JP5082704B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。

従来より、レーザ光を用いて検出物体までの距離や方位を検出する技術として例えば特許文献１のような装置が提供されている。この特許文献１の装置では、レーザ光発生手段からのレーザ光の光軸上に、レーザ光を透過させ、かつ検出物体からの反射光を検出手段に向けて反射する光アイソレータを設けている。さらに、光アイソレータを透過するレーザ光の光軸上において当該光軸方向の中心軸を中心として回動する凹面鏡を設け、この凹面鏡によってレーザ光を空間に向けて反射させると共に、検出物体からの反射光を光アイソレータに向けて反射させることで３６０°の水平走査を可能としている。
特許２７８９７４１号公報

ところで、特許文献１の技術では凹面鏡の回動により３６０°の水平走査を可能とし、検出領域（レーザ光による走査がなされる領域）を装置の周囲全体にまで拡大しているが、その一方で、検出領域が平面に限定されてしまうという問題がある。即ち、凹面鏡から空間に向けて反射されたレーザ光は所定平面（走査平面）内で走査がなされるため、その走査平面から外れた領域については検出が不能となる。従って、走査平面から外れた検出物体は検出することができず、また、走査平面内に検出物体が存在する場合であってもその検出物体を立体的に把握することはできなかった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、装置の周囲にわたる検出が可能であり、かつ３次元的な検出をも行いうるレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、
レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する光検出手段と、
所定の中心軸を中心として回動可能に構成された１つの偏向手段を備えるとともに、当該偏向手段により前記レーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ前記反射光を前記光検出手段に向けて偏向する回動偏向手段と、
前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光を前記偏向手段に向けて偏向するミラーと、
前記回動偏向手段の前記偏向手段を回転駆動する駆動手段と、
前記レーザ光発生手段を第１の回転軸を中心として回転させる第１の回転手段と、
前記レーザ光発生手段を前記第１の回転軸と直交する向きの第２の回転軸を中心として回転させる第２の回転手段と、
前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記偏向手段の回動位置に応じて前記レーザ光発生手段を前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段の少なくともいずれかにより回転させ、前記レーザ光発生手段から前記ミラーに入射する前記レーザ光の入射角度を変化させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の入射方向を変化させ、前記偏向手段からの前記レーザ光の向きを、前記中心軸の方向に関して変化させるように構成され、
前記第１の回転手段が所定の初期位置にあるときに前記第１の回転軸の方向及び前記中心軸の方向と直交する仮想直線が定まるようになっており、
前記偏向手段の反射面と平行な仮想平面と前記仮想直線とのなす角度をαとし、前記中心軸の方向をＹ軸方向、前記仮想直線の方向をＸ軸方向としたとき、
前記ミラーは、前記レーザ光発生手段に対して前記Ｘ軸方向の一方側に配置され、且つ前記偏向手段に対して前記Ｙ軸方向の一方側に配置されており、
前記仮想直線と前記仮想平面とのなす角度αが予め定められた閾値以下となるような前記偏向手段の回動範囲を所定の回動範囲としたとき、
前記制御手段は、
前記偏向手段が前記所定の回動範囲にあるときには、前記レーザ光発生手段を、前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段により前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸を中心として回転させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の前記入射方向を変化させ、
前記偏向手段が前記所定の回動範囲以外にあるときには、前記レーザ光発生手段を、前記第１の回転手段により前記第１の回転軸を中心として回転させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の前記入射方向を変化させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザレーダ装置において、前記駆動手段は、前記偏向手段を一定角度ずつ回動させる構成をなしており、前記偏向手段が前記所定の回動範囲以外のときには、前記偏向手段が前記一定角度ずつ回動する毎に前記第１の回転手段が前記レーザ光発生手段を定められた範囲に亘って回転することで、前記一定角度毎に前記中心軸の方向の走査が行われ、前記偏向手段が前記所定の回動範囲のときには、前記偏向手段が前記一定角度ずつ回動する毎に前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段が前記レーザ光発生手段を定められた範囲に亘って回転することで、前記一定角度毎に前記中心軸の方向の走査が行われることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レーザ光の向きを、中心軸と直交する平面方向だけでなく、中心軸の方向にも変化させることができるため、検出を三次元的に行うことができるようになる。特に、回転手段を用いてレーザ光発生手段を回転させることで、偏向手段に入射するレーザ光の入射方向を変化させ、偏向手段からのレーザ光の向きを中心軸の方向に関して変化させるようにしているため、装置構成が複雑化しにくく、さらに、回転手段を制御することで、レーザ光の中心軸方向の変化を制御できるようになるため、レーザ光の方向制御を良好に行うことができる。また互いに異なる回転軸を有する２つの回転手段を回転させて偏向手段に入射するレーザ光の入射方向を変化させるようにしているため、偏向手段に対してレーザを２方向に振ることができ、中心軸方向の走査を行う上での自由度が大きくなる。
また、第１の回転手段及び第２の回転手段の少なくともいずれかによりレーザ光発生手段を回転させ、レーザ光発生手段からレーザ光偏向手段に入射するレーザ光の入射角度を変化させることで、レーザ光偏向手段から偏向手段に入射するレーザ光の入射方向を変化させている。このようにすると、レーザ光発生手段から偏向手段に対して直接レーザ光を照射させにくい事情がある場合において三次元的検出を行う上で有利な構成となる。
更に、偏向手段の角度に応じて、第１の回転手段によるレーザ光制御を用いるか、第１の回転手段及び第２の回転手段の両方によるレーザ光制御を用いるかを使い分けることができ、偏向手段の角度に応じた適切なレーザ光制御が可能となる。

