JP2022152867A - 光学式測距装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物までの距離を正確に測定する。【解決手段】本発明に係る光学式測距装置１０は、対象物４との距離を測定する光学式測距装置であって、参照光１を出射する光出力部１１と、測定光２を出射する光走査部１２と、測定光２と参照光１の対象物４からの反射光３を受光する受光部１３とを備え、測定光２の焦点を対象物４の表面で走査し、参照光１の焦点に一致するときの光走査部１２の角度より、距離を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物までの距離を光学的に測定する光学式測距装置および方法に関する。

光学的に対象物との距離を測定する光学式測距装置において、測定原理に位相差式、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）式、三角測量式を用いるものが知られている。その中で、三角測量式を用いる光学式測距装置の構成例３０は、図１１（ａ）に示すように、発光素子３１と、受光素子３３と、発光レンズ３２と、受光レンズ３４とを備え、対象物４に光３０１を照射し、その反射光３０２を受光して、対象物４までの距離を測定する（例えば、特許文献１）。

三角測量式測距方法の光学系において、図１１（ａ）に示すように、光源３１からの光３０１は発光レンズ３２を透過して対象物４に照射される。対象物４に反射された光３０２は、受光レンズ３４により集光され受光素子３３に結像する。

対象物４からの反射光３０２が受光素子３３へ角度θで入射する場合、光源３１と結像位置との距離Ｌとして、光源３１と対象物４との距離Ｄ０は式（１）により算出される。

Ｄ０ ＝ Ｌ０・ｔａｎθ （１）

例えば、図１１（ａ）に示すように、対象物４がＺ１の位置にある場合には、Ｄ０１＝Ｌ０１・ｔａｎθ０１である。

この光学系において、対象物４が、光源３１と対象物４とを結ぶ光軸上を移動するときには（例えば、位置Ｚ１から位置Ｚ２）、式（１）により、光源３１と対象物４との距離Ｄ０を算出することができる。例えば、対象物４がＺ２の位置にある場合には、Ｄ０２＝Ｌ０２・ｔａｎθ０２である。

例えば、レベル計において光学式測距装置を用いて、液槽内の液面Ｚ１の高さＤ０１から液面Ｚ２の高さＤ０２への変化を測定する。

特開２０１２－３７２７６号公報

しかしながら、光源３１と対象物４とを結ぶ光軸を対象物４の表面の垂直方向と完全平行方向に設定することは困難である。図１１（ｂ）に示すように、光源３１と対象物４とを結ぶ光軸が、対象物４の表面の垂直方向と任意の角度θｘを有する場合、式（１）の関係が成立しない。

その結果、角度θｘの値を正確に取得できない場合、式（１）により光源３１と対象物４との距離Ｄ０１を算出することができず、対象物４との距離を正確に測定することは困難であった。

さらに、対象物４が、図１１（ｂ）に示すように、光源３１と対象物４とを結ぶ光軸以外の方向に移動する場合には、対象物４との距離Ｄ０２を正確に測定することは困難であった。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る光学式測距装置は、対象物との距離を測定する光学式測距装置であって、参照光を出射する光出力部と、測定光を出射する光走査部と、前記測定光と前記参照光の前記対象物からの反射光を受光する受光部とを備え、前記測定光の焦点を前記対象物の表面で走査し、前記参照光の焦点に一致するときの前記光走査部の走査角より、前記距離を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る光学式測距装置は、前記測定光と前記参照光それぞれが対象物に照射する光路が同一面上にあってもよい。

また、本発明に係る光学式測距装置は、前記光出力部が、光源と光分岐部とを有し、前記光分岐部が、前記光源からの光を、第１の光と第２の光に分岐し、前記光走査部が、光反射部で前記第２の光を反射して、前記測定光として前記対象物に照射し、前記第１の光を、前記参照光として前記対象物に照射してもよい。

