JP2013210315A - 光学式距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定時間や距離測定可能な走査範囲が損なわれることなく、戻り光の光量が多く得られて距離測定の有効範囲が十分に得られる光学式距離測定装置を提供する。
【解決手段】光学式距離測定装置１０において、第２光学系２０すなわち戻り光集光光学系が、レーザ光Ｌの光路を含み且つ走査面に垂直な面内の幅方向Ｗの屈折力がその走査面方向の屈折力よりも大きい光学特性を有して照射点Ｓからの戻り光Ｒを受けて走査ミラー１４に集光する戻り光集光レンズ（光学素子）２０ａを含むことから、走査ミラー１４の面積を大きくしたり、凸レンズを用いたりしないので、測定時間や距離測定可能な走査範囲が損なわれることなく、戻り光の光量が多く得られて距離測定の有効範囲が十分に得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物までの距離を測定するために、照射点が対象物の表面上で一方向に沿って移動するようにレーザ光が走査されたとき、その照射点からの戻り光を集光してその戻り光との間の時間差や位相差などを算出する光学式距離測定装置に関するものである。

たとえば特許文献１に示されるように、対象物上のレーザ光の照射点から反射された散乱光である戻り光を検知して対象物までの距離を測定する光学式距離測定装置が提案されている。この光学式距離測定装置によれば、１軸まわりに往復振動する走査ミラーにより走査されたレーザ光が対象物上に照射されたとき、その対象物上の照射点から戻された拡散光である戻り光が、そのレーザ光の光路を逆進して走査ミラーに到達し、その走査ミラーから受光素子に到達して検出される。これにより、レーザ光の出力から戻り光の検出までの時間差に基づいて対象物上の照射点までの距離が算出されるとともに、その距離が算出された照射点へのレーザ光の走査角度に基づいて照射点の位置が算出され、それら距離と位置とから対象物の形状が算出されて対象物が識別される。

特開２００４−１７０９６５号公報

ところで、上記のような従来の光学式距離測定装置では、レーザ光がその照射点において対象物から戻される戻り光は散乱光である。そのため、単位面積に入射する戻り光の強度は、戻り距離の二乗に比例して減衰する。このため、対象物からの距離が大きくなるほど受光素子に入射できる戻り光の光量が減少してその受光素子で検出される信号強度が微弱となり、安定して戻り信号を識別できなくなるので、距離測定の有効範囲が短く用途が制限されるという問題があった。特に、走査ミラーが、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が適用されて製造された微小電気機械ミラー部品から構成される場合には、反射面の面積が微小であるので、上記のような問題が顕著となっていた。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、測定時間や距離測定可能な走査範囲が損なわれることなく、戻り光の光量が多く得られて距離測定の有効範囲が十分に得られる光学式距離測定装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、（ａ）レーザ光出力素子から出力され、対象物に向かって走査されるレーザ光により照射される前記対象物の照射点からの戻り光を受光素子に入射させるように前記レーザ光の走査に同期して前記レーザ光の走査面に対して走査する走査ミラーと、前記戻り光を前記走査ミラーへ集光する戻り光集光光学系とを備え、前記戻り光に基づいて前記対象物までの距離測定を行なう光学式距離測定装置であって、（ｂ）前記戻り光集光光学系は、前記対象物と前記走査ミラーとの間に配設され、且つ、前記走査面に垂直であり、前記レーザ光の走査の中心軸を通る面内の屈折力が、前記走査面の屈折力よりも大きい光学特性を有する光学素子を、含むことにある。

本発明の光学式距離測定装置によれば、その戻り光集光光学系が、前記対象物と前記走査ミラーとの間に配設され、且つ、前記走査面に垂直であり、前記レーザ光の走査の中心軸を通る面内の屈折力が該走査面内の屈折力よりも大きい光学特性を有する光学素子を、含むことから、対象物上の照射点からの走査ミラーに集光される戻り光は、走査面に垂直な方向において、照射点から走査ミラーを見たときの角度に対する照射点から前記光学素子を見たときの角度の割合で、走査ミラーに入射できる光量が増加する。これにより、戻り光の光量が多く得られて距離測定の有効範囲が十分に得られる光学式距離測定装置を提供することができる。

ここで、好適には、前記光学素子は、前記走査面内の屈折力が零である。このようにすれば、走査ミラーから光学素子を通して対象物へ向かうレーザ光の走査角の範囲が、その光学素子によって減少しない利点がある。

