JP6851892B2 - 光走査装置及び測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光による走査を行う光走査装置に関する。

従来から、レーザを射出する角度を変えながら３次元空間を走査することで、対象物の位置の３次元測定を行う走査型測距装置が知られている。例えば、特許文献１には、光線を発射するための発光器、光線を周期的に偏向させるための偏向ユニットを有する回転式の走査ユニット、監視領域から反射された光線を受光するための受光器、及び、受光信号に基づいて物体を検出する評価ユニットを備える光電ユニットであって、走査ユニット内に偏向ユニットを傾動させるためのピエゾ素子を備えるものが開示されている。

特開２０１５−１３２５９９号公報

特許文献１に記載の光電ユニットでは、ピエゾ素子を駆動するための駆動信号を供給するにあたり、回転式の走査ユニット内にピエゾ素子が存在するため、駆動信号を無線伝送で外部から走査ユニット内に送信しなければならない。一方、このような無線伝送を利用した場合、装置の製造コストが増加する上に雑音の影響を受け易いという問題があった。

本発明の解決しようとする課題としては、上記のものが一例として挙げられる。本発明は、３次元空間を好適に走査することが可能な光走査装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、光走査装置であって、光ビームを射出する光源と、前記光ビームを自装置の外部に向けて偏向する偏向部と、前記偏向部の一端が第１接続手段により接続され、自身が回転することで前記偏向部を回転させる回転部と、前記偏向部の他の一端が第２接続手段により接続され、自身が前記回転部に接近する方向に変位することで前記偏向部の傾きを調整する傾き調整部と、を備え、前記第２接続手段は、前記傾き調整部に対して前記偏向部の回転方向に摺動自在に接続されることを特徴とする。

実施例に係る測距装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例に係る測距装置の内部構造を示す断面図である。 図２の断面図において回転体のみを抽出した図である。 投射光及び戻り光を明示した図である。 変形例に係る測距装置を示す。

本発明の好適な実施形態では、光走査装置は、光ビームを射出する光源と、前記光ビームを自装置の外部に向けて偏向する偏向部と、前記偏向部の一端が第１接続手段により接続され、自身が回転することで前記偏向部を回転させる回転部と、前記偏向部の他の一端が第２接続手段により接続され、自身が前記回転部に接近する方向に変位することで前記偏向部の傾きを調整する傾き調整部と、を備え、前記第２接続手段は、前記傾き調整部に対して前記偏向部の回転方向に摺動自在に接続される。この態様では、光走査装置は、回転部の回転により偏向部を回転させ、かつ、傾き調整部の変位により偏向部の傾きを変更させることが可能となっている。よって、光走査装置は、回転部内に電子部品を配置することなく、偏向部の角度を制御することができるため、回転部内の電子部品への無線伝送に起因したコスト増や雑音の影響を好適に防ぐことができる。

上記光走査装置の一態様では、前記傾き調整部は、前記偏向部の回転方向に回転せず、前記偏向部の回転方向に回転する前記第２接続手段を摺動させる。この態様により、光走査装置は、回転部及び偏向部を円滑に回転させて、光ビームによる偏向部の回転方向での走査を好適に実行することができる。

上記光走査装置の他の一態様では、前記第１接続手段及び第２接続手段は、前記偏向部の傾き調整を自在とするヒンジ構造を含む。この態様により、偏向部の傾きを好適に変更することが可能となる。

上記光走査装置の他の一態様では、前記偏向部の一端は、前記回転部に対して所定範囲内をスライド自在となるように前記第１接続手段により接続され、前記傾き調整部が前記回転部に接近する方向に変位するのに連動して前記回転部に対してスライドする。この態様により、光走査装置は、偏向部の傾きの可変範囲を好適に拡大し、走査範囲を拡大することができる。

上記光走査装置の他の一態様では、上記いずれか記載の光走査装置を含む測距装置であって、前記光走査装置により走査された光ビームが対象物で反射された戻り光を検出する検出部と、前記光源が前記光ビームを射出してから前記検出部が前記戻り光を検出するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する算出手段と、を備える。この態様により、測距装置は、３次元空間を対象として対象物までの距離を好適に測定することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［装置構成］
（１）概略構成
図１は、本発明の光走査装置が適用された測距装置の概略構成を示す。測距装置１００は、測定対象物２００に対して赤外線（例えば、波長９０５ｎｍ）の投射光「Ｌ１」を投射し、測定対象物２００により反射された戻り光「Ｌ２」を受光して測定対象物２００までの距離を測定する。図示のように、測距装置１００は、光源１と、制御部２と、受光部３と、モータ４と、ステッピングモータ５と、回転体６とを備える。

