JP6678705B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本願は、レーザ光などの光ビームを測定対象の物体に照射することで得られる反射光に基づいて物体までの距離を測定する距離測定装置に関するものである。

従来、レーザ光などの光ビームを測定対象の物体に照射し、物体から反射される反射光に基づいて物体までの距離を測定する距離測定装置が知られている。このような距離測定装置には、光源のレーザ光を走査手段によって物体上の特定範囲内を走査する走査型の距離測定装置がある。走査手段としては、例えば回転するポリゴンミラーとそれに同期して動くガルバノミラーを組み合わせたものあるが、近年ではＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いたものも用いられている。ＭＥＭＳミラーは微細走査に対応できるという利点があるが、温度変化などの環境要因により機械振動部品および光学部品の特性が変化することでレーザ光が所望の走査点に到達しなくなる場合がある。レーザ光の走査位置の位置ずれが大きくなると、測定対象を検知できなくなるなど、距離測定において支障が生じる虞があるため、走査位置の位置ずれは速やかに検知して解消する必要がある。

そこで、レーザ光の走査点に設けられた受光手段により、走査されるレーザ光を受光し、必要に応じて走査位置の位置ずれを補正するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、レーザ光走査部内のレーザ光走査光学系から基準固定距離離れた位置に基準反射板を設置し、この基準反射板からの反射光の受信強度に基づいて送信ビームの走査幅を導出し、レーザ光走査光学系による走査幅を制御するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−１６４９５４号公報 特許第５６３８３４５号公報

しかしながら、特許文献１の技術を距離測定装置に適用する場合、反射光の光検出器とは別に受光手段を設けることになるため、構成が複雑になり距離測定装置の小型化および低コスト化の妨げになるという問題点がある。
また特許文献２の技術は、受光器の出力感度が持つ温度依存性を考慮していないため、基準反射板からの反射光により生成される受光信号の強度が周囲環境の温度変化によって過大になり、光検出器の出力が飽和する虞がある。基準反射板の反射率を一定値以下にすることで出力の飽和を防ぐことも考えられるが、基準反射板の反射率を小さくすると基準反射板がレーザ光から吸収する光量およびレーザ光吸収による発熱が大きくなり、基準反射板が変形および経年劣化して反射率が変化する虞がある。基準反射板の反射率の変化は、光検出器が出力する受光信号に影響を与えて反射光の強度の正確な測定を妨げ、走査位置の位置ずれの正確な検知を妨げるという問題を生じさせる。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、本願で開示される技術は、簡単な構成で走査位置の位置ずれをより正確に検知することができる距離測定装置を得るものである。

本願に開示される距離測定装置は、測定対象に対してレーザ光を照射し、測定対象からの反射光に基づいて測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源を制御するレーザ光源制御手段と、第１の方向に延びる走査線をレーザ光の走査領域の端で折り返しながら、第１の方向と直交する第２の方向にレーザ光を走査して、レーザ光を測定対象に対して２次元走査する走査手段と、走査手段を収納する筐体と、筐体に設けられ、測定対象の方向に開口し、走査手段に対して測定対象を露出させる開口部と、筐体に固定され、走査線の折り返し位置を覆うとともに、第２の方向に沿って折り返し位置に隣接する他の折り返し位置と折り返し位置との間にレーザ光を通す領域を形成することでレーザ光の走査領域の一部を覆い、レーザ光を反射する反射手段と、測定対象からの反射光および反射手段からの反射光を受光し、受光信号を出力する受光手段とを備え、予め定められた受光信号の集合における、反射手段からの反射光に基づく受光信号のタイミングのずれまたは反射手段からの反射光に基づく受光信号の有無に基づいて、レーザ光の走査位置の位置ずれを検知し、レーザ光源制御手段は、受光手段の出力が飽和するときのレーザ光の光量を閾値とし、レーザ光源が出射するレーザ光の光量を閾値未満に制御するものである。

本願に開示される技術によれば、簡単な構成で走査位置の位置ずれをより正確に検知することができる。

実施の形態１における距離測定装置の構成を示す概略図である。 実施の形態１における距離測定装置を示す機能ブロック図である。 実施の形態１に係る制御部のハードウエア構成を示す図である。 実施の形態１に係る距離測定方法を説明する図である。 実施の形態１に係る距離測定方法を説明する図であり、光源信号と受光信号の関係を示す図である。 実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーの構成を説明する図である。 実施の形態１に係るレーザ光の走査方法を説明する図である。 実施の形態１に係る反射部材の一例を示す図である。 図７ＡのＡ部拡大図である。 実施の形態１に係る反射部材の他の例を示す図である。 図８ＡのＢ部拡大図である。 測定対象の物体からの反射光と反射部材からの反射光を識別する方法の例を説明する図である。 実施の形態１に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、走査位置の位置ずれが生じていない場合の図である。 実施の形態１に係る受光信号を示す図であり、走査位置の位置ずれが生じていない場合の図である。 実施の形態１に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、＋Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の図である。 ＋Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の受光信号の変化を示す図である。 ＭＥＭＳミラーの駆動角と走査角の関係を説明する図である。 実施の形態２に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、走査領域に位置ずれが生じていない場合の図である。 実施の形態２に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、−Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の図である。 −Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の受光信号の変化を示す図である。 温度変化による受光信号の変化を示す図である。 実施の形態４に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、位相にずれが生じていない場合の図である。 実施の形態４に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、位相にずれが生じている場合の図である。 位相ずれが生じている場合の受光信号の変化を示す図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１を図１から図１２に基づいて説明する。図１は、実施の形態１における距離測定装置の構成を示す概略図である。距離測定装置１０は、ライダ（Ｌｉｄａｒ：Ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）またはレーザレーダとも呼ばれ、測定対象の物体９１に対してレーザ光を照射し、物体９１の表面で反射した反射光を受光することで物体までの距離測定を行うものである。なお、以後の説明では、物体９１に照射されるレーザ光を出射光Ｌ１、物体９１の表面で反射したレーザ光を反射光Ｌ２とする。距離測定装置１０は、レーザ光を出射光Ｌ１として出射するレーザ光源１３と、レーザ光源１３からの出射光Ｌ１を反射して、物体９１の表面に対して２次元走査するとともに、物体９１の表面で反射した反射光Ｌ２を反射して光検出器１６、すなわち受光手段に受光させるＭＥＭＳミラー１５、すなわち走査手段とを備えている。レーザ光源１３とＭＥＭＳミラー１５の間には集光ミラー１４が配置されている。集光ミラー１４は、レーザ光源１３からの出射光Ｌ１をＭＥＭＳミラー１５に透過させ、ＭＥＭＳミラー１５からの反射光Ｌ２を光検出器１６の方向に反射させる特性を持つ。レーザ光源１３、集光ミラー１４、ＭＥＭＳミラー１５および光検出器１６は、例えば円筒状の筐体１１に収納されている。筐体１１の側壁１１ａには、物体９１の方向に開口し、ＭＥＭＳミラー１５に対して物体９１を露出させる窓部１２、すなわち開口部が設けられている。また、窓部１２の一角には、例えば正方形状の板状をなし、出射光Ｌ１を反射する反射部材１０１、すなわち反射手段が取り付けられている。