また、好適には、前記レーザ光を前記走査ミラーへ入射させる第１光学系と、前記レーザ光を前記走査ミラーから前記対象物へ導き、前記対象物からの戻り光を該走査ミラーへ導く前記光学素子を有する第２光学系と、前記走査ミラーから出射された戻り光を前記受光素子へ導く第３光学系とを、含む。このようにすれば、光学素子を有する第２光学系および走査ミラーが往路と復路とで共用される利点がある。

また、好適には、前記光学素子は、トロイダルレンズであり、前記トロイダルレンズは、前記レーザ光の前記走査方向において彎曲し、且つ、前記走査方向の屈折力が零である。このようにすれば、走査ミラーから光学素子を通して対象物へ向かうレーザ光の走査範囲が、その光学素子によって減少しない利点がある。

また、好適には、前記レーザ光源素子から前記走査ミラーまで前記レーザ光を導く前記第１光学系の光軸と、前記走査ミラーから前記受光素子まで前記戻り光を導く第３光学系の光軸とは、相互に異なるものである。このようにすれば、レーザ光源素子から出力されるレーザ光と戻り光とを分離するミラーを用いる必要がないので、光の伝播効率が高められ、光学式距離測定装置の性能が高められる。

また、好適には、前記光学素子は、前記走査面に垂直な面内の焦点距離だけ前記走査ミラーから前記対象物側に配置されている。このようにすれば、対象物表面のレーザ光照射点からの戻り光が走査ミラーに好適に集光される利点がある。

また、好適には、前記走査ミラーは、一対の捩れ梁部を介して共振板の一部に支持された微小共振ミラーである。このようにすれば、反射面積が微小な微小共振ミラーであっても、対象物表面のレーザ光照射点からの戻り光が走査ミラーに好適に集光されるので、大幅に小型とされ或いは携帯型の光学式距離測定装置が得られる。

本発明の一実施例における光学式距離測定装置の要部構成を説明する概略図であって、（ａ）は平面を、（ｂ）はその下側面を、（ｃ）はその右側面をそれぞれ示している。 図１の光学式距離測定装置に備えられた走査ミラーの構成例を説明する斜視図である。 図１の光学式距離測定装置の機能の要部を、レーザ光の照射点からの戻り光を集光する集光レンズとともに説明するブロック線図である。 戻り光の光量を増加させるために走査ミラーの反射面積を増加させた比較例の光学式距離測定装置の構成例を説明する図である。 戻り光の光量を増加させるために凸レンズを走査ミラーと対象物との間に介在させた比較例の光学式距離測定装置の構成例を説明する図である。 図５の光学式距離測定装置において、走査ミラーによる走査角が凸レンズによって減少させられる原理を説明する図であって、（a）は凸レンズがない例、（b）は凸レンズがある例をそれぞれ示している。 本発明の他の実施例における光学式距離測定装置の要部構成を説明する概略図であって、（ａ）は平面を、（ｂ）はその下側面を、（ｃ）はその右側面をそれぞれ示している。 本発明の他の実施例における光学式距離測定装置の要部構成を説明する概略図であって、（ａ）は平面を、（ｂ）はその下側面を、（ｃ）はその右側面をそれぞれ示している。

以下、本発明の一実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１において、光学式距離測定装置１０は、光学機構１１と電子制御装置３０とを備えている。光学機構１１は、光源として機能するレーザ光出力素子１２と、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌを走査ミラー１４へ導く第１光学系１６と、走査ミラー１４からその走査角度範囲Ａ内で走査されたレーザ光Ｌを対象物１８へ導くとともにその対象物１８上の照射点Ｓからの戻り光Ｒを走査ミラー１４へ導く第２光学系２０と、走査ミラー１４に反射された戻り光Ｒを戻り光検出器（受光素子）２２へ導く第３光学系２４と、走査ミラー１４の走査角度範囲Ａ内の端部に走査されたレーザ光Ｌを検出する光検出器として機能するビーム検出器２６とを有している。

