JP6531502B2 - 光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置に係り、更に詳しくは、光によって所定の走査領域を走査する光走査装置、該光走査装置を有する物体検出装置、及び該物体検出装置を備えるセンシング装置に関する。

近年、物体の有無や、その物体までの距離などを検出するための物体検出装置の開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１〜４参照）。

また、特許文献５には、パルスレーザ光を間欠的に発生するレーザ光発生手段と、パルスレーザ光が検出物体にて反射したときに検出物体から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転可能に構成された偏向部を備えるとともに、該偏向部によりパルスレーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ反射光を光検出手段に向けて偏向する回動偏向手段と、を有するレーザレーダ装置が開示されている。そして、レーザ光発生手段は、回動偏向手段の偏向部が所定回転角度駆動される毎に所定の回転角度位置にてパルスレーザ光を発生させる。

また、特許文献６には、光源から出射される複数の光束を偏向させる偏向反射面を有する光偏向器と、光偏向器により偏向された光束を、被走査面上に光スポットとして集光して被走査面を光走査させる走査結像素子と、光偏向器により偏向された光束を基準光束として検出する基準光束検出手段と、少なくとも主走査対応方向にパワーをもち、基準光束を基準光束検出手段に導く基準光束用光学素子とを有する光走査装置が開示されている。そして、基準光束検出手段からの出力信号は、光走査の走査開始タイミング及び光走査終了タイミングのうちの少なくとも一方を決定するのに用いられる。

しかしながら、特許文献６に開示されている光走査装置には、装置の小型化という観点において改良の余地があった。

本発明は、光によって所定の走査領域を走査する光走査装置であって、光源と、前記光源からの光を偏向し、前記走査領域を走査する光偏向器と、前記光偏向器からの光を受光する光検出器と、前記光源から前記光偏向器に向かう光の一部を前記光検出器に導光する光学部材と、前記光偏向器と前記光検出器との間の光路上に配置され、前記光偏向器から前記光検出器に向かう光を集光する同期光学系と、を備え、前記同期光学系は、前記光学部材よりも焦点距離が長く、前記光学部材と一体化されている光走査装置である。

本発明の光走査装置によれば、装置の小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザレーダ２０を搭載した車両の外観図である。 本発明の一実施形態に係る監視装置１０の構成を説明するためのブロック図である。 レーザレーダ２０の構成を説明するための図（その１）である。 レーザレーダ２０の構成を説明するための図（その２）である。 光射出系を説明するための図である。 複数の発光部群を説明するための図である。 各発光部群に含まれる複数の発光部を説明するための図である。 発光部群Ａ（ｉ）を説明するための図である。 ガラス部材の作用を説明するための図である。 回転ミラーを説明するための図である。 回転ミラーの変形例を説明するための図である。 同期検知用光検出器の配置位置を説明するための図である。 光射出系の比較例１を説明するための図である。 光射出系の比較例２を説明するための図である。 同期検知用光を説明するための図である。 検出光の進行方向を説明するための図（その１）である。 検出光の進行方向を説明するための図（その２）である。 検出光の進行方向を説明するための図（その３）である。 図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）は、それぞれ基板と窓ガラスの位置関係を説明するための図である。 第２の駆動方法を説明するための図である。 第１の駆動方法を説明するための図である。 図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、それぞれ仮に第１の駆動方法が第２の駆動方法と同じ場合の不都合を説明するための図である。 発光部群Ａのパルス点灯タイミングを説明するための図（その１）である。 発光部群Ａのパルス点灯タイミングを説明するための図（その２）である。 光源駆動装置２５の動作を説明するためのフローチャートである。 光検出系２０２を説明するための図である。 物体からの反射光の入射方向を説明するための図（その１）である。 物体からの反射光の入射方向を説明するための図（その２）である。 物体からの反射光の入射方向を説明するための図（その３）である。 物体情報取得部における物体までの距離計測を説明するための図である。 音声・警報発生装置の構成を説明するためのブロック図である。 第２の駆動方法の変形例を説明するための図である。 光射出系の変形例１を説明するための図である。 カップリングレンズ２２と同期レンズ２３の一体化を説明するための図である。 光射出系の変形例２を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図３１に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る物体検出装置としてのレーザレーダ２０を搭載した車両１の外観が示されている。

ここでは、レーザレーダ２０は、一例として、車両１の前方のナンバープレート近傍に取り付けられている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、車両１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。また、レーザレーダ２０によって物体検出が可能な領域を「検出領域」という。さらに、Ｚ軸に平行な方向を「高さ方向」や「垂直方向」ともいい、Ｚ軸に直交する方向を「水平方向」ともいう。

車両１の車内には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、監視制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、レーザレーダ２０と、表示装置３０と、監視制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、センシング装置としての監視装置１０が構成されている。すなわち、監視装置１０は、車両１に搭載されている。また、監視装置１０は、車両１のメインコントローラと電気的に接続されている。

レーザレーダ２０は、一例として図３及び図４に示されるように、光射出系２０１、光偏向器２０４、光検出系２０２、及び物体情報取得部２０３などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、光射出系２０１から射出される光及び、物体で反射された光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。なお、以下では、該ガラスを「窓ガラス」ともいう（図１２参照）。

光射出系２０１は、光検出系２０２の−Ｚ側に配置されている。この光射出系２０１は、一例として図５に示されるように、光源２１、カップリングレンズ２２、ガラス部材３１、同期レンズ２３、同期検知用光検出器２４、及び光源駆動装置２５などを有している。

