WO2014010107A1

WO2014010107A1 - 走査式測距装置

Info

Publication number: WO2014010107A1
Application number: PCT/JP2012/075895
Authority: WO
Inventors: 森　利宏; 丸谷　洋二
Original assignee: 北陽電機株式会社
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-01-16

Abstract

　耐振動性能に優れ、上下に適切な幅を有し、左右にワイドな角度領域のデータを得ることができる走査式測距装置であり、所定の光軸に沿って対象空間に走査される測定光を出射する投光部と対象空間から前記光軸に沿って入射する反射光を受光する受光部とを少なくとも一対備えた投受光部４と、測定光を対象空間に向けて偏向する第１偏向部材５ａと第１偏向部材５ａをその偏向面に対して傾斜する第１軸心Ｐ１周りに回転させる第１駆動機構５ｂとを備えた第１走査機構５と、投受光部４から出射された測定光を第１軸心Ｐ１に対して傾斜する光路Ｌ２に沿って第１偏向部材５ａに導きその光路Ｌ２を第１軸心Ｐ１周りに回転させる第２走査機構６とを備えている。

Description

走査式測距装置

　本発明は、走査式測距装置に関し、特に被測定物の三次元的形状を取得するために、対象空間を三次元的に走査して被測定物までの距離を計測する走査式測距装置に関する。

　図１１（ａ），（ｂ）に示すように、レーザー光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて対象物Ｏに照射し、対象物Ｏからの反射光を受光素子ＰＤで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてＡＭ（amplitude modulation）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式の二種類が実用化されている。

　図１１（ａ）及び（数１）に示すように、ＡＭ方式は、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式である。
　図１１（ｂ）及び（数２）に示すように、ＴＯＦ方式は、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式である。
（数１）　Ｌ＝Δφ・Ｃ／（４π・ｆ）
（数２）　Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２
　ここに、Ｌは対象物Ｒまでの距離、Ｃは光速、ｆは変調周波数、Δφは位相差、Δｔは遅延時間を示す。

　特許文献１には、このような測距原理を採用した二次元の走査式測距装置が開示されている。図１２に示すように、この走査式測距装置１００は、投光部１０１から出力された測定光を、軸心Ｐ１回りに回転する走査機構１０２に取り付けられた第一偏向ミラー１０３で偏向して、軸心Ｐ１と直交する平面上で回転走査して光学窓１０４から出射し、被測定物Ｒからの反射光を、第二偏向ミラー１０５で偏向して受光部１０６により検出するように構成されている。そして、信号処理回路１０７によって、測定光と反射光に基づいて被測定物までの距離が算出される。

　この種の走査式測距装置は、主にロボットや無人搬送車の視覚センサ、自動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、危険な装置への人や物の接近を検出して機械を安全に停止させるための安全センサ等に利用される。

　しかし、検出エリアが二次元平面となるため、測定光の走査面より上方または下方に存在する対象物や障害物を検出することができない。特に環境認識のための視覚センサとしてロボットや車両に設置する場合、上下に適切な幅を有し、左右にワイドな角度領域のデータを得ることが重要であり、さらには状況に応じてその領域内を異なる密度で走査することが望まれている。

　そこで、特許文献２には、三次元の走査式測距装置が提案されている。図１３に示すように、走査式測距装置１００（図１２に示す走査式測距装置と同様の構成）を、走査機構の回転軸心である第一軸心Ｐ１と斜交する第二軸心Ｐ２周りに回転駆動して、第一軸心Ｐ１のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構２０２と、第一軸心Ｐ１周りに回転する第一回転機構と当該第二回転機構とを回転制御する回転制御手段を備えた三次元の走査式測距装置２００が提案されている。

　また、特許文献３には、レーザー光を水平方向に偏向走査するポリゴンミラーと、ポリゴンミラーにより偏向された測定光を垂直方向に偏向走査するガルバノミラーを備えた三次元の走査式測距装置が開示されている。

特開２００８－７６１３１号公報特許第４０５９９１１号公報特開２０１１－１２２８５１号公報

　しかし、特許文献２に記載された走査式測距装置は、測距装置自体を複数の回転軸で回転するための複雑な支持機構を備えており、大型で且つ振動の影響を受け易い構造であった。そのような走査式測距装置をロボットや無人搬送車等の車両等に搭載すると、大きな設置スペースが必要となるばかりか、機械的振動の影響を受けて走査式測距装置の測定精度が低下するという問題があった。

　また、特許文献３に記載された走査式測距装置は、ポリゴンミラーを用いてレーザー光を水平方向に偏向走査し、偏向されたレーザー光をさらにガルバノミラーを用いて垂直方向に偏向走査する構造であるため、水平方向及び垂直方向の何れの方向にも走査角度が制限され、広い検出範囲を実現するのが困難であるとともに、機械的振動の影響を受け易いという問題があった。

　本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、耐振動性能に優れ、上下に適切な幅を有し、左右にワイドな角度領域のデータを得ることができる走査式測距装置を提供する点にある。

　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、所定の光軸に沿って対象空間に走査される測定光を出射する投光部と、対象空間から前記光軸に沿って入射する反射光を受光する受光部とを、少なくとも一対備えた投受光部と、前記測定光を対象空間に向けて偏向する第１偏向部材と、前記第１偏向部材をその偏向面に対して傾斜する第１軸心周りに回転させる第１駆動機構とを備えた第１走査機構と、前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する光路に沿って前記第１偏向部材に導き、その光路を前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転させる第２走査機構と、を備えている点にある。

