JP5137106B2 - 光波距離計 - Google Patents

Description

本発明は、光波距離計に関し、さらに詳細には、屋外測定で太陽光等の強い外乱光を受けた場合でも、測距値がばらつかないようにしたり、測定不能にならないようにしたノンプリズム型の光波距離計に関する。

従来の光波距離計の光学系を図５により説明する（下記特許文献１）。従来の光波距離計１５は、発光素子１から出射された距離測定用光束Ｌ_０は、送光光学系１２の第１分割プリズム２で２分割され、一方は測距光Ｌ_１となり、他方は参照光Ｌ_Ｒとなる。測距光Ｌ_１は、第１分割プリズム２の直角ミラーを透過し、直角ミラー３で反射され、対物レンズ４を経て測点に向けて送光される。

測距光Ｌ_１は、測点に設置されたプリズム等の距離測定対象物５０（図６参照、以下、単に測定対象物という。）で反射され、対物レンズ４を経て、受光光学系１３の直角ミラー３で反射されて受光素子６に入射する。受光光学系１３においては、直角ミラー３と受光素子６との間に光量減衰器７、バンドパスフィルタ１４が配置される。

参照光Ｌ_Ｒは、第１及び第２のリレーレンズ８、９及び受光光学系１３の第２分割プリズム５を経て受光素子６に入射する。距離測定の際には、遮光板１０を移動させることによって、測距光Ｌ_１と参照光Ｌ_Ｒを切換え可能にしている。

従来の光波距離計のブロック図を図６に示す。発光素子１の駆動回路２０は、基準発振器２４に接続された変調器２２に接続されており、駆動回路２０へ送られる搬送波を基準信号Ｋで変調している。これにより、測距光Ｌ_１は基準信号Ｋで変調される。受光素子６の出力信号は、測距信号Ｍとなるが、前置増幅器２６、周波数変換器２８によって周波数を下げて中間周波数に周波数変換される。周波数変換器２８は、前置増幅器（高周波増幅器）２６からの出力信号と局部発振器３０からの局部信号とを混合器３２で混合することによって、周波数を下げるのである。周波数変換された測距信号Ｍは、中間周波増幅器３４を経て演算制御部３６へ入力される。

演算制御部３６には、基準信号Ｋと中間周波数に周波数変換された測距信号Ｍが入力され、両者Ｋ、Ｍの位相差から距離が算出される。距離測定の際には、測距光Ｌ_１と参照光Ｌ_Ｒとを交互に切換えて受光素子６に入射させて距離測定を行い、光波距離計に固有の測定誤差を補正している。

ところで、受光素子６には、高感度なＡＰＤ（アバランシェホトダイオード）が使用される。ＡＰＤとは、図７に示したように、バイアス電圧の逆方向電圧が小さいときは、光照射量に応じた出力電流があるが、光照射がない場合でも暗電流Ｉｄと呼ぶ僅かな出力電流がある。逆方向電圧を徐々に大きくしていくと、ある電圧で突然急激に暗電流Ｉｄが増加し始める。この暗電流Ｉｄが突然増加する電圧をブレークダウン電圧Ｖｂと呼ぶ。一方、光照射の有る場合の出力電流Ｉは、ブレークダウン電圧Ｖｂよりやや小さい逆方向電圧から急激に増加し始める。この出力電流Ｉが急激に増加し始める領域をアバランシェ領域Ａと呼ぶ。

ＡＰＤの出力電流Ｉをアバランシェ領域Ａ以下の逆方向電圧のときの出力電流Ｉ₀で割った値を増倍率と呼ぶ。逆方向電圧がアバランシェ領域Ａであると、ＡＰＤの増倍率は非常に大きな値になる。そこで、逆電圧回路３８によってＡＰＤにアバランシェ領域Ａの逆方向電圧をバイアス電圧として使用すると、僅かな光でも大きな光電流を得ることができて、高感度な光検出が可能となる。

