JP6954624B2

JP6954624B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP6954624B2
Application number: JP2018017802A
Authority: JP
Inventors: 淳内村; 高橋　博; 博高橋; 将人渡邊
Original assignee: NEC Platforms Ltd; NEC Corp
Current assignee: NEC Platforms Ltd; NEC Corp
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: US11835742B2; US20210080627A1; JP2019135449A; WO2019151058A1

Description

本発明は、センサ装置に関する。

レーザー光を用いた種々の光センサ装置が検討されている。特許文献１にはレーザー光を水平方向及び垂直方向に走査することにより物体検出を行うレーザーセンサが開示されている。特許文献１において、レーザー光の射出方向を変化させるための回転鏡には六面体の四側面が反射面となっているポリゴンミラーが用いられている。回転鏡の角度に応じて入射されたレーザー光の反射方向が変化するため、回転鏡を回転させることで、レーザー光の走査を行うことができる。

特開２０１２−２５１９００号公報

特許文献１に記載されているような走査手法では、レーザー光の反射方向を変えることにより走査を行うため、レーザー光は、センサ装置の投光部から放射状に広がる。この場合、光線の間隔がセンサからの距離が離れるほど広がるので、分解能が低下し、遠距離の物体に対する検出精度が低下する。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、遠距離の物体に対しても良好な検出精度を得ることができるセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、光を射出するとともに、対象物から反射された光を受けるセンサユニットと、側面に反射面を有する柱状の反射鏡であって、前記反射鏡の軸を回転軸として回転可能であり、前記回転軸に対して垂直な断面において、前記反射面の少なくとも一部が前記回転軸を中心とする対数螺旋をなしている反射鏡と、を備え、前記センサユニットから射出され、前記反射面で反射された光が前記反射鏡の回転に応じて平行移動することにより、前記反射面で反射された光が走査されることを特徴とするセンサ装置が提供される。

本発明によれば、遠距離の物体に対しても良好な検出精度を得ることができるセンサ装置を提供することができる。

第１実施形態に係る測距装置の機能ブロック図である。第１実施形態に係る測距装置により行われる処理の概略を示すフローチャートである。測距の原理を示すグラフである。瞬間速度測定の原理を示すグラフである。瞬間速度測定の原理を示すグラフである。第１実施形態に係る反射鏡の構成を示す模式図である。第１実施形態に係る反射鏡の断面図である。対数螺旋をなす反射面における光の反射を説明する図である。反射面の閉曲線の作図方法を示す図である。反射面の閉曲線の作図方法を示す図である。第１実施形態の反射鏡による光の平行走査について説明する図である。第１実施形態の反射鏡による光の平行走査について説明する図である。第１実施形態の反射鏡による光の平行走査について説明する図である。第１実施形態の反射鏡による光の平行走査について説明する図である。第１実施形態の反射鏡による光の走査範囲変化について説明する図である。第１実施形態の反射鏡による光の走査範囲変化について説明する図である。反射光の光路のパラメータについて説明する図である。反射光の位置について説明するグラフである。反射光の位置について説明するグラフである。光の光路長について説明するグラフである。反射鏡の反射面の形状を決めるパラメータについて説明する図である。接線角による反射面の形状の違いを示す図である。山谷の個数による反射面の形状の違いを示す図である。第２実施形態の反射鏡ユニットに設けられた光学系の構成を示す模式図である。第２実施形態の光学系の一部の構成を示す模式図である。第２実施形態の光学系の変形例を示す模式図である。第２実施形態の光学系の変形例を示す模式図である。第３実施形態に係る画像処理装置の機能ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を説明する。図面において同様の要素又は対応する要素には同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化することがある。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る測距装置２の機能ブロック図である。図１には、測距装置２の構成の一例として、例えばＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置のブロック図が示されている。測距装置２は、赤外光、可視光、紫外光等のレーザー光を投射し、反射光を取得する動作を繰り返して所定範囲を走査することにより、所定の範囲における測距装置２からの距離、瞬間速度、反射光強度等の分布を取得することができる。測距装置２は、対象物１の検出、対象物１までの距離の取得等の用途に用いられ得る。測距装置２はより一般的にセンサ装置と呼ばれることもある。また、ＬｉＤＡＲは、レーザーレーダーと呼ばれることもある。

測距装置２は、反射鏡ユニット１０、センサユニット２０及び測距装置制御部３０を有する。測距装置制御部３０は、測距装置２の全体の駆動の制御を行うとともに、信号の生成、取得された信号の解析、補正等の演算を行う。センサユニット２０は、光を投射する発光素子を備えるとともに、測距の対象物１から反射された光を受けて信号を生成する受光素子を備える。反射鏡ユニット１０は、センサユニット２０から投射される光の光路を変化させることにより、測距装置２から投射される光を走査させる機能を有する。

反射鏡ユニット１０は、反射鏡１００及びモータ１５０を有する。センサユニット２０は、ＬＤ（Laser Diode）２０１及びＰＤ（Photodiode）２０２、２０３を有する。測距装置制御部３０は、フィルタ３０１、３０２、３０３、変調器３０４、復調器３０５、３０６、三角波発生器３０７、振幅・周期比較器３０８、３０９、モータ制御部３１０及び演算部３１１を有する。

