JP5822063B2

JP5822063B2 - レーザレーダ装置

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Publication number: JP5822063B2
Application number: JP2011153817A
Authority: JP
Inventors: 高野　武寿; 武寿高野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013019790A

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関し、特に、遠距離の監視範囲や遠近差の大きな監視範囲における物体の検出に適したレーザレーダ装置に関する。

レーザ光を照射して監視範囲内における物体を検出するレーザレーダ装置は、一般に、レーザ光を投光する投光部と、前記レーザ光を前記垂直方向に走査させる垂直スキャナと、前記レーザ光を前記水平方向に走査させる水平スキャナと、前記レーザ光の反射光を受光して受光情報を発信する受光部と、前記受光情報から前記物体の距離を算出する距離演算部と、前記投光部、前記垂直スキャナ及び前記水平スキャナの制御を行う制御部と、を有している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１に記載されたレーザレーダ装置では、水平スキャナにポリゴンミラーを使用し、垂直スキャナに揺動ミラーを使用している。また、特許文献２に記載されたレーザレーダ装置では、垂直スキャナにポリゴンミラーを使用し、水平スキャナに揺動ミラーを使用している。

ところで、ポリゴンミラーは、鏡面化された側面を有する回転多面体であり、この回転多面体を高速回転させることにより、レーザ光を広範囲かつ高速に走査することができる。したがって、遠距離の監視範囲や水平差よりも遠近差の方が大きな監視範囲では、ポリゴンミラーを垂直スキャナとして使用することが好ましい。

また、遠距離の監視範囲や水平差よりも遠近差の方が大きな監視範囲において、遠距離の物体を効率よく検出するためには、レーザ光を高強度にする必要がある。例えば、レーザ光の光源として高出力のファイバレーザを用いることにより、計測可能距離を大幅に延長することができる。

特開２００６−２０９３１８号公報特開２０１０−９６５７４号公報

しかしながら、遠距離における物体の検出を基準として、レーザ光を高強度化した場合には、近距離における物体の検出に際し、レーザ光の強度が過大となってしまうという問題があった。具体的には、近距離の物体に照射されたレーザ光が物体の表面で飽和して反射光の位置がずれてしまう、反射光を受光する受光部が光学的に飽和して受光波形に歪が生じ計測値に誤差を生じてしまう等の問題があった。例えば、路面等のように近距離から遠距離まで連続した平面を計測した場合には、近距離において路面高さが実際よりも高く誤計測される場合があった。

本発明は上述した問題点に鑑み創案されたものであり、遠距離の監視範囲や遠近差の大きな監視範囲であっても、精度よく監視範囲内における物体を検出可能なレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、監視範囲の水平方向及び垂直方向にレーザ光を走査しながら照射し、前記レーザ光の反射光を受光して前記監視範囲内の物体を検出するレーザレーダ装置であって、前記レーザ光を投光する投光部と、前記レーザ光を前記垂直方向に走査させる垂直スキャナと、前記レーザ光を前記水平方向に走査させる水平スキャナと、前記レーザ光の反射光を受光して受光情報を発信する受光部と、前記受光情報から前記物体の距離を算出する距離演算部と、前記投光部、前記垂直スキャナ及び前記水平スキャナの制御を行う制御部と、前記監視範囲における遠近距離に応じて前記レーザ光の透過率を調整する強度調整フィルタと、を有し、前記強度調整フィルタは、遠距離に照射する前記レーザ光の透過率を高くし、近距離に照射する前記レーザ光の透過率を低くするように構成されており、投光路上に、前記垂直スキャナ、前記水平スキャナ、前記強度調整フィルタの順に投光方向に配置され、前記水平スキャナは前記垂直スキャナを左右に揺動させるように構成されており、前記強度調整フィルタは前記垂直スキャナの筐体に固定された平板形状を有する、ことを特徴とするレーザレーダ装置が提供される。

前記強度調整フィルタは、前記監視範囲の最も遠距離に照射する前記レーザ光の入射角が０°に設定されるとともに、前記レーザ光が手前に近づくに連れて入射角が大きくなるように設定されていてもよい。

