WO2024185809A1

WO2024185809A1 - 測量装置

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Publication number: WO2024185809A1
Application number: PCT/JP2024/008502
Authority: WO
Inventors: 太一湯浅
Original assignee: 株式会社トプコン
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2024-03-06
Publication date: 2024-09-12
Also published as: JP2024127410A

Abstract

測定対象物に測距光（３５）を射出する発光素子（２８）を有する測距光射出部（２３）と、前記測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子（３９）を有する測距光受光部（２４）と、前記測距光射出部を制御し、前記受光素子に対する前記反射測距光の受光結果に基づき前記測定対象物迄の距離を演算する演算制御部とを具備し、前記測距光受光部は、前記反射測距光を前記受光素子に結像させる受光レンズ（４３）を有し、該受光レンズは径方向に向って連続的に焦点位置が変化する第１レンズ部と、面内位置に拘らず焦点位置が一定となる第２レンズ部とを有する単一の奇数次非球面レンズとなる様に構成された。

Description

測量装置

　本発明は、測定対象物の３次元座標を取得可能な測量装置に関するものである。

　レーザスキャナやトータルステーション等の測量装置は、測定対象物として再帰反射性を有するプリズムを用いたプリズム測距、反射プリズムを用いないノンプリズム測距により測定対象物迄の距離を検出する光波距離測定装置を有している。

　遠距離測定に於いて、所望の反射測距光の受光量を得る為に測距光の光量を増大すると、近距離を測定した時の反射測距光の受光光量が過剰となり、受光系の電気系が飽和する虞れがある。一方で、近距離測定に於いて、所望の反射測距光の受光量を得る為に測距光の光量を低減すると、遠距離を測定する場合に測定に必要な充分な反射測距光の受光光量を得ることができない虞れがある。

　この為、遠距離測定の際に測定対象物から反射される反射測距光のスポット径を小さくし、充分な反射測距光の受光光量を得ると共に、近距離測定の際に受光系が飽和しない程度の反射測距光の受光光量を得ることが求められている。

特許第５４５２２４５号公報特許第４１２７５７９号公報

　本発明は、測定対象物迄の距離に拘らず測定が可能な測量装置を提供するものである。

　本発明は、測定対象物に測距光を射出する発光素子を有する測距光射出部と、前記測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子を有する測距光受光部と、前記測距光射出部を制御し、前記受光素子に対する前記反射測距光の受光結果に基づき前記測定対象物迄の距離を演算する演算制御部とを具備し、前記測距光受光部は、前記反射測距光を前記受光素子に結像させる受光レンズを有し、該受光レンズは径方向に向って連続的に焦点位置が変化する第１レンズ部と、面内位置に拘らず焦点位置が一定となる第２レンズ部とを有する単一の奇数次非球面レンズとなる様に構成された測量装置に係るものである。

　又本発明は、前記第１レンズ部は前記受光レンズの中心部に形成され、前記第２レンズ部は前記第１レンズ部の外周側に形成され、前記第１レンズ部は中心に近づく程焦点距離が短くなる様構成された測量装置に係るものである。

　又本発明は、前記第２レンズ部は前記受光レンズの中心部に形成され、前記第１レンズ部は前記第２レンズ部の外周側に形成され、前記第１レンズ部は中心から離れる程焦点距離が短くなる様構成された測量装置に係るものである。

　更に又本発明は、前記受光レンズは、所定の距離以下の近距離測定時に受光光量が最大となる様に設計された測量装置に係るものである。

　本発明によれば、測定対象物に測距光を射出する発光素子を有する測距光射出部と、前記測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子を有する測距光受光部と、前記測距光射出部を制御し、前記受光素子に対する前記反射測距光の受光結果に基づき前記測定対象物迄の距離を演算する演算制御部とを具備し、前記測距光受光部は、前記反射測距光を前記受光素子に結像させる受光レンズを有し、該受光レンズは径方向に向って連続的に焦点位置が変化する第１レンズ部と、面内位置に拘らず焦点位置が一定となる第２レンズ部とを有する単一の奇数次非球面レンズとなる様に構成されたので、前記測定対象物迄の距離に拘らず、充分な前記反射測距光の受光光量を得ることができ、前記測定対象物の測距が可能となる。

図１は第１の実施例に係る測量装置を示す正断面図である。図２は第１の実施例に係る距離測定部を示す構成図である。図３は第１の実施例に係る受光レンズを示す説明図である。図４（Ａ）は２０次の偶数次非球面レンズを表す式であり、図４（Ｂ）は２０次の奇数次非球面レンズを表す式である。図５は測定距離と受光素子に対する反射測距光の受光光量との関係を示すグラフである。図６（Ａ）は偶数次非球面レンズを用いた際の受光素子に結像される無限共役部の遠距離物点のスポットダイアグラムを示し、図６（Ｂ）は奇数次非球面レンズを用いた際の受光素子に結像される無限共役部の遠距離物点のスポットダイアグラムを示している。図７は第２の実施例に係る受光レンズを示す説明図である。

