JP2009236774A - Three dimensional ranging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物の三次元的形状を取得するために、測定対象空間を三次元的に走査して被測定物までの距離を計測する三次元測距装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional distance measuring apparatus that measures a distance to a measurement object by three-dimensionally scanning a measurement object space in order to acquire a three-dimensional shape of the measurement object.
図10に示すように、レーザ光源LDから出力される測定光に変調を加えて対象物Rに照射し、対象物Rからの反射光を受光素子PDで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてAM(amplitude modulation)方式とTOF(Time of Flight)方式の二種類が実用化されている。 As shown in FIG. 10, a distance measuring device that modulates the measurement light output from the laser light source LD and irradiates the object R, and detects the reflected light from the object R with a light receiving element PD to measure the distance. In this case, two types of modulation methods for measuring light, an AM (amplitude modulation) method and a TOF (Time of Flight) method, have been put into practical use.
AM方式は、図10(a)及び(数1)に示すように、正弦波でAM変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、TOF方式は、図10(b)及び(数2)に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δtから距離を演算する方式である。ここに、Lは対象物Rまでの距離、Cは光速、fは変調周波数、Δφは位相差、Δtは遅延時間を示す。
(数1) L=Δφ・C/(4π・f)
(数2) L=Δt・C/2
In the AM method, as shown in FIGS. 10A and 10, the measurement light modulated with a sine wave and the reflected light are photoelectrically converted, and a phase difference Δφ between these signals is calculated, This is a method for calculating the distance from the phase difference Δφ, and the TOF method photoelectrically converts the measurement light modulated in a pulse shape and its reflected light as shown in FIGS. In this method, the distance is calculated from the delay time Δt between signals. Here, L is the distance to the object R, C is the speed of light, f is the modulation frequency, Δφ is the phase difference, and Δt is the delay time.
(Equation 1) L = Δφ · C / (4π · f)
(Expression 2) L = Δt · C / 2
図10に示す検出原理を採用した二次元測距装置として、例えば図11に示すように、投光部3から出力された測定光を、モータ11により軸心P1回りに回転する第一偏向ミラー9aにより偏向させて軸心P1と直交する平面上で回転走査し、被測定物Rからの反射光を第二偏向ミラー9bで偏向して受光部5により検出することにより、被測定物までの距離を算出する信号処理回路90を備えた二次元測距装置が本願発明者らにより提案されている(特願2006−253833号)。
As a two-dimensional distance measuring device employing the detection principle shown in FIG. 10, for example, as shown in FIG. 11, a first deflection mirror that rotates measurement light output from the
この種の二次元測距装置は、主に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る。 This type of two-dimensional distance measuring device is mainly used for visual sensors of robots and automatic guided vehicles, door opening / closing sensors, monitoring sensors for detecting the presence or absence of intruders in the monitoring area, and for dangerous devices. It is used as a safety sensor that detects the approach of objects and objects and stops the machine safely.
さらに、車の形状や人の形状を認識する場合にも利用され、例えば、ETCシステムでは、車種を判別し、通過する車の数をカウントするセンサとして利用され、人の数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する監視センサに利用される。 Furthermore, it is also used when recognizing the shape of a car or a person. For example, in an ETC system, it is used as a sensor that discriminates the vehicle type and counts the number of passing cars. It is used as a monitoring sensor that detects the condition and the flow of people.
しかし、ロボットの視覚装置や危険な機械の安全用のエリアセンサに使用される場合、検出エリアが二次元平面となるため、測定光の走査面から上下の方向に存在する対象物や障害物を検出することができない。特にロボット等の環境認識に使う場合、上下に適切な幅を有するワイドな画角領域のデータを得ることが重要であり、また、その領域内をなるべく均一な密度で走査することが望まれる。 However, when used in a robot vision device or an area sensor for the safety of dangerous machines, the detection area is a two-dimensional plane, so objects and obstacles that exist in the vertical direction from the scanning surface of the measurement light can be detected. It cannot be detected. In particular, when used for environment recognition of a robot or the like, it is important to obtain data of a wide field angle area having an appropriate width in the vertical direction, and it is desired to scan the area with as uniform density as possible.
