(57)【要約】【課題】  目標物までの距離に依存することなく、距離測定を迅速に且つ高精度に行うことのできるノンプリズム方式の距離測定装置。【解決手段】  光軸上に配置された反射部材（３）およびこの反射部材の前側に配置された対物レンズ（４）を介して目標物に測定光束を送光する送光系（１〜４）と、目標物で反射された測定光束を対物レンズおよび反射部材を介して受光する受光系（３，５，７，８）とを備えている。受光系は、対物レンズの後側焦点位置（６Ａ）と受光面（８）とを共役に結ぶリレー光学系（７）と、後側焦点位置と受光面との間の光路中に設けられて近距離にある目標物からの測定光束を偏向するための偏向手段とを有する。【選択図】  図１
2009008404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸上に配置された反射部材および該反射部材の前側に配置された対物レンズを介して目標物に測定光束を送光する送光系と、前記目標物で反射された測定光束を前記対物レンズおよび前記反射部材を介して受光する受光系とを備えた距離測定装置において、
前記受光系は、前記対物レンズの後側焦点位置と受光面とを共役に結ぶリレー光学系と、前記後側焦点位置と前記受光面との間の光路中に設けられて近距離にある前記目標物からの測定光束を偏向するための偏向手段とを有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記偏向手段は、遠距離にある前記目標物からの測定光束が通過しない領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記偏向手段は、前記リレー光学系中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に形成された拡散作用を有する局部光学面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記偏向手段は、拡散作用を有する光学素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記偏向手段は、前記リレー光学系中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に形成された屈折作用を有する局部光学面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記偏向手段は、屈折作用を有する光学素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記偏向手段は、前記リレー光学系中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に形成された回折作用を有する局部光学面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記偏向手段は、回折作用を有する光学素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項９】
前記偏向手段は、屈折率分布を有する光学部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項１０】
前記リレー光学系は、複数のレンズを有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項１１】
前記目標物で反射された測定光束以外の遠距離からの背景光の通過を遮るための遮蔽部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関し、特に目標物との間を往復して受光される測定光束に基づいて目標物までの距離の測定を行う装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光波を利用した距離測定装置では、光源から供給された測定光束を光軸上に配置された反射部材で反射し、この反射部材の前側に配置された対物レンズを介して平行光束に変換し、目標物であるコーナーキューブに向けて射出する。そして、コーナーキューブで反射された測定光束を対物レンズおよび反射部材を介して受光し、受光した測定光束に基づいて目標物までの距離を測定する。
【０００３】
