JP6424364B2 - レーザレンジファインダ、３次元スキャナおよびレーザ光偏向装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザレンジファインダ、３次元スキャナおよびレーザ光偏向装置に関し、特にたとえば、レーザ光を利用する、レーザレンジファインダ、３次元スキャナおよびレーザ光偏向装置に関する。

背景技術の一例が特許文献１に開示されている。この特許文献における走査式測距装置では、内部の発光部から出力された測定光は、回転体と一体回転する偏向ミラーによって反射される。たとえば、走査式測距装置が自動搬送車両に取り付けられた場合、走行方向前方に走行方向と垂直な軌跡に沿って、走査されることになる。

特開2010-256179号公報[G01S 17/93, G01C 3/06, G05D 1/02, B65G 1/00, G01S 17/42]

ところが、特許文献１の走査式測距装置では、走査範囲を広く、かつ走査周期を短くすると振動や騒音が大きくなり、電力を多く消費する。特に、たとえば３次元の走査を行うときの騒音および消費電力を考慮した場合、領域全体の距離データを取得するために時間がかかってしまう問題がある。

また、高速に３次元の走査を実現するために、レーザ距離計測ユニットを多数搭載したセンサも開発されているが、このセンサはコストが高い。そのため、たとえば走査式測距装置を用いた自律移動ロボットの分野では、広い範囲のデータを短時間で取得でき、かつコストが低いセンサが求められている。

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、レーザレンジファインダ、３次元スキャナおよびレーザ光偏向装置を提供することである。

この発明の他の目的は、機械的な動作部を用いずにレーザ光を走査することが出来る、レーザレンジファインダ、３次元スキャナおよびレーザ光偏向装置を提供することである。

この発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号および補足説明等は、この発明の理解を助けるために記述する実施形態との対応関係を示したものであって、この発明を何ら限定するものではない。

第１の発明は、各々が異方性光学結晶から成り、垂直な第１面および傾斜した第２面を有し、第１面から入射したレーザ光の偏光方向に応じて、第２面から第１レーザ光または第１レーザ光の光路とは異なる第２レーザ光を出射する、少なくとも１つのプリズム、プリズムを挟んで設置され、それぞれが入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかを制御できる、少なくとも１対の偏光回転素子、最も外側の偏光回転素子の外側にそれぞれ設けられ、それぞれが所定の偏光方向成分のレーザ光を通過させる、１対の偏光フィルタ、およびプリズムの第１面側の偏光フィルタにレーザ光を投光し、プリズムの第２面側の偏光フィルタを経た反射レーザ光を受光する投受光部を備える、レーザレンジファインダである。

第１の発明では、レーザレンジファインダ（１０：実施例において対応する部分を例示する参照符号。以下、同じ。）における少なくとも１つのプリズム（１８）は、たとえば各々が方解石などの異方性光学結晶から成り、垂直な第１面および傾斜した第２面を有する。また、このようなプリズムは複屈折するため、第１面から入射したレーザ光の偏光方向に応じて、たとえば通常光線とも呼ばれる第１レーザ光または異常光線とも呼ばれる第２レーザ光を、第２面から出射する。少なくとも１対の偏光回転素子（２０）は、たとえばプリズムが２個である場合は、２つのプリズムが３つの偏光回転素子で挟まれるように設置される。また、各偏光回転素子は、入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかを制御できる。１対の偏光フィルタ（２２）は、最も外側の偏光回転素子の外側にそれぞれ設けられる。たとえば、投受光部側に設けられる一方の偏光フィルタ（２２ａ）は、所定の偏光成分のレーザ光、つまり一定方向に偏光したレーザ光を通過させる。また、他方の偏光フィルタ（２２ｂ）は、外部に出射されたレーザ光と同じ方向に偏光した反射レーザ光を通過させる。投受光部（１４）は、たとえば略同軸上で、プリズムの第１面側の偏光フィルタにレーザ光を投光し、プリズムの第２面側の偏光フィルタを経た反射レーザ光を受光する。

第１の発明によれば、機械的な動作部を用いずに、複数の角度でレーザ光を走査することが出来る。

また、第１の発明のレーザレンジファインダは、機械的な回転部および振動部を有しているレーザ光偏向装置に対して低騒音／低振動、低消費電力および高耐久性／耐候性などの効果を奏する。

