JP2019532312A - 飛行時間法に基づくレーザレーダシステム - Google Patents

Abstract

本願発明は、飛行時間法に基づくレーザレーダシステムを開示する。レーザ光を発生するレーザ（１１１）と、レーザ光の発射光路を制御して偏向させることで、所定範囲内の対象物体にレーザ光を発射する光路走査ユニット（１０）と、レーザ光の発射光路と同軸に設けられ、光路走査ユニット（１０）により反射される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する反射光受光ユニット（２０）と、前記電気信号に基づき、前記レーザレーダシステムと対象物体との間の距離情報を作成し、且つ複数の前記距離情報を処理して所定範囲内の対象物体の位置情報を作成する信号処理ユニット（１０６）と、レーザ（１１１）と、光路走査ユニット（１０）と、反射光受光ユニット（２０）とを収容し、且つ光路走査ユニット（１０）と対象物体との間の部分に光学フィルタ（１０９）が設けられる筐体とを備える。当該レーザレーダシステムは、光路構造がシンプルで、信頼性が高く、コストが低い。【選択図】図１

Description

本願発明は、レーダ技術の分野に係り、詳しくいえば、飛行時間法に基づくレーザレーダシステムに関する。

レーザレーダは、距離測定装置の一種であり、精度が高く、耐干渉性に優れ、応答が速いなどの利点により、様々な場面で利用されている。

レーザで距離を測定するには、主に飛行時間による距離測定および三角測量の２種類がある。飛行時間による距離測定は、レーザレーダの内部の光学構造によりレーザ光を所定の方向に設けられた物体に入射させ、レーザ光が物体に接触すると、一部の光が反射される。反射された光をレーザレーダが受光した後、レーザ光が発射されたから反射された光を受光するまでの間にレーザ光の飛行した時間を計算することで、レーダと入射した物体との間の距離を算出できる。一つの光路で複数の角度範囲に設けられた物体との距離を取得する必要がある場合に、スリップリングを用いてレーザレーダ全体を回転させて、回転範囲内に入射された物体との距離を測定するしかない。

しかしながら、複数の角度範囲内に入射された物体との距離を測定するために、スリップリングを用いてレーダを回転させる場合には、レーダの回転部分の耐用年数を短縮させるだけでなく、従来の回転可能なレーザレーダではその光路設計が複雑で、コストが高いという問題があった。

本願発明は、飛行時間法に基づくレーザレーダシステムを提供することにより、スリップリングを回転部分として用いる従来のレーザレーダは、耐用年数が短く、光路構造が複雑であり、コストが高いという問題を解決することを目的とする。

本願発明の実施例は、以下のように構成される飛行時間法に基づくレーザレーダシステムにより実現される。

前記システムは、レーザ光を発生するレーザと、
前記レーザ光の発射光路を制御して偏向させることで、所定範囲内の対象物体にレーザ光を発射する光路走査ユニットと、
前記レーザにより発射されるレーザ光の発射光路と同軸に設けられ、前記光路走査ユニットにより反射される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する反射光受光ユニットと、
前記電気信号に基づき、前記システムと前記対象物体との間の距離情報を作成し、且つ複数の前記距離情報を処理して所定範囲内の対象物体の位置情報を作成する信号処理ユニットと、
前記レーザと、前記光路走査ユニットと、前記反射光受光ユニットとを収容し、且つ前記光路走査ユニットと前記対象物体との間の部分に光学フィルタが設けられる筐体とを備える。

従来技術と比較すると、本願発明は以下の有益な効果を有する。
従来の装置では、スリップリングを回転機構として用いるが、本願発明は、光路走査ユニットによりレーザ光の発射光路を制御して偏向させる。これにより、複数の角度範囲での走査を実現するためには、レーザレーダシステム全体を回転させる必要がなく、光路を制御するだけでよい。従来のように、レーザレーダシステム全体を駆動するために複雑なスリップリング構造を設ける必要がなく、光路を偏向させればよいため、よりシンプルな構成でレーダ構造を実現できる。また、スリップリングを用いてレーザレーダシステム全体を回転させる必要がないため、摩耗を軽減し、耐用年数を引き伸ばすことができる。さらに、反射光受光ユニットとレーザ光の発射光路を同軸に設けることにより、レーザ光の光路構造がよりシンプルになり、レーザレーダシステムのコストも削減される。

本発明の実施例による飛行時間法に基づくレーザレーダシステムの断面構造図である。 本発明の実施例によるレーザレーダシステムの全体構造図である。 本発明の実施例によるレーザレーダシステムの第１の角度から見た構造図である。 本発明の実施例による別の飛行時間法に基づくレーザレーダシステムの第１の角度から見た構造図である。

