JP2010286240A - 光波距離計 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差方式の光波距離計による遠距離測定の際に、測距光の空気中の微粒子による反射による影響を少なくする。
【解決手段】複数の変調周波数（Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３）で変調された光を出射する発光素子（１１）と、該発光素子から出射された光を受光する受光素子（３０）と、該受光素子に接続される複数の周波数変換器（３２，３５，３８）と、前記発光素子から出射された光を目標反射物までを往復して前記受光素子に入射する測距光路または光波距離計内部の参照光路を経て前記受光素子に入射する参照光路に切換えるシャッター（２８）とを備えた光波距離計において、複数の周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振信号が加えられ、最も低い周波数（Ｆ_２−Ｆ_３＋ΔＦ_３）の局部発振信号が、２番目に低い変調周波数（Ｆ_２）と最も低い変調周波数（Ｆ_３）の差（Ｆ_２−Ｆ_３）といくらか異なる周波数とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相差方式の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ものが知られている。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３Ｐから出射された測距光Ｌは、プリズム１０Ｐ、１２Ｐ、ミラー４Ｐ、対物レンズ５Ｐ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）６Ｐに向けて出射される。この光源３Ｐは変調器２Ｐに接続されており、変調器２Ｐは基準信号発振器１Ｐに接続されており、測距光Ｌは基準信号発振器１Ｐ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６Ｐで反射された測距光Ｌは、対物レンズ５Ｐとミラー４Ｐ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）７Ｐに入射する。すると、検出器７Ｐによって、測距光Ｌが測距信号Ｍなる電気信号に変換される。この測距信号Ｍと、変調器２Ｐから送られてくる基準信号Ｋとは、位相計９Ｐ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６Ｐまでの距離が求まる。

一方、光源３Ｐから出射された測距光Ｌは、シャッター８Ｐの位置を切り換えることにより、測距光Ｌがターゲット６Ｐまで往復する外部光路を経た場合と、このような外部光路を経ずに、プリズム１０Ｐ、１１Ｐ、１２Ｐから構成される内部光路を経て参照光Ｒとして直ちに検出器７Ｐに入射する場合とに切換え可能にできる。この内部光路を経た参照光Ｒを用いて、外部光路を経た測距光Ｌと同様に距離測定すると、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６Ｐまでの精確な距離を求めることができる。

特許第３２３６９４１号公報

一般に、前述した位相差方式の光波距離計においては、測距光Ｌは複数の基準信号Ｋを用いて変調されている。ここで、基準信号Ｋによる変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３を、それぞれ７５ＭＨｚ、３．７５ＭＨｚ、２５０ｋＨｚとすると、それぞれの波長は４ｍ、８０ｍ、１２００ｍとなり、それぞれの測定可能な範囲は２ｍ、４０ｍ、６００ｍとなる。これから分かるように、遠距離測定の際には低い変調周波数を使用する必要がある。しかし、数百ｋＨｚ以下の変調周波数を使用すると、空気中の微粒子からの測距光Ｌの反射量が増して測定誤差が大きくなるという問題があった。特に、近年の高分解能の光波距離計では、測距光Ｌの空気中の微粒子による反射が無視できない程度になっていた。

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よる遠距離測定の際に、測距光の空気中の微粒子による反射による影響を少なく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、複数の変調周波数で変調された光を出射する発光素子と、該発光素子から出射された光を受光する受光素子と、該受光素子に接続される複数の周波数変換器と、前記発光素子から出射された光を目標反射物までを往復して前記受光素子に入射する測距光路または光波距離計内部の参照光路を経て前記受光素子に入射する参照光路に切換えるシャッターとを備えた光波距離計において、前記複数の周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振信号が加えられ、最も低い周波数の局部発振信号が２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数との差又は和といくらか異なる周波数であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、複数の変調周波数で変調された光を出射する発光素子と、該発光素子から出射された光を受光する受光素子と、該受光素子に接続される複数の周波数変換器と、前記発光素子から出射された光を目標反射物までを往復して前記受光素子に入射する測距光路または光波距離計内部の参照光路を経て前記受光素子に入射する参照光路に切換えるシャッターとを備えた光波距離計において、前記複数の周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振信号が加えられ、最も低い周波数の局部発振信号が最も低い変調周波数以外の１つの変調周波数と最も低い変調周波数との差又は和といくらか異なる周波数であ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、発光素子からは複数の変調周波数で変調された光が出射されるので、受光素子で得られた測距信号には、２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数の差となる周波数成分が含まれる。そして、最も低い周波数の局部発振信号は、２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数の差といくらか異なる周波数としたので、２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数の差となる周波数成分に最も低い周波数の局部発振信号が乗算されて得られた中間周波信号から、２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数の差となる周波数の変調周波数を用いた場合の測距値が得られる。２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数との差又は和は、２番目に低い変調周波数と接近しているので、近接法によって、測距信号から最も低い変調周波数成分を検出することなく、最も低い変調周波数を用いた場合の測距値を得ることができる。これにより、測距光の空気中の微粒子による反射による影響を少なくすることができ、誤差を小さくしながら遠距離測定できる。

