(57)【要約】同サイズの受光素子を用いて、より遠距離物体から近距離物体までの距離を測定可能な測距装置を提供する。目標物体に向け信号光を投射する送信光学系２０と、前記送信光学系とは光軸が異なり、前記目標物体から反射された信号光を受信する受信光学系３０と、前記受信光学系の結像面に配置された受光素子１２と、を有し、前記信号光の送信時と受信時との時間差から目標物体までの距離を測定する測距装置１００において、前記受信光学系３０は、当該受信光学系の焦点距離を可変とする可変焦点距離光学系１４を有する測距装置１００。
2009031550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、
前記送信光学系とは光軸が異なり、前記目標物体で反射された前記信号光を受信する受信光学系と、
前記受信光学系の結像面に配置された受光素子とを有し、
前記受信光の送信時と受信時との時間差から前記目標物体までの距離を測定する測距装置において、
遠距離に在る目標物体で反射された信号光の前記受信光学系による結像位置と、近距離に在る目標物体で反射された信号光の前記受信光学系による結像位置を前記受光素子に対して調整可能な、結像位置調整手段を前記受信光学系に備えていることを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記結像位置調整手段は、前記受信光学系の焦点距離を可変とする可変焦点距離光学系であることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズと前記受光素子の間に配設される変倍光学系を含むことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズと前記受光素子の間に挿脱可能な光学系を配置したことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
【請求項５】
前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズの物体側に、着脱可能な光学系を有することを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
【請求項６】
前記可変焦点距離光学系により変更される、前記受信光学系の最長焦点距離をｆＬ、前記受信光学系の最短焦点距離をｆＳ、測距する物体までの最大距離をＬ１、最小距離をＬ２とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
（Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
【請求項７】
前記可変焦点距離光学系により変更される、前記受信光学系の最長焦点距離をｆＬ、前記受信光学系の最短焦点距離をｆＳ、測距する物体までの最大距離をＬ１、最小距離をＬ２とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
（Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
【請求項８】
前記可変焦点距離光学系により変更される、前記受信光学系の最長焦点距離をｆＬ、前記受信光学系の最短焦点距離をｆＳ、測距する物体までの最大距離をＬ１、最小距離をＬ２とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
（Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
【請求項９】
前記可変焦点距離光学系により変更される、前記受信光学系の最長焦点距離をｆＬ、前記受信光学系の最短焦点距離をｆＳ、測距する物体までの最大距離をＬ１、最小距離をＬ２とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
（Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
【請求項１０】
前記結像位置調整手段は、当該受信光学系の光軸を偏向する光軸偏向光学系であることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
【請求項１１】
前記光軸偏向光学系は、ミラーを含むことを特徴とする請求項１０に記載の測距装置。
【請求項１２】
前記光軸偏向光学系は、偏角プリズムを含むことを特徴とする請求項１０に記載の測距装置。
【請求項１３】
前記結像位置調整手段は、前記遠距離に在る目標物体で反射された信号光の結像位置から前記近距離に在る目標物体で反射された信号光の結像位置方向に沿って、前記受光素子の中心をずらして配置する受光素子保持機構であることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項１４】
前記測距装置は、さらに視準光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いた測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザー光を目標物体に照射してその反射光を受信し、送信時と受信時の時間差から目標物体までの距離を求める測距装置が知られている（例えば、特開昭６３−２４４００１号公報参照）。そして、近年、測距装置はより近距離物体の距離を測定できることが望まれている。
しかしながら、従来の測距装置は、送信光学系の光軸と受信光学系の光軸が異なっているため、同じサイズの受光素子を用いてより近距離物体の距離を測定しようとすると、目標物体からのレーザ光の、反射光のスポット像が受信光学系の結像面近傍に配置されている受光素子領域外に結像してしまい、近距離物体の測定可能な距離に限界があるという問題があった。
