JP2018146501A - レーザー距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】近距離での集光効率を向上させること。【解決手段】実施形態のレーザー距離計測装置は、コリメートレンズと、集光部と、計測部とを備える。コリメートレンズは、光源から出射された出力光を平行光にする。集光部は、コリメートレンズから出射された出力光の反射光を検出器に対して集光させる。計測部は、検出器によって検出された反射光に基づいて、出力光を反射した物体までの距離を計測する。集光部は、反射光の集光部への入射角度が変化する方向に分散した状態で反射光を検出器に集光させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー距離計測装置に関する。

従来、物体に対してレーザー光を出射して、物体によって反射された反射光に基づいて物体までの距離を計測する技術が知られている。かかる技術が適用されたレーザー距離計測装置は、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれ、種々の分野に応用されている。

特開２００７−１０５５６号公報

上述したレーザー距離計測装置は、例えば、コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置され、光源から出射されたレーザー光をコリメートレンズによって平行光にし、物体に照射する。ここで、物体とは、レーザー距離計測装置の周囲に存在する測定対象物であり、光源から出射されたレーザー光が照射され、レーザー距離計測装置に対してレーザー光を反射させる全ての物を含む。レーザー距離計測装置は、物体によって反射された反射光を集光レンズによって光検出器に集光させることで、反射光を検出する。ここで、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にない（コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置されている）レーザー距離計測装置では、集光レンズに入射される反射光は、物体までの距離に応じて入射角が変化する。すなわち、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にないレーザー距離計測装置では、物体までの距離が遠くなるほど反射光の集光レンズへの入射角が小さくなり、物体までの距離が近いほど反射光の集光レンズへの入射角は大きくなる。

例えば、物体までの距離が遠く、反射光の入射角が小さい場合、集光レンズで集光された反射光は、光検出器の集光点に良好に集光される。しかしながら、物体までの距離が近く、反射光の入射角が大きい場合、集光レンズで集光された反射光が光検出器の集光点から外れ、反射光の検出が困難となる場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、近距離での集光効率を向上させることができるレーザー距離計測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザー距離計測装置は、光源から出射された出力光を平行光にするコリメートレンズと、前記コリメートレンズから出射された前記出力光の反射光を検出器に対して集光させる集光部と、前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部とを備え、前記集光部は、前記反射光の前記集光部への入射角度が変化する方向に分散した状態で前記反射光を前記検出器に集光させる。

本発明の一態様によれば、近距離での集光効率を向上させることができる。

図１は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す上面図及び正面図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る集光部を介した反射光の経路を示す図である。 図２Ｂは、第１の実施形態に係る集光部を介した反射光の経路を示す図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係る集光部を介した反射光の経路を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る集光部から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。 図４Ａは、第１の実施形態に係る集光部から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。 図４Ｂは、第１の実施形態に係る集光部から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。 図５Ａは、第１の実施形態に係る光検出器の配置の一例を示す図である。 図５Ｂは、第１の実施形態に係る光検出器の配置の一例を示す図である。 図６は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。 図７Ａは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す上面図である。 図７Ｂは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。 図７Ｃは、集光レンズから集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。 図８は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。 図９は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１０Ａは、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す断面図である。 図１０Ｂは、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す正面図及び側面図である。

以下、実施形態に係るレーザー距離計測装置について図面を参照して説明する。なお、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成を示す上面図及び正面図である。ここで、図１においては、上図にレーザー距離計測装置１００の上面図を示し、下図に正面図を示す。図１に示すように、レーザー距離計測装置１００は、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、集光部１３０と、光検出器１４０ａと、受光回路基板１４０ｂと、制御回路基板１５０とを備え、各構成が筐体内に収められている。ここで、各構成を収める筐体は、コリメートレンズ１２０及び集光部１３０側に光を透過する窓を有しており、コリメートレンズ１２０及び集光部１３０は、該窓の位置に配置される。なお、集光部１３０の外側の窓は、可動式の絞り羽根によって形成され、入射瞳のサイズを可変とするように形成されてもよい。また、本実施形態においては、図１に示すように、レーザー距離計測装置１００において正面から見た場合の、横方向をＸ方向とし、縦方向をＹ方向とし、奥行方向をＺ方向とする。

レーザー距離計測装置１００は、光源１１０ａから出射した出力光（例えば、レーザー光）をコリメートレンズ１２０によって平行光として対象空間に出射し、対象空間内の物体（測定対象物）によって反射された反射光を集光部１３０によって光検出器１４０ａに集光させることで、物体によって反射された反射光を検出する。そして、レーザー距離計測装置１００は、検出した反射光に基づいて、物体までの距離を計測する。ここで、レーザー距離計測装置１００は、集光部１３０に平凸レンズ１３１と、シリンドリカルレンズ１３２とを備えることにより、近距離での集光効率を向上させることができる。具体的には、集光部１３０は、反射光の入射角が変化する方向に反射光を分散させた状態で光検出器１４０ａに集光させることで、近距離にある物体からの反射光の集光効率を向上させる。以下、レーザー距離計測装置１００の詳細について説明する。また、以下では、物体によって反射され、レーザー距離計測装置１００に戻ってきた反射光を戻り光とも記載する。

