JPH08313249A - レーザ測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 対向させて設けたレーザ発振器１と受光器２
の間に反射面が直交する２枚のミラーを配置することに
より、受光軸と投光軸の調整を簡素にしたレーザ測距装
置。 【効果】 コリメータレンズ等からなる複雑な光軸調整
装置を用意することなく、簡単に光軸調整ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を用いて物体ま
での距離を測定するレーザ測距装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】測距・測量を行う方法としてレーザ光を
被測定物に照射し、そこから発生する反射光を受光器に
よって捕捉し、出射したレーザ光と受光した反射光との
差異を解析することにより被測定物との距離を測定する
方法があり、これに用いる装置をレーザ測距装置とい
う。レーザ測距装置は従来測量に用いられていた経緯儀
よりも分解能や確度が高く、地上における三辺測量の他
に月や人工衛星等の遠距離対象物との距離を測定すると
きにも用いられている。

【０００３】従来用いられていたレーザ測距装置の構成
を図を用いて説明する。図３に示すレーザ測距装置は被
測定物３に向けレーザ光を出射するレーザ発振器１と、
レーザ発振器１から出射され被測定物３によって反射さ
れてきたレーザ光を受ける受光器２とから構成されてい
る。受光器は集光レンズ７と光ディテクタ８とから構成
されている。レーザ発振器の投光軸と受光器の受光軸は
どちらも同じ方向を向いているように調整されている。
この調整が正確になされていないと測定不可能な事態に
なることもある。したがって測距装置の軸調整は非常に
重要なことである。測距対象の大きさや装置の仕様にも
よるが、軸のズレは大体１０^-4ｒａｄ程度の範囲に収め
る必要がある。

【０００４】これら投光軸及び受光軸の平行度の調整を
行う光軸調整装置を図を用いて説明する。図４に示す光
軸調整装置はコリメータレンズ１０と反射鏡１１とハー
フミラー１２とレーザ光検出器１３と光源１４とからな
る。この装置を用いた軸調整の方法を説明する。まず、
レーザ発振器１から出射させたレーザ光を光軸調整装置
内に入射させる。このとき光軸調整装置の向きを、入射
させたレーザ光がコリメータレンズ１０及び反射鏡１１
により反射されレーザ光検出器１３に導かれるように合
わせる。このようにして求められるレーザ発振器１と光
軸調整装置との相対角度を保持させたまま受光軸の調整
にかかる。光軸調整装置に備えられる光源１４が設けら
れている位置は、すなわち反射鏡１１に対する光学的位
置は、レーザ光検出器１３と等価な位置に設けられてい
る。光源１４から出射した光はハーフミラー１２及び反
射鏡１１によってコリメータレンズ１０に導かれ、この
コリメータレンズ１０によって平行光に加工されて光軸
調整装置外へ出射される。この平行光を受光器２に入射
させる。このとき受光器２内に設けられた光ディテクタ
８が入射された平行光を受光できるように受光器２の向
きを調整する事によりレーザ発振器１の投光軸と受光器
２の受光軸とを同一方向に向ける事ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成の従来のレーザ測距装置では以下に述べるよう
な問題点が発生してくる。すなわち、従来のレーザ測距
装置では受光軸と投光軸を一致させる必要があるため図
４に示すようなコリメータレンズや反射鏡等の光学系及
びＣＣＤカメラやフォトダイオード等のレーザ光検出素
子及び光源を有する光軸調整装置を必ず用意しなければ
ならない。

【０００６】装置を持ち歩いて様々な地点から測量を行
うときは運搬中の振動や測量地点における温度変化等に
より簡単に軸の平行度が狂ってしまうため、新たに測距
を行うときには必ず軸の平行度の確認・調整が必要であ
り、前記光軸調整装置も常に一緒に携行しなければなら
ない。あるいは図４に示すような構成の従来の光軸調整
装置をレーザ測距装置に組み込んで一体化してしまうと
装置が肥大化してしまい携行が不便になる。また、光学
装置は振動に対して非常に敏感な為できる限り光学部品
を減らしたいという要求があった。本発明は上記のよう
な技術的課題を解決するために、光軸調整を簡単に行う
ことが可能なレーザ測距装置を提供することを目的とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような技
術的課題を解決するためになされたものであり、第一の
レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記第一のレーザ
光の出射方向を調整する調整手段と、前記第一のレーザ
光を受光し、前記第一のレーザ光を第二のレーザ光及び
第三のレーザ光に分割する光分割手段と、前記第三のレ
ーザ光が照射される位置を検出する第一の光検出手段
と、前記第二のレーザ光が被測定物に照射されて発生す
る反射光を検出する第二の光検出手段と、を有する受光
器と、前記第一の光検出手段と接続されて前記調整手段
を制御する制御手段とを具備する事を特徴とするレーザ
測距装置である。このとき第一の光検出手段はＰＳＤ素
子やＣＣＤもしくはフォトダイオード及びＸＹテーブル
からなることが好ましい。第二の光検出手段が第一の光
検出手段を兼ねることもできる。

