JP2016035411A - レーザレンジファインダ - Google Patents

Abstract

【課題】小型、かつ、遠方の対象物の距離計測を行うことができるレーザレンジファインダを提供する。【解決手段】本発明に係るレーザレンジファインダ１は、光源１０と、所定方向に延びる揺動軸Ｊを中心に揺動することにより、光源１０からのレーザ光を走査するスキャナミラー２０と、対象物２からの反射光の光路上に配置され、当該反射光をスキャナミラー２０に集光する第１集光レンズ３０と、第１集光レンズ３０によって集光された反射光のスキャナミラー２０からの反射光の光路上に配置され、当該スキャナミラー２０からの反射光を集光する第２集光レンズ４０と、第２集光レンズ４０によって集光された第２反射光を受光する受光素子７０とを備え、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０は、光源１０から出力されたレーザ光がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダに関する。

ロボットが自律移動する時の障害物を検知するためのセンサ、あるいは、人物を検知するためのセンサには、例えば、レーザレンジファインダ（Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ、ＬＲＦ）がある。

レーザレンジファインダは、レーザ光が出射されてから、レーザ光が対象物に当たって反射した反射光が返ってくるまでの時間の測定を行い、測定結果から対象物までの距離を算出する。レーザレンジファインダは、レーザ光を出射する方向を水平方向および垂直方向に変化させることで、距離の測定を行う範囲（以下、「走査範囲」と称する）の全体において対象物までの距離の測定を行う。

このようなレーザレンジファインダとして、光源から出射されたレーザ光をレーザレンジファインダから出射するための出射光学系と、対象物からの反射光を受光する受光光学系とが一体化された構造をモータで回転駆動させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。レーザレンジファインダは、対象物からの反射光と出射光の位相差から距離情報を取得する。また、レーザレンジファインダは、さらに、所定の間隔で複数のスリットが形成されたスリット板を当該モータで回転させて、スリット板の回転経路上に配置したフォトインタラプタによって検出されたパルス数を用いて回転角情報を取得する。これにより、レーザレンジファインダは、２次元の距離情報を算出することができる。

特開２００９−６３３３９号公報

しかしながら、このようなモータを用いた構成の場合、モータのサイズは当該モータによって回転駆動される光学系の重量に依存する。したがって、レーザレンジファインダの小型化が困難であるという問題がある。

また、モータを用いた構成に代わり、レーザ光の出射方向を調整するスキャナミラー（マイクロミラーとも呼ぶ）を用いる構成が提案されている。

しかしながら、小型で且つ高速に駆動するスキャナミラーの場合、有効径は１〜３ｍｍ程度と小さく、当該スキャナミラーにおいて入光量が制限されることにより受光素子で受光できる光量が微弱となる。よって、当該場合には、モータを用いた構成と比較して、遠方の対象物から十分な測定光の強度を得ることが難しい。一方、遠方の対象物から十分な測定光の強度を得るためには、スキャナミラーの有効径を例えば数十ｍｍレベル程度にすることが要求される。よって、レーザレンジファインダの小型化が困難となる。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、小型、かつ、遠方の対象物の距離計測を行うことができるレーザレンジファインダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザレンジファインダは、対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、レーザ光を出射する光源と、所定方向に延びる揺動軸を中心に揺動することにより、前記光源からのレーザ光を走査する揺動ミラーと、前記揺動ミラーからのレーザ光の前記対象物からの反射光である第１反射光の光路上に配置され、当該第１反射光を前記揺動ミラーに集光する第１光学部材と、前記第１光学部材によって集光された前記第１反射光の前記揺動ミラーからの反射光である第２反射光の光路上に配置され、当該第２反射光を集光する第２光学部材と、前記第２光学部材によって集光された前記第２反射光を受光する受光素子とを備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材は、前記光源から出力された前記レーザ光が前記レーザレンジファインダの外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。

これにより、対象物からの反射光を受光素子に集光するための第１光学部材及び第２光学部材による、対象物へ照射されない透過光又は反射光の一部の戻り光の発生を抑制することができるので、遠方の対象物の距離計測を行うことができる。さらに、揺動ミラーによってレーザ光を走査することにより、小型化を実現できる。つまり、本態様に係るレーザレンジファインダは、小型、かつ、遠方の対象物の距離計測を行うことができる。

例えば、前記光源から出射されたレーザ光は、透過型の光学部材を通ることなく前記レーザレンジファインダの外部に出射されてもよい。

これにより、対象物へ照射されない透過光又は反射光の一部の戻り光を、より確実に低減することができる。

また、前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、前記所定方向において、前記揺動ミラーからのレーザ光の光路に対して互いに反対側に配置されていてもよい。

また、前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、前記所定方向の異なる位置に配置され、前記揺動ミラーからのレーザ光は、前記第１光学部材と前記第２光学部材との間に形成された空隙を通過して前記レーザレンジファインダの外部に出射されてもよい。

