CN113984001A - 测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的测量装置具备：向测定对象物射出测距光的测距光射出部、具有对来自所述测定对象物的反射测距光进行光接收的光接收元件的测距光光接收部、向所述测定对象物射出追踪光的追踪光射出部、具有对来自所述测定对象物的反射追踪光进行光接收的追踪光接收元件的追踪光光接收部、以及对背景光进行光接收的摄像部，所述测距光射出部和所述追踪光射出部具有第一偏转光学构件，所述测距光射出部、所述追踪光射出部、所述摄像部具有第二偏转光学构件。

Description

测量装置

技术领域

本发明涉及能够取得测定对象物的三维坐标的测量装置。

背景技术

激光扫描仪或全站仪等测量装置具有光波距离测定装置，该光波距离测定装置通过将反射棱镜用作应测定对象物的棱镜测距、或不使用反射棱镜的无棱镜测距来检测到测定对象物为止的距离。

以往的测量装置具有用于测定到测定对象物为止的距离的测距部、用于追踪测定对象物的追踪部、以及用于对测定对象物进行摄像的摄像部。然而，在以往的测量装置中，为了维持光学系统的小型化，一般将测距部与追踪部、摄像部设置在不同的轴。

进而，即使在追踪部和摄像部为同轴的情况下，为了维持光学系统的小型化，也共用追踪部和摄像部的光接收部。因此，在追踪和摄像中可使用的光接收量受限，难以高精度地进行远距离下的追踪或摄像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种即使在远距离的情况下也能够高精度地进行追踪和摄像的测量装置。

为了达成上述目的，本发明所涉及的测量装置具备：测距光射出部，向测定对象物射出测距光；测距光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射测距光进行光接收的光接收元件；追踪光射出部，向所述测定对象物射出追踪光；追踪光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射追踪光进行光接收的追踪光接收元件；以及摄像部，对背景光进行光接收，所述测距光射出部和所述追踪光射出部具有第一偏转光学构件，所述第一偏转光学构件以所述测距光和所述追踪光为同轴的方式来偏转所述测距光和所述追踪光中的任一个，所述测距光射出部、所述追踪光射出部、所述摄像部具有第二偏转光学构件，所述第二偏转光学构件对所述测距光、所述追踪光、所述背景光以分别为同轴的方式进行反射并且使所述反射测距光和所述反射追踪光透射。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述第二偏转光学构件是具有规定板厚的多层膜光学元件，该多层膜光学元件具有：处于与所述测距光射出部接近的位置的第一入射面、以及处于远离所述测距光射出部的位置的第二入射面，所述第一入射面被构成为使所述测距光和所述追踪光透射并且对背景光进行反射，所述第二入射面在所述测距光和所述追踪光的入射部分形成具有规定反射率的分束膜，在除了该分束膜之外的部分形成反射防止膜，所述测距光和所述追踪光以与所述背景光为同轴的方式被所述分束膜反射，所述反射测距光和所述反射追踪光被构成为通过所述分束膜和所述反射防止膜。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，还具备向所述测定对象物照射激光指示器光的激光指示器照射部，所述摄像部被构成为对所述背景光以及由所述测定对象物反射的反射激光指示器光进行光接收，所述激光指示器照射部和所述摄像部具有以所述激光指示器光和所述背景光为同轴的方式来偏转所述激光指示器光和所述背景光中的任一个的第三偏转光学构件，被构成为使所述激光指示器光、所述反射激光指示器光由所述第一入射面反射。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述测距光和所述追踪光是不可见光，所述激光指示器光是可见光，在所述第一入射面设置有对可见光进行反射且使不可见光透射的长通滤光器。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述多层膜光学元件具有在所述测距光和所述追踪光的光轴与所述背景光的光轴之间可确保规定的光轴间距离的板厚和倾斜角。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述测距光光接收部和所述追踪光光接收部具有光接收棱镜，所述光接收棱镜设置在透射了所述第二偏转光学构件的所述反射测距光和所述反射追踪光的共同光路上，该光接收棱镜被构成为在使所述反射测距光和所述反射追踪光进行多次内部反射之后，分离所述反射测距光和所述反射追踪光，使所述光接收元件对所述反射测距光进行光接收，并且，使所述追踪光接收元件对所述反射追踪光进行光接收。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述光接收棱镜具有：使所述反射测距光和所述反射追踪光进行内部反射的第一棱镜、以及使所述反射追踪光进行内部反射的第二棱镜，所述第一棱镜与所述第二棱镜的边界面被构成为是与所述第一棱镜的所述反射测距光所射出的面相向的面，将所述边界面作为所述反射测距光和所述反射追踪光的分离面。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，在所述分离面中设置有对所述反射测距光进行反射且使所述反射追踪光透射的二向色滤光膜。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述测距光射出部具有发光元件，所述发光元件可将所述测距光的发光重复频率和脉冲的峰值功率切换为至少2个发光重复频率和脉冲的峰值功率，所述测距光光接收部具有相对于所述反射测距光的光轴可装卸的光量调整构件，该光量调整构件被构成为与所述发光重复频率和脉冲的峰值功率对应地调整所述反射测距光的光接收量。

此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，所述光量调整构件被构成为在中心部形成光量调整面并且在该光量调整面以外的部分形成全透射面，所述光量调整面形成有具有规定透射率的膜，所述全透射面形成有反射防止膜。

进而，此外，在优选实施例所涉及的测量装置中，还具备：托架部，通过水平旋转电动机以水平旋转轴为中心进行水平旋转；扫描镜，设置在该托架部，通过铅直旋转电动机以铅直旋转轴为中心进行铅直旋转，将所述测距光和所述追踪光照射到所述测定对象物，并且，对来自该测定对象物的所述反射测距光和所述反射追踪光进行光接收；以及运算控制部，控制所述水平旋转电动机、所述铅直旋转电动机、所述测距光射出部以及所述追踪光射出部的驱动，该运算控制部被构成为基于相对于所述追踪光接收元件的所述反射追踪光的光接收位置来控制所述水平旋转电动机和所述铅直旋转电动机以使得追踪所述测定对象物。

