JP2024001946A - 光学装置、車載システム、および移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】近距離から遠距離まで対象物の距離を高精度に計測することが可能な光学装置を提供する。【解決手段】光源装置（１）は、光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、物体からの反射光を偏向する偏向部（３０、３１）と、反射光を受光する受光部（４０）と、光源からの照明光を偏向部に導光すると共に、偏向部からの反射光を受光部に導光する導光部（２０）とを備え、受光部は、結像光学系（４２）、光路分割部（４３）、第１の受光素子（４４ａ）、および第２の受光素子（４４ｂ）を有し、光路分割部は、反射光を互いに同じ波長の第１の光と第２の光とに分割し、第１の受光素子は第１の光を受光し、第２の受光素子は第２の光を受光し、第１の受光素子と第２の受光素子は、結像光学系に関して共役となる物体までの距離が互いに異なる位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置、車載システム、および移動装置に関する。

従来、対象物までの距離を計測する方法として、光源からの光を対象物に照射してから反射光を受光するまでの時間や位相から距離を算出するＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）が知られている。特許文献１には、ＬＩＤＡＲとして、対象物からの反射光を駆動ミラーで反射させ、ビームスプリッタにより反射光の一部を偏向させて受光素子で受光する光学装置が開示されている。

特開２０２０－２０４５９３号公報

特許文献１に開示された光学装置では、同じ波長の反射光を一つの受光素子で受光するため、近距離から遠距離の対象物の距離を高精度に計測することができない。

そこで本発明は、近距離から遠距離までの各対象物の距離を高精度に計測することが可能な光学装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学装置は、光源からの照明光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を偏向する偏向部と、前記反射光を受光する受光部と、前記光源からの前記照明光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を前記受光部に導光する導光部とを備え、前記受光部は、結像光学系、光路分割部、第１の受光素子、および第２の受光素子を有し、前記光路分割部は、前記反射光を互いに同じ波長の第１の光と第２の光とに分割し、前記第１の受光素子は前記第１の光を受光し、前記第２の受光素子は前記第２の光を受光し、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子は、前記結像光学系に関して共役となる前記物体までの距離が互いに異なる位置に配置されている。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、近距離から遠距離までの各対象物の距離を高精度に計測することが可能な光学装置を提供することができる。

実施例１における光学装置の概要図である。 各実施例における導光部の概要図である。 実施例１における光学装置の照明光路の説明図である。 実施例１における光学装置の受光光路の説明図である。 実施例１における受光部の光路の概要図である。 実施例１における受光領域と反射光との関係を示す図である。 各実施例における対象物からの距離と受光素子の受光光量との関係を示す図である。 実施例１における対象物からの信号と不要光信号との関係を示す図である。 実施例２における光学装置の概要図である。 実施例３における光学装置の概要図である。 実施例３における光路分割部の概要図である。 実施例３における光学装置の受光光路の説明図である。 実施例３における受光部の光路の概要図である。 実施例３における光路分割部および受光領域と反射光との関係を示す図である。 実施例３における光学装置を用いた測距状況の説明図である。 実施例３における受光素子の説明図である。 実施例３における受光素子の受光領域と保持部開口と光路分割部の第１の通過領域の説明図である。 各実施例における光学装置を備えた車載システムの構成図である。 各実施例における光学装置を備えた車両（移動装置）の模式図である。 各実施例における光学装置を備えた車載システムの動作例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の実施例１における光学装置（計測装置）１の概要を説明する。図１は、光学装置１の概要図である。光学装置１は、照明部１０、導光部（分岐部）２０、偏向部３０、受光部４０、および制御部５０を有する。

照明部１０は、光源１１およびコリメータ１２を有する。光源１１は、マルチスタックＬＤまたはファイバー光源など、高出力の所定の波長域の光を出射する光源である。図２は、導光部２０の概要図である。図２に示されるように、導光部２０は、反射部２１および透過部２２を有する。導光部２０は、照明部１０からの光を偏向部３０に導光するとともに、対象物（物体）１００からの反射光を受光部４０に導光する。偏向部３０は、Ｘ軸を中心に回転する反射ミラー３１を有し、ＹＺ平面上を走査する。

次に、図３を参照して、光学装置１の照明光路について説明する。図３は、光学装置１の照明光路の説明図であり、照明部１０から照明光ＩＬを導光する様子を示す。偏向部３０は、反射ミラー３１および走査部３２を有し、光源１１からの照明光ＩＬ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する。反射ミラー３１は、導光部２０から導光された照明光ＩＬを反射し、対象物１００を照明する。受光部４０は、対象物１００からの反射光を受光する。光学装置１は、Ｚ軸に対して図示しない回転機構を有し、偏向部３０とともに走査することで全周囲を計測する。

