JP4629823B2 - 光波測距儀 - Google Patents
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Description
【発明の技術分野】
本発明は、光波測距儀または光波測距儀を備えたトータルステーションに係り、より詳細には、受光素子として備えたアバランシェフォトダイオードのバイアス回路の構成に関する。
【0002】
【従来技術およびその問題点】
従来の光波測距儀では、受光素子としてアバランシェ・フォトダイオード(以下「APD」という。)を利用したものが知られている。APDは、光電変換した光電流を印加されているバイアス電圧により増幅する作用を有するが、SN比の良い電流増幅率を安定して得るためには、バイアス電圧とAPDのブレークダウン電圧の密接な関係を考慮し、温度変化に応じて適切なバイアス電圧を制御する必要がある。そのため、従来は、特公昭61#57746号公報に記載されているように、サンプルホールド回路(以下「S/H回路」という。)を用いてAPDのブレークダウン電圧を検出して記憶させ、検出したブレークダウン電圧に基づいて設定したバイアス電圧をAPDに印加するAPDバイアス回路により、温度変化によるブレークダウン電圧の変化にかかわらず一定の増幅率が得られる適切なバイアス電圧の印加を可能としていた。
【0003】
しかし、上述のAPDバイアス回路では、コンデンサを記憶部材として使用するため、S/H回路等の回路構成が必要となり回路規模が大きくなってしまう。また、コンデンサは、漏れ電流が生じるために記憶精度の点で問題があり、長時間の記憶は困難である。そのため、ブレークダウン電圧を検出して記憶する動作を定期的に実行しなければならず、その度に測距動作が中断されていた。
【0004】
【発明の目的】
本発明は、広範囲の温度環境下でAPDのバイアス電圧を長時間安定に供給することができる光波測距儀を提供することを目的とする。
【0005】
【発明の概要】
本発明は、目標物に向かって強度変調した測距光を射出する発光手段と、該発光手段から射出され、目標物で反射した測距光を受光する受光手段と、前記発光手段が射出した測距光と前記受光手段が受光した測距光の強度変調位相差を計測する位相差計測手段とを備え、前記受光手段としてAPDを用いた光波測距儀であって、前記APDが基準光量を受光したときに出力する出力電圧が予め設定してある目標電圧と等しくなるように前記APDのバイアス電圧を決定する制御信号を設定するとともに、メモリ手段にメモリする制御手段と、前記メモリ手段が出力する制御信号に基づいて前記APDにバイアス電圧を供給するAPDバイアス回路と、前記発光手段から前記APDまでの光路を開放する測距位置と、この光路を遮断して発光手段から発せられた測距光を反射し、減光器を通して前記APDに入射させるバイアス設定位置とに移動するシャッタとを備え、前記制御手段は、測距するときは、測距開始前に、前記シャッタを前記バイアス設定位置に移動させて前記発光手段を発光させ、前記APDの出力電圧が前記目標電圧と等しくなるように制御信号を調整して調整した制御信号を前記メモリ手段にメモリし、その後前記シャッタを測距位置に移動させて、前記メモリした制御信号により前記APDのバイアス電圧を設定して測距すること、に特徴を有する。
この構成によれば、APDのブレークダウン電圧を検出する必要がなくなり、広範囲の温度環境下でAPDにバイアス電圧を長時間供給することができる。
【0006】
前記メモリ手段は、前記設定した制御信号を電圧としてラッチしてラッチした制御信号を常時出力するラッチ回路を適用することが望ましい。
本発明の光波測距儀は、単体の光波測距儀に適用することも、トータルステーションの光波測距儀に適用することもできる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。図1は、本発明を適用したAPDバイアス回路を搭載した光波測距儀の主要構成をブロックで示す図である。本測距儀は、強度変調した射出光と入射光の強度変調位相差からターゲットTまでの距離を測定する、いわゆる位相差測定方式の測距儀であり、発振回路2で発生された変調周波数f0の変調信号S0を入力とする変調回路3でIRED(赤外発光ダイオード)21が駆動される。このIRED21からは、変調周波数f0で強度変調(振幅変調)された測距光が放出される。
【0008】