根据本发明，具备：测距光射出部，向测定对象物射出测距光；测距光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射测距光进行光接收的光接收元件；追踪光射出部，向所述测定对象物射出追踪光；追踪光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射追踪光进行光接收的追踪光接收元件；以及摄像部，对背景光进行光接收，所述测距光射出部和所述追踪光射出部具有第一偏转光学构件，所述第一偏转光学构件以所述测距光和所述追踪光为同轴的方式来偏转所述测距光和所述追踪光中的任一个，所述测距光射出部、所述追踪光射出部、所述摄像部具有第二偏转光学构件，所述第二偏转光学构件对所述测距光、所述追踪光、所述背景光以分别为同轴的方式进行反射并且使所述反射测距光和所述反射追踪光透射，因此，能够增大可追踪和摄像的到达距离，即使在远距离的情况下也能够高精度地进行追踪和摄像。

附图说明

图1是示出本发明的实施例所涉及的测量装置的正面剖视图。

图2是示出本发明的实施例所涉及的距离测定部的结构图。

图3是示出多层膜光学元件的分束面的侧面图。

图4是示出光量调整构件的平面图。

图5是示出测距光光接收部和追踪光光接收部的结构图。

图6（A）是示出光接收棱镜的第一变形例的结构图，图6（B）是示出光接收棱镜的第二变形例的结构图，图6（C）是示出光接收棱镜的第三变形例的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

测量装置1是例如激光扫描仪，由安装于三脚架（未图示）的调平部2、以及安装于该调平部2的测量装置主体3构成。再有，所述测量装置1能够执行棱镜测定和无棱镜测定这两者。

所述调平部2具有调平螺钉10，通过该调平螺钉10来进行所述测量装置主体3的调平。

该测量装置主体3具备固定部4、托架部5、水平旋转轴6、水平旋转轴承7、作为水平旋转驱动部的水平旋转电动机8、作为水平角检测部的水平角编码器9、铅直旋转轴11、铅直旋转轴承12、作为铅直旋转驱动部的铅直旋转电动机13、作为铅直角检测部的铅直角编码器14、作为铅直旋转部的扫描镜15、兼作操作部和显示部的操作面板16、运算控制部17、存储部18、以及距离测定部19等。再有，作为所述运算控制部17，使用专用于本装置的CPU、或通用CPU。

所述水平旋转轴承7被固定于所述固定部4。所述水平旋转轴6具有铅直的轴心6a，所述水平旋转轴6以旋转自由的方式被支承于所述水平旋转轴承7。此外，所述托架部5被支承于所述水平旋转轴6，所述托架部5沿水平方向与所述水平旋转轴6整体地旋转。

在所述水平旋转轴承7和所述托架部5之间设置有所述水平旋转电动机8，该水平旋转电动机8由所述运算控制部17控制。该运算控制部17通过所述水平旋转电动机8使所述托架部5以所述轴心6a为中心进行旋转。

所述托架部5相对于所述固定部4的相对旋转角由所述水平角编码器9检测。来自该水平角编码器9的检测信号被输入到所述运算控制部17，由该运算控制部17运算水平角数据。该运算控制部17基于所述水平角数据来进行针对所述水平旋转电动机8的反馈控制。

此外，在所述托架部5设置有具有水平的轴心11a的所述铅直旋转轴11。该铅直旋转轴11经由所述铅直旋转轴承12而旋转自由。再有，所述轴心6a与所述轴心11a的交点是测距光的射出位置，成为所述测量装置主体3的坐标系的原点。

在所述托架部5形成有凹部21。所述铅直旋转轴11的一端部伸出到所述凹部21内。此外，在所述一端部固定有所述扫描镜15，该扫描镜15收纳于所述凹部21。

此外，在所述铅直旋转轴11的另一端部设置有所述铅直角编码器14。在所述铅直旋转轴11设置有所述铅直旋转电动机13，该铅直旋转电动机13被所述运算控制部17控制。该运算控制部17通过所述铅直旋转电动机13使所述铅直旋转轴11旋转。所述扫描镜15以所述轴心11a为中心进行旋转。

所述扫描镜15的旋转角由所述铅直角编码器14检测，检测信号被输入到所述运算控制部17。该运算控制部17基于检测信号来运算所述扫描镜15的铅直角数据，基于该铅直角数据来进行针对所述铅直旋转电动机13的反馈控制。

此外，在所述存储部18中保存由所述运算控制部17运算的水平角数据、铅直角数据或测定结果、测定点间隔（后述）、测定角度间隔（后述）。作为该存储部18，使用作为磁性存储装置的HDD、作为光存储装置的CD、DVD、作为半导体存储装置的RAM、ROM、DRAM、存储卡、USB存储器等各种存储单元。该存储部18也可以相对于所述托架部5可拆装。或者，所述存储部18也可以能够经由未图示的通信单元向外部存储装置或外部数据处理装置送出数据。

在所述存储部18中储存对测距工作进行控制的顺序程序、利用测距工作来运算距离的运算程序、基于水平角数据和铅直角数据来运算角度的运算程序、基于距离和角度来运算期望的测定点的三维坐标的运算程序、用于追踪测定对象物的追踪程序、用于设定测定点的间隔或测定角度的间隔的设定程序、用于控制光量调整构件（后述）的驱动的控制程序等各种程序。此外，通过利用所述运算控制部17来执行在所述存储部18中储存的各种程序，从而执行各种处理。

所述操作面板16是例如触摸面板，兼作进行测距的指示或测定条件例如测定点间隔或测定角度间隔的变更等的操作部、以及显示测距结果等的显示部。

接着，参照图2来说明所述距离测定部19。

该距离测定部19主要具有测距光射出部22、测距光光接收部23、追踪光射出部24、追踪光光接收部25、激光指示器光射出部26、摄像部27。再有，由所述测距光射出部22和所述测距光光接收部23构成测距部。此外，由所述追踪光射出部24和所述追踪光光接收部25构成追踪部。

所述测距光射出部22具有射出光轴29。此外，所述测距光射出部22具有设置在所述射出光轴29上的发光元件31例如激光二极管（LD）、投光透镜32、以及作为第一偏转光学构件的合束器33。此外，所述测距光射出部22具有设置在由所述合束器33反射的所述射出光轴29的反射光轴上的作为第二偏转光学构件的多层膜光学元件34。进而，在由该多层膜光学元件34反射的所述射出光轴的反射光轴上设置所述扫描镜15。

