JP5804115B2 - 照射方向変更システム - Google Patents

Description

本発明は照射方向変更システムについての技術分野に関する。詳しくは、レーザー光を受光素子に集光する集光レンズを画角の分割方向に並んで配置された複数のレンズによって構成して受光素子に対する十分な受光量を確保すると共に受光素子における受光面積の小型化を図る技術分野に関する。

特許３９０８２２６号公報 特許３８７５６６５号公報 特開２００９−１６２６５９号公報 特許４０５９９１１号公報 特開平０７−９８３７９号公報

測定光としてレーザー光を用いて被測定物との間の距離を測定する距離測定装置がある。

距離測定装置としては、例えば、レーザー光を変調して被測定物に照射し、レーザー光源から被測定物へ向けて出射された出射光と被測定物で反射されて受光素子に入射された入射光との位相差を検出して距離を測定する装置がある。

また、別の距離測定装置として、レーザーパルスを被測定物に照射し、レーザー光源から出射されたレーザーパルスが被測定物で反射され受光素子に入射されるまでの往復時間を測定することにより距離を測定する装置もある。

このような距離測定装置は、例えば、産業用のロボットに組み込まれてロボットから周囲の被測定物までの距離を測定したり、車輌に組み込まれて車間距離を測定したりする用途等に利用されている。また、距離測定装置は、ゲーム機器に組み込まれて所定の位置から被測定物となるユーザーまでの距離を測定する用途にも利用される可能性もある。

距離測定装置には、投光用ミラーが所定の方向へ回動され該投光用ミラーで反射されたレーザー光によって被測定物をライン状に走査して２次元の距離を測定する装置として用いられるものがある（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

また、距離測定装置には、装置の全体を投光用ミラーの回動軸とは異なる回動軸を中心に回動させたり、プリズム群を回動させて被測定物に対する走査領域を拡大して３次元の距離を測定する装置として用いられるものもある（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。

さらに、レーザー光を投光用ミラーとして用いられたガルバノミラーやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーによって反復走査して２次元又は３次元の距離を測定する距離測定装置もある。

上記した３次元距離測定装置においては、一定の画角の範囲で被測定物に関する距離情報を取得する必要がある。

このような一定の画角の範囲で被測定物に関する距離情報を取得する３次元距離測定装置として、全画角の範囲のレーザー光を広角短焦点レンズを用いて集光し受光素子にレーザー光を入射させるようにしたものがある。

ところが、広角短焦点レンズを用いたとしても、当該レンズの開口数には限界があるため、画角の大きさによっては、像高が非常に大きくなってしまい、受光素子に光を有効に集光することが困難になる場合がある。

そこで、複数の広角短焦点レンズを用い各レンズにそれぞれ画角を分割して分担させることにより、用いた個数分だけ各レンズの分担する画角を小さくすることが可能となるが、広角短焦点レンズは開口数が大きいため、複数の広角短焦点レンズに対して共通の受光素子を配置することが不可能である。

また、上記のような３次元距離測定装置において、動きのある被測定物に関する距離情報を測定する場合には、特に、距離情報を正確かつ高速で取得する必要性が高い。

距離情報を正確かつ高速で取得するためには、一定の画角の範囲で受光素子における十分な受光量を確保することが必要であると共に走査時におけるスキャン周波数を高め受光素子の良好な周波数特性を確保するために受光素子の受光面積を小さくすることが必要である。

そこで、本発明照射方向変更システムは、上記した問題点を克服し、受光素子に対する十分な受光量を確保すると共に受光素子における受光面積の小型化を図ることを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明照射方向変更システムは、第１に、光源と、前記光源から照射された光の方向を変える第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーで反射されて方向が変化した光が通過し、共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する第２の反射ミラーと、被測定物で反射された光が入射され多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、前記第１のリレーレンズが前記第１の反射ミラーと前記第２のリレーレンズとの間に配置され、前記第１のリレーレンズの焦点距離が前記第２のリレーレンズの焦点距離より長くしたものである。

これにより、第１の反射ミラーの回動角度に対して被測定物に対する走査角度を大きくすることができる。

上記した課題を解決するため、本発明照射方向変更システムは、第２に、光源と、前記光源から照射された光の方向を変える第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーで反射されて方向が変化した光が通過し、共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する第２の反射ミラーと、被測定物で反射された光が入射され多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、前記第１のリレーレンズが前記第１の反射ミラーと前記第２のリレーレンズとの間に配置され、前記第１の反射ミラーに最も近い前記第１のリレーレンズの集光角度が前記第２のリレーレンズの集光角度より小さくしたものである。

これにより、第２の反射ミラー側に配置されたリレーレンズの集光角度が第１の反射ミラー側に配置されたリレーレンズの集光角度より大きくなるため、レーザー光の縮小率が高くなり、その分、第２の反射ミラーの厚みを小さくして小型化を図ることができる。

上記した課題を解決するため、本発明照射方向変更システムは、第３に、光軸に対して傾動可能な光ビームを備える光源と、前記光ビームが通過し、光軸に沿って共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する反射ミラーと、被測定物で反射された光が入射される多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、前記第１のリレーレンズが前記第２のリレーレンズと前記光源との間に配置され、前記第１のリレーレンズの焦点距離が前記第２のリレーレンズの焦点距離より長くしたものである。

