JP4160610B2 - 走査式測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス状の測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time of Flight）方式による走査式測距装置に関する。

この種の走査式測距装置は、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、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源を備えてパルス状の測定光を出力する投光部と、測定光を測定対象空間に向けて回転走査する走査部と、走査された測定光が測定対象物で反射した反射光を光電変換素子により検出する受光部と、前記投光部から出力される測定光の出力タイミングと、測定対象物で反射した反射光の検出タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を演算する演算部を備えて構成されている。

特許文献１に記載されているように、一般的には、前記演算部は、前記光源に対する駆動信号の立ち上りエッジから前記受光部により検出される反射光の検出タイミング迄の遅延時間を検出するカウンタ回路を備えた信号処理回路で構成されているが、光源の発光特性や受光部に設けた光電変換素子の受光特性等の部品間のばらつきや経時変化による変動に起因して算出される距離に誤差が生じるという問題があった。

測距精度の向上を図るべく、パルス状の測定光と反射光の双方を同一の受光部で検出して、時間的に前後して検出される双方の検出信号から時間差を算出する信号処理回路を備えることにより、測定系の部品ばらつきや経年変化による誤差を吸収することが考えられるが、このような構成を採用すると、装置の近傍に測定対象物が位置する場合には、受光部で検出される測定光と反射光が重なるために正確に計測できないという本質的問題が内在している。

そこで、特許文献２には、走査部を構成する回転体が基準回転位置にあるときに投光部と受光部とを一定の光路長さで光学的に結合させる基準機構を設け、回転体が基準回転位置にきたときの演算出力、つまり、投光部への駆動信号と基準機構を介して受光部で検出される測定光との時間差に基づいて基準距離を演算し、投光部への駆動信号と受光部で検出される反射光との時間差に基づいて演算される距離を前記基準距離で補正する信号処理回路を備えた走査式測距装置が提案されている。
特開平６-２１４０２７号公報 特開平７−１９１１４２号公報

しかし、上述の特許文献２に記載された走査式測距装置では、前記回転体が基準回転位置にあるときには測定対象空間に測定光を出力できないため、死角が生じるという問題があり、当該死角となる測定対象空間を測定するためにさらに別の走査式測距装置を設置しなければならないという問題があった。

また、前記回転体が基準回転位置にあるときに得られる基準距離に基づいて補正が施されるため、基準距離の検出時や反射光の検出時に、光源の発光遅延や受光部の応答遅延等の変動が生じると、その走査時における検出距離の精度が低下するという問題もあった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、測定対象空間に死角が生じることなく、周囲３６０度に亘って高精度な距離測定を実現し得る走査式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、本発明による走査式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、パルス状の測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて所定軸心周りに回転走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、前記測定光の一部を基準光として一定の光路長で前記受光部に導く基準光路を前記走査部に備えると共に、前記受光部で検出される前記基準光の最大信号レベルが測定対象物からの反射光の想定最小信号レベルより低い第一閾値以下となるように前記基準光の光量が予め調整され、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記基準光と前記反射光の検出時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する演算部を備えている点にある。

上述の構成によれば、パルス状の測定光が出力される度に、その一部が基準光として導光路を介して受光部で検出されるとともに、その後に測定対象物からの反射光が受光部により検出されるようになる。そして演算部によりそれらの検出信号の時間差が算出されるときに、光源の発光遅延や受光部の応答遅延等の変動の影響も相殺されるため、測定対象物までの距離を精度良く算出することができるようになるのである。このような走査式測距装置によれば、走査部の走査角度にかかわらずパルス状の測定光の出力タイミングに同期して少なくとも基準光が常に検出されるようになるため、死角が生じることなく、検出対象空間の全範囲に亘り測定対象物迄の距離を精度良く検出することができるのである。

さらに、基準光の最大信号レベルが測定対象物からの反射光の想定最大信号レベルより低い第一閾値以下になるように予め調整されるので、測定光の出力タイミングに同期した所定のタイミングにおいて受光部で検出される信号レベルが第一閾値より高いときには、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置すると判断することができ、誤った演算を行なうことなく、適切に対応することができるようになるのである。

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、前記走査部は、前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射する投光ミラーと、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する受光ミラーと、前記投光ミラー及び前記受光ミラーを前記投光部と前記受光部を結ぶ軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、前記基準光路は、前記回転機構により回転し、前記投光ミラーで反射した前記測定光の一部を前記受光ミラーに導く導光部材を備えて構成されている点にある。

上述の構成によれば、投光部から出力された測定光の一部は、投光ミラーで反射された後、導光部材により受光ミラーへと導かれ、受光部で受光される。このようにして、測定光の一部を基準光として一定の光路長で前記受光部に導く基準光路が形成される。このような導光部材は投光ミラー及び受光ミラーと一体に回転するので、走査部による走査角度にかかわらず常に基準光路が形成されることとなる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記走査部は、前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射する投光ミラーと、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する受光ミラーと、前記投光ミラー及び前記受光ミラーを前記投光部と前記受光部を結ぶ軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、前記基準光路は、前記回転機構による回転軸心に沿って前記投光部から前記受光部に前記測定光の一部を導くように構成されている点にある。

上述の構成によれば、投光部から出力された測定光の一部が、投光ミラーで反射されることなく、回転軸心に沿った基準光路により受光部に導かれる。このような基準光路は、前記投光ミラー及び前記受光ミラーに前記軸心に沿った貫通孔を形成することにより容易に構成でき、また、前記投光ミラー及び前記受光ミラーに形成される鏡面のうち前記軸心と交差する部位を非鏡面である透過面に、つまり測定光を透過させるように構成することにより容易に構成することができる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記測定光を前記走査部に向けて反射するミラーをさらに備え、前記走査部は、前記ミラーで反射された前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射するとともに、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する投受光ミラーと、前記投受光ミラーを所定の軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、前記基準光路は、前記回転機構により回転し、前記投受光ミラーで反射された前記測定光の一部を前記投受光ミラーに向けて反射する反射部材を備えて構成されている点にある。

上述の構成によれば、投光部と受光部とを投受光ミラーに対して同一側に配置する場合に、投光部から出力された測定光が投受光ミラーに導かれ、投受光ミラーで走査のために反射された測定光の一部が、回転機構により回転する反射部材により再度投受光ミラーに向けて反射され、その後に受光部で受光されるように基準光路が形成される。反射部材は投受光ミラーと一体に回転するため、走査領域の全域に亘って基準光路が形成されるようになる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに、今回の基準光に基づいて得られる特性データを記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より大となるときに、前記記憶部に記憶された過去の特性データに基づいて得られる前記測定光の出力タイミングから前記基準光が検出されるまでの基準光遅延時間と、前記測定光の出力タイミングから前記反射光が検出されるまでの反射光遅延時間との時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する点にある。