これにより、レーザレンジファインダを一層小型化することができる。つまり、揺動ミラーから光源、第１光学部材及び第２光学部材の各々を見た方向を、所定方向から見て略同一とすることができるので、これらが当該方向から見て互いに異なる方向に配置されている場合と比較して、レーザレンジファインダを一層小型化することができる。

また、前記光源からのレーザ光は、前記空隙を通過して前記揺動ミラーに到達してもよい。

また、前記第２光学部材は、前記光源からのレーザ光を通過させて前記揺動ミラーに到達させる貫通孔を有してもよい。

これにより、所定方向においてレーザ光の光路よりも第１集光部材側の光を集光することができる。つまり、広範囲の光を集光することで受光素子に導く反射光の光量を大きくすることができる。したがって、一層遠方に位置された対象物の距離計測を行うことができる。

また、前記揺動ミラーから前記第１光学部材を見た方向と、前記揺動ミラーから前記第２光学部材を見た方向とは、前記所定方向から見て互いに異なり、前記レーザレンジファインダは、前記第１光学部材と前記第２光学部材とからなる組を複数組備え、当該複数組のうち第１の組と第２の組とは、前記所定方向において、前記揺動ミラーの反射面の法線を中心とした線対称に配置されていてもよい。

このように、同一光学系を対象に複数組配置することにより、対象物からの反射光を一層大きく受光できる。よって、一層遠方に位置する対象物の距離計測を行うことができる。

また、例えば、前記第２光学部材は、前記第２反射光を透過することにより集光する第２集光レンズであってもよい。

また、例えば、前記第２光学部材は、前記第２反射光を反射することにより集光する反射ミラーであってもよい。

また、前記第２光学部材は、前記所定方向において、前記第２反射光を正の作用で屈折させることにより平行光を出射し、前記レーザレンジファインダは、さらに、前記第２光学部材から出射された平行光を前記受光素子に集光する第３光学部材を備えてもよい。

これにより、第２光学部材と第３光学部材との間に、光源から出射されたレーザ光の波長を含む狭帯域の波長の光を透過し、他の光を抑制するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を設けることができる。よって、本態様では、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。ここで、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦでは、透過率が入射角依存性を有する。そこで、第２光学部材が平行光を出射することにより、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦを用いた場合であっても、透過率を同等にすることができるので、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。

また、例えば、前記第１光学部材は、前記所定方向、及び、当該所定方向に直交する直交方向のうち、前記所定方向のみに集光作用を有するトロイダルレンズであってもよい。

本発明によると、小型、かつ、遠方の対象物の距離計測を行うことができる。

実施の形態１に係るレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態１に係るレーザレンジファインダの対象物からの反射光の受光光路を示す光路図である。 実施の形態１に係るレーザレンジファインダのＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１における第１集光レンズの構成を示す上面図である。 図４ＡのＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面における第１集光レンズの光路図である。 実施の形態１における第２集光レンズのＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１における第３集光レンズのＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１の変形例１に係るレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態１の変形例１における、スキャナミラー、第１集光レンズ及び第２集光レンズの配置を示す上面図である。 実施の形態１の変形例２に係るレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態１の変形例２における、スキャナミラー、第１集光レンズ及び第２集光レンズの配置と、光路とを示す図である。 実施の形態２に係るレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態２における集光ミラーの構成を示す斜視図である。 実施の形態２に係るレーザレンジファインダのＹＺ平面における光路図である。 実施の形態２に係るレーザレンジファインダが奏する効果について説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は、必ずしも各寸法または各寸法比等を厳密に図示したものではない。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係るレーザレンジファインダについて、図１〜図６を用いて説明する。

［１．レーザレンジファインダの全体構成］
まず、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の構成について、図１を用いて説明する。

図１は、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１の概略構成の一例を示す斜視図である。なお、図１にはレーザレンジファインダ１によって、当該レーザレンジファインダ１からの距離が測定される対象物２も示されている。また、図１は、レーザレンジファインダ１の筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。また、図１では、Ｚ軸方向をレーザレンジファインダ１の走査軸（基準方向）に平行な軸として示しており、Ｙ軸を垂直方向（設置状態での重力の作用する方向）として示している。以下ではＹ軸方向を垂直方向として説明するが、使用態様によってはＹ軸方向が垂直方向にならない場合も考えられるため、Ｙ軸方向は垂直方向となることには限定されない。以下の図においても、同様である。

また、以下において、例えば、Ｘ軸方向プラス側とは、Ｘ軸の矢印方向側を示しており、Ｘ軸方向マイナス側とは、Ｘ軸方向プラス側とは反対側を示す。Ｙ軸方向やＺ軸方向についても同様である。

図１に示すように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、筐体１１の内部に配置された次の構成部材を備える。具体的には、レーザレンジファインダ１は、光源１０と、スキャナミラー２０と、第１集光レンズ３０と、第２集光レンズ４０と、固定ミラー５０と、第３集光レンズ６０と、受光素子７０とを備える。また、図示しないが、レーザレンジファインダ１は、さらに、光源１０から出射されたレーザ光と受光素子７０で受光された光との位相差を用いて、対象物２までの距離を求める信号処理部を備える。

