JPH06347270A - 測量機の自動視準装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 遠距離探索を容易にするとともに、簡単な構
造で距離の遠近に拘らず探索範囲を変化することができ
るようにする。 【構成】 測定対象物９にパルス光を出射するパルスレ
−ザダイオ−ド１と、測定対象物９からの反射パルス光
を電気信号に変換する複数の光電変換セル６ａと、パル
スレ−ザダイオ−ド１からのパルス光を集束する対物レ
ンズ８とを備え、各光電変換セル６ａの受光面を二次元
的に配置し、レンズ２とこのレンズ２を駆動するモ−タ
３とで対物レンズ８からのパルス光の広がり角を、測定
対象物９までの距離に応じて制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は測量機の自動視準装置
即ち、測定点に設置された反射部材と測量機の望遠鏡の
光軸とをほぼ一致させる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置は、光射出方向が一
定な視準装置を機械的に駆動することで測定対象物を探
索する機械駆動式の装置や、レ−ザダイオ−ドからのレ
−ザ光を音響光学素子等の偏向素子を用いて二次元的に
射出し、その光による走査範囲内のタ−ゲットから反射
された光を受光装置で検出し、その検出光により測量機
本体からタ−ゲットまでの方向を求め、視準する光走査
式の装置が知られている（特開平４−１６６７９１号公
報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記機械駆
動式の装置は、機械的に走査するために反射部材を検出
するまでに非常に時間がかかるという問題があった。

【０００４】これに対し、光走査式の装置には、反射部
材の検出は速いが、偏向素子をドライブするための動力
源や回路が必要になるとともに、光学系の光路が複雑に
なるので、小型化が難しいとともに、人体保護の関係か
らレ−ザダイオ−ドの出力をあまり大きくできないの
で、遠距離探索が難しいという問題があった。更に、こ
の光走査式の装置は探索角（ビ−ムの振れ角）固定であ
るから捜索範囲を変化させることがむずかしく、近距離
の実質的探索面積が狭いという問題があった。

【０００５】探索範囲を変化させる従来技術として、探
索範囲内に複数個のタ−ゲットが存在する場合にタ−ゲ
ットを限定することを目的とする自動焦点整合装置であ
って、ＴＶカメラ等の撮像装置を用いて、予め広範囲の
画角でのデ−タ入力を可能にしておいて、有効とする画
角を電気回路又はコンピュ−タにより限定するものがあ
る（特開平４−４３４７５号公報）。しかし、この装置
には、ＣＣＤを制御する回路やこれによって得た信号を
処理する回路などが必要になるので、回路規模が非常に
大きくなるという問題があった。

【０００６】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は遠距離探索を容易にするととも
に、簡単な構造で距離の遠近に拘らず探索範囲を変化さ
せることができる測量機を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め請求項１記載の発明の測量機は、測定対象物にパルス
光を出射するパルス光発生手段と、受光面を二次元的に
配置し前記測定対象物からの反射パルス光を電気信号に
変換する受光手段と、前記パルス光発生手段からのパル
ス光を集束する集光光学系と、この集光光学系からのパ
ルス光の広がり角を前記測定対象物までの距離に応じて
制御するパルス光広がり角制御手段とを備えている。

【０００８】

【作用】光源にパルス光発生手段を用いたので、出力を
大きくして遠距離探索を容易にすることができるし、人
体保護も図り得る。また、複数の受光手段の受光面を二
次元的に配置したので測定対象物の位置検出ができる。

【０００９】また、パルス光発生手段からのパルス光を
集束する集光光学系と、この集光光学系からのパルス光
の広がり角を測定対象物までの距離に応じて制御するパ
ルス光広がり角制御手段とを備えたものでは、測定対象
物までの距離に応じて探索範囲を自由に変えることがで
きる。

