JP2009229255A - 走査式測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】距離補正のために設けられた基準光学系を活用することにより、簡便且つ安価に光学系の損傷を検出できる高精度な走査式測距装置を提供する。
【解決手段】投光部２から出力された測定光を光学窓５が形成された円筒状ケーシング１の軸心Ｐと直交する方向に偏向反射し、被測定物からの反射光を受光部３に向けて偏向反射する偏向光学系１１を備え、測定光が光学窓５から出力されない走査角度領域で、測定光を直接受光部へ導く二系統の基準光学系２０を互いに異なる走査角度位置に配置し、一方の基準光学系の入光部を測定光の光芒中心から軸心に沿って一方向に偏らせた位置に配置し、他方の基準光学系の入光部を測定光の光芒中心から軸心に沿って他方向に偏らせた位置に夫々配置し、各基準光学系により検出される測定光に基づいて偏向光学系の光軸のズレを検出する異常検出部を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査式測距装置に関し、特にＴＯＦ方式に好適な走査式測距装置に関する。

この種の走査式測距装置は、ロボットや無人車の視覚認識センサとしてのナビゲーション用センサ、或いは、ドアの開閉センサや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、車の形状を検出して車種の判別及び通過する車の数をカウントするＥＴＣシステム用センサ、人を検出して人数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する検出用センサ、さらには、監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ等に利用される。

走査式測距装置は、周方向に沿って弧状に配置された光学窓を備え、一対の投光部及び受光部を収容する円筒状ケーシングと、前記投光部から出力された測定光を前記円筒状ケーシングの軸心と直交する方向に偏向反射する第一ミラー、及び、被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二ミラーを前記軸心周りに回転して、前記測定光を前記軸心と直交する平面上で回転走査する偏向光学系を備えている。

図１０（ａ）に示すように、走査式測距装置は、ｐ−ｎ接合に電流を流すと劈開面からレーザ光が放出される半導体レーザが光源として投光部に組み込まれ、投光部から出力される測定光に変調を加えた測定光と、受光部で検出される被測定物からの反射光に基づいて装置から被測定物までの距離を算出する装置で、ＡＭ変調した測定光と反射光の位相差から被測定物までの距離を求めるＡＭ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式と、パルス変調した測定光と反射光の検出時間差から被測定物までの距離を求めるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式が実用化されている。

例えば、ＴＯＦ方式では、図１０（ｂ）に示すように、光源を駆動する信号の出力時点から受光部で反射光を検出する時点迄の遅延時間Δｔが検出され、以下の式で示すように、当該遅延時間Δｔから距離Ｌが算出される。尚、式中、Ｃは光速を示す。
Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２

このような走査式測距装置では、受光部に備えた光電変換素子や増幅回路の温度特性、経年変化による特性変動等に起因して反射光の検出タイミングが変動し、その結果、算出される距離に誤差が生じる虞がある。

そこで、図１１に示すように、特許文献１には、光軸Ｄ上に対向配置された投光部Ａと受光部Ｂの間に、投光用の偏向ミラーＭＡと受光用の偏向ミラーＭＢを天面Ｃ１に取り付けた回転体Ｃ２でなる偏向光学系Ｃを配置し、光軸Ｄ周りに回転体Ｃ２を回転駆動することにより、被測定物Ｇまでの距離を算出する信号処理回路Ｅを備えるとともに、偏向ミラーＭＡで反射した投光部Ａからの光を偏向ミラーＭＢに向けて折り返す基準光学系Ｆを備えた走査式測距装置が提案されている。

当該走査式測距装置には、プリズム等を用いた一定の光路長の基準光学系ＦをケーシングＨの内壁部に設けるとともに、距離補正部が信号処理回路Ｅに組み込まれている。偏向光学系Ｃの回転角度が所定の基準回転角度となったときに、当該基準光学系Ｆにより投光部Ａと受光部Ｂが光学的に結合する。距離補正部は、このときに検出される遅延時間Δｔ_ｂから上式で算出される基準距離Ｌｂを予め求めておき、被測定物Ｇに対して算出した距離から基準距離Ｌｂを減算する。

また、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、特許文献２には、投光部Ａから出力された測定光を、偏向ミラーＭＡ及び偏向ミラーＭＢを介して被測定物に向けて反射し、被測定物からの反射光を、偏向ミラーＭＢにより受光部Ｂに向けて反射する走査式測距装置が提案されている。

モータにより光軸Ｄ周りに回転する偏向ミラーＭＢにより偏向光学系Ｃが構成され、当該走査式測距装置には、偏向光学系Ｃの回転角度が所定の基準回転角度となったときに、投光部Ａと受光部Ｂが光学的に結合する基準光学系Ｆが設けられている。

基準光学系Ｆは、互いに９０度の角度で接合された三つの鏡面を備えた六つのトリプル素子で構成され、偏向ミラーＭＢにより反射された測定光を、当該偏向ミラーＭＢに向けて平行に反射するように構成され、トリプル素子の前面に、走査方向に沿って減衰率が変化する減衰フィルタＨが配置されている。

偏向光学系Ｃにより走査された測定光が基準光学系Ｆで反射され、受光部Ｂで検出された反射光の強度に応じて基準距離が算出される。

更に、図１３に示すように、特許文献３には、投光部Ａから出力された測定光を、偏向ミラーＭＡ及び偏向ミラーＭＢを介して被測定物Ｇに向けて反射し、被測定物Ｇからの反射光を、偏向ミラーＭＢにより受光部Ｂに向けて反射する走査式測距装置が提案されている。

