JP6669450B2

JP6669450B2 - 光レーダ装置、車載レーダ装置、インフラレーダ装置

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Publication number: JP6669450B2
Application number: JP2015151231A
Authority: JP
Inventors: 義久天野
Original assignee: U-SHINLTD.
Current assignee: U-SHINLTD.
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: JP2017032359A

Description

本発明は、光レーダ装置、車載レーダ装置、インフラレーダ装置に関する。

近年、世界中で自動運転システムの研究が活発化している。この自動運転システムでは、その頭脳となる車載コンピュータが、目となる各種の障害物センサーの情報を基に道路状況を把握し、自動的に運転を行う。そのため、重要な技術要素となるのが、目となる障害物センサーであり、旧来の車載レーダの域を超えた高性能なレーダ技術が求められている。

このような高性能レーダ技術として注目されているのが、３次元光レーダ（ＬＩＤＡＲ）である。２０１２年に世界初の公道での自動走行に成功したＧｏｏｇｌｅ（登録商標）Ｖｅｈｉｃｌｅも、メインセンサとして、非特許文献１に開示された高性能ＬＩＤＡＲを搭載していた。

このＶｅｌｏｄｙｎｅ社ＬＩＤＡＲは装置全体が高速回転するという特殊な構造である。そのため、一般的には、設計が困難なものである。こうしたことから、装置は動かさずに光ビームだけを高速走査させる設計を採用する場合が多い。非特許文献２に開示されたＩＨＩ（登録商標）社の３次元光レーダは、このような設計思想の代表例であり、既に国内ＪＲ（登録商標）各社の踏切に導入設置が進んでいる。

ここで、「３次元」と呼ばれる意味を、図１１の模式図を用いて説明する。図１１に示すように、発光素子（３０１）が発射した光ビームの方向変化を、離れた位置にある仮想スクリーン（３２１）の上のビームスポット（３３１）で観察すると、その位置が水平軸方向と垂直軸方向との両方に走査され、２次元面分布状の点列を形成する。この点列のそれぞれにおいて、障害物までの距離軸（奥行き）の測定もできる、という意味である。

このように、ビームスポット（３３１）を２次元面的に走査する原理は、例えば、特許文献１の図５、図６に開示されている。ここでは、これを分かり易くするために、これら図において、重要な部分のみを強調して描き直し、図１３として示した。図１３において、発光素子（５０１）から出た送信レーザ光線は、まず回転ポリゴンミラー（５１１）によって水平方向にビーム方向が走査される。次に、回転ミラー（５１２）によって垂直方向にもビーム方向が走査される。

発光素子（５０１）から出た送信レーザ光線は、障害物等に当たると反射して、受信レーザ光線となって戻ってくる。受信レーザ光線は、まず、回転ミラー（５１２）に反射し、次に、回転ポリゴンミラー（５１１）によって反射し、受光素子（５０２）へと導かれる。そのため、発光素子（５０１）と受光素子（５０２）の間の時間差から、光が空中を飛んだ時間（ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ）が計測され、障害物までの距離が計算される。

３次元光レーダは高性能だが、現時点では非常に高価である。高価になる原因は幾つかあるが、図１３で示したような複雑精緻な回転機構もコスト増の大きな原因であることは言うまでもない。特許文献１によれば、ポリゴンミラー（５１１）は一方向回転、回転ミラー（５１２）は往復回転をするが、いずれにしろｍｓｅｃオーダの高速運動が必要で、しかも、僅かに回転角度がずれるだけでも光ビームの方向が大きくずれてしまう。

最近では、３次元ＬＩＤＡＲから２次元ＬＩＤＡＲへと性能を落として、その代わり低コスト化を実現しよう、という開発が活発化している。ここで言う「２次元」の意味は一般的に、図１２の模式図のように、仮想スクリーン（４２１）上のビームスポット（４３１〜４３４）が水平軸方向のみに広がり１次元点列となり、この点列のそれぞれにおいて障害物等（４４２）までの距離軸（奥行き）の測定もできる、という意味である。

非特許文献３に開示された２次元光レーダはその一例であり、１０万円を切る価格を実現している。図１２は、一部簡略化して描いた模式図である。発光素子（４０１）は、予め複数が一直線上に実装されている。非特許文献３では１６素子であるが、図１２では、理解容易なように、４素子で描いている。

