JP5626770B2

JP5626770B2 - レーザ距離測定装置

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Publication number: JP5626770B2
Application number: JP2010130897A
Authority: JP
Inventors: 忠司足立; 達也河村
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: JP2011257221A

Description

本発明は、レーザ距離測定装置に関し、とくに、走行ロボットに搭載して環境認識に用いるのに好適なレーザ距離測定装置に関するものである。

レーザ距離測定装置は、送信レーザ光を目標に向けて照射して、目標で反射した受信レーザ光を受光し、送信レーザ光と受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するものである。このようなレーザ距離測定装置は、単一目標の距離測定だけでなく、例えば走行ロボットに搭載して環境認識に用いることができる。すなわち、所定範囲に送信レーザ光を走査して連続的に距離測定を行うことで、その距離データに基づいて地形や障害物などを含む環境データを取得することができる。

従来のレーザ距離測定装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、レーザ光の発光部と、レーザ光の受光部と、発光部からの送信レーザ光を外部へ向けて照射する送信光学系と、外部からの受信レーザ光を受光部へ導く受信光学系を備えると共に、送信及び受信の光学系の一部を構成する回転ミラーを備え、回転ミラーを一方向に回転させて送信レーザ光の走査と受信レーザ光の受信を行うものがあった。

特開平１０−２００３５号公報

ところで、上記従来のレーザ距離測定装置は、一方向に回転する回転ミラーを用いたものであるから、基本的に、全方位にわたって送信レーザ光を走査する構造である。このため、上記のレーザ距離測定装置は、全方位の距離測定を行うには好都合であるが、一般的には、例えば、工場等での危険区域を監視する対人センサとして用いられ、このような場合には、特定範囲のみに送信レーザ光を走査するように動作制限して使用している。

したがって、上記のようなレーザ距離測定装置は、全方位の距離測定が可能な構造でありながら、その機能の一部しか使用していないケースが多かった。また、上記したようなレーザ距離測定装置は、例えば月や惑星の探査活動を行う走行ロボットに搭載されることがあり、この場合には、高い測定性能が要求されるほかに、構造的に小型で且つ軽量であることも非常に重要であり、測定性能や装置構造のさらなる改善が望まれていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、とくに走行ロボットに用いるのに好適であって、測定性能の向上、構造の小型軽量化を図ることができるレーザ距離測定装置を提供することを目的としている。

本発明のレーザ距離測定装置は、送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するレーザ距離測定装置であって、送信レーザ光の発光部と、受信レーザ光の受光部と、垂直軸回りに回転駆動される回転体を備えると共に、回転体に、同回転体とともに回転しながら発光部からの送信レーザ光を外部の所定角度範囲に走査する送信光学系と、同回転体とともに回転しながら外部の所定角度範囲からの受信レーザ光を受光部に導く受信光学系を設け、発光部が、回転体の回転軸に対して光軸をオフセットした状態で配置してあると共に、送信光学系が、回転体の回転軸上に配置され且つ回転軸回りに複数の反射面を有する送信多面鏡を備え、送信多面鏡によって発光部からの送信レーザ光を外部の所定角度範囲に走査し、受光部が、回転体の回転軸上に配置してあると共に、受信光学系が、回転軸回りに配置した複数の集光レンズと、個々の集光レンズからの受信レーザ光を反受光部側へ夫々反射する受信反射鏡と、回転体の回転軸上に配置され且つ回転軸回りに複数の反射面を有する受信多面鏡を備え、受信多面鏡によって受信反射鏡からの受信レーザ光を受光部に導き、送信光学系における送信多面鏡の反射面の数と、受信光学系における集光レンズ、受信反射鏡、及び受信多面鏡の反射面の数が、いずれも三であると共に、回転体の側壁部に、集光レンズと受信反射鏡が１８０度異なる位置で対向するように配置してある構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明のレーザ距離測定装置によれば、回転体を一方向に回転させながら発光部からの全ての送信レーザ光を所定角度範囲だけに走査し、例えば走行ロボットでは前方向の領域だけに走査するので、全方位分の送信レーザ光が有効に使用されることとなり、従来の装置に比べて取得する距離データ量も多くなり、走査性能や測定性能も向上する。したがって、当該レーザ距離測定装置は、例えば月や惑星の探査活動を行う走行ロボットに搭載するのに極めて有用なものとなる。
さらに、レーザ距離測定装置は、発光部が、回転体の回転軸に対して光軸をオフセットした状態で配置してあると共に、送信光学系が、回転体の回転軸上に配置した送信多面鏡を備えたものとしたので、送信光学系の構成を必要最小限にして、装置構造のさらなる小型軽量化に貢献することができる。
さらに、レーザ距離測定装置は、受光部が、回転体の回転軸上に配置してあると共に、受信光学系が、回転軸回りに配置した複数の集光レンズと、集光した受信レーザ光を反受光部側へ反射する受信反射鏡と、回転体の回転軸上に配置した受信多面鏡を備えたものとしたので、受信光学系の構成を必要最小限にして、装置構造のさらなる小型軽量化に貢献し得るほか、集光レンズから受光部までの焦点距離を長く確保することができ、これにより、視野を小さくして外乱光の入射を減少させ、ＳＮ比の改善を図ることができる。
さらに、レーザ距離測定装置は、送信光学系における送信多面鏡の反射面の数と、受信光学系における集光レンズ、受信反射鏡、及び受信多面鏡の反射面の数が、いずれも三であると共に、回転体の側壁部に集光レンズと受信反射鏡を１８０度異なる配置にして最大限の光経路を得たうえで、集光レンズから受光部までの長い焦点距離を確保し得る。
さらに、レーザ距離測定装置は、回転体とともに回転する送信光学系の送信多面鏡が、三つの反射面を有しているので、一つの反射面によって走行ロボットの前方向１２０度の範囲に送信レーザ光を走査することとなり、回転体が一回転する間に、各反射面によって同じ前方向１２０度の範囲に送信レーザ光を三回走査することができ、より多くのデータ量を取得することができる。