上述の構成によれば、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置すると判断されたときには、近傍に測定対象物が存在しないと判断された過去において記憶部に記憶された基準光により得られる特性データに基づいて、前記測定光の出力タイミングから前記基準光が検出されるまでの基準光遅延時間を取得し、その基準光遅延時間を基準として、測定対象物までの距離を算出するのである。従って、装置の近傍に測定対象物が位置するときであっても、正確に測距することができるようになる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第五特徴構成に加えて、前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに前記信号波形の累積平均波形を記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より大となるときに、当該信号波形から前記記憶部に記憶された累積平均波形を減算した信号を前記反射光として求める点にある。

上述の構成によれば、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置すると判断されたときには、そのときの信号波形、つまり基準光と反射光が重畳した信号波形から、近傍に測定対象物が存在しないと判断された過去において記憶部に記憶された基準光の累積平均波形を減算することにより、正確な反射光に対応する信号波形が得られるようになる。そのような反射光の検出信号に対して上述の第九特徴構成による演算を行なうことにより、より正確に測距することができるようになる。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第五または第六の特徴構成に加えて、前記特性データが、基準光の信号波形、信号波形の累積加算波形、基準光遅延時間、基準光遅延時間の平均遅延時間の何れかである点にある。

記憶部に記憶される特性データとして正規に取得された基準光の信号波形を採用する場合には、ほぼ正確な基準光遅延時間を算出することができ、過去の信号波形との累積加算波形を採用する場合には、第一閾値の近傍の低い信号レベルであっても十分なレベルに嵩上げされるので、ノイズの影響を受けない精度の高い基準光遅延時間を算出することができ、基準光遅延時間を採用する場合には、基準光遅延時間を算出する演算時間が省略でき、過去の基準光遅延時間との平均遅延時間を採用する場合には、誤差が吸収された精度の高い基準光遅延時間が得られるようになる。

同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第五または第六の特徴構成に加えて、前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに、今回の基準光と過去の信号波形との累積加算波形、今回の基準光と過去の信号波形との平均波形、または、今回の基準光遅延時間と過去の基準光遅延時間との平均遅延時間を記憶する記憶部を備え、前記演算部は、前記記憶部に記憶された累積加算波形、平均波形、または、平均遅延時間の何れかに基づいて得られる前記測定光の出力タイミングから前記基準光が検出されるまでの基準光遅延時間と、前記測定光の出力タイミングから前記反射光が検出されるまでの反射光遅延時間との時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する点にある。

記憶部に記憶される特性データとして過去の信号波形との累積加算波形を採用する場合には、第一閾値の近傍の低い信号レベルであっても十分なレベルに嵩上げされるので、ノイズの影響を受けない精度の高い基準光遅延時間を算出することができ、今回の基準光と過去の信号波形との平均波形を採用する場合には、ノイズが吸収されて精度の高い基準光遅延時間が得られ、過去の基準光遅延時間との平均遅延時間を採用する場合には、誤差が吸収された精度の高い基準光遅延時間が得られるようになる。

同第九の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第五から第八の何れかの特徴構成に加えて、前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より低く設定された第二閾値より小となるときに、故障と検出する自己診断部を備えている点にある。

上述の構成によれば、受光部で検出される基準光の信号レベルが第二閾値より小であるときに、投光部または受光部を構成する光源や受光素子等の部品または光学系に何らかの支障を来たしていると判断することができ、誤った出力により当該走査式測距装置が組み込まれたシステムが誤動作することを未然に回避することができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象空間に死角が生じることなく、周囲３６０度に亘って高精度な距離測定を実現し得る走査式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測距装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、この走査式測距装置１は、ハウジング２を備えると共に、このハウジング２の内部に、投光部３と、走査部４と、受光部５と、基準光路を構成する導光部材としての光ファイバ６とを主たる構成要素として備えている。

ハウジング２は、図中の上下方向の両端が閉じられた円筒状を呈し、その周壁部２ａの全周に亘って上下方向に一定の幅を有する円環状の透光窓２ａ１が形成され、この透光窓２を介して、後述する投光部３から出力されるパルス状の測定光と、物体で反射して受光部５に至る反射光とが往来可能となっている。

投光部３は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子と、発光素子の駆動回路を備えて構成され、発光素子は図中の下向きにパルス状の測定光を出力するように配置されている。この投光部３から下向きに出力された測定光が通る投光入射光路Ｌ１上には、光のビーム径を一定にする光学レンズ７が配置されている。

走査部４は、投光部３から出力された測定光をハウジング２の透光窓２ａ１を介して外部の測定対象空間に走査するもので、本実施形態では、回転体８と、投光ミラー９と、受光ミラー１０と、回転機構としてのモータ１１とから構成されている。回転体８は、筒状の周壁部８ａと、周壁部８ａの上端を塞ぐ天板部８ｂとから構成されている。周壁部８ａの下端部は縮径され、その内周面に軸受１２を介して中空軸１３が挿入されており、この中空軸１３によって回転体８が投光入射光路Ｌ１の光軸を中心として回転可能に支承されている。

この回転体８を回転駆動するモータ１１は、固定子側にコイル１１ａを、回転子側にマグネット１１ｂをそれぞれ備え、マグネット１１ｂが、回転体８の周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられ、コイル１１ａとの相互作用により、回転体８が、投光入射光路Ｌ１の光軸を回転軸として回転するように構成されている。

回転体８の天板部８ｂの上下面には、回転軸上に、投光ミラー９と、受光ミラー１０とがそれぞれ傾斜姿勢で取り付けられ、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって投光ミラー９に入射した後、反射して投光出射光路Ｌ２に導かれるとともに、ハウジング２の外方に形成される測定対象空間である走査領域内に存在する物体、つまり測定対象物からの反射光が、受光入射光路Ｌ３によって受光ミラー１０に入射した後、反射して受光出射光路Ｌ４に導かれる。

即ち、走査部４は、パルス状の測定光を測定対象空間に向けて反射する投光ミラー９と、測定対象物からの反射光を前記受光部５に向けて反射する受光ミラー１０と、投光ミラー９及び受光ミラー１０を投光部３と受光部５を結ぶ軸心周りに回転させる回転機構としてのモータ１１を備えて構成されている。

なお、本実施形態では、投光ミラー９及び受光ミラー１０は、回転体８の回転軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しており、投光出射光路Ｌ２及び受光出射光路Ｌ３とが、投光入射光路Ｌ３の光軸(受光入射光路Ｌ４の光軸)と直交する光軸をそれぞれ有し、互いに平行となるように設定されている。これにより、投光出射光路Ｌ１により物体に照射されて反射する反射光を、受光入射光路Ｌ３から取り込むことが可能となる。また、回転体８の周壁部８ａの一部に開口部８ａ１が形成されており、この開口部８ａ１に受光レンズ１４が取り付けられている。これにより、物体からの反射光が受光部５で集束されるようになっている。さらに、回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が、回転体８の外周面に固定された光学的スリットを有するスリット板１５ａと、スリット板１５ａの回転経路上に配置されたフォトインタラプタ１５ｂとから構成されている。

