JP2023020552A - 測量装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023020552000001
【課題】簡易な構成で複数のレーザ光線を略同軸で射出することが可能な測量装置を提供する。
【解決手段】測定対象物に所定波長のレーザ光線を測距光２９として射出する発光部２３を有する測距光射出部２０と、前記測定対象物からの反射測距光３４を受光する受光素子２７を有する測距光受光部と、前記発光部を制御し、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、前記発光部は、少なくとも２つの発光素子２８を有し、該発光素子の少なくとも１つが前記測距光を射出し、各発光素子は前記レーザ光線が略同軸で射出される様構成された。
【選択図】図２

Description

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、測定対象物として反射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。
又、測距や追尾、照射位置の確認等、１つの装置で複数の機能を実行可能な測量装置もある。
然し乍ら、測距や追尾等には、それぞれ発光素子や受光素子、光学系が必要である。又、各素子や光学系同士が干渉しない様、それぞれ所要の間隔を空ける必要がある。従って、各発光素子から射出されるレーザ光線を同軸又は略同軸とするのが困難になると共に、測量装置の大型化、部品点数の増加に伴う重量の増加を招く虞れがあった。
又、各発光素子より射出されるレーザ光線を回転対称なガウシアンビームとする為には、アナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズ等、複雑な構成の光学部材を使用する必要があり、製作コストの増大を招いていた。
特開２０２１－２５９９３号公報
大面積コヒーレントフォトニック結晶レーザの進展 ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ （２０１７） Ｎｏ．５ Ｐ．６７－７２
本発明は、簡易な構成で複数のレーザ光線を略同軸で射出することが可能な測量装置を提供するものである。
本発明は、測定対象物に所定波長のレーザ光線を測距光として射出する発光部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、前記発光部を制御し、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、前記発光部は、少なくとも２つの発光素子を有し、該発光素子の少なくとも１つが前記測距光を射出し、各発光素子は前記レーザ光線が略同軸で射出される様構成された測量装置に係るものである。
又本発明は、前記発光部は、同一の広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記発光素子に前記測距光を順次繰返し射出させる様構成された測量装置に係るものである。
又本発明は、前記発光部は、同一の広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記発光素子に前記測距光を同時に射出させる様構成された測量装置に係るものである。
又本発明は、前記発光部は、異なる広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記測定対象物又は該測定対象物迄の距離に基づき駆動させる前記発光素子を選択する様構成された測量装置に係るものである。
又本発明は、少なくとも２つの前記発光部と、各発光部から射出された前記レーザ光線を略同軸に偏向する偏向部材を更に具備する測量装置に係るものである。
又本発明は、前記測定対象物からの反射追尾光を受光する追尾受光素子を有する追尾光受光部を更に有し、前記発光部は前記測距光とは異なる波長のレーザ光線を追尾光として射出する追尾発光素子を有し、前記発光素子と前記追尾発光素子は、前記測距光と前記追尾光が略同軸に射出される様構成された測量装置に係るものである。
又本発明は、前記発光部は、可視光のレーザ光線をレーザポインタ光として射出する発光素子を更に有する測量装置に係るものである。
又本発明は、前記測距光受光部と前記追尾光受光部は、前記反射測距光と前記反射追尾光をそれぞれ複数回内部反射させた後、前記反射測距光と前記反射追尾光とを分離する受光プリズムを有する測量装置に係るものである。
更に又本発明は、水平回転モータにより水平回転軸を中心に水平回転する托架部と、該托架部に設けられ鉛直回転モータにより鉛直回転軸を中心に鉛直回転し、前記測距光と前記追尾光を前記測定対象物に照射すると共に、該測定対象物からの前記反射測距光と前記反射追尾光を受光する走査鏡とを更に具備し、前記演算制御部は、前記追尾受光素子に対する前記反射追尾光の受光位置に基づき、前記測定対象物が追尾する様前記水平回転モータと前記鉛直回転モータを制御する様構成された測量装置に係るものである。
