JP2931035B2 - ガイド光を用いた視準装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガイド光を用いた視準装置に関し、特に対
物レンズの光軸を相手局に視準させる視準サーボ装置を
備える自動視準式光データ通信装置や自動視準式測距装
置（光波距離計）に用いて最適なものである。

〔従来の技術〕 土木工事、港湾工事、沿岸工事等において、ブロドー
ザー、浚渫船、作業船台等の移動体の位置又は距離を固
定位置から計測するシステムが求められている。

従来、固定位置及び移動体の一方に光波距離計、他方
に反射器（コーナキューブプリズム等）を設け、これら
の光軸をお互いに一致させる自動視準式にして、船台等
の移動体が揺動しても支障無く位置計測ができるように
したシステムが知られている（例えば実公昭59−8221号
公報）。

公知の自動視準式光波距離計は、距離計と平行な視準
サーボ用光軸を有し、測定点からの視準ガイド光を４分
割受光素子（受光面を水平、垂直の４象限に分割したホ
トダイオード等）で受けて、その出力を水平、垂直の首
振りモータにフィードバックして、受光素子の原点にガ
イド光を結像させるようなサーボ系を備えている。

距離計による測距データは船台側で使用されるので、
通常は船台側の距離計が置かれ、陸地側に反射器を置く
構成が採用されている。

反射器としてコーナキューブプリズムを用いると、プ
リズムに30゜程の光軸変動が生じても、距離計と反射器
との間の放射光路及び反射光路は全く変化しない性質が
ある。従って船台側にコーナキューブプリズムを置き、
陸上に距離計を置く構成であれば、船のピッチングやロ
ーリングに影響されない安定な測距ができる。ところが
この場合には陸上側の測距データを船台側に伝送しなけ
ればならない。

更に測定データや気温、気圧等の気象状況補正データ
等を船台側から陸上へ又はその逆に伝送する必要もあ
る。また船台等の作業装置が無人の場合、位置測定値を
基に計算された位置制御や作業制御の指令データを無人
装置に伝送しなければならない。

このように高度な海洋作業システムではデータ伝送シ
ステムが不可欠になっているが、そのために通信路及び
受発信装置を専用に設けるのは非常にコスト高になる。
そこで視準サーボ用の光路を光データ通信路として利用
することが考えられている（特願昭62−48578号）。

視準サーボ用の光路を光データ通信路として使用する
場合、各光信号の周波数帯を分離する必要がある。例え
ば、上述の特願昭62−48578号明細書では、サーボ用の
ガイド光のキャリア周波数を5KHz（AM）とし、データ用
のキャリア周波数（FM）を5MHzとして、夫々に対応した
発光源を設けている。サーボ用のキャリア周波数が低い
のは上下左右の光軸ずれを検出する位置センサの４チャ
ンネル出力の増幅系及び検波器の特性を均一にすのが、
高い周波数で困難であるからである。一方データ用にサ
ーボ用のキャリア周波数を用いると、伝送ビットレート
が不足する。このため周波数分離により、光路の共用を
図っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

帯域分離により単一の光チャンネルを共用するのは、
変復調回路の構成が複雑になって、コストの面で不利で
ある。

またサーボ用ガイド光のキャリア周波数が低いと、サ
ーボ系の応答速及び精度の面で不利である。

本発明はこの問題にかんがみ、ガイド光のキャリア周
波数を高くしても受光系及びサーボ系が高精度で動作す
るようにし、これによりガイド光をデータ伝送に利用す
ることが可能で高ボーレートが得られるようにすること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のガイド光を用いた視準装置は、対物レンズ13
の光軸上に配置され、入射した視準ガイド光の結像点の
上下左右方向のずれを表す４象限の出力を得る受光素子
15と、上記受光素子15の４象限の出力を時分割多重する
マルチプレックス・スイッチ22a〜22dと、上記マルチプ
レックス・スイッチ22a〜22dの出力を増幅するアンプ23
と、このアンプの出力の視準ガイド光のキャリアを抽出
するフィルタ24と、キャリアレベルを検出する検波器25
とを備える検出手段と、上記検出手段から順次得られる
４象限の出力に基づいて、上記対物レンズ13の光軸が上
記入射した視準ガイド光と合致するように、上下左右の
各方向に光軸偏向を行う視準サーボ装置（水平架腕７、
垂直架腕８、Ｘ軸ギヤモータ９、Ｙ軸ギヤモータ10）と
を具備する。

