JP2009058341A - ビーム照射装置およびレーザレーダ - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法の小型化を円滑に図り得るビーム照射装置およびレーザレーダを提供する。
【解決手段】半導体レーザ５１と、レーザ光の進行方向を制御信号に応じて変位させるレンズアクチュエータ５４と、レンズアクチュエータ５４によって生じるレーザ光の振り角に広角作用を付与する走査拡大レンズ５６と、レンズアクチュエータ５４と走査拡大レンズ５６との間に配されたビームスプリッタ５５と、ビームスプリッタ５５によって反射されたレーザ光を受光して電気信号を出力するＰＤ５９ｃとを有する。目標領域から反射されたレーザ光は、走査拡大レンズ５６とビームスプリッタ５５を経由してＰＤ５９ｃに導かれる。また、走査拡大レンズ５６の表面にて反射されたレーザ光もビームスプリッタ５５を経由してＰＤ５９ｃに導かれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を目標領域に照射し、その反射光の受光状態から目標領域内の状態を検出するレーザレーダ、および、当該レーザレーダに用いて好適なビーム照射装置に関する。

近年、レーザ光を目標領域に照射することにより目標領域内の状態を検出するレーザレーダが家庭用乗用車等に搭載されている。かかるレーザレーダは、レーザ光を目標領域内でスキャンさせ、その反射光の受光状態から、障害物（被検出物）とそこまでの距離を検出するものである。

かかるレーザレーダには、レーザ光をスキャンさせるための構成として、いわゆるビーム照射装置が配備されている。ここで、レーザ光のスキャンには、たとえば、特許文献１に示すレンズアクチュエータを用いることができる。

特許文献１に記載されたビーム照射装置では、レンズアクチュエータの駆動に応じて走査レンズがレーザ光の光軸に垂直な方向に２次元駆動され、これにより、レーザ光が目標領域内においてスキャンされる。また、このビーム照射装置では、レーザ光をスキャンさせる際の振り幅を大きくするために、走査レンズの変位によって生じたレーザ光の振り角に広角作用を付与するアタッチメントレンズ（走査拡大レンズ）が配されている。

ところで、レーザレーダには、レーザ光のスキャン位置に存在する障害物からの反射光を受光して検出信号を出力するための構成（検出部）が配備されている。この検出部は、たとえば、特許文献２に示すように、フォトダイオードなどの受光素子と、障害物からの反射光を集めて受光素子上に導くための集光レンズとを備えている。ここで、集光レンズは、目標領域からの反射光を受光するために、そのレンズ面が目標領域に正対するように配されている。すなわち、上記特許文献１のようにアタッチメントレンズが配される場合には、アタッチメントレンズと集光レンズがレンズ径方向に並ぶように配置される。
特開２００７−１０８１５５号公報 特開２００６−２５２２６４号公報

ところが、集光レンズは、目標領域からの反射光を広い範囲で受光できるよう、レンズ径方向の寸法がかなり大きくなっている。このため、検出部は、集光レンズのレンズ径方向に大きな幅を有するものとなる。これに対し、目標領域からの反射光を受光する受光素子の受光面は、集光レンズのレンズ径に比べてかなり小さい。このため、上記従来技術のように検出部を配すると、集光レンズと受光素子の間に大きなデッドスペースが生じ、ビーム照射装置ないしレーザレーダの小型化に支障が生じる。また、集光レンズのレンズ径が大きいため、ビーム照射装置ないしレーザレーダがかかる径方向に大型化するとの問題が生じる。

本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、外形寸法の小型化を円滑に図り得るビーム照射装置およびレーザレーダを提供することを目的とする。

なお、レーザレーダでは、通常、レーザ光の出射タイミングと目標領域からの反射光の受光タイミングの間の時間差から、障害物までの距離が測定される。ここで、この時間差は、レーザ光を出射させる信号（出射信号）の出力タイミングと、反射光を受光する受光素子からの信号（受光信号）の出力タイミングに基づいて測定される。しかし、この場合、出射信号が出力されてから実際にレーザ光が出射されるまでの間に時間遅延が生じ、また、反射光が実際に受光されてから受光信号が出力され処理回路に到達するまでの間に時間遅延が生じる。

回路系では、通常、これらの時間遅延を予め想定した上で、レーザ光の出射タイミングと目標領域からの反射光の受光タイミングの間の時間差の測定がなされるが、レーザ光源や受光素子によってはこのように想定された時間遅延に誤差が生じる場合がある。かかる誤差が生じると、レーザ光の出射タイミングと目標領域からの反射光の受光タイミングの間の時間差に誤差が生じ、その結果、障害物までの距離の測定精度が低下することとなる。

本発明は、かかる問題をも考慮してなされたものであり、上述の小型化に加えて、適宜、障害物までの距離の測定精度を高め得るビーム照射装置およびレーザレーダを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み本発明は、以下の特徴を有する。