【００１０】

【実施例】以下この発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１１】図１はこの発明の一実施例に係る測量機の
全体構成図である。光源としては瞬間的に高出力を得る
ことができるパルスレ−ザダイオ−ド１を用いた。パル
ス点灯としては数ワット〜数百ワット、パルス幅数ｎ秒
〜数百ｎ秒程度である。人体の保護に対する光出力は時
間軸に対する出射光の積分値として表せるので、パルス
点灯方式を採ることにより高出力の素子が使用でき、単
一面積当たりの瞬間ピ−ク光量を大きくとれる。

【００１２】前記パルスレ−ザダイオ−ド１の前方には
対物レンズ８が配置され、対物レンズ８を出たパルス光
は測定対象物９に照射される。パルスレ−ザダイオ−ド
１と対物レンズ８との間には、対物レンズ８から出射さ
れるパルス光の広がり角を制御するレンズ２（例えば凸
レンズ）が配置されている。レンズ２はモ−タ３により
光軸方向に駆動される。レンズ２と対物レンズ８との間
にはハ−フミラ−４が配置され、測定対象物９で反射さ
れた反射パルス光を受光装置６側へ反射させる。受光装
置６とハ−フミラ−４との間には、受光装置６と測定対
象物９との焦点を合わせるための合焦用のレンズ５が配
置され、レンズ５はモ−タ７により駆動される。これら
の光源１〜モータ７及び後述する図４の回路は点線で示
す望遠鏡１０内に配置されている。

【００１３】前記レンズ２とモ−タ３とで構成されるパ
ルス光広がり角制御手段により、パルス光の出射角を拡
げた場合、単一面積当たりの出射光量は少なくなるが、
一度に広範囲の探索が可能になる。また、パルス光の出
射角を狭くする場合、探索範囲は狭まるが、単一面積当
たりの出射光量は多くなる。

【００１４】なお、パルス光広がり角を狭くし、探索範
囲を限定することで測定対象物を限定することもでき
る。

【００１５】前記受光装置６はセル状に成形したホトダ
イオ−ドアレイを二次元的に配置したものを用いた。た
だし、他にも高速応答が可能なリニアイメージセンサや
ホトダイオードを２次元的に配置したものやＣＣＤを用
いてもよい。尚、ＣＣＤを用いる事は可能であるが、Ｃ
ＣＤ電荷の放電時に受光パルスが来る様なタイミングを
避けるために、ＣＣＤの充放電のタイミングをパルス送
光タイミングと同期させる必要がある。また、使用パル
ス幅に応じてＣＣＤの容量性負荷を小さく抑える必要が
ある。

【００１６】図２（ａ）は９個の光電変換セル６ａを一
個のパッケ−ジ内に二次元的に配置した例を示し、図２
（ｂ）は光電変換セル６ａを４個用いた例を示し、図中
の円は測定対象物９との焦点及び視準が理想的な状態で
合ったときの測定対象物９の結像点を表す。

【００１７】焦点は合致しているが、視準即ち結像点の
位置がずれている場合ＣＰＵ１６は受光装置に応じて、
本体１０の光軸上に測定対象物９が位置するように制御
する。例えば、図２（ａ）の受光装置を用いている場合
は中央の光電変換セル６ａの反射光強度が最も強くなる
ように測量機本体１０を制御し、図２（ｂ）の受光装置
では各光電変換セル６ａの反射光強度が均等になるよう
に測量機本体１０を制御することで視準できる。

【００１８】測量機本体１０の制御は、測量機本体を２
つの電動モ−タ１８，１９により水平方向と垂直方向に
駆動させて行なう。

【００１９】更に、焦点がずれている時点からの制御を
説明する。尚、微弱であっても反射パルス光は検出でき
ているものとする。パルス光を送るタイミングは既知で
あるから、僅かな焦点ずれがあっても受光さえできれば
大体の距離情報は得られる。即ち、遅延時間測定回路１
７でパルス光の送信から受信までの時間差を計測するこ
とで距離情報が得られ、ＣＰＵ１６はこの距離情報に基
づいてレンズ５の位置を移動させるようにモータ７を制
御する。受光装置６で、反射パルス光のピーク値が検出
されるまで、この距離計測とレンズ駆動とを繰り返すこ
とにより、より正確な焦点整合を行なう。

