JP6604623B2 - 光波距離計 - Google Patents

Description

本発明は、位相差方式の光波距離計の発光部のパワーコントロールに関する。

位相差方式の光波距離計では、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光部から、ターゲットに向かう測距光と内部光路へ向かう参照光を発光し、アンバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等の受光部にて受光して、測距光と参照光との位相差から測距値を得る。

高精度な測距値を得るために、従来の光波距離計には、上記受光部の信号の乱れを補正するため、ターゲットから反射した測距光の受光レベルをみて、発光部の出力を調整するものがある（特許文献１、２等）。

この他に、一般的に、発光部にも利用されているレーザダイオード等の半導体レーザは、温度の上昇に伴い閾値電流が大きくなるため、定電流駆動では光出力が温度変化し不安定になる。このため、半導体レーザの駆動回路には、ＡＰＣ（Automatic Power Control）が用いられる。ＡＰＣの手法としては、フォトダイオードとオペアンプを用いた電流帰還制御（特許文献３等）と、この他にはペルチェ素子やサーミスタ等の感温素子を用いた補正が知られている。

特開２００４−３１７２５９号公報 特開２００６−２１４８５０号公報 特開２００７−３０５９２０号公報

光波距離計においては、視準望遠鏡からターゲットに向けて送出され受光されるに至るまでの測距光の光路には、太陽光やターゲットからの反射光などの外乱光が入射される。これに対し、電流帰還制御型のＡＰＣは、レーザダイオードの温度上昇による光出力は精度良く補正できるが、このような外乱因子が入ると帰還電流を乱してしまい、制御が機能しなくなるという問題がある。感温素子を用いたＡＰＣは、レーザダイオードの温度特性と素子の特性を合わせる必要があり、使用できるレーザダイオードまたは感温素子に制限が生じるという不都合がある。測距光の受光レベルでレーザダイオードの出力を補正する手法では、測距する距離やターゲットが高反射か低反射かにも左右され、調整が複雑となる。

本発明は、かかる問題点に鑑みて為されたものであり、外乱光の影響を受けずに、発光部のパワーコントロールを行える光波距離計を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記測距光に入射される外乱光の影響を受けない光路に配置され、前記発光部の光を受光する第２の受光部と、前記第２の受光部からの出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部での監視に基づき前記第２の受光部からの出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記発光部の送光光路において前記シャッターの前方に配置された第２の受光部と、前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記参照光の参照光路に配置された第２の受光部と、前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された光路絞りと、
前記光路絞り上に配置された第２の受光部と、前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された光路絞りと、前記光路絞りより前記発光部側に配置された第２の受光部と、前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明のある態様に係る光波距離計は、測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された半透過部材と、前記半透過部材より前記発光部側に配置された第２の受光部と、前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備える。

本発明によれば、外乱光の影響を遮断した状態で発光部の出力を制御することで、発光部の光出力を高精度に維持することができる。

第１の実施形態に係る光波距離計の概略構成図である。 第１の実施形態における要部概略構成図である。 第１の実施形態における制御を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る光波距離計の概略構成図である。 第２の実施形態を示す要部概略構成図である。 第２の実施形態における制御を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態を示す要部概略構成図である。 本発明の第４の実施形態を示す要部概略構成図である。

次に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１に基づき、第１の実施形態に係る光波距離計の構成を説明する。但し、第１の実施形態における光波距離計の構成は、従来と同様でよく、下記は一例であり、特に光学系については当業者の知識に基づく変更が行われてよい。

光波距離計は、三脚上に整準台を介して固設される基盤と、基盤に対し水平および鉛直方向に回転可能に支承された視準望遠鏡２を有する。視準望遠鏡２は、その筐体内に、測距系３と、視準光学系４と、制御部５を有する。

