JP2016186470A - レーザレーダ装置、および、光学部品の配置決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部反射光を受光しにくくしつつ、受光性能が良好な三次元レーザレーダ装置を提供する。【解決手段】筐体窓４０を備え、筐体窓４０からレーザ光Ｌを照射するレーザレーダ装置１であって、レーザ光Ｌを発生させて投光する投光部１０と、投光部１０が投光したレーザ光Ｌの光軸に対して傾斜しており、レーザ光Ｌを反射する偏向ミラー２１と、偏向ミラー２１を支える支持部２２と、偏向ミラー２１が反射したレーザ光Ｌの偏向方向を三次元的に走査して、筐体窓４０を通して装置外部へ出射するとともに、レーザ光Ｌが装置外部の物体で反射して生じた反射光Ｒを反射する走査ミラー２３と、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒの進行方向において、支持部２２よりも走査ミラー２３から遠い側に位置しており、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒを受光する受光部３０とを備え、支持部２２が透明材料製である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザレーダ装置、および、そのレーザレーダ装置が備える光学部品の配置決定方法に関し、特に、三次元にレーザを照射するレーザレーダ装置、および、光学部品の配置決定方法に関する。

レーザレーダ装置は、レーザ光を外部に照射してから、外部の物体からの反射光を受光するまでの時間差を用いて距離を測定する。レーザ光を外部に照射する際には必ず筐体窓を通ることになる。

筐体窓は透過性の部材を用いて作製するのが一般的であるが、透過率を１００％にすることは原理上不可能であり、概ね９５％前後の透過率となる。そのため、必然的に５％程度は、筐体窓において反射または吸収されることとなる。

本明細書では、筐体窓で反射したレーザ光を内部反射光という。内部反射光が受光器に入射してしまうと、内部反射光を表す信号と、外部の物体からの反射光を表す信号とが重なってしまい、物体までの距離を正しく測定できなくなる。そこで、受光器に内部反射光が入射してしまうことを抑制する必要がある。

特許文献１に開示されたレーザレーダ装置は、筐体窓である透過板を透過して装置内部に入った光を凹面鏡で反射して上方へ導き、さらに、ミラーで水平方向に反射して受光器（特許文献１では受光センサ）に導く構成である。

そして、この受光センサに内部反射光が入射してしまうことを抑制するために、受光センサの受光面の前方側且つ下方側に、凹面鏡からのレーザ光の一部が透過板で反射して生じる外乱光を遮蔽する遮蔽部材を配置する。

この遮蔽部材には、受光センサの受光面の中心位置の前方側且つ下方側に配置される受光面覆い部と、受光面覆い部から前方側に凸となり且つ凹面鏡の回転中心軸を通り且つ受光センサの受光面の中心位置を通る平面に沿って当該レーザレーダ装置を切断した切断面において外形が三角形状となる凸状部とが設けられ、複数の凸状部が上下に並んで配置されることで、隣接する凸状部間に窪みが形成されている。この窪みの上側に配置される凸状部下方面は、レーザ光が凹面鏡から前方側に照射されるときに、レーザ光の一部が透過板で反射して生じる鏡面反射成分又はガウス拡散成分を当該窪みの内壁に向けて反射する構成をなしている。

特開２０１２−２０８０５８号公報

特許文献１のレーザレーダ装置は二次元レーザレーダ装置である。二次元レーザレーダ装置は、レーザ光が筐体窓に入射する仰俯角は一定であることから、内部反射光の仰俯角も一定となる。

しかし、三次元レーザレーダ装置においては、三次元的にレーザ光を走査するので、内部反射光の仰俯角が一定ではない。二次元レーザレーダ装置においても、内部反射光が受光器に受光されてしまうことを抑制するために、特許文献１では、上述した複雑な遮蔽部材を設けている。この特許文献１の技術を、三次元レーザレーダ装置に適用しようとすると、遮蔽部材の構造がさらに複雑となる。したがって、特許文献１の技術を三次元レーザレーダ装置に適用することは困難である。また、受光器や遮蔽部材の配置によっては、受光性能の低下が発生する可能性もある。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、内部反射光を受光しにくくしつつ、受光性能が良好な三次元レーザレーダ装置、および、光学部品の配置決定方法を提供することにある。

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するための請求項１の発明は、筐体窓（４０）を備え、筐体窓からレーザ光を照射するレーザレーダ装置（１）であって、レーザ光を発生させて投光する投光部（１０）と、投光部が投光したレーザ光の光軸に対して傾斜しており、レーザ光を反射する第１ミラー（２１）と、第１ミラーを支える支持部（２２、１２２、２２２）と、第１ミラーが反射したレーザ光の偏向方向を三次元的に走査して、筐体窓を通して装置外部へ出射するとともに、レーザ光が装置外部の物体で反射して生じた反射光を反射する第２ミラー（２３）と、第２ミラーが反射した反射光の進行方向において、支持部よりも第２ミラーから遠い側に位置しており、第２ミラーが反射した反射光を受光する受光部（３０）とを備え、筐体窓は、レーザ光の走査角度によらず、レーザ光が垂直に入射せず、かつ、レーザ光が筐体窓で反射して生じた内部反射光が支持部よりも第２ミラー側に向かう角度になっており、支持部が透明材料製であることを特徴とする。

