JP5944876B2 - レーザ光を用いた距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いた距離測定装置に関する。

特許文献１には、レーザ光源から予め設定された投光タイミングで、光偏向手段としてのガルバノミラーを用いてレーザ光を被測定物表面に向かって走査投光し、被測定物表面で走査反射された反射光を受光部で検出するという走査レーザ光を用いた距離測定装置が開示されている。この距離測定装置は、レーザ光源の投光タイミングと受光部による反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて、被測定物表面までの距離を計測するものである。

特開２０１２−１４１２６５号公報

特許文献１に開示されている距離測定装置は、投光タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて、被測定物表面までの距離を計測するものであるが、レーザ光源と被測定物表面との距離が短いときには、ごく短時間の計測が必要となる。したがって、この時間計測には極めて高精度な時間計測装置をはじめ、構成要素が多くなることから小型化は困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型で高精度な距離測定装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、レーザ光を用いた距離測定装置おいて、レーザ光源と、レーザ光源が出射したレーザ光を平行光に変換する第１の光学素子と、揺動可能なミラーを備え、レーザ光を被測定物の表面に走査する光偏向手段と、第１の光学素子と光偏向手段の間に配置され、光偏向手段によって走査された走査レーザ光を、被測定物の表面で収束させる第２の光学素子と、被測定物の表面から反射された反射光の光量の最大値を検出する光量検出器と、ミラーの駆動タイミングと第２の光学素子の駆動タイミングを同期して駆動させて、レーザ光の走査位置および第２の光学素子の焦点距離を制御する制御部と、を有し、制御部は、第２の光学素子の焦点距離を変えながら反射光の光量値を予め、または測定時に光量検出器で検出して記憶し、この時の走査レーザ光の走査位置と第２の光学素子の焦点距離に係るパラメータを関連付けて記憶し、走査レーザ光を走査し、各走査位置で第２の光学素子の焦点距離を変更しながら反射光の光量の最大値を検出し、光量の最大値と前記パラメータを用いてミラーから被測定物の表面までの距離を算出する、こととする。

また、上記発明に加えて、第２の光学素子は、印加する電圧によって焦点距離を変更する可変焦点レンズである、ことが好ましい。

また、上記発明に加えて、光偏向手段は、ミラーを揺動させる静電駆動方式のＭＥＭＳ構造体である、ことが好ましい。

また、上記発明に加えて、ミラーと第１の光学素子の間の光路に、反射光を光量検出器に導光する光路分岐手段を備えている、ことが好ましい。

本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定装置の構成と光路を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る制御部の主要な構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る光偏向手段の構成の１例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る走査レーザ光の走査軌跡を示す図である。 本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの構造を示す斜視断面図である。 本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの圧電素子と揺動ミラーの揺動との同期をとるための１例を説明する図である（可変焦点レンズが動作していない場合）。 本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの圧電素子と揺動ミラーの揺動との同期をとるための１例を説明する図である（可変焦点レンズが動作している場合）。 本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズの焦点距離の可変前と可変後のビーム径の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定方法の主たる工程を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定方法を模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた他の距離測定方法の主たる工程を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた他の距離測定方法を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定装置１について、図面を参照しながら説明する。

（レーザ光を用いた距離測定装置１の構成）
図１は、本実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定装置１の構成と光路を示すブロック図である。なお、以降の説明では、レーザ光を用いた距離測定装置１を単に距離測定装置１と表し説明する。距離測定装置１は、レーザダイオード（半導体レーザ）などのレーザ光源２と、レーザ光源２が出射したレーザ光Ｒ１を平行光に変換する第１の光学素子３と、レーザ光Ｒ１を被測定物４および測定部５に向かって偏向走査する光偏向手段６を備えている。さらに、距離測定装置１は、第１の光学素子３と光偏向手段６の間に配置されると共に、光偏向手段６によって走査された走査レーザ光Ｒ２を、被測定物４の測定部５の表面で収束させる（焦点を結ぶこと）第２の光学素子７と、測定部５の表面から反射された反射光Ｒ３の光量を検出する光量検出器８を備えている。また、光偏向手段６は、揺動可能な揺動ミラー９を備えている。そして、第１の光学素子３と揺動ミラー９の間のレーザ光Ｒ１の光路には、反射光Ｒ３を分岐して光量検出器８に導光する光分岐手段としてのハーフミラー１０を備えている。

上述したレーザ光源２、第１の光学素子３、光偏向手段６、第２の光学素子７、光量検出器８、およびハーフミラー１０などの光学系要素は、筐体１１内に格納されている。筐体１１の側面には、走査レーザ光Ｒ２が所定の範囲で走査可能な開口部（図示は省略）が形成されている。なお、距離測定装置１は、上述の光学系要素を制御する制御部１２を備えている。