これにより、第１の反射ミラーの回動角度に対して被測定物に対する走査角度を大きくすることができる。

本発明照射方向変更システムによれば、第１の反射ミラーの回動角度に対して被測定物に対する走査角度を大きくすることができる。また、第２の反射ミラー側に配置されたリレーレンズの集光角度が第１の反射ミラー側に配置されたリレーレンズの集光角度より大きくなるため、レーザー光の縮小率が高くなり、その分、第２の反射ミラーの厚みを小さくして小型化を図ることができる。

図２乃至図１６と共に本発明の実施の形態を示すものであり、本図は、３次元距離測定装置の全体構成を示す平面図である。 レーザー光源から第２の反射ミラーまでに配置された各部材とその光路を示す側面図である。 集光ユニットの拡大斜視図である。 ３次元距離測定装置の回路構成等を示すブロック図である。 レーザー光源からレーザー光の出射が開始された時点の状態を示すものであり、（ａ）は第２の反射ミラーの状態（ｂ）はポリゴンの状態を示す概念図である。 レーザー光源からレーザー光の出射が開始され一定時間経過した時点の状態を示すものであり、（ａ）は第２の反射ミラーの状態（ｂ）はポリゴンの状態を示す概念図である。 レンズの拡大斜視図である。 レンズの拡大正面図である。 レンズによってレーザー光が集光されている状態を示す拡大平面図である。 レンズによって分担される画角等を説明するための概念図である。 レンズの出射面側で光束が重なっている状態を示す概念図である。 レンズの出射面側での光束の重なりが解消された状態を示す概念図である。 レンズの入射面側で光束が重なっている状態を示す概念図である。 レンズの入射面側での光束の重なりの解消を説明するための概念図である。 レンズの入射面側での光束の重なりが解消された状態を示す概念図である。 ガルバノミラーを用いた３次元距離測定装置の例を示す斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

［３次元距離測定装置の全体構成］
以下に、３次元距離測定装置の全体構成について説明する。

＜第１の実施の形態＞
先ず、第１の実施の形態に係る３次元距離測定装置１について説明する（図１乃至図３参照）。

３次元距離測定装置１はレーザー光源２、光学素子３、投光用ミラー４、リレーレンズ５、５、集光ユニット６及び受光素子７を備えている（図１乃至図３参照）。

レーザー光源２としては、例えば、レーザーダイオードが用いられ、レーザー光源２は半導体の構成元素によって発振するレーザー光の波長を変化させることが可能である。尚、レーザー光源２は複数が設けられていてもよい。

光学素子３としては、例えば、コリメーターレンズが用いられ、光学素子３は入射されたレーザー光を略平行光として出射する機能を有する。

投光用ミラー４は第１の反射ミラー８と第２の反射ミラー９によって構成されている。

第１の反射ミラー８としては、例えば、ＭＥＭＳミラーが用いられている。第１の反射ミラー８は、例えば、水平方向に延びる軸を支点として回動可能とされている。

第２の反射ミラー９としては、例えば、ポリゴンミラーが用いられている。第２の反射ミラー９は、例えば、垂直方向に延びる軸を支点として回転可能とされている。第２の反射ミラー９は上下方向が厚み方向とされ厚みの薄い正８角形状に形成され、外周面がそれぞれ水平方向を向く八つの反射面９ａ、９ａ、・・・として形成されている。

リレーレンズ５、５は両凸レンズであり、第１の反射ミラー８と第２の反射ミラー９の間に離隔して配置されている。リレーレンズ５、５は共役な位置に配置され、第１の反射ミラー８側に配置されたリレーレンズ５の焦点距離が第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズ５の焦点距離より大きくされ、例えば、２：１となるようにされている。従って、第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズ５の焦点距離をＦとすると、図２に示すように、リレーレンズ５、５間の距離が３Ｆとされ、第１の反射ミラー８と該第１の反射ミラー８側に配置されたリレーレンズ５との距離が２Ｆとされ、第２の反射ミラー９と該第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズ５との距離がＦとされている。従って、第１の反射ミラー８側に配置されたリレーレンズ５の集光角度をαとし第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズ５の集光角度をβとすると、α＜βの関係が成立する。

集光ユニット６は、図１及び図３に示すように、角筒状に形成されたポリゴン１０の各外周面１０ａ、１０ａ、・・・にそれぞれ集光レンズ１１、１１、・・・が取り付けられて成る。集光ユニット６は、例えば、垂直方向に延びる軸を支点として回転可能とされている。

ポリゴン１０は外周面１０ａ、１０ａ、・・・が同一の大きさ及び形状に形成され、外周面１０ａ、１０ａ、・・・は水平方向を向くようにされている。

集光レンズ１１は、例えば、ポリゴン１０の外周面１０ａにおける外周部を除く部分に配置されている。

受光素子７は、例えば、上下方向に長い板状に形成され、集光ユニット６の回転中心が存在する位置に固定されている。従って、集光ユニット６は受光素子７の周囲を回転される。受光素子７には水平方向を向く一つの面に受光面７ａが形成されている。

上記のように構成された３次元距離測定装置１において、図１及び図２に示すように、レーザー光源２からレーザー光、例えば、波長７８５ｎｍ付近の赤外光が出射されると、出射されたレーザー光は、光学素子３によって略平行光とされ、投光用ミラー４の第１の反射ミラー８に入射される。レーザー光は第１の反射ミラー８で第２の反射ミラー９へ向けて反射される。このとき第１の反射ミラー８は所定の角度範囲で水平方向に延びる軸を支点として回動されている。

