JP6557548B2 - 自動測量機 - Google Patents

Description

本発明は、目標対象物を自動的に追尾する自動測量機に関し、特に、目標対象物からの反射光を、視準光，測距光，追尾光に分割する光学系を有する自動測量機に関する。

目標対象物を自動的に追尾する自動測量機では、異なる波長帯を含む光を望遠鏡から照射し、目標対象物で反射させて受光して、目標対象物を肉眼等で視準を行うための視準光、目標対象物までの距離を測定するための測距光、目標対象物の位置を検出して自動追尾するための追尾光、に分割する。波長分割のための手段には、ダイクロイックプリズムが多く使用されており、前記望遠鏡には、ダイクロイックプリズムと、望遠鏡光学系と、測距光用の照射光学系と、測距光用の受光光学系と、追尾光用の照射光学系と、追尾光用の受光光学系が備えられる。

図４は、上記の自動測量機の一例として、特許文献１に係る望遠鏡内のダイクロイックプリズムおよびその周囲光学系の構成図を示すものである。符号２０はダイクロイックプリズムであり、ペンタ型プリズム２１の対向する面に楔型プリズム２２，２３ が貼り付けられ、プリズム２１，２２とプリズム２１，２３の境界にそれぞれ第１のダイクロイックミラー面２４と第２のダイクロイックミラー面２５が形成されている。

目標対象物からの反射光は、光軸Ｏ上の対物レンズ５を通ってダイクロイックプリズム２０に入射する。第１のダイクロイックミラー面２４は入射した反射光のうち、波長４００ｎｍ〜６５０ｎｍを透過し、波長６５０ｎｍ〜８５０ｎｍを反射する。第２のダイクロイックミラー面２５は、赤外光のうち波長７２０〜８５０ｎｍを透過し、波長６５０〜７２０ｎｍを反射する。このダイクロイックプリズム２０によれば、目標対象物からの反射光は、視準光Ｌ１（４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）、測距光Ｌ２（８００ｎｍ）、追尾光Ｌ３（６５０ｎｍ）に分割され、視準光Ｌ１は、合焦レンズ６，正立プリズム７，焦点鏡８，接眼レンズ９等の望遠鏡光学系に導かれ、測距光Ｌ２は、測距受光センサ１０等の測距光用の受光光学系に導かれ、追尾光Ｌ３は、追尾受光センサ１１等の追尾光用の受光光学系に導かれる。

ここで、特許文献１では図示されていないが、実際の光学系では、図４に示すように、ＳＮ比改善のために、測距光および追尾光の出射面に、可視光を吸収する光学吸収フィルタ２７および光学吸収フィルタ２８が追加される。これは、第１のダイクロイックミラー面２４で可視光は分割されるが、可視光の全ての波長帯域を完全に分割することが困難なためである。

特許第４０２３５７２号

上述した図４の自動測量機では、分割された測距光Ｌ２および追尾光Ｌ３に対し、ダイクロイックプリズム２０を通過した後に、光学吸収フィルタ２７，２８が挿入されている。そのため、測距用と追尾用に可視光吸収という同じ機能を持った光学吸収フィルタを２枚使用することとなり、この分部品点数が増え、構成が複雑になるという問題があった。

また、ダイクロイックプリズム２０を通過した後に光学吸収フィルタ２７，２８を挿入しているので、特に、追尾光が収束光であった場合には、追尾受光センサ１１近傍に設置された光学吸収フィルタ２８を通過する追尾光束径が細くなる。このため、光学吸収フィルタ２８の内部に泡、脈理といった欠陥がわずかでも存在すると、光束径に対する欠陥サイズの比が大きいため、受光量の低下や、受光像光量分布の偏りが生じ、目標対象物の追尾性能低下につながるという問題があった。

さらに、追尾性能を確保する上で許容される光学吸収フィルタ２８内部の欠陥サイズが目視判断可能なサイズ未満の場合、顕微鏡等の検査設備が必要になる。追尾光が不可視光の場合には、光学吸収フィルタ２８内部の欠陥を肉眼で確認することができず、カメラを用いた専用の検査設備が必要になるという問題があった。

