JP2000205858A - レ―ザ式測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置全体の小型軽量化を図りながら、最低限
必要な複数の走査ラインのみ確保して、処理の簡易化を
図る。 【解決手段】 レーザダイオード６から発したレーザ光
Ｌ１を、錐面１０ａ〜１０ｃの角度が互いに異なる回転
式の三角錐ミラー１０の各錐面で反射させて、対象物を
同心円弧状の三本のスキャニングラインに沿ってスキャ
ニングする。対象物からの反射レーザ光Ｌ３を各錐面１
０ａ〜１０ｃでとらえ、集光ミラー９および折り返しミ
ラー１４でそれぞれ集光，反射させた上、これをフォト
ダイオード７でとらえて光電変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光源から発
したレーザ光を対象物に向けてスキャニングしてその反
射レーザ光をとらえることにより対象物までの距離を測
定するレーザ式測距装置に関し、さらに詳しくは、同心
円弧状の三つ以上の複数のスキャニングラインに沿って
ほぼ同時にスキャニングするようにしたレーザ式測距装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザスキャニング方式の測距装置とし
ては、二次元ラスタ走査方式のものが広く使用されてい
る。

【０００３】この従来の測距装置では、レーザダイオー
ド等のレーザ光源から発せられたレーザ光を反射させる
回転式のポリゴンミラーと、このポリゴンミラーからの
反射光を再度反射させつつこれを対象物に向けてスキャ
ニングする同じく回転式のラスタミラーと、対象物から
の反射レーザ光をポリゴンミラーおよびラスタミラーか
らの反射光としてとらえてこれを光電変換するセンサと
を備えていて、前記二つのミラーの回転中心が互いに９
０度位相がずれた関係にあることにより、実質的に投射
レーザ光を二次元方向にスキャニングしつつ、対象物ま
での距離を測定するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のレ
ーザ式測距装置では、ミラーごとに独立したモータ等の
回転駆動機構が必要であるため、構造が複雑で、その小
型軽量化に限界があるほか、二次元方向にスキャニング
する方式であるが故にデータ量が多く、その処理に高性
能のコンピュータを必要とするためにコストアップが余
儀なくされる。

【０００５】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、装置全体のより一層の小型化と軽量化とを
図りつつ、高性能コンピュータに依存せずに所期の目的
を達成できるようにしたレーザ式測距装置を提供しよう
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、レーザ光源と、複数の錐面がそれぞれに異なった角
度に設定されていて、前記レーザ光源から照射されたレ
ーザ光を各錐面で反射させて対象物に向けて投射する一
方、前記対象物からの反射レーザ光を同じく各錐面でと
らえる多角錐ミラーと、前記多角錐ミラーをその軸心を
回転中心として回転駆動させて該多角錐ミラーの各錐面
で反射する投射レーザ光をその多角錐ミラーの回転方向
にスキャニングするミラー駆動手段と、前記多角錐ミラ
ーの各錐面と対向するように配置され、その錐面で反射
する反射レーザ光を集光する集光手段と、前記集光手段
で集光されたレーザ光を受けてこれを光電変換する受光
センサとを備えていることを特徴としている。

【０００７】上記の多角錐ミラーとしては、スキャニン
グすべきスキャニングラインの数によって決定され、例
えば三角錐形状のものや四角錐形状のもの、もしくはそ
れ以上の多角錐形状のものを必要に応じて用いる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明における集光手段は、多角錐ミラーの各錐面と対
向するように配置された放物面形状の集光ミラーと、こ
の集光ミラーで集光されたレーザ光を受光センサの受光
面に向けて反射させる折り返しミラーとから構成されて
いて、前記折り返しミラーの焦点を受光センサの受光面
に合致させたものであることを特徴としている。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載の発明における要素に加えて、多角錐ミ
ラーに形成されていて該多角錐ミラーの一回転につき一
回だけレーザ光源からのレーザ光を瞬間的に通過させる
レーザ光通過孔と、このレーザ光通過孔を通過したレー
ザ光をとらえて受光センサの受光面に誘導する所定長さ
の校正用の光ファイバとを備えていることを特徴として
いる。

