JP2019174351A - 測量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測距装置における内部参照光の光量の調整に関する新規な技術を提供する。【解決手段】対象物である反射プリズム２００で反射した測距光と内部参照光路を伝搬した内部参照光とを比較して対象物までの距離を計測する測距装置１００であって、内部参照光の光路には光量調整装置１０８が配置されており、光量調整装置１０８は、内部参照光を遮光する物質を含んだ液体の形状を変えることで内部参照光の透過領域と透過抑制領域との面積比を可変する機能を有し、前記透過領域と前記透過抑制領域の少なくとも一方は複数が設けられ、前記透過領域と前記透過抑制領域大きさおよび位置の少なくとも一方を変えることで透過する光量の調整が行なわれる。【選択図】図１

Description

本発明は、光量を調整する技術に特徴のある測量装置に関する。

光を用いた測距装置（光波距離計）では、内部参照光と測定光との位相差に基づき、測量対象物までの距離を算出する。この際、測定光は、減衰を受けるが、内部参照光はその程度が小さい。そのため、受光した測定光と同一の光量（信号）レベルになるように内部参照光の光量が調整される。この技術については、例えば特許文献１〜３に記載されている。また、特許文献４には、液体レンズについて記載されている。

特開２００４−１４４６８１号公報 特開２００８−７６２１２号公報 特開２０１４−１４９１７０号公報 特開２０１６−４７９００号公報

これまでの技術では、光量を調整するフィルターとして、濃度勾配を有する円板形状の光学フィルターを用い、それを回転させて、特定の光量の透過光が得られるように調整が行われていた。しかしながら、この構造は、機械的な可動部分を必要とし、コスト、信頼性、占有スペースの点で改善が求められていた。

このような背景において、本発明は、測量装置における内部参照光の光量の調整に関する新規な技術の提供を目的とする。

本発明は、対象物で反射した測距光と内部参照光路を伝搬した内部参照光とを比較して前記対象物までの距離を計測する測量装置であって、前記内部参照光の光路には光量調整装置が配置されており、前記光量調整装置は、前記内部参照光を遮光する物質を含んだ液体の形状を変えることで前記内部参照光の透過領域と透過抑制領域との面積比を可変する機能を有し、前記透過領域と前記透過抑制領域の少なくとも一方は複数が設けられ、前記透過領域と前記透過抑制領域大きさおよび位置の少なくとも一方を変えることで透過する光量の調整が行なわれる測量装置である。

本発明において、前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさおよび位置の少なくとも一方の変化が周期的に行われる態様が挙げられる。本発明において、前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさと位置が同時に変化する態様が挙げられる。本発明において、前記透過領域または前記透過抑制領域が回転する態様が挙げられる。本発明において、前記透過領域または前記透過抑制領域が揺動する態様が挙げられる。

本発明によれば、測量装置における内部参照光の光量の調整に関する新規な技術が提供される。

発明を利用した測距装置のブロック図である。 実施形態における光量調整装置の断面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態における光量調整装置の断面図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態における光量調整装置の断面図である。 実施形態における光量調整装置の正面図である。

（全体構成）
図１は、発明を利用した測量装置の一例である測距装置１００が示されている。測距装置１００は、測距対象物である反射ターゲット２００までの距離を計測する。勿論、反射ターゲット以外を対象に測距を行うこともできる。測距装置１００は、発光部１０１、ハーフミラー１０２、直角プリズム１０３、対物レンズ１０４、ハーフミラー１０５、受光部１０６、ミラー１０７、光量調整装置１０８、ミラー１０９、測距値算出部１１０を備えている。

発光部１０１は、パルスレーザー光を発光する。発光部１０１で発光される光の波長は、特に限定されないが、例えば、８００ｎｍ〜１１００ｎｍ程度のものが利用される。発光部１０１で発光された光は、その一部がハーフミラー１０２を透過し、測距光として直角プリズム１０３に向かい、他の一部がハーフミラー１０２で反射され、内部参照光としてミラー１０７に向かう。

ハーフミラー１０２を透過した測距光は、直角プリズム１０３で反射され、対物レンズ１０４を介して、測距対象物である反射プリズム２００に照射される。反射プリズム２００で反射された測距光は、対物レンズ１０４を透過し、直角プリズム１０３で反射され、ハーフミラー１０５を透過して、受光部１０６に到る。

他方において、ハーフミラー１０２で反射され、ミラー１０７に向かった内部参照光は、光量調整装置１０８を透過することで光量を調整され、その後にミラー１０９およびハーフミラー１０５で反射されて、受光部１０６に到る。光量調整装置１０８は、透過する光の光量を調整する光アッテネータとしての機能に加えて、透過／非透過を選択する遮光フィルターとしても機能する。光量調整装置１０８については後述する。

