KR100271410B1 - 차량용 광레이더 장치 - Google Patents

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다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시
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Abstract

출사광을 수평 방향에 연속적으로 주사해서 실동 효율을 향상시킨 차량 용광 레이더 장치를 얻음. 발광 수단(30)에서의 출사광 L1 을 수평 방향에 주사하는 수단(40)과 출사광의 수직 방향의 확산각 α 을 설정하는 수단(44)을 포함하며 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 차량의 한 방향에 송광하는 수단과 발광 수단에 대해서 수평 방향에 소정의 상대 위치가 되게 유지되는 동시에 출사광에 의한 물체에서의 반사광 L2 을 수광하는 수단(60 내지 90)과 출사광이 발생되고 부터 반사광이 수광되기 까지의 지연 시간에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단고 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 송광 방향에 의거해서 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비하며 수평 주사 수단을 프리즘을 쓴 광학계를 포함하며 프리즘을 회전시키면서 출사광을 투과시키고 또한 굴절시킨다.

Description

차량용 광레이더 장치
본 발명은 수평 방향에 주사(走査)되어서 차량의 한 방향에 출사된 빛이 물체에 반사되어 되돌아오는 반사광을 수광해서 발광에서 수광까지의 시간하에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 동시에 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 주사각에서 물체의 방향을 검출하는 차량용 광 데이터 장치에 관하며 특히 거리 연산 처리의 실동 효율을 향상시킨 차량용 광 데이터 장치에 관한 것이다.
종래의 기술
종래부터 차량에서 주사된 광속을 출사하고 물체에서의 반사광에 의거해서 차량과 물체와의 거리 및 물체의 방향을 검출하는 차량용 광 레이더 장치는 잘 알려지고 있으며 차에 적재하는 차량 주변 감시 장치나 차간 거리 제어 장치 등에 널리 쓰이고 있다.
이 종류의 차량용 광 레이더 장치는 예컨대 특개평 5-113481 호 공보에 참조되듯이 소정각도로 진동하는 회전경을 써서 출사광을 수평 방향에 주사하는 것에 의해 사각(死角)을 적게 해서 광범위하게 대상 물체를 검출케 하고 있다.
일반으로 종래의 차량용 광 레이더 장치의 주사 수단으로서는 거울을 소정각도의 범위에서 회전시켜서 진동시키는 것이 쓰이고 있으며 또, 수광(受光)광학계로선 광각의 시야를 얻게 연구된 것은 특히 제안되고 있지 않으므로 종래의 주사 수단은 송광(送光)광학계 및 수광 광학계를 동시에 주사하게 되어 있다.
그러나 거울을 진동시키는 주사 수단을 쓴 경우에는 주사 수단이 주사 수단이 각 왕복 운동하므로 운동 방향이 전환하는 사점이 존재하게 되며 각운동(角運動)의 안정성을 크게 저하시키는 것으로 된다. 즉, 사점에서의 약동(躍動)이 충격적으로 되어서 진동을 발생시키므로 각속도가 불안정으로 된다.
또, 각왕복(角往復)운동의 왕로(往路)와 복로(復路)와 사이에서 각속도가 상이한 경우의 거리 측정 동작에 있어서 예컨대 왕로에서의 각 속도가 느리다고 가정하면 복로에 있어선 측정을 행하지 않으므로 고속 각속도에 의해 조기 귀환 동작을 행하게 하고 있다.
그러나, 일련의 거리 측정 동작중에 조기 귀환 시간이 존재한다는 것은 조기 귀환 시간이 측정 불가능한 훼손 시간이 된다는 것에서 1 주기의 시간이 제한된 경우에 측정 시간이 압박 단축되어서 각 속도가 빨라지므로 방위각의 가로 분해능의 저하에 직결한다는 레이더 성능으로서 치명적인 결함을 갖고 있다.
