JP2018197678A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供する。【解決手段】 距離測定装置は、レーザ光を発光する発光素子１２と、複数の第１フェーズシフタを有し、発光素子１２により発光されたレーザ光を屈折させる第１偏向素子１３と、複数の第２フェーズシフタを有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる第２偏向素子１５と、第２偏向素子１５を透過したレーザ光を検知する受光素子１６とを含む。第１フェーズシフタの第１ピッチは、第２フェーズシフタの第２ピッチと異なる。【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザ光を走査することによって物体の位置を測定する距離測定装置に関する。

ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離測定装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、光学的に周囲の物体との距離を測定するセンサである。ＬＩＤＡＲは、対象物にパルス状のレーザ光を照射し、対象物で反射されたレーザ光が戻るまでの往復時間から距離を計測する。最近では、ＬＩＤＡＲは、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driving Assistant System）や自動運転に使われている。

ＬＩＤＡＲには、同軸光学系方式、分離光学系方式、及びＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ方式などがある。

同軸光学系方式に使われるポリゴンミラー（特許文献１）や、ＭＥＭＳミラー（特許文献２）は、可動部が存在するため、車両の振動により、長期信頼性に懸念がある。また、ポリゴンミラーやＭＥＭＳミラーが光学部品であるため、コストが高くなってしまう。

分離光学系方式では、電気的に位相を変えることにより、光の出射角を変える方式が提案されている（特許文献３、特許文献４）。この構成は、可動部がなく、より安価に製造できる可能性があるが、測定距離に懸念がある。測定距離が短くなる要因として、フォトダイオードに入射する光のうち、信号であるレーザ光に対し、太陽光などの外乱光の強度が強くなってしまう、つまり、ＳＮ比（signal-to-noise ratio）の低下が挙げられる。ＳＮ比が低下すると、精度よく信号を受信及び検知することができない。

特開２０１０−３８８５９号公報 特開２００９−２１６７８９号公報 国際公開２０１４／１１００１７号 国際公開２０１６／０２２２２０号

本発明は、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供する。

本発明の一態様に係る距離測定装置は、レーザ光を発光する発光素子と、複数の第１フェーズシフタを有し、前記発光素子により発光されたレーザ光を屈折させる第１偏向素子と、複数の第２フェーズシフタを有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる第２偏向素子と、前記第２偏向素子を透過したレーザ光を検知する受光素子とを具備する。前記第１フェーズシフタの第１ピッチは、前記第２フェーズシフタの第２ピッチと異なる。

本発明によれば、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供することができる。

本発明に係る投光部の構成を説明する概略図。 比較例に係る受光部の構成を説明する概略図。 本発明に係る受光部の構成を説明する概略図。 本発明の実施形態に係る距離測定装置のブロック図。 実施形態に係る投光部の構成を示す模式的な断面図。 走査素子の平面図。 図６のＡ−Ａ´線に沿った走査素子の断面図。 走査素子の他の構成例を説明する断面図。 実施形態に係る受光部の構成を示す模式的な断面図。 角度制限素子の平面図。 図１０のＢ−Ｂ´線に沿った角度制限素子の断面図。 距離測定装置の基本動作を説明する概略図。 距離測定装置によるレーザ光の波形を説明する図。 距離測定装置の動作を説明するフローチャート。 走査素子の動作を説明する模式図。 実施例に係る投光部の構成を示す模式図。 実施例に係る受光部の構成を示す模式図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］ 本発明の概要
まず、本発明の概要について説明する。

本発明は、距離測定装置に関する。距離測定装置は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲に存在する対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、投光したレーザ光と受光したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。

図１は、本発明に係る投光部１１の構成を説明する概略図である。投光部１１は、レーザ光を投光する機能を有する。投光部１１は、発光素子（ＬＤ）１２、及び偏向素子１３を備える。

