(57)【要約】【課題】１８０度以上の走査角度を確保しながらも、小型で高精度な三次元測距装置を提供する。【解決手段】水平面に対して傾斜配置された偏向ミラー９を垂直な軸心Ｐ１周りに回転する走査機構と、軸心周りに配置され軸心に対して所定角度θ傾斜した光軸Ｌ１に沿って測定光を出射する投光部３と、投光部から出射され偏向ミラーで偏向反射された測定光に対する反射光を集光する集光光学系６と、集光された反射光を検出する単一の受光部５と、軸心Ｐ１の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部を駆動する駆動制御部と、走査機構により投光部から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間から被測定物までの距離を算出するとともに、走査機構から出射される測定光の走査角度から前記被測定物の角度を算出する距離算出部を備えている。【選択図】図１
2009236774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準平面に対して傾斜配置された偏向ミラーを、前記偏向ミラーを通り前記基準平面に垂直な軸心周りに回転する走査機構と、前記軸心から離隔した位置に配置され前記軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って測定光を出射する投光部と、前記投光部から出射され前記偏向ミラーで偏向反射された測定光のうち、被測定物からの反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された反射光を検出する単一の受光部と、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように前記投光部を駆動する駆動制御部と、前記走査機構により前記投光部から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間または位相差から前記被測定物までの距離を算出するとともに、前記走査機構から出射される測定光の走査角度から前記被測定物の角度を算出する距離算出部を備えている三次元測距装置。
【請求項２】
前記偏向ミラーが、前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射するとともに、前記被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する単一の偏向ミラーで構成され、前記集光光学系及び前記受光部が前記軸心上に配置されるとともに、前記複数の投光部が前記受光部の周囲に配置されている請求項１記載の三次元測距装置。
【請求項３】
前記偏向ミラーが前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射する第一偏向ミラーと、前記被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二偏向ミラーとを備えて構成され、前記受光部が前記偏向ミラーを挟んで前記投光部と対向する位置に配置されている請求項１記載の三次元測距装置。
【請求項４】
前記集光光学系は、反射光を合焦させる受光レンズと、前記受光レンズによる合焦位置から前記受光部に反射光を導く導光部材を備えている請求項１から３の何れかに記載の三次元測距装置。
【請求項５】
前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が前記偏向ミラー上で前記軸心と交差するように配置されている請求項１から４の何れかに記載の三次元測距装置。
【請求項６】
前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が、前記偏向ミラー上で前記軸心が交差する点より手前側または奥側で交差するように配置されている請求項１から４の何れかに記載の三次元測距装置。
【請求項７】
前記投光部が、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置で複数配置され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記複数の投光部から何れか一つを選択して順次駆動する請求項１から６の何れかに記載の三次元測距装置。
【請求項８】
