JPWO2016056541A1 - 走査光学系及びレーダー - Google Patents

Abstract

測定対象物に関わらず、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及びレーダーを提供する。光源から出射した光束を、第１ミラー面と第２ミラー面とで２回反射させているので、走査範囲において偏光方向やビームプロファイルの回転角変化が発生しにくい均一な投光が可能となる。又、投光系から出射された光束を、対象物に走査投光する際に、走査方向と直角となる方向に対して±３０度以内の範囲の直線偏光状態を維持できるから、例えば、池沼や水溜り等に存在する水中対象物からも十分な強度の散乱光を受光することができ、対象物に関わらず距離測定を行い易いレーダーを提供できる。加えて、ミラーユニットが１回転する間に、対象物側における主走査方向と平行な、異なる複数の位置を走査するので、主走査方向だけでなく、副走査方向も広範囲の投光が可能なレーダーを提供できる。

Description

本発明は、レーザー光等を照射して物体を検出するレーダーに用いると好適な走査光学系及びレーダーに関する。

近年、自動車や警備ロボット，或いは無人ヘリコプターなどの分野で、衝突防止の目的で進行方向の障害物検知を精度良く行いたいとの要望が多くなっている。障害物検知の方法として、光走査を利用した距離測定装置であるレーザーレーダーが知られている。一般的なレーザーレーダーは、レーザー光源から出射した光束を、ミラーまたはポリゴンミラー等へ投射しつつ、かかるポリゴンミラー等を回転又は揺動させることで広い範囲を走査し、被投光物体からの散乱光を受光素子により受光することで距離測定を行っている。

特許文献１には、偶数個の平面状反射面を有し，光線を偶数回反射して走査を行うポリゴンミラーに関する技術が開示されている。

特開昭５０−１０９７３７号公報

ところで、距離測定の対象となる物体（測定対象物）が光を吸収する特性や正反射する特性を有していると、レーダーから出射された光束のうち、かかる測定対象物からの反射光が弱い場合や、戻ってこない場合に、受光素子へ入射する光の強度が弱くなるので検出が困難となり、距離測定が不能となる恐れがある。つまり、レーダーでは単位投光強度あたりの測定対象物による受光素子方向への散乱強度が高い程、距離測定が容易になるといえる。単位投光強度を高くするために、例えばレーザー光束を用いることができるが、このようなレ−ザー光束を照射した場合でも、走査範囲に水溜りや池沼等が含まれる場合、測定対象物からの反射光の強度が弱まり、十分な距離情報を得られない場合があることが判明した。しかしながら特許文献１には、かかる問題を解決するための技術は開示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、測定対象物に関わらず、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及びレーダーを提供することを目的とする。

上述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光学系は、
回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えたミラーユニットと、
前記第１ミラー面に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じ、対象物に対して主走査方向に走査されつつ投光されるようになっており、
前記第２ミラー面で反射された光束は、前記対象物側において、前記主走査方向と直角となる方向に対して±３０度以内の範囲に偏光していることを特徴とする。

この走査光学系によれば、光源から出射した光束を、第１ミラー面と第２ミラー面とで２回反射させているので、走査範囲において偏光方向や進行方向直交断面形状（ビームプロファイル）の回転角変化が発生しにくい均一な投光が可能となる。これにより、投光系から出射された光束は、対象物側に投光された際に、後述の図６の方式に対し略回転しないため、例えば、池沼や水溜り等に存在する水中対象物からも十分な強度の散乱光を受光することができ、対象物に関わらず距離測定を行い易いレーダーに用いる走査光学系を提供できる。

本発明によれば、測定対象物に関わらず、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及びレーダーを提供することができる。