　以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

　先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係る測量装置について説明する。

　測量装置１は、例えばレーザスキャナであり、三脚（図示せず）に取付けられる整準部２と、該整準部２に取付けられた測量装置本体３とから構成される。

　前記整準部２は整準ネジ１０を有し、該整準ネジ１０により前記測量装置本体３の整準を行う。

　該測量装置本体３は、固定部４と、托架部５と、水平回転軸６と、水平回転軸受７と、水平回転駆動部としての水平回転モータ８と、水平角検出部としての水平角エンコーダ９と、鉛直回転軸１１と、鉛直回転軸受１２と、鉛直回転駆動部としての鉛直回転モータ１３と、鉛直角検出部としての鉛直角エンコーダ１４と、鉛直回転部である走査ミラー１５と、操作部と表示部とを兼用する操作パネル１６と、演算制御部１７と、記憶部１８と、距離測定部１９等を具備している。尚、前記演算制御部１７としては、本装置に特化したＣＰＵ、或は汎用ＣＰＵが用いられる。

　前記水平回転軸受７は前記固定部４に固定される。前記水平回転軸６は鉛直な軸心６ａを有し、前記水平回転軸６は前記水平回転軸受７に回転自在に支持される。又、前記托架部５は前記水平回転軸６に支持され、前記托架部５は水平方向に前記水平回転軸６と一体に回転する様になっている。

　前記水平回転軸受７と前記托架部５との間には前記水平回転モータ８が設けられ、該水平回転モータ８は前記演算制御部１７により制御される。該演算制御部１７は、前記水平回転モータ８により、前記托架部５を前記軸心６ａを中心に回転させる。

　前記托架部５の前記固定部４に対する相対回転角は、前記水平角エンコーダ９によって検出される。該水平角エンコーダ９からの検出信号は前記演算制御部１７に入力され、該演算制御部１７により水平角データが演算される。該演算制御部１７は、前記水平角データに基づき、前記水平回転モータ８に対するフィードバック制御を行う。

　又、前記托架部５には、水平な軸心１１ａを有する前記鉛直回転軸１１が設けられている。該鉛直回転軸１１は、前記鉛直回転軸受１２を介して回転自在となっている。尚、前記軸心６ａと前記軸心１１ａの交点が、測距光の射出位置であり、前記測量装置本体３の座標系の原点となっている。

　前記托架部５には、凹部２２が形成されている。前記鉛直回転軸１１は、一端部が前記凹部２２内に延出し、前記一端部に前記走査ミラー１５が固着され、該走査ミラー１５は前記凹部２２に収納されている。又、前記鉛直回転軸１１の他端部には、前記鉛直角エンコーダ１４が設けられている。

　前記鉛直回転軸１１に前記鉛直回転モータ１３が設けられ、該鉛直回転モータ１３は前記演算制御部１７に制御される。該演算制御部１７は、前記鉛直回転モータ１３により前記鉛直回転軸１１を回転させ、前記走査ミラー１５は前記軸心１１ａを中心に回転される。

　前記走査ミラー１５の回転角は、前記鉛直角エンコーダ１４によって検出され、検出信号は前記演算制御部１７に入力される。該演算制御部１７は、検出信号に基づき前記走査ミラー１５の鉛直角データを演算し、該鉛直角データに基づき前記鉛直回転モータ１３に対するフィードバック制御を行う。

　又、前記演算制御部１７で演算された水平角データ、鉛直角データや測定結果は、前記記憶部１８に保存される。該記憶部１８としては、磁気記憶装置としてのＨＤＤ、光記憶装置としてのＣＤ、ＤＶＤ、半導体記憶装置としてのメモリカード、ＵＳＢメモリ等種々の記憶手段が用いられる。該記憶部１８は、前記托架部５に対して着脱可能であってもよく、或は図示しない通信手段を介して外部記憶装置や外部データ処理装置にデータを送出可能としてもよい。

　前記記憶部１８には、測距作動を制御するシーケンスプログラム、測距作動により距離を演算する演算プログラム、水平角データ及び鉛直角データに基づき角度を演算する演算プログラム、距離と角度に基づき所望の測定点の３次元座標を演算するプログラム等の各種プログラムが格納される。又、前記演算制御部１７により各種プログラムが実行されることで、各種処理が実行される。

　前記操作パネル１６は、例えばタッチパネルであり、測距の指示や測定条件、例えば測定点間隔の変更等を行う操作部と、測距結果や画像等を表示する表示部とを兼用している。

　次に、図２を参照して、前記距離測定部１９について説明する。

　該距離測定部１９は、測距光射出部２３と測距光受光部２４と追尾光射出部２５と追尾光受光部２６とを有している。尚、前記測距光射出部２３と前記測距光受光部２４とにより測距部が構成され、前記追尾光射出部２５と前記追尾光受光部２６とにより追尾部が構成される。

　前記測距光射出部２３は、測距光軸２７を有している。又、前記測距光射出部２３は、発光側から順に、前記測距光軸２７上に設けられた発光素子２８、例えばレーザダイオード（ＬＤ）と、投光レンズ２９と、ダイクロイックミラー３１と、該ダイクロイックミラー３１の透過光軸上に設けられたミラー３２とを有している。又、該ミラー３２の反射光軸上に偏向光学部材としての反射プリズム３３が設けられ、該反射プリズム３３の反射光軸上に前記走査ミラー１５が設けられている。更に、該走査ミラー１５の反射光軸上には、透明材料で形成され、該走査ミラー１５と一体に回転する窓部３４が設けられている。

