JP2009121836A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光効率が良く、検出性能に優れたレーザレーダ装置を提供する。
【解決手段】レーザレーダ装置１は、レーザ光Ｌ０の経路上にミラー３０が設けられており、このミラー３０は、レーザ光Ｌ０の光軸に対し所定角度で傾斜してなる反射面３１と、この反射面３１と交差する方向の貫通路３２と、を備え、貫通路３２を介してレーザ光を通過させる一方、反射面３１により検出物体からの反射光Ｌ３をフォトダイオード２０に向けて反射する構成をなしている。また、貫通路３２を通過したレーザ光Ｌ１の経路上には、平面反射部４４と凹面反射部４３とが中心軸４２ａを中心として一体的に回動する回動偏向機構４０が設けられており、貫通路３２を通過したレーザ光Ｌ１を平面反射部４４によって空間に向けて反射し、且つ検出物体からの反射光Ｌ３を少なくとも凹面反射部４３によりミラー３０に向けて反射する構成をなしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。

従来より、レーザ光を用いて検出物体までの距離や方位を検出する技術として例えば特許文献１のような装置が提供されている。この特許文献１の装置では、レーザ光発生手段からのレーザ光の光軸上に、レーザ光を透過させ、かつ検出物体からの反射光を検出手段に向けて反射する光アイソレータを設けている。さらに、光アイソレータを透過するレーザ光の光軸上において当該光軸方向の中心軸を中心として回動する凹面鏡を設け、この凹面鏡によってレーザ光を空間に向けて反射させると共に、検出物体からの反射光を光アイソレータに向けて反射させることで３６０°の水平走査を可能としている。
特許第２７８９７４１号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、レーザ光及び反射光の共通の光路上に光アイソレータを設けており、この光アイソレータによってレーザ光の透過と反射光の反射とを共に実現しているため、当該光アイソレータに起因する光量の低下が問題となる。即ち、このように光アイソレータを用いてレーザ光の透過及び反射光の反射を実現する場合、レーザ光の透過に際して当該レーザ光の減衰が生じてしまい、更に反射光の反射に際しても当該反射光の減衰が避けられないため、レーザ光の投光量に対する反射光の受光量の割合（即ち分光効率）は低くならざるを得ない。このように分光効率が悪いと、検出性能の低下（例えば遠方の物体が検出しにくくなる等）が問題となり、それを補うべく特別な構成（例えば光アイソレータの有効受光面積を大きくする等）を用いようとすると装置大型化が避けられない。

また、特許文献１のような凹面鏡を用いてレーザ光発生手段からのレーザ光を空間に向けて反射しようとした場合、反射面にて反射したレーザ光が拡散することが懸念される。特に、レーザ光発生手段に位置ずれや傾きずれが生じた場合、凹面鏡において拡がり角の大きい拡散光に変換されやすくなる。このようなレーザ光の拡散は、検出可能距離の低下を招き、遠方の物体を検出する上で極めて不利となる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、分光効率が良く、検出性能に優れたレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する検出手段と、前記レーザ光の光軸に対し所定角度で傾斜してなる反射面を有するとともに、前記反射面と交差する方向の貫通路を備え、前記貫通路を介して前記レーザ光を通過させる一方、前記反射面により前記反射光を前記検出手段に向けて反射するミラーと、前記貫通路を通過した前記レーザ光の経路上に配される平面状反射面を備えた平面反射部と、前記平面状反射面よりも広い領域の凹面状反射面を備えた凹面反射部と、を有すると共に、前記平面反射部と前記凹面反射部とが所定の中心軸を中心として一体的に回動するように構成された回動偏向手段と、前記回動偏向手段を駆動する駆動手段と、を備え、前記凹面反射部は、前記中心軸上に焦点位置が設定される構成をなしており、前記貫通路を通過した前記レーザ光を前記平面反射部によって空間に向けて反射し、且つ前記検出物体からの前記反射光を少なくとも前記凹面反射部により前記ミラーに向けて反射することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザレーダ装置において、前記ミラーと前記検出手段との間には、前記反射光を集光する集光レンズが設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のレーザレーダ装置において、前記回動偏向手段は、前記平面反射部の前記平面状反射面に隣接して当該平面状反射面を取り囲むように前記凹面反射部の前記凹面状反射面が配置されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置において、前記中心軸は、前記貫通孔を通過する前記レーザ光の光軸方向に延びるものであり、前記貫通路の内周面は、当該貫通路を通過する前記レーザ光の光軸と直交する仮想平面への正投影が略円形となるように構成されており、前記凹面反射部と前記平面反射部との境界は、前記仮想平面への正投影が略円形となるように構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置において、前記平面反射部は、当該平面反射部にて反射される反射レーザ光の照射領域が、当該平面反射部に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるように前記レーザ光を変換する光学素子からな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装置において、前記光学素子は回折格子であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載のレーザレーダ装置において、前記所定パターンは、照射光量の低い低光量領域の周囲を、当該低光量領域よりも照射光量が高い高光量領域によって囲んでなる環状パターンであることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項５又は請求項６に記載のレーザレーダ装置において、前記所定パターンは、照射光量の低い低光量領域を挟むように当該低光量領域よりも照射光量が高い一対の高光量領域が対向してなる対向パターンであることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８に記載のレーザレーダ装置において、前記対向パターンは、前記中心軸の方向に前記高光量領域が対向することを特徴とする。

