JP2024025212A - 光学装置、車載システムおよび移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と部品点数の削減とを可能とした光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１は、光源部１０からの複数の照明光を物体を走査するように偏向し、物体からの複数の反射光を偏向する偏向部３０と、偏向部からの複数の反射光のそれぞれを受光する複数の受光領域を有する受光部５０と、光源からの複数の照明光を偏向部に向かわせ、偏向部からの複数の反射光を受光部に向かわせる第１光学系２０と、第１光学系からの複数の反射光を複数の受光領域に入射させる第２光学系４０とを有する。第２光学系は、複数の反射光のそれぞれの進行角度を制御する複数の角度制御面４１ａ～４１ｃと、複数の角度制御面からの複数の受光領域に向かう複数の反射光のそれぞれに対する集光作用を有する複数の集光面４３とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に照射した光の反射光を利用して対象物を検出したり対象物までの距離を測定したりする光学装置に関する。

ＬｉＤＡＲ(Light Detection and Ranging)を採用する光学装置には、広い視野（画角）で細かい対象物を検出できる性能が要求される。さらにこれらの要求を、複数の装置の視野を並べたり重ねたりして測距結果や検出結果を結合して満たすのではなく、単一の装置で満たすことが望まれている。

ＬｉＤＡＲには、対象物に照明光を照射する照明系の光軸の一部と対象物からの反射光を受光素子に導く受光系の光軸の一部とが共通である同軸系ＬｉＤＡＲと、それらの光軸が別々に設定された非同軸系ＬｉＤＡＲとがある。このうち同軸系ＬｉＤＡＲでは、その視野を決める偏向ミラーを駆動する角度範囲を広げることで視野を拡大することができる。

特許文献１には、複数の光源から１つの偏向ミラーに入射させた複数の照明光で互いに異なる視野を走査することで広視野を実現する装置が開示されている。特許文献２には、１つの光源からの照明光を回折素子等の光学分割素子により複数に分割し、複数の分割照明光で互いに異なる視野を走査することで広視野を実現する装置が開示されている。特許文献３には、複数の照明光を１つの偏向ミラーに入射させてそれぞれの照明光で複数の視野を走査し、該複数の視野からの反射光をそれぞれ独立した折り返しミラーを用いて複数の受光素子に導くことで広視野を実現する装置が開示されている。

特開２０２０－１２６０６５号公報 米国特許第１０,４７３,７６７号明細書 国際公開２０２１‐５１７２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置では、複数の視野のそれぞれに対応する反射光が拡がりながら受光系に入射するため、受光系が大型化する。特許文献２に開示された装置では、受光系に集光レンズを配置して各視野からの反射光を受光する。ただし、反射光の数や角度が増加すると、集光レンズとして大口径かつ広角のものが必要になり、受光系を構成するレンズ数が増加する。特許文献３に開示された装置では、複数の視野から入射して折り返しミラーにより折り返されたた後の複数の反射光のそれぞれに対して送受分離素子が必要になり、部品点数が多くなる。

本発明は、小型化と部品点数の削減とを可能とした光学装置を提供する。

本発明の一側面としての光学装置は、光源部からの複数の照明光を物体を走査するように偏向し、物体からの複数の反射光を偏向する偏向部と、偏向部からの複数の反射光のそれぞれを受光する複数の受光領域を有する受光部と、光源からの複数の照明光を偏向部に向かわせ、偏向部からの複数の反射光を受光部に向かわせる第１光学系と、第１光学系からの複数の反射光を複数の受光領域に入射させる第２光学系とを有する。第２光学系は、複数の反射光のそれぞれの進行角度を制御する複数の角度制御面と、複数の角度制御面からの複数の受光領域に向かう複数の反射光のそれぞれを集光する複数の集光面とを有することを特徴とする。なお、上記光学装置によって得られた物体の距離情報に基づいて、車両と物体との衝突可能性を判定する車載システムも本発明の他の一側面を構成する。また、上記光学装置を保持して移動可能な移動装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、小型化と部品点数の削減とを可能とした光学装置を提供することができる。

実施例１の光学装置の光学構成を示す図。 実施例１の光学装置から複数の照明光が対象物を含む複数の視野に照明されることを示す図。 実施例１の光学装置から出射する照明光の光路図。 実施例１の光学装置に入射する反射光の光路図。 実施例２の光学装置の光学構成を示す図。 実施例３の光学装置の光学構成を示す図。 実施例１～３の光学装置を含む車載システムの構成を示すブロック図。 上記車載システムを備えた車両を示す図。 上記車載システムの動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である光学装置１の光学構成と光路を示している。図２（ａ）、（ｂ）は、光学装置１から出射した複数の照明光による互いに異なる視野（画角）の走査を示している。