〔作用〕

受光素子15の４象限出力がマルチプレックスにより１
チャンネルのレベル検出系で処理されるので、検出系を
構成するアンプ、キャリア抽出フィルタ及びキャリアレ
ベルを検出する検波器の４チャンネルごとのばらつきを
考慮する必要が無い。従ってガイド光のキャリア周波数
を高くすることが可能であり、サーボ精度及び応答性が
良くなる。またガイド光をデータ送受のチャンネルとし
て使用する場合には、データ伝送のボーレートを高くす
ることができ、伝送効率が高まる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業用光測距シ
ステムの全体のブロック図で、第２図及び第３図は陸上
局及び船台局の各測距装置の正面図である。各局は基台
１上に設けられた自動視準装置２を備え、各視準装置２
と平行光軸を成して陸上局には光波距離計３、船台局に
は反射器４が夫々設けられている。光波距離計３は対物
レンズ５（送受光レンズ）を備え、反射器４はコーナキ
ューブプリズム６を備えている。

視準装置２は、水平面内で回動自在の水平架腕７及び
垂直面内で回動自在の垂直架腕８を備え、夫々Ｘ軸ギヤ
モータ９及びＹ軸ギヤモータ10によって駆動される。垂
直架腕８上には、送光レンズ12及び受光レンズ13を備え
る送受光ユニット11が取付けられている。送光レンズ12
の焦点にはLED等の発光素子14が配置され、受光レンズ1
3の焦点にはフォトダイオード等の受光素子15が配置さ
れている。なお陸上局及び船台局の送受光ユニット11は
全く同一の光学系を備えている。

受光レンズ13は比較的大口径であり、その周囲の同心
円に沿って複数の送光レンズ12が環状に配置されてい
る。従って非常に遠方からの弱い送信光を大口径の受光
レンズ13により高感度で集光することができる、また多
数の小口径の送光レンズ12から送光することにより、送
光量を容易に増強することができる。従って比較的コン
パクトな光学系でもってかなりの遠距離の送受光が可能
となる。

第１図において、送光レンズ12の夫々の焦点に配置さ
れた発光素子14には、ドライブ回路35から数百KHz（例
えば100〜200KHz）のサーボ用正弦波信号が供給され、
視準ガイド光が送光レンズ12を介して船台側に放射され
る。この視準ガイド光は船台側の視準光学系の受光レン
ズ13に入射され、その焦点に配置された受光素子15に結
像する。

一方、船台側の送受光ユニット11における送光用発光
素子14からは、同じくAM変調された視準サーボ光が送光
レンズ12を通して陸上局に向けて放射され、陸上局の受
光レンズ13を介して受光素子15で受光される。

なお陸上局の送受光ユニット11から船台局へ送出これ
た視準ガイド光が、船台局の反射器４で反射されて自局
の受光系に戻って来て、サーボ系の妨害信号となる。こ
れを防ぐために、船台局の視準ガイド光の変調周波数を
例えば150KHzにして、陸上局のAM変調周波数の200KHzと
異ならせている。陸上局サーボ系は後述のように受信ガ
イド信号の周波数選択を行って、船台局からのガイド光
（150KHz）のみに応答し、自局の戻り光（200KHz）によ
る妨害を排除している。

受光素子15は、例えば光スポットの原点からの位置を
検出する二次元（Ｘ−Ｙ平面）の半導体位置検出素子で
あってよい。この素子は方形受光面を持つフォトダイオ
ードの四辺に４つの電極（Ｘ、Ｙ二対）を設けた構造を
有し、光スポットが当たった位置に生成された電荷が、
光電流として各電極までの距離に反比例して受光面の抵
抗層によって電圧分割されて各電極から取出されるよう
に成されている。