受光部５は、例えばアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と、光電変換された信号を増幅する増幅回路を備えて構成され、回転体８の内部に収容された状態で投光部３と対向するように受光入射光路Ｌ４上に配置されている。詳述すると、受光部５は、回転体８を支承する中空軸１３の上端面に配置されており、モータ１１による回転体８の回転動作とは無関係に、常に静止状態を維持するようになっている。また、受光部５からの出力信号は、図示していないが、中空軸１３の内部空間に挿通された信号線により後述の信号処理回路に接続されている。

光ファイバ６は、一端部から投光出射光路Ｌ２上の測定光の一部を受光し、その受光した光を他端部から受光ミラー１０に向けて出射するように、両端部が回転体８の天板部８ｂの上下面に取り付けられており、投光部３から出力された測定光の一部が、投光ミラー９で反射された後、光ファイバ６により受光ミラー１０へと導かれると共に反射され、受光部５で受光される。つまり、測定光の一部を基準光として一定の光路長で前記受光部に導く基準光路が形成され、光ファイバ６が、回転機構１１により回転し、投光ミラー９で反射した測定光の一部を受光ミラー１０に導く導光部材となる。

回転体８を回転させると、投光部３から出力された測定光は、回転体８の回転軸を中心とする周囲３６０度に亘って走査され、両端部が回転体８に取り付けられた光ファイバ６も回転体８と一体に回転する。従って、投光部３から出力されるパルス状の測定光は、回転機構１１により周囲３６０度に連続して走査され、同時に測定光の一部が基準光路を経由して受光部５に導かれる一方、測定対象空間に向けて走査される測定光の一部が測定対象物から反射して受光部５に導かれる。

図２に示すように、通常、受光部５からは、先ず基準光Ｓ３に対応した基準信号Ｓ５ａが出力され、その後、測定対象物からの反射光Ｓ４に対応した反射信号Ｓ５ｂが出力される。つまり、受光部５の出力信号Ｓ５は、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂで構成される。この基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂとの時間差ｔ５に基づいて物体までの距離を演算すれば、投光部３や受光部５での光電変換の遅延時間ｔ２、ｔ４の変動など、装置内部の不安定要素の変動の影響を的確に低減することができ、周囲３６０度の全方位に亘って物体までの距離を高精度に演算することができる。

以下、詳述する。測定光のうち基準光路を経由する基準光Ｓ３と物体からの反射光Ｓ４とが同一の受光部５で受光されるため、受光部５で基準光Ｓ３が受光されて基準信号Ｓ５ａが出力されるまでの遅延時間ｔ３と、受光部５で反射光Ｓ４が受光されて反射信号Ｓ５ｂが出力されるまでの遅延時間ｔ４とはともに一致することになる。従って、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂとの時間差ｔ５の測定は、受光部５で基準光Ｓ３を受光してから反射光Ｓ４を受光するまでの時間差ｔ６の測定と等価となり、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂに基づいて物体までの距離を演算すれば、受光部５での応答時間ｔ４の影響を受けることがなくなる。

さらに、基準信号Ｓ５ａを基準として距離を演算するため、投光部３に発光駆動信号（以下、「トリガ信号」と記す場合もある。）Ｓ１が入力されてから実際にパルス光が出射されるまでの遅延時間ｔ２の影響を受けることもなくなる。投光部３から測定光Ｓ２が出力されてから受光部５で基準光Ｓ３が受光されるまでの時間差ｔ７は、基準光路の光路長が短いこと、及び光の速度が高速であることから測定精度には実質上の影響がない。また、この時間差ｔ７を距離に換算すると、既知である基準光路の光路長に対応するものであるから、距離演算時に補正することも可能である。従って、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂとの時間差ｔ６は、投光部３から実際に測定光Ｓ２が出力されたタイミングから反射光Ｓ４を受光部５で受光するタイミングまでの時間差ｔ１を直接測定することと略相違がなく、この時間差ｔ５に基づいて物体までの距離を演算すれば、上述のように装置内部の回路の応答性等の不安定要素の影響が効果的に低減され、高精度な距離測定を実現することが可能となる。

なお、上述した第１の実施形態では、投光ミラー９と受光ミラー１０とを別個の部材で形成したものを説明したが、双方のミラー９、１０を単一の部材の表面に一体に形成したものであってもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、基準光路の構成のみが上記の第１の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる基準光路の構成を中心に説明し、共通の構成要素については同符号を付して詳しい説明を省略する。

同図に示すように、この走査式測距装置２１における基準光路は、回転機構１１による回転軸心と同軸心に配置され、投光ミラー９で反射した測定光の一部を受光ミラー１０に導く円環状の反射部材２２を備えて構成されている。つまり、投光出射光路Ｌ２上に配置された円環状の反射部材２２により、投光出射光路Ｌ２内の測定光の一部が受光ミラー１０に向けて反射（散乱）されるので、回転体８の回転動作に伴って、走査領域の全域に亘って同様にして基準光路が形成されることとなる。なお、本実施形態では、反射部材２２は、ハウジング２の透光窓２ａ１の周方向に沿って配置されている。この場合、円筒状のハウジング２の中心軸と、回転体８の回転軸とを一致させることが肝要となる。また、反射部材２２としては、例えば透光窓２ａ１に蒸着等の手法により反射膜を成膜したものや、或いは反射フィルムを透光窓２ａ１に接着したもの等を利用することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、基準光路の構成のみが上記の第１及び第２の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる基準光路を中心に説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

同図に示すように、この走査式測距装置３１における前記基準光路は、前記回転機構１１による回転軸心に沿って投光部９から受光部１０に測定光の一部を導くように構成されている。具体的には、投光出射光路Ｌ１の光軸（回転体８の回転軸）上に、投光ミラー９、回転体８の天板部８ｂ、及び受光ミラー１０に連通する貫通孔３２を形成し、この貫通孔３２により、投光出射光路Ｌ１上の光の一部を受光部５に直接受光させるように基準光路が形成されている。この基準光路は、回転体８の回転軸と一致していることから、回転体８の走査角度によらず常に基準光路を介して受光部１０に基準光が導かれる。なお、貫通孔に代えて、投光ミラー９及び受光ミラー１０に形成される鏡面のうち前記軸心と交差する部位を非鏡面である透過面に、つまり測定光の一部を透過させるように基準光路を構成することも可能である。

図５は、本発明の第４の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、投光部３からの測定光を走査部４３に向けて反射するミラー４２をさらに備え、走査部４３はミラー４２で反射された測定光を測定対象空間に向けて反射するとともに、測定対象物からの反射光を受光部５に向けて反射する投受光ミラー４７と、投受光ミラー４７を所定の軸心周りに回転させる回転機構４８を備えて構成され、基準光路は、測定光の一部をミラー４２を介さずに受光部５に導く導光部材を備えて構成されている。以下では、上述の第１から第３の実施形態との相違点を中心に説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

