JP6315268B2 - レーザレンジファインダ - Google Patents

Description

本発明は、レーザレンジファインダに関する。

ロボットが自律移動する時の障害物を検知するためのセンサ、あるいは、人物を検知するためのセンサには、例えば、レーザレンジファインダ（Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ、ＬＲＦ）がある。

レーザレンジファインダは、レーザ光が出力されてから、レーザ光が物体に当たって反射した反射光が返ってくるまでの時間の測定を行い、測定結果から物体までの距離を算出する。レーザレンジファインダは、レーザ光を出力する方向を水平方向および垂直方向に変化させることで、距離の測定を行う範囲（以下、「走査範囲」と称する）の全体において物体までの距離の測定を行う。

具体的には、レーザレンジファインダは、例えば、レーザ光を出力するレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）と、レーザ光の出力方向を調整するミラーと、物体からの反射光を受光する受光素子と、信号処理部とを備えている。レーザ光の出力方向を調整するミラーには、例えば、回転機構に取り付けられたミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー等がある。信号処理部は、レーザダイオードにレーザ光を出力させる出力信号を出力し、受光素子からの受光信号を受け付ける。信号処理部は、レーザダイオードから出力されるレーザ光の位相と受光素子が受光した反射光の位相との差から、物体までの距離を測定する。

レーザレンジファインダによる距離の測定を精密に行うためには、レーザダイオードがレーザ光を出力してから受光素子が反射光を受光するまでの時間の測定、つまり、位相差の算出を精度良く行うことが求められる。光の速度は非常に高速であるため、測定は精密に行うことが望ましい。

ここで、レーザレンジファインダでは、信号処理部が出力信号を出力してから実際にレーザダイオードからレーザ光が出力されるまでの間には遅延（信号伝達時間による遅延）が生じる。また、受光素子が物体からの反射光を受光してから、信号処理部に受光信号が到達するまでの間には遅延（電気信号の変換による遅延）が生じる。さらに、これらの信号遅延は、温度変化、あるいは、時間の経過と共に生じる物理的な劣化（経時劣化）により影響を受ける場合がある。

さらに、光源からレーザ光の出力方向を調整するミラーまでの距離についても、温度変化あるいは経時劣化による影響を受けて変化する場合があると考えられる。

このため、例えば、レーザレンジファインダ内の光路上に反射鏡を配置し、反射鏡までの距離を測定することにより、上記遅延を除去する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。なお、当該方法では、反射鏡および反射鏡の機械的な駆動機構が新たに必要になる。

特開２００１−１５９６８１号公報

しかしながら、距離の測定精度を向上させるために、レーザレンジファインダ内の光路上に反射鏡を設け、さらに反射鏡の機械的な駆動機構を追加すると、製造コストが増大するという問題、および、レーザレンジファインダが大型化するという問題が生じる。

また、物体の角度についても、精度の向上が求められている。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、距離の測定精度および角度の測定精度を向上させながら、製造コストの増大および大型化を抑制することができるレーザレンジファインダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザレンジファインダは、筐体と、前記筐体内に配置され、レーザ光を出力する光源と、前記レーザ光を出力する方向を変化させる走査部と、前記筐体内に配置された第一受光部であって、予め定められた方向に出力された前記レーザ光の一部を反射し、当該レーザ光の他の一部を受光する第一受光部と、前記レーザ光が前記筐体外の物体により反射された第一反射光、および、前記レーザ光の一部が前記第一受光部により反射された第二反射光を受光する第二受光部と、前記第二受光部が受光した前記第一反射光を用いて前記光源から前記物体までの第一距離を算出し、前記第二受光部が受光した前記第二反射光を用いて前記光源から前記第一受光部までの第二距離を算出し、前記第一距離から前記第二距離を減算することにより、レーザレンジファインダから前記物体までの距離を算出し、前記第一受光部が前記レーザ光を受光したタイミングを用いて前記レーザレンジファインダに対する前記物体の方向の算出を行う信号処理部を備える。

上記構成のレーザレンジファインダは、光源から物体までの第一距離から、光源から第一受光部までの第二距離を減算することにより、開口部から物体までの距離を算出する。なお、光源から第一受光部までの第二距離は、光源から筐体の開口部までの距離とほぼ同じる。上述したように、光源から走査部（例えば、レーザ光の出力方向を調整するミラー）までの距離は、温度変化あるいは経時劣化の影響を受けて変化する場合がある。このため、光源から物体までの第一距離から、光源から第一受光部までの第二距離を減算することで、物体までの筐体内における距離の変化を取り除くことができる。

