JP2021110660A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の距離範囲において物体からの反射光を適正かつ効率的に光検出器に導くことが可能な距離測定装置を提供する。【解決手段】距離測定装置１は、レーザ光を投射する投射光学系（光源３１、コリメータレンズ３２およびミラー３４）と、物体により反射されたレーザ光の反射光を集光させる集光レンズ３５と、集光レンズ３５により集光された反射光を透過させる板状部材３６と、板状部材３６を透過した反射光を受光する光検出器３８と、を備える。板状部材３６は、反射光に屈折作用を付与する第１屈折部と、第１屈折部の外側に設けられ、第１屈折部とは異なる屈折作用を反射光に付与する第２屈折部とを一体的に有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置が、種々の機器に搭載されている。距離測定装置では、たとえば、光を出射してから反射光を受光するまでの時間差（タイムオブフライト）に基づいて物体までの距離が測定される。この場合、測定対象の距離範囲において、物体までの距離が測定される。このような距離測定装置では、通常、物体からの反射光を光検出器に集光するためのレンズが用いられる。

以下の特許文献１には、受光レンズにより集光された反射光を、孔が形成されたリング状の集光レンズに導く構成が記載されている。この構成によれば、物体が遠距離にある場合、反射光は集光レンズに入射することなく、集光レンズの孔を通って受光端面に集光される。一方、物体が近距離にある場合、反射光の周辺部分は集光レンズに入射し、集光レンズにより受光端面に集光される。

特開２００４−６９６１１号公報

上記特許文献１に記載の装置では、集光レンズの孔の内側面やエッジ部分において反射や散乱が生じるため、光検出器における反射光の集光効率が低下する。

かかる課題に鑑み、本発明は、測定対象の距離範囲において物体からの反射光を適正かつ効率的に光検出器に導くことが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様は、距離測定装置に関する。本態様に係る距離測定装置は、レーザ光を投射する投射光学系と、物体により反射された前記レーザ光の反射光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズにより集光された前記反射光を透過させる板状部材と、前記板状部材を透過した前記反射光を受光する光検出器と、を備える。前記板状部材は、前記反射光に屈折作用を付与する第１屈折部と、前記第１屈折部の外側に設けられ、前記第１屈折部とは異なる屈折作用を前記反射光に付与する第２屈折部とを一体的に有する。

本態様に係る距離測定装置によれば、第１屈折部と第２屈折部とによって、反射光の集光位置が変化する。このため、物体が遠距離と近距離に存在する場合の反射光を、相補的に、光検出器に導くことができる。よって、測定対象の距離範囲において、物体からの反射光をより適正に光検出器に導くことができる。また、板状部材には、特に孔を設ける必要がなく、第１屈折部と第２屈折部とが一体的に設けられるため、孔による反射や散乱が反射光に生じない。よって、より効率的に、反射光を光検出器に導くことができる。

以上のとおり、本発明に係る距離測定装置によれば、測定対象の距離範囲において物体からの反射光を適正かつ効率的に光検出器に導くことができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施形態に係る、距離測定装置の構成を示す斜視図である。 図２は、実施形態に係る、距離測定装置の構成を示す断面図である。 図３（ａ）は、実施形態に係る、板状部材の構成を示す側面図である。図３（ｂ）は、実施形態に係る、板状部材の構成を示す平面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る、測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図である。図４（ｃ）、（ｄ）は、実施形態に係る、測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図である。 図５は、実施形態および比較例に係る、シミュレーションにおいて設定した各部のサイズを示す図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、比較例のシミュレーションに係る、物体面が遠距離および近距離にある場合の反射光の光線を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態のシミュレーションに係る、物体面が遠距離および近距離にある場合の反射光の光線を示す図である。 図８は、実施形態および比較例に係る、シミュレーション結果を示すグラフである。 図９は、実施形態に係る、距離測定装置の回路部の構成を示す図である。 図１０（ａ）は、傾斜面が円錐面である変更例に係る、板状部材の構成を示す側面図である。図１０（ｂ）は、傾斜面が円錐面である変更例に係る、測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、傾斜面が光検出器側にある変更例に係る、測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、第１屈折部が傾斜部である変更例に係る、測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図である。 図１３（ａ）は、光源とコリメータレンズが別の位置にある変更例に係る、距離測定装置の構成を模式的に示す側面透視図である。図１５（ｂ）は、光源とコリメータレンズが別の位置にある変更例に係るミラーの拡大側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸正方向は、距離測定装置１の高さ方向である。

図１は、距離測定装置１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、距離測定装置１は、円柱状の固定部１０と、固定部１０に回転可能に配置された回転部２０とを備える。回転部２０は、径の異なる２つの支持部材２１、２２を備えている。支持部材２１の上面に支持部材２２が設置されて、回転部２０が構成される。支持部材２２の側面に開口２２ａが設けられている。開口２２ａから測距領域に向かってレーザ光（投射光）が投射され、測距領域で反射されたレーザ光の反射光が開口２２ａから内部に取り込まれる。

回転部２０は、Ｚ軸に平行、且つ、回転部２０の中心を貫く回転中心軸Ｒ１０を中心に回転する。回転部２０の回転に伴い、開口２２ａから投射されるレーザ光の光軸が回転中心軸Ｒ１０を中心に回転する。これに伴い、測距領域（レーザ光の走査位置）も回転する。後述のように、距離測定装置１は、測距領域にレーザ光を投射したタイミングと、測距領域からレーザ光の反射光を受光したタイミングとの間の時間差（タイムオブフライト）に基づいて、測距領域に存在する物体までの距離を計測する。上記のように回転部２０が回転中心軸Ｒ１０の周りに１回転することにより、距離測定装置１は、周囲３６０°の範囲に存在する物体までの距離を計測できる。

