JP5732956B2

JP5732956B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP5732956B2
Application number: JP2011068365A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 松原　弘幸; 弘幸松原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012202857A

Description

本発明は、距離測定装置に関する。

従来、測定対象物に対し光パルスを照射し、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計測して、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置が用いられている。距離測定装置では、測定対象物までの距離が長くなると、外乱等の要因により反射光パルスによる信号強度が小さくなり、測定精度が低下する。一方、微弱信号を検出できるように光検出器を調整すると、近距離に在る測定対象物からの反射光パルス等、高強度の反射光より光検出器が飽和して測定不能となる。

特に、車両用の距離測定装置には、数十ｃｍから１００ｍ以上先までの広い範囲で、測定対象物までの距離を精度よく測定できる性能が要求される。反射光の強度は、測定対象物の反射率を一定としても、距離の二乗に反比例して変化する。例えば、測定対象物までの距離が１ｍから１００ｍ以上先まで変化すると、反射光の強度は４桁以上変化することになる。更に測定対象物の反射率の相違を考慮すると、反射光の強度は６桁以上変化することになる。

通常、光検出器のダイナミックレンジは２桁から３桁程度である。反射光の強度が４桁以上変化すると、光検出器のダイナミックレンジが不足する。この問題を解決するためには、光検出器に入射する反射光の強度を、測定対象物までの距離に応じて変化させる必要がある。

光検出器に入射する反射光の強度を変化させる技術としては、例えば、視準望遠鏡の対物レンズ上に予め設定された一対の瞳範囲を通過した光束により結像された一対の像によりピント位置を検出して、検出された焦点状態に基づいて合焦するオートフォーカス機能を有する光波測距儀において、受光素子への入射光量が低下しないように、対物レンズに入射する測距光の光軸を、対物レンズの光軸からずらすことが提案されている（特許文献１）。

特開２００６−２９２７６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光波測距儀は、遠距離測定及び近距離測定の両方において、送光ミラーによる「けられ現象」を避けて入射光量を増加させるものである。従って、反射光の強度が高過ぎる場合には光検出器が飽和してしまい、光検出器のダイナミックレンジ不足の問題を解決することはできない。

また、特許文献１に記載の光波測距儀では、オートフォーカス機能により得られた情報に基づいて、測定対象物までの距離が遠距離か近距離かを判断し、距離に応じて光学素子を移動させている。即ち、フィードバック制御を行っているので処理速度が遅く、測定対象物までの距離を測定するのに時間がかかる。従って、高速での測定が必要とされる車両用の距離測定装置には、応用できないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、測定対象物までの距離に拘らず、光検出器のダイナミックレンジの範囲で、測定対象物までの距離を精度よく測定することができる距離測定装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、測定対象物に投光する測定光を射出する光源と、前記測定対象物に投光する測定光を反射可能に構成されると共に、時間の経過に従って予め定めた回転軸の周りに等速で回転移動して、前記測定対象物で反射された反射光を複数の方向に反射可能に構成された可動鏡と、前記光源から射出された測定光を前記可動鏡に照射すると共に、前記可動鏡で反射された反射光を集光する集光素子と、前記集光素子の焦点面に配置された予め定めた面積の受光領域を備え、前記受光領域で受光された光を検出する光検出部と、測定範囲の上限距離に在る測定対象物からの反射光を受光した場合には、前記受光領域への結合効率が最大値となる第１の位置に前記可動鏡を移動させると共に、前記測定対象物に投光する測定光を射出する場合及び測定範囲の下限距離に在る測定対象物からの反射光を受光した場合には、前記受光領域への結合効率が前記最大値より小さくなる第２の位置に前記可動鏡を移動させるように、前記可動鏡を駆動制御する駆動制御部と、前記測定光が投光されてから前記反射光が受光されるまでの時間を計測し、計測された時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算部と、を備えた距離測定装置である。

請求項２に記載の発明は、前記駆動制御部は、前記測定範囲の下限距離が０ｍである場合には、前記測定光の投光時に前記第２の位置に前記可動鏡を移動させ、前記測定範囲の下限距離が０ｍより大きい場合には、前記測定光の投光時に前記受光領域への結合効率が前記第２の位置より小さくなる第３の位置に前記可動鏡を移動させるように前記可動鏡を駆動制御する、請求項１に記載の距離測定装置である。

請求項３に記載の発明は、前記集光素子は、前記可動鏡で反射された反射光を集光する機能を有する集光部と、前記集光部で集光された反射光を前記光検出部側に反射する反射鏡と、前記集光部との間に前記反射鏡を保持する保持部とを備え、前記反射鏡は前記光源から射出された測定光を通過させる開口部を有する、請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置である。

請求項４に記載の発明は、前記光検出部は、前記受光領域として前記集光素子の焦点面に配置された入射端面を備え且つ前記入射端面から入射された光を出射端面まで伝搬する受光用光導波路と、前記出射端面から射出された光を検出する光検出器と、を含んで構成され、前記光源から射出された測定光を結合する入射端面と前記集光素子の焦点面に配置された出射端面とを備え、前記入射端面から入射された光を前記出射端面まで伝搬する投光用光導波路を更に備え、前記第１の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記受光用光導波路の入射端面に焦点を結び、前記測定範囲の下限距離が０ｍであり且つ前記第２の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記投光用光導波路の出射端面に焦点を結び、前記測定範囲の下限距離が０ｍより大きく且つ前記第３の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記投光用光導波路の出射端面に焦点を結ぶ、請求項２に記載の距離測定装置である。

本発明の距離測定装置によれば、測定対象物までの距離に拘らず、光検出器のダイナミックレンジの範囲で、測定対象物までの距離を精度よく測定することができる。

本発明の実施の形態に係る距離測定装置における受光光学系の感度補正の原理を説明する概略図である。本発明の原理を投受光光学系に適用した場合の投光時の動作を表す図である。本発明の原理を投受光光学系に適用した場合の受光時の動作を表す図である。焦点位置の時間変化を結合効率の時間変換に変換する機構を説明するための図である。円形導波路に対する焦点の位置ずれと結合効率との関係を示すグラフである。（Ａ）は感度補正を行わない場合の受光感度の距離による変化を示すグラフであり、（Ｂ）は感度補正を行う場合の受光感度の距離による変化を表すグラフである。（Ｃ）は（Ａ）の縦軸を対数軸で記載したグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。（Ａ）は可動ミラーの構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は光導波路の入射端面を示す平面図であり、（Ｃ）はＶ字溝による光ファイバとの結合機構を示す斜視図である。図７に示す距離測定装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。図７に示す距離測定装置の動作を説明するための概略図である。本発明の第２の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。（Ａ）は投受光モジュールの外観を示す斜視図であり、（Ｂ）は投受光モジュールの構成を示す模式図であり、（Ｃ）は反射鏡の構成を示す平面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は投受光モジュールの製造方法を示す工程図である。図１１に示す距離測定装置の動作を説明するための概略図である。（Ａ）は光検出器の受光開口部を示す概略図であり、（Ｂ）は受光開口部に対する焦点の位置ずれと結合効率との関係を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜受光光学系の感度補正の原理＞
まず、受光光学系の感度補正の原理について説明する。図１は本発明の実施の形態に係る距離測定装置における受光光学系の感度補正の原理を説明する概略図である。ここでは、測定対象物（以下、「対象物」という。）で反射された反射光を受光する「受光光学系」の構成だけを図示している。

