JP4002199B2 - Light wave distance meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットに向けて測距光を出射し、ターゲットからの反射光を受光する位相差方式の光波距離計に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来用いられていた光波距離計としては、下記特許文献1に開示されているものがあり、これを図4に示す。この光波距離計では、光源3から発した測距光Lは、プリズム12,ミラー4、対物レンズ5等の送光光学系を経て、測点上に置かれたターゲット6を照射する。ターゲット6で反射された測距光Lは、対物レンズ5、ミラー4等の受光光学系を経て、検出器(受光素子)7に入射し、検出器7に測距信号Mを発生させる。
【0003】
光源3は変調器2に接続されていて、光源3から発する測距光Lは、発振器1で発生させた基準信号Kによって変調されている。この基準信号Kと、検出器7で発生した測距信号Mは、ともに位相計9に入力され、両信号K、Mの位相差を求めると、この位相差と光の速さからターゲット6までの距離が求まる。
【0004】
この光波距離計では、前記距離計測中に光源3から発した測距光Lを、切換器8によって、プリズム10、11、12を経る内部光路を通って検出器7に至る参照光Rに切り換え、測距信号Mとの位相差を求め、前述の測距光Lを用いて求めた距離に関して、機械に固有の誤差等の補正が行われる。
【特許文献1】
特許第3236941号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、検出器7へ入射する測距光Lの光量が変化すると、位相計で検出される基準信号Kと測距信号Mとの位相差、すなわち測定距離が変化することが知られている。しかも、その光量の変化と位相差(測定距離)の変化の関係が機械ごとに異なるものである。このため、従来は、機械の組立終了後の調整時に、機械ごとに光量に応じた位相差の補正量を調べて、光量に応じて位相差が補正されるように機械毎に電気回路の定数を調節していた。
【0006】
しかしながら、電気回路の定数を調節することでは、機械によっては、検出器7へ入射する測距光Lの光量の全レベルにわたっては位相差を補正できない場合もある。このような場合には、測距中に陽炎等の大気の揺らぎにより、検出器7へ入射する測距光Lの光量が大きく変動した場合には、測距誤差が残るという問題があった。
【0007】
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おいて、受光素子へ入射する測距光の光量の変動による測距誤差を、機械にかかわらず常に確実に補正できるようにすることを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
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、基準信号を発生させる基準信号発振器と、基準信号で変調された測距光を出射する光源と、測距光を送光する送光光学系と、ターゲットで反射してきた測距光を受光する受光光学系と、受光した測距光を測距信号に変換する受光素子と、前記測距信号を周波数を下げた中間周波信号に変換する周波数変換器と、前記基準信号と同期して前記中間周波信号を多数周期にわたってサンプリングするA/D変換器と、前記A/D変換器でサンプリングされた中間周波信号の同位相毎に加算した合成データを正弦波にあてはめ、該正弦波の初期位相から距離を算出する演算手段と、前記受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記中間周波信号の振幅に応じた前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶した記憶手段を備え、前記演算手段は、距離測定時に前記中間周波信号の振幅の度数分布を記憶手段に記憶させ、前記度数分布と前記補正情報を用いて、前記補正量に前記中間周波信号の振幅の重みつけをした加重平均を算出し、該加重平均を用いて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする。
【0011】
前記請求項1に係る発明の光波距離計によれば、受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた前記位相差又は前記初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶手段に記憶しており、距離測定時、前記中間周波信号の振幅の度数分布を記憶手段に記憶させ、前記度数分布と前記補正情報とを用いて初期位相を補正しているので、1回の測定における前記中間周波信号のサンプリング開始からサンプリング終了までの期間内で受光素子へ入射する光量が大きく変動しても測距誤差を常に確実に補正できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0013】
