CN100595604C - 使用光波的距离测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种光波距离测定装置具备：具有去路光轴、用于投射测定光的投光光学***；以及具有归路光轴、用于接受反射光的受光光学***，该受光光学***具有：用于接受反射光并使之聚焦的受光透镜；反射光入射的受光面；以及环状的穿孔多焦点光学构件，将其配置在该受光面与上述受光透镜之间，以使反射光聚焦到上述受光面上。

Description

使用光波的距离测定装置
技术背景
本发明涉及轻便型携带式光波距离测定装置，特别涉及接受来自墙壁等一般构件的回射漫射光进行直到近距离的测距之光波距离测定装置。
背景技术
近年来，不使用反射棱镜、具备无棱镜型光波测距功能的便携式测距装置已商品化。
例如，有日本公开公报2000-187076中揭示的便携式测距装置。在该装置中，不是以总站型测量机的方式进行准直，而是以可视光的测定光为指示器确定任意的测定点、来测定距离。该装置具备射出测定光的投光光学***、及接受入射的反射测定光的受光光学***，并列地设置这两个光学***。
在测定对象离开数米以上的情况下，由于投光光学***的光轴与受光光学***的光轴的间隔近故由测定对象漫反射的反射测定光作为大致平行光入射到受光光学***上而被其接受。
作为同样的测距装置，存在着光学***的配置不同的测距装置。在该装置中，其结构为，投光光学***与受光光学***同轴地配置，它们部分地共用光学***。由配置在光轴上的反射镜进行引导而射出测定光。测定光被测定对象反射，从光学***的不被反射镜遮挡的部分入射而被其接受。
如果使用投光光学***的光轴与受光光学***的光轴并列构成的测距装置来进行近距离的则定，则由于与测定对象的测定距离近故成像位置向后方移动、同时成像位置开始离开受光光学***的光轴。在测定距离近的情况下，反射光也强，即使调焦位置向后方移动也能够进行测量。但是，成像位置一离开光轴，就不能受光，便不能测定了。在日本公开公报2000-187076中，作为这个问题的对策，作成这样的结构，能够把受光部移动到可以受光的位置上，或者设置光学辅助构件以便把近距离的反射测定光引导到受光部。在把受光部作成可以移动的情况下，需要机械精度高的结构，存在着装置的制作成本提高这样的问题。此外，在设置了辅助构件的情况下，存在着受光光量不够及测定范围变成固定的这样的问题。
在以同轴方式构成投光光学***与受光光学***的情况下，即使在近距离时反射光也不离开入射光轴，但是，由于与光轴一致的部分反射光被反射镜遮挡、同时成像位置向后方移动，故存在着不能被受光部接受、不能进行测定这样的问题。此外，虽然在同轴的情况下也能应用与并列同样的对策，但是，测量范围同样变成固定的了。
发明内容
本发明的目的是，提供这样的光波距离测定装置，其去路光轴与归路光轴一致、且从近距离的测定到远距离的测定都得到充分的受光光量，能够进行稳定了的测距。
为了达到上述目的，本发明的一种光波距离测定装置，具备：投光光学***，具有去路光轴、用于投射测定光；以及，受光光学***，具有归路光轴、用于接受来自测定对象物的反射光，该受光光学***具有：受光透镜，用于接受反射光并使之聚焦；反射光入射的受光面；以及环状的穿孔多焦点光学构件，配置在该受光面与上述受光透镜之间，并使反射光聚焦到上述受光面上，该多焦点光学构件沿圆周方向具有至少二个不同焦点距离的部位，上述受光面设置在上述受光透镜的焦点位置，并且上述受光面，在远距离测定时可接受上述受光透镜聚焦的光束，在近距离测定时可接受上述穿孔多焦点光学构件聚焦的光束。此外，本发明的光波距离测定装置的上述受光透镜是穿孔透镜，该孔位于去路光轴上，此外，本发明的光波距离测定装置的上述穿孔多焦点光学构件是具有至少2个点的焦点位置的复曲面透镜，此外，本发明的光波距离测定装置的上述穿孔多焦点光学构件是非球面透镜，此外，本发明的光波距离测定装置的上述穿孔多焦点光学构件的剖面是锥形棱镜形状，此外，本发明的光波距离测定装置的上述穿孔多焦点光学构件是具有至少2种以上的顶角的锥形棱镜，此外，本发明的光波距离测定装置的上述锥形棱镜具有连续变化的顶角，再者，本发明的光波距离测定装置的上述去路光轴的光轴对于受光透镜中心偏心。
附图说明
