JP2001012943A

JP2001012943A - 測距装置

Info

Publication number: JP2001012943A
Application number: JP11188340A
Authority: JP
Inventors: Fumiya Yagi; 史也八木; Hidekazu Ide; 英一井手; Koichi Kanbe; 幸一掃部
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】投射方向を変更する走査機能を有した測距装置
において、簡単な構成の光学系で参照光の受光による送
信時点の特定を可能にする。【解決手段】複数の方向のそれぞれにパルス光Ｐ１を投
射して各方向におけるパルス光の送信時点から受信時点
までの時間を測定する距離測定において、パルス光の投
射方向を変更するための回転ミラー３１の角度位置を、
送信手段１３からのパルス光が受信手段２１へ向かって
反射する参照位置と、送信手段からのパルス光が外部Ｑ
へ向かって反射する測定位置とに切り換え、回転ミラー
３１を参照位置に配置した状態での受信手段の出力に基
づいて送信時点を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を反射する物体
までの光の往復伝搬時間を距離情報として測定する測距
方法及び測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光のパルスの送信から物体で反射して戻
ったパルスの受信までのいわゆる飛行時間（ＴＯＦ：ti
me of flight）を測定することにより、既知の光伝搬速
度を適用して対物間距離を求めることができる。飛行時
間の計時を開始する送信時点については、発光制御信号
の出力時点から予め定めた一定時間が経過した時点とす
ることもできるが、実際の発光量をモニターしてパルス
を検出することにより、発光素子の特性変化や制御信号
の遅延による誤差を無くすことができる。すなわち、温
度に代表される環境条件の変化に係わらず高精度の測定
が可能となる。

【０００３】発光量をモニターして送信時点を決める場
合には、投射用の光源が射出するパルス光を外部へ射出
させずに“参照光”として受光部に導く必要がある。従
来の測距装置においては、外部を往復するパルス光（こ
れを“測定光”という）の送受信と参照光の受信とを行
うために、ハーフミラーと回転シャッタとを組み合わせ
たり、回転シャッタとプリズムとを組み合わせたりした
専用の光学系が組付けられていた。回転シャッタは測定
光及び参照光の一方を選択的に受光部へ導く光路切換え
手段である。

【０００４】一方、測距手法のレンジファインダへの応
用例として、特開平７−２１８６３２号公報には、複数
のレーザ光源を順に発光させて互いに異なる方向に光を
投射する装置構成が記載されている。また、本出願人は
回転ミラーで投射方向を変更する構成の測距装置を提案
している（特願平１１−７４８３７号）。多数の方向に
パルス光を投射して物体形状を細かく測定する場合に
は、投射方向毎に光源を配置するよりも、回転ミラーで
投射角度を変更する走査の方が装置構成の簡単化の点で
有利である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように発光量を
モニターして送信時点を決める従来の測距装置では、測
定光の送受に必要な光学部材に加えて、光源の出力を測
定光と参照光とに分離するハーフミラー、光源の出力を
測定光又は参照光として利用するための回転シャッタな
どの特別の光学部材が設けられており、光学系の部品点
数が多く構成が複雑で装置が高価になるという問題があ
った。

【０００６】本発明は、投射方向を変更する走査機能を
有した測距装置において、簡単な構成の光学系で参照光
の受光による送信時点の特定を可能にすることを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、投射
方向を変更する走査を回転ミラーにより行い、この回転
ミラーを用いて、外部を往復する測定光と外部へ射出さ
れない参照光との受光の切換えを行う。

【０００８】請求項１の発明の方法は、パルス光を射出
する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するた
めの回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光
して光電変換をする受信手段とを備えた光学装置を用
い、複数の方向のそれぞれにパルス光を投射して各方向
における前記パルス光の送信時点から受信時点までの時
間を測定する測距方法であって、前記受信手段を前記回
転ミラーで反射したパルス光を受光するように構成し、
前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパル
ス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前
記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測
定位置とに切り換え、前記回転ミラーを前記参照位置に
配置した状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記
送信時点を特定するものである。

【０００９】請求項２の発明の装置は、パルス光を射出
する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するた
めの回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光
して光電変換をする受信手段とを備え、外部に向かう複
数の方向のそれぞれにパルス光を投射し、各方向におけ
る前記パルス光の送信時点から受信時点までの時間に応
じた測定データを出力する測距装置であって、前記受信
手段が前記回転ミラーで反射したパルス光を受光するよ
うに設けられており、前記回転ミラーの角度位置を、前
記送信手段からのパルス光が前記受信手段へ向かって反
射する参照位置と、前記送信手段からのパルス光が外部
へ向かって反射する測定位置とに切り換えるミラー制御
手段を備え、前記回転ミラーが前記参照位置に配置され
た状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記送信時
点を特定するものである。

