JP2023128023A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間分解能に優れた測距装置を提供する。【解決手段】本測距装置は、走査させた光が物体により反射された戻り光の受光信号に基づいて、物体との間の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Ｌ１に分割する光分割部材と、第１軸Ａ１周りに駆動することにより、複数の分割光Ｌ１を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる第１光走査部と、第１光走査部を第１軸Ａ１と交差する第２軸Ａ２周りに駆動させることにより、複数の分割光Ｌ１を第２軸Ａ２と交差する方向に走査させる第２光走査部と、を有し、複数の分割光Ｌ１は、第１分割光Ｌ１３と、第２分割光Ｌ１２と、第３分割光Ｌ１５と、を含む３以上の分割光Ｌ１１～Ｌ１５を含み、第１分割光Ｌ１３は、複数の分割光Ｌ１をその進行方向側または進行方向とは反対側から視た場合に、第２分割光Ｌ１２と第３分割光Ｌ１５とを通る線７１から離隔している。【選択図】図７

Description

本発明は、測距装置に関する。

従来、走査させた光が物体により反射された戻り光の受光信号に基づいて、物体との間の距離を測定する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）。

国際公開第２０１５／０７５９２６号

測距装置では、空間分解能に優れたものが求められる。

本発明は、空間分解能に優れた測距装置を提供することを目的とする。

本測距装置（１００）は、走査させた光（Ｌ１）が物体（２００）により反射された戻り光（Ｒ）の受光信号（Ｓ）に基づいて、物体（２００）との間の距離を測定する測距装置（１００）であって、発光部（３）からの光（Ｌ０）を複数の分割光（Ｌ１）に分割する光分割部材（４１）と、第１軸（Ａ１）周りに駆動することにより、複数の分割光（Ｌ１）を第１軸（Ａ１）と交差する方向に走査させる第１光走査部（５）と、第１光走査部（５）を第１軸（Ａ１）と交差する第２軸（Ａ２）周りに駆動させることにより、複数の分割光（Ｌ１）を第２軸（Ａ２）と交差する方向に走査させる第２光走査部（１０）と、を有し、複数の分割光（Ｌ１）は、第１分割光（Ｌ１３）と、第２分割光（Ｌ１２）と、第３分割光（Ｌ１５）と、を含む３以上の分割光（Ｌ１１～Ｌ１５）を含み、第１分割光（Ｌ１３）は、複数の分割光（Ｌ１）をその進行方向側または進行方向とは反対側から視た場合に、第２分割光（Ｌ１２）と第３分割光（Ｌ１５）とを通る線（７１）から離隔している。

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、空間分解能に優れた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斜視図である。 図１の測距装置におけるＬＤおよびＡＰＤ周辺を例示する斜視図である。 図１の測距装置における光走査部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４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は斜視図、図４（ｃ）は正面図である。 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。 比較例に係る複数の分割光の走査を示す図であり、図６（ａ）は第１例の図、図６（ｂ）は第２例の図である。 実施形態に係る複数の分割光の走査を例示する第１図である。 実施形態に係る複数の分割光の走査を例示する第２図である。 走査線間隔と分割光中心同士の間隔との好適な関係例の第１図である。 走査線間隔と分割光中心同士の間隔との好適な関係例の第２図である。 一般的な測距装置による光の照射方法の図であり、図１１（ａ）は３つの照射光を１軸方向に走査させる方法の図、図１１（ｂ）は１つの照射光を２軸方向に走査させる方法の図、図１１（ｃ）は２４個の照射光を非走査で照射する方法の図である。 実施形態に係る複数の分割光の変形例を示す図であり、図１２（ａ）は第１変形例の図、図１２（ｂ）は第２変形例の図である。 双方向への往復走査を例示する図である。

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。

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、Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る測距装置における第２軸に沿う方向を示す。Ｘ軸に沿うＸ方向は、Ｚ方向に交差する方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ軸および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。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＞
（全体構成）
図１から図３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は、測距装置１００の全体構成を例示する斜視図である。図２は、測距装置１００におけるＬＤおよびＡＰＤの周辺を例示する斜視図である。図３は測距装置１００における光走査部１２０を例示する斜視図である。

測距装置１００は、走査させた光が物体２００により反射された戻り光の受光信号に基づいて、物体２００との間の距離である距離を測定するものである。

図１から図３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：半導体レーザ）３と、コリメートレンズ４と、回折格子４１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、５つのＡＰＤ（Avalanche Photodiode：アバランシェフォトダイオード）８と、イケール９と、回転ステージ１０と、を有する。

