JP5598831B2 - 走査式測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象空間に測定光を走査して、測定光と測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光に基づいて測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置に関する。

この種の走査式測距装置は、ロボットや無人車の視覚認識センサとしてのナビゲーション用センサ、或いは、ドアの開閉センサや危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ、車の形状を検出して車種の判別および通過する車の数をカウントするＥＴＣシステム用センサ、人を検出して人数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する検出用センサ、さらには、監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ等に利用され、測定光を出力する投光部と、投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、測定光と受光部で検出された反射光に基づいて測定対象物までの距離が測定される。

このような走査式測距装置として、特許文献１には、図１３に示すように、レーザ光源５０４とレンズ５０５を備えた投光部と、受光レンズ５０８とフォトダイオード等の受光素子５０９を備えた受光部と、モータ５０２の回転軸５０１に取り付けた投受光用ミラー５０３と、投光部からの測定光を投受光用ミラー５０３に向けて偏向する反射ミラー５０６を備え、投受光用ミラー５０３により測定対象空間に向けて偏向された測定光のうち、測定対象空間内の障害物５０７からの反射光が投受光用ミラー５０３で受光部５０９に向けて偏向されるように構成され、モータ５０２の回転により測定光が水平面内で走査される走査式測距装置５００が提案されている。

また、特許文献２には、図１４に示すように、投光部２０１と、投光部２０１から出力された測定光の光軸Ｐ上に対向配置された受光部２０２と、モータ２１０により光軸Ｐ周りに回転駆動されるキャップ部材２０４と、光軸Ｐに対して所定の傾斜角度でキャップ部材２０４の上壁上面に配置され、且つ、投光部２００からの測定光を光軸Ｐと直角方向に向けて偏向する投光ミラー２０６と、光軸Ｐに対して所定の傾斜角度でキャップ部材２０４の上壁下面に固定され、且つ、測定対象空間に出力された測定光のうち障害物Ｒからの反射光を受光部２０２に向けて偏向する受光ミラー２０８を備えた走査式測距装置２００が提案されている。
米国特許５，４５５，６６９号明細書 特開２００６−３４９４４９号公報

上述した特許文献１に開示された走査式測距装置は、投光部から測定対象空間へ測定光を偏向する偏向ミラーと、測定対象空間から受光部へ反射光を偏向する偏向ミラーが、一枚の投受光用ミラー５０３で兼用され、光路径が大きな反射光をミラーの周辺部で受光部に向けて偏向するために、投受光用ミラー５０３を面積が広い偏向面に形成する必要があり、さらには、反射光を受光部に導く光路長が長くなるため、受光レンズ５０８の口径が大きくなり、装置の小型化が困難になるという問題が内在している。

特許文献２に開示された走査式測距装置は、投光ミラー２０６及び受光ミラー２０８がキャップ部材２０４の上壁部を介して相互に近接して配置されているので、投光ミラーの投光光軸と受光ミラーの受光光軸の光軸間距離も必然的に小さくなり、近距離での死角を実用上問題の無い程度まで小さくでき、また、受光レンズ２０９がキャップ部材２０４のうち受光ミラーの入射側に設けられているので、受光ミラーを小さくでき、走査式測距装置を小型化できる。

しかし、投光ミラー２０６と受光ミラー２０８がキャップ部材２０４によって分離され、測定光と反射光の光路が分離されているため、故意または不注意で透明窓に当接するように遮光シート等が貼られた場合に、投光部２０１から出力された測定光が遮光シートから反射しても反射光が受光部に入光せず、走査式測距装置としての機能が損なわれ、監視センサ等の用途で信頼性が確保できなくなるという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、小型化を可能としながらも、光学窓が遮光シート等で覆われたことが容易に検出できる安価な走査式測距装置を提供する点にある。

この目的達成をするため、本発明による走査式測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて偏向する第一偏向部材と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を集光する受光レンズと、前記受光レンズを透過した反射光を、前記第一偏向部材を挟んで前記投光部と対向配置された受光部に向けて偏向する、前記第一偏向部材と偏向面が異なる第二偏向部材とを備えた光学系と、前記光学系を所定の軸心周りに回転させる走査機構を備え、測定光と前記受光部で検出された反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、前記第一偏向部材によって偏向された測定光を、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、当該入射光路の光軸から入射光の径方向に離隔した領域から出力する光学部材を前記走査機構に備えている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材によって偏向された測定光が第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、当該入射光路の光軸から入射光の径方向に離隔した領域から出力されるため、光学窓に遮光シート等が貼り付けられた場合でも、遮光シート等からの反射光の一部が入射光路に沿って第二偏向部材へ入射するようになり、そのような測定光と反射光に基づいて至近距離に遮光シート等の異物が存在することを確実に検出できるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、受光レンズのうち、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、前記測定光が通過する領域が切り欠かれている点にある。