偏向素子１３は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタＰＳ１を備える。図１の偏向素子１３に示した階段状の複数の四角形は、複数のフェーズシフタＰＳ１を模式的に示している。複数のフェーズシフタＰＳ１は、配列ピッチｄ１ごとに配列される。フェーズシフタＰＳ１を表す四角形の長さは、屈折率の大きさを表しており、四角形の縦方向の長さが長いほど屈折率が大きい。

偏向素子１３は、配列ピッチｄ１ごとに屈折率を変化させることが可能である。図１の例では、偏向素子１３は、右側に向かって順に屈折率が低くなる屈折率分布（屈折率の勾配）を有する。発光素子ＬＤから発光されたレーザ光は、偏向素子１３によって屈折され、所望の出射角で偏向素子１３から出射される。

偏向素子１３は、規則的に配列されたフェーズシフタＰＳ１を備えているため、偏向素子１３を透過する光には、回折が起こる。すなわち、偏向素子１３は、０次光、＋１次光、−１次光などの回折光を出射する。０次光は、投光部１１が発光する所望のレーザ光である。＋１次光、−１次光などは、走査動作に不要な回折光である。

図２は、比較例に係る受光部１４の構成を説明する概略図である。受光部１４は、投光部１１が投光したレーザ光が対象物によって反射されたレーザ光（反射光）を受光する機能を有する。受光部１４は、偏向素子１５´、及び受光素子（ＰＤ）１６を備える。

受光部１４の偏向素子１５´は、投光部１１の偏向素子１３と同じ構成を有する。偏向素子１５´における屈折率の勾配は、偏向素子１３における屈折率の勾配と同じに設定される。これにより、投光部１１の出射角と受光部１４の入射角とを同じにできるので、受光素子１６に入射する信号強度を大きくすることができる。

比較例では、投光部１１の偏向素子１３における配列ピッチｄ１と、受光部１４の偏向素子１５における配列ピッチｄ１とを同じにしている。受光部１４と投光部１１とで配列ピッチを同じにした場合、０次光以外に、＋１次光、−１次光などの回折光が対象物以外の意図しない物体で反射した反射光も受光素子ＰＤに入射する。これにより、受光素子ＰＤに入射する光のうち必要な信号の強度の割合が低下し、ＳＮ比が低下してしまう。

そこで、本発明では、受光部の偏向素子における配列ピッチが、投光部の偏向素子における配列ピッチと異なるように設定する。

図３は、本発明に係る受光部１４の構成を説明する概略図である。偏向素子１５は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、複数のフェーズシフタＰＳ２を備える。偏向素子１５は、配列ピッチｄ２を有する。受光側の配列ピッチｄ２は、投光側の配列ピッチｄ１と異なる。すなわち、“ｄ１≠ｄ２”の関係を有する。また、受光部１４の偏向素子１５における屈折率の勾配は、投光部１１の偏向素子１３における屈折率の勾配と同じに設定される。

これにより、０次光以外に、＋１次光、−１次光などの回折光が対象物以外の意図しない物体で反射した反射光は、受光素子１６に入射されない。よって、ノイズとなる不要な光を削減できるので、ＳＮ比を向上させることができる。

本発明では、投光部及び受光部のそれぞれに光フェーズドアレイを用い、互いの屈折率の勾配を同一とした上で、フェーズシフタの配列ピッチに異なる周期性を持たせる。そして、投光される主信号成分を効果的に取り込みつつ、ノイズとなる回折光が受光されるのを抑制する。

［２］ 距離測定装置の構成
［２−１］ 距離測定装置のブロック構成
図４は、本発明の実施形態に係る距離測定装置１０のブロック図である。

距離測定装置１０は、車両の前側（例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル）、車両の後ろ側（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、及び／又は、車両の側方（例えば、フロントバンパーの側方）に配置される。また、距離測定装置１０は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。

距離測定装置１０は、投光部１１、受光部１４、パルスタイミング制御部１７、距離演算部１８、及び主制御部１９を備える。

投光部１１は、レーザ光を発光するとともに、このレーザ光を走査（ステアリングともいう）する。投光部１１は、発光素子１２、及び走査素子（偏向素子）１３を備える。

発光素子１２は、走査素子１３に向けて、レーザ光を発光する。発光素子１２は、レーザーダイオードなどで構成される。レーザ光としては、例えば、赤外線レーザ光（例えば波長λ＝９０５ｎｍ）が用いられる。また、発光素子１２は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。

