JP2011511280A - 対物距離計測装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る装置は計測対象物（２０）までの距離（ｄ）を計測する装置であり、出射ビーム光（１８）を発生させる発光器（１２）、計測対象物（２０）による出射ビーム光（１８）の反射で生じる入射ビーム光（２４）を受け取る受光器（１４）、並びにそれらのビーム光（１８，２４）の伝搬時間に基づき距離（ｄ）を求める評価ユニット（１６）を備える。受光器（１４）は、第１レンズ素子（６０）及びピンホールダイアフラム（６４）を有する受光ユニット（５８）を備える。入射ビーム光（２４）が光輪（１０２）状になってピンホールダイアフラム（６４）に達するよう、非透光性の部材（１２）で受光ユニット（５８）の中央部に影を作る。第１レンズ素子（６０）とピンホールダイアフラム（６４）の間に、略鍔付帽子状断面の第２レンズ素子（６２）を配置する。

Description

本発明は、出射ビーム光を発生させる発光器、計測対象物による出射ビーム光の反射で生じる入射ビーム光を受け取る受光器、並びにそれら出射ビーム光及び入射ビーム光の伝搬時間に基づき計測対象物までの距離を求める評価ユニットを備え、その受光器が、第１レンズ素子及びピンホールダイアフラムを有する受光ユニットを備え、入射ビーム光が光輪状になってピンホールダイアフラムに達するよう非透光性の部材で受光ユニットの中央部に影を作るようにした対物距離計測装置に関する。

下記特許文献１はこの種の装置の原理を述べた文献である。受光ユニットの詳細についてはほとんど記載がないため、本願出願人は、ピンホールダイアフラム及びレンズ素子を用い受光ユニットを構成することで、同文献記載の仕組みによる装置を実現・販売している（商品名：ＬＳ ８４０／８８０）。

この品は、空間領域乃至物体（計測対象物）を三次元的に計測できレーザスキャナと呼ばれている装置であり、その典型的な用途は広々とした作業空間の計測、建物や船殻のような大型物体の計測、犯罪シーンでの法医学計測等である。この品の計測ヘッドは垂直軸周りに枢動させうるよう構成されている。その上にはロータ（枢動器）及びその上に４５°の傾きで装着されたミラー（斜鏡）があり、またそれらと向かい合う発光器及び受光器もある。発光器はビーム光を発生させる部材、受光器はビーム光を受け取る部材である。ロータ上のミラーは、発光器から発せられる出射ビーム光を方向転換させて計測対象物に送る一方、その計測対象物による出射ビーム光の反射で生じた入射ビーム光を方向転換させて受光器に送る。従って、計測対象物上のビーム光反射ポイントから計測ヘッドまでの距離を、それら出射ビーム光及び入射ビーム光の伝搬時間から求めることができる。そして、ロータの動作でミラーを枢動させることで垂直面内をファン（扇）状に走査することができ、またそのファン自体を計測ヘッドの垂直軸周り枢動で方位軸周り枢動させることができるため、この品ではその付近にある空間領域ほぼ全域を計測することができる。

特許文献１には、こうしたレーザスキャナを録画ユニットと併用し、その録画ユニットに計測対象物のカラー画像を記録させることで、距離計測値を好適に補足・補完できることも記載されている。

独国実用新案出願公開第２０２００６００５６４３号明細書（Ｕ１）

ただ、こうしたレーザスキャナに限らず、出射ビーム光及び入射ビーム光の伝搬時間を調べる仕組みの距離計測装置については、ある共通した問題があることが知られている。それは、受光器に到達したときの入射ビーム光の強度（受光パワー）が、発光器及び受光器から計測対象物までの距離によって、大きく異なる値になることである。遠距離なほど受光パワーは小さくなるので、広い計測レンジを実現するには、その受光パワーが大きい近距離からの入射ビーム光も、その受光パワーが小さい遠距離からの入射ビーム光も、共にその受光器で処理できるようにしなければならない。仮に、受光パワーが大きすぎると、光検波器が過駆動になるため距離計測値の信頼度が低くなり、極端な場合はその受光器が破損し又は損傷を受けてしまう。逆に、受光パワーが小さすぎると、環境雑音、検波器雑音等といった避けがたい干渉から、その入射ビーム光を弁別することができなくなる。