一方、コーナーキューブを目標物とするプリズム方式の距離測定装置とは別に、例えばレフシートや壁のような人工物、木や崖のような自然物などを目標物とするノンプリズム方式の距離測定装置も知られている。ノンプリズム方式の距離測定装置では、目標物の反射面が散乱面であることが多く、プリズム方式の距離測定装置に比して、受光光量が著しく小さくなることが多い。そこで、ノンプリズム方式の距離測定装置では、目標物での反射光量が大きくなるように、目標物に照射される測定光束のスポットサイズを小さくするなどの工夫をしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の距離測定装置では、目標物で反射されて対物レンズを透過した測定光束のうち、反射部材の周囲を通過した測定光束だけが受光される。換言すれば、目標物で反射されて対物レンズを透過した測定光束のうち、反射部材で遮られた光束は測定に寄与しない。受光系に合焦機構が無い場合、目標物までの距離により測定光束の集光位置が異なると共に、集光位置から光軸方向に外れた位置では光束は中心部の抜けた中抜け状態になる。
【０００５】
従来のノンプリズム方式の距離測定装置では、遠距離にある目標物からの測定光束の光量が小さくなるため、遠距離にある目標物からの測定光束の集光位置に合わせて受光面を配置している。したがって、近距離にある目標物からの中抜け状態の測定光束の一部だけが受光面の周辺部に達するか、あるいは測定光束の全部が受光面の周囲を通過してしまう。その結果、受光光量の低下により、測定に時間がかかったり測定精度が低下したりするか、あるいは測定自体が不可能になることがある。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、目標物までの距離に依存することなく、距離測定を迅速に且つ高精度に行うことのできるノンプリズム方式の距離測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明では、光軸上に配置された反射部材および該反射部材の前側に配置された対物レンズを介して目標物に測定光束を送光する送光系と、前記目標物で反射された測定光束を前記対物レンズおよび前記反射部材を介して受光する受光系とを備えた距離測定装置において、
前記受光系は、前記対物レンズの後側焦点位置と受光面とを共役に結ぶリレー光学系と、前記後側焦点位置と前記受光面との間の光路中に設けられて近距離にある前記目標物からの測定光束を偏向するための偏向手段とを有することを特徴とする距離測定装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、近距離にある目標物で反射されて反射部材を経た中抜け状態の測定光束が、例えばリレー光学系中に設けられた偏向手段の作用により適宜偏向され、中抜け状態の測定光束の一部が受光面に確実に達する。その結果、本発明では、ノンプリズム方式の距離測定装置に適用しても、目標物までの距離に依存することなく、距離測定を迅速に且つ高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる距離測定装置の基本構成を概略的に示す図である。本実施形態では、例えばレフシートや壁のような人工物、木や崖のような自然物などを目標物とするノンプリズム方式の距離測定装置に対して本発明を適用している。以下、装置の基本構成の説明に際して、説明の理解を容易にするために、図１では目標物が無限遠にあるものとする。
【００１０】
本実施形態の距離測定装置は、測定光束を供給するための光源１として、例えば６６０ｎｍの赤外光を射出するＬＤ（レーザーダイオード）を備えている。光源１として、ＬＥＤ（発光ダイオード）のような他の適当な光源を用いることもできる。光源１から射出された測定光束は、送光光学系２を介して、送光用反射部材３で反射される。反射部材３で反射された測定光束は、視準用対物レンズ４を介して平行光束に変換された後、目標物（不図示）に照射される。
【００１１】
例えば無限遠にある目標物で反射・散乱（以下、単に「反射」ともいう）された測定光束および外界からの背景光は、対物レンズ４および反射部材３を介して、ダイクロイックプリズム５に入射する。ダイクロイックプリズム５は、例えば６５０ｎｍよりも大きい波長の光を反射し、例えば４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長の可視光を透過させる特性を有する。ダイクロイックプリズム５で反射された光、すなわち目標物からの測定光束は、参照符号６Ａで示す位置に一旦集光した後、１つまたは複数のレンズからなるリレー光学系７を介して、例えばＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）のような受光素子８の受光面に集光する。