【発明の開示】
【０００３】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、同サイズの受光素子を用いて、より遠距離物体から近距離物体までの距離を測定可能な測距装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の第１態様は、目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、前記送信光学系とは光軸が異なり、前記目標物体で反射された前記信号光を受信する受信光学系と、前記受信光学系の結像面に配置された受光素子とを有し、前記受信光の送信時と受信時との時間差から前記目標物体までの距離を測定する測距装置において、遠距離に在る目標物体で反射された信号光の前記受信光学系による結像位置と、近距離に在る目標物体で反射された信号光の前記受信光学系による結像位置を前記受光素子に対して調整可能な、結像位置調整手段を前記受信光学系に備えていることを特徴とする測距装置を提供する。
また、本発明の第１態様によれば、前記結像位置調整手段は、前記受信光学系の焦点距離を可変とする可変焦点距離光学系であることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズと前記受光素子の間に配設される変倍光学系を含むことが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズと前記受光素子の間に挿脱可能な光学系を配置することが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記可変焦点距離光学系は、前記受信光学系の対物レンズの物体側に、着脱可能な光学系を有することが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記可変焦点距離光学系により変更される、前記受信光学系の最長焦点距離をｆＬ、前記受信光学系の最短焦点距離をｆＳ、測距する物体までの最大距離をＬ１、最小距離をＬ２とするとき、以下の条件式を満足することが望ましい。
（Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
また、本発明の第１態様によれば、前記結像位置調整手段は、当該受信光学系の光軸を偏向する光軸偏向光学系であることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記光軸偏向光学系は、ミラーを含むことが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記光軸偏向光学系は、偏角プリズムを含むことが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記結像位置調整手段は、前記遠距離に在る目標物体で反射された信号光の結像位置から前記近距離に在る目標物体で反射された信号光の結像位置方向に沿って、前記受光素子の中心をずらして配置する受光素子保持機構であることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記測距装置は、さらに視準光学系を有することが望ましい。
本発明によれば、同サイズの受光素子を用いて、より遠距離物体から近距離物体までの距離を測定可能な測距装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、第１実施の形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図２は、受光光学系の受光素子上における距離の異なる目標物体からのレーザスポット像の位置関係を説明する図である。
図３は、受光素子と各スポット像位置を示す模式図である。
図４は、第２実施の形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図５は、第３実施の形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図６は、第４実施の形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図７は、受光光学系の受光素子上における距離の異なる目標物体からのレーザスポット像の位置関係を説明する図である。
図８は、交線近傍に配置された受光素子と各スポット像位置を示す模式図である。
図９Ａ、９Ｂは、ミラーの傾斜の作用を説明する図である。
図１０は、第５実施形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図１１Ａ、１１Ｂは、偏角プリズムの作用を説明する受光光学系のみの図である。
図１２は、第６実施形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。
図１３は、受光光学系の受光素子上における距離の異なる目標物体からのレーザ光像の位置関係を説明する図である。
図１４は、受光素子と各光点位置を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の第１実施形態にかかる測距装置について図面を参照しつつ説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。図２は、第１実施形態にかかる測距装置の作用を説明する図である。図３は、受光素子と各光点位置を示す模式図である。
