JP5665286B2

JP5665286B2 - 光波距離計

Info

Publication number: JP5665286B2
Application number: JP2009157781A
Authority: JP
Inventors: 康俊青木
Original assignee: Sokkia Topcon Co Ltd
Current assignee: Sokkia Topcon Co Ltd
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011013108A

Description

本発明は、強度変調されて所定の位相を有する光を目標反射物に反射させて得た測距光と、前記強度変調光を参照光通路へ射出して得た参照光の位相差を測定して目標反射物までの直線距離を測定する光波距離計に関する。

従来の光波距離計には、強度変調されて所定の位相を有する光を測定地点に配置したプリズムや反射鏡等の目標反射物に反射させて得られる測距光と、前記強度変調光を参照光通路へ射出して得た参照光を受光手段でそれぞれ受光して出力された、前記測距光の電気信号（測距信号）と参照光の電気信号（参照信号）の位相差を算出して目標反射物までの直線距離を測定するもの（一般的に位相差方式光波距離計という）がある。位相差方式光波距離計は、測定距離に応じて測距光と参照光の位相差が変化することを利用したものである。

測距光と参照光の位相差Δφは、目標反射物までの測距距離をＤ、変調周波数をｆ、高速をＣとすると、Δφ＝４πｆＤ／Ｃで表され、測距距離Ｄは、位相差Δφを測定することで求められる。また、実際の測定においては、２つ以上の大きさの異なる周波数による変調光が使用され、それぞれの分解能に応じて距離値の各桁が決定される。

かかる光波距離計においては、光波距離計から目標反射物までの距離が近いと受光される測距光の光量が強くなり、前記距離が遠いと測距光の光量が弱くなるため、光波距離計から目標反射物までの距離に応じて測距信号の出力レベルにバラツキが発生する。そこで、かかる光波距離計においては、例えば、下記特許文献１に示すように、目標反射物と受光手段との間にモーター等で駆動する可変式受光濃度フィルター機構を設けて反射光（測距光）の絞り調節を行うことにより、測距光量を最適な状態に調節していた。

特公昭５１−８３４０号公報

従来の光波距離計に使用されていた可変式受光濃度フィルター機構は、機械的な構造を動作させて絞り調節を行った結果、光量調節に時間がかかっていた。特に、光波距離計から数km離れた測定地点にプリズムを配置して行われるような遠距離測距においては、送出された測距光が大気の揺らぎによって光路を曲げられ、測距光量が大きく変化した結果、光量調節に数秒程度かかり、所定の測距仕様時間内に光量を調節できなくなるという問題が発生していた。

本願発明は、かかる問題点に鑑みて、可変式受光濃度フィルターが不要であって、測距光量がより高速に調節出来る光波距離計を提供するものである。

請求項１の光波距離計は、発光素子を有し、異なる周波数の搬送波を重畳化した基準搬送波信号によって強度変調された光を送出する光送出手段と、該光送出手段の光を測定地点に配置した目標反射物または参照光路のうち選択された一方に送出する光分出手段と、前記目標反射物で反射された測距光または前記参照光路を通過した参照光を受光して測距信号と参照信号を出力する受光手段と、前記測距信号と参照信号の位相差によって目標反射物までの直線距離を求める距離算出手段と、を備えた光波距離計において、前記基準搬送波信号は、発振器と分周器によって生成された互いに異なる周波数を有する搬送波を重畳化した信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）であり、前記信号Ｆ１よりも微小値Δｆ１だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ１＋Δｆ１を出力するローカル信号発振器と、基準搬送波信号Ｆ１を搬送波信号Ｆ２，Ｆ３に分周すると共に、周波数信号Ｆ１+Δｆ１に基づいて、搬送波信号Ｆ２，Ｆ３よりも更に微小値Δｆ２、Δｆ３だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ２＋Δｆ２とＦ３＋Δｆ３をそれぞれ出力する周波数生成回路と、基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を周波数信号（Ｆ１+Δｆ１，Ｆ２＋Δｆ２，Ｆ３＋Δｆ３）に基づいて、より周波数帯が低い周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）に変換する周波数変換器と、電気信号である周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）をデジタルデータの周波数信号（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）に変換するＡＤコンバータと、測距光と参照光の周波数信号（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）からそれぞれの振幅と位相情報を解析して得られる測距光と参照光の位相差によって目標反射物までの直線距離を求めるＣＰＵと、光量の設定値を記憶する記憶手段と、直流の電圧を供給されつつ前記発光素子に接続された可変抵抗手段であるデジタルポテンショメータと、前記ＣＰＵによって測距信号の振幅から得られる光量の数値を記憶手段に記憶した光量の設定値と比較して差を測定し、測定結果に基づいて前記デジタルポテンショメータを制御する、前記デジタルポテンショメータの制御手段と、を有する光量調節手段と、を設けた。即ち、請求項１では、機械的な動作手段で受光する反射光量を調節する代わりに、電気的手段によって発光素子の点灯光量を調節することにした。