そこで、特許文献1には、図12に示すように、光源3から発せられた光信号を、ガルバノメータスキャナ14aのミラー13aに入射させ、ガルバノメータスキャナ14aのミラー13aから、さらに二つ目のガルバノメータスキャナ14bのミラー13bを介して検出対象物がある空間に照射される三次元測距装置が提案されている。
Therefore, in
特許文献2には、図13に示すように、図12に示すような二次元測距装置102を第一軸心P1と斜交する第二軸心P2周りに回転駆動して、第一軸心P1のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構20と、第一軸心P1周りに回転する第一回転機構と当該第二回転機構とを回転制御する回転制御手段を備えた三次元測距装置200が提案されている。
In
当該三次元測距装置では、シンプルな機構により第一軸心周りに回転走査される測定光により形成される平面が第二軸心周りに傾斜して、第一軸心のロール角度及びピッチ角度が変化するため、走査式二次元測距装置を用いて、第二軸心に沿った所定範囲で一定の走査密度で三次元的に走査することが可能となる。 In the three-dimensional distance measuring device, a plane formed by measurement light rotated and scanned around the first axis by a simple mechanism is inclined around the second axis, and the roll angle and pitch angle of the first axis Therefore, it becomes possible to scan three-dimensionally with a constant scanning density in a predetermined range along the second axis by using the scanning two-dimensional distance measuring device.
尚、図11から図13に示す符号は各特許文献の符号をそのまま用いており、以下に述べる本発明の実施形態で使用される符号と重複する場合があっても互いに関連は無い。
しかし、測距装置は一般に検出感度を高くするために、特に受光軸の光芒が広くなるように設計され、高感度長距離計測の測距装置では走査するミラーが受光軸の光芒の大きさに比例して大きくなる。 However, distance measuring devices are generally designed to increase the light sensitivity of the light receiving axis in order to increase the detection sensitivity. In a distance measuring device for high sensitivity and long distance measurement, the scanning mirror has the size of the light beam of the light receiving axis. Increase proportionally.
そのため特許文献1に記載された技術では、原理的に走査角度が180度に制限され、その範囲で走査角度を大きくする場合であっても、それに対応して大きなミラーが必要となり、装置全体が大きくなるばかりかミラーを精度よく制御することが困難になるという問題がある。特に、側面方向の視野を必要とするロボットに装着する場合には、180度以上の走査角度が要求されるため、この方式を採用するのは困難である。
Therefore, in the technique described in
また、特許文献2に記載された技術では、第二回転機構を構成するモータやクランク機構等の大きな部品が装置本体の外部に配置されるため、装置全体を覆う安全カバーが必要となるばかりか装置全体が大型化して、パーソナルロボット等に搭載することが容易ではないという問題があった。
Moreover, in the technique described in
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、180度以上の走査角度を確保しながらも、小型で高精度な三次元測距装置を提供する点にある。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a small and highly accurate three-dimensional distance measuring device while ensuring a scanning angle of 180 degrees or more.
この目的達成をするため、本発明による三次元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、基準平面に対して傾斜配置された偏向ミラーを、前記偏向ミラーを通り前記基準平面に垂直な軸心周りに回転する走査機構と、前記軸心から離隔した位置に配置され前記軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って測定光を出射する投光部と、前記投光部から出射され前記偏向ミラーで偏向反射された測定光のうち、被測定物からの反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された反射光を検出する単一の受光部と、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように前記投光部を駆動する駆動制御部と、前記走査機構により前記投光部から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間または位相差から前記被測定物までの距離を算出するとともに、前記走査機構から出射される測定光の走査角度から前記被測定物の角度を算出する距離算出部を備えている点にある。
In order to achieve this object, a first characteristic configuration of the three-dimensional distance measuring device according to the present invention includes a deflecting mirror inclined with respect to a reference plane, as described in
上述の構成によれば、投光部から出射された測定光が軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って偏向ミラーに入射するため、走査機構により回転する偏向ミラーで偏向反射された測定光が、基準平面に対して傾斜した平面上で走査されるようになる。 According to the above configuration, since the measurement light emitted from the light projecting unit enters the deflection mirror along the optical axis inclined by a predetermined angle with respect to the axis, it is deflected and reflected by the deflection mirror rotated by the scanning mechanism. The measurement light is scanned on a plane inclined with respect to the reference plane.
偏向ミラーがある走査角度に位置するときに、測定対象空間に向けて偏向出射される測定光と基準平面との傾斜角度が幾何学的に算出できるため、測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、被測定物に対する角度と距離が求まる。 When the deflection mirror is positioned at a certain scanning angle, the tilt angle between the measurement light deflected and emitted toward the measurement target space and the reference plane can be calculated geometrically, so that the reflected light from the object to be measured with respect to the measurement light If the distance is calculated based on the above, the angle and distance with respect to the object to be measured can be obtained.
そして、駆動制御部により、軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部が駆動されることにより、軸心の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面は、基準平面に対して傾斜し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになる。 Then, the light projecting unit is driven by the drive control unit so that one measurement light is emitted from different positions along the circumferential direction of the shaft center at different timings, thereby along the circumferential direction of the shaft center. The scanning surfaces of the respective measurement beams emitted from different positions are scanned on planes that are inclined with respect to the reference plane and inclined at different angles.
