JP2013210316A - 光学式距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化のような外乱が発生しても、レーザ光の走査角度範囲において駆動信号と走査位置とのずれがなく、距離測定の精度を維持できる光学式距離測定装置を提供する。
【解決手段】ミラー駆動制御部３８により、走査角度範囲内の予め定められた基準位置のレーザ光Ｌを検知するビーム検出器２６の出力信号に基づいて、走査ミラー１４によるレーザ光の走査角度範囲Ａが最大となるようにその走査ミラー１４が励振される。温度変化のような外乱が発生して走査ミラー１４の共振周波数がずれたとしても、走査ミラー１４は常にその最大振幅となるように結果的に実際の共振周波数で励振されるので、走査ミラー１４によるレーザ光の走査角度範囲Ａが一定し、レーザ光Ｌの走査角度範囲Ａにおいて駆動信号と走査位置とのずれがなく、距離Ｄの測定の精度を維持できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光源から放射された光ビームを走査ミラーを用いて所定の走査角度範囲内で走査し、得られた戻り光との時間差などに基づいて物体との間の距離を測定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に記載されているように、投光素子からの光ビームを、ガルバノメータなどから成る走査部を介してワークの表面に照射させてそのワークの表面に一次元的に光を走査するとともに、所定の受光タイミング（計測タイミング）でそのワークからの戻り光を受光する受光素子の計測点の位置毎の信号に基づいて波形データを生成し、その波形データからワーク表面の各照射点までの距離を示す距離情報を生成する光学式変位計が提案されている。

この光学式変位計では、高分解能計測モードにおいて、光の往復走査毎に、照射点からの戻り光に基づいて距離測定する光ビーム上の計測点の走査角度位置がずれるように設定されており、走査方向における計測点の密度が高くなるようにされている。

特開２０１０−１９７１１３号公報

ところで、上記従来の光学式変位計において、光ビームを走査する走査部では、一定の周期で振動するように励振する一定周波数の駆動信号が供給されることで、オープンループで駆動されている。しかし、一般に、走査部において、光ビームを受けて反射させ、反射後の光ビームを走査する走査ミラーの実際の走査位置は、駆動信号と正確に一致しない場合がある。たとえば、共振駆動される共振型の走査ミラーの場合、走査ミラーは一定の共振周波数を有する部材または機構により支持される。温度変化のような外乱によってその共振周波数が変化したりすると光ビームの走査幅が減少するので、光ビームの走査角度範囲において駆動信号と走査位置とのずれが発生して走査角度範囲内での測定位置精度が低下し、距離の測定精度が低下する場合があった。また、共振周波数を有さない又は共振周波数に関係なく強制駆動される非共振型の走査ミラーの場合であっても、駆動信号を生成するクロック周波数の不安定や外乱などの原因により、実際の走査位置が駆動信号からずれる可能性がある。従って、走査ミラーが共振型か非共振型かに拘わらず、駆動信号と走査位置とのずれが発生して動作角度範囲内でも測定位置精度が低下し、距離の測定精度が低下するという問題が生じる可能性があった。

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、その目的とするところは、正確な測定位置精度を得ることにより、距離測定の精度を維持できる光学式距離測定装置を提供することにある。

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）光ビームを出射する光源と、前記光ビームを受けてそれを反射し、その光ビームを所定の走査角度範囲内で繰り返し走査する走査ミラーとを備え、その光ビームの照射による対象物からの戻り光に基づいて距離測定を行なう光学式距離測定装置であって、（b）前記走査ミラーにより走査される前記光ビームを前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置で検知する光検知器と、（c）前記光検知器により前記基準位置で前記光ビームが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間を前記走査ミラーによる実際の走査周期に基づいて決定し、前記光ビームの走査毎に、前記光検知器で前記光ビームが検知されてから前記遅延時間に基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで前記戻り光を得るための光ビームを出力させる制御部とを、含むことにある。

本発明の光学式距離測定装置によれば、制御部により、光検知器により基準位置で前記光ビームが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間が走査ミラーによる実際の走査周期に基づいて決定され、光ビームの走査毎に、光検知器で光ビームが検知されてからその遅延時間に基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで前記戻り光を得るための光ビームが出力される。このため、光ビームの走査角度範囲内において正確な測定位置精度が得られて、距離測定の精度を維持できる。

ここで、好適には、（d）前記制御部は、前記距離測定時間間隔を、前記走査角度範囲内の複数角度位置での距離測定について予め定められた分解能を満たす最小の走査回数で除すことに基づいて、前記遅延時間を決定する。このようにすれば、走査角度範囲内における測定タイミングの密度が一層均一となって高く分解能が維持される。

