JP2001221611A - Range finder - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[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
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distance measuring apparatus for measuring the round trip propagation time of light to an object reflecting light as distance information.
【0002】[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飛行時間(TOF:time of fl
ight)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。この手法を用い
た測距装置において、パルス光を偏向する走査機構を組
み込んで多数方向の測定を高速に行うことが提案されて
いる。2. Description of the Related Art Time of flight (TOF) from transmission of a light pulse to reception of a pulse reflected back from an object.
ight), it is possible to determine the inter-object distance by applying a known light propagation velocity. It has been proposed that a distance measuring device using this technique incorporates a scanning mechanism for deflecting pulsed light and performs measurement in many directions at high speed.
【0003】図7は従来の測距装置の光学系の模式図で
ある。光学系100は、走査ミラー310とそれを方向
Yに沿った軸を中心に回転させるアクチュエータ320
とを有する。FIG. 7 is a schematic diagram of an optical system of a conventional distance measuring device. The optical system 100 includes a scanning mirror 310 and an actuator 320 for rotating the scanning mirror 310 about an axis along the direction Y.
And
【0004】レーザ光源110から放射されたパルス光
は、拡がり角を調整する投光レンズ120を通りプリズ
ム130を経て走査ミラー310に入射する。走査ミラ
ー310は、その時点における角度位置に応じた方向に
パルス光を偏向する。走査ミラー310から外部へ向か
ったパルス光P10は物体Qの表面で反射する。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P20の少なくとも一部は光学系100に向
かう。光学系100に戻ったパルス光P20は、走査ミ
ラー310で反射して受光レンズ210へ進む。受光レ
ンズ210はパルス光P20を光検知器220の受光面
に集光する。[0004] The pulse light emitted from the laser light source 110 passes through a light projecting lens 120 for adjusting the spread angle, and enters a scanning mirror 310 via a prism 130. The scanning mirror 310 deflects the pulse light in a direction corresponding to the angular position at that time. The pulse light P10 directed outward from the scanning mirror 310 is reflected on the surface of the object Q. As long as the object surface is not specular, its reflection will be diffuse. Therefore, at least a part of the reflected pulse light P20 goes to the optical system 100 even if the incidence on the object surface is not perpendicular incidence. The pulse light P20 returned to the optical system 100 is reflected by the scanning mirror 310 and proceeds to the light receiving lens 210. The light receiving lens 210 condenses the pulse light P20 on the light receiving surface of the photodetector 220.
【0005】図8は従来の光学系におけるパスル受信に
係わる部分の構成図である。図8(a)は正面図、図8
(b)は側面図である。従来においては、平面視円形
(軸対称)の有効受光面をもつ受光レンズ210が用い
られていた。また、受光レンズ210は、その光軸A2
0が走査ミラー310の回転軸A10と直角に交わるよ
うに配置されていた。FIG. 8 is a configuration diagram of a portion related to pulse reception in a conventional optical system. FIG. 8A is a front view, and FIG.
(B) is a side view. Conventionally, a light receiving lens 210 having a circular (axially symmetric) effective light receiving surface in plan view has been used. The light receiving lens 210 has an optical axis A2
0 is arranged to intersect at right angles with the rotation axis A10 of the scanning mirror 310.
【0006】受光レンズ210が円形である場合、受光
レンズ210が集光する光束の方向Yの幅をwとする
と、方向Yと直交する方向Xの幅もwとなる。走査動作
中において、走査ミラー310の反射面(前面)は光軸
A20に対して傾斜するので、反射面における回転径方
向の長さhは、光束の方向Xの幅wよりも大きい値でな
ければならない(h>w)。走査ミラー310の傾き角
をθ(0<θ<π/2)とすると、h=w/sinθで
ある。したがって、従来の走査ミラー310における回
転径方向の外形寸法Hは、回転軸方向(方向Y)の外形
寸法Wより大きい値であった。When the light receiving lens 210 has a circular shape, the width in the direction Y of the light beam condensed by the light receiving lens 210 is w, and the width in the direction X orthogonal to the direction Y is also w. During the scanning operation, the reflection surface (front surface) of the scanning mirror 310 is inclined with respect to the optical axis A20, so that the length h in the rotation radial direction of the reflection surface must be larger than the width w of the light beam in the direction X. (H> w). If the inclination angle of the scanning mirror 310 is θ (0 <θ <π / 2), h = w / sin θ. Therefore, the outer dimension H in the rotation radial direction of the conventional scanning mirror 310 is larger than the outer dimension W in the rotation axis direction (direction Y).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来の走査ミラー31
0では、回転軸周りの慣性モーメントが大きく、回転の
始動及び制動に大きな加速トルクが必要であった。この
ため、比較的に出力トルクの小さいアクチュエータを回
転駆動に用いる場合には、回転速度を高めることができ
ず、走査の所要時間が長くなるという問題があった。出
力トルクの大きいアクチュエータは、測距装置の小型化
及び省電力化の上で不利である。なお、特開平5−25
7076号公報には、受信光の集光を固定の凹面鏡で行
い、その曲率中心の近傍にて走査ミラーと受光器とを一
体に回動させて送信光を偏向する構成が開示されてい
る。これよれば、可動部を小さくして慣性モーメントを
低減し、それによって走査を高速化することができる。
しかし、走査中の各時点における凹面鏡の有効範囲が狭
いので、大型の凹面鏡が必要となる。したがって、装置
全体の小型化は困難である。SUMMARY OF THE INVENTION Conventional scanning mirror 31
At 0, the moment of inertia around the rotation axis was large, and a large acceleration torque was required for starting and braking the rotation. Therefore, when an actuator having a relatively small output torque is used for rotational driving, the rotational speed cannot be increased, and there is a problem that the time required for scanning becomes longer. An actuator having a large output torque is disadvantageous in reducing the size and power consumption of the distance measuring device. Incidentally, Japanese Patent Laid-Open No. 5-25
Japanese Patent No. 7076 discloses a configuration in which received light is condensed by a fixed concave mirror, and a scanning mirror and a light receiver are integrally rotated near the center of curvature to deflect transmitted light. According to this, it is possible to reduce the movable part and reduce the moment of inertia, thereby speeding up the scanning.