受光部４０は、バンドパスフィルタ４１、結像レンズ（結像光学系）４２、光路分割部４３、受光素子（第１の受光素子）４４ａ、および受光素子（第２の受光素子）４４ｂを有する。バンドパスフィルタ４１は、光源１１の発光波長を透過し、他の波長の光を遮断する。受光素子４４ａと受光素子４４ｂは、結像レンズ４２からの距離（光路長）が互いに異なる（結像レンズ４２から受光素子４４ａまでの第１の光路長と結像レンズ４２から受光素子４４ｂまでの第２の光路長が互いに異なる）ように配置されている。本実施例において、例えば、受光素子４４ｂは受光素子４４ａよりも結像レンズ４２からの光路長が長い（第２の光路長は第１の光路長よりも長い）。光路分割部４３は、結像レンズ４２で集光される対象物からの反射光（受光光）を二つの光（第１の光、第２の光）に分割する。光路分割部４３は、例えば、図１に示されるように、集光する光の光軸ＯＡに対して４５度傾けて配置され、透過光が反射光よりも十分大きくなるビームスプリッタである。なお本実施例において、結像レンズ４２に代えて、プリズムまたはミラーなどの他の光学素子（結像光学系）を用いてもよい。

次に、図４（ａ）、（ｂ）を参照して、光学装置１の受光光路について説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、光学装置１の受光光路の説明図であり、図４（ａ）は計測対象物が遠距離にある場合の受光光路、図４（ｂ）は計測対象物が近距離にある場合の受光光路をそれぞれ示す。

図４（ａ）に示されるように計測対象物が遠距離にある場合、対象物からの反射光ＲＬは偏向部３０と導光部２０とを通り、反射光ＲＬの大部分は光路分割部４３を透過して受光素子４４ａに結像される。一方、反射光ＲＬのうち光路分割部４３を反射する一部の光は、受光素子４４ｂの手前の位置で集光し、受光素子４４ｂの受光面において結像光は光軸近辺には照度がない輪帯となる。すなわち、受光素子４４ｂは反射光ＲＬを受光しないか、または、受光したとしても微小である。

図４（ｂ）に示されるように計測対象物が近距離にある場合、対象物からの反射光ＲＬの大部分は光路分割部４３で透過される。しかし、受光素子４４ａの受光面ではまだ集光せず光軸近辺には照度がない輪帯となる。すなわち、受光素子４４ａは反射光ＲＬを受光しないか、または、受光したとしても微小である。一方、反射光ＲＬのうち光路分割部４３を反射する一部の光は、受光素子４４ｂの受光面で集光する。

次に、図５（ａ）、（ｂ）を参照して、受光部４０の光学配置の関係を説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、受光部４０の光路の概要図である。図５（ａ）、（ｂ）では、受光部４０の各部に対応する面にＳの接頭辞を加えて示す。

受光素子Ｓ４４ａは、結像レンズＳ４２の焦点位置に配置されている。一方、受光素子Ｓ４４ｂは、結像レンズＳ４２の焦点距離よりも遠い位置に配置されている。すなわち受光素子Ｓ４４ｂは、受光素子Ｓ４４ａよりも、結像レンズＳ４２からの距離が遠い位置に配置されている。

遠距離対象物からの反射光ＲＬは、光軸の中心部においては照明部１０および導光部２０により遮光され、光軸の周辺部からの光が受光素子Ｓ４４ａに導光されて受光される。対象物が近距離になるにつれて、結像位置が後方にずれる。結像レンズＳ４２の焦点距離をｆ、結像レンズＳ４２から対象物までの距離をＡ、結像レンズＳ４２から結像位置までの距離をＢとするとき、一般的に、以下の式（１）で表される位置関係が成り立つ。

１／Ａ＋１／Ｂ＝１／ｆ …（１）
例えば、結像レンズＳ４２の焦点距離ｆが１００ｍｍで、対象物までの距離Ａが１００ｍの場合、結像レンズＳ４２から結像位置までの距離Ｂは、１００．１ｍｍである。一方、対象物の距離が近くなり、距離Ｂが１ｍとなった場合、結像レンズＳ４２から結像位置までの距離Ｂは１１１．１ｍｍとなり、前述より１１ｍｍ後方となる。対象物からの距離が近いと、結像レンズＳ４２を通過する対象物からの反射光ＲＬは増えるが、前述のように光軸の中心部が遮光され、受光素子の受光領域が遮蔽領域と重なるため、ある距離から受光光量が減少する。

次に、図６（ａ）～（ｄ）を参照して、受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａまたは受光素子４４ｂの受光領域Ｒ４４ｂと反射光との関係を説明する。図６（ａ）～（ｄ）は、受光領域と反射光との関係を示す図である。

図６（ａ）は遠距離対象物からの反射光ＲＬａと受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａとの関係、図６（ｂ）は近距離対象物からの反射光ＲＬａと受光領域Ｒ４４ａとの関係をそれぞれ示す。対象物が遠距離にある場合、図６（ａ）に示されるように、反射光ＲＬａは受光領域Ｒ４４ａ内に結像する。一方、対象物が近距離にある場合、図６（ｂ）に示されるように、受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａでは結像位置が後方にずれて結像光がぼけ、かつ遮蔽領域が輪帯となって現れ、遮蔽領域が受光領域Ｒ４４ａと重なる。

