JP7098985B2

JP7098985B2 - 走査型レーザレーダのレーザ光透過部材、及び走査型レーザレーダ

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Publication number: JP7098985B2
Application number: JP2018051254A
Authority: JP
Inventors: 匡憲岡田
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP2019163988A

Description

本発明は、走査型レーザレーダに適用されるレーザ光透過部材に関する。

従来、走査型レーザレーダにおいて、レーザダイオードから出射されるレーザ光を、コリメートレンズにより平行光に変換している（特許文献１参照）。そして、特許文献１に記載の走査型レーザレーダでは、平行光に変換されたレーザ光をミラーで偏向させて走査し、円筒状のレーザ光透過部材を介して外部に出射している。

特開２０１３－２１０３７９号公報

ところで、レーザダイオードから出射されるレーザ光には非点隔差が存在し、レーザ光の進行方向に垂直な平面での断面形状（以下、単に「レーザ光の断面形状」という）は楕円になっている。コリメートレンズを用いてレーザ光の断面形状を真円に近付けたとしても、レーザ光の断面形状を真円にすることは困難である。このため、レーザ光がミラーで偏向させられる方向によって、レーザ光の断面形状の向きが変化する。そして、レーザ光が円筒状のレーザ光透過部材によりレンズ作用を受けると、特定の出射方向ではレーザ光の断面形状の真円からのずれが拡大される。特に、１００ｍ先などの長距離の物体をレーザレーダにより検出する場合に、レーザ光の断面形状の真円からのずれが問題となる。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、レーザ光の出射方向にかかわらず、レーザ光の断面形状の真円からのずれが拡大されることを抑制することのできる走査型レーザレーダのレーザ光透過部材を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
レーザ光を偏向部により偏向させて走査する走査型レーザレーダに適用されるレーザ光透過部材であって、
前記レーザ光の走査範囲において前記レーザ光を透過させる透過部を備え、
前記透過部は、前記レーザ光の走査方向に沿って並んだ複数の平板が、互いに繋ぎ合わせられて形成されている。

上記構成によれば、レーザ光透過部材は、レーザ光を偏向部により偏向させて走査する走査型レーザレーダに適用される。レーザ光の走査範囲において、レーザ光は透過部を透過する。

ここで、透過部は、レーザ光の走査方向に沿って並んだ複数の平板が、互いに繋ぎ合わせられて形成されている。このため、透過部の平板をレーザ光が透過しても、レーザ光は平板によりレンズ作用を受けない。したがって、レーザ光の断面形状が、透過部を透過する際に変化することを抑制することができる。よって、レーザ光の出射方向にかかわらず、レーザ光の断面形状の真円からのずれが拡大されることを抑制することができる。

レーザ光が平板の繋ぎ目を透過すると、繋ぎ目にわずかに形成された曲面によりレンズ作用を受けるおそれがある。

この点、第２の手段では、１つの前記レーザ光が透過する前記平板の繋ぎ目の数が最大１つとなるように、前記走査方向における前記平板の幅が設定されている。このため、１つのレーザ光は、平板の繋ぎ目を透過しない、又は平板の繋ぎ目を１つのみ透過する。したがって、レーザ光が、平板の繋ぎ目によりレンズ作用を受けることを抑制することができる。

第３の手段では、１つの前記レーザ光が前記平板の繋ぎ目を２つ以上透過しないように、前記走査方向における前記平板の幅が設定されている。したがって、第２の手段と同様の作用効果を奏することができる。

第４の手段は、走査型レーザレーダであって、第１～第３の手段のいずれか１つのレーザ光透過部材を備え、レーザ光を偏向部により偏向させて走査する。こうした構成によれば、レーザ光の出射方向にかかわらず、レーザ光の断面形状の真円からのずれが拡大されることを抑制することができるため、長距離の物体を検出することが可能になる。

レーザレーダの断面図。比較例の透過部材及び０°方向のレーザ光の断面形状を示す模式図。比較例の透過部材及び９０°方向のレーザ光の断面形状を示す模式図。透過部材の斜視図。透過部材及び０°方向のレーザ光の断面形状を示す模式図。透過部材及び９０°方向のレーザ光の断面形状を示す模式図。