三角波発生器３０７は、時間に対して電圧が増減を繰り返す三角波を生成する。三角波発生器３０７で生成された三角波は変調器３０４に出力される。また、当該三角波は振幅・周期等を参照するための参照信号として振幅・周期比較器３０８、３０９及び演算部３１１にも出力される。

変調器３０４は、ＶＣＯ（Voltage-Controlled Oscillator）等を含み、三角波発生器３０７で生成された三角波状の電圧の入力に応じた周波数変調波を生成する。生成された周波数変調波は、フィルタ３０１に入力される。フィルタ３０１は、周波数変調波の周波数を通過帯域とする帯域通過フィルタである。フィルタ３０１を通過した周波数変調波は、ＬＤ２０１に入力される。ＬＤ２０１は、入力された周波数変調波に基づくレーザー光を生成する。なお、ＬＤ２０１は、例えば、近赤外領域の波長のレーザー光を射出する赤外線通信用の発光素子である。

ＬＤ２０１から射出されたレーザー光は、反射鏡ユニット１０に入射される。反射鏡ユニット１０内の反射鏡１００は、入射されたレーザー光を反射し、レーザー光が投射される方向を変化させる。モータ１５０は、例えばエンコーダ付きのＤＣ（Direct Current）モータであり、反射鏡１００を回転させる。反射鏡１００は、モータ１５０により回転駆動されることにより、レーザー光を所定範囲内で走査させることができる。レーザー光の一部は参照光としてＰＤ２０２に入射され、他の一部は測距装置２の外部に投射される。

測距装置２の外部に投射されたレーザー光が対象物１で反射され測距装置２に再び入射すると、当該反射光は、ＰＤ２０３に入射される。なお、対象物１と測距装置２との間の距離をｒとすると、反射光は参照光に対して光路が２ｒだけ長くなる。そのため、反射光がＰＤ２０３に入射される時刻は、光速をｃとすると、参照光がＰＤ２０２に入射される時刻よりも２ｒ／ｃだけ遅い時刻となる。

ＰＤ２０２、２０３は、例えば、ＬＤ２０１と同程度の波長の光を受光して電荷に変換する赤外線通信用の光電変換素子である。ＰＤ２０２、２０３に光が入射すると、生成された電荷に基づく電圧の変化が電気信号として後段のフィルタ３０２、３０３に伝達される。フィルタ３０２、３０３も、フィルタ３０１と同様に、三角波発生器３０７で生成された周波数変調波の周波数を通過帯域とする帯域通過フィルタである。フィルタ３０２を通過した周波数変調波は、復調器３０５に入力され、フィルタ３０３を通過した周波数変調波は、復調器３０６に入力される。

復調器３０５、３０６は、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）等を含み、入力された周波数変調波を復調する。周波数変調波は三角波発生器３０７で生成された三角波に基づくものであるため、復調器３０５、３０６により復調された信号は三角波となる。復調器３０５における復調により得られた三角波は振幅・周期比較器３０９に入力され、復調器３０６における復調により得られた三角波は振幅・周期比較器３０８に入力される。

振幅・周期比較器３０８、３０９は、ビート信号を生成するミキサ等を含む。振幅・周期比較器３０９は、三角波発生器３０７から出力される三角波の振幅・周期と、復調器３０５から出力される三角波の振幅・周期とを比較する。振幅・周期比較器３０９での比較結果は、演算部３１１に出力される。振幅・周期比較器３０８は、三角波発生器３０７から出力される三角波の振幅・周期と、復調器３０６から出力される三角波の振幅・周期とを比較する。振幅・周期比較器３０８での比較結果は、演算部３１１に出力される。ここで、比較結果とは、２つの入力信号の振幅・周期の差又は比であり得る。

演算部３１１は、振幅・周期比較器３０８から出力された参照光に基づく信号と、三角波発生器３０７から出力される三角波とを用いて、振幅・周期比較器３０９から出力された反射光に基づく信号を補正する演算を行う。これにより演算部３１１は、反射光の強度、測距装置２と対象物１との距離及び対象物１の瞬間速度を算出する。測距装置２は、レーザー光を所定範囲内に走査させて反射光の強度、距離及び瞬間速度を測定することにより、これらを２次元状の反射光強度分布、距離分布及び瞬間速度分布として外部の画像処理装置に出力する。

振幅・周期比較器３０９から出力される参照光の情報はモータ制御部３１０にも出力される。モータ制御部３１０は、振幅・周期比較器３０９から取得した情報と、モータ１５０に設けられたエンコーダから取得した情報とに基づき、反射鏡１００の現在の位置、回転速度等を算出する。モータ制御部３１０は、反射鏡１００の現在の位置、回転速度等の情報に基づき、モータ１５０の回転速度を増加又は低下させる制御を行うことで、反射鏡１００の回転速度を所定の値に安定化させる。

測距装置制御部３０を構成するフィルタ３０１、３０２、３０３、変調器３０４、復調器３０５、３０６、三角波発生器３０７、振幅・周期比較器３０８、３０９、モータ制御部３１０及び演算部３１１の一部又は全部は、一体の回路として形成されていてもよい。ここで、一体の回路とは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であり得る。

図２乃至図５を参照して、測距装置２において行われる処理をより具体的に説明する。図２は、本実施形態に係る測距装置２により行われる処理の概略を示すフローチャートである。図３は、測距の原理を示すグラフである。図４及び図５は、瞬間速度測定の原理を示すグラフである。

