JP6965784B2 - 距離測定装置、およびこれを用いた移動体 - Google Patents

Description

本発明は、距離測定装置と、これを用いた移動体に関する。

走行路上に存在する先行車、障害物等の判別、あるいは車線区分を表わす白線やキャッツアイ等のレーンマーカの検出のために、レーザ走査型ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging：光検出および測距）装置が用いられている。ＬｉＤＡＲ装置は、車両、船舶、航空機等に搭載されて、レーザ光を出力し、検出対象から反射光を受光することにより、移動体の周囲に存在する障害物等を検出する。

ＬｉＤＡＲの光源としては、基板面と平行な方向に光を共振させて基板から水平に光を出射する端面発光型のレーザダイオードが一般的である。端面発光型のレーザは集積化が困難なため、同一基板上への集積化が容易なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：面発光レーザ）を光源として用いることが検討されている。ＶＣＳＥＬは、基板面と垂直な方向に光を共振させて基板から垂直方向に光を出射する。光軸と直交する面内に複数の発光点を配列してＶＣＳＥＬアレイを構成し、ＶＣＳＥＬアレイから出力される光ビームをミラースキャナで走査する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

面発光レーザは、一般的な端面発光型のレーザと比べて発光領域が小さく、単一の発光素子では長距離の計測に十分な光強度を得ることが難しい。高強度のレーザ出力を得るために、複数の発光素子を集積して１つの発光領域とみなして、トータルで発光領域を増やしている。

しかしながら、上記の方法で発光面積を増大すると、発光ビームの強度分布が理想的なガウシアンビームから乖離する。ＬｉＤＡＲ装置から出射されるレーザビームの広がり角は、走査平面における検出角度分解能に直結するため、小さいほど望ましいが、複数の面発光レーザを集積して光源とした場合、出力を高くするほどビーム品質が低下する。投射レンズによって平行光ビームを形成する場合であっても、ビームの広がり角が拡大し、検出距離と角度分解能を両立させることが難しい。

本発明は、集積型の光源に採用する距離測定装置において、検出面での角度分解能を高く維持し、かつ検出距離を拡大することを目的とする。

ビーム走査方向に、複数の発光素子群を離間して配置し、かつ、各々の発光素子群の発光タイミングを制御することで、複数の発光素子群で走査範囲を測定する。対象物からの反射光を受光して得られる検出信号を積算することで、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を向上して測距精度を向上する。

具体的には、距離測定装置は、
光源と、
前記光源から出力される光ビームを所定の範囲で走査する光走査部と、
前記光ビームが対象物で反射された反射光を受光して検出信号を出力する受光部と、
前記検出信号に基づいて前記対象物までの距離を計測する制御回路と、
を有し、
前記光源は、前記光走査部による走査方向に配列される複数の発光素子群を有し、
前記制御回路は、一回の走査において複数の前記発光素子群をそれぞれ異なるタイミングで発光させ、前記検出信号の積算値に基づいて前記対象物までの距離を計測する。

上記の構成により、集積型の光源を採用する距離測定装置において、検出面での角度分解能を高く維持し、かつ検出距離を拡大することができる。

距離測定装置の一例としてのＬｉＤＡＲ装置の概略図である。 ＬｉＤＡＲ装置で用いられる光源の構成例を示す図である。 実施形態の光源によって照射される領域を説明する図である。 図２の光源のパルス発光タイミングを説明する図である。 光源の別の構成例を示す図である。 光スキャナの一例としてのＭＥＭＳミラーの構成例を示す。 光スキャナの一例としてポリゴンミラーの構成例を示す。 受光素子の概略図である。 図８の受光素子２１による光検出角度範囲を説明する図である。 ２つの発光素子群の発光スペクトルと、対応する波長フィルタの透過波長特性を説明する図である。

図１は、実施形態の距離測定装置の一例であるＬｉＤＡＲ装置１００の概略図である。ＬｉＤＡＲ装置１００は、光源からの光を投光する投光部１と、対象物４０からの反射光を受光する受光部２と、受光部２からの出力信号を時間積算する積算器２５と、投光部１の制御および反射信号に基づく距離計測を行う制御回路３を有する。図１では、受光部２の出力は積算器２５の入力に接続され、時間積算された反射信号が制御回路３に入力されているが、積算器２５は制御回路３に含まれていてもよい。

