JP2016205851A - 光走査型の対象物検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、窓部の結露を抑制して十分な対象物検知性能を確保できる光走査型の対象物検出装置を提供する。【解決手段】透明板ＴＲと投光系ＬＰＳの間に放熱部材ＥＨを配置することで、放熱部材ＥＨの下面ＥＨｂから熱を吸収し、更に吸収した熱を放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃから放熱することで、これに対向する透明板ＴＲの内側面全体を加温することが出来、それにより結露の発生を抑制できる。【選択図】図５

Description

本発明は、レーザー光等を走査投光して物体を検出する光走査型の対象物検出装置に関する。

近年、自動車や飛行体などの分野で、進行方向前方に存在する障害物の検知を行うために、レーザー光を走査しつつ出射し、対象物に当たって反射した反射光を受光して、出射と受光との時間関係に基づいて、障害物の情報を取得するレーザー走査型測定機が開発され、実用化されている。

一般的なレーザー走査型測定機においては、投光系がレーザーダイオードとコリメーターから構成され、受光系が受光レンズ（またはミラー）とフォトダイオードなどの光検出素子から構成され、更には投光系と受光系との間に反射面を備えた反射ミラーが配置されている。このようなレーザー走査型測定機においては、反射ミラーの回転によって、投光系から出射された光を走査投光することにより、１点での測定ではなく２次元的に対象物を広範囲に測定できるというメリットがある。

レーザー走査型測定機は、上述した移動体の障害物検知の他にも、建物の軒下などに設けて不審者を検知する防犯用途、或いはヘリコプターや航空機などに搭載して上空から地形情報を取得する地形調査用途などにも適用でき、また大気中のガス濃度を測定するガス検知用途にも適用可能である。しかるに、上述した用途の多くにおいては、レーザー走査型測定機の屋外使用が前提となるので、使用に当たっては外部環境から投光系や受光系などの各素子を保護する筐体を設けると共に、外部に出射するレーザー光を妨げないように透明な窓部を筐体に設けることが望ましい。ところが、例えば外気温が低い時に各素子の発熱で筐体内の温度が上昇し、筐体の内外の温度差が大きくなると、レーザー光が透過する窓部の内側に結露が発生することがあり、かかる結露による窓部の曇りや付着した水滴により、透過するレーザー光の光量の減衰や、光束の指向性が劣化して検知性能が低下してしまうという課題がある。よって、レーザー光が透過する窓部での結露の発生を防止する工夫が必要である。

特許第3209667号明細書 特許第4869427号明細書

特許文献１には、レーザー光量が減衰し対象物検知性能の低下を招く窓部（透過パネル）の結露を抑制するために、２枚重ねて配置した透過パネル間に空気層を作り、断熱効果を確保する技術が開示されている。しかしながら、かかる従来技術では、透過パネルを２枚使用するため、レーザー光が投光と受光で計４回透過パネルを通過することを余儀なくされ、それによりパネルの光透過率に応じてレーザー光量が大きく減衰してしまい光の利用効率が低下するという問題がある。例えば透過パネル１枚の透過率を９０％とすると、透過パネルが１枚の構成では、受光系に到達時の光の利用効率は８１％であるのに対し、透過パネルが２枚の構成ではその光の利用効率が６６％に低下することとなる。加えて透過パネルを２枚固定しなければならないため、構造が重く複雑になってしまうという問題もある。

一方、特許文献２には、上空からの映像を撮像する為に、密閉型の筐体と、筐体内に収容されたカメラを含むカメラスタビライザにおいて、回路排熱を含む空気（熱風）をファンにより強制的に送ることで窓部を加温して、結露を抑制する技術が開示されている。この従来技術の場合、窓部まで熱風を送るための専用ファンおよび熱風を送るための流路の確保が必要であり、構造が複雑になってしまい、またファンの電力などが必要で省エネが図れないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、簡素な構成でありながら、窓部の結露を抑制して十分な対象物検知性能を確保できる光走査型の対象物検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、
光束を出射する光源と、
回転軸回りに回転するミラー面を備えた回転ミラー体と、
光束を受光する受光部と、
光透過性を備えた窓部が設けられると共に、前記光源と、前記回転ミラー体と、前記受光部とを内包した筐体と、を有し、
前記光源から出射された光束は、回転する前記ミラー面で反射され、前記窓部を介して前記筐体の外部へ走査投光され、
前記走査投光された光束のうち対象物で反射した光束の一部は、前記窓部を介して前記筐体の内部の前記ミラー面で反射した後、前記受光部で受光されるよう構成された光走査型の対象物検出装置であって、
前記回転軸を含む断面で見たとき、前記光源及び前記受光部のうち少なくとも一方と前記窓部の間に放熱部材を有し、
前記窓部を前記回転軸の方向に投影したときに、前記窓部の投影領域に前記放熱部材の少なくとも一部が重なっているものである。