以下、一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、１００ｍ先の物体を検知するレーザレーダとして具現化している。

図１に示すように、レーザレーダ１０（走査型レーザレーダ）は、レーザダイオード１４と、物体からの反射光Ｌ２を受光するフォトダイオード２０とを備え、物体までの距離や方位を検出する装置として構成されている。

レーザダイオード１４（レーザ発光部）は、制御部７０の制御により、図示しない駆動回路からパルス電流を受け、このパルス電流に応じたパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）を間欠的に出射する。レーザ光Ｌ１には、例えば赤外線や、可視光、紫外線等を利用することができる。なお、レーザダイオード１４から物体に至るまでのレーザ光を符号Ｌ１にて示し、物体からフォトダイオード２０に至るまでの反射光を符号Ｌ２にて示している。

フォトダイオード２０（検出部）は、レーザダイオード１４からレーザ光Ｌ１が発生し、そのレーザ光Ｌ１が物体にて反射したとき、その反射光Ｌ２を受光して光の強度に応じた電気信号に変換する。すなわち、フォトダイオード２０は、レーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２の強度を検出する。なお、物体からの反射光のうち、所定領域に出射される反射光が偏向部４１に取り込まれる。図１では、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域に出射される反射光が、偏向部４１に取り込まれる。偏向部４１は、平坦な反射面４１ａを有するミラー（平面鏡）により構成されている。

レーザダイオード１４から出射されるレーザ光Ｌ１の光軸上にはレンズ６０が設けられている。このレンズ６０は、コリメートレンズとして構成されており、レーザダイオード１４からのレーザ光Ｌ１を平行光に変換する。

レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１の光路上には、ミラー３０が設けられている。ミラー３０は、レンズ６０を透過したレーザ光Ｌ１の光軸に対して傾斜した反射面３０ａを備えている。ミラー３０は、レンズ６０を透過したレーザ光Ｌ１を、偏向部４１に向けて反射させる。ミラー３０は、レンズ６０を通過した水平方向のレーザ光Ｌ１を、鉛直方向（垂直方向）に反射させる。偏向部４１は、回転機構４０に取り付けられている。

回転機構４０は、偏向部４１を支持する支持台４３（支持部）と、支持台４３に連結された軸部４２と、軸部４２を回転可能に支持する図示しない軸受と、モータ５０と、回転角度位置センサ５２と、を備えている。

偏向部４１は、ミラー３０で反射されたレーザ光Ｌ１の光軸上に配置されると共に、中心軸Ｃ１を中心として回転可能とされている。偏向部４１は、レーザダイオード１４からのレーザ光Ｌ１をレーザレーダ１０の外部に向けて偏向（反射）させ、且つ物体からの反射光Ｌ２をフォトダイオード２０に向けて偏向（反射）させる。

偏向部４１の回転中心となる中心軸Ｃ１の方向は、ミラー３０から偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の方向と一致しており、レーザ光Ｌ１が偏向部４１に入射する位置Ｐ１が中心軸Ｃ１上の位置とされている。なお、本実施形態では、中心軸Ｃ１の方向を垂直方向（Ｙ軸方向）としており、中心軸Ｃ１と直交する平面方向を水平方向としている。また、水平方向のうちレーザレーダ１０の正面方向をＺ軸方向として示している。

偏向部４１の反射面４１ａは、垂直方向（反射面４１ａに入射するレーザ光Ｌ１の方向）に対して４５°の角度で傾斜している。反射面４１ａは、ミラー３０から入射するレーザ光Ｌ１を、水平方向に反射させる。また、偏向部４１は入射するレーザ光Ｌ１の方向と一致した方向の中心軸Ｃ１を中心として回転するため、偏向部４１の回転位置にかかわらず、レーザ光Ｌ１の入射角度は常に４５°で維持される。すなわち、位置Ｐ１からのレーザ光Ｌ１の出射方向は、水平方向（中心軸Ｃ１と直交する方向）となる。

また、偏向部４１における反射光Ｌ２を偏向する偏向領域（反射面４１ａの領域）は、ミラー３０におけるレーザ光Ｌ１を反射する反射領域（反射面３０ａの領域）よりも十分大きく構成されている。