レーザ光源１３は、近赤外波長のレーザ光を出射するが、波長およびレーザ光の照射方法はこれに限られるものではなく、出射されるレーザ光を走査することができる構成であればよい。

レーザ光源１３からの出射光Ｌ１は、集光ミラー１４を介してＭＥＭＳミラー１５に到達し、ＭＥＭＳミラー１５によって物体９１の方向へ反射される。ＭＥＭＳミラー１５で反射された出射光Ｌ１は、窓部１２を通って筐体１１の外に進み、物体９１の表面を照射する。物体９１は、その表面で出射光Ｌ１を反射光Ｌ２として反射する。反射光Ｌ２は、窓部１２を通って筐体１１内に入り、ＭＥＭＳミラー１５により集光ミラー１４へ反射される。集光ミラー１４は、ＭＥＭＳミラーからの反射光Ｌ２を光検出器１６へ反射する。光検出器１６は、例えばＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を受光素子として備え、集光ミラー１４からの反射光Ｌ２を受光して、受光した反射光Ｌ２に応じた受光信号を出力する。

ＭＥＭＳミラー１５は、その反射面が可動となっており、出射光Ｌ１の反射方向はＭＥＭＳミラー１５の反射角度により決定する。ＭＥＭＳミラー１５の反射角度はその駆動角により決まるため、ＭＥＭＳミラー１５の駆動角が所定の範囲内で振動することにより、出射光Ｌ１は所定の領域内で往復走査される。出射光Ｌ１は、このようにして筐体１１外の物体９１を走査し、物体９１の表面で反射される。反射光Ｌ２もＭＥＭＳミラー１５の反射角度により反射方向が調整され、光検出器１６に入射する。このようにして物体９１からの反射光Ｌ２を光検出器１６で受光し、物体９１までの距離におよび反射光の強度に関する情報を得ることができる。

図２は、実施の形態１における距離測定装置を示す機能ブロック図である。距離測定装置１０は、走査領域Ｒに対して出射光Ｌ１を照射するとともに、反射光Ｌ２を受光する距離測定部１７と、距離測定部１７を制御するとともに距離測定部１７からのデータを処理する制御部１８とを備える。走査領域Ｒは、筐体１１内のＭＥＭＳミラー１５から見た領域であり、反射部材１０１の取付位置を除き、物体９１の表面上に形成されている。すなわち、反射部材１０１はレーザ光の走査領域の一部を覆っている。距離測定部１７は、レーザ光源１３、およびレーザ光源１３を駆動制御するレーザ光源制御回路１３１、すなわちレーザ光源制御手段と、ＭＥＭＳミラー１５、およびＭＥＭＳミラー１５を駆動する駆動回路１５１と、光検出器１６、および光検出器１６を制御する光検出器制御回路１６１とを備えている。制御部１８は、レーザ光源制御回路１３１、駆動回路１５１、および光検出器制御回路１６１を含むシステム全体の制御を行うシステム制御部１８１と、得られたデータの処理とデータを用いた補正演算、結果出力を行うデータ処理部１８２とを備えている。

レーザ光源１３は、レーザ光源制御回路１３１により駆動されて発光し、近赤外波長のレーザ光である出射光Ｌ１を出射する。ＭＥＭＳミラー１５は、駆動回路１５１によって回転駆動し、反射面を回転させて所定の方向に出射光Ｌ１を反射し、所定の走査領域Ｒにおいて出射光Ｌ１を走査する。走査領域Ｒを走査する出射光Ｌ１は、反射光Ｌ２としてＭＥＭＳミラー１５の方向へ反射される。ＭＥＭＳミラー１５は、駆動回路１５１によって出射の場合とは異なる反射角度に回転駆動され、反射光Ｌ２を光検出器１６の方向へ反射する。光検出器１６は光検出器制御回路１６１により制御されて反射光Ｌ２を受光し、受光信号をデータ処理部１８２に出力する。

レーザ光源制御回路１３１は、出射光Ｌ１の光量が一定の閾値Ｔｈ未満となるようにレーザ光源１３を制御する。ここで閾値Ｔｈは、光検出器１６の出力が飽和するときの光量である。このような制御を行うためには、例えば光検出器１６からの出力である受光信号についてフィードバック制御を行うことが考えられる。すなわち、データ処理部１８２にて受光信号の強度を監視し、閾値Ｔｈとの差が一定値以下になった場合にシステム制御部１８１に警告を出す。警告を受けたシステム制御部１８１は出射光Ｌ１の光量を下げるようレーザ光源制御回路１３１に指令を送信する。レーザ光源制御回路１３１は、システム制御部１８１からの指令に従い、例えば出射光Ｌ１のパルス幅を通常よりも短くして出射光Ｌ１の光量を減少させる。また、レーザ光源１３に入力される電源電圧を通常よりも下げることで出射光Ｌ１の光量を減少させてもよい。なお、上記のような出射光Ｌ１の光量の制御は、出射光Ｌ１が反射部材１０１に走査され、光検出器１６が反射部材１０１からの反射光Ｌ２を受光するタイミングで行えばよい。

