CN105388483A

CN105388483A - 激光测量装置

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Publication number: CN105388483A
Application number: CN201510529475.4A
Authority: CN
Inventors: 江野泰造
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: EP2990821A1; RU2015135177A; JP6654009B2; US9612319B2; US20160061939A1; KR20160024787A; JP2016048237A; CN105388483B

Abstract

本发明涉及激光测量装置。具备：发光部，照射脉冲测距光；受光部，对反射脉冲测距光进行光接收；以及控制运算部，控制所述发光部，并且，基于来自所述受光部的受光信号对到测定对象物的距离进行运算，所述发光部具有：发光源，对激励激光进行发光；光点直径变更单元，对所述激励激光的光点直径进行变更；以及光谐振部，照射经由该光点直径变更单元入射的所述激励激光来作为所述脉冲测距光。

Description

激光测量装置

技术领域

本发明涉及将激光光线照射到测定对象物并且对来自测定对象物的反射光进行光接收来进行测距的激光测量装置。

背景技术

以往，存在将激光光线以脉冲状照射到测定对象物并且利用受光元件对来自测定对象物的反射光进行光接收而按照每个脉冲来进行测距的激光测量装置。

通常，在利用脉冲测距光进行测距的情况下，利用在对由测定对象物反射的反射脉冲测距光进行光接收之后照射下一个脉冲测距光来进行测距的TOF（TimeOfFlight，飞行时间）方式来进行测距。

在利用TOF方式进行处于桥、水坝等远处的测定对象物的测距的情况下，优选照射峰值输出高的脉冲测距光来进行测距，以使具有能测定的强度的反射脉冲测距光能够被光接收。相反地，在进行处于室内等近处的测定对象物的测距的情况下，优选照射重复频率高的脉冲测距光来进行测距，以使能够高密度地进行测定。在该情况下，不需要峰值输出高的脉冲测距光。

如上述了的那样，在利用TOF方式的测距中，所要求的脉冲测距光的峰值输出根据到测定对象物的距离而不同。然而，在以往的激光测量装置中，对测定对象物照射的脉冲测距光的峰值输出、重复频率是固定的，在进行近处的测定对象物的测距的情况和进行远处的测定对象物的测距的情况下，需要使用不同的激光测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对照射到测定对象物的脉冲测距光的峰值输出进行变更的激光测量装置。

为了达成上述目的，本发明的激光测量装置具备：发光部，照射脉冲测距光；受光部，对反射脉冲测距光进行光接收；以及控制运算部，控制所述发光部，并且，基于来自所述受光部的受光信号对到测定对象物的距离进行运算，所述发光部具有：发光源，对激励激光进行发光；光点直径变更单元，对所述激励激光的光点直径进行变更；以及光谐振部，照射经由该光点直径变更单元入射的所述激励激光来作为所述脉冲测距光。

此外，在本发明的激光测量装置中，所述光点直径变更单元具有液体透镜，所述光点直径变更单元根据对该液体透镜施加的电压的变化来对所述液体透镜的焦距进行变更，对入射到所述光谐振部中的所述激励激光的激励光点直径进行变更。

此外，在本发明的激光测量装置中，所述液体透镜具有在周向上分割的多个电极，所述光点直径变更单元按照各电极的每一个施加电压，变更所述激励激光的聚光方向。

进而此外，在本发明的激光测量装置中，所述控制运算部在所述激励激光的光点直径较小时使发光频率增大，在所述激励激光的光点直径较大时使发光频率减少。

根据本发明，具备：发光部，照射脉冲测距光；受光部，对反射脉冲测距光进行光接收；以及控制运算部，控制所述发光部，并且，基于来自所述受光部的受光信号对到测定对象物的距离进行运算，所述发光部具有：发光源，对激励激光进行发光；光点直径变更单元，对所述激励激光的光点直径进行变更；以及光谐振部，照射经由该光点直径变更单元入射的所述激励激光来作为所述脉冲测距光，因此，能够对从所述发光部发光的所述脉冲测距光的峰值输出进行变更，能够一起进行要求低峰值高重复的所述脉冲测距光的近距离下的测距、要求高峰值低重复的所述脉冲测距光的远距离下的测距。

此外，根据本发明，所述光点直径变更单元具有液体透镜，所述光点直径变更单元根据对该液体透镜施加的电压的变化来对所述液体透镜的焦距进行变更，对入射到所述光谐振部中的所述激励激光的激励光点直径进行变更，因此，能够在不需要用于驱动透镜的电动机等的情况下谋求装置的小型化，并且，谋求功耗的减少。

此外，根据本发明，所述液体透镜具有在周向上分割的多个电极，所述光点直径变更单元按照各电极的每一个施加电压，变更所述激励激光的聚光方向，因此，能够对入射到所述光谐振部中的所述激励激光的入射位置进行调整，能够实现最适合的激励状态。

