JP3038918B2

JP3038918B2 - 光レーダ装置

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Publication number: JP3038918B2
Application number: JP5505950A
Authority: JP
Inventors: 晃倉橋; 浩安藤; 俊幸兼岩; 善明帆足
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: JPH06505726A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は光レーダ装置に関するものであり、例えば、
定速走行装置や、自車両に接近してくる他の車両や障害
物等の位置を正確に感知できる光レーダ装置に用いられ
るものである。

背景技術従来、路面の幅方向に検知領域を確保する光レーダ装
置としては、実開昭59−117980号公報および実開昭59−
117981号公報に開示されるものがある。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示す実開昭59−117980号公
報に開示された装置では、光源からの光をレンズによっ
てある程度集光させて第１の検知範囲θT₁を得ると共
に、上記光源を適宜移動させることによりレンズの集光
度合いを変化させて、上記第１の検知範囲θT₁より路面
の幅方向に広い第２の検知範囲θT₂を得ている。

また、図８に示す実開昭59−117981号公報に開示され
た装置では、レンズを介して光源からの光をプリズムに
よって拡散させることにより路面方向の拡がり角を拡大
させて、路面の幅方向に対して広い検知領域を確保して
いる。

ところが上述した従来のものにおいて、図７に示す実
開昭59−117980号公報記載の装置では、光源を移動させ
ることにより検知範囲を変化させているので、第１の検
知範囲θT₁および第２の検知範囲θT₂に対して同時に光
を出射することができず、検知範囲が偏ってしまうとい
う問題がある。

また図８に示す実開昭59−117981号公報記載の装置で
は、プリズムによって光が均一に拡散してしまうので、
最大検出距離が短くなってしまうという問題がある。こ
の問題は、光レーダ装置を車間制御や障害物検出装置に
利用する際に、最大検出距離を低下させることなく近距
離領域での路面の幅方向の検出領域を広くしたいという
従来からの要望を満たすことができないものである。

そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであ
り、検知範囲を偏らせずかつ最大検出距離を犠牲にする
ことなく、近距離領域での路面方向の拡がり角を拡大す
ることが可能な光レーダ装置を提供することを目的とす
るものである。

発明の開示そのため本発明においては、車両前方の物体に向けて出射光を出力する送光器と、前記物体によって反射された反射光を受光する受光器
と、前記出射光と前記反射光とに基づいて前記物体までの
距離を求める距離演算手段とを備え、前記送光器は、第１の焦点距離を有する第１の焦点部、および前記第
１の焦点距離より少なくとも長い第２の焦点距離を有す
る第２の焦点部を有し、前記車両の車幅方向又は高さ方
向に対して、前記第２の焦点部、前記第１の焦点部、前
記第２の焦点部と順次連なる光学器と、この光学器から少なくとを上記第１の焦点距離以下に
離れた位置に設けられ、前記光学器に光を出射すること
により、前記第１の焦点部および前記第２の焦点部を介
して光を前記車両前方に向けて出射する光源と、を備えたことを特徴とする車両用光レーダ装置を採用す
るものである。

上記構成により、送光器に設けられた光学器は、車両
の車幅方向又は高さ方向に対して、第２の焦点部、第１
の焦点部、第２の焦点部と順次連なるよう構成される。
そして、送光器に設けられた光源は、第１の焦点部が有
する第１の焦点距離以下に離れた位置に設けられ、光学
器に光を出射することにより、第１の焦点部及び第２の
焦点部を介して光を車両前方に出射している。

従って、光源から光学器に出射された光のうち、第１
の焦点部より出射された光は、出射角、すなわち拡がり
角が小さくために出射光があまり拡散しないで、出射光
を遠距離まで届かせることができる。一方、第２の焦点
部より出射された光は、出射光が拡散されるので、出射
光を近距離領域に出射させることができる。

図面の簡単な説明図１は本発明の第１実施例を表す構成図、図２は一般
的な凸レンズの焦点距離および出射角の関係を説明する
ための概念構成図、図３は上記第１実施例における２重
焦点レンズ７の焦点距離および出射角の関係を説明する
ための概念構成図である。

