JP2016114355A

JP2016114355A - 測距装置

Info

Publication number: JP2016114355A
Application number: JP2013076811A
Authority: JP
Inventors: 新井　聡; Satoshi Arai; 聡新井; 由美中川; Yumi Nakagawa
Original assignee: Nikon Trimble Co Ltd
Current assignee: Nikon Trimble Co Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2016-06-23
Also published as: WO2014162991A1

Abstract

【課題】望遠状態と広角状態での視差がなく、目標物体の像を使用者に観察させること。【解決手段】測距装置１は、目標物体へ測定光を照射する送信光学系３と、目標物体によって測定光が反射または散乱された受信光を受光する受信光学系４と、目標物体の像を結像させる撮像光学系２と、撮像光学系２により結像された目標物体の像を撮像する撮像素子７と、を備え、撮像光学系２は、変倍機能を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、測距装置に関する。

従来、レーザーダイオードなどの光源から出力された測定光が目標物体で反射または散乱された戻り光を受光素子で受光し、測定光が射出されてから戻り光を受光するまでの時間に基づいて目標物体までの距離を測定する測距装置が知られている。このような測距装置は視野が狭いため、目標物体を測距装置の視野内に捉えることが難しく時間がかかっていた。そこで、望遠光学系とは別に、視野の広い広角光学系を設けた測距装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許第３６２６１４１号公報

上記従来技術では、望遠光学系と広角光学系とが別々に設けられているため、特に測距装置に近い目標物体までの距離を測定する際には、望遠光学系と広角光学系との視差が大きくなってしまう。望遠光学系と広角光学系との視差が大きいと、広角光学系の視野内に目標物体を捉えていても、望遠光学系の視野内に目標物体を捉えられていない場合があり、この場合、目標物体を誤認識したり、視野の再調整が必要になったりと不便であった。

本発明による測距装置は、目標物体へ測定光を照射する送信光学系と、目標物体によって測定光が反射または散乱された受信光を受光する受信光学系と、目標物体の像を結像させる撮像光学系と、撮像光学系により結像された目標物体の像を撮像する撮像素子と、を備え、撮像光学系は、変倍機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、望遠状態と広角状態での視差がなく、目標物体の像を使用者に観察させることができる。

第１の実施形態に係る第１実施例による測距装置の構成を説明する図である。第１の実施形態に係る第１実施例による撮像光学系において、変倍光学系よりも手前の光学系の収差図である。第１の実施形態に係る第１実施例による撮像光学系の収差図である。第１の実施形態に係る第２実施例による測距装置の構成を説明する図である。第１の実施形態に係る第２実施例による撮像光学系の収差図である。第２の実施形態に係る測距装置の構成を概略的に説明する図である。第２の実施形態による撮像光学系のズーミングの様子を説明する図である。ダイクロイックプリズムに形成される反射体を説明する図である。第２の実施形態に係る第３実施例による測距装置の構成を説明する図である。第２の実施形態に係る第３実施例による撮像光学系の収差図である。第２の実施形態に係る第４実施例による測距装置の構成を説明する図である。第２の実施形態に係る第４実施例による撮像光学系の収差図である。第２の実施形態に係る第５実施例による測距装置の構成を説明する図である。第２の実施形態に係る第５実施例による撮像光学系の収差図である。従来の測距装置によって目標物体を観察する様子を説明する図である。

−第１の実施形態−
図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。まず、第１の実施形態の説明に入る前に、従来の測距装置における問題点について説明する。図１５は、従来の測距装置によって目標物体（縞模様の物体）を観察する様子を説明する図である。従来の測距装置では、上述したように、望遠光学系と広角光学系とが別々に設けられているため、望遠光学系と広角光学系とで視差が生じてしまう。したがって、図１５に示すように、広角光学系による表示画面と望遠光学系による表示画面とでそれぞれの表示中心位置がずれてしまう。ゆえに、広角光学系の視野内に目標物体を捉えていても、望遠光学系の視野内に目標物体を捉えられていない場合がある。この場合、本来狙っていた目標物体とは異なる物体を視準・測距してしまうおそれがある。また、望遠光学系の視野内に目標物体を捉えるための再調整が必要であり、手間がかかってしまう。

望遠光学系と広角光学系との光軸を近づけることで視差を小さくすることはできるが、これには物理的な限界があり、視差を完全になくすことは困難である。また、表示装置に望遠光学系と広角光学系のそれぞれの画像を表示しても、各光学系が単焦点であるため、表示された画像は望遠または広角いずれかの画像であり、必ずしも使用者が望む倍率ではない場合がある。

このような事情を鑑みて、本実施形態の測距装置は、撮像光学系に変倍機能を持たせることにより、望遠状態と広角状態での視差がなく、目標物体の像を使用者に観察させることができるように構成されている。以下、本実施形態の測距装置について詳しく説明する。

図１は、本実施形態による測距装置１の構成を説明する図である。なお、図１の上側が望遠端状態を示し、図１の下側が広角端状態を示す。測距装置１は、図示しない目標物体を撮影するための撮像光学系２と、目標物体に測定光を照射するための送信光学系３と、測定光が目標物体で反射或いは散乱して戻ってきた戻り光（受信光）を受光するための受信光学系４と、を備える。撮像光学系２と送信光学系３と受信光学系４とは、対物光学系５を共有する同軸光学系として構成されている。

撮像光学系２は、目標物体側から順に並んだ、対物光学系５と、ダイクロイックプリズム１３と、合焦レンズ６と、変倍光学系２０と、撮像素子７と、から構成される。対物光学系５を透過した目標物体からの光は、ダイクロイックプリズム１３、合焦レンズ６および変倍光学系２０を順に透過して、撮像素子７の撮像面に結像される。

また、送信光学系３は、測定光の射出側から順に、光源１２と、コリメータレンズ１１と、反射鏡１０と、対物光学系５と、から構成される。反射鏡１０は、対物光学系５と合焦レンズ６との間の光路中に配置されている。コリメータレンズ１１と光源１２とは、反射鏡１０の反射光路上に配置されている。また、光源１２としては、ＬＥＤやレーザーダイオード等が使用される。なお、光源１２から射出される測定光は、赤外光が望ましいが、これに限らなくてもよく、例えば、波長６５０（ｎｍ）前後の赤色光であってもよい。

さらに、受信光学系４は、対物光学系５と、ダイクロイックプリズム１３と、受光素子１４と、から構成される。ダイクロイックプリズム１３は、反射鏡１０と合焦レンズ６との間の光路中に光分割素子として配置されている。受光素子１４は、ダイクロイックプリズム１３の対物光学系５の焦点位置付近に配置されている。

以上の構成の下、光源１２から射出された測定光は、コリメータレンズ１１を経た後、反射鏡１０によって反射され、対物光学系５を介して略平行光束として目標物体に照射される。これにより、目標物体で散乱した、或いは、目標物体付近に配置されたコーナーキューブで反射した測定光が再び対物光学系５を介して反射鏡１０の周辺部を受信光として通過する。そしてこの受信光は、ダイクロイックプリズム１３内の反射コート部１５で反射され、さらにダイクロイックプリズム１３内部を進行して射出され、受光素子１４へ入射する。

測距装置１の図示しない制御部は、光源１２から測定光を射出したタイミングと受信光が受光素子１４により受光されたタイミングとの時間差に基づき、測距装置１から目標物体までの距離を演算する。このようにして使用者は、測距装置１を用いて目標物体までの距離を測定することができる。なお、光源１２からの測定光が赤色光である場合に、測定光の光束を細くして目標物体に照射すれば、目標物体における測定位置を赤色のスポット像として観察することが可能となる。

測距装置の撮像光学系が、接眼光学系を含む眼視光学系（アフォーカル光学系）を構成している場合、アイレリーフ、望遠鏡倍率、瞳径、光学性能等を鑑みて、測距装置の口径は、３０〜６０ｍｍと大きなものになる。しかしながら、本実施形態では、眼視光学系の時に使用していた対物光学系５を撮像光学系２として流用することで、安価な測距装置１を提供することも想定している。

