JP6459239B2 - 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、物体を検出したときの水平方向の角度および垂直方向の角度をより正確に求めることが望まれている。

垂直方向の角度を求める方法としては、例えば、垂直方向の走査範囲の端部の各々に受光素子を追加し、受光素子がレーザ光を検出したタイミングから振幅の範囲を求める方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−７７２８８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、複数の受光素子を設ける必要があることから、製造コストが増大するという問題がある。

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、製造コストの増大を抑えながら、レーザ光が出力される方向をより正確に求め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、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、前記レーザ光が出力された方向に応じて、前記光源から前記レーザ光が照射された位置までの光路の距離が変化する反射面を有する反射部材と、前記レーザ光が前記反射部材により反射された第一反射光を受光する受光部と、前記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反射面までの距離を算出し、前記距離を用いて前記レーザ光が出力された方向を算出する信号処理部とを備える。

上記構成のレーザレンジファインダは、レーザ光が出力された方向に応じて光源からの光路の距離（走査部からの距離）が変化する反射面を有する反射部材を設けたので、光源と反射面との間の光路の距離を測定することにより、レーザ光が出力された方向を求めることができる。また、光源と反射面との間の光路の距離の算出方法は、光源と物体との間の光路の距離と同じであるため、装置構成を簡素化することが可能である。

また、上記構成のレーザレンジファインダは、受光素子等と比較して安価な反射部材を用いる構成であるため、製造コストの増大を抑えることができる。

例えば、前記走査部は、前記レーザ光の光路上に向けられ、前記反射面は、長方形状の平面であり、前記走査部から前記長方形の短辺の一方までの距離が、前記走査部から前記長方形の短辺の他方までの距離よりも小さくなるよう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、反射面が長方形状であるため、反射部材の形状を簡単な形状にすることができる。

また、前記反射部材は、前記走査部と前記反射部材の端部とを結ぶ線と、前記反射面の長辺とが平行になるよう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、走査部と反射部材の端部とを結ぶ線と、反射面の長辺とが平行になるように配置したので、レーザ光が反射面を跨ぐ時間を、全ての第一方向の角度において略同じにすることが可能になる。これにより、第二方向の角度の算出を良好に行うことが可能になる。

また、前記反射部材は、前記走査部と前記筐体の開口部とを結ぶ線よりも内側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、反射部材が走査部と筐体の開口部とを結ぶ線よりも内側に配置されているため、外光の影響を抑えることが可能になる。

また、前記走査部は、前記レーザ光を出力する方向を第一方向および前記第一方向と交差する第二方向に変化させるように構成され、第一方向の角度を維持した状態で前記第二方向の角度を変化させ、その後、前記第二方向の角度を変化させることにより、二次元的にレーザ光を出力させる方向を変化させても良い。前記受光部は、さらに、前記レーザ光が物体により反射された第二反射光を受光し、前記信号処理部は、前記受光部が前記第二反射光を受光したときの前記第二方向の角度が維持された状態において、前記第一反射光を用いて前記光源から前記反射部材までの距離を算出し、前記距離を用いて前記第一反射光を受光したときの前記第一方向の角度を、前記第二反射光を受光したときの前記レーザ光の前記第一方向の角度として算出しても良い。

上記構成のレーザレンジファインダは、第一方向の角度を維持した状態で、レーザ光を出力する方向を第二方向に変化させるので、物体が検出されたときの第一方向の角度を維持した状態で受光部が反射部材からの第一反射光を受光することが可能になる。つまり、物体が検出されたときの第一方向の角度を維持した状態で受光部が検出した第一反射光から第一方向の角度は、物体が検出されたときの第一方向の角度と同じである。従って、上記構成のレーザレンジファインダは、受光部が検出した第一反射光から第一方向の角度を求めることで、物体が検出されたときの第一方向の角度を求めることができる。