光源２１は、一例として図６に示されるように、複数の発光部群ＡがＺ軸方向に沿って、等間隔で配置されている。ここでは、各発光部群の形状は、正方形状であり、その一辺の長さをｄ１とする。また、隣接する２つの発光部群の間隙をｄ２とする。

各発光部群Ａは、一例として図７に示されるように、複数の発光部が２次元配列されている。各発光部の形状は、正方形状であり、その一辺の長さをｄ３とする。また、隣接する２つの発光部の間隙をｄ４とする。上記ｄ１の大きさは、発光部群に含まれる発光部の数によって決まる。

各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）である。すなわち、光源２１は、いわゆる面発光レーザアレイである。

光源２１は、発光部群Ａ毎に光源駆動装置２５によって点灯及び消灯される。光源２１は、＋Ｙ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動装置２５から光源２１に送出され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」という。

ここでは、光源２１は、２８個の発光部群Ａを有している。そして、各発光部群Ａでは、Ｘ軸方向に沿って１５０個の発光部が配列され、Ｚ軸方向に沿って１５０個の発光部が配列されている。そこで、各発光部群Ａは、２２５００（＝１５０×１５０）個の発光部を有している。この場合、１つの発光部の発光パワーが１ｍＷであれば、１つの発光部群Ａの発光パワーは２２．５Ｗである。そして、ｄ１は約２５４．７μｍであり、ｄ２は約０．０２ｍｍであり、ｄ３は約０．７μｍであり、ｄ４は約１μｍである。

なお、２８個の発光部群Ａを区別する必要があるときは、図８に示されるように、―Ｚ方向に関する並び順をｉ（１≦ｉ≦２８）として、発光部群Ａ（ｉ）と表記する。

この場合、検出領域（「視野」ともいう）をＺ軸方向に関して、発光部群Ａ（１）〜発光部群Ａ（２８）に対応する２８個のエリア（エリア１〜エリア２８）に分割することができる。そして、２８個のエリアについてエリア毎に物体の位置情報を取得しても良いし、エリア１〜エリア２０の２０個のエリアについてはエリア毎に物体の位置情報を取得し、エリア２１〜エリア２８の８個のエリアについては路面情報を取得しても良い。

路面情報については、例えば、（ａ）路面の傾きを求めることで、物体の位置情報を取得する際の水平成分のキャリブレーションに使ったり、（ｂ）ブレーキを踏んだときの制動距離を求めることで、より安全な車間距離の算出に使ったり、（ｃ）路面からの反射光量を求めることで、レーザレーダの故障や受光面の汚れなどの検知に使ったり、することができる。

図５に戻り、カップリングレンズ２２は、光源２１の＋Ｙ側に配置され、光源２１から射出された光を平行光あるいは、わずかに発散した発散光とする。ここでは、カップリングレンズ２２として平凸レンズが用いられている。カップリングレンズ２２を介した光が、光射出系２０１から射出される光である。なお、カップリングレンズ２２に代えて、同等の機能を有し、複数の光学素子を含むカップリング光学系を用いても良い。

ガラス部材３１は、平行平板状のガラス板であり、カップリングレンズ２２の＋Ｙ側に配置され、カップリングレンズ２２を介した光の一部を反射する。ガラス部材３１を透過した光は、光偏向器２０４に向かい、ガラス部材３１で反射された光は、同期検知用光検出器２４に向かうように設定されている（図９参照）。

同期レンズ２３は、光射出系２０１に入射する同期検知用光の光路上に配置されている。なお、同期検知用光については後述する。

同期レンズ２３の焦点距離は、カップリングレンズ２２の焦点距離よりも長くなるように設定されている。同期レンズ２３は、カップリングレンズ２２で略平行光とされた光を同期検知用光検出器２４に結像する光学的パワーを有している。そこで、同期レンズ２３は、同期検知用光検出器２４から、同期レンズ２３の焦点距離だけ離れた位置に配置される。従って、同期レンズ２３は、焦点距離が長いほど同期検知用光検出器２４から離れた位置に配置することができ、ガラス部材３１の表面で反射された光が干渉しにくくなる。

同期検知用光検出器２４は、同期レンズ２３を介した同期検知用光の集光位置に配置されている。また、同期検知用光検出器２４は、光源２１から射出され、ガラス部材３１で反射された光を受光する。

同期検知用光の受光タイミングは、検出領域の走査を開始するタイミングを決定するのに利用され、ガラス部材３１で反射された光の受光タイミングは、光源２１の発光タイミングを知るのに利用される。

同期検知用光検出器２４は、受光光量に対応した信号を光源駆動装置２５及び物体情報取得部２０３に出力する。なお、以下では、同期検知用光検出器２４から出力される信号を「同期検知信号」ともいう。

ところで、同期検知用光検出器２４は、同期検知用光を受光するタイミングでは、ガラス部材３１で反射された光も受光する。しかし、このタイミングでは、ガラス部材３１で反射された光の光量は、同期検知用光の光量よりも非常に小さいので、以下では、煩雑さを避けるため、同期検知の説明では、ガラス部材３１で反射された光については考慮しない。