また、本発明に係る光学式測距装置は、前記光走査部が、他の光源を有してもよい。

また、本発明に係る光学式測距装置は、前記受光部が、測角センサを有してもよい。

また、本発明に係る光学式測距装置は、前記光走査部の走査駆動部が、１軸駆動型ＭＥＭＳであってもよい。

また、本発明に係る光学式測距方法は、対象物との距離を測定する光学式測距方法であって、測定光を前記対象物に照射するステップと、参照光を前記対象物に照射するステップと、前記測定光と前記参照光との前記対象物からの反射光を受光するステップと、前記対象物の表面において、前記測定光を走査し、前記測定光の焦点が前記参照光の焦点に一致するときの前記測定光の走査角を検出するステップと、前記測定光の走査角から前記距離を算出するステップとを備える。

また、本発明に係る光学式測距方法は、前記距離を、式（Ａ）より算出してもよい。

Ｄ ＝ Ｌ・ｔａｎθ （Ａ）

ここで、Ｄは前記距離、Ｌは前記測定光の出射位置と前記参照光の出射位置との距離、θは前記走査角である。

また、本発明に係る光学式測距方法は、前記距離の補正される距離を、式（Ｂ）より算出してもよい。

ｄ ＝ Ｄ・ｃｏｓ（｜α－β｜／２） （Ｂ）

ここで、ｄは前記距離の補正される距離、αは前記測定光の走査角、βは前記反射光の受光強度が最大となるときの受光角度である。

本発明によれば、対象物までの距離を正確に測定できる光学式測距装置および方法を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距装置における光走査部の一例を示す概略図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距方法を示すフローチャート図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距装置および方法の効果を説明するための図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測距装置の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。 図１１は、従来の光学式測距装置の光学系の一例を示す概略図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る光学式測距装置１０について、図１～図５を参照して説明する。

＜光学式測距装置の構成＞
本実施の形態に係る光学式測距装置１０は、図１に示すように、光出力部１１と、光走査部１２と、受光部１３と、制御部１４とを備える。ここで、光出力部１１は、光源１１１と光分岐部１１２とを有する。また、光走査部１２は走査駆動部１２２と光反射部１２１とを有する。

制御部１４は、光源１１１を駆動する光源駆動電源１４１と、光走査部１２の走査駆動部１２２を制御する光走査制御部１４２と、解析部１４３とを備える。

解析部１４３は受光部１３と光走査制御部１４２と接続され、対象物までの距離を算出する（後述）。

図２に、光学式測距装置１０の光学系を示す。光学式測距装置１０では、光源に半導体レーザ１１１、光分岐部にハーフミラー１１２、受光部にＣＭＯＳ撮像素子１３を用いる。また、光走査部の走査駆動部にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）１２２、光反射部にミラー１２１を用い、いわゆるＭＥＭＳミラー１２を用いる。

半導体レーザ１１１から出射される光はハーフミラー１１２に入射され、第１の光１と第２の光１＿２に分岐される。第１の光は、参照光１として、光出力部１１における光分岐部（ハーフミラー）１１２から出射され、半導体レーザ１１１からハーフミラー１１２の光軸の延長線上で被測定物体表面（以下、「対象物」という。）４に照射される。ここで、参照光１がハーフミラー１１２から出射される位置が、光出力部１１の出射位置、換言すれば参照光１の出射位置である。

第２の光１＿２は、ＭＥＭＳミラー１２で反射された後、測定光２として対象物４に照射される。ここで、測定光２がＭＥＭＳミラー１２で反射され出射される位置が、測定光２の出射位置である。

このように、参照光１は光軸方向を固定し、測定光２はＭＥＭＳミラー１２を駆動することにより経時的に光軸方向を変える。ここで、測定光２は参照光１とねじれの関係になく、平行にならない限り必ず交差するようにする。すなわち、対象物４に照射される測定光２の光路と参照光１の光路は同一面上にある。

各々の光は対象物４で乱反射され、その一部がＣＭＯＳ撮像素子１３によって受光される。したがって、ＣＭＯＳ撮像素子１３では、測定光２と参照光１それぞれが対象物４を照射する点が輝点として観測される。

ここで、ＭＥＭＳ１２２は、一例として、１軸駆動型ＭＥＭＳであり、図３に示すように、第１軸１２０に対して回動可能に形成された可動部１２４を支持する固定フレーム１２３とを備える。可動部１２４に光反射部であるミラー１２１が搭載される。

