JP7308432B2 - 水分検知装置 - Google Patents

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Description

本発明は、対象物における水分の状態を検知する水分検知装置に関し、たとえば、路面上に堆積した水、氷および雪等の状態を検知する場合に用いて好適なものである。
従来、路面の状態を検知する路面検知装置が知られている。たとえば、以下の特許文献１には、路面の被検知領域に照明光を照射し、その反射光に基づいて、氷や水等の被検知物が被検知領域に存在するか否かを判定する路面状態検知装置が記載されている。この装置では、照明光として、互いに波長の異なる検出光と参照光が順次切り替えられて被検知領域に照射される。また、各光の切り替えに同期して、各光の反射光が受光され電気信号が生成される。そして、これら電気信号が比較演算され、その演算結果に基づいて、水や氷等の被検知物が被検知領域に存在するか否かが判定される。
特開２００１－２１６５９２号公報
上記特許文献１の構成では、照明光と反射光が、それぞれ、別々の光学系により、互いに異なる方向において、個別に照射および受光される。このため、路面状態検知装置と検知領域との距離に応じて、照明光の照射角度と反射光の受光角度を調整する必要がある。このような調整作業は、極めて繁雑である。
かかる課題に鑑み、本発明は、煩雑な調整作業を行うことなく対象物における水分の状態を検知することが可能な水分検知装置を提供することを目的とする。
本発明の主たる態様に係る水分検知装置は、光源部と、前記光源部から出射された照明光を対象物に投射する投射光学系と、前記対象物で反射された前記照明光の反射光を受光する光検出器と、前記反射光を前記光検出器に集光させる受光光学系と、前記投射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを前記対象物側の範囲において互いに整合させる光学素子と、前記光検出器の検出信号に基づいて前記対象物における水分の状態を判定する判定部と、を備える。前記光学素子は、前記照明光を通過させて前記対象物へと導く開口と、前記反射光を反射して前記光検出器へと導く反射面とを備える。
本態様に係る水分検知装置によれば、投射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とが前記対象物側の範囲において互いに整合されるため、対象物で反射された反射光のうち、整合された光軸を逆行する反射光を、受光光学系により光検出器に集光させることができる。よって、装置と対象物との距離に応じて対象物に対する照明光と反射光の角度を調整する必要がなく、このような調整をせずとも、対象物からの反射光を光検出器により適正に受光することができる。
以上のとおり、本発明によれば、煩雑な調整作業を行うことなく対象物における水分の状態を検知することが可能な水分検知装置を提供できる。
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
図１は、実施形態に係る、水分検知装置の光学系の構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る、光学素子の構成を示す斜視図および側面図である。 図３は、実施形態に係る、水分検知装置の回路部の構成を示すブロック図である。 図４は、実施形態に係る、水と氷における光の吸収係数を示すグラフである。 図５は、実施形態に係る、水分検知装置の判定処理を示すフローチャートである。 図６（ａ）は、実施形態に係る、水分検知装置の設置状態の一例を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、実施形態に係る、水面に対する光の入射角度と反射率との関係を示すグラフである。 図７は、実施形態に係る、レーザの安全基準がクラス１となる条件を満たすパルス幅とピークパワーの関係を示すグラフである。 図８は、実施形態に係る、路面情報配信システムの構成を模式的に示す図である。 図９は、変更例１に係る、水分検知装置の光学系の構成を示す図である。 図１０（ａ）は、変更例１に係る、集光レンズにより反射光を光検出器に集光させた場合の反射光の集光状態をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示す図である。図１０（ｂ）は、実施形態に係る、放物面形状の反射面により反射光を光検出器に集光させた場合の反射光の集光状態をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、変更例２に係る、水分検知装置の光学系の構成を示す図である。 図１２は、変更例２に係る、水分検知装置の光学系の他の構成を示す図である。 図１３は、変更例３に係る、水分検知装置の光学系の構成を示す図である。
ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。本実施形態では、対象物である路面に堆積した水分（水、雪、氷等）を検知する水分検知装置に、本発明が適用されている。
＜光学系の構成＞
図１は、水分検知装置１の光学系の構成を示す図である。
水分検知装置１は、光源部１０と、投射光学系２０と、受光光学系３０と、光検出器４０とを備える。光源部１０は、波長が互いに異なる複数の照明光Ｌ１を出射する。投射光学系２０は、光源部１０から出射された照明光Ｌ１を路面に投射する。光検出器４０は、路面で反射された照明光Ｌ１の反射光Ｒ１を受光する。
光源部１０は、互いに波長が異なる３つの光源１１、１２、１３を備える。光源１１、１２、１３は、たとえば、半導体レーザ等のレーザ光源である。光源１１、１２、１３が、ＬＥＤや、特定波長を通過するフィルタをつけた白色光源により構成されてもよい。光源１１は、波長９８０ｎｍ（以下、「参照波長」と称する）の近赤外光を出射する。光源１２は、波長１４５０ｎｍ（以下、「吸収波長１」と称する）の近赤外光を出射する。光源１３は、波長１５５０ｎｍ（以下、「吸収波長２」と称する）の近赤外光を出射する。