　第１偏向部材は第１駆動機構によってその偏向面に対して傾斜する第１軸心周りに回転しているので、第１偏向部材に導かれた測定光は、第１駆動機構により駆動される第１偏向部材の回転に伴って第１軸心周りに回転するように対象空間に出射される。測定光は、投受光部から出射され、第２走査機構によって第１軸心に対して傾斜する光路に沿って第１偏向部材に導かれる。当該傾斜光路は第１軸心または第１軸心と平行な軸心周りに回転しているので、回転に伴って測定光の第１偏向部材への入射角が第１軸心または第１軸心と平行な軸心を基準に周期的に変動し、その偏向角も期的に変動する。従って、測定光は第１偏向部材の回転に伴って周期的に上下方向に振れ角を変えながら第１軸心周りに回転するように対象空間に出射される。

　その結果、上下に適切な幅で且つ左右にワイドに測定光が走査され、投受光部から出射された測定光とその光路に沿って投受光部に導かれる反射光とによって反射位置つまり被測定物の位置が求まる。そして第１走査機構と第２走査機構は互いに機械的に作用を及ぼすことが無く、単に測定光を偏向するだけであるので小型に構成することが可能となり、それぞれをケーシング等に強固に固定できるので、機械的耐振の影響も大きく低減できる。さらに、投光部から所定の光軸に沿って対象空間に走査される測定光を出射し、対象空間から当該光軸に沿って入射する反射光を受光部で受光するように構成された投受光部であるため、測定光が出射される光路以外の方向から入射する迷光を誤検出する確率も大幅に低下し、耐ノイズ性能も向上する。

　同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記第２走査機構は、前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する偏向光路に沿って前記第１偏向部材に導く第２偏向部材と、前記第２偏向部材を第２軸心周りに回転させる第２駆動機構を含み、前記第２駆動機構により前記偏向光路が前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転される点にある。

　同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記第２偏向部材が楔形プリズムで構成され、前記第２軸心が前記第１軸心の軸心方向に設定されている点にある。

　同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記第２偏向部材が偏向ミラーで構成され、前記偏向ミラーの偏向面が前記第２軸心との仮想直交面に対して傾斜するように配置されている点にある。

　同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第２駆動機構は軸心部に空洞部が形成された中空モータで構成され、前記空洞部に前記第２偏向部材が回転可能に収容されている点にある。

　上述の構成によれば、中空モータの空洞部に第２偏向部材が収容できるので、第２走査機構を極めて小型に構成することができ、機械的振動に強い構造を実現できるようになる。特に、第２軸心を第１軸心の軸心方向に設定する場合には、二つの軸心がケーシングの中央部に位置するように配置でき、機械的バランスが良好な走査式測距装置を実現できるようになる。

　同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記第２走査機構は、前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する光路に沿って前記第１偏向部材に導くように前記投受光部を支持する支持部と、前記支持部を第２軸心周りに回転させる第２駆動機構を含み、前記第２駆動機構により前記光路が前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転される点にある。

　上述の構成によれば、投受光部を支持する支持部が第２偏向部材として機能するため、プリズムやミラーのような光学部材が不要になり、部品コストを低減させることができるようになる。

　同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第六の特徴構成に加えて、前記支持部には前記第１軸心周りに前記投受光部が複数台支持されている点にある。

　各投受光部から出射される測定光が、それぞれ異なる入射角で第１偏向部材に導かれ、それぞれの反射光が各投受光部で検出されるので、測定密度を上げてより正確な測定ができるようになる。しかも、第２軸心と第１軸心の軸心方向を一致させ、二つの軸心がケーシングの中央部に位置するように配置すれば、機械的バランスが良好な走査式測距装置を実現できるようになる。

　同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第六または第七の特徴構成に加えて、前記第２駆動機構は軸心部に空洞部が形成された中空モータで構成され、前記空洞部に前記支持部が回転可能に収容されている点にある。

　中空モータの空洞部に支持部が収容できるので、第２駆動機構を極めて小型に構成することができ、機械的振動に強い構造を実現できるようになる。

　同第九の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一から第八の何れかの特徴構成に加えて、前記第１偏向部材の偏向面と前記第１軸心との傾斜角度を可変に調整する調整機構を備え、前記調整機構を介して前記傾斜角度を制御する角度制御部を備えている点にある。

　調整機構により第１偏向部材の偏向面と第１軸心との傾斜角度が大きくなるように調整すれば、第１軸心に沿って一方側に測定光を偏らせて走査することができ、第１偏向部材の偏向面と第１軸心との傾斜角度が小さくなるように調整すれば、第１軸心に沿って他方側に測定光を偏らせて走査することができ、測定光の走査領域を第１軸心に沿った二方向の何れかにシフトさせることが可能になる。

　同第十の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記第１走査機構と前記第２走査機構の相対走査速度及び／または位相を可変に制御する速度制御部を備えている点にある。

　速度制御部によって第１走査機構と第２走査機構の相対走査速度及び／または位相を調整すれば、対象空間に走査される測定光の密度や走査パターンを変えることができ、例えば対象空間を荒い密度で高速で走査し、或いは低速で精細に走査するように目的に応じて切り替えることができるようになる。

　同第十一の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第十の特徴構成に加えて、前記相対走査速度及び／または位相に基づいて測定光の出射周期を制御する投光制御部を備えている点にある。

　一定時間内で測定光の出射周期を短くすれば測定点が増し、長くすれば測定点が減るのであるが、この制御と上述の相対走査速度や位相の制御を組み合わせることによって、同一の走査式測距装置であっても用途に応じて適切な態様で測定ができるようになる。

　以上説明した通り、本発明によれば、耐振動性能に優れ、上下に適切な幅を有し、左右にワイドな角度領域のデータを得ることができ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。

