JP2009505043A - 光波距離測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光波距離測定装置に関する。光波距離測定装置は、測定目標物に光放射線を放射する送光器と、送光器に強固に固定されている送光システムと、受光システムと、を備えている。支持素子（７）を、測定受光器（５）および受光電子装置と共に、受光システムに対し位置合わせを行なう。支持素子（７）が、少なくとも２つの移動方向に対し、測定受光器と強固に接続されている。

Description

本発明は、光波距離測定装置に関し、及び、光波距離測定装置の調整方法に関する。

携帯測定装置または工業的センサでの距離測定装置は、既に良く知られており市販で入手できる。距離測定装置の測定範囲は２００ｍまであり、例えば、建設測量での部屋の３次元測量に使用されている。この目的で、送光器は、強度変調した放射線を放射するが、放射線に可視領域の波長を用い、測定点の照準を容易にする。放射線は、測定目標物で反射または散乱され、受光器で受光される。測定目標物の距離は、送光器に対する変調した放射線の位相位置を基礎にして得られる。

この種類の測定装置は、ＥＰ０７０１７０２に開示されている。この装置では、半導体レーザを、測定目標物に光を放射し、反射光を受光し評価している。測定受光器は、送光軸に平行なビーム軸を有する光学システムを備えている。その近傍には、ビームガイドの反射素子または測定放射線の移動可能、追跡可能な入口が使用されている。無関係な光の成分を低レベルにして高精度の測定を実現するために、受取る放射線を、測定する放射線成分に限定する必要がある。これは、光学システムの焦点距離に対し、受光器の検出表面の適切な直径の選択で達成される。この状況で、焦点距離に対する直径の低い比率は、正確な方向に関して配置を敏感にし、部品の調整を必要とする。その調整は、製造中に、移動可能な調整素子または対応する調整設備で行なう。

送光器および受光器の調整可能な配置は、ＥＰ１３５１０７０に開示されている。その装置は、平行に離して配置した送光軸および受光軸を備えており、長い測定範囲の光波距離測定装置である。放射線源および小面積のフォトダイオードを、強固に接続している回路基板組立体を介して、機械的に互いに強固に接続している。小面積フォトダイオードは、導電性があり、回路基板組立体に、一時的に調整可能に電気接触で固定している。従って、調整は、回路基板組立体に対するフォトダイオードの動きで行なう。最適な位置で、フォトダイオードを固定する。この装置で行なわれる固定工程では、個別の電子部品を動かすため、製造が一層複雑になる。特に、フォトダイオードを回路基板に機械的に強度に固定は出来ない。これが表面実装装置の特徴の利用を妨げている。表面実装装置の場合、標準の機械で、全自動で導電路に直接はんだ付けができる。

本発明の目的は、設計が改善され、安定性が増し、組立てが簡素化された光波距離測定装置の提供にある。

本発明は、主に一般的な携帯の距離測定装置に関する。距離測定装置は、位相またはパルス経過時間の測定原理で行ない、支持素子の動きで受光部品の調整を行なっている。測定受光器は、少なくとも２つの移動方向に対し、支持素子に固定されている。つまり、並進可能に固定されている。この移動方向の調整は、受光システムのビーム軸に対し、一式の回路基板の移動で行なう。回路基板は、評価する電子システムの部品の保持も可能である。適切な支持素子は、例えば、回路基板または基板（プリント回路またはプリント回路基板）で、導電路を備え、自動組立てが可能である。

回路基板への測定受光器の固定は、所謂、表面実装装置として行なう。部品は、線の接続を持たず、回路基板に、はんだ付けで直接に接続表面で付ける。これは機械的に強い接続で、環境の影響に強い。

受光システムが固定焦点の場合、測定受光器は、全ての３つの方向で固定できるため、支持素子に強固に固定できる。従って、位置調整は、光軸に垂直な２つの移動方向だけで行なえる。調整が完了すると、回路基板または支持素子を固定する。固定は、ねじ締め、接着剤または他の固定手段で行なう。

固定焦点の代替は、鏡または他の反射素子で焦点合わせを行なう。鏡または反射素子が、測定受光器へのビーム経路を長く又は短くする。鏡を測定受光器に対し動かすのは、焦点合わせの第３の自由度を、この可変距離で行なうためである。このタイプの焦点合わせは、他の２つの移動方向の調整と独立しており、調整前に、１つの軸で非常に簡単に行なえる。調整画像は、調整中または調整後のみ、明確に見ることが出来る。

