JP2015114257A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な構成で、且つ、装置の規模が大きくなることを回避しつつ、パルスビームを広範囲に出射して障害物の接近を検知できるようにする。【解決手段】 本発明のレーザ装置１０は、パルス光を出射する発光手段２０、出射されたパルス光がそれぞれ入射し、入射したパルス光を所定の広がりを有するパルス光に拡大して出射光としてそれぞれ出射するｎ個の拡大手段３０、入射した光を集光する集光手段４０、および、集光された光に出射光が検知対象によって反射された反射光が含まれていることを検知し、出射光の出射から検知までにかかった時間に基づいて検知対象までの距離を演算し、演算した距離が所定の閾値よりも小さい場合に報知する報知手段５０を備える。ここで、出射光は、ｎ個の拡大手段３０によって所定の面上の全周方向に出射される。【選択図】 図１

Description

本発明は、障害物の接近を検出するレーザ装置に関する。

ヘリコプターによる山岳地域での救難作業や電線監視作業等においては、低速飛行やホバリング運行した状態で、種々の障害物に接近することが要求される。森林等の障害物にヘリコプターのローター等が接触した場合には大きな事故に繋がる。

そこで、障害物が接近していることをヘリコプターの操縦者に警告する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、ビームエクスパンダによって拡大したパルスレーザービームを、広視野にわたって方位角方向に走査される所定パターンで出射し、その反射光をレーザービームエクスパンダによって集光して解析することによって障害物を認識する、広視野走査レーザー障害物認識システムが開示されている。

特表２００５−５０２０５６号公報

特許文献１の技術は、パルスレーザービームを広視野にわたって方位角方向に走査される所定パターンで出射するため、回転光学ウエッジや回転するウォブルミラー等を配置する必要がある。この場合、装置の構造が複雑になると共に、複数の光学系間においてパルスレーザービームの光路を確保する必要があり、装置の規模が大きくなる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、単純な構成で、且つ、装置の規模が大きくなることを回避しつつ、パルスビームを広範囲に出射して障害物の接近を検知できるレーザ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に本発明に係るレーザ装置は、パルス光を出射する発光手段と、出射されたパルス光がそれぞれ入射し、入射したパルス光を所定の広がりを有するパルス光に拡大して出射光としてそれぞれ出射するｎ個の拡大手段と、入射した光を集光する集光手段と、集光された光に出射光が検知対象によって反射された反射光が含まれていることを検知し、出射光の出射から検知までにかかった時間に基づいて検知対象までの距離を演算し、演算した距離が所定の閾値よりも小さい場合に報知する報知手段と、を備える。ここで、出射光は、ｎ個の拡大手段３０によって所定の面上の全周方向に出射される。

上述した本発明の態様によれば、単純な構成で、且つ、装置の規模が大きくなることを回避しつつ、パルスビームを広範囲に出射して障害物の接近を検知できる。

第１の実施形態に係るレーザ装置１０のブロック構成図である。 第１の実施形態に係る、（ａ）平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６の配置図、（ｂ）出射光３１’、３２’、…、３６’の出射状態の一例を示す図である。 第２の実施形態に係るレーザ装置１００のブロック構成図である。 第２の実施形態に係る送信用光学系３３０から出射されたファンビームを、（ａ）上方から見た時の図、（ｂ）側方から見た時の図である。 第２の実施形態に係る送信用光学系３３０を、（ａ）ヘリの後方から見た時の外観図、（ｂ）ヘリの前方から見た時の外観図である。 第２の実施形態に係る送信用光学系３３０から出射したファンビームを上方および後方から見た時の図である。 第２の実施形態において、アラーム表示している時の表示部７００の表示画面の一例である。 第２の実施形態に係るレーザ装置１００において、信号等を送受信する時のタイムチャートである。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係るレーザ装置のブロック構成図を図１に示す。図１において、レーザ装置１０は、発光手段２０、ｎ個の拡大手段３０（３１、３２、…、３ｎ）、集光手段４０および報知手段５０を備える。

発光手段２０は、拡大手段３０に向けてパルス光を出射する。なお、ｎ個の発光手段２０（２１、２２、…、２ｎ）を用いて、ｎ個の拡大手段３１、３２、…、３ｎと１対１に対応するように、ｎ個の発光手段２１、２２、…、２ｎを配置することが望ましい。

