。

图1示出通过利用测量装置1和多个待测定对象2来执行多测定的情形。

测量装置1经由三脚架8安装在已知点上，可以在旋转照射中以恒定速度投射用于形成基准面的激光束5，并且可以在旋转照射中投射测距光6。每个待测定对象2具有包括反射棱镜的光检测装置7和杆10，并且光检测装置7安装在杆10的已知高度上。光检测装置7接收从测量装置1投射的激光束，并将激光束反射给测量装置1。

通过接收从光检测装置7反射的测距光6，测量装置1可以测定到安装在多个点处的每个光检测装置7的距离。

通过在旋转照射中以恒定速度投射用于形成基准面的激光束5，基准面形成单元3形成水平基准面。用于形成基准面的激光束5由两个或两个以上扇形激光束组成，其中至少一个激光束倾斜已知角度。(在图中，激光束5由具有N形形状的光流(luminous flux)横截面的三个扇形激光束组成(下文可称为“N形扇形光束”))。

测量装置1在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束5。通过获得光检测装置7检测两个或两个以上扇形激光束时的时间差，可以根据该时间差以及倾斜扇形激光束的倾斜角确定相对于测量装置1位于中心的水平基准面的俯仰角。基于俯仰角，可以设置倾斜基准面。

测距光投射单元4在旋转照射中投射测距光6。测距光6是作为以小直径近似平行地前行的光流的点型测距光6b，并且可以通过稍后描述的高速偏转镜62以高速度往复地执行扫描。由于测距光6高速振动(vibrate)，所以也可能具有预定振幅并形成基本沿垂直方向展开的扇形测距光6a。

测距光投射单元4设计成使得可以通过选择点型测距光6b或扇形测距光6a作为测距光来进行投射。扇形测距光6a有两种情形：扇形测距光6a具有在光学上沿俯仰方向展开的光流横截面的情形；以及具有小直径的点型光根据需要以一定角度在俯仰方向上往复扫描的情形。

当投射扇形测距光6a时，接收从展开范围内的待测定对象2反射的测距光，并确定到待测定对象2的距离。通过在旋转照射中投射扇形测距光6a，可以同时测定到上述多个待测定对象2中的每个待测定对象2的距离。并且，根据由用于形成基准面的激光束5测定的俯仰角以及由扇形测距光6a测定的距离，可以测定每个待测定对象2在高度方向的位置。

图2示出执行单人操作测定的情形。当进行单人操作测定时，从测距光投射单元4投射点型测距光6b。

首先，在旋转照射中从测量装置1投射用于形成基准面的激光束5。光检测装置7基于来自两个或两个以上扇形激光束中的每个扇形激光束的光检测时间之差来测定俯仰角，并将测定结果传送给测量装置1。测量装置1接收俯仰角数据，并接收从待测定对象2反射的反射光。基于在接收反射光的那一刻角度检测器上的值，检测水平角。关于俯仰角，测量装置1可基于来自待测定对象2的反射光的光检测时间之差来计算俯仰角。

根据水平角和俯仰角，确定从测量装置1观察的光检测装置7的方向，并沿所确定的方向投射点型测距光6b。在此情况下，测距光是具有小光束直径的激光束，并且这些光束近似平行地前行。当向光检测装置7投射点型测距光6b并通过测量装置1接收从光检测装置7反射的测距光时，停止在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束5，并开始通过跟踪的测定。

在无法通过用于形成基准面的激光束5来检测待测定对象2的情况下，连续发射扇形测距光6a或跟踪光25，并且可以通过在旋转照射中投射这些光并使这些光沿垂直方向偏移来搜寻待测定对象2。

在单人操作测定中，测距光6的直径较小，并且光强较高。因此，来自噪声光的影响较小，并且可以对长距离进行距离测定。由于在跟踪光检测装置7的同时执行测定，所以有足够的时间测定，并且测定精度较高。

如上所述，根据本发明，在多测定情形以及单人操作测定的情形，可以选择并投射具有不同光束形状的测距光6。在多测定情况下，以沿垂直方向的展开角(spreading angle)投射扇形测距光6a。在单人操作测定的情况下，投射具有小直径和窄展开的点型测距光6b。

现在，参照图3至图7，下文将描述本发明的第一实施例。

测量装置1主要包括校平单元11、经由校平单元11安装在三脚架8(见图2)上的主单元12、以及可旋转地安装在主单元12上的旋转器13。

校平(leveling)单元11用于执行测量装置1的校平，并且校平单元11具有沿垂直方向向下投射激光束的点激光束投射单元14。安装测量装置1的位置可由投射有点激光束的地表面上的点确定。

