JPH0921874A - 反射測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広角度範囲において、被測定物体との距離を
正確に測定するとともに小型、軽量化された反射測定装
置を提供する。 【構成】 反射測定装置の受光レンズ５１はレンズ外周
部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異なる焦点距離を
有する円環状の短焦点部１０１、中焦点部１０２、長焦
点部１０３が繰り返し循環して刃状に配置された循環焦
点フレネルレンズである。短焦点部１０１、中焦点部１
０２、長焦点部１０３はこの順番で焦点距離が長くなっ
ている。短焦点部１０１は受光レンズ５１に対する入射
光線の入射角度が０°のときに受光素子５２の中心部に
受光レンズ５１からの屈折光線１１１を集光し、中焦点
部１０２は入射角度が４°のときに受光素子５２の中心
部に屈折光線１１２を集光し、長焦点部１０３は入射角
度が８°のときに受光素子５２の中心部に屈折光線１１
３を集光する。これにより、入射角度に対する受光素子
の受光光量特性が平坦化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定物体と被測定
物体との距離、速度、角度等を測定する反射測定装置に
関するもので、例えば車両用の反射測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の車両用反射測定装置に用いられる
出射光学系では、照射範囲を拡げていることから、照射
範囲内の多数の車両から測定対象車を正確に検出できな
いことやガードレール等の車両以外の障害物と測定対象
車との識別が正確にできないことがある。

【０００３】このような問題を解決するため、特開昭６
４−８０８９４号公報に開示される反射測定装置は、受
光レンズにおいて充分に屈折しなかった非測定物体から
の反射光線をテーパ状の光導波路により数回反射させて
受光素子に集光し受光効率を向上させている。また、カ
メラ等に用いられる広角度レンズによって、広角度範囲
の反射光線を受光する方法も考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６４−８０８９４号公報に開示されるものによると、光
導波路により反射光が反射する回数をｎ回とすると、反
射率のｎ乗に相当する光パワーまで減衰し、さらに光導
波路により光パワーがより減衰するという問題がある。
さらに、反射により光束が絞れる程度の研磨面を光導波
路に形成するには高精度の研磨工程を必要としコストの
増大を招くという問題がある。

【０００５】また、カメラ等に用いられる広角度レンズ
を使用する場合によると、少なくとも２枚以上のレンズ
が必要となることから、体格が大型化するとともに複雑
な光学系になるという問題がある。このような問題を解
決するため、小型、軽量かつ低コストで量産可能なフレ
ネルレンズを受光レンズに使用することが考えられる
が、フレネルレンズの特性上、受光性能が良好ではない
斜入射光に対して受光効率が著しく低下することから、
広角度範囲を走査するスキャニング方式の車両用反射測
定装置へのフレネルレンズの使用は適していない。

【０００６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、広角度範囲において、被測定物体と
の距離を正確に測定するとともに小型、軽量化された反
射測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明による請求項１記載の反射測定装置は、光源
と、この光源から照射される光線をほぼ平行光線にする
出射レンズと、前記出射レンズを透過し被測定物体にお
いて反射した光線を集光する受光レンズであって、前記
受光レンズの外周部から中心部に向けて焦点距離が循環
して変化する受光レンズと、前記受光レンズにより集光
された光線を受光する受光部と、前記受光部での受光時
刻と前記光源から出射された光線の出射時刻との差から
前記被測定物体と前記光源との距離を算出する演算手段
とを備えたことを特徴とする。

【０００８】本発明による請求項２記載の反射測定装置
は、請求項１記載の反射測定装置において、前記受光レ
ンズはフレネルレンズであることを特徴とする。本発明
による請求項３記載の反射測定装置は、請求項１または
２記載の反射測定装置において、前記受光レンズと前記
受光部との間に前記受光レンズを透過した光線を前記受
光部に集光する集光ミラーを配設することを特徴とす
る。

