JP2017075806A - Distance measurement device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measurement device with which it is possible to sufficiently secure a resolution, and also to improve a measurable distance and measurement accuracy.SOLUTION: A distance measurement device 1 comprises: a light source 2 for radiating a light-transmitting beam L1 to an object K; an optical surface 11 having a reflection region 21 for reflecting a portion of the light-transmitting beam L1 radiated from the light source 2 and a transmission region 22 for making the rest of the light-transmitting beam L1 pass through; a scanning mirror 6 for making the light-transmitting beam L1 reflected at the reflection region 21 reflected toward the object, and also making return light L2 from the object K reflected toward the optical surface 11; and a light-receiving element 8 for detection for detecting the return light L2 that passed through the transmission region 22 of the optical surface 11. The light-receiving element 8 for detection is an avalanche photodiode that operates in a Geiger mode, the area of the transmission region 22 on the optical surface 11 being smaller than the area of the reflection region 21.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、測距装置に関する。   The present invention relates to a distance measuring device.

現在、レーザ光などの光を物体に向けて投光した後、物体からの戻り光を検出し、物体への透光から戻り光の検出までの時間に基づいて物体までの距離を計測するTOF(Time of Flight)方式の測距装置の開発が進められている。かかる測距装置は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載されることが想定されている。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体(人体なども含む)との距離を測距装置で計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体との衝突回避が期待されている。   Currently, after projecting light such as laser light toward an object, the return light from the object is detected, and the distance to the object is measured based on the time from light transmission to detection of the return light Development of a (Time of Flight) type distance measuring device is underway. Such a distance measuring device is assumed to be mounted as an automatic driving support system in a vehicle such as an automobile. In an automatic driving support system, the distance between a running vehicle and an object (including a human body) is measured by a distance measuring device, and the vehicle speed is controlled based on the measurement result, thereby avoiding a collision between the vehicle and the object. Is expected.

従来の測距装置として、例えば特許文献1に記載のビーム光投受光装置がある。この装置は、光源から出射する投光ビームを反射走査するスキャンミラーと、物体で反射した後スキャンミラーで反射した戻り光を受光する受光素子とを備えている。投光ビーム及び戻り光の光路には、単体のプリズムで形成された投受光分離部材が配置されている。投受光分離部材の外側表面には、投光ビームを反射する領域及び戻り光を透過する領域と、戻り光を反射する領域とが設けられている。   As a conventional distance measuring device, for example, there is a beam light projecting / receiving device described in Patent Document 1. This apparatus includes a scan mirror that reflects and scans a light projection beam emitted from a light source, and a light receiving element that receives return light reflected by the scan mirror after being reflected by an object. A light projecting / receiving separation member formed of a single prism is disposed in the optical path of the light projecting beam and the return light. An outer surface of the light projecting / receiving separation member is provided with a region for reflecting the light projection beam, a region for transmitting the return light, and a region for reflecting the return light.

また、特許文献2に記載のレーダ装置は、光源と、画素と、光検出制御部とを備えている。この装置では、物体からの戻り光を検出する画素としてSPAD(Single Photon Avalanche Diode)が用いられている。光検出部は、光源から出射した光による装置内部の散乱光がSPADに入射するタイミングよりも後にSPADを動作させることで、散乱光の影響を排除するようになっている。   Moreover, the radar apparatus described in Patent Document 2 includes a light source, pixels, and a light detection control unit. In this apparatus, SPAD (Single Photon Avalanche Diode) is used as a pixel for detecting return light from an object. The light detection unit is configured to eliminate the influence of the scattered light by operating the SPAD after the timing at which the scattered light inside the apparatus by the light emitted from the light source enters the SPAD.

特許第5663251号公報Japanese Patent No. 5663251 特開2015−117970号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-117970

上述した特許文献1では、戻り光の受光素子として一般的なPD(Photo Diode)やAPD(Avalanche Photo Diode)を用いられると考えられる。これらの受光素子を用いる場合、測距可能距離を拡大するためには十分な光量の戻り光を検出する光学系が必要となる。そのため、特許文献1の装置では、戻り光の光路幅を透光ビームの光路幅よりも広くし、更に集光レンズで受光素子に向けて戻り光を集光する光学系が採用されている(特許文献1の図6等参照)。   In Patent Document 1 described above, it is considered that a general PD (Photo Diode) or APD (Avalanche Photo Diode) can be used as a light receiving element for returning light. When these light receiving elements are used, an optical system that detects a sufficient amount of return light is required to increase the distance measurement possible distance. For this reason, the apparatus of Patent Document 1 employs an optical system in which the optical path width of the return light is made wider than the optical path width of the translucent beam and the return light is condensed toward the light receiving element by a condenser lens ( (See FIG. 6 of Patent Document 1).

一方、特許文献2の装置のように、受光素子としてSPADを用いる場合、SPADの受光感度が一般的なPDやAPDに比べて高いため、原理的には戻り光の光量が小さくても同等の測距可能距離を実現できる。しかしながら、特許文献1の装置の受光素子を単純にSPADに置き換えた場合、戻り光の光路幅が広くなっているために外乱光が増加して信号のS/N比が低下し、結果として測距可能距離及び測距精度が十分に向上しないおそれがある。また、戻り光の光路幅が広いということは、受光側の視野が広いことを意味する。したがって、受光素子の1画素当たりが検出する範囲が拡大し、解像度が低下してしまうという問題もある。   On the other hand, when SPAD is used as a light receiving element as in the device of Patent Document 2, since the light receiving sensitivity of SPAD is higher than that of general PD or APD, in principle, it is the same even if the amount of return light is small. A distance can be measured. However, when the light receiving element of the apparatus of Patent Document 1 is simply replaced with SPAD, the optical path width of the return light is widened, so the disturbance light increases and the S / N ratio of the signal decreases, resulting in measurement. There is a possibility that the distance and distance measurement accuracy may not be sufficiently improved. Also, the wide optical path width of the return light means that the field of view on the light receiving side is wide. Therefore, there is a problem that the detection range per pixel of the light receiving element is enlarged and the resolution is lowered.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、解像度を十分に確保できると共に、測距可能距離及び測距精度を向上できる測距装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device that can secure a sufficient resolution and can improve the distance measurement possible distance and the distance measurement accuracy.

