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JP2010038859A - Three-dimensional laser range finder - Google Patents

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JP2010038859A
JP2010038859A JP2008205281A JP2008205281A JP2010038859A JP 2010038859 A JP2010038859 A JP 2010038859A JP 2008205281 A JP2008205281 A JP 2008205281A JP 2008205281 A JP2008205281 A JP 2008205281A JP 2010038859 A JP2010038859 A JP 2010038859A
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Japan
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mirror
laser
small
angle
polygon mirror
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JP2008205281A
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Japanese (ja)
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Yutaka Takaoka
豊 高岡
Hitoshi Yamada
整 山田
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】測定レンジの広い３次元レーザ測距装置を提供する。
【解決手段】レーザセンサ１０は、レーザ光源１２と小鏡面群を有するポリゴンミラー３０と、レーザを小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラー２２を有する２次元走査ミラーユニット２０を備えている。ポリゴンミラー３０の小鏡面群は、それらの法線群が平面内で放射状に伸びている。２次元走査ミラーユニット２０は、レーザの反射光が、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれに順次向かうように第１軸の周りに揺動ミラー２２の角度を変化させ、次に、法線群が他の平面内で放射状に伸びている小鏡面群に順次向かうように第１軸と交差する第２軸の周りに揺動ミラーの角度を変化させる。このレーザセンサ１０は、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれにレーザを照射することによって広角な走査レンジを達成する。
【選択図】図１A three-dimensional laser range finder having a wide measurement range is provided.
A laser sensor includes a laser mirror, a polygon mirror having a small mirror surface group, and a oscillating mirror that reflects the laser while changing the angle two-dimensionally toward each of the small mirror surface groups. The two-dimensional scanning mirror unit 20 is provided. In the small mirror surface group of the polygon mirror 30, those normal lines extend radially in a plane. The two-dimensional scanning mirror unit 20 changes the angle of the oscillating mirror 22 around the first axis so that the reflected light of the laser is sequentially directed to each of the small specular groups whose normals extend radially in the plane. Next, the angle of the oscillating mirror is changed around the second axis that intersects the first axis so that the normal line group is sequentially directed to the small mirror surface group that extends radially in another plane. The laser sensor 10 achieves a wide-angle scanning range by irradiating each small mirror surface group whose normal line group extends radially in a plane.
[Selection] Figure 1

Description

本発明はレーザを２次元的に走査することによって物体の３次元的な位置を測定する３次元レーザ測距装置に関する。特に、広い測定エリアを有する３次元レーザ測距装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional laser distance measuring apparatus that measures a three-dimensional position of an object by two-dimensionally scanning a laser. In particular, the present invention relates to a three-dimensional laser distance measuring device having a wide measurement area.

レーザ（パルスレーザ）を２次元的に照射することによって物体の３次元的な位置を測定する３次元レーザ測距装置が知られている。本明細書では、「３次元レーザ測距装置」を単純に「レーザ測距装置（Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）」あるいは単に「レーザセンサ」と称する場合がある。
従来のレーザセンサは、ポリゴンミラーと１軸周りに角度を変化させることのできる１次元走査鏡を有している。以下では、ポリゴンミラーの各鏡面の一つひとつを小鏡面（Ｍｉｒｒｏｒ ｆａｃｅｔ）と称する。このレーザセンサでは、レーザは、ポリゴンミラーで反射された後、さらに１次元走査鏡で反射される。ポリゴンミラーの回転に伴って、小鏡面におけるレーザの反射角が連続的に変化する。こうして、ポリゴンミラーで反射されたレーザの方向が直線状に変化する。即ち、レーザがライン走査される。ポリゴンミラーが回転し、レーザが照射される小鏡面が変わる毎に、ライン走査が繰り返される。１本のライン走査が終了したときに、１次元走査鏡の角度を微小角度だけ変化させる。１次元走査鏡の回転軸は、ポリゴンミラーの回転軸と交差している。従って、１次元走査鏡の角度を変化させると、ライン走査の方向に交差する方向にレーザの反射方向が変化する。すなわち、１次元走査鏡が微小角度変化すると、先の走査ラインに隣接した位置が新たに走査される。こうしてレーザが２次元的に走査される。そのようなレーザセンサが例えば特許文献１に開示されている。 There is known a three-dimensional laser distance measuring apparatus that measures a three-dimensional position of an object by two-dimensionally irradiating a laser (pulse laser). In this specification, the “three-dimensional laser range finder” may be simply referred to as “laser range finder” or simply “laser sensor”.
A conventional laser sensor has a polygon mirror and a one-dimensional scanning mirror that can change the angle around one axis. Hereinafter, each mirror surface of the polygon mirror is referred to as a minor mirror surface. In this laser sensor, the laser is reflected by the polygon mirror and then further reflected by the one-dimensional scanning mirror. As the polygon mirror rotates, the reflection angle of the laser on the small mirror surface changes continuously. Thus, the direction of the laser beam reflected by the polygon mirror changes linearly. That is, the laser is line scanned. Each time the polygon mirror rotates and the small mirror surface irradiated with the laser changes, line scanning is repeated. When one line scan is completed, the angle of the one-dimensional scanning mirror is changed by a minute angle. The rotation axis of the one-dimensional scanning mirror intersects with the rotation axis of the polygon mirror. Therefore, when the angle of the one-dimensional scanning mirror is changed, the reflection direction of the laser is changed in a direction intersecting with the line scanning direction. That is, when the one-dimensional scanning mirror changes by a minute angle, a position adjacent to the previous scanning line is newly scanned. In this way, the laser is scanned two-dimensionally. Such a laser sensor is disclosed in Patent Document 1, for example.

