JP4127579B2

JP4127579B2 - Light wave distance meter

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Publication number: JP4127579B2
Application number: JP36485398A
Authority: JP
Inventors: 繁坂本; 重幸中村; 重樹仲瀬; 登文富田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP2000186928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光とその反射を用いて被測定物体の有無及び被測定物体までの距離を検出する光波距離計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば無人搬送車に搭載する距離センサシステムとして、外部に出射される照射光を発生させるレーザや発光ダイオードなどを用いた投光器と、被測定物体からの反射光を検出するフォトダイオードなどを用いた受光器とを有して構成されて、受光の有無によって検出方向における被測定物体の有無を、また、照射光と反射光との時間差・位相差などから被測定物体までの距離を検出する光波距離計が知られている。
【０００３】
このとき、照射光は所定の検出光軸に沿って出射されるのに対し、反射光は検出光軸上にある被測定物体の検出点からある程度の角度範囲に対して広がって反射されるので、反射光を受光器に効率良く取り込むために受光レンズが設置される。このような光波距離計としては、例えば特開平１０−１０２３３号に示されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
距離計においては、例えば数十ｃｍから１００ｍ以上までの広い測定距離の範囲に対してその距離検出の精度を一定以上に保つことが、実用上重要である。
【０００５】
しかしながら、上記したような光学式の距離計においては、受光器によって検出される反射光の光量（受光光量）は、被測定物体までの距離によって大きく変化する。この変化は、通常のレンズ系においては、被測定物体がある検出点からみた受光レンズの立体角等に主に依存する。したがって、受光光量はおよそ被測定物体までの距離の二乗に反比例し、例えば、測定距離が１００ｍの場合、測定距離が１ｍの場合と比較して受光光量は１／１００００程度となる。この場合、検出可能な測定距離範囲を充分に広くして、上記のように広い光量レンジで変化する受光光量範囲の全体について距離検出を行おうとすると、測定距離が大きくなるとともに受光光量が急激に減少して、その距離検出の精度が低下する。
【０００６】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、広い測定距離範囲について安定した距離検出精度を有する光波距離計を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光波距離計は、ハウジング内部に投光器と受光器とを備え、投光器からの照射光をハウジング外部に所定の検出光軸に沿って出射し、検出光軸上の被測定物体からの反射光を受光レンズを通して受光器に入射して、被測定物体の有無及び被測定物体までの測定距離を検出する光波距離計において、投光器、受光器及び受光レンズは、それぞれ検出光軸を中心軸として同軸に配置され、受光レンズのそれぞれのレンズ部位が、検出光軸側から外側に向かって順次、検出光軸上にある照射光の投光される領域、測定距離に関する近距離検出用レンズ部位、及び遠距離検出用レンズ部位となるように受光レンズが形成され配置され、領域と近距離検出用レンズ部位との間、及び近距離検出用レンズ部位と遠距離検出用レンズ部位との間におけるハウジングの内側の面が、連続的な曲面として形成され、近距離検出用レンズ部位及び遠距離検出用レンズ部位は、共に反射光を受光器に集光させるように形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この光波距離計においては、光学系は、各光学要素が検出光軸上に配置された同軸系としている。光波距離計としては、例えば上記した特開平１０−１０２３３号に示された装置のように反射光の受光光学系の光軸を投光光学系の光軸とは異なるものとして、投光光学系と受光光学系とを別個に設置するものがある。しかし、そのような装置においては、特に受光光学系について、集光された反射光のスポットが大きくなるとともに、測定距離によって反射光の入射条件が変化するためにスポットの中心位置が受光器の受光面上を移動してしまう。そのため、測定距離範囲を広くするためには、フォトダイオードなどの受光素子として大面積のものを用いる必要がある。しかしながら、受光素子を大面積化した場合には素子の高速応答が困難となり、また受光の時間分解能が低下し、それによって距離分解能が低下してしまう。
【０００９】
これに対して、本距離計のように投光光学系及び受光光学系を同軸光学系とすることによって、集光後の反射光のスポットをより小さくするとともに測定距離によるスポットの中心位置の移動を無くすことができる。したがって、同軸光学系を用いた本距離計においては、受光器の受光面積を小さくすることによって高速応答を実現し、かつ距離分解能を向上させることができる。
【００１０】
ここで、光波距離計から検出点Ｐにある被測定物体までの距離である測定距離をｄとし、一方、受光レンズの各部位について、レンズの中心軸である検出光軸からの位置（検出光軸からの距離）がｘであるレンズ部位をＱとしたとき、検出点Ｐからレンズ部位Ｑに入射する反射光の入射角度は測定距離ｄによって変化する。したがって、受光器による受光光量の変化については、同軸光学系を採用した場合、上記した受光器における受光面積等の設定と、受光レンズにおける各レンズ部位Ｑの形状・焦点距離等の設定によって、測定距離ｄのそれぞれの検出点Ｐからの反射光に対して、受光器による受光光量に寄与するレンズ部位Ｑの位置ｘの範囲をそれぞれ調整・設定し、これによって各検出点Ｐに対する受光光量、及び受光光量の測定距離ｄによる変化を制御することが可能となる。
【００１１】
本発明による光波距離計においては、この受光レンズに関して、検出点Ｐまでの測定距離ｄが大きくなるにしたがって、検出点Ｐからの反射光を受光器の受光面内に集光させるレンズ部位Ｑの検出光軸からの位置ｘが大きくなるように受光レンズを形成・配置する。このようにそれぞれの検出点Ｐとレンズ部位Ｑとを対応させた構成とすることによって、受光器に集光されて距離検出に用いられる受光光量を調整・設定し、特に、受光光量の測定距離による変化を抑制して、広い測定距離範囲に対して安定した距離検出精度を有する光波距離計とすることができる。
【００１２】
上記した受光レンズの形状としては、例えば、一方の面を平面とし、他方の面を検出光軸に対して回転対称な所定の曲面として形成された非球面レンズから形成されたものを用いることができる。また、検出光軸を中心軸とした回転対称な曲面を有し、曲面は、検出光軸側から外側に向かって曲率が連続的に変化するように形成されたものを用いることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による光波距離計の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
図１は、本発明に係る光波距離計の一実施形態を、そのハウジングについて一部破断して示す斜視図である。本実施形態における光波距離計は、直方体形のハウジング３０内に各光学要素等が配置されて構成されている。また、この光波距離計は投光光学系と受光光学系とを同軸光学系としたものであり、すべての光学要素は、所定の検出光軸を中心軸として設置されている。以下、検出光軸に対して垂直で、検出対象である被測定物体と対面するハウジング３０の面をハウジング前面３１、反対側の面をハウジング後面３２とする。なお、ハウジング３０内の制御回路系や配線、各光学要素の支持機構、などについては、図示を省略する。
