JP2021018228A - 光学装置、それを備える車載システム及び移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズ面における不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供。【解決手段】 光学装置１は、光源１１からの照明光線を偏向して物体１００を走査すると共に、物体１００からの反射光線を偏向する偏向部３０と、光源１１からの照明光線を偏向部３０に導光すると共に、偏向部３０からの反射光線を受光素子５３に導光する導光部２０と、複数のレンズ面を有し、偏向部３０からの照明光線を物体１００に導光すると共に、物体１００からの反射光線を偏向部３０に導光する光学系４０とを備え、複数のレンズ面の夫々における照明光線の入射点での法線と照明光線とは、互いに非平行である。【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に関する。

対象物までの距離を計測する測距装置として、光源からの照明光を偏向部により偏向することで対象物を走査し、対象物からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物までの距離を算出するものが知られている。

特許文献１には、偏向部よりも対象物の側に配置されたテレスコープにより、照明光及び反射光の径を変化させることができる測距装置が記載されている。

また、特許文献２には、偏向部よりも対象物の側に配置された変倍レンズにより、偏向部からの照明光の振れ角を変化させることができる測距装置が記載されている。

米国特許出願公開第２００９／０２０１４８６号明細書 特開２０１６−１０２７３８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に係る測距装置では、テレスコープや変倍レンズの各レンズ面において照明光が反射して不要光となり受光素子に入射することで測距精度が低下してしまう。

本発明は、レンズ面における不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学装置は、光源からの照明光線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線を偏向する偏向部と、前記光源からの前記照明光線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線を受光素子に導光する導光部と、複数のレンズ面を有し、前記偏向部からの前記照明光線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線を前記偏向部に導光する光学系とを備え、前記複数のレンズ面の夫々における前記照明光線の入射点での法線と該照明光線とは、互いに非平行であることを特徴とする。

本発明によれば、レンズ面における不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供が可能になる。

実施形態に係る光学装置の要部概略図。 レンズ面において不要光が生じる条件を説明するための図。 実施例１に係る光学系における照明光の光路図。 実施例１に係る光学系における反射光の光路図。 実施例１に係る偏向部の揺動角度と不要光の光量との関係を示す図。 実施例２に係る光学系における照明光の光路図。 実施例２に係る光学系における反射光の光路図。 実施例２に係る偏向部の揺動角度と不要光の光量との関係を示す図。 実施例３に係る光学系における照明光の光路図。 実施例３に係る光学系における反射光の光路図。 実施例３に係る偏向部の揺動角度と不要光の光量との関係を示す図。 実施形態に係る車載システムの機能ブロック図。 実施形態に係る車両（移動装置）の模式図。 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。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る光学装置１の光軸を含む断面（ＹＺ断面）における要部概略図（模式図）である。光学装置１は、光源部１０、導光部（分岐部）２０、偏向部３０、光学系４０、受光部５０、及び制御部６０を備える。図１においては、光源部１０から対象物（物体）１００に向かう照明光の光路（照明光路）を実線で示し、対象物１００から受光部５０に向かう反射光の光路（受光光路）を破線で示している。

光学装置１は、対象物１００からの反射光を受光することで、対象物１００を検出（撮像）する検出装置（撮像装置）や、対象物１００までの距離（距離情報）を取得する測距装置として用いることができる。本実施形態に係る光学装置１は、対象物１００からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物１００までの距離を算出する、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）という技術を用いている。

光源部１０は、光源１１、光学素子１２、及び絞り１３を有する。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１００に人間が含まれる可能性がある。よって、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。本実施形態に係る光源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。

光学素子１２は、光源１１から射出された照明光の収束度を変化させる機能を有する。本実施形態に係る光学素子１２は、光源１１から出射する発散光束を平行光束に変換（コリメート）するコリメータレンズ（集光素子）である。なお、ここでの平行光束は、厳密な平行光束だけではなく、弱発散光束や弱収束光束などの略平行光束を含むものである。

絞り１３は、開口が設けられた遮光部材であり、光学素子１２からの照明光を制限することでその光束径（光束幅）を決定している。本実施形態に係る絞り１３の開口の形状は、照明光の形状に合わせて楕円になっているが、必要に応じて楕円以外の形状としてもよい。本実施形態に係る絞り１３の開口の径は、Ｘ方向（長軸方向）において１．６０ｍｍ、Ｚ方向（短軸方向）において１．３０ｍｍである。

