JPWO2017135224A1 - 光走査型の対象物検出装置 - Google Patents

Abstract

遠方の対象物を検出可能であり、高い走査効率を確保できる光走査型の対象物検出装置を提供する。ファイバーレーザーＦＬを用いることで、比較的高強度の光を出射することができると共に、ファイバーレーザーＦＬから出射された円形断面の出射光束を、成形レンズＣＹによって縦長断面のスポット光に変換できるから、検出範囲Ｇを走査する回数を少なく抑えて高い走査効率を確保しつつ、遠方の被写体を有効に検出することが可能となる。

Description

本発明は、遠方の物体を検出することができる光走査型の対象物検出装置に関する。

近年、自動車や飛行体などの分野で、進行方向前方に存在する障害物の検知を行うために、例えばレーザー光を走査しつつ出射し、対象物に当たって反射した反射光を受光して、出射時と受光時との時間差に基づいて、障害物の情報を取得する光走査型の対象物検出装置が開発され、既に実用化されている。

このような対象物検出装置は、上述した移動体の障害物検知の他にも、建物の軒下などに設けて不審者を検知する防犯用途、或いはヘリコプターや航空機などに搭載して上空から地形情報を取得する地形調査用途などにも適用でき、また大気中のガス濃度を測定するガス検知用途や、大気中の塵などを測定するエアロゾル検知用途などにも適用可能である。

一般的な光走査型の対象物検出装置においては、投光系が光源としての半導体レーザーとコリメートレンズから構成され、受光系が受光レンズ（またはミラー）とフォトダイオードなどの光検出素子から構成され、更には投光系と受光系との間に反射面を備えた反射ミラーが配置されていることが多い。このようなレーザー走査型の対象物検出装置においては、反射ミラーの回転によって、投光系から出射された光を走査投光することにより、１点での測定ではなく２次元的に対象物を広範囲に測定できるというメリットがある。尚、光源としてはレーザー以外にＬＥＤ等が用いられる場合もある。

レーザー光源を例にとると、一般的なレーザー光束の走査手法として、ミラーまたは複数のミラー面をもつポリゴンミラーにレーザー光束を投射し、ミラーを揺動またはポリゴンミラーを回転させてレーザー光束を走査する技術が知られている。

特許文献１には、複数対の第１ミラーと第２ミラーを配置してなるミラーユニットを回転させて、例えば半導体レーザーからの光束を対象物に対して走査投光するレーザーレーダーにおいて、第１ミラーと第２ミラーの交差角を対毎に変えることで、１回転で複数の異なる副走査位置での走査を行える技術が開示されている。

国際公開第２０１４／１６８１３７号公報

ところで、対象物に対して走査投光される光束の断面が、主走査方向の寸法に対し副走査方向の寸法が比較的小さければ、１回の走査で検出可能な副走査方向の範囲が狭くなるから、対象領域全体を検出するために何度も走査を繰り返す必要が生じる。そこで特許文献１では、主走査方向の寸法に対し副走査方向の寸法が大きな断面の光束を用いて対象物を走査することで、走査回数を減らして走査効率を高めており、これによりミラーの構成を簡素化できるなどのメリットがある。一般的に半導体レーザーの発光面は一定の面積を持つので、半導体レーザーから発光した光の断面を、主走査方向の寸法に対し副走査方向の寸法が大きくなるように設定することは技術的に可能である。

一方で、より遠方にある対象物を検出したいという要請がある。ところが、半導体レーザー等から出射される光束の強度には限界があるから、遠方にある対象物に対して半導体レーザー等から出射された光束を走査投光した際に、かかる対象物から散乱する光は微弱であって、しかもこの散乱光の強度は距離の自乗に反比例して更に低下することとなる。よって、このような散乱光の一部を離れた距離にある受光素子により受光しても、ノイズとの区別ができず対象物の検出が難しくなるという問題がある。

かかる問題に対し、より高出力の光源を用いれば、それに応じて対象物の散乱光の強度も増大するので、離れた受光素子でも検出が容易になるという考えがある。但し、高強度光を人間が存在する環境下で照射する場合には、人体に対する影響を十分考慮しなくてはならないといえる。しかし、例えば１．４μｍ以上、２．６μｍ以下の波長の光であれば、人間の目に障害を与え難いとされている。よって出射光の波長を１．４μｍ以上、２．６μｍ以下に制限することで、高強度の光を出射する光源をレーザーレーダーに用いることが可能になる。

