JPH07168122A

JPH07168122A - 投光光学系及び受光光学系

Info

Publication number: JPH07168122A
Application number: JP5317033A
Authority: JP
Inventors: Mikio Yamagata; 幹夫山形; Masato Shibuya; 眞人渋谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】光量損失の少ない投光光学系の提供および検出
精度の高い受光光学系の提供。【構成】光軸近傍に遮蔽部を有するアフォーカル光学系
(20)と、アフォーカル光学系を介した光を集光する集光
光学系(41)と、集光された光を光電変換する光電変換素
子とを有する受光光学系は、アフォーカル光学系と集光
光学系との間に光路中に配置されたコーンレンズ(13)を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光軸近傍に遮蔽部を有
する投光光学系及び受光光学系に関し、特に測量機の如
き遠距離の物体に対して投光または受光する投光光学系
及び受光光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の投光光学系、例えば光波測距装置
の投光光学系としては、図４に示す構成のものが知られ
ている。図４において、半導体レーザ101 からの発散光
束は、コリメータレンズ102 により平行光束に変換され
る。この平行光束は、接眼レンズ111 を介して光源像を
形成する。この光源像からの光は、副鏡112 及び主鏡11
3 を介して、コリメータレンズ102 からの平行光束より
も光束径が拡大された状態で図示なき目標物に投射され
る。ここで、半導体レーザ101 及びコリメータレンズ10
2 が光源部100 を構成しており、主鏡113 、副鏡112 及
び接眼レンズ111がアフォーカル光学系110 を構成して
いる。

【０００３】また、光波測距装置を有する測量機におい
ては、目標物を視準するための視準光学系と、光波測距
用の光学系とが同軸であるものが知られている。この測
量機は、共通の対物光学系を介して光波測距と視準とを
行うものであり、例えば対物光学系を通過する光束のう
ち、中心部の領域を光波測距に用い、周辺部の領域を視
準に用いるものである。

【０００４】そして、近年では、自動視準を行うことの
できる測量機が要望されている。上述の構成の測量機に
おいて、自動視準を行うためには、目標物へ光束を投射
する投光光学系と、目標物からの光束を受光する受光光
学系とから視準光学系を構成すれば良い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４において、アフォ
ーカル光学系を介した平行光束は、副鏡112 の遮蔽によ
り断面が輪帯状の光束となる。このとき、半導体レーザ
101 からの光束は、図５(a) に示すように、副鏡112 に
より遮蔽される領域Co（図中斜線で示される領域）が目
標物に投射されない。このとき、半導体レーザ101 から
射出される光の強度分布を示す図５(b) の如く、目標物
に投射される光束の範囲ALのうち、図中斜線で示される
領域Coが副鏡112 により遮蔽される。この領域Coは、半
導体レーザ101 の最も強度が高い領域であるため、投光
光量が大幅に減少する問題点が生じる。

【０００６】また、自動視準が可能な測量機の受光光学
系においては、上述の如く、視準に用いる光束が中抜け
領域を持つことになる。ここで、光電変換素子の面積に
対して有効なスポットサイズとするためには、光電変換
素子上の光スポットをディフォーカス状態とする。この
ときには、光電変換素子上の光スポットが輪帯形状とな
るため、光スポットの光量重心の検出が困難となる。具
体的には、光スポットの移動量と光電変換素子上に検出
される光量重心の移動量との線型的な関係が崩れ、位置
検出精度が悪化する問題点が発生する。

【０００７】そこで、本発明は、光量損失の少ない投光
光学系を提供することを第１の目的とし、高い精度のも
とで位置検出の行うことのできる受光光学系を提供する
ことを第２の目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明による投光光学系は、以下の構成を有す
る。例えば図１に示す如く、実質的な平行光束を射出す
る光源部(10)と、光源部からの平行光束の光束径を拡大
させた状態のもとで目標物に輪帯状の平行光束を投射す
るアフォーカル光学系(20)とを有する投光光学系におい
て、光源部とアフォーカル光学系との間の光路中には、
光源部からの平行光束を輪帯状の平行光束に変換するコ
ーンレンズ(13)が配置されるように構成される。

