JP2008249658A

JP2008249658A - レーザ装置および距離測定装置

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Publication number: JP2008249658A
Application number: JP2007094550A
Authority: JP
Inventors: Taizo Kono; 泰造江野; Masayuki Momiuchi; 正幸籾内
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】レーザ光を用いる距離測定装置において、レーザ光を生成する装置を小型化および低コスト化する。
【解決手段】レーザ増幅部１０３の出力側の光軸に、非線形結晶１０７または透明媒質部材１０８を適宜選択的に配置可能とする。透明媒質部材１０８を選択することで、レーザ増幅部１０３から出力されるレーザ光が選択され、非線形結晶１０７を選択することで、レーザ増幅部１０３から出力されるレーザ光の高調波が選択される。レーザ発振装置１０１およびレーザ増幅部１０３を共通として、２波長を選択的に出力することができるので、装置を小型化および低コスト化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離の測定に利用されるレーザ装置、およびこのレーザ装置を用いた距離測定装置に関する。

レーザ光を利用して距離を測定する技術において、異なる２波長のレーザ光を用いる技術が知られている。例えば、特許文献１には、異なる２種類の波長のレーザ光を合成したものを対象物に照射し、その反射光における２波長の強度比に基づいて、測定対象を特定し、さらに反射光の戻り時間から対象物までの距離を算出する構成が記載されている。この特許文献１には、装置内に２波長分のレーザ発振装置を備え、それらを適宜光学系で合成あるいは切り換える構造が記載されている。

特開平９―３１８７４３（要約書）

ところで、レーザ光を用いる距離の測定においては、以下のような問題がある。まず第１の問題は、測定対象物における反射強度の波長依存性の問題である。これは、測定対象物の色や材質によって、反射率の波長依存性があり、測定対象物と波長との組み合わせによっては、反射光の強度が微弱になり、その検出が困難になる場合がある問題である。

第２の問題は、測定環境の問題である。これは、霧やスモッグのある環境下では、短い波長のレーザ光ほど散乱を受け、減衰が大きくなるという問題である。

第３の問題は、アイセーフ（目への安全性）の問題である。これは、可視光領域以下の波長は、眼球を透過し、眼底に吸収され易い傾向が大となるので、その強度によっては、目への悪影響が懸念される問題である。

例えば、波長１４００ｎｍ以上の赤外波長は、角膜、水晶体、硝子体の透過率と眼底の吸収率が共にゼロに近いため、高出力のレーザ光を用いても比較的安全である。このため、波長１４００ｎｍ以上の赤外波長のレーザ光は、アイセーフレーザと称されている。しかしながら、波長１０００ｎｍ付近のレーザ光は、水晶体等の透過率が約４０％、眼底吸収率が約１０％であり、出力によっては、目への悪影響が問題となる。さらに、波長５００ｎｍ付近のレーザ光は、水晶体等の透過率が約９０％、眼底吸収率が約７０％であり、眼への悪影響の問題はさらに深刻となる。

第４の問題は、長波長光は、長距離の計測に有利であるが、回折広がりが大きくなるため、測定分解能の点で不利となり、逆に短波長光は、測定分解能の点で有利であるが、散乱を受けやすくなるので、長距離の計測には、不利となる問題である。

これらの問題を解決する方法として、異なる波長のレーザ光を利用する方法が挙げられる。しかしながら、引用文献１に記載されているような波長毎にレーザ発振装置を備える構成は、構成が複雑になり、装置の小型化および低コスト化の点で不利となる。

このような背景において、本発明は、レーザ光を用いる距離測定装置において、レーザ光を生成する装置を小型化および低コスト化できる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、レーザ発振部からの出力光が入射され波長変換を行う非線形結晶と、前記非線形結晶を前記出力光の光軸上に挿入または前記光軸上から退避させる切換手段と、装置光軸上に配置されたレンズと、非線形結晶を前記光軸上に挿入した場合と、前記光軸上から退避させた場合とにおいて、レンズに入射するレーザ光の光路長を等しくする光路長調整手段とを備えることを特徴とするレーザ装置である。

請求項１に記載のレーザ装置によれば、非線形結晶をレーザ発振部の光軸上（以下、装置光軸上）から退避させた場合に、レーザ発振装置から出力される原波長のレーザ光が装置外に出力される。また、非線形結晶をレーザ発振部の光軸上に配置した場合に、原波長の高調波が非線形結晶において生成され、それを装置の出力光として利用することができる。この構成によれば、波長毎にレーザ発振装置を備える必要がないので、構成を簡素化でき、装置の小型化および低コスト化の点で有利となる。

なお、利用する高調波は、ｎ次（ｎ＝２、３、４・・・の自然数）高調波の中から選択された１または複数を利用することができる。レーザ発振部は、所望の波長および出力のレーザ光を生成することができる構成であればよい。非線形結晶を前記出力光の光軸上に挿入または前記光軸上から退避させる切換手段は、当該光軸上に非線形結晶が位置するか、しないかを切り換える。この切り換えの構造としては、例えば、非線形結晶を物理的に移動させる構成を挙げることができる。

また請求項１に記載の発明によれば、光路長調整手段により、非線形結晶の使用／未使用に係わらず、非線形結晶が挿入される光軸における光学的な距離を一定に保つことができる。このため、非線形結晶を利用した場合でも、利用しない場合であってもレンズの焦点距離の設定等の光学系の設計条件を保つことができ、ビーム形状の乱れや変化等を抑えることができる。光路長を調整する方法としては、所定屈折率と光軸長を有する透明部材の当該光軸への挿入、光学系における光学部材の位置の調整（例えば、レンズ位置の調整）といった方法を挙げることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、光路長調整手段は、出力光が透過する媒質部材を備え、この媒質部材は、非線形結晶が前記光軸上から退避した際に、前記光軸上に挿入されることを特徴とする。この態様によれば、媒質部材の屈折率と光軸方向の寸法とを調整することで、非線形結晶の使用／未使用に係わらず、光学系における光学的な距離を揃えることができる。出力光が透過する媒質部材としては、該当する波長の透過性に優れた材質（可視光〜赤外光帯域であれば、例えば高純度石英）が用いられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記非線形結晶から出力される前記出力光の高調波を選択する波長選択手段を備えることを特徴とする。波長選択手段としては、高調波の波長を透過し、原波長を反射する選択反射ミラー、高調波の波長を反射し、原波長を透過する選択反射ミラー、高調波を透過または反射し、原波長を吸収する光学フィルタを挙げることができる。この態様によれば、非線形結晶から出力されるレーザ光から、高調波成分を選択的に取り出すことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、レーザ発振部の出力光が相対的に長波長の第１の波長λ_１を有し、非線形結晶で生成される高調波が相対的に短波長の第２の波長λ_２を有し、λ_１が赤外光の波長域であり、λ_２が可視光の波長域であることを特徴とする。この態様によれば、散乱に強く長距離の距離測定に有利な赤外光レーザの選択と、距離測定の精度に優れる可視光帯域のレーザ光の選択とを、非線形結晶の当該光軸への挿入または退避を選択することで実行することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、レーザ発振部は、レーザ媒質を含み、このレーザ媒質は、ＮｄイオンまたはＥｒイオンをドープした結晶またはファイバーであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、対象物から反射した反射光を受光する受光部と、この受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部とを備えることを特徴とする距離測定装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、非線形結晶の装置光軸上への挿入または装置光軸上からの退避を選択するための手動入力手段を備えることを特徴とする。この態様によれば、操作者が目測で、あるいは図面等に基づいて概略の距離を判断し、その判断の結果に基づいて手動入力手段（例えば装置の操作盤等に設けられた距離設定モードスイッチ）を操作し、非線形結晶の装置光軸上への挿入または退避が選択される。