図２は、距離測定装置１の構成を示す断面図である。

図２には、図１に示した距離測定装置１を、Ｘ−Ｚ平面に平行な平面により、Ｙ軸方向の中央位置で切断したときの断面図が示されている。図２では、光源３１から出射され、測距領域へと向かうレーザ光（投射光）が破線で示され、測距領域から反射された反射光が一点鎖線で示されている。

図２に示すように、固定部１０は、円柱状の支持ベース１１と、複数のコイル１２と、ヨーク１３と、カバー１４と、を備えている。支持ベース１１は、たとえば樹脂で形成されている。支持ベース１１の下面が、円形皿状のカバー１４で塞がれる。

支持部材２１は、円筒状のベアリング２４を介して、支持ベース１１に設置されている。ベアリング２４は、内筒２４ａと外筒２４ｂとの間に複数のベアリングボール２４ｃが周方向に並ぶように配置された構成である。支持部材２１には、Ｚ軸負方向に突出する円筒形状の筒部２１ａが形成され、支持ベース１１には、Ｚ軸正方向に突出する円筒形状の筒部１１ａが形成されている。筒部１１ａの外径は、ベアリング２４の内筒２４ａの内径より僅かに大きく、筒部２１ａの内径は、ベアリング２４の外筒２４ｂの外径より僅かに小さい。筒部１１ａと筒部２１ａとの間に、ベアリング２４が嵌め込まれて、支持部材２１が、回転中心軸Ｒ１０について回転可能に、支持ベース１１に支持されている。

支持ベース１１には、筒部１１ａの外側に、円筒状の壁部１１ｂが形成されている。壁部１１ｂの中心軸は、回転中心軸Ｒ１０に整合する。壁部１１ｂの外周にヨーク１３が嵌め込まれている。ヨーク１３は、リング状の基部から放射状に突出する複数の突出部１３ａを備える。周方向における突出部１３ａの間隔は一定である。各突出部１３ａに、それぞれ、コイル１２が巻回されて装着されている。

支持部材２１の外周部には、周方向に連続する段差部２１ｂが形成されている。この段差部２１ｂに、複数の磁石２３が周方向に隙間なく設置されている。隣り合う磁石２３は、内側の極性が互いに相違している。

これら磁石２３は、ヨーク１３の突出部１３ａに対向する。したがって、コイル１２に対する電流制御により、回転部２０が回転中心軸Ｒ１０について回転駆動される。コイル１２、ヨーク１３およびベアリング２４は、回転部２０とともにミラー３４を回転中心軸Ｒ１０について回転させる駆動部を構成する。

距離測定装置１は、光学系の構成として、光源３１と、コリメータレンズ３２と、ホルダ３３と、ミラー３４と、集光レンズ３５と、板状部材３６と、フィルタ３７と、光検出器３８と、を備えている。光源３１は、コリメータレンズ３２とともにホルダ３３に保持されている。光源３１と、コリメータレンズ３２と、ミラー３４とは、レーザ光を測距領域に投射する投射光学系を構成する。

光源３１は、たとえば半導体レーザであり、支持ベース１１側から図示しない配線を通して電流駆動され発光する。光源３１の出射光軸は、Ｚ軸に平行である。光源３１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ３２によって平行光化される。平行光化されたレーザ光は、集光レンズ３５の上方に配置されたミラー３４に入射する。光源３１とコリメータレンズ３２は、ホルダ３３に保持された状態で、集光レンズ３５に設置される。集光レンズ３５の中央に上下に貫通する円形の孔が形成され、この孔に円柱状のホルダ３３が嵌め込まれて設置されている。

ミラー３４は、片面に反射面３４ａを有する反射ミラーである。反射面３４ａの中心位置は、回転中心軸Ｒ１０に略整合している。反射面３４ａは、Ｚ軸方向に見た場合に略正方形の形状を有する。ミラー３４は、回転中心軸Ｒ１０に対して反射面３４ａが４５°傾くように、回転部２０の支持部材２２に設置されている。

コリメータレンズ３２を介してミラー３４に入射したレーザ光は、ミラー３４によって、回転中心軸Ｒ１０に垂直な方向に反射される。その後、レーザ光は、開口２２ａを通って、測距領域へと投射される。

測距領域に物体が存在する場合、開口２２ａから測距領域に投射されたレーザ光は、物体で反射されて、再び、開口２２ａへと向かう。こうして物体によって反射されたレーザ光（以下、「反射光」と称する）が、開口２２ａから取り込まれ、ミラー３４に導かれる。その後、反射光は、ミラー３４によってＺ軸負方向に反射される。ミラー３４で反射された反射光は、集光レンズ３５により収束作用を受ける。

その後、反射光は、板状部材３６、支持ベース１１に形成された孔１１ｃ、およびフィルタ３７を介して、光検出器３８に収束される。板状部材３６の中心軸３６ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）および集光レンズ３５の光軸は、回転中心軸Ｒ１０に一致している。板状部材３６の構成については、追って図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。フィルタ３７は、光源３１から出射されるレーザ光の波長帯の光を透過し、その他の波長帯の光を遮光するよう構成されている。

