JP2018040748A - Laser range measuring device - Google Patents

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義博 花田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the efficiency of light concentration at short distances.SOLUTION: A laser range measuring device is equipped with a first light concentrating unit, a second light concentrating unit, and a measuring unit. The first light concentrating unit concentrates the first reflected light of output light emitted from a light source into a prescribed light concentrating area in a detector. The second light concentrating unit deflects the second reflected light of the output light in the direction of the detector and concentrates it into the prescribed light concentrating area. The measuring unit measures the distance to an object having reflected the output light on the basis of at least one of the first reflected light and the second reflected light detected by the detector.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザー距離計測装置に関する。   The present invention relates to a laser distance measuring device.

従来、物体に対してレーザー光を出射して、物体によって反射された反射光に基づいて物体までの距離を計測する技術が知られている。かかる技術は、LiDAR(Light Detection and Ranging)とも呼ばれ、この技術が適用されたレーザー距離計測装置は、種々の分野に応用されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for emitting a laser beam to an object and measuring a distance to the object based on reflected light reflected by the object is known. Such a technique is also called LiDAR (Light Detection and Ranging), and a laser distance measuring device to which this technique is applied is applied to various fields.

特開平5−346535号公報JP-A-5-346535

上述したレーザー距離計測装置は、例えば、コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置され、光源から出射されたレーザー光をコリメートレンズによって平行光にし、物体に照射する。ここで、物体とは、レーザー距離計測装置の周囲に存在する測定対象物であり、光源から出射されたレーザー光が照射され、レーザー距離計測装置に対してレーザー光を反射させる全ての物を含む。レーザー距離計測装置は、物体によって反射された反射光を集光レンズによって光検出器に集光させることで、反射光を検出する。ここで、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にない(コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置されている)レーザー距離計測装置では、集光レンズに入射される反射光は、物体までの距離に応じて入射角が変化する。すなわち、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にないレーザー距離計測装置では、物体までの距離が遠くなるほど反射光の集光レンズへの入射角が小さくなり、物体までの距離が近いほど反射光の集光レンズへの入射角は大きくなる。   In the laser distance measuring device described above, for example, a collimating lens and a condensing lens are arranged side by side with different central axes, and laser light emitted from a light source is converted into parallel light by a collimating lens and irradiated onto an object. Here, the object is a measurement object existing around the laser distance measuring device, and includes all objects that are irradiated with the laser light emitted from the light source and reflect the laser light to the laser distance measuring device. . The laser distance measuring device detects the reflected light by condensing the reflected light reflected by the object on a photodetector with a condenser lens. Here, in the laser distance measuring device in which the collimating lens and the condensing lens are not coaxial (the collimating lens and the condensing lens are arranged side by side with different central axes), they are incident on the condensing lens. The incident angle of the reflected light changes according to the distance to the object. That is, in a laser distance measuring device in which the collimator lens and the condenser lens are not coaxial, the incident angle of the reflected light to the condenser lens decreases as the distance to the object increases, and the reflected light decreases as the distance to the object decreases. The incident angle to the condenser lens increases.

例えば、物体までの距離が遠く、反射光の入射角が小さい場合、集光レンズで集光された反射光は、光検出器の集光点に良好に集光される。しかしながら、物体までの距離が近く、反射光の入射角が大きい場合、集光レンズで集光された反射光が光検出器の集光点から外れ、反射光の検出が困難となる場合があった。   For example, when the distance to the object is long and the incident angle of the reflected light is small, the reflected light collected by the condenser lens is favorably collected at the light collection point of the photodetector. However, if the distance to the object is close and the incident angle of the reflected light is large, the reflected light collected by the condenser lens may be off the light collecting point of the photodetector, making it difficult to detect the reflected light. It was.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、近距離での集光効率を向上させることができるレーザー距離計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a laser distance measuring device capable of improving the light collection efficiency at a short distance.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザー距離計測装置は、光源から出射された出力光の第1反射光を検出器における所定の集光領域に対して集光させる第1集光部と、前記出力光の第2反射光を前記検出器の方向に偏向させるとともに、前記所定の集光領域に対して集光させる第2集光部と、前記検出器によって検出された前記第1反射光及び前記第2反射光のうち少なくとも一方に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部と、を備える。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a laser distance measuring device according to an aspect of the present invention uses a first reflected light of output light emitted from a light source to a predetermined light collection region in a detector. A first condensing part for condensing the light, a second condensing part for deflecting the second reflected light of the output light in the direction of the detector, and condensing the predetermined condensing area, A measurement unit that measures a distance to an object that reflects the output light based on at least one of the first reflected light and the second reflected light detected by a detector.

本発明の一態様によれば、近距離での集光効率を向上させることができる。   According to one embodiment of the present invention, light collection efficiency at a short distance can be improved.

図1は、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す上面図及び正面図である。FIG. 1 is a top view and a front view showing the configuration of the laser distance measuring apparatus according to the first embodiment. 図2は、第1の実施形態に係る小径集光レンズを介した第2反射光の経路を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a path of the second reflected light through the small-diameter condensing lens according to the first embodiment. 図3Aは、第1の実施形態に係る小径集光レンズの形成手法について説明するための図である。FIG. 3A is a diagram for explaining a method for forming a small-diameter condensing lens according to the first embodiment. 図3Bは、第1の実施形態に係る小径集光レンズを含む光学系の一例を示す図である。FIG. 3B is a diagram illustrating an example of an optical system including the small-diameter condensing lens according to the first embodiment. 図3Cは、第1の実施形態に係る小径集光レンズのビームプロファイルを示す図である。FIG. 3C is a diagram showing a beam profile of the small-diameter condensing lens according to the first embodiment. 図4は、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the laser distance measuring apparatus according to the first embodiment. 図5Aは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す上面図である。FIG. 5A is a top view showing a configuration of a general laser distance measuring device. 図5Bは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。FIG. 5B is a front view showing a configuration of a general laser distance measuring device. 図5Cは、集光レンズから集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。FIG. 5C is a diagram illustrating a result of the tracking simulation of the light beam collected from the condenser lens. 図6Aは、一般的なレーザー距離計測装置による測定結果の一例を示す図である。FIG. 6A is a diagram illustrating an example of a measurement result obtained by a general laser distance measuring device. 図6Bは、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置による測定結果の一例を示す図である。FIG. 6B is a diagram illustrating an example of a measurement result obtained by the laser distance measuring device according to the first embodiment. 図7は、第1の実施形態に係る第2集光部の変形例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a modified example of the second light collecting unit according to the first embodiment. 図8は、第1の実施形態に係る第2集光部の変形例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a modification of the second light collecting unit according to the first embodiment. 図9は、第2の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。FIG. 9 is a front view showing the configuration of the laser distance measuring apparatus according to the second embodiment. 図10は、第2の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the laser distance measuring apparatus according to the second embodiment.

以下、実施形態に係るレーザー距離計測装置について図面を参照して説明する。なお、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。   Hereinafter, a laser distance measuring device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the relationship of the dimension of each element in a drawing, the ratio of each element, etc. may differ from reality. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100の構成を示す上面図及び正面図である。ここで、図1においては、上図にレーザー距離計測装置100の上面図を示し、下図に正面図を示す。図1に示すように、レーザー距離計測装置100は、光源110aと、発光回路基板110bと、コリメートレンズ120と、小径集光レンズ130と、大径集光レンズ140と、光検出器150aと、受光回路基板150bと、制御回路基板160とを備え、各構成が筐体内に収められている。ここで、各構成を収める筐体は、コリメートレンズ120、小径集光レンズ130及び大径集光レンズ140側に光を透過する窓を有しており、コリメートレンズ120、小径集光レンズ130及び大径集光レンズ140は、該窓の位置に配置される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view and a front view showing the configuration of the laser distance measuring apparatus 100 according to the first embodiment. Here, in FIG. 1, a top view of the laser distance measuring device 100 is shown in the upper diagram, and a front view is shown in the lower diagram. As shown in FIG. 1, the laser distance measuring device 100 includes a light source 110a, a light emitting circuit board 110b, a collimator lens 120, a small-diameter condenser lens 130, a large-diameter condenser lens 140, a photodetector 150a, A light receiving circuit board 150b and a control circuit board 160 are provided, and each component is housed in a housing. Here, the housing that houses each component has a window that transmits light to the collimating lens 120, the small-diameter condenser lens 130, and the large-diameter condenser lens 140, and the collimator lens 120, the small-diameter condenser lens 130, and the like. The large-diameter condenser lens 140 is disposed at the position of the window.