【００１０】請求項３の発明の測距装置は、前記回転ミ
ラーが反射特性の異なる第１及び第２の反射面を有し、
前記参照位置においては前記第１の反射面で反射したパ
ルス光が前記受光手段に入射し、前記測定位置において
は前記第２の反射面で反射したパルス光が前記受光手段
に入射するものである。

【００１１】請求項４の発明の測距装置において、前記
受光手段は光電変換の受光量を低減するための光学部材
を有し、前記参照位置においては前記回転ミラーで反射
したパルス光が前記光学部材を経由して光電変換面に入
射し、前記測定位置においては前記回転ミラーで反射し
たパルス光が前記光学部材を経由せずに光電変換面に入
射する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る測距装置のブ
ロック図であり、図２は光学系の構成を示す斜視図であ
る。

【００１３】測距装置１は、送信光学系１０、受信光学
系２０、走査機構３０、コントローラ４１、発光回路４
２、及び信号処理回路４３を備えている。送信光学系１
０は、レーザ光源（半導体レーザ）１１、光ビームの広
がり角を規定する投光用のレンズ１２、及び光路設定の
ためのミラー１３とから構成されており、発光回路４２
からの電力供給に呼応して１００ｎｓ程度のパルス幅の
パルス光Ｐ１を走査機構３０へ射出する。

【００１４】走査機構３０は、ミラー１３から入射する
パルス光Ｐ１の光軸と直交する軸を中心に回転可能な偏
向ミラー３１と、偏向ミラー３１を駆動するための回転
アクチュエータ３２とからなる。図示のミラー配置状態
において、偏向ミラー３１に入射したパルス光Ｐ１は、
偏向ミラー３１の角度位置に応じた方向に偏向され、外
部の物体Ｑへ向かう。物体Ｑに到達したパルス光Ｐ１は
物体表面で反射する。物体表面が鏡面でない限り、その
反射は拡散反射となる。したがって、物体表面への入射
が垂直入射でなくても反射したパルス光Ｐ２の少なくと
も一部は測距装置１に向かう。

【００１５】測距装置１に戻ったパルス光Ｐ２は、偏向
ミラー３１によって偏向され、測定光として受信光学系
２０に入射する。受信光学系２０は、集光レンズ２１と
光検出器２２とから構成され、受光量に応じた振幅の光
電変換信号Ｓ２０を出力する。光電変換信号Ｓ２０は、
信号処理回路４３で適切に増幅された後に一定周期でサ
ンプリングされる。信号処理回路４３には、所定時間分
のサンプリングデータＤ４３を記憶する波形メモリが設
けられている。サンプリングデータＤ４３に基づいて受
光時点を特定し、後述の動作で特定した送信時点から受
光時点までの光伝搬時間（飛行時間）Ｔｆを算定する処
理はコントローラ４１が担う。受光時点の特定に際して
は、重心演算でパルスのピークを求め、サンプリングデ
ータＤ４３の極大値をピークとみなす場合よりも分解能
を高める。そして、コントローラ４１は、光伝搬時間Ｔ
ｆと既知の光伝搬速度（３×１０⁸ｍ／ｓ）とから対物
間距離に応じた距離データＤＬを算出し、コネクタ４５
を介して接続された外部装置（例えばコンピュータ）へ
出力する。なお、装置構成は例示に限らない。例えばサ
ンプリングデータＤ４３を測距装置１の出力とし、外部
のコンピュータで距離データＤＬを求めるようにしても
よい。測距装置１の出力を光電変換信号Ｓ２０とするこ
ともできる。その場合、距離データＤＬを求める外部装
置に信号処理回路４３を組み込んでもよいし、測距装置
１と外部装置との間に信号処理回路４３に相当するハー
ドウェアを接続してもよい。さらに、発光回路４２及び
走査機構３０の制御を、コントローラ４１に代わって外
部装置が行う変形例もある。

【００１６】以上の構成の測距装置１においては、偏向
ミラー３１の角度位置を変化させることにより、装置自
身の設置位置や姿勢を変えることなく、物体Ｑの複数箇
所までの距離を測定することができる。

【００１７】次に、送信時点の特定に係わるミラー制御
を説明する。図３は偏向ミラーの配置と光路との関係を
示す図である。図３（ａ）は偏向ミラー３１が参照位置
に配置された状態を示し、図３（ｂ）は偏向ミラー３１
が測定位置に配置された状態を示している。

