JP4160611B2 - Scanning distance measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置に関する。 The present invention includes a light projecting unit that outputs measurement light, a scanning unit that scans the measurement light output from the light projecting unit toward the measurement target space, and a reflection from the measurement target existing in the measurement target space. The present invention relates to a scanning distance measuring device that includes a light receiving unit that detects light, and that measures a distance to the measurement object based on the reflected light detected by the light receiving unit.
この種の走査式測距装置は、ロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用され、発光ダイオードやレーザダイオード等の光源からの出力を所定の変調信号により変調した測定光を出力する投光部と、測定光を測定対象空間に向けて回転走査する走査部と、走査された測定光が測定対象物で反射した反射光を光電変換素子により検出する受光部と、前記投光部から出力される測定光と、測定対象物で反射した反射光に基づいて物体までの距離を演算する演算部を備えて構成されている。 This type of scanning distance measuring device is a visual sensor of a robot or an automated guided vehicle, a door opening / closing sensor, a monitoring sensor for detecting the presence or absence of an intruder into a monitoring area, and a person or object in a dangerous device. Is used as a safety sensor that detects the approaching of the machine and safely stops the machine, and a light projecting unit that outputs measurement light obtained by modulating the output from a light source such as a light emitting diode or laser diode with a predetermined modulation signal, and measurement A scanning unit that rotates and scans light toward a measurement target space, a light receiving unit that detects reflected light reflected by the measurement target by the photoelectric conversion element, and measurement light output from the light projecting unit And a calculation unit that calculates the distance to the object based on the reflected light reflected by the measurement object.
上述の走査式測距装置における測距方式として、ＡＭ方式とＴＯＦ方式が実用化されている。ＡＭ方式とはレーザ光またはＬＥＤ光を正弦波で変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と測定光の位相差に基づいて、以下の数式により距離を算出する方式である。ここに、φは計測された位相差、Ｃは光速、Ｆは変調周波数である。 As a distance measuring method in the above-described scanning distance measuring device, an AM method and a TOF method have been put into practical use. The AM method outputs laser light or LED light measuring light modulated with a sine wave, and calculates the distance using the following formula based on the phase difference between the reflected signal reflected by the measurement object and the measuring light. It is a method to do. Here, φ is the measured phase difference, C is the speed of light, and F is the modulation frequency.
ＴＯＦ方式とはレーザ光またはＬＥＤ光をパルス光に変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と測定光との時間差に基づいて、以下の数式により距離を算出する方式である。ここに、Ｃは光速、Ｔは時間差である。 The TOF method outputs measurement light obtained by modulating laser light or LED light into pulse light, and calculates the distance using the following formula based on the time difference between the reflected signal reflected by the measurement object and the measurement light. It is a method to do. Here, C is the speed of light and T is the time difference.
例えば、ＴＯＦ方式を採用する場合、特許文献１に記載されているように、前記演算部は、前記光源に対する駆動信号の立ち上りエッジから前記受光部により検出される反射光の検出タイミング迄の遅延時間を検出するカウンタ回路を備えた信号処理回路で構成され、反射光のピーク値に基づいて遅延時間が補正されるように構成されているが、光源の発光特性や受光部に設けた光電変換素子の受光特性等の部品間のばらつきや経時変化による変動に起因して、算出される距離に誤差が生じるという問題があった。
For example, when the TOF method is adopted, as described in
ＡＭ方式も測定光に対する測定対象物からの反射光の遅延時間に基づいて距離を求めるという観点で同様の方式であるため、これらの方式を採用する場合には、測定精度を向上させるために、上述の誤差要因を排除する必要があった。 The AM method is a similar method from the viewpoint of obtaining the distance based on the delay time of the reflected light from the measurement object with respect to the measurement light. Therefore, when these methods are employed, in order to improve the measurement accuracy, It was necessary to eliminate the above error factors.
そこで、特許文献２には、走査部を構成する回転体が基準回転位置にあるときに投光部と受光部とを一定の光路長さで光学的に結合させる基準機構をケーシングに設け、回転体が基準回転位置にきたときの演算出力、つまり、投光部への駆動信号と基準機構を介して受光部で検出される測定光との時間差に基づいて基準距離を演算し、投光部への駆動信号と受光部で検出される反射光との時間差に基づいて演算される距離を前記基準距離で補正する信号処理回路を備えた走査式測距装置が提案されている。
しかし、上述の特許文献２に記載された走査式測距装置では、基準機構が走査部の外部ケーシングに配置されているため、ケーシング内で反射して発生する迷光が受光部で検出されると測距演算に影響を与えることが多く、迷光を防ぐための複雑な機構や、基準機構を構成するためのプリズム等の特殊な光学素子をケーシングに設けるための複雑な機構によりコストの上昇を来たすという問題があった。
However, in the scanning distance measuring device described in the above-mentioned
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、簡単な構成の基準機構を走査部に設けることにより、安価で且つ高精度な測距を実現し得る走査式測距装置を提供する点にある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a scanning distance measuring device that can realize a low-cost and highly accurate distance measurement by providing a scanning mechanism with a reference mechanism having a simple configuration in view of the above-described problems. .
