JP3976850B2

JP3976850B2 - 測量機のレーザー光照射方向補正光学系

Info

Publication number: JP3976850B2
Application number: JP22874397A
Authority: JP
Inventors: 文夫大友; 郁夫石鍋; 純一古平
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH1163993A; US6253457B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を特定方向に照射する測量機のレーザー光照射方向補正光学系の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測量機には、例えば、レーザー光を水平面内で回転させて基準面を生成する回転レーザー照射装置を有するものが知られている。図９はその回転レーザー照射装置の一例を示している。この回転レーザー照射装置は、レーザー光源としての可視半導体レーザー１、コリメータレンズ２、傾斜角補正光学系３、レーザー回転走査光学系４を備えている。
【０００３】
その可視半導体レーザー１は発振器５ａとＬＤ駆動回路５ｂとからなるパルス駆動回路５により駆動される。コリメータレンズ２は可視半導体レーザー１から出射されたレーザー光を平行光束Ｐ１に変換する。その平行光束Ｐ１は傾斜角補正光学系３に入射される。
【０００４】
レーザー回転走査光学系４は鉛直方向指向光学系６とこれに入射したレーザー光を水平方向に反射するペンタプリズム７とを備えている。そのペンタプリズム７は回転載置台８に設けられ、これによりペンタプリズム７が回転され、レーザー光が水平面内で回転照射され、被照射対象に照射される。
【０００５】
傾斜角補正光学系３は、オイルバス１０、封入ガラス１１、１２からなるＸ面内傾き補正系とこのＸ面内傾き補正系に対して垂直なＹ面内傾き補正系とを備え、Ｘ面内傾き補正系はオイルバス１０、封入ガラス１１、１２、このオイルバス１２に封入されたオイル１３からなり、Ｙ面内傾き補正系は一対のプリズム１４、１５からなっている。オイル１３は装置本体の傾きに拘わらず水平に維持され、平行光束Ｐ１は装置本体の傾きに応じてオイル１３の裏面１３ａによりＸ面内での反射方向が補正されてＹ面内傾き補正系に導かれ、このＹ面内傾き補正系によりＹ面内での傾きが補正されて鉛直方向指向光学系６に導かれ、傾斜角補正光学系３は、可視半導体レーザー１と鉛直方向指向光学系６との間に存在して、可視半導体レーザー１から出射された平行光束Ｐ１の鉛直方向指向光学系６に入射する入射光軸θｉｎを装置本体の傾き姿勢に応じて補正する役割を果たす。
【０００６】
鉛直方向指向光学系６は、反射ミラー１６と光軸補正光学系１７とからなっている。光軸補正光学系１７は対物レンズ１８、１９からなっている。この光軸補正光学系１７は、入射されたレーザー光の出射光軸が鉛直方向（特定方向）を指向するように装置本体の傾き姿勢に応じて出射光軸を補正する役割を果たす。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、測量機では、被照射対象までの距離は実用上一定ではなく、各距離に応じて照射効率を変更可能とするために、レーザー光を被照射対象に合焦させる機能を光軸補正光学系１７に付加することが要望されている。すなわち、被照射対象にレーザー光を平行光束として照射するのではなくて、被照射対象にレーザー光を結像光束として照射することが要望されている。
【０００８】
特に、レーザー光が可視光の場合、レーザー光を平行光束として照射すると距離が遠くなるに従って見えにくくなるから、被照射対象にレーザー光を結像させることが望まれている。
【０００９】
しかしながら、従来の回転レーザー照射装置では、傾斜角補正光学系３で補正後に光軸補正光学系１７に入射させるため、光軸補正光学系１７の対物レンズ１８を光軸Ｏ方向に移動させて、被照射対象にレーザー光を合焦させようとすると、入射されたレーザー光の出射光軸が特定方向からずれ、以下に説明する理由により出射光軸の傾き補正精度が劣化するという問題点が発生する。
【００１０】