投光部１と受光部２は、一般的には車両の前方に存在する物体を検出するように、車両の前部に配置されるが、車両の側方または後方の物体を検出する場合等、車両のあらゆる箇所に設置可能である。

投光部１は、光源１１、カプリングレンズ１３、光スキャナ１４、光源駆動回路１６、光スキャナ駆動回路１７、及び走査角モニタ１８を有する。

光源１１は、複数の発光素子群が光走査の方向に離間して配置されている。各発光素子群は、複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で形成されている。光源１１は、光源駆動回路１６を介して制御回路３に接続され、制御回路３によって発光素子群の発光タイミングが互いに独立して制御されている。光源１１の構成と動作の詳細については、図２以降を参照して後述する。

カプリングレンズ１３は、光源１１から出射されるレーザ光を光スキャナ１４に結合する。光スキャナ１４は、光源１１の複数の発光素子群から出力されるレーザ光を、同一の検出領域に向けてＸＺ面内で走査する。光スキャナ１４によって与えられるビーム偏向により、所定の角度範囲に存在する物体が検出され、検出された物体までの距離を測定することが可能となる。

光スキャナ１４によるレーザ光の走査角は、走査角モニタ１８によって検出されて制御回路３に供給されてもよい。この場合、モニタ結果は、光スキャナ駆動信号にフィードバックされて走査角度および走査周波数などが制御される。

受光部２は、受光素子２１と受光レンズ２２を有する。受光レンズ２２は、ビーム走査方向に存在する物体から反射されたレーザ光を、受光素子２１に結合させる。受光素子２１はたとえばフォトダイオードである。受光レンズ２２と受光素子２１の間に、ミラー等のその他の光学素子が配置されていてもよい。

投光部１と受光部２は近接して配置され、数メートル程度以上離れた位置からは、互いの光軸は同軸関係にあるとみなし得る。検出対象物で反射された光は、その反射点において様々な方向に散乱されるが、ＬｉＤＡＲ装置１００から出力されたレーザ光と等しい光路を辿って戻ってくる光成分が、受光レンズ２２を介して受光素子２１に導かれ、反射信号として検出される。

受光素子２１は、入力された反射光の強度に対応した光電流を出力する。受光素子２１から出力される光電流は、図示しないトランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換され、増幅器２３で増幅された後、積算器２５に入力される。積算器２５は、一回の走査で複数の発光素子群から異なる発光タイミングで出力され、対象物から反射された検出信号を積算し、検出信号の総和値を制御回路３に出力する。

制御回路３は、光源の駆動タイミング信号が出力されてから検出信号が得られるまでの時間、すなわちレーザ光を出射した時刻と反射光を受光した時刻の差分に基づいて、検出された対象物までの距離を計測する。

この構成では、各発光素子群から出力されるレーザ光の品質は保証され、かつ角度分解能が高く維持されている。また、同一検出エリアに複数のレーザ光を異なるタイミングで照射することでトータルの強度を向上して、測定距離を伸ばすことができる。反射光に基づく検出信号を積算することで、検出信号を高いＳ／Ｎ比で取得して、高精度の距離計測を行うことができる。

制御回路３は、ＬＳＩチップ、マイクロプロセッサ等の集積回路チップ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）等のロジックデバイス、集積回路チップとロジックデバイスの組み合わせ等で実現されてもよい。
＜投光部の構成と動作＞
図２は、ＬｉＤＡＲ装置１００の光源１１Ａの構成例である。光源１１Ａは、所定の方向に配列される複数の発光素子群１１０を有する。図２の例では、発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂが、Ｘ方向に所定の間隔ＷＧで配置されている。発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂは、それぞれ対応する電極１１４Ａ、１１４Ｂに接続されている。電極１１４Ａと電極１１４Ｂに印加される駆動信号のタイミングは、制御回路３によって独立に制御され、発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂは、それぞれ独立したタイミングで発光する。

