(57)【要約】      （修正有）【課題】半球状の範囲について距離計測を行うレーザー距離計測装置を提供する。【解決手段】レーザー距離計測装置は、光源から出力された出力光を平行光にして出射するコリメートレンズと、コリメートレンズから平行光が入射され、入射された平行光を偏向させて出射する出射部と、出射部によって出射された平行光の出射方向が平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように平行光を偏向させて出射し、物体に反射された反射光を平行光が入射された方向に偏向させて出射する偏向部と、偏向部から出射された反射光を検出器に対して集光させる集光レンズと、鉛直方向を回転軸として、光源と、コリメートレンズと、出射部と、偏向部と、集光レンズと、検出器とを含む光学系を回転させる回転機構と、検出器によって検出された反射光に基づいて、平行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。【選択図】図１Ａ
2018132482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出力された出力光を平行光にして出射するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから前記平行光が入射され、入射された前記平行光を偏向させて出射する出射部と、
前記出射部によって出射された前記平行光の出射方向が前記平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように前記平行光を偏向させて出射し、物体に反射された反射光を前記平行光が入射された方向に偏向させて出射する偏向部と、
前記偏向部から出射された前記反射光を検出器に対して集光させる集光レンズと、
鉛直方向を回転軸として、前記光源と、前記コリメートレンズと、前記出射部と、前記偏向部と、前記集光レンズと、前記検出器とを含む光学系を回転させる回転機構と、
前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記平行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、
前記光源及び前記コリメートレンズは、前記反射光が前記集光レンズによって前記検出器に集光される光路外に配置され、
前記出射部は、前記集光レンズの面内の前記平行光の光路上に配置されて、前記集光レンズによって支持され、前記コリメートレンズから入射された前記平行光を前記集光レンズの主平面に対して直交する方向に偏向させる、レーザー距離計測装置。
【請求項２】
光源から出力された出力光を平行光にして出射するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから前記平行光が入射され、入射された前記平行光を偏向させて出射する出射部と、
前記出射部によって出射された前記平行光の出射方向が前記平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように前記平行光を偏向させて出射し、物体に反射された反射光を前記平行光が入射された方向に偏向させて出射する偏向部と、
前記偏向部から出射された前記反射光を検出器に対して集光させる集光レンズと、
鉛直方向を回転軸として、前記光源と、前記コリメートレンズと、前記出射部と、前記偏向部と、前記集光レンズと、前記検出器とを含む光学系を回転させる回転機構と、
前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記平行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、
前記光源及び前記コリメートレンズは、前記反射光が前記集光レンズによって前記検出器に集光される光路外に配置され、
前記出射部は、前記集光レンズと前記検出器との間の前記平行光の光路上に配置され、前記コリメートレンズから入射された前記平行光を前記集光レンズの主平面に対して直交する方向に偏向させ、
前記集光レンズは、前記出射部によって偏向された前記平行光の光路上に貫通孔が形成される、レーザー距離計測装置。
【請求項３】
光源から出力された出力光を平行光にして出射するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズによって出射された前記平行光の出射方向が前記平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように前記平行光を偏向させて出射し、物体に反射された反射光を前記平行光が入射された方向に偏向させて出射する偏向部と、
前記偏向部から出射された前記反射光を検出器に対して集光させる集光レンズと、
鉛直方向を回転軸として、前記光源と、前記コリメートレンズと、前記偏向部と、前記集光レンズと、前記検出器とを含む光学系を回転させる回転機構と、
前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記平行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、
前記光源は、前記集光レンズと前記検出器との間に配置され、
前記コリメートレンズは、前記集光レンズの面内の前記出力光の光路上に配置されて、前記集光レンズによって支持される、レーザー距離計測装置。
【請求項４】
前記偏向部は、前記平行光を入射方向に直交する方向に反射させ、前記平行光の入射方向を回転軸として回転する偏向ミラーである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項５】
水平方向における前記偏向ミラーの反射面の中心の位置が、前記回転機構の回転軸の位置と一致する、請求項４に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項６】
水平方向における前記偏向ミラーの反射面の中心の位置が、前記回転機構の回転軸の位置と異なる、請求項４に記載のレーザー距離計測装置。
【請求項７】