支持素子に対する限られた直接の調整は、１つの移動方向での測定受光器の調整で行なえる。従って、固定焦点の無い光学システムの使用が可能で、焦点合わせは、残りの並進の自由度に対する動きで行なえる。この動きを実現する１つの方法は、測定受光器を、プリント回路基板上に取り付けて行なえる。測定受光器を配置している回路基板のプリント側は、弾性的で、ねじまたは他の調整素子で、焦点に押し付けることが可能である。

実施形態の特徴は、特にアバランシェフォトダイオードを、表面実装装置として固定できる点である。このダイオードは、電子装置の残りの部分と同じ操作で一緒に挿入できる。

半導体レーザの特別な固定とは独立の好ましい展開として、駆動回路を半導体レーザの標準的な設計に一体化できることを提供する。例えば、フォトダイオード回路を駆動回路で置き換えることができる。同じ筐体が利用でき、接点は次のように指定される。
１）接地
２）ＶＣＣ電圧源
３）信号入力

駆動回路を半導体レーザの筐体に移す場合、種々の利点がある。

第一に、高出力の短パルスが生成され、優れた測定性能が得られる。数１００ｐｓ幅のパルスを生成するために、可能な限りの電流を、非常に短時間でレーザに通す必要がある。駆動部およびレーザを備える回路のインダクタンスが、制限因子となる。必要とする電圧は、所定の電流の増加でのインダクタンスに比例する。
Ｕ＝Ｌ・（ｄｌ／ｄｔ）

電圧は、使用する半導体の性能で制限される。性能が速いほど、使用できる可能な電圧は低くなる。駆動回路とレーザ回路を標準の筐体に組合せて、電力回路のインダクタンスが最適化できる。

第二として、短パルの場合、無関係の放射線の反射が常に問題となり、金属の遮蔽室の組立てを必要とする。レーザ筐体の使用は、負荷回路の良好な遮蔽となり、光学システムおよびプリント回路の残りの組立てが、プラスチックモジュール上で可能となる。

受光システムの光軸に対する測定受光器の並進の位置合わせは、非常に容易に実現できる。プリント回路基板を、単に外側または端部で把持して移動すればよい。基板は、非常に簡単に調整装置に近づけることが出来る。高周波の使用のため、電子装置の遮蔽が通常必要である。安定性のために、金属から成るモジュールを、光学システムを保持するのに使用し、遮蔽室を導電路と共に形成できる。

短い距離（例、５ｃｍ位）の最適な測定には、付加的な光学素子を必要とする。本発明では、この付加的な素子を、組立後に、フォトダイオードに取り付けることができる。

本発明の実施形態を、図を参照しながら詳細に模式的に説明する。図１は、本発明による光波距離測定装置１の第１の実施形態を示す。光波距離測定装置１は、送光器となる半導体レーザ２を備え、光放射線またはレーザ光を放射し、送光軸ＳＡを有する送光システム３から、測定する目標物に照射する。測定目標物で反射した光は、受光軸ＥＡを有する受光システム４で受光され、測定受光器５（例、アバランシェフォトダイオード）を通過する。送光軸ＳＡと受光軸ＥＡは、互いに平行または僅かに傾斜し、測定範囲内での構成で，ビーム経路に互いに平行なオフセットがある。送光システム３と受光システム４を、共通の光学支持部６に設けるのが好ましい。この光学支持部６は、半導体レーザ２を保持し、送光軸３に対し強固に固定している。この実施形態では、半導体レーザ２の放射軸は、送光システム３の送光軸ＳＡと同軸である。

送光電子装置を備える第１の支持素子を半導体レーザ２に設け、受光電子装置を備える第２の支持素子を測定受光器５に設けている。この実施形態では、２つの支持素子を、共通の支持素子として単一の回路基板７の形にしている。測定受光器５は、第２の支持素子または回路基板７に、少なくとも２つの移動方向に対し、強固に接続している。この実施形態では、回路基板７に対し完全な固定をしている。表面実装装置の場合、固定は直接的で、導電路上に最終の固定を行なう。本実施形態では、開口部７ａまたは通路を回路基板７に形成し、半導体レーザ２の接触素子２ａを導入している。半導体レーザ２は、光学支持部６に固定され、送光システム３に対し、所定の方法で位置させている。測定受光器５は、回路基板７の動きで、受光軸ＥＡに対し移動でき調整される。受光システム４を固定焦点で形成するのは、測定受光器５の焦点調整を不要にするためである。部品および回路基板７を備える光学支持部６は、距離測定装置１の筐体８の中に、更に部品９（例、電源）と共に配置されている。調整が完了すると、測定受光器５の軸と受光システム４の受光軸ＥＡは、同軸になる。

