JP2019194608A - 光学装置、それを備える車載システム及び移動装置 - Google Patents
光学装置、それを備える車載システム及び移動装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光学系によって増加する不要光の受光を抑制することができる光学装置を提供する。【解決手段】本発明に係る光学装置1は、光源11からの照明光束を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光束を偏向する偏向部30と、光源11からの照明光束を偏向部30に導光すると共に、偏向部30からの反射光束を受光素子52に導光する分岐部20と、偏向部30によって偏向された照明光束を物体に導光すると共に、物体からの反射光束を偏向部30に導光する第1の光学系40とを備え、偏向部30は、偏向部30の走査範囲における中心画角での照明光束の主光線の光路と第1の光学系40の光軸とが一致しないように配置されていることを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は、対象物を照明し対象物からの反射光を受光することで、対象物を検出する検出装置に関する。
対象物を検出し対象物までの距離を計測する方法として、対象物を照明し対象物からの反射光を受光するまでの時間や検出された反射光の位相から、対象物までの距離を算出するLIDAR(Light Detection And Ranging)が知られている。
近年、例えば自動車の自動運転のために対象物までの距離を計測する方法として、このLIDARが注目されている。
自動車の自動運転では、対象物としての車両、人または危険物等を判別しつつ、判別された対象物までの距離に応じて追従または回避等の行動が求められる。
近年、例えば自動車の自動運転のために対象物までの距離を計測する方法として、このLIDARが注目されている。
自動車の自動運転では、対象物としての車両、人または危険物等を判別しつつ、判別された対象物までの距離に応じて追従または回避等の行動が求められる。
特許文献1は、レーザーから出射し分岐部を通過した照明光を走査ミラーが偏向して対象物を走査し、対象物によって反射された反射光が走査ミラー及び分岐部を介して受光部へ偏向され、受光部で受光された反射光から対象物の位置及び対象物までの距離を計測する検出装置を開示している。
対象物が遠くなるほど、対象物から検出装置に入射する反射光の強度は減少するため、検出装置においてはその反射光をなるべく多く受光することが求められる。
そのためには、検出装置の出射側近傍にテレスコープを配置し、照明光及び反射光の光束径を変化させることによって光量を増加させることが有効であるが、その場合、検出装置内部における反射や散乱によって発生する不要光の光量までも増加させてしまう。
そこで本発明は、光学系によって増加する不要光の受光を抑制することができる光学装置を提供することを目的とする。
そのためには、検出装置の出射側近傍にテレスコープを配置し、照明光及び反射光の光束径を変化させることによって光量を増加させることが有効であるが、その場合、検出装置内部における反射や散乱によって発生する不要光の光量までも増加させてしまう。
そこで本発明は、光学系によって増加する不要光の受光を抑制することができる光学装置を提供することを目的とする。
本発明に係る光学装置は、光源からの照明光束を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光束を偏向する偏向部と、光源からの照明光束を偏向部に導光すると共に、偏向部からの反射光束を受光素子に導光する分岐部と、偏向部によって偏向された照明光束を物体に導光すると共に、物体からの反射光束を偏向部に導光する第1の光学系とを備え、偏向部は、偏向部の走査範囲における中心画角での照明光束の主光線の光路と第1の光学系の光軸とが一致しないように配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、光学系によって増加する不要光の受光を抑制することができる光学装置を提供することができる。
[第一実施形態]
以下に、本実施形態に係る検出装置(光学装置)を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す図面は、本実施形態を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。
以下に、本実施形態に係る検出装置(光学装置)を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す図面は、本実施形態を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。
LIDARは、対象物を照明する照明系と対象物からの反射光や散乱光を受光する受信系とから構成される。そのようなLIDARにおいては、照明系及び受信系の各々が向いている方向が完全に一致する同軸系と、照明系と受信系を別々に構成する非同軸系とがある。
本実施形態に係る検出装置は、同軸系のLIDARに好適なものであり、照明系及び受信系の光軸が有孔ミラーで合致されている。
本実施形態に係る検出装置は、同軸系のLIDARに好適なものであり、照明系及び受信系の光軸が有孔ミラーで合致されている。
自動車の高速運転を想定した自動運転では、より遠方の対象物を検出し対象物までの距離を測定する(測距する)ことが求められる。
検出装置に戻ってくる対象物からの反射光や散乱光は、対象物が遠ければ遠いほど弱くなる。
例えば、5m遠方にある対象物から検出装置に入射する反射光の光量に対して、50m遠方にある対象物から検出装置に入射する反射光の光量は、2桁程落ちる。
検出装置に戻ってくる対象物からの反射光や散乱光は、対象物が遠ければ遠いほど弱くなる。
例えば、5m遠方にある対象物から検出装置に入射する反射光の光量に対して、50m遠方にある対象物から検出装置に入射する反射光の光量は、2桁程落ちる。
従って、遠方にある対象物からの反射光を多く受光するためには検出装置から出射する照明光の光量、例えば照明光源の出力を上げることが考えられる。しかしながら、対象物が人であった場合には、人の目の安全に配慮する必要があるため、照明光源の出力を上げることにも限界がある。
そのため、照明光の光量は増加させずに、遠方にある対象物からの反射光をなるべく多く受光することが求められる。
そのため、照明光の光量は増加させずに、遠方にある対象物からの反射光をなるべく多く受光することが求められる。
また、対象物が遠くなればなるほど、対象物の大きさを測定することが難しくなる。
特に、高速運転においては、遠方にある対象物の大きさを早期に検出して次の行動への判断材料とする必要があるため、遠方にある対象物のサイズを精度よく検出することも重要となる。
特に、高速運転においては、遠方にある対象物の大きさを早期に検出して次の行動への判断材料とする必要があるため、遠方にある対象物のサイズを精度よく検出することも重要となる。
また、検出装置の内部で発生する反射光や散乱光は測定の精度を低下させる不要光となり、なるべく受光部に受光させないことが好ましい。
もし、そのような不要光が多く発生し、対象物からの反射光を受光する際に不要光も一緒に受光してしまうと、検出装置の検出性能の低下や算出した測定量の誤差の増大を引き起こしてしまう。
また、検出装置から照明光を出射する際に発生した不要光を受光部が多く受光してしまうと、対象物からの反射光を受光するまでに受光素子上の電荷をリセットすることができず、対象物からの反射光と不要光とを区別することができなくなる。そのため、対象物の検出及び測距ができなくなる。
もし、そのような不要光が多く発生し、対象物からの反射光を受光する際に不要光も一緒に受光してしまうと、検出装置の検出性能の低下や算出した測定量の誤差の増大を引き起こしてしまう。
また、検出装置から照明光を出射する際に発生した不要光を受光部が多く受光してしまうと、対象物からの反射光を受光するまでに受光素子上の電荷をリセットすることができず、対象物からの反射光と不要光とを区別することができなくなる。そのため、対象物の検出及び測距ができなくなる。
なお、特許文献1は、そのような検出装置内部で発生する不要光の受光を抑制するための構成について何ら検討していない。
図1(a)及び(b)は、第一実施形態に係る検出装置1の模式的断面図を示している。なお、図1(a)は照明時の光路も示しており、図1(b)は受光時の光路も示している。
本実施形態に係る検出装置1は、光源形成部(光源部)10、照明受光分岐部(分岐部)20、駆動ミラー(偏向部)30、テレスコープ(第1のテレスコープ、第1の光学系)40、受光部50及び制御部100を備えている。
光源形成部10は、光源11及びコリメータ12を備えており、光源11から射出された発散光束(照明光束)がコリメータ12によって光束径r1aを有する平行光束に変換される。なおここで、平行光束とは、厳密な平行光束だけでなく、弱発散光束や弱収束光束等の略平行光束を含むものとする。
照明受光分岐部20は、例えば有孔ミラーやビームスプリッターで構成されており、照明光路と受光光路を分離する機能を有する。すなわち、照明受光分岐部20は、光源形成部10からの照明光束を駆動ミラー30へ進行させる(導光する)と共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50へ進行させる(導光する)。ここで、有孔ミラーとは開口部を有するミラーであり、光束を透過(開口部(空気)を通過)及び反射(ミラー面で反射)させることができる。なお、有孔ミラーの開口部は空孔でなくても構わない。
駆動ミラー30は、有効径r1a’を有しており、図中におけるY軸、またはY軸に垂直な軸のまわりに回転する二軸駆動ミラーである。なお、照明光束の光束径r1aは、駆動ミラー30の有効径r1a’より小さい。
テレスコープ40は、屈折力(パワー)を有する複数の光学素子(レンズ)で構成され、かつ全系では屈折力を持たない光学系である。テレスコープ40は、駆動ミラー30の照明側に配置されており、駆動ミラー30は、テレスコープ40の光学的に入射瞳となる位置に配置される。また、テレスコープ40の光学倍率βは、駆動ミラー30側から射出瞳に対して1より大きく(|β|>1)、駆動ミラー30が配置される入射瞳の径は、駆動ミラー30の有効径r1a’より大きい。
受光部50は、集光光学系(第1の結像光学系)51及び受光素子52を備えており、照明された対象物(物体)からの反射光束が集光光学系51によって集光され、受光素子52で受光される。
制御部100は、光源形成部10に設けられている光源11、駆動ミラー30及び受光部50に設けられている受光素子52を制御する。そして、制御部100は、光源11及び駆動ミラー30をそれぞれ所定の駆動電圧や駆動周波数で駆動すると共に、受光素子52における受光の際の受光波形を特定の周波数で計測する。
照明受光分岐部20は、例えば有孔ミラーやビームスプリッターで構成されており、照明光路と受光光路を分離する機能を有する。すなわち、照明受光分岐部20は、光源形成部10からの照明光束を駆動ミラー30へ進行させる(導光する)と共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50へ進行させる(導光する)。ここで、有孔ミラーとは開口部を有するミラーであり、光束を透過(開口部(空気)を通過)及び反射(ミラー面で反射)させることができる。なお、有孔ミラーの開口部は空孔でなくても構わない。
駆動ミラー30は、有効径r1a’を有しており、図中におけるY軸、またはY軸に垂直な軸のまわりに回転する二軸駆動ミラーである。なお、照明光束の光束径r1aは、駆動ミラー30の有効径r1a’より小さい。
テレスコープ40は、屈折力(パワー)を有する複数の光学素子(レンズ)で構成され、かつ全系では屈折力を持たない光学系である。テレスコープ40は、駆動ミラー30の照明側に配置されており、駆動ミラー30は、テレスコープ40の光学的に入射瞳となる位置に配置される。また、テレスコープ40の光学倍率βは、駆動ミラー30側から射出瞳に対して1より大きく(|β|>1)、駆動ミラー30が配置される入射瞳の径は、駆動ミラー30の有効径r1a’より大きい。