第１図において、受光素子15の各電極の出力は、同調
トランス20a及び同調コンデンサ20bから成る同調回路20
で周波数選択（150KHzに同調）され、アンプ21a〜21dを
通り、マルチプレックス・スイッチ22a〜22dに供給され
る。これらのスイッチ22a〜22dは、例えば1m秒ごとに順
番にオンされ、４チャンネルの受光ガイド信号が時分割
されて一本化される。スイッチ22a〜22dの共通接続され
た出力から得られるサーボ信号は、アンプ23、バンドパ
スフィルタ24を介して検波器25に与えられ、受光素子15
の受光位置に対応したレベルの４チャンネル（上下、左
右）順次のDC信号に変換される。このDC信号はA/D変換
器26でディジタル値に変換されてから、スイッチ27a〜2
7dを介して４チャンネル分のラッチ回路28a〜28d（メモ
リ）に順次記憶される。なおスイッチ27a〜27dはスイッ
チ22a〜22dと連動して順次オンとなる。ラッチ回路28a
〜28dの内容は、バス29を介してシステムコントローラ3
0内のマイクロプロセッサ取込まれる。

マイクロプロセッサ内では、上下左右（Ｕ、Ｄ、Ｌ、
Ｒ）の位置検出データから受光素子15の受光面おける受
光スポットのＸ−Ｙ座標位置が演算される。システムコ
ントローラ30はこの座標位置データに基づいて各軸のモ
ータドライブ回路31X、31Yに駆動パルスを導出し、これ
によりＸ軸、Ｙ軸のギヤモータ９、10が夫々駆動され
る。受光素子15からモータ９、10に至るサーボループ
は、受光素子15の受光スポットが受光面のＸ−Ｙ座標の
原点に位置するように動作する。サーボが利いている状
態では、陸上局及び船台局の視準光学系光軸が一致す
る。この結果、陸上局の光波距離計３の光軸が船台局の
反射器４に正しく向けられて、測距が可能となる。

なお船台局には同様の視準サーボ系が設けられている
ので、対向する二局でお互いに視準し合うことになる。

各局の視準装置２の光軸の向きを微調する手段が設け
られている。第１図ではこの微調手段はジョイスティッ
ク32であるが、各Ｘ−Ｙ軸のモータ９、10のギヤ系に微
調つまみを設けてもよい。ジョイスティック32のＸ方向
及びＹ方向の操作に対応した電圧出力がA/D変換器33を
介してシステムコントローラ30に送られ、コントローラ
30からモータドライブ回路31X、31Yに微調用駆動パルス
が導出されて各モータ９、10が微動される。従ってオペ
レータは例えば光波距離計３の視準望遠鏡を覗きながら
ジョイスティック32を操作して相手局を視準する。視準
が完了した時点でサーボのスタート釦を押すと、上述の
視準サーボが始動し、その後は船台のゆれや移動に追従
した自動視準が行われる。

受光素子15によって検出された光軸のずれ等は、シス
テムコントローラ30のバス29に連なる表示器34によって
表示される。表示器34は例えばCRTであって、そのXY座
標表示におけるスポット34aが、Ｘ軸（水平方向）及び
Ｙ軸（垂直方向）の原点からのずれを示す。CRTのバー
表示34bが受光素子15の総合受光レベル（受光強度）を
示す。

視準状態で光波距離計３の回路部40が作動すると、対
物レンズ５の焦点位置に置かれた送受光ユニット41によ
り、約15MHz（AM）の測距光の発信及び測定点からの反
射光の受信が行われる。これらの発信光と受信光との位
相差が回路部41で測定されて、それに基づいて局間距離
が算出される。距離データは、インターフェース42、バ
ス29を通じてシステムコントローラ30に転送され、更に
モデム43を通じて船台局に送出される。

陸上局と船台局との間の自動視準用の送光光路及び受
光光路を双方向光通信路としても利用している。即ち、
モデム43の送信端子Ｓからの出力は、FM変調器44に導入
され数MHzのキャリアが送信データでもって2KHz〜5KHz
のデビエーションでFM変調される。FM変調出力は、周波
数変換器45（混合器）において発振器46の出力と混合さ
れ、例えば200KHzのデータ信号に変換される。FMデータ
信号は、LEDドライブ回路35を介して発光素子14に供給
される。従って発光素子14から船台局へ向けてデータ光
が送出される。このデータ光は既述のように視準用ガイ
ド光としても利用される。

一方、船台局は同様なモデム43や送信用発光素子14等
を備えていて、送信データ光を陸上局のサーボ用受光光
路に乗せて送信して来る。この際、既述の視準サーボ系
と同じ理由により、船台局からの送信光のキャリアを15
0KHzにして、陸上局からの送信データのキャリア周波数
200Hzと異ならせている。これにより距離計３の反射光
路が存在することに起因する陸上局側の自己漏話を無く
している。船台局からの送信データは例えば気圧、温度
等の測距用の物理条件補正データである。