【００１０】したがって、請求項１に記載の発明では、
レーザ光源から発せられたレーザ光は、回転駆動される
多角錐ミラー、例えば三角錐ミラーのそれぞれの錐面で
反射して対象物に向けて投射される。そして、三角錐ミ
ラーの各錐面が互いに異なる角度に設定されているため
に、各錐面からの反射レーザ光はそれぞれに異なった方
向を指向し、結果として三角錐ミラーが一回転すること
によって、対象物が同心円弧状の三つのスキャニングラ
インに沿ってスキャニングされる。

【００１１】一方、対象物で反射したレーザ光は、三角
錐ミラーの該当する錐面でそれぞれ反射した上で集光手
段で集光され、最終的に受光センサの受光面に投射され
て光電変換され、レーザ光を最初に投射してから受光セ
ンサが反射レーザ光を受光するまでに要した時間の関数
として対象物までの距離が各スキャニングラインごとに
計測される。

【００１２】そして、請求項２に記載の発明では、集光
手段を形成している放物面形状の集光ミラーの焦点を直
接的に受光センサの受光面に合致させることなく、集光
ミラーで集光されたレーザ光を折り返しミラーで一旦折
り返してその折り返しミラーの焦点を受光センサの受光
面に合致させているため、光学距離が短縮化されて装置
全体の小型化に貢献できることになる。

【００１３】請求項３に記載の発明では、多角錐ミラー
の一回転につき一回だけレーザ光源からのレーザ光が瞬
間的に多角錐ミラーのレーザ光通過孔を通過し、このレ
ーザ光通過孔を通過したレーザ光が、所定長さの校正用
の光ファイバにとらえられた上で受光センサに誘導され
て光電変換される。したがって、光路となる校正用の光
ファイバの長さが既知であれば、この光ファイバ通過時
の測距データを基準として通常の測距データを補正する
ことにより、測距環境下での温度変化等に基く測距誤差
が排除されて計測精度が高められる。

【００１４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、多角錐
ミラーを主要素として同心円弧状の三つ以上の複数のス
キャニングラインに沿ってスキャニングする方式とした
ため、必要とする回転駆動系は多角錐ミラーを回転させ
るための一軸だけとなり、装置全体の小型軽量化が図れ
ると同時に、振動や衝撃に強い構造を実現できるほか、
従来のいわゆる二次元ラスタ走査方式に比べて処理デー
タ量が著しく少なくて済むため、高性能コンピュータに
頼らずに最低限必要な距離データを得ることができ、こ
れによってもまた装置全体の簡素化が図れる効果があ
る。

【００１５】また、請求項２に記載の発明によれば、集
光手段を、放物面形状の集光ミラーと折り返しミラーと
で構成して、集光ミラーの焦点を直接受光センサに合致
させることなく、集光ミラーからの反射レーザ光を受け
る折り返しミラーの焦点を受光センサに合致させるよう
にしたので、光学距離の短縮化により一段と装置全体の
小型化に寄与できる利点がある。

【００１６】また、請求項３に記載の発明によれば、校
正用の光ファイバを備えていることにより、この光ファ
イバ通過時のデータを使って測距データの校正処理を行
えば、温度変化等による測距誤差を排除することがで
き、測距精度の向上が図れる効果がある。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１，２は本発明に係るレーザ式
測距装置の好ましい実施の形態を示す図で、特に図１は
その垂直断面図を、図２は平面説明図をそれぞれ示して
いる。そして、本実施の形態に係るレーザ式測距装置１
は、例えば図３の（Ａ），（Ｂ）に示すような無人走行
車システムの障害物回避用の距離センサとして使用され
る。すなわち、本実施の形態におけるレーザ式測距装置
１は、図３に示す車両搭載状態において、水平方向にお
よそ１２０°の範囲であって、かつ俯角θ１，θ２，θ
３のもとで車両２の前方の同心円弧状の三つのスキャニ
ングラインＳ１，Ｓ２，Ｓ３に沿ってそれぞれスキャニ
ングするように設定されている。なお、車両２に対する
測距装置１の取付高さＨは例えば１〜２メートル程度に
設定されているとともに、車両２からスキャニングライ
ンＳ１までの距離は例えば５メートル程度に、スキャニ
ングラインＳ２までの距離は１０メートル程度に、スキ
ャニングラインＳ３までの距離は２０メートル程度にそ
れぞれ設定されている。

