JP6399538B2 - レーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザレーダ装置に関する。

レーザレーダ装置は、種々のものが提案され、知られている（特許文献１等）。

レーザレーダ装置は、レーザ光束を２次元的に走査して測距対象物に照射し、測距対象物により反射されたレーザ光を測距用受光素子で受光して検出する。

そして「レーザ光が測距対象物までの距離を往復するのに要した時間」により測距対象物までの距離を測定する。
測距対象物はレーザ光束により２次元的に走査されるので、距離測定により測距対象物の形状も知ることができる。

測距対象物に照射されるレーザ光束を「照射用レーザ光」と呼び、測距対象物により反射されて受光されるレーザ光を「戻りレーザ光束」と呼ぶことにする。

また、レーザ光源から放射されるレーザ光を２次元的に偏向して「測距対象物を走査する照射用レーザ光」とする部分を「照射用光学系」と呼び、戻りレーザ光束を測距用受光素子に導光する部分を「受光用光学系」と呼ぶことにする。

レーザレーダ装置は、製品検査用に屋内で使用されることもあれば、監視目的や車載用に屋外で使用されることもある。

屋内で使用される場合、屋内照明に用いられる人工光のスペクトル分布が、戻りレーザ光束の分光波長領域と重なり合うことが考えられる。

このような場合、人口光が「距離測定に対してノイズ成分として作用する」ことが考えられる。

また、屋外で使用される場合は、太陽光のスペクトルのうちに、戻りレーザ光束の分光波長領域と重なり合う成分があると、距離測定に対する「極めて大きなノイズ」を発生させる原因となる。

屋外で使用される場合でも、夜間は太陽光が存在しないので、太陽光によるノイズはないが、このような場合でも「夜間照明に用いられる人工光」がノイズ成分となる場合があると考えられる。

太陽光によるノイズ成分を除去するために、太陽光のスペクトル強度が小さくなる波長領域に合わせて、光源の発光波長領域を設定し、この発光波長領域に合わせたバンドパスフィルタを用いる技術が特許文献２、３に開示されている。

しかしながら「距離測定に対してノイズ成分として作用する」のは、太陽光のみではなく、上記の人工光もノイズ成分となり得るものである。

ノイズ光として作用する光は、時間的にあるいは距離測定の環境によって変化する。

この発明は、ノイズ光として作用する光の変化を考慮したレーザレーダ装置の実現を課題とする。

この発明のレーザレーダ装置は、レーザ光源からの光を照射用レーザ光として２次元的に走査して測距対象物に照射し、該測距対象物による反射光を戻りレーザ光束として測距用受光素子により受光し、前記測距対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置であって、３対の光源・フィルタ対と、これら光源・フィルタ対を、切り替える切り替え手段と、Ｍ（３≧Ｍ≧１）個の測距用受光素子と、を有し、前記光源・フィルタ対の個々は、１個のレーザ光源と、１個の受光フィルタとにより構成され、前記レーザ光源の個々は、互いに発光波長が異なり、前記受光フィルタの個々は、この受光フィルタと共に光源・フィルタ対をなすレーザ光源の発光波長とその近傍の波長領域のレーザ光のみを、戻りレーザ光束として１個の測距用受光素子に導光するものであり、前記３対の光源・フィルタ対に共通の偏向手段および偏向レンズ素子を有し、前記３対の光源・フィルタ対は前記偏向手段および偏向レンズ素子に対して切り替えられ、前記偏向手段は、前記レーザ光源からの光を反射して２次元的に偏向させ、前記偏向レンズ素子は、前記偏向手段により２次元的に偏向された光を平行光束状の照射用レーザ光束に変換し、且つ、前記戻りレーザ光束を、前記偏向手段に入射させ、前記光源・フィルタ対の１つは、太陽光のスペクトルにおける相対強度が２０％以下となる波長領域内における測定波長領域内の発光波長を有するレーザ光源を用いるものであって昼間用であり、他の光源・フィルタ対は、夜間における人工光のスペクトルにおける相対強度が４０％以下となる波長領域内における測定波長領域内の発光波長を有するレーザ光源を用いるものであって夜間用であり、前記昼間用の光源・フィルタ対は、７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍの何れかに実質的に等しい発光波長：λ _０ をもつレーザ光源を持つとともに、λ _０ ±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、前記夜間用の光源・フィルタ対は、５００ｎｍ近傍の発光波長：λ _１ （≠λ _０ ）を有するレーザ光源を持つとともに、λ _１ ±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、前記昼間用および前記夜間用の光源・フィルタ対と別に、これらの光源・フィルタ対に対して切り替え可能な薄暮用の光源・フィルタ対を有し、該薄暮用の光源・フィルタ対は、７００〜８００ｎｍの範囲内に発光波長：λ _３ を有するレーザ光源を持つとともに、波長：λ _３ ±１００ｎｍの範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、前記３対の光源・フィルタ対が、切り替え手段により、昼間・夜間・薄暮に応じて切り替えられ、昼間用の測距用受光素子としてＰｂＳセンサを用い、夜間用および薄暮用の測距用受光素子として、シリコン素材の半導体センサを用いる。

この発明のレーザレーダ装置は３対の光源・フィルタ対を用いる。

光源・フィルタ対のうちの１つは、太陽光によるノイズ成分の除去・軽減のために用いられる。

別の光源・フィルタ対は、夜間における人工光によるノイズ成分の除去・軽減のために用いられる。さらに他の光源・フィルタ対は、薄暮における人工光によるノイズ成分の除去・軽減のために用いられる。