図６（ｃ）は、遠距離対象物からの反射光ＲＬｂと受光素子４４ｂの受光領域Ｒ４４ｂとの関係、図６（ｄ）は近距離対象物からの反射光ＲＬｂと受光領域Ｒ４４ｂとの関係をそれぞれ示す。対象物が近距離にある場合、図６（ｄ）に示されるように、反射光ＲＬｂは受光領域Ｒ４４ｂ内に結像する。一方、対象物が遠距離にある場合、図６（ｃ）に示されるように、受光素子４４ｂの受光領域Ｒ４４ｂでは結像位置が前方にずれて結像光がぼけ、かつ遮蔽領域が輪帯となって現れ、遮蔽領域が受光領域Ｒ４４ｂと重なる。

次に、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、対象物から光学装置１（反射ミラー３１または結像レンズ４２）までの距離と受光素子４４ａの受光光量との関係を示す。図７（ａ）、（ｂ）は、対象物からの距離と受光素子の受光光量との関係を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）において、横軸は距離（ｍ）、縦軸は受光光量をそれぞれ示す。なお図７（ａ）、（ｂ）において、受光光量は、最も高い値を規格化して（最も高い値を１として）示している。図７（ａ）は近距離から遠距離にかけての関係を示し、図７（ｂ）は近距離での関係を拡大して示している。

受光素子４４ａで受光する光量Ｌ４４ａは、距離Ｐ２で最大となり、距離１００ｍでその約３％となる。距離Ｐ２よりも近距離になると受光光量が減少していく、距離Ｐ１よりも近距離になると、受光光量がピークの３％以下になる。

一方、受光素子４４ｂは、結像レンズ４２の焦点距離よりも遠い位置に配置されており、遠距離対象物からの反射光は受光素子４４ｂの手前で結像する。受光素子４４ｂの位置において、反射光は前述のように輪帯状に拡がり、受光素子４４ｂの受光領域が遮蔽領域と重なるため、対象物の距離がある距離以上になると、受光素子４４ｂは対象物の反射光を受光しなくなる。本実施例において、受光素子４４ｂは、距離Ｐ３よりも遠距離では受光せず、距離Ｐ１では受光素子４４ａの受光光量ピークの３％となり、距離Ｐ１以下では受光光量が増える。すなわち、対象物からの距離が近いと、結像レンズ４２を通過する対象物からの反射光は増えるが、受光素子４４ｂが存在する光路は光路分割部４３からの反射率が低いため、受光素子４４ｂにとって適切な光量になる。

距離Ｐ１にあたる距離では両方の受光素子で対象物からの反射光が受光可能であるが、受光素子４４ａと受光素子４４ｂでは対象物からの光路長に差がある。この差は、距離Ｐ１にあたる位置に調整用対象物を置いて両受光素子の受光信号を確認し、両者が一致するように制御部によって補正されている。

このように本実施例の光学装置１は、対象物が近距離にある場合には対象物の反射光を受光素子４４ｂで検出し、対象物が遠距離にある場合には反射光を受光素子４４ａで検出する。これにより、対象物の距離の遠近に関係なく対象物からの反射光を適切に受光することができるため、測距範囲を拡大することが可能となる。また、光路分割部４３で光路分割する光量の大部分を、遠距離対象物を検出する光路に割り当て、受光光量の低下を最小限にすることで、計測可能な距離をほとんど落とすことなく近距離まで好適に計測することができる。さらに、受光素子間の光路差ずれや組立ずれなどを制御部５０によって補正することで、近距離から遠距離まで継ぎ目なくかつ精度よく受光しつつ、高精度に計測できる。

また、本実施例の構成では、照明部１０で発生した照明光の一部が光学装置１内で迷光となる場合、受光素子４４ｂに到達する光は、光路分割部４３で十分減光される。

ここで、図８（ａ）～（ｄ）を参照して、受光素子４４ａまたは受光素子４４ｂで対象物からの反射光を検出する際の信号について説明する。図８（ａ）～（ｄ）は、対象物からの信号と不要光信号との関係を示す図である。図８（ａ）～（ｄ）において、簡便に説明するため光源１１がパルス光を発するものとし、横軸は時間、縦軸は受信信号をそれぞれ示す。

図８（ａ）は、受光素子４４ａで遠距離対象物（第１の位置にある対象物）からの反射光を受光する信号を示す。図８（ａ）において、時間Ｔｄよりも前に光学装置１内で発生する不要光による信号１０１ａが検出され、次に、時間Ｔ２で遠距離対象物からの反射光による信号１０２ａがピーク値として検出される。光学装置１内で発生する不要光は多様な光路をもつため、受光素子に到達する各光路光では時間差が発生する。また、信号の周波数特性などの影響で、信号の立ち上がりや立下りがだれる。これらの影響により、不要光による信号１０１ａは、出射光のパルス幅よりも幅をもった信号となる。