【００１８】図１，２に示すように、このレーザ式測距
装置１は、透明なガラスウインドウ部３（図２の角度Ｇ
の範囲）を有する円筒状のケース４を母体として形成さ
れていて、ケース４は、図３に示す無人走行車たる車両
２に立設された支柱５の上端に固定支持されている。そ
して、このケース４の底壁部内側に、レーザ光源である
コリメータ付きのレーザダイオード（半導体レーザ）
６、受光センサとしてのフォトダイオード７とその信号
処理用のアンプ８のほか、それらレーザダイオード６や
フォトダイオード７の上側に位置するようにして鏡面が
放物面形状をなす扇形状の集光ミラー９がそれぞれ固定
されている一方、ケース４の上壁部内側には上記集光ミ
ラー９と対向するように三角錐ミラー１０とその駆動手
段である偏平状のモータ１１とがそれぞれ配置されてい
る。

【００１９】前記集光ミラー９のうちレーザダイオード
６からの投光部に相当する位置およびフォトダイオード
７の受光部に相当する位置には、それぞれに投射レーザ
光や受光レーザ光との干渉を回避するために透孔１２，
１３が形成されていて、レーザダイオード６からは後述
する三角錐ミラー１０に向けてレーザ光Ｌ１が平行光と
して投射されるとともに、フォトダイオード７には同じ
く後述する折り返しミラー１４からの反射レーザ光Ｌ５
が集光されるようになっている。

【００２０】上記の三角錐ミラー１０は、その基部が偏
平円筒状に形成されてはいるもの、裁頭三角錐形状を形
成している１２０°ごとの三つの平面状の錐面（鏡面）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃはそれぞれに異なった角度に設
定されていて、それら三つの錐面１０ａ，１０ｂ，１０
ｃによって形成されるところの三角錐の頂部には前記集
光ミラー９とともに集光手段を形成している折り返しミ
ラー１４が固定されているとともに、この三角錐ミラー
１０はその軸心を回転中心としてモータ１１により回転
駆動されるようになっている。そして、各錐面１０ａ，
１０ｂ，１０ｃの角度は、レーザダイオード６からのレ
ーザ光Ｌ１の照射を受けてそれら各錐面１０ａ，１０
ｂ，１０ｃの反射レーザ光Ｌ２が図３に示す俯角θ１，
θ２，θ３となるように設定されている。

【００２１】すなわち、図４，５に示すように、図３に
示すスキャニングラインＳ１をスキャニングするための
錐面を１０ａとし、スキャニングラインＳ２をスキャニ
ングするための錐面を１０ｂとし、さらにスキャニング
ラインＳ３をスキャニングするための錐面を１０ｃとす
ると、例えば錐面１０ａの角度θａはその錐面１０ａに
対する垂線Ｍと鉛直線Ｎとのなす角度θａ′と等しく、
結果としてその角度θａ′は図３に示す角度θ１と一致
していてθａ＝θａ′＝θ１となっている。以上のこと
は、残りの各錐面１０ｂ，１０ｃの角度θｂ，θｃにつ
いても同様である（ただし、θａ＜θｂ＜θｃであ
る）。

