JP5433976B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標物体までの距離を測定する測距装置、特に手持ちで使用される測距装置に関する。

測距装置としては、レーザ光を目標物体に投射した時と目標物体からの反射レーザ光を受光した時との時間差から、目標物体までの距離を測定するものが知られている。手持ちの測距装置では、手ブレのために光学系の光軸が傾いてしまい、目標物体に対して継続的にレーザ光を当てることが難しくなる。従来、手ブレによる光軸の傾きを補正するために、送信部および受信部の光学系を構成する光学素子をジンバルを介して装置本体に固定するようにしたレーザレンジファインダが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１０１３４２号公報

特許文献１のレーザレンジファインダでは、一つのジンバルが送信部の光学素子も受信部の光学素子も収納しているため、受信部の防振性能も高いが、ジンバル自体が重く大型化し、且つ製造コストも上昇してしまう。一方、他の方法においても、受信部の防振機構と送信部の防振機構と同等の性能のものを使用すると、防振機構に費やすコストは単純に倍近いものとなってしまう。

請求項１の発明による測距装置は、目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、前記信号光が前記目標物体で反射した反射光を、所定の大きさの受光領域を有する受光素子により受光する受信光学系とを備え、前記信号光の投射から前記反射光の受光までの時間に基づいて前記目標物体までの距離を測定する測距装置において、前記送信光学系に、前記目標物体に対する光軸の方向の変動に応じて光線を偏向する防振動作を行う第１の防振機構を設け、前記受信光学系に、前記第１の防振機構よりも精度の低い防振動作を行う第２の防振機構を設け、前記第２の防振機構による前記防振動作の精度は、前記目標物体に対して前記受信光学系の光軸が傾いた場合でも、前記受光素子への前記反射光の入射位置が前記受光領域内に収まり、前記受光領域から外れることがないように定められていることを特徴とする。
請求項２の発明による測距装置は、視準目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、前記信号光が前記視準目標物体で反射した反射光を受光素子により受光する受信光学系とを備え、前記信号光の投射から前記反射光の受光までの時間に基づいて前記視準目標物体までの距離を測定する測距装置において、前記送信光学系に、前記視準目標物体に対する光軸の方向の変動に応じて光線を偏向する防振動作を行う第１の防振機構を設け、前記受信光学系に、前記第１の防振機構よりも精度の低い防振動作を行う第２の防振機構を設けたことを特徴とする。

本発明の測距装置によれば、受信光学系の防振動作を送信光学系の防振動作に追随して動作するようにし、一方、受信光学系の防振機構に精度の低いものを使用することで、低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態による測距装置について、図１〜６を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態による測距装置１を模式的に示す構成図である。図１（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ面を光軸方向から見た図である。図１（ａ）ではＸＹＺ直交座標で方向を表し、図中Ｚ方向に目標物体があるものとする。

図１（ａ）に示されるように、測距装置１には、Ｙ方向に延びる光軸１およびＺ方向に延びる光軸２，３，４に沿って各光学部品が配置されている。光軸１に沿って、近赤外領域の波長のレーザ光を放射するレーザ光源１１、レーザ光を集光するコンデンサーレンズ１２、近赤外領域の光を反射し可視光を透過させるダイクロイックプリズム１３が配置されている。光軸２に沿って、光軸２と垂直方向に動作する防振レンズ１４、図中左方に存在する目標物体に対向する対物レンズ１５が配置されている。

また、光軸３に沿って、ダイクロイックプリズム１３からの光を内部で複数回反射させて所定の面から射出する正立プリズム１６、対物レンズ１５と防振レンズ１４による結像位置に置かれるレチクル１７、目標物体の像を拡大する接眼レンズ１８が配置されている。さらに光軸４に沿って、目標物体に対向する対物レンズ３１、光軸４と垂直方向に動作する防振レンズ３２、近赤外レーザ光の波長以外の光をカットする狭帯域フィルター３３、近赤外レーザ光の入射により電気信号を発生する受光素子３４が配置されている。

レーザ光源１１から放射されたレーザ光Ｌ１は、コンデンサーレンズ１２で集光され、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３ＡでＺ方向に反射され、防振レンズ１４、対物レンズ１５を通って外部に送信される。ここでは、防振レンズ１４として負のパワー（屈折力）を有した発散光学素子の１つである凹レンズが用いられる。レーザ光源１１、コンデンサーレンズ１２、ダイクロイックプリズム１３、防振レンズ１４および対物レンズ１５は送信光学系１０を構成する。

