JP4799502B2 - 合焦式距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標物体で光が合焦するように送光し、目標物体で反射あるいは散乱された光を受光することによって、目標物体までの距離を測定する合焦式距離測定装置に関する。

光波を利用した距離測定装置が知られている。光波による距離測定は、変調光を目標物体に向けて送出し、目標物体で反射される反射光を受光して送出光と受光光との間で変調信号の位相差を検出することにより、目標物体までの距離を求める。このような距離測定装置は、目標物体としてコーナーキューブ（プリズム）を用いて変調光を反射させ、この反射光を受光して距離測定するものと、コーナーキューブと異なる目標対象物の表面で変調光を散乱させ、この散乱光を受光して距離測定するものとがある。このうち、コーナーキューブを用いずに距離測定を行うものは、ノンプリズム方式と呼ばれる。目標対象物で散乱される散乱光は、コーナーキューブによる反射光と比較して受光光束の光量が著しく低い(およそ１／１００万)。このため、合焦式距離測定装置では、測定光束を目標対象物上に集光するように対物レンズから目標対象物に向けて測定光（変調光）を射出するとともに、目標対象物による散乱光を対物レンズを介して受光素子上に集光し、受光光量を多くするように構成されている。このような合焦式距離測定装置で、目標物体としてコーナーキューブを用いたいという要求がある。

目標物体にコーナーキューブを用いるとき、コーナーキューブの位置がずれたり、コーナーキューブが揺れたりすると、合焦式距離測定装置の視準位置がコーナーキューブの中心からずれる。測定光束がコーナーキューブの中心からずれた位置に入射されると、コーナーキューブの中心に対して測定光束の入射点と対称となる位置から反射光が射出される。この反射光は、合焦式距離測定装置の視準位置、すなわち、光軸から外れた位置から発した光束として対物レンズを通過し、光軸から外れた位置に像を結ぶ。一般に、受光素子は光軸上に配設されるので、受光素子に入射される光量がコーナーキューブの揺れにともなって変化し、距離測定に支障をきたす。コーナーキューブの揺れは、目標物体までの距離が短い近距離測定の場合に、とくに問題となりやすい。

本発明の目的は、近距離（数十メートル以下）におけるコーナーキューブを用いた距離測定を行いやすくした合焦式距離測定装置を提供することにある。

請求項１の発明による合焦式距離測定装置は、目標物を視準する視準光学系と、前記目標物に測定光束を送光する送光光学系と、前記目標物上に前記測定光束を集光する合焦光学系と、前記目標物により反射された反射光束を前記合焦光学系を介して集光して受光する受光光学系と、前記受光光学系によって集光された前記反射光束を受光する受光素子と、前記受光光学系の光路に挿脱可能に配置され、前記受光光学系の光路に挿入された時に、前記反射光束を前記受光素子に向けて偏向する偏向手段と、前記偏向手段を前記受光光学系の光路に挿入し、及びそこから退出させる駆動機構と、前記目標物にコーナーキューブを用いて近距離測定を行うプリズムモードを設定する操作部材と、前記測定光束と前記反射光束との位相差により前記目標物までの距離を計算すると共に、前記操作部材によって前記プリズムモードが設定されたときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路中に挿入させ、前記偏向手段の挿入時における前記受光素子の出力が所定の値を超えるときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路から退出させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
請求項３の発明による合焦式距離測定装置は、目標物を視準する視準光学系と、前記目標物に測定光束を送光する送光光学系と、前記目標物上に前記測定光束を集光する合焦光学系と、前記目標物により反射された反射光束を前記合焦光学系を介して集光して受光する受光光学系と、前記受光光学系によって集光された前記反射光束を受光する受光素子と、前記受光光学系の光路に挿脱可能に配置され、前記受光光学系の光路に挿入された時に、前記反射光束を前記受光素子に向けて偏向する偏向手段と、前記偏向手段を前記受光光学系の光路に挿入し、及びそこから退出させる駆動機構と、前記目標物にコーナーキューブを用いて近距離測定を行うプリズムモードを設定する操作部材と、前記測定光束と前記反射光束との位相差により前記目標物までの距離を計算すると共に、前記操作部材によって前記プリズムモードが設定されたときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路中に挿入させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明をわかりやすく説明するために実施の形態の図と対応づけたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。

本発明によれば、送光光学系によって測定光束を目標物に送光するとともに当該測定光束を目標物に集光させ、この目標物から反射される反射光束を受光して距離測定する合焦式距離測定装置において、測定光束の集光状態を変えたり、反射光束の集光状態を変えたりするようにした。この結果、たとえば、目標物にコーナーキューブ（プリズム）を使用して近距離測定を行う場合に、コーナーキューブが揺れても距離測定が行いやすい合焦式距離測定装置を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
−第一の実施の形態−
図１は、合焦式距離測定装置の光学系の基本構成を説明する図である。図１において、ＬＤ（レーザーダイオード）７に不図示の駆動回路からパルス電流が供給され、ＬＤ７がパルス変調された測定光を発する。ＬＤ７から射出されるパルス光は、分割プリズム６を経てダイクロイックプリズム３に入射される。ダイクロイックプリズム３は、ＬＤ７による赤外光を反射し、可視光領域の光を通過する特性を有する。ダイクロイックプリズム３に入射されたパルス光は、ダイクロイックプリズム３内で反射され、合焦レンズ２および対物レンズ１を介して目標対象物９に向けて射出される。