【００２２】したがって、後述するように、レーザダイ
オード６からレーザ光Ｌ１が照射されている状態で三角
錐ミラー１０が一回転すれば、その間に図３に示した三
つのスキャニングラインＳ１〜Ｓ３に沿ってスキャニン
グされるようになっている。

【００２３】前記折り返しミラー１４は、集光ミラー９
からの反射光Ｌ４をとらえてこれをフォトダイオード７
に集光させるためのもので、その焦点をフォトダイオー
ド７の受光面に合致させてある。

【００２４】上記三角錐ミラー１０の一部には単一のレ
ーザ光通過孔１５が形成されているとともに、そのレー
ザ光通過孔１５の背面側には三角プリズム１６を臨ませ
てあり、三角錐ミラー１０が一回転する間にレーザダイ
オード６から発せられたレーザ光Ｌ１が瞬間的にそのレ
ーザ光通過孔１５を通って三角錐ミラー１０の背面側に
抜けるようになっている。また、上記三角プリズム１６
には所定長さの校正用の光ファイバ１７の一端が接続さ
れており、この光ファイバ１７の他端はフォトダイオー
ド７の受光面側に臨ませてある。

【００２５】したがって、三角錐ミラー１０が一回転す
る間にレーザダイオード６から発せられたレーザ光Ｌ１
が一回だけ瞬間的に三角プリズム１６によってとらえら
れ、この三角プリズム１６によってとらえられたレーザ
光Ｌ１は光ファイバ１７を通してフォトダイオード７に
誘導されるようになっている。そして、この光ファイバ
１７通過時の測距データは図示外のデータ処理回路によ
って管理され、光ファイバ１７そのものの長さが既知で
あることを利用して、後述するように通常測距時の測距
データの校正データとして使用される。

【００２６】なお、図中の１８はモータ１１の駆動回
路、１９はレーザダイオード６の駆動回路である。

【００２７】したがって、以上のように構成されたレー
ザ式測距装置１によれば、図示外の目標対象物までの距
離を測定する場合、三角錐ミラー１０がモータ１１によ
って連続回転駆動されていることから、レーザダイオー
ド６から平行に発せられた照射レーザ光Ｌ１は三角錐ミ
ラー１０の各錐面１０ａ〜１０ｃで所定の時間差をもっ
て順次反射して対象物に向けて投射される。

【００２８】この時、前述したように三角錐ミラー１０
の各錐面１０ａ〜１０ｃの角度が相互に異なっているこ
とから、上記のように三角錐ミラー１０の各錐面１０ａ
〜１０ｃで反射した反射レーザ光Ｌ２は図３に示すよう
にそれぞれに同心円弧状三本のスキャニングラインＳ１
〜Ｓ３に沿ってスキャニングされる。

【００２９】そして、対象物に向けて照射されたレーザ
光Ｌ２は、再びその対象物で反射した上で再び反射レー
ザ光Ｌ３として三角錐ミラー１０の該当する錐面１０ａ
〜１０ｃで順次とらえられるかたちとなる。すなわち、
錐面１０ａで反射して対象物に照射されたレーザ光Ｌ２
はその対象物で反射した上で同じくその錐面１０ａでと
らえられ、同様に錐面１０ｂ，１０ｃで反射して対象物
に照射されたレーザ光Ｌ２はその対象物で反射した上で
それぞれに錐面１０ｂもしくは１０ｃでとらえられる。
そして、各錐面１０ａ〜１０ｃでとらえられたレーザ光
Ｌ３はその錐面１０ａ〜１０ｃで順次反射して、各錐面
１０ａ〜１０ｃが共有するところの集光ミラー９で反
射，集光され、さらに折り返しミラー１４で反射してフ
ォトダイオード７でとらえられて所定の電気信号に変換
される。つまり、レーザダイオード６からレーザ光Ｌ１
が照射されてからその反射レーザ光Ｌ４がフォトダイオ
ード７に入射するまでに要した時間の関数としてスキャ
ニングラインＳ１，Ｓ２，Ｓ３ごとに目標対象物までの
距離が計測されて、図示しないデータ処理回路に取り込
まれることになる。