【０００９】また、上述の目的を達成するために、本発
明による受光光学系は、以下の構成を有する。例えば図
３に示す如く、光軸近傍に遮蔽部を有するアフォーカル
光学系(20)と、アフォーカル光学系を介した光を集光す
る集光光学系(41)と、集光された光を光電変換する光電
変換素子(42)とを有する受光光学系において、アフォー
カル光学系と集光光学系との間の光路中には、アフォー
カル光学系を介した輪帯状の平行光束を中抜け領域のな
い平行光束に変換するコーンレンズ(13)が配置されるよ
うに構成される。

【００１０】

【作用】上述の構成の如き本発明による投光光学系にお
いては、コーンレンズによって光源部から射出された平
行光束を中抜け領域のある輪帯状の平行光束に変換して
いる。このとき、コーンレンズを介した輪帯状の光束の
中抜け領域は、アフォーカル光学系において副鏡によっ
て遮蔽される領域と実質的に対応する。よって、光源か
らの光束を遮光することなく、目標物へ投射することが
できる。

【００１１】また、上述の構成の如き本発明による受光
光学系においては、アフォーカル光学系からの中抜け領
域のある輪帯状光束は、コーンレンズによって、中抜け
領域の無い平行光束に変換される。このとき、光電変換
素子上の光スポットは点像となるため、光スポットの光
量重心の検出において線型性の悪化を招かない。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例を
説明する。図１は、本発明を光波測距装置の反射型の投
光光学系に適用した第１実施例の構成を示す図である。
図１において、半導体レーザ１１は、所定の広がり角度
を持つ光束を発生する。この発散光束は、コリメータレ
ンズ１２を介して平行光束に変換され、コーンレンズ１
３に達する。このコーンレンズ１３は、光源側（半導体
レーザ１１側）に凹面を向けた円錐形状の入射面１３ａ
と光の射出側に凸面を向けた円錐形状の射出面１３ｂと
を有している。また、コーンレンズ１３は、入射面１３
ａの頂点と射出面１３ｂの頂点とを結ぶ軸を中心として
回転対称の形状の光学部材であって、例えばガラス、結
晶またはプラスチック等の光透過性を有する光学材料で
構成される。ここで、コーンレンズ１３の回転対称の軸
は、投光光学系の光軸Ax上に配置される。本実施例にお
いては、これらの半導体レーザ１１及びコリメータレン
ズ１２が光源部１０を構成している。なお、本実施例で
は、光源として半導体レーザを適用しているが、本発明
における光源としては、半導体レーザ以外のレーザやＬ
ＥＤ等を適用しても良い。

【００１３】コーンレンズ１３を介した光束は、断面が
輪帯形状の光束に変換され、接眼レンズ２１によって集
光され、光源像を形成する。この光源像からの光束は、
発散光束となって、凸面鏡からなる副鏡２２と凹面鏡か
らなる主鏡２３とを順に介して、接眼レンズ２１へ入射
する光束よりも大きな光束径を持つ平行光束となって、
目標物へ投射される。ここで、本実施例では、接眼レン
ズ２１、副鏡２２及び主鏡２３がアフォーカル光学系２
０を構成している。

【００１４】さて、本実施例においては、コーンレンズ
１３によって、アフォーカル光学系２０へ入射する光束
に中抜け領域を形成している。以下、図２を参照してコ
ーンレンズ１３の作用を説明する。図２は、コーンレン
ズ１３の断面とコーンレンズ１３内を通過する光線の光
路とを示す図である。図２において、入射面１３ａと射
出面１３ｂとは、互いに平行であり、角度αで回転対称
軸（光軸）Axと交わる。コリメータレンズ１２を介した
平行光束のうち、光軸近傍を通過する入射高ｈ_Laの光線
Ｒ_Lは、光軸からの入射高がほぼ０である。この光線Ｒ
_Lがコーンレンズ１３の入射面１３ａにて角度α_Lだけ
屈折される。ここで、入射面１３ａの法線をＮ_13aと
し、法線Ｎ_13aと光線Ｒ_Lとのなす角即ち光線Ｒ_Lの入
射角をθ₁、光線Ｒ_Lの射出角（入射面１３ａを介した
光線Ｒ_Lと法線Ｎ_13aとのなす角）をθ₂、コーンレン
ズ１３を構成する光学材料の半導体レーザ１１の波長に
対する屈折率をｎとすると、スネルの法則より、

