JP3718411B2

JP3718411B2 - Ａｆ測量機

Info

Publication number: JP3718411B2
Application number: JP2000159764A
Authority: JP
Inventors: 雅実白井; 将之村田; 孝之伊藤
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10126293A1; DE10126293B4; US20010048518A1; US6618126B2; JP2001336931A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、ＡＦ機能を有する測量機に関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
測距測角機能を有する測量機（トータルステーション等）は測定場所が多様であり、例えば、山奥での測定など、装置の持ち運びが大きな負荷となるような場所で使用されることがあるため、運搬性が重要であり、運搬性を向上させるため小型軽量化が要求されている。また、測量機の測定距離は、１ｍ程度の近距離から数ｋｍの長距離にまで及ぶ。長距離測定を可能とするためには高倍率、高分解力の焦点距離が長い視準望遠鏡を要する。そのため、小型軽量化とともに長距離測定を可能とするためには、長い焦点距離を全長が短い視準望遠鏡で実現しなくてはならない。さらに、小型化のためレンズ口径を大きくできず、Ｆ値が大きい暗いレンズとなる傾向にある。
【０００３】
一方、最近において、測定対象物にプリズムを配置しないノンプリズムタイプの測量機が開発されている。この測量機の光学系の場合、測距光を視準望遠鏡の光軸中心と同軸に送光するため、視準望遠鏡内の光軸中心に測距光反射ミラーが設けられる。そして、測定対象物からの反射光を受光するため、測距光反射ミラーの裏面に受光ミラーが設けられる。受光ミラーは、反射光の集光量を上げるため大きくすることが好ましいが、そのようにすると接眼レンズまでの光路を遮る配置となる。
【０００４】
このような測量機において、ＡＦ化が進行している。ＡＦ装置として広く用いられている位相差方式のＡＦ装置（焦点検出ユニット）は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像の相関関係（位相差）からピント位置を検出し、この検出結果に基づき視準望遠鏡を合焦させるものである。より具体的には、焦点検出面上に結像する物体像を、コンデンサレンズ（集光レンズ）及び基線長だけ離して配置した一対のセパレータレンズ（結像レンズ）によって分割し、この分割した一対の像を一対のラインセンサ上に再結像させて焦点状態を検出する。
【０００５】
ところが、全長が短い鏡筒に焦点距離の長い光学系を収めた比較的暗いＦ値の大きな視準望遠鏡をＡＦ化すると、次の問題が発生することが判った。まず、機械的全長が短い長焦点距離の光学系では、射出瞳はピント位置に極めて近い点にできる。しかし、Ｆ値の大きなレンズの中心に受光ミラーが存在するため、一対の瞳範囲を大きく設定できない。さらに、測量機を小型化するためには、ＡＦ装置も小型化することが好ましいから、セパレータレンズ群の焦点距離は長くできない、さらに、ラインセンサの１画素の大きさは決まっており、一対の瞳範囲を通過する光束がけられないようにするには、コンデンサレンズ群のパワーをかなり大きくしなくてはならない。しかし、コンデンサレンズ群のパワーを単純に大きくしてけられ対策をすると、ラインセンサ上において収差が大きくなり結局ＡＦ性能を低下させてしまう。また、使用用途に合わせた様々な仕様の測量機をＡＦ化する場合、以上の諸条件を満足させるためには、それぞれ専用のＡＦ装置を製作しなければならないため、開発期間、コスト面において不利であった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、測量機を小型化しＡＦ化するとき、対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束のけられがなく、収差の悪化及びこれに起因するＡＦ性能の劣化もなく、コスト的にも有利なＡＦ測量機を