前記投光部が、前記軸心周りに回転する回転体に支持された単一の投光部で構成され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記回転体を所定角度回転駆動する請求項１から６の何れかに記載の三次元測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の三次元的形状を取得するために、測定対象空間を三次元的に走査して被測定物までの距離を計測する三次元測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に示すように、レーザ光源ＬＤから出力される測定光に変調を加えて対象物Ｒに照射し、対象物Ｒからの反射光を受光素子ＰＤで検出して距離を測定する測距装置では、測定光の変調方式としてＡＭ（amplitude modulation）方式とＴＯＦ（Time of Flight）方式の二種類が実用化されている。
【０００３】
ＡＭ方式は、図１０（ａ）及び（数１）に示すように、正弦波でＡＭ変調された測定光とその反射光を光電変換して、それらの信号間の位相差Δφを計算し、位相差Δφから距離を演算する方式であり、ＴＯＦ方式は、図１０（ｂ）及び（数２）に示すように、パルス状に変調された測定光とその反射光を光電変換し、それらの信号間の遅延時間Δｔから距離を演算する方式である。ここに、Ｌは対象物Ｒまでの距離、Ｃは光速、ｆは変調周波数、Δφは位相差、Δｔは遅延時間を示す。
（数１）  Ｌ＝Δφ・Ｃ／（４π・ｆ）
（数２）  Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２
【０００４】
図１０に示す検出原理を採用した二次元測距装置として、例えば図１１に示すように、投光部３から出力された測定光を、モータ１１により軸心Ｐ１回りに回転する第一偏向ミラー９ａにより偏向させて軸心Ｐ１と直交する平面上で回転走査し、被測定物Ｒからの反射光を第二偏向ミラー９ｂで偏向して受光部５により検出することにより、被測定物までの距離を算出する信号処理回路９０を備えた二次元測距装置が本願発明者らにより提案されている（特願２００６−２５３８３３号）。
【０００５】
この種の二次元測距装置は、主にロボットや無人搬送車の視覚センサ、或いは、ドアの開閉センサや監視領域への侵入者の有無を検出する監視センサ、さらには、危険な装置に人や物が近づくのを検出し、機械を安全に停止する安全センサ等に利用される。
【０００６】
さらに、車の形状や人の形状を認識する場合にも利用され、例えば、ＥＴＣシステムでは、車種を判別し、通過する車の数をカウントするセンサとして利用され、人の数をカウントして込み具合や、人の流れを検出する監視センサに利用される。
【０００７】
しかし、ロボットの視覚装置や危険な機械の安全用のエリアセンサに使用される場合、検出エリアが二次元平面となるため、測定光の走査面から上下の方向に存在する対象物や障害物を検出することができない。特にロボット等の環境認識に使う場合、上下に適切な幅を有するワイドな画角領域のデータを得ることが重要であり、また、その領域内をなるべく均一な密度で走査することが望まれる。
【０００８】
そこで、特許文献１には、図１２に示すように、光源３から発せられた光信号を、ガルバノメータスキャナ１４ａのミラー１３ａに入射させ、ガルバノメータスキャナ１４ａのミラー１３ａから、さらに二つ目のガルバノメータスキャナ１４ｂのミラー１３ｂを介して検出対象物がある空間に照射される三次元測距装置が提案されている。
【０００９】
特許文献２には、図１３に示すように、図１２に示すような二次元測距装置１０２を第一軸心Ｐ１と斜交する第二軸心Ｐ２周りに回転駆動して、第一軸心Ｐ１のロール角度及びピッチ角度を変化させる第二回転機構２０と、第一軸心Ｐ１周りに回転する第一回転機構と当該第二回転機構とを回転制御する回転制御手段を備えた三次元測距装置２００が提案されている。
【００１０】
当該三次元測距装置では、シンプルな機構により第一軸心周りに回転走査される測定光により形成される平面が第二軸心周りに傾斜して、第一軸心のロール角度及びピッチ角度が変化するため、走査式二次元測距装置を用いて、第二軸心に沿った所定範囲で一定の走査密度で三次元的に走査することが可能となる。
【００１１】
尚、図１１から図１３に示す符号は各特許文献の符号をそのまま用いており、以下に述べる本発明の実施形態で使用される符号と重複する場合があっても互いに関連は無い。
【特許文献１】特開２００１−１４７２６９号公報
【特許文献２】特許第４０５９９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、測距装置は一般に検出感度を高くするために、特に受光軸の光芒が広くなるように設計され、高感度長距離計測の測距装置では走査するミラーが受光軸の光芒の大きさに比例して大きくなる。
【００１３】
そのため特許文献１に記載された技術では、原理的に走査角度が１８０度に制限され、その範囲で走査角度を大きくする場合であっても、それに対応して大きなミラーが必要となり、装置全体が大きくなるばかりかミラーを精度よく制御することが困難になるという問題がある。特に、側面方向の視野を必要とするロボットに装着する場合には、１８０度以上の走査角度が要求されるため、この方式を採用するのは困難である。