導光部２０は、照明光路と受光光路とを分岐させ、光源部１０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部５０に導光するための部材である。本実施形態に係る導光部２０は、透光部材２１、有孔（穴あき）ミラー２２、光源用受光素子２３を備える。透光部材２１は、絞り１３の開口を通過した照明光の一部を反射して光源用受光素子２３に導光するための部材であり、例えばガラス基板などを用いることができる。

有孔ミラー２２は、光源部１０からの照明光を通過させる開口部（穴部）が設けられた反射部材であり、開口部以外の反射領域（反射部）によって偏向部３０からの反射光を受光部５０に向けて反射させている。本実施形態に係る有孔ミラー２２の開口部は、図１に示すように空孔であるが、開口部には透光部材が設けられていてもよい。また、照明光と反射光とを分岐させるための導光部材（分岐部材）としては、有孔ミラーに限らず、ビームスプリッタやプリズム、ハーフミラーなどを用いてもよい。

光源用受光素子２３は、光源部１０からの照明光を光電変換して信号を出力するための素子であり、例えば後述する受光部５０における受光素子５３と同様のセンサを用いることができる。光源用受光素子２３から出力される信号は、後述する制御部６０によって光源部１０を制御する際に用いられる。なお、必要に応じて、透光部材２１と光源用受光素子２３との間に、透光部材２１からの光を光源用受光素子２３の受光面に導光するための光学素子（フィルタやレンズなど）を配置してもよい。

偏向部３０は、導光部２０からの照明光を偏向して対象物１００を走査すると共に、対象物１００からの反射光を偏向して導光部２０に導光するための部材である。本実施形態に係る偏向部３０は、折返しミラー３１と駆動ミラー（可動ミラー）３２で構成されている。

駆動ミラー３２は、対象物１００の２次元走査を可能にするために、少なくとも二軸回りに揺動可能（二軸駆動ミラー）であることが望ましい。例えば、駆動ミラー３２としてガルバノミラーやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーなどを採用することができる。本実施形態に係る駆動ミラー３２は、Ｘ軸回りの揺動角度（振れ角）が±７°、Ｙ軸回りの揺動角度が±１６°、揺動周波数が１ｋＨｚ程度のＭＥＭＳミラーである。

光学系４０は、偏向部３０からの照明光を対象物１００に導光すると共に、対象物１００からの反射光を偏向部３０に導光するための部材である。本実施形態に係る光学系４０は、屈折力（パワー）を有する複数のレンズ４１〜４６で構成され、かつ全系では屈折力を持たない光学系（アフォーカル系）である。具体的には、光学系４０は、偏向部３０からの照明光束の径を拡大すると共に、対象物１００からの反射光束の径を縮小するテレスコープである。

本実施形態に係る駆動ミラー３２は、光学系４０の入射瞳の位置に配置されている。また、本実施形態に係る光学系４０の光学倍率（横倍率）βの絶対値は１よりも大きい（｜β｜＞１）。これにより、駆動ミラー３２によって偏向されて光学系４０に入射する照明光の主光線の偏向角に対して、光学系４０から出射する照明光の主光線の偏向角の方が小さくなり、対象物を検出する際の分解能を向上させることができる。

光源部１０からの照明光は、導光部２０を介して偏向部３０により偏向され、光学系４０によって光学倍率βに応じて拡大され、対象物１００を照明する。そして、対象物１００からの反射光は、光学系４０によって光学倍率１／βに応じて縮小され、偏向部３０により偏向され、受光部５０に到達する。このように、偏向部３０の対象物側に光学系４０を配置することで照明光の径を拡大することができる。

これにより、照明光の径をさらに拡大して拡がり角をより低減することができるため、対象物が遠方にある場合においても十分な照度及び分解能を確保することができる。また、光学系４０によって瞳径を拡大することで、対象物からの反射光をより多く取り込むことができ、測距距離や測距精度を向上させることが可能になる。なお、光学系４０は、対象物からの反射光の径を縮小するテレスコープでなくてもよく、必要に応じて対象物からの反射光の径を拡大する光学系であってもよい。また、光学系４０は、アフォーカル系でなくてもよく、必要に応じて全系で屈折力を有する光学系であってもよい。