第１の反射ミラー８で反射されたレーザー光はリレーレンズ５、５を透過されて第２の反射ミラー９の反射面９ａ、９ａ、・・・に順次集光されて入射される。このとき第２の反射ミラー９は水平方向において回転されているため、反射面９ａ、９ａ、・・・で一定の範囲の角度で反射され被測定物１００に照射されて該被測定物１００が走査される。

被測定物１００に照射されたレーザー光は被測定物１００で反射され拡散光とされて集光ユニット６の集光レンズ１１、１１、・・・に順次入射される。集光ユニット６は水平方向において回転されているため、集光レンズ１１、１１、・・・に入射されたレーザー光は順に集光レンズ１１、１１、・・・によって集光されて受光素子７に入射される。

尚、被測定物１００と集光ユニット６の間に受光用ミラーが配置されていてもよく、受光用ミラーが配置されている場合には被測定物１００で反射されたレーザー光が受光用ミラーで反射されて集光レンズ１１、１１、・・・に入射される。

受光素子７に入射されたレーザー光に基づいて受光信号が生成され、生成された受光信号が後述する処理部によって処理され被測定物１００に関する距離情報が算出されて距離測定が行われる。

尚、被測定物１００に関する距離測定は、例えば、パルス発光されたレーザー光の出射時におけるパルス波を基準とし、被測定物１００で反射され受光素子７に入射されて検出されたパルス波との時間差を算出することにより行うことが可能である。

［３次元距離測定装置の回路構成等］
次に、３次元距離測定装置１の回路構成等について説明する（図４参照）。尚、以下に示す回路構成は、上記した３次元距離測定装置１において、距離の算出をレーザー光の往復時間、即ち、レーザーパルスの発光から受光までの時間差を測定することにより行う所謂ＴＯＦ（Time Of Flight）方式とした場合の一例である。

レーザー光源２は光源ドライバー１２によって駆動され、測定光としてのレーザー光（レーザーパルス）を出射する。レーザー光源２から出射されるレーザー光の出力は、光源ドライバー１２において設定された光源駆動電流に基づいて制御される。

出射されたレーザー光の一部は、レーザー光源２の近傍に設けられたモニター用受光素子１３に入射され、該モニター用受光素子１３に入射されたレーザー光に基づいて生成された観測電圧に応じて出力調整部１４によって光源ドライバー１２における光源駆動電流の設定値が制御される。

タイミング発生ブロック１５は、投光用ミラー４及び集光ユニット６を駆動する駆動回路１６に対してレーザー光による走査を行う際の駆動タイミング信号を送出すると共に該駆動タイミング信号と同期した発光指令パルスを光源ドライバー１２に送出してパルス発光のタイミング制御を行う。

尚、発光指令パルスはレーザー光の往復時間の測定を行う際の基準信号として時間差測定ブロック１７にも送出される。

また、タイミング発生ブロック１５は、レーザー光の出力調整を行う際にモニター用受光素子１３の電圧を観測するためのタイミング信号の生成や投光用ミラー４及び集光ユニット６のタイミング情報（又は位相情報）のＣＰＵ（Central Processing Unit）１８への送出も行う。

受光素子７には被測定物１００で反射されたレーザー光が集光ユニット６によって集光されて入射される。受光素子７においては、入射されたレーザー光の光量に略比例した電流パルスが発生し、発生した電流パルスはＩ／Ｖ変換回路１９によって受光電圧（受光信号）に変換され増幅アンプブロック２０に送出される。

増幅アンプブロック２０はＩ／Ｖ変換回路１９によって変換された受光電圧を適正なレベルまで増幅して増幅後受光電圧として立上り検出ブロック２１に送出する。受光電圧はダイナミックレンジが大きな信号となるため、増幅アンプブロック２０には、例えば、信号レベルの調整のための可変ゲインアンプ等が含まれる。

立上り検出ブロック２１はコンパレーター等によって構成され、入力されたアナログパルスをデジタル（２値信号）の受光パルスに変換して時間差測定ブロック１７に送出する。

時間差測定ブロック１７は発光指令パルスと受光パルスの時間差を測定してレーザー光源２から出射されたレーザー光の往復時間を算出する。

距離変換ブロック２２は時間差測定ブロック１７によって算出された往復時間（時間情報）を距離情報に変換しＣＰＵ１８に送出する。変換された距離情報はＣＰＵ１８によって処理され、外部装置に対して出力される。

上記した増幅アンプブロック２０、立上り検出ブロック２１、時間差測定ブロック１７、距離変換ブロック２２は、受光素子７に入射されたレーザー光に基づいて生成される受光電圧（受光信号）を処理し被測定物１００に関する距離情報を算出する処理部として機能する。

［リレーレンズと投光用ミラーの具体的構成］
３次元距離測定装置１にあっては、上記したように、リレーレンズ５、５を第１の反射ミラー８と第２の反射ミラー９の間に離隔して配置し、共役な位置に配置している（図２参照）。リレーレンズ５、５は、このような位置に配置され、リレーレンズ５、５の各焦点にそれぞれ第１の反射ミラー８の反射面と第２の反射ミラー９の反射面９ａが一致され、第１の反射ミラー８側に配置されたリレーレンズ５の焦点距離（２Ｆ）が第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズの焦点距離（Ｆ）より大きくされている。

