特許 6676916 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6676916

(24)【登録日】2020年3月17日

(45)【発行日】2020年4月8日

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20200330BHJP

   G01S 17/08 20060101ALI20200330BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20200330BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20200330BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/481 A

   G01S17/08

   G02B26/10 104Z

   G02B26/08 E

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-197943(P2015-197943)

(22)【出願日】2015年10月5日

(65)【公開番号】特開2017-72419(P2017-72419A)

(43)【公開日】2017年4月13日

【審査請求日】2018年9月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000201113

【氏名又は名称】船井電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100148460

【弁理士】

【氏名又は名称】小俣 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100168125

【弁理士】

【氏名又は名称】三藤 誠司

(72)【発明者】

【氏名】村山 学

(72)【発明者】

【氏名】増田 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】平井 智久

【審査官】 東 治企

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４９１６５３６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３００８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２７１８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９９８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１０３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５９２２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８−７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００−１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００−３／３２

Ｇ０２Ｂ ２６／１０−２６／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

揺動軸で支持されて揺動し、光源からの測定光を反射する送光ミラーと、
前記揺動軸で支持されて揺動し、前記揺動軸に垂直な方向に所定のミラー幅を有し、対象物からの前記測定光の戻り光を反射する受光ミラーと、
を備え、
前記ミラー幅の前記受光素子方向への投影寸法を開口幅として、前記送光ミラー及び前記受光ミラーがそれぞれ前記送光ミラーの揺動中心及び前記受光ミラーの揺動中心で静止しているときに、前記受光ミラーは、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を、前記受光素子の方向から前記開口幅が増加する回転方向に傾いた方向に反射する、
測定装置。

【請求項2】

前記送光ミラー及び前記受光ミラーが揺動中に、前記受光ミラーは、揺動中心から前記開口幅が小さくなる回転方向に傾いた位置で、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を前記受光素子の方向に反射する、
請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記受光ミラーは、前記開口幅が小さくなる回転方向での揺動端で、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を前記受光素子の方向に反射する、
請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記受光素子と前記光源とが、前記揺動軸の周りに同一の方向に配置され、かつ、前記送光ミラー及び前記受光ミラーがそれぞれ前記送光ミラーの揺動中心及び前記受光ミラーの揺動中心で静止しているときに、前記受光ミラーのミラー面が前記送光ミラーのミラー面から前記開口幅が増加する回転方向に傾いている、
請求項１から３の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記受光ミラーのミラー面は、前記送光ミラーのミラー面から、前記受光ミラーの揺動振幅と前記送光ミラーの揺動振幅との差分の半分量と等しい角度傾いている、
請求項４に記載の測定装置。

【請求項6】

前記光源が、前記揺動軸の周りに前記受光素子の方向から前記開口幅が増加する回転方向に傾いて配置され、かつ、前記送光ミラー及び前記受光ミラーがそれぞれ前記送光ミラーの揺動中心及び前記受光ミラーの揺動中心で静止しているときに、前記受光ミラーのミラー面と前記送光ミラーのミラー面とが平行である、
請求項１から３の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項7】

前記光源と前記受光素子とは、前記揺動軸の周りに、前記受光ミラーの揺動振幅と前記送光ミラーの揺動振幅との差分と等しい角度傾いて配置されている、
請求項６に記載の測定装置。

【請求項8】

さらに、前記受光ミラーと前記受光素子との間に集光レンズを備え、
前記受光ミラーが、前記開口幅が大きくなる回転方向での揺動端にあるとき、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射し前記受光ミラーで反射された光の一部の光束が前記集光レンズから逸脱する、
請求項１から７の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項9】

前記受光ミラーと前記送光ミラーとが、前記揺動軸と垂直な方向に離間した２つの連結軸で接続されている、
請求項１から８の何れか１項に記載の測定装置。

【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ための測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、可動ミラーを用いてレーザ光を複数方向に出射し、対象物で反射したレーザ光を、当該可動ミラーを介して受光する測定装置がある（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００８／１４９８５１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の測定装置では、受光素子に到達する対象物からの戻り光の光量が、可動ミラーの傾きに応じて変化する。その結果、受光素子におけるＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ）比が対象物の方向に依存して変化することで、測距精度の一様性が損なわれる。

【0005】

そこで、本発明は、対象物の方向に対する測距精度の一様性を高めた測定装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る測定装置は、揺動軸で支持されて揺動し、光源からの測定光を反射する送光ミラーと、前記揺動軸で支持されて揺動し、前記揺動軸に垂直な方向に所定のミラー幅を有し、対象物からの前記測定光の戻り光を反射する受光ミラーと、を備え、前記ミラー幅の前記受光素子方向への投影寸法を開口幅として、前記送光ミラー及び前記受光ミラーが静止しているときに、前記受光ミラーは、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を、前記受光素子の方向から前記開口幅が増加する回転方向に傾いた方向に反射する。

