JP6788396B2 - 光波距離計 - Google Patents

Description

本発明は、測距光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射測距光を受光し、受光結果に基づき測定対象物迄の距離を測定する光波距離計に関するものである。

光波距離計は、発光素子から発せられる測距光を測距光学系を介して測定対象物に照射し、測定対象物からの測距反射光を測距光学系を介して受光素子で受光し、測距光の発光タイミングと測距反射光の受光タイミングとの時間差に基づき測定対象物迄の距離を測定している。

又、発光回路、受光回路、演算回路では温度変化等によるドリフトが生じる為、回路に起因する誤差を抑制する為、測距光学系は内部参照光学系を有している。

内部参照光学系は、測距光の一部をハーフミラー等の光学部材により分割し、分割した測距光を内部参照光として受光素子に導いている。内部参照光についても、発光タイミングと内部参照光の受光タイミングとの時間差を求め、測距光で得られる時間差と内部参照光で得られる時間差との差に基づき測距距離が演算されている。

測距光で得られる時間差と内部参照光で得られる時間差との差が求められることで、発光回路、受光回路、演算回路の誤差要因が相殺され、高精度の測距が可能となっている。

又、受光素子が光を検出する受光タイミングは、受光光の品質（輝度、光量）によって影響を受ける。

従って、測距精度を更に向上させる為には、測距光、内部参照光について受光光の品質も同じであることが望まれる。

従来、内部参照光は、測距光を分割することで得られており、内部参照光自体は測距光と同品質（輝度分布、輝度斑等が同一）となっている。

ところが、測距光を分割した時点では、測距光は直径が数ｍｍの光束となっており、この為、内部参照光も同様の光束となっている。これに対して、受光素子の受光面は直径が数百μｍと小さい為、内部参照光の限られた一部の光束が受光される構成となっている。内部参照光の受光光の品質は測距光の品質（輝度分布、輝度斑等）の影響を受け、受光される光束が内部参照光の光束のどの位置にあるかで受光光の品質が変ることになる。

従って、内部参照光の受光光の品質と測距光の受光品質とが相違し、測距誤差の原因となる可能性がある。

更に、受光素子の光波距離計内での支持位置は、温度変化に対応して変化する可能性があり、受光素子の位置変化は、内部参照光に対する位置変化となるので、やはり温度変化が、測距誤差の原因となる可能性がある。

特開平４−２２０５８５号公報 特開平５−３１２９５１号公報

本発明は、内部参照光の受光光の品質を改善し、測距精度の向上を図る光波距離計を提供するものである。

本発明は、測距光を発する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの測距光を受光し、受光素子に導く測距光学系と、前記測距光の一部を内部参照光として前記受光素子に導く内部参照光学系と、前記測距光の受光結果と前記内部参照光の受光結果に基づき測距を行う演算処理部とを具備し、前記内部参照光学系は、前記内部参照光を集光する集光レンズと、該集光レンズで集光された前記内部参照光を散乱し二次光源を形成する散乱板と、前記二次光源から発せられた内部参照光を受光し、前記受光素子に導く光ファイバとを具備し、前記二次光源全面の任意の点から発した前記内部参照光の光成分が、前記光ファイバに入射する様に構成された光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記光ファイバが、細径の光ファイバ要素が束ねられたバンドル光ファイバである光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記二次光源から発せられる内部参照光を集光して前記光ファイバに入射させる集光レンズを具備する光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記散乱板上に形成された前記二次光源の半径ｒｄ、前記光ファイバ入射端の半径ｒｆ、前記散乱板で散乱された光束の広がり角の半角θｄと光ファイバ受入れ角のθｆの内、小さい方の角度をθとしたとき、前記二次光源と前記光ファイバの間隔ｄが
ｄ≧（ｒｄ＋ｒｆ）／ｔａｎθ …（１）
である光波距離計に係るものである。

又本発明は、周方向に減光率が漸次変化する様に形成された円板状の減光フィルタが内部参照光の光路中に回転可能に設けられ、前記受光素子が受光する内部参照光の光量が前記減光フィルタの回転により調整される光波距離計に係るものである。

