(57)【要約】【課題】測定レンジの広い３次元レーザ測距装置を提供する。【解決手段】レーザセンサ１０は、レーザ光源１２と小鏡面群を有するポリゴンミラー３０と、レーザを小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラー２２を有する２次元走査ミラーユニット２０を備えている。ポリゴンミラー３０の小鏡面群は、それらの法線群が平面内で放射状に伸びている。２次元走査ミラーユニット２０は、レーザの反射光が、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれに順次向かうように第１軸の周りに揺動ミラー２２の角度を変化させ、次に、法線群が他の平面内で放射状に伸びている小鏡面群に順次向かうように第１軸と交差する第２軸の周りに揺動ミラーの角度を変化させる。このレーザセンサ１０は、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれにレーザを照射することによって広角な走査レンジを達成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを発するレーザ光源と、
小鏡面群を有するポリゴンミラーと、
レーザを、前記小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有している２次元走査ミラーユニットと、
を備えることを特徴とする３次元レーザ測距装置。
【請求項２】
ポリゴンミラーは、部分的な円柱の側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有しており、円柱の軸線に交差する回転軸の周りに回転することを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザ測距装置。
【請求項３】
揺動ミラーの角度が、レーザが前記小鏡面群のそれぞれに順次向かうように変化するとともに、ポリゴンミラーが所定角度回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように変化することを特徴とする請求項２に記載の３次元レーザ測距装置。
【請求項４】
ポリゴンミラーは、部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザ測距装置。
【請求項５】
揺動ミラーが、２軸ジンバルに揺動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元レーザ測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザを２次元的に走査することによって物体の３次元的な位置を測定する３次元レーザ測距装置に関する。特に、広い測定エリアを有する３次元レーザ測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ（パルスレーザ）を２次元的に照射することによって物体の３次元的な位置を測定する３次元レーザ測距装置が知られている。本明細書では、「３次元レーザ測距装置」を単純に「レーザ測距装置（Ｌａｓｅｒ  Ｒａｎｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）」あるいは単に「レーザセンサ」と称する場合がある。
従来のレーザセンサは、ポリゴンミラーと１軸周りに角度を変化させることのできる１次元走査鏡を有している。以下では、ポリゴンミラーの各鏡面の一つひとつを小鏡面（Ｍｉｒｒｏｒ  ｆａｃｅｔ）と称する。このレーザセンサでは、レーザは、ポリゴンミラーで反射された後、さらに１次元走査鏡で反射される。ポリゴンミラーの回転に伴って、小鏡面におけるレーザの反射角が連続的に変化する。こうして、ポリゴンミラーで反射されたレーザの方向が直線状に変化する。即ち、レーザがライン走査される。ポリゴンミラーが回転し、レーザが照射される小鏡面が変わる毎に、ライン走査が繰り返される。１本のライン走査が終了したときに、１次元走査鏡の角度を微小角度だけ変化させる。１次元走査鏡の回転軸は、ポリゴンミラーの回転軸と交差している。従って、１次元走査鏡の角度を変化させると、ライン走査の方向に交差する方向にレーザの反射方向が変化する。すなわち、１次元走査鏡が微小角度変化すると、先の走査ラインに隣接した位置が新たに走査される。こうしてレーザが２次元的に走査される。そのようなレーザセンサが例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ライン走査方向の計測エリアは、１回のライン走査の間にレーザの照射方向がスイングする角度（以下、走査角度、或いは走査レンジという）で決まる。従来のレーザセンサでは、走査レンジは、レーザを反射している間に変化する小鏡面の回転角で規定される。そのため、広い走査レンジ（即ち広い測定エリア）を確保することが困難であった。走査レンジの広いレーザセンサが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