従って、第１の反射ミラー８の回動角度に対して被測定物１００に対する走査角度を大きくすることができる。

また、第２の反射ミラー９側に配置されたリレーレンズ５の集光角度βが第１の反射ミラー８側に配置されたリレーレンズ５の集光角度αより大きくなるため、レーザー光の縮小率が高くなり、その分、第２の反射ミラー９の厚みを小さくして小型化を図ることができる。

［第２の反射ミラーとポリゴンの関係］
次に、ポリゴンミラーが用いられた第２の反射ミラー９と集光ユニット６のポリゴン１０との関係について説明する。

３次元距離測定装置１においては、レーザー光を反射する反射手段として用いられた第２の反射ミラー９を正８角形に形成し、レーザー光を透過する透過手段として用いられたポリゴン１０を外形が正方形に形成している。即ち、第２の反射ミラー９とポリゴン１０の形状を２Ｍ：Ｍの正多角形に形成している（Ｍは３以上の自然数）。

このとき、レーザー光の径を考慮せず主光線のみを考慮すると、第２の反射ミラー９は正８角形とされているため、一つの反射面９ａについて２×（３６０°／８）＝９０°の走査角度で被測定物１００を走査することが可能である。また、ポリゴン１０は外形が正方形とされているため、一つの外周面１０ａについて３６０°／４＝９０°の走査角度で被測定物１００を走査したレーザー光を受光することが可能となる。

従って、それぞれの一つの面、即ち、反射面９ａと外周面１０ａにおいて、ともに９０°の走査角度のレーザー光を照射又は入射するため、反射手段として用いられた第２の反射ミラー９と透過手段として用いられたポリゴン１０を２Ｍ：Ｍの正多角形に形成することにより、効率的な距離測定を行うことができる。

［第２の反射ミラーとポリゴンの回転速度］
次に、ポリゴンミラーが用いられた第２の反射ミラー９と集光ユニット６のポリゴン１０との回転速度について説明する（図５及び図６参照）。

図５は、レーザー光源２からレーザー光の出射が開始された時点の状態、即ち、レーザー光の出射後の経過時間ｔ＝０の状態を示している。ｔ＝０の状態においては、例えば、レーザー光が第２の反射ミラー９の反射面９ａで入射された方向に対して直交する方向へ反射され、このときの第２の反射ミラー９におけるレーザー光の水平方向における投光角度γ_１をγ_１＝０とする（図５（ａ）参照）。従って、第２の反射ミラー９の回転角度θ_２Ｍはθ_２Ｍ＝０である。また、ｔ＝０において、ポリゴン１０に入射されるレーザー光の水平方向における受光角度γ_２をγ_２＝０とする（図５（ｂ）参照）。このときポリゴン１０が回転する回転角度θ_Ｍはθ_Ｍ＝０である。

第２の反射ミラー９の角速度をωとすると、ｔ＝０から一定時間ｔ_０が経過したｔ＝ｔ_０までの間に第２の反射ミラー９が回転する回転角度θ_２Ｍはθ_２Ｍ＝ωｔ_０となるが、反射により被測定物１００を走査するため、第２の反射ミラー９におけるレーザー光の投光角度γ_１は回転角度θ_２Ｍの２倍となりγ_１＝２θ_２Ｍ＝２ωｔ_０とされる（図６（ａ）参照）。

一方、ポリゴン１０の角速度も第２の反射ミラー９の角速度と同様にωであるとすると、ｔ＝０から一定時間ｔ_０が経過したｔ＝ｔ_０までの間にポリゴン１０が回転する回転角度θ_Ｍはθ_Ｍ＝ωｔ_０となる。ポリゴン１０はレーザー光を透過するため、被測定物１００からポリゴン１０に入射されるレーザー光の受光角度γ_２はγ_２＝θ_Ｍ＝ωｔ_０とされる。

従って、ｔ＝０からｔ＝ｔ_０までの間の同一時間内において、投光角度γ_１が受光角度γ_２の２倍になり、投光角度γ_１と受光角度γ_２が一致しない。

そこで、３次元距離測定装置１においては、第２の反射ミラー９とポリゴン１０の角速度が１：２になるようにし、第２の反射ミラー９におけるレーザー光の投光角度γ_１とポリゴン１０に対するレーザー光の受光角度γ_２とが一致するようにしている。従って、第２の反射ミラー９の角速度をωとすると、ポリゴン１０の角度速度は２ωとなり、ｔ＝０からｔ＝ｔ_０までの間にポリゴン１０に入射されるレーザー光の受光角度γ_２はγ_２＝θ_Ｍ＝２ωｔ_０とされγ_１と一致される（図６（ｂ）参照）。

このように、３次元距離測定装置１にあっては、第２の反射ミラー９におけるレーザー光の投光角度γ_１とポリゴン１０に対するレーザー光の受光角度γ_２とが一致するため、効率的な距離測定を行うことができる。

［集光ユニットの具体的構成］
集光ユニット６の集光レンズ１１は複数のレンズ２３、２３、・・・の集合体、例えば、六つのレンズ２３、２３、・・・の集合体として構成されている（図３、図７及び図８参照）。

