JP2022152236A - Measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定装置に関する。 The present invention relates to measuring devices.
LiDAR(Light Detection and Ranging)などの距離測定システムでは、パルス状のレーザー光を投光してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物までの距離を測定するTOF方式(Time of flight)が知られている。また、LiDARなどの距離測定システムでは、レーザー光を走査させて広い範囲で計測することも行われている。例えば特許文献1には、レーザー光を2次元走査させる距離測定システムが記載されている。
Distance measurement systems such as LiDAR (Light Detection and Ranging) use the TOF method ( Time of flight) is known. Further, in distance measurement systems such as LiDAR, laser light is scanned to measure over a wide range. For example,
LiDARなどの距離測定システムを灯具などの筐体内に搭載する場合、距離測定システムを構成する装置類を狭い空間に配置する必要がある。しかし、灯具などの器具から発生する熱の作用に加え、密閉された狭い空間で熱の逃げ場がないため、筐体内の温度上昇が生じやすい。温度の上昇が装置類の性能に影響し、距離測定システムの性能低下や故障が発生する虞があった。 When a distance measurement system such as LiDAR is mounted in a housing such as a lamp, it is necessary to arrange devices constituting the distance measurement system in a narrow space. However, in addition to the effects of heat generated from fixtures such as lamps, the temperature inside the housing tends to rise because there is no place for heat to escape in a closed narrow space. A rise in temperature affects the performance of the devices, and there is a risk that the performance of the distance measurement system may deteriorate or malfunction.
本発明は、上記点に鑑み、高い性能を維持可能な測定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a measuring apparatus capable of maintaining high performance.
上記目的を達成するため、本発明は一態様として、対象物に光を照射し、前記対象物に反射された光を受光する投受光光学系と、前記投受光光学系に光を供給する光源と、前記投受光光学系が受光した光を検出する検出器と、前記投受光光学系と、前記光源及び前記検出器の少なくとも1つとの間で光を伝送する伝送路と、を備える測定装置を提供する。 In order to achieve the above object, as one aspect of the present invention, there is provided a projecting/receiving optical system for irradiating an object with light and receiving the light reflected by the object, and a light source for supplying light to the projecting/receiving optical system. a detector for detecting light received by the light projecting/receiving optical system; and a transmission line for transmitting light between the light projecting/receiving optical system and at least one of the light source and the detector. I will provide a.
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。 In addition, the problems disclosed by the present application and their solutions will be clarified by the description of the mode for carrying out the invention and the drawings.
本発明によれば、高い性能を維持可能な測定装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the measuring apparatus which can maintain high performance is provided.
<第1実施形態>
以下、本発明を実施するための一形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。
<First Embodiment>
