JPWO2019163210A1 - 走査型光学系、およびライダー - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレーザー光源からのレーザー光を同軸化した際にレーザー光の損失を少なくすることができる走査型光学系を提供する。【解決手段】光源である複数の半導体レーザー５１１、５２１の出射面から同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの距離をＭＬとした場合に、下記（１）式を満たすように同軸化ミラー５０３を配置する、走査型光学系。ｆ＋ｈ／ｔａｎθ≦ＭＬ≦ｆ＋ｈ／ｔａｎθ＋２Ｌ／ｔａｎθ …（１）（ただし、式中、ｈは投光レンズの光学中心からレンズ外周方向への距離、ｆは投光レンズの焦点距離、Ｌは投光レンズの光学中心から複数の光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸までの距離、θは光源から出射された光の方向を投光レンズにより投光光軸方向へ向けるために投光光軸に対して傾ける角度である）【選択図】図８

Description

本発明は、走査型光学系、およびライダーに関し、詳しくは、光を走査するための走査型光学系とこれを用いたライダーに関する。

走査型光学系は、レーザー光源からのレーザー光を走査ミラーに反射させて２次元的に走査しつつ投光させる投光系と、走査範囲内に存在する物体から戻ってきた反射光をフォトダイオードなどで受光させる受光系とを備える。

ライダーは、レーザーレーダーとも称されており、このような走査型光学系を用いて測定空間へ向けてレーザー光を走査、投光し、投光からフォトダイオードが反射光を受光するまでの時間差により距離を求めている。

従来の走査型光学系においては、複数のレーザー光源のレーザー光をまとめることでハイパワー化する技術がある（特開２００５−２９２１５６号公報）。また、複数のレーザー光源からの出力を同軸化させるミラーを用いて一点に集めることで、シグナル対ノイズ（ＳＮ）を向上させ、また装置を小型化させるなどの効果を得る技術がある（特開２００４−１７０９６５号公報）。

しかしながら、従来の技術は、複数の光源を用いた際に、同軸化させるミラーの位置が定まっておらず、複数のレーザー光源の同軸化を図った際に投光されるレーザー光に損失が発生してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、複数のレーザー光源からのレーザー光を同軸化した際にレーザー光の損失を少なくすることができる走査型光学系を提供することである。

また、本発明の他の目的は、複数のレーザー光源からのレーザー光を同軸化した際にレーザー光の損失を少なくすることができる走査型光学系を用いたライダーを提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

（１）複数の光源、および複数の前記光源からの光をそれぞれ入射させる複数の投光レンズ、を有する投光系と、
前記投光系から投光された光を反射させて測定空間へ向けて走査、投光し、物体に反射して戻ってきた戻り光を反射させる走査ミラーと、
光を受光する受光素子、および前記走査ミラーで反射してきた前記戻り光を前記受光素子に集光させる集光光学素子を有する受光系と、
反射材の存在しない領域、および該反射材が存在しない領域を囲む反射材の形成されている領域を有する第１主面が、前記走査ミラーを向いて配置され、前記投光系から投光された光を前記反射材が存在しない領域を経由して前記走査ミラーの方向へ通し、前記走査ミラーからの前記戻り光を前記反射材で前記受光系の方向へ反射させる同軸化ミラーと、
を有し、
前記光源の出射面から前記同軸化ミラーの第１主面までの距離をＭＬとした場合に、下記（１）式を満たすように前記同軸化ミラーを配置する、走査型光学系。

ｆ＋ｈ／ｔａｎθ≦ＭＬ≦ｆ＋ｈ／ｔａｎθ＋２Ｌ／ｔａｎθ …（１）
ただし、（１）式中、ｈは前記投光レンズの光学中心からレンズ外周方向への距離、ｆは前記投光レンズの焦点距離、Ｌは前記投光レンズの光学中心から複数の前記光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸までの距離、θは前記光源から出射された光の方向を前記投光レンズにより前記投光光軸方向へ向けるために前記投光光軸に対して傾ける角度である。

（２）複数の前記光源は、各前記光源の光軸がそれぞれの前記投光レンズの光学中心から、前記投光光軸から離れる方向にずらして配置されている、上記（１）に記載の走査型光学系。

（３）前記走査ミラーが光を走査する方向を主走査方向、主走査方向に直交する方向を副走査方向として、
前記同軸化ミラーの前記反射材の存在しない領域の副走査方向の大きさは、前記集光光学素子の有効径より小さく、前記投光レンズの光学中心から複数の前記光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸までの距離Ｌより大きい、上記（１）または（２）に記載の走査型光学系。

（４）前記受光素子は、副走査方向に沿う方向に複数配置され、複数の前記光源から出射される光は、複数の前記受光素子に対応するように副走査方向に沿う方向に長いスポット光束となるように投光される、上記（３）に記載の走査型光学系。

（５）前記光源の出射面は、主走査方向より副走査方向に長い、上記（３）または（４）に記載の走査型光学系。

（６）複数の前記投光レンズのうち、少なくとも一つは、前記光源から入射された光を投光するために必要な部分を残すように切り取ったダイシングレンズである、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の走査型光学系。

（７）複数の前記光源は、２つである、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の走査型光学系。

（８）複数の前記光源のうち、少なくとも一つは、出射された光の光路が光路変更素子により、前記同軸化ミラーの方向へ変えられる、上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の走査型光学系。

（９）前記受光素子は、副走査方向に２画素分以上となるように複数を有する、上記（１）〜（８）のいずれか１つに記載の走査型光学系。

（１０）前記同軸化ミラーの前記反射材の存在しない領域は、開口部である、上記（１）〜（９）のいずれか１つに記載の走査型光学系。

（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか１つに記載の走査型光学系を備え、
光源からの光の出射タイミングと、受光素子による光の受光タイミングに基づいて、光源が配置されている位置から物体までの距離を測定する、ライダー。