レーザ光Ｌ１が目標物体に当って反射した反射レーザ光Ｌ２は、対物レンズ３１、防振レンズ３２、狭帯域フィルター３３を順次通って受光素子３４に入射する。受光素子３４は、その入射面が対物レンズ３１と防振レンズ３２による結像面となるように配置される。受光素子３４には反射レーザ光Ｌ２のみならず自然光による他の波長の光も入射するので、反射レーザ光Ｌ２のＳ／Ｎ比が低下する。そのため、狭帯域フィルター３３を設けて反射レーザ光Ｌ２以外の光をカットし、反射レーザ光Ｌ２のＳ／Ｎ比を向上させている。対物レンズ３１、防振レンズ３２、狭帯域フィルター３３および受光素子３４は受信光学系３０を構成する。

また、目標物体からの光Ｌ３は、対物レンズ１５、防振レンズ１４を順次通ってダイクロイックプリズム１３に入射する。光Ｌ３には、反射レーザ光Ｌ２と自然光が含まれている。反射レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３ＡでＹ方向に反射され、レーザ光源１１へ戻る。光Ｌ３に含まれる可視光は、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３Ａを透過して正立プリズム１６に入射する。

光Ｌ３による像は、対物レンズ１５および防振レンズ１４を通って倒立像となるが、正立プリズム１６によって上下反転された正立像となる。この正立像は、レチクル１７上で結像し、接眼レンズ１８を通して観察（視準）される。対物レンズ１５、防振レンズ１４、ダイクロイックプリズム１３、レチクル１７および接眼レンズ１８は視準光学系２０を構成する。

上述したように、ダイクロイックプリズム１３は、近赤外光と可視光とを分離する分岐光学素子として作用する。ダイクロイックプリズム１３の目標物体側に配置されている防振レンズ１４および対物レンズ１５は、送信光学系１０と視準光学系２０に共通して用いられている。換言すれば、送信光学系１０と視準光学系２０とは光軸２を共用する合成光学系４０を構成する。

測距装置１においては、レーザ光源１１からレーザ光Ｌ１が放射された時刻と、受光素子３４で反射レーザ光Ｌ２が受光された時刻との時間差を計測し、その計測時間から目標物体までの距離を演算する。具体的には、レーザ光Ｌ１を毎秒数１００回発振するパルス光とし、レーザ光Ｌ１のパルスを放射した時刻から反射レーザ光Ｌ２のパルスを受光した時刻までの時間を計測し、時間とパルス数とのヒストグラムを作成する。そのヒストグラムにおいてピークを示す時間を決定すれば、上記の時間差が求まり、目標物体までの距離が求まる。上記演算は後述するＣＰＵ４１にて行われる。

また、視準光学系２０によって計測と同時に目標物体を観察することができる。上述したように、レチクル１７上に目標物体の像が形成される。例えば、レチクル１７を透過型液晶板とし、液晶画面上に目標物体の像と目標物体までの距離を表示するように構成してもよい。

ところで、防振機能を働かせないで測距装置１を振れや揺れのある状態で使用すると、例えば手持ち操作時の手ブレにより、送信光学系１０、受信光学系３０および視準光学系２０の光軸の方向が目標物体のある方向に対して傾き、目標物体に対して継続的にレーザ光を当て続けることが難しくなる。測距においては、目標物体に当たった一瞬の光による反射光が対物レンズ３１に入射した場合は、パルス数が少ないため受光素子３４上に測距に十分な頻度で測定データが得られず測距エラーとなることがある。また、傾いた光軸の先に目標物体とは距離の異なる物体があった場合には、その物体からの反射光を受信し、誤った測距結果を出すこともある。

一方、視準においては、目標物体を視準光学系２０のレチクル１７の中心に継続的に捉えておくことが困難となる。通常、視準光学系２０は相応の倍率を有しているため、光軸２，３の傾きが拡大されて目標物体を見失う恐れもある。

本実施の形態による測距装置１は、光軸が傾いても光学的な補正を行い、高精度の測距と安定した観察を行うことができる防振作用を有する低コストな装置である。防振機構の構成および防振作用について以下に説明する。