本発明の一側面に係る測距装置は、物体までの距離を計測する測距装置であって、物体への透光ビームを出射する光源と、光源から出射した透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面と、反射領域で反射した透光ビームを物体に向けて反射させると共に、物体からの戻り光を光学面に向けて反射させる走査ミラーと、光学面の透過領域を透過した戻り光を検出する検出用受光素子と、を備え、検出用受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも大きくなっている。   A distance measuring device according to an aspect of the present invention is a distance measuring device that measures a distance to an object, and reflects a light source that emits a light beam transmitted to the object and a part of the light beam emitted from the light source. An optical surface having a reflection region to be transmitted and a transmission region that transmits the remainder of the light transmission beam, and the light beam reflected by the reflection region is reflected toward the object, and return light from the object is reflected toward the optical surface. And a detection light receiving element that detects return light that has passed through the transmission region of the optical surface, the detection light receiving element is an avalanche photodiode that operates in Geiger mode. Is larger than the area of the reflective region.

この測距装置では、光源から出射した透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面が設けられている。また、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さくなっている。したがって、物体からの戻り光を検出用受光素子で検出する際の外乱光の影響を低減できる。この測距装置では、検出用受光素子として、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられている。これにより、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さいことで物体からの戻り光の光量が微弱となっていても、戻り光を高感度で検出できる。したがって、信号のS/N比を高いレベルで確保でき、測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。さらに、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さくなっていることで、受光素子の1画素当たりが検出する範囲が絞られるため、解像度も十分に確保できる。   This distance measuring device is provided with an optical surface having a reflection region for reflecting a part of a light transmission beam emitted from a light source and a transmission region for transmitting the remaining part of the light transmission beam. Further, on the optical surface, the area of the transmission region is smaller than the area of the reflection region. Therefore, it is possible to reduce the influence of disturbance light when the return light from the object is detected by the detection light receiving element. In this distance measuring device, an avalanche photodiode operating in a Geiger mode is used as a light receiving element for detection. Thereby, even if the amount of the return light from the object is weak because the area of the transmission region is smaller than the area of the reflection region, the return light can be detected with high sensitivity. Therefore, the S / N ratio of the signal can be secured at a high level, and the distance measurement possible distance and the distance measurement accuracy can be sufficiently improved. Furthermore, since the area of the transmissive region is smaller than the area of the reflective region on the optical surface, the detection range per pixel of the light receiving element is narrowed, so that sufficient resolution can be secured.

また、光学面において、反射領域が透過領域を囲うように設けられていてもよい。これにより、物体からの戻り光を検出用受光素子で検出する際の外乱光の影響を一層確実に低減できる。   Further, on the optical surface, the reflection region may be provided so as to surround the transmission region. Thereby, the influence of the disturbance light at the time of detecting the return light from an object with the light receiving element for a detection can be reduced more reliably.

また、光学面において、透過領域の中心が反射領域の中心に対して偏心していてもよい。例えば透光ビームがガウシアンビームである場合、透光ビームの光量は周縁に比べて中心付近で高くなる。したがって、透過領域の中心を反射領域の中心に対して偏心させることで、物体に向かう透光ビームの光量を十分に確保でき、信号のS/N比の更なる向上が図られる。   Further, on the optical surface, the center of the transmission region may be decentered with respect to the center of the reflection region. For example, when the translucent beam is a Gaussian beam, the light amount of the translucent beam is higher near the center than at the periphery. Therefore, by decentering the center of the transmissive region with respect to the center of the reflective region, a sufficient amount of light of the translucent beam directed to the object can be secured, and the signal S / N ratio can be further improved.

また、光学面の透過領域を透過した戻り光を検出用受光素子に向けて反射させる反射面を光学面と検出用受光素子との間に更に備えていてもよい。これにより、光学面から検出用受光素子までの戻り光の光路長を長くすることが可能となり、解像度を更に高めることができる。   Further, a reflection surface for reflecting the return light transmitted through the transmission region of the optical surface toward the detection light receiving element may be further provided between the optical surface and the detection light receiving element. As a result, the optical path length of the return light from the optical surface to the detection light receiving element can be increased, and the resolution can be further increased.

また、光学面の透過領域を透過した透光ビームの残部を検出するモニタ用受光素子を更に備えていてもよい。透光ビームの出力状態などをモニタすることで、光源の異常の有無を把握できる。   Moreover, you may further provide the light receiving element for a monitor which detects the remainder of the light transmission beam which permeate | transmitted the transmission area | region of the optical surface. By monitoring the output state of the translucent beam, it is possible to determine whether the light source is abnormal.

また、光学面、及び光学面の透過領域を透過した戻り光の光路を含んで一体化された光学ブロックを更に備えていてもよい。光学ブロックを用いて光学面及び光路を構成することにより、装置の小型化が図られる。また、光学部品の組み立てが容易となる。   Moreover, you may further provide the optical block integrated including the optical path and the optical path of the return light which permeate | transmitted the permeation | transmission area | region of the optical surface. By configuring the optical surface and the optical path using the optical block, the apparatus can be miniaturized. In addition, the assembly of optical components is facilitated.

