JP5452245B2

JP5452245B2 - 光波距離測定装置

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Publication number: JP5452245B2
Application number: JP2010009993A
Authority: JP
Inventors: 太一湯浅
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2011149760A

Description

本発明は、近距離から遠距離までの広範囲に存在する検出物体を検出するのに好適な光波距離測定装置に関する。

従来から、測定光を検出物体に向けて投光する投光系と、この検出物体からの反射光を受光レンズにより集光して受光する受光系とを有する光波距離測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、光波距離測定装置として、近距離から遠距離までの広範囲に存在する検出物体を検出するために、受光系の受光レンズを非球面レンズにより構成したものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。

これらの光波距離測定装置は、例えば、無人搬送車に搭載する距離センサシステムに用いられ、投光系の光源には、レーザや発光ダイオードが用いられ、受光系の受光素子にはフォトダイオードが用いられ、フォトダイオードにより反射光の受光の有無を検出することによって、検出方向に検出物体が存在するか否か判別し、検出物体の存在が確認される場合は、測定光の発光と反射光の受光との時間差又は位相差等から検出物体までの距離を測定している。

特開平１０−２１３６６１号公報特開２０００−１８６９２８号公報

ところで、特許文献２に記載の光波距離測定装置では、受光レンズのレンズ部位がレンズ中心部からレンズ周辺部に向かって近距離用レンズ部位から遠距離用レンズ部位になるように、受光レンズの受光素子に臨む側の面の曲率が連続的に変化する構成とされている。
ところが、この受光レンズは、検出物体に臨む側の面が平面であり、受光素子に臨む面が曲面であるので、球面収差、コマ収差を十分に補正できず、検出物体が遠距離に存在する場合に、その検出物体からの反射光を受光素子上で小さなスポットとして形成することが困難である。

また、応答速度の速い受光面積の小さな受光素子を使用することにすると、遠距離からの反射光を効率よく集光することができないという不都合がある。この他、受光レンズの製造誤差によっても遠距離の受光量が変化し易く、受光レンズと受光素子との間隔調整誤差による影響も受けやすい。

更に、従来の光波距離測定装置では、投光系の一部を構成する反射ミラーを受光レンズのレンズ中心部でかつ検出物体側の平面の前方に配置するために、この反射ミラーを保持するミラー保持部材がレンズ中心部の影となるようにして設けられているが、この種の受光レンズでは、レンズ中心部よりも外側のレンズ部位でかつレンズ周辺部のレンズ部位よりも内側のレンズ部位が近距離受光用のレンズ部位となっているために、受光レンズの設計の際に想定していたミラー保持部材に対して僅かに変更されたミラー保持部材を用いた場合であっても、反射光の一部がそのミラー保持部材によってケラレ、受光素子に受光される短距離側の受光光量が大きく変化するという問題もある。

また、光源に用いるパルスレーザダイオード等のレーザダイオードのレーザ光の広がり角が個体毎にバラツキを有し、この広がり角のバラツキが受光光量の変化に相乗的に加わることになる。

そのわけは、検出物体から受光レンズを見た場合の受光レンズの立体角が、遠距離に検出物体が存在する場合に較べて、近距離に検出物体が存在する場合の方が大きいので、受光光量の受光レンジを狭くして測距精度を良くするために、近距離受光用レンズ部位の受光面積を遠距離受光用レンズ部位の受光面積に較べて遙かに小さく設計することに起因している。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、近距離から遠距離までの受光レンジにわたって測定に支障なく受光光量が得られ、もって、高精度で安定した測距を行うことができる光波距離測定装置を提供することにある。

請求項１に記載の光波距離測定装置は、測定光を検出物体に向けて投光する投光系と、この検出物体からの反射光を集光する受光レンズと、該受光レンズにより集光された反射光を受光する受光素子とを有する光波距離測定装置において、
前記受光レンズの枚数が一枚であり、該受光レンズのレンズ周辺部位が近距離に存在する検出物体を検出する近距離検出用レンズ部位とされ、該受光レンズの近距離検出用レンズ部位よりも内側のレンズの部位が遠距離に存在する検出物体を検出する遠距離検出用レンズ部位とされ、
前記受光レンズの前記遠距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記検出物体に臨む側の面であってレンズ中心部位からレンズ周辺部位に渡って形成され、前記受光レンズの前記近距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記受光素子に臨む側の面であって当該受光レンズのレンズ周辺部位に形成されていることを特徴とする。

