JP6388383B2 - レーザレンジファインダ - Google Patents

Description

本発明は、対象物までの距離を測定する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、レーザ光が出射されてから、レーザ光が対象物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、測定結果から対象物までの距離を算出する。レーザレンジファインダは、レーザ光を出射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）の全体において対象物までの距離の測定を行う。

このようなレーザレンジファインダとして、光源から出射されたレーザ光をレーザレンジファインダから出射するための出射光学系と、対象物からの反射光を受光する受光光学系とが一体化された構造をモータで回転駆動させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。レーザレンジファインダは、対象物からの反射光と出射光の位相差から距離情報を取得する。また、レーザレンジファインダは、さらに、所定の間隔で複数のスリットが形成されたスリット板を当該モータで回転させて、スリット板の回転経路上に配置したフォトインタラプタによって検出されたパルス数を用いて回転角情報を取得する。これにより、レーザレンジファインダは、２次元の距離情報を算出することができる。

特開２００９−６３３３９号公報

しかしながら、このようなモータを用いた構成の場合、モータのサイズは当該モータによって回転駆動される光学系の重量に依存する。したがって、レーザレンジファインダの小型化が困難であるという問題がある。

また、モータを用いた構成に代わり、レーザ光の出射方向を調整するスキャナミラー（マイクロミラーとも呼ぶ）を用いる構成が提案されている。

しかしながら、小型で且つ高速に駆動するスキャナミラーの場合、有効径は１〜３ｍｍ程度と小さく、当該スキャナミラーにおいて入光量が制限されることにより受光素子で受光できる光量が微弱となる。よって、当該場合には、モータを用いた構成と比較して、遠方の対象物から十分な測定光の強度を得ることが難しい。一方、遠方の対象物から十分な測定光の強度を得るためには、スキャナミラーの有効径を例えば数十ｍｍレベル程度にすることが要求される。よって、レーザレンジファインダの小型化が困難となる。

また、距離計測を行うことができる範囲であるレーザ光の走査範囲についても、さらなる広角度化が求められている。

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、小型、かつ、広い角度範囲で距離計測を行う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、対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、レーザ光を出射する光源と、所定方向に延びる揺動軸を中心に揺動することにより、前記光源からのレーザ光を走査する揺動ミラーと、前記揺動ミラーにより走査されるレーザ光の光路上に配置され、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが、前記揺動ミラーによるレーザ光の走査範囲の端部ほど大きい第１光学部材と、前記第１光学部材を介して走査されたレーザ光の前記対象物からの反射光を前記所定方向に平行な方向に集光し、かつ、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが前記第１光学部材に対応して変化する第２光学部材と、前記第２光学部材によって集光された反射光を、前記揺動ミラーを介して受光する受光素子とを備え、前記第１光学部材と前記第２光学部材とは一体に形成されている。

これにより、第１光学部材及び第２光学部材は、揺動ミラーの揺動軸に垂直な面において、負のパワーを有する。したがって、揺動ミラーによるレーザ光の走査角、すなわち揺動ミラーの揺動角よりも広角度でレーザ光を出射することができる。また、揺動ミラーの揺動角よりも広角度で出射されたレーザ光の反射光を揺動軸と平行な方向に集光して距離計測を行うことができる。つまり、本態様によれば、揺動ミラーを用いることで小型化を図りつつ、広い角度範囲で距離計測を行うことができる。

例えば、前記第１光学部材の前記レーザ光が入射する光入射面は、当該光入射面の法線が前記レーザ光の光路に対して傾斜するように配置されていてもよい。

これにより、光入射面による戻り光が揺動ミラーで反射されて受光素子に導かれる恐れを抑制できるので、計測不良を抑制できる。

また、前記揺動軸を含む平面上の当該第２光学部材の前記反射光が出射する光出射面は、凹形状であってもよい。

これにより、揺動軸に平行な方向における屈折力を適宜調整することができる。

また、前記揺動軸を含む平面上の前記光出射面の曲率は、前記走査範囲の端部ほど大きくてもよい。

これにより、揺動軸に平行な方向における屈折力の差をキャンセルして均一化する方向に近づけることができる。よって、第２光学部材は、反射光を効率良く揺動ミラーに集光することができる。つまり、本態様によれば、より遠方に位置する対象物の距離計測を行うことができる。

また、前記レーザレンジファインダは、さらに、前記第２光学部材によって集光された前記反射光の前記揺動ミラーからの反射光の光路上に配置され、当該反射光を集光する第３光学部材を備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材と、前記第３光学部材とは、前記所定方向において、前記光源からのレーザ光の光路に対して互いに反対側に配置されていてもよい。

また、前記第１光学部材、前記第２光学部材及び前記第３光学部材は、前記所定方向の異なる位置に配置され、前記光源からのレーザ光は、前記第１光学部材及び前記第２光学部材と、前記第３光学部材との間に形成された空隙を通過して前記揺動ミラーに到達してもよい。

これにより、レーザレンジファインダを一層小型化することができる。つまり、揺動ミラーから光源、第１光学部材、第２光学部材及び第３光学部材の各々を見た方向を、所定方向から見て略同一とすることができるので、これらが当該方向から見て互いに異なる方向に配置されている場合と比較して、レーザレンジファインダを一層小型化することができる。また、揺動ミラーの揺動角を大きく確保することができるので、一層広い角度範囲で距離計測を行うことができる。