図１に示すように、光学装置１は、光源部１０、第１光学系２０、偏向部３０、第２光学系４０および受光部５０を有する。また光学装置１は、その電気的構成要素として制御部６０を有する。

光源部１０は、発光素子１１、コリメータレンズ１２および角度変換素子（角度制御素子）１３から構成されており、発光素子１１から発せられてコリメータレンズ１２により平行化された照明光を互いに進行角度が異なる複数（本実施例では３つ）の照明光に分割して第１光学系２０に導く。発光素子１１としては、遠距離の物体に向かう際でも拡散しにくい指向性が高い光を出射する半導体レーザ等が望ましい。また本実施例の光学装置１は車載用途で使用される。この場合、測距を行う視野内に人間が存在する可能性があるため、発光素子１１からの光は人間の目で認知できない非可視光であることが望ましい。本実施例では、発光素子１１として、波長９０５ｎｍの光を発する半導体レーザを用いる。

発光素子１１からの発散光としての照明光はコリメータレンズ１２で平行化され、該平行化された照明光は、角度変換素子１３によって互いに進行角度（進行方向）が異なる複数の照明光に分割される。角度変換素子１３は、その光軸に沿った方向から入射した１つの照明光を該光軸に対する屈折方向が互いに異なる３つの照明光に分割する複数（３つ）の角度変換面（角度制御面）としての出射面１３ａ～１３ｃを有するプリズム（光学素子）により構成されている。例えば、上記３つの出射面のうち光軸上（中央）の出射面１３ａは光軸に直交する面であり、他の２つ（両側）の出射面１３ｂ、１３ｃは光軸に対して互いに異なる角度で傾いた面である。より具体的には、プリズムは、オハラ株式会社製S-BSL7（屈折率１．５１６）の硝材により形成され、中央と両側の出射面１３ａ～１３ｃはそれぞれ光軸に対して９０ｄｅｇ、＋７１．９ｄｅｇおよび－７１．９ｄｅｇをなす。これにより、光軸に対する進行角度がそれぞれ０ｄｅｇ、＋１０ｄｅｇおよび－１０ｄｅｇの３つの照明光が生成される。

なお、角度変換素子１３による照明光の分割数や分割された各照明光の進行角度は、上記の例に限られない。また、角度変換素子１３の複数の出射面の面積割合を変えることで、分割された複数の照明光の光量の割合を変えることができる。これにより、各視野において測距可能な距離を調整することができる。

第１光学系２０は、光源部１０から入射する複数の照明光を透過して偏向部３０に導き、視野内の不図示の対象物（物体）から入射する複数の反射光を反射して第２光学系４０に導く。第１光学系２０がこれ１つで複数の反射光を第２光学系４０に導くことで、反射光ごとに第１光学系が設けられる構成に比べて部品点数が少なく、小型化しやすい。

第１光学系２０は、送受分離素子２１により構成されている。送受分離素子２１は、照明光を偏向部３０に導く第１導光部（透過部）と、反射光を第２光学系４０に導く第２導光部（反射部）とを有する。なお、第１導光部を反射部とし、第２導光部を反射部としてもよい。また、第１導光部を複数の照明光が通過する領域をできるだけ共通化することでその面積を低減して、第２導光部から受光部５０に導かれる反射光の光量をできるだけ大きくすることが望ましい。

なお、本実施例において、送受分離素子２１は第１導光部と第２導光部が空間的に分けられた構成を有するが、他の例として、一体である偏光ビームスプリッタやハーフミラー等の光分離素子を用いてもよい。

偏向部３０は、第１光学系２０からの複数の照明光をそれぞれの射出角を変化させながら、図２（ａ）、（ｂ）に示すように複数の視野に向けて出射させる。また偏向部３０は、複数の視野内に存在する対象物１００からの反射光を反射して第１光学系２０に導く。偏向部３０は、１つ以上の偏向ミラー３１とこれを回転または揺動駆動する不図示の駆動回路から構成される。