図１において、第１実施形態にかかる測距装置１００は、送信光学系の光軸Ａ１と視準光学系の光軸Ａ２とが共通の光軸Ａを有する送信光学系２０と、光軸Ａとは異なる光軸Ｂを有する受信光学系３０とから構成されている。なお、簡略化のため信号光駆動回路や制御回路、演算回路、表示装置等の電子回路部分は省略している。
半導体レーザ等の光源２から射出した光（以後、信号光と記す）は送信光学系２０の光軸Ａ１に沿って射出され、正立プリズム４に設けられ信号光を透過し可視光を反射するダイクロイックミラー３を透過後、ミラー面４ａで反射されて対物レンズ１に向かい、対物レンズ１から目標物体（図２のＰ１，Ｐ２，ＰＦ，ＰＮなど）に照射される。なお、正立プリズム４は、正立ダハプリズムとしているが、正立ポロプリズムでもよい。
目標物体で反射された信号光と目標物体からの可視光は、対物レンズ１で集光され、正立プリズム４に入射する。信号光は正立プリズム４のミラー面４ａで反射され、ダイクロイックミラー３を透過して光源２側に射出される。このようにして送信光学系が構成されている。
可視光は、正立プリズム４のダイクロイックミラー３を含む各反射面で反射されて、正立プリズム４を出射してレチクル５に目標物体の像を形成する。なお、対物レンズ１は、送信光学系と視準光学系とで共用されている。
レチクル５には十字線等の指標が刻まれており、送信光学系と視準光学系とは共通の光軸Ａを有しているため、接眼レンズ６により目標物体像とレチクル５上の十字線とを重ねることにより目標物体に対して正確に信号光を照射することが出来る。このようにして、視準光学系が構成されている。
受信光学系３０は、送信光学系と視準光学系との共通の光軸Ａとは所定の間隔（後述するｄ）を持って配置され、目標物体からの信号光と可視光は、受信光学系の対物レンズ１１を通り、対物レンズ１１の結像面近傍に配置された受光素子１２にスポット像を結像する。また、受光素子１２の対物レンズ１１側には、受光素子１２に入射する目標物体を照らしている太陽光等の背景光（ノイズ光）の影響を除くため、信号光の波長の光のみを通過しそれ以外の波長の光をカットする狭帯域フィルター１３が設けられている。
なお、狭帯域フィルタ１３は、信号光と同じ波長の光を通過するため、信号光のＳ／Ｎ比を向上させるには受光素子１２の大きさを必要十分な最小の大きさとすることが望ましい。
また、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間には、受信光学系３０の焦点距離を可変する可変焦点距離光学系１４が配置されている。可変焦点距離光学系１４は、対物レンズ１１側から負レンズ群１４Ａと正レンズ群１４Ｂを有し、負レンズ群１４Ａを光軸Ｂに沿って移動することで受信光学系３０の焦点距離を可変にする。なお、負レンズ群１４Ａを少なくとも２段階に移動して少なくとも２段階に焦点距離を可変とするように構成してもよいし、負レンズ群１４Ａ及び正レンズ群１４Ｂを連続的に移動して連続的に焦点距離を可変とするように構成してもよい。
このようにして、測距装置１００が構成されている。
本第１実施形態にかかる測距装置１００では、受光素子１２の中心位置は、図２、図３に示すように受信光学系３０の結像面で、遠距離物体の前記信号光の結像位置から近距離物体の前記信号光の結像位置方向に沿って前記受光素子の中心をずらして配置している。すなわち、受信光学系３０の結像面で、受光素子１２の一端部１２ａが光軸Ｂの近傍に位置決めされ、他端部１２ｂが、光軸Ｂから遠ざかる位置となるように受光素子１２の中心ずらして配置されている。そして、可変焦点距離光学系１４を有することにより、後述するように測距できる範囲を拡大することを可能にしている。
また、受光素子１２は、受信光学系３０の光軸Ｂと垂直に配置されているが、必ずしも垂直である必要はなく、受光素子１２の位置を例えば最至近距離に対応するスポット像の最良像点位置に傾けて配置することが好ましい。
以下、図２、図３を参照しつつ、第１実施形態にかかる測距装置１００の受光素子１２の位置と測距可能範囲について説明する。図１と同様の構成には同じ符号を付し説明する。
図２において、光源２から射出した信号光は、正立プリズム４に配置された、可視光を透過し信号光を反射するミラー面４ａで反射された後、対物レンズ１を通って目標物体Ｐ１（最長測定距離）に到達する。なお、図１に示す正立プリズム４は記載を省略して説明している。
信号光は、物体Ｐ１で散乱し、その一部が受信光学系３０の対物レンズ１１に入射する。信号光は、Ｐ１の中心と対物レンズ１１の中心を結ぶ直線Ｃに沿って進み、対物レンズ１１の結像面近傍に配置された受光素子１２上の光軸Ｂの近傍の点Ｑ１に結像し、送信時と受信時の時間差から目標物体Ｐ１までの距離が算出される。
物体Ｐ１までの距離をＬ１とすると、点Ｑ１の光軸Ｂからのずれδ１は、（１）式で示される。
（１）  δ１＝ｆ×ｄ／Ｌ１
ここで、ｆは対物レンズ１１の焦点距離を、ｄは光軸Ａと光軸Ｂとの間隙をそれぞれ表す。
距離Ｌ１が、間隙ｄに比べて十分に大きい場合、ｄ／Ｌ１は、ほぼゼロとなりδ１もほぼゼロとなる。これは、点Ｑ１が光軸Ｂ上にあることを意味する。従って、ｄに対して大きなＬ１の遠距離まで測定することを考慮すると、受光素子１２の一端部１２ａを光軸Ｂ上に配置することが好ましい。ただし、信号光の到達距離、或いは信号光の受光強度等を考慮して距離Ｌ１に限界を設けたときには、（１）に従って受光素子１２の位置の一端部１２ａを光軸Ｂから僅かに離して配置してもよい。
一方、近距離Ｌ２の位置にある物体Ｐ２を測距する場合、Ｐ２からの信号光が光路Ｄに沿って対物レンズ１１に入射して結像する位置をＱ２（光軸Ｂからの距離をδ２）とすると、（１）式と同様にして、（２）式で示される。
（２）  δ２＝ｆ×ｄ／Ｌ２
ここで、受光素子１２のサイズをＭとすると、測距可能な近距離は、δ２＝ＭとしてＬ２について表すと、（３）式となる。
（３）  Ｌ２＝ｆ×ｄ／Ｍ
