JP6656438B1 - 光学装置、それを備える車載システム及び移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成でありながら不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供。【解決手段】 光学装置１は、光源１１からの照明光を偏向して物体１００を走査すると共に、物体１００からの反射光を偏向する偏向部３０と、光源１１からの照明光を偏向部３０に導光すると共に、偏向部３０からの反射光を受光素子４３に導光する分岐部２０とを備え、分岐部２０は、光源１１からの照明光が入射する第一面２１１と、第一面２１１からの照明光が透過する透過領域２１２１及び偏向部３０からの反射光が反射する反射領域２１２２を含む第二面２１２とを有し、第一面２１１からの照明光は、他の面を介さずに透過領域２１２１に入射する。【選択図】 図１

Description

本発明は、照明した対象物からの反射光を受光することで、対象物を検出する光学装置に関する。

対象物までの距離を計測する測距装置として、光源からの照明光を偏向部により偏向することで対象物を走査し、対象物からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物までの距離を算出するものが知られている。

特許文献１には、照明光及び反射光の何れか一方を内面で反射させ、かつ他方を外面で反射させることで、夫々を偏向部及び受光素子に導光するためのプリズムを備える測距装置が記載されている。

特開２０１２−６８３５０号公報

測距装置において用いられる一般的な光源から出射する照明光の拡がり角は水平方向と垂直方向とで異なるため、良好な測距精度を得るためには照明光を整形することが求められる。しかしながら、特許文献１に記載の照明光をプリズムの外面で反射させる構成においては、プリズムによって照明光を整形することが困難であるため、照明光を整形するために他の光学素子を用いることが必要になり、装置全体が複雑化してしまう。

一方、特許文献１に記載の照明光をプリズムの内面で反射させる構成においては、プリズムによって照明光を整形することは可能であるが、プリズムにおいて照明光が介する光学面が多くなる。そのため、プリズムの各光学面におけるキズや異物（付着物）などによって照明光の一部が散乱し、不要光として受光素子に入射することで測距精度が低下する可能性が高くなってしまう。

本発明は、簡素な構成でありながら不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学装置は、光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、前記第一面と前記第二面とは互いに非平行であり、前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射することを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成でありながら不要光の発生を抑制することができる光学装置の提供が可能になる。

実施例１に係る光学装置の要部概略図。 実施例１に係る光学装置における照明光及び反射光の光路図。 一般的な半導体レーザの模式図。 実施例１に係る分岐部の要部概略図。 実施例１に係る分岐部に対するＰ偏光の入射角と反射率との関係を示す図。 実施例２に係る光学装置の要部概略図。 実施例３に係る光学装置の要部概略図。 実施例３に係る光学装置における照明光及び反射光の光路図。 実施例３に係る分岐部の要部概略図。 実施形態に係る車載システムの機能ブロック図。 実施形態に係る車両（移動装置）の模式図。 実施形態に係る車載システムの動作例を示すフローチャート。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る光学装置１の光軸を含む断面（ＹＺ断面）における要部概略図（模式図）である。光学装置１は、光源部１０、分岐部２０、偏向部３０、受光部（第一受光部）４０、光源用受光部（第二受光部）５０、及び制御部６０を備える。図２は、光学装置１における光路図であり、図２（ａ）は光源部１０からの照明光が対象物（物体）１００に向かうときの光路（照明光路）を示し、図２（ｂ）は対象物１００からの反射光が受光部４０に向かうときの光路（受光光路）を示す。

光学装置１は、対象物１００からの反射光を受光することで、対象物１００を検出（撮像）する検出装置（撮像装置）や、対象物１００までの距離（距離情報）を取得する測距装置として用いることができる。本実施例に係る光学装置１は、対象物１００からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物１００までの距離を算出する、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）という技術を用いている。

光源部１０は、光源１１、光学素子１２、及び絞り１３を有する。光源１１としては、エネルギー集中度が高く指向性のよいレーザである半導体レーザなどを用いることができる。後述するように光学装置１を車載システムに適用する場合などは、対象物１００に人間が含まれる可能性がある。よって、光源１１としては人間の目に対する影響が少ない赤外光を射出するものを採用することが望ましい。本実施例に係る光源１１が射出する照明光の波長は、近赤外域に含まれる９０５ｎｍである。

図３は、一般的な半導体レーザ及び射出される光束を示す模式図である。図３に示す通り、光源１１としての半導体レーザの活性層１１１から出射する光束は発散光束であり、活性層１１１の出射面（発光面）に平行なｘｙ断面における光束の形状は楕円である。半導体レーザ１１が直線偏光型である場合、光束の偏光方向（電場の振動方向）は活性層１１１の上下面に平行な方向（ｚｘ断面内の方向）となる。

光学素子１２は、光源１１から射出された照明光の収束度を変化させる機能を有する。本実施例に係る光学素子１２は、光源１１から出射する発散光束を平行光束に変換（コリメート）するコリメータレンズ（集光素子）である。なお、ここでの平行光束は、厳密な平行光束だけではなく、弱発散光束や弱収束光束などの略平行光束を含むものである。

