JP2023117943A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光分割部材と受光部材との相対的な位置または向きを簡単に調整可能な測距装置を提供すること。【解決手段】本測距装置（１００）は、物体（２００）との間の距離である物体距離（Ｄ）を測定する測距装置であって、発光部（１）からの光（Ｌ０）を複数の分割光（Ｌ１）に分割する光分割部材（３）と、複数の分割光（Ｌ１）を物体（２００）側に照射する照射部（４）と、複数の分割光（Ｌ１）が物体（２００）により反射された光である複数の戻り光（Ｒ）を導光する導光部材（５）と、光分割部材（３）を位置決め可能に支持する第１支持部材（６）と、導光部材（５）により導光された複数の戻り光（Ｒ）を受光し、前記複数の戻り光の各々に対応した受光信号（Ｓ）を出力する複数の受光部材（８）と、複数の受光部材（８）を支持する第２支持部材（９）と、第２支持部材（９）を移動または回転させることにより、光分割部材（３）に対する複数の受光部材（８）の相対的な位置または向きを調整可能な調整部（１０）と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、測距装置に関する。

従来、物体との間の距離である物体距離を測定するＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）装置等の測距装置が知られている。

上記測距装置には、光源から出力された光源光を回折格子により分割した複数の照射光を照射領域に照射し、照射された光が物体により反射された光の受光素子による受光信号に基づいて、物体距離を測定するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許６４８９３２０号公報

回折格子等の光分割部材を有する測距装置では、光分割部材と、該光分割部材による複数の分割光が物体により反射された光である複数の戻り光を受光して受光信号を出力する受光部材と、の間の相対的な位置または向きを簡単に調整することが求められる。

本発明は、光分割部材と受光部材との間の相対的な位置または向きを簡単に調整可能な測距装置を提供することを目的とする。

本測距装置（１００）は、物体（２００）との間の距離である物体距離（Ｄ）を測定する測距装置であって、発光部（１）からの光（Ｌ_０）を複数の分割光（Ｌ_１）に分割する光分割部材（３）と、複数の分割光（Ｌ_１）を物体（２００）側に照射する照射部（４）と、複数の分割光（Ｌ_１）が物体（２００）により反射された光である複数の戻り光（Ｒ）を導光する導光部材（５）と、光分割部材（３）を位置決め可能に支持する第１支持部材（６）と、導光部材（５）により導光された複数の戻り光（Ｒ）を受光し、前記複数の戻り光の各々に対応した受光信号（Ｓ）を出力する複数の受光部材（８）と、複数の受光部材（８）を支持する第２支持部材（９）と、第２支持部材（９）を移動または回転させることにより、光分割部材（３）に対する複数の受光部材（８）の相対的な位置または向きを調整可能な調整部（１０）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、光分割部材と受光部材との間の相対的な位置または向きを簡単に調整可能な測距装置を提供できる。

実施形態に係る測距装置の全体構成を例示する側面図である。 実施形態に係る測距装置の全体構成を例示する斜視図である。 回折格子による光分割例を示す図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は斜視図、図３（ｃ）は正面図である。 実施形態に係る測距装置における回折格子と穴あきミラーの正面図である。 図４のV－V断面図である。 第１支持部材を例示する斜視図である。 図６における平面Ｐにより切断した第１支持部材の断面図である。 回折格子の位置決め部材を例示する図であり、図８（ａ）は回折格子の上面側から視た斜視図、図８（ｂ）は回折格子の下面側から視た斜視図である。 第２支持部材と調整部を例示する斜視図である。 図９の第２支持部材と調整部の分解斜視図である。 実施形態に係る測距装置が有する制御部の機能構成例のブロック図である。

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詳細に説明する。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。

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。

以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸および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照射部としてのポリゴンミラーの回転軸に沿う方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ方向に交差する方向を示す。Ｚ軸に沿うＺ方向は、Ｘ軸およびＹ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。実施形態では、一例として＋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に配置可能である。

＜測距装置１００の構成例＞
図１～図１０を参照して、実施形態に係る測距装置１００の構成の一例を説明する。

図１および図２は測距装置１００の全体構成を例示する図であり、図１は側面図、図２は斜視図である。図３は、回折格子３による光分割例を示す図であり、図３（ａ）は－Ｘ方向側から回折格子３を視た側面図、図３（ｂ）は＋Ｚ方向側から視た回折格子３の斜視図、図３（ｃ）は－Ｚ方向側から視た回折格子３の正面図である。

