JP2009222616A - 方位測定方法及び方位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の放射角を走査することなく、対象物の方位を高速度で検出する
【解決手段】所定波長帯域光を波長に依存して放射角が異なるように分散させて、放射する照射装置と、照射装置により放射された光の対象物からの反射光を受光する受光装置と、受光装置による受光結果から対象物の方位を決定する方位決定装置とを有する。また、照射装置は、スーパーコンティニュアム光を放射する装置である。パルス光を放射する時刻から、反射光の受光時までの遅延時間を測定し、遅延時間から対象物までの距離を測定する距離測定装置を有する。これにより光の放射角を走査することなく、一度に、３次元空間における対象物の座標を測定することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ビームの放射角度を走査することなく、対象物の存在する方位を測定できるようにした測定方法及び測定装置に関する。

下記特許文献１に記載されているように、パルス光を対象物に向けて放射し、対象物からの反射パルス光を受光して、放射時刻から受光時刻までの遅延時間により、対象物までの距離を測定する装置が公知である。この装置では、対象物に向けて放射するパルス光の方位を変化させるために回転ミラーが用いられている。また、パルス光を発光するレーザの発光間隔は、レーザ装置の放熱速度の制約により、ある間隔より短くすることができないために、距離測定の速度を向上させることができなかった。下記特許文献１は、測定速度を向上させるために、複数のレーザを用いて、パルス光を発光させて、それぞれのパルス光の反射光を受光することで、測定間隔を短くするようにしている。また、複数のレーザを用いて、放射角を走査する場合には、発光順に、パルス光が受光されるとは限らない。そこで、パルス光を識別するために、波長を異にしたパルス光を用いて、波長毎に受光できるようにして、対象物までの距離を測定するようにしている。
特開２０００−２６６８５１号

しかし、上記のパルス光により、対象物までの方位の関数で距離を求めることができるが、方位の走査には回転ミラーを用いている。したがって、測定可能な全方位範囲において、同時に、全対象物の存在の有無や距離を測定することはできない。また、回転ミラーのように機械的な駆動部分が存在するために、故障頻度が高くなり、電力損失も大きくなり、装置が大型化するという問題がある。

そこで、本発明は、この課題を解決するために成されたものであり、その目的は、光の放射方向を機械的に走査することのない、新しい方式による方位測定を実現することである。

本第１の発明は、対象物の方位を反射光により検出する方位測定方法において、所定波長帯域光を波長に依存して放射角が異なるように分散させ、この分散させた光を対象物に向けて照射して、対象物からの反射光を受光して、対象物の方位を測定することを特徴とする方位測定方法である。
ここで、広波長帯域光としては、たとえば、スーパーコンティニュアム光を用いることができる。１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長範囲、パルス幅25fsのスーパーコンティニュアム光が得られている（Jpn.J. Appl. Phys., Vol.45,No.16(2006),L441-443)。波長に依存して放射角を分散させる方法としては、プリズム、回折格子を用いることができる。また、フォトニック結晶を用いたスーパープリズムを用いるても良い。スーパープリズムは、通常のプリズムに比べて、波長分散を５００倍程度に拡大することができる。したがって、狭い波長帯域の光であっても、スーパープリズムを用いて、放射角を波長に依存して広い角度範囲に分散させることができる。

他の発明は、上記発明において、受光した反射光の波長に応じて、対象物の方位を測定することを特徴とする。すなわち、反射光の波長は、光を放射する時の放射角に関係している。したがって、反射光の波長が分かれば、その反射光の放射角を求めることができる。放射角が分かれば、対象物の存在する方位を決定することができる。この場合には、受光した光の波長を分析することで、放射角を得ることができる。また、以下の発明のように、波長に応じて受光位置が変化するようにしても良い。

他の発明は、上記発明において、受光した反射光を波長に依存して異なる位置で受光し、その受光位置により、方位を測定することを特徴とする。すなわち、反射光の入射角は、放射角に依存し、受光位置は入射角に依存する。したがって、受光位置により、放射角を求めることができ、対象物の存在方位を測定することができる。波長に依存して受光位置を変化させる方法としては、プリズム、回折格子、レンズなどを用いることができる。すなわち、波長に応じてプリズム、回折格子やレンズなどに入射する反射光の入射角が異なるので、その出力光の受光位置を波長に応じて変化させることができる。

