JP5154028B2

JP5154028B2 - 光波距離計

Info

Publication number: JP5154028B2
Application number: JP2006126126A
Authority: JP
Inventors: 祐一大橋; 晴夫谷; 満孝阿部; 政孝川上
Original assignee: 株式会社ソキア・トプコン
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007298372A

Description

本発明は、変調信号によって強度変調された測距光を目標物に向けて送光し、目標物で反射して戻ってきた反射光に基づいて目標物までの距離を求めることができる光波距離計に関する。

光波距離計としては、例えば、目標物に向けて照射された測距光（レーザ光線）による反射光と内部参照光路に照射された参照光との位相差を基に目標物までの距離を求めるようにした位相差方式の光波距離計が知られている。この種の光波距離計を用いて距離測定を行うに際しては、反射プリズムを目標点に置かないで、反射率の低い壁などを目標物（ターゲット）とするノンプリズム測定と、反射プリズムを目標物とするプリズム測定が行われている。

光波距離計を構成するに際しては、単一の光源を用いたものあるいは複数の光源を用いたものが提案されている。単一の光源を用いたものとしては、例えば、ノンプリズム測定では平行光による測距光を目標物に照射し、プリズム測定では発散光による測距光を目標物に照射するようにしたものがある（特許文献１参照）。光波距離計を用いてノンプリズム測定を行うときに、測距光として平行光を用いると、発散光を用いるときよりも、測距光のビームスポットをより小さくでき、小さい目標物あるいは遠距離の目標物を測定するときに有利である。一方、光波距離計を用いてプリズム測定を行うときに、測距光として発散光を用いると、平行光を用いるときよりも、測距光が発散して広がるので、測距光の中心がプリズムからある程度ずれても測定できるとともに、大気の陽炎による影響も小さくなる。

特許第３２７２６９９号公報（第６頁から第８頁、図４参照）

前記従来技術においては、単一の光源を用いてノンプリズム測定とプリズム測定を行うに際して、対物レンズを送光光学系と受光光学系で共用し、光源と対物レンズとを結ぶ送光光学系に、光線を拡大させるための光学要素を挿脱させるかによって、発散光または平行光を対物レンズを介して送光するようにしているため、光源の発光による測距光が対物レンズに入射した際に、その一部が対物レンズで反射し、ノイズとして受光手段（受光光学系）に入射することが危惧される。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、測距光の一部がノイズとして受光手段に入射することなく、ノンプリズム測定とプリズム測定を行うことにある。また、プリズムが発散光の中心になくてもプリズム全面に発散光が当たるので、反射光の中で位相差が少なくなり、測定値のバラツキをなくすことにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る光波距離計においては、変調信号で強度変調された光を平行光として発光する発光手段と、前記発光手段の発光による発散光を平行光に変換するコリメートレンズと、平行光を入射して測距光または参照光に振り分けて出射する光分配手段と、前記光分配手段から出射された測距光を目標物に向けて送光する測距光送光手段と、前記光分配手段から出射された参照光を参照光路に送光する参照光送光手段と、前記測距光の送光に伴って前記目標物で反射した反射光を対物レンズを介して受光する受光手段と、前記受光手段の受光による反射光に対して光電変換を行って測距信号を生成するとともに、前記参照光路からの参照光に対して光電変換を行って参照信号を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段の生成による測距信号と参照光とを比較して前記目標物までの距離を演算する演算手段とを備え、前記測距光送光手段は、前記光分配手段からの入射光を送光する凹レンズ及び該凹レンズからの入射光を送光する凸レンズからなり、前記光分配手段からの測距光を拡大された平行光に変換する測距光拡大光学系と、前記光分配手段と前記測距光拡大光学系とを結ぶ測距光伝播路への挿入または前記測距光伝播路からの挿脱を切換える切換手段と、前記切換手段により前記測距光伝播路に挿入されたときに前記測距光拡大光学系による拡大された平行光から発散光への変換を行って、前記測距光拡大光学系から発散光による測距光を出力させる測距光発散光学系と、前記測距光拡大光学系からの測距光を前記対物レンズより前方側から前記目標物に向けて送光する送光光学系とから構成され、前記測距光発散光学系は、入射面と出射面が互いに平行な平行平面ガラスで構成してなり、前記測距光拡大光学系における前記凹レンズと凸レンズとの間に挿脱入され、ノンプリズム測定を行う際には、前記測距光発散光学系を挿脱し、凹レンズからの発散光を凸レンズから平行光として出力し、目標物に向けて送光して、プリズム測定を行う際には、前記測距光発散光学系を挿入し、凹レンズからの発散光を測距光発散光学系を通して発散光路をずらして凸レンズへ入射し、凸レンズから発散光のままに出力し、目標物に向けて送光して、ノンプリズム測定とプリズム測定の双方での測定精度を向上させることを特徴とする。

