JP7157385B2 - 走査型の光学系及びレーザーレーダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、投光ビームを走査しつつ対象物からの戻り光を検出するための走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置に関する。

レーザー光を２次元的に走査しつつ照射し、走査範囲内に存在する物体から戻ってきた反射光を検出することで、物体までの距離を検出する距離測定装置が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の距離測定装置では、複数の光源からのレーザー出力を一点に集めてハイパワーを得ている。

しかしながら、特許文献１の装置では、光源の発光タイミングが不明であり、また、複数の光源が直列に接続されているため、各光源が同時に発光することしかできない。そのため、各光源に対応する投光視野に重複する部分があると、当該重複部分のエネルギー密度が高くなりＣｌａｓｓ１のアイセーフを満たさなくなるという問題が生じうる。なお、戻り光を受光素子全体で同時に受光すると、戻り光のビームが対応する光検出領域からはみ出して入射した場合、クロストークにより受光素子の隣接する光検出領域で誤検知が生じうる。

特開２００５－２９２１５６号公報

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アイセーフ等に関する問題を解決しつつ、遠距離での検知も可能な走査型の光学系及びレーザーレーダー装置を提供することを目的とする。

上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した走査型の光学系は、複数の光源と、光源からの光をそれぞれ入射させるコリメーター部とを有する投光系と、投光系からの光を投光ビームとして反射し、主走査方向に走査させる走査用ミラーと、走査用ミラーからの戻り光が入射する受光レンズと、受光レンズを経た戻り光が入射する受光素子と、を備え、複数の光源は、主走査方向に直交する副走査方向に対応する方向に異なる位置に配置され、受光素子は、複数の光源に対応する戻り光を検出可能に配置され、副走査方向に対応する方向に２画素以上を有し、投光ビームは、各光源による投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、走査用ミラーの同一反射面で反射された互いに隣り合う光源からの投光ビームの走査領域は、副走査方向において互いに隣接しており、隣接する走査領域に対応する光源は、異なるタイミングで発光する。ここで、投光視野とは、光源から出射されるビームの走査領域上の範囲であり、複数の光源が発光する場合、各光源に対応するビームの範囲をひとまとまりの投光視野としている。

上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したレーザーレーダー装置は、上述した走査型の光学系を備え、戻り光に基づいて対象物を検出する。

本発明の第１実施形態に係るレーザーレーダー装置の構造を説明する概略図である。 図２Ａ及び２Ｂは、走査型の光学系の構造を説明する側面図及び平面図である。 図１のレーザーレーダー装置のうちインターフェース回路及びその周辺を説明する概念図である。 図４Ａ及び４Ｂは、図２Ａ及び２Ｂに対応し、投光系及び受光系を拡大した側面図及び平面図である。 図５Ａ～５Ｃは、第１の光源の発光面周辺の正面図、側面図、及び平面図であり、図５Ｄ～５Ｆは、第２の光源の発光面周辺の正面図、側面図、及び平面図である。 図６Ａは、投光ビームの遠方への投射状態を説明する図であり、図６Ｂは、投光ビームの交差や上下の反転等経路を説明する概念図である。 受光素子の状態を説明する図である。 図８Ａは光源の第１発光タイミングを説明する図であり、図８Ｂは光源の第２発光タイミングを説明する図である。 第２実施形態におけるレーザーレーダー装置の光源の発光タイミングを説明する図である。 図１０Ａは、第３実施形態におけるレーザーレーダー装置の光源の投影パターンを説明する図であり、図１０Ｂは、光源の発光タイミングを説明する図である。 図１１Ａ～１１Ｃは、図１０Ａのレーザーレーダー装置の投光視野及び光源の発光タイミングを説明する図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、第４実施形態における走査型の光学系の構造を説明する側面図及び平面図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、第５実施形態における走査型の光学系の構造を説明する側面図及び平面図である。 第６実施形態に係るレーザーレーダー装置を説明する概略図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、第１実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。

図１に示すレーザーレーダー装置１００は、例えば屋内外監視用途や車載用途の物体検出装置であり、検出対象の存在や当該検出対象までの距離を検出する。レーザーレーダー装置１００は、投光系１０と、受光系２０と、回転反射部３０と、駆動制御部４０と、主制御部５０と、外装部品６０とを備える。これらのうち、投光系１０と、受光系２０と、回転反射部３０とは、走査型の光学系１０１を構成している。

レーザーレーダー装置１００又は走査型の光学系１０１のうち、投光系１０は、後述する回転反射部３０の走査用ミラー３１に対して投光ビームの元になるレーザー光Ｌ１を投射する。投光系１０の詳細な構造については後述する。