他の発明は、上記発明において、受光した反射光の結像位置により、対象物の方位を測定することを特徴とする。上記したように、結像位置は、波長に依存する。したがって、結像位置は、放射角に依存する。よって、結像位置から対象物の存在方位を決定することができる。

他の発明は、対象物へ照射する光は、放射角を分散させる向きに垂直な向きには、所定幅の光束と、反射光の受光位置により、２次元方位を測定することを特徴とする。ある方向には、波長依存分散により、放射角を分散させ、その方向に垂直な方向には、光束を所定角度幅に広げる。反射光を２次元受光装置で受光すると、その２次元画面上の画像のアドレスにより、３次元空間での入射角が分かり、その入射角は３次元空間での放射角に対応しているので、対象物の３次元空間での存在方向を特定することができる。

対象物へ照射する光は、スーパーコンティニュアム光とすることが望ましい。これにより、波長に依存して変化する放射角の角度範囲を広くすることができ、対象物の方位測定範囲を広くすることが可能となる。

他の発明は、上記発明において、対象物へ照射する光は、パルスとして、照射時から受光時までの遅延時間により、対象物の方位と共に距離を測定することを特徴とする。すなわち、パルス光の伝搬遅延時間と、光速度とから、対象物までの往復距離を求めることができ、したがって、対象物までの距離を測定することができる。この距離は、放射角の関数として求めることができる。よって、放射角が１変数であれば、対象物の２次元平面上の存在位置を特定することができる。また、受光位置を２次元位置として測定する場合には、２変数の放射角を決定することができる。したがって、距離と、２変数放射角との３つの独立変数による値が得られるので、対象物の３次元空間における存在位置を特定することができる。また、対象物を所定幅を有した立体とすれば、その立体の２次元空間、又は、３次元空間における像を得ることができる。像の中心から、対象物の中心の座標を決定することができる。

本発明の方位測定装置は、対象物の方位を反射光により検出する方位測定装置において、所定波長帯域光を波長に依存して放射角が異なるように分散させて、放射する照射装置と、照射装置により放射された光の対象物からの反射光を受光する受光装置と、受光装置による受光結果から対象物の方位を決定する方位決定装置とを有することを特徴とする。本装置は、上記した測定方法を実現する装置であるので、方法発明について記載した事項が、本装置発明についても適用される。

他の発明は、上記装置発明において、受光装置は、受光した反射光の波長に応じて、異なる位置に結像させる装置であり、方位決定装置は、その結像位置から対象物の方位を決定する装置であることを特徴とする。
また、他の発明は、上記装置発明において、受光装置は、受光した反射光の入射角に応じて、異なる位置で結像させる装置であり、方位決定装置は、その結像位置から対象物の方位を決定する装置であることを特徴とする。結像させる装置としては、上述したように、プリズム、回折格子、レンズなどである。
また、他の発明は、上記装置発明において、照射装置は、対象物へ照射する光は、放射角を分散させる向きに垂直な向きには、所定幅の光束とする装置であり、受光装置は、２次元平面で反射光による結像を形成する装置であり、方位決定装置は、反射光の受光位置により、２次元方位を決定する装置であることを特徴とする。放射角を垂直な方向に分散させる装置としては、円筒レンズなどを用いることができる。
また、照射装置は、スーパーコンティニュアム光を放射する装置であることが望ましい。

また、他の装置発明は、上記装置発明において、照射装置は、パルス光を放射する装置であり、放射時から受光時までの遅延時間を測定し、遅延時間から対象物までの距離を測定する距離測定装置を有することを特徴とする。本装置により、対象物の２次元空間又は３次元空間における存在位置を特定することができる。上記の方法発明において記載した事項は、上記の全ての装置発明においても適用される。