図１に示すように、測距系３は、発光光学系と受光光学系を有する。一例として、発光光学系は順に、レーザダイオード（ＬＤ）からなる発光部１２、発光レンズ１４、ビームスプリッタ１６、シャッター１７、凹レンズ１８、凸レンズ２２、光路絞り２３、ダイクロイックミラー２４、送光プリズム２６、平行ガラス２８を有する。受光光学系は、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２、受光レンズ３４、ダイクロイックプリズム３６、バンドパスフィルタ３８、受光絞り４０、アンバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなる測距用の受光部４２を有する。発光部１２から送出された光は、ビームスプリッタ１６で測距光と参照光に分けられ、シャッター１７によって択一的に出射される。参照光は、符号１００で示す参照光路を経て測距用の受光部４２に受光される。測距光は、符号１０２で示す送光光路を経て、ターゲット６４で反射され、符号１０４で示す受光光路を経て測距用の受光部４２に受光される。なお、本明細書では、発光部１２から送出され視準望遠鏡２から外部に送出される前の光路を送光光路１０２、送光光路１０２においてビームスプリッタ１６を経て参照用に分割された内部光路を参照光路１００、視準望遠鏡２からターゲット６４に向けて外部に送出され視準望遠鏡２内に戻る光路を受光光路１０４と定義している。

視準光学系４は、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２、合焦レンズ４４、正立正像プリズム４６、焦点板４８、接眼レンズ５０を有する。発光部１２からの光は、ダイクロイックミラー２４、送光プリズム２６等により、視準光学系４の視準光軸と同軸で出射されるよう偏向される。

上記の他に、自動追尾／自動視準光学系として、自動追尾／自動視準用発光部５２、凸レンズ５４、反射ミラー５６、送光プリズム２６、対物レンズ３０、ダイクロイックプリズム３２、ダイクロイックプリズム３６、受光レンズ５８、自動追尾／自動視準用受光部６０を有していてもよい。

制御部５は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ（図示略）、ＲＡＭ（図示略）等を有するマイクロコンピュータである。ＲＯＭには各種制御プログラムが記録され、ＣＰＵ７１は、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＲＡＭにおいて実行し、各種制御信号を生成する。なお、制御部５は、ハードウェア的には半導体素子や電気回路で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムで実現されるが、これらの様々な組み合わせによって他のかたちでも実現可能であることは当業者には容易に想到される事項である。測距用の受光部４２の出力および自動追尾／自動視準用受光部６０の出力は、増幅器（図示略）、ローパスフィルタ（図示略）、ＡＤコンバータ（図示略）などを経て、制御部５に入力される。制御部５は、測距光と参照光の位相差から測距値を算出する。

以上の光波距離計を基本構成とし、第１の実施形態は、以下の改変を備えている点を特徴とする。

図２は本発明の第１の実施形態を示す要部概略構成図である。本形態では、図１の光波距離計の構成において、発光部１２に対し、第２の受光部２０１を含む受光出力監視部８０と、発光出力調整部９０が追加される。第２の受光部２０１は、新規に追加されたフォトダイオード（ＰＤ）であり、参照光路１００上に配置され、キャンパッケージにより発光部１２と一体に構成されている。第２の受光部２０１は、本形態のように発光部１２と一体部品として配置し小型化を図ってもよいし、これに限らず発光部１２とは別部品として配置されてもよい。

受光出力監視部８０は、第２の受光部２０１と、第２の受光部２０１の定電圧源８１と、ローパスフィルタ８２と、積分回路８３と、ＣＰＵ７１を有する。ローパスフィルタ８２および積分回路８３は、第２の受光部２０１により電圧値に変換された受光信号の、発光部１２の温度変化により生じたドリフトを平滑化した上で基準電圧との差分をとる。ＣＰＵ７１は、この電圧値をＡ／Ｄ変換して読み取る。なお、ＣＰＵ７１にＡ／Ｄコンバータが内蔵されていない場合は、オペアンプ、コンパレータを追加して構成されてよい。または、Ｄ／Ａコンバータを利用して上記フィードバック制御を行い、制御時以外はフィードバック時の電圧／電流を保持する構成としてもよい。