図４は、測距装置１００に配置された状態おける回折格子３と穴あきミラー５の正面図である。図５は、図４のV－V断面図である。図６は、第１支持部材６を例示する斜視図である。図７は、図６における平面Ｐにより切断した第１支持部材６の断面図である。図８は、回折格子３の位置決め部材１１を例示する図であり、図８（ａ）は回折格子３の上面側から視た斜視図、図８（ｂ）は回折格子３の下面側から視た斜視図である。図９は、第２支持部材９と調整部１０を例示する斜視図である。図１０は、図９の第２支持部材９と調整部１０の分解斜視図である。

図１～図１０に示すように、測距装置１００は、ＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ）１と、コリメートレンズ２と、回折格子３と、ポリゴンミラー４と、穴あきミラー５と、を有する。また、測距装置１００は、第１支持部材６（図６、図７を参照）、集光レンズ７と、５つのＡＰＤ（Avalanche Photodiode：アバランシェフォトダイオード）８と、第２支持部材９と、調整部１０（図９、図１０を参照）と、を有する。

図１および図２に示すように、測距装置１００は、ＬＤ１から発せられ、コリメートレンズ２を通ったレーザ光Ｌ_０を回折格子３により分割し、分割された光である５つの分割光Ｌ_１を、ポリゴンミラー４の第１反射面４０で反射することにより物体２００側に照射する。５つの分割光Ｌ_１が物体２００によって反射された光である５つの戻り光Ｒは、往きに来た光路を逆行して第１反射面４０により反射された後、穴あきミラー５により５つのＡＰＤ８側に反射され、集光レンズ７を通って５つのＡＰＤ８に入射する。なお、戻り光Ｒは、物体２００による正反射光と拡散反射光とを含む。測距装置１００は、５つのＡＰＤ８が５つの戻り光Ｒを受光して出力する信号である受光信号Ｓに基づき、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式により物体２００との間の距離である物体距離Ｄを測定できる。

ＬＤ１は、駆動信号に応じてレーザ光Ｌ_０を発する発光部の一例である。レーザ光Ｌ_０は、発光部からの光の一例である。レーザ光Ｌ_０は、人間が視認できない近赤外光等の非可視光であることが好ましいが、可視光であってもよい。近赤外光は、例えば波長８００［ｎｍ］以上２５００［ｎｍ］以下の光であり、可視光は、例えば４００［ｎｍ］以上８００［ｎｍ］未満の光である。

発光部は、ＬＤ１に限られずＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等であってもよい。発光部からの光はコヒーレント光に限られず、インコヒーレント光であってもよいが、回折格子３による回折効率を向上させる観点では、レーザ光Ｌ_０等のコヒーレント光を用いることが好ましい。なお、ＬＤ１等の発光部は、測距装置１００の必須の構成部ではなく、測距装置１００は、外部から測距装置１００に入射した光を物体２００側に照射して測距を行うこともできる。

コリメートレンズ２は、ＬＤ１からのレーザ光Ｌ_０を入射させ、略平行化して出射させるレンズである。なお、コリメートレンズ２は、測距装置１００の必須の構成部ではなく、測距装置１００は、外部から測距装置１００に入射した略平行光を物体側に照射して測距を行うこともできる。また、測距装置１００は、略平行化されていない光を用いて測距を行うこともできるが、光利用効率を向上させる観点では、略平行光を物体２００側に照射することが好ましい。

回折格子３は、コリメートレンズ２から出射されたレーザ光Ｌ_０を５つの分割光Ｌ_１に分割する光分割部材の一例である。但し、回折格子３により分割される光の数は５つに限定されるものではなく、２以上であれば、測距装置１００の用途に応じて適宜変更可能である。

図３に示すように、回折格子３は、平面視において略円形状を有し、ガラスまたは樹脂等の材料を含んで構成された透光性部材である。ここでの透光性は、入射する光に対する光透過率が例えば６０％以上であることを意味する。なお、回折格子３は、平面視において略矩形状や略楕円形状等の他の平面視形状を有してもよい。

回折格子３は、－Ｚ方向側の面または＋Ｚ方向の面の少なくとも一方に、レーザ光Ｌ_０の波長程度のピッチおよび高さを有する周期構造が形成されている。回折格子３は、入射されるレーザ光Ｌ_０を周期構造により回折させることによって、分割光Ｌ_１１、Ｌ_１２、Ｌ_１３、Ｌ_１４、Ｌ_１５を含む５つの分割光Ｌ_１に分割する。