変倍光学系２０は、目標物体側から順に並んだ、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２とから構成される、いわゆる２群構成のズームレンズである。本実施形態では、撮像光学系２における変倍光学系２０よりも手前の光学系（対物光学系５、ダイクロイックプリズム１３および合焦レンズ６）までで、ある程度収差が補正される。そのため、変倍光学系２０よりも手前の光学系までの光学性能を、変倍光学系２０の望遠端では維持すればよい。したがって、望遠端において、変倍光学系２０を通過する光線が可能な限り光軸近辺を通過し、光学性能の変動を起こさせないことが望ましい。これを実現するため、第１レンズ群Ｇ１は負の屈折力を有し、第２レンズ群Ｇ２は正の屈折力を有するように構成される。

広角端から望遠端への変倍の際には、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔が狭まるように、第１レンズ群Ｇ１および第２レンズ群Ｇ２が光軸に沿って移動する。一方、望遠端から広角端への変倍の際には、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔が広がるように、第１レンズ群Ｇ１および第２レンズ群Ｇ２が光軸に沿って移動する。

なお、変倍光学系２０は、３群構成のズームレンズ、または４群構成のズームレンズであってもよい。コストの面を鑑みると、２群構成のズームレンズの方が望ましい。

本実施形態の測距装置１では、変倍光学系２０は、反射鏡１０およびダイクロイックプリズム１３よりも撮像素子７側に配置されている。これにより、送信光学系３や受信光学系４に影響を与えることなく、変倍機能を実現することができる。また、送信光学系３や受信光学系４として、既存の光学系を用いることができる。

また、本実施形態の測距装置１では、撮像光学系２によって目標物体の像を撮像素子７の撮像面に結像させている。ゆえに、物体側において測角が可能な最小の角度は、撮像素子７の画素ピッチによって変化する。具体的に、撮像素子７の画素ピッチによって変化する、測角が可能な最小の角度θ１［ｒａｄ］は、以下の式（１）で表される。式（１）において、ｐ［ｍｍ］は撮像素子７の１画素の大きさ（画素ピッチ）であり、ｆ［ｍｍ］は撮像光学系２の焦点距離である。なお、ｆ[ｍｍ]は、測角を行う際の撮像光学系２の焦点距離であり、広角端から望遠端までのいずれの焦点距離であってもよい。すなわち、測角は、撮像光学系２において広角端から望遠端までのいずれの状態で行ってもよい。

また、測距装置１において、測角が可能な最小の角度は、撮像光学系２の分解能によっても変化する。具体的に、撮像光学系２の分解能によって変化する、測角が可能な最小の角度θ２［秒］は、以下の式（２）で表される。なお、式（２）において、Ｄ［ｍｍ］は撮像光学系２の入射瞳直径である。

測距装置１において、できるだけ小さい角度で測角を可能とするためには、θ１＝θ２とすればよい。θ１＝θ２とすると、上記式（１）および式（２）から、撮像光学系２の入射瞳直径Ｄ［ｍｍ］は、以下の式（３）で表される。

また、撮像素子７の大きさ（撮像エリアの対角長）をＩｓ［ｍｍ］、撮像光学系２の最大半画角をω［°］（すなわち最大画角は２ω［°］）とすると、撮像光学系２の焦点距離ｆ［ｍｍ］は、以下の式（４）で表される。

ゆえに、式（３）に式（４）を代入することにより、撮像光学系２の入射瞳直径Ｄ［ｍｍ］は、以下の式（５）で表される。

撮像素子７の大きさＩｓ［ｍｍ］、１画素の大きさｐ［ｍｍ］、撮像光学系２の最大半画角ω［°］について現実的な数値を考慮すると、撮像光学系２の入射瞳直径Ｄ［ｍｍ］は、以下の条件式（６）を満たすことが望ましい。なお、条件式（６）を２０で割ることにより、以下の条件式（７）となる。すなわち、撮像光学系２は、条件式（７）を満足することが望ましい。

また、さらに効率よく光学性能と測角精度を適合させるには、撮像光学系２を望遠端にして測角を行うことが望ましく、以下の条件式（８）を満足することが望ましい。なお、式（８）において、ωｔは、撮像光学系２の望遠端における最大半画角である。

また、本実施形態の測距装置１では、以下の条件式（９）および（１０）を満足することが望ましい。この条件式（９）および（１０）を満足することで、良好な光学性能を確保することができる。なお、条件式（９）において、βｔは望遠端における変倍光学系２０の倍率であり、βｗは広角端における変倍光学系２０の倍率である。また、条件式（１０）において、ｆ１は変倍光学系２０における第１レンズ群Ｇ１の焦点距離であり、ｆ２は変倍光学系２０における第２レンズ群Ｇ２の焦点距離である。
１．１＜｜βｔ／βｗ｜＜２．５ …（９）
１＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５ …（１０）

なお、さらに光学性能を確保するためには、以下の条件式（１１）および（１２）を満足することが望ましい。
１．１＜｜βｔ／βｗ｜＜２ …（１１）
１＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２ …（１２）

また、本実施形態の測距装置１では、以下の条件式（１３）を満足することが望ましい。この条件式（１３）を満足することで、撮像光学系２を、光軸方向にコンパクトにすることができる。なお、条件式（１３）において、ＷＴＬは変倍光学系２０の広角端における光学全長（変倍光学系２０の最も物体側のレンズ面から撮像素子７までの距離）であり、ＴＬは撮像光学系２の光学全長（撮像光学系２の最も物体側のレンズ面から撮像素子７までの距離）である。
０＜ＷＴＬ／ＴＬ＜０．５ …（１３）

なお、さらに光軸方向にコンパクトでありつつ、良好な光学性能を確保するには、以下の条件式（１４）を満足することが望ましい。
０．１＜ＷＴＬ／ＴＬ＜０．３５ …（１４）

（第１の実施形態に係る第１実施例）
次に、第１の実施形態に係る第１実施例を説明する。図１は、第１実施例による測距装置１の構成を説明する図である。第１実施例に係る測距装置１において、変倍光学系２０の第１レンズ群Ｇ１は、１枚の凹レンズＬ１１から構成され、第２レンズ群Ｇ２は、１枚の凸レンズＬ２１から構成される。また、第１実施例による撮像光学系２では、開口絞りは第１面の手前に配置されている。

表１〜表３に、第１実施例に係る撮像光学系２の諸元の値を示す。なお、表１では、反射鏡１０の記載を省略している。表において、面番号は物体側から数えた光学面の順序、ｒは各光学面の曲率半径、ｄは光学面の面間隔、ｎｄはｄ線（波長λ＝５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率、νｄはｄ線（波長λ＝５８７．５６ｎｍ）に対するアッベ数をそれぞれ示している。なお、空気の屈折率ｎｄ＝１．０００００は記載を省略している。また、（可変）は、可変の面間隔である。ｄｉ（ｉ：整数）は面番号ｉでの可変の面間隔をそれぞれ示す。ωｔは撮像光学系２の望遠端における最大半画角を示し、ωｗは撮像光学系２の望遠端における最大半画角を示す。以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離、曲率半径、その他の長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われる。しかし光学系は、比例拡大又は縮小しても同等の光学性能が得られるため、これに限られるものではない。また、単位は「ｍｍ」に限定されることなく他の適当な単位を用いることもできる。以上の記号は、以降の他の実施例においても同様とし説明を省略する。

