(57)【要約】【課題】広い範囲で波を受けることができる受波装置の提供【解決手段】受波装置は、受光素子３と、受光素子３に向けて反射光１２、１３を集約させるレンズ２とを備えており、レンズ２は焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えている。レンズ２は焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えており、広い範囲で受光素子３に安定した光量を入射させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波を受ける受波手段と、前記受波手段に向けて波を集約させるレンズとを備え、
前記レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていることを特徴とする受波装置。
【請求項２】
前記レンズはレンズに入射した平行波を前記受波手段に集約させる部分と、当該部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えていることを特徴とする請求項１に記載の受波装置。
【請求項３】
前記レンズは、レンズに入射した平行波を受波手段に集約させる部分をレンズの外径側部分に備え、レンズの内径側部分に、レンズの外径側部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えていることを特徴とする請求項２に記載の受波装置。
【請求項４】
前記レンズの内径側の焦点距離が異なる部分の境界領域は焦点距離が滑らかに連続していることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の受波装置。
【請求項５】
波を受ける受波手段と、
前記受波手段に向けて波を集約させるレンズと、
測距対象物に向けて波を発する波発射手段と、
前記波発射手段から波が発射され、発射された波が測距対象物で反射し前記レンズを介して受波手段で受けられるまでの経過時間に基づいて、測距対象物までの距離を導出する距離導出手段とを備え、
前記レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていることを特徴とする測距装置。
【請求項６】
波を受ける受波手段と、
前記受波手段に向けて波を集約させるレンズと、
測距対象物に向けて波を発する波発射手段と、
前記波発射手段から発した波と、測距対象物で反射し前記レンズを介して受波手段に入社した波との位相差に基づいて、測距対象物までの距離を導出する距離導出手段とを備え、
前記レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていることを特徴とする測距装置。
【請求項７】
前記レンズはレンズに入射した平行波を前記受波手段に集約させる部分と、当該部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の測距装置。
【請求項８】
前記レンズは、レンズに入射した平行波を受波手段に集約させる部分をレンズの外径側部分に備え、レンズの内径側部分に、レンズの外径側部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の測距装置。
【請求項９】
前記レンズは、焦点距離が異なる部分の焦点距離が滑らかに連続していることを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載の測距装置。
【請求項１０】
前記波発射手段はレンズの中央部近傍に配設されていることを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載の測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光、電磁波、音波などの波を受ける受波装置、及び、斯かる受波装置を用いた測距装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測距装置は、光、電磁波、音波などの波を測距対象物に向けて発し、測距対象物に反射した波を受け、発した波と受けた波との位相差に基づいて距離を測定している。
【０００３】
レーザ測距装置に用いられる光電子検出装置として、例えば、米国特許６７５９６４９号には、図６に示すように、受光素子１０１と、光を受光素子１０１に集光するレンズ１０２と、レンズ１０２の中央部近傍に配設したレーザダイオード１０３と、レンズ１０２の中央部に装着されレーザダイオード１０３から出射した光を平行光にするレンズ１０４と、レンズ１０４の前方に配設した傾斜ミラー１０５とを備えた装置が開示されている。  
【０００４】
レーザダイオード１０３から出射された光は、レンズ１０２を透過する際に平行光１０６になり、傾斜ミラー１０５を経由して図示されていない測距対象物に照射される。測距対象物で反射した光１０７は、傾斜ミラー１０５を経由し、レンズ１０２で集光されて受光素子１０１に入射する。距離計測ではレーザダイオード１０３に入力されて駆動する投光信号１０８と、受光素子１０１で変換された受光信号１０９の位相差に基づいて、光を出射してから受光するまでの時間を求め、この時間に光の速度を乗じて測距対象物までの距離を算出するとよい。
【特許文献１】米国特許６７５９６４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