実施の形態１では、走査領域ＲをＸ−Ｙ平面上の長方形状の領域としている。ＭＥＭＳミラー１５は、出射光Ｌ１をＸ方向、すなわち第１の方向で往復するように走査しながら、Ｙ方向、すなわち第２の方向に走査させていく。これにより、出射光Ｌ１は走査領域Ｒ上を所定の走査パターンで走査することとなる。実施の形態１において、図２における走査領域Ｒは図１の窓部１２に対応し、走査領域Ｒの右下隅は反射部材１０１の取付位置となっている。これにより、出射光Ｌ１は走査領域Ｒの右下隅では反射部材１０１により反射され、それ以外の位置では物体９１の表面により反射される。なお、走査領域Ｒの形状および走査方向は一例であり、特に限られるものではない。
図３は、制御部１８を実現するハードウエア構成の一例を示す図である。制御部１８の機能は、プロセッサ７１がメモリ７２またはハードディスク７３に記憶されたプログラムを実行することで実現される。また、複数のプロセッサ７１、および複数のメモリ７２またはハードディスク７３が連携して制御部１８の機能を実現してもよい。距離測定部１７からのデータおよびこのデータを用いた演算の結果は、メモリ７２またはハードディスク７３に記憶される。制御部１８は、入出力インターフェース７４（入出力Ｉ／Ｆ７４）を備え、入出力Ｉ／Ｆ７４を介して距離測定部１７との間でデータおよび制御指令の送受信を行う。また制御部１８は、測定結果などを出力して外部の表示装置９２に表示させる出力回路７５を備えている。

距離測定装置１０による距離測定方法について説明する。図４Ａは、実施の形態１に係る距離測定方法を模式的に説明する図であり、距離測定に関わる部位のみを図示してその他は省略している。また、物体９１までの距離Ｌはレーザ光源１３と光検出器１６でほぼ等しいとしている。図４Ｂは、レーザ光源１３からの出射光Ｌ１による光源信号と光検出器１６で受光する反射光Ｌ２による受光信号の関係を示す図である。図４Ａに示すように、物体９１の表面でレーザ光源１３からの出射光Ｌ１を反射させ、反射光Ｌ２を光検出器１６によって受光するとき、光源信号の立ち上がりから受光信号のピークまで時間Ｔは、レーザ光源１３からのレーザ光が距離２Ｌを進む間にかかった時間であるため、時間Ｔに光速をかけて２で割れば物体９１までの距離Ｌを求めることができる。距離測定装置１０では、レーザ光源１３にパルス発光を始めさせる制御指令をシステム制御部１８１がレーザ光源制御回路１３１に送信した時刻から、光検出器１６が反射光Ｌ２を受光して受光信号をデータ処理部１８２に出力する時刻までの時間を受光時間として計測する。この受光時間は時間Ｔに等しいため、受光時間に光速をかけて２で割り、物体９１までの距離Ｌを算出する。

次に、実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーについて説明する。図５は、実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーの構成を説明する図である。ＭＥＭＳミラー１５は、図５に示すように中心が共通で大きさが異なるロの字状のフレーム１５Ａ、１５Ｂと、内側のフレーム１５Ｂのさらに内側に配置された板状部材１５Ｃを組み合わせたものである。板状部材１５Ｃには、反射面を持つ微小ミラー１５ａが固定されている。板状部材１５Ｃと内側のフレーム１５Ｂはトーションバー１５ｂによって接続され、内側のフレーム１５Ｂと外側のフレーム１５Ａはトーションバー１５ｃにより接続されている。トーションバー１５ｂ、１５ｃは、弾性を有する部材で構成され、捻じれることでねじりばねとして機能し、トーションバー１５ｂ、１５ｃの軸線を軸中心とした回転往復運動を微小ミラー１５ａに行わせる。トーションバー１５ｂ、１５ｃは軸線方向が互いに直交しており、それぞれのトーションバー１５ｂ、１５ｃによる回転往復運動を組み合わせることで微小ミラー１５ａの法線方向を２次元的に変化させる。また、板状部材１５Ｃにはコイル１５ｄ１が固定され、内側のフレーム１５Ｂにはコイル１５ｄ２が固定されている。コイル１５ｄ１、１５ｄ２は、外側のフレーム１５Ａに配置された電極パッド１５ｅ１、１５ｅ２にそれぞれ接続され、それぞれの電極パッドを介して電流が流される。

トーションバー１５ｂ、１５ｃによる回転往復運動は、図２に示した駆動回路１５１から送られる任意の周波数の信号が電極パッド１５ｅ１、１５ｅ２に印加されることにより駆動される。すなわち、コイル１５ｄ１、１５ｄ２に電極パッド１５ｅ１、１５ｅ２を介して電流を流すと、フレミングの法則に従い、この電流と永久磁石（図示なし）の磁力によってトーションバー１５ｂ、１５ｃを捻じる方向にローレンツ力が生じる。このローレンツ力によって捻じれたトーションバー１５ｂ、１５ｃは、上記のようにねじりばねとして機能し、微小ミラー１５ａに回転往復運動させる。なお、実施の形態１では微小ミラー１５ａの駆動力としてローレンツ力を用いているが、微小ミラー１５ａの駆動力はローレンツ力のような電磁方式に限られるものではなく、圧電素子を利用した圧電方式またはミラー・電極間の電位差による静電力を利用した静電方式を用いてもよい。

