JP6857734B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、出射した光が対象物で反射した反射光を受光する光学装置に関する。

従来、光を対象物に照射して、反射した光が戻ってくるまでの往復の時間を基に対象物までの距離を測定する装置が実用化されている。

この種の装置では、この距離測定のために用いる反射光と、太陽光などの環境光とを分離するために、照射した光の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを用いて、Ｓ／Ｎ比の向上を図っている（例えば特許文献１を参照）。

また、この種の装置においては、距離測定のために光を照射する発光素子が、個体バラツキや温度変動等により波長が変動するという問題がある。

特開２００７‐８５８３２号公報

特許文献１に記載の発明では、発光素子の温度変動に対応するために、発光素子である半導体レーザ素子の温度から推定される投光部から照射された光の波長に追従させるよう、バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整している。

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、バンドパスフィルタを利用しているため、発光素子の温度変動による光の波長の変動や個体バラツキによる出射光の波長の違いを考慮して通過させる波長にある程度の幅が必要であり、環境光の分離精度の向上には限界があった。

本発明が解決しようとする課題としては、例えば光を照射して対象物との間の距離を測定する装置における、上述したような出射した光の反射光以外の環境光の分離精度の向上が一例として挙げられる。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、出射部からの出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、入射した前記反射光及び前記対象物を含む領域からの環境光を含む入射光を、当該入射光に含まれる波長に応じた受光部上の位置に導き、光の波長に応じて前記光を分光する構成を有する光学素子と、前記受光部上における受光強度の分布に基づいて、前記反射光を検出する検出手段と、を有し、前記受光部は、前記光学素子によって前記入射光が分光される方向に沿って複数の受光素子が配列され、
前記受光素子は、前記入射光が前記光学素子によって分光される第一の方向と交わる第二の方向にも配列されており、前記反射光の伸長方向が前記受光部において第二の方向となるよう、前記出射光を所定の方向に伸長させる伸長手段をさらに有する、ことを特徴としている。

本発明の第１の実施例にかかる光学装置の概略構成図である。 図１に示された光学装置の投光系の動作を示した説明図である。 図１に示された光学装置の受光系の動作を示した説明図である。 レーザ光入射時の回折格子の作用を示した説明図である。 環境光入射時の回折格子の作用を示した説明図である。 レーザ光入射時の集光レンズの作用を示した説明図である。 環境光入射時の集光レンズの作用を示した説明図である。 図１に示された制御部の動作についての説明図である。 図１に示された制御部の動作についての説明図である。 本発明の第２の実施例にかかる光学装置の概略構成図である。 図１０に示された受光センサの概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる光学装置を説明する。本発明は対象物に向けて光を照射し、その光が対象物で反射し、受光部に戻るまでの光の飛行時間を計測することにより、対象物までの距離を測定する装置に関するものである。本発明の一実施形態にかかる光学装置は、出射部からの出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、入射した反射光及び対象物を含む領域からの環境光を含む入射光を、当該入射光に含まれる成分に応じた受光部上の位置に導く光学素子と、受光部上における受光強度の分布に基づいて、反射光を検出する検出手段と、を有している。出射部からの出射光はレーザ光など、単一の波長またはごく狭い波長範囲を有する光であり、環境光は太陽光など広い波長範囲を有する光である。したがって反射光は複数の受光素子のうちいずれかのみで受光し、環境光は全ての受光素子で受光することとなり、受光強度から反射光を受光した受光素子がいずれであるかを容易に識別できるとともに、当該受光素子以外による受光信号を破棄することにより効果的に不要な環境構成分を除去することが可能となる。また、このようにすることにより、出射部の温度変動による光の波長の変動や個体バラツキにより出射光の波長の違いがあっても、光学素子によって、反射光を複数の受光素子のうち、波長に応じた受光素子のいずれかに導くことができるため、反射光を確実に受光することが出来る。

また、光学素子は、光の波長に応じて前記光を分光する構成を有し、受光部は、光学素子によって入射光が分光される方向に沿って複数の受光素子が配列されていてもよい。このようにすることにより、受光部として複数の受光素子をライン状に形成した、いわゆるラインセンサを用いることができる。