また、上述の品の場合、発光器が受光ユニットの面前に同軸配置されているため、受光ユニットの中央部に発光器の影が発生する。そのため、入射ビーム光の一部は受光ユニットに届かず、その“芯が抜けた”光輪状のビーム光が受光ユニットに到達する。この光輪は、レンズ素子の働きでピンホールダイアフラム上に結像し、そのダイアフラム上に形成されている孔を通り抜け、そのダイアフラムの後方にある光検波器に入射する。このとき、ピンホールダイアフラム上に発生する光輪像の直径がそのダイアフラム上の孔径より小さければ、その芯抜けの光輪像全体が孔越しに光検波器で受光されるが、光輪像の直径がピンホールダイアフラム上の孔径よりも大きいとなると、光の一部がそのダイアフラムで阻止され光検波器に到達する光量が低下する。受光ユニットの結像特性で左右されるため、光輪像の直径は計測レンジ内のどの距離からの入射ビーム光によるものかによって違い、遠距離からの入射ビーム光によるものは小さく、近距離からのそれによるものは大きくなる。こうした挙動となるため、遠距離からの入射ビーム光による光輪ならば（非透光性の発光器で遮られている中央部を除き）その全体が光検波器に届くけれども、近距離からの入射ビーム光による光輪は部分的にしか届かない。この現象は、受光パワーの距離依存性を若干ながら補償する方向に作用している。

しかし、この補償が最適なものでないことも明らかである。そのことは、極端に近い距離からの光だとその光輪像の中央にある抜け部分がピンホールダイアフラム上の孔よりも大きくなり、入射ビーム光がダイアフラムの後方に全く抜けなくなることから、判る通りである。従来型レーザスキャナにおける計測レンジにはこうした制限があり、近距離側にあまり拡がっていない。

本発明の目的は、技術分野の欄で説明したタイプの装置を改良し、より広いレンジに亘り距離計測を行えるようにすること、またその距離計測を近距離でも遠距離でも高精度で行えるようにすることにある。

このような目的を達成するため、本発明の一実施形態で採用している手段は、技術分野の欄で説明したタイプの装置に、第１レンズ素子とピンホールダイアフラムの間に位置するよう略鍔付帽子状断面（ハット状断面）の第２レンズ素子を設ける、という手段である。

この第２レンズ素子は、中央台状部、より薄い周辺肉薄部、並びにそれら中央台状部・周辺肉薄部間をつなぐ（好ましくは湾曲した）遷移部を有する複雑な断面形状のレンズ素子である。この第２レンズ素子の断面を考えると、遷移部が中央台状部及び周辺肉薄部に比べ切り立った形状であるため、遷移部表面に急な放射方向沿い勾配が付くことが判る。そのため、この第２レンズ素子では、遷移部に入射するビーム光と中央台状部に入射するビーム光との間で屈折の仕方が違い、その違いによってビーム光の方向転換量が計測対象物の距離毎に違ってくる。具体的には、この第２レンズ素子を新規導入することで、従来型レーザスキャナではほとんど完全に抑圧されていた近距離からの入射ビーム光が、ある程度まではピンホールダイアフラムを通り抜けうるようになる。即ち、本実施形態の装置では計測レンジの近距離側が拡張される。

更に、非透光性の部材として受光器の面前に同軸配置されるのは例えばその発光器の一部である。この同軸配置によって、出射ビーム光や入射ビーム光の光路上にビームスプリッタを配する必要がなくなる。そのため、本実施形態の装置は非常に安価且つコンパクトに実現することができ、その計測精度も計測レンジの全域に亘り高くなる。

このように、本実施形態によれば、前掲の目的を全面的に達成することができる。

また、第１レンズ素子によって形成される焦点上にピンホールダイアフラムを配置することで、遠距離から来る入射ビーム光を漏れなくピンホールダイアフラム上に合焦させることができる。この場合、遠距離から来る入射ビーム光をあまたず受光できるため、計測レンジが遠距離側に拡張されることとなる。

更に、略平坦な中央台状部、より薄い周辺肉薄部、並びにそれら中央台状部及び周辺肉薄部間をつなぐ遷移部を有する略鍔付帽子状断面の素子を、その第２レンズ素子として使用することができる。特に、中央台状部を厳密に平坦な形状にすると共に、その中央台状部に接する遷移部の表面がＳ字断面になるようにすれば、入射ビーム光のうち中央台状部を通るものに第２レンズ素子の影響が及ぶことをほぼ又は完全に防ぐことができる。即ち、遠距離からの入射ビーム光は第２レンズ素子の影響をほとんど又は全く受けず、第２レンズ素子の影響を受けるのは近距離からの入射ビーム光だけとなるので、計測レンジのうち拡がった部分の受光パワー特性が更に好適なものになる。

