JP2005530174A - マルチ光学チャンネル - Google Patents

Abstract

本発明は、測量、例えば装置から対象物までの距離測定のための、電子距離測定装置に関する。その装置は、ａ）光軸（ＯＡ）を定義する対物レンズ（１０１）と、ｂ）前記対象物からの反射において前記対物レンズ（１０１）によって受光される異なる波長の光線（λ₁、λ₂）を前記対象物の方へ伝送するための、構造光の少なくとも２つの光源（１１１、１１２）と、ｃ）前記対物レンズ（１０１）で定義される光路（１０９）の外側に配置され、且つ構造光の前記受光された光線（λ₁、λ₂）を受光するよう適合された、少なくとも２つの受光器（１４１、１４２）と、を有する。さらに光学手段が、前記光軸（ＯＡ）に関する傾斜角（α1、α２）でそれぞれ配置された少なくとも２つのダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）を有し、且つ前記光軸（ＯＡ）は前記面を突き通し、プレート（１２１、１２２）に前記ダイクロイック面の少なくとも１つが配置され、さらに前記の少なくとも２つのダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）は、前記受光器（１４１、１４２）の方へ、前記受光された構造光（λ₁、λ₂）の少なくとも１つを反射するようにそれぞれ適合される。

Description

本発明は、一般的に、対象物の方へ光線を伝送させるための構造光の光源と、その対象物で反射された場合その反射された構造光線を受光するように適合された受光器と、その受光される光線は伝送光と同軸であり、対物レンズ及びその間に配置される光学手段を有するレチクルとを有し、対物レンズとレチクルとが光軸を定義する、自動測量器に関する。より詳しくは、本発明は受光器に反射光の方向を変えるための配置に関する。

現存するタイプの自動測量器は、距離測定、追尾（tracking）及び観察、若しくは手動照準のために、受光された光を分離したチャンネルに分割可能な望遠鏡系を有する。距離測定及び追尾機能のために伝送光線は、受光光学機器に対して同軸であることが好ましい。

ターゲットの対象物で反射され、且つその測量器で受光された光線は、その目的によって、追尾用、距離測定用の光及び観察用の可視光線といった異なる波長成分に分割される。このように分割された追尾光、距離測定光を用いることにより、距離測定及び自動追尾を実行してもよい。

先行技術によると、１より多数のチャンネルを用いるそのような装置は、異なるチャンネルに光線を分割又は分離するために、ダイクロイックコートが施されたプリズム若しくはそのようなコートを有さないプリズムの異なるタイプのものを受光器で使用する。

この文脈においてダイクロイックという単語は、その振動面にかかわらず、波長の関数として選択的な光の反射及び透過を示す、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム、若しくはダイクロイックコートを表す。そのためダイクロイックミラーは、その波長によって選択的に光を反射し、他の波長を有する光を透過する。プリズム、即ち直角プリズムの使用は、本来長い組み立て距離（building lengths）を要し、プリズム内に必要とされるフィルタを備える点、及びプリズムの製造コストが高いという点で本質的に高コストである点においてに問題を有する。

例えば、ＥＰ−１０８１４５９号及びＥＰ−０９８７５１７号は関連技術に所属するものである。これらにおいて、プリズム使用に関する問題の議論を見つけることができる。ＥＰ−０９８７５１７号では、例えば、その配置には幾つかのプリズムを含み、そのうちの２個のダイクロイックプリズムを用いて異なる波長を有する２本の光線を分離する。ＥＰ−１０８１４５９号では、プリズムが開示されるだけでなく、一つのダイクロイックプレートが異なる波長を持つ光線を分離するために用いられる。しかし、そのダイクロイックプレートは装置の光軸に対して垂直に配置され、そのため同軸方向に光を反射し、一方他の波長にそのプレートを透過させる。

しかし、プリズムの使用はある問題を持ち込む。欠点は、ガラスが光路を伸長し、よって組み立て距離が増大し、プリズムのサイズが大きくなり、プリズムが重くなるという事実である。プリズム面間の平行性における要求は非常に厳しく、且つガラス内にダイクロイックフィルタを作ることは空気とガラス間の表面上に作るよりも困難である。この全てが、プリズムが大きく、高価になり、望遠鏡がより大きく、より重くなることを意味する。より高度なプリズム構成は組み立て距離を減ずることが可能であるものの、そのプリズムを提供するためにさらにコストが増大し、そこから複雑な構造がもたらされる。加えて、そのプリズムは、装置をより大きく、より重くさせ、対象物を自動的に追尾する時のように、増大するパワー消費といった他の問題を引き起こす。