本発明によれば、簡素な構成でありながら、窓部の結露を抑制して十分な対象物検知性能を確保できる光走査型の対象物検出装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる光走査型の対象物検出装置としてのレーザーレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。 第１の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの外観斜視図である。 レーザーレーダーＬＲの窓部を取り外した状態で示す斜視図である。 レーザーレーダーＬＲの筐体及び放熱部材を除く主要部を示す斜視図である。 レーザーレーダーを、回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。 ミラーユニットＭＵの回転に応じて、出射するレーザースポット光ＳＢ（ハッチングで示す）で、レーザーレーダーＬＲの検出範囲Ｇ上を走査する状態を示す図である。 本発明者らが行ったシミュレーション結果を示す温度分布図である。 第２の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、図３と同様な斜視図である。 第３の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。 第４の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施の形態にかかる光走査型の対象物検出装置としてのレーザーレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。本実施の形態のレーザーレーダーＬＲは、車両１のフロントグリル１ｂの背後に設けられているが、それ以外の車外（フロントウィンドウ１ａの上端など）に配置されていても良い。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの外観斜視図であり、図３は、レーザーレーダーＬＲの窓部を取り外した状態で示す斜視図である。図４は、レーザーレーダーＬＲの筐体及び放熱部材を除く主要部を示す斜視図であるが、構成要素の形状や長さ等、実際と異なる場合がある。

レーザーレーダーＬＲは、例えば、レーザー光束を出射するパルス式の半導体レーザー（光源）ＬＤと、半導体レーザーＬＤからの発散光を平行光に変換するコリメートレンズＣＬと、コリメートレンズＣＬで平行とされたレーザー光を、回転するミラー面により対象物ＯＢＪ側（図１）に向かって走査投光すると共に、走査投光された対象物ＯＢＪからの反射光を反射させるミラーユニット（回転ミラー体）ＭＵと、ミラーユニットＭＵで反射された対象物ＯＢＪからの反射光を集光するレンズＬＳと、レンズＬＳにより集光された光を受光するフォトダイオード（受光部）ＰＤとを有する。

ミラーユニットＭＵは、２つの四角錐を逆向きに接合して一体化した形状を有し、すなわち対になって向き合う方向に傾いたミラー面Ｍ１、Ｍ２を４対有している。ミラー面Ｍ１、Ｍ２は、ミラーユニットの形状をした樹脂素材（例えばＰＣ）の表面に、反射膜を蒸着することにより形成されていると好ましい。ミラーユニットＭＵは中空であっても良い。

半導体レーザーＬＤと、コリメートレンズＣＬとで投光系ＬＰＳを構成し、レンズＬＳと、フォトダイオードＰＤとで受光系ＲＰＳを構成する。投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して直交している。

図５は、レーザーレーダーを、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。ボックス状の筐体ＣＳは、樹脂製であって、上壁ＣＳａと、これに対向する下壁ＣＳｂと、上壁ＣＳａと下壁ＣＳｂとを連結する側壁ＣＳｃとを有する。概ね１８０度の走査範囲で、ミラーユニットＭＵから出射されるレーザー光を外部に出射できるように、側壁ＣＳｃの一部に開口ＣＳｄが形成されている。開口ＣＳｄには、円錐面の一部を切り出したごとき形状の窓部としての透明板ＴＲが取り付けられている。アクリル、ガラス、ＰＣなどから形成されていると好ましい透明板ＴＲは、一方の面が筐体ＣＳの内部に接し、他方の面が筐体ＣＳの外部に接している。開口ＣＳｄの開口角度範囲は、回転軸ＲＯを中心に水平方向において１８０度である。

