JP6812187B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置に関する。

現在、レーザ光などの光を物体に向けて投光した後、物体からの戻り光を検出し、物体への投光から戻り光の検出までの時間に基づいて物体までの距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距装置の開発が進められている。かかる測距装置は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載されることが想定されている。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体（人体なども含む）との距離を測距装置で計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体との衝突回避が期待されている。

従来の測距装置としては、例えば特許文献１に記載のレーザレーダ装置がある。この従来の測距装置は、物体への投光ビームと物体からの戻り光とが同軸となる光学系を有している。この光学系においては、投光ビームを通過させると共に、物体からの戻り光を受光素子に向けて反射するミラーが配置されている。ミラーの中央部には、筒状の導光部材が設けられている。この導光部材により、投光ビームがミラーで散乱することが抑制され、散乱光が受光素子で検出されることによる測距精度の低下を防止できる。

特許第５２５１４４５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の測距装置の構成では、筒状の導光部材がミラーの中央部に設けられている。このため、戻り光がミラーで反射して受光素子に向かう際、導光部材によって戻り光が遮られてしまうおそれがある。導光部材によって遮られた戻り光は受光素子での検出に寄与せず、検出信号のＳ／Ｎ比が低下してしまうため、結果として測距可能距離及び測距精度が十分に確保できなくなることが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、測距可能距離及び測距精度を向上できる測距装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る測距装置は、物体までの距離を計測する測距装置であって、物体への投光ビームを出射する光源と、投光ビームを透過させる筒状の導光部材を有する反射ミラーと、導光部材を通った投光ビームを物体に向けて反射させると共に、物体からの戻り光を反射ミラーに向けて反射させる走査ミラーと、反射ミラーで反射した戻り光を検出する受光素子と、を備え、導光部材は、反射ミラーの中心に対し、受光素子から遠ざかる方向に偏心している。

この測距装置では、反射ミラーに筒状の導光部材が設けられてることにより、光源からの投光ビームが反射ミラーで散乱することを抑制できる。これにより、散乱光が受光素子で検出されることによる測距精度の低下を防止できる。また、この測距装置では、反射ミラーの中心に対し、受光素子から遠ざかる方向に偏心して導光部材が設けられている。これにより、導光部材によって戻り光が遮られてしまうことを防止でき、検出信号のＳ／Ｎ比を十分に高めることが可能となる。したがって、測距可能距離及び測距精度が十分に確保できる。

また、受光素子は、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイであり、反射ミラーと受光素子との間には、反射ミラーで反射した戻り光を集光する集光レンズが配置され、集光レンズによる戻り光のフォーカス位置には、アパーチャが配置され、受光素子は、アパーチャの後段側において戻り光のデフォーカス位置に配置されていてもよい。

ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイを受光素子として用いることにより、物体からの戻り光の光量が微弱な場合でも、戻り光を高感度で検出できる。したがって、検出信号のＳ／Ｎ比を高いレベルで確保でき、測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。一方、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイでは、ダイナミックレンジがアレイ数に依存するが、測距装置において受光素子のダイナミックレンジが不足すると、外乱光の影響で検出信号が容易に飽和してしまうことが考えられる。戻り光のフォーカス位置に受光素子を配置すると、限られたアレイのみに戻り光が入射するため、ダイナミックレンジを確保できなくなるおそれがある。また、戻り光のデフォーカス位置に単純に受光素子を配置してしまうと、広い領域から受光素子に戻り光が入射し、上述した外乱光の問題が解消されないおそれがある。したがって、戻り光のフォーカス位置には、アパーチャを配置することにより、ダイナミックレンジの確保と外乱光の影響の排除とを両立できる。

また、導光部材の先端部は、投光ビームの進行方向に対し、反射ミラーのエッジよりも突出していてもよい。導光部材を通った投光ビームは、導光部材の先端部から前方に向かって一定の広がりをもって進行する。したがって、導光部材の先端部を反射ミラーのエッジよりも突出させておくことで、投光ビームの一部が反射ミラーで散乱することを抑制できる。

また、走査ミラーは、ＭＥＭＳミラーによって構成されていてもよい。これにより、投光ビームの走査を精度良く実施できる。また、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイを受光素子として用いる場合、物体からの戻り光の光量は微弱でよい。したがって、ＭＥＭＳミラーの面積は、投光ビーム及び戻り光の径に基づいて設定すればよく、走査ミラーの大型化を回避できる。

