JP6123163B2 - Distance measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。   The present invention relates to a distance measuring device that measures a distance to an object.

従来、車両に搭載されるレーダ装置等、所定角度(全走査角度)の視野領域を監視し、視野領域内に存在する物体(対象物)までの距離を測定する距離測定装置が知られている。距離測定装置は、レーザ光源、回転ミラー等の光走査機構を有する投光部と、集光レンズ、受光素子等を有する受光部と、を備えている。光源から射出されたレーザ光が光走査機構により偏向されて投光され、視野領域内がレーザ光で走査される。視野領域内に存在する対象物で反射されたレーザ光は、集光レンズで集光されて、受光素子により受光される。   2. Description of the Related Art Conventionally, a distance measuring device that monitors a visual field region of a predetermined angle (all scanning angles) and measures a distance to an object (object) existing in the visual field region, such as a radar device mounted on a vehicle, is known. . The distance measuring device includes a light projecting unit having an optical scanning mechanism such as a laser light source and a rotating mirror, and a light receiving unit having a condensing lens, a light receiving element, and the like. Laser light emitted from the light source is deflected and projected by an optical scanning mechanism, and the field of view is scanned with the laser light. The laser light reflected by the object existing in the visual field area is condensed by the condenser lens and received by the light receiving element.

従来の距離測定装置は、車両の前方等の特定方位を視野領域として監視するため、通常、全走査角度は180°未満である。近年、監視カメラ、対物センサの開発に伴い、より広い視野領域(例えば、全方位)を有する距離測定装置が必要とされている。例えば、特許文献1には、水平方向に沿った360°視野内の周囲物体を同時に検出し、検出された周囲物体までの距離及び角度(方位)を測定するレンジ測定デバイスが開示されている。   Since the conventional distance measuring device monitors a specific direction such as the front of the vehicle as a visual field region, the total scanning angle is usually less than 180 °. In recent years, with the development of surveillance cameras and objective sensors, distance measuring devices having a wider field of view (for example, all directions) are required. For example, Patent Document 1 discloses a range measurement device that simultaneously detects surrounding objects in a 360 ° field of view along the horizontal direction and measures the distance and angle (azimuth) to the detected surrounding objects.

特許文献1に記載のレンジ測定デバイスは、フラッシュ・レーザ・レーダ、イメージ・センサ、イメージ・センサとレーザ・レーダとの間に結合されたミラー素子、及びレンズを備えている。フラッシュ・レーザ・レーダは、水平方向に沿った360°視野を照らすように、第1時刻に第1レーザ・パルスを生成する。レンジ測定デバイスは、第2時刻に360度視野内の少なくとも1つの物体から第1レーザ・パルスの反射を受け取る。   The range measuring device described in Patent Document 1 includes a flash laser radar, an image sensor, a mirror element coupled between the image sensor and the laser radar, and a lens. The flash laser radar generates a first laser pulse at a first time to illuminate a 360 ° field of view along the horizontal direction. The range measurement device receives a reflection of the first laser pulse from at least one object in the 360 degree field of view at a second time.

ミラー素子は、第1レーザ・パルスの反射を360度視野の少なくとも一部へ分散させるように構成された第1反射器と、少なくとも1つの物体からイメージ・センサ内へ第1レーザ・パルスの戻り反射を集めるように構成された第2反射器と、を含んで構成されている。レンズは、戻り反射をイメージ・センサへ集めるように構成されている。   The mirror element includes a first reflector configured to disperse the reflection of the first laser pulse to at least a portion of the 360 degree field of view, and the return of the first laser pulse from the at least one object into the image sensor. And a second reflector configured to collect the reflection. The lens is configured to collect the return reflection to the image sensor.

上記のレンジ測定デバイスでは、第1レーザ・パルスが生成された「第1時刻」と第1レーザ・パルスの反射を受け取った「第2時刻」とに基づいて、物体までの距離を算出している。即ち、反射光パルスの遅延時間τを第1時刻と第2時刻との差として求め、遅延時間τと光速cとから、τ=2L/cの関係に基づいて物体までの距離Lを算出している。   In the above range measuring device, the distance to the object is calculated based on the “first time” when the first laser pulse is generated and the “second time” when the reflection of the first laser pulse is received. Yes. That is, the delay time τ of the reflected light pulse is obtained as the difference between the first time and the second time, and the distance L to the object is calculated from the delay time τ and the speed of light c based on the relationship of τ = 2L / c. ing.

特開2009−47695号公報JP 2009-47695 A

しかしながら、特許文献1に記載のレンジ測定デバイスでは、反射光パルスの遅延時間に基づいて物体までの距離を算出するので、全方位での距離測定を行うためには、物体までの距離及び方位毎にイメージ・センサの画素を予め割り当てておく必要がある。また、全方位での距離測定を行うためには、イメージ・センサの画素毎に反射光パルスの遅延時間を取得する必要があり処理が煩雑となる。   However, in the range measuring device described in Patent Document 1, since the distance to the object is calculated based on the delay time of the reflected light pulse, in order to measure the distance in all directions, the distance to the object and every direction It is necessary to pre-allocate image sensor pixels. In addition, in order to measure the distance in all directions, it is necessary to acquire the delay time of the reflected light pulse for each pixel of the image sensor, and the processing becomes complicated.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to simultaneously detect an object in a visual field region including a plurality of directions with a simple configuration without providing a movable part such as a scanning mechanism. Another object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of measuring the distance to a given object at a time.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、光源と、前記光源から射出された光を投光する投光光学系と、光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、を備え、前記投光光学系が、円錐状の透過面を備え、光軸が前記光源の光軸と一致するように前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置され、前記光源から射出された光を環状光に整形する円錐レンズと、半円錐状の側面の内側に反射面を備え、前記反射面を前記円錐レンズに向けて配置された第1半円錐ミラーであって、半円錐の中心軸が前記光軸と一致し、前記環状光の一部を前記光軸と交差する方向に沿って第1の方位に反射する第1半円錐ミラーと、半円錐状の側面の外側に反射面を備え、前記反射面を前記円錐レンズに向けて配置された第2半円錐ミラーであって、半円錐の中心軸が前記光軸と一致すると共に前記第1半円錐ミラーとは光軸方向に位置をずらして配置されて、前記環状光の他の一部を前記光軸と交差する方向に沿って第1の方位とは異なる第2の方位に反射する第2半円錐ミラーと、を備えた距離測定装置である。 To achieve the above object, an invention according to claim 1, imaging device having a light source, a light projecting optical system for projecting light light emitted from the light source, an imaging surface light image is formed When the reflected light reflected by the object of projecting to and the measurement object with the light receivable configured, position on the imaging surface a predetermined according to the distance to the object based on the principle of triangulation A light receiving optical system that forms an image of the received reflected light on the imaging surface, and a position of the optical image formed on the imaging surface so that an optical image corresponding to the reflected light received on the imaging surface is formed. Distance acquisition means for acquiring a distance to an object to be measured based on the projection optical system, the projection optical system includes a conical transmission surface, and the optical axis coincides with the optical axis of the light source. A cone-shaped transmission surface is disposed toward the light source, and light emitted from the light source is annular light. A conical lens to be shaped, and a first semiconical mirror provided with a reflective surface inside a semiconical side surface, the reflective surface being arranged facing the conical lens, wherein the central axis of the semiconical is the optical axis A first semiconical mirror that reflects a part of the annular light in a first direction along a direction intersecting the optical axis, and a reflective surface outside the side surface of the semiconical shape. A second semi-conical mirror having a surface facing the conical lens, the central axis of the semi-conical being coincident with the optical axis, and being displaced from the first semi-conical mirror in the optical axis direction And a second semi-conical mirror that reflects another part of the annular light in a second direction different from the first direction along a direction intersecting the optical axis. is there.

請求項2に記載の発明は、前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置から計測対象となる物体までの距離を取得する、請求項1に記載の距離測定装置である。   According to a second aspect of the present invention, the image pickup device picks up a light image formed on an image pickup surface, and the distance acquisition unit obtains position information of the light image from an image picked up by the image pickup device. And obtaining a distance from a position of a light image formed on the imaging surface to an object to be measured based on a correspondence relationship between a distance to the object and a position on the imaging surface. 1. The distance measuring device according to 1.

請求項3に記載の発明は、前記投光光学系が、複数の開口が1つの円に沿って設けられた遮光部材であって、前記円錐レンズと前記第2半円錐ミラーとの間に配置されて、不連続な環状光が生成されるように前記円錐レンズで生成された連続した環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、請求項1または請求項2に記載の距離測定装置である。 According to a third aspect of the present invention, the light projecting optical system is a light shielding member in which a plurality of openings are provided along one circle, and is disposed between the conical lens and the second semi-conical mirror. 3. The light modulation device according to claim 1 , further comprising a light modulation element that modulates a spatial distribution of luminance of the continuous annular light generated by the conical lens so that discontinuous annular light is generated. This is a distance measuring device.

請求項4に記載の発明は、前記受光光学系が、トロイダル面を備え、前記トロイダル面を外側に向けて配置され、前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する円環状レンズと、前記光源の光軸に対し軸対称な曲面状の反射面を備え、前記反射面を結像レンズに向けて配置された凸面ミラーであって、前記円環状レンズで集光された光を前記光軸の方向に反射する凸面ミラーと、光軸が前記光源の光軸と一致するように配置され、前記凸面ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する結像レンズと、を含む、請求項1から請求項3までの何れか1項に記載の距離測定装置である。 The invention according to claim 4 is an annular lens in which the light receiving optical system includes a toroidal surface and is disposed with the toroidal surface facing outward, and collects reflected light reflected by the object to be measured. A convex mirror having a curved reflecting surface that is axially symmetric with respect to the optical axis of the light source, and the reflecting surface is disposed toward the imaging lens, and the light collected by the annular lens A convex mirror that reflects in the direction of the optical axis, and an imaging lens that is arranged so that the optical axis coincides with the optical axis of the light source, and forms an image of the light reflected by the convex mirror on the imaging surface of the imaging device The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3, further comprising:

走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供することができる。   Providing a distance measurement device that can simultaneously detect objects in the field of view including multiple orientations and measure the distance to the detected objects at the same time with a simple configuration without providing a movable part such as a scanning mechanism. can do.

第1の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。(A)は距離測定装置の外観を示す斜視図である。(B)は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。(C)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。It is a figure which shows the structure of the distance measuring device which concerns on 1st Embodiment. (A) is a perspective view which shows the external appearance of a distance measuring device. (B) is a perspective view which shows the internal structure of a distance measuring device. (C) is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device. 図1に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。It is sectional drawing along the rotational symmetry axis which shows operation | movement of the distance measuring apparatus shown in FIG. 図1に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electrical structure of the distance measuring device shown in FIG. (A)及び(B)は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。(A) And (B) is a schematic diagram for demonstrating the principle of the distance measurement by a triangulation. 撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the luminescent spot on an image sensor, and a measuring object. (A)及び(B)は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(A) And (B) is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device which concerns on a modification. 図1に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the signal processing operation | movement of the distance measuring apparatus shown in FIG. 第2の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。(A)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は光変調素子の平面図である。It is a figure which shows the structure of the distance measuring device which concerns on 2nd Embodiment. (A) is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device. (B) is a top view of a light modulation element. (A)は図8に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。(B)は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。(C)は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。(A) is a schematic diagram for demonstrating operation | movement of the distance measuring apparatus shown in FIG. (B) is a top view which shows the arrangement | sequence of the bright spot on an image pick-up element. (C) is the elements on larger scale which show the shift | offset | difference from the reference | standard position of a luminescent point. 複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。It is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device which concerns on the other modification which produces | generates some annular light. (A)は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。(A) is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device which concerns on the other modification which has a visual field area narrower than all directions. FIG. 4B is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the light projecting optical system. (A)〜(C)は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。(A)-(C) are perspective views which show the structure of the principal part of the light projection optical system of the distance measuring device which concerns on another modification. (A)は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。(C)は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。(A) is sectional drawing along the rotational symmetry axis of the distance measuring device which concerns on another modification. FIG. 4B is a perspective view illustrating a configuration of a main part of the light projecting optical system. (C) is a perspective view showing a configuration according to a modification of the main part of the light projecting optical system. 「距離取得処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing routine of "distance acquisition processing."

<第1の実施の形態>
(距離測定装置の構成)
第1の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図1(A)は距離測定装置の外観を示す斜視図である。図1(B)は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。図1(C)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図1(A)〜(C)に示すように、距離測定装置10は、レーザ光を射出する光源20、光源20から射出されたレーザ光を視野領域に投光する投光光学系30、二次元座標系を構成する撮像面を有する撮像素子40、及び視野領域に在る物体からの反射光を受光して撮像素子40の撮像面に結像する受光光学系50を備えている。
<First Embodiment>
(Configuration of distance measuring device)
The configuration of the distance measuring apparatus according to the first embodiment will be described.
FIG. 1A is a perspective view showing the appearance of the distance measuring device. FIG. 1B is a perspective view showing the internal structure of the distance measuring device. FIG. 1C is a cross-sectional view along the rotational symmetry axis of the distance measuring device. As shown in FIGS. 1A to 1C, a distance measuring device 10 includes a light source 20 that emits laser light, a light projecting optical system 30 that projects laser light emitted from the light source 20 onto a visual field region, and two An image sensor 40 having an imaging surface constituting a dimensional coordinate system, and a light receiving optical system 50 that receives reflected light from an object in the field of view and forms an image on the imaging surface of the image sensor 40 are provided.

