JP7432872B2 - レーザレーダ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いて物体を検出するレーザレーダに関する。

近年、建物への侵入を検知するセキュリティ用途などに、レーザレーダが用いられている。一般に、レーザレーダは、目標領域にレーザ光を照射し、その反射光に基づいて、目標領域における物体の有無を検出する。また、レーザレーダは、レーザ光の照射タイミングから反射光の受光タイミングまでの所要時間に基づいて、物体までの距離を測定する。

以下の特許文献１には、投光部からレーザ光を投射し、その反射光を受光部で受光して、物体までの距離を測定する光学距離測定装置が記載されている。この装置では、投光部と受光部がレーザ光の投射方向に垂直な方向に離間して配置されている。また、投光部と受光部の視差を補うために、受光部の受光素子が、投光部と受光部の離間方向に長い形状に設定されている。

特許第６２１７５３７号公報

上記特許文献１の構成では、投光部から投射されたレーザ光の反射光が単一の受光素子で受光される。このため、この構成では、目標領域（レーザ光の投射領域）全体について、物体の有無および当該物体までの距離が検出されるのみである。

しかしながら、レーザレーダでは、目標領域中のどの位置に物体が存在するかを検出できることが好ましい。たとえば、目標領域を複数に分割した各分割領域において、物体の有無および当該物体までの距離が検出できることが好ましい。そのための構成として、たとえば、反射光を受光する光検出器の受光面を一方向に複数に分割する構成が用いられ得る。これにより、受光面の各分割領域に対応する目標領域の分割領域において、物体の有無および距離を検出できる。この構成では、受光面の分割数を増やすほど、目標領域における物体検出の分解能を高めることができる。

しかしながら、投光部と受光部との間に視差があると、物体までの距離の変化に応じて、反射光の集光スポットが光検出器の受光面上を移動する。このため、上記のように、光検出器の受光面を複数に分割する場合、受光面の分割の仕方によっては、物体までの距離の変化に応じて、反射光の集光スポットが受光面の分割方向に移動することが起こり得る。こうなると、目標領域上の各分割領域において物体を適正に検出することが困難になる。

かかる課題に鑑み、本発明は、目標領域を複数に分割した分割領域ごとに物体を適正に検出することが可能なレーザレーダ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レーザレーダは、レーザ光源から出射されたレーザ光を目標領域に投射する投射光学系と、前記目標領域に存在する物体によって前記レーザ光が反射された反射光を光検出器に集光させる受光光学系と、を備える。ここで、前記投射光学系と前記受光光学系は、それぞれの光軸が互いに離間して配置される。前記光検出器は、前記光軸の離間方向に垂直な方向に並ぶ複数のセンサ部を備える。前記複数のセンサ部は、それぞれ、前記光軸の離間方向に長い形状を有し、前記投射光学系から離れた部分の幅が前記投射光学系に近い部分の幅よりも狭い。

本態様に係るレーザレーダによれば、光検出器が複数のセンサ部を備えるため、各センサ部からの出力に基づいて、目標領域上の、各センサ部に対応する分割領域ごとに、物体を検出できる。また、複数のセンサ部が光軸の離間方向に垂直な方向に並んでいるため、反射光の集光スポットは、物体までの距離の変化に応じて、センサ部の並び方向に垂直な方向に移動する。このため、物体までの距離が変化しても、分割領域ごとに、物体を適正に検出できる。さらに、複数のセンサ部は、それぞれ、光軸の離間方向、すなわち、センサ部の並び方向に垂直な方向に長い形状を有するため、物体までの距離の変化に応じて反射光の集光スポットが移動しても、各センサ部で反射光を受光できる。よって、物体までの距離が変化しても、センサ部からの出力により適正に、物体を検出できる。

以上のとおり、本発明によれば、目標領域を複数に分割した分割領域ごとに物体を適正に検出することが可能なレーザレーダを提供できる。

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、レーザレーダの組み立てを説明するための斜視図である。 図２は、実施形態に係る、カバーを除く部分の組み立てが完了した状態のレーザレーダの構成を示す斜視図である。 図３は、実施形態に係る、カバーが装着された状態のレーザレーダの構成を示す斜視図である。 図４は、実施形態に係る、レーザレーダの構成を示す断面図である。 図５（ａ）は、実施形態に係る、光学ユニットの光学系の構成を示す斜視図である。図５（ｂ）は、実施形態に係る、光学ユニットの光学系の構成を示す側面図である。図５（ｃ）は、実施形態に係る、光検出器のセンサの構成を示す模式図である。 図６（ａ）は、実施形態に係る、レーザレーダをＺ軸負方向に見た場合の上面図である。図６（ｂ）は、実施形態に係る、各光学ユニットが回転軸のＸ軸正側に位置付けられたときの、各光学ユニットの投射光の投射角度を示す模式図である。 図７は、実施形態に係る、レーザレーダの構成を示す回路ブロック図である。 図８（ａ）は、実施形態に係る、物体によって反射された反射光の進行方向を模式的に示す図であり、図８（ｂ）は、実施形態に係る、物体によって反射された反射光の集光状態を模式的に示す図である。 図９（ａ）～（ｄ）は、比較例に係る、センサ部が正方形である場合の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。 図１０（ａ）～（ｄ）は、実施形態に係る、センサ部が長方形である場合の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。 図１１は、実施形態に係る、１つのセンサ部に反射光が取り込まれる物体の範囲（１つのセンサ部に取り込まれる反射光を生じさせる物体上のビームサイズ）が物体までの距離に応じてどのように変化するかを模式的に示す図である。 図１２（ａ）～（ｄ）は、実施形態に係る、センサ部が台形状の形状である場合の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。 図１３（ａ）～（ｄ）は、実施形態に係る、センサ部がＴ字状の形状である場合の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。 図１４（ａ）は、センサ部が正方形である場合（比較例）とＴ字状の形状である場合（実施形態）とで、反射光を受光すべき正規のセンサ部により受光される反射光の受光量が物体までの距離に応じてどのように変化するかを検証したシミュレーション結果を示す図である。また、図１４（ｂ）は、センサ部が正方形である場合（比較例）とＴ字状の形状である場合（実施形態）とで、正規のセンサ部とその上下のセンサ部によって受光される反射光の受光量が物体までの距離に応じてどのように変化するかを検証したシミュレーション結果を示す図である。 図１５は、実施形態に係る、シミュレーションにおいて設定されたセンサ部の各部の寸法を示す図である。 図１６（ａ）～（ｃ）は、それぞれ、変更例に係る、センサ部の形状を示す図である。 図１７は、その他の変更例に係る、レーザレーダの構成を示す断面図である。

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。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸正方向は、レーザレーダ１の高さ方向である。

図１は、レーザレーダ１の組み立て工程を説明するための斜視図である。図２は、カバー７０を除く部分の組み立てが完了した状態のレーザレーダ１の構成を示す斜視図である。図３は、カバー７０が装着された状態のレーザレーダ１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、レーザレーダ１は、円柱形状の固定部１０と、固定部１０に回転可能に配置されたベース部材２０と、ベース部材２０の上面に設置された円盤部材３０と、ベース部材２０および円盤部材３０に設置された光学ユニット４０と、を備える。

