JPWO2018147453A1 - Scanning optical system and laser radar device - Google Patents
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Abstract
走査型の光学系101は、複数の光源11a,11bと、光源11a,11bからの光をそれぞれ入射させるコリメーター部18とを有する投光系10と、投光系10からの光を投光ビームであるレーザー光L1として反射し、主走査方向に走査させる走査用ミラー31と、走査用ミラー31からの戻り光L2が入射する受光レンズ22と、受光レンズ22を経た戻り光L2が入射する受光素子24と、を備え、複数の光源11a,11bは、主走査方向に直交する副走査方向に対応する方向に異なる位置に配置され、受光素子24は、複数の光源11a,11bに対応する戻り光L2を検出可能に配置され副走査方向に対応する方向に2画素以上を有し、レーザー光L1は、各光源11a,11bによる投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、投光視野のうち隣接する投光視野に対応する光源11a,11bは、異なるタイミングで発光する。The scanning optical system 101 includes a plurality of light sources 11a and 11b, a light projecting system 10 having a collimator unit 18 for receiving light from the light sources 11a and 11b, respectively, and emits light from the light projecting system 10. A scanning mirror 31 that is reflected as a laser beam L1 as a beam and scans in the main scanning direction, a light receiving lens 22 on which return light L2 from the scanning mirror 31 enters, and a return light L2 passing through the light receiving lens 22 enters. A plurality of light sources 11a and 11b are arranged at different positions in a direction corresponding to a sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction, and the light receiving elements 24 correspond to the plurality of light sources 11a and 11b. The laser light L1 is arranged so as to be able to detect the return light L2 and has two or more pixels in a direction corresponding to the sub-scanning direction. It is emitted as light sources 11a, 11b corresponding to the adjacent projection field of the projection field of view, which emit light at different timings.
Description
本発明は、投光ビームを走査しつつ対象物からの戻り光を検出するための走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置に関する。 The present invention relates to a scanning optical system for detecting return light from an object while scanning a projection beam, and a laser radar apparatus incorporating the scanning optical system.
レーザー光を2次元的に走査しつつ照射し、走査範囲内に存在する物体から戻ってきた反射光を検出することで、物体までの距離を検出する距離測定装置が公知となっている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の距離測定装置では、複数の光源からのレーザー出力を一点に集めてハイパワーを得ている。
2. Description of the Related Art A distance measuring device that detects a distance to an object by irradiating laser light while scanning in two dimensions and detecting reflected light returned from an object existing within the scanning range is known (for example, , See Patent Document 1). In the distance measuring device described in
しかしながら、特許文献1の装置では、光源の発光タイミングが不明であり、また、複数の光源が直列に接続されているため、各光源が同時に発光することしかできない。そのため、各光源に対応する投光視野に重複する部分があると、当該重複部分のエネルギー密度が高くなりClass1のアイセーフを満たさなくなるという問題が生じうる。なお、戻り光を受光素子全体で同時に受光すると、戻り光のビームが対応する光検出領域からはみ出して入射した場合、クロストークにより受光素子の隣接する光検出領域で誤検知が生じうる。
However, in the apparatus of
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、アイセーフ等に関する問題を解決しつつ、遠距離での検知も可能な走査型の光学系及びレーザーレーダー装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the background art, and provides a scanning optical system and a laser radar device that can detect at a long distance while solving problems relating to eye-safety and the like. Objective.
上記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型の光学系は、複数の光源と、光源からの光をそれぞれ入射させるコリメーター部とを有する投光系と、投光系からの光を投光ビームとして反射し、主走査方向に走査させる走査用ミラーと、走査用ミラーからの戻り光が入射する受光レンズと、受光レンズを経た戻り光が入射する受光素子と、を備え、複数の光源は、主走査方向に直交する副走査方向に対応する方向に異なる位置に配置され、受光素子は、複数の光源に対応する戻り光を検出可能に配置され、副走査方向に対応する方向に2画素以上を有し、投光ビームは、各光源による投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、投光視野のうち隣接する投光視野に対応する光源は、異なるタイミングで発光する。ここで、投光視野とは、光源から出射されるビームの走査領域上の範囲であり、複数の光源が発光する場合、各光源に対応するビームの範囲をひとまとまりの投光視野としている。 In order to achieve at least one of the above objects, a scanning optical system reflecting one aspect of the present invention includes a plurality of light sources and a collimator unit that each receives light from the light sources. System, a scanning mirror that reflects the light from the light projecting system as a light projection beam and scans in the main scanning direction, a light receiving lens to which the return light from the scanning mirror is incident, and a return light that has passed through the light receiving lens is incident A plurality of light sources arranged at different positions in a direction corresponding to the sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction, and the light receiving elements arranged to detect return light corresponding to the plurality of light sources. And having two or more pixels in the direction corresponding to the sub-scanning direction, and the light projecting beams are emitted so that the positions of the light projecting fields of the light sources in the sub-scanning direction are different from each other. The light source corresponding to the field of view is different Emitting in the timing. Here, the light projection field is a range on the scanning region of the beam emitted from the light source. When a plurality of light sources emit light, the range of the beam corresponding to each light source is defined as a group of light projection fields.