電子制御装置３０は、光学式距離測定装置１０の制御部に対応するものであり、たとえばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェースなどを含むマイクロコンピュータにより構成され、予め記憶されたプログラムに従って、戻り光検出器２２およびビーム検出器２６から供給される戻り光信号ＰＤおよび検出信号ＢＤを処理し、レーザ光出力素子１２から出力されるレーザ光Ｌを制御するレーザ光駆動信号ＬＤを出力する一方、戻り光信号ＰＤに基づいて対象物１８との間の距離を走査角度毎に算出するとともに、走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査振幅すなわち走査角度範囲Ａが最大となるように調節した励振周波数を有するミラー駆動信号を出力する。さらに詳しくは、電子制御装置３０は、予め設定された分解能が得られるように１走査内の計測点数Ｎおよび走査回数Ｍを決定してレーザ光出力素子１２の出力を制御し、戻り光検出器２２により検出された時間差に基づいて対象物１８までの距離を走査範囲内の複数の測定点に対応する走査角度位置毎にそれぞれ算出する。

レーザ光出力素子１２は、ガスレーザ装置や固体レーザ装置でもよいが、好適には半導体レーザダイオードから構成され、たとえば７８５ｎｍ程度の近赤外光を出力する。戻り光検出器２２およびビーム検出器２６も、好適には、ホトダイオードやホトトランジスタとして知られる半導体光センサから構成され、必要に応じて集光レンズを内蔵する。上記第１次光学系１６は、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌを平行ビーム又は略平行ビームとするレンズ３２を備え、そのレンズ３２により平行ビーム又は略平行ビーム化されたレーザ光Ｌを走査ミラー１４に入射させる。

走査ミラー１４は、本実施例ではたとえばＭＥＭＳ技術により構成されたたとえば１ｍｍ程度の長さと数十μｍ乃至数百μｍ程度の幅とを有する微小な共振ミラーを備えて構成される。この場合、走査ミラー１４は、たとえば図２に示すように、たとえば数ミリ角の金属製或いは半導体製の矩形板からなり、４辺のうちの１辺が固定された片持ち状の基板１４ａと、その基板の中央部にエッチングなどにより中抜きされることにより形成され、上記固定辺に平行な方向の一対の梁部１４ｂにより中央部が支持されたミラー部１４ｃと、基板の一部に固着された圧電膜１４ｄとを備え、その圧電膜に励振されて発生する基板の固有振動によりミラー部１４ｃが一対の梁部１４ｂまわりにすなわち回転の中心軸Ｃまわりに往復回転振動させられるように構成されている。これにより、ミラー部１４ｃに入射されたレーザ光Ｌは、ミラー部１４ｃの回転の中心軸Ｃに垂直な方向へ走査される。

第２光学系２０は、対象物１８を照射するために走査されるレーザ光Ｌの光路をそれほど曲げず、対象物１８上の照射点Ｓからの散乱光である戻り光Ｒを可及的に集光して走査ミラー１４へ入射させるために、走査ミラー１４により走査されるレーザ光Ｌの走査面に直交する中心軸Ｃを含む面（図１(c)に示す面）内での屈折力すなわち焦点距離の逆数に比較して、走査面（図１(a)に示す面）内でレーザ光Ｌの光路方向すなわち中心軸Ｃを通る放射方向の屈折力が小さい戻り光集光レンズ（光学素子）２０ａを備えている。戻り光集光レンズ２０ａは、中心軸Ｃを通り、且つ走査面に垂直な面内において、走査ミラー１４から焦点距離ｆの分、対象物１８側に離れた位置に配置される。この戻り光集光レンズ２０ａは、走査面内では焦点距離が相対的に長く、中心軸Ｃを含み且つ走査面に垂直な面内では焦点距離が相対的に短く、相互に相違した焦点距離を有するトロイダルレンズの一種である。

上記の戻り光集光レンズ２０ａは、好適には、走査面内すなわち走査方向の屈折力が零すなわち焦点距離が無限大であるトロイダルレンズであり、レーザ光Ｌの走査面内において走査ミラー１４の回転の中心軸Ｃから同じ距離に位置するように彎曲させられている。すなわち、戻り光集光レンズ２０ａは、レーザ光Ｌの走査面内において、走査ミラー１４の回転の中心軸Ｃを中心とする曲率半径ｒ２０の円弧に沿って彎曲した同じ厚み形状を有し、且つレーザ光Ｌの光路を含み、且つ走査面に直交する面内すなわち走査面に垂直であり、且つレーザ光Ｌの走査方向に平行な方向では中央程厚みが増加した凸レンズ状の厚み形状を有し、いずれの走査方向でも同じ凸レンズ形状とされて焦点距離ｆが同じとされている。このため、戻り光集光レンズ２０ａは、彎曲したシリンドリカルレンズと称されてもよい。この戻り光集光レンズ２０ａは、走査面方向においてたとえば±４５°程度の走査角度範囲Ａまたはたとえば±４２°程度の有効角度範囲Ａ‘を十分にカバーできる周方向長さ寸法Ｓを備えるとともに、レーザ光Ｌの光路を通り且つ走査面に垂直な方向において走査ミラー１４の幅寸法ωよりも十数倍乃至数十倍の幅寸法Ｗを備えている。なお、本実施例の戻り光集光レンズ２０ａは、周方向長さ寸法Ｓが幅寸法Ｗよりも大きく、レーザ光Ｌの走査面方向において長手状を成しているが、必ずしも長手状でなくてもよい。