受光系２０は、外装部品６０の光学窓６３を介して入射する検出対象ＯＢからの反射光すなわち戻り光Ｌ２であって、回転反射部３０の走査用ミラー３１で反射された戻り光Ｌ２を受光する。より詳細には、検出領域内に物体等の検出対象ＯＢがあると、レーザーレーダー装置１００から射出されたレーザー光（投光ビーム）Ｌ１が検出対象ＯＢで反射等され、検出対象ＯＢで反射等された光の一部が戻り光Ｌ２としてレーザーレーダー装置１００における走査用ミラー３１を介して受光系２０に入射する。受光系２０の詳細な構造については後述する。

回転反射部３０は、走査用ミラー３１と回転駆動部３２とを有する。走査用ミラー３１は、２回反射型のポリゴンミラーであり、光路折り曲げ用の第１反射部３１ａと第２反射部３１ｂとを有する。第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂは、Ｚ方向に平行に延びる回転軸ＲＸに沿って上下にそれぞれ配置されている。第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂは角錐状の形状を有している（具体的には図２Ａ等参照）。第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂの反射面の傾斜角は、走査用ミラー３１の回転位置（図示の例では９０°単位で４方位を向く位置）に伴って徐々に変化するものになっている（第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂの具体的な形状については、国際公開第２０１４／１６８１３７号参照）。つまり、走査用ミラー３１において、第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂの鏡面は、Ｚ軸に対してそれぞれ傾斜しており、対となる第１及び第２反射部３１ａ，３１ｂの複数の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が異なるものとなっている。これにより、回転軸ＲＸに平行な±Ｚ方向（後述する副走査方向）の走査範囲が広くなる。第１反射部３１ａの反射面は、紙面上で左方向である＋Ｘ方向から入射したレーザー光（投光ビーム）Ｌ１を略直交する方向に反射し、紙面上で上方向の第２反射部３１ｂの鏡面に導く。第２反射部３１ｂの鏡面は、紙面上で下方向である－Ｚ方向から入射したレーザー光Ｌ１を略直交する方向に反射し、紙面上で左方向の検出対象ＯＢ側へ導く。検出対象ＯＢで反射された一部の戻り光Ｌ２は、レーザー光Ｌ１の経路と逆の経路をたどり、受光系２０で検出される。つまり、走査用ミラー３１は、検出対象ＯＢで反射された戻り光Ｌ２を、第２反射部３１ｂの鏡面で再度反射させ、第１反射部３１ａの鏡面に導く。続いて、戻り光Ｌ２を第１反射部３１ａの鏡面で再度反射させ、受光系２０側へ導く。走査用ミラー３１が回転すると、Ｚ軸方向に直交する平面（つまり、ＸＹ面）内において、レーザー光Ｌ１の進行方向が変化する。つまり、レーザー光Ｌ１は、走査用ミラー３１の回転に伴って、Ｚ軸のまわりに又はＹ軸方向に沿って走査される。レーザー光Ｌ１によって走査される角度領域が検出領域となる。投光用のレーザー光Ｌ１の進行方向である＋Ｘ軸方向に対する傾斜角の範囲が投光角度であり、走査開始点でのレーザー光Ｌ１の進行方向と走査終了点でのレーザー光Ｌ１の進行方向とのなす角度が照射角度であるとする。投光角度と照射角度とによって投光視野が形成される。以上において、レーザー光（投光ビーム）Ｌ１が走査する方向（本実施形態では回転軸ＲＸに垂直な±Ｙ方向）を主走査方向、レーザー光（投光ビーム）Ｌ１が走査する方向及びレーザー光（投光ビーム）Ｌ１の進行方向に直交する方向（本実施形態では回転軸ＲＸに平行な±Ｚ方向）を副走査方向と呼ぶ。なお、投光視野の縦方向又はＺ方向に関する投光ビームの中心角度は、上述のように、走査用ミラー３１の回転位置に応じて徐々に変化し、走査用ミラー３１の１回転（３６０°回転）に伴って例えば４段階移動する副走査が達成される。

駆動制御部４０は、発光タイミング制御部４１と、受光タイミング制御部４２とを有する。発光タイミング制御部４１は、投光系１０のうち後述する複数の光源１１ａ，１１ｂの動作を制御する。発光タイミング制御部４１は、ＤＳＰや電源等を含む駆動回路を有する。複数の光源１１ａ，１１ｂは、予め設定された発光タイミングによって発光するように駆動制御される。受光タイミング制御部４２は、受光系２０のうち後述する受光素子２４の動作を制御する。図３に示すように、受光タイミング制御部４２は、複数のスイッチング部４３や複数の処理回路４４等を含むインターフェース回路４５を有する。前者のスイッチング部４３は、受光素子２４と処理回路４４との間に設けられている。これにより、部品点数を削減及び部品を共通化するため、コストダウンを図ることができる。また、回路規模を縮小することにより光学系１０１を小型化することができる。スイッチング部４３は、受光素子２４の光検出面２４ａを構成する複数の画素２４ｐ（図７参照）に対応するように接続されており、光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２の切り替え又は選択が可能となっている。具体的には、図７に示すように、受光素子２４が６つの画素２４ｐを有し光検出領域を図面の上下すなわちＺ方向に２分割する場合、上下に跨る３つのスイッチング部４３が設けられており、上側の３つの画素２４ｐと下側の３つの画素２４ｐとが所定の受光タイミングで切り替わるようになっている。上側又は下側の光検出領域ＤＡ２，ＤＡ１（つまり、３つの画素２４ｐ）で検出された光は、各スイッチング部４３の出力側に設けた処理回路４４で信号処理される。処理回路４４は、ＤＳＰやＡ／Ｄ変換部を含み、受光素子２４で検出される光の信号処理を行う。なお、インターフェース回路４５には、アンプが設けられてもよく、この場合、アンプは例えば受光素子２４とスイッチング部４３との間や、スイッチング部４３と処理回路４４との間に設けられる。