発光素子群１１０ＡのＸ方向の発光幅はＷＡ、発光素子群１１０ＢのＸ方向の発光幅はＷＢである。後述するように、各発光素子群１１０の発光幅Ｗは、走査ビームの角度分解能と相関する。発光素子群１１０Ａおよび発光素子群１１０Ｂの出力軸（光軸）がＺ方向である。

図２（Ｂ）は、一つの発光素子群１１０の面内構成を示す図である。発光素子群１１０は、ＸＹ面内に配置された複数の表面発光型の発光素子１１３を有する。各発光素子１１３の開口部（すなわち発光領域）のサイズは微小であり、各発光素子１１３はＺ方向に向けて等方的にレーザ光を出力する。

発光素子１１３の発光領域の面積を大きくするほど、発光領域あたりの光量は増加するが、発光領域を大きくしすぎると、複数の発振モードが励起されビーム品質が劣化する。このため、発光素子１１３の開口面積は、発光ビームプロファイルが理想的なガウス関数形状から大きく逸脱しない範囲に制限されている。

また、発光領域を密接に配置するほど、単位面積当たりの発光強度が増加するが、配置密度を高くしすぎると、発光領域の発熱により光源１１Ａの温度が高くなり、高出力での発光が困難となる。このため、発光素子１１３は、発光強度が低下しない範囲で密集して配置される。図２（Ｂ）の例では、複数の発光素子１１３が六角形の細密配置で並べられているが、この例に限定されず、格子状など、適切な配置構成を採用可能である。発光素子１１３の発光領域の外径と発光領域間隔は、たとえば数μｍ〜数百μｍの範囲で設定されている。

図３は、光源１１Ａによって照射される領域を説明する図である。発光素子群１１０Ａと１１０Ｂの各々から出力された光は、カプリングレンズ１３により、所定の広がり角を有する光ビームに変換される。ここで発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂの配列方向（Ｘ軸方向）の発光幅をそれぞれＷＡおよびＷＢとし、カプリングレンズ１３の焦点距離をＬとする。発光素子群１１０の配列方向は、レーザ光の走査方向でもある。

カプリングレンズ１３を光源１１ＡからＺ方向にＬだけ離して配置した場合、発光素子群１１０Ａが照射する領域の光照射角度範囲ΦＡと、発光素子群１１０Ｂが照射する領域の光照射角度範囲ΦＢは、それぞれ式（１）と式（２）で与えられる。

ΦＡ＝ｔａｎ−１（ＷＡ／Ｌ）≒ＷＡ／Ｌ （１）
ΦＢ＝ｔａｎ−１（ＷＢ／Ｌ）≒ＷＢ／Ｌ （２）
発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂは離間して配置されているので、発光素子群１１０Ａの光照射領域ＥＡと、発光素子群１１０Ｂの光照射領域ＥＢの間に、光が存在しない非照射領域ＮＥが存在する。非照射角度範囲ΦＧは、隣接する発光素子群の間隔をＷＧとすると、式（３）で与えられる。

ΦＧ＝ｔａｎ−１（ＷＧ／Ｌ）≒ＷＧ／Ｌ （３）
光源１１Ａに用いられる複数の発光素子群１１０について、配列方向の発光幅Ｗ、配列の間隔ＷＧ、及びカプリングレンズ１３の焦点距離Ｌに基づいて、光照射領域Ｅの光照射角度範囲と、光が照射されない非照射領域ＮＥの非照射角度範囲ΦＧを予め定めることができる。

光源１１Ａの発光強度が大きいほど、遠方にある検出対象からの反射光の強度も強くなり、検出距離を伸ばすことができる。したがって、図２（Ｂ）の発光素子１１３の開口（または発光領域）のトータルの面積を増やすことで、検出距離を拡大し得る。一方で、光照射角ΦはＬｉＤＡＲ装置１００の検出角度分解能を規定する。一般的には、光照射角Φは小さいほど望ましい。すなわち各発光素子群１１０の発光幅Ｗは狭くなり、光走査方向の発光素子１１３の配置数は少ないほど好ましい。これらに鑑みると、発光素子群１１０の配置形状は、光走査方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）の長さが長くなるような長方形のプロファイルが好適である。

