JP2017003461A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成を簡素にできる飛行時間測定法による距離測定技術を提供すること。【解決手段】一般に、実施形態によれば、距離測定装置は、半導体レーザと、取得部と、を備える。半導体レーザは、レーザ素子によりレーザ光を出力するとともに、内蔵するフォトダイオードによってレーザ素子が出力するバックビームを受光する。取得部は、レーザ素子から測定対象物までの距離または距離の変位を算出するために、レーザ素子がレーザ光を出力し始めることによりフォトダイオードの出力が第１閾値を超える第１タイミングと、レーザ光が測定対象物にて反射してレーザ素子に戻ってくることによりフォトダイオードの出力が第１閾値より高い第２閾値を超える第２タイミングとの間の時間をカウントし、カウントした時間を、レーザ光が出力されてから測定対象物にて反射して戻ってくるまでのレーザ光の飛行時間として取得する。【選択図】図３

Description

この明細書に記載の実施形態は、飛行時間測定法による距離測定技術に関する。

商品や部品等の三次元形状の測定に使用可能な距離測定装置が知られる。近年、工場における生産の自動化に伴い、距離測定装置として、高速かつ非接触で測定できて、しかも小型で安価なものが要求される。そこで、距離測定装置として、レーザ光を用いた三角測量法により距離測定を行うもの（例えば特許文献１）や、レーザ光を用いた飛行時間測定法により距離測定を行うもの（例えば特許文献２）が開発されている。

図１は、三角測量法により距離測定を行う距離測定装置７を示す図である。
距離測定装置７では、コントローラ７１がカレントドライバ７２を介して半導体レーザ７３を定電流で駆動制御する。半導体レーザ７３が出力するレーザ光は、集光レンズ７４を介して測定対象物９に照射される。測定対象物９にて反射したレーザ光は、受光レンズ７５を通してフォトダイオード７６（位置検出素子）上にスポットを結像させる。スポットは、レーザ光の光軸方向の変位量に応じて変位する。

コントローラ７１は、不図示の駆動手段により、距離測定装置７と測定対象物９とをレーザ光の光軸に直交する図１の上下方向に相対的に移動させながら、フォトダイオード７６上のスポットの変位量を測定する。これにより、コントローラ７１は、測定対象物９の光軸方向の変位量を測定でき、測定対象物９の表面形状等を測定できる。
しかし、三角測量法を用いる距離測定装置７は、測定対象物９までの測定可能距離の範囲が非常に狭いという問題がある。

図２は、飛行時間測定法により距離測定を行う距離測定装置８を示す図である。
距離測定装置８では、コントローラ８１がカレントドライバ８２を介して半導体レーザ８３を定電流で駆動制御する。半導体レーザ８３が出力するレーザ光は、コリメートレンズ８４にてコリメートされた後、ハーフミラー８５によって一部が取り出され、該一部のレーザ光がフォトダイオード８６に受光される。

レーザ光を出力してから測定対象物９にて反射して戻ってくるまでのレーザ光の飛行時間を距離測定装置８が測定するに際し、コントローラ８１は、フォトダイオード８６がレーザ光を受光するタイミングで測定を開始する。

ハーフミラー８５を通過するレーザ光は、測定対象物９に照射される。測定対象物９にて反射したレーザ光は、受光レンズ８７を通してフォトダイオード８８に受光される。コントローラ８１は、フォトダイオード８８がレーザ光を受光するタイミングで、レーザ光の飛行時間の測定を終了する。

コントローラ８１は、レーザ光の飛行時間を算出することで、半導体レーザ８３から測定対象物９までの距離を測定できる。

特開平６−２１３６５８号公報 特開２０１４−１０２０７２号公報

飛行時間測定法を用いる距離測定装置８では、三角測量法を用いる距離測定装置７に比べて測定対象物９までの測定可能距離の範囲が広い。しかし、距離測定装置８では、測定の開始と終了のタイミングを得るために、２つのフォトダイオード８６，８８、および各フォトダイオード８６，８８にレーザ光を導くための２つの光路が必要となるため、装置構成が複雑になるという問題がある。

