JP4491661B2 - 光波距離計 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、プリズムを使用せず測定対象物からの反射光によって測定対象物までの距離を測定するための光波距離計に係わり、特に、測定範囲及び位置を視認する為のポインター光を送光する光波距離計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、プリズム等を使用することなく対象物までの距離を測定(以下ノンプリズム測定)が可能な光波距離計9000が開発されている。このノンプリズム測定が可能な光波距離計は、対象物からの微弱な反射光を受光し距離測定を行なうものや、高いピークパワーのパルス光を射出し、測定対象物までの光の往復時間を測定し距離を求めるもの等であった。
【0003】
図9に示す様に、従来の光波距離計9000は、別体のレーザーポインター9900を備えている。光波距離計9000は、発光素子9100と、発光素子駆動部9110と、コンデンサレンズ9120と、コンデンサレンズ9130と、発光側ファーバー9140と、ミラー9150と、対物レンズ9160と、受光側ファーバー9170と、コンデンサレンズ9180と、コンデンサレンズ9190と、受光素子9200と、アンプ9210と、制御演算部9300とから構成されている。別体のレーザーポインター9900は、ポインター用発光素子9910と、ポインター用発光素子駆動部9920と、ポインター用コンデンサレンズ9930とから構成されている。受光面、発光面は有限の大きさを持つので、対物レンズ9160からの発光光束aは僅かな広がりを有し、また、受光が可能となる受光光束範囲bも発光光束a側と同様の理由により僅かな広がりを持っている。
【0004】
ノンプリズム測定の測定範囲は、発光光束aと受光光束bとが重なるノンプリズム測定範囲cの部分となる。測定用光源9200に不可視の波長の光源を使用した場合、使用者は測定している位置を認識することができないため、補助機能として上記の様なレーザーポインター9900を付加して使用している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザーポインターが付加された光波距離計は、測定範囲とレーザーポインターの照射範囲とが一致せず、正確な測定範囲の把握ができないという問題点があった。ノンプリズム測定の測定範囲は、前述の様に広がりを持っているが、レーザーポインターの光束dは、ほぼ平行光束で出力されるからである。この事は、使用者がレーザーポインターで目視により認識する測定範囲と、実際に距離測定が行われる範囲とが異なる事を意味する。つまり、使用者はレーザーポインターにより照射された測定対象物の概略の測定部位を確認する事はできるが、測定用光束が照射され距離測定に寄与している部位cを認識しているわけではないのである。
【0006】
この事は、ノンプリズム測定範囲Cよりも微細な部分を距離測定する時に、特に問題となる。使用者がレーザーポインターを、希望する測定部位のみに照射される様に視準しても、それよりも広い範囲を測定している事になり、使用者に誤解を与えやすいと共に、誤った距離値を与えてしまう事になる。
【0007】
これを回避する為には、測定範囲cとレーザーポインターの照射範囲dとを一致させる必要がある。しかし、これを実現する為には、測定範囲の広がりと、レーザーポインターの広がりとを一致させ、同軸に配置し、なおかつ、照射方向を一致させる事が必要となり、機構上のコスト及び調整上のコストが大幅に増加するという問題点があった。
【0008】
次に、レーザーポインターの光が距離測定装置の受光系に入射する事により、SN比が劣化するという問題点がある。ノンプリズム測定絶囲cとレーザーポインターの光束dとを同軸に配置した従来例では、レーザーポインターの光が測定対象物により反射され、距離測定装置の受光系に入射される。この結果、受光素子に測定光以外の光が入射し、受光素子のショットノイズを増加させてSN比を劣化させる。レーザーポインターの視認性を高める為に、レーザーポインターの出力を増加させれば、更にSN比の劣化が顕著となるという問題点があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、測定光束を発光させるための測定用発光素子と、この測定光束を測定対象物に向けるための発光側導光部材を含む送光光学系と、この送光光学系において前記発光側導光部材の入射端に可視光を導入させるためのポインター用発光素子と、該測定対象物からの反射測定光束を受光するための受光側導光部材を含む受光光学系と、反射測定光束を受光して受光信号を形成するための受光素子と、この受光信号に基づいて測定対象物までの距離を演算するための制御演算部とからなり、前記送光光学系と、前記受光光学系とは、対物レンズ系を有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役であることを特徴としている。
【0010】
また本発明の光波距離計には、測定対象物の測定点を視準するための視準光学系が備えられている。
【0011】
そして本発明の光波距離計は、対物レンズ系から射出されるレーザーポインター光の開口形状を、発光側導光部材の出力端形状と異なる形状とする構成にすることもできる。