図４は、実施形態の光源１１Ａのパルス発光タイミングを説明する図である。発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂを、それぞれ所定の発光間隔ｔＡおよびｔＢでパルス発光させるが、それぞれの発光タイミングに時間差を設けることに特徴がある。

発光素子群１１０Ａの発光間隔ｔＡと、発光素子群１１０Ｂの発光間隔ｔＢは、光スキャナ１４の走査周期と、ＬｉＤＡＲ装置１００の測定解像点数から決定される。測定解像点数は、ＬｉＤＡＲ装置１００によって測定される検出角度範囲を、式（１）あるいは式（２）で与えられる光ビームの光照射角Φで除算した値で与えられる。たとえば、ＬｉＤＡＲ装置１００の検出角度範囲が全角１５０°であり、光ビームの光照射角が０．１°の場合、測定解像点数は１５００点になる。

光スキャナ１４による走査の１周期の時間をＴｒ、ＬｉＤＡＲ装置１００の検出角度範囲をθｓとすると、発光素子群１１０Ａの発光間隔ｔＡと、発光素子群１１０Ｂの発光間隔ｔＢは、式（４Ａ）と式（４Ｂ）でそれぞれ与えられる。

ｔＡ＝Ｔｒ×（ΦＡ／θｓ）＝Ｔｒ×（ＷＡ／Ｌ） （４Ａ）
ｔＢ＝Ｔｒ×（ΦＢ／θｓ）＝Ｔｒ×（ＷＢ／Ｌ） （４Ｂ）
ここで、発光素子群１１０Ａと発光素子群１１０Ｂの発光タイミングに所定の時間差ΔＴＡＢを設けることで、発光素子群１１０Ａの光照射領域ＥＡと発光素子群１１０Ｂの光照射領域ＥＢを、空間的に一致させることができる。図３における非照射領域ＮＥ（または非照射角度ΦＧ）を光スキャナ１４によるビーム走査によって通過する際の経過時間ｔＧは、式（５）で与えられる。

ｔＧ＝Ｔｒ×（ΦＧ／θｓ）＝Ｔｒ×（ＷＧ／Ｌ） （５）
発光素子群１１０ＡのＸ方向の発光幅ＷＡと、発光素子群１１０ＢのＸ方向の発光幅ＷＢが互いに等しい場合（ＷＡ＝ＷＢ＝ＷＸ）、発光素子群１１０Ａと１１０Ｂが同じ領域を照射するための時間差ΔＴＸは、式（６）で与えられる。

ΔＴＸ＝ｋ・ｔＡ＋ｔＧ ＝ Ｔｒ×（ｋ・ＷＸ＋ＷＧ）／Ｌ （６）
ここで、ｋは任意の整数である。

複数の発光素子群１１０で同じ領域を照射するように光パルスの発光タイミングに時間差を設けることで、角度分解能の向上と検出距離の拡大を両立することができる。ＬｉＤＡＲ装置の検出距離を長くするためには発光強度を大きくする必要があるが、従来の発光素子アレイの構成では、発光強度を高めるために発光素子アレイの面積（あるいはアレイ状に配列される発光素子の数）も増大する。このため、発光素子アレイから出力されるレーザ光の照射角度範囲が広くなり、角度分解能が低下してしまう。これに対して、実施形態のＬｉＤＡＲ装置１００では、各発光素子群の発光面積を増加させずに、複数の発光素子群からのレーザ光によって同一領域を複数回走査する。特に、発光素子群の走査方向の発光幅Ｗを広げずに走査方向の角度分解能を高く維持して、実効的な光照射強度を高めることができる。

上述した例では、説明を簡単にするために、発光素子群１１０の数が２の場合について述べてきたが、発光素子群１１０の数を増やすほど、本発明の効果が高まる。走査方向（Ｘ方向）に配列される発光素子群１１０の数をＮとすると、同じ面積の単一の発光素子群を用いる場合と比べて、検出光成分とノイズ光成分の比（ＳＮ比）を√Ｎ倍だけ高めることができる。ＳＮ比の向上に応じて、検出可能な距離も拡大する。