However, since the effective range of the concave mirror at each point in time during scanning is narrow, a large concave mirror is required. Therefore, it is difficult to reduce the size of the entire device.
【0008】また、従来では走査ミラー310のうちの
回転径方向の一端部分が、送受信に寄与しない無駄な部
分となってしまうという問題もあった。以下、この問題
を説明する。Further, in the related art, there is a problem that one end of the scanning mirror 310 in the rotation radial direction is a useless portion that does not contribute to transmission and reception. Hereinafter, this problem will be described.
【0009】図9は従来における走査ミラーと受光の光
軸との配置関係を示す図である。図9(a)及び(b)
のように、走査ミラー310は、光軸A20に対する傾
き角がθaからθbまでの角度範囲で往復回転をする。
その回転軸A10は回転のバランスをとるために走査ミ
ラー310の重心線と一致するように設定される。断面
形状が矩形であってかつ材質が均一である一般的な走査
ミラー310を使用する限り、回転軸A10は断面の中
心に位置することになる。そして、上述したとおり、従
来ではこの回転軸A10と受光レンズの光軸A20とが
交わっていた。FIG. 9 is a diagram showing a conventional arrangement relationship between a scanning mirror and a light receiving optical axis. FIG. 9 (a) and (b)
As described above, the scanning mirror 310 reciprocates in an angle range from θa to θb with respect to the optical axis A20.
The rotation axis A10 is set to coincide with the center of gravity of the scanning mirror 310 in order to balance the rotation. As long as a general scanning mirror 310 having a rectangular cross section and a uniform material is used, the rotation axis A10 is located at the center of the cross section. As described above, conventionally, the rotation axis A10 intersects the optical axis A20 of the light receiving lens.
【0010】回転にともなって、反射面のうちの受光レ
ンズに向かう有効な光束が入射する領域の長さはa10
からa20までの範囲で変化し、有効な光束が入射しな
い部分(図中の斜線部分)311,313,314の大
きさも変わる。図9から明らかなように、従来構成で
は、回転径方向の一端側(図では上側)の部分311に
は、偏向角度位置に係わらず常に有効な光束が入射しな
い。すなわち、走査ミラー310の一部は偏向に関与し
ない。このような無駄な部分311の存在は、走査ミラ
ー310の回転軸周りの慣性モーメントを不必要に増加
させ、往復回転の方向反転時の加減速において駆動源に
要求される出力トルクを増大させる。しかし、無駄な部
分311は一端側に偏って存在するので、これを取り除
くと走査ミラー310の重量分布がアンバランスとな
り、振動や騒音の原因となるとともに、装置の寿命を縮
めるおそれがある。したがって、光学的には無駄であっ
ても部分311を残存させなけらばならなかった。[0010] With the rotation, the length of the area of the reflecting surface where the effective light beam directed toward the light receiving lens is incident is a10.
To a20, and the sizes of the portions (shaded portions in the drawing) 311, 313, 314 where no effective light flux enters are also changed. As is clear from FIG. 9, in the conventional configuration, an effective light flux does not always enter the portion 311 on one end side (upper side in the figure) in the rotational radial direction regardless of the deflection angle position. That is, a part of the scanning mirror 310 does not participate in the deflection. The presence of such a useless portion 311 unnecessarily increases the moment of inertia around the rotation axis of the scanning mirror 310, and increases the output torque required of the drive source during acceleration and deceleration when reversing the direction of the reciprocating rotation. However, since the useless portion 311 is biased toward one end, removing the useless portion 311 causes an imbalance in the weight distribution of the scanning mirror 310, which may cause vibration and noise and shorten the life of the apparatus. Therefore, the portion 311 has to be left even if it is optically useless.
【0011】本発明は、走査ミラーの慣性モーメントを
低減して走査の高速化を図ることを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to reduce the moment of inertia of a scanning mirror to speed up scanning.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明においては、受光
レンズとして、互いに直交する2方向の寸法が異なる非
軸対称形状のレンズを用い、その長尺方向を走査ミラー
の回転軸と平行にする。また、本発明においては、受光
レンズの光軸と走査ミラーの回転軸とをオフセットを設
けて交差させる。According to the present invention, a non-axially symmetric lens having dimensions different from each other in two directions perpendicular to each other is used as a light receiving lens, and its long direction is made parallel to the rotation axis of the scanning mirror. . Further, in the present invention, the optical axis of the light receiving lens and the rotation axis of the scanning mirror intersect with an offset.
【0013】非軸対称形状の受光レンズを用いることに
より、所定の有効受光面積を確保して測定精度を維持し
つつ、走査ミラーの回転径方向の寸法を短くして慣性モ
ーメントを低減することができる。By using a non-axisymmetric light receiving lens, a predetermined effective light receiving area can be ensured and measurement accuracy can be maintained, and the size of the scanning mirror in the rotation radial direction can be shortened to reduce the moment of inertia. it can.