また、受光素子は、入射光が光学素子によって分光される第一の方向と交わる第二の方向にも配列されており、反射光の伸長方向が受光部において第二の方向となるよう、出射光を所定の方向に伸長させる伸長手段をさらに有してもよい。このようにすることにより、出射光が点状ではなく強度分布が均一な線状な光であった場合に、この線状の出射光の反射光を一度に検出することが可能となる。

また、複数の前記受光素子の各々は、受光した光の強度に応じた信号を出力し、検出手段は、受光強度が最大である受光素子が出力する信号を、反射光の受光による信号と特定してもよい。このようにすることにより、受光強度が最大である受光素子を特定することで、出射部が出射した出射光の反射光を検出することが容易にできる。

また、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置を有し、出射光の出射から、受光部による出射光の受光までに要した時間に基づき、対象物までの距離を測定する距離測定装置としてもよい。このようにすることにより、距離測定装置において、反射光を確実に受光することができ、距離の測定精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施例にかかる光学装置を図１〜図９を参照して説明する。本実施例にかかる光学装置１は、図１に示したように、光源２と、コリメートレンズ３と、ビームスプリッタ４と、ＭＥＭＳミラー５と、投受光レンズ６と、回折格子７と、集光レンズ８と、ラインセンサ９と、制御部１０と、を備えている。

出射部としての光源２は、例えばレーザダイオードで構成されている。光源２は、所定の波長のレーザ光をパルス状に発光（出射）する。

コリメートレンズ３は、光源２から出射されたレーザ光を平行光束にする。ビームスプリッタ４は、コリメートレンズ３で平行光にされたレーザ光をＭＥＭＳミラー５へ出力し、ＭＥＭＳミラー５で反射された後述する入射光を回折格子７へ向けて反射する。

ＭＥＭＳミラー５は、ビームスプリッタ４から出射したレーザ光を対象物１００が存在する領域へ向けて水平方向および垂直方向に走査する。また、ＭＥＭＳミラー５は、対象物１００で反射した光が投受光レンズ６に入射した入射光をビームスプリッタ４へ反射する。ＭＥＭＳミラー５は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により構成されたミラーであり、ミラーと一体的に形成されたアクチュエータ（図示しない）によって駆動される。また、ＭＥＭＳミラー５はガルバノミラーやポリゴンミラーなど他のビーム偏向手段でもよい。

投受光レンズ６は、ＭＥＭＳミラー５で反射されたレーザ光を対象物１００が存在する領域へ照射（投光）する。また、投受光レンズ６には、対象物１００で反射したレーザ光である反射光及び太陽光などの環境光（太陽光が対象物１００で反射した光を含む）が入射光として入射（受光）する。

光学素子としての回折格子７は、ビームスプリッタ４から入射した入射光を、その入射光の有する波長成分に応じた回折角でラインセンサ９へ回折する。なお、本実施例では、反射型の回折格子で説明するが、透過型の回折格子であってもよい。つまり、光の波長に応じて光を分光する構成を有している。

集光レンズ８は、回折格子７とラインセンサ９との間に設けられ、回折格子７で回折された入射光をラインセンサ９へ集光する。

受光部としてのラインセンサ９は、回折格子７に入射した光が回折される方向（分光される方向）に沿って複数の受光素子が１列に並んで形成された受光センサである。これらの複数の受光素子の各々は、回折格子７で回折された入射光のうち、波長成分に応じた光を、それぞれ受光することになる。ラインセンサ９の各受光素子は、受光した光の強度（受光強度）に応じた信号を制御部１０に出力する。また、ラインセンサ９は、例えば受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成することができる。

検出手段としての制御部１０は、ラインセンサ９の各受光素子の受光強度を示す信号に基づいて光源２から出射したレーザ光の反射光を検出する。

次に、上述した構成の光学装置１における動作について図２及び図３を参照して説明する。図２は出射時（投光系）の動作の説明図である。

まず、光源２から出射したレーザ光はコリメートレンズ３で平行光束とされた後、ビームスプリッタ４を経てＭＥＭＳミラー５に入射する。そして、ＭＥＭＳミラー５で反射したレーザ光は投受光レンズ６により光学装置１の外部に向けてパルス状に照射される。このとき、各々の照射のタイミング毎にＭＥＭＳミラー５の角度を変化させることにより対象物１００が存在する領域に向けて照射されるビームスポットの位置を時間的に変化させることができ、水平方向および垂直方向の走査が行われる。