【００１５】
ハウジング３０内にある検出光軸上の所定の位置には、ハウジング前面３１側に向かって照射光を出射するように設置された、例えば半導体レーザなどの発光素子を含む投光器１０が、検出光軸と一致した光路１ａを投光光路として配置されている。投光器１０の前方には投光レンズ１１が設けられている。また、ハウジング前面３１には外部に向けて開放された矩形の開口部３１ａが形成されており、これによって、投光器１０から出射された照射光は、投光レンズ１１及び開口部３１ａを介して、投光光路１ａに沿った所定の検出方向に向けて投光される。
【００１６】
投光された照射光は、投光光路１ａ上にある被測定物体によって反射される。検出光軸上の、投光器１０に対してハウジング後面３２側にある所定の位置には、被測定物体からの反射光を検出するように設置された、例えばＰＩＮフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどの受光素子を含む受光器２０が配置されている。反射光は、被測定物体のある検出点から検出光軸を含む角度範囲に広がって反射され、そのうちハウジング前面３１に形成された開口部３１ａの範囲内に到達した反射光がハウジング３０の内部に入射される。なお、受光器２０の投光器１０からの配置の距離については、同軸光学系の場合には投光器１０の範囲が受光器２０による反射光の受光に寄与できない領域となることを考慮して、必要な測定距離範囲などから設定される。
【００１７】
ハウジング３０の開口部３１ａには、開口部３１ａの範囲を覆うように受光レンズ２１が設置されている。この受光レンズ２１は、後述するように所定の条件によって被測定物体からの反射光を受光器２０に集光するものであり、例えば、ハウジング３０に対して外側の面を平面とし、内側の面を検出光軸が対称軸である曲面とした非球面レンズを開口部３１ａの形状、図１においては矩形状、に切り出したものが用いられる。これによって、被測定物体によって反射された反射光は、図１中に受光光路１ｃによって例示されているように、開口部３１ａに設置された受光レンズ２１を介して受光器２０の受光面上に集光・入射されて検出される。
【００１８】
以上によって、投光器１０と受光器２０が同軸の検出光軸上に配置され、投光光学系と受光光学系とが同軸光学系である光波距離計が構成される。
【００１９】
また、投光器１０及び受光器２０の間には、ハウジング後面３２側に光を出射するように設置された発光素子を含む補助投光器１２が、検出光軸と一致した光路１ｂを補助投光光路として配置されている。この補助投光器１２は、投光器１０と同期して補助光を出射する。この補助光は受光器２０に直接入射し、これによって、投光器１０の投光タイミングまたは照射光の位相等が受光器２０によって検出され、距離検出に利用される。このように、受光器２０によって照射光に対応した補助光と反射光とを検出し、その時間差・位相差などを測定することによって被測定物体までの距離が求められる。
【００２０】
なお、投光器１０、補助投光器１２及び受光器２０の駆動制御、受光器２０からの受光信号の処理と距離の演算、等は、ハウジング３０内に設置された信号処理回路（図示していない）によって行われる。また、必要があれば、例えばハウジング後面３２などの所定の面に、信号処理回路と接続されたスイッチまたはコネクタ等を設けて、外部からの制御または外部へのデータの読み出し等を行う構成としても良い。
【００２１】
また、照射光についてのタイミングまたは位相等の検出については、上記の補助投光器１２を用いた方法以外によって行っても良い。例えば、投光器１０に半導体レーザを用いて、その照射光とは反対方向に出射される光成分を、補助投光器１２の位置に設置した補助受光器によって検出しても良い。また、信号処理回路からの投光器１０を駆動制御するための信号などを直接投光タイミング等として用いても良い。
【００２２】
本実施形態における受光レンズ２１の各レンズ部位の構成方法及びその機能について説明する。
【００２３】
従来の光波距離計においては、例えば平行光を一点に集光させるように球面収差が補正された非球面レンズを用いるような場合など、反射光のうち受光器の受光面内に集光されて検出される受光光量が、被測定物体がある検出点までの測定距離によって、例えば測定距離の二乗に反比例するなど大きく変化してしまうという問題があった。これに対して本発明に係る光波距離計においては、上記したように投光光学系と受光光学系とを同軸光学系として、集光される反射光のスポットサイズ及びその中心位置の移動を低減させるとともに、広い測定距離範囲にわたって受光光量の変化が抑制されるようにその受光レンズの各レンズ部位の形状・焦点距離等を構成して、安定した距離検出精度が得られる光波距離計を実現している。
【００２４】
なお、受光光量の変化による距離検出精度の変動・低下に対応する方法としては、受光信号を処理する回路系に設けられた信号増幅回路において、受光信号の増幅率を切り換えることも考えられる。しかし、例えば受光光量が１００００倍程度まで大きく変化する場合に広い測定距離範囲に対して安定した距離検出精度を確保するためには、その増幅率を複数段に切り換える必要があり、信号増幅回路、及びその切り換え制御用の回路など、回路系が複雑化するなどの問題を生じ、距離検出精度の劣化の原因ともなる。また、特に受光光量が小さい範囲においてその増幅率を非常に大きくしなくてはならない。これに対して、受光レンズの構成によって受光光量の変化を低減させる構成とすることによって、装置を複雑化せずに、距離検出精度の改善を実現することが可能となる。
【００２５】
図２は、本発明に係る光波距離計に用いられる受光レンズの構成及び機能について、その一例によって示す説明図である。受光レンズとしては、例えば、一方の面を検出光軸を対称軸（中心軸）とした回転対称な曲面とし、他方の面を平面として形成された非球面レンズが用いられる。その各部の曲率等は、以下に述べるように、各レンズ部位が検出光軸側から外側に向かって近距離検出用から遠距離検出用へと順次変化していくように形成・配置されて、これによって、測定距離による受光光量の変化が抑制された構成が実現される。
【００２６】
異なる測定距離ｄ₁〜ｄ₃に位置する検出点Ｐ₁〜Ｐ₃からの反射光について、例として検出光軸１に対してほぼ一定の角度によって反射された光を考える。このとき、それぞれの検出点Ｐ₁〜Ｐ₃からの反射光が受光レンズ２に入射されるレンズ部位Ｑ₁〜Ｑ₃の検出光軸１からの距離をｘ₁〜ｘ₃とすると、図２に示すように測定距離ｄが大きくなるにしたがって（ｄ₃＞ｄ₂＞ｄ₁）、距離ｘも大きくなる（ｘ₃＞ｘ₂＞ｘ₁）。
【００２７】
このとき、この受光レンズ２上の各レンズ部位Ｑ₁〜Ｑ₃におけるレンズ形状（レンズ面の曲率）及び焦点距離を、それぞれ図２に示した光路によって検出点Ｐ₁〜Ｐ₃からの反射光を受光器３に入射・集光させるように形成する。また、レンズ部位Ｑ₁〜Ｑ₃の間などの各部位についても、同様に検出点Ｐ₁〜Ｐ₃の間などの各検出点からの反射光が受光器３に入射・集光されるように、その曲率を連続的に変化させて受光レンズ２を形成する。このように構成することによって、各測定距離ｄに対して受光器に集光されて検出される受光光量を調整・設定し、特に、受光光量の測定距離ｄによる変化を抑制して、広い測定距離範囲に対して安定した距離検出精度を有する光波距離計を実現することができる。
【００２８】