図３、５を参照して、筐体ＣＳ内における開口ＣＳｄの下端近傍（ミラー面Ｍ１、Ｍ２の交差部付近）において、回転軸ＲＯに略直交するように、放熱部材ＥＨが取り付けられている。放熱部材ＥＨは、例えば、全体的に黒アルマイト処理を施された黒色のアルミニウム製の半円板状であって、ミラーユニットＭＵに対向して半円形の切欠ＥＨａを有している。放熱部材ＥＨの下面ＥＨｂが吸熱面を構成し、放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃが放熱面を構成する。尚、放熱部材ＥＨの素材はアルミニウムに限られず、鉄、黄銅、ステンレス等であってもよい。また、表面処理としては黒い塗料を塗布しても良いし、黒いシートを貼り付けても良い。また、放熱部材ＥＨの表面に複数のフィンを形成しても良い。放熱部材ＥＨが筐体ＣＳの一部であっても良い。

図５に示すように、放熱部材ＥＨの窓部に対向していない面側には、投光系ＬＰＳが近接して配置されている。透明板ＴＲと放熱部材ＥＨとの間、及び放熱部材ＥＨと投光系ＬＰＳとの間には、空気のみが介在するようにして、他の部材が存在しないことが望ましい。又、透明部材ＴＲを、回転軸ＲＯの方向に投光系ＬＰＳ及び受光系ＲＰＳの側に投影したとき、その投影領域に放熱部材ＥＨの少なくとも一部が重なっている。放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃの面積は、透明部材ＴＲを回転軸ＲＯ方向に投影したときの面積の５０％以上であると、後述する加温効果を発揮できるので好ましく、より好ましくは７０％以上であり、投影領域の全てが、放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃ内に含まれるようになっている、すなわち１００％以上であると更に好ましい。

ミラーユニットＭＵの下面は、モータＭＴの軸ＭＴａに連結され、回転駆動されるようになっている。筐体ＣＳは、ミラーユニットＭＵ、投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳ、その他図示しない回路基板などを収容しており、更にモータＭＴを内包していても良い。

次に、レーザーレーダーＬＲの対象物検出動作について説明する。図４、５において、半導体レーザーＬＤからパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズＣＬで平行光束に変換され、回転する第１ミラー面Ｍ１に入射し、ここで反射され、放熱部材ＥＨの切欠ＥＨａ（図５）を通過し、更に第２ミラー面Ｍ２で反射した後、透明板ＴＲを透過して外部の対象物ＯＢＪ側に例えば縦長の矩形断面を持つレーザースポット光として走査投光される。

図６は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、出射するレーザースポット光ＳＢ（ハッチングで示す）で、レーザーレーダーＬＲの検出範囲Ｇ内を走査する状態を示す図である。ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が異なっている。レーザー光は、回転移動する第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて、順次反射される。まず１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの一番上の領域Ｌｎ１を水平方向に左から右へと走査される。次に、２番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの上から二番目の領域Ｌｎ２を水平方向に左から右へと走査される。次に、３番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの上から三番目の領域Ｌｎ３を水平方向に左から右へと走査される。次に、４番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面で反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの最も下の領域Ｌｎ４を水平方向に左から右へと走査される。これにより検出範囲Ｇ全体の１回の走査が完了する。そして、ミラーユニットＭＵが１回転した後、１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２が戻ってくれば、再び検出範囲Ｇの一番上の領域Ｌｎ１から最も下の領域Ｌｎ４までの走査を繰り返す。

図４、５において、走査投光された光束のうち対象物ＯＢＪに当たって反射したレーザー光の一部は、再び透明板ＴＲを透過して筐体ＣＳ内のミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、このとき放熱部材ＥＨの切欠ＥＨａ（図５）を通過し、更に第１ミラー面Ｍ１で反射されて、レンズＬＳにより集光され、それぞれフォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。これにより検出範囲Ｇ内の全領域で、対象物ＯＢＪの検出を行える。図５に示すように、放熱部材ＥＨは、対象物ＯＢＪからの反射光が透明板ＴＲを介して第２ミラー面Ｍ２へ向かう光束と、第１ミラー面から受光系ＲＰＳへ向かう光束との間に配置することが好ましく、これにより、外部より入射した不要光や筐体内部での不要な反射光を、放熱部材ＥＨによって遮ることができ、フォトダイオードＰＤへの入射を防止できので、測定に与える不要光の影響を回避できる。