【００１８】図３（ａ）において、偏向ミラー３１は、
その反射面がミラー１３及び受信用のレンズ２１に正対
するように配置されている。レーザ光源１１から放射さ
れたパルス光Ｐ１は、送信用のレンズ１２及びミラー１
３を経て偏向ミラー３１へ入射する。偏向ミラー３１で
反射したパルス光Ｐ１は、レンズ２１で集光されて参照
光Ｐｒとして光検知器２２に入射する。レーザ光源１１
に対する発光制御に同期したタイミングで受光量のモニ
ターを開始し、受光した参照光Ｐｒの例えばピークを送
信時点として検知すれば、現時点における発光制御信号
と送信時点とのずれ量が判る。環境条件や回路動作は短
時間では大きく変化しないので、その後の短時間内に再
びレーザ光源１１を発光させたときにもほぼ同じずれ量
になる。したがって、素早く偏向ミラー３１を図３
（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態へ回転させてパルス
光Ｐ１を外部へ投射し、物体Ｑで反射して戻ったパルス
光Ｐ２を測定光Ｐｓとして光検知器２２に入射させれ
ば、このときの発光制御信号を基準に先に判明したずれ
量を適用して送信時点を特定することにより、信頼性の
高い測距結果を得ることができる。

【００１９】図４は測定動作の第１例のフローチャート
である。図４（ｂ）は参照光の検出処理サブルーチンの
内容を示し、図４（ｃ）は測定光の検出処理サブルーチ
ンの内容を示している。図５は測定動作の第２例のフロ
ーチャートである。

【００２０】図４において、測距装置１は、電源を投入
時の初期設定を終えると、利用者の指示を待つ（＃１、
＃２）。測定指示が与えられると、参照光の検出処理、
測定光の検出処理、及び距離データＤＬを算出する距離
演算処理を、測定点数が所定数に達するまで繰り返す
（＃３〜＃６）。参照光の検出処理においては、偏向ミ
ラー３１の角度位置を、ミラー１３からのパルス光が光
検知器２２に向かって反射する参照位置とする（＃３
１）。その状態で、受光のモニターを開始してレーザ光
源１１をパルス発光させ、受光波形を示すサンプリング
データＤ４３を逐次記録し、モニターの開始から所定時
間が経過した時点で記録を終える（＃３２〜＃３５）。
これにより、送信時点を特定することができる。

【００２１】測定光の検出処理においては、偏向ミラー
３１の角度位置を、ミラー１３からのパルス光が外部に
向かって反射する測定位置とする（＃４１）。ただし、
測定点毎に所定角度ずつ異なった位置とする。つまり、
物体Ｑを走査するために、偏向角度を変更する。ある角
度の測定位置に偏向ミラー３１を配置した状態で、受光
のモニターを開始してレーザ光源１１をパルス発光さ
せ、受光波形を示すサンプリングデータＤ４３を逐次記
録し、モニターの開始から所定時間が経過した時点で記
録を終える（＃４２〜＃４５）。これにより、受信時点
を特定することができる。

【００２２】この例のように測定点毎に参照光の検出を
行えば、各測定点について信頼性の高い距離データＤＬ
を得ることができる。しかし、測定点毎に偏向ミラー３
１の角度位置を参照位置と測定位置とに切り換えるの
で、物体Ｑの走査時間が長くなる。走査時間を短縮する
ために、走査の開始段階で１回だけ参照光の検出を行う
のが図５の例である。測定指示に呼応してステップ＃３
で送信時点を校正した後、測定光の検出処理（＃４）と
距離演算処理（＃５）とを所定回繰り返す。これらの他
にも、所定数の測定点毎に参照光の検出を行う変形例が
ある。なお、いずれの例においても、参照光の検出処理
（＃３）と測定光の検出処理（＃４）の順序を入れ替え
ることは可能である。また、距離演算を測定点毎に行わ
ず、全ての測定点の測定が終わった後に、全測定点につ
いて集中的に距離演算を行ってもよい。