図4に示すように、例えば、投光部から出射された測定光が偏向ミラー上で軸心と交差するように照射される場合に、測定光の光軸と軸心とのなす角度をθとすると、軸心を中心とする半径Lの仮想円筒の周面に照射される各測定光の軌跡は、±L・tanθの振れ幅のリサージュ形状を描くようになる。 As shown in FIG. 4, for example, when the measurement light emitted from the light projecting unit is irradiated on the deflection mirror so as to intersect the axis, the angle between the optical axis of the measurement light and the axis is θ Then, the trajectory of each measurement light irradiated on the peripheral surface of the virtual cylinder having the radius L with the axis at the center draws a Lissajous shape with a shake width of ± L · tan θ.
各測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、測定対象空間に存在する被測定物に対する三次元的な距離を算出することができるのである。 If the distance is calculated based on the reflected light from the object to be measured with respect to each measurement light, the three-dimensional distance to the object to be measured existing in the measurement target space can be calculated.
このような投光部によれば、ケーシング内に極めて小型且つ精度良く配置できるため、小型で高精度な三次元測距装置を構築することができるようになる。 According to such a light projecting unit, since it can be extremely small and accurately arranged in the casing, a small and highly accurate three-dimensional distance measuring device can be constructed.
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、前記偏向ミラーが、前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射するとともに、前記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単一の偏向ミラーで構成され、前記集光光学系及び前記受光部が前記軸心上に配置されるとともに、前記複数の投光部が前記受光部の周囲に配置されている点にある。
In the second feature configuration, as described in
上述の構成によれば、測定光を測定対象空間に導く偏向ミラーと、被測定物からの反射光を受光部に導くミラーが兼用されることにより、装置を軸心方向に沿って小型化することができるようになる。 According to the above-described configuration, the deflection mirror that guides the measurement light to the space to be measured and the mirror that guides the reflected light from the object to be measured to the light receiving unit are combined to reduce the size of the apparatus along the axial direction. Will be able to.
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に加えて、前記偏向ミラーが前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射する第一偏向ミラーと、前記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偏向ミラーとを備えて構成され、前記受光部が前記偏向ミラーを挟んで前記投光部と対向する位置に配置されている点にある。
In the third feature configuration, as described in
上述した構成によれば、第一偏向ミラーで測定対象空間に照射された測定光の一部が装置の光学窓から反射する迷光が発生する場合であっても、当該迷光が第二偏向ミラーに入射することが抑制されるので、迷光による誤検出を招くことが抑制され、装置の信頼性を向上することができる。 According to the configuration described above, even when stray light is generated in which part of the measurement light irradiated to the measurement target space by the first deflection mirror is reflected from the optical window of the apparatus, the stray light is transmitted to the second deflection mirror. Since the incidence is suppressed, it is possible to suppress erroneous detection due to stray light and to improve the reliability of the apparatus.
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に特徴構成に加えて、前記集光光学系は、反射光を合焦させる受光レンズと、前記受光レンズによる合焦位置から前記受光部に反射光を導く導光部材を備えている点にある。 In the fourth feature configuration, in addition to any one of the first to third feature configurations described above, the condensing optical system includes a light receiving lens that focuses reflected light. And a light guide member that guides reflected light from the in-focus position by the light receiving lens to the light receiving portion.
投光部から出射された測定光が軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って偏向ミラーに入射するため、偏向ミラーで受光部に向けて偏向反射された当該測定光に対する反射光の光軸も軸心に対して傾斜する。そこで、受光レンズによる反射光の合焦位置から反射光を受光部に導く導光部材を備えることにより、受光部で適切に反射光を検出することができるようになる。 Since the measurement light emitted from the light projecting unit is incident on the deflection mirror along the optical axis inclined by a predetermined angle with respect to the axis, the reflected light with respect to the measurement light deflected and reflected toward the light receiving unit by the deflection mirror is reflected. The optical axis is also inclined with respect to the axis. Therefore, by providing a light guide member that guides the reflected light from the focus position of the reflected light by the light receiving lens to the light receiving unit, the reflected light can be appropriately detected by the light receiving unit.
尚、導光部材を備えることなく、軸心に対して傾斜した反射光を受光面積の大きな受光部で検出する場合には、反射光に対する受光部の応答性が低下して、精度の良い測距ができなくなるが、導光部材を備えることにより受光面積の狭い応答性に優れた受光素子を用いることができ、精度の高い測距が可能になる。 Note that when the reflected light inclined with respect to the axial center is detected by the light receiving unit having a large light receiving area without providing the light guide member, the response of the light receiving unit to the reflected light is lowered, and the measurement is performed with high accuracy. Although the distance cannot be obtained, a light receiving element having a narrow light receiving area and excellent response can be used by providing the light guide member, and highly accurate distance measurement is possible.