また、好適には、（e）前記制御部は、前記光ビームの前記走査角度範囲の走査が前記走査回数だけ完了したときには、その光ビームの走査により得られた前記戻り光の光量および走査角度位置データが得られたか否かを判定し、得られなかった場合は、再測定を実施する。このようにすれば、何らかの理由で戻り光の光量や走査角度位置データが得られなかった場合は自動的に再測定が開始されるので、測定精度の低下が防止される。

また、好適には、（f）前記光源は、前記光ビームとして、前記距離測定時間間隔のパルス光を出射するものである。このようにすれば、光ビーム出力素子を駆動するための消費電力が可及的に少なくされる。例えば、携帯型の光学式距離測定装置が携帯型である場合、電池寿命が長くなる利点がある。

また、好適には、（g）前記光源は、前記走査角度範囲のうち走査開始点から前記光検知器が検知する前記基準位置を走査する期間において、前記光ビームとして連続光を出射する。このようにすれば、光検知器により、光ビームの走査が確実に検出されるとともに、光ビームの走査振幅或いはその大小の算出が容易となる。

また、好適には、（h）前記光源は、前記走査周期内の間に、前記走査ミラーの実際の走査周期を除算することで得られた値が予め定められた演算処理時間を上まわる最小の整数のパルス数を有する光ビームを出射し、（i）前記制御部は、前記走査ミラーによる実際の走査周期をその整数で除すことで前記距離測定時間間隔を決定する。このようにすれば、リアルタイムで演算が可能となって光ビーム走査後の演算負荷が少なくなり、距離測定結果を速やかに得ることができる。

また、好適には、（j）前記走査ミラーは、共振周波数を有する共振型のミラーであり、（k）前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置の光ビームを検知する前記光検知器の出力信号に基づいて、前記走査ミラーによる光ビームの走査角度範囲が予め定められた最大領域となるように励振周波数を調節するミラー駆動制御部を、含むものである。このようにすれば、温度変化のような外乱が発生して走査ミラーの共振周波数がずれたとしても、走査ミラーは常にその最大振幅範囲内となるように駆動信号の周波数が調整されて結果的には走査ミラーの実際の共振周波数で励振されるので、走査ミラーによる光ビームの走査角度範囲が一定し、光ビームの走査角度範囲において駆動信号と走査位置とのずれがなく、距離測定の精度を維持できる。

また、前記目的を達成するための方法発明の要旨とするところは、（l）光ビームを出射する光源と、前記光ビームを受けてそれを反射し、その光ビームを所定の走査角度範囲内で繰り返し走査する走査ミラーとを備え、その光ビームの照射による対象物からの戻り光に基づいて距離測定を行なう光学式距離測定方法であって、（m）前記走査ミラーにより反射される前記光ビームを前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置で検知する光検知器を用いて前記走査ミラーによる実際の走査周期を算出する算出ステップと、（n）その光検知器により前記光ビームが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間を前記走査ミラーによる実際の走査周期に基づいて決定する決定ステップと、（o）前記光ビームの走査毎に、前記基準位置で前記光ビームが検知されてから前記遅延時間に基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで前記戻り光を得るための光ビームを出力させる出力ステップとを含むことを特徴とする。このため、光ビームの走査角度範囲において駆動信号と走査位置とのずれがなくなるので、正確な測定位置精度が得られて、距離測定の精度を維持できる。

本発明の一実施例であ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）はその下側の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に備えられた電子制御装置の機能の要部を説明する機能ブロック線図である。 図１の電子制御装置に含まれるビーム出力制御部により制御されたレーザ光のパルス出力の波形を、レーザ光の走査角度を示す波形と同期させて例示する図である。 図１の光学式距離測定装置に備えられた走査ミラーによるレーザ光の走査角度変化を説明するタイムチャートである。 走査回数を求めるために用いられる、走査回数と分解能との関係を示す図である。 図１の光学式距離測定装置に備えられた電子制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。 図７の動作条件決定処理ルーチンの作動内容を詳しく説明するフローチャートである。 図１の実施例の光学式距離測定装置において、標準分解能モードが選択されているときの走査角度Ａ’内において、５回の走査の波形に沿って順次発生する１００点の計測点を示すタイムチャートである。 図１の実施例の光学式距離測定装置において、高分解能モードが選択されているときの走査角度Ａ’内において、１０回の走査の波形に沿って順次発生する２００点の計測点を示すタイムチャートである。 図９の標準分解能モードにおける各計測点の走査角度位置および図１０の高分解能モードにおける各計測点の走査角度位置を、走査（偏向）角度範囲を示す横軸に平行な線上に、白丸点および菱形点にて示した図である。