請求項２の発明によれば、第１の回転手段によるレーザ光制御と、第１の回転手段及び第２の回転手段の両方によるレーザ光制御と、を使い分ける構成を、偏向手段を一度に大きく回転させることなく実現でき、回動偏向手段や駆動手段の負荷を効果的に抑えることができる。

[参考例１]
以下、参考例１について、図面を参照して説明する。図１は参考例１に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。図２（ａ）は、図１のレーザレーダ装置に用いるレーザ光発生手段及び回転手段等を拡大して説明する説明図であり、図２（ｂ）は、レーザ光発生手段及び回転手段等を図２（ａ）とは異なる方向から説明する説明図である。なお、図１、図２では、中心軸４２ａの方向をＹ軸方向、モータ７０の回転中心（回転軸７４）の方向をＺ軸方向、これらＹ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＸ軸方向と定義している。

図１に示すように、レーザレーダ装置１は、レーザダイオード１０と、検出物体からの反射光を受光するフォトダイオード２０とを備え、検出物体までの距離や方位を検出する装置として構成されている。なお、図１では、反射光の光路の例を符号Ｌ２にて示している。

レーザダイオード１０は、「レーザ光発生手段」の一例に相当するものであり、図示しない駆動回路からパルス電流を供給されてパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）を投光するものである。フォトダイオード２０は、「検出手段」の一例に相当するものであり、レーザダイオード１０からレーザ光Ｌ１が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光Ｌ１の反射光を検出し電気信号に変換する構成をなしている。なお、検出物体からの反射光については所定領域のものが取り込まれる構成となっており、図１の例において、レーザ光Ｌ１が実線で示す経路を通過する場合には、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域の反射光がフォトダイオード２０に取り込まれるようになっている。

レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１の光軸上にはレンズ６０が設けられている。このレンズ６０は、コリメートレンズとして構成されるものであり、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１を平行光に変換する機能を有する。なお、レーザダイオード１０やレンズ６０は、基板等からなる支持部７２に搭載されている。

さらに、図２（ａ）（ｂ）に示すように、レーザダイオード１０を回転させるモータ７０が設けられている。参考例１では、モータ７０によって中心軸４２ａと直交する方向（Ｚ軸方向）の回転軸７４を中心としてレーザダイオード１０を回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光の入射方向を変化させ、偏向部４１からのレーザ光の向きを、中心軸４２ａの方向（即ち、縦方向）に関して変化させている。なお、図１、図２では、モータ７０の回転軸を点によって概念的に示している。本参考例では、モータ７０及びこのモータ７０を制御する制御回路８０が「回転手段」の一例に相当している。

レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１の光路上には、「レーザ光偏向手段」の一例に相当するミラー３０が配置されている。ミラー３０は、ケース３の所定位置に固定されており、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１を回動偏向機構４０に向けて偏向（反射）する構成をなすものである。本参考例では、モータ７０によりレーザダイオード１０を回転させ、レーザダイオード１０からミラー３０に入射するレーザ光の入射角度を変化させ、ミラー３０から偏向部４１に入射するレーザ光の入射方向を変化させるようにしている。なお、レーザダイオード１０を回転させる構成や制御については後述する。

ミラー３０で反射されたレーザ光Ｌ１の光軸上には、回動偏向機構４０が設けられている。この回動偏向機構４０は、「回動偏向手段」の一例に相当しており、平坦な反射面４１ａを備えたミラーからなる偏向部４１と、この偏向部４１を支持する支持台４３と、この支持台４３に連結された軸部４２と、この軸部４２を回転可能に支持する図示しない軸受とを備えてなり、偏向部４１によりレーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向するように機能する。回動偏向機構４０の一部を構成する偏向部４１は、中心軸４２ａを中心として回動可能とされており、「偏向手段」の一例に相当している。

なお、本参考例に係るレーザレーダ装置１では、偏向部４１における反射光を偏向する偏向領域（偏向部４１における反射面４１ａの領域）が、ミラー３０におけるレーザ光を偏向する偏向領域（ミラー３０における反射面３０ａの領域）よりも大きく構成されている。

さらに、回動偏向機構４０を回転駆動するようにモータ５０が設けられている。このモータ５０は、軸部４２を回転させることで、軸部４２と連結された偏向部４１を回転駆動する構成となっている。モータ５０は、例えばステップモータによって構成されている。ステップモータは、種々のものを利用でき、１ステップ毎の角度が小さいものを使用すれば、緻密な回動が可能となる。本参考例では、モータ５０及びこのモータ５０を制御する制御回路８０が「駆動手段」の一例に相当している。

なお、モータ５０としてステップモータ以外のモータを用いてもよい。例えばサーボモータ等を用いても良いし、定常回転するモータを用い、偏向部４１が測距したい方向を向くタイミングに同期させてパルスレーザ光を出力することで、所望の方向の検出を可能としてもよい。