絞り１３は、開口が設けられた遮光部材であり、光学素子１２からの照明光を制限することでその光束径（光束幅）を決定している。本実施例に係る絞り１３の開口の形状は、照明光の形状に合わせて楕円になっているが、必要に応じて楕円以外の形状としてもよい。本実施例に係る絞り１３の開口の径は、Ｘ方向（長軸方向）において１．６０ｍｍ、Ｚ方向（短軸方向）において１．３０ｍｍである。

分岐部２０は、図２に示すように照明光路と受光光路とを分岐させ、光源部１０からの照明光を偏向部３０に導光すると共に、偏向部３０からの反射光を受光部４０に導光するための部材である。本実施例に係る分岐部２０は、単一の材料で構成された単一の分岐光学素子（プリズム）２１から成る。分岐光学素子２１の材料としては、照明光の波長に対する透過率が十分に高いものが望ましく、具体的には波長９０５ｎｍに対する屈折率が１．７０以上であるものが好ましい。本実施例に係る分岐光学素子２１の材料は、ＨＯＹＡ株式会社のＴＡＦＤ５５であり、その波長９０５ｎｍに対する屈折率は１．９７２である。

図４は、本実施例に係る分岐光学素子２１の要部概略図である。分岐光学素子２１は、光束を透過及び反射させる複数の光学面（第一面２１１、第二面２１２、及び第三面２１３）を有する。図４（ａ）は分岐光学素子２１の各光学面に垂直な断面（ＹＺ断面）の図を示し、図４（ｂ）は第二面２１２を法線方向から見たときの図を示す。本実施例において、ＹＺ断面内で第一面２１１と第二面２１２とがなす角度α_１は４１．９°であり、第一面２１１と第三面２１３がなす角度α_２は８１．８°である。

第一面２１１は、光源部１０からの照明光が入射する光学面である。上述したように、絞り１３の開口は楕円であるため、第一面２１１における照明光の通過領域（入射領域）２１１１の形状も楕円になる。また、第一面２１１は、光源部１０からの照明光の通過領域２１１１以外において、第二面２１２で反射した光を全反射させて第三面２１３に導光する全反射領域２１１２を含んでいる。なお、必要に応じて、通過領域２１１１に対応する部分に反射率を低下させ透過率を向上させるための反射防止膜を設けたり、全反射領域２１１２に対応する部分に反射膜を設けたりしてもよい。

第二面２１２は、第一面２１１からの照明光を透過させる透過領域２１２１と、偏向部３０からの反射光を反射させる反射領域２１２２とを含む。本実施例に係る透過領域２１２１の形状は楕円となっているが、この形状に限られるものではない。例えば、分岐部２０によって照明光を整形してその断面を円形とした場合は、それに合わせて透過領域２１２１を円形としてもよい。透過領域２１２１には、反射防止膜が設けられていてもよい。本実施例に係る反射領域２１２２には、金属や誘電体などで構成される反射膜（反射層）が設けられている。反射膜の最も下側（最下層）には、分岐光学素子２１の内部からの光を吸収するための吸収層が設けられていることが望ましい。

絞り１３の開口を通過した照明光は、第一面２１１から分岐光学素子２１の内部に進入し、第二面２１２の透過領域２１２１を透過して偏向部３０へ向かう。このように、本実施例においては、照明光を分岐光学素子２１の内部に進入させてから偏向部３０に導く構成を採っているため、第一面２１１及び第二面２１２の屈折作用によって照明光を整形することができる。よって、光源部１０からの照明光の拡がり角（発散角）がＸ方向とＺ方向とで異なる場合でも、光学装置１において良好な測距精度（検出精度）を得ることができる。

仮に、上述した特許文献１と同様に、照明光を分岐光学素子の外面で反射させて偏向部に導光する構成を採った場合について考える。この場合、光源部からの照明光はその外面のみを介して偏向部に向かうため、分岐光学素子によって照明光を整形するためには、その外面を非球面（アナモフィック面）にすることが必要になる。しかし、この構成においては、対象物からの反射光もその外面に入射することになるため、反射光が非球面の作用を受けてしまい、良好な測距精度を得ることが難しくなってしまう。

あるいは、外面と偏向部との間の照明光路のみに他の光学素子を配置することで照明光を整形する方法も考えられるが、光学装置における部品数が増加し、装置全体の複雑化及び大型化を招いてしまう。したがって、光学装置を簡素化及び小型化しつつ良好な測距精度を得るためには、本実施例のように照明光を分岐光学素子の内部に進入させ、分岐光学素子の複数の光学面を介して偏向部に導光する構成を採ることが望ましい。

さらに、本実施例においては、第一面２１１から分岐光学素子２１の内部に進入した照明光を、他の面を介さずに（直接）第二面２１２の透過領域２１２１に導光する構成を採っている。この構成によれば、分岐光学素子２１における必要最小限の光学面、すなわち第一面２１１及び第二面２１２のみによって照明光を整形することができる。これにより、各光学面におけるキズや異物などによって照明光の一部が散乱して不要光となり、受光部４０に入射してしまう可能性を低減することができる。