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を戻り光検知器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を検出する光検知器として機能するビーム検出器２６と、ビーム検出器２６の出力信号に基づいて走査ミラー１４をその最大振幅となるように駆動制御するとともに、手動操作を用いて測定モード選択器２８により選択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、戻り光検知器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電子制御装置３０とを備えている。上記計測点は、戻り光Ｒにより距離測定をそれぞれ行なうためのレーザ光Ｌのパルス発生時点であり、図５では黒丸印、図９および図１０では黒菱印、図１１では菱印および丸印で示されている。

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。戻り光検知器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。上記第一次光学系１６は、レーザ光出力素子１２から出力されたレーザ光Ｌを平行ビームとするレンズ３２を備え、そのレンズ３２により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（Micro Electro Mechanical System）技術により構成された微小な共振ミラーにより構成される。この場合、走査ミラー１４は、たとえば図２に示すように、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軸心Ｃまわりに往復回転振動させられるように構成されたものである。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の回転軸心Ｃに垂直な方向へ走査される。なお、基板１４ａの固有振動数すなわちミラー部１４ｃの共振周波数は、温度などによって変化し、走査角度範囲Ａがずれる性質がある。

第２光学系２０は、対象物１８を照射するレーザ光Ｌの走査には干渉せず、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、走査面に直交し、且つ走査ミラー１４の回転中心Ｃを通る面内の屈折力に比較して走査面内でレーザＬの方向の屈折力が小さくたとえば零である集光レンズ２０ａを備えている。この集光レンズ２０ａは、走査方向に長い長手形状を有し、走査ミラー１４の回転軸心Ｃを中心とする曲率半径でその長手方向に彎曲した形状を有している。また、この集光レンズ２０ａは、好適には、走査面に直交し、且つ走査ミラー１４の回転中心Ｃを通る面内での焦点距離が長手方向に同一である。

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を戻り光検知器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を戻り光検知器２２に集光する集光レンズ２４ｃとを備えている。

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、戻り光検知器２２およびビーム検出器２６から供給される入力信号を処理し、レーザ光出力素子１２から出力されるレーザ光Ｌを制御するとともに、走査振幅すなわち走査角度範囲Ａが最大となるように走査ミラー１４の励振周波数を制御する。

図３は、電子制御装置３０の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。図３において、ミラー駆動制御部３８は、ビーム検出器２６によるレーザ光Ｌの走査端部での検出間隔時間Ｅが最大となるように、換言すれば走査ミラー１４による走査角度範囲Ａが最大となるように、ビーム検出器２６の出力信号ＢＤに基づいて走査ミラー１４の圧電膜１４ｄへ供給する電圧駆動信号の励振周波数を制御する。ビーム出力制御部５０により制御されるレーザ光出力素子１２からのレーザ光Ｌは、たとえば図４に示すように、走査角度範囲Ａの最大振幅点ｔ０を中心とする所定区間たとえば前回走査の最後の計測パルス点ｔｎから次回の走査の最初の計測パルス点ｔ１までの一定の区間Ｂで連続光が出力され、ついで短いパルス状の計測パルスが繰り返し出力されるようになっている。図５に示すｔｅ時点からｔｓ時点までのビーム検出器２６によるレーザ光Ｌの検出間隔時間Ｅが最大となる場合は、走査ミラー１４の共振周波数と走査ミラー１４の圧電膜１４ｄへの駆動周波数とが一致して最大振幅を示す状態であるので、実質的に、ミラー駆動制御部３８は、走査ミラー１４の共振周波数と走査ミラー１４の圧電膜１４ｄへの駆動周波数とが一致するようにその駆動周波数をフィードバック制御している。これにより、温度や公差などによって走査ミラー１４の共振周波数がばらついても、結果的にその共振周波数で励振されてレーザ光Ｌの走査角度範囲Ａが最大に維持される。

走査周期決定部４０は、ビーム検出器２６により繰り返し検出されるレーザ光Ｌの走査開始時の区間Ｂにおけるレーザ光Ｌが検出された時点（時刻）に基づいて走査ミラー１４の実際の走査周期Ｔｍおよび走査周波数ｆｍを、予め記憶された数式或いはマップから実際のレーザ光Ｌ検出時刻に基づいて算出或いは決定する。計測点数決定部４２は、たとえば有効走査角度範囲Ａ’内において、マイクロコンピュータで必要とされる１計測点のための演算処理時間を計測点間の計測間隔時間Ｉｔが十分に超えなければならないという制約条件と上記実際の走査周期Ｔｍとに基づいて１周期内のレーザ光Ｌの計測用パルス数すなわち計測点数Ｎを、予め記憶された数式或いはマップから算出或いは決定する。計測間隔時間決定部４４は、上記実際の走査周期Ｔｍと計測点数Ｎとに基づいて計測点間周期である計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）を、予め記憶した関係或いはマップから算出し或いは決定する。