また、固定フレーム１２３の両側には、第１軸１２０の垂直方向に均一な磁場を形成するための第１の磁石（Ｎ極）１２８＿１及び第２の磁石（Ｓ極）１２８＿２がそれぞれ配置される。例えば、第１の磁石（Ｎ極）１２８＿１のＮ極が固定フレーム１２３と対向して配置され、第２の磁石（Ｓ極）１２８＿２のＳ極が固定フレーム１２３と対向して配置される。第１の磁石（Ｎ極）１２８＿１及び第２の磁石（Ｓ極）１２８＿２は、例えば、永久磁石または電磁石で形成できる。

可動部１２４は、第１軸１２０方向に可動部１２４の両側に形成された第１の梁１２５を介して固定フレーム１２３内に接続されている。

また、可動部１２４には、可動部１２４を、第１軸１２０を中心軸として回動させるための駆動コイル１２６が配置される。例えば、駆動コイル１２６は、可動部１２４の面内で複数回周回するように巻かれて構成され、その一端は第１の梁１２５を介して固定フレーム１２３の第１の電極１２７＿１に接続され、他端は第１の梁１２５を介して固定フレーム１２３の第２の電極１２７＿２に接続される。

駆動コイル１２６には、可動部１２４を駆動させるための信号が印加される。駆動コイル１２６に信号が印加されれば、第１の磁石（Ｎ極）１２８＿１及び第２の磁石（Ｓ極）１２８＿２により形成された磁場と、及び駆動コイル１２６に流れる電流とにより発生したローレンツ力が、可動部１２４を駆動させる。

ここで、可動部１２４と第１の梁１２５とは、それぞれ信号の周波振動に適した質量及び弾性剛性を有するように設計される。

このように、可動部１２４は、第１軸１２０を中心軸として回動する。その結果、可動部１２４に搭載されるミラー１２１が回動するので、ミラー１２１に反射する光が対象物４上を走査される。

＜光学式測距方法＞
本実施の形態に係る光学式測距方法について、図４を参照して説明する。図４は、光学式測距方法を示すフローチャート図である。

初めに、光学式測距装置１０において、測定光２と参照光１とを対象物４に照射する（ステップ１５１）。各光線が対象物４の別の位置に照射される（合焦状態にない）とき、ＣＭＯＳ撮像素子１３では複数の輝点が観測される。

次に、光走査部１２（走査駆動部１２２）を駆動して、対象物４の表面で測定光２を走査する（ステップ１５２）。

次に、対象物４の表面で、測定光２の焦点を参照光１との焦点と一致させる（ステップ１５３）。その結果、ＣＭＯＳ撮像素子１３でより明るい１点の輝点が観測される点が検出される。このとき、対象物４の表面で参照光１と測定光２とが合焦状態にある。図２中の矢印３は、合焦状態における参照光１と測定光２の対象物での反射光を示す。

例えば、ＣＭＯＳ撮像素子１３で受光される光強度が最大となるときを合焦状態として検出できる。または、目視により合焦状態を観測してもよい。

次に、この合焦状態での光走査部１２の走査角θを検出する。ここで、光走査部の走査角θは、ＭＥＭＳミラー１２表面に対する光（第２の光）１＿２の入射方向と反射方向（測定光２の出射方向）とがなす角度であり、「測定光の走査角」ともいう。

光走査部１２の走査角θを検出するとき、光走査部１２を所定の速度で揺動させ、合焦状態となる瞬間を検出してもよい、または、合焦状態で光走査部１２を停止して走査角を検出してもよい。

または、ＣＭＯＳ撮像素子１３で測定光２による焦点位置と参照光１による焦点位置との距離を測定して、この距離がゼロまたは所定の値以下になるように、光走査部１２にフィードバックして、距離がゼロまたは所定の値以下の状態を合焦状態として、光走査部１２の走査角θを検出してもよい。

最後に、式（２）より、光出力部１１の出射位置（ハーフミラー１１２の出射位置）から対象物４までの距離Ｄを算出する。ここで、測定光２の出射位置と参照光１の出射位置との距離をＬとする。