対象物１８上のレーザ光Ｌの照射点からの戻り光Ｒは球面状に拡がる拡散光であるため、距離の二乗に反比例して急速に減衰する性質がある。このため、戻り光検出器２２により検出される戻り光信号ＰＤは、対象物１８からの距離が大きくなるほど微弱な信号強度となり、ノイズと識別困難となって安定して戻り光信号ＰＤを識別できなくなるので、距離測定の有効範囲や用途が制限されるという場合があった。戻り光集光レンズ２０ａは、戻り光Ｒのより多くの光量を走査ミラー１４に集光して、戻り光信号ＰＤの強度を高めるためのものである。

走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査角度範囲Ａ内の一端部たとえば角度０°で示される走査範囲Ａの中心位置から＋４２°の角度位置すなわちレーザ光Ｌの実際の周期を検知する基準位置には、レーザ光Ｌをビーム検出器２６へ向かって反射してそのレーザ光Ｌがその基準位置を通過したことをビーム検出器２６で検出させるビーム反射ミラー２０ｂが配置されている。

走査ミラー１４に反射された戻り光Ｒを戻り光検出器２２へ導く第３光学系２４は、走査ミラー１４からの戻り光Ｒを走査方向に直交する方向において平行光又は略平行光とするシリンドリカルレンズ２４ａと、戻り光Ｒを反射してレーザ光Ｌから分離するハーフミラー２４ｂと、ハーフミラー２４ｂにより反射された戻り光Ｒを戻り光検出器２２に集光する集光レンズ２４ｃとを備えている。

図３は、光学式距離測定装置１０を構成する光学機構１１と電子制御装置３０との機能の要部を、レーザ光Ｌの照射点Ｓからの戻り光Ｒを集光する戻り光集光レンズ２０ａの機能とともに説明する機能ブロック線図である。光学機構１１は、レーザ光出力素子１２を有し、レーザ光Ｌの光源として機能する光源部４０と、走査ミラー１４を有し、光源部４０からのレーザ光Ｌを対象物１８へ向かって走査するミラー走査部４２と、戻り光検出器２２を有し、戻り光集光レンズ２０ａを通して戻り光Ｒを受光して戻り光信号ＰＤを出力する受光部４４とを備えている。電子制御装置３０は、光源部４０から放射されたレーザ光Ｌのパルス信号の出力時刻と、それに同期して対象物１８から発生した戻り光Ｒが受光部４４で検出された受光時刻との時間差であるＴＯＦ（ｎｓｅｃ）を測定する時間測定部４６と、そのＴＯＦ（ｎｓ）に基づいて、光学式距離測定装置１０から対象物１８までの距離Ｄ（ｍ）＝ＴＯＦ／３．３３ｎｓ／２を測定点毎にすなわち走査角度位置毎に算出する制御部４８を備えている。なお、上記３．３３ｎｓは、１ｍ当たりのレーザ光Ｌおよび戻り光Ｒの伝播時間である。制御部４８は、たとえば、測定された走査角度毎の距離のうちの最も近い距離を対象物までの距離として図示しない表示器へ出力したり、距離および走査角度に基づいて対象物１８の表面の３次元形状を算出し、三次元画像を表示器に出力させる。

ミラー走査部４２内の走査ミラー１４により走査されたレーザ光Ｌの対象物１８上の照射点Ｓから発生する散乱光である戻り光Ｒは、戻り光集光レンズ２０ａにより集光されてミラー走査部４２内の走査ミラー１４へ入射させられる。図３の戻り光集光レンズ２０ａはレーザ光Ｌの光路を通り、且つレーザ光Ｌの走査面に対して垂直な断面で示されており、戻り光Ｒは、破線で示されるように集光される。ここで破線は、球面上に拡がる戻り光Ｒの外周を表現したものであり、実際の戻り光Ｒは、破線を外周とする内部前面に拡がっている。受光部４４の戻り光検出器２２に到達する戻り光Ｒの光量は、図３に示すように走査ミラー１４の幅寸法をωとすると、戻り光集光レンズ２０ａによる集光によって、Ｗ／ω倍増加させられている。