池沼ＰＮＤを含む走査面にレーザーレーダーからレーザー光束を走査投光した状態を示す図である。 池沼ＰＮＤにレーザー光束が入射及び反射する状態を示す断面図であり、レーザー光束に付与した矢印の方向で偏光方向を示している。 池沼などの水面ＷＳにレーザー光束ＬＢが入射した状態を示す図である。 横軸に走査に用いるレーザー光束ＬＢの境界面(例えば水面)に対する入射角θｉ、縦軸に境界面での反射強度(入射光強度に対する比率)Ｒをとって関係を示すグラフである。 比較例の走査光学系を示す概略図であり、正面から見た図である。 比較例の走査光学系を示す概略図であり、回転した状態を示す図である。 比較例の走査光学系における主走査角とスポット回転角との関係を示すグラフである。 比較例の走査光学系から測定対象物に投射されるスポット光において主走査方向の位置によって傾きが変化する様を示す図である。 本実施形態にかかる走査光学系を、回転軸を含む面で切断して示す図である。 （ａ）は、本実施形態にかかるにかかる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角中心の状態を示す。 （ａ）は、本実施形態にかかるにかかる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角周辺の状態を示す。 本実施形態にかかる主走査角とスポット回転角との関係を示すグラフである。 本実施形態にかかる走査光学系から測定対象物に走査投光されるスポット光において主走査方向の位置によって傾きが変化しない様を示す図である。 本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの概略構成図である。 本実施形態の変形例を示す断面図である。 本実施形態の別な変形例を示す断面図である。 本実施形態の別な変形例を示す断面図である。

レーダーの光源として、パルス発光するＬＥＤやレーザーを使うことでＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）での距離測定を行うことが出来る。従来のＴＯＦを使うレーダーに使われていた走査光学系に比べ、広い主走査角で分解能変化が少ないため、有効に使える広い視野角を持ったレーダーを提供することが出来る。

以下、添付した図面を参照しながら、本実施形態を説明する。まず、レーザーレーダーの走査範囲に池沼や水たまり等が含まれている場合に、反射光が戻りにくい条件を説明する。光は電磁波であって、電磁場が進行方向と垂直に振動する横波であり、その偏光方向により、反射・透過・散乱特性が変化することが一般的に知られている。例えば、図１を参照して、レーザーレーダーＬＲから、地面ＧＤと水平な方向に対して所定の上向き角及び下向き角の範囲にレーザー光ＬＢを投射することにより、一点鎖線で示す矩形範囲を対象物範囲ＳＲ（主走査方向は左から右）とする場合を考える。

ここで、地面上に存在する対象物ＯＢＪにレーザー光ＬＢが照射されると、その反射光がレーザーレーダーＬＲに戻ることで距離測定を行える。ところが、走査面内に池沼ＰＮＤがあった場合、レーザー光ＬＢの偏光方向に従い反射光の光量が変化する。具体的には、池沼ＰＮＤに対して入射する時点でのレーザー光束ＬＢの偏光方向が、主走査方向に対して略垂直方向である場合（図２に示す実線）と、主走査方向に略平行である場合（図２に示す点線）とでは、前者の方が水面ＷＳで正反射する光量は少なく、水中へと入射する光量は多くなるため、水面内物体ＦＨ（水底面の場合もある）からの散乱光強度は多くなる。つまり、その表面がほとんどフラットである池沼ＰＮＤへ投光した際に、主走査方向に対して略垂直方向の偏光方向であれば、レーザーレーダーＬＲ方向へ戻る散乱光の単位投光強度が高くなるため、距離計測が容易となるのである。一方、主走査方向に略平行である偏光方向の場合、池沼ＰＮＤの水面ＷＳでの正反射光量が大きくなり、水中への入射光量が減少するため、水面内物体ＦＨからの散乱光強度は減少し、距離測定は困難となるのである。

次に、レーザー光束ＬＢが池沼ＰＮＤの水面ＷＳに入射した際に、偏光方向に従い正反射光量が少なくなる理由について説明する。図３は、池沼などの水面ＷＳにレーザー光束ＬＢが入射した状態を示す図であり、入射点をＩＰとしたときに、入射点ＩＰにおける水面ＷＳの法線方向をＺ方向とし、レーザー光束ＬＢとＺ方向が張る面を入射面ＩＮＰとする。また、水面ＷＳと入射面ＩＮＰとの交線をＸ方向とし、入射点ＩＰを通過する主走査方向をＹ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは必ずしも直交しないが、Ｙ方向とＺ方向とは直交する。