受光部（測距用受光部）５０は、光学フィルタ５１、集光部５２、及び受光素子（測距用受光素子）５３を有する。光学フィルタ５１は、所望の光のみを通過させ、それ以外の不要光を遮光（吸収）するための部材である。本実施形態に係る光学フィルタ５１は、光源１１から出射する照明光に対応する波長帯域の光のみを透過させるバンドパスフィルタである。集光部５２は、光学フィルタ５１を通過した光を受光素子５３の受光面に集光するための部材であり、本実施形態では単一の光学素子（集光レンズ）で構成されている。なお、光学フィルタ５１及び集光部５２の構成は本実施形態に限られるものではなく、必要に応じて各部材の配置の順を入れ替えたり各部材を複数配置したりしてもよい。例えば、集光部５２を複数の集光レンズで構成してもよい。

受光素子（測距用受光素子）５３は、集光部５２からの光を受光し、光電変換して信号を出力するための素子（センサ）である。受光素子５３としては、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）などで構成されたものを採用することができる。照明光により照明された対象物１００からの反射光は、偏向部３０により偏向されて有孔ミラー２２により反射され、光学フィルタ５１及び集光部５２を介して受光素子５３に入射する。

制御部６０は、光源１１、光源用受光素子２３、駆動ミラー３２、及び受光素子５３などを制御する。制御部６０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの処理装置（プロセッサ）、又はそれを備える演算装置（コンピュータ）である。制御部６０は、光源１１及び駆動ミラー３２の夫々を所定の駆動電圧や所定の駆動周波数で駆動したり、光源用受光素子２３からの信号に応じて光源１１の出力（照明光の光量）を制御したりしている。制御部６０は、例えば光源１１を制御することで照明光をパルス光としたり、照明光の強度変調を行って信号光を生成したりすることもできる。

また、制御部６０は、光源１１から照明光が出射した時刻（発光時刻）から、受光素子５３が対象物１００からの反射光を受光した時刻（受光時刻）までの時間に基づいて、対象物１００の距離情報を取得することができる。このとき、制御部６０は、受光素子５３からの信号を特定の周波数で取得してもよい。なお、対象物１００からの反射光を受光するまでの時間ではなく、対象物１００からの反射光の位相に基づいて距離情報を取得してもよい。具体的には、光源１１の信号の位相と受光素子５３から出力される信号の位相との差分（位相差）を求め、その位相差に光速を乗じることで、対象物１００の距離情報を取得してもよい。

このようなＬｉＤＡＲを用いた測距装置としての光学装置１は、車両や歩行者、障害物等の対象物１００を識別し、その対象物１００の距離情報に応じて自車両を制御する車載システムに好適なものである。なお、ＬｉＤＡＲを用いる場合、光源部１０及び受光部５０の光軸の一部が互いに一致する同軸系か、各光軸が互いに一致しない非同軸系を採用することができる。本実施形態に係る光学装置１は、導光部２０を備えることで装置全体を小型化しつつ同軸系を実現している。

車載システムなどにおいては、光学装置１に対して近距離（１ｍ程度）にある物体から遠距離（３００ｍ程度）にある物体までを対象物１００として検出することが求められる。しかし、対象物１００からの反射光（信号光）の強度は非常に微弱であり、例えば光源１１から発せられる照明光のパワーを１としたとき、反射光は１０^−７〜１０^−８程度である。また、対象物１００からの反射光の強度は、光学装置１から対象物１００までの距離が長ければ長いほど小さくなる。例えば、光学装置１から対象物１００までの距離が１０倍になった場合、光学装置１が受光する反射光の強度は１／１００程度まで低下してしまう。

ここで、光学装置１の内部の各部材において意図せず生じた反射光（散乱光）が、不要光として受光素子５３に到達してしまうと、測距精度に大きな影響を与えてしまう。例えば、受光素子５３が受光する信号光に対する不要光の割合が大きくなると、信号光と不要光とを区別することが困難になり、測距精度が大きく低下してしまう。なお、対象物１００までの距離の増大に応じて照明光の光量（光源１１の出力）を増加させる方法も考えられるが、対象物１００としての人間の目に対する影響が大きくなってしまうため好ましくない。

