JP2011191106A

JP2011191106A - 光波距離計

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Publication number: JP2011191106A
Application number: JP2010055676A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Aoki; 康俊青木
Original assignee: Sokkia Topcon Co Ltd
Current assignee: Sokkia Topcon Co Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5450181B2

Abstract

【課題】測距光の変調周波数を上げることなく測定精度を上げることができる光波距離計を提供する。
【解決手段】変調された可視測距光（Ｌ１）を出射する可視発光素子（１０８）と、可視測距光を受光して電気信号を発生する可視受光素子（１０９）と、可視受光素子からの電気信号で変調された赤外線等の非可視測距光（ｌ２）を出射する非可視発光素子（１１４）と、非可視測距光を受光して電気信号を発生する非可視受光素子（１１５）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットに向けて測距光を送光し、ターゲットで反射してきた測距光を受光し、送光した測距光と受光した測距光との位相差からターゲットまでの距離を測定する光波距離計に関する。

従来の光波距離計として、下記特許文献１に開示されたもののブロック図を図４に示す。この光波距離計は、測距光Ｌを発する光源３と、基準信号を発生する発振器１と、光源３から発する測距光を基準信号から作られる変調信号で変調する変調器２と、光源３から発した測距光Ｌをビームスプリッタ１０、ミラー１２、４、対物レンズ５を経て測点に設置されたプリズム６に向けて送光し、プリズム６で反射された測距光Ｌを受光して測距信号に変換する検出器７と、変調器２から直ちに送られてきた変調信号に対し、検出器７から送られてきた測距信号の位相遅れφｍを測定する位相計９とからなる。

図５の光路図に示したように、位相遅れφｍは、光波距離計からプリズム６までの距離Ｄの２倍に対応するものではあるが、この位相遅れφｍには光波距離計内の電気回路部分による位相遅れも含まれる。

そこで、この光波距離計では、光源３から発した測距光Ｌは、光路切換器８により、プリズム６へ向かう測距光路Ｍと、光波距離計内部を経て直ちに検出器７に至る参照光路Ｒとに行き先を切換えられる。この参照光路Ｒを経た測距光Ｌにより検出器７に発生した参照信号も、位相計９で変調信号に対する位相遅れφｒを測定する。すると、φｍとφｒの位相差Δφ＝φｍ−φｒは、電気回路部分による位相遅れが取り除かれて、光波距離計からプリズム６までの距離Ｄの２倍に対応するものとなる。ここで、変調周波数をｆ、光速をｃとすると、ｃ／ｆが変調信号の波長となり、次式が成立する。
２Ｄ＝｛（φｌ−φｒ）／（２π）｝（ｃ／ｆ）
＝｛Δφ／（２π）｝（ｃ／ｆ）（１）

したがって、ターゲット６までの距離Ｄは、次式から求まる
Ｄ＝（１／２）｛Δφ／（２π）｝（ｃ／ｆ）（２）

特許第３２３６９４１号公報

前記（２）式から分かるように、光波距離計において、測定精度を高めるには測距光Ｌの変調周波数ｆを高めることが必要である。従来は、変調周波数ｆとしては、数十ＭＨｚ以下の周波数が使用されていたが、近年では測定精度を上げるため、従来より高い周波数まで使用するようになってきた。

しかし、変調周波数ｆを従来より高くすると、変調信号が、静電結合や電磁結合や電磁波放射等によって、発振器１や変調器２から検出器７以降の位相計９までの間の回路へノイズとして入り込み易くなって、プリズム６までの距離を往復することなく位相計９に入力されてしまい、これによって測定誤差を生じ易くなるという問題があった。具合が悪いことに、測距光Ｌも、同じ変調信号により変調されているので、フィルタ等でそのようなノイズを除去することは不可能である。

このため、従来は部品のシールドと回路配置の工夫によって、そのようなノイズを防いでいたが、充分にノイズを除去することができなかった。このような訳で、光波距離計には、変調周波数の高周化の限界が存在して、測定精度にも限界があるという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、測距光の変調周波数を上げることなく測定精度を上げることができる光波距離計を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため請求項１に係る発明の光波距離計では、変調された第1測距光を出射する第１発光部と、前記第１測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、前記第１測距光とは異なる波長の第２測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記第２測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備える。

請求項２に係る発明の光波距離計では、変調された可視測距光を出射する第１発光部と、前記可視測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、非可視測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記非可視測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備える。