１．４μｍ以上、２．６μｍ以下の波長を持ち且つ半導体レーザーよりも高強度の光を出射する光源として、ファイバーレーザーが知られている。ファイバーレーザーは、光ファイバーのコアに希土類を添加した特殊な光ファイバーに励起光を入れ、特定波長の光のみをコアに閉じ込めて増幅させ、更に高強度のレーザー光として出射するものである。ここで、ファイバーレーザーの特性上、発光点が点となるから、レーザーレーダーの光源として用いると、対象物に走査投光される光束の断面が円形となって、主走査方向の寸法に対する副走査方向の寸法が１対１となってしまうので、走査効率が悪化するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、遠方の対象物を検出可能であり、高い走査効率を確保できる光走査型の対象物検出装置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光走査型の対象物検出装置は、
断面が円形である光束を出射する光源と、前記光源から出射された光束が入射する投光用光学系と、前記投光用光学系から出射した光束を主走査方向に走査させる走査装置と、前記走査装置によって走査され、対象物で散乱された光束の一部を受光素子で受光する受光用光学系と、を有する光走査型の対象物検出装置であって、
前記投光用光学系は、前記走査装置によって走査される光束の前記主走査方向に直交する副走査方向の径が前記主走査方向の径よりも長くなるように、前記光源から出射された光束を成形して前記走査装置に入射させるものである。

本発明によれば、遠方の対象物を検出可能であり、高い走査効率を確保できる光走査型の対象物検出装置を提供することができる。

本実施形態にかかる光走査型の対象物検出装置としてのレーザーレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。 本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの断面である。 本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの筐体を除く主要部を示す斜視図である。 ミラーユニットＭＵの回転に応じて、出射するレーザースポット光ＳＢ（ハッチングで示す）で、レーザーレーダーＬＲの検出範囲Ｇ内を走査する状態を示す図である。 出射光束の発散角を変更できる、別な実施形態にかかる投光用光学系の断面図である。 更に別な実施形態にかかる複合素子ＣＹ’の斜視図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる光走査型の対象物検出装置としてのレーザーレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。本実施形態のレーザーレーダーＬＲは、車両１のフロントウィンドウ１ａの上端内側に設けられているが、それ以外の車外（フロントグリル１ｂの背後など）に配置されていても良い。

図２は、本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの断面であり、図３は、本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの筐体を除く主要部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、図２に示すように筐体ＣＳの内部に収容されている。筐体ＣＳの側部には、光束を入出射可能な窓部ＷＳが形成されており、窓部ＷＳはガラス、樹脂等の透明板ＴＲで構成されている。

図２、３に示すように、レーザーレーダーＬＲは、例えば断面が円形であって、且つ主走査方向と副走査方向の発散角が略等しくなるようなレーザー光束を出射するファイバーレーザー（光源）ＦＬと、ファイバーレーザーＦＬからの発散光の発散角を狭め、略平行光に変換するコリメートレンズ（発散角変更レンズ）ＣＬと、コリメートレンズＣＬで略平行とされたレーザー光を成形して出射する成形レンズＣＹと、回転するミラー面により対象物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からの散乱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からの散乱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（受光素子）ＰＤとを有する。尚、「ファイバーレーザー」としては、例えば特開２０１０−２１２９８８６に記載されているものを用いることができる。又、「円形断面」とは、断面が完全に円形のものの他、断面が略円形のものも含む。断面が略円形の場合、断面の最小寸法／最大寸法が０．８以上のものをいう。

成形レンズＣＹは、レンズＬＳ側の面がレンズＬＳの光軸に対して直交する平面ＣＹａであり、レンズＬＳと反対側の面が凹曲面ＣＹｂとなっている。レンズＬＳ側の面を凹曲面ＣＹｂとし、レンズＬＳと反対側の面を平面ＣＹａとしても良いし、両面を凹曲面としても良い。