光源１１０ａは、レーザーダイオード（Laser Diode:ＬＤ）などの発光素子であり、発光回路基板１１０ｂに配設された駆動回路からの駆動信号に応じて、コリメートレンズ１２０に対して出力光（レーザー光）を出射する。ここで、光源１１０ａは、レーザー光の光軸が水平方向に出射され、かつ、該光軸がコリメートレンズ１２０から出射される平行光の光軸と揃うように、発光回路基板１１０ｂ上に配設されている。

発光回路基板１１０ｂは、光源１１０ａからレーザー光を出射させる駆動回路が配設され、制御回路基板１５０からの制御信号に応じて駆動信号を光源１１０ａに出力する。ここで、発光回路基板１１０ｂは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、長手方向の上側において、光源１１０ａから出射されるレーザー光の光軸がコリメートレンズ１２０から出射される平行光の光軸と揃う位置に光源１１０ａが配設されている。

コリメートレンズ１２０は、光源１１０ａのレーザー光の出射面の前方において、光軸が光源１１０ａから出射されるレーザー光の光軸と揃う位置に配置されている。ここで、コリメートレンズ１２０は、図１に示すように、鉛直方向における中心が集光部１３０（平凸レンズ１３１）の中心と一致するように配置されている。そして、コリメートレンズ１２０は、光源１１０ａから出射されたレーザー光を平行光にして対象空間に出射する。

集光部１３０は、平凸レンズ１３１と、シリンドリカルレンズ１３２とを備え、レーザー距離計測装置１００の外側から平凸レンズ１３１、シリンドリカルレンズ１３２の順に配置される。ここで、平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２は、例えば、同一の直径の円形状に形成され、平凸レンズ１３１の平面とシリンドリカルレンズ１３２の平面とが接触した状態で配置される。平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２とを備える集光部１３０は、光検出器１４０ａの検出面の前方に配置され、鉛直方向における中心がコリメートレンズ１２０の中心と一致するように配置されている。そして、集光部１３０は、コリメートレンズ１２０によって出射された平行光が物体によって反射された戻り光を光検出器１４０ａに対して集光させる。ここで、集光部１３０は、それぞれ別体で形成された平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２とを接触させて形成される場合であってもよく、或いは、平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２とが一体に成形される場合であってもよい。また、集光部１３０は、それぞれ別体で形成された平凸レンズ１３１の平面とシリンドリカルレンズ１３２の平面とを対向させ、間に隙間のある状態で形成される場合であってもよい。この場合、平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２との間の距離に応じて、光検出器１４０ａの奥行き方向（Ｚ方向）位置が調整される。なお、集光部１３０による集光の詳細については、後述する。

光検出器１４０ａは、検出面の中心が集光部１３０による戻り光を受光可能となる位置に配置され、集光部１３０によって集光される戻り光を検出する。例えば、光検出器１４０ａは、光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）や光照射による電気抵抗変化を利用したＣｄＳ、ＰｂＳなどの光電導素子、半導体のｐｎ接合を利用した光起電力型のフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）などである。フォトダイオードとしては、例えば、ＰＮフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどである。

受光回路基板１４０ｂは、増幅回路などが配設され、光検出器１４０ａによって検出された戻り光を増幅して制御回路基板１５０に出力する。ここで、受光回路基板１４０ｂは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、上端に光検出器１４０ａが配設されている。

制御回路基板１５０は、レーザー距離計測装置１００の全体制御を行う回路が配設される。例えば、制御回路基板１５０は、発光回路基板１１０ｂを制御して、光源１１０ａからのレーザー光の出射を制御する。また、制御回路基板１５０は、光検出器１４０ａによって検出された戻り光に基づいて、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する種々の回路が配設される。

例えば、制御回路基板１５０は、ＴＯＦ（Time of Flight）方式の距離測定を行うための回路、或いは、位相差方式の距離計測を行うための回路などが配設される。ＴＯＦ方式の距離測定を行う場合、制御回路基板１５０は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との遅延時間から距離を演算するための回路が配設される。一方、位相差方式の距離計測を行う場合、制御回路基板１５０は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との位相差を算出し、算出した位相差から距離を演算するための回路が配設される。

以上、レーザー距離計測装置１００の構成について説明した。次に、集光部１３０の詳細について説明する。上述したように、レーザー距離計測装置１００は、反射光を集光する集光部１３０として、平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２とを有する。そして、集光部１３０は、コリメートレンズ１２０と集光部１３０との配列方向に分散した状態で反射光を光検出器１４０ａに集光させる。すなわち、集光部１３０は、平凸レンズ１３１とシリンドリカルレンズ１３２によって、反射光の入射角が変化する方向に反射光を分散させた状態で光検出器１４０ａに集光させることで、近距離にある物体からの反射光の集光効率を向上させる。ここで、集光部１３０は、コリメートレンズ１２０と集光部１３０との配列方向に直交する方向に反射光を集光させることで、戻り光の集光をより効率よく行う。

