(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角プリズムを使用して光束を再帰反射する装置において、
６〜１０の三角プリズム（１，２）が、設けてあり、
隣接の各三角プリズム（１，２）の側面（７，８，９）が相互に直接に接し且つ三角プリズム先端（６）が空間的にできる限り近接して並置するよう、配置してあり、
各三角プリズム（１，２）の光入射面（４，５）が、三角形に構成され、
隣接の三角プリズム（１，２）の光入射面（４，５）が、相互に傾斜され、
２つの隣接の三角プリズム（１、２）のひとみ（２０，４０）の接触線（１５ａ；３５ａ）が、装置の中心を通る垂直軸線（１００）に対して傾斜して延びることを特徴とする再帰反射装置。
【請求項２】
等大の三角プリズム（１，２）が設けてあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
回転対称の三角プリズム（１，２）が設けてあり、その光入射面（４，５）が正三角形をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
６つの三角プリズム（１，２，３，１３１，１３２，１３３）が、１つの全周レフレクタ（１４０）に統合され、相互に連続する三角プリズム（１，２，３，１３１，１３２，１３３）が、相互に１８０°だけ回転され、三角プリズム先端（６）が共通点（１５５）において当たるよう、相互に適合されていることを特徴とする請求項１〜３の１つに記載の装置。
【請求項５】
全周レフレクタ（１４０）のために、アダプタ（１２０）を含むアタッチメント（１２１）が設けてあり、アダプタ（１２０）には、保持装置（１２５）が結合可能であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
[技術分野]
本発明は、複数の三角プリズムを使用して光束を再帰反射する装置に関する。
[背景技術]
測地学的測量分野、建設測量かよび工業的測定技術では、空間内の点をマークするため、自己放射性または反射性の目標マーク（例えば、球形レフレクタ、反射フィルムまたは三角プリズム）を使用する。目標マークは、セオドライトでまたはタキメータ、即ち、距離計を含むセオドライトで視準する。目標マークまでの方向・距離測定によって、所与の座標系に関して目標マークの三次元座標を求める。
座標の測定および表示以外に、逆に、図面に記録された座標または地図から読取り得る座標を現地に標示できる。例えば、道路工事の場合、セオドライトまたはタキメータおよび目標マークを備えた鉛直棒（Lotstock）を使用してルートガイドを標示する。この場合、オペレータとして、手の合図または無線で連絡し合う少なくとも２名の作業員が必要である。一方では、図面で定められた座標を測量器に設定し、他方、目標マークが目標座標に達するまで、目標マークを備えた鉛直棒を移動する。この場合、オペレータは、常に、測量器に目標マークを合わせることに留意しなければならない。
測量器位置を変更する測量操作において、概ね、同一の固定点を定める。この場合、固定点に設置された目標マークを異なる方向から視準する。目標マークは、回転によって、当該の測量器に再び合わせなければならない。
更に、建設分野または測量分野における所定の測量操作において、１つの目標マークを複数の測量器の基準目標マークとして使用できる。この場合も、目標マークを各測量器に順次に合わせなければならない。
自動測量器の出現とともに、鉛直棒の持運び人に関して、更に、問題が生ずる。最新の測量器の場合、セオドライトの望遠鏡による目標マークの観察は、目標マークの電子的検知によって更に支援されるか、更には置換えられる。この検知は、セオドライトの結像光学系に組込んだビデオカメラまたはＣＣＤアレイによって行う。このような系は、“ＯＰＴＩＣＵＳ”誌、Ｎｏ．１／９４，ｐ８−９のライカＡＧ社の論文“工業的測量のためのセオドライト・センサ”またはドイツ特許第３４２４８０６号に記載されている。像処理によって、目標マークを自動的に検知し、その座標を決定できる。かくして、移動される目標マークに自動的に追従できるよう自動セオドライトを制御できる。即ち、鉛直棒の持運び人は、地区内を自由に移動できるが、この際、セオドライトが、視野から目標マークを見失うことはない。もちろん、同時に、目標マークをセオドライトに常に合わせなければならず、従って、鉛直棒の持運び人の注意が、地区および測定点から逸らされる。従って、自動化された目標マーク追従のこの使用目的のためにも、より大きい再帰反射角度範囲を有する目標マークが必要となる。