図２に示したような、各検出点Ｐからの一定の入射角度を有する反射光成分を受光器３に集光する受光レンズ２の構成は、受光光量の測定距離による変化を抑制する構成の一例であって、各レンズ部位Ｑが検出光軸側から外側に向かって近距離検出用から遠距離検出用へと変化していく条件下において、様々な構成とすることが可能である。例えば、各検出点Ｐに対応して集光に用いられるレンズ部位Ｑの領域の実効的な面積などの変化をも考慮して受光レンズを設計することによって、さらに受光光量の変化を抑制する構成とすることが可能である。
【００２９】
また、例えば上記した条件の受光レンズを、連続的に形成された曲面を有する非球面レンズではなく、検出光軸側から外側に向かって段階的に近距離検出用から遠距離検出用へと変化するように同心円状に形成されたフレネルレンズを用いても良い。また、受光レンズの片面ではなく両面を曲面状に加工したレンズを用いても良い。
【００３０】
また、実際に光波距離計に適用する場合には、図１に示した装置のように、非球面レンズの所定の部分を例えば矩形状に切り出して用いられるので、このようなレンズの切り出し形状の効果をも考慮しつつ、受光レンズの各レンズ部位を設定することも可能である。
【００３１】
なお、特開平９−２１８７４号に、受光レンズにフレネルレンズを使用した光学式の距離計が示されている。このフレネルレンズは、それぞれ異なる焦点距離を有する円環状の短焦点部、中焦点部、長焦点部、を繰り返し循環して刃状に配置した循環焦点フレネルレンズであり、それら各部によってそれぞれ異なる入射角度の反射光を受光部に集光するものである。
【００３２】
しかしながら、上記の距離計は受光光学系が投光光学系と同軸ではなく、そのために、上記のような焦点が循環する構成としたものである。また、このような循環焦点型の受光レンズでは、連続的に焦点距離が変化するような曲面を形成することができないので、その構成がフレネルレンズに限定される。さらに、例えば上記のように３つの焦点に対応する部分の繰り返し構造とした場合、その３焦点に対応する入射角度の間の領域において充分な受光光量を確保しようとした場合、例えば受光器の受光面積を大きくする必要があり、高速応答ができないという問題を生じる。
【００３３】
これに対して、本発明による光波距離計は、集光される反射光のスポットの大きさ及び中心位置の移動を低減するために同軸光学系を採用し、さらに距離検出精度の低下を防ぐため、受光光量の変化を抑制するように受光レンズを形成し、配置する。このような構成においては、循環焦点型の受光レンズによっては受光光量の変化低減の効果を充分に得ることはできず、上記したように各レンズ部位が検出光軸側から外側に向かって近距離検出用から遠距離検出用へと変化するように形成・配置した受光レンズを採用することによって、受光光量の変化の低減を効果的に実現することができる。さらに、このような構成とすることによって、フレネルレンズのみでなく、連続的な曲面によって構成された非球面レンズなど、様々な形状のレンズを用いることが可能となる。
【００３４】
以下、具体的な非球面レンズのレンズ形状の実施例を示すとともに、本発明による光波距離計の効果を説明する。なお、非球面レンズの曲面の形状については、曲面の頂点（中心軸との交点）を含む平面からのずれであるサグｚによって指定する。サグｚは、各レンズ部位の検出光軸からの位置ｘを用いて、次の式、
【００３５】
【数１】

によって表される。ここで右辺の各項のうち第１項が球面項、第２項〜第５項が球面からのずれを示す非球面項である。また、ｃは頂点における曲率であって、曲率半径をｒとするとｃ＝１／ｒである。また、ｋは円錐定数（ｋ＝０が円に対応する）、ｃ₄〜ｃ₁₀は非球面係数である。
【００３６】
図３は、本発明による光波距離計に用いられる受光レンズの第１の実施例である。本実施例による受光レンズ２ａは、図３中の左側の面が平面、右側の面が非球面の曲面として形成されており、曲面については、曲率半径ｒ＝５０ｍｍの球面（したがって、ｋ＝０）に対して、ｃ₄＝−０．４８０×１０^-5／ｍｍ³、ｃ₆＝０．１０９×１０^-7／ｍｍ⁵、ｃ₈＝ｃ₁₀＝０、によって非球面項を与えて形成されている。また、例示されている光路については、受光レンズ２ａに対して左側に被測定物体の検出点、右側に検出点からの反射光が集光・検出される受光器３を配置して示してある。
【００３７】
この受光レンズ２ａに対して、受光器３の受光面を受光レンズ２ａの頂点を含む平面４（点線によって示してある）から１２０ｍｍの位置に配置し、受光される反射光の範囲を、平面４内においてφ２０ｍｍの範囲内（検出光軸１から距離１０ｍｍの範囲、図３中の外側の光路によって示されている）として設定した。この範囲に対して、平面４における各光路の検出光軸１からの位置ｘと検出点の測定距離ｄとの関係は、ｘ＝１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍに対して、それぞれおよそｄ＝３ｍ、３．５ｍ、４ｍ、４．５ｍ、５ｍ、１０ｍである。
【００３８】
図４は、本発明による光波距離計に用いられる受光レンズの第２の実施例である。本実施例による受光レンズ２ｂは、第１の実施例と同様に図４中の左側の面が平面、右側の面が非球面の曲面として形成されており、曲面については、曲率半径ｒ＝５０ｍｍの球面（したがって、ｋ＝０）に対して、ｃ₄＝−０．１３０６×１０^-5／ｍｍ³、ｃ₆＝−０．６１×１０^-9／ｍｍ⁵、ｃ₈＝ｃ₁₀＝０、によって非球面項を与えて形成されている。
【００３９】
これに対して、受光器３の受光面を受光レンズ２ｂの頂点を含む平面４から１２０ｍｍの位置に配置し、受光される反射光の範囲を、平面４内においてφ６０ｍｍの範囲内（検出光軸１から距離３０ｍｍの範囲、図４中の外側の光路によって示されている）として設定した。この範囲に対して、平面４における各光路の検出光軸１からの距離ｘと検出点の測定距離ｄとの関係は、ｘ＝１５ｍｍ、３０ｍｍに対して、それぞれおよそｄ＝２ｍ、４ｍである。
【００４０】
図５は、本発明による光波距離計に用いられる受光レンズの第３の実施例である。レンズを実際に光波距離計に適用する場合には、例えば上記した第１、第２の実施例に示したような特性を有する非球面レンズ、もしくは受光レンズを検出光軸からの距離などによって複数の領域に分割してそれぞれの領域を所定の非球面形状によって形成した非球面レンズなどを、矩形状または円形状などの所定の形状に切り出して用いる。図５に示された受光レンズは、図１に示した光波距離計に受光レンズ２１として適用される矩形状に切り出されたものであって、前面図、及び検出光軸１を含む平面でのＩ−Ｉ矢印断面図を示してある。
【００４１】
本実施例による受光レンズ２１は、図５中の断面図における下側の面がハウジング３０の外側に配置されて被測定物体からの反射光が入射される前面２２であって平面として形成され、一方、上側の面がハウジング３０の内側に配置される後面２３であって非球面の曲面として形成されている。
【００４２】
後面２３の曲面は、受光レンズ２１を検出光軸１からの距離ｘについてｘ＝０〜３．５ｍｍ（φ０〜７ｍｍ）までの第１領域２１１、ｘ＝３．５〜１０ｍｍ（φ７〜２０ｍｍ）までの第２領域２１２、ｘ＝１０ｍｍ〜（φ２０ｍｍ〜）の第３領域２１３に分割し、それぞれの領域２１１〜２１３を異なる係数等によって指定される曲面によって形成している。
【００４３】
これらの領域の境界面については、境界面２１ａ及び２１ｂによってそれぞれ示されているが、領域２１１〜２１３は、本実施例においては別個に形成されるのではなく、後面２３の曲面の形成条件のみを変えて一体に形成される。
【００４４】
領域２１１〜２１３のうち、第１領域２１１は、投光器１０の外径（φ７ｍｍ）に相当する領域であって、したがって受光に用いられない領域であり、また、照射光の投光のため平面に形成されている。
【００４５】
