JP2022187583A - 距離計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ケースからの反射光による誤計測を抑制することができる距離計測装置を提供すること。【解決手段】ケース内に収容された光学モジュールは、レーザー光源と、第1受光素子と、レーザー光源からの出射光をケースの曲面からなる第1部分に向けて反射させ、且つ第1部分からケースの外部に出射した光が測定対象で反射した第1反射光の入射を受ける走査ミラーと、レーザー光源と走査ミラーとの間に配置され、レーザー光源からの出射光を走査ミラーに向けて透過させ、且つ走査ミラーを経由して戻ってくる測定対象からの第1反射光を第1受光素子に向けて反射させる透過反射部材とを有する。走査ミラーから第1部分に入射する光の第1光軸と、走査ミラーからケースの第1部分に入射して第1部分で反射する第2反射光の第2光軸とが非平行である。【選択図】図1

Description

本発明は、距離計測装置に関する。
レーザー光を利用した距離計測においては、測定対象からの反射光を検出して測定対象までの距離を算出する。例えば水中における距離計測では、レーザー光源や受光素子などを含む光学モジュールをケースに入れる必要がある。
特開2018-155619号公報 特開2019-105550号公報 特開2015-49192号公報
ケース内に光学モジュールを収容した場合、ケースからの反射光が受光素子に入力され、測定対象までの距離を誤計測してしまう懸念がある。
本発明は、ケースからの反射光による誤計測を抑制することができる距離計測装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る距離計測装置は、曲面からなる第1部分を有するケースと、前記ケース内に収容された光学モジュールと、を備える。前記光学モジュールは、レーザー光源と、第1受光素子と、前記レーザー光源からの出射光を前記ケースの前記第1部分に向けて反射させ、且つ前記第1部分から前記ケースの外部に出射した光が測定対象で反射した第1反射光の入射を受ける走査ミラーと、前記レーザー光源と前記走査ミラーとの間に配置され、前記レーザー光源からの前記出射光を前記走査ミラーに向けて透過させ、且つ前記走査ミラーを経由して戻ってくる前記測定対象からの前記第1反射光を前記第1受光素子に向けて反射させる透過反射部材と、を有する。前記走査ミラーから前記第1部分に入射する光の第1光軸と、前記走査ミラーから前記ケースの前記第1部分に入射して前記第1部分で反射する第2反射光の第2光軸と、が非平行である。
本発明の距離計測装置によれば、ケースからの反射光による誤計測を抑制することができる。
本発明の第1実施形態の距離計測装置の概略図である。 図1のII-II線における模式断面図である。 本発明の第2実施形態の距離計測装置におけるケースと走査ミラーの配置関係を示す概略図である。 本発明の第3実施形態の距離計測装置の概略図である。 図4のV-V線における模式断面図である。 本発明の第4実施形態の距離計測装置の概略図である。 本発明の第5実施形態の距離計測装置におけるケースと走査ミラーの配置関係を示す概略図である。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態の距離計測装置1の概略図である。
図2は、図1のII-II線における模式断面図である。
距離計測装置1は、ケース100と、ケース100内に収容された光学モジュール10とを備える。距離計測装置1は、例えば水中で使うことができる。ケース100は、光学モジュール10を水から保護する。また、ケース100は、水圧に対する耐圧性を有する。
ケース100は第1部分105を有する。第1部分105は、光学モジュール10からの光をケース100の外部に透過させ、且つケース100の外部に位置する測定対象200で反射した光をケース100内に入射させる部分である。ケース100において少なくとも第1部分105は、光学モジュール10からの光及び測定対象200からの反射光に対する透過性を有し、例えば樹脂またはガラスからなる。樹脂として、例えば、アクリル、ポリカーボネートなどが挙げられる。
図1において、ケース100は、その中心軸C1に平行な切断面を示す。中心軸C1は、第1端面101の中心と第2端面102の中心とを結ぶ。なお、第1端面101及び第2端面102の一方または両方は、球面または円錐面であってもよい。また、図2は、中心軸C1に垂直なケース100の切断面を示す。
ケース100の形状は、第1端面101と、第2端面102と、側面103とを有する円筒形である。ケース100を円筒形にすることで、水圧に対する高い耐圧性が得られる。第1端面101及び第2端面102は、例えば円形の平坦面である。側面103は、図2に示すように曲面からなる。側面103は、第1部分105を含む。すなわち、第1部分105は曲面からなる。