さらに、上記構成のレーザレンジファインダによれば、第一受光部がレーザ光を受光したタイミングから、レーザ光の方向の時間変化を導出することができる。物体が検出されたときのタイミングを取得すれば、レーザ光の方向の時間変化から、物体が検出されたときのレーザ光が出力された方向を求めることが可能になる。

以上より、上記構成のレーザレンジファインダは、受光素子を１つ追加するだけで、信号遅延の影響を良好に除去して距離の測定精度を向上させることが可能になり、かつ、物体が検出されたときのレーザ光が出力された方向を良好に求めることが可能になる。

例えば、前記第一受光部は、前記レーザ光の一部を反射させる塗料が一部に塗布された受光面を有していても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、第二受光素子の受光面の一部に光を反射させる塗料を設けるので、第一受光部の構成を簡素化することができる。

また、前記第一受光部は、受光素子と、前記受光素子と前記走査部との間に配置された反射拡散板を有していても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、受光素子と、走査部（例えば、ＭＥＭＳミラー）から受光素子までの間の光路に設けた反射拡散板とで第一受光部を構成するので、第一受光部の取り付け精度が厳しくなるのを抑えることができる。

また、前記第一受光部は、前記筐体の開口部から前記筐体の内部に進入する外光が直接入射しない位置に配置されていても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、第一受光部が外光が直接入射しない位置に配置されているので、外光の影響を抑えることが可能になる。

また、前記第一受光部は、さらに、前記筐体の開口部から入る外光のうち、前記反射拡散板に向かう外光を遮光する遮光部を備え、前記反射拡散板は、前記第一受光部と前記走査部との間において、前記遮光部に接する位置に配置されていても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、第一受光部に向かう外光を遮光する遮光部が設けられ、遮光部に接する位置に反射拡散板が設けられているので、反射拡散板に外光が入射するのを良好に防止することが可能になる。

また、前記信号処理部は、前記レーザレンジファインダに対する前記物体の方向の算出において、前記物体が検出されたタイミングを取得し、前記第一受光部が前記レーザ光を受光したタイミングから前記レーザ光が前記第一受光部を通過する時間の間隔を検出し、当該間隔と前記予め定められた方向の角度とを用いて、時間に対する前記レーザ光の方向の変位を示す正弦波を算出し、前記正弦波と前記物体が検出されたタイミングとを用いて前記レーザ光の方向を算出しても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、物体が検出されたときのタイミングとレーザ光の方向の時間変化から、物体が検出されたときのレーザ光が出力された方向を求めることが可能になる。

本発明によると、距離の測定精度および角度の測定精度を向上させながら、製造コストの増大および大型化を抑制することができる。

実施の形態におけるレーザレンジファインダの構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態におけるレーザレンジファインダの構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態におけるレーザレンジファインダの各構成の位置関係の一例を示す図である。 実施の形態におけるＭＥＭＳミラーの構成の一例を示す図である。 実施の形態におけるＭＥＭＳミラーによるレーザ光のＸ軸方向の変化の一例を示す図である。 実施の形態における第一受光部の構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態における距離測定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態におけるレーザダイオードが出力したレーザ光の波形の一例と第二受光部が受光した光の波形の一例とを示すグラフである。 実施の形態におけるレーザダイオードが出力したレーザ光の波形の一例と、第二受光部が受光した第一反射光の波形の一例と、第一反射光から信号遅延の影響を除いた波形の一例を示すグラフである。 実施の形態における角度算出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態における第一受光部から出力される信号の一例を示すグラフである。 実施の形態における角度と検出タイミングとの関係を示す正弦波の一例を示すグラフである。 実施の形態における物体の角度の導出方法の一例を示すグラフである。 実施の形態における物体の角度の導出結果の一例を示す図である。 変形例１における第一受光部の構成の一例を示す図である。 変形例１における第一受光部の構成の一例を示す図である。 変形例２における第一受光部の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、各図は、必ずしも各寸法あるいは各寸法比等を厳密に図示したものではない。

また、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態）
本実施の形態のレーザレンジファインダについて、図１〜図１４を基に説明する。

［１．レーザレンジファインダの構成］
図１は、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１０の構成の一例を示す斜視図である。なお、図１において、Ｚ軸はレーザレンジファインダの軸ＡＺ（基準方向）に平行な軸であり、Ｘ軸およびＹ軸は、対物レンズ１２および接眼レンズ（図示せず）に平行な軸である。

本実施の形態では、単眼のレーザレンジファインダ１０を例に説明するが、これに限るものではない。レーザ光が出力されるレンズと物体からの反射光を受けるレンズとが別に構成されていても構わない。