[表１]（レンズデータ）
面番号ｒｄｎｄ νｄ
1 106.48511 6.000000 1.603110 60.69
2 -236.12769 0.500000
3 54.97563 8.400000 1.487490 70.32
4 -340.69302 2.800000 1.805180 25.45
5 157.24679 37.341310
6 ∞ 13.500000 1.568829 56.04
7 ∞ 10.070000
8 -138.85600 2.200000 1.806100 33.34
9 -14.09700 1.000000 1.734000 51.51
10 18.44800 10.000000
11 ∞ (可変)
12 172.42888 2.000000 1.620040 36.40
13 15.02069 (可変)
14 27.75740 2.000000 1.734000 51.51
15 -37.23509 (可変)

[表２]
焦点距離 250（望遠端） 195.1（広角端）
ｄ11 38.958 18.958
ｄ13 1.085 4.404
ｄ15 4.000 20.681

[表３]（条件式対応値）
条件式(7),(8) Is=7.0、p＝0.0025、2ωt＝1.5、2ωw＝3より
(7Is/2ptanωt)*(π/3600*180)＝3.629
(7Is/2ptanωw)*(π/3600*180)＝1.184
条件式(9),(11) βt＝-1.001、βw＝-0.808より
βt/βw＝1.239
条件式(10),(12) f1＝-26.667、f2＝ 21.952より
f1/f2＝1.215
条件式(13),(14) WTL＝29.085、TL＝129.854より
WTL/TL＝0.224

表３に示すように、第１実施例による撮像光学系２は、条件式（７）〜（１４）を満足する。

また、図２は、第１実施例による撮像光学系２の変倍光学系２０よりも手前の光学系（対物光学系５、ダイクロイックプリズム１３および合焦レンズ６）における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図２によれば、変倍光学系２０よりも手前の光学系では、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

図３は、第１実施例による撮像光学系２の望遠端および広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図３によれば、第１実施例では、変倍光学系２０がこれよりも手前の光学系までの良好な光学性能を維持し、撮像光学系２では、望遠端および広角端のいずれにおいても、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

（第１の実施形態に係る第２実施例）
次に、第１の実施形態に係る第２実施例を説明する。図４は、第２実施例における測距装置１の構成を説明する図である。第２実施例に係る測距装置１において、変倍光学系２０の第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、凹レンズＬ１２および凸レンズＬ１３の接合レンズと、凸レンズＬ１４とから構成される。第２レンズ群Ｇ２は、２枚の凸レンズＬ２２，Ｌ２３から構成される。また、第２実施例による撮像光学系２では、開口絞りは第１面の手前に配置されている。表４〜表６に、第２実施例に係る撮像光学系２の諸元の値を示す。なお、表４では、反射鏡１０の記載を省略している。

[表４]（レンズデータ）
面番号ｒｄｎｄ νｄ
1 114.42240 6.000000 1.603110 60.70
2 -223.60991 0.500000
3 55.34451 8.400000 1.487490 70.32
4 -317.02577 2.800000 1.805180 25.45
5 175.21730 37.341310
6 ∞ 13.500000 1.568829 56.04
7 ∞ 10.070000
8 -138.85600 2.200000 1.806100 33.34
9 -14.09700 1.000000 1.734000 51.51
10 18.44800 10.000000
11 ∞ (可変)
12 -22.56555 1.000000 1.620040 36.40
13 8.49154 3.000000 1.516800 63.88
14 118.23483 2.000000
15 -33.08328 2.500000 1.603420 38.03
16 -21.30463 (可変)
17 113.28832 4.000000 1.516800 63.88
18 -22.33719 1.000000
19 15.33093 4.000000 1.516800 63.88
20 138.66145 (可変)

[表５]
焦点距離 250（望遠端） 127.627（広角端）
ｄ11 32.689 13.989
ｄ16 1.000 9.593
ｄ20 4.000 14.107

[表６]（条件式対応値）
条件式(7)，(8) Is=7.0、p＝0.0025、2ωt＝1.5、2ωw＝3より
(7Is/2ptanωt)*(π/3600*180)＝3.629
(7Is/2ptanωw)*(π/3600*180)＝1.184
条件式(9),(11) βt＝-1.029、βw＝-0.525より
βt/βw＝1.959
条件式(10),(12) f1＝-33.607、f2＝17.603より
f1/f2＝1.909
条件式(13),(14) WTL＝22.500、TL＝137.000より
WTL/TL＝0.164

表６に示すように、第２実施例による撮像光学系２は、条件式（７）〜（１４）を満足する。

また、図５は、第２実施例による撮像光学系２の望遠端および広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図５によれば、第２実施例では、撮像光学系２の望遠端および広角端のいずれにおいても、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）測距装置１は、目標物体へ測定光を照射する送信光学系３と、目標物体によって測定光が反射または散乱された受信光を受光する受信光学系４と、目標物体の像を結像させる撮像光学系２と、撮像光学系２により結像された目標物体の像を撮像する撮像素子７と、を備え、撮像光学系２と送信光学系３と受信光学系４とは、目標物体に向けられる対物光学系５を同軸で共有し、撮像光学系２は、変倍機能を有するようにした。これにより、望遠状態と広角状態との視差なく、目標物体の像を使用者に観察させることができる。

（２）測距装置１は、撮像光学系２内に配置され、送信光学系３から照射された測定光を目標物体へ導く反射鏡１０と、撮像光学系２内に配置され、受信光を受光素子１４へ導くダイクロイックプリズム１３と、をさらに備え、撮像光学系２は、反射鏡１０およびダイクロイックプリズム１３よりも像側に配置された変倍光学系２０を有するようにした。これにより、送信光学系３や受信光学系４に影響を与えることなく、変倍機能を実現することができる。また、送信光学系３や受信光学系４として、既存の光学系を用いることができる。

−第２の実施形態−
次に、図面を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態による測距装置も、第１の実施形態と同様に、撮像光学系に変倍機能を持たせることにより、望遠状態と広角状態との視差なく、目標物体の像を使用者に観察させることができるように構成されている。第２の実施形態では、撮像光学系が第１の実施形態と異なり４群構成のズームレンズであり、第１の実施形態よりも高いズーム比を実現することができるようになっている。以下、本実施形態の測距装置について詳しく説明する。

図６は、本実施形態による測距装置１００の構成を概略的に説明する図である。図６に示すように、測距装置１００は、送信光学系１０１と、受信光学系１０２と、撮像光学系１０３と、を備える。送信光学系１０１は、目標物体あるいは、目標物体付近へ配置されたコーナーキューブ（これらは不図示であり、以下、単に「目標物体」とのみ記す）へ、対物光学系１０４を介して測定光を照射する。受信光学系１０２は、目標物体で反射・散乱された測定光を、対物光学系１０４を介して受光する。撮像光学系１０３は、目標物体の像を撮像素子１１２上に結像させる。

撮像光学系１０３は、送信光学系１０１および受信光学系１０２と、対物光学系１０４を同軸にて共有する。撮像光学系１０３は変倍機能を有し、ズーミングによる視野角の変化によって、撮像素子１１２上に結像する物体範囲が変化する。撮像素子１１２には、画像処理装置１２０として、制御部１２１および表示部１２２が接続されている。制御部１２１は、撮像素子１１２により撮像された画像を表示部１２２に表示する。

撮像光学系１０３は、物体側から順に並んだ、第１レンズ群Ｇ１１と、第２レンズ群Ｇ１２と、第３レンズ群Ｇ１３と、ダイクロイックプリズム１１１と、第４レンズ群Ｇ１４と、撮像素子１１２と、から構成される。撮像光学系１０３は、広角端での視野角が望遠端での視野角の１０倍以上ある方がより使い勝手がよい。このうち、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３とが対物光学系１０４を構成する。すなわち、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３とを、送信光学系１０１、受信光学系１０２および撮像光学系１０３とで同軸にて共有している。