また、本参考例では、図１に示すように、モータ５０の軸部４２の回転角度位置（即ち偏向部４１の回転角度位置）を検出する回転角度位置センサ５２が設けられている。回転角度位置センサ５２は、ロータリーエンコーダなど、軸部４２の回転角度位置を検出しうるものであれば様々な種類のものを使用でき、また、検出対象となるモータ５０の種類も特に限定されず、様々な種類のものに適用できる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上には、フォトダイオード２０に向けて反射光を集光する集光レンズ６２が設けられ、その集光レンズ６２とフォトダイオード２０の間にはフィルタ６４が設けられている。集光レンズ６２は、偏向部４１からの反射光を集光してフォトダイオード２０に導くものであり、集光手段の一例に相当している。また、フィルタ６４は、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上において反射光を透過させ且つ反射光以外の光を除去するものであり、光選択手段の一例に相当している。具体的には、検出物体からの反射光に対応した特定波長の光（例えば一定領域の波長の光）のみを透過させそれ以外の光を遮断する波長選択フィルタによって構成することができる。

また、本参考例では、レーザダイオード１０、フォトダイオード２０、ミラー３０、レンズ６０、回動偏向機構４０、モータ５０、モータ７０、制御回路８０等がケース３内に収容され、防塵や衝撃保護が図られている。ケース３における偏向部４１の周囲には、当該偏向部４１を取り囲むようにレーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１、及び検出物体からの反射光の通過を可能とする導光部４が形成されている。導光部４は、偏向部４１に入光するレーザ光Ｌ１の光軸をほぼ中央とした環状形態で、ほぼ３６０°に亘って構成されており、この導光部４を閉塞する形態でガラス板等からなるレーザ光透過板５が配され、防塵が図られている。なお、レーザ光透過板５は、回動偏向機構４０の中心軸４２ａと直交する仮想平面に対し全周にわたり傾斜した構成となっている。即ち、偏向部４１から空間に向かうレーザ光Ｌ１に対して板面が傾斜した構成をなしている。従って、偏向部４１から空間に向かうレーザ光Ｌ１がレーザ光透過板５にて反射してもノイズ光となりにくくなっている。

ケース３内には、レーザレーダ装置１全体を制御する制御回路８０が設けられている。制御回路８０は、ＣＰＵ、バスライン、記憶手段等を備えたマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないメモリに記憶されたプログラムを実行し得る情報処理装置として構成されている。本参考例では、この制御回路８０によってモータ７０の回転制御や、モータ５０の回転制御が行われるようになっている。

次に、レーザレーダ装置１の動作について説明する。
図１に示すレーザレーダ装置１では、レーザダイオード１０にパルス電流が供給されると、このレーザダイオード１０からはパルス電流のパルス幅に応じた時間間隔のパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）が出力される。このレーザ光Ｌ１は、ある程度の広がり角をもった拡散光として投光され、レンズ６０を通過することで平行光に変換される。レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１は、ミラー３０で反射されて偏向部４１に入射し、この偏向部４１にて反射され空間に向けて照射される。

偏向部４１によって反射されたレーザ光Ｌ１は検出物体によって反射され、この反射光の一部（Ｌ２参照）は再び偏向部４１に入射する。偏向部４１は、この反射光をフォトダイオード２０側へ反射する。偏向部４１にて反射された反射光は、集光レンズ６２で集光され、フィルタ６４を通過してフォトダイオード２０に入光する。

フォトダイオード２０は、受光した反射光に応じた電気信号（例えば受光した反射光に応じた電圧値）を出力する。この構成では、レーザダイオード１０によってレーザ光Ｌ１を出力してからフォトダイオード２０によってその反射光を検出するまでの時間を測定することにより検出物体までの距離を求めることができる。また、そのときの、モータ７０の変位（即ち、レーザダイオード１０の変位）、偏向部４１の変位によって方位をも求めることができる。つまり、レーザーダイオード１０からのレーザ光の方向が定まり、偏向部４１の回転位置が定まると、偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方向が、一の方位に定まるため、検出物体の方位を的確に把握できることとなる。

なお、レーザダイオード１０の回転に伴うレーザ光の経路変化は以下の通りとなる。図１では、回動偏向機構４０が所定の回動状態となっている例を示しているが、この回動状態で、レーザダイオード１０が図１の変位にあるときは、レーザ光Ｌ１が実線で示す経路を通過し、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域の反射光が取り込まれることとなる。一方、レーザダイオード１０の回転位置が変化すると、二点鎖線Ｌ１'に示すように、偏向部４１に対するレーザ光Ｌ１の入射角度が相対的に変化する（図２（ａ）も参照）。即ち、レーザダイオード１０の回転位置が変化することで、ミラー３０でのレーザ光の反射角度が変化し、実線で示す経路から二点鎖線Ｌ１'で示す経路に変化する。これにより、偏向部４１から空間に向かうレーザ光が中心軸４２ａの方向（縦方向）に変化することとなる。この場合、反射光の経路も二点鎖線Ｌ２'のように変化し、偏向部４１で反射した後、集光レンズ６２、フィルタ６４を介してフォトダイオード２０に取り込まれることとなる。

次に、レーザレーダ装置１の制御について説明する。
図３は、図１のレーザレーダ装置１における検出処理の流れを例示するフローチャートである。検出処理は例えば電源投入や所定操作などによって開始されるものであり、まず、レーザダイオード１０及び偏向部４１を初期位置に設定する（Ｓ１）。本参考例では、図１にて実線で示す位置が初期位置とされており、レーザダイオード１０及び偏向部４１が当該位置となるようにモータ７０やモータ５０を回転駆動する。なお、検出処理前の待機状態においてレーザダイオード１０及び偏向部４１が初期位置に設定されるようにも構成でき、このような構成の場合にはＳ１の処理を省略することができる。