【００２０】図４は受光装置６の１個の光電変換セル６
ａからの情報をＣＰＵ１６で処理するための回路図であ
る。尚、ＣＰＵ１６は共通の１個であるが、各セルに同
様の回路が接続されている。光電変換セル６ａに入射し
た反射パルス光は光電変換され、負荷抵抗１１の両端に
変換された電流値に応じた電圧が生じる。この電気信号
はハイパスフィルタ１３、増幅器１４を経由してピ−ク
検出回路１５に送られ、このピ−ク検出回路１５でデジ
タル信号に変換され、このピ−ク光量値がＣＰＵ１６に
与えられる。一方、遅延時間測定回路１７では、パルス
点灯を行ったタイミングの時間情報を表す送信信号との
時間差を計測し、その結果をデジタル化してＣＰＵ１６
に送る。尚、遅延時間測定回路１７は全ての光電変換セ
ル６ａに対して必要な回路ではなく、パルス測距を行う
システムの場合に必要になり、最低限一個の光電変換セ
ル６ａに対して設ければよい。

【００２１】次に、この実施例の測定機の動作を説明す
る。

【００２２】まず、パルスレ−ザダイオ−ド１から送り
出されたパルス光を対物レンズ８から出射させる。この
とき対物レンズ８からのパルス光の広がり角が最大とな
るようにレンズ２をモ−タ３で駆動する。出射されたパ
ルス光は測定対象物９で反射され、対物レンズ８を通
り、ハ−フミラ−４で反射され、レンズ５を通過して受
光装置６に至る。

【００２３】このとき受光装置６でパルス光が検出でき
ない場合、次の原因が考えられる。第１に十分な合焦を
していないこと、第２に測定対象物までの距離が長す
ぎ、検出レベル以下の受光量となっていること、第３に
測定対象物９が探索範囲内にないこと、などが考えられ
る。

【００２４】第１の場合にはモ−タ７でレンズ５による
焦点を近距離から遠距離の間で移動させながら探索を行
なう。第２の場合にはモ−タ３でレンズ２による広がり
角を狭めながら探索を行う。通常第１の場合と第２の場
合との両方が関係していると考えられるが、このような
場合には、受光量がおよそ広がり角の二乗及び距離の二
乗に反比例することにより、最大広がり角にしたときの
最大測定距離が既知であるとすると、これにより遠距離
を探索するときに、探索範囲の平面積を固定したシステ
ムと考えて、広がり角と焦点とを同時に駆動することに
より対応できる。

【００２５】図３（ａ）は受光量が同一となる広がり角
と距離との関係を説明するための図であり、距離ｄ₁ に
対する最大広がり角をθ₁ とする。ここではθ₁ がシス
テム上物理的に最大となり得る最大広がり角と一致する
ものとする。また、距離ｄ₂における受光量がｄ₁ のと
きと同一となり得る広がり角をθ₂ とした。図３（ｂ）
及び図３（ｃ）は距離ｄ₁ ，ｄ₂ における最大探索面積
をそれぞれ示し、その直径をｌ₁ ，ｌ₂ とする。湿度や
温度によっても影響をうけるが、概ねｌ₁ ＝ｌ₂ であ
る。換言すればｄ₁ 以上の距離に対しては同一面積での
探索が可能になり、平面積固定の検索機構ということも
でき、焦点整合を必要とするシステムでは、焦点即ち探
索面の距離を移動しながら広がり角を制御することで最
大体積の探索が行える。

【００２６】前記第３の場合（測定対象物９が探索範囲
内にない場合）には、前述の第１、第２の場合の処理を
併用しながら、若しくは広がり角を固定した状態で第１
の場合の処理を併用しながら、測量機本体を駆動させる
か、出射パルス光を偏向させる手段が必要になるが、従
来の方式よりも駆動すべき範囲は短くなる。なお、焦点
深度が深い場合、前記第１の場合の処理を減少又は削除
することができる。

