JPH07117414B2 - 自動視準式光波距離計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動視準式光波距離計に関し、特に陸上局に光
波距離計を備えて沿岸作業船台の位置を測定し、高精度
の位置決めを行う海洋作業システムに用いて好適なもの
である。

〔発明の概要〕

視準サーボ光を反射器に向けて投光して、測定点に置か
れたコーナキューブプリズムからの反射光のレベルが最
大となるように受光出力に基いて光軸を水平及び垂直方
向に交互に振ることによって視準させ、視準状態にて光
波距離計を動作させるようにした自動視準式光波距離計
である。

〔従来の技術〕

土木工事、港湾工事、沿岸工事等において、ブルトーザ
ー、浚渫船、作業船台等の移動体の位置又は距離を固定
位置から計測するシステムが求められている。

従来、固定位置及び移動体の一方に光波距離計、他方に
反射器（コーナキューブプリズム等）を設け、これらの
光軸をお互いに一致させる自動視準式にして、船台等の
移動体が揺動しても支障無く位置計測ができるようにし
たシステムが知られている（例えば実公昭59−8221号公
報）。

公知の自動視準式光波距離計は、距離計と平行な視準サ
ーボ用光軸を有し、測定目標点からの視準サーボ光を４
分割受光素子（受光面を水平、垂直の４象限に分割した
ホトダイオード等）で受けて、その出力を水平、垂直の
首振りモータにフィードバックして、受光素子の原点に
サーボ光を結像させるようなサーボ系を備えている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の自動視準式光波距離計は、反射器側から発信され
る視準サーボ光を受信して対物レンズの光軸を相手局の
サーボ光軸と一致させる構成であるので、相手局に視準
サーボ用光源を設ける必要があった。

そこで視準サーボ光を自局から発信し、反射器で反射し
て戻ってきたサーボ光を受信して対物レンズの光軸を反
射器に視準させるようにすることが考えられる。しかし
反射器としてコーナキューブプリズムを用いる場合、視
準光軸が幾分ずれていても、発信光が平行に戻って来る
ため、４分割フォトダイオードでは光軸のずれを検出す
ることができないので、サーボ系を構成することができ
ない。

本発明は、反射器で反射して戻ってきたサーボ光により
光軸のずれを検出して自動視準を行えるようにすること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の自動視準式光波距離計は、反射局と測定局とか
ら成り、反射局はコーナキューブプリズム形反射器４を
備える。測定局は、上記反射器４に低周波搬送波で変調
した視準サーボ光18を送光する発光素子16と、上記反射
器４からの反射光を受光する単一の受光素子19と、上記
視準サーボ光18及びその反射光を送受光する対物レンズ
（送光レンズ13、受光レンズ14）の光軸を水平及び垂直
方向に交互に振るサーボモータ11、12を備えるサーボ機
構と、上記受光素子19とサーボ機構との間に設けられ、
上記水平方向及び垂直方向の光軸移動に伴って変化する
上記受光素子19の出力レベルが最大となるように上記対
物レンズの光軸位置を定める信号を上記サーボ機構に供
給するサーボ回路部2aとからなる視準装置２及び、上記
視準装置２の視準方向に光軸が向けられると共に、高周
波搬送波で変調した測距光を発光し、上記反射器４から
の反射光を受光して距離を測定する距離計３を備え、視
準完了後に測距することを特徴とする。

〔作用〕

光軸のずれが受光レベルの変化となって表れるのを利用
して、距離計からのサーボ光の反射光に基いて光軸を測
定目標の反射器に視準させる。水平方向と垂直方向の視
準動作を交互に行うので、光軸の上下、左右方向のずれ
を検出する４象限受光素子を使用することなく、一個の
受光素子で水平、垂直のサーボ検出部を構成できる。水
平方向及び垂直方向の各視準を同時に行えないので、光
軸の変化に対し応答遅れが生じるが、視準を達成した直
後に距離計測を行えば応答遅れは問題にならない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業船台用の自動
視準距離システムの全体のブロック図で、第２図及び第
３図は光波距離計及び反射器の正面図である。陸上側の
光波距離計は基台１上に設けられた視準装置２内に配置
されている。船台側には、コーナーキューブプリズムを
備える反射器４が配置される。