次に、ＭＥＭＳミラー１５によるレーザ光の２次元走査について説明する。図６は、実施の形態１に係るレーザ光の走査方法を説明する図であり、走査領域Ｒにおいて走査開始位置Ｐａから走査終了位置Ｐｂまでの走査パターンＰを描く例を示している。なお、図６ではレーザ光の２次元走査に関わる部位のみを図示している。レーザ光源１３からの出射光Ｌ１はＭＥＭＳミラー１５の微小ミラー１５ａによって反射され、ＭＥＭＳミラー１５の反射方向、すなわち微小ミラー１５ａの法線方向に応じて走査領域Ｒ上の特定の走査点に照射される。上述したように、微小ミラー１５ａを回転往復運動させるトーションバー１５ｂ、１５ｃは互いに直交しており、それぞれのねじりばねとしての機能により微小ミラー１５ａの法線方向を２次元的に変化させることができるため、ＸＹ座標系のＸ方向およびＹ方向のそれぞれについて出射光Ｌ１を往復走査させることができる。より具体的には、トーションバー１５ｂの軸線を中心として微小ミラー１５ａを回転往復運動させことにより、走査領域Ｒの端を折り返し位置Ｐｃとして折り返しながらＸ方向に沿って走査線を描きつつ、トーションバー１５ｃの軸線を中心として微小ミラー１５ａを回転させることによりＹ方向の走査を行う。このように２本のトーションバー１５ｂ、１５ｃを用いることにより、走査開始位置Ｐａから走査終了位置Ｐｂまでレーザ光を２次元走査し、規則的なパターンである走査パターンＰを描くことができる。また、ＭＥＭＳミラー１５を用いることでリサージュ走査またはラスタ走査も可能となる。また、球面ミラーを用いれば歳差走査などが可能である。なお、微小ミラー１５ａの角変位量の範囲は、走査領域Ｒの範囲を決定する。

なお、実施の形態１ではＭＥＭＳミラー１５を用いてレーザ光の走査を実現しているが、機械式などスキャン方式を限定するものではない。また、微小ミラー１５ａを２軸方向について回転往復運動させることで１つのＭＥＭＳミラー１５により２次元走査を可能にしているが、単一方向についてレーザ光を走査するＭＥＭＳミラーを複数組み合わせる構成にしてもよい。また、ＭＥＭＳミラーではなくモータを利用した走査でもよい。また、レーザ光源の数も１つに限られず、複数のレーザを使用して走査する構成にしてもよい。

次に、実施の形態１に係る反射部材について説明する。図７Ａは、実施の形態１に係る反射部材の一例を示す図、図７Ｂは、図７ＡのＡ部拡大図であり、走査終了位置に反射部材１０１を取り付ける例を示している。後述するように、実施の形態１では走査終了位置に対応させて反射部材１０１を設けるので、図７Ａ中、窓部１２の右下隅に反射部材１０１を取り付ける。反射部材１０１は、筐体１１の側壁１１ａと接する２辺にネジ留め部８１が設けられており、ネジ留め部８１は、反射部材１０１に沿って配置された２つのネジ穴設けられている。反射部材１０１は、それぞれのネジ穴に締結部材としてのネジ８１ａを通し、側壁１１ａに対してネジ留めすることにより固定される。なお、ネジ留め部８１に設けるネジ穴の数および配置は、これに限られるものではない。

反射部材１０１は、上述したように出射光Ｌ１を反射するものである。反射部材１０１からの反射光Ｌ２は、走査位置の位置ずれが生じたときに位置ずれ検知信号として機能するため、反射部材１０１の材質は温度変化などの環境要因および出射光Ｌ１の入射位置によって反射率が変化しにくいものを用いることが望ましい。このような材質を用いれば、レーザ光源１３からの出射光Ｌ１に対して常に一定の光を反射することができるとともに、ノイズなどの影響を小さく安定したピーク値を得ることができる。また、出射光Ｌ１が誤って側壁１１ａに入射する可能性を考慮すると、側壁１１ａからの反射光Ｌ２と反射部材１０１からの反射光Ｌ２とを区別できるようにしておく必要がある。このため、筐体１１の反射率と反射部材１０１の反射率の差は大きい方がよい。例えば筐体１１が黒アルマイト加工を施した金属によって構成されている場合、筐体１１の反射率は１５％程度であるため、反射部材１０１には反射率が３０％程度の亜鉛メッキ鋼板を用いる。

なお、反射率が大きくなると光検出器１６で受光される反射光Ｌ２の光量が大きくなるが、上述したように、実施の形態１では光検出器１６の出力が飽和しないように出射光Ｌ１の光量を制御するので、反射部材１０１の反射率を高く設定することができる。これにより、反射部材１０１による出射光Ｌ１の吸収が抑制され、反射部材が発熱して変形および経年劣化することも抑制される。

なお、実施の形態１では締結部材を用いて反射部材１０１を固定しているが、反射面の裏側に固定部材を設け、この固定部材と側壁１１ａを接着剤により固定してもよい。この場合、固定部材と接着剤は筐体１１の内部から見た場合に露出しないように設け、反射部材１０１の反射率に影響しないようにする。また、反射材料を筐体１１の側壁１１ａにコーティングすることで反射部材を構成することも考えられる。具体的には、検知したい位置ずれの方向に応じて窓部１２の周囲の一部又は全部をコーティングすればよい。この場合、走査位置の位置ずれにより走査領域Ｒが窓部１２とずれたときに反射部材により反射された反射光Ｌ２を受光することができ、反射部材１０１と同様の効果を得ることができる。

