JP2004264116A - 光波距離計 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差方式の光波距離計において、受光素子へ入射する測距光の光量の変動による測距誤差を、機械にかかわらず常に確実に補正できるようにする。
【解決手段】この光波距離計は、基準信号を発生させる基準信号発振器（２６）と、基準信号で変調された測距光（Ｌ）を出射する光源（２０）と、ターゲット（２２）で反射してきた測距光を測距信号（Ｍ）に変換する受光素子（２８）と、前記測距信号を周波数を下げた中間周波信号（Ｎ）に変換する周波数変換器（３７）と、前記中間周波信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器（４２）と、前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた中間周波信号の初期位相から距離を測定するＣＰＵ（４４）と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記初期位相の補正量を示す補正テーブルを予め記憶したメモリ（４６）を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットに向けて測距光を出射し、ターゲットからの反射光を受光する位相差方式の光波距離計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられていた光波距離計としては、下記特許文献１に開示されているものがあり、これを図４に示す。この光波距離計では、光源３から発した測距光Ｌは、プリズム１２，ミラー４、対物レンズ５等の送光光学系を経て、測点上に置かれたターゲット６を照射する。ターゲット６で反射された測距光Ｌは、対物レンズ５、ミラー４等の受光光学系を経て、検出器（受光素子）７に入射し、検出器７に測距信号Ｍを発生させる。
【０００３】
光源３は変調器２に接続されていて、光源３から発する測距光Ｌは、発振器１で発生させた基準信号Ｋによって変調されている。この基準信号Ｋと、検出器７で発生した測距信号Ｍは、ともに位相計９に入力され、両信号Ｋ、Ｍの位相差を求めると、この位相差と光の速さからターゲット６までの距離が求まる。
【０００４】
この光波距離計では、前記距離計測中に光源３から発した測距光Ｌを、切換器８によって、プリズム１０、１１、１２を経る内部光路を通って検出器７に至る参照光Ｒに切り換え、測距信号Ｍとの位相差を求め、前述の測距光Ｌを用いて求めた距離に関して、機械に固有の誤差等の補正が行われる。
【特許文献１】特許第３２３６９４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、検出器７へ入射する測距光Ｌの光量が変化すると、位相計で検出される基準信号Ｋと測距信号Ｍとの位相差、すなわち測定距離が変化することが知られている。しかも、その光量の変化と位相差（測定距離）の変化の関係が機械ごとに異なるものである。このため、従来は、機械の組立終了後の調整時に、機械ごとに光量に応じた位相差の補正量を調べて、光量に応じて位相差が補正されるように機械毎に電気回路の定数を調節していた。
【０００６】
しかしながら、電気回路の定数を調節することでは、機械によっては、検出器７へ入射する測距光Ｌの光量の全レベルにわたっては位相差を補正できない場合もある。このような場合には、測距中に陽炎等の大気の揺らぎにより、検出器７へ入射する測距光Ｌの光量が大きく変動した場合には、測距誤差が残るという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、位相差方式の光波距離計において、受光素子へ入射する測距光の光量の変動による測距誤差を、機械にかかわらず常に確実に補正できるようにすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の光波距離計では、基準信号を発生させる基準信号発振器と、前記基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記基準信号と前記測距信号の位相差から距離を測定する光波距離計において、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記位相差の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段を備え、距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記位相差の補正を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明の光波距離計では、基準信号を発生させる基準信号発振器と、前記基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記基準信号と同期して前記測距信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた測距信号の初期位相から距離を算出する演算手段と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段とを備え、前記演算手段は距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明の光波距離計では、基準信号を発生させる基準信号発振器と、基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記測距信号を周波数を下げた中間周波信号に変換する周波数変換器と、前記基準信号と同期して前記中間周波信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた中間周波信号の初期位相から距離を算出する演算手段と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段を備え、前記演算手段は距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする。