凹曲面ＣＹｂは、成形レンズＣＹをレンズＬＳの光軸を通り後述するＺ方向に向かう垂直面で切断したときに、該光軸に対称である曲線で表され、且つレンズＬＳの光軸を通り後述するＹ方向に向かう水平面で切断したときに、該光軸に直交する直線で表され、更に垂直面に平行な面で切断した断面形状が全て一様であるものである。かかる形状を有するので、成形レンズＣＹに円形の光束が入射した際に、その外形におけるＹ方向の寸法は不変であるがＺ方向の寸法が増大するように成形されて出射することとなる。つまり、成形レンズＣＹは、入射前の光束に対して出射後の光束の外形が、主走査方向に対応する第１の方向としてのＹ方向の寸法よりも、副走査方向に対応する第２の方向としてのＺ方向の寸法が大きくなるように成形している。

本実施形態において、コリメートレンズＣＬと成形レンズＣＹとで投光用光学系を構成し、レンズＬＳが受光用光学系を構成する。更に、ファイバーレーザーＦＬと、コリメートレンズＣＬと、成形レンズＣＹ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及び受光系ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して略直交しており、また両者は平行である。ここで、ミラーユニットＭＵの回転軸線ＲＯの方向をＺ方向とし、投光系ＬＰＳの光軸方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。

図３を参照して、走査装置としてのミラーユニットＭＵは、２つの四角錐を逆向きに接合して一体化したごとき形状を有し、すなわち対になって向き合う方向に傾いたミラー面Ｍ１、Ｍ２を４対有してなる、いわゆる２回反射タイプである。各対のミラー面Ｍ１、Ｍ２の交差角はそれぞれ異なっている。回転軸ＲＯに対して交差する方向に傾いたミラー面Ｍ１、Ｍ２は、ミラーユニットの形状をした樹脂素材（例えばＰＣ）の表面に、反射膜を蒸着することにより形成されていると好ましい。ミラーユニットＭＵは、モータＭＴの軸ＳＨに連結され、回転駆動されるようになっている。

次に、レーザーレーダーＬＲの対象物検出動作について説明する。図２、３において、ファイバーレーザーＦＬから出射された波長１．４μｍ以上、２．６μｍ以下の発散光は、コリメートレンズＣＬで略平行光束ＳＢに変換され、成形レンズＣＹで成形されて、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１に入射し、ここで反射され、更に第２ミラー面Ｍ２で反射した後、透明板ＴＲを透過して外部の対象物ＯＢＪ側に、例えば縦長の断面（図３で、主走査方向の対象物上での寸法Ｈに対し副走査方向の対象物上での寸法Ｖが長い断面、好ましくはＶ／Ｈが２以上）を持つレーザースポット光として走査投光される。

図４は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、出射するレーザースポット光ＳＢ（ハッチングで示す）で、レーザーレーダーＬＲの検出範囲Ｇ内を走査する状態を示す図である。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、それぞれ交差角が異なっている。レーザースポット光は、回転する第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて、順次反射される。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スポット光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの一番上の領域Ｌｎ１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スポット光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの上から二番目の領域Ｌｎ２を水平方向に左から右へと走査される。次に、３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スポット光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの上から三番目の領域Ｌｎ３を水平方向に左から右へと走査される。次に、４番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面で反射したレーザースポット光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、検出範囲Ｇの最も下の領域Ｌｎ４を水平方向に左から右へと走査される。これにより検出範囲Ｇ全体の１回の走査が完了する。そして、ミラーユニットＭＵが１回転した後、１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２が戻ってくれば、再び検出範囲Ｇの一番上の領域Ｌｎ１から最も下の領域Ｌｎ４までの走査を繰り返す。

図２、３において、走査投光された光束のうち対象物ＯＢＪに当たって散乱された散乱光の一部が、再び透明板ＴＲを透過して筐体ＣＳ内のミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、更に第１ミラー面Ｍ１で反射された後、レンズＬＳにより集光され、フォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。不図示の回路にて、ファイバーレーザーＦＬの出射時と、フォトダイオードＰＤの検出時との時間差を求めることで、対象物ＯＢＪまでの距離が分かる。