本実施の形態では、距離測定装置10は、水平方向の全方位(360°の範囲)を視野領域として監視する。従って、投光光学系30は、光源20から射出されたレーザ光を水平方向の全方位に投光するように構成されている。また、受光光学系50は、水平方向の全方位に在る物体からの反射光を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、受光光学系50は、受光された反射光を撮像素子40の撮像面に結像させて得られた光像(以下、「輝点」という。)から、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことができるように構成されている。   In the present embodiment, the distance measuring apparatus 10 monitors all horizontal directions (360 ° range) as the visual field region. Accordingly, the light projecting optical system 30 is configured to project the laser light emitted from the light source 20 in all horizontal directions. The light receiving optical system 50 is configured to receive reflected light from an object in all horizontal directions. In the present embodiment, the light receiving optical system 50 is triangulated from an optical image (hereinafter referred to as “bright spot”) obtained by forming the received reflected light on the imaging surface of the imaging device 40. The distance measurement can be performed based on the above principle.

更に、全方位を視野領域としたことに伴い、光源20、投光光学系30、及び受光光学系50の各々は、回転対称軸12の周りに360°回転させても常に自らと重なる回転対称性を有している。本実施の形態では、回転対称軸12が延びる軸方向は、水平方向と直交する鉛直方向と一致する。なお、水平方向ではなく斜め下方を視野領域とする場合には、回転対称軸12が延びる軸方向は、投光方向と交差する鉛直方向と一致する。また、鉛直方向の特定方位を視野領域として監視する場合には、回転対称軸12が延びる軸方向は、鉛直方向と直交する水平方向と一致する。   Further, as the viewing area is set in all directions, each of the light source 20, the light projecting optical system 30, and the light receiving optical system 50 is rotationally symmetric that always overlaps itself even if it is rotated 360 ° around the rotational symmetry axis 12. It has sex. In the present embodiment, the axial direction in which the rotationally symmetric axis 12 extends coincides with the vertical direction orthogonal to the horizontal direction. In the case where the visual field region is not in the horizontal direction but in the oblique lower direction, the axial direction in which the rotationally symmetric axis 12 extends coincides with the vertical direction that intersects the light projecting direction. When monitoring a specific direction in the vertical direction as the visual field region, the axial direction in which the rotationally symmetric axis 12 extends coincides with the horizontal direction orthogonal to the vertical direction.

光源20、投光光学系30、撮像素子40、及び受光光学系50の各々は、円筒状の透明な筐体60内に収納されている。なお、後述する通り、円環状レンズ38、58は、筐体60の外周部に取り付けられている。ここで「透明」とは、投光される光及び受光される光を透過させるという意味である。なお、投光される光及び受光される光が筐体60により遮断されなければよく、筐体60の全体が透明である必要はない。また、筐体60は、光源20、投光光学系30等を収納できればよく、筐体60の形状は円筒状に限定される訳ではない。例えば、直方体や立方体としてもよく、不定形状としてもよい。   Each of the light source 20, the light projecting optical system 30, the image sensor 40, and the light receiving optical system 50 is housed in a cylindrical transparent casing 60. As will be described later, the annular lenses 38 and 58 are attached to the outer peripheral portion of the housing 60. Here, the term “transparent” means that the projected light and the received light are transmitted. Note that the projected light and the received light need not be blocked by the housing 60, and the entire housing 60 does not need to be transparent. Moreover, the housing | casing 60 should just accommodate the light source 20, the light projection optical system 30, etc., and the shape of the housing | casing 60 is not necessarily limited to a cylindrical shape. For example, it may be a rectangular parallelepiped, a cube, or an indefinite shape.

光源20としては、半導体レーザ等のレーザ光源を用いることができる。光源20は、投光光学系30側にレーザ光を射出するように、光射出面を投光光学系30側に向けて、回転対称軸12上に配置されている。光源20は、支持部材21により筐体60内に支持されている。光源20は、射出されるレーザ光の光軸と回転対称軸12とが一致するように、所定方向にレーザ光を射出する。また、光源20は、後述する光源駆動部72により変調駆動されて、パルス変調されたレーザ光を射出する。なお、パルス変調は必須ではないが、投光する光を変調することで、受光側において対象物からの反射光と太陽光等の外乱光との区別が容易になる。   As the light source 20, a laser light source such as a semiconductor laser can be used. The light source 20 is disposed on the rotationally symmetric axis 12 with the light emission surface facing the light projecting optical system 30 side so that the laser light is emitted to the light projecting optical system 30 side. The light source 20 is supported in the housing 60 by the support member 21. The light source 20 emits laser light in a predetermined direction so that the optical axis of the emitted laser light coincides with the rotational symmetry axis 12. The light source 20 is modulated and driven by a light source driving unit 72 described later, and emits pulse-modulated laser light. Although pulse modulation is not essential, by modulating the light to be projected, it becomes easy to distinguish the reflected light from the object and disturbance light such as sunlight on the light receiving side.

投光光学系30は、円錐状の透過面を有する円錐レンズ32、入射した光を平行光化するレンズ34、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー36、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ38を備えている。円錐レンズ32としては、アキシコンレンズ等を用いることができる。また、円環状レンズ38としては、トロイダルレンズ等を用いることができる。円錐レンズ32、レンズ34、凸面ミラー36、及び円環状レンズ38は、投光される光の光路に沿って光源20側からこの順序で配置されている。円錐レンズ32、レンズ34、凸面ミラー36の各々は、支持部材33、35、37の各々により筐体60内に支持されている。   The light projecting optical system 30 includes a conical lens 32 having a conical transmission surface, a lens 34 for collimating incident light, a convex mirror 36 having a curved reflection surface that is axisymmetric with respect to the rotational symmetry axis 12, and An annular lens 38 having a toroidal surface on the outside is provided. As the conical lens 32, an axicon lens or the like can be used. As the annular lens 38, a toroidal lens or the like can be used. The conical lens 32, the lens 34, the convex mirror 36, and the annular lens 38 are arranged in this order from the light source 20 side along the optical path of the projected light. Each of the conical lens 32, the lens 34, and the convex mirror 36 is supported in the housing 60 by the support members 33, 35, and 37.

円錐レンズ32は、円錐状の透過面を光源20側に向けて、光源20の光射出側に配置されている。レンズ34は、円錐レンズ32の光射出側に配置されている。凸面ミラー36は、曲面状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。円環状レンズ38は、トロイダル面を外側に向けて、筐体60の外周部に取り付けられている。ここで「外側」とは、回転対称軸12から離れる方向である。また、円錐レンズ32、レンズ34の各々は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。   The conical lens 32 is disposed on the light emission side of the light source 20 with the conical transmission surface facing the light source 20 side. The lens 34 is disposed on the light exit side of the conical lens 32. The convex mirror 36 is arranged on the light exit side of the lens 34 with the curved reflecting surface facing the lens 34 side. The annular lens 38 is attached to the outer peripheral portion of the housing 60 with the toroidal surface facing outward. Here, “outside” is a direction away from the rotational symmetry axis 12. In addition, each of the conical lens 32 and the lens 34 is disposed so that the optical axis coincides with the rotational symmetry axis 12.

撮像素子40としては、CCDイメージ・センサ、CMOSイメージ・センサ等の画像センサを用いることができる。撮像素子40は、撮像面を受光光学系50側に向けて、回転対称軸12上に配置されている。受光光学系50に入射した反射光は、受光光学系50により撮像素子40の撮像面に結像される。撮像素子40は、支持部材41により筐体60内に支持されている。また、後述する通り、撮像素子40の撮像面は、中心を原点とする二次元座標系として構成されている。   As the imaging device 40, an image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor can be used. The imaging element 40 is disposed on the rotationally symmetric axis 12 with the imaging surface facing the light receiving optical system 50 side. The reflected light incident on the light receiving optical system 50 is imaged on the imaging surface of the image sensor 40 by the light receiving optical system 50. The image sensor 40 is supported in the housing 60 by a support member 41. As will be described later, the imaging surface of the imaging device 40 is configured as a two-dimensional coordinate system with the center as the origin.

撮像素子40の撮像面には、複数の受光素子(画素)が中心から外側に向かって二次元状に配列されている。受光素子としては、高感度な受光素子が好ましい。例えば、アバランシェ・フォトダイオード(APD)や単光子検出受光素子等、通常のフォトダイオードに比べて高感度な受光素子を用いることができる。撮像素子40の撮像面は、平面視が円形状でもよく矩形状でもよい。本実施の形態では、撮像素子40の撮像面が矩形状であるものとして説明する。   On the imaging surface of the imaging element 40, a plurality of light receiving elements (pixels) are two-dimensionally arranged from the center toward the outside. As the light receiving element, a highly sensitive light receiving element is preferable. For example, it is possible to use a light receiving element with higher sensitivity than a normal photodiode, such as an avalanche photodiode (APD) or a single photon detection light receiving element. The imaging surface of the imaging device 40 may have a circular shape or a rectangular shape in plan view. In the present embodiment, description will be made assuming that the imaging surface of the imaging element 40 is rectangular.

また、撮像素子40と受光光学系50との間に、撮像領域を切り替えるゲート部を設けてもよい。ゲート部は、撮像領域以外の領域への入射光を遮断することで、撮像領域を切り替える。これにより、撮像素子40に迷光や外乱光等の不要光が入射せず、画像信号のノイズが低減される。例えば、測定距離が近距離の場合には、撮像素子40の撮像面の中心領域が撮像領域として使用される。一方、測定距離が遠距離の場合には、撮像素子40の撮像面の周辺領域が撮像領域として使用される。従って、測定距離が近距離の場合には撮像領域を中心領域に切り替え、測定距離が遠距離の場合には撮像領域を周辺領域に切り替えるように、測定距離に応じたタイミングでゲート部を作動させてもよい。   In addition, a gate unit that switches the imaging region may be provided between the imaging element 40 and the light receiving optical system 50. The gate unit switches the imaging area by blocking incident light to an area other than the imaging area. Thereby, unnecessary light such as stray light or disturbance light does not enter the image sensor 40, and noise of the image signal is reduced. For example, when the measurement distance is a short distance, the center area of the imaging surface of the image sensor 40 is used as the imaging area. On the other hand, when the measurement distance is a long distance, the peripheral area of the imaging surface of the imaging element 40 is used as the imaging area. Therefore, the gate unit is operated at a timing according to the measurement distance so that the imaging region is switched to the central region when the measurement distance is short and the imaging region is switched to the peripheral region when the measurement distance is long. May be.

受光光学系50は、入射した光を結像させる結像レンズ52、開口54Aを有する遮光部材54、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー56、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ58を備えている。円環状レンズ58、凸面ミラー56、遮光部材54、及び結像レンズ52は、受光される光の光路に沿って反射光の入射側からこの順序で配置されている。開口54Aを有する遮光部材54は、開口54Aの径を機械的に変更できる絞り機構としてもよい。   The light receiving optical system 50 includes an imaging lens 52 that forms an image of incident light, a light shielding member 54 having an opening 54A, a convex mirror 56 having a curved reflecting surface that is axisymmetric with respect to the rotationally symmetric axis 12, and a toroidal outward. An annular lens 58 having a surface is provided. The annular lens 58, the convex mirror 56, the light shielding member 54, and the imaging lens 52 are arranged in this order from the incident side of the reflected light along the optical path of the received light. The light shielding member 54 having the opening 54A may be a diaphragm mechanism that can mechanically change the diameter of the opening 54A.

円環状レンズ58は、トロイダル面を外側に向けて、筐体60の外周部に取り付けられている。凸面ミラー56は、曲面状の反射面を遮光部材54側に向けて、円環状レンズ58の光射出側に配置されている。遮光部材54は、凸面ミラー56の光反射側に配置されている。結像レンズ52は、開口54Aを有する遮光部材54の光射出側に配置されている。結像レンズ52は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。遮光部材54は、回転対称軸12が開口54Aの略中心を通るように配置されている。円環状レンズ58は、その中心を通る回転対称軸が回転対称軸12と一致するように配置されている。   The annular lens 58 is attached to the outer periphery of the housing 60 with the toroidal surface facing outward. The convex mirror 56 is disposed on the light exit side of the annular lens 58 with the curved reflecting surface facing the light shielding member 54 side. The light shielding member 54 is disposed on the light reflecting side of the convex mirror 56. The imaging lens 52 is disposed on the light exit side of the light shielding member 54 having the opening 54A. The imaging lens 52 is arranged so that the optical axis coincides with the rotational symmetry axis 12. The light shielding member 54 is disposed so that the rotationally symmetric axis 12 passes through the approximate center of the opening 54A. The annular lens 58 is arranged such that the rotational symmetry axis passing through the center thereof coincides with the rotational symmetry axis 12.