또한, 주사(走査)수단의 각 왕복 운동의 왕로와 복로와의 양 동작중에 거리 측정을 행하는 경우, 각 운동의 왕복간의 각 위치에 오차가 발생하면 예컨대 정지 대상물체를 검출하고 있는 경우에는 왕복간에서 검출 위치가 변화된다. 또, 이렇게 검출된 물체의 위치는 측정 동작의 1 주기마다 변화를 반복하므로서 성능의 못마땅함이 명확하게 표현되며 고정밀도로 위치 검출할 수 없게 된다.
한편, 차량용 광 레이더 장치의 수광 광학계에 있어서 일반으로 수광의 시야각은 광학계의 초점 거리와 수광 소자의 치수에 의해서 결정되는데 수광 소자로서 고감도인 아바란세 포토다이오드(이하, 「APD 라고 기술한다」로 기술한다)를 쓴 경우는 APD 소자의 물리적 특성에서 비교적 치수가 큰 APD 소자를 제조하는 것이 곤난하므로 소망의 시야각을 얻는 것은 불가능하다.
또, 상기와 같이 소광 광학계 및 수광 광학계를 동시에 주사하는 차량용 광 레이저 장치에 있어선 소망의 주사범위를 검출하는 것은 가능하지만 장치 전체의 구조가 대폭으로 복잡해진다.
예컨대, 송광경(送光鏡) 및 수광 광학계를 강체의 링크를 거쳐서 구성하고 이 링크를 캠에 의해서 왕복 각운동을 시키는 캠·링크 기구를 예로들면 링크의 지점을 구성하는 축, 축받이 및 와셔뿐 아니라 왕복 각운동의 사점의 직후에 발생하는 진동을 제진하기 위한 스프링 및 댐퍼를 설치할 필요가 있다.
또한, 주사 수단으로서 전방위 주사형(회전형)의 주사 수단을 쓴 경우에는 소망의 주사각도가 비교적 협소한 경우에 있어서 1 주기(360。)중의 실측 시간 보다 더 측정되지 않는 허실 시간쪽이 길어지며 실동 효율이 두드러지게 저하된다.
종래의 차량용 광 레이저 장치는 이상같이 거울을 진동시키는 각 왕복 운동 형식의 주사 수단을 쓰고 있으므로 각 왕복 운동에 의한 사점이 존재하게 되며 각 운동의 안정성을 크게 저하시킨다는 문제점이 있었다.
또, 주사 수단의 각왕복 운동의 복로에 있어서 측정이 실행되지 않는 허손 시간이 존재하는 경우에는 1 주기의 시간이 제한된 경우에 측정 시간이 압박 단축되므로 방위각의 가로 분해능의 저하를 초래한다는 문제점이 있었다.
또, 주사 수단의 각왕복 운동의 양방향 동작중에 거리 측정을 행하는 경우에는 왕복간의 각 위치에 오차가 발생하면 왕복간에서의 검출 위치가 변화하므로 고정밀도로 위치 검출할 수 없게 된다는 문제점이 있었다.
또, 수광 소자로서 고감도인 APD 소자를 쓴 경우에는 치수가 큰 APD 소자를 제조하는 것이 곤난하므로 소망의 시야각을 실현할 수 없다는 문제점이 있었다.
또, 역광학계 및 수광 광학계를 동시에 주사하고 소망 범위의 검출을 가능으로 한 경우에는 예컨대 부품 점수가 많은 캠·링크 기구를 쓸 필요가 있으므로 장치 전체의 구조가 대폭으로 복잡해진다는 문제점이 있었다.