また、前記信号処理部は、前記レーザ光の位相と前記受光部が受光した光の位相との間の位相差から距離を算出しても良い。

また、前記信号処理部は、前記受光部が前記第一反射光を受光したタイミングと、前記物体が検出された時間とを用いて、前記物体が検出されたときの前記水平方向の角度を算出しても良いし、前記信号処理部は、前記物体が検出されたタイミングを取得し、前記受光部が前記第一反射光を受光したタイミングから前記レーザ光が前記反射部材を通過する時間の間隔を検出し、当該間隔と前記反射部材の設置された方向とを用いて、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、第二方向の角度を精度良く算出することが可能になる。

本発明によると、製造コストの増大を抑えながら、レーザ光が出力される方向をより正確に求めることができる。

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レーザ光の方向の変化を示す図である。 実施の形態におけるレーザ光のＸ軸方向の変化を示す図である。 実施の形態における反射部材の構成の一例を示す図である。 変形例における反射部材の構成の一例を示す図である。 変形例における反射部材の構成の一例を示す図である。 変形例における反射部材の構成の一例を示す図である。 実施の形態におけるレーザ光の軸Ａ１に対するＹ軸方向の角度と、ＭＥＭＳミラーと反射面との間の距離との関係を示す図である。 実施の形態における信号処理部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光の波形の一例と受光部が受光した光の波形の一例とを示す波形図である。 実施の形態における距離の算出結果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。

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１３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。物体に出力する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、受光部２５および反射部材２７の位置関係の一例を示す図である。なお、図３において、軸Ａ１は、ＸＺ平面に平行な軸であって、ＭＥＭＳミラー２３と反射部材２７とを通る軸である。

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、受光部２５、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１１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１２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内に設けられた反射部材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において受光部２５に向けて反射される。また、反射部材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、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反射部材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。

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、当該方向はレーザレンジファインダ１０が理想的な姿勢で利用されるときの方向であり、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を有し、ミラー部２３ａの中央部分を通る軸ＡＹを中心に反射面をＸ軸方向に揺動する機構を備える。ミラー部２３ａは、ミラー駆動部２４から供給される電圧により、共振周波数で水平駆動される。これにより、ＭＥＭＳミラー２３は、高速で水平走査することができる。

ミラー揺動器２３ｂは、軸ＡＹに直交する軸ＡＸを中心にミラー部２３ａ全体を揺動させることにより、ミラー部２３ａをＹ軸方向に駆動する。ミラー揺動器２３ｂは、ミラー部２３ａがＸ軸方向に一往復揺動する毎に一ライン分、ミラー部２３ａを垂直駆動させる。つまり、ミラー揺動器２３ｂによる垂直駆動は、ミラー部２３ａにおける水平駆動に比べて低速である。

なお、ＭＥＭＳミラー２３のＸ軸方向およびＹ軸方向の走査範囲は、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、揺動器駆動部２４ａと振動器駆動部２４ｂとを備えている。

揺動器駆動部２４ａは、ミラー揺動器２３ｂを垂直駆動するための垂直駆動電流を生成し、ミラー揺動器２３ｂに対して出力する。また、揺動器駆動部２４ａは、後述する信号処理部３０の減算部３６からＹ軸方向の走査範囲の幅を受け付け、当該幅に応じて垂直駆動電流の振幅を調整する。

振動器駆動部２４ｂは、ミラー部２３ａを水平駆動するための水平駆動電流を生成し、ミラー部２３ａに対して出力する。また、振動器駆動部２４ｂは、後述する信号処理部３０の第二角度算出部３７から物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を受け付け、当該Ｘ軸方向の角度に応じて水平駆動電流の振幅を調整する。

図５Ａは、本実施の形態におけるレーザ光の方向の変化を示す図である。図５Ｂは、本実施の形態におけるレーザ光のＸ軸方向の変化を示す図である。なお、以下の説明において、レーザ光が出力される範囲を走査範囲と称する。Ｘ軸方向の走査範囲は＋θ_Ｈｎ〜−θ_Ｈｎであり、Ｙ軸方向の走査範囲は＋θ_Ｖｎ〜−θ_Ｖｎである。