次いで、現在の設定状態（検出処理開始直後の場合には初期位置に設定された状態）での物体の検出処理を行う（Ｓ２）。具体的には制御回路８０によってレーザダイオード１０にレーザ光を投光させる制御を行うと共に、フォトダイオード２０から出力される電気信号を制御回路８０によって読み取り、レーザダイオード１０及び偏向部４１の現在の設定位置に対応した方向に検出すべき物体が存在するか否かを確認する。フォトダイオード２０から一定レベル以上の電気信号が出力される場合には、レーザダイオード１０によるレーザ光の投光からフォトダイオード２０による反射光の受光までの時間に基づいて検出物体までの距離を算出する。また、レーザダイオード１０及び偏向部４１の現在の設定位置に基づいて偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方位を算出する。なお、算出された距離や方位は図示しない表示部等に出力することができる。

その後、レーザダイオード１０が予め定められた範囲分回転したかを判断する（Ｓ３）。本参考例では、制御回路８０の制御により、モータ５０が偏向部４１を予め定められた一定角度（本参考例の例では１°）ずつ回動させる構成をなしており、偏向部４１が一定角度（１°）ずつ回動する毎にモータ７０がレーザダイオード１０を「定められた範囲」（例えば数十度）に亘って回転することで、モータ５０の一定角度（１°）毎に中心軸の方向（中心軸４２ａに沿った縦方向）の走査が行われるようになっている。Ｓ３の処理では、現在の偏向部４１の設定状態で、レーザダイオード１０が「定められた範囲」分だけ回転し終わったか否かを判断しており、回転し終わった場合には、現在の偏向部４１の設定状態での縦方向（即ち中心軸４２ａの方向）の走査が終了したことになるため、Ｓ３にてＹｅｓに進む。一方、現在の偏向部４１の設定状態で、レーザダイオード１０が「定められた範囲」分だけ回転し終わっていない場合には、Ｓ３にてＮｏに進み、レーザダイオード１０を予め定められた一定角度（１°）回転し（Ｓ４）、その一定角度回転後のレーザダイオード１０にてＳ２の検出処理を繰り返す。本参考例ではレーザダイオード１０の回転ステップを１°とした例を示したが、これよりも大きい角度としてもよく、小さい角度としてもよい。

Ｓ３にてＹｅｓに進む場合には、制御回路８０の制御により、偏向部４１をさらに一定角度（１°）回動させるようにモータ５０が駆動され（Ｓ５）、その回動後の偏向部４１の設定状態でＳ２以降の処理が繰り返される。即ち、偏向部４１が新たな位置に設定された状態で、再度縦方向の走査が行われることとなる。なお、上記例では、「一定角度」の例として「１°」を例示したが、偏向部４１の回転ステップとなる「一定角度」は、これよりも小さい角度であってもよく、大きい角度であってもよい。

以上のように、本参考例に係るレーザレーダ装置１によれば、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１を空間に向けて偏向させ、且つ検出対象からの反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向する偏向部４１が所定の中心軸４２ａを中心として回動可能とされるため、装置の周囲にわたる検出が可能となる。また、レーザ光Ｌ１の向きを、中心軸４２ａと直交する平面方向（ＸＺ平面方向）だけでなく、中心軸４２ａの方向（Ｙ軸方向、即ち縦方向）にも変化させることができるため、検出を三次元的に行うことができるようになる。

特に、回転手段によりレーザダイオード１０を回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させ、偏向部４１からのレーザ光の向きを、中心軸４２ａの方向に関して変化させるようにしているため、装置構成が複雑化しにくく、さらに、回転手段によって、空間に向けて発せられるレーザ光Ｌ１の中心軸方向の変化を制御できるため、レーザ光の方向制御を良好に行うことができる。このような構成は、特に工場等におけるエリアセンサ、セーフティセンサなどとして利用すると有用である。

また、回転手段によりレーザダイオード１０を回転させて、レーザダイオード１０からミラー３０に入射するレーザ光Ｌ１の入射角度を変化させることで、ミラー３０から偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させている。このようにすると、レーザダイオード１０から偏向部４１に対して直接レーザ光を照射させにくい事情がある場合において三次元的検出を行う上で有利な構成となる。

また、偏向部４１を一定角度ずつ回動させる構成をなしており、偏向部４１が一定角度ずつ回動する毎に回転手段がレーザダイオード１０を定められた範囲に亘って回転することで、一定角度毎に中心軸４２ａの方向（Ｙ軸方向、即ち縦方向）の走査が行われる。このようにすると、偏向部４１を一度に大きく回転させる必要がなく、少しずつ駆動しながら三次元的検出を行うことができるようになり、回動偏向機構４０やモータ５０の負荷を抑えることができる。

また、偏向部４１における反射光を偏向する偏向領域（即ち、反射光を反射する反射領域）が、ミラー３０におけるレーザ光Ｌ１を偏向する偏向領域（即ち、レーザ光Ｌ１を反射する反射領域）よりも大きく構成されているため、相対的に広範な領域の反射光を検出に用いることができ、検出精度を効果的に高めることができる。

さらに、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上に、フォトダイオード２０に向けて反射光を集光する集光レンズ６２が設けられているため、フォトダイオード２０を大型化させることなく広範囲の反射光を検出に利用できるようになる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上に、反射光を透過させ、且つ反射光以外の光を除去するフィルタ６４が設けられているため、ノイズ光を好適に除去できる。

