CN1120348C - 测量装置 - Google Patents

Abstract

测量装置包括发生激光的光源部、使从光源部发生的激光沿水平方向旋转的旋转部、驱动上述光源部的光源驱动部、具有接收反射的激光的受光部的测量机本体和使从该测量机本体照射的激光向测量机本体反射的反射对象物体。

Description

测量装置

技术领域

本发明涉及通过照射扫描激光、检测反射对象物体进行标记、位置设定、水平设定同时测量到反射对象物体的距离的测量装置。

背景技术

近年来，在土木、建筑领域，为了设定高度的基准，或者为了测量到目的点的距离，已使用了照射扫描激光的测量装置。

目前已知的测量装置是以铅直线为中心使激光旋转，利用激光形成水平基准面，或者使激光在壁面上扫描形成所需高度的水平基准线，进而使照射光束向反射对象物体照射，根据由反射对象物体反射回业的反射光束检测反射对象物体，同时测量到反射对象物体的距离。

下面，对在该测量装置中进行标记、位置设定、水平设定的情况进行说明。从该测量装置的光源部照射的激光有可见光和不可见光。

在使用可见光的旋转激光水平仪中，利用从具有反射部的对象体(反射对象物体)的反射来目视确认激光照射光束(以后，简称为照射光束)的照射位置。为了提高目视确认度，旋转激光水平仪具有灵敏度高的受光器件，并以已受光的位置为中心往返扫描，以便能够接收并检测从设在激光的照射位置上的反射对象物体来的反射激光。

另外，在使用不可见光的旋转激光水平仪中，在对象体中设置灵敏度高的光电变换元件，用电信号来表示向对象体照射的激光的照射状态。

上述前者的反射对象物体虽然有可以目视确认激光的照射位置、操作方便的优点，但是，为了确保操作者的安全，激光的输出强度受到限制，因而难于进行远距离的目视确认。如前所述，虽然通过检测从反射对象物体反射回来的反射光并以该反射对象物体为中心往复扫描，可以增大表观亮度，但是，在日光直接照射的地方，仍然难于目视确认。

另外，对于后者的对象体，随着远处对象体的距离加大光横扫过光电变换元件的速度增大，这就要求对象体的光电变换元件及电路的响应速度快，从而壮大电力消耗和提高成本。

作为根据反射对象物体的反射激光测量到反射对象物体的距离的光有的测量装置，例如特开昭63-259411号公报公开的测量装置具有发射器和接收器，使激光束旋转形成激光基准面，检测相互相隔一定间隔而设置的2个反射对象物体，同时，利用通过接收从这2个反射对象物体反射回来的激光束而形成的2个脉冲的脉冲间隔，测量从测量装置到反射对象物体的距离。另外，从该公报还知道，通过调制激光束并测量调制信号与解调反射激光能量所得到的信号的位相差来测量距离。还有，例如在特开平4-313013号公报中公开了将位相差方式的光被测距仪组装到使激光束旋转形成激光基准面的测量装置中的结构。进而，还知道在测量装置中，如特开昭57-119274号公报所示那样，是交替地发送测距用的调制照射光束和数据发送用的光束的。

但是，每次进行处理时将测距用的调制照射光和数据发送用的光束分时向反射对象物体照射，将降低作业效率和测量效率。

发明内容

本发明的第1个目的旨在野外的测量或周围相对于激光的明亮的环境条件下，也容易知道照射到反射对象物体上的激光的位置，从而实现反射对象物体的低成本和低电力消耗，反射对象物体具有检测照射光束的光电变换器、只允许从电光变换器输出的调制频率分量通过的调谐电路和根据调谐电路的输出显示激光检出位置的显示器，本发明的第2个目的在于测量装置具有将不论对于测距用还是数据发送用都能使用的照射光束不必分时地向反射对象物体照射的结构。

根据本发明的一种测量系统，其特征在于：包括一个测量机本体，用于射激光束；一个反射对象物体，用于向所述测量机本体反射激光束；所述测量机本体具有：光源部，用于发射所述激光束；一个旋转部，用于照射所述所述光源部所发射的激光束；一个光接收部，用于接收来自所述反射对象物体的反射激光束；一个距离测量部，用于根据所述接收部的输出以测量所述测量机本体和所述反射对象物体之间的距离；一个位置控制部，用于根据所述光接收部的输出以控制激光束的发射位置；一个光源驱动部，用于驱动所述光源部，且所述光源驱动部同时在预定的频率调制所述激光束，以便根据须传送到所述反射对象物体的通信数据以测量所述距离和在各预定周期数对所述经调制的激光束进行相移；所述反射对象物体包括一个光接收装置，用于接收来自所述光源部的各个具有不同位相的激光束，并检测基于不同位相的数据。

附图说明

图1是与本发明第1个目的对应的一个实施例的正面图。

图2是上述实施例的侧面图。

图3是上述实施例的斜视图。

图4是另一实施例的正面图。

图5(A)是上述实施例中液晶显示部的驱动电路的框图，图5(B)是图5(A)中a的信号波形图，图5(C)是图5(A)中b的信号波形图，图5(D)是图5(A)中c的信号波形图。