本実施形態に係るライダーを示す断面図である。 投受光ユニットを示す斜視図である。 投光系部分の平面図である。 図３中の矢印Ａで示す方向から見た投光系部分の側面図である。 同軸化ミラーの第２例を説明するための説明図である。 同軸化ミラーの第２例を第１主面側から見た側面図である。 ダイシングレンズを説明するための説明図である。 同軸化を説明するための説明図である。 実施形態の作用を説明するための説明図である。 ライダーの動作を説明するための説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

本実施形態の走査型光学系は、ポリゴンミラーにレーザー光を反射させて測定空間内を２次元的に走査する一方、物体などからの反射光を再びポリゴンミラーに反射させてフォトダイオードへ導く。これにより、測定空間を向いた複数の方向に関する情報を得ることができる。ライダーはこの走査型光学系により走査されたレーザー光が発射されてからフォトダイオードが受光するまでの時間から距離を求めて、得られた距離は距離画像と称し、ライダーの設置位置から見た物体の方向と、その物体までの距離という３次元情報を取得する。

（ライダーの構成）
図１は、本実施形態に係るライダーを示す断面図である。

ライダー１０は、投受光ユニット１１、および制御部１２を備え、筐体５７に収容されている。

投受光ユニット１１は走査型光学系であり、詳細は後述する。

制御部１２は、投光系５０１（後述）からのレーザー光の出射から受光系５０５（後述）による受光までの時間差に応じて距離を求める。得られた距離から、測定空間内の物体までの距離値の分布を示す複数の画素で構成される距離画像が生成される。距離画像は測距点群データまたは距離マップとも称される。

制御部１２は、コンピューターであり、距離の算出、レーザー光の発光タイミング、ポリゴンミラー５３の回転などの制御などを行っている。このような制御部１２は、たとえば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの回路によって構成されていてもよい。

ボックス状の筐体５７は、車両や構造物など１００の一部に取り付けられる。ライダーを取り付ける位置は、ライダーの利用形態によって異なる。筐体５７は、上壁５７ａと、これに対向する下壁５７ｂと、上壁５７ａと下壁５７ｂとを連結する側壁５７ｃとを有する。側壁５７ｃの一部に開口５７ｄが形成され、開口５７ｄには透明板５８が取り付けられている。

（投受光ユニット）
投受光ユニット１１を説明する。図２は投受光ユニットを示す斜視図である。図３は投光系部分の平面図であり、図４は図３中の矢印Ａで示す方向から見た投光系部分の側面図である。

投受光ユニット１１は、ポリゴンミラー５３と投受光部５０を有する。投受光部５０は、投光系５０１、同軸化ミラー５０３、および受光系５０５を有する。

（ポリゴンミラー）
ポリゴンミラー５３は走査ミラーである。ポリゴンミラー５３は、少なくとも１つのミラー面を有する。本実施形態では８面のミラー面を有している。ポリゴンミラー５３は、投光系５０１からのレーザー光を、回転するミラー面により測定空間に向かって走査投光させると共に、物体からの反射光を反射させる。ポリゴンミラー５３で反射された物体からの反射光（戻り光ともいう）は受光系５０５により受光される。

ポリゴンミラー５３は、図１に示したように、筐体５７に固定されたモーター５６のモーター軸５６ａに連結され、モーター５６の回転によって回転する。本実施形態では、たとえば、モーター軸５６ａの軸線（回転軸線）が鉛直方向であるＺ方向に延在しており、Ｚ方向に直交するＸ方向およびＹ方向によりなすＸＹ平面が水平面となっているが、モーター軸５６ａの軸線を鉛直方向に対して傾けても良い。

ポリゴンミラー５３は、２つの四角錐を逆向きに接合して一体化した形状を有している。したがって、対になって向き合う方向に傾いたミラー面を４対有している。一対のミラー面としては、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２、第３ミラー面Ｍ３と第４ミラー面Ｍ４、第５ミラー面Ｍ５と第６ミラー面Ｍ６、第７ミラー面Ｍ７と第８ミラー面Ｍ８である（各ミラー面Ｍ１〜８のうち一部は図示されない）。

第１ミラー面Ｍ１、第３ミラー面Ｍ３、第５ミラー面Ｍ５、第７ミラー面Ｍ７は、図１に示したように、互いにポリゴンミラー回転軸５２に対する傾斜角αが異なる。同様に第２ミラー面Ｍ２、第４ミラー面Ｍ４、第６ミラー面Ｍ６、第８ミラー面Ｍ８は、互いにポリゴンミラー回転軸５２に対する傾斜角βが異なる。傾斜角は各ミラー面の延長線と、この延長線がポリゴンミラー回転軸５２と交わる部分のなす角αおよびβである。図１においては、第１ミラー面Ｍ１の傾斜角αと第２ミラー面Ｍ２の傾斜角βを示したが、他のミラー面においても同様である（ただし傾斜角そのものは既に説明したとおりミラー面ごとに異なる）。なお、各ミラー面を総称または区別しないで記す場合はミラー面Ｍとする。

各ミラー面Ｍは、ポリゴンミラー５３の形状をした樹脂素材（たとえばＰＣ（ポリカーボネート））の表面に、反射膜を蒸着することにより形成されている。

ライダーにおいては、ポリゴンミラー５３の回転によりレーザー光が走査される方向を主走査方向とし、主走査方向に直交する方向を副走査方向とする。

（同軸化ミラー）
図３では、後述する同軸化した後のレーザー光束の投光光軸Ｌｓとし、投光されたレーザー光束が物体から反射してポリゴンミラー５３を経て受光系５０５に入射される戻り光の光軸Ｌｒとする。同軸化ミラー５０３は投光光軸Ｌｓと戻り光の光軸Ｌｒとを一致させる。このように投光系５０１と受光系５０５の光軸を一致させるミラーは、完全同軸化ミラーと称されることもある。

