JP4824253B2 - 光学測距装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、例えば、土地及び建造物の測定の際に使用されるような、光学測距装置に関する。
【０００２】
前述のような光学測距装置は、ずっと以前から知られている。しかし、通常使用される、光源としてレーザダイオードを有する送信器の照射密度は、一般的に、目の保護の観点で許容される程度よりも小さくされる。さらに、個別レーザダイオードから放射された光ビームは、通常、不利にも、非常に長い横断面を有しており、その結果、不十分な濃度でしか目標に達せず、不十分な光流となって測定誤差を生じることがある。この理由から、冒頭に記載したような測距装置の到達範囲並びに測定精度及び確実度は、所望の基本的に可能である値よりも小さい。
【０００３】
発明の説明
本発明が基づく課題は、送信器が高い照射密度を有していて、良好な目標照射と目標での高い光流を達成することができる、冒頭に挙げた光学測距装置を提供することである。
【０００４】
本発明により達成される利点は、特に、到達範囲が決定的に改善される点にあり、即ち、極めて長い測定距離を達成することができ、又は、所定の到達範囲で、測定精度を高めることができる点にある。この利点は、比較的小さなセンサ光学系で達成され、その結果、装置全体を小さく保持することができるようになる。
【０００５】
図面の簡単な説明
以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【０００６】
その際、
図１ａは、本発明の測距装置の第１の実施例の送信器を示す図、
図１ｂは、第１の実施例の送信器の、目標でのビーム横断面を示す図、
図２ａは、本発明の測距装置の第２の実施例の送信器を示す図、
図２ｂは、第２の実施例の送信器のビーム横断面を示す図、
図３は、本発明の測距装置の第３の実施例の送信器を示す図、
図４は、本発明の測距装置の第４の実施例の送信器を示す図、
図５は、本発明の測距装置の第５の実施例の送信器を示す図、
図６は、本発明の測距装置の第５の実施例のコリメータの開口及び当該開口でのビーム横断面を示す図
である。
【０００７】
発明の実施例
本発明の光学測距装置は、送信器並びに受信器を有しており、送信器並びに受信器は、例えば、公知のように、光学系及びアバランシェフォトダイオード、並びに、同様に公知の構成の電子制御及び評価ユニットを用いて構成することができ、電子制御及び評価ユニットは、送信器による光パルスの送信を制御し、反射された光パルスを受信する受信器の出力信号を評価する。測距は、伝搬時間測定又は位相比較方法により行うことができる。ここで、「光」とは、スペクトルの可視領域に限定されず、少なくとも赤外領域も含むものとする。
【０００８】
本発明の測距装置の送信器は、その基本的な構造の点で大きな相違点を有している。しかし、どんな場合でも、本発明の測距装置の送信器は（図１−５）、コリメータ１を有しており、コリメータの前に設けられた、各々少なくとも２つの部分光源から構成された光源、並びに、ビーム路内で光源とコリメータとの間に設けられたビーム収束光学系２を有している。各部分光源は、レーザダイオードを有しており、このレーザダイオードは、通常のように、端面放射器であり、又は、放射端面の方向に順次連続して配設された前述のような複数個のレーザダイオードである。レーザダイオード全てに共通の波長は、赤外領域、有利には、８５０ｎｍ〜９８０ｎｍ又は１５５０ｎｍである。レーザダイオードから放射される光ビームの横断面は、その都度、放射端面の極めて近傍に設けられる、光の回折又は屈折に基づくビーム形成光学系を用いて、放射端面に対して平行に位置移動することによって小さくなり、そのために、放射端面に対して横方向に拡大され、それにより、光ビームが一層強く集中される。
【０００９】
８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長では、ビームは非常に狭幅に収束することができ、その結果、高い横方向分解能で距離走査することができる。１５５０ｎｍの波長も、非常に有利である。その理由は、目の安全性の観点で設定された、約８ｍＪの許容範囲の個別パルスエネルギの上側限界値は、波長６３０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長の場合よりも約１６０００の係数だけ高いからである。この係数を少なくとも部分的に利用すると（本発明により可能である）、到達範囲を極めて著しく長くするか、又は、所与の到達範囲で測定精度を高めることができる。
【００１０】