図１は本発明による走査式測距装置の全体構成を示す概略断面図である。図２は投受光部の構成の説明図である。図３（ａ）は第２偏向部材として用いられる楔形プリズムの説明図であり、図３（ｂ）は第１走査機構と第２走査機構で偏向走査される測定光の走査方向の説明図である。図４（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ）はそれぞれ第１走査機構で偏向走査される測定光の光路の軌跡の説明図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は本発明による走査式測距装置により三次元空間に出射される測定光の軌跡の説明図であり、図５（ａ）は第２駆動機構の回転速度ｖ２と第１駆動機構の回転速度ｖ１の間にｖ１＝ｖ２の関係がある場合の軌跡の説明図、図５（ｂ）はｖ１≒ｖ２の関係がある場合の軌跡の説明図、図５（ｃ）はｖ１がｖ２より十分高速である場合の軌跡の説明図、図５（ｄ）はｖ２がｖ１より十分高速である場合の軌跡の説明図である。図６は本発明による走査式測距装置の信号処理部の回路ブロック構成図である。図７は本発明による走査式測距装置に組み込まれる第１走査機構の機能を説明する概略断面図である。図８は本発明による走査式測距装置に組み込まれる第２走査機構の別実施形態を示し、全体構成を示す概略断面図である。図９は本発明による走査式測距装置に組み込まれる第２走査機構の更なる別実施形態を示し、全体構成を示す概略断面図である。図１０（ａ）は本発明による走査式測距装置に組み込まれる投受光部及び第２走査機構の別実施形態を示し、全体構成を示す概略断面図であり、図１０（ｂ）は投受光部の概略平面図であり、図１０（ｃ）は同概略断面図である。図１１（ａ）はＡＭ方式による走査式測距装置の測距原理の説明図であり、図１１（ｂ）はＴＯＦ方式による走査式測距装置の測距原理の説明図である。図１２は従来の二次元の走査式測距装置の断面図である。図１３は従来の三次元の走査式測距装置の説明図である。

　以下、本発明による三次元の走査式測距装置について説明する。
　図１に本発明による走査式測距装置１が示されている。当該走査式測距装置１は、図１１（ｂ）及び（数２）で説明したＴＯＦ方式が採用され、光学窓２を備えた円筒状のケーシング３と、ケーシング３に収容された投受光部４、第１走査機構５、第２走査機構６、及び信号処理部７を備えて構成されている。

　ケーシング３の天面３ａ内壁に投受光部４が取り付けられ、ケーシング３の底面３ｂ上壁に信号処理部７となる基板が取り付けられている。信号処理部７の上方に設けられた支持板３ｃに第１走査機構５が取り付けられ、投受光部４と第１走査機構５の間に第２走査機構６が位置するように、第２走査機構６がケーシング３の側壁３ｄに取り付けられている。

　図２には、投受光部４の構成が示されている。投受光部４は、光源となるレーザーダイオード４ａと、光電素子となるアバランシェフォトダイオード４ｂ等を備えて構成されている。レーザーダイオード４ａから放射された測定光が光ファイバー４ｃを介してコリメータレンズ４ｄに導かれ、コリメータレンズ４ｄで平行光に成形された測定光がケーシング３の軸心Ｐに沿って第２走査機構６に入射するように配置されている。コリメータレンズ４ｄは導光部材４ｅに収容され、導光部材４ｅは円錐台状の暗箱４ｆに収容されている。尚、光ファイバー４ｃを用いることなく、導光部材４ｅの内部上方にレーザーダイオード４ａが設置されていてもよい。

　暗箱４ｆの下端が開放され、導光部材４ｅの周囲を囲むように集光レンズ４ｇが設置されるとともに、暗箱４ｆの天井部で導光部材４ｅの直上にアバランシェフォトダイオード４ｂが配置されている。第２走査機構６からケーシング３の軸心Ｐに沿って入射した反射光が、集光レンズ４ｇで集光されてアバランシェフォトダイオード４ｂに入射して光電変換される。

　図１に示すように、第１走査機構５は、第１偏向部材５ａと、第１偏向部材５ａを第１軸心Ｐ１周りに回転させる第１駆動機構５ｂを備えている。第１駆動機構５ｂとしてステッピングモータ等の電磁モータ５ｂが用いられ、その出力軸５ｃに第１偏向部材５ａとなる偏向ミラー５ａが、第１軸心Ｐ１に対して４５度の角度で取り付けられている。そして、第１軸心Ｐ１とケーシング３の軸心Ｐとが一致するように出力軸５ｃが配置されている。尚、第１偏向部材５ａは偏向ミラーに限るものではなく、測定光を９０度偏向する直角プリズムを用いてもよい。

　投光部から出射された測定光は、後述の第２偏向部材６ａで偏向され、さらに第１軸心Ｐ１周りに回転する第１偏向部材５ａで偏向された後に光学窓２を介して対象空間に出射される。そして、光学窓２を介して対象空間からの反射光が測定光の光軸に沿って第１偏向部材５ａに入射し、第２偏向部材６ａで偏向された後に受光部に入射する。そのため、光学窓２を介して対象空間から入射したノイズ光が受光部で検出される確率は極めて低くなり、耐ノイズ性能が優れた走査式測距装置を実現できる。

　第１駆動機構５ｂの出力軸５ｃには、さらに電磁モータ５ｂの回転速度及び回転位相を検知するためのエンコーダ５ｄが取り付けられている。当該エンコーダ５ｄは、外周部に一定間隔でスリットが形成され、電磁モータの出力軸５ｃと一体で回転する円盤５１と、円盤５１のスリットを挟む位置に固定設置され、円盤５１の回転に対応したパルス信号を信号処理部７に出力するフォトインタラプタ５２を備えている。尚、偏向ミラー５ａの基準位置を特定するために、円盤５１に形成されたスリットの間隔が一箇所のみ他より狭く形成されている。

　第２走査機構６は、第２偏向部材６ａと、第２偏向部材６ａを軸心Ｐ，Ｐ１と一致する第２軸心Ｐ２周りに回転させる第２駆動機構６ｂを備えている。第２偏向部材６ａは、投受光部４から出射された測定光を第１軸心Ｐ１に対して傾斜する光路Ｌ２に沿って第１偏向部材５ａに導くように構成されている。