또한, 주사 수단으로서 전방위 주사형(회전형)의 주사 수단을 쓴 경우에는 소망의 주사각도가 비교적 협소한 경우에 있어서 1 주기(360。)중의 실측 시간보다 측정되지 않는 허실시간쪽이 압도적으로 길어지며 실동 효율이두드러지게 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이뤄진 것이며 프리즘을 써서 수평 방향의 주사를 행하므로서 실동 효율(1 주사 시간 중에 차지하는 거리 측정 시간의 비율)을 향상시킨 차량용 광레이더 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 관한 차량용 광 레이더 장치는 차량에 탑재된 발광 수단과 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과, 출사광을 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며, 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 차량의 한 방향에 송광하는 송광 수단과, 발광 수단에 대해서 수평 방향에 소정의 상대 위치가 되게 유지되는 동시에 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사광 집광 수단을 포함하여, 반사광 집광 수단을 포함하며 반사광 집광 수단을 거쳐서 반사광을 수광하는 수광 수단과 출사광이 발생되고 부터 반사광이 수광되기 까지의 지연 시간에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단과 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 송광 방향에 의거해서 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비한 차량용 광레이더 장치에 있어서 수평 주사 수단은 프리즘을 쓴 광학계를 포함하며 프리즘을 회전시키면서 출사광을 투과시키고 또한 굴절시키므로서 출사광의 광속을 수평 방향에 연속적으로 주사하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 차량용 광 레이저 장치의 수평 주사 수단은 프리즘의 굴절각도를 결정하는 프리즘의 정각이 연속적으로 변화하는 나선형상을 갖는 것이다. 이것에 의해 출사광의 송광 광속은 연속적으로 수평 방향에 편향되어서 주사된다.
또, 본 발명에 관한 차량용 광레이더 장치는 차량에 탑재된 발광 수단과 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과 출사광을 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 차량의 한 방향에 송광하는 송광 수단과 발광 수단에 대해서 수평 방향에 소정의 상대 위치가 되게 유지되는 동시에 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사광 집광 수단을 포함하며, 반사광 집광 수단을 거쳐서 반사광을 수광하는 수광 수단과 출사광이 발생되고 부터 반사광이 수광되기 까지의 지연 시간에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단과 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 송광 방향에 의거해서, 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비한 차량용 광 레이더 장치에 있어서 수평 주사 수단은 연속적으로 변화하는 나선 형상의 반사면을 갖는 나선 반사 광학계를 포함하며 나선 반사 광학계를 회전시키면서 출사광을 반사시키므로서 출사광의 광속을 수평 방향에 연속적으로 주사 구사하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시의 형태 1 의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 2 는 본 발명의 실시의 형태 1 의 동작을 설명하기 위한 타이밍 챠트.
도 3 은 도 1 내의 송광(送光)수단의 광학적 구성을 도시하는 단면도.
도 4 는 도 1 내의 송광 수단 및 수광(受光)수단의 광학적 구성을 도시하는 단면도.
도 5 는 본 발명의 실시의 형태 1 에 의한 수평 주사 수단의 상세 구조를 도시하는 정면도.
도 6 은 본 발명의 실시의 형태 1 에 의한 수평 주사 수단의 상세 구조를 도시하는 측면도.
도 7 은 본 발명의 실시의 형태 1 에 의한 수평 주사 수단의 상세 구조를 도시하는 저면도.
도 8 은 도 4 내의 수광 광학계의 상세 구조를 도시하는 측면도.
도 9 는 본 발명의 실시의 형태 2 에 의한 수광 수단을 도시하는 측면도.
도 10 은 본 발명의 실시의 형태 4 에 의한 광학계의 요부를 도시하는 단면도.
도 11 은 도 10 내의 나선 반사 미러의 상세 구조를 도시하는 정면도.
도 12 는 도 10 내의 나선 반사 미러의 상세 구조를 도시하는 저면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 레이저 다이오드(LD) 20 : 메인기판
21 : 거리 연산부(거리 연산 수단) 22 : 작동기 구동 회로
23 : 위치 원점 검출 회로 30 : 발광 수단
33 : LD 구동 회로 40 : 수평 주사 수단
44 : 원통면 렌즈(팬 비임 광학계) 50 : 작동기
52 : 회전축 60 : 집광 렌즈(반사광 집광 수단)
70 : 렌즈 80 : 타원경(반사광 집광수단)
90 : 수광(受光)소자 91 : 수광 회로
170 : 고정 미러
180 : 나선 반사 미러(나선 반사 광학계)
D : 발광 신호 L1 : 출사광
L2 : 반사광 P : 위치 원점 검출 신호
Q1 : 망원경계 광학계의 주점(타원경의 초점)
Q2 : 타원경의 다른쪽의 초점 T : 주사 주기
Ts : 개시 시간 ΔTi : 지연 시간
y : 타원경의 광축 z : 망원경계 광학계의 광축
α : 확산각 β : 수평 주사각
γ : 시야각 θ1 : 정각(頂角)
θ2 : 굴절각
<실시의 형태 1>
이하, 본 발명의 실시의 형태 1 을 도면에 대해서 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시의 형태 1 의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 1 에 있어서 차량에 탑재된 광원 즉 레이저 다이오드(이하, 「LD」라 기술한다)(10)는 후술하는 광학계와 더불어 발광 수단 및 송광 수단을 구성하고 있으며 펄스열로 이루는 발광 신호 D 에 응답해서 펄스 구동되는 레이저 광을 출사광(L1)으로서 발생한다.
