JP2020177012A - 光学装置、車載システム、および移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向部の偏向を良好に制御可能な光学装置、車載システム、および移動装置を提供すること。【解決手段】光学装置１は、光源１１からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光を偏向する偏向部３０と、光源１１からの照明光を偏向部３０に導光すると共に、偏向部３０からの反射光を受光素子５２に導光する導光部２０と、偏向部３０からの照明光の一部である第１光を反射して偏向部３０に再入射させる反射領域ａを含む光学部材４０と、反射領域ａからの第１光に関する情報に基づいて偏向部３０に関する情報を取得する制御部６０とを有し、反射領域ａから導光部２０までの光路を含む断面において、反射領域ａの幅は、反射領域ａに入射するときの照明光の幅よりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、照明した対象物からの反射光を受光することで、対象物を検出する光学装置、車載システム、および移動装置に関する。

対象物までの距離を計測する方法として、照明した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。特許第４４７６５９９号公報には、対象物からの反射光を受光素子で受光した際の偏向部（駆動ミラー）の位置に基づいて対象物の位置と距離を計測する構成が開示されている。

特許第４４７６５９９号公報

しかしながら、駆動ミラーの製造時の加工精度のばらつきにより、駆動ミラーからの光束の光学振れ角（偏向角）や駆動ミラーの共振周波数に個体差が生じ得る。また、温度や気圧などの環境変化により、偏向角や共振周波数が変化する。偏向角や共振周波数が設計値と異なる場合、対象物までの距離を正確に計測することが困難になる。

本発明は、偏向部の情報を容易に取得可能な光学装置、車載システム、および移動装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学装置は、光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光を偏向する偏向部と、光源からの照明光を偏向部に導光すると共に、偏向部からの反射光を受光素子に導光する導光部と、偏向部からの照明光の一部である第１光を反射して偏向部に再入射させる反射領域を含む光学部材と、反射領域からの第１光に関する情報に基づいて偏向部に関する情報を取得する制御部とを有し、反射領域から導光部までの光路を含む断面において、反射領域の幅は、反射領域に入射するときの照明光の幅よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、偏向部の偏向を良好に制御可能な光学装置、車載システム、および移動装置を提供することができる。

実施例１の光学装置の概要図である。 照明光路と受光光路の説明図である。 光学振れ角と迷光との関係を示す図である。 対象物からの反射光の信号と固定された迷光の信号との関係を示す図である。 実施例１の駆動ミラーの駆動の１周期での光源の発光タイミングと光学振れ角との関係を示す図である。 実施例２の光学装置の概要図である。 実施例２の駆動ミラーの駆動の１周期での光源の発光タイミングと光学振れ角との関係を示す図である。 図７の領域Ｓｂの拡大図である。 実施例３の光学装置の概要図である。 実施例３の駆動ミラーの駆動の１周期での光源の発光タイミングと光学振れ角との関係を示す図である。 図１０の領域Ｓ_ｂ，Ｓ_ｃの拡大図である。 実施例４の光学装置の概要図である。 実施例４の駆動ミラーを反射した後の光路図をＹＺ平面で示した図である。 実施例４の駆動ミラーの駆動の１周期での光源の発光タイミングと光学振れ角との関係を示す図である。 図１４の領域Ｓ_ａ’近辺における発光タイミングと迷光信号との関係を示す図である。 実施例５の測距装置の概要図である。 分岐部の領域の関係を表す図である。 測距装置の照明光路と受光光路を表す図である。 基準光の信号および対象物体からの信号を表す図である。 照明光束と基準光発生領域の関係を表す図である。 実施例６の測距装置の概要図である。 照明光束と基準光発生領域と遮蔽部の関係を表す図である。 本実施形態に係る車載システムの構成図である。 本実施形態に係る車両（移動装置）の模式図である。 本実施形態に係る車載システムの動作例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

ＬｉＤＡＲを用いた光学装置は、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光系とから構成される。ＬｉＤＡＲでは、照明系と受光系の光軸の一部が互いに一致する同軸系と、各光軸が互いに一致しない非同軸系がある。本実施形態に係る光学装置は、同軸系のＬｉＤＡＲに好適なものである。

図１は、本実施例の光学装置１の概要図である。光学装置１は、光源部１０、光路分岐部（導光部）２０、駆動ミラー（偏向部）３０、カバーガラス４０、検出部５０、および制御部６０を有する。光源部１０は、光源１１、および光源１１からの発散光を略平行光にするコリメータ１２を備える。光源１１としては、エネルギー集中度が高く指向性のよいレーザである半導体レーザなどを用いることができる。後述するように光学装置１を車載システムに適用する場合などは、対象物に人間が含まれる可能性がある。そのため、光源１１としては人間の目に対する影響が少ない赤外光を射出するものを採用することが望ましい。本実施例に係る光源１１が射出する照明光の波長は、近赤外域に含まれる９０５ｎｍである。なお、照明光の波長は、９４５ｎｍや１５５０ｎｍ等の波長であってもよい。

光路分岐部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、照明光路と受光光路を分離させ、光源部１０からの照明光を駆動ミラー３０に導光すると共に、駆動ミラー３０からの反射光（散乱光を含む）を検出部５０に導光する。