実施形態のＬｉＤＡＲ装置１００で、発光素子群１１０の最大数は以下のように概算できる。最大検出可能距離をＺＭＡＸ、光速をｃとすると、レーザ投光ビームの発光タイミングと検出対象物からの反射光の受光タイミングの時間差ΔｔＭＡＸは、式（７）で与えられる。

ΔｔＭＡＸ＝２×ＺＭＡＸ／ｃ （７）
この時間差ΔｔＭＡＸは、各発光素子群１１０が発光可能なパルス間隔の最小値となる。

一方で、式（４Ａ）あるいは式（４Ｂ）より、発光素子群１１０Ｘの発光間隔ｔＸは、式（８）で与えられる。

ｔＸ＝Ｔｒ×（ΦＸ／θｓ） （８）
ここで、Ｔｒは光スキャナ１４による走査の１周期の時間、θｓはＬｉＤＡＲ装置１００の検出角度範囲、ΦＸは発光素子群１１０Ｘが照射する領域の広がり角である。一般的にｔＸはΔｔＭＡＸより大きな値となり、ｔＸの時間内に複数の発光素子群１１０からのパルス発光を多重化できる。多重化可能な発光素子群の最大数Ｍは、式（７）と式（８）から、
Ｍ＝ｔｘ／ΔｔＭＡＸ
＝Ｔｒ・ΦＸ・ｃ／（２θｓ・ＺＭＡＸ） （９）
で与えられる。

たとえば、Ｔｒ＝１００ｍｓ、ΦＸ＝０．１°、θｓ＝１５０°、ＺＭＡＸ＝２００ｍの場合、Ｍ＝５０となり、発光素子群を最大で５０個、光走査方向に離間して並置できる。各発光素子群の発光タイミングを異ならせることで、５０個の発光素子群によって同一の検出領域を照射することができる。この場合、単一の大きな発光素子群を用いた検出と比べて、検出信号のＳＮ比を√５０倍（約７倍）に高めることができる。

このように、実施形態では各発光素子群セグメントの発光面積は増加させずに、複数の発光素子群によって同一領域を複数回検出するため、発光ビームプロファイルの劣化を引き起こすことなく実質的な光照射強度を増加させることができる。このため、光走査方向の検出角度分解能を良好な状態に保持したまま、検出可能な測定距離を伸ばすことができる。

上記では、パルス発光間隔の制約から発光素子群の最大数Ｍを見積もったが、複数の発光素子群を同一基板上に集積する際の好適な配置が発光素子数から定められる。

発光素子群の数が２の場合（図２の構成）に戻って説明すると、発光素子群１１０Ａと１１０ＢのＸ方向の幅Ｗが互いに等しい場合、その発光幅をＷＸとすると、式（４Ａ）または式（４Ｂ）より、発光間隔（またはパルス間隔）ｔＸは式（１０）で与えられる。

ｔＸ＝Ｔｒ×（ＷＸ／Ｌ） （１０）
２つの発光素子群が同じ領域を照射するための時間差ΔｔＸは式（６）で与えられる。

ΔｔＸ＝Ｔｒ×（ｋ・ＷＸ＋ＷＧ）／Ｌ （６）
図４に示したように、２つの発光素子分の発光タイミングを、それぞれの発光間隔の１／２周期だけずらせて発光させる場合が、最も互いの発光パルスが迷光成分となる可能性が低い。このときｔＸ＝２Δｔｘとなるから、式（６）と式（１０）より、
Ｔｒ×（ＷＸ／Ｌ）＝２×Ｔｒ×（ｋ・ＷＸ＋ＷＧ）／Ｌ
２ＷＧ＝ｋ´・ＷＸ （１１）
となる。間隔ＷＧを狭くするほど高密度に光源を集積することができ、その最小値は式（１１）でｋ´＝１として、
ＷＧ＝ＷＸ／２ （１２）
で与えられる。

光走査方向に並置する発光素子群１１０の数が増えた場合も同様の考え方ができる。発光幅Ｗが等しいＮ個の発光素子群１１０を並置した場合、隣接する発光素子群１１０の間隔ＷＧを各発光素子群１１０の発光幅ＷＸに対して、
ＷＧ＝ＷＸ／Ｎ （１３）
にすると、それぞれの発光素子群１１０からのパルス発光間隔が最も分散される。これにより、各発光素子群１１０の発光パルスが他の発光素子群に対する検出時の迷光となる可能性を低減できる。