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、前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が前記偏向ミラー上で前記軸心と交差するように配置されている点にある。
The fifth feature configuration is the measurement light emitted from the light projecting portion in addition to any of the first to fourth feature configurations described above, as described in
上述した構成によれば、軸心の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面の中心が基準平面の中心点で交差し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになるため、被測定物に対する角度を容易に算出できるようになる。 According to the above-described configuration, the center of the scanning surface of each measurement light emitted from different positions along the circumferential direction of the axis intersects at the center point of the reference plane and is on a plane inclined at different angles. Therefore, the angle with respect to the object to be measured can be easily calculated.
同第六の特徴構成は、同請求項6に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が、前記偏向ミラー上で前記軸心が交差する点より手前側または奥側で交差するように配置されている点にある。
The sixth feature configuration is the measurement light emitted from the light projecting unit in addition to any of the first to fourth feature configurations described above, as described in
上述した構成によれば、リサージュ形状の上下方向の幅が縮小または拡大される。測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より手前側で交差するように配置されると振れ幅が小さくなるが分解能が上がる。このような構成を採用すると、感度を高くするため大きな受光光学系を用いる場合であっても、装置をコンパクトに構成することができる。また、測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より奥側で交差するように配置されると分解能は低下するが振れ幅が大きくなり検出範囲が広がる。 According to the configuration described above, the vertical width of the Lissajous shape is reduced or enlarged. If the optical axis of the measurement light is arranged on the deflection mirror so that it intersects in front of the point where the axes intersect, the fluctuation width decreases but the resolution increases. By adopting such a configuration, the apparatus can be configured compactly even when a large light receiving optical system is used to increase sensitivity. Further, if the optical axis of the measurement light is arranged on the deflection mirror so that it intersects behind the point where the axis intersects, the resolution is lowered but the fluctuation width is increased and the detection range is widened.
同第七の特徴構成は、同請求項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て、前記投光部が、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置で複数配置され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記複数の投光部から何れか一つを選択して順次駆動する点にある。
In the seventh feature configuration, as described in
駆動制御部により、偏向ミラーの一走査に同期して複数の投光部から何れか一つが駆動されることにより、他の投光部からの測定光を誤検出することなく、各投光部からの測定光に対して確実に被測定物を検出することができるようになる。 By driving one of the plurality of light projecting units in synchronization with one scanning of the deflecting mirror by the drive control unit, each light projecting unit without erroneously detecting measurement light from other light projecting units Thus, the object to be measured can be reliably detected with respect to the measurement light from the.
同第八の特徴構成は、同請求項8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て、前記投光部が、前記軸心周りに回転する回転体に支持された単一の投光部で構成され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記回転体を所定角度回転駆動する点にある。 In the eighth feature configuration, in addition to any one of the first to sixth feature configurations described above, the light projecting unit may be a rotating body that rotates about the axis. The driving control unit is configured to rotate the rotating body by a predetermined angle in synchronization with one scanning of the deflection mirror.
上述の構成によれば、単一の投光部でありながら、投光部が軸心の周方向に沿って互いに異なる位置で複数配置される場合と同様の三次元測距が可能になり、高価な投光部の部品点数を少なくして、安価な三次元測距装置を構成することができる。 According to the above-described configuration, it is possible to perform the same three-dimensional distance measurement as in the case where a plurality of light projecting units are arranged at different positions along the circumferential direction of the axis while being a single light projecting unit. An inexpensive three-dimensional distance measuring device can be configured by reducing the number of parts of the expensive light projecting unit.
以上説明したように、本発明によれば、180度以上の走査角度を確保しながらも、小型で高精度な三次元測距装置を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a small and highly accurate three-dimensional distance measuring device while ensuring a scanning angle of 180 degrees or more.