再有，所述投光透镜32、所述合束器33、所述多层膜光学元件34构成测距投光光学系统。此外，在本实施例中，将所述射出光轴29、由所述合束器33反射的所述射出光轴29的反射光轴、由所述多层膜光学元件34反射的所述射出光轴29的反射光轴总称为所述射出光轴29。

所述发光元件31对红外或近红外波长的激光光线（不可见光）进行脉冲发光，以作为测距光。或者，所述发光元件31对激光光线进行脉冲串发光，以作为测距光。

所述合束器33具有透射特定波长的光（透射光）并且与透射光同轴地反射其他特定波长的光的光学特性。所述合束器33透射追踪光（后述），并且对由所述发光元件31发出的测距光以变为与追踪光同轴的方式进行反射。即，所述合束器33位于测距光和追踪光的共同光路上。再有，所述合束器33也可以构成为反射追踪光并且透射测距光。

所述多层膜光学元件34是例如具有规定板厚的板状玻璃，相对于所述射出光轴29在例如60°～120°的范围内倾斜。所述多层膜光学元件34的厚度在例如40φ时为15mm左右。此外，所述多层膜光学元件34的处于接近所述发光元件31的位置的一个面（第一入射面）是蒸镀有透射红外光或近红外光且反射可见光的长通滤光膜的长通滤光器面35。

所述多层膜光学元件34的处于远离所述发光元件31的位置的另一个面（第二入射面）是蒸镀有分束膜36的分束面37。如图3所示，所述分束膜36仅形成于所述分束面37之中的测距光和追踪光所入射的部分。即，在所述分束面37形成与测距光和追踪光的光束直径大致同等的椭圆状的所述分束膜36，在除了该分束膜36之外的部分蒸镀反射防止膜38。所述分束膜36具有反射80%左右而透射20%左右的测距光和反射测距光（后述）、并且反射50%～80%左右而透射50%～20%左右的追踪光和反射追踪光（后述）的光学特性。进而，在所述多层膜光学元件34中，形成角部被倒角处理的倒角部39。

再有，所述多层膜光学元件34的板厚和倾斜角为能够分离所述测距光射出部22（所述追踪光射出部24）和所述激光指示器光射出部26（所述摄像部27）并且能够在所述射出光轴29（追踪光轴49（后述））和激光指示器光轴55（后述）（摄像光轴59（后述））之间确保规定的光轴间距离的板厚和倾斜角。此外，所述多层膜光学元件34还作为用于使所述射出光轴29（所述追踪光轴49）和所述激光指示器光轴55（所述摄像光轴59）分离的光轴分离光学构件发挥作用。

所述测距光光接收部23具有光接收光轴41。此外，所述测距光光接收部23具有设置在所述光接收光轴41上的光接收部42例如光纤、光量调整构件43、以及光接收棱镜44。此外，所述测距光光接收部23具有在由所述光接收棱镜44反射的所述光接收光轴41的反射光轴上设置的成像透镜45、以及所述多层膜光学元件34。再有，所述光量调整构件43、所述光接收棱镜44、所述成像透镜45、所述多层膜光学元件34构成测距光接收光学系统。此外，在本实施例中，将所述光接收光轴41、以及由所述光接收棱镜44反射的所述光接收光轴41的反射光轴总称为该光接收光轴41。

所述光接收部42是例如光纤的光接收端面，将由测定对象物反射的测距光作为反射测距光进行光接收。此外，光纤将反射测距光引导到设置在规定位置的光接收元件，使光接收元件对反射测距光进行光接收。再有，可以在所述光接收部42的光接收位置处设置光接收元件。以下，将所述光接收部42称为光接收元件42。

所述光量调整构件43是例如具有已知板厚的玻璃制的平行平面板，被配置为与所述光接收光轴41正交。此外，所述光量调整构件43通过螺线管等驱动机构46相对于所述光接收光轴41可装卸。进而，所述光量调整构件43的直径是例如6mm左右，大于插入该光量调整构件43的位置处的反射测距光（后述）的光束直径。

如图4所示，在所述光量调整构件43的所述反射测距光的入射面之中的中心部形成了例如蒸镀有反射膜的光量调整面47，在该光量调整面47以外的部分形成了蒸镀有反射防止膜的全透射面48。所述光量调整面47为例如以所述光接收光轴41为中心的直径1mm左右的圆形状。即，所述光量调整构件43的所述反射测距光的入射面之中的5～10%左右成为所述光量调整面47。

再有，在被所述扫描镜15反射的测距光的光轴上设置了与所述扫描镜15整体地旋转的窗部40。该窗部40相对于测距光的光轴（所述射出光轴29）倾斜规定角度。通过该倾斜来防止由所述窗部40反射的测距光（杂散光）向所述光接收元件42入射。

所述追踪光射出部24具有所述追踪光轴49。此外，所述追踪光射出部24具有设置在所述追踪光轴49上的追踪发光元件51、投光透镜52、所述合束器33、以及所述多层膜光学元件34。再有，所述投光透镜52、所述合束器33、所述多层膜光学元件34构成追踪投光光学系统。此外，在本实施例中，将所述追踪光轴49、以及由所述多层膜光学元件34反射的所述追踪光轴49的反射光轴总称为该追踪光轴49。

所述追踪发光元件51是例如激光二极管（LD），被构成为对与测距光不同波长的红外或近红外波长的激光光线（不可见光）进行发光以作为追踪光。

追踪光光接收部25具有追踪光接收光轴53。此外，所述追踪光光接收部25具有设置在所述追踪光接收光轴53上的追踪光接收元件54和所述光接收棱镜44，并且，具有设置在由该光接收棱镜44反射的所述追踪光接收光轴53的反射光轴上的所述成像透镜45和所述多层膜光学元件34。再有，所述光接收棱镜44、所述成像透镜45、所述多层膜光学元件34构成追踪光接收光学系统。此外，在本实施例中，将所述追踪光接收光轴53、以及由所述光接收棱镜44反射的所述追踪光接收光轴53的反射光轴总称为该追踪光接收光轴53。