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, it demonstrates, referring drawings for one form for implementing this invention. In the following description, the same or similar configurations may be denoted by common reference numerals, and redundant description may be omitted.
<測定装置について>
図1は、本発明の第1実施形態である測定装置1及び車両70の説明図である。測定装置1は、対象物90の表面を測定するための装置であり、車両70に搭載される。
<About the measuring device>
FIG. 1 is an explanatory diagram of a
以下の説明では、図1に示すように各方向を定めている。受光光学系32(若しくは投光光学系31)の光軸に沿った方向をZ方向とする。なお、測定装置1の測定対象となる対象物90は、測定装置1に対してZ方向に離れていることになる。また、Z方向に垂直な方向であって、投光光学系31と受光光学系32の並ぶ方向をX方向とする。また、Z方向及びX方向に垂直な方向をY方向とする。特にZ方向については、車両70の進行方向に基づいて前方、後方を定める。
In the following description, each direction is defined as shown in FIG. The direction along the optical axis of the light receiving optical system 32 (or the light projecting optical system 31) is defined as the Z direction. Note that the
車両70はヘッドランプ71及びバンパー72を備えており、測定装置1は、ヘッドランプ71の筐体71Aの内外にまたがって設置される。筐体71Aは、図1などに示すように、略直方体形状の中空部材である。ヘッドランプ71は、車両70の前照光源として機能するLED(Light Emitting Diode)71Bを備えており、LED71Bは、筐体71Aの後部側壁に支持される。なお、車両70の前照光源としてLED71Bではなく、LED以外のLD(レーザーダイオード)、有機又は無機EL(エレクトロルミネセンス)等の半導体発光素子であっても良い。また、ハロゲンランプまたはHIDランプ(High Intensity Discharge lamp)であっても良い。
A
測定装置1は、光源10からレーザー光をヘッドランプ71の前方へ射出し、対象物90の表面で反射した反射光を検出し、検出結果に基づいて、対象物90までの距離を算出する。
The
測定装置1は光源10と、検出器20と、投受光光学系30と、コントローラー40と、スキャナ50と、光ファイバ60、61とを備える(図2)。
The
光源10は、電気信号を光信号に変換する発光素子を備える。例えば、光源10は、発光素子としてLDチップ(LD:Laser Diode)を備え、レーザー光を射出する。本実施形態では、光源10によるレーザー光の射出する方式は、パルス型、連続照射型のいずれの構成も考えられる。光源10が備える発光素子の数は、装置の構成、設計条件等に応じて適宜設定される。
The
検出器20は、受光光学系32から光ファイバ61を介して受光し、電気信号に変換する装置である。検出器20は、受光素子として例えばPDチップ(Photodiode)を備えており、受光を可能としている。検出器20が備える受光素子の数は、装置の構成、設計条件等に応じて適宜設定される。検出器20は、受光素子から出力される信号を電気信号として出力する回路をさらに備える。出力された電気信号は、コントローラー40によって受信、解析される。
The
なお、詳細は後述するが、光源10及び検出器20は、必ずしも両方が筐体71Aの外部に配置されるとは限らない。どちらか一方が筐体71Aの内部に配置される構成としてもよい。
Although the details will be described later, both the
投受光光学系30は、光源10から出力されるレーザー光を対象物90に向かって照射するとともに、対象物90からの反射光を検出器20に受光させるための光学系である。投受光光学系30は、投光光学系31と、受光光学系32とを有する。
The light projecting/receiving
投光光学系31は、光源10から出力されるレーザー光を対象物90に向かって照射するための光学系である。投光光学系31は、光源10から射出されたレーザー光を、光ファイバ60を介して受け取り、コリメート光として対象物90に照射する。光源10と投光光学系31との位置関係に応じた所定の方向(所定の角度)にコリメート光が照射されることになる。光源10は投光光学系31を介して対象物90に光を照射することになる。投光光学系31は、1以上(例えば5~7枚)のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されており(図2では、投光光学系31のレンズ群が簡易的に示されている)、特に、光ファイバ60の前側端部と対向するコリメートレンズを備える。
The light projecting
受光光学系32は、対象物90からの反射光を検出器20に受光させるための光学系である。受光光学系32の焦点面内に検出器20が配置されている。受光光学系32に入射した反射光は、光ファイバ60を介して伝送され、検出器20に受光される。受光光学系32も、投光光学系31と同様に、1以上(例えば5~7枚)のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている(図2では、受光光学系32のレンズ群が簡易的に示されている)。
The light receiving
スキャナ50は、投受光光学系30に対する光源10の位置関係を変化させ、レーザー光の照射される角度を変化させることにより、レーザー光を走査させる機能を有する。
The
スキャナ50の構成及びレーザー光の走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、スキャナ50が、ガルバノスキャナやMEMSミラー等のように、回転または移動する鏡を備え、この鏡にレーザー光を反射させてレーザー光を走査させる構成とすることができる。鏡は、1以上の平面鏡でもよいし、多面体形状に形成されてもよい。
