JP4697776B2 - 測量機の自動視準装置 - Google Patents

Description

本発明は、トータルステーション等の測量機の自動視準装置に関する。

トータルステーション等の測量機では、本体側の望遠鏡が常に反射プリズムを視野内に捉えるように自動視準する機構を備えたものが主流となってきている。これらの測量機では、もし、反射プリズムが望遠鏡の視野から外れてしまった場合には、すばやく反射プリズムを捕捉しなければならない。

このために、下記特許文献１に開示されたように、本体側から望遠鏡の光軸に沿って光を送光し、反射プリズムで反射して戻って来る反射光を再び望遠鏡で捕捉して、図８に示したような４分割センサ１９で受光することにより自動視準が行われていた。４分割センサ１９の４つの部分ａ，ｂ，ｃ、ｄの出力は、スイッチング回路２０に入力され、ａ＋ｃの部分とｂ＋ｄの部分の出力差が零となるように、水平サーボアンプ２１を介して水平サーボモータを駆動し、ａ＋ｂの部分とｃ＋ｄの部分の出力差が零となるように垂直サーボアンプ２２を介して垂直サーボモータを駆動することにより、望遠鏡を上下左右に回転させて、自動視準を行っていた。

特公平４−５１２６号公報

しかしながら、前記４分割センサを使用するものでは、反射プリズムが存在すると思われる範囲すべてに光を送光しなければならず、本体と反射プリズムの距離が遠いと、光源はそれだけ強い光を出す必要があった。ところが、強い光を出す光源には安全基準が定められており、この安全基準を満たすようにすると、反射プリズムが遠い場合に自動視準が困難になるという問題があった。

このため、反射プリズム側から本体側へ光を発射することが考えられた。こうすると、光の送光距離が半分になるので、さほど強い光を発射しなくてもよくなるものの、反射プリズム側からの発射光を常に本体側に向ける必要があるので、このための作業者の負担が多くなるという問題を生じる。

また、４分割センサでは、反射プリズムが本体の望遠鏡の視準方向から大きくずれている場合、どのくらいの角度でずれているのかを予測することが非常にむずかしく、そのずれ角度に応じて望遠鏡の回転速度を変えるようなことができず、迅速正確に自動視準することが困難であるという問題もあった。

本発明は、前記問題を解決するため、あまり強い光を出さずに、遠方の反射プリズムでも迅速正確に自動視準でき、しかも作業者の負担が増さないような自動視準装置を提供することを課題とする。

以上の課題を達成するために、請求項１に係る発明では、光源から発射された光を対物レンズに導くとともに対物レンズから反射プリズムに向けて送光する自動視準用送光光学系と、前記反射プリズムで反射した反射光を前記対物レンズから４分割センサまで導く受光光学系を有する測量機の自動視準装置において、前記自動視準用送光光学系に、光源から発射される光を通過させてＶ字型送光光を形成させるＶ字型スリットと、前記Ｖ字型送光光を反射するガルバノメータの反射鏡とを配置するとともに、前記ガルバノメータのコイルに微小な交流電流を流すことにより、前記反射鏡を一定の周期と振幅で回転振動させ、前記交流電流の極大又は極小となる時刻から前記反射鏡の左右の反復点を求め、前記反射鏡が一方の反復点から他方の反復点に至る間に、前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻と２度目の受光時の受光終了時刻を求め、前記交流電流の極大又は極小となる基準時刻から前記各受光終了時刻までの各時間を用いて前記各受光終了時刻における前記反射鏡の回転角を求め、該回転角から前記反射プリズムの水平方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、光源から発射された光を対物レンズに導くとともに対物レンズから反射プリズムに向けて送光する自動視準用送光光学系と、前記反射プリズムで反射した反射光を前記対物レンズから４分割センサまで導く受光光学系を有する測量機の自動視準装置において、前記自動視準用送光光学系に、光源から発射される光を通過させてＶ字型送光光を形成させるＶ字型スリットと、一定の角速度で回転するとともに前記Ｖ字型送光光を反射するポリゴンミラーとを配置するとともに、前記ポリゴンミラーを一定の角速度で回転させ、前記Ｖ字型スリットの虚像が出発位置から終点位置まで移動する間に、前記ポリゴンミラーのある鏡面がある方向を向いた基準時刻と、前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻と、前記Ｖ字型送光光の２度目の受光時の受光終了時刻とを求め、前記基準時刻から前記各受光終了時刻までの各時間を用いて前記各受光終了時刻における前記ポリゴンミラーの回転角を求め、該回転角から前記反射プリズムの水平方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に係る発明において、前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻から２度目の受光時の受光終了時刻までの時間を用いて前記反射プリズムの鉛直方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする。