レンズ２３は図８に点線で示した径の同芯円非球面レンズＲの上下両側の部分を切断し上下両面がそれぞれ平面とされ所謂アイカットレンズとして横長の形状に形成されている。図８に、一点鎖線で描いた円Ｓは、レンズが円形である場合に距離測定を適正に行うための光量を集光するために必要とされるレンズ径であり、レンズ２３の入射面２３ａの面積は、円Ｓの面積と同じにされている。

３次元距離測定装置１においては、上記したように、水平方向においては投光角度γ_１と受光角度γ_２が一致されているため、レーザー光の集光に際して画角成分が発生しない。従って、図９に示すように、レンズ２３によってレーザー光が適正に集光されて受光素子７に入射される。

一方、垂直方向においては、第１の反射ミラー８が水平方向に延びる軸を支点として回動されてレーザー光が所定の角度範囲で反射されるため、当該角度範囲に対応した広い画角範囲のレーザー光を集光レンズ１１によって集光する必要がある。

一般に、このような広い画角範囲のレーザー光を一つのレンズによって集光しようとすると、受光素子上での像高が極めて大きくなり、周波数特性の高い受光素子を使用することが不可能となる。従って、垂直方向に並べて配置した複数のレンズを用いて各レンズ毎に画角を分担することにより、受光素子上での像高を小さくして周波数特性の高い受光素子を使用することが可能である。

しかしながら、レンズの垂直方向における開口数が大きいと、受光素子を複数のレンズに対して共通化することができなくなり、各レンズ毎にそれぞれ受光素子が必要となってしまう。

そこで、３次元距離測定装置１にあっては、上下両面がそれぞれ平面とされアイカットレンズとして形成された複数のレンズ２３、２３、・・・によって集光レンズ１１を構成し、以下のように、レンズ２３、２３、・・・を配置し、受光素子７上での像高を小さくして周波数特性の高い受光面積の小さい受光素子７を用いることが可能とされている。

集光レンズ１１は、レンズ２３、２３、・・・が、入射されるレーザー光の光軸に直交する一方向である垂直方向において積層された状態で配置され、各レンズ２３、２３、・・・が水平方向に対して所定の角度で傾斜した状態で配置されている（図１０参照）。尚、レンズ２３、２３、・・・は同一の形状及び大きさに形成され積層されて上下で重なる部分が存在するため、集光レンズ１１が構成された状態においては重なる分だけ各レンズ２３、２３、・・・の形状が変更されるが、図１０乃至図１５には、説明の便宜上、重なり合いを示した状態で図示する。

上記のように、集光レンズ１１を複数のレンズ２３、２３、・・・によって構成することにより、分割方向、即ち、垂直方向における画角θ_Ｖをレンズ２３、２３、・・・の数であるｎ個（ｎは２以上の自然数）に分割している。３次元距離測定装置１においては、例えば、ｎ＝６とされ、垂直方向における画角θを六つのレンズ２３、２３、・・・によってそれぞれ分担し、レンズ２３、２３、・・・によって分担されるそれぞれの画角を小さくしている。

但し、レンズ２３、２３、・・・はｎ＝６に限られることはなく、複数であれば任意の数にすることが可能である。

一つのレンズ２３が分担する画角はθ_Ｖ／ｎであり、各レンズ２３、２３、・・・の水平方向（光軸方向）に対して傾斜する角度を傾斜配置角度θ_Ｌとすると、傾斜配置角度θ_Ｌは以下の条件式（１）及び条件式（２）によって表される。
（１）ｎが奇数の場合：θ_Ｌ＝（Ｎ−１）×（θ_Ｖ／ｎ）
（２）ｎが偶数の場合：θ_Ｌ＝（Ｎ−１／２）×（θ_Ｖ／ｎ）
但し、
Ｎ：光軸を基準としてカウントしたレンズの番号
θ_Ｖ：垂直方向における画角
ｎ：画角の分割数
とする。

尚、θ_Ｖは条件式（１）及び条件式（２）におけるθに相当する。

集光レンズ１１の場合には、ｎ＝６であるため、条件式（２）が適用され、例えば、θ_Ｖ＝４８°とされている。

レンズ２３、２３、・・・を、図１０に示すように、上方側から順にレンズ２３Ａ、２３Ｂ、・・・、２３Ｆとすると、レンズ２３Ａ、２３Ｆはθ_Ｌ＝２０°、レンズ２３Ｂ、２３Ｅはθ_Ｌ＝１２°、レンズ２３Ｃ、２３Ｄはθ_Ｌ＝４°となる。従って、レンズ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃはそれぞれ水平方向に対して２０°、１２°、４°前上がりの状態とされ、レンズ２３Ｆ、２３Ｅ、２３Ｄはそれぞれ水平方向に対して２０°、１２°、４°前下がりの状態とされて集光レンズ１１が構成される。

また、これらのレンズ２３Ａ乃至レンズ２３Ｆは、θ_Ｖ＝４８°の画角を等分に分担し、それぞれ８°（±４°）ずつの画角を分担するようにされている。

レンズ２３、２３、・・・は、上記したように、水平方向に対して傾斜した状態とされているため、広い画角範囲のレーザー光を集光レンズ１１によって集光することができる。

また、レンズ２３、２３、・・・は、条件式（１）及び条件式（２）を満足するように水平方向に対して傾斜した状態とされている。従って、レンズ２３、２３、・・・の傾斜配置角度θ_Ｌが最適化され、広い画角範囲のレーザー光を集光レンズ１１によって集光し受光素子７における十分な受光量を確保することができる。