ＬＤ７からの測定光によって生じる目標対象物９からの反射光（散乱光）は、対物レンズ１および合焦レンズ２を介してダイクロイックプリズム３に入射される。ダイクロイックプリズム３に入射された散乱光は、ダイクロイックプリズム３内で反射され、分割プリズム６を経てＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）８に入射される。一方、目標対象物９を照明する照明光（自然光など）によって生じる目標対象物９からの反射光（散乱光）は、対物レンズ１および合焦レンズ２を介してダイクロイックプリズム３に入射され、可視光成分がダイクロイックプリズム３を通過して焦点板４上に目標対象物９の像を形成する。焦点板４上に形成された目標対象物９の像は、接眼レンズ５を通して使用者によって観察される。

図１において、ＬＤ７、ＡＰＤ８および焦点板４は光学的に共役に配設されている。したがって、合焦レンズ２を光軸に沿って図１の左右方向に駆動して目標対象物９に合焦させた状態では、測定光束は目標対象物９上に集光される。このとき、目標対象物９からの反射光（散乱光）もＡＰＤ８に集光される。以上により、合焦式距離測定装置の送光光学系、受光光学系および視準光学系が構成される。

図２は、本発明の第一の実施の形態による合焦式距離測定装置の送光光学系を説明する図である。距離測定の際の目標物体として、コーナーキューブ１０が用いられる。コーナーキューブ１０は図に示すような直交する反射面を有し、入射光に平行な反射光を射出するプリズムによって構成される。図２において、合焦レンズ、分割プリズム、ダイクロイックプリズム、および視準光学系（焦点板、接眼レンズ）などは省略されている。ＬＤ７と対物レンズ１との間に、拡散作用を備える偏向板（拡散板）１２が配設される。もし、偏向板１２が省略されると、ＬＤ７から射出される測定光束は、図２の点線で示されるように目標物体であるコーナーキューブ１０の中心に集光される。これに対し、偏向板１２が配設されると、偏向板１２から射出される測定光束は、図２の実線で示されるように当該偏向板１２を新たな光源位置としてコーナーキューブ１０に向けて進行し、コーナーキューブ１０に広がりを持った光束として照射される。すなわち、測定光束は、コーナーキューブ１０上においてデフォーカス状態にされる。

図３は、図２の送光光学系によって得られる反射光を受光する受光光学系を含めた光学系を示す図である。実際の反射光は、コーナーキューブ１０の表面において折り返されるが、図３ではわかりやすく表すために、反射光を折り返さずに記している。つまり、実際には対物レンズ１および１'は同一のレンズである。

図３において、ＬＤ７から射出される測定光束は、実線で示されるように対物レンズ１を介してコーナーキューブ１０上にデフォーカス状態で照射される。目標物体がコーナーキューブ１０のため、測定光束のデフォーカスの状態は反射後も保持され、デフォーカス状態の反射光束がコーナーキューブ１０から射出される。この反射光束は、対物レンズ１'によりＡＰＤ８上に集光される。なお、図３において不図示の合焦レンズは、視準光学系の合焦位置に調節されている。

偏向板１２を配設することにより、送光光学系と受光光学系の共役関係が失われ、ＡＰＤ８の受光面において反射光束（受光光束）が結像されなくなる。しかしながら、ＡＰＤ８は、その受光面への入射光量に応じた光電流を出力すればよいので、少なくとも反射光束が受光面に入射されていれば、その受光面上で結像されているか否かは問題にならない。図３は、コーナーキューブ１０から反射射出される光束がｈで示される範囲内にあれば、反射光がＡＰＤ８で受光されることを示している。本実施の形態は、距離測定の際に目標物体としてコーナーキューブ１０を用いる場合に、ＬＤ７と対物レンズ１との間に偏向板１２を挿入し、反射光束をＡＰＤ８上に入射しやすくすることに特徴を有する。

偏向板１２が省略される場合を図３で説明する。ＬＤ７から射出される測定光束は、点線で示されるように対物レンズ１を介してコーナーキューブ１０の中心にフォーカスを結ぶ状態で照射される。反射光束は、コーナーキューブ１０の中心を新たな光源位置として対物レンズ１'に向かって進行し、対物レンズ１'によりＡＰＤ８上に結像される。この場合には、コーナーキューブ１０の中心が光軸ＡＸ上、もしくは光軸ＡＸに近接している場合にのみ、反射光束がＡＰＤ８で受光される。つまり、図３に点線で示される光束は、コーナーキューブ１０の中心が光軸ＡＸからずれると、反射光束がＡＰＤ８上に集光されにくくなることを示している。