発光出力調整部９０は、ＣＰＵ７１と、可変電流源９１を有する。可変電流源９１は、例えば、デジタルポテンショメータを使用し、ＣＰＵ７１からの制御信号に基づき、固定抵抗と可変抵抗の合成抵抗値による発光部１２への負荷の増減を行い、発光部１２の発光量を微細に調整する。可変電流源９１は、この他に、低ドロップアウト電圧レギュレータ（ＬＤＯ）や、異なる抵抗値を持つ複数の固定抵抗をスイッチングする構成等としてもよい。

第１の実施形態では、受光出力監視部８０および発光出力調整部９０による制御を、参照光路１００において実行する。

図３は第１の実施形態における制御を示すフロー図である。まず、測距を行う前に、ステップＳ１で、発光部１２が目的とする好ましい発光量のＡ／Ｄ変換値を、初期値（所定値）として制御部５で記憶する。初期値の値は、製造時において、その光波距離計に求められる適正光量と下限光量の仕様に応じて設定される。次に、ステップＳ２で、シャッター１７で光路を参照光路１００に切り換える。次に、ステップＳ３で、発光部１２からレーザ光を送光する。次に、ステップＳ４で、第２の受光部２０１からの出力をＡ／Ｄ変換して、現在値としてＣＰＵ７１で読み取る。次に、ステップＳ５で、ＣＰＵ７１において現在値と初期値の差分を演算し、現在値の電圧値が予め設定された初期値からずれている場合は、可変電流源９１に制御信号を送る。現在値の電圧値が初期値よりも大きい場合は、抵抗値を上げて発光部１２の発光量を減少させ、現在値の電圧値が初期値よりも小さい場合は、抵抗値を下げて発光量を増加させる。次に、ステップＳ６で、初期値との差分がなくなれば、測距用の受光部４２のゲインを設定する。次に、ステップＳ７で、シャッター１７で光路を測距光路１０２に切り換える。次に、ステップＳ８で、ステップＳ６で設定したゲインにて、測距光の受光光路１０４に可変濃度フィルタ等の受光絞り４０が設けられていれば、受光絞り４０を調整する。この調整手法は従来と同様でよい。次に、ステップＳ９以降から、従来通りの測距シーケンスに移り、発光部１２のパワーコントロールは終了する。

（第２の実施形態）
次に、図４に基づき、第２の実施形態に係る光波距離計の構成を説明する。第１の実施形態と同様の要素については同一の符号を引用する。第２の実施形態では、測距系３の発光光学系は順に、発光部１２、発光レンズ１４、凸レンズ２２、光路絞り２３、ビームスプリッタ１６、シャッター１７、凹レンズ１８、ダイクロイックミラー２４、送光プリズム２６、平行ガラス２８を有する。すなわち本形態に好適な光波距離計は、送光光路１０２上、発光部１２とシャッター１７の間に光路絞り２３が配置される。この条件以外の光学系については当業者の知識に基づく変更が行われてよい。

図５は、第２の実施形態を示す要部概略構成図である。本形態では、図４の光波距離計の構成において、発光部１２に対し発光出力調整部９０が追加されている点は第１の実施形態と同様であるが、送光光路１０２に配置された光路絞り２３上に新規にフォトダイオード（第２の受光部）２０２が追加され、受光出力監視部８０はこの第２の受光部２０２を含んで構成されている。

本形態では、発光部１２から送出された光は、送光光路１０２に沿って、発光レンズ１４、凸レンズ２２、光路絞り２３、を通過したのち、ビームスプリッタ１６で測距光と参照光に分けられ、シャッター１７によって択一的に出射される。参照光は、参照光路１００を経て測距用の受光部４２に受光される。測距光は、送光光路１０２を経て、ターゲット６４で反射され、受光光路１０４を経て測距用の受光部４２に受光される。

光路絞り２３は、従来周知の構成のものでよいが、例えば図５に示すように、遮光性の板材の中央に孔２３１を空け、通過した測距光を細くし、発光部１２からの送光が送光光路１０２の光軸から拡散しないように構成されている。図５において、網掛け部は発光部１２により発されたレーザスポットである。第２の受光部２０２は、このような光路絞り２３の板材に、孔２３１とは異なる任意の位置に他の孔２３２を形成し、そこに接着等の周知の固定手段により配置されている。