たとえば、光走査角度範囲Ａが±４５°、ビーム検出器２６が検出する走査角度が＋４２°、実際の走査周波数ｆｍが２．７ｋＨｚ、実際の走査周期Ｔｍが３７０．３７μｓｅｃ、必要演算時間が１８μｓｅｃである場合に、１計測点あたりにその必要演算時間を確保するために１周期内で可及的に多く設定できる計測点数（整数）Ｎ＝３７０／１８＝２０．５５＝２０となるので、上記計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）は１８．５μｓｅｃとなり、その計測間隔時間Ｉｔ内で計測点毎の計測処理たとえば対象物１８までの距離Ｄを求めるための距離演算が実行される。

走査回数決定部４６は、たとえば図６に示すように、計測間隔時間決定部４４により決定された計測間隔時間Ｉｔと有効走査角度範囲Ａ’（＝±４０°）とに基づいて予め実験的に求められた走査回数と角度分解能との関係を予め記憶し、その走査回数と角度分解能との関係から計測間隔時間Ｉｔ（たとえば１８．５μｓｅｃ）を超える範囲で、手動操作に基づいて測定モード選択器２８により選択された測定モードに基づいて、その選択された測定モードに対応する分解能を得るための走査回数Ｍを算出する。たとえば、選択された測定モードが２．０（ｄｅｇ．）以下の分解能で測定することを前提とする標準分解能モードすなわち第１モードである場合は、その分解能２．０（ｄｅｇ．）が得られる走査回数Ｍのうちの最小走査回数Ｍ（＝５）が決定される。また、選択された測定モードがたとえば１．０（ｄｅｇ．）以下の分解能で測定する高分解能モードすなわち第２モードである場合は、その分解能１．０（ｄｅｇ．）が得られる走査回数Ｍのうちの最小走査回数Ｍ（＝１０）が決定される。

遅延時間決定部４８は、走査毎に遅延させるための、有効走査角度範囲Ａ’における走査開始点ｔｓから最初の測定点ｔ１までの遅延時間Ｄｔ（＝Ｉｔ／Ｍ）を、計測間隔時間決定部４４で求められた計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）と、走査回数決定部４６で決定された走査回数Ｍとに基づいて算出したり、或いは、予め記憶された関係（マップ）から計測間隔時間決定部４４で求められた計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）と、走査回数決定部４６で決定された走査回数Ｍとに基づいて決定する。各走査開始時の実際の遅延時間ＤＴは、ＤＴ＝Ｄｔ×（Ｍ−１）式から算出される。すなわち、１回目はＤＴ＝０、２回目はＤＴ＝Ｄｔ、３回目はＤＴ＝２Ｄｔとなる。

ビーム出力制御部５０は、上記のようにして求められた計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）および遅延時間Ｄｔに基づいて、レーザ光出力素子１２を制御し、図４に示すパルス状のレーザ光Ｌを出力させる。このレーザ光Ｌは、走査角度範囲Ａの最大振幅点である走査開始点ｔ０から所定区間たとえば最初の計測パルス点ｔ１までの一定の区間Ｂで連続光となる幅広のパルスに続いて、計測間隔時間Ｉｔ毎のパルス列を含むものである。

距離算出部５２は、レーザ光出力素子１２からレーザ光Ｌが発射された時点と、そのレーザ光Ｌの照射点Ｓからの戻り光Ｒが戻り光検知器２２により検知された時点との時間差ＴＯＦ（ｎｓ）を求め、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。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。距離算出部５２は、たとえば、測定された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位置に基づいて対象物１８の表面形状を表示器へ出力する。

図７および図８は、電子制御装置３０の制御作動の要部を説明するフローチャートである。図７において、図示しない起動操作体が操作されることにより起動されると、ステップＳ１（ 以下、ステップを省略する）においてレーザ光出力素子１２に駆動信号が供給されてレーザ光Ｌが出力されるとともに、Ｓ２において、走査ミラー１４に所定周波数の駆動電圧信号が供給されて走査ミラー１４が共振させられる。これにより、ミラー駆動制御部３８により、ビーム検出器２６によるレーザ光Ｌの走査開始時の検出時間Ｅが最大となるように走査ミラー１４の圧電膜１４ｄへの駆動周波数を制御するフィードバック制御が開始される。ついで、走査周期決定部４０に対応するＳ３では、走査ミラー１４の実際の走査（共振）周波数ｆｍおよび走査周期（駆動周期）Ｔｍが、ビーム検出器２６により検出されたことを示す出力信号の時刻に基づいて算出される。