図５Ａに示すように、ＭＥＭＳミラー２３は、レーザ光を出力する方向を、Ｙ軸方向（第一方向の一例）と、Ｙ軸方向と交差するＸ軸方向（第二方向の一例）とに変化させる。ＭＥＭＳミラー２３は、Ｙ軸方向の角度を維持した状態でレーザ光のＸ軸方向の角度を変化させる。Ｘ軸方向の角度の変化の範囲は、例えば、図５Ｂに示す走査範囲Ｒ１またはＲ２のように、筐体１１の開口部を跨ぐ範囲となる。走査範囲は、温度変化あるいは経年劣化等により変化する。ＭＥＭＳミラー２３は、その後、Ｘ軸方向の角度（＋θ_Ｈｎまたは−θ_Ｈｎ）を維持した状態でレーザ光のＹ軸方向の角度を１ライン分変化させる。同様の操作を繰り返すことにより、ＭＥＭＳミラー２３は、二次元的にレーザ光を出力させる方向を変化させる。

なお、Ｘ軸方向の走査範囲は、温度変化あるいは経年劣化等により変化する。つまり、図５Ｂに示すように、θ_Ｈｎは、θ_Ｒ１〜θ_Ｒ２の間で変化する。

より具体的には、図３、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、Ｙ軸方向の角度＋θ_Ｖｎを維持した状態で、Ｘ軸方向の角度を−θ_Ｈｎ（＝−θ_Ｒ１または−θ_Ｒ２）〜＋θ_Ｈｎ（＝＋θ_Ｒ１または＋θ_Ｒ２）まで変化させる。その後、Ｘ軸方向の角度を維持した状態でレーザ光のＹ軸方向の角度を１ライン分変化させる。さらに、Ｙ軸方向の角度＋θ_{ｖ（ｎ−１）}を維持した状態で、Ｘ軸方向の角度を＋θ_Ｈｎ〜−θ_Ｈｎまで変化させる。同様の制御を、Ｙ軸方向の角度が−θ_Ｖｎとなるまで繰り返すことにより、二次元的にレーザ光を出力させる方向を変化させる。なお、図３および図５Ａでは、物体４０のＸ軸方向の角度をθ_Ｈｄ、Ｙ軸方向の角度をθ_Ｖｄとしている。また、反射部材２７のＸ軸方向の角度をθ_Ｈ０としている。

［１−３．受光部］
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。受光部２５は、レーザ光が物体４０により反射され変調された第二反射光、および、レーザ光が反射部材２７により反射された第一反射光を受光する。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を信号処理部３０の距離算出部３１に対して出力する。

なお、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内に戻ってくる第二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、受光部２５の後段、信号処理部３０の前段にアンプを設け、受光部２５の出力信号を増幅しても構わない。

［１−４．反射部材］
反射部材２７は、レーザ光が出力された方向に応じてレーザダイオード２１からレーザ光が照射された位置までの光路の距離、本実施の形態では、ＭＥＭＳミラー２３からの距離が変化する反射面２８を有する部材である。反射部材２７は、図５Ａに示すように、筐体１１内の開口部の近傍であって、反射面２８がＭＥＭＳミラー２３によるレーザ光の走査範囲内に位置するように配置されている。反射面２８は、例えば、白色等の塗料が塗られて形成されていても構わない。

図６Ａは、本実施の形態における反射部材２７の構成の一例を示す図である。図６Ａに示すように、反射部材２７は、直方体状の部材で構成されており、本実施の形態では、上面が反射面２８となっている。本実施の形態の反射部材２７は、４つの側面のうち、軸Ａ１（図３参照）と交差しない２つの側面の形状が、台形状に形成されている。当該台形の所謂上辺および底辺がＹ軸方向に平行となっている。つまり、反射部材２７の上面（反射面２８）は、台形の側辺に接し、Ｙ軸方向に対して傾けられている。

図７は、本実施の形態におけるレーザ光の軸Ａ１に対するＹ軸方向の角度と、ＭＥＭＳミラー２３と反射面との間の距離との関係を示す図である。軸Ａ１は、図３に示す軸ＡＺと同じである。具体的には、軸Ａ１は、ＸＺ平面に平行かつＸＹ平面に交わる軸であって、ＭＥＭＳミラー２３と反射部材２７とを通る軸である。