图1为示出本发明第1实施例的简图。
图2为示出本发明第1实施例的作用说明图。
图3为示出在本发明中应用的光波测距仪电路之一例的电路图。
图4为本发明第2实施例中使用的穿孔聚焦光学构件的说明图，图4(A)为正视图，图4(B)为侧剖面图，图4(C)为俯剖面图。
图5为本发明第3实施例中使用的穿孔聚焦光学构件的说明图，图5(A)为正视图，图5(B)为侧剖面图。
图6为本发明第3实施例中变更例的穿孔聚焦光学构件的说明图，图6(A)为正视图，图6(B)为侧剖面图，图6(C)为俯剖面图。
图7为示出本发明第4实施例的简图。
具体实施方式
下面，一边参照附图，一边说明本发明的实施例。
图1示出本发明的第1实施例，图中，1为示出成为测定对象的墙壁等一般构件的对象反射体，2示出光波距离测定装置。
说明有关该光波距离测定装置。
在去路光轴3上配置发生可视激光光线的光源4、聚光镜5、第1反射镜6，另外与该第1反射镜6对置配置第2反射镜7，利用聚光镜5使由上述光源4发生的激光光线成为平行光束，利用上述第1反射镜6、第2反射镜7使激光光线通过受光透镜9的孔15向上述反射对象体1射出。上述聚光镜5、第1反射镜6、第2反射镜7等构成投光光学***。
在归路光轴8上配置受光透镜9、穿孔聚焦透镜11、光纤13的受光端面12，该受光端面12设置在上述受光透镜9的焦点位置上。与上述光纤13的射出端面相对，配置了受光元件14。上述穿孔聚焦透镜11配置在上述受光透镜9与上述受光端面12之间。上述受光透镜9、穿孔聚焦透镜11、光纤13等构成受光光学***。
从上述光波距离测定装置2向上述对象反射体1的去路光轴3与从上述对象反射体1向上述光波距离测定装置2的归路光轴8一致。
首先，说明上述对象反射体1位于远距离的情况。
利用上述第1反射镜6、第2反射镜7使由上述光源4射出的激光光线偏转，使其通过贯穿设置在上述受光透镜9中央的孔15向上述对象反射体1投射。激光光线被上述对象反射体1漫反射，以该对象反射体1的反射面作为二次光源的反射光从无限远向上述光波距离测定装置2入射。反射光作为光束扩展了的平行光束向上述受光透镜9入射，利用上述受光透镜9使反射光聚焦到上述受光端面12上。再有，也可以用没有折射能力的透明构件堵住上述孔15。
入射到上述受光透镜9的反射光不被上述穿孔聚焦透镜11遮挡，大致全部光分量通过在该穿孔聚焦透镜11的中央形成的孔16而聚焦到上述受光端面12上。因而，把测距中需要的充分的光量引导到受光部的上述光纤13而入射到上述受光元件14。
其次，利用图2，说明上述对象反射体1位于近距离的情况。
在该对象反射体1位于近距离的情况(对象反射体1不在无限远的情况)下，上述受光透镜9对反射光的聚焦位置12’移动到上述受光端面12的后方。
因此，在反射光的分量内、入射到上述孔15的反射光的光束不被上述受光透镜9聚焦，且被上述第2反射镜7遮挡。如果考察在上述穿孔聚焦透镜11不存在的状态下的光束状态，则上述受光端面12位于反射光被上述孔15、第2反射镜7遮挡了的部分内。因而，由上述受光透镜9聚焦的反射光不入射到上述受光端面12上。
其次，说明上述穿孔聚焦透镜11的作用。
在装入了该穿孔聚焦透镜11的状态下，被上述受光透镜9聚焦的反射光周边部分的光束入射到上述穿孔聚焦透镜11，光束被该穿孔聚焦透镜11聚焦到上述受光端面12上。因而，图2中斜线部分的光束通过上述光纤13入射到上述受光元件14上。上述对象反射体1位于近距离，反射光束的光强度高，在反射光的周边部上也得到在测距中充分的光量。
再有，在除了图1、图2所示的中间状态下，被上述受光透镜9聚焦的光束的一部分、被上述穿孔聚焦透镜11聚焦的光束的一部分分别入射到上述受光端面12上，得到在测距中需要的光量。此外，也可以省略上述光纤13，以使上述受光元件14的受光面在上述光端面12的位置上的方式来配置上述受光元件14。
图3为示出在本发明中应用的光波测距仪电路之一例的图。该光波测距仪为无棱镜测距方式，无棱镜测距方式可进而分成脉冲方式及连续光相位差方式等。在可视的情况下，一般为后者，下面，说明相位差方式。
