(57)【要約】【課題】光波距離計においてサイクリックエラーが発生しないようにする。【解決手段】測距光（Ｌ）を出射する発光部（ｄ）と、測距光を変調する変調器（１４）と、変調器に基準信号（Ｋ）を送る基準信号発生器（１２）と、受光した測距光を測距信号（Ｐ、Ｐｒ）に変換する受光部（ｅ）と、測距信号から距離を求める距離算出部（１８）とを備える光波距離計において、距離算出部から変調器に位相反転信号を送らない（Ｔ＝０）ときには、変調器は、基準信号（Ｋ）によって測距光を変調し、距離算出部は、基準信号（Ｋ）と測距信号（Ｐ）との位相差（θｐ）を検出し、距離算出部から変調器に位相反転信号（Ｔ＝１）を送ったときには、変調器は、位相反転させた基準信号（−Ｋ）によって測距光を変調し、距離算出部は、位相反転した基準信号（−Ｋ）と測距信号（Ｐｒ）との位相差（θｒ）を検出し、両位相差（θｐ、θｒ）の平均値から距離を算出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距光を出射する発光部と、前記測距光を変調する変調器と、該変調器に基準信号を送る基準信号発生器と、受光した測距光を測距信号に変換する受光部と、前記測距信号を用いて距離を求める距離算出部とを備える光波距離計において、
前記距離算出部から前記変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、
前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と位相反転した前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出することを特徴とする光波距離計。
【請求項２】
測距光を出射する発光部と、前記測距光を変調する変調器と、該変調器に基準信号を送る基準信号発生器と、受光した測距光を測距信号に変換する受光部と、前記測距信号から距離を求める距離算出部とを備える光波距離計において、
前記距離算出部から前記変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、
前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記位相反転した基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出することを特徴とする光波距離計。
【請求項３】
前記変調器は、前記発光部に接続されたスイッチ素子と、前記基準信号発生器からの基準信号と前記距離算出部からの位相反転信号が入力される排他的論理和回路とを備え、該排他的論理和回路の出力により前記スイッチ素子が制御されることを特徴とする請求項１又２に記載の光波距離計。
【請求項４】
前記発光部からは、基準信号で変調した参照光、基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した参照光を、この順番で繰り返して出射することを特徴とする請求項１、２又は３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、ターゲットに向けて測距光を送光し、ターゲットで反射してきた測距光を受光し、送光した測距光と受光した測距光との位相差からターゲットまでの距離を測定する光波距離計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光波距離計として、下記特許文献１に開示されたものを図４に示す。この光波距離計は、測距光Ｌを発する発光部ｄと、周波数の異なる複数の基準信号を発生する発振部ａと、複数の基準信号から１つの基準信号を選択する周波数選択部ｂと、選択された基準信号Ｋにより発光部ｄから発する測距光Ｌを変調する変調部ｃと、発光部ｄから発した測距光Ｌが図示しないターゲットで反射して戻って来たときに測距光Ｌを受光して測距信号Ｍに変換する受光部ｅと、基準信号Ｋと測距信号Ｍとの位相差を測定してターゲットまでの距離を算出する計数器ｆとを備える。複数の基準信号Ｋを発生させるのは、異なる基準信号Ｋから得た測定値を総合してターゲットまでの距離を求めるためである。
【０００３】
また、発光部ｄからの測距光Ｌは、光路切換器ｇにより、ターゲットへ向かう測距光Ｌと、光波距離計内部のミラーｉ１、ｉ２で反射して受光部ｅに至る参照光路ｈを進む参照光Ｒとに切換えられる。参照光路ｈを経て受光部ｅに入射した参照光Ｒから変換された参照信号Ｓも計数器ｆで基準信号Ｋとの位相差を測定され、この位相差から距離を算出され、この距離によって基準信号Ｋと測距信号Ｍから算出された距離の補正が行われる。
