JPH09229637A - 光学式距離計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測距用レーザ光の走査位相を、レーザ光の一
部を捕捉する走査位相検出センサにより検出し、測距精
度を向上させる。 【解決手段】 レーザ光を前方に照射して所定角度範囲
を走査し、距離計測対象にて反射されて戻る反射光を受
光し、照射から受光までの経過時間の１／２に光速を乗
じて距離計測対象までの距離を割り出すとともに、レー
ザ光の走査範囲内に配設した走査位相検出センサ２２
が、照射されたレーザ光の一部を受光し、走査位相を直
接検出する。測距用光学系とは全く別個に回転位相検出
用光学系を設ける必要はなく、また検出される走査位相
と実際の走査位相との間にずれが生じないので、方位と
距離をもって計測される距離計測対象の位置を高精度に
特定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測距用レーザ光の
走査位相を、レーザ光の一部を捕捉する走査位相検出セ
ンサにより検出し、測距精度を向上させるようにした光
学式距離計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体までの距離すなわち対物距離を光学
的に計測する場合に、物体に向けて照射した光が物体に
て反射されて戻るまでの時間を測定し、この時間の１／
２に光速を乗じて距離を求める方法がよく用いられる。
距離計測媒体にレーザ光線を用いるレーザレーダと呼ば
れる従来の光学式距離計測装置は、レーザ光源から出射
するレーザ光線を回転平面鏡にて反射させて前方照射す
る構成であり、等角速度走査すなわちリニアスキャンを
実現するには回転平面鏡の回転速度を回転位相に比例さ
せて変化させるなどの制御が不可欠であり、光偏向走査
機構が複雑化するといった問題があった。

【０００３】そこで、本出願人は、反射鏡を等速回転さ
せながらリニアスキャンにより広範囲にレーザ光線を偏
向走査できるよう、図３に示す光学式距離計測装置１を
先に提案した。同図に示す光学式距離計測装置１は、頂
角が円周方向に漸変する不等頂角円錐反射面２ａを有す
るバリアングルコーンミラー２を用い、等速回転による
リニアスキャンを可能にしたものである。バリアングル
コーンミラー２は、アルミニウムやプラスチックを成型
した円錐体の円錐面にアルミニウム膜を蒸着して円錐反
射面としてあり、円錐反射面の頂角（円錐面が円錐軸に
対してなす角度を円周方向に漸変させたことで、円錐軸
を中心に等速回転させたときに該円錐軸と平行に円錐面
に入射する測距用光線を、回転位相に線形な偏向走査角
度をもって反射することができる。バリアングルコーン
（角度可変円錐体）の由来は、円錐反射面の頂角が円周
方向に漸変することに由来するが、円周方向に漸変する
円錐面の頂角は１周位置において不連続となるため、円
錐反射面には光偏向走査の始端と終端を境界付ける段部
２ｂが必ず―箇所形成されることになる。

【０００４】バリアングルコーンミラー２にレーザ光線
を照射するレーザ光源３は、バリアングルコーンミラー
２の円錐軸と平行になるよう光軸配置されており、パル
ス状のレーザ光を高周波で出射する。コリメータレンズ
４を通過して平行光に変えられたレーザ光は、シリンド
リカルレンズ５を通過することで縦横の一方向にのみ集
光されたのち、バリアングルコーンミラー２の円錐反射
面に入射する。バリアングルコーンミラー２にて反射さ
れたレーザ光は、楕円状の光束となって物体に向かい、
物体の表面に細線状に照射される。物体表面で反射され
たレーザ光はフライアイレンズ６を通過してフレネルレ
ンズ７にて集光され、位置センサ８にて受光される。フ
ライアイレンズ６は、両面が他方の面の近軸焦点位置に
ある凸レンズからなる多数のエレメントを束ねたもので
あり、フレネルレンズ７はその後方焦点位置がフライア
イレンズ６の出射面に位置するよう配置される。また、
位置センサ８は、受光素子を一列に配列した―次元セン
サからなり、フレネルレンズ７の前方焦点位置に配置し
てあり、測距対象である物体までの距離は、位置センサ
８を構成する受光素子の受光出力に基づいて検出され、
物体の方位は回転位相検出光学系の位置センサ９によっ
て検出される。