Ｄ ＝ Ｌ・ｔａｎθ （２）

ここで、測定光２と参照光１に異なる波長の光を用いて、合焦状態をそれぞれの光の合成色として検出してもよい。例えば、測定光２に赤色光、参照光１に青色光を用いる場合、合焦状態はそれぞれの光の合成色である紫色として検出される。これにより、目視での測定精度（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。

＜効果＞
以上のように、本実施の形態に係る光学式測距装置および方法によれば、対象物４までの距離を正確に測定できる。

とくに、以下の通り、光出力部１１から対象物４への光照射方向が、対象物４の表面に対する垂直方向から任意の角度を有する場合でも、対象物４までの距離を正確に測定できる。

図５（ａ）に示すように、参照光１が任意の角度θｘ１で対象物４に照射される。参照光１が対象物４の表面で焦点Ｐ１を形成するときに、光走査部１２を駆動して測定光２の焦点を対象物４の表面で走査させて、測定光２の焦点と参照光１の焦点が一致する光走査部１２の走査角θ１を検出する。

光走査部１２とハーフミラー１１２との距離すなわち測定光２の出射位置と参照光１の出射位置との距離をＬとして、式（２）により、参照光１と平行方向での光出力部１１の出射位置（ハーフミラー１１２の出射位置）から対象物４までの距離Ｄ１を算出できる。

また、参照光１（光源１１１からの光）の照射方向と対象物４が移動する方向とが任意の角度を有する場合、対象物４までの距離の変化を正確に測定できる。

図５（ｂ）に示すように、対象物４がＺ１の位置からＺ２の位置に移動するとき、参照光１が任意の角度θｘ２で対象物４に照射される。参照光１が対象物４の表面で焦点Ｐ２を形成するときに、光走査部１２を駆動して測定光２の焦点を対象物４の表面で走査させて、測定光２の焦点と参照光１の焦点が一致する光走査部１２の走査角θ２を検出する。

光走査部１２とハーフミラー１１２との距離すなわち測定光２の出射位置と参照光１の出射位置との距離をＬとして、式（２）により、参照光１と平行方向での光出力部１１の出射位置（ハーフミラー１１２の出射位置）から対象物４までの距離Ｄ２を算出できる。

本実施の形態に係る光学式測距装置および方法では、測定光２と参照光１を用いて、参照光１の光軸を固定して固定軸として設定して、測定光２の光軸を変化させて固定軸との角度を検出する。

これにより、光出力部１１からの照射方向と対象物４が移動する方向とが任意の角度を有する場合でも、参照光１と平行方向での光出力部１１から対象物４までの距離を正確に測定することができる。このように、光出力部１１から対象物４までの相対的な距離の変化を正確に測定することができる。

＜変形例１＞
本実施の形態の変形例１に係る光学式測距装置および方法について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

上述の通り、第１の実施の形態では、参照光１と平行方向での光出力部１１の出射位置（ハーフミラー１１２の出射位置）から対象物４までの距離Ｄを算出できるが、対象物４の垂直方向におけるハーフミラー１１２から対象物４までの距離（距離の絶対値）を取得することはできない。

本変形例では、参照光１と平行方向での光出力部１１の出射位置（ハーフミラー１１２の出射位置）から対象物４までの距離Ｄに基づき、対象物４の垂直方向におけるハーフミラー１１２から対象物４までの距離（距離の絶対値）を算出できる。詳細を以下に説明する。

本変形例に係る光学式測距装置１０＿２は、第１の実施の形態と同様に、光出力部１１と、光走査部と、受光部１３と、制御部１４とを備える。ここで、光出力部１１は、光源１１１と光分岐部１１２とを有する。

図６（ａ）、（ｂ）に、光学式測距装置１０＿２の光学系を示す。光学式測距装置１０＿２では、光源に半導体レーザ１１１、光分岐部にハーフミラー１１２、光走査部にＭＥＭＳミラー１２、受光部にＣＭＯＳ撮像素子１３を用いる。さらに、受光部１３は、測角センサ（角度計測センサ）を有する。

半導体レーザ１１１から出射される光はハーフミラー１１２に入射され、第１の実施の形態と同様に、参照光１と測定光２に分岐され、参照光１は直接対象物４に照射され、測定光２はＭＥＭＳミラー１２で反射されて対象物４に照射される。