又本発明は、周方向に減光率が漸次変化する様に形成された円板状の減光フィルタが前記散乱板と一体に設けられ、該散乱板は回転可能であり、該散乱板の回転により前記受光素子が受光する内部参照光の光量が調整される光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記測距光学系に設けられ、前記測距光から前記内部参照光を分岐し、内部参照光路に向ける分岐ミラーを具備し、該分岐ミラーを測距光路に挿脱可能とした光波距離計に係るものである。

更に又本発明は、前記測距光学系に設けられ、前記測距光から前記内部参照光を分岐し、内部参照光路に向ける分岐ミラーと、前記測距光と前記内部参照光とを択一的に遮断するシャッタを有する光波距離計に係るものである。

本発明によれば、測距光を発する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの測距光を受光し、受光素子に導く測距光学系と、前記測距光の一部を内部参照光として前記受光素子に導く内部参照光学系と、前記測距光の受光結果と前記内部参照光の受光結果に基づき測距を行う演算処理部とを具備し、前記内部参照光学系は、前記内部参照光を集光する集光レンズと、該集光レンズで集光された前記内部参照光を散乱し二次光源を形成する散乱板と、前記二次光源から発せられた内部参照光を受光し、前記受光素子に導く光ファイバとを具備し、前記二次光源全面の任意の点から発した前記内部参照光の光成分が、前記光ファイバに入射する様に構成されたので、内部参照光の光束全範囲に測距光の光成分が含まれ、前記受光素子で受光される反射測距光及び内部参照光は同品質となり、測距精度が向上し、環境変化に対して信頼性が向上するという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例の光学系の概略図である。 該実施例に用いられる光ファイバの断面図である。 該実施例に用いられる散乱板の作用を示す説明図である。 本発明の第２の実施例の光学系の概略図である。 本発明の第２の実施例に於ける散乱板と集光レンズの作用を示す説明図である。 本発明の第３の実施例の光学系の概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る光波距離計の光学系の概略を示している。

光学系は、主に投光光学系１、受光光学系２、内部参照光学系３を有している。

前記投光光学系１は投光光軸５を有し、前記受光光学系２は受光光軸６を有し、前記内部参照光学系３は内部参照光軸７を有する。

前記投光光軸５には測距光１０を発する光源９が設けられ、更に前記投光光軸５には物側に向って集光レンズ１１、分岐ミラー１２、偏向光学部材としての反射鏡１３が設けられている。

前記投光光軸５は、前記反射鏡１３に偏向され、偏向された前記投光光軸５は測定対象物に向う測距光軸８となる。前記集光レンズ１１、前記反射鏡１３等は前記投光光学系１を構成する。

前記受光光軸６は、前記反射鏡１３の反射面上で前記投光光軸５と交差し、前記反射鏡１３を透過した前記受光光軸６は前記測距光軸８と合致する。

前記受光光軸６の前記反射鏡１３の像側には結像レンズ１４、ビームスプリッタ１５が設けられている。該ビームスプリッタ１５は波長選択光学部材及び偏向光学部材として機能し、測距光のみを反射する反射面１５ａを有し、該反射面１５ａは前記受光光軸６を偏向する。偏向された前記受光光軸６上には受光素子１６が設けられる。

前記結像レンズ１４、前記ビームスプリッタ１５等は、前記受光光学系２を構成する。更に、該受光光学系２及び前記投光光学系１は、測距光学系を構成する。

前記分岐ミラー１２は、前記投光光軸５から前記内部参照光軸７を分岐する光学部材であり、前記分岐ミラー１２は光路切替え駆動部１８によって前記投光光軸５上に挿入、退出可能となっている。前記分岐ミラー１２が前記投光光軸５から退出した状態では、前記測距光１０は前記反射鏡１３に入射し、更に該反射鏡１３で反射され、測定対象物に照射される。

前記分岐ミラー１２が前記投光光軸５上に挿入された状態では、前記投光光軸５は前記分岐ミラー１２によって分岐され、分岐された光軸は前記内部参照光軸７となる。

該内部参照光軸７上に集光レンズ１９、散乱板２０、光ファイバ２１、集光レンズ２２が設けられている。

前記光ファイバ２１の入射端面は前記散乱板２０と正対した状態に設定され、且つ入射端面は、前記集光レンズ１９の光軸上に配置される。前記光ファイバ２１の射出端より延出する前記内部参照光軸７上には、前記集光レンズ２２、前記受光素子１６が配設されている。該受光素子１６からの受光信号は演算処理部２３に入力される。

