JPH09160649A - 光入射方向検出器およびそれを用いた自動追尾装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特定の波長の光線の入射方向を正確に検出す
ることができる光入射方向検出器およびそれを用いた自
動追尾装置の提供。 【解決手段】 凸レンズ４７を中央にして両側に凹レン
ズ４８，４９を配置し、凸レンズの焦点には位置検出セ
ンサ４６を、凹レンズの焦点には光検出センサ５２，５
３を設けた光入射方向検出器３を受光装置３に装備す
る。レーザ発信器１からのレーザ光線を受光側の凹レン
ズを通して光検出センサに入射させ、その入射光の方向
を判別して電気的にＯＮ−ＯＦＦ信号を出力する。この
電気信号に基づいてサーボモータ５の回転方向を制御し
て、凸レンズに光線が入光される領域まで光入射方向検
出器を回動する。光線が凸レンズを通して位置検出セン
サに入射されると、その入射角に応じた検出値によりサ
ーボモータを制御し、レンズ系の中心を常に光の来る方
向に、光入射方向検出器を回動して正確に正直させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は特定の波長の光線
による入射光の方向を検出する光入射方向検出器に係
り、詳しくは凸レンズのみでカバーしきれない広角の入
射光に対し、レンズ系の中心のどちら側の入射光である
かの判断ができる光入射方向検出器、およびその光入射
方向検出器を用いた自動追尾装置に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来、移動する光の入射する
方向を検出し、その入射光に追従させるように装置を作
動させる自動追尾装置が各種提案されている。この自動
追尾装置に使われる光入射方向検出器としては、例えば
光軸に対して変位して入射された光を、その変位に応じ
た電気信号に変換する光位置検出センサが用いられてい
る。この光位置検出センサには単レンズを通して入光さ
せているため、所定範囲の角度を超えた入射光の場合は
検出不能となる。特に移動物体を視準する場合、検出可
能な角度範囲が狭いと、検出器を移動物体に向けるため
のイニシャライズに手間取り、測量効率を低下させるな
どの問題があった。本発明の目的は発信された特定の波
長の光線の方向を正確に検出することができる光入射方
向検出器を提供することである。また他の目的は離れた
二点間の物体の任意の面を、常に互いに正確に向かわせ
ることができる自動追尾装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る光入射方向検出器はハウジン
グと、該ハウジングに取り付けられたレンズホルダと、
該レンズホルダに取り付けられたレンズ系と、該レンズ
系を通して入射されたレーザ光線を検出するセンサとを
備え、レンズ系は凸レンズを中央にして、該凸レンズの
両側に凹レンズを配置し、該凹レンズの光軸を凸レンズ
の光軸に対して、所定角度を持たせるとともに、センサ
はレンズ系の凸レンズを通して入射されるレーザ光線を
検知する位置検出センサ、レンズ系の凹レンズを通して
入射されるレーザ光線を検知する光検出センサから成
り、光検出センサはレーザ光線が凸レンズの光軸に対し
て所定角度範囲を超えて入射されるときに電気信号を出
力するとともに、位置検出センサはレーザ光線が凸レン
ズの光軸に対して所定角度範囲内に入射されるとき、該
入射方向に応じた電気信号を出力するようにした構成に
ある。上記の構成によれば、凸レンズのみでカバーしき
れない広角の入射光に対し中心のどちら側に光の入射光
があったのかの判断ができるので、凸レンズを広角にす
る必要がなく、超広角レンズが可能となる。また請求項
２の発明は、請求項１の発明において、レンズ系は凸レ
ンズの両側端面に、凹レンズを接合して一体化された構
成にある。上記の構成によれば、左右の凹レンズと中央
の凸レンズを一体化することにより、レンズ系が取り扱
い易くなるとともに、取り付け部品の数量を低減し、組
立ての簡略化が図られる。また請求項３の発明は、請求
項１の発明において、レンズ系は各レンズへの入光側に
光ノイズを除去するフィルタが設けられた構成にある。
上記の構成によれば、日中の太陽光下、その他光ノイズ
のある場所での装置の運用を可能にする。更に、請求項
４の発明に係る自動追尾装置は、請求項１、２、３のい
ずれか記載の光入射方向検出器と、レーザ光線を発射す
るレーザ発信器とを備えた構成にある。上記の構成によ
れば、土木測量やいつも対象が移動しているものの捕捉
等の光軸合わせに応用可能となる。本発明の共通の作用
効果として、180〜140°前方の特定の光源の発信源に対
し、装置の必要な面を正直させることができるため、無
人による位置検出が可能となる。また当該レンズの使用
により、簡素化された広角検出機構が構築でき、装置の
単純化と低コスト化が実現できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の１つの実施形
態に於ける自動追尾の概念図である。レーザ発信器１は
図示を省略した支持装置に取り付けられ、一方の測定基
準点に設置される。このレーザ発信器１は水平方向に回
転自在な構造になっており、測定基準点を中心に３６０
°に回転でき、それらの方向にレーザ光線を発射する。
レーザ光線は適当にレンズ系で調整して、ある断面を有
する光束に仕上げて発射される。レーザ発信器１側には
サーボ制御装置が搭載されており、サーボモータ２を駆
動制御してレーザ光線の発射方向を制御する。このサー
ボ制御装置は双方向の自動追尾装置を構成する場合に必
要な装置であって、距離測量装置として構成する場合に
は少なくとも一方のみ装備すれば良い。