請求項２に光波距離測定装置は、前記投光系の光軸が前記受光レンズの光軸と同軸であることを特徴とする。
請求項３に記載の光波距離測定装置は、前記投光系の光軸が前記受光レンズの光軸に対してオフセットされていることを特徴とする。

請求項４に記載の受光レンズは、検出物体の距離測定用の光波距離測定装置に用いられ、レンズ周辺部位が近距離に存在する検出物体を検出する近距離検出用レンズ部位とされ、近距離検出用レンズ部位よりも内側のレンズ部位が遠距離に存在する検出物体を検出する遠距離検出用レンズ部位とされている。

本発明によれば、近距離から遠距離までの受光レンジにわたって測定に支障なく受光光量が得られ、もって、高精度で安定した測距を行うことができるという効果を奏する。

図１は本発明に係る光波距離測定装置の光学系の要部を示す説明図であって、レーザ光を外部に送光している状態を示す図である。図２は本発明に係る光波距離測定装置の光学系の要部を示す説明図であって、レーザ光を基準物体に向けて送光している状態を示す図である。図３（ａ）は本発明に係る受光レンズの前方に想定して設計されたミラー保持部材が配置されたときの反射散乱レーザ光束の状態を示す説明図である。図３（ｂ）は本発明に係る受光レンズの前方に想定して設計されたミラー保持部材とは異なるミラー保持部材が配置されたときの反射散乱レーザ光束の状態を示す説明図である。図３（ｃ）はミラ−保持部材と受光レンズとを光軸方向から目視した平面図である。図４（ａ）は従来の受光レンズの前方に想定して設計されたミラー保持部材が配置されたときの反射散乱レーザ光束の状態を示す説明図である。図４（ｂ）は従来の受光レンズの前方に想定して設計されたミラー保持部材とは異なるミラー保持部材が配置されたときの反射散乱レーザ光束の状態を示す説明図である。図５は本発明に係る光波距離測定装置の光学系の要部を示す説明図であって、投光系の光軸と受光レンズの光軸とがオフセットして配置されている状態を示す図である。図６（ａ）は本発明に係る受光レンズの変形例の作用を示す説明図である。図６（ｂ）は図１に示す受光レンズの作用を示す説明図である。

図１において、１は検出物体、２は光波距離測定装置である。その光波距離測定装置２はハウジング３を有する。このハウジング３内には、投光系４と受光系５とが設けられている。投光系４はレーザ光源６とコリメータレンズ７と固定ミラー８と回転ミラー９とから大略構成されている。

受光系５はバンドパスフィルタ１０と受光レンズ１１と受光素子（検出器）１２とから大略構成されている。ここでは、その投光系４の光軸Ｏ１とその受光系５の光軸Ｏ２とは固定ミラー８から無限遠までの間で同軸とされている。

その固定ミラー８はミラー保持部材８Ａによりハウジング３に保持されている。符号８Ｂはそのミラー保持部材８Ａと一体の支柱を示す。回転ミラー９は光軸O２を回転中心にして矢印方向に回転される。

そのハウジング３には透明窓部材１３が水平面に対して斜めに設けられている。なお、この透明窓部材１３は、赤外光を透過し可視光をカットする波長透過特性を有する。そのハウジング３内には透明窓部材３と反対側の位置に基準物体１４が設けられている。なお、この基準物体１４には、再帰反射特性、反射特性、散乱特性のいずれか又はその組み合わせの特性を有する部材を用いる。

レーザ光源６から出射されたレーザ光Ｐはコリメータレンズ７により平行光束Ｐ１とされ、この平行光束Ｐ１は固定ミラー８によって回転ミラー９に向けて偏向され、回転ミラー９によって反射された平行光束Ｐ１は、一回転中に、図１に示すようにその回転ミラー９の回転中に外部に向けて送光されると共に、図２に示すように基準物体１４に向けて送光される。

外部に送光された平行光束Ｐ１は検出物体１により反射散乱光Ｐ２とされ、その検出物体１による反射散乱光Ｐ２の一部は透明窓部材１３を通過して回転ミラー９に導かれ、この回転ミラー９により反射されて、バンドパスフィルタ１０に導かれる。このバンドパスフィルタ１０はレーザ光の波長の光を透過させ、残余の外光をノイズ光として遮断する機能を有し、従って、反射散乱光Ｐ２のみがバンドパスフィルタ１０を通過して受光レンズ１１に導かれる。受光レンズ１１は反射散乱光Ｐ２を受光素子１２に収束結像させる機能を有するが、その受光レンズ１１の詳細は後述する。