偏向ミラー３１を直交する２つの回転軸回りで回転（揺動）させることで、各視野を照明光により２次元走査することができる。偏向ミラー３１として、回転軸が１軸のみのガルバノミラーやポリゴンミラーをそれらの回転軸が互いに直交するように組み合わせたものを用いてもよいし、２軸回転が可能な素子を用いてもよい。本実施例では、偏向ミラー３１として、２軸回りでの揺動が可能なＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System)ミラーを用いている。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、対象物１００を含む全視野１０１（複数の視野１０１１、１０１２、１０１３）には、光学装置１から出射した複数の照明光が偏向部３０により走査される。ＭＥＭＳミラーの揺動角が各軸周りで±２．５ｄｅｇである場合、反射光は揺動角に対して２倍の±５ｄｅｇで光学装置１に戻ってくる。

図２（ａ）に示す走査方法では、複数の視野１０１１～１０１３が重なり合わないようにすることで１つの照明光で走査する場合に比べて広い視野で測距することができる。前述したように光源部１０から出射する複数の照明光の進行角度を互いに異ならせることで、複数の視野１０１１～１０１３を重なり合わないように調整したり重なり合う割合を変えたりすることができる。

図２（ｂ）に示す走査方法では、中心の視野１０１２に対して視野１０１１と視野１０１３が半分ずつ重なっている。この場合も１つの照明光で走査する場合に比べて広い視野で測距することができる。さらに視野１０１１、１０１３が重なった中心の視野１０１２では、点群の間隔を補完したり、同一の点についての測距フレームレートを向上させたりすることができる。

第２光学系４０は、対象物で反射して、偏向部３０および第１光学系２０の順に導かれた複数の反射光を受光部５０へ導く。第２光学系４０は、角度変換素子（角度制御素子）４１、光学フィルタ４２および複数（３つ）の受光レンズ（集光面）４３から構成される。角度変換素子４１は、対象物で反射して互いに異なる角度で入射する複数の反射光の進行方向を互いに同じにする角度変換（角度制御）作用を有する複数（３つ）の角度変換面（角度制御面）としての入射面４１ａ～４１ｃを備えている。具体的には、角度変換素子４１は、入射する光の屈折方向（スネルの法則により計算される）をそれぞれ異なる方向にする３つの入射面（透過面）４１ａ～４１ｃを有するプリズム（光学素子）により構成されている。本実施例では、上記３つの入射面４１ａ～４１ｃのうち光軸上（中央）の入射面４１ａは光軸に直交する面であり、他の２つ（両側）の入射面４１ｂ、４１ｃは光軸に対して互いに異なる角度で傾いた面である。より具体的には、プリズムは、オハラ株式会社製S-BSL7（屈折率１．５１６）の硝材により形成され、中央と両側の入射面４１ａ～４１ｃはそれぞれ光軸に対して９０ｄｅｇ、＋７１．９ｄｅｇおよび－７１．９ｄｅｇをなす。これにより、それぞれの入射面に入射した３つの反射光の進行角度がそれぞれ０ｄｅｇ、＋１０ｄｅｇおよび－１０ｄｅｇだけ変換され、３つの反射光の進行方向が互いに同じになる。

角度変換素子４１は、光源部１０の角度変換素子１３とは異なり、光入射側（第１光学系側）に光軸に対して直交する平面と傾いた平面とを有する。角度変換素子４１を互いに異なる角度で入射する複数の反射光が重なり合う位置に配置すると、一部の光を受光部５０に導くことができずに測距精度を低下させるおそれがある。このため、角度変換素子４１を互いに異なる角度で入射する複数の反射光が重なり合わない位置に配置することが望ましい。

光学フィルタ４２は、対象物からの反射光のうち光源部１０から出射した照明光の波長に対応する波長（すなわち照明光と同波長およびその近傍の波長）の光のみを受光部５０に到達させるためのバンドパスフィルタである。光学フィルタ４２は、測距に不必要なノイズ光となる外光を排除して測距精度を上げるために設けられている。実際の発光素子（半導体レーザ）１１は温度変化に対して共振器長が変化することで出力波長が変化する。このため、光学フィルタ４２の透過波長範囲としては、温度変化の波長シフトを考慮した波長範囲を設定することが望ましい。本実施例では、８５０～９５０ｎｍの波長範囲のみを透過する特性を有する。光学フィルタ４２は、第１光学系２０から受光部５０（受光素子５１）との間のいずれかに配置すればよい。ただし、バンドパスフィルタはその入射角度特性によって入射光が設計中心角度からずれるとフィルタ機能が低下するので、光学フィルタ４２は光軸に沿った位置に配置することが望ましい。本実施例では、角度変換素子４１の受光部側の平面に光学膜を蒸着して光学フィルタ４２の機能を付加する。これにより、光学系の面の数を減らし、迷光が発生する可能性を低減する。