図３は、入射時（受光系）の動作である。対象物１００で反射（散乱）したレーザ光は、投受光レンズ６で受光された後、投光時とは逆の光路をたどり、ＭＥＭＳミラー５で反射され、ビームスプリッタ４で反射されて、回折格子７へと入射する。回折格子７は溝のピッチと入射光の波長に応じて回折角が決まる。本実施例ではレーザ光を使用しており回折格子７に入射する光の波長は単一であるので、そのレーザ光の波長で定まる所定の方向へと回折した後、集光レンズ８によりラインセンサ９上にある所定の受光素子に集光する。

このとき、投受光レンズ６に入射する光は光源２から発したレーザ光の反射光だけではない。太陽光や街灯の光など対象物１００を照明するあらゆる光や、それらの光が対象物１００で反射した光が投受光レンズ６に入射し、ＭＥＭＳミラー５を介して回折格子７に入射する。太陽光などの環境光は様々な波長を含む光であり、回折格子７により様々な方向に回折し、含まれる波長範囲に応じてラインセンサ９上の複数の受光素子へと入射する。即ち、ラインセンサ９（受光部）は、光源２（出射部）からの出射光が対象物１００で反射した反射光及び環境光の両方を受光する。しかし、投受光レンズ６に入射してきた環境光は、対象物１００との距離の測定には不要な光であり、除外することが望ましい。制御部１０では、ラインセンサ９の複数の受光素子のうち、レーザ光の反射光が入射した受光素子の情報だけを使用し、その他の受光素子の情報を使用しないことで、ラインセンサ９へ入射してくる光からほとんどの環境光を除去することが可能となる（詳細は後述する）。

回折格子７の作用について図４及び図５を参照して詳細に説明する。溝間隔ｐの回折格子７に波長λ₀の単色光を角度θ₁の方向から入射させた時の回折角θ₂は、次の（１）式で表される。

図４のように、回折格子７は、単色光（レーザ光）を入射させる状況では特定の方向θ ₂のみに回折させる。なお以降において、特に断らない限り回折光は、＋１次の回折光を意味することとする。また、本実施例では、回折格子として鋸歯状の溝形状を有するブレーズド回折格子を使用する。ブレーズド回折格子により＋１次光の回折効率を理論上１００％とすることが出来るため、ブレーズド回折格子の使用が望ましい。一方、図５のように、λ₁〜λ₂の波長範囲を有する光を同じ回折格子７に入射させた場合、波長成分ごとに異なる方向へ回折する。即ち、回折格子７（光学素子）には、レーザ光の反射光及び環境光が入射光として入射する。当該入射光には様々な波長の光が含まれており、その光を波長に応じて複数の受光素子のうちいずれかの受光素子に導いている。つまり、回折格子７は、入射光に含まれる成分に応じた受光部上の位置に導いている。

次に、集光レンズ８の作用について説明する。レーザ光であっても、実際は所定の幅のビームであるので、本実施例では、回折格子７で回折した回折光をラインセンサ９に集光するために集光レンズ８を設けている。集光レンズ８の焦点距離をｆとすると、回折格子７から集光レンズ８までの距離と集光レンズ８からラインセンサ９までの距離が共に焦点距離ｆとなる位置に配置することにより（図６及び図７参照）、所定の回折角で受光素子の並んでいる方向に回折した回折光はラインセンサ９上のいずれかの受光素子に集光する。入射光が単色光（レーザ光）の場合にはラインセンサ９上の特定の受光素子のみに入射し（図６）、ある波長範囲を持つ入射光の場合には複数の受光素子に入射する（図７）。つまり、回折光のうち、光源２から出射されたレーザ光の反射光はラインセンサ９上の特定の受光素子のみに入射し、環境光は含まれる波長成分に応じた複数の受光素子に入射する。