【００１４】
また、特許文献２に記載された技術では、第二回転機構を構成するモータやクランク機構等の大きな部品が装置本体の外部に配置されるため、装置全体を覆う安全カバーが必要となるばかりか装置全体が大型化して、パーソナルロボット等に搭載することが容易ではないという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、１８０度以上の走査角度を確保しながらも、小型で高精度な三次元測距装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的達成をするため、本発明による三次元測距装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、基準平面に対して傾斜配置された偏向ミラーを、前記偏向ミラーを通り前記基準平面に垂直な軸心周りに回転する走査機構と、前記軸心から離隔した位置に配置され前記軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って測定光を出射する投光部と、前記投光部から出射され前記偏向ミラーで偏向反射された測定光のうち、被測定物からの反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された反射光を検出する単一の受光部と、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように前記投光部を駆動する駆動制御部と、前記走査機構により前記投光部から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間または位相差から前記被測定物までの距離を算出するとともに、前記走査機構から出射される測定光の走査角度から前記被測定物の角度を算出する距離算出部を備えている点にある。
【００１７】
上述の構成によれば、投光部から出射された測定光が軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って偏向ミラーに入射するため、走査機構により回転する偏向ミラーで偏向反射された測定光が、基準平面に対して傾斜した平面上で走査されるようになる。
【００１８】
偏向ミラーがある走査角度に位置するときに、測定対象空間に向けて偏向出射される測定光と基準平面との傾斜角度が幾何学的に算出できるため、測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、被測定物に対する角度と距離が求まる。
【００１９】
そして、駆動制御部により、軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部が駆動されることにより、軸心の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面は、基準平面に対して傾斜し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになる。
【００２０】
図４に示すように、例えば、投光部から出射された測定光が偏向ミラー上で軸心と交差するように照射される場合に、測定光の光軸と軸心とのなす角度をθとすると、軸心を中心とする半径Ｌの仮想円筒の周面に照射される各測定光の軌跡は、±Ｌ・ｔａｎθの振れ幅のリサージュ形状を描くようになる。
【００２１】
各測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、測定対象空間に存在する被測定物に対する三次元的な距離を算出することができるのである。
【００２２】
このような投光部によれば、ケーシング内に極めて小型且つ精度良く配置できるため、小型で高精度な三次元測距装置を構築することができるようになる。
【００２３】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記偏向ミラーが、前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射するとともに、前記被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する単一の偏向ミラーで構成され、前記集光光学系及び前記受光部が前記軸心上に配置されるとともに、前記複数の投光部が前記受光部の周囲に配置されている点にある。
【００２４】
上述の構成によれば、測定光を測定対象空間に導く偏向ミラーと、被測定物からの反射光を受光部に導くミラーが兼用されることにより、装置を軸心方向に沿って小型化することができるようになる。