上述の構成によれば、前記第一偏向部材によって偏向された測定光が、受光レンズの切り欠かれた領域を通過するので、測定光が受光レンズにより屈折することなく、適切に測定対象空間に向けて出力することができる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成または第二特徴構成に加えて、前記光学部材が、前記第二偏向部材と、前記第二偏向部材の偏向面のうち前記走査方向に沿った領域の一部に偏向面が延出形成された前記第一偏向部材で構成されている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材の偏向面のうち、第二偏向部材への延出領域から測定対象空間に出力された測定光が遮光シート等の異物に反射すると、反射光の一部が第二偏向部材の偏向面のうち走査方向に沿って当該延出領域に隣接する領域に入光するため、光シート等の異物が存在することを確実に検出できるようになる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三特徴構成に加えて、前記第一偏向部材と第二偏向部材が一体形成されている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材の偏向面と第二偏向部材の偏向面の成す角度が所定の角度となるように光学部材を一体形成することで、測定光及び反射光夫々の偏向面での入射角度及び反射角度の調整が不要となり、少ない部品点数で精度良く、走査式測距装置を容易に組み立てることができるようになる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第三特徴構成または第四特徴構成に加えて、前記光学系に、前記第一偏向部材により偏向された測定光を測定対象空間に案内する筒状のガイド部材を備えている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材により偏向された測定光が筒状のガイド部材の中を通過して測定対象空間に案内されるので、投光部から出力された測定光の一部が装置内部で反射して発生する迷光が受光部で誤検出されるような不都合を解消することができる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記光学部材が、前記第一偏向部材によって偏向された測定光を、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内から出力するように平行移動させる二つの反射面を備えた第三偏向部材で構成されている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材によって測定対象空間に向けて偏向された測定光の光軸が、第三偏向部材の二つの反射面で偏向され、測定光が第二偏向部材への反射光の入射光路内から出力されるように平行移動される。

同第七の特徴構成は、請求項７に記載したとおり、上述の第六特徴構成に加え、受光レンズのうち、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、前記測定光が通過する領域が切り欠かれ、前記第三偏向部材が前記受光レンズの切欠部に配置されている点にある。

上述の構成によれば、第一偏向部材によって偏向された測定光が、受光レンズの切欠部に配置された第三偏向部材を通過するので、測定光が受光レンズにより屈折することなく、適切に測定対象空間に向けて出力することができる。

以上説明したように、本発明によれば、小型化を可能としながらも、光学窓が遮光シート等で覆われたことが容易に検出できる安価な走査式測距装置を提供することができるようになった。

以下、本発明による走査式測距装置の第一の実施形態について説明する。

図１に示すように、本発明による走査式測距装置１は、横断面視で略半円形状の湾曲面に形成された光透過性の光学窓２ａが上部ハウジング２１と下部ハウジング２２の間に配置され、上部ハウジング２１の正面には装置１の状態が判別可能なモニタ表示部７９が設けられている。光学窓２ａに対向配置された背部ハウジング２３の上面に装置１で検出された距離情報を外部に取り出す信号ケーブルを接続する一対のケーブルクランプ７８が取り付けられている。

走査式測距装置１は、レーザ等の光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて光学窓２ａを通して対象物Ｒに照射し、対象物Ｒからの反射光を光学窓２ａを通して受光素子ＰＤで検出して距離を測定するもので、測定光の変調方式としてＡＭ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｉｆｙ）方式とＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の二種類が実用化されている。

ＡＭ方式は、図１１（ａ）及び（数１）に示すように、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、ＴＯＦ方式は、図１１（ｂ）及び（数２）に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式であり、本発明が適用される走査式測距装置１は、上述の何れの方式をも採用することができるものである。
[数１]
Ｌ＝Δφ・Ｃ／（４π・ｆ）
[数２]
Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２