次に、画角を有するレーザー光の光束の像高とレンズ２３、２３、・・・に対する受光素子７の共通化について説明する。

垂直方向においては、上記したように、画角θ_Ｖが存在するため、受光素子７上において、以下の条件式（３）に示す像高ｙが発生する。
（３）ｙ＝ｆ×ｔａｎ（θ_Ｖ／２ｎ）
但し、
ｆ：レンズの焦点距離
とする。

一つのレンズによって画角を有するレーザー光の光束を集光する場合に比し、画角を分割し複数のレンズ２３、２３、・・・によって分割した画角を分担することにより像高は低くされる。

また、レンズ２３、２３、・・・は上下両面がそれぞれ平面とされアイカットレンズとして形成されているため、一般的に用いられる円形状のレンズを複数用いて分割した画角を分担する場合に比し、垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖが小さい。レンズ２３、２３、・・・の垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖは、
（４）ＮＡ_Ｖ＝ｓｉｎ（θ_Ｖ／２ｎ）
によって表される。

従って、レンズ２３、２３、・・・の垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖを条件式（４）以下の値にすることが可能であり、垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖが小さいため、レンズ２３、２３、・・・に対する受光素子７の共通化を図ることができる。

レンズ２３、２３、・・・にあっては、上記したように、画角θ_Ｖを分割して分担しており、分割方向（垂直方向）において隣り合うレンズ２３、２３間で入射するレーザー光の光束が内部で重ならないようにすることが必要である。従って、垂直方向において隣り合うレンズ２３、２３の入射面２３ａ、２３ａにおいて光束が重ならず、出射面２３ｂ、２３ｂにおいても光束が重ならないようにすることが必要となる。

先ず、レーザー光の光束が重ならないようにするための絞り位置について説明する（図１１及び図１２参照）。尚、絞りは、レーザー光を透過する開口がレーザー光の光束のうち受光素子７の受光面７ａに入射される部分に対応して存在するものとして光路上に形成される光学上の絞りであり、特に、機械的な絞りや絞り部材に相当するものではない。

以下のレーザー光の光束が重ならないようにするための説明は、説明を容易にするために、垂直方向において隣り合う二つのレンズ２３、２３についてのみ行う。

尚、図１１及び図１２において、上側のレンズ２３には分担した画角における最も上方から入射される光束を示し、下側のレンズ２３には分担した画角における最も下方から入射される光束を示している。

レーザー光の光束を絞る絞り位置が、例えば、レンズ２３、２３の入射面２３ａ、２３ａの直前に形成されている場合には、出射面２３ｂ、２３ｂ側において±θ_Ｖ／２ｎの画角を有するレーザー光の垂直方向における振れが大きくなってしまい、出射面２３ｂ、２３ｂ側において光束が重なり易い（図１１参照）。

そこで、隣り合うレンズ２３、２３の出射面２３ｂ、２３ｂ側において光束が重ならないようにするためには、垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖを極端に小さくする必要が生じてしまう。

従って、隣り合うレンズ２３、２３の出射面２３ｂ、２３ｂ側において光束が重ならないようにするためには、絞り位置を出射面２３ｂ、２３ｂの直後に形成することが望ましい（図１２参照）。

次に、レーザー光の光束が入射面２３ａ、２３ａ側において重ならないようにするための開口数の値について説明する（図１３乃至図１５参照）。

尚、図１３及び図１５において、上側のレンズ２３には分担した画角における最も下方から入射される光束を示し、下側のレンズ２３には分担した画角における最も上方から入射される光束を示している。

上記のように、絞り位置を出射面２３ｂ、２３ｂの直後に形成すると、入射面２３ａ、２３ａ側においてレーザー光の垂直方向における振れが大きくなってしまう。従って、出射面２３ｂ、２３ｂ側のみを考慮した開口数ＮＡ_Ｖでレンズ２３、２３の設計を行うと、図１３に示すように、入射面２３ａ、２３ａ側において光束が重なる可能性がある。

そこで、入射面２３ａ、２３ａ側において光束が重ならない条件を以下に示す（図１４参照）。

レンズ２３、２３の入射面２３ａ、２３ａの垂直方向における中心間距離をＤとすると、中心間距離Ｄは以下の条件式（５）によって表される。
（５）Ｄ＝２（Ｌ＋ｄ）ｓｉｎ（θ_Ｖ／２ｎ）
但し、
Ｌ：バックフォーカス
ｄ：レンズの軸上厚み
とする。

入射面２３ａ、２３ａにおいて±θ_Ｖ／２ｎの画角を有するレーザー光の光束における主光線のシフト量をＹとすると、シフト量Ｙは、
（６）Ｙ＝ｄ×ｔａｎ（θ_Ｖ／２ｎ）
によって表される。

レーザー光の光束の径をφとすると、条件式（６）より、入射面２３ａ、２３ａにおいて光束が重ならないための径φの条件が、
（７）２（Ｙ＋φ／２）≦Ｄ
によって表される。

従って、レンズ２３、２３の入射面２３ａ、２３ａ側において光束が重ならない開口数ＮＡ_Ｖの条件は、
（８）ＮＡ_Ｖ≦（１／２ｆ）｛２（Ｌ＋ｄ）ｓｉｎ（θ_Ｖ／２ｎ）−２ｄ×ｔａｎ（θ_Ｖ／２ｎ）｝
によって表される。