【0012】
更に本発明の対物レンズ系は、合焦光学系によるポインター像合焦機構を更に有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役であり、前記ポインター用発光素子によるレーザ−ポインター像が、前記測定対象物に合焦された時に、前記測定光束も合焦される構成にすることもできる。
【0013】
また本発明のポインター用発光素子の発光は、前記受光素子において前記反射測定光束と時間的に分離する様に発光される構成にすることもできる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、測定用発光素子が測定光束を発光させ、発光側導光部材を含む送光光学系が、測定光束を測定対象物に向け、送光光学系においてポインター用発光素子が、発光側導光部材の入射端に可視光を導入させ、受光側導光部材を含む受光光学系が、測定対象物からの反射測定光束を受光し、受光素子が、反射測定光束を受光して受光信号を形成し、制御演算部が、受光信号に基づいて測定対象物までの距離を演算し、送光光学系と、受光光学系とは、対物レンズ系を有し、発光側導光部材の出力端と受光側導光部材の入射端とが、対物レンズ系に対して共役となっている。
【0015】
また本発明の光波距離計の視準光学系が、測定対象物の測定点を視準することができる。
【0016】
そして本発明の光波距離計は、対物レンズ系から射出されるレーザーポインター光の開口形状を、発光側導光部材の出力端形状と異なる形状とすることもできる。
【0017】
更に本発明の対物レンズ系は、合焦光学系によるポインター像合焦機構を更に有し、発光側導光部材の出力端と受光側導光部材の入射端とが、対物レンズ系に対して共役であり、ポインター用発光素子によるレーザ−ポインター像が、測定対象物に合焦された時に、測定光束も合焦することもできる。
【0018】
また本発明のポインター用発光素子の発光は、受光素子において反射測定光束と時間的に分離する様に発光することもできる。
【0019】
【実施例】
【0020】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0021】
「第1実施例」
【0022】
図1に基づいて、本発明の第1実施例である光波距離計10000を説明する。
【0023】
光波距離計10000は、測定用発光素子1000と、測定用発光素子駆動部1100と、測定用コンデンサレンズ1200と、ポインター用発光素子2000と、ポインター用発光素子駆動部2100と、ポインター用コンデンサレンズ2200と、プリズム3000と、第1のコンデンサレンズ4100と、発光側ファーバー4200と、ミラー4300と、対物レンズ4400と、受光側ファーバー4500と、第2のコンデンサレンズ4600と、第3のコンデンサレンズ4700と、受光素子4800と、アンプ4900と、制御演算部5000とから構成されている。なお、発光側ファーバー4200は発光側導光部材に該当し、受光側ファーバー4500は受光側導光部材に該当するものである。
【0024】
測定用発光素子1000は、パルスレーザダイオードであって、比較的大きなピークパワーを持ち、デューティ比が0.01% 程度のパルス波を発生することができる。
【0025】
ポインター用発光素子2000は、可視光を発光するための半導体レーザーである。
【0026】
プリズム3000の反射面は、例えば偏光反射面となっており、直線偏光のポインター用発光素子2000からの光束の偏光方向を調整し、反射面に対してS偏光として反射させる様に構成されている。またP偏光に対しては、透過する様に構成されている。
【0027】
なお、測定用コンデンサレンズ1200とプリズム3000と第1のコンデンサレンズ4100と発光側ファーバー4200とミラー4300と対物レンズ4400とが、送光光学系に該当する。また、対物レンズ4400とミラー4300と受光側ファーバー4500と第2のコンデンサレンズ4600と第3のコンデンサレンズ4700とが、受光光学系に該当する。
【0028】
制御演算部5000は、受光素子4800で受光した受光パルスに基づいて、測定対象物50000までの距離の演算を行う他、光波距離計10000の全体の制御を司るものである。
【0029】
制御演算部5000は、測定用発光素子駆動部1100に対して発光制御信号を送出し、測定用発光素子駆動部1100は、測定用発光素子1000を駆動して発光させる。発光された光パルスの測定光束Sは、測定用コンデンサレンズ1200で平行光束とされ、プリズム3000を透過して第1のコンデンサレンズ4100に入射される。
【0030】
第1のコンデンサレンズ4100に入射された測定光束Sは、発光側ファーバー4200を介してミラー4300に送出され、ミラー4300で反射された後、対物レンズ4400を通して、測定対象物50000に向けて射出される。測定対象物50000に向けて射出された測定光束Sは、測定対象物50000上にスポットSPを形成する。
【0031】
測定対象物50000で拡散反射された反射測定光束Lは、対物レンズ4400を介してミラー4300に送出され、ミラー4300で反射された後、受光側ファーバー4500を通して、第2のコンデンサレンズ4600に送られる。第2のコンデンサレンズ4600で平行光束とされた反射測定光束Lは、第3のコンデンサレンズ4700に入射され、第3のコンデンサレンズ4700により受光素子4800上に集光される。
