JP2021012071A - 光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な物体検出を可能とする光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置を提供する。【解決手段】光ビームを出射する光源部と、前記光源部が出射した前記光ビームを検出領域の物体に向けて偏向走査する光偏向器と、前記光偏向器が偏向走査して前記検出領域の前記物体で反射・散乱された前記光ビームを受光する受光光学素子と、を有し、前記受光光学素子の受光画角は、前記光偏向器の走査角速度と、前記検出領域における前記物体の最長検出距離と、前記検出領域における前記光ビームの広がり角とに基づいて決定される、ことを特徴とする光走査装置。【選択図】図３

Description

本発明は、光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置に関する。

従来、光ビームを照射領域に偏向走査する光走査装置、並びに、照射した光ビームを用いて物体の有無や物体までの距離等を検出する物体検出装置及びこれを用いたセンシング装置が知られている。このような装置は、特に、レーザレーダ及びＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれることがある。

ＬＩＤＡＲは、例えば、走行中の車両（移動体）の前方における物体の有無や物体までの距離等を検出する。ＬＩＤＡＲは、光源から出射したレーザ光を物体に照射・投光し、その物体から反射・散乱（反射と散乱の少なくとも一方）された光を受光器で検出することで、所望の範囲における物体の有無や物体までの距離等を検出する。

特許文献１には、対象物に向けて出射されたレーザ光の戻り光を受光部が受光することにより対象物までの距離を計測する計測装置が開示されている。計測装置は、レーザ光を出射する出射部と、出射されたレーザ光を透過し、当該レーザ光の光路を含む所定領域を通過する戻り光を反射して受光部に受光させる光学素子とを有している。また計測装置は、出射部が出射するレーザ光を光走査部（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー）へ反射し、かつ、光走査部から入射した戻り光を光学素子へ集光させるように配置された凹面鏡を有している。

特許文献１では、レーザ光を光走査部（ＭＥＭＳミラー）で走査し、物体で反射又は散乱された光を、再度光走査部を介して受光部で受光することで、所望の範囲における物体の有無や物体までの距離等を検出する。このように、レーザ光と検出器で検出できる検出可能領域の両方を走査する走査型ＬＩＤＡＲは、検出が必要な部分のみにレーザ光を集中できるので、検出精度や検出距離の点で有利である。また、検出器による検出可能領域を最小限にすることができるため、検出器のサイズを小型にしやすく、コスト的にも有利である。

特許文献２には、光源から出射された光を光偏向器によって走査させ、その走査領域内に物体があるときに、物体で反射された光を結像光学系を介して受光部で受光する物体検出装置が開示されている。光偏向器は、回転軸まわりに回転する２つの反射面を有する回転ミラーから構成されている。

特許文献３には、発光部と受光部と制御部と処理部を備えており、観察範囲内に存在する物体までの距離の分布を示す距離画像データを取得する装置が開示されている。発光部は、光ビームの射出装置と、その光ビームを反射するミラーと、そのミラーを第１軸の周りに揺動させる第１揺動機構と、そのミラーを第２軸の周りに揺動させる第２揺動機構を備えている。ミラーは、ＭＥＭＳミラーから構成されている。

特許文献１−３は、所望の角度範囲（有効走査領域）で光ビームを走査する方式である点で共通している。特許文献１の光走査部と特許文献３のミラーは、ＭＥＭＳミラーから構成されており、特許文献２の光偏向器は、回転軸まわりに回転する２つの反射面を有する回転ミラーから構成されているが、これ以外にも種々の走査機構が知られている。

特開２０１８−１５１２７８号公報 特開２０１５−２１２６４７号公報 特開２０１１−０８９８７４号公報

本発明者らは、特許文献１−３を含む従来の走査機構について鋭意研究を重ねた結果、次のような技術課題が存在することを見出した。すなわち、走査機構の走査速度によっては、光の速度で物体までの距離を往復するとはいえ、その往復時間での光偏向器の進みによる検出精度の悪化が懸念される。

