JP2013195302A - 距離測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供する。
【解決手段】光源と、光源から射出された光を当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて物体までの距離に応じて予め定めた撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を撮像面に結像する受光光学系と、撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、を備えた距離測定装置とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
従来、車両に搭載されるレーダ装置等、所定角度(全走査角度)の視野領域を監視し、視野領域内に存在する物体(対象物)までの距離を測定する距離測定装置が知られている。距離測定装置は、レーザ光源、回転ミラー等の光走査機構を有する投光部と、集光レンズ、受光素子等を有する受光部と、を備えている。光源から射出されたレーザ光が光走査機構により偏向されて投光され、視野領域内がレーザ光で走査される。視野領域内に存在する対象物で反射されたレーザ光は、集光レンズで集光されて、受光素子により受光される。
従来の距離測定装置は、車両の前方等の特定方位を視野領域として監視するため、通常、全走査角度は180°未満である。近年、監視カメラ、対物センサの開発に伴い、より広い視野領域(例えば、全方位)を有する距離測定装置が必要とされている。例えば、特許文献1には、水平方向に沿った360°視野内の周囲物体を同時に検出し、検出された周囲物体までの距離及び角度(方位)を測定するレンジ測定デバイスが開示されている。
特許文献1に記載のレンジ測定デバイスは、フラッシュ・レーザ・レーダ、イメージ・センサ、イメージ・センサとレーザ・レーダとの間に結合されたミラー素子、及びレンズを備えている。フラッシュ・レーザ・レーダは、水平方向に沿った360°視野を照らすように、第1時刻に第1レーザ・パルスを生成する。レンジ測定デバイスは、第2時刻に360度視野内の少なくとも1つの物体から第1レーザ・パルスの反射を受け取る。
ミラー素子は、第1レーザ・パルスの反射を360度視野の少なくとも一部へ分散させるように構成された第1反射器と、少なくとも1つの物体からイメージ・センサ内へ第1レーザ・パルスの戻り反射を集めるように構成された第2反射器と、を含んで構成されている。レンズは、戻り反射をイメージ・センサへ集めるように構成されている。
上記のレンジ測定デバイスでは、第1レーザ・パルスが生成された「第1時刻」と第1レーザ・パルスの反射を受け取った「第2時刻」とに基づいて、物体までの距離を算出している。即ち、反射光パルスの遅延時間τを第1時刻と第2時刻との差として求め、遅延時間τと光速cとから、τ=2L/cの関係に基づいて物体までの距離Lを算出している。
特開2009−47695号公報
しかしながら、特許文献1に記載のレンジ測定デバイスでは、反射光パルスの遅延時間に基づいて物体までの距離を算出するので、全方位での距離測定を行うためには、物体までの距離及び方位毎にイメージ・センサの画素を予め割り当てておく必要がある。また、全方位での距離測定を行うためには、イメージ・センサの画素毎に反射光パルスの遅延時間を取得する必要があり処理が煩雑となる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、光源と、前記光源から射出された光を、当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、前記複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、を備えた距離測定装置である。
請求項2に記載の発明は、前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置から計測対象となる物体までの距離を取得する、請求項1に記載の距離測定装置である。
請求項3に記載の発明は、前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する面内の全方位に投光する、請求項1又は2に記載の距離測定装置である。
請求項4に記載の発明は、前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する複数の面内の複数の方位又は全方位に投光する、請求項1又は2に記載の距離測定装置である。
請求項5に記載の発明は、前記投光光学系が、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記光源から射出された光を環状光に整形する第1レンズと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第1レンズで生成された環状光の全部又は一部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する第1反射ミラーと、を少なくとも含む、請求項1から4までの何れか1項に記載の距離測定装置である。
請求項6に記載の発明は、前記第1レンズが、円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置されて、前記光源から射出された光を環状光に整形し、前記第1反射ミラーが、球面状の反射面を有する球面ミラー又は円錐状の反射面を有する円錐ミラーであり、前記反射面を前記第1レンズ側に向けて配置されて、前記第1レンズで生成された環状光の全部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する、請求項7に記載の距離測定装置である。
請求項7に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第1反射ミラーで反射された光を平行光化する第2レンズを更に備えた、請求項5又は6に記載の距離測定装置である。
請求項8に記載の発明は、前記第2レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第1反射ミラーの周囲に配置されて、前記第1反射ミラーで反射された光を平行光化する、請求項7に記載の距離測定装置である。
請求項9に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第1レンズと前記第1反射ミラーとの間に配置されて、前記第1レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、請求項5から8までの何れか1項に記載の距離測定装置である。
請求項10に記載の発明は、前記光変調素子が、同心円状に複数の環状光が生成されるように、前記第1レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する、請求項9に記載の距離測定装置である。
請求項11に記載の発明は、前記第1レンズが、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記光源から射出された光を複数の環状光に整形する、請求項6から10までの何れか1項に記載の距離測定装置である。
請求項12に記載の発明は、前記受光光学系が、前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する第3レンズと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第3レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する第2反射ミラーと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第2反射ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する第4レンズと、を少なくとも含む、請求項1から11までの何れか1項に記載の距離測定装置である。
請求項13に記載の発明は、前記第3レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第2反射ミラーの周囲に配置されて、前記反射光を集光し且つ集光された光を前記第2反射ミラーに照射し、前記第2反射ミラーが、球面状の反射面を有する球面ミラー又は円錐状の反射面を有する円錐ミラーであり、前記反射面を前記第4レンズ側に向けて配置されて、前記第3レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する、請求項12に記載の距離測定装置である。
