(57)【要約】【課題】目に対する安全性を図りつつ測定可能距離範囲の伸長を図ることのできる光波距離計を提供する。【解決手段】本発明の光波距離計は、測距対象に照射される測定光を変調するための変調用信号を発生する変調用信号発生器１と、変調用信号を断続的に発光素子１０に加えて断続変調測定光を発生させるための断続パルス信号を周期的に生成する断続パルス信号発生器４と、変調用信号Ｓ２とわずかに異なる周波数の内部周波数信号Ｓ５を発生する周波数信号発生器５Ａと、断続変調測定光を受光して受光信号を出力する受光素子２７と、受光信号Ｓ４と内部周波数信号Ｓ５とが入力されて断続差周波数信号Ｓ７を生成する差周波数信号発生器７と、差周波数信号発生器７から出力される断続差周波数信号Ｓ７の位相と参照光路を通して得られる断続差周波数信号の位相との位相差に基づき測距対象までの距離を演算する演算部３６とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象に照射される測定光を変調するための変調用信号を発生する変調用信号発生手段と、
前記変調用信号を断続的に発光素子に加えて断続変調測定光を発生させるための断続パルス信号を周期的に生成するパルス信号発生手段と、
前記変調用信号とわずかに異なる周波数で内部周波数信号を発生する周波数信号発生手段と、
前記断続変調測定光を受光して受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号と前記内部周波数信号とが入力されて断続差周波数信号を生成する差周波数信号発生手段と、
該差周波数信号発生手段から出力される断続差周波数信号の位相と参照光路を通して得られる断続差周波数信号の位相との位相差に基づき前記測距対象までの距離を演算する演算部とを備えていることを特徴とする光波距離計。
【請求項２】
前記断続差周波数信号の信号発生区間を所定間隔でサンプリングするサンプリング回路と、サンプリングデータを保存する記憶手段を備え、前記演算部は該記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて位相差を演算することを特徴とする請求項１に記載の光波距離計。
【請求項３】
前記断続差周波数信号の信号発生区間を平均化する平均化処理回路と、該平均化処理回路により平均化された信号をサンプリングするサンプリング回路と、サンプリングデータを保存する記憶手段を備え、前記演算部は該記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて位相差を演算することを特徴とする請求項１に記載の光波距離計。
【請求項４】
前記演算部は、前記断続差周波数信号の信号発生区間を所定間隔でサンプリングすることにより得られたサンプリングデータに基づき正弦波曲線を生成すると共に、参照光路を通して得られる断続差周波数信号の信号発生区間をサンプリングすることにより得られたサンプリングデータに基づき正弦波曲線を生成し、両正弦波曲線の位相差に基づき、距離を演算することを特徴とする請求項１に記載の光波距離計。
【請求項５】
前記サンプリングデータは、前記断続差周波数信号の複数周期に渡って積算され、前記演算部は、該複数周期に渡って積算された積算データに基づいて前記正弦波曲線を生成することを特徴とする請求項４に記載の光波距離計。
【請求項６】
前記断続パルス信号発生手段による断続パルス信号の非発生区間内のノイズをサンプリングノイズデータとして収集し、前記演算部は、該サンプリングノイズデータに基づいてノイズ曲線を生成し、前記信号発生区間をサンプリングすることにより得られた正弦波曲線から前記ノイズ曲線の差分を求めて該正弦波曲線を補正することを特徴とする請求項４に記載の光波距離計。
【請求項７】
前記断続パルス信号の周期は、間隔をおいて変調信号の周期と一致する請求項１に記載の光波距離計。
【請求項８】
前記受光素子に直接に前記内部周波数信号を入力して前記断続差周波数信号を生成する請求項１に記載の光波距離計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調された測定光を測定対象に照射し、測定対象からの反射測定光を受光して、測定光と反射測定光との位相差により測定対象までの距離を測定する光波距離計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光波距離計には、測定場所に設置の測定対象としての反射プリズムに、光波距離計から測定光を照射し、反射プリズムにより反射された反射測定光を受光して、反射測定光の位相差により測定場所までの距離を測定している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