【０００５】１０は、回転位相検出光学系に設けたレー
ザ光源であり、このレーザ光源１０から出射したレーザ
光線は、収束レンズ１１にてバリアングルコーンミラー
２の円錐反射面上に収束され、バリアングルコーンミラ
ー２の円錐反射面にて反射されたレーザ光が、位置セン
サ９に入射する。位置センサ９は、前記位置センサ８と
同様、受光素子を一列に配列した―次元センサからな
り、入射したレーザ光の受光位置（スポット位置）を示
す信号を出力する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の光学式距離
計測装置１に用いられるバリアングルコーンミラー２
は、測距用レーザ光と回転位相検出用レーザ光を同じ円
錐反射面を使って反射させる構造であり、光路どうしの
干渉を排除する観点から両レーザ光を円錐反射面の同相
位置に入射できず、従って円錐反射面上で１８０度ずれ
た位置に入射させていた。このため、測距用レーザ光と
回転位相検出用レーザ光の光路を決定する光学系には非
常に高い組立精度が要求されるといった課題があった。
また、測距用レーザ光にだけでなく回転位相検出用レー
ザ光にも光源が必要であり、このため測距用と回転位相
検出用に２個のレーザ光源３、１０が必要であり、しか
も回転位相検出光学系には収束レンズ１１や位置センサ
９も必要であるため、製造コストを低減するのが容易で
ない等の課題を抱えていた。

【０００７】一方また、図４に示すように、測距用レー
ザ光の円錐反射面１２ａとは別に回転位相検出用レーザ
光のための円錐反射面１２ｂを１８０度位相を異ならし
めて同心的に一体形成したバリアングルコーンミラー１
２も知られている。しかしながら、この種のバリアング
ルコーンミラー１２は、ただでさえ高度の加工技術が要
求される円錐反射面を２箇所にそれも位相を１８０度異
ならしめて形成しなければならず、このため製造に多く
の時間とコストを要する等の課題があった。

【０００８】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たものであり、測距用レーザ光の一部を走査位相検出セ
ンサにて受光し、走査位相検出系の構成を簡単化すると
ともに測距精度を高めることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決しかつ前記目的を達成するため、レーザ光を前方に照
射して所定角度範囲を走査し、距離計測対象にて反射さ
れて戻る反射光を受光し、照射から受光までの経過時間
の１／２に光速を乗算して前記距離計測対象までの距離
を割り出す光学式距離計測装置において、前記レーザ光
の走査範囲内に配設され、前記照射されたレーザ光の一
部を受光し、走査位相を直接検出する走査位相検出セン
サを具備することを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明は、前記走査位相検出センサ
が、複数の受光素子を一列に配列してなり、前記レーザ
光の光束の一部を、走査位相に応じた受光素子が受光す
る構成であることを特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図１，２を参照して説明する。図１は、本発明の光
学式距離計測装置の一実施形態を示す概略構成図、図２
は、図１に示したバリアングルコーンミラーと走査位相
検出センサの位置関係を示す要部斜視図である。

【００１２】図１に示す光学式距離計測装置２１は、回
転位相検出用として測距用とは別に用意していたレーザ
光を廃止し、測距用レーザ光の一部を捕捉して走査位相
すなわちバリアングルコーンミラー２の回転位相を直接
検出する構成としたものである。このため、回転位相検
出用に必要としたレーザ光源１０や収束レンズ１１或い
は位置センサ９等は不要であり、それらの機能は新たに
設けた走査位相検出センサ２２に集約することができ
る。