前記垂直スキャナは、例えば、ポリゴンスキャナであり、前記水平スキャナは、例えば、ガルバノスキャナである。

上述した本発明のレーザレーダ装置によれば、遠距離に照射するレーザ光の透過率を高くし、近距離に照射するレーザ光の透過率を低くするように構成した強度調整フィルタを光路上に配置したことにより、遠距離における物体の検出を基準として、レーザ光を高強度化した場合であっても、近距離の物体を検出するレーザ光の強度を減衰させることができ、物体の表面に照射されたレーザ光の飽和や受光部の光学的な飽和を抑制することができ、計測値の誤差を低減することができる。したがって、遠距離の監視範囲や遠近差の大きな監視範囲であっても、精度よく監視範囲内における物体を検出することができる。

本発明の第一実施形態に係るレーザレーダ装置の全体構成図である。図１に示したレーザレーダ装置を使用した監視システムを示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は概略側面図、である。強度調整フィルタに対するレーザ光の入射角を示す図であり、（ａ）はレーザ光が直角に入射した場合、（ｂ）はレーザ光が斜めに入射した場合、を示している。強度調整フィルタの特性を説明するための図であり、（ａ）は入射角と透過帯域の中心波長との相関関係、（ｂ）はレーザ光が直角に入射した場合の透過帯域、（ｃ）はレーザ光が斜めに入射した場合の透過帯域、を示している。本発明の第二実施形態に係るレーザレーダ装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ矢視図、である。本発明の第三実施形態に係るレーザレーダ装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図６（ａ）におけるＢ矢視図、である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るレーザレーダ装置の全体構成図である。図２は、図１に示したレーザレーダ装置を使用した監視システムを示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は概略側面図、である。

本発明の第一実施形態に係るレーザレーダ装置１は、図１及び図２に示したように、監視範囲Ｓの水平方向Ｈ及び垂直方向Ｖにレーザ光Ｌｉを走査しながら照射し、レーザ光Ｌｉの反射光Ｌｒを受光して監視範囲Ｓ内の物体Ｍを検出する装置であって、レーザ光Ｌｉを投光する投光部１１と、レーザ光Ｌｉを垂直方向Ｖに走査させる垂直スキャナ１２と、レーザ光Ｌｉを水平方向Ｈに走査させる水平スキャナ１３と、レーザ光Ｌｉの反射光Ｌｒを受光して受光情報ｄ４を発信する受光部１４と、受光情報ｄ４から物体Ｍの距離Ｌｍを算出する距離演算部１５と、投光部１１、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の制御を行う制御部１６と、監視範囲Ｓにおける遠近距離に応じてレーザ光Ｌｉの透過率δを調整する強度調整フィルタ１７と、を有し、強度調整フィルタ１７は、遠距離に照射するレーザ光Ｌｉの透過率δを高くし、近距離に照射するレーザ光Ｌｉの透過率δを低くするように構成されている。

なお、上述した投光部１１、垂直スキャナ１２、水平スキャナ１３、受光部１４、距離演算部１５、制御部１６及び強度調整フィルタ１７は、ケーシング１８内に収容されている。また、ケーシング１８には、レーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒを透過させる照射窓１９が配置されている。

かかるレーザレーダ装置１は、例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示したような監視システムに使用される。図２（ａ）に示した監視システムは、上述したレーザレーダ装置１と、レーザレーダ装置１からの出力データを表示する監視モニタ２と、出力データを保存する記憶装置３と、を有する。レーザレーダ装置１は、支持部材１ａにより高所に設置されることが多い。また、監視モニタ２及び記憶装置３は、監視範囲Ｓから離れた場所に設置された建屋４に配置されることが多い。レーザレーダ装置１から監視モニタ２及び記憶装置３への出力データの転送は、有線又は無線により処理される。

また、レーザレーダ装置１は、レーザ光Ｌｉを垂直方向Ｖにスキャンさせながら水平方向Ｈにスウィングさせ、監視範囲Ｓ内にレーザ光Ｌｉを照射する。このとき、レーザ光Ｌｉを垂直方向Ｖに高速にスキャンさせることにより、遠距離までレーザ光Ｌｉを照射することができ、監視範囲Ｓを遠距離まで拡張することができる。図２（ｂ）に示したように、監視範囲Ｓの最も遠距離の位置を最遠点Ｆ（距離Ｌｍａｘ）とし、最も近距離の位置を最近点Ｎ（距離Ｌｍｉｎ）とすれば、監視範囲Ｓの遠近差はＬｍａｘ−Ｌｍｉｎにより定められる。