先ず、本装置の測距動作について説明する。IRED21と走光レンズL1との間には、IRED21と走光レンズL1との間の光路O外に位置する回転駆動装置9aに一端部が枢支されて、光路O外に位置する測距位置(退避位置)、および光路Oを遮断するバイアス調整位置(遮断位置)に回動移動するシャッタ9が配置されている。マイコン1は、測距動作時には、回転駆動装置9aを介してシャッタ9を光路Oから退避させた測距位置(二点鎖線位置)に保持しているため、IRED21から強度変調されて放出された測距光が送光レンズL1を介してターゲット(目標物)Tに向かって導出される。
そして、ターゲットTで反射され、受光レンズL2から入射した測距光はAPD(アバランシェ・フォトダイオード)22で受光される。APD22は、受光した光信号を光電流Ipに光電変換する機能を有する受光素子であり、バイアス回路8によって逆電圧となるバイアス電圧VBIASが印加されている。APD22から出力された光電流Ipは、受信回路4でヘテロダイン検波されるとともに増幅されて受信信号S2となり、その一部が位相差計測回路5に供給される。位相差計測回路5では、受信回路4でヘテロダイン検波された受信信号S2と、発振回路2から出力された基準信号S1の位相差が計測され、計測位相差信号がマイコン1に出力される。マイコン1は、この計測位相差信号に基づいてターゲットTまでの距離を演算して測距動作を終了する。ここで、基準信号S1と受信信号S2の周波数は等しい。なお、ターゲットTとしては、例えばコーナーキューブが使用される。
【0009】
次にバイアス設定動作について、さらに図2を参照して説明する。図2には、バイアス電圧VBIASの設定に関与する設定回路の概要を示してある。このバイアス電圧VBIASの設定回路は、測距動作時における受信回路4の受信信号S2の電圧(以下「出力電圧V0」という。)を一定とするため、基準光量の光波をAPD22が受光したときの受信回路4の出力電圧V0が目標値(電圧)DAで一定となるように適切なバイアス電圧VBIASを設定する回路であり、マイコン1により制御される。なお、基準光量は、IRED21から射出され減光器10を透過してAPD22に入射する基準光Prefが基準光量となるように、予め組立調整工程において減光器10の調整によって設定されている。
【0010】
バイアス電圧設定動作時には、マイコン1によりシャッタ9が光路Oを遮断するバイアス設定位置(図1の実線位置)に保持されているため、IRED21から放出された測距光は、シャッタ9で反射して減光器10を透過し、減光器10で予め設定されている基準光量まで減衰されて基準光Prefとなり、基準光PrefとしてAPD22に入射する。基準光Prefは、APD22で光電変換され、受信回路4でヘテロダイン検波および増幅されて、その一部がアナログデジタルコンバータ(以下「ADC」という。)6に出力される。ADC6は、受信回路4の出力電圧V0をA/D変換し、計測値(計測電圧データ)DBとしてマイコン1に出力する機能を有する。
【0011】
マイコン1は、計測値DBを入力すると、その内部のMPU11で計測値DBと予め設定してある目標値(目標電圧データ)DAとを比較演算してその差に応じた制御電圧データDCを求め、この制御電圧データDCをラッチ信号とともにラッチ回路12に出力する。ラッチ回路12は、ラッチ信号を入力すると、入力した制御電圧データDCをラッチ、つまりバイアス電圧としてメモリし、メモリした制御電圧データDCを出力する。
【0012】
以上の処理を、計測値DBが目標値DAと等しくなるまで繰り返し、等しくなったら停止し、バイアス電圧設定動作を終了する。以後、測距動作時には、ラッチ回路12にラッチされた制御電圧データDCが、マイコン1からDAC7に出力される。従って、ラッチ回路12がラッチ信号を入力していない場合は、MPU11から出力された制御信号DCが変化しても、ラッチ回路12の出力電圧データが変化することはない。
【0013】
次にバイアス回路8の動作について、さらに図3を参照して説明する。図3には、バイアス回路8の回路構成を示してある。バイアス電圧設定時には、ラッチ回路12にメモリされた制御電圧データDCが、デジタルアナログコンバータ(以下、「DAC」という。)7で入力電圧VrにD/A変換されてバイアス回路8に供給される。バイアス回路8には高電圧HVが供給され、電圧制御トランジスタTr1はバイアス抵抗R1を介して導通状態となっている。電圧制御トランジスタTr1のエミッタは、分圧回路KとAPD22に接続されている。分圧回路Kは、分割抵抗R3、R4からなり、分圧回路Kにバイアス電圧VBIASが印加されると、分割抵抗R3、R4によって分割されたバイアス電圧VBIASの分圧電圧Vkが比較増幅器13の非反転入力(+側)に供給される。
