(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標物に向かって強度変調した測距光を射出する発光手段と、該発光手段から射出され、目標物で反射した測距光を受光する受光手段と、前記発光手段が射出した測距光と前記受光手段が受光した測距光の強度変調位相差を計測する位相差計測手段とを備え、前記受光手段としてアバランシェ・フォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」という）を用いた光波測距儀であって、
前記ＡＰＤが基準光量を受光したときに出力する出力電圧が予め設定してある目標電圧と等しくなるように前記ＡＰＤのバイアス電圧を決定する制御信号を設定するとともにメモリ手段にメモリする制御手段と、
前記メモリ手段が出力する制御信号に基づいて前記ＡＰＤにバイアス電圧を供給するＡＰＤバイアス回路と、
前記発光手段から前記ＡＰＤまでの光路を開放する測距位置と、この光路を遮断して発光手段から発せられた測距光を反射し、減光器を通して前記ＡＰＤに入射させるバイアス設定位置とに移動するシャッタとを備え、
前記制御手段は、測距するときは、測距開始前に、前記シャッタを前記バイアス設定位置に移動させて前記発光手段を発光させ、前記ＡＰＤの出力電圧が前記目標電圧と等しくなるように制御信号を調整して調整した制御信号を前記メモリ手段にメモリし、その後前記シャッタを測距位置に移動させて、前記メモリした制御信号により前記ＡＰＤのバイアス電圧を設定して測距すること、を特徴とする光波測距儀。
【請求項２】
前記メモリ手段は、前記設定した制御信号を電圧としてラッチしてラッチした制御信号を常時出力するラッチ回路であることを特徴とする請求項１記載の光波測距儀。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、光波測距儀または光波測距儀を備えたトータルステーションに係り、より詳細には、受光素子として備えたアバランシェフォトダイオードのバイアス回路の構成に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
従来の光波測距儀では、受光素子としてアバランシェ・フォトダイオード（以下「ＡＰＤ」という。）を利用したものが知られている。ＡＰＤは、光電変換した光電流を印加されているバイアス電圧により増幅する作用を有するが、ＳＮ比の良い電流増幅率を安定して得るためには、バイアス電圧とＡＰＤのブレークダウン電圧の密接な関係を考慮し、温度変化に応じて適切なバイアス電圧を制御する必要がある。そのため、従来は、特公昭６１#５７７４６号公報に記載されているように、サンプルホールド回路（以下「Ｓ／Ｈ回路」という。）を用いてＡＰＤのブレークダウン電圧を検出して記憶させ、検出したブレークダウン電圧に基づいて設定したバイアス電圧をＡＰＤに印加するＡＰＤバイアス回路により、温度変化によるブレークダウン電圧の変化にかかわらず一定の増幅率が得られる適切なバイアス電圧の印加を可能としていた。
【０００３】
しかし、上述のＡＰＤバイアス回路では、コンデンサを記憶部材として使用するため、Ｓ／Ｈ回路等の回路構成が必要となり回路規模が大きくなってしまう。また、コンデンサは、漏れ電流が生じるために記憶精度の点で問題があり、長時間の記憶は困難である。