図２のステップＳ１０１において、測距装置２は、近赤外光等の周波数帯域のレーザー光を投射する。ステップＳ１０２において、測距装置２は、対象物１から反射された反射光を受光する。

ステップＳ１０３において、測距装置２は、参照光、反射光等に基づく信号を用いて反射光強度、距離及び瞬間速度を算出する。ここで、ＦＭＣＷ方式による距離及び瞬間速度の算出方法について図３乃至図５を参照して説明する。

まず、図３を参照しつつ距離の算出方法を説明する。図３のグラフは、参照光に基づく三角波の一部、反射光に基づく三角波の一部及びこれらのビートの周波数の時間変化を示している。図３より、参照光に基づく三角波は、時刻ｔ_０において周波数ｆ_０であり、時間の経過とともに線形に周波数が増加する。その後、時間Ｔが経過した時刻ｔ_０＋Ｔにおいて、周波数ｆ_０＋Ｆとなる。すなわち、参照光に基づく三角波の傾きはＦ／Ｔである。三角波の傾きＦ／Ｔの値は、三角波発生器３０７で生成される三角波により定まるため、既知である。反射光に基づく三角波は、上述のように、参照光よりも時間Δｔ（＝２ｒ／ｃ）だけ遅れて入力されるため、図３に示されるように、参照光を横方向に時間Δｔだけシフトした波形となる。なお、図３において、対象物１は動いておらず、ドップラー効果による波形のシフトはないものとしている。

時間Δｔは極めて短い時間であるため、時間Δｔ自体を高精度に測定することは困難な場合があるが、周波数Δｆはミキサ等によりビートを生成することで比較的高精度に測定することができる。そこで、参照光に基づく三角波と反射光に基づく三角波とを混合してビートを生成して、そのビートの周波数を測定することで、参照光の周波数と反射光の周波数の差Δｆを取得する。ΔｆとΔｔの比は、図３から明らかなように、ＦとＴの比と一致する。そのため、Δｔは、ビートから得られたΔｆと、既知の（Ｆ／Ｔ）の値を用いて、Δｔ＝Δｆ／（Ｆ／Ｔ）と表すことができる。上述のΔｔ＝２ｒ／ｃの関係を考慮すると、測距装置２から対象物１までの距離は、以下の式（１）で表される。

したがって、時間の経過とともに線形に周波数が増加するように周波数変調された光を投射し、反射光に基づく信号と参照光に基づく信号のビートの周波数を測定することにより測距を行うことができる。

次に、図４及び図５を参照しつつ瞬間速度の算出方法を説明する。図４及び図５は、三角波の１周期分を含むように、図４に示したグラフをより広い時間範囲で示したグラフである。図５は、対象物１の瞬間速度がゼロである場合の周波数の時間変化を示している。図４より理解できるように、ビート周波数は、三角波の頂点付近を除き、Δｆで一定である。

図５は、対象物１が測距装置２に向かう方向に動いている場合の周波数の時間変化を示している。測距装置２から投射された光は、対象物１で反射する際にドップラー効果により周波数が高くなる。これにより、三角波の周波数上昇時と下降時とで、ビート周波数がΔｆ_１とΔｆ_２の２種類の値を繰り返す。ドップラー効果による周波数変動量をΔｆ_ｄとすると、Δｆ_ｄ＝（Δｆ_２−Δｆ_１）／２で表される。また、上述の式（１）におけるΔｆは、Δｆ＝（Δｆ_１＋Δｆ_２）／２で表される。したがって、ビート周波数としてΔｆ_１とΔｆ_２を取得することにより、対象物１が動いている場合においても式（１）に基づいて距離ｒを算出することができる。更に、Δｆ_ｄを光のドップラー効果の公式に入力することにより対象物１の瞬間速度を算出することができる。このように、本実施形態の測距装置２は、ＦＭＣＷ方式を用いたＬｉＤＡＲ装置であるため、距離分布及び瞬間速度分布を取得することができる。また、反射光に基づく信号の強度に基づき、本実施形態の測距装置２は、反射光強度分布を取得することができる。

図２のステップＳ１０４において、測距装置２は、所定範囲内における反射光強度分布、距離分布及び瞬間速度分布の取得が完了しているか否かを判断する。これらの取得が完了していない場合（ステップＳ１０４においてＮＯ）、処理はステップＳ１０１に移行し、光を照射する位置を変えて異なる測定点の反射光強度、距離及び瞬間速度の測定を行う。これらの取得が完了している場合（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、処理はステップＳ１０５に移行する。このように、ステップＳ１０１からステップＳ１０４のループにおいては、反射光強度分布、距離分布及び瞬間速度分布の取得のための走査が行われる。

ステップＳ１０５において、測距装置２は、測距装置２の外部の画像処理装置に反射光強度分布、距離分布及び瞬間速度分布（分布情報）を送信する。なお、本ステップにおける分布情報の送信は必須ではなく、これに代えて、測距装置２は、測距装置２の内部又は外部に設けられた記憶媒体に分布情報を記憶させてもよい。