図２及び図３に示すように、走査式測距装置１は、内壁面が迷光を吸収する暗幕等の吸光部材で被覆されたハウジング２１，２２，２３の内部に、測定光を出力する投光部３と反射光を検出する受光部５が光軸Ｌ１に沿って対向配置され、投光部３と受光部５との間に測定光を回転走査する走査機構４が配置されている。

走査機構４は、投光部３と受光部５を結ぶ光軸Ｌ１と一致する回転軸心Ｐ周りに光学系９を回転させる筒状の回転体８と、回転体８を回転駆動するモータ１１を備えて構成されている。

回転体８は、下端部が縮径された円筒状の周壁部８ａと天板部８ｂとからなり、その内周面に備えた軸受１２を介して中空軸１３によって回転可能に支承されている。

モータ１１は、縮径された周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられたマグネット１１ｂでなる回転子と、ケーシング側に配置されたコイル１１ａでなる固定子とで構成され、コイル１１ａとマグネット１１ｂとの相互作用により、回転体８が回転軸心Ｐ周りで回転可能に構成されている。

投光部３は、半導体レーザを用いた発光素子３ａと、発光素子３ａの駆動回路３ｂを備えて構成され、発光素子３ａは、そこから出力される測定光の光軸Ｌ１と軸心Ｐが一致するように上部ハウジング２１に固定配置されるとともに光軸Ｌ１上に光のビーム径を一定にする光学レンズ３ｃが配置されている。

受光部５は、回転軸心Ｐ上に走査機構４を挟んで投光部３と対向するように回転体８の内部に固定配置され、反射光を検出するアバランシェフォトダイオードでなる受光素子５ａと、受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する増幅回路５ｂを備えて構成されている。

回転体８には、投光部３から光軸Ｌ１に沿って出力された測定光を測定対象空間に向けて９０度偏向する第一偏向部材としての第一偏向ミラー９ａと、測定対象空間に存在する測定対象物Ｒからの反射光を集光する受光レンズ９ｃと、受光レンズ９ｃを透過した反射光を光軸Ｌ１に沿って投光部３と対向配置された受光部５に向けて９０度偏向する第二偏向部材としての第二偏向ミラー９ｂを備えた光学系９が取り付けられている。

つまり、投光部３から光軸Ｌ１に沿った光路Ｌａで出射された測定光が、第一偏向ミラー９ａで光軸Ｌ１と垂直な光軸Ｌ２に沿った光路Ｌｂに偏向された後に、光学窓２ａを通過して測定対象空間に照射され、光軸Ｌ２と平行な光軸Ｌ３に沿った光路Ｌｃで光学窓２ａを通過した測定対象物からの反射光が、受光レンズ９ｃで収束され、第二偏向ミラー９ｂにより光軸Ｌ１と等しい光軸Ｌ４に偏向されて受光部５に導かれる。

回転体８の周壁８ａの一部に受光レンズ９ｃを取り付ける開口部８ｃが形成され、開口部８ｃに対応して天板部８ｂに偏向ミラー９ａ，９ｂを取り付ける切欠部８ｄが形成されている。

図４（ａ）に示すように、樹脂または光学ガラスで一体成形された光学部材９０の直交する二つの平面に、金またはアルミニウムが反射部材としてコーティングされた偏向面９１，９２が形成され、第一偏向面９１により光軸Ｌ１に対して測定光を測定対象領域に向けて９０度偏向させる第一偏向ミラー９ａが構成され、第二偏向面９２により反射光を光軸Ｌ４に沿った受光部５に向けて９０度偏向させる第二偏向ミラー９ｂが構成されている。

第二偏向面９２の上端側中央部が切り欠かれ、当該切欠部９５に第一偏向ミラー９ａが延出形成されるとともに、第一偏向ミラー９１の両側部に回転体８の天板部８ｂへの取り付け姿勢を規制する基準面９３が形成され、基準面９３には内周面に螺条が形成された取付穴９４が形成されている。

図２及び図３に示すように、回転体８に形成された開口部８ｃから、一体形成された偏向ミラー９ａ，９ｂを挿入し、天板部８ｂに形成された切欠部８ｄの周面と上述の基準面９３を接合させて取付穴９４にビスを螺合させることにより、偏向ミラー９ａ，９ｂが回転体８に固定され、その後、開口部８ｃに受光レンズ９ｃが固定される。