モータ５０（駆動部）は、軸部４２を回転させることで、軸部４２と連結された偏向部４１を回転させる。モータ５０として、例えばサーボモータやステップモータを採用することができる。回転角度位置センサ５２は、軸部４２の回転角度位置（すなわち偏向部４１の回転角度位置）を検出する。回転角度位置センサ５２として、例えばロータリーエンコーダを採用することができる。

回転機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光Ｌ２の光路上には、フォトダイオード２０に向けて反射光Ｌ２を集光する集光レンズ６２が設けられている。集光レンズ６２とフォトダイオード２０の間には、フィルタ６４が設けられている。集光レンズ６２（集光部）は、偏向部４１からの反射光Ｌ２を集光して、フォトダイオード２０に導く。

フィルタ６４は、回転機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光Ｌ２の光路上において、反射光Ｌ２を透過させ且つ反射光Ｌ２以外の光を除去する。フィルタ６４は、例えば反射光Ｌ２に対応した特定波長の光のみを透過させ、それ以外の光を遮断する波長選択フィルタによって構成されている。

レーザダイオード１４、フォトダイオード２０、ミラー３０、レンズ６０、回転機構４０、モータ５０等は、筐体１３内に収容されている。筐体１３により、内部の部品の防塵や衝撃保護が図られている。筐体１３における偏向部４１の周囲には、偏向部４１を取り囲むように透過部材８０が取り付けられている。透過部材８０（レーザ光透過部材）は、偏向部４１に入射するレーザ光Ｌ１の光軸を中心として、レーザ光Ｌ１の走査範囲（例えば１９０°）を含む範囲にわたって形成されている。

制御部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、駆動回路、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータにより構成されている。制御部７０は、レーザダイオード１４にてパルスレーザ光Ｌ１が発生してから、このパルスレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２をフォトダイオード２０が検出するまでの時間ｔを検出し、この時間ｔに基づいて物体までの距離を算出する。

図２は、比較例の透過部材１８０及び０°方向のレーザ光Ｌ１の断面形状を示す模式図である。なお、同図では、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１，Ｓ２の大きさ及び形状を誇張して示している。

透過部材１８０は、半円筒状に形成されており、同図に示すように断面形状が半円状になっている。透過部材１８０の内面１８０ａ及び外面１８０ｂは、曲面により形成されている。このため、上記偏向部４１により偏向されたレーザ光Ｌ１は、透過部材１８０を透過する際に透過部材１８０によりレンズ作用を受ける。

例えば、０°方向において、透過部材１８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、Ｙ軸方向を長軸（Ｚ軸方向に展開表示）としＸ軸方向を短軸とする楕円であったとする。そして、透過部材１８０を透過した後のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ２が、Ｙ軸方向の長さ（Ｚ軸方向に展開表示）とＸ軸方向の長さとが等しい円であったとする。すなわち、レーザ光Ｌ１が透過部材８０を透過すると、断面形状Ｓ１がＸ軸方向（透過部材１８０の周方向）に伸ばされている。

この場合、図３に示すように、９０°方向では、透過部材１８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、Ｙ軸方向を短軸（Ｘ軸方向に展開表示）としＺ軸方向を長軸とする楕円となる。そして、断面形状Ｓ１がＺ軸方向（透過部材１８０の周方向）に伸ばされ、透過部材１８０を透過した後のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ３は、Ｙ軸方向を短軸（Ｘ軸方向に展開表示）としＺ軸方向を長軸とする楕円となる。断面形状Ｓ３のＹ軸方向の長さは断面形状Ｓ１のＹ軸方向の長さと等しく、断面形状Ｓ３のＺ軸方向の長さは断面形状Ｓ１のＺ軸方向の長さよりも長くなる。すなわち、断面形状Ｓ３の真円からのずれは、断面形状Ｓ１の真円からのずれよりも拡大している。

なお、図２の比較例では、レーザ光Ｌ１が透過部材１８０を透過すると、断面形状Ｓ１がＸ軸方向（透過部材１８０の周方向）に伸ばされる場合を示した。これに対して、レーザ光Ｌ１が透過部材１８０を透過すると、断面形状Ｓ１がＸ軸方向（透過部材１８０の周方向）に縮められる場合もある。この場合は、図３の断面形状Ｓ３が円に近くなり、断面形状Ｓ２の真円からのずれが、断面形状Ｓ１の真円からのずれよりも拡大する。