次に図６、図７、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃを参照して反射鏡１００の構造を説明する。図６は、本実施形態に係る反射鏡１００の構成を示す模式図である。反射鏡１００は柱状の形状をなしており、その側面に反射面１０１を有する。センサユニット２０から射出された光は、反射面１０１により反射され、測距装置２の外部に投射される。この投射光は、測距の対象物１で反射され、投射時と同じ経路を経由してセンサユニット２０に入射される。反射鏡１００は、回転軸Ｚを中心としてモータ１５０により回転駆動される。このとき、反射鏡１００の角度に応じて、反射面１０１で反射される光は平行移動する。これにより、測距装置２から投射される光の走査が行われる。

図７は、本実施形態に係る反射鏡１００の、回転軸Ｚに垂直な面における断面図である。反射鏡１００の側面である反射面１０１は、回転軸Ｚに垂直な断面において、８個の対数螺旋が連続的に連結された閉曲線をなしている。このように対数螺旋が連続的に連結された閉曲線とすることにより、センサユニット２０から射出される光が入射し得る反射面１０１のすべてが、回転軸Ｚに対して垂直な断面において対数螺旋をなす構成が実現される。これにより、光が反射鏡１００のどの面に入射された場合であっても反射光を走査に活用することができる。なお、対数螺旋は、等角螺旋又はベルヌーイの螺旋と呼ばれることもある。

図８Ａは、対数螺旋をなす反射面における光の反射を説明する図である。対数螺旋Ｓｐは、極座標における動径をｒ、極座標における偏角をθ、θの値がゼロのときのｒの値をａ、対数螺旋の中心を通る直線と対数螺旋の接線とのなす角度をｂとしたとき、以下の式（２）の極方程式で表される。

ここで、対数螺旋Ｓｐの外側から式（２）の極方程式の原点Ｏに向かう入射光Ｉ１１、Ｉ２１と、その反射光Ｉ１２、Ｉ２２との関係について考える。入射光Ｉ１１、Ｉ２１が対数螺旋Ｓｐで反射する点における接線をｔ１、ｔ２とし、その法線をＳ１、Ｓ２とする。入射光Ｉ１１は、対数螺旋Ｓｐの動径ｒ１の点において反射し、入射光Ｉ２１は、対数螺旋Ｓｐの動径ｒ２の点において反射するものとする（ただし、ｒ１≠ｒ２）。このとき、対数螺旋Ｓｐの性質により、入射光Ｉ１１と接線ｔ１とのなす角度及び入射光Ｉ２１と接線ｔ２とのなす角度はいずれもｂとなる。したがって、入射光Ｉ１１と法線Ｓ１のなす入射角φと、入射光Ｉ２１と法線Ｓ２のなす入射角φは同一の角度となる。また、反射光Ｉ１２と法線Ｓ１のなす反射角φと、反射光Ｉ２２と法線Ｓ２のなす反射角φも同一の角度となる。φ及びｂが弧度法で表現された角度である場合、φとｂの関係は、以下の式（３）のようになる。

以上のことから、対数螺旋Ｓｐの外側から原点Ｏに向かう入射光Ｉ１１は、対数螺旋Ｓｐのどの点で反射した場合においても同じ反射角φで反射することがわかる。そのため、原点Ｏを中心として対数螺旋Ｓｐを回転させた場合、対数螺旋Ｓｐへの入射光Ｉ１１が反射する点は変化するが、反射光Ｉ１２が反射する方向は変化しないため、反射光Ｉ１２は平行移動する。

本実施形態の反射鏡１００は、この性質を利用するため、回転軸Ｚに垂直な断面において、反射面の少なくとも一部を回転軸Ｚが原点Ｏとなる対数螺旋としている。これにより、反射鏡１００を回転軸Ｚで回転させることにより、反射面１０１で反射される光が平行移動するような走査が可能となる。

図８Ｂ及び図８Ｃは、反射鏡の反射面をなす対数螺旋の作図方法を示す図である。図８Ｃは、図８Ａの対数螺旋Ｓｐからその一部を切り出し、対数螺旋Ｓｐｂを得る方法を示している。図８Ｂは、図８Ｃに対して鏡面対称な対数螺旋から対数螺旋Ｓｐａを得る方法を示している。複数個の対数螺旋Ｓｐａと対数螺旋Ｓｐｂとを原点Ｏが重なるように連続的に連結し、閉曲線とすることにより、図７に示されるような反射面１０１の外形の閉曲線を得ることができる。

図９Ａ乃至図９Ｄは、反射鏡１００による光の平行走査について説明する図であり、上面視における光路及び反射面を示している。図９Ａ乃至図９Ｃは、反射鏡１００を時計回りに回転させた際の光路の変化を示している。図９Ｄは、光路の変化をより詳細に示すため、図９Ａから図９Ｃを重ねて表示したものを示している。各図では、センサユニット２０から射出された光が、図中の上方向から反射鏡１００に入射され、右上方向に反射されている様子が示されている。

図９Ｄから理解できるように、反射鏡１００からの反射光の光路は、反射鏡１００の回転に応じて平行方向に移動する。そのため、本実施形態の測距装置２は、投射光を平行に走査することができる。この走査方法では、測距装置２から離れた位置においても光線の間隔が広がらないため、投射光が放射状に広がる走査手法に比べて遠距離の物体に対する検出精度を向上させることができる。したがって、本実施形態によれば、遠距離の物体に対しても良好な検出精度を得ることができる測距装置２を提供することができる。

