(57)【要約】【課題】走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供する。【解決手段】光源と、光源から射出された光を当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて物体までの距離に応じて予め定めた撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を撮像面に結像する受光光学系と、撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、を備えた距離測定装置とする。【選択図】図１
2013195302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出された光を、当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、
光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、
前記複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、
前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、
を備えた距離測定装置。
【請求項２】
前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、
前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置に対応して計測対象となる物体までの距離を取得する、
請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する面内の全方位に投光する、
請求項１又は２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する複数の面内の複数の方位又は全方位に投光する、
請求項１又は２に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記投光光学系が、
光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記光源から射出された光を環状光に整形する第１レンズと、
前記第１レンズで生成された環状光の全部又は一部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する第１反射ミラーと、
を少なくとも含む、
請求項１から４までの何れか１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記第１レンズが、円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置されて、前記光源から射出された光を環状光に整形し、
前記第１反射ミラーが、回転対称軸に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーであり、前記反射面を前記第１レンズ側に向けて配置されて、前記第１レンズで生成された環状光の全部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する、
請求項７に記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記投光光学系が、
前記第１反射ミラーで反射された光を平行光化する第２レンズを更に備えた、
請求項５又は６に記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記第２レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第１反射ミラーの周囲に配置されて、前記第１反射ミラーで反射された光を平行光化する、
請求項７に記載の距離測定装置。
【請求項９】
前記投光光学系が、
前記第１レンズと前記第１反射ミラーとの間に配置されて、前記第１レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、
請求項５から８までの何れか１項に記載の距離測定装置。
【請求項１０】
前記光変調素子が、同心円状に複数の環状光が生成されるように、前記第１レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する、
請求項９に記載の距離測定装置。
【請求項１１】
前記第１レンズが、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記光源から射出された光を複数の環状光に整形する、
請求項６から１０までの何れか１項に記載の距離測定装置。
【請求項１２】
前記受光光学系が、
前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する第３レンズと、
前記第３レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する第２反射ミラーと、
光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第２反射ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する第４レンズと、
を少なくとも含む、
請求項１から１１までの何れか１項に記載の距離測定装置。
【請求項１３】
前記第３レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第２反射ミラーの周囲に配置されて、前記反射光を集光し且つ集光された光を前記第２反射ミラーに照射し、
前記第２反射ミラーが、回転対称軸に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーであり、前記反射面を前記第４レンズ側に向けて配置されて、前記第３レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する、
請求項１２に記載の距離測定装置。
【請求項１４】
前記投光光学系が、
前記第２反射ミラーと前記第４レンズとの間に配置されて、前記第２反射ミラーで前記回転対称軸の方向に反射された光の全部又は一部を透過させる開口を有する遮光部材を更に備えた、
請求項１２又は１３に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載されるレーダ装置等、所定角度（全走査角度）の視野領域を監視し、視野領域内に存在する物体（対象物）までの距離を測定する距離測定装置が知られている。距離測定装置は、レーザ光源、回転ミラー等の光走査機構を有する投光部と、集光レンズ、受光素子等を有する受光部と、を備えている。光源から射出されたレーザ光が光走査機構により偏向されて投光され、視野領域内がレーザ光で走査される。視野領域内に存在する対象物で反射されたレーザ光は、集光レンズで集光されて、受光素子により受光される。
【０００３】
従来の距離測定装置は、車両の前方等の特定方位を視野領域として監視するため、通常、全走査角度は１８０°未満である。近年、監視カメラ、対物センサの開発に伴い、より広い視野領域（例えば、全方位）を有する距離測定装置が必要とされている。例えば、特許文献１には、水平方向に沿った３６０°視野内の周囲物体を同時に検出し、検出された周囲物体までの距離及び角度（方位）を測定するレンジ測定デバイスが開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載のレンジ測定デバイスは、フラッシュ・レーザ・レーダ、イメージ・センサ、イメージ・センサとレーザ・レーダとの間に結合されたミラー素子、及びレンズを備えている。フラッシュ・レーザ・レーダは、水平方向に沿った３６０°視野を照らすように、第１時刻に第１レーザ・パルスを生成する。レンジ測定デバイスは、第２時刻に３６０度視野内の少なくとも１つの物体から第１レーザ・パルスの反射を受け取る。
【０００５】
ミラー素子は、第１レーザ・パルスの反射を３６０度視野の少なくとも一部へ分散させるように構成された第１反射器と、少なくとも１つの物体からイメージ・センサ内へ第１レーザ・パルスの戻り反射を集めるように構成された第２反射器と、を含んで構成されている。レンズは、戻り反射をイメージ・センサへ集めるように構成されている。
【０００６】