付言すれば、本実施の形態に係る距離測定装置10の各部は固定配置されており、回転ミラー等の機械的に駆動される可動部を備えていない。このため、測定速度を向上させることができる、装置の故障を低減することができる、装置の小型化を図ることができる、装置の低コスト化を図ることができる等、可動部を備える距離測定装置と比較して、多数の利点を有している。   In other words, each part of the distance measuring device 10 according to the present embodiment is fixedly arranged and does not include a mechanically driven movable part such as a rotating mirror. For this reason, the measurement speed can be improved, the failure of the apparatus can be reduced, the apparatus can be downsized, the cost of the apparatus can be reduced, etc. Compared to the device, it has a number of advantages.

(距離測定装置の動作)
次に、第1の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図2は図1に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。図2に示すように、光源20から射出されたレーザ光は、円錐レンズ32の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。直進性を有するレーザ光は、平行光として円錐レンズ32に入射する。円錐レンズ32は、入射した平行光を環状光に整形する。環状光に整形することにより、光利用効率が向上する。円錐レンズ32で生成された環状光は、レンズ34に入射する。レンズ34は、入射した環状光を平行光化する。
(Operation of distance measuring device)
Next, the operation of the distance measuring device according to the first embodiment will be described.
FIG. 2 is a cross-sectional view along the rotational symmetry axis showing the operation of the distance measuring apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 2, the laser light emitted from the light source 20 is applied to the apex of the conical transmission surface of the conical lens 32 and the periphery thereof. The laser light having straightness is incident on the conical lens 32 as parallel light. The conical lens 32 shapes the incident parallel light into an annular light. By shaping into annular light, light utilization efficiency is improved. The annular light generated by the conical lens 32 enters the lens 34. The lens 34 collimates the incident annular light.

レンズ34で生成された環状の平行光は、凸面ミラー36の曲面状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー36で外側に反射された光は、円環状レンズ38に入射する。円環状レンズ38は、凸面ミラー36で反射された光を平行光化して、水平方向の全方位にパルス変調されたレーザ光Bを投光する。平行光化することにより、投光されるレーザ光の拡がりが抑制されて、測定精度が向上する。 The annular parallel light generated by the lens 34 is irradiated onto the curved reflecting surface of the convex mirror 36 and reflected outward along the horizontal direction. The light reflected outside by the convex mirror 36 enters the annular lens 38. Toric lens 38 is collimated light reflected by the convex mirror 36, for projecting a laser beam B S which is pulse-modulated in all directions in the horizontal direction. By making the light parallel, the spread of the projected laser beam is suppressed and the measurement accuracy is improved.

視野領域に在る物体を、距離測定の対象である対象物Tとする。対象物Tで反射されたレーザ光(反射光)Bは、トロイダル面から円環状レンズ58に入射する。円環状レンズ58には、水平方向の全方位に在る対象物Tからの反射光Bが入射する。円環状レンズ58は、入射した反射光Bを集光する。円環状レンズ58で集光された光は、凸面ミラー56の曲面状の反射面に照射され、遮光部材54側に反射される。ここで、凸面ミラー56に照射された光は、回転対称軸12の方向に反射される。 An object in the visual field region is set as a target object T which is a distance measurement target. The laser beam reflected by the object T (reflected light) B R is incident on the toric lens 58 from the toroidal surface. The toric lens 58, the reflected light B R from the object T located in all directions in the horizontal direction is incident. Toric lens 58 condenses the incident reflected light B R. The light condensed by the annular lens 58 is applied to the curved reflecting surface of the convex mirror 56 and reflected to the light shielding member 54 side. Here, the light irradiated on the convex mirror 56 is reflected in the direction of the rotational symmetry axis 12.

凸面ミラー56で反射された光は、一部が開口54Aを通過すると共に、残部が遮光部材54で遮断される。迷光等の不要な光が、遮光部材54で遮断されて、測定精度が向上する。開口54Aを通過した光は、結像レンズ52に入射する。結像レンズ52は、入射した光を撮像素子40の撮像面に結像させる。撮像素子40の撮像面には、対象物Tからの反射光に応じた輝点が形成される。撮像素子40は、各画素で受光した光を検出して光電変換を行い、画素毎に数値化された画像信号を出力する。なお、以下では、撮像素子40からは、A/D変換処理されたディジタルの画像信号が出力されるものとして説明する。   A part of the light reflected by the convex mirror 56 passes through the opening 54 </ b> A and the remaining part is blocked by the light shielding member 54. Unnecessary light such as stray light is blocked by the light blocking member 54, thereby improving measurement accuracy. The light that has passed through the opening 54 </ b> A enters the imaging lens 52. The imaging lens 52 focuses incident light on the imaging surface of the imaging device 40. Bright spots corresponding to the reflected light from the object T are formed on the imaging surface of the imaging element 40. The image sensor 40 detects light received by each pixel, performs photoelectric conversion, and outputs a digitized image signal for each pixel. In the following description, it is assumed that the image pickup device 40 outputs a digital image signal subjected to A / D conversion processing.

本実施の形態では、距離測定装置10から対象物Tまでの距離Lは、撮像素子40で撮像された輝点Sの画像から、三角測量の原理に基づいて求められる。なお、三角測量による距離測定の原理については後述する。撮像素子40の撮像面は、中心Cを原点とする二次元座標系として構成されている(図5、図7参照)。原点から輝点Sまでの距離rは、三角測量の原理に基づいて、対象物Tまでの距離Lと予め対応付けられている。また、輝点Sの位置を極座標(r、θ)で表した場合の角度θも、対象物Tの方位角αと予め対応付けられている。   In the present embodiment, the distance L from the distance measuring device 10 to the object T is obtained from the image of the bright spot S imaged by the image sensor 40 based on the principle of triangulation. The principle of distance measurement by triangulation will be described later. The imaging surface of the imaging device 40 is configured as a two-dimensional coordinate system with the center C as the origin (see FIGS. 5 and 7). The distance r from the origin to the bright spot S is associated in advance with the distance L to the object T based on the principle of triangulation. Further, the angle θ when the position of the bright spot S is expressed in polar coordinates (r, θ) is also associated with the azimuth angle α of the object T in advance.

換言すれば、受光光学系50は、対象物Tまでの距離L、方位角αに対応して予め定めた極座標(r、θ)で表される輝点Sを、撮像素子40の撮像面上に結像するように設計されている。更に言えば、受光光学系50は、三角測量の原理が適用できるように、視野領域での対象物Tの位置情報(距離L、方位角α)を、撮像面での輝点Sの位置情報(距離r、角度θ)に変換している。従って、撮像素子40で撮像された画像上での輝点Sの極座標(r、θ)から、対象物Tまでの距離Lと方位角αとを取得することができる。   In other words, the light receiving optical system 50 displays the bright spot S represented by the polar coordinates (r, θ) determined in advance corresponding to the distance L to the object T and the azimuth angle α on the imaging surface of the imaging device 40. It is designed to form an image. Furthermore, the light receiving optical system 50 uses the position information (distance L, azimuth angle α) of the object T in the field of view as the position information of the bright spot S on the imaging surface so that the principle of triangulation can be applied. (Distance r, angle θ). Therefore, the distance L to the target T and the azimuth angle α can be acquired from the polar coordinates (r, θ) of the bright spot S on the image captured by the image sensor 40.

(距離測定装置の電気的構成)
次に、第1の実施の形態に係る距離測定装置の電気的構成について説明する。
図3は図1に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。図3に示すように、距離測定装置10は、制御部70、光源20を駆動する光源駆動部72、測定結果を表示する表示部74、及び装置の操作を行う操作入力部76を備えている。表示部74は、ディスプレイ等の表示装置を備えている。操作入力部76は、タッチパネルや操作ボタン等を備えている。
(Electrical configuration of distance measuring device)
Next, the electrical configuration of the distance measuring apparatus according to the first embodiment will be described.
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the distance measuring apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 3, the distance measuring apparatus 10 includes a control unit 70, a light source driving unit 72 that drives the light source 20, a display unit 74 that displays measurement results, and an operation input unit 76 that operates the apparatus. . The display unit 74 includes a display device such as a display. The operation input unit 76 includes a touch panel, operation buttons, and the like.

制御部70は、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されている。即ち、制御部70は、CPU(中央処理装置; Central Processing Unit)70A、ROM(Read Only Memory)70B、RAM(Random Access Memory)70C、不揮発性メモリ70D、及び入出力インターフェース(I/O)70Eを備えている。CPU70A、ROM70B、RAM70C、不揮発性メモリ70D、及びI/O70Eの各々は、バス70Fを介して接続されている。   The control unit 70 is configured as a computer that controls the entire apparatus and performs various calculations. That is, the control unit 70 includes a CPU (Central Processing Unit) 70A, a ROM (Read Only Memory) 70B, a RAM (Random Access Memory) 70C, a non-volatile memory 70D, and an input / output interface (I / O) 70E. It has. Each of the CPU 70A, ROM 70B, RAM 70C, nonvolatile memory 70D, and I / O 70E is connected via a bus 70F.

光源駆動部72、表示部74、及び操作入力部76の各部は、制御部70のI/O70Eに接続されている。また、撮像素子40も、制御部70のI/O70Eに接続されている。なお、撮像素子40からアナログ信号が出力される場合には、A/D変換器を介して制御部70のI/O70Eと接続される。また、撮像素子40とA/D変換器との間に、アナログ信号を増幅する増幅器を挿入してもよい。   Each unit of the light source driving unit 72, the display unit 74, and the operation input unit 76 is connected to the I / O 70E of the control unit 70. The image sensor 40 is also connected to the I / O 70E of the control unit 70. When an analog signal is output from the image sensor 40, it is connected to the I / O 70E of the control unit 70 via an A / D converter. Further, an amplifier that amplifies an analog signal may be inserted between the image sensor 40 and the A / D converter.

制御部70は、光源駆動部72、表示部74、及び操作入力部76の各部を制御すると共に、各種の演算を行う。例えば、光源20からパルス変調されたレーザ光が射出されるように、光源駆動部72に制御信号を入力する。光源駆動部72は、入力された制御信号に基づいて光源20をパルス変調駆動する。また、制御部70には、撮像素子40から画像信号が入力されると共に、操作入力部76から指示信号が入力される。   The control unit 70 controls each unit of the light source driving unit 72, the display unit 74, and the operation input unit 76, and performs various calculations. For example, the control signal is input to the light source driving unit 72 so that the pulse-modulated laser light is emitted from the light source 20. The light source driving unit 72 performs pulse modulation driving of the light source 20 based on the input control signal. In addition, an image signal is input from the image sensor 40 and an instruction signal is input from the operation input unit 76 to the control unit 70.

制御部70のCPU70Aは、ROM70Bから記憶したプログラムを読み出して、RAM70Cにロードする。CPU70Aは、RAM70Cをワークエリアとして使用して、RAM70Cにロードされたプログラムを実行する。本実施の形態では、対象物Tまでの距離Lを取得する「距離取得処理」を実行するための制御プログラムが、ROM70Bに予め記憶されている。制御プログラムは、CPU70AによりROM70Bから読み出されて実行される。   The CPU 70A of the control unit 70 reads the program stored from the ROM 70B and loads it into the RAM 70C. The CPU 70A uses the RAM 70C as a work area to execute a program loaded on the RAM 70C. In the present embodiment, a control program for executing a “distance acquisition process” for acquiring the distance L to the object T is stored in advance in the ROM 70B. The control program is read from the ROM 70B and executed by the CPU 70A.

また、本実施の形態では、撮像素子40上での原点からの距離rと対象物Tまでの距離Lとの対応関係、及び撮像素子40上での角度θと対象物Tの方位角αとの対応関係が、ROM70Bに予めテーブルやグラフで記憶されている。なお、距離rと距離Lとの対応関係を記憶する代わりに、距離rから距離Lを導出するための関係式を予め記憶しておいてもよい。関係式を記憶した場合には、「距離取得処理」を実行する度に、記憶された関係式に基づいて演算を行って、距離rから距離Lを導出する。また、同様に、関係式に基づいて角度θから方位角αを導出してもよい。   In the present embodiment, the correspondence between the distance r from the origin on the image sensor 40 and the distance L to the object T, the angle θ on the image sensor 40, and the azimuth angle α of the object T Are previously stored in the ROM 70B as a table or graph. Instead of storing the correspondence between the distance r and the distance L, a relational expression for deriving the distance L from the distance r may be stored in advance. When the relational expression is stored, every time the “distance acquisition process” is executed, a calculation is performed based on the stored relational expression, and the distance L is derived from the distance r. Similarly, the azimuth angle α may be derived from the angle θ based on the relational expression.