請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、対象物までの距離に基づいて非線形結晶の装置光軸上への挿入または退避が選択されることを特徴とする。この態様によれば、被計測対象である対象物までの距離（おおよその距離でよい）に応じて、長波長（赤外光）または短波長（可視光）のいずれかが選択される。こうすることで、対象物までの距離に応じて、適切な波長を選択することができる。なお、対象物までの距離を測定する手段（方法）としては、ＣＣＤカメラが撮像した画像を画像処理により解析する手段（方法）によるもの、ＧＰＳデータを用いての対象物までの距離を算出する手段（方法）によるもの、長波長レーザ光による距離測定装置を別途配置する方法等を挙げることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、対象物との間における空気の透明度を検出する透明度検出手段を備え、この透明度検出手段の出力に基づいて非線形結晶の装置光軸上への挿入または装置光軸上からの退避が選択されることを特徴とする。請求項９に記載の発明によれば、測定環境における空気の透明度に応じて、距離の測定に適した波長を選択することができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、対象物を含む対象エリアを撮影する画像撮影部と、この画像撮影部で撮影された画像を赤緑青（ＲＧＢ）の３色に分解し、前記対象物の色彩データを得る画像処理部とを備え、前記色彩データに基づいて、（１）非線形結晶の装置光軸上への挿入を行った場合の出力光を用いた距離の測定、または（２）非線形結晶の装置光軸上への挿入を行わない場合の出力光を用いた距離の測定、のいずれかが選択されることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明によれば、対象物の材質や色による反射効率を考慮した測距光の波長選択を行うことができる。すなわち、より反射効率の高い波長を利用した計測を選択することができる。これにより、反射光が微弱になることによる距離測定の不良や測定精度の低下を抑えることができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、受光部で受光した光の受光強度に基づいて、（１）非線形結晶の装置光軸上への挿入を行った場合の出力光を用いた距離の測定、または（２）非線形結晶の装置光軸上への挿入を行わない場合の出力光を用いた距離の測定、のいずれかが選択されることを特徴とする。この態様によれば、反射光の強度の高い測距光を用いた距離の測定が行われる。これにより、微弱な反射光に起因する距離測定の不良や測定精度の低下を抑えることができる。

本発明によれば、レーザ光を用いる距離測定装置において、レーザ光を生成する装置を小型化および低コスト化できる技術を提供することができる。

（１）第１の実施形態
（１−１：レーザ装置の構成）
まず、本発明を利用したレーザ装置の一例を説明する。ここで例示するレーザ装置は、異なる波長のパルスレーザ光を出力する機能を備える。図１は、本発明を利用したレーザ装置の一例を示す概念図である。

図１には、Ｑスイッチによりパルスレーザ光を生成するレーザ装置１００が示されている。レーザ装置１００は、半導体レーザ装置１０１、集光レンズ１０２、レーザ共振器１０３、非線形結晶１０７、透明媒質部材１０８、選択反射ミラー１０９、および集光レンズ１１１を備えている。

半導体レーザ装置１０１は、最終的に装置から出力されるレーザ光の元となる波長８０８ｎｍの励起用レーザ光を生成する。ここでは、半導体レーザ装置１０１として、半導体レーザ発光素子を利用している。集光レンズ１０２は、半導体レーザ装置１０１からの出力光を集光する。この集光されたレーザ光は、レーザ共振器１０３に入力される。

レーザ共振器１０３は、レーザ半導体装置１０１が生成した励起用レーザ光を利用してレーザ発振（レーザ増幅）を行う。レーザ共振器１０３は、その内部にレーザ媒質１０４、過飽和吸収体１０５および出力鏡１０６を備えている。レーザ媒質１０４の入力側には、図示省略したミラー面がコーティングされている。このミラー面は、入射する波長８０８ｎｍの光を透過し、内部から外側に向かう波長１０６４ｎｍの光を反射する光学特性とされている。レーザ媒質１０４は、レーザ発振を行うための媒質（増幅媒質）であり、ここではネオジム（Ｎｄ）がドープされたＹＡＧ結晶が利用されている。レーザ媒質へのドーピング物質としては、Ｅｒ（エルビウム）を用いることもできる。また、レーザ媒質として結晶の代わりにファイバーを用いることもできる。

過飽和吸収体１０５は、Ｑスイッチとして機能する部材であり、レーザ光の吸収係数が非線形性を有する性質を備えている。ここでは、過飽和吸収体１０５として、クロムをドープしたＹＡＧ結晶が利用されている。過飽和吸収体１０５は、ある程度レーザ光を吸収すると飽和して透過率が急激に高まる光学的な性質を備えている。この性質を利用することで、レーザ光を間欠的に出力することができる。出力鏡１０６は、入射するレーザ光の９０％を反射し、１０％を透過する機能を備えている。レーザ媒質１０４の入射面に形成された図示省略したミラー面と出力鏡１０６との間の寸法は、波長１０６４ｎｍの定常波を形成するためのキャビティー（共振器）となる値に設定されている。なお、Ｑスイッチとしては、電気光学的な手法による方法や音響光学的な手法による構成を採用することもできる。

非線形結晶１０７は、レーザ共振器１０３が増幅したレーザ光の高調波（この場合は、第２高調波）を生成する。非線形結晶１０７は、光学的な非線形性を有し、入射したレーザ光の高調波を発生する。この例において、非線形結晶１０７は、ＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ_４）を利用し、主に２次高調波を効率良く発生する性質に調整されたものが採用されている。非線形結晶１０７に波長１０６４ｎｍのレーザ光が入射させると、入射光である波長１０６４ｎｍのレーザ光と共に第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が非線形結晶１０７から出力される。

選択反射ミラー１０９は、波長１０６４ｎｍの光を反射し、波長５３２ｎｍの光を透過する。非線形結晶１０７と選択反射ミラー１０９とは、移動ステージ１１０上に固定され、一体構造とされている。移動ステージ１１０は、レーザ共振器１０３からの出力光の光軸（あるいはレーザ共振器１０３と集光レンズ１１１との間を結ぶ光軸）上に移動し、非線形結晶１０７を当該光軸上に配置、または当該光軸上から退避、させることができる構成とされている。なお、選択反射ミラー１０９で反射された１０６４ｎｍの光は、選択反射ミラー１０９の下方に配置された図示省略した光吸収材料に吸収される。

透明媒質部材１０８は、波長１０６４ｎｍの光に対して透明な（透過率の高い）高純度石英により構成されている。また、その光軸方向の長さは、レーザ共振器１０３の光軸上に非線形結晶１０７を挿入した場合と、透明媒質部材１０８を挿入した場合とで、光学的な距離が略同じになるように設定されている。つまり、非線形結晶１０７が選択された場合と、透明媒質部材１０８が選択された場合とにおいて、レーザ共振器１０３と対物レンズ１１１との間の光学的な距離が、略同一となるように、透明媒質部材１０８の屈折率およびその光軸方向の長さが選択されている。

透明媒質部材１０８は、移動ステージ１１０と連結された支持体（図示省略）上に支持されており、移動ステージの動きに合わせて図の上下方向に移動する。すなわち、移動ステージ１１０上の非線形結晶１０９がレーザ共振器１０３の光軸（装置光軸）上に移動した場合は、透明媒質部材１０８が当該光軸から退避し、移動ステージ１１０上の非線形結晶１０９がレーザ共振器１０３の光軸（装置光軸）から退避した場合には、透明媒質部材１０８が当該光軸上に挿入される。

集光レンズ１１１は、入射するレーザ光を集光し、距離計測に適した光束（ビーム形状）を形成する機能を有する。この例では、集光レンズ１１１の焦点の位置に出力鏡１０６の光軸部分（中心部分）が位置するように光学設計がされ、図の右方向に出力されるレーザ光が平行光束となるように設定されている。

上述したように、非線形結晶１０７が選択された場合と、透明媒質部材１０８が選択された場合とにおいて、レーザ共振器１０３と対物レンズ１１１との間の光学的な距離が、略同一となるように透明媒質部材１０８の材質と、その光軸方向の長さが選択されている。このため、集光レンズ１０６の機能は、非線形結晶１０７と透明媒質部材１０８のいずれが選択された場合であっても保たれ、平行光束に成形されたレーザビームを出力することができる。

（１−２：レーザ装置の動作）
図２は、図１に示すレーザ装置の動作の一例を説明する概念図である。図２（Ａ）は、波長１０６４ｎｍ（＝λ_１）のパルスレーザ光を出力する状態を概念的に示し、図２（Ｂ）は、波長５３２ｎｍ（＝λ_２）のパルスレーザ光を出力する状態を概念的に示す。