第２領域２１２の曲面については、曲率半径ｒ＝０．００００４、ｋ＝−２０３４６７８．６３７、ｃ₄＝０．５１２６８１×１０^-3／ｍｍ³、ｃ₆＝−０．１０９３５×１０^-4／ｍｍ⁵、ｃ₈＝０．１００３９５×１０^-6／ｍｍ⁷、ｃ₁₀＝−０．３３２４３３×１０^-9／ｍｍ⁹、によって曲面を与えて形成されている。また、第３領域２１３の曲面については、曲率半径ｒ＝５８．３２４２０、ｋ＝−２．２０５６７９、ｃ₄＝０．４３７４５８×１０^-3／ｍｍ³、ｃ₆＝ｃ₈＝ｃ₁₀＝０、によって曲面を与えて形成されている。
【００４６】
レンズを矩形に切り出す形状等については、図１に示したハウジング３０の開口部３１ａの形状が横９２ｍｍ、縦４１ｍｍであって、図５の前面図における受光レンズ２１の外周がこれに相当する。また、検出光軸１上の点である受光レンズ２１の中心位置Ｑ_cは、上記した矩形の中心位置から、右方に８ｍｍ、上方に１５ｍｍに位置されている。また、その厚さは、検出光軸１上においておよそ３０．３７ｍｍとして形成されている。
【００４７】
図５に示された、複数の領域を有する非球面レンズを矩形状に切り出して形成された受光レンズ２１を図１に示した光波距離計に適用し、その光波距離計によって受光光量の変化についての測定を行った。ここで、後面２３の頂点から受光器２０までの距離は１２０ｍｍに設定した。また、受光器の受光面の外径はφ０．４ｍｍである。
【００４８】
測定は、測定距離ｄが０．５ｍ〜２５ｍの範囲に対して行い、設定した測定距離ｄの検出点の位置に反射板を配置して、その反射板からの反射光を集光・検出した。得られた結果を図６に示す。ここで、横軸は測定距離、縦軸は受光器２０のフォトダイオード出力であって、受光光量に対応している。
【００４９】
測定を行った範囲のうちｄ＝１ｍが受光レンズ２１の位置ｘ＝１０ｍｍにほぼ対応し、ｄ＝０．５ｍ〜１ｍの範囲は受光レンズ２１の第２領域２１２が主に寄与している測定距離範囲、ｄ＝１ｍ〜２５ｍの範囲は第３領域２１３が主に寄与している測定距離範囲である。
【００５０】
得られた受光光量の測定結果のうち、測定距離ｄ＝６〜１０ｍの範囲において受光光量が最大となっている。この最大受光光量に対して、これよりも大きい測定距離範囲においては、受光光量はほとんど減少せず、安定した性能が実現されている。ｄ＝２５ｍ以上の範囲についても、測定結果は示されていないが、さらに距離検出に利用することが可能である。
【００５１】
一方、最大受光光量となる測定距離よりも小さい測定距離範囲においては、受光光量は少しずつ減少していくが、ほぼｄ＝０．５ｍ近くまで最大受光光量の１／１０程度以内の範囲で受光光量が得られている。なお、ｄ＝０．５ｍよりも小さい測定距離範囲においては、本実施例においては、投光器１０による受光できない領域の影響によって受光光量が減少する。
【００５２】
以上より、本実施例による光波距離計においては、測定が行われた測定距離ｄ＝０．５ｍ〜２５ｍの測定距離範囲、さらにはそれよりも大きい測定距離の範囲にわたって、受光光量の変化を１／１０以下に抑制して、安定した距離検出精度が得られる光波距離計が実現されている。
【００５３】
本発明による光波距離計は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ハウジングの開口部を円形等の矩形以外の形状に形成して、対応した形状に切り出された受光レンズを設置する構成としても良い。また、上記した実施形態においては投光器の前面側に投光レンズを設置しているが、対面する受光レンズの領域、例えば図５に示した受光レンズ２１においては投光器１０に対面して平面として形成されている第１領域２１１、を小型のレンズ状に形成することによって、受光レンズ２１が投光レンズの機能をも有する構成としても良い。
【００５４】
また、図５に示した受光レンズでは、分割された複数のレンズ領域によるレンズを一体に成形しているが、これらの領域のレンズを別々に形成した後に一体化することによって受光レンズを形成しても良い。
【００５５】
【発明の効果】
本発明による光波距離計は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、投光光学系及び受光光学系を、同一の検出光軸をそれぞれ投光光軸及び受光光軸とした同軸光学系として構成することによって、受光レンズによって受光器に集光される反射光のスポットサイズ及びその中心位置の移動を低減する。これによって、受光器の受光面積を小さくして、高速応答を実現する。
【００５６】
さらに受光レンズを、その中心軸である検出光軸から外側に向かって順次、近距離検出用、すなわち測定距離が小さい検出点からの反射光を受光器に集光するレンズ部位、から遠距離検出用、すなわち測定距離が大きい検出点からの反射光を受光器に集光するレンズ部位、となるように各レンズ部位の形状を形成して配置する。このように、検出点までの測定距離と、レンズ部位の検出光軸からの距離とを対応させて形成することによって、受光器に集光されて距離検出に用いられる受光光量を、その測定距離による変化が例えば１／１０程度以下に抑制されるように調整・設定することができる。以上によって、例えば数十ｃｍから１００ｍ以上までの広い測定距離範囲に対して、距離検出精度を向上するとともに安定した距離検出精度を有する光波距離計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光波距離計の一実施形態を一部破断して示す斜視図である。
【図２】本発明に係る光波距離計に用いられる受光レンズの構成及び機能を説明するための図である。
【図３】受光レンズの第１の実施例である。
【図４】受光レンズの第２の実施例である。
【図５】受光レンズの第３の実施例である。
【図６】本発明に係る光波距離計によって測定された受光光量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…検出光軸、１ａ…投光光路、１ｂ…補助投光光路、１ｃ…受光光路、２…受光レンズ、３…受光器、
１０…投光器、１１…投光レンズ、１２…補助投光器、２０…受光器、２１…受光レンズ、２２…前面、２３…後面、３０…ハウジング、３１…ハウジング前面、３１ａ…開口部、３２…ハウジング後面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lightwave rangefinder that detects the presence or absence of a measured object and the distance to the measured object using light and its reflection.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, as a distance sensor system mounted on an automated guided vehicle, a projector using a laser or a light emitting diode that generates irradiation light emitted to the outside and a photodiode that detects reflected light from an object to be measured are used. It detects the presence or absence of the object to be measured in the detection direction based on the presence or absence of light reception, and the distance to the object to be measured from the time difference or phase difference between the irradiated light and the reflected light. Lightwave rangefinders are known.
