JP7281018B2 - 測距装置、測距方法、及び測距プログラム - Google Patents

Description

本開示は、測距装置、測距方法、及び測距プログラムに関する。

一般に、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンし、測定対象物によって反射された反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで、測定対象物までの距離を計測する測距技術が知られている（特開２０１４－１９４３８０号公報、特開２０１６－１２５９７０号公報、及び特開２０１９－１７４２９７号公報参照）。

上記測距技術では、測定対象物をスキャンするスキャン角度を検出する必要があるが、特開２０１４－１９４３８０号公報、特開２０１６－１２５９７０号公報、及び特開２０１９－１７４２９７号公報に記載の技術では、スキャン角度の検出精度が十分とは言えない場合があった。そのため、スキャン角度の検出精度を向上させる技術が望まれている。

本開示は、上記事情を考慮して成されたものであり、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度の検出精度を向上させることができる測距装置、測距方法、及び測距プログラムを提供する。

本開示の第１の態様の測距装置は、光源と、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせたスキャン角度毎に光源からの光を反射する反射部材と、反射部材で反射された光を測定対象物に導く偏向光学部材と、偏向光学部材により導かれた光が測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、反射部材のスキャン角度が特定の角度である場合に、反射部材及び偏向光学部材の順で反射された光を受光する第２受光部と、を備える。

本開示の第２の態様の測距装置は、第１の態様の測距装置において、第２受光部を、偏向光学部材が光を測定対象物に導く方向と交差する方向に複数備える。

本開示の第３の態様の測距装置は、第１の態様または第２の態様の測距装置において、反射部材は、スキャン角度を特定の角度とした状態で光を反射した後、再び特定の角度とした状態で光を反射するまでスキャン角度を異ならせて複数回、光を反射し、少なくとも１つのプロセッサをさらに備え、プロセッサは、第２受光部が光を受光した第１の時間と、第１の時間の後に第２受光部が光を受光した第２の時間との間で第１受光部が、光源の発光回数を取得し、発光回数に基づいて、第１受光部が受光した反射光に対応するスキャン角度を導出する。

本開示の第４の態様の測距装置は、第３の態様の測距装置において、プロセッサは、反射部材がスキャン角度を異ならせる範囲の角度を発光回数から１を減算した数で割った値に基づいて、スキャン角度を導出する。

本開示の第５の態様の測距装置は、第３の態様または第４の態様の測距装置において、プロセッサは、スキャン角度と第１受光部で受光した反射光に応じた測距データとを対応付ける。

本開示の第６の態様の測距装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか１態様の測距装置において、偏向光学部材は、光源から反射部材へと向かう光が透過する透過部と、反射部材で反射された光を測定対象物に向けて反射し、かつ反射部材で反射された光を第２受光部に向けて反射する反射部と、を有する。

本開示の第７の態様の測距装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか１態様の測距装置において、偏向光学部材は、さらに、測定対象物により反射された反射光を反射部材に導き、かつ反射部材により反射された反射光を光源の方向に導き、第１受光部は、偏向光学部材により光源の方向に導かれた反射光を受光する。

本開示の第８の態様の測距装置は、第７の態様の測距装置において、光源と反射部材との光路上の間、かつ反射部材と第１受光部との光路上の間に位置し、光を反射部材の方向へ通過させ、かつ反射部材により光源の方向に反射された反射光を第１受光部へ導くビームスプリッタをさらに備える。

本開示の第９の態様の測距装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか１態様の測距装置において、測定対象物により反射された反射光を、光源の方向と異なる方向に導く光学部品をさらに備え、第１受光部は、光学部品により光源の方向と異なる方向に導かれた反射光を受光する。

本開示の第１０の態様の測距装置は、第１の態様から第９の態様のいずれか１態様の測距装置において、反射部材は、ＭＥＭＳミラーである。

また、本開示の第１１の態様の測距方法は、光源と、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせたスキャン角度毎に光源からの光を反射する反射部材と、反射部材で反射された光を測定対象物に導く偏向光学部材と、偏向光学部材により導かれた光が測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、反射部材のスキャン角度が特定の角度である場合に、反射部材及び偏向光学部材の順で反射された光を受光する第２受光部と、を備え、反射部材は、スキャン角度を特定の角度とした状態で光を反射した後、再び特定の角度とした状態で光を反射するまでスキャン角度を異ならせて複数回、光を反射する測距装置による測距方法であって、第２受光部が光を受光した第１の時間と、第１の時間の後に第２受光部が光を受光した第２の時間との間で第１受光部が、反射光を受光した光源の発光回数を取得し、発光回数に基づいて、第１受光部が受光した反射光に対応するスキャン角度を導出し、スキャン角度と第１受光部で受光した反射光に応じた測距データとを対応付ける処理をプロセッサが実行するための方法である。