ここで、レーザー光束ＬＢは、入射面ＩＮＰに沿って進行することとなる。レーザー光束ＬＢとＺ方向との交差角を入射角θｉとし、入射面ＩＮＰに沿った偏光方向を持つ場合をｐ偏光とし、入射面ＩＮＰに直交する偏光方向を持つ場合をｓ偏光とする。

図４は、横軸に走査に用いるレーザー光束ＬＢの境界面(例えば水面)に対する入射角θｉ、縦軸に境界面での反射強度(入射光強度に対する比率)Ｒをとって関係を示すグラフである。ここでは、屈折率＝１である空気から，屈折率＝１．３３である水中へとレーザー光束ＬＢが進行する例を示す。反射強度Ｒとは、水面ＷＳに入射したレーザー光束ＬＢに対して、入射点ＩＰで反射した光束の割合をいい、Ｒ＝０％である場合は全透過状態、Ｒ＝１００％である場合は全反射状態を示す。例えば、入射角θｉ＝７０°の場合、主走査方向に垂直（ｐ偏光）であれば、反射強度Ｒ＝５％である。一方、主走査方向に平行（ｓ偏光）であれば、反射強度Ｒ＝２２％となり、前者の４倍となっている。

図４から明らかであるが、ｓ偏光の場合、θｉ＝０°の場合を除き、ｐ偏光に対して全域で反射強度Ｒが高くなっている。つまり、水面ＷＳに入射する際に、レーザー光束ＬＢがｐ偏光であれば、水面ＷＳに入射後に透過する光量が増大し、よって水中に存在する対象物に反射する確度が高くなり、レーザーレーダーＬＲに戻る光束も増大するのである。

尚、水面ＷＳに入射する際に、レーザー光束ＬＢが必ずしも完全なｐ偏光である必要はない。ここで、図４において、図３に示す入射面ＩＮＰに沿った偏光方向（ｐ偏光）に対して、±３０°で傾いた偏光角Φの偏光を持つレーザー光束ＬＢを、水面ＷＳに入射させた際の反射強度Ｒを考える。入射角θｉ＝７０°のときに、偏光角Φ＝±３０°であれば、反射強度Ｒ＝９％程度となり、ｓ偏光の半分以下であり、ｐ偏光に近い効果が得られる。但し、偏光角Φをこれ以上大きくしていくと、反射強度Ｒが増加することにより、水中への透過光量が不足するため、水中の対象物からのレーザーレーダーへ戻る散乱光が減少し、距離測定が難しくなるといえる。以上より、レーザー光束ＬＢの偏光方向が、測定対象物側で、主走査方向と直角となる方向に対して±３０度以内の範囲に偏光の向きを有する直線偏光の光であれば、レーザーレーダーＬＲに戻る光量を十分に確保できるといえる。なお、本願における「直線偏光の光」とは特定偏光方向のみ通過させる偏光子を通過した後、光強度を測定する系において、最大強度となるよう偏光子を回転させて決めた偏光方向での強度をＩ₀、それと直交する偏光方向の強度をＩ′としたとき、Ｉ′／Ｉ₀＜０．２を満たす光をいう。また、強度Ｉ₀の偏光方向を直線偏光方向という。

ところで、図５，６に比較例の走査光学系を示すが、投光系ＬＰＳから出射されたレーザー光束（以下、スポット光とする）が、１回だけ反射して測定対象物へと向かう比較例の走査光学系を用いた場合、以下に述べる問題がある。図５において、回転軸ＲＯに対して傾いた反射面ＲＭ１を有するミラーユニットＭＵを、回転軸ＲＯ回りに回転させている。投光系ＬＰＳの光源ＬＤから反射面ＲＭ１に向けて出射するスポット光ＳＬは、縦横比が異なる。従って、図５において、反射面ＲＭ１で反射し対象物に向かうスポット光ＳＬは、紙面垂直方向に進行するが、その進行方向直交断面（ハッチングで示す）は、主走査角方向（図で左右方向）の長さがａ、副走査角方向（図で上下方向）の長さがｂ（＞ａ）の矩形断面となっており、ここでは長さｂの方向に偏光方向を持つ光束を考える。