（作用）変調信号で強度変調された光を用いてノンプリズム測定を行うときには、測距光拡大光学系のうち測距光発散光学系を測距光伝播路から離間させた状態で、発光手段からの平行光を測距光または参照光に振り分け、振り分けられた測距光を測距光伝播路に沿って伝播させる過程で、測距光拡大光学系により、測距光を発散光から平行光に変換し、平行光による測距光を、対物レンズより前方側に配置された送光光学系から目標物に向けて送光し、振り分けられた参照光を参照光路に送光し、平行光による測距光の送光に伴って目標物で反射した反射光、例えば、反射率の低い壁などで反射した反射光を光電変換して測距信号を生成するとともに、参照光路からの参照光を光電変換して参照信号を生成し、生成した測距信号と参照信号とを比較して目標物までの距離を求めることで、ノンプリズム測定を行うことができる。

一方、変調信号で強度変調された光を用いてプリズム測定を行うときには、測距光拡大光学系のうち測距光発散光学系を測距光伝播路内に挿入した状態で、発光手段からの平行光を測距光または参照光に振り分け、振り分けられた測距光を測距光伝播路に沿って伝播させる過程で、測距光伝播路内に挿入された測距光発散光学系により、測距光拡大光学系により拡大された平行光から発散光への変換を行って、測距光拡大光学系から発散光による測距光を出力させ、この発散光による測距光を、対物レンズより前方側に配置された送光光学系から目標物に向けて送光し、振り分けられた参照光を参照光路に送光し、発散光による測距光の送光に伴って目標物で反射した反射光、例えば、反射プリズムで反射した反射光を光電変換して測距信号を生成するとともに、参照光路からの参照光を光電変換して参照信号を生成し、生成した測距信号と参照信号とを比較して目標物までの距離を演算することで、プリズム測定を行うことができる。

このように、測距光変換光学系からの測距光を対物レンズより前方側から目標物に向けて送光する送光光学系を、対物レンズと受光手段とを結ぶ領域を外れた領域に配置し、平行光による測距光または発散光による測距光を送光光学系から目標物に送光するようにしたため、測距光の一部がノイズとして受光手段に入射することなく、ノンプリズム測定とプリズム測定を行うことができ、測定精度の向上に寄与することができる。

また、測距光発散光学系を、入射面と出射面が互いに平行な平行平面板で構成することで、平行平面ガラスを測距光伝播路内に挿入する際に、その位置が測距光伝播路内であれば、上下左右にずれても、光軸がずれることなく、測距光に対する発散効果を維持することができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１に係る光波距離計によれば、このような構成により測距光の一部がノイズとして受光手段に入射することがないので、測定精度の向上に寄与することができるとともに、一台でプリズムモードとノンプリズムモードの測定ができ、コスト削減が可能となる。

また、平行平面ガラスの位置によって光軸がずれることはなく、平行平面ガラスによる発散効果を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す光波距離計のノンプリズム測定時のブロック構成図、図２は、本発明の一実施例を示す光波距離計のプリズム測定時のブロック構成図である。

これらの図において、位相差方式の光波距離計１０は、測距系として、単一の測距光源１２、送光レンズ１４、平行平面ガラス１６、凹レンズ１８、平行平面ガラス２０、凸レンズ２２、光路絞り２３、ダイクロイックミラー２４、送光プリズム２６、平行ガラス２８、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２、受光レンズ３４、ダイクロイックプリズム３６、３７、バンドパスフィルタ３８、受光絞り４０、受光素子４２を備え、視準光学系として、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２の他に、合焦レンズ４４、正立プリズム４６、焦点板４８、接眼レンズ５０を備えて構成されており、この視準光学系で目標物又は視準点を確認することができるようになっている。なお、焦点板４８上には十字線が設けられ、十字線の交点が対物レンズ３０の光軸とその交点を結んだ視準光学系の視準軸となっている。