モータにより光軸Ｄ周りに回転する偏向ミラーＭＢにより偏向光学系Ｃが構成され、当該走査式測距装置には、偏向光学系Ｃの回転角度が所定の基準回転角度となったときに、投光部Ａからの測定光を受光部Ｂに向けて反射する基準光学系としてのテスト体Ｆ１がケーシング内部に設けられている。

当該走査式測距装置には、受光部Ｂで検出されるテスト体Ｆ１からの反射光の強度が異常な値を示すときに、装置の故障と判断する故障検出部が組み込まれている。
特開２００６−３４９４４９号公報 特開平１０−２１３６６１号公報 米国特許５，４５５，６６９号明細書

上述した走査式測距装置では、測定光の光軸が多少傾斜しても確実に基準距離の演算が行なえ、または受光部の検出光量の異常の検出が行なえるように、基準光学系の入光領域が大きな面積を有するように形成されていた。

しかし、走査式測距装置に外部から衝撃が加えられ、或は、経年劣化して、測定光の光軸のずれ等が発生すると、正確な距離演算ができなくなる虞がある。例えば、投光レンズや受光レンズがずれたり脱落すると、受光部で適正に反射光を検出できず、偏向ミラーが初期設定された基準姿勢からずれると測定光や反射光の光軸がずれて、受光部で適正に反射光を検出できなくなるのである。

その結果、基準距離が求まっても、装置で算出された距離の精度が低下し、或は距離演算そのものができなくなる。

特に、走査式測距装置が安全機器に用いられる場合には、このような問題の発生は許容されるものではないため、定期的に赤外線ビューワ等の測定器を用いて光軸のずれ等が発生しているか否かの煩雑な確認検査を行なう必要があった。

また、多少の衝撃や振動が加わっても、光学系に損傷を与えないように、光学系を構成する部品剛性を高めることも考えられるが、そのために装置が重量化したり部品コストが嵩むという不都合が生じるので、好ましい解決方法が模索されていた。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、距離補正のために設けられた基準光学系を活用することにより、簡便且つ安価に光学系の損傷を検出できる高精度な走査式測距装置を提供する点にある。

この目的達成をするため、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、周方向に沿って弧状に配置された光学窓を備え、一対の投光部及び受光部を収容する円筒状ケーシングと、前記投光部から出力された測定光を前記円筒状ケーシングの軸心と直交する方向に偏向反射する第一ミラー、及び、被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二ミラーを前記軸心周りに回転して、前記測定光を前記軸心と直交する平面上で回転走査する偏向光学系を備えている走査式測距装置であって、前記測定光が前記光学窓から出力される計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を直接前記第二ミラーに導く少なくとも二系統の基準光学系を互いに異なる走査角度位置に配置するとともに、一方の基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って一方向に偏らせた位置に、他方の基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って他方向に偏らせた位置に夫々配置し、各基準光学系により検出される測定光に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する異常検出部を備えている点にある。

一方の基準光学系の入光部が測定光の光芒中心から円筒状ケーシングの軸心に沿って一方向に偏在するように配置され、他方の基準光学系の入光部が測定光の光芒中心から当該軸心に沿って他方向に偏在するように配置されているため、基準光学系を介して受光部で検出された測定光は、何れも、入光部が測定光の光芒中心に配置された場合に受光部で検出される測定光の光量よりも低い値で検出される。

例えば、各基準光学系の入光部が、測定光の光芒中心から等距離の位置に偏在しているときには、両者とも、入光部が測定光の光芒中心に配置された場合に受光部で検出される測定光の光量よりも低い値で且つ等しい値で検出される。

しかし、この状態から、例えば第一ミラーがずれて基準光学系に向かう測定光の光軸が上下何れかの方向に傾斜すると、各基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量に変動が生じる。測定光の光軸が上方に傾斜すると、入光部が測定光の光芒中心から上方に偏在した基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量が大きく、逆に、入光部が測定光の光芒中心から下方に偏在した基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量が小さくなる。

従って、異常検出部は、二系統の基準光学系の夫々を介して受光部で検出される測定光の光量の変動に基づいて、偏向光学系の光軸のズレを検出することができるようになる。

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、前記異常検出部は、前記測定光の光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で各入光部に入射するように、前記測定光の発光タイミングを調整する点にある。

一方の基準光学系の入光部には、測定光が光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って一方向に偏った位置で入射し、他方の基準光学系の入光部には、測定光が光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って他方向に偏った位置で入射するように、測定光の発光タイミングが調整されるため、基準光学系を介して受光部で検出された測定光は、何れも、入光部が測定光の光芒中心に配置された場合に受光部で検出される測定光の光量よりも低い値で検出される。

例えば、各基準光学系の入光部に、測定光が光芒中心から等距離だけ互いに異なる方向に偏った位置で入射するように、測定光の発光タイミングが調整されているときには、両者とも、測定光が光芒中心で入光部に入射するように発光タイミングが調整される場合に受光部で検出される測定光の光量よりも低い値で且つ等しい値で検出される。

しかし、この状態から、例えば第一ミラーがずれて基準光学系に向かう測定光の光軸が左右何れかの方向に傾斜すると、各基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量に変動が生じる。測定光の光軸が走査方向に傾斜すると、入光部が測定光の光芒中心から走査方向側に偏った位置で入射するように発光タイミングが調整された基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量が大きく、逆に、入光部が測定光の光芒中心から走査方向と反対方向に偏った位置で入射するように発光タイミングが調整された基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量が小さくなる。