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、測定対象物を視準する視準望遠鏡；及びこの視準望遠鏡を介してその焦点状態を検出する焦点検出手段；を備えたＡＦ測量機において、上記焦点検出手段は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束によって該対物レンズの結像面と等価な焦点検出面に結像する一対の像によりピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段であって、該異なる一対の瞳範囲を通過した光束を集光するコンデンサレンズ群と、該一対の瞳範囲を通過した光束をそれぞれラインセンサ上に結像させる一対のセパレータレンズ群とを備え、かつ、上記コンデンサレンズ群は２群以上のサブ群からなり、これら２群以上のサブ群のうちの少なくとも一つのサブ群が、上記焦点検出面よりも対物レンズ側に位置していることを特徴としている。
【０００８】
このように、位相差方式の焦点検出手段のコンデンサレンズ群を２群以上に分割すると、個々のサブ群のパワーをそれほど大きくしなくても、必要な集光作用を行わせることができる。
【０００９】
コンデンサレンズ群の２群以上のサブ群のうちの少なくとも一つのサブ群を、焦点検出面よりも対物レンズ側に位置させているので、対物レンズ上の一対の瞳範囲を通過した光束のけられを防止する（少なくする）ことができる。
【００１０】
本発明のＡＦ測量機（群）では、焦点検出面よりセパレータレンズ群側に位置するサブ群、セパレータレンズ群、及びラインセンサを、複数の仕様の異なるＡＦ測量機に共通のユニットとして構成し、焦点検出面よりも対物レンズ側に位置するサブ群を、仕様の異なるＡＦ測量機に応じて仕様を異ならせることができ、開発期間の短縮、コストの低減ができる。
【００１１】
焦点検出面よりも対物レンズ側に位置するサブ群は、視準望遠鏡の光路を焦点検出手段に分岐する分岐光学系の出射面に形成することが可能である。
【００１２】
本発明のＡＦ測量機は、視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計と併用するのが実際的である。この光波距離計の送光系は、対物レンズの光軸上に位置する反射部材を有する。光波距離計の構成要素は、対物レンズの光軸を通る直径方向に並べられており、上記一対の瞳範囲はこの並び方向と平行な縦長に設定するのがよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１ないし図５は、本発明によるＡＦ測量機の一実施形態を示している。視準望遠鏡１０は、図１に示すように、物体側（前方）から順に、対物レンズ１１、焦点調節レンズ１８、正立光学系（ポロプリズム）１２、焦点板１３、及び接眼レンズ１４を備えている。焦点板１３上には、その中心に、視準の際の目印となる十字線ヘアライン（視準線）１５が描かれている。焦点調節レンズ１８は光軸方向に可動であり、測定対象物１６の距離に応じて位置調節することにより、その像を正しく焦点板１３の対物レンズ１１側の表面に結像させる。観察者は、この焦点板１３上の像を接眼レンズ１４を介して拡大観察する。
【００１４】
視準望遠鏡１０の対物レンズ１１の後方には、光波距離計２０の構成要素である送受光ミラー２１と、測距光を反射し可視光を透過する波長選択ミラー（波長選択フィルター）２２とが順に配置されている。送受光ミラー（反射部材）２１は、対物レンズ１１の光軸上に斜めに位置する平行平面ミラーからなり、その対物レンズ１１側の面が送光ミラー２１ａ、波長選択ミラー２２側の面が受光ミラー２１ｂを構成している。
【００１５】
光波距離計２０の発光素子２３は、特定波長の測距光を発し、この測距光は、コリメータレンズ２４及び固定ミラー２５を介して、送光ミラー２１ａに入射する。送光ミラー２１ａに入射した測距光は、対物レンズ１１の光軸上を進む。
【００１６】
波長選択ミラー２２は、測定対象物１６で反射し対物レンズ１１を透過した、送受光ミラー２１でけられない測距光をさらに反射させて受光ミラー２１ｂに戻す作用をし、受光ミラー２１ｂは、その反射光を受光ファイバ２６の入射端面２６ａに入射させる。２７は、受光ファイバ２６を保持するフォルダであり、送受光ミラー２１とともに、図示しない固定手段によって、対物レンズ１１の後方の空間に固定されている。