各請求項１〜３に係る発明では、Ｖ字型スリットを通過した光のみを送光して、外部にあまり強い光を出さないので、定められた安全基準を満たすことができる。また、反射プリズムの望遠鏡の視準方向からのずれ角度が分かるので、ずれ角度が大きいほど望遠鏡の回転速度を大きくすることによって、反射プリズムを迅速正確に自動視準でき、しかも作業者の負担が増すこともない。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例に係るトータルステーション等の測量機に備えられる自動視準装置の光学系を示している。

本実施例の自動視準装置は、対物レンズ１を共有する視準光学系と自動視準用送光光学系と受光光学系とからなる望遠鏡を構成し、該望遠鏡を前記トータルステーション等の水平回転及び垂直回転するように構成した図示しないサーボモータにより上下左右へ回動するように構成したものである。

自動視準用送光光学系のＬＤ、ＬＥＤ等の光源１４から発射された光（波長６５０ｎｍ）は、ビームスプリッタ１０と非点対称形状の反射鏡３と対物レンズ１から平行光として送光され、反射プリズム（反射鏡、反射シート等、その他のターゲットを含む。）で反射され、対物レンズ１に入射する。対物レンズ１に入射した光は、受光光学系のダイクロイックプリズム４の第１反射面２５により反射され４分割センサ９で受光される。ダイクロイックプリズム４は波長により反射特性の異なる第１反射面２５と第２反射面２６とを有しており、第１反射面２５は赤色光を反射し赤色以外の可視光を透過させ、第２反射面２６は赤外光を反射し可視光を透過させるようになっている。視準光学系は、ダイクロイックプリズム４と合焦レンズ５を経て焦点板６に視準する反射プリズムを結像し、この像を接眼レンズ７で見るように構成され、合焦レンズ５の手動による合焦が行える。本実施例の自動視準装置は、従来のものと同じく、４分割センサ９の４つの各センサからの出力が等しくなるように望遠鏡を回転させて、自動視準を行う。

ここで、対物レンズ１の光軸は、視準光学系、自動視準用送光光学系、受光光学系及び光波距離計の各光軸として共用される。光波距離計は、従来通りのものを使用するが、その光学系としては、距離計測用の測距光を発する光源２４（波長８７０ｎｍの赤外線を発する。）、ビームスプリッタ１０、非点対称形状の反射鏡３、対物レンズ１、ダイクロイックプリズム４の第２反射面２６と非点対称形状の反射鏡３の裏面反射鏡３’及び受光素子２８とで構成され、その他、図示しない参照光光学系、測距光と参照光とを切換えるシャッター、絞りで構成されている。なお、光波距離計については、従来の原理で行われるので、これ以上の説明を省略する。