上述の目的を達成するため、本発明による走査式測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、測定光を出力する投光部と、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に向けて走査する走査部と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を検出する受光部を備え、前記受光部で検出された前記反射光に基づいて前記測定対象物までの距離を測定する走査式測距装置であって、前記走査部は、前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させる第一反射部材と、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く第二反射部材の一対の反射部材と、前記一対の反射部材を所定の回転軸心周りで回転させる回転機構を備え、前記投光部と前記受光部が前記反射部材を挟んで対向配置されるとともに、前記回転軸心と前記投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように前記投光部と前記走査部が配置され、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として、前記反射部材を介することなく前記受光部に導かれるように構成されている点にある。
In order to achieve the above-described object, a first characteristic configuration of a scanning distance measuring device according to the present invention is, as described in
上述の構成によれば、投光部と受光部が、前記投光部から出力された測定光を測定対象空間に伝播させる第一反射部材と、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く第二反射部材の一対の反射部材を挟んで対向配置されるとともに、回転軸心と投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部と走査部が配置されているので、走査部が回転して特定回転位置に位置すると、第一反射部材から反射した測定光の一部が投光窓で反射して受光部に入射するような不都合を回避しながら、走査部の反射部材を介することなく投光部から受光部へ基準光が導かれるようになる。また、前記走査部が特定回転位置に位置していない場合は、前記投光部から前記受光部への基準光の経路から外れて、測定光が測定対象空間に向けて走査されるようになる。従って、ケーシング等の他の構成部を経由させて投光部から受光部へ前記基準光を導く場合のような複雑な機構が不要になるばかりでなく、誤差要因となる迷光の発生を防止することができる。 According to the above-described configuration, the light projecting unit and the light receiving unit transmit the measurement light output from the light projecting unit to the measurement target space, and the light receiving unit reflects the reflected light from the measurement target. The light projecting unit and the scanning unit are disposed so as to face each other with the pair of reflecting members of the second reflecting member guided to the light source , and the rotation axis and the optical axis of the measurement light output from the light projecting unit are parallel to each other. Therefore, when the scanning unit is rotated and positioned at a specific rotation position, a part of the measurement light reflected from the first reflecting member is reflected by the light projection window and is incident on the light receiving unit. while, so that the reference light is guided to the light receiving unit from the light projecting unit without passing through the reflecting member of the scanning unit. In addition, when the scanning unit is not located at the specific rotation position, the measurement light is scanned toward the measurement target space by deviating from the path of the reference light from the light projecting unit to the light receiving unit. . Accordingly, not only a complicated mechanism as in the case where the reference light is guided from the light projecting unit to the light receiving unit via other components such as a casing, but also the generation of stray light causing an error is prevented. be able to.
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として、前記一対の反射部材を介することなく前記受光部に導かれるように案内する導光部材が前記走査部に設けられている点にある。 In the second feature configuration, in addition to the first feature configuration described above, a part of the measurement light output from the light projecting unit at a specific rotation position of the scanning unit is a reference. as light guide to the light guide member as guided to the light receiving portion is in the point that is provided in the scanning unit without passing through the previous SL pair of reflection members.
投光部から出力された測定光の光軸と受光部の光軸が一致していないような場合には、基準光が受光部に適切に検出されないおそれがあるが、導光部材を設けることにより、走査部が特定回転位置に位置するときにのみ、確実に基準光を検出することができるようになる。 If the optical axis of the measurement light output from the light projecting unit does not match the optical axis of the light receiving unit, the reference light may not be detected properly by the light receiving unit, but a light guide member should be provided. Accordingly, only when the scanning unit is located at a particular rotational position, it is possible to detect the securely reference light.
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記基準光に基づいて前記測定対象物までの距離を補正する補正値を算出する補正値算出部と、前記測定光の出力タイミングに同期して前記受光部により検出される前記反射光と前記補正値に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する演算部とを備えている点にある。 The third feature configuration is the reference light detected by the light receiving unit in synchronization with the output timing of the measurement light in addition to the first or second feature configuration described above. Based on the reflected light and the correction value detected by the light receiving unit in synchronization with the output timing of the measurement light And a calculation unit for calculating a distance to the measurement object.
上述の構成によれば、補正値算出部により、光源の発光特性や受光部に設けた光電変換素子の受光特性等の部品間のばらつきや経時変化による変動に起因する距離の誤差を是正する補正値を算出し、演算部において距離を算出するときに、算出された距離に前記補正値の加算または減算を行うことにより、前記誤差が相殺されるため、測定対象物までの距離を精度良く算出することができる。 According to the above-described configuration, the correction value calculation unit corrects the error in the distance caused by the variation between components such as the light emission characteristic of the light source and the light reception characteristic of the photoelectric conversion element provided in the light receiving unit, or the variation due to aging. When calculating the value and calculating the distance in the calculation unit, the error is offset by adding or subtracting the correction value to the calculated distance, so the distance to the measurement object can be calculated accurately. can do.
以上説明した通り、本発明によれば、簡単な構成の基準機構を走査部に設けることにより、安価で且つ高精度な測距を実現し得る走査式測距装置を提供することができるようになった。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a scanning distance measuring device that can realize an inexpensive and highly accurate distance measurement by providing a scanning mechanism with a reference mechanism having a simple configuration. became.