測距装置１００は、ＬＤ３から発せられ、コリメートレンズ４を通ったレーザ光Ｌ０を回折格子４１により分割し、分割された光である５つの分割光Ｌ１を、光走査部１２０により物体２００側に照射する。

光走査部１２０は、ポリゴンミラー５と回転ステージ１０とを含む。光走査部１２０は、ポリゴンミラー５の反射面５１に入射し、反射された５つの分割光Ｌ１を、ポリゴンミラー５の第１軸Ａ１周りの回転により第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる。また光走査部１２０は、上記５つの分割光Ｌ１を、回転ステージ１０によるポリゴンミラー５の第２軸Ａ２周りの回転により第２軸Ａ２と交差する方向に走査させる。第１軸Ａ１と交差する方向は、例えば重力方向または重力方向に対して所定角度傾いた方向である。第２軸Ａ２と交差する方向は、例えば重力方向と略直交する水平方向である。

光走査部１２０から照射された５つの分割光Ｌ１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反射面５１により反射された後、穴あきミラー６により５つのＡＰＤ８側に反射され、受光レンズ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を測定できる。なお、図１および図２では、５つの分割光Ｌ１および５つの戻り光Ｒを、それぞれ１つの光束として示している。

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。

ベース板１は平板状の部材であり、平板の－Ｚ方向側の面上の相互に異なる領域に、保持部２と回転ステージ１０とが固定されている。回転ステージ１０は、ベース板１の＋Ｙ方向側の領域にネジ部材等により固定され、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を介してネジ部材等により固定されている。

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部材ある。天井パネル２１および背面パネル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が結合することにより保持部２を構成している。天井パネル２１および背面パネル２２の材質に特段の制限はないが、例えば金属材料また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および穴あきミラー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および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である。ＬＤ３は、パルス光であるレーザ光Ｌ０を＋Ｚ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：発光ダイオード）等であってもよい。

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好適である。

コリメートレンズ４は、ガラス材料また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つの分割光Ｌ１に分割される。回折格子４１は、ＬＤ３からのレーザ光Ｌ０を複数の分割光Ｌ１に分割する光分割部材の一例である。５つの分割光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。

ポリゴンミラー５は、第１軸Ａ１周りに回転駆動することにより、回折格子４１により分割された５つの分割光を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる第１光走査部の一例である。

ポリゴンミラー５は、平面視形状が正六角形状の回転多面体であり、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、切削または鏡面研磨することにより製作できる。但し、これに限定されるものではなく、例えば金属材料または樹脂材料等で形成した多面体の外周面に、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。

ポリゴンミラー５は、６つの反射面５１を有する回転多面体に限定されるものではなく、１面以上の反射面５１を有する回転体であってもよい。回転体の面数に応じて、回転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体の面数を適宜決定できる。

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１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５つの分割光Ｌ１は、反射面５１で反射される。ポリゴンミラー５の回転により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、５つの分割光Ｌ１は、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される。なお、図１は、走査される５つの分割光Ｌ１のうち、任意のタイミングに＋Ｙ方向側に照射される５つの分割光Ｌ１を例示している。

測距装置１００が５つの分割光Ｌ１を照射した側に物体が存在すると、複数の分割光Ｌ１のそれぞれが物体で反射または散乱された戻り光Ｒが測距装置１００に戻される。戻り光Ｒ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と交差する方向に走査される。走査される戻り光Ｒのうち、穴あきミラー６に到達する戻り光Ｒは、穴あきミラー６によって－Ｙ方向側に反射され、受光レンズ７で集光され、複数のＡＰＤ８により受光される。本実施形態では、ポリゴンミラー５で分割光Ｌ１が反射される反射面５１と、ポリゴンミラー５で戻り光Ｒが反射される反射面５１と、は同じ面である。

穴あきミラー６は、回折格子４１側から入射する分割光Ｌ１を、開口としての貫通孔６１を通して通過させ、ポリゴンミラー５側から穴あきミラー６に入射する戻り光Ｒを、貫通孔６１以外の領域により複数のＡＰＤ８に向けて反射する。なお、穴あきミラー６は、貫通孔６１に代えて開口として光透過部を有してもよい。また測距装置１００は、穴あきミラー６に代えてビームスプリッターやハーフミラー等を有してもよい。