図２は、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１０の構成の一例を示すブロック図である。なお、図２では、電気信号の経路を実線の矢印で示し、光の進路を一点鎖線の矢印で示している。

図３は、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１０のレーザダイオード２１、有孔ミラー２２、ＭＥＭＳミラー２３、第二受光部２５および第一受光部２７の位置関係の一例を示す図である。

レーザレンジファインダ１０は、図１〜図３に示すように、筒状の筐体１１と、底面に形成された円形の開口部に配置された接眼レンズ（図示せず）と、上面に形成された円形の開口部に配置された対物レンズ１２とを備えている。

さらに、レーザレンジファインダ１０は、筐体１１の内部に、変調信号出力部２０、レーザダイオード２１、有孔ミラー２２、ＭＥＭＳミラー２３、ミラー駆動部２４、第二受光部２５、アンプ２６、第一受光部２７、および、信号処理部３０を備えている。

［１−１．変調信号出力部、レーザダイオードおよび有孔ミラー］
変調信号出力部２０は、レーザダイオード２１にレーザ光を出力させるための変調信号を生成する。

レーザダイオード２１は、レーザ光を出力する光源の一例であり、変調信号出力部２０から出力される変調信号に従ってレーザ光を出力する。レーザダイオード２１は、筐体の内部に配置され、レーザ光をＭＥＭＳミラー２３に向けて出力する。

レーザダイオード２１から出力されたレーザ光は、有孔ミラー２２の孔を通って、ＭＥＭＳミラー２３において反射される。レーザ光は、ＭＥＭＳミラー２３において反射された後、レーザレンジファインダ１０の筐体１１の開口部に設けられた対物レンズから外側に向けて出力される。あるいは、レーザ光は、ＭＥＭＳミラー２３において反射された後、レーザレンジファインダ１０の筐体１１内に設けられた第一受光部２７により反射される。

レーザ光が物体４０により反射された第一反射光は、筐体１１の開口部に設けられた対物レンズ１２において集光される。対物レンズ１２により集光された第一反射光は、ＭＥＭＳミラー２３において有孔ミラー２２に向けて反射される。第一反射光は、さらに、有孔ミラー２２において第二受光部２５に向けて反射される。また、第一受光部２７により反射された第二反射光は、ＭＥＭＳミラー２３において有孔ミラー２２に向けて反射される。有孔ミラー２２により反射された第一反射光および第二反射光は、第二受光部２５により受光される。

有孔ミラー２２は、図３に示すように、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光をそのまま通過させ、ＭＥＭＳミラー２３からの光（物体４０からの第一反射光および第一受光部２７からの第二反射光）を反射させる部材である。有孔ミラー２２は、レーザダイオード２１とＭＥＭＳミラー２３との間のレーザ光の光路上に配置されている。

より詳細には、有孔ミラー２２は、ＭＥＭＳミラー２３からの光を第二受光部２５に向けて反射させる反射面を備える板状部材を備えて構成されている。当該板状部材には、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光をそのまま通過させる孔が形成されている。有孔ミラー２２を通過するレーザ光は集束された光であるため、孔の断面の面積は非常に小さく形成することが可能である。物体４０からの反射光はレーザ光に比べて強度が弱いことから、反射面の面積を確保するため、孔の断面積は小さくすることが好ましい。

［１−２．ＭＥＭＳミラーおよびミラー駆動部］
ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）ミラー２３は、レーザダイオード２１から出力されるレーザ光を出力する方向を変化させる走査部の一例である。ＭＥＭＳミラー２３は、電子回路を形成するシリコン基板上に、微小な機械部品であるミラーを形成して構成される。

図４は、本実施の形態におけるＭＥＭＳミラー２３の構成の一例を示す図である。図５は、本実施の形態におけるＭＥＭＳミラー２３によるレーザ光のＸ軸方向の変化の一例を示す図である。

なお、以下、説明のため、Ｘ軸方向を水平方向、Ｙ軸方向を垂直方向として説明するが、当該方向は一例であり、Ｘ軸方向は必ずしも水平方向に平行である必要はない。同様に、Ｙ軸方向は必ずしも垂直方向に平行である必要はない。

ＭＥＭＳミラー２３は、図４に示すように、ミラー部２３ａとミラー揺動器２３ｂとを備えている。

ミラー部２３ａは、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光を反射する反射面で構成される。ミラー揺動器２３ｂは、ミラー部２３ａの中央部分を通る軸ＡＹを中心に反射面を揺動する。軸ＡＹは、Ｙ軸に平行に配置されている。ミラー揺動器２３ｂは、ミラー駆動部２４から供給される電圧により、共振周波数で駆動される。なお、ミラー部２３ａのＸ軸方向の振れ角は、図５に示すように、設計時はθ_Ｒ１であるが、温度変化あるいは経時劣化等により、例えば、θ_Ｒ２等に変化する場合がある。なお、ＭＥＭＳミラー２３の走査範囲（図５のθ_Ｒ１あるいはθ_Ｒ２）は、筐体１１の上面に形成された開口部の大きさよりも若干大きくなるように設計されている。