光源１２、１３は、同一方向に照明光Ｌ１を出射し、光源１１は、光源１２、１３の出射方向に直交する方向に照明光Ｌ１を照射する。光源１１、１２、１３の出射光軸は、同一平面に含まれる。すなわち、光源１１の出射光軸と、光源１２、１３の出射光軸とは、互いに直交する。
投射光学系２０は、コリメータレンズ２１、２２、２３と、ダイクロイックミラー２４と、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」という）２５とを備える。コリメータレンズ２１、２２、２３は、それぞれ、光源１１、１２、１３から出射された照明光Ｌ１を平行光に変換する。ダイクロイックミラー２４は、光源１１から出射された照明光Ｌ１を透過し、光源１２から出射された照明光Ｌ１を反射する。これにより、光源１１の出射光軸と光源１２の出射光軸が整合する。
ＰＢＳ２５は、ダイクロイックミラー２４側から入射した２つの照明光Ｌ１を透過し、光源１３から出射された照明光Ｌ１を反射する。すなわち、光源１１、１２は、偏光方向がＰＢＳ２５に対してＰ偏光となるように配置され、光源１３は、偏光方向がＰＢＳ２５に対してＳ偏光となるように配置される。これにより、光源１１、１２、１３の出射光軸が、投射光学系２０の光軸Ａ１に整合する。ダイクロイックミラー２４とＰＢＳ２５は、光源１１、１２、１３の出射光軸を互いに整合させる整合光学系２０ａを構成する。
受光光学系３０は、光学素子３１を備える。光学素子３１は、投射光学系２０の光軸Ａ１と受光光学系３０の光軸Ａ２とを路面側の範囲（光学素子３１から照明光Ｌ１の投射方向の範囲）において互いに整合させる。すなわち、これら２つの光軸Ａ１、Ａ２は、光学素子３１によって、共通の光軸Ａ１０に統合される。
光学素子３１は、投射光学系２０と反対側の面に反射面３１ａを有する。反射面３１ａは、光学素子３１の内方に凹んだ放物面となっている。反射面３１ａは、光軸Ａ１０に沿って入射する反射光Ｒ１を、光検出器４０の受光面に集光する。反射面３１ａの光軸が、受光光学系３０の光軸Ａ２となる。
光軸Ａ２は、投射光学系２０の光軸Ａ１に対して垂直である。光軸Ａ１と光軸Ａ２とが互いに垂直でなくてもよく、他の角度であってもよい。この場合、光軸Ａ１と光軸Ａ２との間の角度に応じて、反射面３１ａの形状が変更され、受光面が光軸Ａ２に垂直となるように光検出器４０の配置が調整される。
図２（ａ）、（ｂ）は、光学素子３１の構成を示す斜視図および側面図である。
光学素子３１は、円柱状の部材の上面が斜めに切り欠かれた形状である。光学素子３１は、反射面３１ａの他、投射光学系２０から投射される照明光Ｌ１を通過させるための開口３１ｂが形成されている。ここでは、開口３１ｂが、光学素子３１の中心軸に沿って光学素子３１を貫通する貫通孔によって形成されている。貫通孔に代えて、光学素子３１の外側面から中心軸まで延びるスリット状の切欠きが形成されて、開口３１ｂが設けられてもよい。図２（ｂ）に示すように、照明光Ｌ１は、開口３１ｂを通過して路面に投射される。路面からの反射光Ｒ１は、反射面３１ａによって光検出器４０に集光される。
図１に戻り、光検出器４０は、たとえば、フォトダイオードにより構成される。光検出器４０として、赤外の波長帯（たとえば９００～１８００ｎｍ）の検出感度を有するフォトダイオードが用いられ得る。光検出器４０が可視光の波長帯にも検出感度を有する場合、光源１１、１２、１３の出射波長である参照波長、吸収波長１および吸収波長２を透過させ、可視光の波長帯を遮断するフィルタが、光検出器４０の前段に配置されてもよい。光検出器４０が、アバランシェフォトダイオードにより構成されてもよい。
光検出器４０は、光源１１、１２、１３から出射された照明光Ｌ１が路面で反射された反射光Ｒ１を受光し、受光した光量に基づく電気信号を出力する。本実施形態では、光源１１、１２、１３が時分割でパルス発光するように駆動される。したがって、光検出器４０は、光源１１、１２、１３からの照明光Ｌ１に基づく反射光Ｒ１を時分割で受光して、各反射光Ｒ１の受光光量に応じた電気信号を出力する。光検出器４０から出力される各反射光Ｒ１に応じた電気信号に基づいて、路面の堆積物の種類（水分の状態）が判定される。堆積物の判定処理については、追って図５を参照して説明する。
＜回路部の構成＞
図３は、水分検知装置１の回路部の構成を示すブロック図である。
水分検知装置１は、図１に示した光源１１、１２、１３および光検出器４０の他、制御部１１０と、記憶部１２０と、出力部１３０と、３つの駆動部１４１、１４２、１４３と、処理部１５０と、を備える。
制御部１１０は、たとえばＣＰＵやマイクロコンピュータにより構成される。制御部１１０は、記憶部１２０に記憶された制御プログラムに従って、水分検知装置１内の各部の制御を行う。制御プログラムによる機能として、判定部１１１が、制御部１１０に設けられる。判定部１１１は、光検出器４０からの検出信号に基づいて、路面上の堆積物の種類（水、雪、氷）を判定する。判定部１１１は、制御プログラムによる機能ではなく、ハードウェアとして構成されてもよい。
記憶部１２０は、メモリを備え、制御プログラムを記憶するとともに、制御処理時のワーク領域として用いられる。出力部１３０は、判定部１１１の判定結果を出力する。出力部１３０は、水分検知装置１に配置されたモニター等の表示部であってもよく、あるいは、判定部１１１の判定結果をサーバ等の外部処理装置に送信するための通信モジュールであってもよい。
駆動部１４１、１４２、１４３は、それぞれ、制御部１１０からの制御に従って光源１１、１２、１３を駆動する。処理部１５０は、光検出器４０から入力される電気信号をデジタル信号に変換するとともに対数を取り、制御部１１０に出力する。制御部１１０は、処理部１５０から入力される検出信号に基づいて、路面の堆積物の種類（水分の状態）を判定する。この判定は、上記のように、判定部１１１によって行われる。
＜判定方法＞
次に、堆積物の種類の判定方法について説明する。
図４は、水と氷における光の吸収係数を示すグラフである。
図４において、光源１１、１２、１３の出射波長にそれぞれ設定された参照波長、吸収波長１および吸収波長２が、それぞれ、矢印で示されている。