【００１２】
無限遠にある目標物からの測定光束の集光位置６Ａは、対物レンズ４の後側焦点位置に他ならない。図１においてハッチングを施した領域３１は、目標物で反射されて対物レンズ４を透過した測定光束のうち、対物レンズ４の後側（目標物側とは反対側）において光軸上に配置された反射部材３に遮られることなく、受光素子８の受光面に達する測定光束を表している。
【００１３】
一方、ダイクロイックプリズム５を透過した光、すなわち外界からの光束（可視光）は、光軸方向に移動可能な合焦レンズ１１および正立プリズム１２を介して、焦点板１３の位置に目標物を含む外界の中間像を形成する。このとき、正立プリズム１２の作用により、焦点板１３の位置には外界の正立像が形成される。焦点板１３の位置に形成された中間正立像は、焦点板１３に形成された視準情報とともに、接眼レンズ１４を介して肉眼で観察される。図１では、肉眼のアイポイントを参照符号ＥＰで示している。
【００１４】
このように、光源１、送光光学系２、反射部材３、および対物レンズ４は、目標物に測定光束を送光する送光系を構成している。対物レンズ４、ダイクロイックプリズム５、合焦レンズ１１、正立プリズム１２、焦点板１３、および接眼レンズ１４は、目標物を視準する視準系を構成している。対物レンズ４、ダイクロイックプリズム５、リレー光学系７、および受光素子８は、目標物で反射された測定光束を受光する受光系を構成している。なお、受光素子８で受光された測定光束に基づいて目標物までの距離を測定する原理については、例えば特開平８−２９２２５９号公報などを参照することができる。
【００１５】
以下、本実施形態にかかる距離測定装置の特徴的な要部構成の説明に先立ち、図２を参照して従来のノンプリズム方式の距離測定装置の不都合を説明する。図２では、無限遠にある目標物で反射されて対物レンズ４を透過した測定光束のうち、反射部材３に遮られることなく、対物レンズ４の焦点位置６Ａに配置された受光素子２８の受光面に集光する測定光束が、一点鎖線で規定される領域２１により示されている。
【００１６】
また、近距離にある目標物で反射されて対物レンズ４を透過した測定光束のうち、反射部材３に遮られることなく、受光素子２８の受光面よりも後側（対物レンズ側とは反対側）の位置６Ｂに集光する測定光束が、ハッチングを施した領域２２により示されている。このように、目標物が無限遠または遠距離にある場合、目標物からの測定光束の一部が反射部材３により遮られるものの、反射部材３の周囲を通過した全ての測定光束２１が受光素子２８の受光面に達する。
【００１７】
これに対し、目標物が近距離にある場合、目標物からの測定光束の一部が反射部材３により遮られ、受光素子２８の受光面の位置６Ａでは光束が中抜け状態になる。その結果、反射部材３の周囲を通過した測定光束２２の一部だけが受光素子２８の受光面の周辺部に達するか、あるいは反射部材３の周囲を通過した全ての測定光束２２が受光素子２８の受光面の周囲を通過してしまう。受光素子２８での受光光量が低下すると、測定に時間がかかるだけでなく、測定精度が低下する可能性がある。また、受光素子２８で全く受光できない場合には、測定自体が不可能になってしまう。
【００１８】
図３は、本実施形態にかかる距離測定装置の特徴的な要部構成を概略的に示す図である。図３では、送光系および視準系の図示を省略するとともに、図１に示す受光系のうち、ダイクロイックプリズム５よりも後側の要部だけを図示している。本実施形態にかかる距離測定装置では、図３に示すように、無限遠にある目標物で反射されて対物レンズ４および反射部材３を経た測定光束３１が、対物レンズ４の焦点位置６Ａに一旦集光した後、１つのレンズ７ａにより構成されたリレー光学系７を介して、受光素子８の受光面に集光する。すなわち、無限遠または遠距離（例えば無限遠〜百ｍ程度）にある目標物で反射されて対物レンズ４および反射部材３を経た測定光束の全てが、受光素子８の受光面に達する。
【００１９】
