JP4476599B2

JP4476599B2 - 集光光学系

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Publication number: JP4476599B2
Application number: JP2003377446A
Authority: JP
Inventors: 和雄牧村; 昇小泉; 博次安斎
Original assignee: Fujinon Corp; Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp; Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: JP2004170965A

Description

本発明は、所定の空間内にある物体の位置や大きさ等を検出できるように構成された自動監視装置等において用いられる集光光学系に関するものである。

従来、監視対象となる空間内に侵入した物体等を特定するために、上記空間内を多次元的に走査するようにレーザ光を照射し、上記物体からの戻り光の情報に基づき物体の位置や大きさを検出できるように構成された自動監視装置が知られている（下記特許文献１参照）。このような自動監視装置においては、光源部から一方向に射出されたレーザ光を、上記空間内を多次元的に走査するように反射させるスキャンミラーや、上記物体からの戻り光を受光する受光素子、あるいは上記戻り光を受光素子の受光面上に集光させるための集光レンズ等により構成される集光光学系を備えている。

この種の集光光学系は、次のような２つのタイプに大別することができる。
第１のタイプは、光源部から射出されるレーザ光が光源部からスキャンミラーを経て上記空間内に照射されるまでの光路と、空間内の物体から反射されるレーザ光が物体から受光素子に至るまでの光路とが別になっているタイプ（以下、「非同軸系タイプ」と称することがある）である。

第２のタイプは、光源部から射出されるレーザ光が光源部からスキャンミラーを経て上記空間内に照射されるまでの光路と、空間内の物体から反射されるレーザ光が物体から受光素子に至るまでの光路とが途中まで互いに重なっているタイプ（以下、「同軸系タイプ」と称することがある）である。

特開２０００−１４９１５４号公報

上記非同軸系タイプにおいては、空間内の物体に照射されたレーザ光の入射方向とは異なる方向に反射した光を受光素子に集光させるため、通常、広角で高効率の集光レンズが必要となる。広角で高効率の集光レンズとしては、例えば、特公平７−３６０４１号公報や実開平１−７３８０１号公報に開示されたものが知られている。

しかし、空間内の物体によって任意の方向に散乱したレーザ光を、物体の位置や大きさ等の情報を得られる程度まで受光素子に集光させるためには、集光レンズや反射ミラー等の口径をある程度大きく確保する必要がある。また、これにより集光レンズ等の焦点距離が長くなってしまい、結果として、集光光学系が大型化するという問題がある。さらに、広角で高効率の集光レンズは、製造コストが高いという問題もある。

一方、上記同軸系タイプにおいては、空間内の物体に照射されたレーザ光の入射方向と同じ方向に反射した光を、スキャンミラーにより光源部に向けて反射させ、その戻り光を光路上に配したハーフミラー等の光路分離部材により、光源部からの射出光と分けて受光素子に導くようにしている。このため、上述したような広角で高効率の集光レンズ等を用いる必要はない。また、集光レンズ等の見込む角度が狭く、余分な背景光が受光素子に入り難くなるので、SN比が良くなる。

しかし、この同軸系タイプのものは、光源部からスキャンミラーを経て空間内に照射されるまでの光路と、空間内の物体から反射されスキャンミラーを経て受光素子に至るまでの光路とが途中まで互いに重なっているという構成のため、光路上に配されたハーフミラーやスキャンミラーの界面等で発生した散乱光が受光素子に導かれる虞がある。

例えば、光源部から射出されたレーザ光がハーフミラーを透過する際にハーフミラーの界面において発生した散乱光が、集光レンズを経て受光素子に入る場合がある。また、射出後、ハーフミラーを透過してレーザ光がスキャンミラーで反射する際に反射面において発生した散乱光が入射方向に戻り、ハーフミラーで反射された後に集光レンズを経て受光素子に入る場合がある。