所述追踪光接收元件54被构成为将由测定对象物反射的追踪光作为反射追踪光进行光接收的光接收元件。所述追踪光接收元件54是作为像素的集合体的CCD或CMOS传感器，能够确定各像素在所述追踪光接收元件54上的位置。例如，各像素具有以所述追踪光接收元件54的中心为原点的坐标系中的像素坐标，通过该像素坐标来确定在所述追踪光接收元件54上的位置。各像素将像素坐标与光接收信号一起输出到所述运算控制部17。

所述激光指示器光射出部26具有激光指示器光轴55。此外，所述激光指示器光射出部26具有设置在激光指示器光轴55上的发光元件56、投光透镜57、以及作为第三偏转光学构件的分束器58。此外，所述激光指示器光射出部26具有设置在由所述分束器58反射的所述激光指示器光轴55的反射光轴上的所述多层膜光学元件34。此时，所述分束器58的反射光轴与所述长通滤光器面35所成的角度为例如60°～120°。此外，通过该长通滤光器面35，使激光指示器光与测距光和追踪光同轴地偏转。即，所述多层膜光学元件34位于测距光、追踪光、激光指示器光、可见光的共同光路上。

再有，所述投光透镜57、所述分束器58、所述多层膜光学元件34构成激光指示器投光光学系统。此外，在本实施例中，将所述激光指示器光轴55、由所述分束器58反射的所述激光指示器光轴55的反射光轴、以及由所述多层膜光学元件34反射的所述激光指示器光轴55的反射光轴总称为该激光指示器光轴55。由所述分束器58反射的所述激光指示器光轴55例如与所述追踪光轴49平行。

所述发光元件56是例如激光二极管（LD），被构成为对例如红色等的可见光进行发光以作为激光指示器光。此外，所述分束器58具有例如透射50%的光且反射50%的光的光学特性，使激光指示器光与可见光（后述）同轴地偏转。即，所述分束器58位于所述激光指示器光和可见光的共同光路上。再有，所述分束器58的透射与反射的比例并不限定于各50%，根据激光指示器光的光量等来适当设定。

所述摄像部27具有摄像光轴59。此外，所述摄像部27具有设置在所述摄像光轴59上的摄像元件61、由多个透镜构成的相机透镜组62、所述分束器58、以及所述多层膜光学元件34。再有，所述相机透镜组62、所述分束器58、所述多层膜光学元件34构成摄像光学系统。此外，在本实施例中，将所述摄像光轴59、以及由所述多层膜光学元件34反射的所述摄像光轴59的反射光轴总称为该摄像光轴59。

所述摄像元件61是作为像素的集合体的CCD或CMOS传感器，能够确定各像素在所述摄像元件61上的位置。例如，各像素具有以所述摄像元件61的中心为原点的像素坐标，通过该像素坐标来确定在所述摄像元件61上的位置。各像素将像素坐标与光接收信号一起输出到所述运算控制部17。

再有，所述激光指示器光射出部26和所述摄像部27的位置被设定为使得所述射出光轴29或所述追踪光轴49的与所述窗部40相向的所述长通滤光器面35的透射位置与针对所述长通滤光器面35的所述激光指示器光轴55和所述摄像光轴59的反射位置一致。

接着，参照图5来说明所述光接收棱镜44的细节。

第一棱镜63和第二棱镜64整体化而构成所述光接收棱镜44。所述第一棱镜63是具有规定折射率的五边形的二向色棱镜，所述第二棱镜64是具有规定折射率的矩形的二向色棱镜。

所述第一棱镜63具有与所述成像透镜45相对的第一面65、与该第一面65相向的第二面66、相对于图5中纸面位于下侧的第三面67、以及相对于图5中纸面位于上侧的第四面68。

此外，所述第二棱镜64具有与所述第三面67接触的第五面69、与该第五面69相向的第六面71、相对于图5中纸面位于右侧的第七面72、以及相对于图5中纸面位于左侧的第八面73。

所述第一棱镜63和所述第二棱镜64经由所述第三面67和所述第五面69而整体化。此外，对由所述第一棱镜63的所述第二面66和所述第三面67所形成的角部，施行倒角加工，形成了倒角部74。通过该倒角部74，所述第一棱镜63成为五棱柱。此外，通过所述倒角部74，所述第三面67和所述第五面69的面积一致，由所述第一棱镜63和所述第二棱镜64形成了齐平的所述光接收棱镜44。

所述第一面65的表面（入射面）是设置有反射防止膜的全透射面。此外，所述第一面65与所述光接收光轴41、所述追踪光接收光轴53正交，各光轴相对于所述第一面65的入射角为0°。

在所述第二面66设置有反射膜。此外，该第二面66相对于所述光接收光轴41和所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如16°～28°）。例如，所述第二面66被构成为使得透射了所述第一面65的反射测距光和反射追踪光朝向该第一面65反射以使得以临界角以上入射所述第一面65。在此，光轴相对于面的角度意指面的法线与光轴所成的角度。

此外，所述第三面67相对于由所述第一面65反射的所述光接收光轴41和所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如13°～24°）。此外，在所述第三面67、或第三面67与第五面69的边界面设置有二向色滤光膜。该二向色滤光膜被构成为对反射测距光进行反射且使反射追踪光透射。即，所述第三面67、或第三面67与第五面69的边界面成为用于分离反射测距光和反射追踪光的分离面。再有，所述二向色滤光膜也可以被构成为使反射测距光透射且对反射追踪光进行反射。

所述第四面68是设置有反射防止膜的全透射面，被构成为使由所述第三面67反射的反射测距光全透射。此外，所述第四面68与所述光接收光轴41正交，该光接收光轴41相对于所述第四面68的入射角为0°。

在所述第七面72设置有反射面。此外，该第七面72相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如16°～56°）。例如，所述第七面72被构成为使得透射了所述第三面67、或第三面67与第五面69的边界面的反射追踪光以临界角以上入射到所述第七面72。此外，入射到所述第七面72的反射追踪光朝向所述第八面73反射。