走査素子１３は、発光素子１２から出射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、走査素子１３は、発光素子１２からのレーザ光の出射角を制御することで、レーザ光を走査する。

受光部１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を検出する。この際、受光部１４は、特定の方向から入射するレーザ光に制限して、レーザ光の検知動作を行う。受光部１４は、角度制限素子（偏向素子）１５、及び受光素子１６を備える。

角度制限素子１５は、対象物２によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。この際、角度制限素子１５は、レーザ光を所定の角度で屈折させる。換言すると、角度制限素子１５は、所定の角度で入射したレーザ光のみを受光素子１６に向けて屈折させる。

受光素子１６は、角度制限素子１５を透過したレーザ光を検出する。受光素子１６は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）フォトセンサを含む。その他、受光素子１６として赤外線カメラを用いてもよい。

パルスタイミング制御部１７は、発光素子１２の動作を制御する。発光素子１２は、パルス信号としてレーザ光（すなわち、パルス状のレーザ光）を発光する。パルスタイミング制御部１７は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。

距離演算部１８は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部１７から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部１９から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１６から受ける。距離演算部１８は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部１８は、出射角及び発光から受光までの時間などの情報を用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部１８は、出射角及び発光から受光までの時間などの情報を用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部１８によって算出された距離及び／又は相対座標は、例えばデータＤＯＵＴとして外部に出力可能である。

主制御部１９は、距離測定装置１０の全体動作を統括的に制御する。主制御部１９は、走査素子１３に複数の電圧を印加することで、走査素子１３の走査動作を制御する。主制御部１９は、角度制限素子１５に複数の電圧を印加することで、角度制限素子１５の角度制限動作を制御する。

［２−２］ 投光部１１の構成
次に、投光部１１の構成について説明する。図５は、投光部１１の構成を示す模式的な断面図である。投光部１１は、発光素子（ＬＤ）１２、コリメータ２０、及び走査素子１３を備える。

発光素子１２は、コリメータ２０に向けて、レーザ光を発光する。コリメータ２０は、レンズで構成され、平行な光線を生成する。コリメータ２０から出射されるレーザ光は、高い指向性を有し、コヒーレントで幅の狭いレーザ光である。なお、発光素子１２が指向性の高いレーザ光を出射する場合は、コリメータ２０は不要である。コリメータ２０からのレーザ光は、走査素子１３の出射面に対して垂直方向に進む。

走査素子１３は、角度２αの走査範囲でレーザ光を走査するものとする。角度αは、０度より大きく、９０度より小さい。走査素子１３は、出射角θでレーザ光を投光する。角度θは、角度α以下である。例えば、走査素子１３の出射面に対して垂直方向に進むレーザ光の角度を０度、垂直方向に対して右側が角度“＋θ”、垂直方向に対して左側が角度“−θ”とすると、出射角“＋θ”、すなわち垂直方向に対して右側にレーザ光を出射することも可能であるし、出射角“−θ”、すなわち垂直方向に対して左側にレーザ光を出射することも可能である。走査素子１３によるレーザ光の出射角は、主制御部１９によって制御される。

走査素子１３は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタを備える。走査素子１３は、例えば液晶素子から構成される。走査素子１３は、一方向に沿って区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。

（走査素子１３の構成）
次に、走査素子１３の構成について説明する。図６は、走査素子１３の平面図である。図７は、図６のＡ−Ａ´線に沿った走査素子１３の断面図である。

走査素子１３は、透過型の液晶素子である。走査素子１３は、対向配置された基板３０、３１と、基板３０、３１間に挟持された液晶層３２とを備える。基板３０、３１の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。基板３０は、発光素子１２に対向配置され、発光素子１２からのレーザ光は、基板３０側から液晶層３２に入射する。

