JP2020076718A - 距離測定装置及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】広角の集光光学系を用いた距離測定装置で、適切に距離を測定すること。【解決手段】開示の技術の一態様に係る距離測定装置は、被測定物との距離を測定する距離測定装置であって、受光素子と、前記受光素子に光を集光させる集光光学系と、前記受光素子と前記集光光学系との間の光路上に配置される光偏向素子と、を有し、前記集光光学系は像面湾曲収差を有し、前記受光素子は前記光偏向素子により偏向された光を受光する。【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置及び移動体に関する。
車両等の移動体に搭載され、照射したレーザ光の物体からの反射光を受光素子で受光することで、走行路上に存在する先行車や障害物、或いは車線区分を表わす白線やキャッツアイ等のレーンマーカを認識するライダ（ＬｉＤＡＲ；Light Detection and Ranging）装置等の距離測定装置が知られている。また広範囲での距離測定を実現するために、ライダ装置に魚眼レンズ等の広角の集光光学系を用いたものが知られている。
一方で、ライダ装置による距離測定の測定方向を変化させるために、物体からの反射光の方向を可動ミラーで変化させる装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、ライダ装置で広角の集光光学系を用いると、大きい画角で入射した光の受光素子の受光面上での集光スポット径が集光光学系の像面湾曲収差による焦点ずれ（デフォーカス）で大きくなり、大きくなった集光スポットを受光するために、受光面が大きい受光素子が必要になる場合がある。そして受光面が大きい受光素子のＳＮ（Signal to Noise）比の低さにより、適切に距離測定できなくなる場合がある。特許文献１の装置では、広角の集光光学系で光を受光素子の受光面上に集光させる構成が開示されておらず、このような課題を解決することはできない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、広角の集光光学系を用いた距離測定装置で、適切に距離を測定することを課題とする。
開示の技術の一態様に係る距離測定装置は、被測定物との距離を測定する距離測定装置であって、受光素子と、前記受光素子に光を集光させる集光光学系と、前記受光素子と前記集光光学系との間の光路上に配置される光偏向素子と、を有し、前記集光光学系は像面湾曲収差を有し、前記受光素子は前記光偏向素子により偏向された光を受光する。
開示の技術によれば、広角の集光光学系を用いた距離測定装置で、適切に距離を測定することができる。
第１の実施形態に係るライダ装置の構成の一例を説明する図である。 第１の実施形態に係る集光レンズと受光素子の設置部付近の構成の一例を説明する拡大図である。 集光レンズの像面湾曲収差と可動ミラーによる偏向との関係を説明する図である。 第１の実施形態に係る可動ミラーの構成の一例を説明する図である。 第１の実施形態に係る集光レンズの構成の一例を説明する図であり、（ａ）は画角が−５０度の入射光の集光を示す図であり、（ｂ）は画角が０度の入射光の集光を示す図であり、（ｃ）は画角が＋５０度の入射光の集光を示す図である。 第２の実施形態に係る車両の構成の一例を説明する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［第１の実施形態］
第１の実施形態では、ライダ（ＬｉＤＡＲ；Light Detection and Ranging）装置を、距離測定装置の一例として説明する。
＜第１の実施形態に係るライダ装置の構成＞
図１は、本実施形態に係るライダ装置１００の構成の一例を説明する図である。ライダ装置１００は、光源からの光を投光する投光部１と、物体４０からの反射光を受光する受光部２と、受光部２からの出力信号を時間積算する積算器２５と、投光部１の制御および反射信号に基づく距離測定を行う制御回路３とを有する。図１では、受光部２の出力は積算器２５の入力に接続され、時間積算された反射信号が制御回路３に入力されているが、積算器２５は制御回路３に含まれていてもよい。
車両等の移動体に搭載されるライダ装置では、投光部１と受光部２は、一般的には車両の前方に存在する物体を検出するように、車両の前部に配置されるが、車両の側方または後方の物体を検出する場合等、車両のあらゆる箇所に設置可能である。