本発明によると、対象物の存在方向を測定するのに、光の放射方向を機械的に走査する必要がない。したがって、測定範囲全体における多数の対象物の存在方向を一度に測定することができるので、測定速度が、極めて速くなる。また、光の放射方向を機械的に走査していないので、装置の故障を排除でき、また、装置を小型化できる。また、他の発明では、パルス光の伝搬遅延時間を受光位置毎に測定しているので、対象物の距離と方位とを特定できる。すなわち、対象物の２次元空間又は３次元空間における存在座標を、１つのパルス光を放射するだけで、求めることができる。よって、高速な測定が可能となる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施例の方位測定装置１０は、主として、光源１２、分光装置１４、１６、検出装置１８、コントローラ３０から成る。光源１２は、パルス幅２５ｆｓ（２．５×１０^-14sec) のスーパーコンティニュアム光を用いた。この波長範囲は１３００ｎｍ〜２０００ｎｍである。分光装置１４、１６にはプリズムが用いられている。分光装置１４、１６は、プリズムの他、回折格子、フォトニック結晶を用いたスーパープリズムを用いても良い。スーパープリズムを用いた場合には、光源１２には、狭波長帯域の光であっても良いので、パルス幅を広くすることができる。コントローラ３０は、光源１２のパルス光の発光タイミングを制御し、検出装置１８上の画像のアドレスから、方位を測定する。検出装置１８は、一次元ＣＣＤセンサを用いた。図１に示すように、光源１２で発光したパルス光は、分光装置１４により、波長に依存して分光されて、放射角θ（λ）が波長λの関数で、分散したパルス光となる。この波長分散したパルス光が、対象物Ｗに向けて照射されると、対象物Ｗに至る波長のパルス光だけ、対象物Ｗで反射される。この反射光が、分光装置１６に入射する。分光装置１６では、分光装置１６への入射光の波長λに応じた角度α（λ）に曲げられる。この角度α（λ）は、ＣＣＤセンサの画素の配列方向であるｘ軸方向の画素アドレスｘに対応する。すなわち、画素アドレスを波長λの関数ｘ（λ）とすることができる。したがって、このＣＣＤセンサの明度が所定のしきい値を越える画素のアドレスｘを検出することによって、受光した光の波長λを特定することができる。この受光波長λが決定されると、放射角θと、波長λとの関係から、放射角θを決定することができる。この放射角θが、対象物Ｗの存在する方位となる。

なお、対象物Ｗは、面積を有しているので、反射する光の波長も範囲を有していることになる。すると、ＣＣＤセンサ上の画像も複数の画素アドレスに分布することになり、この画像の、たとえば、中心の画素アドレスｘから、波長を決定すれば、対象物Ｗの中心の方位θを決定することができる。また、異なる複数の対象物が存在する場合にも、各対象物の存在方位が異なるので、それらの対象物で反射される波長も異なる。したがって、その異なる対象物の画像が、ＣＣＤセンサ上の異なる領域に形成されることになる。そして、それぞれの領域の中心の画素アドレスを求めることで、それぞれの対象物の中心の方位を決定することができる。なお、検出装置１８の各画素は、受光する光の波長が特定されるので、この画素の表面にその波長を透過するフィルタを設けることで、波長分離性を高め、方位検出の分解能を向上させることができる。

図２に、実施例２に係る方位測定装置２０を示す。本方位測定装置２０は、対象物Ｗまでの距離Ｌを方位θの関数として求めるようにしたものである。光源２２、分光装置２４、２６は、実施例１と同一である。本実施例では、光源２２から出力されるパルス光を円筒レンズ２３により、ｚ軸方向（鉛直方向）にビームを広げる。そして、分光装置２４に入力させて、ｘｙ面（水平面）上において、波長λに応じて放射角θを分散させる。したがって、各波長の光は、ｚ軸方向に一定の角度幅を有したものとなる。すなわち、放射される光線のｚ軸との成す角をβとすると、ある波長λの光線に注目すると、その光線はｚ軸方向にΔβの角度幅を有した線状のビームとなる。そして、対象物Ｗに照射され、対象物Ｗで反射された光は、レンズ２５で集光され、スリット２７を介して分光装置２６に入射する。したがって、分光装置２６には、ある波長λの光は、ｚ軸方向には線状の光線として入射する。分光装置２６はプリズムで構成しているが、ｘｙ平面（水平面）では、波長分散により屈折率が変化して、屈折角が変化する。また、ｚ軸方向（鉛直方向）には、プリズムへの反射光の入射角に依存して、検出装置２８上の受光位置が決定される。検出装置２８は、２次元配列のＣＣＤセンサを用いた。ｘ軸方向の画素アドレスｘは、実施例１と同一で、波長λに対応している。また、ｚ軸方向の画素アドレスは、方位βに対応している。したがって、２次元ＣＣＤセンサ上に形成される画像の中心のアドレス（ｘ，ｚ）から、対象物Ｗの方位（θ、β）を求めることができる。