(三角測量による距離測定原理)
次に、三角測量による距離測定の原理について説明する。
図4(A)及び図4(B)は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。三角測量の原理は、三角形の内角の和がπであるという定理、正弦定理、余弦定理等を用いて、三角形の一部の辺長や角度を取得すれば、取得された辺長や角度から三角形の全部の辺長や角度を求めることができるという原理である。一例としては、三角形の一辺の長さとその一辺の両端の角度とが取得又は設定されると、他の二辺の長さと他の1つの角度とが求められる。
(Distance measurement principle by triangulation)
Next, the principle of distance measurement by triangulation will be described.
4A and 4B are schematic diagrams for explaining the principle of distance measurement by triangulation. The principle of triangulation is that if the length and angle of a part of the triangle are obtained using the theorem, sine theorem, cosine theorem, etc. The principle is that all side lengths and angles of a triangle can be obtained. As an example, when the length of one side of the triangle and the angles of both ends of the one side are acquired or set, the length of the other two sides and the other one angle are obtained.

図4(A)に示すように、距離測定装置10から水平方向に広がる視野領域の所定方位にレーザ光を投光すると仮定する。光源20からは、光軸が回転対称軸12と一致するように(即ち、鉛直方向に)レーザ光が射出される。鉛直方向に射出されたレーザ光は、投光光学系30の凸面ミラー36により水平方向に沿って外側に反射される。ここでは、凸面ミラー36によりレーザ光が反射される位置を「投光点F」とする。   As shown in FIG. 4A, it is assumed that laser light is projected from the distance measuring device 10 in a predetermined direction in a visual field area that extends in the horizontal direction. Laser light is emitted from the light source 20 so that the optical axis coincides with the rotational symmetry axis 12 (that is, in the vertical direction). The laser light emitted in the vertical direction is reflected outward along the horizontal direction by the convex mirror 36 of the light projecting optical system 30. Here, the position where the laser beam is reflected by the convex mirror 36 is referred to as a “projection point F”.

視野領域の所定方位には、標点A、標点B、標点Cの3箇所に対象物Tが存在する。標点A、標点B、標点Cは、距離測定装置10に近い側からこの順序で並んでいる。例えば、標点Aに在る対象物Tで反射された反射光は、受光光学系50の円環状レンズ58で集光され、凸面ミラー56により反射されて取り込まれる。撮像素子40の撮像面には、位置Aに対応する輝点Sが結像される。同様に、標点Bに対応する輝点Sが結像され、標点Cに対応する輝点Sが結像される。 In a predetermined direction of the visual field area, there are three objects T, a standard point A, a standard point B, and a standard point C. The point A, the point B, and the point C are arranged in this order from the side close to the distance measuring device 10. For example, the reflected light reflected by the object T at the mark A is collected by the annular lens 58 of the light receiving optical system 50 and reflected by the convex mirror 56 and taken in. The imaging surface of the imaging device 40, the bright spot S A corresponding to the position A is imaged. Similarly, the bright spot S B corresponding to the benchmark B is imaged, and the bright spot SC corresponding to the benchmark C is imaged.

図4(B)では、受光光学系50により反射光が受光される位置が、回転対称軸12上に在るものとして、図4(A)に示す配置関係を簡素化して図示している。即ち、回転対称軸12上に、反射光が受光された位置を検出する観測面が存在すると仮定している。ここでは、反射光が受光される位置を「受光点P」とする。標点A、標点B、標点Cの各々に応じて、回転対称軸12上には受光点P、受光点P、受光点Pが在る。 In FIG. 4 (B), the arrangement relationship shown in FIG. 4 (A) is simplified, assuming that the position where the reflected light is received by the light receiving optical system 50 is on the rotational symmetry axis 12. That is, it is assumed that an observation surface for detecting the position where the reflected light is received exists on the rotational symmetry axis 12. Here, the position where the reflected light is received is referred to as “light receiving point P”. Gauge A, gauge B, and according to each of the reference points C, and on the axis of rotational symmetry 12 receiving point P A, the light receiving point P B, and receiving point P C is present.

なお、図4(A)及び図4(B)に「遠」及び「近」と表記したのは、距離測定装置10から標点までの遠近距離である。距離測定装置10から標点までの距離Lが長くなるほど、対応する受光点Pの「投光点F」からの距離は短くなる。   In FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B), “far” and “near” are the far and near distances from the distance measuring device 10 to the benchmark. The longer the distance L from the distance measuring device 10 to the gauge point, the shorter the distance from the “light projection point F” of the corresponding light receiving point P.

例えば、距離測定装置10から最も近い標点Aに対象物Tが存在する場合には、投光点F、標点A、受光点Pを頂点とする直角三角形FAPが形成される。投光点Fを不動の三角点とし、投光点Fと受光点Pとを両端とする線分を基線とする。角度∠AFPは、直角(90°)である。また、角度∠APFは、観測面に対する反射光の入射角の余角である。従って、基線の長さLFPと角度∠APF(或いは、入射角)とが取得又は設定されると、三角測量の原理に基づいて、投光点Fから標点Aまでの距離LFAが求められる。 For example, when the object T exists in the nearest gage A from the distance measuring device 10, projecting point F, the gauge A, right triangle FAP A whose vertices receiving point P A is formed. Projecting point F and immovable triangular point, a line segment with both ends and projecting point F and the light receiving point P A to baseline. The angle ∠AFP A is a right angle (90 °). Further, the angle ∠AP A F is an additional angle of the incident angle of the reflected light with respect to the observation surface. Therefore, when the base line length L FP and the angle ∠AP A F (or incident angle) are acquired or set, the distance L FA from the projection point F to the target point A based on the principle of triangulation. Is required.

逆に、投光点Fから標点Aまでの距離LFAに応じて、基線の長さLFP及び角度∠APFを設定することもできる。本実施の形態では、受光光学系50により、回転対称軸12上の受光点Pに対応するように、撮像素子40の撮像面上に輝点Sが結像される。このとき、上記と同様に三角測量の原理を適用することで、投光点Fから標点Aまでの距離LFAに応じて、輝点Sの原点からの距離rが設定される。 On the contrary, the length L FP of the base line and the angle AAP A F can be set according to the distance L FA from the projection point F to the target point A. In this embodiment, the light receiving optical system 50, so as to correspond to the light receiving point P A on the axis of rotational symmetry 12, the bright spot S A is formed on the imaging surface of the imaging device 40. At this time, by applying the same principle as the triangulation as described above, according to the distance L FA from the transmission point F to the gauge A, the distance r A from the origin of the bright spot S A is set.

上記の通り、本実施の形態の受光光学系50は、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことが可能に設計されている。三角測量の原理を適用可能な光学系は、例えば、以下に示す(1)及び(2)の設計指針に基づいて設計される。(1)三角測量の基線を結像光学系の回転対称軸と一致させる又は平行にすること。(2)基線上の受光点を基線と垂直な線上に投影する折り返し光学系を有すること。   As described above, the light receiving optical system 50 of the present embodiment is designed to be able to perform distance measurement based on the principle of triangulation. An optical system to which the principle of triangulation can be applied is designed based on the following design guidelines (1) and (2), for example. (1) The base line of triangulation is made coincident with or parallel to the rotational symmetry axis of the imaging optical system. (2) It has a folding optical system that projects a light receiving point on the base line onto a line perpendicular to the base line.

上記(1)及び(2)により、折り返し光学系が無ければ基線上に線形に結像される受光点が、基線に対して垂直な線上に結像されて、三角測量の原理が適用可能となる。撮像素子40の撮像面が、複数方位の基線に対して垂直な線を含む面に配置される。撮像面をこのように配置することで、1つの撮像面で各方位(例えば、360°)の距離測定を同時に行うことができる。   According to the above (1) and (2), if there is no folding optical system, a light receiving point that is linearly imaged on the base line is imaged on a line perpendicular to the base line, and the principle of triangulation can be applied. Become. The imaging surface of the imaging device 40 is disposed on a surface including a line perpendicular to a plurality of base lines. By arranging the imaging surfaces in this manner, distance measurement in each direction (for example, 360 °) can be simultaneously performed on one imaging surface.

例えば、図1に示す受光光学系50では、円環状レンズ58が、中心を通る回転対称軸が回転対称軸12と一致するように配置されて、基線に平行な線上に結像できる条件を作る。また、凸面ミラー56が、円環状レンズ58から射出された光を基線に対して垂直な方向に折り返す。そして、結像レンズ52が、基線に対して垂直に配置された撮像素子40の撮像面上に受光点を結像する。複数の光学素子を組み合わせて受光光学系50を構成することにより、基線長を長くすることが可能となり、三角測量の精度が向上する。   For example, in the light receiving optical system 50 shown in FIG. 1, the annular lens 58 is arranged so that the rotational symmetry axis passing through the center coincides with the rotational symmetry axis 12, and creates a condition that allows an image to be formed on a line parallel to the base line. . Further, the convex mirror 56 folds the light emitted from the annular lens 58 in a direction perpendicular to the base line. Then, the imaging lens 52 images the light receiving point on the imaging surface of the imaging device 40 arranged perpendicular to the base line. By configuring the light receiving optical system 50 by combining a plurality of optical elements, it is possible to increase the baseline length and improve the accuracy of triangulation.

(撮像素子上の輝点と測定対象物との関係)
次に、撮像素子上の輝点と測定対象物との関係について説明する。
図5は撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。三角測量の原理の説明では、図4を参照して所定方位にレーザ光を投光する場合について説明したが、本実施の形態では、水平方向の全方位にレーザ光を投光する。
(Relationship between bright spot on image sensor and measurement object)
Next, the relationship between the bright spot on the image sensor and the measurement object will be described.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the relationship between the bright spot on the image sensor and the measurement object. In the description of the principle of triangulation, the case where laser light is projected in a predetermined direction has been described with reference to FIG. 4, but in this embodiment, laser light is projected in all horizontal directions.

図5に示すように、距離測定装置10から水平方向に広がる視野領域を二次元平面とした場合には、全方位に存在する対象物Tが同時に検出される。この例では、異なる方位に位置する標点A、標点B、標点Cに在る対象物Tが検出される。なお、標点A、標点B、標点Cの順で距離測定装置10に近い点は、図4に示す例と同様である。   As shown in FIG. 5, when the visual field region extending in the horizontal direction from the distance measuring device 10 is a two-dimensional plane, the objects T existing in all directions are detected simultaneously. In this example, a target T located at a target A, a target B, and a target C located in different directions is detected. In addition, the point close | similar to the distance measuring apparatus 10 in the order of the point A, the point B, and the point C is the same as the example shown in FIG.

また、図5に示すように、撮像素子40の撮像面42上の二次元座標系は、距離測定装置10の視野領域の二次元平面に対応している。上記の通り、距離測定装置10の視野領域における対象物Tの位置情報(距離L、方位角α)は、撮像素子40の二次元座標系における位置情報(距離r、角度θ)に変換されて、撮像素子40の撮像面42上には、視野領域内にある対象物Tに対応する輝点Sが結像される。本実施の形態では、対象物Tまでの距離Lが長くなるほど、撮像素子40上での距離rが長くなる例について説明するが、対象物Tまでの距離Lが長くなるほど撮像素子40上での距離rを短くしてもよい。   As shown in FIG. 5, the two-dimensional coordinate system on the imaging surface 42 of the imaging element 40 corresponds to the two-dimensional plane of the visual field region of the distance measuring device 10. As described above, the position information (distance L, azimuth angle α) of the object T in the visual field region of the distance measuring device 10 is converted into position information (distance r, angle θ) in the two-dimensional coordinate system of the image sensor 40. On the image pickup surface 42 of the image pickup device 40, a bright spot S corresponding to the object T in the visual field region is imaged. In this embodiment, an example will be described in which the distance r on the image sensor 40 increases as the distance L to the object T increases. However, the distance L on the image sensor 40 increases as the distance L to the object T increases. The distance r may be shortened.

この例では、視野領域内にある標点A、標点B、標点Cの各々に対応して、撮像面42には輝点S、輝点S、輝点Sが結像されている。距離測定装置10に近い標点Aに対応する輝点Sは、原点に近い位置に結像される。一方、距離測定装置10から遠い標点Cに対応する輝点Sは、原点から遠い位置に結像される。また、標点Aは距離測定装置10に対し南南西の方位にある。標点Aに対応する輝点Sは、撮像面42上の二次元座標系の方位記号に基づけば、原点に対し南南西の方位にある。 In this example, the gauge is in visual field A, gauge B, and corresponding to each of the target point C, the bright spot S A, bright spot S B, bright spots S C is imaged on the imaging surface 42 ing. Bright spot S A corresponding to the gauge A close to the distance measuring device 10 is focused at a position closer to the origin. On the other hand, the bright spot S C corresponding from the distance measuring device 10 to the distant target point C is imaged from the origin position far. In addition, the point A is in the south-southwest direction with respect to the distance measuring device 10. Bright spot S A corresponding to the target point A, based on the north arrow of the two-dimensional coordinate system on an imaging surface 42, is in the south-southwest orientation with respect to the origin.

撮像素子40は、撮像面42上に結像された全部の輝点Sを撮像して、撮像された画像上で輝点Sの位置情報(距離r、角度θ)を取得する。取得された位置情報(距離r、角度θ)は、予め記憶された対応関係に基づいて、視野領域における位置情報(距離L、方位角α)に再変換される。従って、本実施の形態に係る距離測定装置10によれば、水平方向の全方位(視野領域)に在る、全部の対象物Tまでの距離を一度に測定することができる。なお、制御部70で実行される「距離取得処理」については後述する。   The image sensor 40 captures all the bright spots S imaged on the imaging surface 42 and acquires position information (distance r, angle θ) of the bright spots S on the captured image. The acquired position information (distance r, angle θ) is reconverted into position information (distance L, azimuth angle α) in the visual field area based on the correspondence stored in advance. Therefore, according to the distance measuring apparatus 10 according to the present embodiment, it is possible to measure the distances to all the objects T in all the horizontal directions (viewing area) at a time. The “distance acquisition process” executed by the control unit 70 will be described later.