차량 탑재의 메인 기판(20)은 여러 가지 전자 부품 및 전기 부품을 탑재하고 있으며 메인기판(20)상의 각 요소를 제어하는 CPU(20A)와 차량과 대상물과의 거리를 연산하는 거리 연산부(21)를 구비하고 있다.
CPU(20A)와 협동해서 거리 연산 수단을 구성하는 거리 연산부(21)의 기능은 CPU(20A)에 포함되어도 좋다.
또, 메인 기판(20)은 작동기(50)를 구동하기 위한 작동기 구동 회로(22)와 출사광(L1)의 1 주사 주기 T 의 원점을 검출하는 포토다이오드(20)(이하, 「PHD」라 기술한다)와 PHD(120)에서의 검출 신호에 의해 위치 원점 검출 신호 P 를 생성하는 위치 원점 검출 회로(23)와 배터리(도시생략)에 의거하는 전원 전압을 메인 기판(20)내의 각 요소에 공급하는 전원 회로(23)와 LD(10)를 구동하기 위한 발광 신호 D 를 생성하는 LD 구동 회로(33)를 구비하고 있다.
또한, 메인 기판(20)은 거리 연산부(21)의 연산 결과를 외부의 CPU(도시생략)에 공급하기 위한 인터페이스 회로(이하, 「I/F」라 기술한다)(34)와 메인 기판(20)을 차량 탑재 배터리 및 다른 차량 탑재회로에 결합하기 위한 커넥터(200)를 커버하고 있다.
LD(10)는 발광 수단으로의 기능하며 수광 소자(90) 및 수광 회로(91)는 수광 수단으로서 기능한다. 작동기(50)는 수평 주사 수단으로서 기능하고 출사광(L1)의 송광 방향을 1 주사 주기 T 로 연속적으로 수평 주사한다.
수광 소자(90)는 출사광(L1)이 물체(도시생략)에서 반사되어서 되돌아오는 반사광(L2)을 검출하고 수광회로(91)를 거쳐서 메인기판(20)내의 CPU(20A)에 입력한다.
거리 연산부(21)는 CPU(20A)와 관련해서 거리 연산 수단으로서 기능하고 LD(10)가 출사광을 발생하고 부터 수광 수단이 반사광을 수광하기 까지의 지연 시간 ΔT 에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산한다.
CPU(20A)는 반사광(L2)에 얻어졌을 때의 출사광(L1)의 방향(주사 개시로부터의 경과 시간)에 의거해서 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 포함한다.
도 2 는 본 발명의 실시의 형태 1 의 동작을 설명하기 위한 타이밍 챠트이다.
도 2 에 있어서 위치 원점 검출 신호 P 는 PHD(120)에 의한 출사광(L1)의 검출 동작(후술한다)에 응답해서 1 주사 주기 T 마다 위치 원점 검출 회로(23)로부터 생성된다.
LD 구동 회로(33)로부터 생성되는 발광 신호 D 는 소정 주기의 연속적인 펄스열로 이루며 실선 파형이거리 측정에 실제로 쓰이는 펄스 신호이며 파선 파형은거리 측정에 쓰이지 않는 펄스 신호이다.