通常、使用されるスキャンミラーは反射面の面積が小さく、また、光源部から空間内の物体を経て受光素子に至るまでの距離は長いため、物体から反射されたレーザ光の光強度は、通常、射出された際のレベルの数千万分の１以下のレベルまで減衰している。これに対して、光源部からのレーザ光がハーフミラーで散乱した場合に、この散乱光が受光素子に至るまでの距離や、光源部からのレーザ光がスキャンミラーにおいて散乱し、この散乱光がハーフミラーを経て受光素子に至るまでの距離は、光源部から物体を経て受光素子に至るまでの距離に比べて極めて短い。このため、ハーフミラーやスキャンミラーの界面等で発生し、受光素子に入射する散乱光がたとえ僅かであっても、それが妨害光となってＳＮ比を低下させる要因となり得、また、その光強度レベルが物体からの戻り光よりも大きなレベルであった場合には、物体の位置検出等に多大な悪影響を及ぼす虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、物体からの戻り光を受光素子に集光させる集光光学系において、光路上に配された光学素子の界面等で発生する散乱光の影響を抑制してＳＮ比の向上を図り得る低コストでコンパクトな集光光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の集光光学系は、光源部から一方向に射出されたレーザ光を、所定の空間に向け該空間内を多次元的に走査するように反射させるスキャンミラーと、前記空間内の物体から反射して前記スキャンミラーに戻り、該スキャンミラーによって前記光源部からの前記レーザ光の光路を逆進するように反射された戻り光を、該レーザ光の該光路から外れた方向へ出力する光路分離部材と、該光路分離部材から出力された前記戻り光を受光素子に集光させる集光レンズとを備え、前記戻り光に担持された情報に基づき前記物体を認識するように構成された装置の集光光学系において、
前記光路分離部材が、前記光源部からの前記レーザ光の光路に隣接して配設された反射ミラーであり、前記スキャンミラーからの前記戻り光は、前記反射ミラーの反射面により反射されることにより前記レーザ光の前記光路から分離せしめられるように構成してなり、
前記レーザ光の光束径Ｄ _１、前記光源部から一方向に射出された前記レーザ光の中心軸と前記反射ミラーの端部との距離ｇ _１、前記受光素子の受光面の径Ｄ _３、前記集光レンズの焦点距離Ｆ _１、および前記反射ミラーと前記スキャンミラーとの距離Ｌ _１が、下式（５´）の関係を満たすように構成されていることを特徴とするものである。
Ｆ _１ ×（２ｇ _１ −Ｄ _１）／Ｌ _１＞Ｄ _３ ………（５´）

この場合において、前記スキャンミラーと前記空間との間に、前記レーザ光および前記戻り光を透過する透明カバーが配置され、前記レーザ光の光束径Ｄ _１、前記光源部から一方向に射出された前記レーザ光の中心軸と前記反射ミラーの端部との距離ｇ _１、前記受光素子の受光面の径Ｄ _３、前記集光レンズの焦点距離Ｆ _１、および前記反射ミラーと前記透明カバーとの距離Ｌ _２が、下式（６´）の関係を満たすように構成されていることが好ましい。
Ｆ _１ ×（２ｇ _１ −Ｄ _１）／Ｌ _２＞Ｄ _３ ………（６´）

また、前記反射ミラーの周囲に、この反射ミラーの周縁部で発生した、前記受光素子の配設方向へ向かう、該レーザ光の散乱光を遮蔽する遮光壁部を設けることが好ましい。

光路分離部材として、光源部からのレーザ光の光路に隣接して配設された反射ミラーを用いた本発明の集光光学系によれば、スキャンミラーからの戻り光は、反射ミラーの反射面によって反射されることにより光源部からのレーザ光の光路から分離され、さらに集光レンズを介して受光素子に集光される。

このように、本発明の集光光学系は、光源部から射出されるレーザ光が光源部からスキャンミラーを経て空間内に照射されるまでの光路と、空間内の物体からの戻り光が物体から受光素子に至るまでの光路とが途中まで互いに重なっている同軸系タイプ、またはこれと略同様に機能する、該２つの光路が途中まで互いに隣接する隣接配置系タイプである。このため、前述した非同軸系タイプでは必要となる、広角で高効率の高価な集光レンズを用いる必要はなく、コンパクトにかつ低コストで構成することが可能となる。また、集光レンズ等の見込む角度が狭く、余分な背景光が受光素子に入り難くなるので、SN比が良くなる。

また、光源部からのレーザ光の光路から戻り光の光路を分離する光路分離部材として、所定形状の反射ミラーを用いることが可能である。このため、従来技術のように光路分離部材としてハーフミラーを用いた際に生じる問題、すなわち、光源部からのレーザ光がハーフミラーを透過する際にハーフミラーの界面において散乱光が発生し、この散乱光が集光レンズを経て受光素子に入るという問題の発生を未然に防止することができる。また、散乱光が受光素子に入ることを防止できることにより、ＳＮ比をさらに向上させることが可能である。

以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明の集光光学系を、任意の物体を識別する自動監視装置に適用した例を取り上げる。また、各添付図においては、説明を分かりやすくするために、構成部品間の距離や個々の大きさ等を適宜変更して示してある。