請求項１の発明では、レーザ光の光軸に対し所定角度で傾斜してなるミラーを設け、このミラーに貫通路を形成することで当該貫通路を介してレーザ光を通過させ、他方、ミラーの反射面により、検出物体からの反射光を検出手段に向けて反射させる構成としている。従って、レーザ光の透過及び反射光の反射に際して光量が低下しにくく、ひいては装置の検出性能を効果的に高めることができる。さらに、貫通路を通過したレーザ光を平面反射部によって空間に向けて反射しているため、空間に向けて反射する際のレーザ光の拡散を効果的に抑えることができ、より遠方の物体を検出できるようになる。その一方で、検出物体からの反射光については凹面反射部によりミラーに向けて反射しているため、反射光を効率的にミラーや検出手段に導くことができる。

請求項２の発明では、ミラーと検出手段の間に反射光を集光する集光レンズが設けられているため、かつミラーと検出手段との距離、或いはミラーと回動偏向手段との距離をより小さくできると共に、検出手段をより小型構成とすることができ、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。

請求項３の発明では、平面反射部の平面状反射面に隣接して当該平面状反射面を取り囲むように凹面反射部の凹面状反射面が配置されている。このようにすれば、レーザ光発生手段からのレーザ光を空間側に良好に反射できると共に、その反射部位（平面反射部）の周囲の領域を利用して検出物体からの反射光を良好に取り込み、当該反射光をミラーに好適に導くことができる。

請求項４の発明では、貫通路の内周面を当該貫通路を通過するレーザ光の光軸と直交する仮想平面へ投影したときの正投影が略円形となるように構成されており、凹面反射部と平面反射部との境界を当該仮想平面へ投影したときの正投影も略円形となるように構成されている。このようにすれば、レーザ光の光量の大となる中心領域をより効率よく透過させることができ、無駄なスペースが生じにくい貫通路形状となる。また、レーザ光の光量の大となる中心領域により対応した平面反射部形状となるため、平面反射部を無駄の多い形状とすることなくより効率的に配置できるようになる。

請求項５の発明では、平面反射部が光学素子によって構成されており、この光学素子は、当該光学素子にて反射される反射レーザ光の照射領域が、当該光学素子に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する機能を有している。このようにすれば、検出物体にて反射した反射光が貫通孔の領域に入光しにくくなり、ミラーによって反射光を反射する際の減衰を効果的に抑えることができる。また、ミラーから回動偏向手段に至るまでの経路、或いは回動偏向手段から空間に至るまでの経路等に独立して光学素子を配置する構成と比較して光学素子の配置スペースを削減しやすく、ひいては装置構成の簡素化、コンパクト化を図りやすくなる。

請求項６の発明では、レーザ光を変換するための光学素子が回折格子によって構成されている。このようにすれば、入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成を好適に実現できる。

請求項７の発明に用いられる光学素子は、照射光量の低い低光量領域の周囲を高光量領域によって囲んでなる環状パターンを構成するように変換を行っている。このように中心部分の光量を抑える環状パターンを構成すれば、反射光が貫通孔の領域により一層入光しにくくなり、ミラーでの減衰をより効果的に抑えることができる。

請求項８の発明に用いられる光学素子は、低光量領域と、当該低光量領域を挟む一対の高光量領域とを有してなる対向パターンを構成するように変換を行っている。このように中央に低光量領域を配し、その両側に高光量領域を配するように対向パターンを構成すれば、反射光が貫通孔の領域により一層入光しにくくなり、ミラーでの減衰をより効果的に抑えることができる。

請求項９の発明では、中心軸の方向に高光量領域が対向するように対向パターンが構成されている。このようにすれば、中心軸と直交する方向（横方向）に高光量領域が対向する構成と比較して対向パターンの横方向のサイズを小さくしやすくなり、ひいては水平走査をより細分化でき、分解能をより大きくすることができる。

[第１実施形態]
以下、本発明のレーザレーダ装置を具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１は第１実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。図２は図１のレーザレーダ装置におけるミラーの構成を説明する説明図である。また、図３は、図２のミラーを概略的に例示する斜視図である。図４は、図１のレーザレーダ装置に用いる凹面鏡を概略的に例示する斜視図である。図５は、図４の凹面鏡の断面図である。なお、図１では、レーザレーダ装置１の右方に存在する照射対象面Ｆにレーザ光が照射される様子を示しており、照射対象面Ｆの右側には当該照射対象面Ｆにて構成される照射パターンを正面から見た様子を示している。また、図３の下方には、貫通孔を凹面鏡の中心軸と直交する仮想平面に正投影した図形を示しており、図５の下方には、平面反射部の境界を凹面鏡の中心軸と直交する仮想平面に正投影した図形を示している。

図１に示すように、レーザレーダ装置１は、レーザダイオード１０と、検出物体からの反射光Ｌ３を受光するフォトダイオード２０とを備え、検出物体までの距離や方位を検出する装置として構成されている。レーザダイオード１０は、「レーザ光発生手段」の一例に相当するものであり、図示しない駆動回路からパルス電流を供給されてパルスレーザ光（レーザ光Ｌ０）を投光するものである。フォトダイオード２０は、「検出手段」の一例に相当するものであり、レーザダイオード１０からレーザ光Ｌ０が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光Ｌ０の反射光Ｌ３を検出し電気信号に変換する構成をなしている。なお、検出物体からの反射光については所定領域のものが取り込まれる構成となっており、図１の例では、符号Ｌ３で示す２つのライン間の領域の反射光が取り込まれるようになっている。

レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０の光軸上にはレンズ６０及びミラー３０が設けられている。レンズ６０は、コリメートレンズとして構成されるものであり、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０を平行光に変換する。

ミラー３０は、レーザ光Ｌ０の透過と反射光Ｌ３の反射を実現するものである。具体的には、レーザ光Ｌ０の光軸に対し所定角度（例えば４５°）で傾斜してなる反射面３１を有するとともに、反射面３１と交差する方向の貫通路３２を備えている。本構成では、レーザ光Ｌ０の光軸と反射光Ｌ３の光軸とを一致させる構成としており、ミラー３０は、共通の光軸上に配されて貫通路３２を介してレーザ光Ｌ０を通過させる一方、反射面３１により反射光Ｌ３をフォトダイオード２０に向けて反射する構成をなしている。

図２の上図はミラー３０を光軸に沿って切断した断面を概略的に示すものであり、本実施形態に係るレーザレーダ装置１では、ミラー３０においてレーザ光Ｌ０の光軸方向に貫通するように貫通路３２が形成されている。貫通路３２は、ミラー３０の一方側の板面３３と他方側の板面（図２では反射面３１）を連通する孔として構成されている。図２、図３に示すように、貫通路３２の内周面は、レーザ光Ｌ０の光軸を中心とし、かつ径Ｄ１の円筒面として構成されるものであり、図２下図に示すように、貫通路３２を通過するレーザ光Ｌ０の光軸と直交する仮想平面への正投影が円形となるように構成されている。なお、図２下図では、紙面が上記仮想平面に相当し、貫通路３２の内周面を仮想平面に投影した図形が符号３４にて表されている。この場合、レーザ光Ｌ０の光軸を仮想平面に正投影した位置が符号Ｐ１の位置となり、貫通路３２の内周面の正投影は、当該位置Ｐ１を中心とする径Ｄ１の円となる。

なお、上述したように、図１においてレーザダイオード１０から貫通路３２までのレーザ光Ｌ０の光路上に、レーザ光Ｌ０を平行光に変換するレンズ６０が設けられているが、このレンズ６０は、貫通路３２内にほぼすべての光が進入するサイズの平行光を発生させる形態とすると良い。逆に、貫通路３２に着目した場合、当該貫通路３２は、レンズ６０によって平行光とされたレーザ光Ｌ０のほぼすべての光を通過させるサイズとすると良い。例えばレンズ６０によって平行光とされたレーザ光Ｌ０の光軸の径が、貫通路３２の径と同一又は貫通路３２の径よりも若干小さくなるようにレーザ光Ｌ０を設定しかつ貫通路３２を構成できる。

また、上記貫通路３２はハーフミラー８０によって閉塞されている。このハーフミラー８０は、貫通路３２内における凹面鏡４１側の端部に配置されており、ハーフミラー８０の外面とミラー３０の反射面とがほぼ同一平面上に配される格好となっている。ハーフミラー８０は、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０を透過し、かつ凹面鏡４１からのからの光を反射するように機能する。

ミラー３０を通過するレーザ光Ｌ０（通過後のレーザ光はＬ１として図示）の光軸上には、回動偏向機構４０が設けられている。この回動偏向機構４０は、凹面鏡４１と、凹面鏡４１に連結される軸４２と、この軸４２を回転可能に支持する図示しない軸受とを備えている。

凹面鏡４１は、レーザ光Ｌ０，Ｌ１の光軸方向に延びる中心軸４２ａを中心として回動可能に配設されるとともに、この中心軸４２ａ上に焦点位置が設定されており、レーザダイオード１０からのレーザ光を空間に向けて反射し且つ検出物体からの反射光Ｌ３をミラー３０に向けて反射するように機能する。なお、凹面鏡４１の具体的構成については後述する。

さらに、回動偏向機構４０を回転駆動するようにモータ５０が設けられている。このモータ５０は、「駆動手段」の一例に相当するものであり、軸４２を回転させることで、軸４２と連結された回動可能な凹面鏡４１を回転駆動する構成となっている。モータ５０は、ここではステップモータによって構成されている。ステップモータは、種々のものを利用でき、１ステップ毎の角度が小さいものを使用すれば、緻密な回動が可能となる。また、モータ５０としてステップモータ以外の駆動手段を用いてもよい。例えばサーボモータ等を用いても良いし、定常回転するモータを用い、凹面鏡４１が測距したい方向を向くタイミングに同期させてパルスレーザ光を出力することで、所望の方向の検出を可能としてもよい。なお、本実施形態では、図１に示すように、モータ５０の軸４２の回転角度位置（即ち凹面鏡４１の回転角度位置）を検出する回転角度位置センサ５２が設けられている。回転角度位置センサ５２は、ロータリーエンコーダなど、軸４２の回転角度位置を検出しうるものであれば様々な種類のものを使用でき、また、検出対象となるモータ５０の種類も特に限定されず、様々な種類のものに適用できる。

また、ミラー３０とフォトダイオード２０の間には、集光レンズ１１０が設けられている。集光レンズ１１０は、凹面鏡４１によって反射され、かつミラー３０によって反射されたレーザ光Ｌ２を集光する構成をなしており、本実施形態ではこの集光レンズ１１０の焦点位置にフォトダイオード２０の検出面が配置されている。