【０００８】また本発明は、レーザ光を出射するレーザ
出射面を有するレーザ発振器と、前記レーザ光の少なく
とも一部を反射させ、第一の反射光を発生させる第一の
反射部材と、前記第一の反射部材の反射面と前記レーザ
光及び前記第一の反射光が成す面とに対し直交する反射
面を有し、入射する光の少なくとも一部を反射させる第
二の反射部材と、前記第二の反射部材から出射される第
二の反射光を導入する受光口と、前記第二の反射光を検
出する光検出手段と、この光検出手段の位置を調整する
調整手段とを有し、前記レーザ出射面と前記受光口とが
対向して設けられる受光器とを具備することを特徴とす
るレーザ測距装置である。このとき第一の反射部材及び
第二の反射部材は脱着自在もしくは回動自在に設けられ
るか、またはハーフミラーからなることが好ましい。

【０００９】

【作用】本発明のレーザ測距装置では上記のような構成
により以下の作用を奏する。すなわち第一の発明では、
レーザ発振器から出射した第一のレーザ光が光分割手段
に入射し、被測定物に照射される第二のレーザ光と受光
器に導入される第三のレーザ光とに分割される。第二の
レーザ光は被測定物に照射されて反射光を生成し、第三
のレーザ光は受光器に向けて照射される。レーザ発振器
の投光軸と受光器の受光軸とが平行であるとき、第三の
レーザ光はその装置によって定まるある一定の部位（以
下、基準部位）に照射される。しかし、投光軸と受光軸
とが平行でない場合には第三のレーザ光は基準部位から
ズレた部位に照射される。そこで、第三のレーザ光が照
射される位置を第二の光検出手段によって検出すること
により基準部位からのズレを検出し、このズレの量に基
づいて制御手段によって調整手段を駆動させ、投光軸と
受光軸を平行化させる。

【００１０】また第二の発明では、レーザ発振器のレー
ザ光出射面と受光器の受光口が対向して設けられている
から、レーザ発振器と受光器との間の光学的距離がなす
線上に遮蔽物が存在しないとき、レーザ発振器を出射し
たレーザ光は受光器に入射できる。受光器内部の光検出
手段がこのレーザ光を捕捉できるように、光検出手段に
設けた移動手段をもちいて光検出手段の位置を調整す
る。

【００１１】この調整を行った後は、レーザ発振器から
出射したレーザ光は第一の反射部材によって第一の方向
に存在する被測定物に照射され、被測定物によって反射
されたレーザ光は第二の反射部材に入射し受光器へ導入
される。

【００１２】

【実施例】第一の発明を実施するための装置の構成例を
図を用いて説明する。図１（ａ）のレーザ測距装置は、
調整手段たる２枚の揺動ミラー２８が組み込まれたレー
ザ発振器１と、このレーザ発振器１から出射したレーザ
光を受ける光分割手段たる第一ハーフミラー２１と、こ
の第一ハーフミラー２１を透過したレーザ光が被測定物
３に照射されることにより発生する反射光を受光する反
射手段であって、第一ハーフミラー２１に対して反射面
を直交させて一体化されて設けられる反射鏡２２と、こ
の反射鏡２２から出射する第二の反射光を受光し集光さ
せる集光レンズ２３と、この集光レンズによって集光さ
れた光束を受光する第二ハーフミラー２４と、この第二
ハーフミラー２４を透過した光が焦点を結ぶ位置に設け
られた第二の光検出手段たる光ディテクタ２５と、第二
ハーフミラー２４によって反射されたレーザ光を受光す
る第一の光検出手段であって、ＰＳＤ素子を層状に重ね
合わせてなるＰＳＤスタック２６と、このＰＳＤスタッ
ク２６から出力される信号を受けてこの信号に対応する
制御信号を発生し揺動ミラー２８を駆動させる制御手段
たるミラー制御装置２７と、から構成されている。ＰＳ
Ｄ素子は半導体光学素子であり、この素子の受光部の一
部に光が照射されると、この光が照射されている部位を
示す信号を出力する。単体では１次元の検出空間を得る
事ができる。本実施例の装置ではこのＰＳＤ素子（Phot
o Sensitive Detector: 半導体光位置検出素子）を層状
に重ね合わせてＰＳＤスタックとしているので２次元の
検出空間を得る事ができる。