〈自動監視装置の概要〉
まず、本発明の第１実施形態に係る集光光学系を備えてなる自動監視装置について、図１に基づき簡単に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る集光光学系を備えてなる自動監視装置の構成図である。

図１に示す自動監視装置１は、空間Ｒ内に物体が存在するか否かを監視するためのものであり、半導体レーザ装置等からなる光源部３と、該光源部３から射出されたレーザ光Ｂ_１を空間Ｒに向けスキャン照射すると共に、空間Ｒ内の物体Ｍから反射した、レーザ光の戻り光Ｂ_２を受光素子５に集光させるための集光光学系１０Ａと、後述する種々の制御や演算処理等を行なうコントロール部２０とを備えてなる。

上記集光光学系１０Ａは、詳しくは後述するが、光源部３からのレーザ光Ｂ_１を、ガルバノミラー等（半導体共振ミラー：例えば日本信号株式会社製のECO SCAN（登録商標））で構成されるスキャンミラー１１により、上記空間Ｒ内を多次元的に走査するように該空間Ｒに向けて照射すると共に、物体Ｍからの戻り光Ｂ_２をスキャンミラー１１、有孔反射ミラー１３、集光レンズ１５を介して受光素子５に受光させるように構成されている。

また、上記コントロール部２０は、光源部３から射出されるレーザ光Ｂ_１を光パルスとするためのパルス発生回路２１や、受光素子５から出力された信号を増幅するための増幅器２２、スキャンミラー１１の傾動角の制御を行なうスキャンミラー制御部２３や、パルス発生回路２１からの信号と増幅器２２からの信号に基づき、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の出力タイミングと、それが物体Ｍに反射されて受光素子５に受光されたタイミングとの時間差を検出する時間差検出部２４を備えている。そして、時間差検出部２４で検出された時間差情報に基づき、距離検出部２５において物体Ｍまでの距離を算出すると共に、スキャンミラー制御部２３からの信号に基づき、方向検出部２６において物体Ｍの方向を検出し、これらの検出された距離情報および方向情報に基づき、物体Ｍの距離画像（距離、方向、大きさを示す画像）を距離画像生成部２７において生成し、さらに、生成された物体Ｍの距離画像に基づき、物体Ｍが対象とする物体であるか否か等を物体識別部２８において識別するように構成されている。

〈集光光学系の構成（第１の参照形態）〉
次に、図２を用いて、上記集光光学系１０Ａについて、より詳細に説明する。図２は、本発明の第１の参照形態に係る集光光学系の概略構成図である。なお、図２においては、構成部材の図示方法が図１と異なるものがあり、また、図１では図示を省略された一部の部材が図示されている。

図２に示すように集光光学系１０Ａは、上述した有孔反射ミラー１３、スキャンミラー１１、および集光レンズ１５を備えている。有孔反射ミラー１３の中央部には、反射面１３ｂから裏面１３ｃまで貫通する孔部１３ａが形成されており、光源部３から一方向に射出されたレーザ光Ｂ_１は、この孔部１３ａ内を通過してスキャンミラー１１に照射されるようになっている。

スキャンミラー１１は、光源部３からのレーザ光Ｂ_１を、空間Ｒ内を多次元的に走査するように該空間Ｒに向けて反射させると共に、空間Ｒ内の上記物体Ｍ（図２では、図示略）からの戻り光Ｂ_２を、レーザ光Ｂ_１の光路を逆進するように反射させるように構成されている。レーザ光Ｂ_１の光路を逆進する戻り光Ｂ_２は、光源部３からのレーザ光Ｂ_１よりも光束径が大きくなっており、有孔反射ミラー１３の、上記孔部１３ａの周囲の反射面１３ｂにおいて、レーザ光Ｂ_１の光路から外れる方向に反射され、さらに、集光レンズ１５により集光されて受光素子５に受光されるようになっている。

このように、集光光学系１０Ａは、光源部３から射出されるレーザ光Ｂ_１が光源部３からスキャンミラー１１を経て空間Ｒ内に照射されるまでの光路と、空間Ｒ内の物体Ｍからの戻り光Ｂ_２が物体から受光素子５に至るまでの光路とが途中まで互いに重なっている同軸系タイプである。このため、非同軸系タイプでは必要となる、広角で高効率な高価な集光レンズを用いる必要はない。また、集光レンズ等の見込む角度が狭く、余分な背景光が受光素子に入り難くなるので、SN比が良くなる。

