JP4851754B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して距離測定を行う距離測定装置に関するものである。

距離測定装置として、レーザ光線を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を用いて測定対象物迄の距離を測定する光波距離測定装置がある。

従来、光波距離測定装置では、レーザ光線を一定周波数で強度変調し、測距光として射出し、測定対象物で反射された反射測距光を受光し、受光された反射測距光の強度変調の位相と距離測定装置内部に形成した参照用光路で得られた内部参照光の強度変調の位相とを比較し、位相差から測定対象物迄の距離を測定している。

上記距離測定装置に於ける距離測定では、測距距離に応じて前記位相差が変化することを利用したものであり、内部参照光と反射測距光間の位相差をΔφ、測距距離をＤ、変調周波数をｆ、光速をＣとすれば、位相差ΔφはΔφ＝４πｆＤ／Ｃ（式１）と表され、測距距離Ｄは位相差Δφを測定することで求めることができ、更に参照用光路長は既知であるので、求められた測定距離を内部参照光路で補正することで正確な測定距離が得られる。

又、距離測定に於いて、距離測定装置内部の検出回路等のドリフトが測定誤差として影響するが、内部参照光と反射測距光との位相を比較することで、検出回路等のドリフトの影響が相殺され、正確な距離の演算が可能となる。

図１０に於いて、従来の距離測定装置の概略を説明する。

レーザダイオード等の発光素子１は発光駆動回路１２によって所定周波数に強度変調されたレーザ光線を射出する。該レーザ光線はハーフミラー２によって測距光３と内部参照光４とに分割され、前記ハーフミラー２を透過した前記測距光３は対物レンズ５を通して測定対象物６、例えばコーナキューブ等の反射鏡に照射され、該測定対象物６で反射された反射測距光３′は前記対物レンズ５、ハーフミラー８を通してアバランシェフォトダイオード等の受光素子７により受光される。

前記ハーフミラー２で反射された前記内部参照光４は、前記反射測距光３′の光路上の前記ハーフミラー８で反射され、前記受光素子７に受光される。該受光素子７の受光信号は、受光回路１３に入力され、該受光回路１３は測距演算の為に前記受光素子７から入力される信号を処理する。

前記測距光３の光路と前記内部参照光４の光路に掛渡り光路切換え器９が設けられ、又前記反射測距光３′の光路には光量調整器１１が設けられている。前記光路切換え器９は前記測距光３の光路と前記内部参照光４の光路とを択一的に遮断し、他方を透過するものであり、前記受光素子７には前記反射測距光３′と前記内部参照光４とが交互に受光される。

上記した様に、光強度変調された前記測距光３が使用され、該測距光３から得られる前記内部参照光４と前記反射測距光３′との位相差を求めて距離を演算している。該反射測距光３′と前記内部参照光４との受光光量の相違は、前記受光素子７や回路等の振幅による位相誤差を生じ、距離測定の精度に影響する。従って、前記光量調整器１１が設けられている。該光量調整器１１は、連続的に濃度が変化する濃度フィルタを有し、該濃度フィルタを回転させることで前記反射測距光３′の受光光量を一定に調整するものである。前記光量調整器１１により、前記測定対象物６の距離によって反射光量が変化しても前記受光素子７が受光する前記内部参照光４の受光光量と前記反射測距光３′の受光光量が等しくなる様にしている。

前記光路切換え器９による光路切換え、及び前記光量調整器１１による光量調整は駆動回路１４によって制御される。

制御演算部１５は前記発光駆動回路１２を、前記発光素子１から射出されるレーザ光線が所定周波数の光強度変調となる様に制御し、又前記駆動回路１４による前記光路切換え器９の光路切換えのタイミングを制御している。更に、前記制御演算部１５は前記受光素子７の受光信号から、前記反射測距光３′の光量を前記内部参照光４の光量と等しくする制御信号を前記駆動回路１４に送出する。

前記受光回路１３は、前記受光素子７からの信号を増幅、Ａ／Ｄ変換する等の信号処理を行うと共に前記内部参照光４の変調周波数と、前記反射測距光３′の変調周波数の位相差を求める等の処理を行い、前記制御演算部１５に送出する。該制御演算部１５は前記受光回路１３から送出された位相差を基に上記（式１）により前記測定対象物６迄の距離を演算する。

上記した従来の距離測定装置では、前記内部参照光４と前記反射測距光３′との切換えを前記光路切換え器９によって機械的に切換えている。

光路の切換え、光量調整のいずれも機械的に行っているので、高速な光路切換え、高速な光量調整が難しく、高速の距離測定が難しい。この為、測定対象物が建築物等について距離測定を行う場合は問題がないが、１つの測定装置により複数の移動体、例えばブルドーザ等の建設機械について連続的に距離測定を行う場合等、高速の距離測定が要求される場合は測定が困難となる場合がある。又、トータルステーション等により建築物等について３次元測定する場合は、自動測量により多数点について測量する必要があり、測定速度の高速化が要求される。又、移動体等についての測量を行う場合は、光路切換え速度、光量調整速度が、移動体の移動速度に追従できず、距離測定を行えない場合が生ずる等の問題があった。