複数の発光素子（４０１）を順次点灯させることで、図１２は、図１３のような回転機構を一切無くしているにも関わらず、水平軸方向のみだが同様の１次元走査点列（４３１〜４３４）を生成することができる。その意味で、以降、この形式を固定式と呼ぶこともある。光ビーム１本当たりの広がり角度は２．８度であり、１６素子分を合計すると総合視野角４５度を実現している。なお受光素子に関しては、発光素子（４０１）の近くに置かれ、逆方向に戻ってくる反射光を拾うだけなので、図中では省略している。

特開２０１０−４４４９６号公報特開平１１−６４５１８号公報

Ｖｅｌｏｄｙｎｅ社「ＨＤＬ−６４Ｅ」ＬＩＤＡＲ製品カタログＩＨＩ社３次元光レーダ「三次元レーザレーダ式踏切障害物検知装置」製品カタログＬｅｄｄａｒＴｅｃｈ社２次元光レーダ「ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｋｉｔ」製品カタログ

しかしながら、図１２のような２次元光レーダでは、垂直軸方向の走査性能が３次元光レーダに比べて劣るため、車載レーダとして安全を保障できるのか、という疑問の声も根強い。一例として、道路上には高さが低い障害物（４４２）等がある場合も予想されるが、２次元光レーダの場合には、光ビームが頭上を素通りしてしまい見落とす危険がある。

そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、３次元光レーダ装置よりも回転機構を簡素化し、小型化、薄型化、低コストを実現するとともに、２次元レーダ装置よりも垂直軸方向の走査性能に優れた光レーダ装置、車載レーダ装置、インフラレーダ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。

（１）本発明は、発光素子が発射した光ビームが対象物に反射し、反射光ビームが受光素子で検出されるまでの時間差を用いて障害物の有無と距離を測定する光レーダ装置において、Ｎを２以上の自然数として、前記発射したビームの発射方向に対し垂直な同一平面上に実装配置されたＮ個の発光素子と、前記Ｎ個の発光素子を順次点灯することによってビーム方向走査を行うビーム制御手段と、前記Ｎ個の発光素子の発射光ビーム経路および受光素子への受光ビーム経路の経路上に、直角面側を前記発光素子に対向させて配置されたウェッジ型プリズムと、前記ウェッジ型プリズムを透過した発射光ビームおよび受光ビームを屈折させるように前記発射光ビームの発射方向を回転軸として前記ウェッジ型プリズムを回転させる回転制御手段と、を備えたことを特徴とする光レーダ装置を提案している。

（２）本発明は、（１）の光レーダ装置について、前記Ｎ個の発光素子が、前記発射したビームの発射方向に対し垂直な同一平面上に一列に実装配置されていることを特徴とする光レーダ装置を提案している。

（３）本発明は、（１）の光レーダ装置について、前記Ｎ個の発光素子が、前記発射したビームの発射方向に対し垂直な同一平面上に交わるように列をなして実装配置されていることを特徴とする光レーダ装置を提案している。

（４）本発明は、（１）の光レーダ装置について、前記Ｎ個の発光素子が、任意の発光素子を中心に放射状に実装配置されていることを特徴とする光レーダ装置を提案している。

（５）本発明は、（１）から（４）のいずれかの光レーダ装置を車両前後のコーナー部に設けたことを特徴とする車載レーダ装置を提案している。

（６）本発明は、（１）から（４）のいずれかの光レーダ装置を走行車線が交わる地点の近傍あるいは、走行車線と線路が交わる地点の近傍の歩道あるいは路側帯あるいは車道外側線の歩道側に設けたことを特徴とするインフラレーダ装置を提案している。

本発明によれば、３次元光レーダ装置よりも回転機構を簡素化し、小型、低コストを実現するとともに、２次元レーダ装置よりも垂直軸方向の走査性能に優れた光レーダ装置、車載レーダ装置、インフラレーダ装置を提供することができるという効果がある。

本発明の実施形態に係る光レーダ装置の概要を示す図である。本発明の実施形態に係る光レーダ装置の概要を示す図である。本発明の実施形態に係る光レーダ装置の構成を示す図である。本発明の実施形態の第１の変形例に係る光レーダ装置における発光素子の配列および仮想スクリーン上の投影点分布を示す図である。本発明の実施形態の第２の変形例に係る光レーダ装置における発光素子の配列および仮想スクリーン上の投影点分布を示す図である。本発明の実施形態に係る光レーダ装置を車載レーダ装置とした場合の概観図である。本発明の実施形態に係る光レーダ装置を車載レーダ装置として用いた場合の概略図である。本発明の実施形態に係る光レーダ装置をインフラレーダ装置として用いた場合の概略図である。本発明の実施形態と関連技術の相違を説明するための図である。本発明の実施形態と関連技術の相違を説明するための図である。関連技術に係る３次元光レーダの概要を示す図である。関連技術に係る２次元光レーダの概要を示す図である。関連技術に係る３次元レーダの機構の模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