受光レンズ９ｃのレンズ中心より上部側の一部が直線状に切り欠かれ、さらにその中央部がレンズ中心方向に一部切り欠かれた切欠部が形成されている。第一偏向ミラー９ａにより偏向された測定光を測定対象空間に案内する中空筒状のガイド部材９ｄが回転体８の天板部８ｂに形成された切欠部８ｄに固定され、ガイド部材９ｄの先端側端部が受光レンズ９ｃに形成された切欠部から延出するように、そしてガイド部材９ｄの基端側端部が第一偏向ミラー９ａの下端側と接当するように配置されている。即ち、受光レンズのうち前記測定光が通過する領域が切り欠かれている。

ガイド部材９ｄの外周は遮光部材で被覆され、第一偏向ミラー９ａにより偏向された測定光がガイド部材９ｄの中を通過して測定対象空間に案内される。従って、投光部３から出力された測定光の一部が回転体８内部に漏れて発生する迷光が受光部５で誤検出されるような不都合を解消することができる。

上部ハウジング２１と下部ハウジング２２間に設けられた光学窓２ａは、投光部３から出力された測定光が走査機構４により測定対象空間に照射され、測定対象空間に存在する測定対象物Ｒで反射した反射光が受光部５で検出されるように、上下方向に一定幅を有するとともに、上端から下端にかけて内側に僅かに傾斜するように配置され、測定光が回転軸心Ｐを中心として約２５０度範囲で走査可能に配置されている。これにより光学窓２ａ表面に埃等が積もりにくくしながらも、広範囲に亘る空間を走査できる。

なお、図１２に示すように、前記光学窓２ａは、下端から上端にかけて内側に僅かに傾斜するように配置してもよい。光学窓２ａの傾斜角度及び、回転軸心Ｐを中心とした走査角度は、走査式測距装置の設置位置、用途に応じ適宜設定されるものである。

上述した光学部材９０を採用すると、図２に示すように、第一偏向ミラー９ａによって偏向された測定光が、第一偏向ミラー９ａの設置角度と異なる設置角度で設置された第二偏向ミラー９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力されるようになり、光学窓２ａの周囲に遮光シート等が貼り付けられた場合でも、遮光シート等からの反射光の一部が入射光路Ｌｃに沿って第二偏向ミラー９ｂへ入射するようになり、そのような測定光と反射光に基づいて至近距離に遮光シート等の異物が存在することを確実に検出できるようになる。

具体的には、図５に示すように、第一偏向ミラー９ａの偏向面のうち、第二偏向ミラー９ｂへの延出領域９６から測定対象空間に出力された測定光が遮光シート等の異物に反射すると、反射光の一部が第二偏向ミラー９ｂの偏向面のうち走査方向に沿って当該延出領域９６に隣接する領域９７に入光するため、光シート等の異物が存在することが検出できる。尚、第二偏向面９２に形成される切欠部９５は上端側中央部に限るものではなく、測定光が第二偏向ミラー９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力されるように測定光の光路Ｌｂが形成されるものであれば、第二偏向面９２の上端側の端部に形成されるものであってもよい。

即ち、第二偏向ミラー９ａと、第二偏向ミラー９ｂの偏向面のうち走査方向に沿った領域の一部に偏向面が延出形成された第一偏向ミラー９ａで構成される上述の光学部材９０が、本発明の特徴部である、第一偏向部材９ａによって偏向された測定光を、第一偏向部材９ｂの偏向面の設置角度と異なる設置角度の偏向面を備えた第二偏向部材９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力する光学部材を構成するものである。

このような光学部材９０として、図４（ａ）に示すものの他に、図４（ｂ）に示すように、第一偏向ミラー９ａの上端側が基準面９３と面一に形成されるものや、図４（ｃ）に示すように、第一偏向ミラー９ａの上端側が基準面９３と面一に形成され、且つ、第一偏向ミラー９ａの下端側が第二偏向ミラー９ｂの偏向面から突出するように形成されるものであってもよい。何れの場合にも、投光部３から光軸Ｌ１に沿って出力された光路Ｌａ内の測定光を光軸Ｌ１と垂直な方向に偏向可能な面積を有していれば良い。

回転体８の外周面に周方向に複数の光学的スリットが形成されたスリット板１５ａが設置されるとともに、スリット板１５ａの回転経路上にフォトインタラプタ１５ｂが配置され、これらにより回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が構成されている。