図５Ａおよび図７に示すように、レーザ光のＹ軸方向の角度は、ＭＥＭＳミラー２３により、＋θ_Ｖｎ〜−θ_Ｖｎの間で変化する。ＭＥＭＳミラー２３と反射面との間の距離ｒ１〜ｒ２ｎの各々は、レーザ光のＹ軸方向の角度−θ_Ｖｎ〜＋θ_Ｖｎの各々に対応する。図７から分かるように、距離ｒ１〜ｒ２ｎは、レーザ光のＹ軸方向の角度が大きいほど距離が大きくなっている。

反射部材２７は、長辺が軸Ａ１に略平行となるように配置されている。反射部材２７は、図３に示すように、ＭＥＭＳミラー２３と筐体１１の開口部とを結ぶ線Ａ２よりも内側に配置されている。

［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、反射部材検出部３２、第一角度算出部３３、最小値検出部３４、最大値検出部３５、減算部３６、および、第二角度算出部３７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。なお、信号処理部３０により算出される距離は、例えば、レーザダイオード２１から物体４０あるいは反射部材２７までの直線距離ではなく、光路の長さである。

距離算出部３１は、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から反射部材２７までの距離を算出する。

距離算出部３１は、より詳細には、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から反射部材２７までの第一距離を算出し、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から物体４０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から反射部材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受光部２５が受光した第二反射光との位相差から求める。

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。

反射部材検出部３２は、距離算出部３１により算出された距離が、物体４０までの距離であるか反射部材２７までの距離であるかを判定する。反射部材検出部３２は、距離が閾値Ｔｈｒよりも大きい場合は、物体４０までの距離であると判定し、外部に当該距離を出力する。反射部材検出部３２は、閾値Ｔｈｒ以下の場合は反射部材２７までの距離であると判定し、第一角度算出部３３に当該距離を出力する。閾値Ｔｈｒは、例えば、レーザダイオード２１から筐体１１の開口部までの距離である。閾値Ｔｈｒは、レーザダイオード２１と反射部材２７の反射面２８との間の距離よりも大きく、レーザダイオード２１と対物レンズ１２の外側の面までの距離よりも小さい値に設定する。

第一角度算出部３３は、反射部材検出部３２からＭＥＭＳミラー２３と反射面２８との距離を取得し、当該距離を用いてレーザ光が出力された方向を算出する。第一角度算出部３３は、本実施の形態では、物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度θ_Ｖｄを算出する。第一角度算出部３３は、距離と物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度との関係式を記憶した記憶部を備えている。なお、関係式ではなく、距離と物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度との関係を示すテーブル等であっても構わない。

最小値検出部３４は、第一角度算出部３３におけるＹ軸方向の角度の算出結果から、最小値（極小値）θ_Ｖｍｉｎを検出する。最大値検出部３５は、第一角度算出部３３におけるＹ軸方向の角度の算出結果から、最大値（極大値）θ_Ｖｍａｘを検出する。減算部３６は、最大値検出部３５において検出された最大値θ_Ｖｍａｘから最小値検出部３４において検出された最小値θ_Ｖｍｉｎを減算し、その結果をミラー駆動部２４の揺動器駆動部２４ａに対して出力する。

第二角度算出部３７は、受光部２５が受光した光のタイミングを用いて物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を算出する。

［２．信号処理部の動作］
信号処理部３０の動作について、図８〜図１３を用いて説明する。

図８は、本実施の形態における信号処理部３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。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Ｘ軸方向の角度を検出する第二角度算出処理と、検出対象の物体４０のＹ軸方向の角度を検出する第一角度算出処理とを実行する。

［２−１．距離測定処理］
距離算出部３１は、上述したように、レーザダイオード２１から物体４０までの第二距離またはレーザダイオード２１から反射部材２７までの第一距離を算出する（Ｓ１１）。