レーザー距離計測装置100は、光源110aから出射した出力光(例えば、レーザー光)をコリメートレンズ120によって平行光として対象空間に出射し、対象空間内の物体(測定対象物)によって反射された反射光を大径集光レンズ140によって光検出器150aに集光させることで、物体によって反射された反射光を検出する。そして、レーザー距離計測装置100は、検出した反射光に基づいて、物体までの距離を計測する。なお、遠距離にある物体からの戻り光は、近距離にある物体からの戻り光と比較して、大きく拡散された状態にあり、コリメートレンズ120を中心とした大きな分散を持つガウス分布となる。ここで、レーザー距離計測装置100は、大径集光レンズ140とは異なる集光部としての小径集光レンズ130を備えることにより、近距離での集光効率を向上させることができる。すなわち、レーザー距離計測装置100は、第1集光部(大径集光レンズ140)と、第2集光部(小径集光レンズ130)を備え、大径集光レンズ140によって第1反射光を光検出器150aに集光し、小径集光レンズ130によって第2反射光を光検出器150aに集光する。ここで、大径集光レンズ140によって集光される第1反射光は、遠距離にある物体によって反射された反射光であり、小径集光レンズ130によって集光される第2反射光は、近距離にある物体によって反射された反射光である。また、小径集光レンズ130では、遠距離にある物体からの戻り光も集光し得る。すなわち、第2集光部では、近距離にある物体からの戻り光(第2反射光)だけではなく、遠距離にある物体からの戻り光(第1反射光)も集光することができる。以下、レーザー距離計測装置100の詳細について説明する。また、以下では、物体によって反射され、レーザー距離計測装置100に戻ってきた反射光を戻り光とも記載する。   The laser distance measuring device 100 emits output light (for example, laser light) emitted from the light source 110a to the target space as parallel light by the collimator lens 120, and is reflected by an object (measurement target) in the target space. Is condensed on the photodetector 150a by the large-diameter condenser lens 140, thereby detecting the reflected light reflected by the object. Then, the laser distance measuring apparatus 100 measures the distance to the object based on the detected reflected light. Note that the return light from an object at a long distance is in a greatly diffused state compared to the return light from an object at a short distance, and has a Gaussian distribution with a large dispersion around the collimating lens 120. . Here, the laser distance measuring device 100 can improve the light collection efficiency at a short distance by including the small-diameter condenser lens 130 as a condenser part different from the large-diameter condenser lens 140. That is, the laser distance measuring device 100 includes a first light collecting unit (large diameter condensing lens 140) and a second light condensing unit (small diameter condensing lens 130). Is condensed on the photodetector 150a, and the second reflected light is condensed on the photodetector 150a by the small-diameter condenser lens 130. Here, the first reflected light collected by the large-diameter condenser lens 140 is reflected light by an object at a long distance, and the second reflected light condensed by the small-diameter condenser lens 130 is This is reflected light reflected by an object at a short distance. In addition, the small-diameter condensing lens 130 can collect return light from an object at a long distance. That is, the second light collecting unit can collect not only return light (second reflected light) from an object at a short distance but also return light (first reflected light) from an object at a long distance. . Details of the laser distance measuring apparatus 100 will be described below. Hereinafter, the reflected light reflected by the object and returned to the laser distance measuring apparatus 100 is also referred to as return light.

光源110aは、レーザーダイオード(Laser Diode:LD)などの発光素子であり、発光回路基板110bに配設された駆動回路からの駆動信号に応じて、コリメートレンズ120に対して出力光(レーザー光)を出射する。ここで、光源110aは、レーザー光の光軸が水平方向に出射され、かつ、該光軸がコリメートレンズ120から出射される平行光の光軸と揃うように、発光回路基板110b上に配設されている。   The light source 110a is a light emitting element such as a laser diode (LD), and outputs light (laser light) to the collimator lens 120 in accordance with a drive signal from a drive circuit disposed on the light emitting circuit board 110b. Is emitted. Here, the light source 110 a is disposed on the light emitting circuit board 110 b so that the optical axis of the laser light is emitted in the horizontal direction and the optical axis is aligned with the optical axis of the parallel light emitted from the collimator lens 120. Has been.

発光回路基板110bは、光源110aからレーザー光を出射させる駆動回路が配設され、制御回路基板160からの制御信号に応じて駆動信号を光源110aに出力する。ここで、発光回路基板110bは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、長手方向の上側において、光源110aから出射されるレーザー光の光軸がコリメートレンズ120から出射される平行光の光軸と揃う位置に光源110aが配設されている。   The light emitting circuit board 110b is provided with a driving circuit for emitting laser light from the light source 110a, and outputs a driving signal to the light source 110a in accordance with a control signal from the control circuit board 160. Here, the light emitting circuit board 110b is disposed on a base (not shown) so that the longitudinal direction is parallel to the vertical direction, and the optical axis of the laser light emitted from the light source 110a is collimated above the longitudinal direction. A light source 110a is disposed at a position aligned with the optical axis of the parallel light emitted from the lens 120.

コリメートレンズ120は、光源110aのレーザー光の出射面の前方において、光軸が光源110aから出射されるレーザー光の光軸と揃う位置に配置され、鉛直方向において、小径集光レンズ130の上側に配置されている。ここで、コリメートレンズ120は、図1に示すように、水平方向における中心が小径集光レンズ130の中心と一致するように配置されている。また、コリメートレンズ120は、水平方向において、大径集光レンズ140の横に配置されている。そして、コリメートレンズ120は、光源110aから出射されたレーザー光を平行光にして対象空間に出射する。   The collimator lens 120 is disposed in front of the laser light emission surface of the light source 110a at a position where the optical axis is aligned with the optical axis of the laser light emitted from the light source 110a, and above the small-diameter condenser lens 130 in the vertical direction. Has been placed. Here, as shown in FIG. 1, the collimating lens 120 is arranged so that the center in the horizontal direction coincides with the center of the small-diameter condenser lens 130. Further, the collimating lens 120 is disposed beside the large-diameter condenser lens 140 in the horizontal direction. The collimating lens 120 converts the laser light emitted from the light source 110a into parallel light and emits it into the target space.