以下、本発明による三次元測距装置について説明する。
図1に示すように、三次元測距装置1は、周囲に一定の上下幅で円筒状の光学窓2aが配置された円筒状のケーシング2内に、ケーシング2の底面と平行な水平面である基準平面に対して45度の角度で傾斜配置された偏向ミラー8を、当該偏向ミラー9を通り基準平面に垂直な軸心P1周りに回転する走査機構4と、軸心P1から離隔した位置に配置され、軸心P1に対して所定角度θ傾斜した光軸L1に沿って測定光を出射する複数の投光部3と、各投光部3から出射され、偏向ミラー9で偏向反射された測定光のうち、被測定物からの反射光を集光する集光光学系6と、集光光学系6により集光された反射光を検出する単一の受光部5と、当該三次元測距装置1を駆動して被測定物に対する距離及び角度を算出する信号処理基板90を備えている。
Hereinafter, a three-dimensional distance measuring device according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the three-dimensional
偏向ミラー9は、投光部3から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射するとともに、被測定物からの反射光を受光部5に向けて偏向反射する。
The deflecting
集光光学系6及び受光部5が軸心P1上に配置されるとともに、複数の投光部3が受光部5の周囲に配置されている。
The condensing
投光部3は、互いに異なる位置で複数配置されていればよく、ここでは、軸心P1の周方向に沿って等間隔に8個配置されている。各投光部3は、半導体レーザまたはLEDでなる光源31a〜38aと、各光源31a〜38aから出力された光線束を平行光に形成するレンズ31b〜38bで構成されている。
A plurality of light projecting
各投光部3は、各光源31a〜38aから出力された測定光の光軸L11〜L18が、軸心P1に対して角度θ傾斜するように配置され、且つ、測定光の光軸L11〜L18が偏向ミラー9上で軸心P1と交差するように配置されている。
Each
走査機構4は、ケーシング2の底部で支持されたモータ11と、モータ11により軸心P1周りに回転駆動される支持部8と支持部8の傾斜上面に固定された偏向ミラー9で構成されている。
The scanning mechanism 4 includes a
支持部8の周部には、周方向に複数の光学的スリットが形成されたスリット板15aが設置されるとともに、スリット板15aの回転経路上にフォトインタラプタ15bが配置され、これらにより走査機構4の回転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。
A
走査機構4により偏向ミラー9が軸心P1周りに回転すると、各投光部3から出射された測定光が光学窓2aから測定対象空間に向けて照射される。例えば、光源31aから出射された測定光は偏向ミラー9により変更反射されて、光軸L11に沿って測定対象空間に向けて照射され、光源35aから出射された測定光は偏向ミラー9により変更反射されて、光軸L15に沿って測定対象空間に向けて照射される。
When the deflecting
図5に示すように、信号処理基板90には、軸心P1の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部3を駆動する駆動制御部93と、走査機構4により投光部3から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間から被測定物までの距離を算出するとともに、走査機構4から出射される測定光の走査角度から被測定物の角度を算出する距離算出部95を備えている。
As shown in FIG. 5, the
駆動制御部93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走査機構4の一周期、つまり、軸心P1周りに偏向ミラー9が位置回転する度に、各光源31a〜38aの何れか一つを点灯駆動する。
Based on the pulse signal input from the scanning
具体的には、図2(a)に示すように、最初の一周期で光源31aを駆動し、次の一周期で光源32aを駆動し、その後一周期単位で光源33aから38aを時計周りに順次駆動する。
Specifically, as shown in FIG. 2A, the
駆動制御部93により各投光部3に出力される駆動信号が、各光源31a〜38aを夫々駆動する駆動回路31c〜38cに入力され、駆動回路31c〜38cは光源31a〜38aを正弦波でAM変調し、或は、所定周波数でパルス駆動する。尚、AM変調する場合には、(数1)により被測定物までの距離が算出され、パルス駆動する場合には、(数2)により被測定物までの距離が算出される。本実施形態では、後者が採用されている。
(数1) L=Δφ・C/(4π・f)
(数2) L=Δt・C/2
The drive signals output to the
(Equation 1) L = Δφ · C / (4π · f)
(Expression 2) L = Δt · C / 2
例えば、図1及び図4(a)に示すように、光源31aから出射された測定光が軸心P1に対して所定角度θ傾斜した光軸L11に沿って偏向ミラー9に入射するため、走査機構4により回転する偏向ミラー9で偏向反射された測定光が、基準平面PLに対して傾斜した平面PL11上で走査されるようになる。
For example, as shown in FIGS. 1 and 4A, the measurement light emitted from the
また、光源35aから出射された測定光が軸心P1に対して所定角度θ傾斜した光軸L15に沿って偏向ミラー9に入射するため、走査機構4により回転する偏向ミラー9で偏向反射された測定光が、基準平面PLに対して傾斜した平面PL15上で走査されるようになる。
Further, since the measurement light emitted from the
偏向ミラー9がある走査角度に位置するときに、測定対象空間に向けて偏向反射される測定光と基準平面との傾斜角度が幾何学的に算出できるため、測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、被測定物に対する角度と距離が求まる。
When the
そして、駆動制御部93により、軸心P1の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部3が駆動されることにより、軸心P1の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面は、基準平面PLに対して傾斜し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになる。図4(a)には光源31aと光源35aから出射された夫々の測定光の走査面PL11,PL35が示されている。
Then, the
図4(a),(b)に示すように、例えば、各投光部から出射された測定光が偏向ミラー9上で軸心P1と交差するように照射される場合に、測定光の光軸Lと軸心Pとのなす角度をθとすると、軸心P1を中心とする半径Lの仮想円筒20の周面に照射される各測定光の軌跡は、±L・tanθの振れ幅のリサージュ形状を描くようになる。本実施形態では、投光部3が軸心P1の周りに等間隔で8個設置されているので、隣接する軌跡の位相は45度ずれるようになる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, for example, when the measurement light emitted from each light projecting unit is irradiated on the
各測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、測定対象空間に存在する被測定物に対する三次元的な距離を算出することができる。 If the distance is calculated based on the reflected light from the measurement object with respect to each measurement light, the three-dimensional distance to the measurement object existing in the measurement target space can be calculated.
