JP2007536537A

JP2007536537A - 目標捕捉装置

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Publication number: JP2007536537A
Application number: JP2007511977A
Authority: JP
Inventors: ヒンデルリンク、ユルグ
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2007-12-13
Also published as: DE502005009867D1; US7826039B2; EP1743139B1; WO2005108920A1; US20080062526A1; ATE473420T1; EP1743139A1

Abstract

多重反射のビーム成分を意図的に減衰させる。減衰フィルタ（１８，１９）を受信器（２）の前に及び送信器（１）の後にそれぞれ設ける。ビーム成分の強度の減衰は、ファクターで０．７、少なくとも０．５または０．３となる。別の方法または追加的に、ミラー（１０）または立方体プリズム（１４）の偏向手段を用いてビームを減衰させることができる。多重反射するビーム成分は、減衰手段を少なくとも２回通過する。従って、通常のビーム成分に比べて、一層減衰される。さらに受信器（２）の入力表面（５）は、円錐の偏向表面で囲まれている。この偏向表面は、そこに入射する光を吸収し、残部を入力方向以外の方向に反射して、多重反射を生じさせない。

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスの距離計または方向計などの目標捕捉装置に関する。目標捕捉装置に関しては、装置に対して目標物の位置（目標物の距離またはその位置する方向）を、変調した光のビームで照射し、目標物で反射して受信する放射光を処理して測定する。このタイプの目標捕捉装置は、特に測量目的に使用される。典型的な目標物は、ガラスのような逆反射体またはプラスチックのような反射シートである。

一般的な目標捕捉装置は、種々の刊行物に記載されている。DE 198 40 049 A1に記載の距離計は、組合せた送信ビームを、対物レンズだけの光軸に偏向させ、対物レンズを通して受取る測定ビームの経過時間またはその位相を測定し、対物レンズから目標物までの距離を得る。

DE 43 16 348 A1は、同様の距離計を開示している。受信器とは別個の対物レンズを送信器と関連させている。

このタイプの目標捕捉装置の場合、多重反射が発生する。目標物で反射される測定ビーム成分は、装置の素子で反射され、送信ビームに重複される。送信ビームの一部は、目標物で２度目の反射を受け、受信器で捕捉される。捕捉装置から目標物へ２度またはそれ以上に移動する多重反射の成分は、測定結果に厄介な歪曲を引き起こす。位相、走行時間、画像をベースにした測定ビームの処理で方向測定する場合は特に厄介になる。多重反射の相対強度が大きいほど、その歪曲は概して大きくなる。捕捉装置と目標物の距離が小さい場合、特に重大となる。多重反射の場合、減衰にも拘わらず、多重反射成分の強度が大きい場合、特に重大となる。

決定的に重大なのは、受信器による反射で、特に受信器の入口表面または受信器を取り囲む表面による反射である。厄介な反射は、送信器でも発生する。両方のケースにおいて、反射した放射光は、多かれ少なかれ光学系で目標物に焦点が合わせられ、ほんの少し減衰され、測定結果が著しく歪曲される。

距離測定には、多重反射が測定結果に影響を与えない方法もあるが、例えば、出願人のMEKOMETER ME 5000（登録商標）に使用されているゼロ位相がある。変調周波数を調整して、一方で送信器と受信器の距離、他方では送信器と目標物の距離が、常に変調周波数の倍数とする。これらの方法は、概して複雑で、対応する目標捕捉装置は、比較的に大きくなりそして高価である。

一般的な目標捕捉装置に対して、目標物と装置間の多重反射を極力抑えて測定精度を改良するのが本発明の目的である。この目的は、請求項１に記載の特徴で達成される。発明の別の展開は、従属項で記載している。

本発明は、目標捕捉装置を提供し、装置は、多重反射、特に受信器または送信器による多重反射から生ずる放射光、または反射に到る放射光を極力抑制または減衰させる。多重反射による測定誤差を大幅に除去または減少させる。

図１に示す距離計は、筐体に送信器１と、受信器２と、光ファイバ４を備えている。受信器２は、ホルダ３を有し、光ファイバ４は、ホルダ３に固定され、端部表面は、コートした入口表面５を形成する。距離計は、フォトダイオード６のような受光素子を備えている。受光素子は、入射光の強度に対応する電気信号を生成する。送信器１は、赤外で発信する半導体レーザ７およびその後ろに設けた光学視準系８を備えている。半導体レーザ７は、コントロールユニット９で制御され、フォトダイオード６の出力信号の処理も行なう。

