JP2018059757A - 投光光学系、物体検出装置 - Google Patents

投光光学系、物体検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のLD(レーダダイオード)やLDモジュールを備えた投射光学系および物体検出装置の小型化を実現する。【解決手段】物体検出装置100は、複数のLDが1列に配列されたLDモジュール2A、2Bと、LDが発した光の拡がりを調整する投光レンズ14A、14Bと、投光レンズ14A、14Bを通過した光を偏向して対象物に照射する光偏向器4とから成る投射光学系に加えて、光偏向器4から投射された光の反射光を受光するPDを備え、PDから出力される受光信号に基づいて対象物の有無を検出する。LDは、第1方向Zに狭い第1角度で拡がりかつ第1方向Zに対して垂直な第2方向Yに広い第2角度で拡がるように光を発する。LDモジュール2A、2Bは、LDの配列方向が第1方向Zと一致し、かつ第2方向Yに並んで第1方向Zにずれて配置されている。投光レンズ14A、14Bは、LDモジュール2A、2Bに対応して配置されている。【選択図】図3

Description

本発明は、複数のレーザダイオードを有する投射光学系と、該投射光学系を備えた物体検出装置とに関する。
たとえば、車載用のレーザレーダなどのような物体検出装置は、光を投射する投射光学系と、投射された光の対象物による反射光を受光する受光光学系などを備えている。
特許文献1〜8に開示されているように、投射光学系には、光源であるレーザダイオードと、レーザダイオードから発せられた光の拡がりを調整する投光レンズなどの光学部品が含まれている。受光光学系には、投射光学系から投射された光の対象物による反射光を受光する受光素子などが含まれている。
また、特許文献2〜4に開示されているように、投光レンズを通過した光を偏向して対象物に投射したり、対象物からの反射光を偏向して受光素子に入射させたりする光偏向器を含んだ投射光学系や受光光学系もある。
物体検出装置は、受光素子から出力される受光信号に基づいて、対象物の有無を判断する。また、レーザダイオードから光を発して、対象物からの反射光を受光素子で受光するまでの時間などに基づいて、対象物までの距離を検出する物体検出装置もある。
たとえば、対象物の検出範囲を拡大したり検出精度を向上させたりするため、光源には複数のレーザダイオードが用いられている。複数のレーザダイオードを1方向に配列してモジュール化したものもある(たとえば、特許文献1および特許文献4〜8)。また、そのようなレーザダイオードモジュールを一方向に複数積層したものもある(たとえば、特許文献5、7、8)。さらに、レーザダイオードから発せられた熱を冷却するため、冷却構造を備えたレーザダイオードモジュールもある(たとえば、特許文献5〜8)。
特許文献2〜4では、光偏向器により光を偏向走査する方向に対して垂直な上下方向(たとえば車体の上下方向)に、複数のレーザダイオードを並べて配置している。
レーザダイオードには、発した光が光軸に対して垂直な面内において、一方向に狭い角度で拡がり、該一方向に対して垂直な方向に広い角度で拡がるような特性を有するものがある(たとえば、特許文献2)。
特開平7−183621号公報 特開2014−32149号公報 特開2014−235075号公報 特開2015−137951号公報 特開2004−146720号公報 特開平9−232677号公報 特開2014−154851号公報 特開2016−115767号公報
光源として複数のレーザダイオードや複数のレーザダイオードモジュールを用いる場合、該レーダダイオードやレーザダイオードモジュールを上下方向など一方向に一列に配置すると、該一方向に投射光学系や物体検出装置が大型化してしまう。
本発明の課題は、複数のレーダダイオードやレーザダイオードモジュールを備えた投射光学系および物体検出装置において、小型化を実現することである。