上記のレンジ測定デバイスでは、第１レーザ・パルスが生成された「第１時刻」と第１レーザ・パルスの反射を受け取った「第２時刻」とに基づいて、物体までの距離を算出している。即ち、反射光パルスの遅延時間τを第１時刻と第２時刻との差として求め、遅延時間τと光速ｃとから、τ＝２Ｌ／ｃの関係に基づいて物体までの距離Ｌを算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４７６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のレンジ測定デバイスでは、反射光パルスの遅延時間に基づいて物体までの距離を算出するので、全方位での距離測定を行うためには、物体までの距離及び方位毎にイメージ・センサの画素を予め割り当てておく必要がある。また、全方位での距離測定を行うためには、イメージ・センサの画素毎に反射光パルスの遅延時間を取得する必要があり処理が煩雑となる。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光源と、前記光源から射出された光を、当該光学系の回転対称軸と交差する面内の複数の方位に投光する投光光学系と、光像が結像される撮像面を有する撮像素子と、前記複数の方位に投光され且つ計測対象となる物体で反射された反射光を受光可能に構成されると共に、三角測量の原理に基づいて前記物体までの距離に応じて予め定めた前記撮像面上の位置に受光された反射光に対応する光像が結像されるように、受光された反射光を前記撮像面に結像する受光光学系と、前記撮像面に結像された光像の位置に基づいて計測対象となる物体までの距離を取得する距離取得手段と、を備えた距離測定装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記撮像素子は、撮像面上に結像された光像を撮像し、前記距離取得手段は、前記撮像素子により撮像された画像から前記光像の位置情報を取得し、前記物体までの距離と前記撮像面上の位置との対応関係に基づいて、前記撮像面に結像された光像の位置から計測対象となる物体までの距離を取得する、請求項１に記載の距離測定装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する面内の全方位に投光する、請求項１又は２に記載の距離測定装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記投光光学系は、前記光源から射出された光を整形し、前記回転対称軸と交差する複数の面内の複数の方位又は全方位に投光する、請求項１又は２に記載の距離測定装置である。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記投光光学系が、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記光源から射出された光を環状光に整形する第１レンズと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第１レンズで生成された環状光の全部又は一部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する第１反射ミラーと、を少なくとも含む、請求項１から４までの何れか１項に記載の距離測定装置である。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記第１レンズが、円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記円錐状の透過面を前記光源に向けて配置されて、前記光源から射出された光を環状光に整形し、前記第１反射ミラーが、球面状の反射面を有する球面ミラー又は円錐状の反射面を有する円錐ミラーであり、前記反射面を前記第１レンズ側に向けて配置されて、前記第１レンズで生成された環状光の全部を前記回転対称軸と交差する方向に反射する、請求項７に記載の距離測定装置である。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第１反射ミラーで反射された光を平行光化する第２レンズを更に備えた、請求項５又は６に記載の距離測定装置である。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、前記第２レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第１反射ミラーの周囲に配置されて、前記第１反射ミラーで反射された光を平行光化する、請求項７に記載の距離測定装置である。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第１レンズと前記第１反射ミラーとの間に配置されて、前記第１レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する光変調素子を更に備えた、請求項５から８までの何れか１項に記載の距離測定装置である。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、前記光変調素子が、同心円状に複数の環状光が生成されるように、前記第１レンズで生成された環状光の輝度の空間分布を変調する、請求項９に記載の距離測定装置である。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、前記第１レンズが、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有する円錐レンズであり、前記光源から射出された光を複数の環状光に整形する、請求項６から１０までの何れか１項に記載の距離測定装置である。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、前記受光光学系が、前記計測対象となる物体で反射された反射光を集光する第３レンズと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第３レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する第２反射ミラーと、光軸が前記回転対称軸と一致するように配置され且つ前記第２反射ミラーで反射された光を前記撮像素子の撮像面に結像する第４レンズと、を少なくとも含む、請求項１から１１までの何れか１項に記載の距離測定装置である。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、前記第３レンズが、トロイダル面を備えた円環状レンズであり、前記トロイダル面を外側に向けて前記第２反射ミラーの周囲に配置されて、前記反射光を集光し且つ集光された光を前記第２反射ミラーに照射し、前記第２反射ミラーが、球面状の反射面を有する球面ミラー又は円錐状の反射面を有する円錐ミラーであり、前記反射面を前記第４レンズ側に向けて配置されて、前記第３レンズで集光された光を前記回転対称軸の方向に反射する、請求項１２に記載の距離測定装置である。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、前記投光光学系が、前記第２反射ミラーと前記第４レンズとの間に配置されて、前記第２反射ミラーで前記回転対称軸の方向に反射された光の全部又は一部を透過させる開口を有する遮光部材を更に備えた、請求項１２又は１３に記載の距離測定装置である。
【発明の効果】
【００２４】
走査機構等の可動部を設けることなく簡易な構成で、複数の方位を含む視野領域内の物体を同時に検出し、検出された物体までの距離を一度に測定することができる距離測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。（Ａ）は距離測定装置の外観を示す斜視図である。（Ｂ）は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。（Ｃ）は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。
【図２】図１に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。
【図３】図１に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。
【図５】撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。
【図７】図１に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。
【図８】第２の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す図である。（Ａ）は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。（Ｂ）は光変調素子の平面図である。
【図９】（Ａ）は図８に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。（Ｂ）は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。（Ｃ）は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。