下部ハウジング２２の上部には、走査機構４を回転制御するとともに、発光素子３ａを駆動制御して、受光部５で検出された反射信号に基づいて測定対象物までの距離を算出する信号処理基板７が配置されている。

信号処理基板７では、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて走査機構４の回転角度が算出されて、反射光に対応する測定対象物の位置する方向が把握される。

光学窓２ａに対向する背部ハウジング２３の内壁部に、信号処理基板７で算出される距離を補正するための基準光を導くプリズム等の導光部材１７が配置されている。

走査機構４により測定光が一走査される度に、投光部３から導光部材１７を介して受光部５に直接入射する基準光に基づいて、測距装置内での投光部３から受光部５までの基準距離が算出され、これに基づいて測定対象空間の対象物からの反射光に基づいて算出される距離が補正されるのである。

尚、受光部５からの出力信号線は、中空軸１３の内部空間に挿通され、信号処理基板７に接続されている。

次に、本発明による走査式測距装置の第二の実施形態を説明する。

第二の実施形態は、第一偏向ミラー９ａによって偏向された測定光を、第一偏向ミラー９ｂの偏向面の設置角度と異なる設置角度の偏向面を備えた第二偏向ミラー９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力する光学部材９０の構成が、上述した第一の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる光学部材９０の構成を中心に説明し、共通の構成要素については同符号を付して詳しい説明を省略する。

図６及び図７に示すように、走査式測距装置１０に組み込まれた回転体８には、投光部３から光軸Ｌ１に沿って出力された測定光を測定対象空間に向けて９０度偏向する第一偏向部材としての第一偏向ミラー９ａと、測定対象空間に存在する測定対象物Ｒからの反射光を集光する受光レンズ９ｃと、受光レンズ９ｃを透過した反射光を光軸Ｌ１に沿って投光部３と対向配置された受光部５に向けて９０度偏向する第二偏向部材としての第二偏向ミラー９ｂを備えた光学系９が取り付けられている。

樹脂または光学ガラスで一体成形された光学部材９０の直交する二つの平面に、金またはアルミニウムが反射部材としてコーティングされた偏向面９１，９２が形成され、第一偏向面９１により光軸Ｌ１に対して測定光を測定対象領域に向けて９０度偏向させる第一偏向ミラー９ａが構成され、第一偏向面９２により反射光を光軸Ｌ１の延長上に沿った受光部５に向けて９０度偏向させる第二偏向ミラー９ｂが構成されている。

光学部材９０のうち偏向面９１，９２を挟む両側面に、回転体８の天板部８ｂへの取り付け姿勢を規制する基準面９３が延出形成され、基準面９３には内周面に螺条が形成された取付穴９４が形成されている。

回転体８に形成された開口部８ｃから、一体形成された偏向ミラー９ａ，９ｂを挿入し、天板部８ｂに形成された切欠部８ｄの周面と上述の基準面９３を接合させて取付穴９４にビスを螺合させることにより、偏向ミラー９ａ，９ｂが回転体８に固定され、その後、開口部８ｃに受光レンズ９ｃが固定される。

受光レンズ９ｃのレンズ中心より上部側の一部が直線状に切り欠かれ、さらにその中央部がレンズ中心方向に一部切り欠かれた切欠部が形成されている。回転体８の天板部８ｂに形成された切欠部８ｅに、第三偏向部材９ｅが固定され、その一端が受光レンズ９ｃに形成された切欠部に嵌入されるように配置されている。

第三偏向部材９ｅは、第一偏向ミラー９ａによって偏向された測定光を、第一偏向ミラー９ａの偏向面の設置角度と異なる設置角度の偏向面を備えた第二偏向ミラー９ｂへの反射光の入射光路内から出力するように、平行移動させる二枚の偏向ミラー９ｆ，９ｇと、外周が遮光部材で被覆されたミラー保持部９ｈを備えている。

偏向ミラー９ｆ，９ｇは偏向面が対向するように配置され、ともに光軸Ｌ２に対して４５度傾斜するように、外周が遮光部材で被覆されたミラー保持部９ｈによって保持されている。

第一偏向ミラー９ａによって光軸Ｌ１に垂直な光軸Ｌ２に偏向された測定光が第三偏向ミラー９ｆによって光軸Ｌと平行な光軸に沿うように偏向され、さらに第四偏向ミラー９ｇによって光軸Ｌ２に平行な光軸Ｌ２´に偏向されるのである。