【００２５】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記偏向ミラーが前記投光部から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射する第一偏向ミラーと、前記被測定物からの反射光を前記受光部に向けて偏向反射する第二偏向ミラーとを備えて構成され、前記受光部が前記偏向ミラーを挟んで前記投光部と対向する位置に配置されている点にある。
【００２６】
上述した構成によれば、第一偏向ミラーで測定対象空間に照射された測定光の一部が装置の光学窓から反射する迷光が発生する場合であっても、当該迷光が第二偏向ミラーに入射することが抑制されるので、迷光による誤検出を招くことが抑制され、装置の信頼性を向上することができる。
【００２７】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかに特徴構成に加えて、前記集光光学系は、反射光を合焦させる受光レンズと、前記受光レンズによる合焦位置から前記受光部に反射光を導く導光部材を備えている点にある。
【００２８】
投光部から出射された測定光が軸心に対して所定角度傾斜した光軸に沿って偏向ミラーに入射するため、偏向ミラーで受光部に向けて偏向反射された当該測定光に対する反射光の光軸も軸心に対して傾斜する。そこで、受光レンズによる反射光の合焦位置から反射光を受光部に導く導光部材を備えることにより、受光部で適切に反射光を検出することができるようになる。
【００２９】
尚、導光部材を備えることなく、軸心に対して傾斜した反射光を受光面積の大きな受光部で検出する場合には、反射光に対する受光部の応答性が低下して、精度の良い測距ができなくなるが、導光部材を備えることにより受光面積の狭い応答性に優れた受光素子を用いることができ、精度の高い測距が可能になる。
【００３０】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が前記偏向ミラー上で前記軸心と交差するように配置されている点にある。
【００３１】
上述した構成によれば、軸心の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面の中心が基準平面の中心点で交差し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになるため、被測定物に対する角度を容易に算出できるようになる。
【００３２】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記投光部は、前記投光部から出射される測定光の光軸が、前記偏向ミラー上で前記軸心が交差する点より手前側または奥側で交差するように配置されている点にある。
【００３３】
上述した構成によれば、リサージュ形状の上下方向の幅が縮小または拡大される。測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より手前側で交差するように配置されると振れ幅が小さくなるが分解能が上がる。このような構成を採用すると、感度を高くするため大きな受光光学系を用いる場合であっても、装置をコンパクトに構成することができる。また、測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より奥側で交差するように配置されると分解能は低下するが振れ幅が大きくなり検出範囲が広がる。
【００３４】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記投光部が、前記軸心の周方向に沿って互いに異なる位置で複数配置され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記複数の投光部から何れか一つを選択して順次駆動する点にある。
【００３５】
駆動制御部により、偏向ミラーの一走査に同期して複数の投光部から何れか一つが駆動されることにより、他の投光部からの測定光を誤検出することなく、各投光部からの測定光に対して確実に被測定物を検出することができるようになる。
【００３６】
同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記投光部が、前記軸心周りに回転する回転体に支持された単一の投光部で構成され、前記駆動制御部は、前記偏向ミラーの一走査に同期して前記回転体を所定角度回転駆動する点にある。
【００３７】