尚、測距光を回転させ、多方向、多数点の距離測定を行う距離測定装置としては、特許文献１、特許文献２に示されるものがある。

特許公報第２６９４６４７号公報

特開平４−３１３０１３号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、距離測定装置に於ける光路切換えを省き、光量調整の高速化を図り、距離測定の高速化を実現するものである。

本発明は、測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第１発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第２発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第１受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線を分割し内部参照光として第２受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第１受光部と前記第２受光部とに導く補正光路と、補正パルスレーザ光線の光強度を調整する光量調整手段と、前記第１受光部と前記第２受光部から得られるパルス光の受光時間差を基に距離を演算する制御演算部とを具備した距離測定装置に係るものであり、又前記光量調整手段は、前記補正光路に移動方向に濃度変化する濃度可変フィルタを有し、該濃度可変フィルタを移動させて前記補正パルスレーザ光線の光強度が調整される様構成された距離測定装置に係るものであり、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材とを具備し、前記複数の光源を択一的に点灯することで前記補正パルスレーザ光線の光強度を調整する様構成した距離測定装置に係るものであり、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する光源と、該光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した距離測定装置に係るものであり、又前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材と、前記複数の光源を択一的に点灯し、光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した距離測定装置に係り、又前記補正パルスレーザ光線は、測距パルスレーザ光線と交互に発せられ、前記補正パルスレーザ光線の光強度調整は発光毎に行われる距離測定装置に係り、又前記補正パルスレーザ光線は、測距パルスレーザ光線の発光周期内に所要数光量調整されて発光される距離測定装置に係り、更に又前記制御演算部は、記憶部を具備し、該記憶部は光強度が調整された各補正パルスレーザ光線に対応する前記第１受光部、前記第２受光部の受光信号と、その受光信号に基づく前記受光部の受光差を記憶し、前記制御演算部は前記反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、内部参照光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい受光信号を前記記憶された受光信号から選択し、選択した反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号との関係に基づき、前記反射測距光と前記内部参照光により測距の演算を行う様構成した距離測定装置に係るものである。

本発明によれば、測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第１発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第２発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第１受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線を分割し内部参照光として第２受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第１受光部と前記第２受光部とに導く補正光路と、補正パルスレーザ光線の光強度を調整する光量調整手段と、前記第１受光部と前記第２受光部から得られるパルス光の受光時間差を基に距離を演算する制御演算部とを具備したので、距離測定に於いて前記内部参照光路と前記測距光路との機械的切換え作動が無く、高速での距離測定が可能となる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１は第１の実施の形態に於ける測距部を示している。

第１光源２１は測距光としてのパルスレーザ光線（測距パルス光）を任意のタイミングで射出するレーザダイオード、パルスレーザダイオード等の発光素子であり、前記第１光源２１の第１光路２２上に第１ハーフミラー２３、対物レンズ２４が配設され、前記第１光源２１から発せられたパルスレーザ光線は、測定光として前記第１ハーフミラー２３、前記対物レンズ２４を透して測定対象物２５に照射される様になっている。

該測定対象物２５は照射された測定光を測定に必要な光量で反射するものであればよく、反射プリズム、再帰反射プレート、或は自然物の面等である。前記測定対象物２５で反射された反射測定光は第２光路２６を経て前記対物レンズ２４に入射し、更に第２ハーフミラー２７を経てフォトダイオード等の第１受光素子２８に受光される様になっている。前記第１光路２２及び前記第２光路２６により測距光路２９が形成される。

前記第１ハーフミラー２３により分割された測定光の一部は、第１ミラー３１、第３ハーフミラー３２を介してフォトダイオード等の第２受光素子３３に受光される様になっている。前記第１ハーフミラー２３を経て前記第１ミラー３１で前記第２受光素子３３に向う光路は、内部参照光路３４を形成する。

第２光源３５は補正光としてのパルスレーザ光線（補正パルス光）を任意のタイミングで射出するレーザダイオード、パルスレーザダイオード等の発光素子であり、前記第２光源３５から発せられた補正光は補正光路３７を経て、第２ミラー３６により前記第２ハーフミラー２７、前記第３ハーフミラー３２に向う様に反射され、前記第２ハーフミラー２７は前記補正光路３７を第１補正光路３７ａと第２補正光路３７ｂに分割し、補正光の一部を前記第１受光素子２８に向け反射し、前記第３ハーフミラー３２は前記第２ハーフミラー２７を透過した残りの補正光を前記第２受光素子３３に向けて反射する。前記第２ミラー３６、前記第２ハーフミラー２７、前記第３ハーフミラー３２等は前記補正光路３７を形成する。前記第２光源３５、前記補正光路３７等は補正光学系４１を構成する。

ここで、前記第１ハーフミラー２３、前記第２ハーフミラー２７、前記第３ハーフミラー３２は光量分割手段であり、光量分割手段としてはその他ビームスプリッタ等所要の光学部材が使用可能である。