また、前記第３光学部材は、前記所定方向において、前記揺動ミラーからの前記反射光を集光することにより平行光を出射し、前記レーザレンジファインダは、さらに、前記第３光学部材から出射された平行光を前記受光素子に集光する第４光学部材を備えてもよい。

これにより、第３光学部材と第４光学部材との間に、光源から出射されたレーザ光の波長を含む狭帯域の波長の光を透過し、他の光を抑制する（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を設けることができる。よって、本態様によれば、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。ここで、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦでは、透過率が入射角依存性を有する。そこで、第３光学部材が平行光を出射することにより、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦを用いた場合であっても、透過率を同等にすることができるので、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。

本発明によると、小型、かつ、広い角度範囲で距離計測を行うことができる。

実施の形態１に係るレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態１に係るレーザレンジファインダのＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１における第１レンズの斜視図である。 実施の形態１における第１レンズの上面図である。 図４のＡ−Ａ’線で切断した場合の断面図である。 図４のＢ−Ｂ’線で切断した場合の断面図である。 実施の形態１において第１レンズを透過するレーザ光の様子を示す斜視図である。 実施の形態１において第１レンズを透過するレーザ光のＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１において第１レンズを透過する反射光の様子を示す斜視図である。 実施の形態１において第１レンズを透過する反射光のＹＺ平面における光路図である。 実施の形態１において第１レンズの光入射面からのレーザ光の反射の様子を示す図である。 実施の形態１の変形例１において第１レンズの光入射面からのレーザ光の反射の様子を示す図である。 実施の形態１の変形例２において第１レンズの光入射面からのレーザ光の反射の様子を示す図である。 実施の形態２における第１レンズの斜視図である。 実施の形態２における第１レンズの上面図である。 図１４のＣ−Ｃ’線で切断した場合の断面図である。 図１４のＤ−Ｄ’線で切断した場合の断面図である。

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、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な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などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、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、任意の構成要素として説明される。各図は、必ずしも各寸法または各寸法比等を厳密に図示したものではない。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係るレーザレンジファインダについて、図１〜図１０を用いて説明する。

［１．レーザレンジファインダの全体構成］
まず、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の構成について、図１を用いて説明する。

図１は、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１の概略構成の一例を示す斜視図である。なお、図１にはレーザレンジファインダ１によって、当該レーザレンジファインダ１からの距離が測定される対象物２も示されている。また、図１は、レーザレンジファインダ１の筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。また、図１では、Ｚ軸方向をレーザレンジファインダ１の走査軸（基準方向）に平行な軸として示しており、Ｙ軸を垂直方向（設置状態での重力の作用する方向）として示している。以下ではＹ軸方向を垂直方向として説明するが、使用態様によってはＹ軸方向が垂直方向にならない場合も考えられるため、Ｙ軸方向は垂直方向となることには限定されない。以下の図においても、同様である。

また、以下において、例えば、Ｘ軸方向プラス側とは、Ｘ軸の矢印方向側を示しており、Ｘ軸方向マイナス側とは、Ｘ軸方向プラス側とは反対側を示す。Ｙ軸方向やＺ軸方向についても同様である。

図１に示すように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、筐体１１の内部に配置された次の構成部材を備える。具体的には、レーザレンジファインダ１は、光源１０と、スキャナミラー２０と、第１レンズ３０と、第２レンズ４０と、固定ミラー５０と、第３レンズ６０と、受光素子７０とを備える。また、図示しないが、レーザレンジファインダ１は、さらに、光源１０から出射されたレーザ光と受光素子７０で受光された光との位相差を用いて、対象物２までの距離を求める信号処理部を備える。

光源１０は、レーザ光１０１を出射する、例えば、レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。この光源１０は、具体的には、出射するレーザ光１０１の光軸が、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊに垂直な面に対して傾くように配置され、レーザ光１０１をスキャナミラー２０へ向けて出射する。また、光源１０は、さらに、ＬＤから出射された発散光をコリメート光（平行光）に変換するコリメートレンズを備え、平行光であるレーザ光１０１を出射する。

スキャナミラー２０は、図１に示すように、所定方向（本実施の形態では垂直方向）に延びる揺動軸Ｊを中心に揺動することにより、光源１０からのレーザ光１０１を走査する揺動ミラーの一例である。つまり、スキャナミラー２０は、光源１０からのレーザ光１０１を、レーザレンジファインダ１のスキャン用のレーザ光１０２として反射する。これにより、レーザ光１０２はスキャンエリアを走査される。このスキャナミラー２０は、例えば、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ＭＥＭＳミラーである。

第１レンズ３０は、第１光学部材３０Ａ（後述する）と第２光学部材３０Ｂ（後述する）とが一体に形成されることにより構成されている。このように一体に形成されることにより、部品点数の増加を抑制できると共に、第１レンズ３０の作製が容易になる。第１光学部材３０Ａは、スキャナミラー２０により走査されるレーザ光１０２の光路上に配置され、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊに垂直な平面上の光路方向の厚みが、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査範囲の端部ほど大きい。第２光学部材３０Ｂは、第１光学部材３０Ａを介して走査されたレーザ光１０２の対象物２からの反射光をＪ軸が延びる方向に平行な方向（垂直方向）に集光し、かつ、垂直方向に垂直な平面（水平面）上の厚みが第１光学部材３０Ａに対応して変化する。このような構成により、第１レンズ３０は、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査角度範囲よりも広い角度範囲にレーザ光１０２を出射することができる。なお、第１レンズ３０の詳細については、後述する。