請求項１の発明は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光の進行方向を制御信号に応じて変位させるアクチュエータと、前記アクチュエータによって生じる前記レーザ光の振り角に広角作用を付与する走査拡大レンズと、前記アクチュエータと前記走査拡大レンズとの間に配され、前記アクチュエータ側から入射されるレーザ光の少なくとも一部を通過させるとともに、前記走査拡大レンズ側から入射されるレーザ光の少なくとも一部を側方に反射させる分光素子と、前記分光素子によって反射された前記レーザ光を受光して電気信号を出力する光検出器とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記アクチュエータは、前記光源から出射されたレーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸に垂直な方向に変位されるレンズ素子を備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記アクチュエータは、前記光源から出射されたレーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸に垂直な軸を回動軸として回動されるミラー素子を備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３に記載のビーム照射装置において、前記分光素子として偏光ビームスプリッタが配置され、前記偏光ビームスプリッタと前記走査拡大レンズとの間にλ／４板が配置されることを特徴とする。

請求項５の発明は、レーザ光を目標領域内に照射し、その反射光の受光状態から目標領域の状態を検出するレーザレーダであって、請求項１ないし４の何れか一項に記載のビーム照射装置と、前記光検出器から出力される電気信号に基づいて目標領域内の状態を検出する検出回路とを備えることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載のレーザレーダにおいて、前記検出回路は、前記走査拡大レンズのレンズ面にて反射された前記レーザ光に基づく前記電気信号の出力タイミングと、前記目標領域内の被検出物にて反射された前記レーザ光に基づく前記電気信号の出力タイミングとに基づいて、前記被検出物までの距離を算出することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、目標領域から反射されたレーザ光は、走査拡大レンズと分光素子を経由して光検出器に導かれる。したがって、別途、目標領域から反射されたレーザ光を集めるための集光レンズを配する必要がなく、よって、集光レンズを配置することに基づくビーム照射装置の大型化を回避することができる。

なお、本発明によれば、目標領域から反射されたレーザ光のうち走査拡大レンズに入射されたレーザ光が光検出器に導かれる。ここで、走査拡大レンズは、アクチュエータによって生じるレーザ光の振り角に広角作用を付与するものであるから、レンズ径をそれほど大きくしなくとも、広い振り角の範囲において、目標領域から反射されたレーザ光を光検出器へと導くことができる。

なお、本発明において、アクチュエータは、請求項２または３に記載のように、レンズアクチュエータまたはミラーアクチュエータによって構成され得る。

請求項４の発明によれば、偏光ビームスプリッタとλ／４の作用により、光検出器に導かれるレーザ光の光量を増加させることができる。たとえば、アクチュエータ側から偏光ビームスプリッタに入射されるレーザ光を偏光ビームスプリッタに対してＰ偏光とすると、このレーザ光は、偏光ビームスプリッタによって反射されることなく偏光ビームスプリッタを通過し、目標領域内に照射される。このとき、被検出物（障害物）によって反射されたレーザ光は、再びλ／４板を透過することによって偏光方向がＳ偏光とされるため、偏光ビームスプリッタを通過することなく偏光ビームスプリッタによって反射され、光検出器によって受光される。よって、この場合には、偏光ビームスプリッタによって殆どパワーが減衰されることなしに、レーザ光が光検出器に導かれる。

このように、請求項４の発明によれば、偏光ビームスプリッタとλ／４板との作用により、光検出器に受光されるまでのレーザ光のパワーロスを抑制することができる。このため、被検出物（障害物）の検出精度を高めることができ、また、被検出物（障害物）の検出可能距離を大きくすることができる。

請求項５の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一項に記載のビーム照射装置が装備されているため、上記請求項１ないし４の発明と同様の効果を奏することができる。

さらに、請求項６の発明によれば、走査拡大レンズの表面で反射されたレーザ光の検出タイミングと被検出物（障害物）で反射されたレーザ光の検出タイミングの間の時間差に基づいて被検出物（障害物）までの距離が求められるため、被検出物（障害物）までの距離の検出精度を高めることができる。

つまり、請求項６の発明によれば、走査拡大レンズにて反射されたレーザ光に基づく電気信号の出力タイミングと、目標領域内の被検出物（障害物）にて反射されたレーザ光に基づく電気信号の出力タイミングとに基づいて、被検出物（障害物）までの距離が算出される。ここで、これら電気信号は、何れも同一の光検出器から出力されるため、これら電気信号に生じる時間遅延およびその誤差は一律となる。よって、これら電気信号の出力タイミングの時間差に回路遅延等に基づく誤差が含まれることはなく、このため、この時間差は、レーザ光が走査拡大レンズと被検出物（障害物）との間を往復する際の所要時間を正確に反映するものとなる。したがって、請求項６の発明によれば、被検出物（障害物）までの距離を高精度にて検出することができる。