本発明は、前記問題を解決するために、目標対象物からの反射光を視準光，測距光，追尾光に分割する自動測量機において、ＳＮ比改善のために使用する可視光吸収用の光学吸収フィルタの構成を簡略化するとともに、該光学吸収フィルタ内部の欠陥による自動追尾性能の低下を抑えることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のある態様の自動測量機は、目標対象物からの反射光が入射するダイクロイックプリズムと、前記ダイクロイックプリズムに備えられた前記反射光から視準光を分割する第１の反射面と、前記ダイクロイックプリズムに備えられた前記第１の反射面で反射された光を測距光と追尾光とに分割する第２の反射面と、を備え、前記第２の反射面を形成する２つのプリズムの間に、可視光の波長域を吸収する光学吸収フィルタを挿入し、前記第２の反射面を、光の伝搬方向において前記光学吸収フィルタの後側の面と光の伝搬方向において前記光学吸収フィルタの後方となる側のプリズムの表面との境界に形成する。

上記態様において、好ましくは、前記ダイクロイックプリズムは、対物レンズの後ろに配置され、前記ダイクロイックプリズムに入射する前記反射光は収束光となる。

上記態様において、好ましくは、前記測距光と前記追尾光は６６０ｎｍ以上の長波長の光であり、前記第１の反射面は、波長４００〜６６０ｎｍの光を透過し、波長６６０〜１０００ｎｍの光を反射し、前記第２の反射面は、波長６６０〜７００ｎｍの光を透過し、波長７００〜１０００ｎｍの光を反射し、前記光学吸収フィルタは波長６６０ｎｍより短波長の光を吸収する。

上記態様において、好ましくは、前記光学吸収フィルタの前記光の伝搬方向における厚みｄは、０ｍｍ＜ｄ≦３．５ｍｍである。

上記態様において、好ましくは、前記ダイクロイックプリズムの、前記測距光の出射面と前記追尾光の出射面には、それぞれ前記測距光と前記追尾光の波長のみを透過させる光学薄膜が形成される。

本発明によれば、測距光と追尾光で光学吸収フィルタが１枚で共有されるため、部品点数の削減および構成の簡素化が実現できる。

また、光学吸収フィルタをダイクロイックプリズムの内部に挿入したことで、光学吸収フィルタと追尾受光センサとの距離が離れ、光学吸収フィルタを通過する追尾光束が従来よりも大きくなる。これにより、光束径に対する光学吸収フィルタの欠陥サイズの比が小さくなり、この結果、目標対象物の追尾性能低下を抑えることができる。

さらに、追尾性能を確保する上で許容される光学吸収フィルタ内部の欠陥サイズが緩和されることにより、部品の歩留まり向上、顕微鏡等を用いた専用の検査設備を不要または緩和することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態が使用される自動測量機の外観図である。この自動測量機は、整準部１と、該整準部１の上に設けられた基盤部２と、該基盤部２上を鉛直軸周りに水平回転可能に設けられた托架部３と、該托架部３に設けられた水平軸周りに鉛直回転可能に設けられた望遠鏡４から構成されている。托架部３、望遠鏡４は、図示しない内蔵のモータにより回転駆動される様になっており、遠隔で又は自動で操作が可能となっている。

望遠鏡４から照射する光には、視準用，測距用，追尾用の異なる波長帯が含まれている。目標対象物からの反射光は、後述するダイクロイックプリズム４０に入射され、視準光，測距光，追尾光と目的毎に波長分割され、目標対象物の視準、距離測定、および自動追尾が行われる。

図２は、実施の形態に係るダイクロイックプリズム４０の構成図である。図２中、図４で示したものと同様のものには同符号を付し、その説明は省略する。受光した反射光の光軸Ｏ上には、対物レンズ５、ダイクロイックプリズム４０、合焦レンズ６、正立プリズム７、焦点鏡８、接眼レンズ９が、この順で配置されている。

ダイクロイックプリズム４０も、ペンタ型の第１のプリズム４１の対向する面に楔型の第２，第３のプリズム４２，４３が配置されて形成されたものである。第１のプリズム４１と第２のプリズム４２の境界には、第２のプリズム４２の表面に薄膜塗布されて、第１のダイクロイックミラー面４４が形成されている。そして、第１のプリズム４１と第３のプリズム４３の間には、可視光を吸収する光学吸収フィルタ４６が接着により挿入されている。第２のダイクロイックミラー面４５は、光学吸収フィルタ４６と対向する第３のプリズム４３の表面に薄膜塗布により形成され、光学吸収フィルタ４６の後側の面と第３のプリズム４３の表面との境界に形成されている。