分割光Ｌ_１１は、回折格子３の０次光（透過光）であり、分割光Ｌ_１２～Ｌ_１５は１次回折光である。５つの分割光Ｌ_１の広がり角度の半分の角度である広がり半角θＬは、人間の目に対する安全性を意味するアイセーフの観点では２．１［度］以上であることが好ましい。分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５は、伝搬方向が相互に異なる略平行光束であり、それぞれ穴あきミラー５を通過し、ポリゴンミラー４の第１反射面４０に入射する。

本実施形態では、回折格子３の中央を透過する分割光Ｌ_１１と、４つの対角方向に分割される分割光Ｌ_１２～Ｌ_１５が得られる構成を例示するが、各分割光が分割される方向は対角方向に限定されるものではなく、適宜選択可能である。

図１および図２に示すように、ポリゴンミラー４は、５つの分割光Ｌ_１を物体２００側に照射する照射部の一例である。

ポリゴンミラー４は、回転軸Ａに沿う方向から視た平面視形状が略六角形状であり、六角形の各辺に対応する位置に回転軸Ａに沿う平面である６つの第１反射面４０を有し、モータ等の駆動部により回転軸Ａ周りに回転可能な回転体である。ポリゴンミラー４が有する第１反射面４０の数は６つに限定されず１以上であればよい。

ポリゴンミラー４は、回折格子３からの５つの分割光Ｌ_１を、第１反射面４０で反射することにより物体２００側に照射する。また、ポリゴンミラー４は、回転軸Ａ周りに回転しながら６つの第１反射面４０で反射することにより、５つの分割光Ｌ_１それぞれを回転軸Ａと交差する方向、例えばＺ軸に沿う方向に走査させ、走査される５つの分割光Ｌ_１を物体２００側に照射できる。

ポリゴンミラー４は、アルミニウム等の金属材料を含む基材に対し、鏡面加工等により第１反射面４０を形成すること、或いは樹脂材料を含む基材に対し、金属材料等を含む高反射膜を蒸着して第１反射面４０を形成すること等によって製作できる。

なお、照射部は、ポリゴンミラー４に限定されるものではなく、複数の分割光を物体２００側に照射できれば、レンズやミラー等の他の光学部材をポリゴンミラー４以外に含んでもよいし、揺動ミラー等のポリゴンミラー４以外の可動部を含んでもよい。また照射部は、可動部を含まず、走査されない光である略平行光または発散光を物体２００側に照射してもよい。

穴あきミラー５は、複数の分割光Ｌ_１が物体２００により反射された複数の戻り光Ｒを導光する導光部材の一例である。穴あきミラー５は、回折格子３と第１反射面４０との間に設けられる。

図４および図５に示すように、穴あきミラー５は、その法線方向から視た平面視形状が略円形状の円柱状部材である。但し、穴あきミラー５の平面視形状は、略矩形状、略多角形状等であってもよい。穴あきミラー５の基材の材質には特段の制限はなく、金属、樹脂、ガラス等を適用できる。

穴あきミラー５は、接触面５１と、開口５２と、凹部５３と、第２反射面５４と、を有する。穴あきミラー５は、測距装置１００に設置された状態において、回折格子３からの複数の分割光Ｌ_１を、開口５２を通してポリゴンミラー４側に通過させるとともに、ポリゴンミラー４からの複数の戻り光Ｒを第２反射面５４で反射することにより複数のＡＰＤ８に向けて導光する。

接触面５１は、第２反射面５４と向き合う面であり、第１支持部材６に接触する面である。接触面５１は、穴あきミラー５が測距装置１００に設置された状態において、コリメートレンズ２側に配置される。

開口５２は、穴あきミラー５の法線方向から視た平面視形状が略円形状であり、穴あきミラー５をその法線方向に貫通する貫通孔である。但し、開口５２の平面視形状は、略円形状に限らず、略矩形状、略多角形状等であってもよい。複数の分割光Ｌ_１は、穴あきミラー５において、開口５２を通過でき、開口５２以外の領域では反射または光吸収されて通過できない。なお、開口５２は、貫通孔に限定されず、ガラス等の透光性部材により構成されてもよい。この場合には、複数の分割光Ｌ_１は開口５２を透過する。