上記、（３）式によれば、距離Ｌ２を短くするには、受光素子１２のサイズＭを大きくするか、或いは、受信光学系３０の焦点距離ｆを短くすればよいことがわかる。
しかし、受光素子１２のサイズを大きくすれば距離Ｌ２を短くすることが可能であるが、上記した理由により信号光以外の光によりＳ／Ｎの劣化が大きくなり、最大距離Ｌ１が短くなり好ましくない。
本第１実施形態にかかる測距装置１００では、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間に可変焦点距離光学系１４を配置し、焦点距離ｆを短くすることで、より近距離まで測距することを可能にしている。
図１、図２において、負レンズ群１４Ａを対物レンズ１１側に移動して焦点距離を受信光学系３０の最大焦点距離ｆＬから最小焦点距離ｆＳに変更したときの受光素子１２における光源像の位置Ｑ１に対応する物体位置をＰＦ、距離をＬＦ、Ｑ２に対応する物体位置をＰＮ、距離をＬＮとすると、以下の関係式が成立する。
（４）  ＬＦ＝（ｆＳ／ｆＬ）×Ｌ１
（５）  ＬＮ＝（ｆＳ／ｆＬ）×Ｌ２
（４）、（５）式から、受信光学系３０の焦点距離ｆをｆＬからｆＳに変えた場合、測定距離ＬＦ、ＬＮは、焦点距離の比に比例して変化することがわかる。
また、最小焦点距離ｆＳは、以下の条件式を満足することが望ましい。
（６）  （Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ  ≦  ｆＳ  ≦  ｆＬ
（６）式の上限値は、発明の主旨から明確であるが、下限値は受信光学系３０の焦点距離を短くしたとき、距離ＬＦが距離Ｌ２より短くなり測距できない距離領域（Ｌ２とＬＦとの間）ができることを防止するためである。
なお、（６）式の条件式は、受信光学系３０の焦点距離を不連続、例えばｆＬからｆＳに少なくとも２段階変化させる場合の条件であって、可変焦点距離光学系１４が焦点距離を連続的に変化させるズーム変倍光学系で構成されている場合には考慮しなくてもよい条件である。
以下、（６）式について、２段階に焦点距離を変化させた場合を代表として説明する。図２より、
（７）  ｄ／Ｌ１＝δ１／ｆＬ
（８）  ｄ／ＬＦ＝δ１／ｆＳ
であり、これら二つの式より、
（９）  ＬＦ＝（ｆＳ／ｆＬ）×Ｌ１
となる。
測距できない距離領域ができるのを防ぐ条件は、
（１０）  Ｌ２≦ＬＦ
従って、（９）、（１０）式より、
（１１）  （Ｌ２／Ｌ１）×ｆＬ≦ｆＳ
が得られる。ｆＳの上限値は最大焦点距離ｆＬであるから、ｆＳは、（６）式を満足することが必要となる。
【実施例１】
【０００６】
ｆＬ＝１００ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍ、Ｌ１＝５００ｍ、とすると、（１）式よりδ１＝０．００６ｍｍとなる。また、受光素子１２のサイズＭ（長さ）を、０．０５ｍｍとすると、（３）式より、Ｌ２＝５３．６ｍとなる。
そして、図１に示すように、負レンズ群１４Ａを対物レンズ１１方向に移動したときの焦点距離ｆＳ＝５０ｍｍとすると、（４）式から、ＬＦ＝２５０ｍ、（５）式から、ＬＮ＝２６．８ｍとなる。
この結果、第１実施形態の測距装置１００は、近距離が、Ｌ２＝５３．６ｍからＬＮ＝２６．８ｍまで測距可能な距離を短縮することができる。従って、測距装置１００は、Ｌ１＝５００ｍからＬＮ＝２６．８ｍまでの範囲の測距が可能になる。
【実施例２】
【０００７】
ｆＬ＝１００ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍ、Ｌ１＝∞、とすると、（１）式よりδ１＝０．０ｍｍとなる。また、受光素子１２のサイズＭ（長さ）を、０．０５ｍｍとすると、（３）式より、Ｌ２＝６０ｍとなる。
そして、図１に示すように、負レンズ群１４Ａを対物レンズ１１方向に移動したときの焦点距離ｆＳ＝５０ｍｍとすると、（４）式から、ＬＦ＝∞、（５）式から、ＬＮ＝３０ｍとなる。
この結果、第１実施形態の測距装置１００は、近距離が、Ｌ２＝６０ｍからＬＮ＝３０ｍまで測距可能な距離を短縮することができる。
なお、図３において、符号Ａ１１は、光軸Ａを対物レンズ１１の結像面を含む面に投影した点を示している。また、ＳＡは信号光のスポットサイズをそれぞれ模式的に示したものであり、受光素子１２は、ＳＡを少なくとも含むように配置し、ＳＡより大きくなり過ぎないようにすることで、信号光のＳ／Ｎを良好にすることができ、より遠距離の測定を可能にすると共に、近距離の測定も可能になる。なお、受光素子１２の形状は、長方形以外に、円形、楕円形、長方形以外の四角形などの形状を用いても同様の効果を奏することが可能である。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる測距装置２００の光学系の概略構成図である。なお、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
第２実施形態では、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間に、可変焦点距離光学系１５を挿脱可能に構成している。
可変焦点距離光学系１５は、対物レンズ１１側から順に、正レンズ群１５Ａと負レンズ群１５Ｂを有し、光軸Ｂに可変焦点距離光学系１５を挿入することによって、受信光学系の焦点距離を上記ｆＬからｆＳに変えることができる構成である。
なお、可変焦点距離光学系１５の作用は、第１実施形態と同様であり詳細な説明は省略する。また、第１実施形態と同様、最小焦点距離ｆＳは、条件式（６）を満足する必要があることは言うまでもない。また、その他の作用、効果は第１実施形態と同様であり説明を省略する。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態にかかる測距装置３００の光学系の概略構成図である。なお、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