光偏向器２０４は、Ｚ軸に平行な回転軸まわりに回転する回転ミラー２０４ａ（図１０参照）、及び該回転ミラー２０４ａを回転駆動させるための駆動機構などを備えている。該駆動機構は、物体情報取得部２０３によって制御される。回転ミラー２０４ａは４つの反射面を有している。そして、回転ミラー２０４ａは、＋Ｚ側からみたとき、反時計回りに回転するように設定されている。また、各反射面はＺ軸方向に平行である。４つの反射面を区別する必要があるときは、時計まわりに面１、面２、面３、面４とする（図１０参照）。

なお、回転ミラー２０４ａにおける反射面の数は４面に限定するものではなく、１面〜３面であっても良いし、５面以上であっても良い。図１１には、反射面の数が２面の回転ミラーが示されている。また、少なくとも２つの反射面を有する回転ミラーにおいて、該少なくとも２つの反射面を、回転軸に対してそれぞれ異なった傾斜角度とし、走査領域をＺ軸方向に関して切り替えることも可能である。

回転ミラー２０４ａは、一例として図１２に示されるように、光射出系２０１から射出された光の光路上に配置されている。すなわち、光射出系２０１から射出された光は、光偏向器２０４で偏向される。ここでは、光偏向器２０４は、検出領域の−Ｘ側に位置している。また、光源２１、カップリングレンズ２２及びガラス部材３１は、光偏向器２０４の−Ｙ側に配置されている。

そして、同期検知用光検出器２４は、光源２１に対し、検出領域と反対側（ここでは、−Ｘ側）に配置されている（図１２参照）。この場合は、図１３及び図１４に示される比較例に対して、装置全体の高さ方向（ここでは、Ｚ軸方向）の寸法を小さくすることができる。

そして、回転ミラー２０４ａの回転角が所定の角度のとき、光偏向器２０４で偏向された光は光射出系２０１に戻り、同期レンズ２３を介して同期検知用光検出器２４で受光される（図１５参照）。このとき、光射出系２０１に戻る光が前記同期検知用光である。

さらに回転ミラー２０４ａが回転すると、光偏向器２０４で偏向された光は、検出領域に向かう。なお、以下では、光偏向器２０４によって偏向され、検出領域に向かう光を「検出光」ともいう。

Ｚ軸方向に直交する平面内において、検出光の進行方向は、回転ミラー２０４ａの回転角に応じて異なっている（図１６〜図１８参照）。すなわち、検出領域は、回転ミラー２０４ａの回転に伴って、検出光によって＋Ｙ方向に走査される。

そして、Ｚ軸に直交する平面内において、検出領域の＋Ｙ側端部に向かう検出光の進行方向と、検出領域の−Ｙ側端部に向かう検出光の進行方向とのなす角度φ（図１２参照）を走査角ともいう。換言すれば、Ｚ軸方向に直交する平面内における検出領域は、走査角φで規定される走査領域（所定の走査領域）である。

このように、回転ミラー２０４ａの一の反射面による１回の走査で、同期検知用光検出器２４と検出領域とが順次走査される。

本実施形態では、同期検知用光検出器２４は、光源２１に対し、検出領域と反対側（ここでは、−Ｘ側）に配置されている。

ここでは、同期レンズ２３の焦点距離は、光源２１の射出面から回転ミラー２０４ａの外接円までの距離よりも短くなるように設定されている。仮に、同期レンズ２３の焦点距離が、光源２１の射出面から回転ミラー２０４ａの外接円までの距離よりも長くなると、同期レンズ２３及び同期検知用光検出器２４を光源２１より遠くに配置しなければならなくなり、装置全体が大型化する。

本実施形態では、同期レンズ２３の焦点距離が、光源２１の射出面から回転ミラー２０４ａの外接円までの距離よりも短くなるように設定されているため、同期検知用光検出器２４を光源２１の近くに配置することが可能となる。そして、光源２１と同期検知用光検出器２４とを、同一基板上に実装することができる。これにより、基板の小型化、及び低コスト化を図ることができる。更に、該基板上に光源駆動装置２５が実装されても良い。

ところで、光源を基板に実装する際には、基板の面に対して直交する方向に光が射出されるのが一番シンプルで取り扱いも容易である。また、広角に走査する光学系の場合、筐体の窓ガラスを基板と略直交方向にする方が、光がケラレにくく、広角の走査しやすい、つまり広範囲の物体検知に適している（図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）参照）。ここでは、窓ガラスの入射側の面及び射出側の面それぞれの面形状の原点となっている点を結んだ線を光軸と定義しており、便宜上、光軸に直交する面を窓ガラスの面と称している。なお、図１９（Ａ）は、基板の面と光軸とが平行な場合、すなわち基板の面と窓ガラスの面とが直交している場合を示し、図１９（Ｂ）及び図１９（Ｃ）は、基板の面と光軸とが非平行な場合、すなわち基板の面と窓ガラスの面とが直交していない場合を示している。基板の面と窓ガラスの面とが直交していない場合には、回転ミラーからの光がケラレている。

本実施形態では、光源２１が実装された基板は、筐体の窓ガラスに対して直交するように配置されている（図１２参照）。この場合は、光偏向器２０４への入射光路を筐体の窓ガラスに近づけることが可能となり、周辺（走査端部に向かう光）の光量を大きくすることができる。

光源駆動装置２５は、光偏向器２０４によって偏向された光が同期検知用光検出器２４を走査するときと、光偏向器２０４によって偏向された光が検出領域を走査するときとで、光源２１の駆動方法を異ならせている。以下では、便宜上、光偏向器２０４によって偏向された光が同期検知用光検出器２４を走査するときの駆動方法を「第１の駆動方法」といい、光偏向器２０４によって偏向された光が検出領域を走査するときの駆動方法を「第２の駆動方法」という。