ベース部材２０は、固定部１０に設けられたモータ１３（図４参照）の駆動軸１３ａに設置されている。ベース部材２０は、駆動軸１３ａの駆動により、Ｚ軸方向に平行な回転軸Ｒ１０を中心として回転する。ベース部材２０は、円柱形状の外形を有している。ベース部材２０には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って６つの設置面２１が等間隔（６０°間隔）で形成されている。設置面２１は、回転軸Ｒ１０に垂直な平面（Ｘ－Ｙ平面）に対して傾いている。設置面２１の側方（回転軸Ｒ１０から離れる方向）および設置面２１の上方（Ｚ軸正方向）は、開放されている。６つの設置面２１の傾き角は、互いに異なっている。６つの設置面２１の傾き角については、追って図６（ｂ）を参照して説明する。

円盤部材３０は、円盤状の外形を有する板部材である。円盤部材３０には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って円形の６つの孔３１が等間隔（６０°間隔）で形成されている。孔３１は、回転軸Ｒ１０の方向（Ｚ軸方向）に円盤部材３０を貫通している。６つの孔３１が、それぞれベース部材２０の６つの設置面２１の上方に位置付けられるよう、円盤部材３０がベース部材２０の上面に設置される。

光学ユニット４０は、構造体４１とミラー４２を備える。構造体４１は、２つの保持部材４１ａ、４１ｂと、遮光部材４１ｃと、２つの基板４１ｄ、４１ｅと、を備える。保持部材４１ａ、４１ｂと遮光部材４１ｃは、構造体４１が備える光学系の各部を保持している。保持部材４１ｂは、保持部材４１ａの上部に設置されている。遮光部材４１ｃは、保持部材４１ａに保持されている。

基板４１ｄ、４１ｅは、それぞれ、保持部材４１ａ、４１ｂの上面に設置されている。構造体４１は、下方向（Ｚ軸負方向）にレーザ光を出射するとともに、下側からレーザ光を受光する。構造体４１が備える光学系については、追って、図４および図５（ａ）～（ｃ）を参照して説明する。

固定部１０、ベース部材２０および円盤部材３０からなる構造体に対して、図１に示すように、孔３１の上側から、孔３１の周囲の面３１ａに光学ユニット４０の構造体４１が設置される。これにより、６つの光学ユニット４０は、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って等間隔（６０°間隔）で並ぶことになる。なお、光学ユニット４０は、必ずしも周方向に等間隔に並ばなくてもよい。

ベース部材２０の設置面２１に光学ユニット４０のミラー４２が設置される。ミラー４２は、設置面２１に設置される面と、設置面２１とは反対側の反射面４２ａとが平行な板部材である。このように、構造体４１を設置するための面３１ａと、当該面３１ａの下方に位置しミラー４２を設置するための設置面２１とによって、１つの光学ユニット４０を設置するための設置領域が構成される。本実施形態では、６つの設置領域が設けられており、各設置領域に対して光学ユニット４０が設置される。

続いて、６つの光学ユニット４０の上面に、図２に示すように、基板５０が設置される。こうして、ベース部材２０、円盤部材３０、６つの光学ユニット４０、および基板５０からなる回転部６０の組み立てが完了する。回転部６０は、固定部１０のモータ１３の駆動軸１３ａ（図４参照）が駆動されることにより、回転軸Ｒ１０を回転の中心として回転する。

その後、図２に示す状態から、図３に示すように、固定部１０の外周部分に対して、回転部６０の上方および側方を覆う円筒形状のカバー７０が設置される。カバー７０の下端には開口が形成されており、カバー７０の内部は空洞になっている。カバー７０が設置されることにより、カバー７０の内部で回転する回転部６０が保護される。また、カバー７０は、レーザ光を透過する材料によって構成される。カバー７０は、たとえば、ポリカーボネートにより構成される。こうして、レーザレーダ１の組み立てが完了する。

レーザレーダ１による物体の検出の際には、構造体４１のレーザ光源１１０（図４参照）からレーザ光（投射光）がＺ軸負方向に出射される。投射光は、ミラー４２により回転軸Ｒ１０から遠ざかる方向に反射される。ミラー４２により反射された投射光は、カバー７０を透過し、レーザレーダ１の外部に出射される。

図３の一点鎖線に示すように、投射光は、回転軸Ｒ１０に対して放射状にカバー７０から出射され、レーザレーダ１の周囲に位置する目標領域に向かって投射される。そして、目標領域に存在する物体によって反射された投射光（反射光）は、図３の破線に示すように、カバー７０に入射し、レーザレーダ１の内部に取り込まれる。反射光は、ミラー４２によって反射され、構造体４１の光検出器１５０（図４参照）によって受光される。

図２に示した回転部６０は、回転軸Ｒ１０を中心に回転する。回転部６０の回転に伴い、レーザレーダ１から目標領域に向かう投射光の光軸が回転軸Ｒ１０を中心に回転する。これに伴い、目標領域（投射光の走査位置）も回転する。

レーザレーダ１は、反射光の受光の有無に基づいて、目標領域に物体が存在するか否かを判定する。また、レーザレーダ１は、目標領域に投射光を投射したタイミングと、目標領域から反射光を受光したタイミングとの間の時間差（タイムオブフライト）に基づいて、目標領域に存在する物体までの距離を計測する。回転部６０が回転軸Ｒ１０を中心に回転することにより、レーザレーダ１は、周囲３６０°のほぼ全範囲に存在する物体を検出できる。

図４は、レーザレーダ１の構成を示す断面図である。

図４には、図３に示したレーザレーダ１を、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面により、Ｙ軸方向の中央位置で切断したときの断面図が示されている。図４では、光学ユニット４０のレーザ光源１１０から出射され、目標領域へと向かうレーザ光（投射光）の光束が一点鎖線で示され、目標領域から反射されたレーザ光（反射光）の光束が破線で示されている。また、図４では、便宜上、レーザ光源１１０とコリメータレンズ１２０の位置が点線で示されている。

図４に示すように、固定部１０は、円柱状の支持ベース１１と、底板１２と、モータ１３と、基板１４と、非接触給電部２１１と、非接触通信部２１２と、を備える。

支持ベース１１は、たとえば樹脂で形成されている。支持ベース１１の下面は、円形皿状の底板１２で塞がれる。支持ベース１１の上面中央には、支持ベース１１の上面をＺ軸方向に貫通する孔１１ａが形成されている。支持ベース１１の内面の孔１１ａの周囲に、モータ１３の上面が設置される。モータ１３は、Ｚ軸正方向に延びた駆動軸１３ａを備え、回転軸Ｒ１０を中心として駆動軸１３ａを回転させる。

支持ベース１１の外面の孔１１ａの周囲には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って、非接触給電部２１１が設置されている。非接触給電部２１１は、後述する非接触給電部１７１との間で給電が可能なコイルにより構成される。また、支持ベース１１の外面の非接触給電部２１１の周囲には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って、非接触通信部２１２が設置されている。非接触通信部２１２は、後述する非接触通信部１７２との間で無線による通信が可能な電極等が配置された基板により構成される。

基板１４には、後述する制御部２０１と電源回路２０２（図７参照）が設置される。モータ１３と、非接触給電部２１１と、非接触通信部２１２とは、基板１４に対して電気的に接続される。

ベース部材２０の中央には、ベース部材２０をＺ軸方向に貫通する孔２２が形成されている。孔２２にモータ１３の駆動軸１３ａが設置されることにより、ベース部材２０が回転軸Ｒ１０について回転可能に固定部１０に支持される。ベース部材２０の下面側の孔２２の周囲には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って、非接触給電部１７１が設置されている。非接触給電部１７１は、固定部１０の非接触給電部２１１との間で給電が可能なコイルにより構成される。また、ベース部材２０の下面側の非接触給電部１７１の周囲には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って、非接触通信部１７２が設置されている。非接触通信部１７２は、固定部１０の非接触通信部２１２との間で無線による通信が可能な電極等が配置された基板により構成される。

