JP4499261B2 - タキメータ望遠鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載のタキメータ望遠鏡に関する。この種の望遠鏡システムは、１９９８年９月２日に本出願人によりドイツ特許庁に提出された特許出願により公知である。
【０００２】
【従来の技術】
タキメータとは距離計を内蔵したセオドライトのことである。距離の測定には目標物に反射器を取り付けて手動または自動的目標検出により照準を定めるか（反射器を取り付けたこの目標物を協働的目標物と称する）、あるいはそのような目標マークのないそのままの目標物（非協働的目標物）に手動でねらいをつける。この２０年間の電気光学的距離計（ＥＤＭ=Elektrooptischer Distanzmesser）の着実な発展にもかかわらず、現在でも反射器を使用しないで測定するタキメータはごくわずかしか商品として提供されていない。このようなタキメータに対する要求があった場合でも、技術的理由から測地の分野に対して開発された反射器なしの測定装置のほとんどが、上載せ用（Ａｄｄ Ｏｎ）距離計として実現されており、このような上載せ用計器はそれぞれのセオドライトに機械的または電気機械的アダプタにより載置されている。
【０００３】
１９９８年９月２日に提出された上記の特許出願に記載された構成によれば、協働的目標物と非協働的目標物との両方を検出することが可能である。反射器なしで測定する電気光学的距離計を内蔵したタキメータはそれ自体既に公知である（ＺＥＩＳＳ ＲＥＣ Ｅｌｔａ-ＲＬ）。このような装置は、協働的目標物の測量にも、自然ままの表面粗い目標物までの距離の測定、例えば砕石場での測量、トンネルや道路の形状、建造物の正面などの測量のような接近が困難な表面の測量にも使用される。
【０００４】
反射器なしで測定する距離計は通例、放射された光学的なビームパルスの走行時間を測定するという原理に基づく。ここでは小型でエネルギー消費の少ない装置では、最高出力が約１ワットから１００ワット以上までのパルスレーザダイオードを使用するのがつねである。このような装置では、大きな放射表面を備えた赤外線半導体レーザダイオードがパルス供給されてビーム源として使用される。ここでの欠点は、このレーザの放射表面の寸法が１００μｍのオーダーまたはそれ以上と比較的大きいことである。そのためこの装置の放射ビームは約１．５ｍｒａｄ以上となり、１００ｍの距離ではビーム束の断面は既に約１５ｃｍに達する。従って１５ｃｍよりも小さい構造体までの距離は測量できない。このビーム束の直径が大きい物理的理由は、従来使用していたビーム源が、回折限界でないビームを放射することにある。さらに、大きな断面のビーム束の欠点は、対象物の傾斜したまたは構造化した表面の測定では、真の距離ではなく、照射された表面にわたって強度を重み付けした距離値が検出され、これによって測定結果に誤差が生じることである。
【０００５】
反射器なしで測定する電気光学式距離計の別の欠点は、赤外線または拡張した測定ビームを使用するために、実際に照準を定めた対象物の個所が識別できないことである。この照準点が見えるようにするには、可視でありかつ回折限界の放射される付加的なビーム、例えばレーザビームを用いる必要があり、またそのビーム軸を更に送出ビーム軸に対して調節しなければならない。
【０００６】
これらの全ての問題点に加え、測定点間の距離の他に、関連する角度を測地学的精度で、それも０．１ｍから約２０００ｍ以上の距離の範囲で検出しなければならないことが多い。基本的に測量の課題とはこれをできるだけ人間工学的に実現することである。この要求を満たすには、従来は目標点を反射補助手段でマーキングすることが必要であった。このような協働的目標点には例えば自動目標検出装置（ＡＴＲ）により極めて迅速に狙いをつけ、これを従来の赤外線距離計で測量することができる。しかし目標物に反射補助手段を取り付けることは常に可能であるわけではない。目標物によっては排除できない障害、例えば建造物の高さ、河川、敷地への立入り権限の欠如などのために近寄ることができず、そのため反射手段でマークすることができない。同一の測量課題において表面がそのままである目標点にも、反射する目標点にも照準を定めなければならない。これは公知のタキメータでは全く解決できなかった。現在の電子式セオドライトは、測地における測量課題に必要な全てのセンサを単一の機械で同時に提供することができず、そのため測量課題がそれでなくても困難であるという欠点を有するのに加えて、要求される１ｍｍの測定精度を（殊に反射器なしの距離測定の場合に）満たすことができない。
【０００７】
別の困難な課題はセオドライトを所望のように小型化、すなわち複数の測定部材を狭い空間に収容することである。というのはセンサをわずかにしか備えていないセオドライト、殊に現在入手可能なセオドライト望遠鏡は、既に比較的大きな外形寸法を有し、したがって重量もある。このような外形寸法は人間工学的に見て現場での使用に邪魔になる。これは自動目標検出（ＡＴＲ）を備えるタキメータ、または単に反射器なしの目標物を測定するＥＤＭを備えるセオドライトの場合がそうである。このことはこれまでは確かに、単一のセオドライトに完全過ぎる装備がなされずままであり、必要があれば測定課題によって異なる装置で解決していた理由であった。この場合に殊に困難であるのは、自動目標検出を有しなければならないセオドライトの望遠鏡を小型化することである。それは測地分野での使用に要求される測定精度は、通例３〜５ｃｃ（＝８μｒａｄ）ないしは１ｍｍの点解像度だからである。このような精度は焦点距離を長くしなければ達成されず、光学的付加部材を使用しても光学系の構成長さが大きくならざるを得ない。しかし短縮は場合によっては角度の測定精度を損なうことがある。これは例えば自動目標検出を、別個のビーム路、すなわち視覚チャネルとは別の、例えば２軸のビーム路で実施する場合（ＰＣＴ-ＳＥ９０-００２３３）である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、測地学での要求をより満足させることの可能な、電子式の（殊に、有利には両軸について電動化した）セオドライトを提供することである。殊に本発明の課題は、視覚望遠鏡および例えば、反射する目標物だけを赤外線によって測定する距離計の他に、回折限界の反射器なしの距離計と、自動目標点検出のための小型化されたセンサユニットとを設計し、単一のセオドライト望遠鏡に組み込むことである。