図４は上記２重焦点レンズ７からの光の出射パターン
を概念的に表す概念図、図５は本発明の第２実施例を表
す構成図、図６は本発明の第３実施例を表す構成図、図
７は従来技術の構成を表す構成図、図８は他の従来技術
の構成を表す構成図である。

図９は本発明の第４実施例における多重焦点レンズ40
の構成を表す構成図、図10は本発明の第4,5実施例に用
いられる半導体レーザダイオードの特定を表す特性図、
図11は上記第４実施例における多重焦点レンズ40からの
光の出射パターンを概念的に表す概念図である。

図12は本発明の第５実施例における多重焦点レンズ53
を概略的に示す概略構成図、図13は上記第５実施例にお
ける多重焦点レンズ53からの光の出射パターンを概念的
に表す概念図、図14は本発明の第６実施例におけるレン
ズからの光の出射パターンを概念的に表す概念図であ
る。

発明を実施するための最良の形態以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施例を表す構成図である。

図１において、筐体からなる送光器５は、駆動パルス
信号によりパルス状の光を出射する、送光器５に固定さ
れた半導体レーザダイオードからなる光源６と、短焦点
部分7a（第１の焦点部に相当）を中心付近に、長焦点部
分7b（第２の焦点部に相当）をその周辺に配置して一体
成形した、ガラスもしくはプラスチック等からなる２重
焦点レンズ７（光学器に相当）と、光源６の発光状態を
モニタするフォトダイオード11とにより構成されてい
る。

特に、光源６は２重焦点レンズ７の短焦点部分7aの焦
点距離よりわずかに短い距離に配置されており、これに
よって短焦点部分7aでは狭い拡がり角θ_ａで光が出射さ
れ、長焦点部分7bでは広い拡がり角θ_ｂで光が出射され
るので、短焦点部分7aより出射された光は遠距離領域を
カバーし、長焦点部分7bより出射された光は近距離領域
の左右に広がった領域（すなわち路面の幅方向）カバー
することができる。なお、この２重焦点レンズ７につい
ての詳細は後述する。

一方、筐体からなる受光器８は、前方車両のリフレッ
クスリフレクタ等で反射した反射光を集光する光学系10
と、集光された光（パルス状の光）を受光して光電変換
するフォトダイオード９とにより構成されている。

そして制御回路１は、光源６の駆動パルス信号を発生
するパルス発生器２と、フォトダイオード９からのパル
ス信号を検出するパルス検出器３と、パルス発生器２か
らの発光開始信号（もしくは上述したフォトダイオード
11からのモニタ信号（パルス信号））およびパルス検出
器３からの受光検出信号により、発光開始から受光検出
までの伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間に基づい
て反射体（前方車両）までの距離を測定する信号処理回
路４とにより構成される。なお、信号処理回路４では、
フォトダイオード11からのモニタ信号によって光源６が
的確に発光しているかどうかの確認も行っている。

次いに、上記構成における作動を説明する。

パルス発生器２より駆動パルス信号が発生すると、光
源６はパルス状の光を２重焦点レンズ７へと出射する。
すると、２重焦点レンズ７により、光源６から出射され
た光は、短焦点部分7aでは狭い拡がり角θ_ａで出射さ
れ、長焦点部分7bでは広い拡がり角θ_ｂで光が出射され
る。この時、フォトダイオード11により光源６の発光状
態がモニタされると共に、パルス発生器２より信号処理
回路４へ発光開始に相当する発光開始信号が出力され
る。

そして、送光器５より出射された光が前方車両のリフ
レックスリフレクタ等で一部反射すると、その反射光を
光学系10によりフォトダイオード９上に集光され、フォ
トダイオード９にて光電変換を行ってパルス信号を発生
する。この発生したパルス信号は、パルス検出器３によ
り直ちに検出されて、受光検出に相当する受光検出信号
を信号処理回路４へ出力する。