内部参照光の光路長は予め既知の情報として取得されている。ここで、発光部１０１の発光タイミングを合わせて、受光部１０６で受光される測距光と内部参照光との受光タイミングを比較し、両者の受光タイミングの位相差（時間差）を検出する。光速度は不変なので、上記の位相差は、測距光の光路長と内部参照光の光路長の差に対応している。よって上記の位相差から、測距装置１００から反射プリズム２００までの距離（測距値）が算出される。この処理が測距値算出部１１０で行なわれる。

（光量調整装置）
以下、光量調整装置１０８について説明する。内部参照光は、測距光に比較して航路長が短く、また野外での減衰を受けないので、受光部１０６に入射する光量が相対的に大きい。つまり、参照光は、測距光に比較して強い光となる。

受光部１０６は、測距対象物（反射プリズム２００）で反射された測距光を高感度に検出できるように設定されている。そのため、光量の調整を行わない内部参照光を受光部１０６に入射させると、受光部の受光素子（フォトダイオード等）が入力オーバーとなる。この問題を回避するために、内部参照光の光路に、内部参照光を減衰（調光）させるための光量調整装置１０８が配置されている。

図２に光量調整装置１０８の断面構造の概要を示す。図２（Ａ）は、断面の概念図であり、図２（Ｂ）は光軸方向（正面）から見た遮光領域を構成する無極性液３１１（遮光領域（非透過領域））の状態を示す正面図である。

光量調整装置１００は、液体光学フィルター３００および駆動部３２０を有する。液体光学フィルター３００は、液体レンズの原理（例えば、特開２０１６−４７９００号公報参照）を利用して、透過する光量を制御する。液体光学フィルター３００は、隙間を有して対向配置された一対のガラス基板３０１と３０２を有している。ここで、基板は、ガラスに限定されず、扱う光を透過する光透過性の材料（例えば、樹脂）を用いることができる。

ガラス基板３０１と３０２の間は、基板間隔を保ち、また封止材として機能するスペーサ３０３により密閉され、この密閉された空間の中に有極性液体３１０と無極性液体３１１が満たされている。有極性液体３１０としては、例えば、水を主成分として、不凍液が添加されたものを用いる。有極性液体３１０は、発光部１０１から発光される光を透過する。

無極性液体３１１には、発光部１０１から発光される光を遮光または減光するための色素が添加されている。この場合は、無極性液体３１１に炭素粉（カーボンブラック）が添加され、無極性液体３１１に発光部１０１から発光される光を抑制（この場合は遮光）する機能を付与している。

なお、無極性液体３１１の透過を抑制する機能は、完全な遮光の場合に限定されず、ある程度光を透過する状態（つまり減光させた状態）に調整することもできる。この場合、無極性液体３１１の厚みも光量の減衰の程度に寄与する形態となる。

無極性液体３１１としては、例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、ドデカン、ヘキサデカン、ウンデカン、ベンゼル、トルエン、キシレン、メシチレン、ブチルベンゼン、1、1―ジフェニルエチレン等の炭化水素系の材料や、透明なシリコーンオイル（有機剤）が用いられる。

ガラス基板３０１のガラス基板３０２に対向する面には、上側電極３０４が形成されている。ガラス基板３０２のガラス基板３０１に対向する面には、下側電極３０７が形成されている。

上側電極３０４と下側電極３０７は、同様な構造を有し、それぞれ複数の電極により構成されている。この複数の電極には、駆動部３２０から電圧が加えられ、上下の電極間に電界が形成される。上下の複数の電極のぞれぞれは、独立に加える電圧値の調整が可能である。ガラス基板３０１，３０２は、正面から見て（図２（Ａ）の上または下から見て）円形を有している。そして、複数の電極は、図２（Ｂ）に示すようなデザインで配置されている。

光量調整装置１００の有効光学領域の径（円形の透過光量の制御が行なわれる径）は、設置された位置における内部参照光の光束径と同程度、あるいはそれより少し大きい程度に設定されている。

以下、上側電極３０４について説明する（下側電極３０７も構造は同じである）。上側電極３０４の各電極要素は正面から見て円形であり、厚さ１μｍ〜５μｍの透明導電膜（この例ではＩＴＯ膜）により構成されている。電極の形状は、矩形、長方形、六角形等であってもよい。上側電極３０４を構成する各要素電極は、下側電極３０７を構成する各要素電極に対向して配置されている。

上側電極３０４を覆って光透過性の絶縁膜となる厚さ１μｍ〜２０μｍのエレクトロウエッティング用膜３０５が形成されている。エレクトロウエッティング用膜３０５は、熱可塑性フッ素重合体としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とイオン性液体との混合物をスピンコートすることで形成されている。