受光部50は、集光光学系(第1の結像光学系)51及び受光素子52を備えており、照明された対象物(物体)からの反射光束が集光光学系51によって集光され、受光素子52で受光される。
制御部100は、光源形成部10に設けられている光源11、駆動ミラー30及び受光部50に設けられている受光素子52を制御する。そして、制御部100は、光源11及び駆動ミラー30をそれぞれ所定の駆動電圧や駆動周波数で駆動すると共に、受光素子52における受光の際の受光波形を特定の周波数で計測する。
光源形成部10から出射した光束径r1aを有する平行光束は、照明受光分岐部20を通過し、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r1bを有する照明光束となり、検出装置1の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r1b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r1a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
なお、本実施形態に係る検出装置1においては、照明受光分岐部20は、光源形成部10からの光束を駆動ミラー30に向けて透過させると共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50に向けて偏向させているが、これに限られない。照明受光分岐部20は、光源形成部10からの光束を駆動ミラー30に向けて偏向させると共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50に向けて透過させても構わない。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r1b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r1a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
なお、本実施形態に係る検出装置1においては、照明受光分岐部20は、光源形成部10からの光束を駆動ミラー30に向けて透過させると共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50に向けて偏向させているが、これに限られない。照明受光分岐部20は、光源形成部10からの光束を駆動ミラー30に向けて偏向させると共に、駆動ミラー30からの光束を受光部50に向けて透過させても構わない。
図1(a)及び(b)に示されているように、本実施形態に係る検出装置1では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
テレスコープ40の出射面から再入射する光束の有効径r1b’は、駆動ミラー30の有効径r1a’及びテレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(1)のように表される。
図1(b)に示されているように、光束の有効径r1b’は、駆動ミラー30の有効径r1a’よりも|β|(>1)倍だけ大きくなるため、本実施形態に係る検出装置1では、テレスコープ40を設けない場合よりも対象物からの反射・散乱光束を多く受光することができる。
また、テレスコープ40から出射する照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1及びテレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(2)のように表される。
図1(a)に示されているように、テレスコープ40の光学倍率βは1より大きいため、照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1より小さくなる。
従って、本実施形態に係る検出装置1では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
従って、本実施形態に係る検出装置1では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
本実施形態に係る検出装置1において、駆動ミラー30を駆動した際の駆動ミラー30によって偏向された照明光束の主光線の光路が、YZ断面において図2(a)に示されている。
図2(a)は、本実施形態に係る検出装置1の一部拡大模式的断面図を示している。また、図2(a)はテレスコープ40の最も光軸外(走査画角範囲内の最大画角)の光路を通る照明光束の主光線Sa、駆動ミラー30が駆動できる範囲(走査画角範囲)の中心画角の光路を通る照明光束の主光線Sb、及びテレスコープ40の光軸に最も近い光路を通る照明光束の主光線Scも示している。
また、図2(b)は、検出装置1において中心画角の光路(照明光路)とテレスコープ40の光軸Axとが一致するように駆動ミラー30を配置した場合の一部拡大模式的断面図を示している。
図2(b)に示されているように、検出装置1において駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線Sbの光路とテレスコープ40の光軸Axとが一致するように駆動ミラー30を配置した場合には、テレスコープ40に設けられている各光学素子からの反射光束RF1やRF2が、光軸Ax上に沿って照明光束に重なるように受光部50に戻ってくる。
また、図2(b)に示されている照明光束の光路近傍においても、テレスコープ40に設けられている各光学素子からの反射光束や散乱光束が多少なりとも受光部50に戻ってくる。
従って、図2(b)に示されているように、テレスコープ40の光軸Axと駆動ミラー30の中心画角の光路とを一致させた場合、図3(a)で示すように、反射光束RF1やRF2のような上記の不要光が所定の画角範囲で発生する。
また、図2(b)に示されている照明光束の光路近傍においても、テレスコープ40に設けられている各光学素子からの反射光束や散乱光束が多少なりとも受光部50に戻ってくる。
従って、図2(b)に示されているように、テレスコープ40の光軸Axと駆動ミラー30の中心画角の光路とを一致させた場合、図3(a)で示すように、反射光束RF1やRF2のような上記の不要光が所定の画角範囲で発生する。
図3(a)、(b)、(c)及び(d)は、検出装置1において駆動ミラー30を二次元的に駆動した際に受光素子52の受光面52D上で受光される不要光の様子を示している。ここで、2つの互いに直交する点線軸の交点が駆動ミラー30の駆動中心画角であり、横軸がX方向に駆動ミラー30を駆動した場合の画角、縦軸がY方向に駆動ミラー30を駆動した場合の画角を示している。
また、図3(a)乃至(d)において、白い部分は不要光が発生している画角、黒い部分は不要光が発生していない画角を示している。
また、図3(a)乃至(d)において、白い部分は不要光が発生している画角、黒い部分は不要光が発生していない画角を示している。
一方、図2(a)に示されているように、本実施形態に係る検出装置1において駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線Sbの光路(照明光路)とテレスコープ40の光軸Axとが一致しないように駆動ミラー30を配置すれば、照明光束がテレスコープ40の光軸Ax上を通過しない。
そのため、本実施形態に係る検出装置1においてテレスコープ40に設けられている各光学素子から発生する不要光は、図3(b)に示されているように、受光素子52の受光面52D上の中心から大きく外れた画角範囲で確認できる程度になる。
そのため、本実施形態に係る検出装置1においてテレスコープ40に設けられている各光学素子から発生する不要光は、図3(b)に示されているように、受光素子52の受光面52D上の中心から大きく外れた画角範囲で確認できる程度になる。
以上のように、本実施形態に係る検出装置1では、駆動ミラー30を光学倍率βが1よりも大きいテレスコープ40の入射瞳位置に配置することで、照明する対象物からの反射光束及び散乱光束を多く取り込み、且つ検出間隔を密にし、検出分解能を向上させることができる。
また、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路とテレスコープ40の光軸Axとが一致しないように(駆動ミラー30が、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角において照明光束をテレスコープ40の光軸上に偏向しないように)駆動ミラー30の角度を設定することで、中心画角及びその近傍における不要光の受光を抑制することができる。
換言すると、駆動ミラー30の中心画角がテレスコープ40の軸外画角になるように駆動ミラー30を配置することで、不要光の受光を抑制することができる。
これにより、検出装置1の遠方の対象物に対する測距性能及び遠方の対象物の大きさに対する検出分解能を向上させることができる。
また、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路とテレスコープ40の光軸Axとが一致しないように(駆動ミラー30が、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角において照明光束をテレスコープ40の光軸上に偏向しないように)駆動ミラー30の角度を設定することで、中心画角及びその近傍における不要光の受光を抑制することができる。
換言すると、駆動ミラー30の中心画角がテレスコープ40の軸外画角になるように駆動ミラー30を配置することで、不要光の受光を抑制することができる。
これにより、検出装置1の遠方の対象物に対する測距性能及び遠方の対象物の大きさに対する検出分解能を向上させることができる。
[第二実施形態]
図4は、第二実施形態に係る検出装置2の一部拡大模式的断面図を示している。また、図4はテレスコープ40の最も光軸外(走査画角範囲内の最大画角)の光路を通る照明光束の主光線Sa、駆動ミラー30が駆動できる範囲(走査画角範囲)の中心画角の光路を通る照明光束の主光線Sb、及びテレスコープ40の光軸に最も近い光路を通る照明光束の主光線Scも示している。
なお、本実施形態に係る検出装置2は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
図4は、第二実施形態に係る検出装置2の一部拡大模式的断面図を示している。また、図4はテレスコープ40の最も光軸外(走査画角範囲内の最大画角)の光路を通る照明光束の主光線Sa、駆動ミラー30が駆動できる範囲(走査画角範囲)の中心画角の光路を通る照明光束の主光線Sb、及びテレスコープ40の光軸に最も近い光路を通る照明光束の主光線Scも示している。
なお、本実施形態に係る検出装置2は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
本実施形態に係る検出装置2では、テレスコープ40が偏心するように配置されている。具体的には、図4に示されているように、テレスコープ40の光軸Axと駆動ミラー30との交点をAXP、駆動ミラー30のミラー面(偏向面、走査面)上における照明光束の入射位置をILPとしたとき、双方が一致しないようにテレスコープ40を偏心させている。
換言すると、テレスコープ40は、テレスコープ40の光軸Axが駆動ミラー30のミラー面上における照明光束の入射位置ILPと交わらないように配置されている。
換言すると、テレスコープ40は、テレスコープ40の光軸Axが駆動ミラー30のミラー面上における照明光束の入射位置ILPと交わらないように配置されている。
図5(a)及び(b)はそれぞれ、検出装置2において駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路とテレスコープ40の光軸Axとが一致するように及び一致しないように駆動ミラー30を配置した場合の一部拡大模式的断面図を示している。
図5(a)に示されているように、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致する場合、テレスコープ40に設けられている各光学素子からの反射光束RF1及びRF2は、光軸Ax上において互いに同じ向きに反射される。
