DE69518953T2

DE69518953T2 - Vermessungssystem

Info

Publication number: DE69518953T2
Application number: DE1995618953
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Adegawa; Hiroyuki Nishizawa; Fumio Ohtomo; Yoshikatsu Tokuda; Ken-Ichiro Yoshino
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: JPH085743A; EP0689032A3; EP0875728A1; EP0875728B1; EP0689032A2; CN1120348C; JP3512469B2; EP0689032B1; DE69531462D1; DE69531462T2; DE69518953D1; CN1119736A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vermessungssystem, welches zum Aussenden und Abtasten eines Laserstrahls für das Detektieren eines reflektierenden Objektes verwendet wird, sowie zum Durchführen einer Markierung, einer Positions- und Niveaufestsetzung und zum Messen des Abstands zum reflektierenden Objekt.
In vergangenen Jahren wurde ein Überwachungssystem zum Aussenden und Abtasten eines Laserstrahls im Bauingenieurwesen und Architekturbereich eingeführt, um einen Höhenreferenzpunkt festzusetzen oder der Abstand bis zu einem Objekt zu messen.
Aus der Vergangenheit ist ein Vermessungssystem bekannt, bei welchem ein Laserstrahl um eine vertikale Achse rotiert wird, eine horizontale Referenzebene durch den Laserstrahl gebildet wird oder eine horizontale Referenzachse von vorgegebener Höhe durch das Abtasten des Laserstrahls auf der Wandoberfläche gebildet wird, der abgestrahlte Laserstrahl zu einem reflektierenden Objekt hin gestrahlt wird, das reflektierende Objekt gemäß dem Laserstrahl, der von dem reflektierenden Objekt reflektiert wird, detektiert wird, und der Abstand bis zu dem reflektierenden Objekt gemessen wird.
Es wird nunmehr der Fall beschrieben, bei dem die Markierung, die Positions- und Niveaufestsetzung unter der Verwendung eines solchen Vermessungsystems durchgeführt werden. Der Laserstrahl, der von einer Lichtquelleneinheit des Vermessungssystems ausgestrahlt wird, wird in sichtbares Licht und nicht sichtbares Licht unterteilt.
Bei einer rotierenden Laserfläche unter Verwendung von sichtbarem Licht wird die Beleuchtungsposition des Laserbeleuchtungsstrahls (nachfolgend als "Beleuchtungsstrahl" bezeichnet) visuell gemäß der Reflexion von einem Objekt bestätigt, welches einen reflektierenden Abschnitt ("reflektierendes Objekt") aufweist. Ferner wird, um die visuelle Bestätigung zu verbessern, ein lichtaufnehmendes Element mit hoher Empfindlichkeit auf der rotierenden Laserfläche bereitgestellt, so daß der Laserstrahl, der von dem reflektierenden Objekt an der Beleuchtungsposition des Laserstrahls reflektiert wird, empfangen und detektiert werden kann, und der Laserstrahl wird reziprok auf und um die Position herum abgetastet, an der das Licht empfangen wird.
Auf einer rotierenden Laserfläche, welche nicht sichtbares Licht verwendet, ist ein photoelektrisches Invertierungselement mit hoher Empfindlichkeit auf dem Objekt bereitgestellt, so daß der Beleuchtungszustand des Laserstrahls auf dem Objekt elektrisch angezeigt wird.
Das reflektierende Objekt ist in dem oben beschriebenen ersteren Fall dahingehend vorteilhaft, daß die Beleuchtungsposition des Laserstrahls sichtbar bestätigt werden kann und der Wirkungsgrad im Betrieb hoch ist, wohingegen die Ausgabe des Laserstrahls begrenzt ist, um die Sicherheit für die Bediener zu gewährleisten, und dies führt zu Schwierigkeiten für die visuelle Bestätigung bei langen Distanzen. Wie oben beschrieben wurde, wird die offensichtliche Bestrahlung durch das Detektieren von Licht, das von einem reflektierenden Objekt reflektiert wird, und durch das reziproke Abtasten auf und um das reflektierende Objekt herum erhöht. Jedoch ist die visuelle Bestätigung immer noch an einem Ort unter direkter Sonnenbestrahlung schwierig.
Bei dem Objekt in letzterem Fall erhöht sich die Lichtgeschwindigkeit beim Durchqueren des photoelektrischen Konvertierungselements, wenn der Abstand von dem Objekt größer wird. Somit muß ein photoelektrisches Konvertierungselement des Objekts oder der elektrischen Schaltung eine höhere Ansprechzeit aufweisen, und diese führt zu Problemen in Bezug auf den Stromverbrauch und die Kostenverminderung.
Als ein Vermessungssystem vom herkömmlichen Typ zum Messen eines Abstands zu einem reflektierenden Objekt basierend auf einem Laserstrahl, der von dem reflektierenden Objekt reflektiert wird, ist ein Vermessungssystem in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-259411 offfenbart. Dieses System ist mit einem Wellenübertrager und einem Wellenempfänger ausgestattet, und eine Referenzebene des Lasers wird durch einen rotierenden Laserlichtstrahl gebildet, um zwei reflektierende Objekte zu detektieren, welche voneinander beabstandet angeordnet sind. Der Abstand zwischen dem Vermessungssystem zu dem reflektierenden Objekt wird durch den Pulsabstand zwischen zwei Pulsen gemessen, die erzeugt werden, wenn Laserstrahlen, die von den zwei reflektierenden Objekten reflektiert worden sind, empfangen werden. Es ist auch aus dieser Patentveröffentlichung bekannt, daß der Laserstrahl moduliert wird und daß der Abstand durch die Messung der Phasendifferenz zwischen einem Modulationssignal und einem Lichtsignal, das durch das Demodulieren der reflektierenden Laserenergie erhalten wird, gemessen wird. Ferner ist beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 4-313013 ein Lichtwellenabstandsermittlungsgerät vom Phasendifferenztyp in ein Vermessungssystem eingebaut, welches eine Laserreferenzebene durch einen rotierenden Laserstrahl bildet. Ebenso ist, wie in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 57-119274 ein Vermessungssystem bekannt, welches abwechselnd einen modulierten Beleuchtungslichtstrahl zur Messung des Abstandes ausgibt sowie einen Lichtstrahl für die Datenübertragung.
Jedoch ist es in Bezug auf die Verminderung der Betriebseffizienz und der Meßeffizienz nachteilhaft, daß der modulierte Beleuchtungslichtstrahl zur Messung des Abstands und der Lichtstrahl zur Datenübertragung jeweils zu dem reflektierten Objekt durch Zeitaufteilung ausgestrahlt werden.
EP-A-007886 offenbart ein Vermessungssystem, umfassend eine Meßstation, welche phasenmodulierte Infrarotstrahlung zum Messen des Abstands eines Zielpunktes sowie zur Datenübertragung verwendet. Sowohl die Abstandsmessung als auch die Datenverarbeitung werden in nicht spezifizierter Art und Weise durch Phasenermittlung durchgeführt.