この明細書は、装置構成を簡素にできる飛行時間測定法による距離測定技術を提供することを目的とする。

一般に、実施形態によれば、距離測定装置は、半導体レーザと、取得部と、を備える。半導体レーザは、レーザ素子によりレーザ光を出力するとともに、内蔵するフォトダイオードによってレーザ素子が出力するバックビームを受光する。取得部は、レーザ素子から測定対象物までの距離または距離の変位を算出するために、レーザ素子がレーザ光を出力し始めることによりフォトダイオードの出力が第１閾値を超える第１タイミングと、レーザ光が測定対象物にて反射してレーザ素子に戻ってくることによりフォトダイオードの出力が第１閾値より高い第２閾値を超える第２タイミングとの間の時間をカウントし、カウントした時間を、レーザ光が出力されてから測定対象物にて反射して戻ってくるまでのレーザ光の飛行時間として取得する。

三角測量法により距離測定を行う距離測定装置を示す図である。 飛行時間測定法により距離測定を行う距離測定装置を示す図である。 距離測定装置の構成を示す図である。 フォトダイオードの出力を示す図である。 ゲート部及びカウンタの動作原理を説明するためのタイミングチャートである。 距離測定処理を説明するためのフローチャートである。 距離測定装置の要部の構成を示す図である。 測定対象物における各測定位置を示す図である。

以下、各実施形態について図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図３は、距離測定装置１の構成を示す図である。
距離測定装置１は、測定対象物９までの距離または該距離の変位を算出するために、レーザ光が出力されてから測定対象物９にて反射して戻ってくるまでのレーザ光の飛行時間を算出する。

距離測定装置１のコントローラ１１は、不図示のメモリ内のプログラムを読み込んで各種の処理を行うプロセッサを備え、距離測定装置１全体を制御する。コントローラ１１は、カレントドライバ１２を介して半導体レーザ１３のレーザ素子１３１を定電流で駆動制御する。コントローラ１１は、レーザ光の飛行時間の測定中、レーザ光の出力が一定のまま継続するようにレーザ素子１３１を駆動制御する。

レーザ素子１３１は、端面発光型のレーザーダイオードであり、一端面からレーザ光を出力する。また、レーザ素子１３１は、一端面と反対の端面から、レーザ光の出力方向と反対方向にバックビームを出力する。バックビームの光軸は、レーザ光の光軸と同一直線上にある。

バックビームは、半導体レーザ１３に内蔵されるフォトダイオード１３２にて受光される。フォトダイオード１３２は、レーザ素子１３１に近接して設置され、レーザ素子１３１と一体にパッケージングされている。

レーザ素子１３１は、高温になる程、発光効率が下がり、環境温度によってレーザ光の出力が変動する。ここで、バックビームの強度は、レーザ光の出力に比例する。そこで、バックビームをモニタリングすることで、レーザ光の出力を一定にするフィードバック制御を行うことが知られる。

本実施形態では、半導体レーザ１３に内蔵されるバックビームのモニタリング用のフォトダイオード１３２を利用して、取得部１４がレーザ光の飛行時間を算出する。

具体的に、取得部１４は、フォトダイオード１３２がバックビームを受光し始めるタイミングを、レーザ光を測定対象物９に向けて出力するタイミング、すなわち、レーザ光の飛行時間の測定開始タイミングとする。

レーザ素子１３１が出力するレーザ光は、コリメートレンズ１５を介して測定対象物９に照射される。測定対象物９にて反射したレーザ光は、レーザ素子１３１内に入射する。レーザ素子１３１内に入射するレーザ光が、レーザ素子１３１内において、出力するレーザ光と共振することにより、バックビームの出力が上がる。

そこで、取得部１４は、バックビームの出力が上がることによりフォトダイオード１３２の出力が上がるタイミングを、レーザ光が測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってくるタイミング、すなわち、レーザ光の飛行時間の測定終了タイミングとする。

取得部１４は、フォトダイオード１３２の出力に基づき、レーザ素子１３１がレーザ光を出力し始めるタイミングと、レーザ光が測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってくるタイミングとの差をレーザ光の飛行時間として取得する。