それにより、テレスコープ40からの反射光束RF1及びRF2は、受光部50の受光素子52の受光面上にぼけた状態で到達する。
それにより、テレスコープ40からの反射光束RF1及びRF2は、受光部50の受光素子52の受光面上にぼけた状態で到達する。
図6(a)及び(b)は、検出装置2において駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致するように及び一致しないように駆動ミラー30を配置した場合における、受光素子52の受光面52Dとテレスコープ40からの反射光束RF1及びRF2によって受光面52Dに平行な断面内に形成される反射光領域RF1G及びRF2Gとの位置関係を示している。
図6(a)に示されているように、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致する場合、反射光領域RF1G及びRF2Gは、受光面52Dに平行な断面内において受光面52Dに重なるように形成される。
一方、図5(b)に示されているように、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致しない場合、テレスコープ40に設けられている各光学素子からの反射光束RF1及びRF2の反射角度は分散する。
それにより、図6(b)に示されているように、反射光領域RF1G及びRF2Gは、受光面52Dから離間する。
その結果、図3(c)に示されているように、テレスコープ40に設けられている各光学素子から受光素子52の受光面52D上で受光される不要光の画角範囲は、図3(a)に比べて縮小することができる。
それにより、図6(b)に示されているように、反射光領域RF1G及びRF2Gは、受光面52Dから離間する。
その結果、図3(c)に示されているように、テレスコープ40に設けられている各光学素子から受光素子52の受光面52D上で受光される不要光の画角範囲は、図3(a)に比べて縮小することができる。
また、テレスコープ40に設けられている光学素子のうち不要光の発生に大きく寄与する反射面があった場合、その反射面からの反射光束の向きに応じて不要光が強く発生する画角が存在する。すなわち、テレスコープ40を偏心させる方向に応じて不要光が強く発生する画角が変化する。
従って、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致しないようにテレスコープ40を偏心させることに加えて、第一実施形態に係る検出装置1のように駆動ミラー30の角度を設定することで、図3(d)に示されているように、不要光の画角範囲を縮小すると共に受光素子52の受光面52Dの中心から大きく外れた位置に移動させることができる。
なお、図3(d)では、説明のために不要光を残して示しているが、受光素子52の受光面52Dから不要光を完全に除去するよう、駆動ミラー30の角度やテレスコープ40の偏心位置を設定することが好ましい。
従って、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路Sbとテレスコープ40の光軸Axとが一致しないようにテレスコープ40を偏心させることに加えて、第一実施形態に係る検出装置1のように駆動ミラー30の角度を設定することで、図3(d)に示されているように、不要光の画角範囲を縮小すると共に受光素子52の受光面52Dの中心から大きく外れた位置に移動させることができる。
なお、図3(d)では、説明のために不要光を残して示しているが、受光素子52の受光面52Dから不要光を完全に除去するよう、駆動ミラー30の角度やテレスコープ40の偏心位置を設定することが好ましい。
また、図6(b)に示されているように、反射光領域RF1G及びRF2Gそれぞれの受光面52Dからの離間量をRF1s及びRF2sとしたとき、この離間量の大きさや離間の方向は、テレスコープ40に設けられている各光学素子の配置やテレスコープ40の偏心方向に依存する。
そのため、テレスコープ40を偏心させる方向は、不要光が発生する画角や検出装置2の使用画角を考慮して決定することが好ましい。
そのため、テレスコープ40を偏心させる方向は、不要光が発生する画角や検出装置2の使用画角を考慮して決定することが好ましい。
以上のように、本実施形態に係る検出装置2では、照明する遠方の対象物からの反射光束及び散乱光束を多く取り込みつつ、第一実施形態に係る検出装置1よりも広い画角で装置内における不要光の発生を抑制することができる。
なお、一般的に車載用のLIDARでは、地面に水平な方向の画角が、地面に垂直な画角より広いことが求められる。そのため、本実施形態に係る検出装置2では、X方向を地面に水平な画角、Y方向を地面に垂直な画角とし、テレスコープをY方向に偏心させることが好ましい。
[第三実施形態]
図7(a)、(b)及び(c)は、第三実施形態に係る検出装置3の模式的断面図を示している。なお、図7(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図7(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置3は、変倍光学系60を設けている以外は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
図7(a)、(b)及び(c)は、第三実施形態に係る検出装置3の模式的断面図を示している。なお、図7(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図7(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置3は、変倍光学系60を設けている以外は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
変倍光学系(第2のテレスコープ、第2の光学系)60は、光学倍率β(|β|<1)を有しており、有孔ミラー20を通過した光束径r3aを有する平行光束を、より小さい光束径r3bを有する平行光束に変換する。
すなわち、光束径r3bは、有効径r3a及び変倍光学系60の光学倍率βを用いて以下の式(3)のように表される。
ここで、変倍光学系60を通過した照明光束の光束径r3bは、駆動ミラー30の有効径よりも小さい。
すなわち、光束径r3bは、有効径r3a及び変倍光学系60の光学倍率βを用いて以下の式(3)のように表される。
光源形成部10から出射した光束径r3aを有する平行光束は、有孔ミラー20を通過(透過)し、変倍光学系60によって光束径r3bを有する照明光束に変換される。そして照明光束は、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r3cを有する照明光束となり、検出装置4の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r3c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r3b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r3a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向(反射)され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r3c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r3b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r3a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向(反射)され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
図7(a)乃至(c)に示されているように、本実施形態に係る検出装置3では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
そのため、光束の有効径r3b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
そのため、光束の有効径r3b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
また、有孔ミラー20に形成されている開口の口径をHとすると、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光束の欠損率Rは、以下の式(5)のように表される。
もし変倍光学系60が設けられていない場合、受光部50によって受光される受光光束の光束径r3a’は、駆動ミラー30の有効径と同等、すなわち光束の有効径r3b’となる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr3a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr3bとしたとき、r3a=r3bとなる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr3a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr3bとしたとき、r3a=r3bとなる。
従って、欠損率RとR’との比は、式(5)及び(6)より、以下の式(7)のように表される。
従って、本実施形態に係る検出装置3では、変倍光学系60を設けることによって、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光の欠損率をβ2倍だけ抑えることができる。
また、テレスコープ40の出射面から再入射する光束の有効径r3c’は、駆動ミラー30の有効径r3b’及びテレスコープ40の光学倍率β’(|β’|>1)を用いて以下の式(8)のように表される。
図7(b)に示されているように、光束の有効径r3c’は、駆動ミラー30の有効径r3b’よりも|β’|(>1)倍だけ大きくなる。
ここで、変倍光学系60及びテレスコープ40のいずれも有さない場合の比較例としての検出装置3における受光部50の受光光量Fと本実施形態に係る検出装置3における受光部50の受光光量F’とを比較する。
比較例としての検出装置3における受光部50の受光光量Fは、駆動ミラー30に再入射する際の有効径r3b’の光束の光量を1とすると、式(6)より以下の式(9)のように求められる。
一方、本実施形態に係る検出装置3における受光部50の受光光量F’は、同様に駆動ミラー30に再入射する際の有効径r3b’の光束の光量を1とすると、式(5)及び(8)より以下の式(10)のように求められる。
比較例としての検出装置3における受光部50の受光光量Fは、駆動ミラー30に再入射する際の有効径r3b’の光束の光量を1とすると、式(6)より以下の式(9)のように求められる。
ここで、r3b’=2H、β=0.2、β’=3としたとき、受光光量の比F’/Fは以下の式(11)のように求められる。
従って、本実施形態に係る検出装置3では、比較例としての検出装置3に比べて、受光部50において約12倍の受光光量を得ることができる。
また、テレスコープ40から出射する照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1及びテレスコープ40の光学倍率β’を用いて以下の式(12)のように表される。
図7(c)に示されているように、テレスコープ40の光学倍率β’は1より大きいため、照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1より小さくなる。
従って、本実施形態に係る検出装置3では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
従って、本実施形態に係る検出装置3では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
検出装置において遠方の対象物からの反射光を検出する場合、検出装置と対象物との間の距離が長くなればなるほど、その対象物の大きさを検出することが難しくなる。