（λ_１の出力）
まず、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光を出力する場合を説明する。この場合、図２（Ａ）に示すように、装置の光軸上に透明媒質部材１０８が挿入され、非線形結晶１０７および選択反射ミラー１０９は、当該光軸上から外れる。

この状態で半導体レーザ装置１０１から波長８０８ｎｍのレーザ光（ＣＷ発振）を発生させる。このレーザ光は、集光レンズ１０２で集光され、レーザ共振器１０３に入射する。レーザ共振器１０３では、レーザ媒質１０４の作用により、半導体レーザ装置１０１からの波長８０８ｎｍのレーザ光に基づいて波長１０６４ｎｍのレーザ光が生成される。この波長１０６４ｎｍのレーザ光が図示省略したミラー面と出力鏡１０６との間で反射されて往復し、定常波が発生する。この際、レーザ媒質１０４の作用により、波長１０６４ｎｍのレーザ発振（レーザ増幅）が行われ、波長１０６４ｎｍのレーザ光が所定のレベルにまで強められる。

レーザ発振エネルギーの一部は、出力鏡１０６から外部に出力され、透明媒質部材１０８に入射する。透明媒質部材１０８に入射したレーザ光は、そこを透過し、集光レンズ１１１に至る。

上記のレーザ発振（レーザ増幅）において、レーザ光の積算強度が所定のレベルに達すると、過飽和吸収体１０５が飽和し、透過率が急激に高まり、レーザ光が発振される。また、このレーザ発振後、不飽和吸収体１０５の透過率は減少するが、所定の時間が経過すると、過飽和吸収体１０５が飽和し透過率が急激に高まり、再びレーザ共振がなされる。この動作を周期的に繰り返すことで、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のレーザ光のパルス発振が行われる。パルス発振された波長１０６４ｎｍ（λ_１）のレーザ光は、集光レンズ１１０で平行光束とされ、装置外に出力される。

（λ_２の出力）
次に波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光を出力する場合の動作の一例を説明する。この場合、図２（Ｂ）に示すように、移動ステージ１１０は、装置の光軸上に挿入され、非線形結晶１０７と選択反射ミラー１０９が装置の光軸上に配置される。一方、透明媒質部材１０８は、装置の光軸上から外れる。

この状態において、半導体レーザ装置１０１から波長８０８ｎｍのレーザが出力されると、上述したλ_２の出力の場合と同様の原理によって、レーザ共振器１０３から、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光が出力される。

レーザ共振器１０３から、出力された波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光は、非線形結晶１０７に入射し、その光学的な非線形作用によって２次高調波を生成する。その結果、非線形結晶１０７から波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光と波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光とが、出力される。

波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光は、選択反射ミラー１０９において図の下方向に反射され、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、選択反射ミラー１０９を透過するので、集光レンズ１１１には、波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光が入射する。集光レンズ１１１に入射した波長５３２ｎｍ（λ_２）のレーザ光は、集光レンズ１１０で平行光束とされ、装置外に出力される。つまり、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光は、出力されず、波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光が出力される。

（１−３：レーザ装置の優位性）
図１および２に示すレーザ装置の優位性について説明する。レーザ装置１００は、装置の光軸上に透明媒質部材１０８を配置した場合に、相対的に長い波長のレーザ光である波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を出力する。また、光軸に非線形結晶１０７を配置した場合に、相対的に短い波長のレーザ光である波長５３２ｎｍのパルスレーザ光を出力する。この仕組みによれば、２種類の波長のレーザ光を出力する構成において、半導体レーザ装置１０１、集光レンズ１０２、レーザ共振器１０３および対物レンズ１１１は共通にすることができる。このため、波長別に装置を用意する場合に比較して、装置構成を簡略化することができ、装置を小型化し、低コスト化することができる。

また、非線形結晶１０７を光軸上に配置した場合と、透明媒質部材１０８を光軸上に配置した場合とで、レーザ共振器１００と集光レンズ１１１との間における光学的な距離が同一になるようにしている。このため、集光レンズ１１１のレーザ光を平行光束にする機能は、両方の状態において保たれる。このことは、距離計測の精度を保つ上で重要である。

（２）第２の実施形態
以下、第１の実施形態で例示したレーザ装置を利用した距離測定装置の一例を説明する。図３は、本発明を利用した距離測定装置の一例である。

（概要）
図３には、距離測定装置１が示されている。距離測定装置１は、本体２と、この本体２に対して回転可能な回転光学部３とを備えている。回転光学部３は、ベアリング４１および４２を介して本体２に対して回転自在な状態で固定されている。本体２と回転光学部３との間のデータ信号のやり取り、および本体２から回転光学部３への電力供給は、データ伝送装置４０および電力伝送装置５０で行われる。これら伝送装置は、回転中心を軸とするコイルを本体２側と回転光学部３側に備え、両コイルは、僅かに離間している。この構成によれば、回転光学部３の回転に関係なく、コイル間の相互誘導によりデータ信号および電力の電送が行われる。

（回転機構）
本体２には、ステータ２０１が配置されている。このステータ２０１は、コイルが巻かれた複数の磁極を円周上に配置した構造を備えている。ステータ２０１に対向する回転光学部３の部分には、ロータ３０１が配置されている。ロータ３０１は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。ステータ２０１の複数の磁極への通電が、図４には図示しない制御回路によってスイッチングされることで、ステータ２０１に対してロータ３０１が回転しようとする力が生じ、本体２に対して回転光学部３が回転する。ステータ２０１とロータ３０１とは、ＤＣブラシレスモータの原理を利用したＤＤ（ダイレクト・ドライブ）モータを構成している。

（本体２の構成）
以下、本体２の構成について説明する。本体２は、集光レンズ２０２を備えている。集光レンズ２０２の後ろ（図の下方）には、斜め反射ミラー２１０が配置されている。斜め反射ミラー２１０は、両面が反射面とされている。斜め反射ミラー２１０の下方には、選択反射ミラー２０３が配置されている。選択反射ミラー２０３は、図の上方向から入射する入射光の内、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光を上方に選択的に反射し、他の波長を下方に透過する反射面２０３ａを上面に備えている。また、選択反射ミラー２０３は、図の上方から入射した光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光を選択的に図の左方向に反射させ、その他の波長の光を下方に透過させる斜めの反射面２０３ｂを備えている。

選択反射ミラー２０３の左側には、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光を検出する第１の受光部２０７が配置されている。また、斜め反射ミラー２１０の右側には、斜め反射ミラー２１１が配置され、その下方に波長５３２ｎｍ（λ_２）の光を検出する第２の受光部２０８が配置されている。第１の受光部２０７および第２の受光部２０８は、検出する波長帯域の感度を有するフォトダイオードおよびその周辺回路を備えている。斜め反射ミラー２１０の左側には、測距光発光部２０５が配置されている。測距光発光部２０５は、図１に示すレーザ装置１００を備えている。選択反射ミラー２０３の下方には、ＣＣＤカメラ２０９が配置されている。ＣＣＤカメラ２０９は、回転反射ミラー３０２が捉えた画像を撮像し、その画像データを出力する。

上述した選択反射ミラー２０３を備えた構成によれば、測距光発光部２０５から出力された波長１０６４ｎｍ（λ_１）および波長５３２ｎｍ（λ_２）のレーザ光（測距光）は、斜め反射ミラー２１０の上面で上方に反射され、集光レンズ２０２に下方から入射する。この集光レンズ２０２に下方から入射した２種類の波長のレーザ光（測距光）は、回転反射ミラー３０２で反射され、距離測定装置１の外部に放射される。

また、距離測定装置１の外部から回転反射ミラー３０２に入射した光は、そこで下方に反射されて、集光レンズ２０２で集光され、選択反射ミラー２０３に入射する。この選択反射ミラー２０３への入射光の内、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、反射面２０３ａにおいて上方に選択的に反射され、他の波長の光は、反射面２０３ａを透過する。反射面２０３ａで上方に反射された波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、斜め反射ミラー２１０の下面で右方向に反射され、さらに斜め反射ミラー２１１で下方に反射されて第２の受光部２０８に至る。

