JP2006118930A - 光波距離計 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光波距離計において、光路切換器で測距光と参照光とを切り換えた際に、切換が完了した時点を検出すると直ちに距離測定を開始することによって、距離測定に要する時間を短縮する。
【解決手段】 測点に置かれたターゲット(22)に向けて測距光(L)を出射する発光素子(50)と、ターゲットで反射して戻ってきた測距光を受光する受光素子(60)と、該受光素子からの受光信号(M1,M2,M3)に基づいてターゲット又は前記物体までの距離を演算するCPU(74)と、測距光を前記発光素子から受光素子までの内部光路を通るように切り換える光路切換器(78)とを備えた光波距離計において、CPUは、光路切換器の切換えを行うときには、光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始する。
【選択図】 図1

Description

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してターゲットまでの距離を測定する光波距離計に関する。
光波距離計としては、下記特許文献1に開示されたような位相差方式のものがよく使われている。図5に、この光波距離計のブロック図を示す。
この光波距離計では、レーザダイオ−ド等の光源3から出射された測距光Lは、プリズム10、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(プリズム等)6に向けて出射される。この光源3は変調器2に接続されており、変調器2は基準信号発振器1に接続されており、測距光Lは基準信号発振器1で発生された基準信号Kによって変調される。
ターゲット22で反射された測距光Lは、対物レンズ5とミラー4からなる受光光学系を経て、ホトダイオード等の検出器(受光素子)7に入射する。すると、検出器7によって、測距光Lが受光信号Mなる電気信号に変換される。この受光信号Mと、変調器2から送られてくる基準信号Kとは、位相計9によって互いの位相差が測定され、この位相差からターゲット6までの距離が求まる。
前述の基準信号Kが1つの周波数だけであると、基準信号Kの波長の半分の長さまでしか測定できない。そこで、この光波距離計では、基準信号Kの周波数を順次切り換えて、複数の周波数で距離測定を行い、これらの測定結果を総合して距離測定を行っている。
一方、光源3から出射された測距光Lは、光路切換器8を切り換えることにより、プリズム10、11、12を経て参照光Rとして直ちに検出器7に入るようになっている。この参照光Rを用いて測距光Lと同様に距離を測定すると、この光波距離計に固有な誤差を知ることができる。こうして、測距光Lによる測定と参照光Rによる測定を交互に行うことによって、測距光Lを用いて測定した距離から光波距離計に固有な誤差を補正して、ターゲット6までの精確な距離を求めることができる。
光波距離計としては、この他、後記特許文献2に記載されたようなパルス走行時間方式のものも知られている。パルス走行時間方式とは、ターゲットに向けてパルス光を出射し、ターゲットからの反射したパルス光を受光し、パルス光がターゲットまでを往復する時間からターゲットまでの距離を測定するものである。
特許第3236941号公報 特開平1−213592号公報
前記特許文献1に開示された光波距離計では、光路切換器8で測距光Lと参照光Rとを切り換えたときは、この切換えに要する充分な時間を想定して、この切換えに要する時間中は距離測定を行っていなかった。このため、距離測定に必要以上の時間がかかるという問題があった。このような問題は、パルス走行時間方式の光波距離計でも、光学系が光路切換手段をもっているので同様に発生する。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、光波距離計において、光路切換器で測距光と参照光とを切り換えた際に、切換が完了した時点を検出すると直ちに距離測定を開始することによって、距離測定に要する時間を短縮することを課題とする。
前記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、測点に置かれたターゲット又は測定すべき物体に向けて測距光を出射する光源と、前記ターゲット又は前記物体で反射して戻ってきた測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づいて前記ターゲット又は前記物体までの距離を演算する演算処理部と、前記測距光を前記光源から前記受光素子までの内部光路を通るように切り換える光路切換器とを備えた光波距離計において、前記演算処理部は、前記光路切換器の切換えを行うときには、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、測点に置かれたターゲット又は測定すべき物体に向けて測距光を出射する光源と、前記ターゲット又は前記物体で反射して戻ってきた測距光を受光して受光信号の変化を検出する受光素子と、前記受光信号をサンプリングしてサンプリングデータを得るサンプリング手段と、前記サンプリングデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されたサンプリングデータから前記ターゲット又は前記物体までの距離を演算する演算