JP2008298520A - Scanning distance measuring instrument - Google Patents

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俊広 西沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and light-weight scanning distance measuring instrument for realizing a wide-range and high-speed two-dimensional scans. <P>SOLUTION: Laser light outputted from a laser output part 1 is transmitted and caused by a scanning mechanism for two-dimensionally scanning in a first direction and in a second direction orthogonal to the first direction, and the laser light reflected by a measuring object is received. By this scanning mechanism, the laser light is caused to scan in the first direction, by driving a polygonal mirror 3 with a first scan actuator so as to endlessly rotate around a first scan rotation axis, at all times, while the laser light is caused to scan in the second direction by driving a scan mirror base, comprising the first scan actuator and the polygon mirror 3, by a second scan actuator so as to endlessly rotate about a second scan rotation axis which is orthogonal to the first scan rotation axis. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はレーザなどの光を走査してその反射光を観測し距離を計測する装置、特に、レーザなどの光を2軸の回転方向で走査し、測定対象や測定対象環境の3次元形状を復元可能とする走査型距離計測装置に関する。   The present invention is an apparatus that scans light such as a laser and observes the reflected light to measure the distance, and in particular, scans light such as a laser in two-axis rotation directions to form a three-dimensional shape of a measurement target or measurement target environment. The present invention relates to a scanning distance measuring device that can be restored.

環境認識、障害物検出などの用途に広い範囲の3次元形状を高速に測定したいという要求があり、レーザなどの光を利用したさまざまな2次元走査式の距離計測装置が提案されている。   There is a demand for high-speed measurement of a wide range of three-dimensional shapes for applications such as environment recognition and obstacle detection, and various two-dimensional scanning distance measuring devices using light such as lasers have been proposed.

光ビームスキャン機構の一例が特許文献1に記載されている。   An example of a light beam scanning mechanism is described in Patent Document 1.

図6は、特許文献1に記載されている光ビームスキャン機構の概略図である。   FIG. 6 is a schematic diagram of a light beam scanning mechanism described in Patent Document 1. In FIG.

本光ビームスキャン機構において、光ビームスキャン用のミラー101は、強磁性体又は永久磁石からなる被駆動部102を備えて、入射ビームの光軸と直交する回転軸103回りに揺動可能に軸支されている。ミラーの被駆動部102に磁力を加えてミラー101に上記回転軸103の軸周りの回転力を与える駆動手段として磁極104−1、コイル104−2を備えた電磁部材104が有る。他の駆動手段であるモータ105は、ミラー101と電磁部材104を、上記回転軸103と直交する軸回りに回転させる。モータ105による回転と電磁部材104の磁力による揺動により光ビームLの2次元走査を実現している。   In this light beam scanning mechanism, a light beam scanning mirror 101 includes a driven portion 102 made of a ferromagnetic material or a permanent magnet, and is pivotable about a rotation axis 103 orthogonal to the optical axis of the incident beam. It is supported. There is an electromagnetic member 104 provided with a magnetic pole 104-1 and a coil 104-2 as driving means for applying a magnetic force to the driven part 102 of the mirror to give the mirror 101 a rotational force around the axis of the rotary shaft 103. A motor 105 that is another driving unit rotates the mirror 101 and the electromagnetic member 104 about an axis orthogonal to the rotation shaft 103. Two-dimensional scanning of the light beam L is realized by rotation by the motor 105 and swinging by the magnetic force of the electromagnetic member 104.

また、3−Dレーザ計測装置の一例が特許文献2に記載されている。   An example of a 3-D laser measurement device is described in Patent Document 2.

本3−Dレーザ計測装置において、2つの支脚部と回転ヘッドを有する計測ヘッドは、垂直な回転軸線を中心に180°回動自在である。回転ヘッドは、回転可能なミラーを有し、このミラーは、ミラーに当たる計測ビームのビーム軸線と、平行又は同軸に配置した回転軸線を中心に連続的に回転自在である。計測ビームは、回転ヘッドから射出されて走査される。支脚部に、回転可能なミラーの駆動機構、光エミッタ、受光器が搭載される構成としている。   In the present 3-D laser measuring apparatus, the measuring head having two support legs and a rotating head is rotatable by 180 ° about a vertical rotation axis. The rotary head has a rotatable mirror, and this mirror is continuously rotatable around a beam axis line of a measurement beam hitting the mirror and a rotation axis line arranged parallel or coaxially. The measurement beam is emitted from the rotary head and scanned. The support is provided with a rotatable mirror drive mechanism, a light emitter, and a light receiver.

更に、レーザ距離測定装置の一例が特許文献3に記載されている。   An example of a laser distance measuring device is described in Patent Document 3.

本レーザ距離測定装置において、レーザ光源から発せられた送信レーザ光を目標に向けて反射させるとともに目標で反射した受信レーザ光を受ける回転多面鏡と、回転多面鏡で反射した受信レーザ光を受光用光学系側に反射させる凹面鏡を備えている。回転多面鏡と凹面鏡とレーザ光源を搭載した枠を回転多面鏡の回転軸とは直交するピッチ軸回りに回動可能にした構成としている(図1)。
特開2003−287693号公報 特開2003−177014号公報 特許第3463781号公報
In this laser distance measuring device, a rotating polygon mirror that reflects a transmission laser beam emitted from a laser light source toward a target and receives a reception laser beam reflected by the target, and a reception laser beam reflected by the rotating polygon mirror for receiving light A concave mirror is provided for reflection on the optical system side. A frame on which a rotating polygon mirror, a concave mirror and a laser light source are mounted is configured to be rotatable about a pitch axis perpendicular to the rotation axis of the rotating polygon mirror (FIG. 1).
JP 2003-287663 A JP 2003-177014 A Japanese Patent No. 3463781

上記の走査型距離計測装置には、次のような問題がある。   The above scanning distance measuring device has the following problems.