レーザレーダ１０から出射されるレーザ光Ｌ１の断面形状は真円が望ましく、１００ｍ先の物体を検出するレーザレーダ１０では、レーザ光Ｌ１の断面形状の真円からのずれが問題となる。そこで、本実施形態の透過部材８０は、図４の斜視図に示すように形成されている。

透過部材８０は、端部８１，８２、及び複数の平板８４を備えている。端部８１，８２は、板状に形成されており、上記筐体１３に固定されている。なお、端部８１，８２は、平板であってもよいし、曲板であってもよい。

端部８１と端部８２との間に、複数の平板８４が設けられている。複数の平板８４は、レーザ光Ｌ１の走査範囲にわたって設けられている。平板８４の内面８４ａ及び外面８４ｂは平面になっている。平板８４の上端（長手方向の一端）の幅は、下端（長手方向の他端）の幅よりも広くなっている。このため、平板８４は、上端が下端よりも外側になるように傾斜している（図１参照）。

複数の平板８４は、レーザ光Ｌ１の走査方向に沿って並んでおり、互いに繋ぎ合わせられている。すなわち、レーザ光Ｌ１の走査方向で互いに隣接する複数の平板８４が、互いに接合されている。複数の平板８４により、レーザ光Ｌ１の走査範囲においてレーザ光Ｌ１を透過させる透過部が構成されている。

平板８４と平板８４との繋ぎ目８５は、角部になるように、すなわちＲ部にならないように形成されている。しかしながら、繋ぎ目８５にわずかに曲面が形成されるおそれがある。繋ぎ目８５に曲面が形成されていると、レーザ光Ｌ１が繋ぎ目８５を透過する際に、曲面によりレンズ作用を受けるおそれがある。

この点、１つのレーザ光Ｌ１が透過する繋ぎ目８５の数が最大１つとなるように、レーザ光Ｌ１の走査方向における平板８４の幅が設定されている。すなわち、１つのレーザ光Ｌ１が繋ぎ目８５を２つ以上透過しないように、走査方向における平板８４の幅が設定されている。

図５は、透過部材８０及び０°方向のレーザ光Ｌ１の断面形状を示す模式図である。なお、同図では、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１の大きさ及び形状を誇張して示している。

透過部材８０の内面８４ａ及び外面８４ｂは、平面により形成されている。このため、上記偏向部４１により偏向されたレーザ光Ｌ１は、透過部材８０を透過する際に透過部材８０によりレンズ作用を受けない。なお、レーザ光Ｌ１が透過部材８０に入射する際と、レーザ光Ｌ１が透過部材８０から出射する際とに屈折しても、レーザ光Ｌ１の入射方向と出射方向とは平行になる。

例えば図２と同様に、０°方向において、透過部材８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、Ｙ軸方向を長軸（Ｚ軸方向に展開表示）としＸ軸方向を短軸とする楕円であったとする。そして、透過部材８０を透過した後のレーザ光Ｌ１の断面形状は、透過部材８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１と等しくなる。すなわち、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１は、レーザ光Ｌ１が透過部材８０を透過する前後で変化しない。このため、断面形状Ｓ１の真円からのずれは、レーザ光Ｌ１が透過部材８０を透過しても拡大されない。

この場合、図６に示すように、９０°方向では、透過部材８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、Ｙ軸方向を短軸（Ｘ軸方向に展開表示）としＺ軸方向を長軸とする楕円となる。そして、透過部材８０を透過した後のレーザ光Ｌ１の断面形状は、透過部材８０を透過する前のレーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１と等しくなる。すなわち、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１は、レーザ光Ｌ１が透過部材８０を透過する前後で変化しない。このため、断面形状Ｓ１の真円からのずれは、レーザ光Ｌ１が透過部材８０を透過しても拡大されない。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・透過部は、レーザ光Ｌ１の走査方向に沿って並んだ複数の平板８４が、互いに繋ぎ合わせられて形成されている。このため、透過部の平板８４をレーザ光Ｌ１が透過しても、レーザ光Ｌ１は平板８４によりレンズ作用を受けない。したがって、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、透過部を透過する際に変化することを抑制することができる。よって、レーザ光Ｌ１の出射方向にかかわらず、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１の真円からのずれが拡大されることを抑制することができる。