所述第八面73是设置有反射防止膜的全透射面，被构成为使由所述第七面72反射的反射追踪光全透射。进而，所述第八面73与所述追踪光接收光轴53正交，该追踪光接收光轴53相对于所述第八面73的入射角为0°。再有，关于所述第六面71，由于反射追踪光不会入射，所以未设置反射膜等。

接着，说明通过具有所述距离测定部19的所述测量装置1来进行测定和追踪的情况。再有，在以下的说明中，对棱镜等可移动的测定对象物进行测定。此外，通过所述运算控制部17执行各种程序来完成所述距离测定部19的各种动作。

所述距离测定部19由所述运算控制部17控制。所述发光元件31射出红色的一部分或近红外波长的激光光线作为测距光，所射出的测距光经由所述投光透镜32入射到所述合束器33。由该合束器33反射的测距光透射所述多层膜光学元件34的长通滤光器面35，由所述分束面37的分束膜36反射，之后，再次透射所述长通滤光器面35。再有，所述测距光在透射所述长通滤光器面35的过程中被偏转。透射了该长通滤光器面35的测距光由所述扫描镜15以直角偏转，经由所述窗部40针对规定的测定对象物进行照射。

再有，从所述扫描镜15射出的测距光的光轴（所述射出光轴29）与所述轴心11a一致。所述扫描镜15以所述轴心11a为中心进行旋转，由此，所述测距光在与所述轴心11a正交并且包含所述轴心6a的平面内旋转（扫描）。

由测定对象物反射的测距光（反射测距光）经由所述窗部40入射到所述扫描镜15，由该扫描镜15以直角反射。反射测距光在透射了所述多层膜光学元件34之后，由所述成像透镜45聚光，并入射到所述光接收棱镜44。

透射了所述第一面65的反射测距光由所述第二面66、所述第一面65、所述第三面67（或者，该第三面67与所述第五面69的边界面）依次（3次）内部反射，之后，以入射角0°入射到所述第四面68。此外，入射到该第四面68的反射测距光透射该第四面68，经由所述光量调整构件43被所述光接收元件42进行光接收。

再有，由所述第二面66反射的反射测距光以临界角以上入射到所述第一面65。因此，反射测距光被所述第一面65全反射。此外，在所述光接收棱镜44内进行内部反射的反射测距光被构成为不干扰所述倒角部74。即，该倒角部74形成在反射测距光的光路外。

此外，所述光量调整构件43的板厚是已知的。因此，由于该光量调整构件43的插入而产生的反射测距光的光路长度的延长能够通过从测定结果中减去基于板厚的偏移值来容易地校正。

所述运算控制部17基于所述发光元件31的发光定时与所述光接收元件42的光接收定时的时间差（即，脉冲光的往返时间）、以及光速来执行测距光的每1个脉冲的测距（Time Of Flight：飞行时间）。所述发光元件31能够变更发光的定时即脉冲间隔，并且能够变更发光重复频率和脉冲的峰值功率。

所述托架部5和所述扫描镜15分别以恒定速度旋转，因此，通过该扫描镜15的铅直方向的旋转与所述托架部5的水平方向的旋转的协作来对测距光进行二维扫描。此外，由于通过每个脉冲光的测距而得到测距数据（斜距），所以能够通过按各脉冲光的每一个利用所述铅直角编码器14、所述水平角编码器9检测铅直角、水平角，从而取得铅直角数据、水平角数据。能够通过铅直角数据、水平角数据、测距数据来运算与测定对象物对应的三维坐标。进而，能够通过使所述扫描镜15旋转而使测距光进行旋转照射，从而取得三维的点云数据。

在此，关于由测定对象物反射的反射测距光，在对近距离进行测定的情况下，中心部的光量较多，在对远距离进行测定的情况下，周边部的光量较多。因此，由所述光量调整面47所导致的减光作用针对主要对近距离进行测定的情况下的反射测距光起作用。

再有，在上述中，使所述光量调整面47作为反射面，但是，该光量调整面47只要具有能够透射10%～50%的光的光学特性即可。例如，该光量调整面47可以为反射率是80%、透射率是20%的反射膜，也可以为吸收率是80%、透射率是20%的吸收膜。或者，所述光量调整面47还可以是能够通过电压来变更为任意的透射率的电致变色元件。所述光量调整面47的面积或透射率根据测距光的发光重复频率（输出）或所述成像透镜45、所述光接收棱镜44的规格来适当设定。

在本实施例中，所述发光元件31能够根据测定对象物的颜色、或到测定对象物的距离等测定对象物的性质来变更测距光的发光重复频率和脉冲的峰值功率。再有，取决于所述发光元件31的种类，测距光的发光重复频率具有发光重复频率越大则脉冲的峰值功率越小、发光重复频率越小则脉冲的峰值功率越大的性质。例如，在本实施例中，如果测距光的发光重复频率是1MHz，则峰值功率是200W，如果发光重复频率是500kHz，则峰值功率是350W，如果发光重复频率是100kHz，则峰值功率是1000W。

在本实施例中，设定为例如可将测距光的发光重复频率切换为100kHz和1MHz。此外，所述光接收元件42的容许光接收光量以成为在测距光的发光重复频率最大时（1MHz）即峰值功率最小时（200W）电气系统不会由于近距离处的光接收光量而饱和的值的方式被设定。

例如，在使测距光的发光重复频率为100kHz且对近距离进行测定的情况下，反射测距光的光接收光量大于所述光接收元件42的容许光接收光量，因此，电气系统饱和。因此，在该情况下，能够通过使所述驱动机构46进行驱动，将所述光量调整构件43插入到所述光接收光轴41上，从而防止电气系统的饱和。

此外，在使测距光的重复频率为1MHz且对远距离进行测定的情况下，反射测距光的光接收光量变小。因此，在该情况下，能够通过使所述驱动机构46进行驱动，从所述光接收光轴41上取下所述光量调整构件43，从而得到充分的光接收量。