【0014】慣性モーメントが小さければ、出力トルク
の小さい小型の回転駆動源(アクチュエータ)による高
速の走査が可能となる。すなわち、走査ミラーを直方体
形状の物体とすると、軸周りに回転させるときの慣性モ
ーメントIは、次の(1)式で表される。 I=ρ・W・H・T(H2 +T2 )/12 …(1) ρ:密度 W:回転軸方向の長さ H:回転軸と直交する方向の長さ(H=W/sinθ,
θ:傾き角) T:厚み この式からは、慣性モーメントIにはWが1乗で影響す
るのに対して、HはTが相対的に小さいときにはほぼ3
乗で影響することがわかる。言い換えれば、Wが増大し
たときの影響は小さく、Hが減少したときの慣性モーメ
ントIの減少効果が大きい。アクチュエータ自体のロー
タ慣性と負荷トルクが十分に小さいとすれば、アクチュ
エータの回転の立ち上がり又は反転に必要となる加速ト
ルクは、物体の慣性モーメントIに比例する。したがっ
て、慣性モーメントIが減少すれば小さいトルクで高速
に回転させることができる。If the moment of inertia is small, high-speed scanning by a small rotary drive source (actuator) having a small output torque becomes possible. That is, assuming that the scanning mirror is a rectangular parallelepiped-shaped object, the moment of inertia I when rotating around the axis is expressed by the following equation (1). I = ρ · W · H · T (H 2 + T 2 ) / 12 (1) ρ: Density W: Length in the rotation axis direction H: Length in the direction perpendicular to the rotation axis (H = W / sin θ,
θ: tilt angle) T: thickness From this equation, W affects the moment of inertia I to the first power, whereas H is approximately 3 when T is relatively small.
It can be seen that the power has an effect. In other words, the effect when W increases is small, and the effect of decreasing the moment of inertia I when H decreases is large. Assuming that the rotor inertia and the load torque of the actuator itself are sufficiently small, the acceleration torque required to start or reverse the rotation of the actuator is proportional to the inertia moment I of the object. Therefore, if the inertia moment I decreases, the motor can be rotated at high speed with a small torque.
【0015】光の送受信による測定が可能な距離は、光
検出器に集光する光の量によって決まり、この量は受光
レンズの有効面積に比例する。受光レンズの有効面積は
走査ミラーの反射面の大きさと密接に関係する。慣性モ
ーメントIを低減するために走査ミラーの回転径方向
(回転軸と直交する方向)の寸法Hを短くするとき、所
定の測定可能距離を確保するには、反射面の面積が寸法
Hの短縮以前と変わらないように回転軸方向の寸法Wを
大きくすればよい。そして、走査ミラーに合わせて受光
レンズの寸法を設定すれば、受光レンズに光の入射しな
い無駄な部分が生じない。The distance that can be measured by transmitting and receiving light is determined by the amount of light focused on the photodetector, and this amount is proportional to the effective area of the light receiving lens. The effective area of the light receiving lens is closely related to the size of the reflection surface of the scanning mirror. When the dimension H of the scanning mirror in the radial direction of rotation (direction perpendicular to the axis of rotation) is reduced to reduce the moment of inertia I, in order to secure a predetermined measurable distance, the area of the reflecting surface is reduced to the dimension H. What is necessary is just to increase the dimension W in the rotation axis direction so as not to be different from before. If the dimensions of the light receiving lens are set in accordance with the scanning mirror, there is no useless portion where light does not enter the light receiving lens.
【0016】一方、受光レンズと走査ミラーとの位置決
めにオフセットを設けることにより、走査ミラーの反射
面における有効な光束の入射しない部分の位置を回転径
方向の両端に均等化させることができる。したがって、
重量分布のバランスを崩すことなく、有効な光束の入射
しない部分ができるだけ少なくなるように走査ミラーの
回転径方向の寸法を短縮し、それによって慣性モーメン
トを低減することができる。On the other hand, by providing an offset in the positioning between the light receiving lens and the scanning mirror, it is possible to equalize the position of the portion where the effective light beam does not enter on the reflecting surface of the scanning mirror at both ends in the rotational radial direction. Therefore,
Without losing the balance of the weight distribution, the size of the scanning mirror in the rotation radial direction can be reduced so that the portion where no effective light beam enters is reduced as much as possible, thereby reducing the moment of inertia.
【0017】請求項1の発明の装置は、パルス光を射出
する光源と、前記パルス光を偏向する走査ミラーと、外
部の物体で反射して前記走査ミラーに戻った反射パルス
光を集光する受光レンズと、集光された反射パルス光を
受光する光検知器とを備え、複数の方向にパルス光を順
に投射し、各方向における前記パルス光の送信から前記
反射光パルスの受信までの時間を測定する測距装置であ
って、前記受光レンズにおける有効領域の第1方向Xの
寸法が、第1方向Xと直交する第2方向Yの寸法より短
く、前記受光レンズが、その前記第2方向Yが前記走査
ミラーの回転軸と平行になるように配置されたものであ
る。According to a first aspect of the present invention, there is provided an apparatus for emitting a pulse light, a scanning mirror for deflecting the pulse light, and condensing reflected pulse light reflected by an external object and returned to the scanning mirror. A light receiving lens, and a photodetector that receives the condensed reflected pulse light, sequentially projecting the pulse light in a plurality of directions, and a time from transmission of the pulse light to reception of the reflected light pulse in each direction. Wherein the dimension of the effective area of the light receiving lens in the first direction X is shorter than the dimension of a second direction Y orthogonal to the first direction X, and the light receiving lens is It is arranged so that the direction Y is parallel to the rotation axis of the scanning mirror.
【0018】請求項2の発明の測距装置は、前記走査ミ
ラーを前記回転軸を中心に回動させるとともに、前記回
転軸と直交する軸を中心に前記走査ミラー及び前記受光
レンズを回動させる2次元走査手段を有している。In the distance measuring apparatus according to the present invention, the scanning mirror is rotated about the rotation axis, and the scanning mirror and the light receiving lens are rotated about an axis orthogonal to the rotation axis. It has two-dimensional scanning means.