また、本発明のレーザ距離測定装置は、一つの回転体に、送信光学系及び受信光学系がコンパクトに搭載されると共に、発光部及び送信光学系と、受光部及び受信光学系とを回転体の回転軸方向に互いに分離し得るので、両光学系が干渉し合うこともなく、測定性能のさらなる向上、及び装置構造のさらなる小型軽量化を図ることができる。

本発明に係るレーザ距離測定装置の一実施形態を説明する受信光学系部分の水平断面図（ａ）及び垂直断面図（ｂ）である。

図１に示すレーザ距離測定装置Ｆ１は、例えば月や惑星の探査活動を行う走行ロボットに搭載して、地形や障害物等の環境データの取得に用いるものであって、図示例では右方向が走行ロボットの前方向である。

レーザ距離測定装置Ｆ１は、概略として、送信レーザ光ＬＴの発光部１と、受信レーザ光ＬＲの受光部２と、垂直軸回りに回転駆動される回転体３を備えている。そして、回転体３に、同回転体３とともに回転しながら発光部１からの送信レーザ光ＬＴを外部の所定角度範囲に走査する送信光学系４と、同回転体３とともに回転しながら外部の所定角度範囲からの受信レーザ光ＬＲを受光部２に導く受信光学系５が設けてある。

発光部１は、例えばコリメータ付のレーザダイオードであって、図示しない走行ロボット側に設けた制御装置Ｃからのドライバ信号により、ＡＭ変調（又はパルス変調）した送信レーザ光ＬＴを発生する。受光部２は、例えばフォトダイオードであって、受信した受信レーザ光ＬＲを電気信号に変換する。

より具体的に説明すると、レーザ距離測定装置Ｆ１は、円筒形状のケース６内に、上端部に保持プレート３Ａを有する円筒形状の前記回転体３と、回転体３の下端部を保持するリング状のモータ７と、これらを保持するホルダ８が互いに同軸状に収容してあり、回転体３に、前記送信光学系４及び受信光学系５が搭載してある。

ケース６は、上端部が閉塞され且つ下端部が開放された上部ケース６Ａと、上下に開放された下部ケース６Ｂを備え、上部及び下部のケース６Ａ，６Ｂをボルト類又は接着剤等で結合して成るものである。上部ケース６Ａは、前方側（図中で右側）に、レーザ光ＬＴ，ＬＲを透過させる窓部６Ｃが設けてあると共に、上部に、送信レーザ光ＬＴの発光部１が下向きに設けてある。このとき、発光部１は、回転体３の回転軸（垂直軸）Ａに対して、これと平行な光軸を前方側（図中で右側）にオフセットした状態で配置してある。また、下部ケース６Ｂの内側には、ホルダ８を載置する内向きの環状フランジ６Ｄが設けてある。