光源１０は、レーザ光１０１を出射する、例えば、レーザダイオード（ＬＤ：（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）)である。この光源１０は、具体的には、出射するレーザ光１０１の光軸が、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊに垂直な面に対して傾くように配置され、レーザ光１０１をスキャナミラー２０へ向けて出射する。また、光源１０は、さらに、ＬＤから出射された発散光をコリメート光（平行光）に変換するコリメートレンズを備え、平行光であるレーザ光１０１を出射する。

スキャナミラー２０は、図１に示すように、所定方向（本実施の形態では垂直方向）に延びる揺動軸Ｊを中心に揺動することにより、光源１０からのレーザ光１０１を走査する揺動ミラーの一例である。つまり、スキャナミラー２０は、光源１０からのレーザ光１０１を、レーザレンジファインダ１のスキャン用のレーザ光１０２として反射する。これにより、レーザ光１０２はスキャンエリアを走査される。このスキャナミラー２０は、例えば、電子回路を形成するシリコン基板上に、微小な機械部品であるミラーを形成して構成されるＭＥＭＳミラーである。

第１集光レンズ３０は、スキャナミラー２０からのレーザ光１０２の対象物２からの反射光である第１反射光（本実施の形態では反射光１０３）の光路上に配置され、当該第１反射光（反射光１０３）をスキャナミラー２０に集光する第１光学部材の一例である。この第１集光レンズ３０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまで（筐体１１外部に出射されるまで）の光路と異なる位置に配置されている。第１集光レンズ３０の詳細については、後述する。

第２集光レンズ４０は、第１集光レンズ３０によって集光された第１反射光（本実施の形態では反射光１０４）のスキャナミラー２０からの反射光である第２反射光（本実施の形態では、反射光１０５）の光路上に配置され、当該第２反射光（反射光１０５）を集光する第２光学部材の一例である。この第２集光レンズ４０は、上記第１集光レンズ３０と同様に、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。第２集光レンズ４０の詳細については、後述する。

ここで、「集光する」とは、正のパワーを有する光学部材で屈折させる、又は、反射させることを示す。つまり、集光作用を有する光学部材とは、正のパワーを有する光学部材である。具体的には、上記第１集光レンズ３０は、平行光又は発散光である対象物２からの反射光１０３を集光することによりスキャナミラー２０に集光する反射光１０４を出射するのに対し、上記第２集光レンズ４０は、スキャナミラー２０からの発散光である反射光１０５を集光することにより平行光１０６を出射する。

固定ミラー５０は、平行光１０６の光路上に配置され、当該平行光１０６を反射することにより平行光１０７を出射する略平板状のミラーである。

第３集光レンズ６０は、第２集光レンズ４０から出射された平行光１０６を受光素子７０に集光する第３光学部材の一例である。具体的には、当該第３集光レンズは、平行光１０７の光路上に配置され、固定ミラー５０から出射された平行光１０７を受光素子７０に集光することにより、平行光１０６を受光素子７０に集光する。第３集光レンズ６０の詳細については、後述する。

受光素子７０は、第２集光レンズ４０によって集光された反射光１０５を受光する、例えば、フォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、又は、当該フォトダイオードよりも高感度なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で構成されている。具体的には、受光素子７０は、第２集光レンズ４０によって集光された反射光１０５である平行光１０６を、固定ミラー５０及び第３集光レンズ６０を介して受光する。

信号処理部（図示せず）は、光源１０から出射されたレーザ光に含まれた変調信号と、受光素子７０が受光した光に含まれる変調信号との位相差を用いて、レーザレンジファインダ１から対象物２までの距離を算出する。つまり、信号処理部は、当該位相差を用いて、レーザ光が光源１０から出射されてから受光素子７０で受光されるまでの時間を算出する。この時間は、レーザ光が光源１０から測定対象物までを往復するのにかかる時間である。したがって、信号処理部は、当該時間の１／２に光の速さを乗算することにより、当該距離を求めることができる。

以上、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の構成について説明した。

ここで、レーザ光１０１、１０２は、光強度が比較的大きな直線偏光の光である。これに対し、対象物２からの反射光１０３は、レーザ光１０２が対象物２によって拡散反射されることにより、光強度の非常に小さな拡散光となる。

そこで、本実施の形態では、拡散光である反射光１０３を、第１集光レンズ３０によって反射光１０４としてスキャナミラー２０に集光する。また、スキャナミラー２０によって反射光１０４が反射された光、つまり当該スキャナミラー２０から発散する反射光１０５を、第２集光レンズ４０によって集光して受光素子７０に導く。これにより、本実施の形態では、受光素子７０が検知できるだけの十分な光量を確保することができる。

さらに、本実施の形態では、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０を、光源１０から出力されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまでの光路（以下、出射光の光路と記載する場合あり）と異なる位置に配置することにより、受光素子７０が検知できるだけの十分な光量を確実に確保することができる。つまり、対象物２が遠方に位置することにより、当該対象物２からの反射光１０３の光強度が非常に小さい場合であっても、距離計測を行うことができる。