第１の光学素子３は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｒ１を平行光に変換する光学素子であって、本実施の形態ではコリメータレンズなどが用いられる。また、光偏向手段６は、揺動ミラー９を含む静電駆動方式のＭＥＭＳ構造体である。本実施の形態では、第２の光学素子７として、焦点距離を任意に変更可能な可変焦点レンズを例示している。よって、以降の説明では、第２の光学素子７を可変焦点レンズ７と表す。光偏向手段６の構造は図３を参照し、第２の光学素子７の構造は図５を参照して後述する。

ここで、図１を参照してレーザ光Ｒ１、反射光Ｒ３の光路について説明する。レーザ光源２が出射したレーザ光Ｒ１は、第１の光学素子３で平行光に変換される。平行光に変換されたレーザ光Ｒ１は、ハーフミラー１０、および第２の光学素子７を通って光偏向手段６の揺動ミラー９に投光される。そして、揺動ミラー９を揺動させて被測定物４を含む測定対象領域内にレーザ光を走査投光する。なお、この走査されたレーザ光を走査レーザ光Ｒ２と表す。照射された走査レーザ光Ｒ２は、測定部５の表面で反射される。光偏向手段６の駆動タイミングと第２の光学素子７の駆動タイミングは、同期させている。このため、反射光Ｒ３は、被測定物４のレーザ光が当たる各位置で光径が絞られたものとなる。反射光Ｒ３は、レーザ光源２から揺動ミラー９に達する光路を逆に辿り、ハーフミラー１０でこの光路から光分岐されて光量検出器８に導光される。なお、光量検出器８は、たとえばフォトダイオードなどの受光素子であって反射光Ｒ３の光量を検出する。

本実施の形態の距離測定装置１は、測定部５の表面で走査レーザ光Ｒ２が収束した位置（焦点を結んだ位置）の反射光量が最大値になること利用するものであって、揺動ミラー９の駆動によるレーザ光の走査位置、第２の光学素子７による焦点距離の制御は、制御部１２によって制御される。続いて、距離測定装置１の制御部１２の構成について、図２を参照して説明する。

図２は、本実施の形態に係る制御部１２の主要な構成を示すブロック図である。ブロック図の左辺側に図示する光学系要素の構成は図１で説明しているので、ここでは説明を省略する。制御部１２は、レーザ光源２の駆動制御を行う光源駆動制御部１３、可変焦点レンズ７の焦点距離を制御する可変焦点レンズ制御部１４、揺動ミラー９の駆動を制御する揺動制御部１５、および検出した反射光Ｒ３の光量を記憶する光量記憶部１６を備えている。光源駆動制御部１３は、レーザ光源２の出力と、レーザ光Ｒ１の出射タイミングを制御する。可変焦点レンズ制御部１４は、可変焦点レンズ７に印加する電圧を制御し、走査レーザ光Ｒ２の収束位置（焦点位置）を制御する。焦点位置が測定部５の表面にあるとき、反射光Ｒ３はその多くが反射し、検出光量は最大値となる。

揺動制御部１５は、揺動ミラー９の揺動方向、揺動角度、および揺動タイミングを制御することで、走査レーザ光Ｒ２の走査方向および走査速度を制御しつつ、走査レーザ光Ｒ２の走査位置情報を取得する。光源駆動制御部１３と可変焦点レンズ制御部１４と揺動制御部１５の駆動タイミングは同期している。つまり、レーザ光源２からのレーザ光Ｒ１の出射タイミングと光偏向手段６による走査タイミングと第２の光学素子７の駆動タイミングは同期している。したがって、反射光Ｒ３は、レーザ光源２から揺動ミラー９に向かう光路を辿るようにしてハーフミラー１０で光分岐されて、光量検出器８で所定の位置へ放射された走査レーザ光Ｒ２の反射光として受光することが可能となる。光量検出器８で検出された光量のうち最大光量検出値の情報は、光量記憶部１６に記憶される。

さらに、制御部１２は、走査レーザ光Ｒ２の走査情報と、可変焦点レンズ制御部１４の制御情報（焦点距離を制御する情報）と反射光の最大光量検出値を関連付けてパラメータ化し記憶するパラメータ記憶部１７を備える。そして、パラメータ記憶部１７の情報を用いて揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離を算出する演算部１８を備え、距離情報をデータ変換部１９に入力する。

データ変換部１９は、走査位置情報と距離情報とを関連付けしてマトリックス情報に変換する。ただし、どのように距離情報を出力するかは、データの活用方法にしたがって対応することが可能である。たとえば、走査位置（最大光量の検出位置）と距離を一覧表で出力すること、このデータに基づき３次元画像に変換すること、あるいは、揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離が最大になる位置や最小になる位置などにデータ変換することが可能である。そして、変換されたデータは、測定結果出力インターフェース２０に出力する。なお、測定結果出力インターフェース２０は、距離測定装置１から離れた位置に配置してもよく、データ変換部１８から通信手段を用いて、ＰＣ（パソコン）や携帯端末などに送信することも可能である。