【００１７】
発光素子２３と固定ミラー２５の間の測距光路上には、切換ミラー２８と送光用ＮＤフィルタ２９が配置されている。切換ミラー２８は、発光素子２３からの測距光を固定ミラー２５に与えるか、直接受光ファイバ２６の入射端面２６ａに与えるかの切換を行うものである。送光用ＮＤフィルタ２９は、測定対象物１６に投光する測距光の光量調節用である。
【００１８】
受光ファイバ２６の出射端面２６ｂと受光素子３１との間には、集光レンズ３２、受光用ＮＤフィルタ３３及びバンドパスフィルタ３４が順に配置されている。受光素子３１は、演算制御回路４０に接続され、演算制御回路４０は、切換ミラー２８のアクチュエータ４１と測距結果表示器４２に接続されている。
【００１９】
以上の光波距離計２０は、周知のように、演算制御回路４０がアクチュエータ４１を介して切換ミラー２８を駆動し、発光素子２３からの測距光を固定ミラー２５に与える状態と、受光ファイバ２６の入射端面２６ａに直接与える状態とを作り出す。固定ミラー２５に与えられた測距光は、上述のように、送光ミラー２１ａと対物レンズ１１を介して測定対象物１６に投光され、その反射光が対物レンズ１１、波長選択ミラー２２及び受光ミラー２１ｂを介して入射端面２６ａに入射する。そして、この測定対象物１６で反射して受光ファイバ２６の入射端面２６ａに入射する測距光と、切換ミラー２８を介して入射端面２６ａに直接与えられた内部参照光とが受光素子３１によって受光され、演算制御回路４０が送光と反射光の位相差及び内部参照光での初期位相、又は送光と反射光の時間差を検出し、測定対象物１６迄の距離を演算して、測距結果表示器４２に表示する。測距光と内部参照光の位相差または時間差による測距演算は周知である。
【００２０】
ポロプリズム１２の第４反射面には、分岐プリズム（分岐光学系）１２ａが接着されている。その接着面は光路分割面として形成されていて、その分割光路上に、位相差方式のＡＦ検出ユニット（焦点検出手段）５０が配置されている。このＡＦ検出ユニット５０は、焦点板１３と光学的に等価な焦点検出面５１の焦点状態、すなわち、前ピン、後ピンなどのデフォーカス量を検出するもので、図２にその概念図を示す。焦点検出面５１上に結像する対物レンズ１１による物体像は、コンデンサレンズ（群）５２及び基線長だけ離して配置した一対のセパレータレンズ（群）（結像レンズ）５３によって分割され、この分割された一対の像は一対のＣＣＤラインセンサ５４上に再結像する。ラインセンサ５４は多数の光電変換素子を有し、各光電変換素子が、受光した物体像を光電変換して光電変換した電荷を積分（蓄積）し、積分した電荷をＡＦセンサデータとして出力し、演算制御回路４０に入力する。演算制御回路４０は、一対のＡＦセンサデータに基づいて、所定のデフォーカス演算によってデフォーカス量を算出し、レンズ駆動手段４３を介して、対物レンズ１１を合焦位置に移動させる。このようなデフォーカス演算は当業者周知である。演算制御回路４０には、ＡＦ開始スイッチ４４と測距開始スイッチ４５が接続されている。
【００２１】
以上のＡＦ検出ユニット５０は、各ラインセンサ５４に結像する一対の像を基準に考えると、対物レンズ１１上において異なる一対の瞳範囲１１Ａ、１１Ｂを通過した光束によりラインセンサ５４上に結像された一対の像でピント位置を検出することになる。瞳範囲１１Ａと１１Ｂの瞳範囲の形状は、各セパレータレンズ５３の近傍にそれぞれ配置するマスク５５によって設定することができる。なお、図２、図３におけるハッチングは、この一対の瞳範囲に対応する部分（光路）を概念的に示している。
【００２２】
図３は、対物レンズ１１上のこの瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置関係、及び光波距離計２０の送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）の位置関係を示している。瞳範囲１１Ａと１１Ｂの位置、形状及び方向は、ＡＦ検出ユニット５０のコンデンサレンズ５２、セパレータレンズ５３、マスク５５、ラインセンサ５４の多数の光電変換素子より、ＡＦ性能を満足する値に定められているが、方向（対物レンズ１１の中心に対する瞳範囲の方向）は比較的自由に設定することができる。