また、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の光路から戻り光Ｂ_２の光路を分離する光路分離部材として、有孔反射ミラー１３を用いている。光源部３から射出されたレーザ光Ｂ_１は、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａ内を通過するので、従来技術のように光路分離部材としてハーフミラーを用いた際に生じる問題、すなわち、光源部３からのレーザ光Ｂ_１がハーフミラーを透過する際にハーフミラーの界面において散乱光Ｓが発生し、この散乱光Ｓが集光レンズ１５を経て受光素子５に入るという問題の発生を未然に防止することができる。また、これにより、ＳＮ比の向上を図ることが可能である。

また、上記集光光学系１０Ａにおいては、図２に示すように、光源部３と有孔反射ミラー１３との間には、光束の大きさを絞るための光束集束光学系１６と、１つまたは複数（図２では２つ）の遮光板１７が設けられている。この遮光板１７の中央部には、有孔反射ミラー１３に形成された孔部１３ａよりも小径な、貫通孔１７ａが形成されており、光源部３から射出されたレーザ光Ｂ_１は、光束集束光学系１６を経た後、この貫通孔１７ａ内を通過してから有孔反射ミラー１３の孔部１３ａ内を通過するようになっている。このような遮光板１７を配することにより、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の光束径を、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａの径よりも十分に小さく絞ることが可能となるので、光源部３からのレーザ光Ｂ_１が有孔反射ミラー１３の孔部１３ａの端部に照射されて散乱光Ｓが発生することを防止することができる。

さらに、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａは、その反射面１３ｂから裏面１３ｃに向けて、テーパ状に広がるように形成されている。このため、万一、光源部３からのレーザ光Ｂ_１が有孔反射ミラー１３の孔部１３ａの端部に照射されて散乱光Ｓが発生した場合でも、その散乱光Ｓが受光素子５に向かうことを防止し得るようになっている。

また、上記集光光学系１０Ａにおいては、スキャンミラー１１と空間Ｒとの間に、スキャンミラー１１から空間Ｒ内に向かうレーザ光Ｂ_１、および空間Ｒ内の物体Ｍから反射されスキャンミラー１１に向かう戻り光Ｂ_２が透過する透明カバー１９が配置されている。

さらに、上記集光光学系１０Ａにおいては、光源部３からのレーザ光Ｂ_１が有孔反射ミラー１３の孔部１３ａ内を通過した後、スキャンミラー１１に入射した際に、スキャンミラー１１の反射面において散乱光Ｓが発生した場合においても、その散乱光Ｓが入射方向に戻り、有孔反射ミラー１３の反射面１３ｂで反射されて受光素子５に入ることを防止するように構成されている。

以下では、図３、４を用いて、スキャンミラー１１の反射面において発生した散乱光Ｓが受光素子５に入ることを防止するための構成について説明する。図３は、集光光学系１０Ａの一部を取り出して示す図、図４は、図３に示す光路のうち、有孔反射ミラー１３で反射される光路を、有孔反射ミラー１３の位置で反転して示す図である。

図３に示すように、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａ内を通過したレーザ光Ｂ_１がスキャンミラー１１に達した際、スキャンミラー１１の反射面において散乱光Ｓが発生することがある。発生した散乱光Ｓのうち、レーザ光Ｂ_１の軸Ｚ方向に向かうものは、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａを通過するが、レーザ光Ｂ_１の軸Ｚ方向に対して斜めに反射した散乱光Ｓは、有孔反射ミラー１３で反射されて光学素子５の方向へ向かう場合がある。

集光光学系１０Ａは、スキャンミラー１１の反射面において発生し、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓが光学素子５に受光されないようにするため、以下のように構成されている。すなわち、図４に示すように、レーザ光Ｂ_１の光束径Ｄ_１、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａを前記レーザ光Ｂ_１の軸に垂直な面に正射影した場合の該孔部１３ａの径Ｄ_２、受光素子５の受光面の径Ｄ_３、集光レンズ１５の焦点距離Ｆ_１、および有孔反射ミラー１３とスキャンミラー１１との距離Ｌ_１が、下式（９）の関係を満たすように構成されている。

Ｆ_１×（Ｄ_２−Ｄ_１）／Ｌ_１＞Ｄ_３ ………（９）

このような構成により、スキャンミラー１１の反射面において発生し、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓが、光学素子５に受光されることはない。これは、以下の理由による。

すなわち、スキャンミラー１１の反射面において発生し、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓのうち、レーザ光Ｂ_１の軸Ｚに対する角度が最も小さいものの軸Ｚに対する角度をθとすると、この角度θは、微小である場合、ｔａｎθがθと近似できることから、下式（１０）で表される。