特に高速運転を想定した自動運転では、遠方の対象物の大きさを早期に検出して次の行動への判断材料とする必要があるため、遠方の対象物のサイズを精度よく検出することが重要となる。
本実施形態に係る検出装置3では、受光光量を向上させるだけでなく、検出分解能の向上も達成できるという点で新たな効果を得ることができる。
特に高速運転を想定した自動運転では、遠方の対象物の大きさを早期に検出して次の行動への判断材料とする必要があるため、遠方の対象物のサイズを精度よく検出することが重要となる。
本実施形態に係る検出装置3では、受光光量を向上させるだけでなく、検出分解能の向上も達成できるという点で新たな効果を得ることができる。
なお、本実施形態に係る検出装置3では、光源形成部10において光源11から射出された発散光束がコリメータ12によって有孔ミラー20の開口径Hより小さい光束径r3aを有する平行光束に変換されている。しかしながら、これに限らず、光源形成部10と有孔ミラー20との間に絞りを設けても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置3では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置3では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
[第四実施形態]
図8(a)、(b)及び(c)は、第四実施形態に係る検出装置4の模式的断面図を示している。なお、図8(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図8(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置4は、受光部50内に新たに視野絞り55を設けている以外は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
図8(a)、(b)及び(c)は、第四実施形態に係る検出装置4の模式的断面図を示している。なお、図8(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図8(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置4は、受光部50内に新たに視野絞り55を設けている以外は、第一実施形態に係る検出装置1と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
受光部50は、集光光学系51、受光素子52及び視野絞り(絞り)55を備えており、視野絞り55は、集光光学系51の集光位置に設けられており、集光光学系51によって集光された光束の光束径を制限する。
照明された対象物からの反射光束を含む光束は、集光光学系51によって集光され、視野絞り55の開口を通過し、受光素子52で受光される。
照明された対象物からの反射光束を含む光束は、集光光学系51によって集光され、視野絞り55の開口を通過し、受光素子52で受光される。
光源形成部10から出射した光束径r4aを有する平行光束は、照明受光分岐部20を通過し、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r4bを有する照明光束となり、検出装置5の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r4b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r4a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r4b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r4a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
図8(a)乃至(c)に示されているように、本実施形態に係る検出装置4では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
テレスコープ40の出射面から再入射する光束の有効径r4b’は、駆動ミラー30の有効径r4a’及びテレスコープ40の光学倍率β(|β|>1)を用いて以下の式(13)のように表される。
図8(b)に示されているように、光束の有効径r4b’は、駆動ミラー30の有効径r4a’よりも|β|(>1)倍だけ大きくなる。そのため、本実施形態に係る検出装置4では、テレスコープ40を設けない場合よりも対象物からの反射光束及び散乱光束を多く受光することができる。
また、テレスコープ40から出射する照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1及びテレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(14)のように表される。
図8(a)及び(c)に示されているように、テレスコープ40の光学倍率βは1より大きいため、照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1より小さくなる。
従って、本実施形態に係る検出装置4では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
従って、本実施形態に係る検出装置4では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
図9は、本実施形態に係る検出装置4へ対象物200からの光束が再入射する様子を示している。
ここで、検出装置4から対象物200までの距離をp、対象物200が照明される領域をφFIL、テレスコープ40の出射面で受ける光束の最大画角をθSTCとする。
テレスコープ40の出射面で受ける光束の最大画角θSTCが照明される対象物200の画角より大きい場合、画角外からの光束や装置内で画角外に発生する散乱光束等の不要光も受光素子52で受光されてしまう。
そのため、本実施形態に係る検出装置4は、以下の式(15)が満たされるように構成されるのがよい。
そのため、本実施形態に係る検出装置4は、以下の式(15)が満たされるように構成されるのがよい。
図10は、本実施形態に係る検出装置4において対象物200からの光束が受光素子52で受光される様子を示しており、主光線を図示している。
ここで、図10に示されているように、駆動ミラー30が静止した状態において対象物200からの光束が駆動ミラー30の面に入射する角度をθSMCとすると、角度θSMCは、テレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(16)のように表される。
従って、集光光学系51の焦点距離をfcとすると、駆動ミラー30が静止した状態における最大画角からの光束が受光素子52の受光面52D上に集光される像高yRは、以下の式(17)のように表される。
従って、受光素子52の受光有効径Dは、対象物200からの光束を効率よく受光するために、換言すると、不要光を受光しないようにするために、以下の式(18)を満たすように設定するのがよい。
なお、現実的には、汎用性の観点から、受光素子の受光有効径Dを制限するよりも集光光学系51の焦点距離fCを調整する場合の方が多く、場合によっては式(18)を満たすように設計できない場合がある。
そのような場合には、集光光学系51の集光位置に視野絞り55を設けることで、受光素子52の受光画角を所望の画角に制限することができる。
ここで、視野絞り55の開口径をφPstとするとき、開口径Pstは、以下の式(19)を満たすように設計すればよい。
このように視野絞り55を設けることで、式(18)を満たすように設計できなくても、所望の画角からの光束のみを受光することができるため、その他の画角からの光束や、装置内での反射光束若しくは散乱光束等の不要光の受光を抑制することができる。
そのような場合には、集光光学系51の集光位置に視野絞り55を設けることで、受光素子52の受光画角を所望の画角に制限することができる。
ここで、視野絞り55の開口径をφPstとするとき、開口径Pstは、以下の式(19)を満たすように設計すればよい。
なお、本実施形態では、単一の光束から視野絞り55の開口径Pstの条件として式(19)を求めている。しかしながら、実際には、集光位置におけるスポット径についても考慮する必要があり、受光光量を多く得るという観点からは、視野絞り55の開口径Pstは、式(19)よりさらに多少拡がりを持たせてもよい。
また、所望の画角での受光光束は、開口絞りによって半分程度遮蔽されるため、軸外での受光光量は半分になる。しかしながら、開口部でのスポット径が大きいと、軸外における受光光量の下がり具合がゆるやかになり、画角外での受光光束も多く受光すると同時に軸内の受光光量に対してS/N比も悪くなるため、対象物のサイズを誤認してしまう。
従って、両者のバランスを取る必要があるが、重要なことは、反射光束を多く取り込みつつ、不要光の受光を抑制することであり、両者のバランスが受光信号の質向上に最大化されるように視野絞り55の開口径Pstを決定すればよい。
また、上記では、照明領域や受光画角等を円形で考慮しているが、照明形状や検出したい受光画角等に応じて視野絞り55の開口の形状を矩形や楕円形状にしても構わない。
また、所望の画角での受光光束は、開口絞りによって半分程度遮蔽されるため、軸外での受光光量は半分になる。しかしながら、開口部でのスポット径が大きいと、軸外における受光光量の下がり具合がゆるやかになり、画角外での受光光束も多く受光すると同時に軸内の受光光量に対してS/N比も悪くなるため、対象物のサイズを誤認してしまう。
従って、両者のバランスを取る必要があるが、重要なことは、反射光束を多く取り込みつつ、不要光の受光を抑制することであり、両者のバランスが受光信号の質向上に最大化されるように視野絞り55の開口径Pstを決定すればよい。
また、上記では、照明領域や受光画角等を円形で考慮しているが、照明形状や検出したい受光画角等に応じて視野絞り55の開口の形状を矩形や楕円形状にしても構わない。
以上のように、本実施形態に係る検出装置4では、対象物からの反射光束を多く取り込みつつ不要光を適切に遮蔽できるため、対象物の測距可能距離を長くすると共に測距精度を向上させることができる。また、画角を制限するため、対象物の大きさの検出分解能も向上させることができる。
[第五実施形態]
図11は、第五実施形態に係る検出装置5の模式的断面図を示している。なお、図11は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置5は、受光部50内に新たに再結像光学系56を設けている以外は、第四実施形態に係る検出装置4と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
図11は、第五実施形態に係る検出装置5の模式的断面図を示している。なお、図11は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置5は、受光部50内に新たに再結像光学系56を設けている以外は、第四実施形態に係る検出装置4と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
受光部50は、集光光学系51、受光素子52、視野絞り55及び再結像光学系(第2の結像光学系)56を備えている。再結像光学系56は、視野絞り55と受光素子52との間に設けられており、視野絞り55と受光素子52の受光面52Dとを互いに略共役関係にしている。再結像光学系56は、視野絞り55を通過した光束を受光素子52の受光面52D上に集光する。
本実施形態に係る検出装置5によって照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r5a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
検出装置5においては、本来、受光素子52の受光面52Dと視野絞り55とが互いに隣接するように配置されることが理想的である。
しかしながら、保持性能に関して、受光面52Dが受光素子52の内側にある場合、集光光学系51の開口数NAが大きすぎるため、集光光束をすべて受光素子52上で受光させることができない場合がある。