本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの例示形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図である。

図示の如く、レーザレーダは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１０と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）２０と、レーザ駆動部３０と、アクチュエータ駆動部４０と、ビーム照射ヘッド５０（本発明の「ビーム照射装置」に相当）と、信号処理部６０と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０と、ＰＤアンプ８０とを備えている。

ＤＳＰ１０は、レーザ光を出射するための信号（出射信号）およびアクチュエータを駆動するための信号（駆動信号）をＤＡＣ２０に出力する。ＤＡＣ２０は、ＤＳＰ１０から入力された出射信号をアナログ信号に変換してレーザ駆動部３０へ出力するとともに、駆動信号をアナログ信号に変換しておよびアクチュエータ駆動部４０に出力する。

レーザ駆動部３０は、ＤＡＣ２０から入力された出射信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内の半導体レーザ５１を駆動する。アクチュエータ駆動部４０は、ＤＡＣ２０から入力された駆動信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内のレンズアクチュエータ５４を駆動する。

ビーム照射ヘッド５０は、半導体レーザ５１と、アパーチャ５２と、走査レンズ５３と、レンズアクチュエータ５４と、ビームスプリッタ５５と、走査拡大レンズ５６と、光通過窓５７と、位置検出部５８と、反射光検出部５９とを備える。

半導体レーザ５１には、１つのＣＡＮ内に２つのレーザ素子が収容されており、各レーザ素子からは、波長の異なる２つのレーザ光が出射される。このうち、１つは障害物検出用のレーザ光（以下、“検出レーザ光”という）であり、もう１つはサーボ用のレーザ光（以下、“サーボレーザ光”という）である。検出レーザ光は、例えば７８０ｎｍの波長を有する高出力のレーザ光であり、目標領域内をスキャンする際に、所定のタイミング（例えば１０μｓｅｃ）毎に間欠的に出射される。サーボレーザ光は、例えば６６０ｎｍの波長を有する低出力のレーザ光であり、目標領域内をスキャンする際に、連続的に出射される。

半導体レーザ５１から出射されたレーザ光（検出レーザ光／サーボレーザ光）は、アパーチャ５２によって所望の形状に整形された後、走査レンズ５３に入射される。走査レンズ５３は、両面非球面の凸レンズから構成されており、半導体レーザ５１から入射されたレーザ光を平行光よりもさらに収束させる。この走査レンズ５３は、同図のＹ−Ｚ平面方向に変位可能となるよう、レンズアクチュエータ５４によって支持されている。走査レンズ５３を通過したレーザ光は、レンズアクチュエータ５４の駆動に応じて、Ｙ−Ｚ平面方向に出射角度が変化する。なお、走査レンズ５３は、中立位置にあるときに、その中心軸が走査拡大レンズ５６の中心軸に一致するよう、レンズアクチュエータ５４によって調整される。

図２に、レンズアクチュエータ５４の構成（分解斜視図）を示す。

同図を参照して、走査レンズ５３は、レンズホルダー５４１中央の開口に装着される。レンズホルダー５４１には、４つの側面にそれぞれコイルが装着されており、各コイル内にヨーク５４２中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク５４２は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材５４４の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材５４４に、ヨーク５４２の舌片を挟むようにして磁石５４３が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材５４４が磁石５４３とともにベース（図示せず）に装着される。

さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材５４５が装着されており、このワイヤー固定部材５４５にワイヤー５４６を介してレンズホルダー５４１が弾性支持される。レンズホルダー５４１には四隅にワイヤー５４６を嵌入するための孔が設けられている。この孔にそれぞれワイヤー５４６を嵌入した後、ワイヤー５４６の両端をワイヤー固定部材５４５に固着する。これにより、レンズホルダー５４１がワイヤー５４６を介してワイヤー固定部材５４５に弾性支持される。

駆動時には、レンズホルダー５４１に装着されている各コイルに、アクチュエータ駆動部４０から駆動信号が供給される。これにより、電磁駆動力が発生し、走査レンズ５３がレンズホルダー５４１とともに２次元駆動される。

図１に戻り、ビームスプリッタ５５は、平行平板状のガラス板からなっており、走査レンズ５３側の入射面５５ａが走査レンズ５３の光軸に対してほぼ４５度傾斜するように配されている。走査レンズ５３を透過した検出レーザ光とサーボレーザ光は、それぞれ、ビームスプリッタ５５によってその一部が反射され、残りがビームスプリッタ５５を通過する。