図６（ａ）に示すように、参照光１が対象物４に垂直に入射され光走査部１２の走査角（測定光２の走査角）αで合焦状態となる場合、測定光２の対象物４への入射角がπ／２－αとなり、対象物４で乱反射される測定光のうち反射角π／２－αで反射する光３が最大の強度で受光部１３で受光される。

このとき、測定光２（および参照光１）の反射光３の受光部１３への入射方向と、光出力部１１（光分岐部）の出射位置と光走査部１２の出射位置とを結ぶ線との平行方向とがなす角度（以下、「受光角度」という。）βはαである。

一方、図６（ｂ）に示すように、参照光１が対象物４の垂直方向に任意の角度θをもって入射され光走査部１２の走査角αで合焦状態となる場合、測定光２が対象物４への入射角がπ／２－α＋θとなり、対象物４で乱反射される測定光のうち反射角π／２－α＋θで反射する光３が最大の強度で受光部１３で受光される。このときの測定光２（および参照光１）の反射光３の受光部１３への入射角度βはα－２θである。

このように、参照光１が対象物４の垂直方向に任意の角度θをもって入射する場合、合焦状態で測定光２（および参照光１）の反射光３の受光部１３への入射角度βはα－２θとなり、その変化分｜α－β｜は２θである。したがって、参照光１の入射方向と対象物４の垂直方向との角度θは、θ＝｜α－β｜／２より算出される。

したがって、対象物４の垂直方向における光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離ｄは、式（２）により算出される距離（参照光１と平行方向で光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離）Ｄを用いて、式（３）により算出される。

ｄ ＝ Ｄ・ｃｏｓθ （３）

このように、本変形例に係る光学式測距装置および方法によれば、参照光１と平行方向での対象物４までの距離Ｄを補正して、対象物４の垂直方向における光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離（距離の絶対値）ｄを算出できる。

＜変形例２＞
本実施の形態の変形例２に係る光学式測距装置および方法について、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）では、本変形例をわかりやすく説明するために、対象物に照射される参照光の経路のみを示す。

本変形例では、図７（ａ）に示すように、参照光１が、図中ｘ方向だけではなく、図中ｙ方向に任意の角度をもって、対象物４に入射する場合において、垂直方向における対象物４までの距離（距離の絶対値）ｄの算出について説明する。

本変形例に係る光学式測距装置１０＿３は、第１の実施の形態と同様に、光出力部１１と、光走査部と、受光部１３と、制御部１４とを備える。ここで、光出力部１１は、光源１１１と光分岐部１１２とを有する。

図７（ｂ）に、光学式測距装置１０＿３の光学系を示す。光学式測距装置１０＿３では、光源に半導体レーザ（第１の半導体レーザ）１１１、光分岐部にハーフミラー１１２、第１の光走査部１２＿１としてＭＥＭＳ、第２の光走査部としてＭＥＭＳミラー１２＿２、受光部１３にＣＭＯＳ撮像素子を用いる。さらに、第１の光走査部１２＿１は、補助光源としての半導体レーザを備える。また、受光部１３は、測角センサ（角度計測センサ）を有する。

ここで、第１の光走査部１２＿１は、光分岐部１１２から第２の光走査部１２＿２への方向に対して所定の角度（本変形例では９０°）で距離Ｌ１の位置に配置される。

第１の実施の形態の変形例１と同様に、半導体レーザ１１１から出射される光はハーフミラー１１２で分岐され、参照光１は直接対象物４に照射され、測定光（第２の測定光）２＿２はＭＥＭＳミラー１２＿２で反射されて対象物４に照射される。この参照光１と測定光２＿２との合焦状態において、対象物４での反射光を受光部１３で受光して、図７（ａ）に示すθ１を算出する。

また、第１の光走査部１２＿１において補助光源（半導体レーザ）から出射する光を測定光（第１の測定光）２＿１として対象物４に照射してＭＥＭＳにより走査する。その結果得られる参照光１と測定光２＿１との合焦状態より、図７（ａ）に示すθ２を算出する。