第一の問題点として、構成が複雑であることである。上記の走査型距離計測装置は、2次元の走査機構を有するが、1軸の走査については無限回転可能な機構であり単純なアクチュエータによる走査が可能である。しかしながら、特に、特許文献1、特許文献3の装置は、他の1軸の走査については往復の制御をする必要がある。往復の制御を実現するためにはアクチュエータとセンサの構成が複雑になる。   The first problem is that the configuration is complicated. The above scanning distance measuring device has a two-dimensional scanning mechanism, but the uniaxial scanning is a mechanism capable of infinite rotation and can be scanned by a simple actuator. However, in particular, the devices of Patent Literature 1 and Patent Literature 3 require reciprocal control for the other one-axis scanning. In order to realize reciprocal control, the configuration of the actuator and sensor becomes complicated.

第二の問題点は小型軽量化が困難であることである。これは第一の問題点である構成が複雑であることにも関連する。特許文献1の装置は、ミラーの被駆動部に磁力を加えてミラー揺動させる電磁部材を有し、これらのミラーと電磁部材をモータにより上記回転軸と直交する軸回りに回転させるが、ミラーを駆動するのに必要な電磁部材の小型化は困難である。   The second problem is that it is difficult to reduce the size and weight. This is also related to the complicated structure which is the first problem. The device of Patent Document 1 includes an electromagnetic member that applies a magnetic force to a driven portion of a mirror to swing the mirror, and these mirror and electromagnetic member are rotated around an axis orthogonal to the rotation axis by a motor. It is difficult to reduce the size of the electromagnetic member necessary for driving the motor.

特許文献2の装置は、1軸の走査についてミラーを連続回転させている。しかし、垂直な回転軸線を中心に半回転される計測ヘッドは、光エミッタ、回転可能なミラーの駆動機構、受光器がすべて搭載した構成としており、構成部品が多く小型化が困難である。   The apparatus of Patent Document 2 continuously rotates the mirror for one-axis scanning. However, the measuring head that is rotated halfway around the vertical axis of rotation has a configuration in which an optical emitter, a rotatable mirror drive mechanism, and a light receiver are all mounted.

特許文献3の装置は、回転多面鏡と凹面鏡とレーザ光源をピッチ軸回りに一体的に回動可能にする構成としており、やはり構成部品が多く小型化が困難である。   The apparatus of Patent Document 3 has a configuration in which a rotating polygon mirror, a concave mirror, and a laser light source can be integrally rotated around a pitch axis, and there are still many components and it is difficult to reduce the size.

そして、駆動対象の機構が重量化すると、高速な走査の実現に支障を来すことになる。   And if the mechanism to be driven becomes heavier, it will hinder the realization of high-speed scanning.

[発明の目的]
本発明の目的は、小型軽量かつ広範囲、高速な2次元走査を実現する走査型距離計測装置を提供することにある。
[Object of invention]
An object of the present invention is to provide a scanning type distance measuring device that realizes two-dimensional scanning that is small, lightweight, wide range, and high speed.

上記課題を解決するため、本発明の走査型距離計測装置は、レーザ出力部より出力されたレーザ光を、走査機構により第1の方向と前記第1の方向と直交する第2の方向に2次元に走査して発信し、測定対象で反射されたレーザ光を受信する走査型距離計測装置であって、
前記走査機構において、前記レーザ光は、前記ポリゴンミラーを第1の走査アクチュエータによって第1の走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第1の方向に走査され、前記第1の走査アクチュエータと前記ポリゴンミラーから構成される走査ミラー土台を、第2の走査アクチュエータによって前記第1の走査回転軸と直交する第2の走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第2の方向に走査される。
In order to solve the above-described problem, the scanning distance measuring device according to the present invention is configured so that the laser beam output from the laser output unit is two in the first direction and the second direction orthogonal to the first direction by the scanning mechanism. A scanning distance measuring device that scans and transmits in a dimension and receives laser light reflected by a measurement object,
In the scanning mechanism, the laser beam is scanned in the first direction by driving the polygon mirror at an infinite rotation around the first scanning rotation axis by the first scanning actuator. The scanning mirror base composed of the actuator and the polygon mirror is driven by infinite rotation around the second scanning rotation axis that is orthogonal to the first scanning rotation axis by the second scanning actuator. Scanned in the direction.

また、他の本発明の走査型距離計測装置は、レーザ出力部より出力されたレーザ光を、走査機構により第1の方向と前記第1の方向と直交する第2の方向に2次元に走査して発信し、測定対象で反射されたレーザ光を受信する走査型距離計測装置であって、
前記走査機構において、前記レーザ光は、前記平面ミラーを第1の走査アクチュエータからの常時無限回転される動力を入力とする走査揺動リンク機構により走査揺動軸回りに揺動することにより第1の方向に走査され、前記第1の走査アクチュエータと前記平面ミラーと前記走査揺動リンク機構から構成される走査ミラー土台を、第2の走査アクチュエータによって前記走査揺動軸と直交する走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第2の方向に走査される。
In another scanning distance measuring device of the present invention, the laser beam output from the laser output unit is two-dimensionally scanned in a first direction and a second direction orthogonal to the first direction by a scanning mechanism. And a scanning distance measuring device that receives the laser beam reflected by the measurement object,
In the scanning mechanism, the laser beam is first swung around a scanning rocking shaft by a scanning rocking link mechanism that receives power that is constantly rotated infinitely from the first scanning actuator. And a scanning mirror base composed of the first scanning actuator, the plane mirror, and the scanning oscillating link mechanism around the scanning rotation axis perpendicular to the scanning oscillating axis by the second scanning actuator. By always driving infinitely, scanning is performed in the second direction.

本発明の走査型距離計測装置において、ポリゴンミラーを常時無限回転の駆動をして、更にポリゴンミラーと駆動機構から構成される走査ミラー土台を、上記回転とは直交方向に常時無限回転の駆動をしている。これにより、構成部品を少なくし小型軽量化を可能にし、走査速度の高速化が可能になった。   In the scanning distance measuring device of the present invention, the polygon mirror is always driven to infinite rotation, and the scanning mirror base composed of the polygon mirror and the drive mechanism is always driven to infinite rotation in the direction orthogonal to the above rotation. is doing. As a result, the number of components can be reduced, the size and weight can be reduced, and the scanning speed can be increased.