これら３対の光源・フィルタ対を切り替え手段により切り替えることにより、レーザレーダ装置の測定状況に応じて、適切なレーザ光源を選択できるので、距離測定に対する「太陽光の影響」のみならず「人工光の影響」も、有効に軽減もしくは除去され、中間・夜間及び薄暮においても良好な測距を行うことができる。

周知の如く、レーザレーダ装置は「異軸系」と「共軸系」の２種類に大別される。

「異軸系」は、レーザ光源と照射用光学系の部分を、受光用光学系と測距用受光素子の部分と別個に構成したものである。

「共軸系」は、照射用光学系を構成する光学系の一部と、受光用光学系を構成する光学系の一部を共用したものである。

この発明のレーザレーダ装置は、共軸系として実施される。

レーザレーダ装置の１形態を説明するための図である。 太陽光のスペクトルを示す図である。 水銀ランプのスペクトルの相対強度を示す図である。 キセノンランプのスペクトルの相対強度を示す図である。 ハロゲンランプのスペクトルの相対強度を示す図である。 ＬＥＤ光源のスペクトルの相対強度を示す図である。 高圧ナトリウム灯のスペクトルの相対強度を示す図である。 レーザレーダ装置の実施の別形態を説明するための図である。 レーザレーダ装置の変形例を説明するための図である。 偏向手段の1例を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１は、レーザレーダ装置を説明するための図である。

この実施の形態のレーザレーダ装置は「共軸系」であり、簡単のために、昼間用と夜間用の光源・フィルタ対を持つものを示している。
図１（ａ）において、符号１０は「レーザ光源部」、符号１２は「カップリングレンズ」を示し、符号１４は「調整用レンズ系」、符号１６は「照射用光路屈曲ミラー」を示す。

符号１８は「偏向手段」、符号２０は「偏向レンズ素子」、符号３０は「受光素子部」、符号３２は「集光レンズ」、符号３４は「受光用レンズ系」を示す。

符号３６は「受光用光路屈曲ミラー」を示し、符号４０は「制御演算部」を示し、符号ＦＬは「フィルタ部」を示す。

図１（ｂ）を参照して、レーザ光源部１０、フィルタ部ＦＬ、受光素子部３０について説明する。

レーザ光源部１０は、レーザ光源１０１、１０２を有する。これらレーザ光源１０１、１０２は何れも半導体レーザ（ＬＤ）で、互いに発光波長が異なる。
フィルタ部ＦＬは、受光フィルタＦＬ１、ＦＬ２を有する。

受光素子部３０は、２個の測距用受光素子３０１、３０２を有する。「測距用受光素子」は、戻りレーザ光束を受光するための受光素子である。

レーザ光源１０１と受光フィルタＦＬ１は「光源・フィルタ対」をなす。また、レーザ光源１０２と受光フィルタＦＬ２も「光源・フィルタ対」をなす。

従って、説明中の例は、２対の「光源・フィルタ対」を有する。

後述のように、この発明のレーザレーダ装置は「光源・フィルタ対」として、他に１対の光源・フィルタ対を有する。

従って、光源・フィルタ対は３対である。

即ち、光源・フィルタ対の数を「Ｎ」とすれば、「Ｎ＝３」である。勿論、レーザ光源の数も受光フィルタの数もＮである。

これら３対の光源・フィルタ対は「対を単位」として切り替えることができるようになっている。

受光素子部３０の２個の測距用受光素子３０１、３０２は何れも、戻りレーザ光束を受光するための受光素子であり、これらも「切り替えることができる」ようになっている。

しかし、受光素子部３０を構成する測距用受光素子の最大数は、光源・フィルタ対の数に等しい。

即ち、受光素子部を構成する測距用受光素子の数をＭとすれば「１≦Ｍ≦３」である。

ここで、図１（ａ）を参照して、距離測定を説明する。
説明の具体性のために、レーザ光源部１０ではレーザ光源１０１が動作状態にセットされ、フィルタ部ＦＬでは対応する受光フィルタＦＬ１がセットされているものとする。

また、受光素子部３０では測距用受光素子３０１がセットされているものとする。

レーザ光源部１０のレーザ光源１０１が発光すると、放射されたレーザ光は、カップリングレンズ１２と調整用レンズ系１４とを透過し、これらの光学作用を受けて「収束性のレーザ光束」に変換される。

この「収束性のレーザ光束」は、照射用光路屈曲ミラー１６に入射し、偏向手段１８に向けて反射される。

偏向手段１８は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成された偏向器で「ミラー部を２次元的に搖動」させて反射光の向きを２次元的に偏向させる。

即ち、ミラー部の２次元的な搖動は、図面に直交する方向を搖動軸とする搖動と、図面に平行な方向を搖動軸とする搖動であり、これらの搖動が重ね合わせられる。

偏向手段１８により２次元的に偏向されたレーザ光は、図１の「図面に平行な面内」で搖動するとともに、「図面に直交する方向」においても搖動する。

このように、レーザ光源部１０からのレーザ光は、偏向手段１８により２次元的に偏向されつつ偏向レンズ素子２０に入射する。

偏向手段１８により２次元的に偏向されたレーザ光束は、偏向レンズ素子２０に入射して偏向レンズ素子２０の光学作用により「平行光束状」の照射用レーザ光ＳＲＬとなる。

即ち、調整用レンズ系１４を光軸方向へ変位調整して、偏向レンズ素子２０への入射状態を調整して、照射用レーザ光ＳＲＬが平行光束状となるようにするのである。

因みに、説明中の例では、カップリングレンズ１２の光学作用はコリメート作用で、レーザ光を平行光束化する。

また、調整用レンズ系１４は、正のパワーを持つシリンドリカルレンズであり、平行光束化されたレーザ光束に、図面に平行な面内で収束傾向を与える。

偏向手段１８により２次元的に偏向されたレーザ光束は「収束傾向を保ちつつ」偏向レンズ素子２０に入射する。

偏向レンズ素子２０は、図面に直交する方向にはパワーを持たず、図面に平行な面内で負のパワーを持つ負レンズである。

偏向手段１８により２次元的に偏向されたレーザ光束は、図面に平行な面内で収束しつつ、偏向レンズ素子２０の「虚焦点」に向かって集光するように偏向レンズ素子２０に入射する。