図８（ｂ）は、受光素子４４ａで近距離対象物からの反射光を検出する際の信号を示す。図８（ｂ）において、近距離対象物からの信号１０２ａは、不要光による信号１０１ａと重なっている。信号１０２ａは、時間Ｔ１でピーク値となる信号であるが、実際には信号１０１ａと信号１０２ａとは分離できないため、図８（ｃ）に示されるように両者が重なったような信号１０３ａとなる。受光素子４４ａによる近距離対象物からの信号検出では、信号１０３ａは、信号の歪みや受光光量の飽和などで、信号処理で対象物からの距離の算出する際に誤差として影響する。

一方、図８（ｄ）は、受光素子４４ｂで近距離物体からの反射光を検出する際の信号を示す。光学装置１内で発生する不要光は、光路分割部４３で減光されて小さくなる。このため、不要光による信号１０１ｂは、近距離対象物からの反射光の信号１０２ｂよりも十分小さい。また受光素子４４ｂは、受光素子４４ａよりも近距離対象物からの光量を多く受光するため、信号１０２ｂは図８（ｂ）に示される信号１０２ａよりも大きい。このため、近距離対象物の受信信号のＳＮ比を向上させることができる。これにより、光学装置１内で発生する迷光は、対象物からの反射光検出に実質的に影響しないため、近距離対象物の測距精度を向上させることができる。

または、照明部１０で発生する不要光が受光素子４４ａに到達する時間帯で受光信号を受信しないように構成することにより、対象物からの反射光のみを検出することができる。例えば、図８（ａ）～（ｄ）中の時間Ｔｄ以前では不要光信号が検出されるため、制御部５０は、時間Ｔｄ以降に受光素子４４ａが受光を開始する（受光素子４４ａからの信号を取得する）ように制御すればよい。すなわち制御部５０は、光源１１が照明光を発してからの受光素子４４ａの信号（第１の信号）を取得する時間と受光素子４４ｂの信号（第２の信号）を取得する時間とを異ならせる。これは、ＬｉＤＡＲの測距方式がパルス発光方式でも、変調光方式でも効果がある。これにより、光学装置１内で発生する不要光の影響を低減することにより、近距離物体があたかもあるかのような受光素子４４ａによる誤検出を低減するとともに、信号の歪みによる測距精度の低下を抑制することができる。

次に、図９を参照して、本発明の実施例２における光学装置（計測装置）２の概要を説明する。図９は、光学装置２の概要図である。本実施例の光学装置２は、受光部４０に代えて受光部４０ａを有する点で、実施例１の光学装置１と異なる。なお光学装置２の他の基本的構成は、光学装置１と同様である。このため本実施例では、実施例１と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

本実施例の受光部４０ａにおいて、結像レンズ４２よりも前段に光路分割部４３が配置され、光路分割部４３により分割された二つの光路のそれぞれに結像レンズ（結像光学系）４２ａ、４２ｂが配置されている。すなわち、透過光路に結像レンズ４２ａ、反射光路に結像レンズ４２ｂが配置されている。この構成によれば、光束が軸上の光も軸上から離れた光も、光路分割部４３に入射する角度が略同じである。このため、有効領域内全域で略均一な透過率および反射率で分割することができ、受光光路を分割する光量をより正確に設計しやすい。

また、反射光路では遠距離対象物からの光を多く受光するように結像レンズ４２ａの焦点距離と同じ位置に受光素子４４ａを配置し、透過光路では近距離対象物からの光を多く受光するように結像レンズ４２ｂの焦点位置より離れた位置に受光素子４４ｂを配置する。この構成でも、対象物の距離の遠近に関係なく対象物からの反射光を適切に受光できるため、測距範囲を拡大することができる。

なお本実施例では、光路分割部４３において透過側の光路を遠距離用に、反射側の光路を近距離用にしているが、光路分割部４３の反射率が透過率より十分大きいビームスプリッタとして、近距離用光路と遠距離用光路を逆にしてもよい。

次に、図１０および図１１を参照して、本発明の実施例３における光学装置（計測装置）３の概要を説明する。図１０は、光学装置３の概要図である。本実施例の光学装置３は、受光部４０に代えて受光部４０ｂを有する点で、実施例１の光学装置１と異なる。なお光学装置３の他の基本的構成は、光学装置１と同様である。このため本実施例では、実施例１と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

本実施例の受光部４０ｂは、バンドパスフィルタ４１、結像レンズ４２、光路分割部４３、コリメータ４５、集光レンズ４６、受光素子（第１の受光素子）４４ａ、および受光素子（第２の受光素子）４４ｂを有する。図１１は、光路分割部４３の概要図である。図１１に示されるように、光路分割部４３は、第１の通過領域４３１および第２の通過領域４３２を有する。本実施例において、第１の通過領域４３１は透過面であり、第２の通過領域４３２は反射面である。光路分割部４３の第１の通過領域４３１は、受光素子４４ａと光学的に共役な位置に配置されている。すなわち第１の通過領域４３１は、遠距離対象物と光学的に共役な位置に配置されている。

