JP2008070199A - 走査式測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成の基準機構を走査部に設けることにより、安価で且つ高精度な測距を実現し得る走査式測距装置を提供する。
【解決手段】測定光を出力する投光部３と、前記測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部４と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部５を備え、前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、前記走査部４は、前記測定光を前記測定対象空間に伝播させ且つ前記反射光を前記受光部５に導く反射部材９と、前記反射部材９を所定回転軸心で回転させる回転機構を備え、前記回転軸心と前記測定光の光軸とが平行となるように前記投光部３と前記走査部４が配置され、前記走査部４の特定回転位置で前記測定光の一部が基準光として前記受光部５に導かれるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置に関する。

この種の走査式測距装置は、ロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用され、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源からの出力を所定の変調信号により変調した測定光を出力する投光部と、測定光を測定対象空間に向けて回転走査する走査部と、走査された測定光が測定対象物で反射した反射光を光電変換素子により検出する受光部と、前記投光部から出力される測定光と、測定対象物で反射した反射光に基づいて物体までの距離を演算する演算部を備えて構成されている。

上述の走査式測距装置における測距方式として、ＡＭ方式とＴＯＦ方式が実用化されている。ＡＭ方式とはレーザ光またはＬＥＤ光を正弦波で変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と測定光の位相差に基づいて、以下の数式により距離を算出する方式である。ここに、φは計測された位相差、Ｃは光速、Fは変調周波数である。

ＴＯＦ方式とはレーザ光またはＬＥＤ光をパルス光に変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と測定光との時間差に基づいて、以下の数式により距離を算出する方式である。ここに、Ｃは光速、Ｔは時間差である。

例えば、ＴＯＦ方式を採用する場合、特許文献１に記載されているように、前記演算部は、前記光源に対する駆動信号の立ち上りエッジから前記受光部により検出される反射光の検出タイミング迄の遅延時間を検出するカウンタ回路を備えた信号処理回路で構成され、反射光のピーク値に基づいて遅延時間が補正されるように構成されているが、光源の発光特性や受光部に設けた光電変換素子の受光特性等の部品間のばらつきや経時変化による変動に起因して、算出される距離に誤差が生じるという問題があった。

ＡＭ方式も測定光に対する測定対象物からの反射光の遅延時間に基づいて距離を求めるという観点で同様の方式であるため、これらの方式を採用する場合には、測定精度を向上させるために、上述の誤差要因を排除する必要があった。

そこで、特許文献２には、走査部を構成する回転体が基準回転位置にあるときに投光部と受光部とを一定の光路長さで光学的に結合させる基準機構をケーシングに設け、回転体が基準回転位置にきたときの演算出力、つまり、投光部への駆動信号と基準機構を介して受光部で検出される測定光との時間差に基づいて基準距離を演算し、投光部への駆動信号と受光部で検出される反射光との時間差に基づいて演算される距離を前記基準距離で補正する信号処理回路を備えた走査式測距装置が提案されている。
特開平６-２１４０２７号公報 特開平７−１９１１４２号公報

しかし、上述の特許文献２に記載された走査式測距装置では、基準機構が走査部の外部ケーシングに配置されているため、ケーシング内で反射して発生する迷光が受光部で検出されると測距演算に影響を与えることが多く、迷光を防ぐための複雑な機構や、基準機構を構成するためのプリズム等の特殊な光学素子をケーシングに設けるための複雑な機構によりコストの上昇を来たすという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、簡単な構成の基準機構を走査部に設けることにより、安価で且つ高精度な測距を実現し得る走査式測距装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による走査式測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、前記走査部は、前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させるとともに、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く反射部材と、前記反射部材を所定の回転軸心周りで回転させる回転機構を備え、前記回転軸心と前記投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように前記投光部と前記走査部が配置され、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記受光部に導かれるように構成されている点にある。

上述の構成によれば、回転軸心と投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部と走査部が配置されているので、走査部が回転して特定回転位置に位置すると、走査部の反射部材を介することなく投光部から受光部へ基準光が直接導かれるようになる。また、前記走査部が特定回転位置に位置していない場合は、前記投光部から前記受光部への基準光の経路が遮断されて、測定光が測定対象空間に向けて走査されるようになる。従って、ケーシング等の他の構成部を経由させて投光部から受光部へ前記基準光を導く場合のような複雑な機構が不要になるばかりでなく、誤差要因となる迷光の発生を防止することができる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記受光部に導かれるように案内する導光部材が設けられている点にある。