受光レンズ７は、穴あきミラー６により反射された５つの戻り光Ｒを集光し、５つのＡＰＤ８に入射させる。

ＡＰＤ８は、５つのＡＰＤ８１、８２、８３、８４および８５を含み、物体により反射または散乱された光に基づいて、戻り光受光信号を出力する。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：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、屈曲部を含む部材であり、ポリゴンミラー５を支持する部材である。イケール９は、－Ｚ方向側の面が回転ステージ１０の載置面１０１に接触し、ネジ部材等により載置面１０１上に固定されている。またイケール９は基板９１を介し、底面に交差する面にポリゴンミラー５を支持する。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、ポリゴンミラー５を第１軸Ａ１と交差する第２軸Ａ２周りに回転駆動させることにより、５つの分割光Ｌ１を第２軸Ａ２と交差する方向に走査させる第２光走査部の一例である。回転ステージ１０は、自身の回転によって第２軸Ａ２周りにイケール９を回転させることによりポリゴンミラー５を第２軸Ａ２周りに回転させる。複数の分割光Ｌ１は、回転ステージ１０の回転により第２軸Ａ２を中心にした円の円周方向に沿って走査される。

回転ステージ１０は、ベース板１上において、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および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。

図３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に略直交し、第２軸Ａ２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。ボールベアリングまた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り、例えば図１における第２軸回転方向Ａ２１に対応する。但し、回転ステージ１０は、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。

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。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。また同軸とは、複数の軸が略一致していることを意味する。複数の分割光Ｌ１は、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１と交差する方向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と交差する方向に走査される。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。

測距装置１００は、ＬＤ３、ポリゴンミラー５、ＡＰＤ８または回転ステージ１０等の構成部の一部また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、金属また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複数の分割光Ｌ１が出射する出射窓以外の部分が複数の分割光Ｌ１を遮るため、走査範囲が制限され、測距装置１００による物体２００の検出範囲または測距範囲が制限される場合がある。複数の分割光Ｌ１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、このような走査範囲の制限を緩和できるため、好適である。

（回折格子４１による光分割例）
図４は、回折格子４１による光分割の一例を示す図である。図４（ａ）は回折格子４１の側面図、図４（ｂ）は回折格子４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図４（ｃ）は回折格子４１を＋Ｚ方向側から視た正面図である。

回折格子４１は、平面視において略円形状を有し、レーザ光Ｌ０の波長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－Ｚ方向側の面または＋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を周期構造により回折させることによって、分割光Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４およびＬ１５を含む５つの分割光Ｌ１に分割する。分割光Ｌ１１は、回折格子４１の０次光（透過光）であり、分割光Ｌ１２～Ｌ１５は１次回折光である。分割光Ｌ１１～Ｌ１５は、伝搬方向が相互に異なる平行光束である。

回折格子４１は、平面視において略矩形状、略楕円形状、略多角形状等であってもよい。また５つの分割光Ｌ１を例示するが、複数の分割光Ｌ１の数に制限はなく、要求される空間分解能等に応じて適宜選択可能である。また、光分割部材は回折格子４１に限定されないが、光分割部材として回折格子４１を用いると、測距装置１００を小型化できる点において好適である。

図４（ａ）に示すように、回折格子４１による回折角θＬは、２［度］以上であることが好ましい。ここで、ＩＥＣ ６０８２５－１では、レーザ光出射する機器から１００［ｍｍ］離れた位置において、直径７［ｍｍ］の受光面を有するセンサにより検出した場合の光強度によってレーザ光に対する安全性を規定している。回折角θＬを２［度］以上とすることにより、測距装置１００から１００［ｍｍ］離れた位置の直径７［ｍｍ］の受光面内に、回折格子４１により分割した５つの分割光Ｌ１のうち３つ以下が入射する状態になる。これにより、ＩＥＣ ６０８２５－１の規定に準拠しやすくなる。

また、人の目の瞳径および焦点距離に基づくと、５つの分割光Ｌ１のうちの同一直線上に並ぶ３つが並行して人の目に入射し得る角度は、±２［度］よりも小さい角度である。回折格子４１による回折角θＬを２［度］以上とすることにより、５つの分割光Ｌ１のうちの同一直線上の３つ以上が並行して人の目に入射することを防止し、人の目に対する安全性を意味するアイセーフを実現できる。また、２［度］以上において回折角θＬをできるだけ小さくすることにより、アイセーフを実現しつつ、測距の空間分解能を向上させることができる。