前記集光レンズ１９、前記散乱板２０、前記光ファイバ２１、前記集光レンズ２２等は前記内部参照光学系３を構成する。

前記光ファイバ２１は、図２に示される様に、小径の光ファイバ要素２１ａを束ねたバンドル光ファイバとなっている。

以下、第１の実施例の作用について説明する。

先ず、前記分岐ミラー１２が前記測距光１０の光路から退出した状態で、測定対象物（図示せず）に前記測距光１０が照射される。

前記光源９から前記測距光１０が発せられ、前記集光レンズ１１で平行光束とされ、前記反射鏡１３に入射する。該反射鏡１３で前記測距光軸８上に反射され、測定対象物に照射される。

測定対象物からの反射測距光１０′は、前記結像レンズ１４に入射し、前記ビームスプリッタ１５の反射面１５ａで反射され、前記受光素子１６に結像される。前記反射面１５ａは、測距光のみを反射する光学特性を有しており、前記反射面１５ａの光学作用により、ノイズ光が除去される。

尚、前記ビームスプリッタ１５と前記受光素子１６との間には光量調整手段（図示せず）が設けられてもよい。該光量調整手段は、前記受光素子１６に入射する反射測距光１０′の光量が同一又は略同一となる様調整する。

前記受光素子１６は前記反射測距光１０′を受光すると、受光信号を演算処理部２３に入力する。

次に、前記光路切替え駆動部１８により前記分岐ミラー１２が前記測距光１０の光路内に挿入される。前記分岐ミラー１２は部分反射鏡（光量分割部材）となっており、前記測距光１０は前記分岐ミラー１２によって一部が反射される。反射された前記測距光１０の一部は内部参照光２４として前記集光レンズ１９に入射する。ここで、前記分岐ミラー１２の反射率は、前記内部参照光２４の光強度が、前記受光素子１６が飽和しない適切な光強度となる様に設定される。

前記集光レンズ１９は前記内部参照光２４を前記散乱板２０に向け集光する。又、前記内部参照光２４は前記入射端面に至る過程で前記散乱板２０を透過し、該散乱板２０によって散乱される。該散乱板２０から散乱光の前記内部参照光２４が発せられ、前記散乱板２０の前記内部参照光２４の射出部分は二次光源を形成する。

該散乱板２０の作用は、図３に示されている。

図３に於いて、前記散乱板２０に入射した時の前記内部参照光２４の直径（即ち、前記散乱板２０上に形成された二次光源）は２ｒｄ、前記光ファイバ２１の直径は２ｒｆ、前記散乱板２０と前記光ファイバ２１の入射端面間の距離はｄ、前記散乱板２０による散乱角は２θｄ、前記光ファイバ要素２１ａの受入れ角（ＮＡ）は２θｆとして表されている。

前記測距光１０は、微小な光束の集合とすると、前記測距光１０は光強度分布を有し、或は光量斑を有しており、前記光束の個々は、光強度分布、光量斑を反映した特性を持っている。以下は、前記微小の光束について、前記測距光１０を構成する光成分と称する。

図３に於いて、前記内部参照光２４の上端Ａに位置する光成分は、散乱角２θｄで広がる。上端Ａからの光成分が光ファイバ２１の入射端面の最下端（一番入射しにくい点）に入射する場合の入射角をθとすると、入射角θが散乱角θｄ及びθｆより小さくなる様に設定する。

同様に、下端Ｃからの光成分が光ファイバ２１の入射端面の最下端（一番入射しにくい点）に入射する場合の入射角θが前記散乱角θｄ及びθｆより小さくなる様に設定する。

上端Ａ、下端Ｃからの光成分が、前記光ファイバ要素２１ａに入射する様に設定すると、全ての前記光ファイバ要素２１ａのそれぞれには、中点Ｂからの光成分を含む前記内部参照光２４を構成する光成分の全てが入射することになる。

全ての前記光ファイバ要素２１ａのそれぞれに、前記内部参照光２４を構成する全ての光成分が入射する条件、即ち前記二次光源全面から光成分が入射する条件は、
前記散乱板２０上に形成された二次光源の半径ｒｄ、前記光ファイバ入射端の半径ｒｆ、前記散乱板２０で散乱された光束の広がり角の半角θdと光ファイバ受入れ角の２θｆの内、小さい方の角度をθとしたとき、
ｄ≧（ｒｄ＋ｒｆ）／ｔａｎθとなる。 …（１）