【００２７】また、僅かな焦点ずれがあっても、パルス
光が検出できる程度の受光量が得られれば、パルス測距
を行なうことも可能であるから、これと焦点の相互補正
により、より正確な焦点整合を行なうシステムの構築も
できる。

【００２８】以上によりパルス光の検知ができた状態と
なる。

【００２９】次に、光電変換セル６ａをパッケ−ジ内に
二次元的に配置した受光装置６により得られる位置情報
を元に、図示しない電動モ−タにより測量機本体を駆動
し、測定対象物９との光軸を合わすように視準させる。

【００３０】更に、モ−タ３でレンズ２を駆動し、距離
情報との兼ね合いで、広がり角を追尾動作に都合のよい
探索範囲となるように設定する。

【００３１】再度、合焦、視準、探索範囲の微調整を行
なう。

【００３２】以上の動作により合焦、視準が自動的に行
なわれ、自動追尾が可能となるシステムが構築できる。

【００３３】この実施例の測量機ではＴＶカメラ等の特
別大きな部品の使用を必要としないので、小型化を図る
ことができる。また、探索範囲を容易に変更できるの
で、高速に移動する測定対象物９には探索範囲を広げる
ことで対応することができるとともに、測定対象物とな
り得るタ−ゲットが複数ある場合には探索範囲を狭める
ことで対応できる。出射されるパルス光は広がり角の二
乗に反比例するが、光源のレ−ザパルスダイオ−ド１が
高出力であるから対物レンズ８からの広がり角を大きく
とれ、その結果近距離の測定対象物９に視準させると
き、測量機本体を測定対象物９に向けるだけで即座に視
準させることが可能となる。逆に広がり角を狭くするこ
とで、遠距離に対する光量を大きくとれる。近距離では
大きな光量は不要であるため広がり角を大きくとれるこ
とになり、遠距離では僅かな広がり角でも探索範囲面積
自体は狭くならないので、光量を優先させることができ
るのである。

【００３４】なお、この実施例では、レンズ２に凸レン
ズを用いた場合について述べたが、凹レンズを用いるよ
うにしてもよい。また、モ−タ３でレ−ザパルスダイオ
−ド１を直接光軸に沿って駆動させる方法でも広角を制
御でき、この場合にはレンズ２が不要になる。

【００３５】更に、この実施例では、パルス光を送る光
路とパルス光を受ける光路とを同じにしたが、両光路を
分離させてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
の測量機によれば、光源にパルス光発生手段を用いたの
で出力を大きくして遠距離探索を容易にすることができ
るし、また複数の受光手段の受光面を二次元的に配置し
たので測定対象物の位置検出ができ、コントラスト方式
による焦点検出も可能になる。

【００３７】また、請求項２記載の発明の測量機によれ
ば、近距離の測定対象物に対しては探索範囲を広くして
高速の位置検出を可能にし、近距離に測定対象物となり
得るタ−ゲットが複数個存在するときには、逆に探索範
囲を狭めることにより測定対象物を限定することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の一実施例に係る測量機の全体
構成図である。

【図２】図２は受光装置の光電変換セルの配置を示す図
である。

【図３】図３は受光装置の受光量が同一となる距離
ｄ₁ ，ｄ₂ と出射パルス光の広がり角をθ₁ ，θ₂ との
関係、並びに距離ｄ₁ ，ｄ₂ における最大探索面積を示
す図である。

【図４】図４は受光装置の光電変換セルからの情報をＣ
ＰＵで処理するための回路図である。

【符号の説明】

１ パルスレ−ザダイオ−ド ２，５ レンズ ３，７ モ−タ ６ 受光装置 ６ａ 光電変換セル ８ 対物レンズ ９ 測定対象物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物にパルス光を出射するパルス
   光発生手段と、 受光面を二次元的に配置し前記測定対象物からの反射パ
   ルス光を電気信号に変換する受光手段と、 前記パルス光発生手段からのパルス光を集束する集光光
   学系と、 この集光光学系からのパルス光の広がり角を前記測定対
   象物までの距離に応じて制御するパルス光広がり角制御
   手段とを備えていることを特徴とする測量機の自動視準
   装置。