【０００８】受光装置３はレーザ発信器１から発射され
るレーザ光線を入光できるように、他方の測定基準点、
または測定点に設置される。受光装置３には水平方向に
回動自在に設けられた光入射方向検出器４を設け、この
光入射方向検出器４の光入射部をレーザ発信器１に向か
って正直させるための回動機構（図示せず）を作動させ
るサーボモータ５を制御するＰＳＤ用サーボ制御装置が
搭載されている。光入射方向検出器４は中央に位置させ
て、位置検出を行うための第１検出部、この第１検出部
に対して水平方向の両側に光検出を行うための第２検出
部および第３検出部が配置されている。

【０００９】光入射方向検出器４を図２により詳しく説
明すると、ケーシング４１はレーザ発信器１に向けられ
る側（前部）４２が多角開放面４２ａを形成しており、
その前部４２に対し反対側の背部４３には内部空間４４
を介して前部の開放部分に通じる開口４３ａが設けられ
ている。ケーシング４１の前部４２にはレンズホルダ４
５が取り付けられている。レンズホルダ４５には中央部
分にレーザ発信器１に正対面する凸レンズ４７、この凸
レンズ４７の両側に凸レンズ４７の光軸に対して所定角
度の光軸を成す凹レンズ４８および４９が配置されてい
る。

【００１０】レンズ系は凸レンズ４７の両端面、および
凹レンズ４８，４９の一端面を研磨し、凸レンズ４７を
中央にして、両側に凹レンズ４８と４９を接合し、一体
化された１組のレンズ系を構成している。それぞれのレ
ンズの入光側は平らな表面に形成されており、多角面を
持ったレンズ系になっている。このレンズ系はサーボモ
ータ５と一体に構成されており、後述のサーボ制御装置
によって水平方向の回動が制御される。

【００１１】ケーシング４１の背部４３には開口４３ａ
に合わせて位置検出センサ４６が配置され、この位置検
出センサ４６が凸レンズ４７の焦点に位置されている。
またケーシング４１内に位置した、レンズホルダ４５の
両側には凹レンズ４８，４９の光軸に直交し、凸レンズ
４７近傍に伸びるセンサ取付部５０，５１が光軸に直角
に設けられている。このセンサ取付部５０，５１には凹
レンズ４８，４９の焦点に光検出センサ５２，５３が配
置されており、凸レンズ５７では検出できない方向から
のレーザ光線を検出する。このような構成にすることに
より、位置検出センサ４６は凸レンズ４７の光軸に対し
て所定角度範囲のレーザ光線に応じた電気信号を出力す
る。具体的には入射した光が、センサの真ん中に当たれ
ば０ボルトの電気信号を出力する。入射した光がセンサ
の左右に当たれば位置に比例したプラス（＋），マイナ
ス（−）の電気信号を出力する。一方光検出センサ５
２，５３は位置検出センサ４６の検出範囲を超えた方向
からのレーザ光線に対して電気信号を出力する。具体的
には二つの凹レンズのどちらかに光が入射しているかを
判別して電気的にＯＮ−ＯＦＦ信号を出力する。それぞ
れのレンズ表面にはノイズとなる光をカットするフィル
タ５４が設けられている。

【００１２】位置検出センサ（ＰＳＤ）４６は入射した
光の位置に応じた電気信号を出力する半導体素子により
構成されており、また光検出センサ（ＰＤ）５２，５３
は、例えばホトダイオードにより構成されている。ここ
で、第１検出部は凸レンズ４７と位置検出センサ４６、
第２検出部は凹レンズ４８と光検出センサ５２、第３検
出部は凹レンズ５９と光検出センサ５２からなってい
る。