図７は、撮像光学系１０３の変倍の際のレンズ群の移動軌跡を説明する図である。なお、図７では、第１〜第４レンズ群Ｇ１１〜Ｇ１４と撮像素子１１２以外は省略して記載している。撮像光学系１０３では、広角端側から望遠端側への変倍に際し、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３との空気間隔が減少するように、第２レンズ群Ｇ１２が物体側から像側へのみ移動し、第３レンズ群Ｇ１３が像側から物体側へのみ移動する。このように、広角端から望遠端への変倍に際して、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３とが一方向にのみ移動することで、途中で戻る軌跡を取ることがないので、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３の移動機構を簡素化することができる。

なお、図６に示すように、開口絞りＳは、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３との間に配置されている。開口絞りＳは、特に撮像光学系１０３の広角端状態において余分な光をカットするため、この位置に配置されている。

また、第４レンズ群Ｇ１４と撮像素子１１２との間にＩＲカットフィルタＦが配置されているが、これは必要に応じて配置される。

目標物体までの距離や角度を測定する（以下、単に「距離を測定する」とのみ記す）際、まずは撮像光学系１０３を用いて目標物体の像を撮像素子１１２上に結像させる。このとき、撮像光学系１０３を大きな視野角を持つ広角端状態にすることにより、一度に広範囲を捉えることが可能となるため、目標物体を短時間で探すことが可能となる。さらに、目標物体を撮像素子１１２上に結像させることで、複数の使用者で同時に撮像素子１１２による撮像画像を確認でき、接眼レンズを使い慣れていない使用者でも容易に目標物体を捉えることができる。また、接眼レンズを設置しないことで、測距装置１００をよりコンパクトにできるという利点もある。

目標物体を探し出した後、撮像光学系１０３を望遠端状態にして、送信光学系１０１および受信光学系１０２を用いて、目標物体までの距離を測定する。このとき、望遠端状態と広角端状態とで視差が発生しないので、最初に広角端状態で目標物体を視野中心に位置させておけば、その後ズーミングを行い望遠端状態にしても、目標物体は視野中心からずれることなく、距離測定を行うことができる。広角端状態で目標物体を視野中心に合わせることは容易である。そのため、非常に簡単な操作で距離測定を行うことができる。

測距装置１００を用いて距離測定を行う際、使用者は、撮像光学系１０３を広角端状態として、目標物体を撮像素子１１２上の視野中心にセットする。その後、撮像光学系１０３を変倍して望遠端状態とする。撮像光学系１０２が望遠端状態のまま、距離測定モードに入る。

送信光学系１０１は、測定光の射出側から順に、光源１１０と、リレー光学系１１６と、ダイクロイックプリズム１１１と、対物光学系１０４とから構成されている。受信光学系１０２は、目標物体側から順に、対物光学系１０４と、ダイクロイックプリズム１１１と、受光素子１１３とから構成されている。

測定光を供給するための光源１１０としては、例えば波長８７０ｎｍの赤外光を射出する半導体パルスレーザが用いられる。なお、光源１１０としては、ＬＤ（レーザーダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）のような他の適当な光源を用いることもできる。

ダイクロイックプリズム１１１は、二等辺プリズムＰ１と、第１三角形プリズムＰ２と、第２三角形プリズムＰ３と、を備える。ダイクロイックプリズム１１１は、目標物体へ照射される測定光と目標物体で反射された受信光とを分別したり、受信光と目標物体からの可視光とを分別したりする機能を有している。

二等辺プリズムＰ１は、二等辺三角形のプリズムの３つの角をカットすることにより形成されている。二等辺プリズムＰ１は大きさを小さくするために３つの角がカットされているのであって、必ずしも角をカットする必要はない。二等辺プリズムＰ１は、対物レンズ３の光軸ＯＡと平行する二つの平面Ｒ２および平面Ｒ４と、光軸ＯＡと直交する二つの平面Ｒ１および平面Ｒ３とを備える。平面Ｒ２、平面Ｒ３および平面Ｒ４はカットされた面である。

さらに、二等辺プリズムＰ１は、平面Ｒ１と光軸ＯＡとに対して傾斜する第一傾斜面Ｒ１２と第二傾斜面Ｒ１３とを備える。第一傾斜面Ｒ１２と第二傾斜面Ｒ１３とは、二等辺三角形の二つの辺であるので、お互いに逆向きでほぼ対称的な角度で傾斜されている。

二等辺プリズムＰ１の第一傾斜面Ｒ１２で、二等辺プリズムＰ１と補助光学部材である第１三角形プリズムＰ２とが接合される。また第二傾斜面Ｒ１３で、二等辺プリズムＰ１と補助光学部材である第２三角形プリズムＰ３とが接合される。第１三角形プリズムＰ２の一面は、二等辺プリズムＰ１の平面Ｒ３と平行になることが好ましい。しかし、図６に描かれるように、第１三角形プリズムＰ２の一面は、二等辺プリズムＰ１の平面Ｒ３と同一面である必要はない。

二等辺プリズムＰ１の第一傾斜面Ｒ１２には、波長で光を分別するダイクロイックコートが形成されている。このダイクロイックコートは、例えば波長８７０ｎｍ以上の長い波長の光は反射し、例えば波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍ付近の可視光を透過させる特性を有する。ゆえにダイクロイックコートは、目標物体から反射されて対物光学系１０４を透過して入射された光を、受信光と目標物体からの可視光とにそれぞれ分別する。

二等辺プリズムＰ１を通過した目標物体からの可視光は、ダイクロイックコートを透過した後、第４レンズ群Ｇ１４、ＩＲカットフィルタＦを透過して、撮像素子１１２の撮像面に結像される。また、ダイクロイックコートで反射された受信光は、ダイクロイックプリズム１１１の内部で反射されて、ダイクロイックプリズム１１１の第二傾斜面Ｒ１３を透過して、受光素子１１３に入射される。受光素子１１３には、例えばＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）などが用いられる。

また、二等辺プリズムＰ１の第二傾斜面Ｒ１３には、光源１１０から射出された測定光（送信光）と測定光が目標物体で反射或いは散乱して戻ってきた受信光とを分別する特定形状の反射体が形成されている。この反射体は、二等辺プリズムＰ１の内部で反射されてきた受信光を透過させ、光源１１０から射出された送信光を反射させる。

ここで、測距装置１００における光路について説明する。光源１１０からリレー光学系１１６を経由して射出された送信光（測定光）は、対物レンズ３の光軸ＯＡから離れた二等辺プリズムＰ１の平面Ｒ１に入射される。平面Ｒ１に入射した送信光は第二傾斜面Ｒ１３で反射され、再び平面Ｒ１に向かう。第二傾斜面Ｒ１３から平面Ｒ１へ向かう送信光は、入射角が浅いため平面Ｒ１で全反射して、第一傾斜面Ｒ１２に向かう。送信光は、第一傾斜面Ｒ１２でも全反射されて、平面Ｒ１に対して垂直に入射する。平面Ｒ１に垂直に入射した送信光は、平面Ｒ１を通過して二等辺プリズムＰ１から射出される。二等辺プリズムＰ１から射出された送信光は、対物光学系１０４を透過して、目標物体に照射される。

目標物体に照射された送信光がこの目標物体で反射又は散乱され、受信光として再度対物光学系１０４を透過して、再びダイクロイックプリズム１１１に向かう。受信光は、二等辺プリズムＰ１の平面Ｒ１に入射され、第一傾斜面Ｒ１２に向かう。受信光は、第一傾斜面Ｒ１２におけるダイクロイックコートにより反射される。その後入射角が浅く入った受信光は、平面Ｒ１で全反射されて、第二傾斜面Ｒ１３を透過して第２三角形プリズムＰ３に入射する。第２三角形プリズムＰ３に入射した受信光は、第２三角形プリズムＰ３の一つの辺である平面Ｒ５を透過して受光素子１１３に入射する。光源１１０から射出された送信光の光路と目標物体から反射された受信光の光路とは、殆ど重複しているが、この第二傾斜面Ｒ１３で、送信光と受信光とを分別することができる。