光検出器３８は、受光面３８ａで反射光を受光し、受光光量に応じた検出信号を出力する。光検出器３８は、たとえば、ＰＩＮフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードにより構成される。光検出器３８からの検出信号は、図示しない回路基板に配置された回路部に出力される。

なお、本実施形態では、集光レンズ３５に光源３１およびコリメータレンズ３２が設置される構成のため、開口２２ａを介して取り込まれた反射光の一部は、ホルダ３３によって遮光され、光検出器３８へと集光されない。たとえば、図２において集光レンズ３５の中央付近に一点鎖線で示した範囲の反射光は、その大部分が、ホルダ３３によって遮光される。

図３（ａ）は、Ｙ軸負方向に見た場合の板状部材３６の構成を示す側面図であり、図３（ｂ）は、Ｚ軸負方向に見た場合の板状部材３６の構成を示す平面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、板状部材３６は、第１屈折部として平板部１１０を備え、第２屈折部として傾斜部１２０を備える。平板部１１０と傾斜部１２０は、樹脂やガラスからなる透光性の部材により一体的に成型される。平板部１１０と傾斜部１２０は、何れも反射光に屈折作用を付与する。傾斜部１２０は平板部１１０に対して傾いているため、傾斜部１２０に対する反射光の入射角と平板部１１０に対する反射光の入射角とは、互いに異なる。このため、平板部１１０が反射光に付与する屈折作用と、傾斜部１２０が反射光に付与する屈折作用とは、互いに異なる。板状部材３６の中心軸３６ａは、Ｚ軸方向に延び、平板部１１０の中央を通っている。板状部材３６は、中心軸３６ａが集光レンズ３５の光軸および回転中心軸Ｒ１０（図２参照）に一致するよう支持ベース１１（図２参照）に設置される。

平板部１１０の厚みは一定である。平板部１１０のＺ軸正側の平面１１１および平板部１１０のＺ軸負側の平面は、何れもＸ−Ｙ平面に平行な平面である。傾斜部１２０は、平板部１１０の外側に全周に亘って設けられている。傾斜部１２０の厚みは中心軸３６ａから離れるに従って徐々に小さくなる。傾斜部１２０のＺ軸正側の傾斜面１２１は、中心軸３６ａを通る断面において、中心軸３６ａ上の一点に対する曲率半径ｒが一定の曲面であり、傾斜部１２０のＺ軸負側の面は、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面である。傾斜面１２１は、Ｚ軸正側に僅かに突出した形状となっている。平板部１１０のＺ軸負側の平面および傾斜部１２０のＺ軸負側の平面は、同一平面上にあり、平面１３１を形成している。

平面１１１、１３１の輪郭は、Ｚ軸方向に見て中心軸３６ａを中心とする円に整合する形状である。傾斜面１２１は、中心軸３６ａを中心とする円に沿った形状を有し、中心軸３６ａを中心とする周の全範囲において繋がった形状を有する。具体的には、傾斜面１２１は、Ｚ軸方向に見てリング形状を有し、傾斜面１２１の輪郭は、Ｚ軸方向に見て中心軸３６ａを中心とする円に整合する形状である。

反射光は、物体までの距離に応じて、Ｚ軸正側から平面１１１および傾斜面１２１の両方または平面１１１のみに入射し、平面１３１から出射される。傾斜部１２０は、入射した反射光の進行方向を、中心軸３６ａに近付くように変更する。これにより、傾斜部１２０に入射した反射光が集光される位置が、平面１１１に入射した反射光が集光される位置よりもＺ軸正側に位置付けられる。すなわち、平板部１１０と傾斜部１２０との間の屈折作用の差異により、傾斜部１２０を通った反射光の集光位置が、平板部１１０を通った反射光の集光位置よりも、板状部材３６に対して近くなる。

図４（ａ）、（ｂ）は、比較例の場合に測距領域の物体によって反射された反射光の光束を模式的に示す図であり、図４（ｃ）、（ｄ）は、実施形態の場合に測距領域の物体によって反射された光の光束を模式的に示す図である。図４（ａ）〜（ｄ）は、回転中心軸Ｒ１０（図２参照）を通るＸ−Ｚ平面で各部を切断した切断面を示している。図４（ａ）〜（ｄ）では、光源３１、コリメータレンズ３２、ミラー３４、およびフィルタ３７の図示が省略されている。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、比較例の構成では、図４（ｃ）、（ｄ）に示す実施形態の構成と比較して、板状部材３６が省略されている。

距離測定装置１の開口２２ａ（図２参照）に取り込まれる光量は、測距対象の物体が距離測定装置１から遠い位置にある場合に小さくなる。すなわち、開口２２ａに取り込まれる光量は、物体までの距離の２乗に反比例する。したがって、図４（ａ）の比較例に示すように、一般的には、距離測定装置１から最も遠い位置にある測距対象の物体からの反射光が集光レンズ３５によって受光面３８ａに収束される位置に、光検出器３８が配置される。すなわち、集光レンズ３５は、測定対象の距離範囲のうち最遠距離からの反射光を受光面３８ａに集光させる焦点距離を有するように構成される。こうすると、遠い位置にある物体からの微弱な反射光を良好に受光できる。