特開２０００−９４２２号公報JP 2000-9422 A

ライン走査方向の計測エリアは、１回のライン走査の間にレーザの照射方向がスイングする角度（以下、走査角度、或いは走査レンジという）で決まる。従来のレーザセンサでは、走査レンジは、レーザを反射している間に変化する小鏡面の回転角で規定される。そのため、広い走査レンジ（即ち広い測定エリア）を確保することが困難であった。走査レンジの広いレーザセンサが望まれている。   The measurement area in the line scanning direction is determined by an angle at which the laser irradiation direction swings during one line scanning (hereinafter referred to as a scanning angle or a scanning range). In a conventional laser sensor, the scanning range is defined by the rotation angle of a small mirror surface that changes while reflecting the laser. For this reason, it is difficult to ensure a wide scanning range (that is, a wide measurement area). A laser sensor with a wide scanning range is desired.

広い走査レンジを確保するために、本発明のレーザセンサは、ポリゴンミラーと、平面鏡の角度を２次元的に変化することのできる揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットを組み合わせる。レーザを揺動ミラーに反射させながら揺動ミラーの角度を２次元的に変化させることによって、基本的にはレーザを２次元的に走査することができる。本発明では、揺動ミラーによって照射方向を２次元的に変化させたレーザを、それぞれポリゴンミラーの各小鏡面に照射し反射させる。ポリゴンミラーの各小鏡面はそれぞれ角度が異なっているので、各小鏡面で反射されたレーザ（パルスレーザ群）は、揺動ミラーの変化角度よりも大きな角度変化をもって各方向へ反射する。このレーザセンサは、２次元走査ミラーユニットで２次元的に走査されるレーザ（パルスレーザ群）をさらにポリゴンミラーの各小鏡面で反射させて、走査レンジを拡大する。   In order to ensure a wide scanning range, the laser sensor of the present invention combines a polygon mirror and a two-dimensional scanning mirror unit having an oscillating mirror capable of two-dimensionally changing the angle of the plane mirror. The laser can basically be scanned two-dimensionally by changing the angle of the oscillating mirror two-dimensionally while reflecting the laser to the oscillating mirror. In the present invention, each small mirror surface of the polygon mirror is irradiated and reflected by a laser whose irradiation direction is two-dimensionally changed by the oscillating mirror. Since each small mirror surface of the polygon mirror has a different angle, the laser (pulse laser group) reflected by each small mirror surface reflects in each direction with an angle change larger than the change angle of the oscillating mirror. In this laser sensor, a laser (pulse laser group) scanned two-dimensionally by a two-dimensional scanning mirror unit is further reflected by each small mirror surface of the polygon mirror to expand the scanning range.

本発明のレーザセンサ（３次元レーザ測距装置）は、レーザ光源と、小鏡面群（Ｍｉｒｒｏｒ Ｆａｃｅｔｓ）を有するポリゴンミラーと、レーザを小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットを備えている。   The laser sensor (three-dimensional laser range finder) of the present invention changes the angle two-dimensionally so that the laser light source, the polygon mirror having a small mirror surface group (Mirror Faces), and the laser are directed to each of the small mirror surface group. A two-dimensional scanning mirror unit having an oscillating mirror that reflects light.