さて、本実施例の自動視準装置に特徴的なことは、光源１４から発射された光を対物レンズ１まで導くとともに対物レンズ１から送光する自動視準用送光光学系において、光源１４から発射された光を通過させるＶ字型スリット１６と、このスリット１６を通過した光を反射するガルバノメータ（検流計）１２の反射鏡（以下、ガルバノ反射鏡と記載する）１１を配置したことである。ガルバノ反射鏡１１は、一定の周期と振幅で回転振動するようにされる。ガルバノ反射鏡１１で反射した光は、さらにビームスプリッタ１０と非点対称形状の反射鏡３により、対物レンズ１まで導かれ、対物レンズ１から送光できるようにしてある。すなわち、対物レンズ１からは、鉛直断面Ｖ字型の送光光１７を送光することになる。このＶ字型送光光１７は、反射プリズムで反射されて戻ってきて、対物レンズ１で集光され、ダイクロイックプリズム４の第１反射面２５で反射され、４分割センサ９に入射するようになっている。

ところで、ガルバノメータとは、検流計とも言い、ＮＳ両磁極の間に吊り線により吊られたコイルにガルバノ反射鏡を付けたもので、コイルに微少電流が流れたときのガルバノ反射鏡の微少回転角を光学てこを用いて測定するものである。第１実施例においては、自動視準をするときは、ガルバノメータ１２のコイルに、微少な一定の交流電流を流して、コイルとガルバノ反射鏡１１と吊り線からなる捩り振動系の固有振動数で、ガルバノ反射鏡１１を一定振幅で回転振動させる。なお、ガルバノメータ１２の代わりに、捩じり振り子等、一定の周期と振幅で回転振動するものを利用することができる。

図２に、光源１４から発射された光を対物レンズ１まで導くとともに対物レンズ１から送光する自動視準用送光光学系の平面図を示す。ガルバノ反射鏡１１を鉛直軸回りに回転振動させると、Ｖ字型スリット１６を通過した光は、ガルバノ反射鏡１１で反射されると、Ｖ字型スリット１６の虚像位置１５も、図２に示したように往復運動する。したがって、ビームスプリッタ１０と非点対称形状の反射鏡３と対物レンズ１を経て送光されるＶ字型送光光１７も、図３に示したように左右に揺動することになる。なお、図３の斜線部は、自動視準が可能な範囲を示す。

反射プリズム１８とＶ字型送光光１７との位置関係を図４に示す。Ｖ字型送光光１７は、左側反復点Ａと右側反復点Ｄの間を揺動する。ガルバノメータ１２のコイルに流れる電流を測定すると、電流が極大または極小となる時点から、ガルバノ反射鏡１１の反復点を知ることができるので、Ｖ字型送光光１７が左側反復点Ａと右側反復点Ｄを通過する時刻Ｈ１、Ｈ４は、コイルに流れる電流が極大または極小となる時刻から求まる。

Ｖ字型送光光１７が一方の反復点Ａから他方の反復点Ｄに至るまでに、４分割センサ９は、いずれかの部分によりＶ字型送光光１７の反射プリズム１８からの反射光を一瞬ではあるが２度受光する。そこで、最初の受光時の受光終了時刻Ｈ２（またはＨ３）と２度目の受光時の受光終了時刻Ｈ３（またはＨ２）を求める。ガルバノ反射鏡１１は、規則正しく一定の周期と振幅で単振動しているから、時刻Ｈ１（またはＨ４）から時刻Ｈ２（またはＨ３）までの時間Ｔ１と、時刻Ｈ１（またはＨ４）から時刻Ｈ３（またはＨ２）までの時間Ｔ２が分かると、これらの時間Ｔ１、Ｔ２を用いて時刻Ｈ２及びＨ３におけるガルバノ反射鏡１１の夫々の回転角を求めることができる。反射プリズム１８の水平方向角は、時刻Ｈ２とＨ３の時刻のガルバノ反射鏡１１の夫々の回転角の丁度中間の値から求めることができる。

ここでは、処理を簡単にするため、反射プリズム１８からの反射光の一瞬の受光を終了する時刻Ｈ２、Ｈ３のみから反射プリズム１８の水平方向角を求めたが、より高精度にするためには、受光を開始する時刻も求め、受光開始時刻と受光終了時刻の丁度中間の時刻を用いて、反射プリズム１８の水平方向角を求めてもよい。

