JP3356576B2 - レーザーレーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光を出射する
送信光学系と、この送信光学系から出射されたレーザ光
の物体で反射した反射光を受光する受信光学系とを備
え、受光信号に基づいて当該物体の位置を検出するレー
ザーレーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のレーザーレーダは、例えば車両
（主として自動車）に搭載して、自車両と前方の車両と
の間隔を検出する目的等に用いられている。この種の従
来のレーザーレーダの構成の一例を図１６に示す。図に
おいて、レーザ光源１から出射されたレーザ光は、コリ
メータレンズ２、シリンドリカルレンズ３を透過して、
細長い光束となり、送信用の平面ミラー４で反射し、前
方の車両等の物体５を照射する。物体５で反射した反射
光は、受信用の平面ミラー６で反射し、集光レンズ７で
集光され受光素子８で検出される。そして、前方の水平
方向左右の一定範囲について物体の検出を行うために、
駆動装置９により回転軸１０を介して平面ミラー４、６
を図１７に示すように往復回転させて、送信光（物体５
に向かうレーザ光）を一定角度範囲でスキャンする。図
示例の平面ミラー４、６は一体化されている。そして、
詳細説明は省略するが、図示略の制御部において、レー
ザ光がレーザ光源１から出射した後反射して受光素子５
で受光されるまでの時間を検出して物体５までの距離を
検出し、またその時点での平面ミラー４、６の回転角度
に基づき、物体５の方向を検出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来のレーザー
レーダ１１には、次のような欠点がある。送信系につい
ては、送信光のスキャン方向の角度変化が等角速度の角
度変化であること、すなわち送信光のスキャン・リニア
リティを実現できることが望ましい。この送信光のスキ
ャン・リニアリティを実現するためには、往復回転する
平面ミラー４の回転速度を常に一転にしなければらなら
ないが、往復回転であるから方向転換する際にからなず
速度が変化するので、完全なスキャン・リニアリティを
得ることは困難である。できるだけ高いスキャン・リニ
アリティを得るためには、駆動装置９に回転速度を制御
する特別な機構を必要とし、駆動装置９が機構的に複雑
なものとなり、かつ大形化する。このように、スキャン
・リニアリティと送信系の装置の小形化あるいは機構の
単純化とは、互いに制約し合うものであり、従来の送信
系ではスキャン・リニアリティと装置の小形化および機
構の単純化とを同時に満足することができなかった。

【０００４】また、受信系については、受光素子８が広
い角度範囲からの反射光を受光できることつまり受光角
が広いこと、物体３からの反射光を受光素子８がむだな
く有効に受光できることつまり受光効率が高いこと、装
置が小形で機構が単純であること等が望まれるが、従来
の構造ではこれらを十分に満足することができない。前
記受光角については、反射光を単なる集光レンズ７で集
光するものであるから、集光レンズ７に入射するレーザ
光の主光線が集光レンズ７の光軸に対して角度を持つ
と、レーザ光の受光素子８上での受光位置（光スポット
位置）が移動し、受光素子８から容易に外れてしまう。
したがって、従来の受信系における許容受光角は狭い。
一方、物体５からの反射光はスキャン方向の一定の角度
範囲にわたるから、集光レンズ７に入射するレーザ光の
主光線が傾角を持つことは避けられず、このため、受光
素子８からそれるレーザ光が生じ易く、受光効率が低く
なる。このように、従来の受信系では、広い受光角と高
い受光効率との両者を満足させることができない。

【０００５】本発明は上記従来の欠点を解消するために
なされたもので、送信光学系における送信光のスキャン
・リニアリティと装置の小形化および機構の単純化との
両者を同時に満足することができるレーザーレーダを提
供することを目的とし、また、受信光学系における広い
受光角と高い受光効率との両者を同時に満足することが
できるレーザーレーダを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１の発明は、レーザ光を出射する送信光学系と、この
送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、
前記送信光学系は、頂角が円周方向に漸変する円錐面を
反射面とするバリアングルコーンミラーを、その円錐軸
がレーザ光源から出射されたレーザ光の光軸と平行にな
るように、かつ、その円錐面が前記光軸上にくるように
配置し、このバリアングルコーンミラーを一定回転速度
で回転駆動する駆動装置を設けてなることを特徴とす
る。

【０００７】請求項２の発明は、レーザ光を出射する送
信光学系と、この送信光学系から出射されたレーザ光の
物体で反射した反射光を受光する受信光学系とを備え、
受光信号に基づいて当該物体の位置を検出するレーザー
レーダにおいて、前記受信光学系は、両面がいずれも他
方の面の近軸焦点位置にある凸レンズである多数のエレ
メントを束ねたフライアイと、このフライアイの出射面
位置に後ろ側焦点位置がくるように配置した集光レンズ
と、この集光レンズの前側焦点位置に配置した受光素子
とを備えたことを特徴とする。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２のフライアイ
に代えて、間隔をあけて配置した等価な屈折力を持つ２
枚のレンズアレイ板からなるとともに各レンズアレイ板
における対向する一対の凸レンズ部がレンズ光軸を共有
しかつ互いに相手側の凸レンズ部の焦点位置にあるフラ
イアイを用いたことを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、請求項２または３のレ
ーザーレーダにおける集光レンズとしてフレネルレンズ
を用いたことを特徴とする。