凹部５３は、穴あきミラー５の法線方向に沿って開口５２の周囲が接触面５１に対して窪むように形成された部位である。凹部５３は、深い位置ほど直径が狭くなる形状である略円錐形状に窪んでいる。但し、窪んでいれば凹部５３の形状に特段の制限はない。凹部５３が形成されることにより、測距装置１００に設置された状態において、その少なくとも一部を凹部５３内に挿入して配置できるため、凹部５３が形成されていない場合と比較して、回折格子３と第２反射面５４との間の距離である部材間距離が短くなる。

凹部５３の表面５３１は、光拡散性を有する面である。光拡散性を有する面は、例えば分割光Ｌ_１の波長程度の表面粗さを有する面である。表面５３１が光拡散性を有することにより、穴あきミラー５が測距装置１００に設置された状態において、複数の分割光Ｌ_１のうち、穴あきミラー５における開口５２以外の領域で反射された光に由来する迷光が抑制される。

第２反射面５４は、穴あきミラー５が測距装置１００に設置された状態において、穴あきミラー５におけるポリゴンミラー４側に設けられ、戻り光Ｒを反射する。第２反射面５４は、例えば、穴あきミラー５の基材の表面に光反射率が高い金属薄膜を蒸着すること等により形成される。或いは第２反射面５４は、穴あきミラー５の基材が金属である場合には、基材を鏡面加工することによって形成することもできる。

図５において、有効径ｄは、回折格子３において光分割のために使用される領域である有効領域の直径を示している。設置角度θｓは、穴あきミラー５が測距装置１００に設置された状態において、レーザ光Ｌ_０の中心軸（光軸）Ｂと略直交する直交軸Ｃと、第２反射面５４と、がなす角度を示している。部材間距離ｅは、回折格子３と第２反射面５４との間の距離を示している。例えば、部材間距離ｅは、回折格子３および穴あきミラー５が測距装置１００に設置された状態での回折格子３と第２反射面５４の中心５４ｃとの間の距離である。本実施形態では、一例として、有効径ｄは３．０［ｍｍ］、部材間距離ｅは５．０［ｍｍ］、設置角度θｓは４５．０［度］である。

なお、導光部材は、戻り光Ｒを複数のＡＰＤ８側に反射できれば、穴あきミラー５に限定されるものではない。例えば導光部材としてビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ等を用いてもよい。また導光部材は、必ずしも回折格子３からの複数の分割光Ｌ_１を通過または透過させなくてもよく、回折格子３からポリゴンミラー４までの光路外の領域に配置されてもよい。但し、回折格子３からの複数の分割光Ｌ_１を通過または透過可能に導光部材を設けると、測距装置１００を小型化できるため好適である。

図６～図８に示すように、第１支持部材６は、回折格子３と、穴あきミラー５と、を支持する部材である。第１支持部材６は、位置決め部材１１を介して回折格子３を位置決め可能に支持する。

図６および図７に示すように、第１支持部材６は、固定面６１と、挿抜孔６２と、孔６３と、を有する。第１支持部材６は、金属または樹脂等の材料を含んで構成され、測距装置１００において、コリメートレンズ２と、ポリゴンミラー４と、の間に配置される。

固定面６１は、穴あきミラー５における接触面５１に接触され、接着部材等により穴あきミラー５を固定する。穴あきミラー５は、図６の矢印５５の方向に沿って固定面６１に近接し、固定面６１に固定されることによって第１支持部材６に支持される。

挿抜孔６２は、回折格子３を支持した位置決め部材１１を挿入および抜去可能な孔である。第１支持部材６が位置決め部材１１を支持する場合には、位置決め部材１１は、矢印１１４が向く方向に沿って挿抜孔６２に挿入される。一方、第１支持部材６が位置決め部材１１を支持しない場合には、位置決め部材１１は、矢印１１４が向く方向とは反対方向に沿って挿抜孔６２から抜去される。図７は、第１支持部材６が位置決め部材１１を支持した状態を示している。位置決め部材１１が第１支持部材６に対して挿抜されることにより、第１支持部材６は、穴あきミラー５を支持した状態において回折格子３を着脱可能に支持できる。

孔６３は、第１支持部材６が測距装置１００に設置された状態において、コリメートレンズ２からのレーザ光Ｌ_０を通過させる孔である。

図８に示すように、位置決め部材１１は、第１突当面１１１と、第２突当面１１２と、第３突当面１１３と、を有する。位置決め部材１１は、接着部材等により接着することによって、その－Ｚ方向側に回折格子３を固定する。