投光部から出力された測定光の光軸と受光部の光軸が一致していないような場合には、基準光が受光部に適切に検出されないおそれがあるが、導光部材を設けることにより確実に基準光を検出することができるようになる。また、より広範囲かつ遠距離を測定するために発光点の大きなレーザダイオードを用いて測定光の光線束の径を太くした場合、測定光が測定対象空間に向けて出力されるときに、測定光の一部が反射部材の最外部から漏れ出て直接受光部に導かれるような場合であっても、導光部材を設けることにより、走査部が特定回転位置に位置するときにのみ測定光を基準光として受光部に導くことができるようになる。さらに、測定光の光線束の径を太くした場合、特定回転位置において測定光が反射部材を介することなく受光部に到達すべきときであっても、測定光の一部が反射部材に入射して生じる迷光が受光部に導かれると、基準光の検出精度が低下するおそれがあるが、上述の構成によれば、導光部材により基準光のみを確実に受光部に導くことができる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記投光部と前記受光部が前記反射部材を挟んで対向配置されるとともに、前記反射部材が前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させる第一反射部材と、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く第二反射部材の一対の反射部材で構成され、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記反射部材を介することなく前記受光部に導かれるように構成されている点にある。

上述の構成によれば、反射部材が第一反射部材と第二反射部材に分けられており、第一反射部材から反射した測定光の一部が投光窓で反射して受光部に入射するような不都合を回避できるように構成しながらも、第一や第二特徴構成と同様の効果を得ることができる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記投光部と前記受光部が前記反射部材の一側に配置され、前記反射部材に、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部を基準光として前記受光部に導く導光部材が設けられている点にある。

上述の構成によれば、投光部からの測定光が反射部材で外部に走査され、反射光が当該反射部材により受光部に導かれるので、装置をコンパクトに構成することができ、特定回転位置で当該反射部材に設けられた導光部材により測定光の一部が基準光として受光部に導かれるので、きわめて簡単に構成することができる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記基準光に基づいて前記測定対象物までの距離を補正する補正値を算出する補正値算出部と、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記反射光と前記補正値に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する演算部とを備えている点にある。

上述の構成によれば、補正値算出部により、光源の発光特性や受光部に設けた光電変換素子の受光特性等の部品間のばらつきや経時変化による変動に起因する距離の誤差を是正する補正値を算出し、演算部において距離を算出するときに、算出された距離に前記補正値の加算または減算を行うことにより、前記誤差が相殺されるため、測定対象物までの距離を精度良く算出することができる。

以上説明した通り、本発明によれば、簡単な構成の基準機構を走査部に設けることにより、安価で且つ高精度な測距を実現し得る走査式測距装置を提供することができるようになった。

以下、本発明による走査式測距装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、この走査式測距装置１は、ハウジング２を備えると共に、このハウジング２の内部に、投光部３と、走査部４と、受光部５とを主たる構成要素として備えている。

ハウジング２は、図中の上下方向の両端が閉じられた円筒状を呈し、その周壁部２ａの全周から一部を除いた側壁（図１では右側壁に示している）に亘って湾曲し上下方向に一定の幅を有する透光窓２ａ１が形成され、この透光窓２ａ１を介して、後述する投光部３から出力される測定光と、物体で反射して受光部５に至る反射光とが往来可能となっている。

また、前記ハウジング２における前記透光窓２ａ１以外の部分は、光の完全な遮光かつ反射防止のために、表面に凹凸を設けた暗幕等の吸光部材で被覆される光吸収壁で構成されている。

投光部３は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子と、発光素子の駆動回路を備えて構成され、発光素子は図中の下向きに測定光を出力するように配置されている。この投光部３から下向きに出力された測定光が通る投光入射光路Ｌ１上には、光のビーム径を一定にする光学レンズ７が配置されている。