具体的には、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０が出射光の光路上に配置されている場合、光源１０から出射されたレーザ光１０１の一部が第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０によって反射される場合がある。つまり、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０による、対象物２へ照射されない透過光又は反射光の一部の戻り光の発生により、レーザレンジファインダから出射されるレーザ光１０２の光強度が光源１０から出射されたレーザ光１０１の光強度よりも小さくなる場合がある。このような場合には、対象物２からの反射光１０３も小さくなってしまうため、遠方の対象物２の距離計測ができなくなる恐れがある。

これに対して、本実施の形態では、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０を出射光の光路と異なる位置に配置することにより、戻り光の発生を抑制することができるので、遠方の対象物２の距離計測を行うことができる。

［２．光学系］
次に、上記説明した本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の光路、及び、光学系の部品の構成について、図２〜図６を用いて詳細に説明する。なお、以下では、当該レーザレンジファインダ１の光学系の部品のうち、第１集光レンズ３０、第２集光レンズ４０、及び、第３集光レンズ６０の構成について詳述し、他の光学系の部品については説明を省略する。

［２−１．受光光路］
まず、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の対象物２からの反射光１０３の受光光路について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の対象物２からの反射光１０３の受光光路を示す光路図である。なお、同図では、説明の都合上、スキャナミラー２０に入射するまでの反射光（反射光１０３、１０４）の光路と、スキャナミラー２０で反射されてからの反射光（反射光１０５、平行光１０６、及び、平行光１０７）の光路とを、スキャナミラー２０を中心に反転させて示している。

同図に示すように、対象物２からの反射光１０３は、第１集光レンズ３０によってスキャナミラー２０に集光する反射光１０４となる。したがって、スキャナミラー２０によって反射された反射光１０４は、当該スキャナミラー２０から発散する光である反射光１０５となる。反射光１０５は、第２集光レンズ４０によって集光されて平行光１０６となって当該第２集光レンズ４０から出射される。その後、平行光１０６は、固定ミラー５０によって反射されることで平行光１０７となって第３集光レンズ６０へ導かれた後に第３集光レンズ６０によって受光素子７０に集光される。

このような受光光路を構成するために、各レンズ（第１集光レンズ３０、第２集光レンズ４０及び第３集光レンズ６０）は次のような機能を有することが求められる。

すなわち、第１集光レンズ３０は、スキャナミラー２０の走査角度範囲において、当該スキャナミラー２０の揺動軸Ｊと平行な方向（本実施の形態では垂直方向）に正のパワーを有することが求められる。また、第２集光レンズ４０は、当該揺動軸Ｊと平行な方向に正のパワーを有することが求められる。また、第３集光レンズ６０は、正のパワーを有することが求められる。

このような機能を実現する各レンズの面形状としては、垂直方向に平行な断面において、次のように構成されていることが好ましい。具体的には、第１集光レンズ３０では、反射光１０３の入射側面が凸面、かつ、反射光１０４の出射面が平面で構成され、第２集光レンズ４０では、反射光１０５の入射面が平面、かつ、平行光１０６の出射面が凸面で構成され、第３集光レンズ６０では、平行光１０７の入射面が凸面、かつ、出射面が平面又は凸面であることが好ましい。なお、以下では、各レンズの面形状をこのように説明するが、この面形状は、比較的少ないレンズ枚数（例えば、３枚のレンズ）で収差を良好に補正するための一例であり、上述したような機能を有するパワー配置を実現できる構成であれば、各レンズの面形状はこれに限定されない。

［２−２．配置］
次に、上述したような機能を有する第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０との配置について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１のＹＺ平面における光路図である。

同図に示すように、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。すなわち、光源１０から出射されたレーザ光１０１は、透過型の光学部材を通ることなくレーザレンジファインダ１の外部に出射される。

具体的には、図１及び図３に示すように、第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とは、垂直方向の異なる位置に配置されている。ここで、光源１０からのレーザ光１０１及びスキャナミラー２０からのレーザ光１０２は、第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０との間に形成された空隙を通過して、レーザレンジファインダ１の外部に出射される。

ここで、図３に示すように、反射光１０３の光路ａ１、ａ２は、スキャナミラー２０に入射する前では光路ａ１の高さ（Ｙ軸方向プラス側の位置）が光路ａ２の高さよりも高いが、スキャナミラー２０で反射された後では光路ａ１の高さが光路ａ２の高さよりも低くなる。

［２−３．構成］
次に、本実施の形態における各レンズ（第１集光レンズ３０、第２集光レンズ４０、及び、第３集光レンズ６０）の構成について、説明する。

［２−３−１．第１集光レンズ］
まず、第１集光レンズ３０の構成について、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本実施の形態における第１集光レンズ３０の構成を示す上面図である。具体的には、同図は、当該第１集光レンズ３０をＹ軸方向プラス側から見た構成を示す上面図である。図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面における第１集光レンズ３０の光路図である。なお、図４Ａ及び図４Ｂには、説明の都合上、スキャナミラー２０も図示されている。