従って、異常検出部は、二系統の基準光学系の夫々を介して受光部で検出される測定光の光量の変動に基づいて、偏向光学系の光軸のズレを検出することができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成または第二特徴構成に加えて、前記異常検出部は、各基準光学系により検出される測定光の相対強度に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する点にある。

偏向光学系の光軸のズレが発生すると、二系統の基準光学系の夫々を介して受光部で検出される測定光の光量が変動するが、その変動の程度が小さい場合等に各光量の変化を検出するのが困難な場合もある。上述の構成によれば、偏向光学系の光軸にずれが発生していないときに、予め各光量の比を算出しておけば、その比の値が大きくなるか小さくなるかに基づいて、光軸が何れの方向にずれたのかをきわめて容易に判別できるようになる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れか特徴構成に加えて、前記被測定物からの反射光と前記基準光学系からの基準光の検出時間差に基づいて、前記被測定物の距離を算出する距離算出部を備えている点にある。

上述の構成によれば、光軸のズレを検出するための基準光学系を用いて、被測定物からの反射光に基づいて算出される距離を補正するための基準距離を算出することができるので、基準距離を算出するための別途の基準光学系を設ける必要が無くなる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を前記第二ミラーに直接導く第三の基準光学系を、前記二系統の基準光学系とは互いに異なる走査角度位置であって、前記第三の基準光学系の入光部が前記測定光の光芒中心に位置するように配置し、前記被測定物からの反射光と前記第三の基準光学系からの基準光の検出時間差に基づいて、前記被測定物の距離を算出する距離算出部を備えている点にある。

上述の構成によれば、二系統の基準光学系を介して受光部で検出される光量が僅かな値であっても、測定光の光芒中心が入光部に入射するように配置した第三の基準光学系により、十分な光量の測定光が受光部で検出され、補正用の基準距離が正しく算出されるようになる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第五特徴構成に加えて、前記異常検出部は、前記第三の基準光学系により検出される基準光の光量に基づいて、前記測定光の強度異常を検出する点にある。

二系統の基準光学系の入光部には、光芒中心から偏った測定光が入射されるため、受光部で検出された測定光の光量が適正な値であるか否かを判断できない。そこで、測定光の光芒中心が入射する入光部を備えた第三の基準光学系を介して受光部で検出される光量に基づけば、測定光の強度異常を確実に検出できるようになる。

同第七の特徴構成は、請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加え、前記偏向光学系に、前記第一ミラーと第二ミラーの各反射面を上下に仕切る天面を有する回転体を備え、各基準光学系の入光部を前記回転体に接近するように前記円筒状ケーシングに取り付けている点にある。

上述の構成によれば、例えば、第一ミラーで各基準光学系に向けて偏向された測定光のうち、基準光学系の支持部と回転体の側面との間で反射して発生する迷光が、当該基準光学系の入光部に入射することが回避できるので、そのような迷光による誤検出を効果的に抑制することができる。

同第八の特徴構成は、請求項８に記載した通り、周方向に沿って弧状に配置された光学窓を備え、一対の投光部及び受光部を収容する円筒状ケーシングと、前記投光部から出力された測定光を前記円筒状ケーシングの軸心と直交する方向に偏向反射する第一ミラー、及び、被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二ミラーを前記軸心周りに回転して、前記測定光を前記軸心と直交する平面上で回転走査する偏向光学系を備えている走査式測距装置であって、前記測定光が前記光学窓から出力される計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を直接前記第二ミラーに導く少なくとも一系統の基準光学系を配置し、前記基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って一方向に偏らせた位置に配置し、前記基準光学系により検出される測定光に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する異常検出部を備えている点にある。

この場合にも、一つの基準光学系を介して受光部で検出される測定光の光量変動に基づいて、偏向光学系の光軸のずれを検出することができる。

同第九の特徴構成、請求項９に記載した通り、上述の第八特徴構成に加え、前記異常検出部は、前記測定光の光芒中心から走査方向に偏った光芒が各入光部に入射するように前記測定光の発光タイミングを調整する点にある。

以上説明したように、本発明によれば、距離補正のために設けられた基準光学系を活用することにより、簡便且つ安価に光学系の損傷を検出できる高精度な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について説明する。
図１から図３に示すように、走査式測距装置１００は、周方向に沿って弧状に配置された光学窓５を備え、一対の投光部２及び受光部３を収容する円筒状ケーシング１と、投光部２から出力された測定光を円筒状ケーシングの軸心Ｐと直交する方向に偏向反射する第一ミラー６ａ、及び、被測定物からの反射光を受光部３に向けて偏向反射する第二ミラー６ｂを軸心Ｐ周りに回転して、測定光を軸心Ｐと直交する平面上で回転走査する偏向光学系１１を備えている。

ケーシング１の内壁面は迷光を吸収する暗幕等の吸光部材で被覆され、軸心Ｐに沿って対向配置された投光部２と受光部３の間に、偏向光学系１１が配置されている。

投光部２は、半導体レーザでなる発光素子２ａと、発光素子２ａから出力された光ビームを平行光に形成する光学レンズ２ｃを備えて構成され、ケーシング１の上方に固定されている。

受光部３は、反射光を検出するアバランシェフォトダイオードでなる受光素子３ａを備えて構成され、ケーシング１に固定された中空軸８上の支持板上に固定されている。

偏向光学系１１は、第一ミラー６ａ及び第二ミラー６ｂが取り付けられた天面４ｂと、反射光を受光部３で集光する受光レンズ１０が取り付けられた周壁部４ａを備えた円筒状の回転体４と、回転体４を一方向に回転駆動するモータ９を備えている。

