(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023173999
(43)【公開日】2023-12-07
(54)【発明の名称】測距装置、測距システム、および測距方法
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20231130BHJP
G01S 7/484 20060101ALI20231130BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20231130BHJP
G02B 26/12 20060101ALI20231130BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 Z
G01S7/484
G01C3/06 120Q
G01C3/06 140
G02B26/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022086588
(22)【出願日】2022-05-27
(71)【出願人】
【識別番号】000006220
【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】木村 祐司
(72)【発明者】
【氏名】森田 浩光
(72)【発明者】
【氏名】黒川 隆之
(72)【発明者】
【氏名】塚本 孝子
【テーマコード（参考）】
2F112
2H045
5J084
【Ｆターム（参考）】
2F112AD01
2F112BA05
2F112CA04
2F112CA12
2F112DA02
2F112DA04
2F112DA09
2F112DA11
2F112DA15
2F112DA21
2F112DA25
2F112DA26
2F112DA28
2F112EA03
2F112EA05
2F112FA43
2F112GA01
2H045AA01
2H045BA20
2H045BA26
2H045BA32
2H045DA04
5J084AA05
5J084AC02
5J084AC04
5J084AC07
5J084AD01
5J084AD02
5J084BA04
5J084BA36
5J084BA50
5J084BB02
5J084BB04
5J084BB25
5J084BB26
5J084BB28
5J084CA03
5J084CA07
5J084CA18
5J084CA65
(57)【要約】
【課題】外部装置に送信するデータ量を削減可能な測距装置を提供すること。
【解決手段】本測距装置（１００）は、走査される光（Ｌ２）を所定の時間間隔で物体（２００）に照射する照射部（１２０）と、照射部（１２０）による光（Ｌ２）の物体（２００）からの戻り光（Ｒ）に基づいて、前記所定の時間間隔ごとに前記光が走査される角度である走査角度ごとでの光（Ｌ２）の受光情報（Ｓ）を出力する受光部（８）と、受光部（８）による受光情報（Ｓ）に基づいて取得される距離情報（Ｄｔ）を含むデータ構造（Ｄｃ）を外部装置（３００）に送信する送信部（４０６）と、を有し、データ構造（Ｄｃ）は、ヘッダーフィールド（ＨＦ）とデータフィールド（ＤＦ）と、を有し、ヘッダーフィールド（ＨＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）のうちの先頭走査角度情報（ａ）と、走査角度間隔情報（Δ）と、を含み、データフィールド（ＤＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）を含む。
【選択図】図１１
【解決手段】本測距装置（１００）は、走査される光（Ｌ２）を所定の時間間隔で物体（２００）に照射する照射部（１２０）と、照射部（１２０）による光（Ｌ２）の物体（２００）からの戻り光（Ｒ）に基づいて、前記所定の時間間隔ごとに前記光が走査される角度である走査角度ごとでの光（Ｌ２）の受光情報（Ｓ）を出力する受光部（８）と、受光部（８）による受光情報（Ｓ）に基づいて取得される距離情報（Ｄｔ）を含むデータ構造（Ｄｃ）を外部装置（３００）に送信する送信部（４０６）と、を有し、データ構造（Ｄｃ）は、ヘッダーフィールド（ＨＦ）とデータフィールド（ＤＦ）と、を有し、ヘッダーフィールド（ＨＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）のうちの先頭走査角度情報（ａ）と、走査角度間隔情報（Δ）と、を含み、データフィールド（ＤＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）を含む。
【選択図】図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
物体との間の距離を測定する測距装置であって、
走査される光を所定の時間間隔で前記物体に照射する照射部と、
前記照射部から照射された前記光が前記物体により反射または散乱された戻り光に基づいて、前記所定の時間間隔ごとに前記光が走査される角度である走査角度ごとでの前記光の受光情報を出力する受光部と、
前記受光部による前記受光情報に基づいて取得される前記物体との間の距離情報を含むデータ構造を、外部装置に送信する送信部と、を有し、
前記データ構造は、ヘッダーフィールドとデータフィールドとを有し、
前記ヘッダーフィールドは、所定数の前記距離情報のうち先頭の前記距離情報に対応した前記走査角度に関連する先頭走査角度情報と、前記走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報と、を含み、
前記データフィールドは、所定数の前記距離情報を含む、測距装置。
走査される光を所定の時間間隔で前記物体に照射する照射部と、
前記照射部から照射された前記光が前記物体により反射または散乱された戻り光に基づいて、前記所定の時間間隔ごとに前記光が走査される角度である走査角度ごとでの前記光の受光情報を出力する受光部と、
前記受光部による前記受光情報に基づいて取得される前記物体との間の距離情報を含むデータ構造を、外部装置に送信する送信部と、を有し、
前記データ構造は、ヘッダーフィールドとデータフィールドとを有し、
前記ヘッダーフィールドは、所定数の前記距離情報のうち先頭の前記距離情報に対応した前記走査角度に関連する先頭走査角度情報と、前記走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報と、を含み、
前記データフィールドは、所定数の前記距離情報を含む、測距装置。
【請求項2】
前記照射部は、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向のそれぞれに走査される光を前記物体に照射し、
所定数の前記距離情報は、所定周期内に前記第１方向に走査される前記光の前記走査角度ごとでの前記距離情報である、請求項１に記載の測距装置。
所定数の前記距離情報は、所定周期内に前記第１方向に走査される前記光の前記走査角度ごとでの前記距離情報である、請求項１に記載の測距装置。
【請求項3】
前記照射部は、光反射面を有する回転反射体を含み、
前記回転反射体は、回転により前記光反射面の角度を変化させることによって前記第１方向に走査される前記光を前記物体に照射する、請求項２に記載の測距装置。
前記回転反射体は、回転により前記光反射面の角度を変化させることによって前記第１方向に走査される前記光を前記物体に照射する、請求項２に記載の測距装置。
【請求項4】
発光部からの光を複数に分割する光分割部材を有し、
前記照射部は、前記光分割部材により分割された複数の光それぞれが走査される光を前記物体に照射し、
前記受光部は、前記光分割部材により分割された複数の光それぞれと対をなす複数の受光部を含み、
前記複数の受光部それぞれは、前記複数の光のうち対をなす光が前記物体により反射または散乱された複数の戻り光に基づき、前記複数の光それぞれの前記走査角度ごとでの前記受光情報を出力し、
前記ヘッダーフィールドは、前記複数の光のうち主要光における前記先頭走査角度情報と、前記主要光における前記走査角度間隔情報と、前記複数の光のうち前記主要光以外の光の前記主要光に対する相対角度情報と、前記光分割部材による分割角度に関する情報と、を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測距装置。
前記照射部は、前記光分割部材により分割された複数の光それぞれが走査される光を前記物体に照射し、
前記受光部は、前記光分割部材により分割された複数の光それぞれと対をなす複数の受光部を含み、
前記複数の受光部それぞれは、前記複数の光のうち対をなす光が前記物体により反射または散乱された複数の戻り光に基づき、前記複数の光それぞれの前記走査角度ごとでの前記受光情報を出力し、
前記ヘッダーフィールドは、前記複数の光のうち主要光における前記先頭走査角度情報と、前記主要光における前記走査角度間隔情報と、前記複数の光のうち前記主要光以外の光の前記主要光に対する相対角度情報と、前記光分割部材による分割角度に関する情報と、を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項5】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置に通信可能に接続され、前記測距装置による測定結果に基づいて所定の処理を実行する情報処理装置と、を有し、
前記情報処理装置は、前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第１生成部を有する、測距システム。
前記測距装置に通信可能に接続され、前記測距装置による測定結果に基づいて所定の処理を実行する情報処理装置と、を有し、
前記情報処理装置は、前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第１生成部を有する、測距システム。
【請求項6】
請求項４に記載の測距装置と、
前記測距装置に通信可能に接続され、前記測距装置による測定結果に基づいて所定の処理を実行する情報処理装置と、を有し、
前記情報処理装置は、
前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記主要光における前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第１生成部と、
前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記主要光以外の光それぞれにおける前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第２生成部と、を有する、測距システム。
前記測距装置に通信可能に接続され、前記測距装置による測定結果に基づいて所定の処理を実行する情報処理装置と、を有し、
前記情報処理装置は、
前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記主要光における前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第１生成部と、
前記送信部から受信した前記データ構造に基づいて、所定数の前記距離情報ごとに、前記主要光以外の光それぞれにおける前記距離情報に対応した走査角度情報を生成する第２生成部と、を有する、測距システム。
【請求項7】
物体との間の距離を測定する測距装置による測距方法であって、前記測距装置が、
照射部により、走査される光を前記物体に照射し、
受光部により、前記照射部から照射された前記光が前記物体により反射または散乱された戻り光に基づき、前記光の走査角度ごとでの受光情報を出力し、
送信部により、前記受光部による前記受光情報に基づいて取得される前記物体との間の距離情報を含むデータ構造を、外部装置に送信し、
前記データ構造は、ヘッダーフィールドとデータフィールドとを有し、
前記ヘッダーフィールドは、所定数の前記距離情報のうち先頭の前記距離情報に対応した前記走査角度に関連する先頭走査角度情報と、前記走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報と、を含み、
前記データフィールドは、所定数の前記距離情報を含む、測距方法。
照射部により、走査される光を前記物体に照射し、