基準物体１４から反射光束Ｐ３は、図２に示すように、回転ミラー９、固定ミラー８、バンドパスフィルタ１０、受光レンズ１１を経由して、受光素子１２に導かれ、反射光束Ｐ３は、受光レンズ１１により受光素子１２に収束結像される。そのレーザ光源６、コリメータレンズ７、固定ミラー８、回転ミラー９、基準物体１４、バンドパスフィルタ１０、受光レンズ１１はリファレンス光学系（参照光学系）を構成している。
また、基準物体１４は回転方向に反射率が変化するNDフィルム（又はNDフィルタ、ND膜）を配置し、リファレンス光学系を通る光の光量を調整するようになっている。

光波距離測定装置２には、図示を略す演算回路が設けられ、演算回路は、例えば、基準物体１４による反射光Ｐ３が受光された時点から反射散乱光束Ｐ２が受光された時点までの時間差に基づき、検出物体１までの距離を演算する。この距離の演算方法については、公知であるので詳細な説明は省略する。

受光レンズ１１は、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、そのレンズ中心部位からレンズ周辺部位に向かって焦点距離が徐々に連続的に変化して短くなる非球面レンズから構成されている。そのレンズ周辺部位は近距離に存在する検出物体１を検出する近距離検出用レンズ部位１１ａとされ、近距離検出用レンズ部位１１ａよりも内側のレンズ部位が遠距離に存在する検出物体１を検出する遠距離検出用レンズ部位１１ｂとされている。

なお、ここでは、この受光レンズ１１は、レンズ中心部位側からレンズ周辺部位側に向かって焦点距離が徐々に連続的に変化する構成とされているが、近距離検出用レンズ部位１１ａであるレンズ周辺部位と遠距離検出用レンズ部位１１ｂであるレンズ中心部位側のレンズ部位とが互いに異なる非球面から構成されていても良い。
ここでは、受光レンズ１１は一枚のレンズから構成され、その非球面が検出物体１に臨む側の面１１Ａに形成され、受光素子１２に臨む側の面１１Ｂが平面から構成されている。

その受光レンズ１１の中心部位側のレンズ部位の受光面積は受光レンズ１１の周辺部位側のレンズ部位の受光面積よりも大きく構成されている。これは、検出物体１が近距離に存在する場合、受光レンズ１１を見込む立体角が大きくなるため、受光光量のレンジを狭くして測距精度を上げる必要があるからである。その一方、検出物体１が遠距離に存在する場合、検出物体１が受光レンズ１１を見込む立体角が小さくなるので、受光光量の受光効率を増やして測距精度を上げる必要があるからである。

ところで、金物設計は、通常、レンズ設計後に行われることが多い。金物を設計する担当者は、与えられたレンズの寸法を基にして、装置全体の大きさや、取り回しの行い易さを考慮して、光軸の折り曲げ位置、ミラー等の外形の大きさ、これを保持する金物のサイズを順次決めるという作業手順となっている。

このため、レンズを設計する時点で、金物により影が生じる部分を正確に把握することが困難であり、レンズの設計担当者は、通常、金物による影の大きさを想定してレンズ設計を行っている。
光波距離測定装置２について言えば、受光レンズ１１の光学設計時に固定ミラー８、この固定ミラー８を固定保持するための金物としてのミラー保持部材８Ａを想定して、受光レンズ１１の光学系設計を行っている。

しかしながら、図３（ａ）に示したように、ミラー保持部材８Ａの大きさを想定してレンズ設計を行ったにも拘わらず、図３（ｂ）に示すような大きさのミラー保持部材８Ａが設計される場合がある。

従来の受光レンズ１１では、レンズ中心部位からレンズ周辺部位に向かって焦点距離が徐々に連続的に変化して長くなる非球面レンズから構成され、かつ、レンズ中心部位側の近距離検出用レンズ部位の面積がレンズ周辺部位側の遠距離検出用レンズ部位の面積に較べて小さいので、図４（ａ）に示すミラー保持部材８Ａを想定していたとしても、実際のミラー保持部材８Ａの大きさが図４（ｂ）に示すようにわずかに変わった場合でも、反射散乱レーザ光Ｐ２の光束の一部が大きくケラレ、受光素子１２が受光する受光量が大きく変化する。

また、光波距離装置２の全体の大きさの小型化を図るために、受光レンズ１１の小型化を図ろうとするとその影響がますます大きくなる。また、レーザ光源６として用いるレーザダイオード、パルスレーザダイオード等では、レーザ光の広がり角が個体毎にばらついているために、これらの要因と相まって、益々、レンズ中心部位の側のレンズ部位では、受光光量が大きく変化することになる。