また、戻り光集光レンズ２０ａは、レーザ光Ｌの光路を含み、且つ走査面に直交する面内での屈折力すなわち焦点距離の逆数に比較して、走査面内の屈折力が小さく、好適には零とされているので、対象物１８を照射するために走査されるレーザ光Ｌの光路に対する戻り光集光レンズ２０ａの影響がないか或いは少なくなるように構成されている。このため、レーザ光Ｌの対象物１８上の走査幅が確保される。

図４、図５、図６は比較例を示しており、図１の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。なお、図５、図６の第３光学系２４において、２４ａはシリンドリカルレンズから凸レンズに変更されている。図４に示す光学式距離測定装置５０は、検出できる戻り光Ｒの受光量を多くするために反射面積を大きくした走査ミラー５２を備えている。この走査ミラー５２は、図１および図２の走査ミラー１４と同様に、ＭＥＭＳ技術により構成されているが、戻り光検出器２２で検出できる戻り光Ｒの光量を多くするためにより反射面積の大きい外形寸法を有している。このため、走査ミラー５２が大型となって歪みが発生しやすくなるので、十分な集光性能が得られないとともに、光学式距離測定装置５０が大きくなる。また、走査ミラー５２は、共振周波数が低くなって１走査当たりの計測点が少なくなるので、同じ分解能を得るために走査回数を多く必要とするので、光学式距離測定装置５０で高速測定が困難である。

また、図５に示す光学式距離測定装置６０は、検出できる戻り光の光量を多くするために対象物からの戻り光を走査ミラー１４に集光する凸レンズ６２を備えている。このため、図６に示されるように、走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査角度が上記凸レンズ６２によって減少するので、対象物１８上において十分な走査距離が得られず、光学式距離測定装置６０の有効測定範囲が狭くなった。

図６の（b）は、走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査角度が上記凸レンズ６２によって減少する点を詳細に説明するものである。すなわち、走査ミラー１４から凸レンズ６２までの距離をＬ１、凸レンズ６２から対象物１８までの距離をＬ２、凸レンズ６２上でのレーザ光Ｌの走査量（変位量）をＹ１、対象物１８上のレーザ光Ｌの走査量（変位量）をＹ２、凸レンズ６２の焦点距離をｆ62、レーザ光Ｌの凸レンズ６２への入射角度Ｕ１、レーザ光Ｌの凸レンズ６２からの出射角度をＵ２としたとき、凸レンズの屈折式から次式（１）および（２）が成立する。また、走査ミラー１４と凸レンズ６２との位置関係から（３）式が成立する。また、（２）式および（３）式から（４）式が得られる。

Ｕ２＝Ｕ１−Ｙ１／ｆ62 ・・・ （１）
Ｙ２＝Ｙ１＋Ｕ２×２ ・・・ （２）
Ｕ１＝Ｙ１／Ｌ１ ・・・ （３）
Ｕ２＝Ｙ１（１／Ｌ１−１／ｆ62） ・・・ （４）

測定する対象物１８からの散乱光である戻り光Ｒが走査ミラー１４の反射面に集光するように配置するためには、Ｌ１＞Ｆ62であることが必要であるため、（４）式よりＵ２＜０であり、（２）式よりＹ２＜Ｙ２となり、走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査角度が上記凸レンズ６２によって減少させられることがわかる。仮に、凸レンズ６２がない場合は、図６の（a）に示すように、Ｙ２／Ｙ１＝（Ｌ２＋Ｌ１）／Ｌ１であり、明らかにＹ２＞Ｙ１となる。