したがって、対象物４の垂直方向における光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離ｄは、式（２）により算出される距離（参照光１と平行方向で光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離）Ｄと、角度θ１、θ２を用いて、式（４）により算出される。

ｄ ＝ Ｄ’・ｃｏｓθ２ ＝ Ｄ・ｃｏｓθ１・ｃｏｓθ２ （４）

このように、本変形例に係る光学式測距装置および方法によれば、対象物４の垂直方向における光出力部１１の出射位置から対象物４までの距離（距離の絶対値）を、さらに精度よく算出できる。

本変形例では、第１の光走査部１２＿１における補助光源（半導体レーザ）からの出射光を第１の測定光として用いる例を示したが、これに限らない。第１の光走査部１２＿１としてＭＥＭＳミラーを用い、別に備える他の補助光源（半導体レーザ）からの出射光をＭＥＭＳミラーに反射させて、第１の測定光として用いてもよい。また、別に備える他の光分岐部で半導体レーザ（第１の半導体レーザ）１１１の出射光を分岐して用いてもよい。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る光学式測距装置について、図８、９を参照して説明する。

＜光学式測距装置の構成＞
本実施の形態に係る光学式測距装置２０は、図８に示すように、光出力部２１と、光走査部２２と、受光部２３と、制御部２４とを備える。ここで、光出力部２１は、光源（第１の光源）２１１を有する。また、光走査部２２では、走査駆動部２２２に他の光源（第２の光源）２２１が搭載される。

制御部２４は、第１の光源２１１を駆動する第１の光源駆動電源２４１と、第２の光源２２１を駆動する第２の光源駆動電源２４２と、光走査部２２を制御する光走査制御部２４３と、解析部２４４とを備える。

解析部２４４は受光部２３と光走査制御部２４３と接続され、対象物までの距離を算出する（後述）。

図９に、光学式測距装置２０の光学系を示す。光学式測距装置２０では、第１の光源に半導体レーザ２１１、光走査部の走査駆動部にＭＥＭＳ２２２、ＭＥＭＳ２２２に搭載される第２の光源に半導体レーザ２２１、受光部にＣＭＯＳ撮像素子２３を用いる。

半導体レーザ２１１から出射される光は、参照光１として、対象物４に照射される。ここで、参照光１が半導体レーザ２１１から出射される位置が、参照光１の出射位置である。

ＭＥＭＳ２２２に搭載される半導体レーザ２２１から出射される光は、測定光２として対象物４に照射される。ここで、測定光２が半導体レーザ２２１から出射される位置が、測定光２の出射位置である。

このように、参照光１は光軸方向を固定し、測定光２はＭＥＭＳ２２２を駆動することにより、ＭＥＭＳ２２２に搭載される半導体レーザ２２１の出射光の光軸方向を経時的に変える。ここで、測定光２は参照光１とねじれの関係になく、平行にならない限り必ず交差するようにする。すなわち、対象物４に照射される測定光２の光路と参照光１の光路は同一面上にある。

各々の光は対象物４の表面で乱反射され、その一部がＣＭＯＳ撮像素子２３によって受光される。したがって、ＣＭＯＳ撮像素子２３では、測定光２と参照光１それぞれが対象物４を照射する点が輝点として観測される。

ＭＥＭＳ２２２は、第１の実施の形態と同様の１軸駆動型ＭＥＭＳであり、可動部に搭載される半導体レーザ２２１が回動するので、半導体レーザから出射される光が対象物４上を走査される。

本実施の形態に係る光学式測距方法では、第１の実施の形態と同様に、対象物４の表面で参照光１と測定光２とが合焦状態となるときの測定光２の走査角θを検出して、式（２）より、半導体レーザ２１１の出射位置から対象物４までの距離Ｄを算出する。

本実施の形態に係る光学式測距方法によれば、第１の実施の形態と同様に、対象物４までの距離を正確に測定できる。

とくに、光出力部２１（半導体レーザ２１１）から対象物４への光照射方向が、対象物４の表面に対する垂直方向から任意の角度を有する場合でも、対象物４までの距離を正確に測定できる。