取得部１４は、レーザ光の飛行時間をカウントし、レーザ光の飛行時間を示す信号をコントローラ１１に出力する。

このような取得部１４は、フォトダイオード１３２が出力する電流を電圧に変換する不図示の変換回路、変換回路を経たフォトダイオード１３２の出力を増幅する増幅器１４１、増幅器１４１を経たフォトダイオード１３２の出力が入力される第１、第２コンパレータ１４２，１４３、第１、第２コンパレータ１４２，１４３の後段に設置されるゲート部１４４およびカウンタ１４５を備える。第１、第２コンパレータ１４２，１４３、ゲート部１４４、およびカウンタ１４５については後述する。

コントローラ１１は、レーザ光の飛行時間に基づき、測定対象物９までの距離を算出する。また、コントローラ１１は、半導体レーザ１３およびコリメートレンズ１５と、測定対象物９とをレーザ光の光軸に直交する方向（図３の紙面上下方向）に相対移動させることで、測定対象物９までの距離の変位を算出でき、測定対象物９の表面形状を測定できる。

図４は、フォトダイオード１３２の出力を示す図である。図４では、横軸が時間を示し、縦軸がフォトダイオード１３２の出力を示す。
レーザ素子１３１がレーザ光を出力していない時は、フォトダイオード１３２の出力はゼロとなる。なお、レーザ光を出力しやすいように、レーザ素子１３１に常時微量のバイアス電流を入力してレーザ素子１３１を微発光させる場合がある。この場合、フォトダイオード１３２の出力は、測定用のレーザ光を出力するタイミングｔ１までの間、微弱なバックビームの受光量に対応する値となる。

レーザ素子１３１がレーザ光の出力を開始するタイミングｔ１では、フォトダイオード１３２の出力は、バックビームの受光量分、上がる。

第１コンパレータ１４２は、出力が２値であり、フォトダイオード１３２の出力が閾値ｔｈ１（第１閾値）を超えるか否かで出力が異なる。具体的に、第１コンパレータ１４２は、第１入力端子に入力されるフォトダイオード１３２の出力電圧が、第２入力端子に入力される閾値としての基準電圧ｔｈ１を超える場合に出力電圧がHighとなり、フォトダイオード１３２の出力電圧が基準電圧ｔｈ１未満の場合に出力電圧がLowとなる。

これにより、第１コンパレータ１４２の出力がHighの場合、レーザ素子１３１がレーザ光の出力を開始し始めたと判定できる。なお、閾値ｔｈ１は、タイミングｔ１におけるフォトダイオード１３２の出力より低い値に設定される。閾値ｔｈ１は、レーザ素子１３１にバイアス電流を入力する場合、バイアス電流によるバックビームを受光する際のフォトダイオード１３２の出力より高い値に設定される。

測定対象物９にて反射したレーザ光がレーザ素子１３１に戻ってきてレーザ素子１３１内に入射するタイミングｔ２では、戻ってきたレーザ光によりレーザ素子１３１内で共振が生じ、バックビームの出力が上がる。そのため、タイミングｔ２において、バックビームを受光するフォトダイオード１３２の出力はさらに上がる。

第２コンパレータ１４３は、第１コンパレータ１４２と同様の構成であり、閾値ｔｈ２のみが第１コンパレータ１４２と異なる。閾値ｔｈ２は、タイミングｔ２におけるフォトダイオード１３２の出力より低く、タイミングｔ１におけるフォトダイオード１３２の出力より高い値に設定される。

これにより、第２コンパレータ１４３の出力がHighの場合、測定対象物９にて反射したレーザ光がレーザ素子１３１に戻ったと判定できる。

距離測定装置１から測定対象物９までの距離や、測定対象物９の反射率によって、測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってくるレーザ光の強度が変わる。そのため、レーザ光がレーザ素子１３１に戻ってきたか否かを判定するための閾値ｔｈ２および閾値ｔｈ１（各コンパレータ１４２，１４３の基準電圧ｔｈ１、ｔｈ２）は、コントローラ１１によって任意に設定変更できるようになっている。

図５は、ゲート部１４４及びカウンタ１４５の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。
ゲート部１４４は、第１コンパレータ１４２の出力がHighであり、かつ、第２コンパレータの出力がLowの場合、Highを出力し、第１、第２コンパレータ１４２，１４３の出力の組み合わせがそれ以外の場合、Lowを出力する。