さらに本実施形態では、レーザダイオード１０、フォトダイオード２０、ミラー３０、レンズ６０、回動偏向機構４０、モータ５０等がケース３内に収容され、防塵や衝撃保護が図られている。ケース３における凹面鏡４１の周囲には、当該凹面鏡４１を取り囲むようにレーザ光Ｌ１及び反射光Ｌ３の通過を可能とする導光部４が形成されている。導光部４は、凹面鏡４１に入光するレーザ光Ｌ１の光軸を中心とした環状形態で、ほぼ３６０°に亘って構成されており、この導光部４を閉塞する形態でガラス板等からなる透明板５が配され、防塵が図られている。なお、透明板５は、凹面鏡４１に入光するレーザ光Ｌ１の光軸と直交する仮想平面に対しほぼ全周にわたり傾斜した構成となっている。即ち、凹面鏡４１から空間に向かうレーザ光Ｌ１に対して板面が傾斜した構成をなしている。従って、凹面鏡４１から空間に向かうレーザ光Ｌ０が透明板５にて反射してもノイズ光となりにくくなっている。

次に、凹面鏡４１について説明する。凹面鏡４１は、貫通路３２を通過したレーザ光Ｌ１の経路上に配される平面状反射面４４ａを備えた平面反射部４４と、平面状反射面４４ａよりも広い領域の凹面状反射面４３ａを備えた凹面反射部４３と、を有すると共に、平面反射部４４と凹面反射部４３とが中心軸４２ａを中心として一体的に回動するように構成されている。平面上反射面４３ａは平坦な反射面として構成されており、レーザ光の光軸に対して所定角度（例えば４５°）で傾斜している。凹面反射部４３の凹面状反射面４３ａは、湾曲した構成をなすと共に中心軸４２ａ上に焦点位置が設定される構成となっている。即ち、検出物体からの反射光が凹面反射部４３にて反射されると、中心軸４２ａ上に設定される焦点位置に向けて集光されるようになっている。

具体的には、図４のように、平面反射部４４の平面状反射面４４ａに隣接して当該平面状反射面４４ａを取り囲むように凹面反射部４３の凹面状反射面４３ａが配置されており、レーザダイオード１０からのレーザ光（具体的にはレーザ光Ｌ１）の入射位置に、平面反射部３４４の平面状反射面３４４ａが配される構成となっている。また、図５下図のように、凹面反射部４３と平面反射部４４との境界（即ち平面反射部４４の外縁）は、レーザ光Ｌ０，Ｌ１と直交する仮想平面（即ち中心軸４２ａと直交する仮想平面）への正投影が略円形となるように構成されている。なお、図５下図では、紙面が上記仮想平面に相当し、凹面反射部４３と平面反射部４４との境界を仮想平面に投影した図形が符号４６にて表されている。この場合、レーザ光Ｌ０，Ｌ１の光軸を仮想平面に正投影した位置が符号Ｐ２の位置となり、凹面反射部４３と平面反射部４４との境界の正投影は、当該位置Ｐ２を中心とする径Ｄ２の円となる。なお、図１等の例では平面反射部４４と凹面反射部４３とを異なる材質で形成した例を示しているがこれらを同材質にて形成してもよい。

このように構成される凹面鏡４１は、貫通路３２を通過したレーザ光Ｌ１を平面反射部４４によって空間に向けて反射し、且つ検出物体からの反射光を凹面反射部４３及び平面反射部４４によりミラー３０に向けて反射するように機能する。

さらに、本実施形態のレーザレーダ装置１は、レーザダイオード１０（レーザ光発生手段）から空間に向かうレーザ光の光路上（具体的には、レーザダイオード１０から貫通路３２までのレーザ光Ｌ０の光路上）においてレーザ光を受ける光学素子１００が配されている。

この光学素子１００は、透過型回折格子からなるものであり、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０を透過させる構成をなしており、かつ、当該光学素子１００から出射する出射レーザ光の照射領域が、当該光学素子１００に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成をなしている。光学素子１００に入射する入射レーザ光は、レンズ６０を通過した後の平行光であり、光学素子１００は、この平行光による照射領域よりも当該光学素子１００通過後の出射レーザ光の照射領域のほうが大きくなるようにレーザ光を広がらせている。なお、本実施形態の構成では、光学素子１００によって照射領域を広がらせるようにレーザ光を変換しているため、図１のような照射対象面Ｆに照射されるレーザ光Ｌ１の照射エリアは、光学素子１００を省略した場合（即ち図１の構成から光学素子１００を除いた場合）よりも大きくなる。

図１では、光学素子１００による変換後のレーザ光によって描かれる「所定パターン」の一例を示しており、この例では、照射光量の低い低光量領域Ａ１の周囲が、当該低光量領域よりも照射光量が高い高光量領域Ａ２によって囲まれるように環状パターンＰ１が構成されている。なお、レーザ光を回折格子によって回折して所望のパターンを描くように変換する技術については公知であるので詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態では、図１のハーフミラー８０が、貫通路３２を通過するレーザ光Ｌ０の通過光路上に配置されてレーザ光Ｌ０を分光する分光手段として機能しており、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０を、凹面鏡４１に向かう第一の光Ｌ１と、第一の光Ｌ１とは異なる方向に向かう第二の光Ｌ２とに分光している。図１に示すように、第二の光Ｌ２は、ハーフミラー８０によってフォトダイオード２０に向かうように分光され、フォトダイオード２０によって光量の検出が可能となっている。第二の光Ｌ２は、投光されたレーザ光Ｌ０を反映した光量となるため、この第二の光Ｌ２に基づいてレーザダイオード１０のフィードバック制御を行えば、レーザダイオード１０にて投光されるレーザ光Ｌ０の光量をより適切に制御できることとなる。なお、このような制御は、ＣＰＵ等によって構成される制御手段８２と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成される記憶手段８４によって行うことができる。