また、測距系の他に、自動追尾／自動視準系の要素として、光源５２、凸レンズ５４、反射ミラー５６、反射プリズム２６、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２、ダイクロイックプリズム３６、受光レンズ５８、自動追尾／自動視準光受光部６０が設けられている。なお、自動視準光学系の送光部（５６、５４、５２）および受光部（５８、６０）の光学素子の配置は一実施例であり、別の光学配置であってもよい。

測距光源１２は、発光手段として、例えば、周波数７５ＭＨｚ、２５０ｋＨｚなどの変調信号で強度変調された可視光を発散光として発光する発光素子、例えば、波長６９０ｎｍの可視光を発光するレーザダイオードで構成されている。測距光源１２の発光による発散光は、送光レンズ１４を透過して平行平面ガラス１６に入射するようになっている。平行平面ガラス１６は、送光レンズ１４を透過した平行光を参照光１００と測距光１０２とに振り分け、振り分けられたわずかな光量の参照光１００を内部参照光学系（図示せず）を介して受光素子４２に送光し、他方に振り分けられた測距光１０２を測距光伝播路６２に送光する光分配手段として構成されている。

測距光伝播路６２は、対物レンズ３０とダイクロイックプリズム３２とを結ぶ領域から外れた領域に形成されており、この測距光伝播路６２に沿って凹レンズ１８、凸レンズ２２、ダイクロイックミラー２４、送光プリズム２６、平行ガラス２８が測距光送光手段として配置されている。これら測距光送光手段のうち平行平面ガラス２０は、測距光伝播路６２への挿入また測距光伝播路６２からの挿脱が自在に配置されている。平行平面ガラス２０の挿脱は切換手段６１により選択することにより行われる。凹レンズ１８は、平行平面ガラス１６から平行光による測距光１０２を入射し、入射した測距光１０２を発散させた状態で凸レンズ２２側へ送光するようになっている。

ここで、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内に平行平面ガラス２０が挿入されていないときには、凸レンズ２２に入射した発散光による測距光１０２は、凸レンズ２２によって発散光から平行光に変換される。すなわち、平行平面ガラス２０の挿脱により、凸レンズ２２は、発散光による測距光１０２を平行光に変換する測距光変換光学系として構成されている。一方、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内に平行平面ガラス２０が挿入されたときには、凸レンズ２２に入射した測距光１０２は、発散光への変換が平行平面ガラス２０によってなされるので、発散光のまま凸レンズ２２から出力される。この場合、平行平面ガラス２０は、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内に挿入されたときに、凸レンズ２２の見かけ上の焦点位置を変更することで、凸レンズ２２による、発散光への変換を行う測距光発散光学系を構成することになる。

凸レンズ２２を透過した測距光１０２は、光路絞り２３を透過してダイクロイックミラー２４で反射した後、送光プリズム２６に入射し、送光プリズム２６から平行平面ガラス２８を介して目標物に向けて送光される。送光プリズム２６は、送光光学系の一要素として、平行平面ガラス２８に固定されている。平行平面ガラス２８は、対物レンズ３０とダイクロイックプリズム３２とを結ぶ光軸の延長線上において、対物レンズ３０より前方側に配置されて、視準望遠鏡本体（図示せず）の先端に固定されている。すなわち、送光プリズム２６は、ダイクロイックミラー２４および平行平面ガラス２８とともに、送光光学系を構成し、凸レンズ２２からの測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から目標物に向けて送光するようになっている。

一方、凸レンズ２２からの測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から目標物に向けて送光し、この測距光１０２が壁６４あるいは反射プリズム６６などの目標物で反射したときには、この反射光１０４は平行平面ガラス２８を通過したあと対物レンズ３０を介してダイクロイックプリズム３２に入射する。ダイクロイックプリズム３２に入射した反射光１０４の全ての光は反射されて、受光レンズ３４、ダイクロイックプリズム３６、３７、バンドパスフィルタ３８、受光絞り４０を通過して受光素子（受光ダイオード）４２に入射するようになっている。また、受光絞り４０は反射による受光素子４２への影響を防止するため、傾斜されて取り付けられている。

受光素子４２は、目標物からの反射光１０４の他に、内部参照光路からの参照光１００を受光するようになっている。この受光素子４２は、反射光１０４を受光したときに、反射光１０４に対する光電変換を行って測距信号を生成し、一方、参照光１００を受光したときには、参照光１００に対する光電変換を行って参照信号を生成する光電変換手段として構成されており、受光素子４２の出力による測距信号または参照信号は測距光処理部５１に出力されるようになっている。