光学モジュール10は、レーザー光源11と、第1受光素子16と、第2受光素子17と、ビームスプリッタ12と、透過反射部材13と、走査ミラー14と、走査ミラー14を回転させるモーター15と、集光レンズ18とを有する。
レーザー光源11は、例えば、誘導放出を起こす媒質に半導体を用いた半導体レーザー(またはレーザーダイオード)である。また、レーザー光源11として、媒質に絶縁性固体材料を用いた固体レーザーを用いることもできる。距離計測装置1を水中で使う場合には、レーザー光源11の発振波長は、水中での減衰率が低い380nm以上550nm以下が好ましい。380nm以上550nm以下の波長の光に対するケース100の第1部分105の透過率は、90%以上である。レーザー光源11は、例えば、レーザー光のパルス列を出力する。または、レーザー光源11はレーザー光の単発パルスを出力してもよい。レーザー光源11からの出射光L1の光軸は、円筒形のケース100の中心軸C1に対して傾いている。
ビームスプリッタ12は、レーザー光源11と透過反射部材13との間に配置されている。ビームスプリッタ12は、レーザー光源11からの出射光L1を、透過反射部材13に向かう透過光と、第2受光素子17に向かう第3反射光R3とに分割する。
透過反射部材13は、ビームスプリッタ12と走査ミラー14との間に配置されている。透過反射部材13は、ビームスプリッタ12を透過したレーザー光源11からの出射光L1を走査ミラー14に向けて透過させる孔部13aを有する。また、透過反射部材13は、走査ミラー14を経由して戻ってくる測定対象200からの第1反射光R1を第1受光素子16に向けて反射させるミラー部13bを有する。第1反射光R1は、図1において破線で示される。後述する図4及び図6においても、第1反射光R1は破線で示される。
走査ミラー14は、レーザー光源11からの出射光L1の光軸に対して傾斜した反射面14aを有する。走査ミラー14は、レーザー光源11からの出射光L1をケース100の第1部分105に向けて反射させる。さらに走査ミラー14は、第1部分105を透過した出射光L3が測定対象200で反射して、再度第1部分105を透過してケース100内に戻る第1反射光R1の入射を受ける。図2に示すように、ケース100の中心軸C1は、走査ミラー14の反射面14aを通る。
走査ミラー14は、モーター15に接続された回転軸14bを有する。モーター15の駆動により、走査ミラー14は、回転軸14bのまわりに回転可能である。走査ミラー14の回転軸14bは、ケース100の中心軸C1に対して傾いている。
第1受光素子16は、測定対象200で反射し、走査ミラー14、ミラー部13bを経由した第1反射光R1の入射を受けて電気信号に変換する。第1受光素子16は、例えばフォトダイオードである。第1受光素子16と透過反射部材13との間に、集光レンズ18が配置されている。
第2受光素子17は、レーザー光源11からの出射光L1のうちビームスプリッタ12で反射して分割された第3反射光R3の入射を受けて電気信号に変換する。第2受光素子17は、例えばフォトダイオードである。
走査ミラー14からケース100の第1部分105に入射する光L2の光軸を第1光軸A1とする。第1光軸A1は、図1において光L2を表す直線に一致する。走査ミラー14から第1部分105に入射して第1部分105で反射する第2反射光R2の光軸を第2光軸A2とする。第2光軸A2は、図1において第2反射光R2を表す直線に一致する。
図1は、レーザー光源11からの出射光L1に平行なケース100の断面視を示す。その断面視において、ケース100における走査ミラー14からの光L2が入射する第1部分105は、第1光軸A1に対して傾斜している。図1の断面視において、走査ミラー14からの光L2は第1部分105に垂直に入射しない。このような構造とすることにより、第1光軸A1と第2光軸A2とが非平行となる。すなわち、第2光軸A2は第1光軸A1に対して傾斜している。
次に、本実施形態の距離計測装置1を用いた測定対象200までの距離の計測方法について説明する。距離計測装置1は、例えば水中に設置、または水中を移動する装置に搭載され、ケース100の外部に位置する測定対象200までの距離を計測することができる。
レーザー光源11の出射光L1の一部はビームスプリッタ12を透過する。レーザー光源11の出射光L1の他の一部はビームスプリッタ12で反射して、第2受光素子17に入射する。第2受光素子17は、測定対象200を経由しない第3反射光R3を受光する。
ビームスプリッタ12を透過したレーザー光源11の出射光L1は、透過反射部材13の孔部13aを透過して、走査ミラー14の反射面14aに入射する。反射面14aに入射した光は反射面14aで反射する。反射面14aで反射した光L2は、ケース100の側面103における第1部分105に入射する。走査ミラー14の回転により、反射面14aで反射した光L2は、回転軸14bを中心とした所定角度の範囲を1回または繰り返し走査される。回転軸14bを中心とした走査範囲は、360度であってもよいし、360度未満であってもよい。第1部分105は光L2の走査範囲に沿って連続している。なお、走査ミラーとしては、互いに異なる軸回りに回転可能な2以上のミラーを用いて照射光を走査してもよい。