本発明によれば、測定対象物に所定波長のレーザ光線を測距光として射出する発光部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、前記発光部を制御し、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、前記発光部は、少なくとも２つの発光素子を有し、該発光素子の少なくとも１つが前記測距光を射出し、各発光素子は前記レーザ光線が略同軸で射出される様構成されたので、前記発光素子毎に投光光学系を設ける必要がなく、部品点数の低減及び前記発光部の小型化を図ることができるという優れた効果を発揮する。
本発明の第１の実施例に係る測量装置を示す正断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る距離測定部を示す構成図である。 本発明の第１の実施例に係る発光部を示す説明図である。 本発明の第２の実施例に係る距離測定部を示す構成図である。 （Ａ）は本発明の第２の実施例に係る第１の変形例の距離測定部を示す構成図であり、（Ｂ）は本発明の第２の実施例に係る第２の変形例の距離測定部を示す構成図である。 本発明の第３の実施例に係る距離測定部を示す構成図である。 本発明の第３の実施例に係る発光部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、後述する発光部の発光素子の駆動を制御する制御プログラム、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（Ａ）、図２（Ｂ）及び図３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、測距光射出部としての射出部２０と、測距光受光部としての受光部２１とを有している。尚、前記射出部２０と前記受光部２１とにより測距部が構成される。
前記射出部２０は射出光軸を有している。又、前記射出部２０は、前記射出光軸上に設けられた発光部２３と、偏向部材としての反射プリズム２４と、該反射プリズム２４を固定する為の固定部材２５とを有している。又、前記反射プリズム２４で反射された前記射出光軸上に前記走査ミラー１５が設けられている。前記固定部材２５は、例えばガラス板等の透明材料により形成されている。又、前記走査ミラー１５の反射光軸上には、透明材料で形成され、前記走査ミラー１５と一体に回転する窓部３１が設けられている。
又、前記受光部２１は、受光光軸を有している。又、前記受光部２１は、前記受光光軸上に設けられた受光素子２７と、受光プリズム３６を有すると共に、該受光プリズム３６で反射された受光光軸上に設けられた所定のＮＡを有する受光レンズ３５とを有している。尚、前記受光プリズム３６と前記受光レンズ３５とで受光光学系２６を構成する。又、本実施例では、前記受光光軸と前記受光プリズム３６で反射された受光光軸とを総称して受光光軸としている。
図３に示される様に、前記発光部２３は、複数の発光素子２８（図３中では発光素子２８ａ～２８ｃ）から構成されている。該発光素子２８は、例えばＰＣＳＥＬ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）光源となっている。
該ＰＣＳＥＬ光源は、フォトニック結晶構造を有する面発光型の半導体レーザ素子であり、レーザ光線のビーム品質を確保しつつ、発光面積を拡大できると共に、高出力のレーザ光線を平行光として射出可能となっている。又、ＰＣＳＥＬ光源は、フォトニック結晶の孔形状や格子点の位相を制御することで、ビーム形状を制御可能となっている。
本実施例では、前記発光素子２８の発光エリアの大きさが０．１ｍｍ～５ｍｍであり、ビーム形状が回転対称なガウシアンビームとなる様に、各発光素子２８ａ～２８ｃが設計されている。又、各発光素子２８ａ～２８ｃは同一構成であり、同一ビーム径（広がり角）且つ同一波長のレーザ光線を射出可能となっている。
尚、発光素子２８ａ～２８ｃは同一波長のレーザ光線を測距光２９（測距光２９ａ～２９ｃ）として同時に射出してもよい。或は、発光素子２８ａ～２８ｃは、パルスの往復時間よりも長い射出間隔で、前記測距光２９ａ～２９ｃを順次繰返し射出する様にしてもよい。
又、前記発光素子２８ａ～２８ｃは、例えば数ｍｍ間隔で隣接して配置されている。各測距光２９ａ～２９ｃの測距光軸３３ａ～３３ｃは、それぞれ平行であり、各測距光軸３３ａ～３３ｃ間の位置関係（距離）は既知となっている。尚、前記測距光軸３３ａ～３３ｃ間の距離は、例えば１ｍｍ～５ｍｍ程度であり、前記測距光軸３３ａ～３３ｃは略同軸とみなすことができる。又、略同軸とみなした測距光軸３３ａ～３３ｃをあわせて測距光軸３３とも称す。