処理部と、前記測距光を前記光源から前記受光素子までの内部光路を通るように切り換える光路切換器とを備える光波距離計であって、前記演算処理部は、前記光路切換器の切換えを行うときには、前記受光信号の少なくとも1周期分を含むサンプリングデータを得るサンプリング過程と、前記少なくとも1周期分を含むサンプリングデータから距離を演算する距離演算過程を交互に繰り返し、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に係る発明において、前記測距光は複数の送光信号で変調されており、前記受光素子で複数の受光信号が得られ、該複数の受光信号のそれぞれが前記サンプリング手段によってサンプリングされることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2又は3に係る発明において、前記受光信号は、周波数変換器で中間周波信号に周波数を下げてから、前記サンプリング手段でサンプリングされることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項1、2、3又は4に係る発明において、前記演算処理部は、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になった後、前回演算された距離と今回演算された距離との差の絶対値が所定値以下になった後に、通常の距離測定を開始することを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項5に係る発明において、前記前回演算された距離は、連続して演算された複数回の距離の平均であることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項1、2、3、4、5又は6に係る発明において、前記演算処理部は、前記光路切換器の切換信号送出から所定時間経過したときには、通常の距離測定を開始することを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項1、2、3、4、5、6又は7に係る発明において、前記演算処理部は、前記受光信号の振幅又は前記演算された距離のばらつきの変化、又は前記振幅及び前記距離ばらつきを検出して、光路切換器の切換完了を判断して、通常の距離測定を開始することを特徴とする。
請求項1に係る発明の光波距離計によれば、光路切換器の切換えを行うときには、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、前記光路切換器の切換完了と判断して、通常の距離測定を開始するから、光路切換器の切換完了を極めて短時間で検出でき、従来のものより距離測定に要する時間を大幅に短縮できる。
請求項2に係る発明の光波距離計も、光路切換器の切換えを行うときには、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、前記光路切換器の切換完了と判断して、通常の距離測定を開始するから、光路切換器の切換完了を極めて短時間で検出でき、請求項1に係る発明と同じ効果を奏する。
請求項3に係る発明の光波距離計によれば、さらに、測距光が複数の送光信号で変調されているから一度に複数の送光信号を用いた測定が行われ、周波数を順次切り換える従来のものより測定時間をいっそう短縮できる。
請求項4に係る発明の光波距離計によれば、さらに、受光信号は、周波数変換器で中間周波信号に周波数を下げてから、サンプリング手段でサンプリングされるから、周波数の低い中間周波信号を安定に高利得増幅でき、中間周波信号以外をカットして高いS/N比が得られ、1周期内にできるだけ多数回サンプリングする時間を確保できて高精度の測定ができる。
請求項5に係る発明の光波距離計によれば、さらに、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になった後、前回演算された距離と今回演算された距離との差の絶対値が所定値以下になって、測定値が安定してから通常の距離測定を開始するから、距離測定に要する時間を大幅に短縮しながら、さらに高精度の測定ができる。
請求項6に係る発明の光波距離計によれば、さらに、前記前回演算された距離は、連続して演算された複数回の距離の平均であるから、いっそう測定値が安定してから通常の距離測定を開始するから、距離測定に要する時間を大幅に短縮しながら、さらに高精度の測定ができる。
請求項7に係る発明の光波距離計によれば、さらに、光路切換器の切換信号送出から所定時間経過したときには、通常の距離測定を開始するから、何らかの原因で前記各請求項に係る発明が働かない場合でも、従来のものと同じ時間で同精度の距離測定が可能になる。
請求項8に係る発明の光波距離計によれば、さらに、受光信号の振幅又は前記演算された距離のばらつきの変化、又は前記振幅及び前記距離ばらつきを検出して、光路切換器の切換完了を判断して、通常の距離測定を開始するから、距離測定に要する時間を大幅に短縮しながら、さらに高精度の測定ができる。
以下、図面に基づいて、本発明の光波距離計の一実施例を説明する。図1は、この光波距離計のブロック図である。図2は、この光波距離計において、中間周波信号をサンプリングする状態を説明する図である。図3は、この光波距離計において、光路切換器で測距光と参照光との光路切換を行う光路切換処理の手順を示すフローチャートである。図4は、光路切換器で測距光と参照光とを切り換えた際に、切換が完了した時点を検出する原理を説明する図である。