测距单元15、测距光学单元16、俯仰(elevation)旋转轴倾斜检测单元17、倾斜传感器10、主单元控制器19、通信单元21、电源22等容纳在主单元12内。

测距单元15具有测距光源(未示出)和跟踪光源(未示出)。从测距光学单元16经由第一玻璃纤维24投射测距光6，并从测距光学单元16经由第二玻璃纤维26投射跟踪光25。经由测距光学单元16接收从待测定对象2反射的反射测距光6’，并经由第三玻璃纤维27将反射测距光6’引导向测距单元15。

测距单元15通过将反射的测距光6’与通过分割测距光6而获得的内部基准光(未示出)进行比较来执行距离测定。

通过倾斜传感器18检测主单元12的倾斜。在旋转器13的下端，提供作为反射镜的旋转环28，并在与旋转环28相对的位置设置俯仰旋转轴倾斜检测单元17。

俯仰旋转轴倾斜检测单元17向旋转环28投射检测光，并通过光检测传感器29接收由旋转环28反射的检测光。根据光检测传感器29上的检测光的光检测位置的偏差来检测旋转环28的倾斜，即，旋转器13的旋转轴的倾斜。

旋转环28还实现作为水平角检测编码器31的图案环(patternring)的功能。基于来自图案检测单元32的信号，检测水平角。水平角检测编码器31具有基准点，并用作绝对编码器，它可从基准点检测角度。

现在，参照图5，将描述测距光学单元16。

在图5中，附图标记30表示测距光轴，并且测距光轴30与旋转器13的旋转轴一致。聚光透镜36、镜子35和分束器37设置在测距光光轴30上。聚光透镜43和跟踪光光检测传感器44设置在来自分束器37的反射光光轴47上。聚光透镜45和图像光检测传感器46设置在分束器37的透射光光轴48上。

镜子33a反射测距光6，并且镜子33b沿与测距光6的光路相同的光路反射跟踪光25。测距光6的波长不同于跟踪光25的波长，并且镜子33b设计成用于形成反射薄膜，以便该反射薄膜允许测距光6穿过并反射跟踪光25。

测距光6和跟踪光25通过镜子34和镜子35偏转，并沿测距光轴30投射。测距光6和跟踪光25变成平行光流束，然后经由旋转器13在水平方向偏转并投射这些平行光流束。

由待测定对象2反射的反射测距光6’经由旋转器13进入测距光学单元16。然后，反射测距光6’通过聚光透镜36会聚，并通过分束器37的上反射表面38反射。此外，反射测距光6’由镜子35和镜子39反射，并进入第三玻璃纤维27。

在穿过上反射表面38的反射跟踪光25’和可见光(自然光)42中，反射跟踪光25’由内反射表面41反射。然后，反射跟踪光25’由聚光透镜43会聚，并由跟踪光光检测传感器44接收。可见光42穿过内反射表面41，由聚光透镜45会聚，并由图像光检测传感器46接收。

在上反射表面38上，形成有反射薄膜，该反射薄膜反射所反射的测距光6’，并允许所反射的跟踪光25’和可见光42穿过。在内反射表面41上，形成有反射表面，该反射表面反射所反射的跟踪光25’，并允许可见光42穿过。

作为跟踪光光检测传感器44和图像光检测传感器46，采用多个像素的集合体，如CCD、CMOS传感器等。可识别每个像素的地址(在光检测元件上的位置)，并可找到每个像素的场角(视角)。

测距光学单元16朝向测距光轴30投射测距光6和跟踪光25，并且进入测距光学单元16的反射测距光6’、反射跟踪光25’和可见光42可单独接收和检测。

第一玻璃纤维24、镜子33a、镜子35、俯仰旋转镜56(稍后描述)、旋转器13等共同组成测距光投射光学单元。旋转器13、俯仰旋转镜56、分束器37、镜子35、镜子39、第三玻璃纤维27等共同组成光检测光学单元。

运算控制单元19控制测距单元15，还控制驱动单元，如水平旋转电动机52和俯仰旋转电动机57(稍后描述)。当选择扇形测距光6a来进行距离测定时，控制测距单元15以便可以在投射扇形测距光6a的同时投射用于形成基准面的激光束5，并且通过接收来自待测定对象2的测距光6’来测定距离。根据用于形成基准面的激光束5穿过待测定对象2时的扇形光的时间差来计算俯仰角。基于用于形成基准面的激光束5穿过待测定对象2时水平角检测编码器31的检测结果来确定水平角，并计算待测定对象2的三维位置。

当选择点型测距光6b来进行距离测定时，执行距离测定，并且基于来自待测定对象2的反射光的光检测，通过水平角检测编码器31来检测投射方向的水平角，并通过稍后描述的俯仰角检测编码器58来检测投射方向上的俯仰角。基于距离测定的结果、水平角以及由此检测的俯仰角，计算待测定对象2的三维位置。