ビームスプリッタ５５によって反射された検出レーザ光とサーボレーザ光は、同図の一点差線の矢印で示す方向へと進み、位置検出部５８へと導かれる。位置検出部５８は、サーボレンズ（集束レンズ）５８ａと、バンドパスフィルタ５８ｂと、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）５８ｃとからなっている。ビームスプリッタ５５によって反射された検出レーザ光とサーボレーザ光は、サーボレンズ５８ａによって収束された後、バンドパスフィルタ５８ｂに入射される。このとき、検出レーザ光は、バンドバスフィルタ５８ｂによってカットされ、サーボレーザ光のみがバンドバスフィルタ５８ｂを透過する。その結果、サーボレーザ光のみがＰＳＤ５８ｃ上に収束される。

ＰＳＤ５８ｃは、同図のＸ−Ｙ平面に平行な受光面を有しており、この受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置に応じた電流を出力する。ここで、受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置と目標領域上に照射される検出レーザ光の照射位置は一対一に対応する。よって、ＰＳＤ５８ｃから出力される電流は、目標領域上における検出レーザ光の照射位置に対応するものとなっている。

ビームスプリッタ５５を通過した検出レーザ光とサーボレーザ光は、走査拡大レンズ５６に入射される。走査拡大レンズ５６は、全周方向においてレーザ光に拡散作用を付与する凹レンズから構成されており、収束光として入射される検出レーザ光とサーボレーザ光を平行光に変換する。

走査拡大レンズ５６による作用によって、走査拡大レンズ５６を透過した後の検出レーザ光の振り幅は、走査拡大レンズ５６を透過する前の検出レーザ光の振り幅に比べて拡大される。本実施の形態のように走査拡大レンズ５６を透過した後の検出レーザ光が平行光である場合、そのビーム径（光線追跡法によるもの）が走査レンズ５３に入射するときのビーム径（同じく、光線追跡法によるもの）の１／ｎであるとすると、走査拡大レンズ５６を配さない場合に比べ、ｎ倍の振り幅にて、検出レーザ光をスキャンさせることができる。なお、走査拡大レンズ５６による作用の詳細は、上記特許文献１（特開２００７−１０８１５５号公報）に記載されている。

走査拡大レンズ５６にて平行光とされた検出レーザ光とサーボレーザ光は、同図の実線の矢印に示すように、光通過窓５７を通過して、目標領域へ照射される。なお、サーボレーザ光は、出力が弱く、障害物を検出するための機能を果たさない。よって、実質的には、検出レーザ光が障害物を検出するためのレーザ光として目標領域に照射される。

目標領域に障害物がある場合、検出レーザ光は、その障害物によって反射される。障害物によって反射された検出レーザ光（以下、“ＴＧ検出レーザ光”という）は、光通過窓５７を通過した後、同図の長破線の矢印に示すように、走査拡大レンズ５６によってビームスプリッタ５５へと導かれる。ビームスプリッタ５５の走査拡大レンズ５６側の入射面５５ｂ（入射面５５ａの裏面）は、走査拡大レンズ５６の光軸に対してほぼ４５度傾斜するように配されている。このため、ＴＧ検出レーザ光の一部は、入射面５５ｂにて反射され、反射光検出部５９へと導かれる。

反射光検出部５９は、集光レンズ５９ａと、ＩＲパスフィルタ５９ｂと、ＰＤ（Photo Detector）５９ｃとからなっている。ＰＤ５９ｃは、例えば、アバランシェフォトダイオード（APD）などで構成されている。集光レンズ５９ａは、ビームスプリッタ５５の入射面５５ｂに対峙する位置に配置されている。また、集光レンズ５９ａは、その径方向が同図のＸ−Ｙ方向となるように配置されている。

ビームスプリッタ５５によって反射されたＴＧ検出レーザ光は、集光レンズ５９ａで集光され、ＩＲパスフィルタ５９ｂを介して、ＰＤ５９ｃ上に照射される。このとき、ＩＲパスイフィルタ５９ｂは、検出レーザ光の波長帯以外の光、例えば、可視光やサーボレーザ光をカットする。

なお、走査拡大レンズ５６のビームスプリッタ５５側の入射レンズ面５６ａには、反射防止コーティングが施されていない。このため、ビームスプリッタ５５側から入射レンズ面５６ａに入射される検出レーザ光とサーボレーザ光の一部は、入射レンズ面５６ａで反射され、ビームスプリッタ５５側へ戻される。

このうち、入射レンズ面５６ａにて反射された検出レーザ光（以下、“ＲＥ検出レーザ光”という）は、障害物にて反射されたＴＧ検出レーザ光と同様、その一部がビームスプリッタ５５によって反射され、反射光検出部５９に導かれる。すなわち、ビームスプリッタ５５によって反射されたＴＧ検出レーザ光は、集光レンズ５９ａで集光され、ＩＲパスフィルタ５９ｂを介して、ＰＤ５９ｃ上に照射される。一方、入射レンズ面５６ａにて反射されたサーボレーザ光は、ＩＲパスフィルタ５９ｂによってカットされる。したがって、入射レンズ面５６ａにて反射されたＲＥ検出レーザ光とサーボレーザ光のうち、ＲＥ検出レーザ光のみが、ＰＤ５９ｃ上に照射される。