【０００９】本発明による請求項４記載の反射測定装置
は、請求項３記載の反射測定装置において、前記集光ミ
ラーは縦断面を放物線形状に形成されていることを特徴
とする。本発明による請求項５記載の反射測定装置は、
請求項３記載の反射測定装置において、前記集光ミラー
は縦断面を双曲線形状に形成されていることを特徴とす
る。

【００１０】本発明による請求項６記載の反射測定装置
は、請求項１から５のいずれか一項記載の反射測定装置
において、前記受光レンズは、焦点距離の短かい受光レ
ンズ部ほど透過した光線を前記受光部の両端側に集光
し、焦点距離の長い受光レンズ部ほど透過した光線を受
光部の中央側に集光することを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。 （第１実施例）本発明の第１実施例による車両用反射測
定装置を図２および図３に示す。測定装置１はスキャニ
ング方式の車両用反射測定装置である。

【００１２】図２および図３に示すように、測定装置１
のハウジング１０内には、光線照射部２０、光線反射部
３０、コリメータレンズ４０、受光レンズ５１、受光部
である受光素子５２、回路基板５３、集光ミラー５４等
が収容されている。光線照射部２０は、半導体レーザ２
１、この半導体レーザ２１の駆動回路を有する回路基板
２２、半導体レーザ２１から出射された光線を絞る絞り
板２３から構成されている。半導体レーザ２１は、１０
Ｗ〜２０Ｗの大出力が出力可能であり、回路基板２２に
搭載された駆動回路により駆動され、波長λ：８６０nm
の赤外パルス光を出射する。半導体レーザ２１の出射位
置に対応する絞り板２３には間隙が設けられ、この間隙
を通して光線が光線反射部３０に出射される。これ以外
の出射された光線は絞り板２３により遮断される。

【００１３】光線反射部３０は、ステップモータ３１、
反射鏡３３から構成されている。ステップモータ３１は
図示しない電力供給部から駆動電流を供給され、反射鏡
３３を所定の分散角度づつ回転させ、全角度のスキャン
が終了したら今度は反対方向に反射鏡３３を反転させて
スキャンする。反射鏡３３を構成する反射鏡本体３５の
基材は、例えばガラス、プラスチックまたは金属からな
り、反射鏡本体３５の一方の面にはアルミ密着ミラーが
形成され、他方の面にはこのアルミ密着ミラーよりも反
射率の低い誘電体多層膜ミラーが形成されている。反射
鏡３３は、ステップモータ３１を回動させることによ
り、アルミ密着ミラーまたは誘電体多層膜ミラーを半導
体レーザ２１に対向させることができる。アルミ密着ミ
ラーの面上に反射鏡３３の回転軸の仮想延長線が位置す
るとともに、アルミ密着ミラーの面上に位置する反射鏡
３３の回転軸の仮想延長線上にコリメータレンズ４０の
光軸が通るように反射鏡３３が位置している。反射鏡３
３の回転軸の仮想延長線は誘電体多層膜ミラーの面上に
位置していないが、誘電体多層膜ミラーで光線を反射す
るのは至近距離の測定物体に対してだけであるので、そ
の至近距離範囲内での光量密度の不均一は実用上支障の
ない範囲内である。アルミ密着ミラーは、半導体レーザ
２１の波長域における反射率が約９０〜９５％になるよ
うに形成されている。

【００１４】コリメータレンズ４０は、例えば口径４０
mm、中心部での焦点距離ｆ₁ ：４０mm（Ｆナバー１）の
プラスチックレンズである。反射鏡３３で反射された光
線は、コリメータレンズ４０により平行よりも僅かに開
く向きに角度を付け被測定物体に向けて照射される。こ
れは、僅かでも閉じ側に光線が収束されると、高い光量
密度の光線が外部に照射されることになり危険だからで
ある。コリメータレンズ４０の材質は、可視光の透過率
をほぼゼロにカットするため、例えば顔料入りアクリル
またはポリカーボネート等が用いられている。本発明で
は顔料は混入しないでも構わない。コリメータレンズ４
０の材質に要求されるのは、屈折率ｎがｎ≧１．４５と
高いこと、および面精度がλ／４と高いことである。