此外，与上述的测距工作并行地，所述追踪发光元件51射出与测距光不同的波长的作为不可见光的红外光或近红外波长的激光光线，作为追踪光。所射出的追踪光经由所述投光透镜52入射到所述合束器33。透射了该合束器33的追踪光与测距光同轴地透射所述长通滤光器面35，由所述分束面37的所述分束膜36反射，之后，再次透射所述长通滤光器面35。再有，追踪光在透射所述长通滤光器面35的过程中，与测距光同样地被偏转。透射了该长通滤光器面35的追踪光由所述扫描镜15以直角偏转，经由所述窗部40照射到规定的测定对象物。

由测定对象物反射的反射追踪光由所述扫描镜15反射。此外，反射追踪光在所述多层膜光学元件34中偏转并透射之后，由所述成像透镜45聚光，并入射到所述光接收棱镜44。

透射了所述第一面65的反射追踪光由所述第二面66、所述第一面65依次（2次）内部反射，之后，透射所述第三面67（或者，该第三面67与所述第五面69的边界面）。透射了该第三面67的反射追踪光由所述第七面72内部反射，之后，以入射角0°透射所述第八面73，被所述追踪光接收元件54光接收。

再有，由所述第二面66反射的反射追踪光以临界角以上入射到所述第一面65。此外，透射了所述第三面67（或者，该第三面67与所述第五面69的边界面）的反射追踪光以临界角以上由所述第七面72反射，入射到所述第八面73。因此，反射追踪光由所述第一面65和所述第七面72全反射。

所述运算控制部17运算所述追踪光接收元件54的中心与反射追踪光的入射位置之间的偏差。此外，所述运算控制部17基于所述偏差来控制所述水平旋转电动机8和所述铅直旋转电动机13以使得反射追踪光的入射位置成为所述追踪光接收元件54的中心。由此，所述测量装置主体3对测定对象物进行追踪。

进而，与上述的测距工作和追踪工作并行地，所述发光元件56射出例如红色的可见光区域的波长的激光光线，作为激光指示器光。所射出的激光指示器光经由所述投光透镜57入射到所述分束器58。由该分束器58反射的激光指示器光被所述多层膜光学元件34的所述长通滤光器面35反射，以使得变为与测距光和追踪光同轴。由所述长通滤光器面35反射的激光指示器光由所述扫描镜15以直角偏转，经由所述窗部40照射到测定对象物。在此，激光指示器光与测距光同轴，因此，测距光的照射位置与激光指示器光的照射位置一致。

由测定对象物反射的激光指示器光（反射激光指示器光）与反射测距光、反射追踪光和可见光（背景光）同轴地入射到所述距离测定部19。反射激光指示器光和可见光被所述长通滤光器面35反射，经由所述分束器58和所述相机透镜组62入射到所述摄像元件61。

反射激光指示器光和可见光入射到所述摄像元件61，由此，所述运算控制部17能够取得以反射激光指示器光为中心的图像、即以测距光为中心的图像。再有，在此取得的图像也能够用于测定对象物的指定或瞄准。此外，可以不使所述发光元件56工作而取得仅背景光的图像。

如上述那样，在本实施例中，所述追踪光接收元件54和所述摄像元件61为同轴且不同构件。因此，所述追踪光接收元件54和所述摄像元件61能够分别得到充分的光接收量，因此，能够增大可追踪和摄像的距离（到达距离），即使在远距离的情况下也能够高精度地进行追踪和摄像。

此外，通过所述合束器33构成为使得测距光和追踪光为不同波长的不可见光并且同轴地射出。因此，能够增大测距光和追踪光的到达距离，即使在远距离的情况下也能够高精度地进行测距和追踪。

此外，在本实施例中，使用在内部具有反射面的所述光接收棱镜44，使反射测距光和反射追踪光在所述光接收棱镜44内进行多次内部反射。由此，使反射测距光和反射追踪光的光路弯曲，从而确保所述成像透镜45的焦距的量的光路长度。

因此，由于能够使所述测距光光接收部23、所述追踪光光接收部25的光轴方向的长度变短，所以能够谋求所述距离测定部19的光学系统的小型化，并且谋求测量装置整体的小型化。

此外，在所述第三面67、或者第三面67与第五面69的边界面设置二向色滤光膜。因此，由于能够利用该二向色滤光膜来分离反射测距光和反射追踪光，所以能够将用于使反射测距光和反射追踪光的光路变短的光接收棱镜共用，从而能够谋求部件个数的减少和光学系统的小型化。

此外，分离反射测距光和反射追踪光的二向色滤光膜被设置在与设置有所述光接收元件42的所述第四面68侧相向的所述第三面67、或第三面67与第五面69的边界面。因此，由于能够将所述光接收元件42和所述追踪光接收元件54设置在分离的位置，所以能够在所述驱动机构46不与所述追踪光接收元件54干扰的情况下，充分地确保用于设置所述驱动机构46的空间。

此外，成为由所述二向色滤光膜分离的反射追踪光在所述第二棱镜64内进行内部反射而透射到所述成像透镜45侧并聚光的结构。因此，由于能够在所述距离测定部19内的死角设置所述追踪光光接收部25，所以能够使所述距离测定部19的光学系统进一步小型化。

此外，作为用于使所述反射测距光的光路弯曲的偏转光学构件，使用了棱镜而不是平面板的镜子。因此，相对于所述测量装置主体3的基于温度变化的光轴的偏离（偏角误差）被抑制，能够谋求测定精度的提高。

此外，由于设置了相对于所述光接收光轴41可装卸的所述光量调整构件43，所以只要装卸该光量调整构件43，就能够调整针对所述光接收元件42的反射测距光的光接收量。

因此，即使在对近距离进行测定的情况下，也能够与测定对象物的颜色等测定对象物的性质或测定的点云密度对应地变更测距光的发光重复频率和脉冲的峰值功率，从而能够提高作业性。

此外，由于所述光量调整构件43的仅中心部成为所述光量调整面47，所以能够仅使在近距离测定时增大的中心部的反射测距光减少。因此，由于能够将对远距离进行测定时的光接收量的降低抑制为最小限度，所以能够抑制测定距离变短。

此外，由所述摄像元件61进行光接收的可见光经由所述扫描镜15入射到所述距离测定部19。因此，能够通过所述扫描镜15的旋转与所述托架部5的旋转的协作来取得除了由该托架部5遮挡的下方之外的大致360°全周的图像。