现在，参照图3和图4，将描述旋转器13。

旋转器13经由轴承51和51可旋转地安装在主单元12上，并且以通过水平旋转电动机52使旋转器13在水平方向旋转的方式设计而成。

旋转器13包括旋转机架53、安装在旋转机架53的上部上的基准面形成单元3、水平旋转轴倾斜检测单元54以及与旋转机架53集成的旋转器罩盖50。旋转器罩盖50盖住水平旋转轴倾斜检测单元54、基准面形成单元3和旋转机架53。在图中，附图标记49表示功率馈送环。经由功率馈送环49，将电功率从主单元12供应给旋转器13。

俯仰旋转镜56可旋转地设置在旋转机架53的水平旋转轴55周围。俯仰旋转电动机57设置在水平旋转轴55的一端上，并且俯仰角检测编码器58设置在水平旋转轴55的另一端上。

俯仰角检测编码器58的图案环59与旋转环28类似地设计成反射镜。图案环59设置在与水平旋转轴倾斜检测单元54相对的位置。从水平旋转轴倾斜检测单元54投射的检测光由图案环59反射，并由水平旋转轴倾斜检测单元54接收。基于水平旋转轴倾斜检测单元54上的检测位置的偏差，检测水平旋转轴55的倾斜。俯仰角检测编码器58具有基准点，并且它设计成绝对编码器，它可从基准点检测俯仰角。

参照图4，将描述俯仰旋转镜56和设置在俯仰旋转镜56上的光束扩展部件。

俯仰旋转镜56的两个表面都设计成反射表面，并且俯仰旋转镜56固定在镜固定器61上。镜固定器61经由水平旋转轴55可旋转地安装在旋转机架53上。俯仰旋转镜56的基准位置是相对于沿垂直方向的测距光轴30倾斜45°的位置，并且测距光轴30从俯仰方向(elevation direction)偏转到沿水平方向的测距光轴30a的方向。

光流形状(form)调节部件81水平地固定在镜固定器61的下端，即，与测距光轴30垂直相交的位置。在光流形状调节部件81的中心部分钻有孔82，并且从测距光学单元16发射的测距光6穿过孔82。光流形状调节部件81具有用于在一个方向上减小穿过的光流的大小的光学动作。例如，使用双凸透镜或光接收和光发射光栅。

高速偏转镜62附着在俯仰旋转镜56的反射表面上，并且高速偏转镜62设置在与测距光轴30一致的位置。

作为高速偏转镜62，使用MEMS(微机电系统)镜。当施加高频电压时，该镜子高速振动，并且反射表面以非常小的角度往复旋转。例如，它以垂直于图4中的纸面的线为中心沿俯仰方向小规模地往复旋转。因此，从测距光学单元16投射的测距光6穿过孔82，并由高速偏转镜62反射。当高速偏转镜62振动时，测距光6沿俯仰方向从位置A到位置B往复地执行扫描。

经由振动的高速偏转镜62投射的测距光6由待测定对象2反射，并且所反射的测距光6’展开地进入旋转器13。光流形状调节部件81在一个方向上减小反射测距光6’的光流横截面的大小，并使反射测距光进入到测距光学单元16中。

从俯仰旋转镜56的基准位置，通过俯仰旋转电动机57经由水平旋转轴55使俯仰旋转镜56沿俯仰方向旋转。从而，可以改变所投射的测距光6的俯仰角。并且，可以通过俯仰角检测编码器58(见图3)来检测在此情况下的俯仰角。

现在，参照图6，将描述基准面形成单元3。

基准面形成单元3包括扇形激光束发射单元63和用于可旋转地支撑扇形激光束发射单元63的机构单元。该机构单元包含受到可旋转地支撑的旋转机架53和水平旋转电动机52。通过水平角检测编码器31来检测用于形成基准面的激光束5的投射方向(水平角)。待测定对象2反射用于形成基准面的激光束5，并且通过光检测传感器经由测距光学单元16接收反射光。使用跟踪光光检测传感器44作为光检测传感器。通过检测在跟踪光光检测传感器44接收用于形成基准面的激光束5的反射光的那一刻水平角检测编码器31的水平角，可以测定利用测量装置1作为基准的待测定对象2的水平角。

扇形激光束发射单元63包括用于形成基准面的激光束发射源64(如LD)、或分离棱镜65、66和67与设置在分离棱镜65、66和67的退出表面上的聚光部件68、69和70。使用圆柱形透镜、衍射光栅等作为聚光部件68、69和70。分离棱镜65、66和67将从扇形激光束发射单元63发射的激光束分成三个部分。此外，通过聚光部件68、69和70，将激光束横截面调节成具有在垂直方向具有横截面较长轴的椭圆形光流横截面。三个横截面长轴相对于彼此倾斜已知角度。

