JP2023149250A

JP2023149250A - 測量機

Info

Publication number: JP2023149250A
Application number: JP2022057725A
Authority: JP
Inventors: 雅穂菊池; Masao Kikuchi; 政裕大石; Masahiro Oishi
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-13
Also published as: US20230349695A1; EP4261500A1; CN116892915A

Abstract

【課題】省サイズな器械高計測部を搭載した測量機を提供する。【解決手段】光を測量機本体の鉛直軸下方へ照射して測距を行い、器械高を算出する器械高計測部を有する測量機において、前記器械高計測部は、光を出射する送光部と、前記送光部から出射した光を入射して、参照光と測距光に分割し、前記参照光を参照光路へ送出し、前記測距光を測距光路に送出するビームスプリッタと、前記参照光を受光する第１受光部と、前記測距光が前記測量機本体の鉛直軸下方に出射されて、測距対象物に反射して戻ってきた光を受光する第２受光部と、前記第１受光部と前記第２受光部による受光信号の差分に基づいて、前記器械高を算出する演算部とを有する測量機を提供する。参照光と測距光を択一的に出射するシャッターおよびシャッターの駆動部が不要な構成で、省サイズに構成される。【選択図】図１

Description

本願発明は、測距をおこない器械高を算出する器械高計測部を備えた測量機に関する。

測量作業では、まず整準作業および求心作業により、測量機本体を基準点の鉛直上に水平に配置し、ついで測量機本体の光学中心から鉛直下方の基準点までの高さである器械高を求める。器械高を計測するための測距装置を器械高計測部として有し、測量機本体の鉛直下方に測距光を出射して計測し、自動で器械高を算出する測量機がある。

ここで、従来の測距装置について、図４を用いて説明する。図４は、従来の測距装置９４０の光学的構成図である。

測距装置９４０は、送光部９５１と、コリメートレンズ９５２、ダイクロックプリズムであるビームスプリッタ９５４、受光部９５５、シャッター９５６、対物レンズ９５７を有する。送光部９５１から出射された光は、コリメートレンズ９５２で平行光となり、ビームスプリッタ９５４に入射して、測距光Ｌ２と参照光Ｒ２に分割されて、シャッター９５６により択一的に出射される。参照光Ｒ２は受光部９５５に向かって受光され、測距光Ｌは対物レンズ９５７通過して測量機本体の鉛直軸下方に出射され、測距対象物であり基準点である測標９０２に反射され戻り、受光部９５５で受光される。参照光Ｒ２および測距光Ｌ２の受光信号の差分から対象物までの距離が算出される。

ここで、シャッター９５６による択一的な測距光Ｌ２と参照光Ｒ２の出射は、切り替え板の移動によって行われる（例えば特許文献１）。切り替え板が駆動部によって移動して、光の出射される二つの光路の一方を塞ぎ、他方を通すことで、出射光の光路を参照光路／出射光路に択一的に切り替えている。

特開２００８－２３２８８１号

しかし、シャッターは電子部品などではなく、可動型の切り替え板であり、切り替え板を移動させる駆動部も必要となるため、シャッターを含む測距装置は比較的サイズの大きな装置となる。測量機本体に組み込まれるため、測距装置として器械高計測部は省サイズであることが望ましい。

本発明は、これを鑑みてなされたものであり、省サイズな器械高計測部を搭載した測量機を提供する。

上記問題を解決するため、本開示のある構成においては、光を測量機本体の鉛直軸下方へ照射して測距を行い、器械高を算出する器械高計測部を有する測量機において、前記器械高計測部は、光を出射する送光部と、前記送光部から出射した光を入射して、参照光と測距光に分割し、前記参照光を参照光路へ送出し、前記測距光を測距光路に送出するビームスプリッタと、前記参照光を受光する第１受光部と、前記測距光が前記測量機本体の鉛直軸下方に出射されて、測距対象物に反射して戻ってきた光を受光する第２受光部と、前記第１受光部と前記第２受光部による受光信号に基づいて、前記器械高を算出する演算部と、を有するように測量機を構成した。