一方、反射面２０３ａを透過した透過光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光は、反射面２０３ｂにおいて選択的に左方向に反射され、第１の受光部２０７に至る。また、反射面２０３ａを透過した透過光の内、波長１０６４ｎｍ（λ_１）以外の光は、反射面２０３ｂを透過し、ＣＣＤカメラ２０９に至る。

こうして、装置の外部から入射した波長１０６４ｎｍ（λ_１）の光は、第１の受光部２０７で検出され、波長５３２ｎｍ（λ_２）の光は、第２の受光部２０８で検出され、その他の波長の光は、ＣＣＤカメラ２０９で検出される。つまり、２波長の測距光を個別に検出し、また同時に回転反射ミラー３０２に映し出された画像をＣＣＤカメラ２０９によって撮像することができる。

本体２は、回転光学部３の指向している方向（水平測角（方位角））を検出するためのロータリエンコーダの角度読み取り部２１２を備えている。角度読み取り部２１２は、コの字形状の部材の一方の壁部に発光ダイオードを、他方の壁部にフォトトランジスタを備え、その間を通過する後述の角度読み取られ部３１０のスリットを通過するパルス光をフォトトランジスタが検出することで、角度情報の信号を出力する。角度読み取られ部３１０と角度読み取り部２１２は、通常のロータリエンコーダと同じ原理により角度を検出する角度検出装置を構成している。

（回転光学部３の構成）
次に回転光学部３の構成について説明する。回転光学部３は、本体２のステータ２０１に対向する位置に、ロータ３０１を備えている。ロータ３０１は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。また、回転光学部３は、回転反射ミラー３０２を備えている。回転反射ミラー３０２は、仰角制御用回転軸３０３によって回転光学部３に対して仰角変化が可能な状態で固定されている。仰角制御用回転軸３０３は、ベアリング３０４および３０５によって回転光学部３に支持されている。また、図示されていないが、回転反射ミラー３０２の正面には、開口が設けられ、外部に光を照射し、また外部からの光を採り入れることができる構成とされている。なお、仰角は、水平面から上下（つまり±）に振ることが可能である。

回転光学部３には、ステータ３０６が配置されている。このステータ３０６は、コイルが巻かれた複数の磁極を円周上に配置した構造を備えている。ステータ３０６に対向する回転反射ミラー３０２側には、ロータ３０７が配置されている。ロータ３０７は永久磁石を円周上に複数備えた構造を有している。ステータ３０６とロータ３０７とは、ＤＣブラシレスモータの原理を利用したＤＤ（ダイレクト・ドライブ）モータを構成している。ステータ３０６の複数の磁極への通電が、図４には図示しない制御回路によってスイッチングされることで、ステータ３０６に対してロータ３０７が回転しようとする力が生じる。これにより、回転反射ミラー３０２の仰角制御を行うことができる。

仰角制御用回転軸３０３の他端には、円周方向にスリットが形成された角度読み取られ部３０８が取り付けられている。また、回転光学部３は、角度読み取り部３０９を備えている。角度読み取り部３０９は、コの字形状の部材の一方の壁部に発光ダイオードを、他方の壁部にフォトトランジスタを備え、その間を通過する角度読み取られ部３０８のスリットを通過するパルス光をフォトトランジスタが検出することで、角度情報の信号を出力する。角度読み取られ部３０８と角度読み取り部３０９は、通常のロータリエンコーダと同じ原理により角度を検出する角度検出装置を構成している。

回転光学部３の下部には、角度読み取られ部３１０が配置されている。角度読み取られ部３１０は、円周方向にスリットが形成された円環形状であり回転光学部３の回転時に、コの字形状の角度読み取り部２１２の間を通過する。

回転光学部３の上部には、照準装置３１１が配置されている。照準装置３１１は、距離測定装置１を操作する利用者が、計測対象物（目標）への照準を付けるための光学照準装置である。照準装置３１１は、照準用の表示や目盛等を備えた望遠鏡を基本構造としている。

（制御系の構成）
次に、距離測定装置１の制御系の構成について説明する。図４は、図３に示す距離測定装置１の制御系の構成の一例を示すブロック図である。図４に示す制御系は、ＣＰＵ４０１、ＲＡＭ４０２、ＲＯＭ４０３、表示部４０４、仰角検出センサ４０５、水平測角検出センサ４０６、水平測角制御部４０７、水平測角制御モータ４０８、仰角制御部４０９、仰角制御モータ４１０、発光制御部４１１、測距光発光部２０５、距離データ処理部４１２、第１の受光部２０７、第２の受光部２０８、画像処理部４１３、ＣＣＤカメラ２０９、および操作部４１４を備えている。

ＣＰＵ４０１は、距離測定装置１の動作を統括し、各種処理の演算を行う。具体的には、後述する処理手順を動作プログラムに基づいて実行する。ＲＡＭ４０２は、ＣＰＵ４０１が行う各種の処理の際に、プログラムやデータ等を一時的に記憶するワーキングエリアとして利用される。また、ＲＡＭには、動作に必要な各種の条件や測定データ等が記憶される。ＲＡＭ４０２は、半導体メモリやハードディスク装置等により構成されている。なお、ＲＡＭ４０２には、不揮発性メモリが含まれ、主電源がＯＦＦにされてもデータを保持できるようにされている。ＲＯＭ４０３は、ＣＰＵ４０１が行う処理の動作プログラムや動作に必要な条件等が記憶されている。

表示部４０４は、ディスプレイ（例えば液晶ディスプレイ）を備えている。このディスプレイには、距離測定装置１の動作状態、操作に必要な情報、さらに測定した距離の情報等が表示される。仰角検出センサ４０５は、回転反射ミラー３０２（図３参照）の仰角の値を検出する。仰角検出センサ４０５は、図３に示す角度読み取られ部３０８および角度読み取り部３０９を備えている。水平測角検出センサ４０６は、回転光学部３の水平測角（方位角）を検出する。水平測角検出センサ４０６は、図３に示す角度読み取られ部３１０および角度読み取り部２１２を備えている。

水平測角制御部４０７は、後述の水平測角制御モータ４０８を駆動する駆動回路と、その制御を行う制御回路を備えている。水平測角制御モータ４０８は、水平測角制御部４０７によって駆動されて回転光学部３（図３参照）を回転させ、その水平測角を制御する。水平測角制御モータ４０８は、図３に示すステータ２０１およびロータ３０１を備えている。仰角制御部４０９は、後述の仰角制御モータ４１０を駆動する駆動回路と、その制御を行う制御回路を備えている。仰角制御モータ４１０は、仰角制御部４０９によって駆動され、回転反射ミラー３０２の仰角を制御する。仰角制御モータ４１０は、図３に示すステータ３０６およびロータ３０７を備えている。

発光制御部４１１は、測距光発光部２０５（図３参照）の発光タイミングを制御する。距離データ処理部４１２は、第１の受光部２０７および／または第２の受光部２０８の出力に基づいて後述する処理を行い、対象物までの距離の算出を行うのに必要なデータを出力する。画像処理部４１３は、ＣＣＤカメラ２０９（図３参照）が撮像した画像のデータに基づいて後述の画像処理を行う。操作部４１４は、距離測定装置１（図３参照）の操作を行うための手動入力手段であり、操作のための各種スイッチを備えている。

（距離測定部）
以下、図４の距離データ処理部４１２の詳細な構成の一例を説明する。図５は、距離データ処理部４１２の機能を説明するブロック図である。図５には、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光が第１の受光部に入射し、波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光が第２の受光部に入射する状態が概念的に示されている。

図５に示すように、距離データ処理部４１２（図４参照）は、比較判定部４２１とデータ出力部４２２を備えている。比較判定部４２１は、第１の受光部２０７の出力と第２の受光部２０８の出力とを比較し、いずれの出力を距離データの算出に用いるかを判定する機能を有する。判定の内容については後述する。データ出力部４２２は、比較判定部４２１の判定結果に基づき、第１の受光部２０８の出力または第２の受光部２０８の出力を距離データ処理部４１２の外部に出力する。

（第１の測定動作）
以下、図３に示す距離測定装置１における距離測定動作の一例を説明する。ここでは、対象物までの測定距離に応じて、測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図６は、距離の測定を行う手順の一例を示すフローチャートである。この例の場合、距離測定装置１（図３参照）の操作部４１４（図４参照）は、長距離測定エリアと短距離測定エリアの２種類の測定エリアを手動で設定するための設定ボタンを供えている。また、図４に示すＲＯＭ４０３には、以下の処理手順を実行するのに必要な動作プログラムが記憶されている。