下端部が縮径された回転体４は、その内周面に備えた軸受７を介して中空軸８に回転可能に支承され、縮径部の外周面にモータ９の回転子となるマグネット９ｂが取り付けられている。当該回転子と、当該回転子に対向配置されたコイル９ａでなる固定子によりモータ９が構成され、固定子のカバーがケーシング１に固定されている。

二つの平面が９０度となるように樹脂または光学ガラスで略三角柱状に一体成形され、当該二つの平面に金またはアルミニウムがコーティングされた光学部材６が、軸心Ｐと直交する天面４ｂに嵌着されている。天面４ｂから上方に突出した平面により第一ミラー６ａが構成され、天面４ｂから下方に突出した平面により第二ミラー６ｂが構成され、各ミラー６ａ，６ｂは天面４ｂに対して４５度の傾斜角度で固定されている。

光学部材６には、天面４ｂへの取付姿勢を規制するフランジが延出形成されており、天面４ｂに形成された開口に光学部材６が挿入され、天面４ｂとフランジが接合された状態でビス固定されている。尚、回転体４の内壁は吸光部材で被覆されている。

上下上方に所定幅を有する光学窓５が、軸心Ｐを基準とする約２７０度の角度範囲で、ケーシング１の周方向に沿って配置されている。当該光学窓５は、回転体４の天面４ｂと略同一の高さで段差部が形成されている。

投光部２から光軸Ｌ１に沿って出射された測定光が、第一ミラー６ａで光軸Ｌ１と直交する光軸Ｌ２に偏向され、光学窓５を通過して測定対象空間に向けて照射される。測定対象空間に存在する被測定物Ｒからの反射光が、光軸Ｌ２と平行な光軸Ｌ３に沿って光学窓５を通過して受光レンズ１０に入光し、第二ミラー６ｂで光軸Ｌ３と直交する光軸Ｌ４に偏向され、受光部３に集光される。

第一ミラー６ａで偏向された測定光が光学窓５の段差部の上方領域を透過し、被測定物Ｒからの反射光が光学窓５の段差部の下方領域を透過する。測定光が光学窓５を透過する際に、光学窓５の表裏面で多重反射して、その反射光が受光レンズ１０に迷光として入射する虞があるが、当該段差部によりそのような反射光が減衰され、受光レンズ１０に迷光として入射するような事態が回避されている。

モータ９で回転駆動される偏向光学系１１により、測定光が光学窓５を介して測定対象空間に走査される範囲、つまり、上述した軸心Ｐを基準とする約２７０度の角度範囲が計測用走査角度領域Ｒａとなり、測定光がケーシング１に遮られて測定対象空間に出射されない角度領域が非計測用走査角度領域Ｒｂとなる。

周方向に複数のスリットが形成された円盤状のスリット板１５ａが、回転体４の周壁部４ａに取り付けられ、当該スリットを検出するフォトインタラプタ１５ｂがケーシング１の内壁に取り付けられ、これらにより偏向光学系１１の走査角度を検出する走査角度検出部１５が構成されている。

スリット板１５ａに形成されるスリットは、非走査角度領域Ｒｂの中心となる基準位置を除いて均等間隔で形成され、基準位置ではスリット間隔が他の間隔より狭い間隔となっている。従って、偏向光学系１１の回転に伴なって走査角度検出部１５から出力されるパルスのパルス幅に基づいて、基準位置から偏向光学系１１の回転角度位置が把握できるように構成されている。

図３に示すように、非走査角度領域Ｒｂには、第一ミラー６ａで偏向された測定光を一定の光路長で直接第二ミラー６ｂに導く三系統の基準光学系２０が、互いに異なる走査角度位置で配置されている。

図３及び図４に示すように、各基準光学系２０は、支持部材２１に取り付けられた同一長さの三本の光ファイバＵ，Ｖ，Ｗで構成されている。ケーシング１の内壁の延出部１ａに、上下方向に位置調節自在に固定されている。支持部材２１は、吸光部材で被覆され、ケーシング１の内壁の延出部１ａに、長孔を介して軸心Ｐに沿った上下方向に位置調節自在にビス止めされている。

支持部材２１は、平面視で軸心Ｐを中心とする円弧状に形成され、各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗの一端面が第一ミラー６ａにより偏向された測定光に対向する姿勢で取り付けられ、他端面が第二ミラー６ｂに向けて測定光を出射する位置に取り付けられている。

各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗの一端面Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉが測定光の入光部となり、他端面Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏが測定光の出光部となる。

発光素子２ａである半導体レーザの出射ビーム形状は縦長の楕円形状になる（図１０（ａ）参照）。光導波路内で光が広がる方向には狭い放射角度で出射され、光導波路内で光が狭く閉じ込められる方向には広い放射角度で出射されるためである。従って、光学レンズ２ｃで平行光となるように成形されたビーム形状も楕円形状を示し、その強度分布は光芒の中央部で高く、周辺ほど低くなるという特性がある。

本実施形態では、ビーム形状が測定光の走査面に沿って横長の楕円形状となるような姿勢で発光素子２ａが投光部２に組み込まれている。

図４（ａ）から（ｄ）に示すように、中央の光ファイバＶの入光部Ｖｉは、上述した走査角度位置が基準位置となる位置で、且つ、光軸Ｌ２に沿って入射する楕円形状の光芒Ｌの中心に位置するように配置されている。