（制御部１２の機能構成例）
次に図５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５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５を回転させる第１軸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５の回転軸である第１軸Ａ１周りの回転を制御する。また回転制御部１２１は、回転ステージ１０を回転させるモータの回転駆動を制御することにより、回転ステージ１０の回転軸である第２軸Ａ２周りの回転を制御する。

発光制御部１２２は、ＬＤ３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、ＬＤ３の発光を制御する。また発光制御部１２２は、ＬＤ３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、ＬＤ３によりレーザ光Ｌ０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Ｌ１１～Ｌ１５それぞれに対応する整数である。例えば、Ｄｔ_１は分割光Ｌ１１に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_２は分割光Ｌ１２に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_３は分割光Ｌ１３に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_４は分割光Ｌ１４に基づき得られる距離情報、Ｄｔ_５は分割光Ｌ１５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Ｌ１１～Ｌ１５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Ｌ１１～Ｌ１５は、ＬＤ３から同時に発せられたレーザ光Ｌ０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Ｌ１１～Ｌ１５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Ｌ１１～Ｌ１５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。

＜複数の分割光Ｌ１の走査例＞
次に、図６～図８を参照して、複数の分割光Ｌ１の走査の一例について説明する。図６は、比較例に係る複数の分割光の走査を説明する図であり、図６（ａ）は第１例の図、図６（ｂ）は第２例の図である。図７および図８は、実施形態に係る複数の分割光の走査を例示する図であり、図７は第１図、図８は第２図である。

図６（ａ）は、配列方向６２に沿って直線状に並ぶ３つの分割光Ｌ１ｈのそれぞれが、＋Ｙ方向側に進行しながら、Ｘ軸周りの反射面の回転駆動等により３つの走査線６０に沿う方向に走査される様子を示している。なお、３つの走査線６０のそれぞれは、３つの分割光Ｌ１ｈのそれぞれが第１軸Ａ１周りの反射面の回転駆動等により走査されて描く軌跡をいう。

例えば配列方向６２が走査線６０に直交した状態では、３つの分割光Ｌ１ｈを走査線６０に沿う方向へ１回走査させることにより、３つの分割光Ｌ１ｈに由来する３つの戻り光に基づき、配列方向６２における３つの異なる位置ごとで、物体との間の距離が並行に測定される。

一方、図６（ｂ）は、第１軸Ａ１周りに回転駆動している反射面が図６（ａ）とは異なる第２軸Ａ２の回転角にある場合を示している。第２軸Ａ２周りの回転に応じて３つの分割光Ｌ１ｈの配列方向６２が３つの分割光Ｌ１ｈの進行方向に沿う軸周りに回転し、配列方向６２と走査線６０とが平行になっている。なお、３つの分割光Ｌ１ｈの進行方向に沿う軸は、第１軸Ａ１および第２軸Ａ２の両方に略直交する軸である。この状態では、３つの分割光Ｌ１ｈは、配列方向６２における同じ位置を走査されるため、１つの非分割光を走査線６０に沿って走査するのと同じ状態になり、図６（ａ）の状態と比較して第１軸Ａ１に沿う方向における測距の空間分解能が略１／３となって大きく低下する。また、該空間分解能を高く確保するために走査線６０に沿う方向への走査回数を３倍に増やすと、測距効率が１／３となって大きく低下する。従って、比較例では、反射面が第２軸Ａ２周りに回転する角度に伴って、測距の空間分解能または測距効率が大きく低下する。

本実施形態では、図７に示すように、５つの分割光Ｌ１は、第１分割光としての分割光Ｌ１３と、第２分割光としての分割光Ｌ１２と、第３分割光としての分割光Ｌ１５と、を含む。少なくとも分割光Ｌ１３は、複数の分割光Ｌ１１～Ｌ１５をその進行方向とは反対側から視た場合に、分割光Ｌ１２と分割光Ｌ１５とを通る線７１から離隔している。線７１は、例えば分割光Ｌ１２および分割光Ｌ１５のそれぞれの中心を通る線である。

５つの分割光Ｌ１は、第１軸Ａ１周りに回転するポリゴンミラー５の反射面５１により反射され、５つの走査線７０に沿う方向に走査される。５つの走査線７０は、５つの分割光Ｌ１のそれぞれが、第１軸Ａ１周りの反射面５１の回転により走査されて描く軌跡をいう。５つの走査線７０は、例えば５つの分割光Ｌ１のそれぞれの中心が描く軌跡である。