各発光素子群１１０は、密接して配置された複数の面発光レーザで形成されているため、発光素子群１１０間の間隔ＷＧを厳密に式（１３）のように規定することは困難であるが、隣接する発光素子群１１０の間の平均的な間隔を式（１３）に従うように定めることが好ましい。

図５は、ＬｉＤＡＲ装置１００で用いられる光源１１Ｂの構成例を示す。図２〜図４では、複数の発光素子群１１０が光走査方向（Ｘ方向）に離間して並置される構成について説明してきたが、図５のように、Ｘ方向とＹ方向に複数の発光素子群１１０を離間して配置してもよい。このような２次元配置で、光走査方向と直交する方向に離間した発光素子群１１０に対して発光タイミングを異ならせ、各発光素子群１１０からの発光パルスに対して距離計測を実施することで、垂直方向の検出レイヤ数を増加させることができる。

図５の例では、３×４のマトリクスで１２個の発光素子群１１０が配置され、各発光素子群１１０に電極１１４が接続されて、発光タイミングを制御する制御信号が印加される。発光素子群１１０を垂直方向（Ｙ方向）に離間して配置し、それぞれを独立して発光させることで、光スキャナ１４として、傾斜角が互いに等しい反射面を有するポリゴンミラーや、１軸方向にミラー走査が可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナを用いることができる。と本実施例における光源の構成例を組み合わせることで、垂直方向の検出レイヤ数を増加させることが可能となる。

垂直方向のレイヤが互いに離間することによる検出エラーを抑制するためには、発光素子群１１０間の垂直方向の離間距離はできる限り小さくすることが好ましい。したがって図５に示すように、光走査方向と直交するＹ方向の離間距離を、光走査方向（Ｘ方向）の離間距離よりも狭く設定することが好適である。光走査方向に隣接する発光素子群間の距離を相対的に広くとることにより、レーザ発振のための駆動電流を各発光素子群１１０に印加するための配線を、離間領域に容易にレイアウトすることができる。

図２と図５の構成で、光走査方向に配列される発光素子群１１０を、すべて同じＶＣＳＥＬで形成してもよいが、後述するように、受光素子に波長フィルタを組み合わせる場合は、光走査方向に並ぶ発光素子群１１０の間で、出力波長を異ならせてもよい。その場合は、複数の発光素子群１１０の間で発光タイミングが接近している場合でも、発光素子群１１０間のクロストークを低減して、距離計測の精度を高めることができる。

図６は、光スキャナ１４の一例としてＭＥＭＳスキャナ１４Ａを示す。ＭＥＭＳスキャナ１４Ａは、反射ミラー１４５を有する可動部１４４と、可動部１４４の両側で可動部１４４を支持する一対の蛇行梁部１４６を有する。各蛇行梁部１４６で、一端が支持基板１４３に固定され、他端は可動部１４４に連結されている。

各蛇行梁部１４６は、第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂが交互に配置され、複数の折り返し部を介して蛇行（ミアンダ）パターンを形成している。隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂには、互いに逆位相の電圧信号が印加され、蛇行梁部１４６にＺ方向への反りが発生する。

隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂでは、撓みの方向が逆になる。逆方向の撓みが累積されて、反射ミラー１４５を備えた可動部１４４が、回転軸Ａを回転中心として、往復回動する。

回転軸Ａを回転中心としたミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂに印加することで、低電圧で大きな回転角度を得ることができる。

このＭＥＭＳスキャナ１４Ａは、１軸方向（Ｘ方向）へ光走査を行う。垂直方向（Ｙ方向）の検出・測定は、Ｙ方向に互いに離間して配置された複数の発光素子群１１０の発光を切り替えることでレイヤ数を増やすことができる。