次に、図１２（ａ）、（ｂ）を参照して、光学装置３の受光光路について説明する。図１２（ａ）、（ｂ）は、光学装置３の受光光路の説明図であり、図１２（ａ）は計測対象物が遠距離にある場合の受光光路、図１２（ｂ）は計測対象物が近距離にある場合の受光光路をそれぞれ示す。

図１２（ａ）に示されるように対象物が遠距離にある場合、対象物からの反射光ＲＬは、反射ミラー３１と導光部２０を通り、その大部分は光路分割部４３の第１の通過領域４３１を透過し、コリメータ４５と集光レンズ４６を通り受光素子４４ａに結像する。一方、図１２（ｂ）に示されるように対象物が近距離にある場合、対象物からの反射光ＲＬの大部分は、結像レンズ４２で集光され、光路分割部４３の第２の通過領域４３２で反射し、受光素子４４ｂに結像する。

次に、図１３（ａ）、（ｂ）を参照して、受光部４０ｂの光学配置の関係を説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、受光部４０ｂの光路の概要図である。図１３（ａ）、（ｂ）では、受光部４０ｂの各部に対応する面にＳの接頭辞を加えて示す。光路分割部Ｓ４３は、結像レンズＳ４２の焦点位置に配置される。遠距離対象物からの反射光は、光軸の中心部においては照明部１０により遮光され、光軸の周辺部からの光が受光素子Ｓ４４ａに導光され、光路分割部４３の第１の通過領域４３１を通過し、受光素子Ｓ４４ａで受光される。

また、対象物の距離が変化すると、光路分割部４３で反射光が通過する領域が変化する。図１４（ａ）～（ｄ）を参照して、光路分割部４３、および受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａまたは受光素子４４ｂの受光領域Ｒ４４ｂと反射光との関係を説明する。図１４（ａ）～（ｄ）は、光路分割部４３および受光領域と反射光との関係を示す図である。図１４（ａ）は、遠距離対象物からの反射光ＲＬａの光分布と光路分割部４３の第１の通過領域４３１および第２の通過領域４３２との関係を示す。図１４（ｂ）は、遠距離対象物からの反射光ＲＬａと受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａとの関係を示す。図１４（ｃ）は、近距離対象物からの反射光ＲＬｂの光分布と光路分割部４３の第１の通過領域４３１および第２の通過領域４３２との関係を示す。図１４（ｄ）は、近距離対象物からの反射光ＲＬｂと受光領域Ｒ４４ｂとの関係をそれぞれ示す。

図１４（ｂ）に示されるように対象物が遠距離にある場合、反射光ＲＬａは、光路分割部４３の第１の通過領域４３１を通過し、受光素子４４ａ内に結像する。このとき反射光ＲＬａは、受光素子４４ｂで受光されない。一方、図１４（ｄ）に示されるように対象物が近距離にある場合、反射光ＲＬｂは、光路分割部４３では第２の通過領域４３２において輪帯となり、受光素子４４ｂ内に結像する。このとき反射光ＲＬｂは、受光素子４４ａで受光されない。

対象物が上記２パターンの中間にある場合、反射光ＲＬａは、光路分割部４３では第１の通過領域４３１および第２の通過領域４３２の両方をまたぐ光分布となる。このように、光路分割部４３でも対象物からの距離に応じて結像光の光分布が変化し、光分布内で第１の通過領域４３１と第２の通過領域４３２が占める割合が変化するため、受光素子４４ａ、４４ｂで受光する光量が変化する。また、対象物からの距離が近いほど、光学装置３で受ける反射光は強くなるため、第２の通過領域４３２は反射率を低く設定することが好ましい。

本実施例において、遠距離の対象物からの反射光ＬＲａは、第１の通過領域４３１よりも小さくしつつ、受光領域Ｒ４４ａの範囲に入るよう結像レンズ４２を設計することが好ましい。このとき、遠距離の対象物から反射光ＬＲａが返ってくるまでの時間で反射ミラー３１が回転するため、光路分割部４３での反射光ＬＲａの位置が変化する。このため、第１の通過領域４３１は反射光ＲＬａよりも大きくすることが好ましいが、第１の通過領域４３１を大きくすると、光学装置３の内部で発生する散乱光や太陽光などの外光が不要光として受光領域Ｒ４４ａに到達する可能性がある。図１５は、光学装置３を用いた測距状況の説明図である。例えば図１５に示されるように、光学装置３を用いて測距する画角ＩＦＶ１が、太陽１００１のある画角ＩＦＶ２の近傍にある状況では、対象物１００からの反射光とともに、太陽１００１からの光（不要光）も受光素子の近傍に到達する場合がある。以下、不要光を低減するための構成について説明する。