ここで、投光系ＬＰＳ及び受光系ＲＰＳ等が発熱することにより筐体ＣＳ内部が昇温しやすいのに対し、筐体ＣＳの外部環境が低温であると、筐体ＣＳの内部に結露が発生しやすくなる。本実施の形態では、透明板ＴＲに結露が発生しないように放熱部材ＥＨを設けているので、その効果について説明する。本発明者らは、筐体ＣＳ内で投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳを動作させ、且つミラーユニットＭＵを回転させた状態での、筐体内での熱の分布について検討した。図７は、本発明者らが行ったシミュレーション結果を示す温度分布図であり、線図の密度が高い位置が高熱部であり、線図の密度が低い位置が低熱部である。図７によれば、投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳ付近が比較的温度が高い位置となって、発熱体を構成していることがわかる。しかし、放熱部材ＥＨを設けない場合、投光系ＬＰＳ及び受光系ＲＰＳが比較的小型であることから、窓部の一部のみを局所的に加温できたとしても全体の加温に至らず、結露が残る恐れがある。そこで、図５に示すように、透明板ＴＲと、投光系ＬＰＳ及び受光系ＲＰＳとの間の投光系ＬＰＳに近接して、放熱部材ＥＨを配置したのである。すなわち、放熱部材ＥＨの下面ＥＨｂから、投光系ＬＰＳと受光系ＲＰＳからの熱を吸収し、更に吸収した熱を比較的面積が大きな放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃからの輻射で放熱され、これに対向する透明板ＴＲの内側面全体が加温されることより、別個に補助ヒーターを設けることなく結露の発生を抑制できる。放熱部材ＥＨの表面は黒色であるので、優れた吸熱及び放熱効果を持つ。更に、レーザーレーダーＬＲが、放熱部材ＥＨより透明板ＴＲが重力加速度方向上方にあるように設置された場合、放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃに接して加温された空気は比重が軽くなるので、重力加速度方向上方に向かうため、より効果的に透明板ＴＲを加温できる。

又、ミラーユニットＭＵの回転によって筐体ＣＳ内の側壁ＣＳｃに沿って気流が生じるから、これにより透明板ＴＲ付近に湿度が高い空気が滞留することを抑制し、結露の防止に貢献する。

（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、図３と同様な斜視図であるが、ミラーユニットは省略している。本実施の形態においては、筐体ＣＳが略直方体状のボックス形状であって、側面ＣＳｃと上面ＣＳａとにわたって傾斜した平面でそぎ落とすようにして、矩形の開口ＣＳｄを形成してなる。開口ＣＳｄには矩形板状の透明板ＴＲが取り付けられる。透明板ＴＲと投光系ＬＰＳとの間には、矩形板状の放熱部材ＥＨが取り付けられている。本実施の形態においても、透明部材ＴＲを、回転軸ＲＯの方向に沿って投光系ＬＰＳ及び受光系ＲＰＳの側に投影したときに、その投影領域の全てが、放熱部材ＥＨの上面ＥＨｃ内に含まれるようになっている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態）
図９は、第３の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。第１の実施の形態に対し、異なる点のみを説明する。本実施の形態のミラーユニットＭＵは、上述した第１の実施の形態に対して下半部の四角錐を削除してなる単一の略四角錐形状からなり、その側面に４つのミラー面Ｍ２を形成している。４つのミラー面Ｍ２の傾斜角度をそれぞれ変えておくことで、図４に示すように検出範囲Ｇ内を２次元的に走査できる。

さらに、本実施の形態では、反射鏡ＭＲ１、ＭＲ２を設け、投光系ＬＰＳから出射された光束は、反射鏡ＭＲ１で反射され、回転軸ＲＯに沿って進行し、回転するミラーユニットＭＵのミラー面Ｍ２で反射した後、透明板ＴＲを透過して外部の検出範囲に走査投光される。一方、走査投光された光束のうち対象物ＯＢＪに当たって反射したレーザー光は、再び透明板ＴＲを透過して筐体ＣＳ内のミラーユニットＭＵのミラー面Ｍ２で反射され、回転軸ＲＯに沿って進行し、反射鏡ＭＲ２で反射され、受光系ＲＰＳで検知されるようになっている。

