JPH02110311A - 自動視準装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動規準装置に関し、特に陸上局に光波距離計
を備えて沿岸作業船台の位置を測定し、高精度の位置決
めを行う海洋作業システムに用い〔発明の）既要〕 目標点の反射器に送光する規準サーボ光を発散させるこ
とにより、上記反射器で反射された上記規準サーボ光の
戻り光の入射角度と規準光軸のずれとを対応させ、上記
戻り光が入射する角度でもって、規準光軸のずれの量及
び方向を検知して、光軸ずれを修正するようにした自動
規準装置である。

〔従来の技術〕

土木工事、港湾工事、沿岸工事等において、ブルドーザ
−１浚渫船、作業船台等の移動体の位置又は距離を固定
位置から計測するシステムが求められている。

従来、固定位置及び移動体の一方に光波距離計、他方に
反射器（コーナキューブプリズム等）を設け、これらの
光軸をお互いに一敗させる自動規準式にして、船台等の
移動体が揺動しても支障無く位置計測ができるようにし
たしたシステムが知られている（例えば実公昭５９−８
２２１号公報）。

公知の自動規準式光波距離計は、距離計と平行な規準サ
ーボ用光軸を有し、測定目標点からの規準サーボ光を４
分割受光素子（受光面を水平、垂直の４象限に分割した
ホトダイオード等）で受けて、上下左右の入射角度のず
れを検出し、その検出出力を水平、垂直の首振りモータ
にフィードバックして、受光素子の原点にサーボ光を結
像させるようなサーボ系を備えている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の自動規準式光波距離計に設けられている自動規準
装置は、反射器側から発信される規準サーボ光を受信し
て対物レンズの光軸を相手局のサーボ光軸と一敗させる
構成であるので、相手局に規準サーボ光用光源を設ける
必要があった。

そこで規準サーボ光を自局から発信し、反射器で反射し
て戻ってきたサーボ光を受信して対物レンズの光軸を反
射器に規準させるようにすることが考えられる。この場
合発信したサーボ光を自局に確実に戻すために、反射器
にコーナーキューブプリズムを用いる必要がある。コー
ナーキューブプリズムは入射光と平行な反射光を相手局
に反射させる。一方、コーナーキューブプリズムに向け
て発信される規準サーボ光は、送光レンズによって規準
光軸と平行に収束されている。したがって、規準光軸が
幾分ずれていても、コーナーキューブプリズムからの反
射光は規準光軸と平行なので、戻り光は規準光軸の角度
ずれに関する情報を含まない。したがって、コーナーキ
ューブプリズムからの戻り光を４分割受光素子で受けて
も規準光軸のずれを検出することができないので、規準
サーボ光を自局から発信して自動規準を行なうためのサ
ーボ系を構成することができなかった。

本発明は、反射器で反射して戻ってきたサーボ光により
光軸のずれを検出して自動規準を行えるようにすること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の自動規準装置は、送光方向に向かって放射状に
発散する規準サーボ光１４を目標点に送光する送光光学
系（発光ダイオード２０、送光レンズ１２）と、上記目
標点の反射器４で反射された上記規準サーボ光１４の戻
り光１５を受光して、上記戻り光１５の結像点と受光面
上における結像原点とのずれを検出する位置センサ２３
を備えた受光光学系と、上記位置センサ２３の出力に基
いて光軸角度を修正する機構（サーボ回路、Ｘ軸及びＹ
軸ギヤモータ９．１０）とを具備している。

〔作用〕

規準サーボ光１４を発散させているので、規準位置で反
射された戻り光は規準光軸と平行に入射するが、規準位
置からずれた位置で反射された戻り光はずれ量及びずれ
方向に応じた入射角度をもって受光系に入射する。この
ため、ずれた位置からの戻り光の結像点は、位置センサ
２３の受光面上における結像原点からずれた位置に形成
される。