【００１５】

【数１】 θ₁＝９０−α_L …（１）

【００１６】

【数２】ｓｉｎθ₁＝ｎ・ｓｉｎθ₂ …（２）となる。また、入射面１３ａと射出面１３ｂとは互いに
平行であるから、射出面１３ｂに達する光線Ｒ_Lの入射
角（射出面１３ｂに達する光線Ｒ_Lと射出面の法線Ｎ₁₃
_bとのなす角）はθ₂となる。

【００１７】従って、射出面１３ｂから射出される光線
Ｒ_Lの射出角θ₃は、

【００１８】

【数３】ｎ・ｓｉｎθ₂＝ｓｉｎθ₃ …（３）

【００１９】

【数４】 θ₃＝９０−α_L …（４）となり、以上の（１）〜（４）式より、

【００２０】

【数５】 θ₃＝θ₁ …（５）が成り立つ。すなわち、射出面１３ｂでの射出角θ
₃は、入射面１３ａでの入射角θ₁と等しく、光線Ｒ_L
は、コーンレンズ１３によって、入射高ｈ_La（≒０）か
ら入射高ｈ_Lbへ平行にシフトした状態で射出面１３ｂか
ら射出される。

【００２１】また、入射高ｈ_Ha（ｈ_Ha＞ｈ_La）で入射面
１３ａに入射する光線Ｒ_Hは、光線Ｒ_Lと平行であるた
め、コーンレンズ１３内における入射角および射出角の
関係は、光線Ｒ_Lと同一である。従って、コーンレンズ
１３の射出面１３ｂから射出される光線Ｒ_Hの射出高ｈ
_Hbは、

【００２２】

【数６】ｈ_Hb＝ｈ_Ha＋ｈ_Lb …（６）となる。以上のように、コーンレンズ１３に入射した平
行光束は、断面が輪帯形状の光束、すなわち中抜け領域
を持つ光束となって射出される。

【００２３】図１に戻って、アフォーカル光学系２０に
おいて、副鏡２２の直径をＤ_S、主鏡２３の直径をＤ_P
とすると、アフォーカル光学系２０における遮蔽率Ｂ
は、以下の（７）式の如くなる。

【００２４】

【数７】Ｂ＝Ｄ_S／Ｄ_P …（７）ここで、コーンレンズ１３によって形成される輪帯状の
光束の輪帯比（輪帯状の光束の外径に対する内径の比）
を上記遮蔽率Ｂと一致させることが望ましい。即ち、光
量損失を最低限とするためには、

【００２５】

【数８】Ｄ_S／Ｄ_P＝ｈ_Lb／ｈ_Hb …（８）を満足するように投光光学系を構成することが好まし
い。具体的には、コーンレンズ１３からの射出高ｈ_Lbを
遮蔽率Ｂに見合うように、コーンレンズ１３の頂点間隔
Ｌ（入射面１３ａと射出面１３ｂとの間隔）を設定すれ
ばよい。ここで、射出角（入射角）θ₂は、

【００２６】

【数９】 θ₂＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₁／ｎ） …（９）であり、入射面１３ａから射出面１３ｂへ向かう光線Ｒ
_Lと光軸Axとのなす角度α_Lは、

【００２７】

【数１０】 α_L＝θ₁−θ₂ …（１０）である。また、入射面１３ａと、光線Ｒ_Lが射出面１３
ｂから射出される点との距離をｌ₁とすると、

【００２８】

【数１１】ｌ₁＝ｈ_Lb／ｔａｎα_L …（１１）となり、光線Ｒ_Lが射出面１３ｂから射出される点と、
射出面１３ｂとの距離をｌ₂とすると、

【００２９】

【数１２】ｌ₂＝ｈ_Lb／ｔａｎα …（１２）となる。以上の（９）〜（１２）式より、コーンレンズ
１３の頂点間隔Ｌが以下の（１３）式を満足するとき、
コーンレンズ１３から射出される輪帯状光束の輪帯比と
アフォーカル光学系２０での遮蔽率Ｂとが等しくなり、
副鏡２２の遮蔽にに見合った輪帯状の光束をアフォーカ
ル光学系２０へ導くことができる。