可視光において使用される波長の例は、コリメート目的において400nmから650nmの範囲である。距離測定のために、660nmの可視光又は850nmの赤外光を用いることができ、追尾のために785nmの赤外光を用いることができる。これらの波長域は、一般的に、視覚チャンネル、追尾チャンネル等といった個別のタイプのチャンネルと呼ばれる。

本発明は、簡単かつ安価な解により、上述の問題を克服することを意図する。

この目的は最初に定義された種類の自動測量装置によって達成され、ここで傾けたダイクロイックプレートが対物レンズ及びこの装置のレチクルで定義される光軸上に主として配置され、本発明によると、好ましくは観察チャンネル、即ち装置を通してターゲットを観察する際に用いられる可視光に対する光路もまた一致する。第２のミラーは装置内で光路を折り曲げるために用いてもよい。これらの第２のミラーは、ダイクロイックタイプであってもよい。

異なるチャンネルを分離するためのプリズムをプレートで置換することは、より簡単な部品、より簡単なコーティング、及び一般的により短い望遠鏡長をもたらす。プリズムの使用について上記で言及したように、チャンネルは、第１面を通して空気中からプリズムへ入射し、空気中へプリズムを出射する、プリズムを通じた経路によって分離され、または反射され、若しくは分離かつ反射される。そのプロセス中、光（赤外光または可視光）は、プリズムの第２面で反射された後、プリズムの第３面を通じてプリズムを出射するか、またはその第２面を通じて透過することが許される。プリズム内で結果的に決まる光路は、用いられるプリズム材質のタイプに依存するか、またはこの場合ではダイクロイックコーティングを有するプリズムの第２面に依存する。短い望遠鏡長が望まれるということによって、これはプリズムの複雑さを増大させるであろう。

本発明によれば、プリズムは傾けたダイクロイックプレート及びミラー、若しくはその一方で置き換えられる。しかし、一つのプリズムを光路の一つに使用してもよい。これは、以下に示されるように、より簡単な部品、より簡単なコーティング、より安価なコスト、及びより短い望遠鏡長をもたらす。

傾けたダイクロイックプレートを用いることによって、反射光線が装置の主たる光軸と非同軸となる方向に異なるチャンネルを反射することが可能であり、そのため開口及びフォーカスレンズで定義されるようなボリュームに近接して置かれた、受光器又はセンサを設定することが可能となる。しかしながら、そのプレートは安定するために必然的に一定の厚みを持たなければならないため、そのプレートは、プレートを透過する光線に光学収差、例えばコマ収差や非点収差を生じさせるであろう。

これらの影響は、以下の異なる実施態様に示される幾つかの方法で補償され得る。
−わずかにくさび状としたプレートの作成は、傾いたプレートから収差を補正する。くさび角は、その傾き角及びプレート厚に応じて選択されなければならない。当業者は、光学設計プログラムを用いて、くさび角を最適化できる。
−第２の方法は、第１のプレートの傾き軸に直交する軸を中心として第３の平行平面補償プレート（plane-parallel compensating plate）を加えることである。
−互いに直交する軸を中心として２つの平行平面板を傾けることは、その傾きによって生じた収差を低減させる第３の手法である。

図において、同様の細部は対応する参照番号を用いて示される。

図１に、対物レンズ１０１ａ及び１０１ｂが光軸ＯＡを定義する、本発明による装置の第１の好ましい実施態様を示す。この光軸上に、フォーカスレンズ１０４及びレチクル１０５が見られる。フォーカスレンズ１０４は、当業者にとって公知であるように、レチクル上に入射光をフォーカスするために移動可能となっている。像はアイピース１０６を通して観察可能となっている。対物レンズに近接して、また好ましくはレンズ１０１ｂの内側に取り付けられて、反射面１０３を備えるプリズム１０２が光軸ＯＡ上に配置される。プリズム１０２の反射面１０３には、ダイクロイックコート１０３を施してもよい。このプリズムの目的は、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）のような構造光の光源といった形式の２つのトランスミッタ１１１及び１１２からの構造光λ₁及びλ₂を反射することであり、対物レンズ１０１を通してターゲットの方へその構造光が反射される、プリズム１０２を通じた伝送光路を形成する。その図示されたプリズムは、”直角プリズム”として用いられる４５°−９０°−４５°といった形式であり、即ちそのプリズムは、光線を９０°曲げて方向を変える。これは、光線λ₁及びλ₂が、光軸に対して直角に、光軸へ達することを要求する。このセットアップは、配列を簡単にする。しかしながら、この直交性は必ずしも本発明の本質的な要素ではない。

