JPWO2008099939A1 - 光分割素子、距離測定装置 - Google Patents

Abstract

光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えた光分割素子、及びこれを備えた距離測定装置を提供する。第１波長帯域の光を反射しかつ第２波長帯域の光を透過するダイクロイックミラー面１６ａを有し、ダイクロイックミラー面１６ａの周縁部を、前記第１波長帯域の光に対して高反射率を有する反射面１６ｂとしたことを特徴とする。

Description

本発明は、光分割素子、距離測定装置に関する。

従来、光波を利用した距離測定装置は、目標物体に光を照射し、目標物体からの反射光又は散乱光を測定光として受光し、これをもとに目標物体までの距離を測定するものである。
通常、距離測定装置は、目標物体を視準するための視準光学系を備えており、この視準光学系と、目標物体に測定光を照射する送信光学系及び目標物体からの受信光を受光する受信光学系を同軸の光学系とし、目標物体からの光をダイクロイックコートを施した光分割素子によって視準光、すなわち透過光と受信光、すなわち反射光に分割する構成のものが知られている。
斯かる距離測定装置において、目標物体を視準する際に自然な色の見えを得る、即ち視準光学系によって自然な色味の目標物体像を形成するためには、ダイクロイックコートが広い可視域（４００〜７００ｎｍ程度）の光に対して高い透過率を有していることが好ましい。例えば、測定光として可視域から外れている近赤外域（７８０〜１０００ｎｍ程度）の光を使用する構成とすれば、ダイクロイックコートは可視域の光に対して高い透過率を維持することが可能となる（例えば、特開平１１−１０９０２２号公報を参照）。
また、近赤外域ではなく可視域の波長６５０ｎｍ程度の赤色光を測定光として使用し、目標物体に対して比較的小さなスポット光束を照射することで、目標物体における視準位置の確認を行う構成の距離測定装置も知られている。
しかしながら、光分割素子に施されたダイクロイックコートは、コート面へ光の入射角度が変化することによって、分割できる光の波長域が変化してしまうという特性がある。特に、受信光学系において対物レンズのＦナンバーが小さい場合には、光軸中心の光線と周縁光線のダイクロイックコートへの入射角度の差が大きくなり、前述の特性がより顕著になってしまう。このため、視準光については、可視域における長波長の光の透過率が悪化するため、目標物体を視準する際に目標物体像が色付いてしまうという不具合が生じる。また、受信光についても、ダイクロイックコートで視準光と適切に分割されないため、受信光学系の受光素子において十分な光量で受光することができなくなってしまう。

そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えた光分割素子、及びこれを備えた距離測定装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の第１態様は、第１波長帯域の光を反射しかつ第２波長帯域の光を透過するダイクロイックミラー面を有し、前記ダイクロイックミラー面の周縁部を、前記第１波長帯域の光に対して高反射率を有する反射面としたことを特徴とする光分割素子を提供する。
また、本発明の第１態様によれば、前記反射面は、前記ダイクロイックミラー面の外周の一部又は全周にわたって設けられた輪帯形状であることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記光分割素子は、ダイクロイックプリズムであり、前記ダイクロイックプリズムの波長分離面は、前記ダイクロイックミラー面と前記反射面とからなることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記光分割素子は、ダイクロイックミラーであり、前記ダイクロイックミラーの波長分離面は、前記ダイクロイックミラー面と前記反射面とからなることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記第２波長帯域の光は、可視域の光であることが望ましい。
また、本発明の第１態様によれば、前記反射面は、金属膜からなることが望ましい。
また本発明の第２態様は、目標物体に測定光を照射するための送信光学系と、前記目標物体からの受信光を受光するための受信光学系と、前記目標物体を視準するために前記目標物体からの視準光を結像する視準光学系とを有する距離測定装置において、少なくとも前記受信光学系と前記視準光学系とは、対物レンズを共用する同軸の光学系であって、同軸光路中には、前記受信光を反射して前記受信光学系へ導き、かつ前記視準光を透過して前記視準光学系へ導くダイクロイックミラー面を有し、前記ダイクロイックミラー面の周縁部を、前記受信光に対して高反射率を有し、前記受信光を前記受信光学系へ導く反射面とした光分割素子を備えていることを特徴とする距離測定装置を提供する。
本発明によれば、光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えた光分割素子、及びこれを備えた距離測定装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置の構成を示す図である。
図２は、本発明の各実施形態に係る光分割素子に備えられたダイクロイックコートの透過特性を光の入射角度毎に示したグラフである。
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、本発明の各実施形態に係る光分割素子に備えられた反射コート部の形状を示す図である。
図４は、本発明の第１実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置において、ダイクロイックプリズム中の反射コート部に対して入射する光線を示す図である。
図５は、本発明の第２実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置の構成を示す図である。