图6是旋转激光水平仪的基本结构图。

图7是对旋转激光水平仪而设置的反射对象物体的说明图。

图8是表示旋转激光水平仪与反射对象物体、不需要的反射体之间的关系的说明图。

图9是激光调制驱动的一个例子的电路图。

图10是与本发明第2个目的对应的实施例的测量装置的光学系统图。

图11是本实施例的反射对象物体的一个例子的斜视图。

图12是本实施例的反射对象物体的另一个例子的斜视图。

图13是本实施例的反射对象物体的又一个例子的斜视图。

图14是接收从本实施例的反射部反射的偏振反射光束的接收光输出的图形。

图15是说明该实施例的装置动作的流程图。

图16是该实施例的众所周知的数据接收电路的框图。

图17是该实施例的新的数据接收电路的框图。

图18是表示发送数据的结构和PSK调制状态的曲线图。

图19是该实施例的PSK调制和A/D变换的时序图。

图20是表示该实施例的测距、通信数据的详细情况的流程图。

图21是另一实施例的动作流程图。

图22是另一实施例的测角的一个例子的流程图。

图23是另一实施例的PSK调制和A/D变换的时序图。

图24是又一个实施例的测量装置的光学系统图。

下面，先根据图6说明测量装置的简要情况。在图6中，1a是激光调制驱动电路，该激光调制驱动电路1a调制向激光发光部1的激光二极管1b供给的工作电流，使从该激光发光部1发出被调制的线偏振的激光。激光调制驱动电路1a的结构如图9所示的那样，通过放大器31将调制信号30输入开关元件32，控制向激光二极管1b的通电电流。从激光发光部1发出的激光通过半透明反射镜2或开孔镜、λ/4双折射部件3，成为圆偏振激光4，该圆偏振激光4通过旋转的五角棱镜5射出后进行旋转扫描。

下面，参照图7说明作为圆偏振激光4照射的对象体之一的反射对象物体6。

反射对象体6由反射板7和λ/4双折射部件8构成，上述圆偏振激光4通过λ/4双折射部件8后成为线偏振光，在上述反射板7上发生反射，其反射光4′再次通过上述λ/4双折射部件8后，成为旋转方向与上述圆偏振激光4相反的圆偏振光。上述反射光4′入射到上述旋转激光水平仪11上，经五角棱镜5后通过上述λ/4双折射部件3。通过λ/4双折射部件3后，反射光4′成为线偏振光，由上述半透明反射镜2向反射光检测器9反射。在该反射光检测器9中设有线偏振板10，该线偏振板10的偏振面与上述反射光4′成为线偏振光的偏振面一致。并且，反射光检测器9检测从上述反射板7反射的反射光，旋转激光水平仪11以检测的位置为中心往复扫描。

与此相反，如图8所示的那样从旋转激光水平仪11发出的圆偏振激光4照射到反射对象体6以外的不需要的反射体12上时，从该不需要的反射体12反射的反射光的偏振状态成为旋转方向与圆偏振激光4相同的圆偏振光。所以，从不需要的反射体12反射的反射光由旋转激光水平仪内部的上述λ/4双折射部件3变为线偏振光时，偏振方向与上述反射光4′的线偏振光相差90°，通不过偏振板10。因此，上述反射光检测器9检测不到从不需要的反射体12反射的反射光。从而，该反射光检测器9只接收从上述反射对象物体6反射的反射光。

上面，介绍了旋转激光水平仪11本身确认反射对象物体6的反射光的情况，但是，当由操作者目视确认向反射对象物体6的激光的照射时，是观察在反射对象物体6上发生的反射、扩散。

下面，参照图1～图3具体地说明反射对象物体20。

用塑料、玻璃等在纵长的矩形光透过板13的反射面(正面)一侧的一个侧边部从所需的宽度形成反射部15。反射部15是将λ/4双折射部件8重叠在反射层14的表面上而构成。另外，在上述光透过板13的左右两侧边缘，在上下平分线的位置设置缺口16。

在上述光透过板13的反面粘贴光电变换板17。在该光电变换板17中使用一种太阳能电池等光电池，另外，上述光电变换板17以连结上述左右的缺口16的直线分割为上光电变换板17a和下光电变换板17b，以便形成分别独立地输出接收光状态。

在上述光透过板13的正面所需要的位置上，设置显示器18。该显示器18具有图5所示的驱动电路21，同时，具有由该驱动电路21驱动的向下箭头19a、一致线19b和向上箭头19c构成的液晶显示部19。

上述驱动电路21根据上述上光电变换板17a、下光电变换板17b的接收光状态驱动上述液晶显示部19的向下箭头19a、一致线19b、向上箭头19c中的某一个进行显示，该驱动电路21具有调谐电路22a、22b、信号处理电路23a、23b和控制电路24。

下面，说明其作用。

关于由激光反射部15反射的激光，由于和图7所示的相同，所以，省略其说明。

当激光投射到光电变换板17上时，根据投射的位置，向上述驱动电路21发送与投射光量成正比的接收光信号。即，激光投射到上光电变换部17a上时，从上光电变换部17a输出的接收光信号输入上述调谐电路22a，另一方面，由于上述下光电变换部17b未接收到激光，所以，不会将接收光信号输入上述调谐电路22b。

上述调谐电路22a如图5所示的那样，在从上光电变换部17a输出的电流信号a内，阻断由太阳光等引起的直流成分及各种噪音，只将激光引起的信号作为电压信号b输出。从上述调谐电路22a输出的信号经上述信号处理器23a放大并检波后得到变换为直流的c信号。

并且，通过使用调谐电路作为光电变换元件的负载，与电阻负载相比，由于太阳光等外界散射光的影响减少了，所以，可以得到S/N(信噪比)大、振幅大的信号。因此，可以使用增益带宽积小的放大电路构成，从而可以实现减小电力消耗和降低成本。

同样，可以用上述调谐电路22b和信号处理电路23b将上述下光电变换部17b输出的信号变换为除去了噪音的直流信号。从上述信号处理电路23a和信号处理电路23b输出的信号输入上述控制电路24，将两种信号进行比较。由于上述上光电变换部17a接收了激光，所以，从上述信号处理器23a输出的信号大，上述控制电路24驱动上述向上箭头19c，向操作者显示应使激光的接收光位置向上方移动。另外，也可以在上述驱动电路21中设置延迟电路等，以便在指定时间内保持上述液晶显示部19显示的从调谐电路22a来的输入信号。并且，操作者除了确认激光的反射外，还可以根据液晶显示部19确认激光的照射状态，所以，即使在外界光很强、激光难于确认的状态下，也可以毫无影响地进行作业。