走査部４は、投光部３から出力された測定光をハウジング２の透光窓２ａ１を介して外部の測定対象空間に走査するもので、本実施形態では、回転体８と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を前記受光部５に導く反射部材９と、回転機構としてのモータ１１とから構成されている。

回転体８は、筒状の周壁部８ａと、周壁部８ａの上端を塞ぐ天板部８ｂとから構成されている。周壁部８ａの下端部は縮径され、その内周面に軸受１２を介して中空軸１３が挿入されており、この中空軸１３によって回転可能に支承されている。

回転体８を回転駆動するモータ１１は、固定子側にコイル１１ａを、回転子側にマグネット１１ｂをそれぞれ備え、マグネット１１ｂが、回転体８の周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられ、コイル１１ａとの相互作用により、回転体８が、前記反射部材９を所定の回転軸心周りで回転させるように構成されている。

走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部３と走査部４が配置され、回転軸心上に受光部５が配置されている。具体的には、走査部４の回転軸心が、図１の破線で示すように、反射部材９における投光入射光路Ｌ１の光軸から所定距離ｘ離れた位置に設定されている。つまり、前記反射部材９は、所定の回転軸心を中心として円を描いて回転するように構成されている。

反射部材９は、対向配置される投光部３と受光部５の間に配置され、投光部３から出力された測定光を測定対象空間に伝播させる第一反射部材９１としての投光ミラーと、測定対象物からの反射光を受光部５に導く第二反射部材９２としての受光ミラーの一対で構成されている。

回転体８の天板部８ｂの上下面には、回転軸から所定距離の位置に、第一反射部材９１と、第二反射部材９２とがそれぞれ傾斜姿勢で取り付けられ、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって第一反射部材９１に入射した後、反射して水平な投光出射光路Ｌ２に導かれるとともに、ハウジング２の外方に形成される測定対象空間である走査領域内に存在する物体、つまり測定対象物からの反射光が、回転体８の周壁部８ａの一部に形成されている開口部８ａ１を介して、受光入射光路Ｌ３によって第二反射部材９２に入射した後、反射して受光出射光路Ｌ４に導かれる。この受光出射光路Ｌ４上には、受光レンズ１４が取り付けられており、物体からの反射光が受光部５で集束されるようになっている。

また、回転体８の回転軸心を挟んで測定光の光軸と反対側に、投光部３より出射された測定光を回転体８の天板部８ｂの上面から下面へ導くための基準光孔１０が設けられており、回転体８が回転して、図２に示すように、前記基準光孔１０が投光部３の真下に位置したときには、測定光の一部が基準光として装置の外部に出射されることなく前記基準光孔１０を通過して受光部５へ導かれるように構成されている。

なお、本実施形態では、第一反射部材９１及び第二反射部材９２は、回転体８の回転軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しており、投光出射光路Ｌ２及び受光出射光路Ｌ３とが、投光入射光路Ｌ１の光軸(受光入射光路Ｌ４の光軸)と直交する光軸をそれぞれ有し、互いに平行となるように設定されている。これにより、投光出射光路Ｌ２により物体に照射されて反射する反射光を、受光入射光路Ｌ３から取り込むことが可能となる。さらに、回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が、回転体８の外周面に固定された光学的スリットを有するスリット板１５ａと、スリット板１５ａの回転経路上に配置されたフォトインタラプタ１５ｂとから構成されている。

受光部５は、前記測定対象物からの反射光を検出するように構成されており、例えばアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と、光電変換された信号を増幅する増幅回路を備えて構成され、回転体８の内部に収容された状態で、投光部３と対向するように配置されている。詳述すると、受光部５は、回転体８を支承する中空軸１３の上端面に配置されており、モータ１１による回転体８の回転動作とは無関係に、常に静止状態を維持するようになっている。また、受光部５からの出力信号は、図示していないが、中空軸１３の内部空間に挿通された信号線により後述の信号処理回路に接続されている。