例えば、投光した瞬間から、光速ｃで距離Ｌの物体まで往復するのに要する時間ｔは、ｔ＝２Ｌ／ｃであり、Ｌ＝３００ｍとしたときには、ｔ＝２ｕｓとなる。ＭＥＭＳミラーで、共振周波数２０００Ｈｚ、振幅２５°（機械的振れ角は±２５°で振れる）とすると、走査中央部で走査角速度が最速になり、ｔ＝２ｕｓだと、ＭＥＭＳミラー振れ角で０．６°、光学的な画角としては、その倍の１．３°だけ、走査方向に角度が進むことになる。このように、投光した瞬間から受光するまでに２ｕｓの時間がかかると、投受光で走査方向に１．３°ずれることになり、投受光画角それぞれの設定によっては、画角が足りずに受光できず、物体の検出精度が落ちてしまう（極端な場合は物体を検出できなくなってしまう）。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、高精度な物体検出を可能とする光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置を提供することを目的とする。

本実施形態の光走査装置は、光ビームを出射する光源部と、前記光源部が出射した前記光ビームを検出領域の物体に向けて偏向走査する光偏向器と、前記光偏向器が偏向走査して前記検出領域の前記物体で反射・散乱された前記光ビームを受光する受光光学素子と、を有し、前記受光光学素子の受光画角は、前記光偏向器の走査角速度と、前記検出領域における前記物体の最長検出距離と、前記検出領域における前記光ビームの広がり角とに基づいて決定される、ことを特徴とする。

本発明によれば、高精度な物体検出を可能とする光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置を提供することができる。

第１実施形態による光走査装置の構成の一例を示す図である。 第１実施形態による物体検出装置の構成の一例を示す図である。 ＴＯＦ方式による距離計測を実現する物体検出装置の一例を示す機能ブロック図である。 投光光学素子からの光ビームの角度強度分布の一例を示す図である。 受光光学素子の受光画角の一例を示す図である。 検出領域における物体の最長検出距離の一例を示す図である。 検出領域における光ビームの広がり角の一例を示す図である。 光偏向器の偏向による投受光の画角差の一例を示す図である。 投光ビームと受光画角の関係を示す図４に対応する図である。 第６実施形態によるセンシング装置の構成の一例を示す図である。

≪第１実施形態≫
図１〜図９を参照しながら、第１実施形態による光走査装置１について詳細に説明する。以下の説明におけるＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は、図中に示す矢線方向を基準とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は互いに直交する三次元空間を構成する。

図１は、第１実施形態による光走査装置１の構成の一例を示す図である。

光走査装置１は、光源素子１０と、投光光学素子２０と、光偏向器（走査ミラー）３０とを有している。

光源素子１０は、所定の角度で発散する光ビームを出射する。光源素子１０は、例えば、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）から構成することができる。あるいは、光源素子１０は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER））又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）等から構成することができる。このように、光源素子１０をどのように構成するかには自由度があり、種々の設計変更（代用）が可能である。

投光光学素子２０は、光源素子１０からの光ビームを成形する。具体的に、投光光学素子２０は、所定の角度で発散しながら入射する光ビームを略平行光に成形する。投光光学素子２０は、例えば、発散光である光ビームをカップリングして略平行光に成形する共軸非球面レンズから構成することができる。なお、図１では、投光光学素子２０を１枚のレンズで描いているが、投光光学素子２０を複数枚のレンズから構成してもよい。

光源素子１０と投光光学素子２０により、光ビームを出射する「光源部」が構成される。

光偏向器３０は、投光光学素子２０からの光ビームを偏向走査する偏向面３１を有している。具体的に、光偏向器３０は、光源素子１０と投光光学素子２０によりＸ軸方向に出射された光ビームをＸ軸方向とＺ軸方向を含むＸＺ平面の所定の走査範囲に偏向走査する。光偏向器３０による走査範囲は、例えば、偏向面３１の角度を振動や回転で変えることにより設定される。図１では、上記の走査範囲における光偏向器３０（偏向面３１）の基準位置を実線で描いており、光偏向器３０（偏向面３１）の走査位置（例えば走査両端位置）を破線で描いている。このようにして、光偏向器３０は、光源素子１０と投光光学素子２０（光源部）が出射した光ビームを検出領域の物体に向けて偏向走査する。ここで「検出領域」は、投光光学素子２０と光偏向器３０の間の領域と、光偏向器３０による偏向走査後の領域とを含む概念で使用する。

図２は、第１実施形態による物体検出装置２の構成の一例を示す図である。物体検出装置２は、光走査装置１の光源素子１０と投光光学素子２０と光偏向器３０に加えて、受光光学系４０と、受光光学素子５０と、駆動基板６０とを有している。

