JP4059911B1 - 三次元測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い走査式二次元測距装置を用いて、測距対象となる三次元領域を均一な密度で効率良く計測できる安価な三次元測距装置を提供する。
【解決手段】投光部から出力された測定光を第一軸心Ｐ１周りに回転走査して測定対象空間に照射する第一回転機構と、測定対象物からの反射光に基づいて測定対象物までの二次元の距離を算出する演算手段を備えてなる走査式二次元測距装置１００と、走査式二次元測距装置１００を第一軸心Ｐ１と斜交する第二軸心Ｐ２周りに回転駆動して第一軸心Ｐ１のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構２０を備え、第二回転機構２０は第二軸心Ｐ２と直交する第三軸心Ｐ３周りに揺動支持する第一ブラケット２２と、第一軸心Ｐ１上の所定位置にフリージョイント機構２４を介して連結された回転アーム２６と、回転アーム２６を回転させる駆動機構２８で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次元的に空間を走査する走査装置、特に空間中にある対象物までの距離を計測し、その存在と形状を検出する二次元走査式三次元測距装置に関する。

図１０に示すように、レーザ光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて対象物Ｒに照射し、対象物Ｒからの反射光を受光素子ＰＤで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてＡＭ（Amplitude Modify）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式の二種類が実用化されている。ＡＭ方式は、図１０（ａ）及び（数１）に示すように、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、ＴＯＦ方式は、図１０（ｂ）及び（数２）に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式である。ここに、Ｌは対象物Ｒまでの距離、Ｃは光速、ｆは変調周波数、Δφは位相差、Δｔは遅延時間を示す。

図１０に示す検出原理を採用した二次元測距装置として、例えば、図１に示すように、投光部３から出力された測定光を、モータ１１により軸心Ｐ１回りに回転するミラー９ａにより偏向させて軸心Ｐ１と直交する平面上で回転走査し、対象物Ｒからの反射光をミラー９ｂで偏向して受光部５により検出する方法が本願発明者らにより提案されている。

この種の二次元測距装置は、主にロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用される。

さらに、車の形状や人の形状を認識する場合にも利用され、例えば、ＥＴＣシステムでは、車種を判別し、通過する車の数をカウントするセンサとして利用され、人の数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する監視センサに利用される。

しかし、ロボットの視覚装置や危険な機械の安全用のエリアセンサに使用される場合、検出エリアが二次元平面となるため、測定光の走査面から上下の方向に存在する対象物や障害物を検出することができない。特にロボット等の環境認識に使う場合、上下に適切な幅を有するワイドな画角領域のデータを得ることが重要であり、また、その領域内をなるべく均一な密度で走査することが望まれる。

そこで、二次元測距装置を利用して三次元の距離データを得る装置として、特許文献１には、図１１（ａ）に示すように、上下方向に走査されるレーザ測定光が被写体に向けて出射される出射窓３３と、被写体からの反射光が入射される入射窓３４を備えたヘッド部３２を、ベース部３１に対して垂直回転軸Ｃ２周りに回転させる装置に、ラック６４とモータ６０で駆動されるピニオンギア６３を用いた上下方向の位置調節機構を備えて、走査領域を上下方向にシフトさせる三次元測距装置が提案されている。

特許文献２には、図１１（ｂ）に示すように、光源３から発せられた光信号を、ガルバノメータスキャナ１４ａのミラー１３ａに入射させ、ガルバノメータスキャナ１４ａのミラー１３ａから、さらに二つ目のガルバノメータスキャナ１４ｂのミラー１３ｂを介して検出対象物がある空間に照射される三次元測距装置が提案されている。

特許文献３には、図１１（ｃ）に示すように、主ケース１１８の内部にモータ１１１によりＹ方向に回転可能に保持された反射ミラー１１２等を収容した副ケース１１３を備え、副ケース１１３がモータ１１０を含むエンコーダ機能付き回転駆動部１１０１によりＸ方向に回転駆動される三次元測距装置が提案されている。