図１６（ａ）、(ｂ)は受光素子４４ａの説明図であり、図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。受光素子４４ａは、受光領域Ｒ４４ａを含むパッケージを有する。受光素子４４ａのパッケージが例えばＣＡＮパッケージの場合、図１６（ａ）に示されるように、受光領域Ｒ４４ａは保持部（金属保護部）４４ＣＶで覆われている。保持部４４ＣＶは、受光素子４４ａの受光領域Ｒ４４ａが外気にさらされるのを防ぎ、基板からの熱を放熱するなどの役割がある。

保持部４４ＣＶは、一般的に金属であり、光の反射率が高い。このため、光学装置３の内部で発生する散乱光や、光学装置３の外部で計測していない画角からの外光は、保持部４４ＣＶに当たると高い反射率で反射および散乱し、受光領域Ｒ４４ａに到達する場合がある。その結果、対象物からの反射光を適切に計測することができず、計測に誤りが生じる可能性がある。一方、本実施例の光学装置３は、光路分割部４３の第１の通過領域４３１を適切な大きさ（サイズ）にすることで、保持部４４ＣＶに光学装置３の内部で発生する散乱光や想定外の画角からの光が当たらないようにできる。

図１７（ａ）は、受光素子４４ａを光学系の上流側から見た場合の、受光領域Ｒ４４ａと、受光素子面上における光路分割部４３の第１の通過領域４３１の像４３１ｉと、保持部４４ＣＶの開口４４ｗとの関係を示す図である。第１の通過領域４３１と像４３１ｉとの関係は、コリメータ４５および結像レンズ４２で決定される光学倍率で決定され、結像倍率βに対して、（像４３１ｉの大きさ）＝｜β｜×（第１の通過領域４３１の大きさ）となる。

第１の通過領域４３１の像４３１ｉは、保持部４４ＣＶの開口４４ｗよりも小さい。第１の通過領域４３１よりも外側に到達する光は第２の通過領域４３２で反射されるため、保持部４４ＣＶの開口４４ｗに当たらなくなる。例えば、図１５に示される状況において、太陽光は光路分割部４３で第１の通過領域４３１から外れるため、受光素子４４ａが配置されている光路に向かうことはない。または、太陽光は、第１の通過領域４３１を通過しても、保持部４４ＣＶの開口４４ｗに当たることはないため、受光領域Ｒ４４ａで受光されることはない。

このように、第１の通過領域４３１の大きさを、受光領域Ｒ４４ａ面での像４３１ｉの大きさが受光素子４４ａの保持部４４ＣＶの開口４４ｗよりも小さくする。すなわち受光素子４４ａの保持部４４ＣＶの開口４４ｗにおいて光軸方向から見た第１の通過領域４３１の光学共役像は、開口４４ｗよりも小さい。これにより、外光による不要光を抑制することができる。その結果、対象物からの反射光のみを受光することができるため、測距精度を向上させることが可能である。

対象物からの反射光を受光する場合、照明範囲が受光素子４４ａの受光画角よりも大きい場合がある。例えば、光源１１の発光面が一方向に長い光源の場合、図１０に示される光学装置３の構成では照明領域が一方向に長くなる。その結果、図１７（ｂ）に示されるように、受光領域Ｒ４４ａで受光する画角よりも大きな照明となる場合がある。このため、第１の通過領域４３１の像４３１ｉは、少なくとも受光領域Ｒ４４ａまたは照明領域の像ＩＬｉよりも大きくすることが好ましい。すなわち、受光素子４４ａの受光面（受光領域Ｒ４４ａ）において、第１の通過領域４３１の像４３１ｉは受光面または照明画角よりも大きいことが好ましい。その結果、対象物からの反射光を多く取り込むことができる。

なお本実施例において、光路分割部４３の第１の通過領域４３１を透過面、第２の通過領域４３２を反射面としているが、この関係が逆であってもよい。また、第２の通過領域４３２で反射される光路にはコリメータ４５および集光レンズ４６が配置されていないが、これらを配置してもよい。また、バンドパスフィルタ４１は結像レンズ４２よりも偏向部３０側に配置されているが、コリメータ４５と集光レンズ４６との間に配置してもよい。

本実施例によれば、光路分割部の通過領域を適切に設定する、すなわち受光領域面での通過領域の像を受光素子の保持部開口よりも小さくすることにより、遠距離対象物からの反射光を有効に受光しつつ太陽などの外光を抑制することができる。

各実施例において、バンドパスフィルタ４１は、光源１１の波長の光を透過しつつ他の波長の光を遮断できればよく、各実施例の位置に限定するものではない。バンドパスフィルタ４１を、受光素子４４ａ、４４ｂの前段、または光路分割部４３の前段もしくは後段に配置してもよい。