θ＝（Ｄ_２−Ｄ_１）／（２Ｌ_１） ………（１０）

また、上記角度θで有孔反射ミラー１３に入射し、有孔反射ミラー１３で反射されて受光素子５の方向に向かう散乱光Ｓの、集光レンズ１５の焦点距離Ｆ_１の位置における高さＨは、角度θが微小である場合、ｔａｎθがθと近似できることから、下式（１１）で表される。

Ｈ＝Ｆ_１×θ ………（１１）

上式（９）の関係を満たす場合、上記高さＨは、受光素子５の受光面の径Ｄ_３の半分よりも大きくなるので、上記角度θ以上の角度で有孔反射ミラー１３に入射し、有孔反射ミラー１３で反射されて受光素子５の方向に向かう散乱光Ｓが、受光素子５に受光されることはない。また、上記角度θより小さい角度で、スキャンミラー１１から有孔反射ミラー１３に向かう散乱光Ｓは、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａ内を通過するので、やはり、受光素子５に受光されることはない。

また、集光光学系１０Ａは、上記透明カバー１９の光透過面において発生し、スキャンミラー１１、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓが光学素子５に受光されないようにするため、以下のように構成されている。すなわち、レーザ光Ｂ_１の光束径Ｄ_１、有孔反射ミラー１３の孔部１３ａをレーザ光Ｂ_１の軸に垂直な面に正射影した場合の該孔部１３ａの径Ｄ_２、受光素子５の受光面の径Ｄ_３、集光レンズ１５の焦点距離Ｆ_１、および有孔反射ミラー１３と透明カバー１９との距離Ｌ_２が、下式（１２）の関係を満たすように構成されている。

Ｆ_１×（Ｄ_２−Ｄ_１）／Ｌ_２＞Ｄ_３ ………（１２）

このような構成により、透明カバー１９の光透過面において発生し、スキャンミラー１１、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓは、上述した理由と同様の理由により、光学素子５に受光されることはない。

このように、集光光学系１０Ａにおいては、スキャンミラー１１または透明カバー１９において発生した散乱光Ｓが受光素子５に受光されることを防止することが可能であり、これによりＳＮ比のより一層の向上を図ることが可能となっている。

〈集光光学系の構成（第２の参照形態）〉
次に、図５を用いて、本発明の第２の参照形態に係る集光光学系について説明する。図５は、本発明の第２の参照形態に係る集光光学系の概略構成図である。なお、図５においては、上述した集光光学１０Ａを構成する部材と同様の部材に対して、図２で用いたのと同じ番号を付している。

図５に示す集光光学系１０Ｂは、微小反射ミラー１４、スキャンミラー１１、および集光レンズ１５を備えている。微小反射ミラー１４は、光を透過させる光透過面１４ｂの中央部に、光を反射させる、口径が小さな反射面１４ａを有する構成とされ、光源部３から一方向に射出されたレーザ光Ｂ_１は、この反射面１４ａで反射されてスキャンミラー１１に照射されるようになっている。

スキャンミラー１１は、微小反射ミラー１４の反射面１４ａからのレーザ光Ｂ_１を、空間Ｒ内を多次元的に走査するように該空間Ｒに向けて反射させると共に、空間Ｒ内の物体Ｍ（図５では、図示略）からの戻り光Ｂ_２を、レーザ光Ｂ_１の光路を逆進するように反射させるように構成されている。この、レーザ光Ｂ_１の光路を逆進する戻り光Ｂ_２は、光源部３からのレーザ光Ｂ_１よりも光束径が大きくなっており、微小反射ミラー１４の、上記反射面１４ａの周囲の光透過面１４ｂを透過して、レーザ光Ｂ_１の光路から外れる方向に進行し、さらに、集光レンズ１５により集光されて受光素子５に受光されるようになっている。

このように、集光光学系１０Ｂは、光源部３から射出されるレーザ光Ｂ_１が光源部３からスキャンミラー１１を経て空間Ｒ内に照射されるまでの光路と、空間Ｒ内の物体Ｍからの戻り光Ｂ_２が物体から受光素子５に至るまでの光路とが途中まで互いに重なっている同軸系タイプであり、上述した集光光学系１０Ａと同様の効果を奏する。