ところで、最遠点Ｆが遠い位置にある監視範囲Ｓ、すなわち、距離Ｌｍａｘが大きい監視範囲Ｓや遠近差の大きな監視範囲Ｓを有する場合、遠距離における物体を効率よく検出するためには、レーザ光Ｌｉを高強度にする必要がある。しかしながら、遠距離の物体の検出を基準として、レーザ光Ｌｉを高強度化した場合には、近距離における物体の検出に際し、レーザ光Ｌｉの強度が過大となってしまい、計測値に誤差を生じてしまう。本実施形態では、かかる計測値の誤差を低減するために、強度調整フィルタ１７をレーザレーダ装置１に配置している。以下、上述したレーザレーダ装置１の構成について詳述する。

前記投光部１１は、レーザ光Ｌｉを発光して照射する部品である。かかる投光部１１は、例えば、光源となるレーザダイオードと、レーザ光をコリメートする投光レンズと、レーザダイオードを操作するＬＤドライバと、から構成される。ＬＤドライバは、制御部１６からの投光指令ｓ１に基づいてレーザ光Ｌｉを発光するようにレーザダイオードを操作する。なお、ＬＤドライバは、レーザ光Ｌｉの発光と同時にパルス状の発光同期信号を距離演算部１５に発信するようにしてもよい。

前記垂直スキャナ１２は、例えば、ポリゴンスキャナであり、六面体の四側面が鏡面化されたポリゴンミラー１２ａと、鏡面化された四側面を所定の方向に回転させる駆動モータ１２ｂと、ポリゴンミラー１２ａ及び駆動モータ１２ｂを支持する筐体１２ｃと、を有する。鏡面化された四側面を回転させることにより、投光部１１からパルス状に投光されたレーザ光Ｌｉは、垂直方向Ｖの角度が偏向され、監視範囲Ｓの垂直方向Ｖに走査される。

ポリゴンミラー１２ａは、鏡面化されていない一対の二面の中心を回転軸として駆動モータ１２ｂにより高速回転される。駆動モータ１２ｂは、モータドライバ（図示せず）により操作される。モータドライバは、制御部１６から送信される速度指令ｓ２に基づいて、駆動モータ１２ｂの回転速度を制御する。また、モータドライバは、ポリゴンミラー１２ａの角度情報ｄ２を制御部１６に発信する。なお、かかる垂直スキャナ１２の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。

前記水平スキャナ１３は、例えば、ガルバノスキャナであり、平面鏡であるガルバノミラー１３ａと、ガルバノミラー１３ａの鏡面を揺動させる駆動モータ１３ｂと、を有する。ガルバノミラー１３ａを揺動させることにより、ポリゴンミラー１２ａを反射したレーザ光Ｌｉは、水平方向Ｈの角度が偏向され、監視範囲Ｓの水平方向Ｈに走査される。

ガルバノミラー１３ａは、垂直方向Ｈの中心軸を揺動軸として駆動モータ１３ｂにより揺動（スウィング）される。駆動モータ１３ｂの駆動速度は、駆動モータ１２ｂの駆動速度よりも遅く設定されている。換言すれば、垂直スキャナ１２は水平スキャナ１３よりも走査速度が高速となるように設定されている。

駆動モータ１３ｂは、モータドライバ（図示せず）により操作される。モータドライバは、制御部１６から送信される速度指令ｓ３に基づいて、駆動モータ１３ｂの揺動方向及び揺動速度を制御する。また、モータドライバは、ガルバノミラー１３ａの角度情報ｄ３を制御部１６に発信する。なお、かかる水平スキャナ１３の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。

前記受光部１４は、物体Ｍに照射されたレーザ光Ｌｉの反射光Ｌｒを受光する部品である。ここでは、投光部１１と受光部１４とを個別に設けて投光軸と受光軸とがずれるように構成しているが、投光軸と受光軸とが一致するように投光部１１及び受光部１４を一体に形成するようにしてもよい。かかる受光部１４は、例えば、反射光Ｌｒを集光する受光レンズと、集光された反射光Ｌｒを受光して電圧に変換する光電変換素子や増幅・圧縮・デコード等の処理を施す機器等を有する受光部本体と、から構成される。

照射窓１９を透過した反射光Ｌｒは、投光されるレーザ光Ｌｉと同様に、ガルバノミラー１３ａ及びポリゴンミラー１２ａを介して受光レンズに導かれる。そして、反射光Ｌｒを受光した受光部本体は、電圧値に変換された受光情報ｄ４を距離演算部１５に発信する。受光情報ｄ４には、受光強度や受光時間が含まれている。なお、光電変換素子は、受光素子とも呼ばれる部品であり、例えば、フォトダイオードが使用される。