第１の構成図（図１）によると、光源は、直接隣り合って設けられた２つの部分光源３ａ，ｂから構成されている。ビーム収束光学系２は、両部分光源に共通の収束光学系４として構成されており、この収束光学系４は、両部分光源から放射された部分ビーム５ａ，ｂをコリメータ１の物体平面６に収束する。各部分ビーム５ａ，ｂは各個別に開口いっぱいに拡がり、従って、各部分ビーム５ａ，ｂの各横断面は、開口でほぼ重畳する。コリメータ１に続いて、各部分ビーム５ａ，ｂは、再度相互に並ぶが、但し、幅が拡がって、目標にビームの横断面が直接相互に隣接して照射される（図１ｂ）。送信器から放射された光ビームは、個別レーザダイオードから放射された光ビームのほぼ２倍の大きさの光流で目標に照射される。
【００１１】
第２の構成図（図２ａ）によると、各部分光源３ａ，ｂは、相互に広く離隔されている。各部分光源が各々、固有の収束光学系４ａ；ｂに配属されており、各収束光学系４ａ；ｂは、各部分光源から放射された部分ビーム５ａ乃至５ｂを、コリメータ１の物体平面６に収束する。各部分ビーム５ａ，ｂは、相互に並んでコリメータ１の開口に入射し、その際、各部分ビーム５ａ，ｂは、ほぼ完全に開口いっぱいに拡がり、コリメータ１に続いて平行に、横断面が丸い光ビームを形成する（図２ｂ）。この光ビームは、個別レーザダイオードから放射された光ビームのほぼ２倍の高さの光流のみならず、横断面がもっと有利な光流で目標に入射される。
【００１２】
第３の構成図（図３）によると、各部分光源３ａ，ｂは、相互に対向して配設されており、ビーム収束光学系２は、各部分光源３ａ，ｂと同様に配設された各収束光学系４ａ；ｂ、並びに、各収束光学系４ａ；ｂ間に配設されたプリズム７を偏向要素として有している。プリズム７は、２つの反射面８ａ，ｂを有しており、この反射面８ａ，ｂは、各部分光源３ａ，ｂから放射された部分光ビーム５ａ，ｂを、共通の別の収束光学系９に偏向し、この収束光学系９は、第１の構成図の光源の場合と同様に、コリメータ１の物体平面６に収束し、コリメータ１の開口に導き、コリメータ１の開口で、各部分光ビーム５ａ，ｂはほぼ重畳する。ビームの横断面は、図１ｂに相応する。偏向要素を用いることにより、各部分光源３ａ，ｂを比較的広く相互に離隔して配設することができるようになり、その結果、レーザダイオードを容易に冷却することができるようになる。
【００１３】
第４の構成図（図４）は、第３の構成図にほぼ相応している。相違点は、特に、各収束光学系４ａ，ｂ，９が第３の構成図の場合とは別様に調整される点にある。つまり、第２の構成図による光源の場合と同様に、実際上、各部分光ビーム５ａ，ｂは重畳せず、相互に並んで開口に入射した各部分光ビーム５ａ，ｂは、コリメータ１の開口いっぱいに拡がり、コリメータ１に続いてほぼ平行に、図２ｂのビーム横断面に相応するようにして伝搬する。
【００１４】
図５には、他の構成図に相応する、本発明の測距装置の送信器の構成が更に詳細にではあるが同様に略示されている。この構成では、コリメータ１とビーム収束光学系２の他に部分光源３ａ，ｂ及び別の２つの部分光源，３ｃ，ｄが設けられており、部分光源３ａ，ｂは、相互に垂直方向に配向された同一偏光の各部分ビーム５ａ，ｂを放射し、別の２つの部分光源，３ｃ，ｄは、同様に相互に垂直方向に配向された各部分ビーム５ｃ，ｄを放射し、各部分ビーム５ｃ，ｄの偏光は、各部分ビーム５ａ，ｂの偏光方向に対して垂直方向に偏光されている。部分光源３ａ，ｂ，ｃ，ｄは、各々レーザダイオード１０及び当該レーザダイオード１０の後ろに僅かな間隔で配設された円柱レンズ１１から構成されている。各部分光源３ａ，ｂ，ｃ，ｄの各々の後ろ側には、収束光学系４ａ；ｂ；ｃ；ｄが設けられている。
【００１５】
収束光学系４ａ，ｂの後ろ側には、第１の偏向要素として、半分が鏡面状で、半分が透過性である板１２ａが設けられており、その結果、この板１２ａは、部分ビーム５ａを透過するが、しかし、部分ビーム５ｂは、部分ビーム５ａに対して平行な方向に偏向される。収束光学系４ｃ，ｄの後ろ側に設けられた第２の偏向要素は、第１の偏向要素と同様に、半分が鏡面状であって、半分が透過性の板１２ｂとして構成されており、この板１２ｂは、部分ビーム５ｃを透過し、他方、部分ビーム５ｄを、部分ビーム５ｃに対して平行な方向に偏向する。部分ビーム５ａ，ｂ及び部分ビーム５ｃ，ｄは、各々直接相互に並んで立方体偏光器１３に達し、この立方体偏光器に、部分ビーム対は相互に直角に入射する。その際、各部分ビーム５ａ，ｂは、各々部分的に、この各部分ビーム５ａ，ｂに対して直角方向に偏光された各部分ビーム５ｃ，ｄが重畳し、この各部分ビーム５ｃ，ｄは、別の収束光学系９によって、コリメータ１の物体平面６で収束し、コリメータの開口に偏向され、このようにして、開口のほぼいっぱいにビームが拡げられる（図６）。その際、円形光スポットの真ん中に、２倍の照射濃度の、ほぼ矩形状のスポットが形成され、このスポットで、各々直交偏光の２つの部分ビームが重畳される。
【００１６】