第２の実施形態では、受光出力監視部８０および発光出力調整部９０による制御を、送光光路１０２で必然的に生じる漏れ光に対して実行する。

図６は第２の実施形態における制御を示すフロー図である。第２の実施形態では、第１の実施形態（図３）と同じフローにより制御を行うことも可能であるが、以下が好適である。まず、ステップＳ１１で、第１の実施形態（Ｓ１）と同様に、発光部１２の初期値（所定値）を制御部５で記憶する。次に、ステップＳ１２で、第１の実施形態（Ｓ２）と同様に、発光部１２からレーザ光を送光する。次に、ステップＳ１３〜Ｓ１４で、第１の実施形態（Ｓ４〜Ｓ５）と同様に、第２の受光部２０２からの出力をＡ／Ｄ変換して現在値とし、初期値の差分を演算し、発光部１２をパワーコントロールする。そしてステップＳ１２に戻り、これを繰り返す。

（第３の実施形態）
図７は本発明の第３の実施形態を示す要部概略構成図である。本形態も、第２の実施形態と同様に、図４の光波距離計の構成が好適である。本形態では、図４の構成に対し、発光部１２に対し発光出力調整部９０が追加されている点は第１および第２の実施形態と同様であるが、送光光路１０２に配置されている光路絞り２３に対し光路絞り２３より発光部１２側に新規にフォトダイオード（第２の受光部）２０３が追加され、受光出力監視部８０はこの第２の受光部２０３を含んで構成されている。

第２の受光部２０３は、送光光路１０２上、光路絞り２３より発光部１２側に、孔２３１からの光出射を阻害しない位置に、所要の固定手段により配置されている。

第３の実施形態も、受光出力監視部８０および発光出力調整部９０による制御を、送光光路１０２で必然的に生じる漏れ光に対して実行する。

第３の実施形態も、第１の実施形態（図３）と同じフローにより制御を行うことも可能であるが、第２の実施形態（図６）と同じフローで行うのが好適である。ステップＳ１３において、第２の受光部２０３からの出力を読み取ればよい。

（第４の実施形態）
図８は本発明の第４の実施形態を示す要部概略構成図である。本形態では、発光部１２に対し発光出力調整部９０が追加されている点は第１〜第３の実施形態と同様であるが、受光出力監視部８０は、送光光路１０２に追加された半透過ミラー（半透過部材）４４１に対し半透過部材４４１より発光部１２側に新規にフォトダイオード（第２の受光部）２０４が追加され、受光出力監視部８０はこの第２の受光部２０４を含んで構成されている。

半透過ミラー４４１は、ガラスなど、一部を測距光として透過でき、その他を漏れ光として反射させることのできる構成であれば、使用されてよい。半透過ミラー４４１は、所要の固定手段により送光光路１０２の光軸上に配置され、好ましくは発光部１２への反射を避けるため光軸に直交する配置から傾けて配置される。半透過ミラー４４１は、送光光路１０２において、発光部１２とシャッター１７の間であればどの位置に配置されてもよい。図４に示す位置は一例である。

第４の実施形態では、受光出力監視部８０および発光出力調整部９０による制御を、送光光路１０２から新規に作成した第３の光路において実行する。

第４の実施形態も、第１の実施形態（図３）と同じフローにより制御を行うことも可能であるが、第２の実施形態（図６）と同じフローで行うのが好適である。ステップＳ１３において、第２の受光部２０４からの出力を読み取ればよい。

以上のように、第１〜第４の実施形態の光波距離計によれば、受光光路１０４を経ることで入射される外乱光を遮断した光路を選択または作成し、これらの光路に対し、受光出力監視部８０および発光出力調整部９０によるオープンループ制御が実行される。