【０００９】
その際にセンサを取り付けた望遠鏡の外形寸法をできるだけ小さくして、現場での取扱い易さに対する要求を満たすようにする。エネルギー消費量もできるだけ少なくして、少なくともバッテリでの動作が可能であるようにする。
【００１０】
本発明の課題で殊に困難であるのは、４個の独立したセンサの４個の光学的チャネルを互いに入り組ませて、それぞれの機能が個別にも、相互に協働して作用する場合にも保証されるようにすることである。一方ではセンサはそれ自体問題なく動作する必要があり、他方では各チャネルは同時に機能する際に相互に障害となってはならない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、測地的、産業的および建設技術的測量にて光学的距離測定に使用するタキメータ望遠鏡であって、このタキメータ望遠鏡は、１つの光学的望遠鏡対物レンズと、望遠鏡の支えとしての１つの電動式セオドライトと、このセオドライトの電動式軸を操作し制御する１つの中央処理ユニットと、第１波長領域λ₂を有する第１ビーム束を、測定すべき目標物に送出しかつ第１送光器および／または第２送光器および／または第３送光器を有する送光装置と、上記の目標物において反射した第１ビーム束のビームを受光するための位置検知表面センサを有する第１オプトエレクトロニクスセンサ装置と、この第１オプトエレクトロニクスセンサ装置に対応付けられて自動目標検出を行う第２制御評価ユニットとを有する形式のタキメータ望遠鏡において、上記の送光装置は、第２波長領域λ₃を有する第２ビーム束および第３波長領域λ₄を有する第３ビーム束を送出するように配置されており、第２波長領域λ₃を有する第２ビーム束は、回折限界のビーム束であり、上記のタキメータ望遠鏡には距離測定複合体が設けられており、距離測定複合体（２３）は、２つの動作方式で作動可能な第２センサ装置を用いるか、または目標物にて反射した波長領域λ ₃ の第２ビーム束を受信する第２センサ装置と、目標物にて反射した波長領域λ ₄ の第３ビーム束を受信する第３センサ装置とを用いて、一方では測定すべき目標物における少なくとも１つの反射器ないしは少なくとも１つの目標マークを介し、また他方ではこのような目標識別のない目標物の自然のままの表面を介して距離を測定し、上記の距離測定複合体に対応付けられている第１制御評価ユニットが設けられており、この第１制御評価ユニットは、波長領域λ₃ないしはλ₄をそれぞれ有する１つずつの第２および第３ビーム束の前記の目標物で反射したビームに相応する信号を評価し、伝搬時間および／または送信した信号に対する位相から距離を求め、上記のセンサ装置のすべての目標軸は一致して共通の軸を形成し、波長領域λ₂，λ₃，λ₄をそれぞれ有する前記の３つのビーム束と、上記の目標物で反射しかつセンサ装置で受光されるビームとが同軸作用を有することを特徴とするタキメータ望遠鏡を構成することによって解決される。
【００１２】
これにより協働的および非協働的目標物までの距離の測定だけでなく、付加的に角度の測定が、場合によっては手動または自動の照準を選定することによって可能になる。したがって測量する目標物としては、岩石、樹木のような自然の対象物や、建造物、教会やその他の塔なども同様に測量可能であり、さらに反射プリズム、反射シート、返光器などの反射器によって支援された目標物も測量可能である。ここで光学的視準軸は特徴的な方向をなす。それは第一には水平基準軸（例えば北の方向）を基準とする角度測定のためおよび/または例えば、専用の角度センサによって求められる、セオドライトの直立軸である垂直基準軸を基準とする角度測定のためであり、また第二には目標物と視準軸との間の残りの角度測定のためであり、ここでこの残りの角度の測定は、画像評価と角度計算とによる自動目標検出を用いて行われる。もちろん場合によっては別の位置検知用センサの使用も可能である。しかしながら画像を出力するセンサの利点は、画像文書作成ができることである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
反射器なしの測定方式のみでも多くの適用の可能性が存在する。例えば粗い表面までの１００ｍ以下の距離を、反射器または反射マークのようなマーキング装置を追加せずに測量できることはよく知られている。測定精度として１〜３ｍｍが要求される場合には放射ビーム束の開きはできるだけ小さいことが必要で、これが大きいと目標物の照射がぼやけるため距離の測定の際所要の精度が得られない。同じことは入射したビーム束の開きにも当てはまる。開きが小さいと同時に入射する周囲からの光の割合が減少して、入射側の信号対雑音比に好影響を与える。しかし固定焦点配置での小さな開きは一方では、近距離の範囲で放射と入射のビーム束の重なりが僅かであるという欠点を生ずる。これは放射と入射の光学系を同軸配置にすれば少なくとも軽減される。しかし１ｍｍの測定精度を得るには、更に技術的対策を追加する必要があり、この点については後述する。
【００１４】