このずれが無くなる方向に光軸角度を修正して上記入射
角度を零にする。これにより、戻り光が規準光軸と平行
になり、規準光軸が目標点を規準する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を自動規準式光波距離針のブ
ロック図で、第２図及び第３図は光波距離計及び反射器
の正面図である。陸上側の光波距離計３は基台ｌ上に設
けられた規準装置２内に配置されている。船台側には、
コーナーキューブプリズム７を備える反射器４が配置さ
れる。

規準装置２は、水平面内で回動自在の水平架腕８ａ及び
垂直面内で回動自在の垂直架腕８ｂを備え、夫々Ｘ軸ギ
ヤモータ９及びＹ軸ギヤモータ１０によって駆動される
。垂直架腕８ｂ上には、互いに平行光軸の送光レンズ１
２及び受光レンズ１３を備える送受光ユニット１１が取
付けられている。

第１図には、自動規準装置２の規準光学計２ａ（陸上局
）に連なる規準サーボ回路が示しである。

規準光学系２ａの送光レンズ１２の焦点には送光用発光
ダイオード２０が配置され、発振器２１の正弦波出力（
５ｋＨｚ）がＬＥＤドライブ回路２２を経て供給される
。これにより、ＡＭ変調された規準サーボ光１４が送光
レンズ１２を通って船台側コーナーキューブプリズム７
に向けて発信される。

この規準サーボ光１４はコーナーキューブプリズム７に
よって反射され、入射方向と平行な方向に戻される。し
たがって、陸上局側から発信した規準サーボ光１４の戻
り光１５が陸上局の受光系に戻され、受光レンズ１３を
介して位置センサ２３で受光される。

位置センサ２３は、例えば光スポットの原点からの位置
を検出する二次元（Ｘ−Ｙ平面）の半導体装置検出素子
であってよい。この素子は方形受光面を持つフォトダイ
オードの四辺に４つの電極（Ｘ、Ｙ二対）を設けた構造
を有し、光スポットが当たった位置に生成された電荷が
、光電流として各電極までの距離に反比例して受光面の
抵抗層によって電圧分割されて各電極から取出されるよ
うに成されている。

第１図において、位置センサ２３の各電極の出力は、電
流−電圧変換アンプ２４ａ−ｄ、バンドパスフィルタ２
５ａ−ｄを通り、検波器２６ａ〜ｄで同期検波されて、
受光位置に対応したレベル値のＤＣレベル信号に変換さ
れる。４極の検波出力は、上下（Ｕ、Ｄ）及び左右（Ｌ
、Ｒ）の位置検出信号として、Ａ／Ｄ変換器２７でディ
ジタル値に変換されてから、システムコントローラ２８
内のマイクロプロセッサに取込まれる。

マイクロプロセッサ内では、Ｕ、ＤＳＬ、Ｒの位置検出
データから位置センサ２３の受光面における受光スポッ
トのｘ−Ｙ座標位置が演算される。

システムコントローラ２８はこの座標位置データに基づ
いて各軸のモータドライブ回路３０Ｘ、３０Ｙに駆動パ
ルスを導出し、これによりＸ軸、Ｙ軸のギヤモータ９．
１０が夫々駆動される。位置センサ２３からモータ９．
１０に至るサーボループは、センサ２３の受光スポット
が受光面のＸＹ座標の原点に位置するように動作する。

サーボが利いている状態では、陸上局の光波距離計３の
光軸が船台局の反射器４に正しく向けられて、測距が可
能となる。

規準装置２の光軸の向きを微調整する手段が設けられて
いる。第１図ではこの微調整手段はジョイスティック３
１であるが、各Ｘ−Ｙ軸のモータ９、ＩＯのギヤ系に微
調整つまみを設けてもよい。

ジョイスティック３１のＸ方向及びＹ方向の操作に対応
した電圧出力がＡ／Ｄ変換器３２を介してシステムコン
ト、ローラ２８に送られ、コントローラ２８からモータ
ドライブ回路３０Ｘ、３０Ｙに微調用駆動パルスが導出
されて各モータ９．１０が微動される。従ってオペレー
タは例えば光波距離計３の規準望遠鏡４９を覗きながら
ジョイスティック３１を操作して船台側の反射器４のタ
ーゲット５０を規準する。規準が完了した時点でサーボ
のスタート釦を押すと、上述の規準サーボが始動し、そ
の後は船台のゆれや移動に追従した自動規準が行われる
。