図９Ｅ及び図９Ｆは、反射鏡１００による光の走査範囲変化について説明する図である。図９Ｅは、図９Ｃの状態から更に反射鏡１００を時計回りに回転させた際の光路を示している。図９Ｆは、光路の変化をより詳細に示すため、図９Ｃと図９Ｅを重ねて表示したものを示している。図９Ｃでは図の右方向に光が反射されているが、図９Ｅでは、図の左方向に光が反射されている。このように、本実施形態の測距装置２では、反射鏡１００の回転により光が反射される面が変わるときに反射方向が変化する。この性質を活用することにより、２つの異なる範囲を走査可能な測距装置２を提供することができる。

図１０、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃを参照して、反射鏡１００の回転角度による反射光の光路の変化についてより詳細に説明する。図１０は、反射光の光路のパラメータについて説明する図である。図１０に示されているように、反射鏡１００の回転角度をθ、センサユニット２０から反射面１０１までの光路長をＬ１、反射面から所定座標（ｘ，ｙ）までの光路長をＬ２とする。回転角度θの値が変化すると、光路長Ｌ１、Ｌ２が変化する。また、ｘを一定値とすると、回転角度θの値の変化に応じてｙの値も変化する。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、反射光の位置について説明するグラフである。横軸は回転角度θであり、縦軸は図１０に示すｙの値である。図１１Ａに示されるように、回転角度に応じて、ｙの値が所定範囲で増減を繰り返すため、反射光は所定範囲内で走査される。図１１Ｂは、図１１Ａの０度から４５度の範囲をより詳細に示したグラフである。図中に示された数式は、３次の多項式近似による近似曲線の方程式である。この近似式から明らかなように、回転角度θに対してｙの値は線形ではない。そのため、一定速度で反射鏡を回転させた場合に光の走査速度は一定にはならず、このことが誤差要因となり得る。この誤差要因を低減させるため、モータ制御部３１０は、上述の方程式を用いてモータ１５０の回転速度を補正してもよい。あるいは、演算部３１１で上述の方程式を用いて計測タイミングの補正を行うことにより、この誤差要因を低減させてもよい。

図１１Ｃは、光の光路長について説明するグラフである。横軸は回転角度θであり、光路長Ｌ１と光路長Ｌ２の和である。図１１Ａに示されるように、回転角度に応じて光路長が変化する。この光路長の差は、測距装置２による測定される距離に重畳されるため、距離に対する誤差要因となり得る。図中に示された数式は、３次の多項式近似による近似曲線の方程式である。この近似式から明らかなように、回転角度θに対するＬ１＋Ｌ２の値も線形ではない。演算部３１１で上述の方程式を用いて計測値の補正を行うことにより、この誤差要因を低減させることができる。

反射鏡１００の反射面１０１の形状の選定について図１２、図１３及び図１４を参照して説明する。図１２は、反射鏡の反射面の形状を決めるパラメータについて説明する図である。対数螺旋Ｓｐの形状を決めるパラメータは式（２）に示されるようにａ及びｂの２つである。図１２に示されるように、ａは反射鏡の谷部の半径に対応し、ｂは、谷部における接線と対数螺旋Ｓｐの中心を通る直線のなす角度である。以下、角度ｂを接線角と呼ぶこともある。図１２において、度数法における接線角ｂの値は６０度である。また、反射面１０１の山谷の個数ｎも反射面１０１の形状を決めるパラメータとなり得る。対数螺旋Ｓｐを連結する個数を変えることにより、反射面１０１の山谷の個数ｎを変える事ができる。反射面１０１の山谷の個数ｎは２以上の整数であれば適宜選択可能である。図１２に示す例では山谷の個数ｎは４である。

図１３は、接線角ｂによる反射面１０１の形状の違いを示す図である。図１３には、接線角ｂを度数法において６０度、７０度、８０度、９０度とした場合の反射面１０１の形状が示されている。図１３及び式（２）より明らかなようにｂが９０度の場合には反射面１０１は円であり、反射光を走査させるための反射鏡１００に適用することができない。また、６０度未満とした場合、反射面１０１のある山で反射した反射光が隣接する山に当たることになるため、反射光を効果的に利用することができない。したがって、本実施形態の反射鏡１００に適用される接線角ｂの範囲は６０度以上、かつ９０度未満とすることが望ましい。

また、接線角ｂの範囲は、６０度以上、かつ８０度未満とすることがより望ましい。接線角ｂが８０度から９０度の範囲では、反射面１０１が円に近く、反射光の走査範囲が狭いためである。

また、接線角ｂの範囲は、６０度以上、かつ７０度未満とすることが更に望ましい。接線角ｂが６０度以上、かつ７０度未満の範囲にすることで、７０度以上の場合に比べ、反射光の走査範囲を更に広くすることができるためである。

また、接線角ｂの範囲は、略６０度であることが更に望ましい。反射光が隣接する山に当たらない範囲では、反射光の走査範囲は接線角ｂが６０度のときに最大となるためである。