上記式（１）は、前記散乱板２０と前記光ファイバ２１の入射端面間の距離ｄの適正の下限値を示しており、上限値は特にないが、距離ｄが大きくなると前記光ファイバ２１に入射する前記内部参照光２４の光量が減少し、無駄が多くなる。従って、距離ｄは製作上最も小さく、或は製作が容易で且つｄ≧（ｒｄ＋ｒｆ）／ｔａｎθとなる。

前記光ファイバ要素２１ａに入射した光成分は、該光ファイバ要素２１ａの内壁で反射されつつ伝播するので、前記光ファイバ要素２１ａを通過する過程でも撹拌される。

従って、前記集光レンズ２２から射出される内部参照光２９は、前記散乱板２０で撹拌された状態が維持されている。前記集光レンズ２２から射出された前記内部参照光２９は、前記集光レンズ２２で平行光束とされ、前記受光素子１６によって受光される。

前記内部参照光２４は、直径２ｒｆの大きさを有する前記光ファイバ２１の射出端面から射出されており、前記集光レンズ２２で平行光束とされた前記内部参照光２９も広がりを有している。従って、前記受光素子１６の受光面は小さいので、前記受光素子１６で受光される前記内部参照光２９は、極一部に限定される。

一方、上記した様に前記光ファイバ要素２１ａの個々から射出される内部参照光２４′は、それぞれが前記内部参照光２４の全ての成分を有しているので、前記内部参照光２９の成分は前記反射測距光１０′の成分と同一となる。

前記内部参照光２９の受光結果は、前記受光素子１６から前記演算処理部２３に入力され、該演算処理部２３では前記測距光１０の受光結果、前記内部参照光２９の受光結果に基づき測定対象物迄の測距が行われる。

前記内部参照光２９の成分と前記反射測距光１０′の成分とは同一であるので、前記測距光１０、前記内部参照光２９により測距した精度の向上が図れる。

又、前記集光レンズ２２を透過した前記内部参照光２９は、前記受光素子１６の受光面より充分大きい広がり角を有し、又前記内部参照光２４は全光束で同一成分（前記測距光１０の全ての成分を含む）なので、前記内部参照光２４のどの部分が前記受光素子１６に受光されてもよいので、前記光ファイバ２１と前記受光素子１６の位置合せに精度は要求されなく、組立が容易となる。

尚、前記光ファイバ２１の射出端面を前記受光素子１６の受光面に近接して配置できれば、光量損失は少ないので、前記集光レンズ２２は省略することができる。

尚、前記散乱板２０による均質化状態が、維持される或は大きく崩れない場合は、前記光ファイバ２１は細い光ファイバ要素２１ａの集合ではなく、１本の光ファイバ要素２１ａによって構成されたものでもよい。

図４を参照して本発明の第２の実施例を説明する。

尚、図４中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

第２の実施例では、分岐ミラー１２は固定であり、測距光１０の一部を内部参照光２４として反射し、残部を測距光１０として透過するハーフミラーとなっている。又、前記分岐ミラー１２の反射率は、前記受光素子１６が飽和しない適切な光強度となる様に設定される。

光路切替え手段としてシャッタ２５が設けられ、該シャッタ２５は、投光光軸５と内部参照光軸７間を移動し、前記測距光１０と前記内部参照光２４とを択一的に遮断する構成となっている。

散乱板２０と光ファイバ２１の入射端面との間には集光レンズ２６が設けられる。

第２の実施例に於いて、前記測距光１０が射出されるときは、前記シャッタ２５が前記内部参照光軸７上に位置し、前記内部参照光２４の光路を遮断する。

又、前記シャッタ２５が前記投光光軸５上にあり、前記測距光１０の光路を遮断した状態では、前記内部参照光２４が分岐ミラー１２で反射され、前記散乱板２０、前記集光レンズ２６を経て前記光ファイバ２１の入射端面に入射する。

前記集光レンズ２６の作用について、図５を参照して説明する。

前記散乱板２０のＡ点を光源として射出された光束は、前記集光レンズ２６によって平行光束とされ、照射範囲ａで前記光ファイバ２１の入射端面を照射する。又、Ｃ点を光源として射出された光束は、前記集光レンズ２６によって平行光束とされ、照射範囲ｃで前記光ファイバ２１の入射端面を照射する。