液晶層３２は、基板３０、３１間に充填される。具体的には、液晶層３２は、基板３０、３１と、シール材３３とによって包囲された領域内に封入される。図７の液晶層３２に図示された楕円は、液晶分子を模式的に表している。シール材３３は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板３０又は基板３１に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。

液晶層３２を構成する液晶材料は、基板３０、３１間に印加された電圧（電界）に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の走査素子１３は、ホモジニアスモードある。すなわち、液晶層３２として正の誘電率異方性を有するポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧（電界）を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸（ダイレクタ）が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。液晶分子の傾斜角は、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層３２の初期配向は、液晶層３２を挟むようにして基板３０、３１にそれぞれ設けられた２つの配向膜（図示せず）によって制御される。

なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。ＶＡモードでは、電界を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。

基板３０の液晶層３２側には、それぞれがＹ方向に延び、Ｙ方向に直交するＸ方向に並ぶ複数の電極３４が設けられる。図７には、５個の電極３４−１〜３４−５を例示しているが、電極３４の数は任意に設定可能である。複数の電極３４は、互いに電気的に分離されており、複数の電極３４に対して個別に電圧制御が可能である。電極３４の電圧制御は、主制御部によって行われる。

基板３１の液晶層３２側には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並ぶ複数の電極３５が設けられる。図７には、５個の電極３５−１〜３５−５を例示している。複数の電極３５は、複数の電極３４に対応して設けられる。すなわち、複数の電極３５はそれぞれ、複数の電極３４と同じ配線幅、及び同じ長さを有し、平面視において、互いに重なるように配置される。複数の電極３５の間隔も、複数の電極３４の間隔と同じである。複数の電極３５は、互いに電気的に分離されており、複数の電極３５に対して個別に電圧制御が可能である。電極３５の電圧制御は、主制御部によって行われる。

複数の電極３４は、配列ピッチｄ１を有する。電極３４−１を例に挙げると、配列ピッチは、電極３４−１の幅と、電極３４−１と電極３４−２との間の間隔との合計である。同様に、複数の電極３５は、配列ピッチｄ１を有する。

対向する１対の電極３４、３５と、この１対の電極３４、３５間に設けられた液晶層とは、１つのフェーズシフタを構成する。よって、走査素子１３は、１対の電極３４、３５ごとに、光の位相を制御できる。

図８に示すように、電極３５は、複数の電極３４を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。また、図示は省略するが、電極３４は、複数の電極３５を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。このような電極構造であっても、液晶層に対して同じ電圧制御を行うことが可能である。

なお、走査素子１３として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶素子（透過型ＬＣＯＳ）を用いてもよい。透過型ＬＣＯＳを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の走査素子１３を実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（又は透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶素子として使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、セル電極がより小さい液晶素子とすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザ光を高速で走査することが可能となる。

［２−３］ 受光部１４の構成
次に、受光部１４の構成について説明する。図９は、受光部１４の構成を示す模式的な断面図である。受光部１４は、角度制限素子１５、集光レンズ２１、及び受光素子（ＰＤ）１６を備える。

角度制限素子１５は、対象物によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、角度制限素子１５は、走査素子１３によるレーザ光の出射角と同じ入射角で入射したレーザ光を、角度制限素子１５の入射面に対して垂直になるように（屈折角が０度で）屈折させる。角度制限素子１５によるレーザ光の入射角は、主制御部１９によって制御される。

走査素子１３による出射角θである場合、角度制限素子１５は、入射角θで入射するレーザ光を垂直方向に、すなわち屈折角が０度で屈折させる。走査素子１３による出射角が０度である場合、角度制限素子１５は、垂直方向に入射するレーザ光を屈折させずに透過する。

角度制限素子１５は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタを備える。角度制限素子１５は、例えば液晶素子から構成される。角度制限素子１５は、一方向に沿って区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。角度制限素子１５の具体的な構成については後述する。