【００１０】請求項５の発明は、請求項２または３のレ
ーザーレーダにおけるフライアイの各エレメントの断面
形状を、送信光のスキャン方向に長対角線を持つ菱形に
したことを特徴とする。

【００１１】請求項６の発明は、請求項１のレーザーレ
ーダにおいて、送信光学系のレーザ光源から出射される
レーザ光の光軸と平行で、かつこの光軸に対して前記バ
リアングルコーンミラーの円錐軸の回りに一定角度だけ
ずらせた光軸を持ち、バリアングルコーンミラーの円錐
面に向けてレーザ光を出射する角度検出用のレーザ光源
と、このレーザ光源からのレーザ光のバリアングルコー
ンミラーの表面での反射方向に配置されたポジションセ
ンサとを備え、このポジションセンサ上のレーザ光照射
位置をポジションセンサの出力により検出して、バリア
ングルコーンミラーの回転角度を検出する角度検出光学
系を備えたことを特徴とする。

【００１２】請求項７の発明は、請求項６におけるバリ
アングルコーンミラーが、送信光学系からのレーザ光が
当たる円錐面部分と、前記角度検出光学系からのレーザ
光を反射する円錐面部分とが同心状に分けられているこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項８の発明は、レーザ光を出射する送
信光学系と、この送信光学系から出射されたレーザ光の
物体で反射した反射光を受光する受信光学系とを備え、
受光信号に基づいて当該物体の位置を検出するレーザー
レーダにおいて、前記送信光学系として請求項１記載の
送信光学系を用い、前記受信光学系として請求項２また
は３記載の受信光学系を用いるとともに、前記受信光学
系と送信光学系とをそれぞれの光軸が互いに直交するよ
うに、かつ、前記送信光学系のレーザ光源から出射した
レーザ光が前記受信光学系のフライアイと集光レンズと
の間隙、または、集光レンズと受光素子との間隙を通過
するように配置したことを特徴とする。

【００１４】請求項９の発明は、レーザ光を出射する送
信光学系と、この送信光学系から出射されたレーザ光の
物体で反射した反射光を受光する受信光学系とを備え、
受光信号に基づいて当該物体の位置を検出するレーザー
レーダにおいて、前記送信光学系として請求項１記載の
送信光学系を用い、前記受信光学系として請求項２また
は３記載の受信光学系を用い、前記送信光学系のバリア
ングルコーンミラーの回転角度を検出する角度検出光学
系として請求項３の角度検出光学系を用いるとともに、
前記受信光学系と送信光学系とをそれぞれの光軸が互い
に直交するように、かつ、前記送信光学系のレーザ光源
から出射したレーザ光が前記受信光学系のフライアイと
集光レンズとの間隙を通過し、前記角度検出光学系のレ
ーザ光源から出射したレーザ光源が前記集光レンズと受
光素子との間隙を通過するように配置したことを特徴と
する。

【００１５】

【作用】請求項１において、バリアングルコーンミラー
を同一方向に一定速度で回転させる。送信光学系のレー
ザ光源よりレーザ光をバリアングルコーンミラーの円錐
面に向けて出射すると、レーザ光はバリアングルコーン
ミラーの円錐面で反射して物体に向かう。この場合、バ
リアングルコーンミラーの円錐面の頂角が円周方向に漸
変するので、バリアングルコーンミラーが回転すること
で、レーザ光の円錐面での反射方向が変化する。すなわ
ち、送信光のスキャンが行われる。上記のように、一定
速度で回転するバリアングルコーンミラーにより、送信
光の連続的なスキャンが行われるから、送信光のスキャ
ン方向の角度変化は等速の角度変化である。すなわち、
送信光のスキャン・リニアリティは確保される。

【００１６】請求項２において、送信光学系から出射さ
れたレーザ光は、物体に向かい、物体で反射した反射光
は受信光学系のフライアイの各エレメントに入射する。
各エレメントはその両面がいずれも他方の面の近軸焦点
位置におかれているので、各エレメントに入射したレー
ザ光の主光線は、レーザ光の入射角に関係なく出射角が
ゼロとなる。一方、集光レンズはその後ろ側焦点位置が
フライアイの出射面位置にあるので、フライアイの各エ
レメントに入射したすべてのレーザ光が集光レンズの前
側焦点位置にある射出瞳を通過することになる。この前
側焦点位置に受光素子が配置されているので、フライア
イに入射したすべてのレーザ光がその入射角に関係な
く、受光素子に到達する。このように、この受信光学系
は、広い角度範囲からフライアイに入射したレーザ光を
受光することができるとともに、フライアイに入射した
レーザ光のすべてを受光素子で受光することができる
（ただし、集光レンズの収差を無視した時）。すなわ
ち、広い受光角と高い受光効率とを同時に満足すること
ができる。