図４Ａに示すように、第１集光レンズ３０は、水平方向（ＸＺ平面に平行な方向）については、集光作用を有していない。具体的には、第１集光レンズ３０は、水平方向において、厚みが略同等である。

また、図４Ｂに示すように、第１集光レンズ３０は、垂直方向に集光作用を有し、入射した反射光１０３をスキャナミラー２０の中心付近に集光する。ここで、図４ＡのＡ−Ａ’断面で切断した場合の断面形状と、図４ＡのＢ−Ｂ’断面で切断した場合の断面形状とは、略同一となっている。なお、図４ＡのＡ−Ａ’断面及びＢ−Ｂ’断面以外の第１集光レンズ３０の断面形状も、図４Ｂと略同一である。

第１集光レンズ３０は、レーザ光１０２の光路の上方（Ｙ軸方向プラス側）に配置され、当該第１集光レンズ３０の光軸上に、当該第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とで形成される空隙が位置するように形成されている。

このような第１集光レンズ３０としては、例えば、垂直方向及び水平方向（ＸＺ平面に平行な方向）のうち、垂直方向のみに集光作用を有するトロイダルレンズを用いることができる。このトロイダルレンズは、具体的には、円をその中心を通らない直線を軸として回転したときに生ずる曲面であるトロイダル面を有し、ＸＺ平面で切断した場合の断面形状の曲率と、ＹＺ平面で切断した場合の断面形状の曲率とが互いに異なっている。

［２−３−２．第２集光レンズ］
次に、第２集光レンズ４０の構成について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態における第２集光レンズ４０のＹＺ平面における光路図である。なお、同図には、説明の都合上、スキャナミラー２０も図示されている。

同図に示すように、第２集光レンズ４０は、垂直方向に集光作用を有し、スキャナミラー２０から拡がり角を有して当該第２集光レンズ４０に入射された反射光１０５を集光することにより、平行光１０６を出射する。

第２集光レンズ４０は、レーザ光１０１の光路の下方（Ｙ軸方向マイナス側）に配置され、当該第２集光レンズ４０の光軸上に、第１集光レンズ３０と当該第２集光レンズ４０とで形成される空隙が位置するように形成されている。

このような第２集光レンズ４０としては、例えば、垂直方向に集光作用を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。このシリンドリカルレンズは、具体的には、Ｘ軸方向と平行な回転軸を有する円柱がＸ軸方向と平行な平面で分割された形状を有する。

このような第２集光レンズ４０から出射された平行光１０６は、固定ミラー５０で反射されることにより、当該反射光１０５と光軸が異なる平行光１０７となって第３集光レンズ６０に入射される。

［２−３−３．第３集光レンズ］
次に、第３集光レンズ６０の構成について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態における第３集光レンズ６０のＹＺ平面における光路図である。なお、同図には、説明の都合上、受光素子７０も図示されている。

第３集光レンズ６０は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のいずれにも集光作用を有し、固定ミラー５０から入射した平行光１０７を受光素子７０の受光面の中心付近に集光する。なお、図６は、ＹＺ平面で切断した場合の第３集光レンズ６０の断面形状が図示されているが、ＸＹ平面で切断した場合の第３集光レンズ６０の断面形状も、図６と略同一である。

このような第３集光レンズ６０としては、例えば、一般的な光軸回転対称の凸レンズを用いることができる。

［３．効果等］
以上説明したように、本実施の形態では、光源１０からのレーザ光１０１を走査するスキャナミラー２０を備え、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０は、出射光の光路と異なる位置に配置されている。

これにより、対象物２からの反射光１０３を受光素子７０に集光するための第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０による、対象物２へ照射されない透過光又は反射光の一部の戻り光の発生を抑制することができるので、遠方の対象物２の距離計測を行うことができる。さらに、スキャナミラー２０によってレーザ光１０２を走査することにより、小型化を実現できる。つまり、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、小型、かつ、遠方の対象物２の距離計測を行うことができる。

また、本実施の形態では、光源１０から出射されたレーザ光１０１は、透過型の光学部材を通ることなくレーザレンジファインダ１の外部に出射されている。

これにより、光源１０から出射されたレーザ光１０１の戻り光の発生を、より確実に抑制することができる。

また、本実施の形態では、第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とは、垂直方向において、スキャナミラー２０からのレーザ光１０１の光路に対して互いに反対側に配置されている。具体的には、第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とは、所定方向の異なる位置に配置され、スキャナミラー２０からのレーザ光１０１は、第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０との間に形成された空隙を通過してレーザレンジファインダ１の外部に出射される。

これにより、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１を一層小型化することができる。つまり、スキャナミラー２０から光源１０、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０の各々を見た方向を、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て略同一とすることができるので、これらが当該方向から見て互いに異なる方向に配置されている場合と比較して、レーザレンジファインダ１を一層小型化することができる。

また、本実施の形態では、第２集光レンズ４０は、反射光１０５を正の作用で屈折させることにより平行光を出射し、レーザレンジファインダ１は、さらに、第２集光レンズ４０から出射された平行光を受光素子７０に集光する第３集光レンズ６０を備える。