【００１５】受光レンズ５１は、後述するような、広角
度域（±１０°）において被測定物体から反射した反射
光線の集光効率が高い特殊形状のフレネルレンズであ
る。受光レンズ５１の材質は、コリメータレンズ４０と
同様、例えば可視光カット顔料入りアクリルもしくはポ
リカーボネイトである。受光素子５２は、ＰＩＮフォト
ダイオードである。本発明では、ＰＩＮフォトダイオー
ドに代えてアバランシェフォトダイオードを用いること
も可能である。

【００１６】回路基板５３上に搭載された演算手段であ
る図示しない演算回路は、被測定物体において反射し、
受光レンズ５１を介して受光素子５２に入射した光線の
受光時刻と出射時刻との差から次式(1) により被測定物
体との距離を算出する。 測定距離＝（受光した時刻−出射した時刻）×光速×１／２ ・・・(1) 集光ミラー５４は、斜めに入射する光線を効率よく受光
素子５２に集めるために設けられた平面ミラーであり、
受光素子５２の約５０％の幅内で受光素子５２から外れ
た光線を１回反射させて受光素子５２に集めることがで
きる。集光ミラー５４は光線の反射率が９０％以上であ
り、この値が高い方が望ましい。集光ミラー５４は例え
ば樹脂の表面にアルミニウム等の金属を蒸着処理したも
の、アルミニウム等の金属をメッキ処理をしたもの、ま
たはアルミニウム等の金属を成形したもので構成され
る。図４に示すように、集光ミラー５４は、軸方向長ｄ
₁ ：１３mm、受光素子５２の受光面に対する傾斜角α：
６４°、下部の穴径φ：１３mmに設定されている。集光
ミラー５４の下面から受光素子５２までの距離ｌは３．
７mmである。

【００１７】次に、受光レンズ５１の詳細について説明
する。図１に示すように、受光レンズ５１はレンズ外周
部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異なる焦点距離を
有する円環状の受光レンズ部としての短焦点部１０１、
中焦点部１０２、長焦点部１０３が繰り返し循環して刃
状に配置された循環焦点フレネルレンズである。レンズ
中心部は短焦点部１０１が占めている。短焦点部１０
１、中焦点部１０２、長焦点部１０３はこの順番で焦点
距離が長くなっており、短焦点部１０１の焦点距離はｆ
₁ ：４３mm、中焦点部１０２の焦点距離はｆ₂ ：５５m
m、長焦点部１０３の焦点距離はｆ₃ ：７１mmである。
短焦点部１０１、中焦点部１０２、長焦点部１０３を透
過した屈折光線をそれぞれ１１１、１１２、１１２で表
す。図４、図５および図６に示すように、短焦点部１０
１は被測定物体からの反射光線の水平入射角度（以下、
「水平入射角度」を入射角度という）が０°のときに受
光素子５２の中心部に受光レンズ５１からの屈折光線１
１１を集光し、中焦点部１０２は反射光線の入射角度が
４°のときに受光素子５２の中心部に屈折光線１１２を
集光し、長焦点部１０３は反射光線の入射角度が８°の
ときに受光素子５２の中心部に屈折光線１１３を集光す
る。ここで入射角度とは、受光レンズ５２の光軸に対す
る入射光線の角度を意味する。

【００１８】三種類の焦点距離を有するレンズ部を焦点
距離を循環させて受光レンズ５１を構成することによ
り、０°、４°、８°の入射角度を有する入射光線をそ
れぞれ受光素子５２に集光させた理由を次に説明する。
図７に示す受光レンズ６０は焦点距離ｆ：４３mmの単一
焦点フレネルレンズであり、受光素子５２の長手方向長
は７mmである。フレネルレンズの集光性能、つまり集光
した光線のスポットサイズが理論上一点になると仮定す
ると、受光レンズ６０に対する入射角度θが変化したと
きに受光素子５２に集光される入射角度θの限界値は、
次式(1) よりθ≒４．６５°である。