このとき調整用レンズ系１４を光軸方向へ変位調整し、レーザ光束の集光点と上記「虚焦点」が合致するように「偏向レンズ素子２０への入射状態」を調整する。

このようにして、偏向レンズ素子２０から、平行光束状の照射用レーザＳＲＬが射出することになる。

なお、偏向レンズ素子２０はまた、照射用レーザ光ＳＲＬの「図面に平行な面内での偏向角」を、偏向手段１８による偏向角に対して拡大する「偏向角拡大機能」も持つ。

平行光束状の照射用レーザ光ＳＲＬは、図示されない測距対象物に照射される。

偏向手段１８の動作に伴い、照射用レーザ光ＳＲＬは２次元的に偏向する。

測距対象物を照射した照射用レーザ光ＳＲＬは、測距対象物により反射されて「戻りレーザ光束ＢＫＬ」となる。

レーザレーダ装置は、例えば「車載用や監視カメラ用」に用いられるが、一般的な使用状況において、測距対象物までの距離は大きい。

従って、測距対象物に反射されて対物レンズ２０に入射する戻りレーザ光束ＢＫＬは、実質的に平行光束状態で、照射用レーザ光ＳＲＬと同方向で逆向きである。

戻りレーザ光束ＢＫＬは、対物レンズ２０に入射すると、対物レンズ２０の作用により発散傾向を与えられ、偏向手段１８により反射される。

偏向手段１８により反射された戻りレーザ光束ＢＫＬは、受光用光路屈曲ミラー３６に入射して反射され、発散性を保ちつつ受光用レンズ系３４に入射する。

受光用レンズ系３４を透過した戻りレーザ光束ＢＫＬは集光レンズ３２に入射し、受光素子部３０に向けて集光される。

説明中の例では、受光素子部３０には、測距用受光素子３０１がセットされている。

受光素子部３０に向かって集光する戻りレーザ光束ＢＫＬは、フィルタ部ＦＬにセットされている受光フィルタＦＬ１を透過して測距用受光素子３０１により受光される。

説明中の実施の形態においては、戻りレーザ光束ＢＫＬは、受光用レンズ系３４により平行光束状に変換されて集光レンズ３２に入射する。

受光素子部３０の測距用受光素子３０１は、戻りレーザ光束ＢＫＬを受光すると、受光信号（適宜の増幅率で増幅される）を制御演算部４０に送る。
制御演算部４０は、ＣＰＵやマイクロコンピュータにより構成されており、レーザ光源部１０のレーザ光源１０１をパルス発光させる。

そして、発光の瞬間から上記受光信号を受けた瞬間までの時間：２Ｔを確定し、光速：Ｃを用いて、距離：ＣＴを演算する。

照射用レーザ光ＳＲＬの偏向と共に、上記時間：２Ｔの取得とＣＴの演算を繰り返す。

このようにして、測距対象物までの距離と、測距対象物の３次元形状が得られる。

前述の如く、測距対象物を２次元的に走査する照射用レーザ光ＳＲＬは「平行光束状」であるから、測距対象物へ向かう途上で光束径が不変であり、光強度が変化しない。

従って、測距対象物までの距離に拘らず、常に「同一強度の照射用レーザ光」で測距対象物を走査でき、安定した距離測定を行うことができる。

即ち、上に説明したレーザレーダ装置は、レーザ光源１０１からの光を照射用レーザ光ＳＲＬとして２次元的に走査して測距対象物に照射する。

そして、測距対象物による反射光を戻りレーザ光束ＢＫＬとして測距用受光素子３０１により受光し、測距対象物までの距離を測定する。

レーザ光源１０２と受光フィルタＦＬ２による光源・フィルタ対がセットされ、測距用受光素子３０２がセットされている場合であれば、レーザ光源１０２からの光を照射用レーザ光ＳＲＬとして２次元的に走査して測距対象物に照射する。

測距対象物による反射光を戻りレーザ光束ＢＫＬとして、受光フィルタＦＬ２を介して測距用受光素子３０２により受光する。

そして、測距対象物までの距離を上記と同様にして演算により測定する。

さて、説明中の実施の形態のレーザレーダ装置は「車載用や監視カメラ用」として用いられることを前提とする。

従って、使用環境は屋外であり「太陽光の影響」が考慮されねばならない。また、夜間には、人工光の影響が考慮されねばならない。

説明中の例では、２対の光源・フィルタ対が用いられている。

光源・フィルタ対の個々は、１個のレーザ光源と、１個の受光フィルタとにより構成され、レーザ光源１０１、１０２の個々は、互いに発光波長が異なる。

また、受光フィルタＦＬ１、ＦＬ２の個々は、この受光フィルタと共に光源・フィルタ対をなすレーザ光源１０１、１０２の発光波長とその近傍の波長領域のレーザ光のみを、戻りレーザ光束として１個の測距用受光素子に導光する。