同図に示すように、この走査式測距装置４１は、ハウジング２を備えると共に、このハウジング２の内部に、投光部３と、受光部５と、ミラー４２と、走査部４３と、導光部材としての光ファイバ４４とを主たる構成要素として備えている。

投光部３は、図中の左右方向に測定光を出射するように配置されている。そして、投光部３から左右方向に出射された測定光が通る第１の投光出射光路Ｌ５上には、投光部３から出射されたパルス光のビーム径を一定にするために光学レンズ４５ａと、この第１の投光出射光路Ｌ５の光軸Ａ５に対して傾斜したミラー４２が配置されており、第１の投光出射光路Ｌ５を通る測定光を下向きに反射して第２の投光出射光路Ｌ６に導くようになっている。

第２の投光出射光路Ｌ６の下方位置に、第２の投光出射光路Ｌ６の光軸Ａ６を回転軸として回転駆動される回転体４６が配置されている。回転体４６の上端部には、回転体４６の回転軸に対して例えば４５度で傾斜した状態で投受光ミラー４７が取り付けられている。一方、回転体４６の下端部には、回転体４６を回転駆動する回転機構としてのモータ４８が連結されている。このようにして、回転体４６と、投受光ミラー４７と、モータ４８とから走査部４３が構成されている。そして、第２の投光出射光路Ｌ６によって投受光ミラー４７に入射した光は、投受光ミラー４７で反射され投光出射光路Ｌ７に導かれる。

一方、ハウジング２の外方の測定対象空間に存在する物体からの反射光は、投光出射光路Ｌ７と逆向きの光路となる受光入射光路Ｌ８により再度投受光ミラー４７に入射した後、第２の投光入射光路Ｌ６と逆向きの光路となる第１の受光出射光路Ｌ９によりミラー４２の周部を通過して受光部５へと入射する。第１の受光出射光路Ｌ９の光軸は第２の投光出射光路Ｌ６の光軸Ａ６と一致するように構成され、その光路Ｌ９上には反射光を受光部５に合焦させる光学レンズ４５ｂが配置されている。

この走査式測距装置４１における基準光路は、投光部３から出力された測定光が、ミラー４２に入射する前に、その一部を光ファイバ４４で受光部５に導くことで形成される。この場合、投光部３と受光部５は、回転体４６の回転動作とは無関係であることから、回転体４６を回転させても、投光部３と受光部５に対する光ファイバ４４の相対的な位置関係は一定に保たれる。従って、回転体の角度位置によらず、走査領域の全域に亘って、基準光路が形成されることとなる。

図６は、本発明の第５の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、上記の第４実施形態と基準光路の構成のみが相違するもので、基準光路は、回転機構４８による回転軸心と同軸心に配置され、投受光ミラー４７で反射された測定光の一部を投受光ミラー４７に導く円環状の反射部材５２を備えて構成されている。以下では、相違点となる基準光路の構成について説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

この走査式測距装置５１における基準光路は、投光出射光路Ｌ７上に配置された反射部材５２で、投光出射光路Ｌ７内の光の一部を投受光ミラー４７に向けて再度反射（散乱）させることで形成されている。さらに、この反射部材５２は、回転体４６の回転軸を中心とする円環状を呈していることから、回転体４６の回転動作に伴って、走査領域の全域に亘って同様にして基準光路が形成されることとなる。なお、本実施形態では、反射部材５２は、ハウジング２の透光窓２ａ１の周方向に沿って配置されている。この場合、円筒状のハウジング２の上下方向中心線と、回転体４６の回転軸とを一致させることが肝要となる。また、反射部材５２としては、例えば透光窓２ａ１に蒸着等の手法により反射膜を成膜したものや、或いは所定の反射体を接着したもの等を利用することができる。

図７は、本発明の第６の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、上記の第４及び第５の実施形態と基準光路の構成のみが相違するもので、基準光路は、回転機構４８により回転し、前記投受光ミラー４７で反射された測定光の一部を投受光ミラー４７に向けて反射する反射部材６２を備えて構成されている。以下では、相違点となる基準光路の構成について説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

同図に示すように、この走査式測距装置６１における基準光路は、回転体４６と一体に回転する反射部材６２を投光出射光路Ｌ７と受光入射光路Ｌ８の共通部分に配置し、投光部３から出射され投受光ミラー４７で反射されたパルス光を反射部材６２で再度投受光ミラー１０に向けて反射することで形成される。さらに、回転体４６の回転に伴って、投受光ミラー４７と反射部材６２とが一体に回転するので、走査領域の全域に亘って同様にして基準光路が形成されることとなる。

以下に、上述した第１〜第６の実施形態に係る走査式測距装置において、測定光の出力タイミングに同期して受光部により検出される基準光と反射光の検出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部を含む信号処理回路について説明する。

図８に示すように、信号処理回路７０は、受光部５で光電変換されたアナログ信号Ｓ５をデジタル信号に変換するＡＤ変換器７３と、ＡＤ変換器７３で変換されたデジタル信号に基づいて基準信号Ｓ５ａ（図２参照）及び反射信号Ｓ５ｂ（図２参照）の時間差を算出するＦＰＧＡで構成される信号処理部７２と、システム全体を制御するとともに信号処理部７２で算出された時間差に基づいて距離情報を算出するＣＰＵを備えたシステム制御部７１等を備えて構成される。

システムに電源が投入されると、システム制御部７１からモータ制御回路７４にモータ駆動信号が出力され、モータ制御回路７４によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータの回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号がシステム制御部７１に入力され、当該パルス信号に基づいてシステム制御部７１では走査部４による測定光の出力方向が把握される。なお、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で他と異なるように形成されているため、パルス信号の波形に基づいて基準位置が検出され、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。

図１０に示すように、走査角度検出部１５から出力されるパルス信号に基づいて計測タイミングを算出したシステム制御部７１から、信号処理部７２のパルス信号生成部７２３（図９参照）に計測タイミング信号が入力されると、パルス信号生成部７２３から当該計測タイミング信号を基準とする所定タイミングでＡＤ変換器７３に変換開始信号が出力されるとともに、変換開始信号から僅かに遅れて投光部３に所定のデューティ比の発光駆動信号Ｓ１が出力される。投光部３に備えた発光素子が当該発光駆動信号Ｓ１に同期して駆動され、パルス状の測定光Ｓ２が出力される。つまり、測定光Ｓ２の発光強度は当該発光駆動信号のデューティ比及び発光素子の駆動電流により制御され、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動される。

発光素子が駆動されると、測定光Ｓ２の一部が基準光Ｓ３として上述の基準光路を介して受光部５で検出されて基準信号Ｓ５ａが生成され、測定対象空間に出力された測定光Ｓ２の測定対象物からの反射光Ｓ４が受光部５で検出されて反射信号Ｓ５ｂが生成される。つまり、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂが受光部５で光電変換されたアナログの出力信号Ｓ５となる。