また、走査ミラーがMEMSミラーによって構成されていてもよい。これにより、透光ビームの走査を精度良く実施できる。この測距装置では、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを検出用受光素子として用いているので、物体からの戻り光の光量は微弱でよい。したがって、MEMSミラーの面積は、透光ビームの径に基づいて設定すればよく、大型のミラーを配置する必要はない。   Further, the scanning mirror may be constituted by a MEMS mirror. As a result, the light beam can be scanned with high accuracy. In this distance measuring apparatus, since the avalanche photodiode operating in the Geiger mode is used as the light receiving element for detection, the amount of return light from the object may be weak. Therefore, the area of the MEMS mirror may be set based on the diameter of the translucent beam, and it is not necessary to arrange a large mirror.

この測距装置によれば、解像度を十分に確保できると共に、測距可能距離及び測距精度を向上できる。   According to this distance measuring device, the resolution can be sufficiently secured, and the distance measurement possible distance and the distance measuring accuracy can be improved.

測距装置の一実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one Embodiment of a distance measuring device. 光学ブロックの平面図である。It is a top view of an optical block. 光学ブロックに設けられた光学面の正面図である。It is a front view of the optical surface provided in the optical block. 測距装置の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of a distance measuring device. (a)〜(c)は、光学面の変形例を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the modification of an optical surface.

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る測距装置の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of a distance measuring device according to one aspect of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、測距装置の一実施形態を示す斜視図である。この測距装置1は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載される装置である。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体Kとの距離を測距装置1でリアルタイム計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体Kとの衝突を回避する制御が実行される。物体Kは、例えば他車両、壁などの障害物、歩行者などである。本実施形態では、例えば0.1m〜100m程度離れた位置にある物体Kとの間の距離を計測することが想定されている。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a distance measuring device. The distance measuring device 1 is a device mounted as an automatic driving support system in a vehicle such as an automobile. In the automatic driving support system, the distance between the running vehicle and the object K is measured in real time by the distance measuring device 1, and the vehicle speed and the like are controlled based on the measurement result, thereby avoiding the collision between the vehicle and the object K. Control is executed. The object K is, for example, another vehicle, an obstacle such as a wall, or a pedestrian. In the present embodiment, for example, it is assumed that the distance from the object K located at a position about 0.1 m to 100 m away is measured.

図1に示すように、測距装置1は、光源2と、コリメータ3と、アパーチャ4と、光学ブロック5と、走査ミラー6と、モニタ用受光素子7と、検出用受光素子8とを含んで構成されている。これらの構成要素は、いずれも略板状のステージ9上に組み立てられている。   As shown in FIG. 1, the distance measuring device 1 includes a light source 2, a collimator 3, an aperture 4, an optical block 5, a scanning mirror 6, a monitor light receiving element 7, and a detection light receiving element 8. It consists of All of these components are assembled on a substantially plate-like stage 9.

光源2は、物体Kへの透光ビームL1を出射する部分である。光源2としては、例えば赤外又は紫外のパルスレーザを出射するレーザダイオードが用いられる。赤外光である場合の波長は例えば800nm〜1000nm程度、紫外光である場合の波長は例えば350nm〜400nm程度である。光源2から出射した透光ビームL1は、コリメータ3によって平行光化され、アパーチャ4によって例えばφ10mm以下のビーム径に絞られた状態で光学ブロック5側に導光される。   The light source 2 is a portion that emits a light transmission beam L1 to the object K. For example, a laser diode that emits an infrared or ultraviolet pulse laser is used as the light source 2. The wavelength in the case of infrared light is, for example, about 800 nm to 1000 nm, and the wavelength in the case of ultraviolet light is, for example, about 350 nm to 400 nm. The translucent beam L1 emitted from the light source 2 is collimated by the collimator 3 and guided to the optical block 5 side by the aperture 4 while being reduced to a beam diameter of, for example, φ10 mm or less.

光学ブロック5は、図2に示すように、光学面11と、反射面12と、光学面11からモニタ用受光素子7までの光路と、光学面11から検出用受光素子8までの光路とを一体化した光学素子である。光学ブロック5は、光源2から物体Kに向かう透光ビームL1と、物体Kから反射した戻り光L2とを分離する機能を有している。光学ブロック5は、ガラスなどを切削・研磨することにより、平面視で五角形状をなすブロック状に形成されている。   As shown in FIG. 2, the optical block 5 includes an optical surface 11, a reflecting surface 12, an optical path from the optical surface 11 to the monitoring light receiving element 7, and an optical path from the optical surface 11 to the detecting light receiving element 8. An integrated optical element. The optical block 5 has a function of separating the translucent beam L1 from the light source 2 toward the object K and the return light L2 reflected from the object K. The optical block 5 is formed into a pentagonal block shape in plan view by cutting and polishing glass or the like.

光学ブロック5の側面は、光学面11が設けられた第1面5aと、第1面5aの一方側に第1面5aと鈍角をなして連続する第2面5bと、反射面12が設けられると共に第2面5bの一方側に第2面5bと鈍角をなして連続する第3面5cと、第3面5cの一方側に第3面5cと鈍角をなして連続する第4面5dと、第4面5dの一方側に第4面5d及び第1面5aと鈍角をなして連続する第5面5eとによって構成されている。   The side surface of the optical block 5 is provided with a first surface 5a provided with the optical surface 11, a second surface 5b continuous with an obtuse angle with the first surface 5a on one side of the first surface 5a, and a reflecting surface 12. And a fourth surface 5d continuous with an obtuse angle with the second surface 5b on one side of the second surface 5b and an obtuse angle with the third surface 5c on one side of the third surface 5c. And a fifth surface 5e that forms an obtuse angle with the fourth surface 5d and the first surface 5a on one side of the fourth surface 5d.