本実施形態では、光源駆動装置２５は、第１の駆動方法では光源２１を連続発光させ、第２の駆動方法では光源２１をパルス発光させる。

ここで、第２の駆動方法における発光パルス数をＮ個とする。この発光パルス数Ｎは、物体を検出した際の物体位置の分解能（精度）に関係している。この場合、第２の駆動方法における最初（１番目）のパルス発光によって光源２１から射出された光は、光偏向器２０４で偏向され、検出領域の＋Ｙ側端部に向かう検出光となる。また、第２の駆動方法における最後（Ｎ番目）のパルス発光によって光源２１から射出された光は、光偏向器２０４で偏向され、検出領域の−Ｙ側端部に向かう検出光となる。すなわち、パルス発光の順番（１番目〜Ｎ番目）から、検出光の進行方向を知ることができる。例えば、Ｎが奇数のとき、「（Ｎ＋１）／２」番目のパルス発光によって光源２１から射出された光は、光偏向器２０４で偏向され、検出領域の中央部に向かう検出光となる。

「設定１」
そして、第２の駆動方法におけるパルス発光では、パルス幅が１００ｎ秒以下となるように設定される。この場合は、省電力及び半導体レーザの長寿命化を図ることができる。なお、光源２１をパルス発光させたときの光出力における半値幅をパルス幅としている。ここでは、一例として、パルス幅を１５ｎ秒としている（図２０参照）。

「設定２」
また、第２の駆動方法におけるパルス発光では、発光間隔に対するパルス幅の割合であるデューティ（Ｄｕｔｙ）比が１％以下となるように設定される。この場合は、半導体レーザに大きな電流を流してても、放熱のための休止時間が長くなるので、発熱の影響を低減することができる。そのため、半導体レーザの劣化を招くことなく、半導体レーザから射出される光の強度を高くすることができる。その結果、検出可能距離を長くすることができる。

ここでは、発光間隔の基準値を２０．８μ秒としている（図２０参照）。この場合、デューティ（Ｄｕｔｙ）比は、０．０７２％である。なお、発光間隔の基準値とは、回転ミラー２０４ａの回転速度、走査角φ、パルス数Ｎなどから算出される値である。

「設定３」
第１の駆動方法における連続発光では、発光時間が１μ秒以上となるように設定される。この場合、一例として図２１に示されるように、同期検知用光は途切れることなく同期検知用光検出器２４を走査することができる。そして、同期検知用光検出器２４は、受光光量及び受光領域の大きさに対応したパルスを出力する。なお、以下では、便宜上、同期検知用光を受光したときの同期検知信号におけるパルスを「同期パルス」ともいう。

ところで、仮に、第１の駆動方法が第２の駆動方法と同じであれば、一例として図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示されるように、同期検知用光検出器２４からの同期パルスの出力タイミングがばらついてしまい、検出領域の走査開始タイミングに誤差が生じる。

そして、一の反射面による１回の走査に際して、同期検知用光が同期検知用光検出器２４を横切ると同期検知用光検出器２４から１個の同期パルスが出力されるため、回転ミラー２０４ａが連続して回転している間は同期検知用光検出器２４からは定期的に同期パルスが出力されることになる。ここでは、同期検知用光検出器２４は、回転ミラー２０４ａが１／４回転する毎に同期パルスを出力する。

「設定４」
また、第２の駆動方法における光源２１の光出力のピーク値（以下では、「第２のピーク値」という。）は、第１の駆動方法における光源２１の光出力のピーク値（以下では、「第１のピーク値」という。）の１００倍以上となるように設定される。

仮に第１のピーク値が大きいと、同期検知用光検出器２４での受光量が大きくなりすぎてしまい、同期検知用光検出器２４の出力信号が飽和したり、不要光の光量が大きくなる。この場合、同期検知の精度が低下したり、誤検知するおそれがある。一方、第２のピーク値が小さいと、検出可能距離が短くなる。

そこで、第１のピーク値と第２のピーク値との間に、第２のピーク値が第１のピーク値の１００倍以上となる関係をもたせることにより、同期検知精度を低下させることなく、検出可能距離を長くすることが可能となる。

光源２１の光出力と光源駆動信号における信号強度との関係は、予め実験等によって求められている。そして、上記設定１〜設定４は満足されている。

ところで、本実施形態では、一の反射面で偏向された光は、同期検知用光検出器２４を走査した後に、検出領域を走査するように設定されている。この場合は、回転ミラー２０４ａの回転が完全な等速でなかったり、あるいは、回転ミラー２０４ａの複数の反射面間に形状誤差があっても、走査毎に走査角φが変化、すなわち検出領域の大きさが変化するのを抑制することができる。

光源２１を用いて検出領域内の空間情報を得るには、次のような方法が考えられる。例えば、図２３に示されるように、先ず、発光部群Ａ（１）をパルス点灯し、回転ミラー２０４ａの面１で反射された光で検出領域を走査する。次に、発光部群Ａ（２）をパルス点灯し、回転ミラー２０４ａの面２で反射された光で検出領域を走査する。続いて、発光部群Ａ（３）をパルス点灯し、回転ミラー２０４ａの面３で反射された光で検出領域を走査する。このように、一の反射面で反射された光によって検出領域を走査するが、その際は発光部群Ａの１つがパルス点灯され、物体検知を行う。そして、次の反射面で反射された光によって検出領域を走査する際は、次の発光部群Ａがパルス点灯され、物体検知を行う。このとき、前の物体検知におけるＺ軸方向成分の範囲と、次の物体検知のＺ軸方向成分の範囲とは異なっており、それを次々に繰り返すことによって、検出領域の全てでの物体検知を実行する。ここでは、回転ミラー２０４ａが７回転する毎に、検出領域の全てで物体情報を取得することができる。

