JP2017072464A - 測量機の光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】受光光学系の小型化を図り、更に測量機に於ける光学系の小型化を可能とする。【解決手段】測距光を射出する投光光学系２と、測定対象物からの反射測距光２９を受光する受光光学系３とを具備する測量装置の光学系１であって、前記投光光学系は、投光光軸５、測距光を発する測距光光源１５、及び前記投光光軸上に設けられた光路偏向部材１１を有し、前記投光光軸は前記光路偏向部材により偏向され、前記測距光は前記投光光軸を介して前記測定対象物に向けて射出され、前記受光光学系は、前記光路偏向部材を透過する受光光軸２１を有し、該受光光軸上に結像用反射鏡２６が設けられ、該結像用反射鏡の反射光軸２１′上に測距受光部２８が設けられ、前記測定対象物からの前記反射測距光が前記受光光軸を経て前記結像用反射鏡に入射し、該結像用反射鏡によって反射され、前記測距受光部に結像される様に構成された。【選択図】図１

Description

本発明は測量機の光学系に関するものである。

測量機に用いられる光学系は、遠距離での受光光量確保の為、大口径のレンズを使用している。この為、光学系は大きく、又重量も蒿むものとなっていた。

図６は、従来より用いられている受光部の光学系４１を示している。

単一又は複数のレンズからなるレンズ群４２により結像光学部材が構成され、入射光がレンズの屈折作用によって受光面４３上に結像されている。

前記レンズ群４２は、焦点距離ｆ１を有し、この焦点距離は、測量機の光学系が求められる性能によって決定される。

従って、受光部はこのレンズ群４２を収納する大きさとなり、更に光軸方向の長さは前記焦点距離ｆ１に依存することになる。

又、近年では、測量機の小型化、軽量化が図られているが、光学系については、レンズ群４２の大きさ、焦点距離ｆ１の制約により、小型化が難しいものとなっていた。

米国特許出願公開第２０１２／０２６２７００号明細書

本発明は受光光学系の小型化を図り、更に測量機に於ける光学系の小型化を可能とするものである。

本発明は、測距光を射出する投光光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備する測量装置の光学系であって、前記投光光学系は、投光光軸、測距光を発する測距光光源、及び前記投光光軸上に設けられた光路偏向部材を有し、前記投光光軸は前記光路偏向部材により偏向され、前記測距光は前記投光光軸を介して前記測定対象物に向けて射出され、前記受光光学系は、前記光路偏向部材を透過する受光光軸を有し、該受光光軸上に結像用反射鏡が設けられ、該結像用反射鏡の反射光軸上に測距受光部が設けられ、前記測定対象物からの前記反射測距光が前記受光光軸を経て前記結像用反射鏡に入射し、該結像用反射鏡によって反射され、前記測距受光部に結像される様に構成された測量機の光学系に係るものである。

又本発明は、前記光路偏向部材と前記結像用反射鏡との間の前記受光光軸上に撮像部が設けられ、前記投光光軸は、光路分割部材によって測距光射出光学系、照明光射出光学系に分割され、前記測距光は前記測距光射出光学系から発せられ、前記投光光軸、前記光路偏向部材を経て前記測定対象物へ射出され、前記照明光射出光学系から発せられる照明光は、前記投光光軸、前記光路偏向部材を経て前記測定対象物へ射出され、該測定対象物からの反射光は前記撮像部によって受光される測量機の光学系に係るものである。

又本発明は、前記投光光軸の前記光路偏向部材の入射側に光路分割部材が設けられ、該光路分割部材により分割された一方の光軸上に撮像部が設けられ、他方の光軸上に前記投光光学系が設けられた測量機の光学系に係るものである。

又本発明は、前記光路偏向部材の射出側に、光路分割部材が設けられ、該光路分割部材により分割された光軸上に撮像部が設けられ、前記光路分割部材を透過した投光光軸上に前記投光光学系が設けられた測量機の光学系に係るものである。

更に又本発明は、前記反射測距光が入射する入射面、前記反射測距光が射出する射出面、前記入射面、前記射出面に対向する曲面を有し、該曲面に前記結像用反射鏡が形成されたレンズを有する測量機の光学系に係るものである。