請求項14に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第2反射ミラーと前記第4レンズとの間に配置されて、前記第2反射ミラーで前記回転対称軸の方向に反射された光の全部又は一部を透過させる開口を有する遮光部材を更に備えた、請求項12又は13に記載の距離測定装置である。
走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供することができる。
第1の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。(A)は距離測定装置の外観を示す斜視図である。(B)は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。(C)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。 図1に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。 図1に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。 (A)及び(B)は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。 撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。 (A)及び(B)は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。 図1に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。 第2の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。(A)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は光変調素子の平面図である。 (A)は図8に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。(B)は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。(C)は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。 複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。 (A)は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。 (A)〜(C)は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。 (A)は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。(C)は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。 「距離取得処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。
<第1の実施の形態>
(距離測定装置の構成)
第1の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図1(A)は距離測定装置の外観を示す斜視図である。図1(B)は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。図1(C)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図1(A)〜(C)に示すように、距離測定装置10は、レーザ光を射出する光源20、光源20から射出されたレーザ光を視野領域に投光する投光光学系30、二次元座標系を構成する撮像面を有する撮像素子40、及び視野領域に在る物体からの反射光を受光して撮像素子40の撮像面に結像する受光光学系50を備えている。
本実施の形態では、距離測定装置10は、水平方向の全方位(360°の範囲)を視野領域として監視する。従って、投光光学系30は、光源20から射出されたレーザ光を水平方向の全方位に投光するように構成されている。また、受光光学系50は、水平方向の全方位に在る物体からの反射光を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、受光光学系50は、受光された反射光を撮像素子40の撮像面に結像させて得られた光像(以下、「輝点」という。)から、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことができるように構成されている。
更に、全方位を視野領域としたことに伴い、光源20、投光光学系30、及び受光光学系50の各々は、回転対称軸12の周りに360°回転させても常に自らと重なる回転対称性を有している。本実施の形態では、回転対称軸12が延びる軸方向は、水平方向と直交する鉛直方向と一致する。なお、水平方向ではなく斜め下方を視野領域とする場合には、回転対称軸12が延びる軸方向は、投光方向と交差する鉛直方向と一致する。また、鉛直方向の特定方位を視野領域として監視する場合には、回転対称軸12が延びる軸方向は、鉛直方向と直交する水平方向と一致する。
光源20、投光光学系30、撮像素子40、及び受光光学系50の各々は、円筒状の透明な筐体60内に収納されている。なお、後述する通り、円環状レンズ38、58は、筐体60の外周部に取り付けられている。ここで「透明」とは、投光される光及び受光される光を透過させるという意味である。なお、投光される光及び受光される光が筐体60により遮断されなければよく、筐体60の全体が透明である必要はない。また、筐体60は、光源20、投光光学系30等を収納できればよく、筐体60の形状は円筒状に限定される訳ではない。例えば、直方体や立方体としてもよく、不定形状としてもよい。
光源20としては、半導体レーザ等のレーザ光源を用いることができる。光源20は、投光光学系30側にレーザ光を射出するように、光射出面を投光光学系30側に向けて、回転対称軸12上に配置されている。光源20は、支持部材21により筐体60内に支持されている。光源20は、射出されるレーザ光の光軸と回転対称軸12とが一致するように、所定方向にレーザ光を射出する。また、光源20は、後述する光源駆動部72により変調駆動されて、パルス変調されたレーザ光を射出する。なお、パルス変調は必須ではないが、投光する光を変調することで、受光側において対象物からの反射光と太陽光等の外乱光との区別が容易になる。
投光光学系30は、円錐状の透過面を有する円錐レンズ32、入射した光を平行光化するレンズ34、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー36、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ38を備えている。円錐レンズ32としては、アキシコンレンズ等を用いることができる。また、円環状レンズ38としては、トロイダルレンズ等を用いることができる。円錐レンズ32、レンズ34、凸面ミラー36、及び円環状レンズ38は、投光される光の光路に沿って光源20側からこの順序で配置されている。円錐レンズ32、レンズ34、凸面ミラー36の各々は、支持部材33、35、37の各々により筐体60内に支持されている。
円錐レンズ32は、円錐状の透過面を光源20側に向けて、光源20の光射出側に配置されている。レンズ34は、円錐レンズ32の光射出側に配置されている。凸面ミラー36は、曲面状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。円環状レンズ38は、トロイダル面を外側に向けて、筐体60の外周部に取り付けられている。ここで「外側」とは、回転対称軸12から離れる方向である。また、円錐レンズ32、レンズ34の各々は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。