主制御部５０は、投光系１０の光源１１ａ，１１ｂ（図２Ａ等参照）、受光系２０の受光素子２４（図２Ａ等参照）、回転反射部３０の回転駆動部３２等の動作を制御する。また、主制御部５０は、受光系２０の受光素子２４に入射した戻り光Ｌ２の変換によって得た電気信号から検出対象ＯＢの物体情報を得る。具体的には、受光素子２４における出力信号が所定の閾値以上である場合、主制御部５０において、受光素子２４が検出対象ＯＢからの戻り光Ｌ２を受光したと判断される。この場合、光源１１ａ，１１ｂでの発光タイミングと受光素子２４での受光タイミングとの差から、検出対象ＯＢまでの距離が求められる。また、受光素子２４への戻り光Ｌ２の副走査方向に関する受光位置及び走査用ミラー３１の主走査方向に相当する回転角に基づいて、検出対象ＯＢの位置、大きさ、形状等の物体情報を求めることができる。

外装部品６０は、レーザーレーダー装置１００の内蔵部品を覆い、保護するためのものである。外装部品６０は、蓋状の主外装部６１と、円筒容器状の副外装部６２とを有する。主外装部６１と副外装部６２とは、これらの縁部において、外装部品６０の内部の機密性を保った状態でボルト等の留め具で着脱可能に固定されている。

図２Ａ及び２Ｂ又は図４Ａ及び４Ｂに示すように、投光系１０は、複数の光源１１ａ，１１ｂと、複数の光源１１ａ，１１ｂからの光ＳＢ１，ＳＢ２を個別に入射させる複数のコリメーターレンズ１２ａ，１２ｂと、光路合成用のミラー１３とを有する。一方の光源１１ａと一方のコリメーターレンズ１２ａとによって第１光源要素１４ａが構成され、他方の光源１１ｂと他方のコリメーターレンズ１２ｂとによって第２光源要素１４ｂが構成される。また、コリメーターレンズ１２ａ，１２ｂと光路合成用のミラー１３とを合わせたものがコリメーター部１８となっている。第２光源要素１４ｂ及びミラー１３は、第１光源要素１４ａよりも上側すなわち＋Ｚ方向にシフトした位置に配置されている。

第１の光源の１１ａの発光面１６ａ並びに第２の光源１１ｂの発光面１６ｂは、主走査方向に対応する方向よりも副走査方向に対応する方向に長い。すなわち、図５Ａ～５Ｃに概念的に示すように、第１の光源１１ａの発光面１６ａの縦寸法であるＺ幅は、発光面１６ａの横寸法であるＹ幅よりも数倍以上大きくなっている。また、図５Ｄ～５Ｆに概念的に示すように、第２の光源１１ｂの発光面１６ｂの縦寸法であるＺ幅は、発光面１６ｂの横寸法であるＸ幅よりも数倍以上大きくなっている。以上のように、複数の光源１１ａ，１１ｂの発光面１６ａ，１６ｂが主走査方向に対応する方向よりも副走査方向に対応する方向に長いことにより、少ない光源１１ａ，１１ｂであっても投光視野を副走査方向に広くすることが容易になる。

図４Ａ及び４Ｂに戻って、第１光源要素１４ａの光軸である光源光軸ＳＸ１（すなわち、コリメーターレンズ１２ａの光軸）は、Ｘ軸に平行に延びている。一方、第２光源要素１４ｂの光軸である光源光軸ＳＸ２（すなわちコリメーターレンズ１２ｂの光軸）は、ミラー１３よりも光路上流の前段領域Ａ１でＹ軸に平行に延び、ミラー１３よりも光路下流の後段領域Ａ２でＸ軸に平行に延びている。つまり、第１の光源１１ａ側における光源光軸ＳＸ１は、第２の光源１１ｂ側における光源光軸ＳＸ２の前段領域Ａ１と直交しており、両領域Ａ１，Ａ２は、異なる角度方向に設定されている。さらに、コリメーターレンズ１２ａ側における光源光軸ＳＸ１とコリメーターレンズ１２ｂ側における光源光軸ＳＸ２の後段領域Ａ２とは互いに平行に隣接して配置されており、Ｚ方向又は副走査方向に光源１１ａ，１１ｂの幅程度離間している。つまり、複数の光源１１ａ，１１ｂは、副走査方向に対応するＺ方向に異なる位置に配置されており、主走査方向に対応するＹ方向には後段側で平面視で同じ位置に重なって見えるように配置されている。