送信器１から発するビームは、ミラー（第１偏向手段）で対物レンズ１１の光軸に偏向される。ビームは、対物レンズ１１を通過し、僅かな発散で目標物１３に向かう。目標物１３は、逆反射体、反射物、反射板の形態または目標物の表面、例えば、建造物の表面である。

ミラー１０の少し後に、立方体のプリズム１４（第２偏向手段）を対物レンズ１１の光軸に設けている。立方体プリズム１４は、目標物１３で反射、対物レンズ１１を経た測定ビーム１５を受信器２の入口表面５に導く。

既知の距離の基準光路が、２つのビームスプリッタ１６、１７で形成される。送信器１で発するビームの一部が、受信器２に直接に基準ビームとして通過する。第１ビームスプリッタ１６は、光学視準系８とミラー１０の間に位置し、第２ビームスプリッタ１７は、立方体プリズム１４と入口表面５の間に位置する。

測定ビーム１５および基準ビームは、受信器２で一部反射される。さらに測定ビーム１５の成分は、送信器１に到達し、そこで反射される。目標物１３による反射後のこれらの成分は、測定結果に歪曲をもたらす。

多重反射の意図的な減衰に、伝達する光の強度をファクタＡだけ下げる第１減衰フィルタ１８を受信器２の入口表面５の直前に設ける。ファクタＡは、例えば、Ａ£０．７、好ましくはＡ£０．５、またはＡ£０．３でもよい。

対応する第２減衰フィルタ１９を、送信器１の光学視準系８の後に直接設ける。２つの減衰フィルタ１８、１９は、切替可能にしている。目標物１３の距離の大きさに対応して、受信器２または送信器１の前後に各々、好ましくは互いに独立して設けることができる。例えば、距離が比較的長い場合、減衰フィルタ１８、１９又はそれらの少なくとも１つを省略することができる。減衰フィルタ１８、１９は、可変または任意に調整可能な透過にすることができ、目標物の距離に応じて減衰を選択することができる。減衰フィルタ１８、１９は、種々の方法で形成できる。全色性または整色性の膜材料、全色性の感度のＸ線フィルム、中性フィルタまたはゼラチングレーフィルタ、透明フィルタ、線構造を備えたガラス、スクリーンフィルタ、グレーティングフィルタ、確率減衰パターンを備えたフィルタである。

代わりに又は追加的に、第１および／または第２偏向手段を、減衰ビームの形式にしてもよい。ミラー１０を２色性のミラーにして、そこに入射する光の一部を吸収する。同様に、立方体のプリズム１４を僅か吸収させる様にしてもよい。

偏向面２０を受信器２のホルダ３に設けて多重反射を起こすビーム成分を減衰させる。
偏向面２０は、０．５〜１．５ｍｍの深さに形成され、円錐状の漏斗形をなしている。光ファイバ４の端部２１は、円錐の漏斗の軸に自由に位置する。端部は、同じ長さで入力表面５に接続されている。偏向面２０は、光ファイバ４を囲むように円錐状に隆起した表面にしてもよい。円錐形は表面形状の例示的なもので、そこに入射する測定ビームを入射方向以外に反射するものである。

距離計から目標物１３までの距離の測定は、下記の方法で行なわれる。連続した短い光パルスを送信器１で発信させ、目標物１３で反射したパルスの到着する走行時間で距離を測定する。又は、周期的に変調した連続光ビーム、例えば正弦波で発信させる。

後者の場合、距離測定は、目標物１３で反射そして受信器２で受信するビームの位相の位置を基準ビームに対して決定する。この方法は、十分に知られており詳細な説明は省略する。

特に位相測定の場合、送信器１からミラー１０、対物レンズ１１、目標物１３を経て、対物レンズ１１、立方体のプリズム１４を経て光ファイバ４に戻る通常の光路を取らないビーム成分、および目標物１３以外の物体で反射され光路の一部を２回以上通るビーム成分は、無視できない役割を果たす。目標物１３で反射され、対物レンズ１１に入射し、受信器２を経た測定ビーム１５の成分の反射で特に入力表面５による場合は重大である。この問題は、入力表面５に僅かの傾斜（例えば５％）を与えて緩和できるが、不利な点もある。測定ビーム１５が、屈折されて或る角度で入射する。これは、光ファイバの使用可能な開口数を減少させる。