第２の発明は、第１の発明に従属し、偏光回転素子のオン／オフを制御する制御部をさらに備え、偏光回転素子は、制御部によってオンにされたときに入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させ、制御部によってオフにされたときには入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させない。

第２の発明では、制御部（１２，２４）は、たとえば全体を制御するプロセッサ（１２）と、各偏光回転素子と対応する制御部とを含み、偏光回転素子のオン／オフを制御する。偏光回転素子は、制御部によってオンにされたときに入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させる。一方、偏光回転素子は、制御部によってオフにされたときには入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させない。

第３の発明は、第１の発明のレーザレンジファインダ、レーザレンジファインダからレーザ光が投光されるミラー、およびミラーを回転させるモータを備える、３次元スキャナである。

第３の発明では、レーザレンジファインダ（１０）は、たとえばｎ個のプリズムが用いられている場合は、２^ｎ個の角度にレーザ光を投光することが可能である。ミラー（６２）には、たとえば２^ｎ個の角度にレーザ光が照射される。モータ（６４）は、たとえばミラーの回転を制御する。たとえば、投光されたレーザ光を反射したミラーが一回転すると、１つの面（スキャン平面）をスキャンすることが出来る。たとえば、２^ｎ個の位置にレーザ光を投光することが可能なレーザレンジファインダを用いた場合、２^ｎ個のスキャン平面を得ることができる。そして、３次元スキャナは２^ｎ個のスキャン平面に基づいて、３次元空間のスキャン結果を得る。

第３の発明によれば、機械的な回転部および振動部を有しているレーザレンジファインダを利用する３次元スキャナに対して、低コストで、広い範囲の領域全体のデータを、短時間で取得することが可能となる。

第４の発明は、各々が異方性光学結晶から成り、垂直な第１面および傾斜した第２面を有し、第１面から入射したレーザ光の偏光方向に応じて、第２面から第１レーザ光または第１レーザ光の光路とは異なる第２レーザ光を出射する、少なくとも１つのプリズム、プリズムを挟んで設置され、それぞれが入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかを制御できる、少なくとも１対の偏光回転素子、および最も外側の偏光回転素子の外側にそれぞれ設けられ、それぞれが所定の偏光方向成分のレーザ光を通過させる、１対の偏光フィルタを備える、レーザ光偏向装置である。

第４の発明では、レーザ光偏向装置（１０）は、第１の発明のプリズム（１８）、偏光回転素子（２０）および偏光フィルタ（２２）を含むレーザ光偏向装置（１６）を備える。

第４の発明によれば、機械的な回転部および振動部を用いずに、レーザ光を偏向させることが出来る。

この発明によれば、機械的な動作部を用いずに、複数の角度でレーザ光を走査することが出来る。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１はこの発明の一実施例のレーザレンジファインダの構成の一例を示す図解図である。 図２は図１に示すレーザレンジファインダにおけるレーザ光および反射レーザ光の投受光の経路の一例を示す図解図であり、図２（Ａ）はレーザ光の投光経路の一例を示し、図２（Ｂ）は反射レーザ光の受光経路の一例を示す。 図３は図１に示すプロセッサおよび制御部によって制御される偏光回転素子の一例を示す図解図である。 図４は図１に示すレーザレンジファインダを用いた動作実験の実験環境の一例を示す図解図である。 図５は図１に示すレーザレンジファインダから投光されたレーザ光の投光位置の一例を示す図解図である。 図６は図１に示すレーザレンジファインダを用いた動作実験の実験結果の一例を示す図解図である。 図７は他の実施例のレーザレンジファインダの構成の一例を示す図解図である。 図８はその他の実施例のレーザレンジファインダから投光されたレーザ光の投光位置の一例を示す図解図である。 図９は図１に示すレーザレンジファインダが用いられた３次元スキャナの構成の一例を示す図解図である。 図１０は図１０に示す３次元スキャナによってスキャンされるスキャン平面の一例を示す図解図である。

＜第１実施例＞
図１を参照して、実施例のレーザレンジファインダ１０は、プロセッサ１２、レーザ光源とも言われる投受光部１４およびレーザ光偏向装置１６などを備える。そして、レーザレンジファインダ１０は、測定光の出射時期と反射光の受光時期の時差を求めることで、レーザレンジファインダ１０から物体までの距離を算出する。