上記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レーザーレーダー装置は、上述した走査型の光学系を備え、戻り光に基づいて対象物を検出する。 In order to realize at least one of the above objects, a laser radar device reflecting one aspect of the present invention includes the above-described scanning optical system and detects an object based on return light.
〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照しつつ、第1実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。[First Embodiment]
Hereinafter, the scanning optical system according to the first embodiment and a laser radar device incorporating the same will be described with reference to FIG. 1 and the like.
図1に示すレーザーレーダー装置100は、例えば屋内外監視用途や車載用途の物体検出装置であり、検出対象の存在や当該検出対象までの距離を検出する。レーザーレーダー装置100は、投光系10と、受光系20と、回転反射部30と、駆動制御部40と、主制御部50と、外装部品60とを備える。これらのうち、投光系10と、受光系20と、回転反射部30とは、走査型の光学系101を構成している。
A
レーザーレーダー装置100又は走査型の光学系101のうち、投光系10は、後述する回転反射部30の走査用ミラー31に対して投光ビームの元になるレーザー光L1を投射する。投光系10の詳細な構造については後述する。
Of the
受光系20は、外装部品60の光学窓63を介して入射する検出対象OBからの反射光すなわち戻り光L2であって、回転反射部30の走査用ミラー31で反射された戻り光L2を受光する。より詳細には、検出領域内に物体等の検出対象OBがあると、レーザーレーダー装置100から射出されたレーザー光(投光ビーム)L1が検出対象OBで反射等され、検出対象OBで反射等された光の一部が戻り光L2としてレーザーレーダー装置100における走査用ミラー31を介して受光系20に入射する。受光系20の詳細な構造については後述する。
The
回転反射部30は、走査用ミラー31と回転駆動部32とを有する。走査用ミラー31は、2回反射型のポリゴンミラーであり、光路折り曲げ用の第1反射部31aと第2反射部31bとを有する。第1及び第2反射部31a,31bは、Z方向に平行に延びる回転軸RXに沿って上下にそれぞれ配置されている。第1及び第2反射部31a,31bは角錐状の形状を有している(具体的には図2A等参照)。第1及び第2反射部31a,31bの反射面の傾斜角は、走査用ミラー31の回転位置(図示の例では90°単位で4方位を向く位置)に伴って徐々に変化するものになっている(第1及び第2反射部31a,31bの具体的な形状については、国際公開第2014/168137号参照)。つまり、走査用ミラー31において、第1及び第2反射部31a,31bの鏡面は、Z軸に対してそれぞれ傾斜しており、対となる第1及び第2反射部31a,31bの複数の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が異なるものとなっている。これにより、回転軸RXに平行な±Z方向(後述する副走査方向)の走査範囲が広くなる。第1反射部31aの反射面は、紙面上で左方向である+X方向から入射したレーザー光(投光ビーム)L1を略直交する方向に反射し、紙面上で上方向の第2反射部31bの鏡面に導く。第2反射部31bの鏡面は、紙面上で下方向である−Z方向から入射したレーザー光L1を略直交する方向に反射し、紙面上で左方向の検出対象OB側へ導く。検出対象OBで反射された一部の戻り光L2は、レーザー光L1の経路と逆の経路をたどり、受光系20で検出される。つまり、走査用ミラー31は、検出対象OBで反射された戻り光L2を、第2反射部31bの鏡面で再度反射させ、第1反射部31aの鏡面に導く。続いて、戻り光L2を第1反射部31aの鏡面で再度反射させ、受光系20側へ導く。走査用ミラー31が回転すると、Z軸方向に直交する平面(つまり、XY面)内において、レーザー光L1の進行方向が変化する。つまり、レーザー光L1は、走査用ミラー31の回転に伴って、Z軸のまわりに又はY軸方向に沿って走査される。レーザー光L1によって走査される角度領域が検出領域となる。投光用のレーザー光L1の進行方向である+X軸方向に対する傾斜角の範囲が投光角度であり、走査開始点でのレーザー光L1の進行方向と走査終了点でのレーザー光L1の進行方向とのなす角度が照射角度であるとする。投光角度と照射角度とによって投光視野が形成される。以上において、レーザー光(投光ビーム)L1が走査する方向(本実施形態では回転軸RXに垂直な±Y方向)を主走査方向、レーザー光(投光ビーム)L1が走査する方向及びレーザー光(投光ビーム)L1の進行方向に直交する方向(本実施形態では回転軸RXに平行な±Z方向)を副走査方向と呼ぶ。なお、投光視野の縦方向又はZ方向に関する投光ビームの中心角度は、上述のように、走査用ミラー31の回転位置に応じて徐々に変化し、走査用ミラー31の1回転(360°回転)に伴って例えば4段階移動する副走査が達成される。