測距装置１には、中央演算装置（ＣＰＵ）４１、防振レンズ１４を光軸２と垂直方向に駆動する駆動機構４２、防振レンズ３２を光軸４と垂直方向に駆動する駆動機構４３が設けられている。駆動機構４２は接続部４４を介して防振レンズ１４を駆動し、駆動機構４３は接続部４５を介して防振レンズ３２を駆動する。駆動機構４２は、図１（ｂ）に示されるように、水平方向の駆動を行う駆動部４２ａと垂直方向の駆動を行う駆動部４２ｂとを有する。同様に、駆動機構４３は、水平方向の駆動を行う駆動部４３ａと垂直方向の駆動を行う駆動部４３ｂとを有する。防振機構は、防振レンズ１４を駆動する駆動機構４２および接続部４４を有する第１の防振機構と、防振レンズ３２を駆動する駆動機構４３および接続部４５を有する第２の防振機構とに便宜的に分けることができる。

また、測距装置１には、垂直軸（Ｘ軸）回りの角速度を検出する角速度センサ４６Ａ、水平軸（Ｙ軸）回りの角速度を検出する角速度センサ４６Ｂ、および防振レンズ１４のＸ−Ｙ面上の位置を検出する位置センサ４７が設けられている。角速度センサ４６Ａ、４６Ｂおよび位置センサ４７は、ＣＰＵ４１と電気的に接続されている。

ＣＰＵ４１は、角速度センサ４６Ａ，４６Ｂの角速度信号を入力し、その入力信号から光軸の傾き状態（傾斜速度、傾斜方向）を演算する。また、ＣＰＵ４１は、位置センサ４７の位置信号を入力し、その入力信号からＸ−Ｙ面上の現在の座標を演算する。これらの演算結果に基づいてＣＰＵ４１から駆動機構４２，４３へ駆動信号が送出され、それぞれ防振レンズ１４，３２の変位Ｍ１，Ｍ２が制御される。変位Ｍ１，Ｍ２は光軸と垂直方向の変位である。なお、防振レンズ３２にはＸ−Ｙ面上の位置を検出する位置センサは設けられていないので、防振レンズ３２の座標が必要なときには位置センサ４７の位置信号を流用する。

図２は、第１の実施の形態による測距装置１が傾斜したときの光学系を模式的に示す図である。図３は、第１の実施の形態による測距装置１が傾斜したときおよび防振機構が作動したときの光学系を模式的に示す図である。図２，３においても図１と同じ構成部品には同一符号を付す。

図２，３を参照しながら、先ず測距装置１が傾斜していない場合を説明する。これは、図１について説明した内容を光学的視点から再説明するものである。実線で示す光軸１〜４のうち、光軸１はＹ方向、光軸２〜４はＺ方向（水平線Ｈと同じ方向）を向いている。目標物体Ｏは、図中左遠方の水平線Ｈ上にある。したがって、光軸２〜４は水平線Ｈに平行であり、レーザ光源１１から目標物体Ｏに向けて投射された光は常に光軸１、２に沿って進行する。目標物体Ｏを基準に考えると、目標物体Ｏからの光は、常に光軸１〜４に沿って進行する。

レーザ光源１１の点Ｑから発した光は光軸１に沿って進み、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３Ａにより反射されて防振レンズ１４、対物レンズ１５を通って目標物体Ｏに向かう。目標物体Ｏで反射された反射レーザ光Ｌ２は、受信光学系３０の対物レンズ３１に入射し、防振レンズ３２を通過して受光素子３４の点Ｒに至るとともに、対物レンズ１５にも入射し、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３Ａで反射されてレーザ光源１１の点Ｑへ戻る。一方、目標物体Ｏからの光Ｌ３に含まれる可視光は、光軸２に沿って対物レンズ１５、防振レンズ１４、ダイクロイックプリズム１３、正立プリズム１６を通り、目標物体Ｏの像面で光軸３上の点Ｐを通過して接眼レンズ１８から外部へ射出する。

次に、図２，３を参照しながら、手ブレなどにより測距装置１が傾斜し、光軸が角度θだけ傾いた場合を説明する。目標物体Ｏからの光は図中破線で示すように進む。送信光学系１０に関しては、対物レンズ１５に入射した光Ｌ３に含まれる反射レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３Ａで反射されてレーザ光源１１の点Ｑ´へ到達する。すなわち、対物レンズ１５に入射した反射レーザ光Ｌ２は、光線Ａ、光線Ｂの経路を進む。対物レンズ１５に入射した可視光は、防振レンズ１４、ダイクロイックプリズム１３、正立プリズム１６を通り、目標物体Ｏの像面で光軸３から外れた点Ｐ´を通過し、接眼レンズ１８から外部へ射出する。すなわち、対物レンズ１５に入射した可視光は、光線Ａ、光線Ａ’の経路を進む。