１個の測距用受光素子は、測距用受光素子３０１、３０２の何れか一方である。

光源・フィルタ対の１つ（レーザ光源１０１と受光フィルタＦＬ１とによる対とする）は、太陽光のスペクトルにおける「相対強度が２０％以下となる波長領域内」における測定波長領域内の発光波長を有するレーザ光源１０１を用いる。

従って、受光フィルタＦＬ１は、レーザ光源１０１の発光波長と、その近傍の波長領域のレーザ光のみを戻りレーザ光束として透過させ、測距用受光素子の一方（測距用受光素子３０１とする。）に導光する。

このとき当然に、測距用受光素子３０１は、レーザ光源１０１の発光波長とその近傍の波長領域に対して受光感度を有している必要がある。

一方、レーザ光源１０２と受光フィルタＦＬ２とで構成される光源・フィルタ対では、レーザ光源１０２として以下の如きものを用いる。

即ち、レーザ光源１０２として「距離測定環境における人工光のスペクトルにおける相対強度が４０％以下となる波長領域内における測定波長領域内の発光波長」を有するレーザ光源を用いる。

受光フィルタＦＬ２は、レーザ光源１０２の発光波長と、その近傍の波長領域のレーザ光のみを戻りレーザ光束として透過させるものを用いる。

このとき、この戻りレーザ光束を測距用受光素子３０２が受光するものとすれば、測距用受光素子３０２は、レーザ光源１０２の発光波長とその近傍の波長領域に対して受光感度を有している必要がある。

上記「レーザ光源１０１と受光フィルタＦＬ１とによる光源・フィルタ対と測距用受光素子３０１と」を１組として、太陽光の影響がある日中（昼間）に使用する。

一方、日暮れから夜明けまでの「太陽光の影響を度外視できる時間帯（夜間）」には「レーザ光源１０２と受光フィルタＦＬ２とによる光源・フィルタ対と測距用受光素子３０２と」を１組として用いる。

そして、これら「レーザ光源・受光フィルタ・測距用受光素子」の２組を、昼夜で切り替えて使用することにより、太陽光・人工光の「距離測定に対するノイズ成分」を有効に軽減・除去することができる。

切り替えは「切り替え手段」により行う。
図１（ｂ）に即して、切り替え手段による切り替えを説明する。

図１（ｂ）に示す光源切り替え部４１０は、レーザ光源部１０内のレーザ光源１０１、１０２を切り替える機構である。

切り替えとしては、例えば、レーザ光源１０１、１０２を「図の上下方向へ変位可能な可動部材（不図示）」に装荷し、光源切り替え部４１０により可動部を変位させる。

このようにして、レーザ光源１０１、１０２の一方を、その発光部が、カップリングレンズ１２の物体側焦点位置を占めるようにセットする。

フィルタ切り替え部４２０は、フィルタ部ＦＬ内の受光フィルタＦＬ１、ＦＬ２を切り替える機構である。

この切り替えとしては、例えば、受光フィルタＦＬ１、ＦＬ２を「同一の基板上にターレット状に配置」し、フィルタ切り替え部４２０により基板を回転させる。

このようにして、受光フィルタＦＬ１、ＦＬ２の一方を、カップリングレンズ１２の光軸上に位置するようにセットする。

光源切り替え部４１０によるレーザ光源の切り替えと、フィルタ切り替え部４２０による受光フィルタの切り替えは、連動して行われるように、切り替え制御部４００により制御する。

切り替え制御部４００はマイクロコンピュータやＣＰＵとして構成でき、図１（ａ）の制御演算部４０と別体にする場合には、制御演算部４０の制御を受けるようにする。

あるいは、制御演算部４０の「機能の一部」として切り替え制御部４００を構成しても良い。

以下、具体的に説明する。
以下の説明において、上に説明したレーザレーダ装置は「車載用」であることを前提とする。

人工光としては、水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ光源および高圧ナトリウム灯の光を想定する。

人工光の一般的な光源としては、これらの他に白色電燈や蛍光灯が挙げられる。

しかし、レーザレーダ装置を車載用として考える場合、白色電燈や蛍光灯の道路上での使用は昨今では極めて少なく、また将来的に、これらの使用が増加する見込みもない。

従って、これらを人工光の光源から除外しても、実質的な問題は生じない。

図２は、太陽光のスペクトルの様子を示している。横軸は「波長(μｍ)」を表す。

縦軸の「分光放射照度」は、強度に対応する。
図２に破線で示された曲線は「大気外におけるスペクトル」を示し、実線で示された曲線は「海面レベル」でのスペクトルを示す。海面レベルは実質的に地表レベルである。

車載用として想定されたレーザレーダ装置は、一般に地上で使用されるから、地表レベルでのスペクトルの相対強度のみを考慮すればよい。

地表レベルでの強度に対応する縦軸の最大値は「１５００」である。相対強度でその２０％は３００である。

これ以下のレベルなら、距離測定に対するノイズ成分としては実用上無視できる。

このような条件にあたる波長領域は、図２から、７５０ｎｍ近傍、９４０ｎｍ近傍、１１３０ｎｍ近傍、１３００ｎｍ近傍、１８００ｎｍ近傍が考えられる。

特に、１３００ｎｍ近傍と、１８００ｎｍ近傍では、相対強度が実質的に０である領域が有限の波長幅を持っている。

従って、昼間用の光源・フィルタ対には、上記波長：７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍ、１３００ｎｍ、１８００ｎｍの何れかに「実質的に等しい発光波長」を持つレーザ光源を用いることが考えられる。

