JP2022153818A - 測距装置、及び測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い測距領域を高い空間分解能で測距可能にすること。【解決手段】本発明の一態様に係る測距装置は、発光部（３）と、前記発光部（３）により発せられた光（Ｌ０）を複数の光束（Ｌ１）に分割する光分割部（４１）と、前記複数の光束（Ｌ１）を２軸方向に走査させ、照射領域（５００）側へ照射する光走査部（１２０）と、前記光走査部（１２０）により走査された前記複数の光束（Ｌ２）が、前記照射領域（５００）側に存在する物体（２００）により反射又は散乱された光（Ｒ１）を受光し、受光信号（Ｓ）を出力する複数の受光部（８）と、前記複数の受光部（８）により出力された複数の受光信号（Ｓ）から取得される前記物体（２００）に関する距離情報（Ｄａｔ）を出力する距離情報出力部（１８７）と、を有する。【選択図】図７

Description

本発明は、測距装置、及び測距方法に関する。

従来、発光部により発せられた光を照射領域に照射し、照射領域内の物体からの光に基づき、物体までの距離を測定する測距装置が知られている。

また、光源から出力された光源光を分割した複数の照射光を照射領域に照射し、照射領域内の物体に到達した複数の照射ポイントからの光に基づき、物体に関する距離情報を算出する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許６４８９３２０号公報

しかしながら、測距装置では、発光部の寿命やアイセーフの要請等のために、発光部による単位時間当たりの発光可能時間が制限されることで、広い照射領域に密な間隔で光を照射できず、広い測距領域を高い空間分解能で測距することに改善の余地がある。特許文献１の構成では、光源光を分割した数により照射領域と照射光の間隔が決定されるため、上記課題を解決できない。

本発明は、広い測距領域を高い空間分解能で測距可能にすることを目的とする。

本発明の一態様に係る測距装置は、発光部（３）と、前記発光部（３）により発せられた光（Ｌ０）を複数の光束（Ｌ１）に分割する光分割部（４１）と、前記複数の光束（Ｌ１）を２軸方向に走査させ、照射領域（５００）側へ照射する光走査部（１２０）と、前記光走査部（１２０）により走査された前記複数の光束（Ｌ２）が、前記照射領域（５００）側に存在する物体（２００）により反射又は散乱された光（Ｒ１）を受光し、受光信号（Ｓ）を出力する複数の受光部（８）と、前記複数の受光部（８）により出力された複数の受光信号（Ｓ）から取得される前記物体（２００）に関する距離情報（Ｄａｔ）を出力する距離情報出力部（１８７）と、を有する。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、広い測距領域を高い空間分解能で測距できる。

一般的な測距装置と照射領域との関係を説明する図である。 実施形態に係る測距装置の全体構成例を示す斜視図である。 図２のＬＤ及びＡＰＤ周辺の構成例を示す部分拡大斜視図である。 光走査部の構成例を示す部分拡大斜視図である。 回折格子による光分割例を示す図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は斜視図、図５（ｃ）は前面図である。 実施形態に係る測距装置の全体構成例を示すブロック図である。 実施形態に係る測距装置の制御部の構成例を示すブロック図である。 実施形態に係るＴＤＣの構成例を示すブロック図である。 クロックカウンタによる時間計測例を示すタイミングチャートである。 ＴＤＬの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための測距装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

なお、以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｘ軸に沿うＸ方向は、実施形態に係る測距装置が備えるポリゴンミラーの回転軸である第１軸に沿う方向を示す。Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る測距装置が備える回転ステージの回転軸である第２軸に沿う方向を示す。Ｘ軸とＺ軸は交差する。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ軸及びＺ軸の両方に交差する方向を示す。

また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。測距装置は＋Ｙ方向側に光を照射するものとする。但し、これらは測距装置の使用時における向きを制限するものではなく、測距装置は任意の向きで配置可能である。

実施形態に係る測距装置は、発光部と、発光部により発せられた光を複数の光束に分割する光分割部と、該複数の光束を２軸方向に走査させ、照射領域側へ照射する光走査部と、光走査部により走査された複数の光束が、照射領域側に存在する物体により反射又は散乱された光を受光し、受光信号を出力する複数の受光部と、複数の受光部により出力された複数の受光信号から取得される物体に関する距離情報を出力する距離情報出力部と、を有するものである。

このような測距装置には、周囲に存在する物体に関する距離情報を取得可能なＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置等が挙げられる。物体に関する距離情報には、測距装置から物体までの距離を示す情報や、物体の有無を示す情報等が含まれる。

また照射領域とは、測距装置によって走査された光が照射される領域をいう。測距装置は、照射領域内で略直交する２軸方向に光を走査させることで、照射領域側に存在する物体に対して光を照射できる。

ここで、図１は、一般的な測距装置１００ｗと照射領域５００との関係を説明する図である。図１に示すように、測距装置１００ｗは、照射領域５００内でＸ方向及びＹ方向の２軸方向に照射光Ｌｗを走査させる。測距装置１００ｗは、照射領域５００側に存在する物体２００によって照射光Ｌｗが反射又は散乱された戻り光Ｒｗに基づき、物体２００に関する距離情報Ｄａｔを取得する。

図１において、角度範囲Ａｗｘは、測距装置１００ｗがＸ方向に光を走査させる角度範囲を示し、角度範囲Ａｗｙは、測距装置１００ｗがＹ方向に光を走査させる角度範囲を示す。角度間隔Ｐｗは走査される照射光Ｌｗ同士の間隔を示す。角度間隔Ｐｗは、単位時間当たりの発光時間及び走査速度等に応じて決定される。

角度範囲Ａｗｘ、Ａｗｙで表される照射領域５００は、測距装置１００ｗにより測距可能な測距領域に対応する。また角度間隔Ｐｗは測距装置１００ｗによる空間分解能に対応する。なお、照射領域５００ｗのＹ方向における位置は、図１に示すものに限定されず、任意の位置であってよい。

ここで、測距装置で用いられる半導体レーザ等の発光部は、発光部の寿命やアイセーフの要請等のために、単位時間（例えば１秒）当たりの発光部による発光可能時間が制限される場合がある。なお、アイセーフとは、発光部により発せられた光が人間の眼に入射しても、人間の眼に障害を与えないことをいう。

発光部の発光可能時間が制限されることで、測距装置１００ｗから照射領域５００への照射光Ｌｗの角度間隔Ｐｗが疎になる場合がある。また角度間隔Ｐｗが密になるように照射光Ｌｗを照射すると、照射領域５００の範囲が小さくなる。従って、広い測距領域を高い空間分解能で測距することに改善の余地がある。

実施形態では、発光部により発生られた光を複数の光束に分割し、分割された複数の光束のそれぞれを２軸方向に走査させて照射領域へ照射することで、測距装置から照射領域への照射光の角度間隔を密にする。例えば発光部により発せられた光を所定方向で５つに分割すると、分割しない場合に対して該方向で１／５の角度間隔で所定の照射領域内に光を照射できる。これにより、角度間隔に対応した空間分解能が得られ、広い測距領域を高い空間分解能で測距可能にする。

以下、サービスロボットに搭載され、サービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体に関する距離情報をＴＯＦ（Time of Flight）方式で取得可能な測距装置を一例として、実施形態を説明する。

サービスロボットとは、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬及び案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で使用される自律移動型の移動体をいう。また移動体とは移動可能な物体をいう。

サービスロボットに搭載される測距装置は、サービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために使用される。

＜測距装置１００の構成例＞
（全体構成）
まず、図２乃至図４を参照して、実施形態に係る測距装置１００の全体構成例を説明する。図２は、測距装置１００の全体構成の一例を説明する斜視図である。また図３は、ＬＤ及びＡＰＤの周辺の構成の一例を説明する部分拡大斜視図である。図４は光走査部１２０の構成の一例を説明する部分拡大斜視図である。