また、本開示の第１２の態様の測距プログラムは、光源と、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせたスキャン角度毎に光源からの光を反射する反射部材と、反射部材で反射された光を測定対象物に導く偏向光学部材と、偏向光学部材により導かれた光が測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、反射部材のスキャン角度が特定の角度である場合に、反射部材及び偏向光学部材の順で反射された光を受光する第２受光部と、を備え、反射部材は、スキャン角度を特定の角度とした状態で光を反射した後、再び特定の角度とした状態で光を反射するまでスキャン角度を異ならせて複数回、光を反射する測距装置による測距を行うための処理をプロセッサに実行させるための測距プログラムであって、第２受光部が光を受光した第１の時間と、第１の時間の後に第２受光部が光を受光した第２の時間との間で第１受光部が、反射光を受光した光源の発光回数を取得し、発光回数に基づいて、第１受光部が受光した反射光に対応するスキャン角度を導出し、スキャン角度と第１受光部で受光した反射光に応じた測距データとを対応付ける処理をプロセッサに実行させるためのものである。

本開示によれば、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度の検出精度を向上させることができる。

実施形態の測距装置の一例を示す構成図である。 光源から照射される光の光路を説明するための図である。 測定対象物により反射された反射光の光路を説明するための図である。 実施形態の反射部材であるＭＥＭＳミラーの構造の一例を示す構造図である。 実施形態の制御部のハードウェア構成の一例を示す構成図である。 実施形態の制御部の機能的な構成の一例を示す機能ブロック図である。 制御部で実行される測距処理の一例を表すフローチャートである。 変形例１の測距装置の一例を示す構成図である。 変形例２の測距装置の一例を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明を限定するものではない。

図１には、本実施形態の測距装置１の構成の一例を示す。図１に示すように本実施形態の測距装置１は、光源１０、コリメータレンズ１２、コリメータレンズ１４、ビームスプリッタ１６、偏向光学部材１８、反射部材２０、受光素子２２、受光素子２４、及び制御部３０を備える。

本実施形態の測距装置１は、光源１０からの光を走査して測定対象物４をスキャンし、測定対象物４によって反射された反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで、測定対象物４までの距離を計測する、いわゆるＬｉＤＡＲ（light detection and ranging）システムである。なお、以下では、「反射光」という場合、測定対象物４により反射された光のことをいう。また、図１における、ｘ軸方向及びｙ軸方向（ｘｙ平面方向）を水平方向といい、ｚ軸方向を垂直方向という。

図２Ａに示すように、光源１０から照射された光Ｌ１は、コリメータレンズ１２及びコリメータレンズ１４でコリメートされ、ビームスプリッタ１６、及び偏向光学部材１８を透過し、反射部材２０によって反射される。反射部材２０によって反射された光Ｌ１_１は、測定対象物４に照射される。また、反射部材２０によって反射された光Ｌ１_２は、受光素子２２に入射する。本実施形態の受光素子２２が、本開示の第２受光部の一例である。

また、図２Ｂに示すように、測定対象物４によって反射された反射光Ｌ２は、偏向光学部材１８によって反射された後、反射部材２０によって反射される。さらに、反射光Ｌ２は、偏向光学部材１８を透過してビームスプリッタ１６によって反射され受光素子２４によって受光される。本実施形態の受光素子２４が、本開示の第１受光部の一例である。

光源１０は、測定対象物４までの距離の測定に用いられる光を出射する機能を有する。本実施形態では、光源１０の一例として、９０５ｎｍを中心とする波長のレーザを出射する半導体レーザを用いている。具体的には、光源１０は、高いピーク光出力を放出するパルスレーザダイオードを用いている。パルスレーザダイオードは、制御部３０から入力されたパルストリガ信号（詳細後述）に合わせて、発光して高いピーク光出力を放出でき、放出される光出力が数十Ｗ～数百Ｗとなる。

図１に示すように、一例として本実施形態の偏向光学部材１８は、ｚ軸を軸とした回転対称な形状を有し、偏向方向が３６０°（全方位）である全方位レンズを用いている。本実施形態の偏向光学部材１８は、透過部１８Ａ及び反射部１８Ｂを有する。透過部１８Ａは、ｚ軸に沿って偏向光学部材１８の中心に形成された孔であり、光源１０から反射部材２０へと向かう光、及び反射部材２０により反射された反射光を透過させる機能を有する。反射部１８Ｂは、反射部材２０で反射された光を測定対象物４に向けて反射し、かつ反射部材２０で反射された光を受光素子２２に向けて反射する機能を有する。上述したように本実施形態の偏向光学部材１８は、偏向方向が３６０°であるため、反射部材２０により反射された光を３６０°の水平方向に偏向させ水平スキャンを行う。

反射部材２０は、光源１０からの光を走査して測定対象物４をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせたスキャン角度毎に光源１０からの光を反射する機能を有する。

