JP4092136B2

JP4092136B2 - 測距装置

Info

Publication number: JP4092136B2
Application number: JP2002145294A
Authority: JP
Inventors: 宏明猪俣
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003337020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揺動可能に保持された可動子に光学素子を備えた測距装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ式の測距装置などにおいて、所定角度内を往復走査する走査型投光器が用いられている。
【０００３】
この測距装置は、図４に示されるように、往復走査により被検物を照射する走査型投光器６０と、揺動しない固定型受光器７１とを備えており、走査型投光器６０の送信波形と固定型受光器７１の受信波形とのずれ時間を、走査型投光器６０の可動子（図示せず）の走査角度ごとに検出することにより、角度別（方向別）の距離を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このように揺動する走査型投光器６０と揺動しない固定型受光器７１とを組み合わせて使用する場合には、固定型受光器７１の受光感度指向性により、走査角度θ１の絶対値が大きい領域、すなわち受光角度θ２の絶対値が大きい領域では、固定型受光器７１から得られる信号レベルが大幅に低下してしまう。この信号レベルの低下を補償するために、広視野角の集光能力を持つ光学系を用いるのでは、非球面のレンズや反射鏡面、あるいは光ファイバ束を使った特殊な光学設計が必要になり、また固定型受光器７１からの信号レベルを電気的に増幅するのでは、信号処理系に大きなダイナミックレンジを設定する必要が生じることになる。
【０００５】
そこで本発明の目的は、揺動する走査型投光器によって走査し反射光を固定型受光器によって受信する走査装置において、受光角度が大きい領域での受信光強度の低下を抑制することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、請求項１に記載のとおり、光学素子を備えた揺動可能な可動子により対象物を照射する走査型投光器と、固定状態に保持され反射光を受光する固定型受光器と、を備え、前記走査型投光器は、コイルが形成された前記可動子をトーションバーにより揺動自在に保持すると共に、永久磁石による磁界中に配置された構成の測距装置において、前記照射の強度を変化させる出力制御部を備え、前記出力制御部は前記強度の変化により、前記可動子の走査角度に応じて固定型受光器の受光感度指向性を補償し、前記可動子の現在の走査角度を検出する角度検出手段を更に備え、前記出力制御部が、前記角度検出手段が検出した走査角度に基づいて前記強度を制御する構成とされ、前記角度検出手段は、前記走査型投光器への給電がオフされた際の可動子の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘起起電力を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成であり、前記出力制御部は、前記角度検出手段からのタイミング信号に基づいて、波形データを算出して出力し、この波形データをタイミング合わせすると共にアナログ信号に変換して出力し、このアナログ信号により走査型投光器への供給電流値を可変させることで光強度を制御する構成とされたことを特徴とする測距装置である。
【０００７】
第１の本発明では、出力制御部が、照射の強度の変化により、可動子の走査角度に応じて固定型受光器の受光感度指向性を補償するので、固定型受光器と走査型投光器とが近接して配置され受光角度と走査角度とが略同視できる構成において、受光角度が大きい領域での受信光強度の低下を抑制できる。また、第１の本発明では、可動子の現在の走査角度に基づいた正確な制御を実行できる。
【０００８】
第２の本発明は、請求項２に記載のとおり、請求項１に記載の測距装置であって、請求項１に記載の前記角度検出手段に代えて、角度検出手段が前記可動子による光束の遮断を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成とされたことを特徴とする測距装置である。
【０００９】
第２の本発明によっても、角度検出手段は可動子の角度を検出できる。
【００１０】