図４は、平行光束が対物レンズ１'に入射される場合に、コーナーキューブ１０の中心の光軸ＡＸからのずれと、受光光束の光軸ＡＸからのずれとを説明する図である。図４において、Ｄはコーナーキューブ１０から対物レンズ１'までの距離、Ｌは対物レンズ１'から受光光束（反射光束）の結像位置までの距離、Ｓはコーナーキューブ１０の視準ずれによって生じる光軸ＡＸから反射光束までの距離(シフト量)、Ｙは光軸ＡＸから受光光束の結像位置までの距離である。これら各距離の間には、次式（１）の関係が成立する。

(数１)
Ｙ＝（Ｓ×Ｌ）／Ｄ （１）

たとえば、距離測定装置の光学系でＬ＝２００ｍｍ、Ｓ＝１０ｍｍとする場合、コーナーキューブ１０から対物レンズ１'までの距離Ｄを短くすると、光軸ＡＸから受光光束の結像位置までの距離ＹはＤの変化に反比例して次のように大きくなる。
Ｄ Ｌ Ｓ Ｙ
２０ｍ ２００ｍｍ １０ｍｍ ０．１ｍｍ
１０ｍ ２００ｍｍ １０ｍｍ ０．２ｍｍ
５ｍ ２００ｍｍ １０ｍｍ ０．４ｍｍ
２ｍ ２００ｍｍ １０ｍｍ １．０ｍｍ
上記数値は、コーナーキューブ１０から対物レンズ１'までの距離Ｄが２０ｍ以下になると、光軸ＡＸから受光光束の結像位置までの距離Ｙが０．１ｍｍ以上になることを示している。一般に、ＡＰＤ８の受光面積は数十μｍφ〜０．２ｍｍφである。このため、入射光束が光軸ＡＸからずれることによってＹが０．１ｍｍ以上になると、光軸ＡＸ上に配設されるＡＰＤ８の受光面には受光光束が入射されなくなってしまう。このような場合に、ＬＤ７と対物レンズ１との間に偏向板１２を挿入し、コーナーキューブ１０にデフォーカス状態の測定光束を入射させることで、反射光束がＡＰＤ８上に入射されるようになる。なお、上記数値例による光学系では、距離Ｄが２０ｍ以上になると光軸ＡＸから受光光束の結像位置までの距離Ｙが０．１ｍｍ以下になるので、偏向板１２を挿入する必要がない。

合焦式距離測定装置では、ＡＰＤ８で受光される光量が目標物体までの距離Ｄ、目標物体の材質および表面処理により大きく変化する。そこで、ＡＰＤ８に入射される光量を一定に調整するために光可変減衰器が備えられている。この光可変減衰器は、たとえば、段階的な濃度変化を持つＮＤフィルタ等を光路上に回動可能に挿入して構成される。光可変減衰器が挿入される光路は、ＬＤ７と対物レンズ１との間である。

図５は、ＮＤフィルタを説明する図である。ＮＤフィルタは、中心Ｏの円形フィルムの周囲に、点Ｐから点Ｑにかけて帯状に濃淡が形成されたものである。点Ｐの部分の濃度を最高にして時計回り方向に徐々に濃度が低くなり、点Ｑの部分の濃度が最も低い。点Ｒの部分には拡散板が貼りつけられている。ＮＤフィルタは、中心Ｏを回転中心にしてモータＭによって回転駆動される。これにより、光路中に挿入される部分の濃淡が変化し、光減衰量が調整される。モータＭが光路中に拡散板を挿入する状態で停止すると、上述した偏向板１２が配設された状態に相当する。

モータＭは、たとえば、ステッピングモータであり、制御回路５１から送出される駆動パルス信号に応じて回転角が制御される。制御回路５１は、ＡＰＤ８から出力される光電流に基づいて必要な減衰量を演算し、当該減衰量を得るのに必要なＮＤフィルタの濃淡部を光路中に挿入するように、モータＭを回転させるパルス信号を生成する。制御回路５１は、偏向板１２が必要な場合に当該偏向板１２を光路中に挿入するように、モータＭを回転させるパルス信号を生成する。

制御回路５１にはコーナーキューブ使用ボタン５２、およびコーナーキューブ非使用ボタン５３から操作信号がそれぞれ入力される。制御回路５１は、コーナーキューブ使用ボタン５２から操作信号が入力されるとプリズムモードと判定し、コーナーキューブ非使用ボタン５３から操作信号が入力されると、ノンプリズムモードと判定する。プリズムモードは目標物体としてコーナーキューブを用いて測距する動作モードであり、ノンプリズムモードはコーナーキューブを用いずに測距する動作モードである。