各実施例において、遠距離対象物からの反射光を多く受光できるように、結像レンズ４２の主点から焦点距離と同等となる位置に受光素子４４ａが配置される。すなわち各実施例では、測距したい距離に応じて、適切な対象物距離と共役となる位置に二つの受光素子４４ａ、４４ｂが配置され、二つの受光素子４４ａ、４４ｂは、共役となる対象物との距離が互いに異なる。例えば図７は、受光素子４４ａは距離Ｐ２よりも遠距離にある対象物と共役な位置に配置されており、受光素子４４ｂは距離Ｐ１よりも近距離にある対象物と共役な位置に配置されていることを示している。受光素子４４ａは、実質的に無限遠に焦点が合っている状態であり、結像レンズ４２の主点位置から焦点距離だけ離れた位置に配置されているのと同等である。なお、求める仕様によっては、それより近い距離と共役であってもよく、各受光素子で反射光を受光しやすい距離が異なるように配置されることが好ましい。そして、近距離対象物からの反射光を十分受光しつつ光学装置内で発生する不要光を抑えるため、近距離対象物と共役関係となるように受光素子を追加で配置しつつ、光路分割部で不要光を減光する。

また各実施例の光学装置は、二つの受光素子を有することで、光学装置を構成する際の精度補償またはキャリブレーションなどにも応用可能である。例えば、図１の導光部２０および他の部分と偏向部３０とは空間的に分離しているが、それらは物理的に完全に分離しているわけではなく、全体を保持する筐体でつながっている。その筐体の一部に反射マークを施すと、偏向部３０が特定の回転角度にて常に反射マークを照明し、そこからの反射光を受光部が受光することになる。偏向部３０がそのような回転角度となる場合に上記の制御を行うと、理想的にはその特定の回転角度において常に同じ信号が計測されることになる。しかし、現実には制御部５０のずれや偏向部３０の走査ばらつきなどにより、回転角度のずれが発生する。そこで、一定の時間間隔で光学装置内の一部を近距離対象物に適した受光素子で計測し、そこで得られる結果が常に一定となるよう計測結果を補正することで、計測精度を向上させることができる。特に、近距離にある対象物と共役な位置に配置された受光素子は、近距離の計測精度が高い。このため、予め光学装置が有する距離値と比較して、計測精度の再確認や、計測結果の補正に適している。

各実施例の光学装置は、広範囲を遠距離計測できる光学装置として、地上レーザー測量装置、定点監視センサ、人流計測、小型のモビリティの自動制御用のセンサ、および自動車等の自動運転用のセンサなどに応用できる。

各実施例は、受光光路を、近距離対象物もしくは遠距離対象物からの反射光を受光する光路に分割し、各光路で受光素子が反射光を検出するタイミングを異ならせて装置内部の不要光の影響を最小限にすることができる。このため各実施例によれば、近距離から遠距離まで対象物の距離を高精度に計測することが可能な光学装置、車載システム、および移動装置を提供することができる。

［車載システム］
図１８は、各実施例の光学装置１（または光学装置２）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）を支援するためのシステムである。図１９は、車載システム１０００を含む移動装置としての車両５００の模式図である。図１９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１８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（制御部、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２０は、各実施例における光学装置１（または光学装置２）を備えた車載システム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、搭乗者）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、車両の駆動部（エンジンやモータなど）に対して制御信号を出力することで、車両の移動を制御することができる。例えば、車両においてブレーキをかける、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、ユーザに対して、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、各実施例の車載システム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、各実施例では、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）や移動装置の販売元（ディーラ）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４０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。