ミラー駆動部２４は、ミラー揺動器２３ｂを駆動するための駆動電流を生成し、ミラー揺動器２３ｂに対して出力する。

［１−３．第一受光部］
第一受光部２７は、本実施の形態では、第一受光部２７は、予め定められた方向に出力されたレーザ光の一部を反射し、当該レーザ光の他の一部を受光する受光素子を用いて構成されている。第一受光部２７は、受光した光の強度が大きいほど電圧値が大きい出力信号（電気信号）を、信号処理部３０のタイミング検出部３２および角度算出部３５に対して出力する。

第一受光部２７は、本実施の形態では、図１および図３に示すように、筐体１１の内側であって、対物レンズ１２の近傍、且つ、レーザ光の走査範囲の端部近傍に配置されている。第一受光部２７は、図３に示すように、軸ＡＺに対するＸ軸方向の角度がθ_０の位置に配置されている。

図６は、本実施の形態における第一受光部２７の構成の一例を示す斜視図である。図６に示すように、第一受光部２７は、受光面２７ｂの一部に塗料２７ｃが塗られた受光素子２７ａにより構成されている。受光面２７ｂは、本実施の形態では、直径５ｍｍの円形のガラス板で構成されている。塗料２７ｃは、白色の塗料等、ＭＥＭＳミラー２３からのレーザ光を反射させることができる塗料であればよい。塗料２７ｃは、本実施の形態では、受光面２７ｂの中央に、直径１ｍｍの円形に塗られている。

［１−４．第二受光部およびアンプ］
第二受光部２５は、有孔ミラー２２からの光を受光する受光素子を備えて構成されている。受光素子は、ガラス面で構成された受光面を備える。第二受光部２５は、レーザ光が筐体１１の外側に存在する物体４０により反射され変調された第一反射光、および、レーザ光が第一受光部２７により反射された第二反射光を受光する。第二受光部２５は、受光した光の強度が大きいほど電圧値が大きい出力信号（電気信号）を、アンプ２６を介して信号処理部３０の距離算出部３１に対して出力する。

アンプ２６は、第二受光部２５から出力される信号を増幅する。特に、ＭＥＭＳミラー２３からのレーザ光は物体４０において反射散乱されるため、レーザレンジファインダ１０内に戻ってくる第一反射光の強度はレーザ光に比べて非常に小さくなる。このため、アンプ２６により第二受光部２５からの出力信号を増幅している。第一受光部２７については、反射拡散等の影響が小さいため、アンプを備えない構成であっても構わない。

［１−５．信号処理部］
信号処理部３０は、図２に示すように、距離算出部３１、タイミング検出部３２、オフセット記憶部３３、減算部３４および角度算出部３５を備えて構成されている。なお、信号処理部３０は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）、あるいは、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いて構成されていてもよい。あるいは、信号処理部３０は、マイクロコントローラにより構成されていても構わない。

距離算出部３１は、レーザダイオード２１から物体４０までの第一距離およびレーザダイオード２１から筐体１１の開口部までの距離を算出する。なお、レーザダイオード２１から筐体１１の開口部までの距離は、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの第二距離と同じであると推定し、本実施の形態では、レーザダイオード２１から筐体１１の開口部までの距離として、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの第二距離を算出する。

距離算出部３１は、より詳細には、第二受光部２５が受光した第一反射光を用いてレーザダイオード２１から物体４０までの第一距離を算出し、第二受光部２５が受光した第二反射光を用いてレーザダイオード２１から第一受光部２７までの第二距離を算出する。第一距離の算出方法と第二距離の算出方法は同じである。

レーザダイオード２１から物体４０までの距離の算出は、例えば、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光の位相と第二受光部２５が受光した第一反射光との位相差から、レーザ光がレーザダイオード２１から出力されてから第二受光部２５により第一反射光が受光されるまでの時間を算出する。この時間は、レーザ光がレーザダイオード２１から物体４０までを往復するのにかかる時間である。当該時間の１／２に光の速さを乗算することにより、距離を求めることができる。同様に、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの距離を、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光の位相と第二受光部２５が受光した第二反射光との位相差から求める。