尚、ＮＡ_Ｖは条件式（８）におけるＮＡ_ｉに相当し、θ_Ｖは請求項５の条件式（８）におけるθに相当する。

レンズ２３、２３、・・・について、条件式（８）を満足する開口数ＮＡ_Ｖとすることにより、入射面２３ａ、２３ａ側において光束が重ならないようにすることができる（図１５参照）。

３次元距離測定装置１においては、レンズ２３、２３、・・・の出射面２３ｂ、２３ｂ、・・・の直後に絞り位置を形成すると共にレンズ２３、２３、・・・の垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖがそれぞれ条件式（８）を満足する値とされている。

従って、３次元距離測定装置１にあっては、集光レンズ１１、１１、・・・において、垂直方向において隣り合うレンズ２３、２３、・・・間で入射するレーザー光の光束が内部で重ならず、３次元距離測定装置１における距離測定動作の適正化を図ることができる。

集光レンズ１１は、上記のように構成され、例えば、レンズ２３、２３、・・・の集合体として一体に形成されている。

このように集光レンズ１１を一体に形成することにより、製造コストの低減を図ることができる。

レンズ２３は、例えば、樹脂材料によって非球面レンズとして形成され、非球面は光軸回り方向において軸対称とされ、以下の数式１に表１の各値を代入した形状に形成されている。数式１において、ｒは光軸から該光軸に直交する方向における距離、Ｚ（ｒ）は光軸から距離ｒの面形状、Ｋは円錐係数、ｃは曲率半径、Ａ_２ｉは非球面係数である。

表１には、非球面係数等の他、屈折率、軸上厚み、垂直方向における開口数ＮＡ_Ｖ、水平方向における開口数ＮＡ_Ｌ、焦点距離及び入射面の有効面積も示している。表１において、「Ｅ−ｉ」は１０を底とする指数表現、即ち、「１０−^ｉ」を表しており、例えば、「０．１２３４５Ｅ−０５」は「０．１２３４５×１０^−５」を表している。

［受光素子の具体的構成］
水平方向における像高は集光ユニット６が水平方向へ回転されるため問題とならず、受光素子７については、水平方向における長さを最小限に形成することが可能である。

受光素子７の垂直方向における長さについては、条件式（３）に示す像高ｙに相当するレーザー光を受光することができる長さに形成すればよい。

従って、受光素子７を小さくすることが可能となり、高速動作に対応可能な高い周波数特性を有する受光素子７を用いることができる。

また、受光素子７の受光面７ａについて、画角の分割方向である垂直方向における長さを水平方向における長さより長くすることにより、レーザー光を効率的に受光することができると共にレーザー光の受光量を増加させることができる。

尚、受光素子７の数はレンズ２３、２３、・・・の数より少なくすることが望ましく、上記したように、レンズ２３、２３、・・・に対して一つの受光素子７を共通化することもできる。

［その他］
上記には、第２の反射ミラー９とポリゴン１０を水平方向へ回転させて距離測定を行う３次元距離測定装置１を例として示したが、例えば、図１６に示すように、第２の反射ミラー９とポリゴン１０に代えてガルバノミラー２４を用いた３次元距離測定装置１Ａを構成することも可能である。

３次元距離測定装置１Ａにはガルバノミラー２４と受光素子７の間に固定された集光レンズ１１が配置されている。ガルバノミラー２４は第１の反射面２４ａと第２の反射面２４ｂを有し、水平方向に回動可能とされている。

３次元距離測定装置１Ａにおいて、レーザー光源２からレーザー光が出射されると、出射されたレーザー光は、光学素子３によって略平行光とされ、第１の反射ミラー８で反射されリレーレンズ５、５を透過されてガルバノミラー２４の第１の反射面２４ａに集光されて入射される。このときガルバノミラー２４は水平方向において回動されているため、レーザー光が第１の反射面２４ａで一定の範囲の角度で反射され被測定物１００に照射されて該被測定物１００が走査される。

被測定物１００に照射されたレーザー光は被測定物１００で反射され拡散光とされてガルバノミラー２４の第２の反射面２４ｂに入射され、該第２の反射面２４ｂで反射されて集光レンズ１１に入射される。集光レンズ１１に入射されたレーザー光は集光されて受光素子７に入射される。

受光素子７に入射されたレーザー光に基づいて受光信号が生成され、生成された受光信号が処理部によって処理され被測定物１００に関する距離情報が算出されて距離測定が行われる。

このように第１の反射面２４ａと第２の反射面２４ｂを有するガルバノミラー２４を用いることにより、機構の簡素化を図ることができる。

［まとめ］
以上に記載した通り、３次元距離測定装置１、１Ａにあっては、分割された各画角の範囲のレーザー光をそれぞれ集光して受光素子７へ導くレンズ２３、２３、・・・によって構成された集光レンズ１１を設けているため、受光素子７に対する十分な受光量を確保することができると共に受光素子７における受光面積の小型化を図ることができる。

従って、距離情報を正確かつ高速で取得することが可能となり、走査時におけるスキャン周波数を高め受光素子７の良好な周波数特性を確保することができる。

また、集光レンズ１１は複数のレンズ２３、２３、・・・がそれぞれ水平方向に対して所定の角度で傾斜して配置されているため、レーザー光を受光素子７に距離測定に必要とされる所定の径で入射させることが可能であり、距離測定における測定精度の向上を図ることができる。