また、その中央台状部に貫通孔がある環状レンズを第２レンズ素子として使用することができる。この構成では第２レンズ素子中央に位置する“孔”が中央台状部として機能するので、入射ビーム光のうち第２レンズ素子の中央台状部を通過するものに第２レンズ素子の影響が及ぶことはない。即ち、中央台状部では減衰も屈折も発生しない。

或いは、第２レンズ素子を中実にすることもできる。その中央台状部が透光性素材で“満たされて”いるので、この第２レンズ素子はより容易、省費用安価且つ安定に製造することができる。

更に、遷移部を部分的に覆う（好ましくは更に周辺肉薄部を覆う）が中央台状部は覆わないよう非透光素材製のマスクを設けることができる。この構成では、近距離から来る高強度ビーム光の入射がそのマスクで制限されるため、装置としての受光パワー特性がより好適なものになる。その一方、中央台状部はマスクで覆われていないので、遠距離からの入射ビーム光がマスクの影響を受けることはない。

そのマスクは、遷移部の大半を覆うように設けることができる。この構成では、計測対象物への接近による入射ビーム光量の急増分を、その大きなマスクによって非常に簡便且つ効率的に遮断することができる。

また、そのマスクのうち遷移部上の部分に１個又は複数個のスロット状開口を設けることができる。マスク上に設けたスロット状開口による受光パワー調整は効果的であり、また非常に簡便且つ省費用でもある。即ち、入射ビーム光の光輪をマスク上のスロット状開口で部分的に“切り取り”、その前方にある光検波器に所望形態で入射させることが容易になる。特に有益なのは、中央台状部に発し（好ましくは放射状に拡がり）周辺肉薄部に達するよう、こうしたスロット状開口を設けることである。光輪状の入射ビーム光から円が“切り取られる”ようスロット状開口を丸くしてマスク上に１個又は複数個設けた構成を想起し、それと対比すると判るように、（放射状に延びるよう）中央台状部・周辺肉薄部間にスロット状開口を設けた構成では、近距離からきてマスクを通過する入射ビーム光の量が、その光輪のサイズ及び位置に左右されにくい。従って、近距離からの入射ビーム光による受光パワーを非常に均等に最適化することができる。

更に、第２レンズ素子の背面を略平坦にすることができる。その面上にマスクを配することもできる。この構成は簡便且つ省費用な実施に資するものである。更に、背面が平坦なら遠距離からの入射ビーム光にその影響が及びにくいので、この第２レンズ素子の背面で最大計測レンジが損なわれる恐れもない。

また、そのピンホールダイアフラム上に中央開口及びスロット状開口を設け、そのスロット状開口を中央開口から放射状に拡がらせることができる。このピンホールダイアフラム側スロット状開口の位置は、マスク側スロット状開口の位置と概ね一致させるのが望ましい。ピンホールダイアフラム上にスロット状開口を設けることは新たな自由度の導入であるので、この構成では、計測レンジのうち長距離部分における受光パワー曲線がより好適なものになりうるほか、第２レンズ素子の形成がより単純且つ省費用になる。

更に、受光器に第１光検波器及び１個又は複数個の第２光検波器を設けることができる。第１光検波器では入射ビーム光の強さを示す第１電気信号を発生させ、第２光検波器では計測対象物の色情報を表す第２電気信号を発生させる。これらの信号のうち第１電気信号は入射ビーム光の輝度を示しているので、計測対象物までの距離を既知手法で導出する際に利用できる。他方、第２光検波器は、その上にある（通常は三色分以上の）光感受性画素間に感知可能波長差があること等を利用し、色分離を実行する色検波器であるので、そこで発生する第２電気信号は、例えば赤色波長域、緑色波長域及び青色波長域の各領域に係る色情報を表す信号になる。従って、この構成では、その計測対象物のカラー画像を発生させ、第１電気信号に基づき導出される距離情報を補足・補完することができる。この追加情報を利用することで、計測環境の文書化や距離計測値の解釈がより容易になる。

また、計測対象物に対する出射ビーム光の案内に使用できる枢動可能なミラーを設けること、またその第２光検波器をそのミラーの枢動方向沿いにオフセット配置することができる。この構成では、第１光検波器の空間的な位置と、第２光検波器のそれとが互いにオフセットしているため、ミラーの枢動でカバーできる空間内にある同じ計測対象物を捉えていても、その注視先が第１光検波器と第２光検波器とで異なる点になる。