図１に示すように、受光光学系１０は、回転軸Ａの周りに回転可能に構成された可動鏡１２、可動鏡１２で反射された反射光を集光する集光素子１４、及び入射端面から入射された光を出射端面まで伝搬する受光用光導波路１６を備えている。受光用光導波路１６の入射端面１６Ａは、集光素子１４の焦点面１８に配置されている。なお、後述する通り、光導波路の入射端面はコア部の端面を意味する。

距離測定装置の受光光学系１０には、近距離に在る対象物で反射された高強度の反射光と、遠距離に在る対象物で反射された微弱な反射光とが入射する。ここで、距離測定装置の測定範囲が予め設定されていると仮定すると、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光強度が最大となり、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光強度が最小となる。本実施の形態では、受光光学系１０の感度補正を行って、微弱な反射光と高強度の反射光の両方を受光できるようにする。

受光光学系１０では、可動鏡１２が回転軸Ａの周りに等速で回転している。測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光を受光した場合には、実線で図示した通り、可動鏡１２を第１の位置に移動させる。第１の位置に可動鏡１２が在る場合には、実線で図示した通り、可動鏡１２で反射され且つ集光素子１４で集光された反射光は、受光用光導波路１６の入射端面１６Ａに焦点を結ぶ。

このときの焦点位置を「第１の焦点位置Ｆ１」とする。焦点面１８での反射光の強度分布は、実線で図示するように略ガウシアン分布となり、第１の焦点位置Ｆ１において反射光の強度が最大となる。従って、第１の焦点位置Ｆ１において、反射光の受光用光導波路１６への結合効率は最大となる。なお、以下では、焦点面での強度分布がガウシアン分布となる光を「ガウシアンビーム」という場合がある。

一方、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光を受光した場合には、点線で図示した通り、可動鏡１２を第２の位置に移動させる。第２の位置に可動鏡１２が在る場合には、点線で図示した通り、可動鏡１２で反射され且つ集光素子１４で集光された反射光は、受光用光導波路１６の入射端面１６Ａから離間した位置に焦点を結ぶ。

このときの焦点位置を「第２の焦点位置Ｆ２」とする。受光用光導波路１６の入射端面１６Ａでの反射光の強度は、点線で図示したガウシアン分布の裾野部分に相当する。従って、第１の焦点位置Ｆ１に焦点を結んだ場合と比較すると、第２の焦点位置Ｆ２での反射光の受光用光導波路１６への結合効率は顕著に低下する。例えば、結合効率が最小となるようにしてもよい。

時間経過と関連付けて説明すると、対象物に対し測定光が投光された後に、受光光学系１０では、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光される。この時点で、第２の位置に在る可動鏡１２で反射された高強度の反射光は、集光素子１４で集光されて第２の焦点位置Ｆ２に焦点を結ぶ。可動鏡１２が等速回転することにより、焦点位置は時間の経過に従って第１の焦点位置Ｆ１の方向（図面左側）に移動する。焦点位置が移動することにより、結合効率が徐々に向上する。

次に、受光光学系１０では、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光される。この時点で、第１の位置に在る可動鏡１２で反射された微弱な反射光は、集光素子１４で集光されて第１の焦点位置Ｆ１（即ち、受光用光導波路１６の入射端面１６Ａ）に焦点を結ぶ。このとき、反射光の受光用光導波路１６への結合効率は最大となる。以上の通り、受光光学系１０では、可動鏡１２の回転により焦点位置が時間に応じて変化することで、反射光の受光用光導波路１６への結合効率が時間に応じて変化する。即ち、反射光の受光用光導波路１６への結合効率は、対象物までの距離に応じて変化する。

図示はしていないが、受光用光導波路１６に入射した光は、受光用光導波路１６を伝搬して出射端面から射出され、出射端面から射出された光は光検出器で検出される。受光用光導波路１６内での減衰はないものとすると、下記式に示すように、光検出器に入射する反射光の強度（受光パワー）は、受光光学系１０で受光した反射光の強度（戻り光パワー）と結合効率との積になる。
受光パワー＝戻り光パワー×結合効率

本実施の形態では、上記式の関係を利用して、戻り光パワーの大きい「近距離」からの反射光の場合は「結合効率」を小さくして光検出器の飽和を回避し、戻り光パワーの小さい「遠距離」からの反射光の場合は「結合効率」を大きくして高感度化を図り、受光光学系１０の感度補正を行っている。このように、受光パワーを対象物までの距離に応じて変化させることで、光検出器のダイナミックレンジの範囲で、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定することができる。

なお、本実施の形態に係る距離測定装置においては、受光光学系が上記構成を備えていればよく、対象物に対し測定光を投光する光投光部の構成は特に限定されない。後述する通り、上記構成を備えた「受光光学系」を、対象物に対し測定光を投光する投光光学系として兼用してもよい（投受光光学系）。また、光投光部は、受光光学系とは別の「投光光学系」を備えていてもよい。光ファイバ等の光導波路から測定光を射出される構成には限定されない。例えば、光投光部を、半導体レーザ等の光源と、当該光源から射出された測定光を走査するポリゴンミラー等の走査光学系とで構成してもよい。

また、上記では受光光学系が受光用光導波路を備えており、反射光の受光用光導波路への結合効率を変化させる例について説明したが、焦点面に配置された予め定めた面積の受光領域に対する反射光の結合効率を変化させることができればよく、光ファイバ等の光導波路に反射光を結合する構成には限定されない。例えば、後述する通り、フォトダイオード等の受光素子は、電極で囲まれた受光領域（受光開口部）を有している。この受光開口部に対する反射光の結合効率を変化させるようにしてもよい。