次に、レーザレーダ装置１の作用について説明する。図１に示すレーザレーダ装置１では、レーザダイオード１０にパルス電流が供給されると、このレーザダイオード１０からはパルス電流のパルス幅に応じた時間間隔のパルスレーザ光（レーザ光Ｌ０）が出力される。このレーザ光Ｌ０は、ある程度の広がり角をもった拡散光として投光され、レンズ６０を通過することで平行光に変換される。レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ０は、光学素子１００によって更なる変換（上述）が行われ、ミラー３０に形成された貫通路３２を通過する。貫通路３２通過後のレーザ光Ｌ１は、凹面鏡４１の平面反射部４４に入射し、この平面反射部４４にて反射されて空間に向けて照射される。

凹面鏡４１によって反射されたレーザ光Ｌ１は検出物体によって反射され、この反射光の一部（反射光Ｌ３参照）は凹面鏡４１の平面反射部４４又は凹面反射部４３に入射する。凹面鏡４１は、この反射光Ｌ３を集光しつつミラー３０へ向けて反射する。ミラー３０では、この反射光Ｌ３がフォトダイオード２０へ向けて反射され、フォトダイオード２０は、受光した反射光Ｌ３に応じた電気信号（例えば受光した反射光Ｌ３に応じた電圧値）を出力する。この構成では、レーザダイオード１０によってレーザ光Ｌ０を出力してからフォトダイオード２０によってその反射光Ｌ３を検出するまでの時間を測定することにより検出物体までの距離を求めることができる。また、そのときの、凹面鏡４１に位置によって方位をも求めることができる。

本実施形態の構成では、レーザ光Ｌ０の光軸に対し所定角度で傾斜してなるミラー３０を設け、このミラー３０に貫通路３２を形成することで当該貫通路３２を介してレーザ光を通過させ、他方、ミラー３０の反射面３１により、検出物体からの反射光Ｌ３をフォトダイオード２０に向けて反射させる構成としている。従って、ミラー３０におけるレーザ光Ｌ０の透過及び反射光Ｌ３の反射に際して光量が低下しにくく、ひいては装置の検出性能を効果的に高めることができる。さらに、貫通路３２を通過したレーザ光Ｌ１を平面反射部４４によって空間に向けて反射しているため、空間に向けて反射する際のレーザ光の拡散を効果的に抑えることができ、より遠方の物体を検出できるようになる。その一方で、検出物体からの反射光Ｌ３については少なくとも凹面反射部４３によりミラー３０に向けて反射しているため、反射光Ｌ３を効率的にミラー３０やフォトダイオード２０に導くことができる。

また、ミラー３０とフォトダイオード２０の間に反射光Ｌ３を集光する集光レンズ１１０が設けられているため、かつミラー３０とフォトダイオード２０との距離、或いはミラー３０と回動偏向機構４０との距離をより小さくできると共に、フォトダイオード２０をより小型構成とすることができ、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。

また、平面反射部４４の平面状反射面４４ａに隣接して当該平面状反射面４４ａを取り囲むように凹面反射部４３の凹面状反射面４３ａが配置されている。このようにすれば、レーザダイオード１０からのレーザ光を空間側に良好に反射できると共に、その反射部位（平面反射部４４）の周囲の領域を利用して検出物体からの反射光Ｌ３を良好に取り込み、当該反射光Ｌ３をミラーに好適に導くことができる。

また、貫通路３２の内周面を当該貫通路３２を通過するレーザ光の光軸と直交する仮想平面へ投影したときの正投影が略円形となるように構成されており、凹面反射部４３と平面反射部４４との境界を当該仮想平面へ投影したときの正投影も略円形となるように構成されている。このようにすれば、レーザ光の光量の大となる中心領域をより効率よく透過させることができ、無駄なスペースが生じにくい貫通路形状となる。また、レーザ光の光量の大となる中心領域により対応した平面反射部形状となるため、平面反射部を無駄の多い形状とすることなくより効率的に配置できるようになる。

また、レーザダイオード１０から空間までのレーザ光の経路上に光学素子１００が配置されており、この光学素子１００は、当該光学素子１００にて反射される反射レーザ光の照射領域が、当該光学素子１００に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する機能を有している。このようにすれば、検出物体にて反射した反射光Ｌ３が貫通孔３２の領域に入光しにくくなり、ミラー３０によって反射光を反射する際の減衰を効果的に抑えることができる。また、ミラー３０から回動偏向機構４０に至るまでの経路、或いは回動偏向機構４０から空間に至るまでの経路等に独立して光学素子を配置する構成と比較して光学素子の配置スペースを削減しやすく、ひいては装置構成の簡素化、コンパクト化を図りやすくなる。

また、レーザ光を変換するための光学素子１００が回折格子によって構成されている。このようにすれば、入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成を好適に実現できる。

また、光学素子１００は、照射光量の低い低光量領域Ａ１の周囲を高光量領域Ａ２によって囲んでなる環状パターンを構成するように変換を行っている。このように中心部分の光量を抑える環状パターンを構成すれば、反射光が貫通孔の領域により一層入光しにくくなり、ミラーでの減衰をより効果的に抑えることができる。