これに対し、背景技術の欄で引用した特許文献１では、一例として、光像記録用の録画ユニットの注視先と出射ビーム光の照射先とが計測対象物上の同じ点になる装置を提案している。本発明を例えば改良型レーザスキャナとして実施する場合も、第２光検波器の注視先と出射ビーム光の照射先とを計測対象物上の同じ点にすることが可能であるが、ミラーを枢動させたとき、第１光検波器の注視先又は出射ビーム光の照射先の移動を第２光検波器の注視先がある時間差で追うようにした方がよい。第２光検波器が発光器及び第１光検波器に対し固定的な位置関係を有しているので、ここでいう時間差（遅れ又は進み）はそれに応じた値に定まる。この構成では、計測対象物の光像記録とその計測対象物上の計測対象点までの距離計測とを同一走査サイクル内で実行することができるほか、操作が容易で非常にコンパクトな構成にすることができる。

更に、ピンホールダイアフラムの躯体上に第２光検波器を配置することができる。この構成は非常にコンパクトで頑丈な構成である。更に、この構成では、第２光検波器の受光パワー特性が第１光検波器のそれから独立であるので、上述のような計測を行っても、第２光検波器への入射光がその影響を受けることが（ほとんど）ない。これは、有益なことに、計測対象物からの距離が変化しても、第１光検波器への入射ビーム光と違い第２光検波器への入射光は大きく強度変化しない、ということである。

また、計測対象物の距離画像、光像又はその双方を表示するグラフィックディスプレイを設けることができる。背景技術の欄で述べたタイプのレーザスキャナのように、走査能力があって非常に多量の計測データ、光像データ又はその双方が得られる装置では、この構成が特に役に立つ。それは、グラフィックディスプレイがあれば、そうした多量のデータを直に、即ちノート型コンピュータ等を接続せずに表示させうるからである。ユーザは、その計測値の質、量及び相互関係を素早く看取することができる。更に、このグラフィックディスプレイを、パラメタ類等のデータを入力するためのユーザインタフェースとして、非常に重宝に利用することができる。

本発明の好適な実施形態に係るレーザスキャナを示す図である。 図１に示したレーザスキャナで得られるべき受光パワー特性を示す図である。 図１に示したレーザスキャナのうち受光ユニットの概略構成を示す図である。 図３に示した受光ユニットのうちピンホールダイアフラム躯体、特にその第１稼働状況例を示す図である。 図４に示したピンホールダイアフラムの第２稼働状況例を示す図である。 図３に示した受光ユニットで好適に使用できるマスクの一例を示す図である。

以下、別紙図面を参照し本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、上述した諸事項や後述する諸事項は、それ自体で使用することも、本願記載の如く組み合わせて使用することも、或いはそれ以外の組合せ方で使用することもできる。本発明の技術的範囲はそれらを包含するものである。

図１に、本発明の好適な実施形態に係る装置１０の全体構成を示す。この装置１０はレーザスキャナとして構成されているが、出射ビーム光及び入射ビーム光を利用し計測対象物までの距離を測る仕組みであればよいので、本発明はより単純な一次元的距離計測装置にも適用することができる。また、本発明は、３００〜１０００ｎｍの波長域に属する狭義の光に限らず、原理上は他波長域の電磁波でも実施することができる。狭義の光に類する形態で伝搬するものであればよい。従って、本願でいうところの“ビーム光”は他波長域の電磁波等も包含している。

このレーザスキャナ１０では、発光器１２及び受光器１４が評価兼制御ユニット１６に接続されている。その発光器１２内には例えば波長＝約７９０ｎｍで発振するレーザダイオードがあり、そのダイオードで発生するレーザビーム１８が発光器１２から出射されている。計測対象物２０上の計測対象点は、発光器１２から出射されるこのビーム光１８で照らされている。評価兼制御ユニット１６は、ビーム光１８を方形波の変調信号で振幅変調させておき、その位相情報に基づき計測対象点までの距離ｄを導出する。変調信号の好適例については本願出願人の名義で並行して出願される別の特許出願を参照されたい。例えば、ビーム光１８を正弦波の変調信号で変調する手法や、パルス状のビーム光１８を出射させパルス伝搬時間法で距離ｄを求める手法を使用することもできる。それらの併用も可能である。