【００１１】
前記請求項１、２又は３に係る各発明の光波距離計によれば、受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記位相差又は前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶手段に記憶しているので、全ての機械において、受光素子へ入射する光量が大きく変動しても測距誤差を常に確実に補正できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１に本発明に係る光波距離計の一実施例を示す。この光波距離計では、レーザダイオ−ド等の光源２０から送光された測距光Ｌは、図示しない送光光学系を経て、測点上に置かれたターゲット（プリズム等）２２に向けて出射される。光源２０は変調器２４に接続されており、測距光Ｌは基準信号発振器２６で発生された基準信号Ｋによって変調されている。
ターゲット２２で反射された測距光Ｌは、図示しない受光光学系と、測距光Ｌの光量を調整する絞り２７を経て、受光素子（フォトダイオード）２８に導かれる。すると、受光素子２８によって、測距光Ｌが測距信号Ｍに変換され、測距信号Ｍは、高周波増幅器３０で増幅された後に、バンドパスフィルタ３２でノイズを除去される。
【００１４】
さらに、この測距信号Ｍは、混合器３４と局部発振器３６からなる周波数変換器３７で、局部発振器３６で発生させた局部発振信号Ｑと乗算され、両信号Ｍ、Ｑの周波数の和となる周波数と、両信号Ｍ、Ｑの周波数の差となる２つの周波数に変換される。ここで、両信号Ｍ、Ｑの周波数の差となる周波数のみをローパスフィルタ３８で選り分けて中間周波Ｎに周波数を落とした後に、これを中間周波増幅器４０で増幅するとともに波形成形をする。増幅された中間周波Ｎは、Ａ／Ｄ変換器４２でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ４４（演算手段）に入力され、メモリ（記憶手段）４６に記憶される。ここで、測距信号Ｍを中間周波Ｎに変換するのは、周波数の低い所定周波数とすることにより、増幅し易くして安定に高利得が得られること、中間周波Ｎ以外をカットして高いＳ／Ｎ比が得られること、１周期内に余裕を持ってできるだけ多数回サンプリングする時間を確保すること等のためである。
【００１５】
距離測定を行う際には、ＣＰＵ４４から基準信号発振器２６とＡ／Ｄ変換器４２に同期信号Ｐを送ることにより、基準信号発振器２６で基準信号Ｋを発生させるとともに、Ａ／Ｄ変換器４２で基準信号Ｋと同期の取れたサンプリングを行う。この距離測定中、絞り２７の開度は固定される。
【００１６】
図２に示したように、Ａ／Ｄ変換器４２のサンプリング周期は、中間周波Ｎの１周期分を常に一定の位相角でサンプリングするように、例えば、１周期をｎ（ｎ≧３）等分するように決定される。このサンプリング周期で中間周波Ｎを数千以上の多数周期にわたって連続してサンプリングする。この際、Ａ／Ｄ変換器４２の入力レンジを越えたり、入力レンジに対して小さすぎる中間周波Ｎのサンプリングデータは破棄する。
【００１７】
サンプリングデータをメモリ４６に記憶するには、中間周波Ｎの１周期分のｎ個のデータに対する記憶領域をメモリ４６内に用意し、図３に示したように、同位相のサンプリングデータを加算して記憶していく。こうして、同位相のサンプリングデータが加算された大きな振幅の１周期分の中間周波Ｎの合成データが作成される。この合成データは、最小二乗法により正弦波Ｓにあてはめられ、この正弦波Ｓの初期位相φを求める。基準信号Ｋと同期を取ってＡ／Ｄ変換器４２はサンプリングしているから、初期位相φは基準信号Ｋと測距信号Ｍの位相差に等しくなり、この初期位相φからターゲット２２までの距離が算出される。
【００１８】
ところで、陽炎等の大気の揺らぎにより、測距中においても受光素子２８に入射する測距光Ｌの光量は大きく変動するので、この測距光Ｌの変動による初期位相φの補正が必要になる。
【００１９】
そこで、この光波距離計は、組立終了後の調整時に機械ごとに、同一のターゲットを視準したうえで、絞り２７の開度を一定にし、受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量を一定に保ちながら、Ａ／Ｄ変換器４２に入力された中間周波Ｎの振幅ａｉ（受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量又は測距信号Ｍの振幅に対応する値である。）のときに必要な初期位相φの補正量Δφｉ（ａｉ）を調べて、メモリ４６内に設けられている補正テーブル記憶領域に書き込んでいく。以下同様に、絞り２７の開度を変化させ、受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量の全レベルにわたって、中間周波Ｎの振幅ａｉのときに必要な初期位相φの補正量Δφｉ（ａｉ）を補正テーブル記憶領域に書き込んでいく。こうして、絞り２７の開度毎に受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量の全レベルにわたって、Ａ／Ｄ変換器４２に入力された中間周波Ｎの振幅ａｉと、このときの初期位相φの補正量Δφｉ（ａｉ）を記憶した補正テーブル（補正情報）がメモリ４６に記憶される。
【００２０】
もちろん、この補正テーブルの代わりに、Ａ／Ｄ変換器４２に入力された中間周波Ｎの振幅がａｉであるときの初期位相φの補正量Δφｉ（ａｉ）を求める補正式（補正情報）を記憶させてもよい。
【００２１】
距離測定に際しては、図３に示したように、中間周波Ｎの多数周期を同位相毎に加算した合成データＳを用いているため、初期位相φの補正量ΔΦは、中間周波Ｎのｉ番目の周期に係る振幅がａｉであり、この振幅ａｉのときの補正量をΔφｉ（ａｉ）とすると