図８は、回転ステージ１０により反射面５１がＺ軸に対応する第２軸Ａ２周りに回転することによって、５つの分割光Ｌ１がその進行方向に沿う軸周りに回転する様子を示している。図８において、５つの分割光Ｌ１_０～Ｌ１_６は、回転ステージ１０の回転により走査される、Ｘ方向における７つの位置ごとでの５つの分割光Ｌ１を示している。

５つの分割光Ｌ１_０は、測距装置１００の正面に照射される５つの分割光Ｌ１である。５つの分割光Ｌ１_０、Ｌ１_１、Ｌ１_２、Ｌ１_３の順に５つの分割光Ｌ１は反時計回りに回転し、５つの分割光Ｌ１_０、Ｌ１_４、Ｌ１_５、Ｌ１_６の順に５つの分割光Ｌ１は時計回りに回転している。走査範囲Ｗｘは、Ｘ方向において５つの分割光Ｌ１が走査される範囲である。走査範囲Ｗｘは、例えば第２軸Ａ２周りの回転角度にして±１３５［度］である。

図７において、５つの走査線７０同士の間隔は、その進行方向に沿う軸周りの５つの分割光Ｌ１の回転に応じて変化するが、５つの走査線７０の全てが重なることはない。従って、実施形態では、反射面５１の第２軸Ａ２周りの回転に伴う測距の空間分解能および測距効率の低下を抑制できる。例えば、３つの分割光Ｌ１１、Ｌ１２およびＬ１３を用いて測距を行う場合にも、反射面５１の第２軸Ａ２周りの回転に伴って第１軸Ａ１に沿う方向における測距の空間分解能または測距効率が、上述した比較例のように１／３まで低下するという事態を回避できる。

ここで、図８に示すように、測距装置１００の正面に照射される５つの分割光Ｌ１_０をその進行方向とは反対側から視た場合に、５つの分割光Ｌ１_０のうち、分割光Ｌ１１は、５つの分割光Ｌ１_０の中心に位置し、分割光Ｌ１１以外の４つの分割光である分割光Ｌ１２～Ｌ１５は、分割光Ｌ１１を中心にした四角形１１１における四隅に位置することが好ましい。このようにすると、測距装置１００の正面に５つの分割光Ｌ１を照射する場合に、５つの走査線７０同士の間隔が略等しくなるため、測距装置１００による測距の空間分解能および測距効率が高くなる。一方、測距装置１００が移動体に搭載される場合には、測距装置１００の正面は、移動体が進行する方向に対応する場合が多い。これらにより、移動体が進行する方向における測距の空間分解能および測距効率を向上させることができる。

＜分割光Ｌ１１～Ｌ１５同士の好適な間隔例＞
次に、図９～図１０を参照して、分割光Ｌ１１～Ｌ１５同士の好適な間隔の一例について説明する。図９および図１０は、分割光Ｌ１１～Ｌ１５同士の好適な間隔を説明する図であり、図９は第１例を示す図、図１０は第２例を示す図である。

図９および図１０は、第１軸Ａ１に沿う方向およびＺ軸に対応する第２軸Ａ２に沿う方向のそれぞれに走査される５つの分割光Ｌ１を、５つの分割光Ｌ１の進行方向とは反対側から視た様子を示している。なお、測距装置１００では、第２軸Ａ２に沿って５つの分割光Ｌ１が走査される方向である走査方向は、第２軸Ａ２に対してある程度傾いているが、図９および図１０では説明の便宜により略平行にして示している。

５つの分割光Ｌ１は、回転ステージ１０によって、第１軸Ａ１に沿う方向に５つの分割光Ｌ１の中心Ｌ１ｃが第１の間隔ｄ１を空けて移動するように走査される。５つの分割光Ｌ１の中心Ｌ１ｃは、５つの分割光Ｌ１の進行方向とは反対側から視た場合における分割光Ｌ１１～Ｌ１５の中心となる位置である。なお、分割光Ｌ１１の中心Ｌ１ｃは、厳密な中心を求めるものではなく、一般に誤差と認められる程度の中心からのずれがあってもよい。

