(57)【要約】【課題】近距離での集光効率を向上させること。【解決手段】実施形態のレーザー距離計測装置は、第１集光部と、第２集光部と、計測部とを備える。第１集光部は、光源から出射された出力光の第１反射光を検出器における所定の集光領域に対して集光させる。第２集光部は、前記出力光の第２反射光を前記検出器の方向に偏向させるとともに、前記所定の集光領域に対して集光させる。計測部は、前記検出器によって検出された第１反射光及び第２反射光のうち少なくとも一方に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する。【選択図】図１
2018040748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された出力光の第１反射光を検出器における所定の集光領域に対して集光させる第１集光部と、
前記出力光の第２反射光を前記検出器の方向に偏向させるとともに、前記所定の集光領域に対して集光させる第２集光部と、
前記検出器によって検出された前記第１反射光及び前記第２反射光のうち少なくとも一方に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部と、
を備える、レーザー距離計測装置。
【請求項２】
前記第２集光部は、前記第２反射光を前記検出器の方向に偏向させる角度で配置され、前記第２反射光を前記所定の集光領域に集光させる曲率で形成されたレンズである、請求項１に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項３】
前記第２集光部は、前記第２反射光を前記検出器の方向に偏向させるプリズムと、前記第２反射光を前記所定の集光領域に集光させる偏向光集光レンズとを含む、請求項１に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項４】
前記第２集光部は、前記第２反射光を前記検出器の方向に偏向させる偏向ミラーと、前記第２反射光を前記所定の集光領域に集光させる偏向光集光レンズとを含む、請求項１に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項５】
前記出力光を平行光にするコリメートレンズをさらに備え、
前記第２集光部は、前記コリメートレンズに対して鉛直方向又は水平方向に並列して配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項６】
鉛直方向を回転軸として、前記第１集光部と前記第２集光部とを含む光学系を回転させる回転機構をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー距離計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体に対してレーザー光を出射して、物体によって反射された反射光に基づいて物体までの距離を計測する技術が知られている。かかる技術は、ＬｉＤＡＲ（Light  Detection  and  Ranging）とも呼ばれ、この技術が適用されたレーザー距離計測装置は、種々の分野に応用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３４６５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したレーザー距離計測装置は、例えば、コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置され、光源から出射されたレーザー光をコリメートレンズによって平行光にし、物体に照射する。ここで、物体とは、レーザー距離計測装置の周囲に存在する測定対象物であり、光源から出射されたレーザー光が照射され、レーザー距離計測装置に対してレーザー光を反射させる全ての物を含む。レーザー距離計測装置は、物体によって反射された反射光を集光レンズによって光検出器に集光させることで、反射光を検出する。ここで、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にない（コリメートレンズと集光レンズとが中心軸を異にして横並びに配置されている）レーザー距離計測装置では、集光レンズに入射される反射光は、物体までの距離に応じて入射角が変化する。すなわち、コリメートレンズと集光レンズとが同軸上にないレーザー距離計測装置では、物体までの距離が遠くなるほど反射光の集光レンズへの入射角が小さくなり、物体までの距離が近いほど反射光の集光レンズへの入射角は大きくなる。
【０００５】