As for the configuration of the
あるいは、スキャナ50がモータ等の駆動装置を備え、投光光学系31をXY方向に移動させることによってレーザー光を走査させてもよい。これは、測定装置1がフェーズドアレイ方式によるモニタリングを行う場合等において採用される方法である。
Alternatively, the
走査されたレーザー光は、筐体71Aを通って車両70の外部へ照射される。レーザー光の走査は、走査の軌跡がリサージュ曲線等の幾何学形状を描くように実行される場合や、X方向(又はY方向)のライン走査をY方向(又はX方向)にずらして複数回行うことによって実行される場合など、様々な方法に基づいて実行される。2次元へ走査するだけではなく、1次元方向への走査が行われるだけでも良い。また、走査が行われなくても良い。走査を行わない場合、測定装置1はスキャナ50を備えていなくても良い。
The scanned laser light is irradiated to the outside of the
コントローラー40は、測定装置1の制御を司る制御部であり、光源10及び検出器20のそれぞれと電気的に接続する。コントローラー40は、光源10からのレーザー光の出射を制御する。また、コントローラー40は、検出器20の出力信号に基づいて、対象物90までの距離を算出する。
The
コントローラー40は、演算装置41と、記憶装置42とを有する。演算装置41は、例えばCPU、GPUなどの演算処理装置である。記憶装置42は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置42に記憶されているプログラムを演算装置41が実行することにより、演算装置41は、光源10からのレーザー光の出射を制御するとともに、検出器20の出力信号に基づいて、対象物90までの距離を算出する。また、演算装置41は、検出器20の出力信号に基づいて、対象物90の表面のX,Y,Z座標を算出する。
The
演算装置41は、光源10及び検出器20を制御することによって、例えば、TOF方式(Time of flight)により対象物90までの距離を測定する(対象物90の表面の座標を測定する)。一例として、以下ではTOF方式による測定を説明するが、この場合の演算装置41は、光源10からレーザー光を投光してから、検出器20が反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物90までの距離を測定する。また、所定の方向にレーザー光が照射され、所定の方向の反射光を受光することを利用して、対象物90の表面のX,Y,Z座標を測定可能である。
The
演算装置41は、取得した座標データを記憶装置42に記憶しても良いし、外部の記憶装置に記憶しても良い。対象物90の表面上の多数の点のX,Y,Z座標のデータは、対象物90の表面の3次元画像(点群:点クラウド)を示すデータとなる。演算装置41は、記憶装置42に記憶されているプログラムを演算装置41が実行することにより、記憶装置42に記憶された3次元画像に基づいて、対象物90の解析を行っても良い。
The
光ファイバ60、61は、光を伝送するための伝送路として機能する部材であり、筐体71Aの後部側壁を貫通し、筐体71Aの内外部に亘って設置される。このような配置とすることによって、ヘッドランプ71の後方にコントローラー40などの部材を配置することが可能となる。筐体71Aの外部に一部の部材を配置することにより、LED71Bから発生する熱の影響による、測定装置1の、特にPDまたはLDの性能低下を防止または低減させることができる。また、測定装置1全体を筐体71Aの内部に収める必要が無いため、筐体71Aの寸法の制限を受けずに測定装置1の設計を行うことが可能となる。
The
光ファイバ60は、投光光学系31と光源10との間で光の伝送を行い、光ファイバ61は、受光光学系32と検出器20との間で光の伝送を行う。具体的には、光源10から出射したレーザー光は光ファイバ60によって前方に伝送されて、投光光学系31に到達する。投光光学系31を出射したレーザー光は、スキャナ50によって走査されながら、対象物90へ向けて照射される。対象物90からの反射光は受光光学系32に受光される。受光光学系32から出射したレーザー光は光ファイバ61によって後方に伝送され、検出器20に受光、検出される。
The
なお測定装置1は、図3に示すように、光ファイバ60、61のどちらかだけを備え、光源10及び検出器20のいずれかが筐体71Aの外部に配置される構成とすることもできる。このような構成としても、測定装置1の一部が筐体71Aの外部に配置されるため、LED71B、特にその制御基板から発生する熱の影響、及び測定装置1自体から発生する熱の影響による、測定装置1の性能低下を防止または低減させることができる。また、測定装置1全体を筐体71Aの内部に収める必要が無いため、筐体71Aの寸法の制限を受けずに測定装置1の設計を行うことが可能となる。
As shown in FIG. 3, the measuring
<第2実施形態>
第1実施形態においては、光ファイバ60、61によって投受光光学系30と光源10及び検出器20とが接続され、光の伝送が行われている。この構成に、さらに光の減衰を防止する部材を付加することも可能である。第2実施形態として以下に説明する。
<Second embodiment>
In the first embodiment,
第2実施形態による、測定装置100を図4に示す。測定装置100は、光源10と、検出器20と、投受光光学系30と、コントローラー40と、スキャナ50と、光ファイバ60、61とを備えており、筐体71Aの内外にまたがって設置される。これらの構成は第1実施形態と同様である。
A measuring
測定装置100は、光ファイバ60、61のそれぞれに設置された2つの増幅器80をさらに備える。増幅器80は、光ファイバ60、61内部に伝送される光の減衰を防止し、または増幅する装置である。
The measuring
増幅器80の具体的構成には様々なものが採用され得る。具体的構成の例として、ファブリペロー型(FP型)、リング共振器型(RO型)、及びマスター発振電力増幅型(MOPA型)を採用した場合について、それぞれ図5及び図6に示す。増幅器80の具体的構成をどのようなものとするかは、測定装置100に要求される性能や装置構成、または設計条件等に応じて適宜選択、設定される。増幅機能を実現する構成を1部材の中にまとめ、1つのモジュールまたは装置として機能させることも可能である。