しかしながら、図４（ａ）に示すように、最遠距離に基づいて光検出器３８が配置されると、図４（ｂ）に示すように、測距対象の物体が近い位置にある場合に、集光レンズ３５によって集光される反射光が、受光面３８ａから外れてしまう。すなわち、測定対象の距離範囲のうち最近距離から遠方の所定の範囲において反射された反射光が、受光面３８ａにおいて受光されなくなる。したがって、比較例の場合、遠い位置にある物体からの光を適正に受光できるものの、近い位置にある物体からの光を適正に受光できない。

これに対して、本実施形態では、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、集光レンズ３５と光検出器３８との間に板状部材３６が配置されている。図４（ｃ）に示すように、集光レンズ３５は、板状部材３６の平板部１１０の屈折作用と相俟って、測定対象の距離範囲のうち最遠距離からの反射光を、受光面３８ａに集光させる焦点距離を有するように構成される。また、集光レンズ３５によって収束された最遠距離からの反射光のほぼ全てが、板状部材３６の平面１１１に入射するよう、板状部材３６の大きさや位置が設定される。さらに、図４（ｄ）に示すように、測定対象の距離範囲のうち最近距離から遠方の所定の範囲において反射され集光レンズ３５によって収束された反射光の少なくとも一部が、傾斜面１２１に入射して受光面３８ａに導かれるよう、板状部材３６の大きさや位置が設定される。

本実施形態において、測距対象の物体が最遠距離にある場合、図４（ｃ）に示すように、集光レンズ３５によって収束された反射光は、板状部材３６のＺ軸正側の平面１１１から入射して板状部材３６を透過し、受光面３８ａにおいて集光される。このとき、反射光は平板部１１０（図３（ａ）参照）の屈折作用により光路長が変化するものの、平板部１１０を透過した後の反射光の収束角は、平板部１１０に入射する前の反射光の収束角からほぼ変化しない。

本実施形態において、測距対象の物体が最近距離から所定範囲にある場合、図４（ｄ）に示すように、集光レンズ３５によって収束された反射光の内側部分（中心軸３６ａ（図３（ａ）参照）に近い部分）は、図４（ｂ）と同様、平面１１１に入射して板状部材３６を透過した後、光検出器３８から外れた位置を通る。他方、集光レンズ３５によって収束された反射光の外側部分は、傾斜面１２１に入射して板状部材３６を透過する。ここで、図３（ａ）に示したように、傾斜面１２１はＸ−Ｙ平面に対して傾いているため、傾斜面１２１に入射した反射光は、傾斜部１２０によって中心軸３６ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）に近付くように屈折作用を受ける。これにより、傾斜面１２１に入射した反射光は、受光面３８ａに入射する。

このように、実施形態の場合は、平板部１１０に入射した反射光と傾斜部１２０に入射した反射光とが、相補的に受光面３８ａに導かれるため、物体の距離にかかわらず、反射光を受光面３８ａへと導くことができる。

次に、発明者が行った反射光の光線に関するシミュレーションについて説明する。

図５は、本シミュレーションにおいて設定した各部のサイズを示す図である。

本シミュレーションでは、集光レンズ３５の中心に配置された光源３１から、Ｚ軸正方向に波長９０５ｎｍの光を出射させた。光源３１から出射された時点でのビームスポットの直径φ１を４ｍｍとした。Ｚ軸正方向に出射された光を、集光レンズ３５から所定の距離に配置したＸ−Ｙ平面に平行な物体面Ｒによって反射させ、物体面Ｒからの反射光を、集光レンズ３５に対してＺ軸負方向に入射させた。

集光レンズ３５の外形（直径）φ２を２４ｍｍとした。集光レンズ３５の中央部分を通る反射光を遮光するためのホルダ３３の直径φ３を７ｍｍとした。集光レンズ３５の焦点距離を３０ｍｍとした。集光レンズ３５を、ポリカーボネートにより形成した。受光面３８ａを、集光レンズ３５の焦点距離の位置に配置した。

板状部材３６の平板部１１０のＺ軸方向における長さ（厚み）ｄ１を１．１ｍｍとした。平板部１１０の直径φ４を２．６ｍｍとした。傾斜面１２１の曲率半径ｒ（図３（ａ）参照）を３．５ｍｍとした。平面１３１の直径φ５を５．１ｍｍとした。直径φ４、φ５および曲率半径ｒが決まることにより、傾斜面１２１の平面１１１に対する傾斜角θが決まる。板状部材３６を、光学ガラス（ＢＫ７）により形成した。集光レンズ３５と板状部材３６との軸上距離ｄ２を２３ｍｍとした。光検出器３８の受光面３８ａの直径φ６を０．５ｍｍとした。

この条件の下、発明者は、物体面ＲをＺ軸方向に移動させて、受光面３８ａから物体面Ｒまでの距離を６０ｍｍ〜４０００ｍｍの間で変化させて、光線のシミュレーションを行った。すなわち、測定対象の距離範囲を、６０ｍｍ〜４０００ｍｍとし、最遠距離を４０００ｍｍ、最近距離を６０ｍｍとした。このシミュレーションでは、物体面Ｒまでの距離が４０００ｍｍ（最遠距離）の場合に、反射光のほぼ全てが平面１１１に入射し、平面１１１に入射し板状部材３６を透過した反射光が、集光レンズ３５の収束作用により光検出器３８の受光面３８ａに収束するよう光検出器３８を配置した。そして、物体面Ｒまでの距離を変化させて、受光面３８ａで受光される反射光の受光光量を算出した。