この図５に示すミラーユニットＭＵが回転した場合、反射面ＲＭ１で反射した光束ＬＢは、図６に示すように左右方向へと移動する。これにより測定対象物が存在する範囲を走査することとなるが、走査角が大きいとき、対象物側でスポット光ＳＬ自体が回転（スポット回転）し、偏光方向の回転が生じる。図７は、回転軸に対して４５°傾いた反射面ＲＭ１に対し、回転軸ＲＯと平行に光束を入射させた場合における、主走査角とスポット回転角との関係を示すグラフである。尚、反射面ＲＭに対し回転軸と平行に光束を入射させた場合、スポット回転角は主走査角と同じになる。

図７に示すように、スポット回転角（つまり偏光方向回転角）γは、反射面ＲＭ１の回転角αが増大するにつれ増大する。図８は、このような走査光学系から測定対象物に投射されるスポット光において、主走査方向の位置によって傾きが変化する様を示す図であり、主走査方向に平行な４つの異なる位置を走査する例を示す。図８から明らかなように、走査範囲の中央のスポット光ＳＬは、スポット回転角γがゼロあり、主走査方向に対して立っているのに対し、走査範囲の周辺のスポット光ＳＬは、スポット回転角γが増大し、つまり周辺に向かうにつれて回転し、傾きが大きくなる。これにより、対象物範囲ＳＲの中央では、１回の主走査でカバーできる範囲が副走査方向に広いのに対し、対象物範囲ＳＲの両端では、１回の主走査でカバーできる範囲が副走査方向に狭くなり、すなわち対象物の測定洩れが生じる恐れがある。加えて、スポット光ＳＬの偏光方向を矢印で示すようにスポット光断面の長手方向としたときに、走査範囲の中央のスポット光ＳＬは、偏光方向が主走査方向に直角（ｐ偏光）であるのに対し、走査範囲の周辺のスポット光ＳＬは、偏光方向が主走査方向に近くなってしまい，つまりｓ偏光に近くなるので、図４に示したように池沼等に入射した際にレーザーレーダーへの戻り光が減少する恐れがある。

かかる問題を解消する本発明の実施形態について、以下に説明する。図９は、本実施形態のレーザーレーダーＬＲに用いられる走査光学系を示す回転軸ＲＯに沿った断面図である。図１０は、本実施形態のレーザーレーダーＬＲに用いられる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角中心の状態を示す。図１１（ａ）は、本実施形態のレーザーレーダーＬＲに用いられる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角周辺の状態を示す。尚、ミラーユニットＭＵと投光系ＬＰＳとで走査光学系を構成する。又、スポット光の進行方向直交断面は比較例と同様であるものとする。

図９に示すように、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２を有するミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して、光源ＬＤとコリメートレンズＣＬとを有する投光系ＬＰＳの光軸ＳＯを直交するように配置する。このとき、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２のなす交差角頂点を基準に、投光系ＬＰＳは第１ミラー面Ｍ１側に配置される。ここでは、第１ミラー面Ｍ１を回転軸ＲＯと直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に対して−４５度傾け、第２ミラー面Ｍ２を回転軸と直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に＋４５度傾けて配置している。

図１０に示すように、ミラーユニットＭＵの回転位置が、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯが第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の法線を含む面内に位置する角度となったとき（光軸ＳＯは主走査角中心に向いた状態）、投光系ＬＰＳから出射した光束ＬＢは、第１ミラー面Ｍ１で反射し、回転軸ＲＯと平行に進行し、次いで第２ミラー面Ｍ２で反射される。反射した光束ＬＢは、第２ミラーＭ２から対象物へ投光される。このとき、図１０(ａ)に示すように、投光方向からミラーユニットＭＵを見た場合、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯを回転軸ＲＯから左右にズラしてもよい。