図1に本発明に係る光波距離計の一実施例を示す。この光波距離計では、レーザダイオ−ド等の光源20から送光された測距光Lは、図示しない送光光学系を経て、測点上に置かれたターゲット(プリズム等)22に向けて出射される。光源20は変調器24に接続されており、測距光Lは基準信号発振器26で発生された基準信号Kによって変調されている。
ターゲット22で反射された測距光Lは、図示しない受光光学系と、測距光Lの光量を調整する絞り27を経て、受光素子(フォトダイオード)28に導かれる。すると、受光素子28によって、測距光Lが測距信号Mに変換され、測距信号Mは、高周波増幅器30で増幅された後に、バンドパスフィルタ32でノイズを除去される。
【0014】
さらに、この測距信号Mは、混合器34と局部発振器36からなる周波数変換器37で、局部発振器36で発生させた局部発振信号Qと乗算され、両信号M、Qの周波数の和となる周波数と、両信号M、Qの周波数の差となる2つの周波数に変換される。ここで、両信号M、Qの周波数の差となる周波数のみをローパスフィルタ38で選り分けて中間周波信号(以下、単に中間周波と記載する。)Nに周波数を落とした後に、これを中間周波増幅器40で増幅するとともに波形成形をする。増幅された中間周波Nは、A/D変換器42でデジタル信号に変換され、CPU44(演算手段)に入力され、メモリ(記憶手段)46に記憶される。ここで、測距信号Mを中間周波Nに変換するのは、周波数の低い所定周波数とすることにより、増幅し易くして安定に高利得が得られること、中間周波N以外をカットして高いS/N比が得られること、1周期内に余裕を持ってできるだけ多数回サンプリングする時間を確保すること等のためである。
【0015】
距離測定を行う際には、CPU44から基準信号発振器26とA/D変換器42に同期信号Pを送ることにより、基準信号発振器26で基準信号Kを発生させるとともに、A/D変換器42で基準信号Kと同期の取れたサンプリングを行う。この距離測定中、絞り27の開度は固定される。
【0016】
図2に示したように、A/D変換器42のサンプリング周期は、中間周波Nの1周期分を常に一定の位相角でサンプリングするように、例えば、1周期をn(n≧3)等分するように決定される。このサンプリング周期で中間周波Nを数千以上の多数周期にわたって連続してサンプリングする。この際、A/D変換器42の入力レンジを越えたり、入力レンジに対して小さすぎる中間周波Nのサンプリングデータは破棄する。
【0017】
サンプリングデータをメモリ46に記憶するには、中間周波Nの1周期分のn個のデータに対する記憶領域をメモリ46内に用意し、図3に示したように、同位相のサンプリングデータを加算して記憶していく。こうして、同位相のサンプリングデータが加算された大きな振幅の1周期分の中間周波Nの合成データが作成される。この合成データは、最小二乗法により正弦波Sにあてはめられ、この正弦波Sの初期位相φを求める。基準信号Kと同期を取ってA/D変換器42はサンプリングしているから、初期位相φは基準信号Kと測距信号Mの位相差に等しくなり、この初期位相φからターゲット22までの距離が算出される。
【0018】
ところで、陽炎等の大気の揺らぎにより、測距中においても受光素子28に入射する測距光Lの光量は大きく変動するので、この測距光Lの変動による初期位相φの補正が必要になる。
【0019】
そこで、この光波距離計は、組立終了後の調整時に機械ごとに、同一のターゲットを視準したうえで、絞り27の開度を一定にし、受光素子28へ入射する測距光Lの光量を一定に保ちながら、A/D変換器42に入力された中間周波Nの振幅ai(受光素子28へ入射する測距光Lの光量又は測距信号Mの振幅に対応する値である。)のときに必要な初期位相φの補正量Δφi(ai)を調べて、メモリ46内に設けられている補正テーブル記憶領域に書き込んでいく。以下同様に、絞り27の開度を変化させ、受光素子28へ入射する測距光Lの光量の全レベルにわたって、中間周波Nの振幅aiのときに必要な初期位相φの補正量Δφi(ai)を補正テーブル記憶領域に書き込んでいく。こうして、絞り27の開度毎に受光素子28へ入射する測距光Lの光量の全レベルにわたって、A/D変換器42に入力された中間周波Nの振幅aiと、このときの初期位相φの補正量Δφi(ai)を記憶した補正テーブル(補正情報)がメモリ46に記憶される。
【0020】
もちろん、この補正テーブルの代わりに、A/D変換器42に入力された中間周波Nの振幅がaiであるときの初期位相φの補正量Δφi(ai)を求める補正式(補正情報)を記憶させてもよい。
【0021】
距離測定に際しては、図3に示したように、中間周波Nの多数周期を同位相毎に加算した合成データSを用いているため、初期位相φの補正量ΔΦは、中間周波Nのi番目の周期に係る振幅がaiであり、この振幅aiのときの補正量をΔφi(ai)とすると
ΔΦ=tan−1[Σ{ai・sin(Δφi(ai))}/Σ{ai・cos(Δφi(ai))}]
となる。ここで、Δφi(ai)は一般に小さいから、