図４に示すように、水および氷に対する参照波長の吸収係数は、吸収波長１および吸収波長２の吸収係数より小さい。すなわち、参照波長の照明光Ｌ１は、吸収波長１および吸収波長２の照明光Ｌ１よりも、水や氷による吸収が少ない。このため、光源１１から出射された照明光Ｌ１（参照波長）は、路面上の照射領域に水分（水、氷、雪）が存在しても、路面によって反射されやすく、当該照明光Ｌ１（参照波長）の反射光Ｒ１に対する光検出器４０で受光光量は多くなる。他方、光源１２、１３から出射される吸収波長１、２は、水や氷による吸収係数が大きい。このため、照射領域に水分がある場合、吸収波長１、２の照明光Ｌ１は、水分によって吸収され、光検出器４０で受光される吸収波長１、２の反射光Ｒ１の光量は少なくなる。
したがって、水分による影響をあまり受けない参照波長の照明光Ｌ１に対する検出信号によって、吸収波長１、２の照明光Ｌ１に対する検出信号を規格化することで、路面の形状による散乱などのノイズ成分を抑制することができる。
本実施形態では、吸収波長１と吸収波長２の吸収係数の違いを利用して、水と氷の判別が行われる。すなわち、吸収波長１（１４５０ｎｍ）では氷での吸収係数に対して水での吸収係数が大きく、吸収波長２（１５５０ｎｍ）では水での吸収係数に対して氷での吸収係数が大きい。従って、吸収波長１および吸収波長２の検出信号の比を取ることで、照射位置に水分がある場合に、それが水か氷かを判別できる。
図５は、制御部１１０（判定部１１１）による堆積物の種類の判定処理を示すフローチャートである。
まず、制御部１１０は、光源部１０を駆動する（Ｓ１１）。具体的には、制御部１１０は、駆動部１４１、１４２、１４３を介して、時分割で光源１１、１２、１３から照明光Ｌ１を出射させる。そして、制御部１１０は、光源１１の駆動に応じて光検出器４０から出力される検出信号と、光源１２の駆動に応じて光検出器４０から出力される検出信号と、光源１３の駆動に応じて光検出器４０から出力される検出信号とを、処理部１５０を介して取得する。
次に、制御部１１０の判定部１１１は、参照波長の検出信号の強度、吸収波長１の検出信号の強度、および吸収波長２の検出信号の強度に基づいて、照射位置の状態を判定する。
具体的には、判定部１１１は、参照波長の検出信号の強度に対する吸収波長１の検出信号の強度の比率を対数変換した値Ｒ１１が閾値Ｒｔｈ１以上であり、かつ、参照波長の検出信号の強度に対する吸収波長２の検出信号の強度の比率を対数変換した値Ｒ１２が閾値Ｒｔｈ２以上である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、照射位置に水分が存在しない（乾燥している）と判定する（Ｓ１３）。
ここで、閾値Ｒｔｈ１は、水に対する参照波長（９８０ｎｍ）の吸収係数の値から、水に対する吸収波長１（１４５０ｎｍ）の吸収係数の値を減算し、その値に水があると判定される厚さの２倍を掛けた値である。たとえば、厚さ１０μｍ以上の水を検知する場合、Ｒｔｈ１の値は－０．０６２となる。また、閾値Ｒｔｈ２は、氷に対する参照波長（９８０ｎｍ）の吸収係数の値から、氷に対する吸収波長２（１５５０ｎｍ）の吸収係数の値を減算し、その値に氷があると判定される厚さの２倍を掛けた値である。たとえば、厚さ１０μｍ以上の氷を検知する場合、Ｒｔｈ２の値は－０．０６９となる。
ステップＳ１２の判定がＮＯの場合、判定部１１１は、照射位置に水分が存在すると判定して、処理をステップＳ１４へ進める。
ステップＳ１４において、判定部１１１は、値Ｒ１１と値Ｒ１２の比を計算し、その値が閾値Ｒｉ以下であるか否かを判定する。ここで、閾値Ｒｉの値は、氷における吸収波長１（１４５０ｎｍ）の吸収係数から参照波長（９８０ｎｍ）の吸収係数を減算した値と、氷における吸収波長２（１５５０ｎｍ）の吸収係数から参照波長（９８０ｎｍ）の吸収係数を減算した値の比である。
値Ｒ１１と値Ｒ１２の比が閾値Ｒｉ以下である場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、判定部１１１は、照射位置に氷あるいは雪のみが存在すると判定して、処理をステップＳ１５に進める。値Ｒ１１と値Ｒ１２の比が閾値Ｒｉを超える場合（Ｓ１４：ＮＯ）、判定部１１１は、照射位置に水または水および氷が存在すると判定して、処理をステップ１８に進める。
ステップＳ１５において、判定部１１１は、参照波長の受光強度Ｉｒが閾値Ｉｔｈ以上か否かを判定する。ここで、受光強度Ｉｒが閾値Ｉｔｈ以上である場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、判定部１１１は、照射位置に雪が存在すると判定する（Ｓ１６）。他方、受光強度Ｉｒが閾値Ｉｔｈ未満である場合（Ｓ１５：ＮＯ）、判定部１１１は、照射位置に氷が存在すると判定する（Ｓ１７）。ここで、制御部１１０は、判定部１１１が雪あるいは氷が存在すると判定した後、参照波長と吸収波長１の検出信号の値からそれらの厚みを測定してもよい。
ステップＳ１８において、判定部１１１は、値Ｒ１１と値Ｒ１２の比を計算し、その値が閾値Ｒｗ以上であるか否かを判定する。値Ｒ１１と値Ｒ１２の比が閾値Ｒｗ以上である場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、判定部１１１は、照射位置に水が存在すると判定する（Ｓ１９）。ここで、判定部１１１が照射位置に水が存在すると判定した後、制御部１１０は、さらに、参照波長と吸収波長２の検出信号の値から水の厚みを測定してもよい。
他方、値Ｒ１１と値Ｒ１２の比が閾値Ｒｗ未満である場合（Ｓ１８：ＮＯ）、すなわち、Ｒｉ≦Ｒ１１／Ｒ１２＜Ｒｗの場合、判定部１１１は、照射位置に水と氷の混合物が存在していると判定する（Ｓ２０）。ここで、制御部１１０は、（Ｒ１１／Ｒ１２－Ｒｉ）の値と（Ｒｗ－Ｒ１１／Ｒ１２）の値を比較することにより、照射位置に存在する水と氷の割合を算出し、その割合と参照波長、吸収波長１、吸収波長２の検出信号の値から水と氷の混合物の膜厚を測定してもよい。
＜光源の配置方法＞
次に、参照波長、吸収波長１、２に対する光検出器４０の検出感度と、光源１１、１２、１３の配置方法との関係について説明する。