また、他の本発明の走査型距離計測装置において、平面ミラーを常時無限回転される動力を入力として揺動して、更に平面ミラーと駆動機構から構成される走査ミラー土台を、上記揺動とは直交方向に常時無限回転の駆動をしている。これにより、構成部品を少なくし小型軽量化を可能にし、走査速度の高速化が可能になった。   In another scanning distance measuring device according to the present invention, the plane mirror is swung with the power that is always rotated indefinitely as an input, and the scanning mirror base composed of the plane mirror and the drive mechanism is further swung. Always drives infinite rotation in the orthogonal direction. As a result, the number of components can be reduced, the size and weight can be reduced, and the scanning speed can be increased.

本発明の走査型距離計測装置は、2次元のレーザ光の走査機構に特徴がある。   The scanning distance measuring device of the present invention is characterized by a two-dimensional laser beam scanning mechanism.

後述の実施例1−4の概略を説明する。   An outline of Example 1-4 described later will be described.

実施例1,2においては、レーザ投光器から出力される光を、まずは第1の走査回転軸で常時無限回転しているポリゴンミラーで反射させて第1の方向に走査する。第1の方向に走査するためのミラーとミラーを駆動するアクチュエータから構成される走査ミラー土台がある。走査ミラー土台は、第2の方向への走査用アクチュエータによりレーザ光の投光される軸と同軸で第1の走査回転軸と直交する第2の走査回転軸で常時無限回転する。 この構成によりレーザ光は直交する2次元の方向に走査される。なお、第1の走査回転軸と直交する第2の走査回転軸という表現について、実際には後述するように両軸は一定の距離をおいて配置されており、この場合を含むものとする。   In the first and second embodiments, the light output from the laser projector is first reflected by the polygon mirror that is always rotating infinitely around the first scanning rotation axis and scanned in the first direction. There is a scanning mirror base composed of a mirror for scanning in a first direction and an actuator for driving the mirror. The scanning mirror base always rotates infinitely around a second scanning rotation axis that is coaxial with the axis on which laser light is projected by the actuator for scanning in the second direction and is orthogonal to the first scanning rotation axis. With this configuration, the laser beam is scanned in a two-dimensional direction orthogonal to each other. In addition, regarding the expression of the second scanning rotation axis orthogonal to the first scanning rotation axis, the two axes are actually arranged at a certain distance as described later, and this case is included.

測定対象で反射したレーザ光はミラーに戻り反射する。その反射光を受光部で受信する。レーザ光を発信して受信するまでの時間又は生じた位相差を計測することで、測定対象までの距離が計算可能となる。   The laser beam reflected by the measurement object returns to the mirror and is reflected. The reflected light is received by the light receiving unit. By measuring the time until the laser beam is transmitted and received or the phase difference that has occurred, the distance to the measurement object can be calculated.

走査ミラー土台へのアクチュエータの制御信号及びポリゴンミラーの角度情報信号を、第2の走査回転軸に搭載するスリップリングで伝達することにより、走査ミラー土台を無限回転させることができる。   By transmitting the actuator control signal to the scanning mirror base and the angle information signal of the polygon mirror by the slip ring mounted on the second scanning rotation shaft, the scanning mirror base can be rotated infinitely.

第2の方向に駆動される機構は走査ミラー土台のみとすることで、構成部品を少なくし小型軽量化を可能にした。更に、走査ミラー土台を小型軽量にしたので第2の方向の走査速度の高速化を可能にした。   Since the mechanism driven in the second direction is only the scanning mirror base, it is possible to reduce the number of components and reduce the size and weight. Further, since the scanning mirror base is made small and light, the scanning speed in the second direction can be increased.

2軸とも常時無限回転による駆動をすることで走査が可能な構成になっており、走査制御方式が簡単になる。   Since the two axes are always driven by infinite rotation, scanning is possible, and the scanning control system is simplified.

また、常時2軸の走査をすることで走査型距離計測装置周辺の距離情報を絶えず計測する。具体的な走査の例について述べる。第2の走査回転軸で1秒間に10回走査する。第1の走査回転軸では第2の走査回転軸の1回の走査につき10.1回の走査を実行すると、1秒間に101回の走査を実行することになる。2軸の走査を常時無限回転で実行することにより1秒間という短時間で走査型距離計測装置周辺の3次元形状の詳細の計測が可能となる。   Further, the distance information around the scanning distance measuring device is constantly measured by always performing biaxial scanning. A specific example of scanning will be described. Scan 10 times per second on the second scan axis. If 10.1 scans are executed for one scan of the second scan rotation axis on the first scan rotation axis, 101 scans are executed per second. By executing biaxial scanning at an infinite rotation all the time, it is possible to measure details of the three-dimensional shape around the scanning distance measuring device in a short time of 1 second.

実施例3,4においては、常時無限回転しているポリゴンミラーの代わりに常時無限回転する入力により走査揺動軸で揺動される1枚の平面ミラー又は1対の平面ミラーを用いている。第1の方向に走査するための平面ミラーと平面ミラーを駆動するアクチュエータから構成される走査ミラー土台がある。走査ミラー土台は、第2の方向への走査用アクチュエータによりレーザの投光される軸と同軸で走査揺動軸と直交する走査回転軸回りに常時無限回転する。この構成によりレーザ光は直交する2次元の方向に走査される。   In the third and fourth embodiments, a single plane mirror or a pair of plane mirrors that are oscillated by the scanning oscillation axis by an input that is always infinitely rotated is used instead of the polygon mirror that is always infinitely rotated. There is a scanning mirror base composed of a plane mirror for scanning in a first direction and an actuator for driving the plane mirror. The scanning mirror base always rotates infinitely around the scanning rotation axis that is coaxial with the axis projected by the laser by the scanning actuator in the second direction and orthogonal to the scanning oscillation axis. With this configuration, the laser beam is scanned in a two-dimensional direction orthogonal to each other.

実施例3,4も、実施例1,2と同様に、第2の方向に駆動される機構は走査ミラー土台のみとすることで、構成部品を少なくし小型軽量化を可能にした。更に、走査ミラー土台を小型軽量にしたので第2の方向の走査速度の高速化を可能にした。   In the third and fourth embodiments, as in the first and second embodiments, the mechanism driven in the second direction is only the scanning mirror base, so that the number of components can be reduced and the size and weight can be reduced. Further, since the scanning mirror base is made small and light, the scanning speed in the second direction can be increased.