【００１９】 θ＝tan ^-1（（ｄ／２）／ｆ） ＝tan ^-1（３．５／４３）≒４．６５° ・・・(1) しかし、実際のスポットサイズはフレネルレンズの各刃
のピッチ程度になり、約φ１mmである。このため、受光
素子５２に集光可能な光線の入射角度の最大値θは、次
式(2) よりθ≒３．９９°≒４°である。

【００２０】 θ＝tan ^-1（（（ｄ／２）−（１／２））／ｆ） ＝tan ^-1（３／４３）≒３，９９° ・・・(2) スポットサイズを約φ１mmとしたときの入射角度θと受
光光量との関係を図８に示す。レンズ中心部からレンズ
外周部に向かっての受光効率の劣化分を考慮し、かつフ
レネルレンズの軸ずれ等の公差を見込むと、入射角度θ
に対する受光光量の特性をほぼ平坦にするためには、受
光レンズに対する反射光線の入射角度範囲を約±３°と
考えるのが妥当である。

【００２１】高速道路のように比較的直線が多く車間距
離も長い道路において反射測定装置１を搭載した車両と
被測定物体である車両との距離を測定するためには、±
６°の角度範囲内を測定できれば十分であるが、一般道
のようにカーブが多く車間距離の短い道路では、±１０
°の角度範囲内において一定の受光光量を保持しつつ平
坦な受光光量特性が要求される。図９に示すように、入
射角度０°、４°、８°のときに屈折光線が受光素子５
２に集光される焦点距離を有する受光レンズ部を組み合
わせることにより、±１０°の範囲内において入射角度
に対する受光光量の特性がほぼ平坦になる。

【００２２】また、フレネルレンズを含む通常のレンズ
ではレンズ中心部から外周部に向かうに従い受光光量が
低下する、つまりレンズ効率が劣化する。このレンズ径
方向におけるレンズ効率の不均一性を低減して平坦な受
光光量特性を得るため、第１実施例では、前述したよう
にレンズ外周部からレンズ中心部に向けてそれぞれ異な
る焦点距離を有する円環状の短焦点部１０１、中焦点部
１０２、長焦点部１０３が繰り返し循環して配置されて
いる。

【００２３】単一焦点フレネルレンズ、多重焦点（累進
焦点）フレネルレンズおよび本実施例の循環焦点フレネ
ルレンズにおける入射角度と相対検知距離との関係を比
較した結果を図１０に示す。ここで多重焦点（累進焦
点）フレネルレンズとは、レンズ外周部からレンズ中心
部に向けて焦点距離が増加または減少するフレネルレン
ズを意味する。図１０に示すように、本実施例の循環焦
点フレネルレンズによると、単一焦点フレネルレンズ、
多重焦点（累進焦点）フレネルレンズに比較し、±１０
°の範囲内で良好な相対検知距離を保持しつつ入射角度
と相対検知距離との関係がより平坦になる。

【００２４】次に、循環焦点の受光レンズ５１を構成す
るフレネルレンズの製造法を単一焦点フレネルレンズを
例にして説明する。図１１に示すように、焦点ｆの球面
レンズ６１を同心円上に切出すことにより、屈折角の異
なった複数の円環状レンズ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ等が
形成される。これらの円環状レンズ６１ａ、６１ｂ、６
１ｃ等のうち、図１１中の斜線で示した略三角形部分を
階段状に繋合わせ同心円上に寄せ集めたものがフレネル
レンズ６２である。このフレネルレンズ６２は、厳密に
はレンズではなく環状レンズ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ等
と同じ屈折角を有するプリズム６２ａ、６２ｂ、６２ｃ
等を同心円上に集めたものである。