其次，当激光投射到上述下光电变换部17b上时，同样，使上述向下箭头19a显示，通知操作者应使激光的接收光位置向下方移动。

另外，当激光恰好投射到上光电变换部17a与下光电变换部17b的分界线上时，从上述信号处理电路23a和信号处理电路23b输出的信号值相同，两信号的差为零。这时，上述控制电路24驱动上述一致线19b使之进行显示，通知操作者反射对象物体20的激光接收位置正合适。从而，操作者便可利用上述缺口16在壁面等上做上标记。

图4是另一个实施例，设置蜂鸣器25取代上述液晶显示部19，当对准反射对象物体20的位置时，使蜂鸣器25发出蜂鸣声，或者根据上述光电变换板17的接收光状态，改变蜂鸣器25的鸣叫方式。另外，作为显示手段，也可以同时并用液晶显示部19和蜂鸣器25，或者也可以使用液晶以外的显示。对于反射部15和光电变换板17的设置位置和形状，可以进行适当的变更。

另外，通常激光的光点直径很小，为此，当激光投射到上光电变换部17a和下光电变换部17b的分界线附近时，有可能由于手的晃动或其他振动而频繁地切换显示向下箭头19a、一致线19b和向上箭头19c，从而有可能难于调准位置。这时，也可以使上述光透过板13的材料为光扩散透过材料，或者使光透过板13的反面成为扩散面等，以使在光电变换板17的受光面上的激光的光点直径增大。

或者，当有从光透过板13通过的太阳光等外界光的入射时，由于光电变换板17接收到这些光，会成为产生误动作的原因，所以，也可以设置只允许与从上述旋转激光水平仪11输出的激光一致的激光通过的偏振板。

另外，上述实施例对具有反射部的对象体进行了说明，但是，对于没有反射部的对象体也可以实施。

按照以上所述的本发明，即使在外界光很强的环境下，另外，即使是远距离，也可以可靠地确认投射到对象体上的激光，另外，对于激光的扫描位置的确认也容易，同时，成本低，电池寿命也可延长。

下面，参照图10说明测量到反射对象物体的距离时同时利用激光作为数据通信手段的情况。

下面说明的实施例，是将照射到图10所示的反射对象物体(以下，简称为反射部)102上的激光束同时作为测距光和数据通信用光利用的，使旋转部101向着反射部102方向。

该测量装置(旋转激光装置)如图10所示的那样具有固定部100和旋转部101，固定部100和旋转部101构成本体部。反射部102设置在远离本体部的位置。旋转部101支持在固定部100上，可以转动。固定部100由发光部103、位置控制用检测部104、测距用检测部105、编码器129和其他控制电路构成。发光部103通过将准直透镜107、倾斜角修正部108、半透明反射镜112、开孔镜109和λ/4双折射部件110顺序设置在激光二极管(光源)106的光轴上而构成。激光二极管106的光束作为旋转激光利用于形成基准水平面，但是，也可以投射到反射部102上，作为测量从本体部到反射部102的水平直线距离的测距光使用。

倾斜角修正部108具有在激光二极管106的光轴偏离垂直方向时，将从光源106射出的光束修正到沿垂直方向射出的作用，例如，可以使用利用自由液面的反射的液体式补偿棱镜等。半透明反射镜112在测距时起去除本体内部的不稳定因素、形成所需要的内部光路113的作用。装置内部使用的多数电子元件由于温度变化等影响延迟时间会发生变化，同时会成为引起测量误差的原因，所以，通过利用测距光路(后面介绍)114和内部光路113进行测量得到它们的测量值之差从而消除两个光路114、113中共同的本体内部的不稳定因素。开孔镜109具有使从激光二极管106射出的光束通过的孔109a。开孔镜109将由反射部102反射回来的光束向位置控制用检测部104、测距用检测部105反射。λ/4双折射部件110将入射到其上的线偏振的激光束变换为圆偏振光后射出去。

位置控制用检测器104由设在开孔镜109的反射光轴上的半透明反射镜121、设在该半透明反射镜121的反射光轴上的偏振光束分离器122、顺序设置的聚光透镜123及第1光电检测器124和顺序设在偏振光束分离器122的反射光轴上的聚光透镜125及第2个光电检测器126构成。半透明反射镜121将由反射部102反射回来的光束分离为位置控制用光和测距用光。从反射部102反射回来的光如后面所述的那样，其偏振方向随反射部102上的照射位置不同而变化，所以，利用偏振光束分离器122将偏振光分离并区别开来。第1光电检测器124、第2光电检测器126分别接收和检测由偏振光束分离器122分离出来的2个偏振光分量的光束。

测距用检测部105具有顺序设在开孔镜109的反射光轴上的半透明反射镜118、聚光透镜119和测距用光电检测器120，同时，还具有设在半透明反射镜112的反射光轴上的反射镜117。内部光路113是从半透明反射镜112顺序经过反射镜117、半透明反射镜118到测距用光电检测器120的光路。测距光路114是从反射部102顺序经过五角棱镜111、λ/4双折射部件110、开孔镜109和半透明反射镜121到测距用光电检测器120的光路。在内部光路113、测距光路114的途中设置光路切换器115和光量调整器116。

半透明反射镜118使通过测距光路114的反射回来的光束透过，引导给测距用光电检测器120，并且，将由反射镜117反射的内部光路113的光束反射，引导给测距用光电检测器120。在测距光路114中未设置偏振滤光器等偏振光学部件，是为了充分接收从反射对象物体反射的光，得到更高电平的测距用的信号。光路切换器115用于切换测距光路114与内部光路113。光量调整器116用于调整分别通过内部光路113和测距光路114的光束的光量。编码器129用于检测激光束的照射方向相对于基准方向的角度(旋转角度)。此外，固定部100还具有各种控制电路。