このとき、視準光学系２０の角倍率をγとすると、接眼レンズ１８から射出する光線Ａ´の光軸とのなす角度は、式（１）となる。
θ’＝γθ ・・・（１）
つまり、測距装置１が傾斜していない状態に比較して角度θ’だけ光線が偏向する。γは通常６倍から２０倍程度であるため、対物側での僅かな角度変化に対しても接眼側では大きな角度変化となり、手ブレ感が増幅される。

受信光学系３０に関しては、対物レンズ３１に入射した目標物体Ｏからの反射レーザ光Ｌ２は、光軸が角度θだけ傾くため光線Ｃのように進み、受光素子３４の延長面上の点Ｒ’に到達し、受光素子３４には入射しない。したがって、目標物体Ｏからの反射レーザ光Ｌ２による距離データを得ることは出来ない。ここで、受光素子３４の大きさを大きくすれば、光軸４に対する角度が大きい光も受光できる。しかし、受光素子３４の大きさは、目標物体Ｏに投射した送信光を見込む角に対応する大きさ程度に止めないと、受光素子３４に入射する信号光以外の所謂、背景光の影響を受けてＳ／Ｎ比が悪化するため好ましくない。すなわち、受光素子３４の大きさには制限があり、この点からも防振手段が必要となる。

図３は、防振機構が作動したときの光学系を説明する図である。図３には、図２に示した各光線に加え、防振機構が作動したときの光線Ａ’’、Ｂ’’、Ｃ’’が描かれている。目標物体Ｏから対物レンズ１５に入射した光Ｌ３に含まれている反射レーザ光Ｌ２は、防振レンズ１４に到達するまでは光線Ａのように進み、防振レンズ１４の変位Δ１により補正されて光路が曲がる。
変位Δ１は、光軸２と垂直方向の移動である。反射レーザ光Ｌ２は、さらにダイクロイックプリズム１３で反射されて光線Ｂ’’のように進み、レーザ光源１１の点Ｑに戻る。このことは、光軸が角度θだけ傾いても目標物体Ｏを外さずにレーザ光を投射できることを意味する。

また、目標物体Ｏから対物レンズ１５に入射した光Ｌ３に含まれている可視光は、防振レンズ１４の変位により補正され、光線Ａ’’のようにダイクロイックプリズム１３、正立プリズム１６を通り、目標物体Ｏの像面で光軸３上の点Ｐを通過し、接眼レンズ１８から外部へ射出する。すなわち、対物レンズ１５に入射した可視光は、光線Ａ→光線Ａ’’のように進む。光線Ａ’’の光軸３となす角度は０°に近くなり、防振効果が得られる。

受信光学系３０に関しては、対物レンズ３１に入射した目標物体Ｏからの反射レーザ光Ｌ２は、防振レンズ３２の変位Δ２により補正されて光路が曲がる。変位Δ２は、光軸４と垂直方向の移動、つまりＸ−Ｙ面に沿った移動である。反射レーザ光Ｌ２は、光線Ｃ’’のように進み、受光素子３４の中心近くの点Ｒに到達する。このことは、光軸が角度θだけ傾いても目標物体Ｏからの反射レーザ光は確実に受光素子３４へ入射することを意味する。

本発明の実施の形態では、防振レンズ１４の変位Δ１と防振レンズ３２の変位Δ２は等しくはない。但し、対物レンズ１５と３１、防振レンズ１４と３２がそれぞれ焦点距離が等しく、対物レンズと防振レンズ相互の主点間隔が等しければ、変位Δ１とΔ２を近くすると、光線Ａ’’と光線Ｃ’’を中心に到達させることができる。その結果、部品の共通化を図ることができ、コストを安くすることができる。

図４は、第１の実施の形態で用いられる防振レンズによる光線の偏向原理を説明する図である。防振レンズ１４の焦点距離をｆ１とした場合、防振レンズ１４がΔ１だけ変位することによって防振レンズ１４からＬだけ離れた像面上でＰ’からＰへ像の移動が可能となる。Ｐ’からＰへの移動距離をｓとすると、式２の関係が成り立つ。
ｓ＝Ｌ・Δ１／ｆ１ ・・・ （２）

今、測距装置１の視準光学系２０を構成する対物レンズ１５と防振レンズ１４の合成焦点距離をｆとすると、光軸が角度θだけ傾いた場合、目標物体Ｏからの光線の像面上での移動距離ｓは式３で表される。
ｓ＝ｆ・ｔａｎθ ・・・ （３）
式２，３より、防振レンズ１４の変位量Δ１は式４で求められる。
Δ１＝ｆ・ｔａｎθ・ｆ１／Ｌ ・・・ （４）
式４では、角度θ以外は既知量であるため、測距装置１の筐体内に納められた角速度センサ４６Ａ，４６Ｂで角度θを検出することにより、変位量Δ１、すなわち防振レンズ１４の作動量を求めることができる。