The
駆動制御部40は、発光タイミング制御部41と、受光タイミング制御部42とを有する。発光タイミング制御部41は、投光系10のうち後述する複数の光源11a,11bの動作を制御する。発光タイミング制御部41は、DSPや電源等を含む駆動回路を有する。複数の光源11a,11bは、予め設定された発光タイミングによって発光するように駆動制御される。受光タイミング制御部42は、受光系20のうち後述する受光素子24の動作を制御する。図3に示すように、受光タイミング制御部42は、複数のスイッチング部43や複数の処理回路44等を含むインターフェース回路45を有する。前者のスイッチング部43は、受光素子24と処理回路44との間に設けられている。これにより、部品点数を削減及び部品を共通化するため、コストダウンを図ることができる。また、回路規模を縮小することにより光学系101を小型化することができる。スイッチング部43は、受光素子24の光検出面24aを構成する複数の画素24p(図7参照)に対応するように接続されており、光検出領域DA1,DA2の切り替え又は選択が可能となっている。具体的には、図7に示すように、受光素子24が6つの画素24pを有し光検出領域を図面の上下すなわちZ方向に2分割する場合、上下に跨る3つのスイッチング部43が設けられており、上側の3つの画素24pと下側の3つの画素24pとが所定の受光タイミングで切り替わるようになっている。上側又は下側の光検出領域DA2,DA1(つまり、3つの画素24p)で検出された光は、各スイッチング部43の出力側に設けた処理回路44で信号処理される。処理回路44は、DSPやA/D変換部を含み、受光素子24で検出される光の信号処理を行う。なお、インターフェース回路45には、アンプが設けられてもよく、この場合、アンプは例えば受光素子24とスイッチング部43との間や、スイッチング部43と処理回路44との間に設けられる。
The
主制御部50は、投光系10の光源11a,11b(図2A等参照)、受光系20の受光素子24(図2A等参照)、回転反射部30の回転駆動部32等の動作を制御する。また、主制御部50は、受光系20の受光素子24に入射した戻り光L2の変換によって得た電気信号から検出対象OBの物体情報を得る。具体的には、受光素子24における出力信号が所定の閾値以上である場合、主制御部50において、受光素子24が検出対象OBからの戻り光L2を受光したと判断される。この場合、光源11a,11bでの発光タイミングと受光素子24での受光タイミングとの差から、検出対象OBまでの距離が求められる。また、受光素子24への戻り光L2の副走査方向に関する受光位置及び走査用ミラー31の主走査方向に相当する回転角に基づいて、検出対象OBの位置、大きさ、形状等の物体情報を求めることができる。
The
外装部品60は、レーザーレーダー装置100の内蔵部品を覆い、保護するためのものである。外装部品60は、蓋状の主外装部61と、円筒容器状の副外装部62とを有する。主外装部61と副外装部62とは、これらの縁部において、外装部品60の内部の機密性を保った状態でボルト等の留め具で着脱可能に固定されている。
The
図2A及び2B又は図4A及び4Bに示すように、投光系10は、複数の光源11a,11bと、複数の光源11a,11bからの光SB1,SB2を個別に入射させる複数のコリメーターレンズ12a,12bと、光路合成用のミラー13とを有する。一方の光源11aと一方のコリメーターレンズ12aとによって第1光源要素14aが構成され、他方の光源11bと他方のコリメーターレンズ12bとによって第2光源要素14bが構成される。また、コリメーターレンズ12a,12bと光路合成用のミラー13とを合わせたものがコリメーター部18となっている。第2光源要素14b及びミラー13は、第1光源要素14aよりも上側すなわち+Z方向にシフトした位置に配置されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B or FIGS. 4A and 4B, the
第1の光源の11aの発光面16a並びに第2の光源11bの発光面16bは、主走査方向に対応する方向よりも副走査方向に対応する方向に長い。すなわち、図5A〜5Cに概念的に示すように、第1の光源11aの発光面16aの縦寸法であるZ幅は、発光面16aの横寸法であるY幅よりも数倍以上大きくなっている。また、図5D〜5Fに概念的に示すように、第2の光源11bの発光面16bの縦寸法であるZ幅は、発光面16bの横寸法であるX幅よりも数倍以上大きくなっている。以上のように、複数の光源11a,11bの発光面16a,16bが主走査方向に対応する方向よりも副走査方向に対応する方向に長いことにより、少ない光源11a,11bであっても投光視野を副走査方向に広くすることが容易になる。
The
図4A及び4Bに戻って、第1光源要素14aの光軸である光源光軸SX1(すなわち、コリメーターレンズ12aの光軸)は、X軸に平行に延びている。一方、第2光源要素14bの光軸である光源光軸SX2(すなわちコリメーターレンズ12bの光軸)は、ミラー13よりも光路上流の前段領域A1でY軸に平行に延び、ミラー13よりも光路下流の後段領域A2でX軸に平行に延びている。つまり、第1の光源11a側における光源光軸SX1は、第2の光源11b側における光源光軸SX2の前段領域A1と直交しており、両領域A1,A2は、異なる角度方向に設定されている。さらに、コリメーターレンズ12a側における光源光軸SX1とコリメーターレンズ12b側における光源光軸SX2の後段領域A2とは互いに平行に隣接して配置されており、Z方向又は副走査方向に光源11a,11bの幅程度離間している。つまり、複数の光源11a,11bは、副走査方向に対応するZ方向に異なる位置に配置されており、主走査方向に対応するY方向には後段側で平面視で同じ位置に重なって見えるように配置されている。