このような不要光は、特に導光部２０以降に配置されるレンズ面によって生じやすい。本実施形態においては、導光部２０よりも対象物１００の側に配置される光学系４０が複数のレンズを有しているため、その各レンズ面において照明光が反射（散乱）することで不要光となってしまう可能性がある。そこで、本実施形態においては、光学系４０の各レンズ面における不要光の発生を抑制するために、照明光が各レンズ面に垂直入射しないように各レンズを設計している。このことについて以下で詳細に説明する。

図２は、偏向部３０よりも対象物１００の側に配置されるレンズ面４に入射する照明光を示した模式図である。レンズ面４に対しては、駆動ミラー３２の揺動によって偏向された照明光が入射する。すなわち、レンズ面４には様々な入射角で照明光が入射することになる。実線で示した照明光束のうち一部の照明光線Ａは、レンズ面４の曲率中心Ｃを通過しているため、レンズ面４に対して垂直に入射する。この場合、光線Ａはレンズ面４で反射して照明光路とは逆向きである反射光路を進行するため、不要光として対象物１００からの反射光線と共に受光素子５３に入射してしまう可能性がある。仮に反射率が０．１％程度の反射防止膜をレンズ面４に設けたとしても、一部の光線はこのような不要光となり得る。

一方、点線で示した照明光線Ｂは、曲率中心Ｃを通過しないため、レンズ面４に対してある程度の入射角で入射する。すなわち、レンズ面４における照明光線Ｂの入射点での法線Ｄと照明光線Ｂとは、互いに非平行である（互いに重ならない）。よって、照明光線Ｂがレンズ面４で反射したとしても、反射光路とは異なる光路を進行するため、不要光は発生しない。したがって、光学系４０において不要光の発生を抑制するためには、各レンズ面に入射する各照明光線が各レンズ面の曲率中心を通過しないように（各レンズ面に垂直入射しないように）偏向部３０及び光学系４０を配置すればよい。

そこで、本実施形態では、光学系４０の各レンズ面の夫々における照明光線の入射点での法線と該照明光線とが互いに非平行となるように、偏向部３０及び光学系４０を配置している。具体的には、照明光路と反射光路とを含む断面（ＹＺ断面）において、駆動ミラー３２の走査範囲における中心画角での照明光線の光路と光学系４０の光軸とが一致しないように、偏向部３０を配置している。さらに、各照明光線が各レンズ面に垂直入射しないように、光学系４０における各レンズを設計している。これにより、光学系４０の各レンズ面に対して照明光線が垂直入射することを抑制し、不要光の発生を十分に抑制することが可能になる。

なお、各レンズ面に対して照明光線が垂直入射しないようにするための方法は一通りではない。本実施形態では、偏向部３０及び光学系４０をＹ方向において互いにずらして（シフトさせて）配置することにより、各レンズ面に対して垂直入射する照明光線を低減している。ただし、偏向部３０及び光学系４０を互いにシフトさせるのではなく、偏向部３０の走査範囲を光学系４０の光軸に対して非対称に設定する（チルトさせる）ことでも同様の効果を得ることができる。また、上記シフトとチルトを組み合わせてもよい。

また、周知の光学シミュレーションソフトウェアなどを用いて、光学系４０における各レンズ面に対する各照明光線の入射角を確認しながらすることで、各レンズ面に対して照明光線が垂直入射しないようにすることができる。各レンズの設計パラメータとしては、曲率（曲率半径）、肉厚（光軸方向の厚さ）、面形状、光軸に垂直な方向における位置（偏心）などであるが、これらに限られるものではない。なお、各レンズ面の形状については、非球面としてもよいが、成形のしやすさなどを考慮すると球面とすることが望ましい。

ここで、集光部５２の焦点距離をｆ、受光素子５３の受光面の最大径をＨ、偏向部３０の側から数えたときの光学系４０における複数のレンズ面の夫々の順番をｉとする。また、ｉ番目のレンズ面に入射する照明光線の方向余弦ベクトルをＤ_ｉ−１、該ｉ番目のレンズ面における前記入射点での法線ベクトルをＳ_ｉ、ｃｏｓ^−１（Ｄ_ｉ−１・Ｓ_ｉ）の最小値をＭｉｎとする。このとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
Ｍｉｎ＞ｔａｎ^−１（Ｈ／２ｆ） （１）

条件式（１）は、光学系４０の各レンズ面で不要光が発生した場合に、その不要光が受光素子５３に入射することを抑制するための条件をしめしている。条件式（１）を満足しない場合、光学系４０の各レンズ面で発生した不要光が受光素子５３に入射することを抑制することが難しくなる。