図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、比較例において物体面Ｒが遠距離（４０００ｍｍ）および近距離（２００ｍｍ）にある場合の反射光の光線を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態において物体面Ｒが遠距離（４０００ｍｍ）および近距離（２００ｍｍ）にある場合の反射光の光線を示す図である。図６（ａ）〜図７（ｂ）は、集光レンズ３５の光軸を通るＸ−Ｚ平面で各部を切断した切断面をＹ軸負方向に見た側面図である。

図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、物体面Ｒまでの距離が４０００ｍｍのとき、比較例および実施形態の何れの場合も、集光レンズ３５によって収束された反射光は、受光面３８ａに集光された。

図６（ｂ）に示すように、物体面Ｒまでの距離が２００ｍｍのとき、比較例の場合、集光レンズ３５によって収束された反射光のほぼ全てが、受光面３８ａには集光しなかった。一方、図７（ｂ）に示すように、物体面Ｒまでの距離が２００ｍｍのとき、実施形態の場合、集光レンズ３５によって収束された反射光の内側部分は、平面１１１に入射するため、図６（ｂ）の比較例の場合と同様、受光面３８ａには集光しなかった。しかしながら、集光レンズ３５によって収束された反射光の外側部分は、傾斜面１２１に入射するため、進行方向が集光レンズ３５の光軸に近付けられ、受光面３８ａに集光された。

図８は、比較例および実施形態に係るシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は、受光面３８ａから物体面Ｒまでの距離（ｍｍ）であり、縦軸は、距離４０００ｍｍにおける受光面３８ａの受光光量を１とした場合の受光光量（任意単位）である。図８において、ノイズや光検出器３８の検出感度等の影響なく適正に測定を行うことが可能な受光光量は１以上である。

比較例の場合、物体面Ｒまでの距離が４００ｍｍ以下になると、急激に受光光量が減少した。これに対し、実施形態の場合、図７（ｂ）に示したように、近距離からの反射光が傾斜部１２０によって受光面３８ａに導かれることにより、物体面Ｒまでの距離が４００ｍｍ以下になっても、受光光量は高いレベルで維持された。このように、実施形態では、物体までの距離が短い場合でも受光光量の減少を抑制できることを確認できた。

なお、比較例および実施形態の何れの場合も、物体面Ｒまでの距離が１０００ｍｍ〜４０００ｍｍの間において、物体面Ｒまでの距離が長くなるにつれて受光光量が減少した。ここで、上述したように、物体面Ｒまでの距離が４０００ｍｍの場合に、反射光が受光面３８ａに収束するよう光検出器３８が配置されている。これにより、物体面Ｒまでの距離が１０００ｍｍ〜４０００ｍｍの場合には、反射光がほぼ漏れなく受光面３８ａに導かれる。しかしながら、物体面Ｒまでの距離が１０００ｍｍ〜４０００ｍｍの場合には、集光レンズ３５に入射する反射光自体が微弱になるため、比較例および実施形態の何れの場合も受光光量が減少する。

以上のように、実施形態では、平面１１１に入射した反射光が光検出器３８から外れる距離範囲（上記シミュレーションの場合、距離が１５０ｍｍ以下の範囲）において、傾斜面１２１に入射した反射光が光検出器３８に導かれるよう、傾斜部１２０が設定される。

なお、少なくとも、平面１１１に入射する反射光が光検出器３８から外れる距離範囲（上記シミュレーションの場合、距離が１５０ｍｍ以下の範囲）において、傾斜面１２１に入射する反射光が光検出器３８に導かれるように傾斜部１２０が設定されればよく、平面１１１に入射する反射光が光検出器３８から外れる手前の所定の距離範囲に（上記シミュレーションの場合、距離が１５０ｍｍ〜４００ｍｍの範囲）おいても、傾斜面１２１に入射する反射光が光検出器３８に導かれるように傾斜部１２０が設定されてもよい。

すなわち、平面１１１に入射する反射光の光量が所定光量（上記シミュレーションの場合、受光光量が１）以上である距離範囲（上記シミュレーションの場合、距離が２５０ｍｍ〜８００ｍｍの範囲）においては、傾斜面１２１に反射光が入射しないように、傾斜部１２０が設定されてもよい。

光検出器３８の受光光量が、ノイズや光検出器３８の検出感度等の影響なく適正に測定を行うことが可能な所定光量（上記シミュレーションの場合、受光光量が１）以上となるように、傾斜部１２０が設定されればよい。具体的には、受光光量が上記所定光量以上となるように、板状部材３６の厚みｄ１、傾斜部１２０の内径φ４、傾斜部１２０の外径φ５、傾斜面１２１の曲率半径ｒ、および傾斜面１２１の傾斜角θが設定されればよい。このほか、集光レンズ３５の焦点距離、および集光レンズ３５と板状部材３６との軸上距離ｄ２も適宜設定されてもよい。

図９は、距離測定装置１の回路部の構成を示す図である。

距離測定装置１は、回路部の構成として、コントローラ１０１と、レーザ駆動回路１０２と、回転駆動回路１０３と、信号処理回路１０４と、を備える。

コントローラ１０１は、ＣＰＵ等の演算処理回路とメモリとを備え、所定の制御プログラムに従って各部を制御する。レーザ駆動回路１０２は、コントローラ１０１からの制御に応じて、光源３１を駆動する。回転駆動回路１０３は、コントローラ１０１からの制御に応じて、コイル１２に電流を導通させる。たとえば、コントローラ１０１は、回転部２０が所定の回転速度で回転するように、回転駆動回路１０３を制御する。これに応じて、回転駆動回路１０３からコイル１２に導通させる電流の強度とタイミングが調節される。