３つの受光レンズ４３は、３つの反射光をそれぞれに対して設けられた複数（３つ）の受光素子５１の受光面（有効受光領域）の大きさに合わせて集光して結像させる。受光レンズ４３の焦点距離は、対象物と共役な像が受光素子５１の受光面の直径と同程度のサイズを有するように設定することが望ましい。これにより、受光面の全体におけるノイズ光に対する対象物からの反射光（信号光）の割合を高めることができ、測距精度を向上させることができる。本実施例での各受光レンズ４３の焦点距離は、対象物１００上の照明分布の大きさと受光素子５１の受光面の大きさから３５ｍｍとする。

受光部５０は、対象物からの複数の反射光をそれぞれ受光する複数の受光素子５１と、これらが実装された受光素子基板５２から構成される。受光素子５１としては、微小な光を検出可能なＰＤ（Photo Diode）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）およびＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）等が望ましい。一般にこれらの受光素子は、受光面に入射する光の角度によって受光効率が異なり、受光面に垂直に入射する光に対する受光効率が最も高く、垂直からの入射角度が大きくなるにつれて受光効率が低下する。したがって、反射光を集光しながら受光素子５１に受光させる場合には、反射光の主光線が受光面に垂直な入射することが望ましい。

制御部６０は、ＣＰＵ等を含むコンピュータにより構成され、光源部１０の発光パラメータ、偏向部３０の偏向ミラーの揺動パラメータおよび受光部５０の受光パラメータ等を制御する。

前述したように、本実施例では、第２光学系４０の角度変換素子４１が対象物で反射して互いに異なる角度で入射する複数の反射光の進行角度をそれぞれ変換し、これら反射光の進行方向を同じにする。これにより、複数の反射光を受光する同軸系ＬｉＤＡＲの受光系について、反射光の拡がりによる大型化を抑制している。また、反射光の拡がりを抑制するだけでなく、複数の反射光を同一方向に進行させることで、同一の受光素子基板５２上（つまりは同一平面上）に複数の受光素子５１を配置することができる。これにより、複数の受光素子を互いに異なる方向からの反射光の垂直入射を受けるように同一平面上にないように配置する場合に比べて、受光部５０を小型化する（大型化を抑制する）ことができる。本実施例では３つの反射光を受光する場合を示しているが、反射光の数をより増やした場合に上記の大型化抑制効果はより顕著になる。

また本実施例の角度変換素子４１を含む受光系に代えて、特許文献２に開示されているように１つの受光レンズにより複数の反射光を複数の受光素子に向けて集光する構成を採用することも考えられる。しかし、一般に複数の反射光のそれぞれの受光素子への入射角は互いに異なる。受光素子の受光効率は角度特性を持つため、１つの平面上の複数の受光素子で複数の反射光を受光する場合、視野に対応して入射角が大きくなるほど受光効率が低下する。この場合、受光レンズの配置を、その前側焦点位置を受光系の絞りと一致させる、いわゆるテレセントリックな配置とすることで、各反射光を各受光素子の受光面に垂直入射させることも考えられる。

本実施例では、角度変換素子４１を用いて互いに異なる角度で入射してくる複数の反射光の進行方向を同一方向とした後に、各反射光を対応する受光素子５１に適切な倍率で集光する。これにより、配置上の制約がある同軸系ＬｉＤＡＲの受光系において、各反射光を受光面に垂直入射させることができ、受光素子の角度特性による受光効率の低下を抑制することができる。

前述したように本実施例の光学装置は、車載状態のように温度環境が著しく変化する状況で使用される。高温環境下では発光素子１１としての半導体レーザの共振器長の変化によって出射する光の波長が長波長側へシフトする。これにより、レンズやプリズムでの屈折角が変化して、これらから出射する光の進行方向が変化する。この場合、一般には光の結像位置が常温時に比べてずれて受光素子５１の受光効率が低下する。

本実施例において、角度変換素子１３と角度変換素子４１の材料は同じであり、それぞれの複数の角度変換面は互いに相似な形状をなすように配置されている。角度変換素子１３は、１つの発光素子１１から出射してコリメートされた平行光を互いに進行角度が異なる複数の光に分割する作用を有する。角度変換素子４１は、角度変換素子１３と対をなすように、互いに進行角度が異なる複数の光を互いに平行な光へと変換する作用を有する。このような構成により、各視野に対応する受光素子の受光効率の低下を抑制して高精度に測距することができる。このことを、図３および図４を用いて以下で説明する。