前記計測部は、前記偏向ミラーの反射面の中心の位置と前記回転機構の回転軸の位置との距離に基づいて、前記平行光を反射した物体までの距離を補正する、請求項６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。かかる技術が適用されたレーザー距離計測装置は、ＬｉＤＡＲ（Light  Detection  and  Ranging）とも呼ばれ、種々の分野に応用されている。なお、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０９６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述したレーザー距離計測装置においては、レーザー光を２次元走査することで、３次元の距離計測を行う３次元ＬｉＤＡＲが知られている。かかるレーザー距離計測装置は、例えば、上下方向に搖動されるミラーが光源から出射されたレーザー光を反射することにより、レーザー光を鉛直方向に走査する。そして、同じミラーが、物体によって反射された反射光を受光して光検出器の方向に反射させることで、反射光を検出する。さらに、３次元の距離計測を行うレーザー距離計測装置では、レーザー光を鉛直方向に走査する構造自体を、鉛直方向を軸に回転させることで、レーザー光をさらに水平方向に走査する。これにより、レーザー距離計測装置は、レーザー光を２次元的に走査して、３次元の距離計測を行う。
【０００５】
このような３次元の距離計測を行うレーザー距離計測装置は、構造的な限界から鉛直方向の走査角度が約２０°〜４０°である。したがって、このレーザー距離計測装置では、距離計測を行うことができる範囲が上記走査角度に含まれる範囲に限られ、走査角度の範囲外（例えば、装置の上方向や、下方向など）にある物体については、距離計測を行うことができない。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半球状の範囲について距離計測を行う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、光源から出力された出力光を平行光にして出射するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記平行光が入射され、入射された前記平行光を偏向させて出射する出射部と、前記出射部によって出射された前記平行光の出射方向が前記平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように前記平行光を偏向させて出射し、物体に反射された反射光を前記平行光が入射された方向に偏向させて出射する偏向部と、前記偏向部から出射された前記反射光を検出器に対して集光させる集光レンズと、前記鉛直方向を回転軸として、前記光源と、前記コリメートレンズと、前記出射部と、前記偏向部と、前記集光レンズと、前記検出器とを含む光学系を回転させる回転機構と、前記検出器によって検出された前記反射光に基づいて、前記平行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。前記光源及び前記コリメートレンズは、前記反射光が前記集光レンズによって前記検出器に集光される光路外に配置される。前記出射部は、前記集光レンズの面内の前記平行光の光路上に配置されて、前記集光レンズによって支持され、前記コリメートレンズから入射された前記平行光を前記集光レンズの主平面に対して直交する方向に偏向させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、半球状の範囲について距離計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａ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側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂ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断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１の実施形態に係るウェッジミラーの一例を説明するための図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１の実施形態に係るウェッジミラーによる偏向の一例を示す図である。
【図３】図３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４】図４は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置による走査の一例を説明するための図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置による走査の一例を説明するための図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置による走査の一例を説明するための図である。
【図７】図７は、変形例１に係るレーザー距離計測装置の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、変形例２に係るレーザー距離計測装置の構成を示す側面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、変形例２に係るレーザー距離計測装置の構成を示す断面図である。
【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側面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置による走査の一例を説明するための図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置による走査の一例を説明するための図である。