図3に示すように、集光光学系6は、反射光を合焦させる受光レンズ6aと、受光レンズ6aによる合焦位置から受光部5に反射光を導く導光部材6bを備えている。
As shown in FIG. 3, the condensing
導光部材6bは、φ1mm程度の受光部5の受光窓に、受光レンズ6aにより合焦された反射光を導く逆円錐状のコーンプリズムまたは光ファイバアレイで構成することができる。光ファイバアレイは、円筒状の端部領域に先端側が配列され、基端側に他端側が配列された複数本の光ファイバでなり、先端側から基端側にかけて次第に径が絞り込まれるように形成されている。
The
光源から出射された測定光に対応する被測定物からの反射光が、受光レンズ6aによって合焦されると、導光部材6bの端部表面上に光像Iが形成される。導光部材6bにより光像Iを形成する光が受光部5に導かれることにより、感度良く反射光が検出される。
When the reflected light from the object to be measured corresponding to the measurement light emitted from the light source is focused by the
図2(a),(b)に示すように、夫々の光源31a〜38aから出射された測定光に対する反射光が、受光レンズ6aによって合焦されると、導光部材6bの端部表面上に光像I31〜I38が形成される。各光像I31〜I38を形成する光が受光部5に導かれるのである。
As shown in FIGS. 2A and 2B, when the reflected light with respect to the measurement light emitted from the
図5に示すように、信号処理基板90には、走査機構4に組み込まれたモータ11を駆動するモータ制御回路94と、光源である発光素子31a〜38aを夫々パルス駆動する駆動回路31c〜38cと、受光部5に備えたアバランシェフォトダイオード等の受光素子5aで光電変換された反射光に対応する反射信号を増幅する増幅回路5cと、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一走査周期毎に切り替えて駆動回路31c〜38cの何れかを駆動する駆動制御部93と、反射信号をAD変換するAD変換部91と、各駆動回路31c〜38cに対する駆動信号の立ち上がりから反射信号の立ち上がりまでの遅延時間を算出する遅延時間算出部92と、遅延時間に基づいて被測定物までの距離を算出するとともに、走査機構4から出射される測定光の走査角度から被測定物の角度を算出する距離算出部として機能するシステム制御部95を備えている。
As shown in FIG. 5, on the
システム制御部95には、マイクロコンピュータが組み込まれている。電源が投入されると、システム制御部95はモータ制御回路94を介して走査機構4を駆動して回転走査させ、モータが立ち上がると、走査角度検出部51から入力されるパルス信号に基づいて走査機構4が一回転する度に、順次駆動回路31c〜38cを駆動する。
The
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間隔になるように形成されており、システム制御部95は、パルス信号の波形に基づいて基準位置を把握して、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走査機構4の回転角度を算出する。
The slit interval of the
システム制御部95は、遅延時間算出部92から入力される遅延時間に基づいて、走査機構4の回転角度に対応する被測定物までの距離を算出するとともに、そのときの走査機構4の回転角度と、投光部3の配置、つまり測定光が出射された投光部と回転角度の相対角度及び投光部の光軸Lと軸心P1の角度から、基準平面に対する測定光の傾斜角度を算出して、測定対象物が位置する三次元の方向と距離を得る。
The
以上、TOF方式の三次元測距装置について説明したが、AM方式の三次元測距装置であっても、測定対象物が位置する三次元の方向を検出するメカニズムは同様である。AM方式の場合には、遅延時間算出部92に替えて、測定光と反射光の位相差を求める位相差算出部を備えれることになる。
Although the TOF type three-dimensional distance measuring device has been described above, the mechanism for detecting the three-dimensional direction in which the measurement object is located is the same even in the AM type three-dimensional distance measuring device. In the case of the AM method, in place of the delay
以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述の実施形態では、軸心P1の周りに等間隔で8個の投光部3を配置した例を説明したが、投光部3の数は8個に制限されるものでは無く任の数の投光部を配置してもよい。また、各投光部が等間隔に配置されるものに制限されるものでもない。
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described.