この光波距離計は、測距光Lを出射するレーザダイオ−ド等の発光素子50(光源)を備える。発光素子50は発光素子駆動回路52に接続されており、発光素子駆動回路52は送光信号発生回路54に接続されており、送光信号発生回路54は温度補償水晶発振器56に接続されており、温度補償水晶発振器56はCPU74に接続されている。温度補償水晶発振器56は、温度等の変化にかかわらず常に周波数一定の基準信号Kを発生する。送光信号発生回路54は、基準信号Kを逓倍して、3つの周波数f1、f2、f3を含む送光信号K’を発生する。発光素子駆動回路52は、送光信号K’によって、発光素子50から発する測距光Lを3つの周波数f1、f2、f3で変調する。このように変調された測距光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に向けてから送光される。
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を経て、ホトダイオード等の受光素子60に入射する。すると、受光素子60から出力される受光信号Mは、増幅器62によって増幅された後、3つのバンドパスフィルタ64によって、3つの周波数f1、f2、f3の受光信号M1、M2、M3に分離される。3つの受光信号M1、M2及びM3は、それぞれ、周波数変換器66によって中間周波数g1、g2、g3の中間周波信号N1、N2、N3に周波数を下げられる。周波数変換器66は、混合器によって局部発振器で発生させた局部発振信号と受光信号M1、M2、M3とを乗算するものである。そして、局部発振信号の周波数と受光信号M1、M2及びM3の周波数f1、f2、f3との差となる中間周波数g1、g2、g3のみをバンドパスフィルタ68で選り分けることによって、中間周波信号N1、N2、N3のみを取り出す。この中間周波信号N1、N2及びN3は、中間周波増幅器70で増幅される。さらに、中間周波信号Nは、サンプリング手段であるA/D変換器72で、温度補償水晶発振器56から送られて来る同期信号Pに合わせて、中間周波信号N1、N2、N3のサンプリングが行われて、デジタル信号に変換され、CPU74(演算処理手段)に入力され、メモリ(記憶手段)76に記憶される。
ここで、受光信号M1、M2及びM3を中間周波信号N1、N2、N3に変換するのは、周波数の低い中間周波数g1、g2、g3とすると、安定に高利得増幅が行えること、中間周波信号N1、N2、N3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して高精度の測定をすること等のためである。もちろん、サンプリング周波数を充分高く設定できる場合には、受光信号M1、M2及びM3を中間周波信号に変換することなく、そのまま直接サンプリングすることも可能である。
距離測定を行う際には、A/D変換器72は、図2に示したように、中間周波信号N1、N2、N3を多数周期にわたって連続してサンプリングし、これらのサンプリングデータをメモリ76に記憶する。CPU74は、これらのサンプリングデータから、各中間周波信号N1、N2、N3の同期信号Pに対する初期位相を求める。3つの初期位相が求まると、この3つの初期位相を総合してターゲット22までの距離が演算される。
一方、発光素子50から出射された測距光Lは、光路切換器78によって、ミラー80から形成される光波距離計の内部光路を経る参照光Rとして直ちに受光素子60に入るようにもなっている。この参照光Rを用いて測距光Lと同様に距離を測定すると、この光波距離計に固有な誤差を知ることができる。そこで、測距光Lによる測定と参照光Rによる測定を交互に行うことによって、測距光Lを用いて測定した距離から光波距離計に固有な誤差を補正して、ターゲット22までの精確な距離を求めることができる。
さらに、本実施例では、後述する光路切換器78の光路切換処理の手順から明らかなように、光路切換器78を測距光Lと参照光Rとに切換える際に、従来のように光路切換完了に要する充分な時間を待つことなく、光路切換完了を検出すると、直ちに距離測定を開始して、距離測定に要する時間を短縮する。次に、図3及び図4を用いて、光路切換器78の光路切換処理の手順について詳細に説明する。
光路切換処理がスタートすると、CPU74は光波距離計を次のように動作させる。まず、ステップS1に進んで、光路切換処理に必要な初期設定処理が行われる。次に、ステップS2に進んで、中間周波信号N1、N2、N3について、少なくとも1周期分を含む短時間のサンプリングデータを得る。次に、ステップS3に進んで、光路切換器78へ切換信号SCを送出する。次に、ステップS4に進んで、タイムアウトタイマーをスタートさせる。タイムアウトタイマーとは、切換信号SC送出後、充分な時間が経過したときに、光路切換えが完了したと判断するためのものである。
次に、ステップS5に進み、光路切換器78の切換完了判定に必要な処理、すなわち、最初に、ステップS2でサンプリングされた少なくとも1周期分を含む短時間のサンプリングデータを用いて、光路切換器78の切換信号SC送出直前の距離dを算出し、続いて後述するように、ステップS8でサンプリングされた少なくとも1周期分を含む短時間のサンプリングデータを用いて、距離d(n=1,2,3……)を算出する。距離d又はdが算出されるとステップS6に進み、光路切換器78の切換完了したかどうか、後述する方法で判断する。切換完了と判断した場合は、ステップS9に進んで、タイムアウトタイマーをOFFとし、この光路切換処理を終了し、その後は、通常の距離測定、すなわち中間周波信号N1、N2、N3の多数周期のサンプリングデータを用いて高精度の距離測定を行う。