図９は、本実施の形態におけるレーザ光の波形Ｗ０の一例と受光部２５が受光した光の波形Ｗ１の一例とを示す波形図である。図８に示すように、波形Ｗ０と波形Ｗ１との間には、位相差ＰｈＤがある。距離算出部３１は、本実施の形態では、位相差ＰｈＤ×光の速さから距離を算出する。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。

反射部材２７により反射された第一反射光を受光している期間における位相差ＰｈＤから、レーザダイオード２１と反射面２８との間の第一距離が算出される。また、物体４０により反射された第二反射光を受光している期間における位相差ＰｈＤから、レーザダイオード２１から物体４０までの第二距離が算出される。ただし、第一距離または第二距離を同じアルゴリズムで算出し、演算結果が第一距離であるか第二距離であるかは区別していない。

図１０は、本実施の形態における距離の算出結果の一例を示すグラフである。本実施の形態では、極小値となるタイミングが第一距離または第二距離を求めるタイミングとなる。図１０において、時間ｔ１〜ｔ３、時間ｔ６〜ｔ８、・・・、時間ｔ（１＋５ｎ）〜時間ｔ（３＋５ｎ）は反射面２８からの第一反射光を受光している時間である。従って、時間ｔ１およびｔ３における距離の算出結果ｒ１、時間ｔ６およびｔ８における距離の算出結果ｒ２、・・・、時間ｔ（１＋５ｎ）および時間ｔ（３＋５ｎ）における距離の算出結果ｒ２ｎ（図１０の点線部分）が、反射部材２７までの距離の算出結果となる。また、図１０において、時間ｔ４の前後は物体４０からの第二反射光を受光している時間であり、時間ｔ４における距離の算出結果ｒ０が、物体４０までの距離の算出結果となる。図１０において、時間ｔ５はレーザ光がＸ軸方向に折り返す時点である。

反射部材検出部３２は、算出した距離が、物体４０までの距離であるか反射部材２７までの距離であるかを判定する（Ｓ１２）。

反射部材検出部３２は、本実施の形態では、算出された距離が閾値Ｔｈｒよりも大きい場合は、算出された距離が物体４０までの距離であると判定し、算出された距離が閾値Ｔｈｒ以下である場合は、算出された距離が反射面２８までの距離であると判定する。閾値Ｔｈｒは、上述したように、例えば、レーザダイオード２１から筐体１１の開口部までの距離である。

反射部材検出部３２は、算出された距離が物体４０までの距離であると判定した場合は（Ｓ１２の物体４０までの距離）、算出結果を外部に出力する（Ｓ１３）。さらに、反射部材検出部３２は、物体４０が検出された時間を第二角度算出部３７および第一角度算出部３３に対して出力する。

例えば、図１０の場合、時間ｔ４の距離ｒ０は、閾値Ｔｈｒよりも大きいため、物体４０までの距離であると判定される。反射部材検出部３２は、物体４０が検出された時間ｔ４を第二角度算出部３７および第一角度算出部３３に対して出力する。

反射部材検出部３２は、算出された距離が反射面２８までの距離であると判定した場合は（Ｓ１２の反射面までの距離）、第二角度算出部３７および第一角度算出部３３に対し、距離の算出結果と当該距離が測定された時間を出力する。

例えば、図１０の場合、時間ｔ１およびｔ３の距離ｒ１、時間ｔ６およびｔ８の距離ｒ２、・・・、時間ｔ（１＋５ｎ）および時間ｔ（３＋５ｎ）の距離ｒ２ｎ（図１０の点線部分参照）は、閾値Ｔｈｒよりも小さいため、反射面２８までの距離であると判定される。反射部材検出部３２は、反射面２８が検出された時間ｔ１およびｔ３、時間ｔ６およびｔ８、・・・、時間ｔ（１＋５ｎ）および時間ｔ（３＋５ｎ）と、各々の時間における距離の算出結果ｒ１〜ｒ２ｎとを第二角度算出部３７および第一角度算出部３３に対して出力する。

なお、時間ｔ１およびｔ３の距離ｒ１は、ＭＥＭＳミラー２３から反射部材２７までの第一距離が最も小さくなる距離である。時間ｔ（１＋５ｎ）および時間ｔ（３＋５ｎ）の距離ｒ２ｎは、ＭＥＭＳミラー２３から反射部材２７までの第一距離が最も大きくなる距離である。

