JP2022003356A

JP2022003356A - 光学装置

Info

Publication number: JP2022003356A
Application number: JP2021171687A
Authority: JP
Inventors: 充佐藤; Mitsuru Sato; 孝典落合; Takanori Ochiai; 琢麿柳澤; Takamaro Yanagisawa; 昌和小笠原; Masakazu Ogasawara; 亮出田; Ryo IZUTA
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: JP7117437B2; WO2019017244A1; EP3657216A4; US20200363509A1; EP3657216A1; JPWO2019017244A1

Abstract

【課題】出射した光の反射光以外の環境光を十分に分離することができる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１は、光源２から出射したレーザ光を波長に応じた角度の方向に導くとともに、その導かれたレーザ光が対象物１００で反射した反射光及び環境光を、これらの光の波長に応じた角度の方向に導く回折格子５を有している。更に、回折格子５で導かれた光を受光する受光素子１０を有している。そして、このレーザ光の反射光は、当該レーザ光が回折格子５により導かれた角度と同じ角度で回折格子５に入射し、当該レーザ光が回折格子５に入射した角度と同じ角度で回折格子５により導かれる。【選択図】図１

Description

本発明は、出射した光が対象物で反射した反射光を受光する光学装置に関する。

従来、光を対象物に照射して、反射した光が戻ってくるまでの往復の時間を基に対象物までの距離を測定する装置が実用化されている。

この種の装置では、この距離測定のために用いる反射光と、太陽光などの環境光とを分離するために、照射した光の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを用いて、Ｓ／Ｎ比の向上を図っている（例えば特許文献１を参照）。

また、この種の装置においては、距離測定のために光を照射する発光素子が、個体バラツキにより波長が想定したものと異なるという問題がある。

特開２００７−８５８３２号公報

特許文献１に記載の発明では、発光素子の温度変動に対応するために、発光素子である半導体レーザ素子の温度から推定される投光部から照射された光の波長に追従させるよう、バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整している。

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、バンドパスフィルタを利用しているため、個体バラツキによる光の波長の変動を考慮して通過させる波長はある程度の幅が必要であり、環境光の分離精度の向上には限界があった。

本発明が解決しようとする課題としては、上述したような出射した光の反射光以外の環境光の分離精度の向上が一例として挙げられる。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、出射光を出射する光源と、機械的に駆動され、前記出射光を所定の範囲に向けて照射させる照射手段と、前記照射手段に照射された前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、前記光源から前記照射手段への前記出射光の光路上に配置され、入射した光を、その波長に応じた回折角で回折させることで、前記出射光を前記照射手段に導くとともに、前記反射光を前記受光部に導く回折格子と、を有し、前記反射光が前記回折格子へ入光する光路と、前記出射光が前記回折格子で導かれる光路が同一となるとともに、前記反射光が前記回折格子で回折され前記受光部に導く光路と、前記出射光が前記回折格子に入射する光路が同一となる、ことを特徴としている。

本発明の第１の実施例にかかる光学装置の概略構成図である。図１に示された回折格子の動作を示した説明図である。環境光が入射した場合の説明図である。図１に示された光学装置において波長変動があった場合の説明図である。本発明の第２の実施例にかかる光学装置の概略構成図である。図５に示された光学装置において、レーザ光の波長がシフトした場合の説明図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる光学装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる光学装置は、出射光を出射する光源と、出射光を所定の範囲に向けて照射させる照射手段と、照射手段に照射された出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、入射した光を、その波長に応じた方向に導くことで、出射光を前記照射手段に導くとともに、反射光を受光部に導く第１光学部材と、を有している。このようにすることにより、入射した光を、その波長に応じた方向に導くことで、出射光を前記照射手段に導くとともに、反射光を前記受光部に導く第１光学部材を有することで、光学装置から出射した出射光とその出射光の反射光との光学装置内の光路が波長により変化しないようにすることができる。そのため、出射部の温度変動による光の波長の変動や個体バラツキにより出射光の波長の違いがあっても２つの光学部によって、反射光を受光部に導くことが可能となる。したがって、反射光と環境光との分離が可能となり、これらの分離精度の向上を図ることができる。