これに対して、本発明の実施の形態に係る受光レンズ１１では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、レンズ中心部位からレンズ周辺部位に向かって焦点距離が徐々に連続的に変化して短くなる非球面レンズから構成され、その受光レンズ１１の遠距離検出用レンズ部位１１ｂの受光面積は近距離検出用レンズ部位１１ａの受光面積よりも大きく構成されているので、実際のミラー保持部材８Ａの大きさが図３（ａ）から図３（ｂ）に示すようにわずかに変わったとしても、散乱反射レーザ光Ｐ２の光束の一部が大きくケラレることはなく、受光素子１２が受光する受光量は僅かに変化するが、大きく変化することは防止される。

従って、この受光レンズ１１を用いれば、近距離から遠距離までの受光レンジにわたって測定に支障なく受光光量が得られ、もって、高精度で安定した測距を行うことができる。
図５は本発明に係る光波距離測定装置２の他の発明の実施の形態を示す説明図であって、その投光系４の光軸Ｏ１とその受光系５の光軸Ｏ２とをオフセットする構成としたものであり、このように、投光系４の光軸Ｏ１とその受光系５の光軸Ｏ２とをオフセットする構成とすると、投光系４の光軸Ｏ１と受光系５の光軸Ｏ２とが同軸の場合に較べて、受光レンズ１１のレンズ中心部位のレンズ部位をより有効に利用することができるので、同一の受光レンズ１１を用いて近距離側の受光レンジを広くとることができる。

図６は本発明に係る受光レンズ１１の変形例を示す説明図であって、図６（ａ）に示すように、近距離検出用レンズ部位１１ａである非球面のレンズ周辺部位を受光レンズ１１の受光素子１２に臨む側の面１１Ｂに形成し、遠距離検出用レンズ部位１１ｂであるレンズ部位を受光レンズ１１の検出物体１に臨む側の面１１Ａの全面に形成しても良い。

このように、近距離検出用レンズ部位１１ａと遠距離検出用レンズ部位１１ｂとを互いに異なる非球面から構成し、非球面の遠距離検出用レンズ部位１１ｂが形成されている面１１Ａを検出物体１に臨む側とし、非球面の近距離検出用レンズ部位１１ａが形成されている面１１Ｂを受光素子１２に臨む側とすると、図６（ｂ）に示すように、受光レンズ１１の検出物体１に臨む面１１Ａの側のレンズ中心部位を遠距離検出用レンズ部位１１ｂとし、かつ、受光レンズ１１の検出物体１に臨む面１１Ａの側のレンズ周辺部位を近距離検出用レンズ部位１１ａとする構成のものに較べて、近距離検出用レンズ部位としては用いられていない受光レンズ１１の検出物体１に臨む面１１Ａの側のレンズ周辺部位のレンズ面積を遠距離に存在する検出物体１の検出に用いることができるので、遠距離からの検出物体１からの受光光量を若干大きくすることができ、従って、遠距離からの検出物体１の受光光量を同一とすると、その分、受光レンズ１１の大きさを小さくできることになる。
すなわち、同じ大きさの受光レンズ１１の場合には、図６（a）に符号ｄ’及び破線で示すように遠距離検出用レンズ部位１１ｂの領域の面積を図６（ｂ）に符号ｄ及び破線で示す遠距離検出用レンズ部位１１ｂの面積に較べて大きくすることができる。

更に、言い換えると、図６（ａ）に示すように、遠距離検出用レンズ部位１１ｂとして用いられていない受光レンズ１１の受光素子１２に臨む側の面１１Ｂのレンズ周辺部位を近距離検出用レンズ部位１１ａとして用いることができるので、遠距離に存在する検出物体１から反射されて受光レンズ１１の検出物体１に臨む側の面１１Ａのレンズ周辺部位に到来する反射散乱光Ｐ２をその受光レンズ１１の検出物体１に臨む面１１Ａのレンズ周辺部位で集光できることになり、遠距離からの検出物体１からの受光光量を若干大きくすることができることになる。
逆に、遠距離の検出物体１からの受光素子１２による受光光量を同一とすると、図６（a）に示すように非球面の近距離検出用レンズ部位１１ａを受光素子１２に臨む側の面に設けた受光レンズ１１の場合には、図６（ｂ）に示すように近距離検出用レンズ部位１１ａを検出物体１に臨む側の面に設けたものに較べてレンズ径を小さくできる。