上述したように、一般的なレーザー距離計測装置においては、レーザー光を反射する物体までの距離に応じて、集光レンズに入射される反射光の入射角が変化する。例えば、物体までの距離が近い場合、反射光の入射角が大きくなる。この場合、集光レンズによって集光される反射光の位置がずれ、光検出器の集光点から外れるため、反射光の検出が困難となる。

そこで、レーザー距離計測装置１００においては、集光部１３０が物体までの距離に応じて集光位置が変化する方向に反射光を分散させた状態で集光させることで、近距離にある物体によって反射された戻り光でも光検出器１４０ａによって検出可能とする。例えば、集光部１３０においては、平凸レンズ１３１は、平面がシリンドリカルレンズ１３２の平面と接し、凸面がレーザー距離計測装置１００の外側に向けられて配置される。すなわち、平凸レンズ１３１は、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が物体によって反射された戻り光を受光して、光検出器１４０ａに対して集光させながら、シリンドリカルレンズ１３２に対して戻り光を出射する。

シリンドリカルレンズ１３２は、平面が平凸レンズ１３１の平面と接し、凸面がレーザー距離計測装置１００の内側（光検出器１４０ａ側）に向けて配置される。ここで、シリンドリカルレンズ１３２は、平凸レンズ１３１から出射された反射光を、コリメートレンズ１２０と集光部１３０との配列方向に分散した状態で該配列方向に直交する方向に集光させる。すなわち、シリンドリカルレンズ１３２は、物体までの距離に応じて集光位置が変化する方向と平行な直線上に反射光を集光するように配置される。換言すると、シリンドリカルレンズ１３２は、集光位置が変化する方向と直交する方向に円弧状となるように配置される。そして、シリンドリカルレンズ１３２は、平凸レンズ１３１を介して入射された戻り光を光検出器１４０ａに対して集光させる。

図２Ａ〜図２Ｃは、第１の実施形態に係る集光部１３０を介した反射光の経路を示す図である。ここで、図２Ａは、ＸＺ平面における反射光の経路を示し、図２Ｂは、ＹＺ平面における反射光の経路を示す。また、図２Ｃは、３次元空間における反射光の経路を示す。例えば、集光部１３０においては、図２Ａに示すように、平凸レンズ１３１が、物体によって反射された戻り光を受光し、受光した戻り光を所定の集光点（光検出器１４０ａにおける集光点）に対して集光させつつ、シリンドリカルレンズ１３２に出射する。シリンドリカルレンズ１３２は、平凸レンズ１３１を介して入射した戻り光を光検出器１４０ａに対して集光させる。

ここで、シリンドリカルレンズ１３２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、戻り光がＸ方向に分散した状態で、Ｙ方向に集光するように、光検出器１４０ａに集光させる。すなわち、集光部１３０は、図２Ｃに示すように、光検出器１４０ａの集光面でＹ方向のスポットサイズが小さくなり、かつ、Ｘ方向に分散されるように戻り光を集光する。これにより、例えば、コリメートレンズ１２０から出射された平行光の戻り光を集光する際に、集光位置が距離に応じてＸ方向にずれたとしても、Ｘ方向に分散された戻り光の一部を光検出器１４０ａが検出することができる。以下、集光部１３０の一例を挙げて説明する。

例えば、集光部１３０（平凸レンズ１３１及びシリンドリカルレンズ１３２）の直径を「２０ｍｍ」、コリメートレンズ１２０の直径を「６ｍｍ」で形成し、それらの中心間距離が「１５ｍｍ」となるように配置する。ここで、コリメートレンズ１２０から物体までの距離を「１５０ｍｍ」とすると、コリメートレンズ１２０から出射される平行光の光軸と物体からの戻り光の光軸とのなす角は「θ＝５．７°（＝ａｔａｎ１５／１５０）」となる。この条件において、平凸レンズ１３１「レンズ材質：Ｎ−ＳＦ１１、厚み：４．９ｍｍ、曲率半径：３０ｍｍ」、シリンドリカルレンズ１３２「レンズ材質：Ｎ−ＳＦ１１、厚み：５ｍｍ、曲率半径：４９．９２ｍｍ」で形成し、入射瞳径を「１５ｍｍ」、レーザーの波長を「９０５ｍｍ」とした場合のシミュレーションの結果を図３〜図４Ｂを用いて説明する。

図３〜図４Ｂは、第１の実施形態に係る集光部１３０（平凸レンズ１３１及びシリンドリカルレンズ１３２）から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。ここで、図３においては、戻り光が平凸レンズ１３１の集光面に対して垂直に入射した場合（入射角θ＝０°）のシミュレーションを実線１１で示す。また、図３においては、戻り光が平凸レンズ１３１の集光面に対して「入射角θ＝５．７°」で入射した場合のシミュレーションを破線１２で示す。また、図４Ａは、「入射角θ＝０°」の場合の集光面におけるスポットダイヤグラムを示し、図４Ｂは、「入射角θ＝５．７°」の場合の集光面におけるスポットダイヤグラムを示す。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおけるスポットダイヤグラムでは、縦横に１ｍｍ間隔の直線を示す。