［第１実施形態]
次に第１実施形態について説明する。図４は第１実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。図５（ａ）は、図４のレーザレーダ装置に用いるレーザ光発生手段及び回転手段等を拡大して説明する説明図であり、図５（ｂ）は、レーザ光発生手段及び回転手段等を図５（ａ）とは異なる方向から説明する説明図である。図６は、図４のレーザレーダ装置における検出処理の流れを例示するフローチャートである。なお、図４、図５では、中心軸４２ａの方向をＹ軸方向、Ｙ軸方向と直交する特定方向をＺ軸方向、これらＹ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＸ軸方向と定義している。

図４に示すレーザレーダ装置１００も参考例１と同様のレーザダイオード１０（レーザ光発生手段）と、フォトダイオード２０（検出手段）とを備えており、検出物体までの距離や方位を検出する装置として構成されている。また、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１の光軸上には参考例１と同様のレンズ６０が設けられ、これらレーザダイオード１０及びレンズ６０は、基板等からなる支持部１７２に搭載されている。レーザダイオード１０やフォトダイオード２０の構成は、参考例１と同様であるので詳細な説明は省略する。

レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１の光路上には、ミラー３０（レーザ光偏向手段）が配置され、ミラー３０で反射されたレーザ光Ｌ１の光軸上には、回動偏向機構４０（回動偏向手段）が設けられている。ミラー３０及び回動偏向機構４０の構成も参考例１と同様である。回動偏向機構４０は、平坦な反射面４１ａを備えたミラーからなる偏向部４１と、この偏向部４１を支持する支持台４３と、この支持台４３に連結された軸部４２と、この軸部４２を回転可能に支持する図示しない軸受とを備えてなり、偏向部４１によりレーザ光Ｌ１を空間に向けて偏向させ、且つ反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向するように機能する。回動偏向機構４０の一部を構成する偏向部４１は、中心軸４２ａを中心として回動可能とされており、「偏向手段」の一例に相当している。なお、本実施形態に係るレーザレーダ装置１００でも、偏向部４１における反射光を偏向する偏向領域（偏向部４１における反射面４１ａの領域）が、ミラー３０におけるレーザ光を偏向する偏向領域（ミラー３０における反射面３０ａの領域）よりも大きく構成されている。

また、回動偏向機構４０を回転駆動するように参考例１と同様のモータ５０が設けられている。本実施形態では、モータ５０及びこのモータ５０を制御する制御回路１２０が「駆動手段」の一例に相当している。さらに、モータ５０の軸部４２の回転角度位置（即ち偏向部４１の回転角度位置）を検出する参考例１と同様の回転角度位置センサ５２が設けられている。

回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上には、フォトダイオード２０に向けて反射光を集光する集光レンズ６２が設けられ、その集光レンズ６２とフォトダイオード２０の間にはフィルタ６４が設けられている。これら集光レンズ６２及びフィルタ６４も参考例１と同様の構成をなしている。また、レーザダイオード１０、フォトダイオード２０、ミラー３０、レンズ６０、回動偏向機構４０、モータ５０、第１モータ１７０、第２モータ１８０、制御回路１２０等が、参考例１と同様のケース３の内部に収容され、防塵や衝撃保護が図られている。

ケース３内には、レーザレーダ装置１００全体を制御する制御回路１２０が設けられている。制御回路１２０は、ＣＰＵ、バスライン、記憶手段等を備えたマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないメモリに記憶されたプログラムを実行し得る情報処理装置として構成されている。本実施形態では、この制御回路１２０によってモータ５０の回転制御や、第１モータ１７０、第２モータ１８０の回転制御が行われるようになっている。

また、本実施形態のレーザレーダ装置１００は、レーザダイオード１０を第１の回転軸１７４を中心として回転させる第１モータ１７０（第１モータ１７０は「第１の回転手段」の一例に相当する）と、レーザダイオード１０を第１の回転軸１７４と直交する向きの第２の回転軸１８４を中心として回転させる第２モータ１８０（第２モータ１８０は「第２の回転手段」の一例に相当する）と、を備えており、偏向部４１の回動位置に応じてレーザダイオード１０を第１モータ１７０及び第２モータ１８０の少なくともいずれかにより回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させ、偏向部４１からのレーザ光Ｌ１の向きを、中心軸４２ａの方向（即ち縦方向）に関して変化させる構成となっている。

より詳しくは、偏向部４１の回動位置に応じ、モータ１７０及び第２モータ１８０の少なくともいずれかによりレーザダイオード１０を回転させ、レーザダイオード１０からミラー３０に入射するレーザ光Ｌ１の入射角度を変化させることで、ミラー３０から偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させている。本実施形態では、レーザダイオード１０及びレンズ６０が搭載された支持部１７２を第１モータ１７０によって回転する構成をなしており、この第１モータ１７０が搭載された保持体１１０に軸１８２を介して第２モータ１８０が連結されている。そして、この第２モータ１８０により、保持体１１０及び当該保持体１１０に保持される部品（レーザダイオード１０、レンズ６０、第１モータ１７０等）を第２の回転軸１８４を中心として一体的に回転させる構成となっている。なお、図４、図５（ａ）では、第１の回転軸（符号１７４）を点にて概念的に示している。図５（ｂ）では、第２の回転軸（符号１８４）を点にて概念的に示している。

次に、レーザレーダ装置１００の動作について説明する。
図４に示すレーザレーダ装置１００では、レーザダイオード１０にパルス電流が供給されると、このレーザダイオード１０からはパルス電流のパルス幅に応じた時間間隔のパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）が出力される。このレーザ光Ｌ１は、ある程度の広がり角をもった拡散光として投光され、レンズ６０を通過することで平行光に変換される。レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１は、ミラー３０で反射されて偏向部４１に入射し、この偏向部４１にて反射され空間に向けて照射される。