図２乃至図４に示すように、測距装置１００は、ベース板１と、保持部２と、ＬＤ（Laser Diode）３と（図３参照）、コリメートレンズ４と、ポリゴンミラー５と、穴あきミラー６と、受光レンズ７と、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode）８と、イケール９と、回転ステージ１０とを有する。

ベース板１は、保持部２と回転ステージ１０が設けられた基台部である。但し、基台部はベース板１等の平板状の部材に限定されるものではなく、回転ステージ１０と保持部２が設けられる構成部であれば如何なるものであってもよい。例えばサービスロボットの筐体に保持部２と回転ステージ１０を設ける場合には、サービスロボットの筐体が基台部に対応する。

ベース板１は平板状の部材であり、平板の－Ｚ方向側の面上の異なる領域に保持部２と回転ステージ１０が固定されている。回転ステージ１０は、ベース板１の＋Ｙ方向側の領域にネジ等で固定され、保持部２はベース板１における回転ステージ１０の－Ｙ方向側の領域に結合部材１１を介してネジ等で固定されている。

ベース板１の材質に特段の制限はないが、回転ステージ１０は重量が大きい場合があるため、金属材料等の剛性が高い材料を含んでベース板１を構成すると好適である。

保持部２は、天井パネル２１と、背面パネル２２とを組み合わせて構成された逆Ｌ字型の部材ある。天井パネル２１及び背面パネル２２はそれぞれ平板状の部材であり、天井パネル２１と背面パネル２２が結合することで保持部２を構成している。天井パネル２１及び背面パネル２２の材質に特段の制限はないが、例えば金属材料又は樹脂材料等を適用可能である。

天井パネル２１の＋Ｚ方向側の面には、ＬＤ３、コリメートレンズ４及び穴あきミラー６が設けられている。背面パネル２２の＋Ｙ方向側の面には、受光レンズ７及びＡＰＤ８が設けられている。保持部２は、天井パネル２１にＬＤ３を保持し、また背面パネル２２にＡＰＤ８を保持している。

ＬＤ３は光を発する発光部の一例である。ＬＤ３は、パルス光であるレーザ光Ｌ０を＋Ｚ軸方向側に発する。但し、発光部はＬＤに限定されるものではなく、ＬＥＤ（light emitting diode）等を用いてもよい。

レーザ光Ｌ０の波長は特に制限されないが、近赤外波長領域等の非可視の波長領域のレーザ光を用いると、人間にレーザ光を視認させずに測距できるため、より好適である。

コリメートレンズ４は、ガラス材料又は樹脂材料を含んでなり、レーザ光Ｌ０を略コリメート（略平行化）する。コリメートレンズ４を必ずしも設けなくてもよいが、コリメートレンズ４を設けると、レーザ光Ｌ０の広がりが抑制され、光利用効率が向上する。

コリメートレンズ４によりコリメートされたレーザ光Ｌ０は、回折格子４１に入射し、回折格子４１によって５つの光束Ｌ１に分割される。回折格子４１は、レーザ光Ｌ０を複数（ここでは５つ）の光束Ｌ１に分割する光分割部の一例である。

複数の光束Ｌ１は、穴あきミラー６に設けられた貫通孔６１を通過してポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。なお、回折格子４１の作用と複数の光束Ｌ１については、別途図５を参照して詳述する。

ポリゴンミラー５は、複数の反射面５１を含み、第１軸Ａ１周りに回転しながら反射面５１でレーザ光Ｌ１を反射することで、レーザ光Ｌ１の反射光に対応する走査レーザ光Ｌ２を第１軸Ａ１周りに走査させる回転多面体である。なお、反射面５１は複数の反射面の総称表記である。

ポリゴンミラー５は、回転により第１軸Ａ１を中心にした円の一部を描くようにして、反射面５１による反射光を走査させる。第１軸Ａ１周りに走査される光は、換言すると第１軸Ａ１を中心にした円の円周方向に沿って走査される光である。

ポリゴンミラー５は正六角柱状の部材である。正六角柱における正六角形の各辺に対応する外周面に、６つの反射面５１が形成されている。ポリゴンミラー５は、アルミニウム等の金属材料で形成した略正六角柱状の部材の外周面を、切削又は鏡面研磨することで製作できる。但し、これに限定されるものではなく、例えば金属材料又は樹脂材料等で形成した略正六角柱状の部材の外周面に、アルミニウム等を鏡面蒸着してポリゴンミラー５を製作してもよい。

なお、図２では、正六角柱状で反射面５１の面数が６面であるポリゴンミラー５を例示するが、回転多面体はこれに限定されるものではない。例えば、正三角柱状で３面の反射面を有する回転多面体であってもよいし、正五角柱状で５面の反射面を有する回転多面体であってもよい。

回転多面体の面数に応じて、回転多面体による光の走査角度範囲が異なる。例えば、面数が多いほど走査角度範囲は狭くなり、面数が少ないほど走査角度範囲は広くなる。要求される走査角度範囲に応じて回転多面体の面数を適宜決定することができる。

ポリゴンミラー５には、ポリゴンミラー５の中心軸と回転軸が略一致するように第１軸モータが取り付けられている。ポリゴンミラー５は第１軸モータを駆動源にして第１軸Ａ１周りに回転する。

ポリゴンミラー５の回転方向は一定であり、例えば図２における第１軸回転方向Ａ１１に沿って連続回転する。但し、第１軸回転方向Ａ１１とは反対方向である一定の回転方向にポリゴンミラー５を連続回転させてもよい。

ポリゴンミラー５の反射面５１に入射したレーザ光Ｌ１は、反射面５１で反射され、＋Ｙ方向側に照射される。ポリゴンミラー５の回転により、レーザ光Ｌ１の入射方向に対する反射面５１の角度が連続的に変化することで、反射面５１による反射光は第１軸Ａ１周りに走査され、走査レーザ光Ｌ２として＋Ｙ方向側に照射される。なお、図２は、第１軸Ａ１周りに走査される走査レーザ光Ｌ２のうち、任意のタイミングに＋Ｙ方向側に照射される１つのレーザビームである走査レーザ光Ｌ２を例示している。

測距装置１００の＋Ｙ方向側に物体が存在すると、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光が測距装置１００に戻される。戻り光は、再びポリゴンミラー５の反射面５１に入射し、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１周りに走査される。走査される戻り光のうち、穴あきミラー６に到達する戻り光は、穴あきミラー６によって－Ｙ方向側に反射される。

本実施形態では、ポリゴンミラー５でレーザ光Ｌ１が反射される反射面５１と、ポリゴンミラー５で戻り光が反射される反射面５１は同じ反射面である。同じ反射面で反射された戻り光がＡＰＤ８で受光される。

換言すると、ＡＰＤ８は、ポリゴンミラー５に含まれる複数の反射面５１のうち、所定の面で反射された走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された後、再び所定の面で反射された戻り光を受光する。

穴あきミラー６は、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光を偏向させる光偏向部である。この穴あきミラー６は貫通孔６１を含む。貫通孔６１は、ＬＤ３が発する光を通過させる開口部であり、穴あきミラー６における反射面が設けられた領域の一部に形成されている。穴あきミラー６に入射する光のうち、反射面に入射する光は反射され、貫通孔６１に入射する光は通過する。

なお、本実施形態では、光偏向部が開口部としての貫通孔を有する構成を例示するが、これに限定されるものではない。光偏向部における反射面が設けられた領域の一部を透明にし、この透明な領域を透過させることで開口部として機能させてもよい。また、光偏向部としてビームスプリッターやハーフミラー等を用いることもできる。

穴あきミラー６は、コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ１を、貫通孔６１を通して通過させ、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光を、反射面によりＡＰＤ８に向けて反射することができる。

穴あきミラー６で反射された光は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。受光レンズ７は必ずしも設けなくてもよいが、受光レンズ７を設けると、ＡＰＤ８に入射するレーザ光の入射効率が向上する点で好適である。