例えば、物体までの距離が遠く、反射光の入射角が小さい場合、集光レンズで集光された反射光は、光検出器の集光点に良好に集光される。しかしながら、物体までの距離が近く、反射光の入射角が大きい場合、集光レンズで集光された反射光が光検出器の集光点から外れ、反射光の検出が困難となる場合があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、近距離での集光効率を向上させることができるレーザー距離計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザー距離計測装置は、光源から出射された出力光の第１反射光を検出器における所定の集光領域に対して集光させる第１集光部と、前記出力光の第２反射光を前記検出器の方向に偏向させるとともに、前記所定の集光領域に対して集光させる第２集光部と、前記検出器によって検出された前記第１反射光及び前記第２反射光のうち少なくとも一方に基づいて、前記出力光を反射した物体までの距離を計測する計測部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、近距離での集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す上面図及び正面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る小径集光レンズを介した第２反射光の経路を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１の実施形態に係る小径集光レンズの形成手法について説明するための図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１の実施形態に係る小径集光レンズを含む光学系の一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第１の実施形態に係る小径集光レンズのビームプロファイルを示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、一般的なレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、集光レンズから集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、一般的なレーザー距離計測装置による測定結果の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置による測定結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る第２集光部の変形例を示す図である。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る第２集光部の変形例を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成を示す正面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係るレーザー距離計測装置について図面を参照して説明する。なお、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成を示す上面図及び正面図である。ここで、図１においては、上図にレーザー距離計測装置１００の上面図を示し、下図に正面図を示す。図１に示すように、レーザー距離計測装置１００は、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、小径集光レンズ１３０と、大径集光レンズ１４０と、光検出器１５０ａと、受光回路基板１５０ｂと、制御回路基板１６０とを備え、各構成が筐体内に収められている。ここで、各構成を収める筐体は、コリメートレンズ１２０、小径集光レンズ１３０及び大径集光レンズ１４０側に光を透過する窓を有しており、コリメートレンズ１２０、小径集光レンズ１３０及び大径集光レンズ１４０は、該窓の位置に配置される。
【００１２】
レーザー距離計測装置１００は、光源１１０ａから出射した出力光（例えば、レーザー光）をコリメートレンズ１２０によって平行光として対象空間に出射し、対象空間内の物体（測定対象物）によって反射された反射光を大径集光レンズ１４０によって光検出器１５０ａに集光させることで、物体によって反射された反射光を検出する。そして、レーザー距離計測装置１００は、検出した反射光に基づいて、物体までの距離を計測する。なお、遠距離にある物体からの戻り光は、近距離にある物体からの戻り光と比較して、大きく拡散された状態にあり、コリメートレンズ１２０を中心とした大きな分散を持つガウス分布となる。ここで、レーザー距離計測装置１００は、大径集光レンズ１４０とは異なる集光部としての小径集光レンズ１３０を備えることにより、近距離での集光効率を向上させることができる。すなわち、レーザー距離計測装置１００は、第１集光部（大径集光レンズ１４０）と、第２集光部（小径集光レンズ１３０）を備え、大径集光レンズ１４０によって第１反射光を光検出器１５０ａに集光し、小径集光レンズ１３０によって第２反射光を光検出器１５０ａに集光する。ここで、大径集光レンズ１４０によって集光される第１反射光は、遠距離にある物体によって反射された反射光であり、小径集光レンズ１３０によって集光される第２反射光は、近距離にある物体によって反射された反射光である。また、小径集光レンズ１３０では、遠距離にある物体からの戻り光も集光し得る。すなわち、第２集光部では、近距離にある物体からの戻り光（第２反射光）だけではなく、遠距離にある物体からの戻り光（第１反射光）も集光することができる。以下、レーザー距離計測装置１００の詳細について説明する。また、以下では、物体によって反射され、レーザー距離計測装置１００に戻ってきた反射光を戻り光とも記載する。