光学面11は、図3に示すように、透光ビームL1の一部を反射させる反射領域21と、透光ビームL1の残部を透過させる透過領域22とを有している。反射領域21は、例えばアルミニウム、銀などの金属膜を第1面5aに円環状に蒸着することによって形成されている。反射領域21は、誘電体多層膜などによって形成されていてもよい。   As shown in FIG. 3, the optical surface 11 includes a reflection region 21 that reflects a part of the light transmission beam L1, and a transmission region 22 that transmits the remaining part of the light transmission beam L1. The reflection region 21 is formed by vapor-depositing a metal film such as aluminum or silver on the first surface 5a in an annular shape. The reflective region 21 may be formed of a dielectric multilayer film or the like.

透過領域22は、反射領域21の内側の領域で第1面5aを露出させることによって円形に形成されている。すなわち、反射領域21は、透過領域22の周囲全体を囲うように形成されている。透過領域22の中心と反射領域21の中心とは一致している。また、透過領域22の面積は、反射領域21の面積に比べて小さくなっている。かかる構成により、光学面11は、検出用受光素子8に対する戻り光L2の入射範囲を制限するアパーチャとして機能する。本実施形態では、反射領域21は、例えばアパーチャ4を通った透光ビームL1と略同径(φ10mm)程度となっている。これに対し、透過領域22は、例えばφ0.5mm程度となっている。   The transmissive region 22 is formed in a circular shape by exposing the first surface 5 a in a region inside the reflective region 21. That is, the reflective region 21 is formed so as to surround the entire periphery of the transmissive region 22. The center of the transmissive region 22 and the center of the reflective region 21 coincide. Further, the area of the transmission region 22 is smaller than the area of the reflection region 21. With this configuration, the optical surface 11 functions as an aperture that limits the incident range of the return light L <b> 2 with respect to the detection light-receiving element 8. In the present embodiment, the reflection region 21 has, for example, approximately the same diameter (φ10 mm) as the light transmission beam L1 that has passed through the aperture 4. On the other hand, the transmission region 22 is about φ0.5 mm, for example.

光学面11は、図1に示すように、アパーチャ4を通った透光ビームL1の光軸に対して鋭角に傾斜して配置されている。光学面11に入射した透光ビームL1の中央部は、透過領域22から光学ブロック5内に導光され、第4面5dの外側に配置されたモニタ用受光素子7によって検出される。モニタ用受光素子7は、光学面11の透過領域22を透過した透光ビームL1の残部を検出する部分である。モニタ用受光素子7としては、一般的なフォトダイオードが用いられる。光源2による透光ビームL1の出力状態(例えば光源2の温度特性による光量の揺らぎなど)は、モニタ用受光素子7からの検出信号に基づいて、不図示の監視部によって随時モニタリングされる。   As shown in FIG. 1, the optical surface 11 is disposed at an acute angle with respect to the optical axis of the light-transmitting beam L <b> 1 that has passed through the aperture 4. The central portion of the transmitted light beam L1 incident on the optical surface 11 is guided from the transmission region 22 into the optical block 5 and detected by the monitoring light receiving element 7 disposed outside the fourth surface 5d. The light-receiving element for monitoring 7 is a part that detects the remaining part of the light-transmitting beam L1 that has passed through the transmission region 22 of the optical surface 11. As the monitor light receiving element 7, a general photodiode is used. The output state of the translucent beam L1 from the light source 2 (for example, fluctuation of the amount of light due to the temperature characteristics of the light source 2) is monitored at any time by a monitoring unit (not shown) based on the detection signal from the monitor light receiving element 7.

一方、光学面11に入射した透光ビームL1の周縁部は、反射領域21で反射し、走査ミラー6に導光される。走査ミラー6は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーである。走査ミラー6は、不図示の制御部による制御に基づいてステージ9の面内方向に揺動し、物体Kに向かう透光ビームL1の向きを走査する。走査ミラー6のミラー部分の径は、例えば反射領域21の径(φ10mm)と同等程度になっている。走査ミラー6の揺動角度は、例えば±30°程度である。また、走査ミラー6の走査速度は、例えば1kHz〜10kHz程度である。   On the other hand, the peripheral portion of the translucent beam L 1 incident on the optical surface 11 is reflected by the reflection region 21 and guided to the scanning mirror 6. The scanning mirror 6 is, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror. The scanning mirror 6 swings in the in-plane direction of the stage 9 based on control by a control unit (not shown), and scans the direction of the translucent beam L1 toward the object K. The diameter of the mirror portion of the scanning mirror 6 is, for example, about the same as the diameter (φ10 mm) of the reflection region 21. The swing angle of the scanning mirror 6 is, for example, about ± 30 °. The scanning speed of the scanning mirror 6 is, for example, about 1 kHz to 10 kHz.