4A and 4B, the light source optical axis SX1 (that is, the optical axis of the
図5A〜5C等に示すように、第1の光源11aの発光面16aは、光源光軸SX1の近傍から副走査方向に対応する−Z方向に偏って配置されている。つまり、発光面16aの中心C1は、−Z方向に偏っており、コリメーター部18を構成するコリメーターレンズ12aに対して副走査方向に対応する−Z方向に関して軸外し状態で配置されている。また、図5D〜5F等に示すように、第2の光源11bの発光面16bは、光源光軸SX2の近傍から副走査方向に対応する+Z方向に偏って配置されている。つまり、発光面16bの中心C2は、+Z方向に偏っており、コリメーター部18を構成するコリメーターレンズ12bに対して副走査方向に対応する+Z方向に関して軸外し状態で配置されている。
As shown in FIGS. 5A to 5C and the like, the
図4A及び4B等に示すように、投光系10の射出光軸AX1は、投光系10から走査用ミラー31に向かう光路上にあって、第1光源要素14aの光源光軸SX1と第2光源要素14bの光源光軸SX2の後段領域A2との中間に配置されている。ミラー13による光路の折り曲げがないとして光路を展開すると、第1の光源11aと第2の光源11bとは、射出光軸AX1の方向に沿って若干のずれはあるが射出光軸AX1に対して概ね対称的に配置されているということができる。第1光源要素14aの光源11aの発光面16aから射出された光SB1は、横方向であるY方向に比較的広い発散角を示し、縦方向であるZ方向に比較的狭い発散角を示す(図5B及び5C参照)。一方で、光源11aの発光面16aが縦方向に長いことから、光SB1の拡がり角は、当初横のY方向に広いものの、第1反射部31aの光路下流側(具体的には、光源11aから数100mm後、すなわち光学窓63の前方50mm程度)で縦横のアスペクト比が1:1となり、その後、横のY方向よりも副走査方向に対応する縦のZ方向に広くなる。同様に、第2光源要素14bの光源11bの発光面16bから射出された光SB2は、横方向であるX方向に比較的広い発散角を示し、縦方向であるZ方向に比較的狭い発散角を示す(図5E及び5F参照)。一方で、光源11bの発光面16bが縦方向に長いことから、光SB2の拡がり角は、当初横のX方向に広いものの、第1反射部31aの光路下流側で縦横のアスペクト比が1:1となり、その後、横のY方向よりも副走査方向に対応する縦のZ方向に広くなる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the emission optical axis AX1 of the light projecting
図6Aに示すように、下側に配置された第1光源要素14aの光源11aから射出された光SB1は、走査用ミラー31を経た遠方において相対的に下側に投影されて下側領域を照明し、副走査方向に関して上側に配置された第2光源要素14bの光源11bから射出された光SB2は、走査用ミラー31を経た遠方において相対的に上側に投影されて上側領域を照明する。
As shown in FIG. 6A, the light SB1 emitted from the
図6Bに概念的に示すように、一対の光源11a,11bからの光SB1,SB2は、走査用ミラー31に入射する前後で、副走査方向に関して射出光軸AX1を挟んで交差するような光路をとる。ただし、走査用ミラー31での2回の反転によって上下が反転するので、投光される光SB1,SB2は、コリメーター部18による上下反転と、走査用ミラー31による上下反転とを受けて、図6Aに示すように結果的に元の上下関係が維持される。両光源11a,11bからの光SB1,SB2をコリメーター部18によって副走査方向に対応する上下方向に関して交差させる構成とすることで、投光系10を副走査方向に比較的小型化することができる。
As conceptually shown in FIG. 6B, the light paths SB1 and SB2 from the pair of
図6Aに示すように、走査用ミラー31の回転に伴って一対の光源11a,11bによる走査領域AR1,AR2は、光SB1,SB2を主走査方向であるY方向に移動させた軌跡を形成し、Y方向に細長く投影されている。より詳細には、光SB1,SB2からなるレーザー光(投光ビーム)L1は、物体側においてZ方向又は副走査方向に細長く延びて投光角度の範囲をカバーしている。また、光SB1,SB2からなるレーザー光(投光ビーム)L1は、走査用ミラー31の回転に伴って照射角度の範囲でY方向又は主走査方向に移動する。レーザー光(投光ビーム)L1は、各光源11a,11bによる投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、投光視野のうち隣接する投光視野に対応する光源11a,11bは、異なるタイミングで発光する(非同時発光)。
As shown in FIG. 6A, as the
図4A及び4B等に戻って、受光系20は、穴あきミラー21と、受光レンズ22と、ミラー23と、受光素子24とを備える。
4A and 4B and the like, the