また、特許文献４には、図１１（ｄ）に示すように、移動体を中心として光ビームを円周方向に回転走査する光ビーム走査手段の回転中心軸８を、所定角度傾斜させた状態で回動させることによって前記回転中心軸８の傾斜方向を連続的に変化させ、前記光ビームを上下方向に周期的に揺動させて該上下方向の揺動の１サイクル中に前記光ビームの回転走査が複数回行われるように構成したジンバル機構を具備した移動体の位置検出装置が提案されている。

尚、図１１に示す符号は各特許文献の符号をそのまま用いており、以下に述べる本発明の説明で使用される符号と重複する場合があっても互いに関連は無い。

特開２００４−８６６４３号公報 特開２００１−１４７２６９号公報 特開２００５−１８０９２５号公報 特許第２７１２０６１号公報

上述の特許文献１に記載された技術では、均一な三次元測距データを得ることができるが、ラックとピニオンギアを用いた位置調節機構では高速な移動が困難であり、且つ、上下方向に大きな視野を要する場合に三次元センサ全体が大きくなるため、ロボット等のような、リアルタイムな三次元測距データを必要とする装置には適用できない。

また、測距装置は一般に検出感度を高くするために、特に受光軸の光芒が広くなるように設計され、高感度長距離計測の測距装置では走査するミラーが受光光芒の大きさに比例して大きくなる。そのため特許文献２に記載された技術では、装置全体が大型になるという問題があり、ミラー反射方法では１８０度以上の大きな走査角を有する機構を構成することが困難である。特に側面方向の視野を必要とするロボットは１８０度以上の走査角度が要求されるため、この方式を採用するのは困難である。

さらに、特許文献３に記載された走査機構では、片側のモータを走査機構内に設ける必要がある。特許では、内部に蓄電池が入った制御装置全体を回転させ、得られた信号を無線で外部に送信することで、回転部への配線をなくしているが、一般的に回転部にあるモータへの配線は、線が絡まないように接触式のスリップリング等を用いる必要があり、高速で回転するミラーの信頼性が著しく低下するという問題がある。

そこで、上述の問題を解消して精度の良い高速の三次元測距装置を得るべく、図９（ａ）に示すように、二次元測距装置１００の回転軸心Ｐ１が水平姿勢となるように装置を配置して、モータＭにより回転軸心Ｐ１と直交する垂直軸心Ｐ２周りに二次元測距装置１００を回転駆動するように構成し、回転軸心Ｐ１周りに照射される測定光の照射角度と、モータＭの回転角度と、そのときに検出された対象物までの距離データから三次元の距離データを取得することが考えられる。

しかし、上述の構成を採用すると、測定点が均一に分布しないばかりか不要な測定点に対しても測距されるため、測定効率が悪いという問題があった。つまり、図９（ｂ）に示すように、測定光の光点の軌跡（図中、白い点で示される）を観察すると、測定が必要な回転軸心Ｐ２から離隔した周辺部の測定点の密度と、測定が不要な回転軸心Ｐ２に近接する上側及び下側の極部での測定密度に大きな差が生じるのである。

ロボットの視覚装置が必要とする周辺部の測定点は最も疎となり計測効率が悪いばかりか、均一な密度を持った距離データを得ることができない。また極部周辺はレーザ光が密に走査されるために、周辺部に比べて単位時間当たりのレーザ光の強度が強くなり、レーザ光の人体の目に対する安全規格の観点で強い光を出すことができない等の問題点があった。

そこで、特許文献４に記載されたようなジンバル機構を採用することも考えられるが、部品点数を要する複雑な機構が必要となり、コストが嵩むという問題があり、容易に採用できるものではなかった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、信頼性の高い走査式二次元測距装置を用いて、測距対象となる三次元領域を均一な密度で効率良く計測できる安価な三次元測距装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による三次元測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、投光部から出力された測定光を第一軸心周りに回転走査して測定対象空間に照射する第一回転機構と、測定対象物からの反射光を受光部で検出して測定光の出力から反射光の検出までの時間差に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算手段を備えてなる走査式二次元測距装置と、前記走査式二次元測距装置を前記第一軸心と斜交する第二軸心周りに回転駆動して前記第一軸心のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構と、前記第一回転機構と第二回転機構とを回転制御する回転制御手段を備えている三次元測距装置であって、前記第二回転機構は、前記走査式二次元測距装置を前記第二軸心と直交する第三軸心周りに揺動支持する第一ブラケットと、前記走査式二次元測距装置の第一軸心上の所定位置にフリージョイント機構を介して連結された回転アームと、前記回転アームを回転させる駆動機構で構成され、前記回転アームを前記第二軸心周りに回転させることにより前記走査式二次元測距装置を第三軸心周りに揺動させる点にある。