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。発光部２３から前記測距光軸３３上にパルス状の前記測距光２９が射出されると、該測距光２９が前記反射プリズム２４及び前記固定部材２５を介して射出される。該反射プリズム２４から射出される前記測距光２９の前記測距光軸３３は、前記軸心１１ａと合致しており、前記測距光２９は前記走査ミラー１５によって直角に偏向され、前記窓部３１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２９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３１は、該窓部３１で反射された前記測距光２９が前記受光素子２７に入射しない様、前記測距光軸３３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測距光２９（以下、反射測距光）は、前記走査ミラー１５で直角に反射され、前記受光光学系２６を経て前記受光素子２７で受光される。該受光素子２７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となっている。
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２７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２９の１パルス毎に測距を実行する（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）。尚、前記発光素子２８は、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。
尚、前記距離測定部１９には内部参照光光学系（後述）が設けられ、該内部参照光光学系から受光した内部参照光（後述）と反射測距光の受光タイミングの時間差と光速に基づき測距を行うことで、より高精度な測距が可能となる。
前記托架部５と前記走査ミラー１５とがそれぞれ定速で回転し、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２９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、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。
次に、前記受光光学系２６について説明する。尚、図２、図３中では、前記測距光２９の主光線（射出光軸）及び反射測距光３４の主光線（受光光軸）のみを記載している。
該受光プリズム３６は、所定の屈折率を有する４角形のプリズムであり、前記受光レンズ３５を透過した前記反射測距光３４が入射する第１面３６ａ、該第１面３６ａの表面を透過した前記反射測距光３４が反射する第２面３６ｂ、該第２面３６ｂと前記第１面３６ａで反射された前記反射測距光３４が入射する第３面３６ｃ、該第３面３６ｃで反射された前記反射測距光３４が透過する透過面としての第４面３６ｄとを有している。該第４面３６ｄを透過した前記反射測距光３４は、前記受光素子２７に入射する。
又、前記走査ミラー１５の下方には、再帰反射性を有するリファレンスプリズム３７が設けられている。前記走査ミラー１５を介して前記測距光２９を回転照射する過程で、該測距光２９の一部が前記リファレンスプリズム３７に入射する。該リファレンスプリズム３７により再帰反射された前記測距光２９は、前記走査ミラー１５を介して前記受光光学系２６に入射し、前記受光素子２７に受光される様に構成される。
ここで、前記発光素子２８ａから前記リファレンスプリズム３７迄の光路長、該リファレンスプリズム３７から前記受光素子２７迄の光路長は既知である。従って、前記リファレンスプリズム３７で反射された測距光を内部参照光３８として利用することができる。前記走査ミラー１５と前記リファレンスプリズム３７とにより内部参照光光学系３９が構成される。
次に、前記距離測定部１９を有する前記測量装置１により測定を行う場合について説明する。前記距離測定部１９の各種動作は、前記演算制御部１７が各種プログラムを実行することでなされる。尚、以下では、ノンプリズム測定が行われる場合について説明している。
前記発光素子２８（前記発光素子２８ａ～２８ｃ）から発せられた前記測距光２９（前記測距光２９ａ～２９ｃ）は、前記反射プリズム２４、前記固定部材２５、前記走査ミラー１５を介して測定対象物に照射される。測定対象物で反射され、前記走査ミラー１５を介して前記受光光学系２６に入射した前記反射測距光３４（前記反射測距光３４ａ～３４ｃ）は、前記受光レンズ３５及び前記第１面３６ａを透過する過程で屈設される。又、前記反射測距光３４は、前記受光プリズム３６の内部で前記第２面３６ｂ、前記第１面３６ａ、前記第３面３６ｃで順次反射され、前記第４面３６ｄを透過し、前記受光素子２７に受光される。
前記演算制御部１７は、前記距離測定部１９の測距結果、前記水平角エンコーダ９及び前記鉛直角エンコーダ１４の検出結果に基づき、前記測距光２９の照射点（測定点）の３次元座標を演算する。又、前記演算制御部１７は、前記托架部５の水平回転と前記走査ミラー１５の鉛直回転の協動により、全周分（３６０°）の３次元点群データを取得する。