本発明では、反射ビーム成分は、特に減衰フィルタ１８で減衰される。通常のビーム成分、すなわち、目標物１３で１回だけ反射されるビーム成分は、減衰フィルタ１８を通過し、ファクタＡで１回のみ減衰される。一方、入力表面５で反射され、目標物１３で再度反射される成分は、減衰フィルタ１８を３回通過する。すなわちファクタがＡ^３となる。ファクタがＡ^２以上となり、Ａ＝０．３の場合０．３^２@０．１となり、通常の成分と比較して実質的には完全に抑制している。特に、入力表面５および目標物１３による反射は、各々減衰に関与する。二重に反射する成分は、３回減衰を受けるが、通常成分は１回だけの減衰を受ける。

入射表面５の周囲に入射する測定ビームの成分も面倒である。偏向面２０の形成で大部分を吸収し、完全に避けることができない残部は、入射方向に一致しない方向に反射されるようにする。測定ビーム１５は、立方体プリズム１４で反射され対物レンズ１１を経て目標物１３に到ることはない。偏向面２０の形成は、受信器２による厄介な反射を大幅に減少させ、多重反射を減ずる手段となる。

受信器２で反射されるビーム成分の減衰フィルタ１８に対応する役割は、測定ビーム１５の成分に対する減衰フィルタ１９で果たされる。測定ビーム１５は、ミラー１０で送信器１に投げ返され、送信器１で反射される。通常のビーム成分の１回の減衰と比較して、３倍の減衰が生じる。全体的には、少なくとも３つの距離計が考えられる１つは、受信器２の前に単一の減衰手段１８を備えている距離計。もう１つは、送信器１の前に単一の減衰手段１９を備えている距離計。更にもう１つは、図１に示すような２つの減衰手段１８、１９を備えた距離計である。

減衰手段を偏向手段と一体化することも可能である。偏向手段としては、ミラー、プリズム、またはビーム経路を偏向する他の素子がある。これにより距離計の設計を簡素化し、製造コストを削減する。ダイクロイックミラー自身は、厄介な反射をめったに形成しない。減衰手段としての減衰フィルタを、送信器および／または受信器にできるだけ近くに設けた場合、減衰フィルタ自身の反射とは別に、全ての内部反射は、同様に減衰される。従って、基準光路で反射される成分および測定結果に歪曲を与える成分も同様に減衰される。

図１，２に示す距離計は、距離計の分野では当業者には知られており、多数の可能な構成の１つである。測定精度に影響を及ぼす多重反射を抑制または減少する発明の原理は、１つ以上の対物レンズを備えた同軸距離計の場合、そして同軸でない場合にも適用できる。

図３、４の方向計にも同様に適用できる。この装置は、一部、図１、２の距離計同様に設計されている。対応する部分には、重複を避けるために同一の記号を用いる。

受信器２は、光軸にある電子カメラの形態、例えば、長方形の受光素子（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）で、画面２２を備え、画面の真中は、対物レンズ１１の焦点またはその近傍にある。第1減衰フィルタ１８は、受信器２の前方に配置し、第２減衰フィルタ１９は、送信器１の後方に設ける。目標物１３は、反射体、特に三角プリズムの形となる。

送信ビーム１２（好ましくは発散したビーム）が目標物１３で反射されて生ずる測定ビーム１５を、画面２２の測定光点２３に視準を合わせる。測定光点２２の位置が、方向に依存している。目標物１３が横たわる方向が、装置の光軸が取り囲む方向となる。画面２２の測定光点２３の周囲に入射する測定ビーム１５の成分に、多重反射をもたらす。これは即ちゴーストと呼ばれるものである。ゴーストは、測定光点２３の位置を正確に測定するのを一層困難にする。２重または多重の画像は、大面積の画面２２による反射の結果であると考えられる。光点２３の放射線の一部は、対物レンズを経て目標物１３の反射で戻され、画面２２に再度形成されゴーストとなる。焦点の不足で、この好ましくないゴーストが、実際の測定光点よりも大きくなる。第１減衰フィルタ１８および第２減衰フィルタ１９により、多重反射は減衰され、測定結果に誤った影響を与えない。

本発明の距離計の設計概略図である。図１の距離計の受信器の一部の断面図である。本発明の方向計の設計概略図である。図３の方向計の受信器の一部の正面図である。

符号の説明

１送信器
２受信器
３ホルダ
４光ファイバ
５入力表面
６フォトダイオード
７半導体レーザ（光源）
８光学系
９コントロールユニット
１０ミラー
１１対物レンズ
１２送信ビーム
１３目標物
１４立方体プリズム
１５測定ビーム
１６，１７ビームスプリッタ
１８，１９減衰フィルタ
２０偏向表面
２１画面
２２測定光点