図１を参照して説明したように、ベース部材２０には、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って６つの設置面２１が形成されており、６つの設置面２１に、それぞれミラー４２が設置される。また、ベース部材２０の上面には、円盤部材３０が設置されている。円盤部材３０の孔３１と保持部材４１ａの下面に形成された開口とが一致するよう、円盤部材３０の上面に光学ユニット４０が設置されている。

光学ユニット４０の構造体４１は、光学系の構成として、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、集光レンズ１３０と、フィルタ１４０と、光検出器１５０と、を備える。

保持部材４１ａ、４１ｂと遮光部材４１ｃには、Ｚ軸方向に貫通する孔が形成されている。遮光部材４１ｃは筒状の部材である。レーザ光源１１０は、保持部材４１ａの上面に設置された基板４１ｄに設置され、レーザ光源１１０の出射端面は、遮光部材４１ｃに形成された孔の内部に位置付けられている。コリメータレンズ１２０は、遮光部材４１ｃに形成された孔の内部に位置付けられ、この孔の側壁に設置されている。集光レンズ１３０は、保持部材４１ａに形成された孔に保持されている。フィルタ１４０は、保持部材４１ｂに形成された孔に保持されている。光検出器１５０は、保持部材４１ｂの上面に設置された基板４１ｅに設置されている。

基板５０には、後述する制御部１０１と電源回路１０２（図７参照）が設置される。６つの基板４１ｄと、６つの基板４１ｅと、非接触給電部１７１と、非接触通信部１７２とは、基板５０に対して電気的に接続される。

レーザ光源１１０は、所定波長のレーザ光（投射光）を出射する。レーザ光源１１０の出射光軸は、Ｚ軸に平行である。コリメータレンズ１２０は、レーザ光源１１０から出射された投射光を収束させる。コリメータレンズ１２０は、たとえば非球面レンズによって構成される。コリメータレンズ１２０により収束された投射光は、ミラー４２に入射する。ミラー４２に入射した投射光は、ミラー４２によって、回転軸Ｒ１０から離れる方向に反射される。その後、投射光は、カバー７０を透過して、目標領域へと投射される。

目標領域に物体が存在する場合、目標領域に投射された投射光は、物体で反射される。物体によって反射された投射光（反射光）は、カバー７０を透過し、ミラー４２に導かれる。その後、反射光は、ミラー４２によってＺ軸正方向に反射される。集光レンズ１３０は、ミラー４２で反射された反射光を収束させる。

その後、反射光は、フィルタ１４０に入射する。フィルタ１４０は、レーザ光源１１０から出射される投射光の波長帯の光を透過し、その他の波長帯の光を遮光するよう構成されている。フィルタ１４０を透過した反射光は、光検出器１５０に導かれる。光検出器１５０は、反射光を受光して、受光光量に応じた検出信号を出力する。光検出器１５０は、たとえば、アバランシェフォトダイオードである。

図５（ａ）は、光学ユニット４０の光学系の構成を示す斜視図である。図５（ｂ）は、光学ユニット４０の光学系の構成を示す側面図である。図５（ｃ）は、光検出器１５０のセンサ部１５１の構成を示す模式図である。

図５（ａ）～（ｃ）には、図４において回転軸Ｒ１０のＸ軸正側に位置する光学ユニット４０および光検出器１５０が示されている。図５（ａ）～（ｃ）では、便宜上、図４において回転軸Ｒ１０のＸ軸正側に位置する光学ユニット４０および光検出器１５０を示したが、他の光学ユニット４０も同様の構成である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光源１１０は、発光面がＹ軸方向よりＸ軸方向の方が長い面発光型のレーザ光源である。また、コリメータレンズ１２０は、Ｘ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲率が等しくなるよう構成されている。レーザ光源１１０は、コリメータレンズ１２０の焦点距離よりもコリメータレンズ１２０側に近付けられた位置に設置されている。これにより、図５（ａ）に示すように、ミラー４２によって反射された投射光は、僅かに拡散した状態で投射領域に投射される。また、ミラー４２によって反射された投射光の光束は、Ｙ軸方向の長さよりも、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）の長さが長くなる。

目標領域からの反射光は、ミラー４２によってＺ軸正方向に反射された後、集光レンズ１３０に入射する。投射光を投射するための投射光学系ＬＳ１（レーザ光源１１０、コリメータレンズ１２０、ミラー４２）の光軸Ａ１と、反射光を受光するための受光光学系ＬＳ２（集光レンズ１３０、フィルタ１４０、光検出器１５０、ミラー４２）の光軸Ａ２は、いずれもＺ軸方向に平行であり、且つ、回転軸Ｒ１０の周方向に所定の距離だけ離れている。

ここで、本実施形態では、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１が集光レンズ１３０の有効径に含まれるため、集光レンズ１３０には、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１を通すための開口部１３１が形成されている。開口部１３１は、集光レンズ１３０の中心よりも外側に形成されており、Ｚ軸方向に集光レンズ１３０を貫通する切欠きである。このように集光レンズ１３０に開口部１３１が設けられることにより、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２とを近付けることができ、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を、集光レンズ１３０にほぼ掛かることなくミラー４２に入射させることができる。

また、図４に示した遮光部材４１ｃは、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１を覆うとともに、レーザ光源１１０の位置から開口部１３１の下端まで延びている。また、遮光部材４１ｃは、開口部１３１に嵌め込まれている。これにより、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光が集光レンズ１３０に掛かることを抑制できる。

また、本実施形態では、Ｚ軸負方向に見て回転軸Ｒ１０を中心に回転部６０が時計回りに回転される。これにより、図５（ａ）に示す回転軸Ｒ１０のＸ軸正側に位置する光学ユニット４０の各部は、Ｙ軸正方向に回転される。このように、本実施形態では、受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２が、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１に対して、回転部６０の回転方向において後方の位置にある。

図５（ｂ）に示すように、ミラー４２に入射する投射光は、ミラー４２の反射面４２ａのＸ－Ｙ平面に対する角度θに応じた方向に反射される。上述したように、レーザレーダ１は６つの光学ユニット４０を備えており、各光学ユニット４０のミラー４２が設置される設置面２１の回転軸Ｒ１０に垂直な平面（Ｘ－Ｙ平面）に対する傾き角は、互いに異なっている。したがって、６つの設置面２１にそれぞれ設置される６つのミラー４２の反射面４２ａの傾き角も、互いに異なっている。よって、各ミラー４２によって反射された投射光は、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）において、互いに異なる走査位置に投射される。

図５（ｃ）に示すように、光検出器１５０は、Ｚ軸負側の面に６つのセンサ部１５１を備える。６つのセンサ部１５１は、Ｘ軸方向に一列に隣接して並んでいる。６つのセンサ部１５１の並び方向は、走査範囲のＺ軸方向（回転軸Ｒ１０に平行な方向）に対応する。６つのセンサ部１５１は、光軸Ａ１、Ａ２の離間方向に略垂直な方向に並んでいる。

６つのセンサ部１５１は、たとえば、光検出器１５０の入射面に個別にセンサを配置することにより構成される。あるいは、光検出器１５０の入射面全体に１つのセンサを配置し、その上面に、センサ部１５１の配置領域のみを露出させるマスクを形成することにより、センサ部１５１が形成されてもよい。

６つのセンサ部１５１には、目標領域をＺ軸方向に６つに分割した各分割領域からの反射光が入射する。したがって、各センサ部１５１からの検出信号により、各分割領域に存在する物体を検出できる。センサ部１５１の数を増やすことにより、Ｚ軸方向において、目標領域における物体検出の分解能が高められる。