図１０（ａ）に示すように、対物レンズ１８に入射する平行光束の光軸補正光学系１７の光軸Ｏに対する入射光軸の傾き角度をθｉｎ、対物レンズ１９から出射される平行光束の光軸補正光学系１７に対する出射光軸の傾き角度をθｏｕｔ、対物レンズ１８の焦点距離をｆａ、対物レンズ１９の焦点距離をｆｂとし、対物レンズ１７の焦点と対物レンズ１８の焦点とを一致させると、対物レンズ１８に入射する平行光束は焦点位置ｆａでかつ像高ｙの位置に一旦結像され、対物レンズ１９から再び平行光束として出射され、入射光軸の角度θｉｎと出射光軸の傾き角度θｏｕｔとの間には、角倍率をｒとして、θｏｕｔ＝ｒ・θｉｎの関係がある。
【００１１】
但し、ｒ＝ｆａ／ｆｂ
次に、対物レンズ１９を図１０（ｂ）に破線で示すように光軸Ｏに沿って矢印方向に△Ｘだけ移動させることにより、被照射対象に結像させるものとすると、出射光軸の傾き角度θｏｕｔ（ｓ）が対物レンズ１９から被照射対象までの距離に応じて△θｏｕｔほど無限遠の場合の出射光軸の傾き角度θｏｕｔ（∞）に対して狂いが生じ、出射光軸の補正精度が劣化する。なお、Ｓは対物レンズ１９から被照射対象までの光軸方向の距離（結像位置までの距離）である。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、出射光軸の補正精度の劣化を避けつつ被照射対象にレーザー光を結像させることのできる測量機のレーザー光照射方向補正光学系を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の測量機のレーザー光照射方向補正光学系は、レーザー光源から出射されたレーザー光が入射されて装置本体の傾きを補正する傾斜角補正光学系と、該傾斜角補正光学系から出射されて入射するレーザー光の出射光軸が特定方向を指向するように前記傾斜角補正光学系と協働して該出射光軸を補正すると共に前記レーザー光を被照射対象に結像させる光軸補正光学系とを備え、
前記光軸補正光学系は光軸方向にいずれか一方のレンズが移動可能で前記被照射対象に対するレーザー光の結像位置が変化するようにしてレンズ間隔の変更可能な二群の対物レンズからなり、該二群の対物レンズは当該二群の対物レンズのうちの一方のレンズの光軸方向の移動にかかわらずその光軸上の合成前側主平面位置が実質的に固定されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の測量機のレーザー光照射方向補正光学系は、前記二群のレンズのうちレーザー光源側のレンズが光軸方向に移動可能であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
【００１９】
【発明の原理】
本発明の理解の容易化を図るために、対物レンズ１８、１９が図１に示すように薄肉レンズであるとして説明する。対物レンズ１８、１９の光軸Ｏ上の位置ＰＯ１、ＰＯ２はそのレンズの主平面の位置を示している。可視半導体レーザー１（レーザー光源）から出射されたレーザー光の平行光束Ｐ１は焦点距離ｆａの対物レンズ１８に入射し、そのレーザー光の入射光軸の傾き角度はθｉｎであり、像高ｙの光源像Ｓｏが形成される。その像高ｙの光源像Ｓｏは、この光源像Ｓｏから距離ｌだけ光軸方向に離れて配置された焦点距離ｆｂの対物レンズ１９により被照射対象に照射される。距離ｌと焦点距離ｆｂとが等しければ、対物レンズ１９から出射されたレーザー光は平行光束として照射され、その出射光軸の傾き角度はθｏｕｔとなる。距離ｌが焦点距離ｆｂよりも大きければ、対物レンズ１９から出射されたレーザー光は結像光束となる。
【００２０】
従って、対物レンズ１９の主平面の位置ＰＯ２を固定して、対物レンズ１９の焦点距離ｆｂが距離ｌよりも小さくなるように変化させれば、結像光束を得ることができる。また、出射光軸の傾き角度θoｕｔは距離ｌと像高ｙとの比（ｙ／ｌ）で決まるから、対物レンズ１９の主平面の位置ＰＯ２を固定すれば、出射光軸の角度θoｕｔは変化しない。なお、図１において、Ｂｅは対物レンズ１９によって得られた像高Ｙの二次光源像を示す。
【００２１】
そこで、以下に説明する発明の実施の形態を採用する。
【００２２】
【発明の実施の形態１】
対物レンズ１９を液体レンズ又は液晶等を用いた焦点距離可変レンズにより構成する。図２に示すように、光源像Ｓｏから対物レンズ１９までの距離をＳ１（発明の原理で説明した距離ｌと同じ）、対物レンズ１９から結像位置までの距離をＳ２とし、対物レンズ１９の主平面Ｈの光軸Ｏ上の位置ＰＯ２から右向きに図った場合を正、左向きに図った場合を負として、結像公式を作ると、