【0007】

ここで、前記ミラー幅の前記受光光軸方向への投影寸法は、前記受光ミラーの傾きに応じて異なる。そのため、前記受光素子での前記光の受光強度は、前記投影寸法に応じて変動する。前記受光強度の変動は、対象物の方向に応じた測距精度の一様性が阻害される。

【0008】

また、前記送光ミラーの揺動振幅と前記受光ミラーの揺動振幅とが異なっている場合、前記受光ミラーから前記受光素子に向かう前記光の集光点が、揺動周期内で変動する。そのため、前記光の集光点と前記受光素子とのずれに起因する周期性の受光ロスが生じ、対象物の方向に応じた測距精度の一様性が阻害される。

【0009】

これに対し、前記構成によれば、前記送光ミラー及び前記受光ミラーが静止しているときに、前記受光ミラーから前記受光素子に向かう前記光の光軸が、前記受光素子の方向から前記受光ミラーの前記開口幅が増加する回転方向に傾いている。

【0010】

これにより、前記光軸ずれによる受光ロスがなくなる前記受光ミラーの傾き位置が、前記受光ミラーの前記揺動範囲の両端のうち前記開口幅がより小さい小開口端に接近する。その結果、前記小開口端において前記光軸ずれによる受光ロスが減り、前記開口幅の縮小と前記光軸ずれによる受光ロスとが相乗して受光強度が過度に減少する不都合が緩和される。また、前記受光ミラーの前記揺動範囲の両端のうち前記開口幅がより広く見える大開口端では、逆に、前記光軸ずれによる受光ロスが増えるので、受光強度が過度に増大する不都合が緩和される。

【0011】

このようにして、受光強度の変動が抑制されることにより、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0012】

また、前記送光ミラー及び前記受光ミラーが揺動中に、前記受光ミラーは、揺動中心から前記開口幅が小さくなる回転方向に傾いた位置で、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を前記受光素子の方向に反射してもよい。

【0013】

この構成によれば、前記小開口端において、受光ミラーから受光素子に向かう光の光軸と受光素子の光軸とのずれ量がある程度縮小される。その結果、対象物の方向に対する測距精度の一様性がある程度改善される。

【0014】

また、前記受光ミラーは、前記開口幅が小さくなる回転方向での揺動端で、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射する光を前記受光素子の方向に反射してもよい。

【0015】

この構成によれば、前記小開口端において、前記光の光軸と前記受光素子の光軸とのずれによる受光強度の低下がなくなるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0016】

また、前記受光素子と前記光源とが、前記揺動軸の周りに同一の方向に配置され、かつ、前記送光ミラー及び前記受光ミラーが静止しているときに、前記受光ミラーのミラー面が前記送光ミラーのミラー面から前記開口幅が増加する回転方向に傾いていてもよい。

【0017】

この構成によれば、前記小開口端において、受光ミラーから受光素子に向かう戻り光の光軸と受光素子の光軸とのずれ量がある程度縮小される。その結果、対象物の方向に対する測距精度の一様性がある程度改善される。

【0018】

また、前記受光ミラーのミラー面は、前記送光ミラーのミラー面から、前記受光ミラーの揺動振幅と前記送光ミラーの揺動振幅との差分の半分量と等しい角度傾いていてもよい。

【0019】

この構成によれば、前記小開口端において、前記光の光軸と前記受光素子の光軸とのずれによる受光強度の低下がなくなるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0020】

また、前記光源が、前記揺動軸の周りに前記受光素子の方向から前記開口幅が増加する回転方向に傾いて配置され、かつ、前記送光ミラー及び前記受光ミラーが静止しているときに、前記受光ミラーのミラー面と前記送光ミラーのミラー面とが平行であってもよい。

【0021】

この構成によれば、前記小開口端において、受光ミラーから受光素子に向かう戻り光の光軸と受光素子の光軸とのずれ量がある程度縮小される。その結果、対象物の方向に対する測距精度の一様性がある程度改善される。

【0022】

また、前記光源と前記受光素子とは、前記揺動軸の周りに、前記受光ミラーの揺動振幅と前記送光ミラーの揺動振幅との差分と等しい角度傾いて配置されていてもよい。

【0023】

この構成によれば、前記小開口端において、前記光の光軸と前記受光素子の光軸とのずれによる受光強度の低下がなくなるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0024】

また、さらに、前記受光ミラーと前記受光素子との間に集光レンズを備え、前記受光ミラーが、前記開口幅が大きくなる回転方向での揺動端にあるとき、前記送光ミラーから出射される測定光と平行に入射し前記受光ミラーで反射された光の一部の光束が前記集光レンズから逸脱してもよい。

【0025】

この構成によれば、前記受光ミラーが前記大開口端にあるときの受光強度をより効果的に削減できるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0026】