出射ビーム光１８は計測対象物２０に届くようミラー２２で方向転換されている。また、計測対象物２０によるビーム光１８の反射で生じた入射ビーム光２４も、受光器１４に届くようミラー２２で方向転換されている。このミラー２２は図示の通りシリンダ２６の先端面上にあり、そのシリンダ２６はシャフト２８を介しロータリドライブ（枢動器）３０に連結されている。従って、枢動器３０を稼働させるとこのミラー２２は軸３２周りで枢動する。枢動方向は図中符号３３で示す方向であり、その方向３３に沿ったミラー２２の位置はエンコーダ３４で随時検知される。このエンコーダ３４の出力信号もまた評価兼制御ユニット１６に送られているが、ここでは簡明化のためその点の図示を省略している。

その枢動軸３２は図示の通り水平軸であり、ミラー２２はその軸３２に対し約４５°の傾斜をなしている。ミラー２２で方向転換された出射ビーム光１８は垂直面（立面）沿いに進むので、ミラー２２を軸３２周りで枢動させると、空間領域３６内がその垂直面沿いに走査されることとなる。即ち、ビーム光１８による垂直走査ファン（扇）が発生する。

更に、このレーザスキャナ２０は、図示の通り、共通の基板４２上に配された２個のハウジングパーツ３８，４０内にほぼ収まっている。例えば、図中左側のパーツ３８には発光器１２、受光器１４及び評価兼制御ユニット１６が、また右側のパーツ４０にはエンコーダ３４付の枢動器３０及びミラー２２付のシリンダ２６が、それぞれ収まっている。シリンダ２６はパーツ４０から突き出ていて、その先端のミラー２２はパーツ３８とパーツ４０の間、ほぼ中間点に位置している。

その基板４２を支えている枢動器４４は、高さ調整が可能な脚４６上に着座している。その脚４６には、その高さ設定を再現できるよう目盛り４８が付されている。枢動器４４の枢動角は図中のエンコーダ５０で検知されており、そのエンコーダ５０の出力信号もまた評価兼制御ユニット１６に送られている（図示せず）。

枢動器４４はレーザスキャナ１０を垂直軸５２周りで枢動させる部材であり、その軸５２は前掲の枢動軸３２と交差している。両者の交点はミラー２２のほぼ中央に位置しており、この例では全距離計測値ｄの基準となる座標系原点として使用されている。この枢動器４４を稼働させることで、方位軸周りで垂直走査ファンを３６０°に亘り枢動させることができるので、スキャナ１０の周辺にある実質的に全ての点を、その出射ビーム光１８で照明することができる。但し、基板４２によって底方向に影ができるため、底方向についてだけはスキャナ１０の視角がいくらか制限されている。

更に、評価兼制御ユニット１６は図示の通りマイクロプロセッサ５４及びＦＰＧＡ(field programmable gate array)５６で構成されている。ＦＰＧＡ５６は、発光器１２内のレーザダイオードを駆動するため二値の方形波変調信号を発生させている。マイクロプロセッサ５４は、ディジタル化された受信データを受光器１４から読み込み、レーザスキャナ１０・計測対象物２０間の距離ｄをそれらのデータに基づき求めている。マイクロプロセッサ５４及びＦＰＧＡ５６は、例えば、伝搬時間導出用にマイクロプロセッサ５４が出射ビーム光１８の位相情報を受信する、といった相互通信を行っている。

そして、受光器１４は、第１レンズ素子６０、第２レンズ素子６２及びピンホールダイアフラム６４を有する受光ユニット５８を備えている。この例では素子６０が１個であるが、複数個のレンズ素子を組み合わせ、後述の如き素子６０の機能をそれに担わせることもできる。また、ダイアフラム６４の背後には入射ビーム光２４を検波する光検波器６６がある。更に、発光器１２は、図示の通り、受光器１４に対し同軸となるようその受光器１４の面前に配置されている。このことからすぐに判るように、ビーム光２４が部分的に発光器１２で遮られるため、ユニット５８の中央に影が発生する。この影発生現象を視覚的に示すため、この図では、ビーム光２４を“二本線”で表すと共に、出射ビーム光１８に比しその幅を強調して描いてある。図示例の検波器６６に到達するのは、実際には、発光器１２でその中央が遮られて光輪状になったビーム光２４である。