一方、近距離（例えば数ｍ）にある目標物で反射されて対物レンズ４および反射部材３を経た測定光束３２Ａは、焦点位置６Ａに集光することなく、中抜け状態で焦点位置６Ａに配置された背景光カット絞り（遮蔽部材）１０に入射する。絞り１０に入射した測定光束３２Ａのうち、絞り１０の開口部（または光透過部）を通過した測定光束３２Ｂは、リレー光学系７を構成するレンズ７ａに入射する。そして、レンズ７ａの射出面に形成された拡散面７ａａで拡散された（偏向された）測定光束３２Ｂの一部は、受光素子８の受光面に達する。
【００２０】
拡散面７ａａは、無限遠または遠距離（以下、単に「遠距離」ともいう）にある目標物からの中抜け状態の測定光束３１が通過しない領域であって、近距離にある目標物からの中抜け状態の測定光束３２Ｂが通過する領域、すなわちレンズ７ａの射出面の中央領域に形成されている。ちなみに、レンズ７ａの射出面に拡散面７ａａが形成されていない場合、図２で示す従来技術の場合と同様に、測定光束３２Ｂの一部だけが受光素子８の受光面の周辺部に達するか、あるいは測定光束３２Ｂの全部が受光素子８の受光面の周囲を通過してしまう。
【００２１】
本実施形態にかかる距離測定装置では、無限遠にある目標物からの測定光束３１の集光位置６Ａに合わせて受光素子８の受光面を配置しているので、無限遠または遠距離にある目標物からの測定光束のうち、反射部材３を経た測定光束３１の全てが受光素子８の受光面に達する。一方、近距離にある目標物からの測定光束のうち、反射部材３および絞り１０を経た測定光束３２Ｂの一部が、拡散面７ａａで拡散されて受光素子８の受光面に達する。
【００２２】
前述したように、特にノンプリズム方式の距離測定装置では、遠距離にある目標物からの測定光束の光量が小さくなる傾向があるため、遠距離にある目標物で反射されて反射部材３を経た測定光束３１の全てが受光素子８の受光面に達することは重要である。換言すれば、近距離にある目標物からの測定光束の光量は比較的大きいため、近距離にある目標物で反射されて反射部材３および絞り１０を経た測定光束３２Ｂの一部が受光素子８の受光面に達すれば十分である。
【００２３】
以上のように、本実施形態にかかる距離測定装置では、近距離にある目標物で反射されて反射部材３および絞り１０を経た中抜け状態の測定光束３２Ｂが、リレー光学系７を構成するレンズ７ａの射出面の中央領域に形成された拡散面７ａａの作用により拡散されるので、中抜け状態の測定光束３２Ｂの一部が受光素子８の受光面に確実に達する。その結果、本実施形態にかかるノンプリズム方式の距離測定装置では、目標物までの距離に依存することなく、距離測定を迅速に且つ高精度に行うことができる。
【００２４】
また、本実施形態では、対物レンズ４の焦点位置６Ａに配置された背景光カット絞り１０により、焦点位置６Ａにおいて光軸から離れた周辺部に集光する多くの背景光成分を効率良く遮ることができる。特に、遠距離にある目標物からの測定光束の光量が小さくなる傾向があるため、遠距離からの背景光を絞り１０により遮ることによって、遠距離にある目標物までの距離の測定に際してノイズ成分を大幅に減らすことができ、測定距離の長距離化や精度向上に有効である。
【００２５】
なお、上述したように、背景光カット絞り１０により近距離にある目標物からの測定光束も多く遮られるが、受光光量は距離の２乗に反比例するので、近距離にある目標物までの距離の測定に必要な所要光量が確保されれば問題はない。また、遮蔽部材としての背景光カット絞り１０の位置は、対物レンズ４の焦点位置６Ａに限定されることなく、近距離にある目標物からの測定光束の遮蔽と背景光の遮蔽との兼ね合いにより適宜決定すればよい。
【００２６】
受光系にリレー光学系７を採用することにより、目標物までの距離による測定光束の集光位置のずれが大きくなることが懸念されるが、この点について以下に説明する。例えば、視準系の対物レンズ４の焦点距離を１００ｍｍとし、受光系のリレー光学系７の焦点距離を１０ｍｍとし、リレー光学系７のリレー倍率を１倍とすると、目標物までの距離が無限遠の場合と５０ｍの場合とで測定光束の集光位置のずれは０．２０４５ｍｍになる。
【００２７】
一方、受光系にリレー光学系を設けない場合、目標物までの距離が無限遠と５０ｍとで測定光束の集光位置のずれは０．２ｍｍになる。すなわち、リレー光学系７の追加による測定光束の集光位置のずれの変化量は、僅かに０．００４５ｍｍである。したがって、目標物が遠距離（無限遠から１００ｍ程度）にある場合、目標物までの距離の測定に際して、目標物までの距離による測定光束の集光位置のずれが受光光量の減少に及ぼす影響はほとんど無い。
【００２８】