（作用）発光素子における点灯光量は、電気的手段のみによって調節でき、調節時に可変式受光濃度フィルターによるモーター等の機械的な動作を含まないため、調節に必要な時間が短い。また、光波距離計は、モーター等の配置スペースが不要になる。
また、発光素子に負荷される抵抗値を調節して発光素子の発光量を変化させることによって、測距光の光量が極めて短時間で調節され、デジタルポテンショメータは、発光素子の微細な光量調節を可能にする。

請求項２は、請求項１の光波距離計において、前記制御手段が、測距光の光量調節結果に伴い、参照光の光量を測距光と同様に変化させるようにした。

（作用）測距光の光量調節結果を利用して参照光の光量を変化させた場合、発光素子においては、発光時に位相の変化が生じにくくなる。

請求項１の光波距離計によれば、測距光の光量調節時間が従来よりも大幅に短縮されるため、測距仕様時間内における光量調節回数を増やすことが出来る。その結果、光波距離計と目標反射物との間で大気に大きな揺らぎが発生したために１度で光量の調節が完了しないような場合であっても、回数を重ねることによって測距仕様時間内に光量調節を完了出来る可能性が高くなる。また、可変式受光濃度フィルターのモーター等の機構が不要になるため、光波距離計の大きさがコンパクトになるとともに、コストダウンが図られる。また、測距光量を微細に調節出来るため、より誤差の少ない距離測定が可能になる。

請求項２の光波距離計によれば、参照光における温度ドリフトによる位相の変化を最小限に抑制することが出来る。

光波距離計の実施例のブロック図である。測距光量が適正光量を超えている場合における測距光量調節の説明図である。測距光量が適正光量を超えていない場合における説明図である。

次に、図１により光波距離計の最適な実施形態を説明する。実施例の光波距離計は、以下に示す光送出手段１００、発光素子の光量調節手段１０１、受光手段（受光素子３０）、ローカル信号送出手段１０３、及び距離算出手段（ＣＰＵ４１）等を構成要素に含む。

発振器１、分周器２、周波数重畳回路３，駆動回路４及び発光素子１０は、図１に示すように順番に接続されて、光送出手段１００を構成する。

発振器１は、所定の周波数を有する基準搬送波信号Ｆ１を発生させる。分周器２は、基準搬送波信号Ｆ１を分周して異なる周波数を有する基準搬送波信号Ｆ２，Ｆ３を発生させる。基準搬送波信号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、周波数重畳回路３によって重畳化される。電圧供給を受ける駆動回路４は、重畳化された基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）に基づく交流信号によって発光素子１０を発光させ、重畳化された基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）の振幅で強度変調した光を送出させる。

発光素子１０には、一定値の抵抗を発光素子１０に負荷する負荷抵抗８とデジタルポテンショメータ９（可変抵抗手段）が接続される。また、負荷抵抗８は、導通と非導通を切り替え可能なデジタルスイッチ１３を介して直流電源１４から直流電圧の供給を受ける。デジタルポテンショメータ９には、制御手段１２が接続される。デジタルポテンショメータ９は、制御手段１２によって制御される可変抵抗器であって、発光素子１０に負荷される抵抗を変化させる。また、デジタルポテンショメータ９は、負荷抵抗８、制御手段１２、デジタルスイッチ１３、直流電源１４と共に光量調節手段１０１を構成する。

発光素子１０に負荷される抵抗値は、負荷抵抗８とデジタルポテンショメータ９の合成抵抗値によって定められる。発光素子１０は、直流電圧を受けた状態で制御手段１２によってデジタルポテンショメータ９の抵抗値を上げると発光光量が減少し、前記抵抗値を下げると発光光量が増加する。