以下、本発明による走査式測距装置の実施形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of a scanning distance measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は、本発明の第１の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、この走査式測距装置１は、ハウジング２を備えると共に、このハウジング２の内部に、投光部３と、走査部４と、受光部５とを主たる構成要素として備えている。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing the overall configuration of the scanning distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the scanning
ハウジング２は、図中の上下方向の両端が閉じられた円筒状を呈し、その周壁部２ａの全周から一部を除いた側壁（図１では右側壁に示している）に亘って湾曲し上下方向に一定の幅を有する透光窓２ａ１が形成され、この透光窓２ａ１を介して、後述する投光部３から出力される測定光と、物体で反射して受光部５に至る反射光とが往来可能となっている。
The
また、前記ハウジング２における前記透光窓２ａ１以外の部分は、光の完全な遮光かつ反射防止のために、表面に凹凸を設けた暗幕等の吸光部材で被覆される光吸収壁で構成されている。
Further, the portion of the
投光部３は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子と、発光素子の駆動回路を備えて構成され、発光素子は図中の下向きに測定光を出力するように配置されている。この投光部３から下向きに出力された測定光が通る投光入射光路Ｌ１上には、光のビーム径を一定にする光学レンズ７が配置されている。
The
走査部４は、投光部３から出力された測定光をハウジング２の透光窓２ａ１を介して外部の測定対象空間に走査するもので、本実施形態では、回転体８と、前記測定対象空間に存在する測定対象物からの反射光を前記受光部５に導く反射部材９と、回転機構としてのモータ１１とから構成されている。
The scanning unit 4 scans the measurement light output from the
回転体８は、筒状の周壁部８ａと、周壁部８ａの上端を塞ぐ天板部８ｂとから構成されている。周壁部８ａの下端部は縮径され、その内周面に軸受１２を介して中空軸１３が挿入されており、この中空軸１３によって回転可能に支承されている。
The rotating
回転体８を回転駆動するモータ１１は、固定子側にコイル１１ａを、回転子側にマグネット１１ｂをそれぞれ備え、マグネット１１ｂが、回転体８の周壁部８ａの下端部の外周面に取り付けられ、コイル１１ａとの相互作用により、回転体８が、前記反射部材９を所定の回転軸心周りで回転させるように構成されている。
The
走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部３と走査部４が配置され、回転軸心上に受光部５が配置されている。具体的には、走査部４の回転軸心が、図１の破線で示すように、反射部材９における投光入射光路Ｌ１の光軸から所定距離ｘ離れた位置に設定されている。つまり、前記反射部材９は、所定の回転軸心を中心として円を描いて回転するように構成されている。
The
反射部材９は、対向配置される投光部３と受光部５の間に配置され、投光部３から出力された測定光を測定対象空間に伝播させる第一反射部材９１としての投光ミラーと、測定対象物からの反射光を受光部５に導く第二反射部材９２としての受光ミラーの一対で構成されている。
The reflecting
回転体８の天板部８ｂの上下面には、回転軸から所定距離の位置に、第一反射部材９１と、第二反射部材９２とがそれぞれ傾斜姿勢で取り付けられ、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって第一反射部材９１に入射した後、反射して水平な投光出射光路Ｌ２に導かれるとともに、ハウジング２の外方に形成される測定対象空間である走査領域内に存在する物体、つまり測定対象物からの反射光が、回転体８の周壁部８ａの一部に形成されている開口部８ａ１を介して、受光入射光路Ｌ３によって第二反射部材９２に入射した後、反射して受光出射光路Ｌ４に導かれる。この受光出射光路Ｌ４上には、受光レンズ１４が取り付けられており、物体からの反射光が受光部５で集束されるようになっている。
A first reflecting
また、回転体８の回転軸心を挟んで測定光の光軸と反対側に、投光部３より出射された測定光を回転体８の天板部８ｂの上面から下面へ導くための基準光孔１０が設けられており、回転体８が回転して、図２に示すように、前記基準光孔１０が投光部３の真下に位置したときには、測定光の一部が基準光として装置の外部に出射されることなく前記基準光孔１０を通過して受光部５へ導かれるように構成されている。
Further, a reference for guiding the measurement light emitted from the
なお、本実施形態では、第一反射部材９１及び第二反射部材９２は、回転体８の回転軸に対してそれぞれ４５度で傾斜しており、投光出射光路Ｌ２及び受光出射光路Ｌ３とが、投光入射光路Ｌ１の光軸（受光入射光路Ｌ４の光軸）と直交する光軸をそれぞれ有し、互いに平行となるように設定されている。これにより、投光出射光路Ｌ２により物体に照射されて反射する反射光を、受光入射光路Ｌ３から取り込むことが可能となる。さらに、回転体８の走査角度を検出する走査角度検出部１５が、回転体８の外周面に固定された光学的スリットを有するスリット板１５ａと、スリット板１５ａの回転経路上に配置されたフォトインタラプタ１５ｂとから構成されている。
In the present embodiment, the first reflecting
受光部５は、前記測定対象物からの反射光を検出するように構成されており、例えばアバランシェフォトダイオードなどの受光素子と、光電変換された信号を増幅する増幅回路を備えて構成され、回転体８の内部に収容された状態で、投光部３と対向するように配置されている。詳述すると、受光部５は、回転体８を支承する中空軸１３の上端面に配置されており、モータ１１による回転体８の回転動作とは無関係に、常に静止状態を維持するようになっている。また、受光部５からの出力信号は、図示していないが、中空軸１３の内部空間に挿通された信号線により後述の信号処理回路に接続されている。
The
回転体８を回転させると、投光部３から出力された測定光は、回転体８の回転軸を中心として放射状に周囲を走査する。
When the
しかし、反射部材９が回転体８によって回転させられて、図２に示すように、特定回転位置、つまり、走査部４から出力される測定光が湾曲形成される透光窓２ａ１を外れてハウジング２の光吸収壁に向けて出力される位置であって、基準光孔１０が投光部５及び光学レンズ７の真下にくるような位置に走査部４が位置している場合は、図中の一点鎖線で示すように、投光部３から出力された測定光の一部が基準光として基準光孔１０を介して受光部５に導かれる。このとき、第一反射部材９１に入射した測定光の一部は、ハウジング２の光吸収壁で吸収されるために装置外部に出射されることがない。特定回転位置は、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１の左右中心位置に対して反対側に向けられる位置とすることが望ましい。
However, the reflecting
なお、測定光が外部に走査される透光窓２ａ１の形成範囲は、投光入射光路Ｌ１の光軸周りに１８０度から２７０度前後の角度範囲に設定されている。 The formation range of the transparent window 2a1 through which the measurement light is scanned to the outside is set to an angular range of 180 to 270 degrees around the optical axis of the light incident optical path L1.