ポリゴンミラーの小鏡面群は、それらの法線群が平面内で放射状に伸びている。レーザ光源から照射されたレーザは２次元走査ミラーユニットの揺動ミラーに反射され、さらにポリゴンミラーの小鏡面に反射されて測定エリアへと向かう。２次元走査ミラーユニットは、レーザが、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれに順次向かうように一軸（第１軸）周りに揺動ミラーの角度を変化させ、次に、法線群が他の平面内で放射状に伸びている小鏡面群に順次向かうように第１軸と交差する他の軸（第２軸）の周りに揺動ミラーの角度を変化させる。このレーザセンサは、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれでレーザを反射することによって広角な走査レンジを得る。   In the small mirror surface group of the polygon mirror, those normal lines extend radially in the plane. The laser emitted from the laser light source is reflected by the oscillating mirror of the two-dimensional scanning mirror unit, and further reflected by the small mirror surface of the polygon mirror and heads toward the measurement area. In the two-dimensional scanning mirror unit, the angle of the oscillating mirror is changed around one axis (first axis) so that the laser is sequentially directed to each of the small mirror surface groups whose normals extend radially in a plane. In addition, the angle of the oscillating mirror is changed around another axis (second axis) intersecting the first axis so that the normal line group is sequentially directed to the small specular group extending radially in another plane. This laser sensor obtains a wide-angle scanning range by reflecting the laser at each of the small specular groups whose normals extend radially in a plane.

２次元的に広い走査レンジを得るために、ポリゴンミラーは、部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有していることが好ましい。２次元走査ミラーユニットは、レーザが前記小鏡面群のそれぞれに順次向かうように揺動ミラーの角度を変化させる。部分的な球体を多面体近似した小鏡面群のそれぞれで反射されたレーザ（パルスレーザ群）が形成する円錐領域が、レーザセンサの２次元走査レンジとなる。部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有しているポリゴンミラーは、換言すれば、小鏡面群の法線が２次元的に放射状に伸びているポリゴンミラーである。   In order to obtain a two-dimensionally wide scanning range, the polygon mirror preferably has a shape obtained by approximating a partial sphere to a polyhedron with a small mirror surface group. The two-dimensional scanning mirror unit changes the angle of the oscillating mirror so that the laser is sequentially directed to each of the small mirror groups. A conical region formed by a laser (pulse laser group) reflected by each of a small mirror group that approximates a partial sphere as a polyhedron is a two-dimensional scanning range of the laser sensor. In other words, a polygon mirror having a shape obtained by approximating a partial sphere to a polyhedron with a small mirror surface group is a polygon mirror in which the normal line of the small mirror surface group extends radially in two dimensions.

レーザセンサは、球体を多面体近似したポリゴンミラーの代わりに、部分的な円柱を、その側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有しているポリゴンミラーを採用することも好適である。この場合、ポリゴンミラーは、円柱の中心線に交差する回転軸の周りに回転する。回転する円柱状のポリゴンミラーは、前記した球体を多面体近似したポリゴンミラーと同じ機能を果す。部分的な円柱を、その側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有するポリゴンミラーは、小鏡面群の法線群が一平面内で放射状に伸びているポリゴンミラーと換言してよい。   For the laser sensor, it is also preferable to employ a polygonal mirror having a shape that approximates a polyhedron with a small cylindrical surface group as a partial cylinder instead of a polygonal mirror that approximates a sphere. In this case, the polygon mirror rotates around a rotation axis that intersects the center line of the cylinder. The rotating cylindrical polygon mirror performs the same function as a polygon mirror that approximates the above-mentioned sphere to a polyhedron. A polygon mirror having a shape obtained by approximating a partial cylinder to a polyhedron of its side surface with a small mirror surface group may be referred to as a polygon mirror in which normals of the small mirror surface group extend radially within one plane.

ポリゴンミラーが円柱を多面体近似した形状を有している場合、揺動ミラーの角度が、レーザが小鏡面群のそれぞれに順次向かうように変化するとともに、ポリゴンミラーが所定角度回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように変化することが好ましい。レーザが小鏡面群の夫々に順次照射されると、一つのライン走査が達成される。ポリゴンミラーが所定角度回転した後にレーザが再び各小鏡面群に順次照射されると、前回のライン走査に隣接した位置に新たなライン走査が達成される。   When the polygon mirror has a shape that approximates a cylinder as a polyhedron, the angle of the oscillating mirror changes so that the laser sequentially goes to each of the small mirror surfaces, and after the polygon mirror rotates a predetermined angle, It is preferable to change so that it goes to each group again sequentially. One line scan is achieved when the laser is sequentially irradiated onto each of the small specular groups. When the laser beam is sequentially irradiated again to each small mirror group after the polygon mirror has rotated a predetermined angle, a new line scan is achieved at a position adjacent to the previous line scan.

角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有する２次元走査ミラーユニットは、例えば、揺動ミラーが２軸ジンバルに揺動可能に取り付けられていればよい。そのような２次元走査ミラーユニットは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の技術によって小型化が容易である。   For example, a two-dimensional scanning mirror unit having a oscillating mirror that reflects while changing the angle two-dimensionally only needs to be attached to a two-axis gimbal so as to oscillate. Such a two-dimensional scanning mirror unit can be easily miniaturized by the technology of MEMS (Micro Electric Mechanical System).

本発明によれば、走査レンジの広い３次元レーザ距測装置を実現することができる。   According to the present invention, a three-dimensional laser distance measuring device having a wide scanning range can be realized.