また、前記受光ミラーと前記送光ミラーとが、前記揺動軸と垂直な方向に離間した２つの連結軸で接続されていてもよい。

【0027】

このような構成の受光ミラーを用いても、上述と同様の効果が得られる。

【発明の効果】

【0028】

本発明の測定装置によれば、対象物の方向に応じた測距精度の一様性を高めた測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】実施の形態１に係る測定装置の構成の一例を示す正面図である。

【図2】実施の形態１に係る測定装置の構成の一例を示す上面図である。

【図3】実施の形態１に係る測定装置の構成の一例を示す上面図である。

【図4】実施の形態１に係るミラー部の全体的な構成の一例を示す斜視図である。

【図5】実施の形態１に係る測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

【図6A】実施の形態１に係る測定装置の原理的な受光動作一例を示す図である。

【図6B】実施の形態１に係る測定装置の原理的な受光動作一例を示す図である。

【図6C】実施の形態１に係る測定装置の原理的な受光動作一例を示す図である。

【図7】受光ミラーの傾きに対する開口率の一例を示すグラフである。

【図8A】比較例に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図8B】比較例に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図8C】比較例に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図9】揺動周期内でのミラーの傾きの一例を示すグラフである。

【図10A】実施の形態１に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図10B】実施の形態１に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図10C】実施の形態１に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図11】ミラーの傾きの揺動周期内での変化の一例を示すグラフである。

【図12】受光ミラーの傾きに対する受光強度の一例を示すグラフである。

【図13A】実施の形態２に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図13B】実施の形態２に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図13C】実施の形態２に係る光学系の配置の一例を模式的に示す図である。

【図14】受光ミラーの傾きに対する受光強度の一例を示すグラフである。

【図15】実施の形態３に係るミラー部の構成の一例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

（実施の形態１）
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

【0031】

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0032】

また、以下における各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構成に対しては、同一の符号を付し、重複する説明を省略又は簡略化する。

【0033】

（測定装置の基本的な構造）
本実施の形態に係る測定装置は、光を用いて対象物までの距離を測定する装置である。具体的には、当該測定装置は、当該測定装置の外部の目的範囲を走査する測定光を出射し、当該目的範囲内にある対象物からの当該測定光の戻り光を受光することにより、当該測定装置と対象物との間の距離を測定する。

【0034】

まず、本実施の形態に係る測定装置の基本的な構造について説明する。

【0035】

図１は、測定装置１００の構成の一例を示す正面図である。

【0036】

図１に示すように、測定装置１００は、筐体１１０、光源１２０、送光光学部１３０、ミラー部１４０、遮光板１４７、受光光学部１５０、及び受光素子１６０を備える。送光光学部１３０は、コリメートレンズ１３２を有する。ミラー部１４０は、揺動軸１４６で支持された送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２を有する。受光光学部１５０は、集光レンズ１５２を有する。

【0037】

筐体１１０の内部空間は、遮光板１４７により、送光領域１０１と受光領域１０２とに分けられている。

【0038】

図２は、測定装置１００の送光領域１０１の構成の一例を示す上面図である。図２に示すように、送光領域１０１には、光源１２０、送光光学部１３０、送光ミラー１４１が配置される。

【0039】

光源１２０は、測定光を出射する光源である。光源１２０は、例えば、レーザダイオードで構成されてもよい。

【0040】

送光光学部１３０は、光源１２０から出射された測定光１２１を、コリメートレンズ１３２で平行化して送光ミラー１４１に照射する。送光光学部１３０は、さらに、図示していないスリット板を用いて測定光１２１の出射方向を規制してもよい。

【0041】

送光ミラー１４１は、揺動軸１４６で支持されて揺動範囲Ｂｔ内で揺動し、光源１２０からの測定光１２１を目的範囲Ａ内の方向に向けて反射する。送光ミラー１４１で反射された測定光１２１は、筐体１１０に設けられた送光窓１１１から、測定装置１００の外部へ出射される。

【0042】

遮光板１４７は、送光領域１０１で生じる迷光が、受光領域１０２に進入することを抑制する。迷光とは、送光ミラー１４１の表面や送光窓１１１の内面などで拡散反射する測定光１２１のことであり、受光領域１０２に進入すると測距精度の低下を引き起こすものである。

【0043】

送光窓１１１から、測定装置１００の外部へ出射された測定光１２１は、目的範囲Ａ内にある対象物９０１、９０２に到達し、対象物９０１、９０２で拡散反射される。

【0044】

図３は、測定装置１００の受光領域１０２の構成の一例を示す上面図である。図３に示すように、受光領域１０２には、受光ミラー１４２、受光光学部１５０、及び受光素子１６０が配置される。

【0045】

対象物９０１、９０２で拡散反射した測定光１２１のうち、測定光１２１の到来方向へ戻る戻り光１６１が、筐体１１０に設けられた受光窓１１２から、測定装置１００の内部へ入射する。