　尚、前記投光レンズ２９、前記ダイクロイックミラー３１、前記ミラー３２、前記反射プリズム３３は投光光学系３０を構成する。又、本実施例では、前記測距光軸２７と、前記ミラー３２で反射された前記測距光軸２７と、前記反射プリズム３３で反射された前記測距光軸２７と、前記走査ミラー１５で反射された前記測距光軸２７とを総称して、該測距光軸２７としている。

　前記発光素子２８は、所定の波長の赤外光を測距光３５として射出する。又、前記投光レンズ２９は、前記発光素子２８から所定の広がり角で発せられた前記測距光３５を平行光束とする様構成されている。

　前記ダイクロイックミラー３１は、前記測距光３５を透過し、追尾光３６（後述）を反射する光学特性を有している。又、前記ダイクロイックミラー３１は、前記測距光３５と前記追尾光３６の共通光路上（前記測距光軸２７と追尾光軸３７（後述）の交差位置）に設けられ、前記追尾光軸３７が前記測距光軸２７と合致する様に前記追尾光軸３７を偏向（反射）する。従って、前記測距光３５と前記追尾光３６とは同軸で測定対象物に向って照射される。

　前記反射プリズム３３は、２つの台形状のプリズムを接合させて形成される。２つのプリズムが接合された状態では、前記反射プリズム３３は直方体形状となる。前記測距光３５が入射する前記反射プリズム３３の入射面は前記測距光軸２７に対して直交し、前記反射プリズム３３の接合面３８は前記測距光軸２７に対して所定角度傾斜している。更に、前記測距光３５が射出（透過）される前記反射プリズム３３の射出面は、前記接合面３８で反射された前記測距光軸２７が僅かに、例えば２．５°程度傾斜して入射する様構成されている。従って、前記反射プリズム３３の射出面で内部反射された前記測距光３５が受光素子３９（後述）に受光されるのを防止している。尚、前記接合面３８の傾斜角は、前記測距光軸２７が受光光軸４１（後述）及び前記軸心１１ａと合致する様、前記測距光軸２７を偏向（反射）させる角度となっている。又、前記受光素子３９としては、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、或は同等の光電変換素子が用いられる。

　前記接合面３８の中心部には、ビームスプリッタ膜（図示せず）が形成されている。該ビームスプリッタ膜は、前記測距光３５の光束に合わせて楕円形状となっており、該測距光３５の光束径と同等又は該光束径よりも僅かに大きくなっている。又、前記ビームスプリッタ膜は、例えば８０％の光を反射し、２０％の光を透過する光学特性を有している。

　尚、前記ビームスプリッタ膜に於ける反射率と透過率の割合は、用途や測定対象物迄の距離に応じて適宜設定される。例えば、測定対象物迄の距離が近い場合には、前記ビームスプリッタ膜を例えば反射率５０％～７０％、透過率３０％～５０％の範囲から選択するのが望ましい。又、測定対象物迄の距離が遠い場合には、前記ビームスプリッタ膜を例えば反射率７０％～９０％、透過率１０％～３０％の範囲から選択するのが望ましい。

　前記測距光受光部２４は、前記受光光軸４１を有している。又、前記測距光受光部２４は、受光側から順に、前記受光光軸４１上に設けられた前記受光素子３９と、受光プリズム４２を有すると共に、該受光プリズム４２で反射された前記受光光軸４１上に設けられた所定のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を有する受光レンズ４３を有している。

　前記受光プリズム４２は、分離面としてのダイクロイック膜４４（後述）を有している。前記受光プリズム４２は、測定対象物で反射された前記測距光３５（反射測距光４５）と、該反射測距光４５と同軸で入射した前記追尾光３６（反射追尾光４６）とを同一平面内で少なくとも１回反射させる様構成されている。又、前記ダイクロイック膜４４は、前記反射測距光４５を反射し、前記反射追尾光４６を透過する光学特性を有している。

　尚、前記受光プリズム４２、前記受光レンズ４３、前記反射プリズム３３で受光光学系４７が構成される。又、本実施例では、前記受光光軸４１と、前記受光プリズム４２及び前記ダイクロイック膜４４及び前記走査ミラー１５で反射された前記受光光軸４１とを総称して、該受光光軸４１としている。

　前記追尾光射出部２５は、前記追尾光軸３７を有している。又、前記追尾光射出部２５は、発光側から順に、前記追尾光軸３７上に設けられた追尾発光素子４８、追尾投光レンズ４９、前記ダイクロイックミラー３１を有すると共に、該ダイクロイックミラー３１の反射光軸上に設けられた前記ミラー３２と、該ミラー３２の反射光軸上に設けられた前記反射プリズム３３とを有している。

　尚、本実施例では、前記追尾光軸３７と、前記ダイクロイックミラー３１で反射された前記追尾光軸３７と、前記ミラー３２で反射された前記追尾光軸３７と、前記反射プリズム３３によって反射された前記追尾光軸３７と、前記走査ミラー１５によって反射された前記追尾光軸３７とを総称して、該追尾光軸３７としている。又、前記ダイクロイックミラー３１の反射側に前記追尾光３６を発する前記追尾発光素子４８が設けられ、前記ダイクロイックミラー３１の透過側に前記測距光３５を発する前記発光素子２８が設けられているが、前記ダイクロイックミラー３１の透過側に前記追尾発光素子４８を設け、前記ダイクロイックミラー３１の反射側に前記発光素子２８を設けてもよい。