一方、目標物体からの可視光は、対物光学系１０４を透過してダイクロイックプリズム１１１に入射する。目標物体からの可視光は、第一傾斜面Ｒ１２を透過し、その後、第４レンズ群Ｇ１４、ＩＲカットフィルタＦを透過して、撮像素子１１２の撮像面に結像される。これにより、使用者は、撮像素子１１２により撮像された目標物体の画像を視認することができる。即ち、ダイクロイックプリズム１１１の第一傾斜面Ｒ１２におけるダイクロイックコートにより、受信光と目標物体からの可視光とを分別する。

図８は、第二傾斜面Ｒ１３に設けられた、送信光と受信光とを分別する特定形状の反射体を示す図である。第二傾斜面Ｒ１３における送信光と受信光との分別機能は、第二傾斜面Ｒ１３に送信光および受信光の一方の光束を反射させる特定形状の反射体ＲＢを蒸着することにより形成される。図８に示すように、この反射体ＲＢの形状としては、中央が反射領域である反射体ＲＢ１、左右のどちらかが反射領域である半円状の反射体ＲＢ２、中央が透過領域で周囲の輪帯が反射領域である反射体ＲＢ３などがある。

光源１１０から射出された送信光から判断して、第二傾斜面Ｒ１３で送信光に必要な範囲に反射体ＲＢが形成される。たとえば、図６に示したように、光源１１０からの送信光が二等辺プリズムＰ１の平面Ｒ１に入射する場合には、中央が反射領域である反射体ＲＢ１が好ましい。送信光は拡散しておらず、その光束径が小さいまま反射体ＲＢ１で反射される。その一方、反射された受信光は、目標物体から散乱していることも多く、また距離が長いため光束が広がっていることが多い。したがって、対物光学系１０４のＮＡ（開口数）を送信光のＮＡよりも大きくしておくと送信光の外周側から受信光がダイクロイックプリズム１１１に入射する。このため受信光は第二傾斜面Ｒ１３の反射体ＲＢ１の外側を通過することになる。

また、図示しないが、光源１１０と受光素子１１３とは配置場所を入れ替えても測距装置１００として成立する。すなわち、光源１１０からの送信光が第２三角形プリズムＰ３の平面Ｒ５に入射しても、目標物体の測距が可能である。このように光源１１０からの送信光が第２三角形プリズムＰ３の平面Ｒ５から入射する場合には、中央が透過領域で周囲の輪帯が反射領域である反射体ＲＢ３が好ましい。

測距装置１００は、光源１１０を発光したタイミングと、受信光が受光素子１１３で受光されたタイミングとの時間差に基づき、測距装置１００から目標物体までの距離を演算する。さらに必要な場合は、角度も演算する。

測距装置１００では、目標物体の像を撮像光学系１０３により撮像素子１１２上に結像させているため、使用者は目標物体の確認自体は可能である。しかしながら、測定光として波長８７０ｎｍの赤外光を用いた場合、赤外光は不可視のため、測定光を使用者が確認することはできない。そこで、この場合、視準補助のためのレーザポインタとして、図６に示すように、光源１１４（点線で記す）と、光源１１４からの光を反射して第１レンズ群Ｇ１１に導く反射鏡１１５（点線で記す）とを設置する。反射鏡１１５は、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２との間に配置される。光源１１４からの射出光（波長６５０ｎｍ程度）の光束を細くして目標物体に照射することで、使用者は、目標物体における測定位置を赤色のスポット像として観察することが可能となる。

また、撮像光学系１０３は、広角端での視野角が望遠端での視野角の１０倍以上ある方がより使い勝手がよい。そこで、本実施形態の測距装置１００では、１０倍以上の高いズーム比を確保するため、撮像光学系１０３が、物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ１２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ１３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ１４とから構成されている。

また、本実施形態の測距装置１００では、以下の条件式（１５）を満足することが望ましい。なお、条件式（１５）において、ｆ１１は第１レンズ群Ｇ１１の焦点距離であり、ｆ１２は第２レンズ群Ｇ１２の焦点距離である。
５．６＜｜ｆ１１／ｆ１２｜＜６．７・・・（１５）

条件式（１５）は、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２との焦点距離の比の最適な範囲を規定している。条件式（１５）を満足することにより、１０倍以上という高いズーム比を確保している。また、この条件式（１５）を満足することにより、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２との間隔が最も狭くなる広角端においても、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２との間に十分な間隔が確保できるため、上述したように、反射鏡１１５を設置し、光源１１４からの射出光を細くして目標物体に照射することが可能となる。なお、波長６５０ｎｍ程度の光源を第１レンズ群Ｇ１１の焦点位置にダイレクトに配置し、この光源を、測定光を供給する光源として用いつつ、視準補助のためのレーザポインタとして共用するようにしてもよい。

｜ｆ１１／ｆ１２｜の値が条件式（１５）の下限値を下回る状態では、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２とが干渉してしまい、１０倍以上の高いズーム比を得ることができない。さらに、｜ｆ１１／ｆ１２｜の値が条件式（１５）の下限値を下回る状態で、第３レンズ群Ｇ１３、第４レンズ群Ｇ１４の屈折力を強めズーム比を高くしようとしても、１０倍以上の高いズーム比を得ることはできない。

なお、さらに高い光学性能を確保するためには、以下の条件式（１６）を満足することが望ましい。
５．６＜｜ｆ１１／ｆ１２｜＜６．１・・・（１６）

また、本実施形態の測距装置１００では、以下の条件式（１７）を満足することが望ましい。なお、条件式（１７）において、ｆ_１２３ｔは、撮像光学系１０３の望遠端における、第１レンズ群Ｇ１１、第２レンズ群Ｇ１２、および第３レンズ群Ｇ１３を合わせた合成焦点距離であり、ｆｔは、撮像光学系１０３の望遠端における撮像光学系１０３全系の焦点距離である。
０．５＜｜ｆ_１２３ｔ／ｆｔ｜＜０．７・・・（１７）

条件式（１７）は、撮像光学系１０３の望遠端における、第１レンズ群Ｇ１１、第２レンズ群Ｇ１２、および第３レンズ群Ｇ１３を合わせた合成焦点距離（すなわち対物光学系１０４の焦点距離）と、撮像光学系１０３全系の焦点距離との比の最適な範囲を規定している。上述したように、送信光学系１０１および受信光学系１０２は、対物光学系１０４を撮像光学系１０３と同軸にて共有している。送信光学系１０１として対物光学系１０４を用いる場合、対物光学系１０４のほぼ焦点位置に光源１１０を配置することが望ましい。すると、光源１１０からの測定光をほぼ平行光の状態で目標物体に照射することとなるので、目標物体での反射・散乱光の強度が大きくなり、より高精度な距離測定を行うことができる。また、受信光学系１０２として対物光学系１０４を用いる場合、受光素子１１３を配置する位置は、受信光の強度が最も強い状態で受光素子１１３へ導くことが可能となる、対物光学系１０４の焦点位置が望ましい。以上のことをふまえ、条件式（１７）は、実際に光学系を配置する上での制約と、対物光学系１０４の撮像光学系１０３に対するパワー配置（収差補正）のバランスを考慮した上で得られたものである。

｜ｆ_１２３ｔ／ｆｔ｜の値が条件式（１７）の下限値を下回る場合、対物光学系１０４の焦点距離が望遠端における撮像光学系１０３の焦点距離と比較して短い状態となっており、送信光学系１０１や受信光学系１０２の配置、すなわちダイクロイックプリズム１１１の通過も考慮した上での光源１１０の配置や受光素子１１３の配置に支障を来たす。逆に、｜ｆ_１２３ｔ／ｆｔ｜の値が条件式（１７）の上限値を上回る場合、対物光学系１０４が屈折力不足となって、第１レンズ群Ｇ１１〜第３レンズ群Ｇ１３でなるズーム部で発生した収差は第４レンズ群Ｇ１４の屈折力を強めても補正しきれない。第４レンズ群Ｇ１４は、第１レンズ群Ｇ１１から第３レンズ群Ｇ１３からなるズーム部でできた像を結像する役割を果たしており、変倍時に第４レンズ群Ｇ１４を通過する光束はほぼ一定であり、４群構成のズームレンズにおいて第４レンズ群Ｇ１４は独立したレンズとして作用しているためである。