なお、以下の説明では、光波の振動に関することに対して「偏光」という言葉を用い、レーザ光の進行方向の角度を変えることに関して「偏向」という言葉を用いていることに注意されたい。

投受光部１４はレーザ光を投光し、投光したレーザ光が物体に当たって反射したレーザ光を受光する。なお、レーザ光は「測定光」と言われることもあり、反射したレーザ光は、「反射光」または「反射レーザ光」と言われることもある。

レーザ光偏向装置１６は、レーザスキャナと言われることもあり、垂直な第１面および傾斜した第２面を有する２つの偏光プリズム１８、各偏光プリズム１８を挟むように設置される３つの偏光回転素子２０および最も外側の偏光回転素子２０の外側にそれぞれ設けられる一対の偏光フィルタ２２を含む。また、各偏光回転素子２０には制御部２４が接続され、制御部２４は、プロセッサ１２の指示に従って、偏光回転素子２０のオン／オフを制御する。そのため、プロセッサ１２および制御部２４は、まとめて「制御部」と言われることもある。

３つの偏光回転素子２０は、たとえば制御部２４によってオンにされた状態では、偏光回転素子２０の内部を通過するレーザ光の偏光方向を回転させる。また、偏光回転素子２０のそれぞれには、電気的にリターダンスを制御可能な液晶可変リターダが採用される。

なお、他の実施例の偏光回転素子２０には、液晶可変リターダよりも応答性がよいポッケルスセル可変リターダや、電気的に偏光方向の回転を制御可能なＴＮ液晶などが採用されてもよい。

２つの偏光プリズム１８は、方解石などの異方性光学結晶から成る。異方性光学結晶は、その結晶の光学軸に対して平行な偏光の光線（通常光線）と、光学軸に対して垂直な偏光の光線（異常光線）とで屈折率が異なる。つまり、異方性光学結晶の向き対する偏光方向および入射方向で、屈折率が変わる。たとえば、方解石から成る偏光プリズム１８では、通常光線の屈折率ｎ_０は、異常光線の屈折率ｎ_ｅよりも大きいため、通常光線は異常光線よりも大きく屈折する。

そして、投受光部１４は、偏光プリズム１８の第１面側の第１偏光フィルタ２２ａにレーザ光を投光し、偏光プリズム１８の第２面側の第２偏光フィルタ２２ｂを経た反射レーザ光を受光する。

このように、レーザレンジファインダ１０は、非機械的なレーザスキャン方式を採用しており、機械的な回転部および振動部を有していない。そのため、レーザレンジファインダ１０は、機械的な回転部および振動部を有しているレーザレンジファインダに対して低騒音／低振動、低消費電力および高耐久性／耐候性などの効果を奏する。

ここで、たとえば投受光部１４は、光源または投光部とも言われるレーザダイオードと、受光部とも言われるフォトダイオードとを含む。レーザダイオードには、投受光部１４の外部にレーザ光を出力するため導光部材が設けられている。また、導光部材内にはコリメータレンズが設けられている。そのため、レーザダイオードが出力したレーザ光は、導光部材によってコリメータレンズに導かれ、コリメータレンズで平行状態に調整される。そして、平行状態に調整されたレーザ光が、投受光部１４の外部に出射される。なお、平行状態に調整されたレーザ光（ビーム光）は、コリメート光と言われることもある。

導光部材の出射側では、この導光部材の周囲を囲むように集光レンズ設置されている。つまり、導光部材の一方端は集光レンズの略中心を貫いた状態となる。たとえば、反射レーザ光は集光レンズによって受光される。集光レンズの焦点には、レーザダイオードの光軸と略一致するように配置されたフォトダイオードが設けられている。そのため、集光レンズによって集光された反射レーザ光は、集光レンズの焦点に配置されたフォトダイオードに入力される。

このように、本実施例の投受光部１４は、投光したレーザ光と略同じ光軸上で、反射レーザ光を受光することができる。

なお、投受光部１４の具体的な構成などについては、特開２０１４−１０９６８６号公報を参照されたい。また、他の実施例では、たとえば特開２００２−２４６６３６号公報などに記載されている技術が利用された投受光部１４が採用されてもよい。