投光部１は、光源１１と、カップリングレンズ１３と、光スキャナ１４と、光源駆動回路１６と、光スキャナ駆動回路１７と、走査角モニタ１８とを有する。
光源１１は、複数の発光素子群が光走査の方向に離間して配置されている。各発光素子群は、複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ；Vertical Cavity Surface Emitting LASER）で形成されている。光源１１は、光源駆動回路１６を介して制御回路３に接続され、制御回路３によって発光素子群の発光タイミングが互いに独立して制御される。
カップリングレンズ１３は、光源１１から射出されるレーザ光を光スキャナ１４に結合する。光スキャナ１４は、光源１１の複数の発光素子群から出力されるレーザ光を、同一の検出領域に向けてＸＺ面内で走査する。光スキャナ１４によって与えられるレーザ光の偏向により、所定の角度範囲に存在する物体が検出され、検出された物体までの距離を測定することが可能となる。
光スキャナ１４によるレーザ光の走査角は、走査角モニタ１８によって検出されて制御回路３に供給されてもよい。この場合、モニタ結果は、光スキャナ駆動信号にフィードバックされて走査角度および走査周波数などが制御される。
受光部２は、受光素子２１と、光学フィルタ２１ａと、集光レンズ２２と、を有する。集光レンズ２２は、レーザ光の走査方向に存在する物体から反射されたレーザ光を、受光素子２１の受光面上に集光させる。受光素子２１はたとえばフォトダイオード（Photodiode）、或いはアパランシェフォトダイオード(ＡＰＤ；Avalanche Photodiode)である。尚、集光レンズ２２は「集光光学系」の一例である。
ここで、本実施形態では、集光レンズ２２と受光素子２１との間の光路に、集光レンズ２２により集光される光を角度可変に偏向させる可動ミラー３０を有するが、これについては、別途、図２〜図４を用いて詳述する。
投光部１と受光部２は近接して配置され、数メートル程度以上離れた位置からは、互いの光軸は同軸関係にあるとみなし得る。物体で反射された光は、その反射点において様々な方向に散乱されるが、ライダ装置１００から出力されたレーザ光と等しい光路を辿って戻ってくる光成分が、集光レンズ２２を介して受光素子２１に導かれ、反射信号として検出される。
受光素子２１は、入力された反射光の強度に対応した光電流を出力する。尚、この光電流は「電気信号」の一例である。受光素子２１から出力される光電流は、図示しないトランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換され、増幅器２３で増幅された後、積算器２５に入力される。積算器２５は、一回の走査で複数の発光素子群から異なる発光タイミングで出力され、物体で反射された光の検出信号を積算し、検出信号の総和値を制御回路３に出力する。
光学フィルタ２１ａは、受光素子２１の受光面上に設けられ、所定の周波数帯（波長）の光を通過させるバンドパスフィルタである。光源１１から射出されるレーザ光の周波数帯に近い周波数帯の光のみを選択的に通過させることで、光学フィルタ２１ａに入射する光に含まれるノイズ光を遮断することができる。尚、光学フィルタ２１ａの配置位置は、受光素子２１の受光面上に限定されるものではなく、集光レンズ２２と受光素子２１の間の光路内の任意の位置であってもよい。
制御回路３は、光源の駆動タイミング信号が出力されてから検出信号が得られるまでの時間、すなわちレーザ光を出射した時刻と反射光を受光した時刻の差分に基づいて、検出された物体までの距離を測定する。
制御回路３は、ＬＳＩチップ、マイクロプロセッサ等の集積回路チップ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）等のロジックデバイス、集積回路チップとロジックデバイスの組み合わせ等で実現されてもよい。
本実施形態では、各発光素子群から出力されるレーザ光の品質は保証され、かつ角度分解能が高く維持されている。また、同一検出エリアに複数のレーザ光を異なるタイミングで照射することでトータルの強度を向上させ、物体までの測定可能距離を伸ばすことができる。反射光に基づく検出信号を積算することで、検出信号を高いＳＮ（Signal to Noise）比で取得して、高精度の距離測定を行うことができる。