撮像素子40としては、CCDイメージ・センサ、CMOSイメージ・センサ等の画像センサを用いることができる。撮像素子40は、撮像面を受光光学系50側に向けて、回転対称軸12上に配置されている。受光光学系50に入射した反射光は、受光光学系50により撮像素子40の撮像面に結像される。撮像素子40は、支持部材41により筐体60内に支持されている。また、後述する通り、撮像素子40の撮像面は、中心を原点とする二次元座標系として構成されている。
撮像素子40の撮像面には、複数の受光素子(画素)が中心から外側に向かって二次元状に配列されている。受光素子としては、高感度な受光素子が好ましい。例えば、アバランシェ・フォトダイオード(APD)や単光子検出受光素子等、通常のフォトダイオードに比べて高感度な受光素子を用いることができる。撮像素子40の撮像面は、平面視が円形状でもよく矩形状でもよい。本実施の形態では、撮像素子40の撮像面が矩形状であるものとして説明する。
また、撮像素子40と受光光学系50との間に、撮像領域を切り替えるゲート部を設けてもよい。ゲート部は、撮像領域以外の領域への入射光を遮断することで、撮像領域を切り替える。これにより、撮像素子40に迷光や外乱光等の不要光が入射せず、画像信号のノイズが低減される。例えば、測定距離が近距離の場合には、撮像素子40の撮像面の中心領域が撮像領域として使用される。一方、測定距離が遠距離の場合には、撮像素子40の撮像面の周辺領域が撮像領域として使用される。従って、測定距離が近距離の場合には撮像領域を中心領域に切り替え、測定距離が遠距離の場合には撮像領域を周辺領域に切り替えるように、測定距離に応じたタイミングでゲート部を作動させてもよい。
受光光学系50は、入射した光を結像させる結像レンズ52、開口54Aを有する遮光部材54、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー56、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ58を備えている。円環状レンズ58、凸面ミラー56、遮光部材54、及び結像レンズ52は、受光される光の光路に沿って反射光の入射側からこの順序で配置されている。開口54Aを有する遮光部材54は、開口54Aの径を機械的に変更できる絞り機構としてもよい。
円環状レンズ58は、トロイダル面を外側に向けて、筐体60の外周部に取り付けられている。凸面ミラー56は、曲面状の反射面を遮光部材54側に向けて、円環状レンズ58の光射出側に配置されている。遮光部材54は、凸面ミラー56の光反射側に配置されている。結像レンズ52は、開口54Aを有する遮光部材54の光射出側に配置されている。結像レンズ52は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。遮光部材54は、回転対称軸12が開口54Aの略中心を通るように配置されている。円環状レンズ58は、その中心を通る回転対称軸が回転対称軸12と一致するように配置されている。
付言すれば、本実施の形態に係る距離測定装置10の各部は固定配置されており、回転ミラー等の機械的に駆動される可動部を備えていない。このため、測定速度を向上させることができる、装置の故障を低減することができる、装置の小型化を図ることができる、装置の低コスト化を図ることができる等、可動部を備える距離測定装置と比較して、多数の利点を有している。
(距離測定装置の動作)
次に、第1の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図2は図1に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。図2に示すように、光源20から射出されたレーザ光は、円錐レンズ32の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。直進性を有するレーザ光は、平行光として円錐レンズ32に入射する。円錐レンズ32は、入射した平行光を環状光に整形する。環状光に整形することにより、光利用効率が向上する。円錐レンズ32で生成された環状光は、レンズ34に入射する。レンズ34は、入射した環状光を平行光化する。
レンズ34で生成された環状の平行光は、凸面ミラー36の曲面状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー36で外側に反射された光は、円環状レンズ38に入射する。円環状レンズ38は、凸面ミラー36で反射された光を平行光化して、水平方向の全方位にパルス変調されたレーザ光Bを投光する。平行光化することにより、投光されるレーザ光の拡がりが抑制されて、測定精度が向上する。
視野領域に在る物体を、距離測定の対象である対象物Tとする。対象物Tで反射されたレーザ光(反射光)Bは、トロイダル面から円環状レンズ58に入射する。円環状レンズ58には、水平方向の全方位に在る対象物Tからの反射光Bが入射する。円環状レンズ58は、入射した反射光Bを集光する。円環状レンズ58で集光された光は、凸面ミラー56の曲面状の反射面に照射され、遮光部材54側に反射される。ここで、凸面ミラー56に照射された光は、回転対称軸12の方向に反射される。
凸面ミラー56で反射された光は、一部が開口54Aを通過すると共に、残部が遮光部材54で遮断される。迷光等の不要な光が、遮光部材54で遮断されて、測定精度が向上する。開口54Aを通過した光は、結像レンズ52に入射する。結像レンズ52は、入射した光を撮像素子40の撮像面に結像させる。撮像素子40の撮像面には、対象物Tからの反射光に応じた輝点が形成される。撮像素子40は、各画素で受光した光を検出して光電変換を行い、画素毎に数値化された画像信号を出力する。なお、以下では、撮像素子40からは、A/D変換処理されたディジタルの画像信号が出力されるものとして説明する。
本実施の形態では、距離測定装置10から対象物Tまでの距離Lは、撮像素子40で撮像された輝点Sの画像から、三角測量の原理に基づいて求められる。なお、三角測量による距離測定の原理については後述する。撮像素子40の撮像面は、中心Cを原点とする二次元座標系として構成されている(図5、図7参照)。原点から輝点Sまでの距離rは、三角測量の原理に基づいて、対象物Tまでの距離Lと予め対応付けられている。また、輝点Sの位置を極座標(r、θ)で表した場合の角度θも、対象物Tの方位角αと予め対応付けられている。
換言すれば、受光光学系50は、対象物Tまでの距離L、方位角αに対応して予め定めた極座標(r、θ)で表される輝点Sを、撮像素子40の撮像面上に結像するように設計されている。更に言えば、受光光学系50は、三角測量の原理が適用できるように、視野領域での対象物Tの位置情報(距離L、方位角α)を、撮像面での輝点Sの位置情報(距離r、角度θ)に変換している。従って、撮像素子40で撮像された画像上での輝点Sの極座標(r、θ)から、対象物Tまでの距離Lと方位角αとを取得することができる。
(距離測定装置の電気的構成)
次に、第1の実施の形態に係る距離測定装置の電気的構成について説明する。
図3は図1に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。図3に示すように、距離測定装置10は、制御部70、光源20を駆動する光源駆動部72、測定結果を表示する表示部74、及び装置の操作を行う操作入力部76を備えている。表示部74は、ディスプレイ等の表示装置を備えている。操作入力部76は、タッチパネルや操作ボタン等を備えている。
制御部70は、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されている。即ち、制御部70は、CPU(中央処理装置; Central Processing Unit)70A、ROM(Read Only Memory)70B、RAM(Random Access Memory)70C、不揮発性メモリ70D、及び入出力インターフェース(I/O)70Eを備えている。CPU70A、ROM70B、RAM70C、不揮発性メモリ70D、及びI/O70Eの各々は、バス70Fを介して接続されている。
光源駆動部72、表示部74、及び操作入力部76の各部は、制御部70のI/O70Eに接続されている。また、撮像素子40も、制御部70のI/O70Eに接続されている。なお、撮像素子40からアナログ信号が出力される場合には、A/D変換器を介して制御部70のI/O70Eと接続される。また、撮像素子40とA/D変換器との間に、アナログ信号を増幅する増幅器を挿入してもよい。
制御部70は、光源駆動部72、表示部74、及び操作入力部76の各部を制御すると共に、各種の演算を行う。例えば、光源20からパルス変調されたレーザ光が射出されるように、光源駆動部72に制御信号を入力する。光源駆動部72は、入力された制御信号に基づいて光源20をパルス変調駆動する。また、制御部70には、撮像素子40から画像信号が入力されると共に、操作入力部76から指示信号が入力される。