ΔΦ=tan−1[Σ{ai・Δφi(ai)}/Σai]
=Σ{ai・Δφi(ai)}/Σai
と近似できる。結局、初期位相φの補正量ΔΦは、補正量Δφi(ai)を中間周波Nの振幅aiで重みづけした加重平均となる。真の初期位相は、測定された初期位相φから前述の補正量ΔΦを減算すればよい。
【0022】
この光波距離計で距離測定を行うには、距離測定に先だって、光波距離計を作動させ、予め中間周波Nの数周期分をサンプリングして、中間周波Nの最大レベルamaxと最小レベルaminを示すサンプリング位置を検出する。そして、A/D変換器42の入力レベルを複数の階級に区分した記憶領域をメモリ46内に用意する。それから改めて距離測定を開始し、中間周波Nの1周期分を検出するごとに、同位相のサンプリングデータを加算した中間周波Nの合成データT(図3参照)をメモリ46に記憶するとともに、先だって求めた最大レベルamaxと最小レベルaminを示すサンプリング位置の間のレベル差から、中間周波Nの振幅aiの階級を求め、その階級の度数に1を加算していき、振幅aiの度数分布もメモリ46に記憶する。サンプリング終了後に、中間周波Nの合成データTを正弦波Sにあてはめ、該正弦波Sの初期位相φを求めるとともに、振幅aiの度数分布を用いて、補正量Δφi(ai)を中間周波Nの振幅aiの重みつけをした加重平均Σ{ai・Δφi(ai)}/Σaiを算出する。そして、初期位相φから補正量ΔΦとして前記加重平均Σ {ai ・Δφ i(ai)} /Σ aiを減算して、ターゲット22までの距離を算出する。
【0023】
もちろん、本実施例の光波距離計も、測距光Lを絞り27aを含む機械の内部光路を通って受光素子28に至る参照光Rに切り換えることもできる。この参照光Rを用いて測距することにより、前述の測距光Lを用いて求めた距離の補正がなされることは、従来例と同じである。
【0024】
本実施例では、絞り27の開度毎に受光素子28へ入射する測距光Lの光量の全レベルにわたって、A/D変換器42に入力された中間周波Nの振幅aiと、このときの初期位相φの補正量Δφi(ai)を記憶した補正テーブル記憶領域がメモリ46に記憶されているので、どのような光波距離計をどのような環境で使用しても、受光素子28へ入射する測距光Lの光量変動による測距誤差を常に確実に補正できる
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。例えば、前記実施例では、測距信号Mを中間周波Nに変換しているが、基準信号Kの周波数が低い場合などは、バンドパスフィルタ32から取り出した測距信号Mを直接A/D変換器42でサンプリングし、このサンプリングされた測距信号Mを用いて、距離測定することも可能である。この場合は、周波数変換器37とローパスフィルタ38と中間周波増幅器40が不要になり回路が簡単になる。
【0025】
また、図4に示した従来の光波距離計に対しても、検出器7の出力を本発明のA/D変換器42に入力し、A/D変換器42で取り出したデータを本発明と同様にCPU44とメモリ46で処理すれば、位相計9から出力される位相差の補正量を算出することができる。
【0026】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1に係る発明の光波距離計によれば、受光素子へ入射する測距光の光量の全レベルにわたって、前記光量に応じた位相差又は初期位相の補正量を示す補正情報を予め記憶手段に記憶しており、距離測定時、前記中間周波信号の振幅の度数分布を記憶手段に記憶させ、前記度数分布と前記補正情報とを用いて初期位相を補正しているので、1回の測定における前記中間周波信号のサンプリング開始からサンプリング終了までの期間内で受光素子へ入射する測距光の光量が大きく変動した際にも、測距誤差を常に確実に補正できる。よって、本発明の光波距離計であれば、陽炎等の大気の揺らぎが大きい環境で使用しても測距誤差をほとんどなくすことができる。
【0027】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る光波距離計のブロック図である。
【図2】中間周波信号をサンプリングした例を示す図である。
【図3】中間周波信号の同位相のサンプリングデータを加算した中間周波一周期分のデータを示す図である。
【図4】従来の光波距離計を説明する図である。
【符号の説明】
20 光源
22 ターゲット
24 変調器
26 基準信号発振器
28 受光素子
37 周波数変換器
42 A/D変換器
44 CPU(演算手段)
46 メモリ(記憶手段)
K 基準信号
L 測距光
M 測距信号
N 中間周波信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a phase difference type lightwave distance meter that emits distance measuring light toward a target and receives reflected light from the target.