駆動ミラー３０は、ＭＥＭＳミラーであり、Ｙ軸、またはＹ軸に垂直な一点鎖線で示されるＭｘ軸を中心に回転する。なお、本実施形態では、駆動ミラー３０として、ＭＥＭＳミラーを採用しているが、ガルバノミラーなどの揺動ミラーやポリゴンミラー等の回転ミラーといった各種の駆動ミラーを採用してもよい。駆動ミラー３０は、光路分岐部２０からの照明光を偏向して対象物を走査すると共に、対象物からの反射光を偏向して光路分岐部２０に導光する。カバーガラス４０は、駆動ミラー３０からの照明光を通しつつ、対象物からの反射光を受光するための開口であり、外界からのほこり等を遮断する役割を持つ。

検出部５０は、結像レンズ５１、受光素子５２、および不図示のバンドパスフィルターを備える。対象物からの反射光は、駆動ミラー３０や光路分岐部２０を通って受光素子５２で受光される。制御部６０は、光源１１や駆動ミラー３０をそれぞれ所定の駆動電圧や駆動周波数（偏向周波数、共振周波数）で駆動する。また、制御部６０は、受光素子５２からの出力（駆動ミラー３０からの照明光の一部である基準光（第１光）に関する情報）に基づいて駆動ミラー３０の偏向を制御する。本実施形態では、制御部６０は、駆動ミラー３０からの照明光の振れ角（光学振れ角、偏向角）、および駆動ミラー３０の共振周波数の少なくとも一方を制御する。なお、振れ角は、駆動ミラー３０の揺動角または回転角に対応している（揺動角または回転角の２倍である）。

図２Ａ ａｎｄ ２Ｂは、照明光路と受光光路の説明図である。図２Ａは、光源部１０からの照明光が、駆動ミラー３０で反射し、カバーガラス４０を通り抜けて、光学装置１から距離Ｔだけ離れている対象物（物体）ＯＢＪを照明する様子を表している。図２Ｂは、対象物ＯＢＪからの反射光が、カバーガラス４０を通り抜けて、駆動ミラー３０で反射し、光路分岐部２０で反射し、検出部５０に集光される様子を表している。

駆動ミラー３０は、例えばＭｘ軸を中心に周波数ωＭｘ［Ｈｚ］で±α°、Ｙ軸を中心に周波数ω_ｙ［Ｈｚ］で±β°駆動する。本実施例では、図１に示されるように、駆動ミラー３０が駆動できる範囲（走査範囲）の中心画角と光軸Ａｚが一致する場合、カバーガラス４０の点ａで示される迷光の発生源（基準部）から正反射光または後方散乱光が受光素子５２に返ってくる。正反射光または後方散乱光をまとめて固定された迷光と考える。迷光の発生源は、塗料などのマーク、キズなどの凹部、突起などの凸部といった物体を照明する有効光以外の、駆動ミラー３０の偏向を制御する際に使用される基準光を反射するものであればよい。

駆動ミラー３０がＹ軸を回転軸とし、光軸Ａ_ｚを中心として１周期往復する場合、ｔを時間とするとき、駆動ミラー３０の光学振れ角θは以下の式（１）で表される。

θ＝α×ｓｉｎ（２π×ω_ｙ×ｔ） （１）
ここで、迷光Ｓは、光学振れ角θが最大振れ角βに対して割合ｋより小さい場合に発生する場合、以下の式（２）で表される。

図３は、光学振れ角θと迷光Ｓとの関係を示す図である。横軸は光学振れ角θ、縦軸は迷光Ｓを規格化した値である。ここで、Ｙ軸を中心とする共振周波数がω_ｙからω_ｙ’に変化したとき、発光タイミングを一定とすると、所定時間に光学振れ角θが０で中心画角の光路と光軸Ａｚが一致して迷光が最大となっていたのに対し、光学振れ角θがずれ角θ’だけずれる。ずれ角θ’は、以下の式（３）で表される。

θ’＝β×ｓｉｎ（２π×ω_ｙ’／ω_ｙ） （３）
この場合、受光素子５２で得られる迷光Ｓの強度は、強度ｐだけ低下する。強度ｐは、以下の式（４）で表される。

ｐ＝１−ｃｏｓ（π／２×θ’／ｋβ）） （４）
図４は、受光素子５２で得られる、対象物ＯＢＪからの反射光の信号とカバーガラス４０からの固定された迷光Ｓの信号との関係を示す図である。横軸は光源１１の発光時を基準とする経過時間ｔ、縦軸は受光素子５２で得られる受光信号である。

受光信号６１は、光学振れ角θに応じた固定された迷光Ｓの信号であり、光源１１が発光してからすぐに検出される。受光信号６２は、対象物ＯＢＪまでの距離と対象物ＯＢＪの反射光量に依存する対象物ＯＢＪからの反射光の信号であり、光源１１が発光してから時間２Ｔ／ｃ（ｃ：光速）だけ経過した後に検出される。受光信号６１は、受光信号６２とは時間的に分離されている。また、受光信号６１は、光学振れ角θに応じて検出されるが、対象物ＯＢＪの有無にかかわらず、光源１１が発光してから所定時間内に検出される。

上述した構成について、具体的な数値を用いて説明する。駆動ミラー３０がＹ軸を中心に１．２ｋＨｚで±２０°、Ｍｘ軸を中心に６０Ｈｚで±７．５°振れるとする。光源１１は１４４ｋＨｚで発光するものとすると、駆動ミラー３０が光軸Ａ_ｚを中心とする方向へ１周期する間に、光源１１は１２０ｐｌｓ発光する。