請求項１に係る発明によれば、変調された第1測距光を出射する第１発光部と、前記第１測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、前記第１測距光とは異なる波長の第２測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記第２測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備えるから、第1測距光と第２測距光を合わせて、測距光が、測点までを２往復して、従来の光波距離計の２倍の光路長を有することになる。これにより、本発明の光波距離計は、測距光の変調周波数を上げることなく測定精度を上げることができる。

請求項２に係る発明によれば、変調された可視測距光を出射する第１発光部と、前記可視測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、非可視測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記非可視測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備えるから、可視測距光と非可視測距光を合わせて、測距光が、測点までを２往復して、従来の光波距離計の２倍の光路長を有することになって、請求項１に係る発明と同じ効果を奏する。

本発明の一実施例に係る光波距離計の光路図である。前記光波距離計のブロック図である。本発明の別の実施例に係る光波距離計を説明するブロック図である。従来の光波距離計のブロック図である。従来の光波距離計の光路図である。

まず、図１に示した本発明の光波距離計の光路図に基づいて、本発明の原理について説明する。

図１から分かるように、この光波距離計は、プリズム１３２に向けて可視測距光（第１測距光）Ｌ１を出射する可視発光素子（第１発光部）１０８と、可視測距光Ｌ１がプリズム１３２で反射して戻って来たときに可視測距光Ｌ１を受光して電気信号を発生させる可視受光素子（第１受光部）１０９と、可視受光素子１１９からの電気信号に応じて発光し、プリズム１３２に向けて非可視測距光（第１測距光とは異なる波長の第２測距光又は赤外線測距光）Ｌ２を出射する非可視発光素子（第２発光部、赤外線発光素子）１１４と、非可視測距光Ｌ２がプリズム１３２で反射して戻って来たときに非可視測距光Ｌ２を受光して電気信号を発生させる非可視受光素子（第２受光部、赤外線受光素子）１１５とを備えている。

ここで、可視測距光Ｌ１と非可視測距光Ｌ２とを使い分けるのは、可視発光素子１０８から発した可視測距光Ｌ１が非可視受光素子１１５に入射した場合等に、誤った測定を防止するためである。

可視発光素子１０８から発した可視測距光Ｌ１は、第１光路切換器（シャッター）１２７により、プリズム１３２と光波距離計との間を往復する第１測距光路Ｍ１と、光波距離計内部を経て直ちに可視受光素子１０９に至る第１参照光路Ｒ１とに行き先を切換えられる。非可視発光素子１１４から発した非可視測距光Ｌ２も、第２光路切換器（シャッター）１２８により、プリズム１３２と光波距離計との間を往復する第２測距光路Ｍ２と、光波距離計内部を経て直ちに非可視受光素子１１５に至る第２参照光路Ｒ２とに行き先を切換えられる。第１光路切換器１２７と第２視光路切換器１２８とは、連動して光路切換えを行うようになっている。

ここで、光波距離計内の電気回路部分での位相遅れをφ_Ｔ、第１測距光路Ｍ１での位相遅れをφ_Ｍ１、第２測距光路Ｍ２での位相遅れをφ_Ｍ２とすると、測距光路Ｍ１、Ｍ２に関する位相遅れφｍは、φ_Ｍ１＋φ_Ｍ２＋φ_Ｔとなる。第１参照光路Ｒ１での位相遅れをφ_Ｒ１、第２参照光路Ｒ２での位相遅れをφ_Ｒ２とすると、参照光路Ｒ１、Ｒ２に関する位相遅れφｒは、φ_Ｒ１＋φ_Ｒ２＋φ_Ｔとなる。

結局、測距光路Ｍ１、Ｍ２に関する位相遅れφｍと参照光路Ｒ１、Ｒ２に関する位相遅れφｒとの間の位相差Δφ＝φｍ−φｒは、次式で表され、電気回路部分による位相遅れφ_Ｔが取り除かれる。
Δφ＝（φ_Ｍ１＋φ_Ｍ２＋φ_Ｔ）−（φ_Ｒ１＋φ_Ｒ２＋φ_Ｔ）
＝（φ_Ｍ１＋φ_Ｍ２）−（φ_Ｒ１＋φ_Ｒ２）（３）

このΔφは、測距光Ｌ１、Ｌ２がプリズム１３２と光波距離計との間を２往復しているので、プリズム１３２と光波距離計との間の距離Ｄの４倍に対応するもので、次式が成立する。
４Ｄ＝｛Δφ／（２π）｝（ｃ／ｆ）（４）