【００１３】本実施例の装置では第一ハーフミラー２１
は反射鏡２２に対して一体に形成されているため両者の
直角度は頑強に保持される。このように光学部品を一体
化する事は、各部品の自由度を拘束するために部品のぐ
らつきなどを押さえることができるので測定の結果に対
する信頼性を向上させる。特に第一の実施例の装置につ
いては第一ハーフミラー２１と反射鏡２２の直角度が重
要であるから、両者を一体化することによる効果は大き
い。

【００１４】第一の発明の装置について、その光軸調整
方法を図１（ｂ）を用いて説明する。図示せぬレーザ発
振器から出射した第一のレーザ光は図示せぬ揺動ミラー
を通過し第一ハーフミラー２１に入射し、図示せぬ被測
定物へ向かう第二のレーザ光と、集光レンズ２３に垂直
に入射する第三のレーザ光と、に分けられる。このうち
第三のレーザ光は集光レンズ２３により屈折作用を受
け、光路を曲げられて第二ハーフミラー２４に到達す
る。投光軸と受光軸とが同方向を向いているとき、すな
わち光軸調整が不必要な状態にあるときは、レーザ発振
器から出射されたレーザ光は図１（ｂ）の実線で表され
るような軌跡を描く。光ディテクタ２５は集光レンズ２
３の焦点距離に位置するから、ハーフミラー２４を透過
した第三のレーザ光は光ディテクタ２５に入射する。ま
た、第二ハーフミラー２４により反射された第三のレー
ザ光は装置によって定まるある一定の位置（基準位置）
に照射される。この基準位置には図示せぬＰＳＤスタッ
クが設けられており、レーザ光が照射されている位置を
常にモニタしている。ここで、レーザ発振器の投光軸が
θズレた時のレーザ光の軌跡を図１（ｂ）中に点線で示
す。θずれて入射するレーザ光はＰＳＤ素子上では基準
位置からｄ´ずれた位置に照射されることになる。この
ズレｄ´の大きさは第二ハーフミラー２４を透過した光
の焦点からのズレｄの大きさに対応する。また、ズレ角
θとズレ量ｄとの関係は集光レンズ２３の焦点距離ｆを
用いてθ＝ｄ／ｆで示される。したがって、これらの関
係から求められるズレ量ｄとｄ´との対応関係を制御装
置にあらかじめ入力しておくことによってＰＳＤ素子か
らの信号を基にして演算を行うことができ、光軸を一致
させるために必要な制御量が一義的に出力できることに
なる。こうして決定された制御量を揺動ミラー２８の駆
動装置に対して出力し駆動させることによって投光軸を
受光軸に合わせることが可能となる。

【００１５】第一の発明の装置において第一の光検出手
段にはスタックしたＰＳＤ素子を用いたが二次元の広が
りを持つ検出空間が得られる素子であれば使用すること
が可能であるので、フォトダイオードをＸＹテーブルに
取り付けたものを二次元に走査させる構成であっても使
用可能である。同様にＣＣＤを用いても良い。また本発
明を用いる装置が高い受光感度を必要としない環境で用
いられる場合においては、前記したＰＳＤ素子やＣＣＤ
やフォトダイオード等の部材を第二の光検出手段として
用いることによって第一の光検出手段と第二の光検出手
段との機能を兼ね備えさせて用いることが可能である。

【００１６】第二の発明を実施するための装置の構成例
を図を用いて説明する。図２のレーザ測距装置はレーザ
光としてＹＡＧレーザ光を出射するレーザ発振器１と、
レーザ発振器１から出射するレーザ光の光軸に対して４
５度の傾きを持つ第一の反射部材たる第一のミラー５
と、第一のミラー５に対して直角に設けられ、第一のミ
ラー５によって反射されたレーザ光が照射された被加工
物３から出射する反射光を受光する第二の反射部材たる
第二のミラー６と、第二のミラー６から出射した反射光
が入射する受光器２と、第一のミラー５と第二のミラー
６とを互いの反斜面が成す角を９０度に保つように固持
するミラーマウント４とから構成されている。受光器２
は入射してきた光を集光する集光手段たるレンズ７と、
レンズ７により集光された光を検出する光検出手段たる
光ディテクタ８と、光ディテクタ８に取り付けられ、光
ディテクタ８を３軸直交方向に移動可能にする移動手段
たるＸＹＺステージ９とから構成されている。

【００１７】本装置によれば、レーザ発振器１から出射
したレーザ光はミラーマウント４に設けられた第一のミ
ラー５によりレーザ発振器１の投光軸から９０度の方向
へ反射される。第一のミラー５によって反射されたレー
ザ光は被測定物３によって反射される。ミラーマウント
４に設けられた第二のミラー６にこの反射光が入射し９
０度屈折され受光器２に導入される。