尚、距離測定では投光部１によるＸＺ面内のレーザ光の走査に応じて、ＸＺ面内の検出領域が含まれる距離画像が取得される。この距離画像には、ＸＺ面内の検出領域内に存在する全ての物体が含まれ、距離画像において物体を構成する各画素で距離情報を取得することができる。
＜第１の実施形態に係る可動ミラーの機能及び構成＞
次に、集光レンズ２２と受光素子２１との間の光路に配置した可動ミラー３０の機能について、図２を参照して説明する。ここで、可動ミラー３０は「可変偏向部」の一例である。
図２は、集光レンズ２２と受光素子２１の設置部付近の構成の一例を説明する拡大図である。
本実施形態に係るライダ装置１００は、集光レンズ２２と受光素子２１との間の光路に可動ミラー３０を備えている。可動ミラー３０は、回動軸Ｄを軸に回動することで、集光レンズ２２を通過して可動ミラー３０に入射するレーザ光を、受光素子２１に向けて偏向させる。可動ミラー３０で偏向された光は、受光素子２１の受光面上に集光する。
図２では、集光レンズ２２に入射するレーザ光の３つの画角に対応させて、可動ミラー３０に入射するレーザ光を受光素子２１の受光面上に集光可能なように、回動の角度を変化させた３つの状態の可動ミラー３０が併せて示されている。
具体的には、可動ミラー３０ａは、画角Ａ度で集光レンズ２２に入射した光を、受光素子２１の受光面上に集光可能な角度に回動した状態の可動ミラーを示している。また可動ミラー３０ｂは、画角Ｂ度で集光レンズ２２に入射した光を、受光素子２１の受光面上に集光可能な角度に回動した状態の可動ミラーを示し、可動ミラー３０ｃは、画角Ｃ度で集光レンズ２２に入射した光を受光素子２１の受光面上に集光可能な角度に回動した状態の可動ミラーを示している。尚、画角Ａ、Ｂ及びＣの角度の大きさは、Ａ＜Ｂ＜Ｃの関係にある。
可動ミラー３０は、反射面を備えるミラー部が弾性梁部と一体に形成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。この構成の詳細は、別途、図４を用いて詳述する。ここで、可動ミラー３０は「可動反射部」の一例である。
尚、「可変偏向部」は、入射する光の角度を偏向できる構成であればよく、可動ミラー３０に限定されるものではない。圧電アクチュエータによりミラーやプリズムを駆動させる構成であってもよいし、電磁駆動により「回転多面鏡」の一例であるポリゴンミラーを回転させる構成であってもよい。また静電駆動のＭＥＭＳミラーや、音響光学素子を用いる構成であってもよい。
一方、図３は集光レンズ２２による像面湾曲と可動ミラー３０による偏向との関係を説明する図である。
尚、像面湾曲とは、平面物体を光学系で結像させた時、焦平面で平面像が得られず湾曲した像になる現象をいい、像面湾曲収差とは、像面湾曲により生じる光学収差をいう。像面湾曲の大きい結像光学系では、得られた像の中央部（画角が小さい部分）と周辺部（画角が大きい部分）で光軸方向の集光点がずれるため、一方に焦点を合わせると他方はピンボケし、その集光スポット径が合焦状態と比較して大きくなる場合がある。
一般に、集光光学系は像面湾曲収差が補正されるように設計されるが、広角の結像光学系では補正に限界があり、像面湾曲収差を十分に補正することができない場合がある。その場合、大きい画角で入射した光の受光素子の受光面上での集光スポット径が、集光光学系の像面湾曲収差による焦点ずれ（デフォーカス）で大きくなり、大きくなった集光スポットを受光するために、受光面が大きい受光素子が必要になる。そして受光面が大きい受光素子のＳＮ（Signal to Noise）比の低さにより、物体までの距離を適切に測定できなくなる場合がある。
そこで、本実施形態では、図３に示すように、集光レンズ２２に入射するレーザ光の各画角での集光点が、可動ミラー３０の配置位置を中心にした円弧２２ａ上になるように、集光レンズ２２の像面湾曲収差が制御されている。つまり、入射角に応じて変化する集光点の集まりを集光面とした場合に、集光レンズ２２は、集光面がアンダーになるように設計されている。そして円弧２２ａ上の所定の位置に受光素子２１の受光面を配置することで、可動ミラー３０でレーザ光を偏向させ、集光させている。なお、「アンダー」とは光軸から離れるにつれて（広角側になるにつれて）、集光面から物体側（集光光学系側）に傾くような像面湾曲のことをいう。
換言すると、像面湾曲の湾曲中心２２ｂが含まれる軸を回動軸に可動ミラー３０を回動させることで、集光レンズ２２による像面湾曲の湾曲中心を偏向位置として、レーザ光を受光素子２１の受光面に向けて偏向させ、集光させている。