接下来，参照图4，将描述光检测装置7。

光检测装置7设置在杆10上的已知位置处，并且光检测装置7主要包括用于接收形成基准面的激光束5的光检测装置72、用于反射测距光6的诸如棱镜73的反射器、用于与测量装置1的通信单元21通信的光检测侧通信单元74、光检测侧控制运算单元75、光检测侧操作单元(未示出)以及光检测侧显示单元(未示出)。

采用诸如无线电通信、光通信等方法作为通信单元21和光检测侧通信单元74的通信方法。

光检测侧控制运算单元75基于光检测装置72接收用于形成基准面的激光束5时每个扇形激光束的光检测时间的时间差来计算俯仰角。可通过光检测侧通信单元74将计算结果传送给测量装置1。

现在，将描述操作。

图4示出执行多测定的情形。镜固定器61固定在光流形状调节部件81垂直于水平测距光轴30a前行的位置。

因此，从测距光学单元16投射的测距光6穿过孔82，并通过高速偏转镜62沿水平方向偏转。当在高速偏转镜62上施加高频电压时，反射表面沿俯仰方向以非常小的角度往复地高速旋转。于是，测距光6沿俯仰方向在预定角度范围内高速振动。然后，通过旋转器罩盖50的投射窗60投射测距光以作为扇形测距光6a。在执行多测定的情况下，除了俯仰角较大偏转的情形之外，将俯仰旋转镜56的俯仰角设为固定角度。

同时，在从扇形激光束发射单元63投射用于形成基准面的激光束5的情形下，驱动水平旋转电动机52，并在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束5和测距光6。

由于用于形成基准面的激光束5和测距光6沿垂直方向展开并且在整个圆周上旋转，所以可以在宽范围内实现测定，并且可以测定位于投射范围内的多个待测定对象2(见图1)。扇形测距光6a显然示为是沿俯仰方向展开。但是，点型光沿俯仰方向往复地扫描，光强不会减小，而是等于点光，并且可以对长距离进行测定。

接收来自棱镜73的反射测距光6’，并在测距单元15处测定距离。通过检测在接收测距光6’的那一刻水平角检测编码器31的角度，测定水平角。从光检测侧通信单元74传送由光检测装置7测定的俯仰角，并且可以获得关于待测定对象2的俯仰角。根据距离测定的结果和俯仰角，可以确定待测定对象2的高度。因此，可以确定每个待测定对象2的三维数据。

图7示出执行单人操作测定的情形。

当测定操作从多测定变换为单人操作测定时，驱动俯仰旋转电动机57，并使镜固定器61绕水平旋转轴55旋转180°。

将光流形状调节部件81从测距光轴30脱离，并且没有附着高速偏转镜62的俯仰旋转镜56的反射表面到达与测距光学单元16相对的位置。因此，投射从测距光学单元16发射的测距光6作为具有窄光束直径的点型光。为了将高速偏转镜62从测距光6的光路脱离，可以使镜固定器61沿图4中的逆时针方向旋转90°。

首先，作为准备，从扇形激光束发射单元63投射用于形成基准面的激光束5。驱动水平旋转电动机52，并在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束5。

当获得来自待测定对象2的反射光时，可测定关于待测定对象2的水平角。从光检测侧通信单元74传送在光检测装置7处获得的俯仰角数据。基于在通信单元21处接收的俯仰角数据，可以获取待测定对象2的方向。关于俯仰角，接收来自待测定对象2的用于形成基准面的激光束5的反射光，并且可以通过测量装置1根据光检测时间之差来计算俯仰角。

从测距单元15投射测距光6和跟踪光25，并通过水平旋转电动机52使旋转器13旋转。通过俯仰旋转电动机57使镜固定器61旋转，并且可以使投射方向指向待测定对象2。

当跟踪光25捕获待测定对象2并通过棱镜73反射测距光6时，可执行单人操作距离测定。即使当待测定对象2移动时，仍可通过检测反射的跟踪光25’来跟踪待测定对象2。

在检测测距光6’的那一刻通过水平角检测编码器31和俯仰角检测编码器58来测定水平角和俯仰角。基于距离测定的结果，确定待测定对象2的高度，并且可以实现待测定对象2的三维数据的测定。

关于俯仰角，可使用由光检测装置7获得的俯仰角。

在单人操作测定的情况下，测距光6的光强较高，并且反射光的光检测时间较长。因此，可以对长距离进行测定。并且，由于可根据需要多次执行测定，所以测定精度较高。

接下来，参照图8和图9，将描述第二实施例。在图8中，用相同符号表示与图4中所示等效的组件。诸如主单元12的布置是第一实施例中的等效物，在该图中没有示出。

在第二实施例中，用诸如MEMS镜的高速偏转镜62取代第一实施例中的俯仰旋转镜56的反射表面之一。另一反射表面是正常型平面镜，它不会在反射测距光6时对测距光6赋予任何光学动作。