（同軸化ミラーの第１例）
ここで同軸化ミラーについて２通りの例を説明する。第１例は、図３に示した同軸化ミラー５０３である。

同軸化ミラー５０３は、図３に示したとおり、透明な基材５３３、たとえば、ガラスや樹脂などの基材５３３の第１主面５３１に、レーザー光を反射する反射材５３４が形成されている。第１主面５３１は、ポリゴンミラー５３および受光系５０５の方を向いた面である。投光系５０１を向いた面が第２主面５４１である。

この同軸化ミラー５０３は、その一部に開口部５３２が設けられていて、この開口部５３２から投光系５０１からのレーザー光を通過させる。当然開口部５３２に反射材は存在しない。開口部５３２の大きさは、図４に示すように、本実施形態では、縦方向ｈａと横方向ｈｂの矩形状である。縦方向ｈａは副走査方向であり、同軸化する２本のレーザー光が並ぶ方向である。開口部５３２に大きさについては後述する。

この開口部５３２を囲むように反射材５３４が形成されている。そして同軸化ミラー５０３は、反射材５３４により、ポリゴンミラー５３から反射されてきた戻り光（図３のＬｒ）を受光系５０５の方向へ反射させる。

このように、同軸化ミラー５０３の第１例では開口部５３２を有することで、投光系５０１からのレーザー光をポリゴンミラー５３の方向へ通過させると共に、ポリゴンミラー５３から反射されてきた戻り光を受光系５０５の方向へ反射させる。同軸化ミラー５０３の位置は、投光系５０１からのレーザー光を開口部５３２から通過させ、戻り光を受光系５０５の方向へ反射させるように調整される。

（同軸化ミラーの第２例）
図５は、同軸化ミラーの第２例を説明するための説明図であり、図３同様に、投光系５０１部分の平面図である。図６は、同軸化ミラーの第２例を第１主面側から見た側面図である。

同軸化ミラーの第２例５０３２は、図５（ａ）に示すように、第１例同様に、透明な基材５３３の第１主面５３１に、レーザー光を反射する反射材５３４が形成されている。同軸化ミラーの第２例５０３２の配置は、図３同様に、第１主面５３１がポリゴンミラー５３および受光系５０５の方を向いている。

この同軸化ミラーの第２例５０３２は、開口部はなく、一部に反射材５３４が存在しない領域として光透過部５３５がある。光透過部５３５を囲むように反射材５３４が形成されている。この同軸化ミラーの第２例５０３２は、投光系５０１からのレーザー光を、この光透過部５３５をポリゴンミラー５３の方向へ透過させる。

図５においては、図５（ａ）の下に、図５（ｂ）として同軸化ミラー５０３の第１例を示している。図５（ａ）に示した同軸化ミラーの第２例５０３２と図５（ｂ）に示した同軸化ミラー５０３の第１例は、それぞれを透過または通過する投光系５０１の光軸Ｌｓが同じになるように示している。

図５（ａ）および（ｂ）を参照して、同軸化ミラーの第２例５０３２で光が透過する幅をＷ２、同軸化ミラー５０３の第１例で光が通過する幅をＷ１とする。これら幅Ｗ１とＷ２の差がΔＷであり、同軸化ミラーの第２例５０３２の方が第１例より光を透過させることのできる領域の幅が広いことがわかる。

このため、同軸化ミラーの第２例５０３２は、透明な基材５３３の一部に反射材５３４を形成しない光透過部５３５を設けることで、第１例のような開口部５３２を設ける場合と比べて、反射材５３４の面積、形状は同じにして、より多くの光を透過させることができる。逆に言えば、光を透過させる幅が同じでよければ、反射材のある面積を多くすることができるため、より多くの戻り光を受光系５０５へ反射することができるようになる。

同軸化ミラーの第２例５０３２においても、その他の構成や配置などは、同軸化ミラー５０３の第１例と同じであるので説明は省略する。

なお、以下の説明においては、同軸化ミラー５０３の第１例を用いた形態により説明するが、同軸化ミラーの第２例５０３２を用いた場合も同様である。

（投光系）
図２〜４を参照して、投光系５０１は、ポリゴンミラー５３へ向けてレーザー光を出射する複数の半導体レーザー（第１半導体レーザー５１１、第２半導体レーザー５２１）と、それらに対応した複数の投光レンズ（第１レンズ５１２、第２レンズ５２２）と、第１半導体レーザー５１１からのレーザー光を同軸化ミラー５０３の方向へ反射させるプリズムミラー５１３を有する。

第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１は、共にレーザー光源であり、パルス状のレーザー光を出射する。本実施形態では、出射面の形状が主走査方向（水平方向）より副走査方向（垂直方向）に長い。これにより、本実施形態では、２つの光源を用いて投光するスポット光束の形状（後述のスポット光束６００）を副走査方向に広くすることが容易になっている。また、本実施形態では、ライダー１０の設置として、主走査方向は水平方向となるようにしており、これは画面の横方向となる。一方、副走査方向は垂直方向となる。

