JP2015222234A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の３次元形状を高精度に測定することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。【解決手段】信号処理装置８が、マルチプレクサ２０から出力された強度信号が示す強度Ｖと予め設定されている閾値電圧Ｖｔｈを比較することで、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａの中で、散乱光を受光して電流信号を出力しているＰＤ１２ａを特定するとともに、電流信号を出力しているＰＤ１２ａの位置から、スキャナ５によるファンビームのスキャン角度θを検出し、そのスキャン角度θとマルチプレクサ１６から出力された距離信号が示す距離Ｌから、ターゲットの３次元形状を測定する。【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光をスキャンすることで、測定対象物の３次元形状を測定するレーザレーダ装置に関するものである。

以下の特許文献１に開示されているレーザレーダ装置では、スキャナがレーザ光源から発振されたパルスレーザ光を２次元スキャンしながら、そのパルスレーザ光を測定対象物に照射するようにしている。
また、受光素子アレイが、受信レンズにより集光された散乱光（測定対象物によって散乱された前記パルスレーザ光の散乱光）を受光すると、距離検出回路が、受光素子アレイによる散乱光の受光時刻とレーザ光源によるパルスレーザ光の発振時刻との時刻差から、測定対象物までの距離を算出している。
そして、信号処理部が、スキャナによる２次元スキャンのスキャン角度を測定し、そのスキャン角度に基づいてパルスレーザ光の照射方向を制御している。

ＷＯ２０１１／１３８８９５（段落番号［０００９］、図１）

従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、パルスレーザ光の照射方向の角度精度が、２次元スキャンのスキャン角度の測定精度によって決定される。そのため、スキャン角度のモニタが、例えば、温度特性を有するなどの理由で、十分な測定精度を確保することができない場合、パルスレーザ光の照射方向の角度精度が劣化して、３次元形状の測定精度が低下してしまうなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、測定対象物の３次元形状を高精度に測定することができるレーザレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、レーザ光を強度変調する強度変調手段と、強度変調手段により強度変調されたレーザ光を走査しながら、そのレーザ光を測定対象物に照射するレーザ光走査手段と、測定対象物によって散乱されたレーザ光の散乱光を集光する散乱光集光手段と、散乱光集光手段により集光された散乱光を検出する距離検出用の光検出素子アレイと、距離検出用の光検出素子アレイによる散乱光の検出時刻とレーザ光走査手段によるレーザ光の照射時刻との時刻差から測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、散乱光集光手段により集光された散乱光を検出する角度検出用の光検出素子アレイと、角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子による散乱光の検出結果から、レーザ光走査手段によるレーザ光の走査角度を検出する走査角度検出手段とを設け、形状測定手段が、距離算出手段により算出された距離と走査角度検出手段により検出された走査角度から測定対象物の３次元形状を測定するようにしたものである。

この発明によれば、角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子による散乱光の検出結果から、レーザ光走査手段によるレーザ光の走査角度を検出する走査角度検出手段を設け、形状測定手段が、距離算出手段により算出された距離と走査角度検出手段により検出された走査角度から測定対象物の３次元形状を測定するように構成したので、測定対象物の３次元形状を高精度に測定することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のアレイ状受信機７を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置のアレイ状受信機２３を示す構成図である。 レーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度の検出処理を説明する説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるレーザレーダ装置のアレイ状受信機７を示す構成図である。
図１及び図２において、レーザ光源１はレーザ光を発振する光源である。
発振器２は変調信号を発振する発振源である。
強度変調器３は発振器２により発振された変調信号を用いて、レーザ光源１により発振されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光を送信光学系４に出力する。強度変調器３による強度変調は、例えば、パルス変調でもよいし、ＣＷ変調でもよい。
なお、レーザ光源１、発振器２及び強度変調器３から強度変調手段が構成されている。

送信光学系４は強度変調器３により強度変調されたレーザ光を１次元方向に広がるファンビームに整形し、そのファンビームをスキャナ５に出力する。
スキャナ５は送信光学系４から出力されたファンビームの拡がり方向と垂直な方向に、そのファンビームを１次元スキャン（１次元走査）しながら、そのファンビームをターゲット（測定対象物）に照射する。
なお、送信光学系４及びスキャナ５からレーザ光走査手段が構成されている。

受信レンズ６はターゲットによって散乱されたファンビームの散乱光を集光する散乱光集光手段である。
アレイ状受信機７は受信レンズ６により集光された散乱光を検出することで、ターゲットまでの距離を算出して、その距離を示す距離信号を出力するとともに、スキャナ５によるファンビームのスキャン角度に対応する位置のＰＤ１２ａを特定するためのスキャン角度検出用信号を出力する。