【0032】
受光素子4800により反射測定光束Lは、受光パルス信号に変換され、アンプ4900で増幅された後、制御演算部5000に入力される。制御演算部5000では、受光パルス信号に基づいて測定対象物50000までの距離を演算することができる。
【0033】
また制御演算部5000は、ポインター用発光素子駆動部2100に対して発光タイミング信号を出力し、ポインター用発光素子駆動部2100はポインター用発光素子2000を駆動して、可視光を発光させる。ポインター用発光素子2000から出力された可視レーザー光は、ポインター用コンデンサレンズ2200で平行光束とされた後、プリズム3000に入射されて偏向され、第1のコンデンサレンズ4100を介して発光側ファーバー4200に送られる。そしてポインター用可視光は、測定光束と共に、ミラー4300で反射された後、対物レンズ4400を通して測定対象物50000に向けて射出される。この結果、測定対象物50000には、レーザーポインター像Pを形成することができる。即ち、発光側ファーバー4200の入射端に、ポインター用発光素子2000からの可視光を導入させる様に構成されている。本第1実施例では、ポインター用発光素子2000から出力された可視レーザー光を、発光側ファーバー4200に送る構成となっているが、受光側ファーバー4500から発光させる構成にすることも可能である。
【0034】
なお、対物レンズ4400を適宜の移動機構により光軸方向に移動させることにより、レーザーポインター像Pを測定対象物50000上に合焦させることができる(ポインター合焦機構)。
【0035】
発光側ファーバー4200の出力端と受光側ファーバー4500の入力端とは、共に対物レンズ4400に対して共役な位置に配置され、更に対物レンズ4400は、適宜の移動機能により、光軸方向に微動可能となっている。従って、対物レンズ4400を微動させ、レーザーポインター像Pが測定対象物50000に合焦された時、測定光束Sも同時に測定対象物50000に合焦される。
【0036】
そして、受光側ファーバー4500の入射端の像も、測定対象物50000に合焦される。これにより、3つの光束範囲が完全に一致する事になる。
【0037】
これにより、レーザーポインター像Pにより視認する範囲と、測定範囲(スポットSP)とが一致するので、使用者は、測定範囲を目視にて確認する事ができると言う卓越した効果がある。
【0038】
図2は、測定光束Sとレーザーポインター光との発光タイミングを説明した図である。測定用発光素子100からは、図2(a)に示される様なパルス状の光が発光される。この発光のパルス幅は数nsecであり、繰り返し周期は光源の特性上数百μsecである。
【0039】
測定対象物50000から拡散反射された反射測定光束Lは、受光素子4800により電気信号に変換される。この様子が図2(c)の(c−1)の部分の信号として示されている。
【0040】
ノンプリズムで測定が可能な距離は、発光素子の出力パワーや測定対象物50000の反射率等によって左右されるが、概ね数百mの範囲であり、(c−1)の部分は発光から数μsecの範囲となる。
【0041】
レーザーポインター光の発光は、図2(b)に示される様に、(c−1)の時間範囲を回避する様に発光させている。これにより図2(c)に示される様に、受光素子4800上では、反射測定光束Lとレーザーポインター光とが時間的に分離される事になる。これにより、レーザーポインター光により受光素子4800に発生するショットノイズと反射測定光束Lによる受光信号とを、時間的に分離する事ができ、受光信号のSN比を劣化させる事無く、レーザーポインター光を照射することができる。
【0042】
「第2実施例」
【0043】
図3に基づいて、本発明の第2実施例である光波距離計20000を説明する。
第2実施例の光波距離計20000は、第1実施例の光波距離計10000に視準光学系6000を組み合わせたものである。
【0044】
第2実施例の光波距離計20000は、測定用発光素子1000と、測定用発光素子駆動部1100と、測定用コンデンサレンズ1200と、ポインター用発光素子2000と、ポインター用発光素子駆動部2100と、ポインター用コンデンサレンズ2200と、偏光ビームスプリッタ3010と、第1のコンデンサレンズ4100と、発光側ファーバー4200と、ミラー4300と、ダイクロイックミラー6100と、合焦レンズ6200と、対物レンズ群6300と、正立プリズム6400と、焦点板6500と、接眼レンズ6600と、受光側ファーバー4500と、第2のコンデンサレンズ4600と、第3のコンデンサレンズ4700と、受光素子4800と、アンプ4900と、制御演算部5000とから構成されている
【0045】
ダイクロイックミラー6100と、合焦レンズ6200と、対物レンズ群6300と、正立プリズム6400と、焦点板6500と、接眼レンズ6600とは、視準光学系6000に該当するものである。合焦レンズ6200は、光軸方向に移動させることにより、視準点の像を焦点板6500に結像させるものである。
【0046】