アナログの出力信号Ｓ５はＡＤ変換器７３により所定のサンプリング周波数ｆｓでサンプリングされてデジタル信号に変換されて信号処理部７２に出力される。信号処理部７２では、デジタル変換された基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂの時間差が算出され、システム制御部７１では信号処理部７２により算出された時間差と走査角度検出部１５からの信号入力に基づいて測定対象物までの距離及び方向が算出される。

以下に、信号処理部７２の構成及びその動作について詳述する。図９に示すように、信号処理部７２は、第一メモリ７２１と、ローパスフィルタ７２２と、基準信号Ｓ５ａ及び反射信号Ｓ５ｂの夫々を微分する微分処理部７２４と、閾値設定部７２５と、反射光光量検出部７２６と、基準光光量検出部７２７と、微分された基準信号Ｓ５ａ及び反射信号Ｓ５ｂから時間差を算出する時間差検出部７２８と、各種の演算結果を記憶する第二メモリ７２９と、トリガ信号を生成するパルス信号生成部７２３等を備えている。ここでメモリはＲＡＭ等の半導体メモリが用いられる。

第一メモリ７２１にはＡＤ変換器７３により変換されたデジタル信号が時系列的に一時記憶される。第一メモリ７２１から読み出されたデジタル信号はローパスフィルタ７２２により高周波ノイズ成分が除去されて微分処理部７２４等に供給される。

微分処理部７２４は、ローパスフィルタ７２２を通過した基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂを含む出力信号Ｓ５を微分処理して時間差検出部７２８に出力する。詳述すると、反射信号Ｓ５ｂに対しては、図１１（ａ）に示すように、Ｋ番目（Ｋはサンプリング順序を示す自然数である）のサンプリング値とＫ−１番目のサンプリング値の差分を各Ｋについて求め、その値を同図（ｂ）に示すような微分信号として算出する。なお、本実施形態では、差分値が負となる場合には零に丸め込み、正領域のみ抽出するように構成されている。また、基準信号Ｓ５ａに対してはそのまま微分処理するのではなく、後述の累積加算波形生成部で求められる累積加算波形データに対して上述と同様の微分処理が行なわれるように構成されている。

閾値設定部７２５は、ローパスフィルタ７２２を通過したデジタルの出力信号Ｓ５のうち、基準信号Ｓ５ａ生成前の信号の最大レベルから最小レベルを減算して、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂを検出するための第一測定閾値Ｌ１を算出するとともに、基準信号Ｓ５ａ生成前の信号の平均レベルをオフセット値に対応した第二測定閾値Ｌ２として算出する。

つまり、変換開始信号が出力された後、発光駆動信号Ｓ１が出力されるまでの間は、基準光や反射光が検出されることなく、微小な外乱光によるノイズ信号がオフセットレベルに重畳した信号がサンプリングされるので、その間にオフセットレベルやノイズレベルが算出されるのである。算出された第一測定閾値Ｌ１は時間差検出部７２８に出力され、第一及び第二測定閾値Ｌ１，Ｌ２は反射光光量検出部７２６及び基準光光量検出部７２７に出力される。

時間差検出部７２８は、微分処理部７２４から入力される微分信号から、第一測定閾値Ｌ１より大となる領域の信号成分を抽出し、その正側領域（図１０に示す微分波形の実線部）の重心位置を立上りタイミングとして算出し、測定光の出力タイミングから基準信号Ｓ５ａの立上りタイミングまでの時間差、つまり基準光遅延時間Δｔ１と、測定光の出力タイミングから反射信号Ｓ５ｂの立上りタイミングまでの時間差、つまり反射光遅延時間Δｔ２を求めて、その結果を第二メモリ７２９に格納する。

具体的に反射信号Ｓ５ｂを例に説明すると、図１１に示すように、微分信号のうち第一測定閾値Ｌ１を二回連続して超えるサンプリングポイントを検出し、二回目に第一測定閾値Ｌ１を超えたポイントの微分信号値Ｄｎを中心として、例えば前後に連続する１０点のサンプリングポイント（ｎ−１０〜ｎ＋１０）を重心演算範囲Ｒ１として、〔数１〕に示す数式に基づいて重心位置Ｐを算出する。つまり、重心位置Ｐはサンプリングポイント（ｎ−１０）からの時間情報として算出される。このような処理を基準信号Ｓ５ａの累積加算波形データに対しても行なうことにより、それぞれの重心位置Ｐが求められる。

一般に、反射光の光量は測定対象物の反射特性により変動するため、反射信号Ｓ５ｂの立上りタイミングを所定の閾値を超えたタイミングとして求める場合には、反射光が同じタイミングで受光部５に入射しても、その光量によって立上り特性が異なり僅かな誤差が発生するが、反射信号Ｓ５ｂを微分してその正側領域の重心位置として求める場合には、光量が異なる場合であってもほぼ等しい値として求まるのである。

システム制御部７１は、〔数２〕に示すように、第二メモリ７２９に記憶された基準光遅延時間Δｔ１と反射光遅延時間Δｔ２の差から算出される両信号間の遅延時間Δｔに基づいて、〔数３〕に示す演算式により測定対象物までの距離Ｌを算出するとともに、そのときの走査角度検出部１５からの信号入力に基づいて測定対象物の存在する方向を同定する。なお、〔数３〕のＣは光速を示す。

測定光Ｓ２の発光強度は当該発光駆動信号のデューティ比及び発光素子の駆動電流により制御され、測定対象空間に設定された検出範囲内に存在する測定対象物からの反射光を確実に検出するために十分な発光強度に設定されているため、反射光の強度によっては受光部５の増幅回路が飽和してリニアな出力特性が得られない場合がある。つまり、微弱な反射光を十分に増幅するために、増幅回路のダイナミックレンジが入力スパンに対応できず、強い反射光に対して飽和するのである。

図１４に示すように、受光部５の増幅回路からの出力波形を観測すると、測定対象物からの反射光量が小さいときには、反射信号Ｓ５ｂ１から反射信号Ｓ５ｂ３に示すようにリニアに増幅されるが、測定対象物からの反射光量が大きいときには、反射信号Ｓ５ｂ４から反射信号Ｓ５ｂ６に示すように飽和して正確な波高値が出力されず、その出力が立ち下がるまでの時間が長くなる。このような場合には、算出された重心位置が本来あるべき重心位置とずれることとなり、測定対象物との距離Ｌが正確に算出できなくなる。

しかし、反射信号Ｓ５ｂ４から反射信号Ｓ５ｂ６のように出力が飽和したときには、その信号の積分値と反射光の受光光量に相関があることが見出されており、時間差検出部７２８により検出された重心位置に基づいて算出された距離Ｌを、当該積分値と予め設定された補正テーブル値に従って適切に補正することができる。