操作部４１４（図４参照）が操作されて、距離計測の処理がスタートすると（ステップＳ６０１）、ＲＯＭ４０３に記憶されている上記の動作プログラムがＲＡＭ４０２に読み出され、以下の動作が開始される。

まず基準点を設置する処理が行われる（ステップＳ６０２）。この処理では、ＲＡＭ４０２に記憶されている基準点に関するデータが読み出される。この基準点に関するデータは、以下の処理において求められる距離データに関連付けされ、最終的な計測データが得られる。なお、この基準点に関するデータは、計測装置１を計測現場に設置した際に、手動入力やＧＰＳ衛星を用いた位置特定装置からのデータ伝送によって計測装置１に入力される。

ステップＳ６０２の後、整準実行・完了の処理が行われる（ステップＳ６０３）。この処理では、装置の水平や方角を決める調整が行われる。この処理は、図示省略する水準器や方角センサの出力に基づいて自動的に行われる。

ステップＳ６０３までの処理が終了したら、その旨が図４の表示部４０４に表示される。次に距離測定装置１を操作する者が照準装置３１１を用いて、距離の測定を行う対象物に狙いを定め、距離測定装置１の大体の方向を定める。そして、図４の操作部４１４が操作されて、ＣＣＤカメラ２０９（図３参照）による測定エリアの撮像（ステップＳ６０４）が行われる。また、測定エリアの設定が行われる（ステップＳ６０５）。

また、このタイミングにおいて、操作者は、操作部４１４を操作し、測定距離が短距離か、長距離かを選択する設定を行う（ステップＳ６０５）。この際、操作者は、対象物までの距離を目測し、それが波長１０６４ｎｍの測距光の利用が適当な長距離測定範囲か、あるいは波長５３２ｎｍの測距光が利用できる短距離測定範囲かを判断し、何れかの範囲を設定する操作を行う。

ステップＳ６０５の処理を自動的に行うこともできる。この場合、ステップ６０４において撮像した画像を画像処理部４１３（図４参照）において画像解析し、対象物までの概略の距離を算出する。そして、この算出値に基づいて、長距離測定範囲または短距離測定範囲が選択され、選択された設定内容がＲＡＭ４０２内に記憶される。

次にステップＳ６０５において、設定された対象物までの距離に関する設定内容が読み取られ、設定内容が、短距離範囲の設定か、長距離範囲の設定かが判定される。ここでは、測長距離が短い設定であるか否か、が判定される（ステップＳ６０６）。測長距離が短い場合（つまり短距離範囲が設定されているのであれば）、ステップＳ６０７に進み、そうでなければステップＳ６０８に進む。

ステップＳ６０７では、短波長（波長５３２ｎｍ＝λ_２）のパルスレーザ光を用いた測定エリアスキャンが行われる。ステップＳ６０７では、図３および４に図示する測距光発光部２０５を構成するレーザ装置（図１の符号１００）が、図２（Ｂ）の状態で動作し、波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光を出力する。このパルスレーザ光は、図３に示す測距光発光部２０５から出力され、斜め反射ミラー２１０で図の上方に反射され、集光レンズ２０２および回転反射ミラー３０２を経て、測定エリアに照射される。

この際、測距光は、測定エリア内に設定された複数の測定点を順次走査しつつ当該計測点（各対象物）に照射される。例えば、この測定点は、測定エリア内に格子状にｍ×ｎ個（ｍ、ｎは０を含まない自然数）設定されており、各測定点に１パルス以上のレーザパルスが照射されるように、パルス発振に対応させて、回転光学部３の水平測角と回転反射ミラー３０２の仰角が逐次制御される。

ステップＳ６０７に進まず、ステップＳ６０８に進んだ場合、測距光発光部２０５を構成するレーザ装置（図１の符号１００）が、図２（Ａ）の状態で動作し、波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光を出力する。このパルスレーザ光は、図３に示す測距発光部２０５から出力され、選択反射ミラー２０３で図の上方に反射され、集光レンズ２０２および回転反射ミラー３０２を経て、対象物に照射される。この際も、ステップＳ６０６の場合と同様なスキャン制御が行われる。

ステップＳ６０７またはＳ６０８において、測距用のパルスレーザ光の対象物への照射は、１または複数回のパルスで行われる。そして、対象物で反射され、距離測定装置１側に帰ってきた測距光の反射光は、その波長に対応して、第１の受光部２０７または第２の受光部２０８において受光される。すなわち、対象物に照射された測距光が波長１０６４ｎｍ（λ_１）のパルスレーザ光であれば、その反射光は、第１の受光部２０７において受光される。また、対象物に照射された測距光が波長５３２ｎｍ（λ_２）のパルスレーザ光であれば、その反射光は、第２の受光部２０８において受光される。

ステップＳ６０７またはＳ６０８における対象物への測距光の照射が行われているタイミングに同期させて、その反射光の時間遅れに計測することで、対象物までの距離の算出（測定）が行われる（ステップＳ６１０）。

以下、図４のブロック図を主に参照してステップＳ６１０の処理内容を説明する。まず、発光制御部４１１からレーザパルスの発振タイミングに関する信号が出力される。また、距離データ処理部４１２から、反射光の受光タイミングに関する信号が出力される。レーザパルスの対象物への往復には、対象物までの距離に応じた時間（伝搬時間）を要するので、反射光のレーザパルスの受光タイミングは、測距用のレーザパルスの照射タイミングから対象物までの距離に応じた遅れを生じる。したがって、ＣＰＵ４０１において、上記２つの信号を比較することで、伝搬時間を算出し、それと光速の値とから、距離計測装置から対象物までの距離を算出することができる。この原理により、ステップＳ６０９における距離測定の処理が行われる。

この距離算出の処理は、測定エリア内に所定の密度で設定された計測対象物毎（計測対象点毎）に測距光を操作しつつ照射し、そのスキャニングに対応させて逐次行われる。なお、通常は、測定エリア内に格子状に測定点を設定し、そこを順次スキャンしてゆくことで、測定エリア内の距離データ群を得る。

ステップＳ６１０までの処理によって、当該対象エリアまでの距離データ群（３次元的な距離データのリスト）を得る。この距離データ群は、ステップＳ６０４において撮像した画像データやその他データ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶される。また、表示部４０５（図４参照）に測定された距離情報が表示される。

そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ６１０からステップＳ６１１に進み、処理を終了し、そうでなければ、ステップＳ６０５の前段階に戻り、ステップＳ６０５以下の処理を再度実行する。

（第１の測定動作の特徴）
上述した第１の測定動作によれば、測長距離の相対的な大小（遠いか、近いか）によって、測距光の波長が手動で選択される。すなわち、対象物までの距離が遠い場合には、長距離伝搬に有利な波長１０６４ｎｍのレーザ光を選択し、対象物までの距離が近い場合は、長距離伝搬には、不利であるが、測定対象物の測定分解能の高い波長５３２ｎｍのレーザ光が選択される。

５３２ｎｍのレーザ光は、１０６４ｎｍのレーザ光よりもレーザ光のスポット径を小さくすることができるので、測定分解能は高い。このため、長距離の測長において、高出力の短波長レーザ光を利用することを避けることができ、長距離測定が可能でありながらアイセーフの問題において有利となる。また、短距離測定の場合は、高い測定分解能を得ることができるので、長距離測定が可能でありながら、短距離測定の対象物の測定分解能を高めることができるという特徴を有している。

（第２の測定動作）
ここでは、距離の測定を行う環境の空気透明度に応じて、測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図７は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。処理のスタート（ステップＳ７０１）からステップＳ７０３までは、図６のステップＳ６０１からＳ６０３と同じである。ステップＳ７０３の後、測定エリアの撮像が行われ（ステップＳ７０４）、また測定エリアの設定が行われる（ステップＳ７０５）。