後述する車載システムなどにおいては、光学装置１に対して近距離（１ｍ程度）にある物体から遠距離（３００ｍ程度）にある物体までを対象物１００として検出することが求められる。しかし、対象物１００からの反射光（信号光）の強度は、光学装置１から対象物１００までの距離が長ければ長いほど小さくなる。例えば、光学装置１から対象物１００までの距離が１０倍になった場合、光学装置１が受光する反射光の強度は１／１００程度まで低下してしまう。

よって、特に遠距離にある対象物１００を測距する場合は、上述したような不要光が測距精度に大きな影響を与えてしまう。例えば、受光部４０が受光する信号光に対する不要光の割合が大きくなると、信号光と不要光とを区別することが困難になり、測距精度が大きく低下してしまう。なお、対象物１００までの距離の増大に応じて照明光の光量（光源１１の出力）を増加させる方法も考えられるが、対象物１００としての人間の目に対する影響が大きくなってしまうため好ましくない。

一方、本実施例に係る光学装置１は、簡素な構成でありながら、照明光の光量を増加させることなく不要光の発生を抑制し、良好な測距精度を実現することができる。また、本実施例に係る光学装置１によれば、可視光センサと比較して感度が低い赤外線センサを受光部４０に用いた場合にも、対象物１００の距離情報を高精度に取得することができる。

なお、分岐光学素子２１は、光源部１０からの照明光の径を変更（変倍）するように構成されていることが望ましい。本実施例においては、照明光が第一面２１１及び第二面２１２を透過する際に、屈折によってＹＺ断面における照明光の径が拡大されている。すなわち、ＹＺ断面において、透過領域２１２１から出射する照明光の径は、第一面２１１に入射する照明光の径よりも大きくなっている。

このように、照明光の径を拡大することで、照明光の拡がり角を低減することができるため、対象物１００が遠方にある場合においても十分な照度及び分解能を確保することができる。本実施例においては、光源部１０からの照明光の楕円形状に合わせて、ＹＺ断面における光束径のみを拡大しているが、この構成に限られるものではない。照明光の形状や求められる検出情報などに応じて、ＹＺ断面における光束径を縮小したり、ＹＺ断面に垂直な断面における光束径を変倍したりしてもよい。

ここで、ＹＺ断面において、第一面２１１に入射する照明光の径（絞り１３の径）をｈ_１、透過領域２１２１から出射する照明光の径（透過領域２１２１の径）をｈ_２とする。また、第一面２１１に対する照明光の入射角をθ_１［°］、第一面２１１に対する照明光の屈折角をθ_２［°］、透過領域２１２１に対する照明光の入射角をθ_３［°］、透過領域２１２１に対する照明光の屈折角をθ_４［°］とする。このとき、スネルの法則などに基づき、以下の式（１）で示す関係が成り立つ。
ｈ_２／ｈ_１＝（ｃｏｓθ_２×ｃｏｓθ_４）／（ｃｏｓθ_１×ｃｏｓθ_３） （１）

式（１）の両辺の値は、第一面２１１に対する入射角θ_１が透過領域２１２１に対する屈折角θ_４よりも大きい場合に１よりも大きくなる。すなわち、式（１）の両辺の値が１よりも大きくなる場合に、分岐光学素子２１によって照明光の径が拡大されることになる。本実施例においては、ｈ_１＝１．３０ｍｍ、ｈ_２＝２．９６ｍｍ、θ_１＝６９．４°、θ_２＝２８．３°、θ_３＝１３．５°、θ_４＝２７．５°であり、式（１）の両辺の値は２．２８となるため、照明光が拡大されていることがわかる。

偏向部３０は、分岐部２０からの照明光を偏向して対象物１００を走査すると共に、対象物１００からの反射光を偏向して分岐部２０に導光するための部材である。本実施例に係る偏向部３０は、単一の駆動ミラー（可動ミラー）３１で構成されている。駆動ミラー３１は、対象物１００の２次元走査を可能にするために、少なくとも二軸回りに揺動可能（二軸駆動ミラー）であることが望ましい。例えば、駆動ミラー３１としてガルバノミラーやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーなどを採用することができる。本実施例に係る駆動ミラー３１は、Ｘ軸回り及びＹ軸回りの揺動角度が±１５°、揺動周波数が１ｋＨｚ程度のＭＥＭＳミラーである。

受光部（測距用受光部）４０は、光学フィルタ４１、光学素子４２、及び受光素子（測距用受光素子）４３を有する。光学フィルタ４１は、所望の光のみを通過させ、それ以外の不要光を遮光（吸収）するための部材である。本実施例に係る光学フィルタ４１は、光源１１から出射する照明光に対応する波長帯域の光のみを透過させるバンドパスフィルタである。光学素子４２は、光学フィルタ４１を通過した光を受光素子４３の受光面に集光するための集光レンズである。なお、光学フィルタ４１及び光学素子４２の構成は本実施例に限られるものではない。例えば、必要に応じて各部材の配置の順を入れ替えたり各部材を複数配置したりしてもよい。