小径集光レンズ130は、光源110aのレーザー光の出射面の前方に配置され、鉛直方向において、コリメートレンズ120の下側に配置されている。ここで、小径集光レンズ130は、図1に示すように、水平方向における中心がコリメートレンズ120の中心と一致するように配置されている。また、小径集光レンズ130は、水平方向において、大径集光レンズ140の横に配置されている。ここで、小径集光レンズ130は、図1に示すように、鉛直方向における中心が大径集光レンズ140の中心と一致するように配置されている。そして、小径集光レンズ130は、コリメートレンズ120から出射された平行光の戻り光のうち、近距離にある物体によって反射された反射光(第2反射光)を光検出器150aに集光させる。ここで、遠距離にある物体からの戻り光は、近距離にある物体からの戻り光と比較して、大きく拡散された状態にあり、コリメートレンズ120を中心とした大きな分散を持つガウス分布となる。したがって、小径集光レンズ130では、遠距離にある物体からの戻り光も集光し得る。すなわち、第2集光部は、近距離にある物体からの戻り光(第2反射光)だけではなく、遠距離にある物体からの戻り光(第1反射光)も集光できる。つまり、小径集光レンズ130は、遠距離にある物体からの反射光も、近距離にある物体からの反射光も、どちらの反射光であっても光検出器150aに集光することができる。なお、小径集光レンズ130による光検出器150aへの集光の詳細については、後に詳述する。   The small-diameter condenser lens 130 is disposed in front of the laser light emission surface of the light source 110a, and is disposed below the collimating lens 120 in the vertical direction. Here, as shown in FIG. 1, the small-diameter condensing lens 130 is arranged so that the center in the horizontal direction coincides with the center of the collimating lens 120. The small-diameter condenser lens 130 is disposed beside the large-diameter condenser lens 140 in the horizontal direction. Here, as shown in FIG. 1, the small-diameter condenser lens 130 is arranged such that the center in the vertical direction coincides with the center of the large-diameter condenser lens 140. The small-diameter condensing lens 130 condenses the reflected light (second reflected light) reflected by the object at a short distance out of the return light of the parallel light emitted from the collimating lens 120 on the photodetector 150a. . Here, the return light from the object at a long distance is in a greatly diffused state compared to the return light from the object at a short distance, and a Gaussian distribution having a large dispersion around the collimating lens 120 and Become. Therefore, the small-diameter condensing lens 130 can also collect the return light from an object at a long distance. That is, the second light collecting unit can collect not only return light (second reflected light) from an object at a short distance but also return light (first reflected light) from an object at a long distance. That is, the small-diameter condensing lens 130 can condense the reflected light from the object at a long distance and the reflected light from the object at a short distance on the photodetector 150a regardless of the reflected light. . Note that details of light collection on the photodetector 150a by the small-diameter condenser lens 130 will be described later.

大径集光レンズ140は、光検出器150aの検出面の前方に配置され、水平方向において、コリメートレンズ120及び小径集光レンズ130の横に配置されている。ここで、大径集光レンズ140は、図1に示すように、鉛直方向における中心が小径集光レンズ130の中心と一致するように配置されている。そして、大径集光レンズ140は、コリメートレンズ120によって出射された平行光が物体によって反射された戻り光のうち、遠距離にある物体によって反射された反射光(第1反射光)を光検出器150aに対して集光させる。例えば、大径集光レンズ140は、フレネルレンズや、凸レンズなどである。ここで、大径集光レンズ140としてフレネルレンズを用いた場合、大径集光レンズ140の厚みを一定のまま、面積を大きくすることができる。   The large-diameter condenser lens 140 is disposed in front of the detection surface of the photodetector 150a, and is disposed beside the collimating lens 120 and the small-diameter condenser lens 130 in the horizontal direction. Here, as shown in FIG. 1, the large-diameter condenser lens 140 is arranged so that the center in the vertical direction coincides with the center of the small-diameter condenser lens 130. The large-diameter condensing lens 140 detects the reflected light (first reflected light) reflected by the object at a long distance from the return light in which the parallel light emitted by the collimating lens 120 is reflected by the object. The light is condensed with respect to the container 150a. For example, the large-diameter condenser lens 140 is a Fresnel lens, a convex lens, or the like. Here, when a Fresnel lens is used as the large-diameter condenser lens 140, the area can be increased while keeping the thickness of the large-diameter condenser lens 140 constant.

光検出器150aは、検出面の中心が大径集光レンズ140による戻り光の光軸と一致する位置に配置され、小径集光レンズ130及び大径集光レンズ140によって集光される戻り光を検出する。例えば、光検出器150aは、光電子増倍管(PMT:Photomultiplier Tube)や光照射による電気抵抗変化を利用したCdS、PbSなどの光電導素子、半導体のpn接合を利用した光起電力型のフォトダイオード(Photo Diode:PD)などである。フォトダイオードとしては、例えば、PNフォトダイオード、PINフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどである。   The photodetector 150 a is arranged at a position where the center of the detection surface coincides with the optical axis of the return light from the large-diameter condenser lens 140, and the return light condensed by the small-diameter condenser lens 130 and the large-diameter condenser lens 140. Is detected. For example, the photo detector 150a is a photomultiplier tube (PMT), a photoconductive element such as CdS or PbS that utilizes a change in electrical resistance due to light irradiation, or a photovoltaic photon that utilizes a pn junction of a semiconductor. It is a diode (Photo Diode: PD). Examples of the photodiode include a PN photodiode, a PIN photodiode, and an avalanche photodiode.

受光回路基板150bは、増幅回路などが配設され、光検出器150aによって検出された戻り光を増幅して制御回路基板160に出力する。ここで、受光回路基板150bは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、上端に光検出器150aが配設されている。   The light receiving circuit board 150b is provided with an amplifier circuit and the like, amplifies the return light detected by the photodetector 150a, and outputs the amplified light to the control circuit board 160. Here, the light receiving circuit board 150b is disposed on a base (not shown) so that the longitudinal direction thereof is parallel to the vertical direction, and the photodetector 150a is disposed at the upper end.

制御回路基板160は、レーザー距離計測装置100の全体制御を行う回路が配設される。例えば、制御回路基板160は、発光回路基板110bを制御して、光源110aからのレーザー光の出射を制御する。また、制御回路基板160は、光検出器150aによって検出された戻り光に基づいて、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する種々の回路が配設される。   The control circuit board 160 is provided with a circuit that performs overall control of the laser distance measuring apparatus 100. For example, the control circuit board 160 controls the light emitting circuit board 110b to control the emission of laser light from the light source 110a. Further, the control circuit board 160 is provided with various circuits for measuring the distance to the object reflecting the laser beam based on the return light detected by the photodetector 150a.

例えば、制御回路基板160は、TOF(Time of Flight)方式の距離測定を行うための回路、或いは、位相差方式の距離計測を行うための回路などが配設される。TOF方式の距離測定を行う場合、制御回路基板160は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との遅延時間から距離を演算するための回路が配設される。一方、位相差方式の距離計測を行う場合、制御回路基板160は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との位相差を算出し、算出した位相差から距離を演算するための回路が配設される。   For example, the control circuit board 160 is provided with a circuit for performing a distance measurement of a TOF (Time of Flight) method, a circuit for performing a distance measurement of a phase difference method, or the like. When performing the distance measurement of the TOF method, the control circuit board 160 is provided with a circuit for calculating the distance from the delay time between the signal based on the laser light and the signal based on the return light. On the other hand, when performing phase difference distance measurement, the control circuit board 160 calculates the phase difference between the signal based on the laser light and the signal based on the return light, and calculates the distance from the calculated phase difference. Is disposed.

以上、レーザー距離計測装置100の構成について説明した。次に、小径集光レンズ130の詳細について説明する。上述したように、レーザー距離計測装置100は、反射光を集光する集光レンズとして、大径集光レンズ140に加えて小径集光レンズ130を有する。大径集光レンズ140は、光源110aから出射されたレーザー光の第1反射光を光検出器150aにおける所定の集光領域(例えば、検出面の中心を含む領域等)に対して集光させる。これに対して、小径集光レンズ130は、光源110aから出射されたレーザー光の第2反射光における光束を光検出器150aの方向に偏向させるとともに、光検出器150aにおける所定の集光領域に対して集光させる。   The configuration of the laser distance measuring device 100 has been described above. Next, details of the small-diameter condensing lens 130 will be described. As described above, the laser distance measuring apparatus 100 includes the small-diameter condenser lens 130 in addition to the large-diameter condenser lens 140 as a condenser lens that condenses the reflected light. The large-diameter condensing lens 140 condenses the first reflected light of the laser light emitted from the light source 110a on a predetermined condensing area (for example, an area including the center of the detection surface) in the photodetector 150a. . On the other hand, the small-diameter condensing lens 130 deflects the light flux in the second reflected light of the laser light emitted from the light source 110a in the direction of the photodetector 150a, and in a predetermined condensing region in the photodetector 150a. Concentrate the light.