拡大手段３０は、発光手段２０から入射されたパルス光を所定の広がりを有する光に拡大し、出射光として出射する。拡大手段３０としては、例えば、平凹シリンドリカルレンズを適用することができる。本実施形態においては、ｎ個の拡大手段３０として、入射されたパルス光を水平角度が６０度のファンビームに形成してそれぞれ出射する、６個の平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６を適用した。

６個の発光手段２１、２２、…、２６および平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６を配置した状態を上方から見た時の一例を図２（ａ）に、平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６から出射される出射光の出射範囲３１’、３２’、…、３６’を上方から見た時の一例を図２（ｂ）に示す。

図２に示すように、円周上に配置された６個の平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６により、出射光の出射領域が出射面の全周（３６０度）に亘って分布される。なお、本実施形態では６個の平凹シリンドリカルレンズを円周上に隣接配置したが、出射光の出射領域を出射面上の全周に分布させることができれば、これに限定されない。

集光手段４０は、拡大手段３０から出射された出射光が障害物において反射された反射光を、報知手段５０へ集光する。本実施形態では、集光手段４０を６個の平凸シリンドリカルレンズ４１、４２、…、４６によって構成し、平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…、３６と１対１に対応させた。なお、集光手段４０は、必ずしも、拡大手段３０と１対１に対応させる必要はない。１つの集光手段４０で複数の平凹シリンドリカルレンズ３１、３２、…から出射された出射光の反射光を集光することもできる。

報知手段５０は、集光手段４０によって集光された光に、拡大手段３０から出射された出射光が障害物において反射された反射光が含まれているか否かを調査し、反射光が含まれている場合は出射光の出射から反射光が検知されるまでの時間を取得する。さらに、報知手段５０は、取得した時間に基づいて障害物までの距離を演算し、演算した距離が所定の閾値よりも小さい場合、アラームを出力する。

以上のように構成されたレーザ装置１０においては、入射されたパルス光を所定の広がりを有するファンビームに形成して出射する拡大手段３０（ｎ個の平凹シリンドリカルレンズ）を、出射光が出射面上で全周に亘って出射されるように配置した。出射光の出射領域が出射面の全周（３６０度）に亘って分布されることから、その反射光を検出することにより、障害物の接近を検出してアラームを出力することができる。

また、本実施形態に係るレーザ装置１０において、発光手段２０から出射されたパルス光はそのままｎ個の拡大手段３０に入射して所定の広がりを有するパルス光に拡大され、出射光として出射面上の全周方向に出射される。この場合、複数の光学系を配置する必要がなく、装置の構成が単純になる。さらに、複数の光学系間においてパルス光の光路を確保する必要がなく、装置が大きくなるのを回避することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るレーザ装置は、例えば、山岳地域において低速運行およびホバリング運行され、救難作業や電線監視作業等を行うヘリに搭載される。本実施形態に係るレーザ装置のブロック構成図を図３に示す。図３において、レーザ装置１００は、駆動回路２００、水平方向検知部３００、垂直方向検知部４００、受信アンプ５００、制御部６００および表示部７００を備える。

駆動回路２００は、制御部６００から入力した充電信号に基づいて、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００に配置された電源部３１０、４１０にそれぞれ給電を行う。また、駆動回路２００は、制御部６００から入力した駆動信号に基づいて、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００に配置されたレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）３２０、４２０を発光させる。

水平方向検知部３００は、例えば、ヘリのローター軸に配置され、ヘリのローターの回転面と平行な面方向にレーザ光を出射し、その反射光を受信する。図３に示すように、本実施形態に係る水平方向検知部３００は、それぞれ８つの、電源部３１０ａ〜３１０ｈ、ＬＤ３２０ａ〜３２０ｈ、送信用光学系３３０ａ〜３３０ｈ、受信用光学系３４０ａ〜３４０ｈ、および、フォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）３５０ａ〜３５０ｈを備える。

電源部３１０は、駆動回路２００から電源が供給され、供給された電源をＬＤ３２０へ供給する。

ＬＤ３２０は、駆動回路２００に駆動されることによって、送信用光学系３３０に向けてパルスレーザ光を発光する。本実施形態においては、高速運行中の運用を想定しないため、長距離計測用の高出力のレーザ光源を配置する必要がない。従って、容易に入手可能な一般的なＬＤを適用することができる。

送信用光学系３３０は、例えば、平凹シリンドリカルレンズが適用され、ＬＤ３２０から入射したパルスレーザ光を所定の角度を有するファンビーム（扇型ビーム）に整形して外部空間へ出射する。送信用光学系３３０から出射されたファンビームを上方から見た時の図を図４（ａ）に、側方から見た時の図を図４（ｂ）に示す。