【００１７】請求項３におけるフライアイは、請求項２
におけるフライアイと同じ作用をする。この場合、請求
項２のフライアイにおけるフライアイのエレンエント
は、請求項３においては、２枚のレンズアレイ板におけ
る対向する一対の凸レンズ部に相当する。

【００１８】請求項４において、受信光学系の集光レン
ズとしてフレネルレンズが用いているので、受信光学系
を薄型に構成できる。

【００１９】請求項５において、フライアイの各エレメ
ントは、スキャン方向に長対角線を持つ菱形断面である
から、スキャン方向に広い許容受光角を実現することが
できる。スキャン方向と直角な方向の許容受光角が狭く
ても、レーザーレーダとしての性能は損なわないから、
問題はない。

【００２０】請求項６において、角度検出光学系のレー
ザ光源から出射したレーザ光は、バリアングルコーンミ
ラーの円錐面で反射し、ポジションセンサ上に照射する
（光スポットを形成する）。ポジションセンサ上のレー
ザ光照射位置（光スポット位置）は円錐面の頂角によっ
て決まるので、ポジションセンサの出力に基づいて受光
位置を検出すれば、円錐面の頂角を検出することがで
き、これによりバリアングルコーンミラーの回転角度位
置を検出することができる。この角度検出により、物体
に向かった送信光の方向（角度）を検出することがで
き、物体の方向を検出することができる。

【００２１】請求項７において、バリアングルコーンミ
ラーは、送信光学系用の円錐面部分と角度検出光学系用
の円錐面部分とに同心状に分けられているので、それぞ
れに適切な頂角を選定することができる。

【００２２】請求項８において、送信光学系のレーザ光
源から出射したレーザ光は、受信光学系のフライアイと
集光レンズとの間隙または集光レンズと受光素子との間
隙を通って、バリアングルコーンミラーに入射し、バリ
アングルコーンミラーで反射して物体に向かい、物体で
反射する。物体で反射した反射光は、受光素子のフライ
アイに入射し、集光レンズで集光され、受光素子で検出
される。送信光学系におけるレーザ光の通路として、受
信光学系のスペースが有効利用されているので、レーザ
ーレーダの装置の小形化が図られる。

【００２３】請求項９において、送信光学系のレーザ光
源から出射したレーザ光は、受信光学系のフライアイと
集光レンズとの間隙を通って、バリアングルコーンミラ
ーに入射し、バリアングルコーンミラーで反射して物体
に向かい、物体で反射する。物体で反射した反射光は、
受光素子のフライアイに入射し、集光レンズで集光さ
れ、受光素子で検出される。一方、角度検出光学系のレ
ーザ光源から出射したレーザ光は、受信光学系の集光レ
ンズと受光素子との間隙を通って、バリアングルコーン
ミラーに入射し、このバリアングルコーンミラーで反射
し、角度検出用の受光素子で検出される。送信光学系お
よび角度検出光学系における各レーザ光の通路として、
いずれも受信光学系のスペースが有効利用されるので、
レーザーレーダの装置の小形化が図られる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図１５を参
照して説明する。図１は本発明のレーザーレーダの内部
構成を示す平面図、図２は同正面図である。この実施例
のレーザーレーダ２０は、車両に搭載して前方の車両の
位置（方向および距離）を検出するものであり、内部に
レーザ光を出射する送信光学系２１、この送信光学系２
１から物体に向けて出射されたレーザ光（送信光）の方
向を検出するための角度検出光学系２２、物体（車両）
で反射したレーザ光（反射光）を受光する受信光学系２
３をケース２４内に備えている。なお、各図中に、送信
光のスキャン方向（水平方向）をｘ、送信光の物体に向
かう方向をｙ、垂直方向をｚの各座標で示す。

【００２５】前記送信光学系２１は、図３、図４にも示
すように、高周波のパルス状のレーザ光を出射するレー
ザ光源２５、出射されたレーザ光を平行光線にするコリ
メータレンズ２６、平行光を縦横の一方向（図ではｚ方
向）にのみ集光するシリンドリカルレンズ２７、レーザ
光を物体に向けて反射するバリアングルコーンミラー２
８、このバリアングルコーンミラー２８の回転軸２９を
一定回転速度で回転駆動するモータ３０を備えている。
前記回転軸２９はバリアングルコーンミラー２８の円錐
軸と一致している。前記バリアングルコーンミラー２８
は、図６〜図８にも示すように、円錐面２８ａの頂角α
（なお、本明細書中では、円錐面２８ａの円錐軸２８ｂ
に対する角度を頂角と称している）が円周方向に漸変
し、一周した位置で円錐面２８ａの頂角αが不連続に変
化する段部２８ｃが形成される形状をなしている。この
バリアングルコーンミラー２８は、例えばアルミニュー
ムやプラスチック等で製作し、また、表面にアルミニュ
ーム等の蒸着を施して反射面にするとよい。そして、こ
のバリアングルコーンミラー２８は、その円錐軸２８ｂ
がレーザ光源２５から出射されたレーザ光の光軸Ｋ₁ と
平行になるように、かつ、その円錐面２８ａが光軸Ｋ₁
上にくるように配置している。