制御部70のCPU70Aは、ROM70Bから記憶したプログラムを読み出して、RAM70Cにロードする。CPU70Aは、RAM70Cをワークエリアとして使用して、RAM70Cにロードされたプログラムを実行する。本実施の形態では、対象物Tまでの距離Lを取得する「距離取得処理」を実行するための制御プログラムが、ROM70Bに予め記憶されている。制御プログラムは、CPU70AによりROM70Bから読み出されて実行される。
また、本実施の形態では、撮像素子40上での原点からの距離rと対象物Tまでの距離Lとの対応関係、及び撮像素子40上での角度θと対象物Tの方位角αとの対応関係が、ROM70Bに予めテーブルやグラフで記憶されている。なお、距離rと距離Lとの対応関係を記憶する代わりに、距離rから距離Lを導出するための関係式を予め記憶しておいてもよい。関係式を記憶した場合には、「距離取得処理」を実行する度に、記憶された関係式に基づいて演算を行って、距離rから距離Lを導出する。また、同様に、関係式に基づいて角度θから方位角αを導出してもよい。
(三角測量による距離測定原理)
次に、三角測量による距離測定の原理について説明する。
図4(A)及び図4(B)は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。三角測量の原理は、三角形の内角の和がπであるという定理、正弦定理、余弦定理等を用いて、三角形の一部の辺長や角度を取得すれば、取得された辺長や角度から三角形の全部の辺長や角度を求めることができるという原理である。一例としては、三角形の一辺の長さとその一辺の両端の角度とが取得又は設定されると、他の二辺の長さと他の1つの角度とが求められる。
図4(A)に示すように、距離測定装置10から水平方向に広がる視野領域の所定方位にレーザ光を投光すると仮定する。光源20からは、光軸が回転対称軸12と一致するように(即ち、鉛直方向に)レーザ光が射出される。鉛直方向に射出されたレーザ光は、投光光学系30の凸面ミラー36により水平方向に沿って外側に反射される。ここでは、凸面ミラー36によりレーザ光が反射される位置を「投光点F」とする。
視野領域の所定方位には、標点A、標点B、標点Cの3箇所に対象物Tが存在する。標点A、標点B、標点Cは、距離測定装置10に近い側からこの順序で並んでいる。例えば、標点Aに在る対象物Tで反射された反射光は、受光光学系50の円環状レンズ58で集光され、凸面ミラー56により反射されて取り込まれる。撮像素子40の撮像面には、位置Aに対応する輝点Sが結像される。同様に、標点Bに対応する輝点Sが結像され、標点Cに対応する輝点Sが結像される。
図4(B)では、受光光学系50により反射光が受光される位置が、回転対称軸12上に在るものとして、図4(A)に示す配置関係を簡素化して図示している。即ち、回転対称軸12上に、反射光が受光された位置を検出する観測面が存在すると仮定している。ここでは、反射光が受光される位置を「受光点P」とする。標点A、標点B、標点Cの各々に応じて、回転対称軸12上には受光点P、受光点P、受光点Pが在る。
なお、図4(A)及び図4(B)に「遠」及び「近」と表記したのは、距離測定装置10から標点までの遠近距離である。距離測定装置10から標点までの距離Lが長くなるほど、対応する受光点Pの「投光点F」からの距離は短くなる。
例えば、距離測定装置10から最も近い標点Aに対象物Tが存在する場合には、投光点F、標点A、受光点Pを頂点とする直角三角形FAPが形成される。投光点Fを不動の三角点とし、投光点Fと受光点Pとを両端とする線分を基線とする。角度∠AFPは、直角(90°)である。また、角度∠APFは、観測面に対する反射光の入射角の余角である。従って、基線の長さLFPと角度∠APF(或いは、入射角)とが取得又は設定されると、三角測量の原理に基づいて、投光点Fから標点Aまでの距離LFAが求められる。
逆に、投光点Fから標点Aまでの距離LFAに応じて、基線の長さLFP及び角度∠APFを設定することもできる。本実施の形態では、受光光学系50により、回転対称軸12上の受光点Pに対応するように、撮像素子40の撮像面上に輝点Sが結像される。このとき、上記と同様に三角測量の原理を適用することで、投光点Fから標点Aまでの距離LFAに応じて、輝点Sの原点からの距離rが設定される。
上記の通り、本実施の形態の受光光学系50は、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことが可能に設計されている。三角測量の原理を適用可能な光学系は、例えば、以下に示す(1)及び(2)の設計指針に基づいて設計される。(1)三角測量の基線を結像光学系の回転対称軸と一致させる又は平行にすること。(2)基線上の受光点を基線と垂直な線上に投影する折り返し光学系を有すること。
上記(1)及び(2)により、折り返し光学系が無ければ基線上に線形に結像される受光点が、基線に対して垂直な線上に結像されて、三角測量の原理が適用可能となる。撮像素子40の撮像面が、複数方位の基線に対して垂直な線を含む面に配置される。撮像面をこのように配置することで、1つの撮像面で各方位(例えば、360°)の距離測定を同時に行うことができる。
例えば、図1に示す受光光学系50では、円環状レンズ58が、中心を通る回転対称軸が回転対称軸12と一致するように配置されて、基線に平行な線上に結像できる条件を作る。また、凸面ミラー56が、円環状レンズ58から射出された光を基線に対して垂直な方向に折り返す。そして、結像レンズ52が、基線に対して垂直に配置された撮像素子40の撮像面上に受光点を結像する。複数の光学素子を組み合わせて受光光学系50を構成することにより、基線長を長くすることが可能となり、三角測量の精度が向上する。
(撮像素子上の輝点と測定対象物との関係)
次に、撮像素子上の輝点と測定対象物との関係について説明する。
図5は撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。三角測量の原理の説明では、図4を参照して所定方位にレーザ光を投光する場合について説明したが、本実施の形態では、水平方向の全方位にレーザ光を投光する。
図5に示すように、距離測定装置10から水平方向に広がる視野領域を二次元平面とした場合には、全方位に存在する対象物Tが同時に検出される。この例では、異なる方位に位置する標点A、標点B、標点Cに在る対象物Tが検出される。なお、標点A、標点B、標点Cの順で距離測定装置10に近い点は、図4に示す例と同様である。
また、図5に示すように、撮像素子40の撮像面42上の二次元座標系は、距離測定装置10の視野領域の二次元平面に対応している。上記の通り、距離測定装置10の視野領域における対象物Tの位置情報(距離L、方位角α)は、撮像素子40の二次元座標系における位置情報(距離r、角度θ)に変換されて、撮像素子40の撮像面42上には、視野領域内にある対象物Tに対応する輝点Sが結像される。本実施の形態では、対象物Tまでの距離Lが長くなるほど、撮像素子40上での距離rが長くなる例について説明するが、対象物Tまでの距離Lが長くなるほど撮像素子40上での距離rを短くしてもよい。
この例では、視野領域内にある標点A、標点B、標点Cの各々に対応して、撮像面42には輝点S、輝点S、輝点Sが結像されている。距離測定装置10に近い標点Aに対応する輝点Sは、原点に近い位置に結像される。一方、距離測定装置10から遠い標点Cに対応する輝点Sは、原点から遠い位置に結像される。また、標点Aは距離測定装置10に対し南南西の方位にある。標点Aに対応する輝点Sは、撮像面42上の二次元座標系の方位記号に基づけば、原点に対し南南西の方位にある。
撮像素子40は、撮像面42上に結像された全部の輝点Sを撮像して、撮像された画像上で輝点Sの位置情報(距離r、角度θ)を取得する。取得された位置情報(距離r、角度θ)は、予め記憶された対応関係に基づいて、視野領域における位置情報(距離L、方位角α)に再変換される。従って、本実施の形態に係る距離測定装置10によれば、水平方向の全方位(視野領域)に在る、全部の対象物Tまでの距離を一度に測定することができる。なお、制御部70で実行される「距離取得処理」については後述する。
なお、距離測定装置10の視野領域は、受光光学系50を構成する光学素子の特性により制限を受ける場合がある。例えば、測定可能な距離範囲は、円環状レンズ58の開口数NAにより制限を受ける。円環状レンズ58は、開口数NAに応じて所定範囲の角度で入射した光しか集光できない。例えば、近距離に存在する物体からの反射光は、入射角が大き過ぎるために円環状レンズ58で蹴られ、受光光学系50で受光できない。このため、距離測定装置10から所定距離以下は、物体までの距離を測定できない死角となる。