尚、前記発光素子２８ａから前記測距光２９ａを射出して得られた測距結果と、前記発光素子２８ｂから前記測距光２９ｂを射出して得られた測距結果と、前記発光素子２８ｃから前記測距光２９ｃを射出して得られた測距結果は、いずれかの測距結果を基準として、前記測距光軸３３ａ～３３ｃの既知の位置関係に基づき補正される。
この時、前記リファレンスプリズム３７で再帰反射された前記内部参照光３８の受光結果に基づき、測距結果を補正することで、測距精度を向上させることができる。
上述の様に、第１の実施例では、各光軸が平行となる様隣接して配置された３つの前記発光素子２８ａ～２８ｃにより前記発光部２３が構成され、前記発光素子２８ａ～２８ｃは同一波長の前記測距光２９ａ～２９ｃを射出する様に構成されている。
従って、前記発光素子２８ａ～２８ｃから同時に前記測距光２９ａ～２９ｃを射出させ、前記受光素子２７に前記反射測距光３４ａ～３４ｃ（図２中では、反射測距光３４）が受光された際の受光信号を合算することで、実質的に３倍程度に受光量を増加させることができる。これにより、前記測距光２９の到達距離を伸すことができ、測距可能な距離を伸すことができる。
又、前記発光素子２８ａ～２８ｃから射出される前記測距光２９ａ～２９ｃの射出タイミングをずらし、前記発光素子２８ａ～２８ｃから順次前記測距光２９ａ～２９ｃを射出させることで、レーザの繰返し周波数を増大させることができる。又、前記発光素子２８ａ～２８ｃのうちのどれを発光させるかを選択することにより、繰返し周波数を調整できるので、取得する点群データの密度を調整することができる。
又、前記発光素子２８ａ～２８ｃとして、ＰＣＳＥＬ光源を用いているので、測距光２９ａ～２９ｃを平行光束とする為のレンズ等の光学系を設ける必要がない。従って、光学系同士の干渉を考慮する必要がなく、前記発光素子２８ａ～２８ｃの設置間隔を狭くできると共に、部品点数の低減及び製作コストの低減を図ることができる。
又、前記発光素子２８ａ～２８ｃを光軸間距離が１ｍｍ～５ｍｍとなる様隣接して配置しているので、前記測距光２９ａ～２９ｃを略同軸とすることができ、測定精度の向上が図れる。更に、前記発光素子２８ａ～２８ｃ毎に投光光学系を設ける必要がないので、前記発光部２３を小型化することができ、前記距離測定部１９を小型化することができる。
前記受光光学系２６として前記受光プリズム３６を用い、前記反射測距光３４を前記受光プリズム３６内で複数回内部反射させている。これにより、前記反射測距光３４の光路を屈曲させ、前記受光レンズ３５の焦点距離分の光路長を確保している。
従って、前記受光光学系２６の光軸方向の長さを短くすることができるので、前記距離測定部１９の光学系の小型化が図れると共に、測量装置全体の小型化を図ることができる。
尚、第１の実施例では、３つの前記発光素子２８により前記発光部２３が構成されているが、前記発光部２３は２つの発光素子２８によって構成されてもよいし、４つ以上の発光素子によって構成されてもよい。
又、第１の実施例では、前記受光素子２７を１つ記載しているが、前記発光素子２８の数に対応して複数設けてもよい。
又、第１の実施例では、３つの前記発光素子２８ａ～２８ｃを１列となる様隣接して配置しているが、各発光素子２８の光軸間の距離が数ｍｍ程度となるよう規則的に配置して組立て、前記発光部２３としてもよい。
又、前記発光素子２８ａ～２８ｃが同一構成であり、同一径の前記測距光２９を射出する様に構成されているが、各発光素子２８ａ～２８ｃ毎に発光エリア（広がり角）を異ならせてもよい。
測定対象物が近距離に位置する場合には、発光エリアが小さい（広がり角が大きい）発光素子となり、測定対象物が遠距離に位置する場合には、発光エリアが大きい（広がり角が小さい）発光素子となる様前記演算制御部１７に選択させることで、測定対象物迄に対する前記測距光２９のビーム径を最小にすることができ、測定分解能を向上させることができる。
更に、発光素子として、発光エネルギーの異なるＰＣＳＥＬ光源を用いてもよい。測定対象物迄の距離に応じて発光素子を適宜選択することで、近距離から遠距離迄サチらない適正光量での測距が可能となり、測定精度の向上及び測定可能なダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
次に、図４に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図４中、図２中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
第１の実施例では、発光素子２８として、ＰＣＳＥＬ光源を用い、前記発光素子２８を数ｍｍ間隔で隣接して配置することで、各発光素子２８の光軸を略同軸としている。一方で、前記発光素子２８の数を増加させると、各発光素子２８を隣接して配置したとしても、或はアレイ状に組立てたとしても、各発光素子２８の光軸を略同軸とするのは困難となる。