たとえば、参照波長および吸収波長１、２のうち、参照波長に対する光検出器４０の検出感度が最も小さく、吸収波長２に対する光検出器４０の検出感度が最も大きい場合、参照波長の照明光Ｌ１に対する反射光Ｒ１は、なるべく多くの光量が光検出器４０に受光されることが好ましい。ここで、路面に対する照明光Ｌ１の反射率は、路面に対する照明光Ｌ１の偏光方向によって変化する。
図６（ａ）は、水分検知装置１の設置状態の一例を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は、水面に対する光の入射角度と反射率との関係を示すグラフである。便宜上、図６（ａ）では、光検出器４０の図示が省略されている。
図６（ａ）の場合、水分検知装置１は、照明光Ｌ１が路面に対して斜め方向に入射するように設置されている。たとえば、道路側方の支柱等に水分検知装置１が設置される場合、図６（ａ）のように、水分検知装置１が路面ＲＳ１に対して傾いた状態で設置される。この場合、照明光Ｌ１は、路面ＲＳ１またはその堆積物によって鏡面反射される。鏡面反射された反射光Ｒ２は、光学素子３１の反射面３１ａに入射せず、したがって、この反射光Ｒ２は、光検出器４０によって受光されない。この場合、路面ＲＳ１において、照明光Ｌ１の光路を逆光する方向に反射された反射光Ｒ１が、光学素子３１の反射面３１ａに入射して、光検出器４０に集光される。
ここで、図６（ａ）のように、路面ＲＳ１に対して斜め方向から照明光Ｌ１が入射する場合、路面ＲＳ１に対する光の偏光方向によって反射率が異なる。この場合、反射率が高いほど、鏡面反射によって損失する光の光量が増大するため、光検出器４０によって受光される反射光Ｒ１の光量が減少する。たとえば、路面ＲＳ１に水が存在する場合、図６（ｂ）に示すように、略全ての入射角度において、Ｓ偏光の反射率がＰ偏光の反射率に比べ大きくなる。このため、Ｓ偏光で照明光Ｌ１が入射する方が、出射パワーに対する受光効率が悪くなる。
したがって、上記のように、参照波長および吸収波長１、２のうち、参照波長に対する光検出器４０の検出感度が最も小さい場合、参照波長の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１にＰ偏光で入射するように、光源１１、１２、１３の配置が設定されると良い。具体的には、図６（ａ）の構成において、検出感度が最も低い参照波長の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１に対してＰ偏光となるように、当該照明光Ｌ１を出射する光源１１が配置されれば良い。これにより、光検出器４０に対する参照波長の反射光Ｒ１の受光効率が低下することを抑制できる。
また、光検出器４０における検出感度が２番目に低い吸収波長１の照明光Ｌ１についても、路面ＲＳ１に対してＰ偏光で入射することが好ましい。図６（ａ）の構成では、吸収波長１の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１に対してＰ偏光となるように、当該照明光Ｌ１を出射する光源１２が配置されれば良い。これにより、光検出器４０に対する吸収波長１の反射光Ｒ１の受光効率が低下することを抑制できる。
なお、このように光源１１、１２を配置すると、これら光源１１、１２からそれぞれ出射される照明光Ｌ１の偏光方向が一致するため、これら照明光Ｌ１をＰＢＳ２５に対してＰ偏光で入射させることができる。これにより、これら光源１１、１２からそれぞれ出射される照明光Ｌ１がＰＢＳ２５を透過するように構成できる。
この構成では、光源１３から出射される吸収波長２の照明光Ｌ１が、路面ＲＳ１に対してＳ偏光で入射するため、この照明光Ｌ１の反射光Ｒ１の光検出器４０に対する受光効率が、その他の２つの照明光Ｌ１に比べて低下する。しかし、光検出器４０における吸収波長２の検出感度は、上記のように、参照波長および吸収波長１に比べて高いため、このように、光源１３から出射される吸収波長２の照明光Ｌ１の受光効率が低下しても、吸収波長２の反射光Ｒ１に基づく検出信号が極端に小さくなることはない。
したがって、上記のように光源１１、１２、１３の配置を調整することにより、参照波長および吸収波長１、２のうち、何れかの波長の反射光Ｒ１の検出信号が極端に小さくなることを防ぐことができる。よって、図５に示した堆積物の種類の判定や、堆積物の厚みの判定を、精度良く行うことができる。
なお、図６（ａ）には、参照波長および吸収波長１、２のうち、参照波長に対する光検出器４０の検出感度が最も低く、吸収波長２に対する光検出器４０の検出感度が最も高い場合の光源１１、１２、１３の配置位置が示されたが、各波長に対する光検出器４０の検出感度がこれと異なる場合は、検出感度が最も低い波長と検出感度が２番目に低い波長の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１に対してＰ偏光となり、残りの波長の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１に対してＳ偏光となるように、光源１１、１２、１３の配置が調整されればよい。また、少なくとも、光検出器４０の検出感度が最も低い波長の照明光Ｌ１が路面ＲＳ１に対してＰ偏光に設定されればよく、残り２つの波長の照明光Ｌ１の何れを路面ＲＳ１に対してＰ偏光に設定するかは、任意に選択されてもよい。
なお、ダイクロイックミラー２４に対する光の透過効率と反射効率とに差異がある場合、この差異に基づいて、ダイクロイックミラー２４に照明光Ｌ１を入射させる２つの光源の配置が調整されると良い。たとえば、透過効率が反射効率よりも高い場合、すなわち、透過による光の損失が反射による光の損失より小さい場合、図６（ａ）に示すように、光検出器４０における検出感度が最も低い参照波長の照明光Ｌ１（光源１１の出射光）がダイクロイックミラー２４を透過し、吸収波長１の照明光Ｌ１（光源１２の出射光）がダイクロイックミラー２４で反射されるように、光源１１、１２が配置されることが好ましい。これにより、参照波長の反射光Ｒ１の受光光量が低下することを防ぐことができる。よって、検出感度が最も低い参照波長の反射光Ｒ１の検出信号が極端に小さくなることを防ぐことができる。
＜出射パワーの設定方法＞