以下、本発明の各実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置の構成を示す図である。
図１に示すように本距離測定装置１は、不図示の目標物体を視準するために該目標物体からの視準光を結像する視準光学系２、目標物体に測定光を照射するための送信光学系３、及び目標物体からの受信光を受光するための受信光学系４を、対物レンズ５を共用する同軸の光学系として備えてなる。
本距離測定装置１において視準光学系２は、不図示の目標物体側から順に、対物レンズ５と、合焦レンズ６と、正立プリズム７と、レチクル８と、接眼レンズ９とを有する。
また、送信光学系３は、目標物体側から順に、対物レンズ５と合焦レンズ６との間の光路中に配置された反射鏡１０と、この反射鏡１０の反射光路上に配置されたコリメータレンズ１１と光源１２とを有する。なお、本実施形態では光源１２として波長６５０ｎｍ程度の光を発するレーザーダイオード（ＬＤ）が用いられている。
さらに、受信光学系４は、反射鏡１０と合焦レンズ６との間の光路中に光分割素子として配置された後述するダイクロイックプリズム１３と、このダイクロイックプリズム１３の射出面付近に配置された受光素子１４とを有する。なお、この受光素子１４と、送信光学系３における光源１２とは、それぞれ演算制御部１５に接続されている。
以上の構成の下、光源１２から射出された測定光は、コリメータレンズ１１を経た後、反射鏡１０によって反射され、対物レンズ５を介して略平行光束として目標物体に照射される。これにより、目標物体で反射或いは散乱された光、すなわち受信光は、再び対物レンズ５を介して反射鏡１０の周辺部を通過する。そしてこの受信光は、ダイクロイックプリズム１３内の反射コート部１６で反射され、さらにダイクロイックプリズム１３内部を進行して射出され、受光素子１４へ入射する。
これにより演算制御部１５は、光源１２を発光したタイミングと、受信光が受光素子１４で受光されたタイミングとの時間差に基づき、本距離測定装置１から目標物体までの距離を演算する。この時、測距精度を良くするために、不図示の内部光路を設け、測定光のタイミングを計測するのが通常である。このようにして使用者は、本距離測定装置１を用いて目標物体までの距離を測定することができる。なお、光源１２からの測定光の光束を細くして目標物体に照射すれば、目標物体における測定位置を赤色のスポット像として観察することが可能となる。
また、目標物体からの視準光は、対物レンズ５を介して反射鏡１０の周辺部を通過し、ダイクロイックプリズム１３内の反射コート部１６を透過した後、合焦レンズ６、正立プリズム７、及びレチクル８を順に経て、接眼レンズ９を介して使用者の目に導かれる。これにより使用者は、目標物体像を視準することが可能となる。
次に、本距離測定装置１において最も特徴的なダイクロイックプリズム１３の構成について詳細に説明する。
ダイクロイックプリズム１３は、図１に示すように紙面垂直方向に延在する直角三角柱プリズムと台形プリズムとを張り合わせてなるプリズム部材である。そして、貼り合わせ面には、短軸が紙面垂直方向に延在した楕円形状の第１反射コート１６ａと、該第１反射コート１６ａの外周部分に形成された第２反射コート１６ｂとからなる反射コート部１６が備えられている。
第１反射コート１６ａは、図２にその透過特性を示すダイクロイックコートからなり、目標物体からの光のうち視準光を透過し、かつ受信光を反射するものである。ここで、図２からわかるように、ダイクロイックコート１６ａに入射角度２２°で受信光（波長６５０ｎｍの光）が入射する際には、その一部がダイクロイックコート１６ａを透過してしまい、目標物体からの光を受信光と視準光に適切に分割することができなくなってしまう。
このため、第１反射コート１６ａにおいて受信光の反射率が低下する外周部分には、受信光を適切に反射するための第２反射コート１６ｂが設けられている。本実施形態においてこの第２反射コート１６ｂは、図３Ａにその形状を示すように第１反射コート１６ａの全周にわたって輪帯状に蒸着された金属薄膜からなる。
斯かる構成により反射コート部１６は、目標物体からの光を第１反射コート１６ａで受信光と視準光に適切に分割し、さらに第１反射コート１６ａの外側へ進行する受信光を第２反射コート１６ｂで適切に反射することができる。
より具体的には、本実施形態におけるダイクロイックプリズム１３は、プリズム部材の屈折率が１．５６９であって、反射コート部１６と光軸ＡＸとのなす角度が３０°となるように配置されている。そして、目標物体からの光が反射コート部１６に入射する際に、第１反射コート１６ａには対物レンズ５でのＦナンバーが２．７５となる光束、すなわち受信光及び視準光が入射し、第２反射コート１６ｂには対物レンズ５でのＦナンバーが２．２となる光束、すなわち受信光が入射するように構成されている。
なお、図４は、本発明の第１実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置１において、ダイクロイックプリズム１３の反射コート部１６へ入射する光線の様子を示す図である。
この設定の下、図４に示すように対物レンズ５でのＦナンバーが２．７５となる光束のうち、対物レンズ５の上端を経た光線Ｃの第１反射コート１６ａに対する入射角度は２３．５°となり、下端を経た光線Ｄの第１反射コート１６ａに対する入射角度は３６．５°となる。なお、光軸ＡＸ上を進行する光線の第１反射コート１６ａに対する入射角度は３０°であり、対物レンズ５の左右端を経た光線の第１反射コート１６ａに対する入射角度は３０．６３°である。
このように、第１反射コート１６ａに入射する光線Ｃ、Ｄと光軸ＡＸ上を進行する光線との入射角度の差を小さくすることで、第１反射コート１６ａの波長分離性能の悪化を抑えることができる。また、入射角度の差が小さくなることで、ダイクロイックコートの膜設計が容易となり、コート数を削減したり、より良好な波長分離性能を有するダイクロイックコートを製造することにも有利である。
また図４に示すように、対物レンズ５でのＦナンバーが２．２となる光束のうち、対物レンズ５の上端を経た光線Ａの第２反射コート１６ｂに対する入射角度は２２°となり、下端を経た光線Ｂの第２反射コート１６ｂに対する入射角度は３８°となる。なお、対物レンズ５の左右端を経た光線の第２反射コート１６ｂに対する入射角度は３０．９５°である。