工業的測定技術において汎用される球形レフレクタ、即ち、クロムめっきした鋼球は、理想的である。上記鋼球は、全方向から照射でき、それぞれ同一の目標マーク像を与える。しかしながら、上記鋼球の場合、極めて小さい距離を測定できるに過ぎない。なぜならば、上記鋼球から反射された光の強度は、距離の４乗に比例して減少するからである。従って、測地学的測量分野または建設測量の場合、大きい反射度を有する反射箔または三角プリズムを使用する。もちろん、この場合、反射された光の強度は角度に依存し、利用可能な角度範囲は、約±４５°に制限される。
慣用の円形の光入射面を有する複数の再帰反射性プリズムを円筒面上に設置したプリズム装置は、米国特許第５３０１４３５号から公知である。各プリズムは、空間的に分離されている。３つのプリズムは、それぞれ、重畳する２つの平面内にある。１つの平面のプリズムは、相互に１２０°だけ且つ隣接平面のプリズムに対して６０°だけシフトされている。かくして、各プリズムは、ある角度範囲をカバーし、全プリズム装置は、すべての水平方向の光を３６０°にわたって反射する。このプリズム装置によって距離を測定する。この場合、しかしながら、約１０００ｍの所定の最小距離よりも大きい距離を測定できるに過ぎない。
[発明の開示]
本発明の課題は、全方向について３６０°までの範囲の大きい角度範囲について高強度の再帰反射を行うことができ、角度測定および距離測定をー極めて短い距離についてもー高い測地学的測定精度で確実に達成できる光線のレトロレフレクタを提供することにある。
この課題は、６〜１０の三角プリズムを設け、隣接の各三角プリズムの側面が直接に接し且つ三角プリズム先端が空間的にできる限り近接して並置するよう、配置し、各三角プリズムの光入射面を三角形に構成し、隣接の三角プリズムの光入射面を相互に傾斜させ、隣接の三角プリズムのひとみの接触線を装置中心を通る垂直軸線に対して傾斜させることによって、解決される。
本発明の有利の実施例を従属請求項２−５に開示した。
三角プリズムの再帰反射作用は、３つの鏡面をそれぞれ直角に突合わせた三角ミラーから導出される。光がこの種の三角ミラーに入射した場合、光束は、３つのすべての鏡面において反射され、三角ミラーから出る光束は、平行に且つ入射光束に対して側方へシフトされて進行する。この再帰反射は、所定の入射角度範囲内で可能である。
三角反射プリズムとも呼ばれる三角プリズムは、例えば、ガラス立方体から立方体コーナを切り出すことによって作製できる。切断面は、光の入射面をなす。立方体コーナの相互に垂直な３つの側壁は、一般に、鏡面にされている。場合によっては、側壁に鏡面にしてない場合にも全反射を利用できる。総括して、入射光の再帰反射が達成され、かくして、入射光および放射光は、符号を除いて同一方向を有する。
立方体コーナ自体は、三角プリズムのプリズム先端と呼ばれる。プリズム先端を通る立体対角線は、一般に、プリズムの切断面に対して傾斜（windschief）している。立体対角線および切断面が相互に垂直をなす場合、回転対称の三角プリズムが生ずる。光入射面は、立方体コーナの切断面として、幾何学的に三角形を形成するが、光学的理由または製造技術的理由から、光入射面のコーナは、極めて強く面取りされている。大半の場合において、完全に丸い光入射面が作製される。
光入射面を介して入射するすべての光が、必ずしも再帰反射される訳ではない。再帰反射できるのは、三角プリズムのひとみに入射する光のみである。ひとみは、光入射面の側縁（稜）および光入射面の側縁の点反射によって仮想（ヴァーチャル）のプリズム先端に生ずる線（直線および曲線）から形成される。仮想のプリズム先端は、三角プリズムを覗いた場合に見えるがプリズムガラスの屈折にもとづき単に見かけのプリズム先端である。
最大のひとみ面積、即ち、最大再帰反射光量は、例えば、回転対称三角プリズムについて、三角プリズムの光入射面に対して垂直な光入射の場合に得られる。
三角プリズムへの光の入射角度が変化すると、ひとみの形状および大きさが変化する。入射角度の増加とともに、ひとみ面積が、小さくなり、光入射面の縁により一層存在する（縁に来る）。更に、所定の入射角度において、面積はゼロとなり、光は、もはや、再帰反射されない。