第１中心線１１２は、ポリゴンミラー５が回転することにより中心Ｌ１ｃが走査される軌跡である。第２中心線１１３は、第１中心線１１２が軌跡として描かれた後、回転ステージ１０が回転することによりポリゴンミラー５が第２軸Ａ２周りに第１の間隔ｄ１に対応する角度分回転し、この回転後にポリゴンミラー５が回転することにより中心Ｌ１ｃが走査される軌跡である。第１の間隔ｄ１は、例えば第２軸Ａ２を中心にした回転角度により表されるが、距離により表されてもよい。また、第１中心線１１２を軌跡として描いた後、第２中心線１１３を軌跡として描く場合、回転ステージ１０の同一周回でなく、回転ステージ１０がｎ回回転した後（ｎは整数）に、第２中心線１１３が描かれてもよい。

図９に示すように、５つの分割光Ｌ１における第１軸Ａ１に沿って最も離れている分割光Ｌ１３と分割光Ｌ１４同士の間隔である第２の間隔ｄ２は、第１の間隔ｄ１の略２／３であることが好ましい。或いは、図１０に示すように、第２の間隔ｄ２は第１の間隔ｄ１の略４／３であることが好ましい。なお、第２の間隔ｄ２は、第１の間隔ｄ１と同様に、例えば第２軸Ａ２を中心にした回転角度により表されるが、距離により表されてもよい。また、略２／３および略４／３における「略」は、第１の間隔ｄ１の１／１０程度の差異は許容されることを意味する。

第２の間隔ｄ２と第１の間隔ｄ１を上記の関係にすることにより、第１中心線１１２と第２中心線１１３との間の間隔を、５つの分割光Ｌ１により略均等に三分割して測距可能となる。

＜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。ここで、図１１は、一般的な測距装置による光の照射方法を例示する図であり、図１１（ａ）は複数の分割光を１軸方向に走査させる方法を示す図、図１１（ｂ）は１つの非分割光を２軸方向に走査させる方法を示す図、図１１（ｃ）は複数の非分割光を非走査で照射する方法を示す図である。

図１１（ａ）は、３つの照射光Ｌ１ｉを１軸方向としての第１走査軸１３１に沿う方向に走査させる照射方法を示している。図１１（ｂ）は、１つの照射光Ｌ１ｊを２軸方向としての第１走査軸１３１および第２走査軸１３２のそれぞれに沿う方向に走査させる照射方法を示している。図１１（ｃ）は、二次元に配置される２４個の照射光Ｌ１ｋを走査させずに一括照射する照射方法を示している。

一般的な測距装置において、測定可能距離の長さは、照射光の光強度、またはＡＰＤ等の受光部材の受光感度等に依存する。例えば、１つの照射光の光強度が低くなるほど、測定可能距離の長さは短くなる。測定可能距離を長くするために、複数の発光部を使用して照射光の光強度を上げると、複数の発光部を使用する分、測距装置の構成が複雑化したり、測距装置のコストが増大したりする。

一方、１つの発光部からの光を光分割部材により分割し、直線状に並んだ３つ以上の分割光のそれぞれを照射光として、交差する２つの軸のそれぞれに沿う方向に走査させて物体に照射すると、３つの分割光が、走査に伴ってその進行方向に沿う軸周りに回転することにより、測距の空間分解能が低下する場合がある。

本実施形態では、測距装置１００は、回折格子４１（光分割部材）と、ポリゴンミラー５（第１光走査部）と、回転ステージ１０（第２光走査部）と、を有する。回折格子４１により分割された複数の分割光Ｌ１は、分割光Ｌ１３（第１分割光）と、分割光Ｌ１２（第２分割光）と、分割光Ｌ１５（第３分割光）と、を含む５つの分割光Ｌ１１～Ｌ１５（３以上の分割光）を含む。分割光Ｌ１３は、複数の分割光Ｌ１をその進行方向側または進行方向とは反対側から視た場合に、分割光Ｌ１２と分割光Ｌ１５とを通る線７１から離隔している。