【0046】

受光ミラー１４２は、揺動軸１４６で支持されて揺動し、戻り光１６１を受光素子１６０に向けて反射する。

【0047】

受光光学部１５０は、受光ミラー１４２で反射した戻り光１６１を、集光レンズ１５２で受光素子１６０に集光する。受光光学部１５０は、さらに、図示していないバンドパスフィルタを用いて測定光以外の波長のノイズ光を除去してもよい。

【0048】

受光素子１６０は、入射した戻り光１６１の強度に応じた電気信号を生成する素子である。受光素子１６０は、例えば、アバランシェフォトダイオードで構成されてもよい。

【0049】

（ミラー部の全体構成）
次に、ミラー部１４０の全体的な構成の一例について説明する。

【0050】

図４は、ミラー部１４０の全体的な構成の一例を示す斜視図である。図４には、図２の送光ミラー１４１及び図３の受光ミラー１４２を含むミラー部１４０の全体が示されている。ミラー部１４０は、一例として、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２のそれぞれの裏面（反射面の反対面）を長尺状の揺動軸１４６に貼り付けて構成されている。

【0051】

送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２は、例えば、金属膜ミラーである。揺動軸１４６は、例えば、金属薄板を打ち抜いて形成される。また、図示は省略しているが、同じ金属薄板から、揺動軸１４６の上下端につながった固定部を打ち抜き、当該固定部を介して、揺動軸１４６を筐体１１０に固定してもよい。

【0052】

ミラー部１４０に対し、揺動軸１４６周りに周期的に変動するトルクを与えることで、ミラー部１４０を、揺動軸１４６を中心に揺動させる。その結果、揺動軸１４６が、ねじり棒ばねとして機能し、ミラー部１４０は、揺動軸１４６周りの慣性モーメントと揺動軸１４６のねじりばね定数とで決まる固有振動数の共振型スキャナミラーとして動作する。

【0053】

ミラー部１４０にトルクを与えるアクチュエータは特には限定されない。一例として、電磁力、静電力、又は圧電変位を利用するアクチュエータが用いられ得る。

【0054】

（測定装置の機能構成）
次に、測定装置１００の機能的な構成について説明する。

【0055】

図５は、測定装置１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、測定装置１００は、機能的に、光源１２０と、送光光学部１３０と、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２を含むミラー部１４０と、受光光学部１５０と、受光素子１６０と、光源駆動部１７０と、ミラー駆動部１８０と、制御部１９０と、を含む。

【0056】

光源駆動部１７０は、光源１２０を駆動する。例えば、光源駆動部１７０は、制御部１９０から出力される変調信号に従って光源１２０にレーザ光を出射させる。

【0057】

ミラー駆動部１８０は、ミラー部１４０（つまり、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２）を駆動する。例えば、ミラー駆動部１８０は、制御部１９０からの駆動信号に基づいて、ミラー部１４０を駆動するための駆動電流を生成する。ミラー駆動部１８０は、生成した駆動電流を図示していないアクチュエータに出力する。これにより、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２がアクチュエータによって揺動軸１４６を中心に一体的に揺動する。

【0058】

制御部１９０は、測定装置１００を制御するコントローラである。制御部１９０は、例えば、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）又はマイクロコントローラ等で構成されている。

【0059】

具体的には、制御部１９０は、光源駆動部１７０及びミラー駆動部１８０を制御する。例えば、制御部１９０は、光源駆動部１７０に変調信号を出力するとともに、ミラー駆動部１８０に駆動信号を出力する。例えば、制御部１９０は、駆動信号を出力する。

【0060】

さらに、制御部１９０は、光源１２０から出射された光と受光素子１６０で受光された光との間の位相差に基づいて、測定装置１００から対象物９０１、９０２までの距離を算出する。具体的には、制御部１９０は、例えば、光源駆動部１７０に出力した変調信号及び受光素子１６０から入力した受光信号に基づいて上記位相差を算出する。制御部１９０は、算出された位相差を用いて光源１２０から出射された光が受光素子１６０に到達するまでの時間を算出する。そして、制御部１９０は、算出された時間の１／２に光速を乗算することにより、測定装置１００から対象物９０１、９０２までの距離を算出する。

【0061】

また、制御部１９０は、送光ミラー１４１の傾きから、測定装置１００に対する対象物９０１、９０２の方向を特定する。ここで、揺動中の送光ミラー１４１の傾きを、静止している（つまり、揺動していない）送光ミラー１４１の位置を基準位置としかつ時計回りを正として、揺動軸１４６周りの送光ミラー１４１の回転角度により定義する。

【0062】

制御部１９０は、所定の位置に設置されたフォトダイオード（図示せず）からの信号に基づいて、送光ミラー１４１の傾きを検出してもよい。当該フォトダイオードは、送光ミラー１４１が範囲Ｂｔ外の所定の傾きまで回転したときに送光ミラー１４１で反射した測定光１２１が入射する位置に設置されてもよい。

【0063】

（原理的な受光動作での問題点）
次に、測定装置１００における原理的な受光動作について、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを用いて説明する。