上述のように、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、その第２光学系２０すなわち戻り光集光光学系が、対象物１８と走査ミラー１４との間に配設され、且つ走査面に垂直な面内の幅方向Ｗの屈折力すなわち走査面に垂直であり、レーザ光Ｌの走査の中心軸Ｃを含む面内の屈折力がその走査面方向の屈折力よりも大きい光学特性を有して照射点Ｓからの戻り光Ｒを受けて走査ミラー１４に集光する戻り光集光レンズ２０ａを、含むことから、対象物１８上の照射点Ｓからの走査ミラー１４に集光される戻り光Ｒの光量が、照射点Ｓから走査ミラー１４を見たときの角度に対する照射点Ｓから戻り光集光レンズ２０ａを見たときの角度の割合で、走査ミラー１４に入射できる戻り光Ｒの光量が増加するので、その走査ミラー１４を経て戻り光検出器２２で検出される戻り光Ｒの信号強度が大幅に増加して、距離測定の有効範囲が長くなり、使用制限距離が大きく性能の高い光学式距離測定装置１０が得られる。すなわち、走査ミラー１４の面積を大きくしたり、凸レンズを用いたりしないので、測定時間や距離測定可能な走査範囲が損なわれることなく、戻り光の光量が多く得られて距離測定の有効範囲が十分に得られる光学式距離測定装置１０を提供することができる。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、戻り光集光レンズ２０ａは、レーザ光Ｌの走査面内の屈折力が零であるので、走査ミラー１４から戻り光集光レンズ２０ａを通して対象物１８へ向かうレーザ光Ｌの走査角の範囲が、その戻り光集光レンズ２０ａによって減少しない利点がある。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌを走査ミラー１４へ入射させる第１光学系１６と、前記戻り光集光レンズ２０ａを有し、レーザ光Ｌを走査ミラー１４から戻り光集光レンズ２０ａを通して対象物１８へ導くとともに、その対象物１８からの戻り光Ｒを戻り光集光レンズ２０ａを通して走査ミラー１４へ導く第２光学系２０と、走査ミラー１４から出射された戻り光Ｒを戻り光検出器２２へ導く第３光学系２４とを、含む。このため、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌは、第１光学系１６を通して走査ミラー１４へ入射させられた後、その走査ミラー１４から第２光学系２０の戻り光集光レンズ２０ａを通して対象物１８へ導かれるとともに、対象物１８上のレーザ光照射点Ｓから戻された戻り光Ｒは、レーザ光Ｌの光路と逆方向の光路でその第２光学系２０の戻り光集光レンズ２０ａを通して走査ミラー１４に集光された後、その走査ミラー１４から第３光学系２４を通して戻り光検出器２２へ導かれるので、戻り光集光レンズ２０ａを有する第２光学系２０および走査ミラー１４が往路と復路とで共用される利点がある。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、前記走査ミラー１４による前記レーザ光Ｌの走査面内においてその走査面の円弧に沿って彎曲し、前記走査ミラー１４からのレーザ光Ｌに対して前記走査面内の屈折力は零であるシリンドリカルレンズである。このようにすれば、シリンドリカルレンズが走査面の同心円弧に沿って円弧状に彎曲しているので、走査ミラーと対象物との間の光路で走査角度位置に拘わらず同様の位置に位置することができ、走査面に直角な面内の焦点距離が同じでよく、シリンドリカルレンズの加工が容易で安価となる。また、前記走査ミラー１４からのレーザ光Ｌに対して、シリンドリカルレンズの走査面内の屈折力は零であるので、走査ミラー１４から戻り光集光レンズ２０ａを通して対象物へ向かうレーザ光Ｌの走査範囲が、その戻り光集光レンズ２０ａによって減少しない利点がある。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、戻り光集光レンズ２０ａは、レーザ光Ｌの光路を通り且つ走査面に垂直な面内の焦点距離ｆだけ走査ミラー１４から前記対象物側に配置されているので、対象物１８の表面のレーザ光照射点Ｓからの戻り光Ｒが走査ミラー１４に好適に集光される利点がある。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、走査ミラー１４は、一直線沿って形成された一対の捩れ梁部１４ｂを介して共振板１４ａの一部に支持された微小共振ミラーである。このように、反射面積が微小な微小共振ミラーであっても、対象物１８の表面のレーザ光照射点Ｓからの戻り光Ｒが走査ミラー１４に好適に集光されるので、大幅に小型とされ或いは携帯型の光学式距離測定装置１０が得られる。

図７は、本発明の他の実施例における光学式距離測定装置７０の要部構成を説明する概略図であって、（ａ）は平面を、（ｂ）はその下側面を、（ｃ）はその右側面をそれぞれ示している。本実施例の光学式距離測定装置７０では、第１光学系１６および第３光学系２４において、レーザ光出力素子１２から走査ミラー１４に至るレーザ光Ｌの光軸は戻り光Ｒとの光軸から側方へオフセットされ、ハーフミラー２４ｂが除去されている点で、図１の光学式距離測定装置１０と相違しているが、他は同様に構成されている。