なお、距離算出部３１によって求められる距離（レーザダイオード２１から物体４０までの距離、および、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの距離）には、温度変化等からの影響が含まれる。

また、距離算出部３１による距離の算出は、制御クロックのタイミング（カウンタの計数のタイミング）で行われる。カウンタの計数値が時間に対応する。

タイミング検出部３２は、第二受光部２５が第二反射光を受光しているタイミングを検出する。タイミング検出部３２は、第一受光部２７から出力される信号の強度が一定の強度よりも大きくなるタイミング（例えば、図１１の極大値をとるときのタイミング）を、第二受光部２５が第二反射光を受光しているタイミングとして検出する。このタイミングにおいて距離算出部３１から出力された値は、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの距離である。また、他のタイミングにおいて距離算出部３１から出力された値は、レーザダイオード２１から物体４０までの距離である。タイミング検出部３２は、検出されたタイミングにおいて距離算出部３１から出力された値をオフセット記憶部３３に記憶させる。これにより、オフセット記憶部３３は、レーザダイオード２１から第一受光部２７までの距離を（＝オフセット値）を記憶することができる。

オフセット記憶部３３は、距離算出部３１によって算出された筐体１１内の距離をオフセット値として記憶するメモリを用いて構成される。オフセット記憶部３３は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリを用いて構成される。

減算部３４は、距離算出部３１が算出した距離から、オフセット記憶部３３に記憶されたオフセット値を減算する。

角度算出部３５は、第一受光部２７がレーザ光を受光したタイミングを用いて、レーザレンジファインダ１０に対する物体４０の方向の算出を行う。

［２．信号処理部の動作］
信号処理部３０の動作について、図７〜図１３を用いて説明する。

信号処理部３０は、本実施の形態では、開口部から物体４０までの距離を測定する距離測定処理と、検出対象の物体４０の角度を検出する角度算出処理とを実行する。

［２−１．距離測定処理］
図７は、本実施の形態における距離測定処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。

距離算出部３１は、第一反射光を用いてレーザダイオード２１から物体４０までの第一距離を算出し、第二反射光を用いてレーザダイオード２１から第一受光部２７までの第二距離を算出する（Ｓ１１）。

距離算出部３１は、例えば、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光の位相と、第二受光部２５が受光した光の位相との位相差を用いてレーザ光が出力されてから受光されるまでの時間差を求め、当該時間差と光の速度とを用いて距離を算出する。第二受光部２５が受光した光には、第一反射光と第二反射光とが含まれる。第一反射光は、上述したように、レーザ光が物体４０により反射された光であり、第二反射光は、上述したように、レーザ光が第一受光部２７により反射された光である。なお、本実施の形態では、時間的に連続したレーザ光を出力するため、位相差を用いて距離を算出しているが、これに限るものではない。例えば、レーザ光を点滅させ、レーザ光を点灯させた開始とレーザ光を受光した時間の差を時間差として用いてもよい。

第二受光部２５が受光した光が第一反射光である場合は、レーザダイオード２１から物体４０までの距離が算出され、第二受光部２５が受光した光が第二反射光である場合は、レーザダイオード２１から開口部までの距離が算出される。

なお、測定結果には信号遅延の影響が含まれるため、距離算出部３１が算出した距離には、温度変化あるいは経時劣化等による信号遅延の影響が含まれる。

図８は、本実施の形態におけるレーザダイオード２１から出力されたレーザ光の波形Ｗ０の一例と、第二受光部２５が受光した光の波形Ｗ１の一例とを示すグラフである。図８に示すように、レーザダイオード２１から出力されたレーザ光と第二受光部２５が受光した光との間には、位相差ＰｈＤ、つまり、時間差がある。距離算出部３１は、位相差ＰｈＤ×光の速さから、距離を算出する。

タイミング検出部３２は、第二反射光の受光タイミングを検出する（Ｓ１２）。タイミング検出部３２は、第二反射光の受光タイミングであると検出したときは（Ｓ１２のＹｅｓ）、距離算出部３１から出力された距離の算出結果をオフセット値（＝レーザダイオード２１から開口部までの距離）としてオフセット記憶部３３に記憶させる。

減算部３４は、距離算出部３１が算出した距離からオフセット記憶部３３に記憶されたオフセット値を減算する（Ｓ１３）。距離算出部３１が算出した距離がレーザダイオード２１から物体４０までの距離である場合、つまり、第二受光部２５が第一反射光を受光しているタイミングでは、レーザダイオード２１から物体４０までの距離から、レーザダイオード２１から開口部までの距離が減算された値が算出される。これにより、減算部３４から出力される距離は、開口部から物体４０までの距離となる。