【0064】

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、それぞれ、受光ミラー１４２が揺動範囲の中心、第１端及び第２端にあるときに、受光素子１６０に到達する戻り光１６１の経路の一例を、揺動軸１４６の方向（ｚ軸方向）で見て、模式的に示す図である。

【0065】

以下の説明では、簡明のため、次の前提を設ける。

【0066】

揺動中の受光ミラー１４２の傾きαを、静止している（つまり、揺動を停止している）受光ミラー１４２の位置を基準位置α０としかつ時計回りを正として、揺動軸１４６周りの回転角度により定義する。前記基準位置と受光ミラー１４２の揺動範囲の中心とは一般には同一である。図示のための限定的でない具体例として、揺動範囲の中心、第１端、及び第２端にある受光ミラー１４２の傾きを、それぞれα０＝０度、α１＝−２２．５度（＜０度）、α２＝＋２２．５度（＞０度）とする。静止位置の受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう光軸と受光ミラー１４２の法線とがなす角度φを、受光ミラー１４２の取り付け角度と定義し、同様の具体例として４５度とする。

【0067】

このような前提の下で、受光素子１６０に到達することができる戻り光１６１の入射角θは、受光ミラー１４２の取り付け角度φから、受光ミラー１４２の傾きαを減じた角度である。つまり、入射角θは、傾きαが大きいほど小さい。

【0068】

さて、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに示されるように、戻り光１６１が、受光ミラー１４２よりも大きく広がった光束１６１ａであるとする。このとき、光束１６１ａのうち受光ミラー１４２で反射された一部の光束１６１ｂは受光素子１６０に到達するが、残部の光束１６１ｃは受光素子１６０に到達できず失われる。

【0069】

受光素子１６０に到達する光束１６１ｂの大きさ、つまり戻り光１６１の受光素子１６０での受光強度は、受光素子１６０から見た受光ミラー１４２の外観、つまり、受光ミラー１４２の、受光素子１６０と受光ミラー１４２とを結ぶ受光光軸方向への投影形状の大きさに比例する。

【0070】

受光ミラー１４２の揺動軸１４６と直交する方向（一例として、ｙ方向）の寸法であるミラー幅の投影寸法（以下、開口幅と表記する）は、受光ミラー１４２の傾きに応じて、最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘとの間で変動する。なお、図示は省略しているが、受光ミラー１４２の揺動軸１４６に平行な方向（ｚ軸方向）の投影寸法（以下、高さと表記する）は一定値Ｈである。

【0071】

これにより、受光素子１６０での戻り光１６１の受光強度は、受光ミラー１４２の傾きに応じて、最小の開口幅Ｗｍｉｎに対応する受光強度と最大の開口幅Ｗｍａｘに対応する受光強度との間で変動する。開口率は、例えば、入射角θに対するｃｏｓθの値で表される。

【0072】

以下の説明では、受光ミラー１４２の揺動範囲の両端のうち、受光ミラー１４２の開口幅がより小さい一端（上述の第１端）を小開口端と称し、受光ミラー１４２の開口幅がより大きい他端（上述の第２端）を大開口端と称する。

【0073】

図７は、受光ミラー１４２の傾きαと開口率θとの関係の一例を示すグラフである。図７では、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃの例示に基づき、受光ミラー１４２の揺動範囲を傾きαで±２２．５゜の範囲とし、傾きαが０のときに受光素子１６０に到達する戻り光１６１の入射角θを４５゜として、開口率を示している。なお、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃの横軸には、傾きαと入射角θとを併記している。

【0074】

このように、受光ミラー１４２の開口率に入射角依存性があるため、対象物の方向によって、戻り光１６１の受光素子１６０での受光強度が変動する。これが、背景技術の欄で指摘した、対象物の方向に対する測距精度の一様性が損なわれる第１の要因である。

【0075】

次に、対象物の方向に対する測距精度の一様性が損なわれる第２の要因について説明する。

【0076】

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃでは、送光ミラー１４１の傾きと受光ミラー１４２の傾きとのずれを考慮していない。しかしながら、実際的には、送光ミラー１４１の傾きと受光ミラー１４２の傾きとは、揺動中にずれる。このずれは、送光ミラー１４１と受光ミラー１４２との慣性モーメントの違いに起因して、送光ミラー１４１の揺動振幅が受光ミラー１４２の揺動振幅よりも小さいために生じる。

【0077】

図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、それぞれ、受光ミラー１４２が揺動範囲の中心、小開口端及び大開口端にあるときに、受光素子１６０に到達する戻り光１６１の経路の実際的な一例を、揺動軸１４６の方向（ｚ軸方向）で見て模式的に示す図である。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃでは、一例として、光源１２０と受光素子１６０とが、揺動軸１４６の周りに同一の方向に配置され、かつ送光ミラー１４１の揺動振幅が受光ミラー１４２の揺動振幅よりも２δ小さいとしている。