アレイ状受信機７の長尺ＰＤアレイ１１は受信レンズ６による散乱光の集光スポットの移動方向（ファンビームの１次元スキャンに伴う集光スポットの移動方向であり、図中、水平方向に移動する）に伸びている複数の長尺ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）１１ａから構成されている。
複数の長尺ＰＤ１１ａは受信レンズ６による散乱光の集光スポットの移動方向と垂直方向に配列されており、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。
なお、長尺ＰＤアレイ１１は距離検出用の光検出素子アレイを構成している。

スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２は受信レンズ６による散乱光の集光スポットの移動方向に複数のＰＤ１２ａが配列されて構成されており、複数のＰＤ１２ａは受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。なお、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２は角度検出用の光検出素子アレイを構成している。

距離検出装置１３はトランスインピーダンスアンプアレイであるＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）アレイ１４、距離検出回路アレイ１５及びマルチプレクサ１６から構成されている。
ＴＩＡアレイ１４は複数のＴＩＡ１４ａから構成されており、各ＴＩＡ１４ａは長尺ＰＤアレイ１１を構成している長尺ＰＤ１１ａから出力された電流信号を電圧信号に変換する。
距離検出回路アレイ１５は複数の距離検出回路１５ａから構成されており、各距離検出回路１５ａは発振器２からの変調信号の出力時刻とＴＩＡアレイ１４を構成しているＴＩＡ１４ａからの電圧信号の出力時刻との時刻差からターゲットまでの距離を算出し、その距離を示す距離信号を出力する。
マルチプレクサ１６は距離検出回路アレイ１５を構成している複数の距離検出回路１５ａから出力された距離信号を順番に信号処理装置８に出力する。
なお、距離検出装置１３は距離算出手段を構成している。

強度検出装置１７はＴＩＡアレイ１８、強度検出回路アレイ１９及びマルチプレクサ２０から構成されている。
ＴＩＡアレイ１８は複数のＴＩＡ１８ａから構成されており、各ＴＩＡ１８ａはスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成しているＰＤ１２ａから出力された電流信号を電圧信号に変換する。
強度検出回路アレイ１９は複数の強度検出回路１９ａから構成されており、各強度検出回路１９ａはＴＩＡアレイ１８を構成しているＴＩＡ１８ａから出力された電圧信号の強度を検出し、その電圧信号の強度を示す強度信号をスキャン角度検出用信号として出力する。
マルチプレクサ２０は強度検出回路アレイ１９を構成している複数の強度検出回路１９ａから出力されたスキャン角度検出用信号を順番に信号処理装置８に出力する。

信号処理装置８は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、アレイ状受信機７のマルチプレクサ２０から出力されたスキャン角度検出用信号が示す強度と予め設定されている閾値電圧を比較することで、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａの中で、散乱光を受光して電流信号を出力しているＰＤ１２ａを特定し、電流信号を出力しているＰＤ１２ａの位置から、スキャナ５によるレーザ光のスキャン角度を検出する処理を実施する。
また、信号処理装置８はレーザ光のスキャン角度とアレイ状受信機７のマルチプレクサ１６から出力された距離信号が示す距離から、ターゲットの３次元形状を測定する処理を実施する。
なお、強度検出装置１７及び信号処理装置８は走査角度検出手段を構成し、信号処理装置８は形状測定手段を構成している。

次に動作について説明する。
レーザ光源１は、レーザ光を発振し、発振器２は、変調信号を発振する。
強度変調器３は、発振器２により発振された変調信号を用いて、レーザ光源１により発振されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光を送信光学系４に出力する。
強度変調器３による強度変調としては、例えば、パルス変調が考えられるが、ＣＷ変調などでもよい。

送信光学系４は、強度変調器３から強度変調後のレーザ光を受けると、そのレーザ光を１次元方向に広がるファンビームに整形し、そのファンビームをスキャナ５に出力する。
スキャナ５は、送信光学系４からファンビームを受けると、そのファンビームの拡がり方向と垂直な方向に、そのファンビームを１次元スキャンしながら、そのファンビームをターゲットに照射する。
図１では、垂直方向に広がっているファンビームを水平方向に１次元スキャンしている例を示している。

受信レンズ６は、スキャナ５から放射されたのち、ターゲットによって散乱されたファンビームの散乱光をアレイ状受信機７に集光する。
図２の例では、アレイ状受信機７の長尺ＰＤアレイ１１及びスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２上に集光している。
なお、受信レンズ６による散乱光の集光スポットは、スキャナ５によるファンビームの１次元スキャンに伴って、図中、水平方向に移動する。