上述の構成によれば、回転アームを前記第二軸心周りに回転させると、フリージョイント機構を介して連結された走査式二次元測距装置が第一ブラケットを介して第二軸心と直交する第三軸心周りに揺動駆動される。このようなシンプルな機構により第一軸心周りに回転走査される測定光により形成される平面が第二軸心周りに傾斜して、第一軸心のロール角度及びピッチ角度が変化するため、走査式二次元測距装置を用いて、第二軸心に沿った所定範囲で一定の走査密度で三次元的に走査することが可能となる。しかも、走査式二次元測距装置それ自体が自転するものではなく、走査式二次元測距装置の計測基準方向が走査の基準方向と一致するように走査式二次元測距装置が揺動するため、走査式二次元測距装置から取り出した信号線が第二軸心周りの回転軸に絡みつくようなことが無く、信号ケーブルの実装が容易になる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記第二回転機構は、前記第一軸心上の一点を頂点として前記第一軸心の軌跡が円錐形となるように前記走査式二次元測距装置を揺動駆動するとともに、前記第一回転機構により回転走査される測定光の前記第一軸心上の始点を前記頂点からずらせた位置に設けてある点にある。

第一軸心の円錐形の軌跡の頂点位置に測定光の始点が位置するように配置する場合には、測定光が第一ブラケットと干渉して死角が生じることになるが、測定光の前記第一軸心上の始点を前記頂点からずらせることにより、走査式二次元測距装置の本来の計測範囲に死角が生じることなく三次元計測することができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記演算手段に、前記第一回転機構により回転走査される測定光の前記第一軸心上の始点と前記第二回転軸心との交点からのずれによる測定誤差を補正する補正手段を備えている点にある。

第二の特徴構成によれば測定光の始点が第一軸心の円錐形の軌跡の頂点位置からずれた位置に配置されるための若干の測定誤差が生じるが、上述の構成によれば、補正手段により測定誤差が吸収されるため、第二回転機構の構成の自由度を確保しながらも、正確な測定データを得ることができるようになる三次元測距装置を得ることができるようになる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記回転制御手段は、前記第一回転機構と前記第二回転機構とが所定周期で同期するように回転させる同期制御手段で構成されている点にある。

第一の回転機構と第二の回転機構を非同期で回転させると、第一の回転機構と第二の回転機構の基準ポイントと回転周期に基づいて三次元計測演算を行なう必要があるが、上述の構成を採用することにより、両回転機構が所定周期で同期するように回転制御されるので、一走査中の三次元の測定が絶えず同じ位置になり三次元計測演算が容易になる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記走査式二次元測距装置に内装された回転制御部と、前記走査式二次元測距装置の外部に設置された第二回転機構とが耐屈曲ケーブルで接続されている点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、信頼性の高い走査式二次元測距装置を用いて、測距対象となる三次元領域を均一な密度で効率良く計測できる安価な三次元測距装置を提供することができるようになった。

以下、本発明による走査式二次元測距装置を用いた走査式三次元測距装置を説明する。

図２に示すように、走査式二次元測距装置１００は、内壁面が迷光を吸収する暗幕等の吸光部材で被覆された略円筒状のケーシング１０１に、測定光を出力する投光部３と反射光を検出する受光部５が対向配置され、投光部３と受光部５との間に測定光を走査する第一回転機構としての走査部４が配置されている。

走査部４は、所定の回転軸心（第一軸心）Ｐ１周りに回転する回転体８と、回転体８と一体回転する偏向ミラー９と、回転体８を回転駆動する第一のモータ１１を備え、回転体８は、下端部が縮径された円筒状の周壁部８ａと天板部８ｂとからなり、その内周面に備えた軸受１２を介して中空軸１３によって回転可能に支承されている。