ところで、検出領域の全てでの物体情報を２１ｍｓ毎に更新することを考える。ここでは、回転ミラー２０４ａが７回転すると１つの物体情報が完成するので、回転ミラー２０４ａの回転数は、１÷（２１ｍｓ÷７）×６０＝２００００ｒｐｍ、となる。これは非常に速い回転であり、安定性や供給する電力など、考慮すべき課題が大きい。

そこで、次のような第２の方法を提案する。カップリングレンズ２２の焦点距離ｆを６０ｍｍとすると、水平方向の角度分解能は、２×ｔａｎ^−１（ｄ１／２ｆ）＝２×ｔａｎ^−１［（２５４．７μｍ／２）／６０ｍｍ］＝０．２４°、である。

回転ミラー２０４ａの１反射面あたりの走査で１つの物体情報を完成させるとすると、回転ミラー２０４ａの回転数は、１÷［２１ｍｓ×（３６０°／９０°）］×６０＝７３１．７ｒｐｍ、というように非常に小さく抑えることが可能となる。

このとき、０．２４°の範囲を走査するのに要する時間は、２１ｍｓ×（０．２４°／９０°）＝５６μｓ、なので、５６μｓ÷２８＝２μｓ、という間隔で２８個の発光部群Ａを順次パルス点灯させれば、０．２４°の走査時間で、検出領域の全てでの物体情報を得ることができる。

この場合のタイミングチャートが図２４に示されている。１つの発光部群Ａがパルス点灯する時間は高々２０ｎｓである。そこで、１つの発光部群Ａが２０ｎｓ点灯して、次の発光部群Ａが点灯するまでには、２μｓ−２０ｎｓ＝１９８０ｎｓの間隔があり、熱的クロストーク及び電気的クロストークについては全く考慮しなくて良い。

物体情報取得部２０３は、監視制御装置４０から物体情報の取得開始要求を受信すると、光偏向器２０４の駆動機構を駆動させる。そして、物体情報取得部２０３は、回転ミラー２０４ａの回転速度が所定の回転速度に達すると、光源２１の駆動開始要求を光源駆動装置２５に送信する。

そして、物体情報取得部２０３は、監視制御装置４０から物体情報の取得終了要求を受信すると、光源２１の駆動終了要求を光源駆動装置２５に送信する。

次に、物体情報取得部２０３から光源２１の駆動開始要求を受信したときに、光源駆動装置２５で行われる光源駆動処理について、図２５を用いて説明する。図２５のフローチャートは、光源駆動装置２５によって実行される一連の処理アルゴリズムに対応している。

最初のステップＳ４０１では、発光部群を特定するための変数ｉに初期値１をセットする。

次のステップＳ４０３では、発光部群Ａ（ｉ）に対して、第１の駆動方法に対応した光源駆動信号の出力を開始する。

次のステップＳ４０５では、同期検知信号を監視し、同期パルスを受信したか否かを判断する。ここでは、同期検知信号の信号強度が予め設定されているしきい値を超えると同期パルスを受信したと判断する。そして、同期パルスを受信していなければ、ここでの判断は否定され、第１の駆動方法に対応した光源駆動信号の出力を継続しつつ、同期パルスを受信するのを待つ。同期パルスを受信すれば、ここでの判断は肯定され、ステップＳ４０７に移行する。
このステップＳ４０７では、光源駆動信号の出力を停止する。

次のステップＳ４０９では、同期パルスを受信してからの経過時間が予め設定されている時間になるまで待機する。そして、該経過時間が予め設定されている時間になると、ステップＳ４１１に移行する。

次のステップＳ４１１では、発光部群Ａ（ｉ）に対して、第２の駆動方法に対応した光源駆動信号の出力を開始する。すなわち、光源駆動装置２５は、同期検知信号に基づいて、検出領域の走査を開始するタイミングを決定する。

次のステップＳ４１３では、Ｎ個のパルス発光が終了したか否かを判断する。Ｎ個のパルス発光が終了していなければ、第２の駆動方法に対応した光源駆動信号の出力を継続しつつ、Ｎ個のパルス発光が終了するのを待つ。Ｎ個のパルス発光が終了すれば、ここでの判断は肯定され、ステップＳ４１５に移行する。
このステップＳ４１５では、光源駆動信号の出力を停止する。

次のステップＳ４１７では、物体情報取得部２０３から光源２１の駆動終了要求を受信したか否かを判断する。該駆動終了要求を受信していなければ、ここでの判断は否定され、ステップＳ４１９に移行する。一方、駆動終了要求を受信していれば、光源駆動処理を終了する。

このステップＳ４１９では、変数ｉの値が２８以上であるか否かを判断する。変数ｉの値が２８未満であれば、ここでの判断は否定され、ステップＳ４２１に移行する。
このステップＳ４２１では、変数ｉの値を＋１し、上記ステップＳ４０３に戻る。

一方、上記ステップＳ４１９において、変数ｉの値が２８以上であると、上記ステップＳ４１９での判断が肯定され、ステップＳ４２３に移行する。
このステップＳ４２３では、変数ｉに初期値１をセットし、上記ステップＳ４０３に戻る。