(制御部の信号処理動作)
次に、距離測定装置で実行される「距離取得処理」について説明する。図7は図1に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。なお、図7では、測定可能な距離Lの範囲に応じて、原点(中心C)からの距離rの下限値rminと距離rの上限値rmaxとが点線で図示されている。図14は距離取得処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。距離取得処理は、制御部70のCPU70Aにより実行される。また、距離取得処理は、操作入力部76がユーザにより操作されて、距離測定の指示を受け付けた場合に開始される。
まず、ステップ100で、光源20を点灯してパルス変調駆動するように、光源駆動部72に指示する。光源20からはパルス変調されたレーザ光が射出される。射出されたレーザ光は、投光光学系30により水平方向に沿って全方位に投光される。
次に、ステップ102で、投光タイミング及び測定距離に応じて予め設定された受光タイミングで、撮像素子40から画像信号を取得する。本実施形態では、水平方向の全方位に在る対象物Tからの反射光が受光光学系50で受光される。撮像素子40の撮像面42には、対象物Tに対応した輝点Sが結像される。撮像素子40は、輝点Sの像を撮影して、画像信号を制御部70に出力する。
なお、非投光時(反射光を受光していない状態)の基準画像信号を、撮像素子40から予め取得して補正情報として記憶しておいてもよい。ステップ102で取得された画像信号から基準画像信号を差し引く補正を行うことで、画像信号の信号対雑音比(S/N)を向上させることができる。
次に、ステップ104で、画像信号に基づいて、検出された輝点Sの輝度(光強度)が予め設定された閾値以上か否かを判定する。ステップ104で肯定判定の場合は、輝点Sの光強度は高いので、対象物Tからの反射光による輝点と認識して処理対象に加え、次のステップ106に進む。一方、ステップ104で否定判定の場合は、輝点Sの光強度は低いので、対象物Tからの反射光による輝点ではない(迷光等によるノイズ)と認識して処理対象から除外し、ルーチンを終了する。
次に、ステップ106で、検出された全部の輝点Sについて判定が行われたか否かを判定する。ステップ106で肯定判定の場合は、次のステップ108に進む。一方、ステップ106で否定判定の場合は、ステップ104に戻って他の輝点Sの光強度が予め設定された閾値以上か否かを判定する。
例えば、図7に示す例では、撮像素子40の撮像面42には、4つの輝点S、輝点S、輝点S、輝点Sが結像されている。輝点S、輝点S、輝点Sの光強度は閾値以上であるため、対象物Tからの反射光による輝点と認識されて処理対象に加えられる。ここでは、輝点S、輝点S、輝点Sの各々に対応する対象物を、対象物T、対象物T、対象物Tとして区別する。一方、輝点Sの光強度は閾値より低いので、処理対象から除外される。
次に、ステップ108で、処理対象とされた輝点S、輝点S、輝点Sの位置情報(距離r〜r、角度θ〜θ)を取得する。輝点S、輝点S、輝点Sの各々には、距離r及び角度θ、距離r及び角度θ、距離r及び角度θの各々が対応する。
次に、ステップ110で、撮像素子40上での原点からの距離rと対象物Tまでの距離Lとの対応関係を示すテーブルを参照して、距離r、距離r、距離rの各々に対応する距離L、距離L、距離Lを取得する。次に、ステップ112で、撮像素子40上での角度θと対象物Tの方位角αとの対応関係を示すテーブルを参照して、角度θ、角度θ、角度θに対応する方位角α、方位角α、方位角αを取得する。
次に、ステップ114で、測定結果を表示部74に表示するように指示して、ルーチンを終了する。表示部74には、対象物T、対象物T、対象物Tの各々について、距離L及び方位角α、距離L及び方位角α、距離L及び方位角αが表示される。
(光学系の変形例)
ここで、上記の距離測定装置における光学系の変形例について説明する。
図6(A)及び図6(B)は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図6(A)に示す距離測定装置10Aは、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、回転対称軸12に対し軸対称な円錐の側面と同じ形状の反射面(以下、円錐状の反射面という。)を有する円錐ミラー80を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、円錐ミラー80は、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーの1種である。
円錐ミラー80は、円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。なお、円錐ミラー80は、支持部材81により筐体60内に支持されている。円錐ミラー80によりレンズ34を透過した環状の平行光を外側に反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、円環状レンズ58を省略することができる。
また、図6(B)に示す距離測定装置10Bは、受光光学系50の凸面ミラー56に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー85を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、図6(A)に示す例と同様に、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー80を配置してもよい。
円錐ミラー85は、円錐状の反射面を遮光部材54側に向けて、円環状レンズ58の光射出側に配置されている。円錐ミラー85は、支持部材83により筐体60内に支持されている。円錐ミラー85により円環状レンズ58で集光された光を反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、輝点Sを精度よく結像することができる。従って、対象物Tまでの距離Lの測定精度が向上する。
なお、上記では一部の光学素子を変更する例について説明したが、投光光学系30及び受光光学系50の各々は、上記した所定の機能を発揮できればよく、各光学系の構成は例示したものに限定される訳ではない。例えば、投光光学系30においては、円錐レンズ32、レンズ34、円環状レンズ38を省略してもよい。また、円錐レンズ32は、円錐台レンズ、一対の円錐レンズ等、平行光を環状光に整形する機能を有する他の光学素子に置き換えてもよい。また、受光光学系50においては、開口54Aを有する遮光部材54を省略してもよい。
<第2の実施の形態>
(距離測定装置の構成)
第2の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図8(A)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図8(B)は光変調素子の平面図である。第2の実施の形態に係る距離測定装置10Cは、レンズ34と凸面ミラー36との間に、輝度の空間分布を生成する光変調素子82を配置した以外は、第1の実施の形態に係る距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
光変調素子82は、光を透過する複数の開口84を有する遮光部材である。複数の開口84は、放射線状に並ぶように規則的に配列されている。この例では、光軸を中心とする複数(この例では3つ)の同心円があり、複数の開口84は各同心円に沿って配列されている。同心円の各々に対して、同じ個数(この例では16個)の開口84が、略等間隔で配列されている。
光変調素子82には、レンズ34を透過した環状の平行光が照射される。光変調素子82のレンズ34に対向する表面には、環状の平行光が照射される照射領域86(網掛け領域)を設定することができる。本実施の形態では、照射領域86に複数の開口84が設けられている。光変調素子82の照射領域86に照射された光の一部は、複数の開口84を通過する。一方、光変調素子82の照射領域86に照射された光の残部は、遮光部材で遮断される。
この結果、入射した光が光変調素子82により強度変調されて、輝度の空間分布を有する平行光が生成される。即ち、光変調素子82による変調光を光軸と直交する断面で見ると、複数の開口84に対応する領域では輝度が高くなり、遮光部材に対応する領域では輝度が低くなる。