位置控制部127根据从位置控制用检测部104输出的接收光信号检测反射部102的位置，并将位置检测信号向测角部130输出，同时，将控制旋转部101的转动的旋转控制信号输给驱动部128。驱动部128根据旋转控制信号进行旋转部101的转动、停止等的控制。测角部130根据从位置控制部127输出的位置检测信号和从编码器129输出的脉冲信号测量反射部102的水平角度。LD调制部132具有用于测距时的基准的振荡器，为了进行测距及数据通信而对激光二极管106进行调制。测距部131根据从测距用检测部105输出的接收光信号和以LD调制部132的基准振荡器的输出为基础而产生的信号进行距离测量。系统控制部133控制装置总体的动作时序，根据测量结果进行各种数据的处理。

旋转部101具有包括五角棱镜111在内的旋转部，由驱动部128进行驱动。五角棱镜111起到将从倾斜角修正部108沿垂直方向延伸的光轴进行光路变换使其变成水平方向的作用，该五角棱镜111以该垂直的光轴为中心旋转，旋转角位置由编码器129进行检测。

反射部102如图11、图12和图13所示的那样，具有基板140、反射板141、双折射部件142、数据受光部143和数据显示部144。在基板140的内部，装有接收从本体部发送来的数据的电子电路。反射板141由循环反射部件构成，通过设置多个微小的直角棱镜或球反射体等而形成。双折射部件142产生相对于入射光束为λ/4的位相差。数据受光部143和数据显示部144起到利用光通信接收并显示从本体部发送来的测量数据的作用。反射部102的基本结构由基板1 40、发射板141和双折射部件142构成，当不进行数据通信时，也可以不设置数据受光部143和数据显示部144。

当圆偏振的激光束入射到反射部102的存在双折射部件的位置时，被双折射部件142变换为线偏振光，由反射板141反射再次入射到双折射部件142上后变换为反方向的圆偏振光，再入射到本体部的五角棱镜111上。另一方面，当入射到不存在双折射部件的位置上时，由反射板141反射的激光束保持其圆偏振的方向，再入射到本体部的五角棱镜111上。

下面，说明该测量装置(旋转激光装置)的动作。

本实施例所示的反射对象物体的检测方法基本上与特愿平5-231522号公报公开的检测方法相同。从本体部射出的照射光束的偏振方向预先规定为指定的方向。该照射光束通过反射部102的双折射部件142，由反射板141反射后再次通过双折射部件142回到本体部，传入其内部时的偏振反射光束透过在第1光电检测器124的前面设置的偏振光束分离器122。第1光电检测器124根据由双折射部件142使偏振方向变化后的光束输出接收光信号，第2光电检测器126根据保持着从本体部射出的照射光束的偏振方向的反射偏振光束输出接收光信号，所以，当从本体部射出的照射光束横扫过反射部102时，第1光电检测器124的输出与第2光电检测器126的输出的组合就具有某一确定的图形。因此，通过检测这两个检测器的输出图形，便可判断是从反射部102反射的反射光束还是此外的光束。

图14示出以从反射部102反射的偏振反射光束为基础的接收光输出的图形，(a)是反射部102的结构为图11时的接收光输出的图形，(b)是反射部102的结构为图12时的接收光输出的图形，(c)是反射部102的结构为图13时的接收光输出的图形，另外，在图14中，<A>表示第1光电检测器124的接收光输出，<B>表示第2光电检测器126的接收光输出。反射部102为(a)的情况对，由于双折射部件142将整个面覆盖，所以，第1光电检测器124的接收光输出<A>很大，第2光电检测器126的接收光输出<B>很微小。

反射部102为(b)的情况时，由于两侧存在双折射部件142，并且中央是露出反射板141的状态，所以，第1光电检测器124的接收光输出<A>成为具有2个峰值的波形，另一方面，第2光电检测器126的接收光输出<B>成为在时间轴上在接收光输出<A>的2个峰值位置的中央存在峰值的波形。

反射部102为(c)的情况时，由于在一侧设置双折射部件142，而在另一侧只设置反射板141，所以，第1光电检测器124的接收光输出<A>与第2光电检测器126的接收光输出<B>成为在时间轴上峰值位置错开的波形。

当如同使旋转部101保持为面向反射部102的状态等情况时那样需要检测反射部102的中心时，最好利用通过从第1光电检测器124的接收光输出<A>减去第2光电检测器126的接收光输出<B>而得到的波形<A-B>，从而进行中央的检测。

在(a)的情况下，由于接收光输出<B>几乎为零，所以，检测到接收光输出<A>的峰值后，即可据此判定旋转部101已对准反射部102的中央；在(b)的情况下，由于波形<A-B>具有最小值，所以，当旋转部101检测到该最小值时即可判定已对准反射部102的中央；在(c)的情况下，由于波形<A-B>具有正负反转的最大值和最小值，所以，当检测到波形值<A-B>从负转到正变化的点时即可据此判定旋转部101已对准反射部102的中央。

如果是利用这一方法进行反射部102的中央检测，则只要一次检测到了反射部102，此后只要是在包含从本体部射出的照射光束在内的水平面内，不论使反射部102前后左右如何移动，旋转部101都可以追踪反射部102的中央。另外，当需要反射部102具有相对于某一基准的水平角度时，也可以利用这一方法检测反射部102的中央，利用编码器129的脉冲输出存储该检测时刻旋转部101的旋转角度。