【0019】請求項3の発明の測距装置では、前記回転
軸と直交する軸を中心に、前記光源及び前記光検知器が
前記走査ミラー及び前記受光レンズと一体に回動する。
請求項4の発明の測距装置は、前記受光レンズがその光
軸が前記走査ミラーの回転軸と一定のオフセット距離を
隔てて交差するように配置されたものである。According to a third aspect of the present invention, the light source and the photodetector rotate integrally with the scanning mirror and the light receiving lens about an axis orthogonal to the rotation axis.
In the distance measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention, the light receiving lens is disposed so that its optical axis intersects with the rotation axis of the scanning mirror at a fixed offset distance.
【0020】請求項5の発明の測距装置において、前記
オフセット距離の値は、前記走査ミラーが第1の偏向角
度位置に配置されたときの当該走査ミラーの反射面を含
む仮想の平面と、前記走査ミラーが第2の偏向角度位置
に配置されたときの当該走査ミラーの反射面との交線
に、前記受光レンズの光軸が交わる値である。In the distance measuring apparatus according to a fifth aspect of the present invention, the value of the offset distance is defined by: a virtual plane including a reflection surface of the scanning mirror when the scanning mirror is disposed at the first deflection angle position; When the scanning mirror is disposed at the second deflection angle position, the optical axis of the light receiving lens intersects a line of intersection with the reflection surface of the scanning mirror.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】〔第1実施形態〕図1は本発明に
係る測距装置の全体構成を示すブロック図、図2は測距
の概念図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a distance measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of distance measuring.
【0022】測距装置1は、光パルスの送受信のための
光学系10、光源を駆動する発光回路40、光電変換信
号をA/D変換記憶する受信回路50、及びコントロー
ラ60を備えている。光学系10は多数方向の測定を行
うための走査機構30を有している。受信回路50は、
光学系10からの光電変換信号に応じて反射パルス光の
受信時点t2を示す受信データDtをコントローラ60
へ送る。コントローラ60は、発光指示信号の出力から
一定時間が経過した時点を送信時点t1として、送信時
点t1から受信時点t2までの光伝搬時間(飛行時間)
Taを算定する。さらにコントローラ60は光伝搬時間
Taと既知の光伝搬速度(3×108 m/s)とから物
体Qまでの距離Lを算出し、距離データDLを図示しな
い外部装置(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。例えば光電変換信号のサン
プリングデータを測距装置1の出力とし、外部のコンピ
ュータで距離を求めるようにしてもよい。The distance measuring apparatus 1 includes an optical system 10 for transmitting and receiving light pulses, a light emitting circuit 40 for driving a light source, a receiving circuit 50 for A / D converting and storing a photoelectric conversion signal, and a controller 60. The optical system 10 has a scanning mechanism 30 for performing measurement in multiple directions. The receiving circuit 50
The controller 60 converts the reception data Dt indicating the reception time t2 of the reflected pulse light according to the photoelectric conversion signal from the optical system 10 into the controller 60.
Send to The controller 60 sets the time when a certain time has elapsed from the output of the light emission instruction signal as the transmission time t1, and the light propagation time (flight time) from the transmission time t1 to the reception time t2.
Calculate Ta. Further, the controller 60 calculates the distance L to the object Q from the light propagation time Ta and the known light propagation speed (3 × 10 8 m / s), and outputs the distance data DL to an external device (eg, a computer) not shown. . In addition,
The device configuration is not limited to the example. For example, the sampling data of the photoelectric conversion signal may be used as the output of the distance measuring device 1, and the distance may be obtained by an external computer.
【0023】図3は光学系の模式図、図4は光学系にお
けるパスル受信に係わる部分の構成図である。光学系1
0の構成は、走査ミラー31及び受光レンズ21の形状
を除いて、図7の従来例と同様である。光源である半導
体レーザ11から放射されたパルス光は、拡がり角を調
整する投光レンズ12を通りプリズム13を経て走査ミ
ラー31に入射する。走査ミラー31は、アクチュエー
タ32により駆動されて方向Yに沿った軸A1を中心に
回転し、角度位置に応じた方向にパルス光を偏向する。
走査ミラー31から外部へ向かったパルス光P1は物体
Qの表面で反射し、その一部(パルス光P20)は光学
系10に向かう。光学系10に戻ったパルス光P20
は、走査ミラー31で反射して受光レンズ21へ進む。
受光レンズ21はパルス光P20を光検知器22の受光
面に集光する。測距装置1においては、走査ミラー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。FIG. 3 is a schematic diagram of an optical system, and FIG. 4 is a configuration diagram of a part related to pulse reception in the optical system. Optical system 1
The configuration of 0 is the same as the conventional example of FIG. 7 except for the shapes of the scanning mirror 31 and the light receiving lens 21. Pulse light emitted from a semiconductor laser 11 as a light source passes through a light projecting lens 12 for adjusting a divergence angle, and enters a scanning mirror 31 via a prism 13. The scanning mirror 31 is driven by an actuator 32, rotates about an axis A1 along the direction Y, and deflects the pulse light in a direction corresponding to the angular position.
The pulse light P1 that has traveled from the scanning mirror 31 to the outside is reflected on the surface of the object Q, and a part thereof (pulse light P20) travels to the optical system 10. The pulse light P20 returned to the optical system 10
Is reflected by the scanning mirror 31 and proceeds to the light receiving lens 21.
The light receiving lens 21 focuses the pulse light P20 on the light receiving surface of the photodetector 22. In the distance measuring device 1, the scanning mirror 31
By changing the angular position of the object Q, it is possible to measure the distance to a plurality of locations of the object Q without changing the installation position or posture of the device itself.