つまり、走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸とが平行となるように投光部３と走査部４が配置され、走査部４の特定回転位置で投光部３から出力された測定光の一部が基準光として反射部材９を介することなく受光部３に導かれるように構成されている。
That is, the
さらに、図１１に示すように、透光窓２ａ１に前記天板部８ｂと略同一の面位置で段差部２ａ２を形成することにより、測定光が透光窓２ａ１を介して受光部５に検出されるような漏れ光を効果的に減衰させることができる。
Further, as shown in FIG. 11, the stepped portion 2a2 is formed in the translucent window 2a1 at substantially the same surface position as the
図３に示すように、走査式測距装置は、走査部４が特定回転位置に位置しているときに、投光部３から測定光Ｓ２が出射されてから受光部５に基準光Ｓ３が到達するまでの時間ｔ１を算出しておき、前記走査部４が特定回転位置以外に位置しているときに、投光部３から測定光Ｓ２が出射されてから測定対象物からの反射光Ｓ４が受光部５に到達するまでの時間ｔ２を算出する。
As shown in FIG. 3, in the scanning rangefinder, when the scanning unit 4 is located at a specific rotation position, the reference light S3 is emitted to the
算出した時間ｔ１は、装置内部のみを通って投光部３から受光部５へ到った場合の時間であり、一方、算出した時間ｔ２は、装置内部および装置外部を通って投光部３から受光部５へ到った場合の時間であることから、算出した時間ｔ２から時間ｔ１を減じる演算を行なうことで、装置外部のみを通って投光部３から受光部５へ到った時間、つまり、装置内部の不安定要素の変動の影響を的確に低減した時間を算出することができる。
The calculated time t1 is the time when the
なお、図３で説明した時間の算出と、前記時間に基づいた走査式測距装置と測定対象物の距離の算出の詳細については後述する。 The details of the calculation of the time described in FIG. 3 and the calculation of the distance between the scanning distance measuring device and the measurement object based on the time will be described later.
図４は、本発明の第２の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、基準光路の構成のみが上記の第１の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる基準光路の構成を中心に説明し、共通の構成要素については同符号を付して詳しい説明を省略する。 FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view showing the overall configuration of the scanning distance measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment only in the configuration of the reference optical path. Below, it demonstrates centering around the structure of the reference | standard optical path used as a difference, and attaches | subjects the same code | symbol about a common component, and abbreviate | omits detailed description.
同図に示すように、この走査式測距装置における前記基準光路は、上述の第１の実施形態において基準光孔１０が設けられていた位置に、投光部３より出射された測定光を回転体８の天板部８ｂの上面から下面へ導くための導光部材１６が設けられており、走査部５の特定回転位置で投光部３から出力された測定光の一部が基準光として導光部材１６を介して受光部５に導かれるように構成されている。
As shown in the figure, the reference optical path in the scanning distance measuring device is configured such that the measurement light emitted from the
詳述すると、導光部材１６は、光学レンズ７の近傍で測定光を受けるために、一端を光学レンズ７の最下面より下である近傍に位置させて他端を天板部８ｂの下面より下部に位置させて固定設置した光ファイバーケーブル１６１と、前記光ファイバーケーブル１６１を通って出力された測定光を受光部５へ確実に導くために、前記光ファイバーケーブル１６１の他端に取り付けられている光拡散板１６２とを備えて構成されている。
Specifically, in order to receive the measurement light in the vicinity of the optical lens 7, the
走査部５が特定回転位置に位置しない場合は、図４に示すように、投光部３から出射された測定光が、投光入射光路Ｌ１によって第一反射部材９１に入射した後、反射して投光出射光路Ｌ２に導かれる。このとき、導光部材１６の入光端部が光学レンズ７の近傍直下に配置されているために、前記光学レンズ７から導光部材１６に直接に測定光は入らず、また、前記第一反射部材９１にて反射した測定光も、周壁部２ａを構成する光吸収壁によって反射することはないために、前記光学レンズ７から導光部材１６に間接にも測定光は入らない。
When the
投光出射光路Ｌ２導かれた測定光は、装置外部へ出射された後、測定対象物に照射されて反射する。この反射光は、受光入射光路Ｌ３によって開口部８ａ１を通過するのであるが、前記開口部８ａ１を通過した直後の位置に受光レンズ１４が設けられており、前記反射光は受光レンズ１４によって集束されてから、第二反射部材９２で反射して受光出射光路Ｌ４に導かれ受光部５に到達する。
The measurement light guided by the light projecting and exiting optical path L2 is emitted to the outside of the apparatus, and then irradiated and reflected on the measurement object. The reflected light passes through the opening 8a1 by the light receiving incident optical path L3. A
一方、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、図５に示すように、導光部材１６の入光端部が光学レンズ７の真下に位置し、図中に一点鎖線で示すように、前記投光部３から出力された測定光の一部が基準光として光ファイバーケーブル１６１を介して光拡散板１６２へ到達し、図中に二点鎖線で示すように、光拡散板１６２から出力される拡散光が受光部５で検出される。