【0078】

図８Ａの配置は、送光ミラー１４１と受光ミラー１４２とが静止しているときの配置と同一である。図８Ａでは、送光ミラー１４１の傾きα０と受光ミラー１４２の傾きα０とは、一致している。そのため、戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とは一致している。

【0079】

図８Ｂでは、送光ミラー１４１の傾きα１ｔが受光ミラー１４２の傾きα１から＋δずれている。そのため、戻り光１６１の光軸が受光素子１６０の光軸１６２から２δずれている。

【0080】

図８Ｃでは、送光ミラー１４１の傾きα２ｔが受光ミラー１４２の傾きα２から−δずれている。そのため、戻り光１６１の光軸が受光素子１６０の光軸１６２から２δずれている。

【0081】

図９は、送光ミラー１４１の傾き、受光ミラー１４２の傾き、および送光ミラー１４１と受光ミラー１４２との傾きずれの、揺動の１周期における変化の一例を示すグラフである。図９に示すように、送光ミラー１４１の傾きと受光ミラー１４２の傾きとは、揺動の中心では一致するが、揺動の中心から離れるにつれて差分が拡大し、揺動の両端では±δずれる。

【0082】

送光ミラー１４１の傾きと受光ミラー１４２の傾きとのずれにより、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれが生じる。その結果、受光ロスが生じ、受光素子１６０における戻り光１６１の受光強度が減少する。当該受光ロスには、例えば、集光レンズ１５２の集光誤差（図８Ｂ、図８Ｃ）や、戻り光１６１の一部の集光レンズ１５２からの逸脱（図８Ｃ）が含まれ得る。

【0083】

このような受光ロスが、対象物の方向に対する測距精度の一様性が損なわれる第２の要因である。

【0084】

前述した第１の要因である開口幅の入射角依存性と、第２の要因とが組み合わさることで、受光ミラー１４２が揺動範囲の小開口端（図８Ｂ）にあるときに受光強度がさらに減少し、対象物の方向に対する測距精度の一様性がより大きく損なわれることになる。

【0085】

（光学系の配置の改良）
そこで、本発明者らは、光源１２０、送光ミラー１４１、受光ミラー１４２、及び受光素子１６０の、改良された配置を提案する。提案する配置は、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２が静止しているときに、受光ミラー１４２が戻り光１６１を受光素子１６０の方向から前記開口幅が増加する方向に傾いた方向に反射するものである。なお、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２が静止しているとは、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２が揺動せずに定常的に静止している状態として定義され、揺動の両端で角速度が０になる瞬間的な静止は含まない。

【0086】

以下、実施の形態１に係る配置を有する測定装置１００の一例について説明する。

【0087】

図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、それぞれ、受光ミラー１４２が揺動範囲の中心、小開口端及び大開口端にあるときに、受光素子１６０に到達する戻り光１６１の経路の実際的な一例を、揺動軸１４６の方向（ｚ軸方向）で見て模式的に示す図である。

【0088】

図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃでは、図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃと同様、光源１２０と受光素子１６０とが、揺動軸１４６の周りに同一の方向にあり、かつ送光ミラー１４１の揺動振幅が受光ミラー１４２の揺動振幅よりも２δ小さいとしている。

【0089】

図１０Ａの配置は、送光ミラー１４１と受光ミラー１４２とが静止しているときの配置と同一である。図１０Ａに示すように、受光ミラー１４２の傾きα０ｒが、揺動軸１４６の方向（ｚ軸方向）で見て、送光ミラー１４１の傾きα０から受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向（右回転方向）にずれている。

【0090】

つまり、図１０Ａに示す光学系の配置では、揺動中心（または静止状態）における受光ミラー１４２のミラー面を、意図的に、揺動中心（または静止状態）における送光ミラー１４１のミラー面から受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向に角度δ傾けてある。

【0091】

この配置によれば、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸が、受光ミラー１４２の傾きと送光ミラー１４１の傾きとに意図的なずれを設けない場合と比べて、受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向に角度２δ傾く。

【0092】

そのため、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量が、受光ミラー１４２の揺動範囲の小開口端で縮小し、大開口端で拡大する。これにより、受光ミラー１４２が揺動範囲の小開口端にあるときの受光強度の減少が緩和されるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0093】

受光ミラー１４２と送光ミラー１４１とをずらす角度δは、受光ミラー１４２の揺動振幅と送光ミラー１４１の揺動振幅との差分の半分量と等しくてもよい。

【0094】

この配置によれば、図１０Ｂに示すように、受光ミラー１４２は、揺動範囲の小開口端にあるときに、戻り光１６１を受光素子１６０の方向に反射する。

【0095】

これにより、小開口端において、戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれによる受光強度の低下がなくなるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0096】

また、図１０Ｃに示すように、受光ミラー１４２が揺動範囲の大開口端にあるときに、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１のうち、集光レンズ１５２から逸脱する光束１６１ｄが、意図的なずれを設けない場合よりもさらに大きくなる。