[0003]
At this time, the irradiation light is emitted along a predetermined detection optical axis, whereas the reflected light is reflected by being spread over a certain angle range from the detection point of the measured object on the detection optical axis. In order to efficiently take the reflected light into the light receiver, a light receiving lens is installed. An example of such a light wave distance meter is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-10233.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In a distance meter, it is practically important to maintain the distance detection accuracy at a certain level or more over a wide measurement distance range from, for example, several tens of cm to 100 m or more.
[0005]
However, in the optical distance meter as described above, the amount of reflected light detected by the light receiver (the amount of received light) varies greatly depending on the distance to the object to be measured. In a normal lens system, this change mainly depends on the solid angle of the light receiving lens viewed from a detection point where the object to be measured is located. Therefore, the amount of received light is approximately inversely proportional to the square of the distance to the object to be measured. For example, when the measurement distance is 100 m, the amount of received light is about 1/10000 compared to when the measurement distance is 1 m. In this case, if the detectable distance range is made sufficiently wide and distance detection is performed for the entire received light amount range that changes in the wide light amount range as described above, the measured distance increases and the received light amount suddenly increases. As a result, the accuracy of distance detection decreases.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a lightwave distance meter having stable distance detection accuracy over a wide measurement distance range.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the optical distance meter according to the present invention includes a projector and a light receiver inside the housing, and emits irradiation light from the projector along the predetermined detection optical axis to the outside of the housing for detection. Receives light reflected from the object to be measured on the optical axis. Through In the optical wave distance meter that enters the light receiver and detects the presence / absence of the object to be measured and the measurement distance to the object to be measured, the projector, the light receiver, and the light receiving lens are arranged coaxially with the detection optical axis as the center axis, Each lens part of the light receiving lens is sequentially moved outward from the detection optical axis side, The area where the irradiated light is projected on the detection optical axis, Measurement distance Do Lens part for short distance detection ,as well as A light receiving lens is formed and arranged to be a lens part for long distance detection, The inner surface of the housing between the region and the short distance detection lens part and between the short distance detection lens part and the long distance detection lens part is formed as a continuous curved surface, Both the short-distance detection lens part and the long-distance detection lens part are formed so as to collect the reflected light on the light receiver.
[0008]
In this optical distance meter, the optical system is a coaxial system in which each optical element is arranged on the detection optical axis. As a light wave distance meter, for example, the optical axis of the light receiving optical system of reflected light is different from the optical axis of the light projecting optical system as in the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-10233 described above. And a light receiving optical system are provided separately. However, in such a device, particularly in the light receiving optical system, the spot of the collected reflected light becomes large, and the incident condition of the reflected light changes depending on the measurement distance, so that the center position of the spot is received by the light receiver. It moves on the surface. Therefore, in order to widen the measurement distance range, it is necessary to use a large-area light receiving element such as a photodiode. However, when the area of the light receiving element is increased, it is difficult to achieve a high-speed response of the element, and the time resolution of light reception is reduced, thereby reducing the distance resolution.
[0009]
On the other hand, by using a coaxial optical system for the light projecting optical system and the light receiving optical system as in this rangefinder, the spot of the reflected light after condensing is made smaller and the center position of the spot is moved by the measurement distance. Can be eliminated. Therefore, in this distance meter using a coaxial optical system, a high-speed response can be realized and the distance resolution can be improved by reducing the light receiving area of the light receiver.
[0010]
Here, the measurement distance, which is the distance from the light wave distance meter to the object to be measured at the detection point P, is defined as d. On the other hand, for each part of the light receiving lens, the position (detection light) from the detection optical axis that is the central axis of the lens. When the lens part whose distance from the axis is x is Q, the incident angle of the reflected light incident on the lens part Q from the detection point P varies with the measurement distance d. Therefore, when the coaxial optical system is employed, the change in the amount of light received by the light receiver is measured by setting the light receiving area and the like in the light receiver and the shape and focal length of each lens part Q in the light receiving lens. The range of the position x of the lens part Q that contributes to the amount of light received by the light receiver is adjusted and set with respect to the reflected light from each detection point P at the distance d, whereby the amount of received light at each detection point P, and It is possible to control a change in the amount of received light depending on the measurement distance d.
[0011]
In the light wave distance meter according to the present invention, with respect to this light receiving lens, as the measurement distance d to the detection point P increases, the lens portion Q that condenses the reflected light from the detection point P within the light receiving surface of the light receiver. The light receiving lens is formed and arranged so that the position x from the detection optical axis becomes large. In this way, by configuring each detection point P and the lens part Q to correspond to each other, the amount of received light that is focused on the light receiver and used for distance detection is adjusted and set. Thus, a light wave rangefinder having stable distance detection accuracy over a wide measurement distance range can be obtained.
[0012]
As the shape of the above-described light receiving lens, for example, a lens formed from an aspherical lens having one surface as a flat surface and the other surface as a predetermined curved surface that is rotationally symmetric with respect to the detection optical axis is used. it can. It is also possible to use a curved surface that is rotationally symmetric with the detection optical axis as the central axis, and the curved surface is formed such that the curvature continuously changes from the detection optical axis side to the outside.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the optical distance meter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0014]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a lightwave distance meter according to the present invention, with a part of the housing broken away. The light wave distance meter in the present embodiment is configured by arranging each optical element and the like in a rectangular parallelepiped housing 30. Further, this light wave distance meter is a coaxial optical system made up of a light projecting optical system and a light receiving optical system, and all the optical elements are installed with a predetermined detection optical axis as a central axis. Hereinafter, the surface of the housing 30 that is perpendicular to the detection optical axis and faces the object to be measured that is the detection target will be referred to as a housing front surface 31, and the opposite surface as a housing rear surface 32. In addition, illustration is abbreviate | omitted about the control circuit system in the housing 30, wiring, the support mechanism of each optical element, etc.
[0015]
At a predetermined position on the detection optical axis in the housing 30, a projector 10 including a light emitting element such as a semiconductor laser, which is installed so as to emit irradiation light toward the front surface 31 of the housing, has a detection optical axis. The optical path 1a that coincides with is disposed as a light projecting optical path. A projector lens 11 is provided in front of the projector 10. In addition, a rectangular opening 31a that is open to the outside is formed on the front surface 31 of the housing, whereby irradiation light emitted from the projector 10 is transmitted through the projection lens 11 and the opening 31a. Light is projected toward a predetermined detection direction along the light projecting light path 1a.
[0016]
The projected irradiation light is reflected by the measured object on the light projecting optical path 1a. A light receiving device such as a PIN photodiode or an avalanche photodiode, which is installed at a predetermined position on the detection optical axis on the housing rear surface 32 side with respect to the projector 10 so as to detect reflected light from the object to be measured. A light receiver 20 including an element is disposed. The reflected light is reflected from the detection point of the object to be measured while being spread over an angular range including the detection optical axis, and the reflected light that has reached the range of the opening 31 a formed in the front surface 31 of the housing enters the inside of the housing 30. Incident. The distance of the arrangement of the light receiver 20 from the projector 10 is necessary in consideration of the fact that the range of the projector 10 is an area that cannot contribute to the reception of reflected light by the light receiver 20 in the case of a coaxial optical system. It is set from the measurement distance range.