受光素子（第一受光素子）４３は、光学素子４２からの光を受光し、光電変換して信号を出力するための素子（センサ）である。受光素子４３としては、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）などで構成されたものを採用することができる。照明光により照明された対象物１００からの反射光は、偏向部３０により偏向されて分岐光学素子２１の反射領域２１２２により反射され、光学フィルタ４１及び光学素子４２を介して受光素子４３に入射する。

なお、第一面２１１からの照明光の一部は、透過領域２１２１において透過せずに反射する。この反射は、透過領域２１２１における反射防止膜の有無にかかわらず生じるものである。透過領域２１２１で反射した光は、第一面２１１の全反射領域２１１２で全反射して第三面２１３から分岐光学素子２１の外部へ出射し、光源用受光部５０に入射する。

光源用受光部５０は、光源１１からの照明光を光電変換して信号を出力するための光源用受光素子（第二受光素子）５１を備えている。光源用受光素子５１としては、例えば受光素子４３と同様のセンサを用いることができる。なお、光源用受光部５０は、必要に応じて、分岐光学素子２１からの光を光源用受光素子５１の受光面に導光するための光学素子（フィルタやレンズなど）を備えていてもよい。

制御部６０は、光源１１、駆動ミラー３１、受光素子４３、及び光源用受光素子５１などを制御する。制御部６０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの処理装置（プロセッサ）、又はそれを備える演算装置（コンピュータ）である。制御部６０は、光源１１及び駆動ミラー３１の夫々を所定の駆動電圧や所定の駆動周波数で駆動したり、光源用受光素子５１からの信号に応じて光源１１の出力（照明光の光量）を制御したりしている。制御部６０は、例えば光源１１を制御することで照明光をパルス光としたり、照明光の強度変調を行って信号光を生成したりすることもできる。

また、制御部６０は、光源１１から照明光が出射した時刻（発光時刻）から、受光素子４３が対象物１００からの反射光を受光した時刻（受光時刻）までの時間に基づいて、対象物１００の距離情報を取得することができる。このとき、制御部６０は、受光素子４３からの信号を特定の周波数で取得してもよい。なお、対象物１００からの反射光を受光するまでの時間ではなく、対象物１００からの反射光の位相に基づいて距離情報を取得してもよい。具体的には、光源１１の信号の位相と受光素子４３から出力される信号の位相との差分（位相差）を求め、その位相差に光速を乗じることで、対象物１００の距離情報を取得してもよい。

このようなＬｉＤＡＲを用いた測距装置としての光学装置１は、車両や歩行者、障害物等の対象物１００を識別し、その対象物１００の距離情報に応じて自車両を制御する車載システムに好適なものである。なお、ＬｉＤＡＲを用いる場合、光源部１０及び受光部４０の光軸の一部が互いに一致する同軸系か、各光軸が互いに一致しない非同軸系を採用することができる。本実施例に係る光学装置１は、分岐部２０を備えることで装置全体を小型化しつつ同軸系を実現している。

なお、第一面２１１おける照明光の通過領域２１１１にキズや異物が付いている場合、照明光の一部が散乱されて所望の照明光とは異なる角度に進行する散乱光となり、それが不要光として受光素子４３に入射することで測距精度が低下してしまう可能性が生じる。そこで、通過領域２１１１において生じた散乱光が受光素子４３に入射することを抑制するための条件について考える。

具体的には、第二面２１２の反射領域２１２２で反射した反射光の進行方向とは逆方向に進行する光の光路を辿る（逆光線追跡を行う）ことで、受光素子４３に入射してしまう散乱光（不要光）を特定する。まず、受光素子４３を仮想的な光源（起点）として出射する発散光を考える。受光素子４３の起点から出射した発散光は、光学素子４２で平行光に変換され、光学フィルタ４１を介して第二面２１２に到達する。この光のうち、第二面２１２の反射領域２１２２に入射する光は第一面の通過領域２１１１に到達することはないが、第二面２１２の透過領域２１２１に入射する光は屈折して通過領域２１１１に到達してしまう。

すなわち、受光素子４３から出射して第一面２１１の通過領域２１１１に到達する光の光路を、特定すべき散乱光の光路の逆光路であると考えることができる。よって、受光素子４３から出射して透過領域２１２１で屈折した光の進行方向（透過領域２１２１に対する屈折角ω）から透過領域２１２１を第一面２１１に投影したとき、その投影領域と通過領域２１１１とが互いに重ならないようにすることが望ましい。これにより、受光素子４３から出射して透過領域２１２１で屈折した光は通過領域２１１１に到達しなくなるため、仮に通過領域２１１１にキズや異物が付いていたとしても、それによる散乱光を受光素子４３が受光することを抑制することができる。

本実施例においては、通過領域２１１１に入射する照明光の進行方向と、反射領域２１２２で反射した反射光の進行方向とが、互いに平行（Ｙ方向）になっている。すなわち、本実施例に係る光源部１０及び受光部４０は、夫々の光軸が互いに平行になるように配置されている。この構成において、通過領域２１１１から透過領域２１２１までの照明光の最短光路長（最短距離）をｔ_ｓとするとき、以下の条件式（２）を満たすことが好ましい。
ｔ_ｓ／ｈ_１＞ｓｉｎ（９０°−θ_２−２θ_３）／（ｃｏｓθ_１×ｓｉｎ２θ_３） （２）