本実施形態では、反射部材２０としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いており、ミラーを通るｚ軸を回転軸として回転させることにより、反射部材２０により反射された光の軌跡は、円状を描く。反射部材２０を回転させることにより、スキャン角度を異ならせる。本実施形態におけるスキャン角度は、ＬｉＤＡＲシステムにおける、いわゆる視野角に対応する。本実施形態の測距装置１における反射部材２０がスキャン角度を異ならせる範囲の角度は３６０°であるため、水平視野角は、３６０°となる。

なお、反射部材２０としてＭＥＭＳミラーを用いた場合、ミラー５０の角度（回転）の変位量は、比較的小さく、わずかであるが、拡大光学系を備えた偏向光学部材１８を用いることで３６０°方向に投光する光の円状の軌跡の半径を大きくすることができる。そのため、後述する受光素子２４を偏向光学部材１８の後の光路上に設置することで、スキャン角度を精度よく検出することができる。

図３には、本実施形態の反射部材２０であるＭＥＭＳミラーの構造の一例を示す。本実施形態の反射部材２０は、ミラー部４０、トーションバー４１、可動枠４２、トーションバー４３、及び固定部４４を備える。

ミラー部４０は、光を反射するためのミラー５０を有し、ミラー部４０の回転に伴い、ミラー５０が回転する。トーションバー４１は、ミラー部４０を軸Ａを回転軸として回転可能に軸支する。可動枠４２は、ミラー部４０とトーションバー４１を保持する。トーションバー４３は、可動枠４２を軸Ｂを回転軸として回転可能に軸支する。固定部４４は、これらの構造を支持する。

また、図３に示すように、ミラー部４０上には駆動部５２が設けられている。駆動部５２は、ミラー部４０を軸Ａを回転軸として回転運動させるためのトルクを発生させる。また、可動枠４２上には、駆動部５４が設けられている。駆動部５４は、可動枠４２を軸Ｂを回転軸として回転運動させるためのトルクを発生させる。なお、駆動部５２及び駆動部５４に設けるアクチュエータ（図示省略）は、電磁駆動方式、静電駆動方式、及び圧電駆動方式等が考えられ、いずれにも限定されない。

例えば、アクチュエータが電磁駆動方式の場合、外部に永久磁石（図示省略）を配置することで外部磁界を形成した状態で、駆動部５２及び駆動部５４の各々にパターン形成されたコイル配線に駆動電流を流すことにより、ミラー部４０及び可動枠４２を揺動させる電磁気力を発生する仕組みとなる。また、アクチュエータが静電駆動方式の場合、駆動部５２及び駆動部５４の各々には、微細な櫛歯電極が対向して形成され、片方がローター、もう片方がステータとして機能する静電アクチュエータが形成される。ローター・ステータ間に電圧を印加することによって発生する静電引力により、ミラー部４０及び可動枠４２を揺動する仕組みである。また、アクチュエータが圧電駆動方式の場合、駆動部５２及び駆動部５４の各々に、圧電薄膜と、それを膜厚方向に挟み込む状態に形成された上部電極及び下部電極を備える。上部電極及び下部電極間に電圧を印加することにより、圧電効果による収縮・膨張が励起され、振動板のたわみ振動が発生することにより、ミラー部４０及び可動枠４２を揺動するトルクを発生する仕組みである。なお、圧電薄膜の材質としては、窒化アルミニウム、チタン酸バリウム、及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等が挙げられる。

いずれの方式においても、好ましくは、駆動部５２及び駆動部５４に正弦波状のトルクを印加し、ミラー部４０及び可動枠４２がそれぞれ軸Ａ及び軸Ｂ周りに回転運動する共振振動を励起させることが望ましい。これにより、より低い投入電力で大角度での揺動が可能になる。この場合、駆動電圧の振幅はミラー部４０（ミラー５０）の回転角度、駆動電圧の周波数はミラー部４０（ミラー５０）の動作周波数に反映される。ここで、軸Ａ及び軸Ｂ周りの回転周波数を同一に設定し、両者の動作位相を適切に設定することで、円軌跡でのスキャンが可能となる。さらに、駆動電圧の振幅を変調することにより、円の径を変化させるスパイラルスキャンが可能である。なお、反射部材２０を駆動させる周波数は、共振周波数に限定されず、共振周波数以外の周波数であってもよい。

ビームスプリッタ１６は、光源１０と反射部材２０の光路上における、光源１０と偏向光学部材１８との間に位置する。また、ビームスプリッタ１６は、反射部材２０と受光素子２４との光路上の間に位置する。ビームスプリッタ１６は、光源１０からの光を反射部材２０の方向へ通過させ、かつ反射部材２０により光源１０の方向に反射された反射光を受光素子２４へ導く機能を有する。