ここでは、エレクトロウエッティング用膜３０５の形成材料を、ポリフッ化ビニリデン（固形物）１００重量部にイオン性液体５重量部ないし２０重量部を添加して、これらを溶融化させて、撹拌混合することにより作成する。この形成材料をスピンコートすることで、エレクトロウエッティング用膜３０５が形成される。ここでは、イオン性液体の分子とポリフッ化ビニリデンにナノ分散処理を行うことにより、エレクトロウエッティング用膜形成材料の透明性を高めている。

上記のイオン性液体には、イミダゾール系イオン液体とピロリジニウム系イオン液体とピぺリジニウム系イオン液体とピリジニウム系イオン液体とアンモニウム系イオン液体とホスホニウム系液体とのうちのいずれか一つ又はこれらの混合物を用いることができる。すなわち、イオン性液体は、陽イオンとしてのピリジン系と、脂肪族アミン系と、脂環族アミン系とのうちの少なくとも一種類からなる構成であれば良い。特に、室温において液体で、誘電率やイオン伝導度が高いイオン性液体が望ましい。

エレクトロウエッティング用膜３０５の表面（互いに対向する面）には、フッ素系のポリマーやシリコン樹脂を用いた厚さ１μｍ〜１０μｍの撥水撥油膜３０６が形成されている。撥水撥油膜３０６が有極性液体３１０に接触する。

下側電極３０７についても同様に、下側電極３０７を覆って、エレクトロウエッティング用膜３０８が設けられ、その上に撥水撥油膜３０９が形成されている。

上側電極３０４と下側電極３０７の間には、駆動部３２０から電圧が加えられる。上側電極３０４と下側電極３０７の間に加えられる電圧を変化させると、無極性液体３１１の撥水撥油膜３０９に対する接触角が変化し、遮光領域の面積が変化する。これにより、液体光学フィルター３００を透過する光の光量の調整が行なわれる。

上下の対向する電極間の電位差を小さくすると、無極性液体３１１の撥水撥油膜３０９に対する接触角が大きくなり、遮光領域が減少する。この場合、透過光量は減少する。この場合の一例が図３に示されている。この現象については、特開２０１６−４７９００号公報に記載されている。

また、上下の対向する電極間の電位差を大きくすると、無極性液体３１１の撥水撥油膜３０９に対する接触角が小さくなり、遮光領域が増大する。この場合、透過光量が増大する。この場合の一例が図４に示されている。

また、この例では、無極性液体３１１が全体を多い、全体を遮光領域とすることも可能である。この場合、液体光学フィルター３００は遮光フィルターとなる。

複数ある無極性領域３１１の大きさは、個別に調整できる。また、その大きさを動的に変化させることも可能である。複数ある無極性領域３１１の大きさを動的に変化させることで、光量を細かく調整（調光）するサーキュラーとして利用することもできる。

（光量調整装置の他の例）
図５には、液体光学フィルター４００が示されている。液体光学フィルター４００の基本的な断面構造は、図１（Ａ）と同じである。ただし、液体光学フィルター４００では、電極が液晶表示装置と同様なアクティブマトリクス型であり、上または下の光透過性の基板上には、格子状に画素を構成する電極が配置され、各画素には駆動用のアクティブ素子（例えば、ＴＦＴ）が配置されている。この構造では、電圧を加える電極の組み合わせを制御することで、図５に示すような透過領域４１０とその他の非透過領域（遮光領域）を形成できる。

この場合、透過領域４０１が有極性液体で構成され、非透過領域が炭素粉を添加した無極性液体で構成される。この例では、４つの扇形の形状で構成される透過領域４０１を扇形の中心（扇の要の位置）を中心に回転させる。ここで、回転速度と扇形の開き角（中心角）を調整することで、透過光量も含めた調光の程度を調整できる。

また、図５の構成において、透過領域４０１の位置を変えながら（回転させながら）、その面積を動的に変化させる形態も可能である。この際、アクティブマトリクス電極における透過領域４０１の形成に寄与する電極の位置を制御することで、透過領域４０１の位置の制御が行なわれ、当該電極の数を制御することで、透過領域４０１の面積の制御が行なわれる。

図５では、非透過領域（符号４０１の透過領域でない領域）を遮光領域としているが、当該領域を透過が抑制され、透過光を減光する領域とすることもできる。この場合、当該領域を構成する無極性液体に添加する炭素粉の量を調整し、無極性液体を半透明な状態に調整する。