すると、信号処理回路４では、パルス発生器２からの
発光開始信号（もしくは上述したフォトダイオード11か
らのモニタ信号（パルス信号））およびパルス検出器３
からの受光検出信号によって、発光開始から受光検出ま
での伝搬遅延時間を求め、この伝搬遅延時間に基づいて
反射体（前方車両）までの距離を測定し、その測定結果
を距離情報として、例えば図示されない表示装置等に出
力、表示させる。

次に上述した２重焦点レンズ７の焦点距離および出射
角の関係について説明する。

図２は、一般的な凸レンズの焦点距離および出射角の
関係を説明するための概念構成図である。図２におい
て、凸レンズ36等の集光レンズの特性は、凸レンズ36の
中心から焦点距離ｆだけ離れたＡ点に点光源を配置した
場合には、Ａ点からの光100は凸レンズ36を介すると平
行光110になる。

一方、焦点距離ｆより短い距離ｆ′だけ凸レンズ36の
中心から離れた点Ｂに点光源を配置した場合には、Ｂ点
からの光120は凸レンズ36を介すると、距離の比ｆ′/f
に比例した拡がり角θ_１を有する光130として凸レンズ3
6より出射される。さらに、焦点距離ｆより長い距離
ｆ″だけ凸レンズ36の中心から離れた点Ｃに点光源を配
置した際には、Ｃ点からの光140は凸レンズ36を介する
と、距離の比ｆ″/fに比例した収光角θ_２を有する光15
0として凸レンズ36より出射される。

このような一般的特性から考察してみると、上述した
２重焦点レンズ７の焦点距離および出射角の関係は図３
に示すようになる。なお、図３は２重焦点レンズ７の焦
点距離および出射角の関係を説明するための概念構成図
である。

図３において、２重焦点レンズ７の中心から短焦点部
分7aの焦点距離Ｄだけ離れたＤ点に対し、距離ｄだけレ
ンズ中心に近づいたＥ点に上述した光源６を配置する。
すると、光源６から出射された光200、230のうち、光20
0は、Ｄ点に光源６を配置した際に得られる平行光220に
対してθ_a/2の拡がり角で出射される。一方、光230は、
２重焦点レンズ７の中心から図示されない長焦点部分7b
の焦点距離だけ離れた位置に光源６を配置した際に得ら
れる平行光250に対してθ_b/2（θ_ａ＜θ_ｂ）の拡がり角
で出射される。

したがって、短焦点部分7aから出射された光210は出
射角（すなわち拡がり角）が小さいために出射光があま
り拡散しないので、出射光を遠距離まで届かせることが
できる。一方、長焦点部分7bから出射された光240は出
射角が大きいために多少拡散されるので、出射光を近距
離領域、特に、路面の幅方向に拡がった領域に出射させ
ることができる。

次に、上述した２重焦点レンズ７からの光の出射パタ
ーンを、図４に示す概念図により説明する。なお、図４
は、送光器５からの検出距離Ｌ（ｍ）を縦軸に、検出幅
Ｗ（ｍ）を横軸にして図示されており、点線部は、上述
した凸レンズ36（図２）を使用した場合の光の出射パタ
ーンを示すものである。

図４に示すように、短焦点部分7aから出射された光は
中心に対して拡がり角θ_a/2をなして近距離領域をカバ
ーし、長焦点部分7bから出射された光は中心に対して拡
がり角θ_b/2をなして遠距離領域をカバーしている。

ここで、図４に示すように、出射角が異なると検出距
離が異なるのは、上述した出射角の大きさによる要因以
外に、短焦点部分7aおよび長焦点部分7bの面積比による
ものがある。すなわち、短焦点部分7aおよび長焦点部分
7bより出射される光の強度はガラス面積に比例するの
で、短焦点部分7aのガラス面積と長焦点部分7bのガラス
面積との面積比を設定することにより、最大遠検出距離
および最大近検出距離を設定することができる。

以上述べたように、本発明の第１実施例においては、
光源６を適宜移動させることなく、遠距離領域および近
距離領域という双方の検知領域を確保することができる
の４で、検知範囲を偏らせず、かつ光源を移動させるた
めの駆動回路を設ける必要がない。