前記補正光路３７の所要位置、図１では前記第２ミラー３６と前記第２ハーフミラー２７との間の光路上に、光量調整手段３８が設けられる。該光量調整手段３８は濃度可変フィルタ３９と該濃度可変フィルタ３９を回転するモータ等のアクチュエータ４０を具備している。前記濃度可変フィルタ３９は、円周方向に連続的な濃度勾配を有し、前記アクチュエータ４０により回転されることで、前記補正光路３７を遮る位置での濃度が図３に示される様に変化するものである（後述）。例えば、濃度０の範囲が所要角度存在し、その後角度の変化と共に濃度が増大する様になっている。尚、濃度変化は直線的に変化しても、又２次曲線的等に変化しても、或は指数的に変化しても角度変化と濃度変化との対応関係があればよい。

制御演算部４２は第１発光素子駆動回路４３を介して前記第１光源２１の発光状態を制御し、又第２発光素子駆動回路４４を介して前記第２光源３５の発光状態を制御する。又前記制御演算部４２は、アクチュエータ駆動回路４７に制御信号を発し、該アクチュエータ駆動回路４７を介して前記アクチュエータ４０を駆動し、前記濃度可変フィルタ３９を回転する。

尚、濃度可変フィルタ３９は短冊状板で、直線的に濃度が増大し、リニアモータ等により往復駆動する様にしてもよい。

前記第１受光素子２８から発せられた受光信号は、第１受光回路４５で増幅、比較器による受光検出、Ａ／Ｄ変換等、所要の信号処理されて前記制御演算部４２に入力され、前記第２受光素子３３から発せられた受光信号は、第２受光回路４６で増幅、比較器による受光検出、Ａ／Ｄ変換等、所要の信号処理されて前記制御演算部４２に入力される。又、該制御演算部４２は前記第１受光回路４５、前記第２受光回路４６からの受光信号量及び遅延時間を記憶部４８に記憶させる。

該記憶部４８は、前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３の受光信号量及び遅延時間を記憶するデータ格納部を有すると共にプログラム格納部を有し、該プログラム格納部には測定を実行する為のシーケンスプログラム、或は前記前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３の受光信号を基に距離を演算する為の演算プログラム等、測定に必要なプログラムが格納されている。

以下、作用について説明する。

先ず、概略を説明すると、前記第１光源２１から発せられたパルスレーザ光線である測定光は前記第１光路２２を経て前記測定対象物２５に照射され、該測定対象物２５で反射された反射測定光は前記第２光路２６を経て前記第１受光素子２８に受光される。又、前記第１光源２１から発せられた測定光の一部は前記第１ハーフミラー２３により分割され、前記内部参照光路３４を経て前記第２受光素子３３に内部参照光として受光され、受光時間差等により前記測定対象物２５迄の距離が測定される。前記測距光と前記内部参照光との比較により、受光回路等の回路に含まれる誤差が除去される。

又、前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３とは個体差が有り、両受光素子間に生じる個体差等に基づく誤差は、前記補正光路３７を利用して求めた測定差により補正される。

前記第２光源３５から発せられたパルスレーザ光線である補正光は、前記第２ミラー３６によって偏向された後、前記第２ハーフミラー２７によって前記第１補正光路３７ａと前記第２補正光路３７ｂに分割され、前記第１補正光路３７ａの前記第１受光素子２８、前記第２補正光路３７ｂの前記第２受光素子３３でそれぞれ受光される。前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３からの両受光信号が比較され、時間的な偏差が求められることで、前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３間に生じる誤差が測定される。

尚、前記内部参照光路３４の光路長と前記補正光路３７の光路長とは異なるが、それぞれの光路長は距離測定装置の機械的な構成から既知であり、光路長の差異として補正することができる。

尚、前記第１光源２１のパルスレーザ光線と前記第２光源３５のパルスレーザ光線とは交互に発光され、前記第１光源２１と前記第２光源３５の発光タイミングは、前記第１光源２１から発せられた測距光を前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３が受光後、次に前記第１光源２１が発光する迄の間に、前記第２光源３５が発光され、更に前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３が補正光を受光できる様になっている。

而して、反射測定光は前記第１受光素子２８で受光され、内部参照光は前記第２受光素子３３で分離して受光される為、前記測距光路２９と前記内部参照光路３４の光路切換え手段は必要ない。

又、反射測距光は、前記測定対象物２５迄の測距距離、或は該測定対象物２５の反射状態で光強度が変化する。前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３は個体差があると共に光強度に対しても応答性が変化するので、前記補正光の強度も前記測距光の光強度と同一か同等である必要がある。従って、本発明では前記補正光学系４１に前記光量調整手段３８が設けられている。該光量調整手段３８による補正光の光量調整は、前記第１光源２１の発光していない間に行えばよいので、測距光による測距とは独立して行える。