［２−２．第二角度算出処理（Ｘ軸方向の角度）］
第二角度算出部３７は、反射部材検出部３２から距離の算出結果が出力されると、物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度を算出する第二角度算出処理を実行する（Ｓ２０）。

なお、レーザ光は反射面２８を跨いでＸ軸方向に折り返すため、図１０に示すように、距離の算出結果のグラフには、レーザ光が反射面２８を跨ぐときに同じ値の２つの極小値からなる極小値の組が連続して現れる。この極小値の組は、レーザ光が反射面２８を跨ぐたびに繰り返し現れる。本実施の形態では、物体４０が検出された直後の極小値の組を用いてＸ軸方向の角度を算出するが、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小値の各々からＸ軸方向の角度を算出し、その平均値を物体４０が検出されたときのＸ軸方向の角度として算出しても構わない。あるいは、物体４０が検出された時間により近い時間に現れた２つの極小値を用いてＸ軸方向の角度を算出しても構わない。

第二角度算出部３７は、図１０に示す距離の算出結果から受光部２５が第一反射光を受光したタイミングを求め、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）。

第二角度算出部３７は、図１０に示す距離の算出結果から、２つの極小値が現れた時間の間隔Δｔを求める。例えば、Δｔ＝ｔ（３＋５ｎ）−ｔ（１＋５ｎ）である。第二角度算出部３７は、間隔Δｔと、反射部材２７の軸ＡＺに対するＸ軸方向の角度θ_Ｈ（図３参照）とから、正弦波を算出する。

これらの条件から、第二角度算出部３７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、第二角度算出部３７は、角度θ_０の直線との交点の間隔（極小値を含む部分の長さ）が、間隔Δｔとなるような正弦波を求める。

以下、説明のため、図５Ｂに示すように、レーザ光のＸ軸方向の振れ幅が異なる２つの走査範囲Ｒ１（実線部分）と走査範囲Ｒ２（破線部分）について、正弦波の導出方法を説明する。走査範囲Ｒ１のときの２つの極小値の間隔をΔｔ１、走査範囲Ｒ２のときの２つの極小値の間隔をΔｔ２とする。なお、図１０では、説明のため、走査範囲Ｒ１の場合における距離の算出結果を示している。走査範囲Ｒ２の場合、極大値が現れるタイミングが、ｔ２に近くなると考えられる。つまり、走査範囲Ｒ２の場合、１つ目の極大値は、ｔ１よりもｔ２に近いタイミングで現れ、２つ目の極大値は、ｔ３よりもｔ２に近いタイミングで現れると考えられる。

図１１は、本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。図１１では、図５Ｂ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。

第二角度算出部３７は、図８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）。

図１２は、本実施の形態における物体４０のＸ軸方向の角度の導出方法の一例を示すグラフである。第二角度算出部３７は、物体４０が検出された時間ｔ４（図１０参照）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３の走査範囲Ｒ１およびＲ２において、検出タイミングが同じｔ４である場合、走査範囲Ｒ１の場合には角度がθ_Ｈ１であると導出され、走査範囲Ｒ２の場合には角度がθ_Ｈ２であると導出される。

図１３は、物体４０の角度の導出結果の一例を示す図である。

第二角度算出部３７は、角度の算出結果（θ_Ｈ１またはθ_Ｈ２）をミラー駆動部２４の振動器駆動部２４ｂにフィードバックさせる（Ｓ２３）。振動器駆動部２４ｂは、レーザ光のＸ軸方向の走査角、つまり、レーザ光のＸ軸方向における単位時間当たりの角度の変化量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に出力する水平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。

［２−３．第一角度算出処理］
第一角度算出部３３、最小値検出部３４、最大値検出部３５および減算部３６は、物体４０が検出されたときのレーザ光のＹ軸方向の角度、および、レーザ光のＹ軸方向の振れ幅を算出する第一角度算出処理を実行する（Ｓ３０）。