各実施例の開示は、以下の構成を含む。
（構成１）
光源からの照明光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を偏向する偏向部と、
前記反射光を受光する受光部と、
前記光源からの前記照明光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を前記受光部に導光する導光部とを備え、
前記受光部は、結像光学系、光路分割部、第１の受光素子、および第２の受光素子を有し、
前記光路分割部は、前記反射光を互いに同じ波長の第１の光と第２の光とに分割し、
前記第１の受光素子は前記第１の光を受光し、前記第２の受光素子は前記第２の光を受光し、
前記第１の受光素子と前記第２の受光素子は、前記結像光学系に関して共役となる前記物体までの距離が互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする光学装置。
（構成２）
前記結像レンズから前記第１の受光素子までの第１の光路長と前記結像レンズから前記第２の受光素子までの第２の光路長は、互いに異なることを特徴とする構成１に記載の光学装置。
（構成３）
前記第１の受光素子からの第１の信号と前記受光素子からの第２の信号とを取得する制御部を更に有し、
前記制御部は、前記光源が前記照明光を発してからの前記第１の信号を取得する時間と前記第２の信号を取得する時間とを異ならせることを特徴とする構成１または２に記載の光学装置。
（構成４）
前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記第１の受光素子は、前記結像レンズの焦点位置に配置されていることを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の光学装置。
（構成５）
前記光路分割部は、前記反射光の前記光路を、第１の光量の前記第１の光路と第１の光量とは異なる第２の光量の前記第２の光路とに分割することを特徴とする構成１乃至４のいずれかに記載の光学装置。
（構成６）
前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記第２の光量は、前記第１の光量よりも小さいことを特徴とする構成５に記載の光学装置。
（構成７）
前記制御部は、特定の画角で光学装置の一部を計測して得られた計測結果と所定の距離値とを比較して、該計測結果を補正することを特徴とする構成３に記載の光学装置。
（構成８）
前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
前記制御部は、前記第１の受光素子を用いて前記計測結果を得ること特徴とする構成７に記載の光学装置。
（構成９）
前記光路分割部は、第１の通過領域および第２の通過領域を有し、
前記第１の受光素子の保持部の開口において光軸方向から見た前記第１の通過領域の光学共役像は、前記開口よりも小さいことを特徴とする構成１乃至８のいずれかに記載の光学装置。
（構成１０）
前記第１の通過領域は透過面であり、前記第２の通過領域は反射面であることを特徴とする構成９に記載の光学装置。
（構成１１）
前記第１の受光素子の受光面において、前記第１の通過領域の像は、前記受光面よりも大きいことを特徴とする構成９または１０に記載の光学装置。
（構成１２）
前記第１の受光素子の受光面において、前記第１の通過領域の像は、照明画角よりも大きいことを特徴とする構成９乃至１１のいずれかに記載の光学装置。
（構成１３）
前記物体から前記第１の受光素子までの光路長と前記物体から第２の受光素子までの光路長との差を補正する制御部を更に有することを特徴とする構成１乃至１２のいずれかに記載の光学装置。
（構成１４）
構成１乃至１３のいずれか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。
（構成１５）
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構成１４に記載の車載システム。
（構成１６）
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構成１４または１５に記載の車載システム。
（構成１７）
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構成１４乃至１６のいずれかに記載の車載システム。
（構成１８）
構成１乃至１３のいずれか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。

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

１、２、３ 光学装置
１１ 光源
２０ 導光部
３０ 偏向部
４０ 受光部
４２、４２ａ、４２ｂ 結像レンズ（結像光学系）
４３ 光路分割部
４４ａ 受光素子（第１の受光素子）
４４ｂ 受光素子（第２の受光素子）
１００ 対象物（物体）

Claims (18)

1. 光源からの照明光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を偏向する偏向部と、
   前記反射光を受光する受光部と、
   前記光源からの前記照明光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を前記受光部に導光する導光部とを備え、
   前記受光部は、結像光学系、光路分割部、第１の受光素子、および第２の受光素子を有し、
   前記光路分割部は、前記反射光を互いに同じ波長の第１の光と第２の光とに分割し、
   前記第１の受光素子は前記第１の光を受光し、前記第２の受光素子は前記第２の光を受光し、
   前記第１の受光素子と前記第２の受光素子は、前記結像光学系に関して共役となる前記物体までの距離が互いに異なる位置に配置されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記結像光学系から前記第１の受光素子までの第１の光路長と前記結像光学系から前記第２の受光素子までの第２の光路長は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１の受光素子からの第１の信号と前記受光素子からの第２の信号とを取得する制御部を更に有し、
   前記制御部は、前記光源が前記照明光を発してからの前記第１の信号を取得する時間と前記第２の信号を取得する時間とを異ならせることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記第１の受光素子は、前記結像光学系の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
5. 前記光路分割部は、前記反射光の前記光路を、第１の光量の前記第１の光路と第１の光量とは異なる第２の光量の前記第２の光路とに分割することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
6. 前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記第２の光量は、前記第１の光量よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記制御部は、特定の画角で光学装置の一部を計測して得られた計測結果と所定の距離値とを比較して、該計測結果を補正することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
8. 前記第１の受光素子は、第１の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記第２の受光素子は、前記第１の距離よりも短い第２の距離に位置する前記物体と共役な位置に配置され、
   前記制御部は、前記第１の受光素子を用いて前記計測結果を得ること特徴とする請求項７に記載の光学装置。
9. 前記光路分割部は、第１の通過領域および第２の通過領域を有し、
   前記第１の受光素子の保持部の開口において光軸方向から見た前記第１の通過領域の光学共役像は、前記開口よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
10. 前記第１の通過領域は透過面であり、前記第２の通過領域は反射面であることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
11. 前記第１の受光素子の受光面において、前記第１の通過領域の像は、前記受光面よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
12. 前記第１の受光素子の受光面において、前記第１の通過領域の像は、照明画角よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
13. 前記物体から前記第１の受光素子までの光路長と前記物体から第２の受光素子までの光路長との差を補正する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
14. 請求項１乃至１３のいず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。
15. 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１４に記載の車載システム。
16. 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１４に記載の車載システム。
17. 前記車両と前記物体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１４に記載の車載システム。
18. 請求項１乃至１３のいず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。