【0024】光学系10において、受光レンズ21が集
光する光束の方向Yの幅w2は、方向Yと直交する方向
Xの幅w1より大きい。w2を従来例の幅wのk(k>
1)倍、すなわちw2=k・wとすると、w1=w/k
である。このような光束の断面形状は、受光レンズ21
の形状を縦横比がk:1/kである一方向に長い形状
(小判形、楕円形、長方形など)にすることで実現でき
る。具体的には、軸対称形状のレンズの一方向の両端部
をカットしたものを用いるか、又は当初から楕円形や長
方形などに成形されたフレネルレンズやホログラムレン
ズを使用すればよい。ここで、受信光束の断面形状は図
7の従来例とは異なるが、断面積については従来例と同
じ値を確保することができる。断面積はkw・w/k=
D2 に比例するからである。In the optical system 10, the width w2 of the light beam condensed by the light receiving lens 21 in the direction Y is larger than the width w1 in the direction X orthogonal to the direction Y. w2 is replaced by k (k>
1) times, that is, if w2 = kw, w1 = w / k
It is. The cross-sectional shape of such a light beam is
Can be realized by making the shape of (1) long in one direction with an aspect ratio of k: 1 / k (an oval shape, an elliptical shape, a rectangular shape, etc.). Specifically, an axially symmetric lens obtained by cutting both ends in one direction may be used, or a Fresnel lens or a hologram lens formed into an elliptical shape or a rectangular shape from the beginning may be used. Here, the cross-sectional shape of the received light beam is different from that of the conventional example of FIG. 7, but the same value as the conventional example can be ensured for the cross-sectional area. The cross-sectional area is kw · w / k =
It is proportional to D 2.
【0025】走査ミラー31に要求される大きさについ
ては、図7に対応させると、回転軸A1と平行な方向Y
の寸法W’がk・Wとなり、回転軸A1と直交する回転
径方向の長さH’がH/kとなる。このような大きさを
もつ走査ミラー31における回転軸周りの慣性モーメン
トI’は(2)式で与えられる。 I’=ρ・H/k・kW・T〔(H/k)2 +T2 )/12 =ρ・H・W・T〔(H/k)2 +T2 )/12 …(2) (2)式と上述の(1)式とから、厚みTが長さHより
十分に小さくてT2 を無視してもよいとすれば、 I’=I/k2 …(3) の関係が成り立つ。例えば、受光レンズ21の形状の縦
横比が1:2となり且つその長尺方向が走査ミラー31
の回転軸A1に平行になるように、k=21/2 と設定す
れば、 I’=I/(21/2 )2 =I/2 …(4) となって、慣性モーメントを従来の1/2に低減するこ
とができる。アクチュエータ32に必要な加速トルクは
慣性モーメントI’に比例するので、(4)式は必要な
加速トルクが1/2でよいことを示す。これは、従来と
同じ出力トルクのアクチュエータ32を用いる場合に2
倍の加速度を与えることができることを意味する。した
がって、走査ミラー31の高速駆動が可能となり、物体
Qの走査に要する時間を大幅に短縮することができる。The size required for the scanning mirror 31 corresponds to the direction Y in FIG.
Is kW, and the length H 'in the rotation radial direction orthogonal to the rotation axis A1 is H / k. The moment of inertia I 'around the rotation axis of the scanning mirror 31 having such a size is given by the equation (2). I ′ = ρ · H / k · kW · T [(H / k) 2 + T 2 ) / 12 = ρ · H · W · T [(H / k) 2 + T 2 ) / 12 (2) (2) ) equation from the equation (1), if may ignore the T 2 sufficiently small thickness T is than the length H, holds the relationship I '= I / k 2 ... (3) . For example, the aspect ratio of the shape of the light receiving lens 21 is 1: 2, and the lengthwise direction is the scanning mirror 31.
If k = 21/2 is set so as to be parallel to the rotation axis A1 of the above, I '= I / ( 21/2 ) 2 = I / 2 (4) Can be reduced to の. Since the acceleration torque required for the actuator 32 is proportional to the moment of inertia I ′, the expression (4) indicates that the required acceleration torque is 1 /. This is 2% when the actuator 32 having the same output torque as the conventional one is used.
It means that double acceleration can be given. Accordingly, the scanning mirror 31 can be driven at a high speed, and the time required for scanning the object Q can be greatly reduced.
【0026】図5は走査ミラーと受光の光軸との配置関
係を示す図である。走査ミラー31の回転軸A1は、回
転バランスを確保する必要から走査ミラー31の重心線
と一致するように設定されている。そして、従来例と違
って、受光レンズの光軸A2は回転軸A1と一定のオフ
セット距離dを隔てて交差する。FIG. 5 is a diagram showing an arrangement relationship between a scanning mirror and a light receiving optical axis. The rotation axis A1 of the scanning mirror 31 is set to coincide with the center of gravity of the scanning mirror 31 because it is necessary to secure a rotational balance. Then, unlike the conventional example, the optical axis A2 of the light receiving lens intersects with the rotation axis A1 at a fixed offset distance d.
【0027】走査ミラー31は、図5(a)のように光
軸A2に対する傾き角がθaの角度位置とさらに角度Δ
θだけ傾斜した図5(b)の角度位置と間で往復回転を
する。回転にともなって、反射面のうちの受光レンズに
向かう有効な光束が入射する領域の長さはa1からa2
までの範囲で変化する。図5の例では、光軸A2に対す
る傾斜が最小のときに反射面の全体が有効となるよう
に、走査ミラー31の回転径方向の寸法H’(H’=a
1)が最小限に選定されている。図5(a)における走
査ミラー31の両外側の点線は、オフセット距離dを設
けない場合の走査ミラー寸法を示している。つまり、こ
の点線の部分が本発明を適用することにより取り除くこ
とが可能になった部分である。図5(b)が示すとお
り、光軸A2に対する傾斜が最小でないときには、有効
な光束が入射しない部分(図中の斜線部分)31b,3
1cが生じる。しかし、これら無駄な部分31b,31
cは走査ミラー31の両端部にほぼ均等に生じるので、
回転径方向の寸法H’を最小限に短縮して反射面を最大
限に利用するようにしても回転のバランスを崩すことは
ない。As shown in FIG. 5A, the scanning mirror 31 has an inclination angle θa with respect to the optical axis A2 and an angle Δ
It reciprocates between the angular position of FIG. 5B inclined by θ. With the rotation, the length of the area of the reflecting surface where the effective light beam directed toward the light receiving lens is incident is from a1 to a2.