この態様によれば、二つの受光部を用いており、参照光が第１受光部で受光され、測距光が第２受光部で受光され、参照光路と測距光路とが異なることから、シャッターを用いて参照光路と測距光路を択一的に切り替える必要がなくなる。シャッターおよびシャッターを駆動させる駆動部が不要となり、器械高計測部の大きさを従来よりも省サイズにすることができる。また、従来は、シャッターによる光路の切り替え中には測距を行うことができない、という問題があったが、二つの受光部を用いることで、光路の切り替え時間がなくなり、計測結果が連続出力できるようになった。加えて、光を用いた測距装置は、参照光と測距光を受光するまでの時間差を利用して距離を算出するＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ方式（ＴｏＦ方式）を用いており、これには反射光を検出するまでの時間差をシンプルに計測するＤｉｒｅｃｔＴｏＦ方式（ＤＴｏＦ方式）と、位相差から距離を算出するＩｎｄｉｒｅｃｔＴｏＦ方式（ｉＴｏＦ方式）がある。シャッターを用いる測距装置では、ｉＴｏＦ方式が好ましいが、本構成の器械高計測部ではシャッターを用いておらず、ｄＴｏＦ方式とｉＴｏＦ方式のどちらの方式も用いることができる。

また、ある態様によれば、前記送光部が出射する光は、可視レーザ光であり、前記測距光は、前記測量機本体の鉛直軸下方に、レーザ求心点として照射されるように構成した。この態様によれば、鉛直下方に照射される可視光をレーザ求心点として、これを目印に求心作業を行うことができる。

また、ある態様においては、前記第１受光部および前記第２受光部の受光素子は、同等の温度特性を有するように構成した。受光部に用いられている光学素子は、温度特性、即ち光電変換時間の温度変化特性を有し、この特性はそれぞれの光学素子によりずれがある。測距光と参照光をひとつの受光部で受光することで、この特性のずれを正確にキャンセルすることができるが、反面、参照光と測距光（測距反射物で反射された光）では受光信号量の差が大きいため、測定のレンジには限界があった。これを解決するため、発光光量を可変とするアプリケーションや部品を用いてフィルターをかけていたが、その分だけ部品点数が増加し、測距装置のサイズも大きいものとなっていた。本構成においては、二つの受光部を用いても、温度特性が同等な受光素子をそれぞれに用いて、信号処理することで、回路規模を小さくすることができる。

以上の説明から明らかなように、省サイズな器械高計測部を搭載した測量機を提供できる。

本発明の好適な実施形態に係る測量機と測標の斜視図である。同測量機と測標の概略構成を示す説明図である。一部破断図となっている。器械高計測部の光学的構成を示す。従来の器械高計測部（測距装置）の光学的構成を示す。

以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。また、以下の実施形態および変形例の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

（測量機１）
図１は、本発明の好適な実施形態に係る測量機１と測標２の斜視図である。図２は測量機１と測標２の概略構成を示する説明図である。図２では一部破断図となっている。

測量機１は、測距・測角機能を備えたトータルステーションである。測標２は、測量基準点であり、標石３の点上に設けられている。

測量機１は、測量機の筐体としての本体ケーシング１２を備えている。本体ケーシング１２は、本件請求項の測量機本体にあたる。本体ケーシング１２は、２本の支柱１４を備えており、２本の支柱１４の間には水平軸Ｈに回動可能に、視準望遠鏡１６が軸支されている。

本体ケーシング１２の下部には、ディスプレイ２０と操作キー群２１が配設されている。ディスプレイ２０は、必要な情報を画面上に表示する。操作キー群２１は、必要な設定条件や命令を入力する入力手段である。

また、本体ケーシング１２は整準台２５に配設されており、整準台２５は三脚８に載置された状態で、三脚８に固定されるようになっている。

本体ケーシング１２の下部にある固定部２４には、軸筒２６が配設されている。軸筒２６は、その内側に、本体ケーシング１２に垂直に設けられた鉛直軸２８が挿通され、ボールベアリングを介して固定部２４に回動可能に軸支されている。これにより、本体ケーシング１２は、固定部２４に対して鉛直軸２８を中心として回動可能となっている。整準台２５は、傾きを微調整する調整ねじを有し、その上に固定部２４が固定される。調整ねじの回動により、測量機１が水平に調整される。

軸筒２６の上端部と鉛直軸２８の上端部には、互いに対向するフランジ部が形成されており、ここにロータリーエンコーダ２２が設けられている。ロータリーエンコーダ２２は水平角センサであり、本体ケーシング１２の回転量が検出される。

鉛直軸２８は中空円筒状に形成されており、鉛直軸２８の中心線Ｖは、延長上で水平軸Ｈと直交する。水平軸Ｈと中心線Ｖの直交点を測量機１の中心点Ｏとする。視準望遠鏡１６を軸支する本体ケーシング１２が、中心線Ｖ周りに回動することから、水平軸Ｈに設けられた角度センサ１８と上記ロータリーエンコーダ２２により、視準望遠鏡１６の水平軸Ｈ周りの回転量と、中心線Ｖ周りに回転量とが検出される。即ち、中心線Ｖは、測量機本体の鉛直軸である。