なお、距離測定装置10の視野領域は、受光光学系50を構成する光学素子の特性により制限を受ける場合がある。例えば、測定可能な距離範囲は、円環状レンズ58の開口数NAにより制限を受ける。円環状レンズ58は、開口数NAに応じて所定範囲の角度で入射した光しか集光できない。例えば、近距離に存在する物体からの反射光は、入射角が大き過ぎるために円環状レンズ58で蹴られ、受光光学系50で受光できない。このため、距離測定装置10から所定距離以下は、物体までの距離を測定できない死角となる。   Note that the visual field region of the distance measuring device 10 may be limited by the characteristics of the optical elements constituting the light receiving optical system 50. For example, the measurable distance range is limited by the numerical aperture NA of the annular lens 58. The annular lens 58 can collect only light incident at an angle within a predetermined range according to the numerical aperture NA. For example, reflected light from an object existing at a short distance is kicked by the annular lens 58 because the incident angle is too large and cannot be received by the light receiving optical system 50. For this reason, the distance below the predetermined distance from the distance measuring device 10 is a blind spot where the distance to the object cannot be measured.

(制御部の信号処理動作)
次に、距離測定装置で実行される「距離取得処理」について説明する。図7は図1に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。なお、図7では、測定可能な距離Lの範囲に応じて、原点(中心C)からの距離rの下限値rminと距離rの上限値rmaxとが点線で図示されている。図14は距離取得処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。距離取得処理は、制御部70のCPU70Aにより実行される。また、距離取得処理は、操作入力部76がユーザにより操作されて、距離測定の指示を受け付けた場合に開始される。
(Signal processing operation of the control unit)
Next, “distance acquisition processing” executed by the distance measuring apparatus will be described. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the signal processing operation of the distance measuring apparatus shown in FIG. In FIG. 7, the lower limit value r min of the distance r from the origin (center C) and the upper limit value r max of the distance r are shown by dotted lines in accordance with the measurable distance L range. FIG. 14 is a flowchart showing a processing routine of distance acquisition processing. The distance acquisition process is executed by the CPU 70A of the control unit 70. The distance acquisition process is started when the operation input unit 76 is operated by the user and a distance measurement instruction is received.

まず、ステップ100で、光源20を点灯してパルス変調駆動するように、光源駆動部72に指示する。光源20からはパルス変調されたレーザ光が射出される。射出されたレーザ光は、投光光学系30により水平方向に沿って全方位に投光される。   First, in step 100, the light source driving unit 72 is instructed to turn on the light source 20 and perform pulse modulation driving. The light source 20 emits pulse-modulated laser light. The emitted laser light is projected in all directions along the horizontal direction by the light projecting optical system 30.

次に、ステップ102で、投光タイミング及び測定距離に応じて予め設定された受光タイミングで、撮像素子40から画像信号を取得する。本実施形態では、水平方向の全方位に在る対象物Tからの反射光が受光光学系50で受光される。撮像素子40の撮像面42には、対象物Tに対応した輝点Sが結像される。撮像素子40は、輝点Sの像を撮影して、画像信号を制御部70に出力する。   Next, in step 102, an image signal is acquired from the image sensor 40 at a light reception timing preset according to the light projection timing and the measurement distance. In the present embodiment, reflected light from the object T in all horizontal directions is received by the light receiving optical system 50. A bright spot S corresponding to the object T is imaged on the imaging surface 42 of the imaging element 40. The image sensor 40 captures an image of the bright spot S and outputs an image signal to the control unit 70.

なお、非投光時(反射光を受光していない状態)の基準画像信号を、撮像素子40から予め取得して補正情報として記憶しておいてもよい。ステップ102で取得された画像信号から基準画像信号を差し引く補正を行うことで、画像信号の信号対雑音比(S/N)を向上させることができる。   Note that a reference image signal at the time of non-light projection (a state in which reflected light is not received) may be acquired in advance from the image sensor 40 and stored as correction information. By performing correction by subtracting the reference image signal from the image signal acquired in step 102, the signal-to-noise ratio (S / N) of the image signal can be improved.

次に、ステップ104で、画像信号に基づいて、検出された輝点Sの輝度(光強度)が予め設定された閾値以上か否かを判定する。ステップ104で肯定判定の場合は、輝点Sの光強度は高いので、対象物Tからの反射光による輝点と認識して処理対象に加え、次のステップ106に進む。一方、ステップ104で否定判定の場合は、輝点Sの光強度は低いので、対象物Tからの反射光による輝点ではない(迷光等によるノイズ)と認識して処理対象から除外し、ルーチンを終了する。   Next, in step 104, it is determined whether or not the luminance (light intensity) of the detected bright spot S is equal to or higher than a preset threshold value based on the image signal. If the determination in step 104 is affirmative, the light intensity of the bright spot S is high, so that it is recognized as a bright spot by the reflected light from the object T and added to the processing target, and the process proceeds to the next step 106. On the other hand, in the case of negative determination in step 104, since the light intensity of the bright spot S is low, it is recognized that it is not a bright spot due to the reflected light from the object T (noise due to stray light etc.) and is excluded from the processing target. Exit.

次に、ステップ106で、検出された全部の輝点Sについて判定が行われたか否かを判定する。ステップ106で肯定判定の場合は、次のステップ108に進む。一方、ステップ106で否定判定の場合は、ステップ104に戻って他の輝点Sの光強度が予め設定された閾値以上か否かを判定する。   Next, in step 106, it is determined whether or not determination has been made for all detected bright spots S. If the determination in step 106 is affirmative, the process proceeds to the next step 108. On the other hand, if a negative determination is made in step 106, the process returns to step 104 to determine whether the light intensity of the other bright spot S is equal to or higher than a preset threshold value.

例えば、図7に示す例では、撮像素子40の撮像面42には、4つの輝点S、輝点S、輝点S、輝点Sが結像されている。輝点S、輝点S、輝点Sの光強度は閾値以上であるため、対象物Tからの反射光による輝点と認識されて処理対象に加えられる。ここでは、輝点S、輝点S、輝点Sの各々に対応する対象物を、対象物T、対象物T、対象物Tとして区別する。一方、輝点Sの光強度は閾値より低いので、処理対象から除外される。 For example, in the example illustrated in FIG. 7, four bright spots S 1 , bright spots S 2 , bright spots S 3 , and bright spots S 4 are imaged on the imaging surface 42 of the image sensor 40. Since the light intensity of the bright spot S 1 , the bright spot S 2 , and the bright spot S 3 is equal to or higher than the threshold value, the bright spot is recognized as a bright spot by the reflected light from the object T and added to the processing target. Here, the objects corresponding to each of the bright spot S 1 , the bright spot S 2 , and the bright spot S 3 are distinguished as the target object T 1 , the target object T 2 , and the target object T 3 . On the other hand, the light intensity of the bright points S 4 because less than the threshold value, is excluded from the processing target.

次に、ステップ108で、処理対象とされた輝点S、輝点S、輝点Sの位置情報(距離r〜r、角度θ〜θ)を取得する。輝点S、輝点S、輝点Sの各々には、距離r及び角度θ、距離r及び角度θ、距離r及び角度θの各々が対応する。 Next, in step 108, position information (distance r 1 to r 3 , angles θ 1 to θ 3 ) of the bright spots S 1 , bright spots S 2 , and bright spots S 3 to be processed is acquired. Each of the bright spot S 1 , the bright spot S 2 , and the bright spot S 3 corresponds to the distance r 1 and the angle θ 1 , the distance r 2 and the angle θ 2 , the distance r 3 and the angle θ 3 .

次に、ステップ110で、撮像素子40上での原点からの距離rと対象物Tまでの距離Lとの対応関係を示すテーブルを参照して、距離r、距離r、距離rの各々に対応する距離L、距離L、距離Lを取得する。次に、ステップ112で、撮像素子40上での角度θと対象物Tの方位角αとの対応関係を示すテーブルを参照して、角度θ、角度θ、角度θに対応する方位角α、方位角α、方位角αを取得する。 Next, in step 110, the distance r 1 , the distance r 2 , and the distance r 3 are referred to by referring to a table showing the correspondence relationship between the distance r from the origin on the image sensor 40 and the distance L to the object T. the distance L 1 corresponding to each, the distance L 2, to obtain the distance L 3. Next, in step 112, referring to a table showing the correspondence relationship between the angle θ on the image sensor 40 and the azimuth angle α of the target T, the azimuth corresponding to the angle θ 1 , the angle θ 2 , and the angle θ 3. The angle α 1 , the azimuth angle α 2 , and the azimuth angle α 3 are acquired.

次に、ステップ114で、測定結果を表示部74に表示するように指示して、ルーチンを終了する。表示部74には、対象物T、対象物T、対象物Tの各々について、距離L及び方位角α、距離L及び方位角α、距離L及び方位角αが表示される。 Next, in step 114, the display unit 74 is instructed to display the measurement result, and the routine is terminated. The display unit 74 displays a distance L 1 and an azimuth angle α 1 , a distance L 2 and an azimuth angle α 2 , a distance L 2 and an azimuth angle α 2 for each of the target object T 1 , the target object T 2 , and the target object T 3. Is displayed.

(光学系の変形例)
ここで、上記の距離測定装置における光学系の変形例について説明する。
図6(A)及び図6(B)は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図6(A)に示す距離測定装置10Aは、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、回転対称軸12に対し軸対称な円錐の側面と同じ形状の反射面(以下、円錐状の反射面という。)を有する円錐ミラー80を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10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。なお、円錐ミラー80は、回転対称軸12に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーの1種である。
(Modification of optical system)
Here, a modification of the optical system in the distance measuring apparatus will be described.
6A and 6B are cross-sectional views along the rotational symmetry axis of the distance measuring device according to the modification. A distance measuring apparatus 10A shown in FIG. 6A replaces the convex mirror 36 of the light projecting optical system 30 with a reflecting surface (hereinafter referred to as a conical shape) having the same shape as the side surface of a cone that is axisymmetric with respect to the rotationally symmetric axis 12. The configuration is the same as that of the distance measuring device 10 shown in FIG. 1 except that a conical mirror 80 having a reflective surface is provided, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The conical mirror 80 is one type of convex mirror having a curved reflecting surface that is axisymmetric with respect to the rotationally symmetric axis 12.

円錐ミラー80は、円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。なお、円錐ミラー80は、支持部材81により筐体60内に支持されている。円錐ミラー80によりレンズ34を透過した環状の平行光を外側に反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、円環状レンズ58を省略することができる。   The conical mirror 80 is disposed on the light exit side of the lens 34 with the conical reflection surface facing the lens 34 side. The conical mirror 80 is supported in the housing 60 by a support member 81. When the annular parallel light transmitted through the lens 34 is reflected to the outside by the conical mirror 80, the annular lens 58 can be omitted because the angle of spread of the reflected light is narrow.

また、図6(B)に示す距離測定装置10Bは、受光光学系50の凸面ミラー56に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー85を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10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。なお、図6(A)に示す例と同様に、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー80を配置してもよい。   A distance measuring device 10B shown in FIG. 6B is the distance measuring device shown in FIG. 1 except that a conical mirror 85 having a conical reflecting surface is arranged instead of the convex mirror 56 of the light receiving optical system 50. Since the configuration is the same as 10, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. Similar to the example shown in FIG. 6A, a conical mirror 80 having a conical reflecting surface may be disposed instead of the convex mirror 36 of the light projecting optical system 30.

円錐ミラー85は、円錐状の反射面を遮光部材54側に向けて、円環状レンズ58の光射出側に配置されている。円錐ミラー85は、支持部材83により筐体60内に支持されている。円錐ミラー85により円環状レンズ58で集光された光を反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、輝点Sを精度よく結像することができる。従って、対象物Tまでの距離Lの測定精度が向上する。   The conical mirror 85 is disposed on the light exit side of the annular lens 58 with the conical reflection surface facing the light shielding member 54 side. The conical mirror 85 is supported in the housing 60 by a support member 83. When the light collected by the annular lens 58 is reflected by the conical mirror 85, the bright spot S can be imaged with high precision because the angle of spread of the reflected light is narrow. Therefore, the measurement accuracy of the distance L to the target T is improved.