図２（Ａ）は投受光部１４から投光されたレーザ光の投光経路の一例を示す。図２（Ａ）を参照して、投受光部１４が投光したレーザ光は第１偏光フィルタ２２ａを通過する。このとき、第１偏光フィルタ２２ａでは、所定の偏光成分のレーザ光、つまり一定方向に偏光したレーザ光が通過する。この第１偏光フィルタ２２ａ通過したレーザ光は、第１偏光回転素子２０ａを通過する。第１偏光回転素子２０ａでは、内部を通過するレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかが制御される。たとえば、第１偏光回転素子２０ａがオンであれば、レーザ光の偏光方向は９０度回転する。一方、第２偏光回転素子２０ｂがオフであれば、レーザ光の偏光方向は９０度回転しない。

第１偏光回転素子２０ａで偏光方向が制御されたレーザ光は、第１偏光プリズム１８ａの垂直な第１面に入射する。入射したレーザ光は、偏光方向に応じて、通常光線のレーザ光または異常光線のレーザ光を第２面から出射する。

第１偏光プリズム１８ａから出射されたレーザ光は、第２偏光回転素子２０ｂで偏光方向を９０度回転させるか否かが再び制御され、第２偏光プリズム１８ｂに入射する。第２偏光プリズム１８ｂの第１面から入射したレーザ光は、再び偏光方向に応じて、通常光線のレーザ光または異常光線のレーザ光を第２面から出射する。

たとえば、図３を参照して、１つ目の偏光プリズム１８にレーザ光Ｌ_０が入射した場合、レーザ光Ｌ_０の偏光方向に応じて、第１レーザ光Ｌ_１または第２レーザ光Ｌ_２が出射される。第１レーザ光Ｌ_１または第２レーザ光Ｌ_２は偏光回転素子２０を通過して、２つ目の偏光プリズム１８の第１面に入射する。このとき、偏光回転素子２０がオフであれば第１レーザ光Ｌ_１に対応する第３レーザ光Ｌ_１１が第２面から出射され、偏光回転素子２０がオンであれば第１レーザ光Ｌ_１に対応する第４レーザ光Ｌ_１２が第２面から出射される。また、偏光回転素子２０がオンであれば第２レーザ光Ｌ_２に対応する第５レーザ光Ｌ_２１が第２面から出射され、偏光回転素子２０がオフであれば第２レーザ光Ｌ_２に対応する第６レーザ光Ｌ_２２が第２面から出射される。

このように、本実施例では、レーザ光が２個の偏光プリズム１８を透過するため、レーザ光の角度を４（＝２^２）つの分解能で偏向することが可能である。

なお、レーザ光が１個の偏光プリズム１８を透過する場合は、レーザ光の角度は２（＝２^１）つの分解能で偏向する。また、レーザ光が３個の偏光プリズム１８を透過する場合は、レーザ光の角度は８（＝２^３）つの分解能で偏向する。つまり、レーザ光偏向装置１６で利用されるｎ個の偏光プリズムに応じて、レーザ光の角度は２^ｎつの分解能で偏向する。

また、たとえば上述の第３−第６レーザ光は、最終段の偏光回転素子２０で、偏光方向を９０度回転させるかが制御され、第２偏光フィルタ２２ｂを介して外部に投光される。

図２（Ａ），（Ｂ）を参照して、最終段の偏光回転素子２０、つまり実施例では３段目の第３偏光回転素子２０ｃと、最終段の偏光回転素子２０に設けられる第２偏光フィルタ２２ｂとは、レーザ光の偏向角度の分解能の偏光には寄与していない。ただし、最終段の偏光回転素子２０は、全ての偏光回転素子２０のうち、オンにされる偏光回転素子２０が偶数個となるように用いられる。そして、オンの偏光回転素子２０を偶数個にすることで、第２偏光フィルタ２２ｂから外部に出射されたレーザ光の偏向方向と、そのレーザ光の反射レーザ光の偏向方向とを等しくすることが出来る。

また、外部に投光され物体に当たったレーザ光は拡散する。そのため、反射レーザ光は様々な偏光方向成分を含む。そして、外部に投光されたレーザ光と同じ方向に偏光した反射レーザ光を通過させるために、第２偏光フィルタ２２ｂが設けられている。

このように、最終段の偏光回転素子２０および第２偏光フィルタ２２ｂを設けることで、図２（Ｂ）に示すように、レーザ光と反射レーザ光との経路が同じになる。つまり、反射レーザ光は投光経路と略同じ経路をたどって投受光部１４で受光される。