ＡＰＤ８は、５つのＡＰＤ８１乃至８５からなり、物体により反射又は散乱された光に基づいて、受光信号を出力する複数の受光部の一例である。なお、ＡＰＤ８は、ＡＰＤ８１乃至８５の総称表記である。ＡＰＤ８は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を向上させたフォトダイオードの一種である。但し、受光部はＡＰＤに限定されるものではなく、ＡＰＤ以外のＰＤ（Photodiode）や、光電子増倍管等を用いてもよい。また複数の受光部ごとで、ＡＰＤやＰＤ等の異なる受光部を用いてもよい。

イケール９は、Ｌ字形に形成された部材であり、ポリゴンミラー５を支持する支持部である。イケール９は、底面（－Ｚ方向側の面）が回転ステージ１０の載置面１０１に接触し、ネジ等により載置面１０１上に固定されている。またイケール９は基板９１を介し、底面に交差する前面（＋Ｘ方向側の面）にポリゴンミラー５を固定する。イケール９の材質に特段の制限はないが、剛性を高く確保するために金属等の高剛性の材料を含んで構成されると好適である。

回転ステージ１０は、第２軸Ａ２周りにイケール９を回転させることで、イケール９に固定されたポリゴンミラー５の反射面５１で反射された走査レーザ光Ｌ２を、第２軸Ａ２周りに走査させる回転機構である。

回転ステージ１０は、ベース板１上で、保持部２が設けられた領域とは異なる領域に設けられている。従って回転ステージ１０が回転しても、保持部２、並びに保持部２が保持するＬＤ３及びＡＰＤ８はそれぞれ不動であり、ベース板１に固定された状態が維持される。

回転ステージ１０は、回転により第２軸Ａ２を中心にした円の一部を描くようにして、ポリゴンミラー５の反射面５１による反射光を走査させる。第２軸Ａ２周りに走査される光は、換言すると第２軸Ａ２を中心にした円の円周方向に沿って走査される光である。

図４に示すように、回転ステージ１０は、載置面１０１と、ベアリング１０２と、マグネット１０３と、モータコア１０４とを有する。

載置面１０１は、第２軸Ａ２（図２参照）周りに回転可能な面である。載置面１０１はイケール９を載置する。ベアリング１０２は、載置面１０１の回転を滑らかにする部材である。ボールベアリング又はクロスローラベアリング等の各種のものを適用できる。

マグネット１０３は永久磁石からなる。モータコア１０４はモータを構成するステータの鉄心に該当する部材である。マグネット１０３とモータコア１０４とを含んでモータが構成されている。電流に応じてマグネット１０３が回転することで、ベアリング１０２を介して載置面１０１が回転する。

回転ステージ１０の回転方向は一定である。例えば図２における第２軸回転方向Ａ２１に沿って連続回転する。但し、第２軸回転方向Ａ２１とは反対方向である一定の回転方向に連続回転させてもよい。

図２に示すように、ＬＤ３により発せられ、コリメートレンズ４によりコリメートされたレーザ光Ｌ０は、第２軸Ａ２に沿ってポリゴンミラー５の反射面５１に入射するように、ＬＤ３、コリメートレンズ４及び回転ステージ１０の位置及び角度が調整されている。

例えば、測距装置１００は、レーザ光Ｌ０の光軸と第２軸Ａ２が同軸になるように構成されている。ここで、レーザ光Ｌ０の光軸はレーザビームの中心を通る軸を意味する。また同軸は複数の軸が略一致していることを意味する。

走査レーザ光Ｌ２は、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１周りに走査されるとともに、回転ステージ１０の回転により第２軸Ａ２周りに走査される。測距装置１００は、交差する２つの軸周りにレーザ光を走査させることができる。ポリゴンミラー５と回転ステージ１０は、回折格子４１により分割された複数の光束Ｌ１をＸ方向及びＺ方向の２軸方向に走査させ、照射領域側へ照射する光走査部１２０を構成している。

なお、本実施形態では、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２が略直交する構成を例示するが、これに限定されるものではなく、第１軸Ａ１に対して第２軸Ａ２が傾いて配置されてもよい。

また、図２乃至図４では、測距装置１００が外装カバーを備えない構成を例示したが、測距装置１００は、ＬＤ３、ポリゴンミラー５、ＡＰＤ８又は回転ステージ１０等の構成部の一部又は全部を覆うための外装カバーを備えてもよい。

外装カバーを備えると、測距装置１００の内部へのゴミや埃等の侵入を防ぎ、ポリゴンミラー５等にゴミや埃等が付着することを防止できる。またポリゴンミラー５や回転ステージ１０が高速回転すると、回転に伴う風切り音が大きくなる場合があるが、外装カバーを設けることで音が周囲に伝わることを抑制できる。外装カバーの材質には、金属又は樹脂材料等を適用可能である。

一方で、外装カバーを設けると、外装カバーにおける走査レーザ光Ｌ２が出射する出射窓以外の部分が走査レーザ光Ｌ２を遮るため、走査角度範囲が制限され、測距装置１００による物体２００の検出範囲又は測距範囲が制限される場合がある。走査レーザ光Ｌ２の波長に対して光透過性を有する透明な樹脂材料で外装カバーを構成すると、このような走査角度範囲の制限を緩和できるため、好適である。

次に、図５を参照して回折格子４１による光分割を説明する。図５は、回折格子４１による光分割の一例を示す図である。図５（ａ）は回折格子４１の側面図、図５（ｂ）は回折格子４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図５（ｃ）は回折格子４１を＋Ｚ方向側から視た前面図である。

図５に示すように、回折格子４１は、平面視が略円形形状を有し、レーザ光Ｌ０に対して光透過性を有する透明な平板状部材である。回折格子４１の前面（－Ｚ方向側の面）又は後面（＋Ｚ方向の面）の少なくとも一方に周期構造が形成されている。回折格子４１は、入射されるレーザ光Ｌ０を、周期構造が配列する方向に沿って回折させることで、複数の光束に分割する。

本実施形態では、回折格子４１は、レーザ光Ｌ０を光束Ｌ１１乃至Ｌ１５の５つの光束に分割する。なお、光束Ｌ１は光束Ｌ１１乃至Ｌ１５の総称表記である。光束Ｌ１１は、回折格子４１の０次光（透過光）であり、光束Ｌ１２乃至Ｌ１５は、それぞれの伝搬方向に沿って配列する周期構造による１次回折光である。

光束Ｌ１１乃至Ｌ１５は、伝搬方向が相互に異なる平行光束である。光束Ｌ１１乃至Ｌ１５は、それぞれ穴あきミラー６を通過し、光走査部１２０によりＸ方向及びＹ方向に走査される。光束Ｌ１１乃至Ｌ１５の走査レーザ光Ｌ２１乃至Ｌ２５は、それぞれ照射領域５００における異なる位置に照射される。

なお、本実施形態では、平面視が略円形形状の回折格子４１を例示するが、これに限定されるものではなく、矩形形状や楕円形状等であってもよい。またレーザ光Ｌ０が５つの光束に分割される構成を例示するが、複数であれば分割数に制限はなく、要求される空間分解能等に応じて適宜選択可能である。さらに、回折格子４１の前面中央を透過する光束Ｌ１１と、４つの対角方向に分割されるＬ１２乃至Ｌ１５の構成を例示したが、各光束が分割される方向は、これに限定されるものではなく、用途に応じて適宜選択可能である。

次に図６は、測距装置１００の全体構成の一例を示すブロック図である。図２乃至図５を用いて既に説明した構成については適宜説明を省略する。なお、図６における太い実線で示した矢印は光の流れを示し、太い破線で示した矢印は電気信号の流れを示している。

図６に示すように、測距装置１００は、受発光部１１０と、光走査部１２０と、出射窓１３０と、制御部１４０とを有する。

制御部１４０は、外部コントローラ３００、受発光部１１０及び光走査部１２０のそれぞれに電気的に接続し、信号及びデータを相互に送受可能である。また制御部１４０は、光走査部１２０を制御する光走査制御部１５０を含む。