第２レンズ４０は、第１レンズ３０によって集光された反射光（本実施の形態では反射光１０４）のスキャナミラー２０からの反射光（本実施の形態では、反射光１０５）の光路上に配置され、当該反射光１０５を集光する第３光学部材の一例である。この第２レンズ４０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１がレーザレンジファインダ１の外部に出射されるまでの光路と異なる位置に配置されている。

具体的には、第２レンズ４０は、垂直方向に集光作用を有し、スキャナミラー２０から拡がり角を有して当該第２レンズ４０に入射された反射光１０５を集光することにより、平行光１０６を出射する。第２レンズ４０は、レーザ光１０１の光路の下方（Ｙ軸方向マイナス側）に配置され、当該第２レンズ４０の光軸上に、第１レンズ３０と当該第２レンズ４０とで形成される空隙が位置するように配置されている。

このような第２レンズ４０としては、例えば、垂直方向に集光作用を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。このシリンドリカルレンズは、具体的には、Ｘ軸方向と平行な回転軸を有する円柱がＸ軸方向と平行な平面で分割された形状を有する。

ここで、「集光する」とは、正のパワーを有する光学部材で屈折させる、又は、反射させることを示す。つまり、集光作用を有する光学部材とは、正のパワーを有する光学部材である。具体的には、上記第１レンズ３０の第２光学部材３０Ｂは、平行光又は発散光である対象物２からの反射光１０３を集光することによりスキャナミラー２０に集光する反射光１０４を出射するのに対し、上記第２レンズ４０は、スキャナミラー２０からの発散光である反射光１０５を集光することにより平行光１０６を出射する。

固定ミラー５０は、平行光１０６の光路上に配置され、当該平行光１０６を反射することにより平行光１０７を出射する略平板状のミラーである。

第３レンズ６０は、第２レンズ４０から出射された平行光１０６を受光素子７０に集光する第４光学部材の一例である。具体的には、当該第３レンズは、平行光１０７の光路上に配置され、固定ミラー５０から出射された平行光１０７を受光素子７０に集光することにより、平行光１０６を受光素子７０に集光する。

具体的には、第３レンズ６０は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向のいずれにも集光作用を有し、固定ミラー５０から入射した平行光１０７を受光素子７０の受光面の中心付近に集光する。このような第３レンズ６０としては、例えば、一般的な光軸回転対称の凸レンズを用いることができる。

受光素子７０は、第２レンズ４０によって集光された反射光１０５を受光する、例えば、フォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、又は、当該フォトダイオードよりも高感度なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で構成されている。具体的には、受光素子７０は、第２レンズ４０によって集光された反射光１０５である平行光１０６を、固定ミラー５０及び第３レンズ６０を介して受光する。

信号処理部（図示せず）は、光源１０から出射されたレーザ光に含まれた変調信号と、受光素子７０が受光した光に含まれる変調信号との位相差を用いて、レーザレンジファインダ１から対象物２までの距離を算出する。つまり、信号処理部は、当該位相差を用いて、レーザ光が光源１０から出射されてから受光素子７０で受光されるまでの時間を算出する。この時間は、レーザ光が光源１０から測定対象物までを往復するのにかかる時間である。したがって、信号処理部は、当該時間の１／２に光の速さを乗算することにより、当該距離を求めることができる。

以上、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１の全体構成について説明した。

なお、上述したように、第１レンズ３０の第２光学部材３０Ｂは、当該スキャナミラー２０の揺動軸Ｊと平行な方向（本実施の形態では垂直方向）に正のパワーを有することが求められる。また、第２レンズ４０は、当該揺動軸Ｊと平行な方向に正のパワーを有することが求められる。また、第３レンズ６０は、正のパワーを有することが求められる。

このような機能を実現する各レンズの面形状としては、垂直方向に平行な断面において、次のように構成されていることが好ましい。具体的には、第１レンズ３０では、反射光１０３の入射側面が凸面、かつ、反射光１０４の出射面が平面で構成され、第２レンズ４０では、反射光１０５の入射面が平面、かつ、平行光１０６の出射面が凸面で構成され、第３レンズ６０では、平行光１０７の入射面が凸面、かつ、出射面が平面又は凸面であることが好ましい。なお、本実施の形態では、各レンズの面形状を上記のように説明するが、この面形状は、比較的少ないレンズ枚数（例えば、３枚のレンズ）で収差を良好に補正するための一例であり、上述したような機能を有するパワー配置を実現できる構成であれば、各レンズの面形状はこれに限定されない。

［２．レンズ配置］
次に、第１レンズ３０と第２レンズ４０との配置について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１のＹＺ平面における光路図である。

同図に示すように、第１レンズ３０及び第２レンズ４０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１がスキャナミラー２０に到達するまでの光路と異なる位置に配置されている。

具体的には、図１及び図２に示すように、第１レンズ３０（第１光学部材３０Ａ及び第２光学部材３０Ｂ）と第２レンズ４０とは、垂直方向の異なる位置に配置され、光源１０からのレーザ光１０１は、第１レンズ３０と第２レンズ４０との間に形成された空隙を通過してスキャナミラー２０に到達する。

ここで、レーザ光１０１、１０２は、光強度が比較的大きな直線偏光の光である。これに対し、対象物２からの反射光１０３は、レーザ光１０２が対象物２によって拡散反射されることにより、光強度の非常に小さな拡散光となる。