图15是用于说明装置动作的流程图。

旋转部101以搜索模式和追踪模式这2种动作模式进行旋转。所谓搜索模式，是搜索寻找反射部102的模式，旋转部102沿一个方向旋转直至找到反射部102。以后，将该动作称为搜索动作。追踪模式是使从旋转部101射出的照射光束的照射方向保持指向由搜索动作检测的反射部102的方向的模式，反射部102在包含从旋转部101射出的照射光束在内的水平面内移动时追踪该反射部102。测距和数据通信在该追踪模式下进行。

首先，本体部为了搜索反射部102，开始进入搜索模式(S1)。当进入搜索模式时，位置控制部127将旋转部101的旋转速度设定为确定的旋转速度(搜索速度)(S2)，然后，判断从位置控制用检测部104得到的位置检测信号是从反射部102反射回来的信号还是从反射部102以外传送来的信号，反复进行上述动作直至检测到反射部102(S3)。当检测到反射部102时，本体部进入追踪模式(S4)。旋转部101的停止，利用前面已介绍过的反射部的检测方法进行。

当进入追踪模式时，系统控制部133的CPU根据位置控制用检测部104得到的位置检测信号判断旋转部101是否向着反射部102的中心(S5)。这里，当已向着反射部102的中心时，就进行测距(根据需要进行测距或测角)和发送测量数据(S6～S8)。在确认反射部102的中心的期间，至少反复进行测距和测量数据的发送动作(S6～S8)。在此过程中，当系统控制部133的CPU判定为未向着反射部102的中心时，就判断从位置控制用检测器104得到的信号是否为由反射部102反射的反射光(S9)。这里，当判定是反射部102时，就驱动电机(图中未示出)以使从位置控制用检测部104得到的信号成为指定的输出，从而使旋转部101向着反射部102的中心(S10)，当判定不是反射部102的反射光时，就进入搜索模式(S2)。

按照上述程序，在反射部102处在包含从本体部射出的照射光束在内的水平面内期间，即使反射部102移动，也可以追踪该反射部102。

当存在多个反射部102时或者以多个测量点进行测量时，为了特别规定在最初的测量点存在反射部102的方向，可以根据编码器129的输出存储表示旋转部101相对于基准的方向的角度数据，并根据该角度数据和在下一个测量点的编码器129的输出，计算最初的测量点与下一个测量点的测量点间的水平角度。这时，将该测量点的测距值和与前一测量点的水平角度作为测量数据向反射部102发送。

从本体部发送来的通信数据由反射部102接收，并进行数据解调。在反射部102的内部，作为用于解调经过PSK调制的通信数据的电子电路内装有数据接收电路。

图16是数据接收电路的框图。数据接收电路具有作为受光部143的受光元件150、放大器151、加法电路152、低通滤波器155、加法电路159、环形滤波器157、VCO振荡电路156、90度移相电路153、加法电路154、低通滤波器158、低通滤波器160和CPU161。由加法电路152、低通滤波器155、加法电路159、环形滤波器157、VCO振荡电路156、90度移相电路153、加法电路154和低通滤波器158构成众所周知的科斯塔思环电路，用于解调经过PSK调制的数据。解调数据由CPU161处理后，由反射部102的数据显示部144进行显示。

上述测距方法是众所周知的方法，下面，说明为了提高数据传送速率不用分时而同时进行测距和数据发送的方法。

该测距方法基本上是使用300KHz和15MHz这2种波长的测量方法，作为测距用的长波长即300KHz的信号，以该频率作为载波通过用通信数据进行键控的PSK调制传送通信数据。即，由于300KHz的信号不是连续调制，所以，用如下方法进行测距。

首先，利用光电变换方式将从反射部102反射的反射光变换为电信号。当接收光信号的频率为15MHz时，就差拍成频率300KHz的信号，当接收光信号的频率为300KHz时，就直接将该信号作为被测量信号进行位相差测量。然后，以本体内部的基准信号发生器的输出频率15MHz作为采样周期对经过光电变换后的频率300KHz的被测量信号的1个周期进行模/数变换(以后，称为A/D变换)，变换为50个数字的数据串。该数字数据串分别存储到存储装置内的50个地址中。并且，对数个周期进行该A/D变换，每次与各地址的旧数据进行加法运算，并重新存储该加法数据。这时，每当PSK调制的位相状态改变时便将数据进行加法运算后存储的地址序号进行移位。利用这一方法，便可将经过PSK调制的信号作为表观上位相不变化的连续调制信号进行处理。

获得对预先确定的周期的数据进行加法运算后得到的累积数据时，求该累积数据的各值的平均值，通过位相检测器利用付立叶变换方法检测被测量信号与本体内部的基准信号之间的位相差后，变换为距离数据。通过进行该操作，可以提取被噪音淹没的微小信号。

下面，参照图17所示的框图说明实现该测距方法的测距系统的电路的结构。

该测距系统的电路由受光元件169、放大器170、混频器171、本地信号振荡器172、带通滤波器173、门电路174、信号检测电路175、A/D变换器176、加法器178、随机存储器179、CPU180、地址计数器181、控制门电路182、基准信号发生器183、计数器184、切换门电路185、驱动器186、发光元件187(与光源106对应)和地址移位器188构成。

从发光元件187射出的光，由光源驱动用的驱动电路186进行频率15MHz的连续调制或频率300KHz的PSK调制，调制的切换利用从CPU 180输出的频率切换信号进行控制。频率15MHz的基准信号由基准信号发生器183生成，利用计数器184将该基准信号1/50分频后，生成频率300KHz的基准信号。在从反射部102反射回来的反射光的位相差测量中，精确测量时使用频率15MHz，粗略测量时，使用频率300KHz。

从本体部射出的照射光，由反射部102反射后返回到本体回部，由受光元件169接收。该接收光光束由受光元件169接收后经光电变换并且由放大器170放大后，通过门电路174传送给信号检测电路175和A/D变换器176。当被测量信号是经频率300KHz的PSK调制时，门电路174将输入该门电路174的信号直接输出，当被测量信号为频率15MHz的连续调制信号时，就输出差拍成频率300KHz的信号。该逐次差拍信号通过利用混频器171将频率15MHz的连续调制信号与本地信号振荡器172的频率15MHz-300KHz的本地信号进行混频而得到，然后，通过中心频率300KHz的带通滤波器173传送给门电路174。