（光偏向手段６の構成）
図３は、本実施の形態に係る光偏向手段６の構成の１例を示す平面図である。図３に図示した光偏向手段６は、揺動ミラー９が二次元に揺動可能な構成の１例を示している。なお、図示の横方向をＸ方向、Ｘ方向に直交する縦方向をＹ方向と表し説明する。光偏向手段６は、静電駆動方式のアクチュエータであって、ベース基板３０に固定部と可動部と導電層とを半導体製造技術を用いて形成したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造体である。ベース基板３０は、厚さが一様な四角形のシリコン基板（半導体基板）などで形成されている。ベース基板３０の中央部には、フレーム３１が形成されており、フレーム３１はＹ方向両側を第１トーションバー３２のみでベース基板３０に接続されている。第１トーションバー３２は、フレーム３１のＸ方向中央部に配置され、第１トーションバー３２のＸ方向中央部はフレーム３１のベース基板３０に対する第１回転軸３３である。

フレーム３１の中央部には、円形の可動部３４が形成されており、可動部３４はＸ方向両側を第２トーションバー３５のみでフレーム３１に接続されている。第２トーションバー３５は、可動部３４のＹ方向中央部に配置され、第２トーションバー３５のＹ方向中央部は可動部３４のベース基板３０に対する第２回転軸３６となる。なお、第２回転軸３６は、フレーム３１に対する回転軸でもある。可動部３４の表面は鏡面仕上げされて揺動ミラー９となる。揺動ミラー９の表面には、光の反射率を高めるために、たとえば、アルミニウムなどの反射膜を設ける構造としてもよい。

フレーム３１のＹ１方向端部には、第１トーションバー３２のＸ１方向側に、第１櫛歯電極３７がＹ１方向に向かって配列されている。第１櫛歯電極３７は、Ｘ１方向に延伸されている。第１トーションバー３２のＸ２方向側には、第１回転軸３３に対して第１櫛歯電極３７に対して対称形の第２櫛歯電極３８が形成されている。一方、フレーム３１のＹ２方向端部にも、第２回転軸３６に対してＹ１側の第１および第２櫛歯電極と対称形となる第１櫛歯電極３７および第２櫛歯電極３８が形成されている。

ベース基板３０には、既述した第１櫛歯電極３７に間挿される第３櫛歯電極３９と、第２櫛歯電極３８に間挿される第４櫛歯電極４０が形成されている。第１櫛歯電極３７と第３櫛歯電極３９、第２櫛歯電極３８と第４櫛歯電極４０の間には、一定のギャップが設けられている。

可動部３４のＸ１方向端部には、第２トーションバー３５のＹ１方向側に、第５櫛歯電極４１がＸ１方向に向かって配列されている。第５櫛歯電極４１は、Ｙ１方向に延伸されている。第２トーションバー３５のＹ２方向側には、第２回転軸３６に対して第５櫛歯電極４１と対称形の第６櫛歯電極４２が形成されている。一方、可動部３４のＸ２方向端部には、第１回転軸３３に対してＸ１側の第５櫛歯電極４１および第６櫛歯電極４２と対称形となる第５櫛歯電極４１および第６櫛歯電極４２が形成されている。

ベース基板３０には、既述した第５櫛歯電極４１に間挿される第７櫛歯電極４３と、第６櫛歯電極４２に間挿される第８櫛歯電極４４が形成されている。第５櫛歯電極４１と第７櫛歯電極４３、第６櫛歯電極４２と第８櫛歯電極４４の間には、一定のギャップが設けられている。第１櫛歯電極３７から第８櫛歯電極４４のそれぞれの表面（図示されている側の表面）には不図示の導電層が形成されている。

なお、ベース基板３０のＹ１方向端部およびＹ２方向端部には、第１トーションバー３２のＸ方向両側にベース基板３０を右側領域４５と、左側領域４６に分割する溝４７および溝４８が形成されている。２本の溝４７，４８で挟まれた領域は接続領域４９である。一方、可動部３４は、右側のトーションバー３５とフレーム３１の接続部を電気的に分割する溝５０と、左側の第２トーションバー３５のフレーム３１との接続部を電気的に分割する溝５１が形成されている。このように、光偏向手段６は、溝４７，４８，５０，５１によって電気的に４つの領域に分割され、それぞれに異なった電位の電力を供給することを可能にしている。

（揺動ミラー９の駆動方法）
まず、第１回転軸３３回りの揺動について説明する。ベース基板３０の右側領域４５と左側領域４６に、それぞれ異なる電位の電力を供給すると、間挿された櫛歯電極間に電界が発生し、たとえば、右側領域４５側で、第１櫛歯電極３７と第３櫛歯電極３９の間に吸引力が働くとすると、第１トーションバー３２が捩じられて、第１回転軸３３を回転軸として揺動ミラー９および可動部３４を含むフレーム３１が回転する。可動部３４の鏡面に仕上げられた表面である揺動ミラー９をＹ２方向から視認すると、揺動ミラー９は、時計回りに回転する。