この測距装置によれば、測距可能距離及び測距精度を向上できる。

測距装置の一実施形態を示す概略構成図である。 反射ミラーの構成を示す要部拡大図である。 受光素子の配置構成を示す要部拡大図である。 反射ミラーの比較例を示す図である。 導光部材を通る投光ビームの様子を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る測距装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、測距装置の一実施形態を示す概略構成図である。この測距装置１は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載される装置である。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体Ｋとの距離を測距装置１でリアルタイム計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体Ｋとの衝突を回避する制御が実行される。物体Ｋは、例えば他車両、壁などの障害物、歩行者などである。本実施形態では、例えば０．１ｍ〜１００ｍ程度離れた位置にある物体Ｋとの間の距離を計測することが想定されている。

図１に示すように、測距装置１は、光源２と、コリメータ３と、反射ミラー４と、走査ミラー５と、受光素子６とを含んで構成されている。これらの構成要素は、いずれもステージ（不図示）上に組み立てられ、互いに光学的に結合されている。測距装置１の光学系は、装置構成の小型化及び簡単化の観点から、物体Ｋへの投光ビームＬ１と物体Ｋからの戻り光Ｌ２とが略同軸となるように設計されている。

光源２は、物体Ｋへの投光ビームＬ１を出射する部分である。光源２としては、例えば赤外又は紫外のパルスレーザを出射するレーザダイオードが用いられる。赤外光である場合の波長は例えば８００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であり、紫外光である場合の波長は例えば３５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。光源２から出射した投光ビームＬ１は、コリメータ３によって平行光化され、例えばφ１．６ｍｍ〜φ２．０ｍｍ程度のビーム径で反射ミラー４側に入射する。

反射ミラー４は、ピンホール７が設けられたピンホール付きミラーである。反射ミラー４は、光源２からの投光ビームＬ１及び物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光軸に対して４５°傾いた状態で配置され、ピンホール７によって投光ビームＬ１を透過させつつ、戻り光Ｌ２を直角に反射させて受光素子６に導光する。この反射ミラー４は、図２に示すように、反射ミラー４の中心Ｃに対し、受光素子６から遠ざかる方向に偏心した位置にピンホール７を有している。ピンホール７は、投光ビームＬ１の光軸に一致するように、反射ミラー４の主面に対して４５°傾けて形成されている。なお、反射ミラー４は、物体Ｋからの戻り光Ｌ２を受光素子６に導光するように配置されていればよく、光源２からの投光ビームＬ１の光軸及び物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光軸に対する反射ミラーの角度は、４５°に限られるものではない。

また、ピンホール７に対しては、円筒状の導光部材８が更に配置されている。導光部材８は、例えばステンレス鋼或いはアルミなどによって形成された中空部材によって構成されている。導光部材８の内径は、例えば投光ビームＬ１のビーム径以下となっている。例えば投光ビームＬ１のビーム径がφ２．０ｍｍである場合、導光部材８の内径はφ１．６ｍｍ程度に設計される。

導光部材８は、反射ミラー４の中心Ｃから偏心したピンホール７を貫通するように配置され、接着等によってピンホール７の内壁部分に固定されている。これにより、導光部材８も、反射ミラー４の中心Ｃに対し、受光素子６から遠ざかる方向に偏心した状態となっている。ピンホール７及び導光部材８の偏心量に特に制限はないが、例えば導光部材８の外周面が反射ミラー４の縁に接する程度に偏心していてもよく、導光部材８の外周面が反射ミラー４の縁からはみ出す程度に偏心していてもよい。

また、導光部材８の基端部８ａは、反射ミラー４における光源２側の面から突出し、導光部材８の先端部８ｂは、反射ミラー４における走査ミラー５側の面から突出している。特に、導光部材８の先端部８ｂは、投光ビームＬ１の進行方向に対し、反射ミラー４の光源２側の面のエッジ４ａよりも突出した状態となっている。

導光部材８の長手方向は、投光ビームＬ１の光軸と一致し、基端部８ａ側から入射した投光ビームＬ１は、導光部材８の中空部分Ｓを通過するようになっている。導光部材８の中空部分Ｓを通過した投光ビームＬ１は、先端部８ｂ側から出射し、走査ミラー５に向かって進行する。また、走査ミラー５と反射ミラー４との間では、投光ビームＬ１と戻り光Ｌ２とが重なっているが、戻り光Ｌ２の光軸中心は、投光ビームＬ１の光軸中心に対して受光素子６側に位置している。戻り光Ｌ２の一部は、導光部材８の中空部分Ｓに再び入射するが、残余の部分は、反射ミラー４によって受光素子６側に反射する。

走査ミラー５は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーによって構成されている。走査ミラー５は、不図示の制御部による制御に基づいて揺動し、物体Ｋに向かう投光ビームＬ１の向きを走査する。走査ミラー５の揺動角度は、例えば±３０°程度である。走査ミラー５の走査速度は、例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。この走査ミラー５は、導光部材８を通った投光ビームＬ１を物体Ｋに向けて反射させる。