近時は、直接手の届かない場所を測定する要求から、反射プリズムを用いずに、測定対象に直接測定光を照射し、その測定対象からの反射測定光を受光検出して測定対象までの距離を測定する光波距離計が多くなりつつある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−２３２２３２号公報（段落番号０００２、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、反射プリズムを用いずに距離の測定を行う測量機では、測定対象の反射率が通常小さいので、ノイズの影響を受け易く測定できる距離が短く、測定可能距離の伸長が要望されている。測定可能距離の伸長は、単純的に考えると、照射光量に比例することから、光波距離計から照射される測定光の出力に依存する。
【０００６】
しかしながら、測定光には一般的にレーザー光が用いられており、目に対する安全性の観点から光波距離計から照射される測定光の出力に制限が安全規格等により義務づけられている。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、目に対する安全性を図りつつ測定可能距離範囲の伸長を図ることのできる光波距離計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光波距離計は、測距対象に照射される測定光を変調するための変調用信号を発生する変調用信号発生手段と、
前記変調用信号を断続的に発光素子に加えて断続変調測定光を発生させるための断続パルス信号を周期的に生成するパルス信号発生手段と、
前記変調用信号とわずかに異なる周波数で内部周波数信号を発生する周波数信号発生手段と、
前記断続変調測定光を受光して受光信号を出力する受光素子と、
前記受光信号と前記内部周波数信号とが入力されて断続差周波数信号を生成する差周波数信号発生手段と、
該差周波数信号発生手段から出力される断続差周波数信号の位相と参照光路を通して得られる断続差周波数信号の位相との位相差に基づき前記測距対象までの距離を演算する演算部とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の光波距離計は、請求項１に記載のものにおいて、前記断続差周波数信号の信号発生区間を所定間隔でサンプリングするサンプリング回路と、サンプリングデータを保存する記憶手段を備え、前記演算部は該記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて位相差を演算することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の光波距離計は、請求項１に記載のものにおいて、前記断続差周波数信号の信号発生区間を平均化する平均化処理回路と、該平均化処理回路により平均化された信号をサンプリングするサンプリング回路と、サンプリングデータを保存する記憶手段を備え、前記演算部は該記憶手段に記憶されたサンプリングデータに基づいて位相差を演算することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の光波距離計は、請求項１に記載のものにおいて、前記演算部は、前記断続差周波数信号の信号発生区間を所定間隔でサンプリングすることにより得られたサンプリングデータに基づき正弦波曲線を生成すると共に、参照光路を通して得られる断続差周波数信号の信号発生区間をサンプリングすることにより得られたサンプリングデータに基づき正弦波曲線を生成し、両正弦波曲線の位相差に基づき、距離を演算することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の光波距離計は、請求項４に記載のものにおいて、前記サンプリングデータは、前記断続差周波数信号の複数周期に渡って積算され、前記演算部は、該複数周期に渡って積算された積算データに基づいて前記正弦波曲線を生成することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