受光素子２２は、反射部材２０のスキャン角度が特定の角度である場合に、光源１０から出射され、反射部材２０及び偏向光学部材１８の順で反射された光を受光する。換言すると、受光素子２２は、測定対象物４をスキャンするためのスキャン光の一部を受光する。受光素子２２が受光する光の強度は測距に用いるレーザ出力と同じであり、数十Ｗ～数百Ｗにもなるが、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ等を前面に備えることによって光を減衰させて受光素子２２の飽和を避けることができる。受光素子２２としては、例えばアバランシェフォトダイオード等が挙げられる。また受光素子２２の前面にレーザ波長のみを透過する波長フィルタを設けることで、対象物からの反射光以外の光（太陽光など）の影響を除くことが望ましい。

受光素子２４は、偏向光学部材１８により導かれた光が測定対象物４により反射された反射光を受光する。受光素子２４としては、例えば、アバランシェフォトダイオード等が挙げられる。また受光素子２４の前面にレーザ波長のみを透過する波長フィルタを設けることで、対象物からの反射光以外の光（太陽光など）の影響を除くことが望ましい。

制御部３０は、測距装置１の全体を制御し、測定対象物４までの距離の測定に関する制御を行うために、光源１０、反射部材２０、受光素子２２、及び受光素子２４の各々と有線または無線により接続されている。なお、図１では、図が煩雑になるのを避けるため、制御部３０と、光源１０、反射部材２０、受光素子２２、及び受光素子２４への接続の図示を省略している。

具体的には、制御部３０は、光源１０から光を出射させるためのパルストリガ信号（以下、単に「トリガ信号」という）を光源１０に出力する。光源１０は、トリガ信号に応じて、光源１０をオン状態にし、光源１０から光を出射する。上述したように、光源１０は、制御部３０から入力されたトリガ信号に合わせて発光して光を出射するため、光源１０にトリガ信号が入力される回数が、光源１０が光を出射する発光回数となる。

また、制御部３０は、反射部材２０であるＭＥＭＳミラーのミラー部４０を上述したように回転させる制御を行う。また、制御部３０には、受光素子２２及び受光素子２４の各々から、受光したことを表す受光信号が入力される。

また、制御部３０は、図示を省略した微小時間計測回路（Time to Digital Converter）を有し、微少時間計測回路により、トリガ信号を出力してから、受光素子２４から受光信号が入力されるまでの時間、すなわち、光の飛行時間を求め、測定対象物４までの距離を表す距離データを導出する。

本実施形態の制御部３０は、受光素子２２から入力された受光信号に基づいてスキャン角度を導出する。制御部３０が、受光素子２４から入力された受光信号に基づいて導出した距離データとスキャン角度とをセットにした測距データを取得することで、測定対象物４の三次元位置情報を取得することができる。

以下、本実施形態の測距装置１の作用として、制御部３０が、測定対象物４までの距離を測距するための動作における、スキャン角度を導出し、距離データに対応付ける測距処理について説明する。

図４には、本実施形態の制御部３０のハードウェア構成の一例を示す。図４に示すよう本実施形態の制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６４、Ｉ／Ｆ（Interface）部６６、及び記憶部６８を備えている。ＣＰＵ６０、ＲＯＭ６２、ＲＡＭ６４、Ｉ／Ｆ部６６、及び記憶部６８はシステムバスやコントロールバス等のバス６９を介して相互に各種情報の授受が可能に接続されている。

ＲＯＭ６２には、ＣＰＵ６０で実行される、測距プログラム６３を含む各種のプログラム等が予め記憶されている。ＲＡＭ６４は、各種データを一時的に記憶する。本実施形態のＣＰＵ６０が、本開示のプロセッサの一例である。また、本実施形態の測距プログラム６３が、本開示の測距プログラムの一例である。

記憶部６８には上述の測距データや、その他の各種情報等が記憶される。記憶部６８の具体例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等が挙げられる。

Ｉ／Ｆ部６６は、無線通信または有線通信により、光源１０、反射部材２０、受光素子２２、及び受光素子２４との間で各種情報の通信を行う。また、Ｉ／Ｆ部６６は、無線通信または有線通信により、測距装置１の外部の装置との間で各種情報の通信を行う。一例として本実施形態では、測距装置１の外部の装置からの指示に応じて、測定対象物４との間の距離を測距し、また、測距装置１の外部の装置からの指示に応じて測距データを外部の装置等に出力する。なお、本実施形態と異なり、制御部３０が入力デバイスやディスプレイ等の表示装置を備える形態とし、ユーザが直接、制御部３０に対して行った指示に応じて測距を行い、測距結果を自装置に備えたディスプレイ等の表示装置に表示させる形態としてもよい。

さらに、図５には、本実施形態の制御部３０の機能的な構成の一例の機能ブロック図を示す。図５に示すように制御部３０は、取得部７０、導出部７２、及び対応付部７４を備える。一例として本実施形態の制御部３０は、ＣＰＵ６０がＲＯＭ６２に記憶されている測距プログラム６３を実行することにより、ＣＰＵ６０が、取得部７０、導出部７２、及び対応付部７４として機能する。