図６（ａ）は、レーザレーダ１をＺ軸負方向に見た場合の上面図である。図６（ａ）では、便宜上、カバー７０と、基板５０と、保持部材４１ｂと、基板４１ｄ、４１ｅとが省略されている。

６つの光学ユニット４０は、回転軸Ｒ１０を回転の中心として回転する。このとき、６つの光学ユニット４０は、回転軸Ｒ１０から離れる方向（Ｚ軸方向に見て放射状に）投射光を投射する。６つの光学ユニット４０は所定の速度で回転しながら投射光を目標領域に投射し、目標領域からの反射光を受光する。これにより、レーザレーダ１の周囲全周（３６０°）にわたって物体の検出が行われる。

図６（ｂ）は、各光学ユニット４０が回転軸Ｒ１０のＸ軸正側に位置付けられたときの、各光学ユニット４０の投射光の投射角度を示す模式図である。

上述したように、６つのミラー４２の設置角度は互いに異なっている。これにより、６つの光学ユニット４０からそれぞれ出射される投射光の光束Ｌ１～Ｌ６の角度も互いに異なる。図６（ｂ）において、６つの光束Ｌ１～Ｌ６の光軸は一点鎖線で示されている。光束Ｌ１～Ｌ６の角度範囲を示す角度θ０～θ６は、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）に対する角度である。

本実施形態では、隣り合う光束が互いにほぼ隣接するように、角度θ０～θ６が設定されている。すなわち、光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６の分布範囲は、それぞれ、角度θ０～θ１、角度θ１～θ２、角度θ２～θ３、角度θ３～θ４、角度θ４～θ５、角度θ５～θ６である。これにより、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）において、互いに隣接する走査位置に各光学ユニット４０からの投射光が投射される。

図７は、レーザレーダ１の構成を示す回路ブロック図である。

レーザレーダ１は、回路部の構成として、制御部１０１と、電源回路１０２と、駆動回路１６１と、処理回路１６２と、非接触給電部１７１と、非接触通信部１７２と、制御部２０１と、電源回路２０２と、非接触給電部２１１と、非接触通信部２１２と、を備える。制御部１０１と、電源回路１０２と、駆動回路１６１と、処理回路１６２と、非接触給電部１７１と、非接触通信部１７２とは、回転部６０に配置されている。制御部２０１と、電源回路２０２と、非接触給電部２１１と、非接触通信部２１２とは、固定部１０に配置されている。

電源回路２０２は、外部電源と接続されており、固定部１０の各部には、電源回路２０２を介して外部電源から電力が供給される。非接触給電部２１１に供給された電力は、回転部６０の回転に応じて、非接触給電部１７１へと供給される。電源回路１０２は、非接触給電部１７１と接続されており、回転部６０の各部には、電源回路１０２を介して非接触給電部１７１から電力が供給される。

制御部１０１、２０１は、演算処理回路とメモリを備え、たとえばＦＰＧＡやＭＰＵにより構成される。制御部１０１は、メモリに記憶された所定のプログラムに従って回転部６０の各部を制御し、制御部２０１は、メモリに記憶された所定のプログラムに従って固定部１０の各部を制御する。制御部１０１と制御部２０１は、非接触通信部１７２、２１２を介して通信可能に接続される。

制御部２０１は、外部システムと通信可能に接続されている。外部システムは、たとえば、侵入検知システム、車、ロボットなどである。制御部２０１は、外部システムからの制御に応じて、固定部１０の各部を駆動し、非接触通信部２１２、１７２を介して制御部１０１に駆動指示を送信する。制御部１０１は、制御部２０１からの駆動指示に応じて、回転部６０の各部を駆動し、非接触通信部１７２、２１２を介して制御部２０１に検出信号を送信する。

駆動回路１６１と処理回路１６２は、６つの光学ユニット４０にそれぞれ設けられている。駆動回路１６１は、制御部１０１からの制御に応じてレーザ光源１１０を駆動する。処理回路１６２は、光検出器１５０のセンサ部１５１から入力される検出信号に対して増幅やノイズ除去等の処理を施して、制御部１０１に出力する。

検出動作において、制御部２０１は、モータ１３を制御して回転部６０を所定の回転速度で回転させつつ、６つの駆動回路１６１を制御して、所定のタイミングで所定の回転角度ごとにレーザ光（投射光）をレーザ光源１１０から出射させる。これにより、投射光が回転部６０から目標領域に投射され、反射光が回転部６０の光検出器１５０のセンサ部１５１により受光される。

制御部２０１は、センサ部１５１から出力される検出信号に基づいて、目標領域に物体が存在するか否かを判定する。また、制御部２０１は、投射光を投射したタイミングと、目標領域から反射光を受光したタイミングとの間の時間差（タイムオブフライト）に基づいて、目標領域に存在する物体までの距離を計測する。

ところで、上記構成では、図５（ａ）に示すように、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２とが互いに離間しているため、光検出器１５０の受光面に集光される反射光の集光スポットが、物体までの距離の変化に応じて移動する。

図８（ａ）は、物体によって反射された反射光の進行方向をＸ軸正側から見た図であり、図８（ｂ）は、物体によって反射された反射光の集光状態をＹ軸負側から見た図である。便宜上、図８（ａ）では、集光レンズ１３０のＹ軸正側の開口部１３１に対応する部分が切りかかれた状態で、集光レンズ１３０が図示されている。

図８（ａ）、（ｂ）に示すように、集光レンズ１３０は、光軸に沿って無限遠から入射する反射光（平行光）を光検出器１５０の受光面に集光するよう構成されている。このとき、集光レンズ１３０の有効径の広さで反射光が集光レンズ１３０に入射すると、反射光は、光検出器１５０上の複数のセンサ部１５１の全てに係るように集光される。すなわち、図５（ａ）に示すように、投射光学系ＬＳ１からは、Ｚ軸方向に長いビーム形状で投射光が投射される。したがって、反射光が集光レンズ１３０の有効径の広さで入射する場合、集光レンズ１３０によって集光される反射光のビーム形状は、光検出器１５０の受光面においてＸ軸方向に長いビーム形状となる。複数のセンサ部１５１は、Ｘ軸方向に並んで配置されている。反射光が集光レンズ１３０の有効径の広さで入射する場合、集光レンズ１３０によって集光される反射光は、これら複数のセンサ部１５１の全てに掛かるように集光される。

ここで、図８（ａ）に示すように、物体Ｔ０が位置Ｐ１にある場合、物体Ｔ０で反射された反射光Ｒ１は、集光レンズ１３０の光軸に対して傾いた方向から集光レンズ１３０に入射する。このため、光検出器１５０の受光面上における反射光Ｒ１の集光位置は、無限遠からの反射光が入射する場合の集光位置に対してＹ軸負方向にシフトする。位置Ｐ１より近い位置Ｐ２に物体Ｔ０が存在する場合、受光面上における反射光Ｒ２の集光位置のＹ軸負方向のシフト量はさらに大きくなる。

また、図８（ｂ）に示すように、物体Ｔ０が位置Ｐ１にある場合、物体Ｔ０で反射された反射光Ｒ１は、平行光から広がった状態で集光レンズ１３０に入射する。このため、光検出器１５０の受光面上における反射光Ｒ１の集光位置Ｆ１は、無限遠からの反射光が平行光で入射する場合の集光位置Ｆ０からＺ軸正方向にシフトする。位置Ｐ１より近い位置Ｐ２に物体Ｔ０が存在する場合、受光面上における反射光Ｒ２の集光位置Ｆ２のＺ軸正方向のシフト量はさらに大きくなる。