本実施形態では、８つの送信用光学系３３０ａ〜３３０ｈを円筒体の外周に配置してヘリのローター軸に配置する。送信用光学系３３０をヘリの後方から見た時の外観図を図５（ａ）に、前方から見た時の外観図を図５（ｂ）に示す。図５に示すように、本実施形態では、パイロットが目視によって障害物の接近を確認しにくいヘリの後方側に、６つの送信用光学系３３０ａ〜３３０ｆを配置する。一方、パイロットが目視によって障害物の接近を確認できるヘリの前方側に、２つの送信用光学系３３０ｇ、３３０ｈを配置する。そして、ヘリの後方側に配置した送信用光学系３３０ａ〜３３０ｆからは３０度の広がりを持つファンビームが出射される。また、ヘリの前方側に配置した送信用光学系３３０ｇ、３３０ｈからは９０度の広がりを持つファンビームが出射される。

送信用光学系３３０ａ〜３３０ｈから出射したファンビームを上方（Ａ方向）から見た時の図を図６の左側に示す（Ａ方向）。図６のＡ方向の図に示すように、ＬＤ３２０ａ〜３２０ｆから発光されたパルスレーザ光を送信用光学系３３０ａ〜３３０ｆによってそれぞれ水平方向に３０度に広がるファンビーム３６０ａ〜３６０ｆに形成して出射し、ＬＤ３２０ｇ、３２０ｈから発光されたパルスレーザ光を送信用光学系３３０ｇ、３３０ｈによってそれぞれ水平方向に９０度に広がるファンビーム３６０ｇ、３６０ｈに形成して出射することにより、ファンビームが３６０度全水平方向に出射される。

図３の説明に戻る。受信用光学系３４０は、例えば、平凸シリンドリカルレンズが適用され、受信用光学系３４０に入射した光をＰＤ３５０に集光する。受信用光学系３４０は送信用光学系３３０と対応付けて配置される。図５に、受信用光学系３４０も併せて示す。図５に示すように、ヘリの後方側において、６つの送信用光学系３３０ａ〜３３０ｆの下方に６つの受信用光学系３４０ａ〜３４０ｆが配置され、前方側において、送信用光学系３３０ｇ、３３０ｈの下方に受信用光学系３４０ｇ、３４０ｈが配置される。

ＰＤ３５０ａ〜３５０ｈはそれぞれ、受信用光学系３４０ａ〜３４０ｈによって集光された光を電気信号に変換し、受信信号として受信アンプ５００へ出力する。本実施形態において、ＰＤ３５０は、送信用光学系３３０から出射されたファンビームが障害物等によって反射された反射光を検出して受信信号を出力する。

垂直方向検知部４００は、例えば、ヘリの尾翼に配置され、ヘリのローターの回転面と垂直な面方向にレーザ光を出射し、その反射光を受信する。なお、垂直方向検知部４００をヘリの先端に配置したり、垂直方向検知部４００を分割してヘリの上面および下面に配置したりすることもできる。垂直方向検知部４００は、それぞれ４つの、電源部４１０ａ〜４１０ｄ、ＬＤ４２０ａ〜４２０ｄ、送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄ、受信用光学系４４０ａ〜４４０ｄ、ＰＤ４５０ａ〜４５０ｄを備える。

垂直方向検知部４００の電源部４１０、ＬＤ４２０、送信用光学系４３０、受信用光学系４４０およびＰＤ４５０はそれぞれ、水平方向検知部３００の電源部３１０、ＬＤ３２０、送信用光学系３３０、受信用光学系３４０およびＰＤ３５０と同様に機能する。

４つの送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄからはそれぞれ、ヘリの上方、左側方、右側方および下方に、９０度に広がるファンビームが出射される。４つの送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄから出射されたファンビームを後方から見た時の図を図６右側に示す（Ｂ方向）。

図６のＢ方向の図に示すように、ＬＤ４２０ａ〜４２０ｄから発光されたパルスレーザ光を送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄによってそれぞれ９０度に広がるファンビーム４６０ａ〜４６０ｄに形成して出射することにより、ファンビームが３６０度全垂直方向に出射される。