そこで、本実施の形態では、拡散光である反射光１０３を、第１レンズ３０によって反射光１０４としてスキャナミラー２０に集光する。また、スキャナミラー２０によって反射光１０４が反射された光、つまり当該スキャナミラー２０から発散する反射光１０５を、第２レンズ４０によって集光して受光素子７０に導く。これにより、本実施の形態では、受光素子７０が検知できるだけの十分な光量を確保することができる。

さらに、本実施の形態では、第１レンズ３０及び第２レンズ４０を、光源１０から出力されたレーザ光１０１の光路と異なる位置に配置することにより、受光素子７０が検知できるだけの十分な光量を確実に確保することができる。つまり、対象物２が遠方に位置することにより、当該対象物２からの反射光１０３の光強度が非常に小さい場合であっても、距離計測を行うことができる。

また、本実施の形態では、光源１０は、出射するレーザ光１０１の光軸が、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊに垂直な面に対して傾くように配置されている。これにより、光源１０から出射されたレーザ光１０１がスキャナミラー２０に到達するまでの光路と、スキャナミラー２０からのレーザ光１０２の光路と、対象物２からの反射光１０３がスキャナミラー２０へ到達するまでの光路（反射光１０３及び反射光１０４の光路）と、スキャナミラー２０により反射光が反射された光路（反射光１０５、平行光１０６及び平行光１０７の光路）とを交差することなく独立に配置することができる。つまり、これらの光路を互いに分離することができる。したがって、各光路に必要なレンズを、各光路上に適切に配置することができる。

以上説明したような第１レンズ３０及び第２レンズ４０の構成及び配置により、図２に示すように、反射光１０３の光路ａ１、ａ２の位置関係は、スキャナミラー２０に入射する前では光路ａ１の高さ（Ｙ軸方向プラス側の位置）が光路ａ２の高さよりも高いが、スキャナミラー２０で反射された後では光路ａ１の高さが光路ａ２の高さよりも低くなる。

［３．走査範囲の広角度化のメカニズム］
次に、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１が走査範囲を広角度化できる理由について、第１レンズ３０の詳細な構成について述べながら説明する。

［３−１．第１レンズの詳細構成］
まず、第１レンズ３０の詳細構成について、図３〜図５Ｂを用いて説明する。図３は、実施の形態１における第１レンズ３０の斜視図である。図４は、実施の形態１における第１レンズ３０の上面図である。具体的には、同図は、第１レンズ３０をＹ軸方向プラス側から見た構成を示す上面図である。図５Ａは、図４のＡ−Ａ’線で切断した場合の断面図である。図５Ｂは、図４のＢ−Ｂ’線で切断した場合の断面図である。なお、図３では、説明の都合上、第１光学部材３０Ａのレーザ光１０２の光入射面３０ａに網掛けを施している。また、図４には、説明の都合上、スキャナミラー２０も図示されている。

図３に示すように、第１レンズ３０は、第１光学部材３０Ａと第２光学部材３０Ｂとが一体に形成されることで構成されている。また、図４、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１レンズ３０は、中央部よりも両端部にかけて厚くなるように構成されている。これにより、第１レンズ３０の屈折力は、中央部よりも両端部にかけて大きくなる。以下、第１光学部材３０Ａ及び第２光学部材３０Ｂの詳細な構成について、説明する。

第１光学部材３０Ａは、略円弧形状の略平板状に形成されたレンズであり、スキャナミラー２０により走査されるレーザ光１０２の光路上に配置されている。ここで、第１光学部材３０Ａは、垂直方向の大きさが略一定であり、水平方向における大きさが両端部ほど大きい。つまり、第１光学部材３０Ａは、水平方向に平行な平面上のレーザ光１０２の光路方向の厚みが、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査範囲の端部ほど大きくなっている。

また、第１光学部材３０Ａのレーザ光１０２が入射する光入射面３０ａは、当該光入射面３０ａの法線がレーザ光１０２の光路に対して傾斜するように配置されている。具体的には、光入射面３０ａは、光入射面３０ａ上の任意の位置における法線が当該位置に入射するレーザ光１０２の光路に対して傾斜するように配置されている。ここで、「傾斜する」とは、角度が、０°より大きく９０°未満であることを指す。

第２光学部材３０Ｂは、第１光学部材３０Ａの上方（Ｙ軸方向プラス側）に配置され、対象物２からの反射光１０３を垂直方向に集光する集光レンズであり、当該第１光学部材３０Ａと一体に形成されている。ここで、第２光学部材３０Ｂは、垂直方向の大きさが略一定であり、第１光学部材３０Ａと同様に、水平方向の大きさが両端部ほど大きくなっている。つまり、第２光学部材３０Ｂは、水平方向に平行な平面上の厚みが、第１光学部材３０Ａに対応して変化する。

また、揺動軸Ｊを含む垂直方向に平行な面で第２光学部材３０Ｂを切断した場合、第２光学部材３０Ｂの反射光１０３が入射する光入射面の曲率は、当該走査範囲において、略一定である。このような第２光学部材３０Ｂの光入射面は、例えば、円をその中心を通らない直線を軸として回転したときに生ずる曲面であるトロイダル面の一部である。