【００２６】前記角度検出光学系２２は、図３および図
９にも示すように、前記の送信光学系２１とこの角度検
出光学系２２との両者に共通の光学部品である前述のバ
リアングルコーンミラー２８と、レーザ光を出射するレ
ーザ光源３５と、出射されたレーザ光をバリアングルコ
ーンミラー２８上に向かって収束させる収束レンズ３６
と、バリアングルコーンミラー２８で反射したレーザ光
を受光してその受光位置（光スポット位置）を検出する
受光素子であるポジションセンサ３７とからなってい
る。このポジションセンサ３７は、受光領域における実
際の受光位置に応じた信号を出力する。前記送信光学系
２１の光軸Ｋ₁ と角度検出光学系２２の光軸Ｋ₂ との関
係は、図９にも示すように、互いに平行、かつバリアン
グルコーンミラー２８の回転軸２９回りに角度θ（図示
例では１８０°）だけずれた関係にある。

【００２７】前記受信光学系２３は、図１０〜図１２、
図１３（イ）、（ロ）にも示すように、両面がいずれも
他方の面の近軸焦点位置にある凸レンズである多数のエ
レメント４０を束ねたフライアイ４１と、このフライア
イ４１の出射面位置に後ろ側焦点位置Ｆ₁ がくるように
配置した集光レンズとしてのフレネルレンズ４２と、こ
のフレネルレンズ４２の前側焦点位置Ｆ₂ に配置した受
光素子４３とを備えている。この実施例では、フライア
イ４１の各エレメント４０は、図示のように菱形の断面
形状であり、この菱形のエレメント４０が多数個隙間な
く接合されている。

【００２８】前記のレーザーレーダにより物体の位置検
出を行う動作を説明する。バリアングルコーンミラー２
８はモータ３０により回転軸２９を介して駆動され、一
定速度で回転している。送信光学系２１のレーザ光源２
５よりパルス状のレーザ光をバリアングルコーンミラー
２８の円錐面２８ａに向けて出射する。出射されたレー
ザ光は、バリアングルコーンミラー２８の円錐面２８ａ
で反射して物体に向かう。この場合、バリアングルコー
ンミラー２８の円錐面２８ａの頂角αが円周方向に漸変
するので、バリアングルコーンミラー２８が回転するこ
とで、レーザ光の円錐面２８ａでの反射方向が変化す
る。すなわち、図３において送信光が左右に振れ、細線
状の光束（略図的に符号３１の線で示す）によるスキャ
ンが行われる。この場合、バリアングルコーンミラー２
８が１回転することで、送信光の１回のスキャンが行わ
れる。また、スキャン方向は往復でなく一方向のみであ
る。上記において、バリアングルコーンミラー２８は往
復回転ではなく同一方向に回転するから、回転速度は常
に一定であり、送信光のスキャン・リニアリティは確保
される。

【００２９】上述したバリアングルコーンミラー２８の
円錐面２８ａにおける反射方向および光束形状について
詳述する。今、バリアングルコーンミラー２８に平行光
束が入射するとすれば、バリアングルコーンミラー２８
は円錐面２８ａのグラジエントな方向（図６に矢印
（イ）で示す：なお、この方向は円錐軸２８ａを含め平
面に対してわずかな角度を持つ）についてはパワーを持
たないので、反射光も入射平行光束の径を維持する。し
かし、グラジエントでない方向についてはそれぞれの方
向に対する面のパワーに応じて発散しながら反射する。
したがって、反射光は全体として離心率の非常に大きな
楕円状の発散光束となる。この発散光束の離心率は、バ
リアングルコーンミラー２８に入射するレーザ光中に配
置したシリンドリカルレンズ２７の焦点距離を適切に選
定することで制御（すなわち発散光束の発散率（楕円形
状の大きさ）および楕円形状の扁平率を制御）すること
ができる。その様子を図５に示す。実施例では、図４に
おいてｚ方向（垂直方向）に幅ｈから幅ｓに収束させて
おり、この収束させた幅ｓが反射後発散する（幅Ｓで示
す方向に広がる発散をする）。一方、前記の幅ｓと直角
な方向の光束幅（ｙ方向の光束幅）ｈは反射後も一定で
ある。この幅ｈと発散する幅Ｓとの楕円状の発散光束が
送信光として物体に向かう。