上述の構成によれば、単一の投光部でありながら、投光部が軸心の周方向に沿って互いに異なる位置で複数配置される場合と同様の三次元測距が可能になり、高価な投光部の部品点数を少なくして、安価な三次元測距装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、１８０度以上の走査角度を確保しながらも、小型で高精度な三次元測距装置を提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明による三次元測距装置について説明する。
図１に示すように、三次元測距装置１は、周囲に一定の上下幅で円筒状の光学窓２ａが配置された円筒状のケーシング２内に、ケーシング２の底面と平行な水平面である基準平面に対して４５度の角度で傾斜配置された偏向ミラー８を、当該偏向ミラー９を通り基準平面に垂直な軸心Ｐ１周りに回転する走査機構４と、軸心Ｐ１から離隔した位置に配置され、軸心Ｐ１に対して所定角度θ傾斜した光軸Ｌ１に沿って測定光を出射する複数の投光部３と、各投光部３から出射され、偏向ミラー９で偏向反射された測定光のうち、被測定物からの反射光を集光する集光光学系６と、集光光学系６により集光された反射光を検出する単一の受光部５と、当該三次元測距装置１を駆動して被測定物に対する距離及び角度を算出する信号処理基板９０を備えている。
【００４０】
偏向ミラー９は、投光部３から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射するとともに、被測定物からの反射光を受光部５に向けて偏向反射する。
【００４１】
集光光学系６及び受光部５が軸心Ｐ１上に配置されるとともに、複数の投光部３が受光部５の周囲に配置されている。
【００４２】
投光部３は、互いに異なる位置で複数配置されていればよく、ここでは、軸心Ｐ１の周方向に沿って等間隔に８個配置されている。各投光部３は、半導体レーザまたはＬＥＤでなる光源３１ａ〜３８ａと、各光源３１ａ〜３８ａから出力された光線束を平行光に形成するレンズ３１ｂ〜３８ｂで構成されている。
【００４３】
各投光部３は、各光源３１ａ〜３８ａから出力された測定光の光軸Ｌ１１〜Ｌ１８が、軸心Ｐ１に対して角度θ傾斜するように配置され、且つ、測定光の光軸Ｌ１１〜Ｌ１８が偏向ミラー９上で軸心Ｐ１と交差するように配置されている。
【００４４】
走査機構４は、ケーシング２の底部で支持されたモータ１１と、モータ１１により軸心Ｐ１周りに回転駆動される支持部８と支持部８の傾斜上面に固定された偏向ミラー９で構成されている。
【００４５】
支持部８の周部には、周方向に複数の光学的スリットが形成されたスリット板１５ａが設置されるとともに、スリット板１５ａの回転経路上にフォトインタラプタ１５ｂが配置され、これらにより走査機構４の回転走査角度を検出する走査角度検出部１５が構成されている。
【００４６】
走査機構４により偏向ミラー９が軸心Ｐ１周りに回転すると、各投光部３から出射された測定光が光学窓２ａから測定対象空間に向けて照射される。例えば、光源３１ａから出射された測定光は偏向ミラー９により変更反射されて、光軸Ｌ１１に沿って測定対象空間に向けて照射され、光源３５ａから出射された測定光は偏向ミラー９により変更反射されて、光軸Ｌ１５に沿って測定対象空間に向けて照射される。
【００４７】
図５に示すように、信号処理基板９０には、軸心Ｐ１の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部３を駆動する駆動制御部９３と、走査機構４により投光部３から測定対象空間に向けて走査された測定光に対する反射光の遅延時間から被測定物までの距離を算出するとともに、走査機構４から出射される測定光の走査角度から被測定物の角度を算出する距離算出部９５を備えている。
【００４８】
駆動制御部９３は、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて走査機構４の一周期、つまり、軸心Ｐ１周りに偏向ミラー９が位置回転する度に、各光源３１ａ〜３８ａの何れか一つを点灯駆動する。
【００４９】
具体的には、図２（ａ）に示すように、最初の一周期で光源３１ａを駆動し、次の一周期で光源３２ａを駆動し、その後一周期単位で光源３３ａから３８ａを時計周りに順次駆動する。
【００５０】
駆動制御部９３により各投光部３に出力される駆動信号が、各光源３１ａ〜３８ａを夫々駆動する駆動回路３１ｃ〜３８ｃに入力され、駆動回路３１ｃ〜３８ｃは光源３１ａ〜３８ａを正弦波でＡＭ変調し、或は、所定周波数でパルス駆動する。尚、ＡＭ変調する場合には、（数１）により被測定物までの距離が算出され、パルス駆動する場合には、（数２）により被測定物までの距離が算出される。本実施形態では、後者が採用されている。
（数１）  Ｌ＝Δφ・Ｃ／（４π・ｆ）
（数２）  Ｌ＝Δｔ・Ｃ／２
【００５１】
例えば、図１及び図４（ａ）に示すように、光源３１ａから出射された測定光が軸心Ｐ１に対して所定角度θ傾斜した光軸Ｌ１１に沿って偏向ミラー９に入射するため、走査機構４により回転する偏向ミラー９で偏向反射された測定光が、基準平面ＰＬに対して傾斜した平面ＰＬ１１上で走査されるようになる。