反射部材の他の例を図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ａおよび図８Ｂに示す例は、走査手段であるＭＥＭＳミラーの視野角が３６０度近くあり、窓部１２が側壁１１ａのほぼ全周に亘る場合に適用される。この場合、窓部１２を挟んで基板８５が上下に分かれる構造となり、窓部１２を上下に横断する配線８６により上下の基板８５が接続される。反射部材１０２は、中空の直方体状をなして内部に配線８６を収納し、筐体１１の内側の方向に向けて反射面１０２ａを持つ。また、反射部材１０２は高さが窓部１２と等しく、鉛直方向に立てた状態で取り付けられて窓部１２の一部を覆う。このように構成することで、走査領域Ｒを走査中の出射光Ｌ１が配線８６と交差する場合でも、出射光Ｌ１は反射面１０２ａに反射されるので配線８６に出射光Ｌ１が照射されることはない。反射部材１０２の固定は、反射部材１０１と同様にネジ留めにより固定される。すなわち、反射部材１０２の上下端からネジ留め部８２が延びており、それぞれのネジ留め部８２にはネジ穴が設けられている。反射部材１０２は、ネジ留め部８２のネジ穴にネジ８２ａを通し、側壁１１ａに対してネジ留めすることにより固定される。

次に、走査位置の位置ずれ検知するために、物体９１からの反射光Ｌ２に基づく受光信号と、反射部材１０１からの反射光Ｌ２に基づく受光信号とを識別する方法について説明する。まず、反射部材１０１の反射率と測定対象である物体９１の表面の反射率が異なるように反射材を選定または加工することで、物体９１からの反射光Ｌ２を受光した場合に光検出器１６が出力する受光信号と、反射部材１０１からの反射光Ｌ２を受光した場合に光検出器１６が出力する受光信号との強度を異ならせて、この強度の違いにより２つの受光信号を識別することができる。

また、上記の識別方法に替えて、反射光の受光タイミングの違いから２つの受光信号を識別することもできる。出射光Ｌ１に基づく光源信号の立ち上がりから反射光Ｌ２に基づく受光信号のピークまでの時間は、レーザ光源１３および光検出器１６の位置と出射光Ｌ１が反射される位置の間の距離に依存し、この距離が長いほど上記時間は長くなる。物体９１からの反射光Ｌ２を光検出器１６によって受光するときの光源信号の立ち上がりから受光信号のピークまでの時間を時間Ｔａとし、反射部材１０１からの反射光Ｌ２を光検出器１６によって受光するときの光源信号の立ち上がりから受光信号のピークまでの時間を時間Ｔｂとすると、反射部材１０１は距離測定装置１０内に設置され、物体９１は距離測定装置１０外に設置されていることから、図９に示すように時間Ｔａは時間Ｔｂよりも長くなり、受光タイミングに違いが生じる。この受光タイミングの違いを利用して２つの受光信号を識別することができるので、例えば、距離測定装置１０内の距離に相当する時間以降を物体９１の測定時間領域に設定することで、２つの受光信号が同じ強度でも物体９１と反射部材１０１からの受光信号を識別することができる。

以上のような方法により、物体９１からの反射光Ｌ２に基づく受光信号と反射部材１０１からの反射光Ｌ２に基づく受光信号とが識別可能であるため、反射部材１０１からの受光信号を位置ずれ検知信号とし、その出力の有無またはタイミングのずれにより走査位置の位置ずれを検知する。以下、詳細に説明する。

図１０Ａは、走査位置の位置ずれが生じていない場合の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、図１０Ｂは、走査位置の位置ずれが生じていない場合の受光信号を示す図である。図１０Ｂにおいて、縦軸は受光信号の強度を示し、横軸は時刻を表している。走査位置の位置ずれが生じていない場合、レーザ光源１３がパルス駆動されて一定周期で発光することにより出射光Ｌ１が周期的に出射されると、光検出器１６は物体９１または反射部材１０１からの反射光Ｌ２を周期的に受光し、反射光出力としての受光信号を周期的に出力する。出射光Ｌ１がＭＥＭＳミラー１５により走査されて走査領域Ｒ上を走査開始位置Ｐａから走査終了位置Ｐｂまでを照射し、一定の走査パターンＰを描く間に光検出器１６が出力する受光信号の集合を１フレームとすると、それぞれのフレームにおける反射光出力は、物体９１からの反射光出力と反射部材１０１からの反射光出力により構成される。実施の形態１では走査終了位置Ｐｂに反射部材１０１を設けられているため、それぞれのフレームにおいて最後の反射光出力のみが反射部材１０１からの反射光出力となり、それ以外は物体９１からの反射光出力となっている。反射光出力が出力された時刻はデータ処理部１８２によって記憶される。なお、出射光Ｌ１が描く走査パターンＰは一定であり、反射部材１０１の位置が固定されているため、それぞれのフレームは通常一定となる。

図１１Ａは、＋Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、図１１Ｂは＋Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の受光信号の変化を示す図である。図１１Ａに示す走査領域Ｒ１、走査パターンＰ１、走査開始位置Ｐａ１、走査終了位置Ｐｂ１は、走査位置の＋Ｘ方向の位置ずれを図１０Ａに示した走査領域Ｒ、走査パターンＰ、走査開始位置Ｐａ、走査終了位置Ｐｂに反映させたものである。この場合でも反射部材１０１の取付位置は変わらないので、反射部材１０１の取付位置は走査終了位置Ｐｂ１よりも−Ｘ側になる。これにより反射部材１０１からの反射光出力のタイミングが早まるので、＋Ｘ方向への位置ずれを検知することができる。また、反射光出力のタイミングのずれＴ１の大きさと走査速度により走査位置ずれ量を算出することができる。なお、−Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じた場合は、反射部材１０１の取付位置が走査領域Ｒ１外となり反射部材１０１からの反射光出力が無くなる。このため、−Ｘ方向に位置ずれが生じた場合は走査位置ずれ量を算出することはできないが、位置ずれの有無を検知することは可能である。