本発明による投射光学系は、光源であるレーザダイオードと、レーザダイオードが複数1列に配列されたレーザダイオードモジュールと、各レーザダイオードから発せられた光の拡がりを調整する投光レンズと、投光レンズを通過した光を偏向して対象物に照射する光偏向器とを備える。また、本発明による物体検出装置は、上記投射光学系に加えて、光偏向器から投射された光の対象物による反射光を受光する受光素子を備え、受光素子から出力される受光信号に基づいて、対象物の有無を検出する。そして、レーザダイオードは、第1方向に第1角度で拡がりかつ第1方向に対して垂直な第2方向に第1角度より広い第2角度で拡がるように光を発し、レーザダイオードモジュールは、レーザダイオードの配列方向が第1方向と一致するように配置され、かつ第2方向に並んで第1方向にずれるように複数配置されている。投光レンズは、レーザダイオードモジュールに対応して複数配置されている。
上記によると、複数のレーザダイオードが第1方向に並ぶように、レーザダイオードモジュールを配置し、かつ該レーザダイオードモジュールを第1方向に対して垂直な第2方向に並べて第1方向にずれるように複数配置している。このため、複数のレーザダイオードおよび複数のレーザダイオードモジュールを第1方向に並ぶように配置する場合より、第1方向の占有スペースを減少させて、第1方向への投射光学系および物体検出装置の小型化を実現することができる。また、レーザダイオードの発した光の拡がり角度が第2方向より狭い第1方向に、レーザダイオードを1列に複数配列しているので、対象物の検出範囲を第2方向だけでなく第1方向にも広く確保することができる。さらに、複数のレーザダイオードモジュールに対応させて、複数の投光レンズを配置しているので、各レーザダイオードモジュールの各レーザダイオードから発せられた光の拡がりを、対応する投光レンズにより調整し易くすることができる。
本発明では、上記において、複数のレーザダイオードモジュールのうち、一方が表面に実装され、他方が裏面に実装された基板をさらに備えてもよい。つまり、複数のレーザダイオードモジュールを、1枚の基板の両面に分けて実装してもよい。
また、本発明では、上記において、複数の投光レンズは、第1方向に並んで第2方向にずれるように配置されていてもよい。
本発明によれば、複数のレーダダイオードやレーザダイオードモジュールを備えた投射光学系および物体検出装置において、小型化を実現することができる。
本発明の実施形態による物体検出装置の電気的構成図である。 図1の物体検出装置の外観を示した図である。 図1の物体検出装置の内部に備わる光学系を示した斜視図である。 図3のLD(レーザダイオード)モジュールの詳細を示した図である。 図3のLDモジュールと投光レンズの拡大斜視図である。 図3のLDモジュールと投光レンズの位置関係を示した図である。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。
まず、実施形態の物体検出装置100の電気的構成を、図1を参照しながら説明する。
図1は、物体検出装置100の電気的構成図である。物体検出装置100は、車載用のレーザレーダである。制御部1は、CPUなどから成り、物体検出装置100の各部の動作を制御する。
LD(レーザダイオード)モジュール2A、2Bは2つ設けられている。各LDモジュール2A、2Bはパッケージ化されている。各LDモジュール2A、2Bには、4つのLD(レーザダイオード)が含まれている。各LDは、高出力光パルスを発する光源である。充電回路3A、3Bは、LDモジュール2A、2Bに1対1で対応するように設けられている。
制御部1は、各充電回路3A、3Bにより、対応するLDモジュール2A、2Bの各LDを発光可能に充電する。また、制御部1は、LDモジュール2A、2Bの各LDを発光させて、人や物体などの対象物に光を投射する。
モータ4cは、後述する光偏向器4(図3など)の駆動源である。モータ駆動回路5は、モータ4cを駆動して回転させる。エンコーダ6は、モータ4cの回転状態(角度や回転数など)を検出する。制御部1は、モータ駆動回路5によりモータ4cを回転させて、光偏向器4の動作を制御する。また、制御部1は、エンコーダ6の出力に基づいて、光偏向器4の動作状態(動作量や動作位置など)を検出する。