穴あきミラー21は、走査用ミラー31と受光レンズ22との間の光路上に配置される光路折曲ミラーである。穴あきミラー21の開口21aは、穴あきミラー21の中央又はその周辺の適所に形成されている。射出光軸AX1と入射光軸AX2とは、走査用ミラー31に隣接する区間で略一致して配置されている。つまり、開口21aの略中心を投光系10の射出光軸AX1及び入射光軸AX2が通っており、開口21aを通る射出光軸AX1又は入射光軸AX2の周辺において、光源11a,11bからの光SB1,SB2は、副走査方向に対応する上下のZ方向に関して絞られており、主走査方向に対応する左右のY方向に関してコリメーターレンズ12a,12bによって拡がりが抑えられている。結果的に、光SB1,SB2は、開口21aを無駄なく通過する。穴あきミラー21を用いることで、投光系10及び受光系20のサイズを副走査方向に関して小さく収めることができるとともに、受光光量を大きくすることができる。
The
走査用ミラー31の第2反射部31bを経て第1反射部31aで反射された戻り光L2は、穴あきミラー(光路折曲ミラー)21の反射面21bで反射されて光路を直交方向に折り曲げられる。この際、開口21aによって戻り光L2の一部が光路外に漏れて損失となるが、第1反射部31aに対する開口21aの面積的な割合が比較的小さければ検出精度の低下には繋がらない。
The return light L2 reflected by the first reflecting
受光レンズ22は、戻り光L2のビーム径を絞り込む役割を有し、ミラー23は、受光レンズ22を経た戻り光L2を受光素子24に導く役割を有する。受光素子24とミラー23との間には、戻り光L2すなわちレーザー光L1の波長以外の可視光線等を遮断するバンドパスタイプのフィルター26が配置されている。これらの受光レンズ22やミラー23は、入射光軸AX2に沿って配列されている。
The
受光素子24は、受光レンズ22及びミラー23を経た戻り光L2を検出する。受光素子24は、例えばCMOS、CCDその他の半導体デバイスであり、戻り光L2の強度を検出するとともに、副走査方向に対応する上下のZ方向に位置分解能を有する。つまり、受光素子24は、副走査方向に2画素以上を有する。受光素子24は、分割した投光視野に対応する光検出領域DA1,DA2で戻り光L2を受光し、隣接する光検出領域DA1,DA2は、異なるタイミングで戻り光L2を受光する(非同時受光)。
The
図7を参照して、受光素子24の光検出面24aの具体例について説明する。光検出面24aは、その長手方向が副走査方向となっている。光検出面24aは、6つの画素24pで構成され、6つの画素24pは、副走査方向に対応する上下のZ方向に配列されている。つまり、光検出面24aは、副走査方向に対応するZ方向に関して6画素の構成であり、主走査方向に対応する左右のY方向に関して1画素の構成である。受光素子24の光検出面24aは、上下のZ方向や左右のY方向に関してレーザー光L1の投光角度の範囲内にある検出対象OBによって逆行する方向に反射された戻り光L2を取り込める幅を有する。参考のため、戻り光L2のうち光源11aからの光SB1に起因する検出光L21と、光源11bからの光SB2に起因する検出光L22とを光検出面24a上に概念的に示す。
A specific example of the
レーザーレーダー装置100又は走査型の光学系101の動作の概要につていて説明すると、主制御部50の制御下で受光系20の一対の光源11a,11bを周期的に発光させることで、コリメーター部18で合成されたレーザー光(投光ビーム)L1が穴あきミラー(光路折曲ミラー)21の開口21aを通過し、走査用ミラー31を経た上下の副走査方向に長いレーザー光L1は、横の主走査方向に主走査される。これと同期させて受光系20の受光素子24を動作させることで、検出対象OBからの戻り光L2を検出して、検出対象OBまでの距離や配置等を計測することができる。
The outline of the operation of the
既述のように、隣接する投光視野に対応する光源11a,11bは、異なるタイミング(具体的には、第1発光タイミング及び第2発光タイミング)で発光する。図8Aに示すように、第1発光タイミングにおいて、主制御部50は、発光タイミング制御部41を動作させ、複数の11a,11bのうち光源11bのみを発光させる。この際、主制御部50は、受光タイミング制御部42を動作させ、受光側の受光素子24において、スイッチング部43により上側の光検出領域DA2(つまり、3つの画素24p)で検出された検出光L22を処理回路44で信号処理させる。よって、図示のように、下側の光検出領域DA1に戻り光L2が入射しても下側では光を検知しないようになっている。また、図8Bに示すように、第1発光タイミングとは異なる第2発光タイミングにおいて、主制御部50は、発光タイミング制御部41を動作させ、複数の11a,11bのうち光源11aのみを発光させる。この際、主制御部50は、受光タイミング制御部42を動作させ、受光側の受光素子24において、スイッチング部43により下側の光検出領域DA1(つまり、3つの画素24p)で検出された検出光L21を処理回路44で信号処理させる。よって、図示のように、上側の光検出領域DA2に戻り光L2が入射しても上側では光を検知しないようになっている。
As described above, the