となる。ここで、Δφｉ（ａｉ）は一般に小さいから、

と近似できる。結局、初期位相φの補正量ΔΦは、補正量Δφｉ（ａｉ）を中間周波Ｎの振幅ａｉで重みづけした加重平均となる。真の初期位相は、測定された初期位相φから前述の補正量ΔΦを減算すればよい。
【００２２】
この光波距離計で距離測定を行うには、距離測定に先だって、光波距離計を作動させ、予め中間周波Ｎの数周期分をサンプリングして、中間周波Ｎの最大レベルａｍａｘと最小レベルａｍｉｎを示すサンプリング位置を検出する。そして、Ａ／Ｄ変換器４２の入力レベルを複数の階級に区分した記憶領域をメモリ４６内に用意する。それから改めて距離測定を開始し、中間周波Ｎの１周期分を検出するごとに、同位相のサンプリングデータを加算した中間周波Ｎの合成データＳ（図３参照）をメモリ４６に記憶するとともに、先だって求めた最大レベルａｍａｘと最小レベルａｍｉｎを示すサンプリング位置の間のレベル差から、中間周波Ｎの振幅ａｉの階級を求め、その階級の度数に１を加算していき、振幅ａｉの度数分布もメモリ４６に記憶する。サンプリング終了後に、中間周波Ｎの合成データＳを用いて初期位相φを求めるとともに、振幅ａｉの度数分布を用いて、補正量Δφｉ（ａｉ）を中間周波Ｎの振幅ａｉの重みつけをした加重平均Σ｛ａｉ・Δφｉ（ａｉ）｝／Σａｉを算出する。そして、初期位相φから補正量ΔΦを減算して、ターゲット２２までの距離を算出する。
【００２３】
もちろん、本実施例の光波距離計も、測距光Ｌを絞り２７ａを含む機械の内部光路を通って受光素子２８に至る参照光Ｒに切り換えることもできる。この参照光Ｒを用いて測距することにより、前述の測距光Ｌを用いて求めた距離の補正がなされることは、従来例と同じである。
【００２４】
本実施例では、絞り２７の開度毎に受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量の全レベルにわたって、Ａ／Ｄ変換器４２に入力された中間周波Ｎの振幅ａｉと、このときの初期位相φの補正量Δφｉ（ａｉ）を記憶した補正テーブル記憶領域がメモリ４６に記憶されているので、どのような光波距離計をどのような環境で使用しても、受光素子２８へ入射する測距光Ｌの光量変動による測距誤差を常に確実に補正できる
ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、前記実施例では、測距信号Ｍを中間周波Ｎに変換しているが、基準信号Ｋの周波数が低い場合などは、バンドパスフィルタ３２から取り出した測距信号Ｍを直接Ａ／Ｄ変換器４２でサンプリングし、このサンプリングされた測距信号Ｍを用いて、距離測定することも可能である。この場合は、周波数変換器３７とローパスフィルタ３８と中間周波増幅器４０が不要になり回路が簡単になる。
【００２５】
また、図４に示した従来の光波距離計に対しても、検出器７の出力を本発明のＡ／Ｄ変換器４２に入力し、Ａ／Ｄ変換器４２で取り出したデータを本発明と同様にＣＰＵ４４とメモリ４６で処理すれば、位相計９から出力される位相差の補正量を算出することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１、２、又は３に係る各発明の光波距離計によれば、受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた位相差又は初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶手段に記憶しているので、受光素子へ入射する測距光の光量が大きく変動した際に、どの機械であっても測距誤差を常に確実に補正できる。よって、本発明の光波距離計であれば、陽炎等の大気の揺らぎが大きい環境で使用しても測距誤差をほとんどなくすことができる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る光波距離計のブロック図である。
【図２】中間周波信号をサンプリングした例を示す図である。
【図３】中間周波信号の同位相のサンプリングデータを加算した中間周波一周期分のデータを示す図である。
【図４】従来の光波距離計を説明する図である。
【符号の説明】
２０ 光源
２２ ターゲット
２４ 変調器
２６ 基準信号発振器
２８ 受光素子
３７ 周波数変換器
４２ Ａ／Ｄ変換器
４４ ＣＰＵ（演算手段）
４６ メモリ（記憶手段）
Ｋ 基準信号
Ｌ 測距光
Ｍ 測距信号
Ｎ 中間周波信号

Claims (3)

1. 基準信号を発生させる基準信号発振器と、前記基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記基準信号と前記測距信号の位相差から距離を測定する光波距離計において、
   前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記位相差の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段を備え、距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記位相差の補正を行うことを特徴とする光波距離計。
2. 基準信号を発生させる基準信号発振器と、前記基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記基準信号と同期して前記測距信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた測距信号の初期位相から距離を算出する演算手段と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段とを備え、
   前記演算手段は距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする光波距離計。
3. 基準信号を発生させる基準信号発振器と、基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記測距信号を周波数を下げた中間周波信号に変換する周波数変換器と、前記基準信号と同期して前記中間周波信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた中間周波信号の初期位相から距離を算出する演算手段と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段を備え、
   前記演算手段は距離測定時に前記補正情報を用いて、前記受光素子へ入射する測距光の光量に応じて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする光波距離計。

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