【００２３】以上の測距装置１においては、偏向ミラー
３１の１つの反射面を参照光の検出と測定光の検出とに
兼用するので、光検知器２２の感度制御を行ったとして
も参照光を検出するときに光電変換信号Ｓ２０が飽和す
るおそれがある。物体Ｑで拡散反射して戻る測定光に比
べて参照光の受光量が格段に多いからである。光電変換
信号Ｓ２０が飽和すると、ピーク検出や重心演算による
送信時点の特定が実質的に不可能になる。パルスエッジ
検出で送信時点を特定する場合にも、過大受光により光
電変換信号波形に歪みが生じ、そのためにエッジ検出が
不正確になる可能性が大きい。飽和を避けるためにレー
ザ出力を下げると、測定可能距離が短くなる。参照光の
検出と測定光の検出とでレーザ出力を変えると、発光特
性が変わるので、参照光を検出して送信時点を特定する
意義が失われる。以下に参照光の受光量の低減を図った
実施形態を説明する。

【００２４】図６は第２実施形態に係る偏向ミラーの配
置と光路との関係を示す図である。図６（ａ）は偏向ミ
ラー３１ｂが参照位置に配置された状態を示し、図６
（ｂ）は偏向ミラー３１ｂが測定位置に配置された状態
を示している。

【００２５】図６の走査機構３０ｂに於ける偏向ミラー
３１ｂは、高反射率の反射面３１１と低反射率の反射面
３１２とを有している。１つの偏向面を高反射領域と低
反射領域とに分けてもよいが、本例では板状回転体の表
裏に反射面３１１，３１２が振り分けて設けられてい
る。板状回転体に代えて例えばポリゴンミラーを用い、
その異なる面に反射面３１１，３１２を振り分けること
も可能である。反射面３１２の形成については、鏡面に
塗装、減反射コーティング、又は低反射率素材の貼り付
けなどの処理を加える方法がある。

【００２６】図６（ａ）においては、低反射率の反射面
３１２が受信用のレンズ２２と正対するように偏向ミラ
ー３１ｂの角度位置が制御されている。この状態でレー
ザ光源１１を発光させると、光検知器２２に反射面３１
２で反射した適正光量の参照光Ｐｒが入射する。物体Ｑ
の走査時には、図６（ｂ）のとおりミラー１３からのパ
ルス光Ｐ１が高反射率の反射面３１１で偏向されて物体
Ｑに向かうように、偏向ミラー３１ｂの角度位置が制御
される。物体Ｑで反射して戻ったパルス光Ｐ２は反射面
３１１で反射して測定光Ｐｓとして光検知器２２に入射
する。なお、参照光の検出における偏向ミラー３１ｂの
角度位置は、十分な光量の参照光Ｐｒが光検知器２２に
入射する範囲内であればよく、必ずしも反射面３１２を
レンズ２２と正対させる必要はない。走査時の角度差が
小さいほど角度の切換え時間は短くなる。

【００２７】図７は第３実施形態に係る偏向ミラーの配
置と光路との関係を示す図である。図７（ａ）は偏向ミ
ラー３１ｃが参照位置に配置された状態を示し、図７
（ｂ）は偏向ミラー３１ｃが測定位置に配置された状態
を示している。

【００２８】図７の走査機構３０ｃに於ける偏向ミラー
３１ｃは、高反射率の反射面３１１と拡散反射面３１３
とを有している。本例においても板状回転体の表裏に反
射面３１１と拡散反射面３１３とが振り分けて設けられ
ている。拡散反射処理の具体例としては、細かな砂状の
粒子を含む塗料による塗装、紙や樹脂を原料とする拡散
性の高いシートの貼り付け、物理的又は化学的な粗面加
工がある。

【００２９】図７（ａ）においては、拡散反射面３１３
が受信用のレンズ２２と正対するように偏向ミラー３１
ｃの角度位置が制御されている。この状態でレーザ光源
１１を発光させると、光検知器２２には拡散反射面３１
３で反射したパルス光Ｐ１の一部が参照光Ｐｒとして入
射する。拡散反射によって、正反射に比べて光検知器２
２の受光量が低減される。物体Ｑの走査時には、図７
（ｂ）のとおりミラー１３からのパルス光Ｐ１が高反射
率の反射面３１１で偏向されて物体Ｑに向かうように、
偏向ミラー３１ｃの角度位置が制御される。物体Ｑで反
射して戻ったパルス光Ｐ２は反射面３１１で反射して測
定光Ｐｓとして光検知器２２に入射する。偏向ミラー３
１ｃにおける反射面の配置位置、及び角度位置の制御に
ついては、図６の例と同様の変形が可能である。

【００３０】図８は第４実施形態に係る偏向ミラーの配
置と光路との関係を示す図である。図８（ａ）は偏向ミ
ラー３１が参照位置に配置された状態を示し、図８
（ｂ）は偏向ミラー３１が測定位置に配置された状態を
示している。