上述したように、一般的なレーザー距離計測装置においては、レーザー光を反射する物体までの距離に応じて、集光レンズに入射される反射光の入射角が変化し、物体までの距離が近い場合に反射光の検出が困難となる場合があった。これは、レーザー距離計測装置100における大径集光レンズ140においても同様であり、コリメートレンズ120から出射された平行光が物体によって反射された戻り光の大径集光レンズ140への入射角は、物体までの距離に応じて変化する。例えば、物体までの距離が遠く、戻り光の大径集光レンズ140への入射角が小さい場合、大径集光レンズ140によって集光される戻り光は、光検出器150aの集光領域に良好に集光される。一方、物体までの距離が近く、戻り光の大径集光レンズ140への入射角が大きい場合、大径集光レンズ140によって集光される戻り光は、光検出器150aの集光領域から外れた位置に集光されることとなり、戻り光の検出が困難となる。   As described above, in a general laser distance measuring apparatus, the incident angle of the reflected light incident on the condenser lens changes according to the distance to the object that reflects the laser light, and the distance to the object is short. In some cases, it may be difficult to detect the reflected light. The same applies to the large-diameter condenser lens 140 in the laser distance measuring device 100, and the incident angle of the return light, which is the parallel light emitted from the collimator lens 120 reflected by the object, on the large-diameter condenser lens 140 is , Depending on the distance to the object. For example, when the distance to the object is far and the incident angle of the return light to the large-diameter condensing lens 140 is small, the return light collected by the large-diameter condensing lens 140 enters the condensing region of the photodetector 150a. Condenses well. On the other hand, when the distance to the object is close and the incident angle of the return light to the large-diameter condenser lens 140 is large, the return light collected by the large-diameter condenser lens 140 is from the condensing region of the photodetector 150a. The light is collected at a position that is off, making it difficult to detect return light.

そこで、レーザー距離計測装置100においては、小径集光レンズ130が、コリメートレンズ120から出射された平行光が物体によって反射された第2反射光を光検出器150aの方向に偏向させるとともに、光検出器150aの集光領域に第2反射光を集光させることで、近距離での集光効率を向上させる。図2は、第1の実施形態に係る小径集光レンズ130を介した第2反射光の経路を示す図である。ここで、図2においては、レーザー距離計測装置100の上面図を示す。例えば、レーザー距離計測装置100においては、コリメートレンズ120が、光源110aから出射されたレーザー光を平行光にして対象空間に出射する。小径集光レンズ130は、図2に示すように、レーザー光が測定対象物に反射された第2反射光を、光検出器150aの方向に偏向させるとともに、光検出器150aにおける所定の集光領域に集光させる。ここで、小径集光レンズ130は、光検出器150aにおいて大径集光レンズ140による第1反射光の集光領域と略同一の集光領域に第2反射光を集光させる。   Therefore, in the laser distance measuring device 100, the small-diameter condensing lens 130 deflects the second reflected light reflected by the object from the collimating lens 120 in the direction of the light detector 150a and detects the light. Condensing efficiency at a short distance is improved by condensing the second reflected light in the condensing region of the container 150a. FIG. 2 is a diagram illustrating a path of the second reflected light through the small-diameter condenser lens 130 according to the first embodiment. Here, in FIG. 2, the top view of the laser distance measuring device 100 is shown. For example, in the laser distance measuring apparatus 100, the collimating lens 120 emits laser light emitted from the light source 110a into parallel light as parallel light. As shown in FIG. 2, the small-diameter condensing lens 130 deflects the second reflected light, which is reflected from the measurement object, in the direction of the photodetector 150a, and at the same time collects a predetermined condensing light in the photodetector 150a. Focus on the area. Here, the small-diameter condensing lens 130 condenses the second reflected light in a condensing region substantially the same as the condensing region of the first reflected light by the large-diameter condensing lens 140 in the photodetector 150a.

例えば、図2に示すように、大径集光レンズ140の直径を「20mm」とし、小径集光レンズ130の横幅を「5mm」とし、大径集光レンズ140の中心と小径集光レンズ130の中心との距離が「14mm」、光検出器150aと大径集光レンズ140との距離が「30mm」となるように各構成を配置する。この場合、小径集光レンズ130への第2反射光が平行光であるとすると、小径集光レンズ130は、点Aにおいて、第2反射光を「θ=65°(=atan30/14)」で屈折させることで、第2反射光の主光線を光検出器150aの中心に入射させることができる。この屈折を実現させるため、小径集光レンズ130は、例えば、以下の手法により形成される。   For example, as shown in FIG. 2, the diameter of the large-diameter condenser lens 140 is “20 mm”, the lateral width of the small-diameter condenser lens 130 is “5 mm”, and the center of the large-diameter condenser lens 140 and the small-diameter condenser lens 130 are arranged. Each component is arranged so that the distance from the center of the lens is “14 mm” and the distance between the photodetector 150 a and the large-diameter condenser lens 140 is “30 mm”. In this case, assuming that the second reflected light to the small-diameter condenser lens 130 is parallel light, the small-diameter condenser lens 130 converts the second reflected light to “θ = 65 ° (= atan30 / 14)” at the point A. The principal ray of the second reflected light can be incident on the center of the photodetector 150a. In order to realize this refraction, the small-diameter condensing lens 130 is formed by the following method, for example.

図3Aは、第1の実施形態に係る小径集光レンズ130の形成手法について説明するための図である。例えば、小径集光レンズ130は、図3Aに示すように、平凸レンズを用いて形成される。一例を挙げると、図3Aに示すようなXYZ座標系において、測定対象物からの第2反射光とZ軸とのなす角が「25°」となるように平凸レンズを配置すると、主光線のY方向余弦が「0」となる。さらに、平凸レンズから光検出器150aまでの距離に基づいて、光検出器150aの受光面でスポットサイズが最少となるように平凸レンズの曲率を最適化する。このような条件で設計された小径集光レンズを用いることで、上記した屈折を実現することができる。   FIG. 3A is a diagram for explaining a method of forming the small-diameter condenser lens 130 according to the first embodiment. For example, the small-diameter condenser lens 130 is formed using a plano-convex lens as shown in FIG. 3A. For example, in the XYZ coordinate system as shown in FIG. 3A, when a plano-convex lens is arranged so that the angle formed between the second reflected light from the measurement object and the Z axis is “25 °”, The cosine in the Y direction is “0”. Further, based on the distance from the plano-convex lens to the photodetector 150a, the curvature of the plano-convex lens is optimized so that the spot size is minimized on the light receiving surface of the photodetector 150a. By using a small-diameter condensing lens designed under such conditions, the above-described refraction can be realized.