図５Ａ～５Ｃ等に示すように、第１の光源１１ａの発光面１６ａは、光源光軸ＳＸ１の近傍から副走査方向に対応する－Ｚ方向に偏って配置されている。つまり、発光面１６ａの中心Ｃ１は、－Ｚ方向に偏っており、コリメーター部１８を構成するコリメーターレンズ１２ａに対して副走査方向に対応する－Ｚ方向に関して軸外し状態で配置されている。また、図５Ｄ～５Ｆ等に示すように、第２の光源１１ｂの発光面１６ｂは、光源光軸ＳＸ２の近傍から副走査方向に対応する＋Ｚ方向に偏って配置されている。つまり、発光面１６ｂの中心Ｃ２は、＋Ｚ方向に偏っており、コリメーター部１８を構成するコリメーターレンズ１２ｂに対して副走査方向に対応する＋Ｚ方向に関して軸外し状態で配置されている。

図４Ａ及び４Ｂ等に示すように、投光系１０の射出光軸ＡＸ１は、投光系１０から走査用ミラー３１に向かう光路上にあって、第１光源要素１４ａの光源光軸ＳＸ１と第２光源要素１４ｂの光源光軸ＳＸ２の後段領域Ａ２との中間に配置されている。ミラー１３による光路の折り曲げがないとして光路を展開すると、第１の光源１１ａと第２の光源１１ｂとは、射出光軸ＡＸ１の方向に沿って若干のずれはあるが射出光軸ＡＸ１に対して概ね対称的に配置されているということができる。第１光源要素１４ａの光源１１ａの発光面１６ａから射出された光ＳＢ１は、横方向であるＹ方向に比較的広い発散角を示し、縦方向であるＺ方向に比較的狭い発散角を示す（図５Ｂ及び５Ｃ参照）。一方で、光源１１ａの発光面１６ａが縦方向に長いことから、光ＳＢ１の拡がり角は、当初横のＹ方向に広いものの、第１反射部３１ａの光路下流側（具体的には、光源１１ａから数１００ｍｍ後、すなわち光学窓６３の前方５０ｍｍ程度）で縦横のアスペクト比が１：１となり、その後、横のＹ方向よりも副走査方向に対応する縦のＺ方向に広くなる。同様に、第２光源要素１４ｂの光源１１ｂの発光面１６ｂから射出された光ＳＢ２は、横方向であるＸ方向に比較的広い発散角を示し、縦方向であるＺ方向に比較的狭い発散角を示す（図５Ｅ及び５Ｆ参照）。一方で、光源１１ｂの発光面１６ｂが縦方向に長いことから、光ＳＢ２の拡がり角は、当初横のＸ方向に広いものの、第１反射部３１ａの光路下流側で縦横のアスペクト比が１：１となり、その後、横のＹ方向よりも副走査方向に対応する縦のＺ方向に広くなる。

図６Ａに示すように、下側に配置された第１光源要素１４ａの光源１１ａから射出された光ＳＢ１は、走査用ミラー３１を経た遠方において相対的に下側に投影されて下側領域を照明し、副走査方向に関して上側に配置された第２光源要素１４ｂの光源１１ｂから射出された光ＳＢ２は、走査用ミラー３１を経た遠方において相対的に上側に投影されて上側領域を照明する。

図６Ｂに概念的に示すように、一対の光源１１ａ，１１ｂからの光ＳＢ１，ＳＢ２は、走査用ミラー３１に入射する前後で、副走査方向に関して射出光軸ＡＸ１を挟んで交差するような光路をとる。ただし、走査用ミラー３１での２回の反転によって上下が反転するので、投光される光ＳＢ１，ＳＢ２は、コリメーター部１８による上下反転と、走査用ミラー３１による上下反転とを受けて、図６Ａに示すように結果的に元の上下関係が維持される。両光源１１ａ，１１ｂからの光ＳＢ１，ＳＢ２をコリメーター部１８によって副走査方向に対応する上下方向に関して交差させる構成とすることで、投光系１０を副走査方向に比較的小型化することができる。

図６Ａに示すように、走査用ミラー３１の回転に伴って一対の光源１１ａ，１１ｂによる走査領域ＡＲ１，ＡＲ２は、光ＳＢ１，ＳＢ２を主走査方向であるＹ方向に移動させた軌跡を形成し、Ｙ方向に細長く投影されている。より詳細には、光ＳＢ１，ＳＢ２からなるレーザー光（投光ビーム）Ｌ１は、物体側においてＺ方向又は副走査方向に細長く延びて投光角度の範囲をカバーしている。また、光ＳＢ１，ＳＢ２からなるレーザー光（投光ビーム）Ｌ１は、走査用ミラー３１の回転に伴って照射角度の範囲でＹ方向又は主走査方向に移動する。レーザー光（投光ビーム）Ｌ１は、各光源１１ａ，１１ｂによる投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、投光視野のうち隣接する投光視野に対応する光源１１ａ，１１ｂは、異なるタイミングで発光する（非同時発光）。