第３実施形態では、受信光学系３０の対物レンズ１１の物体側に可変焦点距離光学系１６を着脱可能に構成している。
可変焦点距離光学系１６は、物体側から順に、負レンズ群１６Ａと正レンズ群１６Ｂを有し、対物レンズ１１に着脱可能なアフォーカル光学系とし、対物レンズ１１の物体側に装着することで受信光学系の焦点距離を上記ｆＬからｆＳに変えることができる構成である。装着は、ねじや嵌合により装着する。
なお、可変焦点距離光学系１６の作用は、第１実施形態と同様であり詳細な説明は省略する。また、第１実施の形態と同様、最小焦点距離ｆＳは、条件式（６）を満足する必要があることは言うまでもない。また、その他の作用、効果は第１実施形態と同様であり説明を省略する。
なお、上記第１〜第３実施形態において、送信光学系の光軸Ａ１と視準光学系の光軸Ａ２が異なっている場合でも、送信光学系の光軸Ａ１と受信光学系の光軸Ｂとの関係が上述した関係を満たしていれば同様の効果を奏することができる。
また、上記第１から第３実施形態では、受光素子１２の中心を光軸Ｂからずらして配置した場合について説明したが、受光素子１２の中心が光軸Ｂと一致している場合でも、上記実施形態にかかる可変焦点距離光学系を配置することで測距距離を可変とし、測距範囲を拡大することができることは言うまでもない。
また、測距装置には上述のように、送信光学系と受信光学系とが離れているものの他に、これらが重なった同軸の測距装置も存在する。同軸の場合は、測距する距離により受光素子上の目標像の位置は変わらないため受光素子の大きさによる測距範囲の限定はないが、その代わり送信光と受信光をハーフミラー等により分離する必要があるため受信光の強度は減少し、最大測距距離は減少してしまうという欠点があるが、本実施形態にかかる測距装置ではこのような問題は発生しない。
以上述べたように、第１〜第３実施形態にかかる測距装置によれば、受光素子のサイズが同じであっても、受信光学系の焦点距離を変化させることにより、その焦点距離が長い場合は遠距離物体の測距、焦点距離が短い場合は至近距離までの測距が可能となり、用途に応じた測距モードを選択可能な測距装置を達成することができる。
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。図７は、第４実施形態にかかる測距装置の作用を説明する図である。図８は、受光素子と各光点位置を示す模式図である。なお、第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
第４実施形態では、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間には、受信光学系３０の光軸Ｂを偏向するミラー１７が光軸Ｂに対して所定の角度傾けて配置されている。この傾け角度からミラー１７を所定の角度（図９Ｂの角度α）変えることで受光素子１２上の光像の位置を変更する。
このようにして、測距装置１００が構成されている。
第４実施形態にかかる測距装置４００では、受光素子１２の中心位置は、後述するように受信光学系３０の結像面で、遠距離物体の前記信号光の結像位置から近距離物体の前記信号光の結像位置方向に沿って前記受光素子の中心をずらして配置している。すなわち、図７、図８に示すように、受信光学系３０の結像面で、受光素子１２の一端部１２ａが光軸Ｂの近傍に位置決めされ、他端部１２ｂが、光軸Ｂから遠ざかる位置となるように受光素子１２の中心をずらして配置されている。そして、ミラー１７により、後述するように測距できる範囲を拡大することを可能にしている。
また、受光素子１２は、受信光学系３０の光軸Ｂと垂直に配置されているが、必ずしも垂直である必要はなく、受光素子１２の位置を例えば、最至近距離に対応するスポット像の最良像点位置に傾けて配置することが好ましい。
以下、図７、図８を参照しつつ、第４実施形態にかかる測距装置１００の受光素子１２の位置と測距可能範囲について説明する。図６と同様の構成には同じ符号を付し説明する。
図７において、光源２から射出した信号光は、可視光を透過し、正立プリズム４に配置された信号光を反射するダイクロイックミラー４ａで反射された後、対物レンズ１を通って目標物体Ｐ１（最長測定距離）からＰ２に到達する。なお、図６に示す正立プリズム４は記載を省略して説明している。
信号光は、物体Ｐ１で散乱し、その一部が受信光学系３０の対物レンズ１１に入射する。信号光は、Ｐ１の中心と対物レンズ１１の中心を結ぶ直線Ｃに沿って進み、対物レンズ１１の結像面近傍に配置された受光素子１２上の光軸Ｂの近傍の点Ｑ１に結像し、送信時と受信時の時間差から目標物体Ｐ１までの距離が算出される。
物体Ｐ１までの距離をＬ１とすると、点Ｑ１の光軸Ｂからのずれδ１は、（１）式で示される。
（１）  δ１＝ｆ×ｄ／Ｌ１
ここで、ｆは対物レンズ１１の焦点距離を、ｄは光軸Ａと光軸Ｂとの間隙をそれぞれ表す。
距離Ｌ１が、間隙ｄに比べて十分に大きい場合、ｄ／Ｌ１は、ほぼゼロとなりδ１もほぼゼロとなる。これは、点Ｑ１が光軸Ｂ上にあることを意味する。従って、ｄに対して大きなＬ１の遠距離まで測定することを考慮すると、受光素子１２の一端部１２ａを光軸Ｂ上に配置することが好ましい。ただし、信号光の到達距離、或いは信号光の受光強度等を考慮して距離Ｌ１に限界を設けたときには、（１）に従って受光素子１２の位置を光軸Ｂから僅かに離して配置してもよい。
一方、近距離Ｌ２の位置にある物体Ｐ２からの信号光が光路Ｄに沿って対物レンズ１１に入射して結像する位置をＱ２（光軸Ｂからの距離をδ２）とすると、（１）式と同様にして、（２）式で示される。