視準装置２は、水平面内で回動自在の水平架腕８及び垂
直面内で回動自在の垂直架腕９を備え、夫々Ｘ軸ギヤモ
ータ11及びＹ軸ギヤモータ12によって駆動される。垂直
架腕９上には、送光レンズ13及び受光レンズ14を備える
送受光ユニット15が取付けられている。送光レンズ13の
焦点にはLED等の発光素子16が配置され、受光レンズ14
の焦点にはフォトダイオード等の受光素子19が配置され
ている。

測定時には、測定局（陸上局）側に設けられている視準
望遠鏡41で反射局（船台局）に設けられているターゲッ
ト42を見ながら垂直微調ツマミ43及び水平微調ツマミ44
を調整して対物レンズ13、14の光軸をコーナーキューブ
プリズム７に視準させる。

上記のようにして対物レンズ13、14の光軸をコーナーキ
ューブプリズム７に視準させた後に図示しない電源スイ
ッチを投入すると、視準装置２及び光波距離計３は動作
状態となる。

視準サーボ回路2aの発光素子16には、発振変調回路17か
ら5KHzのAM変調された正弦波のサーボ信号が供給され
る。これにより発光素子16がら視準サーボ光18が送光レ
ンズ13を通して船台側に投光される。サーボ光18はほぼ
平行光線であるが、発光素子の面積等により幾分発散
し、その中心部の光量が大で周辺に行くに従って減衰す
る。

反射器４のコーナキューブプリズム７で反射されて戻っ
て来たサーボ光18は受光レンズ14を通ってその焦点に収
束し、受光素子19で受光される。受光出力は、プリアン
プ21、フィルターアンプ22によって規定の電圧レベルに
増幅される。

増幅された受光電圧はコンパレータ23の入力端子に導入
され、コンパレータ23の比較端子に導入されている基準
電圧Ｅと比較される。比較の結果、受光電圧レベルが基
準電圧Ｅよりも低い場合には、発振変調回路17の変調度
を上げて、発光素子16から送光する視準サーボ光18の強
度を増し、受光電圧レベルを規定値迄上昇させる。反対
に受光電圧レベルが基準電圧よりも高い場合には変調度
を減少させる。

なお受光電圧レベルを規定のレベルに合わせるために変
調度を大幅に加減しなければならない場合には、AGC回
路を設け、例えばコンパレータ23の出力でプリアンプ2
1、フィルターアンプ22の利得を自動制御するようにし
てもよい。このようにして一定のレベルに調整された受
光電圧レベルはピークホールド回路25に保持される（こ
の保持電圧を例えば４〔Ｖ〕とする）。

以上により、視準サーボ系の予備設定が終了する。この
状態で発振変調回路17における変調度を固定する。また
上述のようにプリアンプ21又はフィルターアンプ22にAG
C回路を設けた場合には、その利得も固定する。なお、
この予備設定は、マニュアルスイッチ45をオンにして行
う。

次にマニュアルスイッチ45をオフにすると、自動視準モ
ードになる。このモードでは上記プリアンプ21、フィル
ターアンプ22で増幅された受光電圧が、コンパレータ26
に供給される。コンパレータ26の他の入力端子にはピー
クホールド回路25の出力が供給されている。受光電圧レ
ベルがピークホールド回路25にホールドされている電圧
に対して、予かじめ定めた一定の許容範囲（例えば0.1
V）を越えて低下した時には、コンパレータ26の出力を
監視している位置制御用CPU27がこの受光電圧レベルの
低下を検出し、上記ピークホールド回路25をリセットす
ると共に、その時の受光電圧をピークホールド回路25に
ホールドする。このときサーボ光学系の光軸は第４図の
ａ点のように整準点ｃからずれていて、ピークホールド
回路25のホールド電圧は約3Vに低下している。

次いでCPU27からモータ駆動回路28に駆動スタート信号
を発信してＸギヤモータ11を回転させる。Ｘ軸ギヤモー
タ11により光軸が第４図のａ点で示きた位置からｂ点で
示した方向、即ち統計方向に移動した時に、受光電圧レ
ベルが更に低下すると、コンパレータ26の出力に基いて
CPU27がこれを弁別して、モータ駆動回路28に反転信号
を発信してＸ軸ギヤモータ11を反時計方向に回転させ
る。これによって光軸が第４図のｂ点から反時計方向に
回転し、その結果受光電圧レベルは第４図に示したよう
に上昇する。そして第４図中ｃ点迄回転すると、受光電
圧レベル31はピーク電圧Ｐ〔Ｖ〕に戻り、更にｃ点を過
ぎると低下して行く。受光電圧がピーク電圧から下がり
始めると、上記コンパレータ26の出力に基いてCPU27が
これを判定し、第４図のｄ点からＸ軸ギヤモータ11を時
計方向へ逆転させる。そして受光電圧レベルがピークホ
ールド回路25のピーク値4Vと略一致した所でモータ11を
停止させる。これにより水平方向の視準が達成される。