＜投受光光学系への応用＞
上記では「受光光学系」の例について説明したが、「投受光光学系」においても同様の原理で感度補正を行うことができる。「投受光光学系」は、対象物に対し測定光を投光する投光光学系と、反射された反射光を受光する受光光学系とを兼用する光学系である。図２は本発明の原理を投受光光学系に適用した場合の投光時の動作を表す図であり、図３は本発明の原理を投受光光学系に適用した場合の受光時の動作を表す図である。

図２及び図３に示す「投受光光学系」は、投光用光導波路を備える以外は、図１に示す「受光光学系」と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。図２及び図３に示すように、投受光光学系１０Ａは、投光用光導波路２０を備えている。投光用光導波路２０は、入射端面から入射された光を出射端面２０Ａまで伝搬する。出射端面２０Ａは、集光素子１４の焦点面１８に配置されている。なお、後述する通り、光導波路の出射端面はコア部の端面を意味する。また、投光用光導波路２０の入射端面（図示せず）には、光源（図示せず）から射出された測定光が結合される。

投受光光学系１０Ａでは、第２の位置に可動鏡１２が在る場合の焦点位置である「第２の焦点位置Ｆ２」に、投光用光導波路２０の出射端面２０Ａが配置されている。測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光された時点では、可動鏡１２は第２の位置に在り、その後に第１の位置に向かって移動を開始する。

投受光光学系１０Ａから測定光を投光する場合には、図２に実線で図示した通り、投光用光導波路２０の出射端面２０Ａ（第２の焦点位置Ｆ２）から射出された測定光は、集光素子１４を逆向きに通過して平行光化される。平行光化された測定光は、第２の位置に在る可動鏡１２で反射されて、対象物に対し投光される。即ち、対象物からの反射光を受光する光学系（可動鏡１２及び集光素子１４）を用いて、対象物に対し測定光を投光することができる。

また、投受光光学系１０Ａでは、対象物に対し測定光が投光された後に、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光される。図３に点線で図示した通り、この時点で、第２の位置に在る可動鏡１２（点線で図示）で反射された高強度の反射光は、第２の焦点位置Ｆ２に焦点を結ぶ。その後、可動鏡１２が等速回転することにより、焦点位置が第１の焦点位置Ｆ１の方向（図面左側）に移動して、結合効率が徐々に向上する。

次に、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光される。この時点で、第１の位置に在る可動鏡１２で反射された微弱な反射光は、第１の焦点位置Ｆ１に焦点を結び、受光用光導波路１６への結合効率は最大となる。以上の通り、投受光光学系１０Ａでは、可動鏡１２の回転により焦点位置が時間に応じて変化することで、反射光の受光用光導波路１６への結合効率が時間に応じて変化する。

本実施の形態では、「受光光学系」の場合と同様にして、戻り光パワーの大きい「近距離」からの反射光の場合は「結合効率」を小さくして光検出器の飽和を回避し、戻り光パワーの小さい「遠距離」からの反射光の場合は「結合効率」を大きくして高感度化を図り、投受光光学系１０Ａの感度補正を行っている。このように、受光パワーを対象物までの距離に応じて変化させることで、光検出器のダイナミックレンジの範囲で、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定することができる。

なお、本実施の形態では、投光用光導波路２０の出射端面２０Ａを「第２の焦点位置Ｆ２」に配置し、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光された場合に「第２の焦点位置Ｆ２」に焦点を結ぶ例について説明したが、これに限定される訳ではない。測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光された場合に、「第３の焦点位置Ｆ３」に焦点を結ぶようにしてもよい。「第３の焦点位置Ｆ３」は、第１の焦点位置Ｆ１と第２の焦点位置Ｆ２との間に位置していてもよい。

＜具体的な設計例＞
次に、上記の「投受光光学系」の具体的な設計例について説明する。図４は焦点位置の時間変化を結合効率の時間変換に変換する機構を説明するための図である。「投受光光学系」の構成は、図２及び図３に示す「投受光光学系」と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。また、可動鏡１２の図示も省略する。

この例では、受光用光導波路１６及び投光用光導波路２０の各々は、光の基本モードだけ伝搬する単一モード光ファイバであり、断面が円形のコアとクラッドとで構成されている。入射端面１６Ａ及び出射端面２０Ａの各々が、コア端面に相当し、そのコア径を「ｗ（単位：ｍ）」とする。また、焦点位置の移動方向をｘ軸、ｘ軸と直交する方向をｙ軸として、焦点面において直交座標系を設定する。焦点位置の座標は（ｘ、ｙ）で表される。ｘ、ｙの各々の単位は「ｍ」である。受光用光導波路１６の入射端面１６Ａの中心位置が原点であり、（ｘ、ｙ）＝（０、０）となる。なお、以下では、ｙ＝０で一定として、焦点位置をｘ座標だけで表す。

出射端面２０Ａ（コア）の中心位置は、入射端面１６Ａ（コア）の中心位置から、距離「ｄ（単位：ｍ）」だけ離間されている。即ち、出射端面２０Ａ（コア）の中心位置に焦点を結ぶ場合には、焦点位置の座標は（ｘ、ｙ）＝（ｄ、０）となる。コア径ｗの光ファイバに対し、距離ｄだけ離間した位置に集光されたガウシアンビームの結合効率を「η」とする。結合効率ηは下記式（１）で表される。

上記式（１）に示すように、結合効率ηは、光ファイバのコア径ｗと距離ｄとの関数として表される。距離ｄは、受光用光導波路１６の入射端面１６Ａ（コア）の中心位置からの「（焦点の）位置ずれ」である。基本モード径が１０μｍの光を集光素子１４で集光して、焦点面１８に焦点を結ばせる（図４参照）。

基本モード径が１０μｍの光に対してシミュレーションして得られた、距離ｄと結合効率ηとの関係を図５に示す。横軸は「距離ｄ（位置ずれ）」を表し、単位はμｍである。縦軸は「結合効率η」を表す。図５に示すように、焦点が入射端面１６Ａの中心位置にある場合には、距離ｄ（位置ずれ）は０μｍであり、結合効率ηは１と最大になる。一方、入射端面１６Ａの中心位置から約４０μｍだけ離間した位置では、結合効率ηは略ゼロとなる。

次に、図４に示すように、可動鏡１２の移動により集光素子１４により反射光の光軸が振れる角周波数を「θ（単位：°／秒）」とし、集光素子１４の焦点距離を「Ｆ（単位：ｍ）」とすると、焦点面１８上での焦点の移動速度ｖ（単位：ｍ／秒）は、下記式（２）で表される。

ここで、受光用光導波路１６の入射端面１６Ａの中心位置での焦点位置を「ｘ＝０」とし、投光用光導波路２０の出射端面２０Ａの中心位置との距離を「ｄ（単位：ｍ）」とすると、測定光の投光時から時間「ｔ（単位：秒）」だけ経過した後の焦点位置ｘは、下記式（３）で表される。