2軸とも常時無限回転による駆動をすることで走査が可能な構成になっており、走査制御方式が簡単になる。   Since the two axes are always driven by infinite rotation, scanning is possible, and the scanning control system is simplified.

以下、発明を実施するための最良の形態の具体例を実施例1−4として図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, specific examples of the best mode for carrying out the invention will be described in detail as Example 1-4 with reference to the drawings.

以下、実施例の説明において、2つの走査方向については便宜上、第1の方向を垂直走査、第2の方向を水平走査と呼ぶ。実体として装置全体を傾けると実際の走査方向は垂直、水平から傾くこととなる。例えば、装置全体を横向きに置けば、垂直、水平の立場が逆になる。垂直走査アクチュエータは第1の走査アクチュエータ、水平走査アクチュエータは第2の走査アクチュエータである。   Hereinafter, in the description of the embodiments, for convenience of the two scanning directions, the first direction is referred to as vertical scanning, and the second direction is referred to as horizontal scanning. When the entire apparatus is tilted as a substance, the actual scanning direction is tilted from vertical or horizontal. For example, if the entire device is placed sideways, the vertical and horizontal positions are reversed. The vertical scanning actuator is a first scanning actuator, and the horizontal scanning actuator is a second scanning actuator.

[実施例1]
図1は、本発明の実施例1の構成を示す概略図である。
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the first embodiment of the present invention.

図1を参照して、本発明の走査型距離計測装置の実施例1について説明する。   A first embodiment of the scanning distance measuring device of the present invention will be described with reference to FIG.

装置本体に固定されたレーザ出力部1より出力されたレーザの出力光2が、垂直走査アクチュエータ6によって垂直走査回転軸7で常時無限回転の駆動をされるポリゴンミラー3によって反射し測定対象4に向かって発射される。垂直走査アクチュエータ6には、角度センサが組み込まれている。   The laser output light 2 output from the laser output unit 1 fixed to the apparatus body is reflected by the polygon mirror 3 that is always driven to rotate infinitely by the vertical scanning rotation shaft 7 by the vertical scanning actuator 6, and is reflected on the measurement object 4. Fired towards. An angle sensor is incorporated in the vertical scanning actuator 6.

垂直走査アクチュエータ6とポリゴンミラー3から構成される垂直走査ミラー土台は、更に水平走査回転軸9回りに水平走査アクチュエータ8によって常時無限回転の駆動がなされ、垂直方向に走査されているレーザ光を水平方向に走査する。水平走査アクチュエータ8には、角度センサが組み込まれている。   The vertical scanning mirror base composed of the vertical scanning actuator 6 and the polygon mirror 3 is further driven infinitely by the horizontal scanning actuator 8 around the horizontal scanning rotation axis 9 to horizontally drive the laser beam scanned in the vertical direction. Scan in the direction. An angle sensor is incorporated in the horizontal scanning actuator 8.

出力光2が測定対象4で反射すると反射光5は、ポリゴンミラー3に戻り、ポリゴンミラー3でレーザ出力部1の方向へ反射する。更に反射光5は、装置本体に固定されたハーフミラー10で反射して同じく装置本体に固定された受光センサ11で受光される。   When the output light 2 is reflected by the measurement target 4, the reflected light 5 returns to the polygon mirror 3 and is reflected by the polygon mirror 3 toward the laser output unit 1. Further, the reflected light 5 is reflected by the half mirror 10 fixed to the apparatus main body and received by the light receiving sensor 11 which is also fixed to the apparatus main body.

距離の測定方法について説明する。レーザ出力部1でパルス状のレーザ光を発射してから受光センサ11でレーザ光の反射を受光するまでの時間を計測することで、光路の距離を測定する。別の距離測定手法として、レーザ光をある周波数で変調し、受光センサ11で受けたレーザ光とレーザ出力部1で発射したレーザ光の位相差を計測し、光路の距離を測定してもよい。   A method for measuring the distance will be described. The distance from the optical path is measured by measuring the time from when the laser output unit 1 emits pulsed laser light until the light receiving sensor 11 receives the reflection of the laser light. As another distance measurement method, the laser beam may be modulated at a certain frequency, the phase difference between the laser beam received by the light receiving sensor 11 and the laser beam emitted by the laser output unit 1 may be measured, and the distance of the optical path may be measured. .

レーザが2軸の走査方向で発射された方向については、垂直走査の角度センサ、水平走査の角度センサによって計測する。   The direction in which the laser is emitted in the biaxial scanning direction is measured by an angle sensor for vertical scanning and an angle sensor for horizontal scanning.

レーザが発射された方向の角度センサの情報と、その方向の距離情報を組み合わせることで、走査型距離計測装置周辺の3次元形状が測定可能となる。   By combining the information of the angle sensor in the direction in which the laser is emitted and the distance information in that direction, the three-dimensional shape around the scanning distance measuring device can be measured.

次に回転軸の配置について説明する。レーザ出力部1のレーザ光の方向と同軸に水平走査回転軸9を配置する。また垂直走査回転軸7はレーザ出力部1のレーザ光の方向と直交し、更に、ポリゴンミラー3が回転するときに適切な方向にレーザ光が反射するように、レーザ光の軸からある一定の距離をおいて配置する。また垂直走査回転軸7はポリゴンミラー3の中心に配置する。   Next, the arrangement of the rotating shaft will be described. A horizontal scanning rotary shaft 9 is arranged coaxially with the direction of the laser beam of the laser output unit 1. The vertical scanning rotation axis 7 is orthogonal to the direction of the laser beam of the laser output unit 1, and further, when the polygon mirror 3 rotates, the laser beam is reflected in an appropriate direction so that the laser beam is reflected from a certain axis. Place them at a distance. The vertical scanning rotation shaft 7 is arranged at the center of the polygon mirror 3.

垂直走査ミラー土台上の垂直走査アクチュエータ6と角度センサに対して、アクチュエータを駆動するための電力供給、及び角度センサの情報の信号伝達については、水平走査回転軸9に配置するスリップリング12を利用して行う。これにより垂直走査ミラー土台を水平走査回転軸9回りに無限回転をすることが可能となる。   For the vertical scanning actuator 6 and the angle sensor on the vertical scanning mirror base, the slip ring 12 disposed on the horizontal scanning rotating shaft 9 is used for supplying power for driving the actuator and transmitting information of the angle sensor information. And do it. As a result, the vertical scanning mirror base can be rotated infinitely around the horizontal scanning rotation axis 9.