光源１は、赤外線の投射光Ｌ１を射出ミラー７へ向けて射出する。射出ミラー７は、投射光Ｌ１を反射し、測距装置１００の外部へ射出する。射出ミラー７は回転体６に設けられており、回転しながら投射光Ｌ１を外部へ射出する。また、射出ミラー７は、後述するように、傾き角を調整可能に構成されている。これにより、測距装置１００は、測距装置１００の全方位（周囲３６０度）を対象に、高さを変えながら複数層での走査が可能となっている。射出ミラー７は、本発明における「偏向部」の一例である。

集光レンズ８は、測定対象物２００により反射された戻り光Ｌ２を受光し、受光ミラー９へ送る。受光ミラー９は、戻り光Ｌ２を受光部３の方向へ反射する。受光部３は、例えばアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）であり、受光した戻り光Ｌ２の光量に対応する検出信号を生成して制御部２へ送る。受光部３は、本発明における「検出部」の一例である。

制御部２は、光源１からの投射光Ｌ１の射出を制御するとともに、受光部３から供給された検出信号を処理して測定対象物２００までの距離を算出する。また、制御部２は、モータ４を制御して回転体６を回転させる。さらに、制御部２は、ステッピングモータ５を制御して射出ミラー７の傾き調整を行う。制御部２は、本発明における「算出手段」の一例である。

（２）測距装置の内部構造
図２は、測距装置１００の内部構造を示す断面図である。測距装置１００の筐体１０は略円筒状であり、大別して上部１０ａと、カバー１０ｂと、底部１０ｃとにより構成される。カバー１０ｂは、光源１から射出される赤外線を透過する材料で製作される。測距装置１００は、筐体１０の内部で回転体６が回転することにより、投射光Ｌ１を全方位へ射出する。また、射出ミラー７は、後述するように、ステッピングモータ５の駆動制御により、傾き調整が可能となっており、投射光Ｌ１が外部へ射出する仰俯角を所定角度の範囲で変化させる。これにより、測距装置１００は、高さが異なる複数層のスキャンを実行する。なお、一点鎖線７０は、回転体６の回転軸を示す。

筐体１０の上部１０ａには、主に、光源１と、ステッピングモータ５と、上下駆動体１１と、光源基板１３と、コリメータレンズ１４と、が設けられている。光源１は、赤外線の投射光Ｌ１を射出する。コリメータレンズ１４は、光源１からの投射光Ｌ１を平行光に変換し、上下駆動体１１の中心に形成された孔２３を通して射出ミラー７へ導く。なお、光源１は光源基板１３と接続されており、光源基板１３は配線２５により制御基板（制御部）２と接続されている。

また、光源１が設けられた光源基板１３の面には、下方に延出する送りネジ１２を有するステッピングモータ５が設けられている。そして、送りネジ１２には、上下駆動体１１から延出した把持部２４が接続されている。上下駆動体１１は、射出光Ｌ１の光路を含む中心部分に孔２３が形成された管状の構造物であり、把持部２４を介して送りネジ１２により支持されている。そして、上下駆動体１１は、ステッピングモータ５の送りネジ１２の上下方向の変位に伴って上下に変位する。この場合、上下駆動体１１の変位に伴い、射出ミラー７の傾き角「α」が変化する。上下駆動体１１は、本発明における「傾き調整部」の一例である。

また、上下駆動体１１の内壁には、高さが略同一となる位置に円環状の溝部１５が形成されており、溝部１５には、射出ミラー７の一端に形成された上側ヒンジ部１６が摺動自在に嵌め込まれている。後述するように、上側ヒンジ部１６は、回転体６の回転に伴い溝部１５内を摺動することで、回転軸７０を中心として上下駆動体１１内を回転する。なお、上側ヒンジ部１６には、上下駆動体１１の変位に伴う射出ミラー７の水平方向の幅の増減に対応するために、水平方向の幅が長い長穴１８が設けられている。上側ヒンジ部１６は、本発明における「第２接続手段」の一例である。

カバー１０ｂの付近には、回転体６が設けられている。回転体６は、主に、射出ミラー７と、集光レンズ８と、受光ミラー９と、本体部１９とを備える。図３は、図２の断面図において回転体６のみを抽出した図である。図２及び図３に示すように、射出ミラー７の一端には上述した上側ヒンジ部１６が設けられ、射出ミラー７の他端には本体部１９の上面に対して固定された下側ヒンジ部１７が設けられている。下側ヒンジ部１７は、本発明における「第１接続手段」の一例である。