【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１Ａは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成を示す側面図である。ここで、図１Ａにおいては、レーザー距離計測装置１００の側面図を示すとともに、側面図の左側にレーザー距離計測装置１００が有する集光レンズの正面図を示す。また、図１Ｂは、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００の構成を示す断面図である。ここで、図１Ｂにおいては、レーザー距離計測装置１００の横断面を示す。図１Ａ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、ウェッジプリズム１３０と、ウェッジミラー１４０と、第１モーター１５０と、集光レンズ１６０と、光検出器１７０ａと、受光回路基板１７０ｂと、制御回路基板１８０と、第２モーター１９１と、固定部１９２とを備える。なお、ウェッジミラー１４０とは、例えば、円柱を斜め４５°にカットした面が反射面となる形状のミラーである。すなわち、ウェッジミラー１４０は、入射光に対して傾斜した反射面を有するミラーである。以下では、ウェッジミラー１４０を用いる場合を一例に挙げて説明するが、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ミラーを斜めに配置する（例えば、４５°に傾けて配置する）ことで、入射光に対して反射面を傾斜させる場合であってもよい。
【００１２】
なお、図１Ａ及び図１Ｂにおいては、レーザー距離計測装置１００の筐体を示していないが、実際には、各構成が図示しない筐体内に収められている。ここで、各構成を収める筐体は、ウェッジミラー１４０から出射される光及び出射された光が物体によって反射された光を透過するように構成される。例えば、筐体全体が光を透過する部材によって形成される。或いは、筐体は、ウェッジミラー１４０から出射される光の方向に沿って、光を透過する窓を有する。また、ウェッジプリズム１３０は出射部の一例であり、ウェッジミラー１４０は、偏向部の一例である。
【００１３】
レーザー距離計測装置１００は、光源１１０ａから出力した出力光（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、ウェッジプリズム１３０を介してウェッジミラー１４０に入射させる。ウェッジミラー１４０は、ウェッジプリズム１３０を介して入射された平行光を垂直面に沿って偏向させながら対象空間に出射し、対象空間内の物体によって反射された反射光を集光レンズ１６０の方向に偏向させる。集光レンズ１６０は、ウェッジミラー１４０から入射された反射光を光検出器１７０ａに集光させ、光検出器１７０ａは、集光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においては、光検出器１７０ａが検出した反射光に基づいて、物体までの距離を計測する。
【００１４】
ここで、レーザー距離計測装置１００は、ウェッジミラー１４０に平行光を出射する出射部が集光レンズ１６０で支持される。例えば、ウェッジプリズム１３０の全周囲を集光レンズ１６０で囲むように、集光レンズ１６０の内側にウェッジプリズム１３０が配置される。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。
【００１５】
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（例えば、レーザー光）を出力する。ここで、光源１１０ａは、レーザー光の光軸が水平方向に出力され、かつ、該光軸がコリメートレンズ１２０から出射されるレーザー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。また、光源１１０ａは、図１Ｂに示すように、反射光が集光レンズ１６０によって光検出器１７０ａに集光される光路外に配置される。
【００１６】
発光回路基板１１０ｂは、光源１１０ａからレーザー光を出力させる駆動回路が配設され、制御回路基板１８０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制御回路基板１８０上に配設されるとともに、長手方向の上端に光源１１０ａが配設されている。
【００１７】
コリメートレンズ１２０は、光の入射面が光源１１０ａの出射面と対向するように配置され、光源１１０ａから出力されたレーザー光を平行光にしてウェッジプリズム１３０に出射する。ここで、コリメートレンズ１２０は、ウェッジプリズム１３０に出射する平行光の光軸が光源１１０ａから出射されるレーザー光の光軸と揃うように、制御回路基板１８０上に配設されている。また、コリメートレンズ１２０は、図１Ｂに示すように、反射光が集光レンズ１６０によって光検出器１７０ａに集光される光路外に配置される。
【００１８】
ウェッジプリズム１３０は、コリメートレンズ１２０から平行光が入射され、入射された平行光を偏向させて出射する。具体的には、ウェッジプリズム１３０は、コリメートレンズ１２０から入射された平行光を、集光レンズ１６０の主平面に直交する方向に偏向させてウェッジミラー１４０に出射する。すなわち、ウェッジプリズム１３０は、集光レンズ１６０の光軸の方向に平行光を偏向させる。ここで、集光レンズ１６０の主平面とは、集光レンズ１６０の光軸に直交する面である。
【００１９】
ここで、ウェッジプリズム１３０は、集光レンズ１６０の面内の平行光の光路上に配置され、集光レンズ１６０によって支持されている。すなわち、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ウェッジプリズム１３０は、集光レンズ１６０に設けられた貫通孔に埋め込まれ、装置の内部に配置されているコリメートレンズ１２０から入射された平行光を偏向させてウェッジミラー１４０に出射する。例えば、ウェッジプリズム１３０は、図１Ａの正面図に示すように、集光レンズ１６０の中心に埋め込まれる。
【００２０】
ウェッジミラー１４０は、ウェッジプリズム１３０によって出射された平行光の出射方向が、平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように平行光を偏向させて出射し、出射した平行光が物体に反射された反射光を平行光が入射された方向に偏向させて出射する。例えば、ウェッジミラー１４０は、平行光を入射方向に直交する方向に反射させ、平行光の入射方向を回転軸として回転することにより、平行光の出射方向が、平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように平行光を偏向させて出射する。