次に、光源１１、１２、１３の出射パワーの設定方法について説明する。
光源１１、１２、１３がレーザ光源である場合、光源１１、１２、１３の出射パワーは、レーザ光の安全基準を満たす必要がある。
図７は、波長が９８０ｎｍ、繰り返し周波数が１ｋＨｚ、視角が１．５ｍｒaｄである場合に、レーザの安全基準がクラス１となる条件を満たすパルス幅とピークパワーの関係を示すグラフである。
水分検知装置１の光源１１、１２、１３から出射される照明光Ｌ１のパルス幅は、光検出器４０の応答周波数によって制限を受ける。たとえば、パルス幅が３μｓｅｃ以上の照明光Ｌ１（参照波長：９８０ｎｍ）を用いる場合、図７のグラフを参照すると、パルス幅が２．６μｓｅｃ以上、５μｓｅｃ未満の領域Ｗ１では、許容されるピークパワーが、パルス幅が５μｓｅｃの場合のピークパワーより小さくなっている。
これに対し、日本産業規格（ＪＩＳ Ｃ６８００２＿００２）には、あるパルス幅で許容されているピークパワーはそれより小さいパルス幅においても許容されると記載されている。これに則り、たとえばパルス幅が３μｓｅｃにおいて、５μｓｅｃで許容されるピークパワーを用いることで、パルス幅を５μｓｅｃに設定する場合と比べて消費エネルギーを減らすことができる。同様に、パルス幅が２．６μｓｅｃ以上、５μｓｅｃ未満の領域Ｗ１において、５μｓｅｃで許容されるピークパワーを用いることで、パルス幅を５μｓｅｃに設定する場合と比べて消費エネルギーを減らすことができる。
参照波長（９８０ｎｍ）の照明光Ｌ１において、このようなパルス幅が５μｓｅｃより小さい領域において、パルス幅が５μｓｅｃのときに許容されるピークパワーを用いることで、実際のパルス幅で許容されているピークパワーよりも大きなパワーを用いることのできる周波数帯は、およそ６０Ｈｚ～１４ｋＨｚである。
なお、吸収波長１（１４５０ｎｍ）や吸収波長２（１５５０ｎｍ）の照明光においては、実際のパルス幅より大きなパルス幅で許容されているピークパワーを用いることで、より大きなパワーを用いることのできる領域は、パルス幅が１０＾（－３）μｓｅｃ～１０＾（－１０）μｓｅｃの範囲では存在しない。
＜システム構成例＞
次に、上記実施形態に係る水分検知装置１を用いたシステム構成例について説明する。
図８は、路面情報配信システム２００の構成を示す模式的に示す図である。
路面情報配信システム２００は、水分検知装置１と管理サーバ２を備える。図８の例では、道路３が、橋梁４とトンネル５の出口５ａとを通って、トンネル５の内部へと続いている。
水分検知装置１は、道路３の側方にポール等を介して設置されるほか、道路３の側方に設置された外灯や壁面等に設置される。水分検知装置１は、道路３の路面３ａの状態を検出する。図８には、２つの水分検知装置１が示されており、手前側の水分検知装置１は、橋梁４上に位置する路面３ａの領域３ａ１の状態を検知し、奥側の水分検知装置１は、トンネル５の出口５ａ付近に位置する路面３ａの領域３ａ２の状態を検知する。水分検知装置１は、路面３ａの各検知対象領域の水分の状態（堆積物の種類、厚み等）を判定し、判定結果を、基地局６およびネットワーク網７を介して管理サーバ２に送信する。
基地局６は、通信可能な範囲に水分検知装置１を含むように設置され、無線により水分検知装置１と通信可能に構成される。この場合、図３の出力部１３０は、通信モジュールにより構成される。基地局６は、ネットワーク網７に接続されている。ネットワーク網７は、たとえばインターネットである。
管理サーバ２は、路面状況配信センター８等に設置され、ネットワーク網７に接続されている。管理サーバ２は、水分検知装置１によって配信された路面状態に関する情報に基づいて、路面３ａの状態を報知するための地図情報を生成し、生成した地図情報を、ネットワーク網７および基地局６を介して車両等に配信する。配信された地図情報は、車両に搭載されたカーナビゲーションシステムの表示部に表示される。ドライバーは、表示内容を確認して、走行経路の路面３ａの状態を把握できる。これにより、路面３ａを走行する際の安全性を高めることができる。
この他、水分検知装置１は、車両に搭載されてもよい。この場合、たとえば、照明光Ｌ１が車両直下の路面に照射されるように、水分検知装置１が車両に設置される。水分検知装置１は、車両直下の路面状態を検知し、検知結果を、車両のナビゲーションシステムに表示させる。路面状態の検知は、車両走行時にも行われ、随時、ナビゲーションシステムに表示される。これにより、ドライバーは、現在走行中の路面の状態を的確に把握できる。
この場合、さらに、水分検知装置１による路面の検知結果が、現在の走行位置を示す情報とともに、ナビゲーションシステムから図８の管理サーバ２に送信されて、管理サーバ２に集約されてもよい。これにより、管理サーバ２は、各車から集約した路面の検知結果に基づいて、道路の状態を示すより微細な地図情報を生成できる。ドライバーは、走行経路となり得る道路の状態を、より的確に把握できる。
＜実施形態の効果＞
以上、実施形態によれば、以下の効果が奏される。
図１に示したように、投射光学系２０の光軸Ａ１と受光光学系３０の光軸Ａ２とが路面側（対象物側）の範囲において互いに整合されるため、路面（対象物）で反射された反射光のうち、整合された光軸Ａ１０を逆行する反射光Ｒ１を、受光光学系３０により光検出器４０に集光させることができる。よって、水分検知装置１と路面との距離に応じて路面に対する照明光Ｌ１と反射光Ｒ１の角度を調整する必要がなく、このような調整をせずとも、路面からの反射光Ｒ１を光検出器４０で適正に受光して対象物における水分の状態（水、氷、雪）を検知することができる。
したがって、たとえば、図８のシステム構成例では、設置時の調整作業を簡略化でき、水分検知装置１を容易に設置できる。また、車両に水分検知装置１が設置される場合は、路面との距離が時々刻々と変化しても、問題無く路面の状態を検知できる。よって、水分検知装置１を車両等の移動体に設置することができる。
図２（ａ）、（ｂ）に示したように、光学素子３１は、照明光Ｌ１を通過させて路面へと導く開口３１ｂと、開口３１ｂの周囲に形成され反射光Ｒ１を反射して光検出器４０へと導く反射面３１ａとを備える。これにより、反射光Ｒ１の利用効率の低下を抑えつつ、照明光Ｌ１と反射光Ｒ１の光軸を整合させることができる。
