| 【発明の名称】 |
測距装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】八木 史也
【氏名】井手 英一
【氏名】掃部 幸一
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| 【要約】 |
【課題】投射方向を変更する走査機能を有した測距装置において、簡単な構成の光学系で参照光の受光による送信時点の特定を可能にする。
【解決手段】複数の方向のそれぞれにパルス光Ｐ１を投射して各方向におけるパルス光の送信時点から受信時点までの時間を測定する距離測定において、パルス光の投射方向を変更するための回転ミラー３１の角度位置を、送信手段１３からのパルス光が受信手段２１へ向かって反射する参照位置と、送信手段からのパルス光が外部Ｑへ向かって反射する測定位置とに切り換え、回転ミラー３１を参照位置に配置した状態での受信手段の出力に基づいて送信時点を特定する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】パルス光を射出する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手段とを備えた光学装置を用い、複数の方向のそれぞれにパルス光を投射して各方向における前記パルス光の送信時点から受信時点までの時間を測定する測距方法であって、前記受信手段を前記回転ミラーで反射したパルス光を受光するように構成し、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパルス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測定位置とに切り換え、前記回転ミラーを前記参照位置に配置した状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定することを特徴とする測距方法。
【請求項２】パルス光を射出する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手段とを備え、外部に向かう複数の方向のそれぞれにパルス光を投射し、各方向における前記パルス光の送信時点から受信時点までの時間に応じた測定データを出力する測距装置であって、前記受信手段は、前記回転ミラーで反射したパルス光を受光するように設けられており、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパルス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測定位置とに切り換えるミラー制御手段を備え、前記回転ミラーが前記参照位置に配置された状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定することを特徴とする測距装置。
【請求項３】前記回転ミラーは反射特性の異なる第１及び第２の反射面を有し、前記参照位置においては前記第１の反射面で反射したパルス光が前記受光手段に入射し、前記測定位置においては前記第２の反射面で反射したパルス光が前記受光手段に入射する請求項２記載の測距装置。
【請求項４】前記受光手段は、光電変換の受光量を低減するための光学部材を有し、前記参照位置においては前記回転ミラーで反射したパルス光が前記光学部材を経由して光電変換面に入射し、前記測定位置においては前記回転ミラーで反射したパルス光が前記光学部材を経由せずに光電変換面に入射する請求項２記載の測距装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を反射する物体までの光の往復伝搬時間を距離情報として測定する測距方法及び測距装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光のパルスの送信から物体で反射して戻ったパルスの受信までのいわゆる飛行時間（ＴＯＦ：time of flight）を測定することにより、既知の光伝搬速度を適用して対物間距離を求めることができる。飛行時間の計時を開始する送信時点については、発光制御信号の出力時点から予め定めた一定時間が経過した時点とすることもできるが、実際の発光量をモニターしてパルスを検出することにより、発光素子の特性変化や制御信号の遅延による誤差を無くすことができる。すなわち、温度に代表される環境条件の変化に係わらず高精度の測定が可能となる。