しかし地籍測量、建設測量または産業測量における従来の測量方法では、対象物空間ないしは目標物空間における各点を既知および未知の座標に記載して画定するが、本発明によれば、これらの全てを単一の計器で実施する。１台の計器の据付け（配置と方位の確認）にはある程度の時間が必要であるが、全ての測定を単一の計器により実施すればこの時間を減少することになる。本発明の一つの計器の据付けと調整とにおいて既に、例えば接近が困難な接続個所を有する測定ステーションを設置する際にこの課題を反射器なしの距離測定により一段階で解決できるという利点が得られる。これに対してプリズムまたは反射マークでマーキングされる他の地点は、同じ据付けで同じ計器により合理的に測定でき、その際に測定は自動目標検出により実施されるので、時間が節約され測定精度が向上する。
【００１５】
望遠鏡がそれぞれの光学的放射および入射のチャネルの他に一つの可視チャネルを特に一つの接眼レンズに追加して備えれば、実用上の理由から本発明の範疇において有利である。それは目標点を反射の強化またはその他の手段でマーキングし、自動目標検出により照準することが必ずしも常に可能とは限らないからである。目標点を見つけるのに特別の手間を要するかまたは目標点を自動的に見出すのが不可能なような状況も存在する。特別なマークのないそのような目標物には視覚でないしは手動で目標を定め、それから距離を、目標マークのない自然の目標物までの前記の距離測定方式により、即ち好ましくは回折限界の特に可視の波長範囲で放射する、例えば約３０秒の角度の開きのビームで測定することができる。そのような反射器なしの測定に対しては、建造物の分野、例えば外側のファサードまたは内部の空間への応用が特に適している。一つの内部空間への応用の場合に可視の測定用斑点を用いるのが特に有利であり、望遠鏡を通さずに直接この測定用斑点で、例えば一つのレーザ点で目標物に照準を定めることができる。
【００１６】
この可視の測定用斑点の別の利点は、輪郭、特に内部空間の輪郭を、電動で制御して記録する際に得られる。即ち電動式セオドライトは与えられた輪郭を巡回し、その際に反射器なしの距離計により測定点の相当する極座標を記録することができる。しかし計器と目標物との間の測定ビームが物体または人間により遮断されることは稀ではなく発生する。このような場合には障害物までの距離が測定されて、望ましくない誤った測定値が得られる。しかし本発明の装置では反射器なしの測定ビームを有利に選定して、肉眼で認められるようにする。従って障害物への照準は直ちに認められるので修正を容易に実施することができる。
【００１７】
別の利点は、可視のビーム束、特に反射器なしに測定を行うビーム束と自動目標検出との協働作用から得られる。即ち、可視のビーム束、例えばレーザビームは前述のように例えばレーザ指針としても使用される。特に測定用斑点は反射で支持された目標物の所でも肉眼で見ることができる。従って自動的目標捕捉に何らかの誤差が発生しても容易に認めて補正することが可能である。
【００１８】
【実施例】
本発明の詳細を更に、図面に略示した実施例に基づいて以下に説明する。
【００１９】
タキメータ望遠鏡１は、セオドライトケーシング２内にセオドライト本体と、水平軸Ｈの回りに垂直方向に旋回自在に設けられた望遠鏡ケーシング３とを有する。これに対してセオドライトケーシング２は垂直軸の回りを水平方向に旋回自在である。したがってこの計器の底部は、セオドライトそれ自体であり、固定の脚部２ａならびに垂直軸Ｖの回りで可動なアリダード２ｂを有する。このアリダード２ｂには、望遠鏡ケーシング３を支持する水平の傾動軸Ｈが固定されている。セオドライトケーシング２はここで望遠鏡の支持部として使用されている。それぞれの軸ＶとＨには、両方のケーシング２，３の水平および垂直方向の位置を測定するために、すなわち望遠鏡の視準軸ないしはその光軸Ａを求めるために（図１には示していないがそれ自体公知の）角度センサ（図２の２９参照）と、垂線（重力ベクトル）に対する垂直軸Ｖの縦および横の傾きを求める傾斜センサとが配置されている。
【００２０】
旋回の目的ならびに別の目的のために、表示画面５を備えるキーボードまたは操作ユニット４と、このキーボードにより操作可能の、セオドライトケーシング２において参照符号６の箇所に取り付けられた水平旋回用の電動ユニット（図２の３０参照）と、蓋７の下に設けられた垂直旋回用の電動構成部品とが設けられている。したがって軸ＶとＨはそれぞれ電動機に連結しており、これらの電動機によって両方のケーシング２と３との自動調整が可能である。これらの構成部品は、自動目標検出にとって中心的役割を果たす。蓋７の下にはその他の電子構成部品、例えば中央処理装置（後述するプロセッサ２５）も設けられている。この中央処理装置は、測定過程の時間的経過（例えば逐次または同時）と、電動機に支援され、自動化され、さらに有利には後述するカメラによって案内される計器の目標物に対する位置合せとを制御する。更にケーシング２と３とを、少なくとも一つの操作部品１０を用いて軸ＶとＨとの回りを手動で制御して旋回させることもできる。
【００２１】
この中央処理装置の他に、一方では望遠鏡ケーシング３の蓋８の下に自動目標検出用プロセッサボードが設けられており、他方では望遠鏡ケーシング３の蓋９の下に距離測定複合体用のプロセッサボードが設けられている。ここで自動目標検出用プロセッサボードは、有利には位置評価ユニットまたは特に画像処理ユニットを含んでおり、また距離測定複合体は、一方では少なくとも１個の反射器ないしは少なくとも１個の目標マークを介して、測量すべき目標物までの距離を測定し、他方ではそのような目標の指標の無い自然の目標物までの距離を測定し、ここでこの測定は、後述する第１および第２のセンサ装置によってそれぞれ行われる。勿論種々のプロセッサ構成部品を異なる方式で取り付けることも可能であるが、上述の方式が有利であることが実証された。
【００２２】