図8(B)に示す光変調素子82の例では、光軸を中心とする同心円状の複数(この例では3つ)の不連続な環状光が形成される。ここで、不連続な環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分と輝度の低い部分とが交互に配列された環状光を意味する。なお、本実施の形態では、不連続な環状光を生成するが、連続した環状光を生成してもよい。ここで、連続した環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分が連続して配置された通常の環状光である。
(距離測定装置の動作)
次に、第2の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図9(A)は図8に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。図9(B)は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。図9(C)は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。
図9(A)に示すように、距離測定装置10Cでは、光変調素子82で生成された同心円状の複数の不連続な環状光は、凸面ミラー36の曲面状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置から水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー36で外側に反射された光は、円環状レンズ38に入射する。円環状レンズ38は、凸面ミラー36で反射された光を平行光化して、水平方向の特定された複数の方位にパルス変調された複数(この例では3種類)のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3を投光する。なお、水平方向の複数の方位は規則的に配列されているので、投光されるレーザ光Bは格子状の光ということもできる。
同心円状の複数の不連続な環状光は、光軸に近い同心円の環状光ほど、凸面ミラー36の回転対称軸に近い位置で反射され、鉛直方向の下側の位置から外側に反射される。従って、3種類のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3によれば、鉛直方向の位置(高さ)が異なる水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光BS1、レーザ光BS2及びレーザ光BS3は、記載された順序で、鉛直方向のより高い位置に投光される。
本実施の形態では、3種類のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3が高さの異なる視野領域に投光されて、各々の視野領域に在る対象物Tで反射されたレーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3が受光される。レーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3の各々は、レーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3の各々に対応する反射光である。即ち、複数パスでの距離測定が行われる。
図9(B)に示すように、本実施の形態では、レーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3により、高さに応じた同心円RS上に輝点Sが形成される。最も高い位置を監視するレーザ光BS1には、最も内側の同心円RSが対応している。レーザ光BS1を対象物Tに照射した場合、対象物Tからの反射光(レーザ光BR1)は、同心円RS上に結像する。同様に、レーザ光BR2は同心円RS上に結像し、レーザ光BR3は同心円RS上に結像する。
対象物Tが凹凸を有する場合には、凹部までの距離Lは長くなり、凸部までの距離は短くなる。図9(A)に示す例では、レーザ光BS1が凹部にある標点Aに照射されて、レーザ光BR1が標点Aから反射される。また、レーザ光BS2が凸部にある標点Bに照射されて、レーザ光BR2が標点Bから反射される。また、レーザ光BS3が凹部にある標点Cに照射されて、レーザ光BR3が標点Cから反射される。
図9(C)に示すように、対象物Tに凹凸が無い場合に同心円RS上に形成される輝点Sを「基準となる輝点S(□で表示)」とする。対象物Tが凹凸を有する場合には、対象物Tに凹凸が無い場合と比較すると、対象物Tの凹部までの距離Lは長くなり、凹部に在る標点からの反射光に基づく輝点S(■で表示)は、輝点Sより外側に形成される。一方、対象物Tの凸部までの距離Lは短くなり、凸部に在る標点からの反射光に基づく輝点S(■で表示)は、輝点Sより内側に形成される。
図9(B)に示すように、対象物Tが存在する1方位で見ると、標点A及び標点Cからの反射光による輝点S(■)は、輝点S(□)より外側に形成される。また、標点Bからの反射光による輝点S(■)は、輝点S(□)より内側に形成される。換言すれば、輝点Sの輝点Sからのずれ方向により、標点が凹部に在るか凸部に在るかが分かる。また、輝点Sからのずれ量により、標点までの距離Lが分かる。即ち、対象物Tまでの距離Lを複数の高さについて取得することにより、対象物Tの表面形状に関する情報を取得することができる。この場合は、鉛直方向の異なる位置での情報、即ち、高さ方向の情報が取得される。
(光変調素子の変形例)
なお、上記では、図8(B)に示す光変調素子82を例示したが、所望の視野領域の高さや方位に応じて輝度の空間分布(パターン)を有する変調光を生成できればよく、光変調素子82の構造はこれに限定されるわけではない。光変調素子82によりランダムパターンを付与してもよい。例えば、光変調素子82として網目(メッシュ)や拡散板等を用いて、入射した光を強度変調してもよい。ランダムパターンを付与する場合には、フーリエ変換により基準画像との相関を求めることで、基準位置からずれ量が取得される。
(複数の環状光を生成する他の変形例)
なお、上記では、光変調素子により複数の環状光を生成する例について説明したが、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成してもよい。図10は複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図10に示す距離測定装置10Dは、投光光学系30において、凸面ミラー36に代えて円錐ミラー80を配置すると共に、円錐レンズ32に代えて多段型円錐レンズ90を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
多段型円錐レンズ90は、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有している。多段型円錐レンズ90は、円錐状の透過面を光源20側に向けて、光源20の光射出側に配置されている。多段型円錐レンズ90は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。多段型円錐レンズ90は、支持部材91により筐体60内に支持されている。
光源20から射出されたレーザ光は、多段型円錐レンズ90の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。多段型円錐レンズ90は、複数の勾配を有する円錐状の透過面により、入射した平行光を複数の環状光に整形する。図示した例では、多段型円錐レンズ90の透過面は2種類の勾配を有しており、同心円状の2つの環状光が生成される。多段型円錐レンズ90で生成された複数の環状光は、レンズ34で平行光化されて、円錐ミラー80に照射される。
同心円状の複数の環状光は、円錐ミラー80の円錐状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置(高さ)から水平方向に沿って外側に反射される。鉛直方向の異なる高さで反射された各光は、鉛直方向での高さに応じて水平方向の全方位にパルス変調された複数(この例では2種類)のレーザ光Bとして投光される。複数のレーザ光Bにより、鉛直方向の異なる位置(高さ)において、水平方向の全方位を視野領域として監視することができる。