なお、測定用コンデンサレンズ1200と偏光ビームスプリッタ3010と第1のコンデンサレンズ4100と発光側ファーバー4200とミラー4300とダイクロイックミラー6100と合焦レンズ6200と対物レンズ群6300とが、送光光学系に該当する。また、対物レンズ群6300と合焦レンズ6200とダイクロイックミラー6100とミラー4300と受光側ファーバー4500と第2のコンデンサレンズ4600と第3のコンデンサレンズ4700とが、受光光学系に該当する。
【0047】
制御演算部5000は、測定用発光素子駆動部1100に対して発光制御信号を送出し、測定用発光素子駆動部1100は、測定用発光素子1000を駆動して発光させる。発光された光パルスの測定光束Sは、測定用コンデンサレンズ1200で平行光束とされ、偏光ビームスプリッタ3010を透過して第1のコンデンサレンズ4100に入射される。
【0048】
第1のコンデンサレンズ4100に入射された測定光束Sは、発光側ファーバー4200を介してミラー4300に送られ、ミラー4300で反射された後、ダイクロイックミラー6100に入射される。ダイクロイックミラー6100で反射された測定光束Sは、合焦レンズ6200及び対物レンズ群6300を介して、測定対象物50000に向けて送光される。
【0049】
測定対象物50000で拡散反射された反射測定光束Lは、対物レンズ群6300及び合焦レンズ6200を介してダイクロイックミラー6100に送られ、ダイクロイックミラー6100で反射された後、ミラー4300に入射される。ミラー4300で反射された反射測定光束Lは、受光側ファーバー4500を通して、第2のコンデンサレンズ4600に送られる。第2のコンデンサレンズ4600で平行光束とされた反射測定光束Lは、第3のコンデンサレンズ4700に入射され、第3のコンデンサレンズ4700により受光素子4800上に集光される。
【0050】
また制御演算部5000は、ポインター用発光素子駆動部2100に対して発光タイミング信号を出力し、ポインター用発光素子駆動部2100はポインター用発光素子2000を駆動して、直線偏光の可視光を発光させる。ポインター用発光素子2000から出力された可視レーザー光は、ポインター用コンデンサレンズ2200で平行光束とされた後、偏光ビームスプリッタ3010に入射されて偏向され、第1のコンデンサレンズ4100を介して発光側ファーバー4200に送られる。
【0051】
そしてポインター用可視光は、測定光束Sと共に、ミラー4300で反射された後、ダイクロイックミラー6100に入射され、ダイクロイックミラー6100で反射されたポインター用可視光は、合焦レンズ6200及び対物レンズ群6300を介して、測定対象物50000に向けて送光される。この結果、測定対象物50000には、レーザーポインター像Pを形成することができる。
【0052】
視準光学系6000の、正立プリズム6400と焦点板6500と接眼レンズ6600とは、ダイクロイックミラー6100により、測定光学系と同軸に構成されている。視準光学系6000は、測定対象物50000の測定点を視準するためのものである。
【0053】
合焦レンズ6200は、適宜の移動機構により光軸方向に移動可能に構成されており、合焦レンズ6200を移動させる事により、視準光学系6000と測定光学系とを同時にピント調整することができる。
【0054】
この様な構成の場合、通常の現況測量等では、視準光学系6000の望遠鏡により視準・合焦させることができる。しかし、トンネル内での壁面測定等の暗い場所での測定では、視準望遠鏡で測定対象物50000に合焦する事は非常に困難となる。またトンネルの断面等を測定する場合には、たとえトンネル内を明るく照明したとしても、天頂部付近を測定する時の視準作業は、測定者に無理な姿勢を強いる事となるという問題点があった。更に、大きな壁面、岩等を近距離で視準する場合には、望遠鏡の倍率が高すぎ、測定物全体に対する現在の測定位置を把握する事は非常に困難となる。
【0055】
この様な場合でも、測定位置を目視しながらレーザーポインター光を合焦状態にする事により、レーザーポインター光の照射範囲と測定光束Sの照射範囲と受光側ファーバー4500の入射端像との3つの光束範囲を完全に一致させる事ができる。
【0056】
近距離の測定対象物50000に対しても、測定物全体に対する現在の測定位置把握が非常に確実となり、周囲が暗い場合でも合焦作業が容易であり、トンネル内の測定の場合でも、天頂付近の測定が極めて容易となるという卓越した効果がある。
【0057】
本発明の第2実施例である光波距離計20000のその他の構成、作用等は、第1実施例の光波距離計20000と同様であるから説明を省略する。
【0058】
次に図4は、対物レンズ4400から射出されるレーザーポインター光の開口形状を、円形の発光側ファーバー4200の出力端形状と異なる形状とするものである。
【0059】
この場合には、合焦時に、レーザーポインター光の照射形状が円形となり、合焦状態を確認することができるという効果がある。発光側ファーバー4200の出力端形状の円形と同じ形状とすると、合焦状態でも、非合焦状態でも円形のままであり、合焦の確認が困難となる。
【0060】