ホルダ８は、受光部２に接続したリード線類を下方に取り出せるようにしてあると共に、中間部の外側に、リング状のモータ７が同軸状に設けてあり、上端部の中央に、受信レーザ光ＬＲの受光部２が設けてある。リング状のモータ７は、下側のステータ７Ｓと上側のロータ７Ｒを備え、ロータ７Ｒの上部に回転体３が同軸状に連結してある。

送信光学系４は、回転体３の回転軸上に配置され且つ回転軸Ａ回りに複数の反射面４１ａを有する送信多面鏡４１を備えている。この実施形態の送信多面鏡４１は、回転体３の上部プレート３Ａの上面に設けてあって、回転軸Ａ回りに、傾斜した三つの反射面４１ａを有する形状（三角錐形状又は三角錐台形状）を成している。これにより、送信光学系４は、送信多面鏡４１により、発光部１から下向きに発生した送信レーザ光ＬＴを９０度偏向すると共に、回転体３とともに回転することで、送信レーザ光ＬＴを外部の所定角度範囲に走査するものとなっている。

受信光学系５は、回転軸Ａ回りに配置した複数の集光レンズ５１と、個々の集光レンズ５１からの受信レーザ光ＬＲを反受光部側（図示例では上側）へ夫々反射する受信反射鏡５２と、回転体３の回転軸Ａ上に配置され且つ回転軸Ａ回りに複数の反射面５３ａを有する受信多面鏡５３を備えている。この実施形態では、集光レンズ５１、受信反射鏡５２及び受信多面鏡５３の反射面５３ａは、いずれも三つである。

各集光レンズ５１は、とくに図１（ａ）に示すように、回転体３の側壁部において、１２０度間隔で配置してある。このとき、各集光レンズ５１は、回転体３において、送信多面鏡４１の各反射面４１ａと同じ位相に配置してある。

各受信反射鏡５２は、同じく回転体３の側壁部において、個々の集光レンズ５１に相対向するように１２０度間隔で配置してある。つまり、集光レンズ５１及び受信反射鏡５２は、回転体３の周方向に交互に配置してある。受信多面鏡５３は、回転体３の上部プレート３Ａの下面に設けてあって、回転軸Ａ回りに、傾斜した三つの反射面５３ａを有する形状（三角錐形状又は三角錐台形状）を成している。このとき、受信多面鏡５３の各反射面５３ａは、回転体３において、各受信反射鏡５２と同じ位相に配置してある。

これにより、受信光学系５は、外部からの受信レーザ光ＬＲを集光レンズ５１で集光した後、その受信レーザ光ＬＲを受信反射鏡５２及び受信多面鏡５３で順次反射して受光部２に導くと共に、回転体３とともに回転することで、外部からの受信レーザ光ＬＲを連続的に受光部２に導くものとなっている。

上記のように、この実施形態のレーザ距離測定装置Ｆ１は、ケース６内に、上端部に保持プレート３Ａを有する円筒形状の回転体３と、回転体３の下端部を保持するリング状のモータ７を収容し、ケース６の上部内側に、発光部１を配置すると共に、保持プレート３Ａの上面に送信光学系４の送信多面鏡４１を配置し、回転体３の円周部に、受信光学系５の集光レンズ５１及び受信反射鏡５２を配置すると共に、保持プレート３Ａの下面に、受信光学系５の受信多面鏡５３を配置し、図１（ｂ）に示す如くモータ７側（回転体３の下端部側）に受光部２を配置したものとなっている。

また、この実施形態のレーザ距離測定装置Ｆ１は、送信光学系４における送信多面鏡４１の反射面４１ａの数と、受信光学系５における集光レンズ５１、受信反射鏡５２、及び受信多面鏡５３の反射面５３ａの数が、いずれも同数で且つ奇数（三つ）である。