これにより、第２集光レンズ４０と第３集光レンズ６０との間に、光源１０から出射されたレーザ光１０１の波長を含む狭帯域の波長の光を透過し、他の光を抑制するＢＰＦを設けることができる。よって、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。ここで、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦでは、透過率が入射角依存性を有する。そこで、第２集光レンズ４０が平行光を出射することにより、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦを用いた場合であっても、透過率を同等にすることができるので、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。

（実施の形態１の変形例１）
以下、実施の形態１の変形例１に係るレーザレンジファインダについて、図７及び図８を用いて説明する。

図７は、実施の形態１の変形例１に係るレーザレンジファインダ１Ａの概略構成の一例を示す斜視図である。なお、図７は、レーザレンジファインダ１Ａの筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。同図では、固定ミラー５０、第３集光レンズ６０及び受光素子７０については、図示を省略している。図８は、実施の形態１の変形例１における、スキャナミラー２０、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０の配置を示す上面図である。具体的には、同図は、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見た場合のスキャナミラー２０、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０の配置が示されている。

本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ａは、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１とほぼ同様であるが、次の点で異なる。

具体的には、上記実施の形態１では、スキャナミラー２０から第１集光レンズ３０を見た方向と、スキャナミラー２０から第２集光レンズ４０を見た方向とが、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て実質的に同一であった。つまり、上記実施の形態１では、第１集光レンズ３０の光軸と第２集光レンズ４０の光軸とは、当該垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て実質的に同一であった。

これに対して、本変形例では、図７及び図８に示すように、スキャナミラー２０から第１集光レンズ３０を見た方向と、スキャナミラー２０から第２集光レンズ４０を見た方向とが、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て互いに異なる。つまり、本変形例では、第１集光レンズ３０の光軸と第２集光レンズ４０の光軸とは、当該垂直方向から見て互いに異なっている。

以上のように構成された本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ａも、上記実施の形態１と同様に、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０が、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１Ａの外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されていることにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

また、スキャナミラー２０から第１集光レンズ３０を見た方向と、スキャナミラー２０から第２集光レンズ４０を見た方向とが、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て互いに異なることにより、第１集光レンズ３０及び第２集光レンズ４０の配置の自由度が向上する。

（実施の形態１の変形例２）
以下、実施の形態１の変形例２に係るレーザレンジファインダについて、図９及び図１０を用いて説明する。

図９は、実施の形態１の変形例２に係るレーザレンジファインダ１Ｂの概略構成の一例を示す斜視図である。なお、同図は、レーザレンジファインダ１Ｂの筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。また、同図では、光源１０、固定ミラー５０、第３集光レンズ６０及び受光素子７０については、図示を省略している。図１０は、実施の形態１の変形例２における、スキャナミラー２０、第１集光レンズ３０Ａ、３０Ｂ及び第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂの配置と、光路ａ１〜ａ４とを示す図である。なお、同図では、説明の都合上、スキャナミラー２０に入射する光の光路とスキャナミラー２０で反射されて出射される光の光路とを、スキャナミラー２０を中心に反転させて示している。また、第１集光レンズ３０Ａ、３０Ｂについては、レーザ光１０１の光路を含む垂直方向に切断した場合の断面形状を示し、第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂについては、レーザ光１０２の光路を含む垂直方向に切断した場合の断面形状を示している。

図９及び図１０に示すように、本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ｂは、実施の形態１の変形例１における第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とを２組備えた構成である。なお、本実施の形態における第１集光レンズ３０Ａ、３０Ｂは、上記実施の形態１の変形例１における第１集光レンズ３０に相当し、第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂは、上記実施の形態１の変形例１における第２集光レンズ４０に相当する。

つまり、本変形例では、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て、スキャナミラー２０から見た方向が互いに異なる第１集光レンズ３０と第２集光レンズ４０とからなる組を複数組（本変形例では２組）備える。具体的には、本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ｂは、第１集光レンズ３０Ａと第２集光レンズ４０Ａとからなる第１の組と、第１集光レンズ３０Ｂと第２集光レンズ４０Ｂとからなる第２の組とを備える。

ここで、当該第１の組と当該第２の組とは、垂直方向において、スキャナミラー２０の反射面の法線を中心とした線対称に配置されている。言い換えると、本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ｂは、同一光学系を上下対象に配置した構成を有する。具体的には、対象物２からの反射光１０３Ａ、１０３Ｂは、各組（第１の組及び第２の組）の第１集光レンズ３０Ａ、３０Ｂによってスキャナミラー２０に集光される。スキャナミラー２０で反射されることによりスキャナミラー２０から拡がり角を有して出射された光は、各組（第１の組及び第２の組）の第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂで集光されることにより、平行光１０６Ａ、１０６Ｂとなって当該第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂから出射されて、固定ミラー（図示せず）及び第３集光ミラー（図示せず）を介して受光素子（図示せず）に導かれる。