【００２５】循環焦点フレネルレンズを製造する場合
は、三種類の異なる焦点距離を有するプリズムを同心円
上に焦点距離を循環させて構成すればよい。フレネルレ
ンズは、同じ焦点距離を有する球面レンズに較べ薄く軽
量化が可能であり、特に短焦点の場合、軽量化率を高く
することが可能である。第１実施例によると、循環焦点
フレネルレンズを受光レンズ５１に用いることにより、
大型の走査鏡、広角度レンズ等を用いた場合と比較し車
両用反射測定装置を小型、軽量化することができる。

【００２６】（第２実施例）本発明の第２実施例による
車両用反射測定装置を図１２および図１３に示す。受光
レンズ５１の構成は第１実施例と同一である。一般に、
入射角度が大きくなるほど、非点収差により受光レンズ
５１を透過した光線のスポットサイズが大きくなり一部
の屈折光線が受光素子５２から外れるので、入射角度に
対する受光光量の平坦特性を得るのが困難になる。図１
３に示す集光分布１２１は、集光ミラーが平面状のとき
の入射角度８°に対するスポットサイズを示し、集光分
布１２２は集光ミラーが凹曲面状のときの入射角度８°
に対するスポットサイズを示す。第２実施例では、集光
ミラー５５の縦断面形状を放物線状に形成したことによ
り、入射角度の増加に伴うスポットサイズの増加を抑制
し、入射角度に対する受光光量特性を平坦に近づけてい
る。本発明では、集光ミラーの縦断面形状を双曲線状に
形成することも可能である。

【００２７】（第３実施例）本発明の第３実施例による
車両用反射測定装置を図１４および図１５に示す。受光
レンズ７０の焦点距離分布は第１実施例の受光レンズ５
１と同一である。第１実施例では、入射角度０°、４
°、８°に対して集光素子５２のほぼ中央に屈折光線が
集光するように受光レンズ５１を構成したが、第３実施
例では、図１４および図１５に示すように、焦点距離が
短い受光レンズ７０の短焦点部を入射角度０°で透過し
た光線が受光素子５２の両端部１３１に集光し、焦点距
離の長い受光レンズ７０の長焦点部を入射角度８°で透
過した光線が受光素子５２の中央部１３３に集光し、短
焦点部と長焦点部の中間の焦点距離を有する受光レンズ
７０の中焦点部を入射角度４°で透過した光線が両端部
１３１と中央部１３３の中間部１３２に集光するように
受光レンズ７０の各刃の角度が設定されている。

【００２８】第３実施例では、このような集光分布に受
光レンズ７０を形成したことにより、入射角度が大きく
なってスポットサイズが増加するにしたがい受光素子５
２の中央部または中央部近傍で受光レンズ７０を透過し
た光線が検知されることにより、入射角度に対する受光
光量特性がより平坦になる。以上説明した本発明の実施
例では、受光レンズの最外周側を焦点距離の一番短い短
焦点部で構成し、中焦点部、長焦点部の順番で受光レン
ズの中心部に向けて焦点距離を循環して受光レンズを構
成したが、本発明では、短焦点部、中焦点部、長焦点部
の配列はどのような組み合わせで循環させても良い。ま
た本発明では、焦点距離の分割は複数であれば三分割に
限るものではない。

【００２９】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の反射測定装置に
よると、被測定物体から反射した光線を集光する受光レ
ンズを、受光レンズの外周部から中心部に向けて焦点距
離が循環して変化するように設定されている。このた
め、受光レンズに入射する反射光線の入射角度が変化し
ても、焦点距離の異なる受光レンズ部を透過した光線が
ほぼ等しい光量で受光部に集光されるため、反射光線の
入射角度が広角度になっても比較的平坦な受光効率特性
を保持できる。

【００３０】本発明の請求項２記載の反射測定装置によ
ると、受光レンズをフレネルレンズで構成することによ
り、球面レンズに較べ薄く軽量化できるので装置を小型
化できる。本発明の請求項３記載の反射測定装置による
と、受光レンズと受光部との間に受光レンズを透過した
光線を受光部に集光する集光ミラーを配設することによ
り、受光部への集光率が向上するので検知信号の信頼性
が向上する。このため、検知信号の処理が簡単になると
ともに測定精度が向上する。

