(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物を視準する視準望遠鏡；
この視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計；
上記視準望遠鏡を介してその焦点状態を検出する焦点検出手段；及び
この焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて上記視準望遠鏡を自動焦点調節する制御手段；
を備え、
上記焦点検出手段は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像でピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段であり、
上記光波距離計の構成要素は、この位相差方式焦点検出手段の一対の瞳範囲と干渉しない位置に設けられていることを特徴とするＡＦ測距光学系。
【請求項２】
測定対象物を視準する視準望遠鏡；
この視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計；
上記視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像でピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段；及び
この位相差方式焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて上記視準望遠鏡を自動焦点調節する制御手段；
を備え、
上記位相差方式焦点検出手段は、上記対物レンズ上の上記一対の瞳範囲を、上記光波距離計の構成要素と干渉しない位置に設定したことを特徴とするＡＦ測距光学系。
【請求項３】
請求項１または２記載のＡＦ測距光学系において、視準望遠鏡の対物レンズの全部または一部は、焦点調節レンズであり、焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいてこの焦点調節レンズが光軸方向に駆動されるＡＦ測距光学系。
【請求項４】
請求項１または２記載のＡＦ測距光学系において、視準望遠鏡は、対物レンズの他に、該対物レンズと焦点検出手段の間に位置する焦点距離をのばす光学系を備えているＡＦ測距光学系。
【請求項５】
請求項４記載のＡＦ測距光学系において、焦点距離をのばす光学系は、負のパワーの焦点調節レンズであり、この負のパワーの焦点調節レンズが焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて光軸方向に駆動されるＡＦ測距光学系。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のＡＦ測距光学系において、光波距離計の送光系は、対物レンズの光軸上に位置する反射部材を有するＡＦ測距光学系。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載のＡＦ測距光学系において、光波距離計の構成要素は、対物レンズの光軸を通る直径方向に並べられており、上記一対の瞳範囲はこの並び方向と平行な縦長に設定されているＡＦ測距光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、測距機能と視準望遠鏡のＡＦ機能とを有するＡＦ測距光学系に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
トータルステーション等の測量機は、距離と角度の測定機能を有し、距離の測定は、一般に測定対象物に投光される測距光と内部参照光との位相差または時間差から距離を演算する光波距離計（ＥＤＭ）によって行われている。
【０００３】
一方、測量機においても視準望遠鏡のＡＦ化が進行している。ＡＦ装置として広く用いられている位相差方式のＡＦ装置は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像の相関関係（位相差）からピント位置を検出し、この検出結果に基づき視準望遠鏡を合焦させるものである。
【０００４】
ところが、光波距離計を有する測量機に、位相差方式の焦点検出装置を組み込むと、光波距離計の構成要素が、ピント検出のための対物レンズ上の一対の瞳位置と干渉し、検出ピント精度が低下し、ＡＦ性能を低下させるという問題があった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、光波距離計を有する測量機をＡＦ化するについての以上の問題意識に基づき、光波距離計がＡＦ性能を低下させることのないＡＦ測距光学系を得ることを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によるＡＦ測距光学系は、測定対象物を視準する視準望遠鏡；この視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計；視準望遠鏡を介してその焦点状態を検出する焦点検出手段；及びこの焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて上記視準望遠鏡を自動焦点調節する制御手段；を備えるものであって、焦点検出手段は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像でピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段とした上で、光波距離計の構成要素を、この位相差方式焦点検出手段の一対の瞳範囲と干渉しない位置に設けたことを特徴としている。