　前記追尾発光素子４８は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）であり、前記測距光３５とは波長の異なる近赤外波長の前記追尾光３６を射出する様構成されている。又、前記追尾投光レンズ４９は、前記追尾発光素子４８から発せられた前記追尾光３６を平行光束とする様構成される。

　前記追尾光受光部２６は、追尾受光光軸５１を有している。又、前記追尾光受光部２６は、受光側から順に、前記追尾受光光軸５１上に設けられた追尾受光素子５２、バンドパスフィルタ５９、受光プリズム４２及び該受光プリズム４２の反射光軸上に設けられた前記受光レンズ４３を有している。

　尚、本実施例では、前記追尾受光光軸５１と前記受光プリズム４２と前記走査ミラー１５で反射された前記追尾受光光軸５１とを総称して、該追尾受光光軸５１としている。

　前記追尾受光素子５２は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は前記追尾受光素子５２上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記追尾受光素子５２の中心を原点とした画素座標を有し、該画素座標によって前記追尾受光素子５２上での位置が特定される。

　前記距離測定部１９は、前記演算制御部１７により制御される。前記発光素子２８から前記測距光軸２７上にパルス状の前記測距光３５が射出されると、該測距光３５は前記投光レンズ２９に入射する。該投光レンズ２９は、前記測距光３５を平行光束とする。

　前記投光レンズ２９、前記ダイクロイックミラー３１を透過し、前記ミラー３２で反射された前記測距光３５は、前記反射プリズム３３の入射面に対して直角に入射し、該反射プリズム３３内部を透過して前記接合面３８で前記受光光軸４１及び前記軸心１１ａと同軸になる様反射される。前記反射プリズム３３の射出面から射出される前記測距光３５は、前記走査ミラー１５によって直角に偏向され、前記窓部３４を介して測定対象物に照射される。前記走査ミラー１５が前記軸心１１ａを中心に回転することで、前記測距光３５は前記軸心１１ａと直交し、且つ前記軸心６ａを含む平面内で回転（走査）される。

　尚、前記窓部３４は、該窓部３４で反射された前記測距光３５が前記受光素子３９に入射しない様、前記測距光軸２７の光軸に対して所定角度傾斜して設けられている。

　測定対象物で反射された前記反射測距光４５は、前記走査ミラー１５で直角に反射され、前記受光光学系４７を経て前記受光素子３９で受光される。

　前記演算制御部１７は、前記発光素子２８の発光タイミングと、前記受光素子３９の受光タイミングの時間差（即ち、パルス光の往復時間）と光速に基づき、前記測距光３５の１パルス毎に測距を実行し（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）、測定対象物迄の距離を演算する。尚、前記発光素子２８の発光のタイミング、即ちパルス間隔は、前記操作パネル１６を介して変更可能となっている。又、測距結果と前記水平角エンコーダ９及び前記鉛直角エンコーダ１４で得られた水平角データ及び鉛直角データに基づき、測定対象物の３次元座標を演算できる。

　又、前記測距光３５を所定のパルス間隔で射出しつつ、前記托架部５と前記走査ミラー１５とをそれぞれ定速で回転させることで、該走査ミラー１５の鉛直方向の回転と、前記托架部５の水平方向の回転との協動により、前記測距光３５が２次元に走査される。又、各パルス光毎に前記鉛直角エンコーダ１４、前記水平角エンコーダ９により鉛直角、水平角を検出することで、鉛直角データ、水平角データが取得できる。鉛直角データ、水平角データ、測距データとにより、前記測量装置１の設置位置を基準とした測定対象物の３次元座標及び測定対象物に対応する３次元の点群データが取得できる。

　又、測距作動と並行して、追尾発光素子４８から前記測距光３５とは異なる波長の前記追尾光３６が射出されると、前記追尾投光レンズ４９で平行光束とされた後、前記ダイクロイックミラー３１により前記測距光３５と同軸となる様に偏向される。

　前記測距光３５と同軸で測定対象物に照射され、測定対象物で反射された前記反射追尾光４６は、前記受光光学系４７を通過する過程で、前記ダイクロイック膜４４で前記反射測距光４５と分離され、前記追尾受光素子５２で受光される。又、該追尾受光素子５２への前記反射追尾光４６の受光により、追尾像（図示せず）を得ることができる。

　前記演算制御部１７は、前記追尾受光素子５２の中心と、該追尾受光素子５２に対する前記反射追尾光４６の受光位置（追尾像の中心）との位置偏差を演算し、該位置偏差に基づき、前記中心と受光位置とが合致する様前記水平回転モータ８と前記鉛直回転モータ１３を駆動させ、測定対象物を追尾する様に構成される。

　次に、前記受光光学系４７の詳細について説明する。前記受光プリズム４２は、第１プリズム５３と第２プリズム５４と第３プリズム５５とから構成されている。尚、以下の説明では、図２中、紙面に対して上側を上、紙面に対して下側を下、紙面に対して右側を右、紙面に対して左側を左、紙面に対して奥側を奥、紙面に対して手前側を手前として説明する。