本発明では、筐体窓の角度は、レーザ光の走査角度によらず、レーザ光が垂直に入射せず、かつ、レーザ光が筐体窓で反射して生じた内部反射光が支持部よりも第２ミラー側に向かう角度である。そのため、内部反射光は、筐体窓から第２ミラー方向へ向かう。一方、受光部は、第２ミラーが反射した反射光の進行方向に位置している。したがって、受光部の位置は、内部反射光が直接向かう方向ではないので、受光部に内部反射光が直接入射することを抑制できる。

ただし、本発明では、受光部は、第２ミラーが反射した反射光の進行方向において、支持部よりも第２ミラーから遠い側に位置している。したがって、反射光が支持部により遮られる可能性が生じる。そこで、本発明では、支持部を透明材料で構成している。これにより、第２ミラーと受光部との間に支持部が存在していても、その支持部により、反射光が遮られて受光部に受光されない程度を少なくすることができるので、受光性能も良好になる。

請求項２記載の発明では、受光部は、反射光を検出する受光器（３２）と、第２ミラーが反射した反射光を受光器へ集光する受光レンズ（３１）とを備えており、支持部（２２）は、受光レンズに入射して受光器に受光される反射光が、全てこの支持部を通過する形状である。

このようにすれば、受光器に受光される反射光が支持部を通過することによる屈折率の変化の影響が均一になるので、物体までの距離測定精度が向上する。

請求項３記載の発明では、受光部は、反射光を検出する受光器（３２）を備えており、支持部（２２２）は、第２ミラーが反射した反射光を受光器へ集光するレンズ部（２２２ｂ）を備えている。

このようにすれば、受光部が、受光器に反射光を集光するためのレンズを備える必要がないので、そのレンズを配置するスペースを省略でき、かつ、そのレンズと支持部との間の距離もなくなる。したがって、レーザレーダ装置を小型化できる。

請求項４記載の発明は、レーザ光の仰俯角方向の走査中心角度において照射されるレーザ光に平行な軸をＺ軸とし、このＺ軸に対して垂直な上下方向の軸をＹ軸としたとき、Ｙ軸に対する第１ミラー（２１）の設置角度（θｎ）は、Ｙ軸に対する第２ミラー（２３）の設置角度（θｍ）に、レーザレーダ装置の正面方向の角度に対してレーザ光の仰俯角方向の走査中心角度が傾斜している角度である傾斜角（α）の１／２を加えた角度になっており、支持部において反射光が入射する面である入射面（２２ａ）は平面であり、Ｙ軸に対する支持部の入射面の角度が、第１ミラーにおいてレーザ光を反射する反射面とＹ軸との角度の２倍になっている。

第１ミラーの設置角度が上記のようになっていると、投光部がＺ軸に平行に投光したレーザ光を、Ｚ軸に対して上記傾斜角だけずらして、レーザレーダ装置から出射できる。加えて、支持部の入射面の角度が上記のようになっていると、支持部の入射面に反射光が垂直に入射する。

すなわち、この発明では、レーザレーダ装置から出射するレーザ光の角度を調整しつつ、支持部の入射面に反射光が垂直に入射するようにできる。支持部の入射面に反射光が垂直に入射すると、支持部における反射光の反射が減少するので、受光器が受光する受光量の減少を抑制することができる。

請求項５記載の発明では、受光部は、反射光を検出する受光器（３２）と、第２ミラーが反射した反射光を受光器へ集光する受光レンズ（３１）とを備えており、支持部（１２２）は、受光レンズに入射して受光器に受光される反射光の一部が通過し、反射光の他の一部はこの支持部を通過しないで受光レンズに入射して受光器に受光される形状である。

このようにすれば、反射光の一部は、支持部を通過しないで受光レンズに入射して受光器に受光されるので、受光器に受光される反射光が全部、支持部を通過する場合に比較して、支持部において反射光が減衰あるいは反射する程度が減少する。したがって、受光器が受光する受光量の減少を抑制することができる。

請求項６記載の発明は、請求項４に記載のレーザレーダ装置が備える光学部品の配置を決定する光学部品の配置決定方法であって、Ｙ軸に対する第２ミラーの設置角度を決定する第２ミラー角決定ステップ（Ｓ１）と、第２ミラー角決定ステップで決定した第２ミラーの設置角度と、傾斜角とに基づいて、第１ミラーの設置角度を決定する第１ミラー角決定ステップ（Ｓ２）と、投光部の位置を、Ｘ座標を第２ミラーのＸ座標と同じにし、かつ、この投光部がＺ軸にレーザ光を平行に投光するように決定する投光部位置決定ステップ（Ｓ３）と、第１ミラー角決定ステップで決定した設置角度となっている第１ミラーに、投光部位置決定ステップで位置を決定した投光部からレーザ光が入射し、かつ、第１ミラーが反射したレーザ光が第２ミラーに入射するように、第２ミラーに対する第１ミラーの位置を決定する第１ミラー位置決定ステップ（Ｓ４）と、Ｙ軸に対する支持部の入射面の角度を、第２ミラー角決定ステップで決定した第２ミラーの設置角度の２倍の角度に決定するとともに、Ｚ軸に対する、第２ミラーから受光部へ向かう角度を、第２ミラーの設置角度の２倍の角度に決定する受光側角度決定ステップ（Ｓ５）と、第１ミラー位置決定ステップで決定した第１ミラーの位置よりも第２ミラーから遠くなる位置であって、受光側角度決定ステップで角度を決定した角度となる位置に、受光部の位置を決定する受光部位置決定ステップ（Ｓ６）と、第１ミラー位置決定ステップで決定した第１ミラーの位置、および、受光部位置決定ステップで決定した受光部の位置のいずれか少なくとも一方と、レーザ光の走査範囲において最も第１ミラーおよび受光部に近くなる角度で照射されるレーザ光との距離とに基づいて、第１ミラーの位置および受光部の位置の適否を判断する適否判断ステップ（Ｓ７）とを備えることを特徴とする。