図２に、計測される距離ｒに対し受光器１４が呈する受光パワー特性の概要を示す。まず、容易に読み取れるように、距離＜約０．５ｍの領域では入射ビーム光２４が全く検知されていない。これは、受光器１４が“盲目”状態になっていて、その領域内の距離から受光することができないことを示している。この盲目状態は、散乱現象による出射ビーム光１８との直接クロストークを抑圧するため意図的に創出されている。これほどの近距離であれば、こうした計測レンジ制限も甘受することができる。

次に、計測レンジ下限値＝約０．５ｍから始まる距離領域７２に入ると、受光パワーは最大値へと“跳ね上がって”そのまま最大値を保ち続ける。即ち、この領域７２内の距離からくる入射ビーム光２４は、本来ならば距離増大につれその受光パワーが低下するはずのところ、距離によらずほぼ一定のパワーで光検波器６６に受光されている。このように領域７２内で受光パワー特性が台地状になるのは、主に、近距離からくるかなり大パワーのビーム光２４が、後述する受信ユニット動作で部分的に遮光されているからである。

この台地状の距離領域７２を抜けて距離Ｒｉからの距離領域７４に入ると、距離増大による受光パワーの連続低下が現れる。領域７４内の受光パワー曲線が放物線になっているのは、この種のシステムにつきものの受光パワー低下が生じていることを示している。距離が更に増してＲｍａｘに達すると、受光パワーが低すぎて信頼できる距離計測値が得られないようになる。そうなる距離Ｒｍａｘは、本実施形態のレーザスキャナでは約７０ｍである。

図３に受光ユニット５８の動作を示す。図中、前出のものと同様の部材には同一の符号を付してある。

まず、ピンホールダイアフラム６４は、図示の通り、第１レンズ素子６０（又は一群の第１レンズ素子）によってその特性が決定づけられる成像光学系の焦点８０に配置されている。そのため、遠くからきたため十分な近似精度で平行光と見なせるビーム光７８は、図示の通り素子６０への入射で屈折され、ある焦点８０へと集まっていく。

近くからきたため平行光と見なせないビーム光８２は、図示の通り外向きに拡がりながら、同じく第１レンズ素子６０に入射している。このビーム光８２も素子６０で屈折されるが焦点８０には集まってこない。仮に第２レンズ素子６２がないとしたら、このビーム光８２はピンホールダイアフラム６４を通り抜けることすらできない。

その第２レンズ素子６２は第１レンズ素子６０・ピンホールダイアフラム６４間に配置されている。その断面は、中央台状部８４、より薄い周辺肉薄部８６、並びにそれら中央台状部８４・周辺肉薄部８６間をつなぐ遷移部８８を呈する鍔付帽子状断面である。更に、素子６２は、受光ユニット光軸７９にほぼ直交しその光軸７９が自素子６２のほぼ中央を通るように配置・構成されている。図示の通り中央台状部８４や周辺肉薄部８６は平坦であるが、遷移部８８には湾曲があってその断面にほぼＳ字の形状が現れている。この湾曲は、中央台状部８４の手前で連続的に増大した後周辺肉薄部８６の手前で再び低下する、といった形状乃至曲率半径を呈している。更に、素子６２の背面９０は図示の通り平坦であり、その上には非透光性素材製のマスク９２（図６参照）が配置されている。

第２レンズ素子６２の中央台状部８４は、焦点８０行きのビーム光が自素子６２の影響をほとんど受けずに通り抜けられるよう、図示の通り貫通孔８５を有している。即ち、この素子６２は、その中央台状部８４が貫通孔８５となっている環状レンズである。透明素材で（好ましくは一体に形成された）中実の素子を代わりに素子６２として使用してもよい。

いずれにせよ、中央台状部８４の前面及び背面が共に平坦であるため、焦点８０行きのビーム光は第２レンズ素子６２の影響を全く受けない。受けるとしても、高々、平坦ディスクによるものに類した影響を受けるのみである。これに対し、ビーム光８２は、湾曲のある遷移部８８にて素子６２に入射している。遷移部８８が然るべく構成されているので、この光８２は遷移部８８で屈折され、ピンホールダイアフラム６４を通り抜けていく。遷移部８８は、また、ビーム光入射位置が外寄りになるにつれ屈折量が大きくなるよう、即ちより外寄りに入射してきたビーム光をダイアフラム６４に通せるよう形成されている。但し、屈折したビーム光８２で形成される焦点９４の位置はダイアフラム６４の後方となる。そのため、ビーム光８２によってダイアフラム６４上に形成される像は不鮮明である。受光ユニット５８までの距離が近い計測対象物２０からのビーム光ほど、この不鮮明さは顕著になる。