なお、上記では、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成する例について説明したが、投光光学系を構成する凸面ミラーや円錐ミラーを多段化することで、複数の環状光を照射する場合と同様に、鉛直方向の異なる位置から複数のレーザ光Bを投光することができる。例えば、図6(A)に示す例において、円錐ミラー80に代えて、光軸に対し同心円状の複数の反射領域が配置された円錐状の反射面を有する多段型円錐ミラーを用いてもよい。なお、隣接する2つの反射領域の間には、光を反射しない非反射領域とされている。ここで、非反射領域とは、入射した光を吸収・散乱する領域のことである。
<他の変形例>
なお、上記では水平方向の全方位を視野領域として監視する例について説明したが、視野領域は水平方向の全方位に限定される訳ではない。複数の方位や一部の方位を視野領域としてもよい。図11(A)は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図11(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。
図11(A)に示す距離測定装置10Eは、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、半円錐状の反射面を有する2つの半円錐ミラー92、94を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
図11(B)に示すように、半円錐ミラー92は、半円錐状の反射面が内側に形成されている。半円錐ミラー92は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー94は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー94は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。
レンズ34からは環状の平行光が照射されるが、半円錐ミラー92と半円錐ミラー94とは、レンズ34から異なる光が照射されるように水平方向に位置をずらして配置されている。また、半円錐ミラー92と半円錐ミラー94とは、鉛直方向にも位置をずらして配置されている。半円錐ミラー92は、半円錐ミラー94に対しレンズ34からより遠くに配置されている。なお、半円錐ミラー92、94の各々は、支持部材(図示せず)により筐体60内に支持されている。
上記の通り、レンズ34で生成された環状の平行光の一部は、半円錐ミラー92の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー92で外側に反射された光は、水平方向に沿って第1の方位にパルス変調されたレーザ光BS1として投光される。同様に、レンズ34で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー94の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー94で外側に反射された光は、水平方向に沿って第2の方位にパルス変調されたレーザ光BS2として投光される。
上記の例では、半円錐ミラー92は、半円錐ミラー94より鉛直方向の上側に配置されている。従って、レーザ光BS1は、レーザ光BS2よりも鉛直方向の上側の位置から投光される。レーザ光BS1、レーザ光BS2により、鉛直方向の異なる位置(高さ)において、水平方向の特定の方位(全方位より狭い)を視野領域として監視することができる。
第1の方位と第2の方位とは、異なる方位でもよく、同じ方位でもよい。また、第1の方位と第2の方位の各々は、全方位より狭ければよく、一方位に限定される訳ではない。例えば、環状の平行光の半分を半円錐ミラー92に照射すると共に、環状の平行光の残り半分を半円錐ミラー94に照射することで、レーザ光BS1とレーザ光BS2の各々について、水平方向の180°の範囲を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光BS1とレーザ光BS2とで、視野領域が異なっていてもよい。
図12(A)〜(C)は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図12(A)に示す例では、半円錐ミラー94に代えて、半円錐状の半透過ミラー96を配置した以外は、図11(A)及び図11(B)に示す距離測定装置10Eと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
図12(A)に示すように、半円錐状の半透過ミラー96は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐状の反射面は、いわゆるハーフミラーであり、内側から照射された光を透過し、外側から照射された光を反射する。半透過ミラー96は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。レンズ34で生成された環状の平行光の一部は、半透過ミラー96の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。
また、半透過ミラー96は、半円錐状の透過面を半円錐ミラー92側に向けて、半円錐ミラー92の光射出側に配置されている。ここで、半円錐状の透過面とは、反射面の裏側である内側面を意味する。レンズ34で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー92の半円錐状の反射面で反射され、半透過ミラー96の透過面を透過して、水平方向に沿って外側に反射される。
本実施の形態では、半円錐ミラー92と半透過ミラー96とは、半円錐ミラー92の反射面で反射され且つ半透過ミラー96の透過面を透過した光と、半透過ミラー96の反射面で反射された光とが合波されるように、予め定めた位置関係で配置されている。従って、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bが投光される。また、合波される二光波の位相が整合するように、半円錐ミラー92と半透過ミラー96の位置関係を調整することで、投光されるレーザ光Bの光強度を高くすることができる。
図12(B)に示す例では、レンズ34と半円錐ミラー94との間に光変調素子98を挿入した以外は、図11(A)及び図11(B)に示す距離測定装置10Eと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。図12(C)に示すように、光変調素子98は、光を透過する複数の開口99(白抜き部分)が設けられた遮光部材である。光変調素子98により、輝度の空間分布を有する環状光が生成される。
図12(B)に示すように、光変調素子98を挿入することで、第2の実施の形態と同様に、不連続な環状光が生成される。生成された不連続な環状光の一部は、半円錐ミラー92で外側に反射されて、水平方向に沿って第1の方位にパルス変調されたレーザ光BS1が投光される。また、生成された不連続な環状光の他の一部は、半円錐ミラー94で外側に反射されて、水平方向に沿って第2の方位にパルス変調されたレーザ光BS2が投光される。上記の通り、レーザ光BS1とレーザ光BS2の各々について、水平方向の180°までの範囲を視野領域として監視することができる。また、不連続な環状光とすることで、水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。
図13(A)は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図13(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図13(C)は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。図13(A)〜(C)に示す例では、光源20を回転対称軸12上に配置せず、投光光学系30をレンズ群22と半円錐ミラー100を備える簡素な構成とした以外は、図1に示す距離測定装置10と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、受光光学系50の遮光部材54も省略されている。