また、本実施形態の測距装置１００では、以下の条件式（１８）を満足することが望ましい。なお、条件式（１８）において、ｆ１３は第３レンズ群Ｇ１３の焦点距離であり、ｆ１４は第４レンズ群Ｇ１４の焦点距離である。
３＜｜ｆ１４／ｆ１３｜＜３．５・・・（１８）

本実施形態では、撮像光学系１０３の、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４の間にダイクロイックプリズム１１１を配置している。ダイクロイックプリズム１１１により赤外光と可視光とを分離しており、波長を分離して（例えば赤外光で測距、可視光で視準を行うなど）用いる測距装置にとっては、ダイクロイックプリズム１１１は必須の部品である。条件式（１８）は、撮像光学系１０３の途中にダイクロイックプリズム１１１を無理なく配置し、かつズーミングの妨げにならないようにするためのものである。｜ｆ１４／ｆ１３｜の値が条件式（１８）の下限を超えると、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４の間隔が狭くなりすぎて、ダイクロイックプリズム１１１を配置できなくなる。一方、｜ｆ１４／ｆ１３｜の値が条件式（１８）の上限を超えると、第４レンズ群Ｇ１４と撮像素子１１２の間隔（バックフォーカス）が短くなりすぎ、ＩＲカットフィルタＦを配置できなかったり、第４レンズ群Ｇ１４にもし異物などが付着していた場合に撮像素子１１２に映りこんでしまったりする。

また、上述したように、視準補助のために光源１１４を設け、第１レンズ群Ｇ１１と第２レンズ群Ｇ１２の間に反射鏡１１５を配置する場合には、第１レンズ群Ｇ１１の焦点位置に光源１１４を配置することが望ましい。その場合は、以下の条件式（１９）を満足することがより望ましい。なお、条件式（１９）において、ｆ１１は第１レンズ群Ｇ１１の焦点距離である。
７０≦ｆ１１≦９０・・・（１９）

ｆ１１が条件式（１９）の下限値を下回る場合には、第１レンズ群Ｇ１１の屈折力が大きくなり、それに伴って第２レンズ群Ｇ１２の屈折力も大きくしなければならず、広角端状態においては、歪曲収差が増大し、コマ収差が発生しやすくなる。また、望遠端状態においては、球面収差の増大等が生じてしまう。一方、ｆ１１が条件式（１９）の上限値を上回る場合、高いズーム比を得ようとすると、第３レンズ群Ｇ１３の変倍時の移動量が増加する。その結果、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３との干渉を防止するために、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３との間隔を長くする必要が生じ、撮像光学系１０３の全長が大きくなってしまう。

また、本実施形態の測距装置１００では、撮像光学系１０３において、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４との間に、ダイクロイックプリズム１１１を配置している。撮像光学系１０３を望遠端状態として目標物体までの距離を測定する際、送信光学系１０１と受信光学系１０２とがダイクロイックプリズム１１１を共有して構成される。本実施形態の測距装置１００では、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４の間に、波長域によって反射と透過の光路を分岐するダイクロイックプリズム１１１を配置することで、高出力のレーザを光源として用いることも可能となる。また、ダイクロイックプリズム１１１で比較的長波側の光を反射させることで、撮像素子１１２には、長波側の光が低減されて入ることとなり、撮像素子１１２上において赤色の色付きが軽減される。なお、ダイクロイックプリズム１１１を第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３の間に配置してしまうと、ズーミング中にプリズムによる色収差が発生する可能性もある。したがって、ダイクロイックプリズム１１１は、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４との間に配置されるのが望ましい。

また、本実施形態の測距装置１００では、上述した第１の実施形態と同様に、上記条件式（７）を満足することが望ましい。そして、さらに効率よく光学性能と測角精度を適合させるには、上記条件式（８）を満足することが望ましい。

（第２の実施形態に係る第３実施例）
次に、第２の実施形態に係る第３実施例を説明する。図９は、第３実施例による測距装置１００の構成を説明する図である。第３実施例による撮像光学系１０３は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ１２と、開口絞りＳと、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ１３と、ダイクロイックプリズム１１１と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ１４と、ＩＲカットフィルタＦとから構成されている。なお、撮像素子１１２の撮像面を像面Ｉとして記している。画像処理装置１２０などについては、ここでは図示は省略する。

第１レンズ群Ｇ１１は、物体側より順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１１１および両凸形状の正レンズＬ１１２の接合よりなる接合正レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１１３と、から構成されている。

第２レンズ群Ｇ１２は、物体側より順に、両凹（物体側には凹面を向けた）形状の負レンズＬ１２１と、両凹形状の負レンズＬ１２２および物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１２３の接合よりなる接合負レンズと、から構成されている。第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３の間には、開口絞りＳが設置されている。

第３レンズ群Ｇ１３は、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１３１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１３２および両凸形状の正レンズＬ１３３の接合よりなる接合正レンズと、から構成されている。第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４との間にダイクロイックプリズム１１１が配置されている。なお、ダイクロイックプリズム１１１は、図では省略した形で描かれている。

第４レンズ群Ｇ１４は、物体側より順に、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ａと、負の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｂと、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｃと、から構成されている。レンズ群Ｇ１４ａは、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１４１と物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１４２との接合よりなる接合正レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｂは、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１４３と両凹形状の負レンズＬ１４４との接合よりなる接合負レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｃは、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１４５から構成されている。さらに本実施例では、ＩＲカットフィルタＦも配置されているが、これは必要に応じての配置となる。

撮像光学系１０３を望遠端状態として距離を測定する際、目標物体が無限遠に近い状態を想定しているが、もし目標物体が近距離にある場合は、撮像光学系１０３の第４レンズ群Ｇ１４中の負の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｂを内焦レンズとして光軸方向に移動させることで、撮像素子１１２の撮像面（像面Ｉ）でピントが合うように調整可能である。

以下の表７〜表１０に、第３実施例に係る撮像光学系１０３の諸元の値を示す。以下の表において、（絞り）は開口絞りＳ、（プリズム）はダイクロイックプリズム１１１、（フィルタ）はＩＲカットフィルタＦ、像面は像面Ｉをそれぞれ示している。また、ｆは焦点距離、ＦＮＯはＦナンバー、Ｙは像高、Ｂｆはバックフォーカスをそれぞれ示す。以上の記号は、以降の他の実施例においても同様とし説明を省略する。

[表７]（レンズデータ）
面番号ｒｄｎｄ νｄ
1 145.247 2.0 1.80440 39.58
2 56.992 10.0 1.49782 82.52
3 -266.560 0.2
4 48.772 6.5 1.49782 82.52
5 578.009 （可変）
6 -72.518 1.5 1.77250 49.61
7 48.508 3.0
8 -34.889 1.5 1.60300 65.47
9 13.129 4.5 1.75520 27.51
10 28.592 （可変）
11 （絞り）（可変）
12 79.413 4.0 1.60300 65.47
13 -89.672 0.2
14 48.514 1.5 1.74950 35.33
15 24.501 4.5 1.49782 82.52
16 -497.137 （可変）
17 （プリズム） 13.5 1.56883 56.05
18 （プリズム） 3.0
19 14.775 4.5 1.48749 70.41
20 1003.809 1.5 1.65844 50.89
21 20.548 14.8
22 299.689 2.0 1.62004 36.26
23 -12.802 1.5 1.77250 49.61
24 15.794 15.7
25 20.379 2.7 1.72916 54.66
26 62.544 6.55
27 （フィルタ） 1.0 1.51680 64.10
28 （フィルタ）
像面