制御部１４０は、電気回路又は電子回路等を有する制御回路基板を含み、例えば背面パネル２２（図２参照）等に設置されている。従ってポリゴンミラー５及び回転ステージ１０が回転しても、制御部１４０を構成する制御回路基板は不動である。

外部コントローラ３００は、サービスロボットを制御するためのコントローラであり、ＲＯＳ (Robot Operating System)を搭載するＢｏａｒｄ ＰＣ（Personal Computer）等からなる。

受発光部１１０は、ＬＤ基板１１１と、発光ブロック１１２と、穴あきミラー６と、穴あきミラーホルダ６２と、受光ブロック１１３と、ＡＰＤ基板１１４とを有する。

ＬＤ基板１１１は、制御部１４０からの発光制御信号Ｄｒｖ１に応じてＬＤ３を発光させる電気回路を含む。

発光ブロック１１２は、ＬＤ３と、ＬＤホルダ３１と、コリメートレンズ４と、コリメートレンズホルダ４０とを含む。ＬＤホルダ３１はＬＤ３を保持する部材である。コリメートレンズホルダ４０はコリメートレンズ４を保持する部材である。穴あきミラーホルダ６２は、穴あきミラー６を保持する部材である。

受光ブロック１１３は、受光レンズ７と、受光レンズホルダ７１と、ＡＰＤ８と、ＡＰＤホルダ８０とを含む。受光レンズホルダ７１は受光レンズ７を保持する部材である。ＡＰＤホルダ８０はＡＰＤ８を保持する部材である。

ＡＰＤ基板１１４は、ＡＰＤ８が受光した光強度に応じた電気信号である受光信号Ｓを制御部１４０に出力する電気回路を含む。

光走査部１２０は、基板９１と、回転ステージ１０とを含む。基板９１には、ポリゴンミラー５と、第１軸モータ１６１と、第１軸エンコーダ１６２と、第１軸ドライバ基板１６３と、同期検知ＬＥＤ１６４と、発電コイル１６５とが設けられている。また回転ステージ１０には、第２軸モータ１７１と、第２軸エンコーダ１７２と、第２軸ドライバ基板１７３と、同期検知ＰＤ１７４と、給電コイル１７５とが設けられている。

発電コイル１６５と給電コイル１７５の組は、給電部１７０を構成している。給電部１７０は、電磁誘導により第１軸モータ１６１等に非接触で給電できる。なお、給電とは電力を供給することをいう。

第１軸モータ１６１は、ポリゴンミラー５を回転させる回転駆動部である。第１軸モータ１６１には、ＤＣ（Direct Current）モータ又はＡＣ（Alternating Current）モータ等を適用できる。

第１軸エンコーダ１６２はロータリエンコーダであり、ポリゴンミラー５の回転角度を検出する検出部である。

第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸モータ１６１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸エンコーダ１６２による検出信号に基づき、所定の回転数で回転するようにポリゴンミラー５を制御できる。

ここで、ポリゴンミラー５の回転数は、第１軸ドライバ基板１６３により制御され、光走査制御部１５０によっては制御されない。換言すると、ポリゴンミラー５の回転数は、光走査制御部１５０の非制御対象である。但し、ポリゴンミラー５の回転の開始及び停止は、光走査制御部１５０からのポリゴン制御信号Ｄｒｖ２に基づいて行われる。なお、回転数の制御は、回転速度の制御と換言することもできる。

同期検知ＬＥＤ１６４は、ポリゴンミラー５の回転角度に基づき、ポリゴンミラー５の回転に同期する光信号Ｏｐｔを出力する同期出力部である。

具体的には、同期検知ＬＥＤ１６４は、第１軸エンコーダ１６２によるポリゴンミラー５の回転角度の検出信号に基づきパルス光を発する。同期検知ＬＥＤ１６４が発するパルス光はポリゴンミラー５の回転に同期する光信号Ｏｐｔに対応し、同期検知ＬＥＤ１６４はパルス光を発することで光信号Ｏｐｔを出力できる。

発電コイル１６５は、電磁誘導により逆起電力を発生し、第１軸モータ１６１、第１軸エンコーダ１６２及び第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに給電するコイルである。

第２軸モータ１７１は、回転ステージ１０を回転させるモータである。第２軸モータ１７１には、ＤＣモータ、ＡＣモータ又はステッピングモータ等の各種モータを適用可能である。第２軸エンコーダ１７２は、回転ステージ１０の回転角度を検出するロータリエンコーダである。

第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸モータ１７１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第２軸ドライバ基板１７３は、光走査制御部１５０からのステージ制御信号Ｄｒｖ３に基づき、回転ステージ１０を回転させる。

また、第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸エンコーダ１７２が検出した回転ステージ１０の回転角度を、第２軸回転角度信号Ｒｏｔとして光走査制御部１５０にフィードバックする。光走査制御部１５０は、第２軸回転角度信号Ｒｏｔに基づき、回転ステージ１０を制御できる。

ここで、回転ステージ１０の回転数は、光走査制御部１５０により制御され、光走査制御部１５０の制御対象である。

同期検知ＰＤ１７４は、同期検知ＬＥＤ１６４が発するパルス光を受光した信号を第２軸ドライバ基板１７３に出力する。例えば、同期検知ＬＥＤ１６４は、第１軸エンコーダ１６２がポリゴンミラー５の回転原点に対応する角度を検出したタイミングでパルス光を発する。

同期検知ＰＤ１７４は、同期検知ＬＥＤ１６４が発したパルス光を受光することで、ポリゴンミラー５の回転への同期タイミングを検知する。第２軸ドライバ基板１７３は、同期検知ＰＤ１７４からの入力信号に基づき、ポリゴンミラー５の回転への同期タイミングを示す同期信号Ｓｙｎを制御部１４０に出力する。

給電コイル１７５は、発電コイル１６５に対向配置され、第２軸ドライバ基板１７３から通流される電流に応じて、電磁誘導により発電コイル１６５に逆起電力を発生させるコイルである。

例えば給電コイル１７５に電流を通流すると、電磁誘導により非接触で発電コイル１６５に逆起電力が発生する。発電コイル１６５は、発生した逆起電力を、第１軸モータ１６１、第１軸エンコーダ１６２及び第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに電力Ｐｏｗとして供給できる。

なお、本実施形態では、給電部１７０が電磁誘導により非接触給電する構成を例示するが、これに限定されるものではない。例えば給電部１７０は、回転接点により給電することもできる。ここで回転接点とは、回転体に配置された金属製リングとブラシを介して、回転体に電気的に接続する構成をいう。このような回転接点を用いて、外部から第１軸モータ１６１等に給電することもできる。

図６に示すように、制御部１４０は、外部コントローラ３００からの測距制御信号Ｃｔｌに応答して発光制御信号Ｄｒｖ１を出力し、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３を発光させる。ＬＤ３により発せられ、コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ０は、回折格子４１により５つの光束Ｌ１に分割される。光束Ｌ１は、穴あきミラー６を通ってポリゴンミラー５の反射面５１に入射し、反射面５１で反射された後、出射窓１３０を透過して、測距装置１００から外部に向けて走査レーザ光Ｌ２として照射される。

出射窓１３０は、レーザ光Ｌ０の波長に対して光透過性を有するガラス材料又は樹脂材料を含んでなる。出射窓１３０は、測距装置１００が装置全体を覆う不透明な外装カバーを備える場合に、走査レーザ光Ｌ２を透過して出射させる窓として機能する部材である。

走査レーザ光Ｌ２が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ２は、出射窓１３０を透過してポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。そして反射面５１で反射され、穴あきミラー６によりＡＰＤ８に向けて戻り光Ｒ１として反射される。

戻り光Ｒ１は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。ＡＰＤ８がこの入射光を受光した受光信号Ｓは、ＡＰＤ基板１１４を介して制御部１４０に出力される。制御部１４０は、受光信号に基づき、物体２００までの距離を示す距離情報Ｄａｔを演算により取得し、この距離情報Ｄａｔを外部コントローラ３００に出力できる。