こうして、ＰＤ５９ｃ上にＴＧ検出レーザ光またはＲＥ検出レーザ光が照射されると、ＰＤ５９ｃは、ＴＧ検出レーザ光またはＲＥ検出レーザ光の受光光量に応じた信号をＰＤアンプ８０に出力する。ＰＤアンプ８０は、ＰＤ５９ｃからの信号を増幅してＡＤＣ７０へ出力する。ＡＤＣ７０は、ＰＤアンプ８０からの信号をデジタル信号に変換してＤＳＰ１０に出力する。

また、ＰＳＤ５８ｃから出力された電流信号は、信号処理部６０に入力される。信号処理部６０は、入力された電流からサーボレーザ光の収束位置を表す電圧信号を生成し、この電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換してＤＳＰ１０に出力する。

ＤＳＰ１０は、ＰＤアンプ８０とＡＤＣ７０を介してＰＤ５９ｃから入力された信号に基づいて、後述の如く、目標領域内における障害物の有無を検出し、さらに、障害物までの距離を算出する。

また、ＤＳＰ１０は、ＡＤＣ７０を介して信号処理部６０から入力された電圧信号をもとに、ＰＳＤ５８ｃの受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置を検出し、この収束位置から、目標領域内における検出レーザ光の照射位置を検出する。ＤＳＰ１０は、その検出結果に基づいて、ＤＡＣ２０を介してアクチュエータ駆動部４０へ制御信号を出力し、検出レーザ光の照射位置が所期のスキャン軌道に追従するようサーボを掛ける。

目標領域のスキャン動作時には、アクチュエータ駆動部４０によってレンズアクチュエータ５４が駆動され、走査レンズ５３がＹ−Ｚ平面内を縦横に移動する。同時に、ＤＳＰ１０から所定のタイミング毎に検出レーザ光の出射信号が出力される。この出射信号により、半導体レーザ５１が駆動され、上述したように、検出レーザ光が目標領域内に照射される。これにより、図３に示すように、所定のスキャン軌道を検出レーザ光が移動し、目標領域内がスキャンされる。

このスキャン動作中には、サーボレーザ光が半導体レーザ５１から連続的に出射される。上述したように、サーボレーザ光はＰＳＤ５８ｃに導かれ、ＰＳＤ５８ｃから検出レーザ光の照射位置に応じた信号（電流信号）が出力される。そして、この信号に基づいて、検出レーザ光がスキャン軌道からずれたと判断された場合には、ＤＳＰ１０からの制御信号によって、検出レーザ光をスキャン軌道に戻すようにレンズアクチュエータ５４が駆動される。

図４は、半導体レーザ５１からの検出レーザ光の出射タイミングとＰＤアンプ８０の出力との関係を示す図である。

同図（ａ）に示すように、半導体レーザ５１からは、例えば、１０μｓｅｃ毎に検出レーザ光が出射される。半導体レーザ５１から出射された検出レーザ光は、上述のように、走査拡大レンズ５６の入射レンズ面５６ａで一部が反射され、その反射光（ＲＥ検出レーザ光）がＰＤ５９ｃに受光される。このため、同図（ｂ）に示すように、検出レーザ光の出射後まもなく、ＰＤアンプ８０から、ＲＥ検出レーザ光による受光信号（以下、“基準信号”と称する）が出力される。即ち、基準信号は、検出レーザ光の出射タイミングに同期して、ほぼ１０μｓｅｃ毎に出力される。

目標領域における検出レーザ光の照射位置に障害物が存在しない場合、障害物からの反射光（ＴＧ検出レーザ光）が生じないため、ＴＧ検出レーザ光がＰＤ５９ｃにて受光されることはない。よって、同図の“障害物無し”の期間に示すように、基準信号に続いてＰＤアンプ８０から受光信号が出力されることはない。

一方、検出レーザ光の照射位置に障害物が存在する場合、障害物からの反射光（ＴＧ検出レーザ光）が生じるため、ＴＧ検出レーザ光がＰＤ５９ｃにて受光される。よって、同図の“障害物有り”の期間に示すように、基準信号の出力に続いて、ＰＤアンプ８０から、ＴＧ検出レーザ光による受光信号（以下、“障害物検出信号”と称する）が出力される。