図に示されるように、光線λ₁及びλ₂の両方とも同軸的に対物レンズ１０１を出射する。これを実現するために、直接的に、若しくは導波路を通して、ミラー１１３及び１１４へ入射する反射光が、プリズム１０２にぶつかる同軸光を形成するように、即ち、トランスミッタ１１１から伝送された光線λ₁がミラー１１３で反射され、そしてミラー１１４を透過し、一方トランスミッタ１１２から伝送された光線λ₂はミラー１１４で反射され共通の光路を形成するように、トランスミッタは光線λ₁及びλ₂がそれぞれ個々のダイクロイックミラー１１３及び１１４で反射されるように配置されている。

ターゲットで反射された光は、伝送波長で組み合わされた光線といった形式で対物レンズに到達し、通常、対物レンズの全域を覆うように広がる。プリズム１０２は対物レンズの領域に対して小さく、そのためターゲットで反射された、組み合わされた光線λ₁、λ₂の相対的に小さな部分を遮断するにすぎないということを理解されたい。

二つのダイクロイックプレート１２１及び１２２は、プリズム１０２とレチクル１０５との間に、光軸ＯＡ上で反射光に対して傾けて配置される。この文脈において”傾ける”とは、プレートが光軸ＯＡに対して垂直でないように配置されるという意味である。波長λ₁である光線の一部は、第１の傾けられたプレート１２１でミラー１３１の方へ反射され、そしてミラー１３１はその光線を検出器１４１の方へ反射する。同様に波長λ₂である光線の一部は、傾けられたプレート１２２上へ第１のプレート１２１を透過し、第２のミラー１３２の方へ反射され、ミラー１３２はその光線を検出器１４２の方へ反射する。それらプレートは傾けられており、光線に対しても垂直ではない。図に示されるように、ミラーもまた光線に対して垂直であることを要求されない。無論、ミラーは受光器の方へ光線を偏向させるように配置されなければならない。

二つの受光器１４１及び１４２は、対物レンズ１０１で決められる光路１０９の外側に配置される。

この実施態様では、さらに波長λ₃の光を放射可能なエミッタ１１５が光軸に対して垂直に配置されることが示される。これは例えばターゲットを指し示すことを助けるための可視光線のような、いくつかの第３の理由のために使用してもよい。

図１ａの詳細を示す図１ｂにおいて、傾き角αが示される。その傾き角は、プレートに対する法線N₁、N₂と、光軸ＯＡとがなす角として定義される。プレートが傾けられる中心としての軸、例えば１５０として示される軸は、以下で関心の対象となる傾き方向を定義する。

図２ａでは、本発明による第２の実施態様が示され、対応する細部を示すために類似の番号が用いられる。レンズ系２０１、プリズム２０２、フォーカスレンズ２０４、レチクル２０５、アイピース２０６、及び光軸ＯＡは互いに同様であり、本質的に同じ用途を担う。

この第２の実施態様において、波長λ₁の光を伝送するトランスミッタ２１１は第１の実施態様のように配置される。波長λ₂の光を伝送する第２のトランスミッタ２１２は第１の実施態様におけるトランスミッタ１１５と同様の手法で配置され、１つのダイクロイックミラーを不要とする。

ターゲットで反射された光におけるλ₁についての光路は、ダイクロイックミラー２２１とミラー２３１を経て受光器２４１の方へ向かい、第１の実施態様と本質的に同様である。さらに、波長λ₂である、１回反射された光が受光器２４２の方へ向けられるように、ダイクロイックプレート２２１及び２２２の傾き角が変えられている。これは、プレート２２１との距離を変化させること、又はプレート２２２で反射されたλ₂の光線がプレート２２１と本質的に近接して通過しつつ、即ちプレート２２１はプレート２２２で反射された光線には届かずに、受光器へ到達させるように、プレートの傾き角を変えること、若しくはその両方によって達成される。この図はまた第２の反射ミラーなしに検出器へ光線を向ける能力を示している。