受光部により、前記照射部から照射された前記光が前記物体により反射または散乱された戻り光に基づき、前記光の走査角度ごとでの受光情報を出力し、
送信部により、前記受光部による前記受光情報に基づいて取得される前記物体との間の距離情報を含むデータ構造を、外部装置に送信し、
前記データ構造は、ヘッダーフィールドとデータフィールドとを有し、
前記ヘッダーフィールドは、所定数の前記距離情報のうち先頭の前記距離情報に対応した前記走査角度に関連する先頭走査角度情報と、前記走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報と、を含み、
前記データフィールドは、所定数の前記距離情報を含む、測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測距装置、測距システム、および測距方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、物体との間の距離を測定する測距装置が知られている。このような測距装置は、ロボットや、自動車、飛行体等の移動体に搭載され、移動体の周囲に存在する物体を認識する用途等において使用される。
【0003】
上記測距装置には、投受光部と、投受光部から投光された光を走査させる第１偏向機構および第２偏向機構と、を備え、投光された光の投光時期と、該光の物体による反射光の受光時期との時間差から、物体との間の距離を測定するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１４－１０９６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の測距装置では、複数の距離情報とともに複数の距離情報それぞれに対応した走査角度情報を外部装置に送信すると、外部装置に送信するデータ量が増大する場合がある。
【0006】
本発明は、外部装置に送信するデータ量を削減可能な測距装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本測距装置（１００）は、物体（２００）との間の距離を測定する測距装置であって、走査される光（Ｌ２）を所定の時間間隔で物体（２００）に照射する照射部（１２０）と、照射部（１２０）から照射された光（Ｌ２）が物体（２００）により反射または散乱された戻り光（Ｒ）に基づいて、前記所定の時間間隔ごとに光（Ｌ２）が走査される角度である走査角度ごとでの光（Ｌ２）受光情報（Ｓ）を出力する受光部（８）と、受光部（８）による受光情報（Ｓ）に基づいて取得される物体（２００）との間の距離情報（Ｄｔ）を含むデータ構造（Ｄｃ）を、外部装置（３００）に送信する送信部（４０６）と、を有し、データ構造（Ｄｃ）は、ヘッダーフィールド（ＨＦ）とデータフィールド（ＤＦ）とを有し、ヘッダーフィールド（ＨＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）のうち先頭の距離情報（Ｄｔ）に対応した走査角度に関連する先頭走査角度情報（ａ）と、走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報（Δ）と、を含み、データフィールド（ＤＦ）は、所定数の距離情報（Ｄｔ）を含む。
【0008】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、外部装置に送信するデータ量を削減可能な測距装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る測距装置の全体構成を例示する斜視図である。
【図4】第１実施形態に係る測距装置の構成例のブロック図である。
【図6】第１実施形態に係る測距装置の同期検出部の構成例の図である。
【図7】第１実施形態に係る測距装置の制御部のハードウェア構成例の図である。
【図8】第１実施形態に係る測距装置の制御部の機能構成例のブロック図である。
【図9】第１実施形態に係る測距装置の制御部による処理例のフロー図である。
【図10】第１実施形態に係る測距装置の走査線を例示する図である。
【図11】第１実施形態に係る測距装置から送信されるデータ構造例の図である。
【図12】５つの分割光と走査角度との関係を説明する図である。
【図13】第２実施形態に係る測距システムの構成例を示すブロック図である。
【図14】第２実施形態に係る情報処理装置の機能構成例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。
【0012】
以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための測距装置、測距システムおよび測距方法を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。
【0013】
以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る測距装置が備える第２駆動体の回転軸である第２軸に沿う方向を示す。Ｘ軸に沿うＸ方向は、Ｚ方向に交差する方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ軸およびＺ軸の両方に交差する方向を示す。
【0014】
また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。但し、これらは測距装置の使用時における向きを制限するものではなく、測距装置は任意の向きに配置可能である。
【0015】
［第１実施形態］
以下、サービスロボットに搭載され、サービスロボットの進行方向または周囲に存在する物体との間の距離をＴＯＦ（Time of Flight）方式で測定する測距装置を一例として、実施形態を説明する。
以下、サービスロボットに搭載され、サービスロボットの進行方向または周囲に存在する物体との間の距離をＴＯＦ（Time of Flight）方式で測定する測距装置を一例として、実施形態を説明する。
【0016】
サービスロボットとは、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬および案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で使用される自律移動型の移動体をいう。移動体とは移動可能な物体をいう。サービスロボットに搭載される測距装置は、サービスロボットの進行方向または周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために使用される。
【0017】
＜測距装置１００の構成例＞
（全体構成）
図１から図３を参照して、実施形態に係る測距装置１００の構成の一例を説明する。図１は、測距装置１００の全体構成を例示する斜視図である。図２は、測距装置１００における発光部および受光部の周辺を例示する斜視図である。図３は測距装置１００における照射部１２０を例示する斜視図である。
（全体構成）
図１から図３を参照して、実施形態に係る測距装置１００の構成の一例を説明する。図１は、測距装置１００の全体構成を例示する斜視図である。図２は、測距装置１００における発光部および受光部の周辺を例示する斜視図である。図３は測距装置１００における照射部１２０を例示する斜視図である。
【0018】
測距装置１００は、物体との間の距離を測定する。図１から図３に示すように、測距装置１００は、照射部１２０と、台部１と、保持部２と、発光部３と、コリメートレンズ４と、穴あきミラー６と、受光レンズ７と、５つの受光部８と、イケール９と、を有する。
【0019】
照射部１２０は、走査される光を所定の時間間隔で物体に照射する。本実施形態では、照射部１２０は、回転反射体５と、回転ステージ１０と、を含む。照射部１２０は、第１方向および第１方向と交差する第２方向に走査される光を物体に照射する。本実施形態では、第１方向は、Ｚ方向に沿う方向またはＸ－Ｚ平面内においてＺ方向からわずかに傾いた方向に対応する。第１方向については、別途図１０を用いて説明においても述べる。第２方向は、Ｘ方向に沿う方向である。
【0020】
台部１は、保持部２と回転ステージ１０が設けられた平板状の部材である。台部１は、－Ｚ方向側の面上における相互に異なる領域に、保持部２と回転ステージ１０とを固定している。回転ステージ１０は、台部１の＋Ｙ方向側の領域にネジ部材等により固定されている。保持部２は、台部１における回転ステージ１０の－Ｙ方向側の領域に、結合部材１１を介してネジ部材等により固定されている。
【0021】
台部１は、その材質に特段の制限はないが、回転ステージ１０は重量が大きい場合があるため、金属材料等の剛性が高い材料を含んで構成されることが好ましい。台部１は、平板状の部材に限られず、回転ステージ１０と保持部２を設置可能であれば如何なるものであってもよい。例えばサービスロボットの筐体に保持部２と回転ステージ１０が設置される場合には、サービスロボットの筐体が台部に対応する。
【0022】
保持部２は、天井パネル２１と背面パネル２２とが結合して構成された部材である。天井パネル２１および背面パネル２２は、それぞれ平板状の部材である。天井パネル２１および背面パネル２２は、その材質に特段の制限はなく、例えば金属材料または樹脂材料等を適用可能である。
【0023】
天井パネル２１の＋Ｚ方向側の面には、発光部３、コリメートレンズ４および穴あきミラー６が設けられている。背面パネル２２の＋Ｙ方向側の面には、受光レンズ７および５つの受光部８が設けられている。
【0024】
発光部３は、光を発する。例えば、発光部３は、ＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ）である。発光部３は、パルス光であるレーザ光Ｌ０を＋Ｚ方向側に発する。但し、発光部は、ＬＥＤ（light emitting diode：発光ダイオード）等であってもよい。レーザ光Ｌ０の波長は、近赤外波長領域等の非可視の波長領域のレーザ光であると、人間にレーザ光を視認させずに測距可能な点において好適である。
【0025】
コリメートレンズ４は、ガラス材料または樹脂材料を含んで構成される。コリメートレンズ４は、レーザ光Ｌ０を略コリメート（略平行化）する。コリメートレンズ４は必須の構成部ではない。但し、測距装置１００は、コリメートレンズ４を有することにより、発光部３から発せられたレーザ光Ｌ０の広がりを抑制でき、光利用効率を向上させることができる。
【0026】
コリメートレンズ４によりコリメートされたレーザ光Ｌ０は、光分割部材４１に入射する。光分割部材４１は、発光部３からのレーザ光Ｌ０を複数に分割する。光分割部材４１は、例えば回折格子である。光分割部材４１は、レーザ光Ｌ０を５つの分割光Ｌ１に分割する。５つの分割光Ｌ１は、穴あきミラー６に設けられた貫通孔６１を通過した後、回転反射体５に入射する。分割光Ｌ１の数は、複数であれば、要求される空間分解能等に応じて適宜選択可能である。なお、光分割部材４１により得られる５つの分割光Ｌ１の詳細については、別途図５を参照して述べる。
【0027】
回転反射体５は、６つの光反射面５１を有する。回転反射体５は、回転により光反射面５１の角度を変化させることによって走査される５つの分割光Ｌ１を物体に照射する。図１における走査光Ｌ２は、光反射面５１による分割光Ｌ１の反射光であり、走査される光に対応する。換言すると、照射部１２０は、光分割部材４１により分割された５つの分割光Ｌ１それぞれが走査される光である５つの走査光Ｌ２を物体に照射できる。
【0028】
図１では、図を簡素化するため、５つの分割光Ｌ１のうちの１つのみと、５つの走査光Ｌ２のうちの１つのみと、を表示している。また図１は、５つの走査光Ｌ２のうちの１つを、任意のタイミングに＋Ｙ方向側に照射される１つのレーザビームとして表示している。
【0029】
回転反射体５は、例えばポリゴンミラーである。ポリゴンミラーは回転多面鏡である。第１軸Ａ１に沿う方向から視た回転反射体５の形状は略正六角形である。回転反射体５は、正六角形の各辺に対応する外周面に６つの光反射面５１を有する。回転反射体５は、アルミニウム等の金属材料で形成した略正六角柱状の部材の外周面を、切削または鏡面研磨することにより製作できる。但し、回転反射体５は、金属材料または樹脂材料等で形成された回転体の外周面にアルミニウム等を鏡面蒸着することにより製作されてもよい。