投光レンズである第１レンズ５１２および第２レンズ５２２は、それぞれの半導体レーザーからの拡散光を平行光にするコリメーターレンズである。

第１レンズ５１２は、本実施形態では、ダイシングレンズを使用している。ダイシングレンズは、光を平行光とするために必要となる部分だけを切り取って使用するものである。

図７は、ダイシングレンズを説明するための説明図である。図７（ａ）は参考例を示し、図７（ｂ）および（ｃ）は本実施形態を示す。

レンズは、多くの場合、図７（ａ）に示すように、半導体レーザー９０１の光軸上を通る光Ｌｘ０とレンズ９０２の光学中心Ｏとが一致するように使用される。

半導体レーザー９０１からのレーザー光にはある程度の幅ある。このため半導体レーザー９０１の中央部からの光Ｌｘ１およびＬｘ２はレンズ９０２を通ることで、光軸上の光Ｌｘ０と平行に投光される（画角０度の光となる）。

一方、半導体レーザー９０１の一方の端から出た光Ｌｘ１１、Ｌｘ１２、およびＬｘ１３と光Ｌｘ２１、Ｌｘ２２、およびＬｘ２３は、レンズ９０２を通ることで、互いに交差するように、光軸上の光Ｌｘ０に対して傾いた方向へ出射されるようになる（画角０度以外の光となる）。

なお、レンズの光学中心Ｏとは、レンズの光学的な中心であり、レンズの実態的な形における直径の中心ではない。したがって、レンズの直径方向の形状が変わってもレンズの光学中心は変わらない。

本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、第１レンズ５１２に対する第１半導体レーザー５１１の位置を、第１レンズ５１２の光学中心Ｏからずれた位置に配置している。このような配置を軸はずしと称している。これにより第１半導体レーザー５１１からの光のうち、第１半導体レーザー５１１の端から出ている光Ｌａ１は、第１レンズ５１２の光学中心Ｏを通り、第１レンズ５１２の面に対して垂直な方向へ投光される。第１レンズ５１２の光学中心Ｏからずれている光Ｌａ０と光Ｌａ２は、第１レンズ５１２の面に垂直な方向に対して傾いた方向へ投光される。この傾きが後述する副走査方向視野角θとなるものであり、一般的に、レンズの光学中心Ｏに対して半導体レーザーの位置をどれだけずらすか（軸をはずす距離）によって変化する。つまり、レンズの光学中心Ｏに対する半導体レーザーの光軸のずれが大きいほど傾きが大きくなる。

そして、このような軸はずしの配置においてレンズの使用される部分は、光が通過する部分だけである。本実施形態では、第１レンズ５１２の光学中心Ｏから図示する下半分だけを使用している。

このため本実施形態では、第１レンズ５１２を、図７（ｃ）に示すように、必要な部分だけを切り取った（不要な部分を切り落とした）ダイシングレンズとした。このようなダイシングレンズを使用することで、装置構成を小型軽量化することができる。

本実施形態では、このダイシングレンズを用いたことで、図２〜図４に示したように、プリズムミラー５１３の直下に第２レンズ５２２を配置することができている。これにより、２つのレーザー光源（第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１）からのレーザー光Ｌ１およびＬ２（図３参照）を同軸化する際に、２つのレーザー光の光軸を、ダイシングレンズを用いない場合と比較して近接させることができる。同軸化する際には、２つのレーザー光の光軸をできるだけ近接させることで、レーザー光の同軸化の精度が高くなり、また、同軸化ミラー５０３の開口部５３２（または光透過部５３５、以下同様）をより小さくすることができる。開口部５３２を少しでも小さくできれば、受光のために反射材５３４を形成する領域をより広くすることが可能になる。

一方、第２レンズ５２２は、通常のレンズ形状のまま使用している。しかし、小型化、軽量化のために、第２レンズ５２２もダイシングレンズとしてもよい。

なお、ここでは第１レンズ５１２をダイシングレンズとしたが、本発明は、このようなレンズ形態に限定されず、図７（ｂ）に示したように、第１レンズ５１２についても、ダイシングしないレンズを使用してもよい。

図２〜図４を参照して、プリズムミラー５１３は光路変更素子である。プリズムミラー５１３は周知のように、プリズムの斜面に反射材５３４が形成してあり反射面となっていて、ここに光を当てて光路を変える。本実施形態では、第２半導体レーザー５２１からのレーザー光Ｌ２が同軸化ミラー５０３の開口部５３２方向に出射されていない。このため、プリズムミラー５１３を用いて、第２半導体レーザー５２１からのレーザー光Ｌ２の光路を同軸化ミラー５０３の開口部５３２の方向に変えている。このようにプリズムミラー５１３を用いることで、レーザー光源を配置する際の設計自由度が高くなり、また装置の小型化にも寄与する。なお、光路変更素子は、プリズムミラー５１３に限定されず、基材に反射材を形成したミラーを用いてもよい。

（同軸化）
同軸化について説明する。

図８は、同軸化を説明するための説明図である。ここでは、第１レンズ５１２および第２レンズ５２２ともに、説明をわかりやすくするために通常のレンズ形状として示している。実際に使用するレンズは、既に説明したようにダイシングレンズとしてもよい。また、プリズムミラーも省略している。

本実施形態では、図８に示すように、同軸化した後のレーザー光束の中心を投光光軸Ｌｓとする。

第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１は、それぞれ第１レンズ５１２および第２レンズ５２２に対して、軸はずしで配置されている。第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１は、共にそれぞれのレンズ５１２および５２２の光学中心Ｏからレンズ外周方向への距離ｈ（光軸からの高さとなる）が、主走査方向よりも副走査方向に長い。この出射面の径ｈは、投光された光の像の高さ（像高）を決めるものとなり、光軸の高さｈという（光源高さとも称されている）。光軸の高さｈはレンズの光学中心から離れるほど高くなり（図８中の矢印ｈの矢の方向へ行くほど光軸の高さが高い）、それによって投光される光の像高も高くなる。