そこで、反射光光量検出部７２６で当該積分値が算出され、その結果が第二メモリ７２９に格納される。反射光光量検出部７２６は、図１２に示すように、ローパスフィルタ７２２を通過した出力信号Ｓ５のうち、基準信号Ｓ５ａの次に現れる反射信号Ｓ５ｂに対して第一測定閾値Ｌ１と第二測定閾値Ｌ２の加算値を最初に超える直前のサンプリング値から第二測定閾値Ｌ２を最初に下回るサンプリング値までを積分範囲Ｒ２として積分処理する。積分処理に際して、積分範囲Ｒ２に対応する積分値から第二測定閾値Ｌ２以下の領域の積分値を減算することによりオフセット誤差を除去する。ここで、オフセット誤差を除去するために、積分範囲Ｒ２のサンプリング値から第二測定閾値Ｌ２を減算した値に対して積分することも可能である。

システム制御部７１は第二メモリ７２９に記憶された積分値を読み出して、予め設定された積分値と補正距離の関係を示す補正テーブル値に基づいて算出された距離Ｌを補正するのである。

基準光路を介して検出される基準光Ｓ３の強度は、受光部５により光電変換された基準信号の波高値が想定される測定対象物からの反射光の平均光量よりも小さい値、本実施形態では平均光量の１／１０程度の値になるように調整されている。具体的には、上述の第１から第６の実施形態で説明した光ファイバ６、４４の径や配置、反射部材２２、５２、６２による基準光の反射率、或いは第３の実施形態で説明した貫通孔３２に配置する減光フィルタ等、光学素子の特性や配置等が調整されている。

つまり、受光部５で検出される基準信号Ｓ５ａの最大信号レベルが所定の第一閾値Ｂ１以下となるように基準光Ｓ３の光量が予め調整され、反射光と識別できるように構成されている。基準光の最大信号レベルが第一閾値Ｂ１、つまり、測定対象物からの反射光の想定最小信号レベルより低い値以下になるように予め調整されるので、測定光の出力タイミングに同期した所定のタイミングにおいて受光部５で検出される信号レベルが第一閾値Ｂ１より高いときには、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置すると判断することができ、誤った演算を行なうことなく、適切に対応することができるように構成されている。以下、詳述する。

基準光光量検出部７２７は、ローパスフィルタ７２２を通過した出力信号Ｓ５のうち、第一測定閾値Ｌ１と第二測定閾値Ｌ２の加算値を最初に超える直前のサンプリング値から第二測定閾値Ｌ２を最初に下回るサンプリング値までを基準信号Ｓ５ａと認識し、その間の最大値からオフセット値である第二測定閾値Ｌ２を減算した値が第一閾値Ｂ１より小さいか否か、さらには第一閾値Ｂ１より低く設定された第二閾値Ｂ２より小さいか否かを判別する基準光光量判別部を備えている。

基準光光量判別部で基準信号Ｓ５ａが第二閾値Ｂ２より小さいと判別されたときに、投光部３または受光部５を構成する光源や受光素子等の部品または光学系に何らかの支障を来たしていると判断して故障情報を第二メモリ７２９に格納する。システム制御部７１は第二メモリ７２９に記憶された故障情報を読み出すと、システムに障害が発生した旨の情報を外部に報知する。具体的には、ＬＥＤで構成される故障モニタが点灯され、或いはアラームが鳴動され、また或いは接続されている外部機器に故障信号が出力される。つまり、基準光光量判別部により自己診断部が構成されている。

基準光光量検出部７２７には、基準光光量判別部で基準信号Ｓ５ａが第二閾値Ｂ２より大きく且つ第一閾値Ｂ１より小さい正常な値であると判別されたときに、測定光の出力タイミングから基準信号Ｓ５ａの立下りまでの波形データを、測定光の出力タイミングに同期した基準光の特性データとして記憶する基準信号波形データ記憶部７２７aを備えている。

さらに、基準光光量検出部７２７には、基準光光量判別部で正常と判断された基準信号Ｓ５ａと過去に基準信号波形データ記憶部７２７ａに記憶されている基準信号Ｓ５ａとを平均処理した平均波形データを特性データとして生成し、基準信号波形データ記憶部７２７ａに記憶する平均波形生成部と、基準光光量判別部で正常と判断された基準信号Ｓ５ａと過去に基準信号波形データ記憶部７２７ａに記憶されている基準信号Ｓ５ａとを累積加算処理した累積加算波形データを特性データとして生成し、基準信号波形データ記憶部７２７ａに記憶する累積加算波形生成部を備えている。

累積加算波形生成部で求められる累積加算波形データは、直近の過去数回の基準信号波形データが加算されるように構成されており、これにより反射信号に対して低レベルの基準信号であっても、上述の微分処理や重心演算処理に十分なレベルの基準信号とすることができる。例えば、基準信号の波高値が反射光の平均光量の１／１０程度の値になるように調整されている本実施例では、直近の１０回の基準信号波形データを加算するように構成している。

平均波形生成部で求められる平均波形データの累積平均回数は特に制限されるものではなく、過去の単位走査毎、或いは数十走査毎、さらには数百回から数千回等、任意に設定することができる。

図１３に示すように、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置すると、基準信号Ｓ５ａに反射信号Ｓ５ｂが重畳して信号レベルが第一閾値Ｂ１より高くなる。このような場合に、微分処理部７２４で反射信号Ｓ５ｂが微分処理されると、同図に示す基準信号Ｓ５ａに対する微分波形（図中、太い実線で示す）の影響により正確な重心位置が求められず、時間差検出部７２８により正確な時間差が検出されなくなる。

そこで、基準光光量判別部で基準信号Ｓ５ａの信号レベルが第一閾値Ｂ１以上であると判別されると、微分処理部７２４及び時間差検出部７２８に測定対象物が近距離に存在する旨の信号が出力されるように構成されている。

微分処理部７２４では、当該信号が入力されると、基準信号と反射信号が重畳した出力信号Ｓ５から基準信号波形データ記憶部７２７aに記憶された基準信号Ｓ５ａの累積平均波形データを減算して真の反射信号Ｓ５ｂを生成する。そして、基準信号波形データ記憶部７２７aに記憶された過去の基準信号Ｓ５ａの累積加算波形データと、当該真の反射信号Ｓ５ｂの夫々に対して微分処理が実行される。

図１３に示すように、時間差検出部７２８では、微分処理部７２４から入力された夫々の微分信号に対する重心演算処理を行ない、測定光の出力タイミング、つまりトリガ信号の出力タイミングを基準として、基準信号Ｓ５ａの累積加算波形データに対する基準光遅延時間Δｔ１、及び、真の反射信号Ｓ５ｂに対する反射光遅延時間Δｔ２を算出して第二記憶部７２９に記憶する。

システム制御部７１は、第二メモリ７２９に記憶された基準光遅延時間Δｔ１と反射光遅延時間Δｔ２の差から算出される両信号間の遅延時間Δｔに基づいて、上述の〔数３〕に示す演算式により測定対象物までの距離Ｌを算出するとともに、そのときの走査角度検出部１５からの信号入力に基づいて測定対象物の存在する方向を同定する。