ここで、反射面３１ａは、光検出器４０に反射光Ｒ１を集光させる放物面となっており、受光光学系３０の構成要素に含まれている。これにより、別途、反射光Ｒ１を光検出器４０に集光させるための集光レンズ等を配置する必要がなく、水分検知装置１の構成の簡素化とコストの低減を図ることができる。
図１に示したように、光源部１０は、互いに異なる波長の光を出射する複数の光源１１、１２、１３を備え、投射光学系２０は、各光源１１、１２、１３の出射光軸を互いに整合させる整合光学系２０ａを備える。このように、各光源１１、１２、１３の出射光軸を光軸Ａ１に整合させておくことにより、光軸Ａ１と、受光光学系３０の光軸Ａ２とを、光学素子３１によって簡易に整合させることができる。
ここで、整合光学系２０ａは、光源１１および光源１２の出射光軸を整合させるダイクロイックミラー２４を備える。これにより、出射波長が大きく異なるこれら光源１１、１２の出射光軸を、容易に整合させることができる。
この構成においては、上記のように、光源１２の出射波長（吸収波長１）よりも光源１１の出射波長（参照波長）の方が光検出器４０における検出感度が低い場合、ダイクロイックミラー２４における参照波長の光の損失が吸収波長１の光の損失よりも小さくなるように、光源１１、１２をダイクロイックミラー２４に対して配置することが好ましい。これにより、参照波長の照明光Ｌ１がダイクロイックミラー２４によって減衰することを抑えることができ、光検出器４０における参照波長の反射光Ｒ１の受光光量を確保できる。よって、検出感度が最も低い参照波長の反射光Ｒ１の検出信号が極端に小さくなることを防ぐことができる。
図１に示したように、整合光学系２０ａは、光源１３の出射光軸を光源１１および光源１２の出射光軸に整合させるＰＢＳ２５を備え、参照波長、吸収波長１および吸収波長２の照明光Ｌ１のうち、少なくとも、光検出器４０における検出感度が最も低い参照波長の照明光Ｌ１が路面（対象物）に対してＰ偏光となるように、光源１１、１２、１３の偏光方向が設定されている。これにより、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明したように、光検出器４０における参照波長の反射光Ｒ１の受光効率が低下することを抑制できる。よって、検出感度が低い参照波長の反射光Ｒ１の検出信号が極端に小さくなることを防ぐことができ、図５に示した堆積物の種類の判定や、堆積物の厚みの判定を、精度良く行うことができる。
図５に示したように、判定部１１１は、吸収波長１、２の２つの検出用の照明光Ｌ１に対する検出信号を、参照波長の参照用の照明光Ｌ１に対する検出信号により規格化した値Ｒ１１、Ｒ１２に基づいて、路面上の堆積物（雪、氷、水）を判定する。このように、水分による影響をあまり受けない参照波長の照明光Ｌ１に対する検出信号によって、吸収波長１、２の照明光Ｌ１に対する検出信号を規格化することにより、路面の形状による散乱などのノイズ成分を抑制することができる。よって、路面の水分の状態（堆積物の種類）を精度良く判定することができる。
＜変更例１＞
水分検知装置１の構成は、上記実施形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。
図９は、変更例１に係る水分検知装置１の光学系の構成を示す図である。
図９の構成では、図１の構成に比べて、光学素子３１の反射面３１ｃが平面に変更され、反射光Ｒ１を光検出器４０に集光させるための集光レンズ３２が、受光光学系３０の構成要素として追加されている。その他の構成は、図１と同様である。集光レンズ３２として、たとえば、球面レンズが用いられ得る。
図９の構成によっても、光学素子３１によって、投射光学系２０の光軸Ａ１と、受光光学系３０の光軸Ａ２とを、光軸Ａ１０が整合される。よって、上記実施形態と同様、水分検知装置１と路面との距離に応じて路面に対する照明光Ｌ１と反射光Ｒ１の角度を調整する必要がなく、このような調整をせずとも、路面からの反射光Ｒ１を光検出器４０で適正に受光することができる。
ただし、図９の構成では、図１の構成に比べて、集光レンズ３２が別途追加されるため、構成がやや複雑化し、また、コストの上昇を招く。また、集光レンズ３２における球面収差や色収差によって、光検出器４０の受光面における反射光Ｒ１の集光状態が、上記実施形態に比べて、やや劣化する。
図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、集光レンズ３２（変更例１）および反射面３１ａ（実施形態）により反射光Ｒ１を光検出器４０に集光させた場合の反射光Ｒ１の集光状態をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示す図である。
このシミュレーションでは、１０ｍ離れた点光源から出射された９８０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１５５０ｎｍの赤外光（反射光Ｒ１）を、直径５０ｍｍ、焦点距離１００ｍｍの球面レンズ（集光レンズ３２）と放物面ミラー（反射面３１ａ）とを用いて１ｍｍの受光面に集光することを検証条件とした。
図１０（ａ）、（ｂ）には、参照波長（９８０ｎｍ）、吸収波長１（１４５０ｎｍ）および吸収波長２（１５５０ｎｍ）の各照明光Ｌ１の反射光Ｒ１を、集光レンズ３２および放物面形状の反射面３１ａで集光させた場合の、光検出器４０の受光面上における各波長の赤外光の光線の分布が示されている。
図１０（ａ）に示すように、球面レンズ（集光レンズ３２）を用いて反射光Ｒ１を集光した場合、受光面全体に反射光の光線が広がっており、また、波長ごとに光線の集光位置が異なっている。これに対し、放物面ミラー（反射面３１ａ）を用いて反射光Ｒ１を集光した場合は、球面レンズ（集光レンズ３２）を用いた場合に比べて、狭い領域に反射光Ｒ１が集光されており、また、全ての波長の反射光Ｒ１の光線が同じ位置を通過していることが分かる。