It varies in the range up to. In the example of FIG. 5, the dimension H ′ (H ′ = a ′) of the scanning mirror 31 in the rotation radial direction is set so that the entire reflecting surface is effective when the inclination with respect to the optical axis A2 is minimum.
1) is selected to the minimum. The dotted lines on both outer sides of the scanning mirror 31 in FIG. 5A indicate the scanning mirror dimensions when the offset distance d is not provided. That is, the dotted line portion is a portion that can be removed by applying the present invention. As shown in FIG. 5B, when the inclination with respect to the optical axis A2 is not the minimum, the portions where the effective light flux does not enter (the hatched portions in the figure) 31b, 3
1c results. However, these useless portions 31b, 31
Since c occurs almost equally at both ends of the scanning mirror 31,
Even if the dimension H ′ in the rotation radial direction is shortened to the minimum and the reflection surface is used to the maximum, the rotation balance is not lost.
【0028】次にオフセット距離dの設定について説明
する。図5と図9との比較から明らかなように、反射面
の無駄な部分が一端に偏って発生する原因は、図9にお
ける走査ミラー310の回転に伴う反射面の見かけ上の
回転中心fが光軸A20と一致しないことであった。そ
こで、図5の光軸配置では、反射面の見かけ上の回転中
心eが光軸A2と一致するようオフセット距離dの値が
設定されている。見かけ上の回転中心eとは、走査ミラ
ー31が図5(a)の角度位置に配置された第1状態に
おける反射面を含む仮想平面〔図5(b)における鎖線
の四角形のうちの反射面に対応する部分〕と、図5
(b)の角度位置に配置された第2状態における反射面
との交線である。Next, the setting of the offset distance d will be described. As is clear from the comparison between FIG. 5 and FIG. 9, the reason why the useless portion of the reflecting surface is biased toward one end is caused by the apparent rotation center f of the reflecting surface accompanying the rotation of the scanning mirror 310 in FIG. It was not coincident with the optical axis A20. Therefore, in the optical axis arrangement of FIG. 5, the value of the offset distance d is set such that the apparent center of rotation e of the reflecting surface coincides with the optical axis A2. The apparent rotation center e is a virtual plane including the reflection surface in the first state in which the scanning mirror 31 is disposed at the angular position in FIG. 5A [the reflection surface of the dashed-line rectangle in FIG. Corresponding to FIG. 5) and FIG.
It is a line of intersection with a reflective surface in the 2nd state arranged at the angle position of (b).
【0029】図5において、回転軸A1を原点として右
向き方向をx軸、上向き方向をy軸とする。第1状態に
おける反射面とx軸とがなす角度をθ1、同じく第2状
態における角度をθ2とする。さらに、走査ミラー31
の厚みをTとする。In FIG. 5, the rightward direction is the x-axis and the upward direction is the y-axis with the rotation axis A1 as the origin. The angle between the reflecting surface and the x-axis in the first state is θ1, and the angle in the second state is θ2. Further, the scanning mirror 31
Is T.
【0030】第1状態における反射面を表す直線は
(5)式で与えられる。 y=tanθ1・x+〔1+(tanθ1)2 )・T/2 …(5) 同様に、第2状態における反射面を表す直線は(6)式
で与えられる。 y=tanθ2・x+〔1+(tanθ2)2 )・T/2 …(6) 二つの直線の交点のx座標は、(5)式と(6)式との
連立方程式から x0 =−(tanθ1+tanθ2)・T/2 …(7) となる。The straight line representing the reflecting surface in the first state is given by equation (5). y = tan θ1 · x + [1+ (tan θ1) 2 ) · T / 2 (5) Similarly, a straight line representing the reflecting surface in the second state is given by Expression (6). y = tan θ2 · x + [1+ (tan θ2) 2 ) · T / 2 (6) The x coordinate of the intersection of the two straight lines is x 0 = − (tan θ1 + tan θ2) from the simultaneous equation of the equations (5) and (6). ) · T / 2 (7)
【0031】したがって、オフセット距離dは、 d=|x0 | =|(tanθ1+tanθ2)・T/2| …(8) によって求めることができる。 〔第2実施形態〕図6は光学系の第2例の構成図であ
る。同図において上述した第1例と同一の構成要素には
図3と同一の符号を付してある。Accordingly, the offset distance d can be obtained by the following equation: d = | x 0 | = | (tan θ1 + tan θ2) · T / 2 | (8) [Second Embodiment] FIG. 6 is a configuration diagram of a second example of the optical system. In this figure, the same components as those in the first example described above are denoted by the same reference numerals as in FIG.
【0032】第2例の光学系10Bは、二軸走査を実現
するために、図3の第1例の光学系10に第2のアクチ
ュエータ33を付加した送受信手段である。アクチュエ
ータ33は、走査ミラー31の回転軸A1と交差又はね
じれの関係にある回転軸A3を中心に走査ミラー31を
回転させる。回転軸A3は、受光レンズ21の光軸A2
と一致している。The optical system 10B of the second example is a transmission / reception means obtained by adding a second actuator 33 to the optical system 10 of the first example of FIG. 3 in order to realize biaxial scanning. The actuator 33 rotates the scanning mirror 31 about a rotation axis A3 that has a crossing or torsional relationship with the rotation axis A1 of the scanning mirror 31. The rotation axis A3 is the optical axis A2 of the light receiving lens 21.
Matches.