第３の本発明は、請求項３に記載のとおり、請求項１に記載の測距装置であって、請求項１に記載の前記角度検出手段に代えて、角度検出手段は、可動子の裏面側に平板状の裏面ミラーが形成され、この裏面ミラーにレーザを照射しつつ、その反射側に対向して設けられた受光素子で反射光を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成とされたことを特徴とする測距装置である。
【００１１】
第３の本発明によっても、角度検出手段は可動子の角度を検出できる。
【００１２】
第４の本発明は、請求項４に記載のとおり、請求項１ないし３のいずれか１に記載の測距装置であって、前記出力制御部が、前記走査型投光器の照射点が前記固定型受光器の光軸への最近点から遠ざかるに従い、前記強度を漸増させることを特徴とする測距装置である。
【００１３】
第４の本発明では、照射点が固定型受光器の光軸（すなわち、受光感度が最も高い方向軸）への最近点から遠ざかるに従い照射の強度が漸増するので、固定型受光器の光軸に対する受光角度にかかわらず、信号レベルを均一にすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態について、以下に図面に従って説明する。図１において、本発明の実施形態に係る走査装置は、照射対象となる被検物５０をレーザ光で線方向に照射するものであり、走査型投光器１０と、これを制御する制御系とから構成されている。
【００１５】
走査型投光器１０は、図２に示されるとおり、コイルが形成された平板状の可動子１の上面にミラー２を形成し、この可動子１をトーションバー３により揺動自在に保持すると共に、永久磁石４による磁界中に配置したものである。
【００１６】
可動子１のコイルに、図示しないミラー駆動回路から電流ＩＡを供給すると、永久磁石４による磁界とコイルによる磁界との相互作用によって電流値に応じた力ＦＡが生じ、可動子１をトーションバー３のねじり方向の弾性変形に対する復元力（弾性力）に釣り合う位置まで旋回させる。
【００１７】
走査型投光器１０は、光源としてのレーザダイオード（図示せず）を備えており、このレーザダイオードは筐体の適宜箇所に固定されていると共に、その光軸はミラー２の中心点に向けられている。
【００１８】
図１において、走査型投光器１０の近傍には、ＣＣＤなどの光電変換素子からなる固定型受光器２１が、走査型投光器１０に対して一体的に固定されている。固定型受光器２１の出力側は、図示しない信号処理回路に接続されている。他方、走査型投光器１０には、走査方向検出回路２２、演算処理部２３，波形データ出力バッファ回路２４、Ｄ／Ａ変換回路２５およびレーザ駆動／変調回路２６がこの順に接続されており、また演算処理部２３は記憶部２７と接続されている。
【００１９】
走査方向検出回路２２は、走査型投光器１０への給電がオフされた際の可動子１の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘起起電力を検出することで、可動子１の現在の位置（走査角度θ１）を算出し、所定の走査角度となった時点（例えば、走査角度θ１が極大となり誘起起電力の正負が反転した時点）でタイミング信号を出力する。
【００２０】
演算処理部２３は、走査方向検出回路２２からのタイミング信号に基づいて、記憶部２７の参照により波形データを算出して出力し、この波形データは波形データ出力バッファ回路２４でタイミング合わせされると共にＤ／Ａ変換回路２５でアナログ信号に変換され、レーザ駆動／変調回路２６に出力される。レーザ駆動／変調回路２６は、走査型投光器１０のレーザダイオードへの給電によりその光強度を制御する。
【００２１】
そして、記憶部２７における所定のアドレスには、走査型投光器１０の動作の定常状態における可動子１の走査角度と照射光強度とを互いに関連づけてなる強度テーブルを、予め格納しておく。
【００２２】
なお、走査方向検出回路２２から記憶部２７までを含む制御系は、ハードウェア的にはＣＰＵ（中央処理装置）を中心としたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、動作プログラムや処理プログラムを記憶させたＲＯＭと、データやプログラムを一時的に保持するＲＡＭと、入出力インターフェイスとを含んでいる。
【００２３】