【００３０】バリアングルコーンミラー２８で反射した
レーザ光（送信光）は、前記の通り楕円状の光束となっ
て物体に向かい、物体の表面を細線状に照射し、物体表
面で反射したレーザ光（反射光）は受信光学系２３のフ
ライアイ４１の各エレメント４０に入射する。各エレメ
ント４０はその両面がいずれも他方の面の近軸焦点位置
におかれているので、図１３（イ）に示すように、各エ
レメント４０に入射したレーザ光の主光線ｍは、レーザ
光の入射角βに関係なく出射角がゼロとなる（すなわち
エレメント４０の光軸と平行になる）。一方、フレネル
レンズ４２はその後ろ側焦点位置Ｆ₁ がフライアイ４１
の出射面位置にあるので、フレネルレンズ４２を透過し
たレーザ光は図１２に要部を拡大して示すように平行光
束となり、フライアイ４１に入射したすべてのレーザ光
がフレネルレンズ４２の前側焦点位置Ｆ₂ にある射出瞳
（受光素子４３の正面から見た射出瞳を形状を符号４４
で示す）を通過することになる。この前側焦点位置Ｆ₂
に受光素子４３が配置されているので、フライアイ４１
に入射したすべてのレーザ光がその入射角βに関係な
く、受光素子４３に到達する。この場合、受光素子４３
は前記射出瞳の径を受光有効径とするものでよく、無用
に大きな受光面積を必要としない。このように、この受
信光学系２３は、広い角度範囲からフライアイ４１に入
射したレーザ光を受光することができるとともに、フラ
イアイ４１に入射したレーザ光のすべてを受光素子４３
で受光することができる（ただし、後述するように、集
光レンズの収差を無視した場合）。すなわち、広い受光
角と高い受光効率（フライアイ４１に入射した光のうち
受光素子４３で受光される光の割合）とを同時に満足す
ることができる。

【００３１】受信光学系２３のフライアイ４１、フレネ
ルレンズ４２、受光素子４３について光学的パラメータ
を決定する際の設計上の問題、特にフレネルレンズ４２
の焦点距離を決定する際の問題について簡単に説明す
る。前述の説明では、フレネルレンズ４２の持つ収差を
無視したが、実際にはフレネルレンズ４２の収差により
受光素子４３の側方にそれる光束も生じる。その程度
は、フライアイ４１の有効径を一定とした場合、フレネ
ルレンズ４２の焦点距離が短くなるほど著しくなる。し
たがって、受光効率を高くするには、収差の問題に関し
ていえば、フレネルレンズ４２の焦点距離が長いほどよ
い。一方で、フレネルレンズ４２への入射ＮＡが一定な
らば、フレネルレンズ４２の焦点距離が長いほど瞳径は
大きくなる。しかし、受光素子４３の有効面積以上に大
きな瞳を生成することは、逆に受光効率の低下につなが
る。したがって、フレネルレンズ４２の焦点距離に上限
がある。一方、フライアイ４１に入射した光束のすべて
が有効にフライアイ４１から出射するためには、入射す
る光束の傾角と、出射する光束のＮＡとが一致しなくて
はならない。このフライアイ４１から出射する光束のＮ
Ａがフレネルレンズ４２への入射ＮＡとなるため、結
局、フライアイ４１に入射する光束の主光線傾角の最大
値がフレネルレンズ４２のＮＡを支配し、さらに受光素
子４３の受光有効径とあいまってフレネルレンズ４２の
焦点距離の上限が規定される。こうして得られた光学的
パラメータによっては、通常、大きな収差が発生するも
のとなる。特にフレネルレンズ４２について、焦点距離
が短すぎて収差が大きく発生するものとなる。このた
め、発生する収差の補正が困難になり、結局収差を媒介
とする最適解の選択によって最終的な光学系パラメータ
が決められることになる。

【００３２】ところで、上記のレーザーレーダ２０で
は、スキャン方向が水平方向の一方向のみなので、受信
光学系２１は水平方向の広い角度範囲からの反射光束を
受光できることが要求され、一方、垂直方向には狭くて
もよい。すなわち、受光素子４３で受光されるために許
容できるフライアイ４１への入射光束の最大主光線傾角
には、垂直方向と水平方向とで異なる（すなわち、入射
光束の許容最大主光線傾角に異方性がある）。つまり、
レーザーレーダの受信光学系としては、水平方向に広い
受光角を持ち、垂直方向に狭い受光角であるのが適切で
ある。しかるに、本発明におけるフライアイ４１の各エ
レメント４１は、スキャン方向に長対角線を持つ菱形断
面であるから、エレメントの断面が正方形や正六角形等
のように異方性のない形状である場合と比較して、垂直
方向の受光角は狭いが水平方向の受光角は広い。垂直方
向の許容受光角が狭くても、水平方向にスキャンするこ
のレーザーレーダ２０の性能は損なわないから、この受
信光学系２３は、レーザーレーダの受信光学系として広
い受光角を持つことになる。図示例のエレメント４０の
断面形状は、許容される受光角が例えば水平方向に±１
０°、垂直方向に±３°となるように設定したものであ
る。エレメント４０の菱形断面の縦横比は、スキャン角
度範囲と、垂直方向に対して必要な受光角との両者を考
慮して適切に設定するとよい。