位置センサ２３によって検出された光軸のずれ等は、シ
ステムコントローラ２８に連なる表示器３３Ａ−Ｃによ
って表示される。表示器３３Ａ、３３Ｂの各指針がＸ軸
（水平方向）及びＹ軸（垂直方向）の原点からずれを示
す。表示器３３Ｃの指針は位置センサ２３の総合受光レ
ベル（受光強度）を示す。

規準状態で光波距離計３の回路部３４が作動すると、対
物レンズ５の焦点位置に置かれた送受光ユニット３５に
より、約１５ＭＨｚ　　（ＡＭ）の測距光の発信及び測
定点からの反射光の受信が行われる。これらの発信光と
受信光との位相差が回路部３４で測定されて、それに基
づいて局間距離が算出される。距離データは、インター
フェース３６を通じてシステムコントローラ２８に転送
される。

上述のような自動規準を行なうために実施例では、第４
図の規準サーボ光説明図に示すように、焦点距離が短い
送光レンズ１２を使用すると共に、送光用発光ダイオー
ド２０の発光面積を大きくすることにより、規準サーボ
光１４を発散させている。

第４図において、送光レンズ１２の焦点距離をＦｌ、送
光用発光ダイオードの発光面の幅をａとすると、第５図
の発散角説明図に示すように送光レンズ１２の焦点位置
に置かれた発光ダイオード２０から放射する光の発散角
αは、 α＝ｔａｎ″Ｉ−・−・−一−−−−−・・−（１）と
なる。したがって、例えばＦ＝８（ｉｎ、ａ　＝０．４
１１とすれば、発散角αは約１７分１１秒となる。

１７分１１秒、の発散角を有する送光光学系で規準サー
ボ光１４を発信すると、ｌ　ｋｍ離れた位置では光線束
の直径りが約５ｍに拡がる。したがって、第６図の照射
エリア説明図に示すように、Ａ点を規準している場合の
規準サーボ光１４は、Ａ点を中心として直径Ｄ＝５ｍの
円内を照射する。なお、発散角度が１砂床がるとｌ　ｋ
ｏ＋先では光線束が５１−拡がり、１０秒砂床ると２０
０ｍ先で１０■ｌ広がる。

規準サーボ光１４を広い範囲にわたって照射するので、
Ａ点にあるときに規準している船台が、矢印Ｒ及びして
示すようにＢ点や０点に水平移動しても、船台上に配置
されているコーナーキューブプリズム７に規準サーボ光
１４が入射する。したがって、船台がＢ点に移動した場
合はＢ点からの戻り光が得られ、０点に移動した場合は
０点からの戻り光が得られる。

上記したように、コーナーキューブプリズム７からの戻
り光１５が受光系で受光され、位置センサ２３上に受光
スポットが形成される。実施例の場合、規準サーボ光１
４を発散させているので、位置センサ２３上における受
光スポットは船台の位置に対応して形成される。

即ち、規準サーボ光１４が発散光なので、規準位置から
ずれた位置にあるコーナーキューブプリズム７に入射す
る規準サーボ光１４は、規準光軸１４ｎに対して平行で
はない。例えば、第６図におけるＡ点、Ｂ点及び０点の
それぞれにコーナーキューブプリズム？Ａ、７Ｂ、７Ｃ
がある場合について説明する。

まず、規準サーボ光１４の光線束の中心光を１４Ａとし
、この中心光１４Ａと平行な光軸を規準光軸１４０とす
る。上記なようにＡ点を規準している場合には、第４図
に示すようにＡ点のコーナーキューブプリズム７Ａには
中心光１４Ａが入射する。このため、コーナーキューブ
プリズム７Ａからの戻り光１５Ａは中心光１４Ａと平行
、即ち規準光軸１４ｎと平行な光となる。したがって、
戻り光１５Ａによる受光スポットは、位置センサ２３の
受光面におけるＸ−Ｙ座標の原点に形成される。