船台局から送られて来たデータ光（ガイド光）は、受
光素子15で受光され、その４チャンネルの出力は同調回
路20及びアンプ21a〜21dを通り、更に抵抗Ra〜Rd及びOP
アンプ50から成る加算回路で加算される。加算出力はア
ンプ51を介してFM復調器52に供給され、復調されたデー
タ信号はモデム43が受信端子Ｒに供給される。モデム43
でデコード処理されたデータは、バス29を通じてシステ
ムコントローラ30に与えられる。システムコントローラ
30では、船台局から送信されたデータを用いて例えば深
度、水温等の海図を作成する。

以上のように、第１図に示した実施例によると、受光
素子15の４チャンネル出力がマルチプレックス・スイッ
チ22a〜22dにより、実質的に一チャンネルの信号として
処理されるので、増幅、検波による信号ゲインや位相が
チャンネルごとにばらつくことがなく、従ってガイド光
のキャリア周波数を比較的高くすることができ、送信用
データ光のキャリアとして利用したときに、比較的大き
なボーレートが得られる。

第４図は送光レンズ12及び受光レンズ13の配置の別の
例を示す図で、第４図Ａでは２つの同径のレンズ12、13
を送光及び受光に使用している。また第４図Ｂでは、１
つのレンズ半分ずつ送光レンズ12及び受光レンズ13とし
て使用している。

〔発明の効果〕

請求項１の発明によれば、４象限受光素子の出力の処
理系がマルチプレックスにより１系統になるから、処理
系のキャリアレベル検出系を構成するアンプ、キャリア
抽出フィルタ及びキャリアレベルを検出する検波器の４
チャンネルごとのばらつきを考慮する必要がなく、従っ
てガイド光のキャリア周波数を高くして、視準サーボ精
度及び応答性能を良くすることができる。

請求項２の発明によれば、視準ガイド光の光チャンネ
ルをデータ伝送路として使用するので、ガイド光のキャ
リア周波数を高くすることにより、データ伝送のボーレ
ートを高くすることができる。また請求項３の発明によ
ると、データ伝送のための送受光系の構成が、視準サー
ボ系の送受光系を利用することにより簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業用光測距シス
テムの全体ブロック図、第２図及び第３図は夫々陸上局
及び船台局の各測距装置の正面図、第４図Ａ、Ｂは送受
光レンズの配置の別の例を示す送受光学系の正面図であ
る。 なお、図面に用いた符号において、 ２……自動視準装置 ３……光波距離計 ４……反射器 ５……対物レンズ ６……コーナキューブプリズム ７……水平架腕 ８……垂直架腕 ９……Ｘ軸ギヤモータ 10……Ｙ軸ギヤモータ 11……送受光ユニット 12……送光レンズ 13……受光レンズ 14……発光素子 15……受光素子 22a〜22d……マルチプレックス・スイッチ 23……アンプ 24……フィルタ 25……検波器 43……モデム 44……FM変調器 52……FM復調器 である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/22

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズの光軸上に配置されて、入射し
   た視準ガイド光の結像点の上下左右方向のずれを表す４
   象限の出力を得る受光素子と、 上記受光素子の４象限の出力を時分割多重するマルチプ
   レックス・スイッチと、 上記マルチプレックス・スイッチの出力を増幅するアン
   プと、このアンプの出力の視準ガイド光のキャリアを抽
   出するフィルタと、キャリアレベルを検出する検波器と
   を備える検出手段と、 上記検出手段から順次得られる４象限の出力に基づい
   て、上記対物レンズの光軸が上記入射した視準ガイド光
   と合致するように、上下左右の各方向に光軸偏向を行う
   視準サーボ装置とを具備するガイド光を用いた視準装
   置。
2. 【請求項２】上記視準ガイド光が送信データで変調され
   ていると共に、 上記受光素子の４象限の出力を加算する加算手段と、 上記加算手段の出力に基づいて受信データを得る復調手
   段とを具備する請求項１に記載の視準装置。
3. 【請求項３】相手局に上記視準ガイド光を送出する発光
   源と、この発光源に送信データで変調した発光信号を与
   える変調手段とを具備する請求項１に記載の視準装置。