【0030】
光反射面５１の数は、６つに限定されず、１以上であればよい。光反射面５１の数に応じて、回転反射体５による光の走査角度範囲が異なる。例えば、光反射面５１の数が多いほど走査角度範囲は狭くなり、光反射面５１の数が少ないほど走査角度範囲は広くなる。光反射面５１の数は、要求される走査角度範囲に応じて適宜決定可能である。
【0031】
回転反射体５には、回転反射体５の中心軸と回転軸が略一致するように第１軸モータが取り付けられている。回転反射体５は、第１軸モータを駆動源にして第１軸Ａ１周りに回転する。５つの分割光Ｌ１は、第１軸Ａ１を中心にした円の円周方向に走査されるということもできる。回転反射体５の回転方向は一定である。例えば、回転反射体５は図１における第１軸回転方向Ａ１１に沿って連続回転する。但し、回転反射体５は、第１軸回転方向Ａ１１とは反対方向に連続回転してもよい。
【0032】
測距装置１００の＋Ｙ方向側に物体が存在すると、５つの走査光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光が測距装置１００に向けて－Ｙ方向側に戻される。戻り光は、再び回転反射体５の光反射面５１に入射し、光反射面５１により－Ｚ方向側に反射される。－Ｚ方向側に反射された戻り光のうち、穴あきミラー６のミラー面に入射した戻り光は、このミラー面により－Ｙ方向側に反射され、５つの受光部８に到達する。本実施形態では、５つの分割光Ｌ１が反射される光反射面５１と戻り光が反射される光反射面５１は同じ面である。
【0033】
穴あきミラー６は、走査光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光を偏向させる光偏向部である。穴あきミラー６は貫通孔６１を含む。貫通孔６１は、発光部３が発する光を通過させる開口である。貫通孔６１は、穴あきミラー６におけるミラー面が設けられた領域の一部に形成されている。穴あきミラー６に入射する光のうち、このミラー面に入射する光は反射され、貫通孔６１に入射する光は貫通孔６１を通過する。
【0034】
穴あきミラー６は、コリメートレンズ４によりコリメートされたレーザ光Ｌ０を、貫通孔６１を通して通過させる。また穴あきミラー６は、走査光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光を、ミラー面により５つの受光部８に向けて反射する。穴あきミラー６のミラー面により反射された戻り光は、受光レンズ７により集光され、５つの受光部８に入射する。
【0035】
光偏向部の開口は、貫通孔に限らず、光偏向部におけるミラー面の一部に設けられた透明な領域であってもよい。また、光偏向部としてビームスプリッターやハーフミラー等を用いることもできる。
【0036】
５つの受光部８は、照射部１２０から照射された５つの走査光Ｌ２が物体により反射または散乱された戻り光に基づいて、５つの走査光Ｌ２それぞれの走査角度ごとでの受光情報を出力する。「走査角度」とは、照射部１２０から走査光Ｌ２が照射される所定の時間間隔ごとにレーザ光が走査される角度を意味する。
【0037】
５つの受光部８は、光分割部材４１により分割された５つの分割光Ｌ１それぞれと対をなす、受光部８１から受光部８５を含む。受光部８１から受光部８５のそれぞれは、５つの分割光Ｌ１のうち対をなす走査光Ｌ２が、物体により反射または散乱された戻り光に基づき、５つの走査光Ｌ２それぞれの走査角度ごとでの受光情報を出力する。
【0038】
受光部８１から受光部８５のそれぞれは、例えばＡＰＤ（Avalanche Photodiode：アバランシェフォトダイオード）である。ＡＰＤは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を向上させたフォトダイオードの一種である。但し、受光部８１から受光部８５のそれぞれは、フォトダイオード（Photodiode）や光電子増倍管等であってもよい。
【0039】
イケール９は、屈曲部を含む部材である。イケール９は、回転反射体５を支持する。イケール９は、－Ｚ方向側の面が回転ステージ１０の載置面１０１に接触し、ネジ部材等により載置面１０１上に固定されている。イケール９は、基板９１を介し、底面に交差する＋Ｘ方向側の面に回転反射体５を支持する。イケール９の材質に特段の制限はないが、剛性を高く確保するために、金属等の高剛性の材料を含んで構成されることが好ましい。
【0040】
回転ステージ１０は、回転反射体５を支持しつつ、自身が回転可能である。回転ステージ１０は、イケール９を第２軸Ａ２周りに回転させることにより、回転反射体５を第２軸Ａ２周りに回転させる。回転反射体５による５つの走査光Ｌ２は、回転ステージ１０の回転によって、第２方向に走査される。５つの走査光Ｌ２は、第２軸Ａ２を中心にした円の円周方向に走査されるということもできる。
【0041】
回転ステージ１０は、台部１上において、保持部２が設けられた領域とは異なる領域に設けられている。従って回転ステージ１０が回転しても、保持部２、並びに保持部２が保持する発光部３および５つの受光部８はそれぞれ不動であり、台部１に固定された状態が維持される。
【0042】
図３に示すように、回転ステージ１０は、載置面１０１と、ベアリング１０２と、マグネット１０３と、モータコア１０４と、を有する。
【0043】
載置面１０１は、第２軸Ａ２に略直交し、第２軸Ａ２周りに回転可能な面である。載置面１０１はイケール９を載置する。ベアリング１０２は、載置面１０１の回転を滑らかにする部材である。ベアリング１０２には、ボールベアリングまたはクロスローラベアリング等を適用してもよい。
【0044】
マグネット１０３は永久磁石からなる。モータコア１０４はモータを構成するステータの鉄心に該当する部材である。マグネット１０３とモータコア１０４とを含んでモータが構成されている。電流に応じてマグネット１０３が回転することにより、ベアリング１０２を介して載置面１０１が回転する。
【0045】
回転ステージ１０の回転方向は、一定であり、例えば図１における第２軸回転方向Ａ２１に対応する。但し、回転ステージ１０は、第２軸回転方向Ａ２１とは反対方向に連続回転してもよい。
【0046】
測距装置１００は、レーザ光Ｌ０の光軸と第２軸Ａ２とが同軸になるように構成されている。レーザ光Ｌ０の光軸は、レーザ光Ｌ０の伝搬方向に沿うレーザ光Ｌ０の中心を通る軸を意味する。また同軸とは、複数の軸が略一致していることを意味する。
【0047】
走査光Ｌ２は、回転反射体５の回転により第１軸Ａ１と交差する方向に走査されるとともに、回転ステージ１０の回転により第２軸Ａ２と交差する方向に走査される。第２軸Ａ２と交差する方向は、例えば重力方向に略直交する水平方向である。第１軸Ａ１は、第２軸Ａ２に対して傾いて配置されればよい。
【0048】
測距装置１００は、発光部３、回転反射体５、５つの受光部８または回転ステージ１０等の構成部の一部または全部を覆うための外装カバーを備えてもよい。外装カバーを備えると、測距装置１００の内部へのゴミや埃等の侵入を防ぎ、回転反射体５等にゴミや埃等が付着することを防止できる。また回転反射体５や回転ステージ１０が高速回転すると、回転に伴う風切り音が大きくなる場合がある。外装カバーを設けることにより音が周囲に伝わることを抑制できる。外装カバーの材質には、金属または樹脂材料等を適用可能である。
【0049】
一方、外装カバーを設けると、外装カバーにおける走査光Ｌ２が出射する出射窓以外の部分が走査光Ｌ２を遮るため、走査角度範囲が制限され、測距装置１００による物体２００の検出範囲または測距範囲が制限される場合がある。走査光Ｌ２の波長に対して光透過性を有する透明な樹脂材料で外装カバーを構成すると、このような走査角度範囲の制限を緩和できる。
【0050】
図４は、測距装置１００の構成を例示するブロック図である。なお、図４における実線で示した矢印は光の流れを示し、破線で示した矢印は電気信号の流れを示している。図４に示すように、測距装置１００は、受発光部１１０と、照射部１２０と、出射窓１３０と、制御部１４０と、を有する。
【0051】
照射部１２０は、回転反射体５と、回転ステージ１０と、駆動制御部１５０と、を有する。照射部１２０は、駆動制御部１５０により、回転反射体５および回転ステージ１０それぞれの回転を制御することによって、５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する。
【0052】
駆動制御部１５０は、第１軸モータ１５１と、第２軸モータ１５２と、同期検出部１５３と、回転制御部４０２と、給電部１５５と、を有する。駆動制御部１５０は、同期検出部１５３から出力される回転反射体５の回転周期に対応する同期信号Ｓｎに基づき、回転制御部４０２により、第２軸モータ１５２による回転を制御する。
【0053】
同期検出部１５３は、第１軸エンコーダ５３１と、周期光発光部５３２と、周期光受光部５３３と、を有する。同期検出部１５３は、第１軸エンコーダ５３１から出力される第１角度検出信号Ｅｎ１に基づいて周期光発光部５３２に発光させ、周期光発光部５３２からの光を受光した周期光受光部５３３により同期信号Ｓｎを出力させる。第１角度検出信号Ｅｎ１は、回転反射体５の回転角度の検出信号である。
【0054】
周期光発光部５３２は、例えばＬＥＤ等を含んで構成され、第１角度検出信号Ｅｎ１に基づき、例えば第１軸エンコーダ５３１が回転反射体５の回転原点に対応する角度を検出したタイミングにパルス光Ｏｐを発する。
【0055】
周期光受光部５３３は、フォトダイオード（Photo Diode）等を含んで構成され、周期光発光部５３２により発生されたパルス光Ｏｐを受光したタイミングに、第２軸ドライバ基板１７３を介して同期信号Ｓｎを回転制御部４０２に出力する。
【0056】
給電部１５５は、発電コイル５５１と、給電コイル５５２と、を有する。給電部１５５は、電磁誘導により第１軸モータ１５１等に非接触で給電する。なお、給電とは電力を供給することをいう。
【0057】
発電コイル５５１は、電磁誘導により逆起電力を発生し、第１軸モータ１５１、第１軸エンコーダ５３１および第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに給電可能なコイルである。給電コイル５５２は、発電コイル５５１に対向配置され、第２軸ドライバ基板１７３から流れる電流に応じて、電磁誘導により発電コイル５５１に逆起電力を発生させるコイルである。給電コイル５５２に電流を流すと、電磁誘導により非接触で発電コイル５５１に逆起電力が発生する。
【0058】
本実施形態では、給電部１５５が電磁誘導により非接触給電する構成を例示するが、これに限定されるものではない。例えば給電部１５５は、回転接点により給電することもできる。回転接点とは、回転体に配置された金属製リングとブラシを介して、回転体に電気的に接続する構成をいう。このような回転接点を用いて、外部から第１軸モータ１５１等に給電することもできる。
【0059】
基板９１には、回転反射体５、第１軸モータ１５１、第１軸エンコーダ５３１、第１軸ドライバ基板１６３、周期光発光部５３２および発電コイル５５１等が設けられている。回転ステージ１０には、第２軸モータ１５２、第２軸エンコーダ１７２、第２軸ドライバ基板１７３、周期光受光部５３３、給電コイル５５２等が設けられている。
【0060】
第１軸モータ１５１は、回転反射体５を第１軸Ａ１周りに回転させる。第１軸モータ１５１には、ＤＣ（Direct Current）モータまたはＡＣ（Alternating Current）モータ等を適用できる。
【0061】
第１軸エンコーダ５３１は、第１角度検出信号Ｅｎ１を出力する。第１軸エンコーダ５３１は、例えばロータリエンコーダである。
【0062】
第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸モータ１５１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第１軸ドライバ基板１６３は、第１角度検出信号Ｅｎ１に基づき、回転反射体５が所定の第１周波数（回転数）により回転するように制御できる。なお、第１周波数は、第１軸ドライバ基板１６３により制御されるため、回転制御部４０２の制御対象ではない。
【0063】