図３は、光源部１０の角度変換素子１３から出射する３つの照明光のうち１つの照明光（出射面１３ｃから出射する照明光）の光路を示している。太実線は常温時での照明光の光路を示しし、細実線は高温時での照明光の光路を示している。高温時では発光素子１１からの照明光の長波長側へのシフトによって角度変換素子１３内を透過する際の屈折率が小さくなるので、角度変換素子１３からスネルの法則に従って出射する照明光の進行角度の変化は、常温時に比べて少ない。このため、偏向部３０の偏向ミラー３１に対する照明光の入射角は常温時よりも大きく、偏向ミラー３１で入射角の２倍の角度で反射する照明光の進行方向は常温時に比べてわずかにずれる。通常の同軸系LiDARでは、照明系は光源と物体面が互いに共役になるように設計され、受光系は物体面と受光素子が互いに共役になるように設計される。このため、照明系の物体面の位置がずれると、受光系における受光面での像の位置もずれる。像の位置が受光面から外れると、受光効率が低下して測距できる距離が短くなる。これに対して本実施例の受光系では、受光素子５１の受光効率の低下を抑制できる。

図４は、対象物からの３つの反射光のうち１つの反射光（入射面４１ｃに入射する反射光）の光路を示している。太破線は常温時での反射光の光路を示し、細破線は高温時での反射光の光路を示している。対象物からの反射光は、偏向ミラー３１および送受分離素子２１の第２導光部で反射した後、角度変換素子４１に入射する。このとき、高温時において該反射光が光軸に対してなす角度は常温時に比べて小さい。前述したように角度変換素子４１の材料が角度変換素子１３の材料と同じであるため、同じ高温環境下において角度変換素子４１の角度変換面による屈折力は角度変換素子１３の角度変換面による屈折力と等しい。したがって、角度変換素子４１に光軸に対して斜めの方向から入射した反射光は、発光素子１１からの波長シフトした照明光に対する角度変換素子１３での角度変換作用を打ち消して、光軸に平行な光として角度変換素子４１から出射する。この結果、光軸に平行となった反射光は、集光レンズ４３によって常温時と同じ位置にある受光素子５１により受光される。低温環境下では、反射光の屈折角の変化が高温環境下と逆になるが、同様に受光素子５１の受光効率の低下が抑制される。

このように本実施例では、各反射光に対して角度変換作用を有する角度変換面を備えた角度変換素子４１を受光系に用いる。これにより、視野の拡大や解像度の向上を目的として複数の反射光を受光する同軸系ＬｉＤＡＲにおいて、受光系の大型化を抑制することができる。また、角度変換素子４１の複数の角度変換面と相似な形状をなすように配置された複数の角度変換面を有する角度変換素子１３を照明系に用いて複数の視野に向けて複数の照明光を射出することで、照明系の大型化も抑制することができる。そして、環境温度の変化した場合には照明光と反射光の角度変化を打ち消し合うことで、受光素子５１の受光効率の低下を抑制することができる。

図５は、実施例２の光学装置１Ａの光学構成および電気的構成要素としての制御部６０を示している。図５において、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付している。本実施例は、光源部１０Ａが複数の発光素子１１を含み、各発光素子からの照明光から互いに進行角度が異なる複数の照明光が生成される点が実施例１と異なる。複数の発光素子１１を用いることにより、複数の視野に照射する照明光を独立に制御することができる。

また、本実施例における第２光学系４０Ａに用いられる角度変換素子４１Ａは、実施例１の角度変換素子４１とは異なる。角度変換素子４１Ａは、光軸上の中央のレンズ４１Ａａと、その両側の偏心レンズ４１Ａｂ、４１Ａｃとを有する。中央レンズ４１Ａａと偏心レンズ４１Ａｂ、４１Ａｃの入射面（同一面）はいずれも、角度変換作用と集光作用とを併せ持つ。偏心レンズ４１Ａｂ、４１Ａｃは、そのレンズ面の頂点が受光素子５１の受光面の中心を通って該受光面に垂直な軸に対して偏心したレンズである。対象物からの３つの反射光のうち角度変換素子４１Ａに±１０ｄｅｇで入射する２つの反射光が入射するレンズが、それぞれの反射光を受光する受光素子５１に対して偏心したレンズとなっている。