第１半導体レーザー５１１からの光の内、第１レンズ５１２の光学中心Ｏを通る光Ｌａ１は投光光軸Ｌｓとほぼ平行となる。一方、第１半導体レーザー５１１の光軸と一致する光Ｌａ０および第１半導体レーザー５１１の端で光軸の高さｈが高い位置からの光Ｌａ２は、第１レンズ５１２の光学中心Ｏから離れた位置を通る。このため、図示するように、光Ｌａ０およびＬａ２は投光光軸Ｌｓの方向へ曲げられ、その後広がって行く。このとき、第１半導体レーザー５１１からの光を投光光軸Ｌｓの方向へ傾ける角度をθとする。このθは、投光される光の像の副走査方向の大きさを決めることになるため、副走査方向視野角θという。角度θそのものは、投光レンズによって最も大きく曲がる光と、投光光軸Ｌｓとの角度とする。本実施形態では、第１半導体レーザー５１１からの光のうち第１レンズ５１２の端を通る光Ｌａ２と投光光軸Ｌｓと平行な方向（Ｌａ１と同じ方向）とのなす角を、副走査方向視野角θとしている。

同様に、第２半導体レーザー５２１からのレーザー光の内、第２レンズ５２２の光学中心Ｏを通る光Ｌｂ１は投光光軸Ｌｓと平行となり、第２レンズ５２２の光学中心Ｏから離れた位置を通る光Ｌｂ０およびＬｂ２は投光光軸Ｌｓの方向へ曲げられ、その後広がって行く。第２半導体レーザー５２１からの光のうち第２レンズ５２２の端を通る光Ｌｂ２と投光光軸Ｌｓと平行な方向（Ｌｂ１と同じ方向）とのなす角を、副走査方向視野角θとしている。

これらにより、第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１から出力される拡散光が同軸化された平行光となってポリゴンミラー５３方向へ投光される。

この同軸化された光は、同軸化ミラー５０３の第２主面５４１側から反射材の存在しない第１主面５３１の開口部５３２を通って、ポリゴンミラー５３の方向へ投光される。この同軸化ミラー５０３の位置と、同軸化された光の幅が適切な大きさにならないと、光の一部が開口部５３２を通らずに遮られて（ケラレという）、複数のレーザー光を同軸化したにもかかわらず、レーザー光の強度が、期待したほど大きくならない。

そこで、本実施形態では、複数のレーザー光の光強度を効果的に強くするために、各半導体レーザー５１１および５２１からのレーザー光と同軸化ミラー５０３との位置関係を最適化した。

この最適化のためには、光源の出射面（原点０）から同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの距離をＭＬとした場合に、下記（１）式を満たすように同軸化ミラー５０３を配置する。

ｆ＋ｈ／ｔａｎθ≦ＭＬ≦ｆ＋ｈ／ｔａｎθ＋２Ｌ／ｔａｎθ …（１）
ただし、（１）式中、ｈはレーザー光源の出射面における光の径、ｆは投光レンズの焦点距離、Ｌは投光レンズの光学中心Ｏから複数のレーザー光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸Ｌｓまでの距離（レンズ中心−投光光軸間距離Ｌという）、θは光源から出射された光の方向を投光レンズにより投光光軸Ｌｓ方向へ向けるために投光光軸Ｌｓに対して傾ける角度である。

なお、ここでは、レーザー光源の出射面における光の径ｈ、レンズの焦点距離ｆ、レンズ中心−投光光軸間距離Ｌ、および副走査方向視野角θは、第１半導体レーザー５１１および第１レンズ５１２と、第２半導体レーザー５２１および第２レンズ５２２とで共に同じとする。また、原点０は、第２半導体レーザー５２１の出射面とする。原点の詳細は後述する。

この式（１）を満たすことによる作用を説明する。図９は、本実施形態の作用を説明するための説明図である。図９においては、レーザー光はパルス出力されるため、これを模式的に示した。

図９に示すように、第１半導体レーザー５１１からのレーザー光は第１レンズ５１２を透過して投光される。このとき、レンズの光学中心Ｏを通る（光軸の高さの低い位置の）光Ｌａ１は、投光光軸Ｌｓに沿って投光される。そしてこの光Ｌａ１は、レンズに近い位置では同軸化される光束のほぼ外周を通って投光されて行く。一方、レンズの光学中心Ｏを通らない（光軸の高さの高い位置）光Ｌａ０およびＬａ２は、投光光軸Ｌｓに向かって出射され、投光光軸Ｌｓを交差し、その後、さらに広がるように投光されて行く。第２半導体レーザー５２１からの光Ｌｂ０、Ｌｂ１およびＬｂ２も光の曲げられる方向が逆であるが同様に投光されて行く。

第１半導体レーザー５１１および第２半導体レーザー５２１の光のうち、レンズの光学中心Ｏを通る（すなわち、光軸の高さが低い位置を通る）光Ｌａ１およびＬｂ１が、同軸化された光束の中で、投光光軸Ｌｓから最も離れた位置で進んでゆく。これらの光の成分は、光学中心Ｏを通り光が曲がらない範囲を通る分だけであるのでわずかである。一方、レンズの光学中心Ｏからずれた位置を通る（すなわち、光軸の高さが高い位置を通る）光Ｌａ０およびＬａ２、Ｌｂ０およびＬｂ２からなる光は、同軸化された光束の大部分を占める。

そして、この大部分を占めるＬａ０およびＬａ２と、Ｌｂ０およびＬｂ２からなる光束は、一時的に細くなって互いに交差し、その後広がって行く。したがって、このＬａ０およびＬａ２と、Ｌｂ０およびＬｂ２からなる光束の細くなっている部分に、同軸化ミラー５０３の開口部５３２が来るように配置することで、ケレラがなくなって（または少なくなって）、効果的に光強度を強くして投光させることができる。同軸化した後のレーザー光束は、ポリゴンミラー５３に反射して測定空間へ向けて走査、投光される。