【００２１】
図２Ａは、第１の実施形態に係るウェッジミラー１４０の一例を説明するための図である。また、図２Ｂは、第１の実施形態に係るウェッジミラー１４０による偏向の一例を示す図である。例えば、ウェッジミラー１４０は、図２Ａに示すように、円柱を４５°でカットした面が反射面１４１となるように形成される。そして、ウェッジミラー１４０は、図２Ｂに示すように、反射面１４１がウェッジプリズム１３０の出射側の面（集光レンズ１６０の受光側の面）に対向するように配置される。ここで、ウェッジミラー１４０は、鉛直方向における反射面１４１の中心の位置が、ウェッジプリズム１３０の中心の位置と一致するように制御回路基板１８０上に配置される。さらに、ウェッジミラー１４０は、水平方向における反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と一致するように、制御回路基板１８０上に配置される。
【００２２】
そして、ウェッジミラー１４０は、円柱において反射面１４１が形成されていない面における中心軸が第１モーター１５０の回転軸と結合され、第１モーターの駆動力が回転軸を介して伝達されることにより回転する。すなわち、ウェッジミラー１４０は、中心軸を回転軸として回転しながら、ウェッジプリズム１３０から出射された平行光及び物体によって反射された戻り光を反射面１４１によって反射する。これにより、ウェッジミラー１４０は、図２Ｂに示すように、ウェッジプリズム１３０から入射された平行光を、出射方向が、平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化するように偏向させて対象空間に出射する。
【００２３】
さらに、ウェッジミラー１４０は、対象空間の物体によって反射された戻り光を反射面１４１で受光し、集光レンズ１６０に向けて反射する。すなわち、ウェッジミラー１４０は、出射方向を平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化させて出射させた平行光の各方向からの戻り光をそれぞれ受光して、集光レンズ１６０の方向に反射させる。
【００２４】
図１Ａ及び図１Ｂに戻って、第１モーター１５０は、回転軸が水平方向となるように制御回路基板１８０上に配置され、回転軸がウェッジミラー１４０の中心軸に結合される。そして、第１モーター１５０は、駆動回路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ウェッジミラー１４０を回転させる。
【００２５】
集光レンズ１６０は、ウェッジミラー１４０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を光検出器１７０ａに対して集光させる。例えば、集光レンズ１６０は、平凸レンズや、フレネルレンズなどである。ここで、第１の実施形態では、集光レンズ１６０としてフレネルレンズを用いる例を示している。なお、集光レンズ１６０としてフレネルレンズを用いた場合、集光レンズ１６０の厚みを一定のまま、面積を大きくすることができる。そして、集光レンズ１６０は、中心に貫通孔が形成され、貫通孔にウェッジプリズム１３０が埋め込まれる。すなわち、集光レンズ１６０は、貫通孔によってウェッジプリズム１３０を支持する。
【００２６】
光検出器１７０ａは、集光レンズ１６０によって集光される戻り光を検出する。例えば、光検出器１７０ａ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。
【００２７】
受光回路基板１７０ｂは、増幅回路などが配設され、光検出器１７０ａによって検出された戻り光を増幅して制御回路基板１８０に出力する。ここで、受光回路基板１７０ｂは、長手方向が鉛直方向と平行となるように制御回路基板１８０上に配設される。そして、受光回路基板１７０ｂは、光源１１０ａから出力されるレーザー光の光軸の高さと揃う位置に光検出器１７０ａの中心が配設されるように、光検出器１７０ａが配設されている。
【００２８】
制御回路基板１８０は、光源１１０ａと、コリメートレンズ１２０と、ウェッジプリズム１３０と、ウェッジミラー１４０と、集光レンズ１６０と、光検出器１７０ａとを含む光学系と、発光回路基板１１０ｂと、受光回路基板１７０ｂと、第１モーター１５０とを支持し、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１８０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力を制御する。また、制御回路基板１８０は、光検出器１７０ａ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。
【００２９】
例えば、制御回路基板１８０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１８０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１８０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。
【００３０】
そして、制御回路基板１８０は、各構成を支持した状態で、後述する回転機構によって回転される。例えば、制御回路基板１８０は、円形の基板で形成され、基板上に上記した各構成が載置される。そして、制御回路基板１８０は、水平方向における基板の中心に第２モーター１９１の回転軸が結合され、第２モーターの駆動力が回転軸を介して伝達されることにより、鉛直方向を回転軸として回転する。すなわち、制御回路基板１８０は、光源１１０ａと、発光回路基板１１０ｂと、コリメートレンズ１２０と、ウェッジプリズム１３０と、ウェッジミラー１４０と、第１モーター１５０と、集光レンズ１６０と、光検出器１７０ａと、受光回路基板１７０ｂとを支持し、第２モーター１９１の回転軸を軸として回転可能に支持される。
【００３１】