また、走査ミラー５は、投光ビームＬ１の照射に応じて物体Ｋから反射した戻り光Ｌ２を反射ミラー４に向けて反射させる。走査ミラー５におけるミラー部分の径は、投光ビームＬ１及び戻り光Ｌ２の径を考慮して設定され、本実施形態では、物体Ｋからの戻り光Ｌ２のビーム径と同程度になっている。戻り光Ｌ２のビーム径が例えばφ２．６ｍｍである場合、走査ミラー５におけるミラー部分の径は、φ２．６ｍｍ程度に設計される。戻り光Ｌ２のビーム径は、測距装置１に要求される測距可能距離と距離精度に基づいて設定される。

受光素子６は、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイである。本実施形態では、受光素子６は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードアレイである。このような受光素子６としては、例えばＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter／Silicon Photomultiplier）などが挙げられる。例えばＭＰＰＣにおいては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードの各画素が２次元に並列接続されている。各画素にはクエンチング抵抗が接続され、各クエンチング抵抗は、１つの読み出しチャンネルに接続されている。したがって、各画素からの信号が重ねられたパルスの高さ（イベント数）若しくはパルスの電荷量を測定することで、ＭＰＰＣが検出した光子の数を検出できる。

受光素子６からの出力信号は、不図示の演算部に出力される。演算部では、ＴＯＦ（Time of Flight）法に基づいて、物体Ｋまでの距離が演算される。すなわち、演算部では、光源２から投光ビームＬ１のパルスが出射した時刻と、受光素子６で戻り光Ｌ２を検出した時刻との差分に基づいて物体Ｋまでの距離が演算される。

反射ミラー４と受光素子６との間の光路には、図３に示すように、集光レンズ１１と、アパーチャ１２とが配置されている。集光レンズ１１は、反射ミラー４で反射した戻り光Ｌ２を集光する部分である。アパーチャ１２は、集光レンズ１１による戻り光Ｌ２のフォーカス位置Ｆ１に対応して配置されている。受光素子６は、アパーチャ１２の後段側において戻り光Ｌ２のデフォーカス位置Ｆ２に配置されている。すなわち、受光素子６は、フォーカス位置Ｆ１でアパーチャ１２を通過し僅かに拡散した戻り光Ｌ２を受光する。

以上のような構成を有する測距装置１では、反射ミラー４に筒状の導光部材８が設けられていることにより、光源２からの投光ビームＬ１が反射ミラー４に入射する際にピンホール７の内壁等で投光ビームＬ１が散乱することを抑制できる。これにより、散乱光が受光素子６で検出されることによる測距精度の低下を防止できる。

また、筒状の導光部材の配置に関し、図４に示す比較例では、反射ミラー１０４の中心Ｃに対応してピンホール１０７が設けられ、当該ピンホール１０７に筒状の導光部材１０８が設けられている。このような構成では、戻り光Ｌ２が反射ミラー１０４で反射して受光素子に向かう際、導光部材１０８によって戻り光Ｌ１０２の一部（反射ミラー１０４と導光部材１０８との間の位置に入射する部分）Ｌ１０２ａが遮られてしまう。導光部材１０８によって遮られた戻り光Ｌ１０２は、受光素子での検出に寄与しないため、検出信号のＳ／Ｎ比が低下してしまうおそれがある。

これに対し、本実施形態の測距装置１では、反射ミラー４の中心Ｃに対し、受光素子６から遠ざかる方向に偏心して導光部材８が設けられている。これにより、導光部材８によって戻り光Ｌ２の一部が遮られてしまうことを防止でき、検出信号のＳ／Ｎ比を十分に高めることが可能となる。したがって、測距可能距離及び測距精度が十分に確保できる。

また、測距装置１では、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイが受光素子６として用いられている。反射ミラー４と受光素子６との間には、反射ミラー４で反射した戻り光Ｌ２を集光する集光レンズ１１が配置され、集光レンズ１１による戻り光Ｌ２のフォーカス位置Ｆ１には、アパーチャ１２が配置され、受光素子６は、アパーチャ１２の後段側において戻り光Ｌ２のデフォーカス位置Ｆ２に配置されている。

このように、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイを受光素子６として用いることにより、物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光量が微弱な場合でも、戻り光Ｌ２を高感度で検出できる。したがって、検出信号のＳ／Ｎ比を高いレベルで確保でき、測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。