次にステップＳ７０４において撮像された画像の内容が画像処理部４１３（図４参照）において解析され、測定環境の透明度（空気の透明度）が算出される。この透明度から塵や水蒸気等の分散値が算出され、塵や水蒸気等の影響が計測される。そして、この計測結果に基づき、散乱物質の量が判定され（ステップＳ７０６）、散乱物質が多いと判定された場合には、長波長λ_１でのエリアスキャンが行われ（ステップＳ７０７）、散乱物質が多くないと判定された場合には、短波長λ_２でのエリアスキャンが行われる（ステップＳ７０８）。ステップＳ７０６における判定の基準は、予め実験的に求めておいたものを用いる。

ステップ７０９以下の処理は、図６のステップ６０９以下の処理と同じであるので、説明は省略する。なお、測定環境の透明度を操作者が判断し、ステップＳ７０６の真偽を判定する設定を操作者がマニュアル操作で装置に入力するようにすることもできる。

（第２の測定動作の特徴）
上述した第２の測定動作によれば、測長環境の空気の透明度に応じて、測距光の波長が選択される。すなわち、空気の透明度が高い場合は、光の散乱が少ないので、塵や水蒸気の散乱に弱いが、高分解能の測長を行うことができる波長５３２ｎｍ（λ_２）の短波長光が選択される。この場合、高分解能の測長を行うことができる。

一方、測長環境の透明度が悪い場合は、塵や水蒸気による散乱の程度がより小さい長波長の測距光（波長１０６４ｎｍ（λ_１））が選択される。この場合、測定分解能は犠牲になるが、透明度の悪い悪条件であっても、測長を行うことができる。

このように、測長環境の透明度に応じて、測距光の波長を選択することで、測長環境が悪くても（測定環境の透明度が悪くても）測長を行うことができ、また測長環境が良い場合は、高分解能の測長を行うことができる。

（第３の測定動作）
ここでは、測定対象物の色に応じて、測距光の波長を選択する場合の動作の例を説明する。図８は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ８０１）からステップＳ８０５までは、図７のステップＳ７０１からＳ７０５と同じである。

ステップＳ８０５の後、画像処理部４１３において、ステップＳ８０４で撮像した画像のデータに対して画像処理を行い、測定エリアの画像をＲＧＢの３色素の画像に分解する（ステップＳ８０６）。ＲＧＢの各画像データは、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶させる。

次に、短波長の波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ８０７）。この測定エリアスキャンにおける測距光の照射は、測距光発光部２０５に備えたレーザ装置を、図２（Ｂ）の状態とすることで行われる。この際、各測定点におけるデータを各測定点の座標データと関連付けて取得し、ＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、この段階で距離算出のための演算は行わず、発光制御部４１１から出力されるレーザパルスの出力タイミングに関するデータと、それに対応する距離データ処理部から出力される当該レーザパルスの受光タイミングに関するデータをそのまま（生データとして）ＲＡＭ４０２に記憶させる。

次に、長波長の波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ８０８）。この測定エリアスキャンにおける測距光の照射は、測距光発光部２０５に備えたレーザ装置を、図２（Ａ）の状態に切り換えることで行われる。この際も各測定点におけるデータを取得し、その生データをＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、ステップＳ８０７とＳ８０８とは、その実行順序が逆であっても良い。

次にＲＡＭ４０２（図４参照）内から、ステップＳ８０７およびＳ８０８において取得したデータ、および測定エリアの撮像画像をＲＧＢに分解した画像データを読み出し、以下の処理を行う。この処理では、ＣＣＤ２０９の撮像画像中における複数ある計測点について、次の処理を行う。すなわち、例えば格子状に設定された撮像画像中の計測点を左上から順に調べ、当該計測点が、ＲおよびＢの色素である（またはその成分の影響が大である）場合に、その計測点の距離データとしてλ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光のデータを選択する。また、当該計測点が、Ｇの色素である（またはその成分の影響が大である）場合に、その計測点の距離データとしてλ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光のデータを選択する（ステップＳ８０９）。

ステップＳ８０９におけるデータ選択の後、選択されたデータに基づく距離の算出が行われ、測定エリア内の測定値に関する距離を測定する（ステップＳ８１０）。こうして当該対象エリアまでの距離データ群を得る。この距離データ群は、ステップＳ８０４において撮像した画像データやその他のデータ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２に記憶される。また、表示部４０５に測定された距離情報が表示される。そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ８１１からステップＳ８１２に進み、そうでなければ、ステップＳ８０５以下の処理を再度実行する。

この処理によれば、測距光が照射された対象物（計測点）の色がＲとＢである場合、波長５３２ｎｍの吸収率が高いので、λ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光の反射光量が十分に得られないと予測し、より大きな反射光量が期待できるλ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光を選択する。また、逆に測距光が照射された対象物（計測点）の色がＧである場合、波長１０６４ｎｍの吸収率が高いので、λ_１（波長１０６４ｎｍ）の測距光の反射光量が十分に得られないと予測し、より大きな反射光量が期待できるλ_２（波長５３２ｎｍ）の測距光を選択する。これにより、測定エリア内の色彩分布に応じて、適宜より大きな反射光量を期待できる波長の測距光を選択することができ、反射光量の不足による計測誤差を減らすことができる。

（第３の測定動作の特徴）
第３の測定動作によれば、測定対象物における反射強度の波長依存性の問題を緩和あるいは解決することができる。すなわち、測定対象物の色や材質によって、反射率の波長依存性があり、測定対象物と波長との組み合わせによって、反射光の強度が微弱になり、その検出が困難になる場合があるが、測距光として２種類の波長を用い、画像解析から測距光の照射位置の反射状態を推測し、その結果に応じて、いずれかの測距光の反射光データを選択することで、より大きな反射光量の受光データを利用することができる。このため、測定対象物と波長との組み合わせによって、反射光の強度が微弱になり、その検出が困難になる問題を緩和あるいは解決することができる。

（第４の測定動作）
ここでは、２種類の波長の測距光を対象物に照射し、反射光の強度の高い方の反射光データ用いる例を説明する。図９は、測定の動作手順の一例を示すフローチャートである。まず、処理のスタート（ステップＳ９０１）からステップＳ９０５までは、図８のステップＳ７０１からＳ７０５と同じである。

ステップＳ９０５において、測定エリアを設定したら、短波長の波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ９０６）。この測定エリアスキャンにおける測距光の照射は、測距光発光部２０５に備えたレーザ装置を、図２（Ｂ）の状態とすることで行われる。この際、各測定点におけるデータを各測定点の座標データと関連付けて取得し、ＲＡＭ４０２（図４参照）内にそれを記憶させておく。なお、この段階で距離算出のための演算は行わず、発光制御部４１１から出力されるレーザパルスの出力タイミングに関するデータと、それに対応する距離データ処理部４１２から出力される当該レーザパルスの受光タイミングに関するデータをそのまま（生データとして）ＲＡＭ４０２に記憶させる。また、距離データ処理部４１２は、受光した反射光の受光強度（受光素子の出力レベル）に関する情報を出力し、この情報は、上記受光タイミングに関するデータに関連付けされてＲＡＭ４０２に記憶される。

次に、長波長の波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光の測定エリアスキャンを行う（ステップＳ９０７）。この測定エリアスキャンにおける測距光の照射は、測距光発光部２０５に備えたレーザ装置を、図２（Ａ）の状態に切り換えることで行われる。この際も各測定点における送受のタイミングデータおよび受光強度のデータを取得し、その生データをＲＡＭ４０２（図４参照）内に記憶させておく。なお、ステップＳ９０６とＳ９０７とは、その実行順序が逆であっても良い。

次にＲＡＭ４０２（図４参照）内から、ステップＳ９０６およびＳ９０７において取得したデータを読み出し、同一の測定点における２つの反射測距光の受信強度を比較する。そして、より高強度の受光データを選択する（ステップＳ９０８）。この処理は、例えば図４の比較判定部４２１において行われる。勿論、この処理をＣＰＵ４０１において行っても良い。

次に選択された受光データを用いての距離の算出が、測定点毎に行われる（ステップＳ９０９）。ステップＳ９０９の処理の内容は、ステップＳ６０９と同じである。こうして当該対象エリアまでの距離データ群を得る。この距離データ群は、ステップＳ９０４において撮像した画像データやその他のデータ等と関連付けがされ、ＲＡＭ４０２（図４参照）に記憶される。また、表示部４０５（図４参照）に測定された距離情報が表示される。そして、測定を終了するのであれば、ステップＳ９１０からステップＳ９１１に進み、そうでなければ、ステップＳ９０５以下の処理を再度実行する。