第１軸ドライバ基板１６３は、給電部１５５による給電が開始された場合に、第１軸モータ１５１により回転反射体５の回転を開始させ、給電部１５５による給電が停止された場合に、第１軸モータ１５１により回転反射体５の回転を停止させる。
【0064】
第２軸モータ１５２は、ＤＣモータ、ＡＣモータまたはステッピングモータ等の各種モータにより構成できる。第２軸エンコーダ１７２は、ロータリエンコーダ等により構成され、回転ステージ１０の回転角度を検出する。
【0065】
第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸モータ１５２に駆動信号を供給する電気回路等を含む実装基板である。第２軸ドライバ基板１７３は、回転制御部４０２からの第２軸制御信号Ｄｒ２に基づき、回転ステージ１０を回転させる。また、第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸エンコーダ１７２により検出された回転ステージ１０の第２角度検出信号Ｅｎ２を回転制御部４０２に出力する。
【0066】
回転制御部４０２は、第２角度検出信号Ｅｎ２に基づき、回転ステージ１０の回転を制御する。ここで、回転ステージ１０の回転数である第２周波数は、回転制御部４０２の制御対象である。
【0067】
受発光部１１０は、発光部基板１１１と、発光ブロック１１２と、穴あきミラー６と、穴あきミラーホルダ６２と、受光ブロック１１３と、受光部基板１１４と、を含む。
【0068】
発光部基板１１１は、制御部１４０からの発光制御信号Ｄｒ１に応じて発光部３を発光させる電気回路を含む実装基板である。
【0069】
発光ブロック１１２は、発光部３と、発光部ホルダ３１と、コリメートレンズ４と、コリメートレンズホルダ４０と、を含む。発光部ホルダ３１は発光部３を保持する部材である。コリメートレンズホルダ４０はコリメートレンズ４を保持する部材である。穴あきミラーホルダ６２は、穴あきミラー６を保持する部材である。
【0070】
受光ブロック１１３は、受光レンズ７と、受光レンズホルダ７１と、５つの受光部８と、受光部ホルダ８０と、を含む。受光レンズホルダ７１は受光レンズ７を保持する部材である。受光部ホルダ８０は５つの受光部８を保持する部材である。
【0071】
受光部基板１１４は、受光情報Ｓを、制御部１４０に出力する電気回路を含む実装基板である。受光情報Ｓは、例えば受光部８が受光した光強度に応じた電気信号である。受光部基板１１４は、トランスインピーダンスアンプおよびオペアンプ等を含む。受光部基板１１４は、トランスインピーダンスアンプおよびオペアンプ等により受光情報Ｓを増幅処理することにより、受光情報Ｓを、後段の制御部１４０によるデータ処理が可能な状態にすることができる。
【0072】
制御部１４０は、電気回路または電子回路等を有する制御回路基板を含む。制御部１４０は、例えば背面パネル２２等に設置される。この制御回路基板は、回転反射体５および回転ステージ１０が回転しても動かない。
【0073】
制御部１４０は、受発光部１１０および照射部１２０のそれぞれに電気的に接続しており、信号およびデータを相互に送受可能である。また制御部１４０は、サービスロボットを制御可能な外部装置３００に通信可能に接続している。本実施形態では、回転制御部４０２は、制御部１４０内に設けられているが、制御部１４０の外部に設けられていてもよい。
【0074】
制御部１４０は、例えば外部装置３００からの測距制御信号Ｃｔに応じて発光制御信号Ｄｒ１を出力し、発光部基板１１１を介して発光部３を発光させる。５つの分割光Ｌ１それぞれが走査される５つの走査光Ｌ２は、出射窓１３０を透過して、測距装置１００から外部に向けて照射される。
【0075】
出射窓１３０は、レーザ光Ｌ０の波長に対して光透過性を有するガラス材料または樹脂材料を含んで構成されている。出射窓１３０は、測距装置１００が装置全体を覆う不透明な外装カバーを備える場合に、走査光Ｌ２を透過して出射させる窓として機能する。
【0076】
走査光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された５つの戻り光Ｒは、出射窓１３０を透過して回転反射体５の光反射面５１に入射する。５つの戻り光Ｒは、光反射面５１により反射され、穴あきミラー６のミラー面により５つの受光部８に向けて反射される。
【0077】
５つの戻り光Ｒは、受光レンズ７により集光されながら５つの受光部８にそれぞれ入射する。５つの受光部８は、５つの戻り光Ｒに基づいて、５つの走査光Ｌ２の走査角度ごとでの受光情報Ｓを出力する。５つの走査光Ｌ２に対応する５つの受光情報Ｓは、受光部基板１１４を介して制御部１４０に出力される。
【0078】
制御部１４０は、受光情報Ｓに基づき、物体２００までの距離を示す距離情報Ｄｔを演算により取得する。制御部１４０は、距離情報Ｄｔを含むデータ構造Ｄｃを生成し、該データ構造Ｄｃを外部装置３００に出力する。
【0079】
測距装置１００は、例えば、サービスロボットが搭載するバッテリから供給される電力により駆動される。但し、測距装置１００は、測距装置１００自身が搭載するバッテリから電力供給されてもよい。またサービスロボットの動作範囲が広くない場合等には、商用電源からケーブルを用いて給電されるようにしてもよい。
【0080】
（光分割部材４１による光分割例）
図５は、光分割部材４１による光分割の一例を示す図である。図５（ａ）は光分割部材４１の側面図、図５（ｂ）は光分割部材４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図５（ｃ）は光分割部材４１を＋Ｚ方向側から視た正面図である。
図５は、光分割部材４１による光分割の一例を示す図である。図５（ａ）は光分割部材４１の側面図、図５（ｂ）は光分割部材４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図５（ｃ）は光分割部材４１を＋Ｚ方向側から視た正面図である。
【0081】
光分割部材４１は、平面視において略円形状を有し、レーザ光Ｌ０の波長に対して光透過性を有する平板状の部材である。光分割部材４１の－Ｚ方向側の面、＋Ｚ方向の面、またはその両方には、周期構造が形成されている。光分割部材４１は、入射されるレーザ光Ｌ０を、周期構造を用いて回折させることによって、複数の光束に分割する。
【0082】
光分割部材４１は、レーザ光Ｌ０を分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５を含む５つの分割光Ｌ１に分割する。分割光Ｌ１１は、光分割部材４１の０次光（透過光）である。分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５は１次回折光である。
【0083】
分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５は、伝搬方向が相互に異なる平行光束である。分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５は、照射部１２０により走査される。分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５のそれぞれと対をなす５つの走査光Ｌ２は、それぞれ照射領域における異なる位置に照射される。
【0084】
図５（ａ）に示す光分割部材４１による分割角度θＬは、２．１度以上であってもよい。分割角度θＬとは、光分割部材４１により分割された５つの分割光Ｌ１のうち、主要光の伝搬方向に対して、主要光以外の光の伝搬方向がなす角度をいう。光分割部材４１として回折格子を用いた場合には、分割角度θＬは、回折格子による回折光のうち、主要光の伝搬方向に対して、それ以外の光の伝搬方向がなす角度である回折角に対応する。本実施形態では、分割光Ｌ１１は主要光に対応する。分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５はそれぞれ主要光以外の光に対応する。分割光Ｌ１１に対して分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５のそれぞれがなす角度は、いずれも分割角度θＬになる。但し、主要光以外の光の伝搬方向同士のなす角度は、必ずしも分割角度θＬにはならない。
【0085】
ここで、規格であるＩＥＣ６０８２５－１では、レーザ光出射する機器から１００ｍｍ離れた位置において、直径７ｍｍの受光面を有するセンサにより検出した場合の光強度によってレーザ光に対する安全性を規定している。分割角度θＬを２．１度以上とすると、測距装置１００から１００ｍｍ離れた位置の直径７ｍｍの受光面内に、光分割部材４１により分割した５つの分割光Ｌ１のうち３つ以下が入射する状態になる。これにより、測距装置１００は、ＩＥＣ６０８２５－１の規定に準拠しやすくなる。
【0086】
また、人の目の瞳径および焦点距離に基づくと、５つの分割光Ｌ１のうちの同一直線上に並ぶ３つが並行して人の目に入射し得る角度は、±２．０度よりも小さい角度である。本実施形態では、光分割部材４１による分割角度θＬを２．１度以上とすることにより、５つの分割光Ｌ１のうちの同一直線上の３つ以上が並行して人の目に入射することを防止し、人の目に対する安全性を意味するアイセーフを実現できる。また、本実施形態では、２．１度以上において分割角度θＬをできるだけ小さくすることにより、アイセーフを実現しつつ、測距の空間分解能を向上させることができる。
【0087】
なお、本実施形態では、光分割部材４１の平面視形状は、円形状に限らず、矩形状、楕円形状、多角形状等であってもよい。また、光分割部材４１の中央を透過する分割光Ｌ１１と、４つの対角方向に分割される分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５が得られる構成を例示したが、レーザ光Ｌ０が分割される方向は対角方向に限定されず、適宜選択可能である。
【0088】
【0089】
図６に示すように、回転ステージ１０は、回転可能な回転部１０ａと、回転しない固定部１０ｂと、を含んで構成される。周期光発光部５３２は、回転部１０ａにおける載置面１０１に設けられた発光基板５３２ａに実装される。周期光受光部５３３は、固定部１０ｂに設けられた受光基板５３３ａに実装される。
【0090】
周期光発光部５３２は、発光基板５３２ａに入力される第１角度検出信号Ｅｎ１に応じて、周期光発光部５３２に対向配置された周期光受光部５３３に向けてパルス光Ｏｐを発する。周期光受光部５３３によるパルス光Ｏｐの受光信号は、受光基板５３３ａにより二値信号に変換され、同期信号Ｓｎとして回転制御部４０２に出力される。
【0091】
（制御部１４０のハードウェア構成例）
図７は、制御部１４０のハードウェア構成を例示するブロック図である。制御部１４０は、コンピュータによって構築されており、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１４１と、ＲＯＭ(Read Only Memory)１４２と、ＲＡＭ(Random Access Memory)１４３と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１４４と、ＨＤＤ／ＳＳＤ(Hard Disk Drive／Solid State Drive)１４５と、機器接続Ｉ／Ｆ(Interface)１４６と、通信Ｉ／Ｆ１４７と、を有する。これらは、システムバスＡを介して相互に通信可能に接続している。
図７は、制御部１４０のハードウェア構成を例示するブロック図である。制御部１４０は、コンピュータによって構築されており、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１４１と、ＲＯＭ(Read Only Memory)１４２と、ＲＡＭ(Random Access Memory)１４３と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１４４と、ＨＤＤ／ＳＳＤ(Hard Disk Drive／Solid State Drive)１４５と、機器接続Ｉ／Ｆ(Interface)１４６と、通信Ｉ／Ｆ１４７と、を有する。これらは、システムバスＡを介して相互に通信可能に接続している。
【0092】