実施例のレーザセンサ１０の特徴を以下に挙げる。
（１）ポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３と、揺動ミラー２２のひとつの回転軸Ｃ２が一直線上に並んでいる。ポリゴンミラー３０の長手方向の中心線Ｃ４が、揺動ミラー２２の他の回転軸Ｃ１に平行である。そして、ポリゴンミラー３０の回転と揺動ミラー２２のＣ２軸周りの回転が同期している。すなわち、揺動ミラー２２は、他方の回転軸Ｃ１の回りに回転することによって、常に、ポリゴンミラー３０の長手方向の中心線Ｃ４と交差する方向に、レーザの向きを振ることができる。そのような配置によって、レーザは回転軸Ｃ２（Ｃ３）を中心に放射状に発せられる。従って、広い走査レンジが得られるとともに、各方位の距離計算が容易化できる。 The features of the laser sensor 10 of the embodiment are listed below.
(1) The rotation axis C3 of the polygon mirror 30 and one rotation axis C2 of the oscillating mirror 22 are aligned on a straight line. A center line C4 in the longitudinal direction of the polygon mirror 30 is parallel to the other rotation axis C1 of the oscillating mirror 22. The rotation of the polygon mirror 30 and the rotation of the oscillating mirror 22 around the C2 axis are synchronized. That is, the oscillating mirror 22 can always rotate the direction of the laser in a direction crossing the longitudinal center line C4 of the polygon mirror 30 by rotating around the other rotation axis C1. With such an arrangement, the laser is emitted radially about the rotation axis C2 (C3). Therefore, a wide scanning range can be obtained, and distance calculation in each direction can be facilitated.

図面を参照して第１実施例のレーザセンサを説明する。図１に、レーザセンサ１０の模式図を示す。レーザセンサ１０は、レーザ光源１２、ハーフミラー１６、レーザ検出器１４、ポリゴンミラー３０、及び、２次元走査ミラーユニット２０を備えている。レーザ光源１２から発せられ、２次元走査ミラーユニット２０で反射され、さらにポリゴンミラーで反射されたレーザ（例えば、図１のＬ１、Ｌ２）が、測定エリアに向かう。図１では、それぞれの部品を独立に描いているが、実際には全ての部品がひとつの筐体（不図示）に収納されている。
図１に示す座標系ＸＹＺは、ポリゴンミラーに固定された座標系を示している。そのＺ軸がポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３に沿っており、Ｙ軸が、ポリゴンミラーの円柱（後述）の中心線Ｃ４に沿っている。 The laser sensor of the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of the laser sensor 10. The laser sensor 10 includes a laser light source 12, a half mirror 16, a laser detector 14, a polygon mirror 30, and a two-dimensional scanning mirror unit 20. Lasers (for example, L1 and L2 in FIG. 1) emitted from the laser light source 12 and reflected by the two-dimensional scanning mirror unit 20 and further reflected by the polygon mirror go to the measurement area. In FIG. 1, each component is drawn independently, but in reality, all components are housed in a single housing (not shown).
A coordinate system XYZ shown in FIG. 1 indicates a coordinate system fixed to a polygon mirror. The Z axis is along the rotation axis C3 of the polygon mirror 30, and the Y axis is along the center line C4 of a cylinder (described later) of the polygon mirror.

ポリゴンミラー３０について説明する。ポリゴンミラー３０は、半分の円柱を、その側面を小鏡面群（３０ａ〜３０ｇ）で多面体近似した形状を有している。符号Ｃ４は、円柱の中心線を示している。Ｃ４をポリゴンミラー３０の中心線と称することもある。図２に、ポリゴンミラー３０の断面図を示す。図２において、符号ｎ１〜ｎ７は、小鏡面３０ａ〜３０ｇの夫々の法線を示している。法線ｎ１〜ｎ７は、円柱の中心Ｃ４から放射状に伸びている。すなわち、ポリゴンミラー３０の小鏡面群の法線群（ｎ１〜ｎ７）が一平面内（図２の紙面）で放射状に伸びている。図面では、７つの小鏡面（３０ａ〜３０ｇ）で半分の円柱を多角形近似しているが、実際にはさらに多数の小鏡面で半分の円柱を多角形近似している。
ポリゴンミラー３０は、円柱の中心線Ｃ４と直交している回転軸Ｃ３の周りに回転する。符号３２は、ポリゴンミラー３０を回転させるモータを示している。 The polygon mirror 30 will be described. The polygon mirror 30 has a shape in which a half cylinder is approximated by a polyhedron with side surfaces of small cylinders (30a to 30g). Reference C4 indicates the center line of the cylinder. C4 may be referred to as the center line of the polygon mirror 30. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the polygon mirror 30. In FIG. 2, reference numerals n <b> 1 to n <b> 7 indicate the normal lines of the small mirror surfaces 30 a to 30 g. The normal lines n1 to n7 extend radially from the center C4 of the cylinder. That is, the normal group (n1 to n7) of the small mirror surface group of the polygon mirror 30 extends radially in one plane (the paper surface of FIG. 2). In the drawing, half cylinders are approximated to polygons by seven small mirror surfaces (30a to 30g), but actually, half cylinders are approximated to polygons by more small mirror surfaces.
The polygon mirror 30 rotates around a rotation axis C3 that is orthogonal to the center line C4 of the cylinder. Reference numeral 32 denotes a motor for rotating the polygon mirror 30.