上記構成を備えたレーザ距離測定装置Ｆ１は、先述した如く走行ロボットに搭載され、回転体３を垂直軸回りで且つ一方向に回転させながら、発光部１からの送信レーザ光ＬＴを送信光学系４により外部に走査すると共に、外部からの受信レーザ光ＬＲを受信光学系５により受光部２に導くようにする。

この際、レーザ距離測定装置Ｆ１は、回転体３とともに回転する送信光学系４の送信多面鏡４１が、三つの反射面４１ａを有しているので、一つの反射面４１ａによって走行ロボットの前方向１２０度の範囲に送信レーザ光ＬＴを走査することとなり、回転体３が一回転する間に、各反射面４１ａによって同じ前方向１２０度の範囲に送信レーザ光ＬＴを三回走査する。

その一方で、レーザ距離測定装置Ｆ１は、回転体３とともに回転する受信光学系５により受信レーザ光ＬＲを連続的に受信する。すなわち、レーザ距離測定装置Ｆ１は、走査一回分の送信レーザ光ＬＴによる受信レーザ光ＬＲを、一つの集光レンズ５１、これに対応する受信反射鏡５２及び受信多面鏡５３の反射面５３ａによって受光部２に導くこととなり、回転体３が一回転する間に、各集光レンズ５１、受信反射鏡５２及び受信多面鏡５３の反射面５３ａによって個々の走査分の受信レーザ光ＬＲを順次受信する。

そして、レーザ距離測定装置Ｆ１は、制御装置Ｃにおいて、例えば、送信レーザ光ＬＴのドライバ信号又は送信レーザ光ＬＴの一部である参照光の信号を基準信号とし、この基準信号と同期する送信レーザ光ＬＴと、受光部２で受信した受信レーザ光ＬＲの時間的なずれに基づいて目標までの距離を算出するのであって、送信レーザ光ＬＴを前方向１２０度の範囲に走査しながら距離測定をすることで、その走査範囲の地形や障害物を含む環境データ（画像）を作成することができる。

上記のレーザ距離測定装置Ｆ１は、一つの回転体３に、送信光学系４及び受信光学系５がコンパクトに搭載され、発光部１及び送信光学系４と、受光部２及び受信光学系５とが回転体３の回転軸Ａ方向の上下に互いに分離されたものとなるので、両光学系が干渉し合うこともなく、高い測定性能が得られると共に、装置構造を小型に且つ軽量にすることができる。

また、レーザ距離測定装置Ｆ１は、回転体３を一方向に回転させながら発光部１からの全ての送信レーザ光ＬＴを、走行ロボットが走行に使用するのに有効な範囲（この実施形態では前方向１２０度の範囲）だけに走査するので、全方位分の送信レーザ光ＬＴが有効に使用されることとなり、特定範囲のみに送信レーザ光を走査するように動作制限された従来の装置に比べて、取得する距離データ量も多くなる。逆に、全方位に送信レーザ光ＬＴを走査する場合と同等又はそれ以上のデータ量を確保したうえで、回転体３のモータ７の回転数を下げることも可能となり、これにより省力化などを図ることもできる。したがって、当該レーザ距離測定装置Ｆ１は、例えば月や惑星で探査活動を行う走行ロボットに搭載するのに極めて有用である。

さらに、レーザ距離測定装置Ｆ１は、発光部１が、回転体３の回転軸Ａに対して光軸をオフセットした状態で配置してあると共に、送信光学系４が、回転体の回転軸上に配置した送信多面鏡４１を備えたものとしたので、送信光学系４の構成を必要最小限にして、装置構造のさらなる小型軽量化に貢献することができる。

さらに、レーザ距離測定装置Ｆ１は、受光部２が、回転体３の回転軸Ａ上に配置してあると共に、受信光学系５が、回転軸Ａ回りに配置した複数の集光レンズ５１と、集光した受信レーザ光ＬＲを反受光部２側へ反射する受信反射鏡５２と、回転体３の回転軸Ａ上に配置した受信多面鏡５３を備えたものとしたので、受信光学系５の構成を必要最小限にして、装置構造のさらなる小型軽量化に貢献し得るほか、集光レンズ５１から受光部２までの焦点距離を長く確保することができ、これにより、視野を小さくして外乱光の入射を減少させ、ＳＮ比の改善を図ることができる。