Wesen der Erfindung

In einer ersten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Vermessungsinstrument zum Emittieren eines Laserstrahls in Richtung auf ein reflektierendes Objekt bereit, das den Laserstrahl zurück zu dem Vermessungsinstrument reflektiert, wobei das Vermessungsinstrument umfaßt: eine Lichtquelleneinrichtung zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Dreheinrichtung zum Drehen des emittierten Laserstrahls, eine Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen des Laserstrahls, der von dem reflektierenden Objekt reflektiert wird, sowie eine Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen der Entfernung zwischen dem Vermessungsin strument und dem reflektierenden Objekt, gekennzeichnet durch eine Positionssteuereinrichtung zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls, basierend auf der Ausgabe der Lichtempfangseinrichtung, eine Lichtquellenantriebseinrichtung, um die Lichtquelleneinrichtung anzutreiben, und wobei die Lichtquellenantriebseinrichtung angeordnet ist, um simultan den Laserstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren, um die Entfernung zu messen, und die Phase des modulierten Laserstrahls bei jeder vorbestimmten Anzahl von Zyklen gemäß der zu übertragenden Kommunikationsdaten zu verschieben, um die Kommunikationsdaten zu dem reflektierenden Objekt zu übertragen.
In einer zweiten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Vermessungsinstrument zur Verfügung, umfassend ein Vermessungsinstrument zum Emittieren eines Laserstrahls und ein reflektierendes Objekt zum Reflektieren des Laserstrahls zurück zu dem Vermessungsinstrument, wobei das Vermessungsinstrument umfaßt: eine Lichtquelleneinrichtung zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Dreheinrichtung zum Drehen des emittierten Laserstrahls, eine Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen des Laserstrahls, der von dem reflektierenden Objekt reflektiert wurde, sowie eine Entfernungsmeßvorrichtung zum Messen der Entfernung zwischen dem Vermessungsinstrument und dem reflektierenden Objekt, gekennzeichnet durch eine Positionssteuereinrichtung zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls, basierend auf der Ausgabe der Lichtempfangseinrichtung, eine Lichtquellenantriebseinrichtung zum Antreiben der Lichtquelleneinrichtung, wobei die Lichtquellenantriebseinrichtung angeordnet ist, simultan den Laserstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren, um die Entfernung zu messen und die Phase des modulierten Lichtstrahls bei jeder vorbestimmten Anzahl von Zyklen gemäß der zu übertragenden Kommunikationsdaten zu verschieben, um die Kommunikationsdaten zu dem reflektierenden Objekt zu übertragen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform des reflektierenden Objekts;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht desselben;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht desselben;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform des reflektierenden Objekts;
Fig. 5(A) ist ein Blockdiagramm, welches die Antriebsschaltung eines Flüssigkristallanzeigeabschnitts des reflektierenden Objekts zeigt;
Fig. 5(B) zeigt die Signalwellenform von "a" in Fig. 5(A);
Fig. 5(C) zeigt die Signalwellenform von "b" in Fig. 5(A);
Fig. 5(D) zeigt die Signalwellenform von "c" in Fig. 5(A);
Fig. 6 zeigt die Grundanordnung der Laserrotationsfläche;
Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Erklärung eines reflektierenden Objekts, das im Bezug auf die Laserrotationsfläche anzuordnen ist;
Fig. 8 zeigt das Verhältnis zwischen der Laserrotationsfläche und einem reflektierenden Objekt oder einem nicht notwendig reflektierenden Objekt;
Fig. 9 ist ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels der Lasermodulationssteuerung;
Fig. 10 ist ein Diagramm eines optischen Systems eines Vermessungssystems von einer Ausführungsform, welche der zweiten Ausführungsform der Erfindung entspricht;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines reflektierenden Objekts, welches mit der obigen Ausführungsform in Beziehung steht;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines reflektierenden Objekts, welches zu der obigen Ausführungsform ähnlich ist;
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines reflektierenden Objekts der obigen Ausführungsform;
Fig. 14 zeigt Muster der Lichtempfangsausgabe basierend auf polarisierter Reflexion des Lichtstrahls von einem reflektierenden Abschnitt der obigen Ausführungsform;
Fig. 15 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der Ausführungsform;
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm einer bekannten Datenempfangsschaltung der Ausführungsform;
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm einer neuen Datenempfangsschaltung der Ausführungsform;
Fig. 18 ist ein graphische Darstellung, welche die Anordnung der Übertragungsdaten und das Verhältnis der PSK-Modulation darstellt;
Fig. 19 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm der PSK-Modulation und der A/D- Umwandlung der Ausführungsform;
Fig. 20 ist ein Flußdiagramm, welches Details der Abstandsmessung und Kommunikationsdaten der Ausführungsform zeigt;
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb einer weiteren Ausführungsform zeigt;
Fig. 22 ist ein Flußdiagramm, welches ein Beispiel einer Winkelmessung einer anderen Ausführungsform zeigt;
Fig. 23 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm einer PSK-Modulation und einer A/D-Wandlung einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 24 stellt ein optisches System eines Vermessungssystems einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Anfangs wird das Vermessungssytem in Bezug auf Fig. 6 allgemein umrissen.
In Fig. 6 stellt das Bezugszeichen 1a eine Lasermodulationssteuerschaltung dar, welche den Betriebsstrom für eine Laserdiode 1b eines Laserstrahlemitters 1 moduliert, und ein modulierter linear polarisierter Laserstrahl wird von dem Laserstrahlemitter 1 emittiert. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, gibt die Lasermodulationssteuerschaltung 1a ein Modulationssignal 30 an ein Schaltungselement 32 über einen Verstärker 31 aus und steuert den elektrischen Strom für die Laserdiode 1b. Der Laserstrahl von dem Laserstrahlemitter 1 läuft durch einen halbdurchlässigen Spiegel 2 oder einen perforierten Spiegel und ein λ/4 doppelbrechendes Element 3 und wird zu einem zirkular polarisierten Laserstrahl 4 polarisiert, der über ein sich drehendes pentagonales Prisma 5 emittiert, gedreht und abgetastet wird.
Es wird nunmehr mit Bezug auf Fig. 7 ein reflektierendes Objekt 6 beschrieben, das eines der Objekte ist, die durch den zirkular polarisierten Laserstrahl 4 bestrahlt werden.
Das reflektierende Objekt 6 umfaßt eine Reflexionsplatte 7 und ein λ/4 doppelbrechendes Element 8. Wenn der zirkular polarisierte Laserstrahl 4 durch das λ/4 doppelbrechende Element 8 hindurchgeht, wird er zu linear polarisiertem Licht polarisiert. Er wird auf der Reflexionsplatte 7 reflektiert, und das reflektierte Licht 4' läuft wieder durch das λ/4 doppelbrechende Element 8 und wird in zirkular polarisiertes Licht mit entgegengesetzter Drehung in Bezug auf den zirkular polarisierten Laserstrahl 4 polarisiert. Das reflektierte Licht 4' tritt in die Laserrotationsfläche 11 und geht durch das λ/4 doppelbrechende Element 3 über das pentagonale Prisma 5. Aufgrund des Durchgangs durch das λ/4 doppelbrechende Element 3 wird das reflektierte Licht 4' in linear polarisiertes Licht polarisiert, und durch den halbdurchlässigen Spiegel 2 zu einem Detektor für reflektiertes Licht 9 hin reflektiert. Auf dem Detektor 9 für reflektiertes Licht ist eine lineare Polarisationsplatte 10 bereitgestellt, und die Polarisationsebene der linearen Polarisationsplatte 10 ist mit der Polarisationsebene ausgerichtet, in der das reflektierte Licht 4' in linear polarisiertes Licht umgewandelt wird. Der Detektor 9 für reflektiertes Licht detektiert das reflektierte Licht von der Reflexionsplatte 7, und die Laserrotationsfläche 11 tastet reziprok auf und um die detektierte Position ab.
Wenn im Gegensatz dazu der zirkular polarisierte Laserstrahl 4 von der Laserrotationsfläche 11 zu einem nicht notwendig reflektierenden Objekt 12, das ein anderes als das reflektierende Objekt 6 ist, ausgestrahlt wird, wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird der Polarisationszustand des reflektierten Lichts von dem nicht notwendig reflektierenden Objekt 12 in zirkular polarisiertes Licht gewandelt, das die gleiche Drehrichtung wie der zirkular polarisierte Laserstrahl 4 aufweist. Wenn das reflektierte Licht von dem nicht notwendig reflektierenden Objekt 12 in linear polarisiertes Licht durch das λ/4 doppelbrechende Element 3 in der Laserrotationsfläche 11 polarisiert wird, wird seine Polarisationsrichtung folglich um 90º von dem linear polarisierten Licht des reflektierten Lichts 4' abweichen und es geht nicht durch die Polarisationsplatte 10. Somit detektiert der Reflexionslichtdetektor 9 nicht das reflektierte Licht von dem nicht notwendig reflektierenden Objekt 12. Der Reflexionslichtdetektor 9 empfängt nur das reflektierte Licht von dem reflektierenden Objekt 6.
Vorangegangen wurde nur ein Fall beschrieben, bei dem die Laserrotationsfläche 11 selbst das reflektierte Licht von dem reflektierenden Objekt 6 bestätigt. Falls die Beleuchtung von dem Laserstrahl zu dem reflektierenden Objekt 6 hin visuell durch einen Bediener bestätigt wird, werden Reflexion und Diffusion auf dem reflektierenden Objekt 6 beobachtet.
Als nächstes wird eine konkrete Beschreibung des reflektierenden Objekts 20 mit Bezug auf Fig. 1 bis Fig. 3 gegeben.
Auf einer Seite der Reflexionsebene (Oberfläche) einer Lichttransmissionsplatte 13, welche die Form einer in vertikaler Richtung länglichen rechteckförmigen Ausgestaltung aufweist und aus Plastik, Glas, etc. hergestellt ist, ist ein reflektierender Abschnitt 15 mit einer vorbestimmten Breite bereitgestellt. Der reflektierende Abschnitt 15 wird durch Polymerisation eines λ/4 doppelbrechenden Elements 8 auf der Oberfläche einer Reflexionsschicht 14 hergestellt. Auf jeder der linken und rechten Seitenränder der Lichttransmissionsplatte 13 ist eine Kerbe an einer Position eingeschnitten, die den Rand in gleiche obere und untere Abschnitte einteilt.
Die photoelektrische Konvertierungsplatte 17 ist auf der Rückseite der Lichttransmissionsplatte 13 befestigt. Ein Typ einer photoelektrischen Zelle, wie z. B. eine Solarzelle, wird auf der photoelektrischen Konvertierungsplatte 17 verwendet, welche in einen oberen photoelektrischen Konvertierungsbereich 17a und einen unteren photoelektrischen Konvertierungsbereich 17b durch eine gerade Linie geteilt wird, welche die linken und rechten Kerben 16 verbindet, und jeder dieser Abschnitte gibt unabhängig einen Lichtempfangszustand aus.
Ein Anzeigeabschnitt 18 ist an einer vorgegebenen Position der Oberfläche der Lichttransmissionsplatte 13 bereitgestellt. Der Anzeigeabschnitt 18 umfaßt eine Antriebsschaltung 21, die in Fig. 5 gezeigt ist, und einen Flüssigkristallanzeigeabschnitt 19, der einen nach unten zeigenden Pfeil 19a, eine Orientierungslinie 19b und einen nach oben gerichteten Pfeil 19c aufweist, welche durch die Antriebsschaltung 21 angetrieben werden.
In Antwort auf den Lichtempfangsstatus des oberen photoelektrischen Konvertierungsbereichs 17a und des unteren photoelektrischen Konvertierungsbereichs 17b treibt die Antriebsschaltung 21 einen von dem unteren Pfeil 19a, der Orientierungslinie 19b oder dem oberen Pfeil 19c des Flüssigkristallanzeigeabschnitts 19 an und stellt diesen dar, und sie ist mit Synchronisierungsschaltungen 22a und 22b, Signalprozessoren 23a und 23b und einer Steuerschaltung 24 ausgestattet.
Nachfolgend wird die Beschreibung des Betriebs gegeben.
Für den Laserstrahl, der von dem Laserstrahlreflektor 15 reflektiert wird, wird hier keine detaillierte Beschreibung gegeben, da er der gleiche wie der mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene ist.