[表８]（各種データ）
ズーム比 12.5
広角端状態望遠端状態
f 20.0 250.0
FNO 4.85 7.31
Y 3.245 3.245
Bf 10.748 10.748
d5 12.21421 53.30218
d10 62.66689 21.57892
d11 60.30405 23.22939
d16 4.04477 41.11943

[表９]（各レンズ群のデータ）
群始面ｆ
1 1 88.0
2 6 -15.5
3 12 49.0
4 19 -160.0

[表１０]（条件式対応値）
条件式(15),(16) |f11/f12|＝5.677
条件式(17) f_123t＝164.063、ft＝250.0より
|f_123t/ft|＝0.6563
条件式(18) |f14/f13|＝3.265
条件式(19) f11＝88.0
条件式(7),(8) Is=6.5、p＝0.0025、2ωt＝1.5、2ωw＝19より
(7Is/2ptanωt)*(π/3600*180)＝3.37
(7Is/2ptanωw)*(π/3600*180)＝0.264

表１０に示すように、第３実施例は、上述した条件式（７）、（８）、（１５）〜（１９）を満足する。また、図１０は、第３実施例による撮像光学系１０３の望遠端および広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図１０によれば、第３実施例による撮像光学系１０３では、望遠端および広角端のいずれにおいても、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

（第２の実施形態に係る第４実施例）
次に、第２の実施形態に係る第４実施例を説明する。図１１は、第４実施例による測距装置１００の構成を説明する図である。第４実施例による撮像光学系１０３は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ１２と、開口絞りＳと、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ１３と、ダイクロイックプリズム１１１と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ１４とから構成されている。なお、撮像素子１１２の撮像面を像面Ｉとして記している。画像処理装置１２０などについては、ここでは図示は省略する。

第３レンズ群Ｇ１３は、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１３１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１３２および物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１３３との接合よりなる接合正レンズと、から構成されている。第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４との間にダイクロイックプリズム１１１が配置されている。なお、ダイクロイックプリズム１１１は、図では省略した形で描かれている。

第４レンズ群Ｇ１４は、物体側より順に、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ａと、負の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｂと、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｃと、から構成されている。レンズ群Ｇ１４ａは、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１４１と物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１４２との接合よりなる接合正レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｂは、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１４３と両凹形状の負レンズＬ１４４との接合よりなる接合負レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｃは、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１４５から構成されている。さらに本実施例では、ＩＲカットフィルタＦは配置されていない例を示す。

なお、撮像光学系１０３を望遠端状態として距離を測定する際、目標物体が無限遠に近い状態を想定しているが、もし目標物体が近距離にある場合は、撮像光学系１０３の第４レンズ群Ｇ１４中の負の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｂを内焦レンズとして光軸方向に移動させることで、撮像素子１１２の撮像面でピントが合うように調整可能である。

以下の表１１〜１４に第４実施例に係る撮像光学系１０３の諸元の値を示す。

[表１１]（レンズデータ）
面番号ｒｄｎｄ νｄ
1 139.820 2.0 1.80454 39.61
2 55.890 10.0 1.49782 82.52
3 -106.909 0.2
4 45.472 5.0 1.49782 82.52
5 106.122 （可変）
6 -75.189 1.5 1.84042 43.35
7 40.910 2.5
8 -48.361 1.0 1.67025 57.53
9 12.000 2.2 1.80518 25.41
10 31.026 （可変）
11 （絞り）（可変）
12 61.972 3.5 1.60300 65.47
13 -84.403 0.2
14 34.001 1.5 1.74950 35.33
15 18.853 4.5 1.49782 82.52
16 82.362 （可変）
17 （プリズム） 13.5 1.56883 56.05
18 （プリズム） 3.0
19 14.500 3.0 1.48749 70.41
20 116.542 1.5 1.72916 54.66
21 21.599 16.5
22 120.140 2.5 1.62004 36.26
23 -12.736 1.5 1.77250 49.61
24 12.967 13.5
25 20.791 2.7 1.72916 54.66
26 116.209 6.55
像面

[表１２]（各種データ）
ズーム比 12.5
広角端状態望遠端状態
f 20.0 250.0
FNO 4.84 7.32
Y 3.245 3.245
Bf 19.413 19.413
d5 12.23113 54.04982
d10 64.45879 22.64010
d11 62.54169 25.83895
d16 4.66424 41.36698

[表１３]（各レンズ群のデータ）
群始面ｆ
1 1 88.0
2 6 -15.5
3 12 49.0
4 19 -160.0

[表１４]（条件式対応値）
条件式(15),(16) |f11/f12|＝5.677
条件式(17) f_123t＝159.375、ft＝250.0より
|f123t/ft|＝0.6375
条件式(18) |f14/f13|＝3.265
条件式(19) f11＝88.0
条件式(7),(8) Is=6.5、p＝0.0025、2ωt＝1.5、2ωw＝19より
(7Is/2ptanωt)*(π/3600*180)＝3.37
(7Is/2ptanωw)*(π/3600*180)＝0.264

表１４に示すように、第４実施例は、上述した条件式（７）、（８）、（１５）〜（１９）を満足する。また、図１２は、第４実施例による撮像光学系１０３の望遠端および広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図１２によれば、第４実施例による撮像光学系１０３では、望遠端および広角端のいずれにおいても、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

（第２の実施形態に係る第５実施例）
次に、第２の実施形態に係る第５実施例を説明する。図１３は、第５実施例による測距装置１００の構成を説明する図である。第５実施例による撮像光学系１０３は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ１２と、開口絞りＳと、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ１３と、ダイクロイックプリズム１１１と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ１４と、ＩＲカットフィルタＦとから構成されている。なお、撮像素子１１２の撮像面を像面Ｉとして記している。画像処理装置１２０などについては、ここでは図示は省略する。

第４レンズ群Ｇ１４は、物体側より順に、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ａと、負の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｂと、正の屈折力を有するレンズ群Ｇ１４ｃと、から構成されている。レンズ群Ｇ１４ａは、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１４１と両凹形状の負レンズＬ１４２との接合よりなる接合正レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｂは、物体側より順に、両凸形状の正レンズＬ１４３と両凹形状の負レンズＬ１４４との接合よりなる接合負レンズから構成されている。レンズ群Ｇ１４ｃは、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１４５から構成されている。さらに第５実施例では、ＩＲカットフィルタＦも配置されている。

以下の表１５〜１８に第５実施例に係る撮像光学系１０３の諸元の値を示す。

[表１５]（レンズデータ）
面番号ｒｄｎｄ νｄ
1 144.737 2.0 1.80440 39.58
2 57.823 10.0 1.49782 82.52
3 -263.454 0.2
4 48.830 7.5 1.49782 82.52
5 399.233 （可変）
6 -72.170 1.5 1.77250 49.61
7 49.773 3.0
8 -37.540 1.5 1.60300 65.47
9 12.303 4.5 1.75520 27.51
10 24.751 （可変）
11 （絞り）（可変）
12 78.977 4.0 1.60300 65.47
13 -136.754 0.2
14 48.147 1.5 1.74950 35.33
15 24.516 4.5 1.49782 82.52
16 -103.295 （可変）
17 （プリズム） 13.5 1.56883 56.05
18 （プリズム） 3.0
19 14.778 4.5 1.48749 70.41
20 -3496.108 1.5 1.65844 50.89
21 20.538 14.8
22 319.070 2.0 1.62004 36.26
23 -14.551 1.5 1.77250 49.61
24 15.836 15.7
25 24.299 2.7 1.72916 54.66
26 109.461 6.55
27 （フィルタ） 1.0 1.51680 64.10
28 （フィルタ）
像面