これにより、可動ミラー３０による偏向位置から受光素子２１の受光面までの間で、各画角のレーザ光が集光する距離を、可動ミラー３０から受光素子２１までの距離に等しくすることができ、円弧２２ａ上の画角に応じた複数の位置に配置された受光素子２１の受光面に、レーザ光を集光させる場合と等価の作用を得ることができる。
そして、像面湾曲収差による焦点ずれを生じさせることなく、集光レンズ２２に入射する各画角のレーザ光を所定の集光スポット径で受光素子２１の受光面上に集光させることができる。
上述した様に、通常受光センサは平面であることがほとんどであり、像面湾曲収差は補正され、集光面は平面であることが望ましい。一方で、本実施形態では可動ミラーの配置位置を中心とした円弧上に集光面が位置する様に像面湾曲収差を制御している。これにより、可動ミラーで反射した後の光路が入射角の大きい光においても等しくなり、受光センサのサイズを小型化できる。
理論上、可動ミラーの配置位置を中心として集光面が円弧上になることが望ましいが、実際には広角に入射した光ほど像面湾曲収差の影響は大きくなる傾向があるため、円弧上に集光面を位置させることは難しい。しかし集光面が平面である時と比べると、広角に入射した光の集光スポット径も小さくすることが可能であり、受光センサの小型化に寄与する。
このように本実施形態では、集光レンズ２２に大きい画角で入射するレーザ光であっても、受光素子２１の受光面上で集光スポット径が焦点ずれにより大きくならないため、受光面の大きい受光素子を必要としない。これにより広角の集光光学系を用いたライダ装置等の距離測定装置において、ＳＮ比を低下させることなく、距離を適切に測定することができる。
次に図４は、本実施形態に係る可動ミラー３０の構成の一例を説明する図である。
上述したように、可動ミラー３０は、反射面を備える反射部が弾性梁部と一体に形成されたＭＥＭＳミラーである。
可動ミラー３０は、反射面３０５を有する可動部３０４と、可動部３０４の両側で可動部３０４を支持する一対の蛇行梁部３０６とを有する。各蛇行梁部３０６は、一端が支持基板３０３に固定され、他端は可動部３０４に連結されている。
各蛇行梁部３０６は、第１圧電部材３０７ａと第２圧電部材３０７ｂが交互に配置され、複数の折り返し部を介して蛇行（ミアンダ）パターンを形成している。隣接する第１圧電部材３０７ａと第２圧電部材３０７ｂには、互いに逆位相の電圧信号が印加され、蛇行梁部３０６にＺ方向への反りが発生する。
隣接する第１圧電部材３０７ａと第２圧電部材３０７ｂでは、撓みの方向が逆になる。逆方向の撓みが累積されて、反射面３０５を備えた可動部３０４が、回動軸Ｄを軸として、往復回動する。
回動軸Ｄを軸としたミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１圧電部材３０７ａと第２圧電部材３０７ｂに印加することで、低電圧で大きな回動角度を得ることができる。
この可動ミラー３０は、１軸方向（Ｘ方向）へ光走査を行う。垂直方向（Ｙ方向）の検出・測定は、Ｙ方向に互いに離間して配置された複数の発光素子群１１０の発光を切り替えることでレイヤ数を増やすことができる。
＜第１の実施形態に係る集光レンズの構成＞
次に、集光レンズ２２の構成について説明する。図５は、本実施形態に係る集光レンズ２２の構成の一例を説明する図である。（ａ）は画角が−５０度の入射光の結像を示す図であり、（ｂ）は画角が０度の入射光の結像を示す図であり、（ｃ）は画角が＋５０度の入射光の結像を示す図である。尚、Ｚ方向は集光レンズ２２の光軸に沿った方向を示している。
図５において、第１レンズ（２２１）は、物体側を第１面、像側を第２面として、第１面曲率半径が８７．３５６ｍｍ、第２面曲率半径が１８．８８ｍｍの負のメニスカスレンズである。厚みは１．６ｍｍで、屈折率が１．５１７である。第２レンズ（２２２）は、第１面曲率半径が１７．６６５ｍｍ、第２面曲率半径が６９０．４６６ｍｍの正のメニスカスレンズである。厚みは８．５８２ｍｍ、屈折率が１．５１７である。第１レンズ（２２１）と第２レンズ（２２２）は距離１９．７５１ｍｍ、第２レンズと可動ミラー３０は距離９．１７９ｍｍ、可動ミラー３０と受光面２１は距離５３．１９８ｍｍ離れている。なお、これらの数値は設計値の一例であり、他の設計値でもよい。
図５では、各画角において、集光レンズ２２に入射した光束径３ｍｍのレーザ光が、集光レンズ２２を通過後、直径１０ｍｍの可動ミラー３０で受光素子２１に向けて偏向され、受光素子２１の直径０．６ｍｍの受光面内に集光される様子が示されている。