本発明によれば、測距光を射出する投光光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備する測量装置の光学系であって、前記投光光学系は、投光光軸、測距光を発する測距光光源、及び前記投光光軸上に設けられた光路偏向部材を有し、前記投光光軸は前記光路偏向部材により偏向され、前記測距光は前記投光光軸を介して前記測定対象物に向けて射出され、前記受光光学系は、前記光路偏向部材を透過する受光光軸を有し、該受光光軸上に結像用反射鏡が設けられ、該結像用反射鏡の反射光軸上に測距受光部が設けられ、前記測定対象物からの前記反射測距光が前記受光光軸を経て前記結像用反射鏡に入射し、該結像用反射鏡によって反射され、前記測距受光部に結像される様に構成されたので、前記受光光軸が前記結像用反射鏡によって折返され、前記受光光軸の直線長さが短縮し、前記受光光学系の小型化が図れるという優れた効果を発揮する。

第１の実施例に係る光学系の概略構成図である。 （Ａ）は、第２の実施例に係る光学系の概略構成図、（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ矢視図である。 第３の実施例に係る光学系の概略構成図である。 第４の実施例に係る光学系の概略構成図である。 第５の実施例に係る光学系に用いられる光学部材の説明図である。 従来例の受光光学系の概略図である。 トラッキング受光用兼撮像用受光光学系に設けられる光学フィルタの透過特性図である。

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、本実施例の第１の実施例の光学系１の概略構成図を示しており、該光学系１が、測量機、例えばレーザスキャナに適用された場合を示している。

該光学系１は、投光光学系２、受光光学系３を具備している。

前記投光光学系２は、投光光軸５を有し、該投光光軸５上に照明光源６、集光レンズ７、第１ダイクロイックミラー８、第２ダイクロイックミラー９、第３ダイクロイックミラー１１が設けられている。前記投光光軸５は、前記第１ダイクロイックミラー８を透過し、前記第２ダイクロイックミラー９、前記第３ダイクロイックミラー１１で偏向されている。

前記第１ダイクロイックミラー８、前記第２ダイクロイックミラー９、前記第３ダイクロイックミラー１１はそれぞれ、光路を分割する光路分割部材として機能すると共に光路を偏向する光路偏向部材としても機能する。

前記第１ダイクロイックミラー８の反射光軸上にはレーザポインタ用光源１３、集光レンズ１４が設けられ、前記第２ダイクロイックミラー９の透過光軸上には測距光光源１５、集光レンズ１６が設けられている。

前記第１ダイクロイックミラー８は、前記照明光源６が発する照明光を透過し、前記レーザポインタ用光源１３が発するレーザポインタ光を反射する光学特性を有する。

又、前記第２ダイクロイックミラー９は、前記照明光、前記レーザポインタ光を反射し、前記測距光光源１５が発する測距光を透過する光学特性を有する。

前記第３ダイクロイックミラー１１は、前記レーザポインタ光、前記測距光を反射し、前記照明光に対してはハーフミラーである光学特性を有する。

前記第３ダイクロイックミラー１１で偏向された前記投光光軸５は、更に回転ミラー１８によって偏向され、偏向された光軸は測定対象物に向って測距光軸１９として延出する。

又、前記回転ミラー１８は、前記投光光軸５を回転中心として回転し、更に受光光軸２１を中心に回転する。

前記受光光学系３は、前記受光光軸２１を有する。該受光光軸２１は前記測距光軸１９と共通となっていると共に、前記回転ミラー１８から前記第３ダイクロイックミラー１１迄が前記投光光軸５と共通である。

前記受光光軸２１上に結像レンズ２２、撮像素子２３が設けられ、前記結像レンズ２２、前記撮像素子２３は撮像部２５を構成する。

前記受光光軸２１上には、結像用反射鏡２６が設けられ、該結像用反射鏡２６の反射光軸２１′上に結像レンズ２７、測距受光部２８が設けられている。又、前記受光光軸２１に対する前記反射光軸２１′の反射角はθとなっている。該θは、前記結像用反射鏡２６で反射された光束が前記撮像部２５、前記回転ミラー１８等、他の構成要素と干渉しない角度に設定される。好ましくは、前記θは、干渉しない最小の角度に設定される。