上述したシミュレーションの結果、図３に示すように、垂直に入射した場合と比較して、「入射角θ＝５．７°」で入射した戻り光は、集光点が「３．２３５ｍｍ」移動する。このとき、実線１１で示す「入射角θ＝０°」の場合の戻り光は、図４Ａに示すように、Ｘ方向に「約５ｍｍ」、Ｙ方向に「約０．５ｍｍ」の範囲で分散したスポットダイヤグラム（Ｘ方向に長い楕円型のダイヤグラム）を示す。また、破線１２で示す「入射角θ＝５．７°」の場合の戻り光も、図４Ｂに示すように、Ｘ方向に「約５ｍｍ」、Ｙ方向に「約０．５ｍｍ」の範囲で分散したスポットダイヤグラム（Ｘ方向に長い楕円型のダイヤグラム）を示す。

このように、上記した条件で形成された集光部１３０では、「入射角θ＝０°」の場合と「入射角θ＝５．７°」の場合とで同様のスポットダイヤグラムを示し、戻り光が「入射角θ＝５．７°」で入射した場合に、Ｘ方向に「約３．２ｍｍ」ずれることとなる。従って、Ｘ方向において、このずれに応じた位置に光検出器１４０ａを配置することで、戻り光が「入射角θ＝５．７°」で入射した場合でも戻り光を検出することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、第１の実施形態に係る光検出器１４０ａの配置の一例を示す図である。例えば、光検出器１４０ａは、レンズ中央からＸ方向に「−３．２ｍｍ（コリメートレンズ１２０側とは反対側に３．２ｍｍ）」ずらした位置に配置することで、「入射角θ＝０°」の場合には、図５Ａに示すように、戻り光におけるコリメートレンズ１２０側とは反対側の一部分を受光することができる。また、光検出器１４０ａは、「入射角θ＝５．７°」の場合には、図５Ｂに示すように、戻り光におけるコリメートレンズ１２０側の一部分を受光することができる。すなわち、集光部１３０は、遠距離にある物体だけではなく、近距離にある物体によって反射された戻り光を光検出器１４０ａに集光させることができる。

次に、図６を用いて、レーザー距離計測装置１００による距離計測の処理について説明する。図６は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成の一例を示すブロック図である。なお、図６においては、ＴＯＦ方式による距離計測を行う場合を一例に挙げて説明する。図６に示すように、レーザー距離計測装置１００の制御回路基板１５０は、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）回路１５１と、信号処理回路１５２と、制御回路１５３とを有する。なお、信号処理回路１５２は、計測部とも記載される。

制御回路１５３は、発光回路基板１１０ｂに配設された駆動回路１１１ｂを駆動させることで、光源１１０ａからレーザー光を出射させる。例えば、制御回路１５３は、任意の周期のパルス信号を駆動回路１１１ｂに出力する。駆動回路１１１ｂは、パルス信号に同期して駆動信号を生成して光源１１０ａに出力することで、光源１１０ａを駆動させる。光源１１０ａは、駆動回路１１１ｂから入力された駆動信号により駆動され、レーザー光をパルス出射する。ここで、制御回路１５３によって出力されるパルス信号は、リファレンスクロックとして、ＴＤＣ回路１５１に出力される。

増幅回路１４１ｂは、光検出器１４０ａによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してＴＤＣ回路１５１に出力する。ＴＤＣ回路１５１は、制御回路１５３から入力されたパルス信号と、増幅回路１４１ｂから入力された電気信号との時間差を示すデジタル信号を信号処理回路１５２に出力する。信号処理回路１５２は、ＴＤＣ回路１５１から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから物体までの距離を算出する。ここで、信号処理回路１５２は、戻り光の電気信号に基づいて、物体までの距離を補正することも可能である。物体によって反射され、レーザー距離計測装置１００に戻ってくる戻り光は、物体までの距離に応じて光量が減少し、このような光量の減少は、検出結果に誤差を生じさせる場合もある。そこで、信号処理回路１５２は、戻り光の電気信号に基づいて、光量に応じた補正を行うことも可能である。

上述したように、第１の実施形態によれば、集光部１３０により近距離にある物体からの戻り光を精度よく集光することができ、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。

図７Ａは、一般的なレーザー距離計測装置２００の構成を示す上面図である。また、図７Ｂは、一般的なレーザー距離計測装置２００の構成を示す正面図である。例えば、一般的なレーザー距離計測装置２００は、図７Ａに示すように、光源２１０ａと、コリメートレンズ２２０と、集光レンズ２３０と、光検出器２４０ａとを有する。ここで、レーザー距離計測装置２００では、図７Ａに示すように、光源２１０ａから出射されたレーザー光をコリメートレンズ２２０が平行光にして対象空間に出射する。そして、レーザー距離計測装置２００では、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２３０とが並列に配置される。つまり、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２３０とが中心軸を異にして横並びに配列される。なお、図示していないが、レーザー距離計測装置２００は、発光回路基板、受光回路基板及び制御回路基板を有する。