【００３１】図８の送信光学系１０ｄは、レーザ光源１
１、レンズ１２、ミラー１３、及び中継ミラー１４から
なる。中継ミラー１４は、参照光の受光量を低減するた
めに付加された光学部材であって、その反射面には反射
率低減処理及び拡散反射処理の一方又は両方が施されて
いる。

【００３２】図８（ａ）においては、偏向ミラー３１の
角度位置はミラー１３からのパルス光Ｐ１が中継ミラー
１４へ向かって反射するように制御されている。この状
態でレーザ光源１１を発光させると、光検知器２２には
中継ミラー１４で反射したパルス光Ｐ１が参照光Ｐｒと
して入射する。中継ミラー１４の反射率の選定により、
光検知器２２の受光量を最適化することができる。中継
ミラー１４の実効面積を小さくすることによって光検知
器２２の受光量を低減することもできる。

【００３３】物体Ｑの走査時には、図８（ｂ）のとおり
偏向ミラー３１の角度位置は、ミラー１３からのパルス
光Ｐ１を物体Ｑに向けて反射するように制御される。走
査時において、中継ミラー１４はパルス光の送受に関与
しない。

【００３４】図８の構成によれば、偏向ミラー３１の表
裏を反転する必要がないので、構造又は制御の上で偏向
ミラー３１の回転可能範囲に制限がある場合にも、光検
知器２２の飽和を避けることができる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、
投射方向を変更する走査機能を有した測距装置におい
て、簡単な構成の光学系で参照光の受光による送信時点
の特定を行うことができる。

【００３６】請求項３又は請求項４の発明によれば、測
定光の強度を低下させずに参照光の受光量を最適化して
所定の測定精度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る測距装置のブロック図である。

【図２】光学系の構成を示す斜視図である。

【図３】偏向ミラーの配置と光路との関係を示す図であ
る。

【図４】測定動作の第１例のフローチャートである。

【図５】測定動作の第２例のフローチャートである。

【図６】第２実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路と
の関係を示す図である。

【図７】第３実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路と
の関係を示す図である。

【図８】第４実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１測距装置（光学装置）Ｐ１，Ｐ２パルス光Ｐｒ参照光（パルス光）Ｐｓ測定光（パルス光）１０送信光学系（送信手段）３１偏向ミラー（回転ミラー）２０受信光学系（受信手段）４１コントローラ（ミラー制御手段）３１１，３１２反射面３１３拡散反射面１４中継ミラー（光学部材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者掃部幸一大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 DD02 FF11 FF32 GG06 GG12 HH04 JJ01 JJ15 LL00 LL13 LL15 LL62 MM15 QQ00 QQ01 QQ23 2F112 AD01 BA11 CA12 DA09 DA15 DA25 5J084 AA05 AD01 BA04 BA11 BA14 BA32 BA49 BB02 BB26 BB28 CA03 DA01 DA02 DA07 EA04 EA31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス光を射出する送信手段と、前記パル
ス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で
反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手
段とを備えた光学装置を用い、複数の方向のそれぞれに
パルス光を投射して各方向における前記パルス光の送信
時点から受信時点までの時間を測定する測距方法であっ
て、前記受信手段を前記回転ミラーで反射したパルス光を受
光するように構成し、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパル
ス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前
記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測
定位置とに切り換え、前記回転ミラーを前記参照位置に配置した状態での前記
受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定するこ
とを特徴とする測距方法。
【請求項２】パルス光を射出する送信手段と、前記パル
ス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で
反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手
段とを備え、外部に向かう複数の方向のそれぞれにパル
ス光を投射し、各方向における前記パルス光の送信時点
から受信時点までの時間に応じた測定データを出力する
測距装置であって、前記受信手段は、前記回転ミラーで反射したパルス光を
受光するように設けられており、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパル
ス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前
記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測
定位置とに切り換えるミラー制御手段を備え、前記回転ミラーが前記参照位置に配置された状態での前
記受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定する
ことを特徴とする測距装置。
【請求項３】前記回転ミラーは反射特性の異なる第１及
び第２の反射面を有し、前記参照位置においては前記第１の反射面で反射したパ
ルス光が前記受光手段に入射し、前記測定位置において
は前記第２の反射面で反射したパルス光が前記受光手段
に入射する請求項２記載の測距装置。
【請求項４】前記受光手段は、光電変換の受光量を低減
するための光学部材を有し、前記参照位置においては前記回転ミラーで反射したパル
ス光が前記光学部材を経由して光電変換面に入射し、前
記測定位置においては前記回転ミラーで反射したパルス
光が前記光学部材を経由せずに光電変換面に入射する請
求項２記載の測距装置。