进而，由于与所述扫描镜15整体旋转的所述窗部40相对于所述射出光轴29稍微倾斜，所以能够防止由所述窗部40反射的测距光入射到所述光接收元件42，能够谋求测定精度的提高。

再有，用于使所述测距光光接收部23和所述追踪光光接收部25的光轴方向的长度变短的光接收棱镜的形状并不限于所述光接收棱镜44。例如，如图6（A）所示的第一变形例那样，可以是组合了所述第一棱镜63和五边形的第二棱镜75的光接收棱镜76。

所述倒角部74具有与所述第三面67接触的第五面77、与该第五面77相向的第六面78、相对于图6（A）中纸面位于右侧的第七面79、以及相对于图6（A）中纸面位于左侧的第八面81。所述第七面79相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如16°～28°），所述第八面81与所述第一面65齐平。

所述第一棱镜63和所述第二棱镜75经由所述第三面67和所述第五面77被整体化。此外，在所述第三面67、或该第三面67与所述第五面77的边界面设置有对反射测距光进行反射且使反射追踪光透射的二向色滤光膜。进而，针对由所述第二棱镜75的所述第五面77和第七面79所形成的角部，施行倒角加工，形成了倒角部82。通过该倒角部82，所述第二棱镜75成为五棱柱，并且构成为使得所述第三面67和所述第五面77的面积一致。

在所述光接收棱镜76中，透射了作为分离面的二向色滤光膜的反射追踪光被所述第七面79反射，以入射角为0°的方式入射到所述第八面81。进而，透射了该第八面81的反射追踪光被所述追踪光接收元件54进行光接收。

图6（B）示出了光接收棱镜的第二变形例。在第二变形例中，通过所述第一棱镜63与三角形的第二棱镜83的组合来构成光接收棱镜84。

所述第二棱镜83具有与所述第三面67接触的第五面85、透射了该第五面85的反射追踪光所入射的第六面86、以及由该第六面86反射的反射追踪光所入射的第七面87。所述第六面86相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如16°～56°），所述第七面87相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如40°～75°）。此外，在所述光接收棱镜84中，所述第五面85的一部分和所述第三面67被整体化，在所述第三面67、或该第三面67与所述第五面85的边界面设置有对反射测距光进行反射且使反射追踪光透射的二向色滤光膜。进而，所述光接收棱镜84被构成为使得由所述第七面87反射的反射追踪光入射到所述第五面85的不与所述第三面67接触的位置。

在所述光接收棱镜84中，透射了作为分离面的二向色滤光膜的反射追踪光由所述第六面86、所述第七面87依次反射，以入射角为0°的方式入射到所述第五面85。进而，透射了该第五面85的反射追踪光被所述追踪光接收元件54进行光接收。

图6（C）示出了光接收棱镜的第三变形例。在第三变形例中，通过所述第一棱镜63与五边形的第二棱镜88的组合来构成光接收棱镜89。

所述第二棱镜88具有与所述第三面67接触的第五面91、透射了该第五面91的反射追踪光所入射的第六面92、由该第六面92反射的反射追踪光所入射的第七面93、以及由该第七面93反射的反射追踪光所入射的第八面94。所述第六面92相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如20°～50°），所述第七面93相对于所述追踪光接收光轴53倾斜规定角度（例如16°～46°）。此外，在所述第三面67、或该第三面67与所述第五面91的边界面设置有对反射测距光进行反射且使反射追踪光透射的二向色滤光膜。

再有，所述第七面93与所述第一面65齐平，所述第八面94与所述追踪光接收光轴53正交。即，反射追踪光相对于所述第八面94的入射角为0°。

在所述光接收棱镜89中，透射了作为分离面的二向色滤光膜的反射追踪光由所述第六面92、所述第七面93依次反射，以入射角为0°的方式入射到所述第八面94。进而，透射了该第八面94的反射追踪光被所述追踪光接收元件54进行光接收。

无论在图6（A）～图6（B）中的哪个情况下，都在与所述第四面68相向的第三面67设置二向色滤光膜，作为分离面。因此，由于能够将所述光接收元件42和所述追踪光接收元件54设置在分离的位置，所以能够充分地确保用于设置所述驱动机构46的空间。

再有，在本实施例和第一～第三变形例中，所述驱动机构46是螺线管，通过该驱动机构46来相对于所述光接收光轴41装卸所述光量调整构件43。另一方面，也可以构成为例如在圆板中以规定角度间隔设置多个光量调整面并通过电动机等使圆板旋转来切换位于所述光接收光轴41上的光量调整面。

此外，在本实施例和第一～第三变形例中，入射到光接收棱镜内的所述光接收光轴41和所述追踪光接收光轴53、以及在光接收棱镜内反射并从光接收棱镜射出的所述光接收光轴41和所述追踪光接收光轴53全部位于同一平面内。另一方面，可以将光接收棱镜构成为使所述光接收光轴41和所述追踪光接收光轴53三维地进行内部反射。在该情况下，例如能够相对于纸面在跟前侧或里侧设置所述光接收元件42或所述追踪光接收元件54。

此外，在本实施例和第一～第三变形例中，也可以在所述合束器33的透射侧设置所述发光元件31和所述投光透镜32，在所述合束器33的反射侧设置所述追踪发光元件51和所述投光透镜52。此外，也可以在所述分束器的透射侧设置所述发光元件56和所述投光透镜57，在所述分束器58的反射侧设置所述摄像元件61和所述相机透镜组62。

进而，在本实施例和第一～第三实施例中，在所述第三面67或该第三面67与第五面69、77、85、91的边界设置二向色滤光膜，通过该二向色滤光膜来使反射测距光进行反射且使反射追踪光透射。另一方面，可以将二向色滤光膜构成为使反射测距光透射且使反射追踪光进行反射。在该情况下，在所述第一棱镜63侧设置所述追踪光接收元件54，在第二棱镜64、75、83、88侧设置所述光接收元件42和所述光量调整构件43。

Claims (15)