走査レーザ光Ｌ２は、５つの光束Ｌ１１乃至Ｌ１５がそれぞれ走査された５つの走査レーザ光Ｌ２１乃至Ｌ２５からなる。また戻り光Ｒ２は、照射領域５００に照射された走査レーザ光Ｌ２１乃至Ｌ２５のそれぞれに対する戻り光Ｒ２１乃至Ｒ２５からなる。戻り光Ｒ１は、戻り光Ｒ２１乃至Ｒ２５のそれぞれがポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１１乃至Ｒ１５からなる。

ＡＰＤ８１は、戻り光Ｒ１１を受光して受光信号Ｓ１を出力する。ＡＰＤ８２は、戻り光Ｒ１２を受光して受光信号Ｓ２を出力する。ＡＰＤ８３は、戻り光Ｒ１３を受光して受光信号Ｓ３を出力する。ＡＰＤ８４は、戻り光Ｒ１４を受光して受光信号Ｓ４を出力する。ＡＰＤ８５は、戻り光Ｒ１５を受光して受光信号Ｓ５を出力する。

ＡＰＤ８１は、光束Ｌ１１に由来する戻り光Ｒ１１を受光可能に配置されている。同様に、ＡＰＤ８２は、光束Ｌ１２に由来する戻り光Ｒ１２を、ＡＰＤ８３は光束Ｌ１３に由来する戻り光Ｒ１３を、ＡＰＤ８４は光束Ｌ１４に由来する戻り光Ｒ１４を、ＡＰＤ８５は光束Ｌ１５に由来する戻り光Ｒ１５を、それぞれ受光可能に配置されている。

言い換えると、光束Ｌ１に由来する走査レーザ光Ｌ２は、走査レーザ光Ｌ２１（第１光束）と、走査レーザ光Ｌ２２（第２光束）と、を含む。ＡＰＤ８は、ＡＰＤ８１（第１受光部）と、ＡＰＤ８２（第２受光部）と、を含む。ＡＰＤ８１は、走査レーザ光Ｌ２１が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ１１に基づいて、受光信号Ｓ１を出力する。ＡＰＤ８２は、走査レーザ光Ｌ２２が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ１２に基づいて、受光信号Ｓ２を出力する。

なお、走査レーザ光Ｌ２は、走査レーザ光Ｌ２１乃至Ｌ２５の総称表記であり、戻り光Ｒ２は、戻り光Ｒ２１乃至Ｒ２５の総称表記であり、戻り光Ｒ１は、戻り光Ｒ１１乃至Ｒ１５の総称表記である。

また、図６において、測距装置１００が備える光走査装置４００は、ＬＤ３と、光走査部１２０と、ＡＰＤ８と、光走査制御部１５０とを含んで構成されている。

また、測距装置１００は、サービスロボットが搭載するバッテリから供給される電力により動作可能である。但し、これに限定されるものではなく、測距装置１００自身が搭載するバッテリから電力供給されてもよい、またサービスロボットの動作範囲が広くない場合等には、商用電源からケーブルを用いて給電されるように構成してもよい。

（制御部１４０のハードウェア構成）
次に、図７は、測距装置１００が有する制御部１４０のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図７に示すように、制御部１４０は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）１８０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１と、ＲＯＳ Ｉ／Ｆ（Interface）１８２と、を有する。

演算器の一例であるＦＰＧＡ１８０は、ＬＤコントローラ１８３と、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）１９０と、ＴＤＣコントローラ１８４と、距離演算器１８５と、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface） Ｉ／Ｆ１８６と、ライダー Ｉ／Ｆ１８７と、ミラー Ｉ／Ｆ１８８と、を有する。

ＬＤコントローラ１８３は、ＬＤ３を制御する回路である。ＳＰＩ Ｉ／Ｆ１８６は、ＦＰＧＡ１８０内部の各回路同士を接続するバスである。

ＴＤＣコントローラ１８４は、ＬＤコントローラ１８３と、ＴＤＣ１９０と、を制御する。そして、ＬＤ３がレーザ光Ｌ０を発光した発光時刻ｔｓと、該レーザ光Ｌ０が物体２００により反射又は散乱された後、戻り光Ｒ１としてＡＰＤ８により受光された受光時刻ｔｅと、の時間差を計測させ、計測結果を距離演算器１８５に出力する。

具体的には、ＴＤＣコントローラ１８４は、ＬＤコントローラ１８３を介してＬＤ３を発光させ、回折格子４１により分割された光束Ｌ１の走査レーザ光Ｌ２を照射領域５００に照射させる。照射領域５００側に存在する物体２００により該走査レーザ光Ｌ２が反射又は散乱された戻り光Ｒ２は、ポリゴンミラー５で反射され、戻り光Ｒ１としてＡＰＤ８により受光される。ＡＰＤ８は、戻り光Ｒ１に応じた受光信号Ｓを出力する。受光信号Ｓは、トランスインピーダンスアンプ及びオペアンプ等を通して増幅処理され、ＴＤＣ１９０に入力される。

ＴＤＣ１９０は、ＴＤＣコントローラ１８４の制御下で、ＡＰＤ８により出力される受光信号Ｓに基づき、時間差を計測するデジタル回路である。また、ＴＤＣ１９０は、発光時刻ｔｓと受光時刻ｔｅとの時間差情報Δｔを出力する複数の時間差情報出力部の一例である。なお、ＴＤＣ１９０は、ＴＤＣ１９１乃至１９５の総称表記であり、ＴＤＣ１９１乃至１９５は何れも同じ回路である。但し、発光時刻ｔｓと受光時刻ｔｅとの時間差情報Δｔを出力できれば、ＴＤＣ１９１乃至１９５は異なる回路構成であってもよい。

ＴＤＣ１９１は、ＡＰＤ８１が出力する受光信号Ｓ１に基づいて時間差情報Δｔ１を出力し、ＴＤＣ１９２は、ＡＰＤ８２が出力する受光信号Ｓ２に基づいて時間差情報Δｔ２を出力する。同様に、ＴＤＣ１９３は、受光信号Ｓ３に基づいて時間差情報Δｔ３を出力し、ＴＤＣ１９４は、受光信号Ｓ４に基づいて時間差情報Δｔ４を出力し、ＴＤＣ１９５は、受光信号Ｓ５に基づいて時間差情報Δｔ５を出力する。

換言すると、ＴＤＣ１９０は、ＴＤＣ１９１（第１時間差情報出力部）と、ＴＤＣ１９２（第２時間差情報出力部）と、を含み、ＴＤＣ１９１は、ＡＰＤ８１（第１受光部）により出力された受光信号Ｓ１に基づく時間差情報Δｔ１を出力し、ＴＤＣ１９２は、ＡＰＤ８２（第２受光部）により出力された受光信号Ｓ２に基づく時間差情報Δｔ２を出力する。

距離演算器１８５は、ＴＤＣコントローラ１８４を介して入力した時間差情報Δｔ１乃至Δｔ５に基づき、以下の（１）式から物体２００に関する距離情報Ｄａｔを演算により取得する。
Ｄａｔｎ＝｛ｃ・Δｔｎ｝／２ ・・・（１）

なお、（１）式における添え字のｎは、５つに分割された光束Ｌ１１乃至Ｌ１５を区別するためのものである。例えば、光束Ｌ１１に由来する時間差はΔｔ１、距離情報はＤａｔ１であり、光束Ｌ１２に由来する時間差はΔｔ２、距離情報はＤａｔ２である。また、ｃは光速を表す。距離情報Ｄａｔの単位は［ｍ］、時間差Δｔｎの単位は［ｓ］、光速ｃの単位は［ｍ／ｓ］である。

光束Ｌ１１乃至Ｌ１５は、１つのレーザ光Ｌ０が分割されたものであるため、発光時刻ｔｓは何れも同じ時刻であり、戻り光Ｒ１１乃至Ｒ１５の受光時刻ｔｅが、反射又は散乱された物体２００に関する距離に応じて異なる。従って、光束Ｌ１１乃至Ｌ１５のそれぞれを、測距のためのプローブ光である走査レーザ光Ｌ２１乃至Ｌ２５として独立して使用できる。