そのため、ブレークダウン電圧を検出して記憶する動作を定期的に実行しなければならず、その度に測距動作が中断されていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、広範囲の温度環境下でＡＰＤのバイアス電圧を長時間安定に供給することができる光波測距儀を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、目標物に向かって強度変調した測距光を射出する発光手段と、該発光手段から射出され、目標物で反射した測距光を受光する受光手段と、前記発光手段が射出した測距光と前記受光手段が受光した測距光の強度変調位相差を計測する位相差計測手段とを備え、前記受光手段としてＡＰＤを用いた光波測距儀であって、前記ＡＰＤが基準光量を受光したときに出力する出力電圧が予め設定してある目標電圧と等しくなるように前記ＡＰＤのバイアス電圧を決定する制御信号を設定するとともに、メモリ手段にメモリする制御手段と、前記メモリ手段が出力する制御信号に基づいて前記ＡＰＤにバイアス電圧を供給するＡＰＤバイアス回路と、前記発光手段から前記ＡＰＤまでの光路を開放する測距位置と、この光路を遮断して発光手段から発せられた測距光を反射し、減光器を通して前記ＡＰＤに入射させるバイアス設定位置とに移動するシャッタとを備え、前記制御手段は、測距するときは、測距開始前に、前記シャッタを前記バイアス設定位置に移動させて前記発光手段を発光させ、前記ＡＰＤの出力電圧が前記目標電圧と等しくなるように制御信号を調整して調整した制御信号を前記メモリ手段にメモリし、その後前記シャッタを測距位置に移動させて、前記メモリした制御信号により前記ＡＰＤのバイアス電圧を設定して測距すること、に特徴を有する。
この構成によれば、ＡＰＤのブレークダウン電圧を検出する必要がなくなり、広範囲の温度環境下でＡＰＤにバイアス電圧を長時間供給することができる。
【０００６】
前記メモリ手段は、前記設定した制御信号を電圧としてラッチしてラッチした制御信号を常時出力するラッチ回路を適用することが望ましい。
本発明の光波測距儀は、単体の光波測距儀に適用することも、トータルステーションの光波測距儀に適用することもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。図１は、本発明を適用したＡＰＤバイアス回路を搭載した光波測距儀の主要構成をブロックで示す図である。本測距儀は、強度変調した射出光と入射光の強度変調位相差からターゲットＴまでの距離を測定する、いわゆる位相差測定方式の測距儀であり、発振回路２で発生された変調周波数ｆ０の変調信号Ｓ０を入力とする変調回路３でＩＲＥＤ（赤外発光ダイオード）２１が駆動される。このＩＲＥＤ２１からは、変調周波数ｆ０で強度変調（振幅変調）された測距光が放出される。
【０００８】
先ず、本装置の測距動作について説明する。ＩＲＥＤ２１と走光レンズＬ１との間には、ＩＲＥＤ２１と走光レンズＬ１との間の光路Ｏ外に位置する回転駆動装置９ａに一端部が枢支されて、光路Ｏ外に位置する測距位置（退避位置）、および光路Ｏを遮断するバイアス調整位置（遮断位置）に回動移動するシャッタ９が配置されている。マイコン１は、測距動作時には、回転駆動装置９ａを介してシャッタ９を光路Ｏから退避させた測距位置（二点鎖線位置）に保持しているため、ＩＲＥＤ２１から強度変調されて放出された測距光が送光レンズＬ１を介してターゲット（目標物）Ｔに向かって導出される。
そして、ターゲットＴで反射され、受光レンズＬ２から入射した測距光はＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）２２で受光される。ＡＰＤ２２は、受光した光信号を光電流Ｉｐに光電変換する機能を有する受光素子であり、バイアス回路８によって逆電圧となるバイアス電圧ＶBIASが印加されている。ＡＰＤ２２から出力された光電流Ｉｐは、受信回路４でヘテロダイン検波されるとともに増幅されて受信信号Ｓ２となり、その一部が位相差計測回路５に供給される。位相差計測回路５では、受信回路４でヘテロダイン検波された受信信号Ｓ２と、発振回路２から出力された基準信号Ｓ１の位相差が計測され、計測位相差信号がマイコン１に出力される。マイコン１は、この計測位相差信号に基づいてターゲットＴまでの距離を演算して測距動作を終了する。ここで、基準信号Ｓ１と受信信号Ｓ２の周波数は等しい。なお、ターゲットＴとしては、例えばコーナーキューブが使用される。
