JP2022093723A

JP2022093723A - 光学装置

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Publication number: JP2022093723A
Application number: JP2022076860A
Authority: JP
Inventors: 直治梁川; Naoharu Yanagawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2022-06-23
Also published as: JP2019113376A

Abstract

【課題】測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる光学装置を提供する。【解決手段】レーザ装置２から内部に出射された光を、フィルタ部３を介して受光部４によって受光し、この受光結果に基づいてフィルタ部３の透過波長域を調節することにより、レーザ装置２の出射光の波長（レーザ波長λLD）が変化した場合であっても、反射光を受光することができる。このとき、内部に出射された光を利用することで、測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置に関する。

一般に、レーザ等の光を出射するとともに対象物による反射光を受光することにより、出射から受光までに要する伝播時間に基づき、対象物までの距離を測定する方法が知られている。このように光学的に距離を測定する際、反射光以外の外光も受光してしまうことがあり、ノイズの原因となっていた。そこで、光学的な距離測定方法を用いた装置として、特定周波数成分除去手段を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された装置では、所定の条件下で受信信号から特定周波数成分を除去することにより、ノイズの低減を図っている。

特開２０１２－２２０４６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように受信信号から特定の周波数成分を除去するためには種々の判断をしなければならず、複雑な制御が必要になるという不都合があった。そこで、所定の波長域の光を透過させるフィルタ部を用いることにより、ノイズとなる外光を除去し、反射光のみを受光する方法が考えられる。

このとき、フィルタ部の透過波長域が狭いほどノイズを除去しやすいものの、レーザ装置等の出射部は、温度によって出射光の波長が変化することがあり、温度によっては反射光がフィルタ部を通過できなくなってしまう可能性がある。そこで、出射されて対象物に向かう光の一部を受光することで波長変化をモニタリングする方法が考えられるものの、受光した光が対象物の測定に利用できなくなり、測定効率（出射部の消費エネルギーに対する反射光の強度）が低下してしまう。

したがって、本発明の課題は、測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる光学装置を提供することが一例として挙げられる。

前述した課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の光学装置は、光を内部及び外部に出射する出射部と、光の透過波長域が可変であるとともに、前記外部に出射された光が対象物により反射された反射光、及び、前記内部に出射された光が入射するフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を受光する受光部と、前記内部に出射された光の前記受光部による受光結果に基づき、前記フィルタ部の透過波長域を調節する制御部と、を備えることを特徴としている。

本発明の第１実施例に係る光学装置を示すブロック図である。前記光学装置においてフィルタ部の透過波長域を調節する第１の調節方法の一例を示すフローチャートである。前記光学装置の出射部が出射する光の強度分布を示すグラフである。前記フィルタ部の透過波長域を時間変化させた際の受光強度の変化の一例を示すグラフである。前記フィルタ部の透過波長域を時間変化させた際の受光強度の変化の他の一例を示すグラフである。前記光学装置においてフィルタ部の透過波長域を調節する第２の調節方法の一例を示すフローチャートである。本発明の第２実施例に係る光学装置を示すブロック図である。本発明の第１の変形例に係る光学装置を示す側面図である。本発明の第２の変形例に係る光学装置を示す側面図である。前記出射部がパルス光を出射するタイミングを示すグラフである。前記光学装置においてフィルタ部の透過波長域を調節する他の調節方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係る光学装置は、光を内部及び外部に出射する出射部と、光の透過波長域が可変であるとともに、外部に出射された光が対象物により反射された反射光、及び、内部に出射された光が入射するフィルタ部と、フィルタ部を透過した光を受光する受光部と、内部に出射された光の受光部による受光結果に基づき、フィルタ部の透過波長域を調節する制御部と、を備える。

出射部は、光を内部及び外部に出射するものであり、外部に出射された光のみが対象物の測定に用いられる。このとき、内部に出射される光と外部に出射される光とは、波長が等しい。内部に出射された光を、フィルタ部を介して受光部によって受光し、この受光結果に基づいてフィルタ部の透過波長域を調節することにより、出射部が出射する光の波長が変化した場合であっても、反射光を受光することができる。このとき、内部に出射された光を利用することで、測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる。ここで、外部とは光学装置の外部であり、内部とは光学装置の内部である。また、外部に出射される光とは、例えば前方出射光であり、内部に出射される光とは、例えば後方出射光である。