偏向ミラー９は、回転体８の天板部８ｂの上面に配置された第一偏向ミラー９ａと、天板部８ｂの下面に配置された第二偏向ミラー９ｂとで構成され、夫々が回転軸心Ｐ１に対して約４５度の傾斜角度で配置されている。

モータ１１は、縮径された周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられたマグネット１１ｂでなる回転子と、ケーシング側に配置されたコイル１１ａでなる固定子とで構成され、コイル１１ａとマグネット１１ｂとの相互作用により、回転体８が前記回転軸心Ｐ１周りで回転可能に構成されている。

回転体８の外周面に光学的スリットを有するスリット板１５ａが設置されるとともに、スリット板１５ａの回転経路上にフォトインタラプタ１５ｂが配置され、これらにより回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が設けられている。

投光部３は、半導体レーザを用いた発光素子３ａでなる光源と、発光素子３ａの駆動回路３ｂを備えて構成され、発光素子３ａは、そこから出力される測定光の光軸Ｌ１０と軸心Ｐ１が一致するようにケーシング１０１の上方に固定配置されるとともに光軸Ｌ１０上に光のビーム径を一定にする光学レンズ３ｃが配置されている。

受光部５は、回転軸心Ｐ１上に走査部４を挟んで投光部３と対向するように回転体８の内部に固定配置され、反射光を検出するアバランシェフォトダイオードでなる受光素子５ａと、受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する増幅回路５ｂを備えて構成されている。

ケーシング１０１の周壁部には、投光部３から出力された測定光が走査部４により測定対象空間に照射され、測定対象空間に存在する測定対象物Ｘで反射した反射光が受光部５で検出されるように、上下方向に一定幅を有する透光窓１０２が設けられている。

従って、投光部３から出射された測定光が光軸Ｌ１０に沿って第一偏向ミラー９ａに入射して水平方向に偏向されて、透光窓１０２を介して測定対象空間に照射され、透光窓１０２を介して水平方向から入射した測定対象物からの反射光が第二偏向ミラー９ｂにより垂直下方に偏向されて受光部５に導かれる。

尚、反射光が受光部５に導かれる光軸Ｌ２０上には、測定対象物からの反射光を受光部５に集束させる受光レンズ１４が設けられている。

ケーシング１０１の底部には、走査部４を回転制御するとともに、発光素子３ａを駆動制御して、受光部５で検出された反射信号に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算手段として機能する信号処理基板９０が配置されている。

透明窓１０２は、測定光が回転軸心Ｐ１を中心として約１８０度から２７０度の範囲で走査可能に配置されており、透明窓１０２に対向するケーシング１０１の内壁部に、反射光により算出される距離を補正するための基準光を導く導光部材７としてのプリズムが配置されている。つまり、走査部４により測定光が一走査される度に、受光部５で導光部材７を介した基準光が検出され、このときに測距装置内での投光部３から受光部５までの基準距離が算出されるのである。

図１に示すように、本発明による走査式三次元測距装置２００は、上述の走査式二次元測距装置１００を第一回転機構の第一軸心Ｐ１と斜交する第二軸心Ｐ２周りに回転駆動して第一軸心Ｐ１のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構２０と、第一回転機構と第二回転機構２０とを同期して回転させる同期制御手段を備えて構成されている。

詳述すると、第二回転機構２０は、走査式二次元測距装置１００を第二軸心Ｐ２と直交する第三軸心Ｐ３周りに揺動支持する第一ブラケット２２と、走査式二次元測距装置１００の第一軸心Ｐ１上の所定位置にフリージョイント機構である球ジョイント２４を介して連結された回転アーム２６と、回転アーム２６を第二軸心Ｐ２周りに回転させる駆動機構としての第二のモータ２８で構成されている。

コの字形の第一ブラケット２２の先端側が走査式二次元測距装置１００の底部から側部に延出固定された同じくコの字形の第二ブラケット２１の両端部を挟むように支軸２７周りに回転自在に軸支され、他端側の中央部が支持盤２９上に固定された支柱２３に回転軸２５を介して揺動自在に軸支されている。