ダイクロイックプレートは、観察チャンネルにおいて光学収差を補正するためにくさび形状としてもよい。これは、２枚のプレート２２１及び２２２が示され、光軸ＯＡが表示された図２ｂに図示される。プレートのくさび形状は0−30秒の角度を規定し、光学収差を補正する。このタイプの補正は、図１に記述した実施態様において使用してもよいことを理解されたい。さらに他の実施態様において、くさび形状を単独で、若しくはプレートによって引き起こされる光学収差に対する他のいくつかの補正と組み合わせて、使用してもよい。

図３では、本発明による第３の実施態様が示され、対応する細部を示すために類似の番号が用いられる。この実施態様では、収差補正は、補償プレート３０７によって達成される。レンズ系３０１、プリズム３０２、フォーカスレンズ３０４、レチクル３０５、アイピース３０６、及び光軸ＯＡは互いに同様であり、同じ用途を担う。

この３番目の実施態様において、波長λ₁の光を伝送するトランスミッタ３１１及び波長λ₂の光を伝送する第２のトランスミッタ３１２は、プリズム３０２の方へ光を折り曲げるためのダイクロイックミラー３１３及び３１４を用いて、実施態様１と同様な手法で配置される。

ターゲットで反射された光におけるλ₁についての光路は、ダイクロイックミラー３２１及び３３１を経て受光器３４１の方へ向かい、第１の実施例と本質的に同一である。光線λ₂は、本質的に図１のようにミラー３２２及び３３２で受光器３４２へ反射される光路を有する。

この実施態様では、他のプレートの傾斜軸に関して９０°方向を向く傾斜軸を有する補償プレート３０７が、プレート３２１及び３２２を透過しなければならない可視光によって観察チャンネルに生じた光学収差を補正するために挿入される。

図４ａでは、本発明による第４の実施態様が示され、対応する細部を示すために類似の番号が用いられる。レンズ系４０１、プリズム４０２、フォーカスレンズ４０４、レチクル４０５、アイピース４０６、及び光軸ＯＡは互いに同様であり、同じ用途を担う。

この第４の実施態様では、波長λ₁の光を伝送する第１のトランスミッタ４１１は光軸ＯＡに垂直に配置され、また波長λ₂の光を伝送する第２のトランスミッタ４１２は、光軸ＯＡと同軸に配置され、プリズム４０２の方へ光を折り曲げるためにダイクロイックミラー４１４を用いる。

波長λ₂の光路は、検出器４４２の方向へダイクロイックミラー４２２によって反射され、この場合プレート４２２の傾斜軸はプレート４２１の傾斜軸に対して垂直に向いている。これは、光学収差を補正する第３の方法を表す。

ターゲットで反射された光におけるλ₁についての光路は、ダイクロイックミラー４２１及び４３１を経て受光器４４１の方へ向かい、第１の実施例と本質的に同一である。光線の一部である、波長λ₁の光は、検出器４４１の方へ光線を反射する、さらなるダイクロイックプレート４３１の方へ第１の傾いたプレート４２１で反射される。この実施態様では、第２のプレート４２２の傾斜軸は、第１のプレート４２１の傾斜軸に対して本質的に垂直に配置され、そのため第１のプレートからの観察チャンネルにおける光学収差について補正する役目を果たす。

図４ｂに上面図（図４ａの詳細）を示す。軸４５１及び４５０がプレートを中心として傾いていることが示されている。

図５では、本発明による第５の実施態様が示され、対応する細部を示すために類似の番号が用いられる。レンズ系５０１、プリズム５０２、フォーカスレンズ５０４、レチクル５０５、アイピース５０６、及び光軸ＯＡは互いに同様であり、同じ用途を担う。

さらに、図５ではダイクロイックプレート５２１及びダイクロイックプリズム５２２の組み合わせが示される。波長λ₁を有する光線及び波長λ₂を有する光線は、それぞれ、送信器５１１及び５１２から伝送される。ターゲットで反射された光におけるλ₁についての光路は、ダイクロイックミラー５２１及び５３１を経て受光器５４１の方へ向かい、第１の実施例と本質的に同一である。この場合、必要であれば、プレートをわずかにくさび形状に作ることで、光学収差を補正することができる。