进而此外，根据本发明，所述控制运算部在所述激励激光的光点直径较小时使发光频率增大，在所述激励激光的光点直径较大时使发光频率减少，因此，能够根据到测定对象物的距离来进行最适合的测距。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的激光测量装置的概略结构图。

图2是示出该激光测量装置的发光部的概略侧面图。

图3（A）是示出对用于发光部的液体透镜施加的电压低的情况的概略侧面图，图3（B）是示出对该液体透镜施加的电压高的情况的概略侧面图。

图4（A）是示出利用本发明的实施例的激光测量装置对处于近距离的测定对象物进行测距的情况的说明图，图4（B）是示出利用上述激光测量装置对处于远距离的测定对象物进行测距的情况的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图并说明本发明的实施例。

首先，在图1中，说明实施本发明的激光测量装置的一个例子。再有，本实施例的激光测量装置是照射激光光线的光脉冲并且按照每个光脉冲进行测距的激光测量装置。

在图1中，1表示激光测量装置，2表示测定对象物（目标）、例如棱镜。

上述激光测量装置1具有控制运算部3、存储部4、发光电路5、作为光源的发光部6、受光电路7、作为受光部的受光元件8以及显示部9。

上述存储部4具有数据储存区域和程序储存区域。在上述数据储存区域储存有测距数据、将后述的液体透镜的电压与该液体透镜的曲率相关联的数据等数据。在上述程序储存区域储存有用于执行上述激光测量装置1的测距的顺序程序、基于来自上述受光电路7的受光结果来运算距离的距离运算程序、用于对所照射的光脉冲的峰值输出进行变更的峰值输出变更程序等程序。

上述发光部6是对激光光线进行脉冲发光的光源，被上述发光电路5驱动。所发光的光脉冲作为脉冲测距光经由测距光路（以下称为外部光路）10照射到上述测定对象物2，由该测定对象物2反射的反射光经由上述外部光路10被上述受光元件8光接收。此外，上述激光测量装置1具有内部参照光路（以下称为内部光路）11，该内部光路11将由上述发光部6发光的脉冲测距光的一部分作为内部参照光引导到上述受光元件8。

上述外部光路10被半反射镜（halfmirror）12分路，通过上述半反射镜12分割上述脉冲测距光的一部分来作为内部参照光，上述脉冲测距光的一部分被引导到上述内部光路11。

在上述外部光路10的返回路径、上述内部光路11分别设置有外部光量调整单元13、内部光量调整单元14，上述外部光量调整单元13、上述内部光量调整单元14能够独立地进行工作。通过上述外部光量调整单元13、上述内部光量调整单元14以使经由上述外部光路10入射的反射脉冲测距光的光量与经由上述内部光路11入射的内部参照光的光量为大致相同的方式进行光量调整。

上述外部光量调整单元13、上述内部光量调整单元14例如为光圈，是在同一圆周上贯穿设置有开口直径逐渐变小或者开口直径逐渐变大的光圈孔的圆板。利用电动机等驱动器（actuator）使该圆板旋转，由此，能够使入射到上述受光元件8中的光量逐渐增大或者逐渐减少。此外，上述外部光量调整单元13、上述内部光量调整单元14为密度滤波器（densityfilter），也可以在同一圆周上沿着圆周方向使光透射率逐渐减少或者逐渐增加。

上述控制运算部3经由上述发光电路5对上述发光部6的发光状态例如发光强度、脉冲发光频率进行控制，此外，对利用上述外部光量调整单元13的光量调整和利用上述内部光量调整单元14的光量调整进行控制。此外，上述控制运算部3对后述的光点直径变更单元进行控制，对激励激光的光点直径的大小进行控制。

在使用上述激光测量装置1进行测距的情况下，驱动上述发光电路5来射出脉冲测距光，经由上述外部光路10照射到上述测定对象物2，使用上述受光元件8对来自上述测定对象物2的反射光进行光接收。使用上述受光电路7对来自该受光元件8的受光信号进行信号处理等并存储到上述存储部4中。

此外，使用上述受光元件8经由上述内部光路11对内部参照光进行规定时间的光接收，使用上述受光电路7对受光信号进行所需的信号处理并存储到上述存储部4中。上述控制运算部3运算使用上述受光元件8对反射脉冲测距光进行光接收的时间与使用上述受光元件8对内部参照光进行光接收的时间的时间差，上述控制运算部3根据时间差和光速对到上述测定对象物2的距离进行运算。

再有，在测距中，在不要求高精度的情况下，也可以切断上述内部光路11或者省略内部参照光，仅通过反射脉冲测距光进行测距。

此外，在距离运算中，上述内部光路11的内部光路长度是已知的，因此，在运算的过程中，能够通过减去该内部光路长度来进行正确的测距，并且，上述发光电路5、上述受光电路7所具有的电路上的误差被抵消。