アレイ状受信機７の長尺ＰＤアレイ１１を構成している複数の長尺ＰＤ１１ａは、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。
長尺ＰＤアレイ１１を構成している複数の長尺ＰＤ１１ａは、受信レンズ６による散乱光の集光スポットの移動方向に伸びているため、ファンビームが１次元スキャンされて、散乱光の集光スポットが移動しても、常に散乱光を受光して電流信号を出力する。

距離検出装置１３のＴＩＡアレイ１４を構成している複数のＴＩＡ１４ａは、長尺ＰＤアレイ１１の長尺ＰＤ１１ａから電流信号を受けると、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を出力する。
距離検出回路アレイ１５を構成している複数の距離検出回路１５ａは、クロックを内蔵しており、発振器２から変調信号が出力された時刻Ｔ_１と、ＴＩＡ１４ａから電圧信号が出力された時刻Ｔ_２とを計測し、その変調信号の出力時刻Ｔ_１と電圧信号の出力時刻Ｔ_２との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出し、その距離Ｌを示す距離信号を出力する。

式（１）において、Ｃは光速である。
マルチプレクサ１６は、距離検出回路アレイ１５を構成している複数の距離検出回路１５ａから出力された距離信号を順番に信号処理装置８に出力する。

ここでは、距離検出回路アレイ１５を構成している複数の距離検出回路１５ａが、変調信号の出力時刻Ｔ_１と電圧信号の出力時刻Ｔ_２との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出しているが、発振器２からの変調信号の出力時刻Ｔ_１と、ファンビームの照射時刻とは厳密には一致しないので、強度変調器３、送信光学系４及びスキャナ５での処理時間を予め測定し、その測定した処理時間を発振器２からの変調信号の出力時刻Ｔ_１に加算することで、ファンビームの照射時刻を算出するようにしてもよい。
また、ＴＩＡ１４ａからの電圧信号の出力時刻Ｔ_２と、長尺ＰＤアレイ１１での散乱光の受光時刻とは厳密には一致しないので、ＴＩＡアレイ１４での処理時間を予め測定し、ＴＩＡ１４ａからの電圧信号の出力時刻Ｔ_２から、その測定した処理時間を減算することで、散乱光の受光時刻を算出するようにしてもよい。
この場合、ファンビームの照射時刻と散乱光の受光時刻との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出することができるので、より正確に距離Ｌを算出することができる。

スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａは、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。
スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａは、受信レンズ６による散乱光の集光スポットの移動方向に配列されているため、散乱光を受光することが可能なＰＤ１２ａが、ファンビームのスキャン角度の変化に伴って変化する。
図２の例では、一番左側のＰＤ１２ａが散乱光を受光している。

ＴＩＡアレイ１８を構成している複数のＴＩＡ１８ａは、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２のＰＤ１２ａから電流信号を受けると、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を出力する。
強度検出回路アレイ１９を構成している複数の強度検出回路１９ａは、ＴＩＡアレイ１８のＴＩＡ１８ａから出力された電圧信号の強度Ｖを検出し、その電圧信号の強度Ｖを示す強度信号をスキャン角度検出用信号として出力する。
マルチプレクサ２０は、強度検出回路アレイ１９を構成している複数の強度検出回路１９ａから出力されたスキャン角度検出用信号を順番に信号処理装置８に出力する。

信号処理装置８は、アレイ状受信機７のマルチプレクサ２０からスキャン角度検出用信号を受ける毎に、そのスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖと予め設定されている閾値電圧Ｖ_ｔｈを比較する。ただし、閾値電圧Ｖ_ｔｈは、０より大きく、かつ、散乱光を受光しているＰＤ１２ａと対応している強度検出回路１９ａが出力するスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖより小さい値に設定されているものとする。
信号処理装置８は、そのスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖが閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい場合（Ｖ＞Ｖ_ｔｈ）、そのスキャン角度検出用信号を出力している強度検出回路１９ａに係るＰＤ１２ａが散乱光を受光しているＰＤ１２ａであると判定する。
信号処理装置８は、散乱光を受光しているＰＤ１２ａを判定すると、散乱光を受光しているＰＤ１２ａの位置と受信レンズ６の焦点距離から、スキャナ５によるファンビームのスキャン角度を算出する。
例えば、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２の中心から、散乱光を受光しているＰＤ１２ａまでの距離をｈ、受信レンズ６の焦点距離をｆとすると、ファンビームのスキャン角度θは、下記の式（２）で表される。