【0033】走査ミラー31は、アクチュエータ32に
よって駆動され、方向R1に回転してパルス光P1,P
2を偏向する。所定の偏向角度刻み毎にパルス光の送受
信が行われ、一次元走査による多方向の距離が測定され
る。さらに、走査ミラー31、アクチュエータ32、及
びこれらを保持・結合する図示しない部品は、アクチュ
エータ33により一体に方向R2に回転駆動される。こ
の回転の所定の回転角度刻み毎にパルス光の送受信が行
われ、アクチュエータ32による走査と組み合せて、二
次元走査による多方向の測距が実現される。The scanning mirror 31 is driven by an actuator 32 and rotates in a direction R1 to rotate the pulse lights P1 and P1.
2 deflect. Transmission and reception of pulsed light are performed at predetermined intervals of the deflection angle, and distances in multiple directions are measured by one-dimensional scanning. Further, the scanning mirror 31, the actuator 32, and the components (not shown) for holding and connecting these components are integrally driven to rotate in the direction R <b> 2 by the actuator 33. Transmission and reception of pulsed light are performed at every predetermined rotation angle of this rotation, and in combination with scanning by the actuator 32, distance measurement in two directions by two-dimensional scanning is realized.
【0034】光学系10Bでは、アクチュエータ33に
よって受信レンズ21も走査ミラー31と一体に回転駆
動される。これにより、受信レンズ21の長尺方向が走
査ミラー31の回転軸A1に対して平行に保たれ、走査
ミラー31と受信レンズ21との対向関係が常に適正と
なる。なお、回転軸A3の周りに回動させるのは受信レ
ンズ21のみである必要はなく、受信光学系全体又は送
信光学系をも含めた構成要素を一体に回動させてもよ
い。In the optical system 10 B, the receiving lens 21 is also driven to rotate integrally with the scanning mirror 31 by the actuator 33. Thereby, the longitudinal direction of the receiving lens 21 is kept parallel to the rotation axis A1 of the scanning mirror 31, and the facing relationship between the scanning mirror 31 and the receiving lens 21 is always appropriate. It is not necessary that only the receiving lens 21 be rotated around the rotation axis A3, and the components including the entire receiving optical system or the transmitting optical system may be integrally rotated.
【0035】図6の構成によれば、回転軸A1の周りの
慣性モーメントと比べて、回転軸A3の周りの慣性モー
メントはかなり大きい。それは一体に回動する部分の回
転軸A3の周りの回転径方向の寸法が大きく、加えて一
体に回動する部分の重量が大きいからである。しかし、
回転軸A1の周りの回転駆動を主走査、回転軸A3の周
りの回転駆動を副走査とし、多数刻みの主走査を1回行
う毎に副走査を1刻み分だけ行う制御方法を採用すれ
ば、副走査は主走査に比べてはるかに低速駆動となり慣
性モーメントの増大の影響は十分に小さくなって加速ト
ルクの問題が解決する。このような制御方法には十分に
実用性がある。According to the configuration of FIG. 6, the moment of inertia around the rotation axis A3 is considerably larger than the moment of inertia around the rotation axis A1. The reason for this is that the size of the part that rotates integrally is large in the radial direction around the rotation axis A3, and the weight of the part that rotates integrally is large. But,
If a rotational drive around the rotation axis A1 is a main scan, and a rotational drive around the rotation axis A3 is a sub-scan, a control method in which the sub-scan is performed by one step every time a large number of main scans is performed is adopted. The sub-scan is driven at a much lower speed than the main scan, and the effect of the increase in the inertia moment is sufficiently reduced to solve the problem of the acceleration torque. Such a control method is sufficiently practical.
【0036】上述の実施例では、投光と受光とに共通の
走査ミラーを用いるように構成したが、投光と受光とに
別々に走査ミラーを設けてもよい。この場合、投光の走
査光学系において、パルス光の投光光軸と走査ミラーの
回転中心とをずらして配置し、反射面の見かけ上の回転
中心とパルス光の投光光軸とが一致するように構成すれ
ば、投光の走査ミラーの小型化が可能である。In the above-described embodiment, a common scanning mirror is used for light emission and light reception. However, separate scanning mirrors may be provided for light emission and light reception. In this case, in the scanning optical system for projecting light, the light projecting optical axis of the pulse light and the rotation center of the scanning mirror are shifted from each other, and the apparent rotation center of the reflection surface and the light projecting optical axis of the pulse light coincide with each other. With such a configuration, it is possible to reduce the size of the light projection scanning mirror.
【0037】[0037]
【発明の効果】請求項1乃至請求項5の発明によれば、
走査ミラーの慣性モーメントを低減して走査の高速化を
図ることができる。According to the first to fifth aspects of the present invention,
The speed of scanning can be increased by reducing the moment of inertia of the scanning mirror.
【図1】本発明に係る測距装置の全体構成を示すブロッ
ク図である。FIG. 1 is a block diagram showing an entire configuration of a distance measuring apparatus according to the present invention.
【図2】測距の概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of distance measurement.
【図3】光学系の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an optical system.
【図4】光学系におけるパスル受信に係わる部分の構成
図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a part related to pulse reception in the optical system.
【図5】走査ミラーと受光の光軸との配置関係を示す図
である。FIG. 5 is a diagram illustrating an arrangement relationship between a scanning mirror and a light receiving optical axis;
【図6】光学系の第2例の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a second example of the optical system.
【図7】従来の測距装置の光学系の模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of an optical system of a conventional distance measuring device.
【図8】従来の光学系におけるパスル受信に係わる部分
の構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram of a portion related to pulse reception in a conventional optical system.
【図9】従来における走査ミラーと受光の光軸との配置
関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a conventional arrangement relationship between a scanning mirror and a light receiving optical axis.