光偏向器３０によって光ビームを走査する領域内に物体がある場合、光ビームが物体によって反射・散乱（反射と散乱の一方又は双方）する。物体によって反射・散乱した光ビームは、受光光学系４０を通って、受光光学素子５０で受光される。すなわち、受光光学素子５０は、光偏向器３０が偏向走査して検出領域の物体で反射・散乱された光ビームを受光する。受光光学素子５０は、検出領域の物体で反射・散乱された光ビームを検知してその物体検知タイミングを決定する「物体検知部」として機能する。駆動基板６０は、光源素子１０及び受光光学素子５０を駆動制御する。

受光光学系４０は、例えば、レンズ系、ミラー系及びその他の受光光学素子５０に光を集められる種々の構成の１つを採用することができる（受光光学系４０の構成には自由度があり特定の構成に限定されない）。

受光光学素子５０は、例えば、ＰＤ（Photo Diode）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）、ＴＯＦ（Time of Flight）演算機能を画素毎に有するＣＭＯＳ撮像素子（ＴＯＦセンサ）から構成することができる。

図３は、ＴＯＦ方式による距離計測を実現する物体検出装置２の機能ブロック図である。図３に示すように、光源素子１０と受光光学素子５０とを接続する構成要素として、波形処理回路７０と、時間計測回路８０と、測定制御部９０と、光源駆動回路１００とが設けられている。

波形処理回路７０は、受光光学素子５０が受光した光ビームに所定の波形処理を施して検出信号を出力する。時間計測回路８０は、波形処理回路７０からの検出信号に基づいて、光源素子１０の発光タイミングから受光光学素子５０の物体検知タイミングまでの時間を計測し、その時間計測結果を出力する。測定制御部９０は、時間計測回路８０から入力した光源素子１０の発光タイミングから受光光学素子５０の物体検知タイミングまでの時間計測結果（光源素子１０の発光タイミングと受光光学素子５０の物体検知タイミング）に基づいて、検出領域に存在する物体の情報を検出する。また、測定制御部９０は、検出した物体の情報に基づいて、光源駆動信号を出力する。光源駆動回路１００は、測定制御部９０からの光源駆動信号に基づいて、光源素子１０の発光を制御する。

光源素子１０をパルス発光させたタイミングから、物体を経由して返ってきた光ビームが受光光学素子５０に到達するまでの時間を波形処理回路７０、時間計測回路８０を介して測定し、その値を光速と掛け合わせると、光が物体検出装置２と物体との間で往復する距離が算出される。投光系と受光系は物体に対してほとんど同距離にあり、光源素子１０から物体までの距離と、物体から受光光学素子５０までの距離とが略同一とみなせることを利用して、求めた往復の距離の半分を、物体検出装置２から物体までの距離として算出する。

図４は、投光光学素子２０からの光ビームの角度強度分布（投光光学素子２０でカップリングした後の光ビームの角度強度分布）の一例を示す図である。図４において、検出領域における光ビームの広がり角θｔは、光ビームのプロファイルにおいてピーク強度の１／ｅ^２で表される強度となる角度（中心方向とピーク強度の１／ｅ^２の強度となる方向がなす角度）で規定されている。例えば、光ビームの強度がガウス型の角度分布である場合、広がり角θｔの中には、光源素子１０が出力する全光量の９５％の光量が含まれている（この光量が受光光学素子５０でけられず光量の損失が殆どなくなることを狙っている）。図４の例では、広がり角θｔが０．１６°となっている。

図５Ａ、図５Ｂは、受光光学素子５０の受光画角θｒの一例を示す図である。物体で反射・散乱された光ビームを受光光学素子５０で受光するとき、理想的には、図５Ａに示すように、受光光学素子５０の主平面から受光光学素子５０の焦点距離ｆｒの位置で集光点が作られる。しかし、実際の受光光学素子５０は受光面に面積を持つため、当該受光面積の影響を考慮して、受光光学素子５０の走査方向のサイズをｄと定義したとき、受光光学素子５０の受光画角θｒは以下の数式で表される。すなわち、受光光学素子５０の受光画角をθｒ、受光光学素子５０の焦点距離をｆｒ、受光光学素子５０の走査方向のサイズをｄと定義したとき、以下の数式を満足する（受光光学素子５０の受光画角θｒが受光光学素子５０の焦点距離ｆｒと受光光学素子５０の走査方向のサイズｄで規定される）。