の光波距離計は、請求項４に記載のものにおいて、前記断続パルス信号発生手段による断続パルス信号の非発生区間内のノイズをサンプリングノイズデータとして収集し、前記演算部は、該サンプリングノイズデータに基づいてノイズ曲線を生成し、前記信号発生区間をサンプリングすることにより得られた正弦波曲線から前記ノイズ曲線の差分を求めて該正弦波曲線を補正することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の光波距離計は、請求項１に記載のものにおいて、前記断続パルス信号の周期は、間隔をおいて変調信号の周期と一致する。
【００１５】
請求項８に記載の光波距離計は、請求項１に記載のものにおいて、前記受光素子に直接に前記内部周波数信号を入力して前記断続差周波数信号を生成することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係わる光波距離計の計測回路のブロック図、図２はその光波距離計の光学図である。この図１において、１は基準信号発生器、２、３は分周回路、４はパルス信号発生器（パルス信号発生手段）である。
【００１７】
基準信号発生器１は、測距対象に照射される測定光を変調するための３０Ｍｚの周波数の変調用信号を発生する。分周回路２は３０Ｍｚの変調用信号を１／１００に分周して３００Ｋｚの変調用信号を発生する。その基準信号発生器１、分周回路２は変調用信号発生手段として機能する。分周回路３は３００Ｋｚの変調用信号を１／１００に分周して３ＫＨｚの信号を発生する。
【００１８】
その３ＫＨＺの信号は、第１信号発生器５Ａと第２信号発生器５Ｂとに入力される。第１信号発生器５Ａは３０ＭＨｚの変調用信号の周波数とはわずかに異なる周波数３０ＭＨｚ−３ＫＨｚの内部周波数信号Ｓ５を発生し、第２信号発生器５Ｂは３００ＫＨｚの変調用信号の周波数とはわずかに異なる周波数３００ＫＨｚ−３ＫＨｚの内部周波数信号Ｓ６を発生する。その第１信号発生器５Ａからの内部周波数信号Ｓ５と第２信号発生器５Ｂからの内部周波数信号Ｓ６とは切り替えゲート６Ａを介してミキシング回路（差周波数信号発生手段）７に入力される。その切り替えゲート６Ａは演算制御部３６によって、３０ＭＨｚ−３ＫＨｚの内部周波数信号Ｓ５をミキシング回路７に向かって出力するモードと３００ＫＨｚ−３ＫＨｚの内部周波数信号Ｓ６をミキシング回路７に向かって出力するモードとの間で切り替えられる。
【００１９】
パルス信号発生器４は、図３に示すように、基準信号発生器１に同期して周波数３ＫＨｚの周波数信号Ｓ１の周期の１２分の１の周期を有する断続パルス信号Ｐ１を発生する。その断続パルス信号Ｐ１の周期は、図４に示すように２７．７８μｓであり、そのパルス幅は３．３μｓである。パルス周期、パルス幅は任意に変更可能である。
【００２０】
その断続パルス信号Ｐ１はアンド回路８の一端子に入力される。基準信号発生器１からの変調用信号Ｓ２と分周回路２からの変調用信号Ｓ３とは、切り替えゲート６Ｂを介してアンド回路８の他端子に入力される。その切り替えゲート６Ｂは切り替えゲート６Ａに同期して３０Ｍｚの変調用信号Ｓ２をアンド回路８の他端子に向けて出力するモードと３００ＫＨｚの変調用信号Ｓ３をアンド回路８の他端子に向けて出力するモードとの間で切り替えられる。周波数３０ＭＨｚの変調用信号Ｓ２は短距離測定用に用いられ、周波数３００ＫＨｚの変調用信号Ｓ３は長距離測定用に用いられ、ここでは、周波数３０ＭＨｚの変調用信号Ｓ２が選択されているものとする。
【００２１】
アンド回路８は、切り替えゲート６Ｂが周波数３０Ｍｚを出力する側のモードに切り換えられているときには、図５に拡大して示すように、断続パルス信号Ｐ１が発生されている区間内に１００個の周波数３０Ｍｚの変調用信号Ｓ２をドライバ回路９に向けて出力し、切り替えゲート６Ｂが周波数３００Ｋｚを出力する側のモードに切り換えられているときには、図６に示すように、断続パルス信号Ｐ１が発生されている区間内に１個の周波数３００ＫＨｚの変調用信号Ｓ３をドライバ回路９に向けて出力する。そのドライバー回路９は発光素子１０としてのレーザーダイオード又はＬＥＤを駆動する。
【００２２】
従って、図７に示すように、変調光Ｑが間欠的に後述する測定対象に向けて照射される。ここで、連続変調して測定光ｑを放射したときの平均エネルギーをｅとし、Ａ倍に増強して変調光Ｑをその放射周期ＴのＡ分の１の区間内に放射するものとすると、放射光の平均エネルギーは測定光ｑを連続して放射したときのものと同じになるが、目に対する安全規格を確保しつつＳ／Ｎ比はＡの１／２乗分改善される。