【００２３】
本実施形態は、例えば以上の構成を有するＡＦ測量機において、コンデンサレンズ（群）５２を２つのサブ群５２ａ、５２ｂとから構成し、そのうちサブ群５２ａを焦点検出面５１よりもセパレータレンズ群５３側に配置し、サブ群５２ｂを焦点検出面５１の対物レンズ１１側に配置したものである。コンデンサレンズ（群）５２を２つのサブ群５２ａ、５２ｂに分割することによりパワーが分割され、瞳範囲１１Ａ、１１Ｂを通過した光束の収差を少なくすることができるとともに、サブ群５２ｂを焦点検出面５１よりも対物レンズ１１側に配置することにより、その集光作用によってけられを防止することができる。また、本実施形態では送受光ミラー２１と受光ファイバ２６（ファイバフォルダ２７）などの光波距離計２０の各構成要素を、対物レンズ１１の光軸を通る直径方向に並べ、瞳範囲１１Ａ、１１Ｂを、その並び方向と平行な縦長に設定している。この設定によって、これら瞳範囲１１Ａ、１１Ｂと光波距離計２０の構成要素の配置位置に起因するけられを防止することができる。
【００２４】
図４は、瞳範囲１１Ａを通過した光束（斜線部分）がラインセンサ５４に到達するときの様子を示している。サブ群５２ｂの集光作用によって、図５に示すように、対物レンズ１１上の一対の瞳範囲１１Ａ、１１Ｂを通過した光束は、光波距離計２０の構成要素と干渉しない位置を通過する。仮に、コンデンサレンズ群５２を分割せず１枚構成とし、かつ、パワ−が小さい場合、図７、図８に示すように、瞳範囲１１Ａ及び１１Ｂを通過する光束が対物レンズ１１の周縁外や送受光ミラー２１でけられてラインセンサ５４への受光光量が低下しＡＦ性能の低下を招く。また、単にコンデンサレンズ５２のパワーを大きくした場合は、ラインセンサ５４上において収差が大きくなり、正確なＡＦ処理ができなくなる。
【００２５】
上記構成の本ＡＦ機能を有する光波測距儀の動作例を説明すると次の通りである。
第１ステップ
視準望遠鏡１０に付属した不図示の視準器から測定対象物１６を覗き、視準望遠鏡１０の光軸を概ね測定対象物１６に合致させる。
第２ステップ
ＡＦ開始スイッチ４４を押して上述のＡＦ動作を実行し、焦点調節レンズ１８を合焦位置に移動させる。
第３ステップ
合焦状態で、接眼レンズ１４を覗き、焦点板１３の十字線ヘアライン１５を正確に測定対象物１６に一致させる。このように十字線ヘアライン１５を正確に測定対象物１６に一致させることにより、光波距離計２０の測距光を正しく測定対象物１６に投光することができる。
第４ステップ
測距開始スイッチ４５を押して光波距離計２０による上述の測距動作を実行し、測距結果表示器４２に測距結果を表示する。
【００２６】
本実施形態では、焦点検出面５１よりも対物レンズ１１側に配置するサブ群５２ｂを独立したレンズから構成したが、図６に示すように分岐プリズム１２ａの出射面にサブ群５２ｂ’を一体に形成する構成としてもよい。
【００２７】
ＡＦ検出ユニット５０のサブ群５２ａ、セパレータレンズ群５３、及びラインセンサ５４を複数の仕様の異なるＡＦ測量機に共通のユニットとすると、ＡＦ測量機の仕様が異なってもその仕様に応じてサブ群５２ｂの仕様（パワー）を異ならせることによって適応することができる。このように構成することにより、測量機毎に専用のＡＦ検出ユニットを製造する必要がなく、開発期間の短縮、コストの低減を図ることができる。また、サブ群５２ｂを焦点検出面５１より対物レンズ１１側に設けるため視準望遠鏡１０とのマッチング性が良い。
【００２８】
以上の実施形態では、コンデンサレンズ群５２をサブ群５２ａ、５２ｂの２群構成としたが、３群以上の構成としてもよい。３群以上から構成した場合も、少なくとも１つのサブ群を焦点検出面５１よりも対物レンズ１１側に配置する。
【００２９】
なお、正立光学系としてのポロプリズム１２あるいはＡＦユニット５０への分岐光学系は、種々の変形例が知られており、本発明は以上の実施例に限定されない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、測量機を小型化しＡＦ化するとき、収差の悪化及びこれに起因するＡＦ性能の劣化もなく、コスト的にも有利なＡＦ測量機を提供することができる。