上述したように、レーザー距離計測装置１００は、制御回路基板１８０を回転させる回転機構を有する。例えば、レーザー距離計測装置１００は、回転機構として、第２モーター１９１と、固定部１９２とを有する。
【００３２】
第２モーター１９１は、駆動回路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制御回路基板１８０を回転させる。固定部１９２は、第２モーター１９１を内包し、レーザー距離計測装置１００全体を支持する。
【００３３】
上述したように、レーザー距離計測装置１００は、ウェッジミラー１４０がウェッジプリズム１３０から出射された平行光を入射方向に直交する面の面内方向に出射方向を変化させながら対象空間に出射することで、入射方向に直交する面の面内における各方向に対して走査することができる。さらに、レーザー距離計測装置１００は、上記したウェッジミラー１４０を含む光学系を鉛直方向を軸として回転させることで、水平方向の走査を実現する。すなわち、レーザー距離計測装置１００は、入射方向に直交する面（鉛直面）に沿った走査を３６０°回転させながら行うことができ、球状の範囲を走査することができる。なお、図１Ａに示すレーザー距離計測装置１００では、制御回路基板１８０がウェッジミラー１４０から出射される平行光を遮蔽するため、装置の上方向を半球状に走査することとなる。
【００３４】
また、レーザー距離計測装置１００では、ウェッジプリズム１３０の中心と集光レンズ１６０の中心とを一致させている。従って、戻り光が集光レンズ１６０に対して効率よく戻ってくることとなり、物体までの距離に関係なく、集光レンズ１６０によって戻り光を効率よく集光することができる。
【００３５】
さらに、出射部としてウェッジプリズム１３０を用いることで、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０の配置の自由度を向上させることができ、戻り光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においては、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０を、集光レンズ１６０と光検出器１７０ａとによって挟まれる空間外に配置させることができる。換言すると、集光レンズ１６０によって光検出器１７０ａに集光される戻り光の光路外に光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０を配置させることができ、光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０によって集光が阻害されることを抑止することができる。例えば、図１Ｂに示すように、集光レンズ１６０の端部と光検出器１７０ａの端部とを結んで形成される空間外に光源１１０ａ及びコリメートレンズ１２０が配置される。
【００３６】
また、さらに、出射部としてウェッジプリズム１３０を用いることで、出射部の配置の自由度も向上させることができ、戻り光の集光効率を向上させることができる。すなわち、出射部としてウェッジプリズム１３０を用いることで、任意の角度でレーザー光を偏向させることができることから、例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ウェッジプリズム１３０を集光レンズ１６０の中心に配置することで、戻り光の集光を効率よく行うことができる。
【００３７】
また、出射部としてウェッジプリズム１３０を用いることで、光源１１０ａ、コリメートレンズ１２０及びウェッジプリズム１３０の配置の自由度を向上させることできる。従って、ウェッジプリズム１３０の形状は、各部材の配置状態に応じて決定されることとなる。すなわち、コリメートレンズ１２０から出射された平行光を偏向する際の角度に応じて、用いられるウェッジプリズム１３０の形状や枚数が決定される。さらに、ウェッジプリズム１３０の素材を考慮して形状や枚数を決定してもよい。
【００３８】
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、ウェッジプリズム１３０を集光レンズ１６０の中心に配置す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、例えば、ウェッジプリズム１３０は、全周囲が集光レンズに囲まれるように配置される位置であれば、任意の位置に配置することができる。
【００３９】
次に、図３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３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３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３に示すように、レーザー距離計測装置１００の受光回路基板１７０ｂは、トランスインピーダンスアンプ１７１ｂと、増幅回路１７２ｂとを有する。また、制御回路基板１８０は、ＴＤＣ（Time  to  Digital  Converter）回路１８１と、信号処理回路１８２と、制御回路１８３とを有する。なお、信号処理回路１８２は、計測部とも記載される。また、レーザー距離計測装置１００は、駆動回路１５１と、駆動回路１９３とを有する。駆動回路１５１は、図示しない制御回路によって制御され、第１モーター１５０を所定の速度で駆動させる。また、駆動回路１９３は、図示しない制御回路によって制御され、第２モーター１９１を所定の速度で駆動させる。
【００４０】
制御回路１８３は、第１モーター１５０の駆動と第２モーター１９０の駆動とを同期させることにより、ウェッジミラー１４０の回転角度及び制御回路基板１８０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１８３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、ウェッジミラー１４０の回転角度及び制御回路基板１８０の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。
【００４１】