図3Bは、第1の実施形態に係る小径集光レンズ130を含む光学系の一例を示す図である。ここで、図3Bにおいては、上記した条件で設計された小径集光レンズ130を含む光学系を示す。例えば、小径集光レンズ130は、図3Bに示すように、曲率半径がおよそ「40mm」の平凸レンズの一部を切り出すことによって形成される。すなわち、曲率半径がおよそ「40mm」の平凸レンズを、測定対象物からの第2反射光とZ軸とのなす角が「25°」となるように配置し、第2反射光が入射する部分のみを切り出したものが小径集光レンズ130となる。なお、図3Bには、平凸レンズ全体が示されているが、これは説明の便宜上示しているものであって、実際には、三角の形状で示す小径集光レンズ130のみが配置される。また、小径集光レンズ130の曲率は、材料となるガラス材質や、集光するレーザー光の波長に応じて、それぞれ設計される。また、小径集光レンズ130は、図1の正面図において正方形に切り出されているが、実施形態はこれに限定されるものではなく、任意の形状に切り出すことが可能である。   FIG. 3B is a diagram illustrating an example of an optical system including the small-diameter condenser lens 130 according to the first embodiment. Here, FIG. 3B shows an optical system including a small-diameter condensing lens 130 designed under the above-described conditions. For example, as shown in FIG. 3B, the small-diameter condensing lens 130 is formed by cutting out a part of a plano-convex lens having a curvature radius of approximately “40 mm”. That is, a plano-convex lens having a radius of curvature of approximately “40 mm” is disposed so that the angle formed by the second reflected light from the measurement object and the Z axis is “25 °”, and the second reflected light is incident thereon. A small-diameter condenser lens 130 is obtained by cutting out only the lens. In FIG. 3B, the entire plano-convex lens is shown, but this is shown for convenience of explanation, and only the small-diameter condensing lens 130 shown in a triangular shape is actually arranged. Further, the curvature of the small-diameter condensing lens 130 is designed according to the glass material used as the material and the wavelength of the laser light to be condensed. Further, the small-diameter condensing lens 130 is cut out in a square shape in the front view of FIG. 1, but the embodiment is not limited to this, and can be cut out in an arbitrary shape.

図3Cは、第1の実施形態に係る小径集光レンズ130のビームプロファイルを示す図である。ここで、図3Cは、図3Bに示す光学系において、小径集光レンズ130が集光する第2反射光のビームプロファイルを示す。図3Cに示すように、小径集光レンズ130によって集光される第2反射光のビームプロファイルは、楕円形状となり、幅が最大で「400μm以下」となる。すなわち、小径集光レンズ130によって光検出器150aに集光される第2反射光は、「400μm以下」に収められる。従って、レーザー距離計測装置100においては、受光面の直径サイズが「0.5mm」の光検出器150aを採用することができる。   FIG. 3C is a diagram showing a beam profile of the small-diameter condenser lens 130 according to the first embodiment. Here, FIG. 3C shows a beam profile of the second reflected light collected by the small-diameter condenser lens 130 in the optical system shown in FIG. 3B. As shown in FIG. 3C, the beam profile of the second reflected light collected by the small-diameter condenser lens 130 has an elliptical shape and the maximum width is “400 μm or less”. That is, the second reflected light condensed on the photodetector 150a by the small-diameter condenser lens 130 is stored in “400 μm or less”. Accordingly, in the laser distance measuring device 100, the photodetector 150a having a diameter of the light receiving surface of “0.5 mm” can be employed.

上述したように、レーザー距離計測装置100では、反射光を集光するために小径集光レンズ130と大径集光レンズ140とを有し、コリメートレンズ120から出射された平行光の反射光を小径集光レンズ130と大径集光レンズ140によって光検出器150aに集光させる。ここで、例えば、コリメートレンズ120から出射された平行光が、レーザー距離計測装置100に近い位置にある第1の物体によって反射された場合、第2反射光が小径集光レンズ130によって光検出器150aに集光され、第1の物体までの距離を計測することができる。一方、コリメートレンズ120から出射された平行光が、レーザー距離計測装置100から遠い位置にある第2の物体によって反射された場合でも、大径集光レンズ140が光検出器150aに対して第1反射光を十分に集光させることができ、第2の物体までの距離を計測することができる。   As described above, the laser distance measuring device 100 includes the small-diameter condenser lens 130 and the large-diameter condenser lens 140 for condensing the reflected light, and reflects the reflected light of the parallel light emitted from the collimator lens 120. The light is condensed on the photodetector 150 a by the small-diameter condenser lens 130 and the large-diameter condenser lens 140. Here, for example, when the parallel light emitted from the collimator lens 120 is reflected by the first object located near the laser distance measuring device 100, the second reflected light is detected by the small-diameter condenser lens 130 as a photodetector. The light is focused on 150a and the distance to the first object can be measured. On the other hand, even when the collimated light emitted from the collimating lens 120 is reflected by the second object located far from the laser distance measuring device 100, the large-diameter condenser lens 140 is first with respect to the photodetector 150a. The reflected light can be sufficiently collected, and the distance to the second object can be measured.

また、コリメートレンズ120から出射された平行光が、距離が異なる物体によってそれぞれ反射され、大径集光レンズ140が第1反射光を集光し、小径集光レンズ130が第2反射光を集光し、光検出器150aが2つの反射光を検出した場合、制御回路基板160における回路は、それぞれの戻り光に基づいて各物体までの距離を計測する。   In addition, the parallel light emitted from the collimator lens 120 is reflected by objects with different distances, the large-diameter condenser lens 140 collects the first reflected light, and the small-diameter condenser lens 130 collects the second reflected light. When the light detector 150a detects two reflected lights, the circuit in the control circuit board 160 measures the distance to each object based on the respective return lights.

次に、図4を用いて、レーザー距離計測装置100による距離計測の処理について説明する。図4は、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100の構成の一例を示すブロック図である。なお、図4においては、TOF方式による距離計測を行う場合を一例に挙げて説明する。図4に示すように、レーザー距離計測装置100の制御回路基板160は、TDC(Time to Digital Converter)回路161と、信号処理回路162と、制御回路163とを有する。なお、信号処理回路162は、計測部とも記載される。   Next, a distance measurement process performed by the laser distance measuring apparatus 100 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the laser distance measuring apparatus 100 according to the first embodiment. In FIG. 4, a case where distance measurement by the TOF method is performed will be described as an example. As shown in FIG. 4, the control circuit board 160 of the laser distance measuring apparatus 100 includes a TDC (Time to Digital Converter) circuit 161, a signal processing circuit 162, and a control circuit 163. The signal processing circuit 162 is also described as a measurement unit.

制御回路163は、発光回路基板110bに配設された駆動回路111bを駆動させることで、光源110aからレーザー光を出射させる。例えば、制御回路163は、任意の周期のパルス信号を駆動回路111bに出力する。駆動回路111bは、パルス信号に同期して駆動信号を生成して光源110aに出力することで、光源110aを駆動させる。光源110aは、駆動回路111bから入力された駆動信号により駆動され、レーザー光をパルス出射する。ここで、制御回路163によって出力されるパルス信号は、リファレンスクロックとして、TDC回路161に出力される。   The control circuit 163 drives the drive circuit 111b disposed on the light emitting circuit board 110b to emit laser light from the light source 110a. For example, the control circuit 163 outputs a pulse signal having an arbitrary period to the drive circuit 111b. The drive circuit 111b drives the light source 110a by generating a drive signal in synchronization with the pulse signal and outputting it to the light source 110a. The light source 110a is driven by the drive signal input from the drive circuit 111b and emits laser light in pulses. Here, the pulse signal output by the control circuit 163 is output to the TDC circuit 161 as a reference clock.

増幅回路151bは、光検出器150aによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してTDC回路161に出力する。TDC回路161は、制御回路163から入力されたパルス信号と、増幅回路151bから入力された電気信号との時間差を示すデジタル信号を信号処理回路162に出力する。信号処理回路162は、TDC回路161から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから物体までの距離を算出する。ここで、信号処理回路162は、戻り光の電気信号に基づいて、物体までの距離を補正することも可能である。物体によって反射され、レーザー距離計測装置100に戻ってくる戻り光は、物体までの距離に応じて光量が減少し、このような光量の減少は、検出結果に誤差を生じさせる場合もある。そこで、信号処理回路162は、戻り光の電気信号に基づいて、光量に応じた補正を行うことも可能である。   The amplifier circuit 151b amplifies the electrical signal of the return light detected by the photodetector 150a to a level at which signal analysis is possible and outputs the amplified signal to the TDC circuit 161. The TDC circuit 161 outputs a digital signal indicating a time difference between the pulse signal input from the control circuit 163 and the electric signal input from the amplifier circuit 151 b to the signal processing circuit 162. The signal processing circuit 162 calculates the distance to the object from the time corresponding to the digital signal input from the TDC circuit 161 and the speed of light. Here, the signal processing circuit 162 can also correct the distance to the object based on the electrical signal of the return light. The return light reflected by the object and returning to the laser distance measuring apparatus 100 has a light amount that decreases according to the distance to the object, and such a decrease in the light amount may cause an error in the detection result. Therefore, the signal processing circuit 162 can also perform correction according to the amount of light based on the electrical signal of the return light.