Various specific configurations of the
FP型の構成とした場合の増幅器80を図5(a)に示す。この場合において増幅器80は、光カプラ81、FBG(Fiber Bragg Grating)82、希土類添加光ファイバ83、及び、励起LD84を有する。FP型の増幅器80は、連続照射型レーザーの増幅に適している。
FIG. 5(a) shows an
増幅の際には励起LD84から励起光が発振され、光カプラ81を介して光ファイバ60、61内を通過する。励起光が希土類添加光ファイバ83内を通過すると励起LD84によって反転分布された電荷が誘導放出されてレーザーを発振し、発振されたレーザー光は2つのFBG82間を往復して増幅される。増幅された励起光が光ファイバ60、61に伝送されることにより、光の増幅が実現される。
During amplification, pumping light is oscillated from the pumping
RO型の構成とした場合の増幅器80を図5(b)に示す。この例において増幅器80は、2つの光カプラ81、希土類添加光ファイバ83、励起LD84、及びアイソレータ85を有する。RO型の増幅器80は、連続照射型レーザーの増幅に適している。
FIG. 5(b) shows an
励起LD84から発振された励起光は、アイソレータ85によって一方向に伝送され、希土類添加光ファイバ83内で増幅される。増幅された励起光が光ファイバ60、61に伝送されることにより、光の増幅が実現される。
Pumping light emitted from the pumping
MOPA型のファイバレーザを含む構成とした場合の増幅器80を図6に示す。MOPA型では、励起LD84と希土類添加光ファイバ83の組合せが、特定の波長の伝送を防止するバンドパスフィルタ(BPF)86、及びアイソレータ85を挟んで2か所において設けられ、2段階での増幅が行われる。MOPA型の増幅器80は、パルス型レーザーの増幅に適しており、そのため測定装置1にTOF検出方式を採用した場合に適している。なお、出力が充分である場合には必ずしも2段階の増幅とする必要は無く、励起LD84と希土類添加光ファイバ83の組合せの配置を1カ所だけとすることもできる。
FIG. 6 shows an
増幅器80の配置の方法または配置箇所についても、様々なものがある。図7に示すように、増幅器80を光ファイバ60、61の両方ではなく、どちらかに設ける構成としてもよい。
There are also various methods or locations for arranging the
図7に示すように、光源10及び検出器20は必ずしも筐体71Aの外部に配置されるとは限らないため、増幅器80の配置箇所についても、光源10及び検出器20の構成に合わせて適当な箇所が設定される。また、コントローラー40と検出器20との間に増幅器80を設けてもよい。
As shown in FIG. 7, the
上記のように構成することにより、光ファイバ60、61による伝送途中におけるレーザー光の減衰を防止し、またはレーザー光を増幅させることができる。そのため、測定装置100における性能の低下を防止し、または向上させることが可能となる。
By configuring as described above, it is possible to prevent attenuation of the laser light during transmission through the
<変形例>
上記ではヘッドランプ71の筐体71Aに対して、測定装置1、100が設置された実施形態を説明した。本発明はこの実施形態に限定されず、例えば、図8に示すようにバンパー72に測定装置1が設定される形態としてもよい。第1、第2実施形態と同様、測定装置1、100はバンパー72を構成する筐体72Aの内外にわたって配置される。なお、図8では理解を容易にするため、ヘッドランプ71の描画を省略している。
<Modification>
An embodiment in which the
また、測定装置1、100の設置対象は、車両70に限定されず、様々な機械、器具への設置が可能である。一例として、図9に示すように、測定装置1、100は、街路灯110の灯具111に設置可能である。第1、第2実施形態と同様、測定装置1、100は灯具111を構成する筐体111Aの内外にわたって配置される。この場合、筐体111Aのうち電球等の照明光源を支持する側面部を貫通するように、測定装置1、100を設置することが好ましい。
Moreover, the installation target of the
図9の例において測定装置1、100は、街路灯110周辺を通行する歩行者や車両などの測定またはモニタリングを行うための装置として利用される。
In the example of FIG. 9, the measuring
<効果>
上記各実施形態、変形例における測定装置1、100は、対象物90に光を照射し対象物90に反射された光を受光する投受光光学系30と、投受光光学系30に光を供給する光源10と、投受光光学系30が受光した光を検出する検出器20と、を備える。さらに測定装置1、100は、投受光光学系30と、光源10及び検出器20の少なくとも1つとの間で光を伝送する光ファイバ60、61(本発明の伝送路に相当)を備える。
<effect>
The
光ファイバ60、61を備えることによって、測定装置1、100の一部、特に出力や検出性能が温度に依存する部材を筐体71A、72A、111Aの外部に配置することが可能となるため、光源または基板等から発生する熱の影響による測定装置1の性能低下を防止または低減させることができる。特に光源10、検出器20を温度の影響下から除くことにより、熱レンズ効果や熱複屈折効果が抑制でき、ビーム断面形状が保たれるなどの効果が得られる。また、測定装置1、100の全体を筐体71A、72A、111Aの内部に収める必要が無いため、筐体71A、72A、111Aの寸法の制限を受けずに測定装置1の設計を行うことが可能となる。したがって、高い性能を維持可能な測定装置1、100とすることができる。
By providing the
投受光光学系30は、光源10からの光を対象物90へ照射する投光光学系31、及び、対象物90に反射された光を受光する受光光学系32を備える。光ファイバ60、61は、光源10及び投光光学系31の間、及び、受光光学系32及び検出器20の間の両方において光を伝送する。