図１４は、山谷の個数ｎによる反射面１０１の形状の違いを示す図である。図１４にはｎ＝２から６までの５種類の反射面１０１の形状の例が示されているが、ｎは７以上であってもよい。ｎの値が大きいほど反射面１０１の１つの対数螺旋の長さが短くなるため、反射光の走査範囲が狭くなるが、少ない回転角度で１回の走査を完了させることができるため、モータ１５０の回転速度をそれほど大きくしなくても高速に走査を行うことができる。これらの事項を考慮してｎの値を適宜設定することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態として、反射鏡ユニット１０内に追加的に設けられ得る光学系について説明する。光学系以外の要素は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。この光学系は、反射鏡１００により反射された光が反射鏡１００の回転に応じて走査される際の走査幅を拡大する機能を有する。

図１５は、本実施形態の反射鏡ユニット１０に設けられた光学系の構成を示す模式図である。反射鏡１００から反射された光の光路に配された光学系は、平面鏡Ｍ１、Ｍ２、三角平面鏡Ｍ３、平面鏡群Ｍ４、放物面鏡Ｍ５、Ｍ６及び絞りＤ１を含む。なお、図１５に図示されている反射鏡１００は、山谷の個数ｎが８であるが、これに限られるものではない。

図９Ａ乃至図９Ｆを参照して説明したように、センサユニット２０から射出された光は反射鏡１００の回転に応じて平行移動するように走査されるとともに、反射方向が左右２方向に不連続に変化する。光路Ｌｓ、Ｌｅ、Ｒｓ、Ｒｅは、反射鏡１００の回転に応じて変化する反射光の光路を示している。

図１５に示されている状態から反射鏡１００が右方向に回転すると、右方向に反射された光は、光路Ｒｓから光路Ｒｅに向かって走査される。図１５には、この走査が矢印Ｓｃ１で示されている。反射鏡１００が更に回転して光が反射される面が変わると、光の反射方向は左方向に変化し、その光は、光路Ｌｓから光路Ｌｅに向かって走査される。図１５には、この走査が矢印Ｓｃ２で示されている。

左方向に反射された光（光路Ｌｓ、Ｌｅ）は、平面鏡Ｍ１で反射され、三角平面鏡Ｍ３の左側の反射面に入射される。右方向に反射された光（光路Ｒｓ、Ｒｅ）は、平面鏡Ｍ２で反射され、三角平面鏡Ｍ３の右側の反射面に入射される。三角平面鏡Ｍ３での反射光は、左側の反射面に入射された場合と、右側の反射面に入射された場合のいずれの場合も上方向となる。反射鏡１００が右方向に回転した場合の走査方向が矢印Ｓｃ３で示されている。

三角平面鏡Ｍ３での反射光は、平面鏡群Ｍ４に入射される。平面鏡群Ｍ４は、光を反射させる複数の平面鏡で構成されており、光が通過する面を図１５の奥行き方向にシフトする機能を有する。すなわち、平面鏡群Ｍ４を通過する前の光（あるいは反射鏡で反射された直後の光）が反射鏡１００の回転に応じて平行移動する面と、平面鏡群Ｍ４を通過した後の光が反射鏡１００の回転に応じて平行移動する面とは、図１５の奥行き方向に異なる面である。光の通過面を変えることにより、平面鏡群Ｍ４を通過した後の光の光路は、反射鏡１００等の光学部材を避けることができる。

平面鏡群Ｍ４を通過した光は、放物面鏡Ｍ５に入射される。放物面鏡Ｍ５で反射した光は放物面鏡Ｍ５の焦点を通過し、更に放物面鏡Ｍ６で反射される。ここで、放物面鏡Ｍ５と放物面鏡Ｍ６は、これらの凹面が互いに向かい合わされ、かつ、これらの焦点が一致するように配置されている。放物面鏡の性質により、放物面鏡Ｍ６での反射光は平行光となり、測距装置２から投射される。ここで、反射鏡１００が右方向に回転した場合の走査方向が矢印Ｓｃ４で示されている。放物面鏡Ｍ５と放物面鏡Ｍ６の焦点の近傍には、絞りＤ１が配されている。絞りＤ１は、光が通過する範囲を制限する機能を有する。これにより、測距装置２の被写界深度が深くなり、測距装置２で得られる分布情報の精度が向上する。

曲率の異なる放物面鏡Ｍ５と放物面鏡Ｍ６の凹面が互いに向かい合わせることにより、矢印Ｓｃ４が矢印Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３よりも長くなっている。これにより、本実施形態の光学系は、測距装置２から投射される光の走査幅を拡大させる機能を有する。したがって、本実施形態によれば、走査幅が拡大された測距装置２を提供することができる。

本実施形態の光学系は走査幅を一方向に広げることができる構成である。そのため、測距装置２の構造を薄型化することができ、棚天板、天井面等に配置する際の省スペース化に有利である。

図１６Ａ乃至図１６Ｃは光学系の構成の変形例を示す図である。図１６Ａ乃至図１６Ｃには、図１５で示した構成のうち、センサユニット２０から平面鏡群Ｍ４の間の光路のみを抜き出したものが示されている。図１６Ａは、図１５と同一の構成を示す図である。図１６Ａの構成では、図の状態から反射鏡１００が時計回りに回転すると、矢印Ｓｃ３のように光が走査される。