以下、図２、図３を参照して具体的に説明する。

前記第１光源２１と前記第２光源３５とは同一発光周期Ｓでパルスレーザ光線を発し、又前記第１光源２１の発光タイミングと前記第２光源３５の発光タイミングとはｔ1 ずれている。又、測定中前記アクチュエータ４０が駆動され、前記濃度可変フィルタ３９は連続的に回転されている。

図３は、前記光量調整手段３８による光量調整による光量変化を示すものであり、図中５１は前記第２光源３５の発光光量、５２は前記濃度可変フィルタ３９を透過した透過光量である。尚、前記発光光量５１は連続光として示しているが、前記第２光源３５からはパルスレーザ光線が発せられるので、前記第２光源３５の発光毎に前記濃度可変フィルタ３９は発光周期Ｓ分だけ回転し、前記透過光量５２は最大透過光量から段階的に減少し、１回転で最大透過光量に復帰する。ここで最大透過光量は、前記反射測距光の光強度が最も大きい場合より更に大きく、又最小透過光量は前記反射測距光の光強度が最も小さい場合より更に小さく設定されている。

前記第１光源２１から測距光パルス光Ａ1 が発せられると、前記第１受光素子２８及び前記第２受光素子３３によりそれぞれパルス光が受光され、受光パルスＰＡ1 、受光パルスＱＡ1 をそれぞれ発する。前記測距光パルス光Ａ1 の発光から前記受光パルスＰＡ1 の発信迄の時間Ｕ1 が測距光パルス光Ａ1 が前記測定対象物２５を往復する迄の測距時間であり、前記測距光パルス光Ａ1 の発光から前記受光パルスＱＡ1 の発信迄の時間Ｖ1 が前記内部参照光路３４を経た時間である。

前記測距光パルス光Ａ1 の発光から時間ｔ1 後に前記第２光源３５が発光され、補正パルス光Ｂ1 が発せられると、前記第１受光素子２８及び前記第２受光素子３３が補正パルス光Ｂ1 を受光し、受光パルスＰＢ1 、受光パルスＱＢ1 をそれぞれ発する。補正パルスの発光から前記第１受光素子２８が受光パルスＰＢ1 を発する迄の時間Ｕ2 、補正パルスの発光から前記第２受光素子３３が前記受光パルスＱＢ1 を発する迄の時間Ｖ2 は、それぞれ前記補正光路３７を通過するに要した時間であり、（時間Ｕ2 −時間Ｖ2 ）が前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３との個体差（回路誤差を含む）及び前記第１補正光路３７ａと前記第２補正光路３７ｂの光路差となる。

本発明の第１の実施の形態の測距装置では、２受光素子の個体差である受光パルスの相関を求める為、定期的に、段階的に変化する補正パルス光を受光検出し、内挿が可能な連続の補正データを作成する。尚、前記第２光源３５から発せられたパルス光を受光した場合の前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の受光パルスの大きさは等しくなる様に設定されている。

前記第２光源３５のパルス光が前記光量調整手段３８を通過し光量が段階的に変化することで、前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３から段階的に変化した受光パルスが検出され前記記憶部４８に記憶される。前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の段階的に変化する受光パルスから光量差による偏差及び受光素子による個体差が算出される。

尚、前記第１光源２１、前記第２光源３５のパルス発光は数百Ｈｚから数十ｋＨｚで発光されることから、補正データの作成は数秒の短時間に行われる。

距離測定は補正データの作成後、前記光量調整手段３８で前記第２光源３５からのパルス光を段階的に変化させながら、発光周期Ｓで繰返し前記第１光源２１と前記第２光源３５を交互に発光させる。

前記第１光源２１を発光させた場合の前記第２受光素子３３の受光パルスＱＡ1 と、前記第２光源３５を発光させた場合の前記第２受光素子３３の受光パルスＱＢ1 と比較し、受光パルスＱＡ1 と略等しくなった受光パルスＱＢ1 を検出する。

そして、受光パルスＱＡ1 と受光パルスＱＢ1 との光量差を前記補正データにより補正することで、受光パルスＱＡ1 に於ける前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の相関を求めることができる。

次に、前記第１光源２１のパルス光による前記第１受光素子２８の受光パルスＰＡn と該受光パルスＰＡn と略等しくなった前記第２光源３５のパルス光による前記第１受光素子２８の受光パルスＰＢn とを検出する。

受光パルスＰＡn と受光パルスＰＢn との光量差を補正データにより補正することで、受光パルスＰＡn に於ける前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の相関を求められる。そして、前記第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の相関が分かっている前記内部参照光路３４の受光パルスＱＡ1 と反射測定光の受光パルスＰＡn とから距離測定の演算が可能となる。

更に、経過時間的に見ると、時間Ｕ2 と時間Ｖ2 の差は前記第１補正光路３７ａと前記第２補正光路３７ｂの差であり、前記第１補正光路３７ａと前記第２補正光路３７ｂは既知の距離である。又、時間Ｖ1 は前記内部参照光路３４であり既知の距離である。従って、既知の距離分を算入することにより、受光光量による差、受光素子の個体差による相関を求めることができ、測定対象物からの反射光を受光する前記第１受光素子２８と、前記内部参照光３４を受光する前記第２受光素子３３とから正確な距離が算出可能となる。