光波测距仪由发光侧模拟电路40、受光侧模拟电路41及数字电路42构成。上述发光侧模拟电路40由：基准振荡器43；从该基准振荡器43输入、输出给发光元件39(相当于图1中的光源4)的第1分频器44；从该第1分频器44输入的第2分频器45；以及从上述第1分频器44及第2分频器45输入的第1混频器46构成。上述受光侧模拟电路41由：从受光元件38(相当于图1中的受光元件14)输入的前置放大器47；从该前置放大器47及上述第1混频器46输入的第2混频器48；以及从该第2混频器48输入、输出给上述数字电路42的波形整形器49构成。
上述数字电路42由：从上述基准振荡器43、第2分频器45及波形整形器49输入的数字相位差计50；从该数字相位差计50输入的存储器52；以及从上述数字相位差计50及上述存储器52输入、输出给显示器53的运算器54构成。上述数字电路42还具有控制电路51。在上述结构中，希望把上述受光侧模拟电路41与发光侧模拟电路40分别独立地屏蔽。当要求进一步提高精度时，希望把图3所示的全部方框屏蔽。
在上述电路中，来自上述基准振荡器43的基准频率f0＝30MHz由上述第1分频器44以1/20分频、制作f1＝1.5MHz的信号。把该信号送给上述发光元件39，该发光元件39发射1.5MHz的红外调制光。来自该发光元件39的调制光通过物镜34等被送给配置在目标点上的对象反射体1，被对象反射体1反射、再次通过物镜34等而到达上述受光元件38。入射到该受光元件38上的光束包含1.5MHz的分量及对应于被测距离的相位差的分量。
另一方面，来自上述第1分频器44的频率f1的信号还供给上述第2分频器45，在此将其以1/500分频、制作f2＝3KHz的信号。把该信号供给上述第1混频器46，制作频率为它与来自上述第1分频器44的f1信号之差f3＝f1-f2＝1.497MHz的信号。进而，把该频率f3的信号供给上述受光侧模拟电路41的第2混频器48。该第2混频器48在与从上述前置放大器47供给的输出信号之间、制作来自f1-f3＝f2的逐次差拍信号。
由于来自上述受光元件38的信号具有与被测距离对应的相位差分量，故上述第2混频器48的输出信号包含f2＝3KHz的信号及与距离对应的相位差。在利用上述波形整形器49对该信号进行了波形整形之后，将其供给上述数字电路42的数字相位差计50。把来自上述第2分频器45的频率f2的信号作为参考信号供给上述数字相位差计50，以检测出与被测距离对应的相位差，利用来自上述基准振荡器43的频率f0的信号以数字方式来测定该已检测出的相位差，将其值作为测距数据供给上述运算器54。该运算器54基于测距数据进行直到对象反射体1的距离65运算，基于2个点的测距数据进行2点间的距离、规定范围的面积等所需要的运算。再有，图3中，30表示去路光，56表示圆形参考光。
图4示出第2实施例。在该第2实施例中，使用了环状的复曲面透镜17来代替上述穿孔聚焦透镜11。该复曲面透镜17具有变化的曲率，它在与X轴、Y轴垂直的剖面上入射面的曲率不同。
通过使用该复曲面透镜17，在上述对象反射体1位于近距离的情况下，能够使反射光聚焦到上述受光端面12上，同时，由于在X轴方向、Y轴方向上反射光的聚焦位置不同，故能够在上述对象反射体1位于近距离、且在其所需要的范围内有效地使反射光聚焦到上述受光端面12上。
再有，作为上述复曲面透镜17的变更例，该复曲面透镜17是在X轴方面、Y轴方向上具有不同焦距的透镜，但是，焦距可以从X轴到Y轴连续地变化，也可以使焦距在360°内连续地变化。
图5示出第3实施例。
在该第3实施例中，作为具有与上述穿孔聚焦透镜11同等功能的聚焦光学构件使用了环形的锥形棱镜18。在使用了该锥形棱镜18的情况下，也能够与上述一样使反射光聚焦。上述锥形棱镜18的剖面为楔形棱镜状、并且是以圆形连续起来的环形形状。
图6示出第3实施例的变更例，示出由顶角不同的2种楔形棱镜19a、19b构成的穿孔聚焦光学构件19。在该聚焦光学构件19中把圆周4等分，把对置的部分作成具有同一顶角的楔形棱镜19a、19a及楔形棱镜19b、19b。在该等3实施例的变更例中，由于上述楔形棱镜19a与楔形棱镜19b具有不同的聚焦位置，故利用上述穿孔聚焦光学构件19扩展了反射光能够入射到上述受光端面12上的、直到上述对象反射体1的距离之范围。
再有，上述穿孔聚焦光学构件19为圆形的，但是，也可以把梯形的楔形棱镜组合起来而作成多角形的。此外，在上述穿孔聚焦光学构件19中，也可以作成顶角沿着圆周连续地变化。