「波長：７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍ、１３００ｎｍ、１８００ｎｍの何れかに実質的に等しい発光波長」とは、これらの波長の近傍で「太陽光のスペクトルにおける相対強度が２０％以下となる波長領域」内の波長である。

以下「波長：λ_０」により、波長：７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍの任意のものに実質的に等しい波長を表す。

また「波長：λ_２」により、波長：１３００ｎｍ、１８００ｎｍの任意のものに実質的に等しい波長を表す。

このように、太陽光の存在下で用いるレーザ光源の発光波長を、波長：λ_１とλ_２の２グループに分けるのは、測距用受光素子との組み合わせを考慮したものである。

即ち、受光素子として一般的な「シリコン素材の半導体センサ」では、検出できる波長の上限が略１２００ｎｍである。

従って、この場合は、レーザ光源として発光波長がλ_０（即ち、波長：７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍの何れかに実質的に等しい波長）であるものを組み合わせる。

１２００ｎｍ以上の波長の電磁波を検出できる受光素子として、例えば「ＰｂＳセンサ」が知られている（例えば、浜松ホトニクス社製の「ＰｂＳ光電変換素子」等）。

ＰｂＳセンサを測距用受光素子として用いる場合は、発光波長がλ_２（即ち、波長：１３００ｎｍ、１８００ｎｍの何れかに実質的に等しい波長）のレーザ光源を用いる。

発光波長：λ_０のレーザ光源を用いる場合、このレーザ光源と対をなす受光フィルタはλ_０±１００ｎｍの波長範囲の光を透過させるバンドパスフィルタとする。

発光波長：λ_２のレーザ光源を用いる場合、このレーザ光源と対をなす受光フィルタはλ_２±１００ｎｍの波長範囲の光を透過させるバンドパスフィルタとする。

次に「人工光のスペクトル」を説明する。
図３は、水銀ランプのスペクトルの相対強度を示している。
図４は、キセノンランプのスペクトルの相対強度を示している。

図５は、ハロゲンランプのスペクトルの相対強度を示している。
図６は、ＬＥＤ光源のスペクトルの相対強度を示している。
図７は、高圧ナトリウム灯のスペクトルの相対強度を示している。

これらの図で、縦軸はスペクトル強度、横軸は波長（ｎｍ）であり、スペクトル強度の最大値を１００（％）または１とし「横軸の波長に対する相対強度」を示している。

前記１つ以外の光源・フィルタ対は「距離測定環境における人工光」のスペクトルにおける相対強度が４０％以下となる波長領域内における「測定波長領域内の発光波長」を有するレーザ光源を用いる
上に人工光の光源として挙げたものは光量も大きいが、それでも太陽光の光量に比較すれば極めて小さい。

従って、これらの人工光によるノイズ成分を十分に小さくするには、スペクトルの相対強度の４０％以下のレベルであれば十分である。

そこで、図３ないし図７に示すスペクトルの図において相対強度が４０％以下となる波長を見る。

波長：５００ｎｍを見ると、この波長におけるスペクトルの相対強度は、水銀ランプにおいて１０％以下（図３）、キセノンランプにおいて２０％以下（図４）である。

また、ハロゲンランプにおいて４０％以下（図５）、ＬＥＤ光源において１０％以下（図６）、高圧ナトリウム灯において３０％以下（図７）である。

従って、波長：５００ｎｍは、人工光のノイズが問題となる「夜間の距離測定に用いるレーザ光源」の発光波長として適している。

以下、波長：５００ｎｍ近傍で、相対強度：４０％以下となる波長を「λ_１」で表す。

図３ないし図７のうち、図３、図４、図６、図７のスペクトル図を参照する。

これら図３、図４、図６、図７の全てにおいて、相対強度が４０％以下となる波長は「７００ないし８００ｎｍの波長領域」に存在する。

図３、図４、図６、図７の全てにおいてスペクトルの相対強度が４０％以下となる波長：７００ないし８００ｎｍの波長領域の波長を、以下「λ_３」で表す。

波長：λ_３は「ハロゲンランプの光を除く人工光」に対して、スペクトルの相対強度が４０％以下となる波長である。

図３ないし図７のスペクトル図から、波長：λ_１のレーザ光は「夜間における人工光のスペクトルの相対強度が４０％以下」となるものである。

従って、夜間用のレーザ光源としては発光波長：λ_１を有するものを用いるのが良い。

この場合の、受光フィルタは「λ₁±１００ｎｍの波長範囲の電磁波を透過させるバンドパスフィルタ」となる。

そこで、図１（ｂ）におけるレーザ光源１０１として発光波長：λ_０のレーザ光源を用い、受光フィルタＦＬ１として、λ_０±１００ｎｍの波長領域の電磁波を透過させるバンドパスフィルタを用いて「昼間用の光源・フィルタ対」とする。

一方、レーザ光源１０２として発光波長：λ_１のレーザ光源を用い、受光フィルタＦＬ２として、λ_１±１００ｎｍの波長領域の電磁波を透過させるバンドパスフィルタを用いて「夜間用の光源・フィルタ対」とする。