PD(フォトダイオード)モジュール7はパッケージ化されている。PDモジュール7には、受光素子であるPD、TIA(トランスインピーダンスアンプ)、MUX(マルチプレクサ)、およびVGA(可変ゲインアンプ)が含まれている(詳細回路は図示省略)。PDは、PDモジュール7に複数(たとえば32チャンネル)設けられている。MUXは、TIAの出力信号をVGAに入力させる。昇圧回路9は、フォトダイオードの動作に必要な昇圧された電圧を、PDモジュール7の各PDに供給する。
制御部1は、LDモジュール2A、2BのLDを発光させることにより、対象物で反射された光をPDモジュール7のPDにより受光する。そして、制御部1は、その受光状態に応じてPDから出力される受光信号を、PDモジュール7のTIAおよびVGAにより信号処理する。さらに、制御部1は、PDモジュール7から出力されるアナログの受光信号をA/D変換器8によりデジタルの受光信号に変換し、該デジタルの受光信号に基づいて、対象物の有無を検出する。また、制御部1は、LDから光を発して、対象物での反射光をPDで受光するまでの時間を算出し、該時間に基づいて対象物までの距離を検出する。
記憶部10は、揮発性や不揮発性のメモリから成る。記憶部10には、制御部1が物体検出装置100の各部を制御するための情報や、対象物を検出するための情報などが記憶されている。インタフェイス11は、イーサネット(登録商標)などの通信回路から成る。制御部1は、車両に搭載されたECU(電子制御装置)に対して、インタフェイス11により対象物に関する情報を送受信したり、各種制御情報を送受信したりする。
次に、物体検出装置100の構造および機能について、図2〜図6を参照しながら説明する。
図2は、物体検出装置100の外観を示した斜視図である。図3は、物体検出装置100の内部に備わる光学系を示した斜視図である。
図3に示すように、物体検出装置100のケース12は、正面視が矩形状の箱体である。ケース12の開口部12aは、図2に示すように透光カバー13で覆われる。透光カバー13は、所定の厚みのドーム状に形成されている。
ケース12と透光カバー13で囲まれた内部空間には、図3に示すような物体検出装置100の光学系と、図1に示した物体検出装置100の電気系が収納されている(図3では、電気系の図示省略)。図2の透光カバー13は、ケース12の内外に対して光を透過させる。
物体検出装置100は、たとえば、透光カバー13が車両の前方、後方、または左右側方を向くように、車両の前部、後部、または左右側部に設置される。その際、図3に示すように、ケース12の短辺方向が上下方向Zを向くように、物体検出装置100は車両に設置される。
図3に示すように、ケース12などの内部空間に収納された光学系は、LDモジュール2A、2B、投光レンズ14A、14B、光偏向器4、反射ミラー15、17、受光レンズ16、およびPDモジュール7から成る。
そのうち、LDモジュール2A、2B、投光レンズ14A、14B、および光偏向器4は、投射光学系である。また、光偏向器4、反射ミラー15、17、受光レンズ16、およびPDモジュール7は、受光光学系である。
図4は、LDモジュール2A、2Bの詳細を示した図である。図4では、(a)に示すF部の拡大図を(b)に示している。
図4(a)などに示すように、各LDモジュール2A、2Bは、厚みの薄い直方体状に形成されている。各LDモジュール2A、2Bの一側面2cには、4つのLDの発光部分が上下方向Zに1列に配列されている。各LDは、第1方向(上下方向)Zに第1角度θ1で拡がり、かつ第1方向Zに対して垂直な第2方向Yに第1角度θ1より広い第2角度θ2で拡がるように光(高出力光パルス)を発する。
図5は、図3のLDモジュール2A、2Bと投光レンズ14A、14Bの拡大斜視図である。LDモジュール2A、2Bは、1枚の基板21の両面に分かれて実装されている。詳しくは、基板21の表面(ケース12の開口部12a側)21aにLDモジュール2Aが実装され、基板21の裏面(ケース12の内奥側)21bにLDモジュール2Bが実装されている。