ＤＳＰ１０は、スキャン動作中、ＡＤＣ７０でデジタル化されたＰＤアンプ８０からの出力信号を監視する。具体的には、かかる出力信号のピーク値を検出し、このピーク値と所定の閾値とを比較して、上記基準信号と障害物検出信号の出力タイミングを検出する。すなわち、ＤＳＰ１０は、検出レーザ光の出射タイミングの後、最初にピーク値が所定の閾値を超えたタイミングを基準信号の出力タイミングと判定する。そして、このタイミングから所定の検出窓（例えば、２μｓｅｃ）を開き、この検出窓内に前記閾値を超えるピーク値が検出されれば、そのタイミングを障害物検出信号の出力タイミングと判定する。一方、検出窓内に前記閾値を超えるピーク値が検出されなければ、障害物検出信号が出力されなかったと判断する。なお、このように閾値と検出窓を設定することにより、ノイズによる基準信号と障害物検出信号の誤検出が防止される。

ＤＳＰ１０は、基準信号に続いて障害物検出信号が検出されれば、そのときの検出レーザ光の照射位置に障害物が存在すると判断する。一方、基準信号に続いて障害物検出信号が検出されなければ、そのときの検出レーザ光の照射位置に障害物が存在しないと判断する。

さらに、ＤＳＰ１０は、検出レーザ光の照射位置に障害物が存在すると判断したとき、上記の如くして検出した基準信号の出力タイミングと障害物検出信号の出力タイミングの間の時間差ｔを算出する。この時間差ｔは、検出レーザ光が走査拡大レンズ５６と障害物との間を往復した時間とみなすことができる。

このように時間差ｔを算出した後、ＤＳＰ１０は、次式に基づいて、障害物までの距離を演算する。

障害物までの距離＝（時間差ｔ／２）×検出レーザ光の伝播速度
ここで、検出レーザ光の伝播速度は、例えば、約３０万ｋｍ／ｓｅｃ（真空中の速度）に設定される。

本実施の形態によれば、目標領域から反射された検出レーザ光は、走査拡大レンズ５６とビームスプリッタ５５を経由して反射光検出部５９に導かれる。したがって、別途、目標領域から反射された検出レーザ光を集めるための集光レンズを配する必要がなく、よって、集光レンズを配置することに基づくビーム照射ヘッド５０の大型化を回避することができる。

なお、本実施の形態によれば、目標領域から反射された検出レーザ光のうち走査拡大レンズ５６に入射された検出レーザ光が反射光検出部５９に導かれる。ここで、走査拡大レンズ５６は、レンズアクチュエータ５４によって生じるレーザ光の振り角に広角作用を付与するものであるから、レンズ径をそれほど大きくしなくとも、広い振り角の範囲において、目標領域から反射された検出レーザ光を反射光検出部５９へと導くことができる。

さらに、本実施の形態によれば、走査拡大レンズ５６の表面で反射された検出レーザ光の検出タイミングと障害物で反射された検出レーザ光の検出タイミングの間の時間差に基づいて障害物までの距離が求められるため、障害物までの距離の検出精度を高めることができる。

つまり、本実施の形態によれば、走査拡大レンズ５６の入射レンズ面５６ａにて反射された検出レーザ光（ＲＥ検出レーザ光）に基づく電気信号の出力タイミングと、目標領域内の障害物にて反射された検出レーザ光（ＴＧ検出レーザ光）に基づく電気信号の出力タイミングとに基づいて、障害物までの距離が算出される。ここで、これらの電気信号は、何れも同一のＰＤ５９ｃから出力されるため、これら電気信号に生じる時間遅延およびその誤差は一律となる。よって、これら電気信号の出力タイミングの時間差に回路遅延等に基づく誤差が含まれることはなく、このため、この時間差は、検出レーザ光が走査拡大レンズ５６と障害物との間を往復する際の所要時間を正確に反映するものとなる。したがって、本実施の形態によれば、障害物までの距離の検出精度を高めることができ、レーザレーダの高精度化を図ることができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、第２の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図である。

本実施の形態では、上記第１の実施形態におけるビームスプリッタ５５に代えて、偏光ビームスプリッタ５５０が配されている。また、偏光ビームスプリッタ５５０と走査拡大レンズ５６との間にλ／４波長板５５１が配されている。さらに、半導体レーザ５１０内の検出レーザ光を出射するレーザ素子は、検出レーザ光の偏光方向が偏光ビームスプリッタ５５０に対してＰ偏光となるように調整されており、また、サーボレーザ光を出射するレーザ素子は、サーボレーザ光の偏光方向が偏光ビームスプリッタ５５０に対してＳ偏光となるように調整されている。なお、その他の構成については、上記第１の実施形態と同様である。

半導体レーザ５１０から出射された検出レーザ光は、偏光方向がＰ偏光であるため偏光ビームスプリッタ５５０によって反射されることなく偏光ビームスプリッタ５５０を通過し、λ／４板５５１に入射される。検出レーザ光は、λ／４板５５１によって偏光方向が円偏光にされ、その一部は走査拡大レンズ５６の入射レンズ面５６ａで反射され、残りは走査拡大レンズ５６を通過して目標領域内に照射される。