［第２実施形態]
次に第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態のレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。図７は、第２実施形態のレーザレーダ装置に用いる凹面鏡を概略的に例示する斜視図である。なお、図６では、レーザレーダ装置２００の右方に存在する照射対象面Ｆにレーザ光が照射される様子を示しており、照射対象面Ｆの右側には当該照射対象面Ｆにて構成される照射パターンを正面から見た様子を示している。

第２実施形態のレーザレーダ装置２００は、図１の光学素子１００を省略した点、及び回動偏向機構の構成（具体的には平面反射部４４に代えて光学素子からなる平面反射部２４４を設けた点）が第１実施形態のレーザレーダ装置１と異なり、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。よって異なる部分について重点的に説明し、同様の部分については第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略することとする。

本実施形態のレーザレーダ装置１００も、第１実施形態と同様に、レーザ光Ｌ０を発生するレーザダイオード１０（レーザ光発生手段）と、レーザダイオード１０からレーザ光Ｌ０が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光の反射光Ｌ３を検出するフォトダイオード２０（検出手段）と、反射面３１及び貫通路３２を備えたミラー３０と、を備えている。ミラー３０の反射面３１は、レーザダイオード１０から凹面鏡２４１に向かうレーザ光Ｌ０の光軸に対し所定角度（例えば４５°）で傾斜しており、貫通路３２は、ミラー３０を反射面３１と交差する方向に貫く形態で形成されている。

また、ミラー３０は、レーザダイオード１０から凹面鏡２４１へと向かうレーザ光Ｌ０を貫通路３２を介して通過させ、、かつ凹面鏡２４１にて反射された検出物体からの反射光Ｌ３を反射面３１によりフォトダイオード２０に向けて反射する構成をなしている。また、貫通路３２の一部はハーフミラー８０によって閉塞されており、このハーフミラー８０は、第１実施形態と同様にレーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ０を透過し、かつ凹面鏡２４１からの光（即ち、検出物体からの反射光Ｌ３）を反射する構成をなしている。また、第１実施形態と同様に、ミラー３とフォトダイオード２０との間には、反射光Ｌ３を集光する集光レンズ１１０が設けられている。なお、ケース３、導光部４、透明板５の構成は、第１実施形態と同様の構成となっている。

レーザレーダ装置２００の凹面鏡２４１は、中心軸４２ａを中心として回動可能に構成されており、回動偏向機構２４０（回動偏向手段）は、当該凹面鏡２４１によりレーザ光（ハーフミラー８０を透過したレーザ光Ｌ１）を空間に向けて偏向させ、且つ検出物体からの反射光Ｌ３をミラー３０に向けて偏向する構成をなしている。なお、軸４２、モータ５０（駆動手段）、回転角度位置センサ５２は第１実施形態と同様の構成をなしている。

レーザレーダ装置２００に用いる凹面鏡２４１は、図６、図７に示すように、第１実施形態と同様の凹面反射部４３が設けられている。この凹面反射部４３は、湾曲した凹面状の反射面（凹面状反射面４３ａ）を備えており、中心軸４２ａ上に焦点位置が設定される構成をなしている。即ち、検出物体からの反射光Ｌ３が凹面反射部４３にて反射されると、中心軸４２ａ上に設定される焦点位置に向けて集光されるようになっている。なお、第１実施形態と同様に、凹面鏡２４１の回転中心となる中心軸４２ａは、レーザダイオード１０から凹面鏡２４１に向かうレーザ光Ｌ０の光軸方向に延びている。

また、凹面鏡２４１には、凹面反射部４３の凹面状反射面４３ａに隣接して当該凹面状反射面４３ａよって取り囲まれる平面反射部２４４が設けられている。平面反射部２４４は、平坦な反射面（平面状反射面２４４ａ）を備えており、この平面状反射面２４４ａが貫通孔３２を通過したレーザ光Ｌ１の入射位置に配される構成となっている。

さらに本実施形態のレーザレーダ装置２００では、凹面鏡２４１の平面反射部２４４が反射型回折格子によって構成されており、レーザダイオード１０からのレーザ光（ハーフミラー８０を通過したレーザ光Ｌ１）を反射すると共に当該平面反射部２４４で反射されたレーザ光の照射領域が、当該平面反射部２４４に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成をなしている。具体的には、平面反射部２４４に入射する入射レーザ光は、レンズ６０を通過した後の平行光であるため、平面反射部２４４は、この平行光による照射領域よりも当該平面反射部２４４での反射後の出射レーザ光の照射領域のほうが大きくなるようにレーザ光を広がらせている。なお、平面反射部２４４での変換後（反射後）のレーザ光Ｌ１によって描かれる「所定パターン」は、第１実施形態と同様であり、照射光量の低い低光量領域Ａ１の周囲が、当該低光量領域よりも照射光量が高い高光量領域Ａ２によって囲まれるように環状パターンＰ１が構成されている。なお、平面反射部２４４を構成する反射型回折格子は「光学素子」の一例に相当する。