したがって、レーザレンジファインダ１０から投光されるレーザ光の偏向方向によらず、反射レーザ光は投受光部１４に戻るため、物体に対するレーザ光の投光位置によらず、正確な測距を実現することが可能となる。

図３を参照して、偏光回転素子２０の制御について具体的に説明する。偏光回転素子２０には、上述したように偏光回転素子２０に印加する電圧を制御する制御部２４が接続されている。各制御部２４には、プロセッサ１２から偏光方向のオン／オフを指示する制御信号と、前段までの偏向角度とが入力される。制御部２４は、制御信号に基づいて偏光回転素子２０のオン／オフを制御する。また、制御部２４は、前段までの偏向角度に基づいて、光路長に応じて１／２波長のリターダンス、つまり偏光方向を９０度回転させるように、印加する電圧（以下、単に「印加電圧」と言う。）を制御する。

たとえば、入射角をθ、偏光回転素子２０の厚さ（光路長）をｄ、レーザ光の波長をλ、リターダ特性をｋ、印加電圧をｖとする。そして、光路長ｄおよび印加電圧ｖに比例して発生するリターダンスを１／２波長（９０度）にする場合は、数１に示す数式が成立する。

[数１]

また、数１に示す数式を印加電圧ｖについて解くと数２に示す数式となる。そして、制御部２４は、入射角θ、つまり前段までの偏向角度を数２の数式に代入することで、偏光回転素子２０に印加する電圧を決める。すなわち、偏光回転素子２０への印加電圧ｖは、数２に示す数式を用いて制御される。

[数２]

このようにして印加電圧ｖを算出することで、偏光回転を高精度に制御することが可能となる。

なお、１段目の第１偏光回転素子２０ａと接続される制御部２４では、前段が存在しないため前段までの偏向角度としては、「０度」がその制御部２４に入力される。

また、他の実施例では、数１および数２の数式に対して周囲温度ｔが加えられてもよい。つまり、他の実施例では、周囲温度ｔが考慮された印加電圧ｖによって、より高精度に偏光回転素子２０が制御されてもよい。

続いて、実施例のレーザレンジファインダ１０を用いた動作実験の実験結果について説明する。まず、図４を参照して、動作実験の実験環境としては、レーザレンジファインダ１０および方眼紙を用意し、レーザレンジファインダ１０の投受光部１４から出射されたレーザ光がレーザ光偏向装置１６を透過した後に方眼紙に照射されるようにする。また、方眼紙は、レーザ光偏向装置１６にレーザ光が投光される側の位置を基準として、前方２．０ｍの位置に配置される。

次に、図５を参照して、まず、投受光部１４から投光されたレーザ光がレーザ光偏向装置１６を介さずに照射される位置を方眼紙に記録する。そして、３つの偏光回転素子２０において、オンとなる偏光回転素子２０が偶数となるように、３つの偏光回転素子２０のオン／オフのパターンを試し、各パターンにおけるレーザ光の投光位置を記録する。

図６に示す実験結果を参照して、１段目の第１偏光回転素子２０ａをオンにし、２段目の第２偏光回転素子２０ｂをオフにしたうえで、３段目の第３偏光回転素子２０ｃをオンにした場合、レーザ光が照射される位置は投光位置Ａとなった。

１段目の第１偏光回転素子２０ａをオフにし、２段目の第２偏光回転素子２０ｂをオンにしたうえで、３段目の第３偏光回転素子２０ｃをオンにした場合、レーザ光が照射される位置は投光位置Ｂとなった。

１段目の第１偏光回転素子２０ａと２段目の第２偏光回転素子２０ｂとをオフにし、３段目の第３偏光回転素子２０ｃをオフにした場合、レーザ光が照射される位置は投光位置Ｃとなった。

そして、１段目の第１偏光回転素子２０ａと２段目の第２偏光回転素子２０ｂとをオンにし、３段目の第３偏光回転素子２０ｃをオフにした場合、レーザ光が照射される位置は投光位置Ｄとなった。

このように、レーザ光偏向装置１６は２個の偏光プリズム１８を利用しているため、レーザ光の角度が４（＝２^２）つの分解能で偏向している、つまりレーザ光の投光位置が４個であることを確認できた。

次に、レーザ光の振り角、つまりレーザ光が照射される位置が適切であるかを検証する。まず、４つの投光位置Ａ−Ｄのそれぞれに対して、横方向の振り角および縦方向の振り角を、スネルの法則を用いた数３、数４に示す数式に基づいて偏光プリズム１８からの出射角を算出する。