また、第１光学部材は、光源から照射手段への前記出射光の光路上に配置されていてもよい。このようにすることにより、出射部の温度変動や個体バラツキにより出射光の波長の違いがあっても光学素子によって、反射光を受光部に導くことが可能となる。したがって、反射光と環境光との分離が可能となり、これらの分離精度の向上を図ることができる。

また、反射光が第１光学部材へ入光する光路と、出射光が第１光学部材で導かれる光路が同一であってもよい。このようにすることにより、光の出射時と受光時に一つの光学素子を経由することができるので、出射光が導かれた方向から反射光が戻るようにすることができる。したがって、出射部の波長が変化しても受光部へ導くことができる。また、光学素子を１つにすることにより、部品点数を削減することができる。

また、本発明の他の実施形態に係る光学装置は、出射光を出射する光源と、出射光を所定の範囲に向けて照射させる照射手段と、照射手段に照射された出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、入射した光を、その波長に応じた方向に導くことで、出射光を照射手段に導く第１光学部材と、対象物で反射した反射光を、その波長に応じた方向に導くことで、反射光を受光部に導く第２光学部材と、を有している。このようにすることにより、出射部の波長が変化しても受光部へ導くことができる。

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置を有し、出射光の出射から、受光部による出射光の受光までに要した時間に基づき、対象物までの距離を測定する距離測定装置としてもよい。このようにすることにより、距離測定装置において、反射光を確実に受光することができ、距離の測定精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施例にかかる光学装置を図１〜図３を参照して説明する。本実施例にかかる光学装置１は、図１に示したように、光源２と、コリメートレンズ３と、ビームスプリッタ４と、回折格子５と、ミラー６と、ＭＥＭＳミラー７と、投受光レンズ８と、集光レンズ９と、受光素子１０と、を備えている。

出射部としての光源２は、例えばレーザダイオードで構成されている。光源２は、所定の波長のレーザ光をパルス状に発光（出射）する。

コリメートレンズ３は、光源２から出射されたレーザ光を平行光束にする。ビームスプリッタ４は、コリメートレンズ３で平行光にされたレーザ光を回折格子５へ出力し、回折格子５が回折した対象物１００からのレーザ光の反射光及び太陽光などの環境光（太陽光が対象物１００で反射した光を含む）を集光レンズ９へ向けて反射する。

第１光学部材としての回折格子５は、ビームスプリッタ４から入射したレーザ光を、そのレーザ光の有する波長成分に応じた回折角でミラー６へ回折する。また、ミラー６から入射したレーザ光の反射光や環境光を、そのレーザ光の反射光等の有する波長成分に応じた回折角でビームスプリッタ４へ回折する。つまり、回折格子５は、光源２（出射部）から出射したレーザ光（出射光）を波長に応じた角度の方向に導き、レーザ光（出射光）が対象物１００で反射した反射光及び環境光を、これらの光の波長に応じた角度の方向に導く。そして、回折格子５は、レーザ光の光路とレーザ光の反射光及び環境光の光路との共通の光路に配置されている。即ち、回折格子５は、入射した光を、その波長に応じた方向に導くことで、出射光を照射手段に導くとともに、反射光を受光部に導いている。また、反射光が第１光学部材へ入光する光路と、出射光が第１光学部材で導かれる光路が同一となっている。

また、回折格子５は、本実施例では、鋸歯状の溝形状を有するブレーズド回折格子を使用する。ブレーズド回折格子により＋１次光の回折効率を理論上１００％とすることが出来るため、ブレーズド回折格子の使用が望ましい。また、本実施例では、反射型の回折格子で説明するが、透過型の回折格子であってもよい。