[表１６]（各種データ）
ズーム比 12.5
広角端状態望遠端状態
f 20.0 250.0
FNO 4.46 6.71
Y 3.245 3.245
Bf 5.571 5.571
d5 15.21364 54.88583
d10 59.74765 20.07546
d11 55.22718 20.27990
d16 2.49660 37.44388

[表１７]（各レンズ群のデータ）
群始面ｆ
1 1 90.0
2 6 -15.0
3 12 46.0
4 19 -143.0

[表１８]（条件式対応値）
条件式(15),(16) |f11/f12|＝6.000
条件式(17) f_123t＝166.084、ft＝250.0より
|f_123t/ft|＝0.6643
条件式(18) |f14/f13|＝3.109
条件式(19) f11＝90.0
条件式(7),(8) Is=6.5、p＝0.0025、2ωt＝1.5、2ωw＝19より
(7Is/2ptanωt)*(π/3600*180)＝3.37
(7Is/2ptanωw)*(π/3600*180)＝0.264

表１８に示すように、第５実施例は、上述した条件式（７）、（８）、（１５）〜（１９）を満足する。また、図１４は、第５実施例による撮像光学系１０３の望遠端および広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差および横収差を示す図である。図１４によれば、第５実施例による撮像光学系１０３では、望遠端および広角端のいずれにおいても、種々の収差が補正され、良好な光学性能が確保されていることがわかる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）測距装置１００は、目標物体へ測定光を照射する送信光学系１０１と、目標物体によって測定光が反射または散乱された受信光を受光する受信光学系１０２と、目標物体の像を結像させる撮像光学系１０３と、撮像光学系１０３により結像された目標物体の像を撮像する撮像素子１１２と、を備え、撮像光学系１０３と送信光学系１０１と受信光学系１０２とは、目標物体に向けられる対物光学系１０４を同軸で共有し、撮像光学系１０３は、変倍機能を有するようにした。これにより、望遠状態と広角状態との視差なく、目標物体の像を使用者に観察させることができる。

（２）測距装置１００において、撮像光学系１０３は、物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ１２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ１３と、負の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ１４と、から構成されるようにした。そして、広角端状態から望遠端状態への変倍に際し、第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３とが光軸方向に沿って移動するようにした。このような構成により、測距装置１００において、撮像光学系１０３は、１０倍以上の高いズーム比を確保することができる。

（３）測距装置１００では、第３レンズ群Ｇ１３と第４レンズ群Ｇ１４との間に、光源１１０から射出された測定光を対物光学系１０４へ導き、且つ対物光学系１０４を透過した受信光を受光素子１１３へ導くダイクロイックプリズム１１１を配置するようにした。

たとえば、特許第４３４３６４８号公報に開示されている従来の測距装置では、分岐プリズムを用いて、目標物体からの光束を、測距用のイメージセンサ側に入射する光と、接眼レンズ側へ入射する光とを分岐している。分岐プリズムにおける光量の分岐の割合は不明であるが、イメージセンサへ入射する光量が低下してしまい位置検出手段による測定不良の原因となる可能性がある。また、分岐プリズムでは波長による分岐を行っていないため、測定光を射出する光源としてレーザを用いてしまうと接眼レンズ側にもレーザ光が入射してしまい、比較的強度とされるレーザ光では使用者が接眼レンズを覗きながらの視準（手動）は不可能となってしまう。

これに対して、本実施形態では、ダイクロイックプリズム１１１によって、測距用の受光素子１１３が受光する受信光と目標物体の像を使用者が確認するための撮像素子１１２が受光する目標物体からの可視光とを波長によって分別するようにした。したがって、波長による分岐を行っていない分岐プリズムを用いる場合と比較して、受信光の光量の低下を小さくすることができる。また、測定光が撮像素子１１２側に入射するのを防止できるので、高出力のレーザ光を測定光として用いることもできる。

−変形例−
上述した第１の実施形態では、光源１２から射出された測定光を目標物体へ導く反射鏡１０と受信光を受光素子１４へ導くダイクロイックプリズム１３とを設ける例について説明した。しかしながら、上述した第１の実施形態においても、上述した第２の実施形態と同様に、光源から射出された測定光を目標物体へ導き、且つ受信光を受光素子へ導くダイクロイックプリズム１１１を設けるようにしてもよい。

また、上述した第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、光源１２から射出された測定光を目標物体へ導く反射鏡１０と受信光を受光素子１４へ導くダイクロイックプリズム１３とを設けるようにしてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、上述した構成に何ら限定されるものではなく、種々の態様を変更してもよい。例えば、各レンズ群を構成するレンズ数や、各レンズの曲率半径、面間隔、硝材等を適宜変更してもよい。

１，１００…測距装置、２，１０３…撮像光学系、３，１０１…送信光学系、４，１０２…受信光学系、５，１０４…対物光学系、７，１１２…撮像素子、１３，１１１…ダイクロイックプリズム、２０…変倍光学系

Claims

目標物体へ測定光を照射する送信光学系と、
前記目標物体によって前記測定光が反射または散乱された受信光を受光する受信光学系と、
前記目標物体の像を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系により結像された前記目標物体の像を撮像する撮像素子と、
を備え、
前記撮像光学系は、変倍機能を有することを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置において、
前記撮像光学系内に配置され、前記送信光学系から照射された前記測定光を前記目標物体へ導く第１反射部材と、
前記撮像光学系内に配置され、前記受信光を前記受信光学系へ導く第２反射部材と、
をさらに備え、
前記撮像光学系は、前記第１反射部材および前記第２反射部材よりも像側に配置された変倍光学系を有することを特徴とする測距装置。
請求項２に記載の測距装置において、
前記撮像素子の大きさをＩｓとし、前記撮像素子の１画素の大きさをｐとし、前記撮像光学系の最大半画角をωとすると、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする測距装置。
請求項３に記載の測距装置において、
前記変倍光学系は、物体側から順に並んだ、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、から構成され、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２、広角端における前記変倍光学系の倍率をβｗ、望遠端における前記変倍光学系の倍率をβｔとすると、以下の条件式（２）および（３）を満たすことを特徴とする測距装置。
１．１＜｜βｔ／βｗ｜＜２．５ …（２）
１＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５ …（３）
請求項４に記載の測距装置において、
前記撮像光学系の光学全長をＴＬとし、前記変倍光学系の広角端における光学全長をＷＴＬとすると、以下の条件式（４）を満たすことを特徴とする測距装置。
０＜ＷＴＬ／ＴＬ＜０．５ …（４）
請求項１に記載の測距装置において、
前記撮像光学系は、物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群と、負の屈折力を有する第４レンズ群と、から構成され、広角端状態から望遠端状態への変倍に際し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群とが光軸方向に沿って移動し、
前記第３レンズ群と前記第４レンズ群との間には、前記受信光を前記受信光学系へ導く反射部材が配置されることを特徴とする測距装置。
請求項６に記載の測距装置において、
前記撮像光学系のズーム比は１０倍以上であり、
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ１２とし、前記撮像光学系の望遠端状態における、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群と前記第３レンズ群とを合わせた合成焦点距離をｆ_１２３ｔとし、前記撮像光学系の望遠端状態における、前記撮像光学系全系の焦点距離をｆｔとすると、以下の条件式（５）および（６）を満たすことを特徴とする測距装置。
｜ｆ１１／ｆ１２｜＞５．６ …（５）
０．５＜｜ｆ_１２３ｔ／ｆｔ｜＜０．７ …（６）
請求項６または７に記載の測距装置において、
前記第３レンズ群の焦点距離をｆ１３とし、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ１４とすると、以下の条件式（７）を満たすことを特徴とする測距装置。
３＜｜ｆ１４／ｆ１３｜＜３．５ …（７）
請求項６〜８のいずれか一項に記載の測距装置において、
前記撮像素子の大きさをＩｓとし、前記撮像素子の１画素の大きさをｐとし、前記撮像光学系の最大半画角をωとすると、以下の条件式（８）を満たすことを特徴とする測距装置。