以上説明した合焦式距離測定装置の制御回路５１で行われる測距処理を、図６のフローチャートを参照して説明する。第一の実施の形態では、合焦式距離測定装置がプリズムモードに設定されているとき、必要に応じて偏向板１２をＬＤ７と対物レンズ１との間に挿入する。ステップＳ１１において、制御回路５１は、プリズムモードに設定されているか否かを判定する。プリズムモードに設定されている場合はステップＳ１１を肯定判定してステップＳ１２へ進み、プリズムモードに設定されていない場合はステップＳ１１を否定判定してステップＳ２０へ進む。

ステップＳ１２において、制御回路５１は、測定がスタートされたか否かを判定する。不図示のスタートボタンから操作信号が入力された場合に、ステップＳ１２を肯定判定してステップＳ１３へ進み、スタートボタンから操作信号が入力されていない場合に、ステップＳ１２を否定判定してステップＳ１１へ戻る。ステップＳ１３において、制御回路５１は、ＬＤ７をパルス発光させる指令を出力してステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４において、制御回路５１は、偏向板１２を挿入する必要の有無を判定する。制御回路５１は、ＡＰＤ８から出力される光電流の値が所定値より小さいか、光電流の値が大幅（たとえば、１０００倍以上）に変化する場合にステップＳ１４を肯定判定してステップＳ１５へ進む。光電流の値が所定値より小さいことは、受光レベルが低いことを意味する。一方、光電流の値が所定値以上、かつ光電流の値の変化が少ない場合にステップＳ１４を否定判定してステップＳ１８へ進む。光電流の値が大幅に変化する場合とは、コーナーキューブ１０に揺れが生じて視準位置からずれることにより、反射光束がＡＰＤ８上に集光されたりされなかったりして受光レベルが大きく変化する状態である。

ステップＳ１５において、制御回路５１は、偏向板１２を光路中に挿入するように、モータＭを回転させるパルス信号を出力してステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６において、制御回路５１は、ＬＤ７をパルス発光させる指令を出力してステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７において、制御回路５１は、送出されるパルス光のタイミングと、ＡＰＤ８から出力される光電流のタイミングとの位相差から目標物体までの距離を計算し、図６による処理を終了する。

上述したステップＳ１４で否定判定されて進むステップＳ１８において、制御回路５１は、ＡＰＤ８から出力される光電流の値を所定の範囲内にするように減衰量を演算し、演算した減衰量を得るためのパルス信号をモータＭに出力してステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９において、制御回路５１は、ＬＤ７をパルス発光させる指令を出力してステップＳ１７へ進む。

一方、プリズムモードに設定されていない場合に進むステップＳ２０において、制御回路５１は周知のノンプリズムモードの測定処理を行い、図６による処理を終了する。

一般に、目標対象物９の表面で散乱される散乱光のレベルは、コーナーキューブ１０による反射光のレベルに比べて約１／１００万低いものとなる。このため、散乱光を受光対象とするノンプリズムモードの測定に適するように、受光光学系の受光感度が高く設定されている。この受光感度でコーナーキューブ１０から反射される反射光を受光対象とするプリズムモードの測定を行うと、受光光量が多過ぎて信号レベルが高くなり過ぎる。そこで、ステップＳ２０で否定判定して受光光束を減衰させることによって、ノンプリズムモード時とプリズムモード時とで実際にＡＰＤ８に入射される光量をほぼ同じレベルにするように調整している。

以上説明した第一の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）コーナーキューブ１０と異なる目標対象物９を使用するノンプリズムモード、およびコーナーキューブ１０を使用するプリズムモードのそれぞれで測距を行う合焦式距離測定装置において、プリズムモードに設定されているとき、ＡＰＤ８で受光される受光光量が所定値より少ないか、受光光量が大幅（たとえば、１０００倍以上）に変化する場合に、測定光を発するＬＤ７と対物レンズ１との間に偏向板１２を挿入するようにした。これにより、コーナーキューブ１０にデフォーカス状態の測定光束が入射される結果、反射光束をＡＰＤ８上に集光できるようになる。とくに、対物レンズ１とコーナーキューブ１０との距離Ｄが短かく、コーナーキューブ１０に揺れが生じている場合に効果がある。

（２）ＡＰＤ８で受光される受光光量が所定値より多い場合、ＬＤ７と対物レンズ１との間の光路中に挿入するＮＤフィルタの濃度を変化させ、ＡＰＤ８による受光光量をほぼ一定にするようにした。ＡＰＤ８から出力される光電流をほぼ同じ値に調整できる結果、散乱光のレベルが異なる場合でもＡＰＤ８以降の受光回路のゲインを変化させることなく共通に使用できるから、ゲイン可変とする場合に比べてコストを低減できる。

（３）上記偏向板１２をＮＤフィルタを構成する円形フィルムの一部に張りつけるようにしたので、偏向板１２を光路中に挿入するための光学系を新たに追加しなくてよいので、装置の小型化およびコスト低減に効果が得られる。