逆に、右側領域４５で第１櫛歯電極３７と第３櫛歯電極３９の間に反発力が働くように電力を供給すると、揺動ミラー９は、反時計回りに回転する。その時の回転角度（揺動角度）は、供給電圧によって制御可能であり、電圧値および電圧印加タイミングは、揺動制御部１５によって制御される。

ここで、図３で示すＸ方向を水平方向とすれば、揺動ミラー９は、第１回転軸３３を回転軸として揺動され、走査レーザ光Ｒ２は、水平方向に往復走査可能となる。フレーム３１は、ベース基板３０に対して可動部といえる。そして、揺動ミラー９は、揺動制御部１５によって、水平方向（Ｘ方向）における走査方向（揺動が時計回りか、反時計回りか）、揺動角度、揺動速度が制御可能とされている。

次に、揺動ミラー９の第２回転軸３６回りの揺動について説明する。可動部３４とフレーム３１を接続する第２トーションバー３５の表面には不図示の導電層が形成されている。そして、可動部３４と第２トーションバー３５と第５櫛歯電極４１および第６櫛歯電極４２は、同電位となる。

フレーム３１の第２回転軸３６よりＹ１方向側とＹ２方向側に、それぞれ異なる電位の電力を供給すると、間挿された櫛歯電極間に電界が発生する。たとえば、Ｙ１方向側領域で、第７櫛歯電極４３と第８櫛歯電極４４の間に吸引力が働くとすると、第２トーションバー３５が捩じられて、第２回転軸３６を回転軸として揺動ミラー９がフレーム３１に対して回転する。揺動ミラー９をＸ２方向から視認すると、揺動ミラー９は、反時計回りに回転する。

逆に、Ｙ１方向側で第７櫛歯電極４３と第８櫛歯電極４４の間に反発力が働くように電力を供給すると、揺動ミラー９は、Ｘ２側から視認して時計回りに回転する。第２回転軸３６は、第１回転軸３３に対して直交しているので、揺動ミラー９は、第２回転軸３６を回動中心として揺動することになる。そして、揺動ミラー９は、既述した水平方向の走査（揺動）と同様に、揺動制御部１５によって、垂直方向（Ｙ方向）における走査方向（揺動）が時計回りか、反時計回りか）、揺動角度、揺動速度を制御可能となっている。

以上説明したように、本実施の形態の光偏向手段６は、間挿された各櫛歯電極に発生する電界によって揺動ミラー９を揺動する静電駆動方式のアクチユエータを用いており、水平方向の走査と垂直方向の走査を相対的に組み合わせることによって、水平方向および垂直方向の二次元駆動が可能となっている。したがって、走査レーザ光Ｒ２の二次元走査が可能である。この二次元走査としては、図４に示すラスタ走査や不図示のリサージュ走査などが可能である。

図４は、走査レーザ光Ｒ２の走査軌跡を示す図である。図４に示す走査軌跡は、ラスタ走査の例であって、水平走査対垂直走査の比が１０：１の場合を示している。走査開始位置Ｔから水平走査と垂直走査を１０：１の割合で、左側走査端部Ｓ１から右側走査端部Ｓ２を往復しながら走査を行い、走査終端位置Ｅまで垂直方向に走査して走査開始位置Ｔに戻す。この走査サイクルを１走査サイクル（または１測定サイクル）とする。または、図４に示すように、図中矢印で示す走査を走査開始位置Ｔから走査終端位置Ｅまで走査し、この走査軌跡の間を補完するように、走査終端位置Ｅから走査開始位置Ｔまで左側走査端部Ｓ１から右側走査端部Ｓ２を往復する走査を走査１サイクル（測定１サイクル）としてもよい。

（第２の光学素子７の構造）
続いて、第２の光学素子としての可変焦点レンズ７の構造について説明する。可変焦点レンズ７は、第１の光学素子３から入射される走査レーザ光Ｒ２を、被測定物４の被走査面上で走査レーザ光Ｒ２のスポット径を均一、かつ最小にするために焦点距離を変化させるものである。

図５は、可変焦点レンズ７の構造を示す斜視断面図である。可変焦点レンズ７は、可変焦点レンズ部５３と固定レンズ部５４によって構成されている。可変焦点レンズ部５３は、円環状のスペーサ５５，５５の厚さ方向両側に透光性弾性膜５６を陽極接合などの接合手段によって接合され構成されている。スペーサ５５，５５は、シリコンなどで形成されており、透光性弾性膜５６は、薄膜のガラスダイヤフラムなどから形成されている。図５に示すように、上方側の透光性弾性膜５６の表面側および下方側の透光性弾性膜５６の表面側には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子５７がスパッタ等の成膜方法によって円環状に形成されている。圧電素子５７の中央部は、走査レーザ光Ｒ２（反射光Ｒ３含む）が透過する開口部となっている。