即ち、図4に明かな様に、合焦状態Iの場合にはファイバー像が得られて円形となり、非合焦状態Oの場合には、対物開口形状である半円が現れる。
【0061】
なお、ポインター用の光源は、半導体レーザーに限られたものではなく、ガスレーザー等の他の光源を使用しても同等の効果を得ることができる。
【0061】
「パルス方式の光波距離計の原理」
【0062】
図5及び図6に基づいて、本発明のパルス光を利用した光波距離計の原理を説明する。
【0063】
第5図に示す様に本実施例の光波距離計は、レーザダイオード1と、コンデンサレンズ2と、コンデンサレンズ3と、一対の分割プリズム41、42と、光路切り替えチョッパ5と、内部光路6と、APD71と、遅延用光ファイバー8と、プリズム9と、対物レンズ10から構成されている。そして、コーナキューブ11は、光波距離計本体から離れた位置に配置される測定対象物に該当するものであり、光パルスを反射する機能を有している。
【0064】
レーザダイオード1とコンデンサレンズ21、22と発光側光ファイバー81と分割プリズム41とプリズム9と対物レンズ10とが光学手段に該当する。
【0065】
レーザダイオード1は光源部に該当するもので、本実施例のレーザダイオード1はパルスレーザダイオードが採用されており、比較的大きなピークパワーを持ち、デューティ比が0.01%程度のパルス波を発生させることができる。光路 切り替えチョッパ5は光束を切り替えるものである。受光素子7は受光手段に該当するものであり、レーザダイオード1から発射されたパルス光線を受光できる素子であれば足りる。
【0066】
遅延用光ファイバー8は光学的遅延手段の1つであり、遅延用光ファイバー8には、モード分散を防止するためにGIファイバを採用することが望ましい。
【0067】
分割プリズム41は、第1のハーフミラー411と第2のハーフミラー412とから構成されており、分割プリズム42は、第1のハーフミラー421と第2のハーフミラー422とからなっている。レーザダイオード1側と分割プリズム41の間は、発光側光ファイバー81と遅延用光ファイバー8で結ばれている。更に分割プリズム42と受光素子7側との間は、受光側光ファイバー82で結ばれている。なお本実施例では、発光側光ファイバー81の一部が、遅延用光ファイバー8を兼ねる様な構成となっている。
【0068】
発光パルスがレーザダイオード1から発射されると、コンデンサレンズ21、22により発光側光ファイバー81の入力端81aに結合される。発光側光ファイバー81は、遅延用光ファイバー8と連設されているので、光パルスは、遅延用光ファイバー8内を進行し、分割プリズム41に送られる。分割プリズム41の第1のハーフミラー411を透過したパルス列は、光路切り替えチョッパ5を介して、外部測距光路に射出可能となっている。分割プリズム41の第1のハーフミラー411で反射され、更に第2のハーフミラー412で反射されたパルスは、光路切り替えチョッパ5を介して、内部測距光路6に射出可能となっている。光路切り替えチョッパ5は、内部測距光路6と外部測距光路を切り替えるためのものである。従って、光路切り替えチョッパ5が外部測距光路を選択した場合には、光パルスはプリズム9で反射された後、対物レンズ10により外部に射出される。
【0069】
対物レンズ10から射出されたパルスは、コーナキューブ11で反射され、再び対物レンズ10で受光されプリズム9に送られる。受光されたパルス列は、プリズム9で反射されて分割プリズム42に送られ、分割プリズム42の第1のハーフミラー421を透過した受信パルス光は、受光側光ファイバー82の受光端82aに結合される。
【0070】
なお光路切り替えチョッパ5が内部測距光路6を選択した場合には、発光パルスは、内部測距光路6を通って分割プリズム42に送られる。そして光パルスは、分割プリズム42に内蔵された第1のハーフミラー421と第2のハーフミラー422で反射され、受光側光ファイバー82の受光端82aに結合される様になっている。
【0071】
そして受光側光ファイバー82の射出端82bから射出された光パルスは、コンデンサレンズ31、32によりAPD71に結合する様になっており、受光素子7で電流パルスに変換される様になっている。
【0072】
次に本実施例の電気回路の構成を詳細に説明する。
【0073】
図6に示す第1実施例は、水晶発信器100と第1の分周器110とシンセサイザー120と第2の分周器130とレーザダイオード1とレーザダイオードドライバー150とAPD71とアンプ160と波形整形回路170とカウンタ180とピークホールド回路190とレベル判定回路200と、バンドパスフィルタ210とサンプルホールド(S/H)220と位相測定装置90000とから構成されている。また位相測定装置90000は、ADコンバータ300とメモリ400とCPU500とから構成されている。
【0074】
水晶発振器100は基準信号発生手段の1つであり、基準信号fSを発生させている。この基準信号は、第1の分周器110とシンセサイザー120とバンドパスフィルタ210とカウンタ180とに供給されている。第1の分周器110に供給された基準信号は、第1の分周器110で1/(n−1)に分周されてシンセサイザー120に送られる。シンセサイザー120は、第1の分周器110から供給された信号をn倍し、第2の分周器130に送出する様になっている。第2の分周器130は、シンセサイザー120から供給された信号を1/mに分周して測定信号fM を作っている。なお、第1の分周器110、第2の分周器130、シンセサイザ120の出力信号は、2値化の信号である。