【０００９】
次にバイアス設定動作について、さらに図２を参照して説明する。図２には、バイアス電圧ＶBIASの設定に関与する設定回路の概要を示してある。このバイアス電圧ＶBIASの設定回路は、測距動作時における受信回路４の受信信号Ｓ２の電圧（以下「出力電圧Ｖ０」という。）を一定とするため、基準光量の光波をＡＰＤ２２が受光したときの受信回路４の出力電圧Ｖ０が目標値（電圧）ＤAで一定となるように適切なバイアス電圧ＶBIASを設定する回路であり、マイコン１により制御される。なお、基準光量は、ＩＲＥＤ２１から射出され減光器１０を透過してＡＰＤ２２に入射する基準光Ｐrefが基準光量となるように、予め組立調整工程において減光器１０の調整によって設定されている。
【００１０】
バイアス電圧設定動作時には、マイコン１によりシャッタ９が光路Ｏを遮断するバイアス設定位置（図1の実線位置）に保持されているため、ＩＲＥＤ２１から放出された測距光は、シャッタ９で反射して減光器１０を透過し、減光器１０で予め設定されている基準光量まで減衰されて基準光Ｐrefとなり、基準光ＰrefとしてＡＰＤ２２に入射する。基準光Ｐrefは、ＡＰＤ２２で光電変換され、受信回路４でヘテロダイン検波および増幅されて、その一部がアナログデジタルコンバータ（以下「ＡＤＣ」という。）６に出力される。ＡＤＣ６は、受信回路４の出力電圧Ｖ０をＡ／Ｄ変換し、計測値（計測電圧データ）ＤBとしてマイコン１に出力する機能を有する。
【００１１】
マイコン１は、計測値ＤBを入力すると、その内部のＭＰＵ１１で計測値ＤBと予め設定してある目標値（目標電圧データ）ＤAとを比較演算してその差に応じた制御電圧データＤCを求め、この制御電圧データＤCをラッチ信号とともにラッチ回路１２に出力する。ラッチ回路１２は、ラッチ信号を入力すると、入力した制御電圧データＤCをラッチ、つまりバイアス電圧としてメモリし、メモリした制御電圧データＤCを出力する。
【００１２】
以上の処理を、計測値ＤBが目標値ＤAと等しくなるまで繰り返し、等しくなったら停止し、バイアス電圧設定動作を終了する。以後、測距動作時には、ラッチ回路１２にラッチされた制御電圧データＤCが、マイコン１からＤＡＣ７に出力される。従って、ラッチ回路１２がラッチ信号を入力していない場合は、ＭＰＵ１１から出力された制御信号ＤCが変化しても、ラッチ回路１２の出力電圧データが変化することはない。
【００１３】
次にバイアス回路８の動作について、さらに図３を参照して説明する。図３には、バイアス回路８の回路構成を示してある。バイアス電圧設定時には、ラッチ回路１２にメモリされた制御電圧データＤCが、デジタルアナログコンバータ（以下、「ＤＡＣ」という。）７で入力電圧ＶｒにＤ／Ａ変換されてバイアス回路８に供給される。バイアス回路８には高電圧ＨＶが供給され、電圧制御トランジスタＴｒ１はバイアス抵抗Ｒ１を介して導通状態となっている。電圧制御トランジスタＴｒ１のエミッタは、分圧回路ＫとＡＰＤ２２に接続されている。分圧回路Ｋは、分割抵抗Ｒ３、Ｒ４からなり、分圧回路Ｋにバイアス電圧ＶBIASが印加されると、分割抵抗Ｒ３、Ｒ４によって分割されたバイアス電圧ＶBIASの分圧電圧Ｖｋが比較増幅器１３の非反転入力（＋側）に供給される。
【００１４】
この状態で、比較増幅器１３の反転入力（−側）にＤＡＣ７からの入力電圧Ｖｒが供給されると、比較増幅器１３は、分圧電圧Ｖｋと入力電圧Ｖｒを比較してその差電圧を増幅して出力し、その出力によってベース抵抗Ｒ２を介してトランジスタＴｒ２のベース電圧を制御する。したがって、トランジスタＴｒ２のコレクタ電流が制御され、その結果電圧制御トランジスタＴｒ１のベース電圧が制御されるので、入力電圧Ｖｒに応じたバイアス電圧ＶBIASがＡＰＤ２２に印加される。