以上説明した走査型の光学系では、複数の光源11a,11bによるレーザー光(投光ビーム)L1を投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射させ、隣接する投光視野に対応する光源11a,11bを異なるタイミングで発光させる。これにより、遠距離でのエネルギー密度が増加するため、より遠距離の対象物である検出対象OBを検知することができる。ここで、遠距離では、光源11a,11bのサイズと光学系101の焦点距離との関係が、光源11a,11bから出射されるビーム径に対し支配的に影響する。一方、近距離でのエネルギー密度は減少するため、アイセーフによいものとできる。ここで、近距離では、光源11a,11bからのビームの拡がりと光学系101の焦点距離とが、ビーム径に対し支配的に影響する。また、隣接する投光視野に対応する光源11a,11bを異なるタイミングで発光させることにより、隣接する投光視野が互いに重複しないため、比較的安全性の高いClass1のアイセーフを満たすことができる。また、隣接する光検出領域DA1,DA2における異なるタイミングでの受光、すなわち検出可能な光検出領域DA1,DA2の切り替えにより、戻り光L2のビームが対応する光検出領域DA1,DA2から多少はみ出して入射してもクロストークによる誤検知を防止することができ、位置合わせの精度を高める必要がなく、コストを抑えることができる。
In the scanning optical system described above, the laser light (projection beam) L1 from the plurality of
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第2実施形態に係る走査型の光学系等は、第1実施形態の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態と同様である。[Second Embodiment]
Hereinafter, a scanning optical system according to the second embodiment and a laser radar device incorporating the same will be described. Note that the scanning optical system and the like according to the second embodiment are obtained by partially changing the scanning optical system and the like of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment. .
図9を参照して、本実施形態の場合、光源11a,11bはそれぞれ主走査方向に対応する方向(図面横方向)にスタックされた構造を有する。隣接する光源11a,11bは、スタック構造の各層の発光タイミングがずれるようなタイミングで発光させている。光源11a,11bの幅Wは、各スタック要素SCの発光域の幅d1と発光域間の幅d2とをスタック数X個分合わせたものである。ここで、幅d1及び幅d2を合計した幅(d1+d2)は、投光の空間周期となっている。また、幅Wは、各光源11a,11bについて合成した空間周期を達成するように調整されている。発光域の幅d1に対応する時間分ずれたタイミングで光源11a,11bを発光させることにより、対象物である検出対象OBを漏れなく、かつ隙間なく検知することができる。図9の例では、光源11a,11bはそれぞれ3つのスタック要素SCで構成されている。図面では、上下の光源11a,11bが横方向にズレて表示されているが、実際は横方向に空間的に一致して配置されており、発光タイミングにズレを生じさせることで投影空間でも横方向のズレが生じている。第1発光タイミング(図中の発光1)において発光した光源11bに対して、第2発光タイミング(図中の発光2)において発光した光源11aは発光域の幅d1に対応する時間分ずらして発光させている。レーザーレーダー装置100の動作中、光源11a,11bは、これらの発光タイミングを繰り返す。図9の例で説明すると、次の第1発光タイミング(図中の発光3)において、光源11bは、直前の第2発光タイミング(図中の発光2)において発光した光源11aに対して発光域の幅d1に対応する時間分ずらして発光させる。また、次の第2発光タイミング(図中の発光4)において、光源11aは、直前の第1発光タイミング(図中の発光3)において発光した光源11bに対して発光域の幅d1に対応する時間分ずらして発光させる。
Referring to FIG. 9, in the case of the present embodiment,
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第3実施形態に係る走査型の光学系等は、第1実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態等と同様である。[Third Embodiment]
Hereinafter, a scanning optical system according to the third embodiment and a laser radar device incorporating the same will be described. Note that the scanning optical system according to the third embodiment is a partial modification of the scanning optical system according to the first embodiment, and the matters not specifically described are the same as those of the first embodiment. It is.