【００１３】
光源１１０ａは、レーザーダイオード（Laser  Diode:ＬＤ）などの発光素子であり、発光回路基板１１０ｂに配設された駆動回路からの駆動信号に応じて、コリメートレンズ１２０に対して出力光（レーザー光）を出射する。ここで、光源１１０ａは、レーザー光の光軸が水平方向に出射され、かつ、該光軸がコリメートレンズ１２０から出射される平行光の光軸と揃うように、発光回路基板１１０ｂ上に配設されている。
【００１４】
発光回路基板１１０ｂは、光源１１０ａからレーザー光を出射させる駆動回路が配設され、制御回路基板１６０からの制御信号に応じて駆動信号を光源１１０ａに出力する。ここで、発光回路基板１１０ｂは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、長手方向の上側において、光源１１０ａから出射されるレーザー光の光軸がコリメートレンズ１２０から出射される平行光の光軸と揃う位置に光源１１０ａが配設されている。
【００１５】
コリメートレンズ１２０は、光源１１０ａのレーザー光の出射面の前方において、光軸が光源１１０ａから出射されるレーザー光の光軸と揃う位置に配置され、鉛直方向において、小径集光レンズ１３０の上側に配置されている。ここで、コリメートレンズ１２０は、図１に示すように、水平方向における中心が小径集光レンズ１３０の中心と一致するように配置されている。また、コリメートレンズ１２０は、水平方向において、大径集光レンズ１４０の横に配置されている。そして、コリメートレンズ１２０は、光源１１０ａから出射されたレーザー光を平行光にして対象空間に出射する。
【００１６】
小径集光レンズ１３０は、光源１１０ａのレーザー光の出射面の前方に配置され、鉛直方向において、コリメートレンズ１２０の下側に配置されている。ここで、小径集光レンズ１３０は、図１に示すように、水平方向における中心がコリメートレンズ１２０の中心と一致するように配置されている。また、小径集光レンズ１３０は、水平方向において、大径集光レンズ１４０の横に配置されている。ここで、小径集光レンズ１３０は、図１に示すように、鉛直方向における中心が大径集光レンズ１４０の中心と一致するように配置されている。そして、小径集光レンズ１３０は、コリメートレンズ１２０から出射された平行光の戻り光のうち、近距離にある物体によって反射された反射光（第２反射光）を光検出器１５０ａに集光させる。ここで、遠距離にある物体からの戻り光は、近距離にある物体からの戻り光と比較して、大きく拡散された状態にあり、コリメートレンズ１２０を中心とした大きな分散を持つガウス分布となる。したがって、小径集光レンズ１３０では、遠距離にある物体からの戻り光も集光し得る。すなわち、第２集光部は、近距離にある物体からの戻り光（第２反射光）だけではなく、遠距離にある物体からの戻り光（第１反射光）も集光できる。つまり、小径集光レンズ１３０は、遠距離にある物体からの反射光も、近距離にある物体からの反射光も、どちらの反射光であっても光検出器１５０ａに集光することができる。なお、小径集光レンズ１３０による光検出器１５０ａへの集光の詳細については、後に詳述する。
【００１７】
大径集光レンズ１４０は、光検出器１５０ａの検出面の前方に配置され、水平方向において、コリメートレンズ１２０及び小径集光レンズ１３０の横に配置されている。ここで、大径集光レンズ１４０は、図１に示すように、鉛直方向における中心が小径集光レンズ１３０の中心と一致するように配置されている。そして、大径集光レンズ１４０は、コリメートレンズ１２０によって出射された平行光が物体によって反射された戻り光のうち、遠距離にある物体によって反射された反射光（第１反射光）を光検出器１５０ａに対して集光させる。例えば、大径集光レンズ１４０は、フレネルレンズや、凸レンズなどである。ここで、大径集光レンズ１４０としてフレネルレンズを用いた場合、大径集光レンズ１４０の厚みを一定のまま、面積を大きくすることができる。
【００１８】
光検出器１５０ａは、検出面の中心が大径集光レンズ１４０による戻り光の光軸と一致する位置に配置され、小径集光レンズ１３０及び大径集光レンズ１４０によって集光される戻り光を検出する。例えば、光検出器１５０ａは、光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier  Tube）や光照射による電気抵抗変化を利用したＣｄＳ、ＰｂＳなどの光電導素子、半導体のｐｎ接合を利用した光起電力型のフォトダイオード（Photo  Diode：ＰＤ）などである。フォトダイオードとしては、例えば、ＰＮフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどである。