取得部７０は、受光素子２２が光を受光した時間Ｔｓと、時間Ｔｓの後に受光素子２２が光を受光した時間Ｔｅとの間で制御部３０がトリガ信号を光源１０に出力した回数を取得する。上述したように、光源１０では、制御部３０から入力されたトリガ信号に合わせて発光する。そのため、制御部３０がトリガ信号を光源１０に出力した回数は、光源１０の発光回数と等しいとみなせる。なお、測定対象物４がガラス体等の透明物ではない場合、上述したように、受光素子２４は、光源１０から出射された光が測定対象物４によって反射された反射光を受光するため、受光素子２４が反射光を受光した受光回数は、光源１０の発光回数と等しいとみなせる。具体的には、受光素子２２から受光信号を受光した時間を時間Ｔｓとする。その後、再び受光素子２２から受光信号を受光した時間を時間Ｔｅとする。また、取得部７０は、時間Ｔｓから時間Ｔｅまでの間に、制御部３０がトリガ信号を光源１０に出力した回数を取得する。本実施形態の時間Ｔｓが本開示の第１の時間の一例であり、本実施形態の時間Ｔｅが本開示の第２の時間の一例である。

導出部７２は、取得部７０が取得した、制御部３０がトリガ信号を光源１０に出力した回数に基づいて、受光素子２４が受光した反射光に対応するスキャン角度を導出する。対応付部７４は、導出部７２が導出したスキャン角度と受光素子２４で受光した反射光に応じた測距データとを対応付ける。

また、図６には測距処理の一例を表すフローチャートを示す。本実施形態では、ＣＰＵ６０がＲＯＭ６２に記憶されている測距プログラム６３を実行することにより、図６に示した測距処理が実行される。

図６のステップＳ１００で取得部７０は、受光素子２２から受光信号が入力されたか否かを判定する。受光素子２２から受光信号が入力されるまで、ステップＳ１００の判定が否定判定となる。一方、受光素子２２から受光信号が入力されるとステップＳ１００の判定が肯定判定となり、ステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０２で取得部７０は、トリガ信号を出力してから受光素子２４から受光信号が入力されるまでの時間に基づき導出された距離データに、スキャン角度として０°を対応付ける。また、取得部７０は、測距時刻を表す時間を時間Ｔｓとして記録する。

本実施形態の測距装置１では、スキャン角度間隔を一定として、スキャン角度を異ならせてスキャン動作を繰り返し行う。そのため、水平スキャンにおいて受光素子２４は、時間Ｔｓにおいて反射部材２０及び偏向光学部材１８の順で反射された光を受光した後、反射部材２０及び偏向光学部材１８の順で反射された光を再び受光する。

そこで、取得部７０は、ステップＳ１０４で受光素子２２から受光信号が入力されたか否かを判定する。受光素子２２から受光信号が入力されるまで、ステップＳ１０４の判定が否定判定となる。一方、受光素子２２から受光信号が入力されるとステップＳ１０４の判定が肯定判定となり、ステップＳ１０６へ移行する。

ステップＳ１０６で取得部７０は、トリガ信号を出力してから受光素子２４から受光信号が入力されるまでの時間に基づき導出された距離データに、スキャン角度として測距装置１が有する性能上の最大角度である３６０°を対応付ける。また、取得部７０は、測距時刻を表す時間を時間Ｔｅとして記録する。

次のステップＳ１０８で取得部７０は、時間Ｔｓから時間Ｔｅまでの間に、制御部３０がトリガ信号を光源１０に出力した回数、すなわちスキャン回数を取得する。なお、取得部７０がスキャン回数を取得する方法は特に限定されない。例えば、取得部７０は、図示を省略したカウンタを用い、時間Ｔｓにおけるカウントを１とし、時間Ｔｅにおけるカウントを行うまで、トリガ信号が光源１０に出力される毎にカウントをインクリメントすることによりスキャン回数を取得してもよい。取得部７０が取得したスキャン回数は、導出部７２に出力される。

次のステップＳ１１０で導出部７２は、スキャン角度を導出し、各スキャン回毎のスキャン角度を導出する。一例として本実施形態の導出部７２は、スキャン角度の範囲（本実施形態では、３６０°）を、上記ステップＳ１０８で取得したスキャン回数ｎから１を減算した数（ｎ－１）で割った値に基づいて、各スキャン回のスキャン角度を導出する。導出部７２が導出した各スキャン回のスキャン角度は、対応付部７４に出力される。