距離演算器１８５で取得された距離情報Ｄａｔは、ライダー Ｉ／Ｆ１８７を介してＦＰＧＡ１８０からＣＰＵ１８１に出力される。ライダー Ｉ／Ｆ１８７は、ＡＰＤ８により出力された受光信号Ｓから、距離演算器１８５によって取得される物体２００に関する距離情報を出力する距離情報出力部の一例である。

ミラー Ｉ／Ｆ１８８は、光走査部１２０を制御するためのインターフェースである。ＣＰＵ１８１は、制御部１４０全体に制御を統括するシステムコントローラである。

ＲＯＳ Ｉ／Ｆ１８２は、外部コントローラ３００との信号及びデータの送受を行うインターフェースである。ＣＰＵ１８１は、ＲＯＳ Ｉ／Ｆ１８２を介して距離情報Ｄａｔを外部コントローラ３００に送信し、測距制御信号Ｃｔｌを外部コントローラ３００から受信できる。

（ＴＤＣ１９０の詳細構成）
次に、ＴＤＣ１９０のさらに詳細な構成について説明する。図８は、ＴＤＣ１９０の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、ＴＤＣ１９０は、クロックカウンタ８１と、ＴＤＬ（Tapped Delay Line）８２と、を有する。なお、ＴＤＣ１９１乃至１９５は、何れも図８に示す構成を有する。

クロックカウンタ８１は、ＦＰＧＡ１８０のクロックを計数することで時間を計測するデジタル回路であり、第１計測部の一例である。

ここで、ＦＰＧＡ１８０の動作クロックは数百［ＭＨｚ］程度であるため、クロックカウンタ８１による時間分解能は、数［ｎｓ］単位になる。数［ｎｓ］の時間分解能を距離に換算すると、数十［ｃｍ］単位となる。計測ばらつき等を考慮すると、クロックカウンタ８１の時間分解能に基づく測距精度はさらに低くなる。ＬｉＤＡＲ等の測距装置では一般的に数［ｍｍ］から数［ｃｍ］単位の精度が要求されるため、クロックカウンタ８１の時間分解能は不十分である。

そのため、本実施形態では、クロックカウンタ８１に加えてＴＤＬ８２を設けている。ＴＤＬ８２は、ＴＤＣ１９０への入力信号の伝搬方向に沿って直列に接続された複数の遅延素子を有し、入力信号が伝搬された遅延素子の個数に基づき時間差を計測するデジタル回路であり、第２計測部の一例である。

信号が遅延素子１個を伝搬する時間は、デバイスにもよるが、１００［ｐｓ］程度であるため、ＴＤＬ８２を用いることで、１００［ｐｓ］ないしはそれより小さな数十［ｐｓ］単位の時間分解能による時間計測が可能となり、測距精度を一桁以上向上させることができる。一方、ＴＤＬ８２だけでは、中距離ＬｉＤＡＲ等で要求される３０［ｍ］程度の距離の測定は、ＦＰＧＡの回路規模から鑑みて非現実的である。そのため、クロックカウンタ８１とＴＤＬ８２とを組み合わせることで、３０［ｍ］程度の距離を高い距離分解能で測距可能になる。

換言すると、ＴＤＣ１９０は、クロックカウンタ８１（第１計測部）と、ＴＤＬ８２（第２計測部）と、を含み、クロックカウンタ８１及びＴＤＬ８２の各計測結果に基づいて時間差情報Δｔを出力する。クロックカウンタ８１は、数［ｎｓ］の時間分解能（第１の時間分解能）で時間差情報Δｔを出力し、ＴＤＬ８２は、数［ｎｓ］の時間分解能より高い数百［ｐｓ］ないしは数十［ｐｓ］単位（第２の時間分解能）で時間差情報Δｔを出力する。

図９は、クロックカウンタ８１による時間計測の一例を示すタイミングチャートである。図９における上段は、ＦＰＧＡ１８０の動作クロック信号ＣＮＴ_ＣＬＫを示し、その１つ下段は、クロックカウンタ８１により計数される動作クロック数を示している。その１つ下段は、発光時刻ｔｓに対応する計数の開始タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＡを示し、さらにその１つ下段は、受光時刻ｔｅに対応する計数の終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯを示している。

図９におけるタイミング９５は、発光時刻ｔｓの検出タイミングを示し、タイミング９６は受光時刻ｔｅの検出タイミングを示している。タイミング９７は、クロックカウンタ８１による計数の開始タイミングを示し、タイミング９８は、クロックカウンタ８１による計数の終了タイミングを示している。

ＦＰＧＡ１８０の最大クロック周波数が５００［ＭＨｚ］であるとすると、最大で（１＋α）とクロックの積に比例して信号の取り込みタイミングがずれるため、（１＋α）×０．３［ｍ］の測距精度となる。なお、αは１未満の定数を表す。

図１０は、ＴＤＬ８２の構成の一例を示す図である。図１０は、ＴＤＬで用いられる構成のうち、最も構成がシンプルなフラッシュ型ＴＤＬの構成を示している。図１０に示すように、ＴＤＬ８２は、遅延素子ＤＬＹと、フリップフロップＦＦと、ＤＬＹエンコーダ８３とを有する。なお、遅延素子ＤＬＹは、遅延素子ＤＬＹ１乃至ＤＬＹ４の総称表記であり、フリップフロップＦＦは、フリップフロップＦＦ１乃至ＦＦＮの総称表記である。

図１０に示すように、基準となる終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯの後段において、遅延時間τを与える遅延素子ＤＬＹ１乃至ＤＬＹ４が直列に接続されている。遅延時間τは、ＦＰＧＡ１８０の動作クロックの周期よりも短く、一般に１００［ｐｓ］以下である。なお、遅延素子の個数は適宜選択できる。

終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯが入力されると、遅延素子ＤＬＹ１、ＤＬＹ２、ＤＬＹ３、ＤＬＹ４、・・・の順に終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯが伝搬する。

動作クロック信号ＣＮＴ_ＣＬＫの立ち上がりで、ＴＤＬ８２の状態をフリップフロップＦＦに取り込む。ＤＬＹエンコーダ８３は、フリップフロップＦＦの出力に基づき、何番目の遅延素子まで終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯが伝搬されたかを検出し、動作クロック信号ＣＮＴ_ＣＬＫの入力から終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯまでの間の時間差情報Δｔを出力する。

なお、ＴＤＬ８２の構成は、図１０に示すフラッシュ型ＴＤＬに限定されるものではなく、確率的ＴＤＬやバーニア型ＴＤＬ等を適用して、時間分解能のさらなる向上を図ることもできる。

＜測距装置１００の作用効果＞
次に、測距装置１００の作用効果について説明する。

近年、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬及び案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で、自律移動型のサービスロボットの開発及び導入が進んでいる。また、このようなサービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために、ＬｉＤＡＲ装置等の測距装置が使用されることが多くなっている。

測距装置には、例えば重力方向に交差する平面内で光を走査し、該平面内に存在する物体までの距離を測定する２次元測距装置が知られている。また重力方向に交差する平面内に加えて重力に沿う方向にも光を走査し、３次元空間に存在する物体までの距離を測定する３次元測距装置が知られている。

３次元測距装置は、３次元的な広い範囲に存在する物体を検出し、測距を行える点で好適であるが、その反面で、装置の構造及び制御が複雑になり、また装置が高価になる場合がある。例えば２次元測距装置に対して３次元測距装置は２０倍乃至３０倍程度の価格が想定される。装置の構造及び制御の複雑さ、並びに装置の価格は、ロボットの中では比較的廉価なサービスロボットに測距装置を搭載するための制約の一つになり得る。

一方、測距装置で用いられる半導体レーザ等の発光部は、発光部の寿命やアイセーフの要請等のために、発光部による単位時間（例えば１秒）当たりの発光可能時間が制限される場合がある。