ＣＰＵ１４１およびＦＰＧＡ１４４は、演算処理を含む制御処理を実行する。ＲＯＭ１４２は、ＩＰＬ(Initial Program Loader)等のＣＰＵ１４１の駆動に用いられるプログラムを記憶する。ＲＡＭ１４３は、ＣＰＵ１４１のワークエリアとして使用される。ＨＤＤ／ＳＳＤ１４５は、プログラムや測距装置１００の設定情報等の各種情報を記憶する。
【0093】
機器接続Ｉ／Ｆ１４６は、制御部１４０を機器と接続するためのインターフェースである。ここでの機器は、発光部基板１１１、受光部基板１１４、同期検出部１５３、給電部１５５、第２軸エンコーダ１７２および第２軸ドライバ基板１７３等である。
【0094】
通信Ｉ／Ｆ１４７は、外部装置３００や通信ネットワーク等とデータを通信するためのインターフェースである。通信Ｉ／Ｆ１４７として、イーサネットインターフェース等を適用できる。制御部１４０は、通信Ｉ／Ｆ１４７を介してインターネットに接続し、インターネットを介して外部装置３００との間で通信することもできる。
【0095】
（制御部１４０の機能構成例）
図８は、制御部１４０の機能構成の一例を説明するブロック図である。制御部１４０は、可変部４０１と、回転制御部４０２と、発光制御部４０３と、距離情報取得部４０４と、データ構造生成部４０５と、送信部４０６と、を有する。回転制御部４０２は、第１軸回転制御部４２１と、第２軸回転制御部４２２と、停止制御部４２３と、を有する。
図８は、制御部１４０の機能構成の一例を説明するブロック図である。制御部１４０は、可変部４０１と、回転制御部４０２と、発光制御部４０３と、距離情報取得部４０４と、データ構造生成部４０５と、送信部４０６と、を有する。回転制御部４０２は、第１軸回転制御部４２１と、第２軸回転制御部４２２と、停止制御部４２３と、を有する。
【0096】
制御部１４０は、可変部４０１、回転制御部４０２、発光制御部４０３、距離情報取得部４０４およびデータ構造生成部４０５の各機能をＦＰＧＡ１４４等により実現できる他、上記各機能の少なくとも一部をＣＰＵ１４１によって実現することもできる。また制御部１４０は、送信部４０６の機能を通信Ｉ／Ｆ１４７等により実現できる。
【0097】
ＦＰＧＡ１４４等により実現される各機能は、複数の回路または複数のソフトウェアによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ１４４等により実現される各機能の一部は、外部装置３００等の制御部１４０以外の構成部により実現されてもよいし、制御部１４０と制御部１４０以外の構成部との分散処理により実現されてもよい。
【0098】
可変部４０１は、以下の式（１）および式（２）における定数αを変更することにより、回転ステージ１０の第２周波数ｆｈを変化させる。
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α） ・・・（１）
０＜｜α｜＜１ ・・・（２）
式（１）において、Ｎは、回転ステージ１０の１回転中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される５つの走査光Ｌ２によって形成される走査線の数を表す。ｆｖは第１周波数を表す。Ｍは、回転反射体５の一回転周期中に、第１方向に走査される５つの走査光Ｌ２によって形成される走査線の数を表す。ｍ面の回転反射体５であればＭ＝ｍである。回転反射体５に代えて揺動ミラー（往復ミラー）を用いる場合にはＭ＝２となる。
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α） ・・・（１）
０＜｜α｜＜１ ・・・（２）
式（１）において、Ｎは、回転ステージ１０の１回転中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される５つの走査光Ｌ２によって形成される走査線の数を表す。ｆｖは第１周波数を表す。Ｍは、回転反射体５の一回転周期中に、第１方向に走査される５つの走査光Ｌ２によって形成される走査線の数を表す。ｍ面の回転反射体５であればＭ＝ｍである。回転反射体５に代えて揺動ミラー（往復ミラー）を用いる場合にはＭ＝２となる。
【0099】
可変部４０１は、測距装置１００に設けられた操作部等の外部からの設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更することができる。
【0100】
第１軸回転制御部４２１は、給電部１５５に給電制御信号Ｓｔを出力し、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を開始させることにより、第１軸モータ１５１に回転を開始させる。また第１軸回転制御部４２１は、給電部１５５に給電制御信号Ｓｔを出力し、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を停止させることにより、第１軸モータ１５１に回転を停止させる。第１軸回転制御部４２１は、第１軸モータ１５１の回転の開始および停止のみを制御し、第１軸モータ１５１の回転速度等の制御は行わない。
【0101】
第２軸回転制御部４２２は、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎと、第２軸エンコーダ１７２からの第２角度検出信号Ｅｎ２と、に基づき、第２軸ドライバ基板１７３を用いて回転ステージ１０の回転を制御する。
【0102】
停止制御部４２３は、同期検出部１５３から所定期間、同期信号Ｓｎが出力されない場合に、第２軸モータ１５２による回転ステージ１０の回転を停止させる。
【0103】
発光制御部４０３は、発光部基板１１１を用いて発光部３に発光制御信号Ｄｒ１を出力することにより、発光部３の発光を制御する。また発光制御部４０３は、発光部３が発光した時刻に対応する発光時刻情報ｔ１を距離情報取得部４０４に出力する。
【0104】
距離情報取得部４０４は、走査光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された後、５つの受光部８により受光される５つの戻り光Ｒに基づいて、物体２００との間の距離情報Ｄｔを演算により取得する。距離情報取得部４０４は、発光部３によりレーザ光Ｌ０が発せられた発光時刻情報ｔ１を発光制御部４０３から入力する。また距離情報取得部４０４は、受光部基板１１４を介して、５つの受光部８から、５つの受光部８に対応する５つの受光情報Ｓを入力し、５つの受光情報Ｓに基づき５つの受光時刻情報ｔ２を取得する。距離情報取得部４０４は、ＴＯＦの原理に基づき、以下の式（３）を演算することによって距離情報Ｄｔを取得できる。
Ｄｔｎ＝ｃ×Δｔｎ／２ ・・・（３）
Ｄｔｎ＝ｃ×Δｔｎ／２ ・・・（３）
【0105】
（３）式において、ｎは、分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５それぞれに対応する自然数である。例えば、Ｄｔ１は分割光Ｌ１１に基づき得られる距離情報、Ｄｔ２は分割光Ｌ１２に基づき得られる距離情報、Ｄｔ３は分割光Ｌ１３に基づき得られる距離情報、Ｄｔ４は分割光Ｌ１４に基づき得られる距離情報、Ｄｔ５は分割光Ｌ１５に基づき得られる距離情報である。ｃは光速（約３×１０８ｍ／ｓ）を表す。距離情報Ｄｔは、複数の距離情報Ｄｔｎの総称表記である。Δｔは、分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５それぞれにおける発光時刻と受光時刻との間の時間差である。
【0106】
分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５は、発光部３から同時に発せられたレーザ光Ｌ０を分割したものであるため、発光時刻はいずれも等しい。一方、分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５に基づく５つの戻り光Ｒそれぞれの受光時刻は異なる。距離情報取得部４０４は、分割光Ｌ１１から分割光Ｌ１５それぞれに基づく距離情報Ｄｔｎを並行して演算により取得する。
【0107】
データ構造生成部４０５は、距離情報取得部４０４により得られた距離情報Ｄｔを含むデータ構造Ｄｃを生成する。このデータ構造Ｄｃについては、別途図１１を参照して詳述する。
【0108】
送信部４０６は、５つの受光部８による５つの受光情報Ｓに基づいて取得される物体との間の５つの距離情報Ｄｔそれぞれに基づき、データ構造生成部４０５により生成された５つのデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信する。
【0109】
測距装置１００による距離測定方式は、ＴＯＦ方式に限定されるものではない。例えば測距装置１００は、振幅変調したレーザ光を物体に照射し、物体で反射または散乱された戻り光と照射したレーザ光との位相差に基づき、距離情報を取得する位相差検出方式等を用いてもよい。
【0110】
＜制御部１４０による処理例＞
図９は、制御部１４０による処理の一例を示すフローチャートである。制御部１４０は、測距装置１００に電源が投入され、測距装置１００が起動されたタイミングに図９の処理を開始する。
図９は、制御部１４０による処理の一例を示すフローチャートである。制御部１４０は、測距装置１００に電源が投入され、測距装置１００が起動されたタイミングに図９の処理を開始する。
【0111】
まず、ステップＳ９１において、制御部１４０は、可変部４０１により走査線間隔またはリフレッシュレートを変更するか否かを判定する。例えば可変部４０１は、測距装置１００の操作部を用いた、測距装置１００の操作者による設定入力に基づき、走査線間隔またはリフレッシュレートを変更するか否かを判定できる。なお、走査線間隔およびリフレッシュレートについては、別途図１０を参照して詳述する。
【0112】
ステップＳ９１において、変更しないと判定された場合には（ステップＳ９１、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ９４に処理を移行する。一方、変更すると判定された場合には（ステップＳ９１、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ９２において、可変部４０１により、設定入力情報Ｓｅを受け付ける。
【0113】
続いて、ステップＳ９３において、制御部１４０は、可変部４０１により設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更する。これにより、上記（１）式に応じて、第２周波数ｆｈが変化し、走査線間隔およびリフレッシュレートが変更される。
【0114】
続いて、ステップＳ９４において、制御部１４０は、第１軸回転制御部４２１により、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を開始する。第１軸モータ１５１は、給電部１５５による給電開始に応じて回転を開始することにより、回転反射体５の回転を開始させる。
【0115】
続いて、ステップＳ９５において、制御部１４０は、第２軸回転制御部４２２により、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎと、第２軸エンコーダ１７２からの第２角度検出信号Ｅｎ２と、に基づき、回転ステージ１０の回転を開始させる。以降、回転ステージ１０は、第２軸回転制御部４２２による制御下において回転を続ける。
【0116】
続いて、ステップＳ９６において、制御部１４０は、発光制御部４０３により、発光部３に発光制御信号Ｄｒ１を出力することによって、発光部３にレーザ光Ｌ０を発光させる。また発光制御部４０３は、発光部３の発光時刻情報ｔ１を距離情報取得部４０４に出力する。
【0117】
続いて、ステップＳ９７において、制御部１４０は、５つの走査光Ｌ２に由来する戻り光Ｒに基づき５つの受光部８から出力される５つの受光情報Ｓを入力する。
【0118】
続いて、ステップＳ９８において、制御部１４０は、距離情報取得部４０４により、受光情報Ｓに基づく戻り光Ｒの受光時刻情報ｔ２と、発光部３の発光時刻情報ｔ１と、に基づいて距離情報Ｄｔを演算により取得する。
【0119】
続いて、ステップＳ９９において、制御部１４０は、データ構造生成部４０５により、距離情報取得部４０４により得られた距離情報Ｄｔを含むデータ構造Ｄｃを生成する。
【0120】