本願発明の解決しようとする技術的課題、課題を解決するための手段および発明の効果を明確にするために、以下、図面および実施例を用いて本発明を詳しく説明する。ただし、本明細書に記載される実施例は、本願発明を限定するものではなく、説明目的のためのものに過ぎないことは自明である。

図１〜図４は、本願発明に係る飛行時間法に基づくレーザレーダシステムの一つの実施例を示し、同図によると、前記システムは、レーザ光を発生するレーザ１１１と、前記レーザ光の発射光路を制御して偏向させることで、所定範囲内の対象物体にレーザ光を発射する光路走査ユニット１０と、前記レーザ１１１により発射されるレーザ光の発射光路と同軸に設けられ、光路走査ユニット１０により反射される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する反射光受光ユニット２０と、前記電気信号に基づき、前記システムと前記対象物体との間の距離情報を作成し、且つ複数の前記距離情報を処理して所定範囲内の対象物体の位置情報を作成する信号処理ユニット１０６と、レーザ１１１と、光路走査ユニット１０と、反射光受光ユニットとを収容し、且つ前記光路走査ユニットと対象物体との間の部分に光学フィルタ１０９が設けられる筐体１００とを備える。

本実施例では、光路走査ユニット１０は、前記レーザ光の発射光軸に設けられ、前記レーザ光が光学フィルタ１０９に入射して反射される散乱光を遮断する遮光部品１１０を備える。遮光部品１１０は、レーザ光の伝播中に発生するレーザ散乱光を低減できる。遮光部品１１０の一実施例として、遮光部品１１０の一方の端がレーザ１１１の発射口に当接され、他端が光学フィルタ１０９の筒状構造（円筒状構造または角筒状構造であってもよい）に当接される。遮光部品１１０が光学フィルタに当接されることにより、レーザ光が光学フィルタを透過する時に発生するわずかな反射光を低減できる。

本実施例では、光路走査ユニット１０は、偏向ミラー１０８と、偏向ミラー１０８に接続され、偏向ミラー１０８の回転を制御する回転機構とをさらに備える。偏向ミラー１０８は、ミラーまたはプリズムであってもよい。ミラーを用いると、光路を簡素化し、光路における光の損失を低減できる。回転機構は、前記ミラーまたはプリズムに接続される制御駆動モータ１０１を備える。制御駆動モータ１０１は、外部の制御信号を取得するか、または当該システムに内蔵される制御回路の制御信号などその他手段により、ミラーまたはプリズムの偏向を駆動できる。

本実施例では、光路走査ユニット１０の回転機構は、回転角度情報を取得する回転角度エンコーダ１０２を備える。その一例として、回転角度エンコーダ１０２は符号板であってもよい。前記符号板は光電スイッチ１０７に通信可能に接続される。符号板により角度情報を取得し、且つ光電スイッチ１０７を制御して制御駆動モータ１０１の回転を制御することにより、当該システムの回転による走査を実現する。当然ながら、符号板は回転角度エンコーダ１０２を実現するために好適な形態の一つに過ぎず、当業者はその他手段により、制御駆動モータ１０１の回転制御を実現してもよい。例えば、歯車機構を利用して、モータへのトルク出力を実現し、且つ速度比を算出することで回転角度を制御する。

本実施例では、図３に示すように、光学フィルタ１０９は円錐台状の構造である。円錐台状の構造とは、光学フィルタが、上部の直径が下部の直径より小さい円筒であり、且つその内部に光路走査ユニット１０を回転可能に収容する空洞が形成される構造を指す。なお、前記空洞の底部、および／または光学フィルタ１０９の幾何学的反射角が向けた先に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第１の光吸収部が設けられる。第１の光吸収部１１３は、散乱光が反射光受光ユニットの精度に影響を与えることを防ぐために、光吸収材料をコーティングすることで、レーザ光が光学フィルタ１０９により反射されて生成する散乱光を吸収してもよい。

図４に示すように、本実施例による光学フィルタ１０９の別の実施形態として、光学フィルタ１０９は逆円錐台状の構造である。逆円錐台状の構造とは、光学フィルタが、上部の直径が下部の直径より大きい円筒であり、且つその内部に前記光路走査ユニットを回転可能に収容する空洞が形成される構造をいう。なお、前記空洞の頂上部、および／または光学フィルタ１０９の幾何学的反射角が向けた先に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第２の光吸収部が設けられる。第２の光吸収部は、散乱光が反射光受光ユニットの精度に影響を与えることを防ぐに、光吸収材料をコーティングすることで、レーザ光が光学フィルタ１０９により反射されて生成する散乱光を吸収してもよい。