Wenn der Laserstrahl auf eine photoelektrische Konvertierungsplatte 17 strahlt, werden Empfangssignale proportional zu der Menge des ausgestrahlten Lichtstrahls emittiert, und zwar in Abhängigkeit von der bestrahlten Position und in Richtung auf die Antriebsschaltung 21. Das heißt, wenn der Laserstrahl auf die photoelektrische Konvertierungsplatte 17 strahlt, wird ein Lichtempfangssignal von dem oberen photoelektrischen Abschnitt 17a an die Synchronisierungsschaltung 22a ausgegeben. Andererseits empfängt der untere photoelektrische Konvertierungsabschnitt 17b keinen Laserstrahl, und er gibt kein Lichtempfangssignal an die Synchronisierungsschaltung 22b aus.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, schneidet die Synchronisierungsschaltung 22a eine Gleichstromkomponente aufgrund des Sonnenlichts oder verschiedener Arten von Rauschen in einem Stromsignal "a" von dem oberen photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17a ab und gibt nur das Signal aufgrund des Laserstrahls als ein Spannungssignal "b" aus. Das Signal von der Synchronisierungsschaltung 22a wird an dem Signalprozessor 23a verstärkt und nach der Detektion und Konvertierung in Gleichstrom als "c" erhalten.
Weil der Störeinfluß von Licht, wie z. B. Sonnenlicht, im Vergleich zu der Widerstandslast, wenn eine Synchronisierungsschaltung als eine Last des photoelektrischen Konvertierungselements verwendet wird, vermindern wird, wird ein Signal erhalten, das ein gutes Signal- Rausch-Verhältnis und eine große Amplitude aufweist. Folglich wird eine Verstärkungsschaltung mit einer kleinen Verstärkungsbandbreite bereitgestellt, und das führt zu einem niedrigen Energieverbrauch und niedrigeren Kosten.
Auf ähnliche Weise wird das Signal von dem unteren photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17b in ein Gleichstromsignal konvertiert, nachdem Rauschen durch die Synchronisierungsschaltung 22b und den Signalprozessor 23b entfernt wurde. In die Steuerschaltung 24 werden Signale von dem Signalprozessor 23a und dem Signalprozessor 23b eingegeben und die Signale werden miteinander verglichen. Da der obere photoelektrische Konvertie rungsabschnitt 17a den Laserstrahl empfangen hat, ist das Signal von dem Signalprozessor 23a größer. Die Steuerschaltung 24 schaltet den oberen Pfeil 19c an und gibt dem Bediener die Anweisung, die Lichtempfangsposition des Laserstrahls in die obere Richtung zu bewegen. Eine Verzögerungsschaltung kann in der Antriebsschaltung 21 bereitgestellt werden, so daß die Anzeige auf dem Flüssigkristallanzeigeabschnitt 19 für eine bestimmte Zeitperiode durch das Signal aufrechterhalten wird, das von der Synchronisierungsschaltung 22a eingegeben wird. Zusätzlich zu der Bestätigung der Reflexion des Laserstrahls kann ein Bediener auch den beleuchteten Zustand des Laserstrahls durch den Flüssigkristallanzeigeabschnitt 19 bestätigen. Dementsprechend kann der Betrieb ohne Einschränkung aufgenommen werden, selbst unter der Bedingung, bei der das externe Licht intensiv ist, und es schwierig ist, den Laserstrahl zu bestätigen.
Wenn der Laserstrahl als nächstes auf den unteren photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17b strahlt, wird der untere Pfeil 19a auf ähnliche Art und Weise angezeigt, und der Bediener wird angewiesen, die Lichtempfangsposition des Laserstrahls in Richtung nach unten zu bewegen.
Wenn der Laserstrahl ferner genau an der Grenze zwischen dem oberen photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17a und dem unteren photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17b strahlt, sind die Werte der Signale von den Signalprozessoren 23a und 23b identisch, und die Abweichung der beiden Signale geht auf 0 zurück. In diesem Fall zeigt die Steuerschaltung 24 die Orientierungslinie 19b an und teilt dem Benutzer mit, daß die Position des Laserstrahlempfangs auf dem reflektierenden Objekt 20 richtig eingestellt ist. Unter Verwendung der Kerben 16 versieht der Bediener die Wandoberfläche mit einer Markierung.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Summer 25 statt dem Flüssigkristallanzeigeabschnitt 19 verwendet wird. Der Summer 25 summt, wenn das reflektierende Objekt 20 positioniert ist, oder der Klang des Summers 25 wechselt in Abhängigkeit von dem Lichtempfangsstatus der photoelektrischen Konvertierungsplatte 17. Als Anzeigevorrichtung können der Flüssigkristallanzeigeabschnitt 19 und der Summer 25 gleichzeitig verwendet werden, oder es kann eine andere Anzeige als ein Flüssigkristall verwendet werden.
Die Positionen und Formen der reflektierenden Einheit 15 oder der photoelektrischen Konvertierungsplatte 17 können geeignet verändert werden.
Wenn der Punktdurchmesser des Laserstrahls klein ist und der Laserstrahl in der Nähe der Grenze zwischen dem oberen photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17a und dem unteren photoelektrischen Konvertierungsabschnitt 17b strahlt, kann es passieren, daß der untere Pfeil 19% die Orientierungslinie 19b und der obere Pfeil 19c sich ständig aufgrund des Fingerzitterns oder anderen Vibrationen verändern, und das kann die Positionierung schwieriger machen. In einem solchen Fall ist es empfehlenswert, die Lichttransmissionsplatte 13 aus einem Lichtdiffusions- und lichtdurchlässigen Material herzustellen oder die Rückseite der Lichttransmissonsplatte 13 als Diffusionsoberfläche herzustellen, um den Punktdurchmesser des Laserstrahls auf der Lichtempfangsoberfläche der Lichttransmissionsplatte 17 zu erhöhen.
Wenn andererseits externes Licht, wie z. B. Sonnenlicht, durch die Lichttransmissionsplatte 13 eintritt, empfängt die photoelektrische Konvertierungsplatte 17 Licht, und dies kann zu einer Fehlfunktion fuhren. Deshalb kann eine Polarisationsplatte eingebaut werden, die nur den Laserstrahl durchläßt, der dem Laserstrahl von der Laserrotationsfläche 11 entspricht.
In der obigen Ausführungsform wurde ein Objekt mit einem reflektierenden Abschnitt beschrieben, aber es ist offensichtlich, daß die Erfindung auch auf ein Objekt mit einem nicht reflektierenden Abschnitt anwendbar ist.
Wie oben beschrieben wurde, ist es möglich, einen Laserstrahl, der auf ein Objekt strahlt, genau zu bestätigen, egal ob eine Umgebung mit starkem externen Licht vorliegt oder ob ein großer Abstand besteht. Es ist auch einfacher, die Abtastposition des Laserstrahls zu bestätigen, und die Erfindung führt zu niedrigeren Kosten und zu einer längeren Lebensdauer der Batterie.
Als nächstes wird mit Bezug auf Fig. 10 der Fall beschrieben, bei dem der Laserstrahl auch als Datenkommunikationseinrichtung verwendet wird, wenn er für die Messung des Abstandes zu einem reflektierenden Objekt verwendet wird.
In der im folgenden beschriebenen Ausführungsform wird der Laserstrahl, der auf ein reflektierendes Objekt (nachfolgend als "reflektierende Einheit" bezeichnet) 102, welche in Fig. 10 gezeigt ist, strahlt, auch als Licht für die Bereichsermittlung und als Licht für die Datenkommunikation verwendet, und es wird angenommen, daß der Rotationsabschnitt 101 zu der reflektierenden Einheit 102 hin gerichtet ist.
Dieses Vermessungssystem (die Laserrotationseinheit) umfaßt eine festen Abschnitt 100 und einen Rotationsabschnitt 101, wie in Fig. 10 gezeigt ist, und der feste Abschnitt 100 und der Rotationsabschnitt 101 bilden die Haupteinheit. Die reflektierende Einheit 102 ist an einer Position getrennt von der Haupteinheit angeordnet. Der Rotationsabschnitt 101 ist drehbar auf dem festen Abschnitt 100 gelagert. Der feste Abschnitt 100 umfaßt einen lichtemittierenden Abschnitt 103, einen Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung, einen Detektionsabschnitt 105 für die Abstandsmessung, einen Codierer 129 und andere Steuerschaltungen. Der lichtemittierende Abschnitt 103 umfaßt eine Kolimatorlinse 107, eine Kippwinkelkorrektureinrichtung 108, einen halbdurchlässigen Spiegel 1I2, einen perforierten Spiegel 109 und ein λ/4 doppelbrechendes Element 110, welche nacheinander auf einer optischen Achse einer Laserdiode 106 (Lichtquelle) angeordnet sind. Der Lichtstrahl von der Laserdiode 106 wird als Rotationslaser zum Erhalten einer horizontalen Referenzebene verwendet, und er wird auch als Lichtbereichsermittlungseinrichtung verwendet, um den horizontalen linearen Abstand von der Haupteinheit zu der reflektierenden Einheit 102 durch die Bestrahlung der reflektierenden Einheit 102 zu messen.
Die Kippwinkelkorrektureinrichtung 108 erfüllt den Zweck, den Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 106 kommt, zu korrigieren, und in die vertikale Richtung zu strahlen, wenn die optische Achse der Laserdiode 106 von der vertikalen Linie abweicht. Beispielsweise wird ein Flüssigkompensator verwendet, der die Reflexion durch eine freie flüssige Oberfläche benutzt. Der halbdurchlässige Spiegel 112 übernimmt die Funktion der Bildung eines internen optischen Weges 113, der erforderlich ist, um unstabile Faktoren in der Haupteinheit zu entfernen, wenn der Abstand gemessen wird. Eine Anzahl von elektronischen Komponenten, die in dem System verwendet werden, verursachen Fehler in der Messung aufgrund von Veränderungen in der Verzögerungszeit aufgrund von Temperaturschwankungen. Somit wird die Messung durch einen optischen Weg für die Abstandsmessung (die später beschrieben wird) 114 und durch einen internen optischen Weg 113 durchgeführt, und durch das Ermitteln der Differenz der gemessenen Werte werden unstabile Elemente in der Haupteinheit, welche in den optischen Wegen 114 und 113 auftreten, entfernt. Der perforierte Spiegel 109 weist ein Loch 109a auf, durch das der Lichtstrahl, der von der Laserdiode 106 emittiert wird, hindurchgeht. Der perforierte Spiegel 109 reflektiert den zurückkommenden Lichtstrahl, der von der reflektierenden Einheit 102 reflektiert wird, zu dem Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung und zu dem Detektionsabschnitt 105 für die Abstandsmessung. Das λ/4 doppelbrechende Element 110 wandelt einen linear polarisierten Laserstrahl, der in es eintritt, in zirkular polarisiertes Licht und strahlt dieses aus.
Der Detektionsabschnitt 104 zur Positionssteuerung umfaßt einen halbdurchlässigen Spiegel 121, der auf der optischen Reflexionsachse des perforierten Spiegels 109 angeordnet ist, einen Strahlteiler 102 für polarisiertes Licht, der auf der optischen Reflexionsachse des halbdurchlässigen Spiegels 121 angeordnet ist, eine Sammellinse 123 und einen ersten photoelektrischen Detektor 124, die nacheinander angeordnet sind, sowie eine Sammellinse 125 und einen zweiten photoelektrischen Detektor 126, die nacheinander auf der optischen Reflexionsachse des Strahlteilers 122 für polarisiertes Licht angeordnet sind. Der halbdurchlässige Spiegel 121 trennt den zurückkommenden Lichtstrahl, der von der reflektierenden Einheit 102 reflektiert wird, in einen Strahl zur Positionssteuerung und einen Strahl zur Abstandsmessung. Da das zurückkommende Licht von der Reflexionseinheit 102 seine Polarisationsrichtung gemäß dem Unterschied auf dem Bestrahlungspunkt auf der reflektierenden Einheit 102 ändert, wie nachfolgend beschrieben wird, wird polarisiertes Licht getrennt und durch den Strahlteiler 122 für polarisiertes Licht unterschieden. Der erste photoelektrische Detektor 124 und der zweite photoelektrische Detektor 126 empfangen bzw. detektieren den Lichtstrahl, der in zwei polarisierte Lichtkomponenten durch den Strahlteiler 122 für polarisiertes Licht geteilt wurde.
Der Detektionsabschnitt 105 für die Abstandsmessung umfaßt einen halbdurchlässigen Spiegel 118, eine Sammellinse 119 und einen photoelektrischen Detektor für die Abstandsmessung 120, welche nacheinander entlang der optischen Reflexionsachse des perforierten Spiegels 109 angeordnet sind, und er weist auch einen Spiegel 117 auf, der auf der optischen Reflexionsachse des halbdurchlässigen Spiegels 112 angeordnet ist. Der interne optische Weg 113 ist ein optischer Weg von dem halbdurchlässigen Spiegel 112 zu dem photoelektrischen Detektor für die Abstandsmessung 120 über den Spiegel 117 und den halbdurchlässigen Spiegel 118. Der optische Weg 114 für die Abstandsmessung ist ein optischer Weg von der reflektierenden Einheit 102 zu dem photoelektrischen Detektor für die Abstandsmessung 120 über das pentagonale Prisma 111, das λ/4 doppelbrechende Element 110, dem perforierten Spiegel 109 und nachfolgend dem halbdurchlässigen Spiegel 121. In der Mitte des internen Weges 113 und des optischen Weges 114 für die Abstandsmessung ist eine optische Wegveränderungseinrichtung 115 und eine Lichtmengenreguliereinheit 116 bereitgestellt. Der halbdurchlässige Spiegel 118 läßt den zurückkommenden Lichtstrahl, der durch den optischen Weg 114 zur Abstandsmessung läuft, durch und führt ihn zu dem photoelektrischen Detektor 120 für die Abstandsmessung, und er reflektiert auch den Lichtstrahl von dem internen optischen Weg 113, der von dem Spiegel 117 reflektiert wird, und führt ihn zu dem photoelektrischen Detektor 120 zur Abstandsmessung. Keine polarisierenden optischen Komponenten, wie z. B. ein Polarisationsfilter, sind in dem optischen Weg 114 für die Abstandsmessung angeordnet, weil es notwendig ist, das Licht, das von dem reflektierenden Objekt reflektiert wird, perfekt zu empfangen und ein Signal mit einem höheren Pegel für die Abstandsmessung zu erhalten. Die optische Wegveränderungsvorrichtung 115 verändert sich über den optischen Weg 114 zur Abstandsmessung und dem internen optischen Weg 113. Die Lichtmengenreguliereinheit 116 reguliert die Lichtmenge des Lichtstrahls, der durch den internen optischen Weg 113 bzw. den optischen Weg 114 für die Abstandsmessung läuft. Der Codierer 129 detektiert Winkel (Drehwinkel) der Strahlrichtung des Laserstrahls in Bezug auf die Referenzrichtung. Zusätzlich umfaßt der feste Abschnitt 100 verschiedene Steuerschaltungen.