ここで、受光光学素子５０（の受光面）は、例えば、正方形、長方形、円形、楕円形とすることができる。受光光学素子５０（の受光面）が正方形の場合、当該正方形の一辺の長さ又はその半分の長さが、受光光学素子５０の走査方向のサイズｄとなる。受光光学素子５０（の受光面）が長方形の場合、当該長方形の長辺若しくは短辺の長さ又はその半分の長さが、受光光学素子５０の走査方向のサイズｄとなる。受光光学素子５０（の受光面）が円形の場合、当該円形の直径又は半径が、受光光学素子５０の走査方向のサイズｄとなる。受光光学素子５０（の受光面）が楕円形の場合、当該楕円形の長径若しくは短径又はその半分の長さが、受光光学素子５０の走査方向のサイズｄとなる。

光速の光ビームが物体との間で往復する時間が、光偏向器３０の走査速度に対して無視できるほど短い場合、受光光学素子５０の受光画角θｒが、検出領域における光ビームの広がり角θｔと同じかそれ以上であれば（θｒ≧θｔ）、受光光学素子５０での光ビームのけられがなく、物体で反射・散乱した光ビームを効率良く受光光学素子５０で受光できる。一般的には、光学系の調整をより容易にするため、又は、経時的などの誤差要因に対してロバストにするため、調整残差や変動分だけ、受光画角を大きめにとっておくことが多い。

しかしながら、本発明者らの鋭意研究によると、走査機構の走査速度によっては、光の速度で物体までの距離を往復するとはいえ、その往復時間での光偏向器の進みが無視できないために、検出精度の悪化を招くおそれがある。

図６は、検出領域における物体の最長検出距離Ｌの一例を示す図である。例えば、投光した瞬間から、光速ｃで距離Ｌの物体（ターゲット）まで往復するのに要する時間ｔは、ｔ＝２Ｌ／ｃであり、Ｌ＝３００ｍとしたときには、ｔ＝２ｕｓとなる。ＭＥＭＳミラーで、共振周波数２０００Ｈｚ、振幅２５°（機械的振れ角は±２５°で振れる）とすると、走査中央部で走査角速度が最速になり、ｔ＝２ｕｓだと、ＭＥＭＳミラー振れ角で０．６°、光学的な画角としては、その倍の１．３°だけ、走査方向に角度が進むことになる。このように、投光した瞬間から受光するまでに２ｕｓの時間がかかると、投受光で走査方向に１．３°ずれることになり、投受光画角それぞれの設定によっては、画角が足りずに受光できず、物体の検出精度が落ちてしまう（極端な場合は物体を検出できなくなってしまう）。

あるいは／加えて、光偏向器３０の走査速度（走査角速度）が遅い場合、検出領域における物体の最長検出距離Ｌが長いために遠距離から光ビームが返ってくる場合などにも同様の問題が発生するので、光偏向器３０の走査速度（走査角速度）も考慮した方が良い。

いま、光偏向器３０が等角速度走査特性を有するポリゴンミラーであることを想定する。この場合、上述した通り、光速ｃで距離Ｌの物体（ターゲット）まで往復するのに要する時間ｔはｔ＝２Ｌ／ｃであり、一定の角速度ωｕについて、時間ｔの間にポリゴンミラーの角度はｔ×ωｕ＝２Ｌ／ｃ×ωｕだけ変化する。従って、光源素子１０が発光した瞬間から光ビームが距離Ｌの物体（ターゲット）との間で往復すると、ポリゴンミラーの角度が２Ｌ／ｃ×ωｕだけ進んでしまい、その分だけ、投受光ビームでのポリゴンミラーへの入射角が変化し、ポリゴンミラーでの反射で受光光学素子５０に導かれることを考えると、この２倍の角度だけ投受光ビームでの角度ずれが生じることとなる。

そこで、第１実施形態では、受光光学素子５０の受光画角θｒを設定するのに際して、検出領域における光ビームの広がり角θｔを確保しながら、光ビームが物体との間を往復する間にポリゴンミラーの角度が進む分をカバーするべく、受光光学素子５０の受光画角θｒを、光偏向器３０の走査角速度ωｕと、検出領域における物体の最長検出距離Ｌと、検出領域における光ビームの広がり角θｔとに基づいて決定している。より具体的には、光速ｃを定義として加えた上で、次の条件式を満足するように、受光光学素子５０の受光画角θｒを設定している。