[実施例2]
図2は、本発明の実施例2の構成を示す概略図である。
[Example 2]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention.

図2を参照して、本発明の走査型距離計測装置の実施例2について説明する。   A second embodiment of the scanning distance measuring device of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例ではポリゴンミラー3を4の倍数の辺を持った正多角柱の柱形状としていることが特徴である。このようなポリゴンミラーは、ある辺となす角度が90度となる辺を必ず有する。図2ではポリゴンミラーを4角形としている。   This embodiment is characterized in that the polygon mirror 3 has a regular polygonal column shape having multiple sides of four. Such a polygon mirror always has a side whose angle to a side is 90 degrees. In FIG. 2, the polygon mirror has a quadrangular shape.

装置本体に固定されたレーザ出力部1より出力されたレーザの出力光2が、垂直走査アクチュエータ6によって垂直走査回転軸7で常時無限回転の駆動をされるポリゴンミラー3によって反射し測定対象4に向かって発射される。垂直走査アクチュエータ6には、角度センサが組み込まれている。   The laser output light 2 output from the laser output unit 1 fixed to the apparatus body is reflected by the polygon mirror 3 that is always driven to rotate infinitely by the vertical scanning rotation shaft 7 by the vertical scanning actuator 6, and is reflected on the measurement object 4. Fired towards. An angle sensor is incorporated in the vertical scanning actuator 6.

垂直走査アクチュエータ6とポリゴンミラー3から構成される垂直走査ミラー土台は、更に水平走査回転軸9回りに水平走査アクチュエータ8によって常時無限回転の駆動がなされ、垂直方向に走査されているレーザ光を水平方向に走査する。水平走査アクチュエータ8には、角度センサが組み込まれている。   The vertical scanning mirror base composed of the vertical scanning actuator 6 and the polygon mirror 3 is further driven infinitely by the horizontal scanning actuator 8 around the horizontal scanning rotation axis 9 to horizontally drive the laser beam scanned in the vertical direction. Scan in the direction. An angle sensor is incorporated in the horizontal scanning actuator 8.

出力光2が測定対象4で反射すると反射光5はポリゴンミラー3に戻り、ポリゴンミラー3でレーザ出力部1の反対方向へ反射し、装置本体に固定された受光センサ11で受光する。スリップリング12の利用は、実施例1と同様である。   When the output light 2 is reflected by the measurement object 4, the reflected light 5 returns to the polygon mirror 3, is reflected by the polygon mirror 3 in the direction opposite to the laser output unit 1, and is received by the light receiving sensor 11 fixed to the apparatus main body. The use of the slip ring 12 is the same as in the first embodiment.

ポリゴンミラー3を4の倍数の辺をもった多角柱形状とすることで、出力光2を反射したミラーと90度のなす角度にある辺が存在する。その辺のミラーによって反射光5をレーザ出力部と反対方向に反射することができるため、ハーフミラーによる出力光と反射光の干渉の問題を回避することが可能となる。   By making the polygon mirror 3 into a polygonal column shape having sides that are multiples of 4, there are sides at an angle of 90 degrees with the mirror that reflected the output light 2. Since the reflected light 5 can be reflected in the opposite direction to the laser output unit by the mirror on the side, it is possible to avoid the problem of interference between the output light and the reflected light by the half mirror.

[実施例3]
図3は、本発明の実施例3の構成を示す概略図である。
[Example 3]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the third embodiment of the present invention.

図3を参照して、本発明の走査型距離計測装置の実施例3について説明する。   A third embodiment of the scanning distance measuring device of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例では垂直走査をポリゴンミラーではなく、無限回転するアクチュエータにリンク機構で接続された揺動する平面ミラー(以下、単に「ミラー」ともいう)により垂直走査を実現することが特徴である。   The present embodiment is characterized in that vertical scanning is realized not by a polygon mirror but by a swinging plane mirror (hereinafter also simply referred to as “mirror”) connected to an infinitely rotating actuator by a link mechanism.

垂直走査アクチュエータ23によって垂直走査アクチュエータ回転軸24で常時無限回転の駆動されるリンクは、垂直走査揺動リンク機構25に接続され、更にそのリンクの短点が平面の垂直走査ミラー21の短点に接続される。垂直走査ミラー21は、垂直走査揺動軸22回りに揺動される構造としている。垂直走査アクチュエータ23には、角度センサが組み込まれている。   The link that is always driven to rotate indefinitely by the vertical scanning actuator rotating shaft 24 by the vertical scanning actuator 23 is connected to the vertical scanning oscillating link mechanism 25, and the short point of the link becomes the short point of the vertical vertical scanning mirror 21. Connected. The vertical scanning mirror 21 is configured to be swung around the vertical scanning rocking shaft 22. An angle sensor is incorporated in the vertical scanning actuator 23.

装置本体に固定されたレーザ出力部1より出力されたレーザの出力光2は垂直走査ミラー21によって反射し測定対象に向かって発射される。出力光2が測定対象で反射すると反射光5は垂直走査ミラー21に戻り、垂直走査ミラー21でレーザ出力部1の方向へ反射し、更に装置本体に固定されたハーフミラー12で反射して同じく装置本体に固定された受光センサ11で受光する。   The laser output light 2 output from the laser output unit 1 fixed to the apparatus main body is reflected by the vertical scanning mirror 21 and emitted toward the measurement target. When the output light 2 is reflected by the object to be measured, the reflected light 5 returns to the vertical scanning mirror 21, is reflected by the vertical scanning mirror 21 in the direction of the laser output unit 1, and is further reflected by the half mirror 12 fixed to the apparatus main body. Light is received by a light receiving sensor 11 fixed to the apparatus main body.