また、走査方向に沿って上流側の光ファイバＵの入光部Ｕｉは、光芒Ｌ内で光芒Ｌの中心から軸心Ｐに沿って上方向に偏らせた位置に配置され、走査方向に沿って下流側の光ファイバＷの入光部Ｗｉは、光芒Ｌ内で光芒Ｌの中心から軸心Ｐに沿って下方向に偏らせた位置に配置された第一状態に設定されている。

更に、各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗの出光部Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏは、各入力部Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉの鉛直下方位置で、受光レンズ１０の中心つまり反射光の光軸Ｌ３と略同一の高さとなる位置に配置されている。

上述した基準光学系２０は、装置の組立時に、支持部材２１を長孔に沿って上下方向に位置調節することにより位置決めされ、位置調節後にビスがペイントロックされている。

各基準光学系２０（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の入光部Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉが、回転体４に接近する位置で、円筒状ケーシング１に取り付けられているため、第一ミラー６ａで各基準光学系２０に向けて偏向された測定光のうち、基準光学系２０の支持部材２１と回転体４の側面との間で反射して発生する迷光が、当該基準光学系２０の入光部に入射することが回避できる。

ケーシング１の底部には、装置を駆動して測定対象物までの距離を算出する信号処理基板９０が収容されている。

図５に示すように、信号処理基板９０には、発光素子２ａを駆動する駆動回路２ｂと、反射光が受光素子３ａで光電変換された反射信号を増幅する増幅回路３ｂと、信号処理回路７０を備えている。

信号処理回路７０には、ローパスフィルタ７１と、Ａ／Ｄ変換部７２と、信号処理部７３と、モータ制御回路７８と、システム制御部７４を備えている。

ローパスフィルタ７１により受光素子３ａで光電変換された測定対象物Ｒからの反射信号、及び基準光学系２０からの基準信号からノイズが除去された後に、Ａ／Ｄ変換部７２によりデジタル信号に変換され、信号処理部７３により発光素子２ａの発光時点から反射光または基準光の受光時点までの遅延時間が算出される。

システム制御部７４はマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータのＣＰＵで実行されるプログラムが格納されたＲＯＭ、ワーキングエリアとして使用されるＲＡＭ、及び周辺回路が設けられている。ＣＰＵによって当該プログラムが実行されることにより距離算出部７５、補正値算出部７６、及び異常検出部７７の機能ブロックが構築される。

補正値算出部７６により基準光に対する遅延時間から距離の補正値が算出され、距離算出部７５により反射光に対する遅延時間から測定対象物Ｒまでの距離が算出され、当該距離から補正値が減算されて、最終的な距離が算出される。

更に、異常検出部７７により基準光学系２０により検出された測定光に基づいて偏向光学系１１の光軸のズレの有無が検出される。

装置に電源が投入されると、システム制御部７４は、モータ制御回路８７を介してモータ９を駆動する。モータ９の回転駆動に伴って偏向光学系１１が回転され、走査角度検出部１５からシステム制御部７４にパルス信号が入力される。

システム制御部７４は、当該パルス信号に基づいて基準位置を把握し、基準位置からのパルス数をカウントすることにより偏向光学系１１の走査角度位置を把握する。

システム制御部７４は、当該パルス信号に基づいてモータ９が一定速度に立ち上がったことを検出すると、駆動回路２ｂに所定周期で所定デューティ比のクロック信号を出力して発光素子２ａをバースト発光させる。当該クロック信号は、同時にＡ／Ｄ変換部７２及び信号処理部７３にも入力され、Ａ／Ｄ変換処理及び信号処理の基準クロックとして利用される。

即ち、Ａ／Ｄ変換部７２及び信号処理部７３では、当該クロック信号を逓倍したクロック信号に同期してＡ／Ｄ変換処理及び信号処理が実行され、当該クロック信号の立ち上がりエッジが発光素子２ａの発光時点として把握される。

信号処理部７３は、計測用走査角度領域Ｒａで、Ａ／Ｄ変換部７２から入力される反射信号の立ち上がり時点を検出するとともに、測定光の遅延時間である発光時点と立ち上がり時点の時間差を算出して距離算出部７５に出力する。

信号処理部７３は、非計測用走査角度領域Ｒｂの中央部である基準位置で、Ａ／Ｄ変換部７２から入力される反射信号の立ち上がり時点を検出するとともに、基準光の遅延時間である発光時点と立ち上がり時点の時間差を算出して補正値算出部７６に出力する。つまり、基準光学系２０の中央に配置された光ファイバＶを介して検出された測定光が基準光となる。

さらに、信号処理部７３は、非計測用走査角度領域Ｒｂに配置された基準光学系２０のうち、光ファイバＵ，Ｖ，Ｗを介して検出された測定光に対応する基準信号の波高値を異常検出部７７に出力する。

尚、信号処理部７３は、信号値が所定の閾値以上となった時点、または、信号値の立ち上がりがピークに達するまでの間の波形を微分処理して得られる微分波形の重心位置に対応する時点を、反射信号及び基準信号の立ち上がり時点として算出する。

補正値算出部７６では、偏向光学系１１の一回の回転走査につき一回得られる基準光の遅延時間Δｔｂに基づいて、以下の数式に基づいて補正距離Ｌｂが算出され、補正距離ＬｂがＲＡＭに記憶される。
Ｌｂ＝Δｔｂ・Ｃ／２，（但し、Ｃは光速）

距離算出部７５では、反射光の遅延時間Δｔに基づいて、以下の数式に基づいて測定対象物Ｒまでの距離Ｌが算出される。このとき採用される補正距離Ｌｂは、回転走査の直前に補正値算出部７６で算出され、ＲＡＭに記憶された値が採用される。つまり、距離算出部７５は、被測定物からの反射光と基準光学系２０を構成する光ファイバＶからの基準光の検出時間差に基づいて、被測定物の距離を算出する。
Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２−Ｌｂ，（但し、Ｃは光速）