このような構成のレーザーレーダーＬＲにおいても、回転軸ＲＯを含む断面で見たとき、回転軸ＲＯに沿って上方から、透明板ＴＲ、放熱部材ＥＨ、投光系ＬＰＳの順に配置し、かつ対象物ＯＢＪからの反射光が透明板ＴＲを介して第２ミラー面Ｍ２へ向かう光束と、反射鏡ＭＲ２から受光系ＲＰＳへ向かう光束との間に配置すれば、第１の実施の形態と同様に、透明板ＴＲの内側面全体を加温することができ、さらに、放熱部材ＥＨによって不要光を遮ることができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、第４の実施の形態にかかるレーザーレーダーＬＲの、回転軸ＲＯを含む面で切断して示す断面図である。第３の実施の形態に対し、異なる点のみを説明する。本実施の形態は、回転軸ＲＯを含む断面で見たとき、回転軸ＲＯに沿って上方から、透明板ＴＲ、投光系ＬＰＳ、放熱部材ＥＨ、受光系ＲＰＳの順に配置され、光源である半導体レーザーＬＤが放熱部材ＥＨに固着されているものである。この場合も、放熱部材ＥＨは、対象物ＯＢＪからの反射光が透明板ＴＲを介して第２ミラー面Ｍ２へ向かう光束と、反射鏡ＭＲ２から受光系ＲＰＳへ向かう光束との間に配置されている。このような構成でも、熱源の一つである半導体レーザーＬＤからの直接的な熱輻射と、半導体レーザーＬＤからの発熱を、固着された放熱部材ＥＨに伝導させて放熱部材ＥＨの上面からの輻射で放熱させることができ、第１の実施の形態と同様に、透明板ＴＲの内側面全体を加温することができ、さらに、放熱部材ＥＨによって不要光を遮ることができる。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、図面を用いて説明した本発明の内容は、全て実施の形態に適用でき、ヘリコプターなどの飛行体への搭載や、建物に設置して不審者を検知する防犯センサなどにも適用できる。また、上述の実施の形態では、光源としてレーザーを用いたもので説明したが、これに限るものでなく、光源にＬＥＤ等を用いたものであってもよいのは言うまでもない。

１ 車両
１ｂ フロントグリル
ＣＬ コリメートレンズ
ＣＳ 筐体
ＣＳａ 上壁
ＣＳｂ 下壁
ＣＳｃ 側壁
ＣＳｄ 開口
ＥＨ 放熱部材
Ｇ 画面
ＬＤ 半導体レーザー
Ｌｎ１−Ｌｎ４ 画面の領域
ＬＰＳ 投光系
ＬＲ レーザーレーダー
ＬＳ レンズ
Ｍ１ 第１ミラー面
Ｍ２ 第２ミラー面
ＯＢＪ 対象物
ＰＤ フォトダイオード
ＭＵ ミラーユニット
ＲＯ 回転軸
ＲＰＳ 受光系
ＴＲ 透明板

Claims (6)

1. 光束を出射する光源と、
   回転軸回りに回転するミラー面を備えた回転ミラー体と、
   光束を受光する受光部と、
   光透過性を備えた窓部が設けられると共に、前記光源と、前記回転ミラー体と、前記受光部とを内包した筐体と、を有し、
   前記光源から出射された光束は、回転する前記ミラー面で反射され、前記窓部を介して前記筐体の外部へ走査投光され、
   前記走査投光された光束のうち対象物で反射した光束の一部は、前記窓部を介して前記筐体の内部の前記ミラー面で反射した後、前記受光部で受光されるよう構成された光走査型の対象物検出装置であって、
   前記回転軸を含む断面で見たとき、前記光源及び前記受光部のうち少なくとも一方と前記窓部の間に放熱部材を有し、
   前記窓部を前記回転軸の方向に投影したときに、前記窓部の投影領域に前記放熱部材の少なくとも一部が重なっている光走査型の対象物検出装置。
2. 前記回転軸を含む断面で見たとき、前記回転軸の方向に沿って、前記窓部、前記放熱部材、前記光源の順に配置されている請求項１に記載の光走査型の対象物検出装置。
3. 前記回転軸を含む断面で見たとき、前記回転軸の方向に沿って、前記窓部、前記光源、前記放熱部材の順に配置され、前記光源が前記放熱部材に固着されている請求項１に記載の光走査型の対象物検出装置。
4. 前記対象物からの光束は、前記窓部を介して第２のミラー面により第１のミラー面へ向けて反射され、前記第１のミラー面の反射により前記受光部で受光されるよう構成され、
   前記放熱部材は、前記回転軸を含む断面で見たとき、前記窓部を介して前記第２のミラー面へ向かう光束と、前記第１のミラー面から前記受光部へ向かう光束の間に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
5. 前記放熱部材の前記窓部側の面は黒色である請求項１〜４のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
6. 前記放熱部材の面積は、前記窓部を前記回転軸の方向に投影したときの面積の５０％以上である請求項１〜５のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。