この場合、λ_０、λ_０±１００ｎｍ、λ_１、λ_１±１００ｎｍの波長は何れも実質的に「シリコン素材の半導体センサ」により検出可能な範囲内にある。

従って、この場合、測距用受光素子３０１、３０２は何れも「シリコン素材の半導体センサ」を用いることができる。

換言すれば、測距用受光素子としては「測距用受光素子３０１、３０２のうちの一方」を用いるのみで足りる。

このように「１個の測距用受光素子のみで受光素子部を構成」する場合は、１個の測距用受光素子を昼夜兼用で用いることができる。

従って、太陽光の有無により測距用受光素子を切り替える必要がなく、レーザレーダ装置の構造を簡素化できる。

一方、昼間用の光源・フィルタ対のレーザ光源１０１として、発光波長：λ_２のレーザ光源を用い受光フィルタＦＬ１として「λ_２±１００ｎｍの波長範囲の電磁波を透過させるバンドパスフィルタによる受光フィルタ」を用いることもできる。

この場合には、測距用受光素子３０１としては「ＰｂＳセンサ等、１２００ｎｍ以上の波長の電磁波を検出できる受光素子」を用いる必要がある。

夜間用の光源・フィルタ対のレーザ光源１０２としては発光波長：λ_１のレーザ光源を用い、受光フィルタＦＬ２としてλ_１±１００ｎｍの波長領域の電磁波を透過させるバンドパスフィルタを用いることができる。

この場合、測距用受光素子３０２としては前述の「シリコン素材の半導体センサ」を用いることができる。

このように、２種の測距用受光素子３０１、３０２を用いる場合には、太陽光の有無に応じて、これら２個の測距用受光素子３０１、３０２を切り替えるようにする。

なお、測距用受光素子３０１として用いられる「ＰｂＳセンサ等、１２００ｎｍ以上の波長の電磁波を検出できる受光素子」は、λ_１±１００ｎｍの波長領域の電磁波も検出できる。

従って、例えば、ＰｂＳセンサ単独で「昼夜兼用の測距用受光素子」とすることができ、ＰｂＳセンサ単独で受光素子部３０を構成することができる。

このように「昼間用と夜間用の光源・フィルタ対」、さらに必要に応じて測距用受光素子を「太陽光の有無」に応じて切り替えることにより、太陽光・人工光が「距離測定に対するノイズ」として影響するのを有効に除去もしくは軽減できる。

「距離測定に対するノイズ」の、より有効な除去・軽減を実現するには、太陽光の有無のみならず、距離測定が実施される環境（距離測定環境）も考慮するのが好ましい。

太陽光は、日の出から日没まで距離測定に影響するが、日没後にも「太陽光の影響が完全になくならない時間領域」が存在する。

即ち、日没後から日暮れまでの間の「薄暮」とよばれる時間領域である。
薄暮においては、太陽光が地表を直射することはないが、太陽光は上空の空気層を照射しており、上空の空気層で散乱された成分が地表に達する。

このように地表に達する光（空気層により散乱された太陽光）のスペクトルの相対強度は「４００ｎｍ〜５５０ｎｍ」の波長領域で大きい。

従って、このような散乱光の影響を有効に除去・軽減するには、夜間用の光源・フィルタ対の波長として、５００ｎｍ近傍のもの（λ_１）を避けることが好ましい。

即ち、このような場合のレーザ光源の波長としては「７００ないし８００ｎｍの範囲内（λ_３≠λ_０）」を採用するのが良い。

しかし、このようにすると「ハロゲンランプによるノイズ成分」の除去・軽減は困難になる。

ハロゲンランプによるノイズ成分の除去・軽減には波長：５００ｎｍ（＝λ_１）の近傍が良いのである。

このような場合、上に説明した「夜間用の光源・フィルタ対（波長：λ_１≒５００ｎｍを用いる。）」の他に、「薄暮用の光源・フィルタ対」を設けることができる。

薄暮用の光源・フィルタ対では、レーザ光源の発光波長として「λ_３（７００〜８００ｎｍの波長範囲）内の波長」を用いる。

即ち、波長：λ_１≒５００ｎｍを用いる「夜間用の光源・フィルタ対」の他に、「波長：λ_３を用いる薄暮用の光源・フィルタ対」を設け、「昼間用の光源・フィルタ対」とともに３種類の光源・フィルタ対を用い、これらを切り替えて用いるようにする。

即ち、太陽光がある昼間には「昼間用の光源・フィルタ対」を用い、日暮れ後の太陽光の無い状態では「夜間用の光源・フィルタ対」を用い、薄暮時には「薄暮用の光源・フィルタ対」を用いる。

「薄暮用の光源・フィルタ対」を用いる場合、上述の如く「ハロゲンランプ」によるノイズ成分の除去・軽減は困難になる。

レーザレーダ装置が車載用に用いられる状態で、ハロゲンランプの光が問題となるのは自動車用のヘッドランプである。

即ち、ハロゲンランプは「自動車用のヘッドランプ」として用いられることが多い。

薄暮時は日没後とは言え未だ十分に明るく、ヘッドランプを点灯するほど暗くはない。従って、ヘッドランプが点灯される状況は可能性として少ない。

従って、薄暮用の光源・フィルタ対を用いるときの「ハロゲンランプの光によるノイズの発生」は実際問題として度外視することができると考えられる。

なお、薄暮用の光源・フィルタ対を用いる場合にも、測距用受光素子としては「シリコン素材の受光素子」を用いることができる。

日中でも、太陽光が存在しない場合もある。例えば、トンネル内部である。トンネル内部では照明光源として「高圧ナトリウム灯」が設置されているのが一般的である。

また、トンネル内を走行する車両がヘッドライトを点灯することも珍しくない。

この場合、距離測定のノイズとして問題となるのは、ハロゲンランプの光と高圧ナトリウム灯の光である。

しかし、これらの光は波長：５００ｎｍではスペクトルの相対強度が４０％以下であるから、この場合には波長：λ_１≒５００ｎｍを用いる「夜間用の光源・フィルタ対」を用いることで、ノイズの影響を有効に除去できる。