【0014】
この状態で、比較増幅器13の反転入力(−側)にDAC7からの入力電圧Vrが供給されると、比較増幅器13は、分圧電圧Vkと入力電圧Vrを比較してその差電圧を増幅して出力し、その出力によってベース抵抗R2を介してトランジスタTr2のベース電圧を制御する。したがって、トランジスタTr2のコレクタ電流が制御され、その結果電圧制御トランジスタTr1のベース電圧が制御されるので、入力電圧Vrに応じたバイアス電圧VBIASがAPD22に印加される。
【0015】
次に、本実施の形態におけるバイアス電圧設定動作の一実施例について、図4に示した動作フローチャートを参照して詳細に説明する。この実施例では、光波測距儀に備えられた測距スイッチ(図示せず)がオンされたときにこの測距開始処理(フローチャート)に入る。
測距開始処理に入ると、まずシャッタ9をバイアス設定位置まで移動させるとともに(S101)、発振回路2および強度変調回路3を作動させる(S103)。これらの処理により、IRED21から強度変調されて放出された測距光が、シャッタ9で反射し、光減衰器10を透過して基準光PrefとしてAPD22に入射する。
【0016】
次に、スタート制御電圧DCをラッチ回路12を介してDAC7に出力する(S107)。スタート制御電圧DCは、APD22に印加されるバイアス電圧VBIASが、いかなる場合もAPD22のブレークダウン電圧を超えることがない低レベルの電圧である。DAC7は、スタート制御電圧DCをD/A変換して入力電圧Vrをバイアス回路8に出力する。バイアス回路8は、入力電圧Vrに応じてバイアス電圧VBIASを設定するので、APD22は、受光した基準光Prefの強度を設定されたバイアス電圧VBIASに基づいた光電流Ipに変換する。この光電流Ipは、受信回路4でヘテロダイン検波・増幅されて受信信号S2となり、ADC6でデジタル計測値DBに変換される。
【0017】
MPU11は、ADC6から計測値DBを入力し(S107)、予め設定され、例えばEEPROMなどの不揮発性メモリに書き込まれている目標値DAと計測値DBを比較演算する(S109)。そして、計測値DBが目標値DAと等しいかどうかをチェックし(S111)、等しくなければ目標値DAと計測値DBとの差に応じた制御電圧Dcをラッチ回路12にラッチさせるとともにラッチ回路12からDAC回路7に出力し(S111;N、S113)、S107に戻る。ここで、バイアス回路8からは、ラッチ回路12から出力された制御電圧Dcに応じたバイアス電圧VBIASが出力されるので、S107においてADC6から入力する計測値DBは、バイアス電圧VBIASに応じて変わる。
【0018】
以上のS107〜S113の処理を、計測値DBが目標値DAと等しくなるまで繰り返し、計測値DBが目標値DAと等しくなったら(S111;Y)、ラッチ回路12のラッチ状態を保持し(S115)、シャッタ9を測距側に移動させてから(S117)、測距演算処理に入る(S119)。この測距演算処理の間ラッチ回路12からは、S107〜S113の処理で設定し、メモリした制御電圧Dcが継続して出力されるので、適切なバイアス電圧VBIASが印加されたAPD22によって計測される受信信号S2と基準信号S1との位相差を検出することができる。なお、測距演算処理では、IRED21から射出され、ターゲットTで反射して戻ってきた測距光を、適切なバイアス電圧VBIASが印加されたAPD22で受光して位相差を検知する処理を数千回乃至数万回繰り返し、誤差補正処理を実行した位相差から距離を演算して測距距離を求め、求めた距離を不図示のディスプレイに表示し、あるいは外部機器に所定のデジタルデータとして出力して、測距処理を終了する。
【0019】
この実施例によれば、測距開始直前に適切なバイアス電圧VBIASが設定されるので、所定精度以上の安定した高精度の高い測距値を得ることができる。しかも、バイアス電圧VBIASを設定する制御電圧Dcをラッチ回路12で保持し、ラッチ回路12から出力するので、測距演算処理を繰り返す間、安定したバイアス電圧VBIASが供給されるので測距値の偏差等が小さく、精度の高い測距値を短時間で得ることができる。
【0020】