また、光出力部２１からの照射方向と対象物４が移動する方向とが任意の角度を有する場合でも、参照光１と平行方向での光出力部２１から対象物４までの距離を正確に測定することができる。このように、光出力部２１から対象物４までの相対的な距離の変化を正確に測定することができる。

＜変形例＞
本実施の形態の変形例に係る光学式測距装置について、図１０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

本変形例に係る光学式測距装置２０＿２は、第２の実施の形態と同様に、光出力部２１と、光走査部２２と、受光部２３と、制御部２４とを備える。ここで、光出力部２１は、光源（第１の光源）２１１を有する。また、光走査部２２では、走査駆動部に他の光源（第２の光源）２２１が搭載される。

図１０（ａ）、（ｂ）に、光学式測距装置２０＿２の光学系を示す。光学式測距装置２０＿２では、第１の光源に半導体レーザ２１１、光走査部２２の走査駆動部にＭＥＭＳ２２２、ＭＥＭＳ２２２に搭載される第２の光源に半導体レーザ２２１、受光部にＣＭＯＳ撮像素子２３を用いる。さらに、受光部２３は、測角センサ（角度計測センサ）を有する。

第１の半導体レーザ２１１から出射される光は、参照光１として対象物４に照射される。ＭＥＭＳ２２２に搭載される第２の半導体レーザ２２１から出射される光は、測定光２として対象物４に照射される。第２の半導体レーザ２２１からの光は、ＭＥＭＳ２２２を駆動させることにより走査される。

図１０（ａ）に示すように、参照光１が対象物４に垂直に入射され光走査部２２の走査角（測定光２の走査角）αで合焦状態となる場合、測定光２の対象物４への入射角がπ／２－αとなり、対象物４で乱反射される測定光のうち反射角π／２－αで反射する光３が最大の強度で受光部２３で受光される。このとき、受光部２３での受光角度βはαである。

一方、図１０（ｂ）に示すように、参照光１が対象物４の垂直方向に任意の角度θをもって入射され光走査部２２の走査角αで合焦状態となる場合、測定光２が対象物４への入射角がπ／２－α＋θとなり、対象物４で乱反射される測定光のうち反射角π／２－α＋θで反射する光３が最大の強度で受光部２３で受光される。このときの測定光２（および参照光１）の反射光３の受光部２３への入射角度βはα－２θである。

このように、参照光１が対象物４の垂直方向に任意の角度θをもって入射する場合、合焦状態で測定光２（および参照光１）の反射光３の受光部２３への入射角度βはα－２θとなり、その変化分｜α－β｜は２θである。したがって、参照光１の入射方向と対象物４の垂直方向との角度θは、θ＝｜α－β｜／２より算出される。

したがって、対象物４の垂直方向における光出力部２１の出射位置から対象物４までの距離ｄは、式（２）により算出される距離（参照光１と平行方向で光出力部２１の出射位置から対象物４までの距離）Ｄを用いて、式（３）により算出される。

このように、本変形例に係る光学式測距装置および方法によれば、参照光１と平行方向での対象物４までの距離Ｄを補正して、対象物４の垂直方向における光出力部２１の出射位置から対象物４までの距離（距離の絶対値）ｄを算出できる。

さらに、第１の実施の形態の変形例２と同様に、他の測定光（第２の測定光）を用いて、式（４）より、さらに精度よく対象物４の垂直方向における光出力部２１の出射位置から対象物４までの距離（距離の絶対値）を算出できる。

本実施の形態および変形例では、ＭＥＭＳに搭載される第２の光源の出射光を測定光として用いる例を示したが、これに限らず、第２の光源の出射光をＭＥＭＳミラーに反射させて測定光として用いてもよい。

本発明の実施の形態では、例えば非合焦状態（測定光と参照光とが平行な場合など）での受光強度を初期値として、合焦状態での受光強度と初期値（非合焦状態での受光強度）との差分を観測することにより、受光感度を改善でき、測定精度を改善できる。