図４及び図５に受光ユニット５８の作用を２個の例で示す。これらはピンホールダイアフラム躯体（キャリア）９６の平面図である。図示の通り、キャリア９６の中央には円形開口９８があり、更にその開口９８から見て外側に延びるよう２個のスロット状開口１００が放射状に形成されている。開口９８，１００はつながって“丸にひげが付いた”形となり、その連なりで結合ダイアフラム開口が形成されている。図中の１０２はレンズ素子６０，６２の作用でキャリア９６上に生じた光輪像であり、入射ビーム光２４が比較的近距離からユニット５８上に入射している場合、図４に示すようにその直径が大きくなる。そのため、結合ダイアフラム開口を通り抜けうるのは光輪１０２の一部分１０４（図中濃色の部分）だけであり、光輪１０２のうち結合ダイアフラム開口外にある部分はダイアフラム６４で遮られてしまう。ビーム光２４の受光パワーはその分小さくなる。

これに対し、入射ビーム光２４が比較的遠距離から受光ユニット５８上に入射している場合、図５に示すように光輪像１０２’は結合ダイアフラム開口の内法にすっぽりと収まるので、ユニット５８に達した光は余すところなくピンホールダイアフラム６４を通り抜けて光検波器６６に到達する。

また、図中の１０６は第２光検波器であり、色検波器として機能するよう、互いに異なる波長に反応する光感受性の画素複数個で形成されている。これに代え、複数の波長に反応する面的イメージセンサを第２光検波器として使用し、光輪１０２／１０２’で第２光検波器が常に照明されるようにしてもよい。更に、本実施形態のレーザスキャナ１０では、検波器１０６がキャリア９６上に配置されている。その位置は、出射ビーム光１８で照明された計測対象物２０上の点を第２光検波器１０６が常にある時間差を置いて“目にする”こととなるよう設定されている。その時間差は水平軸３２周りでのミラー２２の枢動動作で決定づけられている。

図６に、第２レンズ素子６２の背面にあるマスク９２の平面構成を示す。この例では、マスク９２の中央開口部１０８が第２レンズ素子６２の中央台状部８４と重なる位置にあり、その開口部１０８に連なるスロット状開口１１０がピンホールダイアフラム６４上のスロット状開口１００と重なる位置にある。更に、この例のマスク９２は、そのうち濃いハッチングが付されている非透光性素材製の部分１１２が素子６２の遷移部８８と重なるよう、素子６２の背面９０に固定されている。従って、遷移部８８に入射したビーム光８２のうち素子６２を通り抜けられるのは開口１１０を通るものだけである。その分、近距離からのビーム２４の受光量は更に減少する。

このように、本実施形態のレーザスキャナ１０では、図２に示した受光パワー特性が４要素の連携で実現されている。４要素とは、ピンホールダイアフラム６４（より厳密にはその円形開口９８）、そのダイアフラム６４上のスロット状開口１００、鍔付帽子状断面の第２レンズ素子６２、並びにマスク９２のことである。素子６２があるので近距離からの入射ビーム光も結合ダイアフラム開口を通過することができ、マスク９２があるのでその入射ビーム光の強さを抑えることができるため、全体としては、図２に示した特性が得られることとなる。

また、本実施形態のレーザスキャナ１０は、従来型のレーザスキャナに比し潜在的且つ進歩的な長所を形成する部材たるグラフィックディスプレイ１１４を備えている。図示の通り、このディスプレイ１１４はハウジングパーツ３８の外壁１１６上に配置されており、ユーザインタフェースとしても機能するようマイクロプロセッサ５４によって駆動されている。ディスプレイ１１４としては、タッチセンサ式画面（タッチスクリーン）を備えるものを使用してもよいし、画面のそばにソフトキー等の操作キー１１８があるものを使用してもよいし、それらを併用してもよい。ソフトキー付のディスプレイ１１４をハウジング外壁１１６上に配置する場合、その画面上に表示されるものに応じ諸ソフトキー１１８の機能を変化させることができる。

本実施形態では、更に、グラフィックディスプレイ１１４の画面上に、第１光検波器６６、第２光検波器１０６等で捉えた距離画像、光像等を表示させることができる。距離画像はそれらで捉えた空間領域３６を示す白黒画像又は擬似カラー画像であり、その画像を形成している画素上にカーソルを移動させると、その画素に係る点までの距離計測値が画面上に表示される。また、光像は空間領域３６のうち第２光検波器１０６で捉えた部分を示す好ましくはカラーの画像である。