第４の測定動作によれば、測距光として２種類の波長を用い、より受光強度の大きい反射光の受光データが採用されるので、塵や濃霧の影響による測定誤差の増大や測定不能の問題、対象物の色や材質に起因する反射光が微弱となる問題を緩和、あるいは解決することができる。

（３）第３の実施形態
以下、図１に示すレーザ装置における非線形結晶１０７と透明媒質部材１０８との切り替え機構の他の構造例について説明する。図１０は、レーザ装置の一例を示す斜視概念図および断面概念図である。図１０（Ａ）には、透明媒質部材が装置の光軸上に配置された状態の斜視概念図が示されている。また、図１０（Ｂ）には、非線形結晶が装置光軸上に配置された状態の装置光軸方向から見た断面概念図が示されている。なお、図１０において、図１と同じ符号部分は、図１に示す構成と同じである。

図１０には、レーザ発振ユニット１２１、切換ユニット１２２、および集光レンズ１１１が示されている。レンズ発振ユニット１２１は、図１における半導体レーザ装置１０１、集光レンズ１０２、レーザ共振器１０３を備えている。切換ユニット１２２は、略円筒形状を有し、その内部に非線形結晶１０７、透明媒質部材１０８および選択反射ミラー１０９が収納されている。

切換ユニット１２２は、その円筒軸回りを図示省略したモータ駆動機構により回転可能な構造とされている。切換ユニット１２２が回転することで、非線形結晶１０７または透明媒質部材１０８をレーザ発振ユニット１２１の光軸上（装置の光軸上）に位置させることができる。すなわち、切換ユニット１２２を回転させ、図１０（Ａ）に示す状態とすることで、透明媒質部材１０８が装置の光軸上に配置され、図２（Ａ）に示す状態となる。また、切換ユニット１２２を回転させ、図１０（Ｂ）に示す状態とすることで、非線形結晶１０７および選択反射ミラー１０９が装置の光軸上に配置され、図２（Ｂ）に示す状態となる。このように、切換ユニットを回転させることで、波長１０６４ｎｍ（λ_１）の測距光を出力するか、波長５３２ｎｍ（λ_２）の測距光を出力するか、を選択することができる。

（４）第４の実施形態
図１に示す例示では、基本波として波長１０６４ｎｍの半導体レーザ光を用い、光軸上に非線形結晶を適宜挿入することで、第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光を生成している。この構成では、選択できる波長は、２波長である。ここでは、第２高調波および第４高調波を用いることで、３波長のレーザ光を得ることができるレーザ装置の例を説明する。

図１１は、レーザ装置の一例を示す概念図である。図１１には、Ｑスイッチによりパルスレーザ光を生成するレーザ装置５００が示されている。レーザ装置５００は、半導体レーザ装置５０１、集光レンズ５０２、レーザ共振器５０３、透明媒質部材５０７、非線形結晶５０８、移動ステージ５１０、および集光レンズ５１４を備えている。ここで、移動ステージ５１０には、透明媒質部材５１３と選択反射ミラー５０９がレーザ共振器５０３の光軸方向に隣接して配置され、非線形結晶５１１および選択反射ミラー５１２がレーザ共振器５０３の光軸方向に隣接して配置されている。透明媒質部材５１３および選択反射ミラー５０９と、非線形結晶５１１および選択反射ミラー５１２は、レーザ共振器５０３の光軸に対して垂直な方向に隣り合って配置されている。

半導体レーザ装置５０１は、最終的に装置から出力されるレーザ光の元となる波長７８５ｎｍの励起用レーザ光を生成する。ここでは、半導体レーザ装置５０１として、半導体レーザ発光素子を利用している。集光レンズ５０２は、半導体レーザ装置５０１からの出力光を集光する。この集光されたレーザ光は、レーザ共振器５０３に入力される。

レーザ共振器５０３は、図１のレーザ共振器１０３と同様な作用により、波長２０００ｎｍの励起用レーザ光をレーザ発振の原理により増幅する。レーザ共振器５０３は、その内部にレーザ媒質５０４、過飽和吸収体５０５および出力鏡５０６を備えている。これらの構成および役割は、図１に示すレーザ共振器１０３の構成と同じである。なお、各材質や光学特性等は、利用する波長に応じて選択される。

透明媒質部材５０７は、波長２０００ｎｍの光に対して透明な（透過率の高い）高純度石英により構成されている。また、その光軸方向の長さは、レーザ共振器５０３の光軸上に非線形結晶５０８および非線形結晶５１１を挿入した場合と、透明媒質部材５０７を挿入した場合とで、光学的な距離が略同じになるように設定されている。

非線形結晶５０８は、レーザ共振器５０３で増幅させたレーザ光の第２高調波（波長１０００ｎｍ）を発生させる。この例において、非線形結晶５０８は、ＫＴＰ結晶を利用し、主に２０００ｎｍ付近のレーザ光の第２高周波を効率良く発生する性質に調整されたものが採用されている。透明媒質部材５１３は、波長１０００ｎｍの光に対して透明な（透過率の高い）高純度石英により構成されており、その光軸上における光学的な長さは、非線形結晶５１１と同じになるように光軸方向における寸法が調整されている。非線形結晶５１１は、非線形結晶５０８によって周波数変換した１０００ｎｍのレーザ光の第２高調波（波長５００ｎｍ、つまりレーザ共振器５０３からのレーザ光の第４高調波）を発生させる。この例において、非線形結晶５１１は、ＫＴＰ結晶を利用し、主に１０００ｎｍ付近のレーザ光の第２高調波を効率良く発生する性質に調整されたものが採用されている。

選択反射ミラー５０９は、波長２０００ｎｍの光を図の下方向に反射し、波長１０００ｎｍの光を透過する。選択反射ミラー５１２は、波長２０００ｎｍの光および波長１０００ｎｍの光を図の下方向に反射し、波長５００ｎｍの光を透過する。

透明媒質部材５０７、非線形結晶５０８、移動ステージ５１０は、装置の光軸に対して垂直な方向に平行移動できる構造とされている。この構造により、透明媒質部材５０７、非線形結晶５０８および透明媒質部材５１３または非線形結晶５０８および非線形結晶５１１を適宜、レーザ共振器５０３の光軸上に移動させ配置することができる。つまり、波長２０００ｎｍのパルスレーザ光の出力、波長１０００ｎｍのパルスレーザ光の出力、または波長５００ｎｍのパルスレーザ光の出力を適宜選択することができる。

（波長２０００ｎｍのレーザ光の出力）
図１１のレーザ装置５００において、波長２０００ｎｍのレーザ光を出力する場合の例を説明する。図１１（Ａ）には、レーザ共振器５０３の光軸上に透明媒質部材５０７を位置させ、移動ステージ５１０を当該光軸上から外した状態が示されている。この場合、レーザ共振器５０３から出力された波長２０００ｎｍのレーザ光は、透明媒質部材５０７を透過し、集光レンズ５１４に至り、そこで集光されてレーザ装置５００から出力される。

（波長１０００ｎｍのレーザ光の出力）
図１１のレーザ装置５００において、波長１０００ｎｍのレーザ光を出力する場合の例を説明する。図１１（Ｂ）には、レーザ共振器５０３の光軸上に非線形結晶５０８、透明媒質５１３および選択反射ミラー５０９を位置させた状態が示されている。

この場合、レーザ共振器５０３から出力された波長２０００ｎｍのレーザ光は、非線形結晶５０８に入射し、そこで波長２０００ｎｍのレーザ光の第２高調波である波長１０００ｎｍのレーザ光が生成される。非線形結晶５０８からは、波長２０００ｎｍと波長１０００ｎｍのレーザ光が出力され、それらは、選択反射ミラー５０９に入射する。

選択反射ミラー５０９は、波長２０００ｎｍの光を図の下方向に反射し、波長１０００ｎｍの光を透過するので、波長１０００ｎｍのレーザ光が集光レンズ５１４に出力され、そこで集光される。こうして、波長１０００ｎｍのレーザ光がレーザ装置５００から出力される。