検出レーザ光の照射位置に障害物がある場合、障害物からの反射光（ＴＧ検出レーザ光）は、走査拡大レンズ５６を介して、λ／４板５５１に入射される。ＴＧ検出レーザ光は、λ／４板５５１によって偏光方向がＳ偏光にされた後、偏光ビームスプリッタ５５０に入射される。Ｓ偏光となったＴＧ検出レーザ光は、偏光ビームスプリッタ５５０を通過することなく偏光ビームスプリッタ５５０によって反射され、ＰＤ５９ｃによって受光される。

走査拡大レンズ５６の入射レンズ面５６ａからの反射光（ＲＥ検出レーザ光）は、λ／４板５５１に入射されて偏光方向がＳ偏光にされる。そして、偏光ビームスプリッタ５５０を通過することなく偏光ビームスプリッタ５５０によって反射され、ＰＤ５９ｃによって受光される。

半導体レーザ５１０から出射されたサーボレーザ光は、偏光方向がＳ偏光であるため偏光ビームスプリッタ５５０を通過することなく偏光ビームスプリッタ５５０によって反射され、ＰＳＤ５８ｃによって受光される。

上記第１の実施形態では、半導体レーザ５１から出射される検出レーザ光は、目標領域に向かう光路においてビームスプリッタ５５によってその一部が反射されて減衰され、また、目標領域からＰＤ５９ｃに向かう光路においてビームスプリッタ５５によってその一部が透過されて減衰されるため、ＰＤ５９ｃに受光されるまでに大きなパワーロスを受けることとなる。

これに対し、本実施形態の構成では、偏光ビームスプリッタ５５０とλ／４板５５１による作用により、検出レーザ光のパワーロスを抑制することができ、効率的に検出レーザ光を目標領域とＰＤ５９ｃに導くことができる。このため、半導体レーザ５１０における検出レーザ光の出射パワーを高めずとも、障害物を高精度にて検出することができ、また、障害物の検出可能距離を大きくすることができる。

＜第３の実施形態＞
第１の実施形態および第２の実施形態においては、レーザ光の進行方向を変位させる変位手段として、レンズアクチュエータ５４を採用している。しかしながら、このような手段に限らず、他のアクチュエータを用いてレーザ光の進行方向を変位させてもよい。

図６は、アクチュエータとしてミラーアクチュエータ１００を用いた、第３の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図である。

本実施の形態では、集光レンズ５３０の後段に、ミラーアクチュエータ１００が配置されている。半導体レーザ５１から出射されたレーザ光（検出レーザ光／サーボレーザ光）は、反射ミラー５３１で反射されて集光レンズ５３０に入射する。そして、集光レンズ５３０によって収束された後、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３に入射される。ミラーアクチュエータ１００では、ミラー１１３が水平方向および垂直方向に回動される。これによって、検出レーザ光が目標領域において２次元方向に走査される。なお、ミラーアクチュエータ１００以降の構成は、上記実施の形態１と同様であるが、これに代えて、上記実施の形態２の構成を用いることもできる。

図７に、本実施の形態に係るミラーアクチュエータ１００の構成を示す。同図（ａ）はミラーアクチュエータ１００の分解斜視図、同図（ｂ）はアセンブル状態にあるミラーアクチュエータ１００の斜視図である。

同図（ａ）において、１１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１１、１１２が形成されている。また、ミラーホルダ１１０の前面には平板状のミラー１１３が装着されており、背面にはコイル１１４が装着されている。なお、コイル１１４は、方形状に巻回されている。

１２０は、ミラーホルダ１１０を支軸１１１、１１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠１２０には、ミラーホルダ１１０を収容するための開口１２１が形成されており、また、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２と係合する溝１２２、１２３が形成されている。さらに、可動枠１２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸１２４、１２５が形成され、背面には、コイル１２６が装着されている。コイル１２６は、方形状に巻回されている。

１３０は、可動枠１２０を支軸１２４、１２５を軸として回動可能に支持する固定枠である。固定枠１３０には、可動枠１２０を収容するための凹部１３１が形成され、また、可動枠１２０の支軸１２４、１２５と係合する溝１３２、１３３が形成されている。さらに、固定枠１３０の内面には、コイル１１４に磁界を印加するマグネット１３４と、コイル１２６に磁界を印加するマグネット１３５が装着されている。なお、溝１３２、１３３は、それぞれ固定枠１３０の前面から上下２つのマグネット１３５間の隙間内まで延びている。

１４０は、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２が可動枠１２０の溝１２２、１２３から脱落しないよう、支軸１１１、１１２を前方から押さえる押さえ板である。また、１４１は、可動枠１２０の支軸１２４、１２５が固定枠１３０の溝１３２、１３３から脱落しないよう、支軸１２４、１２５を前方から押さえる押さえ板である。