垂直走査アクチュエータ23と垂直走査ミラー21と垂直走査揺動リンク機構25から構成される垂直走査ミラー土台は、更に、図示されていないが実施例1と同様に水平走査回転軸回りに水平走査アクチュエータによって常時無限回転の駆動がなされ、垂直方向に走査されているレーザ光を水平方向に走査する。水平走査アクチュエータには、角度センサが組み込まれている。   Although not shown, the vertical scanning mirror base composed of the vertical scanning actuator 23, the vertical scanning mirror 21, and the vertical scanning oscillating link mechanism 25 is further moved by the horizontal scanning actuator around the horizontal scanning rotation axis as in the first embodiment. Infinite rotation is always performed, and the laser beam scanned in the vertical direction is scanned in the horizontal direction. An angle sensor is incorporated in the horizontal scanning actuator.

垂直走査揺動軸22はレーザ出力部1から出力されるレーザ光の方向と直交するように配置する。   The vertical scanning rocking shaft 22 is disposed so as to be orthogonal to the direction of the laser beam output from the laser output unit 1.

本構成によりレーザ光の垂直走査は往復運動となる。垂直走査ミラー21はリンク機構により揺動されるため構造が複雑になるが、垂直走査アクチュエータ23自体は単純な無限回転をするのみであり、制御は簡便である。   With this configuration, the vertical scanning of the laser beam is a reciprocating motion. Since the vertical scanning mirror 21 is oscillated by the link mechanism, the structure is complicated. However, the vertical scanning actuator 23 itself performs simple infinite rotation, and the control is simple.

また、ポリゴンミラーを用いずに平面ミラーを用いており、中実体のポリゴンミラーよりも軽量であり、揺動軸回りの慣性モーメントも小さい。このため、平面ミラーを揺動させても駆動制御が容易である。   In addition, a plane mirror is used instead of a polygon mirror, which is lighter than a solid polygon mirror and has a small moment of inertia around the swing axis. For this reason, drive control is easy even if the plane mirror is swung.

[実施例4]
図4は、本発明の実施例4の構成を示す概略図である。
[Example 4]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the present invention.

図4を参照して、本発明の走査型距離計測装置の実施例4について説明する。   A fourth embodiment of the scanning distance measuring device according to the present invention will be described with reference to FIG.

実施例3と同様に揺動する平面ミラーを用いる。   Similar to the third embodiment, a swinging plane mirror is used.

本実施例では無限回転するアクチュエータにリンク機構で接続されて揺動する平面ミラーは、一対のミラーである。ミラー2台により垂直走査を実現することが特徴である。   In this embodiment, the plane mirror that is connected to the infinitely rotating actuator by a link mechanism and swings is a pair of mirrors. A feature is that vertical scanning is realized by two mirrors.

ミラーの一方は、レーザの出力光2を反射して測定対象へ向ける垂直走査出力ミラーで単に「出力ミラー」といい、他方は、測定対象からの反射光5を受ける垂直走査入力ミラーで単に「入力ミラー」という。   One of the mirrors is a vertical scanning output mirror that reflects the output light 2 of the laser and directs it toward the measurement object, and is simply called an “output mirror”, and the other is a vertical scanning input mirror that receives the reflected light 5 from the measurement object. This is called “input mirror”.

垂直走査アクチュエータ・駆動伝達機構51は、駆動伝達機構を有する垂直走査アクチュエータである。これによって、出力ミラーリンク機構回転軸33で出力ミラー揺動リンク機構34が、入力ミラーリンク機構回転軸43で入力ミラー走査揺動リンク機構44が、それぞれ常時無限回転の駆動の入力を受ける。垂直走査アクチュエータ・駆動伝達機構51には、角度センサが組み込まれている。   The vertical scanning actuator / drive transmission mechanism 51 is a vertical scanning actuator having a drive transmission mechanism. As a result, the output mirror rocking link mechanism 34 receives the output mirror link mechanism rotating shaft 33 and the input mirror link rocking link mechanism 44 receives the input of the infinite rotation driving at all times. An angle sensor is incorporated in the vertical scanning actuator / drive transmission mechanism 51.

出力ミラー揺動リンク機構34のリンクの短点は出力ミラー31の短点と接続される。また、入力ミラー揺動リンク機構44のリンクの短点は入力ミラー41の短点と接続される。これにより、出力ミラー31は出力ミラー揺動軸32回りに揺動し、入力ミラー41は入力ミラー揺動軸42回りに揺動される。出力ミラー31と入力ミラー41の互いのミラーの面のなす角度は直交するように制御する。   The short point of the link of the output mirror swing link mechanism 34 is connected to the short point of the output mirror 31. The short point of the link of the input mirror swing link mechanism 44 is connected to the short point of the input mirror 41. As a result, the output mirror 31 swings around the output mirror swing shaft 32, and the input mirror 41 swings around the input mirror swing shaft 42. The angle formed by the mirror surfaces of the output mirror 31 and the input mirror 41 is controlled to be orthogonal.

装置本体に固定されたレーザの出力光2は、垂直走査出力ミラー31によって反射し測定対象に向かって発射される。そして測定対象で反射した反射光は入力ミラー41によってレーザ出力部1とは反対方向に反射され、装置本体に固定された受光センサ11によって受光される。   The laser output light 2 fixed to the apparatus main body is reflected by the vertical scanning output mirror 31 and emitted toward the measurement target. The reflected light reflected by the measurement target is reflected by the input mirror 41 in the direction opposite to the laser output unit 1 and received by the light receiving sensor 11 fixed to the apparatus main body.

垂直走査アクチュエータ・駆動伝達機構51と、出力ミラー31と、入力ミラー41と、出力ミラー揺動リンク機構34と、入力ミラー揺動リンク機構44から垂直走査ミラー土台は構成される。この垂直走査ミラー土台は、更に実施例3と同様に水平走査回転軸回りに水平走査アクチュエータによって常時無限回転の駆動がなされ、垂直方向に走査されているレーザ光を水平方向に走査する。水平走査アクチュエータには、角度センサが組み込まれている。   The vertical scanning mirror base is composed of the vertical scanning actuator / drive transmission mechanism 51, the output mirror 31, the input mirror 41, the output mirror swing link mechanism 34, and the input mirror swing link mechanism 44. As in the third embodiment, the vertical scanning mirror base is always driven by an infinite rotation around the horizontal scanning rotation axis by a horizontal scanning actuator, and scans the laser beam scanned in the vertical direction in the horizontal direction. An angle sensor is incorporated in the horizontal scanning actuator.