Ein Positionssteuerabschnitt 127 detektiert die Position der reflektierenden Einheit 102 gemäß dem Lichtempfangssignal von dem Detektionsabschnitt 104 zur Steuerung der Position und gibt ein Positionsdetektionssignal an einen Winkelmeßabschnitt 130 aus und gibt auch ein Rotationssteuersignal für die Steuerung der Rotation des Rotationsabschnitts 101 an einen Antriebsabschnitt 128 aus. Der Antriebsabschnitt 128 steuert die Rotation und das Anhalten des Rotationsabschnitts 101 gemäß dem Rotationssteuersignal. Der Winkelmeßabschnitt 130 mißt den horizontalen Winkel der reflektierenden Einheit 102 basierend auf dem Positionsdetektionssignal, das von dem Positionssteuerabschnitt 127 ausgegeben wird, und dem Pulssignal, das von dem Codierer 129 ausgegeben wird. Ein LD-Modulationsabschnitt 132 weist einen Oszillator auf, der als Referenz für die Abstandsmessung verwendet wird, und moduliert die Laserdiode 106 für die Abstandsmessung und die Datenkommunikation. Ein Abstandsmeßabschnitt 131 mißt den Abstand gemäß dem Lichtempfangssignal von dem Detektionsabschnitt 105 für die Abstandsmessung und dem Signal basierend auf der Referenzoszillatorausgabe von dem LD-Modulationsabschnitt 132. Ein Systemsteuerabschnitt 133 steuert die zeitliche Abstimmung des Betriebs des gesamten Systems und verarbeitet verschiedene Daten gemäß den Meßergebnissen.
Der Rotationsabschnitt 101 wird durch einen Antriebsabschnitt 128 angetrieben und umfaßt eine Rotationseinheit, die ein pentagonales Prisma 111 umfaßt. Das pentagonale Prisma 111 übernimmt die Funktion des Änderns des optischen Weges in der horizontalen Richtung der optischen Achse, die sich in vertikaler Richtung von der Kippwinkelkorrektureinrichtung 108 erstreckt. Das pentagonale Prisma 111 wird um die vertikale optische Achse gedreht, und die Rotationswinkelposition wird durch den Codierer 129 detektiert.
Wie in Fig. 11, 12 und 13 gezeigt ist, umfaßt die reflektierende Einheit 102 ein Substrat 140, eine Reflexionsplatte 141, ein doppelbrechendes Element 142, einen Lichtdatenempfangsabschnitt 143 und einen Datenanzeigeabschnitt 144. In dem Substrat 140 ist eine elektronische Schaltung zum Empfangen von Daten von der Haupteinheit eingebaut. Die Reflexionsplatte 141 umfaßt ein Rückreflexionselement, und eine Vielzahl von feinkörnigen Würfeln oder sphärischen Reflektoren sind darin angeordnet. Das doppelbrechende Element 142 liefert eine Phasendifferenz von λ/4 für den einfallenden Lichtstrahl. Der Lichtdatenempfangsabschnitt 143 und der Datenanzeigeabschnitt 144 übernehmen die Funktion des Empfangs und der Anzeige der gemessenen Daten, die von der Haupteinheit durch optische Kommunikation übertragen werden. Die reflektierende Einheit 102 umfaßt grundsätzlich das Substrat 140, die Reflexionsplatte 141 und das doppelbrechende Element 142. Wenn Datenkommunikation nicht durchgeführt wird, ist es nicht notwendig, den Lichtdatenempfangsabschnitt 143 und den Datenanzeigeabschnitt 144 bereitzustellen.
Wenn ein zirkular polarisierter Laserstrahl in einen Bereich eintritt, in dem das doppelbrechende Element der reflektierenden Einheit 102 vorhanden ist, wird er in linear polarisiertes Licht durch das doppelbrechende Element 142 umgewandelt und durch die Reflexionsplatte 141 reflektiert. Dann tritt der Laserstrahl wieder in das doppelbrechende Element 142, wird in zirkular polarisiertes Licht von umgekehrter Richtung umgewandelt und tritt wieder in das pentagonale Prisma 111 der Haupteinheit. Andererseits wird, wenn der Lichtstrahl in einen Bereich tritt, in dem das doppelbrechende Element nicht vorhanden ist, die Richtung des zirkular polarisierten Lichts des reflektierten Lichtstrahls durch die reflektierende Platte 141 beibehalten, und der reflektierte Lichtstrahl tritt wieder in das pentagonale Prisma 111 der Haupteinheit.
Als nächstes wird der Betrieb des Vermessungssystems (der Laserrotationsvorrichtung) beschrieben.
Das Verfahren zum Detektieren des reflektierenden Objekts, das in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, ist grundsätzlich das gleiche wie das in der japanischen Patentanmeldung Nr. 5-231522 offenbarte Verfahren. Die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls, der von der Haupteinheit ausgestrahlt wird, wird im voraus auf eine vorbestimmte Richtung gesetzt. Der Beleuchtungslichtstrahl geht durch das doppelbrechende Element 142 der reflektierenden Einheit 102, wird durch die Reflexionsplatte 141 reflektiert, geht wieder durch das doppelbrechende Element 142 und läuft zu der Haupteinheit zurück. Sobald er in der Haupteinheit ist, geht der polarisierte Reflexionslichtstrahl durch den Strahlteiler 122 für polarisiertes Licht, der vor dem ersten photoelektrischen Detektor 124 angeordnet ist. Der erste photoelektrische Detektor 124 gibt ein Lichtempfangssignal basierend auf dem Lichtstrahl aus, der eine Polarisationsrichtung aufweist, die durch das doppelbrechende Element 142 verändert ist, und der zweite photoelektrische Detektor 126 gibt ein Lichtempfangssignal basierend auf dem reflektierten polarisierten Lichtstrahl aus, der die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls, der von der Haupteinheit emittiert wird, beibehält. Falls der Beleuchtungslichtstrahl, der von der Haupteinheit emittiert wird, durch die reflektierende Einheit 102 geht, sollte somit eine Kombination der Ausgabe des ersten photoelektrischen Detektors 124 und der Ausgabe des zweiten photoelektrischen Detektors 126 ein vorbestimmtes Muster aufweisen. Somit ist es durch die Detektion des Ausgabemusters dieser zwei Detektoren möglich, zu identifizieren, ob es sich um einen reflektierten Lichtstrahl von der reflektierenden Einheit 102 oder um einen Lichtstrahl von anderen Quellen handelt.
Fig. 14 zeigt Muster der Lichtempfangsausgabe basierend auf einem polarisierten Reflexionslichtstrahl von der reflektierenden Einheit 102. In der Figur stellt (a) ein Muster einer Lichtempfangsausgabe in dem Fall dar, in dem die reflektierende Einheit 102 wie in Fig. 11 gezeigt angeordnet ist. (b) stellt ein Muster der Lichtempfangsausgabe in dem Fall dar, in dem die reflektierende Einheit 102 wie in Fig. 12 gezeigt angeordnet ist, und (c) stellt ein Muster der Lichtempfangsausgabe in dem Fall dar, in dem die reflektierende Einheit 102 wie in Fig. 13 gezeigt angeordnet ist. In Fig. 14 stellt < A> eine Lichtempfangsausgabe des ersten photoelektrischen Detektors 124 dar, und stellt eine Lichtempfangsausgabe des zweiten photoelektrischen Detektors 126 dar. In dem Fall, in dem die reflektierende Einheit 102 wie in (a) gezeigt angeordnet ist, ist die Lichtempfangsausgabe < A> des ersten photoelektrischen Detektors 124 groß, da das doppelbrechende Element 142 die gesamte Oberfläche abdeckt, und die Lichtempfangsausgabe des zweiten photoelektrischen Detektors 126 ist klein.
Im Falle, daß die reflektierende Einheit 102 wie in (b) gezeigt angeordnet ist, weist die Lichtempfangsausgabe < A> des ersten photoelektrischen Detektors 124 eine Wellenform mit zwei Peaks auf, andererseits weist die Lichtempfangsausgabe eine Wellenform mit einem Peak auf, der in der Mitte der zwei Peaks der Lichtempfangsausgabe < A> auf der Zeitachse positioniert ist, da die doppelbrechenden Elemente 142 auf beiden Seiten vorhanden sind und die reflektierende Platte 141 im Zentrum belichtet ist.
Im Falle, daß die reflektierende Einheit 102 wie in (c) angeordnet ist, ist das doppelbrechende Element 142 auf einer Seite angeordnet und die Reflexionsplatte 141 ist einfach auf der anderen Seite angeordnet. Somit weisen die Lichtempfangsausgabe < A> des ersten photoelektrischen Detektors 124 und die Lichtempfangsausgabe des zweiten photoelektrischen Detektors 126 Wellenformen mit Peak-Positionen auf, die von der Zeitachse abweichen.
Wenn es erforderlich ist, das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 zu detektieren, wie es der Fall ist, wenn der Rotationsabschnitt 101 beibehalten wird, wie er auf die reflektierende Einheit 102 gerichtet ist, ist es empfehlenswert, das Zentrum unter der Verwendung der Wellenform < A - B> zu detektieren, welche durch das Subtrahieren der Lichtempfangsausgabe des zweiten photoelektrischen Detektors 126 von der Lichtempfangsausgabe < A> von dem ersten photoelektrischen Detektor 124 erhalten wird.
Im Falle von (a) ist die Lichtempfangsausgabe ungefähr Null. Somit wird der Peak der Lichtempfangsausgabe < A> detektiert, und es wird daraus geschlossen, daß der Rotationsabschnitt 101 in Richtung auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 gerichtet ist. Im Falle von (b) weist die Wellenform < A - B> einen Minimalwert auf, und es wird daraus geschlossen, daß der Rotationsabschnitt 101 in Richtung auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 gerichtet ist, wenn der Rotationsabschnitt 101 den Minimalwert detektiert. Im Falle von (c) weist die Wellenform < A - B> einen Maximalwert und Minimalwert mit umgekehrten positiven und negativen Vorzeichen auf. Somit wird der Punkt, wenn der Wellenformwert < A - B> von minus nach plus wechselt, detektiert, und es wird daraus geschlossen, daß der Rotationsabschnitt 101 in Richtung auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 gerichtet ist.
Bei der Detektion des Zentrums der reflektierenden Einheit 102, wie sie oben beschrieben wurde, ist es, wenn die reflektierende Einheit 102 einmal detektiert worden ist, möglich, das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 durch den Rotationsabschnitt 101 zu finden, und zwar unabhängig davon, ob die reflektierende Einheit 102 nach vorne, nach hinten, nach rechts oder nach links bewegt wird, falls sie auf der horizontalen Ebene liegt, welche den Beleuchtungslichtstrahl umfaßt, der von der Haupteinheit emittiert wird. Im Falle, daß es notwendig ist, daß ein horizontaler Winkel der reflektierenden Einheit 102 in Bezug auf eine bestimmte Referenz vorliegt, kann das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 ferner durch dieses Verfahren detektiert werden, und der Rotationswinkel des Rotationsabschnitts 101 kann zum Zeitpunkt der Detektion in einem Speicher durch die Pulsausgabe des Codierers 129 gespeichert werden.
Fig. 15 ist ein Flußdiagramm zur Erklärung des Betriebs des Systems.
Der Rotationsabschnitt 101 wird durch zwei Arten von Rotationsmodi rotiert: den Suchmodus und den Überwachungsmodus. Der Suchmodus ist ein Modus, um die reflektierende Einheit 102 zu suchen, und der Rotationsabschnitt 101 setzt seine Rotation in eine Richtung fort, bis die reflektierende Einheit 102 detektiert ist. Im folgenden wird dieser Betrieb als Suchbetrieb bezeichnet. Der Überwachungsmodus ist ein Modus, um die Beleuchtungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls, der von dem Rotationsabschnitt 101 zu der reflektierenden Einheit 102, die durch den Suchbetrieb detektiert wird, hin emittiert wird, beizubehalten. Wenn die reflektierende Einheit 102 sich in der horizontalen Ebene bewegt, welche den Beleuchtungslichtstrahl umfaßt, der von dem Rotationsabschnitt 101 emittiert wird, wird die reflektierende Einheit 102 überwacht. Abstandsmessung und Datenübertragung werden in diesem Überwachungsmodus durchgeführt.
