JP2011013108A - Lightwave distance meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強度変調されて所定の位相を有する光を目標反射物に反射させて得た測距光と、前記強度変調光を参照光通路へ射出して得た参照光の位相差を測定して目標反射物までの直線距離を測定する光波距離計に関する。 The present invention measures the phase difference between ranging light obtained by reflecting light having a predetermined phase that is intensity-modulated to a target reflector, and reference light obtained by emitting the intensity-modulated light to a reference light path. The present invention relates to a light wave rangefinder that measures a linear distance to a target reflector.
従来の光波距離計には、強度変調されて所定の位相を有する光を測定地点に配置したプリズムや反射鏡等の目標反射物に反射させて得られる測距光と、前記強度変調光を参照光通路へ射出して得た参照光を受光手段でそれぞれ受光して出力された、前記測距光の電気信号(測距信号)と参照光の電気信号(参照信号)の位相差を算出して目標反射物までの直線距離を測定するもの(一般的に位相差方式光波距離計という)がある。位相差方式光波距離計は、測定距離に応じて測距光と参照光の位相差が変化することを利用したものである。 In the conventional optical distance meter, the distance-modulated light obtained by reflecting the intensity-modulated light having a predetermined phase to a target reflector such as a prism or a reflecting mirror arranged at the measurement point, and the intensity-modulated light are referred to Calculates the phase difference between the electrical signal (ranging signal) of the distance measuring light and the electrical signal (reference signal) of the reference light, which are received and output by the light receiving means, respectively. Some measure the linear distance to the target reflector (generally referred to as a phase difference type lightwave distance meter). The phase difference type lightwave distance meter utilizes the fact that the phase difference between the distance measuring light and the reference light changes according to the measurement distance.
測距光と参照光の位相差Δφは、目標反射物までの測距距離をD、変調周波数をf、高速をCとすると、Δφ=4πfD/Cで表され、測距距離Dは、位相差Δφを測定することで求められる。また、実際の測定においては、2つ以上の大きさの異なる周波数による変調光が使用され、それぞれの分解能に応じて距離値の各桁が決定される。 The phase difference Δφ between the distance measuring light and the reference light is expressed by Δφ = 4πfD / C, where D is the distance measured to the target reflector, f is the modulation frequency, and C is the high speed. It is obtained by measuring the phase difference Δφ. In actual measurement, modulated light having two or more different frequencies is used, and each digit of the distance value is determined according to each resolution.
かかる光波距離計においては、光波距離計から目標反射物までの距離が近いと受光される測距光の光量が強くなり、前記距離が遠いと測距光の光量が弱くなるため、光波距離計から目標反射物までの距離に応じて測距信号の出力レベルにバラツキが発生する。そこで、かかる光波距離計においては、例えば、下記特許文献1に示すように、目標反射物と受光手段との間にモーター等で駆動する可変式受光濃度フィルター機構を設けて反射光(測距光)の絞り調節を行うことにより、測距光量を最適な状態に調節していた。
In such a light wave distance meter, the light amount of the ranging light received when the distance from the light wave distance meter to the target reflector is short becomes strong, and the light amount of the distance measuring light becomes weak when the distance is long. The output level of the ranging signal varies depending on the distance from the target reflector to the target. Therefore, in such a light wave distance meter, for example, as shown in
従来の光波距離計に使用されていた可変式受光濃度フィルター機構は、機械的な構造を動作させて絞り調節を行った結果、光量調節に時間がかかっていた。特に、光波距離計から数km離れた測定地点にプリズムを配置して行われるような遠距離測距においては、送出された測距光が大気の揺らぎによって光路を曲げられ、測距光量が大きく変化した結果、光量調節に数秒程度かかり、所定の測距仕様時間内に光量を調節できなくなるという問題が発生していた。 The variable light-receiving density filter mechanism used in the conventional lightwave distance meter takes a long time to adjust the light amount as a result of operating the mechanical structure and adjusting the aperture. In particular, in long-distance ranging performed by placing a prism at a measurement point several kilometers away from the optical wave distance meter, the transmitted distance-measuring light has its optical path bent due to atmospheric fluctuations, resulting in a large amount of distance-measuring light. As a result of the change, it took about several seconds to adjust the light amount, and there was a problem that the light amount could not be adjusted within a predetermined distance measurement specification time.
本願発明は、かかる問題点に鑑みて、可変式受光濃度フィルターが不要であって、測距光量がより高速に調節出来る光波距離計を提供するものである。 In view of such problems, the present invention provides a lightwave distance meter that does not require a variable light-receiving density filter and that can adjust the distance-measuring light amount at a higher speed.