動的な変化の周波数としては、例えば、５Ｈｚ〜５０Ｈｚ程度が挙げられる。これは、図１の構成の場合も同じである。

透過領域または透過が抑制される領域を回転させる態様の他に、当該領域を揺動させる形態も可能である。揺動としては、往復運動やジグザグ運動が挙げられる。

（その他）
光量調整装置１０８は、測距装置の内部参照光の光量を調整する用途以外に、一般的な減光フィルター、光アッテネータ、調光装置として広く利用できる。例えば、光量調整装置１０８を一般的なＮＤフィルターの代わりに利用することもできる。光量調整装置１０８を適用可能な光学機器としては、各種の測量装置、カメラ、光学センサの光学系、望遠鏡、顕微鏡、眼科装置等が挙げられる。

例えば、レーザースキャナは、測距光をスキャンすることで、三次元点群データを得る測量装置であり、測距の原理は、図１の測距装置１００と同じである。よって、本発明は、レーザースキャナに適用することもできる。

図２（Ｂ）の場合、符号３１１で示される透過が抑制される領域（この例では、非透過の領域）が複数あり、符号３１０で示される透過の領域が一つである場合が示されているが、前者が一つで後者が複数であってもよい。また、透過が抑制される領域と透過の領域の両方が複数ある形態も可能である。

有極性液体と無極性液体の役割を逆にすることもできる。この場合、有極性液体に遮光材料を添加し、遮光性（または減光性）とし、無極性液体を透過性とする。この態様では、例えば図２（Ｂ）の場合に、符号３１１の複数の丸い領域が透過領域となり、その他の領域が、透過が抑制された領域となる。

有極性液体または無極性液体を、光の透過を抑制する領域とするために添加される物質は、炭素粉に限定されず、赤，青，緑といった特定の色の色素やこの色素を含む物質でもよい。また、光を反射あるいは散乱する光反射性の材料の粉（例えば金属粉）を有極性液体または無極性液体に加え、透過が抑制された領域や遮光領域を形成することも可能である。また特定の色の液体を有極性液体または無極性液体に混ぜ、透過が抑制された領域や遮光領域を形成することも可能である。

（光学フィルターの発明としての把握））
本明細書で開示する発明を光量調整装置や調光装置として把握することもできる。この場合、新規な光量調整装置や調光装置の提供を課題とした発明となる。以下、光量調整装置や調光装置として機能する光学装置の発明として把握した場合の摘要を記載する。

すなわち、本明細書で開示する光学装置は、光量を調整する機能を有する光学装置であり、透過しようとする光を遮光する物質を含んだ液体の形状を変えることで前記光の透過領域と透過抑制領域との面積比を可変する機能を有し、前記透過領域と前記透過抑制領域の少なくとも一方は複数が設けられ、前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさおよび位置の少なくとも一方を変えることで透過する光量の調整が行なわれる。

上記の光学装置において、前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさおよび位置の少なくとも一方の変化が周期的に行われる態様が挙げられる。また、上記の光学装置において、前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさと位置が同時に変化する態様が挙げられる。また上記の光学装置において、前記透過領域または前記透過抑制領域が回転する態様が挙げられる。また、上記の光学装置において、前記透過領域または前記透過抑制領域が揺動する態様が挙げられる。

１００…測距装置、１０１…発光部、１０２…ハーフミラー、１０３…直角プリズム、１０３、１０４…対物レンズ、１０５…ハーフミラー、１０６…受光部、１０７…ミラー、１０８…光量調整装置、１０９…ミラー、１１０…測距値算出部、２００…反射プリズム、３００…液体光学フィルター、３０１，３０２…ガラス基板、３０３…スペーサ、３０４…上側電極、３０５…エレクトロウエッティング用膜、３０６…撥水撥油膜、３０７…下側電極、３０８…エレクトロウエッティング用膜、３０９…撥水撥油膜、３１０…有極性液体、３１１…無極性液体。

Claims (5)

1. 対象物で反射した測距光と内部参照光路を伝搬した内部参照光とを比較して前記対象物までの距離を計測する測量装置であって、
   前記内部参照光の光路には光量調整装置が配置されており、
   前記光量調整装置は、前記内部参照光を遮光する物質を含んだ液体の形状を変えることで前記内部参照光の透過領域と透過抑制領域との面積比を可変する機能を有し、
   前記透過領域と前記透過抑制領域の少なくとも一方は複数が設けられ、
   前記透過領域と前記透過抑制領域大きさおよび位置の少なくとも一方を変えることで透過する光量の調整が行なわれる測量装置。
2. 前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさおよび位置の少なくとも一方の変化が周期的に行われる請求項１に記載の測量装置。
3. 前記透過領域と前記透過抑制領域の大きさと位置が同時に変化する請求項１または２に記載の測量装置。
4. 前記透過領域または前記透過抑制領域が回転する請求項１〜３のいずれか一項に記載の測量装置。
5. 前記透過領域または前記透過抑制領域が揺動する請求項１〜３のいずれか一項に記載の測量装置。

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