２次元走査ミラーユニット２０について説明する。２次元走査ミラーユニット２０は、直交する２軸（第１回転軸Ｃ１と第２回転軸Ｃ２）の周りに揺動する揺動ミラー２２を有している。揺動ミラー２２は、支持枠２４に回転可能に支持されており、その支持枠２４が筐体（不図示）に回転可能に支持されている。即ち、揺動ミラー２２は、２軸ジンバル（支持枠２４）に揺動可能に取り付けられている。符号２６は、揺動ミラー２２を回転軸Ｃ１の周りに回転させるモータを示している。符号２８は、支持枠２４（即ち揺動ミラー２２）を回転軸Ｃ２の周りに回転させるモータを示している。
２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２は、ポリゴンミラー３０の回転軸Ｃ３と同軸に配置されている。なお、図１では、図を見易くするために、回転軸Ｃ２と回転軸Ｃ３をずらして描いている。
２次元走査ミラーユニット２０の第１回転軸Ｃ１は、ポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４と平行に配置されている。ポリゴンミラー３０の回転と、２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２周りの回転は同期しており、第１回転軸Ｃ１とポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４は、常に平行が保たれる。 The two-dimensional scanning mirror unit 20 will be described. The two-dimensional scanning mirror unit 20 has a swinging mirror 22 that swings around two orthogonal axes (a first rotation axis C1 and a second rotation axis C2). The oscillating mirror 22 is rotatably supported by a support frame 24, and the support frame 24 is rotatably supported by a housing (not shown). That is, the oscillating mirror 22 is attached to the biaxial gimbal (support frame 24) so as to be oscillating. Reference numeral 26 denotes a motor that rotates the oscillating mirror 22 around the rotation axis C1. Reference numeral 28 denotes a motor that rotates the support frame 24 (that is, the oscillating mirror 22) around the rotation axis C2.
The second rotation axis C2 of the two-dimensional scanning mirror unit 20 is arranged coaxially with the rotation axis C3 of the polygon mirror 30. In FIG. 1, the rotation axis C <b> 2 and the rotation axis C <b> 3 are drawn so as to be easy to see.
The first rotation axis C1 of the two-dimensional scanning mirror unit 20 is disposed in parallel with the center line C4 of the polygon mirror 30. The rotation of the polygon mirror 30 and the rotation of the two-dimensional scanning mirror unit 20 around the second rotation axis C2 are synchronized, and the first rotation axis C1 and the center line C4 of the polygon mirror 30 are always kept parallel.

レーザ光源１２は、パルスレーザを発する。レーザ光源１２は、発するパルスレーザが揺動ミラー２２に向かうように配置されている。レーザの光軸上に、ハーフミラー１６が配置されている。ハーフミラー１６の上方に、レーザ検出器１４が配置されている。対象物から戻ってきたパルスレーザがハーフミラーで反射され、レーザ検出器１４に入射する。   The laser light source 12 emits a pulse laser. The laser light source 12 is arranged so that the emitted pulse laser is directed toward the oscillating mirror 22. A half mirror 16 is disposed on the optical axis of the laser. A laser detector 14 is disposed above the half mirror 16. The pulse laser that has returned from the object is reflected by the half mirror and enters the laser detector 14.

レーザセンサ１０の距離測定原理は以下のとおりである。レーザ光源１２から発したパルスレーザは、揺動ミラー２２で反射し、さらにポリゴンミラー３０のいずれかの小鏡面（３０ａ〜３０ｇ）で反射し、対象物に向かう。対象物で反射したレーザは、同じ経路を戻ってハーフミラー１６で反射し、レーザ検出器１４で検出される。パルスレーザの発射時刻と検出時刻の差から、対象物までの距離が求められる。パルスレーザの照射方向は、揺動、ミラー２２の角度と、ポリゴンミラー３０の回転角で表される。パルスレーザの照射方向は、対象物の方位（２次元的な方位）を表す。即ち、レーザセンサ１０は、対象物の３次元位置を、方位と距離で表す。   The distance measurement principle of the laser sensor 10 is as follows. The pulse laser emitted from the laser light source 12 is reflected by the oscillating mirror 22 and further reflected by any one of the small mirror surfaces (30a to 30g) of the polygon mirror 30 and heads toward the object. The laser reflected by the object returns along the same path, is reflected by the half mirror 16, and is detected by the laser detector 14. The distance to the object is obtained from the difference between the pulse laser emission time and the detection time. The irradiation direction of the pulse laser is represented by the oscillation, the angle of the mirror 22, and the rotation angle of the polygon mirror 30. The irradiation direction of the pulse laser represents the orientation (two-dimensional orientation) of the object. In other words, the laser sensor 10 represents the three-dimensional position of the object by the azimuth and the distance.