ミラー６は、回折格子５で回折されたレーザ光をＭＥＭＳミラー７へ反射し、ＭＥＭＳミラー７で反射されたレーザ光の反射光や環境光を回折格子５へ反射する。

照射手段としてのＭＥＭＳミラー７は、ミラー６で反射されたレーザ光を対象物１００が存在する領域へ向けて水平方向および垂直方向に走査する。即ち、ＭＥＭＳミラー７は、回折格子５（第１光学部材）で導かれたレーザ光を対象物１００に向けて照射する。また、ＭＥＭＳミラー７は、対象物１００で反射した光が投受光レンズ８に入射した入射光をミラー６へ反射する。ＭＥＭＳミラー７は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により構成されたミラーであり、ミラーと一体的に形成されたアクチュエータ（図示しない）によって駆動される。また、ＭＥＭＳミラー７はガルバノミラーやポリゴンミラーなど他のビーム偏向手段でもよい。

投受光レンズ８は、ＭＥＭＳミラー７で反射されたレーザ光を対象物１００が存在する領域へ照射（投光）する。また、投受光レンズ８には、対象物１００で反射したレーザ光である反射光及び環境光が入射光として入射（受光）する。

集光レンズ９は、ビームスプリッタ４と受光素子１０との間に設けられ、ビームスプリッタ４で反射されたレーザ光の反射光や環境光を受光素子１０へ集光する。

受光部としての受光素子１０は、集光レンズ９で集光されたレーザ光の反射光や環境光を受光する。受光素子１０は、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成されている。受光素子１０は、受光した光の強度（受光強度）に応じた信号を出力する。

次に、上述した構成の光学装置１における動作について説明する。まず、光源２から出射したレーザ光はコリメートレンズ３で平行光束とされた後、ビームスプリッタ４を経て回折格子５に入射する。

ここで、回折格子５は、光の入射角、波長、溝間隔で一意に決まる所定の方向に入射光を回折させることが知られている（図２の投光時を参照）。光の入射角をθ1、波長をλ0、溝間隔をｐとすると、回折角θ2は次の（１）式で表される。

光源２からパルス状に出射され回折格子５により回折したレーザ光はＭＥＭＳミラー７で反射し、投受光レンズ８により光学装置１の外部に向けて照射される。このとき、各々の照射のタイミング毎にＭＥＭＳミラー７の角度を変化させることにより対象物１００が存在する領域に向けて照射されるビームスポットの位置を時間的に変化させることができ、水平方向および垂直方向の走査が行われる。

次に、入射時（受光系）の動作を説明する。対象物１００で反射（散乱）されたレーザ光は、投受光レンズ８で受光された後、投光時とは逆の光路をたどり、ＭＥＭＳミラー７で反射され、回折格子５へと入射する。このときは、θ2の入射角で投光時とは逆向きに入射するので、回折角はθ1となり（図２の受光時を参照）、出射時の光路を逆にたどる形でビームスプリッタ４に到達する。ビームスプリッタ４で反射されたレーザ光の反射光は集光レンズ９により受光素子１０へと集光される。

投受光レンズ８に入射する光は、投光したレーザ光の反射光だけでなく、太陽光や街灯の光など対象物１００を照明するあらゆる光や、それらの光が対象物１００で反射した光も含まれている。これらの環境光もまた投受光レンズ８を通りＭＥＭＳミラー５を介して回折格子５へと入射する。回折格子５は入射光の波長により回折する方向が異なるため、受光素子１０が受光するのは、レーザ光の反射光及び環境光に含まれる光のうち光源２と同じ波長成分のみであり（図３の波長λ0）、環境光のうち光源２と異なる波長の成分は受光素子１０で受光されないので除去することができる（図３の波長λ1、波長λ2）。

図４の実線は、光源２の波長変動前の光路の例、破線は波長変動があった場合の光路の例である。光源２で出射されて回折格子５に入射したレーザ光は波長変動前に対して小さな回折角又は大きな回折角で回折して破線のように進む。したがって、図４に示したように、回折角の変化分だけ対象物１００上での投光位置もずれることになる。対象物１００で反射されたレーザ光の反射光はやはり破線に沿って光路を逆に戻り回折格子５に入射する。このときの回折格子５への入射角は、出射時の回折角と等しくなるため、回折格子５で回折されたレーザ光の反射光は出射時と同じ光路をたどりビームスプリッタ４に到達し、集光レンズ９により受光素子１０に集光される。