［３−２．出射光路］
次に、以上説明したような第１レンズ３０を透過するレーザ光１０２の光路（出射光路）について、図６及び図７を用いて説明する。

図６は、実施の形態１において第１レンズ３０を透過するレーザ光１０２の様子を示す斜視図である。同図では、第１レンズ３０へのレーザ光１０２の入射位置、及び、第１レンズ３０からのレーザ光１０２の出射位置を○印で示している。なお、説明の都合上、図６には３つのレーザ光１０２の光路のみ描いているが、本来はスキャナミラー２０の走査範囲にわたってレーザ光１０２の光路が無数にあることは言うまでもない。図７は、実施の形態１において第１レンズ３０を透過するレーザ光１０２のＹＺ平面における光路図である。なお、以降、レーザ光１０２のうち、スキャナミラー２０から第１レンズ３０に入射するまでのレーザ光１０２をレーザ光１０２ａとし、第１レンズ３０から出射されてからのレーザ光１０２をレーザ光１０２ｂとして区別する場合がある。

上述したように、第１光学部材３０Ａは、水平方向に平行な平面上のレーザ光１０２の光路方向の厚みが、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査範囲の端部ほど大きくなっている。これにより、第１光学部材３０Ａの屈折力は、中央部よりも両端部にかけて大きくなる。つまり、第１光学部材３０Ａは、水平方向において負のパワーを有する。

したがって、図６及び図７に示すように、スキャナミラー２０から第１光学部材３０Ａに入射したレーザ光１０２は、スキャナミラー２０の走査角よりも広角に第１光学部材３０Ａから出射される。つまり、図６に示すように、第１レンズ３０から出射されるレーザ光１０２ｂの走査角θｂは、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２ａの走査角θａよりも大きくなる。言い換えると、図７に示すように、第１レンズ３０から出射されるレーザ光１０２ｂの走査角は、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２ａの走査角よりも角度αに相当する角度（角度αの２倍）だけ大きくなる。

このように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２ａの走査角、すなわちスキャナミラー２０の揺動角よりも広角度でレーザ光１０２ｂを出射することができる。具体的には、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、端部の厚みｔａ２が中央部の厚みｔａ１よりも大きい第１光学部材３０Ａを透過してレーザ光１０２を出射することにより、スキャナミラー２０の揺動角よりも広角度でレーザ光１０２を出射することができる。

［３−３．受光光路］
次に、上述のようにスキャナミラー２０によるレーザ光１０２ａの走査角よりも広い走査角で出射されたレーザ光１０２ｂが対象物２で反射された後に、再び、第１レンズ３０を透過する様子について、図８及び図９を用いて説明する。

図８は、実施の形態１において第１レンズ３０を透過する反射光１０３の様子を示す斜視図である。同図では、第１レンズ３０への反射光１０３の入射位置、及び、第１レンズ３０からの反射光１０４の出射位置を○印で示している。なお、説明の都合上、図８には３つの反射光１０３及び当該反射光１０３に対応する反射光１０４の光路のみ描いているが、本来はレーザレンジファインダ１の走査範囲にわたって反射光１０３及び当該反射光１０３に対応する反射光１０４の光路が無数にあることは言うまでもない。図９は、実施の形態１において第１レンズ３０を透過する反射光１０３のＹＺ平面における光路図である。

上述したように、第２光学部材３０Ｂは、水平方向に平行な平面上の厚みが、第１光学部材３０Ａに対応して変化する。これにより、第２光学部材３０Ｂの屈折力は、第１光学部材３０Ａと同様に、中央部よりも両端部にかけて大きくなる。つまり、第２光学部材３０Ｂは、第１光学部材３０Ａと同様に、水平方向において負のパワーを有する。

したがって、図８及び図９に示すように、対象物２からの反射光１０３は、上面視において（Ｙ軸方向プラス側から見て）、レーザ光１０２ｂと同様の光路を反対向きに進み、第１レンズ３０を透過することにより水平方向に屈折する。これにより、第１レンズ３０から出射された反射光１０４は、上面視において（Ｙ軸方向プラス側から見て）、レーザ光１０２ａと同様の光路を反対向きに進むことによりスキャナミラー２０に導かれる。

これにより、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、スキャナミラー２０の揺動角よりも広角度で出射されたレーザ光１０２ｂの反射光をスキャナミラー２０に導くことにより距離計測を行うことができる。具体的には、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、端部の厚みｔｂ２が中央部の厚みｔｂ１よりも大きい第２光学部材３０Ｂを用いて反射光１０３をスキャナミラー２０に導くことにより、スキャナミラー２０の揺動角よりも広角度で出射されたレーザ光１０２ｂの反射光を集光して距離計測を行うことができる。つまり、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、受光素子７０が受光する光量を大きく確保し、かつ、広い角度範囲にて距離計測を行うことができる。

［４．効果等］
以上説明したように、本実施の形態では、レーザレンジファインダ１は、スキャナミラー２０により走査されるレーザ光１０２の光路上に配置され、光路方向の厚みがスキャナミラー２０によるレーザ光の走査範囲の端部ほど大きい第１光学部材３０Ａと、当該第１光学部材３０Ａと一体に形成され、対象物２からの反射光１０３を垂直方向に集光し、かつ、厚みが第１光学部材３０Ａに対応して変化する第２光学部材３０Ｂとを備える。

これにより、第１光学部材３０Ａ及び第２光学部材３０Ｂは、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊに垂直な面において、負のパワーを有する。したがって、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２ａの走査角、すなわちスキャナミラー２０の揺動角よりも広角度でレーザ光１０２ｂを出射することができる。また、スキャナミラー２０の揺動角よりも広角度で出射されたレーザ光１０２ｂの反射光１０３を垂直方向に集光して距離計測を行うことができる。つまり、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ1は、スキャナミラー２０を用いることで小型化を図りつつ、広い角度範囲で距離計測を行うことができる。