特開平８−６８８５２号公報

前記従来の光波距離計では、入射光線を再帰反射するプリズムを測点に設置した場合、太陽５４から放射される太陽光５２等の外乱光は元の方向へ反射され、測距光Ｌ_１だけ光波距離計側へ反射されて受光素子６へ入射するので、測定値がばらつかず、高精度な測定ができる。しかし、プリズムを用いず、測定対象物５０自体で反射された測距光Ｌ_１を用いて遠距離測定をしようとすると、外乱となる強い太陽光５２が測定対象物５０で反射されて受光素子６へ入射することがある。これに対して、測定対象物５０で反射されて受光素子６へ入射する測距光Ｌ_１は極めて微弱となる。このため、ノンプリズム型の光波距離計では、遠距離測定の際には太陽光５２等の強い外乱光によって、測定値のばらつきが大きくなったり、測定不能になったりするという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、遠距離測定の際に太陽光等の強い外乱光を受けた場合にも、測定値がばらついたり、測定不能になったりするということがないようにしたノンプリズム型の光波距離計を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、測距光を出射する光源と、測定対象物で反射してきた測距光を受光して測距光を測距信号に変換するＡＰＤと、前記測距信号から距離を算出する演算制御部とを備えた光波距離計において、前記ＡＰＤのバイアス電圧を与える逆電圧回路を備え、前記演算制御部は外乱光の強さに応じて前記ＡＰＤの出力のＳ/Ｎが最大になるように前記逆電圧回路の出力電圧を制御し、その後測定距離のばらつきを算出し、ばらつきが仕様範囲を越える場合には、ばらつきが仕様範囲内に入るまで前記逆電圧回路の出力電圧を変化させることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、測距光を出射する光源と、測定対象物で反射してきた測距光を受光して測距光を測距信号に変換するＡＰＤと、前記測距信号から距離を算出する演算制御部とを備えた光波距離計において、前記ＡＰＤのバイアス電圧を与える逆電圧回路を備え、前記演算制御部は短時間の予備測定を行って得た距離と測距信号のレベルから測定距離を判断し、測定対象物にプリズムを用いない測定の場合には、前記測定距離に応じて前記逆電圧回路の出力電圧を制御し、その後測定距離のばらつきを算出し、ばらつきが仕様範囲を越える場合には、ばらつきが仕様範囲内に入るまで前記逆電圧回路の出力電圧を変化させることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記測距信号を増幅する増幅器を備え、前記演算制御部は所定レベルの測距信号が得られるように前記増幅器の増幅度を制御することを特徴とする。

請求項１に係る発明の光波距離計によれば、太陽等の外乱光の強さに応じてＡＰＤの出力のＳ/Ｎが最大になるように前記逆電圧回路の出力電圧を制御するから、太陽光等の外乱光の影響を受け難くなって、測定値がばらついたり、測定不能になったりすることが起き難くなる。

請求項２に係る発明の光波距離計によれば、ＡＰＤのバイアス電圧を与える逆電圧回路を備え、演算制御部は測定距離に応じて前記逆電圧回路の出力電圧を制御するから、測距信号レベルが小さい遠距離測定においては、バイアス電圧を小さくして、ＡＰＤの増倍率を低くすることによって、太陽光等の外乱光の影響を受け難くなって、測定値がばらついたり、測定不能になったりすることが起き難くなる。外乱光に対して測距信号レベルが大きい近距離測定においては、バイアス電圧を大きくし、ＡＰＤの増倍率を高くして、いっそう測定値のばらつきを防止しながら高精度な測定が可能になる。

請求項３に係る発明の光波距離計によれば、さらに、測距信号を増幅する増幅器を備え、演算制御部は所定レベルの測距信号が得られるように前記増幅器の増幅度を制御するから、いっそう測定値がばらつかず、高精度な測定が可能になる。

以下、本発明の第１の実施例に係る光波距離計について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この光波距離計のブロック図である。図２は、ＡＰＤにおいて、太陽光の強さと増倍率とノイズとの関係を説明する図である。図３は、ＡＰＤの逆方向バイアス電圧と増倍率の関係を説明する図である。

この光波距離計は、従来の光波距離計では受光素子６に固定バイアスが与えられていたのに対して、図１に示したように、演算制御部３６によって、ＡＰＤの受光素子６（以下、ＡＰＤと記載する。）にバイアス電圧を与える逆電圧回路３８の出力電圧を制御するとともに、ＡＰＤ６の増倍率に応じて中間周波増幅器３４の増幅度を制御している。これ以外は、従来の光波距離計と略同じであるから、従来と同じ部分の説明は省略する。

ところで、ＡＰＤ６の出力には、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、ショットノイズ４０と熱ノイズ４２とが含まれる。ショットノイズ４０とは、ＡＰＤ６内の電子と正孔のランダムな運動によって生じるもので、ＡＰＤ６の出力電流に応じて増大する。このため、ショットノイズ４０は、増倍率が小さいときはほとんど無いが、増倍率が所定値を超えると急増する。熱ノイズ４２は、抵抗内部のランダムな電子の熱運動によって生じるもので、温度とともに増大するものである。このため、熱ノイズ４２は、増倍率に関係なく、温度で定まる一定の値となる。ショットノイズ４０と熱ノイズ４２とを合わせた合成ノイズ４４は、増倍率の低い領域では熱ノイズ４２に略等しいが、増倍率の急増するアバランシェ領域Ａでは、ショットノイズ４０に対応して急増する。