第１の実施形態での調整を、模式的で詳細に示す図２ａおよび図２ｂで説明する。

図２ａでは、受光軸ＥＡと測定受光器５の光軸または中心点が一致していない。回路基板７を光学支持部６に対し移動させ、図２ｂに示すように、測定受光器５と受光軸ＥＡを一直線にする。位置合わせが終了すると、回路基板７を光学支持部６に固定する。半導体レーザ２は、回路基板７の開口部７ａで、回路基板７の移動から分離されている。調整が終了すると、半導体レーザ２の接触素子２ａを回路基板７およびその上の送光電子装置に接続する。この実施形態では、共通の回路基板７の固定は、光学支持部６に対して行なっている。半導体レーザ２および測定受光器５に対し、２つの離れた回路基板の使用も可能である。回路基板７を受光システム４に直接に固定、又は、筐体８で間接に固定するのも可能である。回路基板７が受光軸ＥＡの方向に移動可能であれば、固定焦点を排除し、測定受光器５の焦点合わせが可能になる。

図３ａ、３ｂは、第１実施形態の設計を表している。説明のために、回路基板７および光学支持部６のみを筐体８に示している。受光システム４の受光開口部４ａ、及び、接触素子２ａを備える半導体レーザ２の背部が、光学支持部６の背部から見える（図３ａ）。これらの部品を接続するねじ穴１０を、回路基板７と光学支持部６に形成している。この接続の設計は、ねじ締めの前に、光学支持部６に対し回路基板７の移動の可能性をまだ残すためである。回路基板７を調整し、接触素子２ａを開口部７ａと同一平面にし、回路基板７の反対側の測定受光器５を受光開口部４ａと同一平面にする。

図３ｂは、調整プロセスでの距離測定装置を示す。回路基板７と光学支持部６を互いに接続する。接触素子２ａを、調整に十分な遊びを持たせて、回路基板７の開口部７ａに導く。受光軸ＥＡに対する測定受光器５の調整を、光学支持部６に対する回路基板７の横方向の移動で調整する。

図４および図５は、本発明による距離測定装置の２つの他の実施形態を示す。

図４は、回路基板７’に垂直に移動可能な測定受光器５’を備えた第２の実施形態の模式図を示す。受光システム４’を固定焦点にしていないので、測定受光器５’の焦点合わせの位置合わせが必要となる。測定受光器５’は、回路基板７’に対し２つの移動方向で固定されている。第３の移動方向は、弾性体素子１１（例、自由な導電路）に、ばねで取り付けて行なう。測定受光器５’は、全ての移動方向に対し、強固に導電路上に固定され、最終的に、組み立て中で固定する。一方向の調整または焦点合わせは、回路基板７’に対する導電路のばねによる動きの結果である。精密な移動および固定は、例えば、止雌ねじ１２で行なう。この展開で、測定受光器５’は、回路基板７’の移動で、受光軸ＥＡに垂直な位置づけが可能となる。焦点は、止雌ねじ１２の調整で行なう。

図５は、第３の実施形態を示し、焦点合わせのみに対応する反射鏡１３、又は、受光システム４”に対する他の光学反射素子を備え、固定焦点にしていない。測定受光器５”は、再び、回路基板７”に固定しているが、傾斜している。この場合、回路基板７”に対し、測定受光器５”の全ての自由度が低減され、固定した接続が存在している。反射鏡１３と回路基板７”の動きが、互いに分離、独立しているので、受光軸ＥＡに垂直な位置合わせと焦点合わせの両方が達成できる。特定の設計構造（例えば、測定受光器５”の受光表面の寸法）で、反射鏡１３と測定受光器５”の相対的な移動が、異なる方向で可能となる。図５に点線の矢印で示している。