図７は、光スキャナ１４の別の例として、ポリゴンミラー１４Ｂを示す。ポリゴンミラー１４Ｂは、回転軸１４１に対して等速回転する。この例では、６角形の回転体の６つの傾斜面に平面ミラー１４２ａ〜１４２ｆが設けられている。平面ミラー１４２ａ〜１４２ｆは、回転軸１４１に対する傾斜角が同一であり、回転軸１４１を中心として回転体が回転することで、レーザ光のミラー面へ入射角が変化し、レーザビームをＸＺ面内で走査することができる。垂直方向（Ｙ方向）の検出・測定は、Ｙ方向に互いに離間して配置された複数の発光素子群１１０の発光を切り替えることで、レイヤ数を増やすことができる。
＜受光部の構成と動作＞
図８は、受光素子２１の概略図である。実施形態のＬｉＤＡＲ装置１００では、単一の受光素子２１によって検出対象からの反射パルス光を検出することを前提としているが、ひとつの受光素子２１を、密接して配置された複数の受光セグメント２１０Ａ、２１０Ｂで形成してもよい。

受光セグメント２１０Ａと２１０Ｂは、発光素子群１１０Ａと１１０Ｂの配置に対応して、光走査方向（Ｘ方向）に所定の受光幅を有し、互いに隣接して配置される。

図９は、図８の受光素子２１による光検出角度範囲を説明する図である。近接して配置された受光セグメント２１０Ａと受光セグメント２１０Ｂによる検出範囲は、許容誤差程度の差異があるものの、受光セグメント２１０同士の間隔を狭めることで、ほぼ同一の領域を検出することができる。図９では、受光セグメント２１０Ａ、２１０Ｂの上に、異なる透過波長特性を有する波長フィルタ２６Ａ、２６Ｂが配置されている。

対象物からの反射光は、受光レンズ２２を通して受光される。発光素子群１１０Ａと１１０Ｂは、それぞれ異なる発光タイミングで発光し、出力レーザ光は同一の検出エリアに走査されるが、発光素子群１１０の間の間隔にＷＧにより、受光レンズへの入射角度がわずかに異なる。

発光素子群１１０Ａから出力され、対象物で反射された光は、受光レンズ２２により受光素子２１へ集光され、波長フィルタ２６Ａを透過して、受光セグメント２１０Ａで受光される。発光素子群１１０Ｂから出力され、対象物で反射された光は、受光レンズ２２により受光素子２１へ集光され、波長フィルタ２６Ｂを透過して、受光セグメント２１０Ｂで受光される。

図９の構成により、複数の発光素子群１１０の発光タイミングが接近する場合でも、各発光素子群１１０から出力されたレーザ光による測距結果を、より正確に振り分けることができる。

図１０は、発光素子群１１０Ａと１１０Ｂの発光スペクトルと、波長フィルタ２６Ａ、２６Ｂの透過波長特性を説明する図である。同じ発光素子群１１０に含まれる複数の面発光レーザについては、その発振波長を互いにほぼ等しく設定し、異なる発光素子群１１０の間では、レーザ発振波長を互いに異ならせる。受光側で、それぞれの発振波長帯にのみ透過帯域を有するフィルタ２６を受光素子２１に設けることで、各発光素子群１１０から出力され、対象物で反射された光を受光する。複数の発光素子群１１０に対応して、受光素子２１の受光セグメント２１０の透過特性を異ならせることで、複数の発光素子群１１０の発光タイミングが接近した場合であっても、発光素子群１１０の間のクロストークを低減して、距離計測の精度を上げることができる。

波長フィルタ２６に替えて、波長選択素子として、波長によって回折角度の異なる回折素子を受光セグメント２１０上に配置してもよい。また、波長フィルタ２６に替えて、互いに異なる偏光方向の光を透過する偏光フィルタを、受光素子２１上に配置してもよい。この場合、２つの発光素子群１１０の間で発光する光の偏光方向を互いに異ならせてもよい。たとえば、２つの発光素子群１１０の一方の出力光を所定の波長板に通すことで、２つの発光素子群１１０の間で偏光方向を互いに異ならせることができる。あるいは、発光素子群１１０を構成する面発光レーザの発光領域を楕円形に形成し、発光素子群１１０の間で長軸と短軸の向きを互いに異ならせてもよい。これらの構成によっても、異なる発光素子群１１０からのレーザ出力に基づく検出信号を切り分けることができる。計測の信頼度を維持しつつ、実効的な光源強度を高めることができ、検出距離を長くすることができる。