結局、プリズム６と光波距離計との間の距離Ｄは、次式のようになる。
Ｄ＝（１／４）｛Δφ／（２π）｝（ｃ／ｆ）（５）

(２)式と（５）式とを比較すると、距離Ｄが位相差Δφを測定して求まるのであるから、本発明は、変調周波数ｆを上げることなく、測定精度を従来よりも上げることが分かる。

以下、本発明の光波距離計の好ましい実施例について詳細に説明する。図２は、この光波距離計のブロック図である。

まず、発振器１０１で周波数Ｆ_１の変調信号を発生させる。この周波数Ｆ_１の変調信号は、分周部１０２に入力されるとともに、ＰＬＬ１０５を介して、発振器１０６に入力される。ＰＬＬ１０５は、発振器１０６を周波数Ｆ_１に対して正確にＦ_１＋Δｆ_１で発振させるために使用する。

分周部１０２は、周波数Ｆ_１の変調信号を分周して、周波数Ｆ₂の変調信号も発生する。この周波数Ｆ₂の変調信号と周波数Ｆ_１の変調信号は、周波数重畳回路１０３を経て駆動回路１０４へ入力される。可視発光素子（ＬＥＤ）１０８は、駆動回路１０４によって駆動され、変調周波数Ｆ_１及びＦ_２で変調された可視測距光Ｌ１を出射する。

発振器１０６で発生させた周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の距部発振信号は、さらに周波数生成回路１０７で分周されて、周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号も発生する。これらの周波数Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２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１１１、１４１、１４４へ入力される。

可視発光素子１０８から出射された可視測距光Ｌ１は、ビームスプリッタ１２４で２つに分けられ、第１切換器１２７の切換えにより、第１測距光路Ｍ１と第１参照光路Ｒ１へ交互に出射される。第１測距光路Ｍ１へ出射された可視測距光Ｌ1は、図示しない送光光学系を経てプリズム１３２までを往復して送光光学系に戻ってくる。戻ってきた可視測距光Ｌ１は、ビームスプリッタ１２６と可視帯域フィルタ１３６を経て可視受光素子１０９に入射する。可視帯域フィルタ１３６は、可視光のみを通過させ、可視光以外の光を全て遮断するものとする。

第１参照光路Ｒ１へ出射された可視測距光Ｌ１は、光波距離計内の第１参照光路Ｒ１を経て可視受光素子１０９に入射する。第１測距光路Ｍ１及び第１参照光路Ｒ１では、可視受光素子１０９の前に、それぞれ光量調整用の濃度フィルタ１２０、１２１が配置される。

可視受光素子１０９は、測距光Ｌ１を受光すると、周波数Ｆ_１及びＦ_２の変調信号を復元した電気信号を発生する。

この電気信号は、増幅器１１０で増幅された後、周波数変換器１１１で、周波数Ｆ_１の電気信号に周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号が乗算され、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生する。この中間周波信号は、低域フィルタ１１２によって高周波成分が除去され、Ａ/Ｄ変換器１１３に入力される。この中間周波信号は、Ａ/Ｄ変換された後に、演算処理部１４７に送られる。そして、この中間周波信号の振幅を求め、この振幅に応じて各濃度フィルタ１２０、１２１による光量調節を行う。必要に応じて、この中間周波信号の初期位相も求められ、この初期位相からプリズム１３２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、可視受光素子１０９から出力された電気信号は、増幅器１１０で増幅された後、非可視発光素子１１４に入力される。これにより、非可視発光素子１１４は、変調周波数Ｆ_１及びＦ_２で変調された特定波長の非可視測距光（赤外線測距光）Ｌ２を出射する。非可視発光素子１１４から出射された非可視測距光Ｌ２は、ビームスプリッタ１２５で２つに分けられ、第２切換器１２８の切換えにより、第２測距光路Ｍ２と第２参照光路Ｒ２へ交互に出射される。第２測距光路Ｍ２へ出射された非可視測距光Ｌ２は、図示しない送光光学系を経てプリズム１３２までを往復して送光光学系に戻ってくる。戻ってきた非可視測距光Ｌ２は、ビームスプリッタ１２６と非可視帯域フィルタ１３７を経て非可視受光素子１１５に入射する。非可視帯域フィルタ１３７は、特定波長の非可視光のみを通過させ、これ以外の光を全て遮断するものとする。