以上、本実施形態に係る光学装置１によれば、レンズ面における不要光の発生を抑制することができる。これにより、光学装置１を測距装置に適用した場合に、照明光の光量を増加させることなく良好な測距精度を実現することができる。また、可視光センサと比較して感度が低い赤外線センサを受光素子５３として用いた場合にも、対象物１００の距離情報を高精度に取得することができる。

［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光学装置について説明する。本実施例に係る光学装置において、上述した実施形態に係る光学装置１と同等の構成については説明を省略する。

図３は、本実施例に係る光学系４０における照明光路の模式図であり、図３（ａ）はＹＺ断面を示し、図３（ｂ）はＺＸ断面を示している。また、図４は、本実施例に係る光学系４０における反射光路の模式図であり、図４（ａ）はＹＺ断面を示し、図４（ｂ）はＺＸ断面を示している。本実施例に係る光学系４０は、屈折力を有する複数のレンズ４１ａ〜４６ａで構成され、かつ全系では屈折力を持たないテレスコープである。レンズ４１ａ〜４６ａの各レンズ面は、何れも球面である。

以下に、本実施例に係る光学系４０における各レンズ面の面データと光学系４０の各種データを示す。面データにおいて、ｒはレンズ面の曲率半径［ｍｍ］を示し、ｄは隣接するレンズ面間の距離［ｍｍ］を示す。ｎｄは隣接するレンズ面間の媒質のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄは隣接するレンズ面間の媒質のｄ線を基準としたアッベ数を示す。また、各種データにおいて、チルト量とは、偏向部３０の中心画角での照明光線と光学系４０の光軸との成す角度を示し、シフト量とは、駆動ミラー３２の偏向面における照明光線の入射点と光学系４０の光軸と距離を示している。

面データ
面番号 r d nd νd
1 -1339.112 4.70 2.001 29.1
2 -41.858 0.30
3 43.605 4.90 2.001 29.1
4 175.630 0.30
5 20.570 15.00 2.001 29.1
6 13.608 19.00
7 -15.046 1.50 1.516 64.1
8 -86.363 3.00
9 -44.729 9.60 2.001 29.1
10 -21.253 0.30
11 96.410 4.80 2.001 29.1
12 -163.923 0.00

各種データ（ＹＺ断面）
焦点距離（ｍｍ） 883
光学倍率β 1.90
駆動ミラーとの間隔（ｍｍ） 15.6
チルト量（度） 16.3
シフト量（ｍｍ） 2.00

各種データに示すように、本実施例に係る偏向部３０は、ＹＺ断面において駆動ミラー３２の走査範囲における中心画角での照明光線の光路と光学系４０の光軸とが一致しないように配置されている。具体的に、偏向部３０の中心画角での照明光線は光学系４０の光軸とは一致しておらず、互いに角度を成して（チルトして）いる。また、駆動ミラー３２の偏向面において、照明光線の入射点と光学系４０の光軸とが互いに離間（シフト）している。このように配置することで、各レンズ面に対する軸上光束の入射角を低減できるという効果も得られる。

以下に、光学系４０における各レンズ面について、上述した条件式（１）の左辺の値を示す。本実施例においては、ｆ＝３２．３ｍｍ、Ｈ＝０．５ｍｍであり、条件式（１）の右辺は０．００７７であるため、何れのレンズ面も条件式（１）を満足する。

条件式（１）の左辺の値
面番号
1 0.041
2 0.023
3 0.040
4 0.033
5 0.043
6 0.061
7 0.042
8 0.067
9 0.043
10 0.072
11 0.025
12 0.022

図５は、本実施例に係る偏向部３０における駆動ミラー３２の揺動角度と、受光素子５３に到達する不要光の光量との関係を示す図である。なお、図５では、光学系４０の各レンズ面に照明光が垂直入射することにより生じる不要光だけでなく、各レンズ面で複数回反射されて受光素子５３に入射する不要光についても示している。図５に示すように、不要光の光量は最大でも２×１０^−８程度となっており、不要光の発生が十分に抑制されている。