前記モータ２８を回転駆動することにより回転する回転アーム２６が第二軸心Ｐ２周りに回転し、それに伴って第二ブラケット２１で支持される走査式二次元測距装置１００が第三軸心Ｐ３周りに揺動する。つまり、第二回転機構２０は、第一軸心Ｐ１上の一点Ｑを頂点として第一軸心Ｐ１の軌跡が円錐形となるように二次元走査式測距装置１００を回転駆動するように構成され、これによって第一軸心Ｐ１のロール角度及びピッチ角度が変化するように構成されている。図４（ａ）から（ｆ）はこのような第二回転機構２０による円錐運動の推移を示すものである。

走査式二次元測距装置１００に内装された第一の信号処理基板９０に構成されている回転制御部と、走査式二次元測距装置１００の外部に設置された第二回転機構２０のモータ２８をコントロールする第二の信号処理基板とがロボットケーブルと称される耐屈曲ケーブルＣで接続されている。回転制御部は、耐屈曲ケーブルＣを介してモータ２８に駆動信号を出力するとともにモータ２８に内蔵されているエンコーダ装置からの回転パルスを入力して、第一回転機構と第二回転機構２０とを所定周期で同期して回転させる同期制御手段（回転制御手段）として機能する。第二の信号処理基板は固定側にあるため、配線数の多い入出力ケーブルは、一般的なケーブルが使用できる。

同期制御手段により両回転機構を同期制御することにより、一走査中の三次元の測定が絶えず同じ位置になり三次元計測演算を容易に行なえるように構成しているが、第一の回転機構と第二の回転機構の基準ポイントと回転周期が把握できれば、三次元計測演算が可能となるため、回転制御手段は、両回転機構を同期制御するものに限るものではない。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ２８の回転に伴う第一ブラケット２２の軸心Ｐ３周りの揺動により第一軸心Ｐ１はロール方向（α方向）に傾斜し、第一ブラケット２２及び第二ブラケット２１の相互動作により、第一軸心Ｐ１はピッチ方向(β方向)に傾斜する。尚、図中、θはモータ２８の回転角度を示す。またロールとピッチの最大角度は、第二ブラケット２１の長さＬ２と回転アーム２６の長さＬ１で決められる。

第一軸心Ｐ１と第二軸心Ｐ２との交点Ｑが走査式二次元測距装置１００の第一偏向ミラー９ａの中心に位置する場合には、図６に示すように、第一軸心Ｐ１は、ロール角（紙面に対して手前方向と奥行き方向の間で傾斜する角度）αと、ピッチ角（紙面上で左方と右方の間で傾斜する角度）βを変化させながら、第二軸心Ｐ２周りに回転するため、偏向ミラー９ａで偏向され、測定対象空間に向けて照射される測定光で形成される走査面が、第二軸心Ｐ２に対してロール角αとピッチ角βを変化させながら走査される。

α、βとモータ２８の回転角度位置θとの関係は、以下に示す（数３）で表される。

ここで、αはロール角、βはピッチ角、θは回転アームの基準位置からの回転角度、Ｌ１は回転アームの長さ、Ｌ２は走査式二次元測距装置１００の底部から軸心Ｐ１，Ｐ２の交点Ｑまでの高さ、を示す。

上述の同期制御手段により、α、βを制御するモータ２８の回転角と走査式二次元測距装置１００内のモータ１１による走査角と同期を取るように回転制御を行うと、最大傾斜角α＝Ａｒｃｔａｎ（Ｌ１／Ｌ２）だけ上下方向に幅を持った走査が得られる。つまり、図７（ａ）に示すように、測定光は、第二軸心Ｐ２に水平な平面に対して上下方向に所定角度の範囲で測定対象空間に照射されることになり、第二軸心Ｐ２周りに所定の径で形成される仮想円筒面上に照射される測定光の軌跡は、第一回転機構による単振動と、第二回転機構による単振動の合成となり、図７（ｃ）に示すようなリサージュ図形を描くようになり、Ｌ１／Ｌ２の値が大であるほど第二軸心Ｐ２に沿った方向の走査範囲が広くなる。