【００３３】次に、バリアングルコーンミラー２８の回
転角度を検出する動作について説明する。角度検出光学
系２２のレーザ光源３５から出射したレーザ光は、収束
レンズ３６によりバリアングルコーンミラー２８の円錐
面２８ａ上に収束し、反射する。この実施例では、バリ
アングルコーンミラー２８の円錐面２８ａ上の送信光反
射位置と１８０°反対の位置で反射し、送信光の反射方
向と反対方向に反射する。そして、反射後ポジションセ
ンサ３７上に光スポットを形成する。このポジションセ
ンサ３７の出力に基づいて光スポットの位置を検出すれ
ば、角度検出用のレーザ光が当たった円錐面２８ａの頂
角を検出することができ、これによりバリアングルコー
ンミラー２８の回転角度位置を検出することができる。
この角度検出により、物体に向かった送信光の方向を検
出でき、物体の方向を検出できる。

【００３４】上述のレーザーレーダ２０においては、受
信光学系２３の光軸が送信光学系２１の光軸と直交して
おり、そして、送信光学系２１におけるレーザ光の通路
としてフライアイ４１とフレネルレンズ４２との間隙が
利用され、また、角度検出光学系２２におけるレーザ光
源３５の通路としてフレネルレンズ４２と受光素子４３
との間隙が利用されており、このように受信光学系２３
のスペースが有効に利用されているので、レーザーレー
ダ２０の装置の小形化が図られている。

【００３５】図１３（ハ）、（ニ）に、上述の細長いエ
レメント４０を束ねたフライアイ４１と機能はほぼ同一
であるが構造の異なるフライアイ４１’を示す。このフ
ライアイ４１’は、図１３（ハ）に示すように、間隔を
あけて配置した等価な屈折力を持つ２枚のレンズアレイ
板４１’ａ、４１’ｂからなるとともに、図１３（ニ）
に示すように、各レンズアレイ板４１’ａ、４１’ｂに
おける対向する一対の凸レンズ部４０’がレンズ光軸を
共有し、かつ互いに相手側の凸レンズ部４０’の焦点位
置にある。なお、レンズアレイ板４１’ａ、４１’ｂに
おける各凸レンズ部４０’の形状は、前述のフライアイ
４１のエレメント４０と同じく菱形であり、この対向す
る一対の凸レンズ部４０’は、光学的に前述のフライア
イ４１の個々のエレメント４０と同じ働きをする。この
レンズアレイ板からなるフライアイ４１’は、入射側と
出射側の光軸を充分高い精度で一致させることが難しい
ので、エレメントを束ねたフライアイ４１より光学的な
精度には劣るが、レーザーレーダの用途ではそれほぼ厳
格な精度を要求されないので、このレンズアレイ板構造
を採用することができる。そして、この構造のフライア
イはエレメントを束ねた構造と比べて安価に製造でき
る。

【００３６】バリアングルコーンミラーの他の実施例を
図１４、図１５に示す。この実施例のバリアングルコー
ンミラー５１は、送信光学系２１からのレーザ光を反射
する円錐部分５２と、角度検出光学系２２からのレーザ
光を反射する円錐部分５３とが同心状に分けられてい
る。送信光学系２１用の円錐部分５２は、図６〜図８等
に示したバリアングルコーンミラー２８と同様に、円錐
面５２ａの頂角が円周方向に漸変し、円錐面５２ａにお
ける円周方向の一箇所に頂角の不連続に伴う段部５２ｃ
が形成される形状である。角度検出光学系２２用の円錐
部分５３は、前記円錐部分５２の周囲に形成され、同じ
く円錐面５３ａの頂角が円周方向に漸変し、円錐面５３
ａにおける円周方向の一箇所に頂角の不連続に伴う段部
５３ｃが形成される形状である。この場合も、送信光学
系２１の光軸と角度検出光学系２２の光軸とは、バリア
ングルコーンミラー５１の円錐軸５１ｂの回りに角度θ
（図示では１８０°）だけずれている。

【００３７】なお、本発明において、物体に向かう送信
光の方向を検出するための手段としては、実施例の角度
検出光学系２２に限らず、例えば、バリアングルコーン
ミラー２８の回転角度をロータリエンコーダ等により直
接検出する方法、その他の方法を採用することができ
る。