具体例として、上記ステップＳ１０８で取得したスキャン回数が５回であり、ｎ＝５である場合について説明する。スキャン回数ｎから１を減算（ｎ－１）した値は、５－１＝４である。スキャン角度の範囲である３６０°を４で割ると、スキャン角度間隔として、９０°（３６０°÷４＝９０°）が得られる。これにより、測距装置１では、９０°毎に、スキャンを行っていることがわかる。このことから導出部７２は、５回のスキャンにおける各スキャン角度が、０°、９０°、１８０°、２７０°、及び３６０°（０°）であることを導出する。

次のステップＳ１１２で対応付部７４は、上記ステップＳ１１０で導出した各スキャン回のスキャン角度と、各スキャン回における距離データとを対応付けて、測距データとする。このようにして得られた測距データは、記憶部６８に出力し、記憶部６８に記憶させてもよいし、制御部３０外部の装置等に出力してもよい。得られた測距データの出力先は特に限定されず、例えば、測距装置１の仕様に応じた予め定められていてもよいし、ユーザによる設定が可能であってもよい。ステップＳ１１２の処理が終了すると、図６に示した測距処理が終了する。

このようにして図６に示すと、特定の垂直方向の位置における、測定対象物４に対する水平スキャンが終了する。

なお、本実施形態の測距装置１は、図１に示した形態に限定されず、例えば、下記の変形例１及び変形例２等のように構成してもよい。

（変形例１）
図１に示した測距装置１は、測定対象物４の水平スキャンのみを行う形態であったが、さらに垂直スキャンを行い、垂直視野角を有する形態としてもよい。

反射部材２０の反射面の角度として、例えば、ミラー５０の回転角度を調整し、反射部材２０により反射された光の軌跡が、らせん状を描く状態に制御することにより、ｚ軸方向のスキャン、すなわち垂直スキャンを行うことができる。例えば、水平スキャンにおけるスキャン角度が０°から３６０°まで至ると、垂直方向の走査位置が変化するように反射部材２０のミラー５０の傾きが調整され、変化後の垂直方向の位置において、再び水平スキャンを行う。

図７には、本変形例の測距装置１の構成の一例を示す。図７に示すように本変形例の測距装置１は、偏向光学部材１８が光を測定対象物４に導く方向と交差する方向（図７ではｚ軸方向）に複数（図７では３個）の受光素子２２として、受光素子２２_１、２２_２、及び２２_３を備える。

本実施形態の測距装置１における測距処理では、図６に示した測距処理を、垂直スキャン位置毎に繰り返すことにより、垂直スキャンを行うことができる。なお、ＭＥＭＳミラーである反射部材２０では、ミラー５０の角度（回転）の変位量は、比較的小さく、わずかであるが、拡大光学系を備えた偏向光学部材１８を用いることで垂直方向のスキャン角度を拡大することできるため、スキャン角度の検出精度を向上させることができる。

（変形例２）
図１に示した測距装置１は、投光光学系と受光光学系とが共通の光路を有する同軸光学系である形態であったが、投光光学系の光路と受光光学系の光路とが分離されている非同軸光学系とした形態であってもよい。

図８には、本変形例の測距装置１の構成の一例を示す。図８に示すように本変形例の測距装置１は、反射部材２０に対する、偏向光学部材１８が設けられた側と反対側の位置に、偏向光学部品３２、及び光学部品３４をさらに備える。本実施形態の偏向光学部品３２が本開示の光学部品の一例である。

偏向光学部品３２は、測定対象物４により反射された反射光Ｌ２を、光源１０の方向と異なる方向に導く機能を有する。そのため、本実施形態の測距装置１では、受光素子２４を設ける位置が、図１に示した同軸光学系の測距装置１の場合と異なる。また、図８に示すように、非同軸光学系の測距装置１では、ビームスプリッタ１６を備えていない。

図８に示すように、本実施形態では、反射光Ｌ２は、偏向光学部品３２により反射され、光学部品３４を透過することにより入射角度が調整された後、受光素子２４に入射する。

反射光Ｌ２の強度は、比較的、微弱であるため、その強度を確保するための方法として、受光光学系の口径を拡大することが挙げられる。ただし同軸光学系においてこの方法を行うためには、投光方向を偏向する反射部材２０のミラー５０のサイズを大きくする必要があり、おのずと限界がある。これに対して、測距装置１を非同軸光学系とすることにより、反射部材２０のミラー５０のサイズを大きくすることなく、受光光学系の口径を拡大することができる。そのため、非同軸光学系の測距装置１では、反射光Ｌ２の強度を確保するための上述の方法における制限が緩やかとなる。

以上説明したように、上記各実施形態の測距装置１は、光源１０と、偏向光学部材１８と、反射部材２０と、受光素子２２と、受光素子２４と、を備える。反射部材２０は、光源１０からの光を走査して測定対象物４をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせたスキャン角度毎に光源１０からの光を反射する。偏向光学部材１８は、反射部材２０で反射された光を測定対象物４に導く。受光素子２４は、偏向光学部材１８により導かれた光が測定対象物４により反射された反射光を受光する。受光素子２２は、反射部材２０のスキャン角度が特定の角度である場合に、反射部材２０及び偏向光学部材１８の順で反射された光を受光する。