[0002]
[Prior art]
Conventionally used light wave distance meters include those disclosed in Patent Document 1 below, which are shown in FIG. In this light wave distance meter, the distance measuring light L emitted from the
[0003]
The
[0004]
In this optical wave distance meter, the distance measuring light L emitted from the
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3236941
[Problems to be solved by the invention]
By the way, it is known that when the light amount of the ranging light L incident on the detector 7 changes, the phase difference between the reference signal K detected by the phase meter and the ranging signal M, that is, the measurement distance changes. In addition, the relationship between the change in the amount of light and the change in the phase difference (measurement distance) is different for each machine. For this reason, conventionally, at the time of adjustment after the assembly of the machine, the correction amount of the phase difference corresponding to the light amount is checked for each machine, and the constant of the electric circuit for each machine so that the phase difference is corrected according to the light amount. Was adjusting.
[0006]
However, by adjusting the electric circuit constant, depending on the machine, the phase difference may not be corrected over the entire level of the distance measuring light L incident on the detector 7. In such a case, there has been a problem that a distance measurement error remains if the light amount of the distance measurement light L incident on the detector 7 fluctuates greatly due to fluctuations in the atmosphere such as a flame during distance measurement.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and in a phase-difference optical wave distance meter, it is always possible to reliably correct a ranging error due to a variation in the amount of distance measuring light incident on a light receiving element regardless of the machine. The challenge is to do so.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, in the optical distance meter of the invention according to claim 1 , a reference signal oscillator that generates a reference signal, a light source that emits distance measuring light modulated by the reference signal, and a distance measuring light are transmitted. A light-transmitting optical system, a light-receiving optical system that receives the distance-measuring light reflected by the target, a light-receiving element that converts the received distance-measuring light into a distance-measuring signal, and an intermediate frequency of the distance-measuring signal lowered A frequency converter for converting to a frequency signal; an A / D converter for sampling the intermediate frequency signal over a plurality of periods in synchronization with the reference signal; and an in- phase of the intermediate frequency signal sampled by the A / D converter The combined data added every time is applied to a sine wave, the calculation means for calculating the distance from the initial phase of the sine wave, and the amplitude of the intermediate frequency signal over the entire level of the amount of ranging light incident on the light receiving element. It said the response was Includes a pre-stored memory means correction information indicating the amount of correction of the period phase, said computing means, said at distance measuring the amplitude frequency distribution of the intermediate frequency signal is stored in the storage means, the correction information and the frequency distribution And calculating a weighted average obtained by weighting the amplitude of the intermediate frequency signal to the correction amount, and correcting the initial phase using the weighted average .
[0011]
According to inventions of the light wave distance meter according to claim 1, correction information across all levels of the light quantity of the measuring light incident on the light receiving element, which indicates a correction amount of the phase difference or the initial phase corresponding to the amount of light Is stored in advance in the storage means, and at the time of distance measurement, the frequency distribution of the amplitude of the intermediate frequency signal is stored in the storage means, and the initial phase is corrected using the frequency distribution and the correction information. Ranging errors can always be reliably corrected even if the amount of light incident on the light receiving element varies greatly within the period from the start of sampling of the intermediate frequency signal to the end of sampling in one measurement .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0013]
FIG. 1 shows an embodiment of a light wave distance meter according to the present invention. In this optical distance meter, distance measuring light L transmitted from a
The distance measuring light L reflected by the
[0014]
Further, the ranging signal M is multiplied by a local oscillation signal Q generated by the
[0015]
When the distance is measured, the
[0016]
As shown in FIG. 2, the sampling period of the A /
[0017]
In order to store the sampling data in the
[0018]
By the way, since the light amount of the distance measuring light L incident on the
[0019]
Therefore, this light wave distance meter collimates the same target for each machine at the time of adjustment after assembly is completed, makes the aperture of the
[0020]
Of course, instead of this correction table, a correction formula (correction information) for obtaining the correction amount Δφi (ai) of the initial phase φ when the amplitude of the intermediate frequency N input to the A /
[0021]
In the distance measurement, as shown in FIG. 3, since the composite data S obtained by adding a large number of cycles of the intermediate frequency N for each phase is used, the correction amount ΔΦ of the initial phase φ is the i-th of the intermediate frequency N. If the amplitude of the period is ai, and the correction amount at this amplitude ai is Δφi (ai), ΔΦ = tan −1 [Σ {ai · sin (Δφi (ai))} / Σ {ai · cos ( Δφi (ai))}]
It becomes. Here, Δφi (ai) is generally small,
ΔΦ = tan −1 [Σ {ai · Δφi (ai)} / Σai]
= Σ {ai · Δφi (ai)} / Σai
Can be approximated. After all, the correction amount ΔΦ of the initial phase φ is a weighted average obtained by weighting the correction amount Δφi (ai) by the amplitude ai of the intermediate frequency N. The true initial phase may be obtained by subtracting the aforementioned correction amount ΔΦ from the measured initial phase φ.