【図１０】複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。
【図１１】（Ａ）は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。（Ｂ）は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。
【図１３】（Ａ）は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。（Ｂ）は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。（Ｃ）は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。
【図１４】「距離取得処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜第１の実施の形態＞
（距離測定装置の構成）
第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図１（Ａ）は距離測定装置の外観を示す斜視図である。図１（Ｂ）は距離測定装置の内部構造を示す斜視図である。図１（Ｃ）は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、距離測定装置１０は、レーザ光を射出する光源２０、光源２０から射出されたレーザ光を視野領域に投光する投光光学系３０、二次元座標系を構成する撮像面を有する撮像素子４０、及び視野領域に在る物体からの反射光を受光して撮像素子４０の撮像面に結像する受光光学系５０を備えている。
【００２７】
本実施の形態では、距離測定装置１０は、水平方向の全方位（３６０°の範囲）を視野領域として監視する。従って、投光光学系３０は、光源２０から射出されたレーザ光を水平方向の全方位に投光するように構成されている。また、受光光学系５０は、水平方向の全方位に在る物体からの反射光を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、受光光学系５０は、受光された反射光を撮像素子４０の撮像面に結像させて得られた光像（以下、「輝点」という。）から、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことができるように構成されている。
【００２８】
更に、全方位を視野領域としたことに伴い、光源２０、投光光学系３０、及び受光光学系５０の各々は、回転対称軸１２の周りに３６０°回転させても常に自らと重なる回転対称性を有している。本実施の形態では、回転対称軸１２が延びる軸方向は、水平方向と直交する鉛直方向と一致する。なお、水平方向ではなく斜め下方を視野領域とする場合には、回転対称軸１２が延びる軸方向は、投光方向と交差する鉛直方向と一致する。また、鉛直方向の特定方位を視野領域として監視する場合には、回転対称軸１２が延びる軸方向は、鉛直方向と直交する水平方向と一致する。
【００２９】
光源２０、投光光学系３０、撮像素子４０、及び受光光学系５０の各々は、円筒状の透明な筐体６０内に収納されている。なお、後述する通り、円環状レンズ３８、５８は、筐体６０の外周部に取り付けられている。ここで「透明」とは、投光される光及び受光される光を透過させるという意味である。なお、投光される光及び受光される光が筐体６０により遮断されなければよく、筐体６０の全体が透明である必要はない。また、筐体６０は、光源２０、投光光学系３０等を収納できればよく、筐体６０の形状は円筒状に限定される訳ではない。例えば、直方体や立方体としてもよく、不定形状としてもよい。
【００３０】
光源２０としては、半導体レーザ等のレーザ光源を用いることができる。光源２０は、投光光学系３０側にレーザ光を射出するように、光射出面を投光光学系３０側に向けて、回転対称軸１２上に配置されている。光源２０は、支持部材２１により筐体６０内に支持されている。光源２０は、射出されるレーザ光の光軸と回転対称軸１２とが一致するように、所定方向にレーザ光を射出する。また、光源２０は、後述する光源駆動部７２により変調駆動されて、パルス変調されたレーザ光を射出する。なお、パルス変調は必須ではないが、投光する光を変調することで、受光側において対象物からの反射光と太陽光等の外乱光との区別が容易になる。
【００３１】
投光光学系３０は、円錐状の透過面を有する円錐レンズ３２、入射した光を平行光化するレンズ３４、回転対称軸１２に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー３６、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ３８を備えている。円錐レンズ３２としては、アキシコンレンズ等を用いることができる。また、円環状レンズ３８としては、トロイダルレンズ等を用いることができる。円錐レンズ３２、レンズ３４、凸面ミラー３６、及び円環状レンズ３８は、投光される光の光路に沿って光源２０側からこの順序で配置されている。円錐レンズ３２、レンズ３４、凸面ミラー３６の各々は、支持部材３３、３５、３７の各々により筐体６０内に支持されている。
【００３２】
円錐レンズ３２は、円錐状の透過面を光源２０側に向けて、光源２０の光射出側に配置されている。レンズ３４は、円錐レンズ３２の光射出側に配置されている。凸面ミラー３６は、曲面状の反射面をレンズ３４側に向けて、レンズ３４の光射出側に配置されている。円環状レンズ３８は、トロイダル面を外側に向けて、筐体６０の外周部に取り付けられている。ここで「外側」とは、回転対称軸１２から離れる方向である。また、円錐レンズ３２、レンズ３４の各々は、光軸と回転対称軸１２とが一致するように配置されている。
【００３３】
撮像素子４０としては、ＣＣＤイメージ・センサ、ＣＭＯＳイメージ・センサ等の画像センサを用いることができる。撮像素子４０は、撮像面を受光光学系５０側に向けて、回転対称軸１２上に配置されている。受光光学系５０に入射した反射光は、受光光学系５０により撮像素子４０の撮像面に結像される。撮像素子４０は、支持部材４１により筐体６０内に支持されている。また、後述する通り、撮像素子４０の撮像面は、中心を原点とする二次元座標系として構成されている。
【００３４】
撮像素子４０の撮像面には、複数の受光素子（画素）が中心から外側に向かって二次元状に配列されている。受光素子としては、高感度な受光素子が好ましい。例えば、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）や単光子検出受光素子等、通常のフォトダイオードに比べて高感度な受光素子を用いることができる。撮像素子４０の撮像面は、平面視が円形状でもよく矩形状でもよい。本実施の形態では、撮像素子４０の撮像面が矩形状であるものとして説明する。
【００３５】
また、撮像素子４０と受光光学系５０との間に、撮像領域を切り替えるゲート部を設けてもよい。ゲート部は、撮像領域以外の領域への入射光を遮断することで、撮像領域を切り替える。これにより、撮像素子４０に迷光や外乱光等の不要光が入射せず、画像信号のノイズが低減される。例えば、測定距離が近距離の場合には、撮像素子４０の撮像面の中心領域が撮像領域として使用される。一方、測定距離が遠距離の場合には、撮像素子４０の撮像面の周辺領域が撮像領域として使用される。従って、測定距離が近距離の場合には撮像領域を中心領域に切り替え、測定距離が遠距離の場合には撮像領域を周辺領域に切り替えるように、測定距離に応じたタイミングでゲート部を作動させてもよい。
【００３６】
受光光学系５０は、入射した光を結像させる結像レンズ５２、開口５４Ａを有する遮光部材５４、回転対称軸１２に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラー５６、及び外側にトロイダル面を有する円環状レンズ５８を備えている。円環状レンズ５８、凸面ミラー５６、遮光部材５４、及び結像レンズ５２は、受光される光の光路に沿って反射光の入射側からこの順序で配置されている。開口５４Ａを有する遮光部材５４は、開口５４Ａの径を機械的に変更できる絞り機構としてもよい。
【００３７】
円環状レンズ５８は、トロイダル面を外側に向けて、筐体６０の外周部に取り付けられている。凸面ミラー５６は、曲面状の反射面を遮光部材５４側に向けて、円環状レンズ５８の光射出側に配置されている。遮光部材５４は、凸面ミラー５６の光反射側に配置されている。結像レンズ５２は、開口５４Ａを有する遮光部材５４の光射出側に配置されている。結像レンズ５２は、光軸と回転対称軸１２とが一致するように配置されている。遮光部材５４は、回転対称軸１２が開口５４Ａの略中心を通るように配置されている。円環状レンズ５８は、その中心を通る回転対称軸が回転対称軸１２と一致するように配置されている。
【００３８】