【００１５】
次に、本実施の形態におけるバイアス電圧設定動作の一実施例について、図４に示した動作フローチャートを参照して詳細に説明する。この実施例では、光波測距儀に備えられた測距スイッチ（図示せず）がオンされたときにこの測距開始処理（フローチャート）に入る。
測距開始処理に入ると、まずシャッタ９をバイアス設定位置まで移動させるとともに（Ｓ１０１）、発振回路２および強度変調回路３を作動させる（Ｓ１０３）。これらの処理により、ＩＲＥＤ２１から強度変調されて放出された測距光が、シャッタ９で反射し、光減衰器１０を透過して基準光ＰrefとしてＡＰＤ２２に入射する。
【００１６】
次に、スタート制御電圧ＤCをラッチ回路１２を介してＤＡＣ７に出力する（Ｓ１０７）。スタート制御電圧ＤCは、ＡＰＤ２２に印加されるバイアス電圧ＶBIASが、いかなる場合もＡＰＤ２２のブレークダウン電圧を超えることがない低レベルの電圧である。ＤＡＣ７は、スタート制御電圧ＤCをＤ／Ａ変換して入力電圧Ｖｒをバイアス回路８に出力する。バイアス回路８は、入力電圧Ｖｒに応じてバイアス電圧ＶBIASを設定するので、ＡＰＤ２２は、受光した基準光Ｐrefの強度を設定されたバイアス電圧ＶBIASに基づいた光電流Ｉｐに変換する。この光電流Ｉｐは、受信回路４でヘテロダイン検波・増幅されて受信信号Ｓ２となり、ＡＤＣ６でデジタル計測値ＤBに変換される。
【００１７】
ＭＰＵ１１は、ＡＤＣ６から計測値ＤBを入力し（Ｓ１０７）、予め設定され、例えばＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリに書き込まれている目標値ＤAと計測値ＤBを比較演算する（Ｓ１０９）。そして、計測値ＤBが目標値ＤAと等しいかどうかをチェックし（Ｓ１１１）、等しくなければ目標値ＤAと計測値ＤBとの差に応じた制御電圧Ｄcをラッチ回路１２にラッチさせるとともにラッチ回路１２からＤＡＣ回路７に出力し（Ｓ１１１；Ｎ、Ｓ１１３）、Ｓ１０７に戻る。ここで、バイアス回路８からは、ラッチ回路１２から出力された制御電圧Ｄcに応じたバイアス電圧ＶBIASが出力されるので、Ｓ１０７においてＡＤＣ６から入力する計測値ＤBは、バイアス電圧ＶBIASに応じて変わる。
【００１８】
以上のＳ１０７〜Ｓ１１３の処理を、計測値ＤBが目標値ＤAと等しくなるまで繰り返し、計測値ＤBが目標値ＤAと等しくなったら（Ｓ１１１；Ｙ）、ラッチ回路１２のラッチ状態を保持し（Ｓ１１５）、シャッタ９を測距側に移動させてから（Ｓ１１７）、測距演算処理に入る（Ｓ１１９）。この測距演算処理の間ラッチ回路１２からは、Ｓ１０７〜Ｓ１１３の処理で設定し、メモリした制御電圧Ｄcが継続して出力されるので、適切なバイアス電圧ＶBIASが印加されたＡＰＤ２２によって計測される受信信号Ｓ２と基準信号Ｓ１との位相差を検出することができる。なお、測距演算処理では、ＩＲＥＤ２１から射出され、ターゲットＴで反射して戻ってきた測距光を、適切なバイアス電圧ＶBIASが印加されたＡＰＤ２２で受光して位相差を検知する処理を数千回乃至数万回繰り返し、誤差補正処理を実行した位相差から距離を演算して測距距離を求め、求めた距離を不図示のディスプレイに表示し、あるいは外部機器に所定のデジタルデータとして出力して、測距処理を終了する。
【００１９】
この実施例によれば、測距開始直前に適切なバイアス電圧ＶBIASが設定されるので、所定精度以上の安定した高精度の高い測距値を得ることができる。しかも、バイアス電圧ＶBIASを設定する制御電圧Ｄcをラッチ回路１２で保持し、ラッチ回路１２から出力するので、測距演算処理を繰り返す間、安定したバイアス電圧ＶBIASが供給されるので測距値の偏差等が小さく、精度の高い測距値を短時間で得ることができる。
【００２０】