高速偏转镜62在非常小的角度范围内沿俯仰方向在从测距光学单元16投射的测距光6上执行往复扫描，并且测量装置1对存在于扫描范围内的待测定对象2执行测定。

首先，在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束(N形扇型光束)5。接收来自待测定对象2(光检测装置7)的反射光，并获得光检测装置7的水平角。接着，通过光检测装置7接收用于形成基准面的激光束5，并获得相对于测量装置1的俯仰角。然后，将俯仰角数据传送给测量装置1。

根据水平角以及由此获得的俯仰角，测量装置1计算待测定对象2的方向。基于计算结果，驱动俯仰旋转电动机57，并确定高速偏转镜62的俯仰角(见图3)。

接着，固定高速偏转镜62的俯仰角。然后，驱动高速偏转镜62本身(使反射表面振动)，并使其沿俯仰方向以非常小的角度往复地旋转。通过高速偏转镜62的振动，投射出从测距光学单元16投射的点光作为扇形激光束用于进行距离测定，这些扇形激光束看起来具有小的展开。

图9是说明第二实施例中投射的测距光6的轨迹的图。在图9中，符号C表示水平测距光轴30a的轨迹，即，在当高速偏转镜62不振动时只通过高速偏转镜62的倾斜来反射测距光6的情况下测距光6的轨迹。符号D表示在高速偏转镜62振动并且进一步地高速偏转镜62的俯仰角改变的情况下测距光6的实际轨迹。在图9中，附图标记73表示待测定对象2的棱镜。当轨迹D穿过棱镜73时，获得反射测距光6’。

在第二实施例中，基于提前获取的待测定对象2的水平角和俯仰角控制高速偏转镜62的俯仰角，并且不需要增加测距光6的表观展开角。测距光6的展开角可以是使得当通过俯仰旋转电动机57调节高速偏转镜62的俯仰角时吸收误差的值。

或者，它可以设计成在使得测距光6穿过棱镜73的范围投射测距光6以节省功率。

当在第二实施例中执行单人操作测定时，可以停止高速偏转镜62的振动，并且它可用作只反射测距光6的俯仰旋转镜56。或者，可将高速偏转镜62的后表面设计成反射表面，使镜固定器61以90°或180°的角度旋转，并反射测距光6。

并且，可以使用小镜子，以便高速改变测距光6的偏转方向，而无需通过振动来驱动高速偏转镜62。并且，通过与俯仰旋转镜56组合，可使测距光6高速地指向待测定对象2。通过使用在多测定中利用用于形成基准面的激光束5获得的俯仰角和水平角，可以通过沿朝向待测定对象的方向投射测距光6来执行多测定，并且可以在单人操作测定中高速地执行瞄准。

现在，参照图10和图11，将描述本发明的第三实施例。

在第三实施例中，它可以设计成使得通过高速偏转镜62来使进入测距光学单元16的测距光6振动。

在图10和图11中，用相同的符号表示与图3和图4所示等效的组件，这里不再详细描述。

在第三实施例中，应用高速偏转镜62作为在第一实施例中使用的镜子33a(见图5)。

首先，将描述测距单元15的光学系统的一般特征。

激光二极管85是用于发射测距光6的发光源。半反射镜86设置在激光二极管85的光轴上。通过半反射镜86，反射测距光6的一部分以作为内部基准光87。然后，经由半反射镜88通过光检测器89接收测距光6的这一部分。在穿过半反射镜86之后，测距光6经由可变密度滤光器91和半反射镜92进入第一玻璃纤维24的入射端。

可变密度滤光器91的密度沿圆周方向改变。当通过密度改变电动机93使可变密度滤光器91旋转时，会改变所投射的测距光6的光密度值。密度可变电动机93的旋转由运算控制单元19控制。

在进入测距光学单元16之后，所反射的测距光6’经由第三玻璃纤维27进入测距单元15，并由半反射镜88反射而进入光检测器89。

基于进入光检测器89的内部基准光87和所反射的测距光6’，测定到待测定对象2的距离。可变密度滤光器91调节所投射的测距光6的光强，以便使所反射的测距光6’的光密度等于或相当于内部基准光87的光密度。在图10中，附图标记90表示用于跟踪的LD，它发射跟踪光25。