また、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の光路から戻り光Ｂ_２の光路を分離する光路分離部材として、微小反射ミラー１４を用いている。光源部３から射出されたレーザ光Ｂ_１は、微小反射ミラー１４の微小な反射面１４ａにおいて、受光素子５への方向から外れる方向に反射されるので、反射面１４ａにおいて散乱光Ｓが発生した場合でも、この散乱光Ｓが集光レンズ１５を経て受光素子５に入ることを防止することができる。また、これにより、ＳＮ比の向上を図ることが可能である。

また、図５に示すように、光源部３と微小反射ミラー１４との間には、光束の大きさを絞るための光束集束光学系１６と、１つまたは複数（図５では２つ）の遮光板１７が設けられている。この遮光板１７の中央部には、微小反射ミラー１４の反射面１４ａの口径よりも小径な、貫通孔１７ａが形成されており、光源部３から射出されたレーザ光Ｂ_１は、光束集束光学系１６を経た後、この貫通孔１７ａ内を通過してから微小反射ミラー１４の反射面１４ａに至るようになっている。このような遮光板１７を配することにより、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の光束径を、微小反射ミラー１４の反射面１４ａの口径よりも十分に小さく絞ることが可能となるので、光源部３からのレーザ光Ｂ_１が微小反射ミラー１４の反射面１４ａの端部に照射されて散乱光Ｓが発生し、この散乱光Ｓが受光素子５の方向に向かうことを防止することができる。

また、図５においては図示を省略しているが、スキャンミラー１１と空間Ｒとの間には、上記集光光学系１０Ａと同様、スキャンミラー１１から空間Ｒ内に向かうレーザ光Ｂ_１、および空間Ｒ内の物体Ｍから反射されスキャンミラー１１に向かう戻り光Ｂ_２が透過する透明カバーが配置されている。

さらに、この集光光学系１０Ｂにおいては、光源部３からのレーザ光Ｂ_１が微小反射ミラー１４の光透過面１４ｂで反射された後、スキャンミラー１１に入射した際に、スキャンミラー１１の反射面において散乱光Ｓが発生した場合においても、その散乱光Ｓが入射方向に戻り、さらに微小反射ミラー１４の光透過面１４ｂを透過して受光素子５に入ることを防止し得るように構成されている。

すなわち、レーザ光Ｂ_１の光束径Ｄ_４、微小反射ミラー１４の反射面１４ａを前記戻り光の軸Ｚ（図５参照）に垂直な面に正射影した場合の該反射面１４ａの径Ｄ_５、受光素子５の受光面の径Ｄ_６、集光レンズ１５の焦点距離Ｆ_２、および微小反射ミラー１４とスキャンミラー１１との距離Ｌ_３が、下式（１３）の関係を満たすように構成されている。

Ｆ_２×（Ｄ_５−Ｄ_４）／Ｌ_３＞Ｄ_６ ………（１３）

このような構成により、スキャンミラー１１の反射面において発生し、さらに微小反射ミラー１４の光透過面１４ｂを透過する散乱光Ｓが、光学素子５に受光されることはない。これは、上記集光光学系１０Ａにおいて説明した理由と同様の理由によるものであるため、ここではその理由の説明を省略する。

また、集光光学系１０Ｂは、上記透明カバー１９の光透過面において発生し、スキャンミラー１１、さらに微小反射ミラー１４の光透過面１４ｂを透過する散乱光Ｓが光学素子５に受光されないようにするため、以下のように構成されている。すなわち、レーザ光Ｂ_１の光束径Ｄ_４、微小反射ミラー１４の反射面１４ａを戻り光Ｂ_２の軸Ｚに垂直な面に正射影した場合の該反射面１４ａの径Ｄ_５、受光素子５の受光面の径Ｄ_６、集光レンズ１５の焦点距離Ｆ_２、および微小反射ミラー１４と透明カバーとの距離Ｌ_４が、下式（１４）の関係を満たすように構成されている。

Ｆ_２×（Ｄ_５−Ｄ_４）／Ｌ_４＞Ｄ_６ ………（１４）

このような構成により、透明カバー１９の光透過面において発生し、スキャンミラー１１、さらに有孔反射ミラー１３で反射される散乱光Ｓは、集光光学系１０Ａの説明において述べた理由と同様の理由により、光学素子５に受光されることはない。

このように、集光光学系１０Ｂにおいては、スキャンミラー１１または透明カバーにおいて発生した散乱光Ｓが受光素子５に受光されることを防止することが可能であり、集光光学系１０Ａと同様に、ＳＮ比のより一層の向上を図ることが可能となっている。