図５は、駆動ミラー３０の駆動の１周期での光源１１の発光タイミングと光学振れ角θとの関係を示す図である。図５では、光学振れ角θの範囲（±４０°）のうち領域Ｓａで示される２％の範囲で迷光が発生する。Ｙ軸の周波数が１．２ｋＨｚから１．２０１ｋＨｚに変化すると、式（３），（４）よりずれ角θ’および共振周波数の変化はそれぞれ、０．２１°および８．３％の低下と算出される。すなわち、制御部６０は、式（３），（４）を用いて、光学振れ角θや共進周波数の変化を見積もり、見積もられた結果を用いて振れ角θや共進周波数を制御することができる。

以上説明したように、駆動ミラー３０より射出側で駆動ミラー３０からの照明光の一部の光に基づく迷光を発生させることで、駆動ミラー３０の光学振れ角θや共振周波数を逆算することができる。その結果、環境が変化した場合であっても、駆動ミラー３０の向きを計算または補正できるため、対象物ＯＢＪの位置を正確かつ安定して計測できる。また、特別な機構を設けることなく、ＬｉＤＡＲの機能から駆動ミラー３０の光学振れ角θや共振周波数を検出するため、光学装置１の簡素化と低コスト化を実現できる。

なお、本実施例では、共振周波数が速いＹ軸を中心とした回転方向を例としたが、共振周波数が遅いＭｘ軸を中心とした回転方向で、かつその方向の駆動が式（１）の関数とは異なる関数に従う場合でも本発明を適用することができる。

また、本実施例では、屈折力を持たないカバーガラス４０に迷光の発生源を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、駆動ミラー３０より射出側に光学系を配置し、光学系に含まれる光学素子（光学部材）自体に発生源を設けてもよい。具体的には、光学素子内で駆動ミラー３０からの照明光が透過する領域内に、透過率（または反射率）の異なる領域を少なくとも１つ以上設ければよい。また、駆動ミラー３０のすぐ後の光学素子の端に、迷光が発生するようにコーティングの境界面を設けてもよい。また、迷光の発生源の位置に応じて、メカ的な遮光部材を配置してもよい。

図６は、本実施例の光学装置２の概要図である。光学装置２の基本的な構成は、光学装置１と同様である。本実施例では、実施例１の構成と異なる点について説明し、実施例１と同様の構成については説明を省略する。本実施例では、受光素子５２は、カバーガラス４０の点ｂで発生した迷光を受光する。

図７は、駆動ミラー３０の駆動の１周期での光源１１の発光タイミングと光学振れ角θとの関係を示す図である。本実施例では、領域Ｓ_ｂで示される範囲で迷光が発生する。

図８は、領域Ｓ_ｂの拡大図である。また、図８には、駆動ミラー３０の光学振れ角θや共振周波数、および光源１１の発光周波数を実施例１と同様としたときの光学振れ角と発光タイミングの関係が示されている。

図８では、光学振れ角θの最大値から２．５％内側の光学振れ角θを中心に、±０．５°の範囲で迷光が発生する。すなわち、−３９．５°より大きく−３８．５°小さい光学振れ角θ、または３８．５°より大きく３９．５°より小さい光学振れ角θで迷光が発生する。

駆動ミラー３０に変化がない場合、検出部５０は領域Ｓ_ｂ内の曲線４００上の６ｐｌｓの迷光を検出する。最初の３ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングと後の３ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングの間には、迷光が観察されない５ｐｌｓ分のタイミングがある。光学振れ角θは、４０°から０．５％変化した場合、４０．２°または３９．８°となる。光学振れ角θが４０．２°となった場合、検出部５０は領域Ｓ_ｂ内の曲線４０２上の４ｐｌｓの迷光を検出する。最初の２ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングと後の２ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングと間には、迷光が観察されない７ｐｌｓ分のタイミングがある。一方、光学振れ角θが３９．８°となった場合、検出部５０は領域Ｓ_ｂ内の曲線３９８上の４ｐｌｓの迷光を検出する。最初の２ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングと後の２ｐｌｓの迷光が観察されるタイミングと間には、迷光が観察されない５ｐｌｓ分のタイミングがある。本実施例では、観察される迷光の数と、迷光が観察されるタイミングの間の迷光が観察されないタイミングの数で、光学振れ角θを見積もることができる。

実際には、迷光が観察される範囲では、光学振れ角θに応じて迷光の強さが変化することが多い。なぜなら、光源光にも分布勾配があり、出射光の照度の大きい部分が迷光の発生する領域に当たると迷光は大きくなるからである。曲線５００は、検出部５０で検出される迷光の強さを表している。迷光は、光学振れ角θが３９°のときに最も強く、３９°から離れるにしたがって弱くなり、３８．５°または３９．５°になると検出されなくなる。検出部５０により検出される、光学振れ角θに応じた迷光の強弱を考慮した受光タイミングごとに検出される迷光が３９８ｓ，４００ｓ，４０２ｓとして示されている。例えば４００ｓに示されるように、迷光が検出されるタイミングと迷光の強さ、および曲線５００で想定される迷光の強さを元に、迷光が最も強くなる光学振れ角（図８では３９°）となるタイミングをより高い精度で検出できる。