信号检测电路175起检测反射光的光量大小的作用，由同步检波电路构成。该信号检测电路175接收到PSK调制信号时，使同步信号的位相与PSK调制的位相状态对应地进行移相。CPU180控制光量调整器116，以使该光量大小达到预先确定的光量。传送给A/D变换器176的信号，由加法器178、随机存储器179、CPU180、地址计数器181、控制门电路182和地址移位器188按照后面所述的方法进行运算处理。

下面，参照图18、图19、图20详细说明该测距方法的原理。

图18、图19是接收光信号为频率300KHz的PSK调制时的测距方法的说明图。

图18是发送数据的结构和PSK调制的情况。

在CPU180内部生成的测量结果数据变换为二进制数字信号，通过以粗略测量用的300KHz信号为载波的PSK调制后向反射部102发送。如图18(a)所示，由a位构成的总发送数据反复发送预先确定的次数。发送数据的1位如图18(b)所示的那样，由频率300KHz的信号的10周期构成，与通信数据的二进制数字信号的值一致地每隔10周期，相位发生移动。图18是二进制数字信号的数值为0时使相位移动量与0对应，数值为1时使相位移动量与π对应的例子。以后，将相位移动量为0的状态称为位相状态A，将相位移动量为π的状态称为位相状态B。通过用这种测量结果数据的二进制数字信号键控频率300KHz的基准信号从而形成PSK调制。

如图18(b)所示的那样，当数据值从0变化为1时，使频率300KHz的载波信号的位相移相180°(π)。因此，在该状态下不能进行位相差测量。因此，经A/D变换后向存储器内存储时，与PSK调制的位相状态一致地在存储器内部的50个地址内使数据串的存储开始位置移位后进行存储。

由从本体部射出后经反射部102反射的反射光得到的信号，如图18(c)所示的那样，成为相对于本体内部的基准信号位相延迟的信号，实际上，将该位相延迟的信号的A/D变换值存储到存储器内。图18(d)是存储位相状及其波形时的地址关系。

每当通信数据的二进制数字信号(PSK调制用键控信号(切换载波频率的位相))的数值变化时，CPU180使存储开始的存储器地址在第1与第25之间移位。即，当位相状态为A时，将A/D变换值存储到第1到第50的地址；当位相状态为B时，将A/D变换值顺序存储到从第26开始到第50的地址后，再回到第1地址，将其余的数据顺序存储到第1地址到第25地址。地址的计数由地址计数器181进行，计数后的地址如所述那样，由CPU181控制地址移位器188进行移位。该地址移位器188由加法器构成。

从A/D变换器176输出的数据输给加法器178，与地址移位器181所示的地址的旧数据进行加法运算，然后将该相加的数据存储到同一地址。因此，通过根据位相状态使存储开始的地址移位，可以将PSK调制波形视为表观上连续的波形，进行数据累积计算。根据后面所述的理由，在构成1位的频率300KHz信号的10周期内，除了开始的1周期外，对其余的9周期进行加法运算，所以，对由a位构成的1帧总发送数据信号的总加法次数为(9×a)次。

当确定次数的A/D变换和加法运算处理结束时，对各地址的数据求平均，利用位相检测器对求平均后的数据串进行付立叶变换后，检测被测量信号的位相差，根据该位相差可以求出测距光路或内部光路的光路长度。

位相差的检测按如下方式进行。

现在，设按上述顺序存储到各地址的平均数据为D(n)。这里，设对被测量信号的1周期的采样数为N，n为1≤n≤N的整数。这时，通过计算 $a=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}D\left(n\right)\&times;\sin (2\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{n}{N})$ $b=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}D\left(n\right)\&times;\cos (2\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{n}{N})$ 并利用a，b计算 $\mathrm{\&phi;}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{b}{a}\right),$ 求出被测量信号与基准信号的位相差。在本实施例中，N＝50，n表示地址的序号。这一运算与利用付立叶变换的方法求被测量信号的基波成分的位相相当。

由于这一方法使用被测量信号的数周期算术平均结果的数据求位相，所以，平均效果非常高，从而，具有可以减小被测量信号中的噪音引起的测量值的离散的效果，如果平均次数足够多，对于S/N比非常差的信号也可以测量。另外，由于对于A/D变换时发生的量化误差同样也可求平均，所以，还具有分辨率极高的效果。如上所述，由于位相测量利用付立叶变换求基波成分的位相，所以，被测量信号不必是正弦波，也可以是矩形或三角波。

图19是PSK调制和A/D变换的时序图。

PSK调制和其他的数据处理的时序全部与频率300KHz的基准信号同步。在本实施例的PSK调制中，如参照图18所述的那样，利用频率300KHz的载波信号的10周期构成通信数据的1位。这样，通信数据的时钟频率便可定为30KHz。即，频率30KHz的信号的1个时钟周期相当于通信数据的1位。另外，如前所述，将作为通信数据即测量结果数据(紧接着测量开始之后的为空数据)的二进制数字信号值作为存储器的地址移位信号直接使用。

在测量开始信号导通的期间中，A/D变换是在每一个通信数据的时钟信号的前沿之后并且在基准信号的1个时钟之后使其开始进行A/D变换的。之所以这样是因为，由于反射回来的光束相对于基准信号位相发生了延迟，如果在数据发送的同时开始进行A/D变换，由于当前位的相位状态刚开始出现，所以，要舍弃该部分后再处理。因此，对数据的1位反复进行300KHz信号的9个周期的A/D变换和加法运算。