請求項1の光波距離計は、一定周波数の搬送波を重畳化した信号によって強度変調された光を送出する光送出手段と、該光送出手段の光を測定地点に配置した目標反射物または参照光路のうち選択された一方に送出する光分出手段と、前記目標反射物で反射された測距光または前記参照光路を通過した参照光を受光して測距信号と参照信号を出力する受光手段と、前記測距信号と参照信号の位相差によって目標反射物までの直線距離を求める距離算出手段と、を備えた光波距離計において、前記光送出手段に光量調節手段を設けた。即ち、請求項1では、機械的な動作手段で受光する反射光量を調節をする代わりに、電気的手段によって発光素子の点灯光量を調節することにした。
A lightwave distance meter according to
(作用)発光素子における点灯光量は、電気的手段のみによって調節でき、調節時に可変式受光濃度フィルターによるモーター等の機械的な動作を含まないため、調節に必要な時間が短い。また、光波距離計は、モーター等の配置スペースが不要になる。 (Operation) The lighting amount of light in the light emitting element can be adjusted only by electric means, and does not include a mechanical operation such as a motor by a variable light-receiving density filter at the time of adjustment, so that the time required for adjustment is short. In addition, the optical distance meter does not require an arrangement space for a motor or the like.
請求項2は、請求項1の光波距離計において、前記光送出手段が発光素子を有し、前記光量調節手段が、直流の電圧を供給されつつ前記発光素子に接続された可変抵抗手段と、該可変抵抗手段の制御手段と、を有するようにした。 According to a second aspect of the present invention, in the lightwave distance meter according to the first aspect, the light transmitting unit includes a light emitting element, and the light amount adjusting unit is connected to the light emitting element while being supplied with a DC voltage. Control means for the variable resistance means.
(作用)発光素子に負荷される抵抗値を調節して発光素子の発光量を変化させることによって、測距光の光量が極めて短時間で調節される。 (Operation) By adjusting the resistance value applied to the light emitting element to change the light emission amount of the light emitting element, the light amount of the distance measuring light is adjusted in a very short time.
請求項3は、請求項2の光波距離計において、前記可変抵抗手段をデジタルポテンショメータによって構成した。 According to a third aspect of the present invention, in the optical distance meter of the second aspect, the variable resistance means is constituted by a digital potentiometer.
(作用)デジタルポテンショメータは、発光素子の微細な光量調節を可能にする。 (Operation) The digital potentiometer enables fine light amount adjustment of the light emitting element.
請求項1または2の光波距離計によれば、測距光の光量調節時間が従来よりも大幅に短縮されるため、測距仕様時間内における光量調節回数を増やすことが出来る。その結果、光波距離計と目標反射物との間で大気に大きな揺らぎが発生したために1度で光量の調節が完了しないような場合であっても、回数を重ねることによって測距仕様時間内に光量調節を完了出来る可能性が高くなる。また、可変式受光濃度フィルターのモーター等の機構が不要になるため、光波距離計の大きさがコンパクトになるとともに、コストダウンが図られる。
According to the lightwave distance meter of
請求項3の光波距離計によれば、測距光量を微細に調節出来るため、より誤差の少ない距離測定が可能になる。 According to the optical distance meter of the third aspect, the distance measurement light quantity can be finely adjusted, so that distance measurement with less error is possible.
次に、図1により光波距離計の最適な実施形態を説明する。実施例の光波距離計は、以下に示す光送出手段100、発光素子の光量調節手段101、受光手段(受光素子30)、ローカル信号送出手段103、及び距離算出手段(CPU41)等を構成要素に含む。 Next, an optimal embodiment of the lightwave distance meter will be described with reference to FIG. The lightwave distance meter of the embodiment is composed of the light transmitting means 100, the light amount adjusting means 101 of the light emitting element, the light receiving means (light receiving element 30), the local signal transmitting means 103, the distance calculating means (CPU 41), and the like as described below. Including.