図９（ａ）～（ｄ）は、センサ部１５１が正方形である場合（比較例）の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。

この検証の条件は、以下のように設定した。

・集光レンズ１３０の有効径 … １８ｍｍ
・集光レンズ１３０の焦点距離 … ３１．５ｍｍ
・センサ部１５１のサイズ … 横０．４５ｍｍ×縦０．４５ｍｍ
・センサ部１５１のピッチ … ０．５５ｍｍ
・光軸Ａ１、Ａ２のずれ量 … １１．５ｍｍ

集光レンズ１３０の光軸は、上から２番目および３番目のセンサ部１５１の間の隙間を垂直に貫くことを想定した。

この条件の下、上から２番目のセンサ部１５１に集光される反射光の状態をシミュレーションにより求めた。ここでは、各センサ部１５１の画角（光の取り込み角）が１°であると想定し、上から２番目のセンサ部１５１の画角１°の範囲のみに物体が存在することを想定した。各距離の位置の物体の大きさは、画角１°の広がりに応じて変化させた。すなわち、各距離位置における画角の全範囲に物体が存在することを想定した。また、測距範囲を３～２０ｍに想定した。図９（ａ）～（ｄ）は、それぞれ、物体までの距離が２０ｍ、２ｍ、１ｍ、０．３ｍの場合のシミュレーション結果である。

図９（ａ）～（ｄ）に示すように、反射光の集光スポットＳＰ１は、物体までの距離が短くなるに伴い、Ｙ軸負方向に移動する。この検証例では、物体までの距離が２０～１ｍの範囲では、反射光の集光スポットＳＰ１がセンサ部１５１に掛かっているが、物体までの距離が０．３ｍになると、反射光の集光スポットＳＰ１がセンサ部１５１から外れている。より詳細には、物体までの距離が０．３ｍよりやや長い０．５ｍ程度である場合に、集光スポットＳＰ１がセンサ部１５１から外れてしまう。このため、センサ部１５１が縦横０．５５ｍｍサイズの正方形の場合、物体までの距離が０．５ｍ程度よりも近くなると、物体を検出できない。

また、図９（ａ）～（ｄ）に示すように、反射光の集光スポットＳＰ１は、物体までの距離が短くなるに伴い、フォーカスずれにより、徐々にサイズが大きくなる。このため、物体までの距離が短くなると、反射光の集光スポットＳＰ１が、上から２番目のセンサ部１５１のみならず、その上下のセンサ部１５１にも掛かってしまう。この検証例では、物体までの距離が２ｍの場合に、集光スポットＳＰ１が上下のセンサ部１５１に僅かに掛かり、物体までの距離が１ｍの場合は、集光スポットＳＰ１が上下のセンサ部１５１に掛かる量が増加している。

以上のように、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２とが互いに離間する場合、特に、物体までの距離が短い場合に、物体検出に問題が生じる。すなわち、物体までの距離が短いと、反射光の集光スポットＳＰ１がセンサ部１５１から外れてしまい、物体を検出できなくなるとの問題が生じる。また、物体までの距離が短いと、反射光の集光スポットＳＰ１が、正規のセンサ部１５１の他、その隣のセンサ部１５１にも掛かってしまい、物体が存在する範囲を正規の範囲からやや広い範囲として検出するとの問題が生じる。

本実施形態では、これら２つの問題のうち、まずは前者の問題を解消するために、センサ部１５１の形状が、Ｙ軸方向、すなわち、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２との離間方向に長い長方形の形状となっている。

図１０（ａ）～（ｄ）は、センサ部１５１が長方形である場合（実施形態）の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。

この検証の条件は、センサ部１５１の形状を除いて、図９（ａ）～（ｄ）の検証条件と同様である。センサ部１５１の形状は、以下のように設定した。

・センサ部１５１のサイズ … 横１ｍｍ×縦０．４５ｍｍ

図１０（ａ）～（ｄ）に示すように、センサ部１５１の形状を上記サイズの長方形に設定すると、物体までの距離が２０～０．３ｍの範囲において、反射光の集光スポットＳＰ１を上から２番目のセンサ部１５１に位置付けることができる。すなわち、この構成では、図１０（ｄ）に示すように、物体までの距離が０．３ｍである場合においても、上から２番目のセンサ部１５１に反射光を入射させることができ、物体を適正に検出できる。よって、このように、センサ部１５１の形状を、Ｙ軸方向、すなわち、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２との離間方向に長い長方形の形状に設定することにより、図９（ａ）～（ｄ）の場合（比較例）に比べて、物体の検出可能範囲を広げることができる。

なお、図１０（ａ）～（ｄ）の構成では、物体までの距離が短くなるにつれて２番目のセンサ部１５１の上下のセンサ部１５１に対する反射光の漏れ込み量が増加する。このため、物体までの距離が短いと、上下のセンサ部１５１に対応する位置にも物体が存在すると誤検出されることが起こり得る。

しかしながら、物体までの距離が短いほど、１つのセンサ部１５１に取り込まれる反射光の物体上の範囲が小さくなるため、上下のセンサ部１５１に対応する位置にも物体が存在すると誤検出されたとしても、物体の検出範囲が正規の範囲からやや広がるに留まる。

図１１は、１つのセンサ部１５１の画角が１°である場合に、１つのセンサ部１５１に反射光が取り込まれる物体上の範囲（１つのセンサ部１５１に取り込まれる反射光を生じさせる物体上のビームサイズ）が物体までの距離に応じてどのように変化するかを模式的に示す図である。

図１１に示すように、物体までの距離が短くなるにつれて、１つのセンサ部１５１に対応する物体上のビームサイズが小さくなる。たとえば、物体までの距離が０．３ｍである場合、１つのセンサ部１５１に対応する物体上のビームサイズは数ｍｍ程度である。したがって、図１０（ｄ）のように、物体までの距離が０．３ｍである場合に、２番目のセンサ部１５１の上下のセンサ部１５１に反射光が漏れ込むことにより、これら上下のセンサ部１５１に対応する位置にも物体が存在すると誤検出されたとしても、物体の検出範囲が正規の範囲から数ｍｍ程度だけ僅かに広がるに留まる。

したがって、図１０（ａ）～（ｄ）のように、センサ部１５１が長方形である場合、物体までの距離が０．３ｍ程度であるときに、２番目のセンサ部１５１の上下のセンサ部１５１に反射光が漏れ込んで、これらセンサ部１５１に対応する位置に物体が存在すると誤検出されたとしても、この誤検出が正規の物体検出に対して与える影響は大きなものとはならないと考えられる。

尤も、より正確に物体の位置を検出するためには、なるべく上下のセンサ部１５１に反射光が漏れ込まないようにすることが好ましい。すなわち、上記２つの問題のうち、後者の問題も解消されることが好ましい。

この問題を解消するため、本実施形態では、さらに、センサ部１５１の形状を、Ｙ軸正側に部分に比べてＹ軸負側の部分を幅狭に調整するよう構成される。これにより、上下のセンサ部１５１に対する反射光の漏れ込みを抑制でき、物体が存在する位置をより正確に検出することができる。以下、この構成について説明する。

図１２（ａ）～（ｄ）は、センサ部１５１が台形状の形状である場合（実施形態）の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。