迷光が最も強くなる光学振れ角θを検出できるタイミングは、図８で示す範囲内には２回存在する。３９８ｓ，４００ｓ，４０２ｓのそれぞれに、迷光が最も強くなると想定されるタイミングが星印で示されているが、２回あるタイミングの間隔から、駆動ミラー３０の振れ角θを想定することができる。

以上説明したように、駆動ミラー３０より射出側に、駆動ミラー３０からの照明光の一部の光に基づく迷光を発生させ、迷光をＬｉＤＡＲの機能を用いて検出することで、光学振れ角θを検出することができる。その結果、環境が変化した場合であっても、光学振れ角θを計算することができるため、対象物ＯＢＪの位置を正確に計測することができる。

なお、本実施例では、共振周波数が速いＹ軸を中心とした回転方向を例としたが、共振周波数が遅いＭｘ軸を中心とした回転方向であっても本発明を適用することができる。

図９は、本実施例の光学装置３の概要図である。光学装置３の基本的な構成は、光学装置１と同様である。本実施例では、実施例１の構成と異なる点について説明し、実施例１と同様の構成については説明を省略する。本実施例では、受光素子５２は、カバーガラス４０の光軸Ａ_ｚに対して対称な点ｂ，ｃで発生した迷光を受光する。

図１０は、駆動ミラー３０の駆動の１周期での光源１１の発光タイミングと光学振れ角θとの関係を示す図である。本実施例では、領域Ｓ_ｂ，Ｓ_ｃで示される範囲で迷光が発生する。

図１１Ａ ａｎｄ １１Ｂはそれぞれ、図１０の領域Ｓ_ｂ，Ｓｃの拡大図である。検出部５０は、曲線４００ｂに示されるように、２５〜３５回目の発光の間で迷光を検出する。４００ＰＢは、光学振れ角θが最大となるタイミングを表している。また、検出部５０は、曲線４００ｃに示されるように、８５〜９５回目の発光の間で迷光を検出する。４００ＰＣは、光学振れ角θが最大となるタイミングを表している。図１１Ａおよび図１１Ｂのそれぞれにおいて、光学振れ角θが最大となるタイミングは、実施例２で説明したように、迷光の計測値から検出できる。

仮に、光源１１の発光タイミングが２ｐｌｓ分ずれた場合、迷光が出るタイミングも２ｐｌｓ分変化する。その場合、検出部５０は、曲線４００ｂ’に示されるように、２７〜３７回目の発光の間で迷光を検出する。４００ＰＢ’は、光学振れ角θが最大となるタイミングを表している。また、検出部５０は、曲線４００ｃ’に示されるように、８７〜９７回目の発光の間で迷光を検出する。４００ＰＣ’は、光学振れ角θが最大となるタイミングとなるタイミングを表している。すなわち、２つの迷光のタイミングから、光学振れ角θに対する光源１１の発光、または受光のタイミングが全体的にずれていることがわかる。

なお、光源１１の発光タイミングが１ｐｌｓより小さな値だけずれた場合でも、受光タイミングと受光する迷光量から、光学振れ角θが最大となるタイミングを近似し、２つの迷光が発生する領域でのタイミングのずれ分を計算することもできる。これにより、駆動ミラー３０と、光源１１の発光または受光タイミングの位相ずれがわかる。

以上説明したように、駆動ミラー３０より射出側で駆動ミラー３０からの照明光の一部の光に基づく迷光を複数発生させることで、光源１１の発光または受光タイミングに対する駆動ミラー３０の位相ずれを検出できる。その結果、位相ずれをもとに、駆動ミラー３０の駆動や、受光タイミングまたは光源１１の発光タイミングを補正することができる。また、ソフトウェア上で駆動ミラー３０の向きを修正することで、駆動ミラー３０の向きを正確に認識しながら対象物ＯＢＪの位置を精度よく計測することができる。

図１２は、本実施例の光学装置４の概要図である。光学装置４は、駆動ミラー３０の後ろに光学振れ角θを変更する変倍光学系７０を有する。変倍光学系７０は、駆動ミラー３０からの照明光の径を拡大すると共に、対象物ＯＢＪからの反射光の径を縮小する。本実施例では、駆動ミラー３０によって反射される射出光と光学素子の一部が正対した向きとなる場合があり、光学素子からの反射光が検出部５０で検出されるようにしてもよい。

ただし、一般的には画角内に迷光がないことが望ましいので、画角内では迷光が発生せず、画角外で迷光が発生するようにすることが望ましい。例えば、図１３に示されるように、変倍光学系７０では、光軸が駆動ミラー３０の中心から偏心していてもよい。図１３は、駆動ミラー３０を反射した後の光路図をＹＺ平面で示した図である。Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃはそれぞれ、駆動ミラー３０がＭｘ軸に対して振れたときの、最軸外画角の照明光路、光学振れ角が０（走査画角範囲の中心画角）の照明光路、および反対側の最軸外画角の照明光路を表している。なお、照明光路Ｆｃは、対象物ＯＢＪまでの距離の計測で用いる最軸外画角の照明光路であり、駆動ミラー３０が最大に振れるときの照明光路ではない。駆動ミラー３０が傾いて反射する範囲において、照明光路Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃでは、変倍光学系７０の光軸に対して片側だけ使用しており、迷光が発生しない。