【００２３】
そのレーザーダイオードは、図２に示すように測距光学系１１の一部を構成している。測距光学系１１は、射出光学系１２、受光光学系１３からなる。射出光学系１２は、コリメートレンズ１４、分割ミラー１５、光量調整器１７、全反射ミラー１８、反射ミラー１９、対物レンズ２０を備えている。
【００２４】
コリメートレンズ１４は発光素子１０から出射された変調光Ｑを変調測定光Ｑ’として平行光束に変換する。分割ミラー１５の近傍にはその平行光束を全反射ミラー１８が存在する測定光路と、平行光束を後述する受光素子に導く全反射ミラー２１が存在する参照光路との間で切り替える光路切り替え器２２が設けられている。光量調整器１７は測定光の光量を調整する役割を果たす。
【００２５】
変調測定光Ｑ’は全反射ミラー１８により反射されて反射ミラー１９に導かれる。反射ミラー１９はその中心が対物レンズ２０の中心Ｏと同軸に配設されている。その反射ミラー１９は全反射ミラー１８により反射された測定光Ｑ’を対物レンズ２０に向けて反射する。
【００２６】
対物レンズ２０の中心部２０Ａを通った変調測定光Ｑ’は測定対象が再帰反射プリズム２４の場合は、再帰反射プリズム２４により反射され、再帰反射プリズムではなく散乱体の場合は、散乱体から反射変調測定光Ｑ”として再び対物レンズ２０が存在する方向に向けられる。
【００２７】
その再帰反射プリズム２４または散乱体により反射された反射変調測定光Ｑ”は、対物レンズ２０の周辺部２０Ｂを通って受光光学系１３に導かれる。受光光学系１３には、視準光学系２５の一部を構成する波長分割ミラー２６が設けられると共に、受光素子２７が設けられている。可視光はこの波長分割ミラー２６を透過して、接眼レンズ２８に導かれる。測量作業者はその接眼レンズ２８を通じて再帰反射プリズム２４を視準できる。
【００２８】
その受光素子２７には、例えばアバランシフォトダイオードＡＰＤが用いられる。その受光素子２７は反射変調測定光Ｑ”を受光して、図８（ｃ）に示すように受光信号（測定信号）Ｓ４を出力する。
【００２９】
その受光信号Ｓ４は、図１に示すように、プリアンプリファイア２９により増幅されてミキシング回路７に入力される。ミキシング回路７は、受光信号Ｓ４と周波数信号Ｓ５又はＳ６とに基づき断続差周波数信号Ｓ７を生成する。その図８において、（ｂ）は周波数３０Ｍｚ−３ＫＨｚの内部周波数信号Ｓ５を示し、（ａ）はその内部周波数信号Ｓ５と受光信号Ｓ４との一部を拡大して示し、（ｄ）は断続差周波数信号Ｓ７を示し、（ｅ）はその断続差周波数信号Ｓ７を部分的に拡大して示している。
【００３０】
その断続差周波数信号Ｓ７は、受光信号Ｓ４と内部周波数信号Ｓ５との差が３ＫＨｚであるので、断続差周波数信号Ｓ７は３ＫＨｚの周波数を有するビート信号、すなわち、図８（ｄ）に示すようなビート信号Ｓ９となる。その断続差周波数信号Ｓ７はアンプリファイア３０により増幅されて、平均化回路３１に入力される。平均化回路３１がない場合には直接Ａ／Ｄコンバータ３２に入力される。平均化回路３１は、タイミングパルス発生器３３により断続差周波数信号Ｓ７に含まれている信号Ｓ８を平均化する役割を果たす。例えば、平均化回路にはローパスフィルタがある。このとき、ローパスフィルタの時定数は断続パルス幅よりも短い。
【００３１】
そのタイミングパルス発生器３３は３０ＭＨｚ又は３００ＫＨＺの変調用信号に同期してＡ／Ｄコンバータ３３、演算制御部３６に向けてタイミングパルスを出力する。
【００３２】
周波数３０ＭＨｚの変調用信号Ｓ２で変調された反射変調測定光Ｑ”を受光することにより得られた断続差周波数信号Ｓ７及び平均化出力を３ＭＨｚの周波数でサンプリングすると、図８（ｆ）に拡大して示すように、１０個のサンプリングアナログデータが断続パルス信号Ｐ１の信号発生区間Ｈ内に得られる。平均化回路３１は平均した平均化アナログデータをＡ／Ｄコンバータ３２に向けて出力する。
【００３３】
そのＡ／Ｄコンバータ３２は、タイミングパルス発生器３３に同期してデータをサンプリングするもので、周波数３ＫＨｚの断続差周波数信号Ｓ７を３ＭＨｚでサンプリングするものであるから、断続差周波数信号Ｓ７の一周期内のサンプリング総数は１０００個となる。
【００３４】