【００３０】

【数１３】Ｌ＝ｌ₁＋ｌ₂＝ｈ_Lb（１／ｔａｎα_L＋１／ｔａｎα） …（１３）すなわち、コーンレンズ１３が上記（１３）式を満足す
るとき、最も光量効率を上げることができる。以下、具
体的な数値例について詳述する。図１において、アフォ
ーカル系２０の倍率Ｍ＝１０、主鏡２３の有効径Ｄ_P＝
４００ｍｍ、副鏡２２の有効径Ｄ_S＝１００ｍｍである
とする。このとき（７）式より、アフォーカル系２０の
遮蔽率Ｂは、

【００３１】

【数１４】Ｂ＝Ｄ_S／Ｄ_P＝１００／４００＝０．２５である。また、接眼レンズ２１の光源部１０側の光束径
φは、

【００３２】

【数１５】φ＝Ｄ_P／Ｍ＝４００／１０＝４０（ｍｍ）となる。ここで、コーンレンズ１３が射出すべき射出高
ｈ_Hbは、上記光束径の半径であるから、

【００３３】

【数１６】ｈ_Hb＝φ／２＝４０／２＝２０（ｍｍ）である。このとき、（８）式より光線Ｒ_Lの射出高ｈ_Lb
は、

【００３４】

【数１７】ｈ_Lb＝Ｂ・ｈ_Hb＝０．２５×２０＝５（ｍｍ）となる。ここで、コーンレンズ１３の半頂角（入射面１
３ａと射出面１３ｂとが光軸Axとなす角度）α＝７５°
とすると、以下の表１に示される設計値が得られる。

【００３５】

【表１】＜設計値＞＜仕様値＞ α ＝７５゜Ｂ＝０．２５ｎ＝１．５１０７２ｈ_Hb＝２０ｍｍ θ₁＝１５゜ｈ_Lb＝５ｍｍ θ₂＝９．８６５゜ α_L＝５．１５５゜Ｌ＝５６．９７６ｍｍｈ_Ha＝１５ｍｍここで、光源部１０の発光素子が射出する光束の強度分
布が均一である場合、副鏡２２の遮蔽による光量の損失
率は、遮蔽率Ｂの二乗となる。アフォーカル系２０から
射出する光束断面の半径をｒとすると、副鏡２２によっ
て遮蔽される光束断面の半径は、Ｂ・ｒで表される。よ
って、光量の損失率Ｉは、アフォーカル系２０からの光
束と副鏡２２によって遮蔽される光束との面積比から求
めることができる。

【００３６】

【数１８】Ｉ＝π（Ｂ・ｒ）²／πｒ²＝Ｂ² 上述の実施例の如く、遮蔽率Ｂ＝０．２５である場合、
コーンレンズ１３を配置しないとき損失率Ｉは、Ｉ＝
０．０６２５、即ち約６％の光量損失を招く。また、光
源が本実施例の如き半導体レーザ１１である場合には、
光強度分布が均一でなくガウス分布であるため、光強度
分布が均一であるときに比して光量損失の度合いが増
す。しかしながら、第１実施例による投光光学系におい
ては、コーンレンズ１３によって中抜け領域を持つ光束
をアフォーカル光学系２０へ供給できるため、アフォー
カル光学系２０の副鏡２２による遮蔽があっても、光量
効率の低下を少なくすることができる。また、上述の数
式の如く、コーンレンズ１３を副鏡２２による遮蔽に見
合った形状とすれば、副鏡２２による光量低下の影響を
無くすことができる。