固定レンズ部５３は、レンズホルダ６０の内周段部と保持リング６１との間に固定対物レンズ６２を挟持した状態で接着等の固定手段によって固定して構成されている。そして、上述した可変焦点レンズ部５２と固定レンズ部５３は、接着等の手段により外周部が互いに接合されて一体化されている。

２枚の透光性弾性膜５６とスペーサ５５とで形成された空間には、透光性物質からなる動作流体５８が充填されている。可変焦点レンズ７は、全体として、たとえば凸レンズ形状をしている。本実施の形態では、圧電素子５７に電圧を印加すると、電圧値に応じて圧電素子５７が収縮または伸長し、スペーサ５５と透光性弾性膜５６で囲まれた動作流体５８の形状が変化する。この形状変化によって透光性弾性膜５６の曲率が変化し、可変焦点レンズ７の焦点距離が変化する。可変焦点レンズ７を凸レンズとすれば曲率が小さくなると、焦点距離は遠くなる。したがって、圧電素子５７に印加する電圧を徐々に高めていくと、電圧の大きさに対応して可変焦点レンズ７の焦点距離が徐々に遠くなる（または近くなる）ように変化させることが可能である。この可変焦点レンズ７の駆動を揺動ミラー９の揺動と同期させることにより、走査レーザ光Ｒ２の焦点距離が変わるように構成されている。

なお、透光性弾性膜５６は、中央部の膜厚が外周部に比べて徐々に薄くなるような膜厚分布を有している。このことにより、可変焦点レンズ７の光学収差を低減することを可能にしている。

なお、本実施の形態の距離測定装置１は、可変焦点レンズ７の駆動タイミングと、揺動ミラー９の揺動駆動タイミングを同期させている。可変焦点レンズ７による焦点距離の制御は、揺動ミラー９から出射される走査レーザ光Ｒ２が被測定物５の表面に収束するように行われる。走査レーザ光Ｒ２が被測定物５の表面で収束している（焦点がその位置で結ばれている）と、被測定物５からの反射光の光量は最大値となる。本実施の形態に係る距離測定装置１は、可変焦点レンズ７の焦点距離と、光量検出器８によって検出する最大光量値、および走査レーザ光Ｒ２の走査位置との相関関係を利用する装置である。

ここで、可変焦点レンズ７の焦点距離の調整について図６〜図８を参照して説明する。図６、図７は、可変焦点レンズ７の圧電素子５７の駆動と揺動ミラー９の揺動との同期をとるための１例を説明する図であり、図６は可変焦点レンズ９Ａが動作していない場合を表し、図７は可変焦点レンズ９Ａが動作している場合を表す図である。また、図８は、可変焦点レンズの焦点距離の可変前と可変後の主ビーム径の変化を示すグラフである。ここで、主ビーム径とは、走査レーザ光Ｒ２を被測定物４に当てたときの被測定物４における主光束の直径である。なお、図６、図７で示す構成は、図１の距離測定装置１とは異なるものであり、可変焦点レンズ７の駆動と揺動ミラー９の揺動との同期をどのように行なうかを調べるためのものである。各符号は距離測定装置１の各部材と同様のものであるため、同じ符号に「Ａ」を付加してある。なお、図６、図７では、揺動ミラー９Ａと被測定物４Ａの間の光路にハーフミラー１０Ａを備え、反射光Ｒ３を受光する光量検出器８Ａを図１の距離測定装置１とは異なる位置に配置している。図６、図７に記載のＰ１およびＰ２は、各走査線上の主ビームを模式的に示したものである。

可変焦点レンズ７Ａで焦点距離が決定される走査レーザ光Ｒ２は、揺動ミラー５で反射され、被走査面、たとえば、被測定物４Ａ上を走査するようになっている。図６に示すように、第１の光学素子３からの平行光は可変焦点レンズ７Ａによって所定の位置で最小のビーム径となる。この例では可変焦点レンズ７Ａに電圧８０Ｖを印加したときにレンズの焦点距離が最も短くなり、可変焦点レンズ７から３０ｃｍの位置（図中ａ１の位置）で最小のビーム径となる。可変焦点レンズ７Ａに電圧７５Ｖを印加したときには可変焦点レンズ７Ａの焦点距離が長くなり、可変焦点レンズ７Ａから３５ｃｍの位置（図中ａ２の位置）で最小のビーム径となる。このように、可変焦点レンズ７Ａは印加する電圧で焦点距離を任意に設定することができる。