信号処理装置８は、スキャナ５によるファンビームのスキャン角度θを算出すると、そのスキャン角度θとアレイ状受信機７のマルチプレクサ１６から出力された距離信号が示す距離Ｌから、ターゲットの３次元形状を測定する。
即ち、信号処理装置８は、図１のレーザレーダ装置が極座標の原点に存在するとき、当該レーザレーダ装置からターゲットまでの距離が、アレイ状受信機７のマルチプレクサ１６から出力された距離信号が示す距離Ｌであって、当該レーザレーダ装置からターゲットを見たときの方向が、ファンビームのスキャン角度θであるとして、ターゲットの３次元位置を特定する。そして、ファンビームのスキャン毎に特定したターゲットの３次元位置の集合からターゲットの３次元形状を把握する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、信号処理装置８が、アレイ状受信機７のマルチプレクサ２０から出力されたスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖと予め設定されている閾値電圧Ｖ_ｔｈを比較することで、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａの中で、散乱光を受光して電流信号を出力しているＰＤ１２ａを特定するとともに、電流信号を出力しているＰＤ１２ａの位置から、スキャナ５によるファンビームのスキャン角度θを検出し、そのスキャン角度θとアレイ状受信機７のマルチプレクサ１６から出力された距離信号が示す距離Ｌから、ターゲットの３次元形状を測定するように構成したので、ターゲットの３次元形状を高精度に測定することができる効果を奏する。
即ち、この実施の形態１によれば、ファンビームの照射方向をスキャン角度の測定結果にしたがって制御するものではないため、ファンビームの照射方向の制御に用いるスキャン角度のモニタが不要である。このため、スキャン角度のモニタにおける角度測定精度の低下に伴う照射方向の角度精度の劣化が原因で、３次元形状の測定精度が低下してしまう状況が発生しないので、ターゲットの３次元形状を高精度に測定することができる。

この実施の形態１では、距離検出回路アレイ１５を構成している複数の距離検出回路１５ａがターゲットまでの距離Ｌを算出して、その距離Ｌを示す距離信号を出力するものを示したが、さらに、複数の距離検出回路１５ａが、ＴＩＡアレイ１４を構成しているＴＩＡ１４ａから出力された電圧信号の強度を検出し、その電圧信号の強度を示す強度信号を距離信号と一緒に出力するようにしてもよい。
この場合、マルチプレクサ１６は、複数の距離検出回路１５ａから出力された距離信号及び強度信号を順番に信号処理装置８に出力する。

この実施の形態１では、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成しているＰＤ１２ａが、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力するものを示したが、受信レンズ６による散乱光の集光スポットがぼけてしまうと、複数のＰＤ１２ａが同時に散乱光を受光してしまうことがある。
このような場合には、複数の強度検出回路１９ａから出力されたスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖが閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きくなるので、信号処理装置８が、閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい強度Ｖを示すスキャン角度検出用信号を出力している複数の強度検出回路１９ａに係るＰＤ１２ａの位置の重心位置を演算（散乱光を同時に受光している複数のＰＤ１２ａの受光強度の重みを考慮した演算）し、その重心位置を式（２）の距離ｈとして、スキャン角度θを算出するようにすればよい。
これにより、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成しているＰＤ１２ａの間隔よりも集光スポットが広がっていても、スキャン角度θを正確に算出することができる。

なお、この実施の形態１では、ターゲットの散乱光の強度が弱く、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２が十分な散乱光を受光することが困難な場合には、スキャン角度検出用のレーザ光を散乱光の強度が強くなるターゲットの部位に照射（例えば、ファンビームの一部をターゲットの筐体の一部に照射）するようにして、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２が散乱光の強度が強くなる部位で散乱された散乱光を受光するようにしてもよい。
これにより、ターゲットの散乱光の強度が弱い場合でも、スキャン角度の測定が可能になる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置を示す構成図であり、図４はこの発明の実施の形態２によるレーザレーダ装置のアレイ状受信機２３を示す構成図である。
図３及び図４において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
送信光学系２１は強度変調器３により強度変調されたレーザ光を平行光に変換し、平行光であるレーザ光をスキャナ２２に出力する。
スキャナ２２は送信光学系２１から出力されたレーザ光を２次元スキャン（２次元走査）しながら、そのレーザ光をターゲットに照射する。
なお、送信光学系２１及びスキャナ２２からレーザ光走査手段が構成されている。