５つの分割光Ｌ１は、回転ステージ１０の回転に伴って、その進行方向に沿う軸周りに回転するが、分割光Ｌ１２と分割光Ｌ１５とを通る線７１から分割光Ｌ１３を離隔させることにより、ポリゴンミラー５の回転による５つの走査線７０の全てが重なることはない。これにより、５つの走査線７０が重なることによる測距の空間分解能の低下を抑制できるため、本実施形態では、空間分解能に優れた測距装置１００を提供できる。また測距の空間分解能を上げるために、５つの分割光Ｌ１の走査回数を増やす必要がないため、測距効率を高く確保できる。さらに、ＬＤ３（発光部）からのレーザ光Ｌ０を回折格子４１により分割した５つの分割光Ｌ１を照射光として使用するため、複数の発光部からの光を照射光として使用する場合と比較して、測距装置１００の構成を簡略化できるとともに、装置コストの増大を抑制できる。また、５つの分割光Ｌ１を交差する２軸方向に走査できるため、測距の空間範囲を広くしつつ、空間分解能を高くすることができる。

また、本実施形態では、回折格子４１による回折角度は２［度］以上としてもよい。回折角度を２［度］以上とすることにより、５つの分割光Ｌ１のうちの４つ以上が並行して人の目に入射することを防止できるため、アイセーフを実現できる。２［度］以上において回折角θＬをできるだけ小さくすると、アイセーフを実現しつつ、測距の空間分解能を向上させることができる。

また、本実施形態では、測距装置１００の正面に照射される５つの分割光Ｌ１をその進行方向側または進行方向とは反対側から視た場合に、分割光Ｌ１１（１つの分割光）は５つの分割光Ｌ１の中心に位置し、４つの分割光Ｌ１２～Ｌ１５（１つの分割光以外の４つの分割光）は、分割光Ｌ１１を中心にした四角形１１１における四隅に位置する。これにより、測距装置１００の正面に５つの分割光Ｌ１を照射する場合に、５つの走査線７０同士の間隔が略等しくなるため、測距装置１００による測距の空間分解能および測距効率が高くなる。測距装置１００が移動体に搭載される場合には、測距装置１００の正面は、移動体が進行する方向に対応する場合が多い。このため、本実施形態では、移動体が進行する方向における測距の空間分解能および測距効率を向上させることができる。

また、５つの分割光Ｌ１は、回転ステージ１０によって、第１軸Ａ１に沿う方向に５つの分割光Ｌ１の中心Ｌ１ｃが所定の第１の間隔ｄ１を空けて移動するように走査される。５つの分割光Ｌ１における第１軸Ａ１に沿って最も離れている分割光Ｌ１３と分割光Ｌ１４との間の第２の間隔ｄ２は、第１の間隔ｄ１の２／３または４／３であることが好ましい。この第２の間隔ｄ２は、５つの分割光Ｌ１がその進行方向に沿う軸周りに回転することに伴って変動する第２の間隔の平均値である。このようにすることで、第１中心線１１２と第２中心線１１３との間の間隔を、５つの分割光Ｌ１により略均等に３分割して測距可能となる。この結果、空間分解能の粗密を低減し、測距の空間分解能に優れた測距装置１００が提供可能となる。

なお、本実施形態では、ポリゴンミラー５を回転駆動させる構成を例示したが、ガルバノミラーやＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）ミラー等を揺動駆動させる構成であってもよい。

また、複数の分割光の数は５つに限定されず、３以上であれば任意の数であってもよい。複数の分割光それぞれの光強度分布は、複数の分割光ごとに均一であってもよいが、意図的に不均一にしてもよい。不均一にすることによって、物体２００の反射率が高すぎる、あるいは低すぎる場合に、他の分割光により戻り光Ｒの光強度を補償できるため、測距装置１００による測距精度を高く確保できる。

また、分割光Ｌ１１の進行方向に対する分割光Ｌ１２～Ｌ１５それぞれの進行方向同士がなす角度は、分割光Ｌ１２～Ｌ１５の間で等しくてもよいが、分割光Ｌ１２～Ｌ１５ごとに異ならせてもよい。

また、本実施形態では、第１分割光として分割光Ｌ１３を、第２分割光として分割光Ｌ１２を、第３分割光として分割光Ｌ１５を、それぞれ例示したが、これに限定されるものではない。第１分割光は、複数の分割光のうちのいずれを選択してもよいし、第２分割光および第３分割光は、選択された第１分割光に合わせて選択可能である。

また、実施形態に係る複数の分割光は、様々な変形が可能である。ここで、図１２は、複数の分割光の変形例を示す図である。図１２（ａ）は第１変形例の図、図１２（ｂ）は第２変形例の図である。