本発明にもとづき、隣接の三角プリズムの側面が接触するよう、三角形の光入射面を有する複数の三角プリズムを配置する。この場合、三角プリズムの大きさは、異なっていてよく、三角プリズム先端を通る立体対角線に対するプリズムの光入射面の角度は、異なっていてよい。これは、特定の所与の角度範囲の再帰反射の場合に有用である。
本発明に係る装置のこの種の三角プリズムの作用は、１つの三角プリズムから隣接の三角プリズムへの再帰反射の移行時に、これらプリズムのひとみがより長い区間に沿って互いに接するということに依拠する。入射角度の変化とともに、１つの三角プリズムのひとみ面積が縮小し、隣接の三角プリズムのひとみ面積が増大し、この場合、ひとみ面積の和は、常に大きく保持される。かくして、光の入射角度と共に、多量の光が三角プリズム装置に連続的に再帰反射される。
更に、反射光束は、より大きい範囲に沿う隣接の三角プリズムのひとみ面の接触にもとづき、空間的に密接する。これは、三角プリズム装置の三次元座標の決定における高い測定精度および自動測定のために重要である。しかしながら、この場合、極く少数の三角プリズムを使用しなければならない。
特に、１つの八面体に８つの三角プリズムを配置でき、かくして、隣接の各三角プリズムが接触し、プリズム先端同士は、八面体中心においてぶつかる。即ち、完全な全周再帰反射が達成される。光は、任意の水平且つ垂直入射角度において、大きい強度で逆（再帰）反射される。
目標マークとして全空間方向へ再帰反射するこの種のプリズム装置を使用することによって、もはや、測量器に整合させる操作は不要である。即ち、この目標マークは、地区内で任意に移動させることができ、しかも、持運び人は、その位置調整に留意する必要はない。これは、自動測量の場合に決定的な利点である。
取付に関する理由から、プリズム装置の八面体の２つの対向する面を、三角プリズムを設置せずに空けておくことができる。その代わりに、プリズム装置は、例えば、鉛直棒または三脚に固定できる。この場合、水平方向について全周反射が保持され、他方、垂直方向について、既存の三角プリズムに関して有効な角度範囲を利用できる。場合によっては、複数のこの種のプリズム装置を鉛直棒に所定の間隔を置いて取付けることもできる。
本発明に係るプリズム装置の座標測定は、上記プリズム装置から来る反射光の重心から行う。入射角度に応じて、最大３つの三角プリズムが、同時に、異なる強度で光を反射できる。もちろん、反射光の重心位置は、光の入射角度とともに極めて狭い範囲においてのみ変化する。プリズム装置の三次元座標の測定精度は、各座標について、常に５ｍｍよりも良い。これは、すべての入射角度および０ｍ〜１０００ｍ以上の距離範囲について当てはまる。かくして、大半の測定要件が満足される。特に高い測定精度が必要な場合には、装置の三角プリズムの１つを従来の態様で測量器に正確に合わせ、かくして、約１ｍｍの高い点精度を達成できる。
距離測定には、送光器および受光器の光束を空間的に別個に並置する距離測定器を使用する。距離測定器と従来のレフレクタとの間には、測定結果を劣化する多重反射が起きる。プリズム装置のひとみが距離測定器の送光器および受光器の配置に対して傾斜し且つプリズム数が少ないことにもとづき、多重反射の効果は、十分に減少される。
更に、従来の目的マーク装置の場合（米国特許第５３０１４３５号）、空間的に分離された三角プリズムにおいて反射が同時に起こり、従って、同じく、距離測定が不正確となる。これは、主として、短い距離範囲において認められる。なぜならば、このような目標マーク装置の場合、最小距離を順守しなければならないからである。これに反して、互いに極めて密接した反射を行う本発明に係るプリズム装置によって、短い距離においても確実な距離測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は、三角プリズムの略図であり、
第１ｂ図は、２つの隣接の三角プリズムの光入射面および仮想のプリズム先端の略図であり、
第２図は、角度座標測定のために完全照射した状態の第１ｂ図の三角プリズム装置のひとみの略図であり、
第３図は、距離測定のために片側を照射した状態の第１ｂ図の三角プリズム装置のひとみおよび再帰反射有効面の略図であり、
第４図は、３つの隣接の三角プリズムおよび第１−３図に対して鉛直棒の軸線のまわりに３０°だけ回転した中央プリズムのひとみの略図であり、
第５図は、６つの三角プリズム、ホルダおよび鉛直棒を含む全周レフレクタの略図である。
[発明を実施するための最良の形態]
図面を参照して、以下に、実施例を詳細に説明する。
第１ａ図に、ガラス製三角プリズムを示した。三角プリズム先端６において、鏡面状の側面７，８，９は直角に交差する。