このようにして、システム制御部７４では、偏向光学系１１の回転角度に対応付けた測定対象物Ｒまでの距離情報が算出され、外部に出力される。

異常検出部７７は、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて、偏向光学系１１が非計測用走査角度領域Ｒｂに位置するときに、基準光学系２０に所定タイミングで測定光が入射するように、上述のクロック信号の出力制御を行なう。

異常検出部７７は、測定光が光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で光ファイバＵ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｗｉに入射するように、測定光の発光タイミングを調整するとともに、測定光が光芒中心で光ファイバＶの入光部Ｖｉに入射するように、測定光の発光タイミングを調整する。

例えば、図４（ａ）に示すように、異常検出部７７は、光芒中心が光ファイバＵの入光部Ｕｉに到達する時点より所定時間遅延した時点で発光素子２ａが発光するように、クロック信号を出力制御する。

また、異常検出部７７は、光芒中心が光ファイバＶの入光部Ｖｉに到達する時点で発光素子２ａが発光するように、クロック信号を出力制御する。

更に、異常検出部７７は、光芒中心が光ファイバＷの入光部Ｗｉに到達する時点より所定時間遡った時点で発光素子２ａが発光するように、クロック信号を出力制御する。

その結果、入光部Ｕｉには測定光のうち光芒中心より左上方の光が入射し、入光部Ｖｉには測定光のうち光芒中心の光が入射し、入光部Ｗｉには測定光のうち光芒中心より右下方の光芒が入射する第二状態に設定される。

図６に示すように、光ファイバＵに対して発光タイミングＴｕでクロック信号ＳＡｕが出力され、光ファイバＶに対して発光タイミングＴｖでクロック信号ＳＡｖが出力され、光ファイバＷに対して発光タイミングＴｗでクロック信号ＳＡｗが出力されると、それぞれのタイミングで発光素子２ａから測定光ＳＢｕ，ＳＢｖ，ＳＢｗが出射される。

それぞれの基準光学系Ｕ，Ｖ，Ｗを経た基準光ＳＣｕ，ＳＣｖ，ＳＣｗが受光部３ａで検出され、信号処理部７３で算出されたそれぞれの波高値ＳＥｕ，ＳＥｖ，ＳＥｗが異常検出部７７に入力される。

図７（ａ）に示すように、偏向光学系１１に異常が無ければ、波高値ＳＥｖが最大値を示し、波高値ＳＥｕ，ＳＥｗが同値となる。

図７（ｂ）に示すように、偏向光学系１１の回転軸芯Ｐが傾いたり、偏向ミラー６がずれる等によって、測定光の光軸Ｌ２が上方に傾斜すると、波高値ＳＥｕが小さくなるとともに波高値ＳＥｗが大きくなる。

図７（ｃ）に示すように、偏向光学系１１の回転軸芯Ｐが傾いたり、偏向ミラー６がずれる等によって、測定光の光軸Ｌ２が下方に傾斜すると、波高値ＳＥｕが大きくなるとともに波高値ＳＥｗが小さくなる。

図７（ｄ）に示すように、偏向光学系１１の回転軸芯Ｐがずれたり、偏向ミラー６がずれる等によって、測定光の光軸Ｌ２が回転方向に傾斜すると、波高値ＳＥｕが小さくなるとともに波高値ＳＥｗが大きくなる。

異常検出部７７は、波高値ＳＥｕと波高値ＳＥｗの何れかの値が予め設定された許容範囲から逸脱したときに、偏向光学系１１が故障していると判断して、モータ９を停止するとともに、装置の異常状態を示すモニタＬＥＤを点灯する。

このとき、波高値ＳＥｕと波高値ＳＥｗの相対強度（ＳＥｕ／ＳＥｗ）が、予め設定された許容範囲から逸脱したときに、偏向光学系１１が故障していると判断することが好ましい。

偏向光学系の光軸のズレが発生すると、二系統の基準光学系Ｕ，Ｗの夫々を介して受光部３ａで検出される測定光の光量が変動するが、その変動の程度が小さい場合等に各光量の変化を検出するのが困難となる。偏向光学系の光軸にずれが発生していないときに、予め各光量の比を算出しておけば、その比の値が大きくなるか小さくなるかに基づいて、光軸が何れの方向にずれたのかをきわめて容易に判別できるようになる。

さらに、異常検出部７７は、波高値ＳＥｖに基づいて、測定光の強度異常を検出する。図７（ｅ）に示すように、波高値ＳＥｖが予め設定されている許容範囲を逸脱して、高くなり或は低くなると、発光素子２ａまたは受光素子３ａに異常が発生していると判断して、上述と同様、モータ９を停止するとともに、装置の異常状態を示すモニタＬＥＤを点灯する。

二系統の基準光学系Ｕ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｗｉには、光芒中心から偏った測定光が入射されるため、受光部３ａで検出された測定光の光量が適正な値であるか否かを判断できない。そこで、測定光の光芒中心が入射する入光部Ｖｉを備えた第三の基準光学系Ｖを介して受光部３ａで検出される光量に基づけば、測定光の強度異常を確実に検出できるようになる。

尚、測定光の強度異常を検出する場合に、第三の基準光学系Ｖにより検出される波高値ＳＥｖのみならず、他の基準光学系Ｕ，Ｗの波高値ＳＥｕ，ＳＥｗも含めて判断するものであってもよい。この場合、各波高値の合計値や平均値が予め設定された許容範囲に入るか否かにより判断することができる。