付言すれば、本実施の形態に係る距離測定装置１０の各部は固定配置されており、回転ミラー等の機械的に駆動される可動部を備えていない。このため、測定速度を向上させることができる、装置の故障を低減することができる、装置の小型化を図ることができる、装置の低コスト化を図ることができる等、可動部を備える距離測定装置と比較して、多数の利点を有している。
【００３９】
（距離測定装置の動作）
次に、第１の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図２は図１に示す距離測定装置の動作を示す回転対称軸に沿った断面図である。図２に示すように、光源２０から射出されたレーザ光は、円錐レンズ３２の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。直進性を有するレーザ光は、平行光として円錐レンズ３２に入射する。円錐レンズ３２は、入射した平行光を環状光に整形する。環状光に整形することにより、光利用効率が向上する。円錐レンズ３２で生成された環状光は、レンズ３４に入射する。レンズ３４は、入射した環状光を平行光化する。
【００４０】
レンズ３４で生成された環状の平行光は、凸面ミラー３６の曲面状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー３６で外側に反射された光は、円環状レンズ３８に入射する。円環状レンズ３８は、凸面ミラー３６で反射された光を平行光化して、水平方向の全方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳを投光する。平行光化することにより、投光されるレーザ光の拡がりが抑制されて、測定精度が向上する。
【００４１】
視野領域に在る物体を、距離測定の対象である対象物Ｔとする。対象物Ｔで反射されたレーザ光（反射光）ＢＲは、トロイダル面から円環状レンズ５８に入射する。円環状レンズ５８には、水平方向の全方位に在る対象物Ｔからの反射光ＢＲが入射する。円環状レンズ５８は、入射した反射光ＢＲを集光する。円環状レンズ５８で集光された光は、凸面ミラー５６の曲面状の反射面に照射され、遮光部材５４側に反射される。ここで、凸面ミラー５６に照射された光は、回転対称軸１２の方向に反射される。
【００４２】
凸面ミラー５６で反射された光は、一部が開口５４Ａを通過すると共に、残部が遮光部材５４で遮断される。迷光等の不要な光が、遮光部材５４で遮断されて、測定精度が向上する。開口５４Ａを通過した光は、結像レンズ５２に入射する。結像レンズ５２は、入射した光を撮像素子４０の撮像面に結像させる。撮像素子４０の撮像面には、対象物Ｔからの反射光に応じた輝点が形成される。撮像素子４０は、各画素で受光した光を検出して光電変換を行い、画素毎に数値化された画像信号を出力する。なお、以下では、撮像素子４０からは、Ａ／Ｄ変換処理されたディジタルの画像信号が出力されるものとして説明する。
【００４３】
本実施の形態では、距離測定装置１０から対象物Ｔまでの距離Ｌは、撮像素子４０で撮像された輝点Ｓの画像から、三角測量の原理に基づいて求められる。なお、三角測量による距離測定の原理については後述する。撮像素子４０の撮像面は、中心Ｃを原点とする二次元座標系として構成されている（図５、図７参照）。原点から輝点Ｓまでの距離ｒは、三角測量の原理に基づいて、対象物Ｔまでの距離Ｌと予め対応付けられている。また、輝点Ｓの位置を極座標（ｒ、θ）で表した場合の角度θも、対象物Ｔの方位角αと予め対応付けられている。
【００４４】
換言すれば、受光光学系５０は、対象物Ｔまでの距離Ｌ、方位角αに対応して予め定めた極座標（ｒ、θ）で表される輝点Ｓを、撮像素子４０の撮像面上に結像するように設計されている。更に言えば、受光光学系５０は、三角測量の原理が適用できるように、視野領域での対象物Ｔの位置情報（距離Ｌ、方位角α）を、撮像面での輝点Ｓの位置情報（距離ｒ、角度θ）に変換している。従って、撮像素子４０で撮像された画像上での輝点Ｓの極座標（ｒ、θ）から、対象物Ｔまでの距離Ｌと方位角αとを取得することができる。
【００４５】
（距離測定装置の電気的構成）
次に、第１の実施の形態に係る距離測定装置の電気的構成について説明する。
図３は図１に示す距離測定装置の電気的構成を示すブロック図である。図３に示すように、距離測定装置１０は、制御部７０、光源２０を駆動する光源駆動部７２、測定結果を表示する表示部７４、及び装置の操作を行う操作入力部７６を備えている。表示部７４は、ディスプレイ等の表示装置を備えている。操作入力部７６は、タッチパネルや操作ボタン等を備えている。
【００４６】
制御部７０は、装置全体の制御及び各種演算を行うコンピュータとして構成されている。即ち、制御部７０は、ＣＰＵ（中央処理装置;  Central Processing Unit）７０Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）７０Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）７０Ｅを備えている。ＣＰＵ７０Ａ、ＲＯＭ７０Ｂ、ＲＡＭ７０Ｃ、不揮発性メモリ７０Ｄ、及びＩ／Ｏ７０Ｅの各々は、バス７０Ｆを介して接続されている。
【００４７】
光源駆動部７２、表示部７４、及び操作入力部７６の各部は、制御部７０のＩ／Ｏ７０Ｅに接続されている。また、撮像素子４０も、制御部７０のＩ／Ｏ７０Ｅに接続されている。なお、撮像素子４０からアナログ信号が出力される場合には、Ａ／Ｄ変換器を介して制御部７０のＩ／Ｏ７０Ｅと接続される。また、撮像素子４０とＡ／Ｄ変換器との間に、アナログ信号を増幅する増幅器を挿入してもよい。
【００４８】
制御部７０は、光源駆動部７２、表示部７４、及び操作入力部７６の各部を制御すると共に、各種の演算を行う。例えば、光源２０からパルス変調されたレーザ光が射出されるように、光源駆動部７２に制御信号を入力する。光源駆動部７２は、入力された制御信号に基づいて光源２０をパルス変調駆動する。また、制御部７０には、撮像素子４０から画像信号が入力されると共に、操作入力部７６から指示信号が入力される。
【００４９】
制御部７０のＣＰＵ７０Ａは、ＲＯＭ７０Ｂから記憶したプログラムを読み出して、ＲＡＭ７０Ｃにロードする。ＣＰＵ７０Ａは、ＲＡＭ７０Ｃをワークエリアとして使用して、ＲＡＭ７０Ｃにロードされたプログラムを実行する。本実施の形態では、対象物Ｔまでの距離Ｌを取得する「距離取得処理」を実行するための制御プログラムが、ＲＯＭ７０Ｂに予め記憶されている。制御プログラムは、ＣＰＵ７０ＡによりＲＯＭ７０Ｂから読み出されて実行される。
【００５０】
また、本実施の形態では、撮像素子４０上での原点からの距離ｒと対象物Ｔまでの距離Ｌとの対応関係、及び撮像素子４０上での角度θと対象物Ｔの方位角αとの対応関係が、ＲＯＭ７０Ｂに予めテーブルやグラフで記憶されている。なお、距離ｒと距離Ｌとの対応関係を記憶する代わりに、距離ｒから距離Ｌを導出するための関係式を予め記憶しておいてもよい。関係式を記憶した場合には、「距離取得処理」を実行する度に、記憶された関係式に基づいて演算を行って、距離ｒから距離Ｌを導出する。また、同様に、関係式に基づいて角度θから方位角αを導出してもよい。
【００５１】
（三角測量による距離測定原理）
次に、三角測量による距離測定の原理について説明する。
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は三角測量による距離測定の原理を説明するための模式図である。三角測量の原理は、三角形の内角の和がπであるという定理、正弦定理、余弦定理等を用いて、三角形の一部の辺長や角度を取得すれば、取得された辺長や角度から三角形の全部の辺長や角度を求めることができるという原理である。一例としては、三角形の一辺の長さとその一辺の両端の角度とが取得又は設定されると、他の二辺の長さと他の１つの角度とが求められる。
【００５２】
図４（Ａ）に示すように、距離測定装置１０から水平方向に広がる視野領域の所定方位にレーザ光を投光すると仮定する。光源２０からは、光軸が回転対称軸１２と一致するように（即ち、鉛直方向に）レーザ光が射出される。鉛直方向に射出されたレーザ光は、投光光学系３０の凸面ミラー３６により水平方向に沿って外側に反射される。ここでは、凸面ミラー３６によりレーザ光が反射される位置を「投光点Ｆ」とする。
【００５３】
視野領域の所定方位には、標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃの３箇所に対象物Ｔが存在する。標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃは、距離測定装置１０に近い側からこの順序で並んでいる。例えば、標点Ａに在る対象物Ｔで反射された反射光は、受光光学系５０の円環状レンズ５８で集光され、凸面ミラー５６により反射されて取り込まれる。撮像素子４０の撮像面には、位置Ａに対応する輝点ＳＡが結像される。同様に、標点Ｂに対応する輝点ＳＢが結像され、標点Ｃに対応する輝点ＳＣが結像される。
【００５４】