尚、３次元距離測定装置１、１Ａにあっては、レンズ２３、２３、・・・を水平方向に対して傾斜させないで配置することも可能である。

上記には、集光レンズ１１、１１、・・・の配置方向を垂直方向とした例を示したが、集光レンズ１１、１１、・・・の配置方向は画角の分割方向に一致されるため、画角の分割方向を考慮した方向になる。例えば、画角の分割方向が水平方向であれば、集光レンズ１１、１１、・・・の配置方向も同じ水平方向となる。

尚、画角の分割方向は垂直方向又は水平方向に限られることはなく、レーザー光による走査の方向に応じて変更可能であり、レーザー光の光軸に直交する方向において任意の一方向となる。

尚、上記には、レーザー光の往復時間を測定することにより距離の算出を行う３次元距離測定装置１、１Ａを例として示したが、３次元距離測定装置１、１Ａは出射光と入射光の位相差を検出して距離を測定する装置にも適用することが可能である。

上記した最良の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本発明を実施する際の具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

１…３次元距離測定装置、２…レーザー光源、３…光学素子、４…投光用ミラー、５…リレーレンズ、６…集光ユニット、７…受光素子、７ａ…受光面、８…第１の反射ミラー、９…第２の反射ミラー、１０…ポリゴン、１１…集光レンズ、１００…被測定物、２３…レンズ、１Ａ…３次元距離測定装置

Claims (24)

1. 光源と、
   前記光源から照射された光の方向を変える第１の反射ミラーと、
   前記第１の反射ミラーで反射されて方向が変化した光が通過し、共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、
   多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する第２の反射ミラーと、
   被測定物で反射された光が入射され多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、
   前記第１のリレーレンズが前記第１の反射ミラーと前記第２のリレーレンズとの間に配置され、
   前記第１のリレーレンズの焦点距離が前記第２のリレーレンズの焦点距離より長い
   照射方向変更システム。
2. 前記第１の反射ミラーが軸を支点として回動可能にされている
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
3. 前記光源がレーザー光源である
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
4. 前記第１の反射ミラーが限られた方向に対してのみ回動可能である
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
5. 前記第２の反射ミラーと前記ポリゴンが２Ｍ：Ｍ（Ｍは３以上の自然数）の正多角形に形成されている
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
6. 前記第１の反射ミラーと前記光源との間に他のレンズを備える
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
7. 前記第１の反射ミラーと前記光源との間のレンズがコリメーターレンズである
   請求項６に記載の照射方向変更システム。
8. 前記第１の反射ミラーがＭＥＭＳミラーである
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
9. 前記第１及び第２のリレーレンズが両凸レンズである
   請求項１に記載の照射方向変更システム。
10. 光源と、
    前記光源から照射された光の方向を変える第１の反射ミラーと、
    前記第１の反射ミラーで反射されて方向が変化した光が通過し、共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、
    多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する第２の反射ミラーと、
    被測定物で反射された光が入射され多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、
    前記第１のリレーレンズが前記第１の反射ミラーと前記第２のリレーレンズとの間に配置され、
    前記第１の反射ミラーに最も近い前記第１のリレーレンズの集光角度が前記第２のリレーレンズの集光角度より小さい
    照射方向変更システム。
11. 前記第１のリレーレンズの焦点距離が前記第２のリレーレンズの焦点距離より長い
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
12. 前記第１の反射ミラーが軸を支点として回動可能にされている
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
13. 前記光源がレーザー光源である
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
14. 前記第１の反射ミラーが限られた方向に対してのみ回動可能である
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
15. 前記第２の反射ミラーと前記ポリゴンが２Ｍ：Ｍ（Ｍは３以上の自然数）の正多角形に形成されている
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
16. 前記第１の反射ミラーと前記光源との間に他のレンズを備える
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
17. 前記第１の反射ミラーと前記光源との間のレンズがコリメーターレンズである
    請求項１６に記載の照射方向変更システム。
18. 前記第１の反射ミラーがＭＥＭＳミラーである
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
19. 前記第１及び第２のリレーレンズが両凸レンズである
    請求項１０に記載の照射方向変更システム。
20. 光軸に対して傾動可能な光ビームを備える光源と、
    前記光ビームが通過し、光軸に沿って共役な位置に配置された第１及び第２のリレーレンズと、
    多角形に形成され軸を支点に回転可能とされると共に、前記第１及び第２のリレーレンズを透過された光を目標とする被測定物に向けて反射する反射ミラーと、
    被測定物で反射された光が入射される多角形に形成されたポリゴンを有すると共に、回転可能とされた集光ユニットとを備え、
    前記第１のリレーレンズが前記第２のリレーレンズと前記光源との間に配置され、
    前記第１のリレーレンズの焦点距離が前記第２のリレーレンズの焦点距離より長い
    照射方向変更システム。
21. 前記光ビームがレーザー光ビームである
    請求項２０に記載の照射方向変更システム。
22. 前記光ビームが光軸に対して限られた範囲内の角度で傾くようにされている
    請求項２０に記載の照射方向変更システム。
23. 前記光源と前記第１のリレーレンズとの間に回動可能なミラーを備える
    請求項２０に記載の照射方向変更システム。
24. 前記第１及び第２のリレーレンズが両凸レンズである
    請求項２０に記載の照射方向変更システム。

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