上記した様に、前記濃度可変フィルタ３９は連続回転しているので、補正光の透過する光量は段階的に減光される。前記濃度可変フィルタ３９が１回転する間の前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３の受光パルスをサンプリングして前記記憶部４８に記憶しておく。前記濃度可変フィルタ３９が１回転することで最大透過光量から最小透過光量迄の光強度に対する前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３の受光パルスがサンプリングできる。

尚、前記補正光のサンプリングは、測定開始時に１度実行してもよく、或は測定中連続してサンプリングを行い、常時最新のサンプリングデータに更新してもよい。

本発明では、測距光１パルス毎の距離測定が可能であり、距離測定時間を飛躍的に短縮できる。この為、測距光を走査させながらの多点の測定（スキャン測定）が可能になり、又高速で移動する移動体についての距離測定も可能となる。

図４及び図７は第２の実施の形態の要部を示すものである。

図４は、補正光についての他の光量調整手段を示している。

第２の実施の形態に於ける光量調整手段は、光源部５７が具備している。

該光源部５７は、複数の第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…を有し、それぞれコリメータレンズ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，…、ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，…、を通して補正パルス光を発する様になっている。前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…は、第２発光素子駆動回路４４によって発光が制御され、該第２発光素子駆動回路４４は前記制御演算部４２（図１参照）から発光指令信号が入力されると、所定時間間隔で第２光源３５ａから第２光源３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…、と順番にパルスを発光する様になっている。

前記第２光源３５ａに対してはミラー５６ａ、前記第２光源３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…、に対してはハーフミラー５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，…が設けられ、前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…から射出された補正パルス光をそれぞれ補正光路３７（図１参照）上に反射する様になっている。

前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…の数は、測定に予想される反射測距光の光強度変化に対応して適宜決定される。

又、前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…、からの補正光が、前記ハーフミラー５６ｄを透過、或は反射され、前記補正光路３７に射出された場合に、補正パルス光の光強度が、所定の光量差で段階的に変化する様に、前記ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，…、前記ハーフミラー５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，…の透過率、反射率が設定されている。又、前記ハーフミラー５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ，…が前記ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，…と同様機能を有してもよい。

図７に於いて、第２の実施の形態の作用について説明する。

前記第１光源２１から測距光パルス光Ａ1 ，Ａ2 ，…が発せられると、前記第１受光素子２８及び前記第２受光素子３３にそれぞれパルス光が受光され、受光パルスＰＡ1 、受光パルスＱＡ1 をそれぞれ発する。

又前記測距光パルス光Ａ1 ，Ａ2 ，…、発光周期の間に前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…の光量の異なる補正パルス光（Ｂ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）が順番で発せられる。前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…の発光タイミングは、前記第１受光素子２８が受光パルスＰＡを発して充分の時間間隔を有し、又前記第２光源３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，…、が発光し終る時期は、次の測距光パルス光Ａ2 が発光される時期と重ならない様になっている。

補正パルス光（Ｂ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）が発せられると、補正パルス光（Ｂ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）は前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３によって受光され、それぞれ受光パルス（ＰＢ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）、受光パルス（ＱＢ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）を発する。又、補正パルス光（Ｂ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）の各パルス光に対して、受光パルス（ＰＢ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）、受光パルス（ＱＢ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）の各パルスが対応し、それぞれ図２で示した関係を有する。例えばＢ1 ［ａ］に対してＰＢ1 ［ａ］、ＱＢ1 ［ａ］が対応し、Ｂ1 ［ａ］とＰＢ1 ［ａ］との間にはＵ2 の時間差が有り、Ｂ1 ［ａ］とＱＢ1 ［ａ］との間にはＶ2 の時間差がある。

本発明の第２の実施の形態では、２受光素子の個体差である受光パルスの相関を求める為、定期的に、段階的に変化する補正パルス光を受光検出し、内挿が可能な連続の補正データを形成することは本発明の第１の実施の形態と同様である。

第２光源３５から発生される補正パルス光が単発ではなく、光量の異なる補正パルス光列を発生している。光量調整手段で段階的に変化させられた補正パルス光列が発光周期Ｓで繰返し、第１光源２１と前記第２光源３５が交互に発光される。

定期的に作成する補正データに於いて、補正パルス光列で受光検出する為、高速で補正データの取込み、距離測定の動作を行うことが可能になる。

距離測定は補正データの形成後、光量調整手段では発光強度を段階的に変化させながら、発光周期Ｓで繰返し前記第１光源２１と前記第２光源３５を交互に発光させる。前記第１光源２１についての第２受光素子３３の受光パルスＱＡ1 と略等しい前記第２光源３５についての第２受光素子３３の受光パルス光列に含まれる受光パルスＱＢ1 を検出する。又、前記第１光源２１からの前記第１受光素子２８の受光パルスＰＡn と略等しくなった前記第２光源３５からの前記第１受光素子２８の受光パルス光列に含まれる受光パルスＰＢn とを検出する。これにより、第１受光素子２８と前記第２受光素子３３の相関が分かっている内部参照光路３４の受光パルスＱＡ1 と反射測定光の受光パルスＰＡn とから距離が測定される。