図４（Ｂ）では、受光光学系５０により反射光が受光される位置が、回転対称軸１２上に在るものとして、図４（Ａ）に示す配置関係を簡素化して図示している。即ち、回転対称軸１２上に、反射光が受光された位置を検出する観測面が存在すると仮定している。ここでは、反射光が受光される位置を「受光点Ｐ」とする。標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃの各々に応じて、回転対称軸１２上には受光点ＰＡ、受光点ＰＢ、受光点ＰＣが在る。
【００５５】
なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に「遠」及び「近」と表記したのは、距離測定装置１０から標点までの遠近距離である。距離測定装置１０から標点までの距離Ｌが長くなるほど、対応する受光点Ｐの「投光点Ｆ」からの距離は短くなる。
【００５６】
例えば、距離測定装置１０から最も近い標点Ａに対象物Ｔが存在する場合には、投光点Ｆ、標点Ａ、受光点ＰＡを頂点とする直角三角形ＦＡＰＡが形成される。投光点Ｆを不動の三角点とし、投光点Ｆと受光点ＰＡとを両端とする線分を基線とする。角度∠ＡＦＰＡは、直角（９０°）である。また、角度∠ＡＰＡＦは、観測面に対する反射光の入射角の余角である。従って、基線の長さＬＦＰと角度∠ＡＰＡＦ（或いは、入射角）とが取得又は設定されると、三角測量の原理に基づいて、投光点Ｆから標点Ａまでの距離ＬＦＡが求められる。
【００５７】
逆に、投光点Ｆから標点Ａまでの距離ＬＦＡに応じて、基線の長さＬＦＰ及び角度∠ＡＰＡＦを設定することもできる。本実施の形態では、受光光学系５０により、回転対称軸１２上の受光点ＰＡに対応するように、撮像素子４０の撮像面上に輝点ＳＡが結像される。このとき、上記と同様に三角測量の原理を適用することで、投光点Ｆから標点Ａまでの距離ＬＦＡに応じて、輝点ＳＡの原点からの距離ｒＡが設定される。
【００５８】
上記の通り、本実施の形態の受光光学系５０は、三角測量の原理に基づいて距離測定を行うことが可能に設計されている。三角測量の原理を適用可能な光学系は、例えば、以下に示す（１）及び（２）の設計指針に基づいて設計される。（１）三角測量の基線を結像光学系の回転対称軸と一致させる又は平行にすること。（２）基線上の受光点を基線と垂直な線上に投影する折り返し光学系を有すること。
【００５９】
上記（１）及び（２）により、折り返し光学系が無ければ基線上に線形に結像される受光点が、基線に対して垂直な線上に結像されて、三角測量の原理が適用可能となる。撮像素子４０の撮像面が、複数方位の基線に対して垂直な線を含む面に配置される。撮像面をこのように配置することで、１つの撮像面で各方位（例えば、３６０°）の距離測定を同時に行うことができる。
【００６０】
例えば、図１に示す受光光学系５０では、円環状レンズ５８が、中心を通る回転対称軸が回転対称軸１２と一致するように配置されて、基線に平行な線上に結像できる条件を作る。また、凸面ミラー５６が、円環状レンズ５８から射出された光を基線に対して垂直な方向に折り返す。そして、結像レンズ５２が、基線に対して垂直に配置された撮像素子４０の撮像面上に受光点を結像する。複数の光学素子を組み合わせて受光光学系５０を構成することにより、基線長を長くすることが可能となり、三角測量の精度が向上する。
【００６１】
（撮像素子上の輝点と測定対象物との関係）
次に、撮像素子上の輝点と測定対象物との関係について説明する。
図５は撮像素子上の輝点と測定対象物との関係を説明するための模式図である。三角測量の原理の説明では、図４を参照して所定方位にレーザ光を投光する場合について説明したが、本実施の形態では、水平方向の全方位にレーザ光を投光する。
【００６２】
図５に示すように、距離測定装置１０から水平方向に広がる視野領域を二次元平面とした場合には、全方位に存在する対象物Ｔが同時に検出される。この例では、異なる方位に位置する標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃに在る対象物Ｔが検出される。なお、標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃの順で距離測定装置１０に近い点は、図４に示す例と同様である。
【００６３】
また、図５に示すように、撮像素子４０の撮像面４２上の二次元座標系は、距離測定装置１０の視野領域の二次元平面に対応している。上記の通り、距離測定装置１０の視野領域における対象物Ｔの位置情報（距離Ｌ、方位角α）は、撮像素子４０の二次元座標系における位置情報（距離ｒ、角度θ）に変換されて、撮像素子４０の撮像面４２上には、視野領域内にある対象物Ｔに対応する輝点Ｓが結像される。本実施の形態では、対象物Ｔまでの距離Ｌが長くなるほど、撮像素子４０上での距離ｒが長くなる例について説明するが、対象物Ｔまでの距離Ｌが長くなるほど撮像素子４０上での距離ｒを短くしてもよい。
【００６４】
この例では、視野領域内にある標点Ａ、標点Ｂ、標点Ｃの各々に対応して、撮像面４２には輝点ＳＡ、輝点ＳＢ、輝点ＳＣが結像されている。距離測定装置１０に近い標点Ａに対応する輝点ＳＡは、原点に近い位置に結像される。一方、距離測定装置１０から遠い標点Ｃに対応する輝点ＳＣは、原点から遠い位置に結像される。また、標点Ａは距離測定装置１０に対し南南西の方位にある。標点Ａに対応する輝点ＳＡは、撮像面４２上の二次元座標系の方位記号に基づけば、原点に対し南南西の方位にある。
【００６５】
撮像素子４０は、撮像面４２上に結像された全部の輝点Ｓを撮像して、撮像された画像上で輝点Ｓの位置情報（距離ｒ、角度θ）を取得する。取得された位置情報（距離ｒ、角度θ）は、予め記憶された対応関係に基づいて、視野領域における位置情報（距離Ｌ、方位角α）に再変換される。従って、本実施の形態に係る距離測定装置１０によれば、水平方向の全方位（視野領域）に在る、全部の対象物Ｔまでの距離を一度に測定することができる。なお、制御部７０で実行される「距離取得処理」については後述する。
【００６６】
なお、距離測定装置１０の視野領域は、受光光学系５０を構成する光学素子の特性により制限を受ける場合がある。例えば、測定可能な距離範囲は、円環状レンズ５８の開口数ＮＡにより制限を受ける。円環状レンズ５８は、開口数ＮＡに応じて所定範囲の角度で入射した光しか集光できない。例えば、近距離に存在する物体からの反射光は、入射角が大き過ぎるために円環状レンズ５８で蹴られ、受光光学系５０で受光できない。このため、距離測定装置１０から所定距離以下は、物体までの距離を測定できない死角となる。
【００６７】
（制御部の信号処理動作）
次に、距離測定装置で実行される「距離取得処理」について説明する。図７は図１に示す距離測定装置の信号処理動作を説明するための模式図である。なお、図７では、測定可能な距離Ｌの範囲に応じて、原点（中心Ｃ）からの距離ｒの下限値ｒｍｉｎと距離ｒの上限値ｒｍａｘとが点線で図示されている。図１４は距離取得処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。距離取得処理は、制御部７０のＣＰＵ７０Ａにより実行される。また、距離取得処理は、操作入力部７６がユーザにより操作されて、距離測定の指示を受け付けた場合に開始される。
【００６８】
まず、ステップ１００で、光源２０を点灯してパルス変調駆動するように、光源駆動部７２に指示する。光源２０からはパルス変調されたレーザ光が射出される。射出されたレーザ光は、投光光学系３０により水平方向に沿って全方位に投光される。
【００６９】
次に、ステップ１０２で、投光タイミング及び測定距離に応じて予め設定された受光タイミングで、撮像素子４０から画像信号を取得する。本実施形態では、水平方向の全方位に在る対象物Ｔからの反射光が受光光学系５０で受光される。撮像素子４０の撮像面４２には、対象物Ｔに対応した輝点Ｓが結像される。撮像素子４０は、輝点Ｓの像を撮影して、画像信号を制御部７０に出力する。
【００７０】
なお、非投光時（反射光を受光していない状態）の基準画像信号を、撮像素子４０から予め取得して補正情報として記憶しておいてもよい。ステップ１０２で取得された画像信号から基準画像信号を差し引く補正を行うことで、画像信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させることができる。
【００７１】
次に、ステップ１０４で、画像信号に基づいて、検出された輝点Ｓの輝度（光強度）が予め設定された閾値以上か否かを判定する。ステップ１０４で肯定判定の場合は、輝点Ｓの光強度は高いので、対象物Ｔからの反射光による輝点と認識して処理対象に加え、次のステップ１０６に進む。一方、ステップ１０４で否定判定の場合は、輝点Ｓの光強度は低いので、対象物Ｔからの反射光による輝点ではない（迷光等によるノイズ）と認識して処理対象から除外し、ルーチンを終了する。
【００７２】
次に、ステップ１０６で、検出された全部の輝点Ｓについて判定が行われたか否かを判定する。ステップ１０６で肯定判定の場合は、次のステップ１０８に進む。一方、ステップ１０６で否定判定の場合は、ステップ１０４に戻って他の輝点Ｓの光強度が予め設定された閾値以上か否かを判定する。