Als erstes geht die Haupteinheit in den Suchmodus, um die reflektierende Einheit 102 zu suchen (S1). Wenn sie in den Suchmodus geht, setzt der Positionssteuerabschnitt 127 die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationsabschnitts 101 auf einen vorbestimmten Rotationsmodus (Suchgeschwindigkeit) (S2). Als nächstes wird identifiziert, ob das Positionsdetektionssignal, das von dem Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung erhalten wird, ein Signal von der reflektierenden Einheit 102 oder von anderen ist, und dieser Betrieb wird wiederholt, bis die reflektierende Einheit 102 detektiert ist (S3). Wenn die reflektierende Einheit 102 detektiert ist, geht die Haupteinheit in den Überwachungsmodus (S4). Der Rotationsabschnitt 101 wird durch das Verfahren angehalten, um die reflektierende Einheit, wie schon beschrieben wurde, zu detektieren. Wenn in den Überwachungsmodus übergegangen wird, bestimmt die CPU des Systemsteuerungsabschnitts 133, ob der Rotationsabschnitt 101 in Richtung auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 hin gerichtet ist, und zwar gemäß dem Positionsdetektionssignal, das von dem Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung erhalten wird (S5). Im Falle, daß der Rotationsabschnitt 101 in Richtung auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 hin gerichtet ist, wird der Abstand gemessen (Abstandsmessung und Winkelmessung, falls notwendig) und die gemessenen Daten werden übertragen (S6 - S8). Während des Zeitabschnitts, wenn das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 bestätigt wird, wird wenigstens die Abstandsmessung und die Übertragung der gemessenen Daten wiederholt (S6 - S8). Im Falle, daß die CPU des Systemsteuerabschnitts 133 feststellt, daß der Rotationsabschnitt 101 nicht zum Zentrum der reflektierenden Einheit 102 in der Mitte des Vorgangs gerichtet ist, wird beurteilt, ob das Signal, das von dem Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung erhalten wurde, das reflektierte Licht von der reflektierenden Einheit 102 ist oder nicht (S9). Falls es in diesem Fall als reflektierende Einheit 102 eingestuft wird, wird ein Motor (nicht gezeigt) derart angetrieben, daß das Signal, das von dem Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung erhalten wird, eine vorbestimmte Ausgabe erreicht, und der Rotationsabschnitt 101 ist zum Zentrum der reflektierenden Einheit 102 hin gerichtet (S10). Falls festgestellt wird, daß es nicht das Reflexionslicht von der reflektierenden Einheit 102 ist, wird der Suchvorgang gestartet (S2).
Im obigen Verfahren ist es möglich, die reflektierende Einheit 102 zu überwachen, selbst wenn sie während des Zeitabschnitts bewegt wird, wenn die reflektierende Einheit 102 sich auf der horizontalen Ebene befindet, welche den Beleuchtungslichtstrahl, der von der Haupteinheit emittiert wird, umfaßt.
Im Falle, daß zwei oder mehrere reflektierende Einheiten 102 vorhanden sind, oder daß die Messung an zwei oder mehr Meßpunkten durchgeführt wird, um die Richtung zu ermitteln, in der die reflektierende Einheit 102 bei dem ersten Meßpunkt vorhanden ist, werden die Winkeldaten, welche die Richtung in Bezug auf die Referenz des Rotationsabschnitts 101 zeigen, im Speicher gemäß der Ausgabe des Codierers 129 gespeichert, und der horizontale Winkel zwischen dem ersten Meßpunkt und dem nächsten Meßpunkt kann gemäß den Winkeldaten und der Ausgabe des Codierers 129 an dem nächsten Meßpunkt berechnet werden. In diesem Fall werden der gemessene Abstandswert an dem Meßpunkt und der horizontale Winkel an dem vorhergehenden Meßpunkt an die reflektierende Einheit 102 als die gemessenen Daten übertragen.
Die Kommunikationsdaten, die von der Haupteinheit übertragen werden, werden an der reflektierenden Einheit 102 erhalten, und die Datenmodulation wird durchgeführt. In der reflektierenden Einheit 102 ist eine Datenempfangsschaltung als eine elektronische Schaltung eingebaut, um die PSK-modulierten Kommunikationsdaten zu demodulieren.
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm der Datenempfangsschaltung. Die Datenempfangsschaltung umfaßt ein Lichtempfangselement 150, das als Lichtempfangsabschnitt 143 verwendet wird, einen Verstärker 151, eine Addierschaltung 152, einen Tiefpaßfilter 155, eine Addierschaltung 159, einen Schleifenfilter 157, eine VCO-Oszillatorschaltung 156, eine 90º-Versetzschaltung 153, eine Addierschaltung 154, einen Tiefpaßfilter 158, einen Tiefpaßfilter 160 und eine CPU 161. Die Addierschaltung 152, der Tiefpaßfilter 155, die Addierschaltung 159, der Schleifenfilter 157, die VCO-Oszillatorschaltung 156, die 90º-Versetzschaltung 153, die Addierschaltung 154 und der Tiefpaßfilter 158 bilden eine bekannte Costas-Schleifenschaltung, welche die PSK-modulierten Daten demoduliert. Die demodulierten Daten werden durch die CPU 161 decodiert und auf dem Datenanzeigeabschnitt 144 der reflektierenden Einheit 102 angezeigt.
Das obige Verfahren der Abstandsmessung ist ein schon bekanntes Verfahren. Es wird nunmehr ein Verfahren für die Durchführung der Abstandsmessung und der Datenübertragung zur gleichen Zeit ohne Zeitaufteilung beschrieben, um die Datenübertragungsrate zu verbessern.
Obwohl diese Abstandsmeßmethode grundsätzlich zwei Wellenlängen von 300 kHz und 15 MHz verwendet, kann das Signal von 300 kHz, das als lange Wellenlänge für die Abstandsmessung verwendet wird, auch Kommunikationsdaten tragen, falls die PSK-Modulation unter der Verwendung dieser Frequenz als Träger durch Eingabe der Kommunikationsdaten durchgeführt wird. Das heißt, das Signal von 300 kHz wird nicht kontinuierlich moduliert, und der Abstand wird wie folgt gemessen.
Als erstes wird das reflektierte Licht von der reflektierenden Einheit 102 in ein elektrisches Signal durch eine photoelektrische Konvertierungseinrichtung konvertiert. Im Falle, daß das Lichtempfangssignal eine Frequenz von 15 MHz aufweist, wird es auf ein Signal mit einer Frequenz von 300 kHz heruntergetaktet. Im Falle, daß es eine Frequenz von 300 kHz aufweist, wird es ohne Veränderung verwendet, und die Phasendifferenz wird unter der Ver wendung des Signals als das zu messende Signal gemessen. Nach der photoelektrischen Konvertierung wird als nächstes ein Zyklus des zu messenden Signals mit einer Frequenz von 300 kHz durch eine Analog/Digital-Wandlung (nachfolgend als A/D-Wandlung bezeichnet) konvertiert, und zwar unter der Verwendung der Ausgabefrequenz von 15 MHz des Referenzsignaloszillators in der Haupteinheit als Abtastzyklus, und es wird in 50 digitale Datenreihen gewandelt. Die digitalen Datenreihen werden in 50 Adressen im Speicher gespeichert. Während der Durchführung der A/D-Wandlung für mehrere Zyklen werden alte Daten bei jeder Adresse in jedem Zeitpunkt hinzugefügt, und die hinzugefügten Daten werden wiederum in dem Speicher gespeichert. In diesem Fall wird die Adressnummer, in der die Daten hinzugefügt und gespeichert werden, jedesmal verschoben, wenn der Phasenzustand der PSK-Modulation verändert wird. Durch dieses Verfahren ist es möglich, das PSK-modulierte Signal als kontinuierliches moduliertes Signal mit keiner offensichtlichen Phasenverschiebung zu bearbeiten. Wenn die integrierten Daten erhalten werden, welche durch das Addieren von diesen durch eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen berechnet werden, wird jeder Wert der integrierten Daten gemittelt, und die Phasendifferenz zwischen dem zu messenden Signal und dem Referenzsignal in der Haupteinheit wird unter der Verwendung einer Fouriertransformation mittels einer Phasendetektionseinrichtung detektiert, und sie werden in Abstandsdaten gewandelt. Durch dieses Verfahren ist es möglich, ein feines und kleines Signal aufzunehmen, das im Rauschen versteckt ist.
Nunmehr wird die Anordnung einer elektrischen Schaltung des Abstandsmeßsystems in dem Verfahren zur Abstandsmessung in Bezug auf ein Blockdiagramm der Fig. 17 beschrieben.
Die elektrische Schaltung dieses Abstandsmeßsystems umfaßt ein Lichtempfangselement 169, einen Verstärker 170, einen Mischer 171, einen Lokalsignaloszillator 172, einen Bandpaßfilter 173, ein Gatter 174, eine Signaldetektionsschaltung 175, einen A/D-Wandler 176, eine Addiereinrichtung 178, einen Zufallsspeicher 179, eine CPU 180, einen Adresszähler 181, ein Steuergatter 182, einen Referenzsignaloszillator 183, einen Zähler 184, ein Wechselgatter 185, einen Treiber 186, ein lichtemittierendes Element 187 (welches einer Lichtquelle 106 entspricht) und eine Adressverschiebeeinrichtung 188.
Das Licht, das von dem lichtemittierenden Element 187 emittiert wird, durchläuft entweder eine kontinuierliche Modulation bei einer Frequenz von 15 MHz oder eine PSK-Modulation bei einer Frequenz von 300 kHz durch die Treiberschaltung 186 für den Lichtquellenantrieb, und der Wechsel der Modulation wird durch ein Frequenzwechselsignal gesteuert, das von der CPU 180 ausgegeben wird. Das Referenzsignal mit der Frequenz von 15 MHz wird durch einen Referenzsignaloszillator 183 erzeugt, und das Referenzsignal mit einer Frequenz von 300 kHz wird durch das Aufteilen dieses Referenzsignals ein Fünftel durch den Zähler 184 erzeugt. Bei der Messung der Phasendifferenz des reflektierten Lichts, das von der reflektierenden Einheit 102 reflektiert wird und von dieser zurückläuft, wird eine Frequenz von 15 MHz für feine Messung und eine Frequenz von 300 kHz für grobe Messung verwendet.
Das Licht, das von der Haupteinheit abgestrahlt wird, wird durch die reflektierende Einheit 102 reflektiert und läuft zu der Haupteinheit zurück und wird von dem lichtempfangenden Element 169 empfangen. Dieser Lichtempfangsstrahl wird durch das Lichtempfangselement 169 empfangen und durchläuft photoelektrische Konvertierung. Nach der Verstärkung durch den Verstärker 170 geht es durch das Gatter 174 und wird an die Signaldetektionsschaltung 175 und den A/D-Wandler 176 gesendet. Im Falle, daß das zu messende Signal eine PSK-Modulation bei einer Frequenz von 300 kHz durchläuft, gibt das Gatter 174 das Signal aus, das in das Gatter 174 eingegeben wurde, und zwar ohne Veränderung. Im Falle, daß das zu messende Signal ein kontinuierliches Modulationssignal mit einer Frequenz von 15 MHz ist, wird ein Signal, das auf 300 kHz heruntergetaktet ist, ausgegeben. Dieses heruntergetaktete Signal wird durch das Mischen des kontinuierlichen Modulationssignals mit der Frequenz von 15 MHz und des lokalen Signals mit einer Frequenz von 15 MHz mit 300 kHz des lokalen Signaloszillators 172 unter der Verwendung des Mischers 171 erhalten. Dann wird es an das Gatter 174 über den Bandpaßfilter 173 mit einer Mittenfrequenz von 300 kHz gesendet.
Die Signaldetektionsschaltung 175 übernimmt eine Funktion bei der Detektion des Lichtmengenpegels des reflektierten Lichts und umfaßt eine Synchronisations- und Detektionsschaltung. Wenn das PSK-Modulationssignal empfangen wird, verschiebt diese Signaldetektionsschaltung 175 die Phase des Synchronisationssignals, um dem Phasenzustand der PSK-Modulation zu entsprechen. Die CPU 180 stellt die Lichtmengenreguliereinrichtung 116 derart ein, daß das Lichtmengenniveau auf ein vorbestimmtes Niveau gehoben wird. Durch das Senden des Signals zu dem A/D-Wandler 176 wird dieses durch die Addiereinrichtung 178, den Zufallsspeicher 179, die CPU 180, den Adresszähler 181, das Steuergatter 182 und die Adressverschiebeeinrichtung 188 verarbeitet, und zwar unter der Verwendung eines Verfahrens, das weiter unten beschrieben wird.
Als nächstes wird das detaillierte Prinzip des Abstandsmeßverfahrens mit Bezug auf Fig. 18, 19 und 20 beschrieben.
Fig. 18 und Fig. 19 erklären jeweils das Abstandsmeßverfahren in dem Fall, daß das Lichtempfangssignal ein PSK-moduliertes mit einer Frequenz von 300 kHz ist.
Fig. 18 zeigt eine Anordnung von Übertragungsdaten und Verhältnissen der PSK-Modulation.
Die gemessenen Daten, die in der CPU 180 erzeugt werden, werden in digitale Binärsignale gewandelt und an die reflektierende Einheit 102 über PSK-Modulation unter der Verwendung des Signals von 300 kHz für grobe Messung als Träger übertragen. Wie in Fig. 18 (a) gezeigt ist, werden alle Übertragungsdaten, welche "a" Bits umfassen, wiederholt übertragen, so oft, wie vorher bestimmt wurde. Ein Bit der Übertragungsdaten umfaßt 10 Zyklen des Signals mit der Frequenz von 300 kHz, wie in Fig. 18 (b) gezeigt ist, und die Phase wird alle 10 Zyklen verschoben, um mit dem Wert des digitalen Binärsignals der Kommunikationsdaten übereinzustimmen. Fig. 18 zeigt ein Beispiel, bei dem die Phasenverschiebungsgröße mit Null übereinstimmt, wenn der Wert des digitalen Binärsignals Null ist, und die Phasenverschiebungsgröße stimmt mit π überein, wenn der Wert des digitalen Binärsignals 1 ist. Nachfolgend ist der Zustand, bei dem die Phasenverschiebungsgröße 0 ist, als ein Phasenzustand A bezeichnet und der Zustand, bei dem die Phasenverschiebungsgröße π ist, als ein Phasenzustand B. Somit wird die PSK- Modulation durch das Eingeben des Referenzsignals mit einer Frequenz von 300 kHz durch das digitale Binärsignal der Meßergebnisse durchgeführt.