制御部は、フィルタ部の透過波長域を時間変化させた際の受光部の受光強度の変化に基づき、フィルタ部の最適な透過波長域を決定することが好ましい。

内部に出射される光の強度は、所定の波長（出射波長）において最大となり、出射波長からずれた波長においては急激に低下する分布を示す。即ち、フィルタ部の透過波長域を時間変化させると、受光強度は、透過波長域が出射波長に近づくにしたがって上昇し、遠ざかるにしたがって低下する。透過波長域を、出射波長を含む状態から含まない状態に変化させ、再び含まない状態に変化させた場合、受光強度は一旦上昇した後、下降に転じる。一方、透過波長域を変化させても出射波長が含まれない場合には、受光強度の時間変化は単調増加又は単調減少となる。従って、透過波長域を時間変化させた際の受光強度に基づき、出射波長を推定し、最適な透過波長域を決定することができる。

出射部は、内部に出射された光の受光部による受光強度が一定となるように出射強度が制御され、制御部は、出射部の消費電力が最小となるように、フィルタ部の透過波長域を調節してもよい。

出射波長が透過波長域に含まれる場合には、内部に出射された光はフィルタ部を透過して受光部によって受光され、所定の受光強度が得られる。一方、出射波長が透過波長域から外れている場合には、内部に出射された光が受光部によって受光されにくく、受光強度が低下する。このとき、受光強度を一定に保つためには、出射強度を上昇させる必要があり、消費電力も大きくなっていく。従って、出射部の消費電力が最小となるように、フィルタ部の透過波長域を調節すれば、出射波長を含むように最適な透過波長域を設定することができる。

内部に出射された光を、フィルタ部に向かう光と他の方向に向かう光とに分離する分離部と、他の方向に向かう光を受光する比較受光部と、をさらに備え、制御部は、受光部による受光強度と、比較受光部による受光強度と、の比較に基づき、フィルタ部の透過波長域を調節してもよい。

受光部によってフィルタ部を介した光が受光され、比較受光部によってフィルタ部を介さない光が受光される。分離部によって分離される２つの光の強度が略等しいと仮定すると、出射波長が透過波長域に含まれる場合には、受光部による受光強度と比較受光部による受光強度とが略等しくなる。一方、出射波長が透過波長域に含まれない場合には、受光部による受光強度は、比較受光部による受光強度よりも低くなる。従って、受光強度同士の比較（差又は比率の算出）に基づいてフィルタ部の透過波長域を調節すれば、出射波長を含むように最適な透過波長域を設定することができる。尚、分離部によって分離される２つの光の強度が互いに異なる場合、受光強度を適宜補正して比較すればよい。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

［第１実施例］
本実施例の光学装置１Ａは、図１に示すように、出射部としてのレーザ装置２と、フィルタ部３と、受光部４と、温度センサ５と、判断処理部６、を備える。光学装置１Ａは、例えば移動体としての車両に搭載され、車外にレーザを出射することにより、他車両や路上設置物、歩行者等を対象物として、対象物との距離を測定したり、対象物の形状を検出したりするために用いられる。

レーザ装置２は、例えば半導体レーザであって、電圧が印加されることによってレーザ光を出射する。レーザ装置２の素子の両端面には、入射する光の一部を透過（反射）し、残りを反射（透過）するミラーが設けられている。出射されたレーザ光はこのミラーに入射し、透過および反射される。このように増幅された光がミラーを通過して放射される。このとき、一方のミラーの方が他方のミラーよりも透過容易となっており、一方のミラー（即ち透過容易なミラー）を通過する光が、外部に出射される光となり、他方のミラーを通過する光が、内部に出射される光となる。また、この一方側をレーザ装置２の前方側とし、他方側を後方側とする。レーザ装置２が出射する光は、例えば赤外線であればよい。

レーザ装置２は、レーザドライバ２１によって制御されるとともに、オートパワーコントローラ２２によって、後述する受光部４による後述する受光強度が一定となるように出射強度が制御されている。このとき、レーザ装置２を駆動するための電流（レーザ駆動電流）は、レーザ駆動電流モニタ２３によって測定される。

フィルタ部３は、光の透過波長域が可変な波長可変フィルタであって、波長可変フィルタ制御部３１によって、透過波長域が調節されるようになっている。また、フィルタ部３はレーザ装置２の後方側に配置されており、レーザ装置２から内部に出射された光がフィルタ部３に入射して通過しようとする。また、フィルタ部３は、レーザの出射方向から見てレーザ装置２よりも面積が大きい。これにより、外部に出射された光が対象物により反射された反射光は、受光部４に向かって進行し、一部がレーザ装置２によって遮られるものの、他部はフィルタ部３を通過しようとする。