【００５２】
また、光源３５ａから出射された測定光が軸心Ｐ１に対して所定角度θ傾斜した光軸Ｌ１５に沿って偏向ミラー９に入射するため、走査機構４により回転する偏向ミラー９で偏向反射された測定光が、基準平面ＰＬに対して傾斜した平面ＰＬ１５上で走査されるようになる。
【００５３】
偏向ミラー９がある走査角度に位置するときに、測定対象空間に向けて偏向反射される測定光と基準平面との傾斜角度が幾何学的に算出できるため、測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、被測定物に対する角度と距離が求まる。
【００５４】
そして、駆動制御部９３により、軸心Ｐ１の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部３が駆動されることにより、軸心Ｐ１の周方向に沿って異なる位置から出射された夫々の測定光の走査面は、基準平面ＰＬに対して傾斜し、且つ、互いに異なる角度で傾斜した平面上で走査されるようになる。図４（ａ）には光源３１ａと光源３５ａから出射された夫々の測定光の走査面ＰＬ１１，ＰＬ３５が示されている。
【００５５】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、例えば、各投光部から出射された測定光が偏向ミラー９上で軸心Ｐ１と交差するように照射される場合に、測定光の光軸Ｌと軸心Ｐとのなす角度をθとすると、軸心Ｐ１を中心とする半径Ｌの仮想円筒２０の周面に照射される各測定光の軌跡は、±Ｌ・ｔａｎθの振れ幅のリサージュ形状を描くようになる。本実施形態では、投光部３が軸心Ｐ１の周りに等間隔で８個設置されているので、隣接する軌跡の位相は４５度ずれるようになる。
【００５６】
各測定光に対する被測定物からの反射光に基づいて距離を算出すれば、測定対象空間に存在する被測定物に対する三次元的な距離を算出することができる。
【００５７】
図３に示すように、集光光学系６は、反射光を合焦させる受光レンズ６ａと、受光レンズ６ａによる合焦位置から受光部５に反射光を導く導光部材６ｂを備えている。
【００５８】
導光部材６ｂは、φ１ｍｍ程度の受光部５の受光窓に、受光レンズ６ａにより合焦された反射光を導く逆円錐状のコーンプリズムまたは光ファイバアレイで構成することができる。光ファイバアレイは、円筒状の端部領域に先端側が配列され、基端側に他端側が配列された複数本の光ファイバでなり、先端側から基端側にかけて次第に径が絞り込まれるように形成されている。
【００５９】
光源から出射された測定光に対応する被測定物からの反射光が、受光レンズ６ａによって合焦されると、導光部材６ｂの端部表面上に光像Ｉが形成される。導光部材６ｂにより光像Ｉを形成する光が受光部５に導かれることにより、感度良く反射光が検出される。
【００６０】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、夫々の光源３１ａ〜３８ａから出射された測定光に対する反射光が、受光レンズ６ａによって合焦されると、導光部材６ｂの端部表面上に光像Ｉ３１〜Ｉ３８が形成される。各光像Ｉ３１〜Ｉ３８を形成する光が受光部５に導かれるのである。
【００６１】
図５に示すように、信号処理基板９０には、走査機構４に組み込まれたモータ１１を駆動するモータ制御回路９４と、光源である発光素子３１ａ〜３８ａを夫々パルス駆動する駆動回路３１ｃ〜３８ｃと、受光部５に備えたアバランシェフォトダイオード等の受光素子５ａで光電変換された反射光に対応する反射信号を増幅する増幅回路５ｃと、走査角度検出部１５から入力されるパルス信号に基づいて一走査周期毎に切り替えて駆動回路３１ｃ〜３８ｃの何れかを駆動する駆動制御部９３と、反射信号をＡＤ変換するＡＤ変換部９１と、各駆動回路３１ｃ〜３８ｃに対する駆動信号の立ち上がりから反射信号の立ち上がりまでの遅延時間を算出する遅延時間算出部９２と、遅延時間に基づいて被測定物までの距離を算出するとともに、走査機構４から出射される測定光の走査角度から被測定物の角度を算出する距離算出部として機能するシステム制御部９５を備えている。
【００６２】
システム制御部９５には、マイクロコンピュータが組み込まれている。電源が投入されると、システム制御部９５はモータ制御回路９４を介して走査機構４を駆動して回転走査させ、モータが立ち上がると、走査角度検出部５１から入力されるパルス信号に基づいて走査機構４が一回転する度に、順次駆動回路３１ｃ〜３８ｃを駆動する。
【００６３】
走査角度検出部１５を構成するスリット板１５ａのスリット間隔が予め設定された回転体の基準位置で他と異なる間隔になるように形成されており、システム制御部９５は、パルス信号の波形に基づいて基準位置を把握して、基準位置からのパルス数をカウントすることにより基準位置からの走査機構４の回転角度を算出する。