発振器1、分周器2、周波数重畳回路3,駆動回路4及び発光素子10は、図1に示すように順番に接続されて、光送出手段100を構成する。
The
発振器1は、所定の周波数を有する基準搬送波信号F1を発生させる。分周器2は、基準搬送波信号F1を分周して異なる周波数を有する基準搬送波信号F2,F3を発生させる。基準搬送波信号F1,F2,F3は、周波数重畳回路3によって重畳化される。電圧供給を受ける駆動回路4は、重畳化された基準搬送波信号(F1,F2,F3)に基づく交流信号によって発光素子10を発光させ、重畳化された基準搬送波信号(F1,F2,F3)の振幅で強度変調した光を送出させる。
The
発光素子10には、一定値の抵抗を発光素子10に負荷する負荷抵抗8とデジタルポテンショメータ9(可変抵抗手段)が接続される。また、負荷抵抗8は、導通と非導通を切り替え可能なデジタルスイッチ13を介して直流電源14から直流電圧の供給を受ける。デジタルポテンショメータ9には、制御手段12が接続される。デジタルポテンショメータ9は、制御手段12によって制御される可変抵抗器であって、発光素子10に負荷される抵抗を変化させる。また、デジタルポテンショメータ9は、負荷抵抗8、制御手段12、デジタルスイッチ13、直流電源14と共に光量調節手段101を構成する。 Connected to the light emitting element 10 are a load resistor 8 and a digital potentiometer 9 (variable resistance means) for loading the light emitting element 10 with a constant resistance. The load resistor 8 is supplied with a DC voltage from a DC power supply 14 via a digital switch 13 that can be switched between conduction and non-conduction. Control means 12 is connected to the digital potentiometer 9. The digital potentiometer 9 is a variable resistor controlled by the control means 12 and changes the resistance loaded on the light emitting element 10. The digital potentiometer 9 constitutes a light amount adjusting means 101 together with the load resistor 8, the control means 12, the digital switch 13 and the DC power supply 14.
発光素子10に負荷される抵抗値は、負荷抵抗8とデジタルポテンショメータ9の合成抵抗値によって定められる。発光素子10は、直流電圧を受けた状態で制御手段12によってデジタルポテンショメータ9の抵抗値を上げると発光光量が減少し、前記抵抗値を下げると発光光量が増加する。 The resistance value loaded on the light emitting element 10 is determined by the combined resistance value of the load resistance 8 and the digital potentiometer 9. When the resistance value of the digital potentiometer 9 is increased by the control means 12 while receiving a direct current voltage, the light emitting element 10 decreases the emitted light amount, and decreasing the resistance value increases the emitted light amount.
ビームスプリッタ20は、切り替えシャッター27と共に光分出手段102を構成する。発光素子10から送出された光は、ビームスプリッタ20に入力されて、測距光路21方向と参照光路25方向に2分割されると共に分割された光のいずれかを切替シャッター27によって遮光される。前記分割光は、測距光路21側または参照光路25側のうち切替シャッター27に遮光されていない方の光路に送出される。
The beam splitter 20 constitutes the light extraction means 102 together with the
切替シャッター27によって参照光路25側が遮光されることにより、測距光路21へ送出した光は、測定地点に配置したプリズム等の目標反射物22によって測距光路23に反射される。該反射された光(以降は、測距光という)は、受光光学24(集光レンズ等)で集光されて受光素子30(光受光手段)によって受光される。一方、シャッター27を切り替えて測距光路21側が遮光されることにより、参照光路25へ送出した光(以降は、参照光という)は、濃度フィルタ26で一定の光量調節を受けたあと受光素子30によって受光される。
Since the reference
受光素子30には、増幅器31が接続され、増幅器31には、基準搬送波信号(F1,F2,F3)毎に周波数変換機(32,35,38)、低域フィルタ(33,36,39)、ADコンバータ(34,37,40)が接続されている。ADコンバータ(34,37,40)は、CPU41に接続され、CPU41は、デジタル信号化された測距信号と参照信号の位相差を検出すると共に測定距離の算出を行う。
An
測距光と参照光は、受光素子30によって、基準搬送波信号(F1,F2,F3)を示す電気信号に変換され、増幅器31で増幅されたあと、(F1,F2,F3)を示す電気信号毎に周波数変換機(32,35,38)にそれぞれ入力される。
The distance measuring light and the reference light are converted by the light receiving element 30 into electric signals indicating the reference carrier signals (F1, F2, F3), amplified by the
一方、PLL(Phase Locked Loop)5、ローカル信号発振器6、周波数生成回路7は、ローカル信号送出手段103を構成する。PLL5は、発振器1に接続され、ローカル信号発振器6は、双方向の信号線によってPLL5と接続される。周波数生成回路7は、発振器1とローカル信号発振器6にそれぞれ接続される。またローカル信号発振器6は、周波数変換機32に接続され、周波数生成回路7は、周波数変換器(35,38)に接続されている。
On the other hand, a PLL (Phase Locked Loop) 5, a local signal oscillator 6, and a frequency generation circuit 7 constitute a local signal transmission unit 103. The PLL 5 is connected to the