図１に示した望遠鏡ケーシング３の前面には、後に図２ないしは４により詳しく説明する光学系の前側レンズ１１ないしは望遠鏡対物レンズが設けられている。この光学系は実質的には少なくとも倍率２０倍、例えば３０倍のそれ自体公知の望遠鏡システムであり、これを本発明により有利に構成するないしは構成することができる。この望遠鏡システム１１は例えば青と赤との間の可視の波長領域で平均波長λ_１のビームを放射する。同じくこの望遠鏡システム１１は、後述するセンサビーム路の可視領域および/または近赤外領域にある波長λ_２、λ_３、およびλ_４のビームを放射する。この場合の接眼レンズを通しての視野は典型的な１．５度である。この望遠鏡システムにおいて全ての放射チャネルと入射チャネルとが共通であることを強調しておく。
【００２３】
図２は本発明による光学系の１実施形態の略図であり、その望遠鏡の対物レンズは単に前側レンズ１１で示してある。この光学系で主な光学的構成部品の全てが共通の光軸Ａに合せてあるのは大きな利点である。この光軸Ａには比較的小さい出射ミラーまたは出射プリズム１２が設けてあり、これを介して３個の送光器Ｓ１、Ｓ２ないしはＳ３からのビーム束が光軸Ａの方向に送られる。ここで軸Ａの中央に設けたミラー１２による中央の影の影響は甘受する必要があり、後述する位置検知センサ２１の画像品質にある程度影響する。しかしこの中央のミラー１２の配置により、それぞれの送光器側のビーム束が確実に同軸として作用する。ミラー１２の位置と反射度とは放射チャネルから入射チャネルへの可能なダビングにとって決定的な意味を有する。従ってミラー１２と前側レンズ１１との間隔はできるだけ短くし、ミラー１２の表面の反射度は殆ど１００％にする必要がある。
【００２４】
送光器Ｓ１、Ｓ２ないしはＳ３は任意のビーム源、特に光源（広い意味で、また不可視ビームをも含む）を含むことができるが、そのそれぞれが異なるおよび／またはスペクトル的に分離できる波長領域を放射することが好ましい。例えば送光器Ｓ１が波長または波長領域λ_２、送光器Ｓ２が波長または波長領域λ_３、および送光器Ｓ３が波長または波長領域λ_４を放射するようにする。これらの波長領域の少なくとも一つと、以下λ _１ と称しかつ４００〜７００ｎｍの間の一般に知覚可能な昼間光である周囲の可視光とを区別することが好ましい。しかし場合によってはこの光は、測量を実施する特殊な投光器の光であることもある。これらの３個の送光器Ｓ１、Ｓ２ないしはＳ３のそれぞれのビームは図２に示すように進み、その際送光器Ｓ１とＳ２のビームは例えば半透明のミラー面１３ないしは１４により、また送光器Ｓ３のビームは全反射の表面１５によりミラー１２の方に向けられる。勿論ミラー面１３〜１５を全反射にし、しかも同軸の作用を失わないようにこれらのミラーを互いにずらすことも可能であるが、送光器Ｓ１〜Ｓ３の軸を一致させるには図示の配置が有利である。例えば孔付きのミラーやアングル部材付きのミラーも考えられよう。
【００２５】
もう一つの可能性としては、送光器Ｓ１〜Ｓ３を時間的に間隔を置いて目標に向ける際に、単一の全反射の反射器を１個の移動装置によりミラー１５の位置からミラー１４の位置に、ないしはミラー１３の位置に移動する。勿論、例えば１個の全反射のミラーを位置１４と１５との間で往復させ、一方送光器Ｓ１用には部分反射の鏡面１３を設けるというような組合せも考えられる。この後者の組合せは、例えばつぎのような場合、すなわち送光器Ｓ２とＳ３とは時間的間隔を置いて放射するが、送光器Ｓ１はその何れか一方または両方と同時に、特に送光器Ｓ２と同時に放射するような場合に適用される。これは、後述するように自動目標検出に対して殊に有利である。
【００２６】
実際の例としては、例えば自動目標検出の波長λ_２が赤外または可視領域にあり、目的に適った所定のスペクトルを含むことができ、λ_４はλ_２からはずれた赤外領域にあり、λ_３は光の可視領域にあって回折限界の僅かなビーム束である。勿論単に単独の送光器を設け、相当するフィルタないしは対物レンズをその前に設けることにより、異なる波長領域と発散度のビームを交互に放射するためにこの送光器を利用することも可能であろう。また現在複数の波長を有するレーザも知られており、この波長を電子的に変更することも可能である。
【００２７】
ミラー１２によりそれぞれの放射ビームを同軸的に軸Ａに沿って目標物の表面１６に送り、そこからこのビームを表面１６に設けたミラーないしは反射器、例えば反射プリズム、反射シート、返光器、認識マーク付き目標板などにより、対物レンズ１１に向けて返送するか、或いはそのような目標マークのない自然の目標物１６から反射させる。即ち、反射光１７は軸Ａに沿って同軸的に対物レンズ１１に入射する。
【００２８】
ミラー１２の後ろには少なくとも３個のセンサ装置向けのビーム路がある。このビーム路には、１個の分割プリズム１８およびその鏡面１８ａを介して入射するビーム束を受光する受光センサ１９と、位置検知用の表面センサ２１とがあり、ここでこの受光センサは、例えば、２つの部材からなるフィルタプレート２０と共に距離測定複合体２３の一部をなし、また表面センサ２１は、例えば、ＰＳＤ-チップ，ＣＣＤ-チップ，ＣＭＯＳ-チップまたはその他のフォト-ＡＳＩＣである。ここでＣＣＤ- またはＣＭＯＳ-カメラユニットの使用が好ましい。このカメラユニットの前に、単にレンズ２２で示した集束ユニットが設けてあり、これはカメラのセンサ面２１に目標物１６の鮮明な画像を結ぶためである。協働的目標物のみを照準または測定の対象とする場合には、１個の固定焦点配置で充分であり、集束ユニット２２を省略できる。センサ表面は、個々の感光性部品の相当する設計またはその前に設けた光学的帯域フィルタによって、送光器Ｓ１から放射された光の内で波長λ_２のビームのみを感光するようにするのが好ましい。対物レンズと共に形成された視野ないしは開きは０．３と３度の間の範囲にあることが必要である。
【００２９】