【００１９】
受光回路基板１５０ｂは、増幅回路などが配設され、光検出器１５０ａによって検出された戻り光を増幅して制御回路基板１６０に出力する。ここで、受光回路基板１５０ｂは、長手方向が鉛直方向と平行となるように図示しない基部上に配設されるとともに、上端に光検出器１５０ａが配設されている。
【００２０】
制御回路基板１６０は、レーザー距離計測装置１００の全体制御を行う回路が配設される。例えば、制御回路基板１６０は、発光回路基板１１０ｂを制御して、光源１１０ａからのレーザー光の出射を制御する。また、制御回路基板１６０は、光検出器１５０ａによって検出された戻り光に基づいて、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する種々の回路が配設される。
【００２１】
例えば、制御回路基板１６０は、ＴＯＦ（Time  of  Flight）方式の距離測定を行うための回路、或いは、位相差方式の距離計測を行うための回路などが配設される。ＴＯＦ方式の距離測定を行う場合、制御回路基板１６０は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との遅延時間から距離を演算するための回路が配設される。一方、位相差方式の距離計測を行う場合、制御回路基板１６０は、レーザー光に基づく信号と、戻り光に基づく信号との位相差を算出し、算出した位相差から距離を演算するための回路が配設される。
【００２２】
以上、レーザー距離計測装置１００の構成について説明した。次に、小径集光レンズ１３０の詳細について説明する。上述したように、レーザー距離計測装置１００は、反射光を集光する集光レンズとして、大径集光レンズ１４０に加えて小径集光レンズ１３０を有する。大径集光レンズ１４０は、光源１１０ａから出射されたレーザー光の第１反射光を光検出器１５０ａにおける所定の集光領域（例えば、検出面の中心を含む領域等）に対して集光させる。これに対して、小径集光レンズ１３０は、光源１１０ａから出射されたレーザー光の第２反射光における光束を光検出器１５０ａの方向に偏向させるとともに、光検出器１５０ａにおける所定の集光領域に対して集光させる。
【００２３】
上述したように、一般的なレーザー距離計測装置においては、レーザー光を反射する物体までの距離に応じて、集光レンズに入射される反射光の入射角が変化し、物体までの距離が近い場合に反射光の検出が困難となる場合があった。これは、レーザー距離計測装置１００における大径集光レンズ１４０においても同様であり、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が物体によって反射された戻り光の大径集光レンズ１４０への入射角は、物体までの距離に応じて変化する。例えば、物体までの距離が遠く、戻り光の大径集光レンズ１４０への入射角が小さい場合、大径集光レンズ１４０によって集光される戻り光は、光検出器１５０ａの集光領域に良好に集光される。一方、物体までの距離が近く、戻り光の大径集光レンズ１４０への入射角が大きい場合、大径集光レンズ１４０によって集光される戻り光は、光検出器１５０ａの集光領域から外れた位置に集光されることとなり、戻り光の検出が困難となる。
【００２４】
そこで、レーザー距離計測装置１００においては、小径集光レンズ１３０が、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が物体によって反射された第２反射光を光検出器１５０ａの方向に偏向させるとともに、光検出器１５０ａの集光領域に第２反射光を集光させることで、近距離での集光効率を向上させる。図２は、第１の実施形態に係る小径集光レンズ１３０を介した第２反射光の経路を示す図である。ここで、図２においては、レーザー距離計測装置１００の上面図を示す。例えば、レーザー距離計測装置１００においては、コリメートレンズ１２０が、光源１１０ａから出射されたレーザー光を平行光にして対象空間に出射する。小径集光レンズ１３０は、図２に示すように、レーザー光が測定対象物に反射された第２反射光を、光検出器１５０ａの方向に偏向させるとともに、光検出器１５０ａにおける所定の集光領域に集光させる。ここで、小径集光レンズ１３０は、光検出器１５０ａにおいて大径集光レンズ１４０による第１反射光の集光領域と略同一の集光領域に第２反射光を集光させる。
【００２５】