斯かる測距装置において、レンズ１０２から測距対象物までの距離が、充分に遠い場合は、図６に示すように、測距対象物で反射した光１０７は、略平行な光となってレンズ１０２に入射し、レンズ１０２の所定の焦点距離により集光されて受光素子１０１に入射する。しかし、レンズ１０２から測距対象物までの距離が近くなると、図７に示すように、測距対象物で反射した光１０７は広がりながらレンズ１０２に入射する。測距対象物で反射した光が広がりながらレンズ１０２に入射すると、図７に示すように、レンズ１０２を通る光の焦点は受光素子１０１よりも遠い位置にずれる。
【０００６】
また、斯かる測距装置の用途では、レトロリフレクタ（回帰反射板）を測距対象物のレーザ光に反射板に用いられることがある。レトロリフレクタ（回帰反射板）は、図８に示すように、一般的に、反射光は観測角が０に近いほど反射率が高く、観測角が大きくなると反射率は低くなる。斯かるレトロリフレクタ（回帰反射板）が用いられている場合において、レンズ１０２から測距対象物までの距離が近くなり、測距対象物で反射した光が広がりながらレンズ１０２に入射すると、図７に示すように、レンズ１０２の外径側部分に、反射率が低い光が入射するとともに、焦点が受光素子１０１からずれるため、ほとんど受光素子１０１に入射しない状況になる。またレンズ１０２の中央部分近傍を通る光はレンズ１０２の中央部近傍に配設したレンズ１０４に阻害されて受光素子１０１に入射することができない。この結果、図９に示すように、測距対象物の距離がある一定の距離よりも近くなると、受光素子１０１に充分な光量が入射しない状況が生じる。
【０００７】
このように、受光素子１０１に光を集光させるレンズ１０２の中央部及び中央部近傍にレンズ１０４やレーザダイオード１０３を配設する構成では、測距対象物までの距離が所定の距離よりも近くなると、測距できない状況が生じる場合がある。なお、レーザ光などの光を用いた場合だけでなく、電磁波や音波などの種々の波を用いた場合も同様の事象が生じ得ると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は斯かる問題点を鑑み、波を集約させるレンズの中央部又は中央部近傍に波の進行を阻害する障害物が存在する場合に、広い範囲で受波手段に波が入射する受波装置を提供するものである。
【０００９】
本発明に係る受波装置は、波を受ける受波手段と、受波手段に向けて波を集約させるレンズとを備え、レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る測距装置は、波を受ける受波手段と、受波手段に向けて波を集約させるレンズと、測距対象物に向けて波を発する波発射手段と、波発射手段から発した波と、波発射手段から波が発射され、発射された波が測距対象物で反射し前記レンズを介して受波手段で受けられるまでの経過時間に基づいて、測距対象物までの距離を導出する距離導出手段とを備え、レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていることを特徴としている。距離導出手段は、例えば、測距対象物で反射しレンズを介して受波手段に入射した波との位相差に基づいて、測距対象物までの距離を導出するものでもよい。
【００１１】
また、レンズはレンズに入射した平行波を前記受波手段に集約させる部分と、当該部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えているとよい。
【００１２】
また、レンズは、レンズに入射した平行波を受波手段に集約させる部分をレンズの外径側部分に備え、レンズの内径側部分に、レンズの外径側部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えた構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この受波装置によれば、レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えているので、波源との距離に対し、広い範囲で受波手段に波を入射させることができる。例えば、レンズに入射した平行波を受波手段に集約させる部分をレンズの外径側部分に備え、レンズの内径側部分に、レンズの外径側部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えた構成にしたものでは、波源が充分に遠く、レンズに平行光が入射する場合には、レンズの外径側部分を通った波を受波手段に集約させることができる。また、波源が近づき、レンズの外径側部分に入射した波の焦点が受波手段から遠ざかるようにずれた場合には、レンズの外径側部分よりも焦点距離を短くしたレンズの内径側部分を通った波を受波手段に集約させることができる。また、レンズの内径側部分は、焦点距離が異なった部分が少なくとも２つ以上あるので、受波手段に波を集約させることができる範囲が広い。また、この受波装置は、波を受波手段に集約させるレンズの中央部及び中央部近傍に、波の進行を阻害する障害物が存在する場合でも、安定して波を受波手段に集約させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る測距装置は、上記受波装置の構成を備えており、より広い範囲で測距対象物との距離を測定することができる。