偏心レンズを含む角度変換素子４１Ａを透過した各反射光の主光線は、各受光素子の受光面に対して垂直に入射するため、反射光の拡がりを抑えることができる。また複数の反射光を同一方向に進行させることで、同一の受光素子基板５２上（同一平面上）に複数の受光素子５１を配置することができる。これにより、複数の受光素子を互いに異なる方向からの反射光の垂直入射を受けるように同一平面上にないように配置する場合に比べて、受光部５０を小型化することができる。また、受光素子５１の角度特性による受光効率の低下を、主光線が斜めに入射する場合に比べて抑制することができる。

さらに、光源部１０Ａにおいて複数の発光素子１１は光源部１０Ａの光学系の光軸に直交する平面上に配置されている。複数の発光素子１１からの照明光は、光軸上では無偏心であるが、外側ほど偏心量が大きくなる。光源部１０Ａのコリメータレンズアレイ１２Ａは、光軸上の中央のレンズ１２Ａａと、その両側の偏心レンズ１２Ａｂ、１２Ａｃとを有し、角度変換素子４１Ａと相似な形状を有する。偏心レンズ１２Ａｂ、１２Ａｃは、そのレンズ面の頂点が対応する発光素子１１の中心を通って光軸に平行な軸に対して偏心したレンズである。このようなコリメータレンズアレイ１２Ａにより、複数の発光素子１１からの照明光は平行化され、かつ各視野に対応する進行方向の照明光に変換される。

このように本実施例では、実施例１と同様に、受信系の角度変換素子４１Ａと相似な形状のコリメータレンズアレイ１２Ａを照明系に用いる。これにより、環境温度の変化した場合には照明光と反射光の角度変化を打ち消し合うことで、受光素子５１の受光効率の低下を抑制することができる。

なお、本実施例のように光源部に複数の発光素子を用いる場合、光源部から出射する複数の光の角度のそれぞれに公差が発生する。したがって、受光部に入射する複数の反射光の角度のそれぞれにも公差が含まれることになる。しかし、本実施例の受光系の角度変換素子（偏心レンズ）によって反射光の位置を調整することにより、各反射光の入射角度に公差がある場合でもこれを適切に集光することができる。この場合、角度変換素子を、これを構成する隣り合うレンズ同士が干渉することを回避するために、それらレンズ間に隙間ができる位置、すなわち反射光同士が完全に分離する位置に配置することが望ましい。

図６は、実施例３の光学装置１Ｂの光学構成および電気的構成要素としての制御部６０を示している。本実施例では、光源部１０Ｂの角度変換素子１３Ｂに５つの角度変換面１３Ｂａ～１３Ｂｅを設けて光源部１０Ｂから５つの照明光を出射させ、これに伴い偏向部３０Ｂの偏向ミラー３１Ｂのサイズを拡大している。また第２光学系４０Ｂの構成が実施例１、２の第２光学系４０、４０Ａと異なり、受光部５０Ｂは５つの受光素子５１を有する。本実施例では、偏向部３０Ｂから第２光学系４０Ｂに入射する反射光の最大角度が２０ｄｅｇであり、各反射光の拡がりが実施例１、２に比べて大きい。

第２光学系４０Ｂは、角度変換素子４１Ｂとして、回折光学素子を用いている。回折光学素子は、光軸を中心とした同心円上の輪帯パターンを形成するように配置された回折格子を有し、該輪帯パターンのピッチが光軸から離れるほど小さくなっている。回折光学素子のうち光軸上の回折レンズ部４１Ｂａと光軸から離れ４つの回折レンズ部４１Ｂｂ～４１Ｂｅは、偏向部３０Ｂから入射した５つの反射光をそれぞれ５つの受光素子５１の受光面に垂直に入射させるように回折および集光させる。すなわち、５つの回折レンズ部４１Ｂａ～４１Ｂｅは、回折光の進行方向（回折方向）が互いに異なる回折面である。各回折レンズ部の焦点距離は、波長９０５ｎｍの光を受光素子５１の受光面に適切に集光するように設定されている。