このようにすれば、請求項４に記載のレーザレーダ装置における第１ミラーの配置、支持部の入射面の角度、受光部の配置を、容易に決定することができる。

請求項７記載の発明では、適否判断ステップにおいて、第１ミラーの位置および受光部の位置が適切であると判断できる範囲において、第２ミラーの設置角度が最も小さくなるように、第２ミラーの設置角度を決定する。

前述した請求項６の発明によれば、第２ミラーの設置角度を種々変更して第１ミラーの位置および受光部の位置の適否を判断することができる。また、第２ミラーの設置角度が小さいほど、走査範囲の歪みを小さくすることができる。そこで、このように、第１ミラーおよび受光部の位置が適切であると判断できる範囲において、第２ミラーの設置角度が最も小さくなるようにすれば、走査範囲の歪みを最も小さくすることができる。

本発明が適用されたレーザレーダ装置１の光学部品の構成および配置を示す図である。 図１のレーザレーダ装置１が備える光学部品の配置を決定する手順を示すフローチャートである。 偏向ミラー２１および支持部２２の拡大図である。 支持部２２および受光部３０の位置と、レーザ光Ｌの走査範囲との関係を示す図である。 支持部２２および受光部３０の位置と、レーザ光Ｌの走査範囲との関係を示す図である。 偏向ミラー２１が投光部１０から投光されるレーザ光Ｌに正対している理想的な走査範囲を示す図である。 Ｚ軸に平行に投光されたレーザ光Ｌを、鉛直下方に偏向した場合の走査範囲を示す図である。 変形例１の支持部１２２を示す図である。 図８の支持部１２２の側面図である。 変形例２の支持部２２２を示す図である。 傾斜角αがある場合の偏向ミラー２１の設置角度θｎを説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（レーザレーダ装置１が備える光学部品）
図１に示すレーザレーダ装置１は、投光部１０、偏向部２０、受光部３０を備えている。これらはいずれも光学部品を備えている。投光部１０、偏向部２０、受光部３０は、図示しない筐体に収容されており、筐体の一部には、筐体窓４０が設けられている。

投光部１０は、光源１１と、投光コリメート部１２を備える。光源１１は、レーザ光Ｌを発生させる部品であり、たとえばレーザダイオード、あるいは、発光ダイオードを用いる。光源１１が発生させるレーザ光Ｌの波長には特に制限はなく、可視光でもよく、また、赤外光でもよい。また、レーザ光Ｌは、たとえばパルス状である。

投光コリメート部１２には、たとえばコリメートレンズを用いる。この構成により、投光部１０は、略平行なレーザ光Ｌを発生させて、そのレーザ光Ｌを投光する。

偏向部２０は、偏向ミラー２１、支持部２２、走査ミラー２３を備えている。偏向ミラー２１は請求項の第１ミラーに相当する。この偏向ミラー２１においてミラー面となっている反射面２１ａは平面である。この反射面２１ａには、投光部１０が投光したレーザ光Ｌが入射する。反射面２１ａは、入射したレーザ光Ｌを、走査ミラー２３に向けて反射する。

支持部２２は、偏向ミラー２１を支持する部材であり、偏向ミラー２１は支持部２２を介して筐体に固定されている。本実施形態の支持部２２は、平板形状をしている。偏向ミラー２１と支持部２２は一体化している。この支持部２２は、透明材料製、たとえば、透明樹脂製である。なお、支持部２２の大きさは後述する。

走査ミラー２３は請求項の第２ミラーに相当する。この走査ミラー２３には、偏向ミラー２１が反射したレーザ光Ｌが入射し、そのレーザ光Ｌを筐体窓４０の方向に偏向する。また、走査ミラー２３は、偏向方向を三次元的に走査する。したがって、レーザ光Ｌは、出射方向が三次元的に走査されつつ、筐体窓４０を通過して、レーザレーダ装置１の外部へ出射される。

本実施形態の走査ミラー２３は、ミラー面が平面となっており、２軸駆動可能なＭＥＭＳミラーであるとする。ただし、これ以外にも、上下方向軸回りに回転する回転ミラー上に、その回転ミラーの回転軸およびＺ軸に直交する軸周りに回転可能なミラーを搭載した複合型、反射ミラーの中央部を凸面としてレーザ光Ｌを拡散させる構造など、入射するレーザ光Ｌを走査できる公知の種々の構造を用いることができる。

この走査ミラー２３には、レーザ光Ｌが外部の物体で反射して生じた反射光Ｒも入射する。反射光Ｒが走査ミラー２３に入射すると、反射光Ｒは支持部２２の方向に反射される。

図１に実線で示している２本の反射光Ｒは、走査ミラー２３の最下部および最上部に入射する反射光Ｒをそれぞれ示している。したがって、これら２本の線の間が、反射光Ｒが走査ミラー２３により反射される上下方向の範囲である。