【０００４】
通常、測定値の安定性を上げるために、光路切換器ｇにより、参照光Ｒ、測距光Ｌ、参照光Ｒ、測距光Ｌと、この順番に出射して、多数回の距離測定を行い、平均値を得ていた。
【０００５】
なお、下記特許文献２にも、同様な光波距離計が開示されている。
【特許文献１】特開平５−３２３０２９号公報
【特許文献２】特許第３２３６９４１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光波距離計においては、基準信号Ｋとしては、数十ＭＨｚ以下の周波数が使用されていたが、近年の光波距離計においては、測定精度を上げるため、基準信号Ｋとして、従来より高い周波数まで使用するようになってきた。周波数選択部ｂから出力される基準信号Ｋの周波数を高くすると、基準信号Ｋは、静電結合や電磁結合や電磁波放射等によって、受光部ｅから計数器ｆまでの間の回路へノイズとして入り込み、ターゲットまでの距離を往復することなく計数器ｆに入力されてしまい、これによってサイクリックエラーを生じるという問題が起き易くなってきた。
【０００７】
このサイクリックエラーについて説明する。図５に示したように、１５ＭＨｚ（波長２０ｍ）の基準信号Ｋで変調された測距光Ｌをターゲットに向けて出射する光波距離計１０に対して、ターゲット８の位置を１０ｍから２０ｍまで変化させたとする。また、基準信号Ｋに対して、ノイズＮが図６の（ａ）に示したような大きさと位相を有していたとする。
【０００８】
ターゲット８を光波距離計から１０ｍの距離におくと、測距光Ｌは基準信号Ｋのちょうど波長分の距離を往復するので、図６の（ｂ）に示したように、基準信号Ｋと真の測距信号Ｍは同位相となる。従って、実際の測距信号は、ノイズＮと測距信号Ｍのベクトル和Ｐとなる。ターゲットを光波距離計から１１．２５ｍの距離におくと、測距光Ｌは基準信号Ｋの波長よりも１／８波長分長い距離を往復するので、図６の（ｃ）に示したように、真の測距信号Ｍと基準信号Ｋとの位相差は４５°になる。そして、ノイズＮのために位相誤差θｅ（測距信号Ｐと真の測距信号Ｍとの間の位相角）を生じ、測距信号Ｐと基準信号Ｋとの位相差はθｐとなる。以下、同様に、ターゲットを光波距離計から１２．５ｍ、１５ｍ、１７．５ｍの距離においたときの真の測距信号Ｍと基準信号Ｋとの位相差は、それぞれ図６の（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示したように９０°、１８０°、２７０°であるが、実際の測距信号Ｐと基準信号Ｋと位相差は、９０°、１８０°、２７０°からずれる。
【０００９】
このように、実際に得られる測距信号Ｐは、図６の（ｂ）−（ｆ）から解るように、真の測距信号Ｍに対して基準信号Ｋに起因するノイズＮが加わったものとなる。そして、この測距信号Ｐが計数器ｆに入力されるため、測距信号Ｐと基準信号Ｋとの位相差θｐに含まれる位相誤差θｅによって、測距誤差が生じる。この測距誤差は、図７に示したように、基準信号Ｋの半波長で周期的に変化するサイクリックエラーとなる。具合が悪いことに、測距光Ｌも、同じ基準信号Ｋにより変調されているので、フィルタ等でこのノイズＮを除去することはできない。このため、従来はシールドと回路配置の工夫によって、このノイズＮを防いでいたが、充分にノイズＮを除去できず、サイクリックエラーを除去しにくいという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、光波距離計においてサイクリックエラーが発生しないようにすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１に係る発明は、測距光を出射する発光部と、前記測距光を変調する変調器と、該変調器に基準信号を送る基準信号発生器と、受光した測距光を測距信号に変換する受光部と、前記測距信号を用いて距離を求める距離算出部とを備える光波距離計において、前記距離算出部から前記変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と位相反転した前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出することを特徴とする。
【００１２】