On the other hand, when the
なお、図５に示すように、光拡散板１６２から出力される基準光をより確実に受光部５へ導くとともに、迷光が受光部５に入射するのを防止するために、光拡散板１６２に遮光板１６２ａを取り付けた構成であってもよい。
As shown in FIG. 5, in order to guide the reference light output from the
本実施形態のように、投光部３から出力された測定光の光軸と受光部５の光軸が一致していないような場合には、基準光が受光部４に適切に検出されないおそれがあるが、導光部材１６を設けることにより確実に基準光を検出することができるようになるのである。光ファイバーケーブル１６１を介して導かれる基準光を受光部５に導くために光拡散板１６２を配置しているが、光拡散板１６２を配置せずに光ファイバーケーブル１６１をその出光部端部が受光部５に向くように配置するものであってもよい。
If the optical axis of the measurement light output from the
ＴＯＦ方式に適した発光点の大きな発光素子が投光部３に備えられている場合、光線束の径が太くなるために平行光に収束させるための光学レンズ７の径も大きなものを採用する必要がある。本実施形態は、そのような場合に好適な構成で、測定光が測定対象空間に向けて出力されるときに、測定光の一部が反射部材９の最外部から漏れ出て直接受光部３に導かれるおそれがある場合であっても、導光部材１６を設けることにより、走査部４が特定回転位置に位置するときにのみ測定光を基準光として受光部５に導くことができるようになる。
When the light emitting element having a large light emitting point suitable for the TOF method is provided in the
導光部材１６の入光端部を光学レンズ７の近傍直下に配置しているために、導光部材１６により基準光として必要な測定光のみを確実に受光部５に導くことができる。
Since the light incident end of the
図６は、本発明の第３の実施形態に係る走査式測距装置の全体構成を示す概略縦断面図である。この実施形態は、受光部５の配置、走査部４の構成、及び基準光路の構成が上記の第１及び第２の実施形態と相違するものである。以下では、相違点となる、受光部５の配置、走査部４の構成、及び基準光路を中心に説明し、共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。
FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view showing the overall configuration of a scanning distance measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first and second embodiments in the arrangement of the
走査部４は、投光部３から出力された測定光を測定対象空間に伝播させるとともに、測定対象物からの反射光を受光部４に導く反射部材９と、反射部材９を支持する回転体８と回転体８を所定の回転軸心（図中、破線で示す）周りで回転させる回転機構としてのモータ１１を備えている。
The scanning unit 4 propagates the measurement light output from the
投光部３と受光部５が反射部材９の一側に配置され、投光部３から出力された測定光が投光入射光路Ｌ１の光軸と４５度の角度で傾斜配置された反射部材９により外部の測定対象空間に向けて反射されて投光出射光路Ｌ２に導かれ、測定対象物からの反射光が受光入射光路Ｌ３に沿って反射部材９に入射し、反射部材９で反射されて受光出射光路Ｌ４を介して受光部５に入射される。つまり、反射部材９が投光用ミラーと反射用ミラーとして兼用されている。
The
走査部４の回転軸心と投光部３から出力される測定光の光軸つまり投光入射光路Ｌ１の光軸とが平行となるように投光部３が配置され、当該回転軸心上に受光部５が配置されている。
The
反射部材９の一部に導光部材１７が設けられており、走査部４の特定回転位置、つまり、走査部４から出力される測定光が湾曲形成される透光窓２ａ１を外れてハウジング２の光吸収壁に向けて出力される位置に走査部４が回転したときに、投光部３から出力された測定光の一部が導光部材１７により反射され、基準光として受光部５に導かれるように構成されている。特定回転位置は、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１の左右中心位置に対して反対側に向けられる位置とすることが望ましい。
A
詳述すると、導光部材１７は、図６に示すように、走査部４により測定光が透光窓２ａ１に向けて走査される間では投光入射光路Ｌ１の外部に位置し、図７に示すように、走査部４から出力される測定光が透光窓２ａ１を外れたハウジング２の光吸収壁に向けて走査される間の何れかの時期に投光入射光路Ｌ１の内部に位置するように、反射部材９の縁部に設けられた拡散反射板で構成されている。
More specifically, as shown in FIG. 6, the
つまり、投光入射光路Ｌ１から拡散反射板に入射した測定光は、当該拡散反射板で拡散反射され、その一部が受光レンズ１４を介して受光部５に導かれるのである。
That is, the measurement light incident on the diffuse reflector from the projection incident light path L1 is diffusely reflected by the diffuse reflector, and a part of the measurement light is guided to the
導光部材１７としては、拡散反射板に代えて少なくとも測定光の一部を選択的に受光部５に向けて反射させる反射テープで構成されるものであってもよい。この場合には、拡散反射で生じる迷光の発生をより低減させることができる。
The
投光部３は走査部４の回転軸心から径方向に離間した位置に設置され、投光部３の直下には光学レンズ７が配置されている。また受光部３は走査部４の回転軸心上に配置され、受光部５の直下には反射光及び基準光を受光部５に集光する受光レンズ１４が配置されている。
The
なお、上述の構成において、特定回転位置で投光部３から出射された測定光の一部が導光部材１７の周辺部の反射部材９に入射して反射光による迷光の発生を回避するために、図７に示すように、遮光板７ａ（図中、破線で示す）を設けてもよい。
In the above-described configuration, part of the measurement light emitted from the
以下に、上述した第１から第３の実施形態に係る走査式測距装置において、測定光の出力タイミングに同期して受光部５により検出される基準光に基づいて測定対象物までの距離を補正する補正値を算出する補正値算出部と、測定光の出力タイミングに同期して受光部５により検出される反射光と前記補正値に基づいて測定対象物までの距離を算出する演算部とを備えている信号処理回路について説明する。
In the scanning distance measuring apparatus according to the first to third embodiments described above, the distance to the measurement object is determined based on the reference light detected by the