[0017]
The light receiving lens 21 is installed in the opening 31a of the housing 30 so as to cover the range of the opening 31a. As will be described later, the light receiving lens 21 condenses the reflected light from the object to be measured on the light receiver 20 under a predetermined condition. For example, the outer surface of the housing 30 is a flat surface and the inner surface is the inner surface. An aspherical lens having a curved surface whose detection optical axis is a symmetric axis is cut into the shape of the opening 31a, which is rectangular in FIG. As a result, the reflected light reflected by the object to be measured is incident on the light receiving surface of the light receiver 20 via the light receiving lens 21 installed in the opening 31a, as illustrated by the light receiving optical path 1c in FIG. It is detected after being focused and incident.
[0018]
As described above, the light projector 10 and the light receiver 20 are arranged on the coaxial detection optical axis, and the light wave distance meter in which the light projecting optical system and the light receiving optical system are coaxial optical systems is configured.
[0019]
In addition, the auxiliary projector 12 including a light emitting element installed so as to emit light to the housing rear surface 32 side between the projector 10 and the light receiver 20 has the optical path 1b coinciding with the detection optical axis as an auxiliary projection optical path. Has been placed. The auxiliary projector 12 emits auxiliary light in synchronization with the projector 10. The auxiliary light is directly incident on the light receiver 20, whereby the light projection timing of the light projector 10 or the phase of the irradiation light is detected by the light receiver 20 and used for distance detection. Thus, the distance to the object to be measured is obtained by detecting the auxiliary light and the reflected light corresponding to the irradiation light by the light receiver 20 and measuring the time difference, the phase difference, and the like.
[0020]
Note that the drive control of the projector 10, the auxiliary projector 12, and the light receiver 20, the processing of the light reception signal from the light receiver 20, the calculation of the distance, and the like are performed by a signal processing circuit (not shown) installed in the housing 30. Done. Further, if necessary, for example, a switch or connector connected to the signal processing circuit may be provided on a predetermined surface such as the rear surface 32 of the housing to perform control from the outside or reading data to the outside. good.
[0021]
Further, the detection of the timing or phase of the irradiation light may be performed by a method other than the method using the auxiliary projector 12 described above. For example, a semiconductor laser may be used for the projector 10 and the light component emitted in the direction opposite to the irradiation light may be detected by an auxiliary light receiver installed at the position of the auxiliary projector 12. Further, a signal for driving and controlling the projector 10 from the signal processing circuit may be used as the direct projection timing or the like.
[0022]
A configuration method and functions of each lens portion of the light receiving lens 21 in the present embodiment will be described.
[0023]
In a conventional optical distance meter, for example, when using an aspheric lens in which spherical aberration is corrected so that parallel light is collected at one point, the reflected light is collected within the light receiving surface of the light receiver. There has been a problem that the amount of received light varies greatly depending on the measurement distance to the detection point where the object to be measured is, for example, inversely proportional to the square of the measurement distance. On the other hand, in the light wave distance meter according to the present invention, as described above, the light projecting optical system and the light receiving optical system are used as coaxial optical systems, and the spot size of the reflected light to be collected and the movement of the center position thereof are reduced. In addition, the shape and focal length of each lens part of the light-receiving lens is configured so that changes in the amount of received light are suppressed over a wide measurement distance range, realizing a lightwave distance meter that provides stable distance detection accuracy. ing.
[0024]
Note that, as a method for dealing with fluctuation / decrease in distance detection accuracy due to a change in the amount of received light, it is conceivable to switch the amplification factor of the received light signal in a signal amplification circuit provided in a circuit system for processing the received light signal. However, for example, in order to ensure stable distance detection accuracy over a wide measurement distance range when the amount of received light greatly changes to about 10,000 times, it is necessary to switch the amplification factor to a plurality of stages, In addition, a problem such as a complicated circuit system such as a circuit for switching control thereof occurs, and it may cause deterioration in distance detection accuracy. In addition, the amplification factor must be very large, particularly in the range where the amount of received light is small. In contrast, by adopting a configuration in which the change in the amount of received light is reduced by the configuration of the light receiving lens, it is possible to improve the distance detection accuracy without complicating the apparatus.
[0025]
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of the configuration and function of a light receiving lens used in the optical wave distance meter according to the present invention. As the light receiving lens, for example, an aspherical lens in which one surface is a rotationally symmetric curved surface with the detection optical axis as a symmetry axis (center axis) and the other surface is a flat surface is used. As described below, the curvature of each part is formed and arranged so that each lens part sequentially changes from the detection optical axis side toward the outside toward the short distance detection to the long distance detection, Thereby, a configuration in which a change in the amount of received light due to the measurement distance is suppressed is realized.
[0026]
Different measurement distance d ₁ ~ D _Three Detection point P located at ₁ ~ P _Three As an example, consider the light reflected from the detection optical axis 1 at a substantially constant angle. At this time, each detection point P ₁ ~ P _Three The lens part Q where the reflected light from the light enters the light receiving lens 2 ₁ ~ Q _Three X is the distance from the detection optical axis 1 ₁ ~ X _Three Then, as shown in FIG. 2, as the measurement distance d increases (d _Three > D ₂ > D ₁ ), Distance x also increases (x _Three > X ₂ > X ₁ ).
[0027]
At this time, each lens part Q on the light receiving lens 2 ₁ ~ Q _Three The lens shape (curvature of the lens surface) and the focal length are detected by the optical path shown in FIG. ₁ ~ P _Three The light reflected from the light is incident on and collected by the light receiver 3. Also, the lens part Q ₁ ~ Q _Three Similarly for each part such as between the detection points P ₁ ~ P _Three The light-receiving lens 2 is formed by continuously changing the curvature so that the reflected light from each detection point such as between and the like is incident and collected on the light receiver 3. By configuring in this way, the amount of received light that is collected and detected by the light receiver for each measurement distance d is adjusted and set, and in particular, a change in the amount of received light due to the measurement distance d is suppressed and a wide measurement An optical rangefinder having stable distance detection accuracy with respect to the distance range can be realized.
[0028]
The configuration of the light receiving lens 2 for condensing the reflected light component having a constant incident angle from each detection point P on the light receiver 3 as shown in FIG. 2 is configured to suppress changes due to the measurement distance of the received light amount. It is an example, and various configurations are possible under the condition that each lens part Q changes from the short distance detection to the long distance detection from the detection optical axis side to the outside. For example, a configuration in which a change in the amount of received light is further suppressed by designing a light receiving lens in consideration of a change in the effective area of the lens portion Q used for light collection corresponding to each detection point P. Is possible.
[0029]
Further, for example, the light receiving lens having the above-described conditions is not an aspherical lens having a continuously formed curved surface, but gradually changes from a short distance detection to a long distance detection from the detection optical axis side to the outside. As described above, a Fresnel lens formed concentrically may be used. Moreover, you may use the lens which processed both surfaces into the curved surface form instead of the single side | surface of a light reception lens.