従って、より多くの光束が前記光ファイバ２１の入射端面に入射し、光量損失が減少する。

図６は、第３の実施例を示している。

散乱板２０の入射側或は射出側（図示では、入射側）に減光フィルタ２７が設けられている。

該減光フィルタ２７は円板状であり、支持軸２８を中心に回転可能となっている。前記減光フィルタ２７は、周方向に濃度（減光率）が漸次変化する様に形成されている。

内部参照光２４は、前記減光フィルタ２７の周辺を透過する様になっている。従って、前記減光フィルタ２７を透過する前記内部参照光２４は、前記減光フィルタ２７を回転することで、光量が増減する様になっている。

前記分岐ミラー１２の反射率を設定、管理する代わりに、前記減光フィルタ２７の回転位置を選択することで、前記受光素子１６が飽和しない適切な光強度となる様に設定できる。

而して、前記散乱板２０による光成分の均質化と、光量の一致により更に測距精度が向上する。

前記散乱板２０と前記減光フィルタ２７とは一体化してもよい。例えば、前記散乱板２０の一面に減光フィルタ２７のフィルムを貼付け、減光フィルタ機能付きの散乱板２０とする。

前記散乱板２０を回転することで、光量調整と光成分均質化が同時に行える。又、部品点数が少なくなり、構成が簡単となる。

１ 投光光学系
２ 受光光学系
３ 内部参照光学系
５ 投光光軸
６ 受光光軸
７ 内部参照光軸
９ 光源
１０ 測距光
１０′ 反射測距光
１６ 受光素子
１９ 集光レンズ
２０ 散乱板
２１ 光ファイバ
２１ａ 光ファイバ要素
２２ 集光レンズ
２３ 演算処理部
２４ 内部参照光
２６ 集光レンズ
２７ 減光フィルタ

Claims (7)

1. 測距光を発する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの測距光を受光し、受光素子に導く測距光学系と、前記測距光の一部を内部参照光として前記受光素子に導く内部参照光学系と、前記測距光の受光結果と前記内部参照光の受光結果に基づき測距を行う演算処理部とを具備し、前記内部参照光学系は、前記内部参照光を集光する集光レンズと、該集光レンズで集光された前記内部参照光を散乱し二次光源を形成する散乱板と、前記二次光源から発せられた内部参照光を受光し、前記受光素子に導く光ファイバとを具備し、前記二次光源全面の任意の点から発した前記内部参照光の光成分が、前記光ファイバに入射する様に構成され、
   前記散乱板上に形成された前記二次光源の半径ｒｄ、前記光ファイバ入射端の半径ｒｆ、前記散乱板で散乱された光束の広がり角の半角θｄと光ファイバ受入れ角のθｆの内、小さい方の角度をθとしたとき、前記二次光源と前記光ファイバの間隔ｄが
   ｄ≧（ｒｄ＋ｒｆ）／ｔａｎθ
   である光波距離計。
2. 前記光ファイバは、細径の光ファイバ要素が束ねられたバンドル光ファイバである請求項１に記載の光波距離計。
3. 前記二次光源から発せられる内部参照光を集光して前記光ファイバに入射させる集光レンズを具備する請求項１又は請求項２に記載の光波距離計。
4. 周方向に減光率が漸次変化する様に形成された円板状の減光フィルタが内部参照光の光路中に回転可能に設けられ、前記受光素子が受光する内部参照光の光量が前記減光フィルタの回転により調整される請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の光波距離計。
5. 周方向に減光率が漸次変化する様に形成された円板状の減光フィルタが前記散乱板と一体に設けられ、該散乱板は回転可能であり、該散乱板の回転により前記受光素子が受光する内部参照光の光量が調整される請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の光波距離計。
6. 前記測距光学系に設けられ、前記測距光から前記内部参照光を分岐し、内部参照光路に向ける分岐ミラーを具備し、該分岐ミラーを測距光路に挿脱可能とした請求項１に記載の光波距離計。
7. 前記測距光学系に設けられ、前記測距光から前記内部参照光を分岐し、内部参照光路に向ける分岐ミラーと、前記測距光と前記内部参照光とを択一的に遮断するシャッタを有する請求項１に記載の光波距離計。

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