なお、走査開始位置Ｐａに反射部材１０１を設けた場合、走査位置が＋Ｘ方向に位置ずれした場合は反射部材１０１からの反射光出力がなくなることにより位置ずれを検知することができる。走査位置が−Ｘ方向に位置ずれした場合は反射部材１０１からの反射光出力のタイミングが遅くなり、位置ずれを検知するとともに、走査位置ずれ量を算出することができる。また、図１１Ａおよび図１１ＢではＸ方向の位置ずれについて説明しているが、Ｙ方向の位置ずれについても同様である。走査終了位置Ｐｂに反射部材１０１を設けた場合、走査位置が−Ｙ方向に位置ずれした場合は反射部材１０１からの反射光出力のタイミングが早くなり、位置ずれを検知するとともに、走査位置ずれ量を算出することができる。走査位置が＋Ｙ方向に位置ずれした場合は反射部材１０１からの反射光出力がなくなり、位置ずれを検知することができる。

次に、走査位置の位置ずれを検知した場合の補正方法について説明する。まず、走査位置の位置ずれが生じていない状態において１フレーム内で位置ずれ検知信号が出力される時刻を取得し、基準時刻としてデータ処理部１８２により予め記憶しておく。走査位置の位置ずれか検知されたとき、位置ずれ検知信号が出力された時刻と基準時刻を比較し、２つの時刻のずれの大きさから走査位置ずれ量を走査ポイント数で算出して、角度分解能を掛け合わせることで走査角のずれ量を算出する。走査位置の位置ずれの補正は、ＭＥＭＳミラー１５を走査角のずれと反対側に回転させることで補正することができるが、図１２に示すように、ＭＥＭＳミラー１５の駆動角をα変化させると走査角は２α動くという性質があるので、走査位置の位置ずれを補正する場合には走査角のずれ量に２分の１を掛け合わせた量だけＭＥＭＳミラー１５を回転することで走査位置の位置ずれを補正することができる。上記した走査位置ずれ量および補正量の演算は、制御部１８のデータ処理部１８２で行う。データ処理部１８２は、算出した補正量をシステム制御部１８１に送信し、システム制御部１８１は、補正量に応じた指令を駆動回路１５１に送信し、ＭＥＭＳミラー１５の駆動角を調整させる。

なお、実施の形態１では窓部１２全体を走査領域Ｒに対応させているが、反射部材１０１を取り付けることができる限りにおいて、窓部１２の一部のみを走査領域Ｒに対応させてもよい。

また、筐体１１の大きさとレーザ光源１３のパルス発光時間によっては、反射部材１０１からの反射光Ｌ２とレーザ光源１３からの出射光Ｌ１が筐体１１の内部で重なり、出射光Ｌ１と反射光Ｌ２が干渉する可能性がある。このため、反射部材１０１を走査するときはレーザ光源１３のパルス幅を短くし、出射光Ｌ１と反射光Ｌ２の干渉を抑制するように制御してもよい。

実施の形態１によれば、簡単な構成で走査位置の位置ずれをより正確に検知することができる。より具体的には、反射部材からの反射光によって得られる受光信号と物体表面からの反射光によって得られる受光信号とは識別可能であることを利用して反射部材からの反射光出力を位置ずれ検知信号とし、位置ずれ検知信号の出力の有無またはタイミングのずれにより走査位置の位置ずれを検知する。反射部材からの反射光を受光する光検出器は、測定対象の物体からの反射光を受光する光検出器と同じであるため、位置ずれ検知用の光検出器を別途設ける必要は無い。このため、簡単な構成で走査位置の位置ずれを検知することができ、距離測定装置の小型化および低コスト化を図ることができる。さらに、レーザ光源制御回路により光検出器の出力が飽和しないようにレーザ光源からの出射光の光量を制御するため、反射部材の反射率を大きく設定することができ、出射光の吸収による発熱が抑制される。この結果、発熱による変形および経年劣化が抑制されて、反射部材の反射率が変化することも抑制される。このため、反射部材からの反射光出力が安定するため、より正確に位置ずれを検知することができる。

実施の形態２．
以下に、実施の形態２を図１３Ａから図１４に基づいて説明する。なお、図１から図１２と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態２は、走査開始位置にも反射部材を設けた点が実施の形態１と異なる。図１３Ａは、実施の形態２に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、走査領域に位置ずれが生じていない場合の図である。図１３Ｂは、実施の形態２に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、−Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の図である。実施の形態２では反射手段として２つの反射部材を用いており、走査パターンＰの走査開始位置Ｐａ、走査終了位置Ｐｂに反射部材２０１Ａ、２０１Ｂがそれぞれ設けられている。それぞれの反射部材の取付方法については実施の形態１と同様である。

走査位置が−Ｘ方向に位置ずれると、走査領域Ｒ、走査パターンＰ、走査開始位置Ｐａ、走査終了位置Ｐｂもそれぞれ−Ｘ方向にずれ、走査領域Ｒ２、走査パターンＰ２、走査開始位置Ｐａ２、走査終了位置Ｐｂ２となる。この場合でも反射部材２０１Ａの取付位置は変わらないので、反射部材２０１Ａの取付位置は走査開始位置Ｐａ２よりも＋Ｘ側になる。また、反射部材２０１Ｂの取付位置は変わらないので、反射部材２０１Ｂの取付位置は走査終了位置Ｐｂ２よりも＋Ｘ側になり、走査領域Ｒ２外になる。