図１６Ｂは、三角平面鏡Ｍ３の配置を図１６Ａの構成と異ならせた変形例を示す図である。図１６Ｂでは、三角平面鏡Ｍ３に入射された光はいずれも図中の下方向に反射される。これにより、図１６Ｂにおける光の走査の順序は、図１６Ａのそれと異なっている。図の状態から反射鏡１００が時計回りに回転すると、光は反射面１０１ａで反射され、矢印Ｓｃ３ａのように走査される。その後、光が反射される面が反射面１０１ｂに変化し、光は、矢印Ｓｃ３ｂのように走査される。図１６Ａの構成では、光が反射面１０１の谷に入射する時点から次の谷に入射するまでが走査の一周期となるのに対し、図１６Ｂの構成では、光が反射面１０１の山に入射する時点から次の山に入射するまでが走査の一周期となる。

図１６Ｃは、図１６Ａの平面鏡Ｍ２及び三角平面鏡Ｍ３に代えてＺ型平面鏡Ｍ７を設けた変形例を示す図である。Ｚ型平面鏡Ｍ７に入射された光は、いずれも図中の左方向に反射される。これにより、図１６Ｃにおける光の走査方向の変化は、図１６Ａのそれと異なっている。図の状態から反射鏡１００が時計回りに回転すると、光は反射面１０１ａで反射され、矢印Ｓｃ３ａのように上方向に走査される。その後、光が反射される面が反射面１０１ｂに変化すると、光は、矢印Ｓｃ３ｂのように下方向に走査される。図１６Ａ及び図１６Ｂの構成では反射光が一定の向きに連続的に平行移動するのに対し、図１６Ｃの構成では反射光が平行移動する向きが不連続的に変化する。このように要求される光の走査方法に応じて光学系の構成は、適宜変形可能である。

光学系の構成は、上述のものに限定されない。例えば、平面鏡、放物面鏡等の光学部材が更に追加されていてもよい。また、放物面鏡の反射面は、同様な効果が得られる集光が可能であれば厳密な放物面でなくてもよく、精度が許容される場合には、例えば、球面鏡等も採用され得る。また、放物面鏡を用いた光学系の変形例として、カセグレン型、グレゴリアン型等を採用してもよい。

また、センサユニット２０から射出された光が通過する光路上に更に偏光素子及び光学フィルタ素子の少なくとも１つが配されていてもよい。偏光素子を設けた場合には、測距装置２から投射される光と異なる偏光の光が受光されにくくすることができ、測距装置２とは別の光源から投射された光に起因するノイズを低減することができる。また、光学フィルタ素子を設けた場合には、測距装置２から投射される光と異なる波長の光が受光されにくくすることができ、この場合も測距装置２とは別の光源から投射された光に起因するノイズを低減することができる。

測距装置制御部３０を構成する回路は、例えば、放物面鏡Ｍ６の裏側（凸面側）に配置することができる。これにより、放物面鏡Ｍ６の裏側の空き空間を有効活用することができ、大きな反射鏡１００を搭載することができる。反射鏡１００を大きくすることで、反射光の位置精度が向上するとともに、反射鏡１００の慣性モーメントが大きくなることにより回転速度の安定化も図ることができる。

上述の実施形態において説明した装置は以下の第３実施形態のようにも構成することができる。

［第３実施形態］
図１７は、第３実施形態に係るセンサ装置８００の機能ブロック図である。センサ装置８００は、センサユニット８２１及び反射鏡８２２を備える。センサユニット８２１は、光を射出するとともに、対象物から反射された光を受ける。反射鏡８２２は、側面に反射面を有する柱状の反射鏡であって、反射鏡の軸を回転軸として回転可能であり、回転軸に対して垂直な断面において、反射面の少なくとも一部が回転軸を中心とする対数螺旋をなしている。センサユニット８２１から射出され、反射面で反射された光が反射鏡８２２の回転に応じて平行移動することにより、反射面で反射された光が走査される。

本実施形態によれば、遠距離の物体に対しても良好な検出精度を得ることができるセンサ装置が提供される。

［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

上述の実施形態では、本発明が適用され得るセンサ装置として、主としてＦＭＣＷ方式のＬｉＤＡＲ装置を例示したが、これに限定されるものでない。光を走査することにより物体を検出し得るセンサ装置であれば、本発明はこれ以外の装置にも適用され得る。

上述の実施形態の一部の機能を実現するように該実施形態の構成を動作させるプログラムを記憶媒体に記録させ、記憶媒体に記録されたプログラムをコードとして読み出し、コンピュータにおいて実行する処理方法も各実施形態の範疇に含まれる。すなわち、コンピュータ読取可能な記憶媒体も各実施形態の範囲に含まれる。また、上述のプログラムが記録された記憶媒体だけでなく、そのプログラム自体も各実施形態に含まれる。また、上述の実施形態に含まれる１又は２以上の構成要素は、各構成要素の機能を実現するように構成されたＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の回路であってもよい。

該記憶媒体としては例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ（Compact Disk）−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性メモリカード、ＲＯＭを用いることができる。また該記憶媒体に記録されたプログラム単体で処理を実行しているものに限らず、他のソフトウェア、拡張ボードの機能と共同して、ＯＳ上で動作して処理を実行するものも各実施形態の範疇に含まれる。

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上述の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
光を射出するとともに、対象物から反射された光を受けるセンサユニットと、
側面に反射面を有する柱状の反射鏡であって、前記反射鏡の軸を回転軸として回転可能であり、前記回転軸に対して垂直な断面において、前記反射面の少なくとも一部が前記回転軸を中心とする対数螺旋をなしている反射鏡と、
を備え、
前記センサユニットから射出され、前記反射面で反射された光が前記反射鏡の回転に応じて平行移動することにより、前記反射面で反射された光が走査される
ことを特徴とするセンサ装置。