本実施例では、前記第１の光吸収部または第２光吸収部は、表面に光吸収層が設けられる凹溝である。第１の光吸収部を例にすると、空洞の底部に設けられる凹溝１１３であってもよい。なお、凹溝１１３の表面に光吸収層がコーティングされ、前記光吸収層は、光吸収性能に優れた材料で製造されてもよい。凹溝１１３は、光学フィルタにより反射されるレーザ光の散乱光の光路に設けられるべきである。当然ながら、第１の光吸収部は、光吸収材料でコーティングされる部分だけを指してもよい。

本実施例では、反射光受光ユニットは、前記対象物体の反射光を集光する集光アセンブリ１０４と、前記集光アセンブリ１０４により集光される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する光電検出器１１２とを備える。なお、集光アセンブリ１０４の中心軸に前記レーザを収容する貫通孔が設けられ、レーザを集光アセンブリ１０４の中心軸に設けることにより、レーザの発射光路と反射光の受光光路が同軸になり、光路の不同軸により誤差が生じることを回避できる。また、このような構成において、レーザレーダシステムの光路を簡素化し、構造の占有するスペースを大幅に削減し、製造コストを削減でき、企業の生産能力の向上を図ることができる。

本実施例では、集光アセンブリ１０４は、非球面レンズ１０５を備える。非球面レンズ１０５は、集光により光を平行に送り出すことにより、光の透過性を向上させることができる。また、光電検出器１１２の感度を高めて、レーザレーダの測定可能な距離を拡大できる。非球面レンズ１０５は、重さを低減し、コストを削減するために、プラスチックで製造されてもよい。

本実施例によるレーザレーダシステムは、距離測定情報をナビゲーション情報として提供できるため、様々なシステムに利用できる。例えば、本実施例のレーザレーダシステムは、無人運転車、自転車、車椅子などの交通手段で距離測定情報を提供するために利用でき、精度が高く、測定可能な距離範囲が広く、遅延が少ないという利点により、自動ナビゲーションを行う間に取得する位置情報の有効性および正確性を向上させ、自動ナビゲーションの性能向上を図ることができる。

従来の装置では、スリップリングを回転機構として用いるが、本実施例は、光路走査ユニットによりレーザ光の発射光路を制御して偏向させる。これにより、複数の角度範囲での走査を実現するためには、レーザレーダシステム全体を回転させる必要がなく、光路を制御するだけでよい。従来のように、レーザレーダシステム全体を駆動するために複雑なスリップリング構造を設ける必要がなく、光路を偏向させればよい。例えば、本実施例では、光路走査ユニットは、制御駆動モータにより偏向ミラーを駆動してレーザ光を異なる角度で反射させるだけでよいため、よりシンプルな構成でレーダ構造を実現できる。また、スリップリングを用いてレーザレーダシステム全体を回転させる必要がないため、摩耗を軽減し、耐用年数を引き伸ばすことができる。さらに、反射光受光ユニットとレーザ光の発射光路を同軸に設けることにより、レーザ光の光路構造がよりシンプルになり、レーザレーダシステムのコストも削減される。

以上記載されている内容は、本願発明を限定するためのものではなく、好ましい実施例を例示するものに過ぎない。本願発明の要旨を逸脱することなく任意の修正、変更または改良を加える場合、いずれも本願発明の保護範囲に含まれるものとする。