トランスインピーダンスアンプ１７１ｂは、戻り光に基づいて光検出器１７０ａが発生させた電流を電圧に変換して、増幅回路１７２ｂに出力する。増幅回路１７２ｂは、光検出器１７０ａ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１８１に出力する。具体的には、増幅回路１７２ｂは、トランスインピーダンスアンプ１７１ｂによって変換された電気信号が入力され、入力された電気信号を増幅する。
【００４２】
ＴＤＣ回路１８１は、制御回路１８３から入力されたパルス信号と、増幅回路１８２ｂ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１８２に出力する。具体的には、ＴＤＣ回路１８１は、制御回路１８３から入力されるウェッジミラー１４０の回転角度及び制御回路基板１８０の回転角度ごとのパルス信号と、増幅回路１７２ｂから入力されたウェッジミラー１４０の回転角度及び制御回路基板１８０の回転角度ごとの電気信号との時間差を示す各デジタル信号を信号処理回路１８２に出力する。信号処理回路１８２は、ＴＤＣ回路１８１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。
【００４３】
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。以下、レーザー距離計測装置１００による走査の一例について、図４〜図６を用いて説明する。図４〜６は、第１の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００による走査の一例を説明するための図である。ここで、以下では、３次元直交座標（ｘ,ｙ,ｚ）に極座標（ｒ,θ,φ）を加えた図４を用いて説明する。３次元直交座標（ｘ,ｙ,ｚ）におけるｚ方向を鉛直方向、ｘｙ平面を水平面とすると、レーザー距離計測装置１００の制御回路基板１８０の回転による水平走査は、ｘｙ平面上の点を原点の周りに回転する角度「φ」の回転となり、制御回路基板１８０上に載置されたウェッジミラー１４０の回転による走査は、角度「θ」の回転となる。
【００４４】
３次元直交座標と極座標との関係は、一般的に以下の式（１）によって与えられる。すなわち、以下の式（１）に示すように、３次元直交座標の「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」は、極座標における球面半径「ｒ」と角度「φ」と角度「θ」で算出することができる。
【００４５】
【数１】
2018132482.tif 000003
【００４６】
ここで、制御回路基板１８０の回転数を「１５０ｒｐｍ（２．５Ｈｚ）」、ウェッジミラー１４０の回転数を「９０００ｒｐｍ（１５０Ｈｚ）」とすると、「θ」と「φ」の関係は「θ＝６０・φ」であり、球面半径「ｒ＝１」のときの走査軌跡の座標は以下の式（２）で表わされる。
【００４７】
【数２】
2018132482.tif 000004
【００４８】
「θ＝φ＝０」の点から走査を開始して、再び「θ＝φ＝０」に戻るまでの走査軌跡を図５に示す。例えば、レーザー距離計測装置１００による走査は、平行光の入射方向に直交する面の走査を「３６０°」回転させることで、図５に示すように、球状の走査となる。ここで、上記した回転数によって走査すると、制御回路基板１８０が１回転する間に、ウェッジミラー１４０による走査が６０往復することとなり、走査密度が「６°（３６０°／６０）」となる。すなわち、レーザー距離計測装置１００は、制御回路基板１８０の回転中「６°」間隔でウェッジミラー１４０による走査を行う。
【００４９】
ここで、ウェッジミラー１４０の回転による角度「θ」の「６°」ごとにレーザー光をパルス出射させ、測定を行った場合の測定点を走査軌跡に重ねた図を図６に示す。この場合、レーザー距離計測装置１００は、図６に示すように、走査軌跡上に示す各点に示す方向にある物体までの距離を計測することとなる。信号処理回路１８２は、上述した式を用いて、物体までの距離をそれぞれ算出する。なお、レーザー距離計測装置１００においては、ウェッジミラー１４０と制御回路基板１８０との位置関係に応じて走査範囲が変化する。上述したように、レーザー距離計測装置１００は、制御回路基板１８０の上側に配置されたウェッジミラー１４０が回転することで、平行光の入射方向に直交する面の面内方向に走査を行う。すなわち、ウェッジミラー１４０は、回転しながら、ウェッジプリズム１３０から出射された平行光を反射面１４１によって反射することで、平行光の出射方向を、平行光の入射方向に直交する面の面内で変化させる。従って、平行光の出射角度が水平よりも下向きの走査範囲は、ウェッジミラー１４０における反射面１４１と制御回路基板１８０との距離が離れるほど広くなる。換言すると、ウェッジミラー１４０における反射面１４１と制御回路基板１８０との距離が離れるほど、反射した平行光が制御回路基板１８０に当たらない下向きの角度が深くなり、より下向きの角度で平行光を出射することができるようになる。例えば、レーザー距離計測装置１００においては、ウェッジミラー１４０が、制御回路基板１８０に対して隙間のある状態で保持され、水平よりも下向きの角度が走査可能となるように形成される。なお、レーザー距離計測装置１００は、ウェッジミラー１４０によって反射した平行光が制御回路基板１８０に当たる角度では、発光と測定は停止する。このように、レーザー距離計測装置１００は、略半球状のレーザー走査を行い、略半球状の範囲の測定を可能にする。
【００５０】
（変形例１）
上述した第１の実施形態では、ウェッジプリズム１３０が、集光レンズ１６０の面内に配置され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、例えば、ウェッジプリズム１３０を集光レンズ１６０の面内に配置しない場合であってもよい。かかる場合には、例えば、ウェッジプリズム１３０は、集光レンズ１６０と光検出器１７０ａとの間の平行光の光路上に配置され、コリメートレンズ１２０から入射された平行光を集光レンズ１６０の主平面に対して直交する方向に偏向させる。そして、集光レンズ１６０は、ウェッジプリズム１３０によって偏向された平行光の光路上に貫通孔が形成される。
【００５１】