前記結像用反射鏡２６は、前記結像レンズ２７との協働で前記測距受光部２８に結像する様に反射面が形成され、該反射面は放物面或は自由曲面となっている。尚、前記結像用反射鏡２６のみで前記測距受光部２８に集光できる様に前記結像用反射鏡２６の曲面を設定すれば、前記結像レンズ２７は省略してもよい。

上記、第１の実施例の作動について説明する。

前記測距光光源１５は、測距光として可視光、或は不可視光のレーザ光を発し、前記測距光は前記第２ダイクロイックミラー９を透過し、前記第３ダイクロイックミラー１１で反射され、更に前記回転ミラー１８で反射されて、測定対象物に射出される。

該回転ミラー１８が、鉛直方向に回転し、前記光学系１全体が水平方向に回転することで、測距光が所要範囲で走査される。

測定対象物で反射された測距光（以下、反射測距光２９）は、前記回転ミラー１８を介して入射し、該回転ミラー１８で反射されて前記結像用反射鏡２６に入射する。該結像用反射鏡２６で反射された前記反射測距光２９は、前記結像レンズ２７を経て前記測距受光部２８に結像される。この時、前記反射測距光２９は前記第３ダイクロイックミラー１１、前記結像レンズ２２等で遮蔽されるが、遮蔽は中心部に限定されるので、測定には影響ない。

前記測距受光部２８からの受光信号に基づき、測定対象物迄の距離が測定される。

前記レーザポインタ用光源１３からは、レーザポインタ光が発せられる。該レーザポインタ光には、視認可能な様に、赤色、緑色等、視認が容易な波長の光が用いられる。

該レーザポインタ光は、前記第１ダイクロイックミラー８、前記第２ダイクロイックミラー９、前記第３ダイクロイックミラー１１で反射され、更に前記回転ミラー１８により前記測距光軸１９上に反射され、該測距光軸１９と同一光軸で、測定点に照射される。

前記レーザポインタ光が、前記測距光軸１９と同一光軸で照射されることで、測定点と前記レーザポインタ光の照射点が一致し、測定点、測定個所の認識が容易となる。

又、測定対象物としてコーナキューブが用いられ、トラッキングが行われる場合は、前記照明光源６から照明光が発せられる。該照明光は、前記第１ダイクロイックミラー８を透過し、前記第２ダイクロイックミラー９、前記第３ダイクロイックミラー１１で反射され、前記回転ミラー１８を経て前記測距光軸１９上に射出される。

コーナキューブにより反射された照明光は、前記測距光軸１９及び前記投光光軸５を経て、前記第３ダイクロイックミラー１１を透過し、前記結像レンズ２２により前記撮像素子２３に結像される。

該撮像素子２３は、反射光の受光位置を検出できる様になっている。該撮像素子２３は、例えば、画素の集合体であり、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサであり、各画素は受光位置を特定できる様になっている。更に、該撮像素子２３の中心を前記受光光軸２１が通過する様に設定し、該受光光軸２１と受光位置との偏差を検出し、該偏差を０にする様に、前記測距光軸１９をコーナキューブに追従させる様にすれば、トラッキングが実行できる。

上述した様に、第１の実施例の光学系１では、測距光の受光光学系の光学要素として、前記結像用反射鏡２６が用いられており、前記受光光軸２１が前記結像用反射鏡２６で折返された構成となっている。前記受光光軸２１が前記結像用反射鏡２６で折返されることで、前記受光光軸２１の直線長さが短くなる。

従って、図６で示される従来の受光光学系と比較すると明らかな様に、受光光学系の奥行が、大幅に短くなり、光学系の小型化が図れる。

尚、ノンプリズムの近距離測定では、前記反射測距光２９がアウトフォーカスした光となり、前記測距受光部２８に集光する光量が減少するが、前記結像用反射鏡２６又は前記結像レンズ２７の周辺部の曲率を変更し、アウトフォーカスした光が前記測距受光部２８に集光する様にすることで、近距離に於いても測定に必要な前記反射測距光２９の光量を確保することができる。