集光レンズ２２は、負の屈折力を有する第１レンズ２２１と、正の屈折力を有する第２レンズ２２２の２枚で構成されている。
第１レンズ２２１の負のＺ方向側の面から可動ミラー３０までの距離は４０ｍｍであり、可動ミラー３０から受光素子２１までの距離は７０ｍｍである。また第１レンズ２２１の直径は５５ｍｍであり、第２レンズ２２２の直径は２７ｍｍである。
図５（ａ）は、画角が−５０度の入射光が、Ｚ方向に対する角度２２度に回動した可動ミラー３０で偏向され、受光素子２１の受光面上に集光される様子を示している。
図５（ｂ）は、画角が０度の入射光が、Ｚ方向に対する角度４５度に回動した可動ミラー３０で偏向され、受光素子２１の受光面上に集光される様子を示している。
図５（ｃ）は、画角が＋５０度の入射光が、Ｚ方向に対する角度６７度に回動した可動ミラー３０で偏向され、受光素子２１の受光面に集光される様子を示している。
本実施形態では、上述のように像面湾曲収差を制御して積極的に活用するため、集光レンズ２２は大きい像面湾曲収差を有していてもよい。そのため光学設計における像面湾曲収差の制約が緩和され、負の屈折力を有するレンズと正の屈折力を有するレンズの２枚のレンズのような簡単なレンズ構成で、広角の結像光学系を実現することができる。
尚、集光レンズ２２で使用されるレンズの枚数が２枚である例を示したが、１枚であってもよい。
また上述のように示した受光素子２１の受光面の直径や、可動ミラー３０の直径等の数値は一例であって、これに限定されるものではない。
＜投光部の投光方式と受光部の受光方式の組み合わせについて＞
次に、本実施形態に係る投光部１は、図１で説明したように、光スキャナ１４により光源１１から出力されるレーザ光を、所定の検出領域に向けて、Ｘ方向に走査し、Ｚ方向には光源の広がりを利用する１軸走査方式を採用している。このように走査されるレーザ光は、「走査光」の一例である。
但し、これ以外の投光方式として、光源からのレーザ光を光スキャナ１４によりＸＺ面内で走査する２軸走査方式、或いはレーザ光等の拡大した光束を一括で投光するフラッシュ方式を採用することもできる。
一方、受光部２も可動ミラー３０を１軸で回動させる１軸回動方式と、交差する２軸で可動ミラー３０を回動させる２軸回動方式の２つの方式を採用することができる。この２軸回動方式における一方の軸は「第１軸」の一例であり、第１軸回りに回動する可動ミラーは「第１可動反射部」の一例である。また他方の軸は「第２軸」の一例であり、第２軸回りに回動する可動ミラーは「第２可動反射部」の一例である。
従って、各種方式の投光部１と受光部２を様々に組み合わせることができるため、その組み合わせ毎の動作を以下に分けて説明する。
（１．投光部１が１軸走査方式で、受光部２が１軸回動方式の場合）
投光部１は、半導体レーザから射出されたレーザ光を光スキャナ１４で１軸走査する。走査されたレーザ光の物体からの反射光が、受光部２の集光レンズ２２に入射する画角に対応させて、可動ミラー３０の回動が同期制御される。
これにより可動ミラー３０は、集光レンズ２２への入射光の画角に対応した角度で、集光される光を偏向させ、受光素子２１の受光面上で集光させることができる。
投光部１は、光スキャナ１４が走査する方向と垂直の方向には光を走査させることはできないが、レーザ光を垂直の方向に広げることで、垂直の方向にもレーザ光を投光することができる。この場合、投光部１の走査方向に対して垂直の方向では、集光レンズ２２の許容画角によりＸＺ面内の距離の検出領域が決定される。
（２．投光部１がフラッシュ方式で、受光部２が１軸回動方式の場合）
フラッシュ方式では、投光部１は、半導体レーザから射出されたレーザ光を、拡散光学系や拡大光学系等により拡大して物体に照射する。ここで、このフラッシュ方式による投光部１は、「同時に光を投光する投光部」の一例である。
受光部２は、ＸＺ面内の検出領域内に存在する全ての物体からの反射光を受光することで、各物体までの距離を同時に測定することができる。
この場合、距離画像の取得速度は可動ミラー３０の回動速度により決定される。但し、可動ミラー３０として共振型ミラーを用いる場合には、距離画像の取得速度は共振周波数によって決定される。
また、可動ミラー３０の回動方向に対して垂直方向の画角で集光レンズ２２に入射する光は、集光レンズ２２の許容画角により距離の検出領域が決定される。
（３．投光部１が１軸走査方式で、受光部２が２軸回動方式の場合）