[0030]
In addition, when actually applied to an optical distance meter, a predetermined portion of an aspheric lens is used by cutting it into a rectangular shape, for example, as in the apparatus shown in FIG. It is also possible to set each lens part of the light receiving lens while taking the effect into consideration.
[0031]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-21874 discloses an optical distance meter using a Fresnel lens as a light receiving lens. This Fresnel lens is a circularly-focused Fresnel lens in which an annular short focal part, medium focal part, and long focal part having different focal lengths are repeatedly circulated and arranged in a blade shape. The reflected light is condensed on the light receiving part.
[0032]
However, the distance meter described above is configured such that the light receiving optical system is not coaxial with the light projecting optical system, and therefore, the above-described focal point circulates. Further, in such a circular focus type light receiving lens, a curved surface whose focal length continuously changes cannot be formed, so that the configuration is limited to the Fresnel lens. Further, for example, when the structure corresponding to the three focal points is repeated as described above, when a sufficient amount of received light is secured in the region between the incident angles corresponding to the three focal points, for example, the light reception of the light receiver. It is necessary to increase the area, which causes a problem that high-speed response is not possible.
[0033]
On the other hand, the lightwave distance meter according to the present invention employs a coaxial optical system in order to reduce the size of the spot of reflected light to be collected and the movement of the center position, and further to prevent a decrease in distance detection accuracy. The light receiving lens is formed and arranged so as to suppress a change in the amount of received light. In such a configuration, the effect of reducing the change in the amount of received light cannot be sufficiently obtained with a circular focus type light receiving lens, and as described above, each lens part is close to the outside from the detection optical axis side. By adopting a light-receiving lens that is formed and arranged so as to change from detection to long-distance detection, it is possible to effectively reduce the change in the amount of received light. Furthermore, by adopting such a configuration, it is possible to use not only Fresnel lenses but also lenses having various shapes such as aspherical lenses configured by continuous curved surfaces.
[0034]
Hereinafter, specific examples of the lens shape of the aspherical lens will be shown, and the effects of the light wave distance meter according to the present invention will be described. Note that the shape of the curved surface of the aspherical lens is specified by sag z which is a deviation from the plane including the vertex of the curved surface (intersection with the central axis). Sag z uses the position x from the detection optical axis of each lens part,
[0035]
[Expression 1]

Represented by Here, among the terms on the right side, the first term is a spherical term, and the second to fifth terms are aspheric terms indicating deviation from the spherical surface. C is the curvature at the apex, and c = 1 / r where r is the radius of curvature. K is a conic constant (k = 0 corresponds to a circle), c _Four ~ C _Ten Is the aspheric coefficient.
[0036]
FIG. 3 shows a first embodiment of a light receiving lens used in the light wave distance meter according to the present invention. The light receiving lens 2a according to the present embodiment is formed as a curved surface having a flat surface on the left side and an aspheric surface on the right side in FIG. 3, and the curved surface is a spherical surface having a curvature radius r = 50 mm (hence k = 0). ) For c _Four = −0.480 × 10 ^-Five / Mm ^Three , C ₆ = 0.109 × 10 ^-7 / Mm ^Five , C ₈ = C _Ten = 0, an aspheric term is given. Further, the illustrated optical path is shown with the light receiving lens 2a on which the detection point of the object to be measured is located on the left side and the light receiver 3 that collects and detects the reflected light from the detection point on the right side. .
[0037]
With respect to the light receiving lens 2a, the light receiving surface of the light receiver 3 is arranged at a position 120 mm from the plane 4 (shown by a dotted line) including the apex of the light receiving lens 2a. Is set within the range of φ20 mm (range of the distance of 10 mm from the detection optical axis 1, indicated by the outer optical path in FIG. 3). With respect to this range, the relationship between the position x from the detection optical axis 1 of each optical path in the plane 4 and the measurement distance d of the detection point is x = 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, and 10 mm, respectively. It is about d = 3m, 3.5m, 4m, 4.5m, 5m, 10m.
[0038]
FIG. 4 shows a second embodiment of the light receiving lens used in the light wave distance meter according to the present invention. As in the first embodiment, the light receiving lens 2b according to the present embodiment is formed as a curved surface with the left surface in FIG. 4 being a flat surface and the right surface being an aspheric surface, and the curvature radius r = 50 mm for the curved surface. For a spherical surface (and hence k = 0) _Four = −0.1306 × 10 ^-Five / Mm ^Three , C ₆ = −0.61 × 10 ^-9 / Mm ^Five , C ₈ = C _Ten = 0, an aspheric term is given.
[0039]
On the other hand, the light receiving surface of the light receiver 3 is arranged at a position 120 mm from the plane 4 including the apex of the light receiving lens 2b, and the range of reflected light received within the plane 4 is within a range of φ60 mm (detection optical axis). 1 to a distance of 30 mm, indicated by the outer optical path in FIG. For this range, the relationship between the distance x from the detection optical axis 1 of each optical path in the plane 4 and the measurement distance d of the detection point is approximately d = 2 m and 4 m for x = 15 mm and 30 mm, respectively. .
[0040]
FIG. 5 shows a third embodiment of the light receiving lens used in the light wave distance meter according to the present invention. When the lens is actually applied to a lightwave distance meter, for example, a plurality of aspherical lenses having the characteristics as shown in the first and second embodiments, or a light receiving lens may be used depending on the distance from the detection optical axis. An aspheric lens or the like formed by dividing each region into a predetermined aspheric shape and cutting it into a predetermined shape such as a rectangular shape or a circular shape is used. The light receiving lens shown in FIG. 5 is cut out in a rectangular shape that is applied as the light receiving lens 21 to the lightwave distance meter shown in FIG. 1, and is a front view and a plane including the detection optical axis 1. A cross-sectional view taken along line II is shown.
[0041]
The light-receiving lens 21 according to the present embodiment is formed as a flat surface in which the lower surface in the cross-sectional view in FIG. 5 is a front surface 22 that is disposed outside the housing 30 and receives reflected light from an object to be measured. On the other hand, the upper surface is a rear surface 23 disposed inside the housing 30 and is formed as an aspheric curved surface.
[0042]
The curved surface of the rear surface 23 is a first region 211 where x = 0 to 3.5 mm (φ0 to 7 mm) with respect to the distance x from the detection optical axis 1 of the light receiving lens 21, x = 3.5 to 10 mm (φ7 to 20 mm). The second region 212 is divided into third regions 213 of x = 10 mm to (φ20 mm), and each region 211 to 213 is formed by a curved surface specified by different coefficients.
[0043]
The boundary surfaces of these regions are indicated by

boundary surfaces

21a and 21b, respectively, but the regions 211 to 213 are not formed separately in this embodiment, but only the conditions for forming the curved surface of the rear surface 23. Are integrally formed.
[0044]
Among the areas 211 to 213, the first area 211 is an area corresponding to the outer diameter (φ7 mm) of the projector 10, and is therefore an area that is not used for light reception, and is flat for the projection of irradiation light. Is formed.