前記第１受光素子２８、前記第２受光素子３３の補正パルス光と参照パルス光によるパルス信号値、及び受光時間差については関連付けがされて、前記記憶部４８に記憶される。

測距光が発せられ、前記第１受光素子２８で受光されると、受光パルスＰＡ1 信号は前記制御演算部４２に送出され、該制御演算部４２に於いて、前記記憶部４８に記憶された受光パルス（ＰＢ1 ［ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ］）信号と受光パルスＰＡ1 信号とが比較され、信号値が等しいか略等しい受光パルス信号が選択される。図７に示されるものでは、受光パルスＰＡ1 信号と略等しい、ＰＢ1 ［ｃ］が選択され、更にＰＢ1 ［ｃ］に対応する第２受光素子３３の受光パルス信号ＱＢ1 ［ｃ］が選択され、それぞれの次号の比較により時間差が求められ、距離が演算される。

本実施の形態に於いても、１測定パルス光毎に、距離測定が可能であり、機械的な光路の切換え、濃度調整が必要ないので高速で多数点についての距離測定が可能となる。

図５は光量調整手段を変更した第３の実施の形態を示すものであり、該第３の実施の形態では、第２発光素子駆動回路４４によって１パルス毎に第２光源３５の光強度を変更して発光させる様にしたものであり、例えば該第２光源３５の発光強度を１０段階に変更させる様にしたものである。尚、本実施の形態の作用については、図７で示したものと同様であるので説明を省略する。

図６は同様に光量調整手段を変更した第４の実施の形態を示すものであり、該第４の実施の形態は上述した第２の実施の形態と第３の実施の形態を組合わせたものであり、複数の第２光源３５ａ，３５ｂと該第２光源３５ａ，３５ｂに対してコリメータレンズ５４ａ，５４ｂ、ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ、ミラー５６ａ、ハーフミラー５６ｂを有し、第２発光素子駆動回路４４ａ，４４ｂにより前記第２光源３５ａ，３５ｂの発光強度をパルス毎に変更すると共に前記ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ、前記ミラー５６ａ、前記ハーフミラー５６ｂにより光量を２段階で変更する様にしたものである。

複数の第２光源３５ａ，３５ｂの発光強度を個々に調整し、更に前記ＮＤフィルタ５５ａ，５５ｂ等で光学的に濃度調整する様にしたので、より多段階の濃度調整が可能となり、或は１つの第２光源３５に対しては発光強度の調整が簡略化できる。

次に、上述した様に、第１光源２１、第２光源３５、第１受光素子２８、第２受光素子３３等は個体差があり、又発光回路、受光回路も誤差を含んでいる。以下、これら誤差について（式２）〜（式８）に示す。尚、式中の記号の内容は下記の通りである。
第１光源２１発光時間：ｔL1
第１光源２１発光遅延時間：ΔｔL1（発光回路の遅延時間を含む）
第２光源３５発光時間：ｔL2
第２光源３５発光遅延時間：ΔｔL2（発光回路の遅延時間を含む）
第１光源２１からのパルス光に対する受光系の誤差要因
第１受光素子２８遅延時間：ΔＲ1 （受光回路の遅延時間を含む）
第１受光素子２８振幅誤差：ＲＡ1 （受光回路の振幅誤差を含む）
第２受光素子３３遅延時間：ΔＲ2 （受光回路の遅延時間を含む）
第２受光素子３３振幅誤差：ＲＡ2 （受光回路の振幅誤差を含む）
第２光源３５からのパルス光に対する受光系の誤差要因
第１受光素子２８遅延時間：ΔＲ1n（受光回路の遅延時間を含む）
第１受光素子２８振幅誤差：ＲＡ1n（受光回路の振幅誤差を含む）
第２受光素子３３遅延時間：ΔＲ2n（受光回路の遅延時間を含む）
第２受光素子３３振幅誤差：ＲＡ2n（受光回路の振幅誤差を含む）
※ｎは光量調整手段３８により光量が可変された第２光源３５から得られる、振幅が異なる値より選択された任意であることを意味する。
測定光距離の時間遅延：ｔL1o
内部参照光距離の時間遅延：ｔL1i
第１補正光距離の時間遅延：ｔL2o
第２補正光距離の時間遅延：ｔL2i
測定光路の遅延時間
（ｔL1＋ΔｔL1＋ｔL1o ）＋（ΔＲ1 ＋ＲＡ1 ） （式２）
内部参照光路の遅延時間
（ｔL1＋ΔｔL1＋ｔL1i ）＋（ΔＲ2 ＋ＲＡ2 ） （式３）
（式２）−（式３）
ｔL1o −ｔL1i ＋ΔＲ1 −ΔＲ2 ＋ＲＡ1 −ＲＡ2 （式４）
第１補正光路の遅延時間
（ｔL2＋ΔｔL2＋ｔL2o ）＋（ΔＲ1n＋ＲＡ1n） （式５）
第２補正光路の遅延時間
（ｔL2＋ΔｔL2＋ｔL2i ）＋（ΔＲ2n＋ＲＡ2n） （式６）
（式５）−（式６）
ｔL2o −ｔL2i ＋ΔＲ1n−ΔＲ2n＋ＲＡ1n−ＲＡ2n （式７）
第１光源２１からのパルス光と第２光源３５からのパルス光を測定する間隔が受光素子の遅延時間の変化に比して十分短い場合、ΔＲ1 ＝ΔＲ1n、ΔＲ2 ＝ΔＲ2nとみなせる。
（式４）−（式７）
ｔL1o −ｔL1i −（ｔL2o −ｔL2i ）＋（ＲＡ1 −ＲＡ2 ）−（ＲＡ1n−ＲＡ2n） （式８）
光量調整手段３８を用いる事で、測定光路のパルス振幅と同じパルス振幅の内部参照光路の遅延時間ＲＡ2 と、測定光路のパルス振幅に近い第１補正光路の遅延時間ＲＡ1nと第２補正光路の遅延時間ＲＡ2nを測定することにより、（ＲＡ1 −ＲＡ2 ）−（ＲＡ1n−ＲＡ2n）≒０
よって、振幅による誤差の影響を回避できる。
内部参照光路と第１補正光路と第２補正光路は既知である為、測定光路を求めることが可能となる。