このように、回折格子５から受光素子１０までの光路は波長変動の前後で全く同一であるため、光源２の温度変動等によりレーザ光に波長変動があった場合等でも、単一の受光素子１０で受光することができる。

即ち、光学装置１に入射したレーザ光の反射光は、レーザ光（出射光）の回折格子５の回折角と同じ角度で回折格子５に入射し、レーザ光（出射光）が回折格子５に入射した入射角と同じ角度で回折格子５によりビームスプリッタ４に導かれる。

本実施例によれば、光学装置１は、光源２から出射したレーザ光を波長に応じた角度の方向に導くとともに、その導かれたレーザ光が対象物１００で反射した反射光及び環境光を、これらの光の波長に応じた角度の方向に導く回折格子５を有している。更に、回折格子５で導かれた光を受光する受光素子１０を有している。そして、このレーザ光の反射光は、出射したレーザ光が回折格子５により導かれた角度と同じ角度で回折格子５に入射し、出射したレーザ光が回折格子５に入射した角度と同じ角度で回折格子５により導かれる。このようにすることにより、対象物１００で反射した反射光を回折格子５により当該回折格子５に入射したのと同じ角度に導くことができる。そのため、光源２の温度変動によりレーザ光の波長の変動が発生や、固体バラツキによってレーザ光の波長が想定されたものと相違しても、回折格子５によって、反射光を受光素子１０に導くことが可能となる。したがって、レーザ光の反射光と環境光との分離が可能となり、これらの分離精度の向上を図ることができる。

また、回折格子５は、レーザ光の光路と当該レーザ光の反射光及び環境光の光路との共通の光路に配置されている。このようにすることにより、回折格子５において、レーザ光が導かれた角度の方向からそのレーザ光の反射光が戻るようにできる。したがって、光源２の波長が変化しても受光素子１０へ導くことができる。

また、本光学装置は対象物までの距離を測定に用いることができる。すなわち、本光学装置を搭載した距離測定装置のＣＰＵ等により、光源がレーザ光を出射してから対象物１００で反射した反射光として受光素子に受光されるまでの時間を測定することで、光学装置から対象物までの距離を測定することができる。

次に、本発明の第２の実施例にかかる光学装置を図５及び図６を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施例にかかる光学装置１Ａは、図５に示したように、光源２と、コリメートレンズ３と、ビームスプリッタ４と、ＭＥＭＳミラー７と、投受光レンズ８と、集光レンズ９と、受光素子１０と、回折格子１５と、回折格子１６と、を備えている。

光源２と、コリメートレンズ３と、ビームスプリッタ４と、ＭＥＭＳミラー７と、投受光レンズ８と、集光レンズ９と、受光素子１０と、は第１の実施例と同様である。

本実施例では、回折格子が２か所に配置されている。第１光学部材としての回折格子１５は、コリメートレンズ３とビームスプリッタ４との間に配置され、第２光学部材としての回折格子１６は、ビームスプリッタ４と集光レンズ９との間に配置されている。つまり、回折格子１５は、投光時の光路に配置され、入射した光を、その波長に応じた方向に導くことで、出射光を照射手段に導いている。回折格子１６は、受光時の光路に配置され、対象物１００で反射した反射光を、その波長に応じた方向に導くことで、反射光を受光素子１０に導いている。即ち、回折格子１５、１６は、それぞれ異なる光路に配置されている。また、回折格子１５、１６は溝ピッチ等の光学特性が同じものである。

また、本実施例では、波長変動の範囲において光源２と受光素子１０が共役の関係となるように配置する。これは、同じ回折格子を２つ用いて、回折格子１５へ入射したレーザ光がビームスプリッタ４の方向へ回折される回折角と、ビームスプリッタ４から回折格子１６への入射角が等しくなるように配置するのが好適である。