このように、上記実施形態のように、放物面ミラー（反射面３１ａ）を用いて反射光Ｒ１を集光することにより、球面収差や色収差の影響を抑えることができる。よって、上記実施形態の構成では、図９に示した変更例１の構成に比べて、より小さいサイズの光検出器４０を用いることができ、また、各波長の反射光Ｒ１の検出精度を高めることができる。
＜変更例２＞
上記実施形態では、反射面３１ａと開口３１ｂとを有する光学素子３１を用いて、投射光学系２０の光軸Ａ１と受光光学系３０の光軸Ａ２とを整合させた。これに対し、変更例２では、小さなミラーを用いて、投射光学系２０の光軸Ａ１と受光光学系３０の光軸Ａ２とを整合させる。
図１１は、変更例２に係る水分検知装置１の光学系の構成を示す図である。
図１１の構成では、図１の構成に比べて、光学素子３１が省略され、光学素子２６が投射光学系２０の構成要素として追加されている。また、図１１の構成では、図９の構成と同様、集光レンズ３２が受光光学系３０の構成要素として追加されている。その他の構成は、図１と同様である。
光学素子２６は、平板状のミラーである。光学素子２６の反射面２６ａは、コリメータレンズ２１、２２、２３で平行光化された照明光Ｌ１のビームサイズよりもやや大きい。光学素子２６の形状は、光学素子２６に入射する照明光Ｌ１のビーム形状に対応する形状である。光学素子２６は、照明光Ｌ１を反射するとともに、光学素子２６の周囲を通過する反射光Ｒ１を光検出器４０へと導く。光学素子２６は、投射光学系２０の光軸Ａ１を、受光光学系３０の光軸Ａ２と平行な方向に折り曲げて、光軸Ａ１、Ａ２を整合させる。光学素子２６は、投射光学系２０の光軸Ａ１と受光光学系３０の光軸Ａ２とが交差する位置に配置される。
図１１の構成によっても、光学素子２６によって、投射光学系２０の光軸Ａ１と、受光光学系３０の光軸Ａ２とを、共通の光軸Ａ１０に整合させることができる。よって、上記実施形態と同様、水分検知装置１と路面との距離に応じて路面に対する照明光Ｌ１と反射光Ｒ１の角度を調整する必要がなく、このような調整をせずとも、路面からの反射光Ｒ１を光検出器４０で適正に受光することができる。
なお、図１１の構成では、図９の構成と同様、反射光Ｒ１が集光レンズ３２により光検出器４０に集光されるため、図１０（ａ）、（ｂ）を参照して説明したように、反射光Ｒ１が集光レンズ３２による球面収差および色収差の影響を受ける。この影響は、集光レンズ３２に代えて放物面ミラーを用いることにより解消される。
図１２は、図１１の構成において、集光レンズ３２を放物面ミラー３３に置き換えた場合の、水分検知装置１の光学系の構成を示す図である。
放物面ミラー３３は、放物面形状の反射面３３ａを有する。反射面３３ａは、図２（ａ）、（ｂ）に示した反射面３１ａから開口３１ｂが省略された形状と同様の形状である。反射面３３ａは、受光光学系３０の光軸Ａ２を垂直に折り曲げるとともに、反射光Ｒ１を光検出器４０の受光面に集光させる。光軸Ａ２の折り曲げ角は、９０度に限らず、他の角度であってもよい。この構成では、放物面ミラー３３が、受光光学系３０の構成要素に含まれる。
図１２の構成によれば、放物面ミラー３３によって反射光Ｒ１が集光されるため、反射光Ｒ１に対する球面収差および色収差の影響を解消できる。よって、図１１の構成に比べて、より小さいサイズの光検出器４０を用いることができ、また、各波長の反射光Ｒ１の検出精度を高めることができる。
＜変更例３＞
上記実施形態では、整合光学系２０ａが、ダイクロイックミラー２４とＰＢＳ２５により構成された。これに対し、変更例３では、ＰＢＳ２５に代えて、ダイクロイックミラー２７が用いられる。
図１３は、変更例３に係る水分検知装置１の光学系の構成を示す図である。
図１３の構成では、図１の構成におけるＰＢＳ２５がダイクロイックミラー２７に置き換えられている。その他の構成は、図１と同様である。ダイクロイックミラー２７は、光源１１、１２からそれぞれ出射された参照波長および吸収波長１の照明光Ｌ１を透過し、光源１３から出射された吸収波長２の照明光Ｌ１を反射する。これにより、光源１１、１２、１３の出射光軸が整合される。
この構成によっても、上記実施形態と同様の効果が奏され得る。
なお、図１３の構成においても、光検出器４０における検出感度が低い波長の照明光Ｌ１が路面に対してＰ偏光となるように、当該照明光Ｌ１を出射する光源が配置されることが好ましい。また、光検出器４０における検出感度が低い波長の照明光Ｌ１に対して、ダイクロイックミラー２４、２７における減衰が抑えられるように、光源１１、１２、１３の配置が調整されることが好ましい。
なお、この構成では、吸収波長１、２の波長差が小さいと、吸収波長１に対するダイクロイックミラー２７の透過効率が低下し、また、吸収波長２に対するダイクロイックミラー２７の反射効率が低下する可能性がある。したがって、図１３の構成は、吸収波長１、２の波長差が図４に示す波長差である場合においても、吸収波長１、２に対するダイクロイックミラー２７の透過効率および反射効率を高く確保できる場合に、適用され得る。なお、図１３の構成を用いる場合は、図５に示した判定が可能な範囲で、波長差が図４の設定方法よりも大きくなるように、吸収波長１、２が設定されてもよい。これにより、吸収波長１、２に対するダイクロイックミラー２７の透過効率および反射効率を高く確保できる。
＜その他の変更例＞
上記実施形態では、３種類の波長の光が照明光Ｌ１として用いられたが、照明光Ｌ１として用いる波長の種類は３つに限られるものではない。たとえば、参照波長の照明光Ｌ１と吸収波長の照明光Ｌ１とをそれぞれ出射する２つの光源と、路面の温度を検出する放射温度センサとを用いて、堆積物の種類を判定してもよい。この場合、整合光学系２０ａから、ダイクロイックミラー２４およびＰＢＳ２５の何れか一方が省略される。
また、上記実施形態では、参照波長の反射光Ｒ１の受光強度Ｉｒと閾値Ｉｔｈとを比較することにより路面上の雪の有無が判定されたが、投射光学系２０から投射された照明光Ｌ１が対象物で反射され、光検出器４０で受光されるまでの時間に基づいて、対象物との距離を測定する、ＴＯＦ（Time Of Flight）センサを用いて、さらに雪の厚みが測定されてもよい。ＴＯＦセンサを用いることにより、雪の厚みを正確に測定することができる。