・１つのレーザ光Ｌ１が透過する平板８４の繋ぎ目８５の数が最大１つとなるように、走査方向における平板８４の幅が設定されている。すなわち、１つのレーザ光Ｌ１が平板８４の繋ぎ目８５を２つ以上透過しないように、走査方向における平板８４の幅が設定されている。このため、１つのレーザ光Ｌ１は、平板８４の繋ぎ目８５を透過しない、又は平板８４の繋ぎ目８５を１つのみ透過する。したがって、レーザ光Ｌ１が、平板８４の繋ぎ目８５によりレンズ作用を受けることを抑制することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・偏向部４１は、曲面により形成された反射面４１ａを有するミラー（凹面鏡）により構成されていてもよい。

・１つのレーザ光Ｌ１が透過する平板８４の繋ぎ目８５の数が最大２つとなるように、走査方向における平板８４の幅を設定することもできる。すなわち、１つのレーザ光Ｌ１が平板８４の繋ぎ目８５を３つ以上透過しないように、走査方向における平板８４の幅を設定することもできる。その場合であっても、透過部は、レーザ光Ｌ１の走査方向に沿って並んだ複数の平板８４が、互いに繋ぎ合わせられて形成されているため、レーザ光Ｌ１の断面形状Ｓ１が、透過部を透過する際に変化することを抑制することができる。

・レーザ光Ｌ１の走査範囲の広さに応じて、平板８４の数を変更してもよい。具体的には、レーザ光Ｌ１の走査範囲が広いほど、平板８４の数を増やすとよい。

・透過部を構成する複数の平板８４において、レーザ光Ｌ１が透過する部分のみが平板になっていてもよい。

・レーザレーダ１０は、レーザ光Ｌ１の走査面が垂直になるように配置されていてもよい。

１０…レーザレーダ、１４…レーザダイオード、３０…ミラー、４１…偏向部、６０…レンズ、８０…透過部材（レーザ光透過部材）、８４…平板、８５…繋ぎ目。

Claims

レーザ光を偏向部により偏向させて走査する走査型レーザレーダに適用されるレーザ光透過部材であって、
前記レーザ光の走査範囲において前記レーザ光を透過させる透過部を備え、
前記透過部は、前記レーザ光の走査方向に沿って並んだ複数の平板が、互いに繋ぎ合わせられて形成されており、
前記複数の平板は前記レーザ光を透過させ、前記複数の平板の内面及び外面は平面になっており、
前記平板の長手方向の一端の幅は、長手方向の他端の幅よりも広くなっている、走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
前記複数の平板は、前記レーザ光の走査範囲にわたって設けられている、請求項１に記載の走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
レーザ光を偏向部により偏向させて走査する走査型レーザレーダに適用されるレーザ光透過部材であって、
前記レーザ光の走査範囲において前記レーザ光を透過させる透過部を備え、
前記透過部は、前記レーザ光の走査方向に沿って並んだ複数の平板が、互いに繋ぎ合わせられて形成されており、
前記複数の平板は、前記レーザ光の走査範囲にわたって設けられており、
前記平板の長手方向の一端の幅は、長手方向の他端の幅よりも広くなっている、走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
レーザ光を偏向部により偏向させて走査する走査型レーザレーダに適用されるレーザ光透過部材であって、
前記レーザ光の走査範囲において前記レーザ光を透過させる透過部を備え、
前記透過部は、前記レーザ光の走査方向に沿って並んだ複数の平板が、互いに繋ぎ合わせられて形成されており、
前記平板の長手方向の一端の幅は、長手方向の他端の幅よりも広くなっている、走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
１つの前記レーザ光が透過する前記平板の繋ぎ目の数が最大１つとなるように、前記走査方向における前記平板の幅が設定されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
１つの前記レーザ光が前記平板の繋ぎ目を２つ以上透過しないように、前記走査方向における前記平板の幅が設定されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の走査型レーザレーダのレーザ光透過部材。
請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ光透過部材を備え、
レーザ光を偏向部により偏向させて走査する、走査型レーザレーダ。