ここで、例えば、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２３０が、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００と同様のサイズで配置された場合、レーザー距離計測装置２００は、近距離の物体からの戻り光を検出することが困難となる。すなわち、図７Ｂに示すように、集光レンズ２３０の直径を「２０ｍｍ」とし、コリメートレンズ２２０の直径を「６ｍｍ」とし、集光レンズ２３０の中心とコリメートレンズ２２０の中心との距離が「１５ｍｍ」となるように各構成を配置する。そして、コリメートレンズ２２０から物体までの距離が「１５０ｍｍ」の場合、レーザー光の光軸と近距離にある物体からの戻り光の光軸とのなす角は、「θ＝５．７°」となる。

図７Ｃは、集光レンズ２３０から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。ここで、図７Ｃにおいては、戻り光が集光レンズ２３０の集光面に対して垂直に入射した場合（入射角θ＝０°）のシミュレーションを実線１３で示す。また、図７Ｃにおいては、戻り光が集光レンズ２３０の集光面に対して「入射角θ＝５．７°」で入射した場合のシミュレーションを破線１４で示す。また、シミュレーション条件は集光レンズ２３０が直径「２０ｍｍ」の平凸レンズ、レンズの曲率半径が「１９．６２ｍｍ」、レンズ材質が「Ｎ−ＳＦ１１」、入射瞳径が「１５ｍｍ」、レーザーの波長が「９０５ｍｍ」である。

上述したシミュレーションの結果、図７Ｃに示すように、垂直に入射した場合と比較して、「入射角θ＝５．７°」で入射した戻り光は、集光点が「約２．４ｍｍ（２．４４３９ｍｍ）」移動する。したがって、光検出器２４０ａの受光面の直径サイズが「０．５ｍｍ」の場合、入射光が光検出器２４０ａの受光面から外れることとなる。すなわち、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２３０のレンズ間距離（中心間距離）が「１５ｍｍ」で、物体までの距離が「１５０ｍｍ」付近になると、レーザー距離計測装置２００は、戻り光が不足して測定が困難になる。

上述したように、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００は、近距離での集光効率を向上させることができ、近距離の位置にある物体までの距離を正確に計測することができる。また、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００は、コリメートレンズ１２０と集光部１３０との中心間距離が長くなった場合でも、戻り光を光検出器１４０ａに集光させることができ、大径の集光部を用いたより遠距離の距離計測を行うことができる。例えば、長距離の距離計測を行う場合、戻り光の光量が少なくなるためより大径の集光レンズが必要となる。しかしながら、一般的なレーザー距離計測装置の場合、大径の集光レンズを使用すると、コリメートレンズと集光レンズとの中心間距離が長くなるため戻り光の入射角が大きくなり、近距離での計測が困難となる。一方、レーザー距離計測装置１００では、大径の集光部１３０を用いることでコリメートレンズ１２０と集光部１３０との中心間距離が長くなった場合でも、戻り光を光検出器１４０ａに集光させることができるため、より長距離の距離計測を行いつつ、近距離の距離計測も行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。上述した第１の実施形態では、１つの方向にレーザー光を出射して、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する１次元の距離計測（１次元ＬｉＤＡＲ）について説明した。第２の実施形態では、２次元の距離計測（２次元ＬｉＤＡＲ）を行うレーザー距離計測装置について説明する。

図８は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａの構成を示す正面図である。また、図９は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａの構成の一例を示すブロック図である。第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００と比較して、基部１６０に回転部１６１と、固定部１６２と、モータ１６３と、駆動回路１６４を備える点が異なる。以下、この点を中心に説明する。

回転部１６１は、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、集光部１３０と、光検出器１４０ａと、受光回路基板１４０ｂと、制御回路基板１５０とを支持し、モータ１６３の回転軸を軸として回転可能に支持される。

固定部１６２は、モータ１６３を内包し、レーザー距離計測装置１００ａ全体を支持する。モータ１６３は、駆動回路１６４から出力される駆動信号に基づいて、回転軸を回転させることで、回転軸に支持される回転部１６１を回転させる。駆動回路１６４は、制御回路１５３から制御信号に基づいて駆動信号をモータ１６３に出力し、モータ１６３を駆動させる。

レーザー距離計測装置１００ａは、モータ１６３によって回転部１６１を回転させながら、上述した１次元の距離計測を行うことで、２次元の距離計測を行う。具体的には、まず、制御回路１５３は、駆動回路１６４に制御信号を出力することにより、モータ１６３を所定の速度で駆動させる。さらに、制御回路１５３は、モータ１６３を駆動させるための制御信号と対応付けたパルス信号を駆動回路１１１ｂに出力する。これにより、回転部１６１の回転角度ごとのパルス信号と戻り光の電気信号を検出することができる。駆動回路１１１ｂは、制御回路１５３からのパルス信号に同期して駆動信号を生成して光源１１０ａに出力することで、回転角度ごとに光源１１０ａからレーザー光をパルス出射させる。ここで、制御回路１５３によって回転角度ごとのパルス信号は、リファレンスクロックとして、ＴＤＣ回路１５１に出力される。