また、Ｆｇは、駆動ミラー３０がＭｘ軸に対して最も振れたときの照明光路を表している。照明光路Ｆｇが変倍光学系７０の光学素子に対して垂直に入射する場合、光学素子からのわずかな反射光が、照明光路Ｆｇと同じ光路を通って、光路分岐部２０を反射し、検出部５０で迷光として検出される。照明光路Ｆｃと照明光路Ｆｇの間の画角は、迷光が発生しない画角分の余裕分である。例えば、製造誤差分でずれる分をその余裕分として持たせている。

図１３では、変倍光学系７０の光軸と駆動ミラー３０の交点ＡＸＰが駆動ミラー３０の中心３２に対してずれている様子を表しており、変倍光学系７０が駆動ミラー３０に対して偏心していることを示している。変倍光学系７０が駆動ミラー３０に対して偏心する（駆動ミラー３０を、駆動ミラー３０の走査画角範囲の中心画角での照明光の主光線の光路と変倍光学系７０の光軸とが一致しないように配置する）ことで、照明光路Ｆｇからの迷光も偏心させることができる。これにより、照明光路Ｆｇよりさらに外側の画角まで迷光が発生しない領域を増やすことができるので、照明光路Ｆｃよりさらに照明光路Ｆｇ側の方向まで対象物ＯＢＪまでの距離の計測に使用できる。また、照明光路Ｆｂを照明光路Ｆｇ側に振り分けると、照明光路Ｆａを変倍光学系７０の光軸中心側に振ることができるので、変倍光学系７０の有効径を小さくし、光学装置４全体を小型化することもできる。したがって、駆動ミラー３０上において、駆動ミラー３０の中心３２と変倍光学系７０の光軸は一致させないほうが望ましい。

このように、使用画角の少し外側に迷光が発生する領域を設けるように光学系を設計することもできる。使用画角外なので、広範囲に迷光が出るように設計してもよい。例えば、実施例１では、光学振れ角θが０の位置を中心に光学振れ角θの２％の範囲で迷光が発生するようにしたが、２５％の範囲で迷光が発生するようにしてもよい。これにより、複数のタイミングで迷光を検出できる。

図１４は、駆動ミラー３０の１周期での光源１１の発光タイミングと光学振れ角θとの関係を示す図である。図１５は、図１４の領域Ｓ_ａ’近辺における発光タイミング（受光タイミング）と受光する迷光信号との関係を示す図である。線２００で表される近似から、迷光の最大値を逆算することができる。迷光の最大値を一定時間ごとに計測し、変化が見られたら光源出力（発光強度）が変化したと考えられる。その分だけ制御部６０にて光源出力を元の状態に戻すように補正すれば、光学装置４からの照明出力も補正できる。これにより、照明出力が不用意に強くなって人眼に悪影響をもたらす危険をなくすことができるし、照明出力が弱くなって遠方の対象物ＯＢＪまでの距離の計測の性能が劣化するのを抑制できる。

このように、駆動ミラー３０より射出側に、使用画角内で正反射させないようにしつつ、使用外画角で迷光を発生させるように変倍光学系７０を配置することで、使用画角外の迷光から露光量を検出し、制御することができる。また、光源１１の発光タイミングや出力についても検出することができるため、それらを検出するための機構も排除でき、対象物ＯＢＪの位置を正確かつ安定して安全に計測することができる。

なお、本実施例では光学振れ角θが０となる位置を中心に示したが、複数のタイミングで迷光を計測し、計測値から特定の迷光量を計算できるのであれば、迷光が検出される条件は他でもよい。

またこれまでの実施例は、光源の発光の時間的間隔が同じ前提で示したが、走査ミラーの振れ角を鑑みて、走査ミラーから照明されるときの走査間隔が等角となるようなどにしても、考え方は同様である。

つまり、迷光が検出されるタイミングでの迷光量を上述の観点で解析すれば、発光タイミングもしくは走査ミラーの振れ角変化を検出することができる。

以上、本実施形態の構成によれば、偏向部である駆動ミラー３０の偏向を良好に制御可能である。また、光源部１０の発光も良好に制御可能である。

なお、本実施形態に係る光学装置は、以下に示すように、特に遠方の対象物までの距離を計測可能であることから、自動機や自動運転用のセンサに応用可能である。

実施例１乃至４の同軸光学系は、対象物からの反射光をなるべく取り込みつつ、不要な外光を抑制しやすいので、遠方測距に関して優れている面が多い。遠方測距の場合、対象物からの反射光を多く取り込みたいので、例えば人眼の安全性に配慮しつつなるべく照明光量を大きくしたい。しかし、遠方からの光を多く取り込もうとして感度の高い受光素子を使った場合、上記反射板からの光が強すぎて受光素子が飽和し、測距性能や対象物の方向検出の精度が悪くなったり、故障する可能性が高くなったりする。例えば、１００ｍ先の対象物を検出する際、対象物からの反射光は照明光量に対して８桁ほど低い。つまり照明が１Ｗならば、対象物からの反射光は１０ｎＷ程度となる。一方、対象物の方向を測るための反射板からの基準反射光を０．０１％検出できる構成の場合、照明が１Ｗならば基準反射光は１００μＷとなり、対象物からの反射光量よりはるかに大きい。本実施例では、実施例１乃至４で適切な反射光を発生させるための実施例について説明する。