例えば、図２に示すように、大径集光レンズ１４０の直径を「２０ｍｍ」とし、小径集光レンズ１３０の横幅を「５ｍｍ」とし、大径集光レンズ１４０の中心と小径集光レンズ１３０の中心との距離が「１４ｍｍ」、光検出器１５０ａと大径集光レンズ１４０との距離が「３０ｍｍ」となるように各構成を配置する。この場合、小径集光レンズ１３０への第２反射光が平行光であるとすると、小径集光レンズ１３０は、点Ａにおいて、第２反射光を「θ＝６５°（＝ａｔａｎ３０／１４）」で屈折させることで、第２反射光の主光線を光検出器１５０ａの中心に入射させることができる。この屈折を実現させるため、小径集光レンズ１３０は、例えば、以下の手法により形成される。
【００２６】
図３Ａは、第１の実施形態に係る小径集光レンズ１３０の形成手法について説明するための図である。例えば、小径集光レンズ１３０は、図３Ａに示すように、平凸レンズを用いて形成される。一例を挙げると、図３Ａに示すようなＸＹＺ座標系において、測定対象物からの第２反射光とＺ軸とのなす角が「２５°」となるように平凸レンズを配置すると、主光線のＹ方向余弦が「０」となる。さらに、平凸レンズから光検出器１５０ａまでの距離に基づいて、光検出器１５０ａの受光面でスポットサイズが最少となるように平凸レンズの曲率を最適化する。このような条件で設計された小径集光レンズを用いることで、上記した屈折を実現することができる。
【００２７】
図３Ｂは、第１の実施形態に係る小径集光レンズ１３０を含む光学系の一例を示す図である。ここで、図３Ｂにおいては、上記した条件で設計された小径集光レンズ１３０を含む光学系を示す。例えば、小径集光レンズ１３０は、図３Ｂに示すように、曲率半径がおよそ「４０ｍｍ」の平凸レンズの一部を切り出すことによって形成される。すなわち、曲率半径がおよそ「４０ｍｍ」の平凸レンズを、測定対象物からの第２反射光とＺ軸とのなす角が「２５°」となるように配置し、第２反射光が入射する部分のみを切り出したものが小径集光レンズ１３０となる。なお、図３Ｂには、平凸レンズ全体が示されているが、これは説明の便宜上示しているものであって、実際には、三角の形状で示す小径集光レンズ１３０のみが配置される。また、小径集光レンズ１３０の曲率は、材料となるガラス材質や、集光するレーザー光の波長に応じて、それぞれ設計される。また、小径集光レンズ１３０は、図１の正面図において正方形に切り出されているが、実施形態はこれに限定されるものではなく、任意の形状に切り出すことが可能である。
【００２８】
図３Ｃは、第１の実施形態に係る小径集光レンズ１３０のビームプロファイルを示す図である。ここで、図３Ｃは、図３Ｂに示す光学系において、小径集光レンズ１３０が集光する第２反射光のビームプロファイルを示す。図３Ｃに示すように、小径集光レンズ１３０によって集光される第２反射光のビームプロファイルは、楕円形状となり、幅が最大で「４００μｍ以下」となる。すなわち、小径集光レンズ１３０によって光検出器１５０ａに集光される第２反射光は、「４００μｍ以下」に収められる。従って、レーザー距離計測装置１００においては、受光面の直径サイズが「０．５ｍｍ」の光検出器１５０ａを採用することができる。
【００２９】
上述したように、レーザー距離計測装置１００では、反射光を集光するために小径集光レンズ１３０と大径集光レンズ１４０とを有し、コリメートレンズ１２０から出射された平行光の反射光を小径集光レンズ１３０と大径集光レンズ１４０によって光検出器１５０ａに集光させる。ここで、例えば、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が、レーザー距離計測装置１００に近い位置にある第１の物体によって反射された場合、第２反射光が小径集光レンズ１３０によって光検出器１５０ａに集光され、第１の物体までの距離を計測することができる。一方、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が、レーザー距離計測装置１００から遠い位置にある第２の物体によって反射された場合でも、大径集光レンズ１４０が光検出器１５０ａに対して第１反射光を十分に集光させることができ、第２の物体までの距離を計測することができる。
【００３０】
また、コリメートレンズ１２０から出射された平行光が、距離が異なる物体によってそれぞれ反射され、大径集光レンズ１４０が第１反射光を集光し、小径集光レンズ１３０が第２反射光を集光し、光検出器１５０ａが２つの反射光を検出した場合、制御回路基板１６０における回路は、それぞれの戻り光に基づいて各物体までの距離を計測する。
【００３１】
次に、図４を用いて、レーザー距離計測装置１００による距離計測の処理について説明する。図４は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成の一例を示すブロック図である。なお、図４においては、ＴＯＦ方式による距離計測を行う場合を一例に挙げて説明する。図４に示すように、レーザー距離計測装置１００の制御回路基板１６０は、ＴＤＣ（Time  to  Digital  Converter）回路１６１と、信号処理回路１６２と、制御回路１６３とを有する。なお、信号処理回路１６２は、計測部とも記載される。
【００３２】