また、短焦点部分7aおよび長焦点部分7bで構成された
２重焦点レンズ７を用いることにより、光源６から出射
された光の拡散度合いを異なる（一方は平行光に近い拡
散、他方は拡散）ようにしたので、最大検出距離を犠牲
にすることなく、近距離領域の検出幅を拡げることがで
き、これによって、車間制御や障害部検出装置に適した
検出領域を実現することができる。

なお上述した第１実施例では、図４に示すような２重
焦点レンズ７からの光の出射パターンを示したが、２重
焦点レンズ７を構成する短焦点部分7aおよび長焦点部分
7bの角焦点距離と、２重焦点レンズ７から光源６までの
距離と、２重焦点レンズ７の短焦点部分7aおよび長焦点
部分7bの面積比率とをそれぞれ独自に変更することによ
って、所望の出射パターンを形成することができる。

また、２重焦点レンズ以外にも、必要に応じてこれ以
上の多焦点系で送光部の光学系を構成してもよい。さら
に上記第１実施例では、送光器５と受光器８とが別体に
構成されているが、一体構成（２つの筐体を１つの筐体
とする）としても良い。これは、後述する第２実施例〜
第６実施例についても同様である。

次に、本発明の第２実施例を図５を用いて説明する。
この第２実施例では、送光器の光学系として第１実施例
における２重焦点レンズ７に変えて透過型ホログラム18
を用いている。なお、制御回路12、パルス発生器13、信
号処理回路14、パルス検出器15、送光器16、光源17、受
光器19、フォトダイオード20、光学系21、フォトダイオ
ード22は、上記第１実施例における各構成要素と同様な
ので説明は省略する。

図５において、第１実施例における２重焦点レンズ７
では、レンズ内の領域を分割して短焦点部分7aおよび長
焦点部分7bにする必要があったが、この実施例における
透過型ホログラム18（光学器に相当）では、多重露光に
よって短焦点と長焦点とが混在する透過型ホログラム18
を製造することができるので、例えば、光源17の発光中
心部の光波形の歪みが少ない光を短焦点および長焦点に
任意の割合い（場合によっては均等）で配分することが
できる。そのため、短焦点部分でカバーする領域（遠距
離領域）および長焦点部分でカバーする領域（近距離領
域）の測距精度のばらつきを容易に調整することができ
る。

次に、本発明の第３実施例を図６を用いて説明する。
この第３実施例では、送光器の光学系として第１実施例
における２重焦点レンズ７に変えて反射型ホログラム31
を用いている。なお、制御回路23、パルス発生器24、信
号処理回路25、パルス検出器26、送光器27、光源28、受
光器32、フォトダイオード33、光学系34、フォトダイオ
ード35は、上記第１実施例における各構成要素と同様な
ので説明は省略する。

図６において、上記第２実施例と同様に、多重露光に
よって短焦点と長焦点とが混在する反射型ホログラム31
（光学器に相当）を製造することができるので、反射型
ホログラム31の反射角を考慮して、ミラー29,30および
光源28の配置関係により反射型ホログラム31への入射角
を設定する。なお、このミラー29、30は、光源28単体の
配置関係だけで反射型ホログラム31への入射角を設定す
ることができる場合には、用いる必要はない。

次に、本発明の第４実施例を図９を用いて説明する。
この第４実施例では、図９に示すように、第１実施例に
おける２重焦点レンズ７とは形状の異った多重焦点レン
ズ40を用いるものである。この多重焦点レンズ40は、シ
リンドリカル面40aによって遠距離領域用の拡がり角θ
_ａ（図１）で光を出射し、平面40bによって近距離領域
用の拡がり角θ_ｂ（図１）で光を出射している。

図９において、多重焦点レンズ40は、所定の曲率半径
を有するシリンドリカル面40aと，平面40bと，非球面40
cとにより構成されている。なお、シリンドリカル面40a
は、図９においては平面状に形成されているように見え
るが、実際は非球面40cの曲率半径に対してかなり大き
な曲率半径を有した曲面状に形成されている。

そして、この第４実施例では、上記構成によって、シ
リンドリカル面40aおよび非球面40cによって遠距離領域
用の拡がり角θ_ａ（図１）で光を出射し、平面40bおよ
び非球面40cによって近距離領域用の拡がり角θ_ｂ（図
１）で光を出射している。