図４Ａ及び４Ｂ等に戻って、受光系２０は、穴あきミラー２１と、受光レンズ２２と、ミラー２３と、受光素子２４とを備える。

穴あきミラー２１は、走査用ミラー３１と受光レンズ２２との間の光路上に配置される光路折曲ミラーである。穴あきミラー２１の開口２１ａは、穴あきミラー２１の中央又はその周辺の適所に形成されている。射出光軸ＡＸ１と入射光軸ＡＸ２とは、走査用ミラー３１に隣接する区間で略一致して配置されている。つまり、開口２１ａの略中心を投光系１０の射出光軸ＡＸ１及び入射光軸ＡＸ２が通っており、開口２１ａを通る射出光軸ＡＸ１又は入射光軸ＡＸ２の周辺において、光源１１ａ，１１ｂからの光ＳＢ１，ＳＢ２は、副走査方向に対応する上下のＺ方向に関して絞られており、主走査方向に対応する左右のＹ方向に関してコリメーターレンズ１２ａ，１２ｂによって拡がりが抑えられている。結果的に、光ＳＢ１，ＳＢ２は、開口２１ａを無駄なく通過する。穴あきミラー２１を用いることで、投光系１０及び受光系２０のサイズを副走査方向に関して小さく収めることができるとともに、受光光量を大きくすることができる。

走査用ミラー３１の第２反射部３１ｂを経て第１反射部３１ａで反射された戻り光Ｌ２は、穴あきミラー（光路折曲ミラー）２１の反射面２１ｂで反射されて光路を直交方向に折り曲げられる。この際、開口２１ａによって戻り光Ｌ２の一部が光路外に漏れて損失となるが、第１反射部３１ａに対する開口２１ａの面積的な割合が比較的小さければ検出精度の低下には繋がらない。

受光レンズ２２は、戻り光Ｌ２のビーム径を絞り込む役割を有し、ミラー２３は、受光レンズ２２を経た戻り光Ｌ２を受光素子２４に導く役割を有する。受光素子２４とミラー２３との間には、戻り光Ｌ２すなわちレーザー光Ｌ１の波長以外の可視光線等を遮断するバンドパスタイプのフィルター２６が配置されている。これらの受光レンズ２２やミラー２３は、入射光軸ＡＸ２に沿って配列されている。

受光素子２４は、受光レンズ２２及びミラー２３を経た戻り光Ｌ２を検出する。受光素子２４は、例えばＣＭＯＳ、ＣＣＤその他の半導体デバイスであり、戻り光Ｌ２の強度を検出するとともに、副走査方向に対応する上下のＺ方向に位置分解能を有する。つまり、受光素子２４は、副走査方向に２画素以上を有する。受光素子２４は、分割した投光視野に対応する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２で戻り光Ｌ２を受光し、隣接する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２は、異なるタイミングで戻り光Ｌ２を受光する（非同時受光）。

図７を参照して、受光素子２４の光検出面２４ａの具体例について説明する。光検出面２４ａは、その長手方向が副走査方向となっている。光検出面２４ａは、６つの画素２４ｐで構成され、６つの画素２４ｐは、副走査方向に対応する上下のＺ方向に配列されている。つまり、光検出面２４ａは、副走査方向に対応するＺ方向に関して６画素の構成であり、主走査方向に対応する左右のＹ方向に関して１画素の構成である。受光素子２４の光検出面２４ａは、上下のＺ方向や左右のＹ方向に関してレーザー光Ｌ１の投光角度の範囲内にある検出対象ＯＢによって逆行する方向に反射された戻り光Ｌ２を取り込める幅を有する。参考のため、戻り光Ｌ２のうち光源１１ａからの光ＳＢ１に起因する検出光Ｌ２１と、光源１１ｂからの光ＳＢ２に起因する検出光Ｌ２２とを光検出面２４ａ上に概念的に示す。

レーザーレーダー装置１００又は走査型の光学系１０１の動作の概要につていて説明すると、主制御部５０の制御下で受光系２０の一対の光源１１ａ，１１ｂを周期的に発光させることで、コリメーター部１８で合成されたレーザー光（投光ビーム）Ｌ１が穴あきミラー（光路折曲ミラー）２１の開口２１ａを通過し、走査用ミラー３１を経た上下の副走査方向に長いレーザー光Ｌ１は、横の主走査方向に主走査される。これと同期させて受光系２０の受光素子２４を動作させることで、検出対象ＯＢからの戻り光Ｌ２を検出して、検出対象ＯＢまでの距離や配置等を計測することができる。