この検証の条件は、センサ部１５１の形状を除いて、図９（ａ）～（ｄ）の検証条件と同様である。

図１２（ｃ）に示すように、センサ部１５１の形状が台形状の形状である場合、物体までの距離が１ｍであるときの上下のセンサ部１５１に対する反射光の漏れ込み量が抑制される。なお、この場合も、上下のセンサ部１５１に僅かに反射光が漏れ込むが、その漏れ込み量は少ないため、上下のセンサ部１５１から出力される検出信号はかなり小さいものとなる。よって、上下のセンサ部１５１から出力される検出信号を所定の閾値によって除去することにより、上下のセンサ部１５１に対応する範囲に物体が存在すると誤検出されることを防ぐことができる。

図１３（ａ）～（ｄ）は、センサ部１５１がＴ字状の形状である場合（実施形態）の反射光の受光状態を検証したシミュレーション結果である。

この検証の条件は、センサ部１５１の形状を除いて、図９（ａ）～（ｄ）の検証条件と同様である。

図１３（ｃ）に示すように、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合、物体までの距離が１ｍであるときの上下のセンサ部１５１に対する反射光の漏れ込み量が解消される。よって、物体までの距離が１ｍである場合に上下のセンサ部１５１に対応する範囲に物体が存在すると誤検出されることを防ぐことができる。また、図１３（ｂ）に示すように、物体までの距離が２ｍであるときに反射光が上下のセンサ部１５１にやや漏れ込むが、その漏れ込み量はかなり少ない。よって、この場合も、上下のセンサ部１５１から出力される検出信号を所定の閾値によって除去することにより、上下のセンサ部１５１に対応する範囲に物体が存在すると誤検出されることを防ぐことができる。

図１４（ａ）は、センサ部１５１が正方形である場合（比較例）とＴ字状の形状である場合（実施形態）とで、２番目のセンサ部１５１により受光される反射光の受光量が物体までの距離に応じてどのように変化するかを検証したシミュレーション結果を示す図である。また、図１４（ｂ）は、センサ部１５１が正方形である場合（比較例）とＴ字状の形状である場合（実施形態）とで、２番目のセンサ部１５１とその上下のセンサ部１５１によって受光される反射光の受光量が物体までの距離に応じてどのように変化するかを検証したシミュレーション結果を示す図である。

これらの検証において、センサ部１５１がＴ字状の形状である場合（実施形態）のセンサ部１５１の各部の寸法は、図１５の上段のセンサ部１５１に付記した寸法に設定した。各部の寸法の単位はｍｍ（ミリメートル）である。センサ部１５１のピッチは、上記検証と同様、０．５５ｍｍに設定した。

また、図１５の下段に示すように、実施形態のセンサ部１５１は、幅が広い部分１５１ａと、幅が次第に狭くなる部分１５１ｂと、幅が狭い部分１５１ｃとを有する形状とした。部分１５１ｂは、リニアに幅が狭くなる直線部分と円弧状に幅が狭くなる円弧部分とを有する形状とした。センサ部１５１が正方形である場合（比較例）の寸法は、図９（ａ）～（ｄ）の場合と同様とした。その他の検証条件は、図９（ａ）～（ｄ）の場合と同様であった。

図１４（ａ）、（ｂ）において、縦軸は規格化され、横軸は対数軸となっている。図１４（ａ）において、白丸がプロットされた破線グラフは、センサ部１５１の形状が正方形である場合の検証結果を示し、黒丸がプロットされた実線のグラフは、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合の検証結果を示している。

図１４（ａ）に示すように、センサ部１５１が正方形の場合（比較例）、２番目のセンサ部１５１の受光量は、物体までの距離が１ｍを下回る辺りから大きく減少し、物体までの距離が０．３ｍ辺りにおいて、受光量が略ゼロに到達した。これに対し、センサ部１５１がＴ字状の形状である場合（実施形態）、２番目のセンサ部１５１の受光量は、物体までの距離が１ｍを下回っても高く維持され、物体までの距離が０．３ｍ辺りであっても、十分な受光量が確保された。この検証から、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合（実施形態）、物体までの距離が０．３～２０ｍの範囲（測距範囲）において、物体を適正に検出できることが確認できた。

図１４（ｂ）において、３つの破線のグラフは、センサ部１５１の形状が正方形である場合（比較例）の２番目のセンサ部１５１およびその上下のセンサ部１５１（１番目と３番目のセンサ部１５１）の受光量を示している。これらのうち、白丸がプロットされた破線のグラフは、２番目のセンサ部１５１における受光量を示し、白三角および白四角がプロットされた破線のグラフは、それぞれ、２番目のセンサ部１５１の上下のセンサ部１５１における受光量を示している。

また、図１４（ｂ）において、３つの実線のグラフは、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合（実施形態）の２番目のセンサ部１５１およびその上下のセンサ部１５１の受光量を示している。これらのうち、黒丸がプロットされた実線のグラフは、２番目のセンサ部１５１における受光量を示し、黒三角および黒四角がプロットされた実線のグラフは、それぞれ、２番目のセンサ部１５１の上下のセンサ部１５１における受光量を示している。

図１４（ｂ）に示すように、センサ部１５１の形状が正方形の場合（比較例）、物体までの距離が６ｍを下回る辺りから上下のセンサ部１５１に反射光が漏れ込み始め、物体までの距離が２～０．５ｍ辺りの範囲では、距離が２０ｍである場合に正規に受光される反射光の光量よりも多くの光量の反射光が、上下のセンサ部１５１に漏れ込んでいる。このため、センサ部１５１の形状が正方形の場合（比較例）、物体までの距離が２～０．５ｍ辺りの範囲において、上下のセンサ部１５１に対応する範囲にも物体が存在すると誤検出されることが分かる。

これに対し、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状の場合（実施形態）、物体までの距離が１ｍを下回る辺りから上下のセンサ部１５１に反射光が漏れ込み始め、物体までの距離が０．９～０．３ｍ辺りの範囲において、距離が２０ｍである場合に正規に受光される反射光の光量よりも多くの光量の反射光が、上下のセンサ部１５１に漏れ込んでいる。このため、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合（実施形態）、物体までの距離が０．９～０．３ｍ辺りの範囲において、上下のセンサ部１５１に対応する範囲にも物体が存在すると誤検出されることが分かる。

しかしながら、センサ部１５１の形状がＴ字状の形状である場合（実施形態）に物体を誤検出する距離範囲（０．９～０．３ｍ）は、センサ部１５１の形状が正方形である場合（比較例）の誤検出の距離範囲（２～０．５ｍ）に比べて、顕著に狭くなっている。また、上記のように、物体までの距離が短い場合は、上下のセンサ部１５１に対応する位置に物体が存在すると誤検出されたとしても、物体の検出範囲が正規の範囲からやや広がるに留まる。よって、センサ部１５１の形状がＴ字状である場合（実施形態）は、センサ部１５１の形状が正方形である場合（比較例）に比べて、物体の検出精度を顕著に高めることができることが確認できた。

なお、図１４（ｂ）の検証結果では、物体までの距離が２ｍ付近の範囲において、上下のセンサ部１５１に反射光の漏れ込みが生じていることが分かる。しかし、この漏れ込み量は、物体までの距離が２０ｍである場合に正規に受光される反射光の光量よりもかなり小さいため、この漏れ込みによる検出信号は、閾値を設定することにより除去され得る。よって、この範囲において僅かに反射光が上下のセンサ部１５１に漏れ込んだとしても、この漏れ込みによって物体の検出精度が低下することはない。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。