発光部の発光可能時間が制限されることで、測距装置から照射領域に照射される光の角度間隔が疎になる場合がある。また角度間隔が密になるように照射光を照射すると、照射領域の範囲が小さくなる。

例えば、測距装置による測距領域を、光の照射方向と交差する方向に少しずつずらしながら、同じ領域に対し複数回の測距を行うことで、光の角度間隔を密にすることも考えられるが、この場合には複数回の測距を行うため、測距のための時間が長くなる。また発光部の個数を増やすことも考えられるが、この場合には、発光部を増やした分、測距装置のコストが増大する。

従って、短時間での測距が可能であって、装置コストを抑えつつ、広い測距領域を高い空間分解能で測距することに改善の余地がある。

本実施形態では、ＬＤ３（発光部）と、ＬＤ３により発せられたレーザ光Ｌ０（光）を複数の光束Ｌ１に分割する回折格子４１（光分割部）と、複数の光束Ｌ１を２軸方向に走査させ、照射領域５００側へ照射する光走査部１２０と、を有する。また光走査部１２０により走査された走査レーザ光Ｌ２（複数の光束）が、照射領域５００側に存在する物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ２（光）を受光し、受光信号Ｓを出力する複数のＡＰＤ８（受光部）と、複数のＡＰＤ８により出力された複数の受光信号Ｓから取得される物体２００に関する距離情報Ｄａｔを出力するライダー Ｉ／Ｆ１８７（距離情報出力部）と、を有する。

レーザ光Ｌ０を複数の光束Ｌ１に分割し、分割された複数の光束Ｌ１をそれぞれ２軸方向に走査させて照射領域５００へ照射することで、測距装置１００から照射領域５００に照射される走査レーザ光Ｌ２の角度間隔Ｐｗ（図１参照）を密にすることができる。例えばレーザ光Ｌ０を所定方向で５つに分割すると、分割しない場合に対して該方向において１／５の角度間隔Ｐｗで走査レーザ光Ｌ２光を所定の照射領域５００内に照射できる。これにより、角度間隔Ｐｗに対応した空間分解能が得られるため、広い測距領域を高い空間分解能で測距できる。

また１つのレーザ光Ｌ０を複数の光束Ｌ１に分割するため、分割された個数分の光束Ｌ１がほぼ同時に得られ、走査レーザ光Ｌ２をそれぞれ異なる位置に照射できる。走査レーザ光Ｌ２が照射された位置ごとで距離情報Ｄａｔを取得できるため、分割された個数分、単位時間当たりに取得できる距離情報Ｄａｔの測距点数を増やすことができる。その結果、短時間でより多くの距離情報Ｄａｔを示す測距点群を得ることができる。さらに、測距点数を増やすことで、測距装置１００のコストを測距点数で除算して得られる１測距点数当たりのコストを抑制できる。

また、本実施形態では、複数の光束Ｌ１に由来する走査レーザ光Ｌ２（光走査部により走査された複数の光束）は、走査レーザ光Ｌ２１（第１光束）と、走査レーザ光Ｌ２２（第２光束）と、を含み、複数のＡＰＤ８は、ＡＰＤ８１（第１受光部）と、ＡＰＤ８２（第２受光部）と、を含む。ＡＰＤ８１は、走査レーザ光Ｌ２１が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ１１を受光し、受光信号Ｓ１を出力し、ＡＰＤ８２は、走査レーザ光Ｌ２２が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒ１２を受光し、受光信号Ｓ２を出力する。

この構成により、分割された複数の光束Ｌ１ごとで、対をなすＡＰＤ８の受光信号Ｓから距離情報Ｄａｔを取得できるため、測距点数を増やすことができる。

また、本実施形態では、ＬＤ３によりレーザ光Ｌ０が発せられた発光時刻ｔｓと、該レーザ光Ｌ０が物体２００により反射又は散乱された後、ＡＰＤ８により受光された受光時刻ｔｅと、の時間差情報Δｔを出力する複数のＴＤＣ１９０（時間差情報出力部）を有する。ＴＤＣ１９０は、時間差情報Δｔに基づいて取得される物体２００に関する距離情報Ｄａｔを出力する。

ＡＰＤ８は、ＡＰＤ８１と、ＡＰＤ８２と、を含み、ＴＤＣ１９０は、ＴＤＣ１９１（第１時間差情報出力部）と、ＴＤＣ１９２（第２時間差情報出力部）と、を含む。ＴＤＣ１９１は、ＡＰＤ８１により出力された受光信号Ｓ１に基づく時間差情報Δｔ１を出力し、ＴＤＣ１９２は、ＡＰＤ８２により出力された受光信号Ｓ２に基づく時間差情報Δｔ２を出力する。

この構成により、分割された複数の光束Ｌ１ごとで、対をなすＡＰＤ８の受光信号Ｓを並列に処理して距離情報Ｄａｔを取得できるため、多くの測距点数を高速に得ることができる。

また、本実施形態では、ＴＤＣ１９１乃至ＴＤＣ１９５（複数の時間差情報出力部）のそれぞれは、クロックカウンタ８１（第１計測部）と、ＴＤＬ８２（第２計測部）と、を含み、クロックカウンタ８１及びＴＤＬ８２の各計測結果に基づいて時間差情報Δｔを出力する。クロックカウンタ８１は、数［ｎｓ］の時間分解能（第１の時間分解能）で時間差情報Δｔを出力し、ＴＤＬ８２は、数［ｎｓ］の時間分解能より高い数百［ｐｓ］ないし数十［ｐｓ］単位（第２の時間分解能）で時間差情報Δｔを出力する。

クロックカウンタ８１は、ＦＰＧＡ１８０（演算器）により発せられるクロックを計数することで取得される時間差情報Δｓを出力し、ＴＤＬ８２は、終了タイミング信号ＣＮＴ_ＳＴＯ（入力信号）の伝搬方向に沿って直列に接続された複数の遅延素子ＤＬＹを有し、入力信号が伝搬された遅延素子ＤＬＹの個数に基づき取得される時間差情報Δｔを出力する。

この構成により、３０［ｍ］程度の距離を高い距離分解能で測距できる。

なお、本実施形態では、光走査部１２０がポリゴンミラー５と回転ステージ１０を有する構成を例示したが、光走査部１２０はこれに限定されるものではなく、光を走査可能であれば如何なる構成であってもよい。例えば、光走査部１２０は、２軸方向に光走査可能なＭＥＭＳミラーやガルバノミラー等を備えてもよく、この場合にも上述した測距装置１００と同様の作用効果が得られる。

また、本実施形態では、演算器としてＦＰＧＡ１８０を例示したが、演算器はＡＳＩＣであってもよい。

また、従来のＴＤＣ ＩＣ等のＴＤＣは、処理可能な信号数が２個又は４個等に制限されたが、本実施形態では、複数のＴＤＣを１つのデジタル回路で実現する。そのため、回路規模が許す限り、自由にレーザ光Ｌ０を分割して複数の光束Ｌ１の数を増やし、その分、測距点数を増やすことができる。

複数の受光部を有する従来の測距装置では、信号のデジタル処理回路は１つのみであり、複数の測距点数を同時に得られないが、本実施形態では、複数の受光部のそれぞれと対をなしてデジタル処理回路を備えるため、並行して測距可能な測距点数を増やすことができる。

（他方式との比較）
ここで、本実施形態と他の測距方式とを比較する。

まず、照射領域５００に拡げたパルス光を照射するフラッシュ型３ＤＬｉＤＡＲ装置と比較する。測距装置１００は、走査レーザ光Ｌ２を照射領域５００に照射するため、照射光は光減衰を抑えて長距離を伝搬できる。そのため、測距装置１００は、光の拡大に伴い光減衰しやすいフラッシュ型３ＤＬｉＤＡＲ装置と比較して測距可能な距離範囲が長い利点がある。本実施形態では、この利点を確保しながら、単位角度当たりの測距点数を増やし、空間分解能を向上できる。