図６に示すように、可変焦点レンズ７Ａに電圧を印加せずに揺動ミラー９Ａを揺動すると（可変前）、そのビーム径は揺動の中心で最も小さくなり、揺動の両端に行くほど径は大きくなる(図８の可変前を参照。)。図７に示すように、可変焦点レンズ７Ａに電圧を印加する際に揺動ミラー９Ａの揺動状態に合わせ、その印加電圧を変化させる可変後では、ビーム径は揺動中心から離れてもほぼ同じとなる(図８の可変後を参照。)。

（走査レーザ光を用いた距離測定方法）
図９は、レーザ光を用いた距離測定方法の主たる工程を示すフローチャートであり、図１０は、レーザ光を用いた距離測定方法を模式的に示す説明図である。図９、図１０を参照してレーザ光を用いた距離測定方法を説明する。

まず、距離測定装置１を起動してレーザ光の走査を開始する（ステップＳ１）。次いで、図１０に示す実施例では、可変焦点レンズ７の焦点距離を可変焦点レンズ制御部１３によって最短焦点ａ１で走査レーザ光Ｒ２の焦点を結ぶように調整された走査レーザ光Ｒ２を当てる（ステップＳ２）。そして、図１０に示すＭ１からＭ２に向かう方向、またはその逆方向に走査レーザ光Ｒ２を走査し、各走査位置における反射光量を光量検出器８で検出し、光量記憶部１６に記憶する（ステップＳ３）。反射光が検出されない場合には、「０」を記憶する。この実施例では、走査線上で、焦点の位置が直線になるように可変焦点レンズ７の焦点距離の調整を行う。可変焦点レンズ制御部１４と揺動制御部１５は同期しているため、走査位置と、この各走査位置における光量の検出値は関連付けることが可能である。なお、走査レーザ光Ｒ２の走査は、図４に示すラスタ走査を用いるものとし、走査開始位置Ｔから走査終端位置Ｅまで２回走査したところで、次の工程に移行する。

次に、可変焦点レンズ７の焦点位置を、揺動ミラー９から位置ａ１よりも遠ざかる方向の位置ａ２で焦点を結ぶように調整された走査レーザ光Ｒ２を当てる（ステップＳ４）。そして、焦点位置ａ１のときと同様な走査軌跡で走査レーザ光Ｒ２を走査し、各走査位置における反射光量を光量検出器８で検出し、光量記憶部１６に記憶する（ステップＳ５）。位置ａ１から位置ａ２への焦点距離の移動は、予め設定された間隔とする。

このようにして、各走査線上で検出した反射光量のうちの最大値と、可変焦点レンズ７の焦点距離パラメータを関連付けてパラメータ記憶部１７に記憶する（ステップＳ６）。可変焦点レンズ７のパラメータは、光量の最大値を検出した走査位置と、そのときの可変焦点レンズ７（圧電素子５７）に印加した電圧値を含む。このようにして、揺動ミラー９からの距離を位置ａ１、位置ａ２からさらに遠ざかる方向に移動させて、可変焦点レンズ７の焦点距離の調整可能な範囲までレーザ光の走査と、反射光の光量の検出とを繰り返す。

被測定物４の測定可能範囲、または可変焦点レンズ７の焦点距離の調整可能な範囲の走査を測定１サイクルとしたとき、測定１サイクルが終了したかを判定し（ステップＳ７）、終了（ＹＥＳ）と判定した場合には、次のステップに移行する。未終了（ＮＯ）と判定した場合には、走査と反射光量の検出を測定１サイクルが終了するまで継続する。

演算部１９は、測定１サイクルが終了した時点で、最大光量を検出した瞬間の可変焦点レンズ７（圧電素子５７）に印加した電圧値の差から、揺動ミラー９から各測定部までの距離を算出し（ステップＳ８）、最大光量値を検出した走査位置（二次元位置）と関連付けて、データ変換部１９で三次元データ化する（ステップＳ９）。そして、測定結果出力インターフェース２０によって、測定結果を出力する（ステップＳ１０）。たとえば、揺動ミラー９から走査レーザ光Ｒ２が焦点を結ぶ位置までの実距離と、この距離に対応した可変焦点レンズ７（圧電素子５７）に印加する電圧値を関連付けておけば、揺動ミラー９から反射光の最大光量値を検出した測定部５の表面までの絶対距離（実距離）として算出することが可能となる。

測定結果の出力方法としては、走査位置（最大光量の検出位置）と、その位置の揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離の一覧表で出力すること、このデータに基づき三次元画像に変換して出力すること、あるいは、揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離が最大になる位置や最小になる位置などにデータを変換して出力することが可能である。

（レーザ光を用いた他の距離測定方法）
続いて、レーザ光を用いた他の距離測定方法を図１１および図１２を用いて説明する。図１１は、レーザ光を用いた他の距離測定走査方法の主たる工程を示すフローチャートである。図１２は、レーザ光を用いた他の距離測定方法を模式的に示す説明図である。