【００３７】このように、本実施例によれば、光量損失
を低減させた状態のもとで目標物に対して投光できるた
め、測距可能な距離を延ばすことが可能となる。なお、
上述の如き本実施例は、光波測距装置以外、例えば大気
観測用の光学系等の広範な分野に応用できることは言う
までもない。次に、図３を参照して、本発明による第２
実施例を説明する。図３は、本発明を光波測距装置を持
つ測量機の視準光学系に適用したものである。なお、図
３においては、図１に示す実施例と同様の機能を有する
部材には、同一の符号を付してある。

【００３８】図３において、接眼レンズ２１と対物レン
ズ２４とがアフォーカル光学系２０を構成しており、接
眼レンズ２１と対物レンズ２４との間の光路中の光軸Ax
上には、光路を９０°偏向させるプリズム部材３３が設
けられている。このプリズム部材３３は、光波測距光学
系からの送信光を対物レンズ２４へ導くと共に、対物レ
ンズ２４を介した受信光を光波測距光学系へ導く機能を
有している。

【００３９】光波測距光学系は、光源としての半導体レ
ーザ３１と、ビームスプリッタ３２と、プリズム部材３
３と、光電変換素子３４とから構成されている。半導体
レーザ３１からの信号光は、ビームスプリッタ３２によ
って反射された後、プリズム部材３３にて対物レンズ２
４へ入射する。対物レンズ２４を介した半導体レーザ３
１からの信号光は、平行光束に変換され、コーナーキュ
ーブ等の目標物（不図示）へ向けて投射される。目標物
にて反射された光束の一部である受信光は、再び対物レ
ンズ２４へ入射する。この受信光は、プリズム部材３３
にて光路を９０°偏向された後、ビームスプリッタ３２
を透過して、光電変換素子３４に達する。ここで、光源
としての半導体レーザ３１が供給する信号光は、所定の
位相を持つ光であり、光電変換素子３４に達する受信光
は、光波測距光学系と目標物との距離に応じて、信号光
との位相差を持つ。ここで、信号光と受信光との位相差
を検出すれば、目標物の距離を算出できる。

【００４０】さて、本実施例においては、上記光波測距
光学系と同軸に目標物を視準するための視準光学系が設
けられている。以下、視準光学系について説明する。図
３において、光源部１０は、半導体レーザ１１とコリメ
ータレンズ１２とから構成され、所定の波長の平行光束
を射出する。この平行光束の射出側には、ハーフミラー
１４が配置されている。光源部１０からの平行光束は、
ハーフミラー１４にて反射され、コーンレンズ１３を介
して中抜け領域のある輪帯状の光束に変換される。コー
ンレンズ１３の射出側には、ミラー１５が配置されてお
り、コーンレンズ１３からの輪帯状の光束を接眼レンズ
２１へ導く。接眼レンズ２１に入射した輪帯状の光束
は、接眼レンズ２１と対物レンズ２４との間の光路中に
光源像を形成し、この光源像からの光は、対物レンズ２
４によって輪帯状の平行光束に変換され、上記の実施例
と同じくコーナーキューブ等の目標物へ投射される。こ
のとき、対物レンズ２４から射出される輪帯状の光束の
外径は、接眼レンズ２１へ入射する輪帯状の光束の外径
よりも拡大される。

【００４１】ここで、接眼レンズ２１と対物レンズ２４
との間の光路中に配置されるプリズム部材３３によって
光束の一部が遮蔽される恐れがあるが、本実施例におい
ても、コーンプリズム１３によって、アフォーカル光学
系２０へ入射する光束を輪帯状の光束に変換しているた
め、遮蔽される光束が少なくなる。また、コーンレンズ
１３が形成する輪帯状の光束の輪帯比（輪帯形状の光束
の外径に対する内径の比）を、対物レンズ２４の有効径
に対するプリズム部材３３によって遮蔽される径の比で
ある遮蔽率と一致させるように、コーンプリズム１３を
構成すれば、より一層の光量効率の向上を図ることがで
きる。