前記距離演算部１５は、計測点の距離情報ｄ５を算出する部品である。距離演算部１５は、制御部１６から発信された投光指令ｓ１と受光部１４から発信された受光情報ｄ４とを受信し、レーザ光Ｌｉが物体Ｍに照射されて反射した計測点の距離Ｌｐを算出し、距離情報ｄ５を制御部１６に発信する。また、距離情報ｄ５とともに、受光情報ｄ４に含まれる受光強度を距離情報ｄ５と関連付けて制御部１６に発信するようにしてもよい。

距離演算部１５は、投光指令ｓ１が発信された時間と反射光Ｌｒを受光した時間とからレーザ光Ｌｉの飛行した時間を算出し、レーザ光Ｌｉの速度からレーザ光Ｌｉの飛行距離を算出する。この飛行距離はレーザ光Ｌｉの往復距離であるため、具体的には飛行距離の半分の値が、物体Ｍの距離情報ｄ５として算出される。このとき、レーザレーダ装置１内の飛行距離（投光部１１からガルバノミラー１３ａまでのレーザ光Ｌｉの飛行距離）を幾何学的に算出し、その分を差し引くことにより、距離情報ｄ５の精度を向上させるようにしてもよい。

また、距離演算部１５は、受光時間が著しく短い受光情報ｄ４については距離情報ｄ５を算出しないようにするゲート機能を有していてもよい。かかるゲート機能により、レーザレーダ装置１の内部等に反射した散乱光を除外することができる。

前記制御部１６は、投光部１１に投光指令ｓ１を発信し、駆動モータ１２ｂ，１３ｂに速度指令ｓ２，ｓ３を発信することにより、投光部１１、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の制御を行う。また、制御部１６は、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の角度情報ｄ２，ｄ３を受信し、距離演算部１５の距離情報ｄ５を受信し、レーザ光Ｌｉを反射した物体Ｍの位置情報ｄ６を出力する。

制御部１６は、レーザ光Ｌｉの照射範囲のうち、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の角度情報ｄ２，ｄ３から、監視範囲Ｓ内の位置情報ｄ６のみを選択して出力するようにしてもよい。また、制御部１６は、受光距離が著しく短い距離情報ｄ５については位置情報ｄ６を算出しないようにするゲート機能を有していてもよい。かかるゲート機能により、レーザレーダ装置１の内部等に反射した散乱光を除外することができる。

また、制御部１６は、位置情報ｄ６に基づいて監視モニタ２に表示する画像を生成する画像処理機能を有していてもよい。かかる画像処理機能は、監視モニタ２に接続されたコンピュータに配置されていてもよい。監視モニタ２は、出力機器の一例であり、プリンタや警報機等の出力機器に変更してもよい。さらに、位置情報ｄ６や位置情報ｄ６に基づいて生成された画像等の出力データは、記憶装置３に保存するようにしてもよい。かかる出力データを保存することにより、過去の監視データを事後的にチェックしたり、分析したりすることができる。

前記強度調整フィルタ１７は、例えば、バンドパスフィルタであり、レーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒの入射角θに応じて透過率δが変化する光学フィルタである。図１に示したレーザレーダ装置１では、強度調整フィルタ１７は、垂直スキャナ１２と水平スキャナ１３との間に配置されている。具体的には、投光路上に、垂直スキャナ１２、強度調整フィルタ１７、水平スキャナ１３の順に投光方向に配置され、強度調整フィルタ１７は平板形状を有している。ここで、図３は、強度調整フィルタに対するレーザ光の入射角を示す図であり、（ａ）はレーザ光が直角に入射した場合、（ｂ）はレーザ光が斜めに入射した場合、を示している。

強度調整フィルタ１７は、図３（ａ）に示したように、監視範囲Ｓの最も遠距離（最遠点Ｆ）に照射するレーザ光Ｌｉの入射角θが０°に設定されるとともに、図３（ｂ）に示したように、レーザ光Ｌｉが手前（最近点Ｎ）に近づくに連れて入射角θが大きくなるように設定されている。すなわち、監視範囲Ｓの最も遠距離（最遠点Ｆ）に照射されるレーザ光Ｌｉは強度調整フィルタ１７に対して直角に入射し、最遠点Ｆよりも近い距離に照射されるレーザ光Ｌｉは強度調整フィルタ１７に対して斜めに入射するように設定されている。なお、図示しないが、強度調整フィルタ１７は、レーザレーダ装置１のケーシング１８に固定される支持部材により、上述した配置を維持できるように構成されている。