上述したように、第1の実施形態によれば、小径集光レンズ130により近距離にある物体からの戻り光を精度よく集光することができ、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。   As described above, according to the first embodiment, the return light from an object at a short distance can be accurately collected by the small-diameter condensing lens 130, and the collection when the distance to the object is a short distance is possible. Light efficiency can be improved.

図5Aは、一般的なレーザー距離計測装置200の構成を示す上面図である。また、図5Bは、一般的なレーザー距離計測装置200の構成を示す正面図である。例えば、一般的なレーザー距離計測装置200は、図5Aに示すように、光源210aと、コリメートレンズ220と、集光レンズ240と、光検出器250aとを有する。ここで、レーザー距離計測装置200では、図5Aに示すように、光源210aから出射されたレーザー光をコリメートレンズ220が平行光にして対象空間に出射する。そして、レーザー距離計測装置200では、コリメートレンズ220と集光レンズ240とが並列に配置される。なお、図示していないが、レーザー距離計測装置200は、発光回路基板、受光回路基板及び制御回路基板を有する。   FIG. 5A is a top view showing a configuration of a general laser distance measuring apparatus 200. FIG. 5B is a front view showing a configuration of a general laser distance measuring apparatus 200. For example, as shown in FIG. 5A, a general laser distance measuring apparatus 200 includes a light source 210a, a collimator lens 220, a condenser lens 240, and a photodetector 250a. Here, in the laser distance measuring apparatus 200, as shown in FIG. 5A, the collimating lens 220 emits the laser light emitted from the light source 210a to the target space as parallel light. In the laser distance measuring apparatus 200, the collimating lens 220 and the condenser lens 240 are arranged in parallel. Although not shown, the laser distance measuring device 200 includes a light emitting circuit board, a light receiving circuit board, and a control circuit board.

ここで、例えば、コリメートレンズ220と集光レンズ240が、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100と同様のサイズで配置された場合、レーザー距離計測装置200は、近距離の物体からの戻り光を検出することが困難となる。すなわち、図5Bに示すように、集光レンズ240の直径を「20mm」とし、コリメートレンズ220の直径を「5mm」とし、集光レンズ240の中心とコリメートレンズ220の中心との距離が「14mm」となるように各構成を配置する。そして、コリメートレンズ220から物体までの距離が「500mm」の場合、レーザー光の光軸と近距離にある物体からの戻り光の光軸とのなす角は、「θ=1.6°(=atan14/500)」となる。   Here, for example, when the collimating lens 220 and the condensing lens 240 are arranged in the same size as the laser distance measuring device 100 according to the first embodiment, the laser distance measuring device 200 can detect the object from a near object. It becomes difficult to detect the return light. That is, as shown in FIG. 5B, the diameter of the condenser lens 240 is “20 mm”, the diameter of the collimator lens 220 is “5 mm”, and the distance between the center of the condenser lens 240 and the center of the collimator lens 220 is “14 mm”. Each component is arranged so that When the distance from the collimating lens 220 to the object is “500 mm”, the angle formed by the optical axis of the laser beam and the optical axis of the return light from the object at a short distance is “θ = 1.6 ° (= atan14 / 500) ".

図5Cは、集光レンズ240から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。ここで、図5Cにおいては、戻り光が集光レンズ240の集光面に対して垂直に入射した場合(入射角θ=0°)のシミュレーションを実線11で示す。また、図5Cにおいては、戻り光が集光レンズ240の集光面に対して「入射角θ=1.6°」で入射した場合のシミュレーションを破線12で示す。また、シミュレーション条件は集光レンズ240が直径「20mm」の平凸レンズ、レンズの曲率半径が「19.62mm」、レンズ材質が「N−SF11」、入射瞳径が「15mm」、レーザーの波長が「905mm」である。   FIG. 5C is a diagram illustrating a result of the tracking simulation of the light beam collected from the condenser lens 240. Here, in FIG. 5C, a solid line 11 represents a simulation in the case where the return light is incident perpendicularly to the condensing surface of the condensing lens 240 (incident angle θ = 0 °). In FIG. 5C, a broken line 12 represents a simulation when the return light is incident on the condensing surface of the condensing lens 240 at “incident angle θ = 1.6 °”. The simulation condition is that the condensing lens 240 is a plano-convex lens having a diameter of “20 mm”, the radius of curvature of the lens is “19.62 mm”, the lens material is “N-SF11”, the entrance pupil diameter is “15 mm”, and the laser wavelength is “905 mm”.

上述したシミュレーションの結果、図5Cに示すように、垂直に入射した場合と比較して、「入射角θ=1.6°」で入射した戻り光は、集光点が「約0.7mm(0.6834mm)」移動する。したがって、光検出器250aの受光面の直径サイズが「0.5mm」の場合、入射光が光検出器250aの受光面から外れることとなる。すなわち、コリメートレンズ220と集光レンズ240のレンズ間距離(中心間距離)が「14mm」で、物体までの距離が「500mm」付近になると、レーザー距離計測装置200は、戻り光が不足して測定が困難になる。   As a result of the above-described simulation, as shown in FIG. 5C, the return light incident at “incident angle θ = 1.6 °” has a condensing point of “about 0.7 mm (compared with the case where the light is incident vertically). 0.6834 mm) ”. Therefore, when the diameter size of the light receiving surface of the photodetector 250a is “0.5 mm”, the incident light deviates from the light receiving surface of the photodetector 250a. That is, when the distance between the collimator lens 220 and the condenser lens 240 (center-to-center distance) is “14 mm” and the distance to the object is near “500 mm”, the laser distance measuring device 200 has insufficient return light. Measurement becomes difficult.

以下、図6A及び図6Bを用いて、実際の測定結果について説明する。図6Aは、一般的なレーザー距離計測装置200による測定結果の一例を示す図である。また、図6Bは、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100による測定結果の一例を示す図である。ここで、図6A及び図6Bは、縦軸に測定結果を示し、横軸に実際の距離を示す。また、図6A及び図6Bでは、測定結果と実際の距離との理論的な関係を示す直線L1と、実際に計測した結果を示す曲線L2及びL3をそれぞれ示す。また、図6A及び図6Bでは、TOF方式によって測定した測定結果を示す。   Hereinafter, actual measurement results will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A is a diagram illustrating an example of a measurement result obtained by a general laser distance measuring apparatus 200. FIG. 6B is a diagram illustrating an example of a measurement result obtained by the laser distance measuring apparatus 100 according to the first embodiment. Here, in FIGS. 6A and 6B, the measurement results are shown on the vertical axis, and the actual distance is shown on the horizontal axis. 6A and 6B show a straight line L1 indicating the theoretical relationship between the measurement result and the actual distance, and curves L2 and L3 indicating the actual measurement result, respectively. 6A and 6B show measurement results measured by the TOF method.