【００１４】次に上記構成による自動追尾について説明
する。レーザ発信器は任意の位置、例えば距離測定の基
準点などに設置する。受信装置はレーザ発信器から離れ
た位置、例えば、距離Ｓの測定位置に設置する。レーザ
発信器と受光装置が所定角度範囲内に対峙されていない
場合、レーザ発信器から発射されたレーザ光線は受光装
置のいずれかの凹レンズに入光するので、光検出センサ
は二つの凹レンズのどちらかに光が入射しているかを判
別して電気的にＯＮ−ＯＦＦ信号を出力する。この電気
信号に基づいてサーボモータの回転方向を制御して、光
入射方向検出器をレーザ発信器に向くように回動する。
即ち、光検出センサからのＯＮ信号が制御系に入力され
ると、サーボモータを右回転、左回転させてレンズ系の
中心に来るように作動させる。このとき、レンズ系も一
緒に回転するので、凸レンズの領域に光が入射するよう
になる。凸レンズにレーザ光線が入光される領域に位置
されると、ＰＳＤ制御系はレーザ光線の入射角ａに応じ
た位置検出センサの出力に基づいてサーボモータを制御
し、レンズ系の中心を常に光の来る方向に、正確に位置
させる。このようにレーザ光線の入射位置を検出するた
め、位置検出センサよりの出力電圧を電気的に細分化す
れば、正対する角度精度を上げることができる。

【００１５】次に上記の光入射方向検出器を用いた自動
追尾装置の実施形態を説明する。図３に双方向の自動追
尾装置のシステム構成を示す。本例は同じ構造のレーザ
発信／受信器を２定点に設置するものである。一方のレ
ーザ発信／受信器６は光入射方向検出器６０を上側にし
てレーザ発信器６１を、基台６２に回動自在に設けられ
た本体６３の上部に配置する。他方のレーザ発信／受信
器７はレーザ発信器７０を上側にして光入射方向検出器
７１を、基台７２に回動自在に設けられた本体７３の上
部に配置する。

【００１６】図４において、サーボ制御部はＰＳＤまた
はＰＤの出力に基づいてサーボモータの右回転または左
回転の制御を行って、光入射方向検出器６０，７０を入
射光の方向に向くように回動する。またサーボ制御装置
（３）は光入射方向検出器のＰＳＤの出力に基づいてサ
ーボモータＢの回転制御を行って、本体６３，７３をレ
ーザ光線の入射方向に回動する。上記の装置構成による
双方向追尾の動作を図４により説明する。図示の制御フ
ローでは２台のレーザ発信／受信器の内、一方を親機、
他方を子機とする。なお、イニシャルスキャンは親機、
子機とも基本的に同じなので、ここでは親機側のイニシ
ャルスキャンについて説明する。

【００１８】親機と子機は予め−４５〜＋４５°の範囲
で回転するようにプログラムされており、装置がＯＮす
ると、始めに同方向に、追尾動作時のモータスピードよ
り、遅いスピード、例えば２分の１で４５°回転させ
る。設置初期の状態では通常正直されていないため、同
方向に４５°回転させても互いのレーザ光線をキャッチ
できない場合がある。しかし、反転し、逆方向に９０°
回転すると、この間にレーザ光線はキャッチされる。レ
ーザ光線がいずれかの凹レンズで受光され、当該ＰＤか
らＯＮ信号がサーボ制御部に入力されると、追尾動作時
より速いスピード、例えば５倍のスピードでサーボモー
タを駆動し、光入射方向検出器を回動してＰＳＤの急転
スキャンを実行する。即ち、レーザ光線の入射方向に凸
レンズを向けるように、光入射方向検出器を急速回転さ
せる。ＰＤからのＯＦＦ信号、つまりレーザ光線の入射
が検出されなくなると、続いてレーザ光線は凸レンズで
受光されるようになる。サーボ制御装置はＰＳＤからの
電気信号に応じて、例えば追尾動作時より遅い２分の１
のスピードでサーボモータを駆動する。レーザ光がＰＳ
Ｄに入射されるようになると、その入射光の方向に応じ
た電気信号によりサーボモータの回転方向と変位量の制
御が行われる。これにより、親機は子機に正直され、同
様に子機についてもイニシャルスキャンが実行され、子
機も親機に対して正直され、双方向追尾可能な状態にな
る。

【００１９】双方向追尾動作が開始されると、双方のレ
ーザ発信器からレーザ光線が互いの相手方の光入射方向
検出器に向けて発射される。それぞれのレーザ光線を受
信する光入射方向検出器はレンズ系の中心に常にレーザ
光線が入光されるように、つまりＰＳＤの出力が０ボル
トとなるように、それぞれのサーボモータが制御され
る。ＰＳＤの出力＝０ボルトになれば、双方が正直に向
かい合うことになる。例えば、親機または子機のどちら
か一方、または双方が動くと、それぞれの光入射方向検
出器に入射されるレーザ光の方向が変化するため、その
変位に応じて各サーボモータの回転方向、つまり一方が
右回転のとき、他方が左回転に制御され、互いに正直す
る方向に制御される。従って、所定角度範囲内の移動の
ときはＰＳＤの出力によりサーボモータを駆動させ、直
ちに本体を相手方に向けるように追尾動作する。双方の
凸レンズに入射される光の方角が大きくずれた位置に移
動したとき、それぞれのＰＤのＯＮ信号によって、サー
ボモータを駆動させ、光入射方向検出器をＰＳＤの出力
があるまで回動される。ＰＳＤの出力があれば、その出
力によって位置制御が行われ、互いに正直に位置決めさ
れる。