光検出器１５０が複数のセンサ部１５１を備えるため、各センサ部１５１からの出力に基づいて、目標領域上の、各センサ部１５１に対応する分割領域ごとに、物体を検出できる。また、複数のセンサ部１５１が光軸Ａ１、Ａ２の離間方向に垂直な方向に並んでいるため、反射光の集光スポットＳＰ１は、物体までの距離の変化に応じて、センサ部１５１の並び方向に垂直な方向に移動する。このため、物体までの距離が変化しても、分割領域ごとに、物体を適正に検出できる。さらに、複数のセンサ部１５１は、それぞれ、光軸Ａ１、Ａ２の離間方向、すなわち、センサ部１５１の並び方向に垂直な方向に長い形状を有するため、物体までの距離の変化に応じて反射光の集光スポットＳＰ１が移動しても、各センサ部１５１で反射光を受光できる。よって、物体までの距離が変化しても、センサ部１５１からの出力により適正に、物体を検出できる。

図５（ａ）に示したように、投射光学系ＬＳ１は、複数のセンサ部１５１の並び方向に対応する方向に長いビーム形状でレーザ光を目標領域に投射する。これにより、物体の検出範囲をビームの長手方向に広げることができる。また、ビームの長手方向に対応する方向にセンサ部１５１が並ぶため、各センサ部１５１に対応する分割領域を円滑に設定でき、センサ部１５１の数を増やすことにより、ビームの長手方向における物体検出の分解能を容易に高めることができる。

図１２（ａ）～（ｄ）および図１３（ａ）～（ｄ）に示したように、センサ部１５１は、投射光学系ＬＳ１から離れた部分（Ｙ軸負側の部分）の幅が投射光学系ＬＳ１に近い部分（Ｙ軸正側の部分）の幅よりも狭い形状を有する。これにより、物体までの距離が短くなるにつれて集光スポットＳＰ１が広がった場合に、集光スポットＳＰ１が隣のセンサ部１５１に掛かりにくくなる。よって、隣のセンサ部１５１に対応する分割領域に物体が存在するとの誤検出を抑制できる。

図１２（ａ）～（ｄ）に示したように、センサ部１５１は、投射光学系ＬＳ１から離れるに従って幅が狭くなる部分（直線状に傾斜する部分）を有する。また、図１３（ａ）～（ｄ）および図１５に示したように、センサ部１５１は、投射光学系ＬＳ１から離れるに従って幅が狭くなる部分（図１３（ａ）～（ｄ）では円弧状に曲がった部分、図１５では直線状に傾斜する部分と円弧状に曲がった部分）を有する。これにより、物体までの距離が短くなるにつれて集光スポットＳＰ１がＹ軸負方向に移動しつつ広がった場合に、正規のセンサ部１５１における反射光の受光量を確保しつつ、隣のセンサ部１５１に集光スポットＳＰ１が掛かることを抑制できる。よって、測定精度を高めることができる。

図１３（ａ）～（ｄ）および図１５の例では、センサ部１５１が、Ｔ字状の形状に設定されている。これにより、反射光を受光すべき正規のセンサ部１５１の隣のセンサ部１５１に反射光の集光スポットＳＰ１が掛かることを、より適切に抑制できる。

図１２（ａ）～（ｄ）の例では、センサ部１５１が、台形状の形状に設定されている。この構成では、センサ部１５１がＴ字状の形状である場合に比べて、正規のセンサ部１５１の隣のセンサ部１５１に反射光の集光スポットＳＰ１が掛かりやすくなるものの、正規のセンサ部１５１における受光量を高めることができる。

図１０（ａ）～（ｄ）、図１２（ａ）～（ｄ）および図１３（ａ）～（ｄ）に示したように、受光光学系ＬＳ２は、測距範囲の最遠距離（ここでは２０ｍ）からの反射光を投射光学系ＬＳ１に接近する側（Ｙ軸正側）のセンサ部１５１の端部付近に集光させ、測距範囲の最近距離（ここでは０．３ｍ）からの反射光を投射光学系ＬＳ１に離間する側（Ｙ軸負側）のセンサ部１５１の端部付近に集光させる。これにより、測距範囲中の何れの距離位置に物体が存在しても測距を行うことができる。

図５（ａ）に示したように、受光光学系ＬＳ２は、光検出器１５０に反射光を集光する集光レンズ１３０を備え、集光レンズ１３０に、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１を通すための開口部１３１が設けられている。これにより、光軸Ａ１と光軸Ａ２とを接近させることができるため、集光レンズ１３０の有効径を広く確保しながら、光学ユニット４０をコンパクトに構成できる。また、光軸Ａ１と光軸Ａ２とを接近させることができるため、物体までの距離の変化に応じた集光スポットＳＰ１の移動量を小さくできる。よって、反射光を光検出器１５０に受光させやすくなる。

図６（ａ）に示したように、ベース部材２０が回転軸Ｒ１０について回転することにより、各光学ユニット４０から出射される投射光によって、回転軸Ｒ１０を中心とする周方向の範囲が走査される。このとき、図６（ｂ）に示したように、各光学ユニット４０における投射光の投射方向が回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）に互いに異なっているため、各投射光によって走査される範囲は、回転軸Ｒ１０に平行な方向に互いにシフトする。このため、これら投射光によって走査される全体の範囲は、回転軸Ｒ１０に平行な方向に互いにシフトする各レーザ光の走査範囲を統合した広い範囲となる。したがって、回転軸Ｒ１０に平行な方向における走査範囲を効果的に広げることができる。また、このように回転軸Ｒ１０に平行な方向における走査範囲が広がると、回転軸Ｒ１０に平行な広い走査範囲において物体を検出できるようになる。

図５（ａ）に示したように、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１と受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２とが、回転軸Ｒ１０の周方向に並んでおり、受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２が、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１に対して、回転部６０の回転方向において後方の位置にある。これにより、レーザ光が投射されてから受光されるまでのフライングタイムにおいて、受光光学系ＬＳ２の光軸Ａ２が、レーザ光を投射したタイミングの投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１の位置に接近する。よって、受光光学系ＬＳ２によって反射光をより良好に受光できる。

＜変更例＞
レーザレーダ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。

たとえば、上記実施形態では、センサ部１５１の形状として数種の形状を示したが、センサ部１５１は、光軸Ａ１、Ａ２の離間方向に長い形状を有する限りにおいて、他の形状であってもよい。たとえば、図１６（ａ）のように、センサ部１５１が二等辺三角形の形状であってもよく、また、図１６（ｂ）のように、上下の辺が内方に曲線状に凹む形状にセンサ部１５１が構成されてもよい。あるいは、図１６（ｃ）のように、角部が矩形に屈曲するＴ字状の形状にセンサ部１５１が構成されてもよい。

なお、光検出器１５０で受光される反射光の光量は、物体までの距離が長くなるほど少なくなる。すなわち、光検出器１５０における反射光の受光光量は、物体までの距離の２乗に反比例する。このため、センサ部１５１の形状は、さらにこの点を加味して設定されることが好ましい。すなわち、センサ部１５１の形状を、投射光学系ＬＳ１から離れた部分の幅が投射光学系ＬＳ１に近い部分の幅よりも狭い形状に設定する場合、物体までの距離が長い範囲において十分に反射光の受光光量を確保できるように、センサ部１５１の形状を設定することが好ましい。

また、図５（ｃ）の構成例では、光検出器１５０が６つのセンサ部１５１を備えたが、光検出器１５０に配置されるセンサ部１５１の数はこれに限られるものではない。たとえば、光検出器１５０に２～５個のセンサ部１５１が設けられてもよく、７個以上のセンサ部１５１が設けられてもよい。光検出器１５０に配置されるセンサ部１５１の数を増やすほど、投射光の長手方向における物体検出の分解能を高めることができる。