なお、上記では一部の光学素子を変更する例について説明したが、投光光学系30及び受光光学系50の各々は、上記した所定の機能を発揮できればよく、各光学系の構成は例示したものに限定される訳ではない。例えば、投光光学系30においては、円錐レンズ32、レンズ34、円環状レンズ38を省略してもよい。また、円錐レンズ32は、円錐台レンズ、一対の円錐レンズ等、平行光を環状光に整形する機能を有する他の光学素子に置き換えてもよい。また、受光光学系50においては、開口54Aを有する遮光部材54を省略してもよい。   In addition, although the example which changes a one part optical element was demonstrated above, each of the light projection optical system 30 and the light reception optical system 50 should just exhibit the above-mentioned predetermined | prescribed function, and the structure of each optical system illustrated It is not limited to things. For example, in the light projecting optical system 30, the conical lens 32, the lens 34, and the annular lens 38 may be omitted. The conical lens 32 may be replaced with another optical element having a function of shaping parallel light into annular light, such as a truncated cone lens or a pair of conical lenses. In the light receiving optical system 50, the light shielding member 54 having the opening 54A may be omitted.

<第2の実施の形態>
(距離測定装置の構成)
第2の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図8(A)は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図8(B)は光変調素子の平面図である。第2の実施の形態に係る距離測定装置10Cは、レンズ34と凸面ミラー36との間に、輝度の空間分布を生成する光変調素子82を配置した以外は、第1の実施の形態に係る距離測定装置10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。
<Second Embodiment>
(Configuration of distance measuring device)
The configuration of the distance measuring device according to the second embodiment will be described.
FIG. 8A is a cross-sectional view along the rotational symmetry axis of the distance measuring device. FIG. 8B is a plan view of the light modulation element. The distance measuring device 10C according to the second embodiment is related to the first embodiment except that a light modulation element 82 that generates a spatial distribution of luminance is arranged between the lens 34 and the convex mirror 36. Since it is the same structure as the distance measuring apparatus 10, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.

光変調素子82は、光を透過する複数の開口84を有する遮光部材である。複数の開口84は、放射線状に並ぶように規則的に配列されている。この例では、光軸を中心とする複数(この例では3つ)の同心円があり、複数の開口84は各同心円に沿って配列されている。同心円の各々に対して、同じ個数(この例では16個)の開口84が、略等間隔で配列されている。   The light modulation element 82 is a light shielding member having a plurality of openings 84 that transmit light. The plurality of openings 84 are regularly arranged so as to be arranged in a radial pattern. In this example, there are a plurality of (three in this example) concentric circles centered on the optical axis, and the plurality of openings 84 are arranged along each concentric circle. For each concentric circle, the same number (16 in this example) of openings 84 are arranged at substantially equal intervals.

光変調素子82には、レンズ34を透過した環状の平行光が照射される。光変調素子82のレンズ34に対向する表面には、環状の平行光が照射される照射領域86(網掛け領域)を設定することができる。本実施の形態では、照射領域86に複数の開口84が設けられている。光変調素子82の照射領域86に照射された光の一部は、複数の開口84を通過する。一方、光変調素子82の照射領域86に照射された光の残部は、遮光部材で遮断される。   The light modulation element 82 is irradiated with annular parallel light transmitted through the lens 34. An irradiation region 86 (shaded region) irradiated with annular parallel light can be set on the surface of the light modulation element 82 facing the lens 34. In the present embodiment, a plurality of openings 84 are provided in the irradiation region 86. Part of the light irradiated to the irradiation region 86 of the light modulation element 82 passes through the plurality of openings 84. On the other hand, the remainder of the light irradiated to the irradiation area 86 of the light modulation element 82 is blocked by the light blocking member.

この結果、入射した光が光変調素子82により強度変調されて、輝度の空間分布を有する平行光が生成される。即ち、光変調素子82による変調光を光軸と直交する断面で見ると、複数の開口84に対応する領域では輝度が高くなり、遮光部材に対応する領域では輝度が低くなる。   As a result, the incident light is intensity-modulated by the light modulation element 82, and parallel light having a spatial distribution of luminance is generated. That is, when the light modulated by the light modulation element 82 is viewed in a cross section orthogonal to the optical axis, the luminance is high in the region corresponding to the plurality of openings 84 and is low in the region corresponding to the light shielding member.

図8(B)に示す光変調素子82の例では、光軸を中心とする同心円状の複数(この例では3つ)の不連続な環状光が形成される。ここで、不連続な環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分と輝度の低い部分とが交互に配列された環状光を意味する。なお、本実施の形態では、不連続な環状光を生成するが、連続した環状光を生成してもよい。ここで、連続した環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分が連続して配置された通常の環状光である。   In the example of the light modulation element 82 shown in FIG. 8B, a plurality (three in this example) of discontinuous annular light with the optical axis as the center is formed. Here, the discontinuous annular light means annular light in which high luminance portions and low luminance portions are alternately arranged along concentric circles. In this embodiment, discontinuous annular light is generated, but continuous annular light may be generated. Here, continuous annular light is normal annular light in which high-luminance portions are continuously arranged along concentric circles.

(距離測定装置の動作)
次に、第2の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図9(A)は図8に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。図9(B)は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。図9(C)は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。
(Operation of distance measuring device)
Next, the operation of the distance measuring device according to the second embodiment will be described.
FIG. 9A is a schematic diagram for explaining the operation of the distance measuring apparatus shown in FIG. FIG. 9B is a plan view showing the arrangement of bright spots on the image sensor. FIG. 9C is a partially enlarged view showing the deviation of the bright spot from the reference position.

図9(A)に示すように、距離測定装置10Cでは、光変調素子82で生成された同心円状の複数の不連続な環状光は、凸面ミラー36の曲面状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置から水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー36で外側に反射された光は、円環状レンズ38に入射する。円環状レンズ38は、凸面ミラー36で反射された光を平行光化して、水平方向の特定された複数の方位にパルス変調された複数(この例では3種類)のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3を投光する。なお、水平方向の複数の方位は規則的に配列されているので、投光されるレーザ光Bは格子状の光ということもできる。 As shown in FIG. 9A, in the distance measuring device 10C, a plurality of concentric discontinuous annular lights generated by the light modulation element 82 are irradiated to different positions on the curved reflecting surface of the convex mirror 36. Then, it is reflected outward along the horizontal direction from a different position in the vertical direction. The light reflected outside by the convex mirror 36 enters the annular lens 38. The annular lens 38 converts the light reflected by the convex mirror 36 into parallel light, and a plurality of (three types in this example) laser light B S1 and laser light pulse-modulated in a plurality of specified horizontal directions. B S2 and laser beam B S3 are projected. Since a plurality of orientations in the horizontal direction are regularly arranged, the laser beam B S to be projected can be said that the lattice-like light.

同心円状の複数の不連続な環状光は、光軸に近い同心円の環状光ほど、凸面ミラー36の回転対称軸に近い位置で反射され、鉛直方向の下側の位置から外側に反射される。従って、3種類のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3によれば、鉛直方向の位置(高さ)が異なる水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光BS1、レーザ光BS2及びレーザ光BS3は、記載された順序で、鉛直方向のより高い位置に投光される。 A plurality of concentric discontinuous annular lights are reflected at a position closer to the rotational symmetry axis of the convex mirror 36 and reflected outward from a lower position in the vertical direction, as the concentric annular light closer to the optical axis. Therefore, according to the three types of laser light B S1 , laser light B S2 , and laser light B S3 , it is possible to monitor a plurality of specified horizontal directions having different vertical positions (heights) as a visual field region. it can. The laser beam B S1 , the laser beam B S2, and the laser beam B S3 are projected to a higher position in the vertical direction in the order described.

本実施の形態では、3種類のレーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3が高さの異なる視野領域に投光されて、各々の視野領域に在る対象物Tで反射されたレーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3が受光される。レーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3の各々は、レーザ光BS1、レーザ光BS2、レーザ光BS3の各々に対応する反射光である。即ち、複数パスでの距離測定が行われる。 In the present embodiment, three types of laser light B S1 , laser light B S2 , and laser light B S3 are projected onto the visual field regions having different heights, and reflected by the object T in each visual field region. Laser light B R1 , laser light B R2 , and laser light B R3 are received. Each of the laser beam B R1 , the laser beam B R2 , and the laser beam B R3 is reflected light corresponding to each of the laser beam B S1 , the laser beam B S2 , and the laser beam B S3 . That is, distance measurement is performed in a plurality of paths.

図9(B)に示すように、本実施の形態では、レーザ光BR1、レーザ光BR2、レーザ光BR3により、高さに応じた同心円RS上に輝点Sが形成される。最も高い位置を監視するレーザ光BS1には、最も内側の同心円RSが対応している。レーザ光BS1を対象物Tに照射した場合、対象物Tからの反射光(レーザ光BR1)は、同心円RS上に結像する。同様に、レーザ光BR2は同心円RS上に結像し、レーザ光BR3は同心円RS上に結像する。 As shown in FIG. 9B, in the present embodiment, a bright spot S is formed on a concentric circle RS corresponding to the height by the laser beam B R1 , the laser beam B R2 , and the laser beam B R3 . The innermost concentric circle RS 1 corresponds to the laser beam B S1 that monitors the highest position. When the object T is irradiated with the laser beam B S1 , the reflected light (laser beam B R1 ) from the object T forms an image on the concentric circle RS 1 . Similarly, the laser beam B R2 is imaged on a concentric circle RS 2, the laser beam B R3 is imaged onto a concentric RS 3.

対象物Tが凹凸を有する場合には、凹部までの距離Lは長くなり、凸部までの距離は短くなる。図9(A)に示す例では、レーザ光BS1が凹部にある標点Aに照射されて、レーザ光BR1が標点Aから反射される。また、レーザ光BS2が凸部にある標点Bに照射されて、レーザ光BR2が標点Bから反射される。また、レーザ光BS3が凹部にある標点Cに照射されて、レーザ光BR3が標点Cから反射される。 When the object T has irregularities, the distance L to the concave portion is increased, and the distance to the convex portion is shortened. In the example shown in FIG. 9A, the laser beam B S1 is irradiated to the mark A in the recess, and the laser beam BR1 is reflected from the mark A. Further, the laser beam B S2 is applied to the mark B on the convex portion, and the laser beam BR2 is reflected from the mark B. Further, the laser beam B S3 is applied to the mark C in the recess, and the laser beam BR3 is reflected from the mark C.

図9(C)に示すように、対象物Tに凹凸が無い場合に同心円RS上に形成される輝点Sを「基準となる輝点S(□で表示)」とする。対象物Tが凹凸を有する場合には、対象物Tに凹凸が無い場合と比較すると、対象物Tの凹部までの距離Lは長くなり、凹部に在る標点からの反射光に基づく輝点S(■で表示)は、輝点Sより外側に形成される。一方、対象物Tの凸部までの距離Lは短くなり、凸部に在る標点からの反射光に基づく輝点S(■で表示)は、輝点Sより内側に形成される。 As shown in FIG. 9C, the bright spot S formed on the concentric circle RS when the object T is not uneven is defined as “reference bright spot S 0 (indicated by □)”. When the target T has irregularities, the distance L to the concave portion of the target T is longer than when the target T has no irregularities, and the bright spot based on the reflected light from the gauge point in the concave portion S r (indicated by ■) is formed outside the bright spot S 0 . On the other hand, the distance L to the convex portion of the object T is shortened, and the bright point S r (indicated by ■) based on the reflected light from the gauge point existing on the convex portion is formed inside the bright point S 0. .

図9(B)に示すように、対象物Tが存在する1方位で見ると、標点A及び標点Cからの反射光による輝点S(■)は、輝点S(□)より外側に形成される。また、標点Bからの反射光による輝点S(■)は、輝点S(□)より内側に形成される。換言すれば、輝点Sの輝点Sからのずれ方向により、標点が凹部に在るか凸部に在るかが分かる。また、輝点Sからのずれ量により、標点までの距離Lが分かる。即ち、対象物Tまでの距離Lを複数の高さについて取得することにより、対象物Tの表面形状に関する情報を取得することができる。この場合は、鉛直方向の異なる位置での情報、即ち、高さ方向の情報が取得される。 As shown in FIG. 9B, when viewed in one azimuth where the object T exists, the bright spot S r (■) due to the reflected light from the gauge points A and C is the bright spot S 0 (□). It is formed on the outer side. Further, the bright spot S r (■) due to the reflected light from the benchmark B is formed inside the bright spot S 0 (□). In other words, the shift directions from the bright point S 0 of the bright point S r, seen or gauge is in or protrusions located in the recess. Further, the amount of deviation from the bright spot S 0, it is understood the distance L to the target point. That is, by acquiring the distance L to the target T for a plurality of heights, information regarding the surface shape of the target T can be acquired. In this case, information at different positions in the vertical direction, that is, information in the height direction is acquired.

(光変調素子の変形例)
なお、上記では、図8(B)に示す光変調素子82を例示したが、所望の視野領域の高さや方位に応じて輝度の空間分布(パターン)を有する変調光を生成できればよく、光変調素子82の構造はこれに限定されるわけではない。光変調素子82によりランダムパターンを付与してもよい。例えば、光変調素子82として網目(メッシュ)や拡散板等を用いて、入射した光を強度変調してもよい。ランダムパターンを付与する場合には、フーリエ変換により基準画像との相関を求めることで、基準位置からずれ量が取得される。
(Modification of light modulation element)
In the above, the light modulation element 82 shown in FIG. 8B has been exemplified. However, it is only necessary to generate modulated light having a spatial distribution (pattern) of luminance in accordance with the height and direction of a desired visual field. The structure of the element 82 is not limited to this. A random pattern may be given by the light modulation element 82. For example, the incident light may be intensity-modulated using a mesh (mesh), a diffusion plate, or the like as the light modulation element 82. When a random pattern is given, a deviation amount is acquired from the reference position by obtaining a correlation with the reference image by Fourier transform.

