JP7084177B2

JP7084177B2 - 光波距離計

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Publication number: JP7084177B2
Application number: JP2018061906A
Authority: JP
Inventors: 信幸西田; 崇高橋; 龍也小嶋; 沙希堀田
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: US11754679B2; JP2019174247A; US20190302233A1

Description

本発明は、液体シャッタを用いた光波距離計に関する。

近年、建築や地図等の作成において必要となる測量は、光波距離計が使用されている。光波距離計は、通常、光源部から測距光を目標物に照射し、目標物から反射して戻ってきた測距光を受光部で受光し、電子的に解析することにより距離を求めている。

光波距離計の測定では、測距光に強弱の変化を起こして（これを変調という）、発光部から放出された光の波形と、反射して受光部に戻った光の波形の「ずれ量」である位相差を測定して距離を求めている。このため、測距光は、光源であるランプ等が基準信号によって変調されている。

ところが、測距光は、温度によるドリフト等で出力が変動すると位相がずれるため、正確な測定データが得られなくなる。そこで、正確な測定データを得るために、参照光を用いて内部光路による測定を行い、測定値の補正を行っている。

ここで、測距光を用いて通常の測定を行うときの経路を外部光路といい、参照光を用いて測定値の補正を行うときの経路を内部光路という。外部光路と内部光路との切り替えは、シャッタ機構を設けて行っており、いずれか一方の光路を選択するようになっている。

かかる機構を光波距離計に搭載し、常に正確な距離の測定を行う方法が知られている（特許文献１参照）。

特許第４７０７３６５号

特許文献１では、前述した外部光路と内部光路とを機械的なシャッタ機構（メカニカルシャッタ）等を用いて切り替えている。しかしながら、特許文献１のような測定を行う場合、メカニカルシャッタを使用しているためシャッタの開閉動作に時間がかり、シャッタの開閉動作が完了するまで測定データが取得できず、測距光と参照光の切替時において測定ロスが生じるという問題がある。

また、メカニカルシャッタを用いているため、長期の使用による機械的な摩耗や、外部からの衝撃等により、シャッタが故障し動作しなくなるおそれがある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは測定時間の確保及び動作の信頼性を向上させることができる光波距離計を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る光波距離計では、測距可能な光を照射する光源部と、前記光を受光して測距信号を生成する検出部と、前記測距信号から距離測定を行う演算部と、前記光源部から照射された光を測距光として目標物まで導く外部光路と、前記光源部から照射された光を参照光として直接前記検出部に導く内部光路と、遮光性を有する液体の領域を切り替えることで、前記光源部からの光が通る光路として前記外部光路及び前記内部光路のいずれか一方を選択可能な液体シャッタと、を備え、前記液体シャッタは、一方の領域が前記外部光路上に位置し、他方の領域が前記内部光路上に位置するように設けられ、電圧の印加により前記遮光性を有する液体の領域を前記一方の領域及び前記他方の領域との間で切り替え可能な１つのエレクトロウェッティング素子からなる。

上記手段を用いる本発明に係る光波距離計によれば、測定時間の確保及び動作の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る光波距離計の構成を示す概略構成図である。光波距離計の制御部において実行される測距制御ルーチンを示す測距制御フローチャートである。本実施形態とメカニカルシャッタを用いた光波距離計の測距時間を比較した比較図である。液体シャッタの変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１には本実施形態に係る光波距離計の概略構成図が示されており、以下同図に基づき本発明の実施形態の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る光波距離計１は、主に光照射部２、送光光学系３、受光光学系４、制御部５と、光路切替部６から構成されている。

測距光照射部２は、光源部１０、変調器１１、基準信号発生器１２を有している。光源部１０は、測距可能な光を照射する部分であり、例えば、ランプ、ＬＥＤ、レーザーダイオード等の発光手段が用いられる。当該光源部１０には変調器１１が接続されており、当該変調器１１は基準信号発生器１２と接続されている。

基準信号発生器１２は例えばクロック発振器であり、所定の周波数の基準信号を発生可能である。変調器１１は入力された信号を変調して出力する可能である。従って、基準信号発生器１２により発生した基準信号が変調器１１により変調されて光源部１０に送られることで、光源部１０からは変調された測距可能な光（測距光、参照光）が照射される。