受光部４は、所定の範囲の波長の光を受光可能な受光素子であって、フィルタ部３の後方側に配置されている。即ち、前方側から後方側に向かって、レーザ装置２と、フィルタ部３と、受光部４と、がこの順に配置されている。また、レーザの出射方向から見た受光部４の面積は、フィルタ部３の面積と同等以下となっており、受光部４はフィルタ部３を透過した光のみを受光するようになっている。受光部４は光を電気信号に変換して出力し、この電気信号が受光素子Ｉ／Ｖ変換増幅部４１によって増幅される。尚、各光学部品の大きさは、光学系内にレンズ等を配置することで適宜設計可能である。例えば、波長フィルタや受光素子は一般的に小さい方が安価で高性能なため、光路中に適宜集光レンズを配置し、最適に設計することも可能である。

温度センサ５は、レーザ装置２の温度を測定するものであり、測定結果を電気信号として出力し、この電気信号が温度センサ出力増幅部５１によって増幅される。

判断処理部６は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリを備えたＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成され、光学装置１Ａの全体制御を司り、制御部として機能する。判断処理部６は、レーザ駆動電流モニタ２３、受光素子Ｉ／Ｖ変換増幅部４１および温度センサ出力増幅部５１から情報を取得（信号を受信）するとともに、波長可変フィルタ制御部３１に対して制御信号を送信し、フィルタ部３の透過波長域を調節する。

以下、判断処理部６がフィルタ部３の透過波長域を調節する方法の具体例について説明する。尚、受光部４は内部に出射された光だけでなく反射光も受光するものの、内部に出射された光の受光強度の方が充分に高いことから、透過波長域を調節する際には、内部に出射された光の受光強度を考慮すれば充分である。

第１の調節方法として、判断処理部６は、フィルタ部３の透過波長域を時間変化させた際の受光部４の受光強度の変化に基づき、フィルタ部３の最適な透過波長域を決定すればよい。即ち、図２に示すように、判断処理部６は、オートパワーコントローラ２２によってレーザ装置２を一定パワー制御し（ステップＳ１）、温度センサ出力増幅部５１により取得した情報に基づき温度が変化したか否かを判定し（ステップＳ２）、温度が変化した場合に（ステップＳ２でＹ）、受光強度が最大となるようにフィルタ部３の波長中心値λ_fを調節する（ステップＳ３）。尚、フィルタ部３の波長中心値λ_fとは、透過波長域の中心となる値である。

ここで、上記のステップＳ３の具体例について説明する。レーザ装置２の出射光の強度は、図３に示すように、レーザ波長λ_LDにおいて最大となり、レーザ波長λ_LDから離れた波長において急激に低下する分布を示す。このとき、フィルタ部３の波長中心値λ_fを、レーザ波長λ_LDに対して±Δλの範囲において往復するように時間変化させると、受光強度は、図４に示すように時間変化する。即ち、波長中心値λ_fがレーザ波長λ_LDと一致する際に受光強度が極大となり、λ_f＝λ_LD±Δλとなる際に受光強度が最小となる。従って、受光強度の周期は、波長中心値λ_fを時間変化させる周期の半分となる。

一方、フィルタ部３の波長中心値λ_fを、レーザ波長λ_LDを含まないように２Δλの範囲において往復するように時間変化させると、受光強度は、図５に示すように時間変化する。即ち、波長中心値λ_fがレーザ波長λ_LDに最も近くなる（図示の例ではこの範囲の最
大値λ_maxとなる）際に受光強度が極大となり、波長中心値λ_fがレーザ波長λ_LDから最も離れる（図示の例ではこの範囲の最小値λ_minとなる）際に受光強度が最小となる。従って、受光強度の周期は、波長中心値λ_fを時間変化させる周期と一致する。

このように、受光強度の周期に基づいて、波長中心値λ_fを変化させた際に透過波長域
にレーザ波長λ_LDが含まれるか否かを判断することができる。レーザ波長λ_LDが含まれる場合には、レーザ波長λ_LDを特定することができる。一方、レーザ波長λ_LDが含まれない場合には、受光強度が単調増加するか単調減少するかに基づき、透過波長域がレーザ波長λ_LDに対して長波長側に位置するか短波長側に位置するかを判断することができ、範囲をずらして再び波長中心値λ_fを変化させればよい。

第２の調節方法として、内部に出射された光の受光部４による受光強度が一定となるようにレーザ装置２の出射強度が制御された状態において、判断処理部６は、レーザ装置２の消費電力が最小となるように、フィルタ部３の透過波長域を調節すればよい。即ち、図６に示すように、判断処理部６は、オートパワーコントローラ２２によってレーザ装置２を一定パワー制御し（ステップＳ４）、温度センサ出力増幅部５１により取得した情報に基づき温度が変化したか否かを判定し（ステップＳ５）、温度が変化した場合に（ステップＳ５でＹ）、レーザ駆動電流モニタ２３により得られた駆動電流が上昇したか否かを判定する（ステップＳ６）。尚、レーザ装置２に印加される電圧は一定であり、駆動電流が上昇すれば消費電力も上昇する。