図１４は、−Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じている場合の受光信号の変化を示す図である。反射部材２０１Ａの取付位置が走査開始位置Ｐａ２よりも＋Ｘ側になることにより、反射部材２０１Ａからの反射光出力のタイミングがＴ２だけ遅くなるので−Ｘ方向への位置ずれを検知することができる。また、Ｔ２の大きさと走査速度により走査位置ずれ量を算出することができる。また、反射部材２０１Ｂの取付位置が走査領域Ｒ２外になり、反射部材２０１Ｂからの反射光出力がなくなることからも−Ｘ方向の位置ずれを検知することができる。なお、＋Ｘ方向に走査位置の位置ずれが生じた場合は、実施の形態１と同様に反射部材２０１Ｂからの反射光のタイミングが早くなることで位置ずれを検知し、走査位置ずれ量を算出することができる。また、反射部材２０１Ａの取付位置が走査領域Ｒ２外になり、反射部材２０１Ａからの反射光出力がなくなることからも＋Ｘ方向の位置ずれを検知することができる。
その他については実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、走査点が＋Ｘ方向と−Ｘ方向のどちらに位置ずれしても、走査位置ずれ量を算出することができる。より具体的には、反射部材を走査開始位置と走査終了位置の両方に設けたため、いずれの方向に位置ずれが生じた場合でも位置ずれ検知信号が出力されるタイミングのずれの大きさを把握することができ、走査位置ずれ量を算出することができる。

また、２つの反射部材を用いているので、一方の反射部材の反射率が小さくなった場合でも、走査位置の位置ずれを検知することができる。反射部材は、劣化したり傾きが生じたりすることで表面の反射率が変化しうる。反射率が小さくなり過ぎると、物体の表面と反射率が同程度になることで反射部材からの反射光出力を識別できなくなったり、位置ずれが生じていないのに反射光出力が無くなったりする可能性がある。実施の形態２では２つの反射部材を用いることで２つの位置ずれ検知信号を利用するので、一方の反射部材に不具合が生じても走査位置の位置ずれを検知することができる。

実施の形態３．
以下に、実施の形態３を図１５に基づいて説明する。なお、図１から図１４と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態３は、光検出器１６が出力する受光信号の強度を調整するものである。光検出器１６の受光素子として用いるＡＰＤは、アバランシェ増幅により高い感度を実現するが、温度変化により増幅率が変化する。実施の形態３ではデータ処理部１８２により受光信号の強度の基準値Ｃ１を予め記憶しておき、図１５に示すように温度変化によって受光信号の強度がＣ２になった場合、システム制御部１８１は、光検出器１６から受信した受光信号の強度Ｃ２と基準値Ｃ１を比較し、その差を信号変化量Ｄとして算出する。信号変化量Ｄが予め定められた許容値より大きい場合、システム制御部１８１は、信号変化量Ｄに応じてレーザ光源制御量を算出し、このレーザ光源制御量だけ出射光Ｌ１の強度を変化させるようにレーザ光源制御回路１３１に指示を出す。レーザ光源制御回路１３１はシステム制御部１８１からの指示に従い出射光Ｌ１の強度を調整する。これにより、光検出器１６に受光される反射光Ｌ２の強度も調整され、光検出器１６から出力される受光信号の強度Ｃ２と基準値Ｃ１との差が許容値以内に収まるように補正される。

基準値Ｃ１としては、例えば反射部材１０１からの反射光出力の理論値または初期値を用いればよい。受光信号の基準値および比較には、物体９１からの反射光出力を用いてもよいが、相対的に値が大きい反射部材１０１からの反射光出力を用いることで、より精度よく信号変化量および制御量を算出できる。また、実施の形態３では出射光Ｌ１の強度を調整することで受光信号の強度を補正しているが、光検出器１６の感度を調整して受光信号の強度を補正しても良い。
その他については実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。

実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、温度変化による受光素子の性質の変化に対して簡単な構成で対応することができる。より具体的には、受光信号の強度の基準値を予め記憶しておき、この基準値と実際の強度との差が許容値より大きい場合に出射光の強度を調整することで基準値との差が許容値以内になるように補正している。このため、サーミスタなどの温度測定装置を用いることなくＡＰＤの温度補償を実現することができるので、温度変化による受光素子の性質の変化に対して簡単な構成で対応することができる。これにより、構成の複雑化を防ぎながら、増幅率の変化による距離測定誤差を抑制することができる。また、部品点数の削減を図ることができる。

なお、実施の形態３で説明した受光信号の強度の補正は、ＡＰＤだけでなくフォトダイオード全般に適用することができる。また、温度変化による受光素子の性質の変化だけなく、経年劣化による性質の変化においても適用することができる。

実施の形態４．
以下に、実施の形態４を図１６Ａから図１７に基づいて説明する。なお、図１から図１５と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態４は、Ｘ方向走査およびＹ方向走査の間の位相のずれを検知するものである。

図１６Ａは、実施の形態４に係るレーザ光の走査パターンおよび走査領域を示す図であり、位相にずれが生じていない場合の図である。図１６Ｂは、位相にずれが生じている場合の図である。実施の形態２と同様に、走査パターンＰの走査開始位置Ｐａおよび走査終了位置Ｐｂに反射部材２０１Ａ、２０１Ｂがそれぞれ設けられている。また、実施の形態４における反射手段は、位相ずれ検知用の反射部材４０１を含んでいる。反射部材４０１は、走査パターンＰの折り返し位置Ｐｃに対応して取り付けられており、反射部材４０１のＹ方向の幅は、走査パターンＰを構成する走査線同士の間隔よりも狭い。このため、反射部材４０１は折り返し位置Ｐｃを覆うが、Ｙ方向に沿って折り返し位置Ｐｃに隣接する他の折り返し位置Ｑｃは覆わず、他の折り返し位置Ｑｃと反射部材４０１との間には、出射光Ｌ１を反射せずに物体９１に通す領域Ｓが形成されている。