以上の説明から明らかなように、図１に示すレーザレーダ装置において、レーザ光源と受光フィルタの組み合わせとして、以下の如き組み合わせを考えることができる。

Ａ．昼間用の光源・フィルタ対において、光源として「７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍの何れかに実質的に等しい発光波長：λ_０をもつレーザ光源」を用いる。

受光フィルタとしては「λ_０±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

夜間用の光源・フィルタ対において、光源として「５００ｎｍ近傍に発光波長：λ_１を有するレーザ光源」を用いる。

受光フィルタとして「λ_１±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

Ｂ．昼間用の光源・フィルタ対において、光源として「１３００ｎｍもしくは１８００ｎｍに実質的に等しい発光波長：λ_２をもつレーザ光源」を用いる。

夜間用の光源・フィルタ対において、光源として「λ_２±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

夜間用の光源・フィルタ対において、光源として「５００ｎｍ近傍の発光波長：λ_１を有するレーザ光源」を用いる。

受光フィルタとして「λ_１±１００ｎｍの範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

この場合には、昼間用の光源に対して感度を持つ「ＰｂＳセンサ」を用いる。

Ｃ．昼間用の光源・フィルタ対として、発光波長：λ_０もしくはλ_２を持つ光源・フィルタ対を用いる。

受光フィルタとしては「λ_０±１００ｎｍもしくはλ_２±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

夜間用の光源・フィルタ対において、光源として「５００ｎｍ近傍に発光波長：λ_１を有するレーザ光源」を用いる。

受光フィルタとして「λ_１±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ」を用いる。

さらに、薄暮用の光源・フィルタ対として、発光波長：λ_３（≠λ_０、≠λ_２）を持つレーザ光源と、λ_３±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタである受光フィルタの組み合わせを用いる。

この場合、測距用受光素子として、シリコン素材の半導体センサを「夜間用および薄暮用」に用い、ＰｂＳセンサを中間用に用いる。

波長：λ_０、λ_２、λ_３は上述の如く、複数の波長や波長領域を含んでいるから、これらの組み合わせも上述のものに限らず、種々のものが可能である。

受光フィルタを構成する上記「バンドパスフィルタ」は、多層膜構造により、あるいは「サブ波長構造」として製造することもできる。

「光源・フィルタ対（および測距用受光素子）の切り替え」のタイミングは、手動でも自動でもよい。

即ち、切り替え制御部４００に「手動入力部」を設けて手動により切り替えを実行させるようにすることができる。

あるいは「ヘッドライトの点滅」に同期させて切り替えを行うこともできる。

また、切り替え制御部４００もしくは制御演算部４０に「切り替えの条件をプログラムとして組み込んで」おき、条件の充足の有無により、切り替えを行うこともできる。

この場合の条件の１例として上記の「ヘッドランプの点滅」を挙げることができる。

図１に示したレーザレーダ装置は前述の如く「共軸系」である。

以下に参考例として、図８に「異軸系として構成した実施の形態」を示す。繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１におけるものと符号を共通化する。

レーザ光源部１０と、カップリングレンズ１２、調整用レンズ系１４、照射用光路屈曲ミラー１６、偏向手段１８、偏向レンズ素子２０で構成される「照射用光学系」とは、図１の実施の形態と同様である。

従って、レーザ光源部１０を構成する任意のレーザ光源からのレーザ光は、照射用光学系を介して「２次元的に偏向する照射用レーザ光ＳＲＬ」として偏向レンズ素子２０から射出する。

一方、受光用光学系は、集光レンズ３２と受光フィルタ部ＦＬにより構成される。

従って、戻りレーザ光束ＢＫＬは、略平行光束状態で直接に集光レンズ３２に入射し、受光素子部３０の受光部にセットされた測距用受光素子に向けて集光される。

そして、受光部の前部に配置されたフィルタ部ＦＬに含まれる受光フィルタを透過して、受光素子部３０の受光部にセットされた測距用受光素子に受光される。

太陽光の有無に応じて「光源・フィルタ対（及び必要に応じて測距用受光素子）」を切り替える点は、図１に即して説明した実施の形態の場合と同様である。

図１、図８に示す実施の形態において、フィルタ部ＦＬは、受光素子部３０の測距用受光素子の受光面の近傍に設けられている。

このような配置では、フィルタ部ＦＬを構成する複数の受光フィルタのサイズを有効に小さくでき、フィルタ部ＦＬ自体も小型化できる。

フィルタ部ＦＬの配置位置は、このような場合に限られず、図９に示すフィルタ部ＦＬ１０のように、集光レンズ３２の入射側に配置してもよい。

この場合には、フィルタ部ＦＬ１０のサイズは大きくなるが、入射する戻りレーザ光束ＢＫＬが平行光束状態であるので「入射角によるフィルタ効果の変化」を抑制できる。

最後に、偏向手段１８の具体的な例を説明する。

前述の如く、偏向手段１８は、ＭＥＭＳとして構成された偏向器で「反射面を２次元的に搖動」させて反射光の向きを２次元的に偏向させる。

図１０（ｂ）は、偏向手段１８の主要部を説明図的に示している。

偏向装置１８は、ミラー部１８１と第１枠体１８２と第２枠体１８４を有する。これらは「単一の構造体」として形成されている。

ミラー部１８１は平面鏡でその鏡面が上記「反射面」である。

反射面をなすミラー部１８１は、照射用光路屈曲ミラー１６の側から入射するレーザ光束の全体を受光して反射できるようになっている。

即ち、図１（ｂ）に示す如く、ミラー部１８１の反射面は、照射用光路屈曲ミラー１６の側から入射するレーザ光束の光束径より大きい。

第１枠体１８２、第２枠体１８４は共に長方形形状の枠体で、ミラー部１８１は第１枠体１８２に、揺動軸を共有する軸ｊ１、ｊ２により固定されている。

軸ｊ１、ｊ２は「捩れ弾性」を有し、捩れ変形の復元力により、反射鏡１８１を軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。