【００３８】また、実施例では受信光学系２３の集光レ
ンズとしてフレネルレンズ４２を用いたが、単なる凸レ
ンズである通常の集光レンズを用いることもできる。ま
た、実施例の送信光学系２１におけるレーザ光源２５
は、パルス状のレーザ光を送信しているが、必ずしもそ
の必要はない。連続光でもよい。また、実施例の送信光
学系２１はシリンドリカルレンズ２７を設けて、細線状
の送信光束としているが、縦方向に広い検出範囲を必要
としない場合は、単なる真円光束の送信光でもよい。ま
た、本発明のレーザーレーダは、自動車に搭載する場合
に限らず、その他の乗り物に搭載する場合、あるいは製
造工場において材料や製品等を検出する場合、その他種
々の目的に使用できる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、送信光のスキ
ャンのための反射鏡としてバリアングルコーンミラーを
用いているので、このバリアングルコーンミラーを一定
方向に一定速度で回転することで、送信光の連続的なス
キャンを行うことができ、したがって、送信光のスキャ
ン・リニアリティは確保される。また、バリアングルコ
ーンミラーを駆動する駆動装置は、平面ミラーを往復回
転させる従来のように速度制御のための特別な機構を必
要とせず、単にモータで一定速度で回転させればよいか
ら、装置が小形で済み、かつその機構の単純化が図られ
る。

【００４０】請求項２または３の発明によれば、受信光
学系をフライアイと集光レンズと受光素子とで構成して
いるので、広い角度範囲から反射光を受光できるととも
に、フライアイに入射したレーザ光のすべてを受光素子
で受光することができる。すなわち、広い受光角と高い
受光効率とを同時に満足することが可能となる。

【００４１】請求項４の発明によれば、受信光学系の集
光レンズとしてフレネルレンズを用いているので、受信
光学系を薄型に構成できる。

【００４２】請求項５の発明によれば、フライアイの各
エレメントは、スキャン方向に長対角線を持つ菱形断面
であるから、スキャン方向に広い許容受光角を実現する
ことができ、レーザーレーダとしての性能を向上させる
ことができる。

【００４３】請求項６の発明によれば、バリアングルコ
ーンミラーにレーザ光を当てその反射光でバリアングル
コーンミラーの回転角度を検出する構成なので、物体に
向かう送信光の角度の検出、つまり物体の方向の検出
を、確実に行うことができる。

【００４４】請求項７の発明によれば、バリアングルコ
ーンミラーは、送信光学系用の円錐面部分と角度検出光
学系用の円錐面部分とに同心状に分けられているので、
それぞれに適切な頂角を選定することができる。

【００４５】請求項８の発明によれば、送信光学系の光
軸と受信光学系の光軸とが直交しているおり、送信光学
系におけるレーザ光の通路として、受信光学系のスペー
スが有効利用されているので、レーザーレーダの装置の
小形化が図られる。

【００４６】請求項９において、送信光学系の光軸およ
び角度検出光学系の光軸と受信光学系の光軸とが直交し
ており、送信光学系および角度検出光学系における各レ
ーザ光の通路として、いずれも受信光学系のスペースが
有効利用されるので、レーザーレーダの装置の一層の小
形化が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のレーザーレーダの内部構造
を示す平面図である。

【図２】同レーザーレーダの内部構造を示す正面図であ
る。

【図３】図１における送信光学系および角度検出光学系
のみを示す拡大図である。

【図４】図３におけるＡ矢視図である。

【図５】図３におけるＢ矢視の拡大図である。

【図６】上記レーザーレーダにおけるバリアングルコー
ンミラーのみを示すもので、図４におけるバリアングル
コーンミラーの拡大図である。

【図７】図６の左側面図である。

【図８】上記バリアングルコーンミラーの斜視図であ
る。

【図９】上記レーザーレーダにおける送信光学系と角度
検出光学系との位置関係を説明する斜視図である。

【図１０】図１のレーザーレーダにおける受信光学系の
拡大図である。

【図１１】図１０の左側面図である。

【図１２】図１０における要部の拡大図である。

【図１３】同図（イ）は図１０におけるフライアイの１
つのエレメントの拡大図、同図（ロ）は同図（イ）の左
側面図、同図（ハ）は上記のフライアイとは構造の異な
るフライアイの一例を示す側面図、同図（ニ）は同図
（ハ）における要部の拡大図である。

【図１４】バリアングルコーンミラーの他の実施例を示
す正面図である。

【図１５】図１４の左側面図である。

【図１６】従来のレーザーレーダの構成を示す斜視図で
ある。

【図１７】図１６のレーザーレーダにおける送信光のス
キャン・リニアリティについて説明するための図であ
る。

【符号の説明】

２０ レーザーレーダ ２１ 送信光学系 ２２ 角度検出光学系 ２３ 受信光学系 ２５ 送信光学系のレーザ光源 ２６ 送信光学系のコリメータレンズ ２７ シリンドリカルレンズ ２８、５１ バリアングルコーンミラー ５２ 送信光用の円錐部分 ５３ 角度検出用の円錐部分 ２８ａ、５２ａ、５３ａ 円錐面 ２８ｂ、５１ｂ 円錐軸 ２８ｃ５２ｃ、５３ｃ 段部 ３５ 角度検出光学系のレーザ光源 ３６ 角度検出光学系の収束レンズ ３７ ポジションセンサ ４０ フライアイのエレメント ４０’ 凸レンズ部 ４１、４１’ フライアイ ４１’ａ、４１’ｂ レンズアレイ板 ４２ フレネルレンズ（集光レンズ） ４３ 受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武山 芸英 東京都港区赤坂８丁目６番27号スカイプ ラザ赤坂201 藤井光学株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−279890（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−208009（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−82220（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−188517（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−84922（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−19993（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/48 G01S 13/00 - 13/95 G01S 17/00 - 17/95 G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/00 - 3/32