上述した光線の偏向原理を測距装置１の受信光学系３０に応用してみる。受信光学系３０は、視準光学系２０と異なり、目標物体Ｏの像を眼で観察するものではないので、視準光学系２０に比較して光線の偏向の制御はラフにすることができる。すなわち、目標物体Ｏからの反射レーザ光Ｌ２が受光素子３４に入射する限度まで許容される。受信光学系３０における光線の偏向の制御は、送信光学系１０に比べても精度を低くすることができる。

今、受光素子３４の大きさをＹ、受信光学系３０を構成する対物レンズ３１と防振レンズ３２の合成焦点距離をＦとすると、光軸が角度θだけ傾いたときに、目標物体Ｏからの光線が受光素子３４に入射するためには、補正すべき移動量Ｓは式５の不等式で表される範囲であればよい。移動量Ｓは、受光素子３４の入射面上での光線の移動距離である。
Ｆ・ｔａｎθ−Ｙ／２≦Ｓ≦Ｆ・ｔａｎθ＋Ｙ／２ ・・・ （５）

防振レンズ３２の焦点距離をｆ２とした場合、防振レンズ３２の変位量Δ２は、式５から導かれる式６の不等式で表される範囲であればよい。ここで，Ｌは防振レンズ３２から像面である受光素子３４の入射面までの距離である。
（Ｆ・ｔａｎθ−Ｙ／２）・ｆ２／Ｌ≦Δ２≦（Ｆ・ｔａｎθ＋Ｙ／２）・ｆ２／Ｌ
・・・ （６）
このように、防振レンズ３２は、式６の範囲で作動すればよく、視準光学系２０や送信光学系１０に比較してラフな制御で足りる。したがって、駆動機構４３は、駆動機構４２に較べて作動量を小さくできる。それゆえ、防振レンズ３２と防振レンズ１４の動きが異なる。したがって、変位Ｍ２を、変位Ｍ１に比較して量が少なく、変位速度も遅くすることができ、精度的にラフな制御が可能となる。

具体的に数値を用いて検討する。
視準光学系２０または送信光学系１０の防振精度εを光軸からの像の移動量の許容値とし、防振精度εを分解力の限界以下と設定すれば、各光学系のＦナンバーをＦとするとき、エアリーディスクの半径から、防振精度εは次のように表される。
ε≦１．２２・λ・Ｆ ・・・ （７）
一般的な例として、波長λ＝５５５ｎｍ、Ｆ＝５とすれば、防振精度εは式（７）より０．００３４ｍｍとなる。
一方、受信光学系３０のＦナンバーも視準光学系２０または送信光学系１０と同じであれば、防振精度ε自体は上と同じ値となる。しかし、受光素子３４の大きさは、一般的に直径０．５ｍｍ程度であり、像はこの範囲での移動が許容されるので、像の移動量は最大０．２５ｍｍとなる。したがって、受信光学系３０では、視準光学系２０または送信光学系１０に比較して、約７４倍もの大きな許容値となる。

本実施の形態による測距装置１は以下の作用効果を奏する。
（１）第１の防振機構で防振レンズ１４を変位させ、第２の防振機構で防振レンズ３２を変位させるので、それぞれの防振レンズを有する光学系に要求される適切な精度、速度で防振レンズを駆動することができる。具体的には、受信光学系３０の防振レンズ３２は、送信光学系１０、視準光学系２０の防振レンズ１４に比較してラフな制御で足りる。
（２）第１および第２の防振機構の間で同期をとる必要がないので、すなわち、制御量や制御タイミングを必ずしも一致させる必要がないので、制御が簡単である。
（３）以上の結果、第２の防振機構を簡略化することができ、また、第１と第２の防振機構で厳密に使用パーツの同一性能を保持する必要がなくなるので、パーツ使用の許容範囲が広がり歩留りが向上する。また、制御プログラムの作成コストも低くなる。さらに、第１と第２の防振機構を同一駆動部材で動作させていないため、測距装置１を小型化することもできる。