偏向部４１によって反射されたレーザ光Ｌ１は検出物体によって反射され、この反射光の一部（Ｌ２参照）は再び偏向部４１に入射する。偏向部４１は、この反射光をフォトダイオード２０側へ反射する。偏向部４１にて反射された反射光は、集光レンズ６２で集光され、フィルタ６４を通過してフォトダイオード２０に入光する。

フォトダイオード２０は、受光した反射光に応じた電気信号（例えば受光した反射光に応じた電圧値）を出力する。この構成では、レーザダイオード１０によってレーザ光Ｌ１を出力してからフォトダイオード２０によってその反射光を検出するまでの時間を測定することにより検出物体までの距離を求めることができる。また、そのときの、第１モータ１７０及び第２モータ１８０の変位（即ち、レーザダイオード１０の変位）、偏向部４１の変位によって方位をも求めることができる。つまり、レーザーダイオード１０からのレーザ光Ｌ１の方向が定まり、偏向部４１の回転位置が定まると、偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方向が、一の方位に定まるため、検出物体の方位を的確に把握できることとなる。

さらに本実施形態では、偏向部４１が「所定の回動範囲」にある場合と、「所定の回動範囲」以外にある場合とでレーザダイオード１０の制御を異ならせている。具体的には、第１モータ１７０の初期位置（図５（ａ）（ｂ）の実線位置）の第１の回転軸１７４と直交しかつ中心軸４２ａとも直交する仮想直線（即ちＸ軸方向の直線）と、反射面４１ａと平行な仮想平面と、のなす角度をαとした場合、この角度αが予め定められた閾値以下となる回動範囲を「所定の回動範囲」の一例として定めている。そして、偏向部４１がこの「所定の回動範囲」のとき（即ち角度αが閾値（例えば１０°）以下のとき）には、レーザダイオード１０を、第１モータ１７０及び第２モータ１８０により第１の回転軸１７４及び第２の回転軸１８４を中心として回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させている。また、偏向部４１が「所定の回動範囲」以外のとき（即ち角度αが閾値（例えば１０°）を超えるとき）には、レーザダイオード１０を、第１モータ１７０のみにより第１の回転軸１７４を中心として回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させるようにしている。

図４では、偏向部４１が上記「所定の回動範囲」以外の位置において、レーザダイオード１０が所定回転状態となっている例を示しているが、レーザダイオード１０が図４の実線で示す位置にあるときは、レーザ光Ｌ１が実線で示す経路を通過し、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域の反射光が取り込まれることとなる。また、このような「所定の回動範囲」以外の場合においては、第１モータ１７０のみが回転し、第２モータ１８０は回転しないようになっており、第１モータ１７０が回転してレーザダイオード１０の回転位置が変化すると、二点鎖線Ｌ１'に示すように、偏向部４１に対するレーザ光Ｌ１の入射角度が相対的に変化する（図５（ａ）も参照）。即ち、レーザダイオード１０の回転位置が変化することで、ミラー３０におけるレーザ光の反射角度が変化し、実線で示す経路から二点鎖線Ｌ１'で示す経路に変化する。これにより、偏向部４１から空間に向かうレーザ光が中心軸４２ａの方向（縦方向）に変化することとなる。この場合、反射光の経路も二点鎖線Ｌ２'のように変化し、偏向部４１で反射した後、集光レンズ６２、フィルタ６４を介してフォトダイオード２０に取り込まれることとなる。

一方、偏向部４１が「所定の回動範囲」にある場合（即ち角度αが閾値（例えば１０°）以内のとき）には、第１モータ１７０だけでなく第２モータ１８０も共に回転し（（図５（ｂ）の二点鎖線参照）、ミラー３０におけるレーザ光の反射角度が変化し、偏向部４１から空間に向かうレーザ光が中心軸４２ａの方向（縦方向）に変化することとなる。即ち、第１モータ１７０の初期位置の第１の回転軸１７４と直交しかつ中心軸４２ａとも直交する仮想直線と、反射面４１ａと平行な仮想平面と、のなす角度αが予め定められた閾値以下の場合、第１モータ１７０のみによってレーザダイオード１０を回転させても、偏向部４１から空間に向かうレーザ光の中心軸４２ａの方向（縦方向）の変化を大きくすることができないため、偏向部４１がこのような「所定の回動範囲」にある場合には、第１モータ１７０だけでなく第２モータ１８０をも用いてレーザダイオード１０を回転させ、偏向部４１から空間に向かうレーザ光を中心軸４２ａの方向（縦方向）に変化させるようにしている。なお、第１モータ１７０及び第２モータ１８０を共に回転させる具体的方法としては、偏向部４１から空間に向かうレーザ光を中心軸４２ａの方向（縦方向）に変化させうる方法であれば様々な方法を用いることができ、その一例としては、例えば、両モータ１７０、１８０を共に一定角度ずつ回転させる方法などが挙げられる。

次に、レーザレーダ装置１００の制御について説明する。
図６は、図４のレーザレーダ装置１００における検出処理の流れを例示するフローチャートである。この検出処理は例えば電源投入や所定操作などによって開始されるものであり、まず、レーザダイオード１０及び偏向部４１を初期位置に設定する（Ｓ１０）。本実施形態では、図４にて実線で示す位置が初期位置とされており、レーザダイオード１０及び偏向部４１が当該位置となるように第１モータ１７０、第２モータ１８０、或いはモータ５０を回転駆動する。なお、検出処理前の待機状態においてレーザダイオード１０及び偏向部４１が初期位置に設定されるようにも構成でき、このような構成の場合にはＳ１０の処理を省略することができる。