更に図１１に示すように、ミラーユニットＭＵを主走査角中心（図１０の状態）から回転角α＝４５度だけ回転軸ＲＯ回りに回転させた場合、第２ミラー面Ｍ２で反射後における光束ＬＢと、投光系から出た直後の光束ＬＢとの相対角度差としての、主走査角（図１１（ｂ）に示すように回転軸ＲＯから見たときに、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯと、ミラーユニットＭＵから出射する光束ＬＢとのなす角）が９０度になる。つまり、回転角（α＝４５°）に対し、２倍の主走査角（δ＝９０°）を得られていることが分かる。主走査角δに対するスポット回転角つまり偏光方向の回転角の関係を図１２に示す。図１２から明らかであるが、このように第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とのなす角が９０°である場合、主走査角δが変化してもスポット回転角γつまり偏光方向回転角は変化しない。従って、縦長断面であるスポット光を対象物に投光して、理想的に走査することができる。すなわち、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で２回反射させることでスポット回転を抑えることができることを示している。このようなミラーユニットＭＵを用いることで、主走査角全域でスポット回転しない、すなわち偏光方向が変化しないで走査投光できる走査光学系及び、当該走査光学系を備えたレーザーレーダーを実現できる。

図１３は、本実施形態のレーザーレーダーＬＲから測定対象物に投射されるスポット光において、主走査方向の位置によって傾きが変化しない様を示す図であり、４つの副走査方向を有する例を示す。ここで、理解しやすいように、副走査方向に並んだスポット光ＳＬは互いに接していないが、実際には接しているか重畳していると好ましく、これにより副走査方向に洩れのない測定を行える。図１３から明らかなように、対象物範囲全体にわたってスポット光ＳＬが図６の方式に対し略回転しないため、その偏光方向が主走査角によらず一定（矢印で示すように長手方向すなわち主走査方向に直角）になり、このため、対象物範囲のいずれかに向かうスポット光ＳＬが池沼に入射した際にも、レーザーレーダーＬＲへの戻り光の十分な光量を確保できる。

図１４は、本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの主要な構成を示す斜視図であるが、構成要素の形状や長さ等、実際と異なる場合がある。レーザーレーダーＬＲは、例えば、光源としての半導体レーザーＬＤと、半導体レーザーＬＤからの発散光を平行光に変換するコリメートレンズＣＬと、コリメートレンズＣＬで平行とされたレーザー光を、回転する反射面により対象物ＯＢＪ側（図１）に向かって走査投光すると共に、走査投光された対象物ＯＢＪからの反射光を反射させるミラーユニットＭＵと、ミラーユニットＭＵで反射された対象物ＯＢＪからの反射光を集光するレンズＬＳと、レンズＬＳにより集光された光を受光するフォトダイオードＰＤとを有する。

半導体レーザーＬＤと、コリメートレンズＣＬとで投光系ＬＰＳを構成し、レンズＬＳと、フォトダイオードＰＤとで受光系ＲＰＳを構成する。投光系ＬＰＳから出射された光束は、走査面内で主走査方向よりも副走査方向に長くなっている（図５参照）。

略四角筒状のミラーユニットＭＵは樹脂製であり、軸線である回転軸ＲＯ回りに回転可能に保持されており、下部外周に、４枚の台形状の第１ミラー面Ｍ１を配置しており、それに対向して、上部外周に、４枚の台形状の第２ミラー面Ｍ２を配置している。それぞれ上下に対になった第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との交差角は，異なっている。一例として、回転軸ＲＯの直交面に対して、第１ミラー面Ｍ１は全て４５°で傾き、第２ミラー面Ｍ２は、それぞれ６０°、５５°、５０°、４５°で逆側に傾いている。第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２は、蒸着、塗布、メッキによる反射膜や金属研磨ミラー、フィルミラー等を張り付けてなる。