〈第２の実施の形態〉
図５は、本発明の第２の実施の形態による測距装置２を模式的に示す構成図である。図５（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩＩ−ＩＩ面を光軸方向から見た図である。図１と同様に、図５（ａ）でもＸＹＺ直交座標で方向を表し、図中Ｚ方向に目標物体があるものとする。また、図１と同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態による測距装置２は、第１の実施の形態による測距装置１（図１参照）と光学系は同じである。測距装置２が測距装置１と構成上異なる点は次の２点である。
（ａ）防振レンズ１４と３２が機械的に連結されている。
（ｂ）防振レンズ１４と３２の駆動は駆動機構４８のみにて行われる。
すなわち、防振レンズ１４と３２は、連結部４９により機械的に連結されており、駆動機構４８は、連結部４９を介して防振レンズ１４を駆動する。防振レンズ３２は、防振レンズ１４の動作に追随して駆動される。これは、２つの防振機構が１つの駆動機構を共有しているとも言える。したがって光軸の傾きが生じると、防振レンズ１４と３２は同時に同じパターンで変位する。なお、駆動機構４８は、図５（ｂ）に示されるように、水平方向の駆動を行う駆動部４８ａと垂直方向の駆動を行う駆動部４８ｂとを有する。

このように構成された測距装置２の動作を説明する。ＣＰＵ４１は、角速度センサ４６Ａ，４６Ｂの角速度信号を入力し、その入力信号から光軸の傾き状態（傾斜速度、傾斜方向）を演算する。また、ＣＰＵ４１は、位置センサ４７の位置信号を入力し、その入力信号から防振レンズ１４のＸ−Ｙ面上の現在の座標を演算する。これらの演算結果に基づいてＣＰＵ４１から駆動機構４８へ駆動信号が送出され、防振レンズ１４、３２はそれぞれ変位Ｍ３、Ｍ４となるように制御される。変位Ｍ３，Ｍ４は光軸と垂直方向の変位である。上述したように、防振レンズ３２は、防振レンズ１４の動作に追随して駆動されるので、連結部４９の振動や撓みなどの影響により変位の精度は低下する。しかし、目標物体からの反射光Ｌ２は受光素子３４の中心には到達しないが、受光範囲には到達するので測距は可能である。なお、防振レンズ３２にはＸ−Ｙ面上の位置を検出する位置センサは設けられていないので、防振レンズ３２の座標が必要なときには位置センサ４７の位置信号を流用する。

本実施の形態による測距装置２も第１の実施の形態による測距装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、駆動機構は１つあればよいので、より一層の装置の低コスト化と小型化を図ることができる。

〈第３の実施の形態〉
図６は、本発明の第３の実施の形態による測距装置３を模式的に示す構成図である。図６（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ面を光軸方向から見た図である。図１、２と同様に、図６（ａ）でもＸＹＺ直交座標で方向を表し、図中Ｚ方向に目標物体があるものとする。また、図１、２と同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態による測距装置３は、第１の実施の形態による測距装置１（図１参照）と光学系の一部および駆動機構が異なるだけで、その他の構成は同じである。測距装置３が測距装置１と構成上異なる点は次の２点である。
（ａ）防振レンズ１４に代えて可変頂角プリズム５０を対物レンズ１５の前方に配置し、駆動機構５１により可変頂角プリズム５０の入射面と射出面とのなす角である頂角を変化させる。
（ｂ）防振レンズ３２に代えて可変頂角プリズム６０を対物レンズ３１の前方に配置し、駆動機構５２により可変頂角プリズム６０の頂角を変化させる。
可変頂角プリズム５０，６０は、蛇腹を用いて２枚の透明円板を連結し、内部を透明液体で満たしたもので、透明円板の円周にわたって頂角の位置と角度を変化させることができる。図６（ｂ）に示されるように、駆動機構５１は、水平方向の頂角の角度変化の駆動を行う駆動部５１ａと垂直方向の頂角の角度変化の駆動を行う駆動部５１ｂとを有し、駆動機構５２も同様に、水平方向の駆動を行う駆動部５２ａと垂直方向の駆動を行う駆動部５２ｂとを有する。

本実施の形態による測距装置３においては、手ブレなどにより光軸が傾いた場合は、可変頂角プリズム５０の頂角を変えることにより、レーザ光源１１から放射されたレーザ光Ｌ１を偏向させて目標物体へ向けて投射する。レーザ光源１１、コンデンサーレンズ１２、ダイクロイックプリズム１３、対物レンズ１５および可変頂角プリズム５０は送信光学系１０´を構成する。