上記（１）式のＭＬが、このＬａ０およびＬａ２と、Ｌｂ０およびＬｂ２からなる光束の細くなっている部分の範囲を示すのである。このように、本実施形態は、同軸化ミラー５０３の原点からの距離ＭＬを（１）式を満たすようにする（ＭＬ条件範囲）ことで、２つの半導体レーザー５１１および５２１からのレーザー光の強度を最適化することができ、期待通りの強さにすることができる。また、このことにより、走査された測定空間に存在する物体からの反射光の強度も強くなって、投受光の効率が高くなる。

ここで、同軸化ミラー５０３の原点からの距離ＭＬの実例を紹介する。半導体レーザーの径（光軸の高さ）ｈ＝０．３６ｍｍ、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、副走査方向視野角θ＝２°（ｔａｎθ＝０．０３４９２）、レンズ光学中心−投光光軸間距離Ｌ＝５ｍｍである。

これらの値を（１）式に当てはめると、（１）式の左辺＝２０．３０９１ｍｍ、右辺＝３０６．６７２ｍｍとなる。したがって、この例では、第２半導体レーザー５２１の出射面を原点０として、原点から２０．３０９１〜３０６．６７２ｍｍの間に同軸化ミラー５０３の第１主面５３１が来るように配置することで、同軸化されて投光される光束の光強度を強くすることができる。ちなみに、この例では、副走査方向視野角θ＝２°としているので、２つのレーザー光が投光光軸Ｌｓから互いに２°広がって行くことになるので、同軸化された光束は、副走査方向に合わせて４°の広がりのスポット光束として測定空間に向けて投光されることになる。

（開口部の大きさ）
同軸化ミラー５０３の開口部５３２の大きさを説明する（同軸化ミラーの第２例５０３２の場合も同様である）。開口部５３２において、副走査方向の大きさｈａは、レンズ光学中心−投光光軸間距離Ｌ以上、集光レンズの有効径（後述）以下とする。これにより同軸化された２つの半導体レーザー５１１および５２１から出射されたレーザー光が開口部５３２で損失することなく、また物体からの反射光（シグナル成分）の開口部５３２による損失も最小現に抑制することができる。このため開口部５３２の大きさｈａをこのような大きさとし、かつ、前述の同軸化ミラー５０３の位置を（１）式を満たすようにすることで、ＳＮが向上する。

なお、開口部５３２の主走査方向に対応する大きさＨｂは、１つの半導体レーザーの出射面から出るレーザー光の直径（主走査方向の径）以上であればよく特に限定されない。ただし、あまり大きくすると、他の部分から入ってくる迷走光などが受光系５０５に入ってしまうことがあるので、できるだけ小さい方が好ましい。

（光路長）
光路長について説明する。図３を参照して、第１半導体レーザー５１１の出射面から、同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの光路長をＬｄ１とする。第２半導体レーザー５２１の出射面から、同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの光路長をＬｄ２とする。Ｌｄ２は第２半導体レーザー５２１の出射面からプリズムミラー５１３までの光路長Ｌｄ２（１）と、プリズムミラー５１３から同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの光路長Ｌｄ２（２）を足し合わせた長さである。

本実施形態では、装置のいっそうの小型化のために光路長Ｌｄ１と、光路長Ｌｄ２とが異なるように配置している。そして、Ｌｄ２＞Ｌｄ１となっている。このように同軸化する複数のレーザー光において光路長が異なる場合、光路長の長い方の出射面を原点とする。これは、図９を使用して説明したとおり、レーザー光の大部分はレンズを通ることで投光光軸Ｌｓの方向へ曲げられ、一旦、投光光軸Ｌｓと交差した後、原点からの距離が長く（遠く）なるほど広がって行く。このため、原点を、同軸化ミラー５０３の第１主面５３１までの光路長が長い方に置くことで、同軸化ミラー５０３の配置として適した（１）式による同軸化ミラー５０３の原点からの距離ＭＬを得ることができる。

（受光系）
次に、受光系５０５について説明する。図２および図３を参照して、受光系５０５は、光を受光し、受光した光の強度に対応した電気信号を出力するフォトダイオード５５１と、同軸化ミラー５０３からの反射光をフォトダイオード５５１へ集光させる集光レンズ５５２とを有する。集光レンズ５５２は、集光光学素子であり、ここではレンズを示したが、そのほかにたとえば、リフレクター（反射板）を用いてもよい。

フォトダイオード５５１は受光素子であり、少なくとも１つ設けられている。複数のフォトダイオード５５１を設ける場合は、たとえば、２画素分以上となる複数のフォトダイオードを副走査方向に画素が並ぶように設置する。

集光レンズ５５２は、測定空間内に存在する物体からの反射光が、ポリゴンミラー５３を経て同軸化ミラー５０３から反射した光をフォトダイオード５５１へと集光させる。このため、複数のフォトダイオード５５１を設けた場合、集光レンズ５５２は、副走査方向の光をこれら複数のフォトダイオード５５１へ集光させる。このため集光レンズ５５２の副走査方向の直径のうち、複数のフォトダイオード５５１へ集光できる範囲を集光レンズ５５２の有効径とする。

（ライダーの動作）
次に、ライダーの動作を説明する。図１０はライダーの動作を説明するための説明図である。この図１０は、ライダー１０による測定空間内をポリゴンミラー５３の回転に応じてレーザースポット光束６００を走査、投光させる状態を示している。