【００７３】
例えば、図７に示す例では、撮像素子４０の撮像面４２には、４つの輝点Ｓ１、輝点Ｓ２、輝点Ｓ３、輝点Ｓ４が結像されている。輝点Ｓ１、輝点Ｓ２、輝点Ｓ３の光強度は閾値以上であるため、対象物Ｔからの反射光による輝点と認識されて処理対象に加えられる。ここでは、輝点Ｓ１、輝点Ｓ２、輝点Ｓ３の各々に対応する対象物を、対象物Ｔ１、対象物Ｔ２、対象物Ｔ３として区別する。一方、輝点Ｓ４の光強度は閾値より低いので、処理対象から除外される。
【００７４】
次に、ステップ１０８で、処理対象とされた輝点Ｓ１、輝点Ｓ２、輝点Ｓ３の位置情報（距離ｒ１〜ｒ３、角度θ１〜θ３）を取得する。輝点Ｓ１、輝点Ｓ２、輝点Ｓ３の各々には、距離ｒ１及び角度θ１、距離ｒ２及び角度θ２、距離ｒ３及び角度θ３の各々が対応する。
【００７５】
次に、ステップ１１０で、撮像素子４０上での原点からの距離ｒと対象物Ｔまでの距離Ｌとの対応関係を示すテーブルを参照して、距離ｒ１、距離ｒ２、距離ｒ３の各々に対応する距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３を取得する。次に、ステップ１１２で、撮像素子４０上での角度θと対象物Ｔの方位角αとの対応関係を示すテーブルを参照して、角度θ１、角度θ２、角度θ３に対応する方位角α１、方位角α２、方位角α３を取得する。
【００７６】
次に、ステップ１１４で、測定結果を表示部７４に表示するように指示して、ルーチンを終了する。表示部７４には、対象物Ｔ１、対象物Ｔ２、対象物Ｔ３の各々について、距離Ｌ１及び方位角α１、距離Ｌ２及び方位角α２、距離Ｌ２及び方位角α２が表示される。
【００７７】
（光学系の変形例）
ここで、上記の距離測定装置における光学系の変形例について説明する。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図６（Ａ）に示す距離測定装置１０Ａは、投光光学系３０の凸面ミラー３６に代えて、回転対称軸１２に対し軸対称な円錐の側面と同じ形状の反射面（以下、円錐状の反射面という。）を有する円錐ミラー８０を配置した以外は、図１に示す距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、円錐ミラー８０は、回転対称軸１２に対し軸対称な曲面状の反射面を有する凸面ミラーの１種である。
【００７８】
円錐ミラー８０は、円錐状の反射面をレンズ３４側に向けて、レンズ３４の光射出側に配置されている。なお、円錐ミラー８０は、支持部材８１により筐体６０内に支持されている。円錐ミラー８０によりレンズ３４を透過した環状の平行光を外側に反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、円環状レンズ５８を省略することができる。
【００７９】
また、図６（Ｂ）に示す距離測定装置１０Ｂは、受光光学系５０の凸面ミラー５６に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー８５を配置した以外は、図１に示す距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、図６（Ａ）に示す例と同様に、投光光学系３０の凸面ミラー３６に代えて、円錐状の反射面を有する円錐ミラー８０を配置してもよい。
【００８０】
円錐ミラー８５は、円錐状の反射面を遮光部材５４側に向けて、円環状レンズ５８の光射出側に配置されている。円錐ミラー８５は、支持部材８３により筐体６０内に支持されている。円錐ミラー８５により円環状レンズ５８で集光された光を反射する場合には、反射光の拡がり角度が狭いために、輝点Ｓを精度よく結像することができる。従って、対象物Ｔまでの距離Ｌの測定精度が向上する。
【００８１】
なお、上記では一部の光学素子を変更する例について説明したが、投光光学系３０及び受光光学系５０の各々は、上記した所定の機能を発揮できればよく、各光学系の構成は例示したものに限定される訳ではない。例えば、投光光学系３０においては、円錐レンズ３２、レンズ３４、円環状レンズ３８を省略してもよい。また、円錐レンズ３２は、円錐台レンズ、一対の円錐レンズ等、平行光を環状光に整形する機能を有する他の光学素子に置き換えてもよい。また、受光光学系５０においては、開口５４Ａを有する遮光部材５４を省略してもよい。
【００８２】
＜第２の実施の形態＞
（距離測定装置の構成）
第２の実施の形態に係る距離測定装置の構成について説明する。
図８（Ａ）は距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図８（Ｂ）は光変調素子の平面図である。第２の実施の形態に係る距離測定装置１０Ｃは、レンズ３４と凸面ミラー３６との間に、輝度の空間分布を生成する光変調素子８２を配置した以外は、第１の実施の形態に係る距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８３】
光変調素子８２は、光を透過する複数の開口８４を有する遮光部材である。複数の開口８４は、放射線状に並ぶように規則的に配列されている。この例では、光軸を中心とする複数（この例では３つ）の同心円があり、複数の開口８４は各同心円に沿って配列されている。同心円の各々に対して、同じ個数（この例では１６個）の開口８４が、略等間隔で配列されている。
【００８４】
光変調素子８２には、レンズ３４を透過した環状の平行光が照射される。光変調素子８２のレンズ３４に対向する表面には、環状の平行光が照射される照射領域８６（網掛け領域）を設定することができる。本実施の形態では、照射領域８６に複数の開口８４が設けられている。光変調素子８２の照射領域８６に照射された光の一部は、複数の開口８４を通過する。一方、光変調素子８２の照射領域８６に照射された光の残部は、遮光部材で遮断される。
【００８５】
この結果、入射した光が光変調素子８２により強度変調されて、輝度の空間分布を有する平行光が生成される。即ち、光変調素子８２による変調光を光軸と直交する断面で見ると、複数の開口８４に対応する領域では輝度が高くなり、遮光部材に対応する領域では輝度が低くなる。
【００８６】
図８（Ｂ）に示す光変調素子８２の例では、光軸を中心とする同心円状の複数（この例では３つ）の不連続な環状光が形成される。ここで、不連続な環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分と輝度の低い部分とが交互に配列された環状光を意味する。なお、本実施の形態では、不連続な環状光を生成するが、連続した環状光を生成してもよい。ここで、連続した環状光とは、同心円に沿って輝度の高い部分が連続して配置された通常の環状光である。
【００８７】
（距離測定装置の動作）
次に、第２の実施の形態に係る距離測定装置の動作について説明する。
図９（Ａ）は図８に示す距離測定装置の動作を説明するための模式図である。図９（Ｂ）は撮像素子上の輝点の配列を示す平面図である。図９（Ｃ）は輝点の基準位置からのずれを示す部分拡大図である。
【００８８】
図９（Ａ）に示すように、距離測定装置１０Ｃでは、光変調素子８２で生成された同心円状の複数の不連続な環状光は、凸面ミラー３６の曲面状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置から水平方向に沿って外側に反射される。凸面ミラー３６で外側に反射された光は、円環状レンズ３８に入射する。円環状レンズ３８は、凸面ミラー３６で反射された光を平行光化して、水平方向の特定された複数の方位にパルス変調された複数（この例では３種類）のレーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２、レーザ光ＢＳ３を投光する。なお、水平方向の複数の方位は規則的に配列されているので、投光されるレーザ光ＢＳは格子状の光ということもできる。
【００８９】
同心円状の複数の不連続な環状光は、光軸に近い同心円の環状光ほど、凸面ミラー３６の回転対称軸に近い位置で反射され、鉛直方向の下側の位置から外側に反射される。従って、３種類のレーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２、レーザ光ＢＳ３によれば、鉛直方向の位置（高さ）が異なる水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２及びレーザ光ＢＳ３は、記載された順序で、鉛直方向のより高い位置に投光される。
【００９０】
本実施の形態では、３種類のレーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２、レーザ光ＢＳ３が高さの異なる視野領域に投光されて、各々の視野領域に在る対象物Ｔで反射されたレーザ光ＢＲ１、レーザ光ＢＲ２、レーザ光ＢＲ３が受光される。レーザ光ＢＲ１、レーザ光ＢＲ２、レーザ光ＢＲ３の各々は、レーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２、レーザ光ＢＳ３の各々に対応する反射光である。即ち、複数パスでの距離測定が行われる。