以下の数式では、出射角をθ_ｏｕｔとし、偏光プリズム１８の通常光線の屈折率をｎ_０とし、異常光線の屈折率をｎ_ｅとし、偏光プリズム１８のプリズム角度をφとし、偏光プリズム１８への入射角をφ_ａとする。また、数４においては、複屈折を起こす結晶、つまり異方性光学結晶の結晶軸に対する入射角度をΨ_ａとし、入射角（入射方向）がΨ_ａのときの屈折率をｎ_ｅａ（Ψ_ａ）とする。そして、数３は通常光線の出射角θ_ｏｕｔを示し、数４は異常光線の出射角θ_ｏｕｔを示す。

[数３]

[数４]

上述したように、異方性光学結晶の異常光線に対する屈折率は、３次元空間の結晶軸に対する入射方向で変化する。そして、３次元の入射方向に対する屈折率は、楕円体（屈折率楕円体）となる性質を持っている。

また、第１実施例で利用する異方性光学結晶は方解石であり、方解石は１軸性結晶である。そのため、屈折率楕円体を利用した場合、異常光線に対する屈折率の変化は屈折率楕円体の中心（結晶軸）に対する入射方向で決まる。そして、１軸性結晶のｎ_ｅａ（Ψ_ａ）は、屈折率楕円体を２次元で捉えた場合に、２次元の楕円の中心からの距離で表される。そのため、ｎ_ｅａ、ｎ_０およびｎ_ｅの関係は、数５に示す数式で表すことが出来る。

[数５]

また、数５の数式をｎ_ｅａ（Ψ_ａ）について解くと数６に示す数式となる。そして、数６によって得られるｎ_ｅａ（Ψ_ａ）の値を、数４におけるｎ_ｅａ（Ψ_ａ）に代入することで、数２における出射角θ_ｏｕｔを算出すことが可能となる。

[数６]

なお、異方性光学結晶における、屈折率ｎ_ｅａ（Ψ_ａ）、１軸性結晶および屈折率楕円体などについては、広く一般的に知られているため、それぞれの用語についての詳細な説明は省略する。

また、Ψ_ａは前段の偏光プリズム１８からの出射角θ_ｏｕｔによって決まるため、正確な出射角θ_ｏｕｔを算出する場合には、各段の制御部２４で出射角θ_ｏｕｔを算出する必要がある。

なお、他の実施例では、実施際の偏光プリズム１８では、光線が複屈折特有のスネルの法則で表せない経路を通るため、より正確な出射角θ_ｏｕｔの計算のために、Ｏ．Ｎ．Ｓｔａｖｒｏｕｄｉｓの論文（“Ｒａｙ−Ｔｒａｃｉｎｇ Ｆｏｕｍｕｌａｓ ｆｏｒ Ｕｎｉａｘｉａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ”， Ｊ．ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， ｖｏｌ５２（２），ｐｐ．１８７−１９１，１９６２）に記載されているベクトル算法を用いてもよい。

図６を再び参照して、投受光部１４の光軸に対する振り角[ｍｒａｄ]を、実験結果における実測および計算の列に示す。たとえば、投光位置Ａの振り角の計算結果は、横が「９７」であり、縦が「１１６」である。これに対して、図５に示す投光位置Ａから求めた振り角の値は、「９６」となり、縦が「１１８」となった。

また、投光位置Ｂの振り角の計算結果は、横が「８３」であり、縦が「１１６」であるのに対して、図５に示す投光位置Ｂから求めた振り角の値は「８２」となり、縦が「１１８」となった。さらに、投光位置Ｃの振り角の計算結果は、横が「８３」であり、縦が「１１６」であるのに対して、図５に示す投光位置Ｃから求めた振り角の値は「８２」となり、縦が「９９」となった。そして、投光位置Ｄの振り角の計算結果は、横が「９７」であり、縦が「１００」であるのに対して、図５に示す投光位置Ｄから求めた振り角の値は「９７」となり、縦が「１００」となった。