上記のような回折光学素子を用いることで、受光素子５１の入射角度特性による受光効率の低下を抑制することができる。また角度変換素子４１Ｂを回折光学素子とすることで、光源部１０Ｂからの照明光の数が増えた場合でも、実施例１、２の角度変換素子４１、４１Ｂのようにプリズムや偏心レンズを用いる場合に比べて角度変換素子を容易に製造することができる。
［車載システム］
図７は、実施例１から３のいずれかの光学装置１、１Ａ、１Ｂのいずれか（図には光学装置１として示している）を含む運転支援装置として車両に搭載される車載システム１０００の構成を示している。

車載システム１０００は、車両としての自動車その他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８は、車載システム１０００を含む車両５００を模式的に示している。図８には光学装置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の後方や側方等に設定してもよい。

図７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とを備えている。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）と衝突判定部（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、それぞれを光学装置１の外部（例えば車両５００の内部）に設けてもよいし、制御装置３００を制御部６０として用いてもよい。

図９は、本実施例の車載システム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素子５１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。

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、舵角等を含む車両情報を取得する。

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を判定する。

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とＳ２は、上記の順番とは逆の順番で行われてもよいし、並列で行われてもよい。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）。

制御部６０は、「衝突可能性あり」と判定した場合は、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および警告装置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等の制御を行う。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等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等の警告を行う。

以上説明した車載システム１０００によれば、上記処理により対象物の検出と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、本実施例では車載システム１０００を運転支援（衝突被害軽減）に適用する場合について説明したが、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）や自動運転等に適用してもよい。また車載システム１０００は、自動車等の車両に限らず、船舶、航空機、産業用ロボット等の様々な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）等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等によって送信してもよい。

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等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、警察等の所定の通知先に限らず、ユーザが設定した任意の通知先であってもよい。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。

以上の実施の形態は以下の構成を含む。

（構成１）
光源部からの複数の照明光を物体を走査するように偏向し、前記物体からの複数の反射光を偏向する偏向部と、
前記偏向部からの前記複数の反射光のそれぞれを受光する複数の受光領域を有する受光部と、
前記光源からの前記複数の照明光を前記偏向部に向かわせ、前記偏向部からの前記複数の反射光を前記受光部に向かわせる第１光学系と、
前記第１光学系からの前記複数の反射光を前記複数の受光領域に入射させる第２光学系とを有し、
前記第２光学系は、
前記複数の反射光のそれぞれの進行角度を制御する複数の角度制御面と、
前記複数の角度変換面からの前記複数の受光領域に向かう前記複数の反射光のそれぞれを集光する複数の集光面とを有することを特徴とする光学装置。
（構成２）
前記複数の受光領域は、同一平面上に配置されていることを特徴とする構成１の光学装置。
（構成３）
前記複数の角度変換面は、前記複数の反射光の進行方向を互いに同じにする進行角度変換作用を有す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）
前記同一平面は、前記複数の角度変換面からの前記複数の反射光の進行方向に対して直交する平面であることを特徴とする構成３に記載の光学装置。
（構成５）
前記複数の角度変換面は、前記複数の反射光が重なり合わない位置に配置されていることを特徴とする構成１から４のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成６）
前記複数の集光面がそれぞれ、別々のレンズに設けられていることを特徴とする構成１から４のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成７）
前記複数の角度変換面と前記複数の受光領域との間に、前記複数の反射光のうち前記照明光の波長に対応する波長の光のみを前記複数の受光領域に到達させる光学フィルタが配置されていることを特徴とする構成１から６のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成８）
前記複数の角度変換面は、光学素子に前記第２光学系の光軸に対して互いに異なる傾きを有するように設けられた複数の透過面であることを特徴とする構成１から７のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成９）
前記複数の角度変換面のうち少なくとも１つが、前記受光領域の中心に対して偏心した偏心レンズにより構成されていることを特徴とする構成１から７のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成１０）
前記第２光学系において、前記複数の角度変換面のそれぞれと前記複数の集光面のそれぞれとが同一面として設けられていることを特徴とする構成１から９のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成１１）
前記複数の角度変換面が、回折光の進行方向が互いに異なる回折面により構成されていることを特徴とする構成１から７のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成１２）
前記光源部は、光源からの１つの照明光を分離して前記複数の照明光を生成することを特徴とする構成１から７のいずれか１つに記載の光学装置。
（構成１３）
前記光源部は、前記１つの照明光を互いに異なる進行方向を有する前記複数の照明光に分離する複数の角度変換面を有することを特徴とする構成１２に記載の光学装置。
（構成１４）
前記光源部の前記複数の角度変換面と前記第２光学系の前記複数の角度変換面とが互いに相似な形状に配置されていることを特徴とする構成１３に記載の光学装置。
（構成１５）
車両に搭載される車載システムであって、
構成１から１４のいずれか１つに記載の光学装置を備え、
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、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１６）
前記車両と前記物体との衝突可能性があ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１５に記載の車載システム。
（構成１７）
前記車両と前記物体との衝突可能性があると判定された場合に、前記車両のユーザ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１５または１６に記載の車載システム。
（構成１８）
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構成１５から１７のいずれか１つに記載の車載システム。
（構成１９）
構成１から１４のいずれか１つに記載の光学装置を備え、
前記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。
（構成２０）
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構成１９に記載の移動装置。
（構成２１）
前記物体との衝突可能性があ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構成２０に記載の移動装置。
（構成２２）
前記物体との衝突可能性があると判定された場合に、前記移動装置のユーザに対して警告を行う警告部を備えることを特徴とする構成２０または２１に記載の移動装置。
（構成２３）
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構成２０から２２のいずれか１つに記載の移動装置。