次にＢ点のコーナーキューブプリズム７Ｂで反射された
戻り光による受光スポットについて説明する。Ｂ点は規
準位置Ａ点よりも右側の方向にずれているので、コーナ
ーキューブプリズム７Ｂに入射する規準サーボ光１４Ｂ
は規準光軸１４ｎに対して角度θえたけ右側に傾いてい
る。この場合、コーナーキューブプリズム７Ｂからの戻
り光１５Ｂは規準サーボ光１４Ｂと平行なので、規準光
軸１４ｎに対して角度θ５だけ傾いている。したがって
、Ｂ点らの戻り光１５Ｂは第７図の受光光学系の説明図
に示すように、規準光軸１４ｎに対して角度θえたけ右
側の方向から受光レンズ１３に入射する。このため、戻
り光１５Ｂによる光スポットは受光レンズ１３の焦点ｆ
、即ち位置センサ２３の受光面におけるＸ−Ｙ座標の原
点に形成されず、入射角度θ６に対応する距離だけＸ方
向にずれて形成される。したがって、原点からのずれ量
を検出し、これが零になるような光軸制御を行なえば、
規準光軸をＢ点に向けることができる。

即ち、Ａ点で規準していた船台がＢ点に移動したら、こ
れを自動的に追尾することができる。

０点のコーナーキューブプリズム７Ｃに入射する規準サ
ーボ光１４Ｃは、Ｂ点に入射する規準サーボ光１４Ｂと
は反対に左側方向に角度θ、たけ傾いている。したがっ
て、コーナーキューブプリズム７Ｃからの戻り光１５Ｃ
は角度θ、だけ左側の方向から受光レンズ１３に入射す
る。このため、戻り光１５Ｃによる光スポットは角度θ
、に対応する距離だけＸ−Ｙ座標の原点からずれると共
に、そのずれ方向は上記Ｂ点からの戻り光１５Ｂによる
光スポットのずれ方向と逆になる。したがって、位置セ
ンサ２３の受光面上における原点からのずれ方向及びず
れ量を検出することにより、船台が上下左右の何れの方
向に移動しても、その移動方向及び移動距離（角度）の
検出を行うことができ、コーナーキューブプリズム７か
らの戻り光１５を受光して自動規準が可能になる。

なお、規準サーボ光重４をコーナーキューブプリズム７
で反射させているので、反射によって発散角が広がるこ
とがない。したがって、反射による測定誤差や、発散角
が広がり過ぎることによる光量不足等が生じない。また
規準が保たれている状態では、船台のゆれ等によってコ
ーナーキューブプリズム７の光軸が傾いても、位置セン
サ２３上の光スポットは原点からずれることはない。

次に、戻り光の入射角度θ８及び受光レンズＦ２と、光
スポットの移動距離ｒとの関係について具体的に説明す
る。受光レンズ１３の焦点距離がＦ２の場合、光スポッ
トの移動距離Ｒは、 ｔａｎθえ　＝　ｒ　／　）’　ｚ　　・・・・−・・
・・−・・・　（２）なので、 ｒ”Ｆ２　　’　　ｔａｎθ＊　−−−−−−−−（３
）となる。（３）式より、移動距離ｒは入射角度θ６の
正接に比例して大きくなることが判る。また、移動距離
ｒは焦点距離Ｆ２に比例するので、焦点距ＡＩｌ　Ｆ　
２の長い受光レンズを使用すると、入射角の変化に対す
る移動距離ｒを大きくすることができ、ヰ★出感度を向
上できる。