接着，在图2中，对上述发光部6的细节进行说明。

该发光部6具有框体15，在该框体15内设置有发光源17、第一聚光透镜18、作为第二聚光透镜的液体透镜19以及光谐振部21。在图2中，16表示作为上述框体15的一部分的激光输出镜。此外，上述第一聚光透镜18和上述液体透镜19构成上述光点直径变更单元20。

上述发光源17例如为激光二极管，对波长808nm的激励激光22进行发光。上述第一聚光透镜18和上述液体透镜19使上述激励激光22聚光，将该激励激光22以规定的激励光点直径入射到上述光谐振部21中。

此外，上述光谐振部21由Nd：YAG晶体等激光晶体23、Cr：YAG晶体等可饱和吸收体24、设置在入射面的第一谐振部反射镜25、以及设置在照射面的第二谐振部反射镜26构成。通过上述液体透镜19入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22被上述激光晶体23吸收而对波长1064nm的近红外光进行发光。近红外光通过上述可饱和吸收体24和上述光谐振部21在Q开关脉冲工作中进行振荡，经由上述激光输出镜16射出具有规定的峰值输出的波长1064nm的脉冲测距光28。

在此，能够使用以下的式子来表示该脉冲测距光28的峰值输出P。

在上述式子中，h表示普朗克常数，表示振动数，A表示入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22的激励光点直径，l’表示上述光谐振部21的长度，tr表示谐振器的往返时间（round-triptime），R表示上述第一谐振部反射镜25与上述第二谐振部反射镜26的反射率的积，φmax’表示在上述光谐振部21中储存的光子的数量。因此，上述脉冲测距光28的峰值输出与所入射的上述激励激光22的激励光点直径成比例。

接着，在图3（A）、图3（B）中，对上述液体透镜19进行说明。

该液体透镜19为在内部密封有液体透镜要素的构造，在中心部形成有上述激励激光22透射的窗部29。该窗部29的前后两面通过由透明的树脂等构成的密封板31、31将内部液体密封地（liquid-tight）密封。在上述窗部29内封入导电性的水溶液32和非导电性的油33来作为液体透镜要素，通过上述水溶液32和上述油33的边界面形成透镜部34。

此外，上述液体透镜19具有界定上述窗部29的环状的透镜框体35。在该透镜框体35的上述激励激光22入射侧形成有直径逐渐扩大的斜面36。上述透镜框体35为第一电极。此外，在该透镜框体35与照射面侧的上述密封板31之间沿着外缘设置有环状的绝缘体37和第二电极38，上述透镜框体35与上述第二电极38电绝缘。

上述第二电极38经由电压调整器39与焦点调整用电源41的-极连接，上述透镜框体35与上述焦点调整用电源41的+极连接。当对上述透镜框体35施加电压时，想要与上述斜面36接触的力对上述水溶液32起作用。其结果是，上述油33的中央部被向照射面侧推出，上述透镜部34的曲率发生变化。进而，根据来自上述控制运算部3的控制信号利用上述电压调整器39调整所施加的电压，通过对电压进行调整，从而能够使上述透镜部34的曲率发生变化。

图3（A）示出对上述透镜框体35施加45V的电压后的状态，图3（B）示出对上述透镜框体35施加60V的电压后的状态。如图3（A）、图3（B）所示那样，通过使对上述透镜框体35施加的电压发生变化，从而能够使上述透镜部34的曲率发生变化而能够变更上述液体透镜19的焦距。

将上述透镜部34的曲率与对上述透镜框体35施加的电压相关联的数据被预先储存在上述存储部4（参照图1）中。能够通过由上述电压调整器39进行的施加电压的调整将上述透镜部34控制为期望的曲率而以使上述液体透镜19为期望的焦距的方式进行控制。

因此，能够使上述液体透镜19的焦距发生变化，使入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22的光点直径发生变化，能够控制为由上述发光部6照射的上述脉冲测距光28为期望的峰值输出。

接着，在图4（A）、图4（B）中，对利用上述激光测量装置1进行上述测定对象物2的测定的情况进行说明。图4（A）示出与该测定对象物2的距离近的情况，图4（B）示出与该测定对象物2的距离远的情况。

在图4（A）、图4（B）中，P表示上述脉冲测距光28的峰值输出，L表示到上述测定对象物2的距离。能够使用以下的式子表示脉冲频率f（Hz）、返回时间t（s）。

此外，由上述测定对象物2反射的反射脉冲测距光42的峰值输出与1/L²成比例。

因此，如图4（A）所示，在到上述测定对象物2的距离L1的值小的情况下，返回时间t变短，脉冲频率f变大。即，能够提高重复频率（脉冲频率）。此外，在距离L1的值小的情况下，上述反射脉冲测距光42的衰减变少，因此，从上述激光测量装置1照射的上述脉冲测距光28的峰值输出P1也可以较小。