Ｘ方向Ｙ方向ともに所望の周波数でＭＥＭＳミラー１５が回転駆動し、位相ずれが生じていない場合、図１６Ａに示すように走査パターンＰは折り返し位置Ｐｃで反射部材４０１と重なるので、出射光Ｌ１は折り返し位置Ｐｃで反射部材４０１に反射される。Ｙ方向走査の回転の位相がＸ方向走査の回転の位相に対してずれ、図１６Ｂに示すような走査パターンＰ３が描かれる場合、走査開始位置および走査終了位置は変わらないが、折り返し位置がＹ方向にずれ、領域Ｓ内の折り返し位置Ｐｃ３で折り返す。このため、走査パターンＰ３は反射部材４０１の取付位置を通らない。

図１７は、位相ずれが生じる場合の受光信号の変化を示す図である。図に示すように、位相ずれが生じていない場合、１フレーム内における反射光出力は、反射部材２０１Ａ、２０１Ｂ、４０１からの３つである。位相ずれが生じている場合、走査パターンＰ３は反射部材４０１を通らないので反射部材４０１からの反射光出力はなくなり、１フレーム内における反射部材からの反射光出力は、反射部材２０１Ａ、２０１Ｂからの２つのみとなる。このように、反射部材４０１からの反射光出力の有無により位相のずれを検知することができる。
その他については実施の形態２と同様であるのでその説明を省略する。

実施の形態４によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
また、Ｘ方向走査およびＹ方向走査の間の位相のずれを検知することができる。より具体的には、走査パターンの少なくとも１つの折り返し位置に位相ずれ検知用の反射部材を設けた。位相ずれ検知用の反射部材のＹ方向幅は、走査線の間隔よりも小さく、隣接する折り返し位置との間にレーザ光を通す領域が形成される。このため、位相ずれにより折り返し位置がＹ方向に沿ってずれると、走査パターンが位相ずれ検知用の反射部材を通らなくなり、位相ずれ検知用の反射部材からの反射光出力が無くなる。このため、位相ずれ検知用の反射部材からの反射光出力の有無により位相のずれを検知することができる。これにより、例えば２つのＭＥＭＳミラーを設け一方のＭＥＭＳミラーの走査方向をＸ方向とし、他方のＭＥＭＳミラーの走査方向をＹ方向とする場合で、それぞれのＭＥＭＳミラーの位相関係が適切でなく、コイルまたはトーションバーの不具合によって位相のずれが生じている場合など、走査位置の位置ずれは生じていないが所望の走査パターンを得られない場合に、位相のずれを検知することで不具合を検知することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ 距離測定装置、１１ 筐体、１１ａ 側壁、１２ 窓部、１３ レーザ光源、１３１ レーザ光源制御回路、１５ ＭＥＭＳミラー、１６ 光検出器、１８ 制御部、１８２ データ処理部、９１ 物体、１０１、１０２、２０１Ａ、２０１Ｂ、４０１ 反射部材、１０２ａ 反射面、Ｃ１ 基準値、Ｄ 信号変化量、Ｌ１ 出射光、Ｌ２ 反射光、Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 走査パターン、Ｐａ、Ｐａ１、Ｐａ２ 走査開始位置、Ｐｂ、Ｐｂ１、Ｐｂ２ 走査終了位置、Ｐｃ、Ｐｃ３、Ｑｃ 折り返し位置、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２ 走査領域、Ｓ 領域

Claims (9)

1. 測定対象に対してレーザ光を照射し、前記測定対象からの反射光に基づいて前記測定対象までの距離を測定する距離測定装置であって、
   前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源を制御するレーザ光源制御手段と、
   第１の方向に延びる走査線を前記レーザ光の走査領域の端で折り返しながら、前記第１の方向と直交する第２の方向に前記レーザ光を走査して、前記レーザ光を前記測定対象に対して２次元走査する走査手段と、
   前記走査手段を収納する筐体と、
   前記筐体に設けられ、前記測定対象の方向に開口し、前記走査手段に対して前記測定対象を露出させる開口部と、
   前記筐体に固定され、前記走査線の折り返し位置を覆うとともに、前記第２の方向に沿って前記折り返し位置に隣接する他の折り返し位置と前記折り返し位置との間に前記レーザ光を通す領域を形成することで前記レーザ光の走査領域の一部を覆い、前記レーザ光を反射する反射手段と、
   前記測定対象からの反射光および前記反射手段からの反射光を受光し、受光信号を出力する受光手段とを備え、
   予め定められた前記受光信号の集合における、前記反射手段からの反射光に基づく受光信号のタイミングのずれまたは前記反射手段からの反射光に基づく受光信号の有無に基づいて前記レーザ光の走査位置の位置ずれを検知し、
   前記レーザ光源制御手段は、前記受光手段の出力が飽和するときの前記レーザ光の光量を閾値とし、前記レーザ光源が出射する前記レーザ光の光量を前記閾値未満に制御することを特徴とする距離測定装置。
2. 前記測定対象からの反射光と前記反射手段からの反射光とは、それぞれの反射光に基づくそれぞれの受光信号の強度の違いに基づいて識別される請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記測定対象からの反射光と前記反射手段からの反射光とは、前記受光手段におけるそれぞれの受光タイミングの違いに基づいて識別される請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記位置ずれに基づいて前記走査手段の走査角のずれ量を算出し、前記走査角のずれ量に基づいて前記走査手段の走査角を補正する請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
5. 前記レーザ光源制御手段は、前記受光手段が前記反射手段からの反射光を受光するタイミングで前記レーザ光源の電源電圧を小さくする請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記レーザ光源制御手段は、前記受光手段が前記反射手段からの反射光を受光するタイミングで前記レーザ光のパルス幅を短くさせる請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
7. 前記反射手段は、前記レーザ光の走査終了位置に設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の距離測定装置。
8. 前記反射手段は、前記レーザ光の走査開始位置に設けられている請求項１から７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
9. 予め定められた基準値からの前記受光信号の強度の変化を信号変化量として算出し、前記信号変化量が許容値を超えた場合に、前記信号変化量に基づいて前記レーザ光源の出力を調整する請求項１から８のいずれか１項に記載の距離測定装置。

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