このサンプリングデータは加算器（Ａｄｄｅｒ）３４を介して記憶手段としてのメモリ３５に記憶される。メモリ３５に記憶保存されたサンプリングデータは、加算器３４に入力される。その加算器３４は断続差周波数信号Ｓ７の例えば１０周期（ｎ周期）に渡ってサンプリングデータを加算する役割を果たし、断続差周波数信号Ｓ７の積算値を出力する。そして、図９に模式的に示すように、積算差周波数信号データ（積算データ）Ｓ１０が得られる。このデータは、１０データの積算値であり、それぞれの積算値を１／１０にすれば、１０データの平均が求まる。
【００３５】
演算制御部３６は、メモリ３５との間で情報の授受を行い、メモリ３５に記憶されているサンプリングデータに基づいて正弦波曲線を生成する。
【００３６】
すなわち、演算制御部３６は、図１０に示すように、メモリ３５内の最大値を検索し（Ｓ１）、最大値付近の連続する１０データの位置を算出し（Ｓ２）、メモリ内の最大位置から波長１／１２分の間隔で１０データずつ１２ポイントサンプリングし（Ｓ．３）、それぞれ１０データの平均を求めて、１２ポイントの積算周波数信号データ（１２ポイントの加算値データ）から図１１に示す正弦波曲線Ｓ１１を生成する（Ｓ．４）。同様にして、演算制御部３６は、参照光路を通して得られた断続差周波数信号に含まれている変調用信号に基づき正弦波曲線Ｓ１２を生成する。そして、演算制御部３６はその正弦波曲線Ｓ１２に対する正弦波曲線Ｓ１１の位相差Δを演算し、これにより、測定対象までの距離を求める。
【００３７】
ここでは、演算制御部３６は積算周波数信号データＳ１０に基づき、正弦波曲線Ｓ１１を求めてその位相差Δに基づき、距離を演算することにしたが、図１２に示すように、断続パルス信号Ｐ１の非発生区間Ｈ’内のデータをサンプリングし、このサンプリングノイズデータに基づきノイズ曲線Ｓ１３を生成し、このノイズ曲線Ｓ１３に基づき正弦波曲線Ｓ１１の差分を補正して補正正弦曲線Ｓ１１’を求め、この補正正弦曲線Ｓ１１’と正弦波曲線Ｓ１２との差に基づき位相差Δを求めるようにしても良い。
【００３８】
このように補正正弦曲線Ｓ１１’を求めることにすると、反射変調測定光Ｑ”に含まれているノイズ、計測回路に含まれる誘導ノイズを除去することができ、より正確に距離を測定できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、目に対する安全性を図りつつ測定可能距離範囲の伸長を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる光波距離計の計測回路のブロック図である。
【図２】本発明に係わる光波距離計の測距光学系の概要図である。
【図３】本発明に係わる３ＫＨｚの周波数と断続パルス信号との関係を説明するための模式図である。
【図４】本発明に係わる断続パルス信号の波形図である。
【図５】断続パルス信号に含まれる周波数３０ＭＨｚの変調用信号を説明するための部分拡大図である。
【図６】断続パルス信号に含まれる周波数３００ＫＨｚの変調用信号を説明するための部分拡大図である。
【図７】本発明に係わる変調光と通常の連続変調した測定光とのエネルギー関係を説明するための図である。
【図８】本発明に係わる変調光を受光して得られる断続差周波数信号の説明図である。
【図９】本発明に係わる断続差周波数信号を複数周期に渡って加算することによって得られた積算周波数信号データを模式的に示す図である。
【図１０】本発明に係わる光波距離計の作用の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１１】参照光路を通して得られた正弦波曲線と測定により得られた正弦波曲線との位相差を説明するための模式図である。
【図１２】積算周波数信号データをサンプリングノイズデータにより補正して、補正正弦曲線を求めるための説明図である。
【符号の説明】
１…変調用信号発生器
１０…発光素子
４…断続パルス信号発生器
５Ａ…周波数信号発生器
７…ミキシング回路（差周波数信号発生器）
２７…受光素子
３６…演算部
Ｐ１…断続パルス信号
Ｓ２…変調用信号
Ｓ４…受光信号
Ｓ５…内部周波数信号
Ｓ７…断続差周波数信号
Ｓ８…拡大された差周波数信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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