従って、測定光の投光時からｔ秒後の結合効率ηは、下記式（４）で表される。

測定対象物までの距離を「ｌ_opt（単位：ｍ）」とし、距離（ｌ_opt）に在る対象物からの反射光が、測定光の投光時からτ秒後に受光されるとすると、下記式（５）及び下記式（６）の関係を満たす。ｃ_０は光速（＝３．０×１０^８ｍ／秒）を表す。

測定光の走査全角を「θ_full（単位：°）」とし、可動鏡１２の往復周波数を「ｆ（単位：Ｈｚ）」とすると、角周波数θは下記式（７）で表される。

従って、可動鏡１２の往復周波数ｆは、下記式（８）で決定される。

例えば、集光素子１４の焦点距離Ｆを１８ｍｍ、距離ｄを３６μｍ、測定光の走査全角θ_fullを４５°、測定対象物までの距離ｌ_optを１００ｍとすると、上記式（２）〜（８）を用いて、可動鏡１２の往復周波数ｆは、ｆ＝１９１１Ｈｚと求められる。

図６（Ａ）は感度補正を行わない場合の受光感度の距離による変化を示すグラフであり、図６（Ｂ）は感度補正を行う場合の受光感度の距離による変化を表すグラフである。横軸は測定対象物までの距離を表し、単位はｍである。縦軸は相対受光感度である。測定対象物までの距離を１００ｍとしたときの受光感度を１としている。図６（Ｃ）は図６（Ａ）の縦軸を対数軸で記載したグラフである。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す関係は、上記の投受光光学系１０Ａの構成に基づいて、シミュレーション計算することにより得られたものである。ここでは、対象物の反射率は一定と仮定している。また、図６（Ｂ）に示す受光感度と距離との関係は、上記式（２）〜（８）を用いて、シミュレーション計算することにより得られたものである。

上記の投受光光学系１０Ａの構成で、反射光を受光する場合の焦点位置を固定すると、即ち、感度補正を行わない場合には、図６（Ｃ）に示すように、測定範囲の上限（１００ｍ）での受光感度を１とすると、測定範囲の下限（例えば、１ｍ）での受光感度は１００００倍以上であり、４桁以上の感度変化がある。

一方、上記の投受光光学系１０Ａの構成で、反射光を受光する場合の焦点位置を移動させて、即ち、感度補正を行った場合には、図６（Ｂ）に示すように、測定範囲（例えば、１ｍ〜１００ｍ）内での相対受光感度は０．４〜３の範囲で変化しており、感度変化の範囲が顕著に狭くなっていることが分かる。この結果から、投受光光学系１０Ａの感度補正を行うことで、既存の光検出器のダイナミックレンジの範囲で、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定できることは明らかである。

＜距離測定装置（第１の実施の形態）＞
次に、上記の「投受光光学系」を備えた距離測定装置の構成の一例について説明する。ここでは、距離測定装置を、レーザ光の直進性を利用して、広い範囲で対象物までの距離を測定できるレーザレーダ装置として構成した例について説明する。図７は本発明の第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。図８（Ａ）は可動鏡の構成を示す斜視図であり、図８（Ｂ）は光導波路の入射端面を示す平面図であり、図８（Ｃ）はＶ字溝による光ファイバとの結合機構を示す斜視図である。また、図９は図７に示す距離測定装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。

図７に示すように、距離測定装置３０は、可動鏡を有する可動鏡デバイス４０、可動鏡で反射された反射光を集光する集光素子５０、複数の導波路を有する光導波路素子６０、対象物に投光する測定光を出力する光出力部７０、対象物で反射された反射光を検出する光検出部８０、及び制御部９０を備えている。なお、光検出部８０は、上述した通り、感度補正された反射光を受光する。可動鏡デバイス４０、集光素子５０、光導波路素子６０、光出力部７０、光検出部８０、及び制御部９０の各々は、筐体３２内に収納されている。

また、筐体３２は、窓部３４を備えている。測定光は、窓部３４を通過して対象物に対して投光される。対象物で反射された反射光は、窓部３４を通過して受光される。後述する通り、赤外光を射出する半導体レーザ等を光源に使用する場合には、窓部３４としては、可視光を遮断する波長フィルタを用いることができる。例えば、窓部３４を可視光カットガラスで構成してもよい。

可動鏡デバイス４０は、少なくとも１面が反射面とされた平板状の可動鏡４２、回転軸Ｂの周りに回転可能に構成されて可動鏡４２を保持する保持台４４、及び保持台４４を回転駆動するモータ等の駆動部４６を備えている。図８（Ａ）に示すように、可動鏡４２は、反射面が保持台４４の表面と直交するように保持台４４に取り付けられている。駆動部４６は、制御部９０に電気的に接続されている。駆動部４６は、制御部９０からの制御信号に基づいて、保持台４４を回転軸Ｂの周りに回転駆動する。可動鏡４２は、保持台４４と共に回転軸Ｂの周りに回転する。なお、回転方向は、矢印Ｘ方向である。

光導波路素子６０は、受光用光導波路６２及び投光用光導波路６４を備えた本体部分と、本体部分に連結された光結合部６５とを備えている。光導波路素子６０の本体部分は、平面視が矩形状の平板であり、端面６０Ａと端面６０Ｂとを備えている。光結合部６５は、本体部分の端面６０Ｂに連結されている。光導波路は、平板状のクラッド部と、クラッド部内に配置されたコア部とで構成されており、コア部に光を閉じ込めて伝搬させる。以下では、クラッド部内に配置されたコア部を、受光用光導波路６２、投光用光導波路６４と称する。従って、光導波路の入射端面及び出射端面は、コア部の端面を意味する。後述する光ファイバについても、入射端面及び出射端面はコア部の端面を意味する。

光導波路素子６０の端面６０Ａは、集光素子５０の焦点面５２に配置されている。図８（Ｂ）に示すように、集光素子５０側から見ると、受光用光導波路６２の入射端面６２Ａは、焦点面５２に配置された端面６０Ａに露出している。また、投光用光導波路６４の出射端面６４Ａも同様に、焦点面５２に配置された端面６０Ａに露出している。一方、受光用光導波路６２の出射端面６２Ｂは、端面６０Ｂに露出している。また、投光用光導波路６４の入射端面６４Ｂは、端面６０Ｂに露出している。