アレイ状受信機２３は受信レンズ６により集光された散乱光を検出することで、ターゲットまでの距離を算出して、その距離を示す距離信号を出力するとともに、スキャナ２２によるレーザ光のスキャン角度に対応する位置のＰＤ１２ａを特定するためのスキャン始点検出用信号及びスキャン角度検出用信号を出力する。
アレイ状受信機２３の距離検出装置３１はＴＩＡアレイ１４、加算回路３２及び距離検出回路３３から構成されている。
加算回路３２はＴＩＡアレイ１４を構成している複数のＴＩＡ１４ａから出力された電圧信号を加算し、加算後の電圧信号を出力する。
距離検出回路３３は発振器２からの変調信号の出力時刻と加算回路３２からの電圧信号の出力時刻との時刻差からターゲットまでの距離を算出し、その距離を示す距離信号を出力する。
なお、距離検出装置３１は距離算出手段を構成している。

強度検出装置３４はＴＩＡアレイ１８、ＴＩＡ３５、強度検出回路３６，３８及び加算回路３７から構成されている。
ＴＩＡ３５はスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２における図中一番左側のＰＤ１２ａと対応しており、一番左側のＰＤ１２ａから出力された電流信号を電圧信号に変換する。
この実施の形態２では、ＴＩＡアレイ１８を構成している複数のＴＩＡ１８ａは、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２における図中一番左側のＰＤ１２ａ以外のＰＤ１２ａとそれぞれ対応している。
強度検出回路３６はＴＩＡ３５から出力された電圧信号の強度を検出し、その電圧信号の強度を示す強度信号をスキャン始点検出用信号として信号処理装置２４に出力する。
加算回路３７はＴＩＡアレイ１８を構成している複数のＴＩＡ１８ａから出力された電圧信号を加算し、加算後の電圧信号を強度検出回路３８に出力する。
強度検出回路３８は加算回路３７から出力された加算後の電圧信号の強度を検出し、その電圧信号の強度を示す強度信号をスキャン角度検出用信号として信号処理装置２４に出力する。

信号処理装置２４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、アレイ状受信機２３の強度検出回路３８からスキャン角度検出用信号が出力される毎に、そのスキャン角度検出用信号が示す強度と予め設定された閾値電圧を比較して、そのスキャン角度検出用信号が示す強度が閾値電圧を上回る回数をカウントし、その閾値電圧を上回る回数から、スキャナ２２によるレーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度を検出する処理を実施する。
また、信号処理装置２４はレーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度とアレイ状受信機２３の距離検出回路３３から出力された距離信号が示す距離から、ターゲットの３次元形状を測定する処理を実施する。
なお、強度検出装置３４及び信号処理装置２４は走査角度検出手段を構成し、信号処理装置２４は形状測定手段を構成している。

次に動作について説明する。
レーザ光源１は、レーザ光を発振し、発振器２は、変調信号を発振する。
強度変調器３は、発振器２により発振された変調信号を用いて、レーザ光源１により発振されたレーザ光を強度変調し、強度変調後のレーザ光を送信光学系２１に出力する。
強度変調器３による強度変調としては、例えば、パルス変調が考えられるが、ＣＷ変調などでもよい。

送信光学系２１は、強度変調器３から強度変調後のレーザ光を受けると、そのレーザ光を平行光に変換し、平行光であるレーザ光をスキャナ２２に出力する。
スキャナ２２は、送信光学系２１から出力されたレーザ光を２次元スキャンしながら、そのレーザ光をターゲットに照射する。
図３の例では、垂直方向にはレーザ光を正弦波状にスキャンし、水平方向にはレーザ光を三角波状にスキャンしている。
また、水平方向片側の１スキャン中において、垂直方向にはスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成しているＰＤ１２ａの個数回だけスキャンしている。

受信レンズ６は、スキャナ２２から放射されたのち、ターゲットによって散乱されたレーザ光の散乱光をアレイ状受信機２３に集光する。
図４の例では、アレイ状受信機２３の長尺ＰＤアレイ１１及びスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２上に集光している。
なお、受信レンズ６による散乱光の集光スポットは、スキャナ２２によるレーザ光の２次元スキャンに伴って、垂直方向には正弦波状に移動し、水平方向には三角波状に移動する。

アレイ状受信機２３の長尺ＰＤアレイ１１を構成している複数の長尺ＰＤ１１ａは、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。
この実施の形態２では、スキャナ２２がレーザ光を２次元スキャンするので、長尺ＰＤアレイ１１を構成している複数の長尺ＰＤ１１ａのうち、いずれか１つの長尺ＰＤ１１ａだけが受信レンズ６により集光された散乱光を受光する。
ただし、散乱光の集光スポットがスキャン角度検出用ＰＤアレイ１２上にある場合には、いずれの長尺ＰＤ１１ａも散乱光を受光しない。