このようにして、走査式測距装置の近傍に測定対象物が位置するときには、近傍に測定対象物が存在しないと判断された過去において基準信号波形データ記憶部７２７aに記憶された累積加算波形データに基づいて基準光遅延時間が算出され、反射信号Ｓ５ｂから基準信号波形データ記憶部７２７aに記憶された累積平均波形データが減算された真の反射信号に基づいて反射光遅延時間が算出されるので、測定対象物までの距離が正確に算出されるようになる。

さらに、反射信号Ｓ５ｂが受光部５の増幅回路で飽和しているときには、上述の累積平均波形データの減算による補正処理では正確な反射信号Ｓ５ｂが得られないため、システム制御部７１は、上述と同様に、反射光光量検出部７２６で算出された積分値と補正テーブル値に基づいて距離を補正する。このとき、反射光光量検出部７２６でも、反射信号Ｓ５ｂから累積平均波形データを減算した真の反射信号Ｓ５ｂに基づいて積分値を算出することにより、正確な補正が可能となる。

他の方法として、基準信号Ｓ５ａが重畳した反射信号Ｓ５ｂの波形形状と基準信号Ｓ５ａが重畳していない反射信号Ｓ５ｂの波形形状から反射信号Ｓ５ｂの波形形状を補正する補正テーブルを予め準備しておき、当該補正テーブルに基づいて基準信号Ｓ５ａが重畳した反射信号Ｓ５ｂを補正するように構成してもよい。

つまり、反射信号Ｓ５ｂが飽和しているときには、図１４に示すように、急峻に立ち上がるため、反射信号Ｓ５ｂの立ち上がり特性に基準信号Ｓ５ａのなだらかな立ち上がり特性が含まれているときには、そのなだらかな立ち上がり部分を除去して、反射信号Ｓ５ｂの急峻な立ち上がり特性で波形を補間するのである。

図１５に示すように、基準信号Ｓ５ａと反射信号Ｓ５ｂとが重畳するときに、補正せずにそのまま微分処理する場合には、測定対象物が実際の距離より短く検出される。従って、走査式測距装置を安全装置として使用する場合には、安全サイドに距離が検出されるので大きな不都合は無い。同図は、測定光が４ｎｓｅｃ．のパルス光である場合に、６００ｍｍの位置で６０ｍｍ程度短く検出されることを示すものである。

なお、上述の説明では、微分処理部７２４で、出力信号Ｓ５が基準信号Ｓ５ａの累積平均波形データで補正された後に微分処理される例を説明したが、算出される距離が要求される精度を満たしている場合には、必ずしも反射信号Ｓ５ｂを累積平均波形データで補正処理する必要はなく、基準信号Ｓ５ａが重畳された反射信号Ｓ５ｂそのものを微分処理するものであってもよい。

また、基準光光量判別部で、特定の走査角にあるときのみ基準信号Ｓ５ａが第一閾値Ｂ１より大きいと判別されるような場合や、基準信号Ｓ５ａが第一閾値Ｂ１より大きいが、その後反射信号Ｓ５ｂが検出されるような場合には、ハウジング２に設けられた円環状の透光窓２ａ１の汚れにより測定光が透光窓２ａ１から反射していると判断して、透光窓２ａ１のクリーニングを促す旨の報知部を備えるものであってもよい。報知部は、ＬＥＤによる表示、アラームの鳴動等、適宜構成すればよい。

以上説明した信号処理手順を図１６に基づいて整理する。トリガ信号Ｓ１に同期して測定光Ｓ２が出力され、基準光及び反射光が受光部５にて検出され、ＡＤ変換器７３でデジタルの基準信号及び反射信号に変換されて第一メモリ７２１に格納され、信号検出フェーズが終了する。第一メモリ７２１には、トリガ信号Ｓ１以降の受光部５の出力波形がサンプリングタイミングに応じて時系列に記憶されているため、メモリアドレスをカウントすることにより時間経過を把握することができる。

第一フェーズが終了すると、基準光光量検出部７２７により第一メモリ７２１に格納された基準信号が適正な光量レベルであるか否かが判断され、適正であれば（第一閾値Ｂ１以下で第二閾値Ｂ２より大のとき）平均波形データ及び累積加算波形データが更新されて基準信号波形データ記憶部７２７ａに格納され、反射信号に対して微分処理部７２４で微分処理され、時間差検出部７２８で微分波形に基づく重心演算が行なわれて反射光遅延時間Δｔ２が算出され、反射光遅延時間Δｔ２が第二メモリ７２９に格納されて、第二フェーズが終了する。

なお、第二フェーズで、基準光光量検出部７２７により基準信号が適正な光量レベルより異常に低いと判断されると（第二閾値Ｂ２より小のとき）平均波形データ等が更新処理されず、代わりに故障情報が第二メモリ７２９に格納され、適正な光量レベルより高いと判断されると（第一閾値Ｂ１より大のとき）平均波形データ等が更新処理されず、代わりに測定信号から過去の平均波形データが減算処理される。

第二フェーズが終了すると、基準信号波形データ記憶部７２７ａに格納された累積加算波形データが微分処理部７２４に読み込まれて、基準信号に対する微分処理が行なわれ、時間差検出部７２８で微分波形に基づく重心演算が行なわれて基準光遅延時間Δｔ１が算出され、基準光遅延時間Δｔ１が第二メモリ７２９に格納される。システム制御部７１により第二メモリ７２９に格納された基準光遅延時間Δｔ１及び反射光遅延時間Δｔ２の差分演算が行なわれて測定対象物までの距離が算出され、必要に応じて補正処理が施されて第三フェーズが終了する。

第一フェーズから第三フェーズまでの演算処理がトリガ信号Ｓ１の周期内で実行されるのである。

以上説明したように、本発明による走査式測距装置では、基準光路を介して得た基準信号により測定対象物までの距離を正確に検出することを可能としながらも、投光部からの測定光を周囲３６０度に連続して走査することができるようになった。

以下、別の実施形態を説明する。上述の実施形態では、受光部で検出される基準光の信号レベルが第一閾値以下の適正値であるときに、微分処理部７２４において、基準信号に対する微分処理が今回の基準光と基準信号波形データ記憶部７２７ａに記憶された過去の基準光の信号波形との累積加算波形に対して行なわれるものを説明したが、基準光の光量レベルの設定が極端に低くない場合には、ＡＤ変換された生データに対して微分処理が行なわれるように構成するものであってもよい。また、今回の基準光と基準信号波形データ記憶部７２７ａに格納された過去の基準光の信号波形との平均波形に対して微分処理が行なわれるように構成するものであってもよい。生データまたは平均波形のレベルが低いときには、各信号値を定数倍する増幅演算を行なった信号波形に対して微分処理が行なわれるようにしてもよい。

さらに、システム制御部７１が距離を算出する際に、第二メモリ７２９に記憶された過去の基準光遅延時間と今回の基準光遅延時間との平均値である平均遅延時間を真の基準光遅延時間として採用して、基準信号の平均遅延時間と反射光遅延時間に基づいて距離が算出されるように構成してもよい。このとき平均演算に採用するデータ数は特に制限されるものではない。