次に、図８、図９に於いて、本発明が実施される距離測定装置について説明する。

図８に示される距離測定装置５９は、上述した測距部を具備している。前記距離測定装置５９は、測距光路２９上に測距光６０を射出し、又該測距光６０を回転照射可能であり、回転照射中に該測距光６０により照射される複数箇所の測定対象物２５迄の距離を測定可能としている。

図９は前記距離測定装置５９の回転照射部の概略を示しており、例えばトータルステーションの回転照射部を示している。尚、図９に於ける説明中、図１を参照し、図中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

基板６２の上側には円筒状の投光窓６３が配置され、該投光窓６３は透明ガラス等の材質となっている。該投光窓６３の上端には上基板６４が設けられ、前記投光窓６３の内部には中間基板６５が設けられている。

前記基板６２、前記中間基板６５に軸受６６を介してミラーホルダ６７が回転自在に設けられ、該ミラーホルダ６７には反射プリズム６８が保持されている。

前記上基板６４にはレンズホルダ６９が設けられ、該レンズホルダ６９に対物レンズ２４が保持されており、該対物レンズ２４の光軸（測距光路２９：図１参照）は前記ミラーホルダ６７の回転中心と合致している。又、前記対物レンズ２４の光軸上には該対物レンズ２４の径より小さい偏向ミラー７０、受光側光ファイバ７１の入射端面が配置されており、該受光側光ファイバ７１には反射測距光７５が入射し、前記受光側光ファイバ７１は反射測距光を前記第１受光素子２８に導くものである。又、前記偏向ミラー７０によって偏向された光軸上には発光側光ファイバ７２の射出端面が配置されている。該発光側光ファイバ７２は前記第１光源２１からの測距光を前記対物レンズ２４に導くものである。

前記ミラーホルダ６７は走査モータ７３によって回転され、又前記測距光６０の照射方向（照射水平角）はエンコーダ７４によって検出される様になっている。

前記走査モータ７３は、制御演算部４２（以下、図１参照）によって駆動が制御され、又前記測定対象物２５で反射された反射測距光が前記受光側光ファイバ７１を介して第１受光素子２８に受光された時の角度が前記エンコーダ７４から検出され、検出角度は前記制御演算部４２を介して記憶部４８に記憶される。

前記距離測定装置５９による測定は、前記測距光６０を射出した状態で、又前記走査モータ７３により前記ミラーホルダ６７が連続的に回転された状態で実施される。

前記発光側光ファイバ７２から射出された前記測距光６０は、連続回転照射され、所要箇所の測定対象物２５を照射することで該測定対象物２５からの反射測距光が前記反射プリズム６８に入射し、更に前記対物レンズ２４を経て前記受光側光ファイバ７１に入射し、該受光側光ファイバ７１を介して前記第１受光素子２８により受光されて測定対象物２５迄の測距が行われる。又、前記第１受光素子２８からの受光と対応させて前記測距光６０の照射方向が前記エンコーダ７４によって検出されるので、測距結果と照射方向の角度が対応されて前記記憶部４８に記憶される。又、前記照射方向が検出されるので、測定した前記測定対象物２５の特定も同時に行われる。