また、上記実施形態では、レーザ光源１１０は、発光面が一方向に長い面発光型のレーザ光源であったが、これに限らず、端面発光型のレーザ光源であってもよい。また、複数のレーザ光源１１０から出射されたレーザ光を統合して投射光が構成されてもよい。

また、上記実施形態では、複数の光学ユニット４０が、回転軸Ｒ１０の周方向に沿って等間隔（６０°間隔）で配置されたが、必ずしも等間隔に設置されなくてもよい。

また、上記実施形態では、回転部６０を回転させる駆動部として、モータ１３が用いられたが、モータ１３に代えて、固定部１０と回転部６０にそれぞれコイルと磁石を配置して、回転部６０を固定部１０に対して回転させてもよい。また、回転部６０の外周面に全周にわたってギアが設けられ、このギアに固定部１０に設置されたモータの駆動軸に設置されたギアが噛み合わされることにより、回転部６０を固定部１０に対して回転させてもよい。

また、上記実施形態では、各光学ユニット４０のミラー４２を互いに異なる傾き角で設置することにより、各光学ユニット４０から投射される投射光の投射方向が互いに異なる方向に設定されたが、各光学ユニット４０から投射される投射光の投射方向を互いに相違させる方法は、これに限られるものではない。

たとえば、６つの光学ユニット４０からそれぞれミラー４２が省略され、６つの構造体４１が、回転軸Ｒ１０に垂直な平面に対して互いに異なる傾き角となるように、放射状に設置されてもよい。また、上記実施形態においてミラー４２が省略され、代わりに、設置面２１の反射率が高くなるよう設置面２１に鏡面仕上げが施されてもよい。また、上記実施形態では、光学ユニット４０は、１つのミラー４２を備えたが、２つ以上のミラーを備えてもよい。この場合、複数のミラーによって反射され目標領域に投射される投射光のＺ軸方向に対する角度は、複数のミラーのうちいずれかのミラーの角度によって調節されればよい。

また、距離測定機能がなく光検出器１５０からの信号により投射方向に物体が存在するか否かの検出機能のみを備えた装置に本発明に係る構造を適用することも可能である。この場合も、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）における走査範囲を広げることができる。

また、光学ユニット４０の光学系の構成は、上記実施形態に示された構成に限られるものではない。たとえば、集光レンズ１３０から開口部１３１が省略され、投射光学系ＬＳ１の光軸Ａ１が集光レンズ１３０に掛からないように、投射光学系ＬＳ１と受光光学系ＬＳ２とが離されてもよい。

なお、上記実施形態では、走査範囲を回転軸Ｒ１０に平行な方向に広げるために、複数の光学ユニット４０から投射される投射光の投射方向を、回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）において互いに相違させたが、複数の光学ユニット４０から投射される投射光の投射方向を回転軸Ｒ１０に平行な方向（Ｚ軸方向）において同じに設定してもよい。

図１７は、この変更例に係るレーザレーダ１の構成を示す断面図である。この変更例では、回転軸Ｒ１０のＸ軸正側の設置面２１の水平面（Ｘ－Ｙ平面）に対する傾き角と、回転軸Ｒ１０のＸ軸負側の設置面２１の水平面に対する傾き角とが等しいため、これら設置面２１に設置される２つのミラー４２の傾き角も等しい。同様に、他の設置面２１の傾き角も、上記２つの設置面２１と同じ角度に設定され、他のミラー４２の傾き角も、上記２つのミラー４２と同じ角度に設定される。これにより、６つの光学ユニット４０から投射される投射光の投射方向は、回転軸Ｒ１０に平行な方向において同じになる。

このように、回転軸Ｒ１０に平行な方向において全ての光学ユニット４０の投射方向を同じに設定すると、回転軸Ｒ１０の周囲の範囲に対する検出頻度を高めることができる。これにより、回転速度を高めることなく高フレームレートを実現できる。

また、上記実施形態では、レーザレーダ１に複数の光学ユニット４０が設置されたが、レーザレーダ１が投射光学系ＬＳ１と受光光学系ＬＳ２の組を１つだけ備える構成であってもよい。また、レーザレーダ１は、必ずしも、投射光学系ＬＳ１と受光光学系ＬＳ２の組を回転軸について回転させる構成でなくてもよく、固定された目標領域に投射光を投射し、その反射光を受光して、当該目標領域に対する物体検出を行う構成であってもよい。

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 レーザレーダ
１３ モータ（駆動部）
２０ ベース部材
４０ 光学ユニット
１１０ レーザ光源
１３０ 集光レンズ
１３１ 開口部
１５０ 光検出器
１５１ センサ部
ＬＳ１ 投射光学系
ＬＳ２ 受光光学系
Ｒ１０ 回転軸
Ａ１、Ａ２ 光軸

Claims (11)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光を目標領域に投射する投射光学系と、
   前記目標領域に存在する物体によって前記レーザ光が反射された反射光を光検出器に集光させる受光光学系と、を備え、
   前記投射光学系と前記受光光学系は、それぞれの光軸が互いに離間して配置され、
   前記光検出器は、前記光軸の離間方向に垂直な方向に並ぶ複数のセンサ部を備え、
   前記複数のセンサ部は、それぞれ、前記光軸の離間方向に長い形状を有し、前記投射光学系から離れた部分の幅が前記投射光学系に近い部分の幅よりも狭い、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
2. 請求項１に記載のレーザレーダにおいて、
   前記投射光学系は、前記複数のセンサ部の並び方向に対応する方向に長いビーム形状で前記レーザ光を前記目標領域に投射する、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
3. 請求項１または２に記載のレーザレーダにおいて、
   前記センサ部は、前記投射光学系から離れるに従って幅が狭くなる部分を有する、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
   前記センサ部は、Ｔ字状の形状である、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
5. 請求項１ないし３の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
   前記センサ部は、台形状の形状である、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
   前記受光光学系は、測距範囲の最遠距離からの前記反射光を前記投射光学系に接近する側の前記センサ部の端部付近に集光させ、測距範囲の最近距離からの前記反射光を前記投射光学系に離間する側の前記センサ部の端部付近に集光させる、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
   前記受光光学系は、前記光検出器に前記反射光を集光する集光レンズを備え、
   前記集光レンズに、前記投射光学系の光軸を通すための開口部が設けられている、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
   ベース部材と、
   前記ベース部材を回転軸について回転させる駆動部と、
   前記回転軸を中心とする周方向に所定の間隔で前記ベース部材に配置され、前記回転軸から離れる方向にレーザ光をそれぞれ投射する複数の光学ユニットと、を備え、
   前記複数の光学ユニットは、それぞれ、前記投射光学系および前記受光光学系を含んでいる、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
9. 請求項８に記載のレーザレーダにおいて、
   前記複数の光学ユニットは、前記レーザ光の投射方向が前記回転軸に平行な方向に互いに異なっている、
   ことを特徴とするレーザレーダ。
10. 請求項８に記載のレーザレーダにおいて、
    前記複数の光学ユニットは、前記レーザ光の投射方向が前記回転軸に平行な方向に互いに同じである、
    ことを特徴とするレーザレーダ。
11. 請求項８ないし１０の何れか一項に記載のレーザレーダにおいて、
    投射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とが前記回転軸の周方向に並んでおり、
    前記受光光学系の光軸が、前記投射光学系の光軸に対して、前記ベース部材の回転方向において後方の位置にある、
    ことを特徴とするレーザレーダ。

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