また、図２の（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、ＡＰＤの出力信号４６は増倍率に指数的に比例して増加する。なお、ＡＰＤ６の出力は、対数で表示している。出力信号４６と合成ノイズ４４との差α、βが、それぞれ最大となる増倍率Ａ_１、Ａ_２のときに、Ｓ／Ｎ（信号とノイズの比）が最大となる。ＡＰＤ６は、Ｓ／Ｎが最大となる増倍率Ａ_１、Ａ_２が得られるように逆方向のバイアス電圧をかけて使用することが望ましい。

ここで、図２の（Ａ）は太陽光が弱い場合であり、図２の（Ｂ）は太陽光が強い場合である。太陽光が強い場合は、太陽光が弱い場合に比べてショットノイズ４０が左方に移動する。このため、太陽光が強い場合ほどＳ／Ｎが最大となる増倍率Ａ_１、Ａ_２が小さくなる。ノイズに強くするためには、演算制御部３６からの指令を逆電圧回路３８へ送って、Ｓ／Ｎが最大となる増倍率Ａ_１、Ａ_２となるようにバイアス電圧を逆電圧回路３８に発生させればよい。

ＡＰＤ６の増倍率は、図３に示したように、逆方向バイアス電圧がブレークダウン電圧Ｖｂに近づくと急激に増加する。そこで、プリズムを用いない場合は、測定距離に関係なく、太陽光が弱い場合は、逆方向バイアス電圧をアバランシェ領域Ａ内でブレークダウン電圧Ｖｂよりも低いＶ_１にして、適切な増倍率Ａ_１にする。太陽光が強い場合は、逆方向バイアス電圧をアバランシェ領域Ａ内でＶ_１よりも低いＶ_２にして、さらに増倍率Ａ_２に下げる。

ＡＰＤ６の増倍率を変えるには、演算制御部３６が、図示しない照度計による測定値か、作業者による手動スイッチ操作に基づいて、太陽光の強さを判断して、太陽光の強さに応じて逆方向バイアス電圧Ｖ_１、Ｖ_２を逆電圧回路３８に発生させる。さらに、演算制御部３６は、連続して測距を行える設定で測定距離のばらつき（分散）を算出し、ばらつきが仕様範囲を越える場合には、ばらつきが仕様範囲内に入るまで逆方向バイアス電圧Ｖ_１、Ｖ_２を変化させる。

ところで、ＡＰＤ６の増倍率が変化すると、中間周波増幅器３４から演算制御部３６へ入力される測距信号Ｍのレベルも変化してしまう。測距信号Ｍのレベルが変化すると測定値に誤差が出易くなる。そこで、演算制御部３６へ入力される測距信号Ｍが常に略一定レベルとなるように、ＡＰＤ６の増倍率に応じて、演算制御部３６から中間周波増幅器３４へ指令を送って、中間周波増幅器３４の増幅度を制御する。このため、ＡＰＤ６のバイアス電圧Ｖ₁、Ｖ_２の各段階ごとに中間周波増幅器３４の増幅度も決めておき、演算制御部３６によって、ＡＰＤ６の増倍率と中間周波増幅器３４の増幅度を同時に制御する。

本実施例によれば、太陽光５２等の外乱光の強さに応じてＡＰＤ６の出力のＳ/Ｎが最大になるように逆電圧回路３８の出力電圧を制御するから、太陽光５２等の外乱光を受け難くし、測定値がばらついたり、測定不能になったりということがない。また、演算制御部３６へ入力される測距信号Ｍが常に略一定レベルとなるように、ＡＰＤ６の増倍率に応じて中間周波増幅器３４の増幅度を制御するから、高精度な測定が可能になる。

次に、本発明の第２の実施例に係る光波距離計について説明する。この光波距離計は、前記第１の実施例とは、ＡＰＤ６へのバイアス電圧の与え方が異なるだけで、その他は略同じである。

本実施例では、バイアス電圧をアバランシェ領域Ａ内で測定距離に応じて変化させる。具体的には、図４に示したように、プリズムを用いた測定の場合、ＡＤＲ６の出力信号に対して太陽光による外乱を無視して、バイアス電圧Ｒｖをブレークダウン電圧Ｖｂに近いＶ_０’とし、増倍率を最大に固定する。プリズムを用いない近距離範囲Ｒ_１の測定の場合、太陽光による外乱が少しあるとして、バイアス電圧ＲｖをＶ_０’よりも低いＶ_１’にし、増倍率を下げる。中距離範囲Ｒ_２の測定の場合、太陽光による外乱が中程度として、バイアス電圧ＲｖをＶ_１’よりも低いＶ_２’にし、増倍率をさらに下げる。遠距離範囲Ｒ_３の測定の場合、太陽光による外乱が大きいとして、バイアス電圧ＲｖをＶ_２’よりも低いＶ_３’にし、増倍率をさらに下げる。