Claims

目標捕捉装置が、
対物レンズ（１１）と、
送信ビーム（１２）を発する電気的にコントロール可能な送信器（１）と、
対物レンズ（１１）を経て目標物（１３）で反射される送信ビーム（１２）の成分を備える測定ビーム（１５）を受信する受信器（２）と、
対物レンズ（１１）の後に設けた画面（２２）または入力表面（５）と、
画面（２２）または入力表面（５）に光伝導的に接続され、入射光に電気的な測定信号を生成する受光素子と、
送信器（１）をコントロールし測定信号を処理するコントロールユニット（９）とを備えた目標捕捉装置において、
目標捕捉装置は、多重反射から生ずる又は多重反射を引き起こすビームの意図的な抑制または減衰をする減衰手段を備え、
減衰手段は、漏斗の形状（好ましくは円錐形）の偏向表面（２０）から成り、
偏向表面（２０）は、受信器（２）の入力表面（５）を少なくとも部分的に取り囲み、吸収されない測定ビーム（１５）の入力成分を、主に入射方向から外れる方向に反射する、ことを特徴とする目標捕捉装置。
漏斗は、０．５〜１．５ｍｍの深さで、入力表面（５）は、光ファイバ（４）の端面で形成され、端部（２１）は、距離をおいて漏斗で囲まれている、ことを特徴とする請求項１記載の目標捕捉装置。
偏向面（２０）が、吸収するように形成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の目標捕捉装置。
減衰手段が、さらに受信器（２）の前に設けた少なくとも１つの第１減衰フィルタ（１８）を備え、そのフィルタを通るビームの強度を減少させる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の目標捕捉装置。
少なくとも１つの第１減衰フィルタ（１８）は、フィルタを通過するビームの強度を、０．７以下、好ましくは０．５以下、特に好ましくは、０．３以下のファクタで減少させる、ことを特徴とする請求項４記載の目標捕捉装置。
少なくとも１つの第１減衰フィルタを、対物レンズ（１１）から入る測定ビーム（１５）を偏向する第１偏向手段と一体化する、ことを特徴とする請求項４または５記載の目標捕捉装置。
第１偏向手段が、吸収する立法体のプリズム（１４）またはダイクロイックミラーである、ことを特徴とする請求項６記載の目標捕捉装置。
減衰手段が、送信器の後に設けた少なくとも１つの第２減衰フィルタ（１９）を備え、その減衰手段を通るビームの強度を減少させる、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の目標捕捉装置。
少なくとも１つの第２減衰フィルタ（１９）は、そのフィルタを通過するビームの強度を、０．７以下、好ましくは０．５以下、特に好ましくは０．３以下のファクタで減少させる、ことを特徴とする請求項８記載の目標捕捉装置。
目標捕捉装置が、第２減衰フィルタ（１９）の後にビームスプリッタ（１６）を備え、送信器（１）から出力される基準ビームを偏向する、ことを特徴とする請求項８または９記載の目標捕捉装置。
少なくとも１つの第２減衰フィルタを、対物レンズ（１１）に向かう送信ビーム（１２）を偏向する第２偏向手段と一体化する、ことを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項記載の目標捕捉装置。
第２偏向手段が、吸収する立法体のプリズムまたはダイクロイックミラーである、ことを特徴とする請求項１１記載の目標捕捉装置。
第１減衰フィルタ（１８）および／または第２減衰フィルタ（１９）を切り替え可能および／または透過が調整可能に形成され、減衰の程度が調整できる、ことを特徴とする請求項４〜１２の何れか1項記載の目標捕捉装置。
第１減衰フィルタ（１８）および／または第２減衰フィルタ（１９）が、全色性または整色性の膜材または整色性に感光するＸ線フィルムの形式、中性フィルタまたはゼラチン灰色フィルタまたは透明膜の形式、スクリーンフィルタ、グレーティングフィルタまたは確率減衰パターンを備えたフィルタのような線構造を備えたガラスの形式である、ことを特徴とする請求項４〜１３の何れか1項記載の目標捕捉装置。
入力表面（５）が、反射した測定ビームの入射方向の垂直面に対して、傾斜（例として５％）している、ことを特徴とする請求項１〜１４の何れか1項記載の目標捕捉装置。