本実施形態のレーザレーダ装置２００によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することとなる。さらに本実施形態では、平面反射部２４４が光学素子によって構成されており、この光学素子は、当該光学素子にて反射される反射レーザ光の照射領域が、当該光学素子に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する機能を有している。このようにすれば、検出物体にて反射した反射光Ｌ３が貫通孔３２の領域に入光しにくくなり、ミラー３０によって反射光Ｌ３を反射する際の減衰を効果的に抑えることができる。また、ミラー３０から回動偏向機構２４０に至るまでの経路、或いは回動偏向機構２４０から空間に至るまでの経路等に独立して光学素子を配置する構成と比較して光学素子の配置スペースを削減しやすく、ひいては装置構成の簡素化、コンパクト化を図りやすくなる。

また、レーザ光を変換するための光学素子が回折格子によって構成されている。このようにすれば、入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成を好適に実現できる。

また、上記光学素子は、照射光量の低い低光量領域Ａ１の周囲を高光量領域Ａ２によって囲んでなる環状パターンＰ１を構成するように変換を行っている。このように中心部分の光量を抑える環状パターンを構成すれば、反射光が貫通孔の領域により一層入光しにくくなり、ミラーでの減衰をより効果的に抑えることができる。

［第３実施形態]
次に第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。本実施形態のレーザレーダ装置３００は回動偏向機構の構成（具体的には平面反射部２４４に代えて平面反射部３４４を設けた点）が第２実施形態のレーザレーダ装置２００と異なり、それ以外の構成は第２実施形態と同様である。よって異なる部分について重点的に説明し、同様の部分については第２実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略することとする。

レーザレーダ装置３００に用いる凹面鏡３４０も、第１実施形態と同様の構成をなす凹面反射部４３が設けられている。この凹面反射部４３は、湾曲した凹面状の反射面（凹面状反射面４３ａ）を備えており、中心軸４２ａ上に焦点位置が設定される構成をなしている。即ち、検出物体からの反射光Ｌ３が凹面反射部４３にて反射されると、中心軸４２ａ上に設定される焦点位置に向けて集光されるようになっている。なお、第１実施形態と同様に、凹面鏡２４１の回転中心となる中心軸４２ａは、レーザダイオード１０から凹面鏡２４１に向かうレーザ光Ｌ０の光軸方向に延びている。

また、凹面鏡３４１には、凹面反射部４３の凹面状反射面４３ａに隣接して当該凹面状反射面４３ａよって取り囲まれる平面反射部３４４が設けられている。平面反射部３４４は、平坦な反射面（平面状反射面３４４ａ）を備えており、この平面状反射面３４４ａが貫通孔３２を通過したレーザ光Ｌ１の入射位置に配される構成となっている。

さらに本実施形態のレーザレーダ装置３００では、凹面鏡３４１の平面反射部３４４が反射型回折格子によって構成されており、レーザダイオード１０からのレーザ光（ハーフミラー８０を通過したレーザ光Ｌ１）を反射すると共に当該平面反射部３４４で反射されたレーザ光の照射領域が、当該平面反射部３４４に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるようにレーザ光を変換する構成をなしている。具体的には、平面反射部３４４に入射する入射レーザ光は、レンズ６０を通過した後の平行光であるため、平面反射部３４４は、この平行光による照射領域よりも当該平面反射部３４４での反射後の出射レーザ光の照射領域のほうが大きくなるようにレーザ光を広がらせている。なお、平面反射部３４４での変換後（反射後）のレーザ光Ｌ１によって描かれる「所定パターン」は、第２実施形態と異なり、照射光量の低い低光量領域Ａ３を挟むように当該低光量領域Ａ３よりも照射光量が高い一対の高光量領域Ａ４が対向して配される対向パターンＰ２によって構成されている。この対向パターンＰ２は、中心軸４２ａの方向（即ち縦方向）に高光量領域Ａ４が対向するようになっており、中心軸４２ａ方向（即ち縦方向）の長さＷ１よりもこれと直交する方向（即ち横方向）の長さＷ２のほうが小さくなるように構成されている。なお、平面反射部３４４を構成する反射型回折格子は「光学素子」の一例に相当する。

本実施形態のレーザレーダ装置３００によれば、第２実施形態と同様の効果を奏することとなる。さらに本実施形態の平面反射部３４４（光学素子）は、低光量領域Ａ３と、当該低光量領域Ａ３を挟む一対の高光量領域Ａ４とを有してなる対向パターンＰ２を構成するように変換を行っている。このように中央に低光量領域Ａ３を配し、その両側に高光量領域Ａ４を配するように対向パターンＰ２を構成すれば、反射光Ｌ３が貫通孔３２の領域により一層入光しにくくなり、ミラー３０での減衰をより効果的に抑えることができる。

また、中心軸４２ａの方向に高光量領域Ａ４が対向するように対向パターンＰ２が構成されているため、中心軸４２ａと直交する方向（横方向）に高光量領域が対向する構成と比較して対向パターンの横方向のサイズを小さくしやすくなり、ひいては水平走査をより細分化でき、分解能をより大きくすることができる。

［他の実施形態]
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では、レーザダイオード１０とミラー３０との間に変換手段としてのレンズ６０を設けた構成を例示したが、このような変換手段を設けなくてもよい。例えば、レーザ光発生手段からレーザ光が拡散光として投光され、この拡散光が直接貫通路を通過するような構成であってもよい。また、レンズ６０に代えて集光レンズを設け、収束光が貫通路を通過するような構成としてもよい。

上記実施形態では、貫通路３２を通過するレーザ光Ｌ０の光軸と直交する仮想平面への正投影が円形となるように貫通路３２の内周面を構成したが、これに限定されない。例えば当該仮想平面への正投影が矩形状（四角形状等）となるような内壁面を有する貫通路としてもよい。