また、測距装置と対象物との距離が、受光部での受光感度を十分に確保できる程度に近距離である場合には、光源の光量（強度）を低減でき、省電力化できる。

また、測定光と参照光とをレンズや鏡を用いて集光することでより遠距離での測定が可能になる。

また、測距装置と対象物との距離が比較的短距離であれば、光源に半導体レーザではなくＬＥＤを用いてもよい。

また、測距装置と対象物との距離が遠距離の場合、対象物上での測定光と参照光との輝点は小さくなるが、距離に応じて光径を拡大することにより合焦状態を容易に検出できる。

また、受光部を望遠鏡に搭載することで、遠距離での合焦状態を精度よく測定できる。

また、受光部は、光源から対象物までの測定光の光路と参照光の光路が構成する平面上に配置されなくてもよい。また、受光部は、ＣＭＯＳ撮像素子に限らず、ＣＣＤ撮像素子などの画像センサ、光位置検出センサなどを用いてもよい。

また、光分岐部はハーフミラーに限らず、プリズムやビームスプリッタなどを用いてもよい。

また、光走査部の走査駆動部はＭＥＭＳに限らず、アクチュエータなどを用いてもよい。

また、本発明の実施の形態に係る光学的測距装置は、外乱光がない状態でも利用できる。外乱光がある場合、参照光および測定光としてパルス変調光を用い、受光器にその高周波変調と同じ周波数を通過帯域とする狭帯域のバンドパスフィルタを用いることで外乱光耐性を向上することができる。

本発明の実施の形態では、光学式測距装置の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。光学式測距装置の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、液槽内の液面の高さを測定するレベル計の他、自動車を含む機械分野における安全操作（運転）、工業分野における測定機器に適用することができる。

１ 参照光
２ 測定光
３ 反射光
４ 被測定物体表面（対象物）
１０ 光学式測距装置
１１ 光出力部
１１１ 光源
１１２ 光分岐部
１２ 光走査部
１２１ 光反射部
１２２ 走査駆動部
１３ 受光部
１４ 制御部
１４１ 光源駆動電源
１４２ 光走査制御部
１４３ 解析部

Claims (9)

1. 対象物との距離を測定する光学式測距装置であって、
   参照光を出射する光出力部と、
   測定光を出射する光走査部と、
   前記測定光と前記参照光の前記対象物からの反射光を受光する受光部と
   を備え、
   前記測定光の焦点を前記対象物の表面で走査し、前記参照光の焦点に一致するときの前記光走査部の走査角より、前記距離を算出する
   ことを特徴とする光学式測距装置。
2. 前記測定光と前記参照光それぞれが対象物に照射する光路が同一面上にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式測距装置。
3. 前記光出力部が、光源と光分岐部とを有し、
   前記光分岐部が、前記光源からの光を、第１の光と第２の光に分岐し、
   前記光走査部が、光反射部で前記第２の光を反射して、前記測定光として前記対象物に照射し、
   前記第１の光を、前記参照光として前記対象物に照射する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学式測距装置。
4. 前記光走査部が、他の光源を有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学式測距装置。
5. 前記受光部が、測角センサを有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学式測距装置。
6. 前記光走査部の走査駆動部が、１軸駆動型ＭＥＭＳである
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学式測距装置。
7. 対象物との距離を測定する光学式測距方法であって、
   測定光を前記対象物に照射するステップと、
   参照光を前記対象物に照射するステップと、
   前記測定光と前記参照光との前記対象物からの反射光を受光するステップと、
   前記対象物の表面において、前記測定光を走査し、前記測定光の焦点が前記参照光の焦点に一致するときの前記測定光の走査角を検出するステップと、
   前記測定光の走査角から前記距離を算出するステップと
   を備える光学式測距方法。
8. 前記距離を、式（Ａ）より算出することを特徴とする請求項７に記載の光学式測距方法。
   Ｄ ＝ Ｌ・ｔａｎθ （Ａ）
   ここで、Ｄは前記距離、Ｌは前記測定光の出射位置と前記参照光の出射位置との距離、θは前記走査角である。
9. 前記距離の補正される距離を、式（Ｂ）より算出することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の光学式測距方法。
   ｄ＝ Ｄ・ｃｏｓ（｜α－β｜／２） （Ｂ）
   ここで、ｄは前記距離の補正される距離、αは前記測定光の走査角、βは前記反射光の受光強度が最大となるときの受光角度である。

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