しかしながら、保持性能に関して、受光面52Dが受光素子52の内側にある場合、集光光学系51の開口数NAが大きすぎるため、集光光束をすべて受光素子52上で受光させることができない場合がある。
図12(a)及び(b)は、比較例としての検出装置5における受光部50の拡大模式的断面図を示している。また、図12(c)は、本実施形態に係る検出装置5における受光部50の拡大模式的断面図を示している。
図12(a)は、例えば、受光面52Dが受光素子52の不図示の保持部より内側にあり、視野絞り55より後ろの受光面52D上において視野絞り55を通過した集光光束の広がりが受光面52Dの面積より大きくなり、斜線部で示す光が受光できていないことを示している。
これを防ぐためには、式(17)及び式(19)からわかるように、集光光学系51の焦点距離fcを長くすればよいが、その場合、図12(b)に示されているように、集光光学系51より後ろの光路が長くなるため、装置の大型化を招いてしまう。
これを防ぐためには、式(17)及び式(19)からわかるように、集光光学系51の焦点距離fcを長くすればよいが、その場合、図12(b)に示されているように、集光光学系51より後ろの光路が長くなるため、装置の大型化を招いてしまう。
そこで、本実施形態に係る検出装置5では、図12(c)に示されているように、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けている。これにより、視野絞り55の像が受光素子52の受光面52D上に形成されるため、上記の斜線部で示した受光できない光の分の損失を防ぐことができる。
以上のように、本実施形態に係る検出装置5では、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けることで、受光素子52の受光面52Dの位置によらず反射光束を効率よく受光することができ、且つ装置の大型化を抑制することもできる。
[第六実施形態]
図13(a)及び(b)は、第六実施形態に係る検出装置6の模式的断面図を示している。なお、図13(a)は照明時の光路も示しており、図13(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置6は、新たに変倍光学系60を設けている以外は、第五実施形態に係る検出装置5と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
また、本実施形態に係る検出装置6では、照明受光分岐部20は、有孔ミラー20である。
図13(a)及び(b)は、第六実施形態に係る検出装置6の模式的断面図を示している。なお、図13(a)は照明時の光路も示しており、図13(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置6は、新たに変倍光学系60を設けている以外は、第五実施形態に係る検出装置5と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
また、本実施形態に係る検出装置6では、照明受光分岐部20は、有孔ミラー20である。
変倍光学系60は、光学倍率β’(|β’|<1)を有しており、有孔ミラー20を通過した光束径r6aを有する平行光束を、より小さい光束径r6bを有する照明光束に変換する。
すなわち、光束径r6bは、有効径r6a及び変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(20)のように表される。
ここで、変倍光学系60を通過した照明光束の光束径r6bは、駆動ミラー30の有効径よりも小さい。
すなわち、光束径r6bは、有効径r6a及び変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(20)のように表される。
光源形成部10から出射した光束径r6aを有する平行光束は、有孔ミラー20を通過し、変倍光学系60によって光束径r6bを有する照明光束に変換される。そして照明光束は、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r6cを有する照明光束となり、検出装置7の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r6c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r6b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r6a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r6c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r6b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r6a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
図13(a)及び(b)に示されているように、本実施形態に係る検出装置6では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
そのため、光束の有効径r6b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
そのため、光束の有効径r6b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
また、有孔ミラー20に形成されている開口の口径をHとすると、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光の欠損率Rは、以下の式(22)のように表される。
一方、第五実施形態において図11に示したように、変倍光学系60が設けられていない場合には、駆動ミラー30から有孔ミラー20へ入射する光束の光束径r6a’は、駆動ミラー30の有効径と同等、すなわち光束の有効径r6b’となる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr6a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr6bとしたとき、r6a=r6bとなる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr6a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr6bとしたとき、r6a=r6bとなる。
従って、欠損率RとR’との比は、式(22)及び(23)より、以下の式(24)のように表される。
従って、本実施形態に係る検出装置6では、変倍光学系60を設けることによって、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光の欠損率を(β’)2倍だけ抑えることができる。
また、本実施形態に係る検出装置6では、駆動ミラーが静止した状態での変倍光学系60から有孔ミラー20に入射する光束の画角θSMC’は、駆動ミラー30が静止した状態において対象物からの光束が駆動ミラー30の面に入射する角度θSMCと変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(25)のように表される。
変倍光学系60の光学倍率β’は1より小さいため、θSMC’はθSMCより小さくなる。すなわち、集光光学系51の集光面上(すなわち、受光面52D上)における最大画角からの受光光束の入射像高は、変倍光学系60を設けることによって小さくなる。
このため、集光光学系51の焦点距離fcは、変倍光学系60を設けたことによって長くする必要がある。
しかしながら、本実施形態に係る検出装置6では、再結像光学系56を集光光学系51と受光素子52との間に設けているため、これにより有孔ミラー20から受光素子52の受光面52Dまでの光路長を短くすることができる。
従って、再結像光学系56を設けることによって、変倍光学系60を設けたことによる装置の大型化を抑制することができるという効果があることも示している。
このため、集光光学系51の焦点距離fcは、変倍光学系60を設けたことによって長くする必要がある。
しかしながら、本実施形態に係る検出装置6では、再結像光学系56を集光光学系51と受光素子52との間に設けているため、これにより有孔ミラー20から受光素子52の受光面52Dまでの光路長を短くすることができる。
従って、再結像光学系56を設けることによって、変倍光学系60を設けたことによる装置の大型化を抑制することができるという効果があることも示している。
なお、本実施形態に係る検出装置6では、光源形成部10において光源11から射出された発散光束がコリメータ12によって有孔ミラー20の開口径Hより小さい光束径r6aを有する平行光束に変換されている。しかしながら、これに限らず、光源形成部10と有孔ミラー20との間に絞りを設けても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置6では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置6では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
以上のように、本実施形態に係る検出装置6では、有孔ミラー20と駆動ミラー30との間に変倍光学系60を設けることで、有孔ミラー20による受光効率を向上させ、照明する遠方の対象物からの反射光束及び散乱光束を多く取り込むことができる。また、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けることで、受光素子52の受光面52Dの位置によらず受光光束を効率よく受光することができ、且つ装置の大型化を抑制することもできる。
[第七実施形態]
図14(a)、(b)及び(c)は、第七実施形態に係る検出装置7の模式的断面図を示している。なお、図14(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図14(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置7は、第五実施形態に係る検出装置5と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
図14(a)、(b)及び(c)は、第七実施形態に係る検出装置7の模式的断面図を示している。なお、図14(a)及び(c)は照明時の光路も示しており、図14(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置7は、第五実施形態に係る検出装置5と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
光源形成部10から出射した光束径r7aを有する平行光束は、照明受光分岐部20を通過し、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r7bを有する照明光束となり、検出装置7の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r7b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r7a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r7b’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r7a’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、照明受光分岐部20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
図14(a)乃至(c)に示されているように、本実施形態に係る検出装置7では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