同様に、上述した実施形態では、基準信号が第一閾値Ｂ１よりも大であるときに、基準信号波形データ記憶部７２７aに格納された過去の基準信号の累積加算波形に基づいて基準光遅延時間が算出される例を説明したが、受光部で検出される基準光の信号レベルが第一閾値Ｂ１以下の適正な値であるときに、基準光の特性データが記憶部に記憶され、基準光の信号レベルが第一閾値Ｂ１より大となるときに、記憶部に記憶された過去の特性データに基づいて測定光の出力タイミングから基準光が検出されるまでの基準光遅延時間が求められるものであれば、必ずしも累積加算波形に基づいて基準光遅延時間が算出される必要が無い。

このような過去の特性データとしては、累積加算波形以外に、基準光の信号波形、信号波形の累積加算波形、基準光遅延時間、基準光遅延時間の平均遅延時間等を採用することができる。このときも必要な平均演算に採用するデータ数は特に制限されるものではない。

なお、上述の実施形態において、基準信号と測定信号の立上りタイミングを、微分信号の正側領域の重心位置により求めるものを説明したが、立上りタイミングを求めるための演算は、これに限るものではなく、例えば双方の信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂの立ち上がり部分の時間軸上での重心位置を算出する方法や、双方の信号の立ち上がり部分を直線近似または多項式近似して、その近似線と出力信号Ｓ５のオフセットレベルとの交点の位置を算出する方法等を採用することができる。

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。

本発明の第１の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 図１の走査式測距装置における光信号波形と電気信号波形のタイミングを示す説明図 本発明の第２の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第３の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第４の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第５の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明の第６の実施形態を示す走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図 本発明による走査式測距装置の信号処理回路のブロック構成図 図８に示す信号処理部のブロック図 基準信号と反射信号の遅延時間Δｔを求めるための微分処理の説明図 微分処理及び重心位置算出処理の説明図 基準信号と反射信号に対するサンプリング処理及び演算処理の説明図 基準信号と反射信号が重畳する場合の遅延時間Δｔを求めるための微分処理の説明図 受光部で検出された反射信号の飽和特性図 基準信号と反射信号が重畳する場合の測距誤差の説明図 信号処理手順の説明図

符号の説明

１ 走査式測距装置
２ ハウジング
３ 投光部
４ 走査部
５ 受光部
６ 光ファイバ
８ 回転体
９ 投光ミラー
１０ 受光ミラー
１１ モータ
１５ 走査角度検出部
２１ 走査式測距装置
２２ 反射部材
３１ 走査式測距装置
３２ 貫通孔
４１ 走査式測距装置
４２ ミラー
４３ 走査部
４４ 光ファイバ
４５ａ 光学レンズ
４５ｂ 光学レンズ
４６ 回転体
４７ 投受光ミラー
４８ モータ
５１ 走査式測距装置
５２ 反射部材
６１ 走査式測距装置
６２ 反射部材
７０ 信号処理回路
７１ システム制御部
７２ 信号処理部
７３ ＡＤ変換器
７４ モータ制御回路
７２１ 第一メモリ
７２２ ローパスフィルタ
７２３ パルス信号生成部
７２４ 微分処理部
７２５ 閾値設定部
７２６ 反射光光量検出部
７２７ 基準光光量検出部
７２７ａ基準信号波形データ記憶部
７２９ 第二メモリ

Claims (9)

1. パルス状の測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて所定軸心周りに回転走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、
   前記測定光の一部を基準光として一定の光路長で前記受光部に導く基準光路を前記走査部に備えると共に、前記受光部で検出される前記基準光の最大信号レベルが測定対象物からの反射光の想定最小信号レベルより低い第一閾値以下となるように前記基準光の光量が予め調整され、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記基準光と前記反射光の検出時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する演算部を備えている走査式測距装置。
2. 前記走査部は、前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射する投光ミラーと、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する受光ミラーと、前記投光ミラー及び前記受光ミラーを前記投光部と前記受光部を結ぶ軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、
   前記基準光路は、前記回転機構により回転し、前記投光ミラーで反射した前記測定光の一部を前記受光ミラーに導く導光部材を備えて構成されている請求項１記載の走査式測距装置。
3. 前記走査部は、前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射する投光ミラーと、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する受光ミラーと、前記投光ミラー及び前記受光ミラーを前記投光部と前記受光部を結ぶ軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、
   前記基準光路は、前記回転機構による回転軸心に沿って前記投光部から前記受光部に前記測定光の一部を導くように構成されている請求項1記載の走査式測距装置。
4. 前記測定光を前記走査部に向けて反射するミラーをさらに備え、
   前記走査部は、前記ミラーで反射された前記測定光を前記測定対象空間に向けて反射するとともに、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に向けて反射する投受光ミラーと、前記投受光ミラーを所定の軸心周りに回転させる回転機構を備えて構成され、
   前記基準光路は、前記回転機構により回転し、前記投受光ミラーで反射された前記測定光の一部を前記投受光ミラーに向けて反射する反射部材を備えて構成されている請求項１記載の走査式測距装置。
5. 前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに、今回の基準光に基づいて得られる特性データを記憶する記憶部を備え、
   前記演算部は、前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より大となるときに、前記記憶部に記憶された過去の特性データに基づいて得られる前記測定光の出力タイミングから前記基準光が検出されるまでの基準光遅延時間と、前記測定光の出力タイミングから前記反射光が検出されるまでの反射光遅延時間との時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する請求項１から４の何れかに記載の走査式測距装置。
6. 前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに前記信号波形の累積平均波形を記憶する記憶部を備え、
   前記演算部は、前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より大となるときに、当該信号波形から前記記憶部に記憶された累積平均波形を減算した信号を前記反射光として求める請求項５記載の走査式測距装置。
7. 前記特性データが、基準光の信号波形、信号波形の累積加算波形、基準光遅延時間、基準光遅延時間の平均遅延時間の何れかである請求項５または６記載の走査式測距装置。
8. 前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値以下のときに、今回の基準光と過去の信号波形との累積加算波形、今回の基準光と過去の信号波形との平均波形、または、今回の基準光遅延時間と過去の基準光遅延時間との平均遅延時間を記憶する記憶部を備え、
   前記演算部は、前記記憶部に記憶された累積加算波形、平均波形、または、平均遅延時間の何れかに基づいて得られる前記測定光の出力タイミングから前記基準光が検出されるまでの基準光遅延時間と、前記測定光の出力タイミングから前記反射光が検出されるまでの反射光遅延時間との時間差に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する請求項５または６記載の走査式測距装置。
9. 前記受光部で検出される前記基準光の信号レベルが前記第一閾値より低く設定された第二閾値より小となるときに、故障と検出する自己診断部を備えている請求項５から８の何れかに記載の走査式測距装置。