[0045]
For the curved surface of the second region 212, the radius of curvature r = 0.00004, k = −20347678.637, c _Four = 0.512681 × 10 ^-3 / Mm ^Three , C ₆ = −0.10935 × 10 ^-Four / Mm ^Five , C ₈ = 0.100395 × 10 ^-6 / Mm ⁷ , C _Ten = -0.332433 × 10 ^-9 / Mm ⁹ , To give a curved surface. For the curved surface of the third region 213, the radius of curvature r = 58.32420, k = −2.205679, c _Four = 0.437458 × 10 ^-3 / Mm ^Three , C ₆ = C ₈ = C _Ten = 0, a curved surface is given.
[0046]
Regarding the shape of the lens cut out into a rectangle, the shape of the opening 31a of the housing 30 shown in FIG. 1 is 92 mm wide and 41 mm long, and the outer periphery of the light receiving lens 21 in the front view of FIG. 5 corresponds to this. Further, the center position Q of the light receiving lens 21 which is a point on the detection optical axis 1 _c Is located 8 mm to the right and 15 mm upward from the center position of the rectangle. Further, the thickness thereof is approximately 30.37 mm on the detection optical axis 1.
[0047]
The light receiving lens 21 formed by cutting out an aspherical lens having a plurality of regions into a rectangular shape shown in FIG. 5 is applied to the lightwave distance meter shown in FIG. Was measured. Here, the distance from the vertex of the rear surface 23 to the light receiver 20 was set to 120 mm. The outer diameter of the light receiving surface of the light receiver is φ0.4 mm.
[0048]
The measurement is performed for a measurement distance d in the range of 0.5 m to 25 m, a reflection plate is arranged at the detection point position of the set measurement distance d, and the reflected light from the reflection plate is collected and detected. . The obtained result is shown in FIG. Here, the horizontal axis is the measurement distance, and the vertical axis is the photodiode output of the light receiver 20, which corresponds to the amount of received light.
[0049]
In the measurement range, d = 1 m substantially corresponds to the position x = 10 mm of the light receiving lens 21, and the range where d = 0.5 m to 1 m is mainly contributed by the second region 212 of the light receiving lens 21. The distance range, d = 1 m to 25 m, is a measurement distance range in which the third region 213 mainly contributes.
[0050]
Among the obtained measurement results of the received light amount, the received light amount is maximum in the measurement distance d = 6 to 10 m. With respect to this maximum received light amount, in the measurement distance range larger than this, the received light amount hardly decreases, and stable performance is realized. Although the measurement result is not shown in the range of d = 25 m or more, it can be used for distance detection.
[0051]
On the other hand, in the measurement distance range that is smaller than the measurement distance that is the maximum received light quantity, the received light quantity gradually decreases, but the light is received within a range of about 1/10 of the maximum received light quantity up to nearly d = 0.5 m. The amount of light is obtained. Note that, in the measurement distance range smaller than d = 0.5 m, in the present embodiment, the amount of received light decreases due to the influence of the region where light cannot be received by the projector 10.
[0052]
As described above, in the light wave rangefinder according to the present embodiment, the change in the amount of received light is 1 over the measurement distance range where the measurement distance d = 0.5 m to 25 m, and the measurement distance range larger than that. A light wave rangefinder is realized that can be suppressed to / 10 or less and can obtain stable distance detection accuracy.
[0053]
The lightwave distance meter according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, it is good also as a structure which forms the opening part of a housing in shapes other than rectangles, such as circular, and installs the light-receiving lens cut out to the corresponding shape. In the above-described embodiment, the light projecting lens is installed on the front side of the projector. However, in the area of the light receiving lens facing, for example, the light receiving lens 21 shown in FIG. The light receiving lens 21 may have a function of a light projecting lens by forming the first region 211 formed in a small lens shape.
[0054]
Further, in the light receiving lens shown in FIG. 5, lenses formed by a plurality of divided lens regions are integrally formed. However, by forming the lenses in these regions separately and then integrating them, a light receiving lens is formed. May be.
[0055]
【The invention's effect】
As described in detail above, the lightwave distance meter according to the present invention has the following effects. In other words, by constructing the light projecting optical system and the light receiving optical system as a coaxial optical system having the same detection optical axis as the light projecting optical axis and the light receiving optical axis, respectively, the reflected light collected on the light receiver by the light receiving lens The movement of the spot size and its center position is reduced. As a result, the light receiving area of the light receiver is reduced and a high-speed response is realized.
[0056]
In addition, the light receiving lens is sequentially detected from the detection optical axis that is the central axis toward the outside in order to detect a long distance, that is, a lens part that collects reflected light from a detection point with a small measurement distance on the light receiver. In other words, the shape of each lens part is formed and arranged so as to be a lens part that collects reflected light from a detection point having a large measurement distance on a light receiver. In this way, by forming the measurement distance to the detection point and the distance from the detection optical axis of the lens part in correspondence with each other, the amount of received light that is condensed on the light receiver and used for distance detection is determined by the measurement distance. For example, it is possible to adjust and set so that the change due to is suppressed to about 1/10 or less. As described above, it is possible to realize an optical rangefinder having improved distance detection accuracy and stable distance detection accuracy over a wide measurement distance range from several tens of cm to 100 m or more, for example.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an embodiment of a lightwave distance meter according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration and function of a light receiving lens used in the light wave distance meter according to the present invention.
FIG. 3 is a first example of a light receiving lens.
FIG. 4 is a second embodiment of a light receiving lens.
FIG. 5 is a third embodiment of a light receiving lens.
FIG. 6 is a graph showing changes in the amount of received light measured by the light wave distance meter according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Detection optical axis, 1a ... Light projection optical path, 1b ... Auxiliary light projection optical path, 1c ... Light receiving optical path, 2 ... Light receiving lens, 3 ... Light receiver,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light projector, 11 ... Light projector lens, 12 ... Auxiliary light projector, 20 ... Light receiver, 21 ... Light receiver lens, 22 ... Front surface, 23 ... Rear surface, 30 ... Housing, 31 ... Housing front surface, 31a ... Opening part, 32 ... Housing back face.

Claims

A projector and a light receiver are provided inside the housing.
Irradiation light from the projector is emitted to the outside of the housing along a predetermined detection optical axis, and reflected light from an object to be measured on the detection optical axis is incident on the light receiver through a light receiving lens, so that the measurement is performed. In a lightwave distance meter that detects the presence of an object and the measurement distance to the object to be measured,
The light projector, the light receiver and the light receiving lens are arranged coaxially with the detection optical axis as a central axis,
Each lens portion of the light receiving lens, said sequential toward the detection optical axis side to the outside, the region is projected to the irradiation light that is on the detection optical axis, short-range detection lens portion relating to the measurement distance The light receiving lens is formed and arranged so as to be a long-distance detection lens part, and between the region and the short-distance detection lens part, and the short-distance detection lens part and the long-distance detection lens. The inner surface of the housing between the part and the part is formed as a continuous curved surface , and both the short distance detection lens part and the long distance detection lens part condense the reflected light on the light receiver. A light wave distance meter characterized by being formed as follows.

2. The light-receiving lens is formed of an aspherical lens having one surface as a flat surface and the other surface formed as a predetermined curved surface that is rotationally symmetric with respect to the detection optical axis. Lightwave distance meter.

The light receiving lens has a rotationally symmetric curved surface with the detection optical axis as a central axis, and the curved surface is formed so that the curvature continuously changes from the detection optical axis side to the outside. The light wave rangefinder according to claim 1.