［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光学装置について説明する。本実施例に係る光学装置において、上述した実施例１に係る光学装置と同等の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例に係る光学系４０における照明光路の模式図であり、図６（ａ）はＹＺ断面を示し、図６（ｂ）はＺＸ断面を示している。また、図７は、本実施例に係る光学系４０における反射光路の模式図であり、図７（ａ）はＹＺ断面を示し、図７（ｂ）はＺＸ断面を示している。本実施例に係る光学系４０は、屈折力を有する複数のレンズ４１ｂ〜４６ｂで構成され、かつ全系では屈折力を持たないテレスコープである。レンズ４１ｂ〜４６ｂの各レンズ面は、何れも球面である。

以下に、本実施例に係る光学系４０における各レンズ面の面データと光学系４０の各種データを示す。

面データ
面番号 r d nd νd
1 -1356.915 4.83 2.001 29.1
2 -40.267 0.30
3 35.911 5.10 2.001 29.1
4 85.836 0.30
5 20.387 13.52 2.001 29.1
6 14.441 19.80
7 -15.900 1.50 1.516 64.1
8 -71.504 2.91
9 -39.818 9.86 2.001 29.1
10 -21.452 0.30
11 88.020 5.07 2.001 29.1
12 -182.994 0.00

各種データ（ＹＺ断面）
焦点距離（ｍｍ） 718
光学倍率β 1.86
駆動ミラーとの間隔（ｍｍ） 15.5
チルト量（度） 17.2
シフト量（ｍｍ） 2.52

以下に、光学系４０における各レンズ面について、上述した条件式（１）の左辺の値を示す。本実施例においても、実施例１と同様に条件式（１）の右辺は０．００７７であるため、何れのレンズ面も条件式（１）を満足する。

条件式（１）の左辺の値
面番号
1 0.057
2 0.026
3 0.048
4 0.041
5 0.065
6 0.076
7 0.046
8 0.050
9 0.049
10 0.091
11 0.041
12 0.028

図８は、本実施例に係る偏向部３０における駆動ミラー３２の揺動角度と、受光素子５３に到達する不要光の光量との関係を示す図である。図８に示すように、不要光の光量は最大でも１×１０^−８程度となっており、不要光の発生が十分に抑制されている。本実施例では、実施例１と比較して、各レンズ面で複数回反射されて受光素子５３に到達する不要光も低減できている。

［実施例３］
以下、本発明の実施例３に係る光学装置について説明する。本実施例に係る光学装置において、上述した実施例１に係る光学装置と同等の構成については説明を省略する。

図９は、本実施例に係る光学系４０における照明光路の模式図であり、図９（ａ）はＹＺ断面を示し、図９（ｂ）はＺＸ断面を示している。また、図１０は、本実施例に係る光学系４０における反射光路の模式図であり、図１０（ａ）はＹＺ断面を示し、図１０（ｂ）はＺＸ断面を示している。本実施例に係る光学系４０は、屈折力を有する複数のレンズ４１ｃ〜４９ｃで構成され、かつ全系では屈折力を持たないテレスコープである。レンズ４１ｂ〜４９ｃの各レンズ面は、何れも球面である。

本実施例においては、実施例１及び２とは異なり、偏向部３０の中心画角での照明光線が光学系４０の光軸と一致している。一方で、駆動ミラー３２の偏向面において、照明光線の入射点と光学系４０の光軸とが互いに離間（シフト）している。このような配置にすることで、光学系４０から出射するときの中心画角の光線も光学系４０の光軸と一致するため、光学系４０を光学装置から取り外した場合でも画面中心の位置は変化しない。よって、光学装置に対する光学系４０の着脱により画角を変更することが可能となる。

以下に、本実施例に係る光学系４０における各レンズ面の面データと光学系４０の各種データを示す。

面データ
面番号 r d nd νd
1 -36.897 5.00 2.001 29.1
2 -25.536 0.30
3 -112.513 4.20 2.001 29.1
4 -50.144 0.30
5 361.726 3.60 2.001 29.1
6 -133.185 5.00
7 69.894 3.40 2.001 29.1
8 290.125 21.60
9 31.578 6.50 1.516 64.1
10 19.306 8.30
11 85.115 3.30 2.001 29.1
12 -179.847 1.70
13 32.263 4.60 1.516 64.1
14 131.553 12.40
15 157.459 3.50 1.516 64.1
16 31.435 9.60
17 -153.153 5.10 2.001 29.1
18 -34.971 0.00