上記実施形態では、貫通孔３２の一部をハーフミラー８０によって閉塞した構成を示したが、これら実施形態の構成についてはハーフミラー８０を設けなくてもよい。

上記実施形態では、貫通孔３２を閉塞するようにハーフミラー８０を配置したがこのようなハーフミラー８０を用いないようにしてもよい。即ち、ミラー３０の一方側から他方側にわたり非閉塞状態で連通するように貫通孔を構成してもよい。

上記実施形態では、第１実施形態ではレーザ光の経路上に光学素子を配置した構成を例示したがこのような光学素子を用いないようにしてもよい。この場合、レンズ６０によって平行光とされたレーザ光が空間に向けて照射されることとなる。

上記実施形態では、集光レンズ１１０を用いた構成を例示したが、このような集光レンズを用いないようにしてもよい。図９のレーザレーダ装置４００は、第１実施形態のレーザレーダ装置１に対して、集光レンズを省略した点、フォトダイオード２０の位置をミラー３０からより遠くなるように配置した点が異なっており、それ以外の構成は同一である。図９の構成では、レーザ光Ｌ０、Ｌ１の光軸（即ち中心軸４２ａ）がミラー３０の反射面３１を含んだ仮想平面と交差する位置Ｘ３と、凹面反射部４３による焦点位置と、の距離が、位置Ｘ３と、フォトダイオード２０による受光位置Ｘ４と、の距離と等しくなるように構成されている。

図１は第１実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図２は図１のレーザレーダ装置におけるミラーの構成を説明する説明図である。 図３は、図２のミラーを概略的に例示する斜視図である。 図４は、図１のレーザレーダ装置に用いる凹面鏡を概略的に例示する斜視図である。 図５は、図４の凹面鏡の断面図である。 図６は第２実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図７は、図６のレーザレーダ装置に用いる凹面鏡を概略的に例示する斜視図である。 図８は第３実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図９は、第１実施形態のレーザレーダ装置の変形例を概略的に例示する断面図である。

符号の説明

１，２００，３００，４００…レーザレーダ装置
１０…レーザダイオード（レーザ光発生手段）
２０…フォトダイオード（検出手段）
３０…ミラー
３１…反射面
３２…貫通路
４０，２４０，３４０…回動偏向機構（回動偏向手段）
４２ａ…中心軸
４３…凹面反射部
４３ａ…凹面状反射面
４４…平面反射部
４４ａ…平面状反射面
５０…モータ（駆動手段）
１１０…集光レンズ
２４４…平面反射部（光学素子、回折格子）
Ｌ０，Ｌ１…レーザ光
Ｐ１…環状パターン（所定パターン）
Ｐ２…対向パターン（所定パターン）
Ａ１，Ａ３…低光量領域
Ａ２，Ａ４…高光量領域

Claims (9)

1. レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
   前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する検出手段と、
   前記レーザ光の光軸に対し所定角度で傾斜してなる反射面を有するとともに、前記反射面と交差する方向の貫通路を備え、前記貫通路を介して前記レーザ光を通過させる一方、前記反射面により前記反射光を前記検出手段に向けて反射するミラーと、
   前記貫通路を通過した前記レーザ光の経路上に配される平面状反射面を備えた平面反射部と、前記平面状反射面よりも広い領域の凹面状反射面を備えた凹面反射部と、を有すると共に、前記平面反射部と前記凹面反射部とが所定の中心軸を中心として一体的に回動するように構成された回動偏向手段と、
   前記回動偏向手段を駆動する駆動手段と、
   を備え、
   前記凹面反射部は、前記中心軸上に焦点位置が設定される構成をなしており、
   前記貫通路を通過した前記レーザ光を前記平面反射部によって空間に向けて反射し、且つ前記検出物体からの前記反射光を少なくとも前記凹面反射部により前記ミラーに向けて反射することを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記ミラーと前記検出手段との間には、前記反射光を集光する集光レンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
3. 前記回動偏向手段は、前記平面反射部の前記平面状反射面に隣接して当該平面状反射面を取り囲むように前記凹面反射部の前記凹面状反射面が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記中心軸は、前記貫通孔を通過する前記レーザ光の光軸方向に延びるものであり、
   前記貫通路の内周面は、当該貫通路を通過する前記レーザ光の光軸と直交する仮想平面への正投影が略円形となるように構成されており、
   前記凹面反射部と前記平面反射部との境界は、前記仮想平面への正投影が略円形となるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置。
5. 前記平面反射部は、当該平面反射部にて反射される反射レーザ光の照射領域が、当該平面反射部に入射する入射レーザ光の照射領域よりも広範囲の所定パターンとなるように前記レーザ光を変換する光学素子からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置。
6. 前記光学素子は回折格子であることを特徴とする請求項５に記載のレーザレーダ装置。
7. 前記所定パターンは、照射光量の低い低光量領域の周囲を、当該低光量領域よりも照射光量が高い高光量領域によって囲んでなる環状パターンであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のレーザレーダ装置。
8. 前記所定パターンは、照射光量の低い低光量領域を挟むように当該低光量領域よりも照射光量が高い一対の高光量領域が対向してなる対向パターンであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のレーザレーダ装置。
9. 前記対向パターンは、前記中心軸の方向に前記高光量領域が対向することを特徴とする請求項８に記載のレーザレーダ装置。

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