JP2008286595A - レーザ測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投光・受光の過程での光エネルギーの損失が少なく、かつ投受光視差も小さいレーザ測距装置を提供する。
【解決手段】パルス波または変調波からなるレーザ光１を発光する発光素子１２と、発光素子に近接して位置しレーザ光２を対象物に向けて投光する投光レンズ１４と、対象物で反射したレーザ光３を反射する反射ミラー１６と、反射ミラーで反射したレーザ光を受光する受光器１８とを備える。発光素子１２は、ビーム拡がり角が小さい狭角方向とビーム拡がり角が大きい広角方向とを有している、また、投光レンズ１４は、投光レンズ直後でのビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後のビームは広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離が選定されている。さらに、反射ミラー１６は、投光レンズ１４から投光されたレーザ光の狭角方向にレーザ光２と干渉しないように近接して位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光を用いて対象物までの距離値を測距するレーザ測距装置に関する。

レーザ測距装置は、パルス波または変調波のレーザ光を対象物に向けて投光し、対象物で反射したレーザ光を受光し、投光と受光の時間差又は位相差から、対象物までの距離値を算出する装置である。

かかるレーザ測距装置は、例えば特許文献１、２に開示されている。

特許文献１の「レーザ測距装置」は、計測対象の奥行き方向、視野内に分布する複数の受信信号を分離して計測することを可能にし、計測対象の姿勢、微小変位などの高度な計測を行うことを目的とする。
そのため、この発明では、図６に示すように、受信光学系５１の焦点面上に視野制限機構５２を設置し視野内の任意の位置及び形状のレーザ反射光のみを選択的に光検知器５９に導き、スタート光検知器５０の出力から光検知器５９の出力までの時間間隔を測定装置５４により測定し、計算機５５により距離を算出する。また、ビームスプリッタ５６により分岐した受信光から対象物の自然光による画像及びレーザ反射光イメージを取得する手段５３を有し、対象物の特徴点選択を可能としている。

特許文献２の「レーザ距離計測装置」は、小形軽量で、狭隘部への計測を非接触で行え、気中と液中の環境でも使用できることを目的とする。
そのため、この発明では、図７に示すように、レーザ装置６１からの低コヒーレンスレーザ光６２を計測用光６３と参照用光６４に分割し、計測用光６３を光ファイバーを用い計測対象物に照射し計測対象物で反射した計測反射光を導く計測側光路６５と、参照用光を導く参照側光路６６と、参照側光路先端に設けられ参照用光を反射するとともに参照側光路の長さをレーザ光の１波長から数百波長までの範囲において変調させる光変調器６７と、この光変調器によって反射され参照側光路によって導かれた参照側反射光および計測側反射光の合成された出力光を検出する光検出器６８と、この光検出器で得られた信号と前記光変調器の変調信号との相関処理を行い、干渉の有無を分析し計測側光路と参照側光路の長さが一致しているかどうかの判断を行って計測対象物の距離に関する情報を出力するデータ処理装置６９とを備えたものである。

特開２００３−５７３４３号公報、「レーザ測距装置」 特開２００３−１９４５１８号公報、「レーザ距離計測装置」

上述したように、レーザ測距装置においては、レーザ光を投光し計測対象物にあたった反射光を受光することにより、投受光間の時間差又は位相差から距離を計測する。

この時、投光光路と受光光路をビームスプリッタを用いて同軸に設定する場合と、ビームスプリッタを用いずに平行に設定する場合がある。

特許文献１、２のように、ビームスプリッタを用いる場合、ビームスプリッタによる減衰が大きく、光学的効率が悪い問題点がある。例えば、図１Ａの模式図において、ビームスプリッタの透過率は５０％以下、反射率も５０％以下であり、投光・受光の過程で光エネルギーの７５％以上が失われてしまう。

一方ビームスプリッタを用いずに、図２に示すように平行に設定する場合、投受光光路の光軸間にずれ（投受光視差）が必然的に生じる。この投受光視差のため厳密には投受光光路は平行ではなく計測対象物を頂点としたＶ型となり、図１Ｂに模式的に示すように、投受光光路間に視差が生じる。そのため、図１Ｃのように、計測対象物からの反射光が受光素子に正確に結像しない不感帯が生じるという問題がある。
投光器に半導体レーザを用いた場合、投光光路幅、受光光路幅はそれぞれ例えば６ｍｍ前後であり、投受光視差は少なくとも６ｍｍ以上となる。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、投光・受光の過程での光エネルギーの損失が少なく、かつ投受光視差も小さいレーザ測距装置を提供することにある。

本発明によれば、パルス波または変調波からなるレーザ光を発光する発光素子と、
該発光素子に近接して位置し前記レーザ光を対象物に向けて投光する投光レンズと、
対象物で反射したレーザ光を反射する反射ミラーと、
該反射ミラーで反射したレーザ光を受光する受光器とを備え、
前記発光素子は、ビーム拡がり角が小さい狭角方向とビーム拡がり角が大きい広角方向とを有しており、
前記投光レンズは、投光レンズ直後でのビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後のビームは広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離が選定されており、
前記反射ミラーは、前記投光レンズから投光されたレーザ光の狭角方向に該レーザ光と干渉しないように近接して位置する、ことを特徴とするレーザ測距装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記発光素子は、狭角方向のビーム拡がり角が３〜６°である半導体レーザ素子である。