広い走査レンジを確保するために、本発明のレーザセンサは、ポリゴンミラーと、平面鏡の角度を２次元的に変化することのできる揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットを組み合わせる。レーザを揺動ミラーに反射させながら揺動ミラーの角度を２次元的に変化させることによって、基本的にはレーザを２次元的に走査することができる。本発明では、揺動ミラーによって照射方向を２次元的に変化させたレーザを、それぞれポリゴンミラーの各小鏡面に照射し反射させる。ポリゴンミラーの各小鏡面はそれぞれ角度が異なっているので、各小鏡面で反射されたレーザ（パルスレーザ群）は、揺動ミラーの変化角度よりも大きな角度変化をもって各方向へ反射する。このレーザセンサは、２次元走査ミラーユニットで２次元的に走査されるレーザ（パルスレーザ群）をさらにポリゴンミラーの各小鏡面で反射させて、走査レンジを拡大する。
【０００６】
本発明のレーザセンサ（３次元レーザ測距装置）は、レーザ光源と、小鏡面群（Ｍｉｒｒｏｒ  Ｆａｃｅｔｓ）を有するポリゴンミラーと、レーザを小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットを備えている。
【０００７】
ポリゴンミラーの小鏡面群は、それらの法線群が平面内で放射状に伸びている。レーザ光源から照射されたレーザは２次元走査ミラーユニットの揺動ミラーに反射され、さらにポリゴンミラーの小鏡面に反射されて測定エリアへと向かう。２次元走査ミラーユニットは、レーザが、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれに順次向かうように一軸（第１軸）周りに揺動ミラーの角度を変化させ、次に、法線群が他の平面内で放射状に伸びている小鏡面群に順次向かうように第１軸と交差する他の軸（第２軸）の周りに揺動ミラーの角度を変化させる。このレーザセンサは、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれでレーザを反射することによって広角な走査レンジを得る。
【０００８】
２次元的に広い走査レンジを得るために、ポリゴンミラーは、部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有していることが好ましい。２次元走査ミラーユニットは、レーザが前記小鏡面群のそれぞれに順次向かうように揺動ミラーの角度を変化させる。部分的な球体を多面体近似した小鏡面群のそれぞれで反射されたレーザ（パルスレーザ群）が形成する円錐領域が、レーザセンサの２次元走査レンジとなる。部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有しているポリゴンミラーは、換言すれば、小鏡面群の法線が２次元的に放射状に伸びているポリゴンミラーである。
【０００９】
レーザセンサは、球体を多面体近似したポリゴンミラーの代わりに、部分的な円柱を、その側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有しているポリゴンミラーを採用することも好適である。この場合、ポリゴンミラーは、円柱の中心線に交差する回転軸の周りに回転する。回転する円柱状のポリゴンミラーは、前記した球体を多面体近似したポリゴンミラーと同じ機能を果す。部分的な円柱を、その側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有するポリゴンミラーは、小鏡面群の法線群が一平面内で放射状に伸びているポリゴンミラーと換言してよい。
【００１０】
ポリゴンミラーが円柱を多面体近似した形状を有している場合、揺動ミラーの角度が、レーザが小鏡面群のそれぞれに順次向かうように変化するとともに、ポリゴンミラーが所定角度回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように変化することが好ましい。レーザが小鏡面群の夫々に順次照射されると、一つのライン走査が達成される。ポリゴンミラーが所定角度回転した後にレーザが再び各小鏡面群に順次照射されると、前回のライン走査に隣接した位置に新たなライン走査が達成される。
【００１１】
角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットは、例えば、揺動ミラーが２軸ジンバルに揺動可能に取り付けられていればよい。そのような２次元走査ミラーユニットは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）の技術によって小型化が容易である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、走査レンジの広い３次元レーザ距測装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例のレーザセンサ１０の特徴を以下に挙げる。
（１）ポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３と、揺動ミラー２２のひとつの回転軸Ｃ２が一直線上に並んでいる。ポリゴンミラー３０の長手方向の中心線Ｃ４が、揺動ミラー２２の他の回転軸Ｃ１に平行である。そして、ポリゴンミラー３０の回転と揺動ミラー２２のＣ２軸周りの回転が同期している。すなわち、揺動ミラー２２は、他方の回転軸Ｃ１の回りに回転することによって、常に、ポリゴンミラー３０の長手方向の中心線Ｃ４と交差する方向に、レーザの向きを振ることができる。そのような配置によって、レーザは回転軸Ｃ２（Ｃ３）を中心に放射状に発せられる。従って、広い走査レンジが得られるとともに、各方位の距離計算が容易化できる。
【実施例】
【００１４】