また、図１に示しているＺ軸は、走査ミラー２３により三次元的に走査されるレーザ光Ｌの仰俯角方向の走査中心である。また、Ｚ軸は、レーザレーダ装置１の正面方向でもある。レーザレーダ装置１の正面方向は、たとえば、レーザレーダ装置１の底面に対して平行であって、レーザ光Ｌの走査範囲の左右方向中心となる方向である。また、レーザレーダ装置１の正面方向は、レーザレーダ装置１の上下方向軸に垂直であって、レーザ光Ｌの走査範囲の左右方向中心となる方向と考えてもよい。Ｙ軸は、Ｚ軸に直交する上下方向の軸である。Ｘ軸は、Ｚ軸およびＹ軸に直交する軸である。

受光部３０は、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒの進行方向において、支持部２２よりも走査ミラー２３から遠い側に位置する。この受光部３０は、受光レンズ３１と受光器３２とを備える。

受光レンズ３１は、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒを受光器３２に集光する。受光器３２は、たとえば、アバランシェフォトダイオードなどのフォトダイオードであり、この受光器３２に入射する反射光Ｒの光量を示す信号を出力する。

筐体窓４０は、レーザ光Ｌの走査範囲よりも広い範囲に形成されている。したがって、走査ミラー２３により走査されたレーザ光Ｌは筐体窓４０を通過して装置外部へ出射される。しかし、一部のレーザ光Ｌは筐体窓４０で反射して装置内部へ向かう。レーザ光Ｌが筐体窓４０で反射した光を内部反射光Ｒｉとする。

筐体窓４０の設置角度は、走査ミラー２３が揺動した際に、走査ミラー２３の角度によらず、レーザ光Ｌが垂直に入射しない角度に設定されている。走査ミラー２３からのレーザ光Ｌが筐体窓４０に垂直に入射すると、ガウス分布状に強度が分布する内部反射光Ｒｉにおいて最大強度となる内部反射光Ｒｉが走査ミラー２３に入射してしまう。なお、以下では、単に内部反射光Ｒｉと記載する場合には、ガウス分布状に強度が分布する内部反射光Ｒｉにおいて最大強度となる内部反射光Ｒｉを意味する。

内部反射光Ｒｉが走査ミラー２３に入射しないようにするため、筐体窓４０の設置角度は、走査ミラー２３の角度によらず、走査ミラー２３からのレーザ光Ｌが垂直に入射しない角度に設定されている。また、筐体窓４０は、筐体窓４０が上側ほどＺ軸方向において走査ミラー２３から離隔する傾斜となっている。この傾斜は、それほど大きくなく、内部反射光Ｒｉは、走査ミラー２３の角度によらず、支持部２２よりも走査ミラー２３側に向かう。これらのことから、内部反射光Ｒｉは、投光部１０の方向に向かう。

図１に示すレーザ光Ｌおよび内部反射光Ｒｉは、レーザレーダ装置１の正面方向に照射されたレーザ光およびそのレーザ光Ｌにより生じた内部反射光である。一方、図１に示すレーザ光Ｌ１は、レーザレーダ装置１の正面方向に対して上向きに照射されたレーザ光であり、内部反射光Ｒｉ１は、レーザ光Ｌ１により生じた内部反射光である。図１に示す内部反射光Ｒｉ、Ｒｉ１は、いずれも、投光部１０の方向に向かっている。

前述した受光部３０は、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒが向かう方向にあり、かつ、支持部２２よりも走査ミラー２３から遠い側に位置する。したがって、筐体窓４０での反射により内部反射光Ｒｉが生じても、受光部３０に内部反射光Ｒｉが直接受光されることはない。

（光学部品の配置）
次に、レーザレーダ装置１が備える光学部品の配置決定方法を、図１、図２を用いて説明する。レーザレーダ装置１が備える光学部品の配置は、図２に示す手順に従い、設計者が決定する。この光学部品の配置は、走査ミラー２３のミラー面の中心位置を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）として決定する。

まず、第２ミラー角決定ステップに相当するステップＳ１では、走査ミラー２３の設置角度θｍを決定する。ここでの設置角度θｍは、走査ミラー２３のミラー面のＸ軸回りの角度、換言すれば、ＹＺ平面におけるＹ軸に対する走査ミラー２３のミラー面の角度である。この設置角度θｍは、ユーザが任意に設定する。

第１ミラー角決定ステップに相当するステップＳ２では、偏向ミラー２１の反射面２１ａの角度θｎを決定する。この角度θｎもＸ軸回りの角度である。この角度θｎは、ステップＳ１で決定した走査ミラー２３の設置角度θｍと同じ（θｎ＝θｍ）とする。

すなわち、走査ミラー２３のミラー面と偏向ミラー２１の反射面２１ａを平行にする。このようにすると、図１からも分かるように、投光部１０がレーザ光ＬをＺ軸に平行に投光した場合、筐体窓４０からも、Ｚ軸に平行にレーザ光Ｌが出射される。

投光部位置決定ステップに相当するステップＳ３では、投光部１０の位置を決定する。なお、投光部１０は、レーザ光ＬをＺ軸に平行に投光するものとする。投光部１０のＸ座標は０とする。Ｙ座標、Ｚ座標は、任意に設定できる。ここで決定した投光部１０の座標（Ｘ、Ｙ，Ｚ）を（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）とする。