すなわち、図７の（ａ）および（ｂ）に示すように、第３光学系２４では、ハーフミラー２４ｂが含まれておらず、戻り光検出器２２、集光レンズ２４ｃ、およびシリンドリカルレンズ２４ａは同じ光軸上に設けられており、第１光学系１６のレーザ光出力素子１２およびレンズ３２は、シリンドリカルレンズ２４ａの端を通る光軸上に設けられている。これにより、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌはレンズ３２およびシリンドリカルレンズ２４ａの端部を経て走査ミラー１４に到達させられる。また、走査ミラー１４に集光された戻り光Ｒは、シリンドリカルレンズ２４ａにより平行光又は略平行光化され、集光レンズ２４ｃにより戻り光検出器２２に集光される。

本実施例の光学式距離測定装置７０によれば、戻り光集光レンズ２０ａを有しているので、前述の光学式距離測定装置１０と同様な効果が得られるのに加えて、レーザ光出力素子１２から走査ミラー１４までレーザ光Ｌを導く第１光学系１６の光軸と、走査ミラー１４から戻り光検出器２２まで戻り光Ｒを導く第３光学系２４の光軸とは、相互に異なるものであることから、レーザ光出力素子１２から出力されるレーザ光Ｌと戻り光Ｒとを分離するためのハーフミラー２４ｂや透過穴付ミラーを用いる必要がないので、光の伝播効率が高められ、光学式距離測定装置の性能が高められる。

図８は、本発明の他の実施例における光学式距離測定装置８０の要部構成を説明する概略図であって、（ａ）は平面を、（ｂ）はその下側面を、（ｃ）はその右側面をそれぞれ示している。本実施例の光学式距離測定装置８０では、第１光学系１６および第３光学系２４において、レーザ光出力素子１２から走査ミラー１４に至るレーザ光Ｌの光軸は戻り光Ｒとの光軸から側方へオフセットされるとともに、第１光学系１６においてそのレーザ光Ｌを反射して走査ミラー１４へ入射させる第１方向変換ミラー８２と、第２光学系２０において走査ミラー１４から出射したレーザ光Ｌを反射して戻り光集光レンズ２０ａを通過させないで対象物１８へ導く第２方向変換ミラー８４とが設けられ、ハーフミラー２４ｂが除去されている点で図１の光学式距離測定装置１０と相違しているが、他は同様に構成されている。

すなわち、図８の（ａ）および（ｂ）に示すように、第３光学系２４では、ハーフミラー２４ｂが含まれておらず、戻り光検出器２２、集光レンズ２４ｃ、およびシリンドリカルレンズ２４ａは同じ光軸上に設けられており、第１光学系１６のレーザ光出力素子１２、レンズ３２および第１方向変換ミラー８２は、集光レンズ２４ｃおよびシリンドリカルレンズ２４ａの外を通る光軸上に設けられている。これにより、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌはレンズ３２および第１方向変換ミラー８２を経て走査ミラー１４に到達させられ、さらに走査ミラー１４から第２方向変換ミラー８４を経て対象物１８に照射される。また、走査ミラー１４に集光された戻り光Ｒは、シリンドリカルレンズ２４ａにより平行光又は略平行光化され、集光レンズ２４ｃにより戻り光検出器２２に集光される。

本実施例の光学式距離測定装置８０によれば、戻り光集光レンズ２０ａを有しているので、前述の光学式距離測定装置１０と同様な効果が得られるのに加えて、レーザ光出力素子１２から走査ミラー１４までレーザ光Ｌを導く第１光学系１６の光軸と、走査ミラー１４から戻り光検出器２２まで戻り光Ｒを導く第３光学系２４の光軸とは、相互に異なるものであることから、レーザ光出力素子１２から出力されるレーザ光Ｌと戻り光Ｒとを分離するためのハーフミラー２４ｂや透過穴付ミラーを用いる必要がないので、光の伝播効率が高められ、光学式距離測定装置の性能が高められる。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例の光学式距離測定装置１０、７０、８０では、走査面内において零の屈折力すなわち無限大の焦点距離を有する戻り光集光レンズ２０ａが用いられていたが、必ずしも走査面内の屈折力が零でなくてもよい。要するに、走査面内においてある程度の焦点距離を有していても、走査面に垂直な面内の屈折力が前記走査面内の屈折力よりも大きい光学特性を有していれば、戻り光Ｒの光量と走査範囲が得られるという点で一応の効果が得られる。