CPU(20A)는 발광 신호 D 의 펄스열중 위치 원점 검출 신호 P 의 생성 타이밍에서 개시 시간 TS 만큼 지연된 펄스로 소정수 K 개분의 펄스를 거리 측정에 유효한 발광 신호 D 로 인식하고 거리 연산에 쓰인다.
이하, CPU(20A)는 위치 원점 검출 신호 P 가 생성될 때마다 1 주사 주기 T 내에서 소정 펄스수 K 개의 발광 신호 D 를 거리 측정에 쓴다.
LD(10)에서의 출사광(L1)은 발광 신호 D 의 각 펄스에 동기한 파형으로 생성되며 거리 측정용의 K 펄스로 되는 출사광(L1)을 대응한 반사광(L2)은 출사광(L1)의 각 파형에서 각각 지연 시간 ΔT1, ΔT2, ΔT3, ..., ΔT1C 씩 지연된 타이밍으로 수광 소자(90)에 의해 수광된다.
여기에선 펄스 주기와 비교해서 매우 짧은 지연 시간 ΔT 을 보기 쉽게 하기 위해서 편의적으로 출사광(L1) 및 반사광(L2)의 주기를 확대 표시하고 있다.
다음에 도 2 를 참조하면서 본 발명의 실시의 형태 1 에 의한 거리 연산 동작의 원리에 대해서 설명한다.
우선, PHD(120)는 LD(10)가 발광하는 출사광(L1)을 1 주사 주기 T 마다의 타이밍으로 수광하고 위치 원점 검출 회로(23)는 PHD(120)의 검출 신호를 광전 변환 및 증폭해서 위치 원점 검출 신호 D 를 생성한다.
위치 원점 검출 신호 P 는 CPU(20A)에 입력되며 LD(10)에 대한 발광 신호 D 중의 거리 측정용의 펄스(실선 참조)를 인식 결정하기 위한 기준 신호로 된다.
LD(10)는 발광 신호 D 에 응답해서 출사광(L1)을 발생하고 수광 소자(90)는 출사광(L1)에 의거하는 반사광(L2)을 수광하고 수광 신호를 수광 회로(91)를 거쳐서 CPU(20A)에 입력한다.
CPU(20A) 및 거리 연산부(21)는 거리 측정용의 출사광(L1)의 발생 타이밍과 대상 물체에서 반사해온 반사광(L2)의 수광 타이밍과의 시간차인 지연 시간 ΔTi(i=1∼k)에 의거해서 이하의 (1)식에 의해서 물체의 거리 Ri(i=1∼k)를 산출한다.
Ri=C·△Ti/2 ... (1)
다만, (1)식에 있어서 C 는 광속이며 C=3×108[m/sec]이다.
또, 대상 물체의 방향은 위치 원점 기준 신호 P 에서 반사광(L2)의 수광 타이밍까지의 지연 시간(출사광(L1)의 주사 방향에 대응한다)을 계수하는 것에 의해서 검출된다.
도 3 은 도 1 내의 송광 수단의 광학계 구조를 도시하는 단면도, 도 4 는 도 1 내의 송광 수단 및 수광 수단의 광학계 구조를 도시하는 단면도이며 각 도면에 있어서 LD(10), 메인 기판(20), 작동기(50), 수광소자(90), 수광 회로(91), PHD(120), 출사광(L1) 및 반사광(L2)은 상술과 마찬가지인 것이다.
도 3 및 도 4 에 있어서 출사광(L1)의 확산각 α 은 수직 방향, 출사광(L1)의 주사범위 β 는 수평 방향을 도시하고 있다.
각 도면에 있어서 LD(10) 및 콜리메이트 렌즈를 포함하는 발광 수단(30), 수평 주사 수단(40), 원통면 렌즈(44), 작동기(50); 회전축(52) 및 PHD(120)는 출사광(L1)을 편향해서 송광하기 위한 송광 수단을 구성하고 있다.
또, 도 4 에 있어서 물체에서의 반사광(L2)을 집광하는 대물렌즈(60)와 대물렌즈(60)를 투과한 반사광(L2)을 발산시키는 렌즈(70)와, 대물렌즈(60)및 렌즈(70)의 주점(主点)을 한쪽의 초점과 개략 공유하는 위치에 배치된 타원경(80)과 타원경(80)의 다른쪽의 초점에 배치된 수광소자(90)로 되는 수광 광학계는 수광 회로(91)와 더불어 수광 수단을 구성하고 있다.