【００６４】
システム制御部９５は、遅延時間算出部９２から入力される遅延時間に基づいて、走査機構４の回転角度に対応する被測定物までの距離を算出するとともに、そのときの走査機構４の回転角度と、投光部３の配置、つまり測定光が出射された投光部と回転角度の相対角度及び投光部の光軸Ｌと軸心Ｐ１の角度から、基準平面に対する測定光の傾斜角度を算出して、測定対象物が位置する三次元の方向と距離を得る。
【００６５】
以上、ＴＯＦ方式の三次元測距装置について説明したが、ＡＭ方式の三次元測距装置であっても、測定対象物が位置する三次元の方向を検出するメカニズムは同様である。ＡＭ方式の場合には、遅延時間算出部９２に替えて、測定光と反射光の位相差を求める位相差算出部を備えれることになる。
【００６６】
以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述の実施形態では、軸心Ｐ１の周りに等間隔で８個の投光部３を配置した例を説明したが、投光部３の数は８個に制限されるものでは無く任の数の投光部を配置してもよい。また、各投光部が等間隔に配置されるものに制限されるものでもない。
【００６７】
更に各投光部から出射された測定光の光軸Ｌと軸心Ｐ１との成す角度が全て同一である場合を説明したが、夫々異なる角度となるように配置されるものであってもよい。投光部から出射された測定光の光軸Ｌと軸心Ｐ１との成す角度が大きくなると光軸Ｐ１に沿った方向の分解能が低くなるが、検出範囲が広くなり、当該角度が小さくなると光軸Ｐ１に沿った方向の検出範囲が狭くなるが、分解能が上がる。
【００６８】
例えば、八個の投光部３が、図２のように、軸心Ｐ１周りに配列されているときに、奇数番目の投光部３の光軸と軸心Ｐ１との成す角度θ１と、偶数番目の投光部３の光軸と軸心Ｐ１との成す角度θ２を、θ１＞θ２として、奇数番目の投光部３を用いて計測するか、偶数番目の投光部３を用いて計測するかを切り替えるスイッチを備え、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えるように構成してもよい。更に、当該切替スイッチにより、全ての投光部を用いて広範囲且つ高分解能な計測を行なうように切り替えることも可能である。
【００６９】
また、各投光部３の光軸と軸心Ｐ１との成す角度θを切り替える姿勢切替機構を備えて、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えるように構成してもよい。
【００７０】
例えば、軸心Ｐ１と光軸Ｌを含む平面上で投光部が揺動可能となるように、投光部をケーシングの上部に支持し、角度θが小さくなる方向にバネ付勢するとともに、角度θが大きくなる方向に押圧するカム部材を備えた姿勢切替機構を備え、当該カム部材を駆動することにより投光部から出射される測定光の光軸の角度を切り替えるように構成することができる。
【００７１】
また、投光部をケーシングの上部に固定し、投光部から出射される測定光の光路上に、光軸を切り替える偏向ミラーやプリズム等の光学部材を位置変更可能に配置して、当該光学部材の位置を変更するアクチュエータを備えてもよい。
【００７２】
駆動制御部９３が、走査機構４の一回転に同期して、駆動する投光部を順次切り替える場合を説明したが、投光部の切替タイミングを走査機構４の二回転に同期させてもよく、一回転中に任意のタイミングで切り替えてもよい。つまり、駆動制御部９３が、軸心の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように投光部を駆動するものであればよい。
【００７３】
さらに、投光部が、軸心周りに回転する回転体に支持された単一の投光部で構成され、駆動制御部が、偏向ミラーの一走査に同期して前記回転体を所定角度回転駆動するように構成してもよい。
【００７４】
具体的には、図６に示すように、測定光の光軸Ｌが軸心Ｐ１と角度θで傾斜するように、単一の投光部３を回転部材１２に固定し、当該回転部材１２をモータ１３により回転可能に構成するのである。
【００７５】
この場合、駆動制御部９３により、軸心Ｐ１の周方向に沿って互いに異なる位置から異なるタイミングで一つの測定光が出射されるように、モータ１３が回転駆動され、投光部が駆動される。
【００７６】
尚、基準平面に対する測定光の角度を算出するためには、モータ１３により軸心Ｐ１周りに回転する投光部３の回転位置を検出する位置検出機構を備える必要があることはいうまでもない。
【００７７】
モータ１３が停止した状態で投光部３が駆動されるように構成してもよいし、モータ１３を駆動しながら投光部３を同時に駆動してもよい。投光部３を軸心Ｐ１周りの任意の位置に配置できるため、細かいピッチでリサージュ形状が描かれるようになり、より高精度な計測が可能となる。