レーザセンサ１０の動作を説明する。まず、図３を参照してＸＺ面内での走査を説明する。前述したように、２次元走査ミラーユニット２０の第２回転軸Ｃ２とポリゴンミラー３０の中心線Ｃ４は、常に平行を保っている。揺動ミラー２２を第２回転軸Ｃ２の周りに回転すると、揺動ミラー２２で反射されたパルスレーザは、例えば図３の角度Ａｇ１のように振れ、ポリゴンミラー３０の各小鏡面３０ａ〜３０ｇへ順次入射する。小鏡面３０ｅへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ１が示す方向に反射する。小鏡面３０ｆへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ２が示す方向に反射する。小鏡面３０ｇへ入射したパルスレーザは、符号Ｌ３が示す方向に反射する。即ち、揺動ミラー２２を軸Ｃ１の周りに揺動することによって、ＸＺ面内で１ライン走査が達成される。図３に示すように、揺動ミラー２２の揺動によって得られるパルスレーザの角度範囲Ａｇ１は、各パルスレーザがポリゴンミラー３０の各小鏡面で反射することによって角度範囲Ａｇ２に拡大する。このように、レーザセンサ１０は、ＸＺ平面内で広い走査レンジを得る。   The operation of the laser sensor 10 will be described. First, scanning in the XZ plane will be described with reference to FIG. As described above, the second rotation axis C2 of the two-dimensional scanning mirror unit 20 and the center line C4 of the polygon mirror 30 are always kept parallel. When the oscillating mirror 22 is rotated about the second rotation axis C2, the pulse laser reflected by the oscillating mirror 22 oscillates, for example, at an angle Ag1 in FIG. 3, and moves to the small mirror surfaces 30a to 30g of the polygon mirror 30. Incident sequentially. The pulse laser incident on the small mirror surface 30e is reflected in the direction indicated by the symbol L1. The pulse laser incident on the small mirror surface 30f is reflected in the direction indicated by the symbol L2. The pulse laser incident on the small mirror surface 30g is reflected in the direction indicated by the symbol L3. That is, one-line scanning is achieved in the XZ plane by swinging the swing mirror 22 around the axis C1. As shown in FIG. 3, the angle range Ag <b> 1 of the pulse laser obtained by swinging the swing mirror 22 is expanded to the angle range Ag <b> 2 when each pulse laser is reflected by each small mirror surface of the polygon mirror 30. Thus, the laser sensor 10 obtains a wide scanning range in the XZ plane.

次に、図４を参照して、ＸＹ平面での走査を説明する。図４は、Ｚ軸方向から見たポリゴンミラー３０の平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態からポリゴンミラー３０がＣ３軸周りに角度Ａｇ３だけ回転した状態を示している。
前述したように、ポリゴンミラー３０と２次元走査ミラーユニット２０は、回転軸Ｃ３（Ｃ２）の周りに同期して回転する。即ち、ポリゴンミラー３０が回転しても、図３に示すＸＺ面内におけるポリゴンミラー３０と２次元走査ミラーユニット２０の位置関係は維持される。図４（ａ）のときには、小鏡面３０e上の点ｐ３、小鏡面３０ｆの点ｐ２、及び、小鏡面３０ｇ上の点ｐ１の夫々へ入射したパルスレーザは、いずれも符号Ｌ４が示す方向に向かう。このとき、ＸＺ面においては、図３に示したようにパルスレーザは放射状に拡がる。ポリゴンミラー３０が角度Ａｇ３だけ回転したときには、点ｐ１、ｐ２、ｐ３の夫々へ入射したパルスレーザはいずれも符号Ｌ５が示す方向に向かう。このときも、ＸＺ面においては、図３に示したようにパルスレーザは放射状に拡がっている。すなわち、ポリゴンミラー３０の回転に伴って、パルスレーザは、回転軸Ｃ３と中心線Ｃ４の交点から放射状に広がる。即ち、レーザセンサ１０は、ＸＹ面内でパルスレーザを放射状に振る。上記の動作原理により、レーザセンサ１０は、２次元的に広い測定エリアを確保する。 Next, scanning on the XY plane will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a plan view of the polygon mirror 30 viewed from the Z-axis direction. FIG. 4B shows a state in which the polygon mirror 30 is rotated about the C3 axis by an angle Ag3 from the state of FIG.
As described above, the polygon mirror 30 and the two-dimensional scanning mirror unit 20 rotate in synchronization with the rotation axis C3 (C2). That is, even when the polygon mirror 30 rotates, the positional relationship between the polygon mirror 30 and the two-dimensional scanning mirror unit 20 in the XZ plane shown in FIG. 3 is maintained. In the case of FIG. 4A, the pulse lasers incident on the point p3 on the small mirror surface 30e, the point p2 on the small mirror surface 30f, and the point p1 on the small mirror surface 30g are all directed in the direction indicated by the symbol L4. . At this time, in the XZ plane, the pulse laser spreads radially as shown in FIG. When the polygon mirror 30 is rotated by an angle Ag3, the pulse laser incident on each of the points p1, p2, and p3 is directed in the direction indicated by the symbol L5. Also at this time, in the XZ plane, the pulse laser spreads radially as shown in FIG. That is, as the polygon mirror 30 rotates, the pulse laser spreads radially from the intersection of the rotation axis C3 and the center line C4. That is, the laser sensor 10 oscillates the pulse laser radially in the XY plane. Based on the above operating principle, the laser sensor 10 ensures a wide two-dimensional measurement area.