このように、光偏向器３０の走査速度（走査角速度）が遅い場合、検出領域における物体の最長検出距離Ｌが長いために遠距離から光ビームが返ってくる場合であっても、光ビームを確実に受光できるように受光光学素子５０の受光画角θｒを設定することができる。より具体的に、上記の条件式を満足することにより、光ビームが物体との間を往復する間にポリゴンミラーの角度が進む分をカバーして、投受光ビームでの角度ずれにかかわらず光ビームを確実に受光することができる。

なお、ポリゴンミラーの回転速度は、１分間あたりの回転数Ｒで表すことも多い。ここから、１秒あたりの回転数はＲ／６０となり、１回転は３６０°なので、単位時間あたりの回転速度、つまり回転角速度（走査角速度）ωｕは、ωｕ＝３６０°×（Ｒ／６０）＝６０°×Ｒで表される。

図７は、検出領域における光ビームの広がり角θｔの一例を示す図である。光源素子１０を点光源として捉えた場合、光源素子１０の発光点から投光光学素子２０の主平面までの光路長を投光光学素子２０の焦点距離ｆｔとすると、光源素子１０から出力されて投光光学素子２０で成形される光ビームは略平行光となる。

これに対して、より遠距離の物体を検出するためにより高出力な光源素子１０を用いる場合、光源素子１０の発光領域の面積（例えば図７のサイズｄｔで規定される）を大きくして出力を上げることが一般的に行われる。このとき、図７に示すように、光源素子１０の発光領域から投光光学素子２０の主平面までの光路長を投光光学素子２０の焦点距離ｆｔに配置しても、光源素子１０の発光領域の面積（ｄｔ）の影響を受けて、光源素子１０から出力されて投光光学素子２０で成形される光ビームは平行光とはならない。

図７では、光源素子１０の発光領域の中心部から出る光ビームを実線で描き、光源素子１０の発光領域の一端部（図中の上端部）から出る光ビームを破線で描き、光源素子１０の発光領域の他端部（図中の下端部）から出る光ビームを二点鎖線で描いている。図７に示すように、光源素子１０の発光領域の中心部から出る光ビーム（実線）は、投光光学素子２０で略平行光に成形される。一方、光源素子１０の発光領域の一端部と他端部から出る光ビームは、投光光学素子２０を出た後に光束径が広がる成分を持つ。光源素子１０の発光領域の一端部と他端部から出る光線（破線、二点鎖線）の一成分は、投光光学素子２０の主平面でその光軸を通過すると直進する。光ビームは、投光光学素子２０のカップリングで略平行光となるので、投光光学素子２０の端部に入射した光線も同様の角度で出射する。このため、光ビームは、図７にθｔ又はθｔ／２で示す角度で広がることになる。この性質上、光源素子１０の発光領域のサイズｄｔが大きいほど、光ビームの広がり角度θｔ又はθｔ／２が大きくなる（無視できなくなってくる）。

図８は、光偏向器３０の偏向による投受光の画角差の一例を示す図である。図８では、投光時偏向角にある光偏向器３０を実線で描いており、受光時偏向角にある光偏向器３０を破線で描いている。また図８では、光偏向器３０に対する入射前後の投光ビームの軌跡を実線で描いており、光偏向器３０に対する入射前後の受光ビームの軌跡を破線で描いている。検出領域の物体（ターゲット）への光の入射角度は投受光ともに同じとなっている。また、投光時と受光時の各々の光偏向器３０の偏向角差がαとなっており、これを投光時と受光時に合わせて２倍すると、投受光の間に光偏向器３０の偏向で発生する画角差２αとなる。

図９は、投光ビームと受光画角の関係を示す図４に対応する図である。図９では、図４と同様に、走査方向角度の中央部分に、検出領域における光ビームの広がり角θｔが位置しており、その右部分に、投受光の間に光偏向器３０の偏向で発生する画角差２αが位置している。そして、検出領域における光ビームの広がり角θｔと、投受光の間に光偏向器３０の偏向で発生する画角差２αとの総和は、受光光学素子５０の受光画角θｒと同じかそれより大きく設定されている（θｔ＋２α≧θｒ）。別言すると、投受光の間に光偏向器３０の偏向で発生する画角差２αを、上述の条件式における（４Ｌ／ｃ）・ωｕに当てはめることができる。

≪第２実施形態≫
上述した第１実施形態は、光偏向器３０が等角速度走査特性を有するポリゴンミラーであることを想定している。これに対して、第２実施形態は、光偏向器３０が正弦波状角速度走査特性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであることを想定している。