一般に、不等辺三角形の光入射面４を有する大きさの異なる三角プリズム１を製造し、本発明に係る装置のために使用することができる。この場合、その光入射面４は、相互に傾斜している。本発明を理解し易いよう、以下の図面には、光入射面４が正三角形をなす等大の回転対称三角プリズム１を示す。
第１ｂ図に、この種の２つの三角プリズムを模式的に示す。三角プリズム１の光入射面４は、三角形の辺１４，１５，１６から画成され、三角プリズム２の光入射面５は、三角形の辺３４，３５，３６から画成される。光入射面４，５は、第１ｂ図において、紙面内にはなく、紙面内にある三角形の辺１５；３５から出発して空間的に後方へ延びている。即ち、辺１４，１６；３４，３６によって形成される三角形頂点は紙面の背後にある。
更に、三角プリズム１，２の隣接の辺は、相互に直接に接し、光入射面４，５から形成された稜１５，３５は合致する。この場合、稜１５，３５の後ろの隣接の側面は、紙面に垂直であり、三角プリズム１，２を覗いた場合、本来的には見えない。しかしながら、一般にガラスからなる三角プリズム１，２の屈折率にもとづき、上記側面は、見ることができ、辺１１，１２，１５；３１，３２，３５を有する三角形を画成する。同じく、三角プリズム１，２の仮想のプリズム先端１０，３０は、実際のプリズム先端が合致しているが、見える。仮想のプリズム先端１０，３０の存在は、本発明にとって肝要である。なぜならば、かくして、第２図を参照して説明する三角プリズム１，２のひとみ面が、ゼロではなく、従って、紙面に垂直に入射する光を再帰反射できるからである。即ち、屈折作用のない２つの三角ミラーを使用した場合、同一の構成および同一の入射条件において、再帰反射は不可能である。
三角プリズム１，２の隣接の側面に対して、他の側面は、それぞれ垂直である。これらは、境界線１２，１３，１６および１１，１３，１４；３１，３２，３４および３２，３３，３６を有する面によって形成される。
第１ｂ図の三角プリズム装置は、紙面に垂直な可視波長範囲の光で照射される。これは、第２図に、照射円面積５０で示してある。照射円面積５０は、三角プリズム１，２の光入射面４，５を覆う。しかしながら、三角プリズム１，２の斜線で示したひとみ面２０，４０に入射する光のみが再帰反射される。この場合、ひとみ面２０は、プリズム稜１５の一部１５ａ，プリズム稜１４，１６の一部２３，２４および境界線１５′，２３′，２４′から形成される。境界線１５′，２３′，２４′は、仮想のプリズム先端１０においてプリズム稜１５，１４，１６の対応する部分の点反射によって生ずる。これと同様に、三角プリズム２のひとみ面４０は、稜部分３５ａ，４３，４４および仮想のプリズム先端で点反射された線３５′，４３′，４４′によって形成される。再帰反射された光は、入射光に対して、同じく、仮想のプリズム先端１０；３０において点反射される。
垂直軸線１００は、三角プリズム１，２の実際のプリズム先端（図示してない）を通る。ひとみ２０，４０の接触線１５ａ，３５ａは、軸線１００に対して傾斜（windschief）して延びる。反射光は、測量器で受光され、次いで、例えば、重心測定によって、本発明に係るプリズム装置に対する測量器の角度座標、即ち、水平角度および垂直角度を求める。
プリズム装置の三次元座標を求めるため、例えば、公知の極座標法にもとづき、角度座標に加えて、プリズム装置から測量器までの距離を求める。この場合、公知の光学式距離測定器を使用する。この場合、送光器および受光器の光束を半円形横断面に構成し、別個に並置する。従って、送光器の概ね赤外波長範囲にある光は、三角プリズム１，２に半円形に入射する。第３図に、半円形照射面５１および軸線１００に関するその位置を示した。他方、隣接の半円形面５２は、距離測定器の受光範囲を与える。送光範囲および受光範囲が分離されており且つ入射光が仮想のプリズム先端１０；３０で点反射されることにもとづき、単一斜線で示した有効面２１；４１を介して入射して二重斜線で示した面２２；４２を介して放射される光は、距離測定器の受光器によって検知される。
距離測定器の照射ジオメトリおよび受光ジオメトリに関する本発明に係る三角プリズム装置によって、距離測定器と三角プリズム装置との間の可能な多重反射の強度は、有効信号の強度に対して劇的に減少され、もはや、何らの役割も演じない。即ち、距離測定における誤測定が排除される。小さい距離についても、多重反射の影響は無視できる。更に、三角プリズム１，２から反射された光束の光路長は、極めて僅かであり、従って、同じく、短い距離範囲について確実で正確な距離測定値が得られる。