図７は、変形例１に係るレーザー距離計測装置１００ａの構成を示す断面図である。ここで、変形例１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、ウェッジプリズム１３０の位置と、集光レンズ１６０に貫通孔が形成される点が異なる。以下、この点を中心に説明する。
【００５２】
図７に示すように、変形例１に係るウェッジプリズム１３０は、集光レンズ１６０と光検出器１７０ａとの間で、コリメートレンズ１２０から出射された平行光の光路上に配置される。そして、変形例１に係るウェッジプリズム１３０は、第１の実施形態に係るウェッジプリズム１３０と同様に、コリメートレンズ１２０から入射された平行光を、集光レンズ１６０の主平面に直交する方向に偏向させてウェッジミラー１４０に出射する。ここで、変形例１に係る集光レンズ１６０は、図７に示すように、ウェッジプリズム１３０から出射された平行光の光路上に貫通孔１６１が形成される。従って、ウェッジプリズム１３０が出射した平行光は、貫通孔１６１を通過してウェッジミラー１４０に入射される。
【００５３】
（変形例２）
上述した第１の実施形態及び変形例１では、ウェッジプリズム１３０を用いてコリメートレンズ１２０から入射された平行光を集光レンズ１６０の主平面に対して直交する方向に偏向させる場合について説明した。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、ウェッジプリズム１３０を用いない場合であってもよい。かかる場合には、例えば、光源１１０ａが、集光レンズ１６０と光検出器１７０ａとの間に配置され、コリメートレンズ１２０が、集光レンズ１６０の面内の出力光の光路上に配置されて、集光レンズ１６０によって支持される。
【００５４】
図８Ａは、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂの構成を示す側面図である。ここで、図８Ａにおいては、レーザー距離計測装置１００ｂの側面図を示すとともに、側面図の左側にレーザー距離計測装置１００ｂが有する集光レンズの正面図を示す。また、図８Ｂは、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂの構成を示す断面図である。ここで、図８Ｂにおいては、レーザー距離計測装置１００ｂの横断面を示す。なお、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂ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、コリメートレンズ１２０が集光レンズ１６０の面内に配置されている点と、光源１１０ａ及び発光回路基板１１０ｂの配置が異なる。以下、この点を中心に説明する。
【００５５】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、変形例２に係るコリメートレンズ１２０は、集光レンズ１６０の面内の平行光の光路上に配置され、集光レンズ１６０によって支持されている。そして、コリメートレンズ１２０は、集光レンズ１６０の水平方向の中心であり、鉛直方向の下部側に配置されている。ここで、変形例２に係る集光レンズ１６０及びコリメートレンズ１２０は、一体形成させることも可能である。
【００５６】
変形例２に係る光源１１０ａは、レーザー光の光軸が水平方向に出力され、かつ、該光軸がコリメートレンズ１２０から出射されるレーザー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。ここで、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂでは、集光レンズ１６０と光検出器１７０ａとの間の空間内に光源１１０ａ及び発光回路基板１１０ｂが配置されることとなる。したがって、光源１１０ａ及び発光回路基板１１０ｂによって戻り光の集光が阻害される。そこで、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂでは、発光回路基板１１０ｂの位置を任意の位置に配置して、戻り光の集光の阻害を極力低減させる場合であってもよい。
【００５７】
例えば、発光回路基板１１０ｂを制御回路基板１８０内部に配置し、光源１１０ａを最小の支持部によって支持するとともに、発光回路基板１１０ｂと光源１１０ａとを配線によって接続するような構成とする場合であってもよい。
【００５８】
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、変形例１に係るレーザー距離計測装置１００ａ、及び、変形例２に係るレーザー距離計測装置１００ｂは、ウェッジミラー１４０が平行光の出射方向を平行光の入射方向に直交する面の面内方向に変化させながら出射させ、ウェッジミラー１４０が載置された制御回路基板１８０を、鉛直方向を軸として回転させることで、半球状のレーザー走査を行い、半球状の範囲の測定を可能にする。
【００５９】
（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、水平方向におけるウェッジミラー１４０の反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と一致するように、制御回路基板１８０上に配置される場合について説明した。第２の実施形態では、水平方向におけるウェッジミラー１４０の反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と異なる場合について説明する。
【００６０】
図９は、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃの構成を示す側面図である。第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃは、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００と比較して、制御回路基板１８０上のウェッジミラー及び第１モーターの位置と、信号処理回路１８２による処理内容が異なる。以下、この点を中心に説明する。
【００６１】