图7示出第4实施例，在该第4实施例中，在对于受光透镜9的中心偏心的位置上贯穿设置孔15，作成使来自光源4的激光光线通过偏心的上述孔15进行投射，除了把去路光轴3与归路光轴8分离开来以外，与图1示出的第1实施例一样。
图7示出对象反射体1位于近距离的情况，在该对象反射体1位于近距离的情况下，如图2中也示出了的那样，受光透镜9对反射光的聚焦位置12’移动到受光端面12的后方。此外，由于上述孔15对于上述归路光轴8偏心了，故反射光因上述孔15而缺少的部分也偏心。因而，透过上述受光透镜9的中心部分的反射光的光束入射到上述受光端面12上。此外，入射到上述穿孔聚焦透镜11上的反射光周边部的光束也入射到上述受光端面12上。在该第4实施例中，由于反射光中心部的光束入射了，故受光光量变得比第1实施例还大。
此外，由于通过上述受光透镜9的中心部的光束必定入射到上述受光端面12上，故对于远近双方都可谋求受光光量的增大。
此外，上述去路光轴3与归路光轴8间的距离为一点点，对于上述对象反射体1的对称性无严重影响。
再有，关于上述穿孔聚焦透镜11，也可以作成在图4～图6示出的穿孔聚焦光学构件17、18、19中，具有偏心了的孔16的装置。
按照本发明，由于具备：具有去路光轴、用于投射测定光的投光光学***；以及具有归路光轴、用于接受反射光的受光光学***，该受光光学***具有：用于接受反射光并使之聚焦的受光透镜；反射光入射的受光面；以及环状的穿孔多焦点光学构件，将其配置在该受光面与上述受光透镜之间，以使反射光聚焦到上述受光面上，所以，在对象反射***于远距离的情况下的反射光被上述受光透镜聚焦、通过上述穿孔聚焦光学构件的孔而入射到受光面上，在对象反射***于近距离的情况下反射光被上述穿孔聚焦光学构件聚焦而入射到上述受光面上，从远距离到近距离的测定都可得到所需要的受光光量。
此外，由于上述穿孔多焦点光学构件是具有至少2个点的焦点位置的复曲面透镜，此外，上述穿孔多焦点光学构件是具有至少2种以上的顶角的锥形棱镜，所以，即使近距离的对象反射体的位置变化反射光也有效地入射到受光面上。

Claims (8)

1.一种光波距离测定装置，其特征在于，具备：
投光光学***，具有去路光轴、用于投射测定光；以及
受光光学***，具有归路光轴、用于接受来自测定对象物的反射光，
该受光光学***具有：
受光透镜，用于接受反射光并使之聚焦；
反射光入射的受光面；以及
环状的穿孔多焦点光学构件，配置在该受光面与上述受光透镜之间，并使反射光聚焦到上述受光面上，
该多焦点光学构件沿圆周方向具有至少二个不同焦点距离的部位，上述受光面设置在上述受光透镜的焦点位置，并且上述受光面，在远距离测定时可接受上述受光透镜聚焦的光束，在近距离测定时可接受上述穿孔多焦点光学构件聚焦的光束。
2.根据权利要求1中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述受光透镜是穿孔透镜，该孔位于去路光轴上。
3.根据权利要求1中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述穿孔多焦点光学构件是具有至少二个焦点位置的复曲面透镜。
4.根据权利要求1中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述穿孔多焦点光学构件是非球面透镜。
5.根据权利要求1中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述穿孔多焦点光学构件的剖面是锥形棱镜形状。
6.根据权利要求5中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述穿孔多焦点光学构件是具有至少二种以上顶角的锥形棱镜。
7.根据权利要求5中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述锥形棱镜具有连续变化的顶角。
8.根据权利要求1中所述的光波距离测定装置，其特征在于，
上述受光透镜是穿孔透镜，去路光轴的光轴相对于受光透镜中心偏心，受光透镜的孔设置在去路光轴上，并且在去路光轴上设置有反射镜，测定光由上述反射镜反射并通过上述孔被投射。
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