ところで、検出領域内に物体があると、レーザレーダ２０から射出され物体で反射された光の一部は、レーザレーダ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射されレーザレーダ２０に戻ってくる光を「物体からの反射光」ともいう。

物体からの反射光であって、光偏向器２０４により光検出系２０２に向かう方向に偏向された光は、光検出系２０２に入射する。

光検出系２０２は、一例として図２６に示されるように、結像光学系２８、及び受光器２９などを有している。

結像光学系２８は、光偏向器２０４で偏向された物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する（図２７〜図２９参照）。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

受光器２９は、結像光学系２８を介した光を受光し、受光光量に対応した信号を物体情報取得部２０３に出力する。

受光器２９の受光素子としては、ＰＤ（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｄｉｏｄｅ）等を用いることができる。なお、ＡＰＤやＳＰＡＤはＰＤに対して感度が高いため、検出精度や検出可能距離の点で有利である。

物体情報取得部２０３は、検出領域の走査が開始されると、同期検知用光検出器２４からの同期検知信号に基づいてガラス部材３１で反射された光の受光タイミングを求め、該受光タイミングを時間計測のスタート時間とする。ここでは、同期検知用光検出器２４の出力レベルが予め設定されているしきい値以上のとき、同期検知用光検出器２４がガラス部材３１で反射された光を受光したと判断する。

また、物体情報取得部２０３は、受光器２９の出力レベルが予め設定されているしきい値以上のとき、受光器２９が物体からの反射光を受光したと判断する。

そして、物体情報取得部２０３は、受光器２９が物体からの反射光を受光すると、一例として図３０に示されるように、上記スタート時間から受光器２９での受光タイミングまでの経過時間ｔを求め、物体までの距離を算出する。

また、物体情報取得部２０３は、受光器２９が物体からの反射光を受光すると、そのときの第２の駆動方法におけるパルス発光がＮ個のうちの何番目のパルス発光であるかから、物体からの反射光の入射方向を知ることができる。

さらに、物体情報取得部２０３は、物体の位置、物体の大きさ及び物体の形状などの物体情報を求め、メモリ５０に保存する。

また、物体情報取得部２０３は、光源２１を発光させてから所定の時間が経過しても、受光器２９の出力レベルが予め設定されているしきい値未満のままであれば、物体は検出されなかったものと判断し、該判断結果をメモリ５０に保存する。

図２に戻り、監視制御装置４０は、所定のタイミング毎に、メモリ５０に格納されている物体情報などに基づいて、車両１の前方に物体があるときにその物体の移動の有無を求めるとともに、該物体が移動しているときにはその移動方向及び移動速度を含む移動情報を求める。そして、物体情報及び移動情報を表示装置３０に表示する。

また、監視制御装置４０は、物体情報及び移動情報に基づいて、危険の有無を判断し、危険があると判断すると、車両１のメインコントローラ及び音声・警報発生装置６０に通知する。

音声・警報発生装置６０は、一例として図３１に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、監視制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。

警報信号生成装置６２は、監視制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。

本実施形態では、光射出系２０１と光検出系２０２は、Ｚ方向に関して重なって配置されており、光偏向器２０４は、光射出系２０１と光検出系２０２とで共用されている。この場合は、物体における光源２１からの光の照射範囲と受光器２９における受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくすることができ、安定した物体検出を実現できる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、光射出系２０１と光偏向器２０４とによって、本発明の光走査装置が構成されている。そして、ガラス部材３１によって本発明の光走査装置における光学部材が構成され、同期検知用光検出器２４によって本発明の光走査装置における光検出器が構成され、同期レンズ２３によって本発明の光走査装置における同期光学系が構成されている。また、光検出系２０２によって、本発明の物体検出装置における受光手段が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザレーダ２０は、光射出系２０１、光偏向器２０４、光検出系２０２、及び物体情報取得部２０３などを有している。

光射出系２０１は、光源２１、カップリングレンズ２２、ガラス部材３１、同期レンズ２３、同期検知用光検出器２４、及び光源駆動装置２５などを有している。光検出系２０２は、結像光学系２８、及び受光器２９などを有している。

光源駆動装置２５は、光偏向器２０４によって偏向された光が同期検知用光検出器２４を走査するとき、第１の駆動方法として光源２１を連続発光させ、光偏向器２０４によって偏向された光が検出領域を走査するとき、第２の駆動方法として光源２１をパルス発光させる。この場合、装置の小型化と走査位置の高精度化とを両立させることができる。

そして、第２の駆動方法におけるパルス発光では、パルス幅を１００ｎｓ以下とし、デューティ（Ｄｕｔｙ）を１％以下としている。この場合は、省電力及び半導体レーザの長寿命化を図ることができる。

また、第１の駆動方法における連続発光では、発光時間を１μｓ以上としている。さらに、第２の駆動方法における光源２１の光出力のピーク値を、第１の駆動方法における光源２１の光出力のピーク値の１００倍以上としている。この場合は、同期検知精度を低下させることなく、物体の検出可能距離の長距離化を図ることができる。

ガラス部材３１は、カップリングレンズ２２を介した光の一部を反射する。ガラス部材３１を透過した光は、光偏向器２０４に向かい、ガラス部材３１で反射された光は、同期検知用光検出器２４に向かう。同期検知用光検出器２４は、同期検知用光、及びガラス部材３１で反射された光を受光する。