【００３０】ここで、前述したように、三角錐ミラー１
０の一回転につき一回ごとに、長さが既知の光ファイバ
１７をレーザ光Ｌ１が通過した時の測距データが得られ
ることから、この光ファイバ１７通過時の測距データを
校正データとして用いて、各スキャニングラインＳ１〜
Ｓ３ごとの測距データを補正する。こうすることによ
り、例えば測距空間での温度変化等に基く測定誤差が排
除されて、測距精度が向上することになる。

【００３１】また、レーザ光Ｌ１が三角錐ミラーの１０
各錐面１０ａ〜１０ｃに当たる時、およびその錐面１０
ａ〜１０ｃで反射したレーザ光Ｌ２がガラスウインドウ
部３を透過するとき、一部が散乱してフォトダイオード
７に直接入射して眩惑を生じるおそれがある場合には、
図１に示すように、ガラスウインドウ部３に遮光板２０
を設けるとともに、フォトダイオード７の受光部周囲に
遮光フード２１を設けるのが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ式測距装置の好ましい実施
の形態を示す垂直断面説明図。

【図２】図１のａ−ａ線に沿う断面説明図。

【図３】上記レーザ式測距装置を無人走行車システムの
距離センサとして用いた場合概略説明図で、（Ａ）はそ
の側面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図。

【図４】図１に示す三角錐ミラーのみの下面図。

【図５】図４のｂ−ｂ線に沿う断面説明図。

【符号の説明】

１…レーザ式測距装置 ４…ケース ６…コリメータ付きレーザダイオード（レーザ光源） ７…フォトダイオード（受光センサ） ９…集光ミラー（集光手段） １０…三角錐ミラー（多角錐ミラー） １１…モータ（ミラー駆動手段） １４…折り返しミラー（集光手段） １５…レーザ光通過孔 １７…光ファイバ Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA06 CC40 DD06 DD07 EE01 FF11 FF33 GG06 HH04 JJ15 LL02 LL15 LL19 LL62 UU06 2F112 AD01 BA10 CA12 DA09 DA15 DA30 5J084 AA05 AB01 AC02 AD01 BA04 BA11 BA36 BB02 BB21 BB31 DA01 DA02 EA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源と、 複数の錐面がそれぞれに異なった角度に設定されてい
   て、前記レーザ光源から照射されたレーザ光を各錐面で
   反射させて対象物に向けて投射する一方、前記対象物か
   らの反射レーザ光を同じく各錐面でとらえる多角錐ミラ
   ーと、 前記多角錐ミラーをその軸心を回転中心として回転駆動
   させて該多角錐ミラーの各錐面で反射する投射レーザ光
   をその多角錐ミラーの回転方向にスキャニングするミラ
   ー駆動手段と、 前記多角錐ミラーの各錐面と対向するように配置され、
   その錐面で反射する反射レーザ光を集光する集光手段
   と、 前記集光手段で集光されたレーザ光を受けてこれを光電
   変換する受光センサと、 を備えていることを特徴とするレーザ式測距装置。
2. 【請求項２】 前記集光手段は、多角錐ミラーの各錐面
   と対向するように配置された放物面形状の集光ミラー
   と、この集光ミラーで集光されたレーザ光を受光センサ
   の受光面に向けて反射させる折り返しミラーとから構成
   されていて、前記折り返しミラーの焦点を受光センサの
   受光面に合致させたものであることを特徴とする請求項
   １に記載のレーザ式測距装置。
3. 【請求項３】 前記多角錐ミラーに形成されていて該多
   角錐ミラーの一回転につき一回だけレーザ光源からのレ
   ーザ光を瞬間的に通過させるレーザ光通過孔と、このレ
   ーザ光通過孔を通過したレーザ光をとらえて光電センサ
   の受光面に誘導する所定長さの校正用の光ファイバとを
   備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の
   レーザ式測距装置。