距離測定複合体２３の場合には、これは二つの目的を達成する必要がある。その一つは、少なくとも１個の反射器ないしは少なくとも１個の目標マークを介して測量すべき目標物までの距離を測定することであり、もう一つはそのような目標マークのない自然の目標物までの距離を測定することである。この目的のために両方の測定の各々に対して別々のセンサ装置を使用したくなければ、前記距離測定複合体２３は、前述の両方の距離測定方法の内の後者用の送光器Ｓ２とＳ３の波長の範囲λ_３とλ_４のみを感知する必要がある。フィルタ２０の第１の領域２０ａがセンサ１９の前に置かれたときにこの第１の領域２０ａが波長λ_３のみを透過し、第２の領域２０ｂがセンサ１９の前に置かれたときにこの第２の領域２０ｂが波長λ_４のみを透過するようにすればよい。簡易化された実施形態では、フィルタ２０は両方の波長の範囲λ_３とλ_４とを透過する２帯域フィルタとして実現される。２帯域透過特性を有する光学的薄膜を表面１８ｃの上に設ければこの構成は更に簡単になる。
【００３０】
この波長λ_３、λ_４はレーザ、例えばレーザダイオードから、またはＬＥＤとして形成された送光器Ｓ２およびＳ３から投射されるのが目的に適っている。その際付属する送光器Ｓ３からの波長λ_４に比較的大きなビームの開きがあっても問題にならない。この部品１９，２０ｂは、反射で支持される目標物までの距離測定用だからである。この距離測定用の視野またはビームの開きは標準として０．１度であり、その際送光器と受光器は固定焦点で作動する。受光センサ１９は本発明の範疇において種々の構成が可能であるが、なだれフォトダイオードまたはＰＩＮ-ＦＥＴの使用が好ましい。
【００３１】
反射器なしの距離測定に対しては、送光器Ｓ２のビームλ_３のみを選択的に透過するフィルタ領域２０ａをセンサ１９の前に移動する。前述のように送光器Ｓ２は、回折限界の可視の波長領域を放射する。有効な視野（測定用斑点の大きさ）は、出射ビームの出口の大きさと組み合わせて物理的に最少のビームの開きにした場合に普通３０秒（角度の単位）に過ぎない。この僅かなビームの開きにより、復帰反射するまたは目標マーク付きの目標物も数キロメートル、例えば１０ｋｍまでの距離にわたっての測定が可能である。これに対して前述の送光器Ｓ３によるもう一つの測定方法は近くにある目標物の測定により適している。送光器Ｓ２と受光器１９は固定焦点で作動できる。前述より明らかなように、両方の動作方式またはセンサ２０ａ，１９および２０ｂ，１９の組合せは、同一の制御評価ユニット２４に接続することができる（その方が好ましい）。但しそれぞれ別々の評価ユニットを設けて、フィルタ２０の切換えにより一方から他方の評価ユニットに切り換えることも可能であろう。
【００３２】
センサ１９には前述の第１の（および両方の測定方式に共通の）評価ユニット２４（前述の蓋９の下に設けた距離測定用プロセッサボード）が接続してあり、これが送光器Ｓ２およびＳ３も制御して、送光器Ｓ２またはＳ３による送光パルスの放射からセンサ１９による受光までの経過時間から、狙った目標物１６までの距離を計算する。この制御評価ユニット２４は、図１に基づいて説明した中央処理装置２５にバス２６または一種のインタフェースを介して接続されており、これを介してこのユニットは、必要があれば中央処理装置２５に設けたタイミング発生器のタイミング信号を受信する。センサが同時に（並列に）作動する場合には、距離、角度の測定データと電動機の調整とを同期化する必要があるので、このタイミング信号は重要である。中央処理装置２５により、セオドライトの前述のそれ自体公知の電動機ユニット３０が制御され、その際セオドライトの角度センサ２９が位置ないしは角度情報を中央処理装置２５に送出する。
【００３３】
自動目標検出（ＡＴＲ）に対して送光器Ｓ１と位置検知表面センサ２１、好ましくは画像センサ（ＣＣＤ）とが協働する。送光器Ｓ１は赤外または可視のビームλ_２（例えば波長約８００ｎｍ）を放射するが、これはレーザダイオードまたはＬＥＤで形成するのが好ましい。その視野は通例約１．５度であり、従って視覚望遠鏡１１自体の視野と同程度の範囲にある。自動目標検出と視覚望遠鏡との視野が同じ大きさであることは好ましく、特に自動目標検出（２１、２７）に誤差が生じた場合これを容易に点検補正できる。
【００３４】
表面センサ２１にはこれに相応して位置評価装置または特別の場合には画像評価回路２７を接続する。電子制御評価ユニット２７は、例えば、画像パラメータ調節機能、例えば送光器Ｓ１の閉鎖時間制御、目標照明制御、センサ表面のセグメント化の機能、更には画像検出、目標物識別、画像処理、画像評価および／または目標物に対する角度計算のための機能も包含する。画像評価回路（それ自体公知）は、図１で記載した蓋８の下のプロセッサボードに相当する。これは好ましくはマイクロプロセッサボードまたはディジタル信号プロセッサボード（ＤＳＰ）である。
【００３５】
自動測定の過程でユニット２７と２５とは緊密に協働する。制御評価ユニット２７により先ずその都度の目標ないしは目標探査に対する位置決めのためのガイド量が形成されて、これが中央制御調整ユニット２５により受信される。これが電動式セオドライトを目標点に合せる。続いて目標の識別と分析並びに目標点の測量（水平および垂直の角度の計算）が基準軸に対して実施される。基準軸には軸Ａを有利に用いることができる。その際、送光器Ｓ１を評価ユニット２７によりまたは直接中央処理装置２５により制御することができる。また例えばこの送光器に長い時間スイッチを入れておき、同時に送光器Ｓ２とＳ３とが同時にパルスの光または変調した光を交互に放射するようにすることもできる。
【００３６】