ここで、例えば図９に示す構成のものにおいて、多重
焦点レンズ40の外形Ｇをφ30、シリンドリカル面40aの
曲率半径をＲ＝135、シリンドリカル面40aの幅Ｉを15.5
mm、以下に示す数式１にR₀＝16,K＝−0.52を代入して算
出される非球面40cの曲率半径Ｚ、多重焦点レンズ40の
厚さＪを10mmとして、図10に示す指向性を有する半導体
レーザダイオード41をシリンドリカル面40aの光軸上Ｌ
＝20mmの位置に配置した例について説明する。なお、半
導体レーザダイオード41は、図10（ａ）に示す指向特性
がシリンドリカル面40aのＲ方向に平行になるように配
置されるものとする。

Ｚ＝ch²/［１＋｛１−（Ｋ＋１）c²h²｝^1/2］Ah⁴ ……（１）（h²＝x²＋y² ｃ＝1/R₀）上記のように設定，配置された光レーダ装置におい
て、半導体レーザダイオード41より光が出射されると、
光の出射パターンは、図11に示すように出射される。こ
の時、遠距離領域用の拡がり角θ_ａは2.96゜、近距離領
域用の拡がり角はθ_ｂは9.8゜となる。

なお、この実施例における変形例として、図９に示す
多重焦点レンズ40において、例えば平面40bの代わりに
拡散平面板（拡散平面部に相当）を用い、この拡散平面
板40bとシリンドリカル面40a（焦点部に相当）等の球面
レンズとの組合せのみによって構成してもよい。但し、
この場合には、近距離領域は拡散平面板である平面40b
単独で光が出射されることにあるため、光は拡散平面板
により拡散されて弱められ、検出距離としては若干短く
はなる。

次に、本発明の第５実施例を図12（ａ）〜（ｃ）を用
いて説明する。この第５実施例では、図12（ｃ）に示す
ように、光源として半導体レーザダイオード51aを３ア
レイとした光源51を使用すると共に、非球面を組合せた
多重焦点レンズ53を用いることにより、３ビームによる
光の出射パターンを形成している。なお、図12（ｂ）は
図12（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、図12（ｃ）は図12
（ｃ）におけるＡ−Ａ断面図である。

ここで、多重焦点レンズ53は、図12（ｂ）に示す断面
図においては、所定の曲率を有する球面53bと、以下に
示す数式２により算出される曲率を有する非球面53aと
により構成され、図12（ｃ）に示す断面図においては、
所定の曲率を有する球面53cと、以下に示す数式３によ
り算出される曲率を有する非球面53dとにより構成され
ている。

Ｘ＝c₀Y²/［１＋｛１−c₀ ²Y²｝^1/2］＋ΣA_i|Y|ⁱ ……（２）Ｘ＝c₀Z²/［１＋｛１−c₀ ²Z²｝^1/2］＋ΣA_i|Z|ⁱ ……（３）そして、上述したように、見る角度によって曲率の異
なる多重焦点レンズ53を用いると共に、図12（ｃ）に示
すように、半導体レーザダイオード51aを３アレイとし
た光源51を使用した場合、光の出射パターンは、図13に
示すように３ビーム形状になる。

この時、第４実施例に例示した条件に加えて、３アレ
イのレーザチップの間隔ddを0.5mmとし、光源51を図10
（ｂ）の指向特性が紙面に平行になるように配置した場
合、図13に示すように、１ビームあたりの遠距離領域用
の拡がり角θ_ｃは１゜、ビーム光軸の拡がり角θ_ｅは１
゜、３ビームトータルの近距離領域用の拡がり角θ_ｄは
10゜となる。なお、この実施例では３ビームであった
が、ビーム数は任意であっても同様な設計が可能であ
る。