測距光処理部５１は、マイクロコンピュータや信号発生器などを備え、受光素子４２の生成による測距信号と参照信号との位相差を求め、この位相差を基に目標物までの距離を演算する演算手段としての機能を備えて構成されている。

上記構成による光波距離計１０を用いてノンプリズム測定を行うに際して、図１に示すように、まず、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内に平行平面ガラス２０を外した状態で、測距光源１２を点灯駆動する。測距光源１２の点灯による光は、平行光として送光レンズ１４を透過して平行平面ガラス１６に入射する。平行平面ガラス１６に入射した平行光は参照光１００と測距光１０２とに振り分けられ、参照光１００は内部参照光学系を介して受光素子４２に導かれ、測距光１０２は、凹レンズ１８を介して凸レンズ２２に入射する。凸レンズ２２に入射した発散光による測距光１０２は、平行光となって凸レンズ２２から出力される。凸レンズ２２を透過した測距光１０２は、光路絞り２３を透過してダイクロイックミラー２４で反射した後、送光プリズム２６に入射し、送光プリズム２６から平行平面ガラス２８を介して、壁６４などの目標物に向けて送光される。

凸レンズ２２からの測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から目標物に向けて送光し、この測距光１０２が壁６４などの目標物で反射したときには、この反射光１０４は平行平面ガラス２８を通過したあと対物レンレンズ３０を介してダイクロイックプリズム３２に入射する。ダイクロイックプリズム３２に入射した反射光１０４は全て反射され、受光レンズ３４、ダイクロイックプリズム３６、３７、バンドパスフィルタ３８、受光絞り４０を通過して受光素子（受光ダイオード）４２に入射する。受光素子４２に反射光１０４または参照光１００が入射すると、受光素子４２において、反射光１０４に対する光電変換によって測距信号が生成され、また、参照光１００に対する光電変換によって参照信号が生成され、測距信号または参照信号が測距光処理部５１に出力される。測距光処理部５１においては、受光素子４２の生成による測距信号と参照信号との位相差が求められるとともに、この位相差を基に壁６４などの目標物までの距離が求められる。この場合、凸レンズ２２を透過して送光プリズム２６から平行ガラス２８に導かれる測距光１０２は、対物レンズ３０に入射してダイクロイックプリズム３２側に反射することなく、平行光として、壁６４などの目標物に向けて出射されるため、ノンプリズム測定時に、壁６４などの目標物までの距離を精度よく求めることができ、測定精度の向上に寄与することができる。

次に、プリズム測定を行うに際しては、図２に示すように、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内から平行平面ガラス２０が挿入した状態で、測距光源１２を点灯駆動する。測距光源１２の点灯による光は、発散光として送光レンズ１４を透過して平行平面ガラス１６に入射する。平行平面ガラス１６に入射した光は参照光１００と測距光１０２とに振り分けられ、平行平面ガラス１６によるわずかな参照光１００は内部参照光学系を介して受光素子４２に導かれ、測距光１０２は、凹レンズ１８を介して凸レンズ２２に入射する。凸レンズ２２に入射した発散光による測距光１０２は、平行平面ガラス２０を通って発散する光路をずらして凸レンズ２２へ入射する、凸レンズ２２によって、発散光のままに変換される。凸レンズ２２を透過した発散光による測距光１０２は、光路絞り２３を透過してダイクロイックミラー２４で反射した後、送光プリズム２６に入射し、送光プリズム２６から平行平面ガラス２８を介して、反射プリズム６６などの目標物に向けて送光（出射）される。

凸レンズ２２からの測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から目標物に向けて送光し、この測距光１０２が反射プリズム６６などの目標物で反射したときには、この反射光１０４は平行平面ガラス２８を通過したあと対物レンレンズ３０を介してダイクロイックプリズム３２に入射する。ダイクロイックプリズム３２に入射した反射光１０４は全て反射し、受光レンズ３４、ダイクロイックプリズム３６、３７、バンドパスフィルタ３８、受光絞り４０を通過して受光素子（受光ダイオード）４２に入射する。受光素子４２に反射光１０４または参照光１００が入射すると、受光素子４２において、反射光１０４に対する光電変換によって測距信号が生成され、参照光１００に対する光電変換によって参照信号が生成され、測距信号または参照信号が測距光処理部５１に出力される。測距光処理部５１においては、受光素子４２の生成による測距信号と参照信号との位相差が求められるとともに、この位相差を基に反射プリズム６６などの目標物までの距離が求められる。この場合、凸レンズ２２を透過して送光プリズム２６から平行ガラス２８に導かれる測距光１０２は、対物レンズ３０に入射してダイクロイックプリズム３２側に反射することなく、反射プリズム６６などの目標物に向けて、発散光として出射されるため、プリズム測定時に、反射プリズム６６などの目標物までの距離を精度よく求めることができ、測定精度の向上に寄与することができる。