ここで、図４は、強度調整フィルタの特性を説明するための図であり、（ａ）は入射角と透過帯域の中心波長との相関関係、（ｂ）はレーザ光が直角に入射した場合の透過帯域、（ｃ）はレーザ光が斜めに入射した場合の透過帯域、を示している。なお、図４（ａ）において、横軸は入射角θ［°］、縦軸は透過帯域の中心波長λｃ［ｎｍ］を示し、図４（ｂ）及び（ｃ）において、横軸は波長λ［ｎｍ］、縦軸は透過率δ［％］を示している。

図４（ａ）に示したように、強度調整フィルタ１７は、入射角θに応じて透過させる光の波長λの透過帯域Ｗにおける中心波長λｃが変化するように構成されている。具体的には、入射角θが０°の場合に中心波長λｃが最も長く、入射角θが大きくなるに連れて中心波長λｃが短くなるように構成されている。例えば、最遠点Ｆ（距離Ｌｍａｘ）の入射角をθ１、最近点Ｎ（距離Ｌｍｉｎ）の入射角をθ２とすれば、最遠点Ｆに照射されるレーザ光Ｌｉに対する強度調整フィルタ１７の中心波長λｃはλ１、最近点Ｎに照射されるレーザ光Ｌｉに対する強度調整フィルタ１７の中心波長λｃはλ２となる。

ここで、図４（ａ）に図示した強度調整フィルタ１７の中心波長λｃは、λｃ＝λ１×｛１−（ｎａ／ｎｅ）^２ｓｉｎ^２θ｝^１／２の関係式で表される。なお、ｎａは空気の屈折率であり、ｎｅは強度調整フィルタ１７の実効屈折率であり、一般に、ｎａ＝１であり、ｎｅ＞１である。かかる関係式によれば、最遠点Ｆにレーザ光Ｌｉが照射される場合、すなわち、強度調整フィルタ１７に対する入射角θが０°の場合には、ｓｉｎθ＝０であるから、中心波長λｃ＝λ１と求められる。一方、最近点Ｎにレーザ光Ｌｉが照射される場合、すなわち、強度調整フィルタ１７に対する入射角θがθ２（ただし、０°＜θ２＜９０°）の場合には、０＜ｓｉｎθ＜１、ｎａ／ｎｅ＜１であることから、中心波長λｃ＝λ２＜λ１と求められる。

図４（ｂ）に示したように、レーザ光Ｌｉが強度調整フィルタ１７に対して直角に入射した場合、すなわち、入射角θが０°の場合、透過帯域Ｗの中心波長λｃとレーザ光Ｌｉの波長λｉは波長λ１で一致する。したがって、レーザ光Ｌｉの透過率δ１は１００％となる。なお、一般に、透過帯域Ｗは、略一定の透過率を有する中心部Ｗ２と、短い波長に対して透過率を減衰させる短波長エッジ部Ｗ１と、長い波長に対して透過率を減衰させる長波長エッジ部Ｗ３と、を有する。

一方、図４（ｃ）に示したように、レーザ光Ｌｉが強度調整フィルタ１７に対して斜めに入射した場合、すなわち、入射角θが０°よりも大きい場合、透過帯域Ｗの中心波長λｃは、波長が短くなる方向に移動し、それに伴って透過帯域Ｗも移動する。このとき、透過帯域Ｗの幅が変化することもある。例えば、最近点Ｎにレーザ光Ｌｉを照射する場合、すなわち、入射角がθ２の場合、透過帯域Ｗの中心波長λｃは波長λ２となり、レーザ光Ｌｉの波長λｉよりも短くなる。したがって、レーザ光Ｌｉの波長λｉは、透過帯域Ｗの長波長エッジ部Ｗ３の部分に含まれることとなり、レーザ光Ｌｉの透過率δ２は１００％より小さい数値となる。

中心波長λｃは、図４（ａ）に示したように、入射角θが大きくなるにしたがって、徐々に短くなる。したがって、図４（ｂ）及び（ｃ）に示したように、強度調整フィルタ１７の透過帯域Ｗも中心波長λｃの移動に伴って波長が短くなる方向に徐々に移動する。したがって、レーザ光Ｌｉの波長λｉにおける透過率δは、透過帯域Ｗ（長波長エッジ部Ｗ３）の移動に伴って徐々に低下することとなる。