上記構成によれば、反射部材２０及び偏向光学部材１８の順で反射された光を受光する受光素子２２による、反射光の受光結果に基づいて、スキャン角度を導出することができる。従って、測距装置１によれば、光源１０からの光を走査して測定対象物４をスキャンするためのスキャン角度の検出精度を向上させることができる。

特に、反射部材２０がＭＥＭＳミラーの場合、プリズムや鏡を機械的に回転させる場合に比べて、小型化及び軽量化が図れ、また消費電力を抑制できる傾向があり、好ましいが、その挙動は環境温度、個体差、及び経時変化等の影響を受けやすい傾向がある。しかしながら、１回の水平スキャンまたは垂直スキャンに要する時間内ではＭＥＭＳミラーの挙動はほぼ一定である。また、１回の水平スキャンまたは垂直スキャンにおいて複数回行われるスキャン毎に、反射部材２０の挙動に基づいてスキャン角度を導出していないため、スキャン角度の検出精度をより向上させることができる。

なお、本実施形態では、光源１０の波長を９０５ｎｍとしたが、眼への安全性が高い１５００ｎｍなど他の波長であってもよい。

また、本実施形態では、反射部材２０がＭＥＭＳミラーである形態（図３参照）について説明したが、ＭＥＭＳミラーに限定されず、プリズムや鏡を機械的に回転させる形態としてもよい。

また、本実施形態では、制御部３０が、光源１０、反射部材２０、受光素子２２、及び受光素子２４を制御し、かつ上述の測距処理（図６参照）を行う形態について説明したが、反射部材２０などの制御を行う制御部と、測距処理を行う制御部とを別体として構成してもよい。

また、上記実施形態において、例えば、取得部７０、導出部７２、及び対応付部７４といった各種の処理を実行する処理部（processing unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（processor）を用いることができる。上記各種のプロセッサには、前述したように、ソフトウェア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device：PLD）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。

１つの処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせや、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。また、複数の処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。

複数の処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアント及びサーバ等のコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアの組み合わせで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが複数の処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip：SoC）等に代表されるように、複数の処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、各種の処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。

更に、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子などの回路素子を組み合わせた電気回路（circuitry）を用いることができる。

また、上記実施形態では、測距プログラム６３がＲＯＭ６２に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、これに限定されない。測距プログラム６３は、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、及びＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の記録媒体に記録された形態で提供されてもよい。また、測距プログラム６３は、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

２０２０年７月２２日出願の日本国特許出願２０２０－１２５８４８号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

１ 測距装置
４ 測定対象物
１０ 光源
１２、１４ コリメータレンズ
１６ ビームスプリッタ
１８ 偏向光学部材
２０ 反射部材
２２、２２_１、２２_２、２２_３、２４ 受光素子
３０ 制御部
３２ 偏向光学部品
３４ 光学部品
４０ ミラー部
４１、４３ トーションバー
４２ 可動枠
４４ 固定部
５０ ミラー
５２、５４ 駆動部
６０ ＣＰＵ
６２ ＲＯＭ
６３ 測距プログラム
６４ ＲＡＭ
６６ Ｉ／Ｆ部
６８ 記憶部
６９ バス
７０ 取得部
７２ 導出部
７４ 対応付部
Ａ、Ｂ、ｘ、ｙ、ｚ 軸
Ｌ１、Ｌ１_１、Ｌ１_２ 光
Ｌ２ 反射光