次にモータ駆動回路29に信号を発信してＹ軸ギヤモータ
12を上記と同じように駆動制御して、垂直方向の受信レ
ベルの最大位置に光軸を設定する。

更に正確な視準を行う場合には次のようにすればよい。
即ち、受信電圧レベルが低下した時にはピークホールド
回路25をリセットし、その時の受光電圧を第５図に示す
ようにVoとしてピークホールド回路25にホールドする。
そしてＸギヤモータ11を、受光電圧レベルが上昇するよ
うな方向、即ち第５図に示した例ではｅの位置から反時
計方向に回転させる。受光電圧レベルはＸ軸ギヤモータ
11が反時計方向に回転して行くに従って上昇し、第５図
ｃの位置で最大となり、更にｇの位置でホールド電圧Vo
と一致する。この間、位置ｅから位置ｇまでＸ軸ギヤモ
ータ11を回転させるのに要したパルス数をカウントして
おき、その合計のパルス数の1/2のパルスでＸ軸ギヤモ
ータ11を時計方向に反転させれば、対物レンズ13、14の
光軸を反射器４に正確に視準させることができる。

上記のようにして送受光レンズ13、14の光軸を反射器４
に視準させた後、CPU27から光波距離計３に動作信号S1
を与えて、距離測定を実行する。またこれと同時に、コ
ンパレータ23のゲートを開いて、受光電圧レベルが基準
電圧Ｅと一致するように送出光の強度を再調整する。

光波距離計３は、この実施例ではサーボ系の送光レンズ
13及び受光レンズ14と光軸を共用しているが、サーボ光
学系と測距光学系とを別々に設けてもよい。

送光レンズ13の光軸には半透鏡51が45゜の角度で挿入さ
れている。測距光は、距離計回路33の出力（15MHzFM）
に基いてLEDのような測距用発光素子５から半透鏡51で
反射され、送光レンズ13を通して反射器４側に投光され
る。

反射器４のコーナーキューブプリズム７からの反射光
は、受光レンズ14を通してその光軸に45゜の角度で挿入
された半透鏡58で反射され、フォトダイオードのような
測距用受光素子６に集光される。距離計回路33は、発光
素子５に与える発信信号と受光素子６からの受信信号の
位相差を検出して距離を計算する。

なお距離測定時には、位置制御用CPU27から測距動作信
号S1がアンドゲート35に与えられて、このゲート35が開
き、距離計回路33からの制御信号S2でもってモータ48が
駆動され、受光素子６の受光レベルが規定値になるよう
に光学絞り38が回転される。またマニュアルスイッチ45
をオンにして手動測距モードにしたときには、高レベル
のモード信号S3でもってアンドゲート34が開いて光学絞
り38が駆動されると共に、インバータ36の低レベル出力
でアンドゲート35が閉じられる。

受光素子６の前面にあるシャッター47が、モータ46によ
って駆動されて、測定に先立って測距光路が校正光路に
切換えられる。校正光路は、光波距離計３の電気定数や
機械定数を測定時の温度等の条件にあわせて校正するた
めに設けられているものであり、校正時には発光素子５
の出力光がオプティカルファイバ39を通じて受光素子６
に直接入射する。この状態で距離を示す表示が零点を示
すように測定値を校正する。

以上の視準及び測距の動作を第６図のフローチャートに
示す。まずステップS1、S2にて受光レベルの変化により
光軸のずれを検出し、ステップS3〜S5で受光レベルが最
大となるように水平、垂直交互に視準サーボを行う。次
にステップS6、S7でサーボ光の送光量を調整して受光レ
ベルを規定値に合わせ、そのレベルを記憶しておく。こ
こで距離測定（ステップS8）を行い、以下同様にして視
準と測距とを交互に行う。