角度制限素子１５を透過したレーザ光は、集光レンズ２１を透過する。集光レンズ２１は、例えば両凸レンズで構成される。集光レンズ２１は、所定の屈折角でレーザ光を集光する。集光レンズ２１を設けることで、受光素子１６のサイズを小さくできる。集光レンズ２１を透過したレーザ光は、受光素子１６に入射する。

（角度制限素子１５の構成）
次に、角度制限素子１５の構成について説明する。図１０は、角度制限素子１５の平面図である。図１１は、図１０のＢ−Ｂ´線に沿った角度制限素子１５の断面図である。

角度制限素子１５は、配列ピッチが異なる以外は、前述した走査素子１３と同じ構成を有する。

角度制限素子１５は、基板４０、基板４１、液晶層４２、シール材４３を備える。基板４０には、複数の電極４４が設けられる。図１１には、５個の電極４４−１〜４４−５を例示しているが、電極４４の数は任意に設定可能である。基板４１には、複数の電極４５が設けられる。図１１には、５個の電極４５−１〜４５−５を例示している。

複数の電極４５は、複数の電極４４に対応して設けられる。すなわち、複数の電極４５はそれぞれ、複数の電極４４と同じ配線幅、及び同じ長さを有し、平面視において、互いに重なるように配置される。複数の電極４５の間隔も、複数の電極４４の間隔と同じである。

複数の電極４４は、互いに電気的に分離されており、複数の電極４４に対して個別に電圧制御が可能である。電極４４の電圧制御は、主制御部によって行われる。同様に、複数の電極４５は、互いに電気的に分離されており、複数の電極４５に対して個別に電圧制御が可能である。電極４５の電圧制御は、主制御部によって行われる。

複数の電極４４は、配列ピッチｄ２を有する。同様に、複数の電極４５は、配列ピッチｄ２を有する。

対向する１対の電極４４、４５と、この１対の電極４４、４５間に設けられた液晶層とは、１つのフェーズシフタを構成する。よって、角度制限素子１５は、１対の電極４４、４５ごとに、光の位相を制御できる。

なお、走査素子１３の場合と同様に、電極４５は、複数の電極４４を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。また、電極４４は、複数の電極４５を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。

［２−４］ 配列ピッチの条件
次に、走査素子１３の配列ピッチｄ１と角度制限素子１５の配列ピッチｄ２との関係について説明する。

本実施形態では、走査素子１３から出射された回折光のうち、０次光以外の回折光（＋１次光、−１次光など）が意図しない物体で反射された場合でも、０次光以外の回折光に関する反射光が受光素子ＰＤに入射されるのを抑制する。このため、走査素子１３の配列ピッチｄ１と角度制限素子１５の配列ピッチｄ２とは、“ｄ１≠ｄ２”の関係を有する。

投光側（走査素子１３）と受光側（角度制限素子１５）とでは、０次光のみが重なり、それより高次の回折光は、重ならないことが望ましい。走査素子１３の回折次数ｍ、角度制限素子１５の回折次数ｎとする。ｍ、ｎは、自然数である。走査素子１３の配列ピッチｄ１と角度制限素子１５の配列ピッチｄ２とは、“ｍ・ｄ１≠ｎ・ｄ２”の関係を有する。

投光性能を重視した場合、配列ピッチｄ１が実現可能な最小のフェーズシフタの幅となり、この値を基準に配列ピッチｄ２が設定される。配列ピッチｄ２が大きくなるほど、受光素子に取り込まれる光の角度が増加するため、配列ピッチｄ２は、出来るだけ小さいことが望ましい。“ｄ２／ｄ１”が整数ｐになるとき、ｄ１の任意の次数ｑの回折と、ｄ２の“ｐ・ｑ”次の回折とがほぼ一致する。よって、配列ピッチｄ２は配列ピッチｄ１より大きく、ｄ１の次数倍とｄ２の次数倍とが一致する値にならない範囲に設定することが望ましい。よって、“ｄ１＜ｄ２”の場合、以下の式（１）から適切な配列ピッチｄ２を求めることができる。