図５には、反射プリズム１８の位置が、図４の場合よりも低い例を示している。図４と図５とを比較すると、時刻Ｈ２からＨ３までの時間ΔＨは、反射プリズム１８の高さによって変化し、反射プリズム１８の高さが高くなるほど長くなることが分かる。したがって、時刻Ｈ２からＨ３までの時間ΔＨ、すなわち時間Ｔ１とＴ２の差を求めると、反射プリズム１８の鉛直方向角を求めることができる。

ここで、反射プリズム１８の方向（水平方向角及び鉛直方向角）を求めるためには、反射プリズム１８の方向と、時間Ｔ１とＴ２との間の関係を、予め実験等により求めて記憶していることが必要である。このさい、図６に示したように、ガルバノ反射鏡１１が１往復する時間を、クロック信号発生器からのクロック信号を数えるカウンタのカウント値の適当な範囲（例えば、０から６５５３５まで）に規格化し、ガルバノ反射鏡の回転の反復点Ａ（またはＤ）のときにカウンタ値を零にするようにリセットして、時間Ｔ１及びＴ２を規格化したカウント値で求めるようにしておくと、時間Ｔ１とＴ２が簡単に求まる。

こうして、時間Ｔ１、Ｔ２を何回か測定し、その平均を求め、その平均から、反射プリズム１８の方向を求めた後、この方向へ望遠鏡を自動的に回転させる。ここまでで、自動視準は充分ではあるが、特に高精度が要求される場合に備えて、さらに、従来の４分割センサ９を用いた自動視準も行う。反射プリズム１８からの反射光は、光が反射プリズム１８を通る一瞬のみ生じる。その瞬間に４分割センサ９で受光する光は、その反射プリズム１８の方向を反映したものとなる。反射プリズム１８が視準方向に位置している場合は、その方向にＶ字型送光光１７がかかった瞬間に４分割センサ９の中心が反射光を受光する事になる。この反射光を逃さず捉える事で、より精度の高い自動視準が可能となる。

本実施例では、Ｖ字型スリット１６を通過した光のみを送光して、外部にあまり強い光を出さないので、安全基準を満たすことができ、また、反射プリズムの望遠鏡の視準方向からのずれ角度が大きいほど、望遠鏡の回転速度を大きくすることができ、反射プリズムを迅速正確に自動視準でき、しかも作業者の負担が増すこともない。

図７に、第２実施例に係る自動視準装置の自動視準用送光光学系の平面図を示す。本実施例では、ガルバノ反射鏡１１の代わりに、正多角形のポリゴンミラー３０を用いている。本実施例のポリゴンミラー３０が矢印のように一方方向に一定角速度で回転すると、一定の範囲内でＶ字型スリット１６の虚像１５も出発位置Ａ’から終点位置Ｄ’まで矢印方向への移動を反復する。この場合も、ポリゴンミラー３０は正確に一定角速度で回転するので、ポリゴンミラー３０のある鏡面がある方向を向いた時刻からの経過時間を測定すると、ポリゴンミラー３０のその鏡面の向きが分かる。したがって、後は第１実施例と同様にして、反射プリズム１８の水平方向角を求めることができる。

この場合の時間も、Ｖ字形スリット１６の虚像１５が出発位置Ａ’から終点位置Ｄ’まで移動する時間等を、クロック信号発生器からのクロック信号を数えるカウンタのカウント値の適当な範囲（たとえば、０から６５５３５まで）に規格化し、前記経過時間を規格化したカウント値で求めるようにしておくと、時間の計算が容易になる。

本実施例も、第１実施例と同じ効果を奏するうえ、一方方向へ回転するポリゴンミラーは、コイルとガルバノ反射鏡を吊り線で吊っているガルバノメータに比べて、頑丈な構造であるから、取り扱いが容易となる効果を奏する。

ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、両実施例では、Ｖ字型スリット１６を設けたが、逆Ｖ字型スリットを設けてもよい。この場合には、時刻Ｈ２からＨ３までの時間ΔＨが、反射プリズム１８の高さが高くなるほど短くなるが、その効果は同じである。

本発明の第１実施例の自動視準装置の光学系を示す図である。 本発明の第１実施例の自動視準装置の自動視準用送光光学系の平面図である。 本発明の第１実施例の自動視準装置から送光されるＶ字型送光光の送光状態を示す図である。 Ｖ字型送光光と高い位置にある反射プリズムとの位置関係を示す図である。 Ｖ字型送光光と低い位置にある反射プリズムとの位置関係を示す図である。 ガルバノ反射鏡の回転角と規格化した時間との関係を示す図である。 ガルバノ反射鏡の代わりに、ポリゴンミラーを用いた第２実施例の自動視準用送光光学系の平面図である。 従来の４分割センサを用いた自動視準装置を示す図である。

符号の説明

１ 対物レンズ
９ ４分割センサ
１１ 反射鏡
１２ ガルバノメータ（検流計）
１４ 光源
１６ Ｖ字型スリット
１７ Ｖ字型送光光
３０ ポリゴンミラー
Ｈ１、Ｈ４ 反射鏡が左右の反復点を通過した時刻
Ｈ２ Ｖ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻
Ｈ３ Ｖ字型送光光の２度目の受光時の受光終了時刻
Ｔ１ Ｈ２−Ｈ１
Ｔ２ Ｈ３−Ｈ１
ΔＨ Ｈ３−Ｈ２

Claims (3)

1. 光源から発射された光を対物レンズに導くとともに対物レンズから反射プリズムに向けて送光する自動視準用送光光学系と、前記反射プリズムで反射した反射光を前記対物レンズから４分割センサまで導く受光光学系を有する測量機の自動視準装置において、
   前記自動視準用送光光学系に、光源から発射される光を通過させてＶ字型送光光を形成させるＶ字型スリットと、前記Ｖ字型送光光を反射するガルバノメータの反射鏡とを配置するとともに、
   前記ガルバノメータのコイルに微小な交流電流を流すことにより、前記反射鏡を一定の周期と振幅で回転振動させ、前記交流電流の極大又は極小となる時刻から前記反射鏡の左右の反復点を求め、前記反射鏡が一方の反復点から他方の反復点に至る間に、前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻と２度目の受光時の受光終了時刻を求め、前記交流電流の極大又は極小となる基準時刻から前記各受光終了時刻までの各時間を用いて前記各受光終了時刻における前記反射鏡の回転角を求め、該回転角から前記反射プリズムの水平方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする測量機の自動視準装置。
2. 光源から発射された光を対物レンズに導くとともに対物レンズから反射プリズムに向けて送光する自動視準用送光光学系と、前記反射プリズムで反射した反射光を前記対物レンズから４分割センサまで導く受光光学系を有する測量機の自動視準装置において、
   前記自動視準用送光光学系に、光源から発射される光を通過させてＶ字型送光光を形成させるＶ字型スリットと、一定の角速度で回転するとともに前記Ｖ字型送光光を反射するポリゴンミラーとを配置するとともに、
   前記ポリゴンミラーを一定の角速度で回転させ、前記Ｖ字型スリットの虚像が出発位置から終点位置まで移動する間に、前記ポリゴンミラーのある鏡面がある方向を向いた基準時刻と、前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻と、前記Ｖ字型送光光の２度目の受光時の受光終了時刻とを求め、前記基準時刻から前記各受光終了時刻までの各時間を用いて前記各受光終了時刻における前記ポリゴンミラーの回転角を求め、該回転角から前記反射プリズムの水平方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする測量機の自動視準装置。
3. 前記反射プリズムで反射して戻ってきたＶ字型送光光の最初の受光時の受光終了時刻から２度目の受光時の受光終了時刻までの時間を用いて前記反射プリズムの鉛直方向角を求める演算手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の測量機の自動視準装置。

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