図6Aに示すように、一般的なレーザー距離計測装置200においては、実際の距離が短くなると、近距離にある物体からの戻り光の集光点が光検出器250aから外れるため、曲線L2における点線の楕円内に示すように、測定結果と実際の距離との関係が遠距離の場合と逆の関係となる。このような結果の場合、同一の測定結果に2つの距離が対応することとなり、距離を計測することができない。一方、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100においては、図6Bに示すように、距離が短くなった場合でも、小径集光レンズ130が戻り光を光検出器150aに集光させることができるため、曲線L3における点線の楕円内に示すように、測定結果が単一の距離と対応しており、距離を計測することができる。なお、直線L1とのずれは、信号処理回路162によって補正される。   As shown in FIG. 6A, in the general laser distance measuring device 200, when the actual distance is shortened, the focal point of the return light from the object at a short distance deviates from the photodetector 250a. As shown in the dotted ellipse, the relationship between the measurement result and the actual distance is opposite to that in the case of a long distance. In the case of such a result, two distances correspond to the same measurement result, and the distance cannot be measured. On the other hand, in the laser distance measuring apparatus 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 6B, the small-diameter condenser lens 130 collects the return light on the photodetector 150a even when the distance becomes short. Therefore, as shown in the dotted ellipse in the curve L3, the measurement result corresponds to a single distance, and the distance can be measured. The deviation from the straight line L1 is corrected by the signal processing circuit 162.

上述したように、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100は、近距離での集光効率を向上させることができ、近距離の位置にある物体までの距離を正確に計測することができる。また、第1のレーザー距離計測装置100は、受光面の直径サイズが「0.5mm」の小さな光検出器150aを採用することができ、処理容量を小さくして、処理速度を向上させるとともに、コストを低減させることができる。また、第1のレーザー距離計測装置100は、受光面の直径サイズが「0.5mm」の小さな光検出器150aを採用することで、装置全体の小型化を実現することができる。また、第1のレーザー距離計測装置100は、小径集光レンズ130のみを追加するだけで実現するこができ、実現が容易である。   As described above, the laser distance measuring apparatus 100 according to the first embodiment can improve the light collection efficiency at a short distance, and can accurately measure the distance to an object at a short distance. it can. In addition, the first laser distance measuring device 100 can employ a small photodetector 150a having a diameter of the light receiving surface of “0.5 mm” to reduce the processing capacity and improve the processing speed. Cost can be reduced. In addition, the first laser distance measuring apparatus 100 can achieve downsizing of the entire apparatus by adopting a small photodetector 150a having a diameter of the light receiving surface of “0.5 mm”. In addition, the first laser distance measuring device 100 can be realized by adding only the small-diameter condensing lens 130, and is easy to realize.

以上、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100について説明した。なお、上述した実施形態はあくまでも一例であり、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、大径集光レンズ140(第1集光部)とは異なる集光部として小径集光レンズ130(第2集光部)を用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、その他の構成により第2集光部を実現する場合であってもよい。   The laser distance measuring device 100 according to the first embodiment has been described above. In addition, embodiment mentioned above is an example to the last, and embodiment is not limited to this. For example, in the above-described embodiment, the case where the small-diameter condenser lens 130 (second condenser part) is used as a condenser part different from the large-diameter condenser lens 140 (first condenser part) has been described as an example. . However, the embodiment is not limited to this, and the second condensing unit may be realized by other configurations.

図7及び図8は、第1の実施形態に係る第2集光部の変形例を示す図である。ここで、図7及び図8においては、第2反射光を「25°」偏向させ、光検出器150aに集光させる場合の第2集光部の変形例を示す。例えば、図7に示すように、偏向集光部130a(第2集光部の一例)は、プリズム131aと偏向光集光レンズ131bとを有する。プリズム131aは、小径集光レンズ130と同一の位置に配置され、第2反射光を「25°」偏向させ、偏向光集光レンズ131bに出射する。ここで、プリズム131aは、二等辺プリズム又はウェッジプリズムである。偏向光集光レンズ131bは、光源110a側に配置され、プリズム131aから出射された第2反射光を光検出器150aの集光領域に集光させる。   7 and 8 are diagrams illustrating a modification of the second light collecting unit according to the first embodiment. Here, FIGS. 7 and 8 show a modified example of the second light condensing unit in the case where the second reflected light is deflected by “25 °” and condensed on the photodetector 150a. For example, as illustrated in FIG. 7, the deflection condensing unit 130a (an example of the second condensing unit) includes a prism 131a and a deflecting light condensing lens 131b. The prism 131a is disposed at the same position as the small-diameter condensing lens 130, deflects the second reflected light by “25 °”, and emits it to the deflected light condensing lens 131b. Here, the prism 131a is an isosceles prism or a wedge prism. The deflected light condensing lens 131b is disposed on the light source 110a side, and condenses the second reflected light emitted from the prism 131a on the condensing region of the photodetector 150a.

また、例えば、図8に示すように、偏向集光部130b(第2集光部の一例)は、偏向ミラー131cと、偏向光集光レンズ131bとを有する。偏向ミラー131cは、小径集光レンズ130と同一の位置に、第2反射光の光軸に対して「12.5°」傾けて配置され、第2反射光を「12.5°」偏向させて、偏向光集光レンズ131bに入射させる。これにより、第2反射光は、偏向ミラー131cによって「25°」偏向されることとなる。偏向光集光レンズ131bは、光源110a側に配置され、偏向ミラー131cからの第2反射光を、光検出器150aの集光領域に集光させる。   For example, as shown in FIG. 8, the deflection condensing unit 130b (an example of the second condensing unit) includes a deflection mirror 131c and a deflection light condensing lens 131b. The deflection mirror 131c is disposed at the same position as the small-diameter condensing lens 130 and inclined by “12.5 °” with respect to the optical axis of the second reflected light, and deflects the second reflected light by “12.5 °”. Then, the light is incident on the deflected light condensing lens 131b. As a result, the second reflected light is deflected by “25 °” by the deflection mirror 131c. The deflecting light condensing lens 131b is disposed on the light source 110a side, and condenses the second reflected light from the deflecting mirror 131c on the condensing region of the photodetector 150a.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。上述した第1の実施形態では、1つの方向にレーザー光を出射して、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する1次元の距離計測(1次元LiDAR)について説明した。第2の実施形態では、2次元の距離計測(2次元LiDAR)を行うレーザー距離計測装置について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. Hereinafter, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted. In the first embodiment described above, one-dimensional distance measurement (one-dimensional LiDAR) that emits laser light in one direction and measures the distance to an object that reflects the laser light has been described. In the second embodiment, a laser distance measuring apparatus that performs two-dimensional distance measurement (two-dimensional LiDAR) will be described.

図9は、第2の実施形態に係るレーザー距離計測装置100aの構成を示す正面図である。また、図10は、第2の実施形態に係るレーザー距離計測装置100aの構成の一例を示すブロック図である。第2の実施形態に係るレーザー距離計測装置100aは、第1の実施形態に係るレーザー距離計測装置100と比較して、基部170に回転部171と、固定部172と、モータ173と、駆動回路174を備える点が異なる。以下、この点を中心に説明する。   FIG. 9 is a front view showing a configuration of a laser distance measuring apparatus 100a according to the second embodiment. FIG. 10 is a block diagram showing an example of the configuration of the laser distance measuring apparatus 100a according to the second embodiment. Compared with the laser distance measuring device 100 according to the first embodiment, the laser distance measuring device 100a according to the second embodiment has a rotating portion 171, a fixed portion 172, a motor 173, and a drive circuit in the base portion 170. The difference is that 174 is provided. Hereinafter, this point will be mainly described.

回転部171は、光源110aと、発光回路基板110bと、コリメートレンズ120と、小径集光レンズ130と、大径集光レンズ140と、光検出器150aと、受光回路基板150bと、制御回路基板160とを支持し、モータ173の回転軸を軸として回転可能に支持される。   The rotating unit 171 includes a light source 110a, a light emitting circuit board 110b, a collimating lens 120, a small-diameter condenser lens 130, a large-diameter condenser lens 140, a photodetector 150a, a light-receiving circuit board 150b, and a control circuit board. 160, and is supported rotatably about the rotation axis of the motor 173.