【０００３】発光量をモニターして送信時点を決める場合には、投射用の光源が射出するパルス光を外部へ射出させずに“参照光”として受光部に導く必要がある。従来の測距装置においては、外部を往復するパルス光（これを“測定光”という）の送受信と参照光の受信とを行うために、ハーフミラーと回転シャッタとを組み合わせたり、回転シャッタとプリズムとを組み合わせたりした専用の光学系が組付けられていた。回転シャッタは測定光及び参照光の一方を選択的に受光部へ導く光路切換え手段である。
【０００４】一方、測距手法のレンジファインダへの応用例として、特開平７−２１８６３２号公報には、複数のレーザ光源を順に発光させて互いに異なる方向に光を投射する装置構成が記載されている。また、本出願人は回転ミラーで投射方向を変更する構成の測距装置を提案している（特願平１１−７４８３７号）。多数の方向にパルス光を投射して物体形状を細かく測定する場合には、投射方向毎に光源を配置するよりも、回転ミラーで投射角度を変更する走査の方が装置構成の簡単化の点で有利である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のように発光量をモニターして送信時点を決める従来の測距装置では、測定光の送受に必要な光学部材に加えて、光源の出力を測定光と参照光とに分離するハーフミラー、光源の出力を測定光又は参照光として利用するための回転シャッタなどの特別の光学部材が設けられており、光学系の部品点数が多く構成が複雑で装置が高価になるという問題があった。
【０００６】本発明は、投射方向を変更する走査機能を有した測距装置において、簡単な構成の光学系で参照光の受光による送信時点の特定を可能にすることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明においては、投射方向を変更する走査を回転ミラーにより行い、この回転ミラーを用いて、外部を往復する測定光と外部へ射出されない参照光との受光の切換えを行う。
【０００８】請求項１の発明の方法は、パルス光を射出する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手段とを備えた光学装置を用い、複数の方向のそれぞれにパルス光を投射して各方向における前記パルス光の送信時点から受信時点までの時間を測定する測距方法であって、前記受信手段を前記回転ミラーで反射したパルス光を受光するように構成し、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパルス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測定位置とに切り換え、前記回転ミラーを前記参照位置に配置した状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定するものである。
【０００９】請求項２の発明の装置は、パルス光を射出する送信手段と、前記パルス光の投射方向を変更するための回転ミラーと、外部で反射した前記パルス光を受光して光電変換をする受信手段とを備え、外部に向かう複数の方向のそれぞれにパルス光を投射し、各方向における前記パルス光の送信時点から受信時点までの時間に応じた測定データを出力する測距装置であって、前記受信手段が前記回転ミラーで反射したパルス光を受光するように設けられており、前記回転ミラーの角度位置を、前記送信手段からのパルス光が前記受信手段へ向かって反射する参照位置と、前記送信手段からのパルス光が外部へ向かって反射する測定位置とに切り換えるミラー制御手段を備え、前記回転ミラーが前記参照位置に配置された状態での前記受信手段の出力に基づいて、前記送信時点を特定するものである。
【００１０】請求項３の発明の測距装置は、前記回転ミラーが反射特性の異なる第１及び第２の反射面を有し、前記参照位置においては前記第１の反射面で反射したパルス光が前記受光手段に入射し、前記測定位置においては前記第２の反射面で反射したパルス光が前記受光手段に入射するものである。
【００１１】請求項４の発明の測距装置において、前記受光手段は光電変換の受光量を低減するための光学部材を有し、前記参照位置においては前記回転ミラーで反射したパルス光が前記光学部材を経由して光電変換面に入射し、前記測定位置においては前記回転ミラーで反射したパルス光が前記光学部材を経由せずに光電変換面に入射する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る測距装置のブロック図であり、図２は光学系の構成を示す斜視図である。