接下来，将描述测距光学单元16。

在通过第一玻璃纤维24引导之后，从第一玻璃纤维24的出口端发射出测距光6。然后，测距光由高速偏转镜62反射，并进入测距光学单元16。

高速偏转镜62是MEMS镜。它由运算控制单元19控制，并且沿预定方向往复地倾斜并移动反射表面。高速偏转镜62具有与如图5所示的镜子33a的功能等效的功能，并且沿由镜子94反射的跟踪光25的光轴反射测距光6。镜子94具有与镜子33b的功能等效的功能。镜子94将MEMS控制光95(稍后描述)与测距光6分离，反射MEMS控制光95，并使MEMS控制光95进入图像传感器96。优选地，它设计成使得MEMS控制光95的波长不同于测距光6的波长，并且镜子94设计成二向色镜，它允许测距光6通过、但反射MEMS控制光95。

图像传感器96是具有预定面积的二维传感器，并且图像传感器96检测MEMS控制光95的光流横截面的形状，还检测MEMS控制光95的振幅方向。将检测结果输出到运算控制单元19。基于来自图像传感器96的检测结果以及来自编码器101的检测结果，运算控制单元19控制图像旋转器电动机99的旋转速度和旋转相位。

图像旋转器97设置在高速偏转镜62和镜子94之间。

图像旋转器97包括图像旋转棱镜98、用于旋转图像旋转棱镜98的图像旋转器电动机99、以及用于检测图像旋转棱镜98等的旋转角的编码器101。

图像旋转器是一种光学部件(一个部分或多个部分的组合)，它通过光学部件的旋转基于反射或折射或反射和折射的组合、利用反射或折射(其次数和是偶数)来使图像旋转。通常，当图像旋转器97旋转半圈时，图像旋转一圈。在本实施例中，图像旋转器97与在旋转照射中投射测距光6的旋转器13的旋转同步，并以旋转器13的旋转速度的1/2的速度旋转。因此，将通过高速偏转镜62的测距光6的振幅方向(偏转方向)调节为变成相对于旋转器固定的某个方向。

旋转器13使从测距光学单元16投射的测距光6沿水平方向偏转，并在旋转照射中投射测距光。并且，旋转器13使来自待测定对象2的反射光偏转，并使反射光进入测距光学单元16。在下文中，将描述旋转器13。

镜固定器61经由水平旋转轴55可旋转地支撑在旋转机架53上，并且通过俯仰旋转电动机57使镜固定器61沿垂直方向绕水平旋转轴55旋转(见图3)。

镜固定器61固定两个表面皆为反射表面的俯仰旋转镜56，还固定第一圆柱形透镜102(用作偏转范围扩展部件)和光流形状调节部件103。俯仰旋转镜56固定在相对于测距光轴30成45°角的位置(基准位置)。第一圆柱形透镜102固定在基准位置，以便使第一圆柱形透镜102位于测距光轴30上。此外，光流形状调节部件103固定成使得光流形状调节部件103垂直于水平测距光轴30a设置。第一圆柱形透镜102设置在与高速偏转镜62共轭的位置。

例如，使用双凸透镜或光接收和光发射光栅作为光流形状调节部件103，并且光流形状调节部件103沿俯仰方向扩展或减小光流横截面以便调节光流横截面的形状。第二圆柱形透镜104设置在光流形状调节部件103的中心部分，即，设置在水平测距光轴30a上，以作为偏转范围扩展部件。

偏转范围扩展(extending)部件是相对于所发射的光的旋转方向具有不同角放大率的光学系统。例如，使用圆柱体透镜、变形扩展器等。也可使用正常型光束扩展器。

现在将描述第三实施例的操作。

图10和图11中的每个图表示执行多测定情况下的布置。第一圆柱形透镜102设置在测距光轴30上，并且第二圆柱形透镜104设置在水平测距光轴30a上。

高速偏转镜62由运算控制单元19驱动。反射表面沿一个方向振动。在通过高速偏转镜62使测距光6和MEMS控制光95在预定方向上高速振动的同时反射测距光6和MEMS控制光95。

图像旋转器97使测距光6绕光轴旋转，以便通过始终保持某个固定关系而使测距光6进入俯仰旋转镜56。图像旋转器97由运算控制单元19控制，以便使由俯仰旋转镜56反射的测距光6始终沿俯仰方向振动。

通过高速偏转镜62使MEMS控制光95与测距光6整体地振动，并通过图像旋转器97使MEMS控制光95整体地旋转。因此，通过利用图像传感器96检测光流横截面的形状以及MEMS控制光95的振幅方向，可以检测光流横截面的形状以及测距光6的振幅方向。基于图像传感器96的检测结果，同步控制镜固定器61的旋转和图像旋转棱镜98的旋转。