いずれの投光位置においても、図４示した投光位置から求めた振り角（偏向角度）と、計算で求めた振り角（偏向角度）とが略一致していることが確認できた。

このように、第１実施例のレーザレンジファインダ１０は、機械的な動作部を用いずに、複数の角度でレーザ光を走査することが出来る。

また、レーザ光偏向装置１６は、機械的な回転部および振動部を用いずに、レーザ光を偏向させることが出来る。

なお、２段目以降の偏光プリズム１８での偏向角度は、その偏光プリズム１８よりも前にある全ての偏光回転素子２０での偏光方向の回転の合計で変化する。そのため、たとえば２段目の第２偏光プリズム１８ｂの偏向角度は、１段目の第１偏光回転素子２０ａおよび２段目の第２偏光回転素子２０ｂのオン／オフの排他的論理和（ＸＯＲ）で変化する。

また、第１実施例では、照射されたレーザ光の位置はマトリクス状であったが、レーザ光の振り方向は縦または横に振ることが出来る。そのため、他の実施例では、照射されたレーザ光の位置が直線状となるようにしてもよい。

また、第１実施例のレーザレンジファインダ１０の最小構成として、図７に示す構成とすることが出来る。最小構成のレーザレンジファインダ１０は、偏光プリズム１８とその偏光プリズム１８を挟んで設置される１対の偏光回転素子２０、最も外側の偏光回転素子２０の外側にそれぞれ設けられる１対の偏光フィルタ２２および第１偏光フィルタ２２ａにレーザ光を投光し、第２偏光フィルタ２２ｂを経た反射レーザ光を受光する投受光部１４などを含む。つまり、最小構成のレーザレンジファインダ１０では、レーザ光偏向装置１６の構成が最小構成となる。そして、レーザ光偏向装置１６に含まれる偏光プリズム１８を１つにした場合、そのレーザ光偏向装置１６におけるレーザ光の角度は２（＝２^１）つの分解能で偏向するため、レーザ光の投光位置は２個になる。

また、レーザ光偏向装置１６の詳細な構成の図示は省略するが、偏光プリズム１８を８個とした場合、レーザ光偏向装置１６におけるレーザ光の角度は２５６（＝２^８）つの分解能で偏向する。そのため、レーザレンジファインダ１０は、図８に示すように、レーザ光の投光位置を２５６個にすることも可能である。

また、その他の実施例では、偏光プリズム１８を同じ性能を有するマイクロプリズムに置き換えてもよい。この場合、マイクロプリズムは偏光プリズム１８よりも厚さが薄いため、レーザレンジファインダ１０（レーザ光偏向装置１６）を小型化することができる。

また、さらにその他の実施例では、投光経路と受光経路とが異なっていてもよい。たとえば、さらにその他の実施例では、最終段の偏光回転素子２０と第２偏光フィルタ２２ｂとの間にハーフミラーを設ける。この場合、投受光部１４に代えて、投受光部と同じ位置に投光部を設ける。また、反射レーザ光がハーフミラーによって反射したときの経路上に受光部を設ける。この場合、反射レーザ光は、偏光回転素子２０、偏光プリズム１８および第１偏光フィルタ２２ａを通過せずに、受光部によって受光される。つまり、投光経路と受光経路とが異なった状態となる。

なお、最終段の偏光回転素子２０は、オンになっている偏光回転素子２０の数が常に偶数になるように制御する例を示したが、オンになっている偏光回転素子２０の数は、偶数または奇数で、常に一定であればよい。たとえば、他の実施例では、オンになっている偏光回転素子２０の数が常に奇数となるように、最終段の偏光回転素子２０が制御されてもよい。そして、オンになっている偏光回転素子２０の数が奇数となるように制御した場合は、各偏光フィルタ２２が透過させる偏光方向が、偏光回転素子２０の数が偶数となるように制御した場合に対して９０度回転するように、各偏光フィルタ２２を取り付ければよい。

＜第２実施例＞
図９を参照して、３次元スキャナ６０は、第１実施例のレーザレンジファインダ１０、ミラー６２およびモータ６４などを備える。レーザレンジファインダ１０が投光したレーザ光は、モータ６４によって回転が制御されているミラー６２に照射される。また、ミラー６２で反射したレーザ光は３次元空間に投光される。このとき、ミラー６２は回転しているため、反射したレーザ光は、３次元空間を平面でスキャンすることが可能である。