　第２駆動機構６ｂは、ステッピングモータ等の電磁式の中空モータで構成され、軸心部に形成された空洞部に第２偏向部材６ａが回転可能に収容されている。中空モータは、例えばコイルが収容された円環状のステータの内側に、軸受けを介して、同じく円環状のマグネットロータを結合することにより構成することができる。

　ステータがケーシング３の側壁内周部に固定され、ロータの内周部に第２偏向部材６ａが固定されている。尚、図には示されていないが、当該中空モータにもその回転を検知するエンコーダが設置され、回転に対応したパルス信号を信号処理部７に出力するように構成されている。

　第２偏向部材６ａは、図３（ａ）に示すような楔形プリズムで構成され、当該楔形プリズム６ａを透過することによって偏向された測定光の光路Ｌ２が、第２駆動機構６ｂにより第１軸心Ｐ１周りに回転され、その軌跡が、図３（ｂ）に示すような偏向ミラー５ａに向けて拡径する略円錐形状を呈するようになる。

　図３（ａ）には、頂角２θの楔形プリズム６ａの斜辺ＡＢに、底面ＢＣに平行な測定光が入射角α（＝θ）で入射する場合の光路が示されている。斜辺ＡＢに入射した測定光は角度βで屈折して、斜辺ＡＣに入射角γで入射し、さらに屈折角δで楔形プリズム６ａを透過する。楔形プリズム６ａは、頂角２θを二等分する面が第２軸心Ｐ２に垂直になる姿勢でロータの内周部に固定されている。

　このとき、以下の式が成立する。式中、ηは屈折率を示し、レーザーダイオード４ａの波長約８００ｎｍに対して、屈折率は１．５となる。
β＝ｓｉｎ^－１（（ｓｉｎ・α)／η）
γ＝２θ－β
δ＝ｓｉｎ^－１(η・ｓｉｎ・γ)
　上式より楔形プリズム６ａによる測定光の屈折角εが、以下のように求まる。従って、測定光の屈折角εを好ましい値に設定するために、それに対応した頂角２θが決定される。
ε＝α＋δ－２θ＝δ－θ
＝ｓｉｎ^－１(η・ｓｉｎ・（２θ－ｓｉｎ^－１（（ｓｉｎ・θ)／η）)

　図３（ｂ）に示すように、楔形プリズム６ａが第２軸心Ｐ２周りに回転すると、回転に伴って測定光の光路Ｌ２が第２軸心Ｐ２（第１軸心Ｐ１と一致する）周りに回転する。

　その結果、測定光が第１軸心Ｐ１に対して屈折角εの角度で第１偏向部材５ａに入射し、第１軸心Ｐ１と直交する仮想平面ＰＬに対して上方へ向けた光路Ｌ３（一点鎖線の矢印で示されている）、または下方へ向けた光路Ｌ４（実線の矢印で示されている）に沿って偏向走査される。尚、図３（ｂ）には、参考のため、測定光が第１軸心Ｐ１に沿って第１偏向部材５ａに入射する場合に、仮想平面ＰＬに沿って偏向走査される測定光の光路Ｌ（二点鎖線の矢印）が示されている。

　図４（ａ）には、平面視で、偏向ミラー５ａに入射する測定光の光路Ｌ２と第１軸心Ｐ１との角度が一定値「ε」である場合に、偏向ミラー５ａの回転に伴って偏向された光路Ｌ３０，Ｌ４０が例示されている。

　図４（ｂ）には、同じく平面視で、偏向ミラー５ａに入射する測定光の光路Ｌ２と第１軸心Ｐ１との角度が一定値「－ε」である場合に、偏向ミラー５ａの回転に伴って偏向された光路Ｌ３１，Ｌ４１が例示されている。

　図４（ｃ）には、図４（ａ），（ｂ）に対応して軸心Ｐ１を中心とする半径Ｒの仮想円筒Ｓの周面に照射される測定光の軌跡が示されている。このように、投受光部４から出射された測定光が偏向ミラー５ａ上で軸心Ｐ１と交差するように照射される場合には、測定光の光路Ｌ２と軸心Ｐ１とのなす角度をεとして、仮想円筒Ｓの周面に照射される測定光の軌跡は、±Ｒｔａｎ（９０°－ε）の振れ幅のリサージュ形状を描くようになる。

　第２走査機構６及び第１走査機構５で偏向された測定光の軌跡は、第２駆動機構６ｂ及び第１駆動機構５ｂの回転速度ｖ２，ｖ１及び相対的な回転位相φによって異なる。これらの回転速度ｖ２，ｖ１及び相対的な回転位相φと、投受光部４から出射される測定光の出射タイミングにより測定方向が定まる。

　図５（ａ）には、第２駆動機構６ｂ及び第１駆動機構５ｂの回転速度ｖ２，ｖ１が等しい場合（Ｖ１＝Ｖ２）の偏向ミラー５ａの回転に伴う測定光の軌跡が例示されている。測定光は、水平方向に対する測定光の傾斜角度が一定に保たれた状態で、偏向ミラー５ａの回転に伴って走査される。相対的な回転位相φを調整することにより、上方或いは下方への傾斜角を任意の角度に調整できる。

　図５（ｂ）には、第２駆動機構６ｂ及び第１駆動機構５ｂの回転速度ｖ２，ｖ１が略等しい場合（Ｖ１≒Ｖ２）の偏向ミラー５ａの回転に伴なう測定光の軌跡が例示されている。測定光は、水平方向に対する測定光の傾斜角度が偏向ミラー５ａの回転に伴って緩やかに変化しながら走査される。相対的な回転位相φを調整することにより、偏向ミラー５ａの任意の走査角度（例えば０度）での上方或いは下方への傾斜角を任意の角度に調整できる。