図３と図４を参照して説明したレーザセンサ１０の動作は、次のように表現することができる。即ち、揺動ミラー２２の角度は、レーザが小鏡面群（３０ａ〜３０ｇ）のそれぞれに順次向かうように回転軸Ｃ１の周りに変化する。そして、揺動ミラー２２は、ポリゴンミラー３０の回転に同期して、回転軸Ｃ２の周りに回転する。揺動ミラー２２の角度は、ポリゴンミラー３０が所定角度Ａｇ３回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように回転軸Ｃ１の周りに変化する。なお、所定角度Ａｇ３は、実際には微小角度である。   The operation of the laser sensor 10 described with reference to FIGS. 3 and 4 can be expressed as follows. That is, the angle of the oscillating mirror 22 changes around the rotation axis C1 so that the laser is sequentially directed to each of the small mirror groups (30a to 30g). Then, the oscillating mirror 22 rotates around the rotation axis C <b> 2 in synchronization with the rotation of the polygon mirror 30. The angle of the oscillating mirror 22 changes around the rotation axis C <b> 1 so that the polygon mirror 30 rotates again at a predetermined angle Ag <b> 3 and then sequentially turns to each of the small mirror groups. The predetermined angle Ag3 is actually a minute angle.

第２実施例のレーザセンサ２００を、図５を参照して説明する。図５では、レーザ光源１２、揺動ミラー２２、及びポリゴンミラー１３０のみを示しており、他の部品の図示を省略している。揺動ミラー２２は、第１実施例のものと同じ構造の２次元走査ミラーユニットに支持されている。
このレーザセンサ２００は、ポリゴンミラー１３０の形状が第１実施例のものと異なる。ポリゴンミラー１３０は、半球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有している。別言すれば、ポリゴンミラー１３０の小鏡面群の法線が２次元的に放射状に伸びている。 A laser sensor 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 5, only the laser light source 12, the oscillating mirror 22, and the polygon mirror 130 are shown, and the other components are not shown. The oscillating mirror 22 is supported by a two-dimensional scanning mirror unit having the same structure as that of the first embodiment.
In this laser sensor 200, the shape of the polygon mirror 130 is different from that of the first embodiment. The polygon mirror 130 has a shape obtained by approximating a hemisphere to a polyhedron by a small mirror group. In other words, the normal line of the small mirror surface group of the polygon mirror 130 extends radially in a two-dimensional manner.

揺動ミラー２２は、パルスレーザが各小鏡面に向かうように２次元的に揺動する。各小鏡面に照射されたパルスレーザは、図５の符号Ｌ１１、Ｌ１２、及び、Ｌ１３が示すように、様々な方向へ反射される。即ち、このレーザセンサ２００も、広い計測エリアを確保している。半球体を多面体近似した小鏡面群で反射されるパルスレーザ群が形成する円錐領域が、レーザセンサの２次元走査レンジに相当する。このレーザセンサ２００は、ポリゴンミラーを回転させる必要がないので、低コストで製造することができる。   The oscillating mirror 22 oscillates two-dimensionally so that the pulse laser faces each small mirror surface. The pulse laser irradiated to each small mirror surface is reflected in various directions as indicated by reference numerals L11, L12, and L13 in FIG. That is, this laser sensor 200 also secures a wide measurement area. A conical region formed by a pulse laser group reflected by a small mirror surface group obtained by approximating a hemisphere to a polyhedron corresponds to the two-dimensional scanning range of the laser sensor. Since this laser sensor 200 does not need to rotate the polygon mirror, it can be manufactured at low cost.