制御回路１６３は、発光回路基板１１０ｂに配設された駆動回路１１１ｂを駆動させることで、光源１１０ａからレーザー光を出射させる。例えば、制御回路１６３は、任意の周期のパルス信号を駆動回路１１１ｂに出力する。駆動回路１１１ｂは、パルス信号に同期して駆動信号を生成して光源１１０ａに出力することで、光源１１０ａを駆動させる。光源１１０ａは、駆動回路１１１ｂから入力された駆動信号により駆動され、レーザー光をパルス出射する。ここで、制御回路１６３によって出力されるパルス信号は、リファレンスクロックとして、ＴＤＣ回路１６１に出力される。
【００３３】
増幅回路１５１ｂは、光検出器１５０ａによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してＴＤＣ回路１６１に出力する。ＴＤＣ回路１６１は、制御回路１６３から入力されたパルス信号と、増幅回路１５１ｂから入力された電気信号との時間差を示すデジタル信号を信号処理回路１６２に出力する。信号処理回路１６２は、ＴＤＣ回路１６１から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから物体までの距離を算出する。ここで、信号処理回路１６２は、戻り光の電気信号に基づいて、物体までの距離を補正することも可能である。物体によって反射され、レーザー距離計測装置１００に戻ってくる戻り光は、物体までの距離に応じて光量が減少し、このような光量の減少は、検出結果に誤差を生じさせる場合もある。そこで、信号処理回路１６２は、戻り光の電気信号に基づいて、光量に応じた補正を行うことも可能である。
【００３４】
上述したように、第１の実施形態によれば、小径集光レンズ１３０により近距離にある物体からの戻り光を精度よく集光することができ、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。
【００３５】
図５Ａは、一般的なレーザー距離計測装置２００の構成を示す上面図である。また、図５Ｂは、一般的なレーザー距離計測装置２００の構成を示す正面図である。例えば、一般的なレーザー距離計測装置２００は、図５Ａに示すように、光源２１０ａと、コリメートレンズ２２０と、集光レンズ２４０と、光検出器２５０ａとを有する。ここで、レーザー距離計測装置２００では、図５Ａに示すように、光源２１０ａから出射されたレーザー光をコリメートレンズ２２０が平行光にして対象空間に出射する。そして、レーザー距離計測装置２００では、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２４０とが並列に配置される。なお、図示していないが、レーザー距離計測装置２００は、発光回路基板、受光回路基板及び制御回路基板を有する。
【００３６】
ここで、例えば、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２４０が、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００と同様のサイズで配置された場合、レーザー距離計測装置２００は、近距離の物体からの戻り光を検出することが困難となる。すなわち、図５Ｂに示すように、集光レンズ２４０の直径を「２０ｍｍ」とし、コリメートレンズ２２０の直径を「５ｍｍ」とし、集光レンズ２４０の中心とコリメートレンズ２２０の中心との距離が「１４ｍｍ」となるように各構成を配置する。そして、コリメートレンズ２２０から物体までの距離が「５００ｍｍ」の場合、レーザー光の光軸と近距離にある物体からの戻り光の光軸とのなす角は、「θ＝１．６°（＝ａｔａｎ１４／５００）」となる。
【００３７】
図５Ｃは、集光レンズ２４０から集光される光線の追跡シミュレーションの結果を示す図である。ここで、図５Ｃにおいては、戻り光が集光レンズ２４０の集光面に対して垂直に入射した場合（入射角θ＝０°）のシミュレーションを実線１１で示す。また、図５Ｃにおいては、戻り光が集光レンズ２４０の集光面に対して「入射角θ＝１．６°」で入射した場合のシミュレーションを破線１２で示す。また、シミュレーション条件は集光レンズ２４０が直径「２０ｍｍ」の平凸レンズ、レンズの曲率半径が「１９．６２ｍｍ」、レンズ材質が「Ｎ−ＳＦ１１」、入射瞳径が「１５ｍｍ」、レーザーの波長が「９０５ｍｍ」である。
【００３８】
上述したシミュレーションの結果、図５Ｃに示すように、垂直に入射した場合と比較して、「入射角θ＝１．６°」で入射した戻り光は、集光点が「約０．７ｍｍ（０．６８３４ｍｍ）」移動する。したがって、光検出器２５０ａの受光面の直径サイズが「０．５ｍｍ」の場合、入射光が光検出器２５０ａの受光面から外れることとなる。すなわち、コリメートレンズ２２０と集光レンズ２４０のレンズ間距離（中心間距離）が「１４ｍｍ」で、物体までの距離が「５００ｍｍ」付近になると、レーザー距離計測装置２００は、戻り光が不足して測定が困難になる。
【００３９】