【0097】

これにより、受光ミラー１４２が揺動範囲の大開口端にあるときの受光強度をより効果的に削減できるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0098】

図１１は、送光ミラー１４１と受光ミラー１４２とに意図的な傾きずれを設けた構成における、送光ミラー１４１の傾き、受光ミラー１４２の傾き、および傾きずれの、揺動の１周期における変化の一例を示すグラフである。図９と比べて、傾きずれが、揺動範囲の小開口端で０となるようにシフトされる。

【0099】

図１２は、受光強度の受光ミラー１４２の傾きに対する依存性の一例を概念的に示すグラフである。横軸の傾き、入射角、及び光軸ずれは、それぞれ受光ミラー１４２の傾き、受光ミラー１４２への戻り光１６１の入射角、および受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量であり、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃでの例示に即した関連付けを示している。

【0100】

開口幅依存性は、入射角に対応する開口幅を示している。受光ミラー１４２の開口幅は、受光ミラー１４２の傾きと正の相関がある。

【0101】

ずれ量依存性は、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量に応じて生じる受光ロスのために減衰する受光強度の比率を示している。光軸ずれに応じた受光ロスは、集光誤差及び、戻り光１６１の一部の集光レンズ１５２からの逸脱を含み、ずれ量が大きいほど大きい。

【0102】

全体強度は、開口幅依存性とずれ量依存性との積を示している。全体強度は、傾きに対してそれぞれ正及び負の相関がある開口幅依存性とずれ量依存性とを乗じることで、受光ミラー１４２の傾き（つまり、対象物の方向）に対する変動が抑制される。

【0103】

なお、受光ミラー１４２を送光ミラー１４１からずらす角度δは、受光ミラー１４２の揺動振幅と送光ミラー１４１の揺動振幅との差分の半分量と厳密に等しい必要はなく、受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向の角度であればよい。

【0104】

この構成によれば、揺動中の受光ミラー１４２が揺動中心から小開口端にある程度傾いた位置にあるときに、受光ミラー１４２は戻り光１６１を受光素子１６０の方向に反射する。

【0105】

これにより、受光ミラー１４２の揺動範囲の小開口端において、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量がある程度縮小される。その結果、対象物の方向に対する測距精度の一様性を、ある程度改善することができる。

【0106】

（実施の形態２）
実施の形態１では、光源１２０、送光ミラー１４１、受光ミラー１４２、及び受光素子１６０の特徴的な配置により、対象物の方向に対する測距精度の一様性を改善した。当該配置は、送光ミラー１４１及び受光ミラー１４２が静止しているときに、受光ミラー１４２が戻り光１６１を受光素子１６０の方向から前記開口幅が増加する方向に傾いた方向に反射するものである。

【0107】

実施の形態２では、このような配置の別の具体例について説明する。

【0108】

以下、実施の形態２に係る配置を有する測定装置１００の一例について説明する。

【0109】

図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃは、それぞれ、受光ミラー１４２が揺動範囲の中心、小開口端及び大開口端にあるときに、受光素子１６０に到達する戻り光１６１の経路の実際的な一例を、揺動軸１４６の方向（ｚ軸方向）で見て模式的に示す図である。

【0110】

図１３Ａの配置は、送光ミラー１４１と受光ミラー１４２とが静止しているときの配置と同一である。図１３Ａの配置は、図１０Ａの配置と比べて、静止状態での送光ミラー１４１のミラー面と受光ミラー１４２のミラー面とが平行であり、かつ光源１２０が、揺動軸１４６の周りに、受光素子１６０の方向から、受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向（右回転方向）に傾いて配置されている点が異なる。

【0111】

以下、図１０Ａと同様、送光ミラー１４１の揺動振幅が受光ミラー１４２の揺動振幅よりも２δ小さいとして説明する。

【0112】

図１３Ａに示す光学系では、光源１２０を、意図的に、揺動軸１４６の周りに受光素子１６０の方向から開口幅が増加する回転方向に角度２δ傾いて配置している。

【0113】

この配置によれば、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸が、光源１２０の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とに意図的なずれを設けない場合と比べて、受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向に角度２δ傾く。

【0114】

そのため、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量が、受光ミラー１４２の揺動範囲の小開口端で縮小し、大開口端で拡大する。これにより、受光ミラー１４２が揺動範囲の小開口端にあるときの受光強度の減少が緩和されるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0115】

光源１２０の光軸を受光素子１６０の光軸１６２からずらす角度２δは、受光ミラー１４２の揺動振幅と送光ミラー１４１の揺動振幅との差分量と等しくてもよい。

【0116】

この配置によれば、図１３Ｂに示すように、受光ミラー１４２は、揺動範囲の小開口端にあるときに、戻り光１６１を受光素子１６０の方向に反射する。

【0117】

これにより、小開口端において、戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれによる受光強度の低下がなくなるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0118】