図13(A)及び図13(B)に示すように、投光光学系30は、半円錐状の反射面を有する半円錐ミラー100、及び入射した光を整形して半円錐ミラー100に照射するレンズ群22を備えている。光源20、半円錐ミラー100、及びレンズ群22の各々は、支持部材(図示せず)により筐体60内に支持されている。半円錐ミラー100は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー100は、半円錐状の反射面をレンズ群22側に向けて、レンズ群22の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー100は、円錐の回転対称軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。
光源20から射出されたレーザ光は、レンズ群22により水平方向に広がる光に整形される。レンズ群22により整形された光は、半円錐ミラー100の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー100で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bとして投光される。上記の通り、レーザ光Bにより水平方向の180°までの範囲を視野領域として監視することができる。
なお、図13(C)に示すように、半円錐ミラー100に代えて、半円柱状の反射面を有する半円柱ミラー100Aを用いてもよい。半円柱ミラー100Aは、円柱の回転対称軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。この場合も、レンズ群22により整形された光は、半円柱ミラー100Aの半円柱状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー100で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bとして投光される。
また、上記各実施の形態で説明した距離測定装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。例えば、各光学系を構成する光学素子を同等の機能を有する他の光学素子に置き換えてもよく、フローチャートの各ステップの順序を入れ替える等してもよい。
10 距離測定装置
12 回転対称軸
20 光源
22 レンズ群
30 投光光学系
32 円錐レンズ
34 レンズ
36 凸面ミラー
38 円環状レンズ
40 撮像素子
42 撮像面
50 受光光学系
52 結像レンズ
54A 開口
54 遮光部材
56 凸面ミラー
58 円環状レンズ
60 筐体
70 制御部
72 光源駆動部
74 表示部
76 操作入力部
80 円錐ミラー
82 光変調素子
84 開口
86 照射領域
90 多段型円錐レンズ
92 半円錐ミラー
94 半円錐ミラー
96 半透過ミラー
98 光変調素子
99 開口
100 半円錐ミラー
100A 半円柱ミラー

Claims (14)

  1. 光源と、
    前記光源から射出された光を、当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、
    光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、
    前記複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、
    前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、
    を備えた距離測定装置。
  2. 前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、
    前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置に対応して計測対象となる物体までの距離を取得する、
    請求項1に記載の距離測定装置。
  3. 前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する面内の全方位に投光する、
    請求項1又は2に記載の距離測定装置。
  4. 前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する複数の面内の複数の方位又は全方位に投光する、
    請求項1又は2に記載の距離測定装置。
  5. 前記投光光学系が、
    光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記光源から射出された光を環状光に整形する第1レンズと、
    前記第1レンズで生成された環状光の全部又は一部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する第1反射ミラーと、
    を少なくとも含む、
    請求項1から4までの何れか1項に記載の距離測定装置。
  6. 前記第1レンズが、円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置されて、前記光源から射出された光を環状光に整形し、
    前記第1反射ミラーが、回転対称軸に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーであり、前記反射面を前記第1レンズ側に向けて配置されて、前記第1レンズで生成された環状光の全部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する、
    請求項7に記載の距離測定装置。
  7. 前記投光光学系が、
    前記第1反射ミラーで反射された光を平行光化する第2レンズを更に備えた、
    請求項5又は6に記載の距離測定装置。
  8. 前記第2レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第1反射ミラーの周囲に配置されて、前記第1反射ミラーで反射された光を平行光化する、
    請求項7に記載の距離測定装置。
  9. 前記投光光学系が、
    前記第1レンズと前記第1反射ミラーとの間に配置されて、前記第1レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、
    請求項5から8までの何れか1項に記載の距離測定装置。
  10. 前記光変調素子が、同心円状に複数の環状光が生成されるように、前記第1レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する、
    請求項9に記載の距離測定装置。
  11. 前記第1レンズが、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記光源から射出された光を複数の環状光に整形する、
    請求項6から10までの何れか1項に記載の距離測定装置。
  12. 前記受光光学系が、
    前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する第3レンズと、
    前記第3レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する第2反射ミラーと、
    光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第2反射ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する第4レンズと、
    を少なくとも含む、
    請求項1から11までの何れか1項に記載の距離測定装置。
  13. 前記第3レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第2反射ミラーの周囲に配置されて、前記反射光を集光し且つ集光された光を前記第2反射ミラーに照射し、
    前記第2反射ミラーが、回転対称軸に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーであり、前記反射面を前記第4レンズ側に向けて配置されて、前記第3レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する、
    請求項12に記載の距離測定装置。
  14. 前記投光光学系が、
    前記第2反射ミラーと前記第4レンズとの間に配置されて、前記第2反射ミラーで前記回転対称軸の方向に反射された光の全部又は一部を透過させる開口を有する遮光部材を更に備えた、
    請求項12又は13に記載の距離測定装置。
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