第３図の三角プリズム１，２を軸線１００のまわりに３０°だけ回転すると、第４図の状態が生ずる。同図において、三角プリズム１の稜１４，１５は、その交点から空間的に背後へ延びる。三角プリズム２の稜３４，３６および別の三角プリズム３の稜１０６，１０７の交点は、同じく、空間的に背後にある。三角プリズム１の斜線ハッチングで示したひとみ面２０は、プリズム稜１４，１５，１６およびその点反射１４ａ，１５ａ，１６ａの部分から画成される。この場合、全ひとみ面２０は、有効に再帰反射を行う。斜線で示した面右半部に入射する光は、斜線で示した面左半部を介して再び出る（逆に、面左半部に入射する光は、面右半部を介して再び出る）。第４図の三角プリズム１の光入射面４をこのように配置すると、３つのすべての空間座標について最高の測定精度が達成される。この場合、三角プリズム２，３は、再帰反射光を与えない。
プリズム装置を軸線１００のまわりに回転することにより、第３図および第４図に示した状態が相互に連続的に移行する。有効な再帰反射面２０，４０；２１，４１の形状および大きさが変化する。この場合、隣接のひとみ面２０，４０が、常に、接触し、大きい有効な再帰反射面を常に形成するということが重要である。上記反射面は、所定の角度において、光入射面４，５の三角形の頂点にまで亘るので、光入射面４，５の頂点が、できる限り完全に存在することが重要である。
第４図に示したプリズム装置の背面に更に３つの三角プリズム１３１，１３２，１３３を接合（配設）すれば、すべての面が、間隙なく、三角プリズムで埋められる。すべての三角プリズムは、八面体の面を占め、すべての実際のプリズム先端は、八面体中心１５５（第５図）において互いに接する。基本的に、軸線１００において互いに対向する八面体の面に、同じく、三角プリズムを設けることができる。しかしながら、上記八面体の面に、アタッチメント（ソケット）１２１，１２２を設置できる。
６つの三角プリズム１，２，３，１３１，１３２，１３３を有し全周レフレクタ１４０として役立つプリズム装置の斜視図を第５図に示す。５つの三角プリズム１，２，３，１３１，１３２，１３３の光入射面は、それぞれ、正三角形を形成する。背面にある３つの三角プリズム（破線で示した）の光入射面は、三角形の下記辺によって形成される：（１０７，１０８，１０９）；（１０８，１１０，１１１）；（１１０，１１２，３６）。
プリズム装置は、アタッチメント１２１，１２２によって保護または支持される。アタッチメント１２１には、アダプタ１２０が設置してある。アダプタ１２０には、保持装置１２５を結合できる。この種の保持装置１２５は、例えば、三脚または鉛直棒であってよい。この場合、通常の事例では、鉛直棒の軸線は軸線１００と一致する。軸線１００は、八面体中心を通る。鉛直棒軸線のまわりに鉛直棒を回転すると、測量器から全周レフレクタ１４０へ向けられた光は、全回転範囲にわたって大きい強度で反射される。この場合、各回転角度について、全周レフレクタ１４０の三次元座標の高い測定精度が達成される。特に正確な座標測定のために、全周レフレクタ１４０の三角プリズム１，２，３，１３１，１３２，１３３の１つを測量器に正確に合わせる（配向する）ことができる（第４図参照）。
必要に応じて、アタッチメント１２２に、同じく、他の測量用構成群を接続できるアダプタ１２０を設置できる。
全周レフレクタ１４０は、建設測量においてまたは測地学的測量において、複数の測量器によって同時に視準できる。全周レフレクタ１４０の整合（配向）操作は不要である。即ち、上記レフレクタは、基準目標マークとして使用できる。この場合、既述の如く、短い距離においても、確実な距離測定が達成される。全周レフレクタ１４０は、自動測量においても特殊な利点をもたらす。測量器および全周レフレクタ１４０の操作のために１名の作業員で十分である。全周レフレクタ１４０に一度設定された測量器は、すべての位置において、全周レフレクタの場合によるねじれまたは傾斜に関係なく全周レフレクタ１４０に自動的に追従する。測量器に対する上記レフレクタの整合に、もはや、留意する必要はない。従って、全周レフレクタ１４０を含む鉛直棒の持運び人は、被測地域にその全注意力を向けることができる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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