また、図１３Ｃに示すように、受光ミラー１４２が揺動範囲の大開口端にあるときに、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１のうち、集光レンズ１５２から逸脱する光束１６１ｄが、意図的なずれを設けない場合よりもさらに大きくなる。

【0119】

これにより、受光ミラー１４２が揺動範囲の大開口端にあるときの受光強度をより効果的に削減できるので、対象物の方向に対する測距精度の一様性が向上する。

【0120】

図１４は、受光強度の受光ミラー１４２の傾きに対する依存性の一例を概念的に示すグラフである。横軸の傾き、入射角、及び光軸ずれは、それぞれ受光ミラー１４２の傾き、受光ミラー１４２への戻り光１６１の入射角、および受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量であり、図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃでの例示に即した関連付けを示している。

【0121】

開口幅依存性は、入射角に対応する開口幅を示している。受光ミラー１４２の開口幅は、受光ミラー１４２の傾きと正の相関がある。

【0122】

ずれ量依存性は、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量に応じて生じる受光ロスのために減衰する受光強度の比率を示している。光軸ずれに応じた受光ロスは、集光誤差及び、戻り光１６１の一部の集光レンズ１５２からの逸脱を含み、ずれ量が大きいほど大きい。

【0123】

全体強度は、開口幅依存性とずれ量依存性との積を示している。全体強度は、傾きに対してそれぞれ正及び負の相関がある開口幅依存性とずれ量依存性とを乗じることで、受光ミラー１４２の傾き（つまり、対象物の方向）に対する変動が抑制される。

【0124】

なお、光源１２０の光軸を受光素子１６０の光軸１６２からずらす角度２δは、受光ミラー１４２の揺動振幅と送光ミラー１４１の揺動振幅との差分量と厳密に等しい必要はなく、受光ミラー１４２の開口幅が増加する方向の角度であればよい。

【0125】

この構成によれば、揺動中の受光ミラー１４２が揺動中心から小開口端にある程度傾いた位置にあるときに、受光ミラー１４２は戻り光１６１を受光素子１６０の方向に反射する。

【0126】

これにより、受光ミラー１４２の揺動範囲の小開口端において、受光ミラー１４２から受光素子１６０に向かう戻り光１６１の光軸と受光素子１６０の光軸１６２とのずれ量がある程度縮小される。その結果、対象物の方向に対する測距精度の一様性を、ある程度改善することができる。

【0127】

（実施の形態３）
実施の形態３では、ミラー部の他の構成の一例について説明する。

【0128】

図１５は、実施の形態３に係るミラー部２４０の構成の一例を示す斜視図である。図１５に示すように、ミラー部２４０は、揺動軸２４６で支持された送光ミラー２４１及び受光ミラー２４２を有する。ミラー部２４０は、図４のミラー部１４０と比べて、送光ミラー２４１と受光ミラー２４２とが、揺動軸２４６と直交する方向に離間した２つの連結軸２４３で接続されている点が異なる。

【0129】

ミラー部２４０は、一例として、送光ミラー２４１及び受光ミラー２４２のそれぞれの裏面（反射面の反対面）を枠体状の揺動軸２４６に貼り付けて構成されている。

【0130】

送光ミラー２４１及び受光ミラー２４２は、例えば、金属膜ミラーである。揺動軸２４６は、例えば、金属薄板を打ち抜いて形成される。連結軸２４３は、同じ金属薄板から打ち抜かれる揺動軸２４６につながった部分であってもよい。連結軸２４３に適応して、遮光板２４７の開口２４７ａの形状が変更される。

【0131】

送光ミラー２４１と受光ミラー２４２とを接続する連結軸は迷光を抑制するため、１本の軸のように断面積が小さいほうがよいが、図１５に示すように、複数の連結軸２４３で構成した場合でも、実施の形態１及び実施の形態２で説明した構成を適用することで、対象物の方向に対する測距精度の一様性を改善する効果を得ることができる。

【0132】

以上、本発明の実施の形態に係る測定装置について説明したが、本発明は、個々の実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つ又は複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0133】

本発明は、測定装置に利用できる。

【符号の説明】

【0134】

１００ 測定装置
１０１ 送光領域
１０２ 受光領域
１１０ 筐体
１１１ 送光窓
１１２ 受光窓
１２０ 光源
１２１ 測定光
１３０ 送光光学部
１３２ コリメートレンズ
１４０、２４０ ミラー部
１４１、２４１ 送光ミラー
１４２、２４２ 受光ミラー
１４６、２４６ 揺動軸
１４７、２４７ 遮光板
１５０ 受光光学部
１５２ 集光レンズ
１６０ 受光素子
１６１ 戻り光
１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄ 光束
１６２ 光軸
１６４ 揺動軸
１７０ 光源駆動部
１８０ ミラー駆動部
１９０ 制御部
２４３ 連結軸
２４７ａ 開口
９０１ 対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14】

【図15】