＜実施形態＞
図１から図１０を用いて、本発明の実施形態について説明する。

＜本実施形態の概要＞
図１、図２に示すように、本実施形態に係る光レーダ装置は、発光素子（１０１）が発射する光ビームを全て、発光素子（１０１）の前面に接近して配置された傾斜面を有するウェッジ型のプリズム（１０３）を通過させることにより、発光素子（１０１）が発射する光ビームの進行方向を曲げる。

ウェッジ型プリズム（１０３）は高速回転しており、そのため、瞬間々々によって光ビームが曲がる方向が変化する。そのため、離れた位置の仮想スクリーン（１２１）上に投射される点列の中の一点（１３１）に注目すると、ほぼ真円の円周（１４１）上の点列（１３１〜１３４）を形成することになる。

Ｎ個の点列全体で見れば、すべての発光素子の回動軌跡を重複させることによって、楕円に近い長円形（１４２）の内部を塗り潰すような２次元面分布の点列になる。従って、全体として３次元光レーダとして機能できる。

＜光レーダ装置の構成＞
図３を用いて、本実施形態に係る光レーダ装置の構成について説明する。

本実施形態に係る光レーダ装置１００は、レーザ光Ｌの発光と同時に発光同期信号ｉを送信する投光部１０１と、投光部１０１の前面に接近して配置され、傾斜面を有するウェッジ型プリズム１０３と、ウェッジ型プリズム１０３に設けられた図示しないモータを駆動するモータドライバ１０３ａと、反射光Ｌ´を受光して受光信号ｊを送信する受光部１０２と、発光同期信号ｉ及び受光信号ｊを受信して投光されたレーザ光Ｌが物体に反射して受光されるまでの時間（以下、「飛光時間Δｔ」と称する）を計測する時間計測部１０４と、主に、受光信号ｊと投光条件等を関連付けた計測データｄを生成する制御部１０５とから構成されている。

投光部１０１は、障害物等に対して、レーザ光を発光して照射する機器であり、レーザ光Ｌをコリメートする投光レンズ１０１ａと、光源となる発光素子１０１ｂと、発光素子に発光に必要な電流を供給する発光ドライバ１０１ｃとを備えている。発光ドライバ１０１ｃは、制御部１０５からのトリガー信号ｋに基づいて、レーザ光Ｌを発光するように発光素子１０１ｂに対して電流を供給するとともに、レーザ光Ｌの発光と同時にパルス状の発光同期信号ｉを時間計測部１０４に出力する。なお、本実施形態においては、発光素子１０１ｂが、発光したビームの発光方向に対し垂直な同一平面上にＮ個（Ｎ：正の自然数）一列に実装配置されている。

投光レンズ１０１ａを透過したレーザ光Ｌは、回転駆動されるウェッジ型プリズム１０３により構成される光学系により、略水平方向及び略鉛直方向に走査される。ここで、ウェッジ型プリズム１０３は、直角面と傾斜面を有する光学素子であり、レーザ光の方向を変える。また、モータドライバ１０３ａは、制御部１０５からの信号により制御される。なお、本実施形態においては、ウェッジ型プリズム１０３が、Ｎ個の発光素子１０１ｂの発光ビーム経路および受光素子への受光ビーム経路の経路上に、直角面側を発光素子に対向させて配置されている。また、ウェッジ型プリズム１０３は、発光ビームの発射方向を回転軸として回転される。

受光部１０２は、障害物等の物体に照射されたレーザ光Ｌの反射光Ｌ´を受光する機器である。かかる受光部１０２は、例えば、反射光Ｌ´を集光する受光レンズ１０２ａと、集光された反射光Ｌ´を受光して電圧に変換する受光素子１０２ｂと、増幅・圧縮・デコード等の処理を施す機器１０２ｃとから構成されている。反射光Ｌ´は、投光されるレーザ光Ｌと同様に、ウェッジ型プリズム１０３を介して受光レンズ１０２ａに導かれる。そして、反射光Ｌ´を受光した機器１０２ｃは、電圧値に変換された受光信号ｊを時間計測部１０４に出力する。