【００４２】上述の如き視準光学系の投光光学系によっ
て目標物へ投射された光は、目標物にて反射され、再び
対物レンズ２４へ入射する。ここで、対物レンズ２４を
介した目標物からの光は、プリズム部材３３によって光
軸近傍が遮光され、輪帯状の光束となって、接眼レンズ
２１へ向かう。これより、アフォーカル光学系２０を介
した目標物からの光は、中抜け領域を持つ輪帯状の光束
となる。この輪帯状の光束は、ミラー１５により９０°
偏向された後、コーンプリズム１３を介して、中抜け領
域のない平行光束に変換される。この平行光束は、ハー
フミラー１４を透過して、集光レンズ４１により集光さ
れる。ここで、集光レンズ４１の後側焦点位置、すなわ
ち集光位置には、例えば２次元ＣＣＤからなる光電変換
素子４２が配置されており、集光レンズ４１を介した目
標物からの光は、光電変換素子４２上に光スポットを形
成する。

【００４３】尚、目標物の距離変化に伴って、光電変換
素子上の光スポットがディフォーカス状態となるが、こ
のときには、例えば接眼レンズ２１を光軸方向に可動と
して合焦動作をさせても良く、集光レンズ４１を光軸方
向に可動として合焦動作をさせても良い。光電変換素子
４２上の光スポットの位置は、対物レンズ２４の光軸Ax
に対するコーナーキューブ等の目標物の位置に対応して
おり、本実施例では、光スポットが光電変換素子４２上
に中心点に合致したとき、対物レンズの光軸Ax上に目標
物が位置するように構成されている。従って、光電変換
素子４２からの出力に応じて、光スポットの位置が光電
変換素子４２の中心点となるように、本実施例による測
量機の視準光学系の向きを変えれば、視準光学系の光軸
上に目標物を位置させることが可能となる、即ち視準動
作を行なうことができる。

【００４４】上述の如き実施例においては、アフォーカ
ル光学系２０を介した輪帯状の光束をコーンレンズ１３
によって中抜け領域のない平行光束に変換しているた
め、光電変換素子４２上でディフォーカス状態となった
ときでも、ディフォーカスされた光スポットが輪帯形状
とならないため、光スポットの移動量と光電変換素子４
２上で検出される光量重心の移動量との線型的な関係が
崩れない利点がある。これにより、高精度のもとで視準
を行なうことができる。

【００４５】上述の各実施例において、アフォーカル系
から射出される光束の外径をコーンレンズ１３によって
拡大させているため、コーンレンズ１３を設けない場合
に比べてコリメータレンズ１２（集光レンズ４１）の開
口数を小さくすることができる。よって、コリメータレ
ンズ１２（集光レンズ４１）の光学設計が容易となる利
点がある。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る発明によ
れば、光量損失の少ない投光光学系が提供できる。ま
た、請求項２に係る発明によれば、高い精度のもとで位
置検出の行うことのできる受光光学系が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例の構成を示す断面図で
ある。

【図２】コーンレンズの構成と光路とを示す図である。

【図３】本発明による第２実施例の構成を示す断面図で
ある。

【図４】従来の投光光学系の構成を示す図である。

【図５】従来の問題点を説明する図である。

【符号の説明】

１１ … 半導体レーザ、１２ … 集光レンズ、１３ … コーンレンズ、２１ … 接眼レンズ、２２ … 副鏡、２３ … 主鏡、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的な平行光束を射出する光源部と、前
記光源部からの平行光束の光束径を拡大させた状態のも
とで目標物に輪帯状の平行光束を投射するアフォーカル
光学系とを有する投光光学系において、前記光源部と前記アフォーカル光学系との間の光路中に
は、前記光源部からの平行光束を輪帯状の平行光束に変
換するコーンレンズが配置されることを特徴とする投光
光学系
【請求項２】光軸近傍に遮蔽部を有するアフォーカル光
学系と、該アフォーカル光学系を介した光を集光する集
光光学系と、前記集光された光を光電変換する光電変換
素子とを有する受光光学系において、前記アフォーカル光学系と前記集光光学系との間の光路
中には、前記アフォーカル光学系を介した輪帯状の平行
光束を中抜け領域のない平行光束に変換するコーンレン
ズが配置されることを特徴とする受光光学系。