The light projecting/receiving
このような構成とすることにより、光源10及び検出器20を筐体71A、72A、111Aの外部に配置することが可能となる。筐体71A、72A、111Aの寸法の制限を受けずに測定装置1の設計を行うことが可能となる。
With such a configuration, the
測定装置100は、光ファイバ60、61内の光を増幅させる増幅器80をさらに備える。
The measuring
上記のような構成とすることにより、光ファイバ60、61におけるレーザー光の減衰を防止し、またはレーザー光を増幅することができる。そのため、測定装置100の測定機能の低下を防止し、または向上させることが可能となる。
With the configuration as described above, attenuation of the laser light in the
投受光光学系30は所定の筐体71A、72A、111A内に設置される。また、光源10及び検出器20の少なくとも1つは、筐体71A、72A、111Aの外に設置されるとともに、光ファイバ60、61を介して投受光光学系30との間で光の伝送を行う。または光源10及び検出器20の両方が筐体71A、72A、111Aの外に設置される。
The light projecting/receiving
上記構成により、光源10及び検出器20の配置方法のバリエーションが増える。要求される性能や、筐体の大きさに合わせて測定装置1、100の構成を変えることができ、設計の自由度が増す。
With the above configuration, variations in the method of arranging the
筐体71A、111Aは、灯具の筐体である。特に筐体71Aは、車両用灯具の筐体である。
The
光を透過可能な部材を備えた灯具の筐体71A、111Aに設置されることにより、測定装置1、100は、レーザー光の照射に適した環境を容易に得ることができる。特に車両用灯具であるヘッドランプ71に測定装置1、100を設置することにより、自動運転等に必要な車両70前方の測定またはモニタリングが容易となる。
By being installed in the
測定装置1、100
光源10
検出器20
投受光光学系30
コントローラー40
スキャナ50
光ファイバ60、61
車両70
増幅器80
measuring
Projection/reception
Claims (7)
前記投受光光学系に光を供給する光源と、
前記投受光光学系が受光した光を検出する検出器と、
前記投受光光学系と、前記光源及び前記検出器の少なくとも1つとの間で光を伝送する伝送路と、を備える測定装置。 a projecting/receiving optical system for irradiating an object with light and receiving the light reflected by the object;
a light source that supplies light to the light projecting and receiving optical system;
a detector for detecting light received by the light projecting and receiving optical system;
A measurement apparatus comprising the light projecting/receiving optical system and a transmission line that transmits light between at least one of the light source and the detector.
前記伝送路は、前記光源及び前記投光光学系の間、及び、前記受光光学系及び前記検出器の間の両方において光を伝送する、請求項1に記載の測定装置。 The light projecting and receiving optical system includes a light projecting optical system that irradiates the object with light from the light source, and a light receiving optical system that receives the light reflected by the object,
2. The measurement apparatus according to claim 1, wherein said transmission path transmits light both between said light source and said projecting optical system and between said receiving optical system and said detector.
前記光源及び前記検出器の少なくとも1つは、前記筐体外に設置されるとともに、前記伝送路を介して前記投受光光学系との間で光の伝送を行う、請求項1から3のいずれか1項に記載の測定装置。 The light projecting and receiving optical system is installed in a predetermined housing,
4. The light source and the detector according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the light source and the detector is installed outside the housing and transmits light to and from the light projecting/receiving optical system via the transmission path. The measurement device according to item 1.
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