レーザ駆動電流モニタ２３により得られた駆動電流が上昇した場合（ステップＳ６でＹ）、判断処理部６は、波長中心値λ_fを長波長側にシフトさせ（ステップＳ７）、レーザ駆動電流モニタ２３により得られた駆動電流が下降した場合（ステップＳ６でＮ）、判断処理部６は、波長中心値λ_fを短波長側にシフトさせる（ステップＳ８）。判断処理部６は、ステップＳ６～Ｓ８を繰り返し実行し、駆動電流が最小になったら、波長中心値λ_fの調節を終了する（ステップＳ９）。このように、レーザ装置２の駆動電流が最小となるように（消費電力が最小となるように）フィルタ部３の透過波長域を調節すれば、レーザ波長λ_fを含むように最適な透過波長域を設定することができる。

上記の構成により、レーザ装置２から内部に出射された光を、フィルタ部３を介して受光部４によって受光し、この受光結果に基づいてフィルタ部３の透過波長域を調節することにより、レーザ装置２の出射光の波長（レーザ波長λ_LD）が変化した場合であっても、反射光を受光することができる。このとき、内部に出射された光を利用することで、測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる。

［第２実施例］
本実施例の光学装置１Ｂは、図７に示すように、出射部としてのレーザ装置２と、フィルタ部３と、受光部４と、判断処理部６、分離部７と、比較受光部８と、を備える。尚、光学装置１Ｂは温度センサ５を備えていてもよい。

分離部７は、レーザ装置２とフィルタ部３との間に配置され、レーザ装置２から内部に出射された光を、フィルタ部３に向かう光と、他の方向に向かう光と、に分離する。

比較受光部８は、所定の範囲の波長の光を受光可能な受光素子であって、分離部７によって分離されて他の方向に向かう光を受光するように配置される。即ち、比較受光部８は、レーザ装置２から内部に出射された光を、フィルタ部３を介さずに受光する。

受光部４及び比較受光部８は、受光に応じて電気信号を判断処理部６に送信する。尚、この電気信号は適宜に増幅されてもよい。このように電気信号を増幅する場合、分離部７によって分離される２つの光の強度比に応じた増幅率とすればよい。以下では、光がフィルタ部３を透過する場合に、判断処理部６が受光部４から受信する信号強度と、判断処理部６が比較受光部８から受信する信号強度と、が略等しいものとする。

以下、判断処理部６がフィルタ部３の透過波長域を調節する方法の具体例について説明する。第３の調節方法として、判断処理部６は、受光部４による受光強度と、比較受光部８による受光強度と、の比較に基づいてフィルタ部３の透過波長域を調節する。レーザ波長λ_LDと、フィルタ部３の波長中心値λ_fとが略一致する場合、内部に出射されてフィルタ部３に向かう光はフィルタ部３を透過し、受光部４による受光強度と比較受光部８による受光強度とが略等しくなる。一方、レーザ波長λ_LDと、フィルタ部３の波長中心値λ_fとがずれている場合、内部に出射されてフィルタ部３に向かう光はフィルタ部３を透過することができず、受光部４による受光強度が、比較受光部８による受光強度よりも低くなる。従って、判断処理部６は、これらの受光強度比を１に近づけるようにフィルタ部３の透過波長域を調節してもよいし、これらの受光強度比の差を０に近づけるようにフィルタ部３の透過波長域を調節してもよい。

上記の構成により、レーザ装置２から内部に出射された光を、フィルタ部３を介して受光部４によって受光し、この受光結果に基づいてフィルタ部３の透過波長域を調節することにより、第１実施例と同様に、測定効率の低下を抑制しつつノイズを除去することができる。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記第１実施例では、受光部４が、レーザ装置２から内部に出射された光と、反射光と、の両方を１部品によって受光するものとしたが、これらの光を異なる部品によって受光してもよい。例えば第１の変形例の光学装置１Ｃとして図８に示すように、内部に出射された光を受光するための受光部である第１受光素子４Ｂと、反射光を受光するための受光部である第２受光素子４Ｃと、を備えた構成としてもよい。尚、レーザの出射方向から見て、第２受光素子４Ｃの面積は、第１受光素子４Ｂの面積よりも充分に大きく、且つ、フィルタ部３の面積と同等以下となっている。