以下に、本発明の別実施形態を説明する。
上述した実施形態では、異常検出部７７により、測定光が光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で光ファイバＵ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｗｉに入射するように、測定光の発光タイミングが調整されるものを説明したが、システム制御部７４から所定周期で出力されるクロック信号により駆動される発光素子からの測定光が、光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で光ファイバＵ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｗｉに入射するように、入光部Ｕｉ，Ｗｉの位置が予め調整されるものであってもよい。

上述した実施形態では、一方の光ファイバＵの入光部Ｕｉを測定光の光芒中心から軸心Ｐに沿って一方向に偏らせた位置に配置し、他方の光ファイバＷの入光部Ｗｉを測定光の光芒中心から軸心Ｐに沿って他方向に偏らせた位置に夫々配置する第一の状態と、光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で光ファイバＵ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｗｉに入射するように発光タイミングを調整し、或は入光部Ｕｉ，Ｗｉの位置を調整する第二の状態を備えた場合を説明したが、第一の状態と第二の状態の何れか一方が実現される場合であってもよい。

光芒Ｌと入光部Ｕｉ，Ｗｉの位置関係は、上述した位置関係に限るものではなく、光軸Ｌ２がずれることにより、入光部Ｕｉ，Ｗｉに入射した測定光の波高値が相対的に変化することが検出できる限りにおいて、自由である。

上述の実施形態では、入光部に入射する光芒Ｌが、水平方向に長い楕円形状になるように発光素子２ａを取り付けた例を説明したが、図８（ａ）に示すように、垂直方向に長い楕円形状になるように発光素子２ａを取り付けてもよく、図８（ｂ）に示すように、光芒Ｌの長軸が走査方向に対して傾斜するように発光素子２ａを取り付けてもよい。

この場合にも、基準光学系２０を構成する各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗの入光部Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉと測定光の光芒との位置関係は上述と同様に設定される必要がある。

上述した実施形態では、補正値算出部７６により、光ファイバＶを介して検出される基準光に基づいて補正距離Ｌｂが算出される場合を説明したが、三本の光ファイバＵ，Ｖ，Ｗの何れかを介して検出される基準光に基づいて補正距離Ｌｂが算出されるものであってもよい。

さらに、三本の光ファイバＵ，Ｖ，Ｗを介して検出されるそれぞれの基準光に基づいて補正距離を算出し、それらの平均値を距離算出部７５で採用する距離補正のための補正距離Ｌｂとしてもよい。

上述した実施形態では、各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗが同一長さに調整されるものを説明したが、偏向光学系１１の光軸のずれを検出するために用いる光ファイバは、測定光の波高値が検出できればよいので、必ずしも同一長さに調整する必要が無い。しかし、各光ファイバＵ，Ｖ，Ｗを介して検出される基準光に基づいて補正距離Ｌｂを算出する場合には、同一長さに調整する必要がある。

また、偏向光学系１１の光軸のずれを検出するために用いる光ファイバを用いて補正距離を算出する場合には、図８（ｃ）に示すように、二本の光ファイバＵ，Ｗで基準光学系を構成することができる。

同様に、入光部が測定光の光芒中心または光芒中心からずれた位置に位置するように調整された一本の光ファイバで基準光学系を構成する場合であっても、装置の異常を検出することが可能である。この場合には、測定光の光量の変動が光軸のずれによるものか、受光素子または発光素子の異常であるのかは識別できない。

基準光学系２０を構成する光ファイバに替えて、光路長さが等しい３つのプリズムを用いることも可能である。図９（ａ），（ｂ）に示すように、基準光学系２０’は同一の光路長となる三系統のプリズムＸ，Ｙ，Ｚを支持部材２２に取り付けることにより実現できる。この場合も、プリズムＸ，Ｙ，Ｚの入光部Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉと測定光の光芒の位置関係は、上述と同様である。

プリズムＸ，Ｙ，Ｚに入射した基準光は、受光レンズの中心を通過し光軸Ｌ３に沿って第二ミラー６ｂに入射し、光軸４へと反射され受光部３に導かれる。

小型モータ等のアクチュエータを介して支持部材２１を延出部１ａに取り付け、受光部３で検出される基準光の波高値に基づいてモータを駆動し、支持部材２１を軸心Ｐに沿った上下方向に位置調節する自動調整機構を備えてもよい。