さらに、焦点検出面より対物レンズ側に位置するコンデンサレンズのサブ群によって、対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束のけられがなくなるので、ライセンサへの受光光量の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＡＦ機能を有する光波測距儀を測量機に適用した第一の実施形態を示す系統接続図である。
【図２】図１のII矢視図であって、焦点検出手段（ＡＦユニット、位相差方式焦点検出手段）の概念図である。
【図３】図１のIII‐III線から見た、焦点検出手段の対物レンズ上の一対の瞳範囲と、送受光ミラー及び受光ファイバとの位置関係を示す図である。
【図４】コンデンサレンズを分割した場合における一対の瞳範囲を通過した光束のうちの一方がラインセンサに入射する様子を示す図である。
【図５】コンデンサレンズを分割した場合における焦点検出手段の対物レンズ上の一対の瞳範囲と、送受光ミラー及び受光ファイバとの位置関係を示す図３に対応する図である。
【図６】サブ群を一体に形成した分岐プリズムが接着されたポロプリズム周辺を示す図である。
【図７】コンデンサレンズを分割しない場合における一対の瞳範囲を通過した光束のうちの一方がラインセンサに入射する様子を示す図４に対応する図である。
【図８】コンデンサレンズを分割しない場合における一対の瞳範囲を示す図２に対応する図である。
【符号の説明】
１０視準望遠鏡
１１Ａ１１Ｂ瞳範囲
１２ポロプリズム（正立光学系）
１２ａ分岐プリズム（分岐光学系）
１３焦点板
１４接眼レンズ
１５十字線ヘアライン（視準線）
１６測定対象物
１８負のパワーの焦点調節レンズ
２０光波距離計
２１送受光ミラー
２１ａ送光ミラー
２１ｂ受光ミラー
２２波長選択フィルタ
２３発光素子
２４コリメータレンズ
２５固定ミラー
２６受光ファイバ
２６ａ入射端面
２６ｂ出射端面
２７ファイバフォルダ
２８切換ミラー
２９送光用ＮＤフィルタ
３１受光素子
３２集光レンズ
３３受光用ＮＤフィルタ
３４バンドパスフィルタ
４０演算制御回路
４１アクチュエータ
４２測距結果表示器
４３レンズ駆動手段
４４ＡＦ開始スイッチ
４５測距開始スイッチ
５０ＡＦ検出ユニット（位相差方式焦点検出手段）
５１焦点検出面
５２コンデンサレンズ
５２ａ５２ｂサブ群
５３セパレータレンズ
５４ラインセンサ
５５マスク

Claims

測定対象物を視準する視準望遠鏡；及び
この視準望遠鏡を介してその焦点状態を検出する焦点検出手段；
を備えたＡＦ測量機において、
上記焦点検出手段は、視準望遠鏡の対物レンズ上に設定された異なる一対の瞳範囲を通過した光束によって該対物レンズの結像面と等価な焦点検出面に結像する一対の像によりピント位置を検出する位相差方式の焦点検出手段であって、該異なる一対の瞳範囲を通過した光束を集光するコンデンサレンズ群と、該一対の瞳範囲を通過した光束をそれぞれラインセンサ上に結像させる一対のセパレータレンズ群とを備え、
かつ、上記コンデンサレンズ群は２群以上のサブ群からなり、これら２群以上のサブ群のうちの少なくとも一つのサブ群が、上記焦点検出面よりも対物レンズ側に位置していることを特徴とするＡＦ測量機。
請求項１記載のＡＦ測量機において、上記焦点検出面よりセパレータレンズ群側に位置するサブ群、セパレータレンズ群、及びラインセンサは、複数の仕様の異なるＡＦ測量機に共通のユニットとして構成され、上記焦点検出面よりも対物レンズ側に位置するサブ群が、仕様の異なるＡＦ測量機に応じて仕様が異なるＡＦ測量機。
請求項１または２記載のＡＦ測量機において、上記焦点検出面よりも対物レンズ側に位置するサブ群は、視準望遠鏡の光路を焦点検出手段に分岐する分岐光学系の出射面に形成されているＡＦ測量機。
請求項１から３のいずれか１項記載のＡＦ測量機において、さらに、上記視準望遠鏡を介して測距光を送光する送光系と、測定対象物からの反射光を受光する受光系とを有する光波距離計が備えられているＡＦ測量機。
請求項４記載のＡＦ測量機において、光波距離計の送光系は、対物レンズの光軸上に位置する反射部材を有するＡＦ測量機。
請求項４または５記載のＡＦ測量機において、光波距離計の構成要素は、対物レンズの光軸を通る直径方向に並べられており、上記一対の瞳範囲はこの並び方向と平行な縦長に設定されているＡＦ測量機。