条件式（２）は、第一面２１１における通過領域２１１１と投影領域とが重ならないための、通過領域２１１１と透過領域２１２１との最短距離ｔ_ｓの条件を示している。図４（ａ）においては、点Ａ−Ｂ間の距離が通過領域２１１１と透過領域２１２１との最短距離ｔ_ｓである。本実施例においては、ｔ_ｓ＝４．７７ｍｍであり、条件式（２）の左辺の値はｔ_ｓ／ｈ_１＝３．６７、右辺の値は３．５６であるため、条件式（２）を満たしている。また、本実施例では、この投影領域を上述の全反射領域２１１２として用いている。

なお、光源１１は、図３に示したｘ軸と図１に示したＺ軸とが一致し、かつ図３に示したｙ軸と図１に示したＸ軸とが一致するように配置されていることが望ましい。このように光源１１を配置することで、第一面２１１の通過領域２１１１に入射する際の照明光を、ＹＺ断面内で電場が振動するＰ偏光とすることができる。

図５に、本実施例に係る第一面２１１に対するＰ偏光の入射角と反射率との関係を示す。第一面２１１におけるＰ偏光の反射率は、第一面２１１に対する入射角が０°から増加するにつれて減少し、一旦０になった後に増加する。Ｐ偏光の反射率が０になるときの入射角はブリュースター角と呼ばれている。Ｐ偏光の入射媒質に対する屈折率をＮ、出射媒質に対する屈折率をＮ´とするとき、ブリュースター角θ_Ｂは以下の式（３）で表される。
θ_Ｂ＝ｔａｎ^−１（Ｎ´／Ｎ） （３）

照明光を第一面２１１に対してブリュースター角θ_Ｂに近い入射角で入射させることで、反射防止膜を用いることなく第一面２１１の通過領域２１１１の反射率を低減することができる。これにより、簡素な構成で照明光を高効率に分岐光学素子２１の内部に入射させることが可能になる。したがって、分岐光学素子２１は以下の条件式（４）を満たすことが望ましい。
−１０＜θ_Ｂ−θ_１＜１０ （４）

本実施例おいて、分岐光学素子２１の材料に対するブリュースター角は６３．１°であるため、θ_Ｂ−θ_１＝−６．３°となり、条件式（４）を満たしている。さらに、以下の条件式（４ａ）及び（４ｂ）を順に満たすことがより好ましい。
−８．５＜θ_Ｂ−θ_１＜８．５ （４ａ）
−７．５＜θ_Ｂ−θ_１＜７．５ （４ｂ）

以上、本実施例に係る光学装置１によれば、簡素な構成でありながら不要光の発生を抑制することができる。

［実施例２］
図６は、本発明の実施例２に係る光学装置２の光軸を含む断面（ＹＺ断面）における要部概略図（模式図）である。本実施例に係る光学装置２は、実施例１に係る光学装置１とは異なり、偏向部３０と対象物（不図示）との間に配置された光学系７０を備えている。それ以外の構成については、実施例１に係る光学装置１と同等であるため説明を省略する。

光学系７０は、偏向部３０からの照明光の径を拡大すると共に、対象物からの反射光の径を縮小する光学系（テレスコープ）である。本実施例に係る光学系７０は、屈折力（パワー）を有する複数の光学素子（レンズ）で構成されており、かつ全系では屈折力を持たないアフォーカル系である。具体的に、光学系７０は、偏向部３０の側から対象物の側へ順に配置された正のパワーの第一レンズ７１及び正のパワーの第二レンズ７２）で構成されている。なお、光学系７０の構成はこれに限られるものではなく、必要に応じて３枚以上のレンズで構成されていてもよい。

本実施例に係る駆動ミラー３１は、光学系７０の入射瞳の位置に配置されている。また、本実施例に係る光学系７０の光学倍率（横倍率）βの絶対値は１よりも大きい（｜β｜＞１）。これにより、駆動ミラー３１によって偏向されて光学系７０に入射する照明光の主光線の偏向角に対して、光学系７０から出射する照明光の主光線の偏向角の方が小さくなり、対象物を検出する際の分解能を向上させることができる。

光源部１０からの照明光は、分岐部２０を介して偏向部３０により偏向され、光学系７０によって光学倍率βに応じて拡大され、対象物を照明する。そして、対象物からの反射光は、光学系７０によって光学倍率１／βに応じて縮小され、偏向部により偏向され、受光部４０に到達する。

このように、偏向部３０の対象物側に光学系７０を配置することで、分岐部２０だけでなく光学系７０によっても照明光の径を拡大することができる。これにより、照明光の径をさらに拡大して拡がり角をより低減することができるため、対象物が遠方にある場合においても十分な照度及び分解能を確保することができる。また、光学系７０によって瞳径を拡大することで、対象物からの反射光をより多く取り込むことができ、測距距離や測距精度を向上させることが可能になる。