（付記）
（付記１）
レーザ光を発生するレーザと、
前記レーザ光の発射光路を制御して偏向させることで、所定範囲内の対象物体にレーザ光を発射する光路走査ユニットと、
前記レーザにより発射されるレーザ光の発射光路と同軸に設けられ、前記光路走査ユニットにより反射される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する反射光受光ユニットと、
前記電気信号に基づき、前記システムと前記対象物体との間の距離情報を作成し、且つ複数の前記距離情報を処理して所定範囲内の対象物体の位置情報を作成する信号処理ユニットと、
前記レーザと、前記光路走査ユニットと、前記反射光受光ユニットとを収容し、且つ前記光路走査ユニットと前記対象物体との間の部分に光学フィルタが設けられる筐体とを備えることを特徴とする飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記２）
前記光路走査ユニットは、前記レーザ光の発射光軸に設けられ、前記レーザ光が光学フィルタに入射して反射される散乱光を遮断する遮光部品を備えることを特徴とする付記１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記３）
前記遮光部品は、一方の端が前記レーザの発射口に当接され、他端が前記光学フィルタに当接されることを特徴とする付記２に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記４）
前記光路走査ユニットは、偏向ミラーと、
前記偏向ミラーに接続され、前記偏向ミラーの回転を制御する回転機構とを備えることを特徴とする付記１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記５）
前記偏向ミラーは、ミラーまたはプリズムであることを特徴とする付記４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記６）
前記回転機構は、前記ミラーまたはプリズムに接続される制御駆動モータを備えることを特徴とする付記４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記７）
前記回転機構は、回転角度情報を取得する回転角度エンコーダを備えることを特徴とする付記４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記８）
前記光学フィルタは、円錐台状の構造であり、その内部に前記光路走査ユニットを回転可能に収容する空洞が形成され、
前記空洞の底部に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第１の光吸収部が設けられることを特徴とする付記１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記９）
前記光学フィルタは、逆円錐台状の構造であり、その内部に前記光路走査ユニットを回転可能に収容する空洞が形成され、
前記空洞の頂上部に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第２の光吸収部が設けられることを特徴とする付記１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記１０）
前記第１の光吸収部または第２光吸収部は、表面に光吸収層が設けられる凹溝であり、前記凹溝は、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光の光路に設けられることを特徴とする付記８または９に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記１１）
前記反射光受光ユニットは、前記対象物体の反射光を集光する集光アセンブリと、
前記集光アセンブリにより集光される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する光電検出器とを備えることを特徴とする付記１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記１２）
前記集光アセンブリの中心軸に、前記レーザを収容する貫通孔が設けられることを特徴とする付記１１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

（付記１３）
前記集光アセンブリは、非球面レンズであることを特徴とする付記１１または１２に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

Claims (13)

1. レーザ光を発生するレーザと、
   前記レーザ光の発射光路を制御して偏向させることで、所定範囲内の対象物体にレーザ光を発射する光路走査ユニットと、
   前記レーザにより発射されるレーザ光の発射光路と同軸に設けられ、前記光路走査ユニットにより反射される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する反射光受光ユニットと、
   前記電気信号に基づき、前記システムと前記対象物体との間の距離情報を作成し、且つ複数の前記距離情報を処理して所定範囲内の対象物体の位置情報を作成する信号処理ユニットと、
   前記レーザと、前記光路走査ユニットと、前記反射光受光ユニットとを収容し、且つ前記光路走査ユニットと前記対象物体との間の部分に光学フィルタが設けられる筐体とを備えることを特徴とする飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
2. 前記光路走査ユニットは、前記レーザ光の発射光軸に設けられ、前記レーザ光が光学フィルタに入射して反射される散乱光を遮断する遮光部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
3. 前記遮光部品は、一方の端が前記レーザの発射口に当接され、他端が前記光学フィルタに当接されることを特徴とする請求項２に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
4. 前記光路走査ユニットは、偏向ミラーと、
   前記偏向ミラーに接続され、前記偏向ミラーの回転を制御する回転機構とを備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
5. 前記偏向ミラーは、ミラーまたはプリズムであることを特徴とする請求項４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
6. 前記回転機構は、前記ミラーまたはプリズムに接続される制御駆動モータを備えることを特徴とする請求項４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
7. 前記回転機構は、回転角度情報を取得する回転角度エンコーダを備えることを特徴とする請求項４に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
8. 前記光学フィルタは、円錐台状の構造であり、その内部に前記光路走査ユニットを回転可能に収容する空洞が形成され、
   前記空洞の底部に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第１の光吸収部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
9. 前記光学フィルタは、逆円錐台状の構造であり、その内部に前記光路走査ユニットを回転可能に収容する空洞が形成され、
   前記空洞の頂上部に、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光を吸収する第２の光吸収部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
10. 前記第１の光吸収部または第２光吸収部は、表面に光吸収層が設けられる凹溝であり、前記凹溝は、前記光学フィルタにより反射される前記レーザ光の散乱光の光路に設けられることを特徴とする請求項８または９に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
11. 前記反射光受光ユニットは、前記対象物体の反射光を集光する集光アセンブリと、
    前記集光アセンブリにより集光される対象物体の反射光を受光し、且つ電気信号を出力する光電検出器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
12. 前記集光アセンブリの中心軸に、前記レーザを収容する貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。
13. 前記集光アセンブリは、非球面レンズであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の飛行時間法に基づくレーザレーダシステム。

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