【００１８】第二の発明の実施例のレーザ測距装置にお
いては第一のミラー５の光反射率を９９．５％にした。
残り０．５％のレーザ光は第一のミラー５を透過し、ミ
ラーマウント４内及び第二のミラー６を通過して受光器
２に入射するように構成した。受光器２内のレンズ７を
通過するレーザ光を検出できるようにＸＹＺステージ９
を用いて光ディテクタ８の位置を調整した。これで投光
軸と受光軸の調整が完了する。

【００１９】このような光軸調整を行うときの光路確保
の方法としては、上記ハーフミラーを使用する方法のほ
かにミラーをミラーマウントごと回動させてミラーを光
路外に移動させる方法や、ミラーマウントを昇降・後退
あるいは脱着可能に設けておきミラーを光路外に移動さ
せる方法などがある。ただしこれら方法のようにレーザ
発振器と受光器との間に何等の物質も介在させない方法
においては、レーザ発振器から出射するレーザ光が直接
受光器に入射するために過入力の状態になる場合があ
る。したがってこれらの方法を用いる場合には、光路上
に色付きガラスを設置したり、レーザ光出力を抑える電
源装置に切り替えるなどのレーザ光の光エネルギを減衰
させる手段を設けて併用することが好ましい。

【００２０】

【発明の効果】本発明のレーザ測距装置では、簡単に軸
調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明第一の実施例の装置の構成を示す模式
図。

【図２】 本発明第二の実施例の装置の構成を示す模式
図。

【図３】 従来のレーザ測距装置を示す模式図。

【図４】 従来のレーザ測距装置に使用される光軸調整
装置を示す模式図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器 ２…受光器 ３…被測定物 ４…ミラーマウント ５…第一のミラー ６…第二のミラー ７…集光レンズ ８…光ディテクタ ９…ＸＹＺステージ １０…コリメータレンズ １１…反射鏡 １２…ハーフミラー １３…レーザ光検出器 １４…光源 ２１…第一ハーフミラー ２２…反射鏡 ２３…集光レンズ ２４…第二ハーフミラー ２５…光ディテクタ ２６…ＰＳＤ素子 ２７…ミラー制御装置 ２８…揺動ミラー

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一のレーザ光を出射するレーザ発振器
   と、 前記第一のレーザ光の出射方向を調整する調整手段と、 前記第一のレーザ光を受光し、前記第一のレーザ光を第
   二のレーザ光及び第三のレーザ光に分割する光分割手段
   と、 前記第三のレーザ光が照射される位置を検出する第一の
   光検出手段と、前記第二のレーザ光が被測定物に照射さ
   れて発生する反射光を検出する第二の光検出手段と、を
   有する受光器と、 前記第一の光検出手段により検出される前記第三のレー
   ザ光が照射されている位置と、前記第二のレーザ光と前
   記反射光とが平行な位置関係にあるときに前記第三のレ
   ーザ光が前記第一の光検出手段によって検出される位置
   と、を一致させる調整量を前記調整手段に出力する制御
   手段と、を具備する事を特徴とするレーザ測距装置。
2. 【請求項２】反射光を受光器に導入する導入手段を具備
   し、この導入手段と光分割手段とが互いに固着されてい
   る事を特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
3. 【請求項３】第一の光検出手段がＰＳＤ素子からなるこ
   とを特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
4. 【請求項４】第一の光検出手段がＣＣＤからなることを
   特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
5. 【請求項５】第一の光検出手段がフォトダイオード及び
   ＸＹテーブルからなることを特徴とする請求項１記載の
   レーザ測距装置。
6. 【請求項６】第二の光検出手段が第一の光検出手段を兼
   ねることを特徴とする請求項１記載のレーザ測距装置。
7. 【請求項７】レーザ光を出射するレーザ発振器と、 前記レーザ光の少なくとも一部を反射させ、第一の反射
   光を発生させる第一の反射部材と、 前記第一の反射部材の反射面と前記レーザ光及び前記第
   一の反射光が成す面とに対し直交する反射面を有し、入
   射する光の少なくとも一部を反射させる第二の反射部材
   と、 前記第二の反射部材から出射される第二の反射光及び前
   記レーザ光を導入する受光口と、前記第二の反射光を検
   出する光検出手段と、この光検出手段の位置を調整する
   調整手段と、を有する受光器と、を具備することを特徴
   とするレーザ測距装置。
8. 【請求項８】第一の反射部材及び第二の反射部材が脱着
   自在に設けられていることを特徴とする請求項７記載の
   レーザ測距装置。
9. 【請求項９】第一の反射部材及び第二の反射部材が回動
   自在に設けられていることを特徴とする請求項７記載の
   レーザ測距装置。
10. 【請求項１０】第一の反射部材及び第二の反射部材がハ
    ーフミラーからなることを特徴とする請求項７記載のレ
    ーザ測距装置。