【００７８】
また、図６で、軸心Ｐ１を挟んで、回転部材１２に二つの投光部を、各投光部の光軸と軸心Ｐ１との成す角度θが異なるように配置してもよい。例えば、夫々の投光部の何れを用いるかを切り替えるスイッチを備えることにより、高分解能を重視する計測と、広い検出範囲を重視する計測の何れかを切り替えることができる。
【００７９】
上述した実施形態では、投光部３が、投光部３から出射される測定光の光軸Ｌが偏向ミラー９上で軸心Ｐ１と交差するように配置された構成を説明したが、図７に示すように、投光部３から出射される測定光の光軸Ｌと光軸Ｐ１との成す角度θを一定に保ち、投光部３が、投光部３から出射される測定光の光軸Ｌが、偏向ミラー９上で軸心Ｐ１が交差する点より手前側または奥側で交差するように配置するものであってもよい。このような構成によれば、図４（ｂ）で説明したリサージュ形状の上下方向の幅が縮小または拡大される。
【００８０】
投光部３から出射される測定光の光軸Ｌが偏向ミラー９上で軸心Ｐ１と交差する場合には、光軸Ｌの軌跡が図８（ａ）に示すような傾斜平面ＰＬ１０上を回転するが、測定光の光軸Ｌが偏向ミラー９上で軸心が交差する点より手前側で交差するように配置されると、光軸Ｌの軌跡が図８（ｂ）に示すような傾斜平面ＰＬ１０上を回転するため、軸心Ｐ１方向の振れ幅が小さくなるが、分解能が上がる。このような構成を採用すると、感度を高くするため大きな受光光学系を用いる場合であっても、装置をコンパクトに構成することができる。
【００８１】
また、測定光の光軸が偏向ミラー上で軸心が交差する点より奥側で交差するように配置されると、光軸Ｌの軌跡が図８（ａ）に示すような傾斜平面ＰＬ１０上を回転するため、分解能は低下するが軸心Ｐ１方向の振れ幅が大きくなり検出範囲が広がる。
【００８２】
さらに、図９に示すように、偏向ミラー９を、投光部３から出射された測定光を測定対象空間に向けて偏向反射する第一偏向ミラー９ａと、被測定物からの反射光を受光部５に向けて偏向反射する第二偏向ミラー９ｂで構成し、当該偏向ミラー９を組み込んだ回転体４ａを、軸心Ｐ１周りに回転駆動するモータ１１を備え、受光部５が偏向ミラー９を挟んで投光部３と対向する位置に配置されるように、三次元測距装置１を構成してもよい。
【００８３】
上述した構成によれば、第一偏向ミラー９ａで測定対象空間に照射された測定光の一部が装置１の光学窓２ａから反射するような迷光が発生する場合であっても、当該迷光が第二偏向ミラー９ｂに入射することが抑制されるので、迷光による誤検出を招くことが抑制され、装置の信頼性を向上することができる。
【００８４】
さらに、本発明による三次元測距装置は、上述した各実施形態を本発明と矛盾しない範囲で適宜組み合わせて構成することも可能である。
【００８５】
上述した何れの実施形態も、本発明の一実施例であり、三次元測距装置の各部の形状、構成、使用材料、信号処理のための回路構成等の具体的な構成は、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明による三次元測距装置の概略説明図
【図２】本発明による三次元測距装置の要部の説明図
【図３】本発明による三次元測距装置の要部の説明図
【図４】（ａ）は測定光の軌跡の説明図、（ｂ）は各測定光の軌跡が作り出すリサージュ形状の説明図
【図５】本発明による三次元測距装置の信号処理回路のブロック構成図
【図６】本発明の別実施形態を示す三次元測距装置の概略説明図
【図７】本発明の別実施形態を示す三次元測距装置の概略説明図
【図８】投光部から出射された測定光の光軸が偏向ミラーに入射する位置により、走査される測定光の平面の傾斜角度が異なる様子を示し、（ａ）は測定光が光軸上に入射するときの説明図、（ｂ）は測定光が光軸の手前で入射するときの説明図、（ｃ）は測定光が光軸の奥側に入射するときの説明図
【図９】本発明の別実施形態を示す三次元測距装置の概略説明図
【図１０】（ａ）はＡＭ方式の測距装置の原理説明図、（ｂ）はＴＯＦ方式の測距装置の原理説明図
【図１１】従来の二次元測距装置の説明図
【図１２】従来の三次元測距装置の説明図
【図１３】従来の三次元測距装置の説明図
【符号の説明】
【００８７】
１：三次元測距装置
２：ケーシング
２ａ：光学窓
３：投光部
３１ａ〜３８ａ：光源（発光素子）
４：走査機構
５：受光部
６：集光光学系
６ａ：受光レンズ
６ｂ：導光部材
９：偏向ミラー
１１：モータ
Ｌ，Ｌ１１，Ｌ２：光軸
Ｐ１：軸心
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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