〈態様の変更〉
以上、本発明の参照形態について説明したが、その他の種々の態様の変更が可能である。

例えば、上述した第１の参照形態において、図６に示すように、有孔反射ミラー１１３の孔部１１３aの周囲に、この孔部１１３aの周縁部、あるいはこの孔部１１３aよりも光源部３側の光路上配置部材によって発生した、受光素子５の配設方向へ向かう、レーザ光Ｂ_１の散乱光Ｓを遮蔽する遮光板（遮光ダクト）１２０を設けることが可能である。

この遮光板１２０の材質は特に限定されるものではないが、光透過を防止し得る、または光透過防止処理が容易な材質であって望ましくは軽量なものを用いる。また、この遮光板１２０の上記レーザ光Ｂ_１の光進行方向の長さは、この孔部１１３a等によって発生した散乱光Ｓの受光素子５への入射光量を実質的に無視することができる程度まで遮光し得る範囲で適宜選択することができる。また、その他の遮光板１２０の形状、サイズも状況に応じて適宜選択可能である。

このように、有孔反射ミラー１１３の孔部１１３aの周囲に、遮光板（遮光ダクト）１２０を設けることにより、孔部１１３aの端縁部等において発生する可能性のある、光源部３からのレーザ光Ｂ_１の散乱光Ｓ（戻り光Ｂ_２の強度に比して無視できない）が受光素子５に入射するのを確実に防止することができ、SN比劣化の要因を排除することができる。
なお、スキャンミラー１１からの戻り光Ｂ_２は図６に示すように、遮光板（遮光ダクト）１２０の上下に位置する反射面１１３ｂ（網掛け部分）によって受光素子５方向に反射される。

また、上述した第２の参照形態においても、上記と同様の機能を発揮し得る遮光板（遮光ダクト）を微小反射ミラー１４の反射面１４ａの周囲部に設けて（望ましくは受光素子５側に突出するように形成する）、この反射面１４ａの端縁部において発生する可能性のあるレーザ光Ｂ_１の散乱光Ｓが受光素子５に入射するのを確実に防止し、SN比劣化の要因を排除することが望ましい。

また、本発明の集光光学系の光路分離部材としては、例えば図７に示すように、光源部からのレーザ光Ｂ_１の光路に隣接して配設された反射ミラー２１３とすることが可能である。この場合には、図８に示すように、スキャンミラー１１の一部領域（図８における最下部領域）のみが、レーザ光Ｂ_１が照射される送光ビーム照射領域３３を含む送光領域３２となり、その他の領域（図８における上方部領域）が、物体Ｍからの戻り光Ｂ_２を反射ミラー２１３の反射面２１３ｂ（網掛け部分）および集光レンズ１５を介して受光素子５に送光し得る、有効受光領域３１ということになる。

また、図７に示す集光光学系においては、上記第１の実施形態において用いた式（９）に替えて下式（１５）が用いられ、さらに式（１２）に替えて下式（１６）が用いられる。

Ｆ_１×（２ｇ_１−Ｄ_１）／Ｌ_１＞Ｄ_３ ………（１５）

Ｆ_１×（２ｇ_１−Ｄ_１）／Ｌ_２＞Ｄ_３ ………（１６）

ここで、上式（１５）および上式（１６）において用いられる変数ｇ_１は、図９に示すように、レーザ光Ｂ_１の中心軸と反射ミラー２１３の端部との距離を示すものである。図９は、図７に示す集光光学系を模式的に表したものであるが、変数ｇ_１の定義が明瞭となるように単純化されている。

なお、この場合にも、反射ミラー２１３の周囲部分のうちレーザ光Ｂ_１の光路に隣接した領域に、遮光板（遮光ダクト）２２０を設けることにより、反射ミラー２１３の端縁部において発生する可能性のあるレーザ光Ｂ_１の散乱光Ｓが受光素子５に入射するのを確実に防止することができ、SN比劣化の要因を排除することができる。また、この場合にも、遮光板２２０の材質、形状およびサイズ等は状況に応じて適宜選択可能である。

また、上記集光光学系１０Ｂの反射面１４ａにおいては、微小反射ミラー１４が反射面１４ａの周囲に光透過面１４ｂを備えた構成とされているが、反射面１４ａを空中に保持するように構成してもよい。