既述のように、隣接する投光視野に対応する光源１１ａ，１１ｂは、異なるタイミング（具体的には、第１発光タイミング及び第２発光タイミング）で発光する。図８Ａに示すように、第１発光タイミングにおいて、主制御部５０は、発光タイミング制御部４１を動作させ、複数の１１ａ，１１ｂのうち光源１１ｂのみを発光させる。この際、主制御部５０は、受光タイミング制御部４２を動作させ、受光側の受光素子２４において、スイッチング部４３により上側の光検出領域ＤＡ２（つまり、３つの画素２４ｐ）で検出された検出光Ｌ２２を処理回路４４で信号処理させる。よって、図示のように、下側の光検出領域ＤＡ１に戻り光Ｌ２が入射しても下側では光を検知しないようになっている。また、図８Ｂに示すように、第１発光タイミングとは異なる第２発光タイミングにおいて、主制御部５０は、発光タイミング制御部４１を動作させ、複数の１１ａ，１１ｂのうち光源１１ａのみを発光させる。この際、主制御部５０は、受光タイミング制御部４２を動作させ、受光側の受光素子２４において、スイッチング部４３により下側の光検出領域ＤＡ１（つまり、３つの画素２４ｐ）で検出された検出光Ｌ２１を処理回路４４で信号処理させる。よって、図示のように、上側の光検出領域ＤＡ２に戻り光Ｌ２が入射しても上側では光を検知しないようになっている。

以上説明した走査型の光学系では、複数の光源１１ａ，１１ｂによるレーザー光（投光ビーム）Ｌ１を投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射させ、隣接する投光視野に対応する光源１１ａ，１１ｂを異なるタイミングで発光させる。これにより、遠距離でのエネルギー密度が増加するため、より遠距離の対象物である検出対象ＯＢを検知することができる。ここで、遠距離では、光源１１ａ，１１ｂのサイズと光学系１０１の焦点距離との関係が、光源１１ａ，１１ｂから出射されるビーム径に対し支配的に影響する。一方、近距離でのエネルギー密度は減少するため、アイセーフによいものとできる。ここで、近距離では、光源１１ａ，１１ｂからのビームの拡がりと光学系１０１の焦点距離とが、ビーム径に対し支配的に影響する。また、隣接する投光視野に対応する光源１１ａ，１１ｂを異なるタイミングで発光させることにより、隣接する投光視野が互いに重複しないため、比較的安全性の高いＣｌａｓｓ１のアイセーフを満たすことができる。また、隣接する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２における異なるタイミングでの受光、すなわち検出可能な光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２の切り替えにより、戻り光Ｌ２のビームが対応する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２から多少はみ出して入射してもクロストークによる誤検知を防止することができ、位置合わせの精度を高める必要がなく、コストを抑えることができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第２実施形態に係る走査型の光学系等は、第１実施形態の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態と同様である。

図９を参照して、本実施形態の場合、光源１１ａ，１１ｂはそれぞれ主走査方向に対応する方向（図面横方向）にスタックされた構造を有する。隣接する光源１１ａ，１１ｂは、スタック構造の各層の発光タイミングがずれるようなタイミングで発光させている。光源１１ａ，１１ｂの幅Ｗは、各スタック要素ＳＣの発光域の幅ｄ１と発光域間の幅ｄ２とをスタック数Ｘ個分合わせたものである。ここで、幅ｄ１及び幅ｄ２を合計した幅（ｄ１＋ｄ２）は、投光の空間周期となっている。また、幅Ｗは、各光源１１ａ，１１ｂについて合成した空間周期を達成するように調整されている。発光域の幅ｄ１に対応する時間分ずれたタイミングで光源１１ａ，１１ｂを発光させることにより、対象物である検出対象ＯＢを漏れなく、かつ隙間なく検知することができる。図９の例では、光源１１ａ，１１ｂはそれぞれ３つのスタック要素ＳＣで構成されている。図面では、上下の光源１１ａ，１１ｂが横方向にズレて表示されているが、実際は横方向に空間的に一致して配置されており、発光タイミングにズレを生じさせることで投影空間でも横方向のズレが生じている。第１発光タイミング（図中の発光１）において発光した光源１１ｂに対して、第２発光タイミング（図中の発光２）において発光した光源１１ａは発光域の幅ｄ１に対応する時間分ずらして発光させている。レーザーレーダー装置１００の動作中、光源１１ａ，１１ｂは、これらの発光タイミングを繰り返す。図９の例で説明すると、次の第１発光タイミング（図中の発光３）において、光源１１ｂは、直前の第２発光タイミング（図中の発光２）において発光した光源１１ａに対して発光域の幅ｄ１に対応する時間分ずらして発光させる。また、次の第２発光タイミング（図中の発光４）において、光源１１ａは、直前の第１発光タイミング（図中の発光３）において発光した光源１１ｂに対して発光域の幅ｄ１に対応する時間分ずらして発光させる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第３実施形態に係る走査型の光学系等は、第１実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態等と同様である。