1.一种测量装置，其中，具备：

测距光射出部，向测定对象物射出测距光；

测距光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射测距光进行光接收的光接收元件；

追踪光射出部，向所述测定对象物射出追踪光；

追踪光光接收部，具有对来自所述测定对象物的反射追踪光进行光接收的追踪光接收元件；以及

摄像部，对背景光进行光接收，

所述测距光射出部和所述追踪光射出部具有第一偏转光学构件，所述第一偏转光学构件以所述测距光和所述追踪光为同轴的方式来偏转所述测距光和所述追踪光中的任一个，

所述测距光射出部、所述追踪光射出部、所述摄像部具有第二偏转光学构件，所述第二偏转光学构件对所述测距光、所述追踪光、所述背景光以分别为同轴的方式进行反射并且使所述反射测距光和所述反射追踪光透射。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，

所述第二偏转光学构件是具有规定板厚的多层膜光学元件，

该多层膜光学元件具有：处于与所述测距光射出部接近的位置的第一入射面、以及处于远离所述测距光射出部的位置的第二入射面，

所述第一入射面被构成为使所述测距光和所述追踪光透射并且对背景光进行反射，

所述第二入射面在所述测距光和所述追踪光的入射部分形成具有规定反射率的分束膜，在除了该分束膜之外的部分形成反射防止膜，

所述测距光和所述追踪光以与所述背景光为同轴的方式被所述分束膜反射，

所述反射测距光和所述反射追踪光被构成为通过所述分束膜和所述反射防止膜。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，

还具备向所述测定对象物照射激光指示器光的激光指示器光射出部，

所述摄像部被构成为对所述背景光以及由所述测定对象物反射的反射激光指示器光进行光接收，

所述激光指示器照射部和所述摄像部具有以所述激光指示器光和所述背景光为同轴的方式来偏转所述激光指示器光和所述背景光中的任一个的第三偏转光学构件，被构成为使所述激光指示器光、所述反射激光指示器光由所述第一入射面反射。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中，

所述测距光和所述追踪光是不可见光，

所述激光指示器光是可见光，

在所述第一入射面设置有对可见光进行反射且使不可见光透射的长通滤光器（35）。

5.根据权利要求2所述的测量装置，其中，

所述多层膜光学元件具有在所述测距光和所述追踪光的光轴与所述背景光的光轴之间可确保规定的光轴间距离的板厚和倾斜角。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其中，

所述测距光光接收部和所述追踪光光接收部具有光接收棱镜，所述光接收棱镜设置在透射了所述第二偏转光学构件的所述反射测距光和所述反射追踪光的共同光路上，

该光接收棱镜被构成为在使所述反射测距光和所述反射追踪光进行多次内部反射之后，分离所述反射测距光和所述反射追踪光，使所述光接收元件对所述反射测距光进行光接收，并且，使所述追踪光接收元件对所述反射追踪光进行光接收。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，

所述光接收棱镜具有：使所述反射测距光和所述反射追踪光进行内部反射的第一棱镜、以及使所述反射追踪光进行内部反射的第二棱镜，

所述第一棱镜与所述第二棱镜的边界面被构成为是与所述第一棱镜的所述反射测距光所射出的面相向的面，将所述边界面作为所述反射测距光和所述反射追踪光的分离面。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，

在所述分离面中设置有对所述反射测距光进行反射且使所述反射追踪光透射的二向色滤光膜。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其中，

所述测距光射出部具有发光元件，所述发光元件可将所述测距光的发光重复频率和脉冲的峰值功率切换为至少2个发光重复频率和脉冲的峰值功率，

所述测距光光接收部具有相对于所述反射测距光的光轴可装卸的光量调整构件，

该光量调整构件被构成为与所述发光重复频率和脉冲的峰值功率对应地调整所述反射测距光的光接收量。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，

所述光量调整构件被构成为在中心部形成光量调整面并且在该光量调整面以外的部分形成全透射面，所述光量调整面形成有具有规定透射率的膜，所述全透射面形成有反射防止膜。

11.根据权利要求1所述的测量装置，其中，还具备：

托架部，通过水平旋转电动机以水平旋转轴为中心进行水平旋转；

扫描镜，设置在该托架部，通过铅直旋转电动机以铅直旋转轴为中心进行铅直旋转，将所述测距光和所述追踪光照射到所述测定对象物，并且，对来自该测定对象物的所述反射测距光和所述反射追踪光进行光接收；以及

运算控制部，控制所述水平旋转电动机、所述铅直旋转电动机、所述测距光射出部以及所述追踪光射出部的驱动，

该运算控制部被构成为基于相对于所述追踪光接收元件的所述反射追踪光的光接收位置来控制所述水平旋转电动机和所述铅直旋转电动机以使得追踪所述测定对象物。

12.根据权利要求3所述的测量装置，其中，

所述多层膜光学元件具有在所述测距光和所述追踪光的光轴与所述背景光的光轴之间可确保规定的光轴间距离的板厚和倾斜角。

13.根据权利要求4所述的测量装置，其中，

所述多层膜光学元件具有在所述测距光和所述追踪光的光轴与所述背景光的光轴之间可确保规定的光轴间距离的板厚和倾斜角。

14.根据权利要求2所述的测量装置，其中，

所述测距光光接收部和所述追踪光光接收部具有光接收棱镜，所述光接收棱镜设置在透射了所述第二偏转光学构件的所述反射测距光和所述反射追踪光的共同光路上，

该光接收棱镜被构成为在使所述反射测距光和所述反射追踪光进行多次内部反射之后，分离所述反射测距光和所述反射追踪光，使所述光接收元件对所述反射测距光进行光接收，并且，使所述追踪光接收元件对所述反射追踪光进行光接收。

15.根据权利要求3所述的测量装置，其中，

所述测距光光接收部和所述追踪光光接收部具有光接收棱镜，所述光接收棱镜设置在透射了所述第二偏转光学构件的所述反射测距光和所述反射追踪光的共同光路上，

该光接收棱镜被构成为在使所述反射测距光和所述反射追踪光进行多次内部反射之后，分离所述反射测距光和所述反射追踪光，使所述光接收元件对所述反射测距光进行光接收，并且，使所述追踪光接收元件对所述反射追踪光进行光接收。

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