反射器または反射を助ける付属部品によりマーキングした目標点を、上のように実現された自動目標検出および大きなビーム束を備えた距離計により測量する。大きな測定視野を有する距離計の使用は特に次の二つの理由で推奨される。第１に自動目標検出手段Ｓ１、２１，２７と、この手段により制御される、セオドライトの電動化位置決めユニットとを目標物にそれほど正確に合せる必要がなく、しかも目標点を完全に、要求される精度で測量することができる。その際目標検出手段は視準線Ａと目標点との間の残りの角を測定するので、時間が著しく節約される。第２に、動いている目標物の場合でも、関与するセンサの視野が大きいために目標物が断続的に動く場合でも視野から離れることが起こり難いので、目標物の動きの経路を、障害となる信号の中断なしに自動的に記録し測定することができる。
【００３７】
図３および図４の実施形態は特に、追加して設けた接眼レンズのビーム路により目視検査が可能な点が図２の実施形態と比べて異なっている。従ってこれらの図において、同じ機能の部分は図２と同じ参照符号で、類似の機能の部分は同じ参照符号に１００の数字を追加して示してある。
【００３８】
図３において、集束部材２２が接眼レンズ２８のビーム路にあり、この接眼レンズに中間波長λ_１のビーム、即ち明らかなように周囲から目標物に入射する光が導かれる点が異なっている。視覚望遠鏡チャネル１１，１１８，２２，２８のみならず、画像センサ２１にも鮮明な画像を形成しようとすれば、望遠鏡システム１１がそれ自体公知の方法で集束できるようにするのが望ましい。表面センサ２１（これに付属する電子回路は図示しない。これは図２のそれに相応する）に通じるビーム路はここではビーム分割プリズム１１８により光軸Ａから離れ、このプリズムの部分反射面１８ａが光をセンサ２１の方に偏向するからである。このプリズム１１８は前方に更に部分反射面１８ｂを備え、入射した光がここで小さなミラー２１８に投射され、このミラーが光を更に距離測定複合体２３に偏向する。前述のように鏡面１８ａと１８ｂには、波長λ _１ およびλ _２ と、λ _３ およびλ _４ とを効率よく分離するために特に高性能の薄膜を設ける必要がある。ミラー２１８の表面は、特に近距離領域の距離測定のためにマルチセグメント光学構造になっている。このセグメントは異なる焦点距離を有し、その際に各セグメントがそれぞれ、距離領域の部分区間をカバーしている。このようにして前述の欠 点、すなわち特に送光器ビームの開きが小さい場合に送光と受光のビーム束の重なりが僅かになる欠点が解消され、近距離においても問題のない距離の測定が可能になる。近距離における画像の重なりの不足を解消する手段は、ビーム路の別の箇所に設けることが考えられるが、コンポーネント１１および１１８の箇所ではない。それはこれらが接眼レンズ２８（これが存在する場合）のビーム路の可視画像に好ましくない影響を与えるからである。
【００３９】
図３の送光器Ｓ１〜Ｓ３の光学的配置は図２の配置に相当するが、図４ではミラー１３〜１５を省略することができる。この場合、２個の部分反射鏡面１１３と１１４とが設けられ、鏡面１１４の場合は、波長λ_２を透過し、波長λ_３をミラー１１３に向けて反射し、これに対して鏡面１１３の場合は、波長λ_４を透過し、波長λ_２ないしはλ_３を上方に光軸Ａのミラー１２に向けて反射する。これによってよりコンパクトな構造が得られる。反射の選択の可能性に関しては、ミラー１１３および／または１１４（以前の図の鏡面１３と１４も同様）はダイクロイックミラーとして構成することができる。しかしミラー１３ないしは１１３の被覆は、この場合全ての３つの波長λ_２、λ_３、λ_４を一緒に通すことになるので、特に要求が厳しいことを考慮する必要がある。また本発明の範疇において、距離測定複合体２３のように受光側に少なくとも２つの波長に対して共通の１つの送光器を設けて、１つの波長から別の波長への切換えを、例えば光学的フィルタプレートまたは電気式切換装置により、そのために設けられた切換え可能な波長のレーザにおいて行うことができ、ここでこれは、例えばＤＢＲ - レーザ（Ｂｒａｇｇ - レーザ）の有効なグリッド間隔の調整により、または周波数二倍器の開閉により実施される。
【００４０】
受光側でも同様に図３による構成と相違がある。ここで接眼レンズは、分割プリズム１１８の出口側にあり、光を部分反射面１８ａから受光する。これに対して表面センサ２１は光軸Ａの分割プリズム１１８の後ろにある。接眼レンズ２８に対して鮮明な画像を得るためには、集束レンズ２２を分割プリズムの前に置く。これにより、この集束が接眼レンズと画像センサ２１との両方に効果的であるという利点が得られる。距離測定ビーム路を距離測定複合体２３に対して反射するために別の分割プリズムを使用することを所望せず、コンパクトな構成のためにビームの減結合を選択したい場合には、たとえば図３の部分反射表面１８ｂにより達成されるように、同じ働きをする部分反射板１１８ｂを使用することができる。このことから図４の構成は、簡単な方式で集束可能の自動目標検出を可能にしているので有利であることが分かる。
【００４１】
図５は前述の実施形態、特に図３とは異なっており、ここでは波長λ_３とλ_４とに対してそれぞれ別のセンサユニット２３が設けられており、従って切換え可能のフィルタはいずれにせよ不要である。このセンサユニット２３は、それぞれの波長領域に既に合せてあるか、またはそれぞれ所望される波長に相当するフィルタがその前に設けられる。勿論、軸Ａからユニット２３に反射する表面を波長に相当して選択することも考えられよう。
【００４２】
全てのセンサが共通の視準軸を有することは、１〜３ｍｍという高い要求の測定精度に対して有利であり、この視準軸はまた、望遠鏡の全ての距離センサと角度センサに対しても、セオドライトの角度センサに対しても優れた基準軸を形成する。一つの共通な視準軸Ａにより、検定モデルと、測定が不能または困難なパラメータ、例えば視準軸Ａに対する画像目標物の傾きの影響が単純化される。例えば共通の視準軸を有する配置には視差がない、即ち角度に対する粗測定値が距離に左右されない。更に視線Ａに対する目標物の傾きの、角度と距離の測定に対する影響は僅かである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタキメータ望遠鏡の斜視図である。