此外，如图4（B）所示，在到上述测定对象物2的距离L2的值大的情况下，返回时间t变长，脉冲频率f变小。此外，在距离L2的值大的情况下，上述反射脉冲测距光42的衰减变多，因此，需要使从上述激光测量装置1照射的上述脉冲测距光28的峰值输出P2变大，但是，重复频率也可以较小。

因此，在进行处于室内等的近的位置的上述测定对象物2的测距的情况下，上述光点直径变更单元20使对上述透镜框体35施加的电压变大来使上述液体透镜19的焦距变短（使焦点位置与上述光谐振部21一致），由此，入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22的激励光点直径变小，能够照射低峰值高重复的上述脉冲测距光28。通过照射低峰值高重复的上述脉冲测距光28，从而能够短时间且高密度地进行针对上述测定对象物2的测距。

此外，在进行处于桥、水坝等的远的位置的上述测定对象物2的测距的情况下，上述光点直径变更单元20使对上述透镜框体35施加的电压变小来使上述液体透镜19的焦距变长，由此，入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22为未聚焦状态，激励光点直径变大，能够照射高峰值低重复的上述脉冲测距光28。通过照射高峰值低重复的上述脉冲测距光28，从而能够使被上述测定对象物2反射的上述反射脉冲测距光42具有充分的峰值输出，能够可靠地进行针对上述测定对象物2的测距。

如上述的那样，在本实施例中，在上述发光部6内设置有上述光点直径变更单元20，入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22能够通过该光点直径变更单元20来变更激励光点直径，因此，能够对从上述发光部6照射的上述脉冲测距光28的峰值输出进行变更。

因此，能够使用1个上述激光测量装置1来进行要求低峰值高重复的上述脉冲测距光28的近距离下的测距、要求高峰值低重复的上述脉冲测距光28的远距离下的测距。

此外，在本实施例中，作为上述光点直径变更单元20而使用上述第一聚光透镜18和上述液体透镜19，能够根据对该液体透镜19施加的电压量变更焦距来变更激励光点直径，因此，能够在不需要用于变更透镜的位置的电动机等的情况下谋求装置的小型化、简化，并且，谋求功耗的减少。

再有，在本实施例中，作为上述光点直径变更单元20而使用了上述第一聚光透镜18和上述液体透镜19，但是，只要能够变更上述激励激光22的焦距来变更激励光点直径，则也可以使用其它结构。

例如，设置能够在上述激励激光22的光轴上移动的2个透镜，通过未图示的变焦距（zoom）机构使2个透镜接近背离，由此，也可以变更上述激励激光22的焦距来变更激励光点直径。此外，设置具有焦距不同的多个透镜的透镜支架，使该透镜支架旋转来对位于上述激励激光22的光轴上的透镜进行切换，由此，也可以变更上述激励激光22的焦距来变更激励光点直径。

进而，在本实施例中，将上述液体透镜19的上述透镜框体35、上述第二电极38做成环状，但是，也可以将上述透镜框体35、上述第二电极38例如在周向上分割成8份，上述光点直径变更单元20能够按照所分割的各电极的每一个施加电压。

使该光点直径变更单元20按照各电极的每一个施加的电压不同，由此，上述透镜部34的形状发生变化。能够使透射上述液体透镜19的上述激励激光22的照射方向发生变化，因此，能够对入射到上述光谐振部21中的上述激励激光22的入射位置进行调整，能够实现最适合的激励状态。

Claims

1.一种激光测量装置，其中，具备：发光部，照射脉冲测距光；受光部，对反射脉冲测距光进行光接收；以及控制运算部，控制所述发光部，并且，基于来自所述受光部的受光信号对到测定对象物的距离进行运算，所述发光部具有：发光源，对激励激光进行发光；光点直径变更单元，对所述激励激光的光点直径进行变更；以及光谐振部，照射经由该光点直径变更单元入射的所述激励激光来作为所述脉冲测距光。

2.根据权利要求1所述的激光测量装置，其中，所述光点直径变更单元具有液体透镜，所述光点直径变更单元根据对该液体透镜施加的电压的变化来对所述液体透镜的焦距进行变更，对入射到所述光谐振部中的所述激励激光的激励光点直径进行变更。

3.根据权利要求2所述的激光测量装置，其中，所述液体透镜具有在周向上分割的多个电极，所述光点直径变更单元按照各电极的每一个施加电压，变更所述激励激光的聚光方向。

4.根据权利要求1~权利要求3中的任一项所述的激光测量装置，其中，所述控制运算部在所述激励激光的光点直径较小时使发光频率增大，在所述激励激光的光点直径较大时使发光频率减少。