ここで共役の関係とは、本来は投光時と受光時とでＭＥＭＳミラー７の角度が変化していないときに、光源２から発した光の反射光が受光素子１０に到達することを意味する。しかし、実際はレーザ光がＭＥＭＳミラー７で対象物１００に向けて反射されるときと、レーザ光の反射光が対象物１００から戻ってきたときとでは、ＭＥＭＳミラー７の角度は僅かに異なっており、その影響によりレーザ光の反射光の集光位置は共役な位置から僅かにずれる。そのため、本実施例における共役の関係には、この僅かなずれの大きさと向きを加味して配置するものも含める。僅かなずれの大きさは、受光素子１０の位置をＭＥＭＳミラーの速度や対象物１００までの距離、レーザ光の反射光の通る光学系によって求めることができる。或いは、受光素子１０をずらして配置することではなく、ずれ量を見込んで受光素子１０の開口径を大きくしてもよい。

光源２からパルス状に出射したレーザ光はコリメートレンズ３で平行光とされた後、回折格子１５でレーザ光の波長に応じた回折角で回折し、ビームスプリッタ４を通過した後、ＭＥＭＳミラー７で反射され、投受光レンズ８により光学装置１Ａの外部に向けて照射される。このとき、各々の照射のタイミング毎にＭＥＭＳミラー７の角度を変化させることにより対象物１００が存在する領域に向けて照射される位置を時間的に変化させることができ、水平方向および垂直方向の走査が行われる。

対象物１００で反射されたレーザ光の反射光は、投受光レンズ８で受光された後、ＭＥＭＳミラー７で反射され、ビームスプリッタ４で反射されて、回折格子１６に入射する。回折格子１６で回折されたレーザ光の反射光は集光レンズ９により受光素子１０上に集光される。

光源２の中心波長がシフトした場合の光路は図６の実線のようになる。回折格子１５による回折角が変化すると、対象物１００で反射されたレーザ光の反射光は、回折格子１５でレーザ光を回折させた回折角と同じ角度で回折格子１６に入射し、波長が変動する前と同じ方向の回折角となる。その結果受光素子１０の同じ位置に集光することができる。

即ち、レーザ光の反射光は、光源２が出射したレーザ光（出射光）が回折格子１５の回折角と同じ角度で回折格子１６に入射し、レーザ光（出射光）が回折格子１５に入射した入射角と同じ角度で回折格子１６により導かれる。

本実施例によれば、光源２と受光素子１０とは共役の関係になるように配置され、回折格子１５と回折格子１６とは異なる光路に配置されていている。このようにすることにより、回折格子１５の出射角と回折格子１６の入射角が同じになり、光源２の波長が変化しても受光素子１０へ導くことができる。

また、上述した第１、第２の実施例では、対象物１００に照射するレーザ光は点状のものとして説明したが、強度分布が均一な線状の光（即ち、光束断面が帯状の光であるラインビーム）としてもよい。このようなラインビームは、例えばシリンドリカルレンズ等を用いることで生成することができる。また、ラインビームを使用した際の受光素子は、ラインビームを受光できるように、ラインビームの伸長方向に沿って複数の受光素子が１列に並んで形成されたラインセンサを用いるとよい。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の光学装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１、１Ａ光学装置
２光源（出射部）
５回折格子（第１光学部材）
７ＭＥＭＳミラー（照射手段）
１０受光素子（受光部）
１５回折格子（第１光学部材）
１５回折格子（第２光学部材）
１００対象物

Claims

出射光を出射する光源と、
機械的に駆動され、前記出射光を所定の範囲に向けて照射させる照射手段と、
前記照射手段に照射された前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、
前記光源から前記照射手段への前記出射光の光路上に配置され、入射した光を、その波長に応じた回折角で回折させることで、前記出射光を前記照射手段に導くとともに、前記反射光を前記受光部に導く回折格子と、を有し、
前記反射光が前記回折格子へ入光する光路と、前記出射光が前記回折格子で導かれる光路が同一となるとともに、前記反射光が前記回折格子で回折され前記受光部に導く光路と、前記出射光が前記回折格子に入射する光路が同一となる、
ことを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置を有し、
前記出射光の出射から、前記受光部による前記出射光の受光までに要した時間に基づき、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。