第１ミラー位置決定ステップに相当するステップＳ４では、偏向ミラー２１の反射面２１ａの中心位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を決定する。偏向ミラー２１は、投光部１０からＺ軸に平行に投光されるレーザ光Ｌを反射する必要があることから、Ｘ１＝Ｘ０、Ｙ１＝Ｙ０とする。また、走査ミラー２３への入射角をθとすると、図１から分かるように、Ｚ１＝Ｙ１／ｔａｎ（２θ）となる。なお、ｎは走査ミラー２３の法線ベクトルである。また、図１からも分かるようにθ＝θｍである。

偏向ミラー２１の反射面２１ａの中心位置（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を（Ｘ０、Ｙ０、Ｙ１／ｔａｎ（２θ））とすることで、θｎとなっている偏向ミラー２１の反射面２１ａに、投光部１０からレーザ光Ｌが入射し、かつ、偏向ミラー２１が反射したレーザ光Ｌが走査ミラー２３に角度θで入射する。

受光側角度決定ステップに相当するステップＳ５では、支持部２２の入射面２２ａの角度と、受光部３０の設置角度を決定する。支持部２２の入射面２２ａとは、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒが入射する側の面である。また、偏向ミラー２１はこの入射面２２ａに設置されている。

入射面２２ａには反射光Ｒが直角に入射することが好ましい。図１から分かるように、走査ミラー２３で反射された反射光Ｒは、Ｚ軸に対して２θの角度で支持部２２に入射する。したがって、支持部２２の入射面２２ａの角度は、Ｙ軸から２θの角度とする。

前述したように、θｎ＝θｍかつθ＝θｍであるので、偏向ミラー２１および支持部２２の拡大図である図３に示すように、偏向ミラー２１の角度はθｍとなり、この偏向ミラー２１を支持する支持部２２の入射面２２ａのＸ軸回りの角度は２θｍである。つまり、支持部２２の入射面２２ａの角度は、偏向ミラー２１の反射面２１ａの設置角度の２倍に決定する。

なお、支持部２２が偏向ミラー２１を支持するものであり、偏向ミラー２１の位置はステップＳ４で決定しているので、支持部２２の位置はステップＳ４で定まる。

また、支持部２２の大きさは、支持部２２の入射面２２ａの角度を２θとし、支持部２２の位置を、偏向ミラー２１の位置から定まる位置としたときに、走査ミラー２３を反射した反射光Ｒが、偏向ミラー２１に照射されるものを除き、全て支持部２２の入射面２２ａに入射する大きさとなっている。また、受光レンズ３１は、支持部２２を通過した反射光Ｒが全て入射する大きさとなっている。したがって、受光レンズ３１を通過して受光器３２に受光される反射光Ｒは、全てこの支持部２２を通過する。

受光部３０の設置角度は、具体的には、原点である走査ミラー２３の中心から受光部３０に向かう反射光Ｒの中心軸に、受光レンズ３１の中心軸と、受光器３２の中心軸が一致する角度とする。この角度は、図１からも分かるように、反射光Ｒの角度に平行すなわちＺ軸から２θの角度である。

受光部位置決定ステップに相当するステップＳ６では、受光部３０の位置（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）を決定する。ここでの位置（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）は、図１に示すように、受光レンズ３１の中心軸の支持部２２側の面上の点とする。この位置（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）を決定すれば、ステップＳ５で決定した受光部３０の設置角度と、受光レンズ３１の焦点距離から受光器３２の位置も決定できる。

Ｘ２は、偏向ミラー２１の中心位置のＸ座標Ｘ１と同様、Ｘ０（すなわち０）である。Ｙ２は、Ｙ１よりも大きければ任意に設定できる。Ｚ２は、受光部３０の設置角度がＺ軸から２θであることから、Ｚ２＝Ｙ２／ｔａｎ（２θ）である。

適否判断ステップに相当するステップＳ７では、ステップＳ４で決定した偏向ミラー２１の位置、および、ステップＳ６で決定した受光部３０の位置が適切か否かを判断する。この判断は、偏向ミラー２１の位置、および、受光部３０の位置と、レーザ光Ｌの走査範囲において最も偏向ミラー２１に近い角度で出射されるレーザ光Ｌとの距離に基づいて判断する。

偏向ミラー２１のＺ１はＹ１／ｔａｎ（２θｍ）であり、また、受光部３０のＺ２はＹ２／ｔａｎ（２θｍ）である。これらを変形すると、Ｙ１＝Ｚ１×ｔａｎ（２θｍ）、Ｙ２＝Ｚ２×ｔａｎ（２θｍ）である。また、レーザレーダ装置１はある程度の大きさに抑える必要がある。すなわち、Ｚ１、Ｚ２には上限値がある。仮に、Ｚ１、Ｚ２を一定と考えると、θｍが小さいほどＹ１、Ｙ２は小さくなる。

ここで、レーザ光Ｌの仰俯角方向の走査範囲を一定とすると、Ｙ１、Ｙ２が小さいほど、レーザ光Ｌの走査範囲において、偏向ミラー２１や受光部３０に最も近い角度で出射されるレーザ光Ｌが、支持部２２や、受光部３０に遮られてしまう可能性が高くなる。