　前記第１プリズム５３は、所定の屈折率を有し、第１面５３ａ、第２面５３ｂ、第３面５３ｃ、第４面５３ｄを有する多角形のプリズムとなっている。前記第１面５３ａは、前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６の入射面であり、前記第１プリズム５３に入射する前記受光光軸４１及び追尾受光光軸５１と直交する様構成されている。又、前記第１面５３ａには全面に亘って反射防止膜（ＡＲコート）が設けられている。

　前記第２面５３ｂは、前記第１面５３ａと対向する位置に形成され、前記第３面５３ｃは、図２中紙面に対して上側、即ち前記第１面５３ａの上端と前記第２面５３ｂの上端との間に形成される。又、前記第４面５３ｄは、前記第３面５３ｃと対向し、前記第１面５３ａと前記第２面５３ｂの下端との間に形成される。

　尚、前記第２面５３ｂと前記第３面５３ｃとで形成される角部には、面取り加工が施された第１面取り部５６が形成され、前記第１面５３ａと前記第３面５３ｃとで形成される角部には、面取り加工が施された第２面取り部５７が形成されている。前記第１面取り部５６と前記第２面取り部５７は、それぞれ前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６の光路外に位置し、反射防止塗料が塗布されている。

　前記第２プリズム５４は、所定の屈折率を有し、少なくとも第１面５４ａと第２面５４ｂと第３面５４ｃとを有する多角形のプリズムとなっている。前記第１面５４ａは、前記第１プリズム５３内で反射された前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６の入射面であり、前記第４面５３ｄと同一面積を有し、該第４面５３ｄと接合されている。即ち、前記第４面５３ｄと前記第１面５４ａは前記第１プリズム５３と前記第２プリズム５４とを接合させる接合面となる。

　前記第２面５４ｂは、前記第１面５４ａと対向し、該第１面５４ａに入射した前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６が入射する様に構成される。又、前記第２面５４ｂは、前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６が所定の入射角で入射する様、前記受光光軸４１及び前記追尾受光光軸５１に対して所定角度傾斜している。前記第３面５４ｃは、前記第１面５４ａと連続し、前記第２面５４ｂで反射された前記反射測距光４５が入射角０°で入射する様構成されている。

　ここで、前記第４面５３ｄと前記第１面５４ａが接合されているので、前記第２面５３ｂと前記第３面５４ｃは連続している。又、前記第２面５３ｂは接合面を起点として下方から上方に向って前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６の入射面（前記第１面５３ａ）から離反する方向に傾斜し、前記第３面５４ｃは接合面を起点として上方から下方に向って前記第１面５３ａから離反する方向に傾斜している。従って、前記第２面５３ｂと前記第３面５４ｃとにより、前記第１面５４ａ側に窪んだ凹部５８が形成される。

　前記第３プリズム５５は、所定の屈折率を有し、少なくとも第１面５５ａと第２面５５ｂとを有する多角形のプリズムとなっている。前記第１面５５ａは、前記第２プリズム５４内を透過した前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６の入射面であり、前記第２面５４ｂと接合されている。即ち、前記第１面５５ａと前記第２面５４ｂは、前記第２プリズム５４と前記第３プリズム５５を接合させる接合面となる。更に、前記第２プリズム５４と前記第３プリズム５５との接合面には、前記反射測距光４５を反射し、前記反射追尾光４６を透過する前記ダイクロイック膜４４が設けられている。

　前記第２面５５ｂは、前記第１面５５ａと対向し、該第１面５５ａを透過した前記反射追尾光４６が入射角０°で入射する様に形成される。又、前記第２面５５ｂの中心には、所定の大きさのバンドパスフィルタ５９が設けられ、該バンドパスフィルタ５９の周囲には反射防止塗料が塗布されている。該バンドパスフィルタ５９の大きさは、前記ダイクロイック膜４４を透過する前記反射追尾光４６の光束径と同等又は僅かに大きくなっている。前記バンドパスフィルタ５９により、前記追尾光３６の波長とは異なる波長の光を前記反射追尾光４６から除去することができる。

　前記第２面５４ｂと対向し、前記ダイクロイック膜４４で反射される前記反射測距光４５の集光位置には、前記受光素子３９が設けられている。又、該受光素子３９は前記凹部５８内に位置している。

　前記ダイクロイック膜４４を透過した前記反射追尾光４６の集光位置には、前記追尾受光素子５２が設けられている。又、該追尾受光素子５２は、センサ基板６１に設けられている。

　尚、前記第１面取り部５６の右端（下端）と、前記センサ基板６１の右端とは、略同一平面上に位置している。又、前記受光素子３９は、前記平面よりも前記反射測距光４５の入射面の反対側に突出しない様に配置されている。

　次に、図３を参照して、前記受光レンズ４３の詳細について説明する。尚、図３は、該受光レンズ４３の機能を説明する為に簡略化した模式図となっている。又、図３中、実線は第１レンズ部６２（後述）に入射する近距離からの反射測距光４５ａを示し、破線は第２レンズ部６３（後述）に入射する遠距離からの反射測距光４５ｂを示している。