続いて、ステップＳ１００において、制御部１４０は、送信部４０６により、データ構造生成部４０５により生成されたデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信する。
【0121】
続いて、ステップＳ１０１において、制御部１４０は、停止制御部４２３により、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎが出力されない期間が所定の期間閾値以下であるか否かを判定する。
【0122】
ステップＳ１０１において、期間閾値以下ではないと判定された場合には（ステップＳ１０１、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ１０３に処理を移行する。一方、期間閾値以下であると判定された場合には（ステップＳ１０１、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ１０２において、測距装置１００による測距を終了するか否かを判定する。例えば、制御部１４０は、測距装置１００の操作部を用いた操作者の操作入力に基づき測距を終了するか否かを判定できる。
【0123】
ステップＳ１０２において、終了しないと判定した場合には（ステップＳ１０２、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ９６以降の処理を再度行う。一方、終了すると判定した場合には（ステップＳ１０２、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ１０３において、第２軸回転制御部４２２により回転ステージ１０の回転を停止させるとともに、発光制御部４０３により発光部３の発光を停止させる。
【0124】
続いて、ステップＳ１０４において、制御部１４０は、第１軸回転制御部４２１により、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を停止させることにより、第１軸モータ１５１に回転を停止させる。第１軸モータ１５１は、給電部１５５による給電停止に応答して回転を停止し、回転反射体５の回転を停止させる。
【0125】
以上のようにして、制御部１４０は、測距装置１００による測距動作を制御できる。
【0126】
＜測距装置１００による走査線例＞
図１０は、測距装置１００による走査線を例示する図である。ここで、走査線とは、走査光の軌跡に対応する線をいう。例えば５つの走査光Ｌ２から５つの走査線が得られる。
図１０は、測距装置１００による走査線を例示する図である。ここで、走査線とは、走査光の軌跡に対応する線をいう。例えば５つの走査光Ｌ２から５つの走査線が得られる。
【0127】
複数の走査線Ｌｉは、走査線Ｌｉ１_１、走査線Ｌｉ２_１、走査線Ｌｉ１_２、走査線Ｌｉ２_２、走査線Ｌｉ１_３、・・・、走査線Ｌｉ１_１５および走査線Ｌｉ１_１６を含んでいる。フレーム画像Ｗは、複数の走査線Ｌｉにより形成される１フレームの画像を表している。複数の走査線Ｌｉのそれぞれは、Ｚ方向に対して傾いた第１方向９０に沿って延伸している。
【0128】
複数の黒丸が並んだ走査線Ｌｉ１_１、Ｌｉ１_２、Ｌｉ１_３、Ｌｉ１_１５およびＬｉ１_１６は、回転ステージ１０の１回転目における走査線を表している。より詳しくは、走査線Ｌｉ１_１は、回転ステージ１０の１回転目における１本目の走査線を表している。走査線Ｌｉ１_２は、回転ステージ１０の１回転目における２本目の走査線を表している。走査線Ｌｉ１_３は、回転ステージ１０の１回転目における３本目の走査線を表している。走査線Ｌｉ１_１５は、回転ステージ１０の１回転目における１５本目の走査線を表している。走査線Ｌｉ１_１６は、回転ステージ１０の１回転目における１６本目の走査線を表している。複数の黒丸のそれぞれは、５つの走査光Ｌ２のうち１つの走査光の走査角度ごとでの光スポット（ビームスポット）を表している。
【0129】
複数の白丸が並んだ走査線Ｌｉ２_１およびＬｉ２_２は、回転ステージ１０の２回転目における走査線を示している。より詳しくは、走査線Ｌｉ２_１は、回転ステージ１０の２回転目における１本目の走査線を表している。走査線Ｌｉ２_２は、回転ステージ１０の２回転目における２本目の走査線を表している。複数の白丸のそれぞれは、走査される光の時刻ごとでの光スポットを表している。
【0130】
＜走査線間隔ｄ、リフレッシュレートＲｒ＞
走査線間隔ｄ１は、第１周波数ｆｖが第２周波数ｆｈのＮ倍である場合の走査線間隔ｄである。この場合には、複数の走査線Ｌｉそれぞれの水平方向における位置は、回転ステージ１０の回転回数によって変化せず、走査線間隔ｄ１はＤｘ／Ｎとなる。なお、ＤｘはＸ方向における光の走査角度範囲である。
走査線間隔ｄ１は、第１周波数ｆｖが第２周波数ｆｈのＮ倍である場合の走査線間隔ｄである。この場合には、複数の走査線Ｌｉそれぞれの水平方向における位置は、回転ステージ１０の回転回数によって変化せず、走査線間隔ｄ１はＤｘ／Ｎとなる。なお、ＤｘはＸ方向における光の走査角度範囲である。
【0131】
走査線間隔ｄ２は、第１周波数ｆｖが第２周波数ｆｈの（Ｎ＋α）倍である場合の走査線間隔ｄである。この場合には、複数の走査線Ｌｉそれぞれの水平方向における位置は、回転ステージ１０の回転回数によって変化し、走査線間隔ｄ２はＤｘ×α／Ｎとなる。定数αの値に応じて走査線間隔ｄ２は可変となる。
【0132】
走査線間隔ｄ２が密になるように定数αを設定することにより、第１周波数ｆｖが高くなることを抑えつつ、走査線間隔ｄを密にすることができる。例えば、可変部４０１は、αを±０．５にすることにより、走査線間隔ｄを約１／２にでき、αを±０．２５にすることにより、走査線間隔ｄを約１／４にすることができる。αが±０．５であるとは、αが＋０．５または－０．５であると言い換えることもできる。
【0133】
一方、上記方法では、１フレームの画像形成のために、回転ステージ１０を複数回回転させる必要があるため、リフレッシュレートＲｒが低下する。ここでリフレッシュレートＲｒとは、単位時間当たりに形成可能なフレーム画像Ｗの数をいい、ここでは、Ｒｒ＝ｆｖ／（Ｑ×Ｎ）により表される。Ｑは１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を回転させる回数を意味する。例えば、αが±０．５の場合には、照射部１２０は、１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を２回転させ、αが±０．２５の場合には、１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を４回転させる必要がある。リフレッシュレートＲｒは、回転回数Ｑの増加に応じて低くなる。
【0134】
測距装置１００では、その利用シーン等に応じて、要求される走査線間隔ｄやリフレッシュレートＲｒは異なる。本実施形態では、可変部４０１により、定数αを変更して走査線間隔ｄおよびリフレッシュレートＲｒを変化させることにより、要求に適合させることができる。また、第２周波数ｆｈに対して高い第１周波数ｆｖを変化させると、照射部１２０の制御が複雑になる場合がある。本実施形態では、定数αを変化させて第２周波数ｆｈのみ変化させるため、照射部１２０の制御が簡素化される。
【0135】
＜先頭走査角度情報ａ、走査角度間隔情報Δ＞
先頭光Ｌｉ２_１ｔは、走査線Ｌｉ２_１に含まれる複数の光スポットのうち先頭のものを表している。図１０では、図を簡素化するために、先頭光Ｌｉ２_１ｔにおける走査線Ｌｉ２_１のみを示しているが、複数の走査線Ｌｉは、それぞれ先頭光を含んでいる。距離情報Ｄｔは、走査角度ごと、換言すると複数の走査線Ｌｉそれぞれに含まれる所定数の光スポットごとに得られる。複数の走査線Ｌｉには、５つの走査光Ｌ２それぞれによる走査線が含まれる。
先頭光Ｌｉ２_１ｔは、走査線Ｌｉ２_１に含まれる複数の光スポットのうち先頭のものを表している。図１０では、図を簡素化するために、先頭光Ｌｉ２_１ｔにおける走査線Ｌｉ２_１のみを示しているが、複数の走査線Ｌｉは、それぞれ先頭光を含んでいる。距離情報Ｄｔは、走査角度ごと、換言すると複数の走査線Ｌｉそれぞれに含まれる所定数の光スポットごとに得られる。複数の走査線Ｌｉには、５つの走査光Ｌ２それぞれによる走査線が含まれる。
【0136】
先頭走査角度情報ａは、所定数の距離情報Ｄｔのうち、先頭の距離情報Ｄｔに対応した走査角度に関連する情報である。換言すると、先頭走査角度情報ａは、先頭光Ｌｉ２_１ｔの走査角度に対応する情報である。先頭光の走査角度とは、先頭光の伝搬方向に沿う先頭光の中心軸と、所定の基準軸と、がなす角度をいう。
【0137】
先頭走査角度情報ａは、先頭水平走査角度情報ａｘと、先頭垂直走査角度情報ａｚと、を含む。先頭水平走査角度情報ａｘは、先頭走査角度情報ａの水平方向成分、すなわちＸ方向成分である。先頭垂直走査角度情報ａｚは、先頭走査角度情報ａの垂直方向成分、すなわちＺ方向成分である。
【0138】
本実施形態では、所定数の距離情報Ｄｔにおける「所定数」は、複数の走査線Ｌｉのうち、第１周波数ｆｖにより走査される光スポットの数に対応する数である。換言すると、所定数の距離情報Ｄｔは、所定周期（１／ｆｖ）内に第１方向９０に走査される５つの走査光Ｌ２の、走査角度ごとでの距離情報である。但し、所定数の距離情報Ｄｔは、上記に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、所定数の距離情報Ｄｔは、所定周期（１／ｆｖ）よりも長い周期内に第１方向９０に走査される５つの走査光Ｌ２の、走査角度ごとでの距離情報であってもよいし、フレーム画像Ｗ全体に含まれる光スポットの数に対応する数の距離情報であってもよい。
【0139】
距離情報Ｄｔの数が多くなると、バッファリングのためにＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等のデータの一次保持部として大容量のものが必要になったり、データのリアルタイム性が損なわれたりする場合がある。所定数の距離情報Ｄｔが所定周期（１／ｆｖ）内でのものであると、所定数の距離情報Ｄｔが所定周期（１／ｆｖ）よりも長い周期内でのものである場合と比較して、短い周期で小さい容量のデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信できる。これにより、一時保持部の容量を小さくしつつ、データのリアルタイム性を高く確保することが可能になる。
【0140】
走査角度間隔情報Δは、走査角度の間隔に関連する情報である。換言すると、走査角度間隔情報Δは、走査されるパルス光の角度間隔に対応する情報である。走査されるパルス光の角度間隔とは、走査されるパルス光のうち、隣り合うパルス光の中心軸同士がなす角度をいう。
【0141】
走査角度間隔情報Δは、水平走査角度間隔情報Δｘと、垂直走査角度間隔情報Δｚと、を含む。水平走査角度間隔情報Δｘは、走査角度間隔情報Δの水平方向成分、すなわちＸ方向成分である。垂直走査角度間隔情報Δｚは、走査角度間隔情報Δの垂直方向成分、すなわちＺ方向成分である。
【0142】
＜データ構造Ｄｃの一例＞
図１１は、測距装置１００から送信されるデータ構造Ｄｃを説明する図である。図１１に示すように、データ構造Ｄｃは、ヘッダーフィールドＨＦと、データフィールドＤＦと、フッターフィールドＦＦと、を有する。データ構造Ｄｃは、複数の走査線Ｌｉのうち、１つの走査線に含まれる光スポットの数に対応する数の距離情報Ｄｔを含んでいる。
図１１は、測距装置１００から送信されるデータ構造Ｄｃを説明する図である。図１１に示すように、データ構造Ｄｃは、ヘッダーフィールドＨＦと、データフィールドＤＦと、フッターフィールドＦＦと、を有する。データ構造Ｄｃは、複数の走査線Ｌｉのうち、１つの走査線に含まれる光スポットの数に対応する数の距離情報Ｄｔを含んでいる。
【0143】
ヘッダーフィールドＨＦは、フラグ情報ｆｇと、パケット番号情報Ｐｎと、先頭水平走査角度情報ａｘと、先頭垂直走査角度情報ａｚと、水平走査角度間隔情報Δｘと、を含む。またヘッダーフィールドＨＦは、垂直走査角度間隔情報Δｚと、水平駆動周波数情報ｆｘと、垂直駆動周波数情報ｆｚと、相対角度情報φと、分割角度θＬに関する情報と、レーザディレイ情報ｄｙと、を含む。但し、相対角度情報と分割角度θＬに関する情報は、外部装置３００との初期化シーケンスにて、これらの情報を送信してあらかじめ外部装置３００に設定したり、また測距装置１００の製造時において予め情報を外部装置３００に設定しておいたりしてもよい。このようにすることで、ヘッダーフィールドＨＦに情報を追加し、データフレーム毎に外部装置３００に送信する必要はなくなる。これによってデータ量をさらに減らすことができる。