また、本実施の形態では、第１光学部材３０Ａの光入射面３０ａは、当該光入射面３０ａの法線がレーザ光１０２（１０２ａ）の光路に対して傾斜するように配置されている。

これにより、第１光学部材３０Ａからのレーザ光１０２（１０２ａ）の戻り光による計測不良を抑制できる。この理由について、図１０を用いて説明する。図１０は、実施の形態１において第１レンズ３０の光入射面３０ａからのレーザ光の反射の様子を示す図である。

同図に示すように、スキャナミラー２０から第１光学部材３０Ａへと到達したレーザ光１０２ａは、大部分が第１光学部材３０Ａを透過してレーザ光１０２ｂとして出射される。しかしながら、レーザ光２ａの一部は、光入射面３０ａで反射されることによりスキャナミラー２０側へ向かう戻り光１２１となる。

ここで、光入射面３０ａがレーザ光１０２ａの光路に対して直交するように配置されている場合には、戻り光１２１がスキャナミラー２０で反射されて受光素子７０に導かれる恐れがある。この場合、レーザレンジファインダ１は、走査範囲に対象物２が存在しない場合であっても対象物２が存在すると誤検知したり、遠方の対象物２を検知できなくなったりする計測不良が生じる恐れがある。

これに対して、本実施の形態では、光入射面３０ａがレーザ光１０２ａの光路に対して直交しないように配置されている。光入射面３０ａは、当該光入射面３０ａの法線がレーザ光１０２（１０２ａ）の光路に対して傾斜するように配置されている。これにより、戻り光１２１がスキャナミラー２０で反射されて受光素子７０に導かれる恐れを抑制できるので、計測不良を抑制できる。

また、本実施の形態では、第１レンズ３０と第２レンズ４０とは、垂直方向において、光源１０からのレーザ光１０１の光路に対して互いに反対側に配置されている。具体的には、第１レンズ３０（第１光学部材３０Ａ及び第２光学部材３０Ｂ）と第２レンズ４０とは、垂直方向の異なる位置に配置され、光源１０からのレーザ光１０１は、第１レンズ３０と第２レンズ４０との間に形成された空隙を通過してスキャナミラー２０に到達する。

これにより、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１を一層小型化することができる。つまり、スキャナミラー２０から光源１０、第１レンズ３０及び第２レンズ４０の各々を見た方向を、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て略同一とすることができるので、これらが当該方向から見て互いに異なる方向に配置されている場合と比較して、レーザレンジファインダ１を一層小型化することができる。また、スキャナミラー２０の揺動角を大きく確保することができるので、一層広い角度範囲で距離計測を行うことができる。

また、本実施の形態では、第２レンズ４０は、平行光を出射し、レーザレンジファインダ１は、さらに、第２レンズ４０から出射された平行光を受光素子７０に集光する第３レンズ６０を備える。

これにより、第２レンズ４０と第３レンズ６０との間に、光源１０から出射されたレーザ光１０１の波長を含む狭帯域の波長の光を透過し、他の光を抑制するＢＰＦを設けることができる。よって、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。ここで、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦでは、透過率が入射角依存性を有する。そこで、第２レンズ４０が平行光を出射することにより、誘電体多層膜により構成されたＢＰＦを用いた場合であっても、透過率を同等にすることができるので、外乱光の影響を抑制して高い測距精度を確保できる。

（実施の形態１の変形例１）
なお、レーザレンジファインダ１は、さらに、戻り光１２１の光路上に配置された遮光壁を備えてもよい。図１１は、実施の形態１の変形例１において第１レンズ３０の光入射面３０ａからのレーザ光１０２（１０２ａ）の反射の様子を示す図である。

同図に示すように、遮光壁８０は、戻り光１２１の光路上に配置されている。この遮光壁８０は、光源１０から出射されたレーザ光１０１の波長の反射を抑制、又は、当該波長を吸収する、例えばマットブラック塗装が施された板状部材である。

このような遮光壁８０を配置することにより、戻り光１２１が受光素子７０に導かれる恐れを一層抑制できる。よって、計測不良を一層抑制できる。

（実施の形態１の変形例２）
また、戻り光１２１は、上記実施の形態１の変形例１のように遮光壁８０に直接導かれてもよいし、図１２に示すようにミラー９０を介して間接的に導かれてもよい。図１２は、実施の形態１の変形例２において第１レンズ３０の光入射面３０ａからのレーザ光１０２（１０２ａ）の反射の様子を示す図である。

このように、戻り光１２１を、ミラー９０を介して遮光壁８０に間接的に導いた場合であっても、上記実施の形態１の変形例１と同様の効果を奏する。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に係るレーザレンジファインダについて、説明する。本実施の形態に係るレーザレンジファインダは、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１とほぼ同様であるが、第１レンズの構成が異なる。以下、本実施の形態に係るレーザレンジファインダについて、実施の形態１に係るレーザレンジファインダ１と異なる点を中心に、図１３〜図１５Ｂを用いて説明する。なお、本実施の形態において、上記実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１３は、実施の形態２における第１レンズ２３０の斜視図である。図１４は、実施の形態２における第１レンズ２３０の上面図である。図１５Ａは、図１４のＣ−Ｃ’線で切断した場合の断面図である。図１５Ｂは、図１４のＤ−Ｄ’線で切断した場合の断面図である。なお、図１３では、説明の都合上、第１光学部材３０Ａのレーザ光１０２の光入射面３０ａ、及び、第２光学部材２３０Ｂ（後述する）の光出射面２３０ｂに網掛けを施している。また、図１４には、説明の都合上、スキャナミラー２０も図示されている。