本実施形態のレーザスキャナ１０では、更に、距離情報と画像情報を組み合わせて生成したＳＤ（標準品位）画像をグラフィックディスプレイ１１４の画面上に表示させることができる。加えて、出射ビーム光１８の出射パワー、方位軸周り走査領域、立面内走査領域、走査分解能等、スキャナ１０の動作パラメタをソフトキー１１８の操作で設定することができる。

Claims (15)

1. 出射ビーム光（１８）を発生させる発光器（１２）と、計測対象物（２０）による出射ビーム光（１８）の反射で生じる入射ビーム光（２４）を受け取る受光器（１４）と、それら出射ビーム光（１８）及び入射ビーム光（２４）の伝搬時間に基づき計測対象物（２０）までの距離（ｄ）を求める評価ユニット（１６）と、を備え、その受光器（１４）が、第１レンズ素子（６０）及びピンホールダイアフラム（６４）を有する受光ユニット（５８）を備え、更に、入射ビーム光（２４）が光輪（１０２）状になってピンホールダイアフラム（６４）に達するよう非透光性の部材（１２）で受光ユニット（５８）の中央部に影を作るようにした対物距離計測装置であって、
   第１レンズ素子（６０）とピンホールダイアフラム（６４）の間に配置された略鍔付帽子状断面の第２レンズ素子（６２）を備えることを特徴とする対物距離計測装置。
2. 請求項１記載の対物距離計測装置であって、第１レンズ素子（６０）によって形成される焦点（８０）上にピンホールダイアフラム（６４）が配置されたことを特徴とする対物距離計測装置。
3. 請求項１又は２記載の対物距離計測装置であって、その第２レンズ素子（６２）が、略平坦な中央台状部（８４）、より薄い周辺肉薄部（８６）、並びにそれら中央台状部（８４）及び周辺肉薄部（８６）間をつなぐ遷移部（８８）を有する略鍔付帽子状断面を呈することを特徴とする対物距離計測装置。
4. 請求項３記載の対物距離計測装置であって、その第２レンズ素子（６２）が環状レンズであり、その中央台状部（８４）に貫通孔があることを特徴とする対物距離計測装置。
5. 請求項３記載の対物距離計測装置であって、その第２レンズ素子が中実であることを特徴とする対物距離計測装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項記載の対物距離計測装置であって、遷移部（８８）を部分的に覆うが中央台状部（８４）は覆わない非透光素材製のマスク（９２）を備えることを特徴とする対物距離計測装置。
7. 請求項６記載の対物距離計測装置であって、そのマスク（９２）が遷移部（８８）の大半を覆うことを特徴とする対物距離計測装置。
8. 請求項６又は７記載の対物距離計測装置であって、そのマスク（９２）のうち遷移部（８８）上の部分にスロット状開口（１１０）が１個又は複数個あることを特徴とする対物距離計測装置。
9. 請求項８記載の対物距離計測装置であって、そのスロット状開口（１１０）が中央台状部（８４）に発し周辺肉薄部（８６）に達していることを特徴とする対物距離計測装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項記載の対物距離計測装置であって、その第２レンズ素子（６２）の背面（９０）が略平坦であることを特徴とする対物距離計測装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項記載の対物距離計測装置であって、そのピンホールダイアフラム（６４）が、中央開口（９８）及びそこから放射状に拡がるスロット状開口（１００）を有することを特徴とする対物距離計測装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項記載の対物距離計測装置であって、その受光器（１４）が、入射ビーム光（２４）の強さを示す第１電気信号を発生させる第１光検波器（６６）と、計測対象物（２０）の色情報を表す第２電気信号を発生させる１個又は複数個の第２光検波器（１０６）と、を有することを特徴とする対物距離計測装置。
13. 請求項１２記載の対物距離計測装置であって、計測対象物（２０）に対する出射ビーム光（１８）の案内のため使用される枢動可能なミラー（２２）を備え、第２光検波器（１０６）がミラー（２２）の枢動方向（３３）沿いにオフセット配置されたことを特徴とする対物距離計測装置。
14. 請求項１２又は１３記載の対物距離計測装置であって、そのピンホールダイアフラム（６４）の躯体（９６）上に第２光検波器（１０６）があることを特徴とする対物距離計測装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項記載の対物距離計測装置であって、計測対象物（２０）の距離画像、光像又はその双方を表示するグラフィックディスプレイ（１１４）を備えることを特徴とする対物距離計測装置。

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