次に、Ｓ４では、標準分解能モードであるか否かが手動で選択操作される測定モード選択器２８からの信号に基づいて判断され、Ｓ４の判断が否定された場合は、Ｓ１１において、高分解能モードであるか否かが測定モード選択器２８からの信号に基づいて判断される。Ｓ４およびＳ１１の判断が共に否定される場合は、Ｓ４およびＳ１１が繰り返し実行される。Ｓ４の判断が肯定された場合はＳ５乃至Ｓ８が実行されて、標準分解能モードで距離測定できるようにレーザ光Ｌのパルス出力が制御されるが、Ｓ１１の判断が肯定された場合はＳ１２乃至Ｓ１５が実行されて、高分解能モードで距離測定できるようにレーザ光Ｌのパルス出力が制御される。

Ｓ５では、計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）、走査回数Ｍ、および遅延時間Ｄｔ（＝Ｉｔ／Ｍ）を求めるための図８に示す動作条件決定処理ルーチンが実行される。図８において、計測点数決定部４２に対応するＳ５１では、たとえば有効走査角度範囲Ａ’内において、マイクロコンピュータで必要とされる１計測点のための演算処理時間を計測点間の計測処理時間を十分に超えなければならないという制約条件と、上記実際の走査周期Ｔｍとに基づいて１周期内の計測点数Ｎが算出される。ついで、計測間隔時間決定部４４に対応するＳ５２では、上記実際の走査周期Ｔｍと計測点数Ｎとに基づいて計測点間周期である計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）が算出される。

走査回数決定部４６に対応するＳ５３乃至Ｓ５６では、予め実験的に求められた走査回数Ｍと角度分解能との関係から、計測間隔時間Ｉｔ（たとえば１８．５μｓｅｃ）を超える範囲で、標準分解能モードの分解能２．０（ｄｅｇ．）を得ることができる最小の走査回数Ｍが求められる。すなわち、Ｓ５３において初期値（Ｍ＝２）が設定され、Ｓ５４において走査回数Ｍが２であるときの分解能が図６の関係から求められ、Ｓ５５において、上記求められた分解能が標準分解能モードの分解能２．０（ｄｅｇ．）よりも細かいか否かが判断される。当初はこのＳ５５の判断が否定されるので、Ｓ５６において走査回数Ｍが１だけ増加されてＭ＝３とされ、Ｓ５４以下がＳ５５の判断が肯定されるまで繰り返し実行される。走査回数Ｍが５に到達するとＳ５５の判断が肯定されるので、選択された標準分解能測定モードに対応する分解能２．０（ｄｅｇ．）を得るための走査回数Ｍが５に決定される。

次に、遅延時間決定部４８に対応するＳ５７では、走査毎に最初の測定点ｔ１を順次遅延させるための、有効走査角度範囲Ａ’における走査開始点ｔｓから最初の測定点ｔ１までの遅延時間Ｄｔ（＝Ｉｔ／Ｍ）が、計測間隔時間決定部４４で求められた計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）と、走査回数決定部４６で決定された走査回数Ｍとに基づいて算出する。各走査開始時の実際の遅延時間ＤＴは、ＤＴ＝Ｄｔ×（Ｍ−１）式から、１回目はＤＴ＝０、２回目はＤＴ＝Ｄｔ、３回目はＤＴ＝２Ｄｔとなる。

以上のようにして計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）、操作回数Ｍ、および遅延時間Ｄｔ（＝Ｉｔ／Ｍ）が求められると、図７のＳ６、Ｓ７では、計測間隔時間Ｉｔ、遅延時間Ｄｔがそれぞれ記憶されるとともに、ビーム出力制御部５０に対応するＳ８において、上記計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）および遅延時間Ｄｔに基づいて、レーザ光出力素子１２が制御されて図４に示すパルス状のレーザ光Ｌが出力され、標準分解能モードの分解能２．０（ｄｅｇ．）を得るために決定されたＭ回だけ走査される。ついで、距離算出部５２に対応するＳ９およびＳ１０が実行される。Ｓ９では、レーザ光出力素子１２からレーザ光Ｌが発射された時点と、そのレーザ光Ｌの照射点Ｓからの戻り光Ｒが戻り光検知器２２により検知された時点との時間差ＴＯＦ（ｎｓ）が求められ、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が、測定点毎にすなわち走査角度位置毎に算出される。Ｓ１０では、Ｓ９において求められた距離が有効走査角度範囲Ａ’内においてそれぞれ求められたか、或いは異常値が含まれたか否かが判断される。このＳ１０の判断が否定されるうちは、Ｓ４以下が繰り返し実行されるが、Ｓ１０の判断が肯定されると、Ｓ９の距離計測が終了させられる。