即ち、第一偏向部材９ａによって偏向された測定光を、第一偏向部材９ａの偏向面の設置角度と異なる設置角度の偏向面を備えた第二偏向部材９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力する光学部材が、第三偏向部材９ｅで構成されている。

従って、第一偏向ミラー９ａによって偏向された測定光が、第一偏向ミラー９ａの設置角度と異なる設置角度で設置された第二偏向ミラー９ｂへの反射光の入射光路Ｌｃ内から出力されるようになり、光学窓２ａの周囲に遮光シート等が貼り付けられた場合でも、遮光シート等からの反射光の一部が入射光路Ｌｃに沿って第二偏向ミラー９ｂへ入射するようになり、そのような測定光と反射光に基づいて至近距離に遮光シート等の異物が存在することを確実に検出できるようになる。

上述した実施形態では、第三偏向部材９ｅがミラー保持部９ｈに保持された一対の偏向ミラー９ｆ，９ｇで構成されるものを説明したが、図８に示すように、第三偏向部材９ｅが偏向面が対向するように配置され、ともに光軸Ｌ２に対して４５度傾斜するように平成されたプリズムで構成されるものであってもよい。

尚、第一偏向ミラー９ａ及び第二偏向ミラー９ｂは一体形成されることが取付精度等の観点で望ましいが、必ずしも一体形成されている必要は無く、第一偏向ミラー９ａ及び第二偏向ミラー９ｂが夫々別体で構成され、所定の角度で回転体８の天板部８ｂへ取り付けられるものであればよい。

以下に、上述した第一及び第二の実施形態で説明した走査式測距装置１，１０に組み込まれた信号処理基板７により、測定光と反射光に基づいて測定対象物までの距離を測定する演算処理について説明する。

信号処理基板７には、測定光の出力タイミングに同期して受光部５により検出される基準光に基づいて測定対象物までの距離を算出するＴＯＦ方式の信号処理回路７０が設けられている。

図９に示すように、信号処理回路７０は、走査角度検出部１５から出力された走査角度を示す角度信号に基づいて、角度信号に同期した発光駆動信号を出力する発光制御部７１と、測定光が導光部材１７に入射される基準回転位置に走査部４が位置しないときに、受光部５から出力された電気信号を測定光信号として検出する測定光検出部７２と、走査部４が基準回転位置に位置するときに、受光部５から出力された電気信号を基準光信号として検出する基準光検出部７３と、基準光検出部７３で検出された基準光信号に基づいて当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値を算出する補正値算出部７４と、測定光検出部７２で検出された測定光信号に基づいて測定距離を算出し、測定距離と補正値に基づいて最終測定距離を算出する距離算出部７５と、角度信号と最終測定距離から測定対象物の位置を演算して出力するシステム制御部７６等を備えて構成されている。

システムに電源が投入されると、システム制御部７６からモータ制御回路７７にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路７７によりモータ１１が所定速度で駆動される。

モータの回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号が発光制御部７１に入力され、当該パルス信号に基づいて発光制御部７１では走査部４による測定光の出力方向が把握される。

走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準回転位置で他の回転位置と異なるように形成され、パルス信号の波形に基づいて基準回転位置が検出され、基準回転位置からのパルス数をカウントすることにより基準回転位置からの回転角度が算出される。

図１０に示すように、走査角度検出部１５から出力される角度信号であるパルス信号に基づいて計測タイミングを算出したシステム制御部７６から、発光制御部７１に計測タイミング信号が入力されると、発光制御部７１から当該計測タイミング信号を基準とする所定タイミングで投光部３に所定デューティ比の発光駆動信号Ｓ１が出力される。

発光駆動信号Ｓ１を受け取った投光部３では、駆動回路３ｂによって半導体レーザ３ａが駆動されパルス状の測定光が出力される。

走査部４が基準回転位置に位置しないときには、出力された測定光Ｓ２（Ｓ２ａ）のうち測定対象物で反射した反射光Ｓ４が受光素子５ａで光電変換され、増幅回路５ｂで増幅されて測定光検出部７２に出力される。

測定光検出部７２は、当該電気信号を反射信号Ｓ５ａとして検出して、距離算出部７５へ出力する。なお、走査部４が基準回転位置に位置する場合は、測定光検出部７２は信号を検出しないように構成されている。