Wie in Fig. 18 (b) gezeigt ist, wird, wenn der Datenwert von 0 auf 1 wechselt, die Phase des Trägersignals mit einer Frequenz von 300 kHz um 180º (π) verschoben. Deshalb kann die Phasendifferenz in diesem Zustand nicht gemessen werden. Bei der Speicherung in dem Speicher nach der A/D-Wandlung wird der Speicherstartpunkt der Datenreihe verschoben und in 50 Adressen in dem Speicher in Übereinstimmung mit dem Phasenzustand der PSK- Modulation gespeichert.
Das Signal, das durch das reflektierte Licht, das von der Haupteinheit emittiert und durch die reflektierende Einheit 102 reflektiert wird, erhalten wird, wird in ein Signal mit einer Phase gewandelt, welche in Bezug auf das Referenzsignal in der Haupteinheit verzögert ist, wie in Fig. 18 (c) gezeigt. In der Tat wird der A/D-Konvertierungswert des Signals mit verzögerter Phase im Speicher gespeichert. Fig. 18 (d) zeigt das Verhältnis zwischen dem Phasenzustand und der Adresse, wenn die Wellenform des Phasenzustands im Speicher gespeichert ist.
Die CPU 180 verschiebt die Speicheradresse für den Speicherbeginn zwischen der ersten und 2Sten jedesmal, wenn der Wert des digitalen Binärsignals der Kommunikationsdaten [das Eingabesignal für die PSK-Modulation (um die Phase der Trägerfrequenz zu wechseln)] verändert wird. Das heißt, wenn der Phasenzustand A ist, werden die A/D-Konvertierungswerte in der ersten bis 50ten Adresse gespeichert. Wenn der Phasenzustand B ist, werden die A/D-Konvertierungswerte aufeinanderfolgend von der 26ten bis zur 50ten Adresse gespeichert. Dann wird zur ersten Adresse zurückgegangen und die verbleibenden Daten werden aufeinanderfolgend von der ersten bis zur 2Sten Adresse gespeichert. Die Adressen werden durch den Adresszähler 181 gezählt, und die Adressen werden nach dem Zählen durch die CPU 180 unter der Verwendung der Adressverschiebeeinrichtung 188 verschoben. Diese Adressverschiebeeinrichtung 188 umfaßt eine Addiereinrichtung.
Die Daten, die von dem A/D-Wandler 176 ausgegeben werden, werden in die Addiereinrichtung 178 eingegeben und zu den alten Daten der Adresse, die durch die Adressverschiebeeinrichtung 181 angezeigt werden, hinzuaddiert. Nachfolgend werden die hinzuaddierten Daten in der gleichen Adresse gespeichert. Deshalb wird die PSK-modulierte Wellenform durch das Verschieben der Adresse des Speicherbeginns gemäß dem Phasenzu stand als eine offensichtliche kontinuierliche Wellenform betrachtet, und die Daten werden integriert. Aus weiter unten beschriebenen Gründen werden von 10 Zyklen der Signale mit einer Frequenz von 300 kHz, welche ein Bit bilden, diejenigen von 9 Zyklen außer dem ersten Zyklus hinzuaddiert. Somit ist die Gesamtanzahl der Addierzeiten des Signals pro Rahmen von allen Übertragungsdaten, welche "a" Bits bilden, (9 · A).
Im Falle, daß die A/D-Wandlung und die Addition von einer vorbestimmten Anzahl von Zeiten durchgeführt worden ist, werden die Daten für jede Adresse gemittelt, und eine Fouriertransformation wird für die gemittelte Datenreihe durchgeführt, und die Phasendifferenz des zu messenden Signals wird durch die Phasendetektionseinrichtung detektiert. Von der Phasendifferenz kann die optische Weglänge des optischen Weges für die Abstandsmessung oder diejenige des internen optischen Weges erhalten werden.
Die Phasendifferenz φ wird wie folgt detektiert:
Es wird angenommen, daß die gemittelten Daten, die in jeder Adresse durch das obige Verfahren gespeichert werden, D (n) sind. Hier wird angenommen, daß die Anzahl der Proben pro Zyklus des zu messenden Signals N ist, und daß n durch eine ganze Zahl ausgedrückt ist, wobei 1 ≤ n ≤ N ist. Dann wird die Berechnung durchgeführt:
unter der Verwendung der Werte von a und b.
φ = tan&supmin;¹ (b / a)
wird berechnet, um die Phasendifferenz zwischen dem zu messenden Signal und dem Referenzsignal zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform ist N = 50 und n stellt eine Anzahl der Adressen dar. Diese Berechnung bedeutet, daß die Phase der Grundwelle des zu messenden Signals durch Fouriertransformation gemessen wird.
In diesem Fall wird eine Phase unter der Verwendung der Daten der Ergebnisse erhalten, die durch das Addieren und Mitteln der Signale für mehrere Zyklen des zu messenden Signals erhalten werden. Somit ist der gemittelte Effekt sehr hoch, und die Variation der gemessenen Werte, die durch Rauschen in dem zu messenden Signal verursacht wird, kann vermindert werden. Falls die Mittelung so oft wie erwünscht durchgeführt wird, ist es möglich, ein Signal zu messen, das ein sehr geringes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Da ein Quantisierungsfehler, der während der A/D-Wandlung auftritt, auch gemittelt wird, kann die Auflösung weiter erhöht werden. In der Phasenmessung ist es notwendig, die Grundwellenbestandteile durch die Fouriertransformation zu identifizieren. Somit ist das zu messende Signal nicht notwendigerweise eine Sinus-Wellenform, und es kann eine rechteckige Welle oder eine Dreieckswelle sein.
Fig. 19 ist ein zeitliches Ablaufdiagramm der PSK-Modulation und der A/D-Wandlung.
Im zeitlichen Ablauf werden die PSK-Modulation und andere Datenverarbeitungsschritte insgesamt mit dem Referenzsignal mit der Frequenz von 300 kHz synchronisiert. In der PSK-Modulation der vorliegenden Ausführungsform ist er derart angeordnet, daß die Kommunikationsdaten zu einem Bit durch 10 Zyklen des Trägersignals mit der Frequenz von 300 kHz gewandelt werden, wie schon in Bezug auf Fig. 18 beschrieben wurde. Folglich wird die Taktfrequenz der Kommunikationsdaten zu 30 kHz bestimmt. Das heißt, ein Takt des Signals mit der Frequenz von 30 kHz entspricht einem Bit der Kommunikationsdaten. Wie schon erklärt wurde, wird das digitale Binärsignal der gemessenen Daten, d. h. die Kommunikationsdaten (Dummy-Daten, nachdem die Messung begonnen wurde) als Adressverschiebesignal des Speichers verwendet.
Die A/D-Wandlung wird durchgeführt, während das Startsignal der Messung an ist, nachdem das Taktsignal der Kommunikationsdaten ansteigt, und die A/D-Wandlung wird nach jedem Takt des Referenzsignals gestartet. Da die Phase in jedem reflektierten und zurückgelaufenen Lichtstrahl in Bezug auf das Referenzsignal verzögert wird, tritt die Phase des vorangegangenen Bits zuerst auf, wenn die A/D-Wandlung zur gleichen Zeit wie die Datenübertragung gestartet wird, und das obige Verfahren ist das Verarbeiten zum Verwerfen dieses Abschnitts. Deshalb wird die A/D-Wandlung und die Addition für 9 Zyklen der Signale von 300 kHz in Bezug auf ein Datenbit wiederholt.
Das Flußdiagramm, das in Fig. 20 gezeigt ist, stellt den Gesamtfluß des Abstandsmessungsvorgangs in dem Fall dar, wenn das Prinzip der Abstandsmessung, das in Bezug auf Fig. 18 und 19 beschrieben wurde, verwendet wird.
Das Flußdiagramm der Fig. 20 zeigt die Details des Abstandsmeßschritts (S7) und des Übertragungsschritts (S8) der gemessenen Daten in dem Betriebsflußdiagramm der Fig. 15.
Bei Beginn des Abstandmeßschritts (S7) fängt die CPU 180 als erstes an, den Abstand zu messen (S70) und überprüft, ob die Daten der Abstandsmessung vorliegen oder nicht. Falls die Daten vorliegen, wird ihr Wert als die Daten für die Kommunikation verwendet. Da die Daten für die Kommunikation nicht sofort nach dem Beginn der Abstandsmessung vorhanden sind, werden Dummy-Daten als die Daten für die Kommunikation (S71 - S73) vorbereitet. Als nächstes wählt die CPU 180 den optischen Weg durch den optischen Wegwechsler 115 aus (S74). Dies wird durchgeführt, da es notwendig ist, die interne optische Weglänge von der optischen Weglänge der Distanzmessung zu subtrahieren, um den erwünschten Abstand zu erhalten. Da der Abstand durch 2-Wellenlängen-Messung unter der Verwendung von Frequenzen von 300 kHz und 15 MHz gemessen wird, wird der PSK- modulierte Beleuchtungslichtstrahl mit einer Frequenz von 300 kHz an die reflektierende Einheit 102 emittiert (S75). Diese PSK-Modulation dient zur Durchführung der Abstandsmessung und der Datenkommunikation zur gleichen Zeit. In diesem Fall sind die Daten, die von der PSK-Modulation übertragen werden, die oben vorbereiteten Daten für die Kommunikation. Als nächstes wird, um die Variation der gemessenen Werte, die durch die Lichtmenge verursacht wird, die Lichtmenge durch die Lichtmengenreguliereinheit 116 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt (S76). Wenn die Lichtmenge eingestellt worden ist, wird die Messung begonnen.
Wenn die Messung begonnen wird, wird die Adresse gemäß dem Wert der übertragenen Daten verschoben (S77). Dann wird die Anzahl der Additionen der A/D-gewandelten gemessenen Signale gezählt (S78) und die Adresse wird durch den Adresszähler gezählt, um den Punkt zu spezifizieren, der gespeichert werden soll (S79), und die Adresse wird durch die Adressverschiebeeinrichtung verschoben. Dann wird die A/D-Wandlung begonnen (S80). Die A/D-gewandelten Daten werden zu den alten Daten der Adresse, die durch die Adressverschiebeeinrichtung bestimmt sind, hinzuaddiert (S81). Die hinzuaddierten Daten werden in der bestimmten Adresse als ein neuer Wert gespeichert (S82). Dieses Verfahren wird 50 Mal wiederholt (für einen Signalzyklus mit einer Frequenz von 300 kHz) (S83). Wenn die Daten 9-mal hinzugefügt worden sind (für ein Bit) (S84), wird das Verfahren bis zu diesem Punkt für eine vorbestimmte Anzahl von Bits (für einen Rahmen) wiederholt (S85). In dem Flußdiagramm wird diese Anzahl von Bits als eine Übereinstimmung mit den Gesamtübertragungsdaten (ein Rahmen) erklärt, während sie auf die Anzahl der Bits für mehrere Male der Übertragungsdaten gesetzt werden kann (für mehrere Rahmen). Ferner können sie kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Bits für die Gesamtübertragungsdaten sein.
Wenn all diese Verarbeitungsschritte durchgeführt wurden, werden die Daten für jede Adresse gemittelt (S86). Eine Fouriertransformation wird dann für die derart gemittelte Datenreihe durchgeführt, und die Phasendifferenz zwischen dem zu messenden Signal und dem Referenzsignal in der Haupteinheit wird durch die Phasendetektionseinrichtung detektiert, und dieses wird in Abstandsdaten gewandelt (S87).
Als nächstes wird die Modulation des ausgestrahlten Lichts auf kontinuierliche Modulation bei einer Frequenz von 15 MHz geändert, und die Abstandsmessung wird durch ein Signal mit einer Frequenz von 15 MHz durchgeführt (S88).
Das Flußdiagramm von Fig. 20 zeigt ein Beispiel, in dem der Abstand durch eine herkömmliche Abstandsmeßmethode gemessen wird, nachdem das Signal auf eine Frequenz von 300 kHz heruntergetaktet wurde, im Falle, daß die Frequenz des Lichtempfangssignals 15 MHz ist. Jedoch kann der Abstand durch die gleiche digitale Datenverarbeitung gemes sen werden, wie es der Fall bei der PSK-Modulation des Signals mit der Frequenz von 300 kHz ist.
Als nächstes wird beurteilt, ob die Abstandsmessung beendet wurde oder nicht. Falls die Abstandsmessung beendet wurde, wird die optische Weglänge unter der Verwendung der gemessenen Daten, die durch die Abstandsmessung erhalten wurden, berechnet, welche auf zwei Signalen mit Frequenzen von 300 kHz und 15 MHz basiert. Nachdem die optische Weglänge sowohl von dem optischen Weg für die Abstandsmessung als auch dem internen optischen Weg gemessen wurde, subtrahiert die CPU 180 den Wert der internen optischen Weglänge von der optischen Weglänge der Abstandsmessung, und der derart erhaltene Wert wird in einen Abstand umgewandelt, um den Abstand von der Haupteinheit des Systems zur reflektierenden Einheit zu erhalten. Das derart erhaltene Ergebnis wird als die neuen Kommunikationsdaten verwendet (S89, S90). Der Schritt für die Abstandsmessung wurde beendet (S91).
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Eingabe durch den Wert der Ergebnisse der Abstandsmessung selbst durchgeführt, wohingegen die Eingabe nach der Codierung der Abstandsmeßdaten durchgeführt werden kann. In der obigen Ausführungsform wurde ein Beispiel für den Fall beschrieben, bei dem die Daten als binäre Phaseninformation übertragen werden, wobei es auch möglich ist, die Phaseninformation zu multiplexen, um die Datenübertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
In der obigen Ausführungsform ist es möglich, das System unter der Verwendung einer Abstandsmeßmethode zu vereinfachen, bei welcher die Datenkommunikation und Abstandsmessung gleichzeitig unter der Verwendung der gleichen Lichtquelle durchgeführt werden können.