例えば、レンズに入射した平行波を受波手段に集約させる部分をレンズの外径側部分に備え、レンズの内径側部分に、レンズの外径側部分よりも焦点距離が短く、それぞれ焦点距離が異なった部分を少なくとも２つ以上備えた構成にしたものでは、測距対象物との距離が近くなり、反射波が広がりながらレンズに入射する場合、レンズの内径側部分に入射する波は、レンズの外径側部分に入射する波よりも反射率が高くなる。この測距装置は、測距対象物との距離が近くなり、反射波が広がりながらレンズに入射した場合には、レンズの内径側部分を通る波が受波手段に入射するようになっている。これにより、測距対象物との距離が近くなっても受波手段に入射した波から距離計測に必要な情報を得ることができ、より広い範囲で測距対象物との距離を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る受波装置および測距装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。  
【００１６】
この測距装置１０は、レーザ光を用いて測距対象物との距離を測定するものであり、図１に示すように、波発射手段としての投光器１と、レンズ２と、受波手段としての受光素子３と、距離導出手段４とを備えている。図１中、５は測距対象物としての反射板である。この実施形態では、レンズ２と受光素子３が受波装置を構成している。受光素子３はレンズ２の中心軸線上でレンズ２から所定の距離離れた位置に配設している。投光器１はレンズ２と受光素子３の間で、レンズ２の中央部近傍に配設されている。
【００１７】
投光器１は、レーザダイオード６とレンズ７を備えている。この実施形態では、レーザダイオード６は、発振すべきレーザ光に応じた所定の入力信号が入力され、入力された入力信号に応じた振幅に調整されたレーザ光を発振する。レーザダイオード６で発光した光は、レンズ７を通って平行光１１となり、レンズ２を透過して、測距対象物たる反射板５に出射される。なお、この実施形態では、図示は省略するが、レーザダイオード６に光ファイバを介して備え付けた受光素子により、レーザダイオード６で出射された光を受光して光電変換することにより、レーザダイオード６で出射された光１１の投光信号１１ａを得ている。
【００１８】
レンズ２は反射板５で反射した光１２、１３を受光素子３に向けて集約させるものであり、焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えている。この実施形態では、図２に示すように、レンズ２は中央部に投光器１から出射される光を透過させる透過部１６を備えている。レンズ２の外径側部分１７は、図３に示すように、入射した平行光１４を受光素子３に集約させる所定の焦点距離で形成している。レンズ２の内径側部分１８は、レンズ２の外径側部分１７よりも焦点距離を短く形成した部分を、同心円状に複数形成しており、外側から内側に向けて少しずつ焦点距離を小さくしている。
【００１９】
レンズ２の内径側部分１８は、外側から内側に向けて焦点距離が少しずつ小さくなっているので、図１に示すように、反射板５の距離が近くなり、反射光が広がりながらレンズ２に入射すると、レンズ２の外径側部分１７を通った光１２は受光素子３に入射しなくなるが、レンズ２の内径側部分１８を通った光１３が受光素子３に入射するようになる。また、反射板５にレトロリフレクタ（回帰反射板）が用いられていると、レンズ２の内径側部分１８に入射する光１３の方が、レンズ２の外径側部分１７に入射する光１２に比べて反射率が高くなる（図１３参照）。このレンズ２を用いれば、図４に示すように、反射板５との距離が近くなっても、レンズ２の内径側部分１８に入射する光１３を受光素子３に入射させることができるので、反射板５にレトロリフレクタ（回帰反射板）を用いた場合でも、受光素子３に入射する光の反射率が低下せず、受光素子３に安定した光量を入射させることができる。
【００２０】
受光素子３は、光を受光すると、受光した光を光電変換して受光信号を出力する素子である。
【００２１】
距離導出手段４は、波発射手段１から波が発射され、発射された波が測距対象物５で反射し、レンズ２を介して受波手段３で受けられるまでの経過時間に基づいて、測距対象物５までの距離を導出するものである。斯かる経過時間は、波発射手段１から発射された波と、測距対象物５で反射しレンズ２を介して受波手段３に入射した波との位相差に基づいて算出することができる。この実施形態では、距離導出手段４は、測距対象物５で反射しレンズ２を介して受波手段３に入射した波との位相差に基づいて、測距対象物５までの距離を導出している。具体的には、距離導出手段４は、レーザダイオード６で出射された光１１の投光信号１ａと、受光素子３で出力された受光信号３ａに基づいて、レーザダイオード６を出射した光１１と、反射板５で反射して受光素子３に入射した光１２（１３）の位相差を求め、レーザダイオード６で照射した光１１が受光素子３に入射するまでの時間を算出する。そして、これに光の速度を乗じることにより、反射板５までの距離を求めている。
【００２２】