第１レンズ２３０は、実施の形態１における第１レンズ３０と比較して、第２光学部材３０Ｂに代わり第２光学部材２３０Ｂを備える。つまり、第１レンズ２３０は、第１光学部材３０Ａと第２光学部材２３０Ｂとが一体に形成されることにより構成されている。

図１３に示すように、第２光学部材２３０Ｂは、実施の形態１における第２光学部材３０Ｂと比較して、反射光１０４を出射する面である光出射面２３０ｂの形状が異なる。つまり、第２光学部材２３０Ｂのスキャナミラー２０に対向する面の形状が異なる。

すなわち、実施の形態１では、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊを含む平面上の第２光学部材３０Ｂの反射光１０４が出射される光出射面は、略直線形状であった。これに対し、本実施の形態では、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊを含む平面上の第２光学部材２３０Ｂの反射光１０４が出射される光出射面２３０ｂは、凹形状となっている。具体的には、第２光学部材２３０Ｂは、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊを含む面で第２光学部材２３０Ｂを切断した断面において、下側（Ｙ軸方向マイナス側）ほどスキャナミラー２０と反対側へ向かって凹むように形成されている。

より具体的には、図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、揺動軸Ｊを含む面で第２光学部材２３０Ｂを切断した場合の光出射面２３０ｂの曲率は、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査範囲の端部ほど大きい。つまり、当該走査範囲の比較的中央部の断面図である図１５Ａに示す光出射面２３０ｂと、当該走査範囲の比較的端部の断面図である図１５Ｂに示す光出射面２３０ｂとを比較すると明らかなように、光出射面２３０ｂの曲率は当該走査範囲の端部ほど大きい。

ここで、第２光学部材２３０Ｂの当該走査範囲の端部の厚みは、当該走査範囲の中央部の厚みよりも大きい。つまり、第２光学部材２３０Ｂの屈折力は、水平方向及び垂直方向のいずれにおいても、当該走査範囲の端部ほど大きくなる。そこで、光出射面２３０ｂを当該走査範囲の端部ほど曲率が大きくなる凹面形状とすることにより、垂直方向における屈折力の差をキャンセルして均一化する方向に近づけることができる。これにより、第２光学部材２３０Ｂは、反射光１０３を効率良くスキャナミラー２０に集光することができる。

このような光出射面２３０ｂの形状としては、例えば、シリンドリカル凹面形状が挙げられる。

以上説明したように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダによれば、スキャナミラー２０により走査されるレーザ光１０２の光路上に配置され、光路方向の厚みがスキャナミラー２０によるレーザ光の走査範囲の端部ほど大きい第１光学部材３０Ａと、当該第１光学部材３０Ａと一体に形成され、対象物２からの反射光１０３を垂直方向に集光し、かつ、厚みが第１光学部材３０Ａに対応して変化する第２光学部材２３０Ｂとを備える。これにより、本実施の形態に係るレーザレンジファインダは、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

また、本実施の形態に係るレーザレンジファインダによれば、スキャナミラー２０の揺動軸Ｊを含む平面上の第２光学部材２３０Ｂの反射光１０４が出射される光出射面２３０ｂは、凹形状となっている。

これにより、当該揺動軸Ｊに平行な方向（本実施の形態では垂直方向）における屈折力を適宜調整することができる。

具体的には、本実施の形態に係るレーザレンジファインダによれば、揺動軸Ｊを含む平面上の光出射面２３０ｂの曲率は、スキャナミラー２０によるレーザ光１０２の走査範囲の端部ほど大きい。

これにより、当該揺動軸Ｊに平行な方向（本実施の形態では垂直方向）における屈折力の差をキャンセルして均一化する方向に近づけることができる。よって、第２光学部材２３０Ｂは、反射光１０３を効率良くスキャナミラー２０に集光することができる。つまり、本実施の形態に係るレーザレンジファインダによれば、より遠方に位置する対象物２の距離計測を行うことができる。

（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、これら実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、第１光学部材３０Ａの光入射面３０ａには、レーザ光１０２の反射を抑制するために反射防止膜（ＡＲコート：Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ）が施されていてもよい。また、光入射面３０ａは、レーザ光１０２の光路に対して直交、或いは斜めに傾けてもよい。

また、上記説明では、光源１０から出射されたレーザ光１０１を、スキャナミラー２０に直接到達させたが、当該レーザ光１０１を、ミラー及びプリズム等の光学部材を介してスキャナミラー２０に到達させてもよい。つまり、レーザ光１０１をスキャナミラー２０に間接的に到達させてもよい。

ただし、レーザ光１０１をスキャナミラー２０に直接到達させることにより、測距信号のノイズの要因となる光学部品の表面反射による迷光を抑えることができる。

また、上記説明では、平行光１０７を集光する第４光学部材として第３レンズ６０を例に説明したが、当該第４光学部材はこれに限らない。例えば、第４光学部材として、平行光を反射することにより受光素子７０に集光するミラーを用いても構わない。