回転体８を回転させると、投光部３から出力された測定光は、回転体８の回転軸を中心として放射状に周囲を走査する。

しかし、反射部材９が回転体８によって回転させられて、図２に示すように、特定回転位置、つまり、走査部４から出力される測定光が湾曲形成される透光窓２ａ１を外れてハウジング２の光吸収壁に向けて出力される位置であって、基準光孔１０が投光部５及び光学レンズ７の真下にくるような位置に走査部４が位置している場合は、図中の一点鎖線で示すように、投光部３から出力された測定光の一部が基準光として基準光孔１０を介して受光部５に導かれる。このとき、第一反射部材９１に入射した測定光の一部は、ハウジング２の光吸収壁で吸収されるために装置外部に出射されることがない。特定回転位置は、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１の左右中心位置に対して反対側に向けられる位置とすることが望ましい。

なお、測定光が外部に走査される透光窓２ａ１の形成範囲は、投光入射光路Ｌ１の光軸周りに１８０度から２７０度前後の角度範囲に設定されている。

つまり、走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部３と走査部４が配置され、走査部４の特定回転位置で投光部３から出力された測定光の一部が基準光として反射部材９を介することなく受光部３に導かれるように構成されている。

さらに、図１１に示すように、透光窓２ａ１に前記天板部８ｂと略同一の面位置で段差部２ａ２を形成することにより、測定光が透光窓２ａ１を介して受光部５に検出されるような漏れ光を効果的に減衰させることができる。

図３に示すように、走査式測距装置は、走査部４が特定回転位置に位置しているときに、投光部３から測定光Ｓ２が出射されてから受光部５に基準光Ｓ３が到達するまでの時間ｔ１を算出しておき、前記走査部４が特定回転位置以外に位置しているときに、投光部３から測定光Ｓ２が出射されてから測定対象物からの反射光Ｓ４が受光部５に到達するまでの時間ｔ２を算出する。

算出した時間ｔ１は、装置内部のみを通って投光部３から受光部５へ到った場合の時間であり、一方、算出した時間ｔ２は、装置内部および装置外部を通って投光部３から受光部５へ到った場合の時間であることから、算出した時間ｔ２から時間ｔ１を減じる演算を行なうことで、装置外部のみを通って投光部３から受光部５へ到った時間、つまり、装置内部の不安定要素の変動の影響を的確に低減した時間を算出することができる。

なお、図３で説明した時間の算出と、前記時間に基づいた走査式測距装置と測定対象物の距離の算出の詳細については後述する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、基準光路の構成のみが上記の第１の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる基準光路の構成を中心に説明し、共通の構成要素については同符号を付して詳しい説明を省略する。

同図に示すように、この走査式測距装置における前記基準光路は、上述の第１の実施形態において基準光孔１０が設けられていた位置に、投光部３より出射された測定光を回転体８の天板部８ｂの上面から下面へ導くための導光部材１６が設けられており、走査部５の特定回転位置で投光部３から出力された測定光の一部が基準光として導光部材１６を介して受光部５に導かれるように構成されている。

詳述すると、導光部材１６は、光学レンズ７の近傍で測定光を受けるために、一端を光学レンズ７の最下面より下である近傍に位置させて他端を天板部８ｂの下面より下部に位置させて固定設置した光ファイバーケーブル１６１と、前記光ファイバーケーブル１６１を通って出力された測定光を受光部５へ確実に導くために、前記光ファイバーケーブル１６１の他端に取り付けられている光拡散板１６２とを備えて構成されている。

走査部５が特定回転位置に位置しない場合は、図４に示すように、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって第一反射部材９１に入射した後、反射して投光出射光路Ｌ２に導かれる。このとき、導光部材１６の入光端部が光学レンズ７の近傍直下に配置されているために、前記光学レンズ７から導光部材１６に直接に測定光は入らず、また、前記第一反射部材９１にて反射した測定光も、周壁部２ａを構成する光吸収壁によって反射することはないために、前記光学レンズ７から導光部材１６に間接にも測定光は入らない。

投光出射光路Ｌ２導かれた測定光は、装置外部へ出射された後、測定対象物に照射されて反射する。この反射光は、受光入射光路Ｌ３によって開口部８ａ１を通過するのであるが、前記開口部８ａ１を通過した直後の位置に受光レンズ１４が設けられており、前記反射光は受光レンズ１４によって集束されてから、第二反射部材９２で反射して受光出射光路Ｌ４に導かれ受光部５に到達する。