【００１３】走査位相検出センサ２２は、図２に示した
ように、バリアングルコーンミラー２の反射面２ａにて
反射されて楕円光束とされた測距用レーザ光の楕円の長
径端の軌跡に沿い、バリアングルコーンミラー２の近傍
に複数の受光素子２２ａを一列に配列したものであり、
湾曲配列した一次元センサからなる。より詳しくは、バ
リアングルコーンミラー２の回転とともに前方照射され
るレーザ光が各受光素子２２ａにほぼ直角に入射するよ
う、複数の受光素子２２ａを直線列ではなく湾曲列上に
配列してある。また、湾曲列の左右端に位置する受光素
子２２ａは、レーザ光の走査範囲両端に対応しており、
走査位相θｉに応じた位置Ｘｉにある受光素子２２ａの
受光出力をもって走査位相θｉが特定される。

【００１４】測距開始とともに、バリアングルコーンミ
ラー２が回転し、レーザ光源３から測距用レーザ光が高
周波パルスとして出射される。コリメータレンズ４を通
過して平行光に変えられたレーザ光は、シリンドリカル
レンズ５を通過することで縦横の一方向にのみ集光され
たのち、バリアングルコーンミラー２の円錐反射面に入
射する。バリアングルコーンミラー２にて反射されたレ
ーザ光は、楕円光束となって距離計測対象に向かい、距
離計測対象の表面に細線状に照射される。またこのとき
に、楕円光束の長径端が走査位相検出センサ２２により
受光され、走査位相θｉに応じた位置Ｘｉにある受光素
子２２ａの受光出力をもってバリアングルコーンミラー
２の回転位相が検出される。距離計測対象にて反射され
たレーザ光は、フライアイレンズ６を通過してフレネル
レンズ７にて集光され、位置センサ８にて受光される。
レーザ光がレーザ光源３を出射してから位置センサ８に
て受光されるまでの経過時間Ｔは、光学式距離計測装置
２１と距離計測対象との間をレーザ光が往復するのに要
した時間である。

【００１５】従って、この経過時間Ｔの１／２に光速ｃ
を乗算することで、光学式距離計測装置２１と距離計測
対象との間の距離Ｌ（＝ｃＴ／２）が計測される。ま
た、光学式距離計測装置２１に対する距離計測対象の方
位は、位置センサ８におけるパルス状レーザ光の受光時
点で、走査位相検出センサ２２の受光素子２２ａの位置
Ｘｉに対応する走査位相θｉとして決定される。こうし
て、距離計測対象は、光学式距離計測装置２１を座標原
点として、極座標（Ｌ，θｉ）の点として特定される。
従って。距離計測対象までの水平距離と垂直距離は、そ
れぞれＬcosθｉ，Ｌsinθｉとして求めることができ
る。

【００１６】このように、上記光学式距離計測装置２１
は、レーザ光を前方に照射して所定角度範囲を走査し、
距離計測対象にて反射されて戻る反射光を受光し、照射
から受光までの経過時間Ｔの１／２に光速を乗じて距離
計測対象までの距離Ｌを割り出すとともに、レーザ光の
走査範囲内に配設した走査位相検出センサ２２が、照射
されたレーザ光の一部を受光し、走査位相θｉを直接検
出するようにしたから、測距用光学系とは全く別個に回
転位相検出用光学系を設ける必要はなく、これにより光
学系全体の構成の簡略化と製造コスト削減が可能であ
り、また測距用レーザ光の一部を用いて直接走査位相を
検出するようにしたので、検出される走査位相と実際の
走査位相との間にずれが生ずることはなく、走査位相検
出精度の向上により方位θｉと距離Ｌをもって計測され
る距離計測対象の位置計測が高精度に可能である。

【００１７】さらにまた、走査位相検出センサ２２が、
複数の受光素子２２ａを一列に配列し、測距用レーザ光
の光束の一部を、走査位相θｉに応じた位置Ｘｉにある
受光素子２２ａにて受光させる構成であるから、複数の
受光素子２２ａを一列に配列した一次元センサを用い、
レーザ光の走査位相θｉを正確に検出することができ、
また複数の受光素子２２ａの配列を直線に限定せず、レ
ーザ光の走査に合わせ、例えば湾曲させたり或いは蛇行
させたりできるため、レーザ光の光束のうち、必要とす
るごく一部だけを走査位相検出センサ２２に導いて、走
査位相を的確に検出することができる。