尚、第１の実施例の光学系１が、レーザスキャナ以外の測量機、例えば、トータルステーションに設けられる場合は、前記回転ミラー１８が省略される。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、第２の実施例を示している。尚、図２（Ａ）、図２（Ｂ）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、投光光学系２及び撮像部２５の配置を変更している。測距光の受光光学系の光学要素として、結像用反射鏡２６が用いられ、受光光軸２１が前記結像用反射鏡２６で折返された構成は、第１の実施例と同様である。

光路偏向部材としてのミラー３１が前記受光光軸２１上に配設され、該受光光軸２１が前記ミラー３１によって直角方向に偏向される。偏向された光軸３２上に（即ち、前記ミラー３１の入射側に）第３ダイクロイックミラー１１が配設され、前記受光光軸２１は更に直角方向に偏向される。

前記第３ダイクロイックミラー１１を透過した前記光軸３２上に前記撮像部２５が設けられる。該撮像部２５は、主に結像レンズ２２、撮像素子２３で構成される。

前記第３ダイクロイックミラー１１で偏向された投光光軸５上に前記投光光学系２が設けられる。該投光光学系２については、第１の実施例で説明したと同様であるので、以下説明を省略する。

第２の実施例では、前記光軸３２が前記受光光軸２１に対して直角方向に偏向されるので、前記撮像部２５の前記光軸３２分だけ、前記受光光軸２１の長さを短くできる。即ち、前記回転ミラー１８と前記結像用反射鏡２６間の距離を短くできる。

図３は、第３の実施例を示している。尚、図３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３の実施例は、第２の実施例の応用形であり、受光光軸２１上に配設した第３ダイクロイックミラー１１により、前記受光光軸２１を直角方向に分割、偏向し、偏向した光軸を光軸３２として、該光軸３２上に撮像部２５を配設している。

又、投光光軸５にミラー３１を配設し、前記投光光軸５を前記ミラー３１により偏向している。偏向された前記投光光軸５は前記第３ダイクロイックミラー１１を透過し、前記受光光軸２１に合致する。

前記第３ダイクロイックミラー１１は光路分割部材として機能し、前記受光光軸２１を透過し（透過した光軸は前記投光光軸５と合致する）、又前記受光光軸２１を偏向して前記光軸３２とする。該光軸３２は前記投光光軸５と平行である。

第３の実施例では、反射測距光２９の光路内に前記撮像部２５が存在し、該撮像部２５によって前記反射測距光２９が遮られる。前記撮像部２５によって遮られる前記反射測距光２９は、僅かであり、測定には支障ない。

図４は、第４の実施例を示している。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４の実施例では、第３ダイクロイックミラー１１で偏向した光軸３２を延長し、撮像部２５を反射測距光２９の光路外に設けたものである。

第４の実施例によれば、前記反射測距光２９を遮るものが前記第３ダイクロイックミラー１１、ミラー３１のみとなるので、測距受光部２８に到達する前記反射測距光２９の光量が増大する。

尚、第４の実施例では、レーザポインタ用光源１３及び該レーザポインタ用光源１３の光学系を省略しているが、第３の実施例と同様追加してもよい。

図５は第５の実施例を示している。尚、図５では、受光光学系３に用いられる結像用の光学部材３４のみを示している。

該光学部材３４は、結像用反射鏡２６の反射面に相当する反射面Ｒ２を有し、又受光光軸２１と交差する入射面Ｒ１、反射光軸２１′と交差する射出面Ｒ３を有している。

前記光学部材３４では前記入射面Ｒ１、前記射出面Ｒ３での屈折作用、前記反射面Ｒ２での反射作用によって反射測距光２９を測距受光部２８に結像させる。

尚、前記入射面Ｒ１の周辺部、前記射出面Ｒ３の周辺部を所要の曲率とすることで、近距離測定で反射測距光２９がアウトフォーカスしている状態でも該反射測距光２９を前記測距受光部２８に集光することができ、近距離に於いても測定に必要な前記反射測距光２９の光量を確保することができる。