レーザ光の入出力を垂直走査するミラーを分け、出力ミラー31と入力ミラー41の互いのミラーの面なす角度は直交するように制御する。これにより、反射光5をレーザ出力部1と反対方向に反射することができるため、ハーフミラーによる出力光と反射光の干渉の問題を回避することが可能となる。   The mirror which vertically scans the input and output of the laser beam is divided, and the output mirror 31 and the input mirror 41 are controlled so that the angles formed by the mirror surfaces are orthogonal to each other. Thereby, since the reflected light 5 can be reflected in the opposite direction to the laser output unit 1, it is possible to avoid the problem of interference between the output light and the reflected light by the half mirror.

次に、実施例1,2においてレーザ光の軌跡について説明する。   Next, in Examples 1 and 2, the locus of laser light will be described.

本発明の実施例1,2におけるレーザの軌跡を示す概念図である。   It is a conceptual diagram which shows the locus | trajectory of the laser in Example 1, 2 of this invention.

水平走査1回に対して、垂直走査のアクチュエータが高速で何倍の回数の走査ができない場合には水平走査と垂直走査の位相をずらす。これにより水平走査を何回かすることで、垂直走査の密度を増やすことができる。図5の例では、水平走査1回に対して垂直走査を4.75回実行する例である。この場合、水平走査を4回行うことで垂直走査をする軌跡の位相を少しずつずらして、密度の高い計測をすることが可能となる。実施例3,4では、レーザの軌跡が垂直方向について往復する軌跡となる。これらの実施例でも水平走査と垂直走査の位相をずらすことで密度の高い計測をすることが可能となる。   When the actuator for vertical scanning cannot perform scanning at high speed many times with respect to one horizontal scanning, the phases of horizontal scanning and vertical scanning are shifted. Thus, the density of vertical scanning can be increased by performing horizontal scanning several times. In the example of FIG. 5, vertical scanning is executed 4.75 times for one horizontal scanning. In this case, by performing horizontal scanning four times, the phase of the trajectory for vertical scanning is shifted little by little, and high density measurement can be performed. In Examples 3 and 4, the laser trajectory is a trajectory reciprocating in the vertical direction. Even in these embodiments, it is possible to measure with high density by shifting the phases of horizontal scanning and vertical scanning.

本発明の走査型距離計測装置は、移動ロボットや自動車に搭載することで障害物を検出するための用途に適用できる。また、本発明の装置は、遠隔操作をするロボットにおいてロボットの周辺環境を計測して操作者にその情報を伝達することで、遠隔操作をより確実に実行可能にするための用途に適用できる。更に、本発明の装置は自律的に移動するロボットの周辺の環境を計測し、ロボットの自己位置を推定するための用途に適用できる。   The scanning distance measuring device of the present invention can be applied to an application for detecting an obstacle by being mounted on a mobile robot or an automobile. In addition, the apparatus of the present invention can be applied to an application for enabling the remote operation more reliably by measuring the surrounding environment of the robot and transmitting the information to the operator in the remote operation robot. Furthermore, the apparatus of the present invention can be applied to an application for measuring the environment around the autonomously moving robot and estimating the robot's own position.

本発明の実施例1の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の構成を示す概略図Schematic which shows the structure of Example 4 of this invention. 本発明の実施例1,2におけるレーザの軌跡を示す概念図The conceptual diagram which shows the locus | trajectory of the laser in Example 1, 2 of this invention. 特許文献1に記載されている光ビームスキャン機構の概略図Schematic of the light beam scanning mechanism described in Patent Document 1

符号の説明Explanation of symbols

1…レーザ出力部
2…出力光
3…ポリゴンミラー
4…測定対象
5…反射光
6…垂直走査アクチュエータ
7…垂直走査回転軸
8…水平走査アクチュエータ
9…水平走査回転軸
10…ハーフミラー
11…受光センサ
12…スリップリング
21…垂直走査ミラー
22…垂直走査揺動軸
23…垂直走査アクチュエータ
24…垂直走査アクチュエータ回転軸
25…垂直走査揺動リンク機構
31…出力ミラー
32…出力ミラー揺動軸
33…出力ミラーリンク機構回転軸
34…出力ミラー揺動リンク機構
41…入力ミラー
42…入力ミラー揺動軸
43…入力ミラーリンク機構回転軸
44…入力ミラー揺動リンク機構
51…垂直走査アクチュエータ・駆動伝達機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser output part 2 ... Output light 3 ... Polygon mirror 4 ... Measurement object 5 ... Reflected light 6 ... Vertical scanning actuator 7 ... Vertical scanning rotating shaft 8 ... Horizontal scanning actuator 9 ... Horizontal scanning rotating shaft 10 ... Half mirror 11 ... Light reception Sensor 12 ... Slip ring 21 ... Vertical scanning mirror 22 ... Vertical scanning oscillating shaft 23 ... Vertical scanning actuator 24 ... Vertical scanning actuator rotating shaft 25 ... Vertical scanning oscillating link mechanism 31 ... Output mirror 32 ... Output mirror oscillating shaft 33 ... Output mirror link mechanism rotating shaft 34 ... Output mirror swing link mechanism 41 ... Input mirror 42 ... Input mirror swing shaft 43 ... Input mirror link mechanism rotary shaft 44 ... Input mirror swing link mechanism 51 ... Vertical scanning actuator / drive transmission mechanism

Claims (12)