以上の通り本実施形態では、基準光量をAPD22が受光したときの受信回路4の出力電圧V0が予め定めた目標値(電圧)DAとなるようにバイアス電圧VBIASを設定するので、APD22のブレークダウン電圧を検出する必要がなくなり、広範囲の温度環境下でAPD22にバイアス電圧VBIASを安定して供給することができる。また、バイアス電圧VBIASを設定するための入力電圧Vrをマイコン1内のラッチ回路12にメモリするので、長時間のメモリが可能となり、バイアス電圧VBIASをAPD22に長時間安定して供給することができる。そのため、S/H回路等の回路構成を必要としないので回路規模を拡大しなくて済み、さらに測距動作を実行する前に1回だけ設定動作をすれば、定期的にバイアス電圧VBIASを設定し直す必要もないので測距時間を短縮することができる。
【0021】
また、バイアス電圧を設定するタイミングとしては、光波測距装置の主電源がオンしたときに実行する構成、バイアス設定用の操作部材を設けて該バイアス設定用の操作部材が操作されたときに実行する構成等、種々の変形が可能である。
なお、本実施の形態では、光源としてIRED(赤外発光ダイオード)を使用しているが、本発明はLD(レーザダイオード)を使用した光波測距儀にも適用できる。また、本実施の形態ではADC6及びDAC7はマイコン1と別個に設けられているが、本発明はこれらをマイコンに内蔵する構成にもできるので、内蔵させればさらに回路規模を縮小することが可能となる。また、本発明の実施例では、光波測距儀として説明したが、本発明は、光波測距儀単体にも、光波測距儀を備えたトータルステーションなど、光波測距装置一般に適用できる。
【0022】
【発明の効果】
本発明は、基準光量を受光したときの前記受光手段の出力電圧が予め設定してある目標電圧となるようにアバランシェ・フォトダイオードのバイアス電圧を決定する制御信号を設定し、設定した制御信号をラッチ回路でラッチすることによりメモリするので、広範囲の温度環境下においてアバランシェ・フォトダイオードに適切なバイアス電圧を長時間安定供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を適用したAPDバイアス回路を搭載した光波測距儀の実施の形態の主要構成をブロックで示す図である。
【図2】 同測距儀においてバイアス電圧の動作に関与する回路の概要を示す図である。
【図3】 同測距儀のバイアス回路の回路構成を示す図である。
【図4】 本発明を適用した光波測距儀のバイアス設定動作の一実施例にかかる処理をフローチャートで示す図である。
【符号の説明】
1 マイコン
2 発振回路
3 変調回路
4 受信回路
5 位相差計測回路
6 ADC(アナログデジタルコンバータ)
7 DAC(デジタルアナログコンバータ)
8 バイアス回路
9 シャッタ
10 減光器
11 MPU(制御手段)
12 ラッチ回路(メモリ手段)
13 比較増幅器
21 IRED(赤外発光ダイオード)(発光素子)
22 APD(アバランシェ・フォトダイオード)(受光素子)
Tr1 電圧制御トランジスタ
Tr2 トランジスタ
K 分圧回路
R1 バイアス抵抗
R2 ベース抵抗
R3 R4 分割抵抗
Claims (2)
- 目標物に向かって強度変調した測距光を射出する発光手段と、該発光手段から射出され、目標物で反射した測距光を受光する受光手段と、前記発光手段が射出した測距光と前記受光手段が受光した測距光の強度変調位相差を計測する位相差計測手段とを備え、前記受光手段としてアバランシェ・フォトダイオード(以下、「APD」という)を用いた光波測距儀であって、
前記APDが基準光量を受光したときに出力する出力電圧が予め設定してある目標電圧と等しくなるように前記APDのバイアス電圧を決定する制御信号を設定するとともにメモリ手段にメモリする制御手段と、
前記メモリ手段が出力する制御信号に基づいて前記APDにバイアス電圧を供給するAPDバイアス回路と、
前記発光手段から前記APDまでの光路を開放する測距位置と、この光路を遮断して発光手段から発せられた測距光を反射し、減光器を通して前記APDに入射させるバイアス設定位置とに移動するシャッタとを備え、
前記制御手段は、測距するときは、測距開始前に、前記シャッタを前記バイアス設定位置に移動させて前記発光手段を発光させ、前記APDの出力電圧が前記目標電圧と等しくなるように制御信号を調整して調整した制御信号を前記メモリ手段にメモリし、その後前記シャッタを測距位置に移動させて、前記メモリした制御信号により前記APDのバイアス電圧を設定して測距すること、を特徴とする光波測距儀。 - 前記メモリ手段は、前記設定した制御信号を電圧としてラッチしてラッチした制御信号を常時出力するラッチ回路であることを特徴とする請求項1記載の光波測距儀。
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