既に説明したように、投光系５０１からの同軸化されたレーザー光束は、パルス状に投光され、回転するポリゴンミラー５３の第１ミラー面Ｍ１に入射する。その後、レーザー光束は、第１ミラー面Ｍ１で反射され、さらに第２ミラー面Ｍ２で反射した後、透明板５８を透過して外部の測定空間に向けて、たとえば、図１０に示すように、縦長の矩形断面を持つレーザースポット光束６００（ハッチングで示す）として走査投光される。このレーザースポット光束６００の縦長の形状が、既に説明した副走査方向視野角θに応じて得られるスポット光束である。

投光されたレーザースポット光束６００は、測定空間内に存在する物体６０１や６０２で反射し、反射光として戻ってくる。同軸化された投受光系では、投光されたレーザースポット光束６００の戻り光が検出される。図において物体６０１は車両であり、物体６０２は人である。もちろんこれら以外の建物や構造物なども物体として検知される。

ポリゴンミラー５３の対のミラーの組み合わせにおいて、既に説明したように、４対はポリゴンミラー回転軸５２に対する傾斜角が異なっている。同軸化されたレーザー光束（以下単にレーザー光束という）は、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、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の一番上の領域Ｌｎ１を水平方向に左から右へと走査される。次に、レーザー光束は、２番対の第３ミラー面Ｍ３と第４ミラー面Ｍ４で反射し、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の上から２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、レーザー光束は、３番対の第５ミラー面Ｍ５と第６ミラー面Ｍ６で反射し、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の上から１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、レーザー光束は、４番対の第７ミラー面Ｍ７と第８ミラー面Ｍ８で反射し、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の最も下の領域Ｌｎ４を水平方向に左から右へと走査される。

このようにしてライダー１０が測定可能な測定空間全体の１回の走査が完了する。この領域Ｌｎ１〜Ｌｎ４の走査により得られた画像を組み合わせて、１つのフレームＦＬが得られる。そして、ポリゴンミラー５３が１回転した後、再び１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２に戻り、以降は測定空間の一番上の領域Ｌｎ１から最も下の領域Ｌｎ４までの走査を繰り返し、次のフレームＦＬが得られる。

図１において、走査投光されたレーザー光のうち物体に当たって反射したレーザー光の一部は、再び透明板５８を透過して筐体５７内のポリゴンミラー５３の第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、さらに第１ミラー面Ｍ１で反射されて、受光系５０５へと導かれる。受光系５０５では、既に説明したとおり、フォトダイオード５５１で受光され、複数のフォトダイオード５５１がある場合は、それぞれの画素ごとに検知される。このとき、制御部１２が半導体レーザーの出射タイミングとフォトダイオード５５１の受光タイミングに基づいて物体までの距離を求める。より具体的には、たとえば、半導体レーザーからレーザー光が出射された時刻とフォトダイオード５５１が受光した時刻の時間差により、光源が設置されている位置、すなわち、ライダー１０の設置位置から物体までの距離が得られる。このような距離の求め方をＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と称している。これにより測定空間内の全領域で物体の検出を行って、画素ごとに距離の情報を持つ距離画像のフレームＦＬを得ることができる。なお、かかる距離画像は、不図示のネットワーク等を介して遠方のモニターに送信されて表示されたり、不揮発性メモリ１２４に記憶されたりする。また、得られた距離画像を背景差分法による物体検出のために背景画像データとして記憶してもよい。

本実施形態によれば以下の効果を奏する。

本実施形態によれば、２つの半導体レーザー５１１および５２１と、これらからの各レーザー光を通過または透過させる同軸化ミラー５０３の位置を（１）式を満たす位置（ＭＬ条件範囲）にすることで、２つの半導体レーザー５１１および５２１からのレーザー光の強度を最適化して、期待通りの強さにすることができる。

これまで、レーザー光源からの光路を合成する方法としては、偏光ビームスプリッター等の偏光素子やハーフミラーを使った方法が知られている。しかし、このような偏光素子やミラーを用いると、物体からの反射光量に差異が生まれるため、その後の処理が必要となり、光学ユニットが大きくなる。本実施形態では既に説明したように、同軸化ミラー５０３の位置を最適化するだけで、偏光素子やハーフミラーを使わずに行い投光系５０１における同軸化したレーザー光の強度を最適化することができる。また、同軸化ミラー５０３の位置だけでなく、開口部５３２や光透過部５３５の大きさを決めることで、ポリゴンミラー５３からの反射光も高効率にフォトダイオード５５１へ導くことができ、検知性能が向上する。

また、本実施形態では、投光系５０１をプリズムミラー５１３と、同軸化ミラー５０３、そして複数の半導体レーザーとそれぞれに対応したレンズ（コリメータレンズ）によって構成している。このため、偏光素子やハーフミラーを用いる場合より、簡易な構成にでき、投光されるレーザー光束を副走査方向に均一化することができる。また光学部品が少ない分、投光系５０１と受光系５０５の視野を一致させる場合に、発光タイミングやパルス幅、投光位置を合わせるための調整が容易になる。

また、本実施形態では、２つの光源で副走査方向に長いレーザースポット光束を得ることができるので、投光系５０１を構成する部品点数を抑えて低コスト化を図ることができる。またこれにより、少ない光源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。

また、同軸化ミラー５０３は、投光系５０１から投光された光が測定空間に存在する物体からの反射光である戻り光を受光系５０５の方向へ反射させる。受光系５０５においては、同軸化した際の副走査方向の視野角によって得られる長さに対応して複数のフォトダイオード５５１を配置することができる。

また、本実施形態では、複数の半導体レーザーのうち、一方のレーザー光はプリズムミラー５１３を用いて光路を折り曲げている。これにより、複数の半導体レーザーに付随する回路基板や支持体を配置する際の部品同士の干渉の問題を回避しやすくなる。また、複数の半導体レーザーの光軸を出射側で互いに平行な状態で近づけることができるので、投光側のサイズを副走査方向に関して圧縮でき、結果として受光開口を大きくできるので、検知距離を延ばすことができ、さらには装置サイズを小さくすることができる。