増幅回路１４１ｂは、光検出器１４０ａによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してＴＤＣ回路１５１に出力する。ＴＤＣ回路１５１は、制御回路１５３から入力された回転角度ごとのパルス信号と、増幅回路１４１ｂから入力された回転角度ごとの電気信号との時間差を示すデジタル信号をそれぞれ生成し、生成したデジタル信号を信号処理回路１５２に出力する。信号処理回路１５２は、ＴＤＣ回路１５１から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから回転角度ごとの物体までの距離を算出する。

上述したように、第２の実施形態によれば、２次元の距離計測においても、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。上述した第１の実施形態では、１次元の距離計測（１次元ＬｉＤＡＲ）について説明した。また、第２の実施形態では、２次元の距離計測（２次元ＬｉＤＡＲ）について説明した。第３の実施形態では、３次元の距離計測（３次元ＬｉＤＡＲ）を行うレーザー距離計測装置について説明する。ここで、上述した１次元ＬｉＤＡＲ及び２次元ＬｉＤＡＲでは、コリメートレンズ１２０と集光部１３０とを並べて配置したレーザー距離計測装置について説明したが、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置は、コリメートレンズ１２０から出射した平行光を装置の外部に出射する出射部が集光部１３０ａの内部に設けられた貫通孔に配置される。以下、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置の詳細について説明する。

図１０Ａは、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｂの構成を示す断面図である。ここで、図１０Ａにおいては、レーザー距離計測装置１００ｂの横断面を示す。また、図１０Ｂは、第３の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｂの構成を示す正面図及び側面図である。ここで、図１０Ｂにおいては、左図にレーザー距離計測装置１００ｂの正面図を示し、右図に側面図を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、レーザー距離計測装置１００ｂは、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、集光部１３０ａと、光検出器１４０ａと、受光回路基板１４０ｂと、制御回路基板１５０と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１７０と、ウェッジプリズム１８０とを備え、各構成が基部１６０によって支持されている。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、レーザー距離計測装置１００ｂの筐体を示していないが、実際には、各構成が図示しない筐体内に収められている。ここで、各構成を収める筐体は、ウェッジプリズム１８０及び集光部１３０ａ側に光を透過する窓を有している。また、ＭＥＭＳミラー１７０は偏向部の一例であり、ウェッジプリズム１８０は出射部の一例である。

そして、レーザー距離計測装置１００ｂは、光源１１０ａから出力した出力光（例えば、レーザー光）をコリメートレンズ１２０によって平行光として、ＭＥＭＳミラー１７０及びウェッジプリズム１８０を介して対象空間に出射し、対象空間内の物体によって反射された反射光を集光部１３０ａによって光検出器１４０ａに集光させることで、物体によって反射された反射光を検出する。そして、レーザー距離計測装置１００ｂは、検出した反射光に基づいて、物体までの距離を計測する。ここで、レーザー距離計測装置１００ｂは、対象空間に平行光を出射する出射部における出射面の側面の全周囲を集光部１３０ａで囲むように、集光部１３０ａの内側に出射部が配置される。

光源１１０ａは、発光回路基板１１０ｂに配設された駆動回路１１１ｂによって出力される駆動信号に基づいて、レーザー光を出力する。ここで、レーザー距離計測装置１００ｂにおいては、図１０Ａに示すように、光源１１０ａは、レーザー光の出力面が光検出器１４０ａの検出面に対向するように配置されている。すなわち、光源１１０ａは、レーザー距離計測装置１００ｂの内部に向かってレーザー光を出力する。

コリメートレンズ１２０は、光の入射面が光源１１０ａの出射面と対向するように配置され、光源１１０ａから出力されたレーザー光を平行光にしてＭＥＭＳミラー１７０に出射する。ＭＥＭＳミラー１７０は、反射面がコリメートレンズ１２０の出射面及びウェッジプリズム１８０の入射面に対向するように配置される。そして、ＭＥＭＳミラー１７０は、コリメートレンズ１２０から出射された平行光の出射方向が鉛直方向に沿って変化するように平行光を偏向させながら、ウェッジプリズム１８０に平行光を反射する。具体的には、ＭＥＭＳミラー１７０は、上下方向に角度を変化させる１軸タイプのミラーであり、コリメートレンズ１２０から出射されたレーザー光を上下方向に走査する。

ウェッジプリズム１８０は、集光部１３０ａの面内の平行光の光路上に配置され、集光部１３０ａによって支持されている。すなわち、図１０Ｂに示すように、ウェッジプリズム１８０は、集光部１３０ａに設けられた貫通孔に埋め込まれ、ＭＥＭＳミラー１７０によって反射された平行光を偏向させて対象空間に出射する。ここで、ウェッジプリズム１８０は、ＭＥＭＳミラー１７０によって出射方向が鉛直方向に沿って変化された平行光が入射され、入射された平行光を偏向させる。具体的には、ウェッジプリズム１８０は、ＭＥＭＳミラー１７０によって出射方向が変化された平行光が入射され、入射された平行光を集光部１３０ａの受光面に正対する方向に偏向させて出射する。例えば、ウェッジプリズム１８０は、ＭＥＭＳミラー１７０によって上下に走査される平行光を受光可能となるように、図１０Ｂに示すように、鉛直方向に延伸された形状を有し、ＭＥＭＳミラー１７０から受光した平行光を偏向させて出射する。