次いで、現在のモータ５０、第１モータ１７０、第２モータ１８０の設定状態（検出処理開始直後の場合には初期位置に設定された状態）での物体の検出処理を行う（Ｓ２０）。具体的には制御回路１２０によってレーザダイオード１０にレーザ光を投光させる制御を行うと共に、フォトダイオード２０から出力される電気信号を制御回路１２０によって読み取り、レーザダイオード１０及び偏向部４１の現在の設定位置に対応した方向に検出すべき物体が存在するか否かを確認する。フォトダイオード２０から一定レベル以上の電気信号が出力される場合には、レーザダイオード１０によるレーザ光Ｌ１の投光からフォトダイオード２０による反射光の受光までの時間に基づいて検出物体までの距離を算出する。また、レーザダイオード１０及び偏向部４１の現在の設定位置に基づいて偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方位を算出する。なお、算出された距離や方位は図示しない表示部等に出力することができる。

その後、レーザダイオード１０が予め定められた範囲分回転したかを判断する（Ｓ３０）。このＳ３０の処理では、現在の偏向部４１の設定状態で、レーザダイオード１０が「定められた範囲」分だけ回転し終わったか否かを判断している。即ち、偏向部４１が「所定の回動範囲」以外のとき（即ち角度αが閾値（例えば１０°）を超えるとき）には、第１モータ１７０が定められた範囲にわたって回転したかを判断しており、偏向部４１が「所定の回動範囲」のとき（即ち角度αが閾値（例えば１０°）以内のとき）には、第１モータ１７０及び第２モータ１８０のいずれもが定められた範囲にわたって回転したかを判断している。

Ｓ３０において予め定められた範囲分回転し終わったと判断される場合には、現在の偏向部４１の設定状態での縦方向（即ち中心軸４２ａの方向）の走査が終了したことになるため、Ｓ３０にてＹｅｓに進む。一方、現在の偏向部４１の設定状態で、レーザダイオード１０が「定められた範囲」分だけ回転し終わっていない場合には、Ｓ３０にてＮｏに進み、偏向部４１が上述の「所定の回動範囲」にあるか否かを判断する。偏向部４１が「所定の回動範囲」にある場合にはＳ４０にてＹｅｓに進み、Ｓ５０にて第１モータ１７０及び第２モータ１８０を一定角度回転（例えば両モータ１７０、１８０を共に１°回転）することとなる。一方、偏向部４１が「所定の回動範囲」以外にある場合にはＳ４０にてＮｏに進み、第１モータ１７０を一定角度回転（例えば１°回転）することとなる。そして、いずれの場合も、その一定角度回転後のレーザダイオード１０にてＳ２０の検出処理を繰り返す。なお、本実施形態ではモータ１７０、１８０の回転ステップを１°とした例を示したが、これよりも大きい角度としてもよく、小さい角度としてもよい。

Ｓ３０にてＹｅｓに進む場合には、制御回路１２０の制御により、偏向部４１をさらに一定角度（１°）回動させるようにモータ５０が駆動され（Ｓ７０）、その回動後の偏向部４１の設定状態でＳ２０以降の処理が繰り返される。即ち、偏向部４１が新たな位置に設定された状態で、再度縦方向の走査が行われることとなる。なお、上記例では偏向部４１の回転ステップとなる「一定角度」の例として「１°」を例示したが、この「一定角度」は、これよりも小さい角度であってもよく、大きい角度であってもよい。

本実施形態では、空間に放たれるレーザ光の向きを、中心軸４２ａと直交する平面方向だけでなく、中心軸４２ａの方向（即ち縦方向）にも変化させることができるため、検出を三次元的に行うことができるようになる。特に、回転手段を用いてレーザダイオード１０を回転させることで、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させ、偏向部４１からのレーザ光Ｌ１の向きを中心軸４２ａの方向（縦方向）に関して変化させるようにしているため、装置構成が複雑化しにくくなる。さらに、回転手段を制御することで、レーザ光Ｌ１の中心軸４２ａの方向（縦方向）の変化を制御できるため、レーザ光Ｌ１の方向制御を良好に行うことができる。このような構成は、特に工場等におけるエリアセンサ、セーフティセンサなどとして利用すると極めて有用である。

また、互いに異なる回転軸１７４、１８４をそれぞれ有する２つのモータ１７０、１８０を回転させて偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の入射方向を変化させるようにしているため、偏向部４１に対してレーザ光Ｌ１を２方向に振ることができ、中心軸４２ａの方向（縦方向）の走査を行う上での自由度が大きくなる。

また、２つのモータ１７０、１８０の少なくともいずれかを回転させてレーザダイオード１０からミラー３０に入射するレーザ光の入射角度を変化させ、ミラー３０から偏向部４１に入射するレーザ光の入射方向を変化させている。このようにすると、レーザダイオード１０から偏向部４１に対して直接レーザ光を照射させにくい事情がある場合において三次元的検出を行う上で有利となる。

また、偏向部４１の角度に応じて、第１モータ１７０によるレーザ光制御を用いるか、第１モータ１７０及び第２モータ１８０の両方によるレーザ光制御を用いるかを使い分けることができ、偏向部４１の角度に応じた適切なレーザ光制御が可能となる。