In the above-described embodiment, the example in which the eight light projecting
更に各投光部から出射された測定光の光軸Lと軸心P1との成す角度が全て同一である場合を説明したが、夫々異なる角度となるように配置されるものであってもよい。投光部から出射された測定光の光軸Lと軸心P1との成す角度が大きくなると光軸P1に沿った方向の分解能が低くなるが、検出範囲が広くなり、当該角度が小さくなると光軸P1に沿った方向の検出範囲が狭くなるが、分解能が上がる。 Furthermore, although the case where the angles formed by the optical axis L and the axis P1 of the measurement light emitted from each light projecting unit are all the same has been described, they may be arranged to have different angles. . When the angle formed by the optical axis L of the measurement light emitted from the light projecting unit and the axis P1 increases, the resolution in the direction along the optical axis P1 decreases. However, the detection range increases, and light decreases when the angle decreases. The detection range in the direction along the axis P1 is narrowed, but the resolution is increased.
例えば、八個の投光部3が、図2のように、軸心P1周りに配列されているときに、奇数番目の投光部3の光軸と軸心P1との成す角度θ1と、偶数番目の投光部3の光軸と軸心P1との成す角度θ2を、θ1>θ2として、奇数番目の投光部3を用いて計測するか、偶数番目の投光部3を用いて計測するかを切り替えるスイッチを備え、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えるように構成してもよい。更に、当該切替スイッチにより、全ての投光部を用いて広範囲且つ高分解能な計測を行なうように切り替えることも可能である。
For example, when the eight light projecting
また、各投光部3の光軸と軸心P1との成す角度θを切り替える姿勢切替機構を備えて、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えるように構成してもよい。
In addition, a posture switching mechanism for switching the angle θ formed between the optical axis of each light projecting
例えば、軸心P1と光軸Lを含む平面上で投光部が揺動可能となるように、投光部をケーシングの上部に支持し、角度θが小さくなる方向にバネ付勢するとともに、角度θが大きくなる方向に押圧するカム部材を備えた姿勢切替機構を備え、当該カム部材を駆動することにより投光部から出射される測定光の光軸の角度を切り替えるように構成することができる。 For example, the light projecting unit is supported on the upper part of the casing so that the light projecting unit can swing on a plane including the axis P1 and the optical axis L, and the spring is biased in a direction in which the angle θ decreases. An attitude switching mechanism including a cam member that presses in the direction in which the angle θ increases is configured to switch the angle of the optical axis of the measurement light emitted from the light projecting unit by driving the cam member. it can.
また、投光部をケーシングの上部に固定し、投光部から出射される測定光の光路上に、光軸を切り替える偏向ミラーやプリズム等の光学部材を位置変更可能に配置して、当該光学部材の位置を変更するアクチュエータを備えてもよい。 In addition, the light projecting unit is fixed to the upper part of the casing, and an optical member such as a deflecting mirror or a prism for switching the optical axis is disposed on the optical path of the measurement light emitted from the light projecting unit so that the position of the optical member can be changed. An actuator for changing the position of the member may be provided.
駆動制御部93が、走査機構4の一回転に同期して、駆動する投光部を順次切り替える場合を説明したが、投光部の切替タイミングを走査機構4の二回転に同期させてもよく、一回転中に任意のタイミングで切り替えてもよい。つまり、駆動制御部93が、軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部を駆動するものであればよい。
Although the case where the
さらに、投光部が、軸心周りに回転する回転体に支持された単一の投光部で構成され、駆動制御部が、偏向ミラーの一走査に同期して前記回転体を所定角度回転駆動するように構成してもよい。 Further, the light projecting unit is composed of a single light projecting unit supported by a rotating body that rotates around the axis, and the drive control unit rotates the rotating body by a predetermined angle in synchronization with one scanning of the deflection mirror. You may comprise so that it may drive.