Als nächstes wird mit Bezug auf Fig. 21 bis 23 eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der der Lichtstrahl, der von der Haupteinheit ausgestrahlt wird, auf eine reflektierende Einheit 102 hin gestrahlt wird, um eine Referenzebene festzusetzen, und die Abstandsmessung und Datenkommunikation wird gleichzeitig durchgeführt.
In dieser weiteren Ausführungsform sind die Systemanordnung, die elektrischen Schaltungen, das Abstandsmeßverfahren etc. ungefähr die gleichen wie diejenigen von der ersten Ausführungsform, wobei sie sich jedoch in dem Steuerverfahren durch die CPU, wie z. B. den Betrieb der Haupteinheit, die zeitliche Abstimmung der Abstandsmessung, etc. unterscheidet.
In der ersten Ausführungsform wird der ausgestrahlte Lichtstrahl des Rotationsabschnitts 101 gesteuert und auf das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 hin gerichtet, wohingegen in der vorliegenden Ausführungsform ein Abtastmodusbetrieb durchgeführt wird, um den Beleuchtungslichtstrahl entlang der horizontalen Referenzebene abzutasten, so daß die horizontale Referenzebene einfach bestätigt werden kann. Fig. 21 ist ein Flußdiagramm des Betriebs dieser Ausführungsform.
Wenn die Haupteinheit in den Suchmodus geht (S1), setzt der Positionssteuerabschnitt 127 die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationsabschnitts 101 auf eine vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit fest (Suchgeschwindigkeit) (S2). Als nächstes wird in dem Detektionsschritt der reflektierenden Einheit (S3) beurteilt, ob das durch den Detektionsabschnitt 104 für die Positionssteuerung erhaltene Signal ein Signal ist, das von der reflektierenden Einheit 102 reflektiert wurde oder nicht. Falls es als ein Signal von der reflektierenden Einheit 102 festgestellt wurde, geht es in den Abtastmodus (S4).
Der Abtastmodus ist ein Modus, um den Rotationsabschnitt 101 reziprok in einem bestimmten Rotationswinkel zu bewegen, und die reflektierende Einheit 102 ist in der zentralen Richtung des Rotationswinkels angeordnet. Der Abtastmodus wird durch ein Signal gesteuert, das durch die photoelektrischen Detektoren 124 und 126 des Detektionsabschnitts 104 für die Positionssteuerung erhalten wurde. Wenn in den Abtastmodus gegangen wird, dreht der Positionssteuerabschnitt 127 die Rotationsrichtung des Rotationsabschnitts 101 um (S5). Als nächstes wird beurteilt, ob die reflektierende Einheit 102 durchlaufen wurde oder nicht. Die Beurteilung, ob die reflektierende Einheit abgetastet wurde oder nicht, wird durch die Erkenntnis gemacht, ob das reflektierte Licht von der reflektierenden Einheit 102 als der vorbestimmte Puls erhalten wurde oder nicht (S6). Im Falle der reflektierenden Einheit 102, die in Fig. 14 (a) gezeigt ist, wird ein Motor derart gesteuert, daß die Umkehrung auftritt, wenn das Differenzsignal zwischen dem ersten photoelektrischen Detektor 124 und dem zweiten photoelektrischen Detektor 126 unter einem vorbestimmten Niveau ist. Im Falle der reflektierenden Einheit 102, die in Fig. 14 (b) gezeigt ist, wird das Signal, das von dem ersten photoelektrischen Detektor 124 erhalten wurde, beobachtet, und der Motor wird derart gesteuert, daß die Umkehrung auftritt, wenn dieses Signal durch zwei Pulse detektiert wird. Im Falle der reflektierenden Einheit 102, die in Fig. 14 (c) gezeigt ist, wird der Absolutwert des Differenzsignals zwischen dem ersten photoelektrischen Detektor 124 und dem zweiten photoelektrischen Detektor 126 beobachtet, und der Motor wird derart gesteuert, daß die Umkehrung auftritt, wenn dieses Signal durch zwei Pulse detektiert wird.
Im Falle, daß beurteilt wird, daß die reflektierende Einheit 102 abgetastet wurde, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Motors auf die Abtastgeschwindigkeit gesetzt (S7), und die Rotationsrichtung des Rotationsabschnitts 101 wird umgekehrt, und der Abtastvorgang wird wiederholt. Im Falle, daß kein vorbestimmter Puls während der Abtastung der reflektierenden Einheit 102 erhalten wird, wird bestätigt, ob es die reflektierende Einheit 102 ist oder nicht (S5). Im Falle, daß die reflektierende Einheit 102 innerhalb eines bestimmten Rotationswinkels des Rotationsabschnitts 101 vorhanden ist und der Beleuchtungslichtstrahl noch nicht die reflektierende Einheit 102 durchlaufen hat, sollte das Verfahren auf die Beurteilung der Detektion des vorbestimmten Pulses zurückgehen. Im Falle, daß es nicht möglich ist, die reflektierende Einheit 102 zu bestätigen, liegt die reflektierende Einheit 102 nicht innerhalb des Rotationswinkels. In diesem Fall sollte das Verfahren auf den Suchmodus (S1) zurückgehen, und der Detektionsvorgang, um die reflektierende Einheit 102 zu detektieren, wird wieder begonnen. Als Ergebnis tastet der Laserstrahl, der von der Haupteinheit ausgestrahlt wird, reziprok ab und eine horizontale Referenzlinie von einer gegebenen Länge mit dem Zentrum auf der reflektierenden Einheit 102 wird auf der Beleuchtungsebene gebildet.
Die Abstandsmessung und Übertragung der gemessenen Daten wird während des Abtastmodus durchgeführt.
In dem Abtastmodus geht der reflektierte Lichtstrahl zu der Haupteinheit zurück, und zwar nur wenn der ausgestrahlte Lichtstrahl durch die reflektierende Einheit 102 geht, und das zu messende Signal wird intermittierend bei der Haupteinheit empfangen. Deshalb steuert die CPU die zeitliche Abstimmung der Abstandsmessung derart, daß die Phasendifferenz nur während der Periode gemessen wird, wenn der reflektierte Lichtstrahl zu der Haupteinheit zurückgeht.
Die Abstandsmessung und Übertragung der gemessenen Daten sind die gleichen, wie sie in dem Flußdiagramm der Fig. 20 gezeigt sind, wohingegen die Modulationsfrequenz verändert wurde, um mit der Rotationsrichtung des Rotationsabschnitts 101 übereinzustimmen. Wenn beispielsweise im Uhrzeigersinn mit Bezug auf die reflektierende Einheit 102 abgetastet wird, wird der Beleuchtungslichtstrahl der PSK-Modulation bei der Frequenz von 300 kHz von der Haupteinheit emittiert. Im Falle, daß gegen den Uhrzeigersinn abgetastet wird, wird der Beleuchtungslichtstrahl der kontinuierlichen Modulation mit einer Frequenz von 15 MHz von der Haupteinheit emittiert, um den Abstand zu messen.
Wenn es notwendig ist, den Winkel zu messen, wird der Abtastmodus wie im Falle der Abstandsmessung und Übertragung der gemessenen Daten durchgeführt. Fig. 22 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel der Winkelmessung im Abtastmodus zeigt. Um den Winkel zu messen, wir die Ausgabe des Codierers im Speicher gespeichert, wenn das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 detektiert wurde, und zwar durch das Verfahren zum Detektieren des Zentrums der reflektierenden Einheit 102, wie bereits im Abtastmodus beschrieben wurde. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, wie im vorangegangenen bestimmt wurde, und die erhaltenen Daten werden gemittelt, und sie werden als horizontale Winkel berechnet. Als erstes wird die Anzahl der Additionen gezählt (S1), und es wird dann detektiert, ob die Additionen so viele Male wie spezifiziert durchgeführt wurden (S2). Es wird dann beurteilt, ob sie das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 sind oder nicht (S3). Wenn das Zentrum der reflektierenden Einheit 102 detektiert wurde, wird die Codiererausgabe in dem Speicher gespeichert (S4). Nachdem die Codiererausgabe so viele Male wie spezifiziert hinzugefügt wurde, wird der horizontale Winkel berechnet (S5).
Wie im Falle der ersten Ausführungsform ist es in dieser Ausführungsform auch möglich, die reflektierende Einheit 102 zu überwachen, selbst wenn die reflektierende Einheit 102 in irgendeine Richtung bewegt wird, während die reflektierende Einheit 102 in der horizontalen Ebene liegt, welche den Lichtstrahl umfaßt, der von der Haupteinheit in dem Abtastmodus abgestrahlt wird.
Fig. 23 stellt ein zeitliches Ablaufdiagramm für die PSK-Modulation und die A/D- Wandlung dieser Ausführungsform dar. Da das zu messende Signal intermittierend empfangen wird, wird der Empfang des Signals durch eine Signaldetektionsschaltung 175 bestätigt. Nachdem die Ausgabe der Signaldetektion 175 angeschaltet wurde, wird die A/D- Wandlung begonnen, und zwar nachdem das Taktsignal der Kommunikationsdaten angestiegen ist und nach einem Takt des Referenzsignals mit einer Frequenz von 300 kHz. Der nachfolgende Datenverarbeitungsschritt ist der gleiche wie in der ersten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform können das Festsetzen der Referenzebene, die Abstandsmessung (Messung des Winkels falls notwendig) und die Datenkommunikation gleichzeitig ohne Zeitaufteilung durchgeführt werden. Somit ist es nicht notwendig, die reflektierende Einheit 102 festzusetzen, bis die Abstandsmessung beendet wurde. Und dies führt zu höherer Effizienz im Überwachungsbetrieb.
In der ersten Ausführungsform und in der vorliegenden Ausführungsform wird der Laserlichtstrahl zum Bestrahlen der Referenzebene simultan zur Abstandsmessung und Datenkommunikation verwendet. Um die Abstandsmeßgenauigkeit zu erhöhen, ist es besser, den Zustand des externen Lichts bei der Messung der Abstandsmessung des optischen Weges und bei der Messung des internen optischen Weges anzugleichen. Es ist auch zu bevorzugen, eine Lichtquelle von niedriger Kohärenz für die Abstandsmessung zu verwenden. In diesem Zusammenhang wird mit Bezug auf Fig. 24 noch eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der zwei Lichtquellen verwendet werden.
In Fig. 24 werden die gleichen Bauteile wie in Fig. 10 mit dem gleichen Symbol bezeichnet, und es wird hier keine detaillierte Beschreibung gegeben. Nur die unterschiedlichen Bauteile werden erklärt.
In dieser Ausführungsform wird eine zweite Lichtquelle 200 mit geringer Kohärenzeigenschaft, wie z. B. eine Laserdiode mit geringer Kohärenz (LD), eine superlumineszierende Diode (SLD), eine lichtemittierende Diode (LED) etc. als eine Lichtquelle für die Abstandsmessung und Datenkommunikation verwendet. Diese zweite Lichtquelle 200 emittiert unsichtbares Infrarotlicht mit einer längeren Wellenlänge als dasjenige der ersten Lichtquelle 201, und die LD 201, die als erste Lichtquelle dient, emittiert Rotlicht. Ein dichroitischer Spiegel 202 ist auch ein Spiegel mit Infrarottransmissionseigenschaften und Rotlicht-Reflexionseigenschaften. Der Beleuchtungslichtstrahl, der von der zweiten Lichtquelle 200 emittiert wird, wird mit dem Beleuchtungslichtstrahl synthetisiert, der von der LD 201 emittiert wird, welche als Lichtquelle für die Referenzebenen-Bestrahlung dient (die erste Lichtquelle), und zwar durch den dichroitischen Spiegel 202, der als Wellenlängenteiler dient, und das synthetisierte Licht wird zu der Haupteinheit emittiert. In dieser dritten Ausführungsform wird eine optische Wegveränderungsvorrichtung 205 auf der emittierenden Seite verwendet, um den Einfluß des externen Lichts zu vermindern, wenn Licht zur Abstandsmessung empfangen wird. Um den internen optischen Weg 101 zu bilden, werden auch ein halbdurchlässiger Spiegel 103 und ein Spiegel 204 zwischen der optischen Wegveränderungseinrichtung 205 und der zweiten Lichtquelle 200 angeordnet. Die erste Lichtquelle 201 wird durch einen LD-Modulationsabschnitt 132 moduliert, und die zweite Lichtquelle 200 wird durch einen Lichtquellenmodulator für die Abstandsmessung 209 moduliert. Ein dichroitischer Spiegel 207 wird zwischen dem perforierten Spiegel 109 und der Lichtmengenreguliereinrichtung 116 angeordnet, um Rotlicht von Infrarotlicht zu trennen. Es wird auch ein Bandpaßfilter 208 bereitgestellt, um Lichtrauschen zwischen der Kolimatorlinse 119 und dem halbdurchlässigen Spiegel 118 zu entfernen. Ferner wird ein Spiegel 206 für das Polarisieren des optischen Weges zwischen dem Spiegel 204 und der Lichtmengenreguliereinrichtung 116 angeordnet.
Im Falle, daß der Abstand durch das Ausrichten des Lichtstrahls zu dem Zentrum der reflektierenden Einheit 102 hin gemessen wird, kann die Messung durch das gleiche Verfahren wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Im Falle, daß der Abstand in dem Abtastmodus gemessen wird, kann die Messung durch das gleiche Verfahren wie in den anderen Ausführungsformen durchgeführt werden, und eine detaillierte Beschreibung des Betriebs wird hier nicht gemacht.
Deshalb ist es gemäß der Erfindung möglich, einen Laserstrahl sowohl für die Abstandsmessung und die Datentransmission zu verwenden, und dies führt zu höherer Effizienz im Überwachungsbetrieb.