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を出射する送信光学系と、この
   送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
   射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
   て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、 前記送信光学系は、頂角が円周方向に漸変する円錐面を
   反射面とするバリアングルコーンミラーを、その円錐軸
   がレーザ光源から出射されたレーザ光の光軸と平行にな
   るように、かつ、その円錐面が前記光軸上にくるように
   配置し、このバリアングルコーンミラーを一定回転速度
   で回転駆動する駆動装置を設けてなることを特徴とする
   レーザーレーダ。
2. 【請求項２】 レーザ光を出射する送信光学系と、この
   送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
   射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
   て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、 前記受信光学系は、両面がいずれも他方の面の近軸焦点
   位置にある凸レンズである多数のエレメントを束ねたフ
   ライアイと、このフライアイの出射面位置に後ろ側焦点
   位置がくるように配置した集光レンズと、この集光レン
   ズの前側焦点位置に配置した受光素子とを備えたことを
   特徴とするレーザーレーダ。
3. 【請求項３】 レーザ光を出射する送信光学系と、この
   送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
   射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
   て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、 前記受信光学系は、間隔をあけて配置した等価な屈折力
   を持つ２枚のレンズアレイ板からなるとともに各レンズ
   アレイ板における対向する一対の凸レンズ部がレンズ光
   軸を共有しかつ互いに相手側の凸レンズ部の焦点位置に
   あるフライアイと、このフライアイの出射面位置に後ろ
   側焦点位置がくるように配置した集光レンズと、この集
   光レンズの前側焦点位置に配置した受光素子とを備えた
   ことを特徴とするレーザーレーダ。
4. 【請求項４】 前記集光レンズとしてフレネルレンズを
   用いたことを特徴とする請求項２または３記載のレーザ
   ーレーダ。
5. 【請求項５】 前記フライアイの各エレメントの断面形
   状を、送信光のスキャン方向に長対角線を持つ菱形にし
   たことを特徴とする請求項２または３記載のレーザーレ
   ーダ。
6. 【請求項６】 前記送信光学系のレーザ光源から出射さ
   れるレーザ光の光軸と平行で、かつこの光軸に対して前
   記バリアングルコーンミラーの円錐軸の回りに一定角度
   だけずらせた光軸を持ち、バリアングルコーンミラーの
   円錐面に向けてレーザ光を出射する角度検出用のレーザ
   光源と、このレーザ光源からのレーザ光のバリアングル
   コーンミラーの表面での反射方向に配置されたポジショ
   ンセンサとを備え、このポジションセンサ上のレーザ光
   照射位置をポジションセンサの出力により検出して、バ
   リアングルコーンミラーの回転角度を検出する角度検出
   光学系を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ
   ーレーダ。
7. 【請求項７】 前記バリアングルコーンミラーは、送信
   光学系からのレーザ光が当たる円錐面部分と、前記角度
   検出光学系からのレーザ光を反射する円錐面部分とが同
   心状に分けられていることを特徴とする請求項６記載の
   レーザーレーダ。
8. 【請求項８】 レーザ光を出射する送信光学系と、この
   送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
   射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
   て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、 前記送信光学系として請求項１記載の送信光学系を用
   い、前記受信光学系として請求項２または３記載の受信
   光学系を用いるとともに、前記受信光学系と送信光学系
   とをそれぞれの光軸が互いに直交するように、かつ、前
   記送信光学系のレーザ光源から出射したレーザ光が前記
   受信光学系のフライアイと集光レンズとの間隙、また
   は、集光レンズと受光素子との間隙を通過するように配
   置したことを特徴とするレーザーレーダ。
9. 【請求項９】 レーザ光を出射する送信光学系と、この
   送信光学系から出射されたレーザ光の物体で反射した反
   射光を受光する受信光学系とを備え、受光信号に基づい
   て当該物体の位置を検出するレーザーレーダにおいて、 前記送信光学系として請求項１記載の送信光学系を用
   い、前記受信光学系として請求項２または３記載の受信
   光学系を用い、前記送信光学系のバリアングルコーンミ
   ラーの回転角度を検出する角度検出光学系として請求項
   ５の角度検出光学系を用いるとともに、前記受信光学系
   と送信光学系とをそれぞれの光軸が互いに直交するよう
   に、かつ、前記送信光学系のレーザ光源から出射したレ
   ーザ光が前記受信光学系のフライアイと集光レンズとの
   間隙を通過し、前記角度検出光学系のレーザ光源から出
   射したレーザ光源が前記集光レンズと受光素子との間隙
   を通過するように配置したことを特徴とするレーザーレ
   ーダ。