ここで、オフセット値には、距離算出部３１が算出したレーザダイオード２１から物体４０までの距離と同様に、温度変化あるいは経時劣化等による影響が含まれる。従って、距離算出部３１が算出した距離からオフセット値を減算することにより、温度変化あるいは経時劣化の影響を除いた開口部から物体４０までの距離を算出することが可能になる。つまり、オフセット値を減算することで、信号遅延の影響を取り除く補正を行うことができる。

図９Ａおよび図９Ｂは、本実施の形態におけるレーザ光の波形Ｗ０の一例と、第二受光部２５が受光した光の波形Ｗ１の一例と、第一反射光の波形Ｗ１から信号遅延の影響を除去した波形Ｗ２の一例とを示すグラフである。例えば、図９Ａに示すように、波形Ｗ０と波形Ｗ１との間には、ＰｈＤの位相差がある。また、波形Ｗ１と波形Ｗ２との間には、ΔＰｈＤの位相差がある。ΔＰｈＤは、オフセット値に対応する。波形Ｗ１を用いた距離の演算結果から、オフセット記憶部３３に記憶されたオフセット値を差し引くことで、上述した信号遅延の影響を取り除くことが可能になる。

減算部３４は、演算結果を信号処理部３０の外部、例えば、レーザレンジファインダ１０の表示部等に出力する。なお、距離算出部３１が算出した距離がレーザダイオード２１から第一受光部２７までの距離である場合、つまり、第二受光部２５が第二反射光を受光しているタイミングでは、距離算出部３１が算出した距離＝オフセット値となり、演算結果は０となる。従って、減算部３４からは、開口部から物体４０までの距離の算出結果が出力され、レーザダイオード２１から開口部までの距離は出力されないことになる。

［２−２．Ｘ軸方向の角度の算出］
図１０は、本実施の形態における角度算出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。

角度算出部３５は、第一受光部２７の出力波形から、角度と検出タイミングとの関係を示す正弦波のグラフを導出する（Ｓ２１）。

図１１は、本実施の形態における第一受光部２７から出力される信号の一例を示すグラフである。図１１の（ａ）は、図５の走査範囲Ｒ１のようにレーザ光が振れた場合の第一受光部２７から出力される信号の波形を示している。図１１の（ｂ）は、図５の走査範囲Ｒ２のようにレーザ光が振れた場合の第一受光部２７から出力される信号の波形を示している。

図１１の（ａ）または（ｂ）に示すように、レーザ光が第一受光部２７を跨ぐときに、第一受光部２７から出力される信号に極大値が現れる。レーザ光は、第一受光部２７上を外側に向けて（軸ＡＺから離れる方向に向けて）跨いだ後、走査範囲の端で折り返して内側に向けて（軸ＡＺに向けて）移動し、第一受光部２７上を再び跨ぐ。これにより、２つの極大値の組が、一定間隔を置いて繰り返し現れることになる。本実施の形態では、物体４０が検出された後に現れた２つの極大値（一組の極大値）を用いるが、これに限るものではない。例えば、物体４０が検出された前後の二組の極大値を用いても構わないし、物体４０が検出された時間により近い時間に現れた２つの極大値を用いても構わない。

角度算出部３５は、第一受光部２７の出力波形から、２つの極大値の間の時間差を求める。図１１の（ａ）の場合、時間差Δｔ１が求められ、図１１の（ｂ）の場合、時間差Δｔ２が求められる。図５および図１１から分かるように、２つの極大値の間の時間差が大きいほど、ＭＥＭＳミラー２３の振れ幅が大きいことが分かる。

ここで、極大値が現れるタイミングにおける軸ＡＺに対する角度は、第一受光部２７の軸ＡＺに対する角度であり、図３において説明したように、角度θ_０である。

また、正弦波の周期は、温度変化あるいは経時劣化等による信号遅延の影響にかかわらず、一定（既知）であるものとする。

これらの条件から、角度算出部３５は、角度と時間との関係を示す正弦波のグラフを求める。より具体的には、角度算出部３５は、角度θ_０の直線との交点の長さ（極大値を含む部分の長さ）が、Δｔ１またはΔｔ２となるような正弦波を求める。

図１２は、角度と検出タイミングとの関係を示す正弦波の一例を示すグラフである。図１２では、図５の走査範囲Ｒ１およびＲ２に対応する正弦波を例示している。

角度算出部３５は、図７に示すように、ステップＳ２１において求めた正弦波のグラフを用いて、物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を算出する（Ｓ２２）。なお、物体４０が検出されたときの時間（タイミング）は、測定によって求められる。ここでは、例えば、物体４０が検出されたときの時間をｔ１とする。