送光光学系３は第１のミラー２０及び第２のミラー２１を有しており、光源部１０から照射された測距光は当該第１のミラー２０及び第２のミラー２１により反射されて、光波距離計１から目標物Ｔに向けて送光される。目標物Ｔは、例えばプリズム等の再帰反射体やレーザを反射する物体であればよい。

受光光学系４は対物レンズ３０、第３のミラー３１を有しており、目標物Ｔにて反射された測距光を対物レンズ３０により集光し、第３のミラー３１により反射して後述する検出部４０に受光させる。

制御部５は検出部４０、演算部４１、駆動部４２を有している。

検出部４０は、ホトダイオード等の受光素子を有しており、当該受光素子に入射した光を測距信号なる電気信号に変換する機能を有している。

演算部４１は検出部４０及び変調器１１と接続されており、検出部４０からは測距信号を変調器１１からは基準信号を受信する。演算部４１は、ＣＰＵや位相計を含んでおり、測距信号と基準信号との位相差を算出し、当該位相差から距離を算出する機能を有している。また、演算部４１にて算出された目標物Ｔまでの距離は、図示しない表示部に表示可能である。

駆動部４２は、演算部４１及び後述する液体シャッタ５０と接続されており、演算部４１の制御の下、液体シャッタ５０を駆動する機能を有している。

光路切替部６は、液体シャッタ５０、ハーフミラー５１、第４のミラー５２、光ファイバ５３を有している。

液体シャッタ５０は、中空板状の密閉されたケーシングを有し、当該ケーシング内の一方（図１では上側）に透過性を有する液体が、他方（図１では下側）に遮光性を有する液体が封入された、エレクトロウェッティング素子を有している。つまり、液体シャッタ５０は透光領域５０ａと遮光領域５０ｂを有しており、駆動部４２より電圧が印加されることで、透光領域５０ａと遮光領域５０ｂを瞬時に切り替え可能である。本実施形態の液体シャッタ５０は、１つのエレクトロウェッティング素子からなり、一方の領域が外部光路Ｌ１上に位置し、他方の領域が内部光路Ｌ２上に位置するように設けられている。当該液体シャッタ５０における遮光性を有する液体としては、例えばＮＤ５～６程度の遮光性を有するものを使用する。

ハーフミラー５１は光源部１０から照射された光の一部を参照光として第４のミラー５２に向けて反射し、第４のミラー５２は参照光を液体シャッタ５０を介して光ファイバ５３に向けて反射する。光ファイバ５３は、参照光を検出部４０に導くよう設けられている。

このように構成された光波距離計１は、光源部１０から照射された光を測距光として目標物Ｔまで導く外部光路Ｌ１と、光源部１０から照射された光を参照光として直接検出部４０に導く内部光路Ｌ２とが形成されている。そして、光源部１０から照射される光に対して、液体シャッタ５０が遮光領域５０ｂを切り替えることで、光源部１０からの光が通る光路として、外部光路Ｌ１及び内部光路Ｌ２のいずれか一方を選択可能である。

詳しくは、液体シャッタ５０の透光領域５０ａが外部光路Ｌ１側、遮光領域５０ｂが内部光路Ｌ２側にある状態（図１の状態）では、光源部１０から照射される光は測距光として、送光光学系３及び受光光学系４を経て検出部４０にて受光される。

一方、液体シャッタ５０の透光領域５０ａが内部光路Ｌ２側、遮光領域５０ｂが外部光路Ｌ１側にある状態では、光源部１０から照射される光は参照光として、光路切替部６を経て検出部４０にて受光される。

演算部４１は、外部光路Ｌ１を経る測距光と同様に、参照光に基づく距離測定を行うと、この時点における光波距離計１の誤差を算出可能である。演算部４１は、校正が必要な際には、外部光路Ｌ１と内部光路Ｌ２との切替信号を駆動部４２に送り、液体シャッタ５０の切り替えを行うことで、参照光に基づく誤差の校正を行う。校正を行う時期は、例えば、前回の校正からの時間経過や、温度変化に応じて決定する。