図４、図５は、θｍを変更して計算した支持部２２および受光部３０の位置を示しており、図５のほうが図４よりもθｍが小さい。また、図４、図５には、レーザ光Ｌの仰俯角方向の（すなわちＹＺ平面での）走査範囲の上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕ、下限角度で照射されるレーザ光Ｌｄも示している。走査範囲の上限角度は、走査範囲において最も偏向ミラー２１に近い角度で照射されるレーザ光Ｌの角度である。

図４の場合、走査範囲の上限角度で照射されたレーザ光Ｌｕは、支持部２２との間に距離があるので、そのレーザ光Ｌｕは支持部２２に遮られていない。これに対して、図５の場合には、走査範囲の上限角度で照射されたレーザ光Ｌｕは、支持部２２に遮られてしまっている。これら図４、図５の比較から分かるように、θｍが小さくなると、支持部２２や受光部３０がレーザ光Ｌを遮ってしまう恐れが生じる。従って、支持部２２や受光部３０がレーザ光Ｌを遮らないようにするためには、θｍが大きい方が好ましい。また、θｍが大きいと、レーザレーダ装置１のＺ軸方向の大きさを、小さくすることもできる。

その一方で、θｍが大きくなるほど、走査範囲の歪みが生じる。図６は、偏向ミラー２１が投光部１０から投光されるレーザ光Ｌに正対している、すなわち、θｍ＝０である理想的な走査範囲を示している。これに対して、図７は、Ｚ軸に平行に投光されたレーザ光Ｌを、鉛直下方、すなわち、Ｙ軸に平行な下側方向に偏向した場合の走査範囲を示している。図６、図７の比較から、θｍが大きくなると走査範囲に歪みが生じることが分かる。

このように、支持部２２や受光部３０がレーザ光Ｌを遮らないようにし、かつ、レーザレーダ装置１のＺ軸方向の大きさを小さくするためには、θｍが大きい方が好ましいが、走査範囲の歪みを小さくするためには、θｍが小さい方が好ましい。

したがって、どのθｍのときが、偏向ミラー２１の位置、および、受光部３０の位置が適切であるかは一意には決定することができない。ステップＳ７において、偏向ミラー２１の位置、および、受光部３０の位置が適切であると判断するか否かは、レーザレーダ装置１のＺ軸方向の大きさを小さくする要請と、走査範囲の歪みを小さくすることへの要請とを考慮して、設計者が決定する。

たとえば、走査範囲の歪みを最も小さくしたい場合、組み立て誤差を考慮しても、走査範囲の上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕが、支持部２２や受光部３０に遮られない範囲で、最もθｍが小さくなるように偏向ミラー２１、受光部３０の位置を決定する。

ステップＳ７の判断がＮＯであれば、ステップＳ１以下を再び実行する。再度実行するステップＳ１では、これまでとは異なる設置角度θｍを決定して、ステップＳ２以下を実行する。

一方、ステップＳ７の判断がＹＥＳとなった場合には、これまでに決定した光学部品の配置を、光学部品の最終的な配置として確定させる。

（実施形態のまとめ）
以上、説明したように、筐体窓４０で反射して生じた内部反射光Ｒｉは、筐体窓４０から走査ミラー２３の方向へ向かう。これに対して、受光部３０は、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒの進行方向に位置している。すなわち、受光部３０の位置は、内部反射光Ｒｉが直接向かう方向ではない。したがって、受光部３０に内部反射光Ｒｉが直接入射することを抑制できる。

また、受光部３０は、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒの進行方向において、支持部２２よりも走査ミラー２３から遠い側に位置している。この支持部２２は透明材料で構成されているので、走査ミラー２３と受光部３０との間に支持部２２が存在していても、その支持部２２により、反射光Ｒが遮られて受光部３０に受光されない程度を少なくすることができる。

また、支持部２２の大きさは、受光レンズ３１を通過して受光器３２に受光される反射光Ｒが、全て支持部２２を通過する大きさとなっている。したがって、受光器３２に受光される反射光Ｒは、支持部２２を通過することによる屈折率の変化の影響が均一になるので、反射光Ｒに基づく物体までの距離測定精度が向上する。

また、本実施形態では、偏向ミラー２１の反射面２１ａの設置角度は、走査ミラー２３のミラー面の設置角度と平行になっているので、投光部１０がＺ軸に平行に投光したレーザ光Ｌを、Ｚ軸に平行に筐体窓４０から出射できる。加えて、支持部２２の入射面２２ａの角度を、走査ミラー２３のミラー面の角度θｍの２倍の２θｍとしている。これにより、ステップＳ５で説明したように、支持部２２の入射面２２ａには、走査ミラー２３が反射した反射光Ｒが垂直に入射する。

すなわち、本実施形態では、レーザレーダ装置１から出射するレーザ光Ｌの角度をＺ軸に平行にしつつ、支持部２２の入射面２２ａに反射光Ｒが垂直に入射するようにできる。支持部２２の入射面２２ａに反射光Ｒが垂直に入射すると、支持部２２における反射光Ｒの反射が減少するので、受光器３２が受光する受光量の減少を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

＜変形例１＞
たとえば、前述の実施形態では、支持部２２は、平板形状であり、受光レンズ３１に入射して受光器３２に受光される反射光Ｒは全て支持部２２を通過するようになっていた。しかし、これに限られず、図８に示す支持部１２２を実施形態の支持部２２に代えて用いてもよい。この支持部１２２は、受光レンズ３１に入射して受光器３２に受光される反射光Ｒの一部が、支持部１２２を通過しない構成である。