（付記２）
前記センサユニットから射出される光が入射し得る前記反射面のすべてが、前記回転軸に対して垂直な断面において前記対数螺旋をなしている
ことを特徴とする付記１に記載のセンサ装置。

（付記３）
前記反射面は、前記回転軸に対して垂直な断面において、複数の前記対数螺旋が連続的に連結された閉曲線をなしていることを特徴とする付記１又は２に記載のセンサ装置。

（付記４）
極座標における動径をｒ、極座標における偏角をθ、θの値がゼロのときのｒの値をａ、前記対数螺旋の中心を通る直線と前記対数螺旋の接線とのなす角度をｂとし、
前記対数螺旋の曲線を示す極方程式を式（２）で表現したとき、

度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ９０度未満である
ことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記５）
度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ８０度未満である
ことを特徴とする付記４に記載のセンサ装置。

（付記６）
度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ７０度未満である
ことを特徴とする付記４に記載のセンサ装置。

（付記７）
度数法におけるｂの値は、略６０度である
ことを特徴とする付記４に記載のセンサ装置。

（付記８）
前記反射面の回転に応じて、前記反射面で反射された光が一定の向きに連続的に平行移動することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記９）
前記反射面の回転に応じて、前記反射面で反射された光が平行移動する向きが不連続的に変化することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記１０）
前記反射鏡により反射された光が前記反射鏡の回転に応じて走査される際の走査幅を拡大する光学系を更に備える
ことを特徴とする付記１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記１１）
前記光学系は、凹面が互いに向かい合わされた２つの放物面鏡を含む
ことを特徴とする付記１０に記載のセンサ装置。

（付記１２）
前記２つの放物面鏡は、焦点が一致するように配置されている
ことを特徴とする付記１１に記載のセンサ装置。

（付記１３）
前記光学系は、前記焦点の近傍に設けられ、光路の幅を制限する絞りを更に含む
ことを特徴とする付記１２に記載のセンサ装置。

（付記１４）
前記反射鏡で反射された直後の光が前記反射鏡の回転に応じて平行移動する面と前記光学系を通過した後の光が平行移動する面とは、互いに異なる面である
ことを特徴とする付記１０乃至１３のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記１５）
前記センサユニットから射出された光が通過する光路上に配された偏光素子を更に備える
ことを特徴とする付記１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記１６）
前記センサユニットから射出された光が通過する光路上に配された光学フィルタ素子を更に備える
ことを特徴とする付記１乃至１５のいずれか１項に記載のセンサ装置。

（付記１７）
ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置であることを特徴とする付記１乃至１６のいずれか１項に記載のセンサ装置。

１対象物
２測距装置
１０反射鏡ユニット
２０、８２１センサユニット
１００、８２２反射鏡
８００センサ装置

Claims

光を射出するとともに、対象物から反射された光を受けるセンサユニットと、
側面に反射面を有する柱状の反射鏡であって、前記反射鏡の軸を回転軸として回転可能であり、前記回転軸に対して垂直な断面において、前記反射面の少なくとも一部が前記回転軸を中心とする対数螺旋をなしている反射鏡と、
を備え、
前記センサユニットから射出され、前記反射面で反射された光が前記反射鏡の回転に応じて平行移動することにより、前記反射面で反射された光が走査される
ことを特徴とするセンサ装置。
前記センサユニットから射出される光が入射し得る前記反射面のすべてが、前記回転軸に対して垂直な断面において前記対数螺旋をなしている
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記反射面は、前記回転軸に対して垂直な断面において、複数の前記対数螺旋が連続的に連結された閉曲線をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ装置。
極座標における動径をｒ、極座標における偏角をθ、θの値がゼロのときのｒの値をａ、前記対数螺旋の中心を通る直線と前記対数螺旋の接線とのなす角度をｂとし、
前記対数螺旋の曲線を示す極方程式を式（２）で表現したとき、

度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ９０度未満である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ８０度未満である
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
度数法におけるｂの値は、６０度以上、かつ７０度未満である
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
度数法におけるｂの値は、略６０度である
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
前記反射面の回転に応じて、前記反射面で反射された光が一定の向きに連続的に平行移動することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記反射面の回転に応じて、前記反射面で反射された光が平行移動する向きが不連続的に変化することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記反射鏡により反射された光が前記反射鏡の回転に応じて走査される際の走査幅を拡大する光学系を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記光学系は、凹面が互いに向かい合わされた２つの放物面鏡を含む
ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサ装置。
前記２つの放物面鏡は、焦点が一致するように配置されている
ことを特徴とする請求項１１に記載のセンサ装置。
前記光学系は、前記焦点の近傍に設けられ、光路の幅を制限する絞りを更に含む
ことを特徴とする請求項１２に記載のセンサ装置。
前記反射鏡で反射された直後の光が前記反射鏡の回転に応じて平行移動する面と前記光学系を通過した後の光が平行移動する面とは、互いに異なる面である
ことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記センサユニットから射出された光が通過する光路上に配された偏光素子を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記センサユニットから射出された光が通過する光路上に配された光学フィルタ素子を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のセンサ装置。