【００１８】なお、上記実施形態では、走査位相検出セ
ンサ２２を構成する受光素子の位置Ｘｉが走査角度θｉ
と線形関係にある場合を例にとったが、レーザ光を受光
する受光素子の位置Ｘｉが走査角度θｉに対して非線形
の関係にある回転位相検出センサを用いることもでき、
その場合は、予め較正を施しておくことにより、正確な
位相検出が可能である。

【００１９】また、上記光学式距離計測装置では、バリ
アングルコーンミラー２の回転位相検出に走査位相検出
センサ２２を用いたが、バリアングルコーンミラー２に
限らず、平面ミラーやポリゴンミラーなどの反射鏡にて
レーザ光を走査したり、或いは回折格子からなるホログ
ラム素子を用いてレーザ光を走査させる光学式距離計測
装置に適用することもできる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光を前方に照射して所定角度範囲を走査し、距離
計測対象にて反射されて戻る反射光を受光し、照射から
受光までの経過時間の１／２に光速を乗じて距離計測対
象までの距離を割り出すとともに、レーザ光の走査範囲
内に配設した走査位相検出センサが、照射されたレーザ
光の一部を受光し、走査位相を直接検出するようにした
から、測距用光学系とは全く別個に回転位相検出用光学
系を設ける必要はなく、これにより光学系全体の構成の
簡略化と製造コスト削減が可能であり、また測距用レー
ザ光の一部を用いて直接走査位相を検出するようにした
ので、検出される走査位相と実際の走査位相との間にず
れが生ずることはなく、走査位相検出精度の向上により
方位と距離をもって計測される距離計測対象の位置が高
精度に計測できる等の優れた効果を奏する。

【００２１】また、本発明は、走査位相検出センサを、
複数の受光素子を一列に配列し、測距用レーザ光の光束
の一部を、走査位相に応じた受光素子が受光する構成と
したから、複数の受光素子を一列に配列した一次元セン
サを用い、レーザ光の走査位相を正確に検出することが
でき、また複数の受光素子の配列を直線に限定せず、レ
ーザ光の走査に合わせ、例えば湾曲させたり或いは蛇行
させたりできるため、レーザ光の光束のうち、必要とす
るごく一部だけを走査位相検出センサに導いて、走査位
相を的確に検出することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式距離計測装置の一実施形態を示
す概略構成図である。

【図２】図１に示したバリアングルコーンミラーと走査
位相検出センサの位置関係を示す要部斜視図である。

【図３】バリアングルコーンミラーを用いた従来の光学
式距離計測装置の一例を示す概略構成図である。

【図４】従来のバリアングルコーンミラーの他の一例を
示す側面図である。

【符号の説明】

２ バリアングルコーンミラー ３ レーザ光源 ４ コリメータレンズ ５ シリンドリカルレンズ ６ フライアイレンズ ７ フレネルレンズ ８ 位置センサ ２１ 光学式距離計測装置 ２２ 走査位相検出センサ ２２ａ 受光素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を前方に照射して所定角度範囲
   を走査し、距離計測対象にて反射されて戻る反射光を受
   光し、照射から受光までの経過時間の１／２に光速を乗
   算して前記距離計測対象までの距離を割り出す光学式距
   離計測装置において、前記レーザ光の走査範囲内に配設
   され、前記照射されたレーザ光の一部を受光し、走査位
   相を直接検出する走査位相検出センサを具備することを
   特徴とする光学式距離計測装置。
2. 【請求項２】 前記走査位相検出センサは、複数の受光
   素子を一列に配列してなり、前記レーザ光の光束の一部
   を走査位相に応じた受光素子が受光する構成であること
   を特徴とする請求項１記載の光学式距離計測装置。