すなわち、ゲート部１４４は、レーザ光が出力されてから測定対象物９にて反射して戻ってくるまでの間、出力がHighとなる。

カウンタ１４５は、ゲート部１４４の出力がHighの間、クロックを計測し、レーザ光の飛行時間を算出する。

コントローラ１１は、カウンタ１４５の計測値に基づき、測定対象物９までの距離または該距離の変位を算出する。

例えば、コントローラ１１は、距離測定装置１（レーザ素子１３１）から測定対象物９までの距離Ｌを以下の式（１）により算出する。式（１）において、カウンタ１４５が計測するレーザ光の飛行時間をｔとし、レーザ光の速さをｃとする。
Ｌ＝１／２×ｔ×ｃ・・・（１）

以下、距離測定装置１による距離測定処理を図６のフローチャートを参照して簡略に説明する。
距離測定装置１は、レーザ素子１３１によりレーザ光を出力する（Ａｃｔ１）。

レーザ素子１３１は、レーザ光を出力する際にバックビームも出力するので、このバックビームをフォトダイオード１３２によって検出することで、レーザ素子１３１がレーザ光を出力していると判定できる。

そこで、距離測定装置１は、フォトダイオード１３２の出力が、バックビームの受光を示す閾値ｔｈ１を超えるか否かをモニタリングする（Ａｃｔ２）。

距離測定装置１は、フォトダイオード１３２の出力が閾値ｔｈ１を超える場合（Ａｃｔ２：ＹＥＳ）、フォトダイオード１３２の出力が閾値ｔｈ１を超える該タイミングｔ１を、レーザ素子１３１がレーザ光を出力し始めるタイミングと判定する。距離測定装置１は、該タイミングｔ１でレーザ光の飛行時間を計測し始める（Ａｃｔ３）。

レーザ光が測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってくると、レーザ素子１３１内にて、戻ってきたレーザ光が出力するレーザ光と共振し、バックビームの出力が増大する。従って、バックビームの出力の増大をフォトダイオード１３２によって検出することで、レーザ光が測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってきたと判定できる。

そこで、距離測定装置１は、フォトダイオード１３２の出力が、レーザ光がレーザ素子１３１に戻ってきたことを示す閾値ｔｈ２を超えるか否かをモニタリングする（Ａｃｔ４）。

距離測定装置１は、フォトダイオード１３２の出力が閾値ｔｈ２を超える場合（Ａｃｔ４：ＹＥＳ）、該タイミングｔ２を、レーザ光が測定対象物９にて反射してレーザ素子１３１に戻ってきたタイミングと判定する。距離測定装置１は、該タイミングｔ２でレーザ光の飛行時間の計測を終了する（Ａｃｔ５）。

距離測定装置１は、レーザ光の飛行時間に基づき、測定対象物９までの距離または該距離の変位を算出する（Ａｃｔ６）。

（第２実施形態）
図７は、距離測定装置１の要部の構成を示す図である。
距離測定装置１は、ガルバノミラー１６を備える点が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。

ガルバノミラー１６は、不図示の駆動手段によって任意の方向に傾斜可能であり、レーザ光を２次元方向の任意の方向に向けることができる。本実施形態では、レーザ光の出力方向を座標（Ｘ，Ｙ）で指定できるようになっており、コントローラ１１は、座標（Ｘ，Ｙ）の位置にレーザ光が照射されるように、ガルバノミラー１６の角度を制御する。

図８は、測定対象物９における各測定位置を示す図である。
コントローラ１１は、ガルバノミラー１６を駆動し、副走査方向における座標がＹ０の位置において主走査方向にレーザ光を走査する。

コントローラ１１は、まず位置（Ｘ０，Ｙ０）（第１位置）にレーザ光を照射し、該位置（Ｘ０，Ｙ０）でのレーザ光の飛行時間の測定を行う。コントローラ１１は、この際、位置（Ｘ０，Ｙ０）でのレーザ光の飛行時間の測定が終了するまで、レーザ光の照射位置を該位置（Ｘ０，Ｙ０）に維持する。

続いて、コントローラ１１は、ガルバノミラー１６を駆動し、主走査方向に一座標ずれた位置（Ｘ１，Ｙ０）にレーザ光の照射位置を移動させ、該位置（Ｘ１，Ｙ０）（第２位置）でのレーザ光の飛行時間の測定を行う。