撮像部２５には、以下の光学フィルタが設けられてもよい。

一般に使用されるカメラに設けられる受光センサのＲＧＢ感度は図７に示される通りである。

可視光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍであるが、受光センサは赤外の領域にも感度を持っており、特に波長が８１０ｎｍ〜８４０ｎｍでは、感度は低くなるもののＲＧＢ共に同等の感度となっている。

この特性を利用し、トラッキング用の照明光として例えば、８１０ｎｍ〜８４０ｎｍの波長の赤外光を用いた場合、図７中、曲線４９で示す透過特性、即ち可視領域の波長を透過すると共に８１０ｎｍ〜８４０ｎｍの範囲の波長を透過するフィルタを作成し、該フィルタを前記撮像部２５の所要の位置に設ける。

このフィルタを設けることで、撮像素子２３より自然な色味の画像が取得できると共に、トラッキングの反射光（赤外光）も受光できる様になる。従って、前記撮像素子２３からの信号に基づきトラッキングが行える。

ダイクロイックミラーは、ビームスプリッタでもよく、或は波長域の一部をダイクロイックミラーとし、一部はビームスプリッタの特性を持った光学素子でもよい。

受光光学系は、単一の非球面レンズを使用したものでもよい。

１ 光学系
２ 投光光学系
３ 受光光学系
５ 投光光軸
６ 照明光源
７ 集光レンズ
１１ 第３ダイクロイックミラー
１３ レーザポインタ用光源
１４ 集光レンズ
１５ 測距光光源
１６ 集光レンズ
１８ 回転ミラー
１９ 測距光軸
２１ 受光光軸
２１′ 反射光軸
２２ 結像レンズ
２３ 撮像素子
２５ 撮像部
２６ 結像用反射鏡
２８ 測距受光部
２９ 反射測距光
３１ ミラー
３２ 光軸
３４ 光学部材

Claims (5)

1. 測距光を射出する投光光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光光学系とを具備する測量装置の光学系であって、前記投光光学系は、投光光軸、測距光を発する測距光光源、及び前記投光光軸上に設けられた光路偏向部材を有し、前記投光光軸は前記光路偏向部材により偏向され、前記測距光は前記投光光軸を介して前記測定対象物に向けて射出され、前記受光光学系は、前記光路偏向部材を透過する受光光軸を有し、該受光光軸上に結像用反射鏡が設けられ、該結像用反射鏡の反射光軸上に測距受光部が設けられ、前記測定対象物からの前記反射測距光が前記受光光軸を経て前記結像用反射鏡に入射し、該結像用反射鏡によって反射され、前記測距受光部に結像される様に構成された測量機の光学系。
2. 前記光路偏向部材と前記結像用反射鏡との間の前記受光光軸上に撮像部が設けられ、前記投光光軸は、光路分割部材によって測距光射出光学系、照明光射出光学系に分割され、前記測距光は前記測距光射出光学系から発せられ、前記投光光軸、前記光路偏向部材を経て前記測定対象物へ射出され、前記照明光射出光学系から発せられる照明光は、前記投光光軸、前記光路偏向部材を経て前記測定対象物へ射出され、該測定対象物からの反射光は前記撮像部によって受光される請求項１に記載の測量機の光学系。
3. 前記投光光軸の前記光路偏向部材の入射側に光路分割部材が設けられ、該光路分割部材により分割された一方の光軸上に撮像部が設けられ、他方の光軸上に前記投光光学系が設けられた請求項１に記載の測量機の光学系。
4. 前記光路偏向部材の射出側に、光路分割部材が設けられ、該光路分割部材により分割された光軸上に撮像部が設けられ、前記光路分割部材を透過した投光光軸上に前記投光光学系が設けられた請求項１に記載の測量機の光学系。
5. 前記反射測距光が入射する入射面、前記反射測距光が射出する射出面、前記入射面、前記射出面に対向する曲面を有し、該曲面に前記結像用反射鏡が形成されたレンズを有する請求項１に記載の測量機の光学系。

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