测距光6的一部分可通过镜子94来分离，并且可用作MEMS控制光95。

在从测距光学单元16投射之后，通过第一圆柱形透镜102和第二圆柱形透镜104扩展测距光6的振幅角，并且测距光变成扇形测距光6a，并通过旋转器13的旋转而在旋转照射中投射扇形测距光6a。由于扇形测距光6a是通过放大点型光而形成的，所以光强较高，并且可以对长距离执行测定。

通过光流形状调节部件103将从待测定对象2反射并具有展开角的反射扇形测距光6a’会聚成平行光束。然后，反射扇形测距光进入测距光学单元16，并通过测距单元15测定距离。

与其它实施例中已经描述的相同，从扇形激光束发射单元63投射用于形成基准面的激光束5。

接下来，将描述执行单人操作测定的情形。

在单人操作测定的情况下，使镜固定器61旋转90°或180°的角度，以便将第一圆柱形透镜102、光流形状调节部件103和第二圆柱形透镜104从测距光轴30和水平测距光轴30a脱离。停止对高速偏转镜62和图像旋转器97的驱动。

在旋转照射中投射用于形成基准面的激光束5，并提前测定待测定对象2的水平角和俯仰角。

经由图像旋转器97通过镜子34和镜子35反射测距光。此外，在点型光的状态中通过俯仰旋转镜56反射测距光，并沿水平测距光轴30a投射测距光。并且，跟踪光25由镜子34和镜子35反射，并进一步由俯仰旋转镜56反射，并且沿水平测距光光轴30a投射跟踪光。

当通过跟踪光光检测传感器44检测跟踪光25时，开始跟踪。此外，反射的点型测距光6’经由测距光学单元16进入测距单元15，并测定距离。

图12示出本发明的第四实施例。第四实施例是从第三实施例发展而来的变型。不使用图像旋转器97。通过两个MEMS镜来放大进入测距光学单元16的测距光6，以便控制振幅方向。在图12中，用相同的符号表示与图10和图11所示等效的组件，这里不再详细描述。

在第四实施例中，两个MEMS镜106和107设置在彼此相对的位置。通过第一玻璃纤维24引导的测距光6由MEMS镜106和107反射，并进入测距光学单元16。

使MEMS镜106的反射表面振动，以便使例如进入MEMS镜107的测距光6沿垂直于纸面的方向振动，并且使MEMS镜107的反射表面振动，以便使反射光平行于纸面振动。MEMS镜106和MEMS镜107的振动相位由运算控制单元19(见图10)控制，并且由镜子94反射的测距光6指向相对于俯仰旋转镜56固定的某个方向。

例如，在如图12所示的情况下，由MEMS镜107反射的测距光6被放大，以便使测距光平行于纸面前行。在通过俯仰旋转镜56沿垂直于纸面的方向反射测距光6的情况下，沿垂直于纸面的方向放大由MEMS镜107反射的测距光6。

放大后的测距光6经由测距光学单元16进入第一圆柱形透镜102和第二圆柱形透镜104。放大角被扩展，通过旋转器13在旋转照射中投射测距光以作为扇形测距光6a，并执行多测定。

当执行单人操作测定时，俯仰旋转镜56旋转90°或180°的角度。从光轴收回第一圆柱形透镜102和第二圆柱形透镜104。通过停止MEMS镜106和MEMS镜107，经由测距单元15和旋转器13投射点型测距光6b。

多测定和单人操作测定的操作是如第三实施例所述的等效物，这里不再详细描述。

在第四实施例中，MEMS镜106和MEMS镜107实现高速偏转镜62的功能，还实现作为第三实施例中的图像旋转器97的功能。

在第四实施例中，可通过利用两个MEMS镜106和107而设置成使得测距光6的放大方向处于恒定方向。等效操作可通过应用可在两个轴上驱动的单个MEMS镜而由该MEMS镜来实现。

Claims (16)

1.一种测量装置，包括用于发射测距光的光源、用于使所述测距光沿朝向待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、用于使所述测距光以高于所述俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜、用于投射所述测距光的测距光投射单元以及用于控制对所述高速偏转镜和所述俯仰旋转镜的驱动的运算控制单元，其中，所述俯仰旋转镜在俯仰方向偏转测距光，所述高速偏转镜给予所述测距光沿俯仰方向的振幅。

2.如权利要求1所述的测量装置，其中所述高速偏转镜设置在所述俯仰旋转镜的光轴通过部分上，经由所述高速偏转镜投射所述测距光，并经由聚光部件接收由所述待测定对象反射的反射测距光。

3.如权利要求1所述的测量装置，其中所述高速偏转镜设置在所述俯仰旋转镜的一个表面上，并且所述俯仰旋转镜的另一个表面用作反射镜。

4.如权利要求1所述的测量装置，其中通过使用所述高速偏转镜的镜面来设置所述俯仰旋转镜的镜面，并且通过驱动单元来驱动用于固定所述高速偏转镜的固定单元，所述俯仰旋转镜使所述测距光沿所述待测定对象的方向偏转。