光出力部７０は、測定光を射出するレーザ光源７２、レーザ光源７２を駆動する駆動部７４、及び測定光を投光用光導波路６４に結合する光ファイバ７６を備えている。光ファイバ７６の入射端面７６Ａは、レーザ光源７２から射出された測定光が入射するように、レーザ光源７２に近接して配置されている。光ファイバ７６の出射端面７６Ｂは、投光用光導波路６４の入射端面６４Ｂに結合されている。結合機構については後述する。

駆動部７４は、制御部９０に電気的に接続されている。駆動部７４は、制御部９０からの制御信号に基づいて、レーザ光源７２を点灯駆動する。レーザ光源７２としては、半導体レーザ（ＬＤ）等を使用することができる。例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レーザ等を使用することができる。なお、レーザ光源７２には、通常、出力モニタ用の光検出部が内蔵されている。内蔵された光検出部からの検出信号は、測定光の出力信号として駆動部７４を介して制御部９０に入力される。

光検出部８０は、反射光を検出する光検出器８２、光検出器８２で検出した光信号を電気信号に光電変換する回路部８４、及び反射光を光検出器８２に結合する光ファイバ８６を備えている。光ファイバ８６の出射端面８６Ｂは、出射端面８６Ｂから射出された反射光が入射するように、光検出器８２に近接して配置されている。光ファイバ８６の入射端面８６Ａは、受光用光導波路６２の出射端面６２Ｂに結合されている。

光検出器８２としては、フォトダイオード等を使用することができる。例えば、レーザ光源７２として発振波長１．５５μｍの半導体レーザ等を使用する場合には、光検出器８２としては、波長１．５５μｍを含む赤外線に感度を有するフォトダイオード等を使用することができる。回路部８４は、制御部９０に電気的に接続されている。回路部８４で光電変換された電気信号は、検出信号として制御部９０に入力される。

ここで、結合機構について説明する。図８（Ｃ）に示すように、光導波路素子６０の本体部分に連結された光結合部６５は、光ファイバ８６の入射端部を保持するＶ字溝６６を備えている。光導波路素子６０の端面６０Ｂには、受光用光導波路６２の出射端面６２Ｂ（コア端面）が露出している。光ファイバ８６の入射端部は、光ファイバ８６の入射端面８６Ａ（コア端面）の位置が、受光用光導波路６２の出射端面６２Ｂ（コア端面）の位置に合うように、Ｖ字溝６６により保持されている。

また、光結合部６５は、光ファイバ７６の出射端部を保持するＶ字溝６８を備えている。光導波路素子６０の端面６０Ｂには、投光用光導波路６４の入射端面６４Ｂ（コア端面）が露出している。光ファイバ７６の入射端部は、光ファイバ７６の出射端面７６Ｂ（コア端面）の位置が、投光用光導波路６４の入射端面６４Ｂ（コア端面）の位置に合うように、Ｖ字溝６８により保持されている。

制御部９０は、Ａ／Ｄ変換器、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部、ＣＰＵ等の中央処理装置を備えている。ＲＯＭには、測定対象物までの距離の演算等、種々の処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データ等が記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによって行われる各種演算等を行うメモリ等として使用される。制御部９０には、上述した通り、測定光の出力信号、反射光の検出信号が入力される。制御部９０に入力されたこれらのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタル信号に変換され、記憶部（図示せず）に保持される。また、図９に示すように、制御部９０には、測定結果等を表示する表示部９２が接続されていてもよい。

次に、上記の距離測定装置３０の動作について説明する。図１０は図７に示す距離測定装置の動作を説明するための概略図である。まず、可動鏡４２を第２の位置に移動させる。制御部９０は、可動鏡４２を第２の位置に移動させるように、可動鏡デバイス４０の駆動部４６に制御信号を入力する。駆動部４６は、制御部９０からの制御信号に基づいて、保持台４４を回転駆動して、可動鏡４２を第２の位置に移動させる。

次に、対象物に対し測定光を投光する。制御部９０は、対象物に対し測定光を投光するように、レーザ光源７２を駆動する駆動部７４に制御信号を入力する。駆動部７４は、制御部９０からの制御信号に基づいて、レーザ光源７２を点灯駆動する。制御部９０には、測定光の出力信号が入力される。制御部９０は、測定光の出力信号に基づいて、測定光が投光されたタイミングを取得する。

レーザ光源７２から射出された測定光は、光ファイバ７６及び投光用光導波路６４を伝搬して、出射端面６４Ａから射出される。射出された測定光は、集光素子５０で平行光化されて、第２の位置に在る可動鏡４２に照射される。照射された測定光は可動鏡４２で反射され、窓部３４を通過して対象物に対して投光される。

次に、可動鏡４２の回転速度等を求める。測定光が投光されたタイミングから、反射光を受光するタイミングを予め求めることができる。反射光を受光するタイミングには、測定範囲の下限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングと、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングとが含まれる。また、各タイミングが分かれば、上記の「具体的な設計例」で説明した通り、距離測定装置の「投受光光学系」の構造に基づいて、可動鏡４２の回転を開始するタイミングと、可動鏡４２の回転速度とを、予め求めることができる。

本実施の形態では、制御部９０は、測定光が投光されたタイミングに基づいて、可動鏡４２の回転速度及び可動鏡４２の回転開始タイミングを求める。可動鏡４２の回転速度等は、各タイミングと回転速度等の関係を予め記憶しておいて、記憶された関係に基づいて求めてもよい。また、可動鏡４２の回転速度等は、測定光が投光される度に、演算して求めてもよい。

次に、可動鏡４２の第１の位置への移動（即ち、回転）を開始する。制御部９０は、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングに可動鏡４２が第１の位置に到達するように、可動鏡デバイス４０の駆動部４６に制御信号を入力する。駆動部４６は、制御部９０からの制御信号に基づいて、保持台４４を回転駆動して、可動鏡４２を一定速度で回転させる。

図１０に示すように、第２の位置に在る可動鏡４２で反射された高強度の反射光は、集光素子５０により集光されて、投光用光導波路６４の出射端面６４Ａの中心位置に在る「第２の焦点位置Ｆ２」に焦点を結ぶ。また、第１の位置に在る可動鏡４２で反射された微弱な反射光は、集光素子５０により集光されて、受光用光導波路６２の入射端面６２Ａの中心位置に在る「第１の焦点位置Ｆ１」に焦点を結ぶ。

可動鏡４２が一定速度で回転して、第２の位置から第１の位置まで移動することにより、焦点位置が「第２の焦点位置Ｆ２」から「第１の焦点位置Ｆ１」の方向（図面左側）に移動して、結合効率が徐々に向上する。焦点位置は、「第３の焦点位置Ｆ３」を通過して「第１の焦点位置Ｆ１」に移動する。そして、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングで、可動鏡４２は第１の位置に到達する。可動鏡４２が第１の位置に到達して「第１の焦点位置Ｆ１」に焦点を結んだときに、受光用光導波路６２への結合効率は最大となる。