本実施例によれば、ノンプリズム測定時に、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内から平行平面ガラス２０を外して、凸レンズ２２から平行光による測距光１０２を出力し、この平行光による測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から壁６４などの目標物に向けて送光し、プリズム測定時には、凹レンズ１８と凸レンズ２２との間の測距光伝播路６２内に平行平面ガラス２０を挿入して、凸レンズ２２から発散光による測距光１０２を出力し、この発散光による測距光１０２を対物レンズ３０の前方側から反射プリズム６６などの目標物に向けて送光するようにしたため、いずれの測定時にも、測距光１０２の一部がノイズとして、対物レンズ３０などの受光手段に入射してダイクロイックプリズム３２側に反射することはなく、目標物までの距離を精度よく求めることができ、測定精度の向上に寄与することができる。

また、本実施例においては、測距光発散光学系として、入射面と出射面が互いに平行な平行平面ガラス２０を用いたので、平行平面ガラス２０を測距光伝播路６２内に挿入する際に、その位置が測距光伝播路６２内であれば、上下左右にずれても、測距光伝播路６２の光軸がずれることはなく、平行平面ガラス２０による発散効果を維持することができる。

本発明の一実施例を示す光波距離計のノンプリズム測定時のブロック構成図である。本発明の一実施例を示す光波距離計のプリズム測定時のブロック構成図である。

符号の説明

１０光波距離計
１２測距光源
１４送光レンズ
１６平行平面ガラス
１８凹レンズ
２０平行平面ガラス
２２凸レンズ
２４ダイクロイックミラー
２６送光プリズム
２８平行ガラス
３０対物レンズ
３２、３６ダイクロイックプリズム
４２受光素子
５１測距光処理部
４４合焦レンズ
４８焦点板
６２測距光伝播路
６４壁
６６反射プリズム
１００参照光
１０２測距光
１０４反射光

Claims

変調信号で強度変調された光を平行光として発光する発光手段と、前記発光手段の発光による発散光を平行光に変換するコリメートレンズと、平行光を入射して測距光または参照光に振り分けて出射する光分配手段と、前記光分配手段から出射された測距光を目標物に向けて送光する測距光送光手段と、前記光分配手段から出射された参照光を参照光路に送光する参照光送光手段と、前記測距光の送光に伴って前記目標物で反射した反射光を対物レンズを介して受光する受光手段と、前記受光手段の受光による反射光に対して光電変換を行って測距信号を生成するとともに、前記参照光路からの参照光に対して光電変換を行って参照信号を生成する光電変換手段と、前記光電変換手段の生成による測距信号と参照光とを比較して前記目標物までの距離を演算する演算手段とを備え、
前記測距光送光手段は、
前記光分配手段からの入射光を送光する凹レンズ及び該凹レンズからの入射光を送光する凸レンズからなり、前記光分配手段からの測距光を拡大された平行光に変換する測距光拡大光学系と、
前記光分配手段と前記測距光拡大光学系とを結ぶ測距光伝播路への挿入または前記測距光伝播路からの挿脱を切換える切換手段と、
前記切換手段により前記測距光伝播路に挿入されたときに前記測距光拡大光学系による拡大された平行光から発散光への変換を行って、前記測距光拡大光学系から発散光による測距光を出力させる測距光発散光学系と、
前記測距光拡大光学系からの測距光を前記対物レンズより前方側から前記目標物に向けて送光する送光光学系と、から構成され、
前記測距光発散光学系は、入射面と出射面が互いに平行な平行平面ガラスで構成してなり、前記測距光拡大光学系における前記凹レンズと凸レンズとの間に挿脱入され、
ノンプリズム測定を行う際には、前記測距光発散光学系を挿脱し、凹レンズからの発散光を凸レンズから平行光として出力し、目標物に向けて送光して、
プリズム測定を行う際には、前記測距光発散光学系を挿入し、凹レンズからの発散光を測距光発散光学系を通して発散光路をずらして凸レンズへ入射し、凸レンズから発散光のままに出力し、目標物に向けて送光して、
ノンプリズム測定とプリズム測定の双方での測定精度を向上させることを特徴とする光波距離計。