次に、本発明の第６実施例について説明する。上記第
１〜第５実施例では水平方向への光の拡がりについての
み述べているが、例えば第５実施例における多重焦点レ
ンズ53の球面53bを少なくとも数式２で算出させる曲率
を有する非球面とすることにより、垂直方向への光の拡
がりについても考慮してもよい。このようにした場合、
光の出射パターンは、水平方向においては例えば図13に
示すようになり、垂直方向においては図14に示すように
なる。

但し、このように垂直方向についても拡がりを持たせ
ようとする場合には、この光レーダ装置の送光，受光部
分については、特に車室内のルームミラー部分に設置す
るとよい。

すなわち、垂直方向に拡がりを持たせる場合には、自
車両のボンネットで光が反射して所望の方向に光が進ま
なくなるのを防止する必要があるために上方に設置した
方がよいが、車両外部に設置すると、送光，受光等に埃
等の汚れが生じて検出精度が落ちてしまう。

そこで、光レーダ装置の送光，受光部分を車室内に配
置するばかりでなく、特に、フロントガラスの汚れを除
去するためのフロントワイパーの払拭範囲内に光レーダ
装置の送光，受光部分を配置することにより、光レーダ
装置の送光，受光部分の前面にあるフロントガラス上の
汚れはフロントワイパーにより除去されるので、検出精
度を極力落とさないようにすることができる。

以上本発明はこの様な実施例に何等限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々な
る態様で実施し得る。

産業上の利用可能性以上述べたように本発明においては、光学器と、光源
および光学器の配置関係によって、遠距離領域および近
距離領域を同時に検知範囲とすることができるため、検
知範囲を偏らせず、かつ最大検出距離を犠牲にすること
なく、近距離領域での路面方向の拡がり角を拡大するこ
とができる。特に、本発明を車両に搭載された定速走行
装置に用いられるレーダ装置に採用した場合、検知範囲
を偏らせず、かつ最大検出距離を犠牲にすることなく、
近距離領域での路面方向の拡がり角を拡大することがで
きるために、適切な車間距離を保持しつつ、車両近傍に
存在する障害物を的確に検知することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者帆足善明愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (56)参考文献特開平２−306513（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−46402（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−170741（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−96501（ＪＰ，Ａ) 米国特許4678288（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/48 G01S 17/00 - 17/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車両前方の物体に向けて出射光を出力する
送光器と、前記物体によって反射された反射光を受光する受光器
と、前記出射光と前記反射光とに基づいて前記物体までの距
離を求める距離演算手段とを備え、前記送光器は、第１の焦点距離を有する第１の焦点部、および前記第１
の焦点距離より少なくとも長い第２の焦点距離を有する
第２の焦点部を有し、前記車両の車幅方向又は高さ方向
に対して、前記第２の焦点部、前記第１の焦点部、前記
第２の焦点部と順次連なる光学器と、この光学器から少なくとも上記第１の焦点距離以下に離
れた位置に設けられ、前記光学器に光を出射することに
より、前記第１の焦点部および前記第２の焦点部を介し
て光を前記車両前方に向けて出射する光源と、を備えることを特徴とする車両用光レーダ装置。
【請求項２】請求の範囲第１項に記載の車両用光レーダ
装置において、前記光学器はホログラムにより形成されることを特徴と
する車両用光レーダ装置。
【請求項３】請求の範囲第１項に記載の車両用光レーダ
装置において、前記光学器はｎ重焦点レンズ（ｎは２以上）であること
を特徴とする車両用光レーダ装置。
【請求項４】請求の範囲第１項に記載の車両用光レーダ
装置において、前記光学器は、前記光源からの入光面側に形成され、所定の焦点距離を
有するシリンドリカル面と、前記光源からの入光面側に形成され、前記シリンドリカ
ル面に隣接して配置された平面と、前記シリンドリカル面および前記平面に対して、前記光
源からの非入光面側に形成された非球面レンズと、を備
え、前記第１の焦点部は前記シリンドリカル面および前記非
球面により形成され、前記第２の焦点部は前記平面およ
び前記非球面により形成されていることを特徴とする車
両用光レーダ装置。
【請求項５】請求の範囲第１項に記載の車両用光レーダ
装置において、前記第２の焦点部に代えて拡散平面板を形成したことを
特徴とする車両用光レーダ装置。