以下、本実施例の光学装置の実施例について説明する。

測距装置（光学装置）７の概要を図１６にて示す。

１０は光源部であり、光源１１からの発散光をコリメータレンズ１０２で略平行にする。２０は、光源部１０からの光を使って対象物を照明するための照明光路と、対象物からの反射光を受光するための受光光路を分岐する光路分岐部である。

光路分岐部２０は、有孔ミラー、光軸中心から特定範囲を透過しつつそれ以外を反射領域としたミラー、偏光ビームスプリッターなどである。光路分岐部２０は、例えば図１７で示されるように平板で構成され、出射側の面Ａにおいて、光源部１０の光束の大半を透過しつつ一部を反射する領域８１と、駆動ミラー側から光を反射する領域８２を有する。

光源部１０側から見たときの領域８１の面積は、同じく光源部１０側から見たときの駆動ミラーの有効径より小さく、領域８１を通った光束は駆動ミラーの有効径内に収まるよう構成される。

３０は、ミラー中心に対してＹ方向を軸として、またＹ軸に垂直な一点鎖線Ｍｘの方向を軸として回転駆動する二次元走査駆動ミラーであり、光源部からの光束を偏向する。駆動ミラーは、Ｙ方向を軸とした走査のほうがＭｘを軸とした走査より早く、かつ走査角度も広い。また駆動ミラー３０は、光源部１０からの照明光を二次元に偏向しつつ対象物を照明し、対象物からの反射光を光路分岐部２０側に偏向する役割も有する。

５０は、検出部であり、バンドパスフィルター９１や結像レンズ５１や受光素子５２で構成される。測距対象物から反射・散乱された光は、駆動ミラーや光路分岐部を通って検出部５０の受光素子５２で受光される。

制御部６００は、光源部１０の発光パラメータや、駆動ミラー３０の走査、検出部５０の受光パラメータを制御する。

４０は装置内部からの照明を透過するウインドウ（カバーガラス）であり、４１は特定の画角αのときに照明を減光しつつ反射・散乱させる基準光発生領域である。

また、ウインドウ４０は、本例では簡易的にＸＹ平面に平行となるよう描写しているが、走査ミラー８５から反射された照明光の一部がウインドウ４０で反射されても駆動ミラー３０に戻らないよう傾いて配置されることが望ましい。

上記は、図１８のように照明光路と受光光路に分けることができる。図１８（ａ）では、光源部１０からの光束が、光路分岐部２０の領域８１を透過し、駆動ミラー３０で走査されながら反射し、対象物ＯＢＪを照明する様子を表している。図１８（ｂ）では、光源部１０からの光束が、光路分岐部２０の領域８１で分割されて反射され、検出部５０に集光される様子を表す。

図１９で、対象物ＯＢＪが画角αにある場合の受信信号として信号ａ、画角α以外にある場合（画角βとする）の受信信号として信号ｂを示す。ｔ１は光源から光が発光した時間であり、基準ｔ３では対象物ＯＢＪからの反射光を受光した時間である。また、画角αでは、時間ｔ１〜ｔ２のごく短い時間の間で基準光による信号ＳＧが検出される。

基準光発生領域４１と照明光束の関係について図２０に示す。図２０では、照明光束をＩＬ、照明もしくは受光の際の光軸をＩＬ_Ｃｅｎｔｅｒ、受光光束をＲＣ、として示している。基準光発生領域４１はウインドウの装置内部側に形成されており、照明光束ＩＬの有効径よりも小さい。照明光束ＩＬの有効径とは、例えば光軸ＩＬ_Ｃｅｎｔｅｒを垂直断面で見たとき、照度が最も高い領域に対して１／ｅ^２の強度もしくは１％となる径である。

照明光束に対して基準光発生領域４１を小さくすることで、基準光発生領域の反射率とは別に照明光束に対する基準光発生領域の面積比分だけ反射光を下げることができる。

また、この基準光発生領域４１はウインドウ４０上で形成される反射部であるが、他の部分と異なる反射防止膜とし、例えばウインドウ４０上の反射防止膜より反射率を大きくしてもよい。

さらに、基準光発生領域４１は、ウインドウ４０に対して線状もしくは点状に形成された疵のようなエッジ面でもよい。その場合、反射光は拡散するので、駆動ミラーで偏光されて受光素子に向かう反射光は、反射光全体に対して減少する。

また、検出部５０の結像レンズ５１の光軸に対して斜めに透過する光の一部は受光素子９３に到達しないため、最終的に受光素子５２で検出される光量をさらに小さくすることができる。ただし、駆動ミラーの走査方向断面で基準光発生領域４１の大きさが照明光束の径より小さいことが望ましい。

駆動ミラーの走査方向断面において、照明光束ＩＬの幅をＩＬＨ、基準光発生領域の幅をｔｗとしたとき、たとえば０．０１＜ｔｗ／ＩＬＨ＜０．９もしくは０．１＜ｔｗ／ＩＬＨ＜０．５となる範囲になるような基準反射領域を設定すればよい。

また、基準光発生領域４１は、走査方向の幅のほうが走査方向に垂直な方向の幅より同等もしくはそれより小さいことが望ましい。このように、照明光束より小さい基準光発生領域を配置することで、遠距測距で照明光量を大きくしても、適切な光量の基準反射光を形成できる。