第２参照光路Ｒ２へ出射された非可視測距光Ｌ２は、光波距離計内の第２参照光路Ｒ２を経て非可視受光素子１１５に入射する。第２測距光路Ｍ２及び第２参照光路Ｒ２では、非可視受光素子１１５の前に、それぞれ光量調整用の濃度フィルタ１２２、１２３が配置される。

非可視受光素子１１５は、非可視測距光Ｌ２を受光すると、周波数Ｆ_１及びＦ_２の変調信号を復元した電気信号を発生する。この電気信号は、増幅器１４０を経て２つに分けられ、一つ目は第１周波数変換器１４１に入力され、２つ目は第２周波数変換器１４４に入力される。第１周波数変換器１４１では、周波数Ｆ_１の電気信号に周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号が乗算され、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生する。第２周波数変換器１４４では、周波数Ｆ_２の変調信号に周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号が乗算され、周波数Δｆ_２の中間周波信号を発生する。各周波数変換器１４１、１４４から出力された中間周波信号は、それぞれ、低域フィルタ１４２、１４５によって高周波成分が除去される。

各低域フィルタ１４２、１４５の出力された各中間周波信号は、それぞれＡ/Ｄ変換器１４３、１４６に入力される。これらの中間周波信号は、Ａ/Ｄ変換された後に、演算処理部１４７に送られ、各中間周波信号の初期位相と振幅が求められる。各中間周波信号の初期位相からは、プリズム１３２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。各中間周波信号の振幅は、各濃度フィルタ１２２、１２３による光量調節に用いられる。

ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、光波距離計以外にも、光波距離計を内蔵したトータルステーション等、光波距離計を内蔵する測量機の全てに適用可能である。

また、可視発光素子１０８を適当な波長の第１測距光Ｌ１（可視光には限らない）を出射する第１発光部に、可視受光素子１０９を第１測距光Ｌ１を受光する第１受光部に、非可視発光素子１１４を第１測距光Ｌ１とは異なる波長の第２測距光Ｌ２を出射する第２発光部に、非可視受光素子１１５を第２測距光Ｌ２を受光する第２受光部に変更することが可能である。この場合、ビームスプリッタ１２４、１２５、１２６、可視帯域フィルタ１３６、非可視帯域フィルタ１３７、濃度フィルタ１２０、１２１、１２２、１２３等も、それぞれ第１測距光Ｌ１、第２測距光Ｌ２に対応するものに変更する必要がある。

さらに、図３に示したように、第１測距光Ｌ１及び第２測距光Ｌ２と異なる波長の第３測距光Ｌ３を第２受光部１１５から出力された電気信号に応じて変調して出射する第３発光部２００と、プリズム１３２で反射して戻ってきた第３測距光Ｌ３を受光する第３受光部２０２と設け、第３受光部２０２から出力された電気信号を用いて測距するように変更することも可能である。この場合、ビームスプリッタ２０４、１２６、２０８、帯域フィルタ１３６、１３７、２１０、濃度フィルタ２１２、２１４は、第３測距光Ｌ３に対応するものにする必要があるが、第２受光部１１５以前及び増幅器１４０以降は、図２に示した実施例と略同じである。また、第２受光部１１５から出力された電気信号は増幅器２１６で増幅してから第３発光部に加えるとともに、第３切換器２０６は第１切換器１２７及び第２切換器１２８と連動するものとする必要がある。本実施例によれば、測距光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、測点までを３往復して、従来の光波距離計の３倍の光路長を有することになるので、変調周波数を上げることなく測定精度をさらに上げることができる。

１３２プリズム
１０８可視発光素子（第１発光部）
１０９可視受光素子（第１受光部）
１１４非可視発光素子（第２発光部）
１１５非可視受光素子（第２受光部）
Ｌ１可視測距光（第１測距光）
Ｌ２非可視測距光（第２測距光）

Claims

変調された第1測距光を出射する第１発光部と、前記第１測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、前記第１測距光とは異なる波長の第２測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記第２測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備える光波距離計。
変調された可視測距光を出射する第１発光部と、前記可視測距光を受光して電気信号を発生する第１受光部と、非可視測距光を前記第１受光部からの電気信号で変調して出射する第２発光部と、前記非可視測距光を受光して電気信号を発生する第２受光部とを備える光波距離計。