ミラーアクチュエータ１００をアセンブルする際には、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２を可動枠１２０の溝１２２、１２３に係合させ、さらに、支軸１１１、１１２の前面を押さえるようにして、押さえ板１４０を可動枠１２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１１０が、可動枠１２０によって、回動可能に支持される。

このようにしてミラーホルダ１１０を可動枠１２０に装着した後、可動枠１２０の支軸１２４、１２５を固定枠１３０の溝１３２、１３３に係合させ、さらに、支軸１３２、１３３の前面を押さえるようにして、押さえ板１４１を固定枠１３０の前面に装着する。これにより、可動枠１２０が、回動可能に固定枠１３０に装着され、ミラーアクチュエータ１００のアセンブルが完了する。

ミラーホルダ１１０が可動枠１２０に対し支軸１１１、１１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１１３が回動する。また、可動枠１２０が固定枠１３０に対し支軸１２４、１２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１１０が回動し、ミラーホルダ１１０と一体的にミラー１１３が回動する。このように、ミラーホルダ１１０は、互いに直交する支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５によって、２次元方向に回動可能に支持され、ミラーホルダ１１０の回動に伴って、ミラー１１３が２次元方向に回動する。

なお、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３４は、コイル１１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０に支軸１１１、１１２を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１１４に電流を印加すると、コイル１１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１１０が、支軸１１１、１１２を軸として回動する。

また、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３５は、コイル１２６に電流を印加することにより、可動枠１２０に支軸１２４、１２５を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１２６に電流を印加すると、コイル１２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠１２０が、支軸１２４、１２５を軸として回動する。

このように、コイル１１４とコイル１２６に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０と可動枠１２０がそれぞれ支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５を軸として回動する。これにより、ミラー１１３が、ミラーホルダ１１０と一体となって、２次元方向に回動する。

なお、アクチュエータ駆動部４０は、ミラーアクチュエータ１００を駆動すべく、コイル１１４およびコイル１２６に印加するよう構成される。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能なものである。また、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

第１の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図 第１の実施形態に係るレンズアクチュエータの構成を示す図 第１の実施形態に係る検出レーザ光によるスキャン軌道を例示する図 第１の実施形態に係る半導体レーザからの検出レーザ光の出射タイミングとＰＤアンプの出力との関係を示す図 第２の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図 第３の実施形態に係るレーザレーダの構成を示す図 第３の実施形態に係るミラーアクチュエータの構成を示す図

符号の説明

１０ ＤＳＰ
５０ ビーム照射ヘッド
５１ 半導体レーザ
５４ レンズアクチュエータ
５５ ビームスプリッタ
５６ 走査拡大レンズ
５９ 反射光検出部
５９ａ 集光レンズ
５９ｃ ＰＤ
７０ ＡＤＣ
８０ ＰＤアンプ
１００ ミラーアクチュエータ
５１０ 半導体レーザ
５５０ 偏光ビームスプリッタ
５５１ λ／４板

Claims (6)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記レーザ光の進行方向を制御信号に応じて変位させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータによって生じる前記レーザ光の振り角に広角作用を付与する走査拡大レンズと、
   前記アクチュエータと前記走査拡大レンズとの間に配され、前記アクチュエータ側から入射されるレーザ光の少なくとも一部を通過させるとともに、前記走査拡大レンズ側から入射されるレーザ光の少なくとも一部を側方に反射させる分光素子と、
   前記分光素子によって反射された前記レーザ光を受光して電気信号を出力する光検出器とを有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
2. 請求項１に記載のビーム照射装置において、
   前記アクチュエータは、前記光源から出射されたレーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸に垂直な方向に変位されるレンズ素子を備える、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項１に記載のビーム照射装置において、
   前記アクチュエータは、前記光源から出射されたレーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸に垂直な軸を回動軸として回動されるミラー素子を備える、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
4. 請求項１ないし３に記載のビーム照射装置において、
   前記分光素子として偏光ビームスプリッタが配置され、
   前記偏光ビームスプリッタと前記走査拡大レンズとの間にλ／４板が配置される、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
5. レーザ光を目標領域内に照射し、その反射光の受光状態から目標領域の状態を検出するレーザレーダであって、
   請求項１ないし４の何れか一項に記載のビーム照射装置と、
   前記光検出器から出力される電気信号に基づいて目標領域内の状態を検出する検出回路とを備える、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
6. 請求項５に記載のレーザレーダにおいて、
   前記検出回路は、前記走査拡大レンズのレンズ面にて反射された前記レーザ光に基づく前記電気信号の出力タイミングと、前記目標領域内の被検出物にて反射された前記レーザ光に基づく前記電気信号の出力タイミングとに基づいて、前記被検出物までの距離を算出する、
   ことを特徴とするレーザレーダ。

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