(複数の環状光を生成する他の変形例)
なお、上記では、光変調素子により複数の環状光を生成する例について説明したが、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成してもよい。図10は複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図10に示す距離測定装置10Dは、投光光学系30において、凸面ミラー36に代えて円錐ミラー80を配置すると共に、円錐レンズ32に代えて多段型円錐レンズ90を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10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。
(Other variations that generate multiple annular lights)
In addition, although the example which produces | generates several cyclic | annular light with a light modulation element was demonstrated above, you may produce | generate several annular lights with a multistage conical lens. FIG. 10 is a cross-sectional view along a rotational symmetry axis of a distance measuring device according to another modification that generates a plurality of annular lights. The distance measuring device 10D shown in FIG. 10 is different from the projection optical system 30 in that a conical mirror 80 is arranged instead of the convex mirror 36 and a multistage conical lens 90 is arranged instead of the conical lens 32. Since the configuration is the same as the distance measuring device 10 shown in FIG.

多段型円錐レンズ90は、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有している。多段型円錐レンズ90は、円錐状の透過面を光源20側に向けて、光源20の光射出側に配置されている。多段型円錐レンズ90は、光軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。多段型円錐レンズ90は、支持部材91により筐体60内に支持されている。   The multistage conical lens 90 has a conical transmission surface having a plurality of gradients. The multistage conical lens 90 is arranged on the light emission side of the light source 20 with the conical transmission surface facing the light source 20 side. The multistage conical lens 90 is arranged so that the optical axis and the rotational symmetry axis 12 coincide. The multistage conical lens 90 is supported in the housing 60 by a support member 91.

光源20から射出されたレーザ光は、多段型円錐レンズ90の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。多段型円錐レンズ90は、複数の勾配を有する円錐状の透過面により、入射した平行光を複数の環状光に整形する。図示した例では、多段型円錐レンズ90の透過面は2種類の勾配を有しており、同心円状の2つの環状光が生成される。多段型円錐レンズ90で生成された複数の環状光は、レンズ34で平行光化されて、円錐ミラー80に照射される。   The laser light emitted from the light source 20 is applied to the apex of the conical transmission surface of the multistage conical lens 90 and its periphery. The multistage conical lens 90 shapes incident parallel light into a plurality of annular lights by a conical transmission surface having a plurality of gradients. In the illustrated example, the transmission surface of the multistage conical lens 90 has two kinds of gradients, and two concentric annular lights are generated. The plurality of annular lights generated by the multistage conical lens 90 are converted into parallel light by the lens 34 and irradiated onto the conical mirror 80.

同心円状の複数の環状光は、円錐ミラー80の円錐状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置(高さ)から水平方向に沿って外側に反射される。鉛直方向の異なる高さで反射された各光は、鉛直方向での高さに応じて水平方向の全方位にパルス変調された複数(この例では2種類)のレーザ光Bとして投光される。複数のレーザ光Bにより、鉛直方向の異なる位置(高さ)において、水平方向の全方位を視野領域として監視することができる。 A plurality of concentric annular lights are irradiated to different positions on the conical reflecting surface of the conical mirror 80, and are reflected outward from different positions (heights) in the vertical direction along the horizontal direction. Each light reflected by vertically different heights is projected light as a laser beam B S of the plurality which are pulse-modulated in all directions in the horizontal direction according to the height in the vertical direction (two in this example) The A plurality of laser beams B S, in the vertical direction at different positions (heights) can be monitored in all directions in the horizontal direction as a viewing area.

なお、上記では、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成する例について説明したが、投光光学系を構成する凸面ミラーや円錐ミラーを多段化することで、複数の環状光を照射する場合と同様に、鉛直方向の異なる位置から複数のレーザ光Bを投光することができる。例えば、図6(A)に示す例において、円錐ミラー80に代えて、光軸に対し同心円状の複数の反射領域が配置された円錐状の反射面を有する多段型円錐ミラーを用いてもよい。なお、隣接する2つの反射領域の間には、光を反射しない非反射領域とされている。ここで、非反射領域とは、入射した光を吸収・散乱する領域のことである。 In the above, an example in which a plurality of annular lights are generated by a multistage conical lens has been described. However, when a plurality of annular lights are irradiated by forming a convex mirror or a conical mirror constituting a light projecting optical system in multiple stages. Similarly, it is possible to project a plurality of laser beams B S from the vertical direction different positions and. For example, in the example shown in FIG. 6A, instead of the conical mirror 80, a multistage conical mirror having a conical reflecting surface in which a plurality of concentric reflecting regions with respect to the optical axis are arranged may be used. . Note that a non-reflective region that does not reflect light is formed between two adjacent reflective regions. Here, the non-reflective region is a region that absorbs and scatters incident light.

<他の変形例>
なお、上記では水平方向の全方位を視野領域として監視する例について説明したが、視野領域は水平方向の全方位に限定される訳ではない。複数の方位や一部の方位を視野領域としてもよい。図11(A)は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図11(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。
<Other variations>
In addition, although the example which monitors all the azimuth | directions of a horizontal direction as a visual field area | region was demonstrated above, a visual field area | region is not necessarily limited to all the azimuth | directions of a horizontal direction. A plurality of orientations or some orientations may be used as the viewing area. FIG. 11A is a cross-sectional view along a rotationally symmetric axis of a distance measuring device according to another modification having a visual field region narrower than all directions. FIG. 11B is a perspective view showing the configuration of the main part of the light projecting optical system.

図11(A)に示す距離測定装置10Eは、投光光学系30の凸面ミラー36に代えて、半円錐状の反射面を有する2つの半円錐ミラー92、94を配置した以外は、図1に示す距離測定装置10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。   A distance measuring device 10E shown in FIG. 11A is the same as that shown in FIG. 1 except that two semiconical mirrors 92 and 94 having semiconical reflecting surfaces are arranged instead of the convex mirror 36 of the light projecting optical system 30. Since the configuration is the same as the distance measuring device 10 shown in FIG.

図11(B)に示すように、半円錐ミラー92は、半円錐状の反射面が内側に形成されている。半円錐ミラー92は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー94は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー94は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。   As shown in FIG. 11B, the semi-conical mirror 92 has a semi-conical reflecting surface formed inside. The semiconical mirror 92 is disposed on the light exit side of the lens 34 with the semiconical reflecting surface facing the lens 34 side. In addition, the semi-conical mirror 94 has a semi-conical reflecting surface formed on the outside. The semiconical mirror 94 is disposed on the light exit side of the lens 34 with the semiconical reflecting surface facing the lens 34 side.

レンズ34からは環状の平行光が照射されるが、半円錐ミラー92と半円錐ミラー94とは、レンズ34から異なる光が照射されるように水平方向に位置をずらして配置されている。また、半円錐ミラー92と半円錐ミラー94とは、鉛直方向にも位置をずらして配置されている。半円錐ミラー92は、半円錐ミラー94に対しレンズ34からより遠くに配置されている。なお、半円錐ミラー92、94の各々は、支持部材(図示せず)により筐体60内に支持されている。   Although annular parallel light is irradiated from the lens 34, the half cone mirror 92 and the half cone mirror 94 are arranged so as to be shifted in the horizontal direction so that different light is emitted from the lens 34. Further, the half-cone mirror 92 and the half-cone mirror 94 are arranged so as to be displaced in the vertical direction. The semiconical mirror 92 is disposed further from the lens 34 with respect to the semiconical mirror 94. Each of the semi-conical mirrors 92 and 94 is supported in the housing 60 by a support member (not shown).

上記の通り、レンズ34で生成された環状の平行光の一部は、半円錐ミラー92の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー92で外側に反射された光は、水平方向に沿って第1の方位にパルス変調されたレーザ光BS1として投光される。同様に、レンズ34で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー94の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー94で外側に反射された光は、水平方向に沿って第2の方位にパルス変調されたレーザ光BS2として投光される。 As described above, a part of the annular parallel light generated by the lens 34 is irradiated on the semiconical reflection surface of the semiconical mirror 92 and reflected outward along the horizontal direction. The light reflected to the outside by the semiconical mirror 92 is projected as laser light B S1 pulse-modulated in the first direction along the horizontal direction. Similarly, the other part of the annular parallel light generated by the lens 34 is irradiated onto the semiconical reflecting surface of the semiconical mirror 94 and reflected outward along the horizontal direction. The light reflected to the outside by the semi-conical mirror 94 is projected as a laser beam B S2 pulse-modulated in the second direction along the horizontal direction.

上記の例では、半円錐ミラー92は、半円錐ミラー94より鉛直方向の上側に配置されている。従って、レーザ光BS1は、レーザ光BS2よりも鉛直方向の上側の位置から投光される。レーザ光BS1、レーザ光BS2により、鉛直方向の異なる位置(高さ)において、水平方向の特定の方位(全方位より狭い)を視野領域として監視することができる。 In the above example, the half-cone mirror 92 is disposed above the half-cone mirror 94 in the vertical direction. Accordingly, the laser beam B S1 is projected from a position above the laser beam B S2 in the vertical direction. The laser beam B S1 and the laser beam B S2 can monitor a specific horizontal direction (narrower than all directions) as a visual field region at different vertical positions (heights).

第1の方位と第2の方位とは、異なる方位でもよく、同じ方位でもよい。また、第1の方位と第2の方位の各々は、全方位より狭ければよく、一方位に限定される訳ではない。例えば、環状の平行光の半分を半円錐ミラー92に照射すると共に、環状の平行光の残り半分を半円錐ミラー94に照射することで、レーザ光BS1とレーザ光BS2の各々について、水平方向の180°の範囲を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光BS1とレーザ光BS2とで、視野領域が異なっていてもよい。 The first orientation and the second orientation may be different orientations or the same orientation. Further, each of the first orientation and the second orientation may be narrower than the entire orientation, and is not limited to one position. For example, half of the annular parallel light is irradiated onto the half cone mirror 92 and the other half of the annular parallel light is irradiated onto the half cone mirror 94, whereby each of the laser beam B S1 and the laser beam B S2 is horizontal. A range of 180 ° in the direction can be monitored as a visual field region. The laser beam B S1 and the laser beam B S2 may have different viewing areas.

図12(A)〜(C)は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図12(A)に示す例では、半円錐ミラー94に代えて、半円錐状の半透過ミラー96を配置した以外は、図11(A)及び図11(B)に示す距離測定装置10E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。   12A to 12C are perspective views showing a configuration of a main part of a light projecting optical system of a distance measuring apparatus according to another modification. In the example shown in FIG. 12A, the distance measuring device 10E shown in FIGS. 11A and 11B is the same as that shown in FIGS. Since it is the same structure, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.

図12(A)に示すように、半円錐状の半透過ミラー96は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐状の反射面は、いわゆるハーフミラーであり、内側から照射された光を透過し、外側から照射された光を反射する。半透過ミラー96は、半円錐状の反射面をレンズ34側に向けて、レンズ34の光射出側に配置されている。レンズ34で生成された環状の平行光の一部は、半透過ミラー96の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。   As shown in FIG. 12A, the semi-conical semi-transmissive mirror 96 has a semi-conical reflecting surface formed outside. The semi-conical reflection surface is a so-called half mirror, which transmits light irradiated from the inside and reflects light irradiated from the outside. The semi-transmissive mirror 96 is disposed on the light exit side of the lens 34 with the semi-conical reflecting surface facing the lens 34 side. A part of the annular parallel light generated by the lens 34 is irradiated onto the semiconical reflecting surface of the semi-transmissive mirror 96 and reflected outward along the horizontal direction.

また、半透過ミラー96は、半円錐状の透過面を半円錐ミラー92側に向けて、半円錐ミラー92の光射出側に配置されている。ここで、半円錐状の透過面とは、反射面の裏側である内側面を意味する。レンズ34で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー92の半円錐状の反射面で反射され、半透過ミラー96の透過面を透過して、水平方向に沿って外側に反射される。   The semi-transmissive mirror 96 is disposed on the light exit side of the semi-conical mirror 92 with the semi-conical transmission surface facing the semi-conical mirror 92 side. Here, the semi-conical transmission surface means an inner surface that is the back side of the reflection surface. Another part of the annular parallel light generated by the lens 34 is reflected by the semi-conical reflecting surface of the semi-conical mirror 92, passes through the transmitting surface of the semi-transmissive mirror 96, and goes outward along the horizontal direction. Is reflected.