上記の基準反射光を用いることで、偏向部や出射光の向きを精度よく計測できる。またその計測結果を基にして偏向部を制御して偏向角を補正することもできるため、より精度の高い測距が可能となる。

実施例６として、本発明における測距装置（光学装置）８の構成例について図２１に示す。実施例６は、実施例５に対して、基準光発生領域４１がウインドウとは別体の基準光発生体４２０の側面に配置されており、かつウインドウに遮蔽部４１０を有する。

図２２に画角αでの基準光発生領域４１近辺の拡大図を示す。実施例５と同様、照明光束をＩＬ、照明もしくは受光の際の光軸をＩＬ_Ｃｅｎｔｅｒ、受光光束をＲＣで示す。基準光発生領域４１は、照明光束ＩＬが当たると反射して、受光素子５２で基準光を検出させる。基準光発生領域４１は、光軸ＩＬ_Ｃｅｎｔｅｒに対して垂直な断面で見たとき、照明光束ＩＬの有効径よりも小さくなるよう配置されており、領域４１以外では透過するように構成されている。

また、基準光発生体４２０自体は光源１１の波長の光を吸収するＮＤフィルタであり、照明光の大部分はＮＤフィルタにより吸収される。

さらに、遮蔽部４１０は、光源１１の波長の光を吸収もしくは大きく散乱させる。

照明光束ＩＬは、基準光発生領域４１近辺を通過する際に３種類に分類される。一つ目は、基準光発生体４２０の大部分で吸収されつつ透過光は遮蔽部４１０で吸収もしくは散乱される。遮光もしくは吸収される。二つ目は、基準光発生領域４１に当たり大部分が透過屈折もしくは前方散乱するが、一部は後方散乱して受光素子５２で基準光として検出される。三つ目は、基準光発生体４２０の吸収部もしくは基準光発生領域４１に当たらず、遮蔽部４１０にて吸収もしくは散乱される。そして、遮蔽部４１０は、画角αにて受光光束ＲＣを遮蔽するように配置される。この構成では、照明光ＩＬによる一定の基準光が形成されつつ、受光光束ＲＣを遮蔽するので、外光によって基準光の大きさが変化することがないため、対象物の方向をより安定して検出することができる。

ところで、本実施例では、遮蔽部４１０が装置外部に配置されるが、装置内部に配置されていてもよい。

また、基準光発生領域４１は、光軸に垂直な断面上で見たときに照明光束ＩＬよりも小さくなるよう配置されるのであれば、向きなども図２２と異なっていてもよい。特定の画角において、照明光束の断面積よりも小さい反射面を配置しつつ、他の光を吸収もしくは散乱して受光素子から離しつつ、外光が入らないように遮蔽されるように、基準光発生領域、遮蔽部が配置されることが本発明の主旨である。その結果、遠距測距のために照明光量を大きくしても、外光による変動を受けることなく適切な光量の基準反射光を形成でき、遠方測距における対象物の方向と距離をより精度よく計測することができる。

本実施例によれば、照明の向きと受光の向きが同じ方向を向いている同軸ＬＩＤＡＲ光学系で、遠距離測距のために照明光量を大きくしても、対象物の方向検出のための基準光を適切に発生させることで遠距離にいる対象物の方向や距離を精度よく計測可能である。

また、外気温度の変化の影響を受けて、駆動ミラーの振れ角や光源出力が変化したり、信号処理での各種信号タイミングが変化したりしても、遠距離にいる対象物の方向や距離を精度よく計測できる。
［車載システム］
図２３は、本実施形態に係る光学装置１及びそれを備える車載システム（運転支援装置）１０００の構成図である。車載システム１０００は、自動車（車両）等の移動可能な移動体（移動装置）により保持され、光学装置１により取得した車両の周囲の障害物や歩行者などの対象物の距離情報に基づいて、車両の運転（操縦）を支援するための装置である。図２４は、車載システム１０００を含む車両５００の模式図である。図２４においては、光学装置１の測距範囲（検出範囲）を車両５００の前方に設定した場合を示しているが、測距範囲を車両５００の後方や側方などに設定してもよい。

図２３に示すように、車載システム１０００は、光学装置１と、車両情報取得装置２００と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）３００と、警告装置（警告部）４００とを備える。車載システム１０００において、光学装置１が備える制御部６０は、距離取得部（取得部）及び衝突判定部（判定部）としての機能を有する。ただし、必要に応じて、車載システム１０００において制御部６０とは別体の距離取得部や衝突判定部を設けてもよく、夫々を光学装置１の外部（例えば車両５００の内部）に設けてもよい。あるいは、制御装置３００を制御部６０として用いてもよい。

図２５は、本実施形態に係る車載システム１０００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システム１０００の動作を説明する。

まず、ステップＳ１では、光学装置１の光源部１０により車両の周囲の対象物を照明し、対象物からの反射光を受光することで受光素子５２が出力する信号に基づいて、制御部６０により対象物の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２００により車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む車両情報の取得を行う。そして、ステップＳ３では、制御部６０によって、ステップＳ１で取得された距離情報やステップＳ２で取得された車両情報を用いて、対象物までの距離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行う。