ところで、一般に、反射光Ｌｒの強度は距離の二乗に反比例して減衰することが知られている。したがって、最遠点Ｆ（距離Ｌｍａｘ）に強度Ｐｉのレーザ光Ｌｉが照射された場合、反射光Ｌｒの強度Ｐｆは、Ｐｆ＝ｋ×Ｐｉ／（Ｌｍａｘ）^２と表すことができる。ただし、ｋはレーザ光Ｌｉに固有の係数である。また、最近点Ｎ（距離Ｌｍｉｎ）に強度Ｐｉのレーザ光Ｌｉが照射された場合、反射光Ｌｒの強度Ｐｎは、Ｐｎ＝ｋ×Ｐｉ／（Ｌｍｉｎ）^２と表すことができる。なお、最近点Ｎの反射光Ｌｒの強度Ｐｎは、最遠点Ｆの反射光Ｌｒの強度Ｐｆを用いて、Ｐｎ＝（Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎ）^２×Ｐｆと表現することもできる。

いま、図３（ａ）に示したように、レーザ光Ｌｉの入射角が０°の場合には、反射光Ｌｒの入射角も０°であり、透過率δは１００％である。したがって、強度調整フィルタ１７を透過する前のレーザ光Ｌｉの強度（投光強度）をＰｉ、強度調整フィルタ１７を透過した後のレーザ光Ｌｉの強度をＰｉ´とした場合、Ｐｉ´＝Ｐｉとなる。また、最遠点Ｆからの反射光Ｌｒの強度Ｐｆは、Ｐｆ＝ｋ×Ｐｉ´／（Ｌｍａｘ）^２＝ｋ×Ｐｉ／（Ｌｍａｘ）^２の関係式により求めることができる。さらに、この反射光Ｌｒが強度調整フィルタ１７を透過した後の強度をＰｆ´とした場合、Ｐｆ´＝Ｐｆ＝ｋ×Ｐｉ／（Ｌｍａｘ）^２となる。なお、強度調整フィルタ１７の厚さは、距離Ｌｍａｘに対して十分小さいため、強度Ｐｆ´の算出において無視することができる。

レーザレーダ装置１は、最遠点Ｆにおける物体Ｍを検出しなければならないため、その反射光Ｌｒは一定の受光強度を有している必要がある。この計測に必要な受光強度をＰｓとすれば、Ｐｆ´≧Ｐｓとなるように、距離Ｌｍａｘ、レーザ光Ｌｉの波長λｉ、レーザスポット径、投光強度Ｐｉ等の条件を設定する必要がある。なお、強度調整フィルタ１７を透過してから受光部１４に到達するまでの距離も、距離Ｌｍａｘに対して十分小さいため、受光強度＝Ｐｆ´と考えても差し支えない。

また、図３（ｂ）に示したように、レーザ光Ｌｉの入射角がθの場合には、反射光Ｌｒの入射角もθであり、透過率δは１００％より小さい値となる。最近点Ｎに照射されるレーザ光Ｌｉの入射角をθ２、その透過率をδ２とすれば、強度調整フィルタ１７を透過した後のレーザ光Ｌｉの強度Ｐｉ´は、Ｐｉ´＝δ２×Ｐｉとなる。また、最近点Ｎからの反射光Ｌｒの強度Ｐｎは、Ｐｎ＝ｋ×Ｐｉ´／（Ｌｍｉｎ）^２＝ｋ×δ２×Ｐｉ／（Ｌｍｉｎ）^２の関係式により求めることができる。さらに、この反射光Ｌｒが強度調整フィルタ１７を透過した後の強度をＰｎ´とした場合、Ｐｎ´＝δ２×Ｐｎ＝ｋ×（δ２）^２×Ｐｉ／（Ｌｍｉｎ）^２となる。なお、最近点Ｎの反射光Ｌｒの強度Ｐｎ´は、最遠点Ｆの反射光Ｌｒの強度Ｐｆ´を用いて、Ｐｎ´＝（δ２×Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎ）^２×Ｐｆ´と表現することもできる。

レーザレーダ装置１は、最近点Ｎにおける物体Ｍを検出しなければならないため、その反射光Ｌｒは一定の受光強度Ｐｓを有している必要がある。したがって、Ｐｎ´≧Ｐｓとなるように、距離Ｌｍｉｎ、透過率δ２等の条件を設定する必要がある。