以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。本実施形態では、ミラー駆動回路からの駆動信号として、ＩＡ＝Ａｃｏｓ（２πｎｔ）の正弦波電流が走査型投光器１０に出力され、これによって可動子１が揺動する。ここでＡは振幅、ｎは周波数、ｔは時間である。周波数ｎは、可動子１の質量・形状やトーションバー３の弾性率などによって定まる可動子１の固有振動周波数に等しく設定する。なお、これによって走査型投光器１０はいわゆる共振型ガルバノミラー機構として動作するため、可動子１の共振により、高速で走査でき且つ小電力で大きい運動が得られる。
【００２４】
走査型投光器１０の点灯によって、被検物５０における左停止点Ｌと右停止点Ｒとの間の領域が、図中上下方向に走査される。左停止点Ｌおよび右停止点Ｒは、走査型投光器１０の可動子１の動作方向が反転する折り返し点に対応し、中立点Ｃは走査角度θ１に関して、左停止点Ｌと右停止点Ｒとの中間点にある。
【００２５】
ここで本実施形態では、可動子１の位置（走査角度θ１）に応じて、走査型投光器１０の照射光強度を変化させ、固定型受光器２１の受光感度指向性を補償する強度補償制御が行われる。
【００２６】
すなわち、走査型投光器１０の照射光強度は、記憶部２７の強度テーブルの設定値に従って、図３（ａ）に示すとおり、走査型投光器１０の被検物５０上の照射点が固定型受光器２１の光軸ＬＡ（図１参照）への最近点から遠ざかるに従い、強度が漸増するように制御される。
【００２７】
以上のとおり、本実施形態では、演算処理部２３が、照射の強度の変化により、可動子１の走査角度θ１に応じて固定型受光器２１の受光感度指向性を補償するので、固定型受光器２１と走査型投光器１０とが近接して配置され受光角度θ２と走査角度θ１とが略同視できる構成において、受光角度θ２が大きい領域での受信光強度の低下を抑制できる。
【００２８】
すなわち、本発明による改良前の構成においては、走査型投光器６０の光強度が図５（ａ）に示すとおり受光角度θ２や走査角度θ１に拘わらず一定値であったため、図５（ｂ）のような受光感度指向性をもつ固定型受光器７１においては、信号レベルが図５（ｃ）のように受光角度θ２の大きい領域で著しく低下していたのに対し、本実施形態では、図３（ａ）のとおり受光角度θ２の絶対値が大きい領域において照射光強度が漸増される結果、信号レベルを図３（ｃ）のように、受光角度θ２に拘わらず略一定とすることができる。
【００２９】
また本実施形態では、走査方向検出回路２２が検出した走査角度θ１に基づいて、演算処理部２３が照射光強度を制御するので、可動子１の現在の姿勢を反映した正確な制御を実行できる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、レーザ光の強度をレーザダイオードへの電流値の可変によって制御するが、供給電流値の変更によって照射光強度を変更することが困難な光源、例えばガスレーザのような光源を用いる場合には、光源への供給電流値を一定にしておき、外部変調器を利用して、照射強度の制御を外的に行うこととしてもよい。すなわち、このような変形例では、光源と可動子１との間の光路中に、外部変調器を介装し、この外部変調器に変調信号を入力することになる。外部変調器としては、電気信号により光学的な異方性を生じさせる電気光学効果素子や、結晶材料と圧電素子とを組み合わせてなり光の回折を生じさせる音響光学素子、あるいは光強度を（例えば、ドットごとのオンオフによって）多段階的に調整できる液晶シャッタなどを利用するのが好適であって、これらの構成によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、制御系をディジタル回路として構成したが、これをアナログ回路として構成してもよく、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、可動子１またはミラー２の揺動をいずれも単振動としたが、本発明における可動子の運動は、揺動すなわち往復動であれば正弦波振動である必要はない。
【００３３】
また、上記実施形態では、走査方向検出回路２２が誘起起電力を利用して可動子１の位置を検出することとしたが、本発明における角度検出手段は可動子の角度を検出できるものであれば他の構成でもよい。すなわち、角度検出手段は例えば、可動子１による光束の遮断を検出する構成としたり、あるいは、上記実施形態における可動子１の裏面側に平板状の裏面ミラーを更に形成し、この裏面ミラーにレーザを照射しつつ、その反射側に対向して設けられた受光素子で反射光を検出する構成とすることができる。
【００３４】