以上の説明では、偏向板１２が光路中に挿入されている状態ではＮＤフィルタによる光減衰量を変化させなかったが、偏向板１２の挿入時に当該フィルタによる光減衰量を変化させる構成にしてもよい。この場合には、円形フィルムに形成されている濃淡の異なる部分にそれぞれ複数の偏向板を貼り付け、光路中に挿入される偏向板を変えて当該フィルタによる減衰量を可変にする。

上述したステップＳ１４において、制御回路５１が偏向板１２の要／不要の判定を行い、肯定判定した場合に偏向板１２を光路中に挿入するようにした。この代わりに、合焦式距離測定装置に不図示の近距離測定ボタンを設け、使用者によって近距離測定ボタンが操作されたか否かを判定することにより、当該近距離測定ボタンが操作された場合に偏向板１２を光路中に挿入するようにしてもよい。

拡散作用を備える偏向板１２の代わりに、屈折作用を備える偏向板を用いてもよい。図７は、第一の実施の形態による送光光学系の変形例を説明する図である。合焦レンズ、分割プリズム、ダイクロイックプリズム、および視準光学系（焦点板、接眼レンズ）などは省略されている。図７において、ＬＤ７と対物レンズ１との間に屈折作用を備える凹レンズによる偏向板１２Ａが配設される。偏向板１２Ａから射出される測定光束は、図７の実線で示されるように当該偏向板１２Ａを新たな光源位置としてコーナーキューブ１０に向けて進行し、コーナーキューブ１０に広がりを持った光束として照射される。つまり、凹レンズを用いても、測定光束をコーナーキューブ１０上でデフォーカス状態にできる。

拡散作用を備える偏向板の具体例としては、表面に微小な凹凸面を有する、薄板ガラスやアクリル製やポリカーボネート製の透明樹脂基板を使用することができる。また、屈折作用を備える偏向板の具体例としては、表面に回折溝を有するアクリル製やポリカーボネート製の透明樹脂基板を使用することができる。

−第二の実施の形態−
第二の実施の形態では、合焦式距離測定装置がプリズムモードに設定されているとき、ＬＤ７と対物レンズ１との間に挿入される偏向板（拡散板）１２が必要に応じて抜かれる。第二の実施の形態による合焦式距離測定装置の制御回路５１で行われる測距処理を、図８のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ３１において、制御回路５１は、プリズムモードに設定されているか否かを判定する。プリズムモードに設定されている場合はステップＳ３１を肯定判定してステップＳ３２へ進み、プリズムモードに設定されていない場合はステップＳ３１を否定判定してステップＳ４０へ進む。

ステップＳ３２において、制御回路５１は、偏向板１２を光路中に挿入するように、モータＭを回転させるパルス信号を出力してステップＳ３３へ進む。ステップＳ３３において、制御回路５１は、測定がスタートされたか否かを判定する。不図示のスタートボタンから操作信号が入力された場合に、ステップＳ３３を肯定判定してステップＳ３４へ進み、スタートボタンから操作信号が入力されていない場合に、ステップＳ３３を否定判定してステップＳ３１へ戻る。

ステップＳ３４において、制御回路５１は、ＬＤ７をパルス発光させる指令を出力してステップＳ３５へ進む。ステップＳ３５において、制御回路５１は、偏向板１２を抜く必要の有無を判定する。制御回路５１は、ＡＰＤ８から出力される光電流の値が所定値以上、かつ光電流の値が大幅（たとえば、１０００倍以上）に変化しない場合に、ステップＳ３５を肯定判定してステップＳ３６へ進む。一方、光電流の値が所定値より小さいか、光電流の値が大幅に変化する場合に、ステップＳ３５を否定判定してステップＳ３９へ進む。

ステップＳ３６において、制御回路５１は、偏向板１２を光路中から抜くように、モータＭを回転させるパルス信号を出力してステップＳ３７へ進む。ステップＳ３７において、制御回路５１は、ＡＰＤ８から出力される光電流の値を所定の範囲内にするように減衰量を演算し、演算した減衰量を得るためのパルス信号をモータＭに出力してステップＳ３８へ進む。ステップＳ３８において、制御回路５１は、ＬＤ７をパルス発光させる指令を出力してステップＳ３９へ進む。

ステップＳ３９において、制御回路５１は、送出されるパルス光のタイミングと、ＡＰＤ８から出力される光電流のタイミングとの位相差から目標物体までの距離を計算し、図８による処理を終了する。一方、プリズムモードに設定されていない場合に進むステップＳ４０において、制御回路５１は、周知のノンプリズムモードの測定処理を行い、図８による処理を終了する。