图20所示的流程图是利用根据图18、图19说明的测距原理时的测距动作总体流程图。

图20所示的流程示出了图15所示的动作流程图中的测距步骤(S7)和测量数据发送步骤(S8)的详细情况。

首先，当进入测距步骤(S7)时，CPU180开始进行测距(S70)，检查有无测距结果的数据，当有数据时，将其值作为通信用数据准备好。在刚开始测距之后时，由于不存在通信用的数据，所以，将空数据作为通信用数据准备好(S71～S73)。然后，CPU180利用光路切换器115进行光路选择(S74)，为了得到所希望的距离，应从测距光路长度中减去内部光路长度。为了利用频率300KHz和频率15MHz的2种波长测量进行测距，先将频率300KHz的经过PSK调制的照射光束向反射部102发射(S75)，该PSK调制是为了同时进行测距和数据通信。这时，经PSK调制而发送的数据是刚才准备好的通信用数据。然后，为了将由于光量的大小不同引起的测量值的离散等抑制到最小，利用光量调整器116将光量调整为预先确定的值(S76)。光量调整结束后，就开始进行测量。

当开始测量时，地址与发送数据的值一致地移位(S77)。然后，对经过A/D变换的被测量信号的加法次数(S78)进行计数，为了指定存储的位置，由地址计数器对地址计数(S79)，并由地址移位器将该地址移位。并且，开始进行A/D变换(S80)。经过A/D变换的数据，与由地址移位器指定的地址的旧数据进行加法运算(S81)，相加后的数据作为新的值存储到指定地址(S82)。将该操作反复进行50次(频率300KHz信号1个周期)(S83)，当数据相加达到9次(1位)时(S84)，就将至此的处理反复进行预先确定的位数(1帧)(S85)。在流程图中，是将该位数作为总发送数据(1帧)说明的，但是，既可以将该位数设定成发送数据的数次(数帧)的位数，也可以不必是总发送数据的位数的整数倍。

这些处理结束之后，对各地址求数据的平均值(S86)。并且，利用位相检测器对该求平均后的数据串进行付立叶变换，检测被测量信号与本体内部的基准信号之间的位相差，并换算为距离数据(S87)。

然后，将射出光的调制切换为频率15MHz的连续调制，进行利用频率15MHz的信号的测距(S88)。

图20所示的流程图是接收光信号的频率为15MHz时将其差拍成频率300KHz的信号后按先有的测距方法进行测距的例子，但是，也可以利用与频率300KHz的PSK调制时的测距相同的数字数据处理进行测距。

然后，判断测距是否结束，当测距已结束时，就使用由根据频率300KHz和频率15MHz这两个信号的测距得到的测量数据计算光路长度。分别对测距光路和内部光路测量光路长度之后，CPU180就从测距光路长度的值中减去内部光路长度的值，并将由该运算得到的值换算为距离，从而求出从装置本体到反射部的距离。并且，将该结果作为新的通信数据准备好(S89，S90)，这样，测距步骤即告结束(S91)。

在这里所述的实施例中，是利用测距结果的值的本身进行键控的，但是，也可以将测距数据进行1次编码后进行键控。另外，这里举的是以2值的位相信息发送数据的例子，但是，也可以使位相信息多重化来提高数据传送速度。

按照本实施例，通过使用以同一光源同时进行数据通信和测距的测距方法，可以使系统简化。

下面，参照图21～图23说明将从本体部射出的光束向反射部102照射后设定基准面，同时进行测距和数据通信的另一个实施例。

在这另一个实施例中，装置的结构、电路和测距方法等与第1实施例大致相同，但是，本体部的动作、测距时序等由CPU进行的控制方法不同。

在前述实施例中，旋转部101的射出光束被控制为向着反射部102的中心，但是，在这另一个实施例中，为了容易确认水平基准面，是采用使射出光束沿水平基准面扫描的扫描摸式动作的，图21是该另一个实施例的动作流程图。

当本体部进入搜索模式时(S1)，位置控制部127将旋转部101的转动速度设定为确定的转动速度(搜索速度)(S2)，然后，在反射部检测步骤中(S3)，判断由位置控制用检测部104得到的信号是否为反射部102的反射信号。当判定是反射部102的信号时，就进入扫描模式(S4)。

所谓扫描模式，就是使旋转部101在一定的旋转角度内往复(摇动)移动的模式，反射部102位于旋转角的中心方向。该扫描模式由根据位置控制用检测部104的光电检测器124，126得到的信号进行控制。当进入扫描模式时，位置控制部127使旋转部101的转动方向反转(S5)，然后，判断是否横扫过反射部102。是否已扫描到反射部的判断是利用反射部102的反射光是否已经以指定的脉冲形式而被得到而进行(S6)。反射部102为图14(a)的情况时，当第1光电检测器124和第2光电检测器126的信号差值在指定的电平以下时，控制电机使之反转。反射部102为图14(b)的情况时，观测从第1光电检测器124得到的信号。在检出该信号的2个脉冲的时刻控制电机使之反转。反射部102为图14(c)所示的情况时，观测第1光电检测器124和第2光电检测器126的信号差的绝对值，控制电机使在检测到该信号的2个脉冲的时刻发生反转。

当判定已扫描到反射部102时，将电机的转动速度设定为扫描速度(S7)，使旋转部101的转动方向反转，反复进行扫描。当扫描反射部102时未能得到指定的脉冲时，就确认是否为反射部102(S8)。当反射部102处于旋转部101的一定的转动角度内而照射光束还未横扫过反射部102时，再返回到指定的脉冲的检测判断步骤。当不能确认是反射部102时，由于是反射部102不处于该转动角度内的状态，所以，这时便进入搜索模式(S1)，再次移到反射部102的检测动作。因此，使从本体部照射的激光束往复扫描，在照射面上描绘出以反射部102为中心的一定长度的水平基准线。