前述の実施例の種々異なる変形実施例が可能である。特に、構成図１〜４では、図示の２つの部分光源より多くの部分光源を用いることができる。各部分光源の個数を増やして、偏向要素による部分ビームの集束をカスケードに形成する、等である。結局、殊に、前述の範囲外である、波長が６００ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に、６３０ｎｍ〜９８０ｎｍのレーザダイオードを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の測距装置の第１の実施例の送信器、及び、目標でのビーム横断面を示す図
【図２】 本発明の測距装置の第２の実施例の送信器、及び、ビーム横断面を示す図
【図３】 本発明の測距装置の第３の実施例の送信器を示す図
【図４】 本発明の測距装置の第４の実施例の送信器を示す図
【図５】 本発明の測距装置の第５の実施例の送信器を示す図
【図６】 本発明の測距装置の第５の実施例のコリメータの開口及び当該開口でのビーム横断面を示す図
【符号の説明】
１ コリメータ
２ ビーム収束光学系
３ａ，ｂ，ｃ，ｄ 部分光源
４ａ，ｂ，ｃ，ｄ 収束光学系
５ａ，ｂ，ｃ，ｄ 部分ビーム
６ １の物体表面
７ プリズム
８ａ，ｂ 反射面
９ 収束光学系
１０ レーザダイオード
１１ 円柱レンズ
１２ａ，ｂ 板
１３ 立方体偏光器

Claims (12)

1. 送信器、受信器、制御及び評価ユニットを有する光学測距装置であって、
   前記送信器は、コリメータ（１）と、当該コリメータ（１）の前に設けられた光源とを有しており、
   光源は、各々１つのレーザダイオード付きの複数の部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）を有しており、
   前記レーザダイオードは全て同じ波長のビームを送信し、並びに、当該レーザダイオードの後ろ側に設けられたビーム収束光学系（２）を有しており、
   前記ビーム収束光学系（２）は、前記部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）から放射された部分ビーム（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を収束して、コリメータ（１）の開口に導く光学測距装置において、
   各部分ビーム（５ａ，５ｂ）は、僅かしか重畳しないようにして前記コリメータ（１）に導かれ、続いてほぼ平行に伝搬し、又は
   各部分ビーム（５ａ，５ｂ）は、重畳されてコリメータ（１）に導かれ、該コリメータで互いに広がって伝搬するように構成されている
   ことを特徴とする光学測距装置。
2. 波長は、６３０ｎｍ〜９８０ｎｍである請求項１記載の光学測距装置。
3. 波長は、８５０ｎｍ〜９８０ｎｍである請求項１記載の光学測距装置。
4. 波長は、約１５５０ｎｍである請求項１記載の光学測距装置。
5. ビーム収束光学系（２）は、ビーム路内に、部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）又は複数の部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と、コリメータとの間に設けられた、少なくとも１つの収束光学系（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，９）を有している請求項１から４迄の何れか１記載の光学測距装置。
6. 各々複数の部分光源（３ａ，３ｂ）の直ぐ後ろ側に収束光学系（４）が設けられている請求項５記載の光学測距装置。
7. 各部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の直ぐ後ろ側に収束光学系（４ａ；４ｂ；４ｃ；４ｄ）が設けられている請求項６記載の光学測距装置。
8. ビーム収束光学系（２）は、少なくとも１つの偏向要素を有しており、該偏向要素は、各々、部分光源（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）から放射された部分ビーム（５ａ；５ｂ；５ｃ；５ｄ）の少なくとも１つの部分ビームを偏向する請求項１から７迄の何れか１記載の光学測距装置。
9. 少なくとも１つの偏向要素が、複数反射面（８ａ，８ｂ）を有するプリズム（７）として構成されている請求項８記載の光学測距装置。
10. 少なくとも１つの偏向要素は、少なくとも部分的に鏡面化された板（１２ａ，１２ｂ）として構成されている請求項８又は９記載の光学測距装置。
11. ビーム収束光学系（２）は、種々異なる、相互に直交方向の偏光の各部分ビーム（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を重畳するために、少なくとも１つの重畳要素を有している請求項１から１０迄の何れか１記載の光学測距装置。
12. 少なくとも１つの重畳要素は、偏光プリズム（１３）として構成されている請求項１１記載の光学測距装置。

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