また、前記第１実施例では、レンズ等によって光が集光されることなく受光部４が受光するものとしたが、集光レンズを設けてもよい。例えば第２の変形例の光学装置１Ｄとして図９に示すように、第１受光素子４Ｂと第２受光素子４Ｃとの間に集光レンズ９を設けた構成としてもよい。集光レンズ９は、反射光を集光するためのものであり、第２受光素子４Ｃの受光面の面積を小さくすることができる。尚、１つの受光部のみを有する構成においてレンズを設けてもよいし、フィルタ部の前後にレンズを設けてもよい。これにより、各部材を適宜に小面積化することができる。

また、前記第１実施例では、フィルタ部３の透過波長域を調節する場合に、レーザ装置２の駆動電流に応じた補正を行っていないが、レーザ装置２の駆動電流に応じて、フィルタ部３の透過波長域を補正してもよい。この補正方法について、レーザ装置２がパルス光を出射するタイミングと併せて以下に説明する。

レーザ装置２は、パルス光を所定の時間間隔で出射しつつ、対象物上で照射位置を走査する。図１０に示す例では、１０ｎｓｅｃの幅のパルス光を、１μｓｅｃ間隔で出射しており、複数のパルス光によってパルス群が構成される（２００ｍｓｅｃ）。１つのパルス群において、連続線（直線、曲線、ジグザグ線）上で照射位置を走査し、走査開始位置を変更する際にレーザをオフとし（２０ｍｓｅｃ）、再び他のパルス群において照射位置を走査する。

このようなレーザ光の走査に先行して（図示の例では５００ｍｓｅｃ先）、レーザ装置２は１つのパルス群を出射する。このパルス群において、オンとなる１０ｎｓｅｃにおいて受光部４が受光可能な場合には、前記第１実施例のように駆動電流に応じた補正を行わなくてもよい。

パルス群においてオフとなる１μｓｅｃにおいても、レーザ装置２に対しては所定の駆動電流が供給されており、内部に出射される光も存在する。従って、パルス群においてオフとなるタイミングにおいて受光部４が受光し、この受光結果に基づいてフィルタ部３の透過波長域を調節してもよい。このとき、オフとなる場合の駆動電流と、オンとなる場合の駆動電流と、の差によってレーザ装置２のレーザ波長λ_LDが変化することがある。このとき、以下に説明するように、フィルタ部３の透過波長域を補正すればよい。

判断処理部６は、図６に示す第２の調節方法におけるステップＳ４～Ｓ９と同様のステップＳ１０～Ｓ１５を実行する。その後、判断処理部６は、実使用光出力パルスの電流増加分を算出する（ステップＳ１６）。実使用光出力パルスの電流増加分とは、パルスがオンとなる場合とオフとなる場合とにおける駆動電流の差である。次に、判断処理部６は、実使用光出力パルスの電流増加分に応じて、波長中心値λ_fを補正する（ステップＳ１７）。電流増加分と波長中心値λ_fの補正量との関係は、数式やテーブルとして予め記憶されていればよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施例に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施例に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１Ａ、１Ｂ光学装置
２レーザ装置（出射部）
３フィルタ部
４受光部
６判断処理部（制御部）
７分離部
８比較受光部

Claims

光を内部及び外部に出射する出射部と、
光の透過波長域が可変であるとともに、前記外部に出射された光が対象物により反射された反射光、及び、前記内部に出射された光が入射するフィルタ部と、
前記フィルタ部を透過した光を受光する受光部と、
前記内部に出射された光の前記受光部による受光結果に基づき、前記フィルタ部の透過波長域を調節する制御部と、を備え、
前記出射部は、前記内部に出射された光の前記受光部による受光強度が一定となるように出射強度が制御され、
前記制御部は、前記出射部の消費電力が最小となるように、前記フィルタ部の透過波長域を調節することを特徴とする光学装置。
光を内部及び外部に出射する出射部と、
光の透過波長域が可変であるとともに、前記外部に出射された光が対象物により反射された反射光、及び、前記内部に出射された光が入射するフィルタ部と、
前記フィルタ部を透過した光を受光する受光部と、
前記内部に出射された光の前記受光部による受光結果に基づき、前記フィルタ部の透過波長域を調節する制御部と、
前記内部に出射された光を、前記フィルタ部に向かう光と他の方向に向かう光とに分離する分離部と、
前記他の方向に向かう光を受光する比較受光部と、を備え、
前記制御部は、前記受光部による受光強度と、前記比較受光部による受光強度と、の比較に基づき、前記フィルタ部の透過波長域を調節することを特徴とする光学装置。