【００２０】本発明は移動しつつある物体と距離や角度
を絶えずチェックしておく必要のある場合、または建物
や構築物の変形や地殻の変動に伴う、地形の変化をモニ
タするシステムに適用できる。

【００２１】次に双方向追尾による測量への応用例を説
明する。本発明の双方向追尾装置に既知の光波測定機を
装備して、図５に示す親機の位置Ｏ点から子機の位置Ａ
点、Ｂ点の距離を測る場合、親機に測定機本体を載せ、
子機に反射プリズムを載せる。親機の測定機の元点をＯ
点とし、子機のプリズムの測定点をＡ点とする。測定機
とプリズムの光軸は自動追尾の親機と子機の光軸に正確
に合わせる。この状態から自動追尾スタンバイのスイッ
チを押し、親機と子機を正直させる。このときに親機か
らの光波が子機のプリズムを捕えて距離Ｌ１を測定す
る。この測定データは親機に記録される。親機は測定デ
ータに基づいて良否判断を行って、その結果を作業者に
音声にて知らせる。測定の結果が良い場合は子機をＢ点
へ移動させる。このとき、子機を水平移動させた場合は
自動追尾をしながら移動ができるため、その移動直後に
距離Ｌ２の測定が始まる。一方子機を水平移動させない
場合は自動追尾スタンバイのスイッチを押し、Ａ点のと
きと同様な作業を行う。このようにして、図示せずＣ〜
Ｎ点の多点測定は前述の作業を繰り返し行うことにより
一人で可能となる。

【００２２】上記の実施形態ではレーザ光を用いたもの
で説明したが、本発明は特定の波長の光にも同様に適用
できる。本実施形態ではレンズの入光側を平らな表面に
形成された、多角面を持ったレンズ系について説明した
が、レンズ系は両方またはいずれか一方を凸または凹形
状のレンズでも構わない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１つの実施形態に於ける自動追尾の
概念図である。

【図２】 光入射方向検出器の構成を示す平面図であ
る。

【図３】 双方向の自動追尾装置のシステム構成を示す
説明図である。

【図４】 双方向追尾の制御フローを示す図である。

【図５】 双方向追尾による測量への応用例の説明図で
ある。

【符号の説明】

１…レーザ発信器、２…サーボモータ、３…受光装置、
４…光入射方向検出器、５…サーボモータ、６，７…レ
ーザ発信／受信器、４１…ケーシング、４５…レンズホ
ルダ、４６…位置検出センサ（ＰＳＤ）、４７…凸レン
ズ、４８，４９…凹レンズ、５２，５３…光検出センサ
（ＰＤ）、５４…フィルタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、該ハウジングに取り付け
   られたレンズホルダと、該レンズホルダに取り付けられ
   たレンズ系と、該レンズ系を通して入射されたレーザ光
   線を検出するセンサとを備え、 前記レンズ系は凸レンズを中央にして、該凸レンズの両
   側に凹レンズを配置し、該凹レンズの光軸を前記凸レン
   ズの光軸に対して、所定角度を持たせるとともに、前記
   センサは前記レンズ系の凸レンズを通して入射されるレ
   ーザ光線を検知する位置検出センサ、前記レンズ系の凹
   レンズを通して入射されるレーザ光線を検知する光検出
   センサから成り、 前記光検出センサはレーザ光線が前記凸レンズの光軸に
   対して所定角度範囲を超えて入射されるときに電気信号
   を出力するとともに、前記位置検出センサはレーザ光線
   が前記凸レンズの光軸に対して所定角度範囲内に入射さ
   れるとき、該入射方向に応じた電気信号を出力すること
   を特徴とする光入射方向検出器。
2. 【請求項２】 前記レンズ系は凸レンズの両側端面に、
   凹レンズを接合して一体化されていることを特徴とする
   請求項１記載の光入射方向検出器。
3. 【請求項３】 前記レンズは各レンズへの入光側に光ノ
   イズを除去するフィルタが設けられていることを特徴と
   する請求項１および２記載の光入射方向検出器。
4. 【請求項４】 前記請求項１、２、３のいずれか記載の
   光入射方向検出器と、レーザ光線を発射するレーザ発信
   器とを備えた自動追尾装置。