以上説明した第二の実施の形態でも、第一の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

−第三の実施の形態−
第三の実施の形態では、目標物体としてコーナーキューブ１０を用いる場合に、対物レンズ１とＡＰＤ８との間に偏向板を挿入し、反射光束をＡＰＤ８上に入射しやすくすることに特徴を有する。図９は、本発明の第三の実施の形態による合焦式距離測定装置の受光光学系を説明する図である。図９において、合焦レンズ、分割プリズム、ダイクロイックプリズム、および視準光学系（焦点板、接眼レンズ）などは省略されている。第一の実施の形態に比べて、測定光を発するＬＤ７と対物レンズ１との間の偏向板１２が省略され、対物レンズ１'とＡＰＤ８との間に拡散作用を備える偏向板（拡散板）１２Ｂが配設される。

図９において、コーナーキューブ１０の中心は、当該コーナーキューブの揺れなどによって光軸ＡＸに対してＳ／２の距離のずれを有する。測定光束がコーナーキューブ１０の中心からＳ／２ずれた位置Ｍに入射されると、コーナーキューブの中心に対して測定光束の入射点と対称となる位置Ｎから反射光が射出される。この結果、反射光は合焦式距離測定装置の視準位置、すなわち、光軸ＡＸから距離Ｓを隔てた位置から発した光束として対物レンズ１'を通過し、光軸ＡＸから距離Ｙを隔てた位置Ｘに像を結ぼうとする。

ところが、偏向板１２Ｂが配設される結果として、偏向板１２Ｂから射出される反射光束は、当該偏向板１２Ｂによって拡散して進行し、その一部がＡＰＤ８の受光面に入射されるようになる。

合焦式距離測定装置では、上述したように、ＡＰＤ８で受光される光量が目標物体までの距離Ｄ、目標物体の材質および表面処理により大きく変化する。そこで、ＡＰＤ８に入射される光量を一定に調整するために、対物レンズ１'とＡＰＤ８との間の光路中に光可変減衰器が備えられる。偏向板１２Ｂは、第一の実施の形態と同様に、当該光可変減衰器を構成するＮＤフィルタの一部に貼り付けられる。制御回路５１がモータＭを回転させるパルス信号を出力すると、モータＭが円形のＮＤフィルタを回転駆動し、ＮＤフィルタの所望の濃淡部分、もしくは偏向板１２Ｂが光路中に挿入される。

偏向板１２Ｂを光路中に挿入するか否かの判定は、上述した第一および第二の実施形態における偏向板１２を挿入するか否かの判定処理と同様に行えばよい。

以上説明した第三の実施の形態によれば、測定光を発するＬＤ７と対物レンズ１との間に偏向板１２を挿入する代わりに、対物レンズ１'とＡＰＤ８との間に偏向板１２Ｂを挿入するようにした。これにより、対物レンズ１'を通過した反射光束が散乱される結果、光軸ＡＸから離れた反射光束の一部がＡＰＤ８で受光されるようになる。とくに、対物レンズ１とコーナーキューブ１０との距離Ｄが短かく、コーナーキューブ１０に揺れが生じている場合に効果がある。

図１０は、偏向板１２Ｃを常に固定して配設する場合を説明する図である。この場合には、ノンプリズムモードにおいて散乱光による受光光束が通過する光軸ＡＸ上の光路を遮らない様にすることが好ましい。そこで、図１０において点線で示す散乱光の光路を遮らないように、光軸ＡＸを中心に同心円状にくりぬいた形状の偏向板１２Ｃを用いる。この偏向板１２Ｃを用いることにより、ノンプリズムモードの測定時に散乱光を偏向板１２Ｃでさらに減衰させることがないから、コーナーキューブによる反射光に比べて非常に光量が少ない散乱光が光量不足になることを防止できる。なお、この場合には、受光光量調整用のＮＤフィルタが別に設けられる。

図９の偏向板１２Ｂの代わりに、屈折作用を備える偏向板を用いてもよい。図１１は、第三の実施の形態による受光光学系の変形例を説明する図である。図１１において、合焦レンズ、分割プリズム、ダイクロイックプリズム、および視準光学系（焦点板、接眼レンズ）などは省略されている。対物レンズ１'とＡＰＤ８との間に、屈折作用を備える凸レンズによる偏向板１２Ｄが配設される。偏向板１２Ｄから射出される反射光束は、ＡＰＤ８の受光面に向けて進行する。つまり、凸レンズを用いても反射光束をＡＰＤ８で受光させることができる。

さらに、自由曲面を備える偏向板を用いるようにしてもよい。図１２において、対物レンズ１'とＡＰＤ８との間に反射作用を備える偏向板１２Ｅが配設される。偏向板１２Ｅから射出される反射光束は、ＡＰＤ８の受光面に向けて進行する。つまり、反射板を用いても反射光束をＡＰＤ８で受光させることができる。

以上説明した各種の偏向板は、それぞれ単独で使用しても、複数の偏向板を組み合わせて使用してもよい。

上述した各偏向板は、いずれも図１においてダイクロイックプリズム３よりＬＤ７側、もしくはＡＰＤ８側に挿入される。したがって、送光光学系もしくは受光光学系において挿入される偏向板は、可視光による像を観察する視準光学系に何ら影響を与えるものではない。