なお、上述の実施形態では、リレー光学系７が１つのレンズ７ａにより構成された例を示しているが、これに限定されることなく、リレー光学系７を複数のレンズにより構成することもできる。具体的には、図４に示すように、例えば２つのレンズ７ｂと７ｃとによりリレー光学系７を構成することもできる。図４の変形例では、例えば後側レンズ７ｃの射出面の中央領域に拡散面７ｃａを形成することにより、図３の実施形態と同様の効果を得ることができる。リレー光学系を１つのレンズにより構成する方がコスト的に有利であるが、リレー光学系を複数のレンズにより構成する方が拡散面（一般には偏向手段）の配置の自由度が増える。
【００２９】
また、上述の実施形態ではリレー光学系７中の単一レンズ７ａの射出面に拡散面７ａａを形成し、上述の変形例ではリレー光学系７中の後側レンズ７ｃの射出面に拡散面７ｃａを形成している。しかしながら、これに限定されることなく、リレー光学系７中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に拡散面を形成することができる。
【００３０】
また、上述の実施形態および変形例では、対物レンズ４の後側焦点位置６Ａと受光素子８の受光面との間の光路中に設けられて近距離にある目標物からの測定光束を偏向するための偏向手段として、リレー光学系７中の１つの光学面の一部の領域（中央領域）に、拡散作用を有する局部光学面としての拡散面７ａａ，７ｃａを形成している。しかしながら、これに限定されることなく、偏向手段として、拡散作用を有する光学素子（拡散板などの拡散光学素子）を用いることもできる。拡散作用を有する光学素子は、リレー光学系７中の光学面に接するように貼り付けられるか、あるいは光学面の近傍の位置または光学面から離間した適当な位置に設けられる。
【００３１】
また、上述の実施形態および変形例では、拡散作用を有する偏向手段を備えた構成を例示している。しかしながら、これに限定されることなく、屈折作用を有する偏向手段、回折作用を有する偏向手段などを用いることもできる。具体的には、屈折作用を有する偏向手段の場合、リレー光学系中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に形成された屈折作用を有する局部光学面や、所要の位置に配置された屈折作用を有する光学素子（レンズ、プリズムなどの屈折光学素子）を用いることができる。
【００３２】
一方、回折作用を有する偏向手段の場合、リレー光学系中の少なくとも１つの光学面の一部の領域に形成された回折作用を有する局部光学面や、所要の位置に配置された回折作用を有する光学素子（回折光学素子）を用いることができる。さらに、偏向手段として、屈折率分布を有する光学部材を所要の位置に配置することもできる。
【００３３】
また、上述の実施形態および変形例では、対物レンズ４の後側焦点位置６Ａと光学的に共役な第２焦点位置に受光素子８の受光面を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、光ファイバのようなライトガイドの入射面を第２焦点位置に配置して、この入射面を受光面とし、ライトガイドの射出面から射出される測定光束を受光素子により受光することもできる。
【００３４】
また、上述の実施形態および変形例では、ノンプリズム方式の距離測定装置に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、例えばコーナーキューブを目標物とするプリズム方式の距離測定装置にも同様に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態にかかる距離測定装置の基本構成を概略的に示す図である。
【図２】従来のノンプリズム方式の距離測定装置の不都合を説明する図である。
【図３】本実施形態にかかる距離測定装置の特徴的な要部構成を概略的に示す図である。
【図４】本実施形態の変形例にかかる距離測定装置の特徴的な要部構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  送光光学系
３  反射部材
４  対物レンズ
５  ダイクロイックプリズム
７  リレー光学系
７ａａ  拡散面
８  受光素子
１１  合焦レンズ
１２  正立プリズム
１３  焦点板
１４  接眼レンズ
【図１】
2009008404.tif 000003
【図２】
2009008404.tif 000004
【図３】
2009008404.tif 000005
【図４】
2009008404.tif 000006