特に、前述の実施例の光学式距離測定装置８０では、走査ミラー１４により走査されるレーザ光Ｌは戻り光集光レンズ２０ａを通過せず、その戻り光集光レンズ２０ａの走査面内の屈折力によりレーザ光Ｌの走査角が制限されない。このため、好適には、戻り光集光レンズ２０ａは、走査面に垂直な面内において戻り光Ｒを走査ミラー１４上に集光させる焦点距離を有するだけでなく、走査面内においても戻り光Ｒを走査ミラー１４上にある程度集光させることに寄与できる焦点距離を有するものであってもよい。

また、前述の実施例の走査ミラー１４は、図２に示されるようにＭＥＭＳ技術により構成された、微小のミラー部１４ｃが一対の梁部１４ｂを介して回転の中心軸Ｃまわりに回転振動可能に基板１４ａに支持された共振型ミラーであったが、張力が付与されたワイヤの中間部に固定されてそのワイヤのねじれによりワイヤまわりの回転振動可能とされたコイルにミラーが固定され、外部の交流磁界により所定周波数で励振されるガルバノメータ形式の非共振ミラーなど、他の形式の共振周波数を有する走査ミラーであればよい。走査ミラー１４が、非共振型ミラーである場合は、ミラー駆動制御部３８により、走査振幅を最大とするための走査ミラー１４の励振周波数の調節は不要となる。

また、前述の実施例の走査ミラー１４は、１軸心まわりに連続的に回転駆動されるポリゴンミラーから構成されたものであってもよい。

また、図１に示されている光学式距離測定装置１０において用いられている第１光学系１６、第２光学系２０、第３光学系２４は、一例であり、他の光学素子が用いられたり、追加されたりしてもよい。たとえば、第３光学系２４に用いられているハーフミラー２４ｂは、レーザ光Ｌを貫通させる貫通孔が設けられていてもよいし、レーザ光Ｌは、戻り光Ｒと異なる光軸で走査ミラー１４に入射させられていてもよい。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０、７０、８０：光学式距離測定装置
１２：レーザ光出力素子
１４：走査ミラー
１８：対象物
２０：第２光学系（戻り光集光光学系）
２０ａ：戻り光集光レンズ（光学素子）
２２：戻り光検出器（受光素子）
２４：第３光学系
２６：ビーム検出器（光検出器）
３０：電子制御装置（制御部）
Ｌ：レーザ光（光ビーム）

Claims (7)

1. レーザ光出力素子から出力され、対象物に向かって走査されるレーザ光により照射される前記対象物の照射点からの戻り光を受光素子に入射させるように前記レーザ光の走査に同期して前記レーザ光の走査面に対して走査する走査ミラーと、前記戻り光を前記走査ミラーへ集光する戻り光集光光学系とを備え、前記戻り光に基づいて前記対象物までの距離測定を行なう光学式距離測定装置であって、
   前記戻り光集光光学系は、前記対象物と前記走査ミラーとの間に配設され、且つ、前記走査面に垂直であり、前記レーザ光の走査の中心軸を通る面内の屈折力が、前記走査面の屈折力よりも大きい光学特性を有する光学素子を、含むことを特徴とする光学式距離測定装置。
2. 前記光学素子は、前記走査面内の屈折力が零である請求項１の光学式距離測定装置。
3. 前記レーザ光を前記走査ミラーへ入射させる第１光学系と、
   前記レーザ光を前記走査ミラーから前記対象物へ導き、前記対象物からの戻り光を該走査ミラーへ導く前記光学素子を有する第２光学系と、
   前記走査ミラーから出射された戻り光を前記受光素子へ導く第３光学系と
   を、含むことを特徴とする請求項１または２の光学式距離測定装置。
4. 前記光学素子は、トロイダルレンズであり、
   前記トロイダルレンズは、前記レーザ光の前記走査方向において彎曲し、且つ、前記走査方向の屈折力が零である請求項１乃至３のいずれか１の光学式距離測定装置。
5. 前記レーザ光源素子から前記走査ミラーまで前記レーザ光を導く前記第１光学系の光軸と、該走査ミラーから前記受光素子まで前記戻り光を導く第３光学系の光軸とは、相互に異なるものである請求項３の光学式距離測定装置。
6. 前記光学素子は、前記走査面に垂直な面内の焦点距離だけ前記走査ミラーから前記対象物側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の光学式距離測定装置。
7. 前記走査ミラーは、一対の捩れ梁部を介して共振板の一部に支持された微小共振ミラーである請求項１乃至６のいずれか１の光学式距離測定装置。

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