信号処理回路１０４は、光検出器３８から入力される検出信号に対し、増幅およびノイズ除去の処理を施して、コントローラ１０１に出力する。通信インタフェース１０５は、距離測定装置１が設置される機器との間で通信を行うためのインタフェースである。

測距動作において、コントローラ１０１は、回転駆動回路１０３を制御して回転部２０とともにミラー３４を回転させつつ、レーザ駆動回路１０２を制御して、所定のタイミングごとに、所定パルスのレーザ光を光源３１から出力させる。コントローラ１０１は、信号処理回路１０４から入力される光検出器３８の検出信号に基づいて、各出射タイミングにおいて出射されたレーザ光パルスの受光タイミングを検出する。そして、コントローラ１０１は、レーザ光の出射タイミングと受光タイミングとの間の時間差（タイムオブフライト）に基づいて、各出射タイミングにおいて測距領域に存在した物体までの距離を計測する。

コントローラ１０１は、こうして算出した距離のデータを、随時、通信インタフェース１０５を介して、距離測定装置１が設置された機器に送信する。機器側では、受信した距離データに基づき、周囲３６０°に存在する物体までの距離が取得され、所定の制御が実行される。

＜実施形態の効果＞
以上、実施形態によれば、以下の効果が奏される。

板状部材３６は、反射光に屈折作用を付与する平板部１１０（第１屈折部）と、平板部１１０の外側に設けられ、平板部１１０とは異なる屈折作用を反射光に付与する傾斜部１２０（第２屈折部）とを一体的に有する。このように板状部材３６が構成されると、平板部１１０と傾斜部１２０とによって、反射光の集光位置が変化する。このため、物体が遠距離と近距離に存在する場合の反射光を、相補的に、光検出器３８に導くことができる。よって、測定対象の距離範囲において、物体からの反射光をより適正に光検出器３８に導くことができる。また、板状部材３６には、特に孔を設ける必要がなく、平板部１１０と傾斜部１２０とが一体的に設けられるため、孔による反射や散乱が反射光に生じない。よって、より効率的に、反射光を光検出器３８に導くことができる。

また、板状部材３６には孔等が設けられていないため、板状部材３６の形状に歪みが生じにくい。よって、歪みに基づく集光効率の低下を抑制することができる。

傾斜部１２０（第２屈折部）は、測定対象の距離範囲のうち、少なくとも平板部１１０（第１屈折部）を透過して光検出器３８に集光される反射光の光量が所定光量（上記シミュレーションの場合、受光光量が１）よりも低下する距離範囲（上記シミュレーションの場合、距離が２００ｍｍ以下の範囲）において、傾斜部１２０を透過した反射光を光検出器３８に導く。これにより、測定対象の距離範囲において、平板部１１０を透過した反射光と傾斜部１２０を透過した反射光とが、光検出器３８に対して相補的に入射する。よって、測定対象の距離範囲において、物体からの反射光を適正に光検出器３８に導くことができるため、物体までの距離をより精度良く測定できる。

集光レンズ３５は、測定対象の距離範囲のうち最遠距離からの反射光を、平板部１１０（第１屈折部）を介して光検出器３８の受光面３８ａに集光させる焦点距離を有する。傾斜部１２０（第２屈折部）は、測定対象の距離範囲のうち最近距離から所定の範囲において反射された反射光を、光検出器３８の受光面３８ａに向かわせる。これにより、遠距離からの微弱な反射光を集光レンズ３５によって効率的に光検出器３８の受光面３８ａに集光できる。よって、遠距離の範囲に物体が存在する場合であっても、精度良く物体までの距離を測定できる。

板状部材３６は、厚みが一定の平板部１１０と、厚みが徐々に変化する傾斜部１２０とを一体的に有する。この場合、平板部１１０を透過した反射光の進行方向と傾斜部１２０を透過した反射光の進行方向とが、互いに異なるようになる。これにより、測定対象の距離範囲において物体からの反射光を適正に光検出器３８に導くことができる。

図３（ａ）に示したように、傾斜部１２０の傾斜面１２１は、外方に突出するとともに、集光レンズ３５の光軸（板状部材３６の中心軸３６ａ）上の一点を中心とする円に沿った形状を有する。この場合、傾斜面１２１は、集光レンズ３５の光軸を中心とする円に沿った形状を有する。このように、傾斜面１２１が集光レンズ３５の光軸を中心とする円に沿った形状を有すると、傾斜部１２０を通る反射光を、効率良く光検出器３８の受光面３８ａに集光できる。

図２に示したように、レーザ光を出射する光源３１は、集光レンズ３５の中央に埋め込まれて設置されている。このように、光源３１が集光レンズ３５の中央に埋め込まれると、反射光が光源３１によって遮られるため、集光レンズ３５に向かう反射光のうち、集光レンズ３５の外周領域に入射した反射光のみが光検出器３８に集光されることになる。したがって、この構成では、上記比較例のように板状部材３６が配置されていない場合、物体の遠近によっては反射光の集光領域が光検出器３８から外れてしまうことが起こり得る。これに対し、実施形態の距離測定装置１によれば、上記のように板状部材３６が配置されるため、このように光源３１が集光レンズ３５に埋め込まれていても、物体の遠近にかかわらず反射光を光検出器３８に導くことができる。