距離検出装置３１のＴＩＡアレイ１４を構成している複数のＴＩＡ１４ａは、長尺ＰＤアレイ１１の長尺ＰＤ１１ａから電流信号を受けると、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を出力する。
加算回路３２は、ＴＩＡアレイ１４を構成している複数のＴＩＡ１４ａから電圧信号を受けると、それらの電圧信号を加算し、加算後の電圧信号を出力する。
上述したように、長尺ＰＤアレイ１１を構成している複数の長尺ＰＤ１１ａのうち、いずれか１つの長尺ＰＤ１１ａだけが散乱光を受光するため、散乱光を受光している長尺ＰＤ１１ａと対応しているＴＩＡ１４ａだけが電圧信号を加算回路３２に出力し、その他のＴＩＡ１４ａは電圧信号を加算回路３２に出力しない（あるいは、０の電圧信号を加算回路３２に出力する）。したがって、加算回路３２が加算する対象の電圧信号は、１つのＴＩＡ１４ａが出力する電圧信号であり、加算回路３２による加算後の電圧信号は、散乱光を受光している長尺ＰＤ１１ａと対応するＴＩＡ１４ａが出力する電圧信号に相当する。このため、加算回路３２は、マルチプレクサとして機能する。

距離検出回路３３は、発振器２からの変調信号の出力時刻Ｔ_１と、加算回路３２からの電圧信号の出力時刻Ｔ_３との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出し、その距離Ｌを示す距離信号を信号処理装置２４に出力する。

ここでは、距離検出回路３３が、変調信号の出力時刻Ｔ_１と電圧信号の出力時刻Ｔ_３との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出しているが、発振器２からの変調信号の出力時刻Ｔ_１と、レーザ光の照射時刻とは厳密には一致しないので、強度変調器３、送信光学系２１及びスキャナ２２での処理時間を予め測定し、その測定した処理時間を発振器２からの変調信号の出力時刻Ｔ_１に加算することで、レーザ光の照射時刻を算出するようにしてもよい。
また、加算回路３２からの電圧信号の出力時刻Ｔ_３と、長尺ＰＤアレイ１１での散乱光の受光時刻とは厳密には一致しないので、ＴＩＡアレイ１４及び加算回路３２での処理時間を予め測定し、加算回路３２からの電圧信号の出力時刻Ｔ_３から、その測定した処理時間を減算することで、散乱光の受光時刻を算出するようにしてもよい。
この場合、レーザ光の照射時刻と散乱光の受光時刻との時刻差からターゲットまでの距離Ｌを算出することができるので、より正確に距離Ｌを算出することができる。

スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａは、受信レンズ６により集光された散乱光を受光すると、電流信号を出力する。
この実施の形態２では、スキャナ２２がレーザ光を２次元スキャンするので、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａのうち、いずれか１つのＰＤ１２ａだけが受信レンズ６により集光された散乱光を受光する。
ただし、受信レンズ６による散乱光の集光スポットが長尺ＰＤアレイ１１にある場合には、いずれのＰＤ１２ａも散乱光を受光しない。

強度検出装置３４のＴＩＡ３５は、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２の一番左側のＰＤ１２ａから電流信号を受けると、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を出力する。
この実施の形態２では、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａのうち、一番左側のＰＤ１２ａが最初に散乱光を受光するものとする。
強度検出回路３６は、ＴＩＡ３５から電圧信号を受けると、その電圧信号の強度Ｖを検出し、その電圧信号の強度Ｖを示す強度信号をスキャン始点検出用信号として信号処理装置２４に出力する。

ＴＩＡアレイ１８を構成している複数のＴＩＡ１８ａは、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２のＰＤ１２ａから電流信号を受けると、その電流信号を電圧信号に変換し、その電圧信号を出力する。
加算回路３７は、ＴＩＡアレイ１８を構成している複数のＴＩＡ１８ａから電圧信号を受けると、それらの電圧信号を加算し、加算後の電圧信号を出力する。
上述したように、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａのうち、いずれか１つのＰＤ１２ａだけが散乱光を受光するため、散乱光を受光しているＰＤ１２ａと対応しているＴＩＡ１８ａだけが電圧信号を加算回路３７に出力し、その他のＴＩＡ１８ａは電圧信号を加算回路３２に出力しない（あるいは、０の電圧信号を加算回路３２に出力する）。したがって、加算回路３７が加算する対象の電圧信号は、１つのＴＩＡ１８ａが出力する電圧信号であり、加算回路３７による加算後の電圧信号は、散乱光を受光しているＰＤ１２ａと対応するＴＩＡ１８ａが出力する電圧信号に相当する。このため、加算回路３７は、マルチプレクサとして機能する。