また、第１モータ１７０によるレーザ光制御と、第１モータ１７０及び第２モータ１８０の両方によるレーザ光制御と、を使い分ける構成を、偏向部４１を大きく回転させずに済む構成にて実現しており、回動偏向機構４０やモータ５０の負荷を効果的に抑えることができる。

［他の実施形態]
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では、レーザ光発生手段としてレーザダイオード１０を例示したが、レーザ光を投光しうるものであればこれ以外であってもよい。

上記実施形態では、光検出手段としてフォトダイオード２０を例示したが、反射光を受光して電気信号を生成しうるものであればこれ以外であってもよい。

上記実施形態では、偏向手段としてミラーからなる偏向部４１を例示したが、プリズム等の他の光学部品によって偏向手段が構成されていてもよい。

上記実施形態では、回動偏向手段からフォトダイオード１０に至るまでの反射光の光路上に、フォトダイオード１０に向けて反射光を集光する集光手段が設けられていたが、このような集光手段を省略すると共に比較的大型の光検出手段によって検出を行うようにしてもよい。

上記実施形態では、回動偏向手段からフォトダイオード１０に至るまでの反射光の光路上に、反射光を透過させ、且つ反射光以外の光を除去する光選択手段が設けられていたが、このような光選択手段を省略することもできる。

図１は、参考例１に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図２（ａ）は、図１のレーザレーダ装置に用いるレーザ光発生手段及び回転手段等を拡大して説明する説明図であり、図２（ｂ）は、レーザ光発生手段及び回転手段等を図２（ａ）とは異なる方向から説明する説明図である。 図３は、図１のレーザレーダ装置における検出処理の流れを例示するフローチャートである。 図４は、第１実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図５（ａ）は、図４のレーザレーダ装置に用いるレーザ光発生手段及び回転手段等を拡大して説明する説明図であり、図５（ｂ）は、レーザ光発生手段及び回転手段等を図５（ａ）とは異なる方向から説明する説明図である。 図６は、図４のレーザレーダ装置における検出処理の流れを例示するフローチャートである。 図７は、参考例２に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。

符号の説明

１，１００，２００…レーザレーダ装置
１０…レーザダイオード（レーザ光発生手段）
２０…フォトダイオード（光検出手段）
３０…ミラー（レーザ光偏向手段）
４０…回動偏向機構（回動偏向手段）
４１…偏向部（偏向手段）
５０…モータ（駆動手段）
７０…モータ（回転手段）
８０…制御回路（駆動手段、回転手段）
１７０…第１モータ（第１の回転手段）
１７４…第１の回転軸
１８０…第２モータ（第２の回転手段）
１８４…第２の回転軸
１９０…制御回路（駆動手段、第１の回転手段、第２の回転手段）

Claims (2)

1. レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
   前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する光検出手段と、
   所定の中心軸を中心として回動可能に構成された１つの偏向手段を備えるとともに、当該偏向手段により前記レーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ前記反射光を前記光検出手段に向けて偏向する回動偏向手段と、
   前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光を前記偏向手段に向けて偏向するミラーと、
   前記回動偏向手段の前記偏向手段を回転駆動する駆動手段と、
   前記レーザ光発生手段を第１の回転軸を中心として回転させる第１の回転手段と、
   前記レーザ光発生手段を前記第１の回転軸と直交する向きの第２の回転軸を中心として回転させる第２の回転手段と、
   前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記偏向手段の回動位置に応じて前記レーザ光発生手段を前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段の少なくともいずれかにより回転させ、前記レーザ光発生手段から前記ミラーに入射する前記レーザ光の入射角度を変化させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の入射方向を変化させ、前記偏向手段からの前記レーザ光の向きを、前記中心軸の方向に関して変化させるように構成され、
   前記第１の回転手段が所定の初期位置にあるときに前記第１の回転軸の方向及び前記中心軸の方向と直交する仮想直線が定まるようになっており、
   前記偏向手段の反射面と平行な仮想平面と前記仮想直線とのなす角度をαとし、前記中心軸の方向をＹ軸方向、前記仮想直線の方向をＸ軸方向としたとき、
   前記ミラーは、前記レーザ光発生手段に対して前記Ｘ軸方向の一方側に配置され、且つ前記偏向手段に対して前記Ｙ軸方向の一方側に配置されており、
   前記仮想直線と前記仮想平面とのなす角度αが予め定められた閾値以下となるような前記偏向手段の回動範囲を所定の回動範囲としたとき、
   前記制御手段は、
   前記偏向手段が前記所定の回動範囲にあるときには、前記レーザ光発生手段を、前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段により前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸を中心として回転させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の前記入射方向を変化させ、
   前記偏向手段が前記所定の回動範囲以外にあるときには、前記レーザ光発生手段を、前記第１の回転手段により前記第１の回転軸を中心として回転させることで、前記偏向手段に入射する前記レーザ光の前記入射方向を変化させることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記駆動手段は、前記偏向手段を一定角度ずつ回動させる構成をなしており、
   前記偏向手段が前記所定の回動範囲以外にあるときには、前記偏向手段が前記一定角度ずつ回動する毎に前記第１の回転手段が前記レーザ光発生手段を定められた範囲に亘って回転することで、前記一定角度毎に前記中心軸の方向の走査が行われ、
   前記偏向手段が前記所定の回動範囲のときには、前記偏向手段が前記一定角度ずつ回動する毎に前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段が前記レーザ光発生手段を定められた範囲に亘って回転することで、前記一定角度毎に前記中心軸の方向の走査が行われることを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。

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