第２の実施例に於ける距離測定部１９では、複数の発光素子からなる発光部を複数設けると共に、偏向部材として、反射プリズム２４（図２参照）に代えて反射ミラー４１を配置している。
鉛直回転軸１１の軸心１１ａには、走査ミラー１５側に突出する様固定部材２５に貼付けられた反射ミラー４１が設けられている。該反射ミラー４１は、２つの反射面４１ａ，４１ｂを有する断面３角形のミラーであり、各反射面４１ａ，４１ｂは、それぞれ前記軸心１１ａに対して例えば４５°傾斜している。尚、偏向部材として、３角形状のミラーではなく、３角形状のプリズムを用いてもよい。
前記軸心１１ａに対して直交する方向には、第１の発光部４２が設けられている。又、該第１の発光部４２と前記軸心１１ａに関して対称な位置には第２の発光部４３が設けられている。前記第１の発光部４２と前記反射ミラー４１と前記固定部材２５とにより第１測距光射出部が構成され、前記第２の発光部４３と前記反射ミラー４１と前記固定部材２５とにより第２測距光射出部が構成される。
前記第１の発光部４２は、例えば発光部２３（図２参照）と同等の構成であり、それぞれ３つの発光素子４４ａ～４４ｃ（図４中では発光素子４４）から構成されている。又、前記第２の発光部４３も、例えば前記発光部２３と同等の構成であり、それぞれ３つの発光素子４５ａ～４５ｃ（図４中では発光素子４５）から構成されている。
尚、前記第１の発光部４２と前記第２の発光部４３は、それぞれ２つの発光素子から構成されてもよいし、４つ以上の発光素子から構成されてもよいのは言う迄もない。
前記発光素子４４からは、第１の測距光４６が射出され、前記反射面４１ａに入射する。前記第１の測距光４６は、前記軸心１１ａと略同軸となる様に前記反射面４１ａで直角に偏向され、前記走査ミラー１５に入射する。又、前記発光素子４５からは、第２の測距光４７が射出され、前記反射面４１ｂに入射する。前記第２の測距光４７は、前記軸心１１ａと略同軸となる様に前記反射面４１ｂで直角に偏向され、前記走査ミラー１５に入射する。
この時、各発光素子４４の光軸間の距離は数ｍｍ程度であり、各発光素子４５の光軸間の距離も数ｍｍ程度となっている。更に、前記反射面４１ａで反射された前記第１の測距光４６の各光軸と、前記反射面４１ｂで反射された前記第２の測距光４７の各光軸間の距離は、前記軸心１１ａを中心にそれぞれ数ｍｍ程度となる様に、前記反射ミラー４１の大きさが設定される。
第２の実施例では、複数の発光素子で構成された発光部を複数設け、各発光部毎に測距光が前記軸心１１ａと略同軸となる様に前記反射ミラー４１で偏向している。従って、発光素子の数を増加させた場合であっても、各発光素子から射出される測距光の光軸を略同軸とすることができる。これにより、各発光素子の発光を制御することで、受光量の調整、繰返し周波数の調整を行うことができ、測量精度の向上を図ることができる。
尚、第２の実施例では、前記反射ミラー４１を断面３角形のミラーとし、発光部を２つ設けているが、前記反射ミラー４１を３角錐形状とし、発光部を３つ設けてもよいし、前記反射ミラー４１を４角錐形状とし、発光部を４つ設けてもよいのは言う迄もない。
又、発光部を複数設ける構成は、上記構成に限られるものではない。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、第２の実施例の変形例を示している。
図５（Ａ）に示される第１の変形例では、第２の発光部４３は、発光素子４５から射出される第２の測距光４７が、前記軸心１１ａと略同軸で射出される様配置されている。又、偏向部材として反射ミラー４８が用いられ、該反射ミラー４８は軸心１１ａに対して直交する方向に僅かに変位した位置に配置されている。尚、前記反射ミラー４８は、前記発光素子４５から発せられた第２の測距光４７を遮らない様に配置されている。
第１の変形例では、第１の発光部４２の発光素子４４から射出された第１の測距光４６が、前記反射ミラー４８によって前記軸心１１ａと略同軸となる様偏向されると共に、前記発光素子４５から前記軸心１１ａと略同軸で前記第２の測距光４７が射出される様構成されている。
従って、前記第１の測距光４６と前記第２の測距光４７を略同軸で射出することができ、発光素子の数を増加させた場合であっても、各発光素子から射出される測距光の光軸を略同軸とすることができる。
図５（Ｂ）に示される第２の変形例では、前記発光素子４４から射出される前記第１の測距光４６の波長と、前記発光素子４５から射出される前記第２の測距光４７の波長とが異なる様に構成されている。
又、第２の変形例では、前記第２の発光部４３は、前記発光素子４４から射出される第２の測距光４７が前記軸心１１ａ上に（同軸で）射出される様配置されている。又、偏向部材としてダイクロイックミラー４９が用いられ、該ダイクロイックミラー４９は前記第１の測距光４６を反射し、前記第２の測距光４７を透過する光学特性を有している。