ローカル信号発振器6は、PLL5を介して発振器1から基準搬送波信号F1を受けることにより、信号F1よりも微小値Δf1だけ周波数のずれている周波数信号F1+Δf1を周波数変換機32に出力する。周波数生成回路7は、発振器1から搬送波信号F1を受け、更にローカル信号発振器6から周波数信号F1+Δf1を受ける。そして、周波数生成回路7は、まず基準搬送波信号F1を搬送波信号F2,F3に分周すると共に、周波数信号F1+Δf1に基づいて、搬送波信号F2,F3よりも更に微小値Δf2、Δf3だけ周波数のずれている周波数信号F2+Δf2とF3+Δf3をそれぞれ出力する。周波数信号(F2+Δf2,F3+Δf3)は、それぞれ周波数変換器(35,38)に入力される。
The local signal oscillator 6 receives the reference carrier signal F1 from the
周波数変換器(32,35,38)は、測距光または参照光として入力された基準搬送波信号(F1,F2,F3)をローカル信号送出手段103側の周波数信号(F1+Δf1,F2+Δf2,F3+Δf3)に基づいて、より周波数帯が低く扱い易い周波数信号(Δf1,Δf2,Δf3)に変換する。周波数信号(Δf1,Δf2,Δf3)は、周波数変換機(32,35,38)で発生したノイズを低域フィルタ(33,36,39)によって除去されて、ADコンバータ(34,37,40)に送られ、電気信号からデジタルデータ(Δf1’,Δf2’,Δf3’)に変換される。 The frequency converter (32, 35, 38) converts the reference carrier signals (F1, F2, F3) input as distance measuring light or reference light into frequency signals (F1 + Δf1, F2 + Δf2, F3 + Δf3) on the local signal transmission means 103 side. ) Is converted into frequency signals (Δf1, Δf2, Δf3) having a lower frequency band and easy to handle. In the frequency signals (Δf1, Δf2, Δf3), the noise generated in the frequency converter (32, 35, 38) is removed by the low-pass filter (33, 36, 39), and the AD converter (34, 37, 40). And is converted from the electrical signal into digital data (Δf1 ′, Δf2 ′, Δf3 ′).
CPU41は、デジタルデータとなった測距光と参照光の周波数信号(Δf1’,Δf2’,Δf3’)からそれぞれの振幅と位相情報を解析し、測距光と参照光の位相差により、光波距離計から目標反射物22に至る直線距離を少ない誤差で算出する。 The CPU 41 analyzes the amplitude and phase information from the distance measurement light and the reference light frequency signals (Δf1 ′, Δf2 ′, Δf3 ′), which are digital data, and calculates the optical wave based on the phase difference between the distance measurement light and the reference light. The straight line distance from the distance meter to the target reflector 22 is calculated with a small error.
次にデジタルポテンショメータ9による測距光量の調節を説明する。図1に示す制御手段12は、CPU41で解析された測距光の振幅(光量)に応じてデジタルポテンショメータ9の抵抗値を調節し、発光素子10による出力を変化させることで測距光量を調節する。 Next, adjustment of the distance measuring light amount by the digital potentiometer 9 will be described. 1 adjusts the resistance value of the digital potentiometer 9 in accordance with the amplitude (light quantity) of the distance measuring light analyzed by the CPU 41, and adjusts the distance measuring light quantity by changing the output of the light emitting element 10. To do.
光波距離計には、仕様に応じて適正光量と下限光量が定められており、それら光量の設定値が記憶手段43に記憶されている。CPU41は、測距信号の振幅から得られる光量の数値を記憶手段43の設定値と比較して差を測定し、抵抗値の制御信号をデジタルポテンショメータ9に送出する。その結果、測距光の測定時における発光素子10の発光量は、デジタルポテンショメータ9の変更された抵抗値に応じて調節される。 In the optical distance meter, an appropriate light amount and a lower limit light amount are determined according to specifications, and set values of these light amounts are stored in the storage means 43. The CPU 41 compares the numerical value of the light quantity obtained from the amplitude of the distance measurement signal with the set value of the storage means 43 to measure the difference, and sends a resistance value control signal to the digital potentiometer 9. As a result, the light emission amount of the light emitting element 10 at the time of measuring the distance measuring light is adjusted according to the changed resistance value of the digital potentiometer 9.