投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して直交しており、投光系ＬＰＳは受光系ＲＰＳよりも回転軸ＲＯ方向に遠く配置されている。

次に、レーザーレーダーＬＲの測距動作について説明する。半導体レーザーＬＤからパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズＣＬで平行光束に変換され、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１の点Ｐ１に入射し、ここで反射され、更に第２ミラー面Ｍ２の点Ｐ２で反射して対象物ＯＢＪ側に走査投光される。

ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が４種に異なっているので、１回転すると対象物側で異なる４つの副走査方向を走査できる。図１３を参照して、レーザー光は、回転移動する第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて、順次反射してゆくが、まず１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、走査面の一番上の領域を水平方向に左から右へと走査される。次に、２番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、走査面の上から二番目の領域を水平方向に左から右へと走査される。以下同様に繰り返されることで、対象物側を２次元的に走査することができる。

走査投光された光束のうち対象物ＯＢＪに当たって反射したレーザー光は、図１４に点線で示すように、再びミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２（Ｐ３）に入射し、ここで反射され、更に第１ミラー面Ｍ１（Ｐ４）で反射して、レンズＬＳにより集光され、それぞれフォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。これにより対象物範囲上の、対象物ＯＢＪの検出を行える。

図１５は本実施形態の変形例を示す断面図である。図１５に示す変形例では、ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の複数対において、交差角は全て一定（９０°）である。又、偏向素子の一例として反射鏡ＢＥを用いて、投光系ＬＰＳからの光束ＬＢを反射して、第１ミラー面Ｍ１で反射させ、その後第２ミラー面Ｍ２で反射するようにしている。反射鏡ＢＥは、紙面垂直方向に延在する軸線ＰＶ回りに回転可能となっている。

図１５（ａ）、（ｂ）を比較すると明らかであるが、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の各対が通過する毎に、偏向素子として反射鏡ＢＥを軸線ＰＶ回りに回転させることで、反射鏡ＢＥから反射した光束ＬＢの第１ミラー面Ｍ１への入射角βが変化する（図１５（ａ）ではβ＝０）。つまり、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の各対が通過する毎に、反射鏡ＢＥを軸線ＰＶ回りに回転させるようにすれば、第１ミラー面Ｍ１から反射した光束ＬＢの方向が変わり、更に、第２ミラー面Ｍ２から反射した光束ＬＢの方向が副走査角方向において変わることになるので、上述した実施形態と同様に副走査方向への走査を行える効果がある。尚、偏向素子としては、反射鏡に限定されず、音響光学素子やＭＥＭＳミラーを用いることができる。

図１６は本実施形態の別な変形例を示す断面図である。図１６に示す変形例では、副走査角方向に異なる入射角度で２つの投光系ＬＰＳ１，ＬＰＳ２を設けている。それ以外は、上述した実施形態と同様である。図１６に示すように、投光系ＬＰＳ１，ＬＰＳ２から光束ＬＢ，ＬＢ’を、第１ミラー面Ｍ１に対する入射角を異ならせつつ入射させれば、第２ミラー面Ｍ２から出射した光束ＬＢ，ＬＢ’の出射方向が副走査角方向において変わり、これにより走査ラインを増やすことが可能になる。そうすることによって、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との交差角９０°付近を使いつつ、副走査する範囲を増やすことができる。

また、回転軸ＲＯとは離れた位置に複数の投光系（入射角が等しいことが望ましい）を配置することで、ミラーユニットの稜線（回転方向に隣接するミラー面との交差部）の影響が少なくなるため、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との対数を増やしても、主走査角を広げることができる。上述の実施形態と変形例は組み合わせて用いることが出来る。

図１７は、本実施形態の別な変形例を示す断面図である。図１７に示す変形例では、ミラーユニットＭＵ、投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳが、円筒状の筐体ＢＸ内に配置されている。筐体ＢＸは、第２反射面Ｍ２に対向して窓部ＷＤを有し、この窓部ＷＤに円錐状の透明な防塵カバーＣＶを接着している。