テレスコープ40の出射面から再入射する光束の有効径r7b’は、駆動ミラー30の有効径r7a’及びテレスコープ40の光学倍率β(|β|>1)を用いて以下の式(26)のように表される。
図14(b)に示されているように、光束の有効径r7b’は、駆動ミラー30の有効径r7a’よりも|β|(>1)倍だけ大きくなる。そのため、本実施形態に係る検出装置7では、テレスコープ40を設けない場合よりも対象物からの反射光束及び散乱光束を多く受光することができる。
また、テレスコープ40から出射する照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1及びテレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(27)のように表される。
図14(a)及び(c)に示されているように、テレスコープ40の光学倍率βは1より大きいため、照明光束の主光線の偏向角θ2は、駆動ミラー30によって偏向された平行光束の主光線の偏向角θ1より小さくなる。
従って、本実施形態に係る検出装置7では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
従って、本実施形態に係る検出装置7では画角は狭くなるが、同時に検出間隔も狭くなるため、検出分解能を向上させることができる。
第四実施形態の図9で示したように、検出装置7から対象物200までの距離をp、対象物200が照明される領域をφFIL、テレスコープ40の出射面で受ける光束の最大画角をθSTCとする。
テレスコープ40の出射面で受ける光束の最大画角θSTCが照明される対象物200の画角より大きい場合、画角外からの光束や装置内で画角外に発生する散乱光束等の不要光も受光素子52で受光されてしまう。
そのため、本実施形態に係る検出装置7は、以下の式(28)が満たされるように構成されるのがよい。
そのため、本実施形態に係る検出装置7は、以下の式(28)が満たされるように構成されるのがよい。
また、図10で示したように、駆動ミラー30が静止した状態において対象物200からの光束が駆動ミラー30の面に入射する角度をθSMCとすると、角度θSMCは、テレスコープ40の光学倍率βを用いて以下の式(29)のように表される。
従って、集光光学系51の焦点距離をfcとすると、駆動ミラー30が静止した状態における最大画角からの光束が受光素子52の受光面上に集光される像高yRは、以下の式(30)のように表される。
なお、ここでは簡易的に考えるために、再結像光学系56については考慮していない。
なお、現実的には、汎用性の観点から、受光素子の受光有効径Dを制限するよりも集光光学系51の焦点距離fCを調整する場合の方が多く、場合によっては式(31)を満たすように設計できない場合がある。
そのような場合には、集光光学系51の集光位置に視野絞り55を設けることで、受光素子52の受光画角を所望の画角に制限することができる。
ここで、視野絞り55の開口径をφPstとするとき、開口径Pstは、以下の式(32)を満たすように設計すればよい。
このように視野絞り55を設けることで、式(31)を満たすように設計できなくても、所望の画角からの光束のみを受光することができるため、その他の画角からの光束や、装置内での反射光束若しくは散乱光束等の不要光の受光を抑制することができる。
そのような場合には、集光光学系51の集光位置に視野絞り55を設けることで、受光素子52の受光画角を所望の画角に制限することができる。
ここで、視野絞り55の開口径をφPstとするとき、開口径Pstは、以下の式(32)を満たすように設計すればよい。
なお、本実施形態では、単一の光束から視野絞り55の開口径Pstの条件として式(32)を求めている。しかしながら、実際には、集光位置におけるスポット径についても考慮する必要があり、受光光量を多く得るという観点からは、視野絞り55の開口径Pstは、式(32)よりさらに多少拡がりを持たせてもよい。
また、所望の画角での受光光束は、開口絞りによって半分程度遮蔽されるため、軸外での受光光量は半分になる。しかしながら、開口部でのスポット径が大きいと、軸外における受光光量の下がり具合がゆるやかになり、画角外での受光光束も多く受光すると同時に軸内の受光光量に対してS/N比も悪くなるため、対象物のサイズを誤認してしまう。
従って、両者のバランスを取る必要があるが、重要なことは、反射光束を多く取り込みつつ、不要光の受光を抑制することであり、両者のバランスが受光信号の質向上に最大化されるように視野絞り55の開口径Pstを決定すればよい。
また、上記では、照明領域や受光画角等を円形で考慮しているが、照明形状や検出したい受光画角等に応じて視野絞り55の開口の形状を矩形や楕円形状にしても構わない。
以上のようにすることで、対象物からの反射光束を多く取り込みつつ不要光を適切に遮蔽できるため、対象物の測距可能距離を長くすると共に測距精度を向上させることができる。また、画角を制限するため、対象物の大きさの検出分解能も向上させることができる。
また、所望の画角での受光光束は、開口絞りによって半分程度遮蔽されるため、軸外での受光光量は半分になる。しかしながら、開口部でのスポット径が大きいと、軸外における受光光量の下がり具合がゆるやかになり、画角外での受光光束も多く受光すると同時に軸内の受光光量に対してS/N比も悪くなるため、対象物のサイズを誤認してしまう。
従って、両者のバランスを取る必要があるが、重要なことは、反射光束を多く取り込みつつ、不要光の受光を抑制することであり、両者のバランスが受光信号の質向上に最大化されるように視野絞り55の開口径Pstを決定すればよい。
また、上記では、照明領域や受光画角等を円形で考慮しているが、照明形状や検出したい受光画角等に応じて視野絞り55の開口の形状を矩形や楕円形状にしても構わない。
以上のようにすることで、対象物からの反射光束を多く取り込みつつ不要光を適切に遮蔽できるため、対象物の測距可能距離を長くすると共に測距精度を向上させることができる。また、画角を制限するため、対象物の大きさの検出分解能も向上させることができる。
また、本実施形態に係る検出装置7では、図14(a)乃至(c)に示されているように、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けている。これは以下の理由による。
検出装置7においては、本来、受光素子52の受光面52Dと視野絞り55とが互いに隣接するように配置されることが理想的である。
しかしながら、保持性能に関して、受光面52Dが受光素子52の内側にある場合、集光光学系51の開口数NAが大きすぎるため、集光光束をすべて受光素子52上で受光させることができない場合がある。
検出装置7においては、本来、受光素子52の受光面52Dと視野絞り55とが互いに隣接するように配置されることが理想的である。
しかしながら、保持性能に関して、受光面52Dが受光素子52の内側にある場合、集光光学系51の開口数NAが大きすぎるため、集光光束をすべて受光素子52上で受光させることができない場合がある。
第五実施形態において図12(a)で示したように、例えば、受光面52Dが受光素子52の不図示の保持部より内側にあると、視野絞り55より後ろの受光面52D上において視野絞り55を通過した集光光束の広がりが受光面52Dの面積より大きくなり、斜線部で示す光束が受光できない。
これを防ぐためには、式(17)及び式(19)からわかるように、集光光学系51の焦点距離fcを長くすればよいが、その場合、図12(b)に示されているように、集光光学系51より後ろの光路が長くなるため、装置の大型化を招いてしまう。
これを防ぐためには、式(17)及び式(19)からわかるように、集光光学系51の焦点距離fcを長くすればよいが、その場合、図12(b)に示されているように、集光光学系51より後ろの光路が長くなるため、装置の大型化を招いてしまう。
そこで、本実施形態に係る検出装置7では、図12(c)に示されているように、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けている。これにより、視野絞り55の像が受光素子52の受光面52D上に形成されるため、上記の斜線部で示した受光できない光束の分の損失を防ぐことができる。
以上のように、本実施形態に係る検出装置7では、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けることで、受光素子52の受光面52Dの位置によらず反射光束を効率よく受光することができ、且つ装置の大型化を抑制することもできる。
また、本実施形態に係る検出装置7では、第一及び第二実施形態において図2乃至図6で示したように、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での照明光束の主光線の光路とテレスコープ40の光軸Axとが一致しないように駆動ミラー30の角度を設定し(チルトさせ)、且つテレスコープ40を偏心させている。
さらに、本実施形態に係る検出装置7では、以下に示すように、受光素子52の受光面52Dの中心位置若しくは再結像光学系56の光軸が検出装置7の光軸に一致しないように、受光素子52若しくは再結像光学系56が偏心若しくはチルトするように構成されている。
換言すると、本実施形態に係る検出装置7では、以下に示すように、受光素子52の受光面52Dの中心位置若しくは再結像光学系56の光軸が駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での光束の主光線の光路に一致しないように、受光素子52若しくは再結像光学系56が偏心若しくはチルトするように構成されている。
換言すると、本実施形態に係る検出装置7では、以下に示すように、受光素子52の受光面52Dの中心位置若しくは再結像光学系56の光軸が駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での光束の主光線の光路に一致しないように、受光素子52若しくは再結像光学系56が偏心若しくはチルトするように構成されている。
図15(a)乃至(h)は、比較例としての若しくは本実施形態に係る検出装置7における受光部50の拡大模式的断面図を示している。
ここで、受光素子52の受光面52Dの中心位置をAXR’、再結像光学系56の光軸をAXR’’、検出装置7の光軸をAXRとしている。
ここで、受光素子52の受光面52Dの中心位置をAXR’、再結像光学系56の光軸をAXR’’、検出装置7の光軸をAXRとしている。
図15(a)及び(b)は、受光素子52の受光面52Dの中心位置AXR’及び再結像光学系56の光軸AXR’’を検出装置7の光軸AXRに一致している(偏心させていない)場合を示している。
図15(a)に示されているように、対象物からの光束は、集光光学系51によって集光され、視野絞り55を通過した後、再結像光学系56によってさらに受光面52Dの中央部に再集光される。
また、図15(b)に示されているように、不要光は、集光光学系51を介して視野絞り55の前方の仮想的な面であるRF_P上で一度集光された後、視野絞り55上ではぼけて拡がる。そして、一部の不要光が視野絞り55を通過した後、再結像光学系56によって仮想的な面であるRF_P’上で再集光された後、受光面52Dに到達する。
図15(a)に示されているように、対象物からの光束は、集光光学系51によって集光され、視野絞り55を通過した後、再結像光学系56によってさらに受光面52Dの中央部に再集光される。
また、図15(b)に示されているように、不要光は、集光光学系51を介して視野絞り55の前方の仮想的な面であるRF_P上で一度集光された後、視野絞り55上ではぼけて拡がる。そして、一部の不要光が視野絞り55を通過した後、再結像光学系56によって仮想的な面であるRF_P’上で再集光された後、受光面52Dに到達する。
図16は、このような場合における受光素子52の受光面52D上で形成される反射光領域RF1G及びRF2Gとの位置関係を示しており、不要光によって反射光領域RF2Gの一部が受光面52Dに重なっており、これはまたテレスコープ40の偏心方向にも依存する。
図15(c)及び(d)は、受光素子52の受光面52Dの中心位置AXR’が検出装置7の光軸AXR上から外れるように、受光素子52を偏心させている場合を示している。
図15(c)に示されているように、対象物からの反射光束は受光面52Dで受光される。一方で、図15(d)に示されているように、不要光は受光面52Dから外れるため受光されない。