しかるに、対象物ＯＢＪからの散乱光は、例え第２ミラー面Ｍ２と第１ミラー面Ｍ１の全面でそれぞれ反射したとしても、開口絞りとして機能するレンズＬＳ（ここでは円形とするが、円形に限られない）により絞られるので、最終的にフォトダイオードＰＤに入射するのはその一部となる。つまり、窓部ＷＳより入射する物体からの散乱光のうち、ハッチングで示す光束のみがレンズＬＳにより集光され、フォトダイオードＰＤに受光されることとなる。ここで、レンズＬＳにより集光される光束を受光光束ＲＢとすると、図３に一点鎖線で示すように、第２ミラー面Ｍ２、第１ミラー面Ｍ１を介して、所定の断面を有する受光光束ＲＢがレンズＬＳに入射するようになっている。図から明らかなように、第１ミラー面上において互いに比較して、受光光束ＲＢの面積は、出射光束ＳＢの面積より大きくなっている。

本実施形態によれば、ファイバーレーザーＦＬを用いることで、比較的高強度の光を出射することができると共に、ファイバーレーザーＦＬから出射された円形断面の出射光束を、成形レンズＣＹによって縦長断面のスポット光に変換できるから、検出範囲Ｇを走査する回数を少なく抑えて高い走査効率を確保しつつ、遠方の被写体を有効に検出することが可能となる。

更に、本実施形態においては、コリメートレンズＣＬがファイバーレーザーＦＬと成形レンズＣＹとの間に配置されているので、コリメート光束を出射するためのコリメートレンズＣＬの位置調整が容易になるという効果を得られる。但し、配置例を変えた変形例として、成形レンズＣＹをファイバーレーザーＦＬとコリメートレンズＣＬとの間に配置することも可能である。かかる変形例によれば、ファイバーレーザーＦＬからの出射光をコリメート化する前に成形レンズＣＹに入射させることができ、これにより成形レンズＣＹを更に小型化できるから、レーザーレーダーＬＲの小型化に貢献することとなる。

ところで、図３に示す出射光束ＳＢにおいて、主走査方向の寸法Ｈに対し副走査方向の寸法Ｖが長ければ長いほど、１回の走査で広範囲の検出領域を検出できるが、その分、走査投光されるスポット光ＳＢの単位面積当たりの強度が低下するから，遠方の対象物の検出が困難となる。そこで、対象物までの距離に応じて、スポット光ＳＢの発散角を変更できるようにすると便利である。

図５は、出射光束の発散角を変更できる、別な実施形態にかかる投光用光学系の断面図である。ここでは、コリメートレンズＣＬと、成形レンズＣＹは、図５で不図示の筐体ＣＳに固定されており、更に正レンズであるズームレンズＺＬが筐体ＣＳに対して光軸方向に変位可能に配置されている。コリメートレンズＣＬと、成形レンズＣＹと、ズームレンズＺＬにより投光用光学系を構成する。

本実施形態によれば、近距離の被写体を検出しようとするときは、図５（ａ）に示すように、ズームレンズＺＬを成形レンズＣＹ側に近づけることで、ズームレンズＺＬから出射される出射光束の発散角が広がる。一方、遠距離の被写体を検出しようとするときは、図５（ｂ）に示すように、ズームレンズＺＬを成形レンズＣＹから遠ざけることで、ズームレンズＺＬから出射される出射光束の発散角が狭まり、遠方の被写体にも適切な強度のスポット光が到達することとなる。例えば、レーザーレーダーＬＲを監視用途に用いた場合、ミラーユニットＭＵの回転に同期してズームレンズＺＬを光軸方向に変位させることで、近距離の対象物も遠距離の対象物も適切に検出できるようになる。

図６は、更に別な実施形態にかかる複合素子ＣＹ’の斜視図である。光学素子としての複合素子ＣＹ’は、上述した実施形態における成形レンズＣＹに対して、平面ＣＹａ上に凸面ＣＹｃを一体的に形成している点のみが異なる。凸面ＣＹｃは、光軸に対して点対称な球面又は非球面からなり、コリメートレンズＣＬに相当する集光特性を有する。従って本実施形態では、投光系ＬＰＳはコリメートレンズＣＬを含まず、ファイバーレーザーＦＬと複合素子ＣＹ’とからなる。