一方、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、図５に示すように、導光部材１６の入光端部が光学レンズ７の真下に位置し、図中に一点鎖線で示すように、前記投光部３から出力された測定光の一部が基準光として光ファイバーケーブル１６１を介して光拡散板１６２へ到達し、図中に二点鎖線で示すように、光拡散板１６２から出力される拡散光が受光部５で検出される。

なお、図５に示すように、光拡散板１６２から出力される基準光をより確実に受光部５へ導くとともに、迷光が受光部５に入射するのを防止するために、光拡散板１６２に遮光板１６２ａを取り付けた構成であってもよい。

本実施形態のように、投光部３から出力された測定光の光軸と受光部５の光軸が一致していないような場合には、基準光が受光部４に適切に検出されないおそれがあるが、導光部材１６を設けることにより確実に基準光を検出することができるようになるのである。光ファイバーケーブル１６１を介して導かれる基準光を受光部５に導くために光拡散板１６２を配置しているが、光拡散板１６２を配置せずに光ファイバーケーブル１６１をその出光部端部が受光部５に向くように配置するものであってもよい。

ＴＯＦ方式に適した発光点の大きな発光素子が投光部３に備えられている場合、光線束の径が太くなるために平行光に収束させるための光学レンズ７の径も大きなものを採用する必要がある。本実施形態は、そのような場合に好適な構成で、測定光が測定対象空間に向けて出力されるときに、測定光の一部が反射部材９の最外部から漏れ出て直接受光部３に導かれるおそれがある場合であっても、導光部材１６を設けることにより、走査部４が特定回転位置に位置するときにのみ測定光を基準光として受光部５に導くことができるようになる。

さらに、測定光の光線束の径を太くした場合、特定回転位置において測定光が反射部材９を介することなく受光部に到達すべきときであっても、測定光の一部が反射部材に入射して生じる迷光が受光部に導かれると、基準光の検出精度が低下するおそれがあるが、上述の構成によれば、導光部材１６の入光端部を光学レンズ７の近傍直下に配置しているために、導光部材１６により基準光として必要な測定光のみを確実に受光部５に導くことができる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、受光部５の配置、走査部４の構成、及び基準光路の構成が上記の第１及び第２の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる、受光部５の配置、走査部４の構成、及び基準光路を中心に説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

走査部４は、投光部３から出力された測定光を測定対象空間に伝播させるとともに、測定対象物からの反射光を受光部４に導く反射部材９と、反射部材９を支持する回転体８と回転体８を所定の回転軸心（図中、破線で示す）周りで回転させる回転機構としてのモータ１１を備えている。

投光部３と受光部５が反射部材９の一側に配置され、投光部３から出力された測定光が投光入射光路Ｌ１の光軸と４５度の角度で傾斜配置された反射部材９により外部の測定対象空間に向けて反射されて投光出射光路Ｌ２に導かれ、測定対象物からの反射光が受光入射光路Ｌ３に沿って反射部材９に入射し、反射部材９で反射されて受光出射光路Ｌ４を介して受光部５に入射される。つまり、反射部材９が投光用ミラーと反射用ミラーとして兼用されている。

走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸つまり投光入射光路Ｌ１の光軸とが平行となるように投光部３が配置され、当該回転軸心上に受光部５が配置されている。

反射部材９の一部に導光部材１７が設けられており、走査部４の特定回転位置、つまり、走査部４から出力される測定光が湾曲形成される透光窓２ａ１を外れてハウジング２の光吸収壁に向けて出力される位置に走査部４が回転したときに、投光部３から出力された測定光の一部が導光部材１７により反射され、基準光として受光部５に導かれるように構成されている。特定回転位置は、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１の左右中心位置に対して反対側に向けられる位置とすることが望ましい。

詳述すると、導光部材１７は、図６に示すように、走査部４により測定光が透光窓２ａ１に向けて走査される間では投光入射光路Ｌ１の外部に位置し、図７に示すように、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１を外れたハウジング２の光吸収壁に向けて走査される間の何れかの時期に投光入射光路Ｌ１の内部に位置するように、反射部材９の縁部に設けられた拡散反射板で構成されている。