【００３１】本発明の請求項４または５記載の反射測定
装置によると、集光ミラーの縦断面形状を放物線形状ま
たは双曲線形状にすることにより、受光部における集光
率が平坦化される。本発明の請求項６記載の反射測定装
置によると、焦点距離の短かい受光レンズ部ほど透過し
た光線を受光部の両端部側に集光し、焦点距離の長い受
光レンズ部ほど透過した光線を受光部の中央部側に集光
することにより、受光レンズの径方向位置に左右される
ことなく受光部における集光率が平坦化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による車両用反射測定装置
の受光レンズを示す断面図である。

【図２】本発明の第１実施例による車両用反射測定装置
を示す平面図である。

【図３】図２のIII 方向矢視である。

【図４】第１実施例の入射角度０°における屈折光線の
状態を示す模式的説明図である。

【図５】第１実施例の入射角度４°における屈折光線の
状態を示す模式的説明図である。

【図６】第１実施例の入射角度８°における屈折光線の
状態を示す模式的説明図である。

【図７】フレネルレンズの動作を示す模式的説明図であ
る。

【図８】図７に示すフレネルレンズの入射角度と受光光
量との関係を示す特性図である。

【図９】第１実施例の受光レンズにおける入射角度と受
光光量との関係を示す特性図である。

【図１０】第１実施例の受光レンズにおける入射角度と
相対検知距離との関係を示す特性図である。

【図１１】単一焦点フレネルレンズの製造方法を示す模
式的説明図である。

【図１２】本発明の第２実施例による車両用反射測定装
置の受光レンズおよび集光ミラーを示す模式的説明図で
ある。

【図１３】第２実施例の集光スポットサイズを示す模式
的説明図である。

【図１４】本発明の第３実施例による車両用反射測定装
置の受光レンズおよび集光ミラーを示す模式的説明図で
ある。

【図１５】第３実施例の集光分布を示す模式的説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 測定装置 （反射測定装置） １０ ハウジング ２０ 光源照射部 ２１ 半導体レーザ （光源） ４０ コリメータレンズ（出射レンズ） ５１ 受光レンズ ５２ 受光素子 （受光部） １０１ 短焦点部 １０２ 中焦点部 １０３ 長焦点部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 折井 文人 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源から照射される光線をほぼ平行光線にする出射
   レンズと、 前記出射レンズを透過し被測定物体において反射した光
   線を集光する受光レンズであって、前記受光レンズの外
   周部から中心部に向けて焦点距離が循環して変化する受
   光レンズと、 前記受光レンズにより集光された光線を受光する受光部
   と、 前記受光部での受光時刻と前記光源から出射された光線
   の出射時刻との差から前記被測定物体と前記光源との距
   離を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする反射
   測定装置。
2. 【請求項２】 前記受光レンズはフレネルレンズである
   ことを特徴とする請求項１記載の反射測定装置。
3. 【請求項３】 前記受光レンズと前記受光部との間に前
   記受光レンズを透過した光線を前記受光部に集光する集
   光ミラーを配設することを特徴とする請求項１または２
   記載の反射測定装置。
4. 【請求項４】 前記集光ミラーは縦断面を放物線形状に
   形成されていることを特徴とする請求項３記載の反射測
   定装置。
5. 【請求項５】 前記集光ミラーは縦断面を双曲線形状に
   形成されていることを特徴とする請求項３記載の反射測
   定装置。
6. 【請求項６】 前記受光レンズは、焦点距離の短かい受
   光レンズ部ほど透過した光線を前記受光部の両端側に集
   光し、焦点距離の長い受光レンズ部ほど透過した光線を
   受光部の中央側に集光することを特徴とする請求項１か
   ら５のいずれか一項記載の反射測定装置。