このように、本変形例では、同一光学系を上下対象に複数組配置することにより、対象物２からの反射光を一層大きく受光できる。よって、一層遠方に位置する対象物２の距離計測を行うことができる。

ここで、図３に示すように、反射光１０３Ａの光路ａ１、ａ２及び反射光１０３Ｂの光路ａ３、ａ４の高さ（Ｙ軸方向プラス側の位置）は、スキャナミラー２０に入射する前では高い順に光路ａ１、光路ａ２、光路ａ３、及び、光路ａ４となっているが、スキャナミラー２０で反射された後では、高い順に光路ａ４、光路ａ３、光路ａ２、及び、光路ａ１となっている。

以上のように構成された本変形例に係るレーザレンジファインダ１Ｂも、上記実施の形態１と同様に、第１集光レンズ３０Ａ、３０Ｂ及び第２集光レンズ４０Ａ、４０Ｂが、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１Ｂの外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されていることにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、本変形例では、同一光学系を２組配置した構成を例に説明したが、これに限らず、同一光学系を３組以上配置した構成であってもよい。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に係るレーザレンジファインダについて、図１１〜図１４を用いて説明する。

図１１は、実施の形態２に係るレーザレンジファインダ２０１の概略構成の一例を示す斜視図である。なお、図１１にはレーザレンジファインダ２０１による対象物２も示されている。また、図１１は、レーザレンジファインダ２０１の筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。図１２は、実施の形態２における集光ミラー２４０（後述する）の構成を示す斜視図である。

図１１に示すように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１は、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１とほぼ同様であるが、第２集光レンズ４０に代わり集光ミラー２４０を備える点が異なる。以下、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１について、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１と異なる点を中心に説明する。

集光ミラー２４０は、第１集光レンズ３０によって集光された第１反射光（本実施の形態では反射光１０４）のスキャナミラー２０からの反射光である第２反射光（本実施の形態では、反射光１０５）の光路上に配置され、当該第２反射光（反射光１０５）を集光する第２光学部材の一例である。この集光ミラー２４０は、図１１及び図１２に示すように、光源１０からのレーザ光１０１を通過させてスキャナミラー２０に到達させる貫通孔２４１を有する。集光ミラー２４０としては、例えば、垂直方向に集光作用を有するシリンドリカル凹面ミラーに貫通孔２４１が形成された構成を用いることができる。

次に、第１集光レンズ３０と集光ミラー２４０との配置について、図１１及び図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１のＹＺ平面における光路図である。

図１１及び図１３に示すように、第１集光レンズ３０及び集光ミラー２４０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ２０１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。すなわち、光源１０から出射されたレーザ光１０１は、透過型の光学部材を通ることなくレーザレンジファインダ２０１の外部に出射される。

具体的には、図１１及び図１３に示すように、第１集光レンズ３０と集光ミラー２４０とは、垂直方向の異なる位置に配置されている。ここで、光源１０からのレーザ光１０１は、実施の形態１と異なり、集光ミラー２４０に形成された貫通孔２４１を通過してスキャナミラー２０に到達する。一方、スキャナミラー２０からのレーザ光１０２は、実施の形態１と同様に、第１集光レンズ３０と集光ミラー２４０との間に形成された空隙を通過して、レーザレンジファインダ２０１の外部に出射される。

また、集光ミラー２４０は、垂直方向に集光作用を有し、スキャナミラー２０から拡がり角を有して当該第２集光レンズ４０に入射された反射光１０５を集光することにより、平行光２０６を出射する。

以上説明したように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１によれば、第１集光レンズ３０及び集光ミラー２４０が、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ２０１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されていることにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

また、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１によれば、集光ミラー２４０が、光源１０からのレーザ光１０１を通過させてスキャナミラー２０に到達させる貫通孔２４１を有する。これにより奏される効果について、図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態２に係るレーザレンジファインダ２０１が奏する効果について説明する図である。具体的には、同図は、本実施の形態における集光ミラー２４０のＹＺ平面における光路図である。

同図に示すように、集光ミラー２４０は、スキャナミラー２０からの反射光１０５のうち、レーザ光１０１の光路よりも下方（Ｙ軸方向マイナス側）の光路ａ１、ａ２を通る反射光に加え、さらに、レーザ光１０１の光路よりも上方（Ｙ軸方向プラス側）の光路ａ３を通る反射光を集光することができる。つまり、受光素子７０に導く平行光２０６の光量を大きくすることができる。したがって、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ２０１によれば、一層遠方に位置された対象物２の距離計測を行うことができる。

なお、集光ミラー２４０の第１集光レンズ３０側の端部は、レーザ光１０２の走査領域に近接した水平面であってもよい。つまり、集光ミラー２４０の第１集光レンズ３０側の端面は、水平面（ＹＺ平面に平行な面）によって形成されていてもよい。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態に係るレーザレンジファインダについて説明したが、本発明は、これら実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記説明では、光源１０から出射されたレーザ光１０１を、スキャナミラー２０に直接到達させたが、当該レーザ光１０１を、ミラー及びプリズム等の光学部材を介してスキャナミラー２０に到達させてもよい。つまり、レーザ光１０１をスキャナミラー２０に間接的に到達させてもよい。