（２）  δ２＝ｆ×ｄ／Ｌ２
ここで、受光素子１２のサイズをＭとすると、測距可能な近距離は、δ２＝ＭとしてＬ２について表すと、（３）式となる、
（３）  Ｌ２＝ｆ×ｄ／Ｍ
上記、（３）式によれば、距離Ｌ２を短くするには、受光素子１２のサイズＭを大きくすればよい。
しかし、受光素子１２のサイズを大きくすれば距離Ｌ２を短くすることが可能であるが、上記した理由により信号光以外の光によりＳ／Ｎの劣化が大きくなり、最大距離Ｌ１が短くなり好ましくない。
また、距離Ｌ２よりさらに近距離の物体Ｐ３までの距離を測距しようとすると、物体Ｐ３からの信号光のスポット像は受光素子１２の結像面上でＱ３位置（光軸Ｂからの距離をδ３とする）に結像され、δ３は（１２）式で示される。
（１２）  δ３＝ｆ×ｄ／Ｌ３
δ３の位置Ｑ３は、受光素子１２上にないためこのままでは測距することができない。
第４実施形態にかかる測距装置４００では、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間にミラー１７を配置し、光軸Ｂをミラー１７で偏向することにより受光素子１２上にスポット像を結像させ、より近距離まで測距することを可能にしている。
図９Ａ、９Ｂはミラー１７の傾斜角度を変えたときの作用を説明する図である。図９Ａは、距離Ｌ１と距離Ｌ２の間を測距する状態を、図９Ｂは、距離Ｌ２から距離Ｌ３を測距する状態をそれぞれ示している。
図９Ａにおいて、ミラー１７は光軸Ｂに対して所定の角度傾けた状態で支持されている。この状態では、距離Ｌ１からの信号光は光軸Ｃに沿って入射しミラー１７で反射され、受光素子１２のＱ１に結像される。また距離Ｌ２からの信号光は光軸Ｄに沿って入射しミラー１７で反射され、受光素子１２のＱ２に結像される。これにより、測距装置４００は、距離Ｌ１から距離Ｌ２の間の物体の距離を測定することができる。
次に、距離Ｌ２より近い物体の距離を測定する場合、測距装置４００は、不図示の部材を操作することでミラー１７を光軸Ｂに対して所定角度α傾斜する。この結果、距離Ｌ２からの信号光はミラー１７で反射されて受光素子１２のＱ１位置に結像し、距離Ｌ３からの信号光はミラー１７で反射されて受光素子１２のＱ２位置に結像する。このように、ミラー１７を所定の角度α傾斜することで、傾斜前の距離Ｌ２の結像位置Ｑ２を傾斜後結像位置Ｑ１に、傾斜前の距離Ｌ３の結像位置Ｑ３を傾斜後結像位置Ｑ２に偏向することができる。この結果、測距装置４００の測距可能範囲が距離Ｌ２から距離Ｌ３の範囲に変更できる。
このとき、距離Ｌ３と距離Ｌ２との間の関係は、以下の（１３）式で示される。
（１３）  Ｌ３＝δ２／（２δ２−δ１）×Ｌ２
具体例を以下に示す。
【実施例３】
【０００８】
ｆ＝１００ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍ、Ｌ１＝５００ｍ、Ｌ２＝１００ｍの測距装置の場合、
（１）式よりδ１＝０．００６ｍｍ、（２）よりδ２＝０．０３ｍｍであり、（１３）式からミラー１７を傾斜することで、Ｌ３＝５５．６ｍとなる。よって、ミラー１７を傾斜させることで、Ｌ２＝１００ｍからＬ３＝５５．６ｍまでの測距が可能になる。
これにより、実施例３の測距装置は、傾斜するミラー１７を有することにより、Ｌ１＝５００ｍからＬ３＝５５．６ｍの範囲の測距が可能になる。
【実施例４】
【０００９】
ｆ＝５０ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍ、Ｌ１＝∞、Ｌ２＝５０ｍの測距装置の場合、
（１）式よりδ１＝０ｍｍ、（２）式よりδ２＝０．０３ｍｍであり、（１３）式からミラー１７を傾斜することでＬ２＝５０ｍからＬ３＝２５ｍまでの測距が可能になる。
これにより、実施例４の測距装置は、傾斜するミラー１７を有することにより、Ｌ１＝∞からＬ３＝２５ｍの範囲の測距が可能になる。
以上のように、ミラー１７を傾斜する前は、Ｌ１からＬ２までの測距範囲であったものがミラー１７を傾斜した後は、Ｌ２からＬ３までの測距範囲となる。
従って、物体Ｐ３までの距離を測定したい場合は、ミラー１７を傾斜することで測距が可能になる。
なお、ミラー１７の傾斜角度αは、目標物体Ｐ２の受光素子１２上の対応する位置Ｑ２を位置Ｑ１に移動する量としているが、これを超えてミラー１７を傾斜させた場合、目標物体Ｐ３を超えたてさらに近距離物体までの距離が測定可能になるが、受光素子１２上で目標物体Ｐ２のスポット像が受光素子１２の大きさを超えてしまうため、測距できない範囲が発生する。これを避けるため、ミラー１７の傾斜角度αは、目標物体Ｐ２のスポット像が受光素子１２の大きさを超えない範囲にすることが望ましい。すなわち、ミラー１７の傾斜角度αは、傾斜前が物体Ｐ１からＰ２を、傾斜後は物体Ｐ２からＰ３へと物体Ｐ２が含まれるように設定することが望ましい。
また、上記第４実施形態では、ミラー１７による光軸Ｂの偏向方向を、光軸Ａと光軸Ｂとで規定する平面内の光軸Ａから遠ざかる方向に設定しているが、偏向方向はこれに限らず、光軸Ａと交差する方向に偏向してもよい。光軸Ａと交差する方向に偏向することで測距装置４００をより小型に構成することができる。或いは、光軸Ｂに直交する平面内において、光軸Ｂを中心とする任意の方向に偏向することが可能であり、測距装置４００の設計時に適宜設定することができる。
また、ミラー１７は、不用意に回転しないよう、その始点と終点位置に傾斜角度を固定するロック機構を有することが望ましい。
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態にかかる測距装置５００の光学系の概略構成図である。なお、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