対象物で反射された反射光は、窓部３４を通過して受光される。受光された反射光は、可動鏡４２で反射されて、集光素子５０に入射する。集光素子５０に入射した反射光は、集光素子５０で集光されて、焦点面５２に焦点を結ぶ。集光された反射光は、焦点位置に応じた結合効率で、受光用光導波路６２の入射端面６２Ａに結合される。

受光用光導波路６２に入射した反射光は、受光用光導波路６２及び光ファイバ８６を伝搬して、出射端面８６Ｂから射出される。射出された反射光は、光検出器８２で検出される。光検出器８２で反射光が検出されると、制御部９０には、反射光の検出信号が入力される。制御部９０は、反射光の検出信号に基づいて、反射光が受光されたタイミングを取得する。

次に、測定対象物までの距離を演算する。制御部９０は、取得された測定光の投光タイミングと反射光の受光タイミングとに基づいて、測定光が投光されてから反射光を受光するまでに要した応答時間を計算する。そして、計算された応答時間に基づいて、測定対象物までの距離を演算する。また、演算により得られた測定対象物までの距離を、測定結果として表示部９２に表示してもよい。

以上説明した通り、本実施の形態に係る距離測定装置では、可動鏡の回転により焦点位置が「時間」に応じて変化することで、反射光の受光用光導波路への結合効率が「時間」に応じて変化する。換言すれば、可動鏡の回転により焦点位置が「対象物までの距離」に応じて変化することで、反射光の受光用光導波路への結合効率が「対象物までの距離」に応じて変化する。このように、受光パワーを対象物までの距離に応じて変化させることで、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定することができる。

具体的には、戻り光パワーの大きい「近距離」からの反射光の場合は「結合効率」を小さくして光検出器の飽和を回避し、戻り光パワーの小さい「遠距離」からの反射光の場合は「結合効率」を大きくして高感度化を図り、投受光光学系の感度補正を行っている。投受光光学系の感度補正により、測定範囲（例えば、１ｍ〜１００ｍ）内での感度変化の範囲は２桁以下と顕著に狭くなる。従って、投受光光学系の感度補正を行うことで、既存の光検出器のダイナミックレンジの範囲で、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定できる。

＜距離測定装置（第２の実施の形態）＞
次に、上記の「投受光光学系」を備えた距離測定装置の構成の他の例について説明する。第１の実施の形態と同様に、ここでは、距離測定装置をレーザレーダ装置として構成した例について説明する。図１１は本発明の第２の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。図１２（Ａ）は投受光モジュールの外観を示す斜視図であり、図１２（Ｂ）は投受光モジュールの構成を示す模式図であり、図１２（Ｃ）は反射鏡の構成を示す平面図である。図１３（Ａ）〜（Ｃ）は投受光モジュールの製造方法を示す工程図である。図１５（Ａ）は光検出器の受光開口部を示す概略図であり、図１５（Ｂ）は受光開口部に対する焦点の位置ずれと結合効率との関係を示す模式図である。

図１１に示すように、距離測定装置１００は、可動鏡を有する可動鏡デバイス１１０、測定光を可動鏡に導光すると共に可動鏡で反射された反射光を集光する投受光モジュール１２０、対象物に投光する測定光を出力する光出力部１３０、対象物で反射された反射光を検出する光検出部１４０、及び制御部１５０を備えている。なお、光検出部１４０は、上述した通り、感度補正された反射光を受光する。また、ここでの可動鏡は、後述する通り「回転多面鏡」である。可動鏡デバイス１１０、投受光モジュール１２０、光出力部１３０、光検出部１４０、及び制御部１５０の各々は、筐体１０２内に収納されている。

また、筐体１０２は、窓部１０４を備えている。測定光は、窓部１０４を通過して対象物に対して投光される。対象物で反射された反射光は、窓部１０４を通過して受光される。第１の実施の形態と同様に、赤外光を射出する半導体レーザ等を光源に使用する場合には、窓部１０４としては、可視光カットガラス等、可視光を遮断する波長フィルタを用いることができる。

可動鏡デバイス１１０は、ポリゴンミラー等、複数の反射面１１２を有する回転多面鏡１１４を備えている。回転多面鏡１１４は、回転軸Ｃにより回転軸Ｃの周りに回転可能に保持されている。また、可動鏡デバイス１１０は、回転多面鏡１１４を回転駆動するモータ等の駆動部１１６を備えている。駆動部１１６は、制御部１５０に電気的に接続されている。駆動部１１６は、制御部１５０からの制御信号に基づいて、回転多面鏡１１４を回転軸Ｃの周りに回転駆動する。なお、回転方向は、矢印Ｙ方向である。

投受光モジュール１２０は、可動鏡で反射された反射光を集光する機能を有する集光部１２２、集光部１２２で集光された反射光を予め定めた方向（図面右側）に反射する反射鏡１２４、及び集光部１２２との間に反射鏡１２４を保持する保持部１２６を備えている。図１２（Ａ）に示すように、投受光モジュール１２０は、ガラスや光学樹脂等の光学材料で一体に形成された、上面が凸状の角柱形状（例えば、食パンのような形状）の光学素子である。この角柱形状の光学素子を斜めに切断して２つの部材に分けたときに、上面が凸状の一方の部材が集光部１２２に相当し、底面が平坦な他方の部材が保持部１２６に相当する。

反射鏡１２４は、図１２（Ｂ）に示すように、一方の面が反射面１２４Ａとされた平板状の反射鏡であり、光源（図示せず）から射出された測定光を通過させる開口部１２４Ｂを有している。この例では、反射鏡１２４は平面視が略円形であり、中央部分に開口部１２４Ｂが設けられている。反射鏡１２４は、反射光を予め定めた方向に反射すると共に測定光を通過させる機能を備えていればよく、この形状に限定される訳ではない。

図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、集光部１２２は上面が凸状の部材である。集光部１２２は、集光素子（レンズ）としての機能を付与する曲面１２２Ａ、反射鏡１２４の反射面１２４Ａに接する斜面１２２Ｂ、及び反射面１２４Ａで反射された反射光を出射する出射面１２２Ｃを備えている。集光部１２２で集光され、反射鏡１２４の反射面１２４Ａで反射された光は、出射面１２２Ｃ上に焦点を結ぶ。出射面１２２Ｃが平面とした場合には、部品が取り付け易く、光検出器１４２との結合が容易になる。