＜変更例＞
距離測定装置１の構成は、上記実施形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施形態では、第１屈折部が平板部１１０で形成され、第２屈折部が傾斜部１２０で形成されたが、これに限らず、たとえば、第１屈折部の表面が曲面であってもよく、第１屈折部の表面に凹凸があってもよい。第１屈折部と第２屈折部とが、反射光に対して異なる屈折作用を付与することにより、遠距離からの反射光と近距離からの反射光とが相補的に光検出器３８に導かれれば、第１屈折部および第２屈折部の形状はどのような形状であってもよい。

また、上記実施形態において、傾斜部１２０の傾斜面１２１は、側方（Ｚ軸に垂直な方向）から見た場合に、中心軸３６ａ（図３（ａ）、（ｂ）参照）上の一点を中心とする円に沿った形状（一定の曲率半径の円弧形状）とされたが、これに限らない。たとえば、図１０（ａ）に示すように、傾斜面１２１は、側方から見た場合に、平坦な傾きを有する形状であってもよい。すなわち、傾斜面１２１は、円錐面に沿った形状を有してもよい。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の板状部材３６が用いられる場合に、最近距離から所定範囲において反射された反射光の光束を模式的に示す図である。この場合も、図４（ｃ）、（ｄ）と同様、平面１１１に入射する反射光は光検出器３８から外れるものの、傾斜面１２１に入射する反射光は光検出器３８へと導かれる。

また、傾斜面１２１は、側方から見た場合に、放物線の形状であってもよい。すなわち、傾斜面１２１は、放物面に沿った形状を有してもよい。また、傾斜面１２１は、球面レンズの形状であってもよく、非球面レンズの形状を有してもよい。すなわち、傾斜面１２１は、所定距離（たとえば最近距離）からの反射光を受光面３８ａ上の一点に収束させるレンズ面であってもよい。

また、上記実施形態では、傾斜部１２０の傾斜面１２１は、Ｚ軸正側（集光レンズ３５側）に設けられたが、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｚ軸負側（光検出器３８側）に設けられてもよい。

図１１（ａ）、（ｂ）は、傾斜面１２１が光検出器３８側に設けられる場合に、それぞれ、最遠距離からの反射光の光束および最近距離から所定の範囲において反射された反射光の光束を模式的に示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）に示す変更例では、傾斜面１２１は、円錐面に沿った形状を有する。

図１１（ａ）に示すように、最遠距離からの反射光は、Ｚ軸正側の平面１３１から入射し、平板部１１０の平面１１１から出射される。この場合、反射光は傾斜面１２１を通過しないため、進行方向がほぼ変化せず、平面１１１を通過した反射光は、光検出器３８に集光される。他方、図１１（ｂ）に示すように、最近距離から所定範囲において反射された反射光のうち、平板部１１０の平面１１１から出射される反射光は光検出器３８から外れるものの、傾斜部１２０の傾斜面１２１から出射される反射光は、光検出器３８へと導かれる。

なお、傾斜面１２１が光検出器３８側に設けられる場合も、傾斜面１２１の形状は、上記実施形態と同様、放物面や球面等、傾斜面１２１を通った反射光を受光面３８ａにより集光させやすい形状であってもよい。

また、上記実施形態では、中心軸３６ａ付近の第１屈折部が平板部１１０とされ、第１屈折部の外側の第２屈折部が傾斜部１２０とされたが、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、中心軸３６ａ付近の第１屈折部が傾斜部２２０とされ、第１屈折部の外側の第２屈折部が平板部２１０とされてもよい。

図１２（ａ）、（ｂ）は、第１屈折部が傾斜部２２０である場合に、それぞれ、最遠距離からの反射光の光束および最近距離から所定の範囲において反射された反射光の光束を模式的に示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）に示す変更例では、傾斜面２２１は、円錐面に沿った形状を有する。

図１２（ａ）に示すように、最遠距離からの反射光のほぼ全ては、傾斜面２２１に入射し、傾斜部２２０によって屈折作用を受け、進行方向が中心軸３６ａから離れる方向に変化される。これにより、反射光は、光検出器３８に集光される。他方、図１２（ｂ）に示すように、最近距離から所定範囲において反射された反射光のうち、傾斜面２２１に入射した反射光は光検出器３８から外れるものの、平板部２１０の平面２１１に入射した反射光は、光検出器３８へと導かれる。

この変更例では、最遠距離からの反射光が、傾斜部２２０を介して受光面３８ａに集光するように、集光レンズ３５の焦点距離が設定されている。

このように、板状部材３６の平板部２１０（第２屈折部）と傾斜部２２０（第１屈折部）とが、反射光に対して異なる屈折作用を付与することにより、物体が遠距離と近距離に存在する場合の反射光を、相補的に光検出器３８に導くことができる。

なお、第１屈折部が傾斜部２２０である場合も、傾斜面２２１の形状は、上記実施形態と同様、放物面や球面等、傾斜面２２１を通った反射光を受光面３８ａにより集光させやすい形状であってもよい。

また、上記実施形態では、光源３１とコリメータレンズ３２が集光レンズ３５に設置されたが、光源３１とコリメータレンズ３２が集光レンズ３５とは別の位置に配置されてもよい。