上述した最遠点Ｆにおける物体Ｍの検出に必要なレーザ光Ｌｉの条件を算出し、最近点Ｎの距離Ｌｍｉｎが予め設定されている場合には、最近点Ｎに照射されるレーザ光Ｌｉの入射角θ２が自動的に決定する。入射角θ２が決定すれば、図４（ａ）により強度調整フィルタ１７の中心波長λｃを求めることができ、図４（ｃ）に示したように、透過帯域Ｗを求めることができる。いま、レーザ光Ｌｉの波長λｉは決定されているから、強度調整フィルタ１７の種類や膜厚等の条件を変更することにより、透過帯域Ｗとレーザ光Ｌｉとの重なり具合を調節することができる。したがって、Ｐｎ´≧Ｐｓを満たす透過率の下限値をδｓとすれば、δ２≧δｓの関係式を満たすように、強度調整フィルタ１７の透過率δ２を設定することができ、強度調整フィルタ１７の種類や膜厚等の条件を設定することができる。なお、強度調整フィルタ１７は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。

上述した第一実施形態に係るレーザレーダ装置１によれば、遠距離に照射するレーザ光Ｌｉの透過率δを高くし、近距離に照射するレーザ光Ｌｉの透過率δを低くするように構成した強度調整フィルタ１７を光路上に配置したことにより、最遠点Ｆにおける物体Ｍの検出を基準として、レーザ光Ｌｉを高強度化した場合であっても、最近点Ｎの物体Ｍを検出するレーザ光Ｌｉの強度を減衰させることができ、物体Ｍの表面に照射されたレーザ光Ｌｉの飽和や受光部１４の光学的な飽和を抑制することができ、計測値の誤差を低減することができる。したがって、最遠点Ｆが遠い監視範囲Ｓや遠近差の大きな監視範囲Ｓであっても、精度よく監視範囲Ｓ内における物体Ｍを検出することができる。

なお、強度調整フィルタ１７は、レーザレーダ装置１が波長変換機能を有する場合には、波長λｉの長短に応じて透過率δが変化する光学フィルタであってもよい。例えば、レーザレーダ装置１が、監視範囲Ｓの最近点Ｎから最遠点Ｆに向かってレーザ光Ｌｉの波長λｉを短い波長から長い波長に変化するように設定されている場合には、強度調整フィルタ１７は、長い波長のレーザ光Ｌｉの透過率δが高く、短い波長のレーザ光Ｌｉの透過率δが低くなるように構成される。逆に、レーザレーダ装置１が、監視範囲Ｓの最近点Ｎから最遠点Ｆに向かってレーザ光Ｌｉの波長λｉを長い波長から短い波長に変化するように設定されている場合には、強度調整フィルタ１７は、短い波長のレーザ光Ｌｉの透過率δが高く、長い波長のレーザ光Ｌｉの透過率δが低くなるように構成される。

次に、本発明の他の実施形態に係るレーザレーダ装置１について説明する。ここで、図５は、本発明の第二実施形態に係るレーザレーダ装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ矢視図、である。図６は、本発明の第三実施形態に係るレーザレーダ装置を示す図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図６（ａ）におけるＢ矢視図、である。なお、上述した第一実施形態に係るレーザレーダ装置１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

第二実施形態に係るレーザレーダ装置１は、図５（ａ）に示したように、水平スキャナ１３が、垂直スキャナ１２を左右に揺動させる駆動モータにより構成されたものである。具体的には、水平スキャナ１３を構成する駆動モータは、垂直スキャナ１２を構成するポリゴンスキャナの筐体１２ｃに接続される。かかる駆動モータの回転方向を正転及び反転させることにより、ポリゴンミラー１２ａを反射したレーザ光Ｌｉの水平方向Ｈの角度が変更され、監視範囲Ｓの水平方向Ｈに走査される。駆動モータは、モータドライバ（図示せず）により操作される。モータドライバは、制御部１６から送信される速度指令ｓ３に基づいて、駆動モータの揺動方向及び揺動速度を制御する。また、モータドライバは、ポリゴンミラー１２ａの角度情報ｄ３を制御部１６に発信する。なお、かかる水平スキャナ１３の構成は単なる一例であり、図示した構成に限定されるものではない。

第二実施形態において、強度調整フィルタ１７は、図５（ａ）に示したように、投光路における垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の下流側に配置されることとなる。受光路を基準にすれば、強度調整フィルタ１７は、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の上流側に配置されることとなる。

第一実施形態における強度調整フィルタ１７は、垂直スキャナ１２と水平スキャナ１３との間に配置されており、投光路（受光路）において水平スキャナ１３の上流側（下流側）に配置されている。したがって、水平スキャナ１３の動作がレーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒの入射角θに対して影響を与えることがない。一方、第二実施形態における強度調整フィルタ１７は、投光路（受光路）において水平スキャナ１３の下流側（上流側）に配置されていることから、水平スキャナ１３の動作がレーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒの入射角θに対して影響を与えることとなる。