集光レンズ８は、本体部１９に嵌められており、戻り光Ｌ２がカバー１０ｂから入射する位置に設けられている。受光ミラー９は、集光レンズ８により集光された戻り光Ｌ２が入射する位置に設けられる。受光ミラー９は、集光レンズ８から入射する戻り光Ｌ２を、入射角度に応じて反射する。ここで、本体部１９の下部には、受光ミラー９が反射した戻り光Ｌ２が通過するための光路孔２２が回転軸７０に沿って設けられている。後述するように、光路孔２２の径は、回転軸７０と非平行となる戻り光Ｌ２を遮断しないように十分な大きさに設計される。射出ミラー７を除く回転体６は、本発明における「回転部」の一例である。

底部１０ｃ内には、主に、制御基板（制御部）２と、受光部３と、モータ４と、バンドパスフィルタ２１とが設けられている。制御基板２の中央部分には、受光部３が設けられており、受光部３を覆う位置にバンドパスフィルタ２１が設けられている。バンドパスフィルタ２１は、光学部材により構成され、光源１から射出される赤外線の波長（本例では、約９０５ｎｍ）以外の光を除外する波長選択機能を有する。制御基板２は、配線２５を介して光源基板１３と電気的に接続すると共に、モータ４と図示しない配線を介して電気的に接続している。受光部３及びバンドパスフィルタ２１は、受光ミラー９により反射されて光路孔２２を通過したほぼ全ての戻り光Ｌ２が照射されるように、十分な大きさに設計される。図２の例では、受光部３は、受光素子が２次元に配列されたアレイにより構成されている。

［複層スキャン制御］
制御部２は、モータ４を駆動することで回転体６を回転させつつ、ステッピングモータ５を駆動することで送りネジ１２を上下方向に変位させることにより、投射光Ｌ１による複数層のスキャンを実行する。

図４は、図３の断面図において投射光Ｌ１及び戻り光Ｌ２を明示した図である。なお、図４では、見やすさのために筺体１０を非表示にしている。図４の例では、制御部２は、光源１により投射光Ｌ１を射出しつつ、矢印４０が示す方向に送りネジ１２をステッピングモータ５により上下させる。この場合、送りネジ１２の上下方向の変位に伴い上下駆動体１１が上下方向に変位するため、上下駆動体１１に一端（即ち上側ヒンジ部１６）が接続されている射出ミラー７の水平面に対する傾き角αは、送りネジ１２の上下方向の変位に伴い変化する。例えば、制御部２は、回転体６を１回転させるごとに、ステッピングモータ５を駆動して上下駆動体１１を上下方向に動かすことにより、射出ミラー７の傾き角αを変化させる。そして、図４の例では、制御部２は、上下駆動体１１をステッピングモータ５により上下方向に変位させることで、投射光Ｌ１を射出する仰俯角を角度「β」の範囲で変化させている。

このように、本実施例では、測距装置１００は、射出ミラー７の傾き角αを回転体６の外部に設置されたステッピングモータ５に基づき変更可能な構成を有する。これにより、回転体６内への給電が不要となり、回転部分の構成を簡略化及び軽量化できるため、回転速度の高速化によるスキャン速度の向上などが期待できる。また、この構成によれば、回転体６内への駆動信号等の無線伝送を行う必要もないため、無線伝送による雑音の発生を好適に抑制することができる。

一方、投射光Ｌ１の戻り光Ｌ２は、投射光Ｌ１が射出された仰俯角に応じた入射角により集光レンズ８及び受光ミラー９に入射する。ここで、受光ミラー９の傾きは一定であるため、受光ミラー９で反射された戻り光Ｌ２の光路は、光路孔２２の延在方向（即ち回転軸７０）と非平行になり、バンドパスフィルタ２１及び受光部３への入射位置にばらつきが生じる。以上を勘案し、本実施例では、光路孔２２の径は、戻り光Ｌ２を遮蔽しないように十分な大きさに設計され、かつ、受光部３は、回転軸７０と非平行となる戻り光Ｌ２が入射するように十分な大きさに設計されている。これにより、測距装置１００は、戻り光Ｌ２を好適に検知し、点群データを生成することができる。