第１突当面１１１、第２突当面１１２および第３突当面１１３のそれぞれは、第１支持部材６の挿抜孔６２に位置決め部材１１が挿入された際に、第１支持部材６に突き当たることにより回折格子３を位置決めする面である。第１突当面１１１はＹ方向、第２突当面１１２はＸ方向、第３突当面１１３はＺ方向それぞれにおける回折格子３の位置決めのために用いられる。

図１および図２に戻り、説明を続ける。集光レンズ７は、穴あきミラー５と複数のＡＰＤ８との間に設けられ、穴あきミラー５によって反射された複数の戻り光Ｒのそれぞれを集光し、複数の戻り光Ｒと対をなすＡＰＤ８に入射させる。集光レンズ７は、透光性を有するガラスまたは樹脂材料を含んで構成できる。集光レンズ７は、複数のレンズによって構成されてもよい。なお、集光レンズ７は、測距装置１００の必須の構成部ではないが、光利用効率を向上させたり、受光信号の信号対雑音比を向上させたりする観点では、複数のＡＰＤ８の前段に設けられることが好ましい。

５つのＡＰＤ８は、穴あきミラー５により導光された複数の戻り光Ｒを受光し、複数の戻り光Ｒの各々に対応した受光信号Ｓを出力する複数の受光部材の一例である。５つのＡＰＤ８のそれぞれは、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、受光部材はＡＰＤ８に限定されるものではなく、ＰＤ（Photodiode：フォトダイオード）や光電子増倍管等を用いてもよい。また複数の受光部材ごとにＡＰＤやＰＤ等の異なるものを用いてもよい。複数のＡＰＤ８の数は５つに限定されるものではなく、回折格子３により分割される分割光Ｌ_１の数に合わせて変更可能である。

第２支持部材９は、複数のＡＰＤ８を支持する。第２支持部材９は、例えば複数のＡＰＤ８が実装されることにより複数のＡＰＤ８を支持するＡＰＤ実装基板である。

調整部１０は、第２支持部材９を移動または回転させることにより、回折格子３に対する複数のＡＰＤ８の相対的な位置または向きを調整可能である。

調整部１０による第２支持部材９の移動および回転によって、回折格子３に対する複数のＡＰＤ８の相対的な位置または向きが調整され、複数のＡＰＤ８のそれぞれは、対をなす分割光Ｌ_１に由来する戻り光Ｒを受光し、その受光信号Ｓを出力可能になる。

図９および図１０に示すように、第２支持部材９は、５つのＡＰＤ８であるＡＰＤ８１、ＡＰＤ８２、ＡＰＤ８３、ＡＰＤ８４およびＡＰＤ８５を支持する。第２支持部材９は、調整部１０に設けられた溝１０１（図１０を参照）に嵌合され、ネジ部材等によって調整部１０に固定される。

調整部１０による第２支持部材９の移動は、例えば、Ｘ方向に沿った移動量Δｘ、Ｙ方向に沿った移動量Δｙ、Ｚ方向に沿った移動量Δｚ等の並進移動である。調整部１０による第２支持部材９の回転は、例えばＸ軸周りの回転角Δφｘ、Ｙ軸周りの回転角Δφｙ、Ｚ軸周りの回転角Δφｚ等の回転である。

調整部１０は、ネジ部材やシム部材等を含んで構成される。例えば移動量Δｘ、移動量Δｚおよび回転角Δφｙは、調整を行う作業者が複数のＡＰＤ８の受光信号Ｓを監視しながら調整部１０を手動で動かすことにより移動量Δｘ、移動量Δｚおよび回転角Δφｙを調整した後、ネジ部材で調整部１０に第２支持部材９を固定すること等により調整される。また移動量Δｙ、回転角Δφｘ、および回転角Δφｘは、調整を行う作業者が複数のＡＰＤ８の受光信号Ｓを監視しながら調整部１０と第２支持部材９との間にシム部材を挿入し、シム部材の厚みによって移動量Δｙ、回転角Δφｘおよび回転角Δφｘを調整した後、ネジ部材で調整部１０に第２支持部材９を固定すること等により調整される。