前記Ｓ１１の判断が肯定される場合は、Ｓ１２において、図８に示すものと同様に、計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）、走査回数Ｍ、および遅延時間Ｄｔ（＝Ｉｔ／Ｍ）が求められる。但し、このときの走査回数Ｍは、予め実験的に求められた走査回数Ｍと角度分解能との関係から、計測間隔時間Ｉｔ（たとえば１８．５μｓｅｃ）を超える範囲で、高分解能モードの分解能１．０（ｄｅｇ．）を得ることができる最小の走査回数Ｍが求められる点で相違する。

ついで、Ｓ５乃至Ｓ７と同様にしてＳ１２乃至１４が実行されるとともに、ビーム出力制御部５０に対応するＳ１５において、上記計測間隔時間Ｉｔ（＝Ｔｍ／Ｎ）および遅延時間Ｄｔに基づいて、レーザ光出力素子１２が制御されて図４に示すパルス状のレーザ光Ｌが出力され、高分解能モードの分解能１．０（ｄｅｇ．）を得るために決定されたＭ回だけ走査される。そして、Ｓ９およびＳ１０が同様に実行されて、対象物１８までの距離が走査角度位置毎に測定される。

図９は、上記標準分解能モードが選択されているときの有効走査角度範囲Ａ’内において、５回の走査の波形に沿って順次発生する１００点の計測点を示すタイムチャートである。図１１の下段には、この標準分解能モードにおける各計測点の走査角度位置を、偏向角度範囲を示す横軸上に平行な線上の点（白丸点）に示している。この横軸に平行な線上における各計測点間の角度間隔のうちの最も広い角度間隔が光学式距離測定装置１０の実際の分解能１．９５（ｄｅｇ．）として性能上特定される。これにより、標準分解能モードでの基準である分解能２．０（ｄｅｇ．）が満足されることが確認される。

これに対して、図１０は、上記高分解能モードが選択されているときの走査角度Ａ’内において、１０回の走査の波形に沿って順次発生する２００点の計測点を示すタイムチャートである。図１１の上段には、この高分解能モードにおける各計測点の走査角度位置を、偏向角度範囲を示す横軸上に平行な線上の点（菱型点）にて示している。この横軸に平行な線上における各計測点間の角度間隔のうちの最も広い角度間隔が光学式距離測定装置１０の実際の分解能０．８８（ｄｅｇ．）として性能上特定される。これにより、高分解能モードでの基準である分解能１．０（ｄｅｇ．）が満足されることが確認される。

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、電子制御装置（制御部）３０により、ビーム検出器２６により基準位置で光ビームＬが検知されて（ｔ０時点）から最初の距離測定タイミングまでの遅延時間Ｄｔが走査ミラー１４による実際の走査周期Ｔｍに基づいて決定され、光ビームＬの走査毎に、ビーム検出器２６でレーザ光Ｌが検知されてからその遅延時間Ｄｔに基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで戻り光Ｒを得るためのレーザ光Ｌが出力される。このため、レーザ光Ｌの走査角度範囲Ａ内において駆動信号と走査位置とのずれがなくなるので、正確な走査位置精度が得られて、距離測定の精度を維持できる。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、遅延時間Ｄｔは、距離測定時間間隔Ｉｔを、走査角度範囲Ａ内の複数の角度位置での距離測定について予め定められた分解能を満たす最小の走査回数Ｍで除すことに基づいて得られる値すなわち商（＝Ｉｔ／Ｍ）である。である。このため、走査角度範囲Ａ内における測定タイミングの密度が一層均一となって高く分解能が維持される。

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Ｌの走査角度範囲Ａの走査が走査回数Ｍだけ完了したときには、そのレーザ光Ｌの走査により得られた戻り光Ｒの光量および走査角度位置データが得られたか否かが判定され、得られなかった場合は、再測定が実施される。このため、何らかの理由で戻り光Ｒの光量や走査角度位置データが得られなかった場合は自動的に再測定されるので、測定精度の低下が防止される。