本実施の形態では、半円錐ミラー92と半透過ミラー96とは、半円錐ミラー92の反射面で反射され且つ半透過ミラー96の透過面を透過した光と、半透過ミラー96の反射面で反射された光とが合波されるように、予め定めた位置関係で配置されている。従って、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bが投光される。また、合波される二光波の位相が整合するように、半円錐ミラー92と半透過ミラー96の位置関係を調整することで、投光されるレーザ光Bの光強度を高くすることができる。 In the present embodiment, the semi-conical mirror 92 and the semi-transmissive mirror 96 are light reflected by the reflective surface of the semi-conical mirror 92 and transmitted through the transparent surface of the semi-transmissive mirror 96, and the reflective surface of the semi-transmissive mirror 96. It arrange | positions by the predetermined positional relationship so that the reflected light may be combined. Therefore, the laser beam B S which is pulse-modulated to a specific orientation along the horizontal direction is projected. Moreover, as two light waves of the phase to be combined are aligned, by adjusting the positional relationship between the semi-conical mirror 92 and the semi-transmissive mirror 96, a high light intensity of the laser beam B S to be projected it can.

図12(B)に示す例では、レンズ34と半円錐ミラー94との間に光変調素子98を挿入した以外は、図11(A)及び図11(B)に示す距離測定装置10E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12(C)に示すように、光変調素子98は、光を透過する複数の開口99(白抜き部分)が設けられた遮光部材である。光変調素子98により、輝度の空間分布を有する環状光が生成される。   In the example shown in FIG. 12B, the same as the distance measuring device 10E shown in FIGS. 11A and 11B, except that the light modulation element 98 is inserted between the lens 34 and the half cone mirror 94. Since it is a structure, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 12C, the light modulation element 98 is a light shielding member provided with a plurality of openings 99 (outlined portions) that transmit light. The light modulation element 98 generates annular light having a spatial distribution of luminance.

図12(B)に示すように、光変調素子98を挿入することで、第2の実施の形態と同様に、不連続な環状光が生成される。生成された不連続な環状光の一部は、半円錐ミラー92で外側に反射されて、水平方向に沿って第1の方位にパルス変調されたレーザ光BS1が投光される。また、生成された不連続な環状光の他の一部は、半円錐ミラー94で外側に反射されて、水平方向に沿って第2の方位にパルス変調されたレーザ光BS2が投光される。上記の通り、レーザ光BS1とレーザ光BS2の各々について、水平方向の180°までの範囲を視野領域として監視することができる。また、不連続な環状光とすることで、水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。 As illustrated in FIG. 12B, by inserting the light modulation element 98, discontinuous annular light is generated as in the second embodiment. Part of the generated discontinuous annular light is reflected to the outside by the semiconical mirror 92, and the laser light B S1 pulse-modulated in the first direction along the horizontal direction is projected. Another part of the generated discontinuous annular light is reflected on the outside with a half cone mirror 94, the laser beam B S2 which is pulse-modulated to a second orientation along a horizontal direction is projected The As described above, for each of the laser beam B S1 and the laser beam B S2 , a range up to 180 ° in the horizontal direction can be monitored as a visual field region. Further, by using discontinuous annular light, it is possible to monitor a plurality of specified azimuths in the horizontal direction as a visual field region.

図13(A)は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図13(B)は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図13(C)は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。図13(A)〜(C)に示す例では、光源20を回転対称軸12上に配置せず、投光光学系30をレンズ群22と半円錐ミラー100を備える簡素な構成とした以外は、図1に示す距離測定装置10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。なお、受光光学系50の遮光部材54も省略されている。   FIG. 13A is a cross-sectional view along a rotational symmetry axis of a distance measuring device according to another modification. FIG. 13B is a perspective view showing the configuration of the main part of the projection optical system. FIG. 13C is a perspective view showing a configuration according to a modification of the main part of the light projecting optical system. In the example shown in FIGS. 13A to 13C, the light source 20 is not disposed on the rotationally symmetric axis 12, and the light projecting optical system 30 is simply configured to include the lens group 22 and the semiconical mirror 100. 1 has the same configuration as that of the distance measuring device 10 shown in FIG. The light shielding member 54 of the light receiving optical system 50 is also omitted.

図13(A)及び図13(B)に示すように、投光光学系30は、半円錐状の反射面を有する半円錐ミラー100、及び入射した光を整形して半円錐ミラー100に照射するレンズ群22を備えている。光源20、半円錐ミラー100、及びレンズ群22の各々は、支持部材(図示せず)により筐体60内に支持されている。半円錐ミラー100は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー100は、半円錐状の反射面をレンズ群22側に向けて、レンズ群22の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー100は、円錐の回転対称軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。   As shown in FIGS. 13A and 13B, the light projecting optical system 30 is configured to irradiate the semiconical mirror 100 by shaping the incident light and the semiconical mirror 100 having a semiconical reflecting surface. The lens group 22 is provided. Each of the light source 20, the semiconical mirror 100, and the lens group 22 is supported in the housing 60 by a support member (not shown). The semi-conical mirror 100 has a semi-conical reflecting surface formed outside. The semi-conical mirror 100 is disposed on the light exit side of the lens group 22 with the semi-conical reflecting surface facing the lens group 22 side. The semiconical mirror 100 is arranged so that the rotational symmetry axis of the cone and the rotational symmetry axis 12 coincide with each other.

光源20から射出されたレーザ光は、レンズ群22により水平方向に広がる光に整形される。レンズ群22により整形された光は、半円錐ミラー100の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー100で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bとして投光される。上記の通り、レーザ光Bにより水平方向の180°までの範囲を視野領域として監視することができる。 The laser light emitted from the light source 20 is shaped into light spreading in the horizontal direction by the lens group 22. The light shaped by the lens group 22 is applied to the semi-conical reflecting surface of the semi-conical mirror 100 and reflected outward along the horizontal direction. The light reflected on the outer semi-conical mirror 100 is projected light as the laser beam B S which is pulse-modulated to a specific orientation along the horizontal direction. As described above, the laser beam B S can monitor the range of up to 180 ° in the horizontal direction as a viewing area.

なお、図13(C)に示すように、半円錐ミラー100に代えて、半円柱状の反射面を有する半円柱ミラー100Aを用いてもよい。半円柱ミラー100Aは、円柱の回転対称軸と回転対称軸12とが一致するように配置されている。この場合も、レンズ群22により整形された光は、半円柱ミラー100Aの半円柱状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー100で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光Bとして投光される。 As shown in FIG. 13C, a semi-cylindrical mirror 100A having a semi-cylindrical reflecting surface may be used instead of the semi-conical mirror 100. The semi-cylindrical mirror 100A is arranged such that the rotational symmetry axis of the cylinder and the rotational symmetry axis 12 coincide. Also in this case, the light shaped by the lens group 22 is applied to the semi-cylindrical reflecting surface of the semi-cylindrical mirror 100A and reflected outward along the horizontal direction. The light reflected on the outer semi-conical mirror 100 is projected light as the laser beam B S which is pulse-modulated to a specific orientation along the horizontal direction.

また、上記各実施の形態で説明した距離測定装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。例えば、各光学系を構成する光学素子を同等の機能を有する他の光学素子に置き換えてもよく、フローチャートの各ステップの順序を入れ替える等してもよい。   In addition, the configuration of the distance measuring device described in each of the above embodiments is an example, and it goes without saying that the configuration may be changed without departing from the gist of the present invention. For example, the optical elements constituting each optical system may be replaced with other optical elements having equivalent functions, and the order of the steps in the flowchart may be changed.

10 距離測定装置
12 回転対称軸
20 光源
22 レンズ群
30 投光光学系
32 円錐レンズ
34 レンズ
36 凸面ミラー
38 円環状レンズ
40 撮像素子
42 撮像面
50 受光光学系
52 結像レンズ
54A 開口
54 遮光部材
56 凸面ミラー
58 円環状レンズ
60 筐体
70 制御部
72 光源駆動部
74 表示部
76 操作入力部
80 円錐ミラー
82 光変調素子
84 開口
86 照射領域
90 多段型円錐レンズ
92 半円錐ミラー
94 半円錐ミラー
96 半透過ミラー
98 光変調素子
99 開口
100 半円錐ミラー
100A 半円柱ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Distance measuring device 12 Rotation symmetry axis 20 Light source 22 Lens group 30 Projection optical system 32 Conical lens 34 Lens 36 Convex mirror 38 Annular lens 40 Imaging element 42 Imaging surface 50 Light reception optical system 52 Imaging lens 54A Aperture 54 Light shielding member 56 Convex mirror 58 Annular lens 60 Case 70 Control unit 72 Light source drive unit 74 Display unit 76 Operation input unit 80 Cone mirror 82 Light modulation element 84 Aperture 86 Irradiation area 90 Multi-stage cone lens 92 Half cone mirror 94 Half cone mirror 96 Half Transmission mirror 98 Light modulation element 99 Aperture 100 Half cone mirror 100 A Half cylinder mirror

Claims (4)

光源と、
前記光源から射出された光を投光する投光光学系と、
光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、
投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、
前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、
を備え、
前記投光光学系が、
円錐状の透過面を備え、光軸が前記光源の光軸と一致するように前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置され、前記光源から射出された光を環状光に整形する円錐レンズと、
半円錐状の側面の内側に反射面を備え、前記反射面を前記円錐レンズに向けて配置された第1半円錐ミラーであって、半円錐の中心軸が前記光軸と一致し、前記環状光の一部を前記光軸と交差する方向に沿って第1の方位に反射する第1半円錐ミラーと、
半円錐状の側面の外側に反射面を備え、前記反射面を前記円錐レンズに向けて配置された第2半円錐ミラーであって、半円錐の中心軸が前記光軸と一致すると共に前記第1半円錐ミラーとは光軸方向に位置をずらして配置されて、前記環状光の他の一部を前記光軸と交差する方向に沿って第1の方位とは異なる第2の方位に反射する第2半円錐ミラーと、
を備えた距離測定装置。
A light source;
A light projecting optical system for projecting light light emitted from the light source,
An imaging device having an imaging surface on which an optical image is formed;
The reflected light reflected by the object of projecting to and the measurement object with the light receivable configured, receiving a position on the imaging surface a predetermined according to the distance to the object based on the principle of triangulation A light receiving optical system that forms an image of the received reflected light on the imaging surface so that a light image corresponding to the reflected light is formed;
Distance acquisition means for acquiring a distance to an object to be measured based on a position of a light image formed on the imaging surface;
With
The projection optical system is
A cone having a conical transmission surface, the cone-shaped transmission surface facing the light source so that the optical axis coincides with the optical axis of the light source, and shaping the light emitted from the light source into an annular light A lens,
A first semi-conical mirror having a reflective surface inside a semi-conical side surface, the reflective surface being disposed toward the conical lens, wherein a central axis of the semi-conical coincides with the optical axis, and the annular shape A first semiconical mirror that reflects a portion of the light in a first orientation along a direction intersecting the optical axis;
A second semi-conical mirror provided with a reflecting surface outside a semi-conical side surface, the reflecting surface being disposed toward the conical lens, wherein a central axis of the semi-conical coincides with the optical axis and the first The half-conical mirror is arranged with a position shifted in the optical axis direction, and reflects another part of the annular light in a second direction different from the first direction along the direction intersecting the optical axis. A second semi-conical mirror that
Distance measuring device with
前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、
前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置に対応して計測対象となる物体までの距離を取得する、
請求項1に記載の距離測定装置。
The imaging device captures an optical image formed on the imaging surface,
The distance acquisition unit acquires position information of the optical image from an image picked up by the image pickup device, and connects to the image pickup surface based on a correspondence relationship between a distance to the object and a position on the image pickup surface. Acquire the distance to the object to be measured corresponding to the position of the imaged light image,
The distance measuring device according to claim 1.
前記投光光学系が、The projection optical system is
複数の開口が1つの円に沿って設けられた遮光部材であって、前記円錐レンズと前記第2半円錐ミラーとの間に配置されて、不連続な環状光が生成されるように前記円錐レンズで生成された連続した環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、A light-shielding member having a plurality of openings provided along one circle, and disposed between the conical lens and the second semi-conical mirror so as to generate discontinuous annular light; A light modulation element that modulates the spatial distribution of the luminance of the continuous annular light generated by the lens;
請求項1または請求項2に記載の距離測定装置。The distance measuring device according to claim 1 or 2.
前記受光光学系が
トロイダル面を備え、前記トロイダル面を外側に向けて配置され、前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する円環状レンズと、
前記光源の光軸に対し軸対称な曲面状の反射面を備え、前記反射面を結像レンズに向けて配置された凸面ミラーであって、前記円環状レンズで集光された光を前記光軸の方向に反射する凸面ミラーと、
光軸が前記光源の光軸と一致するように配置され、前記凸面ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する結像レンズと、
を含む、
請求項1から請求項3までの何れか1項に記載の距離測定装置。
The light receiving optical system is
An annular lens comprising a toroidal surface, arranged with the toroidal surface facing outward, and condensing the reflected light reflected by the object to be measured;
A convex mirror having a curved reflecting surface that is axially symmetric with respect to the optical axis of the light source, the reflecting surface being disposed toward an imaging lens, and the light condensed by the annular lens A convex mirror that reflects in the direction of the axis;
An imaging lens that is arranged so that an optical axis thereof coincides with an optical axis of the light source, and that forms an image of light reflected by the convex mirror on an imaging surface of the imaging device;
including,
The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3.
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