第２の変形例では、前記発光素子４４から射出された第１の測距光４６が、前記ダイクロイックミラー４９によって前記軸心１１ａと同軸となる様偏向されると共に、前記発光素子４５から前記軸心１１ａと同軸で射出された前記第２の測距光４７が、前記ダイクロイックミラー４９を透過する様構成されている。
従って、前記第１の測距光４６と前記第２の測距光４７を同軸で射出することができ、発光素子の数を増加させた場合であっても、各発光素子から射出される測距光の光軸を同軸とすることができる。
次に、図６、図７に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚、図６中、図２中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。測距光２９、追尾光（後述）の主光線（測距光軸、追尾光軸）と、反射測距光３４、反射追尾光（後述）の主光線（測距受光光軸、追尾受光光軸）のみを記載している。
第３の実施例では、距離測定部１９が測距機能と追尾機能とを有し、発光部５１が測距光２９と追尾光５２とを射出可能に構成されている。即ち、第３の実施例では、射出部５３が測距光射出部と追尾光射出部とを兼用する。又、第３の実施例では、受光部が測距光受光部５４と追尾光受光部５５から構成される。
図７に示される様に、前記発光部５１は例えばＰＣＳＥＬ光源である３つの発光素子５６ａ～５６ｃから構成されている。本実施例では、発光素子５６ａはプリズム測距の為の測距光２９ａを測距光軸３３ａ上に射出し、発光素子５６ｂはノンプリズム測距の為の測距光２９ｂを測距光軸３３ｂ上に射出し、追尾発光素子としての発光素子５６ｃは追尾光５２を追尾光軸５０上に射出する様構成されている。更に、前記測距光軸３３ａと、前記測距光軸３３ｂと、前記追尾光軸５０との位置関係（距離）は既知となっている。
前記発光素子５６ａと前記発光素子５６ｂから射出される測距光２９ａ，２９ｂは、赤外又は近赤外波長を有する同一波長のレーザ光線（不可視光）となっている。一方で、発光素子５６ａは前記発光素子５６ｂよりも発光エリアが小さく、前記測距光２９ａは前記測距光２９ｂよりも広がり角が大きくなっている。
又、前記発光素子５６ｃは、前記発光素子５６ａ，５６ｂよりも発光エリアが小さくなっている。又、前記発光素子５６ｃは、前記測距光２９ａ，２９ｂとは波長が異なる赤外又は近赤外波長であり、且つ前記測距光２９ａ，２９ｂよりも広がり角の大きいレーザ光線（不可視光）を前記追尾光５２として射出する様構成されている。
前記測距光受光部５４は、測距受光光軸を有している。又、前記測距光受光部５４は、測距受光光軸上に設けられた受光素子２７と、受光プリズム６０を有すると共に、該受光プリズム６０で反射された前記測距受光光軸の反射光軸上に設けられた受光レンズ３５とを有している。尚、前記受光プリズム６０と前記受光レンズ３５は、測距受光光学系を構成する。又、本実施例では、前記測距受光光軸と前記受光プリズム６０で反射された前記測距受光光軸の反射光軸とを総称して測距受光光軸としている。
前記追尾光受光部５５は、追尾受光光軸を有している。又、前記追尾光受光部５５は、前記追尾受光光軸上に設けられた追尾受光素子５７と、前記受光プリズム６０を有すると共に、該受光プリズムで反射された前記追尾受光光軸の反射光軸上に設けられた前記受光レンズ３５とを有している。尚、前記受光プリズム６０と前記受光レンズ３５は、追尾受光光学系も構成する。又、本実施例では、前記追尾受光光軸と前記受光プリズム６０で反射された前記追尾受光光軸の反射光軸とを総称して追尾受光光軸としている。
前記追尾受光素子５７は、測定対象物で反射された前記追尾光５２を反射追尾光５８として受光する受光素子として構成されている。前記追尾受光素子５７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５７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５７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画像素子上での位置が特定される。各画素は、受光信号と共に画素座標を前記演算制御部１７に出力する。
次に、前記受光プリズム６０の詳細について説明する。
前記受光プリズム６０は、所定の屈折率を有する五角形のダイクロイックプリズムである第１プリズム５９と、所定の屈折率を有する矩形のダイクロイックプリズムである第２プリズム６１とが一体化されて構成される。
前記第１プリズム５９は、前記受光レンズ３５と対向する第１面６２と、該第１面６２に対向する第２面６３と、図６中紙面に対して下側に位置する第３面６４と、図６中紙面に対して上側に位置する第４面６５とを有している。
又、前記第２プリズム６１は、前記第３面６４と接触する第５面６６と、該第５面６６と対向する第６面６７と、図６中紙面に対して右側に位置する第７面６８と、図５中紙面に対して左側に位置する第８面６９とを有している。