支持部１２２は、２つの棒状部１２２ａ、１２２ｂと、枠部１２２ｃとを備えている。これら棒状部１２２ａ、１２２ｂ、枠部１２２ｃは、いずれも、透明材料製である。

２つの棒状部１２２ａ、１２２ｂは、同じ形状であり、向きが互いに異なる。これら２つの棒状部１２２ａ、１２２ｂは、直線状であり、長手方向の中心で互いに直交している。この直交している部分に偏向ミラー２１が固定されている。枠部１２２ｃは、四角形状の枠であり、四辺の各中央に棒状部１２２ａの端が連結されている。図９は、この支持部１２２の側面図である。図９に示すように、枠部１２２ｃの厚さは一定である。この枠部１２２ｃが、図示しない筐体に固定される。

支持部１２２は、棒状部１２２ａ、１２２ｂと、枠部１２２ｃから構成されているため、支持部１２２の棒状部１２２ａ、１２２ｂ、枠部１２２ｃにより囲まれる貫通路１３０が形成されている。この貫通路１３０は、支持部１２２をその厚さ方向に貫通する。

変形例１では、受光レンズ３１に入射して受光器３２に受光される反射光Ｒの一部は、透明材料製である支持部１２２を通過するが、他の一部は、貫通路１３０を通る。貫通路１３０を通る反射光Ｒは、支持部１２２により、反射されたり、減衰させられたりすることがない。したがって、前述の実施形態のように、受光器３２に受光される反射光Ｒが全部、支持部２２を通過する場合に比較して、支持部１２２において反射光Ｒが減衰あるいは反射する程度が減少するので、受光器３２が受光する受光量の減少を抑制することができる。

＜変形例２＞
図１０に示す支持部２２２は、平板部２２２ａとレンズ部２２２ｂを備えている。この支持部２２２も、全部が透明材料製である。平板部２２２ａは、実施形態の支持部２２と同じ形状である。レンズ部２２２ｂは、走査ミラー２３が反射して、この支持部２２２を通過する反射光Ｒを受光器３２に集光する機能を備える。なお、平板部２２２ａを備えず、支持部２２２をレンズ部２２２ｂのみとしてもよい。

この支持部２２２を用いれば、受光レンズ３１は不要となる。したがって、受光レンズ３１を配置するスペースを省略でき、かつ、受光レンズと支持部２２２との間の距離もなくなる。これにより、レーザレーダ装置を小型化できる。

＜変形例３＞
前述の実施形態では、レーザレーダ装置１から出射するレーザ光Ｌの仰俯角中心は、レーザレーダ装置１の正面方向であった。すなわち、前述の実施形態では、レーザ光Ｌの走査範囲の仰俯角中心と、レーザレーダ装置１の正面方向が一致していた。しかし、レーザ光Ｌの走査範囲の仰俯角中心を、レーザレーダ装置１の正面方向に対して傾斜させてもよい。

この場合、レーザレーダ装置１の正面方向に対してレーザ光Ｌの走査範囲の仰俯角中心が傾斜している角度（以下、傾斜角）をαとすると、図１１から分かるように、偏向ミラー２１の設置角度θｎは、走査ミラー２３の設置角度θｍにα／２を加えた角度とする。

＜変形例４＞
図８に示した支持部１２２以外にも、実施形態の支持部２２の一部を切り欠いた形状の支持部を用いてもよい。この形状の支持部も、受光レンズ３１に入射して受光器３２に受光される反射光Ｒの一部が通過し、反射光Ｒの他の一部は支持部を通過しないで受光レンズ３１に入射して受光器３２に受光される形状である。

＜変形例５＞
図４、図５の例では、上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕが支持部２２に遮られるか否かを判断していた。しかし、上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕが、支持部２２には遮られないが、受光レンズ３１に遮られる状態が生じる可能性がある場合には、上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕが受光レンズ３１に遮られるか否かを判断してもよい。また、上限角度で照射されるレーザ光Ｌｕが、支持部２２および受光レンズ３１のいずれにも遮られないか否かを判断してもよい。

１：レーザレーダ装置 １０：投光部 １１：光源 １２：投光コリメート部 ２０：偏向部 ２１：偏向ミラー ２１ａ：反射面 ２２：支持部 ２２ａ：入射面 ２３：走査ミラー ３０：受光部 ３１：受光レンズ ３２：受光器 ４０：筐体窓 １２２：支持部 １２２ａ：棒状部 １２２ｂ：棒状部 １２２ｃ：枠部 １３０：貫通路 ２２２：支持部 ２２２ａ：平板部 ２２２ｂ：レンズ部 Ｌ：レーザ光 Ｒ：反射光 Ｒｉ：内部反射光

Claims (7)