【０００７】
本発明によるＡＦ測距光学系は、別の表現によると、測定対象物を視準する視準望遠鏡；この視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計；視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像でピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段；及びこの位相差方式焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて上記視準望遠鏡を自動焦点調節する制御手段；を備えるものであって、位相差方式焦点検出手段は、対物レンズ上の一対の瞳範囲を、上記光波距離計の構成要素と干渉しない位置に設定していることを特徴としている。
【０００８】
視準望遠鏡は、対物レンズの全部または一部を焦点調節レンズとすることができ、焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づきこの焦点調節レンズを光軸方向に駆動して焦点調節することができる。
【０００９】
別の態様として、視準望遠鏡は、対物レンズの他に、該対物レンズと焦点検出手段の間に位置する焦点距離をのばす光学系を備えることが好ましい。焦点距離をのばす光学系が存在すると、対物レンズの焦点距離を短くして集光効率を高め、測距性能をあげても、ＡＦ用の対物レンズ上の一対の瞳範囲を十分に離間させ、光波距離計の要素を配置するスペースを確保することが容易になる。焦点距離をのばす光学系は、最も簡単には負のパワーの焦点調節レンズから構成することができ、この負のパワーの焦点調節レンズを、焦点検出手段によって検出した焦点状態に基づいて光軸方向に駆動して焦点調節することができる。一対の瞳範囲の空間に配置する光波距離計の要素としては、少なくとも、対物レンズの光軸上に位置する、光波距離計の送光系を構成する反射部材がある。
【００１０】
光波距離計の構成要素と一対の瞳範囲との干渉をより簡単に避けるため、光波距離計の構成要素を対物レンズの光軸を通る直径方向に並べ、一対の瞳範囲はこの並び方向と平行な縦長に設定することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は、本発明によるＡＦ測距光学系を測量機に適用した第一の実施形態を示している。視準望遠鏡１０は、図１に示すように、物体側（前方）から順に、対物レンズ１１、正立光学系（ポロプリズム）１２、焦点板１３、及び接眼レンズ１４を備えている。焦点板１３上には、その中心に、視準の際の目印となる十字線ヘアライン（視準線）１５が描かれている。対物レンズ１１は光軸方向に可動であり、測定対象物１６の距離に応じて位置調節することにより、その像を正しく焦点板１３の対物レンズ１１側の表面に結像させる。観察者は、この焦点板１３上の像を接眼レンズ１４を介して拡大観察する。
【００１２】
視準望遠鏡１０の対物レンズ１１の後方には、光波距離計２０の構成要素である送受光ミラー２１と、測距光を反射し可視光を透過する波長選択フィルタ２２とが順に配置されている。送受光ミラー２１は、対物レンズ１１の光軸上に位置する平行平面ミラーからなり、その対物レンズ１１側の面が送光ミラー２１ａ、波長選択フィルタ２２側の面が受光ミラー２１ｂを構成している。
【００１３】
光波距離計２０の発光素子２３は、特定波長の測距光を発し、この測距光は、コリメータレンズ２４及び固定ミラー２５を介して、送光ミラー２１ａに入射する。送光ミラー２１ａに入射した測距光は、対物レンズ１１の光軸上を進む。
【００１４】
波長選択フィルタ２２は、測定対象物１６で反射し対物レンズ１１を透過した測距光をさらに反射させて受光ミラー２１ｂに戻す作用をし、受光ミラー２１ｂは、その反射光を受光ファイバ２６の入射端面２６ａに入射させる。２７は、受光ファイバ２６を保持するホルダであり、送受光ミラー２１とともに、図示しない固定手段によって、対物レンズ１１の後方の空間に固定されている。
【００１５】
発光素子２３と固定ミラー２５の間の測距光路上には、切換ミラー２８と送光用ＮＤフィルタ２９が配置されている。切換ミラー２８は、発光素子２３からの測距光を固定ミラー２５に与えるか、直接受光ファイバ２６の入射端面２６ａに与えるかの切換を行うものである。送光用ＮＤフィルタ２９は、測定対象物１６に投光する測距光の光量調節用である。
【００１６】
受光ファイバ２６の出射端面２６ｂと受光素子３１との間には、集光レンズ３２、受光用ＮＤフィルタ３３及びバンドパスフィルタ３４が順に配置されている。受光素子３１は、演算制御回路４０に接続され、演算制御回路４０は、切換ミラー２８のアクチュエータ４１と測距結果表示器４２に接続されている。
【００１７】
以上の光波距離計２０は、周知のように、演算制御回路４０がアクチュエータ４１を介して切換ミラー２８を駆動し、発光素子２３からの測距光を固定ミラー２５に与える状態と、受光ファイバ２６の入射端面２６ａに直接与える状態とを作り出す。固定ミラー２５に与えられた測距光は、上述のように、送光ミラー２１ａと対物レンズ１１を介して測定対象物１６に投光され、その反射光が対物レンズ１１、波長選択フィルタ２２及び受光ミラー２１ｂを介して入射端面２６ａに入射する。そして、この測定対象物１６で反射して入射端面２６ａに入射する測距光と、切換ミラー２８を介して入射端面２６ａに直接与えられた内部参照光とが受光素子３１によって受光され、演算制御回路４０が測距光と内部参照光の位相差または時間差を検出し、測定対象物１６迄の距離を演算して、測距結果表示器４２に表示する。測距光と内部参照光の位相差または時間差による測距演算は周知である。