以上説明したように、本実施例に係る測距装置１００は、投射光Ｌ１を射出する光源１と、投射光Ｌ１を自装置の外部に向けて偏向する射出ミラー７を含む回転体６と、上下駆動体１１とを備える。回転体６は、射出ミラー７の一端が下側ヒンジ部１７により接続され、自身が回転することで射出ミラー７を回転させる。また、上下駆動体１１は、射出ミラー７の他の一端が上側ヒンジ部１６により接続され、自身が回転体６に接近する方向に変位することで射出ミラー７の傾きを調整する。そして、上側ヒンジ部１６は、上下駆動体１１に対して射出ミラー７の回転方向に摺動自在に接続される。これにより、測距装置１００は、高さを変えながら水平走査を実行し、測定対象物２００の３次元走査を好適に行うことができる。

［変形例］
以下、本実施例に好適な変形例について説明する。以下の変形例は、組み合わせて上述の実施例に適用してもよい。

（変形例１）
図２等に示される測距装置１００の構成は一例であり、本発明が適用可能な測距装置１００の構成は、これに限定されない。例えば、溝部１５に代えて、上下駆動体１１の孔２３の内壁にベアリングを配置し、ベアリングの内輪に上側ヒンジ部１６の一端が固定されるようにしてもよい。この態様によっても、射出ミラー７は、回転軸７０を中心として好適に回転し、任意の方位に対する投射光Ｌ１の走査を行うことができる。

（変形例２）
射出ミラー７の一端は、回転体６に対してスライド自在に接続されていてもよい。

図５（Ａ）は、本変形例において上下駆動体１１を上げるようにステッピングモータ５を駆動させた際に射出ミラー７がスライドする様子を示した図であり、図５（Ｂ）は、本変形例において上下駆動体１１を下げるようにステッピングモータ５を駆動させた際に射出ミラー７がスライドする様子を示した図である。

図５（Ａ）の例では、ステッピングモータ５が駆動して送りネジ１２を引き上げることにより、上下駆動体１１が持ち上げられ（矢印４２参照）、その結果、上下駆動体１１と本体部１９との高さ方向の距離が長くなる。この場合、射出ミラー７の上側ヒンジ部１６は上方に引っ張られるため、下側ヒンジ部１７は、本体部１９の上面を、矢印４３に示す方向（即ち回転軸７０に近付く方向）にスライドする。これにより、傾き角αが大きくなる。

一方、図５（Ｂ）の例では、ステッピングモータ５が駆動して送りネジ１２を引き下げることにより、上下駆動体１１が下方に変位し（矢印４４参照）、その結果、上下駆動体１１と本体部１９との高さ方向の距離が短くなる。この場合、射出ミラー７は、上側ヒンジ部１６を介して上下駆動体１１により本体部１９側に押し出されるため、下側ヒンジ部１７は、本体部１９の上面を、矢印４５に示す方向（即ち回転軸７０から離れる方向）にスライドする。これにより、傾き角αは小さくなる。

この態様によれば、傾き角αの可変範囲が広がることから、好適に投射光Ｌ１を射出させる仰俯角の範囲を拡大させて高さ方向の投射光Ｌ１によるスキャン範囲を広げることができる。

１ 光源
２ 制御部
３ 受光部
４ モータ
５ ステッピングモータ
６ 回転体
７ 射出ミラー
８ 集光レンズ
９ 受光ミラー
１００ 測距装置
２００ 測定対象物

Claims (5)

1. 光ビームを射出する光源と、
   前記光ビームを自装置の外部に向けて偏向する偏向部と、
   前記偏向部の一端が第１接続手段により接続され、自身が回転することで前記偏向部を回転させる回転部と、
   前記偏向部の他の一端が第２接続手段により接続され、自身が前記回転部に接近する方向に変位することで前記偏向部の傾きを調整する傾き調整部と、
   を備え、
   前記第２接続手段は、前記傾き調整部に対して前記偏向部の回転方向に摺動自在に接続されることを特徴とする光走査装置。
2. 前記傾き調整部は、前記偏向部の回転方向に回転せず、前記偏向部の回転方向に回転する前記第２接続手段を摺動させることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第１接続手段及び第２接続手段は、前記偏向部の傾き調整を自在とするヒンジ構造を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
4. 前記偏向部の一端は、前記回転部に対して所定範囲内をスライド自在となるように前記第１接続手段により接続され、前記傾き調整部が前記回転部に接近する方向に変位するのに連動して前記回転部に対してスライドすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光走査装置を含む測距装置であって、
   前記光走査装置により走査された光ビームが対象物で反射された戻り光を検出する検出部と、
   前記光源が前記光ビームを射出してから前記検出部が前記戻り光を検出するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする測距装置。

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