第一角度算出部３３は、予め記憶されている反射面２８までの距離と角度との関係から、物体４０が検出されたときの角度を算出する（Ｓ３１）。第一角度算出部３３は、物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度が維持された状態において、レーザ光が反射面２８を跨いだときの第一反射光を用いて、レーザダイオード２１から反射面２８までの距離を算出する。さらに、第一角度算出部３３は、算出された距離を用い、予め記憶されている反射面２８までの距離と角度との関係から第一反射光のＹ軸方向の角度を求める。上述したように、第一反射光のＹ軸方向の角度と、物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度とは同じである。したがって、第一反射光のＹ軸方向の角度を求めることで、物体４０が検出されたときのＹ方向の角度を算出することができる。

最小値検出部３４、最大値検出部３５および減算部３６は、レーザ光のＹ軸方向における振れ角の範囲を導出する（Ｓ３２）。振れ角の算出は、２次元的な走査の度に行う。具体的には、先ず、最小値検出部３４により、第一角度算出部３３におけるＹ軸方向の角度の算出結果から、最小値を検出する。同様に、最大値検出部３５により、第一角度算出部３３におけるＹ軸方向の角度の算出結果から、最大値（極大値）を検出する。

さらに、減算部３６により、最大値検出部３５において検出された最大値から最小値検出部３４において検出された最小値を減算する。減算部３６の演算結果が、レーザ光のＹ軸方向の振れ幅となる。

減算部３６は、レーザ光のＹ軸方向における振れ幅の算出結果をミラー駆動部２４の揺動器駆動部２４ａに対してフィードバックさせる（Ｓ３３）。揺動器駆動部２４ａは、レーザ光のＹ軸方向の走査角、つまり、レーザ光のＹ軸方向における単位時間当たりの角度の変化量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に出力する垂直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Ｙ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Ｙ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、レーザ光のＹ軸方向の角度に応じてレーザダイオード２１から反射面２８までの距離が変化する反射面２８を有する反射部材２７を設けたので、レーザダイオード２１から反射部材２７までの距離を求めることで、レーザ光が出力された方向（Ｙ軸方向の角度）を求めることが可能になる。

さらに、本実施の形態のレーザレンジファインダ１０は、ＭＥＭＳミラー２３から反射面２８までの距離とＹ軸方向の角度との関係を示す関係式あるいはテーブルを備えるので、簡単な方法でレーザ光が出力された方向（Ｙ軸方向の角度）を求めることができる。

なお、レーザ光は、Ｙ軸方向の角度が維持された状態でＸ軸方向に変化されるため、物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度が維持された状態で反射部材２７を跨いだレーザ光の第一反射光を用いることで、物体４０が検出されたときのＹ軸方向の角度を求めることができる。

また、反射部材２７により反射された第一反射光が受光部２５により受光されたタイミングから、Ｘ軸方向の角度を求めることが可能になる。

また、本実施の形態のレーザレンジファインダ１０は、反射部材２７以外の構成は従来の構成を利用でき、反射部材２７は比較的安価に設けることができるため、製造コストの増大を抑えることができる。

［４．変形例］
変形例について、図６Ｂ〜図６Ｄを用いて説明する。

本変形例では、上記実施の形態とは、反射部材２７の形状が異なる場合について説明する。

図６Ｂ〜図６Ｄは、変形例における反射部材２７Ａ〜２７Ｃの形状の一例を示す図である。

図６Ｂに示す反射部材２７Ａは、反射面２８ａが湾曲した形状となっている。図６Ｃに示す反射部材２７Ｂは、一組の側面の形状が三角形となっている。図６Ｃにおける反射面２８ｂの形状は、図６Ａに示す反射面２８と同じである。

図６Ｄに示す反射部材２７は、板状部材で構成されている。図６Ｄにおける反射面２８ｃの形状は、図６Ａに示す反射面２８と同じである。図６Ｄの（ｂ）は、図６Ｄの（ａ）のＡ３における断面図を示している。図６Ｄの（ｂ）に示すように、反射部材２７Ｃは、レーザ光のＹ軸方向の角度に応じてＭＥＭＳミラー２３からの距離が変化するように、反射面２８ｃがＹ軸方向に対して傾けられて取り付けられている。