　図５（ｃ）には、第２駆動機構６ｂの回転速度ｖ２よりも第１駆動機構５ｂの回転速度ｖ１が十分に大きい場合（ｖ１＞＞Ｖ２＝０）の偏向ミラー５ａの回転に伴う測定光の軌跡が例示されている。当該軌跡は上述したリサージュ形状となる。図５（ｃ）中の太い実線で示すリサージュ波形は第２駆動機構６ｂの回転速度ｖ２及び相対的な回転位相φが０のときの軌跡を示し、位相φを調整することによりリサージュ波形の位相が次第にシフトする。また、第２駆動機構６ｂの回転速度ｖ２が同方向に次第に上昇すると、それに伴ってリサージュ波形の周期が次第に短くなる。

　図５（ｄ）には、第２駆動機構６ｂの回転速度ｖ２よりも第１駆動機構５ｂの回転速度ｖ１が十分に小さい場合（ｖ１＜＜Ｖ２）の偏向ミラー５ａの回転に伴う測定光の軌跡が例示されている。第２駆動機構６ｂの回転によって円軌道を描きながら偏向ミラー５ａによって走査される軌跡となる。

　図６には、信号処理部７の回路ブロック構成が示されている。信号処理部７には、システム制御部７０、測距演算部７７、ＡＤ変換部７６、モータ制御回路７４，７５、駆動制御部７３、駆動回路７１、増幅回路７２等を備えている。

　システム制御部７０は走査式測距装置１のシステムを統括制御するブロックで、ＣＰＵやメモリを備えたマイクロコンピュータ及びその周辺回路で構成されている。

　システム制御部７０は、外部装置（例えば、歩行ロボットや無人搬送車両等走査式測距装置が設置された装置または当該装置を制御するシステム制御装置）からの起動信号を受信すると起動する。第１走査角度検出部（エンコーダ）５ｄからのパルス信号に基づいて第１モータ制御回路７４を介して第１駆動機構５ｂを制御し、偏向ミラー５ａによる測定光の走査角度と走査速度を目標値になるように制御するとともに、第２走査角度検出部（エンコーダ）６ｄからのパルス信号に基づいて第２モータ制御回路７５を介して第２駆動機構６ｂを制御し、第２偏向部材６ａによる測定光の走査速度を目標値になるように制御する。つまり、モータ制御回路７４，７５は第１駆動機構５ｂ及び第２駆動機構６ｂとなる電磁モータに対応して、回転速度等を調整するための駆動回路である。

　さらに、システム制御部７０は、第１駆動機構５ｂ及び第２駆動機構６ｂが所定の状態に立ち上がると、駆動制御部７３に対して発光素子（レーザーダイオード）４ａを駆動するための制御信号を出力する。駆動制御部７３は当該制御信号に基づいて、所定インタバルで駆動回路７１を制御して発光素子（レーザーダイオード）４ａを点滅制御する。

　対象空間に向けて走査された測定光が対象空間に存在する物体表面で反射した反射信号が、受光素子（アバランシェフォトダイオード）４ｂで受光されると、増幅回路７２で増幅された後にＡＤ変換部７６でＡ／Ｄ変換され、反射信号に対応するデジタル信号が測距演算部７７に入力される。

　測距演算部７７はシグナルプロセッサを備えたゲート回路で構成され、発光素子４ａの発光タイミングと受光素子４ｂによる反射光の検出タイミングの時間差に基づいて対象空間に存在する物体までの距離を算出する。算出式は既に説明した（数２）に従う。測距演算部７７には第１走査角度検出部（エンコーダ）５ｄ及び第２走査角度検出部（エンコーダ）６ｄからのパルス信号をカウントする二つのカウンタ回路が設けられ、算出した距離とそのときの各カウンタ回路のカウント値をシステム制御部７０に出力する。

　尚、発光素子４ａの出力が第２走査機構６及び第１走査機構５を経て光学窓２を介して外部に出射することなく、ケーシング３内で受光素子４ｂに導くプリズムや光ファイバー等で構成された基準光路をケーシング３内部に備えている。そして、測距演算部７７は当該基準光路に沿って受光素子４ｂに導かれた測定光に基づき算出した基準距離に基づいて、対象空間に存在する物体までの距離を補正した値をシステム制御部７０に出力する。

　システム制御部７０は、所定条件を満たす場合に、測距演算部７７から入力された距離とそのときの各カウンタ回路のカウント値に基づいて、対象空間に存在する物体までの距離及び方向を示す信号を外部装置に出力する。

　例えば、予め監視対象領域が設定される場合には、対象空間に存在する物体が当該監視対象領域内に存在する場合に対象空間に存在する物体までの距離及び方向を示す信号（具体的には、物体の三次元座標を示す信号が好適に用いられる）を外部装置に出力する。

　このとき、システム制御部７０は、測距演算部７７から入力された物体の三次元座標に基づいて、三次元空間でのラベリング処理や膨張縮小処理を行ない、その物体が検出対象であるか微小なノイズ物体であるかを判別したり、判別結果に基づいて物体の運動方向を探索するトラッキング処理を行ない、その結果を外部装置に出力するように構成してもよい。

　システム制御部７０に、第１走査機構５と第２走査機構６の相対走査速度及び／または位相を可変に制御する速度制御部７０ａを備えることによって、対象空間を荒い密度で高速で走査し、或いは低速で精細に走査するように目的に応じて切り替えることができるようになる。例えば、図５（ａ）から（ｄ）に示したような複数の走査パターンで、測定光が対象空間を走査するように制御することができるようになる。