ここで、図２を参照すると制御部５において実行される測距制御ルーチンを示すフローチャートが示されており、以下同フローに沿って本実施形態の測距制御について説明する。

光波距離計１の距離測定を開始させると、まずステップＳ１として、駆動部４２が液体シャッタ５０の遮光領域５０ｂを外部光路Ｌ１側に切り替える。従って、光源部１０からの光は参照光として液体シャッタ５０の透光領域５０ａを通り、内部光路Ｌ２を介して検出部４０に導かれる。

そして、ステップＳ２において、演算部４１は、検出部４０にて受光した参照光による距離測定を行う。このとき測定した参照光に基づく測距値は図示しない記憶部に記憶する。

ステップＳ３では、駆動部４２が液体シャッタ５０の遮光領域５０ｂを内部光路Ｌ２側に切り替える。従って、光源部１０からの光は測距光として液体シャッタ５０の透光領域５０ａを通り、外部光路Ｌ１を介して検出部４０に導かれる。

そして、ステップＳ４において、演算部４１は、検出部４０にて受光した測距光による距離測定を行う。

また、ステップＳ５において、演算部４１は、ステップＳ２で記録した参照光による測距値を基に、ステップＳ４で測定した測距光による測距値を補正する。

続くステップＳ６において、演算部４１は、補正後の測距値を表示部や記憶部等に出力する。

次のステップＳ７において、演算部４１は、校正が必要か否かの判別を行う。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ４に戻り、測距光による測定を継続する。

一方、ステップＳ７の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、例えば、前回の校正からの所定時間経過した場合や、所定温度以上の変化があった場合等は、当該ルーチンをリターンし、再びステップＳ１にて液体シャッタ５０を切り替えて、再び参照光による測距値を取得する。

このように適宜参照光による測距値を取得しつつ、測距光による測距値の取得を継続していく。

ここで、図３には本実施形態とメカニカルシャッタを用いた光波距離計の測距時間を比較した比較図が示されており、以下同図に基づき本実施形態の効果について説明する。

図３では、上側に本実施形態の光波距離計１における測距のタイムチャート、下側にメカニカルシャッタを用いた従来型の光波距離計における測距のタイムチャートが示されている。本実施形態及び従来型のいずれの場合も、測距光による測距値の測定（測距光測定）から、同じタイミングでシャッタを切り替えて参照光による測距値の測定（参照光測定）を行い、再びシャッタを切り替えて測距光測定に復帰している。

従来型の場合は、メカニカルシャッタのためにシャッタの切り替えに測距光測定１回分程度の時間がかかっている。その上参照光測定の時間も加わり、およそ測距光測定３回分の測定ロスが生じている。

一方、本実施形態の場合は、エレクトロウェッティング素子による液体シャッタ５０を用いていることで、シャッタ切替時間は測距光測定１回分よりも大幅に短縮されている。このため、参照光測定時間を加えても、測定ロスは測距光測定２回分よりも短期間となる。

このように、本実施形態に係る光波距離計１は、外部光路Ｌ１及び内部光路Ｌ２の切り替えに液体シャッタ５０を用いることで、シャッタ切替時間をメカニカルシャッタよりも確実に短縮することができる。これにより、測定ロスを減少させ、測距光測定による測定時間を確保することができる。

また、液体シャッタ５０は電圧の印加により液体を移動させるだけなので、機械的な摩擦も生じず、外部からの衝撃にも強い。これにより、故障の発生を抑制し、光波距離計の動作の信頼性を向上させることができる。

また、メカニカルシャッタの場合に比べ、外部光路Ｌ１及び内部光路Ｌ２を離間させないで構成することが可能なため、測距光のビームサイズに応じてシャッタ装置を小さく構成することができる。これにより、光波距離計の小型化を図ることができる。

以上で本発明の一実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態の液体シャッタ５０は１つのエレクトロウェッティング素子により構成されているが、液体シャッタを構成するエレクトロウェッティング素子の数はこれに限られるものではない。

例えば、図４には液体シャッタの変形例を示す概略構成図が示されている。なお、上記実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し詳しい説明は省略する。