［実施例３］
図７は、本発明の実施例３に係る光学装置３の光軸を含む断面（ＹＺ断面）における要部概略図（模式図）である。図８は、光学装置３における光路図であり、図８（ａ）は光源部１０からの照明光が対象物１００に向かうときの光路を示し、図８（ｂ）は対象物１００からの反射光が受光部４０に向かうときの光路を示す。本実施例に係る光学装置３において実施例１に係る光学装置１とは異なる点は、分岐部２０の構成と、光源部１０及び光源用受光部５０の配置である。それ以外の構成については、実施例１に係る光学装置１と同等であるため説明を省略する。

本実施例に係る分岐部２０は、実施例１に係る分岐光学素子２１とは異なる形状の分岐光学素子２３を備えている。そして、本実施例に係る光学装置３は、実施例１に係る光学装置１とは異なり、光源部１０から分岐部２０に入射する照明光の進行方向（Ｚ方向）と、分岐部２０で反射した反射光の進行方向（Ｙ方向）とが、互いに垂直になっている。すなわち、本実施例に係る光源部１０及び受光部４０は、夫々の光軸が互いに垂直になるように配置されている。

図９は、本実施例に係る分岐光学素子２３の要部概略図である。分岐光学素子２３は、第一面２３１及び第二面２３２を有する。図９（ａ）は分岐光学素子２３の各光学面に垂直な断面（ＹＺ断面）の図を示し、図９（ｂ）は第二面２３２を法線方向から見たときの図を示す。本実施例において、ＹＺ断面内で第一面２３１と第二面２３２とがなす角度α_１（不図示）は１２．７°である。

絞り１３の開口を通過した照明光は、第一面２３１から分岐光学素子２３の内部に進入し、他の面を介さずに第二面２３２に到達し、透過領域２３２１を透過して偏向部３０へ向かう。本実施例においては、ｈ_１＝１．３０ｍｍ、ｈ_２＝２．９５ｍｍ、θ_１＝７０．２°、θ_２＝２８．５°、θ_３＝１５．８°、θ_４＝３２．５°であり、上述した式（１）の両辺の値は２．２７となるため、第一面２３１及び第二面２３２によって照明光が拡大される。第一面２３１からの照明光の一部は、透過領域２３２１において透過せずに反射し、第一面２３１の透過領域２３１２を透過して分岐光学素子２３の外部へ出射し、光源用受光部５０に入射する。

実施例１と同様に、第一面２３１の通過領域２３１１において生じた散乱光が受光素子４３に入射することを抑制するための条件について考える。本実施例においては、通過領域２３１１に入射する照明光の進行方向と、反射領域２３２２で反射した反射光の進行方向とが、互いに垂直になっている。この構成において、通過領域２３１１から透過領域２３２１までの照明光の最長光路長（最長距離）をｔ_ｌとするとき、以下の条件式（５）を満たすことが好ましい。
ｔ_ｌ／ｈ_１＞ｓｉｎ（９０°＋θ_２−２θ_３）／（ｃｏｓθ_１×ｓｉｎ２θ_３） （５）

条件式（５）は、条件式（２）と同様に、透過領域２３２１を屈折角ωで第一面２３１に投影したときの投影領域と通過領域２３１１とが互いに重ならないための条件を示している。図９（ａ）においては、点Ａ−Ｂ間の距離が通過領域２３１１と透過領域２３２１との最長距離ｔ_ｌである。本実施例においては、ｔ_ｌ＝７．６１ｍｍであり、条件式（５）の左辺の値はｔ_ｌ／ｈ_１＝５．８５、右辺の値は５．６３であるため、条件式（５）を満たしている。また、本実施例では、この投影領域を上述の透過領域２３１２として用いている。

なお、光源１１は、図３に示したｘ軸と図７に示したＹ軸とが一致し、かつ図３に示したｙ軸と図７に示したＸ軸とが一致するように配置されていることが望ましい。このように光源１１を配置することで、実施例１と同様に、第一面２３１の通過領域２３１１に入射する際の照明光を、ＹＺ断面内で電場が振動するＰ偏光とすることができる。本実施例おいて、分岐光学素子２３の材料に対するブリュースター角は６３．１°であるため、θ_Ｂ−θ_１＝−７．１°となり、条件式（４）を満たしている。

このように、本実施例に係る分岐光学素子２３を用いることで、光源部１０及び受光部４０の光軸が互いに垂直である構成においても、装置全体を簡素化しつつ不要光の発生を抑制することができる。なお、必要に応じて、本実施例に係る偏向部３０の対象物側にも、実施例２と同様に光学系（テレスコープ）を配置してもよい。

表１に、各実施例における上述した各式に関する値を示す。

［車載システム］
図１０は、本実施形態に係る光学装置１及びそれを備える車載システム（運転支援装置）１０００の構成図である。車載システム１０００は、自動車（車両）等の移動可能な移動体（移動装置）により保持され、光学装置１により取得した車両の周囲の障害物や歩行者などの対象物の距離情報に基づいて、車両の運転（操縦）を支援するための装置である。図１１は、車載システム１０００を含む車両５００の模式図である。図１１においては、光学装置１の測距範囲（検出範囲）を車両５００の前方に設定した場合を示しているが、測距範囲を車両５００の後方や側方などに設定してもよい。