ところで、移動距離ｒの最大値は位置センサ２３の受光
面の幅Ｗによって制限される。例えば、位置センサ２３
の受光幅Ｗが縦方向及び横方向（×方向及びＹ方向）と
もに５鰭の場合は、移動距離ｒが、ｒ＜　５　ｕ＋に制
限される。このように、移動距離ｒの最大値が制限され
ている場合には、焦点距ｕＦＺを長くして検出感度を向
上させると、受光光学系の入射許容角が小さくなり、検
出可能範囲がせばまる。例えば、焦点距ｊｉｉＦｚが５
０鶴、８０ｆｍ、　１３０龍の各受光光学系における入
射許容角α８、α２、α、は、 α貫　＝　　ｔａｎ−’ ＝５度４２分３８秒 ＝２０５５８秒 α、　　＝　　ｔａｎ−’ ＝３度３４分３４秒 ＝１２８４０秒 ＝７９２９秒 となる。また各受光光学系において、入射角度が１０秒
変化したときに光スポットが移動する距離を検出感度β
８、Ｆ２、β、とすると、近似的には、 β、＝５＋２０５５８／１０ ＝　　２．４３　　μｍ Ｆ２　＝５÷１　２８４０／１０ ＝　　３．８９　　μｍ Ｆ３　＝５÷７９２９／１０ −６．３　　μｍ となる。したがって、焦点距離Ｆ２が長い受光レンズは
、入射許容角は小さくなるが検出感度は向上することが
判る。

Ｘ軸及びＹ軸には第２図に示すようにロータリーエンコ
ーダ３９．４０が夫々設けられていて、トランシット（
セオドライト）として使用することができる。例えば第
８図において実線で示した船台４１が成る時間経過後に
点線で示した位置に移動したとする。この場合、船台４
１を自動規準しているので、実線で示した位置を原点と
して移動後の角度θ１を自動的に測定でき、測定した角
度θ１を読み込むことにより移動後の角度位置を即座に
検出することができる。

なおこの測距システムは距離及び角度の両方を測定でき
るようにしであるので、移動前の絶対位置が判っていれ
ば、移動後の角度及び距離データの両方を読み込むこと
により、演算によって絶対位置を検出することができる
。

またＹ軸に設けたロータリーエンコーダ４０により、第
９図に示すように水平面に対する傾斜角度θ２を検出す
ることができ、斜距離を水平距離に変換することができ
る。

このように自動規準装置２とロータリーエンコーダ３９
．４０とを組合わせると、移動体を自動追尾して原点か
らの角度を自動的に測定することができるので動くもの
に対するトランシフトを構成できる。また距離及び原点
からの角度を検出できるので移動体の軌跡をリアルタイ
ムで得ることができる。

１個のコーナーキューブプリズム７で約３０’の範囲か
ら入光する光をその光源に向けて反射させることができ
る。しかし移動体は３０″の範囲を越えて連続的に移動
することがあり、また３６０″方向に全回転することも
ある。このような場合、コーナーキューブプリズム７を
１個設けただけでは反射器４の向きを測定局側に向ける
作業が必要となる。第１０図はコーナーキューブプリズ
ム７を取り付ける支持体４２を円筒状に形成し、その全
周面にわたってコーナーキューブプリズム７を設けた例
を示している。このようにする場合、コーナーキューブ
プリズム７を３０°間隔で１２個設けてもよいが、安全
率を考慮して２０″間隔で１８個程度設けるようにする
のがよい。

なお、第１１図の送受光レンズの配置図に示すように、
大きな受光レンズ１３の周囲に複数の送光レンズ１２ａ
−１２ｄを配置して、それぞれの送光レンズから規準サ
ーボ光１４を発信するようにしてもよい。この場合、各
規準サーボ光の周波数を同一にする。

また、規準サーボ系と測距系で送光レンズ１２．５ａ及
び受光レンズ１３．５ｂをそれぞれ一対ずつ使う場合に
は、第１２図の対物レンズの配置図に示すように各対を
４５＠方向の斜めに取付ける。

この配置は、コーナーキューブプリズム７が上下及び左
右方向に移動したときに、規準サーボ光をコーナーキュ
ーブプリズム７に入射できなくなる危険が小さい。

第１３図の自動規準式光波距離計のブロック図に示すよ
うに、規準装置２の送受光光路と光波距離計３の送受光
光路とを共用させてもよい。この装置では、送光レンズ
１２と位置検出用の発光ダイオード２０との間に、光軸
に対して略４５’の角度で挿入されたビームスプリッタ
４４により、距離計用発光ダイオード４５から出力され
た測距光４６ａが規準サーボ光１４と同じ送光光路に乗
せられ、船台側のコーナーキューブプリズム７に送られ
る。