１／Ｓ２＝１／ｆｂ＋１／Ｓ１ …（１）
ｆｂ＝Ｓ１・Ｓ２／（Ｓ１−Ｓ２） …（２）
距離Ｓ２が∞のとき、（１）式からＳ１＝−ｆｂ（∞）である。ここで、ｆｂ（∞）は距離Ｓ２を無限大にしたときの対物レンズ１９の焦点距離を意味する。
【００２３】
従って、Ｓ１＝−ｆｂ（∞）を（２）式に代入すると、
ｆｂ＝−Ｓ２・ｆｂ（∞）／（−ｆｂ（∞）−Ｓ２）
上記式を変形して、
ｆｂ＝Ｓ２・ｆｂ（∞）／（ｆｂ（∞）＋Ｓ２） …（３）
従って、上記（３）式の条件を満足するように焦点距離ｆｂを変化させることにより、出射光軸の傾き角度θｏｕｔを一定として、レーザービームの結像位置を変化させることができる。何故なら、光源像Ｓｏから対物レンズ１９の主平面Ｈの位置ＰＯ２までの距離Ｓ１は、Ｓ１＝−ｆｂ（∞）＝ｌに固定されているからである。
【００２４】
すなわち、入射されたレーザー光の出射光軸が特定方向を指向するように装置本体の傾き姿勢に応じて前記出射光軸を補正する光軸補正光学系１７と、レーザー光源と光軸補正光学系１７との間に設けられて、レーザー光源から出射されたレーザー光の光軸補正光学系１７に入射する入射光軸を装置本体の傾き姿勢に応じて補正する傾斜角補正光学系３とを備えた測量機のレーザー光照射方向補正光学系において、光軸補正光学系１７の対物レンズ１９の光軸上の主平面Ｈの位置を固定し、かつ、レーザー光の結像位置を変更可能な焦点距離可変レンズを用いれば、出射光軸の補正精度の劣化を避けつつ被照射対象にレーザー光を結像させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態２】
ここでは、図３に示すように、対物レンズ１９が二群のレンズ１９ａ、１９ｂから構成されている。このレンズ１９ａ、１９ｂは光軸上に間隔ｄを開けて設けられている。ここでいう、間隔とはレンズの１９ａの中心からレンズ１９ｂの中心までの距離をいう。レンズ１９ａの焦点距離をｆ１、レンズ１９ｂの焦点距離をｆ２とすると、合成レンズの焦点距離ｆは、
１／ｆ＝（１／ｆ１）＋（１／ｆ２）−ｄ／（ｆ１・ｆ２）である。
【００２６】
この式を変形して、ｄを求めると、
ｄ＝−（ｆ１・ｆ２）／ｆ＋（ｆ１＋ｆ２） …（４）
また、合成レンズの合成前側主平面Ｈ１のレンズ１９ａからの距離をｏｌ、合成レンズの合成後側主平面Ｈ２のレンズ１９ｂからの距離をｏｋとすると、
ｏｌ＝ｄ・ｆ１／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）
ｏｋ＝−ｄ・ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）
である。
【００２７】
更に、レンズ１９ａから光源像Ｓｏまでの距離をＳ１、レンズ１９ｂから結像位置までの距離をＳ２’、右向きに測った場合を正、左向きに図った場合を負として、結像公式を作ると、
S2’＝f2・((f1・S1／(S1＋f1))−ｄ)／((f1・S1／(S1＋f1)−ｄ＋f2）
＝f2・(f1・S1−ｄ(S1＋f1)／(f1・S1＋(f2−ｄ)・(S1＋f1)) …（５）また、光源像Ｓｏから合成前側主平面Ｈ１までの距離をＬｌ、光源像Ｓｏから後側主平面までの距離をＬｋ、光源像Ｓｏからレンズ１９ｂまでの距離をＬとすると、
Ｌｌ＝−Ｓ１＋ｏｌ
Ｌｋ＝Ｌ＋ｏｋ
ここで、焦点距離ｆ１、ｆ２に基づく合成焦点距離ｆｂを変化させても、合成前側主平面Ｈ１の光軸上の位置（光源像Ｓｏからの距離Ｌ１）が一定であれば、出射光軸の傾き角度θｏｕｔは変化しない。
【００２８】
ここで、Ｓ２’＝∞のとき、Ｌ１＝ｆ（∞）の条件を満足させなければならないから、
Ｓ１＝−（ｆ（∞）−ｏｌ） …（６）
光源像Ｓｏからレンズ１９ｂまでの距離Ｌは
Ｌ＝−Ｓ１＋ｄ …（７）
従って、（６）式の条件を満たしながら、レンズ１９ａ、１９ｂの少なくとも一方を光軸方向に移動させて、（４）式により求められるレンズ間隔ｄを変化させて、合成焦点距離ｆを変化させれば、出射光軸の傾き角度θｏｕｔを一定に保ちながら、レーザー光の結像位置を変化させることができる。
【００２９】
ただし、距離Ｓ２’は、レンズ間隔ｄを変化させるため、光源像Ｓｏから測った距離Ｓ２が△Ｓ２’だけ変化することになるが、この変化量△Ｓ２’はＳ２’に較べて非常に小さいので、無視できる。
【００３０】