また、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、保持部１２６は底面が平坦な部材である。保持部１２６は、集光部１２２の斜面１２２Ｂと対向する斜面１２６Ａ、及び測定光が入射する入射面１２６Ｂを備えている。集光部１２２で集光され、反射鏡１２４の開口部１２４Ｂを通過した光は、入射面１２６Ｂ上に焦点を結ぶ。

後述する通り、光出力部１３０は、投受光モジュール１２０の保持部１２６の入射面１２６Ｂに対向するように、入射面１２６Ｂの光入射側（図面下側）に配置されている。また、光検出部１４０（詳しくは、光検出器１４２の受光側の表面１４２Ａ）は、投受光モジュール１２０の集光部１２２の出射面１２２Ｃに対向するように、出射面１２２Ｃの側方（図面右側）に配置されている。

ここで、投受光モジュール１２０の製造方法の一例を簡単に説明する。ここでは、投受光モジュール１２０を、光学樹脂により一体に形成する場合について説明する。まず、図１３（Ａ）に示すように、上面が凸状の部材（集光部１２２）を射出成形等により形成する。次に、図１３（Ｂ）に示すように、集光部１２２の斜面１２２Ｂに、反射面１２４Ａが斜面１２２Ｂに接するように反射鏡１２４を装着する。次に、図１３（Ｃ）に示すように、全体が上述した角柱形状になるように、射出成形等により残りの部分（保持部１２６）を形成する。

光出力部１３０は、測定光を射出するレーザ光源１３２、及びレーザ光源１３２を駆動する駆動部１３４を備えている。光出力部１３０は、投受光モジュール１２０の保持部１２６の入射面１２６Ｂに対向するように配置されている。駆動部１３４は、制御部１５０に電気的に接続されている。駆動部１３４は、制御部１５０からの制御信号に基づいて、レーザ光源１３２を点灯駆動する。レーザ光源１３２としては、半導体レーザ（ＬＤ）等を使用することができる。

光検出部１４０は、反射光を検出する光検出器１４２、及び光検出器１４２で検出した光信号を電気信号に光電変換する回路部１４４を備えている。光検出器１４２としては、フォトダイオード（ＰＤ）等を使用することができる。回路部１４４は、制御部１５０に電気的に接続されている。回路部１４４で光電変換された電気信号は、検出信号として制御部１５０に入力される。

図１５（Ａ）に示すように、光検出器１４２の受光側の表面１４２Ａは、電極１４２Ｂで囲まれた受光領域（受光開口部）１４２Ｃを有している。受光開口部１４２Ｃは、予め定めた面積とされている。この例では、平面視が略円形の受光開口部１４２Ｃを形成するように、光検出器１４２の表面１４２Ａに電極１４２Ｂが配置されている。図１５（Ｂ）に示すように、この受光開口部１４２Ｃは、第１の実施の形態における受光用光導波路の入射端面（コア）と同様の役割を果たす。例えば、受光開口部１４２Ｃの中心位置から距離ｄだけ離間した位置に集光されたガウシアンビームの結合効率ηは、上記式（１）で表され、図５に示すように距離ｄ（ずれ）に応じて変化する。

光検出器１４２の表面１４２Ａは、投受光モジュール１２０の出射面１２２Ｃから射出された反射光が入射するように、出射面１２２Ｃに近接して配置されている。また、光検出器１４２の表面１４２Ａは、投受光モジュール１２０の出射面１２２Ｃに対向するように配置されている。なお、制御部１５０は、第１の実施の形態と同様の構成であるため説明を省略する。また、制御部１５０には、表示部が接続されていてもよい。

次に、上記の距離測定装置１００の動作について説明する。図１４は図１１に示す距離測定装置の動作を説明するための概略図である。回転多面鏡１１４は回転軸Ｃの周りに回転するのであるが、便宜上、ここでは１つの反射面１１２が回転軸Ｄの周りに回転するように図示している。

まず、反射面１１２を第２の位置に移動させる。制御部１５０は、反射面１１２を第２の位置に移動させるように、可動鏡デバイス１１０の駆動部１１６に制御信号を入力する。駆動部１１６は、制御部１５０からの制御信号に基づいて、回転多面鏡１１４を回転駆動して、反射面１１２を第２の位置に移動させる。

次に、対象物に対し測定光を投光する。制御部１５０は、対象物に対し測定光を投光するように、レーザ光源１３２を駆動する駆動部１３４に制御信号を入力する。駆動部１３４は、制御部１５０からの制御信号に基づいて、レーザ光源１３２を点灯駆動する。制御部１５０には、測定光の出力信号が入力される。制御部１５０は、測定光の出力信号に基づいて、測定光が投光されたタイミングを取得する。

レーザ光源１３２から射出された測定光は、保持部１２６の入射面１２６Ｂから投受光モジュール１２０に入射する。入射した測定光は、反射鏡１２４の開口部１２４Ｂを通過して、集光部１２２で平行光化されて、第２の位置に在る反射面１１２に照射される。照射された測定光は反射面１１２で反射され、窓部１０４を通過して対象物に対して投光される。

次に、回転多面鏡１１４の回転速度等を求める。本実施の形態では、制御部１５０は、測定光が投光されたタイミングに基づいて、回転多面鏡１１４の回転速度及び回転開始タイミングを求める。なお、これらを求める原理は、第１の実施の形態と同様であるため説明は省略する。

次に、反射面１１２の第１の位置への移動（即ち、回転）を開始する。制御部１５０は、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングに反射面１１２が第１の位置に到達するように、可動鏡デバイス１１０の駆動部１１６に制御信号を入力する。駆動部１１６は、制御部１５０からの制御信号に基づいて、回転多面鏡１１４を回転駆動して、回転多面鏡１１４を一定速度で回転させる。

図１４に示すように、第２の位置に在る反射面１１２で反射された高強度の反射光は、投受光モジュール１２０の集光部１２２で集光され、反射鏡１２４の開口部１２４Ｂを通過して、保持部１２６の入射面１２６Ｂ上に在る「第２の焦点位置Ｆ２」に焦点を結ぶ。また、第１の位置に在る反射面１１２で反射された微弱な反射光は、投受光モジュール１２０の集光部１２２で集光され、反射鏡１２４の反射面１２４Ａで反射されて、出射面１２２Ｃ上に在る「第１の焦点位置Ｆ１」に焦点を結ぶ。