　該受光レンズ４３は、中心部に形成された前記第１レンズ部６２と、該第１レンズ部６２以外の外周部に形成された前記第２レンズ部６３とから構成されている。

　ここで、前記測距光３５を前記走査ミラー１５を介して回転照射する場合、該走査ミラー１５が高速回転している為、特に遠距離の測定対象物の場合には、前記測距光３５を射出した時の前記走査ミラー１５の位置は、前記反射測距光４５を受光した時の前記走査ミラー１５の位置に対して僅かに変位している。従って、前記受光素子３９に受光される前記反射測距光４５の受光位置（スポット）が偏心し、スポット径が大きくなる。又、前記走査ミラー１５の回転に伴い、スポットが前記受光素子３９上で偏心する。更に、製作誤差等によっても前記反射測距光４５の受光位置が偏心する場合がある。

　従って、前記受光素子３９に結像するスポットが大きい場合、即ち前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５のスポット径が大きい場合、スポットの偏心に伴い、スポットの一部が前記受光素子３９の受光範囲から外れる虞れがある。この場合、前記反射測距光４５の受光量が低下し、測距可能な距離が短くなる、或は測定精度が低下する。

　又、近距離の測定対象物を測定する場合、特に遠距離の測定対象物を測定できる様前記受光レンズ４３が設計されている場合には、近距離の測定に於いて前記反射測距光４５の受光光量が不足する虞れがある。

　そこで、本実施例では、前記受光レンズ４３を前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３の２つのレンズ部により構成し、前記第１レンズ部６２により近距離の測定対象物を測定する際の受光光量を確保し、前記第２レンズ部６３により遠距離の測定対象物を測定する際の受光光量を確保している。例えば、１５ｍ以下の近距離に存在する測定対象物を測定する近距離測定時に、前記反射測距光４５の受光光量が最大となる様に前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３とが設計される。

　前記第１レンズ部６２は、中心に近づく程焦点距離が短くなる様に構成されている。即ち、前記第１レンズ部６２は、径方向に向って連続的に焦点距離が変化する。従って、前記第１レンズ部６２は、前記受光素子３９の共役位置が中心部に近づく程近距離となる様に構成されている。又、前記第２レンズ部６３は、該第２レンズ部６３に対する面内受光位置に拘らず焦点距離が一定となる無限共役のレンズとして構成されており、前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３が単一の奇数次非球面レンズで構成されている。

　尚、前記第１レンズ部６２は、前記受光レンズ４３の有効径のうち、１０％～７０％の大きさを有し、前記第２レンズ部６３は、前記受光レンズ４３の有効径のうち、３０％～９０％の大きさを有している。前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３の大きさの比率は、測定対象物の反射率や測定距離等に応じて適宜設定される。

　次に、前記受光レンズ４３を奇数次非球面レンズとした場合の効果について説明する。非球面レンズには、偶数次非球面レンズと奇数次非球面レンズとが存在し、例えば２０次の偶数次非球面レンズは図４（Ａ）に示される式で表すことができ、２０次の奇数次非球面レンズは図４（Ｂ）に示される式で表すことができる。尚、図４（Ａ）、図４（Ｂ）中、ｚはサグ、Ｒはレンズの曲率半径、κは円錐定数、ｈは光軸からの距離（入射の高さ）を示し、Ａ2iとＡi は非球面係数を示している。

　図５は、測定距離と前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５の受光光量との関係を示すグラフである。図５中、破線のグラフ６４は前記受光素子３９に対する受光光量の理想値を示し、丸のプロットを結んだグラフ６５は前記受光レンズ４３として２０次の偶数次非球面レンズを用いた場合の前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５の受光光量を示し、矩形のプロットを結んだグラフ６６は前記受光レンズ４３として２０次の奇数次非球面レンズを用いた場合の前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５の受光光量を示している。

　尚、図５中で示される受光光量は、例えば０ｍ～１５ｍの近距離での前記反射測距光４５の受光光量を１とした場合の、理想値に対する奇数次非球面レンズと偶数次非球面レンズの相対的な受光光量となっている。ここで、理想値とは、所定の距離、例えば１５ｍ以下の近距離測定に於いて、一定となる様に設定した受光光量であり、部品公差や組み立て公差、前記受光素子３９の感度のバラツキを考慮した上で、電気系が飽和しない限界の光量となる様に設定される。

　図５に示される様に、偶数次非球面レンズを用いた場合（前記グラフ６５）、特に０ｍ～１５ｍの近距離に於いて、受光光量が理想値を大きく上回る距離と大きく下回る距離が存在し、受光光量が安定しない。一方、奇数次非球面レンズを用いた場合（前記グラフ６６）、０ｍ～１５ｍの近距離に於いても、理想値と近似した安定した受光光量を得ることができる。又、奇数次非球面レンズを用いる場合、１５ｍ～５０ｍの中長距離に於いても理想値と近似した安定した受光光量を得ることができる。

　図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、前記第２レンズ部６３の焦点距離ｆ～１００、ＮＡを０．２５とした時の、遠距離測定時の前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５の受光位置の分布である遠距離のスポットダイアグラム（結像性能）を示している。図６（Ａ）は、前記受光レンズ４３を偶数次非球面レンズとした場合の前記第２レンズ部６３の遠距離のスポットダイアグラム６７を示し、図６（Ｂ）は前記受光レンズ４３を奇数次非球面レンズとした場合の前記第２レンズ部６３の遠距離のスポットダイアグラム６８を示している。