[0022]
In order to perform distance measurement with this light wave distance meter, prior to the distance measurement, the light wave distance meter is operated, and several periods of the intermediate frequency N are sampled in advance to indicate the maximum level amax and the minimum level amin of the intermediate frequency N. Detect the sampling position. A storage area in which the input level of the A /
[0023]
Of course, the light wave distance meter of this embodiment can also switch the distance measuring light L to the reference light R that reaches the
[0024]
In the present embodiment, the amplitude ai of the intermediate frequency N input to the A /
[0025]
Also for the conventional optical distance meter shown in FIG. 4, the output of the detector 7 is input to the A /
[0026]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the inventions of the light wave distance meter according to claim 1, over the entire level of the light amount of the measuring light incident on the light receiving elements, the phase difference or the initial phase corresponding to the amount of light Correction information indicating the correction amount is stored in advance in the storage means, and at the time of distance measurement, the frequency distribution of the amplitude of the intermediate frequency signal is stored in the storage means, and the initial phase is determined using the frequency distribution and the correction information. Because it is corrected, even if the amount of ranging light incident on the light receiving element fluctuates greatly during the period from the start of sampling of the intermediate frequency signal to the end of sampling in one measurement , the ranging error is always assured. Can be corrected. Therefore, the light wave distance meter of the present invention can eliminate almost any distance measurement error even when used in an environment where atmospheric fluctuation is large, such as a hot flame.
[0027]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a lightwave distance meter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of sampling an intermediate frequency signal.
FIG. 3 is a diagram illustrating data for one period of an intermediate frequency obtained by adding sampling data having the same phase of an intermediate frequency signal.
FIG. 4 is a diagram for explaining a conventional lightwave distance meter.
[Explanation of symbols]
20
46 Memory (memory means)
K reference signal L ranging light M ranging signal N intermediate frequency signal
Claims (1)
前記演算手段は、距離測定時に前記中間周波信号の振幅の度数分布を記憶手段に記憶させ、前記度数分布と前記補正情報を用いて、前記補正量に前記中間周波信号の振幅の重みつけをした加重平均を算出し、該加重平均を用いて前記初期位相の補正を行うことを特徴とする光波距離計。 A reference signal oscillator that generates a reference signal, a light source that emits a distance measuring light modulated by the reference signal, a light transmitting optical system that transmits the distance measuring light, and a light receiving that receives the distance measuring light reflected by the target An optical system; a light receiving element that converts received ranging light into a ranging signal; a frequency converter that converts the ranging signal into an intermediate frequency signal with a reduced frequency; and the intermediate frequency in synchronization with the reference signal. An A / D converter that samples a signal over a number of cycles and a synthesized data obtained by adding the same phase of the intermediate frequency signal sampled by the A / D converter are applied to a sine wave, and the distance from the initial phase of the sine wave And a storage means for preliminarily storing correction information indicating the correction amount of the initial phase according to the amplitude of the intermediate frequency signal over all levels of the light amount of the ranging light incident on the light receiving element. ,
The arithmetic means stores the frequency distribution of the amplitude of the intermediate frequency signal in the storage means at the time of distance measurement, and weights the amplitude of the intermediate frequency signal to the correction amount using the frequency distribution and the correction information. A light wave distance meter which calculates a weighted average and corrects the initial phase using the weighted average .
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