時間計測部１０４は、時間を計測する時計機能を有しており、発光同期信号ｉの受信により時間の計測を開始し、受光信号ｊを受信した時間を把握することによって、レーザ光Ｌの飛光時間Δｔを計測する。また、時間計測部１０４は、計測した飛光時間Δｔと受光信号ｊとを関連付けて制御部１０５に送信する。

制御部１０５は、Ｎ個の発光素子を順次点灯することによってビーム方向走査を行うビーム制御部１０５ａと、ウェッジ型プリズム１０３の回転駆動を制御する回転制御部１０５ｂと、距離データを生成する信号処理部１０５ｃとから構成されている。

信号処理部１０５ｃは、受信した飛光時間Δｔと光の速度から受光信号ｊを距離データに変換し、距離データ信号を生成する。受光信号ｊは、例えば、（光の速度）×（飛光時間Δｔ）／２の計算式により距離データに変換される。

＜第１の変形例＞
上記の実施形態では、発光素子１０１ｂが、発光したビームの発光方向に対し垂直な同一平面上にＮ個（Ｎ：正の自然数）一列に実装配置されている例を示した。しかしながら、図４に示すように、発光素子１０１ｂが、発光したビームの発光方向に対し垂直な同一平面上に直交するような列をなして配置されていてもよい。

図４は、仮想スクリーン上に投射される点列と、その回転軌跡（点線で示した円）を示している。すべての発光素子の回動軌跡を重ねたものは、実施形態のものに、垂直方向に列状に配列された発光素子の回動軌跡を重ねたものとなる。つまり、図４のように、発光素子を実装配列することにより、中心部において点列が密であり、しかも、実施形態に比べて、局所的であるが、垂直方向への走査エリアが拡大した光レーダ装置を実現できる。

なお、実施形態における発光素子の配列に直交するような点列を増やすように配置することにより、垂直方向への走査エリアを均一にすることもできる。

＜第２の変形例＞
上記の実施形態では、発光素子１０１ｂが、発光したビームの発光方向に対し垂直な同一平面上にＮ個（Ｎ：正の自然数）一列に実装配置されている例を示した。しかしながら、図５に示すように、ある発光素子を中心として、放射状に点列を実装配置してもよい。

図５は、仮想スクリーン上に投射される点列と、その回転軌跡（点線で示した円）を示している。すべての発光素子の回動軌跡を重ねたものは、図５のように、中心部において点列が密であり、しかも、水平方向の走査エリアおよび垂直方向の走査エリアが均一になっている。

＜第１の応用例＞
図６は、本実施形態に係る光レーダ装置を車載用レーダ装置６０４に適用した場合の外観図を示している。この図に示すように、本実施形態においては、光学系を単にプリズム１個を等速円運動させる簡素な構成としたことから、車載用レーダ装置に要求される薄型のデザインを実現することができる。

図７は、車体６４１の前方後方の４隅に本実施形態に係る光レーダ装置を用いた車載用レーダ装置を搭載した場合のイメージ図である。なお、車載用として求められる水平方向、垂直方向の走査エリアは、上記第１の変形例および第２の変形例により、発光素子の配置を考慮することにより実現できる。

＜第２の応用例＞
図８は、本実施形態に係る光レーダ装置をインフラレーダ装置として、交差点に配置した場合のイメージ図である。なお、インフラレーダ装置として求められる水平方向、垂直方向の走査エリアは、上記第１の変形例および第２の変形例により、発光素子の配置を考慮することにより実現できる。

また、図８に示す場合に限らず、例えば、踏切に設置することにより、線路内への侵入を検知することもできる。なお、本実施形態においては、光学系を単にプリズム１個を等速円運動させる簡素な構成としたことから、小型化を実現できるため、交差点や踏切等の近傍で場所を限定することなく、設置、運用することができる。

＜関連技術との差異＞
図９、図１０は、特許文献２の要旨を整理した図である。図９は、斜視図であり、図１０は、真横から見た断面図である。図において、レーダ装置（２０４）の内部で、１個の発光素子（２０１）が発射した光ビームが、その前面に置かれた傾斜面を持つウェッジ型のプリズム（２１３）を通過する。ウェッジ型プリズム（２１３）は高速回転しているため、通過した光ビームは、離れた位置では円周状に並んだ点列（２３１〜２３４）を形成する。この円周状の点列（２３１〜２３４）のことを、特許文献２の中では「ファンビーム」と呼んでいる。