本実施形態において、Ｍ個の光源の発光周期はＭ個の点灯を順次可能にするものであり、光源は走査用ミラー３１のｎ回転目と走査用ミラー３１のｎ＋１回転目との切り替えの際に、発光タイミングを１画素ΔＰ分ずらしている。ここで、値Ｍは２以上の自然数であり、値ｎは１以上の自然数である。これにより、発光タイミングをずらしながらも副走査方向、すなわち縦方向の画素ずれが低減することになり、対象物である検出対象ＯＢの形状を正確に認識することができる。図１０Ａの例では、３個の光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３で構成されており、図１０Ｂに示すように、各光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３は、発光周期Ｔの間隔でそれぞれ発光し、各光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３の第１～第３発光タイミングは、Ｔ／Ｍ（この場合、Ｍ＝３）の間隔で異なっている。なお、図１０Ａに示す光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３の配置は、説明の便宜上、光路の折り曲げ等を無くした仮想的な配置となっている。図１１Ａ、１１Ｂ、及び１１Ｃは、例示として１回転目、２回転目、及び３回転目の投光状態又は投光視野をそれぞれ示している。既述のように、図２Ａ等に示す走査用ミラー３１の場合、レーザー光Ｌ１が縦方向に４段階に副走査されており、図１１Ａ～１１Ｃは、１段階の走査中の投光視野の一部の特定面ＱＡを示している。各図の上段は光源ＬＤ１の像Ｑ１からなる投影パターンＰ１を示し、中段は光源ＬＤ２の像Ｑ２からなる投影パターンＰ２を示し、下段は光源ＬＤ３の像Ｑ３からなる投影パターンＰ２を示す。図１１Ａ～１１Ｃにおいて、３個の光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３の発光周期Ｔは３個の点灯を順次可能にするもの（個別の発光周期に対応する間隔又は空間周期Ｔ１～Ｔ３（発光周期Ｔに相当））となっている。また、走査用ミラー３１の１回転目と２回転目との切り替え、及び２回転目と３回転目との切り替えの際に、光源ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３は、発光周期に対応する間隔又は空間周期Ｔ１～Ｔ３の発光タイミングを１画素ΔＰに相当するＴ／３ずらしている。４回転目以降も同様の発光タイミングでレーザーレーダー装置１００を動作させる。なお、走査用ミラー３１の３回転分の投光を積算した空間周期は、Ｔ／３となる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第４実施形態に係る走査型の光学系等は、第１実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態等と同様である。

図１２Ａ及び１２Ｂに示すように、第４実施形態の場合、投光系１０と受光系２０とが簡易に分離されており、投光系１０と受光系２０とが副走査方向又はＺ方向に関して異なる位置に配置されている。つまり、投光系１０の射出光軸ＡＸ１と入射光軸ＡＸ２とは、ミラー２３と走査用ミラー３１との間の区間において、互いに平行に隣接して配置されており、Ｚ方向又は副走査方向に離間している。つまり、走査用ミラー３１に隣接する位置で、射出光軸ＡＸ１と入射光軸ＡＸ２とは、副走査方向に対応するＺ方向に異なる位置に配置されており、主走査方向に対応するＹ方向に関しては平面視で同じ位置に重なって見えるように配置されている。本実施形態の場合、投光系１０と受光系２０とを簡易に分離した構成となっている。

受光系２０は、受光レンズ２２と、ミラー２３と、受光素子２４とを備える。この場合、射出光軸ＡＸ１と入射光軸ＡＸ２とを副走査方向に関して位置ずれさせて配置しているので、穴あきミラーは不要である。受光素子２４の光検出面２４ａは、ミラー２３による光路折り曲げにより、第１実施形態の場合と異なり、Ｘ方向に延びているが、Ｘ方向は副走査方向に対応する。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第５実施形態に係る走査型の光学系等は、第１実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態等と同様である。

図１３Ａ及び１３Ｂに示すように、第５実施形態の場合、投光系１０において、第１光源要素１４ａと第２光源要素１４ｂとが射出光軸ＡＸ１を挟んで上下の副走査方向に鏡像配置されている。つまり、第１の光源１１ａと第２の光源１１ｂとは、射出光軸ＡＸ１に対して厳密に対称に配置されている。この場合、一対のコリメーターレンズ１２ａ，１２ｂを合わせたものがコリメーター部１８となっており、光路合成用のミラーが不要となっている。また、第１光源要素１４ａにおいて光源１１ａは、コリメーター部１８を構成するコリメーターレンズ１２ａに対して副走査方向に非対称的となるように軸外し状態で配置されており、第１光源要素１４ｂにおいて光源１１ｂは、コリメーター部１８を構成するコリメーターレンズ１２ｂに対して副走査方向に非対称的となるように軸外し状態で配置されている。