前記第１プリズム５９と前記第２プリズム６１は、前記第３面６４と前記第５面６６を介して一体化されている。又、前記第２面６３と前記第３面６４とで形成される角部に対して面取り加工が施され、面取り部７１が形成されている。該面取り部７１により、前記第１プリズム５９が五角形のプリズムとなる。又、前記面取り部７１より、前記第３面６４と前記第５面６６の面積が合致し、前記第１プリズム５９と前記第２プリズム６１とで面一の前記受光プリズム６０が形成される。更に、前記面取り部７１は、前記反射測距光３４、前記反射追尾光５８の光路外に形成される。
前記第３面６４と前記第５面６６との境界面には、ダイクロイックフィルタ膜が設けられている。該ダイクロイックフィルタ膜は、反射測距光３４を反射し、前記反射追尾光５８を透過する様に構成されている。即ち、前記第３面６４と前記第５面６６との境界面は、前記反射測距光３４と前記反射追尾光５８を分離する為の分離面となっている。尚、前記ダイクロイックフィルタ膜は、前記反射測距光３４を透過し、前記反射追尾光５８を反射する様構成してもよい。
次に、前記距離測定部１９を有する前記測量装置１により測定及び追尾を行う場合について説明する。尚、以下の説明では、プリズム等の移動可能な測定対象物を測定（プリズム測定）しており、前記発光素子５６ａからのみ前記測距光２９ａが射出されているが、該測距光２９ａは単に測距光２９と称している。又、前記距離測定部１９の各種動作は、前記演算制御部１７（図１参照）が各種プログラムを実行することでなされる。
前記発光素子５６ａから射出された前記測距光２９は、前記反射プリズム２４で直角に偏向され、更に前記走査ミラー１５で直角に偏向され、窓部３１を介して所定の測定対象物に照射される。測定対象物で反射された前記反射測距光３４は、前記窓部３１を介して前記走査ミラー１５に入射し、該走査ミラー１５により直角に偏向され、前記受光レンズ３５で集光されつつ前記受光プリズム６０に入射する。
前記第１面６２を透過した前記反射測距光３４は、前記第２面６３、前記第１面６２、前記第３面６４のダイクロイックフィルタ膜で順次（３回）内部反射された後、前記第４面６５に入射する。該第４面６５に入射した前記反射測距光３４は、前記第４面６５を透過し、前記受光素子２７に受光される。
前記演算制御部１７は、前記発光素子５６ａの発光タイミングと、前記受光素子２７の受光タイミングの時間差（即ち、パルス光の往復時間）と光速に基づき測距データ（斜距離）を演算する。又、各パルス光毎に前記鉛直角エンコーダ１４（図１参照）、前記水平角エンコーダ９（図１参照）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、測定対象物に対応する３次元座標が演算できる。
又、上記した測距作動と並行して、前記発光素子５６ｃは前記追尾光５２を前記測距光２９と略同軸で射出する。該追尾光５２は、前記反射プリズム２４で直角に偏向され、更に前記走査ミラー１５で直角に偏向され、前記窓部３１を介して所定の測定対象物に照射される。測定対象物で反射された前記反射追尾光５８は、前記窓部３１を介して前記走査ミラー１５に入射し、該走査ミラー１５により直角に偏向され、前記受光レンズ３５で集光されつつ前記受光プリズム６０に入射する。
前記第１面６２を透過した前記反射追尾光５８は、前記第２面６３、前記第１面６２で順次（２回）内部反射された後、前記第３面６４のダイクロイックフィルタ膜を透過する。該第３面６４を透過した前記反射追尾光５８は、前記第７面６８で内部反射された後、前記第８面６９を透過し、前記追尾受光素子５７で受光される。
前記演算制御部１７は、前記追尾受光素子５７の中心と前記反射追尾光５８の入射位置との偏差を演算し、該偏差に基づき、前記反射追尾光５８の入射位置が前記追尾受光素子５７の中心となる様に前記水平回転モータ８と前記鉛直回転モータ１３を制御する。これにより、前記測量装置本体３が測定対象物を追尾する。尚、基準となる前記受光素子２７上の前記反射追尾光５８の入射位置は、前記測距光軸３３と前記追尾光軸５０の既知の位置関係に基づき、中心からオフセットされた位置であってもよい。
上記では、前記距離測定部１９がプリズム測距を行う場合について説明したが、ノンプリズム測距を行う場合は、前記発光素子５６ｂからのみ前記測距光２９ｂを射出し、上記と同様の処理を行う。前記演算制御部１７は、測定対象物がプリズムであるかどうかに基づき、駆動させる発光素子を選択する。
又、全周の点群データを取得する場合には、托架部５（図１参照）と前記走査ミラー１５をそれぞれ定速で回転させ、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２９を２次元に走査させる。この時、各パルス光毎に３次元座標を演算することで、全周の３次元の点群データを取得できる。
上述の様に、第３の実施例では、前記発光部５１が前記測距光２９を射出する前記発光素子５６ａ，５６ｂと、前記追尾光５２を射出する前記発光素子５６ｃとから構成されている。即ち、前記発光部５１が測距光射出部と追尾光射出部を兼用している。