図９に示すように、信号処理回路７０は、走査角度検出部１５から出力された走査角度を示す角度信号に基づいて前記角度信号に同期した発光駆動信号を出力する発光制御部７１と、走査部５が特定回転位置でない場合に、受光部５から出力された電気信号を測定光信号として検出する測定光検出部７２と、走査部５が特定回転位置である場合に、受光部５から出力された電気信号を基準光信号として検出する基準光検出部７３と、前記基準光検出部７３で検出された基準光信号に基づいて当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値を算出する補正値算出部７４と、前記測定光検出部７２で検出された測定光信号に基づいて測定距離を算出し、前記測定距離と前記補正値に基づいて最終測定距離を算出する演算部７５と、前記基準光検出部７３で検出された基準光に基づいて故障を検出する故障判定部７６と、前記角度信号と前記最終測定距離から測定対象物の位置を演算して出力する信号制御部７７とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 9, the
システムに電源が投入されると、図示しないシステム制御部からモータ制御回路８０にモータ駆動信号が出力され、前記モータ制御回路８０によりモータ１１が所定速度で駆動される。モータの回転駆動に伴って走査角度検出部１５から出力されるパルス信号が発光制御部７１に入力され、当該パルス信号に基づいて前記発光制御部７１では走査部４による測定光の出力方向が把握される。尚、前記走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置で他と異なるように形成されているため、パルス信号の波形に基づいて基準位置が検出され、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの回転角度が算出される。
When the system is powered on, a motor drive signal is output from a system control unit (not shown) to the
図１０に示すように、走査角度検出部１５から出力される角度信号であるパルス信号に基づいて計測タイミングを算出した信号制御部７７から、発光制御部７１に計測タイミング信号が入力されると、発光制御部７１から当該計測タイミング信号を基準とする所定タイミングで投光部３に所定デューティ比の発光駆動信号Ｓ１が出力される。
As shown in FIG. 10, when the measurement timing signal is input to the light
発光駆動信号Ｓ１を受け取った投光部３では、変調回路３１がレーザ光またはＬＥＤ光をパルス状の測定光に変調し、図示しない駆動回路が前記発光駆動信号Ｓ１に同期して発光素子３２を駆動させて、発光素子３２が測定光Ｓ２を装置外部に出射させる。つまり、測定光Ｓ２の発光強度は当該発光駆動信号Ｓ１のデューティ比及び発光素子３２の駆動電流により制御され、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動される。
In the
走査部５が特定回転位置に位置しない場合は、出力された測定光Ｓ２ａのうち測定対象物で反射した反射光Ｓ４が受光素子５２で検出され、増幅回路５１において反射光Ｓ４の光電変換が行なわれて変換後の電気信号が信号解析可能なレベルまで増幅されて出力される。
When the
測定光検出部７２は、当該電気信号を反射信号Ｓ５ａとして検出して、補正値算出部７４と故障判定部７５へ出力する。なお、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、測定光検出部７２は信号を検出しないように構成されている。
The measurement
一方、走査部５が特定回転位置に位置する場合は、出力された測定光Ｓ２ｂの一部が基準光Ｓ３として装置外部に出射されることなく上述の基準光路を介して受光部５で検出され、増幅回路５１において基準光Ｓ３の光電変換が行なわれて変換後の電気信号が信号解析可能なレベルまで増幅させられて出力される。
On the other hand, when the
基準光検出部７３は、当該電気信号を基準信号Ｓ５ｂとして検出して、演算部７７へ出力する。なお、走査部５が特定回転位置でない場合は、基準光検出部７３は信号を検出しないように構成されている。
The reference
補正値算出部７４では、測定光Ｓ２ｂに対応する発光駆動信号Ｓ１と基準信号Ｓ５ｂの時間差ｔ１が算出され、時間差ｔ１より当該走査式測距装置と測定対象物との測定距離に対する補正値ΔＬを〔数２〕より算出する。なお、補正値ΔＬの算出では、〔数２〕において時間差ｔ１をＴに代入して、Ｌとしての前記補正値ΔＬを算出する。
In the correction
演算部７５では、測定光Ｓ２ａに対応する発光駆動信号Ｓ１と反射信号Ｓ５ａの時間差ｔ２が算出され、時間差ｔ２より測定距離Ｌ１を〔数２〕より算出する。なお、測定距離Ｌ１の算出では、〔数２〕において時間差ｔ２をΔｔに代入して、Ｌとしての前記測定距離Ｌ１を算出する。
In the
また、前記演算部７５では、算出された前記測定距離Ｌ１から前記補正値ΔＬを減算することで最終測定距離Ｌ２を算出する。
Further, the
故障判定部７６では、基準光信号Ｓ５ｂを算出することで走査式測距装置の内部回路に故障がないか否かを検出する。
The
以下に詳述する。基準光信号Ｓ５ｂは、装置外部に出射されることなく、もっぱら装置内部の基準光路によって発光制御部７１から投光部３、受光部５を介して基準光検出部７３に導かれるため、外部の影響を受けない安定した信号が得られる。
This will be described in detail below. Since the reference light signal S5b is guided to the reference
よって、故障判定部７６は、上述の安定した信号のうち、走査式測距装置に故障が発生していないときの基準光信号、例えば、装置が製造された直後等に調整された基準光信号の波形を記憶しておき、装置の運転時は常に、入力してきた基準光信号Ｓ５ｂの波形を、記憶された基準光信号の波形と比較して、両波形が同一である場合は故障なし、異なる場合は発光制御部７１、投光部３、受光部５、基準光検出部７３の何れかに故障ありとの判断を行うように構成されている。
Therefore, the
故障判定部７６で判断された結果は、故障した状態での動作防止や誤った結果の出力防止等のため、補正値算出部７４と信号制御部７７に出力されて以後の走査式測距装置の動作に反映される。
The result determined by the
信号制御部７７では、前記角度信号と前記最終測定距離から測定対象物の位置を演算して出力する。つまり、前記角度信号からは走査式測距装置に対する測定対象物の方向が算出され、前記最終測定距離からは走査式測距装置から測定対象物の距離が算出される。
The