光源駆動装置２５は、同期検知用光検出器２４が同期検知用光を受光すると、所定の時間経過後に検出領域の走査を開始する。物体情報取得部２０３は、検出領域の走査が開始されると、ガラス部材３１で反射された光の同期検知用光検出器２４での受光タイミングと受光器２９での受光タイミングとに基づいて、物体までの距離を含む物体情報を取得する。

この場合は、回転ミラー２０４ａの回転角度に関係なく、光源２１の発光タイミングが含まれる信号を取得できる。

ところで、光源をパルス駆動する光源駆動信号が光源に出力されても、電気的な遅延などにより、光源は遅れて発光する。そこで、仮に、光源駆動信号に基づいて時間計測をスタートするタイミングを取得する場合には、上記遅れに対応してオフセット調整をすることが必要となる。しかしながら、予め、計測スタートのタイミングが光源の発光タイミングと一致するようにオフセット時間を調整しても、経時変化や温度変化などによって、電気的な時間遅延量が変化し、それに伴い、オフセット調整量を頻繁に変える必要があった。

また、光学的にスタート信号を取得しようとすると、そのためのセンサを新たに設けなければならず、センサの追加や光路確保などに伴って、コストの上昇及び装置の大型化を招くという不都合があった。

一方、本実施形態では、新たなセンサを設けることなく、電気的な遅延に影響されない時間計測のスタートとなる信号を取得することができる。その結果、低コスト化及び小型化を図ることができる。

そして、本実施形態に係る監視装置１０によると、レーザレーダ２０を備えているため、物体情報及び移動情報の検出精度を低下させることなく、小型化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、第２の駆動方法におけるパルス幅が１５ｎ秒の場合について説明したが、これに限定されるものではない。パルス幅は１００ｎ秒以下であれば良い。

また、上記実施形態では、第２の駆動方法において、デューティ（Ｄｕｔｙ）比が０．０７２％の場合について説明したが、これに限定されるものではない。デューティ（Ｄｕｔｙ）比は１％以下であれば良い。

第２の駆動方法の変形例が図３２に示されている。この場合、連続して３つのパルス発光（各パルス幅は１５ｎ秒）がなされ、３連続パルスの発光間隔を２０．８μ秒としている。このときのデューティ（Ｄｕｔｙ）比は０．２１６％（＝パルス幅１５ｎ秒×３÷２０．８μ秒）となり、１％以下を満足している。

また、上記実施形態では、同期検知用光を受光すると、同期検知用光検出器２４の出力信号がローレベルからハイレベルに変化するものとしているが、これに限定されるものではなく同期検知用光を受光すると、同期検知用光検出器２４の出力信号がハイレベルからローレベルに変化しても良い。

また、上記実施形態では、光射出系２０１が、光検出系２０２の−Ｚ側に配置されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態において、ガラス部材３１として、平行平板状のガラス板に代えて、光源側を凹形状とするメニスカス形状のガラス板を用いても良い。この場合は、ガラス部材３１の表面で反射された光を同期検知用光検出器２４の受光面上で集光しつつ、ガラス部材３１を透過して光偏向器２０４に向かう光は再び略平行光の状態とすることができる。

また、上記実施形態において同期検知用光検出器２４の出力、及び受光器２９の出力をＡ／Ｄ変換してデジタルデータとし、同期検知信号と受光器２９の出力信号を相関演算することで、時間ｔを求めることも可能である。

図３３には、光射出系２０１の変形例１が示されている。この変形例１では、カップリングレンズ２２の表面で反射された光が同期検知用光検出器２４に向かうように設定されている。図３３には、カップリングレンズ２２の射出光学面で反射されて同期検知用光検出器２４に向かう光、及びカップリングレンズ２２の入射光学面で反射されて同期検知用光検出器２４に向かう光が示されている。この場合、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。

また、変形例１では、上記実施形態におけるガラス部材３１が不要となり、部品点数を削減できるとともに、光源２１から光偏向器２０４までのＹ軸方向に関する寸法を小さくすることができる。さらに、光源２１と同期検知用光検出器２４の距離を近づけることが可能となり、Ｘ軸方向に関する寸法も小さくすることができる。なお、変形例１の光射出系２０１では、カップリングレンズ２２によって本発明の光走査装置における光学部材が構成されている。

また、変形例１では、上記実施形態に比べて、光偏向器２０４で偏向された光が検出領域に向かうタイミングでの、同期検知用光検出器２４に向かう光が、同期レンズ２３に干渉しにくくなり、より効率的に同期検知用光検出器２４に導光することが可能となる。

なお、一例として図３４に示されるように、カップリングレンズ２２と同期レンズ２３が一体化されても良い。この場合は、部品点数が削減でき、装置の小型化が可能となる。

図３５には、光射出系２０１の変形例２が示されている。この変形例２では、カップリングレンズ２２の表面で反射された光が同期検知用光検出器２４に向かうとともに、同期検知用光がカップリングレンズ２２を介して同期検知用光検出器２４に入射するように設定されている。この場合は、同期レンズ２３が不要である。

そして、変形例２では、変形例１よりもさらに光源２１と同期検知用光検出器２４の距離を近づけられるため、Ｘ軸方向に関して更なる小型化が可能である。なお、変形例２の光射出系２０１では、カップリングレンズ２２によって本発明の光走査装置における光学部材が構成されている。