固定部172は、モータ173を内包し、レーザー距離計測装置100a全体を支持する。モータ173は、駆動回路174から出力される駆動信号に基づいて、回転軸を回転させることで、回転軸に支持される回転部171を回転させる。駆動回路174は、制御回路163から制御信号に基づいて駆動信号をモータ173に出力し、モータ173を駆動させる。   The fixing unit 172 includes a motor 173 and supports the entire laser distance measuring device 100a. The motor 173 rotates the rotating shaft 171 supported by the rotating shaft by rotating the rotating shaft based on the drive signal output from the drive circuit 174. The drive circuit 174 outputs a drive signal to the motor 173 based on the control signal from the control circuit 163 to drive the motor 173.

レーザー距離計測装置100aは、モータ173によって回転部171を回転させながら、上述した1次元の距離計測を行うことで、2次元の距離計測を行う。具体的には、まず、制御回路163は、駆動回路174に制御信号を出力することにより、モータ173を所定の速度で駆動させる。さらに、制御回路163は、モータ173を駆動させるための制御信号と対応付けたパルス信号を駆動回路111bに出力する。これにより、回転部171の回転角度ごとのパルス信号と戻り光の電気信号を検出することができる。駆動回路111bは、制御回路163からのパルス信号に同期して駆動信号を生成して光源110aに出力することで、回転角度ごとに光源110aからレーザー光をパルス出射させる。ここで、制御回路163によって回転角度ごとのパルス信号は、リファレンスクロックとして、TDC回路161に出力される。   The laser distance measuring device 100a performs two-dimensional distance measurement by performing the above-described one-dimensional distance measurement while rotating the rotating unit 171 by the motor 173. Specifically, first, the control circuit 163 drives the motor 173 at a predetermined speed by outputting a control signal to the drive circuit 174. Further, the control circuit 163 outputs a pulse signal associated with a control signal for driving the motor 173 to the drive circuit 111b. Thereby, the pulse signal for every rotation angle of the rotation part 171 and the electrical signal of return light are detectable. The drive circuit 111b generates a drive signal in synchronization with the pulse signal from the control circuit 163 and outputs the drive signal to the light source 110a, so that laser light is pulsed from the light source 110a for each rotation angle. Here, the control circuit 163 outputs a pulse signal for each rotation angle to the TDC circuit 161 as a reference clock.

増幅回路151bは、光検出器150aによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してTDC回路161に出力する。TDC回路161は、制御回路163から入力された回転角度ごとのパルス信号と、増幅回路151bから入力された回転角度ごとの電気信号との時間差を示すデジタル信号をそれぞれ生成し、生成したデジタル信号を信号処理回路162に出力する。信号処理回路162は、TDC回路161から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから回転角度ごとの物体までの距離を算出する。   The amplifier circuit 151b amplifies the electrical signal of the return light detected by the photodetector 150a to a level at which signal analysis is possible and outputs the amplified signal to the TDC circuit 161. The TDC circuit 161 generates a digital signal indicating a time difference between the pulse signal for each rotation angle input from the control circuit 163 and the electrical signal for each rotation angle input from the amplifier circuit 151b, and generates the generated digital signal. The signal is output to the signal processing circuit 162. The signal processing circuit 162 calculates the distance to the object for each rotation angle from the time corresponding to the digital signal input from the TDC circuit 161 and the speed of light.

上述したように、第2の実施形態によれば、2次元の距離計測においても、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。   As described above, according to the second embodiment, it is possible to improve the light collection efficiency when the distance to the object is a short distance even in the two-dimensional distance measurement.

(その他の実施形態)
上述した実施形態では、小径集光レンズ130とコリメートレンズ120とが鉛直方向に並列された場合を例に挙げて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、任意に配置させることができる。例えば、コリメートレンズ120から出射される平行光の形状や向きに応じて小径集光レンズ130とコリメートレンズ120との位置関係を変更する場合であってもよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the case where the small-diameter condenser lens 130 and the collimator lens 120 are arranged in the vertical direction has been described as an example. However, the embodiment is not limited to this, and can be arbitrarily arranged. For example, the positional relationship between the small-diameter condensing lens 130 and the collimating lens 120 may be changed according to the shape and direction of the parallel light emitted from the collimating lens 120.

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。   Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What comprised suitably combining each component mentioned above is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.

100、100a レーザー距離計測装置
110a 光源
110b 発光回路基板
120 コリメートレンズ
130 小径集光レンズ(第2集光部の一例)
130a、130b 偏向集光部(第2集光部の一例)
131a プリズム
131b 偏向光集光レンズ
131c 偏向ミラー
140 大径集光レンズ
150a 光検出器
150b 受光回路基板
160 制御回路基板
162 信号処理回路(計測部)
170 基部
171 回転部
172 固定部
173 モータ
174 駆動回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 100a Laser distance measuring apparatus 110a Light source 110b Light emission circuit board 120 Collimating lens 130 Small diameter condensing lens (an example of a 2nd condensing part)
130a, 130b Deflection condensing part (an example of a second condensing part)
131a Prism 131b Deflection light condensing lens 131c Deflection mirror 140 Large diameter condensing lens 150a Photo detector 150b Light receiving circuit board 160 Control circuit board 162 Signal processing circuit (measurement unit)
170 Base 171 Rotating unit 172 Fixed unit 173 Motor 174 Drive circuit

Claims (6)

光源から出射された出力光の第1反射光を検出器における所定の集光領域に対して集光させる第1集光部と、
前記出力光の第2反射光を前記検出器の方向に偏向させるとともに、前記所定の集光領域に対して集光させる第2集光部と、
前記検出器によって検出された前記第1反射光及び前記第2反射光のうち少なくとも一方に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部と、
を備える、レーザー距離計測装置。
A first condensing unit that condenses the first reflected light of the output light emitted from the light source with respect to a predetermined condensing region in the detector;
A second condensing part for deflecting the second reflected light of the output light in the direction of the detector and condensing the light on the predetermined condensing region;
A measurement unit that measures a distance to an object that reflects the output light, based on at least one of the first reflected light and the second reflected light detected by the detector;
A laser distance measuring device comprising:
前記第2集光部は、前記第2反射光を前記検出器の方向に偏向させる角度で配置され、前記第2反射光を前記所定の集光領域に集光させる曲率で形成されたレンズである、請求項1に記載のレーザー距離計測装置。   The second condensing unit is a lens that is arranged at an angle that deflects the second reflected light toward the detector and is formed with a curvature that condenses the second reflected light on the predetermined condensing region. The laser distance measuring device according to claim 1. 前記第2集光部は、前記第2反射光を前記検出器の方向に偏向させるプリズムと、前記第2反射光を前記所定の集光領域に集光させる偏向光集光レンズとを含む、請求項1に記載のレーザー距離計測装置。   The second condensing unit includes a prism that deflects the second reflected light in the direction of the detector, and a deflected light condensing lens that condenses the second reflected light on the predetermined condensing region. The laser distance measuring device according to claim 1. 前記第2集光部は、前記第2反射光を前記検出器の方向に偏向させる偏向ミラーと、前記第2反射光を前記所定の集光領域に集光させる偏向光集光レンズとを含む、請求項1に記載のレーザー距離計測装置。   The second condensing unit includes a deflection mirror that deflects the second reflected light toward the detector, and a deflecting light condensing lens that condenses the second reflected light on the predetermined condensing region. The laser distance measuring device according to claim 1. 前記出力光を平行光にするコリメートレンズをさらに備え、
前記第2集光部は、前記コリメートレンズに対して鉛直方向又は水平方向に並列して配置される、請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。
Further comprising a collimating lens for making the output light parallel light,
5. The laser distance measuring device according to claim 1, wherein the second light collecting unit is arranged in parallel in a vertical direction or a horizontal direction with respect to the collimating lens.
鉛直方向を回転軸として、前記第1集光部と前記第2集光部とを含む光学系を回転させる回転機構をさらに備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。   The laser distance measurement according to any one of claims 1 to 5, further comprising a rotation mechanism that rotates an optical system including the first light collecting unit and the second light collecting unit with a vertical direction as a rotation axis. apparatus.
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