つまり、投光入射光路Ｌ１から拡散反射板に入射した測定光は、当該拡散反射板で拡散反射され、その一部が受光レンズ１４を介して受光部５に導かれるのである。

導光部材１７としては、拡散反射板に代えて少なくとも測定光の一部を選択的に受光部５に向けて反射させる反射テープで構成されるものであってもよい。この場合には、拡散反射で生じる迷光の発生をより低減させることができる。

投光部３は走査部４の回転軸心から径方向に離間した位置に設置され、投光部３の直下には光学レンズ７が配置されている。また受光部３は走査部４の回転軸心上に配置され、受光部５の直下には反射光及び基準光を受光部５に集光する受光レンズ１４が配置されている。

なお、上述の構成において、特定回転位置で投光部３から出射された測定光の一部が導光部材１７の周辺部の反射部材９に入射して反射光による迷光の発生を回避するために、図７に示すように、遮光板７ａ（図中、破線で示す）を設けてもよい。

以下に、上述した第１から第３の実施形態に係る走査式測距装置において、測定光の出力タイミングに同期して受光部５により検出される基準光に基づいて測定対象物までの距離を補正する補正値を算出する補正値算出部と、測定光の出力タイミングに同期して受光部５により検出される反射光と前記補正値に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算部とを備えている信号処理回路について説明する。

図９に示すように、信号処理回路７０は、走査角度検出部１５から出力された走査角度を示す角度信号に基づいて前記角度信号に同期した発光駆動信号を出力する発光制御部７１と、走査部５が特定回転位置でない場合に、受光部５から出力された電気信号を測定光信号として検出する測定光検出部７２と、走査部５が特定回転位置である場合に、受光部５から出力された電気信号を基準光信号として検出する基準光検出部７３と、前記基準光検出部７３で検出された基準光信号に基づいて当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値を算出する補正値算出部７４と、前記測定光検出部７２で検出された測定光信号に基づいて測定距離を算出し、前記測定距離と前記補正値に基づいて最終測定距離を算出する演算部７５と、前記基準光検出部７３で検出された基準光に基づいて故障を検出する故障判定部７６と、前記角度信号と前記最終測定距離から測定対象物の位置を演算して出力する信号制御部７７とを備えて構成されている。

システムに電源が投入されると、図示しないシステム制御部からモータ制御回路８０にモータ駆動信号が出力され、前記モータ制御回路８０によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータの回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号が発光制御部７１に入力され、当該パルス信号に基づいて前記発光制御部７１では走査部４による測定光の出力方向が把握される。尚、前記走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置で他と異なるように形成されているため、パルス信号の波形に基づいて基準位置が検出され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。

図１０に示すように、走査角度検出部１５から出力される角度信号であるパルス信号に基づいて計測タイミングを算出した信号制御部７７から、発光制御部７１に計測タイミング信号が入力されると、発光制御部７１から当該計測タイミング信号を基準とする所定タイミングで投光部３に所定デューティ比の発光駆動信号Ｓ１が出力される。

発光駆動信号Ｓ１を受け取った投光部３では、変調回路３１がレーザ光またはＬＥＤ光をパルス状の測定光に変調し、図示しない駆動回路が前記発光駆動信号Ｓ１に同期して発光素子３２を駆動させて、発光素子３２が測定光Ｓ２を装置外部に出射させる。つまり、測定光Ｓ２の発光強度は当該発光駆動信号Ｓ１のデューティ比及び発光素子３２の駆動電流により制御され、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動される。

走査部５が特定回転位置に位置しない場合は、出力された測定光Ｓ２ａのうち測定対象物で反射した反射光Ｓ４が受光素子５２で検出され、増幅回路５１において反射光Ｓ４の光電変換が行なわれて変換後の電気信号が信号解析可能なレベルまで増幅されて出力される。

測定光検出部７２は、当該電気信号を反射信号Ｓ５ａとして検出して、補正値算出部７４と故障判定部７５へ出力する。なお、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、測定光検出部７２は信号を検出しないように構成されている。

一方、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、出力された測定光Ｓ２ｂの一部が基準光Ｓ３として装置外部に出射されることなく上述の基準光路を介して受光部５で検出され、増幅回路５１において基準光Ｓ３の光電変換が行なわれて変換後の電気信号が信号解析可能なレベルまで増幅させられて出力される。