まず、距離測定装置１を起動してレーザ光の走査を開始する（ステップＳ１）。次いで、最短焦点位置ｂ１（図１２参照）で焦点を結ぶよう焦点位置を調整する（ステップ２）。そして、図１２に示すＭ１からＭ２に向かう方向、またはその逆方向に向かう方向に走査レーザ光Ｒ２を走査し、各走査位置における反射光量を光量検出器８で検出し、光量記憶部１６に記憶する（ステップＳ３）。反射光が検出されない場合には、「０」を記憶する。図１２に示す実施例では、走査線上で、焦点の位置が円弧状になるように可変焦点レンズ７の焦点距離の調整を行う。可変焦点レンズ制御部１４と揺動制御部１５は同期しているため、走査位置と、各走査位置における光量の検出値は関連付けることができる。なお、走査レーザ光Ｒ２の走査は、図４に示すラスタ走査を用いるものとし、走査開始位置Ｔから走査終端位置Ｅまで２回走査したところで、次の工程に移行する。

次に、可変焦点レンズ７の焦点距離を、揺動ミラー９から位置ｂ１よりも遠ざかる方向の位置ｂ２に焦点を結ぶように焦点位置を調整する（ステップＳ４）。そして、位置ｂ１のときと同様な円弧状の走査軌跡で走査レーザ光Ｒ２を走査し、各走査位置における反射光量を光量検出器８で検出し、光量記憶部１６に記憶する（ステップＳ５）。

このようにして、各走査線上で検出した反射光量のうちの最大値と、可変焦点レンズ７のパラメータを関連付けてパラメータ記憶部１７に記憶する（ステップＳ６）。可変焦点レンズ７のパラメータとしては、光量の最大値を検出した走査位置と、そのときの可変焦点レンズ７（圧電素子５７）に印加した電圧値を含む。このようにして、揺動ミラー９からの距離を位置ｂ１、位置ｂ２からさらに遠ざかる方向に移動させて、可変焦点レンズ７の焦点距離の調整可能な範囲でレーザ光の走査と反射光の光量の検出を繰り返す。工程Ｓ６以降は、第１実施例と同じ工程を実行する。ただし、この距離測定方法本実施例では、走査線が円弧状になるため、走査軌跡の中心部から外側では、揺動ミラー９から焦点が結ぶ位置までの距離を、図１０に示した走査線が直線になる実施例における同じ走査位置の距離と同じになるように補正する。

以上説明した実施の形態に係るレーザ光を用いた距離測定装置１は、光偏向手段６の揺動ミラー９によって走査レーザ光Ｒ２を二次元走査し、焦点位置が制御済みの可変焦点レンズ７、または可変焦点レンズ７によって測定部５の表面に焦点が結ぶように焦点位置を調整し、この焦点位置で、測定部５からの反射光の光量が最大となることを利用して揺動ミラー９から測定部５までの距離を測定するものである。このような距離測定装置１は、特許文献１に開示された距離測定装置がレーザ光源からの投光タイミングと受光部による反射光の受光タイミングの時間差を用いて被測定物までの距離を算出するものに比べ、揺動ミラー９から被測定物４までの距離が短くても高精度な距離測定が可能となる。さらに、高精度な時間計測装置は必要なく、装置の構成要素が少なくできることから小型化しやすい。

また、レーザ光を用いた距離測定装置１は、光偏向手段６によって走査レーザ光の走査位置を認識し、反射光の最大光量値と可変焦点レンズ７の焦点距離と印加電圧を含むパラメータとを関連づけて、揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離を算出して出力する。したがって、二次元の走査位置と距離の三次元情報を得ることが可能となる。

また、レーザ光を用いた距離測定装置１は、揺動ミラー９の駆動タイミングと可変焦点レンズ９の駆動タイミングを同期させている。揺動ミラー９の駆動タイミング（言い換えれば、走査レーザ光Ｒ２の走査位置）と、反射光Ｒ３の最大光量検出をした瞬間の可変焦点レンズ７に印加した電圧値から揺動ミラー９から測定部までの相対距離を算出できる。さらに、揺動ミラー９の駆動タイミングと可変焦点レンズ９の駆動タイミングを同期させていることから、反射光Ｒ３は、レーザ光源２から揺動ミラー９に向かうレーザ光Ｒ１の光路を辿りハーフミラー１０で光分岐して、光量検出器８で受光することが可能となり、往路および復路の光路がほぼ同じになるため、光学系の小型化を可能にする。

また、走査レーザ光を用いた距離測定装置１は、第２の光学素子として可変焦点レンズ７を用いている。この可変焦点レンズ７は、圧電素子５７の変位によって焦点距離を変更するものである。圧電素子５７は、電圧印加に対して瞬間的に変位することから、揺動ミラー９の駆動タイミングに可変焦点レンズ７の駆動を同期させることが可能となる。