図６Ｂ〜図６Ｄの何れも、レーザ光のＹ軸方向の角度に応じてＭＥＭＳミラー２３からの距離が変化するので、Ｙ軸方向の角度を正確に求め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。

単眼のレーザレンジファインダではなく、物体４０に出力する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。

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 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
２４ａ 揺動器駆動部
２４ｂ 振動器駆動部
２５ 受光部
２７、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ 反射部材
２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ 反射面
３０ 信号処理部
３１ 距離算出部
３２ 反射部材検出部
３３ 第一角度算出部
３４ 最小値検出部
３５ 最大値検出部
３６ 減算部
３７ 第二角度算出部
４０ 物体
Ｒ１、Ｒ２ 走査範囲
Ｗ０、Ｗ１ 波形

Claims (6)

1. 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、
   前記レーザ光が出力された方向に応じて、前記光源から前記レーザ光が照射された位置までの光路の距離が変化する反射面を有する反射部材と、
   前記レーザ光が前記反射部材により反射された第一反射光を受光する受光部と、
   前記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反射面までの距離を算出し、前記距離を用いて前記レーザ光が出力された方向を算出する信号処理部とを備え、
   前記走査部は、
   前記レーザ光を出力する方向を第一方向および前記第一方向と交差する第二方向に変化させるように構成され、
   前記第一方向の角度を維持した状態で前記第二方向の角度を変化させ、その後、前記第二方向の角度を変化させることにより、二次元的にレーザ光を出力させる方向を変化させ、
   前記受光部は、さらに、前記レーザ光が物体により反射された第二反射光を受光し、
   前記信号処理部は、前記受光部が前記第二反射光を受光したときの前記第一方向の角度が維持された状態において、前記第一反射光を用いて前記光源から前記反射部材までの距離を算出し、前記距離を用いて前記第一反射光を受光したときの前記第一方向の角度を、前記第二反射光を受光したときの前記レーザ光の前記第一方向の角度として算出する、
   レーザレンジファインダ。
2. 前記走査部は、前記レーザ光の光路上に向けられ、
   前記反射面は、長方形状の平面であり、前記走査部から前記長方形の短辺の一方までの距離が、前記走査部から前記長方形の短辺の他方までの距離よりも小さくな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. 前記反射部材は、前記走査部及び前記反射部材を上面視した場合に、前記走査部と前記反射部材とを結ぶ線と、前記反射面の長辺とが平行になるように配置されている、
   請求項２に記載のレーザレンジファインダ。
4. 前記レーザレンジファインダは、さらに、前記光源、前記走査部、前記反射部材、前記受光部及び前記信号処理部を内部に配置した筐体を備え、
   前記反射部材は、前記走査部と前記筐体の開口部とを結ぶ線よりも内側に配置されている、
   請求項１または２に記載のレーザレンジファインダ。
5. 前記信号処理部は、前記レーザ光の位相と前記受光部が受光した光の位相との間の位相差から距離を算出する、
   請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザレンジファインダ。
6. 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、
   前記レーザ光が出力された方向に応じて、前記光源から前記レーザ光が照射された位置までの光路の距離が変化する反射面を有する反射部材と、
   前記レーザ光が前記反射部材により反射された第一反射光を受光する受光部と、
   前記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反射面までの距離を算出し、前記距離を用いて前記レーザ光が出力された方向を算出する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、前記受光部が前記第一反射光を受光したタイミングと、前記物体が検出された時間とを用いて、前記物体が検出されたときの水平方向の角度を算出し、
   前記信号処理部は、
   前記物体が検出されたタイミングを取得し、
   前記受光部が前記第一反射光を受光したタイミングから、前記レーザ光が前記反射部材の前記反射面を跨ぐ際に、前記受光部が前記第一反射光を受光している時間を検出し、
   当該時間と前記反射部材の設置された方向とを用いて、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、
   レーザレンジファインダ。

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