基準光検出部７３は、当該電気信号を基準信号Ｓ５ｂとして検出して、演算部７７へ出力する。なお、走査部５が特定回転位置でない場合は、基準光検出部７３は信号を検出しないように構成されている。

補正値算出部７４では、測定光Ｓ２ｂに対応する発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ｂの時間差ｔ１が算出され、時間差ｔ１より当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値ΔＬを〔数２〕より算出する。なお、補正値ΔＬの算出では、〔数２〕において時間差ｔ１をＴに代入して、Ｌとしての前記補正値ΔＬを算出する。

演算部７５では、測定光Ｓ２ａに対応する発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ａの時間差ｔ２が算出され、時間差ｔ２より測定距離Ｌ１を〔数２〕より算出する。なお、測定距離Ｌ１の算出では、〔数２〕において時間差ｔ２をΔｔに代入して、Ｌとしての前記測定距離Ｌ１を算出する。

また、前記演算部７５では、算出された前記測定距離Ｌ１から前記補正値ΔＬを減算することで最終測定距離Ｌ２を算出する。

故障判定部７６では、基準光信号Ｓ５ｂを算出することで走査式測距装置の内部回路に故障がないか否かを検出する。

以下に詳述する。基準光信号Ｓ５ｂは、装置外部に出射されることなく、もっぱら装置内部の基準光路によって発光制御部７１から投光部３、受光部５を介して基準光検出部７３に導かれるため、外部の影響を受けない安定した信号が得られる。

よって、故障判定部７６は、上述の安定した信号のうち、走査式測距装置に故障が発生していないときの基準光信号、例えば、装置が製造された直後等に調整された基準光信号の波形を記憶しておき、装置の運転時は常に、入力してきた基準光信号Ｓ５ｂの波形を、記憶された基準光信号の波形と比較して、両波形が同一である場合は故障なし、異なる場合は発光制御部７１、投光部３、受光部５、基準光検出部７３の何れかに故障ありとの判断を行うように構成されている。

故障判定部７６で判断された結果は、故障した状態での動作防止や誤った結果の出力防止等のため、補正値算出部７４と信号制御部７７に出力されて以後の走査式測距装置の動作に反映される。

信号制御部７７では、前記角度信号と前記最終測定距離から測定対象物の位置を演算して出力する。つまり、前記角度信号からは走査式測距装置に対する測定対象物の方向が算出され、前記最終測定距離からは走査式測距装置から測定対象物の距離が算出される。

よって、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動されることで、特定回転位置以外の全周囲における測定対象物の位置を演算して出力する。なお、当該走査式測距装置自体が方向を変更することで、それまで特定回転位置であった方向が特定回転位置でなくなることから、特定回転位置における測定対象物の位置も演算することができる。

以下、別実施形態について説明する。

上述の第三の実施形態では、図７に示すように、導光部材１７が反射部材９に貼付された反射テープである構成について説明したが、導光部材１７は、図８に示すように、投光部３から出射された測定光の一部を基準光として、直接受光部５へ反射させることができる角度に取り付けられた補助反射部材９３を前記反射部材９に取り付ける構成であってもよい。

上述の実施形態では、測定光検出部７２と基準光検出部７３を備えており、走査部４が特定回転位置であるか否かで何れに反射光が入力するかを決定する構成について説明したが、測定光の検出と基準光の検出で共通に使用される光検出部を備えており、さらに、補正値算出部７４の機能を演算部７５に組み込んで一体の演算部とした構成であってもよい。

本発明の走査式測距装置では、特定回転位置であるか否かが明確に区別されており、測定対象物を経由する測定光と経由しない基準光が受光部５に同時入力することはなく、補正値の演算と測定距離の演算を同時に実行することがないので、上述の構成であっても距離の演算を行なう上で支障はない。

発光駆動信号と出力信号（測定信号および基準信号）との時間差を算出する際に、各信号の立ち上がりタイミングを検出する必要があるが、立ち上がりタイミング検出は、信号が所定の閾値を超えた時点を検出するコンパレータを設けることにより、容易に検出できる。コンパレータによる検出では、信号の立ち上がりの微小な変動による影響を受けるため、以下の手法で補正することができる。