また、走査ミラー6は、透光ビームL1が物体Kで反射した戻り光L2を光学面11に向けて反射させる。走査ミラー6で反射した戻り光L2は、透過領域22を通って光学ブロック5内に導光され、第3面5cに設けられた反射面12で反射される。そして、戻り光L2は、光学ブロック5内で折り返されて第5面5eの外側に配置された検出用受光素子8によって検出される。反射面12は、例えばアルミニウム、銀などの金属膜を第3面5cの全体に蒸着することによって形成されている。また、反射面12は、誘電体多層膜などによって形成されていてもよい。   Further, the scanning mirror 6 reflects the return light L <b> 2 reflected by the light transmission beam L <b> 1 on the object K toward the optical surface 11. The return light L2 reflected by the scanning mirror 6 is guided into the optical block 5 through the transmission region 22, and is reflected by the reflection surface 12 provided on the third surface 5c. Then, the return light L2 is detected by the detection light receiving element 8 which is folded back in the optical block 5 and arranged outside the fifth surface 5e. The reflecting surface 12 is formed by evaporating a metal film such as aluminum or silver over the entire third surface 5c. The reflective surface 12 may be formed of a dielectric multilayer film or the like.

検出用受光素子8は、光学面11の透過領域22を透過した戻り光L2を検出する部分である。検出用受光素子8としては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられる。ガイガーモードとは、アバランシェフォトダイオードの逆電圧を降伏電圧以上にして動作させるモードである。ガイガーモードの高電界では、微弱な光の入射に対しても放電現象(ガイガー放電)が発生し、電子の増倍率は10〜10程度となる。 The detection light receiving element 8 is a part that detects the return light L2 that has passed through the transmission region 22 of the optical surface 11. As the detection light-receiving element 8, an avalanche photodiode operating in Geiger mode is used. The Geiger mode is a mode in which the reverse voltage of the avalanche photodiode is set to be higher than the breakdown voltage. In a high electric field of Geiger mode, a discharge phenomenon (Geiger discharge) occurs even when weak light is incident, and an electron multiplication factor is about 10 5 to 10 6 .

ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードとしては、例えばSPAD(Single-Photon Avalanche Diode)、MPPC(Multi-Pixel Photon Counter/Silicon Photomultiplier)などが挙げられる。例えばMPPCにおいては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードの各画素が2次元に並列接続されている。各画素にはクエンチング抵抗が接続され、各クエンチング抵抗は、1つの読み出しチャンネルに接続されている。したがって、各画素からの信号が重ねられたパルスの高さ(イベント数)若しくはパルスの電荷量を測定することで、MPPCが検出した光子の数を検出できる。   Examples of the avalanche photodiode operating in the Geiger mode include a single-photon avalanche diode (SPAD) and a multi-pixel photon counter / silicon photomultiplier (MPPC). For example, in MPPC, each pixel of an avalanche photodiode operating in Geiger mode is connected in two dimensions in parallel. A quenching resistor is connected to each pixel, and each quenching resistor is connected to one readout channel. Therefore, the number of photons detected by the MPPC can be detected by measuring the height (number of events) or the amount of charge of the pulse on which the signals from each pixel are superimposed.

検出用受光素子8からの出力信号は、不図示の演算部に出力される。演算部では、TOF(Time of Flight)法に基づいて、物体Kまでの距離が演算される。すなわち、演算部では、光源2から透光ビームL1のパルスが出射した時刻と、検出用受光素子8で戻り光L2を検出した時刻との差分に基づいて物体Kまでの距離が演算される。   An output signal from the detection light receiving element 8 is output to a calculation unit (not shown). In the calculation unit, the distance to the object K is calculated based on the TOF (Time of Flight) method. In other words, the calculation unit calculates the distance to the object K based on the difference between the time when the pulse of the translucent beam L1 is emitted from the light source 2 and the time when the return light L2 is detected by the detection light receiving element 8.

なお、反射面12は、検出用受光素子8に向かう戻り光L2の光量を減衰させる機能を有していてもよい。これにより、検出用受光素子8が飽和しないように、戻り光L2の光量を調節することができる。同様の観点で、透過領域22の径が入射する透光ビームL1の径に比べて小さくなっていてもよく、検出用受光素子8の手前側に戻り光L2の径に比べて小径のピンホールを配置してもよい。   The reflective surface 12 may have a function of attenuating the amount of return light L2 that travels toward the detection light receiving element 8. Thereby, the light quantity of the return light L2 can be adjusted so that the detection light receiving element 8 is not saturated. From the same point of view, the diameter of the transmission region 22 may be smaller than the diameter of the incident light transmission beam L1, and it returns to the front side of the detection light receiving element 8 and has a smaller diameter than the diameter of the light L2. May be arranged.

以上説明したように、測距装置1では、光源2から出射した透光ビームL1の一部を反射させる反射領域21、及び透光ビームL1の残部を透過させる透過領域22を有する光学面11が設けられている。また、光学面11において、透過領域22の面積が反射領域21の面積よりも小さくなっており、検出用受光素子8に向かう光の光量が制限されている。したがって、物体Kからの戻り光L2を検出用受光素子8で検出する際の外乱光の影響を低減できる。   As described above, in the distance measuring device 1, the optical surface 11 having the reflection region 21 that reflects a part of the light transmission beam L <b> 1 emitted from the light source 2 and the transmission region 22 that transmits the remaining part of the light transmission beam L <b> 1. Is provided. Further, in the optical surface 11, the area of the transmission region 22 is smaller than the area of the reflection region 21, and the amount of light traveling toward the detection light receiving element 8 is limited. Therefore, it is possible to reduce the influence of disturbance light when the detection light receiving element 8 detects the return light L2 from the object K.