ここで、図７（ｂ）に示すように、前記第二回転機構２０は、第一回転機構により第一軸心Ｐ１の基準位置から所定角度ｒだけ回転した方向へ照射される測定光Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の軌跡を第二軸心Ｐ２と直交する平面ＰＬへ射影した軌跡の方向が、前記第二軸心Ｐ２の所定の径方向と常に一致するように回転駆動される。従って、走査式二次元測距装置１００自体が回転するものではないため、耐屈曲ケーブルＣがモータ２８の回転軸に絡まることが無く、信号伝達のために接触式のスリップリング等を用いる必要がない。またケ耐屈曲ケーブルＣはα、β方向に折り曲げられるが、折り曲げ角が少ない往復運動のため、配線のストレスは少なく信頼性も確保できる。

走査による測定密度は走査式二次元測距装置１００に内蔵された第一のモータ１１の回転角速度ω１と、外部に設置された第二のモータ２８の角度速度ω２で決定される。ω１／ω２が大きいほど測定密度が大きくなり、緻密な三次元距離データが得られる。

例えば第一のモータ１１の回転速度が６０００ｒｐｍで、第二のモータ２８の回転速度が６０ｒｐｍの場合、上下方向の走査数は１００ラインになる。ただし走査方向が図７（ｃ）に示すように、斜め方向にリサージュ図形で示される軌跡を描くため、通常の三次元空間座標、例えばＸＹＺ平面への変換は、座標変換演算を行なわなければならないが容易である。

図６では第一軸心Ｐ１と第二軸心Ｐ２との交点Ｑが走査式二次元測距装置１００の第一偏向ミラー９ａの中心に位置する場合について説明したが、円錐運動の頂点Ｑを第一偏向ミラー９ａの中心に一致させると、測定光が第一ブラケット２１の影になり死角が生じるため、実際には、図８（ａ），（ｂ）に示すように、第一偏向ミラー９ａの中心（図中、「センサ光学中心」と記す。）を第二軸心Ｐ２上で頂点Ｑ（図中、「回転中心」と記す。）から僅かに上方にずらせて、測定光が第一ブラケット２１で妨げられないように配置している。

つまり、図７（ｂ）において、前記第二回転機構２０は、第一回転機構により第一軸心Ｐ１の基準位置から所定角度ｒだけ回転した方向へ照射される測定光Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の軌跡を第二軸心Ｐ２と直交する平面ＰＬへ射影した軌跡の方向が、前記第二軸心Ｐ２の所定の径方向と常に一致または平衡となるように回転駆動される。

演算手段により算出される測定対象物までの距離には、第一偏向ミラー９ａの中心を頂点Ｑからのずれに伴う誤差が含まれるが、検出精度が要求される場合には、前記演算手段に、第一回転機構により回転走査される測定光の第一軸心Ｐ１上の始点と第二回転軸心Ｐ２との交点からのずれによる測定誤差を補正する補正手段を備えることにより精度を向上させることができる。以下、頂点Ｑから第一偏向ミラー９ａの中心までのずれ量をＬ３としたときの補正式を（数４）に示す。

尚、第一ブラケット２２を軸支する支柱２３は、回転軸心Ｐ１に対して透明窓１０２の回転軸心Ｐ１に対する周方向中心位置と反対側にある導光部材７の配置側に設置されているため、測定光が照射される計測エリアに支柱２３と干渉することによる死角は生じることがない。

以下、信号処理基板９０に構成されている信号処理回路について詳述する。信号処理回路は、図３に示すように、発光素子３ａから出力されるレーザ光を正弦波でなる変調信号によりＡＭ変調する駆動回路３ｂと、測定対象物からの反射光が受光素子５ａで光電変換された反射信号を増幅する受光回路５ｂと、受光回路５ｂで増幅されたアナログ反射信号をデジタル反射信号に変換するＡＤ変換部９１と、測定光と反射光との位相差を求める信号処理部９２と、求められた位相差から測定対象物までの距離を算出するシステム制御部９３等を備えて構成されている。