図１２（ａ）に示すように、４つの分割光Ｌ１Ａは、その進行方向とは反対側から視た場合に、分割光Ｌ１１Ａと、分割光Ｌ１１Ａを中心にした三角形の各頂角に位置する分割光Ｌ１２Ａ～Ｌ１４Ａと、を有する。図１２（ｂ）に示すように、３つの分割光Ｌ１Ｂは、その進行方向とは反対側から視た場合に、三角形の各頂角に位置する分割光Ｌ１１Ｂ～Ｌ１３Ｂを有する。４つの分割光Ｌ１Ａおよび３つの分割光Ｌ１Ｂを用いた場合にも、５つの分割光Ｌ１と同様の効果が得られる。また、４つの分割光Ｌ１Ａおよび３つの分割光Ｌ１Ｂ以外でも、３つ以上の分割光をその進行方向側または進行方向とは反対側から視た場合に、第１分割光が第２分割光と第３分割光Ｌ１５とを通る線から離隔していれば、５つの分割光Ｌ１と同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、ポリゴンミラー５および回転ステージ１０がそれぞれ回転により一方向に複数の分割光を走査する構成を例示したが、双方向へ往復走査させる構成であってもよい。図１３は、双方向への往復走査の一例を示す図である。図１３において、往路軌跡１４１は、－Ｘ方向側に走査される複数の分割光が描く軌跡を示し、復路軌跡１４２は、＋Ｘ方向側に走査される複数の分割光が描く軌跡を示している。

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…ベース板、２…保持部、３…ＬＤ（発光部）、４…コリメートレンズ、５…ポリゴンミラー（第１光走査部）、６…穴あきミラー、７…受光レンズ、８、８１、８２、８３、８４、８５…ＡＰＤ、９…イケール、１０…回転ステージ（第２光走査部）、１１…結合部材、２１…天井パネル、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、２２…背面パネル、４１…回折格子（光分割部材）、５１…反射面、６１…貫通孔、７０…５つの走査線、７１…線、９１…基板、１００…測距装置、１０１…載置面、１０２…ベアリング、１０３…マグネット、１０４…モータコア、１１１…四角形、１１２…第１中心線、１１３…第２中心線、１２０…光走査部、Ａ１…第１軸、Ａ１１…第１軸回転方向、Ａ２…第２軸、Ａ２１…第２軸回転方向、ｄ１…第１の間隔、ｄ２…第２の間隔、Ｌ０…レーザ光、Ｌ１…５つの分割光、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５…分割光、Ｌ１ｃ…中心、Ｒ…戻り光、Ｄｔ…距離情報、Ｓ…受光信号、Ｗｘ…走査範囲

Claims (4)

1. 走査させた光が物体により反射された戻り光の受光信号に基づいて、前記物体との間の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分割する光分割部材と、
   第１軸周りに駆動することにより、前記複数の分割光を前記第１軸と交差する方向に走査させる第１光走査部と、
   前記第１光走査部を前記第１軸と交差する第２軸周りに駆動させることにより、前記複数の分割光を前記第２軸と交差する方向に走査させる第２光走査部と、を有し、
   前記複数の分割光は、第１分割光と、第２分割光と、第３分割光と、を含む３以上の分割光を含み、
   前記第１分割光は、前記複数の分割光をその進行方向側または前記進行方向とは反対側から視た場合に、前記第２分割光と前記第３分割光とを通る線から離隔している、測距装置。
2. 前記光分割部材は、前記発光部からの光を回折させることにより分割する回折格子であり、
   前記回折格子による回折角度は２［度］以上である、請求項１に記載の測距装置。
3. 前記複数の分割光は、５つの分割光を含み、
   前記測距装置の正面に照射される前記５つの分割光をその進行方向側または前記進行方向とは反対側から視た場合に、前記５つの分割光のうち、
   １つの分割光は前記５つの分割光の中心に位置し、
   前記１つの分割光以外の４つの分割光は、前記１つの分割光を中心にした四角形における四隅に位置する、請求項１または請求項２に記載の測距装置。
4. 前記複数の分割光は、５つの分割光を含み、その走査方向において、前記複数の分割光の中心が第１の間隔を空けて移動するように走査され、
   前記複数の分割光における前記走査方向に直交する方向において最も離れている２つの分割光同士の間隔である第２の間隔は、前記第１の間隔の２／３または４／３のいずれか一方であるとともに、前記複数の分割光がその進行方向に沿う軸周りに回転することに伴って変動する前記第２の間隔の平均値である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測距装置。

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