ステップS6で、切換完了していないと判断したときは、ステップS7に進んで、タイムアウトタイマーがタイムアウトになったかどうか判断する。ここで、タイムアウトになっていれば、この光路切換処理を終了し、その後は、通常の距離測定を行う。
ステップS7で、タイムアウトになっていない場合は、ステップS8に進んで、中間周波信号N1、N2、N3について、少なくとも1周期分を含む短時間のサンプリングを行い、それからステップS5に戻る。これで、光路切換器78の切換完了と判断するか、又はタイムアウトタイマーでタイムアウトを検出するまで、ステップS5〜S8を繰り返えすことになる。
ステップS5〜S8を繰り返えすことにより、中間周波信号N1、N2、N3について、図4に示したように、少なくとも1周期分のサンプリングデータを得るサンプリング過程Sと、このサンプリングデータを用いた距離演算過程calcを交互に行うことになる。そして、ステップS5〜S8を一巡する毎に、ステップS5で距離d,d,d,…………dn−1,d,………を算出していくとともに、ステップS6で、切換完了したか否かの判断をする。
ステップS6における切換完了の判断方法を以下に説明する。光路切換処理がスタートすると、まず、光路切換器78の切換信号SC送出直前の距離dが測定される。それから、切換信号SC送出後、第n回目の距離dを演算する毎に、光路切換器78の切換信号SC送出直前の距離d、前回の距離dn−1、今回の距離dの比較、すなわち、
|dn−1−d|、|dn−1−d|の計算を行う。そして、
|dn−1−d|≧Dx (1)
及び、 |dn−1−d|≦Ex (2)
が成り立つかどうか調べる。ここで、DxとExは、実験から求めた定数である。
図4から分かるように、ターゲット22までを往復する測距光Lによる測定がなされているときは、最初はステップS2でサンプリングされたデータを用いたステップS5の距離演算過程calcによってターゲット22までの距離dが算出される。ステップS3で切換信号SC送出後も、光路切換器78のシャッターが完全に移動し終わるまでに時間がかかるため、最初は測距光Lによるターゲット22までの距離dが算出される。次に、光路切換器78のシャッターがステップS8のサンプリング開始前又はサンプリング過程S中に移動し終わると、参照光Rによる距離測定になるので、算出距離dが大きく変動する。このため、(1)式のDxを適切に設定しておくと、(1)式の成立時点に光路切換器78の切換が完了したと判断することができる。
さらに精確に光路切換器78の切換完了を検出するため、(1)式の成立後に数回算出した距離について(2)式が成立することを確認した後に、光路切換器78が切換完了したと判断することが望ましい。ここで、より精確に切換完了を検出するためには、(2)式において、dn−1として、複数回の算出距離dn−1,dn−2,dn−3の平均をとることがさらに望ましい。
こうして、算出距離d,dn−1,dから光路切換器78の切換完了と判断するか、又はタイムアウトタイマーでタイムアウトを検出することによって、光路切換器78の切換が完了したことを検出すると、この光路切換処理を終了する。その後は、通常の距離測定を行う。
本実施例の光波距離計によれば、複数の周波数で同時に変調した測距光を出すうえ、光路切換器78を切換える際には、少なくとも1周期分のサンプリングデータを得る毎に距離測定を行い、前回の少なくとも1周期分のサンプリングデータから得た距離dn−1と、今回の少なくとも1周期分のサンプリングデータから得た距離dと、光路切換器78の切換信号SC送出直前の少なくとも1周期分のサンプリングデータから得た距離dとを比較して、光路切換器78の切換完了を検出するため、前記特許文献1又は2に開示した従来の光波距離計よりも、光路切換器78の切換完了を極めて短時間で検出でき、これにより距離測定に要する時間を大幅に短縮できる。
ところで、本発明は、前記実施例のものに限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、前記実施例では位相差方式の光波距離計に本発明を適用したが、パルス走行時間方式の光波距離計に本発明を適用することも可能である。
また、前記実施例では、光路切換器78の切換信号SC送出直前にサンプリングされたサンプリングデータを用い、光路切換器78の切換信号SC送出直後に距離dを演算し、この距離dとその後に演算された距離dとの差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始したが、光路切換器78の切換信号SC送出直前においてサンプリング直後に距離dを演算し、この距離dとその後に演算された距離dとの差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始するようにしてもよい。あるいは、光路切換器78の切換信号SC送出直前と直後では光路切換器78のシャッターがほとんど移動していないため、光路切換器78の切換信号SC送出直後にサンプリングしたサンプリングデータを用いて距離dを演算し、この距離dとその後に演算された距離dとの差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始するようにしてもよい。