請求項２に係る発明の光波距離計でも、請求項１に係る発明と同様に、近接法によって、測距信号から最も低い変調周波数成分を検出することなく、最も低い変調周波数を用いた場合の測距値を得ることができ、請求項１に係る発明と同様な効果を奏する。

本発明の一実施例に係る光波距離計の主要部のブロック図である。 前記光波距離計の発光素子から出射される光に含まれる周波数成分を示す図である。 近接した２つの周波数から両周波数の差の周波数を得る方法を説明する図である。 近接した２つの変調周波数を用いて測距値を得る近接法について説明する図である。 従来の光波距離計のブロック図である。

以下、図面に基づいて、本発明の光波距離計の第１実施例について説明する。

まず、図１に示したブロック図に基づいて詳細に説明する。

この光波距離計における基準信号として、発振器１で周波数Ｆ_１の信号を発生させる。この周波数Ｆ_１の信号は、分周部２に入力されるとともに、ＰＬＬ５を介して、発振器６に入力される。ＰＬＬ５は、発振器６から出力される信号を正確に発振器１から出力される信号と同期させるために使用する。

分周部２は、周波数Ｆ_１の信号を分周して、周波数Ｆ₂及びＦ_３の信号を発生する。この周波数Ｆ₂及びＦ_３の信号と周波数Ｆ_１の信号とは、周波数重畳回路３を経て駆動回路４へ入力される。発光素子１１は、駆動回路４によって駆動され、周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３で変調された光を出射する。以下、周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３を変調周波数と呼ぶ。

発振器６は、変調周波数Ｆ_１といくらか異なる局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を発生する。この局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号からは、周波数生成回路１２で分周されて、変調周波数Ｆ_２及びＦ_３とそれぞれいくらか異なる局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２及びＦ_２−Ｆ_３＋Δｆ_３の局部発振信号も生成される。これらの局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２及びＦ_２−Ｆ_３＋Δｆ_３の局部発振信号は、後述するように、それぞれ周波数変換器３２、３５、３８へ入力される。

発光素子１１から出射された光は、ビームスプリッタ２０で２つに分けられ、シャッター２８を切換えることにより、一方が図示しない送光光学系から測距光として出射され、目標反射物２２までを往復する測距光路２３を経て受光素子３０に入射し、他方が参照光として、光波距離計内部の参照光路２６を経て受光素子３０に入射する。測距光路２３には、受光素子３０の前に、受光光学系２４と光量調整用の可変濃度フィルタ２５が配置されている。参照光路２６にも、受光素子３０の前に光量減衰用の濃度フィルタ２７が配置されている。

受光素子３０の出力される測距信号は、増幅器３１を経て３つに分けられ、一つ目は第１の周波数変換器３２に入力され、２つ目は第２の周波数変換器３５に入力され、３つ目は第３の周波数変換器３８に入力される。

第１の周波数変換器３２は、測距光路２３を経た測距光又は参照光路２６を経た参照光から得られた測距信号の変調周波数Ｆ_１成分に、変調周波数Ｆ_１といくらか異なる局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を乗算して、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。第２の周波数変換器３５は、測距光路２３を経た測距光又は参照光路２６を経た参照光から得られた測距信号の変調周波数Ｆ_２成分に、変調周波数Ｆ_２といくらか異なる局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の信号を乗算して、周波数Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。