LDの発光部分を露出させた各LDモジュール2A、2Bの一側面2cは、基板21の一側面21cと面一になっている。これにより、LDモジュール2A、2BのLDから発せられた光が、基板21に遮られなくなる。
図3に示すように、基板21は、基板21の表面21aとLDモジュール2Aの一側面2cとの境界線、および基板21の裏面21bとLDモジュール2Bの一側面2cとの境界線が、上下方向(第1方向Z)と平行になるように、ケース12内に固定されている。このため、LDモジュール2A、2Bは、LDの配列方向が第1方向Zと一致するように、ケース12内に配置されている。また、LDモジュール2A、2Bは、基板21を挟んで第2方向Yに並び、かつ第1方向Zにずれるように、ケース12内に配置されている(図3、図5参照)。
本例では、LDモジュール2AよりLDモジュール2Bの方が、上方に配置されかつケース12の内奥側に配置されている。また、各LDモジュール2A、2BのLDの発光部分も同様に配置されている。
各LDモジュール2A、2Bの前方(発光方向X側)には、投光レンズ14A、14BがLDモジュール2A、2Bに対応して配置されている。投光レンズ14A、14Bは、LDモジュール2A、2Bの各LDから発せられた光の拡がりを調整する。
図6は、LDモジュール2A、2Bと投光レンズ14A、14Bの位置関係を示した図である。(a)はLDモジュール2A、2B、基板21、および投光レンズ14A、14Bをケース12の開口部12a(図3など)側から見た側面図を示している。また、(b)は(a)のC−C断面図を示し、(c)は(a)のD−D断面図を示し、(d)は(a)のE矢視図を示している。
図6(a)のC―C断面およびD−D断面は、X方向と平行である。X方向は水平方向である。第1方向Zは、X方向に対して垂直な方向である。図6(b)〜(d)の第2方向Yは、X方向およびZ方向に対して垂直な方向である。
図5および図6に示すように、投光レンズ14A、14Bは、第1方向Zに並び、かつ第2方向Yにずれるように、ケース12内に配置されている。本例では、投光レンズ14Aより投光レンズ14Bの方が、上方に配置されかつケース12の内奥側に配置されている。
LDモジュール2Aの各LDから発せられた光は、投光レンズ14Aにより拡がりを調整される。また、LDモジュール2Bの各LDから発せられた光は、投光レンズ14Bにより拡がりを調整される。
図3に示す光偏向器4は、モータ4cと投光ミラー4aと受光ミラー4bとから成る。モータ4cは基板22上に実装されている。投光ミラー4aと受光ミラー4bは、両面ミラーから成る。
基板22は、モータ4cの回転軸(図示せず)がZ方向と平行になるように、ケース12内に固定されている。モータ4cの回転軸の一端部(図3で上側の端部)には、投光ミラー4aが連結されている。モータ4cの回転軸の他端部(図3で下側の端部)には、受光ミラー4bが連結されている。このため、モータ4cの回転軸に連動して、各ミラー4a、4bは回転する。
図3に短い1点鎖線の矢印で示すように、LDモジュール2AのLDから発せられた光は、投光レンズ14Aにより拡がりを調整された後、光偏向器4の投光ミラー4aにより偏向されて、透光カバー13(図2)を透過し、対象物に照射される。また、図3に長い1点鎖線の矢印で示すように、LDモジュール2BのLDから発せられた光は、投光レンズ14Bにより拡がりを調整された後、投光ミラー4aにより偏向されて、透光カバー13を透過し、対象物に照射される。
それらの際、モータ4cが回転して、投光ミラー4aの角度(向き)が変化することで、LDから発せられた光が透光カバー13の外方のXY平面(水平面)内の所定角度の範囲で走査される。また、LDモジュール2AのLDから発せられた光は、透光カバー13の中心が属するXY平面から下側(地面側)の所定角度の範囲に投光される。LDモジュール2BのLDから発せられた光は、透光カバー13の中心が属するXY平面から、例えば、上側(空側)の所定角度の範囲に投光される。