【００１８】
ポロプリズム１２には、光路分割面が形成されていて、その分割光路上に、位相差方式のＡＦ検出ユニット（焦点検出手段）５０が配置されている。このＡＦ検出ユニット５０は、焦点板１３と光学的に等価な焦点検出面５１の焦点状態、すなわち、合焦、非合焦、前ピン、後ピン、デフォーカス量を検出するもので、図２にその概念図を示す。焦点検出面５１上に結像する対物レンズ１１による物体像は、集光レンズ５２及び基線長だけ離して配置した一対のセパレータレンズ（結像レンズ）５３によって分割され、この分割された一対の像は一対のＣＣＤラインセンサ５４上に再結像する。ラインセンサ５４は多数の光電変換素子を有し、各光電変換素子が、受光した物体像を光電変換して光電変換した電荷を積分（蓄積）し、積分した電荷をＡＦセンサデータとして出力し、演算制御回路４０に入力する。演算制御回路４０は、一対のＡＦセンサデータに基づいて、所定のデフォーカス演算によってデフォーカス量を算出し、レンズ駆動手段４３を介して、対物レンズ１１を合焦位置に移動させる。このようなデフォーカス演算は当業者周知である。演算制御回路４０には、ＡＦ開始スイッチ４４と測距開始スイッチ４５が接続されている。
【００１９】
以上のＡＦ検出ユニット５０は、各ラインセンサ５４に結像する一対の像を基準に考えると、対物レンズ１１上において異なる一対の瞳範囲１１Ａ、１１Ｂを通過した光束によりラインセンサ５４上に結像された一対の像でピント位置を検出することになる。瞳範囲１１Ａと１１Ｂの瞳範囲の形状は、各セパレータレンズ５３の近傍にそれぞれ配置するマスク５５によって設定することができる。なお、図におけるハッチングは、この一対の瞳範囲に対応する部分を概念的に示している。
【００２０】
図３は、対物レンズ１１上のこの瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置関係、及び光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）の位置関係を示している。瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置、形状及び方向は、ＡＦ検出ユニット５０の集光レンズ５２、セパレータレンズ５３、マスク５５、ラインセンサ５４の多数の光電変換素子より、ＡＦ性能を満足する値に定められているが、方向（対物レンズ１１の中心に対する瞳範囲の方向）は比較的自由に設定することができる。そこで、本実施形態では、瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置を、光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びこれらの支持部材）に干渉しないように定めたのである。別言すると、瞳範囲１１Ａと１１Ｂの間のＡＦ不感帯１１Ｃ内に、送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びこれらの支持部材）を配置したのである。特に、送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びこれらの支持部材）を、対物レンズ１１の光軸を通る直径方向に並べ、瞳範囲１１Ａと１１Ｂをこの並び方向と平行な縦長に設定することにより、より簡単に、両者の干渉が生じないＡＦ測距光学系を構成することができる。
【００２１】
このように瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置を定めることにより、正確な視準望遠鏡１０の焦点検出が可能となり、精度の高い自動合焦ができる。仮に、光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びこれらの支持部材）が瞳範囲１１Ａと１１Ｂに干渉すると、ラインセンサ５４の多数の光電変換素子の個々に入射する光量にばらつきが発生するため、精度の高い自動合焦ができない。
【００２２】
上記構成の本ＡＦ測距光学系の動作例を説明すると次の通りである。
第１ステップ
接眼レンズ１４から測定対象物１６を覗き、視準望遠鏡１０の光軸を概ね測定対象物１６に合致させる。
弟２ステップ
ＡＦ開始スイッチ４４を押して上述のＡＦ動作を実行し、対物レンズ１１を合焦位置に移動させる。
第３ステップ
合焦状態で、接眼レンズ１４を覗き、焦点板１３の十字線ヘアライン１５を正確に測定対象物１６に一致させる。このように十字線ヘアライン１５を正確に測定対象物１６に一致させることにより、光波距離計２０の測距光を正しく測定対象物１６に投光することができる。
第４ステップ
測距開始スイッチ４５を押して光波距離計２０による上述の測距動作を実行し、測距結果表示器４２に測距結果を表示する。
【００２３】