ｄ２＝ｄ１・（１＋１／（Ｎ＋１）） ・・・（１）

Ｎは、ノイズ要因となりうる投光側の最大の回折次数の絶対値である。

一方で、受光側（角度制限素子１５）の配列ピッチｄ２を最小にしたい場合は、“ｄ１＞ｄ２”となる。また、以下の式（２）から適切なピッチｄ１を求めることができる。

ｄ１＝ｄ２・（１＋１／（Ｍ＋１）） ・・・（２）

Ｍは、ノイズ要因となりうる受光側の最大の回折次数の絶対値である。

［３］ 距離測定装置１０の動作
［３−１］ 距離測定装置１０の基本動作
まず、距離測定装置１０の基本動作について説明する。図１２は、距離測定装置１０の基本動作を説明する概略図である。なお、図１２では、距離測定装置１０が車両１の前方を走査する態様を一例として示している。

距離測定装置１０に含まれる投光部１１は、角度２αの走査範囲でレーザ光を投光する。受光部１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を受光する。想定する対象物２までの距離Ｌ、距離Ｌにおける走査範囲Ｒとする。例えば、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度２α、距離Ｌ、及び走査範囲Ｒは、距離測定装置１０に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。

図１３は、距離測定装置１０によるレーザ光の波形を説明する図である。図１３の上側が投光の波形、下側が受光の波形である。図１３の横軸が時間であり、図１３の縦軸が強度（光強度）である。

発光素子１２は、パルス信号からなるレーザ光を発光する。すなわち、発光素子１２は、時分割でレーザ光を出射する。距離測定装置１０は、パルス信号としてレーザ光を投光する。パルス信号の周期Ｐ、パルス幅Ｗとする。１つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Ｃとする。遅れ量Δは、“Δ＝２Ｌ／Ｃ”で算出される。

例えば、パルス幅Ｗ＝１０ｎｓｅｃ、周期Ｐ＝１０μｓｅｃ（すなわち、周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）であるものとする。遅れ量Δ＝６７ｎｓｅｃの場合、距離Ｌ＝１０ｍが算出される。

このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。

［３−２］ 距離測定装置１０の走査動作
信号強度を向上させるためには、外乱となる太陽光などの外乱光をカットする必要がある。外乱光は、あらゆる角度から入射する一方で、信号は、距離測定装置１０から発した角度からしか返ってこない。そこで、信号が返ってくる角度に制限してレーザ光を受信することで、信号強度を向上させるようにしている。

図１４は、距離測定装置１０の動作を説明するフローチャートである。主制御部１９は、走査素子１３の出射角を角度θに設定し、角度制限素子１５の入射角を角度θに設定する（ステップＳ１００）。すなわち、主制御部１９は、走査素子１３と角度制限素子１５とを同期して動作させる。同期とは、走査素子１３の屈折角と、角度制限素子１５の屈折角とを同じにすることを意味する。

図１５は、走査素子１３の動作を説明する模式図である。例えば、主制御部１９は、電極３４−１〜３４−５に、この順に高くなる実効電圧を印加する。電極３４と電極３５との間に印加される電圧は、交流電圧である。これにより、走査素子１３には、屈折率の勾配が生じる。

同様に、主制御部１９は、角度制限素子１５の電極４４−１〜４４−５に、この順に高くなる実効電圧を印加する。電極４４と電極４５との間に印加される電圧は、交流電圧である。これにより、角度制限素子１５には、走査素子１３と同じ屈折率の勾配が生じる。

続いて、主制御部１９は、投光部１１から出射角θでレーザ光を投光する（ステップＳ１０１）。具体的には、パルスタイミング制御部１７は、パルス状のレーザ光を発光素子１２から発光させる。発光素子１２からのレーザ光は、走査素子１３を透過するとともに、角度θだけ屈折する。図１５の例では、走査素子１３は、右側に向かって屈折率が小さくなる。よって、基板３０側から入射したレーザ光は、左側に屈折するようにして、走査素子１３から出射される。