鉛直軸２８の上方には、測量機１の器械高Ｔを算出するための器械高計測部４０が配置されている。器械高計測部４０は、測距対象物に測距光Ｌを出射し、反射して戻ってきた光を解析して測距対象物までの距離を計測するノンプリズム光波距離装置である。器械高計測部４０の光軸は、中心線Ｖと一致するように構成されており、器械高計測部４０から出射された測距光Ｌは、鉛直軸２８の中空部を通過して、測量機１の底面から下方へ出射される。

（器械高計測部４０）
図３は、器械高計測部４０の光学系の構成図である。

器械高計測部４０は、送光部５１、コリメートレンズ５２、ビームスプリッタ５３、第１受光部５４、ハーフミラー５５、対物レンズ５６、第２受光部５７を有する。

送光部５１は可視レーザ光を出射する光源であり、レーザーダイオード（ＬＤ）からなる。コリメートレンズ５２は、送光部５１の前方に配置され、送光部５１から出射した光はコリメートレンズ５２で平行光となる。コリメートレンズ５２の光軸は中心線Ｖと一致し、光軸線は測量機１の中心点Ｏを通るように構成されている。ビームスプリッタ５３、ハーフミラー５５、および対物レンズ５６は、コリメートレンズ５２の光軸上に順に配置されている。

ビームスプリッタ５３はダイクロックプリズムからなり、入射光の一部を反射し、残りの一部を通過させることで、光を分割する光学部材である。コリメートレンズ５２から出射した光は、ビームスプリッタ５３に入射して、参照光Ｒと測距光Ｌに分割される。参照光Ｒは第１受光部５４へと向かう参照光路に送出されて第１受光部５４に受光される。測距光Ｌはそのまま通過する測距光路へ送出されてハーフミラー５５へ向かう。

ハーフミラー５５へ向かった測距光Ｌは、そのままハーフミラー５５を通過して、対物レンズ５６へ向かい、これを通過して、測量機本体の鉛直軸下方に出射される。そして、測量機１下方の測距対象物（本実施形態においては測標２）に反射され、測量機１に同経路で戻ると、今度はハーフミラー５５で反射され第２受光部５７へ向かい、第２受光部５７に受光される。

器械高計測部４０は、演算部９０を有する。第１受光部５４および第２受光部５７は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなり、第１受光部５４および第２受光部５７での受光信号は、演算部９０（図２参照）に出力される。演算部９０は、メモリとＣＰＵを有するマイクロコンピュータである。解析プログラムがメモリに収納されている。演算部９０は、第１受光部５４および第２受光部５７による受光信号を解析し、両受光信号の差分から測標２までの距離が求められる。測量機１の中心点Ｏと、器械高計測部４０の光学部材の配置関係（特に送光部５１の送光点）は把握されており、測距結果に、中心点Ｏから器械高計測部４０までの高さを加えることで、器械高Ｔが算出される。算出された器械高Ｔは、ディスプレイ２０に表示される。

（算出方法）
ここで、第１受光部５４および第２受光部５７の二つの受光体を用いた器械高計測部４０の測距装置としての距離算出方法について説明する。以下の演算が演算部９０にて実施される。

図４に示すような、従来の構成の測距装置９４０においては、一つの受光部９５５で測距光と参照光を受光する。測距装置９４０によって計測される距離Ｄａは、以下の通りである。
Ｄａ＝Ｃ／２×（Ｔ_光路１－Ｔ_光路２）
Ｃ：光速、Ｔ：光の飛行時間、光路１：参照光路、光路２：測距光路
これに対し、器械高計測部４０で計測される距離Ｄは、以下の通りである。
Ｄ＝Ｄａ＝Ｃ／２×（Ｔ_光路１－（Ｔ_光路２－ΔＴ））
ΔＴ＝Ｔ_基準－Ｔ_光路２
ΔＴ：第１受光部の受光と第２受光部の受光の時間差
ΔＴを補正することで、従来の計算方法と同等となる。

このため、まず、器械高計測部４０を用いて、距離が既知である測距対象物へ測距を行うことにより、既知の距離におけるΔＴを算出する。これをＴ_基準として演算部９０のメモリに記憶させておく。器械高計測部４０にて測距を行うごとに、ΔＴを算出して補正を行うことで、従来と同等の精度で測距を行うことができる。