第１のダイクロイックミラー面４４は、波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍの光を透過し波長６６０ｎｍ〜１０００ｎｍの光を反射する。第２のダイクロイックミラー面４５は、波長６６０ｎｍ〜７００ｎｍの光を透過し波長７００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を反射する。なお、本明細書において、「〜」は、境界の数値を含む記号として使用している。これに対し、理由は後述するが、本形態においては、視準光の波長λ１は４００ｎｍ≦λ１＜６６０ｎｍの可視光、測距光の波長λ２は６６０ｎｍ≦λ２＜７００ｎｍの可視光、追尾光の波長λ３は８５０ｎｍ≦λ３≦１０００ｎｍの赤外光、とするのが好ましい。これに対し、光学吸収フィルタ４６は、波長６６０ｎｍより短波長の光を吸収するものを使用するのが好ましい。

第３のプリズム４３の出射面の近傍には、第１のダイクロイックミラー面４４の反射光軸上に、測距受光センサ１０が配置されている。第１のプリズム４１の出射面の近傍には、第２のダイクロイックミラー面４５の反射光軸上に、追尾受光センサ１１が配置されている。

また、第３のプリズム４３の出射面には、測距光の波長のみを透過するバンドパスフィルタ４７がコーティングにより形成されている。第１のプリズム４１の出射面の近傍には、追尾光の波長のみを透過するバンドパスフィルタ４８がコーティングにより形成されるのが好ましい。

以下、作用を説明する。

目標対象物からの反射光が対物レンズ５より入射すると、第１のダイクロイックミラー面４４で、測距光と追尾光が反射され、視準光Ｌ１は透過する。透過した視準光Ｌ１は合焦レンズ６により焦点鏡８で結像し、結像した像は焦点鏡８のスケールと共に再び測量者の網膜に結像される。

第１のダイクロイックミラー面４４で反射された測距光と追尾光は、同軸の伝播光路を進み、第２のダイクロイックミラー面４５の手前に挿入された光学吸収フィルタ４６を透過し、６６０ｎｍよりの短波長の光がここで吸収される。測距光Ｌ２は、光学吸収フィルタ４６を透過した後、第２のダイクロイックミラー面４５を透過して、測距受光センサ１０へと導かれる。追尾光Ｌ３は、光学吸収フィルタ４６を透過した後、第２のダイクロイックミラー面４５で反射し、再び光学吸収フィルタ４６を透過して、追尾受光センサ１１へと導かれる。

本実施の形態によれば、第１のダイクロイックミラー面４４で反射された測距光Ｌ２および追尾光Ｌ３は、伝播光路上、第２のダイクロイックミラー面４５の手前にある光学吸収フィルタ４６を通過したのちに、第２のダイクロイックミラー面４５で分割されそれぞれ出射することとなる。これにより、従来、すなわち図４の構成で測距用と追尾用とで別々に設けられていた光学吸収フィルタ２７，２８が廃止され、１枚の光学吸収フィルタ４６で測距用と追尾用とが共有されるため、部品点数の削減および構成の簡素化が実現できる。

また、光学吸収フィルタ４６を、ダイクロイックプリズム４０の内部（第１のプリズム４１と第３のプリズム４３の間）に挿入したことで、第２のダイクロイックミラー面４５で反射された追尾光Ｌ３の追尾光路では、光学吸収フィルタ４６と追尾受光センサ１１との距離が離れる。目標対象物からの反射光は、対物レンズ５を通過して収束光となっているので、光学吸収フィルタ４６を通過する追尾光束は、従来（図４のもの）よりも大きくなる。これにより、光学吸収フィルタ４６の内部に欠陥があっても、光束径に対する欠陥サイズの比が小さくなり、この結果、追尾受光センサ１１における受光量の低下や受光像光量分布の偏りが低減され、追尾受光センサ１１のＳＮ比が従来よりも向上し、目標対象物の追尾性能低下を抑えることができる。なお、本形態では、追尾光Ｌ３は光学吸収フィルタ４６を二回透過し、二乗で減衰効果が得られることも、追尾受光センサ１１のＳＮ比向上に有利と言える。