ここで、測距装置1では、検出用受光素子8として、MPPCなどのガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられている。これにより、透過領域22の面積が反射領域21の面積よりも小さいことで物体Kからの戻り光L2の光量が微弱となっていても、戻り光L2を高感度で検出できる。したがって、信号のS/N比を高いレベルで確保でき、ToF法による測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。さらに、光学面11において、透過領域22の面積が反射領域21の面積よりも小さくなっていることで、検出用受光素子8の1画素当たりが検出する範囲が絞られるため、解像度も十分に確保できる。広範囲の戻り光L2を検出用受光素子8に集光させるレンズなども不要であり、装置の小型化も実現できる。   Here, in the distance measuring device 1, an avalanche photodiode operating in a Geiger mode such as MPPC is used as the detection light receiving element 8. Thereby, even if the light quantity of the return light L2 from the object K is weak because the area of the transmission region 22 is smaller than the area of the reflection region 21, the return light L2 can be detected with high sensitivity. Therefore, the S / N ratio of the signal can be secured at a high level, and the distance that can be measured by the ToF method and the distance measurement accuracy can be sufficiently improved. Furthermore, since the area of the transmissive region 22 is smaller than the area of the reflective region 21 on the optical surface 11, the detection range per pixel of the light receiving element 8 for detection is narrowed, so that sufficient resolution is ensured. it can. A lens for condensing the return light L2 in a wide range on the light receiving element 8 for detection is unnecessary, and the apparatus can be downsized.

また、測距装置1では、光学面11において、反射領域21が円形の透過領域22を囲うように円環状に設けられている。これにより、透過領域22の面積が反射領域21の面積に対して十分に小さくなり、物体Kからの戻り光L2を検出用受光素子8で検出する際の外乱光の影響を一層確実に低減できる。   In the distance measuring device 1, the reflection area 21 is provided in an annular shape on the optical surface 11 so as to surround the circular transmission area 22. As a result, the area of the transmission region 22 is sufficiently smaller than the area of the reflection region 21, and the influence of disturbance light when the return light L2 from the object K is detected by the detection light receiving element 8 can be reduced more reliably. .

また、測距装置1では、光学面と検出用受光素子との間の光路に光学面11の透過領域22を透過した戻り光L2を検出用受光素子に向けて反射させる反射面12が設けられている。この反射面12によって光学面11の透過領域22を通った戻り光L2が検出用受光素子8に向けて折り返される分、装置を大型化させることなく、光学面11から検出用受光素子8までの戻り光L2の光路長を長くすることができる。本実施形態では、測距装置1の解像度は、光学面11における透過領域22の開口径と、検出用受光素子8の受光面サイズとに依存する。このため、光学面11から検出用受光素子8までの戻り光L2の光路長を長くすることで、解像度を更に高めることが可能となる。   In the distance measuring apparatus 1, a reflection surface 12 is provided on the optical path between the optical surface and the detection light receiving element to reflect the return light L <b> 2 transmitted through the transmission region 22 of the optical surface 11 toward the detection light receiving element. ing. The return light L2 that has passed through the transmission region 22 of the optical surface 11 is folded back toward the light receiving element 8 for detection by the reflecting surface 12, and the size from the optical surface 11 to the light receiving element 8 for detection is not increased. The optical path length of the return light L2 can be increased. In the present embodiment, the resolution of the distance measuring device 1 depends on the opening diameter of the transmission region 22 in the optical surface 11 and the light receiving surface size of the light receiving element 8 for detection. For this reason, it is possible to further increase the resolution by increasing the optical path length of the return light L2 from the optical surface 11 to the detection light receiving element 8.

また、測距装置1では、光学面11の透過領域22を透過した透光ビームL1の残部を検出するモニタ用受光素子7が設けられている。モニタ用受光素子7によって透光ビームL1の出力状態などをモニタすることで、光源2の温度特性による透光ビームL1の光量の揺らぎや、光源2の異常の有無などを把握できる。   In the distance measuring device 1, a monitor light-receiving element 7 is provided for detecting the remaining portion of the transmitted light beam L <b> 1 transmitted through the transmission region 22 of the optical surface 11. By monitoring the output state of the translucent beam L1 by the monitor light receiving element 7, it is possible to grasp the fluctuation of the light amount of the translucent beam L1 due to the temperature characteristics of the light source 2, the presence or absence of abnormality of the light source 2, and the like.

また、測距装置1では、光学面11、反射面12、光学面11の透過領域を透過した透光ビームL1の残部の光路、及び光学面11の透過領域22を透過した戻り光L2の光路が一体化された光学ブロック5が設けられている。光学ブロック5を用いて光学面11、反射面12、透光ビームL1の光路、及び戻り光L2の光路を構成することにより、装置の小型化が図られる。また、キャリブレーションが不要となるので、光学部品の組み立てが容易となる。   Further, in the distance measuring device 1, the optical path 11, the reflection plane 12, the remaining optical path of the transmitted light beam L 1 that has passed through the transmission area of the optical plane 11, and the optical path of the return light L 2 that has passed through the transmission area 22 of the optical plane 11. Is integrated with the optical block 5. By using the optical block 5 to configure the optical surface 11, the reflective surface 12, the optical path of the transmitted light beam L1, and the optical path of the return light L2, the apparatus can be miniaturized. In addition, since calibration is not necessary, assembly of optical components is facilitated.

また、測距装置1では、走査ミラー6がMEMSミラーによって構成されている。これにより、透光ビームL1の走査を精度良く実施できる。この測距装置1では、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを検出用受光素子8として用いているので、物体Kからの戻り光L2の光量は微弱でよい。したがって、MEMSミラーの面積は、透光ビームL1の径に基づいて設定すればよく、大型のミラーを配置する必要はない。   Further, in the distance measuring device 1, the scanning mirror 6 is constituted by a MEMS mirror. Thereby, the scanning of the translucent beam L1 can be performed with high accuracy. In the distance measuring device 1, since the avalanche photodiode operating in the Geiger mode is used as the light receiving element 8 for detection, the amount of the return light L2 from the object K may be weak. Therefore, the area of the MEMS mirror may be set based on the diameter of the translucent beam L1, and it is not necessary to arrange a large mirror.