ここで、第２反射コート１６ｂは上述のように金属薄膜からなり、金属薄膜は光の入射角度に依存しない反射特性を有しているため、ダイクロイックコート１６ａの波長分離性能の悪化を引き起こす入射角度（例えば２２°）で進行する光線を光量ロスすることなく適切に反射することができる。
なお、対物レンズ５でのＦナンバーが２．７５となる光束、すなわち視準光及び受信光と２．２となる光束、すなわち受信光との対物レンズ５上での面積比率は１：１．６程度となる。
以上をまとめれば、本実施形態のダイクロイックプリズム１３は、反射コート部１６において、第１反射コート１６ａはダイクロイックコートの波長分離性能を受信光の入射角度によらず良好に維持でき、かつ視準光の光束を十分に確保できる大きさに設定されており、ダイクロイックコートの波長分離性能を悪化させてしまう入射角度で進行する受信光の入射領域には第２反射コート１６ｂが設けられている。
このため、第１反射コート１６ａでは目標物体からの光を受信光と視準光に良好な波長分離性能で適切に分割することができる。したがって、受信光の一部が第１反射コート１６ａを透過し、視準光によって形成される目標物体像が色付いてしまうことを防ぐことができる。
また、前述のように第１反射コート１６ａによって受信光が適切に反射され、さらに第２反射コート１６ｂに入射する受信光は入射角度によらず該第２反射コート１６ｂで適切に反射され、受光素子１４へ導くことができる。したがって受光素子１４では、光量ロスすることなく十分な光量で受信光を受光することができる。
以上より本実施形態では、光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えたダイクロイックプリズムを実現することができる。またこれにより、視準光の色付きを抑えながら受信効率を向上することができるため、目標物体像を自然な色味で快適に観察可能で、測定距離の長距離化にも有利な距離測定装置を実現することができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置の構成を示す図である。
以下、本実施形態に係る光分割素子を備えた距離測定装置は、本発明の光分割素子の変形例を示すものであり、上記第１実施形態と同様の構成である部分には同じ符号を付してその説明を省略し、異なる構成の部分について詳細に説明する。
図５に示すように本距離測定装置２０は、視準光学系２、送信光学系２１、及び受信光学系２２を、対物レンズ５を共用する同軸の光学系として備えてなる。
本距離測定装置２０において送信光学系２１は、対物レンズ５と合焦レンズ６との間の光路中に光路分割素子として配置されたダイクロイックミラー２３と、このダイクロイックミラー２３の反射光路上に配置されたハーフプリズム２４と光源１２とを有する。なお、本実施形態においてダイクロイックミラー２３は、その表面に上記第１実施形態のダイクロイックプリズム１３と同様の図３Ａに示す反射コート部１６を備えており、前記ダイクロイックプリズム１３と同様の効果を奏するものである。
さらに、受信光学系２２は、ダイクロイックミラー２３及びハーフプリズム２４を送信光学系２１と共用する光学系であって、ハーフプリズム２４の反射光路上に受光素子１４を有する。
以上の構成の下、光源１２から射出された測定光は、ハーフプリズム２４を透過した後、ダイクロイックミラー２３で反射され、対物レンズ５を介して略平行光束として目標物体に照射される。これにより、目標物体で反射或いは散乱された光、すなわち受信光は、再び対物レンズ５を介してダイクロイックミラー２３へ入射し、該ダイクロイックミラー２３の反射コート部１６で反射される。そしてこの受信光は、ハーフプリズム２４によって反射されて受光素子１４へ入射する。
これにより演算制御部１５は、光源１２を発光したタイミングと、受信光が受光素子１４で受光されたタイミングとの時間差に基づき、本距離測定装置２０から目標物体までの距離を演算する。このようにして使用者は、本距離測定装置２０を用いて目標物体までの距離を測定することができる。
以上より本実施形態では、第１実施形態と同様に、光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えたダイクロイックミラーを実現することができる。またこれにより、視準光の色付きを抑えながら受信効率を向上することができるため、目標物体像を自然な色味で快適に観察可能で、測定距離の長距離化にも有利な距離測定装置を実現することができる。
なお、上記第１実施形態のダイクロイックプリズム１３及び第２実施形態のダイクロイックミラー２３の反射コート部１６における第２反射コート１６ｂの形状は、図３Ａに示した輪帯形状に限られるものでない。反射コート部１６において上記各実施形態では第１反射コート１６ａとしていた領域でも、視準光の光量等に問題が生じない範囲であれば第２反射コート１６ｂを形成してもよい。これにより、受信光の光量をより多く確保することが可能となり、測定距離の長距離化に有効となる。したがって具体的には、受信光の受光効率や製造コストに応じて、以下のような形状とすることができる。
対物レンズ５の左右の端部を経た光束の反射コート部１６に対する入射角度は、光軸ＡＸ上を進行する光線の入射角度と差が小さいため、ダイクロイックコートの波長分離性能が悪化することがない。このため、対物レンズ５の左右の端部を経た光束の反射コート部１６への入射領域には、必ずしも第２反射コート１６ｂを設ける必要がないため、第２反射コート１６ｂを例えば図３Ｂに示すように輪帯形状の左右部分を切り欠いた形状としてもよい。
また、ダイクロイックコートの波長分離性能の悪化は、入射角度が小さくなる対物レンズ５の上端を経た光束に対して顕著であるため、第２反射コート１６ｂを例えば図３Ｃに示すように輪帯形状の上半分のみとし、上端部へ向かって厚みが大きくなる形状としてもよい。なお、第２反射コート１６ｂをこれらの形状とすることで、製造が容易になるという長所も生じるため好ましい。
なお、上記第１実施形態のダイクロイックプリズム１３は、第２実施形態のダイクロイックミラー２３に比して、光束がプリズム部分で屈折されることで反射コート部１６への入射角度の変動を少なくできるという利点や、光軸のシフトがないため装置組立て時の都合が良いという利点がある。これに対して第２実施形態のダイクロイックミラー２３は、上記第１実施形態のダイクロイックプリズム１３に比して製造が容易であるという利点がある。
以上の各実施形態によれば、光の入射角度に依存する波長分離性能の変化を抑えた光分割素子、及びこれを備えた距離測定装置を実現することができる。