図９に示すように、第２の実施形態に係るウェッジミラー１４０は、水平方向における反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と異なるように配置される。すなわち、第２の実施形態においては、ウェッジミラー１４０の配置の自由度を向上させて、設計を容易にさせることを可能にする。例えば、水平方向における反射面１４１の中心の位置を、制御回路基板１８０の回転軸の位置と一致させる場合、回転する制御回路基板１８０上のバランスをとるための設計が求められる。しかしながら、ウェッジミラー１４０の配置の自由度を向上させることにより、ウェッジミラー１４０の位置を調整することで、回転する制御回路基板１８０上のバランスをとることができる。
【００６２】
上述したように、水平方向における反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と異なるように配置されるため、第２の実施形態に係る信号処理回路１８２は、以下の式（３）を用いて物体までの距離をそれぞれ算出する。ここで、式（３）における「ｄ」は、反射面１４１の中心の位置と、制御回路基板１８０の回転軸の位置との距離を示す。また、式（３）における角度の単位は、弧度法である。
【００６３】
【数３】
2018132482.tif 000005
【００６４】
信号処理回路１８２は、式（３）に示すように、３次元直交座標の「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」を、距離「ｄ」と角度「φ」と角度「θ」で算出する。
【００６５】
以下、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃによる走査の一例について、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａ及び図１０Ｂは、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃによる走査の一例を説明するための図である。ここで、図１０Ａ及び図１Ｂにおいては、「θ＝φ＝０」の点から走査を開始して、再び「θ＝φ＝０」に戻るまでの走査軌跡を示す。また、図１０Ａにおいては、「ｘ＝ｙ＝０、ｚ＝１」から「ｘ＝ｙ＝ｚ＝０」の方向を見た場合の図を示す。また、図１０Ｂにおいては、図１０Ａを斜め横の方向から見た場合の図を示す。また、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す走査軌跡は、「ｄ」を球面半径「ｒ」の「１／４」とした場合について示す。
【００６６】
例えば、レーザー距離計測装置１００ｃによる走査は、水平方向における反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と異なる場合であっても、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、球状の走査となる。
【００６７】
ここで、水平方向における反射面１４１の中心の位置が、制御回路基板１８０の回転軸の位置と異なる場合、回転に応じて測定対象物との距離が変化することとなる。例えば、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す曲線Ｌ１は、制御回路基板１８０の回転に伴う反射面１４１の中心の位置の軌跡を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、制御回路基板１８０の回転に伴って、反射面１４１の中心の位置が変化することから、測定対象物までの距離が回転に応じて変化することとなる。具体的には、測定対象物までの距離は、角度「φ」に応じて、ｘ方向及びｙ方向に、以下の式（４）で示すズレが生じることとなる。
【００６８】
【数４】
2018132482.tif 000006
【００６９】
そこで、信号処理回路１８２は、ウェッジミラー１４０の反射面１４１の中心の位置と制御回路基板１８０の回転軸の位置との距離に基づいて、平行光を反射した物体までの距離を補正する。例えば、信号処理回路１８２は、ＴＯＦ方式によって算出した結果から、角度「φ」に応じて、式（４）で示す距離を差し引く処理を行う。これにより、レーザー距離計測装置１００ｃは、正確な距離計測を行うことができる。
【００７０】
上述したように、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃにおいても、半球状のレーザー走査を行い、半球状の範囲の測定を可能にする。また、第２の実施形態に係るレーザー距離計測装置１００ｃにおいては、ウェッジミラー１４０の配置の自由度を向上させることにより、回転する制御回路基板１８０上のバランスを容易にとることを可能にする。
【００７１】
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】
【００７２】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  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  ウェッジプリズム（出射部）
１４０  ウェッジミラー（偏向部）
１５０  第１モーター
１６０  集光レンズ
１７０ａ  光検出器
１７０ｂ  受光回路基板
１８０  制御回路基板
１８２  信号処理回路（計測部）
１９１  第２モーター
１９２  固定部
【図１Ａ】
2018132482.tif 000007
【図１Ｂ】
2018132482.tif 000008
【図２Ａ】
2018132482.tif 000009
【図２Ｂ】
2018132482.tif 000010
【図３】
2018132482.tif 000011
【図４】
2018132482.tif 000012
【図５】
2018132482.tif 000013
【図６】
2018132482.tif 000014
【図７】
2018132482.tif 000015
【図８Ａ】
2018132482.tif 000016
【図８Ｂ】
2018132482.tif 000017
【図９】
2018132482.tif 000018
【図１０Ａ】
2018132482.tif 000019
【図１０Ｂ】
2018132482.tif 000020