図４、図５は、本発明によるＡＦ測距光学系の第二の実施形態を示している。図１に示す測距光学系（光波距離計２０）では、光波距離計２０から送光される測距光の測定対象物１６での反射光の集光効率を上げるために、対物レンズ１１の焦点距離は短い方が有利である。なぜなら、測定点の送光径をφＡ、距離をＬ、対物レンズ１１の焦点距離をｆとすると、受光ファイバ位置での送光径像の大きさはφａは、φａ＝φＡ×ｆ／Ｌで与えられ、ｆが小さい（短い）程、φａが小さくなるからである。受光ファイバの径は小さいため、ｆが十分小さければ、φＡのすべてを取り込める。ところが、対物レンズ１１の焦点距離を短くすると、図６に示すように、瞳範囲１１Ａと１１Ｂの間隔が狭くなり、ＡＦ不感帯１１Ｃに光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びその支持部材）を配置することが困難になる。すなわち、瞳範囲１１Ａと１１Ｂと、送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びその支持部材）が干渉してしまう。
【００２４】
そこで本実施形態では、図４に示すように、対物レンズ１１とポロプリズム１２（ＡＦ検出ユニット５０）との間に、負のパワーの焦点調節レンズ１８を配設している。負のパワーの焦点調節レンズ１８は、瞳範囲１１Ａと１１Ｂの間隔を拡げ、ＡＦ不感帯１１Ｃの大きさを大きくする作用を有する。このため、図５のように、瞳範囲１１Ａと１１Ｂの間隔を拡げ、両者の間のＡＦ不感帯１１Ｃに、光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）（及びその支持部材）を容易に配置することができる。この負の焦点調節レンズ１８は、対物レンズ１１に比して小型であるため、この負の焦点調節レンズ１８をレンズ駆動手段４３を介して光軸方向に駆動される視準望遠鏡１０の焦点調節レンズとすることにより、ＡＦ系の駆動重量を軽減することができる。
【００２５】
以上の負の焦点調節レンズ１８による瞳範囲１１Ａと１１Ｂの間隔を拡げる作用は、次のように説明することができる。対物レンズ１１上のＡＦ不感帯１１Ｃの幅の大小は、ＡＦユニットの瞳範囲を示すＦ値の大小で相対的に表される。すなわち、ＡＦ不感帯１１Ｃの幅Ｄｍｍは、対物レンズ１１の焦点距離をＥｍｍとするとき、Ｆ＝Ｅ／Ｄで表される。このため、対物レンズ１１の焦点距離を短くする程、ＡＦユニットの瞳範囲を示すＦ値を小さくしないと、十分なＡＦ不感帯１１Ｃの幅を確保することができない。これに対し、対物レンズ１１に加えて、負の焦点調節レンズ１８を配置すると、対物レンズ１１と焦点調節レンズ１８（対物系）の合成焦点距離は長くなり、その結果、ＡＦユニットの瞳範囲を示すＦ値を小さくしなくても、ＡＦ不感帯１１Ｃの幅を大きく確保することができる。
【００２６】
この第二の実施形態の視準及び測距動作は、視準望遠鏡１０の焦点調節が負の焦点調節レンズ１８で行われることを除き、基本的に第一の実施形態と同様にして行うことができる。
【００２７】
なお、正立光学系としてのポロプリズム１２あるいはＡＦユニット５０への分岐光学系は、種々の変形例が知られており、本発明は以上の実施例に限定されない。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、光波距離計を有する測量機をＡＦ化するにつき、位相差検出方式の焦点検出手段の対物レンズ上の一対の瞳範囲と、光波距離計の構成要素とが干渉しないようにしたので、ＡＦ性能を低下させることのないＡＦ測距光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＡＦ測距光学系を測量機に適用した第一の実施形態を示す系統接続図である。
【図２】図１のII矢視図であって、焦点検出手段（ＡＦユニット、位相差方式焦点検出手段）の概念図である。
【図３】図１のIII‐III線から見た、焦点検出手段の対物レンズ上の一対の瞳範囲と、送受光ミラー及び受光ファイバとの位置関係を示す図である。
【図４】本発明によるＡＦ測距光学系を測量機に適用した第二の実施形態を示す系統接続図である。
【図５】図４のV‐V線から見た、焦点検出手段の対物レンズ上の一対の瞳範囲と、送受光ミラー及び受光ファイバとの位置関係を示す図である。
【図６】図４のＡＦ測距光学系において、対物レンズとＡＦユニットの間に負レンズが配置されていない場合の焦点検出手段の一対の瞳範囲と、送受光ミラー及び受光ファイバとの位置関係を示す、図３に対応する図である。
【符号の説明】
１０  視準望遠鏡
１１Ａ  １１Ｂ  瞳範囲
１１Ｃ  ＡＦ不感帯
１２  ポロプリズム（正立光学系）
１３  焦点板
１４  接眼レンズ
１５  十字線ヘアライン（視準線）
１６  測定対象物
１８  負のパワーの焦点調節レンズ
２０  光波距離計
２１  送受光ミラー
２１ａ  送光ミラー
２１ｂ  受光ミラー
２２  波長選択フィルタ
２３  発光素子
２４  コリメータレンズ
２５  固定ミラー
２６  受光ファイバ
２６ａ  入射端面
２６ｂ  出射端面
２７  ファイバフォルダ
２８  切換ミラー
２９  送光用ＮＤフィルタ
３１  受光素子
３２  集光レンズ
３３  受光用ＮＤフィルタ
３４  バンドパスフィルタ
４０  演算制御回路
４１  アクチュエータ
４２  測距結果表示器
４３  レンズ駆動手段
４４  ＡＦ開始スイッチ
４５  測距開始スイッチ
５０  ＡＦ検出ユニット（位相差方式焦点検出手段）
５１  焦点検出面
５２  集光レンズ
５３  セパレータレンズ
５４  ラインセンサ
５５  マスク
【図１】
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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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【図６】
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