図15(c)に示されているように、対象物からの反射光束は受光面52Dで受光される。一方で、図15(d)に示されているように、不要光は受光面52Dから外れるため受光されない。
図15(e)及び(f)は、受光素子52の受光面52Dの中心位置AXR’が検出装置7の光軸AXR上から外れるように、受光素子52を偏心させ且つ仮想面RF_P’まで変位させている場合を示している。
上で述べたように、不要光は仮想面RF_P’上に集光されており、仮想面RF_P’まで変位させた受光素子52の受光面52D上では不要光の面積は小さくなる。そのため、対象物からの反射光束は、受光面52D上で大きくボケていなければ不要光と分離しやすくなる。
上で述べたように、不要光は仮想面RF_P’上に集光されており、仮想面RF_P’まで変位させた受光素子52の受光面52D上では不要光の面積は小さくなる。そのため、対象物からの反射光束は、受光面52D上で大きくボケていなければ不要光と分離しやすくなる。
図15(g)及び(h)は、再結像光学系56の光軸AXR’’が検出装置7の光軸AXRに一致しないように、再結像光学系56を偏心させている場合を示している。
図15(g)に示されているように、再結像光学系56の偏心でも対象物からの反射光束は受光面52D上で受光される一方で、図15(h)に示されているように、不要光は受光面52Dの受光範囲から外れるため受光されない。
図15(g)に示されているように、再結像光学系56の偏心でも対象物からの反射光束は受光面52D上で受光される一方で、図15(h)に示されているように、不要光は受光面52Dの受光範囲から外れるため受光されない。
以上のように、本実施形態に係る検出装置7では、受光素子52の受光面52Dの中心位置若しくは再結像光学系56の光軸が検出装置7の光軸(換言すると、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での光束の主光線の光路)に一致しないように、受光素子52若しくは再結像光学系56を偏心若しくはチルトさせることで不要光の受光を抑制することができる。
[第八実施形態]
図17(a)及び(b)は、第八実施形態に係る検出装置8の模式的断面図を示している。なお、図17(a)は照明時の光路も示しており、図17(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置8は、新たに変倍光学系60を設けている以外は、第七実施形態に係る検出装置7と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
また、本実施形態に係る検出装置8では、照明受光分岐部20は、有孔ミラー20である。
図17(a)及び(b)は、第八実施形態に係る検出装置8の模式的断面図を示している。なお、図17(a)は照明時の光路も示しており、図17(b)は受光時の光路も示している。
なお、本実施形態に係る検出装置8は、新たに変倍光学系60を設けている以外は、第七実施形態に係る検出装置7と同様の構成であるため、同一の部材には同一の符番を付して説明を省略する。
また、本実施形態に係る検出装置8では、照明受光分岐部20は、有孔ミラー20である。
変倍光学系60は、光学倍率β’(|β’|<1)を有しており、有孔ミラー20を通過した光束径r8aを有する平行光束を、より小さい光束径r8bを有する照明光束に変換する。
すなわち、光束径r8bは、有効径r8a及び変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(33)のように表される。
ここで、変倍光学系60を通過した照明光束の光束径r8bは、駆動ミラー30の有効径よりも小さい。
すなわち、光束径r8bは、有効径r8a及び変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(33)のように表される。
光源形成部10から出射した光束径r8aを有する平行光束は、有孔ミラー20を通過し、変倍光学系60によって光束径r8bを有する照明光束に変換される。そして照明光束は、駆動ミラー30によって偏向され、テレスコープ40を介して出射面において光束径r8cを有する照明光束となり、検出装置8の外部にある対象物を照明する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r8c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r8b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r8a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
そして、照明された対象物から反射された反射光束を含む、テレスコープ40の出射面から再入射した有効径(すなわち、テレスコープ40の射出有効径)r8c’を有する光束は、テレスコープ40を通過し、駆動ミラー30によって光束径r8b’を有する光束として偏向される。そして偏向された光束は、変倍光学系60によってより大きい光束径r8a’を有する受光光束に変換される。そして、有孔ミラー20において照明光束とは異なる方向に偏向され、受光部50によって受光される。
そして、制御部100によって、受光素子52で得られた受光時間と光源11の発光時間との差分、もしくは受光素子52で得られた受光信号の位相と光源11の出力信号の位相との差分を計測し、差分を光速で乗じて対象物との距離を決定する。
図17(a)及び(b)に示されているように、本実施形態に係る検出装置8では、駆動ミラー30を高速で駆動させるため、重量の関係で駆動ミラー30の径を小さくする必要が生じ、必然的に駆動ミラー30によって偏向される光束の有効径が小さくなる。そのため、駆動ミラー30は、照明された対象物からの反射光束を含む光束の有効径を律速しやすい。
そのため、光束の有効径r8b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
そのため、光束の有効径r8b’が駆動ミラー30の有効径と同等になると考えることができる。
また、有孔ミラー20に形成されている開口の口径をHとすると、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光束の欠損率Rは、以下の式(35)のように表される。
一方、第七実施形態において図14(b)に示したように、変倍光学系60が設けられていない場合には、駆動ミラー30から有孔ミラー20へ入射する光束の光束径r8a’は、駆動ミラー30の有効径と同等、すなわち光束の有効径r8b’となる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr8a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr8bとしたとき、r8a=r8bとなる。
また、光源形成部10から出射した平行光束の光束径をr8a、有孔ミラー20を通過し駆動ミラー30に入射する平行光束の光束径をr8bとしたとき、r8a=r8bとなる。
従って、欠損率RとR’との比は、式(35)及び(36)より、以下の式(37)のように表される。
従って、本実施形態に係る検出装置8では、変倍光学系60を設けることによって、有孔ミラー20によって受光部50が受信信号として受光できない光量の割合、換言すると、有孔ミラー20による受光光束の欠損率を(β’)2倍だけ抑えることができる。
また、本実施形態に係る検出装置8では、駆動ミラーが静止した状態での変倍光学系60から有孔ミラー20に入射する光束の画角θSMC’は、駆動ミラー30が静止した状態において対象物からの光束が駆動ミラー30の面に入射する角度θSMCと変倍光学系60の光学倍率β’を用いて以下の式(38)のように表される。
変倍光学系60の光学倍率β’は1より小さいため、θSMC’はθSMCより小さくなる。すなわち、集光光学系51の集光面上(すなわち、受光面52D上)における最大画角からの受光光束の入射像高は、変倍光学系60を設けることによって小さくなる。
このため、集光光学系51の焦点距離fcは、変倍光学系60を設けたことによって長くする必要がある。
しかしながら、本実施形態に係る検出装置8では、再結像光学系56を集光光学系51と受光素子52との間に設けているため、これにより有孔ミラー20から受光素子52の受光面52Dまでの光路長を短くすることができる。
従って、再結像光学系56を設けることによって、変倍光学系60を設けたことによる装置の大型化を抑制することができるという効果があることも示している。
このため、集光光学系51の焦点距離fcは、変倍光学系60を設けたことによって長くする必要がある。
しかしながら、本実施形態に係る検出装置8では、再結像光学系56を集光光学系51と受光素子52との間に設けているため、これにより有孔ミラー20から受光素子52の受光面52Dまでの光路長を短くすることができる。
従って、再結像光学系56を設けることによって、変倍光学系60を設けたことによる装置の大型化を抑制することができるという効果があることも示している。
なお、本実施形態に係る検出装置8では、光源形成部10において光源11から射出された発散光束がコリメータ12によって有孔ミラー20の開口径Hより小さい光束径r8aを有する平行光束に変換されている。しかしながら、これに限らず、光源形成部10と有孔ミラー20との間に絞りを設けても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置8では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
また、本実施形態に係る検出装置8では、光源形成部10が光源11及びコリメータ12のみで構成されているが、これに限られない。光源11からの発散角が非対称だった場合には、光源形成部10にシリンドリカルレンズ等を設けて、光源11から出射した発散光束を整形した後、設けた絞りによって光束径を調整してもよい。
ここで重要なことは、検出装置からの照明光束の光量が、人の目の安全を考慮して定められる上限を超えないことであり、光源形成部10において絞りを用いて照明光束の有効径を決定しても構わない。
以上のように、本実施形態に係る検出装置8では、有孔ミラー20と駆動ミラー30との間に変倍光学系60を設けることで、有孔ミラー20による受光効率を向上させ、照明する遠方の対象物からの反射光束及び散乱光束を多く取り込むことができる。また、視野絞り55と受光素子52との間に再結像光学系56を設けることで、受光素子52の受光面52Dの位置によらず受光光束を効率よく受光することができ、且つ装置の大型化を抑制することもできる。さらに、受光素子52の受光面52Dの中心位置若しくは再結像光学系56の光軸が検出装置7の光軸(換言すると、駆動ミラー30の走査画角範囲の中心画角での光束の主光線の光路)に一致しないように、受光素子52若しくは再結像光学系56を偏心若しくはチルトさせることで不要光の受光を抑制することができる。
以上、検出装置の実施形態について示したが、これに限らず、種々の変更及び変形が可能である。
以上のように、本実施形態に係る検出装置では、駆動ミラーの駆動範囲の中心画角がテレスコープの光軸に一致しないように互いを配置する。すなわち駆動ミラーをチルトさせることで、テレスコープを構成する光学素子からの反射光束や散乱光束のうち多く発生する光軸付近の反射光束や散乱光束を受光面の中心からずらすことができる。
さらに、駆動ミラーにおける照明光束の入射位置がテレスコープの光軸上から外れるようにテレスコープを光軸に垂直な方向に偏心させることによって、テレスコープを構成する各光学素子からの反射光束が様々な方向に分散し、受光部に入射する不要光を分散させる(ぼかす)ことができる。
それにより、テレスコープの光軸近傍の強い不要光を分散させる、あるいは不要光が発生する画角を受光面の中心からずらすことができ、画角を良好に選択することで、対象物からの反射光束を検出し計測するために必要となる画角範囲における不要光の受光を抑制することができる。
さらに、駆動ミラーにおける照明光束の入射位置がテレスコープの光軸上から外れるようにテレスコープを光軸に垂直な方向に偏心させることによって、テレスコープを構成する各光学素子からの反射光束が様々な方向に分散し、受光部に入射する不要光を分散させる(ぼかす)ことができる。