一方、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイでは、ダイナミックレンジがアレイ数に依存するが、測距装置１において受光素子６のダイナミックレンジが不足すると、外乱光の影響で検出信号が容易に飽和してしまうことが考えられる。戻り光Ｌ２のフォーカス位置Ｆ１に受光素子６を配置すると、限られたアレイのみに戻り光Ｌ２が入射するため、ダイナミックレンジを確保できなくなるおそれがある。また、戻り光Ｌ２のデフォーカス位置Ｆ２に単純に受光素子６を配置してしまうと、広い領域から受光素子６に戻り光Ｌ２が入射し、上述した外乱光の問題が解消されないおそれがある。したがって、受光素子６を戻り光Ｌ２のデフォーカス位置Ｆ２に配置し、戻り光Ｌ２のフォーカス位置Ｆ１にアパーチャ１２を配置することにより、ダイナミックレンジの確保と外乱光の影響の排除とを両立できる。

また、測距装置１では、導光部材８の先端部８ｂが投光ビームＬ１の進行方向に対して反射ミラー４のエッジ４ａよりも突出している。図５に示すように、導光部材８を通る投光ビームＬ１は、導光部材８の内周面で乱反射を繰り返しながら進行する。そして、導光部材８を通った投光ビームＬ１は、先端部８ｂから放射状の広がりをもって進行する。このため、導光部材８の先端部８ｂが投光ビームＬ１の進行方向に対して反射ミラー４のエッジ４ａよりも突出していない場合、導光部材８の先端部８ｂから前方に出射した投光ビームＬ１の一部が反射ミラー４で散乱することが考えられる。したがって、導光部材８の先端部８ｂを反射ミラー４のエッジ４ａよりも突出させておくことで、先端部８ｂから出射した投光ビームＬ１の一部が反射ミラー４で散乱することを抑制でき、散乱光が受光素子６で検出されることによる測距精度の低下を一層確実に防止できる。

また、測距装置１では、走査ミラー５がＭＥＭＳミラーによって構成されている。これにより、投光ビームＬ１の走査を精度良く実施できる。また、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイを受光素子６として用いる場合、物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光量は微弱でよい。したがって、ＭＥＭＳミラーの面積は、投光ビームＬ１及び戻り光Ｌ２の径に基づいて設定すればよく、走査ミラー５の大型化を回避できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、導光部材８の基端部８ａが反射ミラー４における光源２側の面から突出しているが、基端部８ａは、当該面から必ずしも突出していなくてもよい。すなわち、導光部材８の基端部８ａは、反射ミラー４における光源２側の面と面一となっていてもよい。

また、上述した実施形態では、筒状の中空部材によって導光部材８を構成しているが、導光部材８は、筒状のガラス体にアルミなどの金属膜による遮光コーティングを施したものであってもよい。この場合でも、光源２からの投光ビームＬ１が反射ミラー４に入射する際にピンホール７の内壁等で投光ビームＬ１が散乱することを抑制できる。これにより、散乱光が受光素子６で検出されることによる測距精度の低下を防止できる。

１…測距装置、２…光源、４…反射ミラー、４ａ…エッジ、５…走査ミラー、６…受光素子、８…導光部材、８ｂ…先端部、１１…集光レンズ、１２…アパーチャ、Ｃ…中心、Ｆ１…フォーカス位置、Ｆ２…デフォーカス位置、Ｋ…物体、Ｌ１…投光ビーム、Ｌ２…戻り光。

Claims (4)

1. 物体までの距離を計測する測距装置であって、
   前記物体への投光ビームを出射する光源と、
   前記投光ビームを透過させる筒状の導光部材を有する反射ミラーと、
   前記導光部材を通った前記投光ビームを前記物体に向けて反射させると共に、前記物体からの戻り光を前記反射ミラーに向けて反射させる走査ミラーと、
   前記反射ミラーで反射した前記戻り光を検出する受光素子と、を備え、
   前記導光部材は、前記反射ミラーの中心に対し、前記受光素子から遠ざかる方向に偏心している測距装置。
2. 前記受光素子は、ガイガーモードで動作するフォトダイオードアレイであり、
   前記反射ミラーと前記受光素子との間には、前記反射ミラーで反射した前記戻り光を集光する集光レンズが配置され、
   前記集光レンズによる前記戻り光のフォーカス位置には、アパーチャが配置され、
   前記受光素子は、前記アパーチャの後段側において前記戻り光のデフォーカス位置に配置されている請求項１記載の測距装置。
3. 前記導光部材の先端部は、前記投光ビームの進行方向に対し、前記反射ミラーのエッジよりも突出している請求項１又は２記載の測距装置。
4. 前記走査ミラーは、ＭＥＭＳミラーによって構成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の測距装置。

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