−第四の実施の形態−
図１３は、第四の実施形態の光学系の基本構成を説明する図である。図１の光学系に切替えシャッタ−２０を付加した構成である。切替えシャッタ−はＬＤ７から発せられたパルス光を、目標対象物に導く外部光路あるいは内部光路のいずれかに切替えるシャッターである。

内部光路とは、電子回路に使用される受光素子等の素子が温度により特性が変化することに起因する測定誤差をキャンセルために設けられている光路である。高精度の距離測定装置では、外部光路で測定した距離から内部光路で測定した距離を減じて距離測定装置から目標対象物までの距離を求める。

本実施例では、切替えシャッタ−２０を回転することによって、内部光路と外部光路とを切替える。図１４は第四の実施の形態の切替えシャッター２０を正面から（光軸方向から）見た図である。切替えシャッタ−２０は略円形であり、その外縁の一部に内部回路用窓２１が設けられている。また、シャッタの一部を扇形に切り取った外部回路用窓２２、２３が設けられている。外部回路用窓２２は単なる開口であるが、もう一つの外部光路用窓２３には拡散作用のある光学部材２４が設けられ、パルス光がこの窓を通過する時に光束が拡散される。切替えシャッタ−２０の中心にはモーターに取付けられた回転軸があり、モーターにより回転を制御することにより光路を選択する。

本実施の形態の装置ではＬＤ７が固定され、ＬＤ７から送光される光束の位置は変わらず切替えシャッタ−２０を回転させるが、図１５では便宜的に、切替えシャッタ−２０を固定し、光束の位置を変化させて説明する。目標対象物にコーナーキューブを用いずに測定光束を照射する場合には、光束が２５Ａで示す位置となる様に切替えシャッタ−２０を制御する。光束２５Ａのシャッター２０の内側に位置する半分は外部光路用窓２２を通過し分割プリズム６へと進み、ダイクロイックプリズム３内で反射され、合焦レンズ２及び対物レンズ１を介して目標対象物９に向けて射出される。外部光路用窓２２を通過した測定光束は目標対象物９で集光する。

また、内部光路の測定を行うときには光束が２５Ｂで示す位置となる様に切替えシャッタ−２０を制御する。光束２５Ｂのシャッター２０の内側に位置する半分はシャッターで遮蔽され、外側の半分が内部光路用窓２１を通過し、図示しないＮＤフィルターを通過し、内部光路用プリズムで反射されＡＰＤ８で受光される。

コーナーキューブを目標対象物とするような場合は光束が２５Ｃで示す位置となる様に切替えシャッタ−２０を制御する。光束２５Ｃのシャッタ−２０の外側に位置する半分はシャッターで遮蔽され、他方の半分は外部光路用窓２３を通過する。外部光路用窓２３には拡散部材２４が設けられているため、ＬＤ７から射出された光束は拡散される。拡散された測定光束は、分割プリズム６へと進み、ダイクロイックプリズム３内で反射され、合焦レンズ２及び対物レンズ１を介して目標対象物９に向けて射出される。

測定時には目標対象物を視準光学系で視準し確認しながら測定する。そのため、合焦レンズ２は視準光学系が目標対象物に合焦する位置に調節される。しかし、拡散部材２４が有るために視準光学系との共役関係が失われ、視準光学系ではコーナーキューブ１０上に合焦しても、測定光束はコーナーキューブ１０に集光せずデフォーカスした状態となる。このように、コーナーキューブ１０上では集光せずに測定光束の照射する面積が大きくなるため、コーナーキューブ１０の揺れ等の理由で測定光束の中心がコーナーキューブ１０の中心からずれても、ＡＰＤ８はコーナーキューブ１０からの反射光を受光することが出来る。

第四の実施形態では、切替えシャッター上に集光状態を変化させる偏向手段として拡散部材を設けたが、これに限らず屈折作用を備える部材を設けても良い。

また、円形の切替えシャッタ―を回転して光路を切替える代わりに、シャッターを挿抜して光路を切替える構成としても良い。

第四の実施の形態では、従来から配置されている内部光路と外部光路とを切替えるために設けられていた切替えシャッター上に新たな窓を設け、その窓に偏向光学部材を追加した構成である。そのため、新たな挿抜機構を追加することなく目的を達成することが出来る。

さらに、切替えシャッターの制御即ち送光光学系への偏向手段の挿入は、第１および第２の実施の形態で説明した様な方法で行っても良い。

以上の説明では、パルスを用いる測距方式を例にあげて説明したが、異なる他の測距方式に本発明を適用してもよい。たとえば、変調光の位相差を用いる測距方式にも本発明を適用できる。