実施例のレーザセンサと従来のレーザセンサ（本明細書の「背景」で説明したレーザセンサ）の相違点を以下に述べる。
実施例のレーザセンサは、従来のレーザセンサと同様にポリゴンミラーを用いるが、その用法が異なる。従来のレーザセンサでは、レーザを連続的に走査するためにポリゴンミラーを用いる。即ち、ポリゴンミラーの回転による、ひとつの小鏡面の角度変化が１本のライン走査を与える。他方、実施例のレーザセンサは、法線群が平面内で放射状に伸びている小鏡面群のそれぞれでレーザを反射することによって１本のライン走査を達成する。従来のレーザセンサでは、レーザが照射されている間の小鏡面の回転角度が走査レンジに相当する。他方、実施例のレーザレンジでは、角度の異なっている小鏡面群の夫々で反射されるレーザの照射範囲が走査レンジに対応する。 Differences between the laser sensor of the embodiment and the conventional laser sensor (the laser sensor described in “Background” in this specification) will be described below.
The laser sensor of the embodiment uses a polygon mirror as in the conventional laser sensor, but its usage is different. In the conventional laser sensor, a polygon mirror is used to continuously scan the laser. That is, the angle change of one small mirror surface due to the rotation of the polygon mirror gives one line scan. On the other hand, the laser sensor of the embodiment achieves one line scanning by reflecting the laser beam at each of the small specular surface groups whose normal lines extend radially in a plane. In the conventional laser sensor, the rotation angle of the small mirror surface during the laser irradiation corresponds to the scanning range. On the other hand, in the laser range of the embodiment, the irradiation range of the laser beam reflected by each of the small specular groups having different angles corresponds to the scanning range.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

図１は、第１実施例のレーザセンサの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the laser sensor of the first embodiment. 図２は、ポリゴンミラーの側面図である。FIG. 2 is a side view of the polygon mirror. 図３は、ポリゴンミラーの拡大側面図である。FIG. 3 is an enlarged side view of the polygon mirror. 図４は、ポリゴンミラーの平面図である。FIG. 4 is a plan view of the polygon mirror. 図５は、第２実施例のレーザセンサの模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of the laser sensor of the second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０、２００：レーザセンサ
１２：レーザ光源
１４：レーザ検出器
１６：ハーフミラー
２０：２次元走査ミラーユニット
２２：揺動ミラー
２４：支持枠
２６、２８、３２：モータ
３０、１３０：ポリゴンミラー 10, 200: Laser sensor 12: Laser light source 14: Laser detector 16: Half mirror 20: Two-dimensional scanning mirror unit 22: Oscillating mirror 24: Support frames 26, 28, 32: Motor 30, 130: Polygon mirror

Claims (5)

レーザを発するレーザ光源と、
小鏡面群を有するポリゴンミラーと、
レーザを、前記小鏡面群のそれぞれに向かうように角度を２次元的に変化させながら反射する揺動ミラーを有している２次元走査ミラーユニットと、
を備えることを特徴とする３次元レーザ測距装置。 A laser light source emitting a laser;
A polygon mirror having a small mirror group,
A two-dimensional scanning mirror unit having a oscillating mirror that reflects the laser while changing the angle two-dimensionally so as to face each of the small mirror groups;
A three-dimensional laser distance measuring device comprising: ポリゴンミラーは、部分的な円柱の側面を小鏡面群で多面体近似した形状を有しており、円柱の軸線に交差する回転軸の周りに回転することを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザ測距装置。   2. The polygon mirror according to claim 1, wherein the polygon mirror has a shape obtained by approximating a side surface of a partial cylinder to a polyhedron with a group of small mirror surfaces, and rotates around a rotation axis that intersects an axis of the cylinder. Dimensional laser distance measuring device. 揺動ミラーの角度が、レーザが前記小鏡面群のそれぞれに順次向かうように変化するとともに、ポリゴンミラーが所定角度回転した後に、小鏡面群の夫々に再び順次向かうように変化することを特徴とする請求項２に記載の３次元レーザ測距装置。   The angle of the oscillating mirror is changed so that the laser is sequentially directed to each of the small mirror surface groups, and after the polygon mirror is rotated by a predetermined angle, the angle is changed to be sequentially directed again to each of the small mirror surface groups. The three-dimensional laser distance measuring device according to claim 2. ポリゴンミラーは、部分的な球体を小鏡面群で多面体近似した形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザ測距装置。   The three-dimensional laser distance measuring device according to claim 1, wherein the polygon mirror has a shape obtained by approximating a partial sphere to a polyhedron with a small mirror surface group. 揺動ミラーが、２軸ジンバルに揺動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元レーザ測距装置。   The three-dimensional laser distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the oscillating mirror is attached to the two-axis gimbal so as to oscillate.
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