【００１３】測距装置１は、送信光学系１０、受信光学系２０、走査機構３０、コントローラ４１、発光回路４２、及び信号処理回路４３を備えている。送信光学系１０は、レーザ光源（半導体レーザ）１１、光ビームの広がり角を規定する投光用のレンズ１２、及び光路設定のためのミラー１３とから構成されており、発光回路４２からの電力供給に呼応して１００ｎｓ程度のパルス幅のパルス光Ｐ１を走査機構３０へ射出する。
【００１４】走査機構３０は、ミラー１３から入射するパルス光Ｐ１の光軸と直交する軸を中心に回転可能な偏向ミラー３１と、偏向ミラー３１を駆動するための回転アクチュエータ３２とからなる。図示のミラー配置状態において、偏向ミラー３１に入射したパルス光Ｐ１は、偏向ミラー３１の角度位置に応じた方向に偏向され、外部の物体Ｑへ向かう。物体Ｑに到達したパルス光Ｐ１は物体表面で反射する。物体表面が鏡面でない限り、その反射は拡散反射となる。したがって、物体表面への入射が垂直入射でなくても反射したパルス光Ｐ２の少なくとも一部は測距装置１に向かう。
【００１５】測距装置１に戻ったパルス光Ｐ２は、偏向ミラー３１によって偏向され、測定光として受信光学系２０に入射する。受信光学系２０は、集光レンズ２１と光検出器２２とから構成され、受光量に応じた振幅の光電変換信号Ｓ２０を出力する。光電変換信号Ｓ２０は、信号処理回路４３で適切に増幅された後に一定周期でサンプリングされる。信号処理回路４３には、所定時間分のサンプリングデータＤ４３を記憶する波形メモリが設けられている。サンプリングデータＤ４３に基づいて受光時点を特定し、後述の動作で特定した送信時点から受光時点までの光伝搬時間（飛行時間）Ｔｆを算定する処理はコントローラ４１が担う。受光時点の特定に際しては、重心演算でパルスのピークを求め、サンプリングデータＤ４３の極大値をピークとみなす場合よりも分解能を高める。そして、コントローラ４１は、光伝搬時間Ｔｆと既知の光伝搬速度（３×１０8 ｍ／ｓ）とから対物間距離に応じた距離データＤＬを算出し、コネクタ４５を介して接続された外部装置（例えばコンピュータ）へ出力する。なお、装置構成は例示に限らない。例えばサンプリングデータＤ４３を測距装置１の出力とし、外部のコンピュータで距離データＤＬを求めるようにしてもよい。測距装置１の出力を光電変換信号Ｓ２０とすることもできる。その場合、距離データＤＬを求める外部装置に信号処理回路４３を組み込んでもよいし、測距装置１と外部装置との間に信号処理回路４３に相当するハードウェアを接続してもよい。さらに、発光回路４２及び走査機構３０の制御を、コントローラ４１に代わって外部装置が行う変形例もある。
【００１６】以上の構成の測距装置１においては、偏向ミラー３１の角度位置を変化させることにより、装置自身の設置位置や姿勢を変えることなく、物体Ｑの複数箇所までの距離を測定することができる。
【００１７】次に、送信時点の特定に係わるミラー制御を説明する。図３は偏向ミラーの配置と光路との関係を示す図である。図３（ａ）は偏向ミラー３１が参照位置に配置された状態を示し、図３（ｂ）は偏向ミラー３１が測定位置に配置された状態を示している。
【００１８】図３（ａ）において、偏向ミラー３１は、その反射面がミラー１３及び受信用のレンズ２１に正対するように配置されている。レーザ光源１１から放射されたパルス光Ｐ１は、送信用のレンズ１２及びミラー１３を経て偏向ミラー３１へ入射する。偏向ミラー３１で反射したパルス光Ｐ１は、レンズ２１で集光されて参照光Ｐｒとして光検知器２２に入射する。レーザ光源１１に対する発光制御に同期したタイミングで受光量のモニターを開始し、受光した参照光Ｐｒの例えばピークを送信時点として検知すれば、現時点における発光制御信号と送信時点とのずれ量が判る。環境条件や回路動作は短時間では大きく変化しないので、その後の短時間内に再びレーザ光源１１を発光させたときにもほぼ同じずれ量になる。したがって、素早く偏向ミラー３１を図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態へ回転させてパルス光Ｐ１を外部へ投射し、物体Ｑで反射して戻ったパルス光Ｐ２を測定光Ｐｓとして光検知器２２に入射させれば、このときの発光制御信号を基準に先に判明したずれ量を適用して送信時点を特定することにより、信頼性の高い測距結果を得ることができる。
【００１９】図４は測定動作の第１例のフローチャートである。図４（ｂ）は参照光の検出処理サブルーチンの内容を示し、図４（ｃ）は測定光の検出処理サブルーチンの内容を示している。図５は測定動作の第２例のフローチャートである。