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、光学ブロック5を用いて、光学面11、反射面12、及び光路を一体化しているが、これらの光学要素は必ずしも光学ブロック5で一体化されていなくてもよい。この場合、例えば図4に示すように、光学面11に相当するアパーチャミラー31を光学ブロック5の第1面5aに対応する位置に配置し、反射面12に相当する反射ミラー32を光学ブロック5の第3面5cに対応する位置に配置すればよい。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the optical surface 11, the reflecting surface 12, and the optical path are integrated using the optical block 5, but these optical elements do not necessarily have to be integrated in the optical block 5. In this case, for example, as shown in FIG. 4, the aperture mirror 31 corresponding to the optical surface 11 is disposed at a position corresponding to the first surface 5 a of the optical block 5, and the reflecting mirror 32 corresponding to the reflecting surface 12 is disposed in the optical block 5. What is necessary is just to arrange | position in the position corresponding to the 3rd surface 5c.

また、モニタ用受光素子7は必ずしも配置する必要はなく、配置を省略して測距装置1を更に小型化してもよい。同様に、反射面12或いは反射ミラー32の配置を省略してもよい。この場合、例えば反射面12或いは反射ミラー32の位置に検出用受光素子8を配置することで測距装置1の小型化が図られる。   The monitor light-receiving element 7 is not necessarily arranged, and the distance measuring device 1 may be further downsized by omitting the arrangement. Similarly, the arrangement of the reflecting surface 12 or the reflecting mirror 32 may be omitted. In this case, for example, the ranging device 1 can be downsized by arranging the detection light receiving element 8 at the position of the reflecting surface 12 or the reflecting mirror 32.

また、上記実施形態では、走査ミラー6がステージ9の面内方向に揺動するが、走査ミラー6がステージ9の面内方向及びステージ9の法線方向に二次元に揺動してもよい。この場合、例えば水平方向・垂直方向にそれぞれ解像度を持った物体Kの2次元位置情報の取得が可能となる。   In the above embodiment, the scanning mirror 6 swings in the in-plane direction of the stage 9. However, the scanning mirror 6 may swing two-dimensionally in the in-plane direction of the stage 9 and the normal direction of the stage 9. . In this case, for example, it is possible to acquire the two-dimensional position information of the object K having resolution in the horizontal direction and the vertical direction.

また、上記実施形態では、コリメータ3によって透光ビームL1の平行光化を行っているが、これに代えて、例えば、一方向のみに曲面が形成されたレンズ(シリンドリカルレンズ等)を用いて、透光ビームL1の断面形状をステージ9の法線方向に長い略長方形状に整形してもよい。この場合、検出用受光素子8として、例えばステージ9の法線方向に多チャンネル化したMPPCアレイを用いることで、垂直方向に解像度を持った物体Kの位置情報の取得が可能となる。走査ミラー6がステージ9の面内方向に揺動することで水平方向に解像度を持った物体Kの位置情報の取得が可能であるため、結果として、水平方向・垂直方向にそれぞれ解像度を持った物体Kの2次元位置情報の取得が可能となる。   In the above embodiment, the collimator 3 converts the translucent beam L1 into parallel light. Instead, for example, a lens (cylindrical lens or the like) having a curved surface formed in only one direction is used. The cross-sectional shape of the translucent beam L1 may be shaped into a substantially rectangular shape that is long in the normal direction of the stage 9. In this case, by using, for example, an MPPC array with multiple channels in the normal direction of the stage 9 as the light receiving element 8 for detection, it is possible to acquire position information of the object K having resolution in the vertical direction. Since the position information of the object K having resolution in the horizontal direction can be acquired by swinging the scanning mirror 6 in the in-plane direction of the stage 9, as a result, the resolution has been obtained in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. The two-dimensional position information of the object K can be acquired.

また、上記実施形態では、図3に示したように、光学面11において、円環状の反射領域21の中心に円状の透過領域22が設けられているが、反射領域21及び透過領域22の構成は種々の変形を採り得る。例えば図5(a)に示すように、矩形の透過領域22としてもよい。透過領域22は、矩形のほか、楕円形、三角形、その他の多角形であってもよい。   Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 3, although the circular transmissive area | region 22 was provided in the center of the annular | circular shaped reflective area | region 21 in the optical surface 11, the reflective area | region 21 and the transmissive area | region 22 of FIG. The configuration can take various modifications. For example, as shown in FIG. 5A, a rectangular transmission region 22 may be used. The transmission region 22 may be an ellipse, a triangle, or another polygon in addition to a rectangle.