システム制御部９３はマイクロコンピュータ及びその周辺回路を備えて構成され、システム全体を制御するように構成され、第一のモータ１１及び第二のモータ２８を駆動するモータ制御回路１４と、走査式二次元測距装置１００に内蔵された第一の走査角度検出部１５及び第二モータ２８に内蔵されたエンコーダでなる第二走査角度検出部１５０が接続されている。

システムに電源が投入されると、システム制御部９３からモータ制御回路１４にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路１４によりモータ１１及びモータ２８がそれぞれ所定速度で駆動される。

モータ１１の回転駆動に伴って第一の走査角度検出部１５から出力されるパルス信号がシステム制御９３に入力され、当該パルス信号に基づいて第一回転機構である走査部４による測定光の出力方向が把握される。

さらに、モータ２８の回転駆動に伴って第二の走査角度検出部１５０から出力されるパルス信号がシステム制御部９２に入力され、当該パルス信号に基づいて第二回転機構による第一軸心Ｐ１のロール角及びピッチ角が把握される。

尚、第一の走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置、つまり、上述した導光部材７から受光部５に基準光が導かれる位置で、他と異なる間隔になるように形成されており、検出されるパルス信号の波形に基づいて基準位置が把握され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。

また、第二の走査角度検出部１５０からのパルス信号も、ロール角またはピッチ角が例えば零となる位置で他と異なる間隔で出力されるように構成され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出されるように構成されている。

システム制御部９３は、これらの情報と（数４）の補正式に基づいて測定光の照射方向を同定する。

ここで、システム制御部９３に設けられた同期制御手段は、第一回転機構と第二回転機構とを同期して回転させるように各モータ１１，２８を所定速度で回転制御する。例えば、第一のモータ１１の回転速度が６０００ｒｐｍで、第二のモータ２８の回転速度が６０ｒｐｍとなるように同期制御すると、図７（ｃ）に示すリサージュ図形の第二軸心Ｐ２に沿った幅方向に１００ラインの走査数で走査することができる。

信号処理部９２では、駆動回路３ｂに出力する変調信号が生成され、ＡＤ変換部９１でデジタル信号に変換された反射信号と当該変調信号との位相差が演算導出され、システム制御部９３に出力される。システム制御部９３では、信号処理部９２から入力された位相差に基づいて測定対象物までの距離が算出される。

このような動作を繰り返すことにより測定対象物までの三次元方向の測距データが得られ、このようなデータに基づいて三次元距離画像が生成される。

上述の走査式三次元測距装置によれば、第二軸心Ｐ２を軸に周囲角１８０度以上のパノラマ的な三次元距離データを得るこができ、均一な測定密度で効率よく精度の高い三次元距離画像データを生成することができる。従って、図９に示す構成に比べて安全規格を満たす範囲でレーザ強度を強く設定できるようになり、それだけ検出距離が長く、感度の高い計測ができるようになる。

以下、別実施形態を説明する。
上述の実施形態では、走査式二次元測距装置の第一軸心上の所定位置と回転アームとを球ジョイントでなるフリージョイント機構を介して連結したものを説明したが、フリージョイント機構は球ジョイントに限るものではなく、任意のフリージョイント機構を使用できる。

上述の実施形態では、第二回転機構を、走査式二次元測距装置を第二軸心と直交する第三軸心周りに揺動支持する第一ブラケットと、走査式二次元測距装置の第一軸心上の所定位置にフリージョイント機構を介して連結された回転アームと、回転アームを回転させる駆動機構で構成し、回転アームを第二軸心周りに回転させることにより走査式二次元測距装置を第三軸心周りに揺動させて、第一軸心のロール角度及びピッチ角度を変化させるように構成したものを説明したが、第二回転機構としては、第一軸心上の一点を頂点として第一軸心の軌跡が円錐形となるように走査式二次元測距装置を揺動駆動する機構であれば、上述の構成に限るものではない。尚、その場合であっても、第一回転機構により所定方向へ照射される測定光の軌跡を第二軸心と直交する平面へ射影した軌跡の方向が、第二軸心の所定の径方向と常に一致するように回転駆動するように構成することが好ましい。