すなわち、外乱の影響を受けるとき（測距時）は制御を行わず、外乱光を除去した状態にて制御が行われるため、太陽光の影響による温度変化の問題は勿論、測距する距離やターゲットの種類が高反射であるか低反射であるかによる受光レベルの問題も生じない状態で、発光量の制御が行える。このため、発光部１２の温度上昇による出力変化のみ制御すればよく、これには受光出力監視部８０および発光出力調整部９０による制御により高精度に対処することができる。このため、発光部１２の光出力が安定し、結果として測距時（図３のステップＳ９）における測距用の受光部４２の受光レベルが安定し、高精度な測距値が得られる。

また、いずれの実施形態も、感温素子を用いないため、発光部１２に採用する部品の選択肢を狭めることもない。

また、第１の実施形態であれば、参照光を利用するため、既存の光波距離計の構成に対し、制御部５のプログラム変更と、フォトダイオード（第２の受光部２０１）を１つ追加するだけでよいから、容易に実施可能である。

第２および第３の実施形態であれば、視準望遠鏡２内の測距系３に従来一般に備えられている光路絞り２３における漏れ光を利用するため、既存の光波距離計の構成に対し、制御部５のプログラム変更と、フォトダイオード（第２の受光部２０２または２０３）を１つ追加するだけで、容易に実施可能である。

第４の実施形態であれば、既存の光波距離計の構成に対し、制御部５のプログラム変更と、視準望遠鏡２内の測距系３に半透過ミラーとフォトダイオード（第２の受光部２０４）を１つ追加するだけで、容易に実施可能である。

また、第２〜第４の実施形態であれば、必ずしも参照光を選択して制御を行う必要がない。第１の実施形態のように（図３のＳ２およびＳ７の動作）シャッター１７の切り換えが必要なく、図６に示すように常時フィードバックをかけることが可能となる。

なお、このようにシャッターの移動に関わらずフィードバックを実行する場合、発光部１２の端面からの外乱光の反射や受光光路１０４を介して送光光路１０２に戻ってくる測距光の反射等が第２の受光部２０２、２０３または２０４に入射することが考えられるため、送光光路１０２に低反射塗装を施す、第２の受光部２０２、２０３、２０４に光学バンドパスフィルタを追加する等し、第２の受光部に外乱が入るおそれを排除または低減する構成とすると、より好適である。

また、第２の受光部に、ＰＩＮフォトダイオードなどフォトダイオードより周波数特性の優れる他のフォトセンサーを使用することも可能である。

以上、本発明について、好ましい実施の形態を述べたが、これらは本発明の一例であり、当業者の知識に基づいて変更または組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

１２ 発光部
２３ 光路絞り
４２ 測距用の受光部
７１ ＣＰＵ
８０ 受光出力監視部
９０ 発光出力調整部
１００ 参照光路
１０２ 送光光路
１０４ 受光光路
２０１、２０２、２０３、２０４ 第２の受光部
４４１ 半透過ミラー（半透過部材）

Claims (5)

1. 測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、
   前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された光路絞りと、
   前記光路絞り上に配置された第２の受光部と、
   前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、
   前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備えることを特徴とする光波距離計。
2. 測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、
   前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された光路絞りと、
   前記光路絞りより前記発光部側に配置された第２の受光部と、
   前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、
   前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備えることを特徴とする光波距離計。
   
3. 測距光および参照光を送光する発光部と、前記測距光と前記参照光とを切り換えるシャッターと、前記測距光および参照光を受光する測距用の受光部と、を有する光波距離計であって、
   前記発光部の送光光路において、前記発光部と前記シャッターの間に配置された半透過部材と、
   前記半透過部材より前記発光部側に配置された第２の受光部と、
   前記第２の受光部の出力を監視する受光出力監視部と、
   前記出力監視部の監視に基づき前記第２の受光部の出力が所定値となるように前記発光部の発光量を調整する発光出力調整部と、を備えることを特徴とする光波距離計。
   
4. 前記送光光路には低反射塗装が施されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光波距離計。
   
5. 前記第２の受光部には光学バンドパスフィルタが追加されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光波距離計。