そこで、図５（ｂ）に示したように、強度調整フィルタ１７を水平方向Ｈに湾曲させるようにしている。すなわち、第二実施形態では、投光路上に、垂直スキャナ１２、水平スキャナ１３、強度調整フィルタ１７の順に投光方向に配置され、強度調整フィルタ１７は水平方向Ｈに湾曲した曲面を有する。強度調整フィルタ１７を構成する曲面は、例えば、水平スキャナ１３の駆動モータの駆動支点Ｃを中心として水平方向Ｈに半径Ｒの円弧形状をなすように形成される。なお、投光路上における垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の配置順には、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３が実質的に一体に構成されている場合も含まれるものとする。

かかる第二実施形態に係るレーザレーダ装置１によれば、強度調整フィルタ１７に入射するレーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒが水平方向Ｈに揺動する場合であっても、入射角θに影響を与えないようにすることができ、第一実施形態のレーザレーダ装置１と同様の効果を発揮し得る。

第三実施形態に係るレーザレーダ装置１は、図６（ａ）に示したように、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３により構成される光学系が、第二実施形態と同様の構成を有し、強度調整フィルタ１７を垂直スキャナ１２の筐体１２ｃに固定したものである。また、強度調整フィルタ１７は、第一実施形態と同様に平板形状を有する。すなわち、第三実施形態では、投光路上に、垂直スキャナ１２、水平スキャナ１３、強度調整フィルタ１７の順に投光方向に配置され、強度調整フィルタ１７は垂直スキャナ１２に固定された平板形状を有する。なお、投光路上における垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３の配置順には、垂直スキャナ１２及び水平スキャナ１３が実質的に一体に構成されている場合も含まれるものとする。

具体的には、図６（ｂ）に示したように、強度調整フィルタ１７は、筐体１２ｃから延設された支持部材１７ａに固定されており、垂直スキャナ１２との相対的な位置関係が維持されるように構成されている。支持部材１７ａは、筐体１２ｃと別部品であってもよいし、筐体１２ｃの一部（延長部）であってもよい。

かかる第三実施形態に係るレーザレーダ装置１によれば、強度調整フィルタ１７に入射するレーザ光Ｌｉ及び反射光Ｌｒが水平方向Ｈに揺動する場合であっても、強度調整フィルタ１７は、垂直スキャナ１２と一緒に水平方向Ｈに揺動することとなるため、入射角θに影響を与えないようにすることができ、第一実施形態のレーザレーダ装置１と同様の効果を発揮し得る。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１レーザレーダ装置
１１投光部
１２垂直スキャナ
１２ａポリゴンミラー
１３水平スキャナ
１３ａガルバノミラー
１４受光部
１５距離演算部
１６制御部
１７強度調整フィルタ

Claims

監視範囲の水平方向及び垂直方向にレーザ光を走査しながら照射し、前記レーザ光の反射光を受光して前記監視範囲内の物体を検出するレーザレーダ装置であって、
前記レーザ光を投光する投光部と、前記レーザ光を前記垂直方向に走査させる垂直スキャナと、前記レーザ光を前記水平方向に走査させる水平スキャナと、前記レーザ光の反射光を受光して受光情報を発信する受光部と、前記受光情報から前記物体の距離を算出する距離演算部と、前記投光部、前記垂直スキャナ及び前記水平スキャナの制御を行う制御部と、前記監視範囲における遠近距離に応じて前記レーザ光の透過率を調整する強度調整フィルタと、を有し、
前記強度調整フィルタは、遠距離に照射する前記レーザ光の透過率を高くし、近距離に照射する前記レーザ光の透過率を低くするように構成されており、
投光路上に、前記垂直スキャナ、前記水平スキャナ、前記強度調整フィルタの順に投光方向に配置され、前記水平スキャナは前記垂直スキャナを左右に揺動させるように構成されており、前記強度調整フィルタは前記垂直スキャナの筐体に固定された平板形状を有する、
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
前記強度調整フィルタは、前記監視範囲の最も遠距離に照射する前記レーザ光の入射角が０°に設定されるとともに、前記レーザ光が手前に近づくに連れて入射角が大きくなるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
前記垂直スキャナはポリゴンスキャナであり、前記水平スキャナはガルバノスキャナである、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。