第２ミラー面Ｍ２を覆うように配置された防塵カバーＣＶを通過して出射するレーザー光束ＬＢの中心と、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯとを含む断面（図１７の断面）において、防塵カバーＣＶと出射光束ＬＢの中心との交点ＣＰの接線ＴＬは、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して角度εで交差し、以下の式を満たすので、防塵効果を発揮しつつ不要な反射を回避できる。
１０°＜ε＜７０° （１）

以上述べた実施形態では、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯが略鉛直方向であることを前提に説明したが、本発明は、必ずしもこれに限られず、例えばミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯが略水平方向に向くようにしても良い。このようなレーザーレーダーは、例えば無人ヘリコプターなどに搭載して地上の状態や障害物を検知するために用いることができる。

無人ヘリコプターなどに搭載したレーザーレーダーを飛行させた場合、例えばビニールハウスなどの障害物が地上に設置されているときに、レーザーレーダーから投射されたレーザー光束がビニールハウスの傾いた側面に入射することがある。このとき、ビニールハウス側面に入射したレーザー光束が、主走査方向に対して垂直な偏光方向を有する場合、上述した池沼に入射する例で説明した場合と同様に、ビニールハウス側面で正反射する光量が少なくなり、ビニールハウス内に透過する光量は多くなるため、ビニールハウス内物体からの散乱光強度は多くなる。従って、本発明の効果を発揮できる。

本発明の一態様によれば、ミラーユニットが１回転する間に、対象物側における主走査方向と平行な異なる複数の位置を走査するので、主走査方向だけでなく、副走査方向にも広範囲の投光が可能なレーダーに用いる走査光学系を提供できる。

本発明の一態様によれば、ミラーユニットが、第１ミラー面と第２ミラー面とを複数対有し、各対における第１ミラー面と第２ミラー面との交差角は異なっているので、隣の面角度と異なるようミラー面を構成することで、主走査方向だけでなく、副走査方向にも広範囲にレーザー光束を出射することができる。

本発明の一態様によれば、ミラーユニットは、第１ミラー面と第２ミラー面とを複数対有し、それらの複数対は、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角が同じである少なくとも二対を含み、かつ、交差角がそれら少なくとも二対の交差角と異なる少なくとも一対を含む。これにより、フレームレート等を改善できる。例えば、自動車などで使用する場合、自車と他の環境が目まぐるしく変化するため、視野角よりもフレームレートが重要視される。例えば、第１ミラー面と第２ミラー面との対が４つの場合を考えると、第１対と第３対（対向面）で同じ第１の交差角度、かつ、第２対と第４対（対向面）で同じ第２の交差角度（第１の交差角度とは異なる）に構成することで、回転軸方向の視野を確保しつつ、部分的にフレームレートも改善できる。また、第１ミラー面と第２ミラー面との対が３つの場合を考えると、第１対と第２対が同じ第１の交差角度、かつ、第３対が第１の交差角度と異なる第２の交差角度となるように構成することで、フレームレートがさほど要求されない路面の白線や中央線の検知に適する。

本発明の一態様によれば、光源とミラーユニットとの間に、光源から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有するので、第１ミラー面と第２ミラー面との各対における交差角を一定とした場合でも、主走査方向だけでなく、副走査方向にも広範囲にレーザー光束を出射することができる。

本発明の一態様によれば、光源を複数個有し、各光源から出射された光束は、ミラーユニットの回転軸を通る断面において第１ミラー面への入射角が異なるので、第１ミラー面と第２ミラー面との各対における交差角を一定とした場合でも、主走査方向だけでなく、副走査方向にも広範囲にレーザー光束を出射することができる。

本発明の一態様によれば、第２ミラー面から対象物に向かって出射された光束は、主走査方向よりも副走査方向に長い進行方向直交断面形状を有するので、少ない走査回数で広範囲な副走査方向をカバーできる。