各種データ（ＹＺ断面）
焦点距離（ｍｍ） 919
光学倍率β 1.97
駆動ミラーとの間隔（ｍｍ） 21.6
チルト量（度） 0.0
シフト量（ｍｍ） 6.00

以下に、光学系４０における各レンズ面について、上述した条件式（１）の左辺の値を示す。本実施例においても、実施例１と同様に条件式（１）の右辺は０．００７７であるため、何れのレンズ面も条件式（１）を満足する。

条件式（１）の左辺の値
面番号
1 0.042
2 0.101
3 0.041
4 0.092
5 0.041
6 0.090
7 0.043
8 0.087
9 0.210
10 0.157
11 0.327
12 0.028
13 0.361
14 0.037
15 0.043
16 0.255
17 0.044
18 0.103

図１１は、本実施例に係る偏向部３０における駆動ミラー３２の揺動角度と、受光素子５３に到達する不要光の光量との関係を示す図である。図１１に示すように、不要光の光量は最大でも１×１０^−８程度となっており、不要光の発生が十分に抑制されている。本実施例では、実施例１と比較して、各レンズ面で複数回反射されて受光素子５３に到達する不要光も低減できている。

［車載システム］
図１２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１３は、車載システム１０００を含む車両５００の模式図である。図１３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１２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１４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部４０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、車両に対して、例えばブレーキをかける、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（メーカー）や移動装置の販売元（ディーラー）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、ユーザー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。

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

各実施例においては各部材が一体化（一体的に保持）されているが、必要に応じて各部材を別体として構成してもよい。例えば、導光部２０又は偏向部３０に対して光源部１０や受光部５０を着脱可能としてもよい。その場合、各部材を保持する保持部材（筐体）に、互いに接続するための接続部（結合部）を設ければよい。このとき、光源部１０と導光部２０との位置決めの精度を向上させるために、絞り１３を導光部２０内に設け、分岐光学素子と共通の保持部材により保持してもよい。

１ 光学装置
１１ 光源
２０ 導光部
３０ 偏向部
４０ 光学系
５３ 受光素子
１００ 対象物

Claims (18)

1. 光源からの照明光線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線を偏向する偏向部と、
   前記光源からの前記照明光線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線を受光素子に導光する導光部と、
   複数のレンズ面を有し、前記偏向部からの前記照明光線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線を前記偏向部に導光する光学系とを備え、
   前記複数のレンズ面の夫々における前記照明光線の入射点での法線と該照明光線とは、互いに非平行であることを特徴とする光学装置。
2. 前記導光部からの反射光線を前記受光素子に集光する集光部を備え、前記集光部の焦点距離をｆ、前記受光素子の受光面の最大径をＨ、前記偏向部の側から数えたときの前記複数のレンズ面の夫々の順番をｉ、ｉ番目のレンズ面に入射する前記照明光線の方向余弦ベクトルをＤ_ｉ−１、該ｉ番目のレンズ面における前記入射点での法線ベクトルをＳ_ｉ、ｃｏｓ^−１（Ｄ_ｉ−１・Ｓ_ｉ）の最小値をＭｉｎとするとき、
   Ｍｉｎ＞ｔａｎ^−１（Ｈ／２ｆ）
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記偏向部は、前記照明光線と前記反射光線とを含む断面において、走査範囲における中心画角での前記照明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１又は２に記載の光学装置。
4. 前記偏向部の偏向面において、前記照明光線の入射点と前記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乃至３の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記光学系は、前記偏向部からの照明光束の径を拡大すると共に、前記物体からの反射光束の径を縮小す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。
6. 前記偏向部の偏向面は、前記光学系の入射瞳の位置に配置されてい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. 前記光学系は、全系で屈折力を持たない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. 前記複数のレンズ面の夫々は、球面であ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８の何れか一項に記載の光学装置。
10. 請求項１乃至９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。
11. 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１０に記載の車載システム。
12. 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１０又は１１に記載の車載システム。
13. 前記車両と前記対象物との衝突に関する情報を外部に通知する通知装置を備え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車載システム。
14. 請求項１乃至９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。
15. 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１４に記載の移動装置。
16. 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１５に記載の移動装置。
17. 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１５又は１６に記載の移動装置。
18. 前記物体との衝突に関する情報を外部に通知する通知部を備えることを特徴とする請求項１５乃至１７の何れか一項に記載の移動装置。

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