特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明すると、目標対象物９およびコーナーキューブ１０が目標物に、対物レンズ１(１')、ダイクロイックプリズム３、焦点板４および接眼レンズ５が視準光学系に、ＬＤ７、分割プリズム６、ダイクロイックプリズム３、および対物レンズ１(１')が送光光学系に、合焦レンズ２が合焦光学系に、ＡＰＤ８、分割プリズム６、ダイクロイックプリズム３、および対物レンズ１(１')が受光光学系に、偏向板１２(１２Ａ)、偏向板１２Ｂ(１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ)、拡散部材２４が偏向手段に、コーナーキューブ使用ボタン５２が第１の操作部材および操作部材に、デフォーカス状態の測定光束を入射させることが集光状態の変化に、近距離測定ボタン(不図示)が第２の操作部材に、ＮＤフィルタが光減衰器に、偏向板から射出される反射光束をＡＰＤ８の受光面に向けて進行させることが集光状態の変化に、それぞれ対応する。

合焦式距離測定装置の光学系の基本構成を説明する図である。 第一の実施の形態による合焦式距離測定装置の送光光学系を説明する図である。 受光光学系を含めた光学系を示す図である。 平行光束が対物レンズに入射される場合のコーナーキューブの中心の光軸からのずれと、受光光束の光軸からのずれとを説明する図である。 ＮＤフィルタを説明する図である。 制御回路で行われる測距処理を説明するフローチャートである。 送光光学系の変形例を説明する図である。 第二の実施の形態による制御回路で行われる測距処理を説明するフローチャートである。 第三の実施の形態による合焦式距離測定装置の受光光学系を説明する図である。 偏向板を常に固定して配設する場合を説明する図である。 受光光学系の変形例を説明する図である。 受光光学系の別の変形例を説明する図である。 第四の実施の形態による合焦式距離測定装置の光学系を示す図である。 第四の実施の形態の切替えシャッターを示す図である。 第四の実施の形態の切替えシャッターと光束とを示す図である。

符号の説明

１、１'…対物レンズ、 ２…合焦レンズ、
３…ダイクロイックプリズム、 ４…焦点板、
５…接眼レンズ、 ６…分割プリズム、
７…ＬＤ、 ８…ＡＰＤ、
９…目標対象物、 １０…コーナーキューブ、
１２、１２Ａ〜１２Ｅ…偏向板、 ２０…切替えシャッタ−、
２４…拡散部材、 ５１…制御回路、
５２…コーナーキューブ使用ボタン、 ５３…コーナーキューブ非使用ボタン

Claims (3)

1. 目標物を視準する視準光学系と、
   前記目標物に測定光束を送光する送光光学系と、
   前記目標物上に前記測定光束を集光する合焦光学系と、
   前記目標物により反射された反射光束を前記合焦光学系を介して集光して受光する受光光学系と、
   前記受光光学系によって集光された前記反射光束を受光する受光素子と、
   前記受光光学系の光路に挿脱可能に配置され、前記受光光学系の光路に挿入された時に、前記反射光束を前記受光素子に向けて偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段を前記受光光学系の光路に挿入し、及びそこから退出させる駆動機構と、
   前記目標物にコーナーキューブを用いて近距離測定を行うプリズムモードを設定する操作部材と、
   前記測定光束と前記反射光束との位相差により前記目標物までの距離を計算すると共に、前記操作部材によって前記プリズムモードが設定されたときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路中に挿入させ、前記偏向手段の挿入時における前記受光素子の出力が所定の値を超えるときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路から退出させる制御手段と、を備えることを特徴とする合焦式距離測定装置。
2. 請求項１に記載の合焦式距離測定装置において、
   前記受光光学系の光路に配置され、前記受光素子に入射する前記反射光束を連続的に減量し、前記受光素子の受光量を調節する光減衰手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記偏向手段の挿入時における前記受光素子の出力が所定の値を超えるときに、前記受光素子の出力が所定の範囲の値になるように前記光減衰手段により前記受光素子の受光量を調節させることを特徴とする合焦式距離測定装置。
3. 目標物を視準する視準光学系と、
   前記目標物に測定光束を送光する送光光学系と、
   前記目標物上に前記測定光束を集光する合焦光学系と、
   前記目標物により反射された反射光束を前記合焦光学系を介して集光して受光する受光光学系と、
   前記受光光学系によって集光された前記反射光束を受光する受光素子と、
   前記受光光学系の光路に挿脱可能に配置され、前記受光光学系の光路に挿入された時に、前記反射光束を前記受光素子に向けて偏向する偏向手段と、
   前記偏向手段を前記受光光学系の光路に挿入し、及びそこから退出させる駆動機構と、
   前記目標物にコーナーキューブを用いて近距離測定を行うプリズムモードを設定する操作部材と、
   前記測定光束と前記反射光束との位相差により前記目標物までの距離を計算すると共に、前記操作部材によって前記プリズムモードが設定されたときに前記駆動機構により前記偏向手段を前記受光光学系の光路中に挿入させる制御手段と、を備えることを特徴とする合焦式距離測定装置。
   

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