それにより、テレスコープの光軸近傍の強い不要光を分散させる、あるいは不要光が発生する画角を受光面の中心からずらすことができ、画角を良好に選択することで、対象物からの反射光束を検出し計測するために必要となる画角範囲における不要光の受光を抑制することができる。
このようにテレスコープを配置し、駆動ミラーをチルトさせ、且つテレスコープを偏心させることで、対象物からの反射光束や散乱光束を多く受光しつつ、不要光の受光は抑制することができるため、遠方にある対象物を良好に検出可能な検出装置を得ることができる。
なお、本実施形態に係る検出装置は、以下に示すように、特に遠方測距用の検出装置として、自動機や自動運転用のセンサーへ応用することができる。
[車載カメラシステム]
図18は、上記の第一乃至第八実施形態のいずれかに係る車載カメラとしての検出装置1を備える車載カメラシステム(運転支援装置)600の構成図を示している。
図18は、上記の第一乃至第八実施形態のいずれかに係る車載カメラとしての検出装置1を備える車載カメラシステム(運転支援装置)600の構成図を示している。
車載カメラシステム600は、自動車等の車両に設置され、検出装置1により取得した車両の周囲の画像情報に基づいて、車両の運転を支援するための装置である。
図18に示すように、車載カメラシステム600は、上記の第一乃至第八実施形態のいずれかに係る検出装置1と、車両情報取得装置80と、制御装置(ECU:エレクトロニックコントロールユニット)90と、警報装置95とを備える。
図18に示すように、車載カメラシステム600は、上記の第一乃至第八実施形態のいずれかに係る検出装置1と、車両情報取得装置80と、制御装置(ECU:エレクトロニックコントロールユニット)90と、警報装置95とを備える。
図19は、車載カメラシステム600を備える車両700の概略図を示している。
図19においては、検出装置1の検出範囲300を車両700の前方に設定した場合を示しているが、検出範囲300を車両700の後方に設定してもよい。
また、図19においては、検出装置1を車両700の内部に設置しているが、検出装置1を車両700の外部に設置しても構わない。
図19においては、検出装置1の検出範囲300を車両700の前方に設定した場合を示しているが、検出範囲300を車両700の後方に設定してもよい。
また、図19においては、検出装置1を車両700の内部に設置しているが、検出装置1を車両700の外部に設置しても構わない。
図20は、本実施形態に係る車載カメラシステム600の動作例を示すフローチャートである。
以下、このフローチャートに沿って、車載カメラシステム600の動作を説明する。
以下、このフローチャートに沿って、車載カメラシステム600の動作を説明する。
まず、ステップS1では、検出装置1を用いて車両の周囲の対象物(被写体)を検出し、対象物までの距離に関する情報(距離情報)を取得する。
また、ステップS2では、車両情報取得装置80から車両情報の取得を行う。車両情報とは、車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む情報である。
そして、ステップS3では、検出装置1により取得された距離情報が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を、衝突判定部70によって行う。これにより、車両の周囲の設定距離内に障害物が存在するか否かを判定し、車両と障害物との衝突可能性を判定することができる。
そして、衝突判定部70は、設定距離内に障害物が存在する場合(ステップS3のYes)は、衝突可能性ありと判定し(ステップS4)、設定距離内に障害物が存在しない場合(ステップS3のNo)は、衝突可能性なしと判定する(ステップS5)。
また、ステップS2では、車両情報取得装置80から車両情報の取得を行う。車両情報とは、車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む情報である。
そして、ステップS3では、検出装置1により取得された距離情報が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を、衝突判定部70によって行う。これにより、車両の周囲の設定距離内に障害物が存在するか否かを判定し、車両と障害物との衝突可能性を判定することができる。
そして、衝突判定部70は、設定距離内に障害物が存在する場合(ステップS3のYes)は、衝突可能性ありと判定し(ステップS4)、設定距離内に障害物が存在しない場合(ステップS3のNo)は、衝突可能性なしと判定する(ステップS5)。
次に、衝突判定部70は、衝突可能性ありと判定した場合、その判定結果を制御装置90や警報装置95に対して通知する。このとき、制御装置90は、衝突判定部70での判定結果に基づいて車両を制御し、警報装置95は、衝突判定部70での判定結果に基づいて警報を発する。
例えば、制御装置90は、車両に対して、ブレーキをかける、アクセルを戻す、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制する、などの制御を行う。
また、警報装置95(警告装置)は、車両のユーザ(運転者)に対して、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える、などの警告を行う。
例えば、制御装置90は、車両に対して、ブレーキをかける、アクセルを戻す、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制する、などの制御を行う。
また、警報装置95(警告装置)は、車両のユーザ(運転者)に対して、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える、などの警告を行う。
以上、本実施形態に係る車載カメラシステム600によれば、上記の処理により、効果的に障害物の検知を行うことができ、車両と障害物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施形態に係る検出装置を車載カメラシステム600に適用することで、障害物の検知及び衝突判定を高精度に行うことが可能になる。
なお、本実施形態では、車載カメラシステム600を運転支援(衝突被害軽減)に適用したが、これに限られず、車載カメラシステム600をクルーズコントロール(全車速追従機能付を含む)や自動運転などに適用してもよい。また、車載カメラシステム600は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。また、本実施形態に係る検出装置1、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
1 検出装置(光学装置)
11 光源
20 照明受光分岐部(分岐部)
30 駆動ミラー(偏向部)
40 テレスコープ(第1の光学系)
52 受光素子
200 対象物(物体)
11 光源
20 照明受光分岐部(分岐部)
30 駆動ミラー(偏向部)
40 テレスコープ(第1の光学系)
52 受光素子
200 対象物(物体)
Claims (21)
- 光源からの照明光束を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光束を偏向する偏向部と、
前記光源からの前記照明光束を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光束を受光素子に導光する分岐部と、
前記偏向部によって偏向された前記照明光束を前記物体に導光すると共に、前記物体からの前記反射光束を前記偏向部に導光する第1の光学系とを備え、
前記偏向部は、該偏向部の走査範囲における中心画角での前記照明光束の主光線の光路と前記第1の光学系の光軸とが一致しないように配置されていることを特徴とする光学装置。 - 前記偏向部の偏向面において、前記照明光束の主光線の入射位置と前記第1の光学系の光軸とは互いに離間していることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
- 前記偏向部の偏向面は、前記第1の光学系の入射瞳位置に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学装置。
- 前記分岐部は、単一の光学素子から成ることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記光源からの前記照明光束を平行光束に変換する光学素子を備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記光源と前記偏向部との間に配置され、前記光源からの前記照明光束の径を縮小すると共に、前記偏向部によって偏向された前記反射光束の径を拡大する第2の光学系を備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記偏向部によって偏向された前記反射光束を集光する第1の結像光学系と、該第1の結像光学系によって集光された前記反射光束の径を制限する絞りとを備えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記絞りを通過した前記反射光束を前記受光素子上に集光する第2の結像光学系を備えることを特徴とする請求項7に記載の光学装置。
- 前記第2の結像光学系は、該第2の結像光学系の光軸と前記光学装置の光軸とが一致しないように配置されていることを特徴とする請求項8に記載の光学装置。
- 前記受光素子は、受光面の中心位置が前記光学装置の光軸上にないように配置されていることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記分岐部は、前記照明光束及び前記反射光束の何れか一方を通過させ、他方を反射させることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記分岐部は、前記光源からの前記照明光束を前記偏向部に向けて通過させると共に、前記偏向部からの前記反射光束を前記受光素子に向けて反射させることを特徴とする請求項11に記載の光学装置。
- 前記第1の光学系は、屈折力を有する複数の光学素子で構成され、かつ全系では屈折力を持たないことを特徴とする請求項1乃至12の何れか一項に記載の光学装置。
- 前記受光素子の出力に基づいて前記物体の距離情報を取得する制御部を備えることを特徴とする請求項1乃至13の何れか一項に記載の光学装置。
- 請求項1乃至14の何れか一項に記載の光学装置と、該光学装置によって得られた前記物体の距離情報に基づいて車両と前記物体との衝突可能性を判定する判定部とを備えることを特徴とする車載システム。
- 前記車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両の各輪に制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項15に記載の車載システム。
- 前記車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両の運転者に対して警告を行う警告装置を備えることを特徴とする請求項15または16に記載の車載システム。
- 請求項1乃至14の何れか一項に記載の光学装置を備え、該光学装置を保持して移動可能であることを特徴とする移動装置。
- 前記光学装置によって得られた前記物体の距離情報に基づいて前記物体との衝突可能性を判定する判定部を有することを特徴とする請求項18に記載の移動装置。
- 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、移動を制御する制御信号を出力する制御部を備えることを特徴とする請求項19に記載の移動装置。
- 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記移動装置の運転者に対して警告を行う警告部を備えることを特徴とする請求項19または20に記載の移動装置。
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