これにより、車両の周囲の設定距離内に対象物が存在するか否かを判定し、車両と対象物との衝突可能性を判定することができる。なお、ステップＳ１及びＳ２は、上記の順番とは逆の順番で行われてもよいし、互いに並列して処理を行われてもよい。制御部６０は、設定距離内に対象物が存在する場合は「衝突可能性あり」と判定し（ステップＳ４）、設定距離内に対象物が存在しない場合は「衝突可能性なし」と判定する（ステップＳ５）。

次に、制御部６０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３００や警告装置４００に対して通知（送信）する。このとき、制御装置３００は制御部６０での判定結果に基づいて車両を制御し（ステップＳ６）、警告装置４００は制御部６０での判定結果に基づいて車両のユーザ（運転者）への警告を行う（ステップＳ７）。なお、判定結果の通知は、制御装置３００及び警告装置４００の少なくとも一方に対して行えばよい。

制御装置３００は、車両の駆動部（エンジンやモータなど）に対して制御信号を出力することで、車両の移動を制御することができる。例えば、車両においてブレーキをかける、アクセルを戻す、ハンドルを切る、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、警告装置４００は、運転者に対して、例えば警告音を発する、カーナビゲーションシステムなどの画面に警告情報を表示する、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システム１０００によれば、上記の処理により対象物の検出及び測距を行うことができ、車両と対象物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施例に係る光学装置１を車載システム１０００に適用することで、高い測距精度を実現することができるため、対象物の検出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、車載システム１０００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限らず、車載システム１０００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、車載システム１０００は、自動車等の車両に限らず、例えば船舶や航空機、産業用ロボットなどの移動体に適用することができる。また、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）や監視システム等の物体認識を利用する種々の機器に適用することができる。

また、車載システム１０００や移動装置５００は、万が一移動装置５００が障害物に衝突した場合に、その旨を車載システムの製造元（メーカ）や移動装置の販売元（ディーラ）などに通知するための通知装置（通知部）を備えていてもよい。例えば、通知装置としては、移動装置５００と障害物との衝突に関する情報（衝突情報）を予め設定された外部の通知先に対して電子メールなどによって送信するもの採用することができる。

このように、通知装置によって衝突情報を自動通知する構成を採ることにより、衝突が生じた後に点検や修理などの対応を速やかに行うことができる。なお、衝突情報の通知先は、保険会社、医療機関、警察などや、ユーザが設定した任意のものであってもよい。また、衝突情報に限らず、各部の故障情報や消耗品の消耗情報を通知先に通知するように通知装置を構成してもよい。衝突の有無の検知については、上述した受光部２からの出力に基づいて取得された距離情報を用いて行ってもよいし、他の検知部（センサ）によって行ってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 光学装置
１１ 光源
２０ 光路分岐部（導光部）
３０ 駆動ミラー（偏向部）
５２ 受光素子
６０ 制御部
ＯＢＪ 対象物（物体）

Claims (25)

1. 光源からの照明光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を偏向する偏向部と、
   前記光源からの前記照明光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を受光素子に導光する導光部と、
   前記偏向部からの前記照明光の一部である第１光を反射して前記偏向部に再入射させる反射領域を含む光学部材と、
   前記反射領域からの前記第１光に関する情報に基づいて前記偏向部に関する情報を取得する制御部とを有し、
   前記反射領域から前記導光部までの光路を含む断面において、前記反射領域の幅は、前記反射領域に入射するときの前記照明光の幅よりも小さいことを特徴とする光学装置。
2. 前記光学部材は、前記照明光を透過させる透過領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光学部材は、前記照明光を吸収する吸収領域を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記光学部材は、前記光学装置の外部に面したウインドウであ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。
5. 前記光学装置の外部に面したウインドウを更に有し、該ウインドウは前記光学部材からの光を遮光する遮光領域を含む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。
6. 前記制御部は、前記偏向部による前記照明光の偏向角を制御す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。
7. 前記制御部は、前記偏向部の偏向周波数を制御す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。
8. 前記制御部は、前記情報に基づいて前記光源の発光を制御することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 前記受光素子は、前記偏向部からの前記照明光に対応する前記偏向部からの前記反射光を受光する前に前記第１光を受光することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学装置。
10. 前記第１光を反射する光学部材を更に有す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。
11. 前記光学部材は、前記物体を照明する前記偏向部からの前記照明光を透過させることを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記光学部材は、屈折力を持たないことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光学装置。
13. 前記偏向部からの前記照明光の径を拡大すると共に、前記物体からの前記反射光の径を縮小する光学系を更に有し、
    前記光学部材は該光学系に含まれることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の光学装置。
14. 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の主光線の光路と前記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請求項１３に記載の光学装置。
15. 前記第１光は、前記光学部材に設けられた基準部により反射されることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の光学装置。
16. 前記光学部材は、前記偏向部からの前記照明光を透過する領域において、第１の透過率を備える第１領域、および前記第１の透過率とは異なる第２の透過率を備える第２領域を含むことを特徴とする請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の光学装置。
17. 前記第１光を遮光する遮光部材を更に有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学装置。
18. 前記制御部は、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ことを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項に記載の光学装置。
19. 請求項１乃至１８の何れか一項に記載の光学装置を備え、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ことを特徴とする車載システム。
20. 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１９に記載の車載システム。
21. 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１９又は２０に記載の車載システム。
22. 請求項１乃至１８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。
23. 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２２に記載の移動装置。
24. 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２３に記載の移動装置。
25. 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２３に記載の移動装置。