レーザ出力部より出力されたレーザ光を、走査機構により第1の方向と前記第1の方向と直交する第2の方向に2次元に走査して発信し、測定対象で反射されたレーザ光を受信する走査型距離計測装置であって、
前記走査機構において、前記レーザ光は、前記ポリゴンミラーを第1の走査アクチュエータによって第1の走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第1の方向に走査され、前記第1の走査アクチュエータと前記ポリゴンミラーから構成される走査ミラー土台を、第2の走査アクチュエータによって前記第1の走査回転軸と直交する第2の走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第2の方向に走査されることを特徴とする走査型距離計測装置。
The laser beam output from the laser output unit is scanned and transmitted two-dimensionally in a first direction and a second direction orthogonal to the first direction by a scanning mechanism, and the laser beam reflected by the measurement target is transmitted. A scanning distance measuring device for receiving,
In the scanning mechanism, the laser beam is scanned in the first direction by driving the polygon mirror at an infinite rotation around the first scanning rotation axis by the first scanning actuator. The scanning mirror base composed of the actuator and the polygon mirror is driven by infinite rotation around the second scanning rotation axis that is orthogonal to the first scanning rotation axis by the second scanning actuator. A scanning distance measuring device that is scanned in a direction.
前記測定対象で反射されたレーザ光は、前記ポリゴンミラーに戻りレーザ出力部側に反射され、更に前記レーザ出力部と前記ポリゴンミラーの間で設置されハーフミラーによって受光センサの方向に反射して、受光センサに到達する光路を構成することを特徴とする請求項1に記載の走査型距離計測装置。   The laser beam reflected by the measurement object returns to the polygon mirror and is reflected to the laser output unit side, and is further reflected between the laser output unit and the polygon mirror in the direction of the light receiving sensor by a half mirror. The scanning distance measuring device according to claim 1, wherein an optical path reaching the light receiving sensor is configured. レーザ光を走査する方向を、第1の走査回転軸回りの角度センサ及び第2の走査回転軸回りの角度センサによって計測することを特徴とする請求項1又は2に記載の走査型距離計測装置。   3. The scanning distance measuring device according to claim 1, wherein the scanning direction of the laser beam is measured by an angle sensor around the first scanning rotation axis and an angle sensor around the second scanning rotation axis. . 前記第1の走査アクチュエータ及び前記第1の走査回転軸回りの角度センサに対して、駆動するための電力供給、情報の信号伝達は、第2の走査回転軸に配置するスリップリングにより行うことを特徴とする請求項3に記載の走査型距離計測装置。   The power supply for driving and the signal transmission of information to the first scanning actuator and the angle sensor around the first scanning rotation axis are performed by a slip ring arranged on the second scanning rotation axis. The scanning distance measuring device according to claim 3, wherein 前記ポリゴンミラーは、4の倍数の辺を持つ多角柱形状とすることを特徴とする請求項1に記載の走査型距離計測装置。   The scanning distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the polygon mirror has a polygonal column shape having sides that are multiples of four. 前記測定対象で反射されたレーザ光は、前記ポリゴンミラーに戻り、前記レーザ出力部と反対側に設置された受光センサの方向に反射して、反射光が受光センサに到達する光路を構成することを特徴とする請求項5に記載の走査型距離計測装置。   The laser beam reflected by the measurement object returns to the polygon mirror, reflects in the direction of the light receiving sensor installed on the opposite side of the laser output unit, and constitutes an optical path through which the reflected light reaches the light receiving sensor. The scanning type distance measuring device according to claim 5. レーザ出力部より出力されたレーザ光を、走査機構により第1の方向と前記第1の方向と直交する第2の方向に2次元に走査して発信し、測定対象で反射されたレーザ光を受信する走査型距離計測装置であって、
前記走査機構において、前記レーザ光は、前記平面ミラーを第1の走査アクチュエータからの常時無限回転される動力を入力とする走査揺動リンク機構により走査揺動軸回りに揺動することにより第1の方向に走査され、前記第1の走査アクチュエータと前記平面ミラーと前記走査揺動リンク機構から構成される走査ミラー土台を、第2の走査アクチュエータによって前記走査揺動軸と直交する走査回転軸回りに常時無限回転の駆動をすることにより第2の方向に走査されることを特徴とする走査型距離計測装置。
The laser beam output from the laser output unit is scanned and transmitted two-dimensionally in a first direction and a second direction orthogonal to the first direction by a scanning mechanism, and the laser beam reflected by the measurement target is transmitted. A scanning distance measuring device for receiving,
In the scanning mechanism, the laser beam is first swung around a scanning rocking shaft by a scanning rocking link mechanism that receives power that is constantly rotated infinitely from the first scanning actuator. And a scanning mirror base composed of the first scanning actuator, the plane mirror, and the scanning oscillating link mechanism around the scanning rotation axis perpendicular to the scanning oscillating axis by the second scanning actuator. The scanning type distance measuring device is characterized in that it is scanned in the second direction by always driving infinite rotation.
前記測定対象で反射されたレーザ光は、前記平面ミラーに戻り前記レーザ出力部側に反射し、更に前記レーザ出力部と前記平面ミラーの間に設置されたハーフミラーによって受光センサの方向に反射して、反射光が受光センサに到達する光路を構成することを特徴とする請求項7に記載の走査型距離計測装置。   The laser beam reflected by the measurement object returns to the plane mirror and reflects to the laser output unit side, and further reflects in the direction of the light receiving sensor by a half mirror installed between the laser output unit and the plane mirror. The scanning distance measuring device according to claim 7, wherein an optical path through which the reflected light reaches the light receiving sensor is formed. 前記平面ミラーは、一対のミラーであって、前記一対のミラーを第1の走査アクチュエータからの常時無限回転される動力を入力とする走査揺動リンク機構により走査揺動軸回りにその面が直角をなすように揺動されることを特徴とする請求項7に記載の走査型距離計測装置。   The plane mirrors are a pair of mirrors, and the surfaces of the pair of mirrors are perpendicular to the scanning rocking axis by a scanning rocking link mechanism that receives power that is constantly rotated infinitely from the first scanning actuator. The scanning distance measuring device according to claim 7, wherein the scanning distance measuring device is swung so as to form 前記測定対象で反射されたレーザ光は、前記一対のミラーに戻り、前記レーザ出力部と反対側に設置された受光センサの方向に反射して、反射光が受光センサに到達する光路を構成することを特徴とする請求項9に記載の走査型距離計測装置。   The laser light reflected by the measurement object returns to the pair of mirrors, reflects in the direction of the light receiving sensor installed on the opposite side to the laser output unit, and constitutes an optical path through which the reflected light reaches the light receiving sensor. The scanning distance measuring device according to claim 9. 請求項1ないし10のいずれかに記載の走査型距離計測装置を搭載したことを特徴とする移動ロボット。   A mobile robot comprising the scanning distance measuring device according to claim 1. 請求項1ないし10のいずれかに記載の走査型距離計測装置を搭載したことを特徴とする自動車。   An automobile equipped with the scanning distance measuring device according to any one of claims 1 to 10.
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