　つまり、速度制御部７０ａは、第１走査角度検出部（エンコーダ）５ｄ及び第２走査角度検出部（エンコーダ）６ｄからのパルス信号に基づいて、第１駆動機構５ｂ及び第２駆動機構６ｂの回転速度及び相対的な回転位相を検出し、その値が予め設定され記憶部に記憶された走査パターンと一致するように、第１駆動機構５ｂ及び第２駆動機構６ｂの相対走査速度及び／または位相を制御するのである。

　具体的には、先ず、第１走査角度検出部（エンコーダ）５ｄにより検出される第１駆動機構５ｂの回転速度を目標速度に制御するとともに、エンコーダパルスの基準位置からの回転角度に基づいてその回転位相をモニタする。次に、第２走査角度検出部（エンコーダ）６ｄにより検出される第２駆動機構６ｂの回転速度を目標速度よりやや低速の所定速度に制御するとともに、エンコーダパルスの基準位置からの回転角度に基づいてその回転位相をモニタし、第１駆動機構５ｂの回転位相との位相差が目標位相差になるように、そして回転速度が目標速度になるように第２駆動機構６ｂを制御すればよい。

　測距演算部は、測定光が出射されたときの第１駆動機構５ｂ及び第２駆動機構６ｂの回転速度及び相対的な回転位相に基づいて測定光の走査方向を算出し、そのときの出射光と反射光との時間差に基づいて距離を算出することで、対象空間に存在する物体の三次元座標を算出する。尚、当該制御方法は例示であり、このような制御手順に制限されることはない。

　当該走査式測距装置１を歩行ロボットに装着する場を例に説明する。歩行ロボットの歩行時には、障害物に衝突することがないように、測定光の走査線密度を荒くして、高速に対象空間の物体を検知するように制御し、歩行ロボットのハンドで把持動作を行なうような場合には、正確な把持動作が行なえるように、把持対象物の近傍で走査線密度が細かくなるように制御するのである。

　また、当該走査式測距装置１を自動搬送車両に搭載する場合には、初期に低速走行しながら、広範囲で高精細な走査を行なって走行ルートの三次元マップを生成し、当が三次元マップに基づいて走行する場合には、障害物に衝突することがないように、測定光の走査線密度を荒くして、高速に対象空間の物体を検知するように制御することで、高速走行を可能にすることができる。

　また、当該走査式測距装置をフォークリフトに搭載する場合には、走行時に床面近傍を精細に走査するように制御し、停車して荷物をリフトアップする際には床面上方を精細に走査するように制御するように構成することもできるようになる。

　図７（ａ），（ｂ）に示すように、偏向ミラー５ａが第１軸心Ｐ１に対して４５度の角度の前後で揺動するように、第１駆動機構５ｂの出力軸５ｃに小型モータ等のアクチュエータ５ｅを介して偏向ミラー５ａを取り付けることも可能である。アクチュエータ５ｅが、第１偏向部材５ａの偏向面と第１軸心Ｐ１との傾斜角度を可変に調整する調整機構５ｅとなる。

　そして、システム制御部７０に当該調整機構５ｅを介して偏向ミラー５ａの傾斜角度を制御する角度制御部７０ｂ（図６参照）を設けることによって、第１軸心Ｐ１と垂直な面に対して上方側または下方側の何れか一方を重点的に走査することも可能になる。そして、角度制御部７０ｂを備えることによって第１軸心Ｐ１に沿う方向への走査範囲を拡大することができる。

　図７（ａ）に示すように、偏向ミラー５ａを鉛直方向に向けて傾斜させると、第１軸心Ｐ１方向に沿う測定光の走査範囲を下方側に偏在させることができ、図７（ｂ）に示すように、偏向ミラー５ａを水平方向に向けて傾斜させると、第１軸心Ｐ１方向に沿う測定光の走査範囲を上方側に偏在させることができる。

　走査式測距装置１が搭載された機器の用途に応じて、偏向ミラー５ａの傾斜角度を変更設定することができるようになる。機器に対する走査式測距装置１の取付け姿勢、例えば、鉛直方向に対して第１軸心Ｐ１の傾斜角度を検知するセンサを備え、その傾斜角度に応じて偏向ミラー５ａの傾斜角度を変更設定すれば、走査式測距装置１の取付け姿勢にかかわらず、走査範囲を一定に調整することができる。

　尚、速度制御部７０ａ及び角度制御部７０ｂの何れか一方のみをシステム制御部７０に備えてもよいし、双方をシステム制御部７０に備えてもよい。

　さらに、システム制御部７０に、上述の相対走査速度及び／または位相に基づいて測定光の出射周期を制御する投光制御部７０ｃ（図６参照）を備えてもよい。一定時間内で測定光の出射周期を短くすれば測定点が増し、長くすれば測定点が減るのであるが、この制御と上述の相対走査速度や位相の制御を組み合わせることによって、同一の走査式測距装置であっても用途に応じて適切な態様で測定ができるようになる。

　つまり、本発明による走査式測距装置１は、所定の光軸に沿って対象空間に走査される測定光を出射する投光部４ａと、対象空間から光軸に沿って入射する反射光を受光する受光部４ｂとを、少なくとも一対備えた投受光部４と、測定光を対象空間に向けて偏向する第１偏向部材５ａと、第１偏向部材５ａをその偏向面に対して傾斜する第１軸心Ｐ１周りに回転させる第１駆動機構５ｂとを備えた第１走査機構５と、投受光部４から出射された測定光を第１軸心Ｐ１に対して傾斜する光路Ｌ２に沿って第１偏向部材５ａに導き、その光路を第１軸心Ｐ１または第１軸心Ｐ１と平行な軸心周りに回転させる第２走査機構６とを備えている。

　以下、本発明による走査式測距装置の別実施形態を説明する。
　上述の実施形態では、第２走査機構６の第２軸心Ｐ２が第１軸心Ｐ１と一致する態様を説明したが、図３（ｂ）に示すように、第２走査機構６の第２軸心Ｐ２が第１軸心Ｐ１´と平行な軸心周りに回転するように構成してもよい。