また、本実施形態のライダー１０は、上述した投受光ユニット１１を用いることで全体の装置構成を小型、軽量化し、しかも複数の半導体レーザーの光を期待通りにまとめて強くして出力することができるので、半導体レーザーが１個の場合と比べて、ライダー設置位置からより遠くの物体を検知し、測距することができる。

なお、実施形態では、半導体レーザー（レーザー光源）は２つの例を説明したが、半導体レーザーは、２つに限らず、さらに多くの数設けてもよい。

また、実施形態では、第２半導体レーザー５２１は、プリズムミラー５１３を用いて同軸化ミラー５０３の方向へ光路を折り曲げているが、プリズムミラー５１３を用いずに、２つの半導体レーザーのレーザー光を同軸化ミラー５０３の方向へ出射するようにしてもよい。さらにこの場合は、第２半導体レーザー５２１に対応する第２レンズ５２２もダイシングレンズとすることで、両者の光軸を近づけることができる。

また、実施形態では、走査ミラーであるポリゴンミラー５３は、回転方向に４対、計８面としたが、ミラーの数はいくつでもよい。また、２枚一対の形態に限定されない。

以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。そのほか、本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

本出願は、２０１８年２月２２日に出願された日本国特許出願番号２０１８−０２９９１８号に基づいており、その開示内容は、参照により全体として組み入れられている。

１１ 投受光ユニット、
１２ 制御部、
５０ 投受光部、
５３ ポリゴンミラー、
５７ 筐体、
５０１ 投光系、
５０３ 同軸化ミラー、
５０５ 受光系、
５１１ 第１半導体レーザー、
５１２ 第１レンズ、
５１３ プリズムミラー、
５２１ 第２半導体レーザー、
５２２ 第２レンズ、
５３１ 第１主面、
５３２ 開口部、
５３３ 基材、
５３４ 反射材、
５３５ 光透過部、
５５１ フォトダイオード、
５５２ 集光レンズ。

Claims (11)

1. 複数の光源、および複数の前記光源からの光をそれぞれ入射させる複数の投光レンズ、を有する投光系と、
   前記投光系から投光された光を反射させて測定空間へ向けて走査、投光し、物体に反射して戻ってきた戻り光を反射させる走査ミラーと、
   光を受光する受光素子、および前記走査ミラーで反射してきた前記戻り光を前記受光素子に集光させる集光光学素子を有する受光系と、
   反射材の存在しない領域、および該反射材が存在しない領域を囲む反射材の形成されている領域を有する第１主面が、前記走査ミラーの方を向いて配置され、前記投光系から投光された光を前記反射材が存在しない領域を経由して前記走査ミラーの方向へ通し、前記走査ミラーからの前記戻り光を前記反射材で前記受光系の方向へ反射させる同軸化ミラーと、
   を有し、
   前記光源の出射面から前記同軸化ミラーの第１主面までの距離をＭＬとした場合に、下記（１）式を満たすように前記同軸化ミラーを配置する、走査型光学系。
   ｆ＋ｈ／ｔａｎθ≦ＭＬ≦ｆ＋ｈ／ｔａｎθ＋２Ｌ／ｔａｎθ …（１）
   ただし、（１）式中、ｈは前記投光レンズの光学中心からレンズ外周方向への距離、ｆは前記投光レンズの焦点距離、Ｌは前記投光レンズの光学中心から複数の前記光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸までの距離、θは前記光源から出射された光の方向を前記投光レンズにより前記投光光軸方向へ向けるために前記投光光軸に対して傾ける角度である。
2. 複数の前記光源は、各前記光源の光軸がそれぞれの前記投光レンズの光学中心から、前記投光光軸から離れる方向にずらして配置されている、請求項１に記載の走査型光学系。
3. 前記走査ミラーが光を走査する方向を主走査方向、主走査方向に直交する方向を副走査方向として、
   前記同軸化ミラーの前記反射材の存在しない領域の副走査方向の大きさは、前記集光光学素子の有効径より小さく、前記投光レンズの光学中心から複数の前記光源の光を同軸化した後の光束の投光光軸までの距離Ｌより大きい、請求項１または２に記載の走査型光学系。
4. 前記受光素子は、副走査方向に沿う方向に複数配置され、複数の前記光源から出射される光は、複数の前記受光素子に対応するように副走査方向に沿う方向に長いスポット光束となるように投光される、請求項３に記載の走査型光学系。
5. 前記光源の出射面は、主走査方向より副走査方向に長い、請求項３または４に記載の走査型光学系。
6. 複数の前記投光レンズのうち、少なくとも一つは、前記光源から入射された光を投光するために必要な部分を残すように切り取ったダイシングレンズである、請求項１〜５のいずれか１つに記載の走査型光学系。
7. 複数の前記光源は、２つである、請求項１〜６のいずれか１つに記載の走査型光学系。
8. 複数の前記光源のうち、少なくとも一つは、出射された光の光路が光路変更素子により、前記同軸化ミラーの方向へ変えられる、請求項１〜７のいずれか１つに記載の走査型光学系。
9. 前記受光素子は、副走査方向に２画素分以上となるように複数を有する、請求項１〜８のいずれか１つに記載の走査型光学系。
10. 前記同軸化ミラーの前記反射材の存在しない領域は、開口部である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の走査型光学系。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の走査型光学系を備え、
    光源からの光の出射タイミングと、受光素子による光の受光タイミングに基づいて、光源が配置されている位置から物体までの距離を測定する、ライダー。