第１枠体１８２は第２枠体１８４に、軸ｊ３、ｊ４により固定されている。
軸Ｊ３、ｊ４も、揺動軸を共有している。

軸ｊ３、ｊ４も捩れ弾性を有し、捩れ変形の復元力により、第１枠体１８２を軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。

軸ｊ１、ｊ２、ｊ３、ｊ４も、第１枠体１８２、第２枠体１８４とともに「単一の構造体」の部分をなす。

図示されない駆動手段は、ＭＥＭＳにより電子回路素子として構成され、図１（ｂ）に示す構造体とともに作製されている。
軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸と、軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸とは互いに直交している。
従って、ミラー部１８１を「互いに直交する縦横２方向において独立して揺動させる」ことができる。

ミラー部１８１に固定した駆動手段を反射鏡１８１に連結して、反射鏡１８１を揺動する駆動を行うことができる。

同様に、第２枠体１８４に固定した駆動手段を第１枠体１８２に連結して、ミラー部１８１を有する第１枠体１８２を揺動する駆動を行うことができる。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１０ レーザ光源部
１０１、１０２ レーザ光源
１２ カップリングレンズ
１４ 調整用レンズ系
１６ 照射用光路屈曲ミラー
１８ 偏向手段
２０ 偏向レンズ素子
３０ 受光素子部
３０１、３０２ 測距用受光素子
３２ 集光レンズ
３４ 受光用レンズ系
ＳＲＬ 照射用レーザ光
ＢＫＬ 戻りレーザ光束
３０ 受光素子部
３０１、３０２ 測距用受光素子
ＦＬ フィルタ部
ＦＬ１、ＦＬ２ 受光フィルタ
４００、４１０、４２０ 切り替え手段

特開２０１３−１１３６８４号公報 特開２０１０−２１７３３４号公報 特開２００７− ８５８３２号公報

Claims (1)

1. レーザ光源からの光を照射用レーザ光として２次元的に走査して測距対象物に照射し、該測距対象物による反射光を戻りレーザ光束として測距用受光素子により受光し、前記測
   距対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置であって、
   ３対の光源・フィルタ対と、
   これら光源・フィルタ対を、切り替える切り替え手段と、
   Ｍ（３≧Ｍ≧１）個の測距用受光素子と、を有し、
   前記光源・フィルタ対の個々は、１個のレーザ光源と、１個の受光フィルタとにより構
   成され、
   前記レーザ光源の個々は、互いに発光波長が異なり、
   前記受光フィルタの個々は、この受光フィルタと共に光源・フィルタ対をなすレーザ光
   源の発光波長とその近傍の波長領域のレーザ光のみを、戻りレーザ光束として１個の測距
   用受光素子に導光するものであり、
   前記３対の光源・フィルタ対に共通の偏向手段および偏向レンズ素子を有し、前記３対
   の光源・フィルタ対は前記偏向手段および偏向レンズ素子に対して切り替えられ、
   前記偏向手段は、前記レーザ光源からの光を反射して２次元的に偏向させ、
   前記偏向レンズ素子は、前記偏向手段により２次元的に偏向された光を平行光束状の照射用レーザ光束に変換し、且つ、前記戻りレーザ光束を、前記偏向手段に入射させ、
   前記光源・フィルタ対の１つは、太陽光のスペクトルにおける相対強度が２０％以下となる波長領域内における測定波長領域内の発光波長を有するレーザ光源を用いるものであって昼間用であり、
   他の光源・フィルタ対は、夜間における人工光のスペクトルにおける相対強度が４０％以下となる波長領域内における測定波長領域内の発光波長を有するレーザ光源を用いるものであって夜間用であり、
   前記昼間用の光源・フィルタ対は、７５０ｎｍ、９４０ｎｍ、１１３０ｎｍの何れかに実質的に等しい発光波長：λ _０ をもつレーザ光源を持つとともに、λ _０ ±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、
   前記夜間用の光源・フィルタ対は、５００ｎｍ近傍の発光波長：λ _１ （≠λ _０ ）を有するレーザ光源を持つとともに、λ _１ ±１００ｎｍの波長範囲の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、
   前記昼間用および前記夜間用の光源・フィルタ対と別に、これらの光源・フィルタ対に対して切り替え可能な薄暮用の光源・フィルタ対を有し、
   該薄暮用の光源・フィルタ対は、７００〜８００ｎｍの範囲内に発光波長：λ _３ を有す
   るレーザ光源を持つとともに、波長：λ _３ ±１００ｎｍの範囲の光を選択的に透過させる
   バンドパスフィルタを受光フィルタとしてもち、
   前記３対の光源・フィルタ対が、切り替え手段により、昼間・夜間・薄暮に応じて切り替えられ、
   昼間用の測距用受光素子としてＰｂＳセンサを用い、夜間用および薄暮用の測距用受光素子として、シリコン素材の半導体センサを用いるレーザレーダ装置。

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