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Ｌは、測定時間間隔Ｉｔのパルス光を含むものである。このため、レーザ光出力素子１２を駆動するための消費電力が可及的に少なくされる。例えば、光学式距離測定装置１０が携帯型である場合、の電池寿命が長くなる利点がある。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、レーザ光Ｌは、走査角度範囲Ａ内のうち走査開始点からビーム検出器２６が検出する基準位置を走査する期間は、連続光として走査される。このため、ビーム検出器２６により、レーザ光Ｌの走査が確実に検出されるとともに、レーザ光Ｌの走査振幅或いはその大小の算出が容易となる。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、走査周期内のレーザ光Ｌのパルス数Ｎは、走査ミラー１４の実際の走査周期Ｔｍを除算することで得られ商がたとえば１８μｓｅｃ程度の予め定められた演算処理時間を上まわる整数のうち、その商が最も小さくなる整数であり、距離測定時間間隔Ｉｔは、走査ミラー１４による走査周期Ｔｍをその整数Ｎで除すことに基づいて得られた値すなわち商（＝Ｔｍ／Ｎ）である。このため、リアルタイムで演算が可能となって光ビーム走査後の演算負荷が少なくなり、距離測定結果を速やかに得ることができる。

また、本実施例の光学式距離測定装置１０によれば、走査ミラー１４は、共振周波数を有する共振型のミラーであり、ミラー駆動制御部３８により、走査角度範囲Ａ内の予め定められた基準位置のレーザ光Ｌを検知するビーム検出器２６の出力信号に基づいて、走査ミラー１４によるレーザ光Ｌの走査角度範囲Ａが最大領域となるように励振周波数を調節するミラー駆動制御部を含むものである。このようにすれば、温度変化のような外乱が発生して走査ミラー１４の共振周波数がずれたとしても、走査ミラー１４は常にその最大振幅範囲内となるように駆動信号の周波数が調節されて、結果的には走査ミラー１４の実際の共振周波数で励振されるようになるので、走査ミラーによるレーザ光の走査角度範囲Ａが一定し、レーザ光Ｌの走査角度範囲Ａにおいて駆動信号と走査位置とのずれがなく、距離測定の精度を維持できる。

また、レーザ光Ｌを受けてそれを反射し、そのレーザ光Ｌを所定の走査角度範囲Ａ内で走査させる走査ミラー１４を備え、そのレーザ光Ｌの照射による対象物からの戻り光Ｒに基づいて距離測定を行なう本実施例の光学式距離測定装置１０で実施される光学式距離測定方法では、走査ミラー１４により反射されるレーザ光Ｌを走査角度範囲Ａ内の予め定められた基準位置で検知するビーム検出器２６を用いて走査ミラー１４による実際の走査周期Ｔｍが算出され、ビーム検出器２６によりレーザ光Ｌが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間Ｄｔが走査ミラー１４による実際の走査周期Ｔｍに基づいて決定され、レーザ光Ｌの走査毎に、基準位置でレーザ光Ｌが検知されてから遅延時間Ｄｔ後に距離測定時間間隔Ｉｔ毎の距離測定タイミングで戻り項Ｒを得るための光ビームＬが出力される。このため、レーザ光Ｌの走査角度範囲Ａにおいて駆動信号と走査位置とのずれがなくなるので、正確な測定位置精度が得られて、距離測定の精度を維持できる。

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では、遅延時間Ｄｔは、距離測定時間間隔Ｉｔを、走査角度範囲Ａ内の複数の角度位置での距離測定について予め定められた分解能を満たす最小の走査回数Ｍで除すことで得られた商（＝Ｉｔ／Ｍ）が用いられ、遅延時間Ｄｔとしては、１．８５２μｓｅｃが用いられていた。しかし、この遅延時間Ｄｔは正確に商（＝Ｉｔ／Ｍ）である必要はなく、それに近い値たとえば１．８５１μｓｅｃまたはそれ以下の値とか１．８５３２μｓｅｃまたはそれ以上の値が用いられても差し支えない。要するに、遅延時間Ｄｔは、距離測定時間間隔Ｉｔを、走査角度範囲Ａ内の複数の角度位置での距離測定について予め定められた分解能を満たす最小の走査回数Ｍで除することに基づいて得られた値であればよいのである。

また、前述の実施例のレーザ光Ｌが用いられていたが、必ずしもレーザ光Ｌでなくてもよく、たとえばＬＥＤなどから出力される光がレンズによって平行光とされた光ビームであってもよい。

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を介して軸心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、これに限定されない。例えば、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を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走査ミラーなど、非共振ミラーが用いられてもよい。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、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。

また、前述のビーム検出器２６は、ビーム反射ミラー２０ｂが配置されている位置に設けられていてもよい。

また、前述の電子制御装置３０は、マイクロコンピュータにより構成されていたが、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などと称される書き換え可能なロジックデバイスや、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）と称されるカスタムＩＣや、例えばＡＳＳＰ（Application Specific Standard Product）と称される特定用途ＩＣなどから構成されたものでもよい。