また、上記説明では、反射光１０５を第２レンズ４０で集光することにより平行光１０６とした後に第３レンズ６０によって受光素子７０に集光したが、第３レンズ６０を設けずに、第２レンズ４０によって受光素子７０に集光してもよい。

また、上記説明では、スキャナミラー２０から第１レンズ３０を見た方向と、スキャナミラー２０から第２レンズ４０を見た方向とが、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て実質的に同一であった。つまり、上記説明では、第１レンズ３０の光軸と第２レンズ４０の光軸とは、当該垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て実質的に同一であった。しかしながら、第１レンズ３０と第２レンズ４０とは、垂直方向（Ｙ軸方向）において、光源１０からのレーザ光１０１の光路に対して互いに反対側に配置されていればよい。つまり、第１レンズ３０の光軸と第２レンズ４０の光軸とは、垂直方向から見て互いに異なっていてもよい。これにより、第１レンズ３０及び第２レンズ４０の配置の自由度が向上する。

さらに、スキャナミラー２０から第１レンズ３０を見た方向と、スキャナミラー２０から第２レンズ４０を見た方向とが、垂直方向（Ｙ軸方向プラス側）から見て互いに異なるように配置された第１レンズ３０及び第２レンズ４０からなる組を、上下対称に複数組配置してもよい。これにより、対象物２からの反射光を一層大きく受光できる。よって、一層遠方に位置する対象物２の距離計測を行うことができる。

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よい。

本発明は、物体の距離を測定するレーザレンジファインダ、及び、物体の距離を測定することにより当該物体の形状を測定する形状測定装置等に適用可能である。

１ レーザレンジファインダ
２ 対象物
１０ 光源
１１ 筐体
２０ スキャナミラー（揺動ミラー）
３０、２３０ 第１レンズ
３０Ａ 第１光学部材
３０ａ 光入射面
３０Ｂ、２３０Ｂ 第２光学部材
２３０ｂ 光出射面
４０ 第２レンズ（第３光学部材）
５０ 固定ミラー
６０ 第３レンズ（第４光学部材）
７０ 受光素子
８０ 遮光壁
９０ ミラー
１０１、１０２、１０２ａ、１０２ｂ レーザ光
１０３〜１０５ 反射光
１０６、１０７ 平行光
１２１ 戻り光
Ｊ 揺動軸

Claims (4)

1. 対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、
   レーザ光を出射する光源と、
   所定方向に延びる揺動軸を中心に揺動することにより、前記光源からのレーザ光を走査する揺動ミラーと、
   前記揺動ミラーにより走査されるレーザ光の光路上に配置され、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが、前記揺動ミラーによるレーザ光の走査範囲の端部ほど大きい第１光学部材と、
   前記第１光学部材を介して走査されたレーザ光の前記対象物からの反射光を前記所定方向にずれた位置に集光し、かつ、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが前記第１光学部材に対応して変化する第２光学部材と、
   前記第２光学部材によって集光された反射光を、前記揺動ミラーを介して受光する受光素子とを備え、
   前記第１光学部材と前記第２光学部材とは一体に形成されており、
   前記揺動軸を含む平面による当該第２光学部材の断面において、前記反射光が出射する光出射面の輪郭線は、凹形状であり、
   前記揺動軸を含む前記平面上の前記光出射面の輪郭線の曲率は、前記走査範囲の端部ほど大きい
   レーザレンジファインダ。
2. 前記揺動軸を含む平面による当該第２光学部材の断面において、前記第１光学部材の前記レーザ光が入射する光入射面の輪郭線は直線状であり、且つ、前記光入射面は、当該光入射面上の任意の位置における法線が当該位置に入射する前記レーザ光の光路に対して傾斜するように配置されている
   請求項１に記載のレーザレンジファインダ。
3. 対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、
   レーザ光を出射する光源と、
   所定方向に延びる揺動軸を中心に揺動することにより、前記光源からのレーザ光を走査する揺動ミラーと、
   前記揺動ミラーにより走査されるレーザ光の光路上に配置され、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが、前記揺動ミラーによるレーザ光の走査範囲の端部ほど大きい第１光学部材と、
   前記第１光学部材を介して走査されたレーザ光の前記対象物からの反射光を前記所定方向にずれた位置に集光し、かつ、前記所定方向に垂直な平面上の光路方向の厚みが前記第１光学部材に対応して変化する第２光学部材と、
   前記第２光学部材によって集光された反射光を、前記揺動ミラーを介して受光する受光素子と、
   前記第２光学部材によって集光された前記反射光の前記揺動ミラーからの反射光の光路上に配置され、当該反射光を集光する第３光学部材と、を備え、
   前記第１光学部材と前記第２光学部材とは一体に形成されており、
   前記第１光学部材及び前記第２光学部材と、前記第３光学部材とは、前記所定方向において、前記光源からのレーザ光の光路に対して互いに反対側に配置され、
   前記第１光学部材、前記第２光学部材及び前記第３光学部材は、前記所定方向の異なる位置に配置され、
   前記光源からのレーザ光は、前記第１光学部材及び前記第２光学部材と、前記第３光学部材との間に形成された空隙を通過して前記揺動ミラーに到達する
   レーザレンジファインダ。
4. 前記第３光学部材は、前記所定方向において、前記揺動ミラーからの前記反射光を集光することにより平行光を出射し、
   前記レーザレンジファインダは、さらに、前記第３光学部材から出射された平行光を前記受光素子に集光する第４光学部材を備える
   請求項３に記載のレーザレンジファインダ。

Images