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、この先に、更に、かまぼこ型のレンズ（２１４）が配置されており、扇形に方向に曲げられ拡散しつつある光ビームを、図９、図１０では垂直方向のみ整形し、平行光に戻す。これにより、水平方向には光ビームが拡散し、垂直方向には拡散が抑えられる。すなわち、特許文献２に記載の技術は、この現象を利用し、水平方向のみの１次元走査、つまり、２次元光レーダを実現することを目的としている。

ここで、特許文献２に記載の技術と本実施形態およびその周辺技術とは、以下の点において相違する。

第１に、機能が異なる。上述の如く、本実施形態およびその周辺技術は、３次元光レーダに関するものであるが、図９、図１０において、明らかなように、特許文献２に記載の技術は、２次元光レーダに関するものである。
第２に、原理が異なる。本実施形態およびその周辺技術において生成する点列（１３１〜１３４）は、図１に示すように、全体として楕円に近い長円形（１４２）の内部を塗り潰した２次元分布になるが、特許文献２に記載の技術において生成する点列（２３１〜２３４）は、図９に示すように、塗り潰しが無い円周状になり１次元分布であるため、水平方向、垂直方向の走査性能において、全く異なるものである。

以上、説明したように、本実施形態によれば、複雑精緻な回転機構を必要とせず、単にプリズム１個を等速円運動させるだけで、３次元光レーダ装置を実現することができる。そのため、関連技術に比べて、大幅に簡略化、低コスト化が可能になる。また、図２から明らかなように、装置全体として薄型デザインが可能である。

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１００；光レーダ装置
１０１；投光部
１０１ａ：投光レンズ
１０１ｂ；発光素子
１０１ｃ；発光ドライバ
１０２；受光部
１０２ａ：受光レンズ
１０２ｂ；受光素子
１０２ｃ；機器
１０３；ウェッジ型プリズム
１０３ａ；モータドライバ
１０４；時間計測部
１０５；制御部
１０５ａ：ビーム制御部
１０５ｂ；回転制御部
１０５ｃ；信号処理部
２０１；発光素子
３０１；発光素子
４０１；発光素子
５０１；発光素子
５０２；受光素子
５０３；モータ
２０４；レーダ装置
５０４；レーダ装置
６０４；レーダ装置
２１３；レンズおよびミラー
２１４；レンズおよびミラー
１２１；仮想スクリーン
３２１；仮想スクリーン
４２１；仮想スクリーン
１３１；ビームスポット
１３２；ビームスポット
１３３；ビームスポット
１３４；ビームスポット
２３１；ビームスポット
２３２；ビームスポット
２３３；ビームスポット
２３４；ビームスポット
３３１；ビームスポット
３３２；ビームスポット
３３３；ビームスポット
３３４；ビームスポット
４３１；ビームスポット
４３２；ビームスポット
４３３；ビームスポット
４３４；ビームスポット
４４２；障害物
６４１；車体

Claims

発光素子が発射した光ビームが対象物に反射し、反射光ビームが受光素子で検出されるまでの時間差を用いて障害物の有無と距離を測定する光レーダ装置において、
Ｎを２以上の自然数として、前記発射したビームの発射方向に対し垂直な同一平面上に実装配置されたＮ個の発光素子と、
前記Ｎ個の発光素子を順次点灯することによってビーム方向走査を行うビーム制御手段と、
前記Ｎ個の発光素子の発射光ビーム経路および受光素子への受光ビーム経路の経路上に、直角面側を前記発光素子に対向させて配置されたウェッジ型プリズムと、
前記ウェッジ型プリズムを透過した発射光ビームおよび受光ビームを屈折させるように前記発射光ビームの発射方向を回転軸として前記ウェッジ型プリズムを回転させる回転制御手段と、
を備え、
前記Ｎ個の発光素子が、前記発射したビームの発射方向に対し垂直な同一平面上に一列に一次元的に実装配置されていることを特徴とする光レーダ装置。
前記請求項１に記載の光レーダ装置を車両前後のコーナー部に設けたことを特徴とする車載レーダ装置。
前記請求項１に記載の光レーダ装置を走行車線が交わる地点の近傍あるいは、走行車線と線路が交わる地点の近傍の歩道あるいは路側帯あるいは車道外側線の歩道側に設けたことを特徴とするインフラレーダ装置。