ただし、レーザ光１０１をスキャナミラー２０に直接到達させることにより、測距信号のノイズの要因となる光学部品の表面反射による迷光を抑えることができる。

また、上記説明では、反射光１０３をスキャナミラー２０に集光する第１光学部材として第１集光レンズを例に説明したが、当該第１光学部材はこれに限らない。例えば、第１光学部材として、上述したトロイダル面を反射面とするミラーを用いる、或いは、複数枚のミラーを組み合わせても構わない。

また、上記説明では、平行光１０７を集光する第３光学部材として第３集光レンズ６０を例に説明したが、当該第３光学部材はこれに限らない。例えば、第３光学部材として、平行光を反射することにより受光素子７０に集光するミラーを用いても構わない。

また、上記説明では、反射光１０５を第２光学部材で正のパワーで屈折させることにより平行光１０６とした後に第３集光レンズ６０によって受光素子７０に集光したが、第３集光レンズ６０を設けずに、第２光学部材によって、受光素子７０に集光してもよい。

さらに、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。

本発明は、物体の距離を測定するレーザレンジファインダ、及び、物体の距離を測定することにより当該物体の形状を測定する形状測定装置等に適用可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、２０１ レーザレンジファインダ
２ 対象物
１０ 光源
１１ 筐体
２０ スキャナミラー（揺動ミラー）
３０、３０Ａ、３０Ｂ 第１集光レンズ（第１光学部材）
４０、４０Ａ、４０Ｂ 第２集光レンズ（第２光学部材）
５０ 固定ミラー
６０ 第３集光レンズ（第３光学部材）
７０ 受光素子
２４０ 集光ミラー（第１光学部材）
２４１ 貫通孔
Ｊ 揺動軸
１０１、１０２ レーザ光
１０３〜１０５ 反射光
１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ、１０７、２０６ 平行光

Claims (11)

1. 対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、
   レーザ光を出射する光源と、
   所定方向に延びる揺動軸を中心に揺動することにより、前記光源からのレーザ光を走査する揺動ミラーと、
   前記揺動ミラーからのレーザ光の前記対象物からの反射光である第１反射光の光路上に配置され、当該第１反射光を前記揺動ミラーに集光する第１光学部材と、
   前記第１光学部材によって集光された前記第１反射光の前記揺動ミラーからの反射光である第２反射光の光路上に配置され、当該第２反射光を集光する第２光学部材と、
   前記第２光学部材によって集光された前記第２反射光を受光する受光素子とを備え、
   前記第１光学部材及び前記第２光学部材は、前記光源から出力された前記レーザ光が前記レーザレンジファインダの外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている
   レーザレンジファインダ。
2. 前記光源から出射されたレーザ光は、透過型の光学部材を通ることなく前記レーザレンジファインダの外部に出射される
   請求項１に記載のレーザレンジファインダ。
3. 前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、前記所定方向において、前記揺動ミラーからのレーザ光の光路に対して互いに反対側に配置されている
   請求項１又は２に記載のレーザレンジファインダ。
4. 前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、前記所定方向の異なる位置に配置され、
   前記揺動ミラーからのレーザ光は、前記第１光学部材と前記第２光学部材との間に形成された空隙を通過して前記レーザレンジファインダの外部に出射される
   請求項３に記載のレーザレンジファインダ。
5. 前記光源からのレーザ光は、前記空隙を通過して前記揺動ミラーに到達する
   請求項４に記載のレーザレンジファインダ。
6. 前記第２光学部材は、前記光源からのレーザ光を通過させて前記揺動ミラーに到達させる貫通孔を有する
   請求項４に記載のレーザレンジファインダ。
7. 前記揺動ミラーから前記第１光学部材を見た方向と、前記揺動ミラーから前記第２光学部材を見た方向とは、前記所定方向から見て互いに異なり、
   前記レーザレンジファインダは、前記第１光学部材と前記第２光学部材とからなる組を複数組備え、
   当該複数組のうち第１の組と第２の組とは、前記所定方向において、前記揺動ミラーの反射面の法線を中心とした線対称に配置されている
   請求項３に記載のレーザレンジファインダ。
8. 前記第２光学部材は、前記第２反射光を透過することにより集光する第２集光レンズである
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザレンジファインダ。
9. 前記第２光学部材は、前記第２反射光を反射することにより集光する反射ミラーである
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザレンジファインダ。
10. 前記第２光学部材は、前記所定方向において、前記第２反射光を正の作用で屈折させることにより平行光を出射し、
    前記レーザレンジファインダは、さらに、前記第２光学部材から出射された平行光を前記受光素子に集光する第３光学部材を備える
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザレンジファインダ。
11. 前記第１光学部材は、前記所定方向、及び、当該所定方向に直交する直交方向のうち、前記所定方向のみに集光作用を有するトロイダルレンズである
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザレンジファインダ。

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