测距和测量数据的发送在扫描模式中进行。

在扫描模式中，由于照射光束仅在横扫过反射部102时反射光束才回到本体部，所以，被测量信号在本体部一侧是断续地接收的。因此，CPU控制测距时序使其仅在反射光束返回到本体部的期间中进行位相差测量。

测距和测量数据的发送和图20所示的流程图相同，但是，调制频率的切换与旋转部101的转动方向一致地进行。例如，对反射部102进行向右转动的扫描时，从本体部发射频率300KHz的PSK调制的照射光束，进行向左转动的扫描时，从本体部发射频率15MHz连续调制的照射光束进行测距。

另外，当需要测角时，和测距及测量数据的发送一样在扫描模式时进行。图22是以扫描模式进行测角的一个例子的流程图。作为测角方法，在扫描模式中，在利用上述反射部102的中心检测方法检测出反射部102的中心时存储编码器输出，将该动作反复进行预先确定的次数后得到的数据求平均，再算出水平角，首先，对相加次数(S1)计数，然后检测是否进行了指定次数的加法运算(S2)，判断是否为反射部102的中心(S3)，存储检测到该反射部102的中心时的编码器输出(S4)，将编码器输出进行指定次数的加法运算后，计算水平角(S5)。

该另一个实施例的情况也和前述实施例一样，在扫描模式中，在反射部102处于包含从本体部发射的光束在内的水平面内的期间，不论使反射部102前后左右如何移动，都可以跟踪反射部102。

图23是该另一个实施例的PSK调制和A/D变换的时序图。

由于被测量信号是断续地接收的，所以，利用信号检测电路175确认信号的接收。信号检测电路175的输出接通后，在通信数据的时钟信号的前沿之后并且在频率300KHz的基准信号的1个时钟后开始进行A/D变换。此后的数据处理方法与第1实施例相同。

按照该另一个实施例，由于可以同时进行基准面的设定、测距、(需要时测角)、数据通信，不必分时进行，所以，在测距结束之前不必将反射部102固定，从而可以有效地进行测量作业。

在前述实施例和另一个实施例中，是将基准面照射用的激光束兼作测距和数据通信用的情况，但是，为了提高测距精度，最好使测距光路的测量和内部光路的测量的外界光的状态相同，另外，测距用的光源最好是相干性低的光源。因此，下面，参照图24说明使用2个光源时的又一个实施例。

在图24中，对于和图10相同的结构要素标以相同的符号，并省略其详细说明，只说明不同的部分。

在该又一个实施例中，作为测距和数据通信用的光源，使用低相干性的激光二极管(LD)、超级发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)等具有低相干特性的第2光源200。该第2光源200发射的是波长比第1光源201长的不可见的红外光，第1光源即LD201是红光。另外，分色镜202是具有透过红外光、反射红光的特性的平面镜。从第2光源200发射的照射光束，利用作为波长分割部件的分色镜202与从作为基准面照射用光源(第1光源)的LD201发射的照射光束合成后，从本体部射出。另外，在这第3个例子中，为了减轻测距的接收光时的外界光的影响，在发光一侧设置光路切换器205。为了形成内部光路113，在光路切换器205与第2光源200之间设置半透明反射镜203和反射镜204，第1光源201由LD调制部132进行调制，第2光源200由测距用光源调制部209进行调制。另外，在开孔镜109与光量调整器116之间设置分色镜207，将红光与红外光分离。另外，在准直透镜119与半透明反射镜118之间设置用于除去杂光的带通滤光器208。在反射镜204与光量调整器116之间，设置使光路转折的反射镜206。

当使光束向反射部102的中心照射进行测距时，可以利用和前述实施例相同的方法进行测量；利用扫描模式进行测距时，可以利用和另一实施例相同的方法进行测量，所以，省略对动作的说明。

因此，按照本发明，不论测距用还是数据通信用都可以使用激光，所以，可以提高测量作业的效率和测量效率。

Claims (5)

1.一种测量系统，其特征在于：包括

一个测量机本体，用于射激光束；

一个反射对象物体，用于向所述测量机本体反射激光束；

所述测量机本体具有：光源部，用于发射所述激光束；一个旋转部，用于照射所述所述光源部所发射的激光束；一个光接收部，用于接收来自所述反射对象物体的反射激光束；一个距离测量部，用于根据所述接收部的输出以测量所述测量机本体和所述反射对象物体之间的距离；一个位置控制部，用于根据所述光接收部的输出以控制激光束的发射位置；一个光源驱动部，用于驱动所述光源部，且所述光源驱动部同时在预定的频率调制所述激光束，以便根据须传送到所述反射对象物体的通信数据以测量所述距离和在各预定周期数对所述经调制的激光束进行相移；所述反射对象物体包括一个光接收装置，用于接收来自所述光源部的各个具有不同位相的激光束，并检测基于不同位相的数据。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述反射对象物体包括：一个反射部，用于反射来自所述光源部的激光束；和一个显示部，用于显示所检测的通信数据，且所述反射部包括一个向后反射构件和一个重折射构件，用以产生一个相位差。

3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述距离测量部在各个所述预定的周期数检测由所述光接收部所接收到的反射光的相移状态，并调节抽样时间以便取消相移、抽样或在抽样后累积，以及根据由抽样所得的信号或在抽样后进行累积所得的信号以测量至所述反射对象物体的距离。

4.如权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述通信数据由二进制信号表示，包括由所述距离测量部所测量的数据，所述光源驱动部将所述二进制信号的一部分移相到0°相位，而将所述二进制信的其它部分移相到180°相位，并改变所述激光束的调制状态。

5.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述距离测量部进行傅利叶变换，对所述来自所述光接收部的输出进行抽样，或抽样和累积所述输出并检测其相位。

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