測定に際しては、ＡＰＤ６のバイアス電圧Ｒｖの初期値は、例えば、測定距離が中距離範囲Ｒ_２の場合のＶ_２に設定しておく。ここで、演算制御部３６は、入力された測距信号Ｍのレベルに応じて、プリズムを用いた近距離範囲Ｒ_０か、プリズムを用いない近距離範囲Ｒ_１か、中距離範囲Ｒ_２か、遠距離範囲Ｒ_３かを判断して、ＡＰＤ６のバイアス電圧Ｒｖと中間周波増幅器３４の増幅度を決定する。または、演算制御部３６は、最初に短時間の予備測定を行って得た距離と測距信号Ｍのレベルに応じて、ＡＰＤ６のバイアス電圧Ｒｖと中間周波増幅器３４の増幅度を決定してもよい。

本実施例によれば、プリズムを用いない近距離範囲Ｒ_１の測定おいては、太陽光５２による外乱をいくらか受けるので、ＡＰＤ６の増倍率を下げ、太陽光５２による外乱を受け難くして、測定値のばらつきを防止しながら測定距離を延ばすことができる。さらに、測距信号Ｍのレベルが小さい遠距離範囲Ｒ_２、Ｒ_３の測定においては、ＡＰＤ６の増倍率をさらに低くし、太陽光５２による外乱をさらに受け難くして、測定値のばらつきを防止できる。このように、本実施例においては、どのような測定距離でも測定値のばらつきを防止しながら高精度な測定ができる。

ところで、本発明は、前記両実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、前記両実施例ではバイアス電圧を段階的に制御したが、バイアス電圧は連続的に変化させてもよい。

また、前記実施例では中間周波増幅器３４の増幅度をＡＰＤ６のバイアス電圧に応じて予め定めておいたが、中間周波増幅器３４については出力が略一定となるような従来周知の自動利得制御を行うようにしてもよい。
さらに、前記実施例では、一定の測距信号Ｍのレベルを保つため、ＡＰＤ６の増倍率に応じて中間周波増幅器３４の増幅度を制御したが、中間周波増幅器３４の代わりに前置増幅器２６の増幅度を制御してもよい。

本発明の第１実施例に係る光波距離計のブロック図である。 ＡＰＤにおいて太陽光の強さと増倍率とノイズとの関係を説明する図である。 前記ＡＰＤのバイアス電圧の与え方を説明する図である。 本発明の第２実施例に係る光波距離計において、ＡＰＤのバイアス電圧の与え方を説明する図である。 従来の光波距離計の光学系を説明する図である。 従来の光波距離計のブロック図である。 ＡＰＤの特性を説明する図である。

符号の説明

１ 発光素子（光源）
６ 受光素子（ＡＰＤ）
２０ 駆動回路
２２ 変調器
２４ 基準信号発振器
２６ 前置増幅器（増幅器）
２８ 周波数変換器
３０ 局部発振器
３２ 混合器
３４ 中間周波増幅器（増幅器）
３６ 演算制御部
３８ 逆電圧回路
５０ 測定対象物
５２ 太陽光（外乱光）
５４ 太陽
Ｋ 基準信号
Ｌ_１ 測距光
Ｍ 測距信号

Claims (3)

1. 測距光を出射する光源と、測定対象物で反射してきた測距光を受光して測距光を測距信号に変換するＡＰＤと、前記測距信号から距離を算出する演算制御部とを備えた光波距離計において、
   前記ＡＰＤのバイアス電圧を与える逆電圧回路を備え、前記演算制御部は外乱光の強さに応じて前記ＡＰＤの出力のＳ/Ｎが最大になるように前記逆電圧回路の出力電圧を制御し、その後測定距離のばらつきを算出し、ばらつきが仕様範囲を越える場合には、ばらつきが仕様範囲内に入るまで前記逆電圧回路の出力電圧を変化させることを特徴とする光波距離計。
2. 測距光を出射する光源と、測定対象物で反射してきた測距光を受光して測距光を測距信号に変換するＡＰＤと、前記測距信号から距離を算出する演算制御部とを備えた光波距離計において、
   前記ＡＰＤのバイアス電圧を与える逆電圧回路を備え、前記演算制御部は短時間の予備測定を行って得た距離と測距信号のレベルから測定距離を判断し、測定対象物にプリズムを用いない測定の場合には、前記測定距離に応じて前記逆電圧回路の出力電圧を制御し、その後測定距離のばらつきを算出し、ばらつきが仕様範囲を越える場合には、ばらつきが仕様範囲内に入るまで前記逆電圧回路の出力電圧を変化させることを特徴とする光波距離計。
3. 前記測距信号を増幅する増幅器を備え、前記演算制御部は所定レベルの測距信号が得られるように前記増幅器の増幅度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波距離計。

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