以下、図６Ａ及び図６Ｂを用いて、実際の測定結果について説明する。図６Ａは、一般的なレーザー距離計測装置２００による測定結果の一例を示す図である。また、図６Ｂは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００による測定結果の一例を示す図である。ここで、図６Ａ及び図６Ｂは、縦軸に測定結果を示し、横軸に実際の距離を示す。また、図６Ａ及び図６Ｂでは、測定結果と実際の距離との理論的な関係を示す直線Ｌ１と、実際に計測した結果を示す曲線Ｌ２及びＬ３をそれぞれ示す。また、図６Ａ及び図６Ｂでは、ＴＯＦ方式によって測定した測定結果を示す。
【００４０】
図６Ａに示すように、一般的なレーザー距離計測装置２００においては、実際の距離が短くなると、近距離にある物体からの戻り光の集光点が光検出器２５０ａから外れるため、曲線Ｌ２における点線の楕円内に示すように、測定結果と実際の距離との関係が遠距離の場合と逆の関係となる。このような結果の場合、同一の測定結果に２つの距離が対応することとなり、距離を計測することができない。一方、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００においては、図６Ｂに示すように、距離が短くなった場合でも、小径集光レンズ１３０が戻り光を光検出器１５０ａに集光させることができるため、曲線Ｌ３における点線の楕円内に示すように、測定結果が単一の距離と対応しており、距離を計測することができる。なお、直線Ｌ１とのずれは、信号処理回路１６２によって補正される。
【００４１】
上述したように、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００は、近距離での集光効率を向上させることができ、近距離の位置にある物体までの距離を正確に計測することができる。また、第１のレーザー距離計測装置１００は、受光面の直径サイズが「０．５ｍｍ」の小さな光検出器１５０ａを採用することができ、処理容量を小さくして、処理速度を向上させるとともに、コストを低減させることができる。また、第１のレーザー距離計測装置１００は、受光面の直径サイズが「０．５ｍｍ」の小さな光検出器１５０ａを採用することで、装置全体の小型化を実現することができる。また、第１のレーザー距離計測装置１００は、小径集光レンズ１３０のみを追加するだけで実現するこができ、実現が容易である。
【００４２】
以上、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００について説明した。なお、上述した実施形態はあくまでも一例であり、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、大径集光レンズ１４０（第１集光部）とは異なる集光部として小径集光レンズ１３０（第２集光部）を用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、その他の構成により第２集光部を実現する場合であってもよい。
【００４３】
図７及び図８は、第１の実施形態に係る第２集光部の変形例を示す図である。ここで、図７及び図８においては、第２反射光を「２５°」偏向させ、光検出器１５０ａに集光させる場合の第２集光部の変形例を示す。例えば、図７に示すように、偏向集光部１３０ａ（第２集光部の一例）は、プリズム１３１ａと偏向光集光レンズ１３１ｂとを有する。プリズム１３１ａは、小径集光レンズ１３０と同一の位置に配置され、第２反射光を「２５°」偏向させ、偏向光集光レンズ１３１ｂに出射する。ここで、プリズム１３１ａは、二等辺プリズム又はウェッジプリズムである。偏向光集光レンズ１３１ｂは、光源１１０ａ側に配置され、プリズム１３１ａから出射された第２反射光を光検出器１５０ａの集光領域に集光させる。
【００４４】
また、例えば、図８に示すように、偏向集光部１３０ｂ（第２集光部の一例）は、偏向ミラー１３１ｃと、偏向光集光レンズ１３１ｂとを有する。偏向ミラー１３１ｃは、小径集光レンズ１３０と同一の位置に、第２反射光の光軸に対して「１２．５°」傾けて配置され、第２反射光を「１２．５°」偏向させて、偏向光集光レンズ１３１ｂに入射させる。これにより、第２反射光は、偏向ミラー１３１ｃによって「２５°」偏向されることとなる。偏向光集光レンズ１３１ｂは、光源１１０ａ側に配置され、偏向ミラー１３１ｃからの第２反射光を、光検出器１５０ａの集光領域に集光させる。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。上述した第１の実施形態では、１つの方向にレーザー光を出射して、レーザー光を反射した物体までの距離を計測する１次元の距離計測（１次元ＬｉＤＡＲ）について説明した。第２の実施形態では、２次元の距離計測（２次元ＬｉＤＡＲ）を行うレーザー距離計測装置について説明する。
【００４６】