図１３は、物体４０の角度の導出方法の一例を示すグラフである。角度算出部３５は、時間ｔ１と正弦波との交点から、物体４０が検出されたときの角度を求める。図５の走査範囲Ｒ１およびＲ２において、検出タイミングが同じｔｄである場合、走査範囲Ｒ１の場合には角度がθ_１であると導出され、走査範囲Ｒ２の場合には角度がθ_２であると導出される。

図１４は、物体４０の角度の導出結果の一例を示す図である。

角度算出部３５は、角度の算出結果（θ_１またはθ_２）をミラー駆動部２４にフィードバックさせる。ミラー駆動部２４は、走査角が一定になるように、フィードバック結果に応じてＭＥＭＳミラー２３に出力する駆動信号を調整する。

このように構成することにより、レーザ光のＸ軸方向の振れ幅が変化した場合でも、物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を正確に求めることが可能になる。また、レーザ光のＸ軸方向の振れ幅の調整を行うことが可能になる。

［３．効果等］
本実施の形態のレーザレンジファインダ１０は、第一反射光を用いた物体４０までの距離の測定結果から、レーザレンジファインダ内の光路の長さの算出結果を差し引くことにより、開口部から物体４０までの距離を算出する。ここで、第一反射光を用いた物体４０までの距離の測定結果、および、レーザレンジファインダ内の光路の長さの算出結果の何れにも温度変化あるいは経時劣化等による信号遅延の影響が含まれる。第一反射光を用いた物体４０までの距離の測定結果から、レーザレンジファインダ内の光路の長さの算出結果を差し引くことで、信号遅延の影響を差し引くことができる。

また、本実施の形態のレーザレンジファインダ１０は、第一受光部２７が受光した光の波形を用いて、物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を求めることができる。図１１に示すように、温度変化等によりレーザ光の振れ幅は変化する。従って、ＭＥＭＳミラー２３に対する制御信号による振れ角に指示幅と、実際の振れ角が異なる場合が生じると考えられる。本実施の形態では、第一受光部２７によりＸ軸方向の角度を精度良く求めることができるので、物体４０の検出方向をより正確に求めることが可能になる。

さらに、上記実施の形態のレーザレンジファインダは、第一受光部２７を、受光素子２７ａの受光面２７ｂに光を反射する塗料２７ｃを塗ることで構成できるので、特別な部材が必要なくなり、製造コストが増大するのを抑えることが可能になる。

また、上述したように、上記構成のレーザレンジファインダ１０は、物体４０の距離算出およびＸ軸方向の角度の算出のいずれも、簡単な方法で求めることが可能である。

また、上記実施の形態のレーザレンジファインダ１０は、第一受光部２７の取り付けについて、厳しい精度を必要としないため、装置の組み立てが容易になる。

また、第一受光部２７は、外光が入らない位置に設ける必要はない。実施の形態の第一受光部２７は、受光面２７ｂの表面が外光の進む方向に平行あるいは、外光が入射しない角度に設計されていれば、外光の影響を抑えることが可能である。

［４．変形例］
［４−１．変形例１］
変形例１について、図１５および図１６を基に説明する。

本変形例では、上記実施の形態とは、第一受光部の構成が異なる場合について説明する。その他の装置構成、信号処理部の動作等は実施の形態と同じである。

上記実施の形態の第一受光部２７は、受光面２７ｂの中央に塗料２７ｃが塗られた受光素子２７ａを用いて構成されていた。

図１５および図１６は、本変形例における第一受光部２８Ａの構成の一例を示す図である。本変形例のレーザレンジファインダ１０Ａの第一受光部２８Ａは、図１５に示すように、受光素子２８ａと受光素子２８ａの受光面２８ｂの上部に設けられた反射拡散板２８ｃとで構成されている。反射拡散板２８ｃは、一部の光を透過するように構成されている。

第一受光部２８Ａは、図１６に示すように、筐体１１の開口部の近傍であって、反射拡散板２８ｃに外光が入らない位置に配置されている。このように反射拡散板２８ｃを配置することにより、外光の影響を低減することが可能になる。