尚、建築物等を３次元測定する為に多数の点を自動測量する場合は、回転角度を設定し、設定した角度の範囲で往復走査しつつ、所定時間間隔で測距の実施がなされる。

上記実施の形態で説明した様に、内部参照光と測距光との切換え、測定中の光量調整が電気信号の切換え等で行われ、機械的な動作がないので、高速、多点の測定が可能である。

本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。 第１の実施の形態に於ける第１光源、第２光源の発光状態、第１受光素子、第２受光素子の受光状態を示す説明図である。 第１の実施の形態に於ける光量調整手段による光量変化を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態を示す要部概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態を示す要部概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態を示す要部概略構成図である。 第２の実施の形態に於ける第１光源、第２光源の発光状態、第１受光素子、第２受光素子の受光状態を示す説明図である。 本発明が実施される距離測定装置の説明図である。 該距離測定装置の回転照射部の概略を示す断面図である。 従来の距離測定装置を示す概略図である。

符号の説明

２１ 第１光源
２８ 第１受光素子
２９ 測距光路
３３ 第２受光素子
３４ 内部参照光路
３５ 第２光源
３７ 補正光路
３８ 光量調整手段
３９ 濃度可変フィルタ
４２ 制御演算部
４３ 第１発光素子駆動回路
４４ 第２発光素子駆動回路
４５ 第１受光回路
４６ 第２受光回路
４７ アクチュエータ駆動回路
４８ 記憶部

Claims (8)

1. 測定対象物に向けてパルスレーザ光線を射出し、測定対象物からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置に於いて、測距用パルスレーザ光線を射出する第１発光部と、補正パルスレーザ光線を発する第２発光部と、前記測距用パルスレーザ光線を第１受光部に導く測距光路と、前記測距用パルスレーザ光線を分割し内部参照光として第２受光部に導く内部参照光路と、前記補正パルスレーザ光線の光強度を調整する光量調整手段と、光強度を調整後、前記補正パルスレーザ光線を分割して前記第１受光部と前記第２受光部とに導く補正光路と、制御演算部とを具備し、
   該制御演算部は、光強度を調整された前記補正パルスレーザ光線を前記第１受光部と前記第２受光部が受光して発する受光パルスによって、光量変化に対応した前記第１受光部と前記第２受光部の受光時間差に基づき、光量変化に対応した前記第１受光部と前記第２受光部の個体差の補正データを求めると共に、
   前記第１受光部が前記測距用パルスレーザ光線が射出され反射光を受光する時間と、前記第２受光部が前記測距用パルスレーザ光線が射出され、前記内部参照光として受光する時間との第１受光時間差を求め、
   又前記制御演算部は、補正パルスレーザ光線の内、前記第１受光部に入射する反射光の光強度に等しいか、略等しい補助パルスレーザ光線を選択し、
   前記第２受光部が受光する前記選択された補助パルスレーザ光線の光量と、前記内部参照光との光量との差を前記補正データに基づき補正して前記第１受光部と第２受光部との相関を求め、前記第１受光時間差と前記相関に基づき距離を演算することを特徴とする距離測定装置。
2. 前記光量調整手段は、前記補正光路に移動方向に濃度変化する濃度可変フィルタを有し、該濃度可変フィルタを移動させて前記補正パルスレーザ光線の光強度が調整される様構成された請求項１の距離測定装置。
3. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材とを具備し、前記複数の光源を択一的に点灯することで前記補正パルスレーザ光線の光強度を調整する様構成した請求項１の距離測定装置。
4. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する光源と、該光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した請求項１の距離測定装置。
5. 前記光量調整手段は、前記補正パルスレーザ光線を発する複数の光源と、各光源に対して該光源の光量を調整する光学部材と、前記複数の光源を択一的に点灯し、光源の発光強度を調整する制御演算部とを具備した請求項１の距離測定装置。
6. 前記補正パルスレーザ光線は、測距パルスレーザ光線と交互に発せられ、前記補正パルスレーザ光線の光強度調整は発光毎に行われる請求項１の距離測定装置。
7. 前記補正パルスレーザ光線は、測距パルスレーザ光線の発光周期内に所要数光量調整されて発光される請求項１の距離測定装置。
8. 前記制御演算部は、記憶部を具備し、該記憶部は光強度が段階的に調整された各補正パルスレーザ光線に対応する前記第１受光部、前記第２受光部の受光信号と、
   その受光信号に基づき各補正パルスレーザ光線について前記第１受光部と前記第２受光部との時間的な偏差を記憶し、
   前記制御演算部は前記第１受光部が前記反射測距光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい受光信号を前記記憶された第１受光部の受光信号から選択し、
   前記第２受光部が内部参照光を受光した場合の受光信号と等しい、或は略等しい受光信号を前記記憶された前記第２受光部の受光信号から選択し、
   選択した反射測距光と等しい、或は略等しい受光信号と、選択した内部参照光と等しい、或は略等しい受光信号との前記時間的偏差及び
   前記反射測距光の受光信号と前記内部参照光の受光信号間の時間差に基づき測距の演算を行う様構成した請求項１又は請求項４又は請求項５の距離測定装置。

Images