よって、所定周期で出力される計測タイミング信号と同周期で発光素子が間歇駆動されることで、特定回転位置以外の全周囲における測定対象物の位置を演算して出力する。なお、当該走査式測距装置自体が方向を変更することで、それまで特定回転位置であった方向が特定回転位置でなくなることから、特定回転位置における測定対象物の位置も演算することができる。 Therefore, the light emitting element is intermittently driven in the same cycle as the measurement timing signal output in a predetermined cycle, thereby calculating and outputting the position of the measurement object in the entire circumference other than the specific rotation position. In addition, since the scanning distance measuring device itself changes the direction, the direction that has been the specific rotation position until then is no longer the specific rotation position, so the position of the measurement object at the specific rotation position can also be calculated. .
以下、別実施形態について説明する。 Hereinafter, another embodiment will be described.
上述の第三の実施形態では、図７に示すように、導光部材１７が反射部材９に貼付された反射テープである構成について説明したが、導光部材１７は、図８に示すように、投光部３から出射された測定光の一部を基準光として、直接受光部５へ反射させることができる角度に取り付けられた補助反射部材９３を前記反射部材９に取り付ける構成であってもよい。
In the third embodiment described above, the configuration in which the
上述の実施形態では、測定光検出部７２と基準光検出部７３を備えており、走査部４が特定回転位置であるか否かで何れに反射光が入力するかを決定する構成について説明したが、測定光の検出と基準光の検出で共通に使用される光検出部を備えており、さらに、補正値算出部７４の機能を演算部７５に組み込んで一体の演算部とした構成であってもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the measurement
本発明の走査式測距装置では、特定回転位置であるか否かが明確に区別されており、測定対象物を経由する測定光と経由しない基準光が受光部５に同時入力することはなく、補正値の演算と測定距離の演算を同時に実行することがないので、上述の構成であっても距離の演算を行なう上で支障はない。
In the scanning distance measuring device of the present invention, it is clearly distinguished whether or not the rotation position is a specific rotational position, and the measurement light passing through the measurement object and the reference light not passing through are not simultaneously input to the
発光駆動信号と出力信号（測定信号および基準信号）との時間差を算出する際に、各信号の立ち上がりタイミングを検出する必要があるが、立ち上がりタイミング検出は、信号が所定の閾値を超えた時点を検出するコンパレータを設けることにより、容易に検出できる。コンパレータによる検出では、信号の立ち上がりの微小な変動による影響を受けるため、以下の手法で補正することができる。 When calculating the time difference between the light emission drive signal and the output signal (measurement signal and reference signal), it is necessary to detect the rise timing of each signal. The rise timing detection is performed when the signal exceeds a predetermined threshold. By providing a comparator to detect, it can be easily detected. Since the detection by the comparator is affected by a minute fluctuation of the rising edge of the signal, it can be corrected by the following method.
例えば、反射信号および基準信号を時間軸に関して積分することで積分値を算出し、複数の積分値に夫々対応する補正値を予め記憶しておいたマップデータから、当該積分値に対応する補正値を導出することで、反射信号および基準信号の立ち上がり位置を求める構成であってもよい。立ち上がり時間の変動が信号の積分値と相関を有するという特性を利用するものである。 For example, the integral value is calculated by integrating the reflected signal and the reference signal with respect to the time axis, and the correction value corresponding to the integral value is calculated from the map data in which correction values corresponding to the plurality of integral values are stored in advance. It is possible to obtain the rising position of the reflected signal and the reference signal by deriving. The characteristic is that the rise time fluctuation has a correlation with the integral value of the signal.
さらに、反射信号および基準信号のピーク値を算出し、複数のピーク値に夫々対応する補正値を予め記憶しておいたマップデータから、当該ピーク値に対応する補正値を導出することで、反射信号および基準信号の立ち上がり位置を補正する構成であってもよい。立ち上がり時間の変動が信号のピーク値と相関を有するという特性を利用するものである。 Further, the peak value of the reflected signal and the reference signal is calculated, and the correction value corresponding to the peak value is derived from the map data in which correction values corresponding to the plurality of peak values are stored in advance. The configuration may be such that the rising positions of the signal and the reference signal are corrected. The characteristic is that the rise time fluctuation has a correlation with the peak value of the signal.