また、前述の実施例のミラー駆動制御部３８において、ビーム検出器２６によるレーザ光Ｌの検出時間間隔Ｅが最大となるように走査ミラー１４の励振周波数が制御されていたが、その検出時間間隔Ｅは、ｔｅ時点からｔｓ時点までの間隔に替えて、走査ミラー１４に対する電圧駆動信号から求められるｔ０時点からｔｓ時点までの間隔であってもよい

また、前述の実施例における遅延時間Ｄｔは、基準位置でレーザ光Ｌが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの時間であったが、２番目の距離測定タイミングまでの時間であってもよい。

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：光学式距離測定装置
１２：レーザ光出力素子（光源）
１４：走査ミラー
１６：第１光学系
１８：対象物
２０：第２光学系
２２：戻り光検知器
２４：第３光学系
２６：ビーム検出器（光検知器）
２８：測定モード選択器
３０：電子制御装置（制御部）
３８：ミラー駆動制御部
４０：走査周期決定部
４２：計測点数決定部
４４：計測間隔時間決定部
４６：走査回数決定部
４８：遅延時間決定部
５０：ビーム出力制御部
５２：距離算出部
Ｌ：レーザ光（光ビーム）

Claims (8)

1. 光ビームを出射する光源と、前記光ビームを受けてそれを反射し、その光ビームを所定の走査角度範囲内で繰り返し走査する走査ミラーを備え、その光ビームの照射による対象物からの戻り光に基づいて距離測定を行なう光学式距離測定装置であって、
   前記走査ミラーにより走査される前記光ビームを前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置で検知する光検知器と、
   前記光検知器により前記基準位置で前記光ビームが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間を前記走査ミラーによる実際の走査周期に基づいて決定し、前記光ビームの走査毎に、前記光検知器で前記光ビームが検知されてから前記遅延時間に基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで前記戻り光を得るための光ビームを出力させる制御部と
   を、含むことを特徴とする光学式距離測定装置。
2. 前記制御部は、前記距離測定時間間隔を、前記走査角度範囲内の複数角度位置での距離測定について予め定められた分解能を満たす最小の走査回数で除すことに基づいて、前記遅延時間を決定することを特徴とする請求項１の光学式距離測定装置。
3. 前記制御部は、前記光ビームの前記走査角度範囲の走査が前記走査回数だけ完了したときには、その光ビームの走査により得られた前記戻り光の光量および走査角度位置データが得られたか否かを判定し、得られなかった場合は、再測定を実施することを特徴とする請求項２の光学式距離測定装置。
4. 前記光源は、前記光ビームとして、前記測定時間間隔のパルス光を出射するものである請求項１乃至３のいずれか１の光学式距離測定装置。
5. 前記光源は、前記走査角度範囲のうち走査開始点から前記光検知器が検知する前記基準位置を走査する期間において、前記光ビームとして連続光を出射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１の光学式距離測定装置。
6. 前記光源は、前記走査周期内の間に、前記走査ミラーの実際の走査周期を除算することで得られた値が予め定められた演算処理時間を上まわる最小の整数のパルス数を有する光ビームを出射し、
   前記制御部は、前記走査ミラーによる実際の走査周期をその整数で除すことで前記距離測定時間間隔を決定することを特徴とする請求項２の光学式距離測定装置。
7. 前記走査ミラーは、共振周波数を有する共振型のミラーであり、
   前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置の光ビームを検知する前記光検知器の出力信号に基づいて、前記走査ミラーによる光ビームの走査角度範囲が予め定められた最大領域となるように励振周波数を調節するミラー駆動制御部を、
   含むものである請求項１乃至６のいずれか１の光学式距離測定装置。
8. 光ビームを出射する光源と、前記光ビームを受けてそれを反射し、その光ビームを所定の走査角度範囲内で繰り返し走査する走査ミラーとを備え、その光ビームの照射による対象物からの戻り光に基づいて距離測定を行なう光学式距離測定方法であって、
   前記走査ミラーにより反射される前記光ビームを前記走査角度範囲内の予め定められた基準位置で検知する光検知器を用いて前記走査ミラーによる実際の走査周期を算出する算出ステップと、
   その光検知器により前記光ビームが検知されてから最初の距離測定タイミングまでの遅延時間を前記走査ミラーによる実際の走査周期に基づいて決定する決定ステップと、
   前記光ビームの走査毎に、前記基準位置で前記光ビームが検知されてから前記遅延時間に基づいて距離測定時間間隔毎の距離測定タイミングで前記戻り光を得るための光ビームを出力させる出力ステップと
   を、含むことを特徴とする光学式距離測定方法。

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