また、レーザ光源としては、光束の断面形状が極めて細長い矩形状（例えば、短辺に対する長辺の比が１００のオーダとなるようなもの）となるレーザ光を出力するものが知られている。このようなレーザ光源から出力されるレーザ光は、光束の断面形状が円形に近いレーザ光に比べて、光束全体としての光強度が高いという利点がある。本発明においては、このようなレーザ光源を用いることも可能である。その場合、上記第１の実施形態における有孔反射ミラー１３の孔部１３ａの形状を、出力されたレーザ光の断面形状と相似な形状、例えば、反射面の領域を２分するようなスリット形状とすることにより、出力されたレーザ光の光量を損なわずに有効に利用することが可能となる。上記第２の実施形態において、そのようなレーザ光源を用いる場合には、微小反射ミラー１４の反射面１４ａの形状を、出力されたレーザ光の断面形状と相似な細長い形状とすればよい。

また、本発明は、上述した自動監視装置１に限らず、種々の装置において用いられる集光光学系に対して適用することが可能である。

本発明の第１の参照形態に係る集光光学系を備えた自動監視装置の構成図本発明の第１の参照形態に係る集光光学系の構成図図２に示す集光光学系の一部を示す図図３に示す集光光学系の光路の一部を展開して示す図本発明の第２の参照形態に係る集光光学系の構成図本発明の参照形態に係る集光光学系の態様の変更を示す構成図本発明の実施形態に係る集光光学系の態様を示す構成図図７に示す態様のスキャンミラーにおける光照射領域の区分を示す概念図図７に示す集光光学系を模式的に表す図

符号の説明

１自動監視装置
３光源部
５受光素子
１０Ａ集光光学系（第１の実施形態）
１０Ｂ集光光学系（第２の実施形態）
１１スキャンミラー
１３、１１３有孔反射ミラー
１３ａ、１１３ａ孔部
１３ｂ、１１３ｂ、２１３ｂ反射面
１３ｃ裏面
１４微小反射ミラー
１４ａ微小反射ミラーの反射面
１４ｂ微小反射ミラーの光透過面
１５集光レンズ
１６光束収束光学系
１７遮光板
１７ａ貫通孔
１９透明カバー
２０コントロール部
２１パルス発生回路
２２増幅器
２３スキャンミラー制御部
２４時間差検出部
２５距離検出部
２６方向検出部
２７距離画像生成部
２８物体識別部
３１有効受光領域
３２送光領域
３３送光ビーム照射領域
１２０、２２０遮光板（遮光ダクト）
２１３反射ミラー
Ｒ空間
Ｍ物体
Ｂ_１レーザ光
Ｂ_２戻り光
Ｓ散乱光
Ｚレーザ光および戻り光の軸

Claims

光源部から一方向に射出されたレーザ光を、所定の空間に向け該空間内を多次元的に走査するように反射させるスキャンミラーと、前記空間内の物体から反射して前記スキャンミラーに戻り、該スキャンミラーによって前記光源部からの前記レーザ光の光路を逆進するように反射された戻り光を、該レーザ光の該光路から外れた方向へ出力する光路分離部材と、該光路分離部材から出力された前記戻り光を受光素子に集光させる集光レンズとを備え、前記戻り光に担持された情報に基づき前記物体を認識するように構成された装置の集光光学系において、
前記光路分離部材が、前記光源部からの前記レーザ光の光路に隣接して配設された反射ミラーであり、
前記スキャンミラーからの前記戻り光は、前記反射ミラーの反射面により反射されることにより前記レーザ光の前記光路から分離せしめられるように構成してなり、
前記レーザ光の光束径Ｄ _１、前記光源部から一方向に射出された前記レーザ光の中心軸と前記反射ミラーの端部との距離ｇ _１、前記受光素子の受光面の径Ｄ _３、前記集光レンズの焦点距離Ｆ _１、および前記反射ミラーと前記スキャンミラーとの距離Ｌ _１が、下式（１´）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする集光光学系。
Ｆ _１ ×（２ｇ _１ −Ｄ _１）／Ｌ _１＞Ｄ _３ ………（１´）
前記スキャンミラーと前記空間との間に、前記レーザ光および前記戻り光を透過する透明カバーが配置され、前記レーザ光の光束径Ｄ _１、前記光源部から一方向に射出された前記レーザ光の中心軸と前記反射ミラーの端部との距離ｇ _１、前記受光素子の受光面の径Ｄ _３、前記集光レンズの焦点距離Ｆ _１、および前記反射ミラーと前記透明カバーとの距離Ｌ _２が、下式（２´）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１記載の集光光学系。
Ｆ _１ ×（２ｇ _１ −Ｄ _１）／Ｌ _２＞Ｄ _３ ………（２´）
前記反射ミラーの周囲に、この反射ミラーの周縁部で発生した、前記受光素子の配設方向へ向かう該レーザ光の散乱光を遮蔽する遮光壁部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の集光光学系。