一方、走査部４が基準回転位置に位置する場合は、出力された測定光Ｓ２（Ｓ２ｂ）が基準光Ｓ３として装置外部に出射されることなく上述の導光部材１７を介して受光部５で検出され、増幅回路５１において基準光Ｓ３の光電変換が行なわれて変換後の電気信号が信号解析可能なレベルまで増幅させられて出力される。

基準光検出部７３は、当該電気信号を基準信号Ｓ５ｂとして検出して、補正値算出部７４へ出力する。尚、走査部４が基準回転位置に位置しないときは、基準光検出部７３は信号を検出しないように構成されている。

補正値算出部７４では、測定光Ｓ２ｂに対応する発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ｂの時間差ｔ１が算出され、時間差ｔ１より当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値ΔＬを〔数２〕に基づいて算出する。尚、補正値ΔＬは、〔数２〕のＴに時間差ｔ１を代入して得られる距離Ｌとして求められる。

距離算出部７５では、測定光Ｓ２ａに対応する発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ａの時間差ｔ２が算出され、時間差ｔ２より測定距離Ｌ１を〔数２〕に基づいて算出する。尚、測定距離Ｌ１は、〔数２〕のＴに時間差ｔ２を代入して得られる距離Ｌとして求められる。

そして、距離算出部７５では、算出された測定距離Ｌ１から補正値ΔＬを減算することにより最終測定距離Ｌ２が算出される。

システム制御部７６では、走査角度検出部１５から出力される角度信号と最終測定距離Ｌ２から測定対象物の方向と位置が出力される。つまり、角度信号から走査式測距装置に対する測定対象物の方向が算出され、最終測定距離から走査式測距装置から測定対象物までの距離Ｌ２が特定される。

以上説明したように、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動されることにより、回転軸心Ｐを中心として約２５０度範囲の測定対象空間に位置する測定対象物の方向及び距離が求められる。

測定光検出部７２または基準光検出部７３では、発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ａまたは基準信号Ｓ５ｂとの時間差ｔ１、ｔ２が、各信号の立ち上がりタイミングを基準に検出される。立ち上がりタイミングは、夫々の信号が所定の閾値を超えた時点を検出するコンパレータを設けることにより容易に検出できる。

コンパレータによる立ち上がりタイミングの検出では、反射光の強度による信号の立ち上がりの微小な変動による影響を受けて誤差が発生するため、そのような誤差を吸収するために、以下の手法を採用することができる。

例えば、反射信号または基準信号の立ち上がり波形を、例えばピーク値を示す範囲までの間で時間積分し、予めメモリに記憶された複数の積分値に夫々対応する立ち上がりタイミングの補正値マップデータから、当該積分値に対応する立ち上がりタイミングデータを導出するように構成すれば、反射信号または基準信号の立ち上がりタイミングが正確に算出できる。反射光や基準光の強度の変動に起因する立ち上がり時間の変動が、信号の積分値と相関を有するという特性を利用するものである。

さらに、反射信号または基準信号のピーク値を算出し、複数のピーク値に夫々対応する補正値を予めメモリに記憶しておいたマップデータから、当該ピーク値に対応する補正値を導出することで、コンパレータにより求められる反射信号または基準信号の立ち上がりタイミングを補正する構成であってもよい。立ち上がり時間の変動が信号のピーク値と相関を有するという特性を利用するものである。

さらに別の方法として、反射信号または基準信号を時間微分することで微分信号を生成し、微分信号の正領域の時間軸上での重心位置を、基準信号及び反射信号の立ち上がり位置として求める構成であってもよい。

また、反射信号または基準信号の立ち上がり部分の時間軸上での重心位置を算出して立ち上がりタイミングを求める方法や、反射信号または基準信号の立ち上がり部分を直線近似または多項式近似して、その近似線と出力信号のオフセットレベルとの交点の位置を立ち上がりタイミングとして算出する方法等を採用するものであってもよい。

上述の実施形態では、本発明による走査式測距装置に、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間から距離を演算するＴＯＦ方式が採用される場合を説明したが、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差を求め、位相差から距離を演算するＡＭ方式が採用されるものであってもよい。

この場合、発光制御部７１から発光駆動信号を受け取った投光部３からは、駆動回路３ｂで半導体レーザから正弦波で変調された測定光が出射される。

そして、補正値算出部７４と距離算出部７５では、発光素子３ａから出力された測定光と増幅回路８４から出力された測定光信号または基準光信号との間の位相差が算出され、算出された位相差を（数１）に代入することにより距離または補正値が算出される。