強度検出回路３８は、加算回路３７から加算後の電圧信号を受けると、その電圧信号の強度Ｖを検出し、その電圧信号の強度Ｖを示す強度信号をスキャン角度検出用信号として信号処理装置２４に出力する。
スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａの中で、いずれかのＰＤ１２ａが散乱光を受光していれば、強度検出回路３８から出力されるスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖは、後述する信号処理装置２４が用いる閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きな電圧になるが、いずれのＰＤ１２ａも散乱光を受光していなければ、閾値電圧Ｖ_ｔｈより小さな電圧になる。
なお、強度検出回路３８は、スキャナ２２に同期して、スキャン角度検出用信号を信号処理装置２４に出力するので、スキャナ２２がスキャン角度を変える毎に、スキャン角度検出用信号を信号処理装置２４に出力する。

信号処理装置２４は、アレイ状受信機２３の強度検出回路３６から出力されたスキャン始点検出用信号と強度検出回路３８から出力されたスキャン角度検出用信号を用いて、スキャナ２２によるレーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度を検出する。
以下、信号処理装置２４によるレーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度の検出処理を具体的に説明する。
図５はレーザ光の水平スキャン角度及び垂直スキャン角度の検出処理を説明する説明図である。

信号処理装置２４は、アレイ状受信機２３の強度検出回路３６から出力されたスキャン始点検出用信号が示す強度Ｖと予め設定されている閾値電圧Ｖ_ｔｈを比較する。
信号処理装置２４は、そのスキャン始点検出用信号が示す強度Ｖが閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい場合、２次元スキャンが開始されたものと判断する。
信号処理装置２４は、２次元スキャンが開始されたものと判断すると、アレイ状受信機２３の強度検出回路３８からスキャン角度検出用信号を受ける毎に、そのスキャン角度検出用信号が示す強度Ｖと閾値電圧Ｖ_ｔｈを比較し、強度検出回路３８から閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい強度Ｖを示すスキャン角度検出用信号が出力された回数ｎをカウントする。

信号処理装置２４は、例えば、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２を構成している複数のＰＤ１２ａの間隔がｄ、水平スキャン１周期における垂直スキャンの数がＮ、受信レンズ６の焦点距離がｆであるとすれば、下記の式（４）に示すように、閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい強度Ｖを示すスキャン角度検出用信号が出力された回数ｎを用いて、水平スキャン角度θ_Ｈを算出する。

信号処理装置２４は、水平スキャン角度θ_Ｈを算出すると、アレイ状受信機２３から出力されるスキャン始点検出用信号及び各スキャン角度検出用信号の間隔から、垂直方向の１スキャン周期を測定し、１スキャン周期内の変調信号の出力時刻（発振器２から変調信号が出力された時刻）と、閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい強度Ｖを示すスキャン角度検出用信号が出力された時刻との時刻差から垂直スキャン角度θ_Ｖを算出する。
例えば、変調信号の出力時刻と閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい強度Ｖを示すスキャン角度検出用信号が出力された時刻との時刻差がΔｔ、垂直方向の１スキャン周期がＴであるとすると、垂直スキャン角度θ_Ｖは、下記の式（５）で算出することができる。

式（５）において、Ｂは定数である。

信号処理装置２４は、スキャナ２２によるレーザ光の水平スキャン角度θ_Ｈ及び垂直スキャン角度θ_Ｖを算出すると、その水平スキャン角度θ_Ｈ及び垂直スキャン角度θ_Ｖとアレイ状受信機２３の距離検出回路３３から出力された距離信号が示す距離Ｌから、ターゲットの３次元形状を測定する。
即ち、信号処理装置２４は、図３のレーザレーダ装置が極座標の原点に存在するとき、当該レーザレーダ装置からターゲットまでの距離が、アレイ状受信機２３の距離検出回路３３から出力された距離信号が示す距離Ｌであって、当該レーザレーダ装置からターゲットを見たときの方向が、レーザ光の水平スキャン角度θ_Ｈ及び垂直スキャン角度θ_Ｖであるとして、ターゲットの３次元位置を特定する。そして、レーザ光のスキャン毎に特定したターゲットの３次元位置の集合からターゲットの３次元形状を把握する。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、スキャナ２２がレーザ光を２次元スキャンしながら、そのレーザ光をターゲットに照射する場合でも、上記実施の形態１と同様に、ターゲットの３次元形状を高精度に測定することができる効果を奏する。

この実施の形態２では、距離検出回路３３がターゲットまでの距離Ｌを算出して、その距離Ｌを示す距離信号を出力するものを示したが、さらに、距離検出回路３３が、加算回路３２から出力された電圧信号の強度を検出し、その電圧信号の強度を示す強度信号を距離信号と一緒に信号処理装置２４に出力するようにしてもよい。