　上述の実施形態では、図１に示したように、投受光部４から出射される測定光が、第２走査機構６の第２軸心Ｐ２上でその上方から第２軸心Ｐ２に沿って、第２偏向部材６ａに導かれるように投受光部４を設置する態様を説明したが、投受光部４から出射される測定光が、第２走査機構６の第２軸心Ｐ２と平行な軸心に沿って、第２偏向部材６ａに導かれるように、投受光部４を設置してもよい。

　上述した実施形態では、第２走査機構６が、中空モータで構成される第２駆動機構６ｂの軸心部に形成された空洞部に第２偏向部材６ａが回転可能に収容された態様を説明したが、図８に示すように、第２駆動機構６ｂの軸心部に形成された空洞部から軸心Ｐ２方向に離隔した位置に第２偏向部材６ａを設けてもよい。

　つまり、図８に示す中空モータの回転機構は、ケーシング３の天面３ａ内壁に投受光部４を囲むようにモータケーシング６０が取り付けられ、固定子の一部となるコイル６１がモータケーシング６０の内周部に設置され、その内周にマグネット６２を備えた回転子６４が取り付けられて構成されている。回転子６４は軸受６３を介して固定子となるモータケーシング６０に取り付けられている。そして、回転子６４の一端側が径方向に張り出すように拡径され、その拡径部に第２偏向部材６ａが取り付けられている。この例では、拡径部の外周部に第２走査角度検出部となるエンコーダ６ｄが取り付けられている。

　第２駆動機構６ｂは中空モータに限るものではなく、第２偏向部材６ａを回転可能な機構であればよい。例えば、電磁モータの回転軸を第２偏向部材６ａに穿設する態様であってもよいし、第２偏向部材６ａが収容された円環部材の外周にギヤを形成し、そのギヤと噛合するウォームギヤを電磁モータで駆動する態様であってもよい。

　また、図９に示すように、第２偏向部材６ａとして偏向ミラーを採用することも可能である。この場合、偏向ミラー６ａの偏向面が第２軸心Ｐ２との仮想直交面に対して傾斜するように配置されていればよい。このような態様であっても、投受光部４から出射された測定光を第１軸心Ｐ１に対して傾斜する光路Ｌ２に沿って第１偏向部材５ａに導き、その光路Ｌ２を第１軸心Ｐ１または第１軸心Ｐ１と平行な軸心周りに回転させることができる。

　図９では、第２駆動機構６ｂとなる電磁モータの回転軸心Ｐ２と第１軸心Ｐ１とが４５度の角度となるように、電磁モータがケーシング３の天面内壁に固定され、軸心Ｐ２に垂直な面に対して偏向ミラー６ａの偏向面が角度εだけ傾斜するように配置されている。そして、水平方向から測定光が偏向ミラー６ａに入射するように、投受光部４が光学窓２の上部内壁に固定されている。

　上述した楔形プリズムのように、偏向ミラー６ａが中空モータでなる第２駆動機構６ｂの空洞部に固定される態様であってもよい。

　さらに、図１０（ａ）に示すように、第２走査機構６は、投受光部４から出射された測定光を第１軸心Ｐ１に対して傾斜する光路Ｌ２に沿って第１偏向部材５ａに導くように投受光部４を支持する支持部４０と、支持部４０で支持された投受光部４を第２軸心Ｐ２周りに回転させる第２駆動機構６ｂを含み、第２駆動機構６ｂにより光路Ｌ２が第１軸心Ｐ１または第１軸心Ｐ１と平行な軸心周りに回転されるように構成してもよい。この場合、測定光の軌跡は、偏向ミラー５ａに向けて縮径する略円錐形状を呈する。

　第２駆動機構６ｂが中空モータで構成され、その円環状のロータの内周部に投受光部４を支持する支持部４０が設けられている。

　図１０（ｂ），（ｃ）に示す投受光部４は、複数対の発光素子４ａと受光素子４ｂがガイド部材４１を介して同心円環状に配列され、各発光素子４ａにはコリメータレンズ４ｄが個別に配置され、各受光素子４ｂには単一の集光レンズ４ｇが配置されている。つまり、支持部４０には第１軸心Ｐ１周りに投受光部４が複数台支持されている。尚、図２で示した構造と同様に各発光素子４ａをガイド部材４１の外方に設置し、光りファイバー等の導光部材を介して各コリメータレンズ４ｄに入射させてもよい。

　発光素子４ａはレーザーダイオードで構成され、受光素子４ｂはアバランシェフォトダイオードで構成される点は上述した実施形態と同様である。全ての発光素子４ａから測定光が同時に出射されるように駆動制御部７３が構成されていてもよいが、各発光素子４ａが時分割で時間を隔てて駆動されるように駆動制御部７３が構成されていることが好ましい。一系統のＡＤ変換部７６及び距離演算部７７で距離演算を行なうことができ、回路規模を小さくできる点で優れている。受光素子４ｂとＡＤ変換部７６とをアナログスイッチを介して接続し、アナログスイッチを切り替えれば一系統のＡＤ変換部７６で対応可能になる。

　測距密度を上げて高精細に距離を測定するためには、発光素子の駆動間隔を短くする必要がある。光源に単一の発光素子を用いて、その発光素子の駆動間隔を短くすると、近接した測距領域でのレーザー光の密度が高くなる。この場合に、JIS C6802「レーザー製品の安全基準」クラス１の規格を満たすためには、レーザー光の強度を下げる必要があり、測距密度と計測距離（レーザー光の強度に依存）の双方を高めることに制約があった。即ち、測距密度を下げてレーザー強度を上げるか、測距密度を上げてレーザー強度を下げるかの何れかを選択せざるを得なかったのである。