図面を参照して第１実施例のレーザセンサを説明する。図１に、レーザセンサ１０の模式図を示す。レーザセンサ１０は、レーザ光源１２、ハーフミラー１６、レーザ検出器１４、ポリゴンミラー３０、及び、２次元走査ミラーユニット２０を備えている。レーザ光源１２から発せられ、２次元走査ミラーユニット２０で反射され、さらにポリゴンミラーで反射されたレーザ（例えば、図１のＬ１、Ｌ２）が、測定エリアに向かう。図１では、それぞれの部品を独立に描いているが、実際には全ての部品がひとつの筐体（不図示）に収納されている。
図１に示す座標系ＸＹＺは、ポリゴンミラーに固定された座標系を示している。そのＺ軸がポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３に沿っており、Ｙ軸が、ポリゴンミラーの円柱（後述）の中心線Ｃ４に沿っている。
【００１５】
ポリゴンミラー３０について説明する。ポリゴンミラー３０は、半分の円柱を、その側面を小鏡面群（３０ａ〜３０ｇ）で多面体近似した形状を有している。符号Ｃ４は、円柱の中心線を示している。Ｃ４をポリゴンミラー３０の中心線と称することもある。図２に、ポリゴンミラー３０の断面図を示す。図２において、符号ｎ１〜ｎ７は、小鏡面３０ａ〜３０ｇの夫々の法線を示している。法線ｎ１〜ｎ７は、円柱の中心Ｃ４から放射状に伸びている。すなわち、ポリゴンミラー３０の小鏡面群の法線群（ｎ１〜ｎ７）が一平面内（図２の紙面）で放射状に伸びている。図面では、７つの小鏡面（３０ａ〜３０ｇ）で半分の円柱を多角形近似しているが、実際にはさらに多数の小鏡面で半分の円柱を多角形近似している。
ポリゴンミラー３０は、円柱の中心線Ｃ４と直交している回転軸Ｃ３の周りに回転する。符号３２は、ポリゴンミラー３０を回転させるモータを示している。
【００１６】
２次元走査ミラーユニット２０について説明する。２次元走査ミラーユニット２０は、直交する２軸（第１回転軸Ｃ１と第２回転軸Ｃ２）の周りに揺動する揺動ミラー２２を有している。揺動ミラー２２は、支持枠２４に回転可能に支持されており、その支持枠２４が筐体（不図示）に回転可能に支持されている。即ち、揺動ミラー２２は、２軸ジンバル（支持枠２４）に揺動可能に取り付けられている。符号２６は、揺動ミラー２２を回転軸Ｃ１の周りに回転させるモータを示している。符号２８は、支持枠２４（即ち揺動ミラー２２）を回転軸Ｃ２の周りに回転させるモータを示している。
２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２は、ポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３と同軸に配置されている。なお、図１では、図を見易くするために、回転軸Ｃ２と回転軸Ｃ３をずらして描いている。
２次元走査ミラーユニット２０の第１回転軸Ｃ１は、ポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４と平行に配置されている。ポリゴンミラー３０の回転と、２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２周りの回転は同期しており、第１回転軸Ｃ１とポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４は、常に平行が保たれる。
【００１７】
レーザ光源１２は、パルスレーザを発する。レーザ光源１２は、発するパルスレーザが揺動ミラー２２に向かうように配置されている。レーザの光軸上に、ハーフミラー１６が配置されている。ハーフミラー１６の上方に、レーザ検出器１４が配置されている。対象物から戻ってきたパルスレーザがハーフミラーで反射され、レーザ検出器１４に入射する。
【００１８】
レーザセンサ１０の距離測定原理は以下のとおりである。レーザ光源１２から発したパルスレーザは、揺動ミラー２２で反射し、さらにポリゴンミラー３０のいずれかの小鏡面（３０ａ〜３０ｇ）で反射し、対象物に向かう。対象物で反射したレーザは、同じ経路を戻ってハーフミラー１６で反射し、レーザ検出器１４で検出される。パルスレーザの発射時刻と検出時刻の差から、対象物までの距離が求められる。パルスレーザの照射方向は、揺動、ミラー２２の角度と、ポリゴンミラー３０の回転角で表される。パルスレーザの照射方向は、対象物の方位（２次元的な方位）を表す。即ち、レーザセンサ１０は、対象物の３次元位置を、方位と距離で表す。
【００１９】
レーザセンサ１０の動作を説明する。まず、図３を参照してＸＺ面内での走査を説明する。前述したように、２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２とポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４は、常に平行を保っている。揺動ミラー２２を第２回転軸Ｃ２の周りに回転すると、揺動ミラー２２で反射されたパルスレーザは、例えば図３の角度Ａｇ１のように振れ、ポリゴンミラー３０の各小鏡面３０ａ〜３０ｇへ順次入射する。小鏡面３０ｅへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ１が示す方向に反射する。小鏡面３０ｆへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ２が示す方向に反射する。小鏡面３０ｇへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ３が示す方向に反射する。即ち、揺動ミラー２２を軸Ｃ１の周りに揺動することによって、ＸＺ面内で１ライン走査が達成される。図３に示すように、揺動ミラー２２の揺動によって得られるパルスレーザの角度範囲Ａｇ１は、各パルスレーザがポリゴンミラー３０の各小鏡面で反射することによって角度範囲Ａｇ２に拡大する。このように、レーザセンサ１０は、ＸＺ平面内で広い走査レンジを得る。