そして、受信用光学系４４０ａ〜４４０ｄは送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄから出射されたファンビームの反射光をＰＤ４５０ａ〜４５０ｄに集光し、ＰＤ４５０ａ〜４５０ｄは集光された光を電気信号に変換し、受信信号として受信アンプ５００へ出力する。

受信アンプ５００には、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００からそれぞれ、ファンビームの反射光の受信信号（電気信号）が入力する。受信アンプ５００は、入力した受信信号を増幅して制御部６００へ出力する。

制御部６００は、駆動回路２００に対して充電信号および駆動信号を送信する。また、制御部６００は、受信アンプ５００から入力した受信信号に基づいて接近している障害物の有無を判断する。例えば、制御部６００は、受信アンプ５００から入力した受信信号のうち所定の閾値よりも大きな出力を有する受信信号を障害物からの反射光であると判断する。制御部６００は、反射光を検知した場合、駆動回路２００に対して駆動信号を送信した時から反射光が入力した時までの時間を取得し、ヘリの周囲にある障害物までの距離を算出する。そして、制御部６００は、所定の閾値よりも短い距離に障害物が位置していると判断した場合、表示部７００にアラームを表示するための画面表示信号を出力する。

表示部７００はヘリのコックピット等の操縦者が目視可能な場所に配置され、制御部６００から入力した画面表示信号に基づいてアラーム表示する。ヘリの進行方向に向かって右側後方に障害物が接近している場合の表示部７００の一例を図７に示す。なお、図７（ａ）は水平方向表示、図７（ｂ）は垂直方向表示である。ヘリの操縦者が表示部７００に表示されたアラームを確認して左側前方にヘリを移動させることにより、ヘリが障害物に接触することを避けることができる。

上記のように構成されたレーザ装置１００の動作手順について説明する。レーザ装置１００から送受信される信号等のタイムチャートを図８に示す。図８は、上から順番に、制御部６００から出力される各種信号、電源部３１０、４１０に蓄積された電力、ＬＤ３２０、４２０から発光されたパルスレーザ光、ＰＤ３５０、４５０において検出した受信信号である。

図８において、制御部６００から充電信号が出力されることにより（Ｓ１０１）、駆動回路２００は、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００に配置された電源部３１０、４１０への給電を開始する（Ｓ１０２）。

電源部３１０、４１０が十分電力を蓄えた状態で制御部６００から駆動信号が出力されることにより（Ｓ１０３）、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００に配置されたＬＤ３２０、４２０からパルスレーザ光が発光される（Ｓ１０４）。ＬＤ３２０、４２０から発光されたパルスレーザ光は平凹シリンドリカルレンズが適用された送信用光学系３３０、４３０によって所定の広がりを有するファンビームに形成されて出射される。

この時、水平方向検知部３００においては、ヘリの後方に配置された送信用光学系３３０ａ〜３３０ｆから水平方向に３０度に広がるファンビームが、ヘリの前方に配置された送信用光学系３３０ｇ、３３０ｈから水平方向に９０度に広がるファンビームが出射されることによって、パルスレーザ光が３６０度全水平方向に出射される。一方、垂直方向検知部４００においては、４つの送信用光学系４３０ａ〜４３０ｄから垂直方向に９０度に広がるファンビームがそれぞれ出射されることによって、パルスレーザ光が３６０度全垂直方向に出射される。

そして、ヘリの周囲に障害物（森林、電線、山斜面等）があった場合、水平方向検知部３００および垂直方向検知部４００から出射されたファンビームは障害物によって反射され、受信用光学系３４０、４４０によってＰＤ３５０、４５０に集光される。ＰＤ３５０、４５０は、集光された反射光を受信信号として出力する（Ｓ１０５）。

複数の送信用光学系３３０ａ〜３３０ｈ、４３０ａ〜４３０ｄおよび複数の受信用光学系３４０ａ〜３４０ｈ、４４０ａ〜４４０ｄを配置して測定チャンネルを細分化することにより、機械的駆動を用いることなくヘリの全周方向にパルスレーザ光を出射でき、全周方向にパルスレーザ光を繰り返し出射することが容易にできる。

制御部６００は、駆動信号を出力した時から受信信号が入力するまでの時間ｔを計測することにより、ローターまたは尾翼と障害物との距離を演算する。制御部６００はさらに、演算結果から、所定の閾値よりも短い距離に障害物が位置していると判断した場合、表示部７００にアラームを表示するための画面表示信号を出力する（Ｓ１０６）。画面表示信号に基づいて表示部７００にアラームが表示されることにより、ヘリの操縦者はヘリに障害物が接近していることを認識する。