更に、全ての実施例に共通して、近距離検出用レンズ部位１１aが受光素子１２に像を結ぶ最短距離を透明窓部材１３や基準物体１４が配置されている位置よりも長くすることにより、透明窓部材１３や基準物体１４及びこれに形成されるNDフィルムからの散乱光を除去できる。
これにより、不要な散乱光による測距への影響（測距誤差の増加、測距エラー等）を減少させることができる。

これは、従来技術のように、レンズ中心部を近距離受光部位、外周部を遠距離受光部位とした場合、最短測距距離でのビーム最外周部と、透明窓部材１３でのビーム最外周が受光レンズ有効径の最内周を見込む角度の差は非常に小さく、最短測距距離をレンズ設計により定めることは困難なためである。

このため、通常、最短測距距離は仕様に対して余裕を見て短く設計される。そうすると、透明窓からの反射光を受光素子（検出器）１２で受光してしまうおそれがあり、測距光と見分けがつかず、測距誤差の要因となる。
そこで、透明窓部材１３は、光軸O２に対して傾けて配置される。しかし、透明窓部材１３にほこり、ゴミ等の汚れが付着した場合、その汚れに起因する散乱光を受光するおそれがあり、測距誤差の要因となる。

そこで、透明窓部材１３からの反射光、散乱光が近距離受光部位を通って受光素子（検出器）１２で受光されないように、レンズ設計を行い、透明窓部材１３の配置による反射光だけでなく、ほこり、ゴミ等の汚れによる散乱光さえも受光素子（検出器）１２に受光しないように構成することにより、測距誤差の要因を除外できる。
また、透明窓部材１３は必ずしも傾けた配置にする必要がなくなり、大きさ、デザインの面からみても自由度の高い透明窓部材１３の設計が可能となる。

また、基準物体にNDフィルム（又はNDフィルタ）を使った場合にも同様の効果を奏する。適切な光量のリファレンス光を作るために、濃度固定のNDフィルム（又はNDフィルタ）やスキャニング方向に濃度勾配を持つNDフィルム（又はNDフィルタ）を用いる。
このNDフィルム（又はNDフィルタ）は、その表裏面での反射光や散乱光が非常に多く、受光素子（検出器）１２で受光すると、測距誤差の要因となる。

特に、濃度が高いものを用いると、NDフィルム（又はNDフィルタ）の透過光よりも反射光や散乱光が桁違いに多くなってしまい、深刻な測距誤差の要因となる。
そこで、上述したと同様の理由で、外周部を近距離受光部位とすることにより、NDフィルム（又はNDフィルタ）での反射光、散乱光を受光素子（検出器）１２が受光するのを回避できる。

１…検出物体
４…投光系
１１…受光レンズ
１２…受光素子
１１ａ…近距離検出用レンズ部位
１１ｂ…遠距離検出用レンズ部位

Claims

測定光を検出物体に向けて投光する投光系と、この検出物体からの反射光を集光する受光レンズと、該受光レンズにより集光された反射光を受光する受光素子とを有する光波距離測定装置において、
前記受光レンズの枚数が一枚であり、該受光レンズのレンズ周辺部位が近距離に存在する検出物体を検出する近距離検出用レンズ部位とされ、該受光レンズの近距離検出用レンズ部位よりも内側のレンズの部位が遠距離に存在する検出物体を検出する遠距離検出用レンズ部位とされ、
前記受光レンズの前記遠距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記検出物体に臨む側の面であってレンズ中心部位からレンズ周辺部位に渡って形成され、前記受光レンズの前記近距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記受光素子に臨む側の面であって当該受光レンズのレンズ周辺部位に形成されていることを特徴とする光波距離測定装置。
前記投光系の光軸が前記受光レンズの光軸と同軸であることを特徴とする請求項１に記載の光波距離測定装置。
前記投光系の光軸が前記受光レンズの光軸に対してオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の光波距離測定装置。
検出物体の距離測定用の光波距離測定装置に用いられ、レンズ周辺部位が近距離に存在する検出物体を検出する近距離検出用レンズ部位とされ、近距離検出用レンズ部位よりも内側のレンズ部位が遠距離に存在する検出物体を検出する遠距離検出用レンズ部位とされ、前記遠距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記検出物体に臨む側の面であってレンズ中心部位からレンズ周辺部位に渡って形成され、前記近距離検出用レンズ部位を形成する非球面が前記受光素子に臨む側の面であってレンズ周辺部位に形成されている一枚構成の受光レンズ。