光偏向器３０がＭＥＭＳミラーである場合、走査速度（走査角速度）が正弦波状に変化するので、所定の時間ｔにおける角度変化δθは一定とならず、任意の時間ｔ’における角度変化δθは、以下の数式で表される。数式において、ωｓｉｎは光偏向器２０の走査角速度、Ｌは検出領域における物体（ターゲット）の最長検出距離、ｃは光速をそれぞれ意味している。

ここで、ＭＥＭＳミラーは走査中央部で走査速度が最大となるため、角度がゼロとなる箇所を切り取ると、ｔ＝２Ｌ／ｃでの角度変化δθが最大となるのは、−ｔ／２〜ｔ／２の範囲となる。このため、角度変化δθについて、以下の数式が成立する。

そして、光偏向器（ＭＥＭＳミラー）３０の光学的な画角のずれで考えると、上記の角度変化δθの２倍が投受光画角のずれとなる。このため、受光光学素子５０の受光画角をθｒ、光偏向器３０の走査角速度をωｓｉｎ、検出領域における物体の最長検出距離をＬ、検出領域における光ビームの広がり角をθｔ、光速をｃと定義したとき、次の条件式を満足するように、受光光学素子５０の受光画角θｒを設定する。

これにより、光偏向器３０の走査速度（走査角速度）が遅い場合、検出領域における物体の最長検出距離Ｌが長いために遠距離から光ビームが返ってくる場合であっても、光ビームを確実に受光できるように受光光学素子５０の受光画角θｒを設定することができる。より具体的に、上記の条件式を満足することにより、光ビームが物体との間を往復する間にＭＥＭＳミラーの角度が進む分をカバーして、投受光ビームでの角度ずれにかかわらず光ビームを確実に受光することができる。

また、ＭＥＭＳミラーは、物体（ターゲット）との間で往復走査を実行可能であるが、往路と復路のいずれでも物体検出を行えるようにする場合、投光から受光までにＭＥＭＳミラーの角度が進んでしまう方向が往路と復路で逆方向になる。その場合であっても受光光学素子５０で確実に受光ができるように、次の条件式を満足するように、受光光学素子５０の受光画角θｒを設定してもよい。

≪第３実施形態≫
第３実施形態では、光源素子１０と投光光学素子２０（光源部）からの光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向を規定している。例えば、第１の方向をＺ軸方向とＸ軸方向を含むＺＸ平面における方向とし、第２の方向をＸ軸方向とＹ軸方向を含むＸＹ平面における方向とすることができる。第１の方向（ＺＸ平面）と第２の方向（ＸＹ平面）では、光源素子１０の発光領域のサイズや光ビームの発散角度が異なり、それに応じて、投光光学素子２０を第１、第２の方向に対応した異なる焦点距離のシリンドリカルレンズとして構成することができる。

第３実施形態では、光偏向器３０が、光源素子１０と投光光学素子２０（光源部）からの光ビームを、当該光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内における第１の方向に走査する。そして、投光光学素子２０と受光光学素子５０の少なくとも一方が、第１の方向（例えばＺＸ平面）において非円弧形状を有している。

第３実施形態では、投光光学素子２０として共軸非球面レンズを用いることで、収差による投光ビームの広がりを抑えることができる。投光ビームが広がってしまうと、当該投光ビームがけられずに受光光学素子５０に結像できるように、受光光学素子５０の受光面のサイズを大きくしたり、受光光学素子５０の焦点距離を長くしたりして、受光光学素子５０の受光画角を広げなければ、光利用効率が低下してしまう。また、投光ビームの受光光量が落ちてしまい、検出距離が稼げなかったり、検出安定性が低下してしまったりする。さらに、受光光学素子５０の受光画角を広げてしまうと、その分、信号光とは無関係の、外光の取り込み量も増やしてしまうこととなるため、極力、投光ビームを要求される広がり角に抑えつつ、受光画角を必要最小限にすることが望ましい。受光光学素子５０を非球面形状とすることで、受光画角を必要最小限とすることができる。また、上述したように、光偏向器３０をポリゴンミラーとした場合に当該ポリゴンミラーの走査角速度で投受光の角度がずれても、確実に受光ができるように走査方向の受光画角を広げておくと、特に、走査方向で非球面形状とすると効果が高い。