投光部１は、半導体レーザから射出されたレーザ光を光スキャナ１４で１軸走査する。走査されたレーザ光の物体からの反射光が、受光部２の集光レンズ２２に入射する画角に対応させて、２つの可動ミラー３０のそれぞれの回動が同期制御される。
また上記１．と同様に、投光部１は、光スキャナ１４が走査する方向と垂直の方向には光を走査させることはできないが、レーザ光を垂直の方向に広げることで、垂直の方向にもレーザ光を投光することができる。この場合も、投光部１の走査方向に対して垂直の方向では、集光レンズ２２の許容画角により距離の検出領域が決定される。
（４．投光部１が２軸走査方式で、受光部２が２軸回動方式の場合）
投光部１は、半導体レーザから射出されたレーザ光を２軸の光スキャナ１４で２軸走査する。走査されたレーザ光の物体からの反射光が、受光部２の集光レンズ２２に入射する画角に対応させて、２つの可動ミラー３０の回動が同期制御される。
投光部１が２軸走査することで、物体に照射されるレーザ光の拡がり角を抑制することができ、物体への照射光、及び物体からの反射光の光量を増大させることができる。これにより距離の測定精度を向上させることができる。
（５．投光部１がフラッシュ方式で、受光部２が２軸回動方式の場合）
投光部１は、半導体レーザから射出されたレーザ光を、拡散光学系や拡大光学系等で拡げて検出物体に照射する。上記３．と同様に受光部２の可動ミラー３０の走査速度によって、距離画像の取得速度が決定される。
＜同軸ライダ装置との比較＞
次に、比較例に係る同軸ライダ装置と、本実施形態に係るライダ装置との比較について説明する。ここで、同軸ライダ装置とは、投光部の備える投光光学系の光軸と、受光部の備える集光光学系の光軸を一致させたライダ装置である。
ライダ装置において、測定可能距離を長くするためには、物体からの反射光の光量が大きいことが望ましい。しかし、本実施形態のライダ装置で同軸ライダ装置を構成すると、投光部１の光スキャナ１４で走査されるレーザ光が集光レンズ２２を通過しなければならないため、レーザ光の拡がり角が大きくなる。これにより物体への照射光の光量は小さくなり、物体からの反射光のＳＮ比が低下して、距離の測定精度は低下する。
そこで、本実施形態では、集光レンズ２２と投光部１を、集光レンズ２２の光軸と交差する平面内の異なる位置に配置している。
投光部１の光スキャナ１４で走査されるレーザ光は、集光レンズ２２を通過しないため、拡がり角を抑制することができる。これにより物体への照射光の光量を確保し、物体からの反射光のＳＮ比を向上させて、距離を適切に測定することができる。
また上述したように、本実施形態では、集光レンズ２２と受光素子２１の間の光路に配置した可動ミラー３０を用いることで、受光面が大きい受光素子を必要としない。そのため、広角の集光光学系を用いたライダ装置等の距離測定装置においてＳＮ比を低下することなく、距離を適切に測定することができる。
さらに、一般的な広角レンズが４〜５枚から構成される光学系であるのに対して、本実施形態ではレンズ枚数が１〜２枚であり、レンズでの反射による損失が減少するため、光利用効率を向上させることができる。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る移動体を、図６を参照して説明する。尚、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する。
図６は、ライダ装置１００を搭載した、本実施形態に係る車両５０１の構成の一例を説明する図である。ここで車両５０１は「移動体」の一例である。
ライダ装置１００は車両５０１のフロントグラスの上方、前座席の天井などに取り付けられる。ライダ装置１００は、車両５０１の進行方向に向かって光走査して、進行方向に存在する物体４０からの反射光を受光することで、物体４０を認識し、物体４０までの距離を測定する。認識された物体を表示装置等に表示して運転者５０２に視認させることができる。
ライダ装置１００の投光部１は、ＭＬＡ（Micro Lens Array）などの光学素子で予めレーザ光の発散角を抑制して光走査するため、光スキャナ１４等の走査部での光損失が低減され、高い角度分解能でレーザ光を遠方まで投光することができる。
ライダ装置１００の搭載位置は、車両５０１の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。ライダ装置１００は、車両だけではなく、航空機、ドローンなどの飛行体、ロボット等の自律移動体など、任意の移動体に適用可能である。実施形態の投光部１の構成を採用することで、広い範囲で物体の存在とその位置を検知することができる。