図８から図１０では、発光素子群１１０と受光セグメント２１０の数が、それぞれ２の場合を例示したが、発光素子群１１０の数の増大に応じて受光セグメント２１０の数を増やすことは容易である。発光素子群１１０のレーザ発振波長は、各発光素子群１１０を形成する面発光レーザの共振器長を異ならせることで、互いに異ならせることができる。受光素子２１上に形成する波長フィルタ２６についても、例えばファブリペロー型の波長フィルタに対して、キャビティ長を互いに異ならせることで、同一の基板上に互いに異なる波長帯域を有する複数の波長フィルタを形成することができる。

ビーム品質を維持しつつ検出距離を拡張するために、複数の発光素子群１１０を所定間隔で配置する構成において、発光素子群１１０の発光タイミングが接近するときであっても、各レーザ光に基づく検出信号を切り分けることができる。距離計測の信頼度を維持しつつ、実効的な光源強度を高め、検出距離を伸ばすことができる。

ＬｉＤＡＲ装置１００は、自動車等の車両に搭載される場合は、一般には、車両の上部前方に配置されるが、車両の側面や後方に搭載されてもよい。ＬｉＤＡＲ装置１００は、車両だけではなく、航空機、ドローンなどの飛行体、ロボット等の自律移動体など、任意の移動体に適用可能である。実施形態の光源１１の構成を採用することで、角度分解能を高く維持し、かつ検出距離を伸ばすことができる。

１ 投光部
２ 受光部
３ 制御回路
１１ 光源
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ 発光素子群
１１３ 発光素子
１３ カプリングレンズ
１４ 光スキャナ（光走査部）
２１ 受光素子
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ 受光セグメント
２２ 受光レンズ
２５ 積算器
２６ 波長フィルタ
１００ ＬｉＤＡＲ装置（距離計測装置）

特開２０１０−１５１９５８号公報

Claims (11)

1. 光源と、
   前記光源から出力される光ビームを所定の範囲で走査する光走査部と、
   前記光ビームが対象物で反射された反射光を受光して検出信号を出力する受光部と、
   前記検出信号に基づいて前記対象物までの距離を計測する制御回路と、
   を有し、
   前記光源は、前記光走査部による走査方向に配列される複数の発光素子群を有し、
   前記制御回路は、一回の走査において複数の前記発光素子群をそれぞれ異なるタイミングで発光させ、前記検出信号の積算値に基づいて前記対象物までの距離を計測する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記発光素子群の各々は、所定の間隔で配置される複数の面発光レーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 複数の前記発光素子群は前記走査方向に第１の離間距離で配置され、
   複数の前記発光素子群の数をＮ、各発光素子群の前記走査方向に沿った発光幅をＷｘとしたときに、前記第１の離間距離はＷｘ／Ｎに設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
4. 複数の前記発光素子群は、前記走査方向に第１の離間距離で配置され、前記走査方向と直交する垂直方向に第２の離間距離で配置され、
   前記第２の離間距離は、前記第１の離間距離よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
5. 複数の前記発光素子群は、互いに異なる波長で発光することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記受光部は、前記走査方向に配列される複数の受光セグメントを有し、
   複数の前記受光セグメントに波長選択手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
7. 前記波長選択手段は、互いに透過波長帯域が異なる波長フィルタ、または波長によって回折各の異なる回折素子であることを特徴とする請求項６に記載の距離測定装置。
8. 前記光源は、前記走査方向に配列される２つの発光素子群を有し、
   ２つの前記発光素子群は、互いに異なる偏光方向の光を出力し、
   前記受光部は、前記走査方向に配列される２つの受光セグメントを有し、
   ２つの前記受光セグメントに、互いに異なる前記偏光方向の光を透過する偏光フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
9. ２つの前記発光素子群の一方に所定の波長板が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の距離測定装置。
10. ２つの前記発光素子群の各々は、楕円形の発光領域を有する複数の発光素子で形成されており、２つの前記発光素子群の間で、楕円の長軸と短軸の方向が逆向きであることを特徴とする請求項８に記載の距離測定装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の距離測定装置を搭載した移動体。

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