【００２０】図４において、測距装置１は、電源を投入時の初期設定を終えると、利用者の指示を待つ（＃１、＃２）。測定指示が与えられると、参照光の検出処理、測定光の検出処理、及び距離データＤＬを算出する距離演算処理を、測定点数が所定数に達するまで繰り返す（＃３〜＃６）。参照光の検出処理においては、偏向ミラー３１の角度位置を、ミラー１３からのパルス光が光検知器２２に向かって反射する参照位置とする（＃３１）。その状態で、受光のモニターを開始してレーザ光源１１をパルス発光させ、受光波形を示すサンプリングデータＤ４３を逐次記録し、モニターの開始から所定時間が経過した時点で記録を終える（＃３２〜＃３５）。これにより、送信時点を特定することができる。
【００２１】測定光の検出処理においては、偏向ミラー３１の角度位置を、ミラー１３からのパルス光が外部に向かって反射する測定位置とする（＃４１）。ただし、測定点毎に所定角度ずつ異なった位置とする。つまり、物体Ｑを走査するために、偏向角度を変更する。ある角度の測定位置に偏向ミラー３１を配置した状態で、受光のモニターを開始してレーザ光源１１をパルス発光させ、受光波形を示すサンプリングデータＤ４３を逐次記録し、モニターの開始から所定時間が経過した時点で記録を終える（＃４２〜＃４５）。これにより、受信時点を特定することができる。
【００２２】この例のように測定点毎に参照光の検出を行えば、各測定点について信頼性の高い距離データＤＬを得ることができる。しかし、測定点毎に偏向ミラー３１の角度位置を参照位置と測定位置とに切り換えるので、物体Ｑの走査時間が長くなる。走査時間を短縮するために、走査の開始段階で１回だけ参照光の検出を行うのが図５の例である。測定指示に呼応してステップ＃３で送信時点を校正した後、測定光の検出処理（＃４）と距離演算処理（＃５）とを所定回繰り返す。これらの他にも、所定数の測定点毎に参照光の検出を行う変形例がある。なお、いずれの例においても、参照光の検出処理（＃３）と測定光の検出処理（＃４）の順序を入れ替えることは可能である。また、距離演算を測定点毎に行わず、全ての測定点の測定が終わった後に、全測定点について集中的に距離演算を行ってもよい。
【００２３】以上の測距装置１においては、偏向ミラー３１の１つの反射面を参照光の検出と測定光の検出とに兼用するので、光検知器２２の感度制御を行ったとしても参照光を検出するときに光電変換信号Ｓ２０が飽和するおそれがある。物体Ｑで拡散反射して戻る測定光に比べて参照光の受光量が格段に多いからである。光電変換信号Ｓ２０が飽和すると、ピーク検出や重心演算による送信時点の特定が実質的に不可能になる。パルスエッジ検出で送信時点を特定する場合にも、過大受光により光電変換信号波形に歪みが生じ、そのためにエッジ検出が不正確になる可能性が大きい。飽和を避けるためにレーザ出力を下げると、測定可能距離が短くなる。参照光の検出と測定光の検出とでレーザ出力を変えると、発光特性が変わるので、参照光を検出して送信時点を特定する意義が失われる。以下に参照光の受光量の低減を図った実施形態を説明する。
【００２４】図６は第２実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路との関係を示す図である。図６（ａ）は偏向ミラー３１ｂが参照位置に配置された状態を示し、図６（ｂ）は偏向ミラー３１ｂが測定位置に配置された状態を示している。
【００２５】図６の走査機構３０ｂに於ける偏向ミラー３１ｂは、高反射率の反射面３１１と低反射率の反射面３１２とを有している。１つの偏向面を高反射領域と低反射領域とに分けてもよいが、本例では板状回転体の表裏に反射面３１１，３１２が振り分けて設けられている。板状回転体に代えて例えばポリゴンミラーを用い、その異なる面に反射面３１１，３１２を振り分けることも可能である。反射面３１２の形成については、鏡面に塗装、減反射コーティング、又は低反射率素材の貼り付けなどの処理を加える方法がある。
【００２６】図６（ａ）においては、低反射率の反射面３１２が受信用のレンズ２２と正対するように偏向ミラー３１ｂの角度位置が制御されている。この状態でレーザ光源１１を発光させると、光検知器２２に反射面３１２で反射した適正光量の参照光Ｐｒが入射する。物体Ｑの走査時には、図６（ｂ）のとおりミラー１３からのパルス光Ｐ１が高反射率の反射面３１１で偏向されて物体Ｑに向かうように、偏向ミラー３１ｂの角度位置が制御される。物体Ｑで反射して戻ったパルス光Ｐ２は反射面３１１で反射して測定光Ｐｓとして光検知器２２に入射する。なお、参照光の検出における偏向ミラー３１ｂの角度位置は、十分な光量の参照光Ｐｒが光検知器２２に入射する範囲内であればよく、必ずしも反射面３１２をレンズ２２と正対させる必要はない。走査時の角度差が小さいほど角度の切換え時間は短くなる。