本実施形態においては、ファイバーレーザーＦＬから出射された発散光は、複合素子ＣＹ’の凸面のＣＹｃに入射して略平行光束に変換され、更に凹曲面ＣＹｂで縦長断面に成形されて出射し、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１に入射する。本実施形態によれば、単一の複合素子ＣＹ’にコリメートレンズと成形レンズの双方の機能を持たせることで部品点数を削減でき、レーザーレーダーＬＲの小型化にも貢献する。それ以外は上述した実施形態と同様であるので，説明を省略する。

本発明は、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。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、ヘリコプターなどの飛行体への搭載や、建物に設置して不審者を検知する防犯センサなどにも適用できる。

１ 車両
１ａ フロントウィンドウ
１ｂ フロントグリル
ＣＬ コリメートレンズ
ＣＳ 筐体
ＣＹ 成形レンズ
ＣＹ’ 複合素子
Ｇ 検出範囲
ＦＬ ファイバーレーザー
Ｌｎ１〜Ｌｎ４ 領域
ＬＰＳ 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
ＭＲ 光学素子
ＭＴ モータ
ＭＵ ミラーユニット
ＯＢＪ 対象物
ＰＤ フォトダイオード
ＲＢ 受光光束
ＲＯ 回転軸
ＲＰＳ 受光系
ＳＢ レーザースポット光（出射光束）
ＳＨ 軸
ＴＲ 透明板
ＷＳ 窓部
ＺＬ ズームレンズ

Claims (10)

1. 断面が円形である光束を出射する光源と、前記光源から出射された光束が入射する投光用光学系と、前記投光用光学系から出射した光束を主走査方向に走査させる走査装置と、前記走査装置によって走査され、対象物で散乱された光束の一部を受光素子で受光する受光用光学系と、を有する光走査型の対象物検出装置であって、
   前記投光用光学系は、前記走査装置によって走査される光束の前記主走査方向に直交する副走査方向の径が前記主走査方向の径よりも長くなるように、前記光源から出射された光束を成形して前記走査装置に入射させる光走査型の対象物検出装置。
2. 前記投光用光学系は、前記光源から出射された発散光束の発散角を変更する発散角変更レンズと、前記光束の成形を行う成形レンズとを有し、前記成形レンズは、対象物上での前記主走査方向に対応する第１の方向の寸法よりも、前記副走査方向に対応する第２の方向の寸法が大きくなるように光束を成形する請求項１に記載の光走査型の対象物検出装置。
3. 前記発散角変更レンズは、前記光源と前記成形レンズとの間に配置されている請求項２に記載の光走査型の対象物検出装置。
4. 前記成形レンズは、前記光源と前記発散角変更レンズとの間に配置されている請求項２に記載の光走査型の対象物検出装置。
5. 前記投光用光学系は、前記発散角変更レンズと前記成形レンズを含む複数の光学素子を有し、いずれかの前記光学素子の光軸間距離を変更することで、前記投光用光学系から出射される光束の発散角を変更可能となっている請求項２〜４のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
6. 前記投光用光学系は、前記光束が通過する一方の面が光軸に回転対称の球面もしくは非球面であり、前記光束が通過する他方の面が光軸に非回転対称の曲面である光学素子を有し、前記光学素子は、前記主走査方向に対応する第１の方向の寸法よりも、前記副走査方向に対応する第２の方向の寸法が大きくなるように光束を成形する請求項１に記載の光走査型の対象物検出装置。
7. 前記光源はファイバーレーザーである請求項１〜６のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
8. 前記光源は、１．４μｍ以上、２．６μｍ以下の波長の光束を出射する請求項１〜７のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
9. 前記走査装置は、回転するミラーを有し、前記ミラーは、前記投光用光学系から出射した光束を反射しつつ、回転に従って前記対象物に対して前記光束を走査すると共に、前記対象物で散乱された光束の一部を反射して、前記受光用光学系に入射させる請求項１〜８のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。
10. 前記走査装置は回転軸を中心にして回転可能に設けられ、回転方向に複数のミラー面を有し、前記複数のミラー面の前記回転軸との為す角が互いに異なっている請求項１〜８のいずれかに記載の光走査型の対象物検出装置。

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