第1部分105に入射した光L2は、第1部分105からケース100の外部に透過する。ケース100の外部に透過した光学モジュール10からの光L3が測定対象200に照射されると、測定対象200で反射する。光L3は測定対象200で例えば拡散反射する。
測定対象200で反射した第1反射光R1は、第1部分105を透過してケース100内に入射し、走査ミラー14の反射面14aで透過反射部材13に向けて反射する。透過反射部材13のミラー部13bで反射した測定対象200からの第1反射光R1は、集光レンズ18によって集光され、第1受光素子16に入射する。
一方で、第2受光素子17は測定対象200を経由しない第3反射光R3を受光する。この第3反射光R3は、測定対象200からの第1反射光R1を利用して測定対象200までの距離を算出するための基準光となる。第2受光素子17が第3反射光R3(基準光)を受光した時刻(基準時刻)と、第1受光素子16が第1反射光R1を受光した時刻との時間差から、測定対象200までの距離が算出される。
なお、ビームスプリッタ12及び第2受光素子17を配置せずに、レーザー光源11からのレーザー光パルスの出射タイミング(出射時刻)と、第1受光素子16が第1反射光R1を受光した時刻との時間差から、測定対象200までの距離を算出してもよい。
基準時刻と、第1受光素子16が第1反射光R1を受光する時刻との正確な時間差を得るには、基準時刻として、レーザー光源11自体の出射時刻を利用するよりも、第2受光素子17で受光する時刻を用いた方が好ましい。
本実施形態の距離計測装置1の効果について説明する。
走査ミラー14から第1部分105に入射した光L2の透過率を100%にするのは現実的ではなく、第1部分105でケース100内に反射する第2反射光R2が生じる。光L2の第1部分105での反射は、ケース100内の媒質(例えば空気)と第1部分105との第1界面での反射と、第1部分105とケース100の外部の媒質(例えば水)との第2界面での反射とを含む。
本実施形態では、走査ミラー14の回転によりケース100外への照射光を走査しつつ、測定対象200からの第1反射光R1を走査ミラー14で受けるように構成している。すなわち、走査ミラー14から第1部分105への光L2と同じ経路(同軸上の経路)で測定対象200からの第1反射光R1が走査ミラー14に戻る。
このような構成上、図1に示すケース100の中心軸C1に平行な断面視において光L2の光軸A1が第1部分105に対して垂直な場合では、第1部分105でケース100内に反射する第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14及び透過反射部材13を経由して第1受光素子16に入射しやすくなる。測定対象200で反射していない第2反射光R2が第1受光素子16に入射すると、測定対象200までの距離の誤測定につながる。
本実施形態によれば、図1に示すケース100の中心軸C1に平行な断面視において、走査ミラー14からの光L2の光軸A1が第1部分105に対して傾斜するように、光学モジュール10とケース100とを配置している。これにより、第1部分105で反射した第2反射光R2の第2光軸A2が、走査ミラー14から第1部分105に入射する光L2の第1光軸A1に対して非平行となり、第1部分105での第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14に戻りにくくなる。
例えば、第2反射光R2の第2光軸A2が、走査ミラー14と透過反射部材13との間の空間に向かうように第1光軸A1に対して傾斜し、第2反射光R2は走査ミラー14の反射面14aに戻らない。これにより、第1部分105で反射した第2反射光R2が、距離測定の精度を低下させる迷光として第1受光素子16に入射するのを抑制することができる。
なお、ケース100内で第2反射光R2が多重反射すると第1受光素子16に入射する上記迷光が発生し得る。そのため、少なくとも、第1部分105で反射した第2反射光R2が最初にケース100に入射する第2部分108に低反射部材を配置、または第2部分108自体を低反射部材とすることが好ましい。これにより、第2反射光R2のケース100内における多重反射を抑制して、第1受光素子16に入射する迷光を抑制することができる。低反射部材として、例えば、光吸収率の高い黒色の部材が挙げられる。