以上の通り本実施形態では、基準光量をＡＰＤ２２が受光したときの受信回路４の出力電圧Ｖ０が予め定めた目標値（電圧）ＤAとなるようにバイアス電圧ＶBIASを設定するので、ＡＰＤ２２のブレークダウン電圧を検出する必要がなくなり、広範囲の温度環境下でＡＰＤ２２にバイアス電圧ＶBIASを安定して供給することができる。また、バイアス電圧ＶBIASを設定するための入力電圧Ｖｒをマイコン１内のラッチ回路１２にメモリするので、長時間のメモリが可能となり、バイアス電圧ＶBIASをＡＰＤ２２に長時間安定して供給することができる。そのため、Ｓ／Ｈ回路等の回路構成を必要としないので回路規模を拡大しなくて済み、さらに測距動作を実行する前に１回だけ設定動作をすれば、定期的にバイアス電圧ＶBIASを設定し直す必要もないので測距時間を短縮することができる。
【００２１】
また、バイアス電圧を設定するタイミングとしては、光波測距装置の主電源がオンしたときに実行する構成、バイアス設定用の操作部材を設けて該バイアス設定用の操作部材が操作されたときに実行する構成等、種々の変形が可能である。
なお、本実施の形態では、光源としてＩＲＥＤ（赤外発光ダイオード）を使用しているが、本発明はＬＤ（レーザダイオード）を使用した光波測距儀にも適用できる。また、本実施の形態ではＡＤＣ６及びＤＡＣ７はマイコン１と別個に設けられているが、本発明はこれらをマイコンに内蔵する構成にもできるので、内蔵させればさらに回路規模を縮小することが可能となる。また、本発明の実施例では、光波測距儀として説明したが、本発明は、光波測距儀単体にも、光波測距儀を備えたトータルステーションなど、光波測距装置一般に適用できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、基準光量を受光したときの前記受光手段の出力電圧が予め設定してある目標電圧となるようにアバランシェ・フォトダイオードのバイアス電圧を決定する制御信号を設定し、設定した制御信号をラッチ回路でラッチすることによりメモリするので、広範囲の温度環境下においてアバランシェ・フォトダイオードに適切なバイアス電圧を長時間安定供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用したＡＰＤバイアス回路を搭載した光波測距儀の実施の形態の主要構成をブロックで示す図である。
【図２】  同測距儀においてバイアス電圧の動作に関与する回路の概要を示す図である。
【図３】  同測距儀のバイアス回路の回路構成を示す図である。
【図４】  本発明を適用した光波測距儀のバイアス設定動作の一実施例にかかる処理をフローチャートで示す図である。
【符号の説明】
１  マイコン
２  発振回路
３  変調回路
４  受信回路
５  位相差計測回路
６  ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
７  ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）
８  バイアス回路
９  シャッタ
１０  減光器
１１  ＭＰＵ（制御手段）
１２  ラッチ回路（メモリ手段）
１３  比較増幅器
２１  ＩＲＥＤ（赤外発光ダイオード）（発光素子）
２２  ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）（受光素子）
Ｔｒ１  電圧制御トランジスタ
Ｔｒ２  トランジスタ
Ｋ  分圧回路
Ｒ１  バイアス抵抗
Ｒ２  ベース抵抗
Ｒ３  Ｒ４  分割抵抗
【図１】
0004629823.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004629823.tif 000004
【図４】
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