さらに別の方法として、反射信号および基準信号を時間軸に関して微分することで微分信号を生成し、前記微分信号の正領域の時間軸上での重心位置を、基準信号及び反射信号の立ち上がり位置として求める構成であってもよい。 As another method, the differential signal is generated by differentiating the reflected signal and the reference signal with respect to the time axis, and the center of gravity position on the time axis of the positive region of the differential signal is used as the rising position of the reference signal and the reflected signal. The required configuration may be used.
また、反射信号および基準信号の立ち上がり部分の時間軸上での重心位置を算出する方法や、反射信号および基準信号の立ち上がり部分を直線近似または多項式近似して、その近似線と出力信号のオフセットレベルとの交点の位置を算出する方法等を採用するものであってもよい。 Also, a method of calculating the center of gravity position on the time axis of the rising part of the reflected signal and the reference signal, or a linear approximation or polynomial approximation of the rising part of the reflected signal and the reference signal, and the offset level of the approximate line and the output signal For example, a method of calculating the position of the intersection with the line may be adopted.
上述の実施形態では、本発明を、レーザ光をパルス光に変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と発光駆動信号との時間差に基づいて、測定対象物までの距離を計算するＴＯＦ方式を採用した走査式測距装置に適用した場合について説明したが、レーザ光またはＬＥＤ光を正弦波で変調した測定光を出力し、測定対象物で反射して帰ってきた反射信号と発光駆動信号との位相差に基づいて、測定対象物までの距離を計算するＡＭ方式を採用した走査式測距装置に適用することも可能である。 In the above-described embodiment, the measurement object is output based on the time difference between the reflected signal returned from the measurement object that is output from the measurement light obtained by modulating the laser light into the pulsed light, and the light emission drive signal. The case of applying to a scanning distance measuring device that employs the TOF method for calculating the distance up to has been explained. However, laser light or LED light modulated by a sine wave is output and reflected by the measurement object. The present invention can also be applied to a scanning distance measuring device that employs an AM method that calculates the distance to the measurement object based on the phase difference between the reflected signal and the light emission drive signal.
この場合、発光制御部７１から発光駆動信号を受け取った投光部３からは、変調回路３１においてレーザ光またはＬＥＤ光が正弦波で変調された測定光が出射される。
In this case, the
そして、補正値算出部７４と演算部７５では、共に正弦波形である変調回路３１から出力された測定光と増幅回路５１から出力された測定光信号（または基準光信号）との間で位相差が算出され、前記位相差より補正値や測定距離が算出される。
In the correction
上述した何れの実施形態も、本発明の一実施例であり、走査式測距装置の具体的形状、構成、使用材料、信号処理のための回路構成等各部の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。 Any of the above-described embodiments is an example of the present invention, and the specific configuration of each part such as the specific shape, configuration, material used, circuit configuration for signal processing of the scanning distance measuring device is the present invention. Needless to say, the design can be changed as appropriate within the range where the effects of the above are achieved.
１ 走査式測距装置
２ ハウジング
３ 投光部
４ 走査部
５ 受光部
８ 回転体
９ 反射部材
１０ 基準光孔
１１ モータ
１５ 走査角度検出部
１６ 導光部材
１７ 導光部材
３１ 変調回路
３２ 発光素子
５１ 増幅回路
５２ 受光素子
７０ 信号処理回路
７１ 発光制御部
７２ 測定光検出部
７３ 基準光検出部
７４ 補正値算出部
７５ 演算部
７６ 故障判定部
７７ 信号制御部
９１ 第一反射部材
９２ 第二反射部材
１６１ 光ファイバーケーブル
１６２ 光拡散板
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記走査部は、前記投光部から出力された測定光を前記測定対象空間に伝播させる第一反射部材と、前記測定対象物からの反射光を前記受光部に導く第二反射部材の一対の反射部材と、前記一対の反射部材を所定の回転軸心周りで回転させる回転機構を備え、
前記投光部と前記受光部が前記反射部材を挟んで対向配置されるとともに、前記回転軸心と前記投光部から出力される測定光の光軸とが平行となるように前記投光部と前記走査部が配置され、
前記走査部の特定回転位置で前記投光部から出力された測定光の一部が基準光として、前記反射部材を介することなく前記受光部に導かれるように構成されている走査式測距装置。 A light projecting unit that outputs measurement light, a scanning unit that scans the measurement light output from the light projecting unit toward the measurement target space, and reflected light from the measurement target existing in the measurement target space are detected. A scanning distance measuring device comprising a light receiving unit and measuring a distance to the measurement object based on the reflected light detected by the light receiving unit;
The scanning unit includes a pair of a first reflecting member that propagates measurement light output from the light projecting unit to the measurement target space and a second reflecting member that guides reflected light from the measurement target to the light receiving unit. A reflection member and a rotation mechanism that rotates the pair of reflection members around a predetermined rotation axis;
The light projecting unit and the light receiving unit are disposed opposite to each other with the reflection member interposed therebetween, and the light projecting unit is configured such that the rotation axis and the optical axis of the measurement light output from the light projecting unit are parallel to each other. And the scanning unit is arranged,
A scanning distance measuring device configured such that a part of the measurement light output from the light projecting unit at a specific rotation position of the scanning unit is guided to the light receiving unit without passing through the reflecting member as reference light .
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