　このような制約がある場合でも、図１０（ａ）から（ｃ）に示すように、複数の発光素子４ａを走査機構１の第一軸心Ｐ１周りに異なる位置に配列すると、各発光素子から対象空間に出射される測定光の光路が空間的に大きく離れるため、仮に各発光素子４ａを同時に駆動しても、近接した測距領域でのレーザー光密度が高くなるようなことが回避できる。

　従って、各発光素子４ａを時分割で順に駆動すれば、各発光素子４ａの駆動間隔を短くしても、安全規格を満たしながら単一の発光素子を用いた場合と同等のレーザー強度で各発光素子４ａを駆動することができるようになる。

　このように、複数対の発光素子４ａと受光素子４ｂを備えた投受光部４を採用すれば、対象空間に対する計測点を飛躍的に増加させることができ、高精細な計測が可能になる。

　尚、複数個の発光素子４ａに対して１つの割合で受光素子４ｂを設けてもよい。この場合は一つの受光素子４ｂに対応する各発光素子４ａを時分割によって駆動制御することにより、各発光素子４ａの出射光に対する反射光をそれぞれ個別に検出することができるので、各発光素子４ａの出射光に対応した測距が可能となる。

　第２駆動機構６ｂを停止した状態で、各発光素子４ａを順次駆動することにより、一対の発光素子４ａと受光素子４ｂを備えた投受光部４を第２駆動機構６ｂにより回転される場合と同様の測定が可能になる。

　尚、図１０（ｂ），（ｃ）に示したような複数対の発光素子４ａと受光素子４ｂを備えた投受光部４の態様に限るものではなく、図２に示したような一対の発光素子４ａと受光素子４ｂを備えた投受光部４を第２駆動機構６ｂで回転するような構成であってもよい。

　支持部４０を第２軸心Ｐ２周りに回転させる第２駆動機構６ｂは中空モータに限るものではなく、円環部材で構成される支持部４０の外周にギヤを形成し、そのギヤと噛合するウォームギヤを電磁モータで駆動する態様であってもよいし、その他の公知の駆動機構を採用する態様であってもよい。

　以上、ＴＯＦ方式を採用する走査式測距装置１について説明したが、本発明による走査式測距装置１はＴＯＦ方式以外にＡＭ方式を採用することも可能であり、ＡＭ方式をＴＯＦ方式を組み合わせたバースト発光方式を採用することも可能である。

　上述した様々な実施形態は、何れも本発明の一実施例であり、何れの構成であっても、第１走査機構と第２走査機構は互いに機械的に作用を及ぼすことが無く、単に測定光を偏向するだけであるので小型に構成することが可能となり、それぞれをケーシング等に強固に固定できるので、機械的耐振の影響も大きく低減できる。尚、走査式測距装置の具体的構造、信号処理部の具体的な回路構成及びソフトウェア構成等は、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。

１：走査式測距装置
２：光学窓
３：ケーシング
４：投受光部
４ａ：発光素子
４ｂ：受光素子
５：第１走査機構
５ａ：第１偏向部材
５ｂ：第１駆動機構
６：第２走査機構
６ａ：第２偏向部材
６ｂ：第２駆動機構
Ｐ１：第１軸心
Ｐ２：第２軸心

Claims

　所定の光軸に沿って対象空間に走査される測定光を出射する投光部と、対象空間から前記光軸に沿って入射する反射光を受光する受光部とを、少なくとも一対備えた投受光部と、
　前記測定光を対象空間に向けて偏向する第１偏向部材と、前記第１偏向部材をその偏向面に対して傾斜する第１軸心周りに回転させる第１駆動機構とを備えた第１走査機構と、
　前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する光路に沿って前記第１偏向部材に導き、その光路を前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転させる第２走査機構と、
を備えている走査式測距装置。
　前記第２走査機構は、前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する偏向光路に沿って前記第１偏向部材に導く第２偏向部材と、前記第２偏向部材を第２軸心周りに回転させる第２駆動機構を含み、前記第２駆動機構により前記偏向光路が前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転される請求項１記載の走査式測距装置。
　前記第２偏向部材が楔形プリズムで構成され、前記第２軸心が前記第１軸心の軸心方向に設定されている請求項２記載の走査式測距装置。
　前記第２偏向部材が偏向ミラーで構成され、前記偏向ミラーの偏向面が前記第２軸心との仮想直交面に対して傾斜するように配置されている請求項２記載の走査式測距装置。
　前記第２駆動機構は軸心部に空洞部が形成された中空モータで構成され、前記空洞部に前記第２偏向部材が回転可能に収容されている請求項２から４の何れかに記載の走査式測距装置。
　前記第２走査機構は、前記投受光部から出射された測定光を前記第１軸心に対して傾斜する光路に沿って前記第１偏向部材に導くように前記投受光部を支持する支持部と、前記支持部を第２軸心周りに回転させる第２駆動機構を含み、前記第２駆動機構により前記光路が前記第１軸心または前記第１軸心と平行な軸心周りに回転される請求項１記載の走査式測距装置。
　前記支持部には前記第１軸心周りに前記投受光部が複数台支持されている請求項６記載の走査式測距装置。
　前記第２駆動機構は軸心部に空洞部が形成された中空モータで構成され、前記空洞部に前記支持部が回転可能に収容されている請求項６または７記載の走査式測距装置。
　前記第１偏向部材の偏向面と前記第１軸心との傾斜角度を可変に調整する調整機構を備え、前記調整機構を介して前記傾斜角度を制御する角度制御部を備えている請求項１から８の何れかに記載の走査式測距装置。
　前記第１走査機構と前記第２走査機構の相対走査速度及び／または位相を可変に制御する速度制御部を備えている請求項１から９の何れかに記載の走査式測距装置。
　前記相対走査速度及び／または位相に基づいて測定光の出射周期を制御する投光制御部を備えている請求項１０記載の走査式測距装置。