あるいは／加えて、投受光ともに１枚の共軸非球面レンズとする構成に限らず、例えば、投受光光学系の焦点距離を、光源素子１０（ＬＤやＡＰＤ）の直後の、走査方向（図１中のＺ方向）と、走査方向と投受光の光の進行方向（図１中のＸ方向）に直交する非走査方向（図１中のＹ方向）とで異ならせる構成を採用することもできる。また、投受光ともに走査方向にパワーを持つシリンドリカルレンズと、非走査方向にパワーを持つシリンドリカルレンズとの２群構成により、投光のカップリングおよび受光の結像を行い、そのうちの少なくとも走査方向のみを非円弧形状のシリンドリカルレンズで構成するなど、種々の変形が可能である。

≪第４実施形態≫
第４実施形態でも、第３実施形態と同様に、光源素子１０と投光光学素子２０（光源部）からの光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向を規定している。例えば、第１の方向をＺ軸方向とＸ軸方向を含むＺＸ平面における方向とし、第２の方向をＸ軸方向とＹ軸方向を含むＸＹ平面における方向とすることができる。

第４実施形態では、光偏向器３０が、投光光学素子２０からの光ビームを、光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において第１の方向と直交する第２の方向に走査する。また、第１、第２の方向における光偏向器３０の走査角速度が異なっている。そして、投光光学素子２０と受光光学素子５０の少なくとも一方が、第１、第２の方向のうち光偏向器３０の走査角速度が速い方向（例えばＺＸ平面）において非円弧形状を有している。

光偏向器（例えばＭＥＭＳミラー）３０が２軸走査（第１、第２の方向）であるときに、少なくとも走査角速度が速い方向、つまり受光画角が大きく必要な方向において、非円弧形状を持たせることで、収差を補正して受光画角を必要最小限にするとともに、受光画角が増えたときの外光の入射に起因するノイズを減らして、測距性能を向上させることができる。

≪第５実施形態≫
第５実施形態では、光偏向器３０の一方向の走査方向（例えばＺＸ平面の第１の方向とＸＹ平面の第２の方向の一方）のみで物体検出を行うことを想定している（一軸片側走査）。この場合、最長検出距離Ｌから反射・散乱された光ビームが受光光学素子５０の受光画角内にあり、最長検出距離Ｌより短い距離から反射・散乱された光ビームの少なくとも一部が受光光学素子５０の受光画角外にあるように光走査装置１を設計することができる。

第５実施形態では、受光光学素子５０の受光画角を制限する方式として、上述の条件式に基づいて受光画角を広げておくのではなく（又はそれに加えて）、遠距離の物体で反射・散乱された光ビームの画角を優先して画角に含め、近距離の物体で反射・散乱された光ビームの一部を受光画角外となるレベルに狭めておく。近距離の物体からは光量が強く返ってくるので、投受光で軸がずれて、一部が受光画角外になっていても、残りの光ビームで物体の検出に十分な受光光量を稼げる。そこで、受光光学素子５０の受光画角をむやみに広げず、外光の入射を抑えつつ、遠距離の物体を検知できるようにする。

≪第６実施形態≫
図１０は、第６実施形態によるセンシング装置３の構成の一例を示す図である。センシング装置３は、上述した物体検出装置２と、監視制御装置４とを有している。物体検出装置２と監視制御装置４は、電気的に接続されている。

センシング装置３は、例えば、車両に搭載される（車両のバンパー付近やバックミラー近傍に取り付けられる）。なお、図１０では、監視制御装置４がセンシング装置３の内部に設けられているように描いているが、監視制御装置４をセンシング装置３とは別に車両に設けることも可能である。

監視制御装置４は、物体検出装置２の出力に基づいて、物体の有無、物体の移動方向及び物体の移動速度の少なくとも１つを含む情報を取得する。また、監視制御装置４は、物体検出装置２の出力に基づいて、物体の形状や大きさの決定、物体の位置情報の算出、移動情報の算出、物体の種類の認識等の処理を行う。そして、監視制御装置４は、物体の位置情報と移動情報の少なくとも１つに基づいて、車両の走行に関する制御を行う。例えば、車両の前方に障害物があると判断された場合には、自動運転技術によって自動ブレーキを掛けるほか、アラームを出したり、ハンドルを切ったり、ブレーキを踏んだりするための指令を出す。