このようにして、コントローラ１１は、レーザ光を一座標ずつ主走査方向にずらしていき、レーザ光を主走査方向に走査する。そして、コントローラ１１は、主走査方向の各座標位置でのレーザ光の飛行時間を測定していく。

コントローラ１１は、主走査方向の測定が終了すると、主走査方向に直交する副走査方向に一座標分ずれた位置Ｙ１においてレーザ光を主走査方向に走査し、該主走査方向の各座標位置（Ｘ１，Ｙ１）（Ｘ２、Ｙ１）・・でのレーザ光の飛行時間を測定していく。

コントローラ１１は、このようにして取得した各座標位置のレーザ光の飛行時間に基づき、各座標位置までの距離や、各座標位置における距離の変位すなわち測定対象物９の表面形状を算出する。

なお、レーザ光の走査パターンは、Ｘ−Ｙ平面内で上記のようにジグザグ状に行ってもよいし、渦巻状に行ってもよく、適宜でよい。

（効果）
第１、第２実施形態では、バックビームを一つのフォトダイオード１３２でモニタリングし、レーザ光の飛行時間の測定開始タイミングｔ１および測定終了タイミングｔ２を得る。従って、第１、第２実施形態では、ハーフミラー８５や複数のフォトダイオード８６，８８を用いる図２の従来構成に比べ、装置構成を簡素にできるとともに装置を小型化できる。

第１、第２実施形態では、半導体レーザ１３に内蔵されるモニタリング用のフォトダイオード１３２を利用するので、既製品の半導体レーザ１３を利用でき、容易に距離測定装置１、１Ａを作成できる。

１，１Ａ…距離測定装置、９…測定対象物、１３…半導体レーザ、１３１…レーザ素子、１３２…フォトダイオード、１４…取得部、１６…ガルバノミラー（ミラー）、１４２…第１コンパレータ、１４３…第２コンパレータ、１４５…カウンタ、ｔ１…第１タイミング、ｔ２…第２タイミング、ｔｈ１…第１閾値、ｔｈ２…第２閾値。

Claims (5)

1. レーザ素子によりレーザ光を出力するとともに、内蔵するフォトダイオードによって前記レーザ素子が出力するバックビームを受光する半導体レーザと、
   前記レーザ素子から前記測定対象物までの距離または前記距離の変位を算出するために、前記レーザ素子が前記レーザ光を出力し始めることにより前記フォトダイオードの出力が第１閾値を超える第１タイミングと、前記レーザ光が前記測定対象物にて反射して前記レーザ素子に戻ってくることにより前記フォトダイオードの出力が前記第１閾値より高い第２閾値を超える第２タイミングとの間の時間をカウントし、前記カウントした時間を、前記レーザ光が出力されてから前記測定対象物にて反射して戻ってくるまでの前記レーザ光の飛行時間として取得する取得部と、
   を備える距離測定装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記取得部は、
   前記フォトダイオードの出力が前記第１閾値を超えるか否かで異なる出力を行う第１コンパレータと、
   前記フォトダイオードの出力が前記第２閾値を超えるか否かで異なる出力を行う第２コンパレータと、
   前記第１コンパレータの出力が、前記フォトダイオードの出力が前記第１閾値を超えた際の出力であり、かつ、前記第２コンパレータの出力が、前記フォトダイオードの出力が前記第２閾値未満である際の出力である間の時間を、前記飛行時間としてカウントするカウンタと、を備え、
   前記第１閾値および第２閾値を変更できる距離測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の装置において、
   前記レーザ素子は、前記飛行時間の測定中は、前記レーザ光の出力を継続する距離測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の装置において、
   前記レーザ素子が出力する前記レーザ光を反射し、前記レーザ光の出力方向を変更するミラーと、
   前記ミラーの角度を制御し、前記レーザ光を主走査方向に走査した後、副走査方向にずれた位置で前記レーザ光を前記主走査方向に走査するコントローラと
   を備える距離測定装置。
5. 請求項４に記載の装置において、
   前記コントローラは、前記測定対象物の第１位置での前記飛行時間の測定が終了するまで前記レーザ光の照射位置を前記第１位置に維持し、前記第１位置での前記飛行時間の測定が終了すると、前記測定対象物における前記第１位置から前記主走査方向にずれた第２位置に前記レーザ光の照射位置を移動させる距離測定装置。