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態の距離計測装置2におけるケース100と走査ミラー14の配置関係を示す概略図である。図3は、図2と同様、ケース100の中心軸C1に垂直な切断面を示す。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様、ケース100は第1部分105を側面103に含む円筒形である。また、第2実施形態においても、走査ミラー14の回転により、ケース100外への照射光L3を走査しつつ、測定対象200からの第1反射光R1を走査ミラー14で受けるように構成される。第1部分105は、照射光の走査範囲に沿って連続している。
ただし、第2実施形態では、走査ミラー14は、ケース100の中心軸C1と側面103との間に位置する。図3に示すケース100の中心軸C1に垂直な断面視において、走査ミラー14はケース100の中心軸C1から側面103側にずれて位置する。
このような走査ミラー14とケース100の配置関係によれば、図3に示すケース100の中心軸C1に垂直な断面視において、走査ミラー14からの光L2が第1部分105に対して傾斜して入射する。したがって、第1部分105で反射した第2反射光R2の第2光軸A2が、走査ミラー14から第1部分105に入射する光L2の第1光軸A1に対して非平行となり、第1部分105での第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14に戻りにくい。これにより、第1部分105で反射した第2反射光R2が、距離測定の精度を低下させる迷光として第1受光素子16に入射するのを抑制することができる。
第1実施形態によれば、図1に示すように、ケース100の中心軸C1に平行な面内において、第1光軸A1と第2光軸A2とが非平行となる。
第2実施形態によれば、図3に示すように、ケース100の中心軸C1に垂直な面内において、第1光軸A1と第2光軸A2とが非平行となる。
第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせることがより好ましい。すなわち、図3に示すように走査ミラー14をケース100の中心軸C1と側面103との間に位置させる。且つ、走査ミラー14とケース100の中心軸C1とを結ぶ直線上の位置における中心軸C1に平行な断面視(図3において1点鎖線の位置での断面視)において、走査ミラー14からの光L2の光軸A1が側面103の第1部分105に対して傾斜するようにする。すなわち、ケース100の中心軸C1に垂直な面内において第1光軸A1と第2光軸A2とが非平行となるようにし、且つ、ケース100の中心軸C1に平行な面内においても第1光軸A1と第2光軸A2とが非平行となるようにする。これにより、第1実施形態のみの場合または第2実施形態のみの場合においてある特定方向で生じ得る望ましくない反射光(迷光)の発生を防ぐことができる。
[第3実施形態]
図4は、本発明の第3実施形態の距離計測装置3の概略図である。
図5は、図4のV-V線における模式断面図である。
第3実施形態においても、ケース100は第1部分106を側面103に含む円筒形である。そして、図4は、ケース100の中心軸C1に平行なケース100の切断面を示す。
第1部分106は、ケース100内に位置する環状部104を含む。環状部104は、光学モジュール10からの光及び測定対象200からの反射光に対する透過性を有し、例えば樹脂またはガラスからなる。図5に示すように、環状部104は、ケース100の側面103の内周面に沿って連続している。環状部104は、走査ミラー14からの光L2の第1光軸A1に対して傾斜した傾斜面104aを含む。傾斜面104aが、走査ミラー14の回転による照射光の走査範囲に沿って連続している。
走査ミラー14からの光L2は傾斜面104aに入射する。この光L2の第1光軸A1に対して、傾斜面104aで反射する第2反射光R2の第2光軸A2が非平行となる。したがって、傾斜面104aでの第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14に戻りにくくなる。
例えば、第2反射光R2の第2光軸A2がケース100の第2端面102に向かうように第1光軸A1に対して傾斜し、第2反射光R2は走査ミラー14の反射面14aに戻らない。これにより、測定対象200を経由しない第2反射光R2が迷光として第1受光素子16に入射するのを抑制することができる。
[第4実施形態]
図6は、本発明の第4実施形態の距離計測装置4の概略図である。
第4実施形態において、ケース100の形状は、第1端面101と、第2端面102と、側面103とを有する円錐台形である。側面103は第1部分105を含む。ケース100を円錐台形にすることで、円筒形と同様、水圧に対する高い耐圧性が得られる。図6は、第1端面101の中心と第2端面102の中心とを結ぶ中心軸C1に平行なケース100の切断面を示す。