また、本実施例では、ＣＣＤセンサの各画素毎に、画素に光が入射したことを検出する受光素子３４、受光素子３４の出力を増幅する増幅器３３、パルス光の放射時刻から受光時刻までの時間をカウントするカウンタ３２が、設けられている。また、コントローラ３０と、発振回路３１を、本実施例装置２０は有している。コントローラ３０は、光源２２のパルス光の放射時刻を制御すると共に、カウンタ３２をスタートさせる。カウンタ３２は、スタートされた後は、発振回路３１の出力するパルスをカウントする。検出装置２８の画素にパルス光が入射すると、受光素子３４が動作して、信号を出力し、カウンタ３２のカウントを停止させる。これにより、パルス光が放射されてから、検出装置２８で受光するまでの時間Ｔを計測することができる。この時間Ｔは、検出装置２８の各画素ごとに計測することができるので、時間Ｔは、画素アドレス（ｘ，ｚ）の関数となる。すなわち、時間Ｔは、方位（θ，β）の関数Ｔ（θ，β）となる。時間Ｔに光速を乗算することで、対象物Ｗまでの往復距離を求めることができ、その１／２により対象物までの距離Ｌが得られる。この距離Ｌは、方位（θ，β）の関数となる。すなわち、距離Ｌ（θ，β）により、対象物Ｗの方位、距離を求めることができる。すなわち、自由度３の空間における３変数の値を決定できるので、３次元空間上の存在座標を特定することがてきる。また、対象物が複数、存在する場合には、検出装置２８の画面上に複数の対象物の画像が形成されるので、それぞれの画像の中心の画素アドレス（ｘ，ｚ）から、各対象物の中心の距離Ｌ（θ，β）を求めることができ、各対象物の中心の３次元空間における存在位置を決定することができる。なお、各画素毎に設ける受光素子３４は、ＣＣＤセンサの各画素にフォトトランジスタなどを、同一半導体基板に形成すれば良い。また、検出装置２８に透過型の回折格子を用いれば、ｘｙ平面（水平面）上では、波長分散により、出射角を変化させ、ｚ軸方向（鉛直方向）には、ｚ軸に対する角度により、出射角を変化させるようにすれば良い。また、スリット２７は、波長の分解能を向上させるために設けているが、なくとも良い。レンズ２５は、多くの光束を取り込み感度を向上させるものであり、大口径にするほど、測定感度が向上する。本実施例でも、実施例１と同様に、検出装置２８の各画素の表面にその波長を透過するフィルタを設けることで、波長分離性を高め、方位検出の分解能を向上させるようにしても良い。

実施例２は、分光装置２６で、反射光を波長に対応した角度に分散させるものであったが、本実施例の方位測定装置３０は、分光装置２６に代えて、レンズ２９による対象物Ｗの画像を検出装置３８の検出面上に形成するようにしたものである。検出装置３８は、実施例１の一次元ＣＣＤセンサを用いている。また、本実施例では、実施例２と同様に、パルス光が放射されてから、検出装置３８に受光されるまでの遅延時間を各画素毎に検出できるようにしている。レンズ３９により、ＣＣＤセンサ上に結像される像の位置は、レンズ３９に入射する光の角度に依存する。すなわち、波長毎に放射角θが異なるので、レンズ３９に入射する反射光の角度もこの波長λに依存することになる。したがって、検出装置３８上の画像の画素アドレスは、波長λに依存し、したがって、パルス光の放射角θに依存することから、対象物Ｗで反射される光の放射角θを特定することができる。したがって、この放射角θから対象物Ｗの存在方位と、遅延時間Ｔ（θ）から、対象物Ｗまでの距離を測定することができる。

