JP5452245B2 - 光波距離測定装置 - Google Patents

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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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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