本発明の一態様によれば、少なくとも第２ミラー面を覆うように配置され、第２ミラー面から出射された光束を透過可能な防塵カバーを有し、ミラーユニットの回転軸及び第２ミラー面から防塵カバーを通過して出射する光束の中心とを含む断面において、防塵カバーにおける出射光束の中心との交点を通る接線は、ミラーユニットの回転軸に対して角度εで交差し、以下の式を満たす。
１０°＜ε＜７０° （１）

少なくとも第２ミラー面を覆うように配置された防塵カバーを設けることで、第２ミラー面に対する防塵効果を発揮でき、また高速で回転するミラーユニットへの異物衝突を防ぐ事ができる。更に角度εが（１）式の上限を下回ることでミラーユニットと防塵カバーとが干渉する恐れを少なく出来、（１）式の下限を上回ることで、外部に投射されることなく防塵カバーの表裏面で反射されたレーザー光束が、受光素子に入射してゴースト光を発生させる不具合を抑制することができる。

本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。本明細書の記載及び実施形態は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、図面を用いて説明した本発明の内容は、全て実施形態に適用できる。例えば光源はレーザーに限られず、ＬＥＤを用いたものでも良い。

ＢＥ 反射鏡
ＢＸ 筐体
ＣＬ コリメートレンズ
ＣＰ 交点
ＣＶ 防塵カバー
ＦＨ 水面内物体
ＧＤ 地面
ＩＮＰ 入射面
ＩＰ 入射点
ＬＢ レーザー光束
ＬＤ 半導体レーザー
ＬＰＳ 投光系
ＬＰＳ１，ＬＰＳ２ 投光系
ＬＲ レーザーレーダー
ＬＳ レンズ
Ｍ１ 第１ミラー面
Ｍ２ 第２ミラー面
ＭＵ ミラーユニット
ＯＢＪ 対象物
ＰＤ フォトダイオード
ＰＮＤ 池沼
ＰＶ 軸線
ＲＯ 回転軸
ＲＰＳ 受光系
ＳＬ スポット光
ＳＯ 光軸
ＳＲ 対象物範囲
ＴＬ 接線
ＷＤ 窓部
ＷＳ 水面

Claims (9)

1. 回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えたミラーユニットと、
   前記第１ミラー面に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
   前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じ、対象物に対して主走査方向に走査されつつ投光されるようになっており、
   前記第２ミラー面で反射された光束は、前記対象物側において、前記主走査方向と直角となる方向に対して±３０度以内の範囲に偏光していることを特徴とする走査光学系。
2. 前記ミラーユニットは、１回転する間に、前記対象物側における前記主走査方向と平行な異なる複数の位置を走査する請求項１に記載の走査光学系。
3. 前記ミラーユニットは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを複数対有し、各対における前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角は異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査光学系。
4. 前記ミラーユニットは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを複数対有し、前記複数対は、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が同じである少なくとも二対を含み、かつ、前記交差角が前記少なくとも二対の交差角と異なる少なくとも一対を含む請求項１または２に記載の走査光学系。
5. 前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記光源から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の走査光学系。
6. 前記光源を複数個有し、各光源から出射された光束は、前記回転軸を通る断面において前記第１ミラー面への入射角が異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の走査光学系。
7. 前記第２ミラー面から前記対象物に向かって出射された光束は、主走査方向よりも副走査方向に長い進行方向直交断面形状を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の走査光学系。
8. 少なくとも前記第２ミラー面を覆うように配置され、前記第２ミラー面から出射された光束を透過可能な防塵カバーを有し、前記ミラーユニットの回転軸及び前記第２ミラー面から前記防塵カバーを通過して出射する光束の中心とを含む断面において、前記防塵カバーにおける前記出射光束の中心との交点を通る接線は、前記ミラーユニットの回転軸に対して角度εで交差し、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査光学系。
   １０°＜ε＜７０° （１）
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の走査光学系と、前記走査光学系から出射された光束の反射光を受光する受光系とを有することを特徴とするレーダー。

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