【0075】
そしてレーザダイオードドライバー150は、第2の分周器130の出力信号である測定信号fM に従って、レーザダイオード1をパルス的に駆動するものである。
【0076】
なお第2の分周器130の出力信号である測定信号fM は、CPU500とカウンタ180とピークホールド190にも供給されている。測定信号fM は、CPU500に対して発光確認信号となり、カウンタ180及びピークホールド190に対してはリセット信号となる。
【0077】
レーザーダイオード1から発射された光パルスは、光学系を通過しAPD71で受光される。このAPD71は受光素子7の1つであり、pn接合に深いバイアスを加えてナダレ増倍を誘起させ、利得を得ることのできるダイオードである。APD71は、内部参照光路を通った光パルスと、外部測距光路を通った光パルスを受光する。APD71により光パルスは、電流パルス列の電気信号に変換され、アンプ160に送られる。
【0078】
アンプ160は、APD71から入力された信号を増幅するものであり、アンプ160の出力信号は、波形整形回路170により二値化のディジタルデータに変換され、カウンタ180とサンプルホールド(S/H)220とADコンバータ300とに送られる。
【0079】
水晶発振器100からバンドパスフィルタ210に送られたfS は正弦波となり、サンプルホールド回路220に送られる。サンプルホールド回路220は、この正弦波を波形整形回路170の信号によりサンプルホールドする。そしてホールドされた値は、ADコンバータ300に送出されAD変換され、変換されたデジタルデータは予め定められたメモリ400に記憶される様になっている。
【0080】
またアンプ160からピークホールド回路190に送られた信号は、ピークホールド回路190にピークホールドされ、パルス光の波高値に応じたDCレベル信号となり、レベル判定回路200に送られる。レベル判定回路200はピークホールド回路190からの信号を受け、受光パルス列の光量がAPD71、アンプ160が適正に動作する範囲であるか否かを判定し、その結果をCPU500に送る様になっている。CPU500は、レベル判定回路200からの信号を受け、受光パルス列の光量が適正値である場合のみ、ADコンバータ300からのデータを採用する様になっている。
【0081】
次に、fS = 15MHz、n=101、m=5000 とした場合の位相関係を説明することにする。
【0082】
mダッシュ、fM 、fL の値及びその位相関係は、(n−1)について求めれば、
【数2】
により、
【0083】
【数5】
【0084】
となる。
【0085】
さらにパルス列の周波数fM は、
【数1】
より、
【0086】
【数6】
【0087】
となり、この時、受信されるパルス列の周波数fM と、バンドパスフィルタ210からの正弦波の周波数fS の位相関係は、
【数3】
より、
【0088】
【数7】
【0089】
となり、「数7」の値づつずれて、発光パルスが101回で再び同一の位相関係となる。この周波数は、
【数4】
より、
【0090】
【数8】
【0091】
となる。
【0092】
即ち、水晶発振器100から送出された15MHzを、バンドパスフィルタ210に通して得られた正弦波と、レーザダイオード1の発光周波数3030Hzとは、少しずつずれている。このため、受信タイミング信号とバンドパスフィルタ210に通して得られた正弦波との位相関係も同様に少しずつずれている。
【0093】
各発光パルス列と、バンドパスフィルタ210に通して得られた正弦波正弦波信号との位相関係は、101回で1周期となる位相関係になっており、102回目の発光パルス列は、1回目と同じ位相関係となる様になっている。このため、サンプルホールド(S/H)220の出力信号は、
【0094】
f=3030Hz/101
=30Hz
【0095】
で1周期となる。
【0096】
この様子を図7に基づいて詳細に説明することとする。図7(a)は、バンドパスフィルタ210からの正弦波信号の周波数fS に対して、周波数fM のパルス列の位相ずれの順序を示したものである。図7(b)は、バンドパスフィルタ210からの正弦波信号の周波数fS と、受信されるパルス列の周波数fM との関係を示し、更に、サンプルホールド回路220から出力される周波数fLの段階状波形を示すものである。
【0097】
以上の様に、サンプルホールド回路220から出力される波形は、周波数fLで繰り返し、n個のホールド値から構成される。従ってメモリ400は、n個以上の記憶容量が必要となる。このメモリ400は各発光パルス毎に、CPU500によりアドレスがインクリメントされる様に構成されており、AD変換されたデータが、CPU500を介して順次メモリ400上に記憶される。
【0098】
メモリ400とCPU500は、加算手段の機能も伴っており、記憶されたメモリ400上の任意のアドレスのデータとAD変換されたデータを加算し、再びメモリ400上に記憶させることができる。そしてn+1回目以降のデータは1周期目と同じ位相関係になるので、レベル判定回路200の判断が適正であれば、前回の周期のデータと加算し、後に平均化処理を施すことにより、AD変換データの精度を向上させることができる。