1 測距装置(光学装置) 11 半導体レーザ(光源) 31 走査ミラー Q 物体 P1 パルス光 P2 パルス光(反射パルス光) 21 受光レンズ 22 光検知器 w1 第1方向Xの寸法 w2 第2方向Xの寸法 A1 回転軸 A2 光軸 32,33 アオチュエータ d オフセット距離 Reference Signs List 1 distance measuring device (optical device) 11 semiconductor laser (light source) 31 scanning mirror Q object P1 pulse light P2 pulse light (reflected pulse light) 21 light receiving lens 22 photodetector w1 dimension in first direction X w2 in second direction X Dimension A1 Rotation axis A2 Optical axis 32,33
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 掃部 幸一 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA04 AA06 AA51 FF12 FF32 GG06 GG12 HH04 JJ01 JJ15 LL13 LL62 MM15 MM16 MM28 QQ03 UU01 2F112 AD01 BA05 CA12 DA10 DA15 DA25 EA05 FA03 FA07 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Koichi Sanebe 2-3-113 Azuchicho, Chuo-ku, Osaka-shi, Osaka F-term in Osaka International Building Minolta Co., Ltd. 2F065 AA04 AA06 AA51 FF12 FF32 GG06 GG12 HH04 JJ01 JJ15 LL13 LL62 MM15 MM16 MM28 QQ03 UU01 2F112 AD01 BA05 CA12 DA10 DA15 DA25 EA05 FA03 FA07
Claims (5)
えるための走査ミラーと、外部の物体で反射して前記走
査ミラーに戻った反射パルス光を集光する受光レンズ
と、集光された反射パルス光を受光する光検知器とを備
え、複数の方向にパルス光を順に投射し、各方向におけ
る前記パルス光の送信から前記反射光パルスの受信まで
の時間を測定する測距装置であって、 前記受光レンズにおける有効領域の第1方向Xの寸法
が、第1方向Xと直交する第2方向Yの寸法より短く、 前記受光レンズは、その前記第2方向Yが前記走査ミラ
ーの回転軸と平行になるように配置されたことを特徴と
する測距装置。A light source for emitting pulse light; a scanning mirror for changing a light receiving direction; a light receiving lens for collecting reflected pulse light reflected by an external object and returned to the scanning mirror; A light detector that receives the reflected pulsed light, and sequentially projects the pulsed light in a plurality of directions, and a distance measuring device that measures the time from transmission of the pulsed light to reception of the reflected light pulse in each direction. The dimension of the effective area in the light receiving lens in the first direction X is shorter than the dimension in the second direction Y orthogonal to the first direction X, and the light receiving lens has the second direction Y of the scanning mirror. A distance measuring device, which is disposed so as to be parallel to a rotation axis.
させるとともに、前記回転軸と直交する軸を中心に前記
走査ミラー及び前記受光レンズを回動させる2次元走査
手段を有した請求項1記載の測距装置。2. A two-dimensional scanning means for rotating the scanning mirror about the rotation axis and rotating the scanning mirror and the light receiving lens about an axis orthogonal to the rotation axis. 2. The distance measuring device according to 1.
源及び前記光検知器が前記走査ミラー及び前記受光レン
ズと一体に回動する請求項2記載の測距装置。3. The distance measuring apparatus according to claim 2, wherein the light source and the light detector rotate integrally with the scanning mirror and the light receiving lens about an axis orthogonal to the rotation axis.
えるための走査ミラーと、外部の物体で反射して前記走
査ミラーに戻った反射パルス光を集光する受光レンズ
と、集光された反射パルス光を受光する光検知器とを備
え、複数の方向にパルス光を順に投射し、各方向におけ
る前記パルス光の送信から前記反射光パルスの受信まで
の時間を測定する測距装置であって、 前記受光レンズは、その光軸が前記走査ミラーの回転軸
と一定のオフセット距離を隔てて交差するように配置さ
れたことを特徴とする測距装置。4. A light source for emitting pulse light, a scanning mirror for changing a light receiving direction, a light receiving lens for collecting reflected pulse light reflected by an external object and returned to the scanning mirror, and a light collecting lens. A light detector that receives the reflected pulsed light, and sequentially projects the pulsed light in a plurality of directions, and a distance measuring device that measures the time from transmission of the pulsed light to reception of the reflected light pulse in each direction. A distance measuring device, wherein the light receiving lens is arranged such that an optical axis thereof intersects a rotation axis of the scanning mirror at a predetermined offset distance.
ーが第1の偏向角度位置に配置されたときの当該走査ミ
ラーの反射面を含む仮想の平面と、前記走査ミラーが第
2の偏向角度位置に配置されたときの当該走査ミラーの
反射面との交線に、前記受光レンズの光軸が交わる値で
ある請求項4記載の測距装置。5. The method according to claim 5, wherein the value of the offset distance is defined by a virtual plane including a reflection surface of the scanning mirror when the scanning mirror is disposed at the first deflection angle position, and a second deflection angle by the scanning mirror. 5. The distance measuring apparatus according to claim 4, wherein the value is a value at which an optical axis of the light receiving lens intersects a line of intersection with the reflection surface of the scanning mirror when the lens is arranged at the position.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003177014A (en) * | 2001-08-30 | 2003-06-27 | Z & F Zzoller & Froehlich Gmbh | 3-d laser measuring system |
JP2006242833A (en) * | 2005-03-04 | 2006-09-14 | Nidec Copal Corp | Device for detecting optical angle |
-
2000
- 2000-02-10 JP JP2000032929A patent/JP2001221611A/en active Pending
Cited By (2)
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JP2003177014A (en) * | 2001-08-30 | 2003-06-27 | Z & F Zzoller & Froehlich Gmbh | 3-d laser measuring system |
JP2006242833A (en) * | 2005-03-04 | 2006-09-14 | Nidec Copal Corp | Device for detecting optical angle |
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