　図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示される様に、前記受光レンズ４３を偶数次非球面レンズとした場合の前記第２レンズ部６３の遠距離の前記スポットダイアグラム６７の直径が５６μｍであるのに対し、前記受光レンズ４３を奇数次非球面レンズとした場合の前記第２レンズ部６３の遠距離の前記スポットダイアグラム６８の直径は８μｍとなっている。従って、前記受光レンズ４３を奇数次非球面レンズとすることで、前記受光レンズ４３を偶数次非球面レンズとした場合と比べて前記スポットダイアグラム６８の直径を約１／７とすることができる。

　又、前記受光レンズ４３を単一の奇数次非球面レンズとすることで、前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３とをそれぞれ異なる非球面レンズとして設計、製造する必要がない。従って、レンズ加工や金型加工の工数及びコストの増大が抑制される。又、各レンズ部６２，６３の連続性を確保する為の設計上の制約を考慮する必要がない。更に、各レンズ部６２，６３の境界付近の加工精度悪化に伴う受光光量の低下やスポットダイアグラムの悪化を防止することができる。

　測定対象物で反射された前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６は、前記走査ミラー１５で反射され、前記受光レンズ４３に入射する。該受光レンズ４３を透過した前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６は、前記第１プリズム５３の前記第１面５３ａに対して直角に同軸で入射する。前記第１プリズム５３内に入射した前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６は、前記第２面５３ｂ、前記第１面５３ａ、前記第３面５３ｃ、前記第１面５３ａで順次同一平面内で反射され、前記第４面５３ｄ（前記第１面５４ａ）に直角に入射する。尚、前記第３面５３ｃで反射された前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６は、前記第１面５３ａを透過した前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６と、前記第２面５３ｂで反射された前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６と交差する。

　前記第２プリズム５４内に入射した前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６は、前記第２面５４ｂ（前記第１面５５ａ）、即ち分離面としての前記ダイクロイック膜４４に入射し、前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６とに分離される。

　前記反射測距光４５は、前記ダイクロイック膜４４で反射され、前記第３面５４ｃに直角に入射し、前記受光素子３９に受光される。又、前記反射追尾光４６は、前記ダイクロイック膜４４を透過し、前記第２面５５ｂに直角に入射し、前記バンドパスフィルタ５９を通過する過程で前記追尾光３６の波長とは異なる波長の光が除去され、前記追尾受光素子５２に受光される。

　尚、前記窓部３４で反射された前記測距光３５や前記追尾光３６等、前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６の光路外を通過する迷光は、前記第１面取り部５６や前記第２面取り部５７で遮断される。従って、前記受光素子３９や前記追尾受光素子５２への迷光の受光が防止される。

　上述の様に、第１の実施例では、受光レンズ４３の中心部に形成された前記第１レンズ部６２と、該第１レンズ部６２の外周側に設けられた第２レンズ部６３とから構成している。又、前記第１レンズ部６２を中心に近づく程焦点距離が短くなる様構成したレンズとし、近距離の測定対象物を測定する際に充分な前記反射測距光４５の受光光量を確保可能と共に、前記第２レンズ部６３を焦点距離が一定となる無限共役のレンズとし、遠距離の測定対象物を測定する際に充分な前記反射測距光４５の受光光量を確保可能としている。

　従って、測定対象物迄の距離に拘らず、充分な前記反射測距光４５の受光光量を確保でき、測距が可能となるので、測定可能な距離範囲を増大させることができ、作業性を向上させることができる。

　又、前記受光レンズ４３を単一の奇数次非球面で表現される奇数次非球面レンズとしている。偶数次非球面レンズを用いると、特に近距離での測定に於いて理想値に対して受光光量がばらつくのに対し、奇数次非球面レンズを用いると、近距離の測定に於いても理想値に近似した安定した受光光量を得ることができる。

　従って、前記受光素子３９の受光可能な受光光量を理想値に合わせて設計した場合であっても、電気系が飽和し、測定不能となることを防止することができる。又、前記受光素子３９の受光可能な受光光量を理想値に合わせて設計することで、近距離測定の際の受光光量を最大限に増大させることができるので、反射率の低い測定対象物であっても近距離測定を行うことができる。

　又、前記受光レンズ４３として奇数次非球面レンズを用いることで、偶数次非球面レンズを用いる場合と比べて、前記受光素子３９に結像される前記スポットダイアグラム６８を１／７程度まで縮小することができる。

　従って、前記走査ミラー１５の回転に伴う前記反射測距光４５の変化や製作誤差等により、前記受光素子３９に対する前記反射測距光４５の受光位置が偏心した場合であっても、該反射測距光４５が前記受光素子３９から外れることがなく、充分な受光光量を得ることができる。

　又、前記スポットダイアグラム６８が縮小されることで、前記受光素子３９の径を小さくすることができるので、外光の抑制やＳＮ比の向上を図ることができ、測定精度を向上させることができる。

　又前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３とを別途製作する必要がないので、工数やコストの低減が図れると共に、前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３との間の連続性も考慮する必要がない。更に、前記第１レンズ部６２と前記第２レンズ部６３との境界付近での加工精度の悪化に伴う受光光量の低下やスポットダイアグラムの悪化を防止することができる。

　又、前記受光プリズム４２の前記反射測距光４５と前記反射追尾光４６の入射面（前記第１面５３ａ）と反対側の面に、前記第１面５３ａ側に窪んだ凹部５８を形成し、該凹部５８に前記受光素子３９を配置している。従って、該受光素子３９が前記受光プリズム４２から突出しないので、前記受光光軸４１方向（図２中紙面に対して左右方向）の前記受光光学系４７の長さを短くすることができ、該受光光学系４７及び前記測量装置１の小型化を図ることができる。