上述した実施形態では測距装置による測距原理としてＡＭ方式を採用したものを説明したが、ＴＯＦ方式により測距装置にも適用することが可能である。

上述した実施形態は、本発明の一実施例であり、形状、材料、回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。例えば、受光部５を投光部３側に配置し、走査部４に設けた第一偏向ミラー９ａと第二偏向ミラー９ｂでなる偏向ミラーを単一の偏向ミラーで構成し、反射光を受光部５に導く光学系を設けることも可能である。

上述の実施形態では、三次元測距装置をレーザ光を用いた測距装置に適用したものを説明したが、本発明による走査装置はこれに限るものではなく、所定の測定方向からデータを取得するセンサと、前記測定方向と斜交する軸心周りに回転駆動して前記測定方向のロール角度及びピッチ角度を変化させる回転機構を備え、二次元の測定方向からデータを取得する構成を備えた二次元走査装置であれば、測距装置以外に、例えばＣＣＤラインセンサを使った一次元の画像入力装置などにも適用できる。一次元の画像入力装置を、本発明の第二回転機構に取り付けることにより二次元の高密度な画像を得ることができる。

本発明による三次元測距装置の全体構成を示す外観図 走査式二次元測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 信号処理回路のブロック構成図 三次元測距装置の動作説明図 三次元測距装置による変動するロール角とピッチ角の説明図 三次元測距装置による変動するロール角とピッチ角の説明図 測定光の走査軌跡の説明図 補正処理の説明図 簡易的な三次元測距装置の説明図で、（ａ）は構成説明図、（ｂ）は軌跡説明図 レーザ測距装置の測定原理を示し、（ａ）はＡＭ方式の説明図、（ｂ）はＴＯＦ方式の説明図 従来の三次元測距装置の説明図

符号の説明

３：投光部
３ａ：光源
３ｂ：駆動回路
４：走査部
５：受光部
５ａ：受光素子
５ｂ：受光回路（増幅回路）
７：導光部材
８：回転体
９：偏向ミラー
１１：モータ
９０：信号処理基板
９１：ＡＤ変換部
９２：信号処理部
９３：システム制御部
１００：走査式二次元測距装置
２００：三次元測距装置（走査式三次元測距装置）
Ｐ１：第一軸心
Ｐ２：第二軸心

Claims (5)

1. 投光部から出力された測定光を第一軸心周りに回転走査して測定対象空間に照射する第一回転機構と、測定対象物からの反射光を受光部で検出して測定光の出力から反射光の検出までの時間差に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算手段を備えてなる走査式二次元測距装置と、前記走査式二次元測距装置を前記第一軸心と斜交する第二軸心周りに回転駆動して前記第一軸心のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構と、前記第一回転機構と第二回転機構とを回転制御する回転制御手段を備えている三次元測距装置であって、
   前記第二回転機構は、前記走査式二次元測距装置を前記第二軸心と直交する第三軸心周りに揺動支持する第一ブラケットと、前記走査式二次元測距装置の第一軸心上の所定位置にフリージョイント機構を介して連結された回転アームと、前記回転アームを回転させる駆動機構で構成され、前記回転アームを前記第二軸心周りに回転させることにより前記走査式二次元測距装置を第三軸心周りに揺動させる三次元測距装置。
2. 前記第二回転機構は、前記第一軸心上の一点を頂点として前記第一軸心の軌跡が円錐形となるように前記走査式二次元測距装置を揺動駆動するとともに、前記第一回転機構により回転走査される測定光の前記第一軸心上の始点を前記頂点からずらせた位置に設けてある請求項１記載の三次元測距装置。
3. 前記演算手段に、前記第一回転機構により回転走査される測定光の前記第一軸心上の始点と前記第二回転軸心との交点からのずれによる測定誤差を補正する補正手段を備えている請求項２記載の三次元測距装置。
4. 前記回転制御手段は、前記第一回転機構と前記第二回転機構とが所定周期で同期するように回転させる同期制御手段で構成されている請求項１から３の何れかに記載の三次元測距装置。
5. 前記走査式二次元測距装置に内装された回転制御部と、前記走査式二次元測距装置の外部に設置された第二回転機構とが耐屈曲ケーブルで接続されている請求項１から４の何れかに記載の三次元測距装置。