本実施形態において、M個の光源の発光周期はM個の点灯を順次可能にするものであり、光源は走査用ミラー31のn回転目と走査用ミラー31のn+1回転目との切り替えの際に、発光タイミングを1画素ΔP分ずらしている。ここで、値Mは2以上の自然数であり、値nは1以上の自然数である。これにより、発光タイミングをずらしながらも副走査方向、すなわち縦方向の画素ずれが低減することになり、対象物である検出対象OBの形状を正確に認識することができる。図10Aの例では、3個の光源LD1,LD2,LD3で構成されており、図10Bに示すように、各光源LD1,LD2,LD3は、発光周期Tの間隔でそれぞれ発光し、各光源LD1,LD2,LD3の第1〜第3発光タイミングは、T/M(この場合、M=3)の間隔で異なっている。なお、図10Aに示す光源LD1,LD2,LD3の配置は、説明の便宜上、光路の折り曲げ等を無くした仮想的な配置となっている。図11A、11B、及び11Cは、例示として1回転目、2回転目、及び3回転目の投光状態又は投光視野をそれぞれ示している。既述のように、図2A等に示す走査用ミラー31の場合、レーザー光L1が縦方向に4段階に副走査されており、図11A〜11Cは、1段階の走査中の投光視野の一部の特定面QAを示している。各図の上段は光源LD1の像Q1からなる投影パターンP1を示し、中段は光源LD2の像Q2からなる投影パターンP2を示し、下段は光源LD3の像Q3からなる投影パターンP2を示す。図11A〜11Cにおいて、3個の光源LD1,LD2,LD3の発光周期Tは3個の点灯を順次可能にするもの(個別の発光周期に対応する間隔又は空間周期T1〜T3(発光周期Tに相当))となっている。また、走査用ミラー31の1回転目と2回転目との切り替え、及び2回転目と3回転目との切り替えの際に、光源LD1,LD2,LD3は、発光周期に対応する間隔又は空間周期T1〜T3の発光タイミングを1画素ΔPに相当するT/3ずらしている。4回転目以降も同様の発光タイミングでレーザーレーダー装置100を動作させる。なお、走査用ミラー31の3回転分の投光を積算した空間周期は、T/3となる。
In the present embodiment, the light emission period of the M light sources sequentially enables M lighting, and the light source is switched between the n-th rotation of the
〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第4実施形態に係る走査型の光学系等は、第1実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態等と同様である。[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a scanning optical system according to the fourth embodiment and a laser radar device incorporating the same will be described. It should be noted that the scanning optical system according to the fourth embodiment is a partial modification of the scanning optical system according to the first embodiment, and the matters not specifically described are the same as those of the first embodiment. It is.
図12A及び12Bに示すように、第4実施形態の場合、投光系10と受光系20とが簡易に分離されており、投光系10と受光系20とが副走査方向又はZ方向に関して異なる位置に配置されている。つまり、投光系10の射出光軸AX1と入射光軸AX2とは、ミラー23と走査用ミラー31との間の区間において、互いに平行に隣接して配置されており、Z方向又は副走査方向に離間している。つまり、走査用ミラー31に隣接する位置で、射出光軸AX1と入射光軸AX2とは、副走査方向に対応するZ方向に異なる位置に配置されており、主走査方向に対応するY方向に関しては平面視で同じ位置に重なって見えるように配置されている。本実施形態の場合、投光系10と受光系20とを簡易に分離した構成となっている。
As shown in FIGS. 12A and 12B, in the case of the fourth embodiment, the
受光系20は、受光レンズ22と、ミラー23と、受光素子24とを備える。この場合、射出光軸AX1と入射光軸AX2とを副走査方向に関して位置ずれさせて配置しているので、穴あきミラーは不要である。受光素子24の光検出面24aは、ミラー23による光路折り曲げにより、第1実施形態の場合と異なり、X方向に延びているが、X方向は副走査方向に対応する。
The
〔第5実施形態〕
以下、第5実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第5実施形態に係る走査型の光学系等は、第1実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態等と同様である。[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a scanning optical system according to a fifth embodiment and a laser radar device incorporating the same will be described. Note that the scanning optical system and the like according to the fifth embodiment are obtained by partially changing the scanning optical system and the like of the first embodiment. Items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment and the like. It is.
図13A及び13Bに示すように、第5実施形態の場合、投光系10において、第1光源要素14aと第2光源要素14bとが射出光軸AX1を挟んで上下の副走査方向に鏡像配置されている。つまり、第1の光源11aと第2の光源11bとは、射出光軸AX1に対して厳密に対称に配置されている。この場合、一対のコリメーターレンズ12a,12bを合わせたものがコリメーター部18となっており、光路合成用のミラーが不要となっている。また、第1光源要素14aにおいて光源11aは、コリメーター部18を構成するコリメーターレンズ12aに対して副走査方向に非対称的となるように軸外し状態で配置されており、第1光源要素14bにおいて光源11bは、コリメーター部18を構成するコリメーターレンズ12bに対して副走査方向に非対称的となるように軸外し状態で配置されている。
As shown in FIGS. 13A and 13B, in the case of the fifth embodiment, in the light projecting
図13A及び13Bに示す例では、受光系20が第1実施形態に示すものと同様であったが、受光系20を第4実施形態に示すものと同様として、投光用の光路と受光用の光路とを完全に分けることもできる。
In the example shown in FIGS. 13A and 13B, the
〔第6実施形態〕
以下、第6実施形態に係る走査型の光学系及びこれを組み込んだレーザーレーダー装置について説明する。なお、第6実施形態に係る走査型の光学系等は、第1実施形態等の走査型の光学系等を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態等と同様である。[Sixth Embodiment]
Hereinafter, a scanning optical system according to a sixth embodiment and a laser radar apparatus incorporating the same will be described. Note that the scanning optical system according to the sixth embodiment is a partial modification of the scanning optical system according to the first embodiment, and the matters not specifically described are the same as those in the first embodiment. It is.