【図２】図１のタキメータ望遠鏡の１実施形態の略図である。
【図３】図２の実施形態の好ましい変形の図である。
【図４】図２の実施形態の別の好ましい変形の図である。
【図５】焦点に集束可能で反射器なしに測定する距離測定ユニットを備えた別の実施形態の図である。
【符号の説明】
１ タキメータ望遠鏡
２ セオドライトケーシング
３ 望遠鏡ケーシング
４ 操作ユニット、キーボード
５ 表示画面
１１ 望遠鏡システム、望遠鏡対物レンズ
１２−１５ ミラー
１６ 目標物
１８ 分割プリズム
１９ 受光センサ
２０ フィルタ
２１ 表面センサ、画像センサ
２２ 集束ユニット
２３ 距離測定複合体
２４ 制御評価ユニット
２５ 中央処理装置
２７ 制御評価ユニット
２８ 接眼レンズ
２９ 角度センサ
３０ 電動機ユニット
Ｓ１， Ｓ２， Ｓ３ ビーム源、送光器

Claims (18)

1. 測地的、産業的および建設技術的測量にて光学的距離測定に使用するタキメータ望遠鏡であって、
   該タキメータ望遠鏡は、
   １つの光学的望遠鏡対物レンズ（１１）と、
   望遠鏡の支えとしての１つの電動式セオドライトと、
   前記セオドライトの電動式軸（Ｈ，Ｖ）を操作し制御する１つの中央処理ユニット（２５）と、
   第１波長領域λ₂を有する第１ビーム束を、測定すべき目標物（１６）に送出しかつ第１送光器（Ｓ１）および／または第２送光器（Ｓ２）および／または第３送光器（Ｓ３）を有する送光装置と、
   前記の目標物（１６）にて反射した第１ビーム束のビームを受光するための位置検知表面センサ（２１）を有する第１オプトエレクトロニクスセンサ装置と、
   当該の第１オプトエレクトロニクスセンサ装置に対応付けられて自動目標検出を行う第２制御評価ユニット（２７）とを有する形式のタキメータ望遠鏡において、
   前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、第２波長領域λ₃を有する第２ビーム束および第３波長領域λ₄を有する第３ビーム束を送出するように配置されており、
   第２波長領域λ₃を有する第２ビーム束は、回折限界のビーム束であり、
   前記のタキメータ望遠鏡には距離測定複合体（２３）が設けられており、
   該距離測定複合体（２３）は、
   ２つの動作方式（２０ａ，２０ｂ）で作動可能な第２センサ装置（１９，２０ａ，２０ｂ）を用いるか、または
   目標物（１６）にて反射した波長領域λ ₃ の第２ビーム束を受信する第２センサ装置（１９，２０ａ）と、目標物（１６）にて反射した波長領域λ ₄ の第３ビーム束を受信する第３センサ装置（１９，２０ｂ）とを用いて、一方では測定すべき目標物（１６）における少なくとも１つの反射器ないしは少なくとも１つの目標マークを介し、また他方ではこのような目標識別のない目標物（１６）の自然のままの表面を介して距離を測定し、
   前記の距離測定複合体（２３）に対応付けられている第１制御評価ユニット（２４）が設けられており、
   当該第１制御評価ユニットは、波長領域λ₃ないしはλ₄をそれぞれ有する１つずつの第２および第３ビーム束の前記の目標物（１６）で反射したビームに相応する信号を評価し、伝搬時間および／または送信した信号に対する位相から距離を求め、
   前記のセンサ装置（１９，２０ａ；１９，２０ｂ；２１）のすべての目標軸は一致して共通の軸（Ａ）を形成し、
   波長領域λ₂，λ₃，λ₄をそれぞれ有する前記の３つのビーム束と、前記の目標物（１６）で反射しかつセンサ装置（１９，２０ａ；１９，２０ｂ；２１）で受光されるビームとが同軸作用を有することを特徴とする
   タキメータ望遠鏡。
2. 光学出射および入射チャネルの他に一つの可視チャネルを付加的に有することを特徴とする、
   請求項１記載のタキメータ望遠鏡。
3. １つのダイクロイック分割器（１３−１５，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，２１８）からの少なくとも一つのビーム路が偏向されていることを特徴とする、
   請求項１または２記載のタキメータ望遠鏡。
4. 前記のすべてのセンサ装置（１９，２０ａ；１９，２０ｂ；２１）および／または前記送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の少なくとも一つがそれぞれ前記の制御評価ユニット（２４，２７）および中央処理ユニット（２５）を介して、または前記の送光器（Ｓ１）が中央処理ユニット（２５）によって直接に逐次作動され得ることを特徴とする、
   請求項１から３までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
5. 前記センサ装置（１９，２０ａ；１９，２０ｂ；２１）および／または前記送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の少なくとも一つがそれぞれ前記の制御評価ユニット（２４，２７）および中央処理ユニット（２５）を介して、または前記の送光器（Ｓ１）が中央処理ユニット（２５）によって直接に並列または同時に作動され得ることを特徴とする、
   請求項１から３までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
6. 前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の第１送光器（Ｓ１）ないしは第１オプトエレクトロニクスセンサ装置（２１）は、画像または位置評価のために、前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の第２送光器（Ｓ２）ないしは第２動作方式（２０ｂ）で作動される第２センサ装置（１９，２０ａ，２０ｂ）かまたは第３センサ装置（１９，２０ｂ）と同時に作動され、