さらに、前記実施例では、少なくとも1周期分のサンプリングデータを得るサンプリング過程Sと、このサンプリングデータを用いた距離演算過程calcを交互に行ったが、数周期分のサンプリングデータを得るサンプリング過程Sと、この数周期分のサンプリングデータを用いた距離演算過程calcを交互に行うように、サンプリング過程の時間は適宜変更してもよい。
さらに光路切換器78の切換完了を高精度に判断するためは、受光信号Mの振幅又は前記演算された距離dnのばらつきの変化、又は前記受光信号Mの振幅及び前記演算された距離ばらつきを検出することによってもよい。
この他、前記実施例では、測距光Lを複数の送光信号K’で同時に変調したが、測距光Lを複数の送光信号K’で順次変調するようにしてもよい。
本発明は、光波距離計だけでなく、光波距離計を内蔵した測量機、例えばトータルステーションや、その他の距離測定装置等にも広く利用できる。
本発明の1実施例に係る光波距離計のブロック図である。 前記光波距離計において、中間周波信号をサンプリングする状態を説明する図である。 前記光波距離計において、光路切換器で測距光と参照光との光路切換を行う光路切換処理の手順を示すフローチャートである。 光路切換器で測距光と参照光とを切り換えた際に、切換が完了した時点を検出する原理を説明する図である。 従来の光波距離計のブロック図である。
符号の説明
22 ターゲット
50 発光素子(光源)
60 受光素子
66 周波数変換器
72 A/D変換器(サンプリング手段)
74 CPU(演算処理部)
76 メモリ(記憶手段)
78 光路切換器
S サンプリング過程
Calc 距離演算過程

Claims (8)

  1. 測点に置かれたターゲット又は測定すべき物体に向けて測距光を出射する光源と、前記ターゲット又は前記物体で反射して戻ってきた測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づいて前記ターゲット又は前記物体までの距離を演算する演算処理部と、前記測距光を前記光源から前記受光素子までの内部光路を通るように切り換える光路切換器とを備えた光波距離計において、
    前記演算処理部は、前記光路切換器の切換えを行うときには、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始することを特徴とする光波距離計。
  2. 測点に置かれたターゲット又は測定すべき物体に向けて測距光を出射する光源と、前記ターゲット又は前記物体で反射して戻ってきた測距光を受光して受光信号の変化を検出する受光素子と、前記受光信号をサンプリングしてサンプリングデータを得るサンプリング手段と、前記サンプリングデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されたサンプリングデータから前記ターゲット又は前記物体までの距離を演算する演算処理部と、前記測距光を前記光源から前記受光素子までの内部光路を通るように切り換える光路切換器とを備える光波距離計であって、
    前記演算処理部は、前記光路切換器の切換えを行うときには、前記受光信号の少なくとも1周期分を含むサンプリングデータを得るサンプリング過程と、前記少なくとも1周期分を含むサンプリングデータから距離を演算する距離演算過程を交互に繰り返し、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になったときに、通常の距離測定を開始することを特徴とする光波距離計。
  3. 前記測距光は複数の送光信号で変調されており、前記受光素子で複数の受光信号が得られ、該複数の受光信号のそれぞれが前記サンプリング手段によってサンプリングされることを特徴とする請求項2に記載の光波距離計。
  4. 前記受光信号は、周波数変換器で中間周波信号に周波数を下げてから、前記サンプリング手段でサンプリングされることを特徴とする請求項2又は3に記載の光波距離計。
  5. 前記演算処理部は、前記光路切換器の切換信号送出の直前又は直後に演算された距離とその後に演算された距離との差の絶対値が所定値以上になった後、前回演算された距離と今回演算された距離との差の絶対値が所定値以下になった後に、通常の距離測定を開始することを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載の光波距離計。
  6. 前記前回演算された距離は、連続して演算された複数回の距離の平均であることを特徴とする請求項5に記載の光波距離計。
  7. 前記演算処理部は、前記光路切換器の切換信号送出から所定時間経過したときには、通常の距離測定を開始することを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6に記載の光波距離計。
  8. 前記演算処理部は、前記受光信号の振幅又は前記演算された距離のばらつきの変化、又は前記振幅及び前記距離ばらつきを検出して、光路切換器の切換完了を判断して、通常の距離測定を開始することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6又は7に記載の光波距離計。
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