図14に示すように、レーザーレーダー装置100は、第1実施形態と同様に、投光系10と、受光系20と、回転反射部30と、主制御部50と、外装部品60とを備える。本実施形態の回転反射部30の走査用ミラー31は、1回反射型のポリゴンミラーであり、光路折り曲げ用の第1反射部31aのみを有する。走査用ミラー31において、第1反射部31aの鏡面は、Z軸に対して傾斜しており、紙面上で下方向である−Z方向から入射したレーザー光L1を略直交する方向に反射し、紙面上で左方向の検出対象OB側へ導く。検出対象OBで反射された一部の戻り光L2は、レーザー光L1の経路と逆の経路をたどり、受光系20で検出される。この場合、図1の場合と異なり、走査用ミラー31の回転軸RXに垂直な紙面左右のX方向が副走査方向となっており、回転軸RXに垂直な紙面垂直なY方向が主走査方向となっている。
As shown in FIG. 14, the
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態等に限定されるものではない。例えば、受光素子24の光検出面24aを構成する画素24pは、6つに限らず、検出分解能に応じて適宜の数とできる。
As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above-described embodiment or the like. For example, the number of
また、投光系10や受光系20を構成する光学素子は、図2A等に例示されるものに限らず、用途や仕様に応じて光路折り曲げ用のミラーを増やすこと、レンズを増やすこと等、様々な変更が可能である。
In addition, the optical elements constituting the light projecting
また、上記実施形態において、受光素子24は、隣接する光検出領域DA1,DA2で異なるタイミングで戻り光L2を受光したが、フィルター等により、戻り光L2が分割した投光視野に対応する光検出領域DA1,DA2に略正確に入射するように制限すれば、戻り光L2を同じタイミングで受光してもよい。
In the above-described embodiment, the
Claims (8)
前記投光系からの光を投光ビームとして反射し、主走査方向に走査させる走査用ミラーと、
前記走査用ミラーからの戻り光が入射する受光レンズと、
前記受光レンズを経た戻り光が入射する受光素子と、
を備え、
前記複数の光源は、前記主走査方向に直交する副走査方向に対応する方向に異なる位置に配置され、
前記受光素子は、前記複数の光源に対応する前記戻り光を検出可能に配置され、前記副走査方向に対応する方向に2画素以上を有し、
前記投光ビームは、各光源による投光視野の副走査方向の位置が異なるように出射され、
前記投光視野のうち隣接する投光視野に対応する前記光源は、異なるタイミングで発光する、走査型の光学系。A light projecting system having a plurality of light sources and a collimator unit for making light from each of the light sources incident;
A scanning mirror that reflects light from the light projecting system as a light projecting beam and scans in the main scanning direction;
A light receiving lens on which return light from the scanning mirror is incident;
A light receiving element on which the return light passing through the light receiving lens is incident;
With
The plurality of light sources are arranged at different positions in a direction corresponding to a sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction,
The light receiving element is arranged to detect the return light corresponding to the plurality of light sources, and has two or more pixels in a direction corresponding to the sub-scanning direction,
The projection beam is emitted so that the position of the projection field of each light source in the sub-scanning direction is different,
A scanning optical system in which the light sources corresponding to adjacent ones of the projection fields emit light at different timings.
隣接する前記光検出領域は、異なるタイミングで前記戻り光を受光する、請求項1に記載の走査型の光学系。The light receiving element receives the return light in a light detection region corresponding to a light projection field of each light source,
The scanning optical system according to claim 1, wherein the adjacent light detection regions receive the return light at different timings.
前記受光素子と前記処理回路との間に前記受光素子の光検出領域を選択するスイッチング部を有する、請求項1から3までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。Further comprising a processing circuit for signal processing the return light detected by the light receiving element;
4. The scanning optical system according to claim 1, further comprising a switching unit that selects a light detection region of the light receiving element between the light receiving element and the processing circuit. 5.
前記光源は前記走査用ミラーのn回転目と前記走査用ミラーのn+1回転目との切り替えの際に、発光タイミングを1画素分ずらし、
値Mは2以上の自然数であり、値nは1以上の自然数である、請求項1から5までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。The light emission period of the M light sources sequentially enables M lighting,
The light source shifts the light emission timing by one pixel when switching between the nth rotation of the scanning mirror and the n + 1th rotation of the scanning mirror,
6. The scanning optical system according to claim 1, wherein the value M is a natural number of 2 or more and the value n is a natural number of 1 or more.
前記走査用ミラーと前記受光レンズとの間の光路上に配置されて、前記射出光軸が通る開口を有する光路折曲ミラーを備える、請求項1から6までのいずれか一項に記載の走査型の光学系。The exit optical axis from the light projecting system toward the scanning mirror and the incident optical axis from the scanning mirror toward the light receiving lens are disposed substantially coincident in a section adjacent to the scanning mirror,
The scanning according to any one of claims 1 to 6, further comprising an optical path bending mirror disposed on an optical path between the scanning mirror and the light receiving lens and having an opening through which the emission optical axis passes. Mold optical system.
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