この測距装置１０は、反射板５までの距離が充分に遠い場合は、図３に示すように、レンズ２に略平行な反射光１４が入射し、レンズ２の外径側部分１７を通った光が受光素子３に入射する。また、受光素子３に光を集約させるレンズ２の内径側部分１８が、外側から内側に向けて焦点距離が少しずつ小さくなっているので、反射板５の距離が近くなり、反射光が広がりながらレンズ２に入射した場合には、図１に示すように、徐々にレンズ２の内径側部分１８を通った光１３が受光素子３に入射するようになる。これにより反射板５との距離が近くなっても受光素子３に入射した光から距離計測に必要な情報を得ることができる。このように、広い範囲で受光素子３に安定した光量を入射させることができ、距離を測定できる範囲が広い測距装置を提供することができる。また、斯かる受波装置を用いていることにより、投光器１をレンズ２の中央部近傍に配設できるので、測距装置のコンパクト化を図ることができる。
【００２３】
以上、本発明に係る受波装置および測距装置の一実施形態を図面に基づいて説明したが、本発明に係る受波装置および測距装置はこれに限定されるものではない。
【００２４】
例えば、上記実施形態では、レンズの内径側部分は、レンズの外径側部分よりも焦点距離を短く形成した部分を同心円状に複数配設し、外側から内側に向けて焦点距離を少しずつ小さくしたものを例示したが、レンズは、レンズは焦点距離が異なった部分を少なくとも３つ以上備えていればよく、これに限定されるものではない。例えば、レンズの内径側部分を扇状に複数に分割し、それぞれ焦点距離を異ならせて、焦点距離が少しずつ小さくしてもよい。
【００２５】
また、図５に示すように、レンズ３１は、レンズ３１の内径側部分３２に焦点距離が異なる部分を設け、レンズ３１の内径側部分３２の焦点距離が異なる部分の境界領域では、内径側に向かうにつれて焦点距離を少しずつ小さくし、焦点距離を滑らかに連続させている。なお、このレンズ３１は、焦点距離が異なる部分に略境界がなくなるので、受光素子に入射する光の光量を安定させることができる。また、投光器をレンズの中央部近傍に配設したものを例示したが、これに限定されるものではない。
【００２６】
また、測距装置として、レーザ光を用いたレーザ測距装置を例示したが、本発明に係る受波装置および測距装置は、レーザ光などの光を用いた場合だけでなく、電磁波や音波などの種々の波を用いる場合に応用可能である。
【００２７】
例えば、マイクロ波と称される非常に周波数の高い電波を用いる場合は、上記実施形態における光学的レンズに代えて、電波の進行方向を光におけるレンズと同様に制御できる誘電体レンズを用いるとよい。誘電体レンズは、誘電率の違いにより、誘電体レンズ中の電波を屈折させるものである。この周知の現象により、部分的に焦点距離が異なる誘電体レンズを用いることにより、電磁波を対象として本発明を適用することができる。また、波発射手段としての投光器に代えてマイクロ波発信器を用いることができ、受波手段としての受光素子に代えてマイクロ波受信器を用いることができる。
【００２８】
また、本発明は空気振動による音波を用いる場合にも適用可能である。この場合、上記実施形態における光学的レンズに代えて、音波の進行方向を光におけるレンズと同様に制御できる音響レンズを用いるとよい。例えば、音波の場合には、空気密度の違いにより、上記と同様に音波の進行速度が変化する。即ち、空気密度の高い空間領域があれば、音波に対し、レンズと同様の影響が得られることは、音響レンズとして周知である。この周知の現象により、部分的に焦点距離が異なる音響レンズを用いることにより、音波を対象として本発明を適用することができる。また、波発射手段としての投光器に代えて音波発信器を用いることができ、受波手段としての受光素子に代えて音波受信器を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る測距装置を示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係る受波装置および測距装置に用いられるレンズを示す平面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る測距装置を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に係る測距装置における反射板との距離と受光素子に入射する光量との関係を示す図。
【図５】本発明に係る受波装置および測距装置に用いられるレンズの他の実施形態を示す断面図。
【図６】光電子検出装置の公知例を示す図。
【図７】光電子検出装置の公知例を示す図。
【図８】観測角と反射率の関係を示す図。
【図９】従来のレーザ測距装置における反射板との距離と受光素子に入射する光量との関係を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１     投光器
１ａ   投光信号
２     レンズ
３     受光素子
３ａ   受光信号
４     距離導出手段
５     反射板
６     レーザダイオード
７     レンズ
１０   測距装置
１１   レーザダイオードで出射された光
１１   平行光
１１ａ 投光信号
１２、１３    反射光
１４   平行光
１６   透過部
１７   外径側部分
１８   内径側部分
【図１】
2006258802.tif 000003
【図２】
2006258802.tif 000004
【図３】
2006258802.tif 000005
【図４】
2006258802.tif 000006
【図５】
2006258802.tif 000007
【図６】
2006258802.tif 000008
【図７】
2006258802.tif 000009
【図８】
2006258802.tif 000010
【図９】
2006258802.tif 000011