【0099】
即ち、サンプルホールド(S/H)220の出力信号は、30Hzで1周期となり正弦波とならないが、AD変換後にメモリ400に記憶する段階で並べ替えを実行することにより、正弦波状となるAD変換データを作ることができる。換言すれば、受信信号の周期の1/nでない場合には、前記メモリ手段の各アドレスのデータを並びかえることにより、受信信号の相似のデータを再現することができる。
【0100】
更に102回目以降の以降の発光パルス列によるサンプルホールド及びAD変換されたデータは、30Hzの2周期目以降のデータとなるため、レベル判定回路200の判定結果が適正であれば前回までの周期のデータと加算し、後にデータの平均化処理を行ってAD変換データの精度を高めることができる。
【0101】
次にメモリ400に記憶されたデータから、位相を計算する方法を説明する。メモリ400に記憶されているデータは、図7(b)のfL の波形の横軸がメモリ400のアドレスに相当しており、fL の波形の縦軸が、そのアドレス上のデータ値が相当する様になっている。
【0102】
図7(b)のfL の波形は、バンドパスフィルタ210からの正弦波から得られたものであり、この正弦波fS に対する周波数fM のパルス列の位相ずれ順 序も既知であるから、メモリ400のアドレスを並べ変えることにより、正弦波を復元することができる。この復元された正弦波は、図8に示す様になっており
、正弦波波形の位相θ0 は、正弦波波形の各データをD0(i) とした時、
【0103】
【数9】
【0104】
【数10】
【0105】
【数11】
【0106】
として、求めることができる。(但し、i=1〜n)
【0107】
この演算は、サンプルホールド回路220から出力される周波数fL の波形から、フーリエ変換の手法により、fL の波形の基本波成分の位相を求めたことに相当する。
【0108】
以上の演算をメモリ400とCPU500により実行することができる。従って位相測定装置90000は、ADコンバータ300とメモリ400とCPU500とから構成されていることになる。
【0109】
以上の様に実行されるレーザダイオード1の発光から、AD変換されたデータのメモリ400への格納までの処理を、外部測距光路と内部参照光路について行う。そして内部参照光路によるAD変換データと、外部測距光路のAD変換データとの、2つの波形の位相差φが光路差に相当することになる。
【0110】
即ち、外部測距光路の位相をθ0 とし、内部参照光路の位相をθ1 とすれば、光波距離計から被測定物であるコーナーキューブまでの距離は、
【0111】
【式12】
【0112】
となる。但し、Cは光速である。
【0113】
この様にして求めた精密測定距離Lは、水晶発振器100の基準周波数fS の時間軸を拡大して、その位相をフーリエ変換により求めたものである。従って
、
【0114】
(C/fS)*(1/2)
【0115】
を1周期とする距離を内挿したものである。従って、fS が15MHzとすると
、1周期が10mとなる。
【0116】
また粗測定距離についても、外部測距光路におけるカウンタ180のカウンター値から10mの精度で求めることができる。即ち、水晶発振器100の基準周波数fS をカウンタ180が、第2の分周器130の信号から波形整形回路170の信号までの間、カウントするものである。そしてカウント値はCPU500に送られ、外部測距光路のカウント値と内部参照光路のカウント値の差から粗測定距離を求めることができる。
【0117】
そして粗測定距離と精密測定距離を組み合わせることにより、光波距離計から測定対象物までの実際の距離を求めることができる。これらの動作を行う構成が距離測定手段に該当するものである。
【0118】
なお精密測定距離は、AD変換されたデータ値に対してフーリエ変換を施して基本波成分の位相を求めているので、サンプルホールドされる波形は必ずしも正弦波である必要はなく、積分波や三角波等であってもよい。同様にバンドパスフィルタ210に代えて、ローパスフィルタを採用することもできる。
【0119】
そして本発明は、パルス方式の光波距離計のみならず、従来のLEDを用いた連続変調方式の光波距離計の位相測定にも応用することができる。
【0120】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、測定光束を発光させるための測定用発光素子と、この測定光束を測定対象物に向けるための発光側導光部材を含む送光光学系と、この送光光学系において前記発光側導光部材の入射端に可視光を導入させるためのポインター用発光素子と、該測定対象物からの反射測定光束を受光するための受光側導光部材を含む受光光学系と、反射測定光束を受光して受光信号を形成するための受光素子と、この受光信号に基づいて測定対象物までの距離を演算するための制御演算部とからなり、前記送光光学系と、前記受光光学系とは、対物レンズ系を有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役となっているので、測定位置を目視しながらレーザーポインター光を合焦状態にする事により、レーザーポインター光の照射範囲と測定光束の照射範囲と受光側導光部材の入射端像との3つの光束範囲を完全に一致させる事ができるという効果がある。