例えば調整部１０による調整では、まず位置決め部材１１を第１支持部材６から抜去され、レーザ光Ｌ_０が回折格子３により分割されていない状態において、複数のＡＰＤの位置または向きの粗調整が行われる。この粗調整後に、位置決め部材１１を第１支持部材６に挿入され、レーザ光Ｌ_０が回折格子３により分割されている状態において、複数のＡＰＤの位置または向きの微調整が行われる。これにより、回折格子３と複数のＡＰＤ８との相対的な位置または向きの調整を効率的に実行できる。但し、調整部１０による調整方法は、この方法に限定されるものではない。

調整部１０は、第２支持部材９を移動させる並進ステージ等の移動機構、または第２支持部材９を回転させる回転ステージ等の回転機構を含んでもよい。また調整部１０は、移動機構および回転機構を駆動させるモータ等の駆動部を含んでもよい。

（制御部１２の機能構成例）
次に図１１を参照して、測距装置１００が有する制御部１２の機能構成の一例について説明する。図１１は、制御部１２の機能構成の一例を説明するブロック図である。制御部１２は、回転制御部１２１と、発光制御部１２２と、距離情報取得部１２３と、出力部１２４と、を有する。

制御部１２は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の電気回路により上記各機能を実現できる他、上記各機能の少なくとも一部をソフトウェア（ＣＰＵ；Central Processing Unit）によって実現することもできる。また、制御部１２は、複数の回路または複数のソフトウェアによってこれらの機能を実現してもよい。上記各機能の一部は、制御部１２以外の構成部により実現されてもよく、制御部１２と制御部１２以外の構成部との分散処理により実現されてもよい。

回転制御部１２１は、ポリゴンミラー４を回転させるモータの回転駆動を制御することにより、ポリゴンミラー４の回転軸Ａ周りの回転を制御する。

発光制御部１２２は、ＬＤ１を発光駆動させる発光駆動部に制御信号を出力することにより、ＬＤ１の発光を制御する。また発光制御部１２２は、ＬＤ１が発光した時刻に対応する発光時刻情報を距離情報取得部１２３に出力する。

距離情報取得部１２３は、戻り光Ｒに基づいて、物体２００との間の距離情報を演算により取得する。具体的には、距離情報取得部１２３は、ＬＤ１によりレーザ光Ｌ_０から発せられた発光時刻情報を発光制御部１２２から入力し、複数のＡＰＤ８から出力される受光信号Ｓに基づき、戻り光Ｒが受光された受光時刻情報を演算により取得する。距離情報取得部１２３は、ＴＯＦ（Time Of Flight）の原理に基づき、以下の（１）式を演算することによって距離情報Ｄｔを取得できる。
Ｄｔ_ｎ＝ｃ×Δｔ_ｎ／２ ・・・（１）

ｎは、分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５それぞれに対応する整数である。例えば、Ｄｔ_１は分割光Ｌ_１１に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_２は分割光Ｌ_１２に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_３は分割光Ｌ_１３に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_４は分割光Ｌ_１４に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_５は分割光Ｌ_１５に基づき得られる距離情報である。ｃは光速（略３×１０^８［ｍ／ｓ］）を表す。

Δｔは、分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５それぞれにおける発光時刻と受光時刻との間の時間差である。なお、分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５は、ＬＤ１から同時に発せられたレーザ光Ｌ_０を分割したものであるため、発光時刻はいずれも等しい。一方で、分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５それぞれにおいて受光時刻はそれぞれ異なる。距離情報取得部１２３は、分割光Ｌ_１１～Ｌ_１５ごとでの距離情報Ｄｔ_ｎを、並行演算により取得することが好ましい。

距離情報を取得する方式は、ＴＯＦ方式に限定されるものではない。例えば測距装置１００は、振幅変調したレーザ光を照射し、物体で反射または散乱された戻り光と照射したレーザ光との位相差に基づき、距離情報を取得する位相差検出方式等を用いることもできる。

距離情報取得部１２３は、出力部１２４を介して外部装置に距離情報を出力できる。

（測距装置１００の作用効果）
以上説明したように、本実施形態に係る測距装置１００は、回折格子３（光分割部材）と、ポリゴンミラー４（照射部）と、穴あきミラー５（導光部材）と、第１支持部材６と、複数のＡＰＤ８（複数の受光部材）と、第２支持部材９と、調整部１０と、を有する。