5.如权利要求1所述的测量装置，其中所述测距光投射单元包括用于在旋转照射中投射所述测距光的旋转器、图像旋转器和用于旋转所述图像旋转器的图像旋转器旋转单元，并且其中所述用于在旋转照射中投射所述测距光的旋转器通过所述图像旋转器旋转单元进行调节，以便使由所述高速偏转镜反射的所述测距光的偏转方向指向朝向所述待测定对象的方向。

6.如权利要求1所述的测量装置，其中所述测距光投射单元具有用于使所述测距光沿朝向所述待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜，其中所述高速偏转镜中的两个高速偏转镜设置在彼此相对的位置，并且其中所述高速偏转镜包括具有不同移动方向的反射表面，并且经由所述两个高速偏转镜投射的所述测距光的偏转方向被调节，以便使它指向所述待测定对象。

7.如权利要求5或6所述的测量装置，其中以通过偏转范围扩展部件扩展的俯仰方向上的偏转范围投射所述测距光，并经由聚光部件接收由所述待测定对象反射的反射测距光。

8.如权利要求1所述的测量装置，还包括：用于投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中所述扇形光束的至少其中之一是倾斜的；用于接收从所述待测定对象反射的反射扇形光束的扇形光束接收单元；以及用于检测所述扇形光束投射单元的扇形光束投射方向的扇形光束投射方向检测单元，其中所述运算控制单元基于来自所述扇形光束接收单元以及来自所述扇形光束投射方向检测单元的信号计算所述待测定对象的方向。

9.如权利要求5所述的测量装置，其中所述运算控制单元控制所述高速偏转镜和所述旋转单元，以便基于所获取的所述待测定对象的方向将所投射的测距光投射到所述待测定对象。

10.如权利要求1至6中任一权利要求所述的测量装置，其中所述高速偏转镜是MEMS镜。

11.一种测量系统，包括测量装置和待测定对象，其中所述测量装置包括：

用于投射测距光的测距光投射单元，其具有用于发射所述测距光的光源、用于使所述测距光沿朝向所述待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜、以及用于使所述测距光以高于所述俯仰旋转镜的速度偏转的高速偏转镜；

用于检测来自所述测距光投射单元的所述测距光的投射方向的投射方向检测单元；

用于基于来自所述待测定对象的反射光测定距离的测距单元；

用于在旋转照射中投射两个或两个以上扇形光束的扇形光束投射单元，其中所述扇形光束的至少其中之一是倾斜的；

第一通信单元；以及

用于控制对所述俯仰旋转镜和所述高速偏转镜的驱动的运算控制单元，

并且其中所述待测定对象具有：

用于反射所述测距光的反射器；

用于接收所述扇形光束的扇形光束接收单元；以及

用于将来自所述扇形光束接收单元的信号传送给所述第一通信单元的第二通信单元，

其中，所述俯仰旋转镜在俯仰方向偏转测距光，所述高速偏转镜给予所述测距光沿俯仰方向的振幅。

12.如权利要求11所述的测量系统，其中所述高速偏转镜设置在所述俯仰旋转镜的光轴通过部分上，经由所述高速偏转镜投射所述测距光，并经由聚光部件接收由所述待测定对象反射的反射测距光。

13.如权利要求11所述的测量系统，其中所述高速偏转镜设置在所述俯仰旋转镜的一个表面上，并且所述俯仰旋转镜的另一个表面用作反射镜。

14.如权利要求11所述的测量系统，其中所述测距光投射单元包括用于在旋转照射中投射所述测距光的旋转器、图像旋转器、以及用于旋转所述图像旋转器的图像旋转器旋转单元，其中所述用于在旋转照射中投射所述测距光的旋转器通过所述图像旋转器旋转单元进行调节，以便使由所述高速偏转镜反射的所述测距光的偏转方向指向朝向所述待测定对象的方向。

15.如权利要求11所述的测量系统，其中所述测距光投射单元具有用于使所述测距光沿朝向所述待测定对象的方向偏转的俯仰旋转镜，其中所述高速偏转镜中的两个高速偏转镜设置在彼此相对的位置，并且其中所述高速偏转镜包括具有不同移动方向的反射表面，并且经由所述两个高速偏转镜投射的所述测距光的偏转方向被调节，以便使它指向所述待测定对象。

16.如权利要求14或15所述的测量系统，其中以通过偏转范围扩展部件扩展的俯仰方向上的偏转范围投射所述测距光，并且其中经由聚光部件接收由所述待测定对象反射的反射测距光。

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