図１３Ａ及び１３Ｂに示す例では、受光系２０が第１実施形態に示すものと同様であったが、受光系２０を第４実施形態に示すものと同様として、投光用の光路と受光用の光路とを完全に分けることもできる。

〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第６実施形態に係る走査型の光学系等は、第１実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態等と同様である。

図１４に示すように、レーザーレーダー装置１００は、第１実施形態と同様に、投光系１０と、受光系２０と、回転反射部３０と、主制御部５０と、外装部品６０とを備える。本実施形態の回転反射部３０の走査用ミラー３１は、１回反射型のポリゴンミラーであり、光路折り曲げ用の第１反射部３１ａのみを有する。走査用ミラー３１において、第１反射部３１ａの鏡面は、Ｚ軸に対して傾斜しており、紙面上で下方向である－Ｚ方向から入射したレーザー光Ｌ１を略直交する方向に反射し、紙面上で左方向の検出対象ＯＢ側へ導く。検出対象ＯＢで反射された一部の戻り光Ｌ２は、レーザー光Ｌ１の経路と逆の経路をたどり、受光系２０で検出される。この場合、図１の場合と異なり、走査用ミラー３１の回転軸ＲＸに垂直な紙面左右のＸ方向が副走査方向となっており、回転軸ＲＸに垂直な紙面垂直なＹ方向が主走査方向となっている。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態等に限定されるものではない。例えば、受光素子２４の光検出面２４ａを構成する画素２４ｐは、６つに限らず、検出分解能に応じて適宜の数とできる。

また、投光系１０や受光系２０を構成する光学素子は、図２Ａ等に例示されるものに限らず、用途や仕様に応じて光路折り曲げ用のミラーを増やすこと、レンズを増やすこと等、様々な変更が可能である。

また、上記実施形態において、受光素子２４は、隣接する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２で異なるタイミングで戻り光Ｌ２を受光したが、フィルター等により、戻り光Ｌ２が分割した投光視野に対応する光検出領域ＤＡ１，ＤＡ２に略正確に入射するように制限すれば、戻り光Ｌ２を同じタイミングで受光してもよい。

Claims (9)

1. 複数の光源と、前記光源からの光をそれぞれ入射させるコリメーター部とを有する投光系と、
   前記投光系からの光を投光ビームとして反射し、主走査方向に走査させる走査用ミラーと、
   前記走査用ミラーからの戻り光が入射する受光レンズと、
   前記受光レンズを経た戻り光が入射する受光素子と、
   を備え、
   前記複数の光源は、前記主走査方向に直交する副走査方向に対応する方向に異なる位置に配置され、
   前記受光素子は、前記複数の光源に対応する前記戻り光を検出可能に配置され、前記副走査方向に対応する方向に２画素以上を有し、
   前記投光ビームは、各光源による投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、
   前記走査用ミラーの同一反射面で反射された互いに隣り合う前記光源からの前記投光ビームの走査領域は、副走査方向において互いに隣接しており、
   隣 接する前記走査領域に対応する前記光源は、異なるタイミングで発光する、走査型の光学系。
2. 前記受光素子は、各光源の投光視野に対応する光検出領域で前記戻り光を受光し、
   隣接する前記光検出領域は、異なるタイミングで前記戻り光を受光する、請求項１に記載の走査型の光学系。
3. 前記複数の光源の発光面は、前記主走査方向に対応する方向よりも前記副走査方向に対応する方向に長い、請求項１及び２のいずれか一項に記載の走査型の光学系。
4. 前記受光素子で検出される前記戻り光を信号処理する処理回路をさらに備え、
   前記受光素子と前記処理回路との間に前記受光素子の光検出領域を選択するスイッチング部を有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。
5. 前記光源は前記主走査方向に対応する方向にスタック構造を有し、隣接する前記光源に対し、前記スタック構造の各層の発光タイミングがずれるようなタイミングで発光させる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。
6. Ｍ個の前記光源の発光周期はＭ個の点灯を順次可能にするものであり、
   前記光源は前記走査用ミラーのｎ回転目と前記走査用ミラーのｎ＋１回転目との切り替えの際に、発光タイミングを１画素分ずらし、
   値Ｍは２以上の自然数であり、値ｎは１以上の自然数である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。
7. 前記投光系から前記走査用ミラーに向かう射出光軸と、前記走査用ミラーから前記受光レンズに向かう入射光軸とは、前記走査用ミラーに隣接する区間で略一致して配置され、
   前記走査用ミラーと前記受光レンズとの間の光路上に配置されて、前記射出光軸が通る開口を有する光路折曲ミラーを備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。
8. 前記複数の光源は２つであり、前記投光系は、前記２つの光源から出射した光を前記副走査方向に対応する方向に関して交差させることにより反転させる、請求項１～７のいずれか一項に記載の走査型の光学系。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の走査型の光学系を備え、前記戻り光に基づいて対象物を検出する、レーザーレーダー装置。

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