測距装置１００は、第１支持部材６により回折格子３を位置決め可能に支持し、調整部１０により、回折格子３に対する複数のＡＰＤ８の相対的な位置または向きを調整可能にすることによって、回折格子３と複数のＡＰＤ８との間の相対的な位置または向きの調整機能を調整部１０に集約できる。これにより、本実施形態では、回折格子３および複数のＡＰＤ８の両方を調整する場合と比較して、回折格子３と複数のＡＰＤ８との間の相対的な位置または向きを簡単に調整可能な測距装置１００を提供できる。また、光分割部材の位置または向きを調整するための構成部を設けると、調整の余裕を設けるために光分割部材の有効領域を大きくする必要がある。これに対し、測距装置１００では、回折格子３の位置または向きを調整するための構成部を有さず、調整の余裕を設ける必要がないため、回折格子３を小型化することができる。

また、測距装置１００では、回折格子３により分割された複数の分割光Ｌ_１の広がり半角は２．１［度］以上である。これにより、測距装置１００による測距においてアイセーフを実現できる。

ここで、回折格子等の光分割部材と、ポリゴンミラー等の照射部と、穴あきミラー等の導光部材と、を有する測距装置では、光分割部材による分割光の広がり半角を広くした場合に、光分割部材と照射部との距離が長くなると、分割光が広がって分割光の一部がポリゴンミラーの反射面等に入射できなくなる場合がある。

分割光の全部がポリゴンミラーの反射面等に入射できるように該反射面の面積を大きくすると、ポリゴンミラーが大型化する結果、測距装置が大型化したり、測距装置の振動により測距精度が低下したりする場合がある。例えば、照射光を２軸方向に走査させるために、回転機構によってポリゴンミラーをその回転軸と交差する軸周りに回転させる場合には、モーメントや慣性テンソルによる振動が発生し、測距精度が低下しやすくなる。従って、測距装置を小型化し、測距精度を高く確保する等の観点では、照射部の大型化を避けるために、光分割部材と照射部との間の距離は、短いことが好ましい。

一方で、光分割部材と照射部との間に設けられる導光部材と、照射部と、の距離が短いと、照射部による照射光の一部が、光分割部材、光分割部材の支持部材、導光部材、導光部材の支持部材等によってけられ、測距装置により測距可能な空間範囲が制限される場合がある。従って、測距可能な空間範囲を広く確保する観点においては、導光部材と照射部との間の距離は長いことが好ましい。

以上のことから、光分割部材と照射部との間の距離を短くし、かつ導光部材と照射部との間の距離を長くするために、光分割部材と導光部材との間の部材間距離は、できるだけ短いことが好ましい。

本実施形態では、ポリゴンミラー４は、複数の分割光Ｌ_１を、少なくとも１つの第１反射面４０で反射することにより物体２００側に照射する。穴あきミラー５は、複数の分割光Ｌ_１をポリゴンミラー４側に通過または透過させる開口５２と、複数の戻り光Ｒを複数のＡＰＤ８側に反射する第２反射面５４と、を有する。第２反射面５４は、回折格子３と第１反射面４０との間に設けられる。これらの構成により、回折格子３と穴あきミラー５との間の部材間距離ｅを短くすることができる。例えば、回折格子３と穴あきミラー５の第２反射面５４との間の部材間距離ｅは、５．０［ｍｍ］以下とすることができる。これらの結果、本実施形態では、測距装置１００を小型化し、測距装置１００による測距精度を高く確保するとともに、測距装置１００による測距可能な空間範囲を広く確保することができる。

また、本実施形態では、穴あきミラー５は、開口５２の周囲が窪むように形成された凹部５３を有する。回折格子３の少なくとも一部を凹部５３の内部に挿入するように回折格子３を配置できるため、凹部５３が形成されていない場合と比較して、回折格子３と第２反射面５４との間の部材間距離ｅを短くすることができる。

また、本実施形態では、凹部５３の表面５３１は光拡散性を有する。これにより、複数の分割光Ｌ_１のうち、穴あきミラー５における開口５２以外の領域で反射された光に由来する迷光を抑制できるため、受光信号Ｓに混入するノイズを抑制し、測距装置１００による測距精度を高く確保できる。

また、本実施形態では、第１支持部材６は、穴あきミラー５をさらに支持する。回折格子３と穴あきミラー５の支持部材を一体化できるため、測距装置１００の構成を簡略化するとともに、回折格子３と複数のＡＰＤ８との間の相対的な位置または向きを簡単に調整可能になる。