レーザ光Ｌ１が目標物体に当って反射した反射レーザ光Ｌ２は、可変頂角プリズム６０から入射し、対物レンズ３１、狭帯域フィルター３３を通って受光素子３４に到達する。光軸の傾きに応じて可変頂角プリズム６０の頂角を変えることにより、反射レーザ光Ｌ２は確実に受光素子３４へ導かれる。可変頂角プリズム６０、対物レンズ３１、狭帯域フィルター３３および受光素子３４は受信光学系３０´を構成する。

また、目標物体からの光Ｌ３は、可変頂角プリズム５０、対物レンズ１５を通ってダイクロイックプリズム１３に入射する。光Ｌ３に含まれる反射レーザ光Ｌ２はレーザ光源１１へ戻る。光Ｌ３に含まれる可視光は、ダイクロイックプリズム１３の反射面１３Ａを透過し、正立プリズム１６、レチクル１７を通って接眼レンズ１８により観察（視準）される。可変頂角プリズム５０、対物レンズ１５、ダイクロイックプリズム１３、レチクル１７および接眼レンズ１８は視準光学系２０´を構成する。

可変頂角プリズム５０、６０は、頂角の角度がそれぞれ角度変化Ｍ５、Ｍ６となるように制御される。可変頂角プリズム６０は、可変頂角プリズム５０の頂角変化に倣って駆動されるので、角度変化Ｍ６は、角度変化Ｍ５に比較して角度変化の精度を低くすることができる。なお、可変頂角プリズム６０には頂角の角度を検出する角度センサ５５は設けられていないので、可変頂角プリズム６０の頂角の角度が必要なときには角度センサ５５の角度信号を流用する。

以上のように構成された測距装置３も測距装置１と同様の作用効果を奏する。

本発明の測距装置においては、さまざまな変形例が考えられる。
（ａ）第１〜第３の実施の形態では、正立プリズム１６はポロプリズムであったが、正立プリズムであればダハプリズムでもよい。
（ｂ）第１〜第３の実施の形態では、ダイクロイックプリズム１３と正立プリズム１６とは別部材であったが、ダイクロイックプリズム１３と正立プリズム１６を一体として両者の機能を併せもつ光学部材を配置してもよい。これにより、部品数が減り、測距装置のさらなる小型化を図ることができる。
（ｃ）第１〜第３の実施の形態では、受信光学系の防振精度を送信光学系あるいは視準光学系の防振精度よりも低下させることができるが、さらに受信光学系の光学部品の寸法精度や光軸調整精度を送信光学系あるいは視準光学系よりも低くすることも可能である。これにより、部品製造、組立てなどのコストダウンを図ることができる。
（ｄ）第３の実施の形態では、可変頂角プリズム５０と６０は、それぞれ駆動機構５１と５２により頂角の角度を変化させていたが、可変頂角プリズム５０と６０を機械的あるいは電気的に連結し、１つの駆動機構で両者を駆動してもよい。これにより、部品数が減り、測距装置のさらなる小型化を図ることができる。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。
上述した第１〜第３の実施の形態では、視準光学系を有し、目標物体までの測距と目標物体の視準の両方が可能な測距装置１〜３について説明したが、視準光学系を有さず、送信光学系と受信光学系により測距のみを行う測距装置も本発明に含まれる。また、本発明は、目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、信号光が目標物体で反射した反射光を受光素子により受光する受信光学系とを備え、信号光の投射から反射光の受光までの時間に基づいて目標物体までの距離を測定する測距装置において、送信光学系に、目標物体に対する光軸の方向の変動に応じて光線を偏向する防振動作を行う第１の防振機構を設け、受信光学系に、第１の防振機構による動作とは異なる動きの動作を行う第２の防振機構を設けたことを特徴とする測距装置とも言える。

本発明の第１の実施の形態に係る測距装置を模式的に示す構成図である。図１（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ面を光軸方向から見た図である。 第１の実施の形態に係る測距装置が傾斜したときの光学系を模式的に示す図である。 第１の実施の形態による測距装置が傾斜したときおよび防振機構が作動したときの光学系を模式的に示す図である。 第１の実施の形態で用いられる防振レンズによる光線の偏向原理を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る測距装置を模式的に示す構成図である。図５（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩＩ−ＩＩ面を光軸方向から見た図である。 本発明の第３の実施の形態に係る測距装置を模式的に示す構成図である。図６（ａ）は光学系の光軸に直交する方向から見た図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ面を光軸方向から見た図である。