このように前記両位相差の平均値から距離を算出するので、基準信号に起因するノイズ成分がうち消し合うため、サイクリックエラーを大幅に減少させることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明では、測距光を出射する発光部と、前記測距光を変調する変調器と、該変調器に基準信号を送る基準信号発生器と、受光した測距光を測距信号に変換する受光部と、前記測距信号から距離を求める距離算出部とを備える光波距離計において、前記距離算出部から前記変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記位相反転した基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出することを特徴とする。
【００１４】
このように前記両位相差の平均値から距離を算出するので、基準信号に起因するノイズ成分がうち消し合うため、サイクリックエラーを大幅に減少させることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明では、請求項１又は２に係る発明において、前記変調器は、前記発光部に接続されたスイッチ素子と、前記基準信号発生器からの基準信号と前記距離算出部からの位相反転信号が入力される排他的論理和回路とを備え、該排他的論理和回路の出力により前記スイッチ素子が制御されることを特徴とする。
【００１６】
このことにより、変調器は、スイッチ素子と排他的論理和からなる簡単な構成で、発光部から出射される測距光を、位相反転信号が入力されたときには、位相反転された基準信号Ｋによって変調し、位相反転信号が入力されないときには、位相反転されない基準信号によって変調できる。
【００１７】
請求項４に係る発明では、請求項１、２又は３に係る発明において、前記発光部からは、基準信号で変調した参照光、基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した参照光を、この順番で繰り返して出射することを特徴とする。
【００１８】
このことにより、サイクリックエラーを減少させた測定値を多数得ることができるので、安定した測定値が得られる。しかも、基準信号で変調した参照光、基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した参照光、位相反転した基準信号で変調した測距光の順番で繰り返して出射する場合よりも、参照光と測距光の切換回数が減るので、測定時間を短縮できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２に基づいて、本発明の望ましい実施例である光波距離計について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、この光波距離計のブロック図である。この光波距離計１０は、ターゲット８に向けて測距光Ｌを出射する発光部（発光ダイオード）ｄと、基準信号Ｋを発生する基準信号発生器１２と、基準信号Ｋにより発光部ｄから出射する測距光Ｌを変調する変調器１４と、測距光Ｌがターゲット（プリズム）８で反射して戻って来たときに測距光Ｌを受光して測距信号Ｐ、Ｐｒ発生させる受光部（ホトダイオード）ｅと、測距信号Ｐ、Ｐｒを増幅する増幅器１６と、測距信号Ｐ、Ｐｒを用いて距離を算出する距離算出部１８を備えている。
【００２１】
基準信号発生器１２は、安定した周波数の基本信号を発生する水晶発振器２０と、基本信号を逓倍又は分周して得られる複数の周波数から適切な周波数の基準信号Ｋを選択する周波数選択器２２からなる。
【００２２】
変調器１４は、ＣＰＵ２６から位相反転信号が送られてこないときには（Ｔ＝０）、基準信号Ｋによって測距光Ｌを変調し、ＣＰＵ２６から位相反転信号（Ｔ＝１）が送られてきたときには、位相反転させた基準信号−Ｋによって測距光Ｌを変調するようになっている。このため、この変調器１４は、変調トランジスタ（スイッチ素子）２８と、この変調トランジスタ２８の通電を制御する排他的論理和回路（以下、ＸＯＲという。）３０からなり、さらに具体的には、変調トランジスタ２８のベースがＸＯＲ３０の出力端に接続されている。そして、変調トランジスタ２８のコレクタに発光部ｄが接続され、ＸＯＲ３０には、周波数選択器２２からの基準信号Ｋと、ＣＰＵ２６からの位相反転信号（Ｔ＝１）が入力されるようになっている。
【００２３】