上述した実施形態では、第一ミラー６ａ及び第二ミラー９ｂを一体形成する例を説明したが、第一ミラーと第二ミラーをそれぞれ別体で構成して天面４ｂに固定してもよい。

第一ミラーと第二ミラーをそれぞれ別体で構成する場合には、異常検出部７７により偏向光学系の回転軸心の傾斜や第一ミラーのずれが適切に検出できる。

光源に用いられる発光素子は、半導体レーザに限るものではなく、光芒に強度分布を有する発光素子であれば、発光ダイオード等の他の発光素子を用いることも可能である。

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。

本発明による走査式測距装置の概略断面図 本発明による走査式測距装置の概略断面図 本発明による走査式測距装置の概略平面図 （ａ）は基準光学系の正面図、（ｂ）光ファイバＵの断面図、（ｃ）光ファイバＶの断面図、（ｄ）光ファイバＷの断面図 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 基準光学系に対す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 （ａ）は偏向光学系が正常時の波高値の説明図、（ｂ）は基準光学系に対して光軸Ｌ２が下方に傾斜した場合の波高値の説明図、（ｃ）は基準光学系に対して光軸Ｌ２が上方に傾斜した場合の波高値の説明図、（ｄ）は基準光学系に対して光軸Ｌ２が回転方向に傾斜した場合の波高値の説明図、（ｅ）は測定光に強度異常が発生した場合の波高値の説明図 （ａ）は本発明の別実施形態を示す基準光学系の正面図、（ｂ）は本発明の別実施形態を示す基準光学系の正面図、（ｃ）は本発明の別実施形態を示す基準光学系の正面図 （ａ）は本発明の別実施形態を示す基準光学系の正面図、（ｂ）は同基準光学系による測定光の光路及び反射光の光路の説明図 （ａ）は半導体レーザから出射した光芒の形状の説明図、（ｂ）はＴＯＦ方式の走査式測距装置の測定原理の説明図 従来の走査式測距装置の概略縦断面図 （ａ）は従来の走査式測距装置の概略縦断面図、（ｂ）は基準物体の外観図 従来の走査式測距装置の概略縦断面図

符号の説明

１：ケーシング
２：投光部
２ａ：発光素子
２ｂ：駆動回路
２ｃ：光学レンズ
３：受光部
３ａ：受光素子
３ｂ：増幅回路
４：回転体
４ａ：周壁部
４ｂ：天面
５：透光窓
６：光学部材
６ａ：第一ミラー
６ｂ：第二ミラー
７：軸受
８：中空軸
９：モータ
９ａ：コイル
９ｂ：マグネット
１０：受光レンズ
１１：偏向光学系
１５：走査角度検出部
１５ａ：スリット板
１５ｂ：フォトインタラプタ
２０：基準光学系
２１：支持部材
７０：信号処理回路
７１：ローパスフィルタ
７２：Ａ／Ｄ変換部
７３：信号処理部
７４：システム制御部
７５：距離算出部
７６：補正値算出部
７７：異常検出部
７８：モータ制御回路
９０：信号処理基板
１００：走査式測距装置
Ｌ：光芒
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４：光軸
Ｐ：回転軸心
Ｒ：被測定物
Ｕ，Ｖ，Ｗ：光ファイバ（基準光学系）
Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉ：入光部
Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏ：出光部

Claims (9)

1. 周方向に沿って弧状に配置された光学窓を備え、一対の投光部及び受光部を収容する円筒状ケーシングと、
   前記投光部から出力された測定光を前記円筒状ケーシングの軸心と直交する方向に偏向反射する第一ミラー、及び、被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二ミラーを前記軸心周りに回転して、前記測定光を前記軸心と直交する平面上で回転走査する偏向光学系を備えている走査式測距装置であって、
   前記測定光が前記光学窓から出力される計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を直接前記第二ミラーに導く少なくとも二系統の基準光学系を互いに異なる走査角度位置に配置するとともに、一方の基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って一方向に偏らせた位置に、他方の基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って他方向に偏らせた位置に夫々配置し、
   各基準光学系により検出される測定光に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する異常検出部を備えている走査式測距装置。
2. 前記異常検出部は、前記測定光の光芒中心から測定光の走査軌跡に沿って互いに異なる方向に偏った位置で各入光部に入射するように、前記測定光の発光タイミングを調整する請求項１記載の走査式測距装置。
3. 前記異常検出部は、各基準光学系により検出される測定光の相対強度に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する請求項１または２記載の走査式測距装置。
4. 前記被測定物からの反射光と前記基準光学系からの基準光の検出時間差に基づいて、前記被測定物の距離を算出する距離算出部を備えている請求項１から３の何れかに記載の走査式測距装置。
5. 前記計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を前記第二ミラーに直接導く第三の基準光学系を、前記二系統の基準光学系とは互いに異なる走査角度位置であって、前記第三の基準光学系の入光部が前記測定光の光芒中心に位置するように配置し、前記被測定物からの反射光と前記第三の基準光学系からの基準光の検出時間差に基づいて、前記被測定物の距離を算出する距離算出部を備えている請求項１または２記載の走査式測距装置。
6. 前記異常検出部は、前記第三の基準光学系により検出される基準光の光量に基づいて、前記測定光の強度異常を検出する請求項５記載の走査式測距装置。
7. 前記偏向光学系に、前記第一ミラーと第二ミラーの各反射面を上下に仕切る天面を有する回転体を備え、各基準光学系の入光部を前記回転体に接近するように前記円筒状ケーシングに取り付けている請求項１から６の何れかに記載の走査式測距装置。
8. 周方向に沿って弧状に配置された光学窓を備え、一対の投光部及び受光部を収容する円筒状ケーシングと、
   前記投光部から出力された測定光を前記円筒状ケーシングの軸心と直交する方向に偏向反射する第一ミラー、及び、被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二ミラーを前記軸心周りに回転して、前記測定光を前記軸心と直交する平面上で回転走査する偏向光学系を備えている走査式測距装置であって、
   前記測定光が前記光学窓から出力される計測用走査角度領域以外の走査角度領域で、前記第一ミラーで偏向された測定光を直接前記第二ミラーに導く少なくとも一系統の基準光学系を配置し、前記基準光学系の入光部を前記測定光の光芒中心から前記軸心に沿って一方向に偏らせた位置に配置し、
   前記基準光学系により検出される測定光に基づいて前記偏向光学系の光軸のズレを検出する異常検出部を備えている走査式測距装置。
9. 前記異常検出部は、前記測定光の光芒中心から走査方向に偏った光芒が各入光部に入射するように前記測定光の発光タイミングを調整する請求項８記載の走査式測距装置。

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