この実施の形態２では、垂直方向にはレーザ光を正弦波状にスキャンし、水平方向にはレーザ光を三角波状にスキャンしているものを示したが、垂直スキャンと水平スキャンを入れ替えてもよい。
また、垂直方向における正弦波状のスキャンを三角波状にスキャンにしてもよい。

また、この実施の形態２では、ターゲットの散乱光の強度が弱く、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２が十分な散乱光を受光することが困難な場合には、スキャン角度検出用のレーザ光を散乱光の強度が強くなるターゲットの部位に照射（例えば、レーザ光の一部をターゲットの筐体の一部に照射）するようにして、スキャン角度検出用ＰＤアレイ１２が散乱光の強度が強くなる部位で散乱された散乱光を受光するようにしてもよい。
これにより、ターゲットの散乱光の強度が弱い場合でも、スキャン角度の測定が可能になる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ レーザ光源（強度変調手段）、２ 発振器（強度変調手段）、３ 強度変調器（強度変調手段）、４ 送信光学系（レーザ光走査手段）、５ スキャナ（レーザ光走査手段）、６ 受信レンズ（散乱光集光手段）、７ アレイ状受信機、８ 信号処理装置（走査角度検出手段、形状測定手段）、１１ 長尺ＰＤアレイ（距離検出用の光検出素子アレイ）、１１ａ 長尺ＰＤ、１２ スキャン角度検出用ＰＤアレイ（角度検出用の光検出素子アレイ）、１２ａ ＰＤ、１３ 距離検出装置（距離算出手段）、１４ ＴＩＡアレイ、１４ａ ＴＩＡ、１５ 距離検出回路アレイ、１５ａ 距離検出回路、１６ マルチプレクサ、１７ 強度検出装置（走査角度検出手段）、１８ ＴＩＡアレイ、１８ａ ＴＩＡ、１９ 強度検出回路アレイ、１９ａ 強度検出回路、２０ マルチプレクサ、２１ 送信光学系（レーザ光走査手段）、２２ スキャナ（レーザ光走査手段）、２３ アレイ状受信機、２４ 信号処理装置（走査角度検出手段、形状測定手段）、３１ 距離検出装置（距離算出手段）、３２ 加算回路、３３ 距離検出回路、３４ 強度検出装置（走査角度検出手段）、３５ ＴＩＡ、３６，３８ 強度検出回路、３７ 加算回路。

Claims (3)

1. レーザ光を強度変調する強度変調手段と、
   前記強度変調手段により強度変調されたレーザ光を走査しながら、前記レーザ光を測定対象物に照射するレーザ光走査手段と、
   前記測定対象物によって散乱された前記レーザ光の散乱光を集光する散乱光集光手段と、
   前記散乱光集光手段により集光された散乱光を検出する距離検出用の光検出素子アレイと、
   前記距離検出用の光検出素子アレイによる散乱光の検出時刻と前記レーザ光走査手段によるレーザ光の照射時刻との時刻差から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記散乱光集光手段により集光された散乱光を検出する角度検出用の光検出素子アレイと、
   前記角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子による散乱光の検出結果から、前記レーザ光走査手段によるレーザ光の走査角度を検出する走査角度検出手段と、
   前記距離算出手段により算出された距離と前記走査角度検出手段により検出された走査角度から前記測定対象物の３次元形状を測定する形状測定手段と
   を備えたレーザレーダ装置。
2. 前記レーザ光走査手段は、前記強度変調手段により強度変調されたレーザ光を１次元方向に広がるファンビームに整形して、前記ファンビームの拡がり方向と垂直な方向に、前記ファンビームを１次元走査する１次元スキャナから構成されており、
   前記角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子は、前記散乱光集光手段による散乱光の集光スポットの移動方向に配列されており、
   前記走査角度検出手段は、前記角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子の中で、前記散乱光集光手段により集光された散乱光を検出している光検出素子の位置から、前記レーザ光走査手段によるレーザ光の走査角度を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。
3. 前記レーザ光走査手段は、前記強度変調手段により強度変調されたレーザ光を２次元走査する２次元スキャナから構成されており、
   前記角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子は、前記散乱光集光手段による散乱光の集光スポットの移動方向に配列されており、
   前記走査角度検出手段は、前記レーザ光走査手段がレーザ光を走査する毎に、前記角度検出用の光検出素子アレイを構成している複数の光検出素子による散乱光の検出結果を示す信号を加算して、前記信号の加算結果が予め設定されている閾値を上回る回数をカウントし、前記閾値を上回る回数から前記レーザ光走査手段によるレーザ光の走査角度を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザレーダ装置。

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