なお、本実施例装置３０においても、実施例２のように、円筒レンズ２３を用いて、ｚ軸方向（鉛直方向）にパルス光を所定角度範囲に分散させて、検出装置３８を、図４に示すように、２次元ＣＣＤセンサから成る検出装置４０としても良い。この場合には、実施例２と同様に、２次元ＣＣＤセンサ上に形成される画像の画素アドレスから、方位（θ，β）を特定でき、パルス光の遅延時間Ｔから、距離Ｌを方位（θ，β）の関数Ｌ（θ，β）として、求めることができる。すなわち、対象物の３次元存在位置を測定することができる。

請求項の発明と実施例との関係を説明する。照射装置は、主として、光源１２、２２、分光装置１４、２４で構成される。受光装置は、主として、分光装置１６、２６、レンズ２５、３９、検出装置１８、２８、３８、４０で構成される。方位決定装置は、コントローラ３０で構成され、距離測定装置は、コントローラ３０、受光素子３４、増幅器３３、カウンタ３２、発振器３１で構成される。

本発明は、光の放射方向を走査することなく、対象物の存在方位や存在距離を測定する装置に用いることができる。

本発明の具体的な実施例１の装置を示した構成図。 本発明の具体的な実施例２の装置を示した構成図。 本発明の具体的な実施例３の装置を示した構成図。 実施例３の装置の変形例に係る構成図。

符号の説明

１２，２２…光源
１４，１６，２４，２６…分光装置
Ｗ…対象物

Claims (13)

1. 対象物の方位を反射光により検出する方位測定方法において、
   所定波長帯域光を波長に依存して放射角が異なるように分散させ、この分散させた光を対象物に向けて照射して、対象物からの反射光を受光して、対象物の方位を測定することを特徴とする方位測定方法。
2. 受光した反射光の波長に応じて、前記対象物の方位を測定することを特徴とする請求項１に記載の方位測定方法。
3. 受光した前記反射光を波長に依存して異なる位置で受光し、その受光位置により、前記方位を測定することを特徴とする請求項２に記載の方位測定方法。
4. 受光した前記反射光の結像位置により、前記対象物の方位を測定することを特徴とする方位測定方法。
5. 前記対象物へ照射する光は、放射角を分散させる向きに垂直な向きには、所定幅の光束と、前記反射光の受光位置により、２次元方位を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の方位測定方法。
6. 前記対象物へ照射する光は、スーパーコンティニュアム光とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の方位測定方法。
7. 前記対象物へ照射する光は、パルスとして、照射時から受光時までの遅延時間により、対象物の方位と共に距離を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の方位測定方法。
8. 対象物の方位を反射光により検出する方位測定装置において、
   所定波長帯域光を波長に依存して放射角が異なるように分散させて、放射する照射装置と、
   前記照射装置により放射された光の対象物からの反射光を受光する受光装置と、
   前記受光装置による受光結果から対象物の方位を決定する方位決定装置と、
   を有することを特徴とする方位測定装置。
9. 前記受光装置は、受光した反射光の波長に応じて、異なる位置に結像させる装置であり、前記方位決定装置は、その結像位置から前記対象物の方位を決定する装置であることを特徴とする請求項８に記載の方位測定装置。
10. 前記受光装置は、受光した反射光の入射角に応じて、異なる位置で結像させる装置であり、前記方位決定装置は、その結像位置から前記対象物の方位を決定する装置であることを特徴とする請求項８に記載の方位測定装置。
11. 前記照射装置は、前記対象物へ照射する光は、放射角を分散させる向きに垂直な向きには、所定幅の光束とする装置であり、
    前記受光装置は、２次元平面で反射光による結像を形成する装置であり、
    前記方位決定装置は、前記反射光の受光位置により、２次元方位を決定する装置であることを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の方位測定装置。
12. 前記照射装置は、スーパーコンティニュアム光を放射する装置であることを特徴とする請求項８乃至請求項１１の何れか１項に記載の方位測定装置。
13. 前記照射装置は、パルス光を放射する装置であり、
    放射時から受光時までの遅延時間を測定し、遅延時間から対象物までの距離を測定する距離測定装置を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１２の何れか１項に記載の方位測定装置。

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