ＣＰＵ２６から位相反転信号（Ｔ＝１）をＸＯＲ３０に送ると、周波数選択器２２からの高レベル信号（１）は、低レベル（０）に位相反転されてＸＯＲ３０から出力され、周波数選択２２からの低レベル信号（０）は、高レベル（１）に位相反転されてＸＯＲ３０から出力される。ＣＰＵ２６から位相反転信号ＴをＸＯＲ３０に送らないと（Ｔ＝０）、周波数選択器２２からの高レベル信号（１）は、高レベル（１）のままＸＯＲ３０から出力され、周波数選択器からの低レベル信号（０）は、低レベル（０）のままＸＯＲ３０から出力される。こうして、位相反転信号（Ｔ＝１）の有無により、位相反転しない基準信号Ｋ又は位相反転された基準信号−Ｋのいずれかによって、発光部ｄから発する光は変調される。
【００２４】
発光部ｄから出射された測距光Ｌは、光路切換器ｇによって、ターゲット８へ向かう測距光路ｊを進む測距光Ｌと、光波距離計１０内部の参照光路ｈを経て受光部ｅへ導かれる参照光Ｒに切換えられる。参照光路ｈは、発光部ｄから受光部ｅへ導くミラーｉ１、ｉ２から構成される。受光部ｅで参照光Ｒから変換された参照信号Ｓは、基準信号Ｋと測距信号Ｐ、Ｐｒとの位相差の補正のために用いられる。
【００２５】
したがって、この光波距離計１０は、光路切換器ｇによる切換と、ＣＰＵ２６からの位相反転信号（Ｔ＝１）により、基準信号Ｋで変調した参照光Ｒ、基準信号Ｋで変調した測距光Ｌ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した測距光Ｒ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した参照光Ｌを、この順番で繰り返して発光部ｄから出射することができる。
【００２６】
距離算出部１８は、変調器１４から送られて来る基準信号Ｋ、−Ｋと、増幅器１６から送られて来る測距信号Ｐ、Ｐｒとの位相差を測定する位相比較器２４と、この位相差からターゲット１８までの距離を算出するＣＰＵ２６を備えている。
【００２７】
では、この光波距離計１０で距離測定ができる原理を図２に基づいて説明する。まず、最初に、基準信号Ｋによって変調した参照光Ｒを出射し、続いて基準信号Ｋによって変調した測距光Ｌを出射する。このとき、受光部ｅで得られる測距信号Ｐは、真の測距信号ＭにノイズＮが加わったものとなる。この測距信号Ｐと基準信号Ｋとの位相差θｐを位相比較器２４で測定し、ＣＰＵ２６に記憶する。この位相差θｐは、ＣＰＵ２６によって、参照光Ｒから得られる参照信号Ｓと基準信号Ｋとの位相差を用いて補正される。
【００２８】
次に、位相反転した基準信号−Ｋによって変調した測距光Ｌを出射し、続いて位相反転した基準信号−Ｋによって変調した参照光Ｒを出射する。このとき、受光部ｅで得られる測距信号Ｐｒは、真の測距信号Ｍを位相反転した反転測距信号ＭｒにノイズＮが加わったものである。この測距信号Ｐｒと位相反転した基準信号−Ｋとの位相差θｒを位相比較器２４で求め、ＣＰＵ２８に記憶する。この位相差θｒも、参照光Ｒから得られる参照信号Ｓと位相反転された基準信号−Ｋとの位相差によって補正される。
【００２９】
そして、ＣＰＵ２８は、前記２つの位相差θｐとθｒとの平均値θｔを求め、この平均値θｔから、ターゲット１８までの距離を算出する。図２から解るように、測距信号Ｐｒと位相反転した基準信号−Ｋとの位相差θｒは、測距信号Ｐｒを位相反転させた信号−Ｐｒと基準信号との位相差に等しくなる。そして、測距信号Ｐと測距信号Ｐｒを位相反転した信号−Ｐｒとを平均すると、ノイズＮ成分がうち消し合って、両者の平均測距信号Ｐｔは、真の測距信号Ｍにほとんど一致する。したがって、前記２つの位相差θｐとθｒの平均値θｔの位相誤差が極めて小さくなるので、サイクリックエラーを大幅に減少させることができる。
【００３０】
もちろん、図２から理解できるように、測距信号Ｐｒを位相反転させた信号−Ｐｒと基準信号Ｋとの位相差を求めてもよい。このためには、位相比較器２４に周波数選択器２２からの基準信号ＫがＸＯＲ３０を経ずに直接を入力されるようにするとともに、ＣＰＵ２６において位相差θｒを１８０°減じるようにすればよい。
【００３１】