Claims

1. Vermessungsinstrument zum Emittieren eines Laserstrahls in Richtung auf ein reflektierendes Objekt, das den Laserstrahl zurück zu dem Vermessungsinstrument reflektiert, wobei das Vermessungsinstrument umfasst: eine Lichtquelleneinrichtung (103) zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Dreheinrichtung (101) zum Drehen des emittierten Laserstrahls, eine Lichtempfangseinrichtung (104) zum Empfangen des Laserstrahls, der von dem reflektierenden Objekt reflektiert wird, sowie eine Entfernungsmeßeinrichtung (105) zum Messen der Entfernung zwischen dem Vermessungsinstrument und dem reflektierenden Objekt, gekennzeichnet durch eine Positionssteuereinrichtung (127) zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls, basierend auf der Ausgabe der Lichtempfangseinrichtung, eine Lichtquellenantriebseinrichtung (132), um die Lichtquelleneinrichtung anzutreiben, und wobei die Lichtquellenantriebseinrichtung angeordnet ist, um simultan den Laserstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren, um die Entfernung zu messen und die Phase des modulierten Laserstrahls bei jeder vorbestimmten Anzahl von Zyklen gemäß der zu übertragenden Kommunikationsdaten zu verschieben, um die Kommunikationsdaten zu dem reflektierenden Objekt zu übertragen.

2. Instrument nach Anspruch 1, welches eine Polarisationseinrichtung (110) zum Festlegen der Polarisation des emittierten Laserstrahls umfasst.

3. Instrument nach Anspruch 1, bei welchem die Entfernungsmeßeinrichtung eine Abtasteinrichtung (176) zum Erhalten eines digitalisierten Abtastsignals umfasst sowie eine Akkumulationseinrichtung (178) zum Akkumulieren des Abtastsignals und eine Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Phasenveränderung.

4. Instrument nach Anspruch 3, bei welchem die Distanzmeßeinrichtung eine Fouriertransformationseinrichtung (180) zum Abtasten der Ausgabe von der Lichtempfangseinrichtung zum Bestimmen seiner Phase umfasst.

5. Instrument nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Lichtquellenantriebseinrichtung angeordnet ist, um selektiv die Phase des Laserstrahls um 0º oder 180º zu verschieben, um Binärdaten auf den Laserstrahl zu modulieren.

6. Vermessungssystem, umfassend: ein Vermessungsinstrument (100) zum Emittieren eines Laserstrahls und ein reflektierendes Objekt (20, 102) zum Reflektieren des Laserstrahls zurück zu dem Vermessungsinstrument, wobei das Vermessungsinstrument umfasst: eine Lichtquelleneinrichtung (103) zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Dreheinrichtung (101) zum Drehen des emittierten Laserstrahls, eine Lichtempfangseinrichtung (104) zum Empfangen des Laserstrahls, der von dem reflektierten Objekt reflektiert wurde, sowie eine Entfernungsmeßvorrichtung (105) zum Messen der Entfernung zwischen dem Vermessungsinstrument und dem reflektierten Objekt, gekennzeichnet durch eine Positionssteuereinrichtung (127) zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls basierend auf der Ausgabe der Lichtempfangseinrichtung, eine Lichtquellenantriebseinrichtung (132) zum Antreiben der Lichtquelleneinrichtung, wobei die Lichtquellenantriebseinrichtung angeordnet ist, simultan den Laserstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren, um die Entfernung zu messen und die Phase des modulierten Lichtstrahls bei jeder vorbestimmten Anzahl von Zyklen gemäß den zu übertragenden Kommunikationsdaten zu verschieben, um die Kommunikationsdaten zu dem reflektierenden Objekt zu übertragen.

7. Vermessungssystem nach Anspruch 6, bei welchem das reflektierende Objekt (20, 102) einen reflektierenden Abschnitt zum Reflektieren des emittierten Laserstrahls umfasst, welcher ein Reflektionselement (141) und ein doppelbrechendes Element (142) umfasst, um die Strahlpolarisationen zu verändern, sowie eine Einrichtung (180), die auf die Phase des Laserstrahls reagiert, um Datenphasen, die auf den Laserstrahl moduliert sind, zu detektieren, und einen Anzeigeabschnitt (144), um die derart detektierten Daten anzuzeigen.

8. Vermessungssystem nach Anspruch 7, bei welchem das Reflektionselement ein Retroreflektionselement ist, wodurch zirkular polarisiertes Licht in in die entgegengesetzte Richtung zirkular polarisiertes Licht umgewandelt wird.

9. Vermessungssystem nach Anspruch 6, welches eine Polarisationseinrichtung (110) zum Festlegen der Polarisation des Laserstrahls, der von dem Lichtquellenabschnitt emittiert wird, umfasst, wobei das reflektierende Objekt eine reflektierende Oberfläche aufweist, die durch zwei polarisierende Abschnitte mit unterschiedlichen Polarisationseigenschaften gebildet ist, und wobei die Lichtempfangseinrichtung eine Einrichtung zum Detektieren des reflektierten Objekts gemäß den Polarisationseigenschaften des Laserstrahls umfasst, der durch das reflektierende Objekt reflektiert wird.