図に示す実施形態は、限定的に理解すべきではない。個別の特徴を組合わせることが可能である。従って、筐体の展開に応じ、分割した回路基板または異なる角度または平坦でない回路基板の使用も可能である。回路基板または他の支持素子の固定は、締め付け、はんだ付け又は接着技術でも可能である。

本発明による距離測定装置の第１の実施形態を示す。 （ａ）第１の実施形態の詳細を模式的に示す。（ｂ）第１の実施形態の詳細を模式的に示す。 （ａ）第１の実施形態の詳細を図式的に示す。（ｂ）第１の実施形態の詳細を図式的に示す。 本発明による距離測定装置の第２の実施形態を模式的に詳細に示す。 本発明による距離測定装置の第３の実施形態を模式的に詳細に示す。

Claims (14)

1. 測定目標物を照射する光放射線を放射する送光器、特に半導体レーザ（２）と、
   該送光器に対し強固に固定されている送光システム（３）と、
   送光電子装置を有する第１の支持素子と、
   該測定目標物で反射される該光放射線を検出する測定受光器（５，５’，５”）、特にアバランシェフォトダイオードと、
   受光システム（４，４’，４”）と、
   受光電子装置を有する第２の支持素子と、
   を備える光波距離測定装置（１）において、
   該第２の支持素子が、少なくとも２つの移動方向に対し強固に接続されている該測定受光器（５，５’，５”）を備えている、ことを特徴とする光波距離測定装置。
2. 前記測定受光器（５’）が、前記第２の支持素子の導電路に挿入され、最終的に、全ての移動方向に対し、該導電路に固定される、ことを特徴とする請求項１記載の光波距離測定装置。
3. 前記第２の支持素子が板状で、前記測定受光器が、少なくとも表面での移動方向に対し固定されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の光波距離測定装置。
4. 前記測定受光器が、前記第２の支持素子に対し垂直に移動可能で、特に前記第２の支持素子の弾性体素子（１１）で移動可能としている、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の光波距離測定装置。
5. 前記測定受光器が、全ての３つの移動方向に対し前記第２の支持素子に固定され、特に前記第２の支持素子に直接に表面実装される組立体として固定され、前記受光システム（４）が、固定焦点を備えている、ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の光波距離測定装置。
6. 前記送光システム（３）、前記送光器、及び／又は、前記受光システム（４，４’，４”）が、光学支持部（６）に強固に固定されている、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の光波距離測定装置。
7. 前記送光器が前記半導体レーザで、前記半導体レーザが、前記半導体レーザの本体に一体化された駆動電子装置を備えている、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の光波距離測定装置。
8. 前記測定受光器（５”）または前記受光システム（４”）に対し移動可能な反射素子（１３）が、前記測定受光器（５”）の前方に設けている、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の光波距離測定装置。
9. 前記反射素子（１３）が、前記受光システム（４”）の光軸方向に移動可能で、特に前記測定受光器と共に移動可能である、ことを特徴とする請求項８記載の光波距離測定装置。
10. 前記第１の支持素子および第２の支持素子が、共通の支持素子を形成し、特に回路基板（７，７’，７”）で形成する、ことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項記載の光波距離測定装置。
11. 前記共通の支持素子が、前記受光システム（４，４’，４”）及び／又は前記光学支持部（６）に対し移動可能で、特に前記受光システム（４，４’，４”）の光軸に垂直な面で移動可能である、ことを特徴とする請求項１０記載の光波距離測定装置。
12. 前記共通の支持素子が、固定される前記送光器に電気的な接続を備えている、ことを特徴とする請求項１０または１１記載の光波距離測定装置。
13. 前記送光器の放射軸が、前記送光システムの送光軸に同軸である、ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項記載の光波距離測定装置。
14. 測定目標物を照射する光放射線を放射する送光器、特に半導体レーザ（２）と、
    該送光器に対し強固に固定されている送光システム（３）と、
    送光電子装置を有する第１の支持素子と、
    該測定目標物で反射される該光放射線を検出する測定受光器（５，５’，５”）、特にアバランシェフォトダイオードと、
    受光システム（４，４’，４”）と、
    受光電子装置を有する第２の支持素子と、を備える光波距離測定装置（１）を調整する工程と、
    該受光システム（４，４’，４”）に対し、該測定受光器（５，５’，５”）の位置合わせをする工程と、を備える方法において、
    該第２の支持素子が、該位置合わせの時に、該受光システム（４，４’，４”）に対し移動される、ことを特徴とする方法。

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