また、レーザレンジファインダ１０が投光したレーザ光の投光位置は、第１実施例で示したように変化する。そのため、ミラー６２で反射したレーザ光によって１つの面（以下、スキャン面）がスキャンされたときにレーザ光の投光位置を変化させると、ミラー６２で反射したレーザ光は、投光位置が変化する前のレーザ光とは異なる面をスキャンすることになる。つまり、レーザ光の投光位置を変化させる毎に、異なるスキャン平面が得られる。

図１０を参照して、たとえば、第１実施例のレーザレンジファインダ１０が投光するレーザ光の投光位置は４個である。そのため、第１実施例のレーザレンジファインダ１０を有する３次元スキャナ６０は、４個のスキャン平面をスキャンすることが可能となる。

たとえば、従来型のレーザレンジファインダを利用した３次元スキャナでは、４個のスキャン平面を得るために従来型のレーザレンジファインダを４台用意しなければならなかった。これに対して、本実施例の３次元スキャナ６０であれば、４個のスキャン平面を得るためのレーザレンジファインダ１０は１台でよく、そのレーザレンジファインダ１０（レーザ光偏向装置１６）に利用される偏光プリズム１８を２（＝ｌｏｇ_２４）個にすればよい。

つまり、本実施例の３次元スキャナ６０で、ｎ個のスキャン平面を得る場合は、「ｌｏｇ_２ｎ」個の偏光プリズム１８が利用される１台のレーザレンジファインダ１０を用意すればよい。そして、３次元スキャナ６０は、複数のスキャン平面に基づいて、３次元空間のスキャン結果を得ることができる。

このように、第２実施例の３次元スキャナ６０は、機械的な回転部および振動部を有しているレーザレンジファインダを利用する３次元スキャナに対して、比較的低コストで、広い範囲の領域全体のデータを、短時間で取得することが可能となる。

なお、本明細書中で挙げた、具体的な数値は、いずれも単なる一例であり、製品の仕様変更などに応じて適宜変更可能である。

１０ …レーザレンジファインダ
１２ …プロセッサ
１４ …投受光部
１６ …レーザ光偏向装置
１８（１８ａ，１８ｂ） …偏光プリズム（第１偏光プリズム、第２偏光プリズム）
２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ） …偏光回転素子（第１偏光回転素子、第２偏光回転素子、第３偏光回転素子）
２２（２２ａ，２２ｂ） …偏光フィルタ（第１偏光フィルタ、第２偏光フィルタ）
２４ …制御部
６０ …３次元スキャナ
６２ …ミラー
６４ …モータ

Claims (4)

1. 各々が異方性光学結晶から成り、垂直な第１面および傾斜した第２面を有し、第１面から入射したレーザ光の偏光方向に応じて、第２面から第１レーザ光または前記第１レーザ光の光路とは異なる第２レーザ光を出射する、少なくとも１つのプリズム、
   前記プリズムを挟んで設置され、それぞれが入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかを制御できる、少なくとも１対の偏光回転素子、
   最も外側の偏光回転素子の外側にそれぞれ設けられ、それぞれが所定の偏光方向成分のレーザ光を通過させる、１対の偏光フィルタ、および
   前記プリズムの前記第１面側の偏光フィルタにレーザ光を投光し、前記プリズムの前記第２面側の偏光フィルタを経た反射レーザ光を受光する投受光部を備える、レーザレンジファインダ。
2. 前記偏光回転素子のオン／オフを制御する制御部をさらに備え、
   前記偏光回転素子は、前記制御部によってオンにされたときに入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させ、前記制御部によってオフにされたときには入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させない、請求項１記載のレーザレンジファインダ。
3. 請求項１に記載のレーザレンジファインダ、
   前記レーザレンジファインダからレーザ光が投光されるミラー、および
   前記ミラーを回転させるモータを備える、３次元スキャナ。
4. 各々が異方性光学結晶から成り、垂直な第１面および傾斜した第２面を有し、第１面から入射したレーザ光の偏光方向に応じて、第２面から第１レーザ光または前記第１レーザ光の光路とは異なる第２レーザ光を出射する、少なくとも１つのプリズム、
   前記プリズムを挟んで設置され、それぞれが入射したレーザ光の偏光方向を９０度回転させるか、回転させないかを制御できる、少なくとも１対の偏光回転素子、および
   最も外側の偏光回転素子の外側にそれぞれ設けられ、それぞれが所定の偏光方向成分のレーザ光を通過させる、１対の偏光フィルタを備える、レーザ光偏向装置。