図１０に示すように、車載システム１０００は、光学装置１と、車両情報取得装置２００と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）３００と、警告装置４００とを備える。車載システム１０００において、光学装置１が備える制御部６０は、距離取得部（取得部）及び衝突判定部（判定部）としての機能を有する。ただし、必要に応じて、車載システム１０００において制御部６０とは別体の距離取得部や衝突判定部を設けてもよく、夫々を光学装置１の外部（例えば車両５００の内部）に設けてもよい。あるいは、制御装置３００を制御部６０として用いてもよい。

図１２は、本実施形態に係る車載システム１０００の動作例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って車載システム１０００の動作を説明する。

まず、ステップＳ１では、光学装置１の光源部１０により車両の周囲の対象物を照明し、対象物からの反射光を受光することで受光部４０が出力する信号に基づいて、制御部６０により対象物の距離情報を取得する。また、ステップＳ２では、車両情報取得装置２００により車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む車両情報の取得を行う。そして、ステップＳ３では、制御部６０によって、ステップＳ１で取得された距離情報やステップＳ２で取得された車両情報を用いて、対象物までの距離が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を行う。

これにより、車両の周囲の設定距離内に対象物が存在するか否かを判定し、車両と対象物との衝突可能性を判定することができる。なお、ステップＳ１及びＳ２は、上記の順番とは逆の順番で行われてもよいし、互いに並列して処理を行われてもよい。制御部６０は、設定距離内に対象物が存在する場合は「衝突可能性あり」と判定し（ステップＳ４）、設定距離内に対象物が存在しない場合は「衝突可能性なし」と判定する（ステップＳ５）。

次に、制御部６０は、「衝突可能性あり」と判定した場合、その判定結果を制御装置３００や警告装置４００に対して通知（送信）する。このとき、制御装置３００は制御部６０での判定結果に基づいて車両を制御し（ステップＳ６）、警告装置４００は制御部６０での判定結果に基づいて車両のユーザ（運転者）への警告を行う（ステップＳ７）。なお、判定結果の通知は、制御装置３００及び警告装置４００の少なくとも一方に対して行えばよい。

制御装置３００は、車両に対して、例えばブレーキをかける、アクセルを戻す、ハンドルを切る、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制するなどの制御を行う。また、警告装置４００は、運転者に対して、例えば警告音を発する、カーナビゲーションシステムなどの画面に警告情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどの警告を行う。

以上、本実施形態に係る車載システム１０００によれば、上記の処理により対象物の検出及び測距を行うことができ、車両と対象物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施例に係る光学装置１を車載システム１０００に適用することで、高い測距精度を実現することができるため、対象物の検出及び衝突判定を高精度に行うことが可能になる。

なお、本実施形態では、車載システム１０００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限らず、車載システム１０００をクルーズコントロール（全車速追従機能付を含む）や自動運転などに適用してもよい。また、車載システム１０００は、自動車等の車両に限らず、例えば船舶や航空機、産業用ロボットなどの移動体に適用することができる。また、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）や監視システム等の物体認識を利用する種々の機器に適用することができる。

［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

例えば、必要に応じて、分岐部２０（第二面）と偏向部３０との間の光路上に他の光学素子を配置してもよい。ただし、上述したような不要光の発生をより良好に抑制するためには、上述した各実施例のように分岐部２０と偏向部３０との間の光路上には何も配置されていないことが望ましい。言い換えると、第二面からの照明光が他の面を介さずに駆動ミラー３１に入射する構成を採ることが望ましい。

各実施例においては各部材が一体化（一体的に保持）されているが、必要に応じて各部材を別体として構成してもよい。例えば、分岐部２０又は偏向部３０に対して光源部１０や受光部４０を着脱可能としてもよい。その場合、各部材を保持する保持部材（筐体）に、互いに接続するための接続部（結合部）を設ければよい。このとき、光源部１０と分岐部２０との位置決めの精度を向上させるために、絞り１３を分岐部２０内に設け、分岐光学素子と共通の保持部材により保持してもよい。

また、分岐部２０は、各実施例において単一の分岐光学素子により構成されているが、必要に応じて複数の光学素子で構成されていてもよい。例えば、分岐光学素子と光源部１０や光源用受光部５０との間に屈折光学素子を設けてもよい。また、分岐光学素子の第二面における反射領域を別の反射光学素子として設けてもよい。ただし、装置全体の簡素化及び不要光の低減のためには、分岐部２０を単一の分岐光学素子で構成することが望ましい。

１ 光学装置
１１ 光源
２０ 分岐部
３０ 偏向部
４３ 受光素子
１００ 対象物（物体）
２１１ 第一面
２１２ 第二面
２１２１ 透過領域
２１２２ 反射領域

Claims (30)

1. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
   前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
   前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
   前記第一面と前記第二面とは互いに非平行であり、
   前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射することを特徴とする光学装置。
2. 前記反射領域で反射した前記反射光の進行方向とは逆方向に進行する光が前記透過領域に入射したとき、前記透過領域で屈折した前記光は前記第一面における前記照明光の通過領域に入射しないことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第一面に入射する前記照明光の進行方向と、前記反射領域で反射した前記反射光の進行方向とは、互いに平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記第一面から前記透過領域までの前記照明光の最短光路長をｔ_ｓ、前記第一面に入射する前記照明光の径をｈ_１、前記第一面に対する前記照明光の入射角をθ_１［°］、前記第一面に対する前記照明光の屈折角をθ_２［°］、前記透過領域に対する前記照明光の入射角をθ_３［°］とするとき、
   ｔ_ｓ／ｈ_１＞ｓｉｎ（９０°−θ_２−２θ_３）／（ｃｏｓθ_１×ｓｉｎ２θ_３）
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 前記第一面に入射する前記照明光の進行方向と、前記反射領域で反射した前記反射光の進行方向とは、互いに垂直であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
6. 前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記第一面から前記透過領域までの前記照明光の最長光路長をｔ_ｌ、前記第一面に入射する前記照明光の径をｈ_１、前記第一面に対する前記照明光の入射角をθ_１［°］、前記第一面に対する前記照明光の屈折角をθ_２［°］、前記透過領域に対する前記照明光の入射角をθ_３［°］とするとき、
   ｔ_ｌ／ｈ_１＞ｓｉｎ（９０°＋θ_２−２θ_３）／（ｃｏｓθ_１×ｓｉｎ２θ_３）
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記透過領域から出射する前記照明光の径は、前記第一面に入射する前記照明光の径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学装置。
8. 前記分岐部は、前記透過領域で反射した光が入射する第三面を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 前記第一面は、前記透過領域で反射した光を反射させて前記第三面に導光することを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
10. 前記透過領域で反射した光を受光する光源用受光素子を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学装置。
11. 前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記第一面に対する前記照明光の入射角をθ_１［°］、前記第一面におけるブリュースター角をθ_Ｂ［°］とするとき、
    −１０＜θ_Ｂ−θ_１＜１０
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学装置。
12. 前記透過領域の形状は、楕円であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学装置。
13. 前記分岐部は、単一の光学素子から成ることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学装置。
14. 前記光学素子の材料の波長９０５ｎｍに対する屈折率は、１．７０以上であることを特徴とする請求項１３に記載の光学装置。
15. 前記透過領域からの前記照明光は、他の面を介さずに前記偏向部に入射することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか一項に記載の光学装置。
16. 前記偏向部からの前記照明光の径を拡大すると共に、前記物体からの前記反射光の径を縮小する光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項に記載の光学装置。
17. 前記受光素子の出力に基づいて前記物体の距離情報を取得する制御部を備えることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか一項に記載の光学装置。
18. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射し、
    前記反射領域で反射した前記反射光の進行方向とは逆方向に進行する光が前記透過領域に入射したとき、前記透過領域で屈折した前記光は前記第一面における前記照明光の通過領域に入射しないことを特徴とする光学装置。
19. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射し、
    前記第一面に入射する前記照明光の進行方向と、前記反射領域で反射した前記反射光の進行方向とは、互いに平行であることを特徴とする光学装置。
20. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射し、
    前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記透過領域から出射する前記照明光の径は、前記第一面に入射する前記照明光の径よりも大きいことを特徴とする光学装置。
21. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面と、前記透過領域で反射した光が入射する第三面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射することを特徴とする光学装置。
22. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射し、
    前記透過領域で反射した光を受光する光源用受光素子を更に備えることを特徴とする光学装置。
23. 光源からの照明光を偏向して物体を走査すると共に、前記物体からの反射光を偏向する偏向部と、
    前記光源からの前記照明光を前記偏向部に導光すると共に、前記偏向部からの前記反射光を受光素子に導光する分岐部とを備え、
    前記分岐部は、前記光源からの前記照明光が入射する第一面と、該第一面からの前記照明光が透過する透過領域及び前記偏向部からの前記反射光が反射する反射領域を含む第二面とを有し、
    前記第一面からの前記照明光は、他の面を介さずに前記透過領域に入射し、
    前記第一面及び前記第二面に垂直な断面において、前記第一面に対する前記照明光の入射角をθ_１［°］、前記第一面におけるブリュースター角をθ_Ｂ［°］とするとき、
    −１０＜θ_Ｂ−θ_１＜１０
    なる条件式を満たすことを特徴とする光学装置。
24. 請求項１乃至２３の何れか一項に記載の光学装置を備え、該光学装置によって得られた前記物体の距離情報に基づいて車両と前記物体との衝突可能性を判定することを特徴とする車載システム。
25. 前記車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両に制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項２４に記載の車載システム。
26. 前記車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両の運転者に対して警告を行う警告装置を備えることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の車載システム。
27. 請求項１乃至２３の何れか一項に記載の光学装置を備え、該光学装置を保持して移動可能であることを特徴とする移動装置。
28. 前記光学装置によって得られた前記物体の距離情報に基づいて前記物体との衝突可能性を判定する判定部を有することを特徴とする請求項２７に記載の移動装置。
29. 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、移動を制御する制御信号を出力する制御部を備えることを特徴とする請求項２８に記載の移動装置。
30. 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記移動装置の運転者に対して警告を行う警告部を備えることを特徴とする請求項２８又は２９に記載の移動装置。

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