【００９１】
図９（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、レーザ光ＢＲ１、レーザ光ＢＲ２、レーザ光ＢＲ３により、高さに応じた同心円ＲＳ上に輝点Ｓが形成される。最も高い位置を監視するレーザ光ＢＳ１には、最も内側の同心円ＲＳ１が対応している。レーザ光ＢＳ１を対象物Ｔに照射した場合、対象物Ｔからの反射光（レーザ光ＢＲ１）は、同心円ＲＳ１上に結像する。同様に、レーザ光ＢＲ２は同心円ＲＳ２上に結像し、レーザ光ＢＲ３は同心円ＲＳ３上に結像する。
【００９２】
対象物Ｔが凹凸を有する場合には、凹部までの距離Ｌは長くなり、凸部までの距離は短くなる。図９（Ａ）に示す例では、レーザ光ＢＳ１が凹部にある標点Ａに照射されて、レーザ光ＢＲ１が標点Ａから反射される。また、レーザ光ＢＳ２が凸部にある標点Ｂに照射されて、レーザ光ＢＲ２が標点Ｂから反射される。また、レーザ光ＢＳ３が凹部にある標点Ｃに照射されて、レーザ光ＢＲ３が標点Ｃから反射される。
【００９３】
図９（Ｃ）に示すように、対象物Ｔに凹凸が無い場合に同心円ＲＳ上に形成される輝点Ｓを「基準となる輝点Ｓ０（□で表示）」とする。対象物Ｔが凹凸を有する場合には、対象物Ｔに凹凸が無い場合と比較すると、対象物Ｔの凹部までの距離Ｌは長くなり、凹部に在る標点からの反射光に基づく輝点Ｓｒ（■で表示）は、輝点Ｓ０より外側に形成される。一方、対象物Ｔの凸部までの距離Ｌは短くなり、凸部に在る標点からの反射光に基づく輝点Ｓｒ（■で表示）は、輝点Ｓ０より内側に形成される。
【００９４】
図９（Ｂ）に示すように、対象物Ｔが存在する１方位で見ると、標点Ａ及び標点Ｃからの反射光による輝点Ｓｒ（■）は、輝点Ｓ０（□）より外側に形成される。また、標点Ｂからの反射光による輝点Ｓｒ（■）は、輝点Ｓ０（□）より内側に形成される。換言すれば、輝点Ｓｒの輝点Ｓ０からのずれ方向により、標点が凹部に在るか凸部に在るかが分かる。また、輝点Ｓ０からのずれ量により、標点までの距離Ｌが分かる。即ち、対象物Ｔまでの距離Ｌを複数の高さについて取得することにより、対象物Ｔの表面形状に関する情報を取得することができる。この場合は、鉛直方向の異なる位置での情報、即ち、高さ方向の情報が取得される。
【００９５】
（光変調素子の変形例）
なお、上記では、図８（Ｂ）に示す光変調素子８２を例示したが、所望の視野領域の高さや方位に応じて輝度の空間分布（パターン）を有する変調光を生成できればよく、光変調素子８２の構造はこれに限定されるわけではない。光変調素子８２によりランダムパターンを付与してもよい。例えば、光変調素子８２として網目（メッシュ）や拡散板等を用いて、入射した光を強度変調してもよい。ランダムパターンを付与する場合には、フーリエ変換により基準画像との相関を求めることで、基準位置からずれ量が取得される。
【００９６】
（複数の環状光を生成する他の変形例）
なお、上記では、光変調素子により複数の環状光を生成する例について説明したが、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成してもよい。図１０は複数の環状光を生成する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図１０に示す距離測定装置１０Ｄは、投光光学系３０において、凸面ミラー３６に代えて円錐ミラー８０を配置すると共に、円錐レンズ３２に代えて多段型円錐レンズ９０を配置した以外は、図１に示す距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００９７】
多段型円錐レンズ９０は、複数の勾配を有する円錐状の透過面を有している。多段型円錐レンズ９０は、円錐状の透過面を光源２０側に向けて、光源２０の光射出側に配置されている。多段型円錐レンズ９０は、光軸と回転対称軸１２とが一致するように配置されている。多段型円錐レンズ９０は、支持部材９１により筐体６０内に支持されている。
【００９８】
光源２０から射出されたレーザ光は、多段型円錐レンズ９０の円錐状の透過面の頂点及びその周辺に照射される。多段型円錐レンズ９０は、複数の勾配を有する円錐状の透過面により、入射した平行光を複数の環状光に整形する。図示した例では、多段型円錐レンズ９０の透過面は２種類の勾配を有しており、同心円状の２つの環状光が生成される。多段型円錐レンズ９０で生成された複数の環状光は、レンズ３４で平行光化されて、円錐ミラー８０に照射される。
【００９９】
同心円状の複数の環状光は、円錐ミラー８０の円錐状の反射面の異なる位置に照射され、鉛直方向の異なる位置（高さ）から水平方向に沿って外側に反射される。鉛直方向の異なる高さで反射された各光は、鉛直方向での高さに応じて水平方向の全方位にパルス変調された複数（この例では２種類）のレーザ光ＢＳとして投光される。複数のレーザ光ＢＳにより、鉛直方向の異なる位置（高さ）において、水平方向の全方位を視野領域として監視することができる。
【０１００】
なお、上記では、多段型円錐レンズにより複数の環状光を生成する例について説明したが、投光光学系を構成する凸面ミラーや円錐ミラーを多段化することで、複数の環状光を照射する場合と同様に、鉛直方向の異なる位置から複数のレーザ光ＢＳを投光することができる。例えば、図６（Ａ）に示す例において、円錐ミラー８０に代えて、光軸に対し同心円状の複数の反射領域が配置された円錐状の反射面を有する多段型円錐ミラーを用いてもよい。なお、隣接する２つの反射領域の間には、光を反射しない非反射領域とされている。ここで、非反射領域とは、入射した光を吸収・散乱する領域のことである。
【０１０１】
＜他の変形例＞
なお、上記では水平方向の全方位を視野領域として監視する例について説明したが、視野領域は水平方向の全方位に限定される訳ではない。複数の方位や一部の方位を視野領域としてもよい。図１１（Ａ）は全方位より狭い視野領域を有する他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図１１（Ｂ）は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。
【０１０２】
図１１（Ａ）に示す距離測定装置１０Ｅは、投光光学系３０の凸面ミラー３６に代えて、半円錐状の反射面を有する２つの半円錐ミラー９２、９４を配置した以外は、図１に示す距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
図１１（Ｂ）に示すように、半円錐ミラー９２は、半円錐状の反射面が内側に形成されている。半円錐ミラー９２は、半円錐状の反射面をレンズ３４側に向けて、レンズ３４の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー９４は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー９４は、半円錐状の反射面をレンズ３４側に向けて、レンズ３４の光射出側に配置されている。
【０１０４】
レンズ３４からは環状の平行光が照射されるが、半円錐ミラー９２と半円錐ミラー９４とは、レンズ３４から異なる光が照射されるように水平方向に位置をずらして配置されている。また、半円錐ミラー９２と半円錐ミラー９４とは、鉛直方向にも位置をずらして配置されている。半円錐ミラー９２は、半円錐ミラー９４に対しレンズ３４からより遠くに配置されている。なお、半円錐ミラー９２、９４の各々は、支持部材（図示せず）により筐体６０内に支持されている。
【０１０５】
上記の通り、レンズ３４で生成された環状の平行光の一部は、半円錐ミラー９２の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー９２で外側に反射された光は、水平方向に沿って第１の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳ１として投光される。同様に、レンズ３４で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー９４の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー９４で外側に反射された光は、水平方向に沿って第２の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳ２として投光される。
【０１０６】
上記の例では、半円錐ミラー９２は、半円錐ミラー９４より鉛直方向の上側に配置されている。従って、レーザ光ＢＳ１は、レーザ光ＢＳ２よりも鉛直方向の上側の位置から投光される。レーザ光ＢＳ１、レーザ光ＢＳ２により、鉛直方向の異なる位置（高さ）において、水平方向の特定の方位（全方位より狭い）を視野領域として監視することができる。
【０１０７】