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光学装置
１０ 光源部
１１ 発光素子
１２ コリメータレンズ
１３ 角度変換素子
２０ 第１光学系
２１ 送受分離素子
３０ 偏向部
３１ 偏向ミラー
４０ 第２光学系
４１ 角度変換素子
５０ 受光部
５１ 受光素子
１００ 対象物

Claims (23)

1. 光源部からの複数の照明光を物体を走査するように偏向し、前記物体からの複数の反射光を偏向する偏向部と、
   前記偏向部からの前記複数の反射光のそれぞれを受光する複数の受光領域を有する受光部と、
   前記光源からの前記複数の照明光を前記偏向部に向かわせ、前記偏向部からの前記複数の反射光を前記受光部に向かわせる第１光学系と、
   前記第１光学系からの前記複数の反射光を前記複数の受光領域に入射させる第２光学系とを有し、
   前記第２光学系は、
   前記複数の反射光のそれぞれの進行角度を制御する複数の角度制御面と、
   前記複数の角度制御面から前記複数の受光領域に向かう前記複数の反射光のそれぞれを集光する複数の集光面とを有することを特徴とする光学装置。
2. 前記複数の受光領域は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１の光学装置。
3. 前記複数の角度制御面は、前記複数の反射光の進行方向を互いに同じにすることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 前記同一平面は、前記複数の角度制御面からの前記複数の反射光の進行方向に対して直交する平面であることを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 前記複数の角度制御面は、前記複数の反射光が重なり合わない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。
6. 前記複数の集光面がそれぞれ、別々のレンズに形成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。
7. 前記複数の角度制御面と前記複数の受光領域との間に、前記複数の反射光のうち前記照明光の波長に対応する波長の光のみを前記複数の受光領域に到達させる光学フィルタが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。
8. 前記複数の角度制御面は、光学素子に前記第２光学系の光軸に対して互いに異なる傾きを有するように設けられた複数の透過面であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
9. 前記複数の角度制御面のうち少なくとも１つが、前記受光領域の中心に対して偏心した偏心レンズにより構成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。
10. 前記第２光学系において、前記複数の角度制御面のそれぞれと前記複数の集光面のそれぞれとが同一面として設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
11. 前記複数の角度制御面が、回折光の進行方向が互いに異なる回折面により構成されていることを特徴とする請求項１の記載の光学装置。
12. 前記光源部は、光源からの１つの照明光を分離して前記複数の照明光を生成することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
13. 前記光源部は、前記１つの照明光を互いに異なる進行角度を有する前記複数の照明光に分離する複数の角度制御面を有することを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
14. 前記光源部の前記複数の角度制御面と前記第２光学系の前記複数の角度制御面とが互いに相似な形状に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光学装置。
15. 車両に搭載される車載システムであって、
    請求項１に記載の光学装置を備え、
    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、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。
16. 前記車両と前記物体との衝突可能性があ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１５に記載の車載システム。
17. 前記車両と前記物体との衝突可能性があると判定された場合に、前記車両のユーザ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１５に記載の車載システム。
18. 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１５に記載の車載システム。
19. 請求項１に記載の光学装置を備え、
    前記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。
20. 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１９に記載の移動装置。
21. 前記物体との衝突可能性があ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２０に記載の移動装置。
22. 前記物体との衝突可能性があると判定された場合に、前記移動装置のユーザ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２０に記載の移動装置。
23. 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２０に記載の移動装置。