Claims (7)

1. 第１波長帯域の光を反射しかつ第２波長帯域の光を透過するダイクロイックミラー面を有し、前記ダイクロイックミラー面の周縁部を、前記第１波長帯域の光に対して高反射率を有する反射面としたことを特徴とする光分割素子。
2. 前記反射面は、前記ダイクロイックミラー面の外周の一部又は全周にわたって設けられた輪帯形状であることを特徴とする請求項１に記載の光分割素子。
3. 前記光分割素子は、ダイクロイックプリズムであり、前記ダイクロイックプリズムの波長分離面は、前記ダイクロイックミラー面と前記反射面とからなることを特徴とする請求項１記載の光分割素子。
4. 前記光分割素子は、ダイクロイックミラーであり、前記ダイクロイックミラーの波長分離面は、前記ダイクロイックミラー面と前記反射面とからなることを特徴とする請求項１記載の光分割素子。
5. 前記第２波長帯域の光は、可視域の光であることを特徴とする請求項１記載の光分割素子。
6. 前記反射面は、金属膜からなることを特徴とする請求項１記載の光分割素子。
7. 目標物体に測定光を照射するための送信光学系と、
   前記目標物体からの受信光を受光するための受信光学系と、
   前記目標物体を視準するために前記目標物体からの視準光を結像する視準光学系とを有する距離測定装置において、
   少なくとも前記受信光学系と前記視準光学系とは、対物レンズを共用する同軸の光学系であって、同軸光路中には、前記受信光を反射して前記受信光学系へ導き、かつ前記視準光を透過して前記視準光学系へ導くダイクロイックミラー面を有し、前記ダイクロイックミラー面の周縁部を、前記受信光に対して高反射率を有し、前記受信光を前記受信光学系へ導く反射面とした光分割素子を備えていることを特徴とする距離測定装置。

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