この焦点距離ｆは、使用するラインセンサ９の大きさ、受光素子数に応じて適切な波長分解能となるように設定すればよい。

次に、ラインセンサ９で受光した結果に基づいて、制御部１０がレーザ光（反射光）を検出する方法について図８及び図９を参照して説明する。前述のとおり、ラインセンサ９は、回折格子７に入射した光が回折される方向に沿って複数の受光素子が１列に並んで形成された受光センサである。従って、レーザ光（反射光）と環境光が同時に回折格子７を介してラインセンサ９に入射した場合、ラインセンサ９上の各受光素子の受光量は、例えば図８のようになる。図８の横軸は波長、つまりラインセンサの受光素子の位置、縦軸は受光量である。つまり、図８は受光部上における受光強度の分布となる。レーザ光は相応の強度をもって照射されているため、図８において、特に高い受光量を示している受光素子は環境光だけでなくレーザ光も入射している受光素子といえる。したがって、このような高い受光量を示している受光素子を特定することで、ラインセンサ９が受光する光の中からレーザ光の反射光の受光による信号と特定して検出することができる。

また、光源２の温度変化によるレーザ光の波長の変動があった場合や個体バラツキによりレーザ光の波長が想定されたものと相違する場合でも、図９のように、高い受光量を示す受光素子を検出することで、容易にレーザ光を検出することができる。つまり、ラインセンサ９は、光源２の温度変化や個体バラツキによるレーザ光の波長の変動により、回折格子７よって回折するレーザ光の回折角の変化の範囲をカバーできる程度の数の受光素子が並んでいる。

本実施例によれば、光学装置１は、光源２から出射されたレーザ光が対象物１００で反射した反射光及び環境光を受光する複数の受光素子を有するラインセンサ９と、反射光及び環境光が入射光として入射し、当該入射光の波長に応じて複数の受光素子のうちいずれかの受光素子に導く回折格子７と、を有している。そして、ラインセンサ９は、光源２から出射されたレーザ光の波長を含む所定範囲の波長が受光可能となっている。このようにすることにより、光源２の温度変動によるレーザ光の波長の変動があった場合や個体バラツキにより出射光想定されたものと相違する場合でも、回折格子７によって、反射光をその波長に応じた複数の受光素子のいずれかに導くことができる。したがって、反射光を確実に受光することが出来る。

また、回折格子７とラインセンサ９との間に集光レンズ８が設けられている。このようにすることにより、ラインセンサ９の受光素子の大きさ等の特性に応じて適切な波長分解能となるように、入射光の焦点距離を調節することが可能となる。

また、ラインセンサ９の複数の受光素子の各々は、受光した光の受光強度に応じた信号を出力し、制御部１０が、それらの受光強度が最大であることを示す信号を出力した受光素子を特定している。このようにすることにより、受光強度が最大である受光素子を特定することで、光源２が出射した出射光を検出することが容易にできる。

また、本光学装置は対象物までの距離を測定に用いることができる。すなわち、本光学装置を搭載した距離測定装置のＣＰＵ等により、光源がレーザ光を出射してから対象物１００で反射した反射光として受光素子に受光されるまでの時間を測定することで、光学装置から対象物までの距離を測定することができる。

次に、本発明の第２の実施例にかかる光学装置を図１０及び図１１を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施例にかかる光学装置１Ａは、図１１に示したように、光源２と、レンズ１１と、シリンドリカルレンズ１２と、レンズ１４と、ビームスプリッタ４と、ＭＥＭＳミラー１５と、投受光レンズ６と、回折格子７と、集光レンズ８と、受光センサ１６と、制御部１０と、を備えている。

光源２、ビームスプリッタ４、投受光レンズ６、回折格子７、集光レンズ８は、第１の実施例と同様である。なお、回折格子７は、後述するラインビームの伸長方向と直交する方向に入射光を回折するように配置されている。

伸長手段としてのレンズ１１及びシリンドリカルレンズ１２は、光源２から出射されたレーザ光を点状から強度分布が均一な線状の光（即ち、光束断面が帯状の光であるラインビーム）にしている。つまり、レンズ１１及びシリンドリカルレンズ１２は、出射光を所定の方向に伸長させている。符号１３は、前記したラインビームの中間像（線像）である。レンズ１４は、ラインビームのビームススプリッタ４への結像用のレンズである。