（波長５００ｎｍのレーザ光の出力）
図１１に示す構成において、波長５００ｎｍのレーザ光を出力する場合の例を説明する。図１１（Ｃ）には、レーザ共振器５０３の光軸上に非線形結晶５０８、非線形結晶５１１および選択反射ミラー５１２を位置させた状態が示されている。この場合、レーザ共振器５０３から波長２０００ｎｍのレーザ光が出力され、非線形結晶５０８においてその２倍高調波である波長１０００ｎｍのレーザ光が生成される。非線形結晶５０８からは、波長２０００ｎｍのレーザ光と波長１０００ｎｍのレーザ光が出力され、それらは非線形結晶５１１に入射する。

非線形結晶５１１は、主に１０００ｎｍ付近のレーザ光の第２高調波（波長５００ｎｍ付近）を効率良く発生する性質に調整されているので、波長２０００ｎｍと１０００ｎｍのレーザ光が非線形結晶５１１に入射することで、波長５００ｎｍのレーザ光が生成される。この結果、非線形結晶５１１からは、波長２０００ｎｍ、１０００ｎｍ、５００ｎｍのレーザ光が出力され、それらは、選択反射ミラー５１２に入射する。

選択反射ミラー５１２は、波長２０００ｎｍの光および波長１０００ｎｍの光を図の上方向に反射し、波長５００ｎｍの光を透過するから、集光レンズ５０２には、波長５００ｎｍのレーザ光が到達し、そこで集光される。こうして、レーザ装置５００から波長５００ｎｍのレーザ光が出力される。

（第４の実施形態の優位性）
この態様によれば、多様な状況に応じて、その状況に適した測距光の波長を選択することができる。このため、測定対象物における反射強度の波長依存性の問題、霧やスモッグといった測定環境の問題、アイセーフ（目への安全性）の問題、および長距離計測と計測精度の両立の問題に対して、適宜３波長の中から、最もその状況で問題となる事項を低減できる波長を選択することができる。

ここでは、透明媒質部材５０７、非線形結晶５０８、非線形結晶５１１および透明媒質部材５１３が、平行移動し、それらが装置の光軸上に適宜挿入される場合の例を説明したが、図１０に示すような回転式の切換ユニットを２つ用意し、一方に透明媒質部材５０７と非線形結晶５０８を、他方に透明媒質部材５１３と非線形結晶５１１を収め、切換ユニットの回転により、出力波長の選択を行えるようにすることもできる。またここでは、３波長の出力切換が可能な例を示したが、非線形結晶の数を増やし、４波長以上を切換可能とする構成も可能である。

また、一つの非線形結晶で複数の高調波（例えば、第２高調波と第３高調波）を生成させ、そのいずれかを選択反射ミラーや波長選択フィルタによって選択する構成も可能である。

（５）第５の実施形態
図１に示すレーザ装置１００において、透明媒質部材１０８を用いない構成とすることもできる。この場合、透明媒質部材１０８が位置した部分には、何も配置せず媒質は空気となる。そして、非線形結晶１０７が光軸に挿入されている状態と、退避している状態とにおけるレーザ共振器１０３と集光レンズ１１１との間の光学的距離を同じにするために、集光レンズ１１１をその光軸方向に移動させることを可能にする移動機構を配置する。

この態様によれば、非線形結晶１０７が光軸から退避した際は、集光レンズ１１１がレーザ共振器１０３に近付き、光路長の補正が行われる。こうすることで、非線形結晶１０７の光軸への挿入および光軸からの退避に関係なく、レーザ共振器１０３と集光レンズ１１１との間の光学的距離を同じにすることができる。

（６）第６の実施形態
非線形結晶をレーザ共振器の光軸上に挿入または退避させる切換手段として、非線形結晶を移動させるのではなく、２つの光路を用意し、それを適宜切り換えることで、第１の光路または第２の光路が選択される構成としてもよい。この場合、第１の光路が選択された場合には、非線形結晶が装置の光軸上に挿入され、第２の光路が選択された場合には、非線形結晶が装置の光軸上から外れる構成となる。光路を切り換える手段としては、例えば光軸上に出し入れできるミラーを利用することができる。

以上の実施形態では、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧ結晶を用いる例を主に示したが、発振線が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ_４や、発振線が７００〜９００ｎｍのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、発振線が２９４０ｎｍのＥｒ：ＹＡＧ、発振線２．０９μｍのＴｍ：Ｈｏ：ＹＡＧ等も採用される。

また、本発明の実施形態では、非線形結晶としてＫＴＰ結晶を用いる例を示したが、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶やＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶、ＫＮ（ＫＮｂＯ_３）結晶等を適宜使用することもできる。

本発明は、レーザ光を出力するレーザ装置、さらにレーザ光を用いて距離を測定する距離測定装置に利用することができる。

発明を利用したレーザ装置の概要を示す概念図である。図１に示すレーザ装置の動作状態を示す概念図である。発明を利用した距離測定装置の概要を示す概念図である。図４に示す距離測定装置の制御系の構成を示すブロック図である。距離データ処理部の構成を示す概念図である。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。距離測定の手順の一例を示すフローチャートである。切換手段の一例を示す概念図である。レーザ装置の一例を示す概念図である。

符号の説明

１００…レーザ装置、１０１…半導体レーザ装置、１０２…集光レンズ、１０３…レーザ共振器、１０４…レーザ媒質、１０５…過飽和吸収体、１０６…出力鏡、１０７…非線形結晶、１０８…透明媒質部材、１０９…選択反射ミラー、１１１…集光レンズ、２０１…ステータ、２０２…集光レンズ、２０３…選択反射ミラー、２０５…測距光発光部、２０７…第１の受光部、２０８…第２の受光部、２０９…ＣＣＤカメラ。

Claims

レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部からの出力光が入射され波長変換を行う非線形結晶と、
前記非線形結晶を前記出力光の光軸上に挿入または前記光軸上から退避させる切換手段と、
前記光軸上に配置されたレンズと、
前記非線形結晶を前記光軸上に挿入した場合と、前記光軸上から退避させた場合とにおいて、前記レンズに入射するレーザ光の光路長を等しくする光路長調整手段と
を備えることを特徴とするレーザ装置。
前記光路長調整手段は、前記出力光が透過する媒質部材を備え、
前記媒質部材は、前記非線形結晶が前記光軸上から退避した際に、前記光軸上に挿入されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記非線形結晶から出力される前記出力光の高調波を選択する波長選択手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記出力光が相対的に長波長の第１の波長λ_１を有し、
前記高調波が相対的に短波長の第２の波長λ_２を有し、
前記λ_１が赤外光の波長域であり、
前記λ_２が可視光の波長域であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
前記レーザ発振部は、レーザ媒質を含み、
前記レーザ媒質は、ＮｄイオンまたはＥｒイオンをドープした結晶またはファイバーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置からの出力光を所定の対象物に出力する出力部と、
前記対象物から反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部の出力信号に基づいて距離の算出を行う信号処理部と
を備えることを特徴とする距離測定装置。
前記非線形結晶の前記光軸上への挿入または前記光軸上からの退避を選択するための手動入力手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
前記対象物までの距離に基づいて前記非線形結晶の前記光軸上への挿入または前記光軸上からの退避が選択されることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
前記対象物との間における空気の透明度を検出する透明度検出手段を備え、
前記透明度検出手段の出力に基づいて前記非線形結晶の前記光軸上への挿入または前記光軸上からの退避が選択されることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
前記対象物を含む対象エリアを撮影する画像撮影部と、
前記画像撮影部で撮影された画像を赤緑青の３色に分解し、前記対象物の色彩データを得る画像処理部と
を備え、
前記色彩データに基づいて、前記非線形結晶の前記光軸上への挿入を行った場合の出力光を用いた距離の測定または前記非線形結晶の前記光軸上への挿入を行わない場合の出力光を用いた距離の測定のいずれかが選択されることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
前記受光部で受光した光の受光強度に基づいて、前記非線形結晶の前記光軸上への挿入を行った場合の出力光を用いた距離の測定または前記非線形結晶の前記光軸上への挿入を行わない場合の出力光を用いた距離の測定のいずれかが選択されることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。