1. 筐体窓（４０）を備え、前記筐体窓からレーザ光を照射するレーザレーダ装置（１）であって、
   レーザ光を発生させて投光する投光部（１０）と、
   前記投光部が投光した前記レーザ光の光軸に対して傾斜しており、前記レーザ光を反射する第１ミラー（２１）と、
   前記第１ミラーを支える支持部（２２、１２２、２２２）と、
   前記第１ミラーが反射した前記レーザ光の偏向方向を三次元的に走査して、前記筐体窓を通して装置外部へ出射するとともに、前記レーザ光が装置外部の物体で反射して生じた反射光を反射する第２ミラー（２３）と、
   前記第２ミラーが反射した反射光の進行方向において、前記支持部よりも前記第２ミラーから遠い側に位置しており、前記第２ミラーが反射した反射光を受光する受光部（３０）とを備え、
   前記筐体窓は、前記レーザ光の走査角度によらず、前記レーザ光が垂直に入射せず、かつ、前記レーザ光が前記筐体窓で反射して生じた内部反射光が前記支持部よりも前記第２ミラー側に向かう角度になっており、
   前記支持部が透明材料製であることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 請求項１において、
   前記受光部は、前記反射光を検出する受光器（３２）と、前記第２ミラーが反射した反射光を前記受光器へ集光する受光レンズ（３１）とを備えており、
   前記支持部（２２）は、前記受光レンズに入射して前記受光器に受光される反射光が、全てこの支持部を通過する形状であることを特徴とするレーザレーダ装置。
3. 請求項１において、
   前記受光部は、前記反射光を検出する受光器（３２）を備えており、
   前記支持部（２２２）は、前記第２ミラーが反射した反射光を前記受光器へ集光するレンズ部（２２２ｂ）を備えていることを特徴とするレーザレーダ装置。
4. 請求項２または３において、
   前記レーザ光の仰俯角方向の走査中心角度において照射される前記レーザ光に平行な軸をＺ軸とし、このＺ軸に対して垂直な上下方向の軸をＹ軸としたとき、
   前記Ｙ軸に対する前記第１ミラー（２１）の設置角度（θｎ）は、前記Ｙ軸に対する前記第２ミラー（２３）の設置角度（θｍ）に、レーザレーダ装置の正面方向の角度に対して前記レーザ光の仰俯角方向の走査中心角度が傾斜している角度である傾斜角（α）の１／２を加えた角度になっており、
   前記支持部において前記反射光が入射する面である入射面（２２ａ）は平面であり、
   前記Ｙ軸に対する前記支持部の前記入射面の角度が、前記第１ミラーにおいて前記レーザ光を反射する反射面と前記Ｙ軸との角度の２倍になっていることを特徴とするレーザレーダ装置。
5. 請求項１において、
   前記受光部は、前記反射光を検出する受光器（３２）と、前記第２ミラーが反射した反射光を前記受光器へ集光する受光レンズ（３１）とを備えており、
   前記支持部（１２２）は、前記受光レンズに入射して前記受光器に受光される反射光の一部が通過し、前記反射光の他の一部はこの支持部を通過しないで前記受光レンズに入射して前記受光器に受光される形状であることを特徴とするレーザレーダ装置。
6. 請求項４に記載のレーザレーダ装置が備える光学部品の配置を決定する光学部品の配置決定方法であって、
   Ｙ軸に対する前記第２ミラーの設置角度を決定する第２ミラー角決定ステップ（Ｓ１）と、
   前記第２ミラー角決定ステップで決定した前記第２ミラーの設置角度と、前記傾斜角とに基づいて、前記第１ミラーの設置角度を決定する第１ミラー角決定ステップ（Ｓ２）と、
   前記投光部の位置を、Ｘ座標を前記第２ミラーのＸ座標と同じにし、かつ、この投光部が前記Ｚ軸に前記レーザ光を平行に投光するように決定する投光部位置決定ステップ（Ｓ３）と、
   前記第１ミラー角決定ステップで決定した設置角度となっている前記第１ミラーに、前記投光部位置決定ステップで位置を決定した前記投光部から前記レーザ光が入射し、かつ、前記第１ミラーが反射した前記レーザ光が前記第２ミラーに入射するように、前記第２ミラーに対する前記第１ミラーの位置を決定する第１ミラー位置決定ステップ（Ｓ４）と、
   前記Ｙ軸に対する前記支持部の前記入射面の角度を、前記第２ミラー角決定ステップで決定した前記第２ミラーの設置角度の２倍の角度に決定するとともに、前記Ｚ軸に対する、前記第２ミラーから前記受光部へ向かう角度を、前記第２ミラーの設置角度の２倍の角度に決定する受光側角度決定ステップ（Ｓ５）と、
   前記第１ミラー位置決定ステップで決定した前記第１ミラーの位置よりも前記第２ミラーから遠くなる位置であって、前記受光側角度決定ステップで角度を決定した角度となる位置に、前記受光部の位置を決定する受光部位置決定ステップ（Ｓ６）と、
   前記第１ミラー位置決定ステップで決定した前記第１ミラーの位置、および、前記受光部位置決定ステップで決定した前記受光部の位置のいずれか少なくとも一方と、前記レーザ光の走査範囲において最も前記第１ミラーおよび前記受光部に近くなる角度で照射される前記レーザ光との距離とに基づいて、前記第１ミラーの位置および前記受光部の位置の適否を判断する適否判断ステップ（Ｓ７）とを備えることを特徴とする光学部品の配置決定方法。
7. 請求項６において、
   前記適否判断ステップにおいて、前記第１ミラーの位置および前記受光部の位置が適切であると判断できる範囲において、前記第２ミラーの設置角度が最も小さくなるように、前記第２ミラーの設置角度を決定することを特徴とする光学部品の配置決定方法。

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