［４−２．変形例２］
変形例２について、図１７を基に説明する。

本変形例では、上記実施の形態および変形例１とは、第一受光部の構成が異なる場合について説明する。その他の装置構成、信号処理部の動作等は実施の形態と同じである。

本変形例のレーザレンジファインダ１０Ｂの第一受光部２８Ｂは、受光素子２８ａと、反射拡散板２８ｃと、遮光板２９とを備えて構成されている。

図１７は、本変形例における第一受光部２８Ｂの構成の一例を示す図である。図１７に示すように、遮光板２９は、反射拡散板２８ｃに向かう外光を遮光する遮光部の一例であり、反射拡散板２８ｃに入射する外光を遮ることができる位置に配置されている。図１７では、遮光板２９は、受光素子２８ａとは離間して配置されているが、受光素子２８ａの近傍に配置されていても構わない。反射拡散板２８ｃは、遮光板２９により外光が遮られる領域であって、ＭＥＭＳミラー２３と受光素子２８ａとを結ぶ光路上に配置されている。

このように遮光板２９および反射拡散板２８ｃを配置することにより、外光の影響を低減することが可能になる。つまり、物体４０からの第一反射光の強度が小さい場合であっても、当該物体４０を検出することが可能になる。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態に係るレーザレンジファインダについて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、Ｙ軸方向の角度を検出する機構を新たに備えていても構わない。

また、単眼のレーザレンジファインダではなく、レーザ光が出力されるレンズと物体４０からの反射光を受けるレンズとが別に構成されているレーザレンジファインダに適用しても構わない。

また、上記実施の形態および上記変形例では、一軸のＭＥＭＳミラー２３を用いる場合について説明したが、２軸のＭＥＭＳミラーを利用しても構わない。

さらに、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしても良い。

上記実施の形態は、物体の距離を検出するレーザレンジファインダに適用可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ レーザレンジファインダ
１１ 筐体
１２ 対物レンズ
２０ 変調信号出力部
２１ レーザダイオード
２２ 有孔ミラー
２３ ＭＥＭＳミラー
２３ａ ミラー部
２３ｂ ミラー揺動器
２４ ミラー駆動部
２５ 第二受光部
２６ アンプ
２７、２８Ａ、２８Ｂ 第一受光部
２７ａ、２８ａ 受光素子
２７ｂ、２８ｂ 受光面
２７ｃ 塗料
２８ｃ 反射拡散板
２９ 遮光板
３０ 信号処理部
３１ 距離算出部
３２ タイミング検出部
３３ オフセット記憶部
３４ 減算部
３５ 角度算出部
４０ 物体
Ｒ１、Ｒ２ 走査範囲
Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２ 波形
θ 振れ角

Claims (6)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置され、レーザ光を出力する光源と、
   前記レーザ光を出力する方向を変化させる走査部と、
   前記筐体内に配置された第一受光部であって、予め定められた方向に出力された前記レーザ光の一部を反射し、当該レーザ光の他の一部を受光する第一受光部と、
   前記レーザ光が前記筐体外の物体により反射された第一反射光、および、前記レーザ光の一部が前記第一受光部により反射された第二反射光を受光する第二受光部と、
   前記第二受光部が受光した前記第一反射光を用いて前記光源から前記物体までの第一距離を算出し、前記第二受光部が受光した前記第二反射光を用いて前記光源から前記第一受光部までの第二距離を算出し、前記第一距離から前記第二距離を減算することにより、レーザレンジファインダから前記物体までの距離を算出し、前記第一受光部が前記レーザ光を受光したタイミングを用いて前記レーザレンジファインダに対する前記物体の方向の算出を行う信号処理部を備える、
   レーザレンジファインダ。
2. 前記第一受光部は、前記レーザ光の一部を反射させる塗料が一部に塗布された受光面を有する、
   請求項１に記載のレーザレンジファインダ。
3. 前記第一受光部は、
   受光素子と、
   前記受光素子と前記走査部との間に配置された反射拡散板を有する、
   請求項１に記載のレーザレンジファインダ。
4. 前記第一受光部は、前記筐体の開口部から前記筐体の内部に進入する外光が直接入射しない位置に配置されている、
   請求項３に記載のレーザレンジファインダ。
5. 前記第一受光部は、さらに、前記筐体の開口部から入る外光のうち、前記反射拡散板に向かう外光を遮光する遮光部を備え、
   前記反射拡散板は、前記第一受光部と前記走査部との間において、前記遮光部に接する位置に配置されている、
   請求項３に記載のレーザレンジファインダ。
6. 前記信号処理部は、前記レーザレンジファインダに対する前記物体の方向の算出において、
   前記物体が検出されたタイミングを取得し、
   前記第一受光部が前記レーザ光を受光したタイミングから前記レーザ光が前記第一受光部を通過する時間の間隔を検出し、
   当該間隔と前記予め定められた方向の角度とを用いて、時間に対する前記レーザ光の方向の変位を示す正弦波を算出し、
   前記正弦波と前記物体が検出されたタイミングとを用いて前記レーザ光の方向を算出する、
   請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザレンジファインダ。

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