【0121】
近距離の測定対象物に対しても、測定物全体に対する現在の測定位置把握が非常に確実となり、周囲が暗い場合でも合焦作業が容易であり、トンネル内の測定の場合でも、天頂付近の測定が極めて容易となるという卓越した効果がある。
【0122】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例である光波距離計10000の構成を説明する図である。
【図2】測定光束Sとレーザーポインター光との発光タイミングを説明した図である。
【図3】第2実施例である光波距離計20000の構成を説明する図である。
【図4】変形例を説明する図である。
【図5】パルス方式の光波距離計の原理を説明する図である。
【図6】パルス方式の光波距離計の原理を説明する図である。
【図7】パルス方式の光波距離計の原理を説明する図である。
【図8】パルス方式の光波距離計の原理を説明する図である。
【図9】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
10000 第1実施例の光波距離計
20000 第2実施例の光波距離計
50000 測定対象物
90000 位相測定装置
1 レーザダイオード
2 コンデンサレンズ
3 コンデンサレンズ
41 分割プリズム
42 分割プリズム
5 光路切り替えチョッパ
6 内部光路
71 APD
8 遅延用光ファイバー8
9 プリズム
10 対物レンズ
11 コーナキューブ
100 水晶発振器
110 第1の分周器
120 シンセサイザー
130 第2の分周器
150 レーザダイオードドライバー
160 アンプ
170 波形整形回路
180 カウンタ
190 ピークホールド回路
200 レベル判定回路
210 バンドパスフィルタ
220 サンプルホールド
1000 測定用発光素子
1100 測定用発光素子駆動部
1200 測定用コンデンサレンズ
2000 ポインター用発光素子
2100 ポインター用発光素子駆動部
2200 ポインター用コンデンサレンズ
3000 プリズム
3010 偏光ビームスプリッタ
4100 第1のコンデンサレンズ
4200 発光側ファーバー
4300 ミラー
4400 対物レンズ
4500 受光側ファーバー
4600 第2のコンデンサレンズ
4700 第3のコンデンサレンズ
4800 受光素子
4900 アンプ
5000 制御演算部
6000 視準光学系
6100 ダイクロイックミラー
6200 合焦レンズ
6300 対物レンズ群
6400 正立プリズム
6500 焦点板
6600 接眼レンズ
Claims (5)
- 測定光束を発光させるための測定用発光素子と、この測定光束を測定対象物に向けるための発光側導光部材を含む送光光学系と、この送光光学系において前記発光側導光部材の入射端に可視光を導入させるためのポインター用発光素子と、該測定対象物からの反射測定光束を受光するための受光側導光部材を含む受光光学系と、反射測定光束を受光して受光信号を形成するための受光素子と、この受光信号に基づいて測定対象物までの距離を演算するための制御演算部とからなり、前記送光光学系と、前記受光光学系とは、対物レンズ系を有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役であることを特徴とする光波距離計。
- 測定光束を発光させるための測定用発光素子と、この測定光束を測定対象物に向けるための発光側導光部材を含む送光光学系と、この送光光学系において前記発光側導光部材の入射端に可視光を導入させるためのポインター用発光素子と、該測定対象物からの反射測定光束を受光するための受光側導光部材を含む受光光学系と、この該測定対象物の測定点を視準するための視準光学系と、前記反射測定光束を受光して受光信号を形成するための受光素子と、この受光信号に基づいて測定対象物までの距離を演算するための制御演算部とからなり、前記送光光学系と、前記受光光学系とは、対物レンズ系を有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役であることを特徴とする光波距離計。
- 対物レンズ系から射出されるレーザーポインター光の開口形状を、発光側導光部材の出力端形状と異なる形状とする請求項1又は請求項2記載の光波距離計。
- 前記対物レンズ系は、合焦光学系によるポインター像合焦機構を更に有し、前記発光側導光部材の出力端と前記受光側導光部材の入射端とが、前記対物レンズ系に対して共役であり、前記ポインター用発光素子によるレーザ−ポインター像が、前記測定対象物に合焦された時に、前記測定光束も合焦されることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項記載の光波距離計。
- ポインター用発光素子の発光は、前記受光素子において前記反射測定光束と時間的に分離する様に発光されることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の光波距離計。
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