また、上述のように、光学吸収フィルタ４６が追尾受光センサ１１から離れることにより、追尾性能を確保する上で許容される光学吸収フィルタ４６の内部の欠陥サイズが緩和される。これにより、光学吸収フィルタの部品歩留まり向上、顕微鏡等を用いた専用の検査設備を不要または緩和することができる。

また、上述のように、追尾受光センサ１１のＳＮ比が向上したことを受けて、第１のダイクロイックミラー面４４と第２のダイクロイックミラー面４５の特性、および視準光，測距光，追尾光の各波長域を、従来よりも有利な値に変更することができる。

第１のダイクロイックミラー面４４では、透過域が従来の透過域４００ｎｍ〜６５０ｎｍから４００ｎｍ〜６６０ｎｍに広げられている。これに対して、視準光の波長λ１は従来の４００ｎｍ≦λ１≦６５０ｎｍから４００ｎｍ≦λ１＜６６０ｎｍに設定する。すなわち、第１のダイクロイックミラー面４４の透過域が従来よりも赤色側へ拡大されたことにより、接眼レンズ９で得られる視準光Ｌ１に赤色側の波長のものが増え、赤色の発色が改善される。これにより、従来よりも自然な色味で視準風景が得られるようになる。

第２のダイクロイックミラー面４５では、透過域が従来の７２０ｎｍ〜８５０ｎｍから６６０ｎｍ〜７００ｎｍに、反射域が従来の６５０ｎｍ〜７２０ｎｍから７００ｎｍ〜１０００ｎｍに変更されている。これに対して、測距光の波長λ２は、従来の８００ｎｍから６６０ｎｍ≦λ２＜７００ｎｍに、追尾光の波長λ３は、従来の６５０ｎｍから８５０ｎｍ≦λ３≦１０００ｎｍに設定する。すなわち、測距光については、波長域が不可視光から７００ｎｍ未満の可視光に変更されたことで、レーザ安全規格上の安全対策の緩和と使用製品の拡大が図れる。追尾光については、可視光から不可視光に変更され、かつ赤外光側へ透過域が拡大されたことで、追尾受光センサ１１のＳＮ比のさらなる向上が図れる。追尾受光センサ１１にとって最大の外乱（ノイズ）は太陽光であり、太陽光の波長毎の強度分布（スペクトル）は波長５００ｎｍ付近にピークをもち、そこから長波長になるほど強度が下がる。このため、本形態の追尾光の波長λ３（８５０ｎｍ≦λ３≦１０００ｎｍ）であれば、従来の追尾光６５０ｎｍよりも長波長となり、ノイズとなる太陽光強度が低下して、ＳＮ比が向上する。さらに、同じレーザ安全クラスで許容される赤外光レーザパワーは長波長になるほど大きくなるので、従来の追尾光に比してシグナルの強度を上げることができ、よりＳＮ比を向上させることができる。

また、光学吸収フィルタ４６の厚みｄ（図２参照）は、測距受光センサ１０および追尾受光センサ１１でのＳＮ比を向上させる観点からは厚くするほうがよく、第１のプリズム４１と第３のプリズム４３の間に接着するという観点からはプリズム強度維持のために薄くするほうがよい。この相反する条件を満たすため、光学吸収フィルタ４６の厚みｄは、０ｍｍ＜ｄ≦３．５ｍｍ、特に約３．０ｍｍ程度とするのが好ましい。

次に、図３は図２のダイクロイックプリズム４０の変形例を示す構成図である。図３中、図２で示したものと同様のものには同符号を付し、その説明は省略する。

変形例のダイクロイックプリズム４０では、第１のプリズム４１、第２のプリズム４２、第３のプリズム４３は、三角型のプリズムで形成されている。第１のダイクロイックミラー面４４は、第１のプリズム４１と第３のプリズム４３の境界に形成されている。そして、第１のプリズム４１と第２のプリズム４２の間に光学吸収フィルタ４６が接着により挿入され、第２のダイクロイックミラー面４５は、光学吸収フィルタ４６と対向する第２のプリズム４２の表面に薄膜塗布することにより形成されている。