また、本実施形態では、第１支持部材６は、穴あきミラー５を支持した状態において回折格子３を着脱可能に支持する。この構成により、測距装置１００では、位置決め部材１１を第１支持部材６から抜去し、レーザ光Ｌ_０が回折格子３により分割されていない状態において、複数のＡＰＤの位置または向きの粗調整を行うことができる。そして粗調整後に、位置決め部材１１を第１支持部材６に挿入し、レーザ光Ｌ_０が回折格子３により分割されている状態において、複数のＡＰＤの位置または向きの微調整が行うことができる。これらの結果、回折格子３と複数のＡＰＤ８との相対的な位置または向きの調整を効率的に実行できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形または変更が可能である。

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。

実施形態に係る測距装置は、例えば、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または周囲に存在する対象物との間の物体距離を測定する用途に使用できる。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および案内業務、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また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。但し、実施形態に係る測距装置は、サービスロボット用途に限定はされず、様々な用途に適用可能である。

１…ＬＤ（発光部）、２…コリメートレンズ、３…回折格子（光分割部材）、４…ポリゴンミラー（照射部）、４０…第１反射面、５…穴あきミラー（導光部材）、５１…接触面、５２…開口、５３…凹部、５３１…表面、５４…第２反射面、５４ｃ…第２反射面の中心、５５…矢印、６…第１支持部材、６１…固定面、６２…挿抜孔、６３…孔、７…集光レンズ、８…複数のＡＰＤ（複数の受光部材）、８１、８２、８３、８４、８５…ＡＰＤ、９…第２支持部材、１０…調整部、１１…位置決め部材、１１１…第１突当面、１１２…第２突当面、１１３…第３突当面、１１４…矢印、１２…制御部、１２１…回転制御部、１２２…発光制御部、１２３…距離情報取得部、１２４…出力部、１００…測距装置、２００…物体、Ａ…回転軸、Ｂ…中心軸、Ｃ…直交軸、Ｌ_０…レーザ光、Ｌ_１…複数の分割光、Ｌ_１１、Ｌ_１２、Ｌ_１３、Ｌ_１４、Ｌ_１５…分割光、Ｒ…複数の戻り光、Ｄ…物体距離、Ｐ…平面、Ｓ受光信号、θＬ…広がり半角、ｄ…有効径、ｅ…部材間距離、θｓ…設置角度、Δｘ、Δｙ、Δｚ…移動量、Δφｘ、Δφｙ、Δφｚ…回転角

Claims (8)

1. 物体との間の距離である物体距離を測定する測距装置であって、
   発光部からの光を複数の分割光にする光分割部材と、
   前記複数の分割光を前記物体側に照射する照射部と、
   前記複数の分割光が前記物体に反射された光である複数の戻り光を導光する導光部材と、
   前記光分割部材を位置決め可能に支持する第１支持部材と、
   前記導光部材により導光された前記複数の戻り光を受光し、前記複数の戻り光の各々に対応した受光信号を出力する複数の受光部材と、
   前記複数の受光部材を支持する第２支持部材と、
   前記第２支持部材を移動または回転させることにより、前記光分割部材に対する前記複数の受光部材の相対的な位置または向きを調整可能な調整部と、を有する測距装置。
2. 前記複数の分割光の広がり角度の半分の角度である広がり半角は、２．１［度］以上である、請求項１に記載の測距装置。
3. 前記照射部は、前記複数の分割光を、少なくとも１つの第１反射面で反射することにより前記物体側に照射し、
   前記導光部材は、前記複数の分割光を前記照射部側に通過または透過させる開口と、前記複数の戻り光を前記複数の受光部材側に反射する第２反射面と、を有し、
   前記第２反射面は、前記光分割部材と前記第１反射面との間に設けられる、請求項１または請求項２に記載の測距装置。
4. 前記光分割部材と前記第２反射面との間の距離である部材間距離は５．０［ｍｍ］以下である、請求項３に記載の測距装置。
5. 前記導光部材は、前記開口の周囲が窪むように形成された凹部を有する、請求項３または請求項４に記載の測距装置。
6. 前記凹部の表面は、光拡散性を有する、請求項５に記載の測距装置。
7. 前記第１支持部材は、前記導光部材をさらに支持する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の測距装置。
8. 前記第１支持部材は、前記導光部材を支持した状態において前記光分割部材を着脱可能に支持する、請求項７に記載の測距装置。

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