ケース12の開口部12a近傍の基板21の下方には、反射ミラー15が配置されている。反射ミラー15とともにY方向へ並ぶように、ケース12の内奥には、受光レンズ16と反射ミラー17が順に配置されている。受光レンズ16は、集光レンズから成る。反射ミラー15、17と受光レンズ16は、ケース12に固定されている。
また、ケース12内の光偏向器4より内奥には、基板23が配置されている。基板23は、ケース12に固定されている。基板23の反射ミラー17側を向いた板面には、PDモジュール7が実装されている。PDモジュール7には、前述したPDなどが含まれている(図1)。
上述したように、投射光学系2A、2B、14A、14B、4、4aにより投射されて、透光カバー13を透過した光は、人や物体などの対象物で反射される。そして、その反射光は、透光カバー13を透過した後、図3に2点鎖線の矢印で示すように、光偏向器4の受光ミラー4bで反射し、さらに反射ミラー15で反射して、受光レンズ16に入射する。その際、モータ4cが回転して、受光ミラー4bの角度(向き)が変化することで、透光カバー13の外方のXY平面(水平面)内の所定角度の範囲で対象物による反射光が受光ミラー4bにより受光される。
ミラー4b、15を経由して受光レンズ16に入射した反射光は、図3に破線の矢印で示すように、受光レンズ16で集光された後、反射ミラー17で反射して、PDモジュール7のPDにより受光される。そして、その受光状態に応じてPDから出力される受光信号を、PDモジュール7やA/D変換器8で信号処理した後、該受光信号に基づいて、制御部1が対象物の有無を検出したり、対象物までの距離を算出したりする。
上記実施形態の物体検出装置100および光学投射系によると、複数のLDが第1方向(上下方向)Zに並ぶように各LDモジュール2A、2Bを配置し、かつ該2つのLDモジュール2A、2Bを第1方向Zに対して垂直な第2方向Yに並べて第1方向Zにずれるように複数配置している。このため、複数のLDおよび複数のLDモジュール2A、2Bを第1方向Zに並ぶように配置する場合より、第1方向Zの占有スペースを減少させて、第1方向Zへの投射光学系および物体検出装置100の小型化を実現することができる。
また、上記実施形態では、LDの発した光の拡がり角度が第2方向Yより狭い第1方向Zに、LDを1列に複数配列している。このため、対象物の検出範囲を第2方向Yだけでなく第1方向Zにも広く確保することができる。
また、上記実施形態では、複数のLDモジュール2A、2Bに対応させて、複数の投光レンズ14A、14Bを配置している。このため、各LDモジュール2A、2Bの各LDから発せられた光の拡がりを、対応する投光レンズ14A、14Bにより調整し易くすることができる。
また、上記実施形態では、複数のLDモジュール2A、2Bを、基板21の両面に分けて実装している。このため、LDモジュール2A、2Bを1枚の基板21の両面に容易に位置決めして、投射光学系および物体検出装置100に容易に配置することができる。
さらに、上記実施形態では、複数の投光レンズ14A、14Bを第1方向Zに並べて第2方向Yにずれるように配置している。このため、各LDモジュール2A、2Bの各LDから発せられた光を、対応する投光レンズ14A、14Bにより第1方向Zへ拡がり易くすることができる。また、各LDから発せられた光を、対応する投光レンズ14A、14Bにより所定の状態に拡がるように調整し易くすることができる。
本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、4つのLDを有するLDモジュールを2つ設けた投射光学系を例に示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。LDモジュールの設置数は、3つ以上でもよい。また、各LDモジュールのLDの数は、2つ、3つ、または5つ以上でもよい。さらに、LDモジュールに対応させて、3つ以上の投光レンズを設けてもよい。