図９は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａの構成を示す正面図である。また、図１０は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａの構成の一例を示すブロック図である。第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ａは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００と比較して、基部１７０に回転部１７１と、固定部１７２と、モータ１７３と、駆動回路１７４を備える点が異なる。以下、この点を中心に説明する。
【００４７】
回転部１７１は、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、小径集光レンズ１３０と、大径集光レンズ１４０と、光検出器１５０ａと、受光回路基板１５０ｂと、制御回路基板１６０とを支持し、モータ１７３の回転軸を軸として回転可能に支持される。
【００４８】
固定部１７２は、モータ１７３を内包し、レーザー距離計測装置１００ａ全体を支持する。モータ１７３は、駆動回路１７４から出力される駆動信号に基づいて、回転軸を回転させることで、回転軸に支持される回転部１７１を回転させる。駆動回路１７４は、制御回路１６３から制御信号に基づいて駆動信号をモータ１７３に出力し、モータ１７３を駆動させる。
【００４９】
レーザー距離計測装置１００ａは、モータ１７３によって回転部１７１を回転させながら、上述した１次元の距離計測を行うことで、２次元の距離計測を行う。具体的には、まず、制御回路１６３は、駆動回路１７４に制御信号を出力することにより、モータ１７３を所定の速度で駆動させる。さらに、制御回路１６３は、モータ１７３を駆動させるための制御信号と対応付けたパルス信号を駆動回路１１１ｂに出力する。これにより、回転部１７１の回転角度ごとのパルス信号と戻り光の電気信号を検出することができる。駆動回路１１１ｂは、制御回路１６３からのパルス信号に同期して駆動信号を生成して光源１１０ａに出力することで、回転角度ごとに光源１１０ａからレーザー光をパルス出射させる。ここで、制御回路１６３によって回転角度ごとのパルス信号は、リファレンスクロックとして、ＴＤＣ回路１６１に出力される。
【００５０】
増幅回路１５１ｂは、光検出器１５０ａによって検出された戻り光の電気信号を信号解析可能なレベルまで増幅してＴＤＣ回路１６１に出力する。ＴＤＣ回路１６１は、制御回路１６３から入力された回転角度ごとのパルス信号と、増幅回路１５１ｂから入力された回転角度ごとの電気信号との時間差を示すデジタル信号をそれぞれ生成し、生成したデジタル信号を信号処理回路１６２に出力する。信号処理回路１６２は、ＴＤＣ回路１６１から入力されたデジタル信号に対応する時間と光速とから回転角度ごとの物体までの距離を算出する。
【００５１】
上述したように、第２の実施形態によれば、２次元の距離計測においても、物体までの距離が近距離の場合の集光効率を向上させることができる。
【００５２】
（その他の実施形態）
上述した実施形態では、小径集光レンズ１３０とコリメートレンズ１２０とが鉛直方向に並列された場合を例に挙げて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、任意に配置させることができる。例えば、コリメートレンズ１２０から出射される平行光の形状や向きに応じて小径集光レンズ１３０とコリメートレンズ１２０との位置関係を変更する場合であってもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１００、１００ａ  レーザー距離計測装置
１１０ａ  光源
１１０ｂ  発光回路基板
１２０  コリメートレンズ
１３０  小径集光レンズ（第２集光部の一例）
１３０ａ、１３０ｂ  偏向集光部（第２集光部の一例）
１３１ａ  プリズム
１３１ｂ  偏向光集光レンズ
１３１ｃ  偏向ミラー
１４０  大径集光レンズ
１５０ａ  光検出器
１５０ｂ  受光回路基板
１６０  制御回路基板
１６２  信号処理回路（計測部）
１７０  基部
１７１  回転部
１７２  固定部
１７３  モータ
１７４  駆動回路
【図１】
2018040748.tif 000003
【図２】
2018040748.tif 000004
【図３Ａ】
2018040748.tif 000005
【図３Ｂ】
2018040748.tif 000006
【図３Ｃ】
2018040748.tif 000007
【図４】
2018040748.tif 000008
【図５Ａ】
2018040748.tif 000009
【図５Ｂ】
2018040748.tif 000010
【図５Ｃ】
2018040748.tif 000011
【図６Ａ】
2018040748.tif 000012
【図６Ｂ】
2018040748.tif 000013
【図７】
2018040748.tif 000014
【図８】
2018040748.tif 000015
【図９】
2018040748.tif 000016
【図１０】
2018040748.tif 000017