同図に示す変形例の光波距離計１’は、光路切替部６’において、液体シャッタとして第１の液体シャッタ６０及び第２の液体シャッタ６１の２つのエレクトロウェッティング素子を有している。

第１の液体シャッタ６０及び第２の液体シャッタ６１は互いに離間して設けられており、第１の液体シャッタ６０が外部光路Ｌ１上に、第２の液体シャッタ６１が内部光路Ｌ２上に設けられている。

第１の液体シャッタ６０及び第２の液体シャッタ６１は、それぞれ上記実施形態における液体シャッタ５０を縮小したものであり、一方の領域に透光領域６０ａ、６０ｂを、他方の領域に遮光領域６０ｂ、６１ｂを有しており、駆動部４２より電圧が印加されることで各領域を切り替え可能である。

そして、これら第１の液体シャッタ６０及び第２の液体シャッタ６１は、駆動部４２により相互に連動するよう切り替えが行われる。具体的には、第１の液体シャッタ６０が外部光路Ｌ１を透過しているときには第２の液体シャッタ６１は内部光路Ｌ２を遮光し、第１の液体シャッタ６０が外部光路Ｌ１を遮光しているときには第２の液体シャッタ６１は内部光路Ｌ２を透過するよう切り替えが同期される。

従来のようにメカニカルシャッタでは構造的な制約もあり離間して設けることは困難であった上、離間して設けられたとしても開閉動作に時間を要するため、連動させて切り替えた場合の誤差が大きくなる。これに対し、当該変形例における光波距離計１’では、複数の液体シャッタ６０、６１を離間させつつ連動させて切り替えを行っているが、液体シャッタ６０、６１は構造が簡易でレイアウトしやすい上、瞬時に遮光と透過を切り替え可能であることで、連動させて切り替える際の誤差を抑えることができる。従って、当該変形例に係る光波距離計１’においても、測定時間の確保及び動作の信頼性を維持することができ、且つ設計の自由度も向上させることができる。

また、上記実施形態では、単体の光波距離計を例に説明したが、光波距離計の形式はこれに限られるものではない。

例えば、本発明はトータルステーションに含まれる光波距離計にも適用可能である。トータルステーションであれば、光波距離計により測距を行うとともに、視準方向の方向（水平角、鉛直角）も測定可能である。

具体的には、トータルステーションは、写真測量のため上空から写真撮影を行う飛行体（ＵＡＶ）を追尾しつつ当該飛行体の位置を測量するような場合がある。このような場合に、測定ロスが短縮されると、飛行体の位置情報の抜けを抑えることができ、より高精度な写真測量を実現できる。

また、本発明はリズレープリズムを用いてレーザ光（測距光）の方向を自在に変更可能な、いわゆる３Ｄスキャナとしての光波距離計にも適用可能である。３Ｄスキャナでは三次元の点群を取得するため対象に向けてレーザ光を走査していく。このような場合にも、測定ロスが短縮されることで、点群情報の抜けが少なく、点群の密度を効率的に向上させることができ、スキャン精度を向上させることができる。

１光波距離計
２光照射部
３送光光学系
４受光光学系
５制御部
６光路切替部
１０光源部
４０検出部
４１演算部
４２駆動部
５０液体シャッタ
５３光ファイバ

Claims

測距可能な光を照射する光源部と、
前記光を受光して測距信号を生成する検出部と、
前記測距信号から距離測定を行う演算部と、
前記光源部から照射された光を測距光として目標物まで導く外部光路と、
前記光源部から照射された光を参照光として直接前記検出部に導く内部光路と、
遮光性を有する液体の領域を切り替えることで、前記光源部からの光が通る光路として前記外部光路及び前記内部光路のいずれか一方を選択可能な液体シャッタと、を備え、
前記液体シャッタは、一方の領域が前記外部光路上に位置し、他方の領域が前記内部光路上に位置するように設けられ、電圧の印加により前記遮光性を有する液体の領域を前記一方の領域及び前記他方の領域との間で切り替え可能な１つのエレクトロウェッティング素子からなる光波距離計。