そして、図３に示したように、基準信号Ｋで変調した参照光Ｒ、基準信号Ｋで変調した測距光Ｌ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した測距光Ｒ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した参照光Ｌを、この順番で繰り返し出射し、多数回の距離測定を行い、多数の測定値を平均して距離を求める。基準信号Ｋで変調した参照光Ｒ、基準信号Ｋで変調した測距光Ｌ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した参照光Ｒ、位相反転した基準信号−Ｋで変調した測距光Ｌの順番で繰り返して出射する場合よりも、参照光Ｒと測距光Ｌを光路切換器ｇによって切換える回数が減るので、測定時間を短縮できる。もちろん、この順番は、適宜変更可能である。
【００３２】
ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、光波距離計以外にも、光波距離計を内蔵したトータルステーション等、光波距離計を内蔵する測量機の全てに適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、距離算出部から変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と位相反転した前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出するので、基準信号に起因するノイズ成分がうち消し合うため、サイクリックエラーを大幅に減少させることができる。
【００３４】
請求項２に係る発明によれば、距離算出部から変調器に位相反転信号を送らないときには、前記変調器は、前記基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、前記距離算出部から前記変調器に前記位相反転信号を送ったときには、前記変調器は、位相反転させた基準信号によって前記測距光を変調し、前記距離算出部は、前記位相反転した基準信号と前記測距信号との位相差を検出し、両位相差の平均値から距離を算出するので、基準信号に起因するノイズ成分がうち消し合うため、サイクリックエラーを大幅に減少させることができる。
【００３５】
請求項３に係る発明によれば、さらに、発光部に接続されたスイッチ素子と、基準信号発生器からの基準信号と距離算出部からの位相反転信号が入力される排他的論理和回路とを備え、排他的論理和回路の出力によりスイッチ素子が制御されるので、変調器は、スイッチ素子と排他的論理和回路からなる簡単な構成でありながら、発光部から出射される測距光を、位相反転信号が入力されたときには、位相反転された基準信号Ｋによって変調し、位相反転信号が入力されないときには、位相反転されない基準信号によって変調できる。よって、本発明の光波距離計を安価で簡単に製造できる。
【００３６】
請求項４に係る発明によれば、さらに、発光部からは、基準信号で変調した参照光、基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した参照光を、この順番で繰り返して出射するので、サイクリックエラーを大幅に減少させた測定値を多数得ることができ、高精度の安定した測定値が得られる。しかも、基準信号で変調した参照光、基準信号で変調した測距光、位相反転した基準信号で変調した参照光、位相反転した基準信号で変調した測距光の順番で繰り返して出射する場合よりも、参照光と測距光の切換回数が減るので、測定時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である光波距離計のブロック図である。
【図２】前記光波距離計で距離測定を行える原理を説明する図である。
【図３】前記光波距離計で距離測定を行う手順を説明する図である。
【図４】従来の光波距離計のブロック図である。
【図５】光波距離計とターゲットの配置を示した図である。
【図６】従来の光波距離計でサイクリックエラーが発生する理由を説明する図である。
【図７】従来の光波距離計におけるサイクリックエラーと距離との関係を示した図である。
【符号の説明】
８  ターゲット
１０  光波距離計
１２  基準信号発生器
１４  変調器
１８  距離算出部
２８  変調トランジスタ（スイッチ素子）
３０  ＸＯＲ
ｄ  発光部
ｅ  受光部
Ｋ  基準信号
−Ｋ  位相反転させた基準信号
Ｌ  測距光
Ｐ、Ｐｒ  測距信号
−Ｐｒ  位相反転させた測距信号
Ｒ  参照光
Ｔ（Ｔ＝１）  位相反転信号
θｐ、θｒ  位相差
θｅ  位相誤差
【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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