ここで、ウェッジプリズム１８０によって偏向される角度は、ＭＥＭＳミラー１７０が平行光を水平方向に反射する場合に、平行光の光軸が集光部１３０ａの受光面に直交する方向と平行となる角度である。すなわち、集光部１３０ａの内側に配置されたウェッジプリズム１８０が、ＭＥＭＳミラー１７０が平行光を水平方向に反射する場合に、集光部１３０ａの入射面に垂直な方向に平行光を出射する。従って、ウェッジプリズム１８０は、ＭＥＭＳミラー１７０の角度の変化に応じて、出射方向を鉛直方向に変化させながら対象空間に平行光を出射する。

なお、出射部としてウェッジプリズム１８０を用いることで、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０の配置の自由度を向上させることができ、戻り光の集光効率を向上させることができる。すなわち、レーザー距離計測装置１００ｂにおいては、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０を、集光部１３０ａと光検出器１４０ａとによって挟まれる空間外に配置させることができる。換言すると、集光部１３０によって光検出器１４０ａに集光される戻り光の光路外に光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０を配置させることができ、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０によって集光が阻害されることを抑止することができる。例えば、図１０Ａに示すように、集光部１３０ａの端部と光検出器１４０ａの端部とを結んで形成される空間外に光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０が配置される。すなわち、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０は、戻り光が集光部１３０ａによって光検出器１４０ａに集光される光路外に配置される。

集光部１３０ａは、集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２とを備え、レーザー距離計測装置１００ｂの外側から集光レンズ１３３、シリンドリカルレンズ１３２の順に配置される。そして、集光部１３０ａは、ウェッジプリズム１８０によって出射された平行光が物体によって反射された戻り光を光検出器１４０ａに対して集光させる。例えば、集光レンズ１３３は、フレネルレンズや、平凸レンズなどである。ここで、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、集光レンズ１３３としてフレネルレンズを用いた場合、集光レンズ１３３の厚みを一定のまま、面積を大きくすることができる。また、集光レンズ１３３としてフレネルレンズを用いた場合、ウェッジプリズム１８０は、フレネルレンズの溝の中央に配置される。

集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２は、例えば、同一のサイズの矩形状に形成され、集光レンズ１３３の平面とシリンドリカルレンズ１３２の平面とが接触した状態で配置される。なお、集光部１３０ａは、それぞれ別体で形成された集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２とを接触させて形成される場合であってもよく、或いは、集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２とが一体に成形される場合であってもよい。また、集光部１３０ａは、それぞれ別体で形成された集光レンズ１３３の平面とシリンドリカルレンズ１３２の平面とを対向させ、間に隙間のある状態で形成される場合であってもよい。この場合、集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２との間の距離に応じて、光検出器１４０ａの奥行き方向（Ｚ方向）位置が調整される。

上述したように、集光部１３０ａは、集光レンズ１３３とシリンドリカルレンズ１３２とを有する。そして、集光部１３０ａは、ウェッジプリズム１８０から出射され、物体によって反射された戻り光を光検出器１４０ａに集光させる。ここで、集光部１３０ａは、戻り光の入射角度が変化する方向に分散した状態で当該戻り光を光検出器１４０ａに集光させる。すなわち、集光部１３０ａは、戻り光を鉛直方向（Ｙ方向）に分散させた状態で光検出器１４０ａに集光させる。

上述したように、レーザー距離計測装置１００ｂでは、ＭＥＭＳミラー１７０が平行光の出射方向を鉛直方向に沿って変化させる。従って、物体からの戻り光は、鉛直方向に入射角度が変化することとなる。すなわち、単に集光レンズのみで集光させた場合、戻り光が集光される位置が鉛直方向にずれ、光検出器１４０ａの集光点から外れることとなる。そこで、レーザー距離計測装置１００ｂでは、集光される位置が変化する方向に戻り光を分散させた状態で集光させることで、入射角度が変化する戻り光を検出可能とする。

例えば、集光レンズ１３３は、鉛直方向に入射角度が異なる戻り光を受光して、光検出器１４０ａに対して集光させながら、シリンドリカルレンズ１３２に対して戻り光を出射する。シリンドリカルレンズ１３２は、集光レンズ１３３から出射された戻り光を、入射角度の違いに応じて集光位置が変化する方向に分散した状態で該方向に直交する方向に集光させる。すなわち、シリンドリカルレンズ１３２は、入射角度に応じて集光位置が変化する方向と平行な直線上に反射光を集光するように配置される。換言すると、シリンドリカルレンズ１３２は、集光位置が変化する方向と直交する方向に円弧状となるように配置される。そして、シリンドリカルレンズ１３２は、集光レンズ１３３を介して入射された戻り光を光検出器１４０ａに対して集光させる。例えば、シリンドリカルレンズ１３２は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、Ｙ方向に分散させた状態でＸ方向に集光させる。これにより、ＭＥＭＳミラー１７０によって鉛直方向に出射方向が変化され、入射角度が鉛直方向に変化する戻り光であっても、集光部１３０ａは、戻り光を光検出器１４０ａに集光させることができる。すなわち、光検出器１４０ａは、鉛直方向に入射角度が変化する戻り光をそれぞれ検出することができ、２次元の距離計測を行うことができる。