   前記の第２動作方式（２０ｂ）で作動される第２センサ装置（１９，２０ａ，２０ｂ）ないしは第３センサ装置（１９，２０ｂ）は、少なくとも１つの反射器を介する距離測定ないしは測定しようとする目標物（１６）に対する少なくとも１つの目標マークを介する距離測定に対して作動可能であることを特徴とする、
   請求項５記載のタキメータ望遠鏡。
7. 前記タキメータ望遠鏡は、１つのセオドライトケーシング（２）に配置された１つの望遠鏡ケーシング（３）を有し、
   前記の制御評価ユニット（２４，２７）および／または中央処理ユニット（２５）のうちの少なくとも一つが前記望遠鏡ケーシング（３）に収容されていることを特徴とする、
   請求項１から６までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
8. 前記タキメータ望遠鏡は、１つのセオドライトケーシング（２）に配置された１つの望遠鏡ケーシング（３）を有し、
   前記の制御評価ユニット（２４，２７）および／または中央処理ユニット（２５）のうちのの少なくとも一つが前記セオドライトケーシング（２）に収容されていることを特徴とする、
   請求項１から６までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
9. 前記の距離測定複合体（２３）および／または送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、前記の目標物（１６）の少なくとも１個の反射器を介して距離測定を行う一つの動作方式から、目標物（１６）の自然の表面を介して距離測定を行うもう一つの動作方式への１つの切換え装置を備えていることを特徴とする、
   請求項１から８までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
10. 前記距離測定複合体（２３）に、焦点距離の異なる複数のゾーンを備えた１つのマルチセグメント光学装置（１８ｂ，１８ｃ，２１８，１１８ｂ）が組み込まれていることを特徴とする、
    請求項１から９までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
11. 前記距離測定複合体（２３）に接続された少なくとも一つの前記制御評価ユニット（２４）が１つの別個の評価プロセッサを有することを特徴とする、
    請求項１から１０までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
12. 前記第１オプトエレクトロニクスセンサ装置（２１）および２つの動作方式（２０ａ，２０ｂ）で作動可能なセンサ装置（１９，２０ａ，２０ｂ）ないしは第２および第３センサ装置（１９，２０ａ；１９，２０ｂ）には、送光器側にて前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）から送光される波長範囲λ ₂ ，λ ₃ ，λ ₄ の１つずつの送光ビームが対応付けられていることを特徴とする、
    請求項１から１１までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
13. １つの目標点マークを形成するために、前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）から送出されかつ波長範囲λ ₃ を有する可視のビーム束が設けられていることを特徴とする、
    請求項１から１２までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
14. 前記センサ装置の内の少なくとも２つが送光器側で１つのビーム源を共有していることを特徴とする、
    請求項１から１３までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
15. 前記の目標物（１６）の自然な表面を介する距離測定のために距離測定複合体（２３）には、可視光領域の波長範囲λ₃を有しかつ薄いビーム束を形成する回折限界の第２送光器（Ｓ２）が対応付けられていることを特徴する、
    請求項１から１４までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
16. 前記の目標点マークを形成するための前記ビーム束は、波長範囲λ₃を有しかつ薄いビーム束を形成する前記の回折限界の第２送光器（Ｓ２）により送出されることを特徴とする、
    請求項１３，１４および１５の何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
17. 少なくとも２つかつ最大で３つのビーム束を放射する送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が配置されており、
    各ビーム束は、異なるスペクトル領域ないしは異なる波長領域λ ₂ ，λ ₃ ，λ ₄ にあることを特徴とする、
    請求項１から１６までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。
18. 前記の送光装置（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、周囲のビーム（λ_１）ないしは自然の、眼に可視の昼間光とは異なるスペクトルないしは異なる波長領域λ ₂ ，λ ₃ ，λ ₄ の光を放射することを特徴とする、
    請求項１から１７までの何れか１項記載のタキメータ望遠鏡。

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