従って、前記発光部５１を構成する発光素子の一部を変更するだけで、前記発光部５１を追尾光射出部とすることができるので、追尾光射出部を別途設ける必要がなく、部品点数の削減及び前記距離測定部１９の小型化を図ることができる。
又、第３の実施例では、前記発光部５１がプリズム測距を行う為の前記測距光２９ａを射出する前記発光素子５６ａと、ノンプリズム測距を行う為の前記測距光２９ｂを射出する前記発光素子５６ｂとを有している。
従って、駆動する前記発光素子５６を変更するだけで、プリズム測距とノンプリズム測距を選択することができるので、装置構成を簡略化することができる。
又、前記受光プリズム６０の前記第３面６４と前記第５面６６との境界面にダイクロイックフィルタ膜を設けている。従って、ダイクロイックフィルタ膜により前記反射測距光３４と前記反射追尾光５８とを分離することができるので、前記反射測距光３４と前記反射追尾光５８の光路を短くする為の受光プリズムを共用とすることができ、部品点数の低減及び光学系の小型化を図ることができる。
尚、第３の実施例では、前記発光部５１が前記測距光２９と前記追尾光５２を射出する発光素子を用いる構成となっているが、可視光のレーザ光線をレーザポインタ光として射出する発光素子を用いてもよい。レーザポインタ光を用いることで、前記測距光２９の照射位置を作業者が確認することができるので、作業性を向上させることができる。
又、第１の実施例～第３の実施例及び第２の実施例の変形例を適宜組合わせてもよく、発光エリアの異なる発光素子を適宜組合わせてもよいのは言う迄もない。
１ 測量装置
１５ 走査ミラー
１７ 演算制御部
１９ 距離測定部
２０ 射出部
２１ 受光部
２７ 受光素子
２８ 発光素子
２９ 測距光
３４ 反射測距光
３６ 受光プリズム
４２ 第１の発光部
４３ 第２の発光部
５１ 発光部
５２ 追尾光
５３ 射出部
５４ 測距光受光部
５５ 追尾光受光部
５６ 発光素子
６０ 受光プリズム

Claims (9)

  1. 測定対象物に所定波長のレーザ光線を測距光として射出する発光部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、前記発光部を制御し、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、前記発光部は、少なくとも２つの発光素子を有し、該発光素子の少なくとも１つが前記測距光を射出し、各発光素子は前記レーザ光線が略同軸で射出される様構成された測量装置。
  2. 前記発光部は、同一の広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記発光素子に前記測距光を順次繰返し射出させる様構成された請求項１に記載の測量装置。
  3. 前記発光部は、同一の広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記発光素子に前記測距光を同時に射出させる様構成された請求項１に記載の測量装置。
  4. 前記発光部は、異なる広がり角を有する前記測距光を射出する少なくとも２つの前記発光素子を有し、前記演算制御部は、前記測定対象物又は該測定対象物迄の距離に基づき駆動させる前記発光素子を選択する様構成された請求項１に記載の測量装置。
  5. 少なくとも２つの前記発光部と、各発光部から射出された前記レーザ光線を略同軸に偏向する偏向部材を更に具備する請求項１～請求項４のうちのいずれか１項に記載の測量装置。
  6. 前記測定対象物からの反射追尾光を受光する追尾受光素子を有する追尾光受光部を更に有し、前記発光部は前記測距光とは異なる波長のレーザ光線を追尾光として射出する追尾発光素子を有し、前記発光素子と前記追尾発光素子は、前記測距光と前記追尾光が略同軸に射出される様構成された請求項１～請求項５のうちのいずれか１項に記載の測量装置。
  7. 前記発光部は、可視光のレーザ光線をレーザポインタ光として射出する発光素子を更に有する請求項１～請求項６のうちのいずれか１項に記載の測量装置。
  8. 前記測距光受光部と前記追尾光受光部は、前記反射測距光と前記反射追尾光をそれぞれ複数回内部反射させた後、前記反射測距光と前記反射追尾光とを分離する受光プリズムを有する請求項６に記載の測量装置。
  9. 水平回転モータにより水平回転軸を中心に水平回転する托架部と、該托架部に設けられ鉛直回転モータにより鉛直回転軸を中心に鉛直回転し、前記測距光と前記追尾光を前記測定対象物に照射すると共に、該測定対象物からの前記反射測距光と前記反射追尾光を受光する走査鏡とを更に具備し、前記演算制御部は、前記追尾受光素子に対する前記反射追尾光の受光位置に基づき、前記測定対象物が追尾する様前記水平回転モータと前記鉛直回転モータを制御する様構成された請求項６又は請求項８に記載の測量装置。
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