ところで、発光素子１１を変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３で変調すると、Ｆ_１＞Ｆ_２＞Ｆ_３の場合、図２に示したように、周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３の成分の他に、周波数Ｆ_１＋Ｆ_３、Ｆ_１−Ｆ_３、Ｆ_２＋Ｆ_３、Ｆ_２−Ｆ_３の成分も含まれることになる。なお、周波数Ｆ_１＋Ｆ_２、Ｆ_１−Ｆ_２の成分も発生するが、周波数Ｆ_１又はＦ_２とは周波数が大きくかけ離れるため、図２に示していない。

第３の周波数変換器３８には、前述した周波数Ｆ_２−Ｆ_３といくらか異なる局部発振周波数Ｆ_２−Ｆ_３＋Δｆ_３が加えられているので、測距光路２３を経た測距光又は参照光路２６を経た参照光から得られた測距信号の周波数Ｆ_２−Ｆ_３成分に局部発振周波数Ｆ_２−Ｆ_３＋Δｆ_３の信号を乗算して、周波数Δｆ_３の中間周波信号を発生させる。ここでは、前述したように周波数Ｆ_２−Ｆ_３といくらか異なる局部発振周波数Ｆ_２−Ｆ_３＋Δｆ_３を用いたが、局部発振周波数としてはＦ_２−Ｆ_３−Δｆ_３を用いることも可能である。

各周波数変換器３２、３５、３８から出力された中間周波信号は、それぞれ、低域フィルタ３３、３６、３９によって高周波成分が除去される。

各低域フィルタ３３、３６、３９を経た中間周波信号は、それぞれＡ/Ｄ変換器３４、３７、４０に入力される。そして、これらの中間周波信号は、図示しないＣＰＵ（演算制御部）によって初期位相及び振幅が求められる。各中間周波信号の初期位相が求まると、目標反射物２２までの距離が光波距離計内部で発生する誤差を補正して算出される。また、各中間周波信号の振幅も求まると、これらの振幅は可変濃度フィルタ２５による光量調節に利用される。

本実施例によれば、従来と同様にして変調周波数Ｆ_１及びＦ_２での測距値が得られる。また、近接法により、近接した２つの変調周波数Ｆ_２及びＦ_２−Ｆ_３の差となる変調周波数Ｆ_３での測距値ｄ_３も得られる。以下、変調周波数Ｆ_３での測距値が得られる理由を説明する。

変調周波数Ｆ_２、Ｆ_３は、一般に変調周波数Ｆ_１を分周して作る。例えば、周波数Ｆ_１を２０分周して周波数Ｆ_２を作り、周波数Ｆ_１を３００分周して周波数Ｆ_３を作ったとする。例えば、Ｆ_１を７５ＭＨｚとすると、Ｆ_２は３．７５ＭＨｚ、Ｆ_３は２５０ｋＨｚとなる。したがって、測距信号からは、周波数Ｆ_２−Ｆ_３＝３．５ＭＨｚの成分も検出できることになる。近接した周波数Ｆ_２、Ｆ_２−Ｆ_３の両成分からは、図３に示したように、ビート（うなり）により両周波数Ｆ_２、Ｆ_２−Ｆ_３の差の周波数Ｆ_３の成分を生じる。この例から分かるように、一般的に次式が成立する。
Ｆ_３＝Ｆ_２−（Ｆ_２−Ｆ_３） （１）

周波数Ｆ_３での波長をλ_３、周波数Ｆ_２での波長をλ_２、周波数Ｆ_２−Ｆ_３での波長をλ_２３、光速をｃとすると、（１）式は次式のようにも書ける。
ｃ／λ_３＝ｃ／λ_２−ｃ／λ_２３ 又は １／λ_３＝１／λ_２−１／λ_２３ （２）

図４に、周波数Ｆ_２とＦ_２−Ｆ_３とが近接した３．７５ＭＨｚ（波長８０ｍ）と３．５ＭＨｚ（波長約８６ｍ）の場合の、距離と位相との関係を示す。距離６００ｍ（往復１２００ｍ）で両者の位相差は２πになる。一方、両周波数Ｆ_３とＦ_２−Ｆ_３との差となる周波数Ｆ_３（波長１２００ｍ）の位相も２πになる。これから、周波数Ｆ_３の位相は、周波数Ｆ_３の位相と周波数Ｆ_２−Ｆ_３の位相との位相差に等しいことが分かる。一般に、周波数Ｆ_３での測距値をｄ_３、周波数Ｆ_２での測距値をｄ_２、周波数Ｆ_２−Ｆ_３での測距値をｄ_２３とすると、次式が成立する。
２ｄ_３／λ_３＝２ｄ_２／λ_２−２ｄ_２３／λ_２３＝θ／（２π） （３）