【0144】
フラグ情報ｆｇは、ＵＤＰ（User Datagram Protocol）ペイロード開始フラグを示す情報である。パケット番号情報Ｐｎは、パケットごとのインクリメントにおいて参照される情報である。先頭水平走査角度情報ａｘ、先頭垂直走査角度情報ａｚ、水平走査角度間隔情報Δｘおよび垂直走査角度間隔情報Δｚは、図１０を用いて上述した通りである。水平駆動周波数情報ｆｘは、回転ステージ１０の回転周波数に対応する情報である。垂直駆動周波数情報ｆｚは、回転反射体５の回転周波数に対応する情報である。
【0145】
相対角度情報φは、５つの分割光Ｌ１のうち、主要光に対する主要光以外の光の相対角度を表す情報である。この相対角度情報φについては、別途図１２を参照して詳述する。分割角度θＬは、光分割部材４１による分割角度である。レーザディレイ情報ｄｙは、測定された距離情報Ｄｔを補正するための回路遅延等を表す情報である。
【0146】
データフィールドＤＦは、走査角度ごとに得られる所定数の距離情報Ｄｔを含む。所定数の距離情報Ｄｔは、所定順序に並んでいる。この所定順序は、先頭水平走査角度情報ａｘ、先頭垂直走査角度情報ａｚ、水平走査角度間隔情報Δｘおよび垂直走査角度間隔情報Δｚに対応付けられている。距離情報Ｄｔは走査角度ごとに得られるが、本実施形態では、データフィールドＤＦは、所定数の距離情報Ｄｔそれぞれに対応した走査角度の情報を含まず、距離情報Ｄｔのみを含んでいる。
【0147】
フッターフィールドＦＦは、タイムスタンプ情報Ｔｓと、ファクトリーコード情報Ｃｄと、を含む。タイムスタンプ情報Ｔｓは、先頭走査角度情報ａに対応する距離情報Ｄｔが取得された時刻に関する情報である。ファクトリーコード情報Ｃｄは、測距装置１００のロット番号等の測距装置１００を分類するための情報である。
【0148】
例えば、ヘッダーフィールドＨＦにおける項目ごとのデータのビット数は１６ｂｉｔである。データフィールドＤＦでは、１つの距離情報Ｄｔのビット数である２４ｂｉｔに、所定数を乗じた値のビット数となる。フッターフィールドＦＦでは、タイムスタンプ情報Ｔｓは３２ｂｉｔであり、ファクトリーコード情報Ｃｄは８８ｂｉｔである。
【0149】
データ構造Ｄｃは、ヘッダーフィールドＨＦと、データフィールドＤＦと、を少なくとも有すればよい。ヘッダーフィールドＨＦは、先頭水平走査角度情報ａｘと、先頭垂直走査角度情報ａｚと、水平走査角度間隔情報Δｘと、垂直走査角度間隔情報Δと、を少なくとも含めばよい。
【0150】
１つのフレーム画像Ｗにおける最初の走査線または最後の走査線において走査光Ｌ２が照射されないブランキング期間が生じる場合がある。処理の安定性を確保する観点では、このブランキング期間には、予め定められた距離情報Ｄｔを割り当てることにより、データフィールドＤＦにブランク（空白）が生じないようにすることが好ましい。
【0151】
＜５つの分割光Ｌ１の走査角度例＞
図１２は、５つの分割光Ｌ１と走査角度との関係を説明する図である。図１２示すように、５つの分割光Ｌ１は、中央に分割光Ｌ１１が配置され、分割光Ｌ１１の周りに分割光Ｌ１２、分割光Ｌ１３、分割光Ｌ１４および分割光Ｌ１５が配置されている。分割光Ｌ１１は、５つの分割光Ｌ１のうちの主要光に対応する。分割光Ｌ１２、分割光Ｌ１３、分割光Ｌ１４または分割光Ｌ１５は、主要光以外の光に対応する。
図１２は、５つの分割光Ｌ１と走査角度との関係を説明する図である。図１２示すように、５つの分割光Ｌ１は、中央に分割光Ｌ１１が配置され、分割光Ｌ１１の周りに分割光Ｌ１２、分割光Ｌ１３、分割光Ｌ１４および分割光Ｌ１５が配置されている。分割光Ｌ１１は、５つの分割光Ｌ１のうちの主要光に対応する。分割光Ｌ１２、分割光Ｌ１３、分割光Ｌ１４または分割光Ｌ１５は、主要光以外の光に対応する。
【0152】
ここで、図１１の説明において述べた相対角度情報とは、主要光の伝搬方向に略直交する平面内において、基準軸と分割光軸とがなす角度をいう。基準軸とは、平面ＰＬ内において、主要光の中心軸を通る軸をいう。分割光軸とは、平面ＰＬ内において、主要光の中心軸と主要光以外の中心軸Ｌ１２ｃとを通る軸をいう。
【0153】
具体的には、図１２に示すように、相対角度情報φは、主要光である分割光Ｌ１１の伝搬方向に略直交する平面ＰＬ内において、基準軸Ａｓと分割光軸Ａ１２とがなす角度を意味する。基準軸Ａｓは、平面ＰＬ内において、分割光Ｌ１１の中心軸Ｌ１１ｃを通る軸である。分割光軸Ａ１２は、平面ＰＬ内において、分割光Ｌ１１の中心軸Ｌ１１ｃと分割光Ｌ１２の中心軸Ｌ１２ｃとを通る軸である。つまり、本実施形態では、相対角度情報φは、平面ＰＬ内における分割光Ｌ１１に対する分割光Ｌ１２の相対位置関係に関連する情報である。相対角度情報φは、例えば４５度である。
【0154】
分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５が分割光Ｌ１１に対して等方性をもって分割されれば、分割光Ｌ１３の相対角度情報は、例えば相対角度情報φを用いて３×φとして特定される。同様に、分割光Ｌ１５の相対角度情報は、例えば相対角度情報φを用いて５×φとして特定される。分割光Ｌ１４の相対角度情報は、例えば相対角度情報φを用いて７×φとして特定される。
【0155】
本実施形態では、ヘッダーフィールドＨＦは、分割光Ｌ１２の相対角度情報φのみを含む。分割光Ｌ１３から分割光Ｌ１５の各相対角度情報は、相対角度情報φを用いて算出される。このようにすることにより、測距装置１００から外部装置に送信するデータ量を削減することができる。但し、ヘッダーフィールドＨＦは、分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５の相対角度情報のうち、少なくとも１つの相対角度情報を含んでもよい。
【0156】
分割光Ｌ１１において、先頭水平走査角度情報をａｘ、先頭垂直走査角度情報をａｚ、水平走査角度間隔情報をΔｘ、垂直走査角度間隔情報をΔｚとする。走査角度ごとに走査光Ｌ２が照射された順番を示す照射番号をｉ（＝０、１、２、・・・）とする。この場合、分割光Ｌ１１の走査角度情報Ｕは以下の式（４）および式（５）により表すことができる。なお、走査角度Ｕｘは、走査角度情報Ｕの水平方向成分である。走査角度情報Ｕｚは、走査角度情報Ｕの垂直方向成分である。
Ｕｘ（１，ｉ）＝ａｘ＋ｉ×Δｘ ・・・（４）
Ｕｚ（１，ｉ）＝ａｚ＋ｉ×Δｚ ・・・（５）
Ｕｘ（１，ｉ）＝ａｘ＋ｉ×Δｘ ・・・（４）
Ｕｚ（１，ｉ）＝ａｚ＋ｉ×Δｚ ・・・（５）
【0157】
分割光Ｌ１２の走査角度情報Ｕ（２，ｎ）、分割光Ｌ１３の走査角度情報Ｕ（３，ｎ）、分割光Ｌ１４の走査角度情報Ｕ（４，ｎ）および分割光Ｌ１５の走査角度情報Ｕ（５，ｎ）は、それぞれ以下の式（６）から式（１３）により表すことができる。分割角度θＬは、例えば２．１度である。
Ｕｘ（２，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋φ） ・・・（６）
Ｕｚ（２，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋φ） ・・・（７）
Ｕｘ（３，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋３×φ）
・・・（８）
Ｕｚ（３，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋３×φ）
・・・（９）
Ｕｘ（４，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋７×φ）
・・・（１０）
Ｕｚ（４，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋７×φ）
・・・（１１）
Ｕｘ（５，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋５×φ）
・・・（１２）
Ｕｚ（５，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋５×φ）
・・・（１３）
Ｕｘ（２，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋φ） ・・・（６）
Ｕｚ（２，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋φ） ・・・（７）
Ｕｘ（３，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋３×φ）
・・・（８）
Ｕｚ（３，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋３×φ）
・・・（９）
Ｕｘ（４，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋７×φ）
・・・（１０）
Ｕｚ（４，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋７×φ）
・・・（１１）
Ｕｘ（５，ｉ）＝Ｕｘ（１，ｉ）＋θＬ×ｓｉｎ（Ｕｚ（１，ｉ）＋５×φ）
・・・（１２）
Ｕｚ（５，ｉ）＝Ｕｚ（１，ｉ）－θＬ×ｃｏｓ（Ｕｚ（１，ｉ）＋５×φ）
・・・（１３）
【0158】
以上のように、外部装置３００は、ヘッダーフィールドＨＦに含まれる、主要光に対する主要光以外の光の相対角度情報φと、光分割部材４１による分割角度θＬに関する情報と、を用い、５つの分割光Ｌ１の走査角度情報Ｕそれぞれを演算により取得できる。
【0159】
＜測距装置１００の作用効果＞
以上説明したように、測距装置１００は、５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する照射部１２０と、照射部１２０から照射された５つの走査光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された戻り光Ｒ基づいて、５つの走査光Ｌ２の走査角度ごとでの受光情報Ｓを出力する５つの受光部８と、を有する。また、測距装置１００は、５つの受光部８による受光情報Ｓに基づいて取得される物体２００との間の距離情報Ｄｔを含むデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信する送信部４０６を有する。データ構造Ｄｃは、ヘッダーフィールドＨＦとデータフィールドＤＦとを有する。ヘッダーフィールドＨＦは、所定数の距離情報Ｄｔのうち先頭の距離情報Ｄｔに対応した走査角度に関連する先頭走査角度情報ａと、走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報Δと、を含む。データフィールドＤＦは、所定数の距離情報Ｄｔを含む。
以上説明したように、測距装置１００は、５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する照射部１２０と、照射部１２０から照射された５つの走査光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された戻り光Ｒ基づいて、５つの走査光Ｌ２の走査角度ごとでの受光情報Ｓを出力する５つの受光部８と、を有する。また、測距装置１００は、５つの受光部８による受光情報Ｓに基づいて取得される物体２００との間の距離情報Ｄｔを含むデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信する送信部４０６を有する。データ構造Ｄｃは、ヘッダーフィールドＨＦとデータフィールドＤＦとを有する。ヘッダーフィールドＨＦは、所定数の距離情報Ｄｔのうち先頭の距離情報Ｄｔに対応した走査角度に関連する先頭走査角度情報ａと、走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報Δと、を含む。データフィールドＤＦは、所定数の距離情報Ｄｔを含む。
【0160】