ＭＥＭＳミラー１５は、本実施例では、シリンドリカルレンズ１２から出射したラインビームの伸長方向と直交する方向のみに走査する１軸のミラーである。

受光センサ１６は、本実施例では、受光素子がマトリクス状（二次元状）に配置された二次元の受光部となっている。即ち、受光センサ１６は、回折格子７（光学素子）が入射光の波長に応じて分光される方向（第一の方向）だけでなく、その方向と直交する方向（第二の方向）にも受光素子が設けられている。

図１１に受光センサ１６の概略構成を示す。図１１に示したように、受光センサ１６は、受光素子１６ａがマトリクス状（二次元状）に配置されている。図１１の例では、縦方向がラインビームの伸長方向に対応した素子、横方向が回折格子で回折される光に各々に対応する素子となる。

本実施例の光学装置１Ａは、対象物１００が存在する領域に向けてラインビームを投射し、そのラインビームにより１軸方向（図１１では水平方向）に走査することでビームスポットの位置を時間的に変化させることができる。そして、光をラインビームの伸長方向と直交する方向に回折させる回折格子７を介して、ラインビームの反射光と環境光を、受光センサ１６で受光する。受光センサ１６には受光素子が二次元状に配置されており、波長に応じた光を受光できるように構成されていることにより、各々の受光素子からラインビームの反射光及び環境光に含まれている波長情報を同時に得ている。

投光系では、レンズ１１とシリンドリカルレンズ１２によりライン状の中間像１３を生成し、それをレンズ１４と投受光レンズ６により対象物１００が存在する領域に向けてラインビームを照射している。

受光系では、対象物１００が存在する領域に向けて照射されたラインビームの反射光は回折格子７において、ラインビームの波長で定まる所定の方向へと回折した後、集光レンズ８によりラインセンサ９上にあるいずれかの受光素子に集光するように構成されている。回折格子７は、入射光を波長に応じてラインビームを当該ラインビームの伸長方向と直交する方向に回折させる。光源２から出射したレーザ光は単一の波長を持つ光であるので、回折格子７により特定の方向のみに回折し、受光センサ１６上では特定の列に集光する。一方、ラインビームの反射光と同時に受光する環境光には様々な波長成分が含まれるので、その波長成分に応じて回折格子７で回折された光が、その光の波長に応じて受光センサ１６を構成する受光素子の各々で受光される。制御部１０は、受光強度の高い受光素子の列を特定することにより、受光センサ１６が受光した光の中から、ラインビームの反射光が入射した受光素子の情報だけを使用し、レーザ光と波長の異なる環境光成分を除去することができる。

本実施例によれば、受光センサ１６は、ラインビームが入射光の波長に応じて回折格子７で回折される方向と直交する方向にも受光素子１６ａが設けられている。このようにすることにより、出射光が点ではなくラインビームであった場合に、ラインビームの反射光を検出することが可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の光学装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１、１Ａ 光学装置
２ 光源（出射部）
７ 回折格子（光学素子）
８ 集光レンズ
９ ラインセンサ（受光部）
１０ 制御部（検出手段）
１１ レンズ（伸長手段）
１２ シリンドリカルレンズ（伸長手段）
１６ 受光センサ（受光部）
１００ 対象物

Claims (3)

1. 出射部からの出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、
   入射した前記反射光及び前記対象物を含む領域からの環境光を含む入射光を、当該入射光に含まれる波長に応じた受光部上の位置に導き、光の波長に応じて前記光を分光する構成を有する光学素子と、
   前記受光部上における受光強度の分布に基づいて、前記反射光を検出する検出手段と、を有し、
   前記受光部は、前記光学素子によって前記入射光が分光される方向に沿って複数の受光素子が配列され、
   前記受光素子は、前記入射光が前記光学素子によって分光される第一の方向と交わる第二の方向にも配列されており、
   前記反射光の伸長方向が前記受光部において第二の方向となるよう、前記出射光を所定の方向に伸長させる伸長手段をさらに有する、
   ことを特徴とする光学装置。
2. 複数の前記受光素子の各々は、受光した光の強度に応じた信号を出力し、
   前記検出手段は、前記受光強度が最大である前記受光素子が出力する信号を、前記反射光の受光による信号と特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 請求項１または２に記載の光学装置を有し、
   前記出射光の出射から、前記受光部による前記反射光の受光までに要した時間に基づき、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。

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