　又、前記反射測距光４５及び前記反射追尾光４６の光路外に、前記第１面取り部５６と前記第２面取り部５７を形成し、前記第１面取り部５６と前記第２面取り部５７に反射防止塗料を塗布している。従って、前記受光プリズム４２内を通過する迷光を、前記第１面取り部５６、前記第２面取り部５７で遮断することができるので、迷光が前記受光素子３９や前記追尾受光素子５２に受光され、測距精度や追尾精度の低下を防止することができる。

　尚、第１の実施例では、前記ダイクロイックミラー３１の透過側に前記発光素子２８と前記投光レンズ２９を設け、反射側に前記追尾発光素子４８と前記追尾投光レンズ４９を設けているが、前記ダイクロイックミラー３１の透過側に前記追尾発光素子４８と前記追尾投光レンズ４９を設け、反射側に前記発光素子２８と前記投光レンズ２９を設けてもよい。

　又、前記ダイクロイック膜４４の反射側に前記受光素子３９を設け、透過側に前記追尾受光素子５２を設けているが、前記ダイクロイック膜４４の反射側に前記追尾受光素子５２を設け、透過側に前記受光素子３９を設けてもよい。

　次に、図７に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図７中、図３中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。又、図７中、実線は第１レンズ部７１（後述）に入射する近距離からの反射測距光４５ａを示し、破線は第２レンズ部７２（後述）に入射する遠距離からの反射測距光４５ｂを示している。

　第２の実施例に於いては、受光レンズ６９が中心側に形成された前記第２レンズ部７２と、該第２レンズ部７２の外周側に形成された前記第１レンズ部７１とから構成されている。

　前記受光レンズ６９は、単一の奇数次非球面レンズであり、前記第２レンズ部７２は、該第２レンズ部７２に対する面内受光位置に拘らず焦点距離が一定となる無限共役のレンズとして構成されている。又、前記第１レンズ部７１は、中心から離れる程（外周側に向う程）、焦点距離が短くなる様に構成されている。即ち、前記第１レンズ部７１は、径方向に向って連続的に焦点距離が変化する。従って、前記第１レンズ部７１は、受光素子３９の共役位置が中心から離れる程近距離となる様に構成されている。

　尚、前記第２レンズ部７２は、前記受光レンズ６９の有効径のうち、５０％～９５％の大きさを有し、前記第１レンズ部７１は、前記受光レンズ６９の有効径のうち、５％～５０％の大きさを有している。前記第１レンズ部７１の大きさと前記第２レンズ部７２の大きさの比率は、測定対象物の反射率や測定距離等に応じて適宜設定される。

　第２の実施例に於いても、前記受光レンズ６９が焦点距離が一定となる無限共役のレンズである前記第２レンズ部７２と、中心から離れる程焦点距離が短くなる様設計された前記第１レンズ部７１とから構成された単一の奇数次非球面レンズであるので、近距離測定時の受光光量を前記第１レンズ部７１で確保できると共に、遠距離測定時の受光光量を前記第２レンズ部７２で確保できる。

　従って、測定対象物迄の距離に拘らず、充分な前記反射測距光４５の受光光量を確保できるので、測定可能な距離範囲を増大させることができ、作業性を向上させることができる。

　　　　１　　　　　　　測量装置
　　　　１７　　　　　　演算制御部
　　　　２３　　　　　　測距光射出部
　　　　２４　　　　　　測距光受光部
　　　　２８　　　　　　発光素子
　　　　３５　　　　　　測距光
　　　　３９　　　　　　受光素子
　　　　４３　　　　　　受光レンズ
　　　　４５　　　　　　反射測距光
　　　　６２　　　　　　第１レンズ部
　　　　６３　　　　　　第２レンズ部
　　　　６９　　　　　　受光レンズ
　　　　７１　　　　　　第１レンズ部
　　　　７２　　　　　　第２レンズ部

Claims

　測定対象物に測距光を射出する発光素子を有する測距光射出部と、前記測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子を有する測距光受光部と、前記測距光射出部を制御し、前記受光素子に対する前記反射測距光の受光結果に基づき前記測定対象物迄の距離を演算する演算制御部とを具備し、前記測距光受光部は、前記反射測距光を前記受光素子に結像させる受光レンズを有し、該受光レンズは径方向に向って連続的に焦点位置が変化する第１レンズ部と、面内位置に拘らず焦点位置が一定となる第２レンズ部とを有する単一の奇数次非球面レンズとなる様に構成された測量装置。
　前記第１レンズ部は前記受光レンズの中心部に形成され、前記第２レンズ部は前記第１レンズ部の外周側に形成され、前記第１レンズ部は中心に近づく程焦点距離が短くなる様構成された請求項１の測量装置。
　前記第２レンズ部は前記受光レンズの中心部に形成され、前記第１レンズ部は前記第２レンズ部の外周側に形成され、前記第１レンズ部は中心から離れる程焦点距離が短くなる様構成された請求項１の測量装置。
　前記受光レンズは、所定の距離以下の近距離測定時に受光光量が最大となる様に設計された請求項１～請求項３のうちのいずれか１項の測量装置。