第５実施形態では、受信光学系３０の対物レンズ１１と受光素子１２との間に偏角プリズム１８を配置し、偏角プリズム１８を光軸に沿って移動することで、受信光学系３０の光軸Ｂを光軸Ａと光軸Ｂを含む面内に偏向可能に構成している。
図１１Ａ、１１Ｂは、偏角プリズム１８の作用を説明する受信光学系のみの図であり、図１１Ａは、初期位置を示し、図７のＬ１からＬ２の測距を、図１１Ｂは偏角プリズムを移動した場合を示し、図７のＬ２からＬ３を測距する場合をそれぞれ示す。
図１１Ａ、１１Ｂにおいて、偏角プリズム１８の移動前では、受信光学系３０に入射したＰ１からの信号光の結像位置がＱ１、Ｐ２からの信号光の結像位置がＱ２となり、測距装置５００はＬ１からＬ２が測距範囲に設定される。
次に、Ｌ２からＬ３までの範囲を測距可能にするために、偏角プリズム１８を光軸Ｂに沿って受光素子１２方向にＺ移動する。これにより、Ｐ２からの信号光の結像位置がＱ１に移動し、Ｐ３からの信号光の結像位置がＱ２に移動し、受光素子１２で検出可能になる。これにより、測距装置５００はＬ２からＬ３の範囲を測距可能になる。
図１１Ａ、１１Ｂにおいて、偏角プリズム１８による光軸の傾きβは、偏角プリズム１８の屈折率をｎ、頂角をαとすると、以下の（１４）式で示される。
（１４）  β＝（ｎ−１）×α
偏角プリズム１８を光軸Ｂに沿って受光素子１２方向にＺだけ移動させたときの光軸の移動量εは、以下の（１５）式で示される。
（１５）  ε＝βＺ＝（ｎ−１）×α×Ｚ
よって、偏角プリズム１８を移動させることで、受光素子１２上でεの余裕が生まれその分、近距離の測距が可能になる。
なお、同等の効果は、受光素子１２を移動させるか、受光素子を複数個配置することによっても達成できるが受光素子を基板ごと移動させることは精度上困難であるし、また機構上、装置の大型化を招く。
また受光素子を複数個配置する場合は、基板を移動させないで済むが受光素子を隙間なく接近させることは出来ないため、その隙間に対応する測定できない距離の領域が発生してしまい好ましくない。
また、偏角プリズム１８の移動位置を固定するロック機構を有することが望ましい。
なお、上記第４、および第５実施形態では、受光素子１２の中心を光軸Ｂからずらして配置した場合について説明したが、受光素子１２の中心が光軸Ｂと一致している場合でも、第５実施形態にかかる光軸偏向部材を配置することで測距距離を可変することができることは言うまでもない。
また、測距装置には上述のように、送信光学系と受信光学系とが離れているものの他に、これらが重なった同軸の測距装置も存在する。同軸の場合は、測距する距離により受光素子上の目標像の位置は変わらないため受光素子の大きさによる測距範囲の限定はないが、その代わり送信光と受信光をハーフミラー等により分離する必要があるため受信光の強度は減少し、最大測距距離は減少してしまうという欠点があるが、第５実施形態にかかる測距装置ではこのような問題は発生しない。
以上述べたように、第４、および第５実施形態にかかる測距装置によれば、受光素子のサイズが同じであっても、受信光学系の光軸を偏向させる光学手段を用い、それらを傾斜（回転）または移動することにより受光素子上の信号光の結像位置を可変とし、特に近距離側の測距範囲を拡大することにより、遠距離物体の測距から至近距離までの測距が可能となり、用途に応じた測距形態が選択可能な測距装置を達成することができる。
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態にかかる測距装置６００について図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
図１２は、第６実施形態にかかる測距装置の光学系の概略構成図である。図１３は、受信光学系の受光素子上における距離の異なる目標物体からの信号光のスポット像の位置関係を説明する図である。図１４は、受光素子と各スポット像位置を示す模式図である。
第６実施形態にかかる測距装置では、受光素子１２の中心位置は、後述するように受信光学系３０の結像面で、遠距離物体で反射された前記信号光の結像位置から近距離物体で反射された前記信号光の結像位置方向に沿って前記受光素子の中心をずらして配置している。すなわち、図１３、図１４に示すように、受光光学系３０の結像面で、受光素子１２の一端部１２ａが光軸Ｂの近傍に位置決めされ、他端部１２ｂが、光軸Ｂから遠ざかる位置となるように受光素子１２の中心をずらして配置されている。このように、受光素子１２をずらして配置することで、後述するように測距できる範囲を拡大することを可能にしている。
また、受光素子１２は、受信光学系３０の光軸Ｂと垂直に配置されているが、必ずしも垂直である必要はなく、受光素子１２の位置をスポット像の最良像点位置に配置することが好ましい。
以下、図１３、図１４を参照しつつ、第６実施形態にかかる測距装置６００の受光素子１２の位置と測距可能範囲について説明する。
図１３において、光源２から射出した信号光は、正立プリズム４に配置された可視光を透過し信号光を反射するミラー面４ａで反射された後、対物レンズ１を通って目標物体Ｐ１（最長測定距離）からＰ３（近距離目標物体）に到達する。なお、図１２に示す正立プリズム４は記載を省略して説明している。
遠方の目標物体Ｐ１に照射された信号光は、物体Ｐ１で反射（散乱）し、その一部が受信光学系３０の対物レンズ１１に入射する。信号光は、Ｐ１の中心と対物レンズ１１の中心を結ぶ直線Ｃに沿って進み、対物レンズ１１の結像面近傍に配置された受光素子１２上の光軸Ｂの近傍の点Ｑ１に結像し、送信時と受信時の時間差から目標物体Ｐ１までの距離が算出される。
物体Ｐ１までの距離をＬ１とすると、点Ｑ１の光軸Ｂからのずれδ１は、（１）式で示される。
（１）  δ１＝ｆ×ｄ／Ｌ１