また、変形例２では、単レンズ一枚でカップリングレンズと同期レンズを兼ねるため、簡素な構成とすることができる。

ところで、光源２１から射出される光は、＋Ｙ方向に進行する光線が最も強いエネルギーを有し、そこから傾斜するにつれて光線のエネルギーは弱まっていく。このため、カップリングレンズ２２で反射されて同期検知用光検出器２４に向かう光では、カップリングレンズ２２の入射光学面で反射された光より、カップリングレンズ２２の射出光学面で反射された光の方がより強いエネルギーを有することとなる。

そこで、上記変形例１及び変形例２の光射出系２０１では、カップリングレンズ２２の入射光学面を反射防止コート面とし、射出光学面をノンコート面とすることにより、射出光学面で反射される光量を増加させ、かつ光偏向器２０４に向かう光量を増加させることができる。すなわち、同期検知用光検出器２４の受光タイミングの検知精度を向上させるとともに、物体検知可能距離を長距離化することができる。

また、上記実施形態において、同期検知用光を集光する必要がないときは、前記同期レンズ２３はなくても良い。

また、上記実施形態では、同期光学系が１つのレンズで構成される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、同期光学系が複数のレンズで構成されても良い。

また、上記実施形態において、物体情報取得部２０３での処理の一部を監視制御装置４０が行っても良いし、監視制御装置４０での処理の一部を物体情報取得部２０３が行っても良い。

また、上記実施形態では、監視装置１０が１つのレーザレーダ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。車両の大きさ、監視領域などに応じて、複数のレーザレーダ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、レーザレーダ２０が車両の進行方向を監視する監視装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、車両の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

さらに、レーザレーダ２０は、車載用以外のセンシング装置にも用いることができる。この場合には、監視制御装置４０は、センシングの目的に応じたアラーム情報を出力する。

また、レーザレーダ２０は、物体の有無のみを検出する用途にも用いることができる。

また、レーザレーダ２０は、センシング装置以外の用途（例えば、距離計測装置や形状測定装置）にも用いることができる。

また、光射出系２０１と光偏向器２０４とからなる光走査装置は、物体検出装置以外の用途（例えば、画像表示装置や画像形成装置）にも用いることができる。

１…車両、１０…監視装置（センシング装置）、２０…レーザレーダ（物体検出装置）、２１…光源、２２…カップリングレンズ（光学部材）、２３…同期レンズ（同期光学系）、２４…同期検知用光検出器（光検出器）、２５…光源駆動装置（光源駆動手段）、２８…結像光学系、２９…受光器、３１…ガラス部材（光学部材）、４０…監視制御装置、５０…メモリ、６０…音声・警報発生装置、２０１…光射出系、２０２…光検出系（受光手段）、２０３…物体情報取得部、２０４…光偏向器、２０４ａ…回転ミラー。

特許第５２５１８５８号公報 特開２００９−０６３３３９号公報 特開２０１２−１０７９８４号公報 特許第５０８２７０４号公報 特開２０１１−０８５５７７号公報 特許第４６７３０７８号公報

Claims (9)

1. 光によって所定の走査領域を走査する光走査装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光を偏向し、前記走査領域を走査する光偏向器と、
   前記光偏向器からの光を受光する光検出器と、
   前記光源から前記光偏向器に向かう光の一部を前記光検出器に導光する光学部材と、
   前記光偏向器と前記光検出器との間の光路上に配置され、前記光偏向器から前記光検出器に向かう光を集光する同期光学系と、を備え、
   前記同期光学系は、前記光学部材よりも焦点距離が長く、前記光学部材と一体化されている光走査装置。
2. 前記光学部材は、反射防止膜が形成された１つの光学面と、反射防止膜が形成されていない少なくとも１つの光学面を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記反射防止膜が形成された１つの光学面は、前記光源に近い側の光学面であり、前記反射防止膜が形成されていない１つの光学面は、前記光源から遠い側の光学面であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記光源を駆動する光源駆動手段と、
   前記光検出器の出力信号を処理する信号処理手段とを備え、
   前記光源駆動手段と前記信号処理手段は、一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 前記光源駆動手段は、前記光検出器が前記光偏向器で偏向された光を受光するタイミングに基づいて、前記走査領域の走査を開始するタイミングを決定することを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 光によって所定の走査領域を走査する光走査装置であって、光源と、前記光源からの光を偏向し、前記走査領域を走査する光偏向器と、前記光偏向器からの光を受光する光検出器と、前記光源から前記光偏向器に向かう光の一部を前記光検出器に導光する光学部材と、を備える光走査装置と、
   前記光走査装置から走査領域に向けて射出され、前記走査領域に物体があるときに、該物体で反射された光を受光する受光手段とを備える物体検出装置。
7. 前記受光手段が前記物体で反射された光を受光すると、前記光走査装置の光学部材によって導光された光の光検出器での受光タイミングと前記受光手段での受光タイミングとに基づいて、前記物体までの距離情報を求める物体情報取得部を備えることを特徴とする請求項６に記載の物体検出装置。
8. 請求項６又は７に記載の物体検出装置と、
   前記物体検出装置の出力に基づいて、物体の有無、物体の位置、及び物体の移動速度の少なくともいずれかを求める監視制御装置とを備えるセンシング装置。
9. 車両に搭載され、
   前記監視制御装置は、前記物体の位置情報及び移動情報の少なくとも一方に基づいて危険の有無を判断することを特徴とする請求項８に記載のセンシング装置。
   

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