以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
尚、実施形態では、一例としてライダ装置１００の説明をしたが、距離測定装置は、物体に光を投光し、物体からの反射光を受光することで距離を測定する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。
１ 投光部
２ 受光部
３ 制御回路
１１ 光源
１３ カップリングレンズ
１４ 光スキャナ
１６ 光源駆動回路
１７ 光スキャナ駆動回路
２１ 受光素子
２１ａ 光学フィルタ
２２ 集光レンズ
２２１ 第１レンズ
２２２ 第２レンズ
２２ａ 円弧
２３ 増幅器
２５ 積算器
３０ 可動ミラー
３０３ 支持基板
３０４ 可動部
３０５ 反射面
３０６ 蛇行梁部
３０７ａ 第１圧電部材
３０７ｂ 第２圧電部材
４０ 物体
１００ ライダ装置（距離測定装置の一例）
５０１ 車両（移動体の一例）
５０２ 運転者
Ｄ 回動軸
特開平７−２４４１５３号公報

Claims (15)

  1. 被測定物との距離を測定する距離測定装置であって、
    受光素子と、
    前記受光素子に光を集光させる集光光学系と、
    前記受光素子と前記集光光学系との間の光路上に配置される光偏向素子と、を有し、
    前記集光光学系は像面湾曲収差を有し、
    前記受光素子は前記光偏向素子により偏向された光を受光する
    距離測定装置。
  2. 像面湾曲収差はアンダーである
    請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 可変偏向部は、前記集光光学系による像面湾曲の湾曲中心で、前記集光される光を角度可変に偏向させる
    請求項１、又は２に記載の距離測定装置。
  4. 前記可変偏向部は、反射面を回動させる可動反射部を含む
    請求項１乃至３の何れか１項に記載の距離測定装置。
  5. 前記受光素子は、前記集光光学系の光軸と直交する方向に、前記受光素子の受光面が前記光軸と平行になるように配置され、
    前記可変偏向部は、前記受光面の面中心に直交する軸と、前記集光光学系の光軸とが交わる点を含む軸を回動軸に前記反射面を回動させる
    請求項４に記載の距離測定装置。
  6. 前記反射面は、プリズムに含まれる面である
    請求項４、又は５に記載の距離測定装置。
  7. 前記可動反射部は、
    第１軸を前記反射面の回動軸とする第１可動反射部と、
    前記第１軸とは異なる第２軸を前記反射面の回動軸とする第２可動反射部と、を有する
    請求項４、又は５に記載の距離測定装置。
  8. 前記可変偏向部は、前記湾曲中心が含まれる軸を回動軸にした前記反射面の回動により、前記結像光を偏向させる
    請求項３乃至７の何れか１項に記載の距離測定装置。
  9. 前記可変偏向部は、複数の反射面が含まれる多面体を回転させる回転多面鏡である
    請求項１乃至３の何れか１項に記載の距離測定装置。
  10. 前記可変偏向部は、音響光学素子である
    請求項１乃至３の何れか１項に記載の距離測定装置。
  11. 検出領域内にある前記物体に、同時に光を投光する投光部を有する
    請求項１乃至１０の何れか１項に記載の距離測定装置。
  12. 光源からの光を、前記集光光学系の光軸に交差する平面内で、交差する２方向に走査し、検出領域内にある前記物体に、走査光を投光する投光部を有する
    請求項１乃至１０の何れか１項に記載の距離測定装置。
  13. 前記集光光学系と前記投光部は、前記集光光学系の光軸と交差する平面内の異なる位置に配置されている
    請求項１１、又は１２に記載の距離測定装置。
  14. 前記集光光学系は、
    負の屈折力を有するレンズと、正の屈折力を有するレンズの２枚のレンズにより構成されている
    請求項１乃至１３の何れか１項に記載の距離測定装置。
  15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の距離測定装置を有する
    移動体。
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