【００２７】図７は第３実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路との関係を示す図である。図７（ａ）は偏向ミラー３１ｃが参照位置に配置された状態を示し、図７（ｂ）は偏向ミラー３１ｃが測定位置に配置された状態を示している。
【００２８】図７の走査機構３０ｃに於ける偏向ミラー３１ｃは、高反射率の反射面３１１と拡散反射面３１３とを有している。本例においても板状回転体の表裏に反射面３１１と拡散反射面３１３とが振り分けて設けられている。拡散反射処理の具体例としては、細かな砂状の粒子を含む塗料による塗装、紙や樹脂を原料とする拡散性の高いシートの貼り付け、物理的又は化学的な粗面加工がある。
【００２９】図７（ａ）においては、拡散反射面３１３が受信用のレンズ２２と正対するように偏向ミラー３１ｃの角度位置が制御されている。この状態でレーザ光源１１を発光させると、光検知器２２には拡散反射面３１３で反射したパルス光Ｐ１の一部が参照光Ｐｒとして入射する。拡散反射によって、正反射に比べて光検知器２２の受光量が低減される。物体Ｑの走査時には、図７（ｂ）のとおりミラー１３からのパルス光Ｐ１が高反射率の反射面３１１で偏向されて物体Ｑに向かうように、偏向ミラー３１ｃの角度位置が制御される。物体Ｑで反射して戻ったパルス光Ｐ２は反射面３１１で反射して測定光Ｐｓとして光検知器２２に入射する。偏向ミラー３１ｃにおける反射面の配置位置、及び角度位置の制御については、図６の例と同様の変形が可能である。
【００３０】図８は第４実施形態に係る偏向ミラーの配置と光路との関係を示す図である。図８（ａ）は偏向ミラー３１が参照位置に配置された状態を示し、図８（ｂ）は偏向ミラー３１が測定位置に配置された状態を示している。
【００３１】図８の送信光学系１０ｄは、レーザ光源１１、レンズ１２、ミラー１３、及び中継ミラー１４からなる。中継ミラー１４は、参照光の受光量を低減するために付加された光学部材であって、その反射面には反射率低減処理及び拡散反射処理の一方又は両方が施されている。
【００３２】図８（ａ）においては、偏向ミラー３１の角度位置はミラー１３からのパルス光Ｐ１が中継ミラー１４へ向かって反射するように制御されている。この状態でレーザ光源１１を発光させると、光検知器２２には中継ミラー１４で反射したパルス光Ｐ１が参照光Ｐｒとして入射する。中継ミラー１４の反射率の選定により、光検知器２２の受光量を最適化することができる。中継ミラー１４の実効面積を小さくすることによって光検知器２２の受光量を低減することもできる。
【００３３】物体Ｑの走査時には、図８（ｂ）のとおり偏向ミラー３１の角度位置は、ミラー１３からのパルス光Ｐ１を物体Ｑに向けて反射するように制御される。走査時において、中継ミラー１４はパルス光の送受に関与しない。
【００３４】図８の構成によれば、偏向ミラー３１の表裏を反転する必要がないので、構造又は制御の上で偏向ミラー３１の回転可能範囲に制限がある場合にも、光検知器２２の飽和を避けることができる。
【００３５】
【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、投射方向を変更する走査機能を有した測距装置において、簡単な構成の光学系で参照光の受光による送信時点の特定を行うことができる。
【００３６】請求項３又は請求項４の発明によれば、測定光の強度を低下させずに参照光の受光量を最適化して所定の測定精度を確保することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０７９
【氏名又は名称】ミノルタ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月２日（１９９９．７．２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６９３３
【弁理士】
【氏名又は名称】久保 幸雄
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２９４３（Ｐ２００１−１２９４３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１９日（２００１．１．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１８８３４０ |
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