述べてきた実施態様は、本発明による実施態様のほんの一例にすぎないことを理解されたい。ダイクロイックプレートは複雑なプリズム系と比較して相対的に安価なため、また相対的なコンパクトさを本発明によって達成可能であるため、追尾及び距離測定装置における、全体としてコンパクトかつ軽量な装置設計に寄与する。

本発明による第１の実施態様の側面図を概略的に示した図である。 図１ａの詳細図である。 本発明による第２の実施態様の側面図を概略的に示した図である。 くさび角の定義の図２ａの詳細を概略的に示した図である。 本発明による第３の実施態様の側面図を概略的に示した図である。 本発明による第４の実施態様の側面図を概略的に示した図である。 上面図において図４ａの詳細を概略的に示した図である。 本発明による第５の実施態様の側面図を概略的に示した図である。

Claims (10)

1. 測量、例えば装置から対象物までの距離測定のための、電子距離測定装置であって、
   ａ）光軸（ＯＡ）を定義する対物レンズ（１０１）と、
   ｂ）前記対象物からの反射において前記対物レンズ（１０１）によって受光される異なる波長の光線（λ₁、λ₂）を前記対象物の方へ伝送するための、構造光の少なくとも２つの光源（１１１、１１２）と、
   ｃ）前記対物レンズ（１０１）で定義される光路（１０９）の外側に配置され、且つ構造光の前記受光された光線（λ₁、λ₂）を受光するよう適合された、少なくとも２つの受光器（１４１、１４２）と、を有し、
   光学手段が前記光軸（ＯＡ）に関する傾斜角（α1、α２）でそれぞれ配置された少なくとも２つのダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）を有し、且つ前記光軸（ＯＡ）は前記面を突き通し、プレート（１２１、１２２）に前記ダイクロイック面の少なくとも１つが配置され、さらに前記の少なくとも２つのダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）は、前記受光器（１４１、１４２）の方へ、前記受光された構造光（λ₁、λ₂）の少なくとも１つを反射するようにそれぞれ適合されることを特徴とする装置。
2. 前記ダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）は、それぞれ分離プレート（１２１、１２２）に配置される、請求項１に記載の電子距離測定装置。
3. 前記ダイクロイック面の１つは、プレート（６２１）に配置され、且つ他の前記ダイクロイック面はプリズム（６２５）に配置される、請求項１に記載の電子距離測定装置。
4. 前記光線（λ₁、λ₂）を伝送するための構造光の前記の少なくとも２つの光源（１１１、１１２）は、前記対物レンズ（１０１）に近接して配置された光方向変更部材（１０２）の方へ前記光線を伝送するように適合される、請求項１に記載の電子距離測定装置。
5. 前記光方向変更部材は、方向変更プリズム（１０２）である、請求項４に記載の電子距離測定装置。
6. 前記方向変更プリズム（１０２）は、前記対物レンズ（１０１ｂ）に取り付けられる、請求項５に記載の電子距離測定装置。
7. 前記ダイクロイック面（１２１ａ、１２２ａ）で反射された、前記受光された構造光線（λ₁、λ₂）の少なくとも１つについて向きを変更するために、少なくとも１つのミラー（１３１、１３２）が前記光軸（ＯＡ）に近接して配置される、
   請求項２又は請求項３に記載の電子距離測定装置。
8. 前記ダイクロイックプレート（２２１、２２２）は、収差誤差に対する補正を提供するために、くさび形状である、請求項２に記載の電子距離測定装置。
9. 補償プレート（３０７）が、フォーカスレンズ（３０４）と近接したダイクロイックプレート（３２２）との間に挿入され、前記プレートの傾斜方向をプレートが前記光軸に関して回転される中心となる前記プレートの面における軸で定義し、二つのプレートの傾斜方向が互いに略９０°の角をなす配置となるように、前記補償プレート（３０７）及び前記ダイクロイックプレート（３２２）の傾斜方向が選ばれる、請求項２に記載の電子距離測定装置。
10. プレートの傾斜方向をプレートが前記光軸に関して回転される中心となる前記プレートの面における軸で定義し、２つのプレートの傾斜方向が互いに略９０°の角をなす配置となるように、２つのダイクロイックプレート（５２１、５２２）の前記傾斜方向を選んで２つのダイクロイックプレート（５２１、５２２）を配置する、請求項２に記載の電子距離測定装置。

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