反射領域21の中心と透過領域22の中心とは必ずしも一致していなくてもよい。例えば図5(b)に示すように、透過領域22の中心が反射領域21の中心に対して偏心していてもよい。図5(b)では、反射領域21の中心が透過領域22内に位置しているが、反射領域21の中心が透過領域22外となる程度に透過領域22の中心が反射領域21の中心に対して偏心していてもよい。例えば光源2としてレーザダイオードを用いる場合、透光ビームL1はガウシアンビームとなる。ガウシアンビームの強度プロファイルは、光軸を中心としたガウシアン分布となるため、透光ビームL1の光量は周縁に比べて光軸の中心付近で高くなる。したがって、透過領域22の中心を反射領域21の中心に対して偏心させることで、透光ビームL1のうちの光量の高い部分を反射領域21で反射させることができる。したがって、物体Kに向かう透光ビームL1の光量を十分に確保でき、信号のS/N比の更なる向上が図られる。   The center of the reflective region 21 and the center of the transmissive region 22 do not necessarily coincide with each other. For example, as shown in FIG. 5B, the center of the transmission region 22 may be eccentric with respect to the center of the reflection region 21. In FIG. 5B, the center of the reflection region 21 is located in the transmission region 22, but the center of the transmission region 22 is centered on the reflection region 21 so that the center of the reflection region 21 is outside the transmission region 22. It may be eccentric. For example, when a laser diode is used as the light source 2, the translucent beam L1 is a Gaussian beam. Since the intensity profile of the Gaussian beam has a Gaussian distribution centered on the optical axis, the amount of light of the translucent beam L1 is higher near the center of the optical axis than at the periphery. Therefore, by decentering the center of the transmission region 22 with respect to the center of the reflection region 21, a portion having a high light amount in the light transmission beam L <b> 1 can be reflected by the reflection region 21. Therefore, a sufficient amount of light of the translucent beam L1 toward the object K can be secured, and the signal S / N ratio can be further improved.

また、例えば図5(c)に示すように、反射領域21に対して偏心した透過領域22を複数設けてもよい。図5(c)では、反射領域21の縁部に反射領域21の中心周りに90°の位相角をもって4箇所に円形の透過領域22が配置されている。この場合、複数箇所に配置された透過領域22を、透光ビームL1及び戻り光L2を透過させる領域として選択的に用いることができる。   For example, as shown in FIG. 5C, a plurality of transmission regions 22 that are eccentric with respect to the reflection region 21 may be provided. In FIG. 5C, circular transmission regions 22 are arranged at four locations with a phase angle of 90 ° around the center of the reflection region 21 at the edge of the reflection region 21. In this case, the transmissive regions 22 arranged at a plurality of locations can be selectively used as a region through which the light transmissive beam L1 and the return light L2 are transmitted.

1…測距装置、2…光源、5…光学ブロック、6…走査ミラー、7…モニタ用受光素子、8…検出用受光素子、11…光学面、12…反射面、21…反射領域、22…透過領域、31…アパーチャミラー(光学面)、32…反射ミラー(反射面)、L1…透光ビーム、L2…戻り光、K…物体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Distance measuring device, 2 ... Light source, 5 ... Optical block, 6 ... Scanning mirror, 7 ... Monitor light receiving element, 8 ... Detection light receiving element, 11 ... Optical surface, 12 ... Reflecting surface, 21 ... Reflecting area, 22 ... transmission region, 31 ... aperture mirror (optical surface), 32 ... reflection mirror (reflection surface), L1 ... translucent beam, L2 ... return light, K ... object.

Claims (7)

物体までの距離を計測する測距装置であって、
前記物体への透光ビームを出射する光源と、
前記光源から出射した前記透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び前記透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面と、
前記反射領域で反射した前記透光ビームを前記物体に向けて反射させると共に、前記物体からの戻り光を前記光学面に向けて反射させる走査ミラーと、
前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光を検出する検出用受光素子と、を備え、
前記検出用受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、
前記光学面において、前記透過領域の面積が前記反射領域の面積よりも小さくなっている測距装置。
A distance measuring device that measures the distance to an object,
A light source that emits a translucent beam to the object;
An optical surface having a reflection region that reflects a part of the light transmission beam emitted from the light source, and a transmission region that transmits the remainder of the light transmission beam;
A scanning mirror that reflects the translucent beam reflected by the reflection region toward the object and reflects return light from the object toward the optical surface;
A light receiving element for detection that detects the return light transmitted through the transmission region of the optical surface,
The detection light receiving element is an avalanche photodiode operating in a Geiger mode,
A distance measuring device in which the area of the transmission region is smaller than the area of the reflection region on the optical surface.
前記光学面において、前記反射領域が前記透過領域を囲うように設けられている請求項1記載の測距装置。   The distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the reflection area is provided on the optical surface so as to surround the transmission area. 前記光学面において、前記透過領域の中心が前記反射領域の中心に対して偏心している請求項2記載の測距装置。   The distance measuring device according to claim 2, wherein a center of the transmission region is decentered with respect to a center of the reflection region on the optical surface. 前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光を前記検出用受光素子に向けて反射させる反射面を前記光学面と前記検出用受光素子との間に更に備える請求項1〜3のいずれか一項記載の測距装置。   The reflective surface which reflects the said return light which permeate | transmitted the said permeation | transmission area | region of the said optical surface toward the said light receiving element for a detection is further provided between the said optical surface and the said light receiving element for a detection. The distance measuring device according to one item. 前記光学面の前記透過領域を透過した前記透光ビームの残部を検出するモニタ用受光素子を更に備える請求項1〜4のいずれか一項記載の測距装置。   The distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a monitor light receiving element that detects a remaining portion of the light transmitting beam that has passed through the transmission region of the optical surface. 前記光学面、及び前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光の光路を含んで一体化された光学ブロックを更に備える請求項1〜5のいずれか一項記載の測距装置。   The distance measuring device according to any one of claims 1 to 5, further comprising an integrated optical block including the optical surface and an optical path of the return light transmitted through the transmission region of the optical surface. 前記走査ミラーがMEMSミラーによって構成されている請求項1〜6のいずれか一項記載の測距装置。   The distance measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the scanning mirror is configured by a MEMS mirror.
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