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせた前記スキャン角度毎に前記光源からの光を反射する反射部材と、
   前記反射部材で反射された前記光を前記測定対象物に導く偏向光学部材と、
   前記偏向光学部材により導かれた光が前記測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、
   前記反射部材の前記スキャン角度が特定の角度である場合に、前記反射部材及び前記偏向光学部材の順で反射された前記光を受光する第２受光部と、
   を備え、
   前記偏向光学部材は、前記光源から前記反射部材へと向かう光が透過する透過部と、前記反射部材で反射された前記光を前記測定対象物に向けて反射し、かつ前記反射部材で反射された前記光を前記第２受光部に向けて反射する反射部と、を有する、
   測距装置。
2. 前記第２受光部を、前記偏向光学部材が前記光を前記測定対象物に導く方向と交差する方向に複数備える、
   請求項１に記載の測距装置。
3. 前記反射部材は、前記スキャン角度を前記特定の角度とした状態で前記光を反射した後、再び前記特定の角度とした状態で前記光を反射するまで前記スキャン角度を異ならせて複数回、前記光を反射し、
   少なくとも１つのプロセッサをさらに備え、
   前記プロセッサは、
   前記第２受光部が前記光を受光した第１の時間と、前記第１の時間の後に前記第２受光部が前記光を受光した第２の時間との間で前記第１受光部が、前記光源の発光回数を取得し、
   前記発光回数に基づいて、前記第１受光部が受光した前記反射光に対応する前記スキャン角度を導出する
   請求項１または請求項２に記載の測距装置。
4. 前記プロセッサは、
   前記反射部材が前記スキャン角度を異ならせる範囲の角度を前記発光回数から１を減算した数で割った値に基づいて、前記スキャン角度を導出する
   請求項３に記載の測距装置。
5. 前記プロセッサは、
   前記スキャン角度と前記第１受光部で受光した前記反射光に応じた測距データとを対応付ける
   請求項３または請求項４に記載の測距装置。
6. （削除）
7. 前記偏向光学部材は、さらに、前記測定対象物により反射された前記反射光を前記反射部材に導き、かつ前記反射部材により反射された前記反射光を前記光源の方向に導き、
   前記第１受光部は、前記偏向光学部材により前記光源の方向に導かれた前記反射光を受光する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測距装置。
8. 前記光源と前記反射部材との光路上の間、かつ前記反射部材と前記第１受光部との光路上の間に位置し、前記光を前記反射部材の方向へ通過させ、かつ前記反射部材により前記光源の方向に反射された前記反射光を前記第１受光部へ導くビームスプリッタをさらに備えた、
   請求項７に記載の測距装置。
9. 前記測定対象物により反射された前記反射光を、前記光源の方向と異なる方向に導く光学部品をさらに備え、
   前記第１受光部は、前記光学部品により前記光源の方向と異なる方向に導かれた前記反射光を受光する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測距装置。
10. 前記反射部材は、ＭＥＭＳミラーである、
    請求項１から請求項５、及び請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の測距装置。
11. 光源と、光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせた前記スキャン角度毎に前記光源からの光を反射する反射部材と、前記反射部材で反射された前記光を測定対象物に導く偏向光学部材と、前記偏向光学部材により導かれた光が前記測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、前記反射部材の前記スキャン角度が特定の角度である場合に、前記反射部材及び前記偏向光学部材の順で反射された前記光を受光する第２受光部と、を備え、前記偏向光学部材は、前記光源から前記反射部材へと向かう光が透過する透過部と、前記反射部材で反射された前記光を前記測定対象物に向けて反射し、かつ前記反射部材で反射された前記光を前記第２受光部に向けて反射する反射部と、を有し、前記反射部材は、前記スキャン角度を前記特定の角度とした状態で前記光を反射した後、再び前記特定の角度とした状態で前記光を反射するまで前記スキャン角度を異ならせて複数回、前記光を反射する測距装置による測距方法であって、
    前記第２受光部が前記光を受光した第１の時間と、前記第１の時間の後に前記第２受光部が前記光を受光した第２の時間との間で前記第１受光部が、前記反射光を受光した前記光源の発光回数を取得し、
    前記発光回数に基づいて、前記第１受光部が受光した前記反射光に対応する前記スキャン角度を導出し、
    前記スキャン角度と前記第１受光部で受光した前記反射光に応じた測距データとを対応付ける
    処理をプロセッサが実行する測距方法。
12. 光源と、前記光源からの光を走査して測定対象物をスキャンするためのスキャン角度を異ならせ、異ならせた前記スキャン角度毎に前記光源からの光を反射する反射部材と、前記反射部材で反射された前記光を前記測定対象物に導く偏向光学部材と、前記偏向光学部材により導かれた光が前記測定対象物により反射された反射光を受光する第１受光部と、前記反射部材の前記スキャン角度が特定の角度である場合に、前記反射部材及び前記偏向光学部材の順で反射された前記光を受光する第２受光部と、を備え、前記偏向光学部材は、前記光源から前記反射部材へと向かう光が透過する透過部と、前記反射部材で反射された前記光を前記測定対象物に向けて反射し、かつ前記反射部材で反射された前記光を前記第２受光部に向けて反射する反射部と、を有し、前記反射部材は、前記スキャン角度を前記特定の角度とした状態で前記光を反射した後、再び前記特定の角度とした状態で前記光を反射するまで前記スキャン角度を異ならせて複数回、前記光を反射する測距装置による測距を行うための処理をプロセッサに実行させるための測距プログラムであって、
    前記第２受光部が前記光を受光した第１の時間と、前記第１の時間の後に前記第２受光部が前記光を受光した第２の時間との間で前記第１受光部が、前記反射光を受光した前記光源の発光回数を取得し、
    前記発光回数に基づいて、前記第１受光部が受光した前記反射光に対応する前記スキャン角度を導出し、
    前記スキャン角度と前記第１受光部で受光した前記反射光に応じた測距データとを対応付ける
    処理をプロセッサに実行させるための測距プログラム。

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