第１の方位と第２の方位とは、異なる方位でもよく、同じ方位でもよい。また、第１の方位と第２の方位の各々は、全方位より狭ければよく、一方位に限定される訳ではない。例えば、環状の平行光の半分を半円錐ミラー９２に照射すると共に、環状の平行光の残り半分を半円錐ミラー９４に照射することで、レーザ光ＢＳ１とレーザ光ＢＳ２の各々について、水平方向の１８０°の範囲を視野領域として監視することができる。なお、レーザ光ＢＳ１とレーザ光ＢＳ２とで、視野領域が異なっていてもよい。
【０１０８】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）は他の変形例に係る距離測定装置の投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図１２（Ａ）に示す例では、半円錐ミラー９４に代えて、半円錐状の半透過ミラー９６を配置した以外は、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示す距離測定装置１０Ｅと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【０１０９】
図１２（Ａ）に示すように、半円錐状の半透過ミラー９６は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐状の反射面は、いわゆるハーフミラーであり、内側から照射された光を透過し、外側から照射された光を反射する。半透過ミラー９６は、半円錐状の反射面をレンズ３４側に向けて、レンズ３４の光射出側に配置されている。レンズ３４で生成された環状の平行光の一部は、半透過ミラー９６の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。
【０１１０】
また、半透過ミラー９６は、半円錐状の透過面を半円錐ミラー９２側に向けて、半円錐ミラー９２の光射出側に配置されている。ここで、半円錐状の透過面とは、反射面の裏側である内側面を意味する。レンズ３４で生成された環状の平行光の他の一部は、半円錐ミラー９２の半円錐状の反射面で反射され、半透過ミラー９６の透過面を透過して、水平方向に沿って外側に反射される。
【０１１１】
本実施の形態では、半円錐ミラー９２と半透過ミラー９６とは、半円錐ミラー９２の反射面で反射され且つ半透過ミラー９６の透過面を透過した光と、半透過ミラー９６の反射面で反射された光とが合波されるように、予め定めた位置関係で配置されている。従って、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳが投光される。また、合波される二光波の位相が整合するように、半円錐ミラー９２と半透過ミラー９６の位置関係を調整することで、投光されるレーザ光ＢＳの光強度を高くすることができる。
【０１１２】
図１２（Ｂ）に示す例では、レンズ３４と半円錐ミラー９４との間に光変調素子９８を挿入した以外は、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示す距離測定装置１０Ｅと同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。図１２（Ｃ）に示すように、光変調素子９８は、光を透過する複数の開口９９（白抜き部分）が設けられた遮光部材である。光変調素子９８により、輝度の空間分布を有する環状光が生成される。
【０１１３】
図１２（Ｂ）に示すように、光変調素子９８を挿入することで、第２の実施の形態と同様に、不連続な環状光が生成される。生成された不連続な環状光の一部は、半円錐ミラー９２で外側に反射されて、水平方向に沿って第１の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳ１が投光される。また、生成された不連続な環状光の他の一部は、半円錐ミラー９４で外側に反射されて、水平方向に沿って第２の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳ２が投光される。上記の通り、レーザ光ＢＳ１とレーザ光ＢＳ２の各々について、水平方向の１８０°までの範囲を視野領域として監視することができる。また、不連続な環状光とすることで、水平方向の特定された複数の方位を視野領域として監視することができる。
【０１１４】
図１３（Ａ）は他の変形例に係る距離測定装置の回転対称軸に沿った断面図である。図１３（Ｂ）は投光光学系の主要部の構成を示す斜視図である。図１３（Ｃ）は投光光学系の主要部の変形例に係る構成を示す斜視図である。図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示す例では、光源２０を回転対称軸１２上に配置せず、投光光学系３０をレンズ群２２と半円錐ミラー１００を備える簡素な構成とした以外は、図１に示す距離測定装置１０と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、受光光学系５０の遮光部材５４も省略されている。
【０１１５】
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、投光光学系３０は、半円錐状の反射面を有する半円錐ミラー１００、及び入射した光を整形して半円錐ミラー１００に照射するレンズ群２２を備えている。光源２０、半円錐ミラー１００、及びレンズ群２２の各々は、支持部材（図示せず）により筐体６０内に支持されている。半円錐ミラー１００は、半円錐状の反射面が外側に形成されている。半円錐ミラー１００は、半円錐状の反射面をレンズ群２２側に向けて、レンズ群２２の光射出側に配置されている。また、半円錐ミラー１００は、円錐の回転対称軸と回転対称軸１２とが一致するように配置されている。
【０１１６】
光源２０から射出されたレーザ光は、レンズ群２２により水平方向に広がる光に整形される。レンズ群２２により整形された光は、半円錐ミラー１００の半円錐状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー１００で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳとして投光される。上記の通り、レーザ光ＢＳにより水平方向の１８０°までの範囲を視野領域として監視することができる。
【０１１７】
なお、図１３（Ｃ）に示すように、半円錐ミラー１００に代えて、半円柱状の反射面を有する半円柱ミラー１００Ａを用いてもよい。半円柱ミラー１００Ａは、円柱の回転対称軸と回転対称軸１２とが一致するように配置されている。この場合も、レンズ群２２により整形された光は、半円柱ミラー１００Ａの半円柱状の反射面に照射され、水平方向に沿って外側に反射される。半円錐ミラー１００で外側に反射された光は、水平方向に沿って特定の方位にパルス変調されたレーザ光ＢＳとして投光される。
【０１１８】
また、上記各実施の形態で説明した距離測定装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。例えば、各光学系を構成する光学素子を同等の機能を有する他の光学素子に置き換えてもよく、フローチャートの各ステップの順序を入れ替える等してもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１０   距離測定装置
１２   回転対称軸
２０   光源
２２   レンズ群
３０   投光光学系
３２   円錐レンズ
３４   レンズ
３６   凸面ミラー
３８   円環状レンズ
４０   撮像素子
４２   撮像面
５０   受光光学系
５２   結像レンズ
５４Ａ 開口
５４   遮光部材
５６   凸面ミラー
５８   円環状レンズ
６０   筐体
７０   制御部
７２   光源駆動部
７４   表示部
７６   操作入力部
８０   円錐ミラー
８２   光変調素子
８４   開口
８６   照射領域
９０   多段型円錐レンズ
９２   半円錐ミラー
９４   半円錐ミラー
９６   半透過ミラー
９８   光変調素子
９９   開口
１００ 半円錐ミラー
１００Ａ      半円柱ミラー
【図２】
2013195302.tif 000003
【図３】
2013195302.tif 000004
【図４】
2013195302.tif 000005
【図５】
2013195302.tif 000006
【図６】
2013195302.tif 000007
【図７】
2013195302.tif 000008
【図８】
2013195302.tif 000009
【図１０】
2013195302.tif 000010
【図１１】
2013195302.tif 000011
【図１２】
2013195302.tif 000012
【図１３】
2013195302.tif 000013
【図１４】
2013195302.tif 000014
【図１】
2013195302.tif 000015
【図９】
2013195302.tif 000016