上記本発明の構成によれば、発光素子がビーム拡がり角が小さい狭角方向とビーム拡がり角が大きい広角方向とを有しており、投光レンズが投光レンズ直後でのビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後のビームは広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離が選定されているので、レーザ測距装置内部で投光光路と受光光路の間隔を短縮することが可能となる。
これにより、視差により受光素子での結像位置がずれる問題を軽減でき、視差による不感帯の問題を低減することができる。また、ビームスプリッタを用いないことから光学的な効率の悪さを被ることもない。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図３は、本発明によるレーザ測距装置の全体構成図である。また図４は、本発明によるレーザ測距装置の作用説明図である。図３及び図４において、本発明のレーザ測距装置１０は、発光素子１２、投光レンズ１４、反射ミラー１６、及び受光器１８を備える。

発光素子１２は、パルス波または変調波からなるレーザ光１を発光する。
この発光素子１２は、ビーム拡がり角が小さい狭角方向（この図でＺ方向）とビーム拡がり角が大きい広角方向（この図でＹ方向）とを有している。
発光素子１２は、好ましくは狭角方向のビーム拡がり角が３〜６°である半導体レーザ素子である。なお、この場合、広角方向のビーム拡がり角は例えば３０°前後である。

投光レンズ１４は、発光素子１２に近接して位置し、発光したレーザ光１を対象物に向けて投光する。以下、投光したレーザ光２を「投光レーザ光」と呼ぶ。
この投光レンズ１４は、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、投光レンズ直後での投光レーザ光２のビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後の投光レーザ光２は広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離が選定されている。

反射ミラー１６は、対象物で反射したレーザ光３（以下反射レーザ光）を好ましくは直角に反射する。
反射ミラー１６は、投光レンズ１４から投光されたレーザ光２（投光レーザ光）の狭角方向にレーザ光と干渉しないように近接して位置する。
また反射ミラー１６は、全反射ミラーであり、反射率は少なくとも８０％以上である。

受光器１８は、反射ミラーで反射したレーザ光３（反射レーザ光）を受光する。

本発明のレーザ測距装置１０は、さらに距離値演算器２０を備える。
距離値演算器２０は、投光したレーザ光１と受光したレーザ光３の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する。演算された距離値は、計測データ（二次元データまたは三次元データ）として図示しない出力装置（表示装置、記憶装置、制御装置等）に出力される。

図５は、投光レンズの焦点距離とビームの幅の関係を示す図である。この図において、レンズ１４から距離Ｌにおけるビームの幅Ｗ（Ｌ）は、数１の式（１）で表される。式（２）と式（３）はレンズ入射端でのビーム幅Ｗ_０と、式（１）のＭを表す式である。
これらの関係式から、投光レンズ１４の直後での投光レーザ光２のビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後の投光レーザ光２は広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離ｆを設定することができる。

上述したように、本発明では、ビームスプリッタを用いず、投受光光路を平行に設定する光学系において、投光レンズ１４の直後での投光レーザ光２のビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形する。
また発光素子１２と受光素子１８が構造的に干渉しないよう、受光光路（または投光光路）をミラー１６により屈曲させる。
さらに、発光素子１２（半導体レーザ素子）のビーム拡がり角が狭角方向とこれに直交する広角方向で異なることを利用し、投光レンズ出射端直後でのビーム形状を広角方向に長く、受光光路との間隔方向である狭角方向に短い形状に成形し、投光レンズ通過後のビームは広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するような、適切な焦点距離のレンズを選定している。なお、狭角方向と広角方向の向きは、どちらが水平方向であってもよい。

これにより、レーザ測距装置１０の内部で投光光路と受光光路の間隔を短縮することが可能になり、視差により受光素子での結像位置がずれる問題を軽減できる。
一方、計測対象物の位置におけるビーム形状が極端に狭いと、凹凸のある物体を測距する場合に、ビームが当たる位置によって距離値が過敏に変動しやすく使用しにくいことがある。このためビーム形状はある程度大きいことが望ましいが、本発明では計測対象物付近でのビーム形状は拡大しているためこの問題を被ることはない。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

従来の問題点を模式的に示す図である。 ビームスプリッタを用いない従来のレーザ測距装置の模式図である。 本発明によるレーザ測距装置の全体構成図である。 本発明によるレーザ測距装置の作用説明図である。 投光レンズの焦点距離とビームの幅の関係を示す図である。 特許文献１の「レーザ測距装置」の模式図である。 特許文献２の「レーザ距離計測装置」の模式図である。

符号の説明

１ レーザ光、２ 投光レーザ光、３ 反射レーザ光、
１０ レーザ測距装置、１２ 発光素子、
１４ 投光レンズ、１６ 反射ミラー、
１８ 受光器、２０ 距離値演算器

Claims (2)

1. パルス波または変調波からなるレーザ光を発光する発光素子と、
   該発光素子に近接して位置し前記レーザ光を対象物に向けて投光する投光レンズと、
   対象物で反射したレーザ光を反射する反射ミラーと、
   該反射ミラーで反射したレーザ光を受光する受光器とを備え、
   前記発光素子は、ビーム拡がり角が小さい狭角方向とビーム拡がり角が大きい広角方向とを有しており、
   前記投光レンズは、投光レンズ直後でのビーム形状を狭角方向に短く、広角方向に長く成形し、投光レンズ通過後のビームは広角方向ではほぼ平行光に、狭角方向は徐々に拡大するように焦点距離が選定されており、
   前記反射ミラーは、前記投光レンズから投光されたレーザ光の狭角方向に該レーザ光と干渉しないように近接して位置する、ことを特徴とするレーザ測距装置。
2. 前記発光素子は、狭角方向のビーム拡がり角が３〜６°である半導体レーザ素子である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ測距装置。

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