ただし、θは周波数Ｆ_３での位相である。したがって、この位相θは、周波数Ｆ_２での位相２π（２ｄ_２／λ_２）と周波数Ｆ_２−Ｆ_３での位相２π（２ｄ_２３／λ_２３）の位相差から算出できる。なお、（３）式において、２ｄ_３、２ｄ_２、２ｄ_２３としたのは、測距光が目標反射物２２までを往復するからである。もし、２ｄ_２／λ_２−２ｄ_２３／λ_２３の値が負の場合は、２πを加えてこの位相角θを算出する。こうして位相角θを算出すると、次式から周波数Ｆ_３での測距値ｄ_３を算出できる。
ｄ_３＝λ_３・θ／（４π） （４）

このように、周波数Ｆ_２とＦ_２−Ｆ_３とが近接した３．７５ＭＨｚと３．５ＭＨｚであれば、両周波数Ｆ_３とＦ_２−Ｆ_３との差となる周波数Ｆ_３は、２５０ｋＨｚで、波長は１２００ｍとなる。こうして、測距信号から極めて低い変調周波数Ｆ_３成分を検出することなく、極めて低い変調周波数Ｆ_３を用いた場合の測距値ｄ_３を得ることができ、遠距離測定が可能となり、しかも従来よりも誤差を小さくできる。

ところで、本発明は、前記各実施例の光波距離計だけに限るものではなく、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。

また、前述した周波数Ｆ_２−Ｆ_３の代わりに、図２に示された周波数Ｆ_２＋Ｆ_３（４ＭＨｚ、波長７５ｍ）、Ｆ_１−Ｆ_３（７５．２５ＭＨｚ、波長５．９９ｍ）、Ｆ_１＋Ｆ_３（７４．７５ＭＨｚ、波長４．０１ｍ）を使用してもよい。これらの場合は、周波数変換器３８に、それぞれ周波数Ｆ_２＋Ｆ_３±Δｆ_３、Ｆ_１−Ｆ_３±Δｆ_３、Ｆ_１＋Ｆ_３±Δｆ_３の局部発振信号を加え、周波数Δｆ_３の中間周波信号を得る。いずれの場合でも近接法により周波数Ｆ_３での測距値が得られる。

１１ 発光素子
２２ 目標反射物
２３ 測距光路
２６ 参照光路
２８ シャッター
３０ 受光素子
３２、３５、３８ 周波数変換器
Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３ 変調周波数
Ｆ_１＋ΔＦ_１、Ｆ_２＋ΔＦ_２、Ｆ_２−Ｆ_３＋ΔＦ_３ 局部発振周波数

Claims (2)

1. 複数の変調周波数で変調された光を出射する発光素子と、該発光素子から出射された光を受光する受光素子と、該受光素子に接続される複数の周波数変換器と、前記発光素子から出射された光を目標反射物までを往復して前記受光素子に入射する測距光路または光波距離計内部の参照光路を経て前記受光素子に入射する参照光路に切換えるシャッターとを備えた光波距離計において、
   前記複数の周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振信号が加えられ、最も低い周波数の局部発振信号が２番目に低い変調周波数と最も低い変調周波数との差又は和といくらか異なる周波数であることを特徴とする光波距離計。
2. 複数の変調周波数で変調された光を出射する発光素子と、該発光素子から出射された光を受光する受光素子と、該受光素子に接続される複数の周波数変換器と、前記発光素子から出射された光を目標反射物までを往復して前記受光素子に入射する測距光路または光波距離計内部の参照光路を経て前記受光素子に入射する参照光路に切換えるシャッターとを備えた光波距離計において、
   前記複数の周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振信号が加えられ、最も低い周波数の局部発振信号が最も低い変調周波数以外の１つの変調周波数と最も低い変調周波数との差又は和といくらか異なる周波数であることを特徴とする光波距離計。

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