ビームスプリッタ２０は、切り替えシャッター２７と共に光分出手段１０２を構成する。発光素子１０から送出された光は、ビームスプリッタ２０に入力されて、測距光路２１方向と参照光路２５方向に２分割されると共に分割された光のいずれかを切替シャッター２７によって遮光される。前記分割光は、測距光路２１側または参照光路２５側のうち切替シャッター２７に遮光されていない方の光路に送出される。

切替シャッター２７によって参照光路２５側が遮光されることにより、測距光路２１へ送出した光は、測定地点に配置したプリズム等の目標反射物２２によって測距光路２３に反射される。該反射された光（以降は、測距光という）は、受光光学２４（集光レンズ等）で集光されて受光素子３０（光受光手段）によって受光される。一方、シャッター２７を切り替えて測距光路２１側が遮光されることにより、参照光路２５へ送出した光（以降は、参照光という）は、濃度フィルタ２６で一定の光量調節を受けたあと受光素子３０によって受光される。

受光素子３０には、増幅器３１が接続され、増幅器３１には、基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）毎に周波数変換機（３２，３５，３８）、低域フィルタ（３３，３６，３９）、ＡＤコンバータ（３４，３７，４０）が接続されている。ＡＤコンバータ（３４，３７，４０）は、ＣＰＵ４１に接続され、ＣＰＵ４１は、デジタル信号化された測距信号と参照信号の位相差を検出すると共に測定距離の算出を行う。

測距光と参照光は、受光素子３０によって、基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を示す電気信号に変換され、増幅器３１で増幅されたあと、（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を示す電気信号毎に周波数変換機（３２，３５，３８）にそれぞれ入力される。

一方、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）５、ローカル信号発振器６、周波数生成回路７は、ローカル信号送出手段１０３を構成する。ＰＬＬ５は、発振器１に接続され、ローカル信号発振器６は、双方向の信号線によってＰＬＬ５と接続される。周波数生成回路７は、発振器１とローカル信号発振器６にそれぞれ接続される。またローカル信号発振器６は、周波数変換機３２に接続され、周波数生成回路７は、周波数変換器（３５，３８）に接続されている。

ローカル信号発振器６は、ＰＬＬ５を介して発振器１から基準搬送波信号Ｆ１を受けることにより、信号Ｆ１よりも微小値Δｆ１だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ１+Δｆ１を周波数変換機３２に出力する。周波数生成回路７は、発振器１から搬送波信号Ｆ１を受け、更にローカル信号発振器６から周波数信号Ｆ１+Δｆ１を受ける。そして、周波数生成回路７は、まず基準搬送波信号Ｆ１を搬送波信号Ｆ２，Ｆ３に分周すると共に、周波数信号Ｆ１+Δｆ１に基づいて、搬送波信号Ｆ２，Ｆ３よりも更に微小値Δｆ２、Δｆ３だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ２＋Δｆ２とＦ３＋Δｆ３をそれぞれ出力する。周波数信号（Ｆ２＋Δｆ２，Ｆ３＋Δｆ３）は、それぞれ周波数変換器（３５，３８）に入力される。

周波数変換器（３２，３５，３８）は、測距光または参照光として入力された基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）をローカル信号送出手段１０３側の周波数信号（Ｆ１+Δｆ１，Ｆ２＋Δｆ２，Ｆ３＋Δｆ３）に基づいて、より周波数帯が低く扱い易い周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）に変換する。周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）は、周波数変換機（３２，３５，３８）で発生したノイズを低域フィルタ（３３，３６，３９）によって除去されて、ＡＤコンバータ（３４，３７，４０）に送られ、電気信号からデジタルデータ（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）に変換される。

ＣＰＵ４１は、デジタルデータとなった測距光と参照光の周波数信号（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）からそれぞれの振幅と位相情報を解析し、測距光と参照光の位相差により、光波距離計から目標反射物２２に至る直線距離を少ない誤差で算出する。

次にデジタルポテンショメータ９による測距光量の調節を説明する。図１に示す制御手段１２は、ＣＰＵ４１で解析された測距光の振幅（光量）に応じてデジタルポテンショメータ９の抵抗値を調節し、発光素子１０による出力を変化させることで測距光量を調節する。