回転多面鏡１１４が一定速度で回転して、反射面１１２が第２の位置から第１の位置まで移動することにより、焦点位置が移動して結合効率が徐々に向上する。この例では、焦点面が２面あり、反射面１１２が移動することにより焦点面が切り替わる。具体的には、保持部１２６の入射面１２６Ｂ上に在る「第２の焦点位置Ｆ２」から、集光部１２２の出射面１２２Ｃ上に在る「第３の焦点位置Ｆ３」を通過して、集光部１２２の出射面１２２Ｃ上に在る「第１の焦点位置Ｆ１」まで、焦点位置が移動する。

第１の実施の形態と同様に、測定範囲の上限距離に在る対象物からの反射光が受光されるタイミングで、反射面１１２は第１の位置に到達する。反射面１１２が第１の位置に到達して「第１の焦点位置Ｆ１」に焦点を結んだときに、受光用光導波路１４６への結合効率は最大となる。

対象物で反射された反射光は、窓部１０４を通過して受光される。受光された反射光は、回転多面鏡１１４の反射面１１２で反射されて、集光部１２２の曲面１２２Ａから投受光モジュール１２０に入射する。投受光モジュール１２０に入射した反射光は、集光部１２２で集光され、反射鏡１２４の反射面１２４Ａで反射されて、集光部１２２の出射面１２２Ｃに焦点を結ぶ。集光された反射光は、焦点位置に応じた結合効率で、光検出器１４２の受光開口部１４２Ｃに結合される。

受光開口部１４２Ｃから入射した反射光は、光検出器１４２で検出される。光検出器１４２で反射光が検出されると、制御部１５０には、反射光の検出信号が入力される。制御部１５０は、反射光の検出信号に基づいて、反射光が受光されたタイミングを取得する。

次に、測定対象物までの距離を演算する。なお、測定対象物までの距離を演算する方法は、第１の実施の形態と同様であるため説明は省略する。

以上説明した通り、本実施の形態に係る距離測定装置では、第１の実施の形態と同様に、回転多面鏡の回転により焦点位置が「対象物までの距離」に応じて変化することで、反射光の受光用光導波路への結合効率が「対象物までの距離」に応じて変化する。このように、投受光光学系の感度補正を行って、受光パワーを対象物までの距離に応じて変化させることで、既存の光検出器のダイナミックレンジの範囲で、対象物までの距離に拘らず、対象物までの距離を精度よく測定することができる。

また、本実施の形態に係る距離測定装置では、測定光を可動鏡に導光すると共に可動鏡で反射された反射光を集光する投受光モジュールを用いている。この投受光モジュールを用いた場合には、光出力部及び光検出部を投受光モジュールに対し異なる方向に配置できるので、距離測定装置の小型化を図ることができる。

１０受光光学系
１０Ａ投受光光学系
１２可動鏡
１４集光素子
１６受光用光導波路
１６Ａ入射端面
１８焦点面
２０投光用光導波路
２０Ａ出射端面
３０距離測定装置
３２筐体
３４窓部
４０可動鏡デバイス
４２可動鏡
４４保持台
４６駆動部
５０集光素子
５２焦点面
６０光導波路素子
６０Ａ端面
６０Ｂ端面
６２受光用光導波路
６２Ａ入射端面
６２Ｂ出射端面
６４投光用光導波路
６４Ａ出射端面
６４Ｂ入射端面
６５光結合部
６６Ｖ字溝
６８Ｖ字溝
７０光出力部
７２レーザ光源
７４駆動部
７６光ファイバ
７６Ａ入射端面
７６Ｂ出射端面
８０光検出部
８２光検出器
８４回路部
８６光ファイバ
８６Ａ入射端面
８６Ｂ出射端面
９０制御部
９２表示部
１００距離測定装置
１０２筐体
１０４窓部
１１０可動鏡デバイス
１１２反射面
１１４回転多面鏡
１１６駆動部
１２０投受光モジュール
１２２集光部
１２４反射鏡
１２６保持部
１３０光出力部
１３２レーザ光源
１３４駆動部
１４０光検出部
１４２光検出器
１４４回路部
１５０制御部

Claims

測定対象物に投光する測定光を射出する光源と、
前記測定対象物に投光する測定光を反射可能に構成されると共に、時間の経過に従って予め定めた回転軸の周りに等速で回転移動して、前記測定対象物で反射された反射光を複数の方向に反射可能に構成された可動鏡と、
前記光源から射出された測定光を前記可動鏡に照射すると共に、前記可動鏡で反射された反射光を集光する集光素子と、
前記集光素子の焦点面に配置された予め定めた面積の受光領域を備え、前記受光領域で受光された光を検出する光検出部と、
測定範囲の上限距離に在る測定対象物からの反射光を受光した場合には、前記受光領域への結合効率が最大値となる第１の位置に前記可動鏡を移動させると共に、前記測定対象物に投光する測定光を射出する場合及び測定範囲の下限距離に在る測定対象物からの反射光を受光した場合には、前記受光領域への結合効率が前記最大値より小さくなる第２の位置に前記可動鏡を移動させるように、前記可動鏡を駆動制御する駆動制御部と、
前記測定光が投光されてから前記反射光が受光されるまでの時間を計測し、計測された時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算部と、
を備えた距離測定装置。
前記駆動制御部は、前記測定範囲の下限距離が０ｍである場合には、前記測定光の投光時に前記第２の位置に前記可動鏡を移動させ、前記測定範囲の下限距離が０ｍより大きい場合には、前記測定光の投光時に前記受光領域への結合効率が前記第２の位置より小さくなる第３の位置に前記可動鏡を移動させるように前記可動鏡を駆動制御する、請求項１に記載の距離測定装置。
前記集光素子は、前記可動鏡で反射された反射光を集光する機能を有する集光部と、前記集光部で集光された反射光を前記光検出部側に反射する反射鏡と、前記集光部との間に前記反射鏡を保持する保持部とを備え、前記反射鏡は前記光源から射出された測定光を通過させる開口部を有する、請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置。
前記光検出部は、前記受光領域として前記集光素子の焦点面に配置された入射端面を備え且つ前記入射端面から入射された光を出射端面まで伝搬する受光用光導波路と、前記出射端面から射出された光を検出する光検出器と、を含んで構成され、
前記光源から射出された測定光を結合する入射端面と前記集光素子の焦点面に配置された出射端面とを備え、前記入射端面から入射された光を前記出射端面まで伝搬する投光用光導波路を更に備え、
前記第１の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記受光用光導波路の入射端面に焦点を結び、前記測定範囲の下限距離が０ｍであり且つ前記第２の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記投光用光導波路の出射端面に焦点を結び、前記測定範囲の下限距離が０ｍより大きく且つ前記第３の位置に可動鏡が在る場合には、前記集光素子で集光された反射光が前記投光用光導波路の出射端面に焦点を結ぶ、請求項２に記載の距離測定装置。