例えば、レンズ１９ａの焦点距離ｆ１を３４．５８ｍｍ、レンズ１９ｂの焦点距離ｆ２を７５ｍｍとした場合、光学系から結像位置までの距離を変化させた場合、レンズ１９ａのレンズ位置とレンズ１９ｂのレンズ位置とは図４に示すように変化し、合焦距離の誤差は図５に示すように変化し、各数値は以下の表１に示すように変化する。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の実施の形態３】
光源像Ｓｏから合成前側主平面Ｈ１までの距離Ｌ１を一定として説明したが、測量機の光学系の場合、対物レンズ１９には防水、防塵構造を採用するため、レンズ１９ｂを固定し、レンズ１９ａを移動させる内焦式の構成とするのが望ましい。
【００３３】
そこで、前記（７）式に注目して、
Ｌ＝−Ｓ１＋ｄ＝一定とする。
【００３４】
上記式をＳ１が求められるように変形すると、
Ｓ１＝ｄ−Ｌ …（８）
従って、Ｌが一定となるように、レンズ１９ａを移動させれば、距離Ｓ１を変化させて射出角θｏｕｔを実質上一定に保ちながら、合焦する機能を提供することができる。
【００３５】
実際には、光源像Ｓｏから合成前側主平面Ｈ１までの距離Ｌ１が変化するため、角倍率ｒが変化するので、射出光軸の傾き角度θｏｕｔが△θ変化する。
【００３６】
しかし、距離Ｌ１の変化はレンズの移動量に対して微小な値であり、実用上支障はない。
【００３７】
例えば、レンズ１９ｂの焦点距離ｆ２を７５ｍｍ、レンズ１９ａの焦点距離を２０ｍｍとしたときの各数値を表２に示し、各レンズ１９ａ、１９ｂの位置を図６に、距離Ｌ１の変化を１群のレンズと比較した例を図７に合焦距離の誤差を図８にそれぞれ示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
【発明の効果】
本発明の測量機のレーザー光照射方向補正光学系は、以上説明したように構成したので、出射光軸の補正精度の劣化を避けつつ被照射対象にレーザー光を結像させることのできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための光学模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１の光学模式図である。
【図３】本発明の実施の形態２の光学模式図である。
【図４】図４に示す合焦距離を変化させた場合の光源像に対するレンズ位置の変化を示すグラフである。
【図５】図４に示す合焦距離の誤差を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の実施の形態３の合焦距離を変化させた場合の光源像に対するレンズ位置の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態３の合焦距離を変化させた場合の光源像に対するレンズ位置の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態３の合焦距離の誤差を説明するためのグラフである。
【図９】従来のレーザー光照射方向補正光学系の一例を示す図である。
【図１０】従来のレーザー光照射方向補正光学系の不具合を説明するための図であって、（ａ）は無限遠にレーザー光を照射する場合のレンズ位置の説明図であり、（ｂ）は有限距離にレーザー光を照射結像させた場合のレーザー光の出射光軸の傾き角度と無限遠に照射した場合の出射光軸の傾き角度とのずれを説明するための図である。
【符号の説明】
１７…光軸補正光学系
１９…対物レンズ
Ｈ…主平面

Claims

レーザー光源から出射されたレーザー光が入射されて装置本体の傾きを補正する傾斜角補正光学系と、該傾斜角補正光学系から出射されて入射するレーザー光の出射光軸が特定方向を指向するように前記傾斜角補正光学系と協働して該出射光軸を補正すると共に前記レーザー光を被照射対象に結像させる光軸補正光学系とを備え、
前記光軸補正光学系は光軸方向にいずれか一方のレンズが移動可能で前記被照射対象に対するレーザー光の結像位置が変化するようにしてレンズ間隔の変更可能な二群の対物レンズからなり、該二群の対物レンズは当該二群の対物レンズのうちの一方のレンズの光軸方向の移動にかかわらずその光軸上の合成前側主平面位置が実質的に固定されている測量機のレーザー光照射方向補正光学系。
前記二群のレンズのうちレーザー光源側のレンズが光軸方向に移動可能である請求項１に記載の測量機のレーザー光照射方向補正光学系。