図１３（ａ）、（ｂ）は、光源３１とコリメータレンズ３２が回転中心軸Ｒ１０のＸ軸負側に配置される場合の構成を示す図である。図１３（ａ）は、この変更例に係る距離測定装置１の構成を模式的に示す側面透視図であり、図１３（ｂ）は、この変更例に係るミラー４２の拡大側面図である。

図１３（ａ）に示すように、この変更例では、光源３１と光検出器３８が、Ｘ軸方向に並ぶように基板に設置されている。また、集光レンズ３５のＺ軸負側において、固定部１０にミラー４１、４２が設置されている。コリメータレンズ３２は、光源３１とミラー４１との間に設置されている。板状部材３６は、ミラー４２とフィルタ３７との間に設置されている。ミラー４１は、全反射ミラーである。図１３（ｂ）に示すように、ミラー４２は、透明部材４２ａと反射膜４２ｂを備える。反射膜４２ｂは、透明部材４２ａのＺ軸正側の面の中央に設けられている。反射膜４２ｂ以外の領域には、反射膜が形成されていない。

この変更例では、光源３１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ３２により平行光となり、ミラー４１によりＸ軸正方向に反射される。ミラー４１により反射されたレーザ光は、反射膜４２ｂに入射する。その後、レーザ光は、反射膜４２ｂによりＺ軸正方向に反射され、集光レンズ３５を通って、ミラー３４により測距領域へと反射される。

測距領域の物体からの反射光は、ミラー３４によりＺ軸負方向に反射され、集光レンズ３５により集光される。集光レンズ３５により集光された反射光は、大半が、ミラー４２の透明部材４２ａを透過する。ミラー４２を透過した反射光は、上記実施形態と同様、板状部材３６とフィルタ３７を介して光検出器３８へと導かれる。

この変更例においても、上記実施形態と同様、板状部材３６に平板部１１０と傾斜部１２０が設けられている。これにより、測定対象の距離範囲のうち遠距離からの反射光を光検出器３８に集光させるとともに、測定対象の距離範囲のうち近距離からの反射光も、光検出器３８へと導くことができる。

また、光源３１とコリメータレンズ３２が、回転部２０側に配置されてもよい。ただし、この場合は、固定部１０側から回転部２０側へと電力を供給するための構成が必要となる。よって、簡素な構成により安定的に光源３１を駆動するためには、上記実施形態のように、固定部１０側に光源３１を配置するのが好ましいと言える。

なお、距離測定機能がなく光検出器３８からの信号により投射方向に物体が存在するか否かの検出機能のみを備えた装置に本発明に係る構造を適用することも可能である。この場合も、物体までの距離にかかわらず、反射光を光検出器３８に導くことができるため、物体の有無を適正に検出することができる。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ 距離測定装置
３１ 光源（投射光学系）
３２ コリメータレンズ（投射光学系）
３４ ミラー（投射光学系）
３５ 集光レンズ
３６ 板状部材
３８ 光検出器
３８ａ 受光面
１１０ 平板部（第１屈折部）
１２０ 傾斜部（第２屈折部）
１２１ 傾斜面
２１０ 平板部（第２屈折部）
２２０ 傾斜部（第１屈折部）
２２１ 傾斜面

Claims (8)

1. レーザ光を投射する投射光学系と、
   物体により反射された前記レーザ光の反射光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された前記反射光を透過させる板状部材と、
   前記板状部材を透過した前記反射光を受光する光検出器と、を備え、
   前記板状部材は、前記反射光に屈折作用を付与する第１屈折部と、前記第１屈折部の外側に設けられ、前記第１屈折部とは異なる屈折作用を前記反射光に付与する第２屈折部とを一体的に有する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 請求項１に記載の距離測定装置において、
   前記第２屈折部は、測定対象の距離範囲のうち、少なくとも、前記第１屈折部を透過して前記光検出器に集光される前記反射光の光量が所定光量よりも低下する距離範囲において、前記第２屈折部を透過した前記反射光を前記光検出器に導く、
   ことを特徴とする距離測定装置。
3. 請求項２に記載の距離測定装置において、
   前記集光レンズは、測定対象の距離範囲のうち最遠距離からの前記反射光を、前記第１屈折部を介して前記光検出器の受光面に集光させる焦点距離を有し、
   前記第２屈折部は、前記測定対象の距離範囲のうち最近距離から所定の範囲において反射された前記反射光を、前記光検出器の受光面に向かわせる、
   ことを特徴とする距離測定装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記第１屈折部および前記第２屈折部の一方は、厚みが一定の平板部であり、
   前記第１屈折部および前記第２屈折部の他方は、厚みが徐々に変化する傾斜部である、
   ことを特徴とする距離測定装置。
5. 請求項４に記載の距離測定装置において、
   前記第１屈折部は、前記平板部であり、
   前記第２屈折部は、前記傾斜部である、
   ことを特徴とする距離測定装置。
6. 請求項４または５に記載の距離測定装置において、
   前記傾斜部の傾斜面は、外方に突出するとともに、前記集光レンズの光軸を中心とする円に沿った形状を有する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
7. 請求項４または５に記載の距離測定装置において、
   前記傾斜部の傾斜面は、円錐面に沿った形状を有する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記レーザ光を出射する光源が、前記集光レンズの中央に埋め込まれて設置されている、
   ことを特徴とする距離測定装置。

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