具体的には、図6に示すように、測定光の光軸Lが軸心P1と角度θで傾斜するように、単一の投光部3を回転部材12に固定し、当該回転部材12をモータ13により回転可能に構成するのである。
Specifically, as shown in FIG. 6, the single
この場合、駆動制御部93により、軸心P1の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように、モータ13が回転駆動され、投光部が駆動される。
In this case, the
尚、基準平面に対する測定光の角度を算出するためには、モータ13により軸心P1周りに回転する投光部3の回転位置を検出する位置検出機構を備える必要があることはいうまでもない。
Needless to say, in order to calculate the angle of the measurement light with respect to the reference plane, it is necessary to provide a position detection mechanism that detects the rotational position of the
モータ13が停止した状態で投光部3が駆動されるように構成してもよいし、モータ13を駆動しながら投光部3を同時に駆動してもよい。投光部3を軸心P1周りの任意の位置に配置できるため、細かいピッチでリサージュ形状が描かれるようになり、より高精度な計測が可能となる。
The
また、図6で、軸心P1を挟んで、回転部材12に二つの投光部を、各投光部の光軸と軸心P1との成す角度θが異なるように配置してもよい。例えば、夫々の投光部の何れを用いるかを切り替えるスイッチを備えることにより、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えることができる。
In FIG. 6, the two light projecting portions may be arranged on the rotating
上述した実施形態では、投光部3が、投光部3から出射される測定光の光軸Lが偏向ミラー9上で軸心P1と交差するように配置された構成を説明したが、図7に示すように、投光部3から出射される測定光の光軸Lと光軸P1との成す角度θを一定に保ち、投光部3が、投光部3から出射される測定光の光軸Lが、偏向ミラー9上で軸心P1が交差する点より手前側または奥側で交差するように配置するものであってもよい。このような構成によれば、図4(b)で説明したリサージュ形状の上下方向の幅が縮小または拡大される。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
投光部3から出射される測定光の光軸Lが偏向ミラー9上で軸心P1と交差する場合には、光軸Lの軌跡が図8(a)に示すような傾斜平面PL10上を回転するが、測定光の光軸Lが偏向ミラー9上で軸心が交差する点より手前側で交差するように配置されると、光軸Lの軌跡が図8(b)に示すような傾斜平面PL10上を回転するため、軸心P1方向の振れ幅が小さくなるが、分解能が上がる。このような構成を採用すると、感度を高くするため大きな受光光学系を用いる場合であっても、装置をコンパクトに構成することができる。
When the optical axis L of the measurement light emitted from the
また、測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より奥側で交差するように配置されると、光軸Lの軌跡が図8(a)に示すような傾斜平面PL10上を回転するため、分解能は低下するが軸心P1方向の振れ幅が大きくなり検出範囲が広がる。 Further, when the optical axis of the measurement light is arranged on the deflection mirror so that it intersects behind the point where the axes intersect, the locus of the optical axis L is on the inclined plane PL10 as shown in FIG. However, although the resolution is reduced, the amplitude in the direction of the axis P1 is increased and the detection range is expanded.
さらに、図9に示すように、偏向ミラー9を、投光部3から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射する第一偏向ミラー9aと、被測定物からの反射光を受光部5に向けて偏向反射する第二偏向ミラー9bで構成し、当該偏向ミラー9を組み込んだ回転体4aを、軸心P1周りに回転駆動するモータ11を備え、受光部5が偏向ミラー9を挟んで投光部3と対向する位置に配置されるように、三次元測距装置1を構成してもよい。
Further, as shown in FIG. 9, the
上述した構成によれば、第一偏向ミラー9aで測定対象空間に照射された測定光の一部が装置1の光学窓2aから反射するような迷光が発生する場合であっても、当該迷光が第二偏向ミラー9bに入射することが抑制されるので、迷光による誤検出を招くことが抑制され、装置の信頼性を向上することができる。
According to the above-described configuration, even when stray light is generated such that part of the measurement light irradiated to the measurement target space by the
さらに、本発明による三次元測距装置は、上述した各実施形態を本発明と矛盾しない範囲で適宜組み合わせて構成することも可能である。 Furthermore, the three-dimensional distance measuring device according to the present invention can be configured by appropriately combining the above-described embodiments within a range not inconsistent with the present invention.
上述した何れの実施形態も、本発明の一実施例であり、三次元測距装置の各部の形状、構成、使用材料、信号処理のための回路構成等の具体的な構成は、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。 Any of the above-described embodiments is an example of the present invention, and the specific configuration of each part of the three-dimensional distance measuring device, such as the shape, configuration, material used, and circuit configuration for signal processing, is according to the present invention. Needless to say, the design can be changed as appropriate within the range where the effects are exhibited.
1:三次元測距装置
2:ケーシング
2a:光学窓
3:投光部
31a〜38a:光源(発光素子)
4:走査機構
5:受光部
6:集光光学系
6a:受光レンズ
6b:導光部材
9:偏向ミラー
11:モータ
L,L11,L2:光軸
P1:軸心
1: three-dimensional distance measuring device 2: casing 2a: optical window 3:
4: Scanning mechanism 5: Light receiving unit 6: Condensing
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