さらに、レーザ距離測定装置Ｆ１は、送信光学系４における送信多面鏡４１の反射面４１ａの数と、受信光学系５における集光レンズ５１、受信反射鏡５２、及び受信多面鏡５３の反射面５３ａの数が、いずれも同数で且つ奇数（三つ）としたので、回転体３において、集光レンズ５１と受信反射鏡５２を１８０度異なる配置にして最大限の光経路を得たうえで、集光レンズ５１から受光部２までの長い焦点距離を確保し得る。

なお、一般に、特定範囲に送信レーザ光を走査する手段としては、ポリゴンミラー（回転多面鏡）が周知である。ポリゴンミラーは、その回転に沿う方向に送信レーザ光を送信することで、回転方向に反射角を連続的に変化させて送信レーザ光を走査する。このポリゴンミラーは、回転角度の二倍の角度範囲に送信レーザ光を走査するので、半周分の走査性しか得られない。

これに対して、この実施形態のレーザ距離測定装置は、回転体３と同軸状に送信多面鏡４１を配置すると共に、回転体３の回転軸Ａに対して光軸をオフセットした状態で発光部１を配置している。そして、回転する送信多面鏡４１に対して、その回転軸Ａに沿う方向から送信レーザ光ＬＴを送信するので、一定の反射角度のままで送信レーザ光ＬＴが走査されることとなり、一周分の走査性すなわち上記ポリゴンミラーの二倍の走査性を得ることができる。

本発明に係るレーザ距離測定装置は、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、各構成部位の材料、形状や数などを適宜変更することができる。例えば、送信光学系４及び受信光学系５の配置や反射方向などを変更することで、送信多面鏡の反射面の数、受信光学系における集光レンズ、受信反射鏡、及び受信多面鏡の反射面の数を同数で且つ偶数にすることも可能である。

１発光部
２受光部
３回転体
３Ａ保持プレート
４送信光学系
５受信光学系
６ケース
７モータ
４１送信多面鏡
４１ａ反射面
５１集光レンズ
５２受信反射鏡
５３受信多面鏡
５３ａ反射面
Ａ回転軸
Ｆ１レーザ距離測定装置
ＬＴ送信レーザ光
ＬＲ受信レーザ光

Claims

送信レーザ光と目標で反射した受信レーザ光の時間的なずれに基づいて目標までの距離を測定するレーザ距離測定装置であって、
送信レーザ光の発光部と、受信レーザ光の受光部と、垂直軸回りに回転駆動される回転体を備えると共に、回転体に、同回転体とともに回転しながら発光部からの送信レーザ光を外部の所定角度範囲に走査する送信光学系と、同回転体とともに回転しながら外部の所定角度範囲からの受信レーザ光を受光部に導く受信光学系を設け、
発光部が、回転体の回転軸に対して光軸をオフセットした状態で配置してあると共に、送信光学系が、回転体の回転軸上に配置され且つ回転軸回りに複数の反射面を有する送信多面鏡を備え、送信多面鏡によって発光部からの送信レーザ光を外部の所定角度範囲に走査し、
受光部が、回転体の回転軸上に配置してあると共に、
受信光学系が、回転軸回りに配置した複数の集光レンズと、個々の集光レンズからの受信レーザ光を反受光部側へ夫々反射する受信反射鏡と、回転体の回転軸上に配置され且つ回転軸回りに複数の反射面を有する受信多面鏡を備え、受信多面鏡によって受信反射鏡からの受信レーザ光を受光部に導き、
送信光学系における送信多面鏡の反射面の数と、受信光学系における集光レンズ、受信反射鏡、及び受信多面鏡の反射面の数が、いずれも三であると共に、
回転体の側壁部に、集光レンズと受信反射鏡が１８０度異なる位置で対向するように配置してあることを特徴とするレーザ距離測定装置。
ケース内に、上端部に保持プレートを有する円筒形状の回転体と、回転体の下端部を保持するリング状のモータを収容し、ケースの上部内側に、発光部を配置すると共に、保持プレートの上面に送信光学系の送信多面鏡を配置し、回転体の円周部に、受信光学系の集光レンズ及び受信反射鏡を配置すると共に、保持プレートの下面に、受信光学系の受信多面鏡を配置し、回転体の下端部側に受光部を配置したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ距離測定装置。