続いて、受光部１４は、入射角θで入射したレーザ光を受光する（ステップＳ１０２）。具体的には、図９に示すように、角度制限素子１５は、入射角θで入射したレーザ光を、入射面に対して垂直方向に（屈折角が０度で）屈折させる。角度制限素子１５を透過したレーザ光は、受光素子１６に入射する。これにより、角度制限素子１５は、受光素子１６に入射するレーザ光を、入射角θで入射するレーザ光に制限することができる。

ここで、走査素子１３から出射されるレーザ光には、所望のレーザ光（０次光）に加えて、＋１次光、−１次光などの回折光が含まれる。＋１次光、及び−１次光の出射角は、０次光の出射角と異なる。例えば、走査素子１３から出射された＋１次光は、意図しない物体によって反射され、この反射光が角度制限素子１５に入射するかもしれない。しかし、本実施形態では、走査素子１３の配列ピッチｄ１と角度制限素子１５の配列ピッチｄ２とが異なるため、＋１次光の反射光は、角度制限素子１５において屈折角が０度で屈折しない。すなわち、＋１次光の反射光は、受光素子１６に入射されない。その他の高次回折光についても同様に、受光素子１６に入射されない。

また、０次光以外の望ましくない外乱光（太陽光を含む）が角度制限素子１５に入射した場合でも、この外乱光が受光素子１６に入射されるのを抑制できる。図９では、望ましい反射光（信号として使用される光）を実線の矢印で示し、望ましくない外乱光を破線の矢印で示している。

続いて、距離演算部１８は、対象物までの距離を算出する（ステップＳ１０３）。具体的には、距離演算部１８は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部１７から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部１９から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１６から受ける。距離演算部１８は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。

［４］ 実施例
次に、投光部１１の実施例について説明する。図１６は、実施例に係る投光部１１の構成を示す模式図である。なお、図１６では、コリメータ２０の図示を省略している。

走査素子１３の出射面側には、平凹レンズ２２が設けられる。平凹レンズ２２は、その平面が走査素子１３に向き合うように配置される。平凹レンズ２２は、レーザ光を拡散する。すなわち、平凹レンズ２２は、入射角θより大きい出射角（屈折角）θ´でレーザ光を放射する。実施例によれば、レーザ光の走査範囲を広くすることができる。

次に、受光部１４の実施例について説明する。図１７は、実施例に係る受光部１４の構成を示す模式図である。

角度制限素子１５の入射面側には、平凹レンズ２３が設けられる。平凹レンズ２３は、その平面が角度制限素子１５に向き合うように配置される。平凹レンズ２３は、入射角θ´で凹面側に入射したレーザ光を屈折角θで屈折させる。実施例によれば、レーザ光の受光範囲を広くすることができるとともに、投光部１１の出射角θ´と、受光部１４の入射角θ´とを同じにすることができる。

［５］ 実施形態の効果
以上詳述したように本実施形態では、距離測定装置１０は、レーザ光を発光する発光素子１２と、複数の第１フェーズシフタＰＳ１を有し、発光素子１２により発光されたレーザ光を屈折させる走査素子（第１偏向素子）１３と、複数の第２フェーズシフタＰＳ２を有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる角度制限素子（第２偏向素子）１５と、角度制限素子１５を透過したレーザ光を検知する受光素子１６とを備える。そして、第１フェーズシフタＰＳ１の配列ピッチｄ１は、第２フェーズシフタＰＳ２の配列ピッチｄ２と異なるように設定される。また、走査素子１３は、角度θの出射角でレーザ光を投光し、角度制限素子１５は、角度θの入射角で入射するレーザ光を受光素子１６に入射させる。

走査素子１３の複数のフェーズシフタＰＳ１の配列には周期性があるため、走査素子１３から出射されるレーザ光には、０次光、＋１次光、及び−１次光を含む回折光が含まれる。しかし、角度制限素子１５の配列ピッチｄ２が走査素子１３の配列ピッチｄ１と異なるため、＋１次光に起因する反射光は、角度制限素子１５を透過する際、受光素子１６に向けて屈折しない。他の高次回折光についても同様に、受光素子１６に向けて屈折しない。