以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１００は、水平方向については８つの平凹シリンドリカルレンズを用いてパルスレーザ光を３６０度全水平方向に出射すると共に、垂直方向については４つの平凹シリンドリカルレンズを用いてパルスレーザ光を３６０度全垂直方向に出射する。パルスレーザ光を全周に亘って出射してその反射光を検出することにより、ヘリに接近する障害物を全方向について監視することができる。

また、本実施形態に係るレーザ装置１００は、複数光学系の配置を必要としない単純な構成を適用することができると共に、複数の光学系間においてパルス光の光路を確保する必要がないため、装置が大きくなるのを避けることができる。

ここで、ヘリの後方に可視カメラを配置し、アラームを表示する場合、可視カメラによって該当範囲を撮影した映像を表示部７００に重畳することにより、障害物をさらに認識しやすくできる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ レーザ装置
２０ 発光手段
３０ 拡大手段
３１、３２、…、３６ 平凹シリンドリカルレンズ
４０ 集光手段
４１、４２、…、４６ 平凸シリンドリカルレンズ
５０ 報知手段
１００ レーザ装置
２００ 駆動回路
３００ 水平方向検知部
３１０ａ〜３１０ｈ 電源部
３２０ａ〜３２０ｈ ＬＤ
３３０ａ〜３３０ｈ 送信用光学系
３４０ａ〜３４０ｈ 受信用光学系
３５０ａ〜３５０ｈ ＰＤ
４００ 垂直方向検知部
４１０ａ〜４１０ｄ 電源部
４２０ａ〜４２０ｄ ＬＤ
４３０ａ〜４３０ｄ 送信用光学系
４４０ａ〜４４０ｄ 受信用光学系
４５０ａ〜４５０ｄ ＰＤ
５００ 受信アンプ
６００ 制御部
７００ 表示部

Claims (8)

1. パルス光を出射する発光手段と、
   前記出射されたパルス光がそれぞれ入射し、入射したパルス光を所定の広がりを有するパルス光に拡大して出射光としてそれぞれ出射するｎ個の拡大手段と、
   入射した光を集光する集光手段と、
   前記集光された光に前記出射光が検知対象によって反射された反射光が含まれていることを検知し、前記出射光の出射から前記検知までにかかった時間に基づいて前記検知対象までの距離を演算し、演算した距離が所定の閾値よりも小さい場合に報知する報知手段と、
   を備え、
   前記出射光は、前記ｎ個の拡大手段３０によって所定の面上の全周方向に出射されることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記拡大手段は、平凹シリンドリカルレンズであり、
   前記集光手段は、前記ｎ個の拡大手段とそれぞれ対応配置されたｎ個の平凸シリンドリカルレンズによって構成される、
   請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記拡大手段は、
   入射したパルス光を３０度の広がりを有するファンビームに形成して出射する６個の第１平凹シリンドリカルレンズと、
   入射したパルス光を９０度の広がりを有するファンビームに形成して出射する２個の第２平凹シリンドリカルレンズと、
   により構成される、請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記ｎ個の拡大手段は、円周上に並列配置された状態でヘリコプターのローター軸に配置され、
   前記所定の面は、前記ローターの回転面と平行な面である、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザ装置。
5. パルス光がそれぞれ入射し、入射したパルス光を所定の広がりを有するパルス光に拡大して出射光としてそれぞれ出射するｍ個の第２拡大手段をさらに備え、
   前記ｍ個の第２拡大手段は、円周上に並列配置された状態でヘリコプターの尾翼に配置され、
   前記ｍ個の第２拡大手段からの出射光は、ローターの回転面と直交する面上の全周方向に出射される、
   請求項４記載のレーザ装置。
6. 前記第２拡大手段は、出射したパルス光を９０度の広がりを有するファンビームに形成して出射する４個の第３平凹シリンドリカルレンズにより構成される、請求項５記載のレーザ装置。
7. ユーザが視認可能な場所に配置された表示手段をさらに備え、
   前記報知手段は演算した距離が所定の閾値よりも小さい場合に前記表示手段にアラーム表示する、
   請求項１乃至６のいずれか１項記載のレーザ装置。
8. ヘリコプターの周囲を撮像する可視カメラをさらに備え、
   前記表示手段は、前記可視カメラの撮像データと前記アラーム表示とを重畳して表示する、
   請求項７記載のレーザ装置。

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