光波距離計には、仕様に応じて適正光量と下限光量が定められており、それら光量の設定値が記憶手段４３に記憶されている。ＣＰＵ４１は、測距信号の振幅から得られる光量の数値を記憶手段４３の設定値と比較して差を測定し、抵抗値の制御信号をデジタルポテンショメータ９に送出する。その結果、測距光の測定時における発光素子１０の発光量は、デジタルポテンショメータ９の変更された抵抗値に応じて調節される。

また、参照光の光量は、測距光の調節に伴って測距光と同様に変化する。このようにして測距光の光量調節結果を利用して参照光の光量を変化させた場合、発光素子１０においては、発光時に位相の変化が生じにくくなる。その結果、参照光は、温度ドリフトによる位相の変化を最小限に抑制することが出来る。

また、測距光量の具体的な調節は、参照光量を予めデジタルポテンショメータ９によって適正光量に調節した状態で以下のように行われる。測距光量は、光波距離計から目標反射物２２までの距離に応じて、適正光量より多い場合（図２を参照）と適正光量より少ない場合（図３を参照）がある。

即ち、光波距離計から目標反射物２２に至る測距を行った結果、図２に示すように測距光量が適正光量より多い場合には、デジタルポテンショメータ９の抵抗値を増加させて測距光量を適正光量まで減少させる。その際、参照光量は、測距光の減少に伴って適正光量から少なくなる。参照光量が下限光量を上回る場合には、測距（距離測定）を行い、参照光量が下限光量を下回る場合には、測距を中止する。

一方、目標反射物２２までの測距を行った結果、図３に示すように、測距光量が参照光量より少ない場合には、デジタルポテンショメータ９による測距光量の調節を行わない。そして測距光量が下限光量を超えている場合には、測距を行い、測距光量が下限光量を下回る場合には、測距を中止する。

９デジタルポテンショメータ（可変抵抗手段）
１０発光素子
１２制御手段
２２目標反射物
２５参照光路
３０受光素子（受光手段）
４１ＣＰＵ（距離算出手段）
１００光送出手段
１０１光量調節手段
１０２光分出手段

Claims

発光素子を有し、異なる周波数の搬送波を重畳化した基準搬送波信号によって強度変調された光を送出する光送出手段と、該光送出手段の光を測定地点に配置した目標反射物または参照光路のうち選択された一方に送出する光分出手段と、前記目標反射物で反射された測距光または前記参照光路を通過した参照光を受光して測距信号と参照信号を出力する受光手段と、前記測距信号と参照信号の位相差によって目標反射物までの直線距離を求める距離算出手段と、を備えた光波距離計において、
前記基準搬送波信号は、発振器と分周器によって生成された互いに異なる周波数を有する搬送波を重畳化した信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）であり、
前記信号Ｆ１よりも微小値Δｆ１だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ１＋Δｆ１を出力するローカル信号発振器と、
基準搬送波信号Ｆ１を搬送波信号Ｆ２，Ｆ３に分周すると共に、周波数信号Ｆ１+Δｆ１に基づいて、搬送波信号Ｆ２，Ｆ３よりも更に微小値Δｆ２、Δｆ３だけ周波数のずれている周波数信号Ｆ２＋Δｆ２とＦ３＋Δｆ３をそれぞれ出力する周波数生成回路と、
基準搬送波信号（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を周波数信号（Ｆ１+Δｆ１，Ｆ２＋Δｆ２，Ｆ３＋Δｆ３）に基づいて、より周波数帯が低い周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）に変換する周波数変換器と、
電気信号である周波数信号（Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３）をデジタルデータの周波数信号（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）に変換するＡＤコンバータと、
測距光と参照光の周波数信号（Δｆ１’，Δｆ２’，Δｆ３’）からそれぞれの振幅と位相情報を解析して得られる測距光と参照光の位相差によって目標反射物までの直線距離を求めるＣＰＵと、
光量の設定値を記憶する記憶手段と、
直流の電圧を供給されつつ前記発光素子に接続された可変抵抗手段であるデジタルポテンショメータと、前記ＣＰＵによって測距信号の振幅から得られる光量の数値を記憶手段に記憶した光量の設定値と比較して差を測定し、測定結果に基づいて前記デジタルポテンショメータを制御する、前記デジタルポテンショメータの制御手段と、を有する光量調節手段と、
を設けたことを特徴とする光波距離計。
前記制御手段は、測距光の光量調節結果に伴い、参照光の光量を測距光と同様に変化させることを特徴とする、請求項１に記載の光波距離計。