そして、レーザー距離計測装置１００ｂでは、モータ１６３によって回転部１６１を回転させながら、上述した２次元の距離計測を行うことで、３次元の距離計測を行う。具体的には、まず、制御回路１５３は、駆動回路１６４に制御信号を出力することにより、モータ１６３を所定の速度で駆動させる。また、制御回路１５３は、ＭＥＭＳミラー１７０に制御信号を出力することにより、ＭＥＭＳミラー１７０を所定の速度で搖動させる。そして、制御回路１５３は、モータ１６３を駆動させるための制御信号及びＭＥＭＳミラー１７０を搖動させるための制御信号と対応付けたパルス信号を駆動回路１１１ｂに出力する。これにより、回転部１６１の回転角度及びＭＥＭＳミラー１７０の搖動角度ごとのパルス信号と戻り光の電気信号を検出することができる。駆動回路１１１ｂは、制御回路１５３からのパルス信号に同期して駆動信号を生成して光源１１０ａに出力することで、回転角度及び搖動角度ごとに光源１１０ａからレーザー光をパルス出射させる。ここで、制御回路１５３によって回転角度及び搖動角度ごとのパルス信号は、リファレンスクロックとして、ＴＤＣ回路１５１に出力される。

増幅回路１４１ｂは、光検出器１４０ａによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してＴＤＣ回路１５１に出力する。ＴＤＣ回路１５１は、制御回路１５３から入力された回転角度及び搖動角度ごとのパルス信号と、増幅回路１４１ｂから入力された回転角度及び搖動角度ごとの電気信号との時間差を示すデジタル信号をそれぞれ生成し、生成したデジタル信号を信号処理回路１５２に出力する。信号処理回路１５２は、ＴＤＣ回路１５１から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから回転角度及び搖動角度ごとの物体までの距離を算出する。

上述したように、第３の実施形態によれば、３次元の距離計測においても、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。

（その他の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態では、戻り光をＸ方向に分散させた状態で光検出器１４０ａに集光させる場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、距離に応じて集光位置がずれる方向、すなわち、コリメートレンズ１２０と集光部１３０との位置関係に応じて、戻り光の分散状態を変化させる場合であってもよい。一例を挙げると、コリメートレンズ１２０と集光部１３０とが縦方向に配置された場合（例えば、水平方向における中心が一致するように配置された場合）、シリンドリカルレンズ１３２は、戻り光がＹ方向に分散された状態で集光されるように配置される。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、１００ａ レーザー距離計測装置
１１０ａ 光源
１１０ｂ 発光回路基板
１２０ コリメートレンズ
１３０、１３０ａ 集光部
１３１ 平凸レンズ
１３２ シリンドリカルレンズ
１３３ 集光レンズ
１４０ａ 光検出器
１４０ｂ 受光回路基板
１５０ 制御回路基板
１５２ 信号処理回路（計測部）
１６０ 基部
１６１ 回転部
１６２ 固定部
１６３ モータ
１６４ 駆動回路
１７０ ＭＥＭＳミラー（偏向部）
１８０ ウェッジプリズム（出射部）

Claims (7)

1. 光源から出射された出力光を平行光にするコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズから出射された前記出力光の反射光を検出器に対して集光させる集光部と、
   前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部とを備え、
   前記集光部は、前記反射光の前記集光部への入射角度が変化する方向に分散した状態で前記反射光を前記検出器に集光させる、レーザー距離計測装置。
2. 前記集光部は、前記コリメートレンズと前記集光部との配列方向に分散した状態で前記反射光を前記検出器に集光させる、請求項１に記載のレーザー距離計測装置。
3. 前記集光部は、前記コリメートレンズと前記集光部との配列方向に直交する方向に前記反射光を集光させる、請求項１又は２に記載のレーザー距離計測装置。
4. 前記集光部は、前記反射光を検出器に対して集光させる平凸レンズと、前記平凸レンズから出射された前記反射光を前記配列方向に分散した状態で前記配列方向に直交する方向に集光させるシリンドリカルレンズとを含む、請求項３に記載のレーザー距離計測装置。
5. 前記集光部は、前記平凸レンズの平面と前記シリンドリカルレンズの平面とが接触している、請求項４に記載のレーザー距離計測装置。
6. 鉛直方向を回転軸として、前記コリメートレンズと前記集光部とを含む光学系を回転させる回転機構をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。
7. 前記コリメートレンズから出射された前記平行光の出射方向が鉛直方向に沿って変化するように前記平行光を偏向させる偏向部と、
   前記偏向部によって出射方向が変化された前記平行光が入射され、入射された前記平行光を前記集光部の受光面に正対する方向に偏向させて出射する出射部と、
   前記鉛直方向を回転軸として、前記コリメートレンズと前記集光部と前記偏向部と前記出射部とを含む光学系を回転させる回転機構とをさらに備え、
   前記集光部は、前記方向に分散した状態で前記反射光を前記検出器に集光させる、請求項１に記載のレーザー距離計測装置。

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