また、参照光の光量は、測距光の調節に伴って測距光と同様に変化する。このようにして測距光の光量調節結果を利用して参照光の光量を変化させた場合、発光素子10においては、発光時に位相の変化が生じにくくなる。その結果、参照光は、温度ドリフトによる位相の変化を最小限に抑制することが出来る。 The light amount of the reference light changes in the same manner as the distance measuring light with the adjustment of the distance measuring light. When the light amount of the reference light is changed using the light amount adjustment result of the distance measuring light in this manner, the light emitting element 10 is less likely to cause a phase change during light emission. As a result, the reference light can suppress a change in phase due to temperature drift to a minimum.
また、測距光量の具体的な調節は、参照光量を予めデジタルポテンショメータ9によって適正光量に調節した状態で以下のように行われる。測距光量は、光波距離計から目標反射物22までの距離に応じて、適正光量より多い場合(図2を参照)と適正光量より少ない場合(図3を参照)がある。 Further, the specific adjustment of the distance measuring light amount is performed as follows with the reference light amount adjusted in advance to the appropriate light amount by the digital potentiometer 9. Depending on the distance from the light wave rangefinder to the target reflector 22, the distance measurement light amount may be greater than the appropriate light amount (see FIG. 2) or less than the appropriate light amount (see FIG. 3).
即ち、光波距離計から目標反射物22に至る測距を行った結果、図2に示すように測距光量が適正光量より多い場合には、デジタルポテンショメータ9の抵抗値を増加させて測距光量を適正光量まで減少させる。その際、参照光量は、測距光の減少に伴って適正光量から少なくなる。参照光量が下限光量を上回る場合には、測距(距離測定)を行い、参照光量が下限光量を下回る場合には、測距を中止する。 That is, as a result of the distance measurement from the light wave distance meter to the target reflector 22, as shown in FIG. 2, when the distance light quantity is larger than the appropriate light quantity, the resistance value of the digital potentiometer 9 is increased to increase the distance light quantity. Is reduced to the appropriate light level. At this time, the reference light amount decreases from the appropriate light amount as the distance measuring light decreases. When the reference light amount exceeds the lower limit light amount, distance measurement (distance measurement) is performed, and when the reference light amount falls below the lower limit light amount, the distance measurement is stopped.
一方、目標反射物22までの測距を行った結果、図3に示すように、測距光量が参照光量より少ない場合には、デジタルポテンショメータ9による測距光量の調節を行わない。そして測距光量が下限光量を超えている場合には、測距を行い、測距光量が下限光量を下回る場合には、測距を中止する。 On the other hand, as a result of the distance measurement to the target reflector 22, as shown in FIG. 3, when the distance light quantity is smaller than the reference light quantity, the digital potentiometer 9 does not adjust the distance light quantity. If the distance light quantity exceeds the lower limit light quantity, the distance is measured. If the distance light quantity falls below the lower limit light quantity, the distance measurement is stopped.
9 デジタルポテンショメータ(可変抵抗手段)
10 発光素子
12 制御手段
22 目標反射物
25 参照光路
30 受光素子(受光手段)
41 CPU(距離算出手段)
100 光送出手段
101 光量調節手段
102 光分出手段
9 Digital potentiometer (variable resistance means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light emitting element 12 Control means 22
41 CPU (distance calculation means)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光送出手段に光量調節手段を設けたことを特徴とする、光波距離計。 Light transmitting means for transmitting light whose intensity is modulated by a signal with a carrier wave having a constant frequency superimposed thereon, and light from the light transmitting means is transmitted to a selected one of a target reflector or a reference optical path disposed at a measurement point A light output unit; a light receiving unit that receives the ranging light reflected by the target reflector or the reference light that has passed through the reference optical path; and outputs a ranging signal and a reference signal; and the ranging signal and the reference signal A distance calculation means for obtaining a linear distance to the target reflector by the phase difference of
A light wave distance meter characterized in that a light amount adjusting means is provided in the light sending means.
前記光量調節手段は、直流の電圧を供給されつつ前記発光素子に接続された可変抵抗手段と、該可変抵抗手段の制御手段と、を有することを特徴とする請求項1に記載の光波距離計。 The light sending means has a light emitting element,
2. The light wave distance meter according to claim 1, wherein the light amount adjusting means includes variable resistance means connected to the light emitting element while being supplied with a DC voltage, and control means for the variable resistance means. .
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