また、レーザ光を用いた距離測定装置１は、光偏向手段６として、揺動ミラー９と、揺動ミラー９を揺動させる静電駆動方式のＭＥＭＳ構造体（アクチュエータ）で構成されている。ＭＥＭＳ構造体は、半導体製造技術を活用して精度よく製造可能であり、走査レーザ光Ｒ３の走査位置を高精度に制御可能であり、しかも応答性にも優れる。このように、静電駆動方式を採用することで、小型化、低騒音化および低消費電力化が可能となる。

また、レーザ光を用いた距離測定装置１は、揺動ミラー９と第１の光学素子３の間の光路に、反射光Ｒ３を光量検出器８に導光する光路分岐手段としてのハーフミラー１０を備えている。反射光Ｒ３の多くは、測定物５の表面で反射し、レーザ光源２から揺動ミラー９に向かうレーザ光Ｒ１の光路を辿るようにして進み、この光路内に配置されたハーフミラー１０で反射光Ｒ３のみを光分岐して、光量検出器８に導光させることから、光学系の小型化が可能となる。

以上、本発明の実施の形態では、レーザ光を用いた距離測定装置１について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変更実施が可能である。たとえば、揺動ミラー９などを設けずに、可変焦点レンズ７から出射する光を直接走査するようにしてもよい。また、出射する光をレーザ光としているが、被走査面（被測定部表面）の種類によっては他の光としてもよい。また、以上説明した実施の形態は、レーザ光を走査しているが、特定点の距離を測定する場合などでは、レーザ光を走査しない場合にも適用できる。

また、反射光Ｒ３の最大光量を検出して、そのときの可変焦点レンズ７の焦点距離から揺動ミラー９から測定部５の表面までの距離を算出しているが、光量と、その光量となる可変焦点レンズ７の焦点距離を対応させておけば、距離測定が可能となる。ただし、このような場合には、被測定物４が可変焦点レンズ７の最小焦点距離よりも遠くにあることが条件となる。また、最大光量の検出は、距離の許容誤差範囲で幅を持たせてもよく、この範囲内の光量を最大光量と判定するようにしてもよい。

また、第１の光学素子３としてコリメータレンズを採用しているが、このコリメータレンズを省略することや、完全な平行光ではなく、略平行光とするレンズを採用してもよい。

また、本発明のレーザ光を用いた距離測定装置１は、距離測定に限らず、反射光の光量を検出することを利用して、光走査型の二次元バーコード読み取り装置、車載用のレーザレーダ装置、立体の外形を三次元画像に取り込む装置などに応用可能である。

１…（レーザ光を用いた）距離測定装置
２…レーザ光源
３…第１の光学素子（コリメータレンズ）
４…被測定物
５…測定部
６…光偏向手段
７…第２の光学素子（可変焦点レンズ）
８…光量検出器
９…揺動ミラー
１０…光分岐手段（ハーフミラー）

Claims (4)

1. レーザ光を用いた距離測定装置において、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源が出射したレーザ光を平行光に変換する第１の光学素子と、
   揺動可能なミラーを備え、前記レーザ光を被測定物の表面に走査する光偏向手段と、
   前記第１の光学素子と前記光偏向手段の間に配置され、前記光偏向手段によって走査された走査レーザ光を、前記被測定物の表面で収束させる第２の光学素子と、
   前記被測定物の表面から反射された反射光の光量の最大値を検出する光量検出器と、
   前記ミラーの駆動タイミングと前記第２の光学素子の駆動タイミングを同期して駆動させて、前記レーザ光の走査位置および前記第２の光学素子の焦点距離を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記第２の光学素子の焦点距離を変えながら前記反射光の光量値を予め、または測定時に前記光量検出器で検出して記憶し、この時の前記走査レーザ光の走査位置と前記第２の光学素子の焦点距離に係るパラメータを関連付けて記憶し、
   前記走査レーザ光を走査し、各走査位置で前記第２の光学素子の焦点距離を変更しながら前記反射光の光量の最大値を検出し、前記光量の最大値と前記パラメータを用いて前記ミラーから前記被測定物の表面までの距離を算出する、
   ことを特徴とする走査レーザ光を用いた距離測定装置。
2. 請求項１に記載のレーザ光を用いた距離測定装置において、
   前記第２の光学素子は、印加する電圧によって焦点距離を変更する可変焦点レンズである、
   ことを特徴とするレーザ光を用いた距離測定装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ光を用いた距離測定装置において、
   前記光偏向手段は、前記ミラーを揺動させる静電駆動方式のＭＥＭＳ構造体である、
   ことを特徴とするレーザ光を用いた距離測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光を用いた距離測定装置において、
   前記ミラーと前記第１の光学素子の間の光路に、前記反射光を前記光量検出器に導光する光路分岐手段を備えている、
   ことを特徴とするレーザ光を用いた距離測定装置。

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