例えば、反射信号および基準信号を時間軸に関して積分することで積分値を算出し、複数の積分値に夫々対応する補正値を予め記憶しておいたマップデータから、当該積分値に対応する補正値を導出することで、反射信号および基準信号の立ち上がり位置を求める構成であってもよい。立ち上がり時間の変動が信号の積分値と相関を有するという特性を利用するものである。

さらに、反射信号および基準信号のピーク値を算出し、複数のピーク値に夫々対応する補正値を予め記憶しておいたマップデータから、当該ピーク値に対応する補正値を導出することで、反射信号および基準信号の立ち上がり位置を補正する構成であってもよい。立ち上がり時間の変動が信号のピーク値と相関を有するという特性を利用するものである。

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

また、反射信号および基準信号の立ち上がり部分の時間軸上での重心位置を算出する方法や、反射信号および基準信号の立ち上がり部分を直線近似または多項式近似して、その近似線と出力信号のオフセットレベルとの交点の位置を算出する方法等を採用するものであってもよい。

上述の実施形態では、本発明を、レーザ光をパルス光に変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と発光駆動信号との時間差に基づいて、測定対象物までの距離を計算するＴＯＦ方式を採用した走査式測距装置に適用した場合について説明したが、レーザ光またはＬＥＤ光を正弦波で変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と発光駆動信号との位相差に基づいて、測定対象物までの距離を計算するＡＭ方式を採用した走査式測距装置に適用することも可能である。

この場合、発光制御部７１から発光駆動信号を受け取った投光部３からは、変調回路３１においてレーザ光またはＬＥＤ光が正弦波で変調された測定光が出射される。

そして、補正値算出部７４と演算部７５では、共に正弦波形である変調回路３１から出力された測定光と増幅回路５１から出力された測定光信号（または基準光信号）との間で位相差が算出され、前記位相差より補正値や測定距離が算出される。

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

本発明の第１の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第１の実施形態で特定回転位置にある場合を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 図１の走査式測距装置における光信号波形と電気信号波形のタイミングを示す説明図 本発明の第２の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第２の実施形態で特定回転位置にある場合を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第３の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第３の実施形態で特定回転位置にある場合を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第３の実施形態で別の導光部材を使用した場合を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明による走査式測距装置の信号処理回路のブロック構成図 基準光信号と測定光信号の時間差を求めるためのタイミングを示す説明図 本発明の別実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図

符号の説明

１ 走査式測距装置
２ ハウジング
３ 投光部
４ 走査部
５ 受光部
８ 回転体
９ 反射部材
１０ 基準光孔
１１ モータ
１５ 走査角度検出部
１６ 導光部材
１７ 導光部材
３１ 変調回路
３２ 発光素子
５１ 増幅回路
５２ 受光素子
７０ 信号処理回路
７１ 発光制御部
７２ 測定光検出部
７３ 基準光検出部
７４ 補正値算出部
７５ 演算部
７６ 故障判定部
７７ 信号制御部
９１ 第一反射部材
９２ 第二反射部材
１６１ 光ファイバーケーブル
１６２ 光拡散板

Claims (5)

1. 測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、
   前記走査部は、前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させるとともに、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く反射部材と、前記反射部材を所定の回転軸心周りで回転させる回転機構を備え、
   前記回転軸心と前記投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように前記投光部と前記走査部が配置され、
   前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記受光部に導かれるように構成されている走査式測距装置。
2. 前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記受光部に導かれるように案内する導光部材が設けられている請求項１記載の走査式測距装置。
3. 前記投光部と前記受光部が前記反射部材を挟んで対向配置されるとともに、前記反射部材が前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させる第一反射部材と、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く第二反射部材の一対の反射部材で構成され、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として前記反射部材を介することなく前記受光部に導かれるように構成されている請求項１または２記載の走査式測距装置。
4. 前記投光部と前記受光部が前記反射部材の一側に配置され、前記反射部材に、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部を基準光として前記受光部に導く導光部材が設けられている請求項１または２記載の走査式測距装置。
5. 前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記基準光に基づいて前記測定対象物までの距離を補正する補正値を算出する補正値算出部と、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記反射光と前記補正値に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する演算部とを備えている請求項１から４の何れかに記載の走査式測距装置。

Images