第4実施形態では、ケース100を円錐台形にすることで、図6に示すケース100の中心軸C1に平行な断面視において、走査ミラー14からの光L2の光軸A1が第1部分105に対して傾斜するようにしている。これにより、第1部分105で反射した第2反射光R2の第2光軸A2が、走査ミラー14から第1部分105に入射する光L2の第1光軸A1に対して非平行となり、第1部分105での第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14に戻りにくくなる。
[第5実施形態]
図7は、本発明の第5実施形態の距離計測装置5におけるケース110と走査ミラー14の配置関係を示す概略図である。
第5実施形態において、ケース110の形状は、球形である。図7は、レーザー光源11からの出射光L1の光軸に垂直、且つ球形のケース110の中心C2を通る切断面を示す。ケース110を球形にすることで、水圧に対する高い耐圧性が得られる。ケース110は、前述した実施形態のケース100と同じ材料から構成することができる。ケース110の球面113は第1部分107を含む。ケース110の球面113において少なくとも第1部分107は、光学モジュール10からの光及び測定対象200からの反射光に対する透過性を有し、例えば樹脂またはガラスからなる。
走査ミラー14は、ケース110の中心C2と球面113との間に位置する。走査ミラー14はケース110の中心C2から球面113側にずれて位置する。第5実施形態においても、走査ミラー14の回転により、ケース110外への照射光L3を走査しつつ、測定対象200からの第1反射光R1を走査ミラー14で受けるように構成される。第1部分107は、照射光の走査範囲に沿って連続している。
走査ミラー14を球形のケース110の中心C2から球面113側にずれて位置させることで、走査ミラー14からの光L2が第1部分107に対して傾斜して入射する。したがって、第1部分107で反射した第2反射光R2の第2光軸A2が、走査ミラー14から第1部分107に入射する光L2の第1光軸A1に対して非平行となり、第1部分107での第2反射光R2が、測定対象200からの第1反射光R1と同じ経路で走査ミラー14に戻りにくい。これにより、第1部分107で反射した第2反射光R2が迷光として第1受光素子16に入射するのを抑制することができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。
1~5…距離計測装置、10…光学モジュール、11…レーザー光源、12…ビームスプリッタ、13…透過反射部材、14…走査ミラー、16…第1受光素子、17…第2受光素子、100,110…ケース、105~107…第1部分、200…測定対象、A1…第1光軸、A2…第2光軸、R1…第1反射光、R2…第2反射光、R3…第3反射光

Claims (6)

  1. 曲面からなる第1部分を有するケースと、
    前記ケース内に収容された光学モジュールと、
    を備え、
    前記光学モジュールは、
    レーザー光源と、
    第1受光素子と、
    前記レーザー光源からの出射光を前記ケースの前記第1部分に向けて反射させ、且つ前記第1部分から前記ケースの外部に出射した光が測定対象で反射した第1反射光の入射を受ける走査ミラーと、
    前記レーザー光源と前記走査ミラーとの間に配置され、前記レーザー光源からの前記出射光を前記走査ミラーに向けて透過させ、且つ前記走査ミラーを経由して戻ってくる前記測定対象からの前記第1反射光を前記第1受光素子に向けて反射させる透過反射部材と、
    を有し、
    前記走査ミラーから前記第1部分に入射する光の第1光軸と、前記走査ミラーから前記ケースの前記第1部分に入射して前記第1部分で反射する第2反射光の第2光軸と、が非平行である距離計測装置。
  2. 前記レーザー光源からの前記出射光に平行な前記ケースの断面視において、前記ケースにおける前記走査ミラーからの光が入射する前記第1部分は、前記第1光軸に対して傾斜している請求項1に記載の距離計測装置。
  3. 前記ケースは、前記第1部分を側面に含む円筒形であり、
    前記走査ミラーは、前記ケースの中心軸と前記側面との間に位置する請求項1または2に記載の距離計測装置。
  4. 前記ケースは、前記第1部分を含む球形であり、
    前記走査ミラーは、前記ケースの中心と前記第1部分との間に位置する請求項1に記載の距離計測装置。
  5. 前記光学モジュールは、
    第2受光素子と、
    前記レーザー光源と前記透過反射部材との間に配置され、前記レーザー光源からの前記出射光を、前記透過反射部材に向かう透過光と、前記第2受光素子に向かう第3反射光とに分割するビームスプリッタと、
    をさらに有する請求項1~4のいずれか1つに記載の距離計測装置。
  6. 前記レーザー光源の発振波長は、380nm以上550nm以下である請求項1~5のいずれか1つに記載の距離計測装置。
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