符号の説明

１〜３：測距装置 １０：送信光学系
１１：レーザ光源 １３：ダイクロイックプリズム
１４：防振レンズ １６：正立プリズム
１７：レチクル ２０：視準光学系
３０：受信光学系 ３２：防振レンズ
３４：受光素子 ４０：合成光学系
４１：ＣＰＵ ４２，４３，４８，５１，５２：駆動機構
４９：連結部 ５０，６０：可変頂角プリズム

Claims (11)

1. 目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、
   前記信号光が前記目標物体で反射した反射光を、所定の大きさの受光領域を有する受光素子により受光する受信光学系とを備え、
   前記信号光の投射から前記反射光の受光までの時間に基づいて前記目標物体までの距離を測定する測距装置において、
   前記送信光学系に、前記目標物体に対する光軸の方向の変動に応じて光線を偏向する防振動作を行う第１の防振機構を設け、
   前記受信光学系に、前記第１の防振機構よりも精度の低い防振動作を行う第２の防振機構を設け、
   前記第２の防振機構による前記防振動作の精度は、前記目標物体に対して前記受信光学系の光軸が傾いた場合でも、前記受光素子への前記反射光の入射位置が前記受光領域内に収まり、前記受光領域から外れることがないように定められていることを特徴とする測距装置。
2. 視準目標物体に向け信号光を投射する送信光学系と、
   前記信号光が前記視準目標物体で反射した反射光を受光素子により受光する受信光学系とを備え、
   前記信号光の投射から前記反射光の受光までの時間に基づいて前記視準目標物体までの距離を測定する測距装置において、
   前記送信光学系に、前記視準目標物体に対する光軸の方向の変動に応じて光線を偏向する防振動作を行う第１の防振機構を設け、
   前記受信光学系に、前記第１の防振機構よりも精度の低い防振動作を行う第２の防振機構を設けたことを特徴とする測距装置。
3. 請求項２に記載の測距装置において、
   前記第２の防振機構は、前記反射光を前記受光素子が受光可能な範囲まで精度の低下を許容して動作することを特徴とする測距装置。
4. 請求項２または３に記載の測距装置において、
   前記受光素子の大きさは、前記視準目標物体に投射した前記信号光を見込む角に対応する大きさであることを特徴とする測距装置。
5. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記目標物体を視準する視準光学系をさらに備え、
   前記視準光学系および前記送信光学系は、これら２つの光学系を分離する分岐光学素子の前記目標物体側において光軸の一部を共用する合成光学系を構成し、
   前記合成光学系に前記第１の防振機構を設けたことを特徴とする測距装置。
6. 請求項２〜４のいずれか1項に記載の測距装置において、
   前記視準目標物体を視準する視準光学系をさらに備え、
   前記視準光学系および前記送信光学系は、これら２つの光学系を分離する分岐光学素子の前記視準目標物体側において光軸の一部を共用する合成光学系を構成し、
   前記合成光学系に前記第１の防振機構を設けたことを特徴とする測距装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記第１の防振機構は、前記送信光学系に配設された第１の光学素子を駆動する第１の駆動機構を有し、
   前記第２の防振機構は、前記受信光学系の光路上に配設された第２の光学素子を駆動する第２の駆動機構を有することを特徴とする測距装置。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距装置において、
   前記送信光学系に配設された第１の光学素子と前記受信光学系に配設された第２の光学素子とを機械的に連結し、
   前記第１の防振機構は、前記第１の光学素子を駆動し、
   前記第２の防振機構は、前記第１の防振機構に機械的に連結されて前記第２の光学素子を駆動することを特徴とする測距装置。
9. 請求項７または８に記載の測距装置において、
   前記第１および第２の光学素子は、駆動により光軸と垂直方向に変位する光学素子であることを特徴とする測距装置。
10. 請求項９に記載の測距装置において、
    前記第２の防振機構は、前記受信光学系の光軸の傾き角度をθ、前記受信光学系の合成焦点距離をＦ、前記受光素子の大きさをＹ、前記第２の光学素子の焦点距離をｆ２、前記第２の光学素子から前記受光素子までの距離をＬとすると、
    前記第２の光学素子の変位量Δ２が不等式
    （Ｆ・ｔａｎθ−Ｙ／２）・ｆ２／Ｌ≦Δ２≦（Ｆ・ｔａｎθ＋Ｙ／２）・ｆ２／Ｌ
    を満足するように、前記第２の光学素子を駆動することを特徴とする測距装置。
11. 請求項７または８に記載の測距装置において、
    前記第１および第２の光学素子は、駆動により入射面と射出面とのなす角である頂角の角度を変える可変頂角プリズムであることを特徴とする測距装置。

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