従って本実施形態によれば、投光される主信号成分を効果的に取り込みつつ、ノイズとなる回折光を受光するのを抑制することができる。これにより、これにより、受信強度を向上させることができ、また、ＳＮ比を向上させることができる。

また、距離測定装置１０は、距離測定装置１０に入射する光（太陽光などの外乱光を含む）のうち、送信したレーザ光が対象物によって反射されたレーザ光に制限して受信することができる。これにより、受信強度を向上させることができる。また、遠距離の信号を検出することが可能となるため、測定可能な距離を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、一次元にレーザ光を走査する走査素子１３を例に挙げて説明している。しかし、複数の下側電極と複数の上側電極とが交差するように配置されたパッシブマトリクス方式を走査素子１３に適用してもよい。パッシブマトリクス方式を走査素子１３に適用することで、２次元に走査することが可能である。角度制限素子１５についても、走査素子１３と同様に構成可能である。

また、走査素子１３及び角度制限素子１５の他の構成例として、第１基板に複数のドットに対応しかつ互いに電気的に分離された複数の第１電極を形成し、第１基板に対向する第２基板に平面状の１つの共通電極を形成する。そして、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）などで構成される複数のスイッチング素子を用いて複数の第１電極を駆動するようにしてもよい。

上記実施形態では、距離測定装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、上記実施形態にかかる距離測定装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。

上記実施形態では、車両に搭載される距離測定装置について説明している。しかし、これに限定されず、距離測定装置は、レーザ光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…距離測定装置、１１…投光部、１２…発光素子、１３…走査素子、１４…受光部、１５…角度制限素子、１６…受光素子、１７…パルスタイミング制御部、１８…距離演算部、１９…主制御部、２０…コリメータ、２１…集光レンズ、２２，２３…平凹レンズ、３０，３１…基板、３２…液晶層、３３…シール材、３４，３５…電極、４０，４１…基板、４２…液晶層、４３…シール材、４４，４５…電極

Claims (5)

1. レーザ光を発光する発光素子と、
   複数の第１フェーズシフタを有し、前記発光素子により発光されたレーザ光を屈折させる第１偏向素子と、
   複数の第２フェーズシフタを有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる第２偏向素子と、
   前記第２偏向素子を透過したレーザ光を検知する受光素子と
   を具備し、
   前記第１フェーズシフタの第１ピッチは、前記第２フェーズシフタの第２ピッチと異なる
   距離測定装置。
2. 前記第１偏向素子は、第１角度の出射角でレーザ光を投光し、
   前記第２偏向素子は、前記第１角度の入射角で入射するレーザ光を前記受光素子に入射させる
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記第１ピッチｄ１、前記第２ピッチｄ２、前記第１偏向素子の回折次数ｍ（ｍは自然数）、及び前記第２偏向素子の回折次数ｎ（ｎは自然数）とすると、前記第１ピッチｄ１、及び前記第２ピッチｄ２は、
   ｍ・ｄ１≠ｎ・ｄ２
   の関係を有する
   請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 前記第１及び第２偏向素子は、液晶素子で構成される
   請求項１乃至３のいずれかに記載の距離測定装置。
5. 前記第１偏向素子は、
   第１及び第２基板と、
   前記第１及び第２基板間に充填された第１液晶層と、
   前記第１基板に設けられ、それぞれが第１方向に延びる複数の第１電極と、
   前記第２基板に設けられた第２電極とを含み、
   前記第２偏向素子は、
   第３及び第４基板と、
   前記第３及び第４基板間に充填された第２液晶層と、
   前記第３基板に設けられ、それぞれが前記第１方向に延びる複数の第３電極と、
   前記第４基板に設けられた第４電極とを含み、
   前記第１ピッチは、前記複数の第１電極のピッチに対応し、
   前記第２ピッチは、前記複数の第３電極のピッチに対応する
   請求項１乃至４のいずれかに記載の距離測定装置。