ここで、第１受光部５４の受光素子と第２受光部５７の受光素子は、同等の特性を有すると好ましい。光学素子の光電変換時間は温度特性を有し、この温度特性は受光素子によってずれがあるが、この特性が同等の受光部を用いることで、このずれがキャンセルされ、距離測定を高精度に行うことができる。具体的には、第１受光部５４と第２受光部５７は、同一製品が好ましく、さらに同一型番であるとより好ましい。また、これにより、フィルタリングや信号処理の回路が不要となるため、回路規模を小さくすることができる。

また、器械高計測部４０には、ｄＴｏＦ方式またはｉＴｏＦ方式のどちらを用いてもよい。ｄＴｏＦ方式については、高周波の必要のないＴＤＣ(ＴｉｍｅＴｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ)技術、ｉＴｏＦ方式については、ＯＣ１－Ｂｕｒｓｔ等の信号処理技術を用いることで、回路規模を小さく、比較的安価で、信号処理を行うことができる。

本実施形態においては、送光部５１が出射する光は可視光であり、測量機１の下方に照射される測距光Ｌは、求心レーザ光としても用いられる。即ち、コリメートレンズ５２の光軸は鉛直軸２８の中心線Ｖと一致し、測距光Ｌは測量機１の底面から下方へ出射されるため、測量機１の下方の被計測物に照射された測距光Ｌは、中心点Ｏを通る測量機本体の鉛直軸下方の目印であるレーザ求心点として視認される。求心作業においては、この照射されたレーザ求心点と測標２の中心を合わせることで、測量機１を測標２の鉛直軸上に配置することができる。

作業者が測標２を基準点として測量機１を設置する場合、測標２のおおむね鉛直上方に、三脚８にて測量機１を配置し、整準台２５の調整ネジで測量機１を水平とする整準作業を行う。ついで送光部５１から出射された光の一部が測距光Ｌとして測標２に照射されるため、整準状態を保ちながら、測標２に照射された測距光Ｌの中心に測標２の中心が合致するように測量機１をスライドさせて、位置調整を行う。この求心作業により水平状態から傾くことがあり、整準作業と求心作業を繰り返し、測量機１を測標２の鉛直上に水平に配置する。測距光Ｌは、器械高計測部４０はシャッターを含まず、光路切り替えが不要で、連続して計測値も算出できるため、求心作業時に、器械高Ｔの算出も行われる。切り替え作業は不要で、求心作業と器械高計測作業を同時に行うことができ、測量機１の設置作業を効率良く行うことができる。

本実施形態においては、器械高計測部４０は、器械高計測機能のみならず、求心作業用の求心レーザ光照射機能も備えている。これに限られず、器械高計測部４０は器械高計測機能のみ備え、求心作業は別途行うように構成してもよい。例えば、求心望遠鏡を備えるなど、求心作業には従来の構成を用いても問題ない。

本実施形態においては、器械高計測部４０は、鉛直軸２８の上方に配置され、その光学部材も全て鉛直軸２８の上方に配置される。これに限られず、送光部５１を、本体ケーシング１２に取付け、コリメートレンズ５２や対物レンズ５６を中空の鉛直軸２８の内部に配置するなど、器械高計測部４０の光学部材の一部を鉛直軸２８や固定部２４などに配置してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、上記の実施形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１：測量機
１２：本体ケーシング（測量機本体）
２８：鉛直軸
４０：器械高計測部
５１：送光部
５３：ビームスプリッタ
５４：第１受光部
５７：第２受光部
９０：演算部
Ｌ：測距光
Ｒ：参照光
Ｔ：器械高

Claims

光を測量機本体の鉛直軸下方へ照射して測距を行い、器械高を算出する器械高計測部を有する測量機において、
前記器械高計測部は、
光を出射する送光部と、
前記送光部から出射した光を入射して、参照光と測距光に分割し、前記参照光を参照光路へ送出し、前記測距光を測距光路に送出するビームスプリッタと、
前記参照光を受光する第１受光部と、
前記測距光が前記測量機本体の鉛直軸下方に出射されて、測距対象物に反射して戻ってきた光を受光する第２受光部と、
前記第１受光部と前記第２受光部による受光信号に基づいて、前記器械高を算出する演算部と、
を有する、
ことを特徴とする測量機。
前記送光部が出射する光は、可視レーザ光であり、
前記測距光は、前記測量機本体の鉛直軸下方に、レーザ求心点として照射される、
ことを特徴とする請求項１に記載の測量機。
前記第１受光部の受光素子および前記第２受光部の受光素子は、同等の温度特性を有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測量機。