視準サーボ系と測距系とで１つの光軸を共用する場合に
は、半透鏡51、52の挿入損失を軽減するために、測距用
の発光素子５の波長を例えば810nmとし、サーボ用の発
光素子16の波長を1100nmのように異ならせ、半透鏡51、
52としてダイクロイックミラー又はカットフィルタを用
いるとよい。ダイクロイックミラーは、850nm以上の横
長の光を効率よく通過させ、それ以下の波長の光を効率
よく反射する。

上記の例では送光レンズ13と受光レンズ14とを夫々個別
に設けた例を示したが、１つの対物レンズで送受光させ
るようにするようにしてもよい。例えば、対物レンズの
中央部分を送光用に使用し、外周部分を受光用に使用す
るようにする。或いは対物レンズの上側部分を送光用、
下側部分を受光用に使用するようにしてもよい。

また第７図の変形例で示すように、発光素子16及び受光
素子19を夫々サーボ系と距離計とで共用してもよい。こ
の場合にもサーボ期間と測距期間とを分け、サーボ時に
は、切換スイッチ61、62を点線側にして発光素子16を発
振変調回路17の出力で駆動し、受光素子19の出力をサー
ボ回路2aに供給する。また視準が達成された後には、切
換スイッチ61、62を切換えて、発光、受光素子16、19と
距離計回路33とを結合する。

〔発明の効果〕

本発明は上述の如く、測定基点から投射したサーボ光の
反射光のレベルにより光軸のずれを検出するようにした
から、反射器側にサーボ光源を置く必要が無くなり、測
距システムの構成が簡略になる。視準光軸を水平方向及
び垂直方向に交互に振って視準させるので、一つの受光
素子でも、上下左右の４象限の光軸のずれを検出してこ
れを修正することができる。従って反射器にコーナキュ
ーブプリズムを使用することが可能となる。この場合、
投射光と反射光とが平行になって、４分割フォトダイオ
ードのような４象限の結像位置検出素子では光軸のずれ
を検出することが困難であるが、反射光のレベルに基く
ことにより、光軸のずれを検出することが可能となる。

また視準用に低周波搬送波で変調したサーボ光を使用し
ているので、低周波用の受光素子や増幅回路を用いてサ
ーボ光の受光レベルから光軸ずれ上方を高精度に得るこ
とができ、高い視準精度を得ることができる。一方、光
波距離計の反射器としてコーナチューブプリズムを使用
しているから、自動視準式であっても高い測定精度及び
長距離測定性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す自動視準測距システム
の全体ブロック図、第２図及び第３図は光波距離計及び
反射器の正面図、第４図及び第５図は光軸のずれと受光
レベルとの関係を示すグラフ、第６図は視準サーボの動
作手順を示すフローチャート、第７図は光学系の変形例
を示す略線図である。 なお図面に用いた符号において、 ２……視準装置 2a……サーボ回路 ３……光波距離計 ４……反射器 ５……発光素子 ６……受光素子 ７……コーナーキューブプリズム ８……水平架腕 ９……垂直架腕 11……Ｘ軸ギヤモータ 12……Ｙ軸ギヤモータ 13……送光レンズ 14……受光レンズ 15……送受光ユニット 16……発光素子 17……発振変調回路 18……視準サーボ光 19……受光素子 である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−18812（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−211381（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−203808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−123788（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−3414（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−158376（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定局と反射局とから成り、反射局はコー
   ナキューブプリズム形反射器を備え、測定局は、 上記反射器に低周波搬送波で変調した視準サーボ光を送
   光する発光素子と、 上記反射器からの反射光を受光する単一の受光素子と、 上記視準サーボ光及びその反射光を送受光する対物レン
   ズの光軸を水平及び垂直方向に交互に振るサーボモータ
   を備えるサーボ機構と、 上記受光素子とサーボ機構との間に設けられ、上記水平
   方向及び垂直方向の光軸移動に伴って変化する上記受光
   素子の出力レベルが最大となるように上記対物レンズの
   光軸位置を定める信号を上記サーボ機構に供給するサー
   ボ回路部とからなる視準装置と、 上記視準装置の視準方向に光軸が向けられると共に、高
   周波搬送波で変調した測距光を発光し、上記反射器から
   の反射光を受光して距離を測定する距離計とを備え、 視準完了後に測距することを特徴とする自動視準式光波
   距離計。