光源に用いられる発光素子は、半導体レーザに限るものではなく、発光ダイオード等の他の発光素子を用いることも可能である。

上述した何れの実施形態も、本発明の一実施例であり、走査式測距装置の具体的形状、構成、使用材料、信号処理のための回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。

本発明による走査式測距装置を示し、（ａ）は走査式測距装置の外観を示す正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図 本発明による走査式測距装置の第一の実施形態を示す概略縦断面図 本発明による走査式測距装置の第一の実施形態を示す要部の正面図 （ａ）は第一の実施形態を示す光学部材の斜視図、（ｂ）は別実施形態を示す光学部材の斜視図、（ｃ）は別実施形態を示す光学部材の斜視図 図４（ａ）に示す光学部材による測定光の光路及び反射光の光路の説明図 本発明による走査式測距装置の第二の実施形態を示す概略縦断面図 本発明による走査式測距装置の第二の実施形態を示す要部の正面図 本発明による走査式測距装置の別実施形態を示す要部の正面図 本発明による走査式測距装置の信号処理回路のブロック構成図 走査式測距装置の光信号波形と電気信号波形のタイミングを示す説明図 走査式測距装置の測定原理の説明図で、（ａ）はＡＭ方式の説明図、（ｂ）はＴＯＦ方式の説明図 本発明による走査式測距装置の別実施形態を示す概略縦断面図 従来の走査式測距装置の概略縦断面図 従来の走査式測距装置の概略縦断面図

１：走査式測距装置
２ａ：光学窓
２：ハウジング
２１：上部ハウジング
２２：下部ハウジング
２３：背部ハウジング
３：投光部
３ａ：発光素子
３ｂ：駆動回路
４：走査機構
５：受光部
５ａ：受光素子
５ｂ：増幅回路
７：信号処理回路基板
８：回転体
９：光学系
９ａ：第一偏向ミラー
９ｂ：第二偏向ミラー
９ｃ：受光レンズ
９ｄ：ガイド部材
９ｅ：第三偏向部材
９ｆ，９ｇ：偏向ミラー
９ｈ：ミラー保持部
１１：モータ
１５：走査角度検出部
１７：導光部材
７０：信号処理回路
７１：発光制御部
７２：測定光検出部
７３：基準光検出部
７４：補正値算出部
７５：距離算出部
７６：システム制御部
９０：光学部材
９１：第一偏向面９１
９２：第二偏向面９２
９３：基準面
９４：取付穴

Claims (7)

1. 投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて偏向する第一偏向部材と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を集光する受光レンズと、前記受光レンズを透過した反射光を、前記第一偏向部材を挟んで前記投光部と対向配置された受光部に向けて偏向する、前記第一偏向部材と偏向面が異なる第二偏向部材とを備えた光学系と、前記光学系を所定の軸心周りに回転させる走査機構を備え、測定光と前記受光部で検出された反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、
   前記第一偏向部材によって偏向された測定光を、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、当該入射光路の光軸から入射光の径方向に離隔した領域から出力する光学部材を前記走査機構に備えている走査式測距装置。
2. 受光レンズのうち、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、前記測定光が通過する領域が切り欠かれている請求項１記載の走査式測距装置。
3. 前記光学部材が、前記第二偏向部材と、前記第二偏向部材の偏向面のうち前記走査方向に沿った領域の一部に偏向面が延出形成された前記第一偏向部材で構成されている請求項１または２記載の走査式測距装置。
4. 前記第一偏向部材と第二偏向部材が一体形成されている請求項３記載の走査式測距装置。
5. 前記光学系に、前記第一偏向部材により偏向された測定光を測定対象空間に案内する筒状のガイド部材を備えている請求項３または４記載の走査式測距装置。
6. 前記光学部材が、前記第一偏向部材によって偏向された測定光を、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内から出力するように平行移動させる二つの偏向面を備えた第三偏向部材で構成されている請求項１記載の走査式測距装置。
7. 受光レンズのうち、前記第二偏向部材への反射光の入射光路内にある領域であって、前記測定光が通過する領域が切り欠かれ、前記第三偏向部材が前記受光レンズの切欠部に配置されている請求項６記載の走査式測距装置。

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