また、本発明は、トーションバー３のような弾性変形部材によって可動子１の支持・可動子１の変位の許容と復元動作とが行われる形式の走査装置において特に好適に適用できるが、同様の構成を、弾性変形部材によらずに可動子を支持する構造の測距装置や、可動子をその共振周波数とは無関係に動作させる形式の非共振型の走査型投光器（ガルバノミラー機構）について適用することも可能である。
【００３５】
また上記各実施形態では、可動子１を一方向に揺動させる構成としたが、本発明における可動子は２以上の複数方向に揺動するものであってもよい。特に、互いに直交する２方向に可動子が揺動する形式の走査型投光器について本発明を適用することも可能であり、この場合には２次元の走査が可能であることから、本発明による効果を３次元の測距装置・形状測定装置などにおいて実現できる。
【００３６】
また、上記実施形態では、可動子１に一体的にミラー２を設けた構成としたが、可動子１に固定ないし一体的に形成される光学素子は、走査動作に関与する部材であれば他の部材でもよく、例えば発光素子または透光性の光学部材（レンズまたはプリズム）を可動子１に固定すると共にその背面側の不動位置に光源を設置しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、可動子１に一体的に透光性の光学部材を形成する透過型の構成においては、上述した外部変調器を可動子１に一体的に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態における走査型投光器の要部を示す斜視図である。
【図３】実施形態における角度分布特性を示すグラフであり、（ａ）は照射光強度、（ｂ）は受光感度、（ｃ）は信号レベルを示す。
【図４】本発明による改良前の走査装置の動作状態を示すブロック図である。
【図５】本発明による改良前の構成における角度分布特性を示すグラフであり、（ａ）は照射光強度、（ｂ）は受光感度、（ｃ）は信号レベルを示す。
【符号の説明】
１可動子、２ミラー、３トーションバー、４永久磁石、１０走査型投光器、２１固定型受光器、２２走査方向検出回路、２３演算処理部、２６レーザ駆動／変調回路、２７記憶部、Ｃ中立点、Ｌ左停止点、Ｒ右停止点、θ１走査角度、θ２受光角度。

Claims

光学素子を備えた揺動可能な可動子により対象物を照射する走査型投光器と、固定状態に保持され反射光を受光する固定型受光器と、を備え、
前記走査型投光器は、コイルが形成された前記可動子をトーションバーにより揺動自在に保持すると共に、永久磁石による磁界中に配置された構成の測距装置において、
前記照射の強度を変化させる出力制御部を備え、
前記出力制御部は前記強度の変化により、前記可動子の走査角度に応じて固定型受光器の受光感度指向性を補償し、
前記可動子の現在の走査角度を検出する角度検出手段を更に備え、
前記出力制御部が、前記角度検出手段が検出した走査角度に基づいて前記強度を制御する構成とされ、
前記角度検出手段は、前記走査型投光器への給電がオフされた際の可動子の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘起起電力を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成であり、
前記出力制御部は、前記角度検出手段からのタイミング信号に基づいて、波形データを算出して出力し、この波形データをタイミング合わせすると共にアナログ信号に変換して出力し、このアナログ信号により走査型投光器への供給電流値を可変させることで光強度を制御する構成とされた、
ことを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置であって、請求項１に記載の前記角度検出手段に代えて、角度検出手段が前記可動子による光束の遮断を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成とされた、ことを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置であって、請求項１に記載の前記角度検出手段に代えて、角度検出手段は、可動子の裏面側に平板状の裏面ミラーが形成され、この裏面ミラーにレーザを照射しつつ、その反射側に対向して設けられた受光素子で反射光を検出することで、前記可動子の走査角度を算出し、所定の走査角度となった時点でタイミング信号を出力する構成とされた、
ことを特徴とする測距装置。
請求項１ないし３のいずれか１に記載の測距装置であって、
前記出力制御部が、前記走査型投光器の照射点が前記固定型受光器の光軸への最近点から遠ざかるに従い、前記強度を漸増させることを特徴とする測距装置。