また、上記実施形態では、光源１１から出射される参照波長の光が、波長９８０ｎｍの近赤外光であったが、参照波長は９８０ｎｍに限らず、水による吸収が少ない他の波長であってもよい。また、参照波長の光は、近赤外光に限らず、波長７５０ｎｍ以下の可視光であってもよい。ただし、参照波長の光が可視光であると、路面３ａが照らされて道路３の交通に支障が生じるおそれがあるため、参照波長の光は近赤外光であるのが好ましい。
また、光学系を構成する光学部品の形状や大きさは、上記実施形態および変更例１～３に示したものに限られるものではなく、適宜変更可能である。たとえば、図１に示した光学素子３１が板状の形状であってもよく、また、図１２に示した放物面ミラー３３が板状の形状であってもよい。
また、図５に示した判定処理では、路面の堆積物の種類が判定されたが、判定対象はこれに限られるものではなく、堆積物の厚さや滑りやすさ等がさらに判定されてもよい。
また、上記実施形態および各変更例では、路面における水分の状態（水、氷、雪）が検知されたが、水分の状態を検知する対象物は、必ずしも、路面に限られるものではない。たとえば、床や机の表面における水分の状態を検知する水分検知装置や、葉の水分を検知する水分検知装置に本発明が適用されてもよい。この場合、検知すべき水分の種類等に応じて、検知の用いる光の数および種類が調整されればよい。
さらに、水分検知装置１の適用例は、図８に示した路面情報配信システム２００や、水分検知装置１を車両に搭載する適用例に限られるものではなく、照明光と反射光とを用いて対象物の水分の状態を検出する構成である限りにおいて、他の構成に水分検知装置１が用いられてもよい。
この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
１ 水分検知装置
１０ 光源部
１１、１２、１３ 光源
２０ 投射光学系
２０ａ 整合光学系
２４、２７ ダイクロイックミラー
２５ 偏光ビームスプリッタ
２６ 光学素子（ミラー）
３０ 受光光学系
３１ 光学素子
３１ａ 反射面
３１ｂ 開口
４０ 光検出器
１１１ 判定部

Claims (9)

  1. 光源部と、
    前記光源部から出射された照明光を対象物に投射する投射光学系と、
    前記対象物で反射された前記照明光の反射光を受光する光検出器と、
    前記反射光を前記光検出器に集光させる受光光学系と、
    前記投射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを前記対象物側の範囲において互いに整合させる光学素子と、
    前記光検出器の検出信号に基づいて前記対象物における水分の状態を判定する判定部と、を備え、
    前記光学素子は、前記照明光を通過させて前記対象物へと導く開口と、前記反射光を反射して前記光検出器へと導く反射面とを備える、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  2. 請求項１に記載の水分検知装置において、
    前記反射面は、前記開口の周囲に形成されている、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  3. 請求項１または２に記載の水分検知装置において、
    前記反射面は、前記光検出器に前記反射光を集光させる放物面であり、前記受光光学系の構成要素に含まれる、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の水分検知装置において、
    前記光源部は、互いに異なる波長の光を出射する複数の光源を備え、
    前記投射光学系は、前記各光源の出射光軸を互いに整合させる整合光学系を備える、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  5. 請求項４に記載の水分検知装置において、
    前記光源部は、互いに異なる第１波長、第２波長および第３波長の光をそれぞれ出射する第１光源、第２光源および第３光源を備え、
    前記整合光学系は、前記第１光源および第２光源の出射光軸を整合させるダイクロイックミラーを備える、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  6. 請求項５に記載の水分検知装置において、
    前記第２波長よりも前記第１波長の方が前記光検出器における検出感度が低い場合、前記ダイクロイックミラーにおける前記第１波長の光の損失が前記第２波長の光の損失よりも小さくなるように、前記第１光源および第２光源が前記ダイクロイックミラーに対して配置されている、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  7. 請求項５または６に記載の水分検知装置において、
    前記整合光学系は、前記第３光源の出射光軸を前記第１光源および前記第２光源の出射光軸に整合させる偏光ビームスプリッタを備え、
    前記第１波長、前記第２波長および前記第３波長の光のうち、少なくとも、前記光検出器における検出感度が最も低い光が前記対象物に対してＰ偏光となるように、前記第１光源、前記第２光源および前記第３光源の偏光方向が設定されている、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  8. 請求項５ないし７の何れか一項に記載の水分検知装置において、
    前記第１光源、前記第２光源および前記第３光源のうち２つの光源は、それぞれ、水および氷に対する吸収係数が高い波長の検出用の光を出射し、残り１つの光源は、水および氷に対する吸収係数が低い波長の参照用の光を出射し、
    前記判定部は、前記２つの検出用の光に対する前記検出信号を、前記参照用の光に対する前記検出信号により規格化した信号に基づいて、前記対象物上の堆積物を判定する、
    ことを特徴とする水分検知装置。
  9. 請求項８に記載の水分検知装置において、
    前記判定部は、前記堆積物として、水、氷および雪を判定する、
    ことを特徴とする水分検知装置。
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