ここで、ｆは対物レンズ１１の焦点距離を、ｄは光軸Ａと光軸Ｂとの間隙をそれぞれ表す。
距離Ｌ１が、間隙ｄに比べて十分に大きい場合、ｄ／Ｌ１は、ほぼゼロとなりδ１もほぼゼロとなる。これは、点Ｑ１が光軸Ｂ上にあることを意味する。従って、ｄに対して大きなＬ１の遠距離まで測定することを考慮すると、受光素子１２の一端部１２ａを光軸Ｂ上に配置することが好ましい。ただし、信号光の到達距離、或いは信号光の受光強度等を考慮して距離Ｌ１に限界を設けたときには、（１）に従って受光素子１２の位置を光軸Ｂから僅かに離して配置してもよい。
一方、中間距離Ｌ２の位置にある物体Ｐ２からの信号光が光路Ｄに沿って対物レンズ１１に入射して結像する位置をＱ２（光軸Ｂからの距離をδ２）とすると、（１）式と同様にして、（２）式で示される。
（２）  δ２＝ｆ×ｄ／Ｌ２
同様に、至近距離Ｌ３の位置にある物体Ｐ３からの信号光が光路Ｄに沿って対物レンズ１１に入射して結像する位置をＱ３（光軸Ｂからの距離をδ３）とすると、（１２）式で示される。
（１２）  δ３＝ｆ×ｄ／Ｌ３
ここで受光素子１２を、従来のように中心が光軸Ｂと重なるように配置したとき（図１３符号Ｘ参照）、受光素子１２のサイズが結像点Ｑ１〜Ｑ２しかカバーできないため、測距可能な距離は、Ｌ１〜Ｌ２に限定され、至近距離Ｌ３を測定することができない。また受光素子１２の光軸Ｂよりも光軸Ａ側の領域（図１３の符号ＸＡ）が存在するため、信号光以外の光によるＳ／Ｎの劣化が避けられず、最大距離Ｌ１も短くなる。
従来の受光素子１２の配置で、受光素子１２のサイズを大きくすれば至近距離物体Ｐ３の測距を可能にすることができるが、上記した光軸Ｂより光軸Ａ側の領域が大きくなり、信号光以外の光によりＳ／Ｎの劣化が大きくなり、最大距離Ｌ１が更に短くなり好ましくない。
第６実施形態にかかる測距装置６００では、図１３、図１４に示すように、同じサイズの受光素子１２の一端部１２ａを光軸Ｂの近傍に配置し、他端部１２ｂを光軸Ｂから遠ざかる方向に受光素子１２の中心をずらすことによって、近距離物体Ｐ３からの信号光が受光素子１２上に結像することを可能にしている。この結果、受光素子１２の中心位置をずらすことのみによって、従来の測距装置に比べ、遠距離から近距離までの測距が可能になる。
ここで、受光素子１２のサイズを２Ｍとすると、従来の配置での測定可能な近距離は、（ｆ×ｄ／Ｍ）であるのに対して、第６実施形態の測距装置６００では、測距可能な近距離が（ｆ×ｄ／２Ｍ）となり、ほぼ半分の近距離まで測距可能になる。
例えば、対物レンズ１１のｆ＝１００ｍｍ、光軸Ａと光軸Ｂの間隙ｄ＝３０ｍｍ、受光素子１２の長さ２Ｍ＝０．５ｍｍの場合、従来の配置による測距可能な近距離が１２ｍに対し、測距装置６００の場合には、測距可能な近距離が６ｍと１／２に短縮できる。
なお、図１４において、符号Ａ１１は、光軸Ａを対物レンズ１１の結像面を含む面に投影した点を示している。また、Ｓ、ＳＡは信号光のスポットサイズをそれぞれ模式的に示したものであり、受光素子１２は、ＳＡを少なくとも含むように配置し、ＳＡより大きくなり過ぎないようにすることで、信号光のＳ／Ｎを良好にすることができ、より遠距離の測定を可能にすると共に、近距離の測定も可能になる。なお、受光素子１２の形状は、長方形以外に、円形、楕円形、長方形以外の四角形などの形状を用いても同様の効果を奏することが可能である。
また、送信光学系の光軸Ａ１と視準光学系の光軸Ａ２が異なっている場合でも、送信光学系の光軸Ａ１と受信光学系の光軸Ｂとの関係が上述した関係を満たしていれば同様の効果を奏することができる。
また、測距装置には上述のように、送信光学系と受信光学系とが離れているものの他に、これらが重なった同軸の測距装置も存在する。同軸の場合は、測距する距離により受光素子上の目標像の位置は変わらないため受光素子の大きさによる測距範囲の限定はないが、その代わり送信光と受信光をハーフミラー等により分離する必要があるため受信光の強度は減少し、最大測距距離は減少してしまうという欠点があるが、第６実施形態にかかる測距装置ではこのような問題は発生しない。
以上述べたように、第６実施形態にかかる測距装置によれば、受光素子１２の中心を受信光学系の光軸Ｂから離れた位置にずらして配置することによって、従来と同じサイズの受光素子１２を用いながら、より近距離物体までの測距を可能にすると共に、遠距離物体では従来と同等の距離を測距可能な測距装置を達成することができる。
なお、上述の実施形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図１】
2009031550.tif 000003
【図２】
2009031550.tif 000004
【図３】
2009031550.tif 000005
【図４】
2009031550.tif 000006
【図５】
2009031550.tif 000007
【図６】
2009031550.tif 000008
【図７】
2009031550.tif 000009
【図８】
2009031550.tif 000010
【図９Ａ】
2009031550.tif 000011
【図９Ｂ】
2009031550.tif 000012
【図１０】
2009031550.tif 000013
【図１１Ａ】
2009031550.tif 000014
【図１１Ｂ】
2009031550.tif 000015
【図１２】
2009031550.tif 000016
【図１３】
2009031550.tif 000017
【図１４】
2009031550.tif 000018
【国際調査報告】
2009031550.tif 000019
2009031550.tif 000020
2009031550.tif 000021
2009031550.tif 000022