また、本実施形態では、ポリゴンミラー５及び回転ステージ１０の回転により、２軸方向に走査レーザ光Ｌ２を照射するため、フラッシュ型３ＤＬｉＤＡＲ装置と比較して、より広い角度範囲に光を照射できる。

また、本実施形態に係る測距装置１００は、ポリゴンミラー５の所定面で反射された走査レーザ光Ｌ２の物体２００による戻り光Ｒ２が、ポリゴンミラー５の同じ所定面で反射された後、ＡＰＤ８で受光される、いわゆる同軸ＬｉＤＡＲ装置である。同軸ＬｉＤＡＲ装置には、複数の測距装置を用いた際の測距装置同士のクロストークを低減できる利点があり、本実施形態においても、フラッシュ型３ＤＬｉＤＡＲ装置と比較してクロストークを低減できるという利点が得られる。

次に、発光部により発せられた光を分割せずに走査させる走査型３ＤＬｉＤＡＲ装置と比較する。本実施形態では、レーザ光Ｌ０を分割した分、測距点数を増やすことができるため、必要な測定点数を得るためにかかる時間が短く済む。これにより、測距装置１００をサービスロボットに搭載した場合において、サービスロボットの周囲の障害物への反応時間を確保できる等の効果が得られる。

また、３ＤＬｉＤＡＲ装置において、測距点数を増やすために発光部の個数を増やすと、レーザ等の発光部は高価であるため、３ＤＬｉＤＡＲ装置のコストが増大する。

またＮ個の発光部と、１個の受光部とを有する３ＤＬｉＤＡＲ装置の場合、複数の戻り光が受光部に同時に入射しないように、複数の発光部は１つずつ順次発光する必要があるため、単位時間当たりの測距点数は制限される。この制限を緩和するために複数の受光部を設けると、装置コストがさらに増大する。

これに対し、本実施形態では、発光部の個数を増やさず、比較的安価なＡＰＤ等の受光部の個数を増やすことで測距点数を増やしているため、測距装置１００のコストを低減できる。

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

例えば、測距装置１００が搭載される移動体は、サービスロボットに限定されるものではない。例えば移動体は、自動車、車両、電車、汽車又はフォークリフト等の陸上を移動可能なものや、飛行機、気球又はドローン等の空中を移動可能なもの、船、船舶、汽船又はボート等の水上を移動可能なものであってもよい。

また、測距装置１００において走査される光は、レーザ光に限定されるものではなく、指向性を有さない光であってもよい。またレーダー等の波長の長い電磁波等を光の一種として用いることもできる。

なお、実施形態は、測距方法を含む。例えば、測距方法は、発光部と、前記発光部により発せられた光を複数の光束に分割する光分割部と、前記複数の光束を２軸方向に走査させ、照射領域側へ照射する光走査部と、前記光走査部により走査された前記複数の光束が、前記照射領域側に存在する物体により反射又は散乱された光を受光し、受光信号を出力する複数の受光部と、を有する測距装置による測距方法であって、前記発光部により光が発せられた発光時刻と、前記物体により反射又は散乱された光が前記受光部により受光された受光時刻と、の時間差情報を出力する複数の時間差情報出力工程と、前記時間差情報に基づいて取得される距離情報を出力する距離情報出力工程と、を含み、前記複数の受光部は、第１受光部と、第２受光部と、を含み、前記複数の時間差情報出力工程は、第１時間差情報出力工程と、第２時間差情報出力工程と、を含み、前記第１時間差情報出力工程では、前記第１受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力し、前記第２時間差情報出力工程では、前記第２受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力する。この測距方法により、上述した測距装置と同様の作用効果が得られる。

実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。

３…ＬＤ（発光部の一例）、４１…回折格子、５…ポリゴンミラー、８…ＡＰＤ（受光部の一例）、８１…クロックカウンタ、８２…ＴＤＬ、１２０…光走査部、１４０…制御部、１８０…ＦＰＧＡ（演算器）、１８１…ＣＰＵ、１８２…ＲＯＳ Ｉ／Ｆ、１８３…ＬＤコントローラ、１８４…ＴＤＣコントローラ、１８５…距離演算器、１８６…ＳＰＩ Ｉ／Ｆ、１８７…ライダー Ｉ／Ｆ（距離情報出力部）、１８８…ミラー Ｉ／Ｆ、１９０…ＴＤＣ、２００…物体、５００…照射領域、Ｌ０…レーザ光、Ｌ１…光束、Ｌ２…走査レーザ光、Ｒ１、Ｒ２…戻り光、Ｓ…受光信号、Ｄａｔ…距離情報、Δｔ…時間差情報、Ａ１…第１軸、Ａ２…第２軸

Claims (6)

1. 発光部と、
   前記発光部により発せられた光を複数の光束に分割する光分割部と、
   前記複数の光束を２軸方向に走査させ、照射領域側へ照射する光走査部と、
   前記光走査部により走査された前記複数の光束が、前記照射領域側に存在する物体により反射又は散乱された光を受光し、受光信号を出力する複数の受光部と、
   前記複数の受光部により出力された複数の受光信号から取得される前記物体に関する距離情報を出力する距離情報出力部と、を有する測距装置。
2. 前記光走査部により走査された前記複数の光束は、第１光束と、第２光束と、を含み、
   前記複数の受光部は、第１受光部と、第２受光部と、を含み、
   前記第１受光部は、前記第１光束が前記物体により反射又は散乱された光を受光し、前記受光信号を出力し、
   前記第２受光部は、前記第２光束が前記物体により反射又は散乱された光を受光し、前記受光信号を出力する請求項１に記載の測距装置。
3. 前記発光部により光が発せられた発光時刻と、前記物体により反射又は散乱された該光が前記受光部により受光された受光時刻と、の時間差情報を出力する複数の時間差情報出力部を有し、
   前記距離情報出力部は、前記時間差情報に基づいて取得される前記物体に関する距離情報を出力し、
   前記複数の受光部は、第１受光部と、第２受光部と、を含み、
   前記複数の時間差情報出力部は、第１時間差情報出力部と、第２時間差情報出力部と、を含み、
   前記第１時間差情報出力部は、前記第１受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力し、
   前記第２時間差情報出力部は、前記第２受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力する請求項１又は２に記載の測距装置。
4. 前記複数の時間差情報出力部のそれぞれは、第１計測部と、第２計測部と、を含み、前記第１計測部及び前記第２計測部の各計測結果に基づいて前記時間差情報を出力し、
   前記第１計測部は、第１の時間分解能で前記時間差情報を出力し、
   前記第２計測部は、前記第１の時間分解能より高い第２の時間分解能で前記時間差情報を出力する請求項３に記載の測距装置。
5. 前記第１計測部は、演算器により発せられるクロックを計数することで取得される前記時間差情報を出力し、
   前記第２計測部は、入力信号の伝搬方向に沿って直列に接続された複数の遅延素子を有し、前記入力信号が伝搬された前記遅延素子の個数に基づき取得される前記時間差情報を出力する請求項４に記載の測距装置。
6. 発光部と、
   前記発光部により発せられた光を複数の光束に分割する光分割部と、
   前記複数の光束を２軸方向に走査させ、照射領域側へ照射する光走査部と、
   前記光走査部により走査された前記複数の光束が、前記照射領域側に存在する物体により反射又は散乱された光を受光し、受光信号を出力する複数の受光部と、を有する測距装置による測距方法であって、
   前記発光部により光が発せられた発光時刻と、前記物体により反射又は散乱された光が前記受光部により受光された受光時刻と、の時間差情報を出力する複数の時間差情報出力工程と、
   前記時間差情報に基づいて取得される距離情報を出力する距離情報出力工程と、を含み、
   前記複数の受光部は、第１受光部と、第２受光部と、を含み、
   前記複数の時間差情報出力工程は、第１時間差情報出力工程と、第２時間差情報出力工程と、を含み、
   前記第１時間差情報出力工程では、前記第１受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力し、
   前記第２時間差情報出力工程では、前記第２受光部により出力された前記受光信号に基づく前記時間差情報を出力する測距方法。

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