以上のように、本実施形態の光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置では、受光光学素子の受光画角が、光偏向器の走査角速度と、検出領域における物体の最長検出距離と、検出領域における光ビームの広がり角とに基づいて決定される。これにより、光偏向器の走査速度や物体までの距離にかかわらず、物体からの反射光を確実に受光して、高精度な物体検出を可能とすることができる。

１ 光走査装置
２ 物体検出装置
３ センシング装置
４ 監視制御装置
１０ 光源素子（光源部）
２０ 投光光学素子（光源部）
３０ 光偏向器（走査ミラー）
３１ 偏向面
４０ 受光光学系
５０ 受光光学素子（物体検知部）
６０ 駆動基板
７０ 波形処理回路
８０ 時間計測回路
９０ 測定制御部
１００ 光源駆動回路

Claims (11)

1. 光ビームを出射する光源部と、
   前記光源部が出射した前記光ビームを検出領域の物体に向けて偏向走査する光偏向器と、
   前記光偏向器が偏向走査して前記検出領域の前記物体で反射・散乱された前記光ビームを受光する受光光学素子と、
   を有し、
   前記受光光学素子の受光画角は、前記光偏向器の走査角速度と、前記検出領域における前記物体の最長検出距離と、前記検出領域における前記光ビームの広がり角とに基づいて決定される、
   ことを特徴とする光走査装置。
2. 前記光偏向器は、等角速度走査特性を有し、
   前記受光光学素子の受光画角をθｒ、前記光偏向器の走査角速度をωｕ、前記検出領域における前記物体の最長検出距離をＬ、前記検出領域における前記光ビームの広がり角をθｔ、光速をｃと定義したとき、次の条件式を満足する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
   
3. 前記光偏向器は、正弦波状角速度走査特性を有し、
   前記受光光学素子の受光画角をθｒ、前記光偏向器の走査角速度をωｓｉｎ、前記検出領域における前記物体の最長検出距離をＬ、前記検出領域における前記光ビームの広がり角をθｔ、光速をｃと定義したとき、次の条件式を満足する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
   
4. 前記受光光学素子の受光画角をθｒ、前記受光光学素子の焦点距離をｆｒ、前記受光光学素子の走査方向のサイズをｄと定義したとき、次の数式を満足する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
   
5. 前記光源部は、前記光ビームを出射する光源素子と、前記光源素子からの前記光ビームを成形する投光光学素子とを有し、
   前記光偏向器は、前記投光光学素子からの前記光ビームを、前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内における第１の方向に走査し、
   前記投光光学素子と前記受光光学素子の少なくとも一方は、前記第１の方向において非円弧形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査装置。
6. 前記光偏向器は、前記投光光学素子からの前記光ビームを、前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において前記第１の方向と直交する第２の方向に走査し、
   前記第１、第２の方向における前記光偏向器の走査角速度が異なっており、
   前記投光光学素子と前記受光光学素子の少なくとも一方は、前記第１、第２の方向のうち前記光偏向器の走査角速度が速い方向において非円弧形状を有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記最長検出距離から反射・散乱された前記光ビームが前記受光光学素子の受光画角内にあり、前記最長検出距離より短い距離から反射・散乱された前記光ビームの少なくとも一部が前記受光光学素子の受光画角外にある、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光走査装置。
8. 前記光偏向器は、正弦波状角速度走査特性を有し、且つ、前記物体との間で往復走査を実行し、
   前記受光光学素子の受光画角をθｒ、前記光偏向器の走査角速度をωｓｉｎ、前記検出領域における前記物体の最長検出距離をＬ、前記検出領域における前記光ビームの広がり角をθｔ、光速をｃと定義したとき、次の条件式を満足する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
   
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の光走査装置と、
   前記検出領域の前記物体で反射・散乱された前記光ビームを検知してその物体検知タイミングを決定する物体検知部と、
   を有し、
   前記光源部の発光タイミングと前記物体検知タイミングに基づいて、前記物体の情報を検出することを特徴とする物体検出装置。
10. 請求項９に記載の物体検出装置と、
    前記物体検出装置の出力に基づいて、前記物体の有無、前記物体の移動方向及び前記物体の移動速度の少なくとも１つを含む情報を取得する監視制御装置と、
    を有することを特徴とするセンシング装置。
11. 前記センシング装置は、車両に搭載されており、
    前記監視制御装置は、前記物体の位置情報と移動情報の少なくとも１つに基づいて、前記車両の走行に関する制御を行うことを特徴とする請求項１０に記載のセンシング装置。