また、規準サーボ系の戻り光１５と同じ受光光路に乗っ
て戻ってきた測距光の戻り光４６ｂは、受光レンズ１３
と位置センサ２３との間に挿入されたビームスブリ７タ
４７により、距離光用受光ダイオード４８に分岐される
。そして、受光ダイオード４８の受光出力は光波距離計
回路部３４に送られ、上述のような距離検出が成される
。なお、実施例では、ビームスプリッタ４４．４７とし
て、立方形のブロックガラス内に反射面が形成されてい
るものを使用して、各光を合成するとき及び分けるとき
に歪みが生じないようにしている。

なお、このように１つの光路を共用する場合、測距光と
サーボ光とで波長を分離させると共に、カットフィルタ
の分光特性を利用して各光の透過及び反射を行なうよう
にすれば、光軸の分解及び合成の能率が高まる。

なお、この例では光軸のずれ及び受光量を表示するため
に、パネル状の表示器３７を用いている。

この表示器３７は光軸の上下及び左右方向のずれを、Ｙ
軸方向及びＸ軸方向に輝点表示すると共に、総合受光レ
ベルはＬＥＤを用いたバーグラフ３７ａに表示する。

〔発明の効果〕

本発明は上述の如く、目標点の反射器に送光する規準サ
ーボ光を発散させると共に、上記反射器で反射された上
記規準サーボ光の戻り光を、結像点と結像原点とのずれ
を検出する位置センサで受光し、上記位置センサの出力
に基いて規準ずべき光軸のずれを検出して自動規準する
ようにしたので、反射器側にサーボ光源を置く必要が無
くなり、自動規準システムの構成が簡略になる。

また、規準サーボ光を発散させ、その戻り光の結像点を
検出するだけでよいので、非常に簡単な規準サーボ光発
信回路及び検出回路で目標点側のサーボ光源を省略でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す自動規準式光波距離計
のブロック図、第２図及び第３図は光波距離計及び反射
器の正面図、第４図は規準サーボ光の発散方向を説明す
る線図、第５図は発散角を説明するための線図、第６図
は規準サーボ光の照射エリアを説明するための線図、第
７図は戻り光による結像を説明するための線図、第８図
は水平面内角度測定の一例を示す線図、第９図は水平面
に対する傾斜角度測定の一例を示す線図、第１０図は反
射器の変形例を示す正面図、第１１図及び第１２図は対
物レンズの配置態様の例を示す配置図、第１３図は第１
図と異なる実施例を示す自動規準式光波距離針のブロッ
ク図である。 なお図面に用いた符号において、 ２−・−・・−・・−・・・−・・−・・規準装置３・
−・−・・−・・−−ｍ−−−・−・・光波距！　計４
−・−・−・・−・・・・・−・−反射１７・・−・−
・・−・・−・−・−コーナーキューブプリズム８ａ−
・・−・−・・−・−・・水平架腕８ｂ−一−−・−−
−一−・−−−−一一−−垂直架腕９・−・・−・−・
−−ｍ−−−−−−・−Ｘ軸ギヤモータ１０−・・−・
−・−一一一一一・−Ｙ軸ギヤモータ１２・・・−−−
−−−−−−−−−−−・・送光レンズ１３−・−・・
・・・−・−受光レンズ１４−〜−−−−−−−−−−
−・−・−規準サーボ光１５−−−−−−・・・・−・
−・−−−一一戻り光２０・・−・・−−−−一・−・
・・送光用発光ダイオード２３・・−・・・−−−−一
−−−・−・−位置センサである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 送光方向に向かって放射状に発散する規準サーボ光を目
   標点に送光する送光光学系と、 上記目標点の反射器で反射された上記規準サーボ光の戻
   り光を受光して、上記戻り光の結像点と受光面上におけ
   る結像原点とのずれを検出する位置センサを備えた受光
   光学系と、 上記位置センサの出力に基いて光軸角度を修正する機構
   とを具備する自動規準装置。