また、以上の実施形態では、LDモジュール2A、2Bを基板21の両面に分けて実装した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、複数のLDモジュールを基板の片面に実装したり、基板以外の基材に設置したりしてもよい。つまり、複数のLDモジュールの設置構造は、適宜選択すればよい。
また、以上の実施形態では、複数の投光レンズ14A、14Bを第1方向Zに並べて第2方向Yにずれるように配置した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、複数の投光レンズを第2方向Yに並べて第1方向Zにずれるように配置してもよい。つまり、複数のLDモジュールから発せられた光を個別に調整可能に、複数の投光レンズの位置を設定すればよい。
さらに、以上の実施形態では、車載用の物体検出装置100および投射光学系に本発明を適用した例を挙げたが、その他の用途の物体検出装置および投射光学系に対しても、本発明を適用することは可能である。
2A、2B LD(レーザダイオード)モジュール
4 光偏向器
14A、14B 投光レンズ
21 基板
21a 表面
21b 裏面
100 物体検出装置
LD レーザダイオード
PD フォトダイオード(受光素子)
Y 第2方向
Z 第1方向
θ1 第1角度
θ2 第2角度

Claims (6)

  1. 光源であるレーザダイオードと、
    前記レーザダイオードが複数1列に配列されたレーザダイオードモジュールと、
    前記各レーザダイオードから発せられた光の拡がりを調整する投光レンズと、
    前記投光レンズを通過した光を偏向して対象物に照射する光偏向器と、を備えた投射光学系において、
    前記レーザダイオードは、第1方向に第1角度で拡がりかつ前記第1方向に対して垂直な第2方向に前記第1角度より広い第2角度で拡がるように光を発し、
    前記レーザダイオードモジュールは、前記レーザダイオードの配列方向が前記第1方向と一致するように配置され、かつ前記第2方向に並んで前記第1方向にずれるように複数配置され、
    前記投光レンズは、前記レーザダイオードモジュールに対応して複数配置されている、ことを特徴とする投射光学系。
  2. 請求項1に記載の投射光学系において、
    前記複数のレーザダイオードモジュールは、1枚の基板の両面に分けて実装されている、ことを特徴とする投射光学系。
  3. 請求項1または請求項2に記載の投射光学系において、
    前記複数の投光レンズは、前記第1方向に並んで前記第2方向にずれるように配置されている、ことを特徴とする投射光学系。
  4. 光源であるレーザダイオードと、
    前記レーザダイオードが複数1列に配列されたレーザダイオードモジュールと、
    前記各レーザダイオードから発せられた光の拡がりを調整する投光レンズと、
    前記投光レンズを通過した光を偏向して対象物に照射する光偏向器と、
    前記光偏向器から投射された光の対象物による反射光を受光する受光素子と、を備え、
    前記受光素子から出力される受光信号に基づいて、前記対象物の有無を検出する物体検出装置において、
    前記レーザダイオードは、第1方向に第1角度で拡がりかつ前記第1方向に対して垂直な第2方向に前記第1角度より広い第2角度で拡がるように光を発し、
    前記レーザダイオードモジュールは、前記レーザダイオードの配列方向が前記第1方向と一致するように配置され、かつ前記第2方向に並んで前記第1方向にずれるように複数配置され、
    前記投光レンズは、前記レーザダイオードモジュールに対応して複数配置されている、ことを特徴とする物体検出装置。
  5. 請求項4に記載の物体検出装置において、
    前記複数のレーザダイオードモジュールのうち、一方が表面に実装され、他方が裏面に実装された基板をさらに備えた、ことを特徴とする物体検出装置。
  6. 請求項4または請求項5に記載の物体検出装置において、
    前記複数の投光レンズは、前記第1方向に並んで前記第2方向にずれるように配置されている、ことを特徴とする物体検出装置。
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