第２のダイクロイックミラー面４５は、波長７００〜１０００ｎｍが透過され、波長６６０〜７００ｎｍが反射されるようになっており、すなわち、図２の構成とは異なり、追尾光Ｌ３が透過され、測距光Ｌ２が反射されるようになっている。第１のプリズム４１の出射面には、測距光の波長のみを透過するバンドパスフィルタ４７がコーティングにより形成されている。第２のプリズム４２の出射面の近傍には、追尾光の波長のみを透過するバンドパスフィルタ４８がコーティングにより形成されている。

この変形例においても、第２のダイクロイックミラー面４５は、光の伝搬方向において光学吸収フィルタ４６の後側の面と、光の伝搬方向において光学吸収フィルタ４６の後方となる側の第２のプリズム４２の表面との境界に形成されているので、図２の構成と同等の効果が得られる。

このように、第２の反射面を形成する２つのプリズムの間に光学吸収フィルタを挿入し、第２の反射面を、光の伝搬方向において光学吸収フィルタの後側の面と光の伝搬方向において光学吸収フィルタの後方となる側のプリズムの表面との境界に形成すれば、他の形状のダイクロイックプリズムであっても、本形態と同様の効果が得られる。

なお、図２および図３の構成では、図中において、上方に向かって追尾光Ｌ３が出射するように構成されているが、望遠鏡４内の他の光学系および機械系の配置が許容すれば、測距光Ｌ２を上方に出射させるように適宜変更がなされてよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、上記の実施の形態および変形例は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

実施の形態が使用される自動測量機の外観図である。 実施の形態に係るダイクロイックプリズムの構成図である。 図２のダイクロイックプリズムの変形例を示す構成図である。 従来のダイクロイックプリズムの構成図である。

５ 対物レンズ
１０ 測距受光センサ
１１ 追尾受光センサ
４０ ダイクロイックプリズム
４１ 第１のプリズム
４２ 第２のプリズム
４３ 第３のプリズム
４４ 第１のダイクロイックミラー面（第１の反射面）
４５ 第２のダイクロイックミラー面（第２の反射面）
４６ 光学吸収フィルタ
４７ バンドパスフィルタ（光学薄膜）
４８ バンドパスフィルタ（光学薄膜）

Claims (5)

1. 目標対象物からの反射光が入射するダイクロイックプリズムと、前記ダイクロイックプリズムに備えられた前記反射光から視準光を分割する第１の反射面と、前記ダイクロイックプリズムに備えられた前記第１の反射面で反射された光を測距光と追尾光とに分割する第２の反射面と、を備え、
   前記第２の反射面を形成する２つのプリズムの間に、波長６６０ｎｍより短波長の光を吸収する光学吸収フィルタを挿入し、
   前記第２の反射面は、光の伝搬方向において前記光学吸収フィルタの後側の面と光の伝搬方向において前記光学吸収フィルタの後方となる側のプリズムの表面との境界に形成されることを特徴とする自動測量機。
2. 前記ダイクロイックプリズムは、対物レンズの後ろに配置され、前記ダイクロイックプリズムに入射する前記反射光は収束光となる請求項１に記載の自動測量機。
   
3. 前記測距光と前記追尾光は、６６０ｎｍ以上の長波長の光であり、前記第１の反射面は、波長４００〜６６０ｎｍの光を透過し、波長６６０〜１０００ｎｍの光を反射し、前記第２の反射面は、波長６６０〜７００ｎｍの光を透過し、波長７００〜１０００ｎｍの光を反射し、前記光学吸収フィルタは、波長６６０ｎｍより短波長の光を吸収する 請求項１に記載の自動測量機。
   
4. 前記光学吸収フィルタの前記光の伝搬方向における厚みｄは、０ｍｍ＜ｄ≦３．５ｍｍである請求項1に記載の自動測量機。
   
5. 前記ダイクロイックプリズムの、前記測距光の出射面と前記追尾光の出射面には、それぞれ前記測距光と前記追尾光の波長のみを透過させる光学薄膜が形成される請求項１から４のいずれか1つに記載の自動測量機。