【００２０】
次に、図４を参照して、ＸＹ平面での走査を説明する。図４は、Ｚ軸方向から見たポリゴンミラー３０の平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態からポリゴンミラー３０がＣ３軸周りに角度Ａｇ３だけ回転した状態を示している。
前述したように、ポリゴンミラー３０と２次元走査ミラーユニット２０は、回転軸Ｃ３（Ｃ２）の周りに同期して回転する。即ち、ポリゴンミラー３０が回転しても、図３に示すＸＺ面内におけるポリゴンミラー３０と２次元走査ミラーユニット２０の位置関係は維持される。図４（ａ）のときには、小鏡面３０e上の点ｐ３、小鏡面３０ｆの点ｐ２、及び、小鏡面３０ｇ上の点ｐ１の夫々へ入射したパルスレーザは、いずれも符号Ｌ４が示す方向に向かう。このとき、ＸＺ面においては、図３に示したようにパルスレーザは放射状に拡がる。ポリゴンミラー３０が角度Ａｇ３だけ回転したときには、点ｐ１、ｐ２、ｐ３の夫々へ入射したパルスレーザはいずれも符号Ｌ５が示す方向に向かう。このときも、ＸＺ面においては、図３に示したようにパルスレーザは放射状に拡がっている。すなわち、ポリゴンミラー３０の回転に伴って、パルスレーザは、回転軸Ｃ３と中心線Ｃ４の交点から放射状に広がる。即ち、レーザセンサ１０は、ＸＹ面内でパルスレーザを放射状に振る。上記の動作原理により、レーザセンサ１０は、２次元的に広い測定エリアを確保する。
【００２１】
図３と図４を参照して説明したレーザセンサ１０の動作は、次のように表現することができる。即ち、揺動ミラー２２の角度は、レーザが小鏡面群（３０ａ〜３０ｇ）のそれぞれに順次向かうように回転軸Ｃ１の周りに変化する。そして、揺動ミラー２２は、ポリゴンミラー３０の回転に同期して、回転軸Ｃ２の周りに回転する。揺動ミラー２２の角度は、ポリゴンミラー３０が所定角度Ａｇ３回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように回転軸Ｃ１の周りに変化する。なお、所定角度Ａｇ３は、実際には微小角度である。
【００２２】
第２実施例のレーザセンサ２００を、図５を参照して説明する。図５では、レーザ光源１２、揺動ミラー２２、及びポリゴンミラー１３０のみを示しており、他の部品の図示を省略している。揺動ミラー２２は、第１実施例のものと同じ構造の２次元走査ミラーユニットに支持されている。
このレーザセンサ２００は、ポリゴンミラー１３０の形状が第１実施例のものと異なる。ポリゴンミラー１３０は、半球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有している。別言すれば、ポリゴンミラー１３０の小鏡面群の法線が２次元的に放射状に伸びている。
【００２３】
揺動ミラー２２は、パルスレーザが各小鏡面に向かうように２次元的に揺動する。各小鏡面に照射されたパルスレーザは、図５の符号Ｌ１１、Ｌ１２、及び、Ｌ１３が示すように、様々な方向へ反射される。即ち、このレーザセンサ２００も、広い計測エリアを確保している。半球体を多面体近似した小鏡面群で反射されるパルスレーザ群が形成する円錐領域が、レーザセンサの２次元走査レンジに相当する。このレーザセンサ２００は、ポリゴンミラーを回転させる必要がないので、低コストで製造することができる。
【００２４】
実施例のレーザセンサと従来のレーザセンサ（本明細書の「背景」で説明したレーザセンサ）の相違点を以下に述べる。
実施例のレーザセンサは、従来のレーザセンサと同様にポリゴンミラーを用いるが、その用法が異なる。従来のレーザセンサでは、レーザを連続的に走査するためにポリゴンミラーを用いる。即ち、ポリゴンミラーの回転による、ひとつの小鏡面の角度変化が１本のライン走査を与える。他方、実施例のレーザセンサは、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれでレーザを反射することによって１本のライン走査を達成する。従来のレーザセンサでは、レーザが照射されている間の小鏡面の回転角度が走査レンジに相当する。他方、実施例のレーザレンジでは、角度の異なっている小鏡面群の夫々で反射されるレーザの照射範囲が走査レンジに対応する。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、第１実施例のレーザセンサの模式図である。
【図２】図２は、ポリゴンミラーの側面図である。
【図３】図３は、ポリゴンミラーの拡大側面図である。
【図４】図４は、ポリゴンミラーの平面図である。
【図５】図５は、第２実施例のレーザセンサの模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０、２００：レーザセンサ
１２：レーザ光源
１４：レーザ検出器
１６：ハーフミラー
２０：２次元走査ミラーユニット
２２：揺動ミラー
２４：支持枠
２６、２８、３２：モータ
３０、１３０：ポリゴンミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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