例えば、所定数の距離情報それぞれに対応した走査角度情報を、所定数の距離情報とともに外部装置に送信すると、測距装置から外部装置に送信されるデータ量が増大する場合がある。データ量の増大により測距装置のスループットが低下する。
【0161】
本実施形態では、測距装置１００は、データ構造Ｄｃを用い、走査角度に関連する情報として、先頭走査角度情報ａおよび走査角度間隔情報Δを外部装置３００に送信する。外部装置３００は、測距装置１００から受信した先頭走査角度情報ａおよび走査角度間隔情報Δに基づき、所定数の距離情報Ｄｔそれぞれに対応した走査角度情報Ｕを演算により取得する。外部装置３００は、これらの情報を用いて測距装置１００周辺に存在する物体２００の認識処理等を実行できる。このように本実施形態では、所定数の距離情報Ｄｔそれぞれに対応した走査角度に関連する情報を外部装置３００に送信しないため、送信するデータ量を削減可能な測距装置１００を提供することができる。
【0162】
また、本実施形態では、照射部１２０は、第１方向９０および第１方向９０と交差するＸ方向（第２方向）のそれぞれに走査される５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する。所定数の距離情報Ｄｔは、所定周期（１／ｆｖ）内に第１方向９０に走査される５つの走査光Ｌ２それぞれの、走査角度ごとでの距離情報である。これにより、本実施形態では、所定数の距離情報Ｄｔが所定周期（１／ｆｖ）よりも長い周期でのものである場合と比較して、短い周期で小さい容量のデータ構造Ｄｃを外部装置３００に送信できるため、一時保持部の容量を削減しつつ、データのリアルタイム性を高く確保できる。
【0163】
また、本実施形態では、照射部１２０は、光反射面５１を有する回転反射体５を含み、回転反射体５は、回転により光反射面５１の角度を変化させることによって第１方向９０に走査される５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する。
【0164】
例えば、回転反射体５に代えて揺動ミラーを用い、揺動ミラーの往復運動により物体への照射光を走査すると、揺動ミラーが角度を変化させる方向が反転する際に角度の変化速度が非線形になるため、光の走査速度は非線形に変化する。これにより、測距装置から受信した先頭走査角度情報および走査角度間隔情報に基づいて所定数の距離情報それぞれに対応した走査角度情報を取得する演算のために非線形関数を用いる必要が生じ、外部装置における処理が複雑化する場合がある。
【0165】
本実施形態では、回転反射体５を一方向に回転させることにより５つの走査光Ｌ２を走査させるため、光の走査速度は線形に変化する。これにより、測距装置１００から受信した先頭走査角度情報ａおよび走査角度間隔情報Δに基づいて所定数の距離情報Ｄｔそれぞれに対応した走査角度情報を取得する演算のために線形関数を用いることができ、外部装置３００における処理を簡素化することができる。
【0166】
また、本実施形態では、測距装置１００は、発光部３からのレーザ光Ｌ０を５つに分割する光分割部材４１を有する。照射部１２０は、光分割部材４１により分割された５つの分割光Ｌ１それぞれが走査される５つの走査光Ｌ２を物体２００に照射する。５つの受光部８は、５つの分割光Ｌ１それぞれと対をなす５つの受光部８を含む。５つの受光部８それぞれは、５つの分割光Ｌ１のうち対をなす分割光が物体２００により反射または散乱された５つの戻り光Ｒに基づき、５つの分割光Ｌ１の走査角度ごとでの受光情報Ｓを出力する。ヘッダーフィールドＨＦは、分割光Ｌ１１（主要光）における先頭走査角度情報ａと、分割光Ｌ１１における走査角度間隔情報Δと、分割光Ｌ１２（主要光以外の光）の分割光Ｌ１１に対する相対角度情報φと、光分割部材４１による分割角度θＬに関する情報と、を含む。この構成により、本実施形態では、５つの分割光Ｌ１それぞれに対応した走査角度情報Ｕを外部装置３００に送信しなくてもよいため、送信するデータ量を削減可能な測距装置１００を提供することができる。
【0167】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る測距システムについて説明する。なお、第１実施形態と同じ構成部には、同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
次に、第２実施形態に係る測距システムについて説明する。なお、第１実施形態と同じ構成部には、同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【0168】
図１３は、第２実施形態に係る測距システム４００の構成の一例を示すブロック図である。測距システム４００は、測距装置１００と、情報処理装置３００ａと、を有する。
【0169】
情報処理装置３００ａは、測距装置１００に通信可能に接続され、測距装置１００による測定結果に基づいて所定の処理を実行する。情報処理装置３００ａは、第１実施形態における外部装置３００の一例に対応する。情報処理装置３００ａは、例えばＲＯＳ（Robot Operating System）を搭載するＢｏａｒｄ ＰＣ（Personal Computer）等を含んで構築できる。但し、情報処理装置３００ａは、ＰＣや電気回路により構築されてもよい。
【0170】
図１４は、情報処理装置３００ａの機能構成例のブロック図である。情報処理装置３００ａは、受信部３０１と、第１生成部３０２と、第２生成部３０３と、認識部３０４と、出力部３０５と、を有する。情報処理装置３００ａは、これら各機能をＣＰＵにより実現できる他、各機能の少なくとも一部を電気回路により実現することもできる。また上記各機能は、複数の回路または複数のソフトウェアによって実現されてもよい。さらに上記各機能の一部は、外部サーバ等の情報処理装置３００ａ以外の構成部により実現されてもよいし、情報処理装置３００ａと情報処理装置３００ａ以外の構成部との分散処理により実現されてもよい。
【0171】
受信部３０１は、測距装置１００の送信部４０６から送信されたデータ構造Ｄｃを受信し、第１生成部３０２および第２生成部３０３のそれぞれに出力する。
【0172】
第１生成部３０２は、受信部３０１を介して受信したデータ構造Ｄｃに基づいて、所定数の距離情報Ｄｔごとに、分割光Ｌ１１における距離情報Ｄｔに対応した走査角度情報Ｕを生成する。例えば、第１生成部３０２は、上述した式（４）および式（５）を用いて、分割光Ｌ１１における距離情報Ｄｔに対応した走査角度情報Ｕを生成できる。
【0173】
第２生成部３０３は、受信部３０１を介して受信したデータ構造Ｄｃに基づいて、所定数の距離情報Ｄｔごとに、分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５それぞれにおける距離情報Ｄｔに対応した走査角度情報Ｕを生成する。例えば、第２生成部３０３は、上述した式（６）から式（１３）を用いて、分割光Ｌ１２から分割光Ｌ１５における距離情報Ｄｔに対応した走査角度情報Ｕを生成できる。
【0174】
認識部３０４は、測距装置１００を搭載したサービスロボットの周辺に存在する物体２００を認識する処理を実行する。
【0175】
出力部３０５は、認識部３０４による処理結果を外部装置に出力する。ここでの外部装置には、ディスプレイや外部ＰＣ、外部サーバ等が挙げられる。例えば、出力部３０５は、認識部３０４による処理結果や、それぞれが距離情報Ｄｔを含む複数の画素が２次元方向に整列した距離画像等をディスプレイに表示させることができる。また出力部３０５は、認識部３０４による処理結果を外部ＰＣや外部サーバに送信することができる。
【0176】
認識部３０４および出力部３０５による各処理は、所定の処理の一例に対応する。但し、所定の処理は、認識部３０４および出力部３０５による各処理以外の処理を含んでもよい。
【0177】
測距システム４００は、測距装置１００を有することにより、測距装置１００から情報処理装置３００ａに送信されるデータ量を削減することができる。これにより、本実施形態では、測距装置１００および情報処理装置３００ａそれぞれのスループットを向上させることができる。これ以外の効果は、第１実施形態において述べたものと同じである。
【0178】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形または変更が可能である。
【0179】
実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。
【0180】
実施形態に係る測距装置および測距システムは、サービスロボットに限らず、自動車、飛行体等の移動体に搭載され、移動体の周囲に存在する物体を認識する用途等において使用可能である。
【0181】
また、実施形態は、測距方法を含む。例えば測距方法は、物体との間の距離を測定する測距装置による測距方法であって、前記測距装置が、照射部により、走査される光を前記物体に照射し、受光部により、前記照射部から照射された前記光が前記物体により反射または散乱された戻り光に基づき、前記光の走査角度ごとでの受光情報を出力し、制御部により、前記受光部による前記受光情報に基づいて取得される前記物体との間の距離情報を含むデータ構造を、外部装置に送信し、前記データ構造は、ヘッダーフィールドとデータフィールドとを有し、前記ヘッダーフィールドは、所定数の前記距離情報のうち先頭の前記距離情報に対応した前記走査角度に関連する先頭走査角度情報と、前記走査角度の間隔に関連する走査角度間隔情報と、を含み、前記データフィールドは、所定数の前記距離情報を含む。このような測距方法により、上述した測距装置と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【0182】
１…台部、２…保持部、３…発光部、４…コリメートレンズ、５…回転反射体、６…穴あきミラー、７…受光レンズ、８…５つの受光部、８１、８２、８３、８４、８５…受光部、９…イケール、１０…回転ステージ、１０ａ…回転部、１０ｂ…固定部、１１…結合部材、２１…天井パネル、２２…背面パネル、３１…発光部ホルダ、４０…コリメートレンズホルダ、４１…光分割部材、５１…光反射面、６１…貫通孔、６２…穴あきミラーホルダ、７１…受光レンズホルダ、９０…第１方向、９１…基板、１００…測距装置、１０１…載置面、１０２…ベアリング、１０３…マグネット、１０４…モータコア、１１０…受発光部、１１２…発光ブロック、１１３…受光ブロック、１１４…受光部基板、１２０…照射部、１３０…出射窓、１４０…制御部、４０１…可変部、４０２…回転制御部、４０３…発光制御部、４０４…距離情報取得部、４０５…データ構造生成部、４０６…送信部、４２１…第１軸回転制御部、４２２…第２軸回転制御部、４２３…停止制御部、１５０…駆動制御部、１５１…第１軸モータ、１５２…第２軸モータ、１５３…同期検出部、１５５…給電部、１６３…第１軸ドライバ基板、１７２…第２軸エンコーダ、１７３…第２軸ドライバ基板、２００…物体、３００…外部装置、３００ａ…情報処理装置、３０１…受信部、３０２…第１生成部、３０３…第２生成部、３０４…認識部、３０５…出力部、５３１…第１軸エンコーダ、５３２…周期光発光部、５３２ａ…発光基板、５３３…周期光受光部、５３３ａ…受光基板、５５１…発電コイル、５５２…給電コイル、ａ…先頭走査角度情報、Δ…走査角度間隔情報、Ａ１…第１軸、Ａ１１…第１軸回転方向、Ａ２…第２軸、Ａ２１…第２軸回転方向、ＨＦ…ヘッダーフィールド、ＤＦ…データフィールド、ＦＦ…フッターフィールド、Ｌ０…レーザ光、Ｌ１、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５…分割光、Ｌ２…走査光、Ｒ…戻り光、Ｄｒ１…発光制御信号、Ｄｒ２…第２軸制御信号、Ｃｔ…測距制御信号、Ｄｔ…距離情報、Ｄｃ…データ構造、Ｓ…受光情報、Ｓｎ…同期信号、Ｓｔ…給電制御信号、Ｅｎ１…第１角度検出信号、Ｅｎ２…第２角度検出信号、Ｏｐ…パルス光、Ｌｉ、Ｌｉ１_１、Ｌｉ１_２、Ｌｉ１_３、Ｌｉ１_１５、Ｌｉ１_１６、Ｌｉ２_１、Ｌｉ２_２…走査線、ｄ、ｄ１、ｄ２…走査線間隔、Ｄｘ…走査角度範囲、Ｕ…走査角度情報、Ｗ…フレーム画像、θＬ…分割角度、φ…相対角度情報、ＰＬ…平面、Ａｓ…基準軸、Ａ１２…分割光軸、Ｌ１１ｃ…分割光Ｌ１１の中心軸、Ｌ１２ｃ…分割光Ｌ１２の中心軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】