대물렌즈(60) 및 렌즈(70)는 수광 수단내의 망원경계 광학계를 구성하고 있다. 또, 대물렌즈(60), 렌즈(70) 및 타원경(80)은 반사광(L2)을 수광 소자(90)상의 초점에 수렴시키기 위한 반사광 집광 수단으로서 기능한다.
LD(10) 및 콜리미터 광학계를 포함하는 발광 수단(30)은 LD(10)에서의 출사광(L1)에 대해서 확산각을 제한하고 소망의 광속 특성을 부여하고 있다.
수광 수단은 송광 수단과 더불어 메인 기판(20)상에 탑재되고 있으며 특히, 수광 수단내의 대물렌즈(60)의 위치가 발광수단(30)에 대해서 수평 방향에 이간되어서 소정의 상대 위치 관계가 되게 유지되어 있다.
송광 수단내의 수평 주사 수단(40)은 프리즘을 쓴 광학계로 이루며 프리즘을 회전시키면서 발광 수단(30)에서의 출사광(L1)을 투과시키고 또한 굴절시키므로서 출사광(L1)의 광속을 수평 방향에 실선에서 파선까지의 β(도시참조)의 범위내에서 연속적으로 주사한다.
수평 주사 수단(40)은 작동기(50)의 회전축(52)에 직결되고 있으며 작동기(50)에 의해서 구동되는 회전축(52)과 협동해서 수직면내에서 회전(또는 회동)하므로서 발광수단(30)에서의 출사광(L1)의 광속을 수평 방향(β 참조)에 편향시켜서 주사한다.
수평 주사 수단(40)은 후술하듯이 회전축(52)을 포함하는 단면내에서 정각(θ1)이 연속적으로 변화하는 나선형상의 프리즘에 의해 구성되고 있다.
한편, 송광 수단내의 원통면 렌즈(44)는 출사광(L1)의 출사측에 배치된 팬비임 광학계를 구성하고 있으며 수평 주사 수단(40)을 거쳐서 편향된 출사광(L1)에 대해서 광속의 수직 방향의 확산각 α(도 3 참조)을 제한하고 또한 소망의 확산각 α 을 주사각 전역에서 생성한다.
또, 발광 수단(30)내의 콜리미터 렌즈는 출사광(L1)의 확산각 α 을 제한하고 있으며 원통면 렌즈(44)는 발광 수단(30)내의 콜리미터 렌즈와 더불어 출사광(L1)은 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각 설정 수단을 구성하고 있다.
이것에 의해서 송광 수단에서 송광되는 출사광(L1)의 광속은 수직 방향의 확산각 α(도 3 참조)을 갖는 팬 비임으로 되며 또한 수평 주사 수단(40)(프리즘)에 의해서 수평 방향에 β(도시참조)의 범위에서 편향되어서 차량 전방의 대상 물체로 향해서 송광된다.
LD(10)에서의 출사광(L1)은 발광 수단(30)내의 광학계를 투과한 후, 수평 주사 수단(40)내의 프리즘에 의해 수평 방향에 주사되며 원통면 렌즈(44)를 투과해서 송광되는데 이때 원통면 렌즈(44)의 입사면에 있어서 출사광(L1)의 일부가 반사되어서 PHD(120)에 수광된다.
원통면 렌즈(44)의 입사면에서 반사되는 출사광(L1)의 일부는 특히 도 4 내의 파선측에 수평 주사되었을 때 최대 레벨에서 PHD(120)에 수광된다.
원통면 렌즈(44)의 입사면에서 반사되는 출사광(L1)의 일부는 특히 도 4 내의 파선측에 수평 주사되었을 때 최대 레벨에서 PDH(120)에 수광된다.
이때, 위치 원점 검출 회로(23)는 PHD(120)의 검출 신호에 응답해서 주사 주기 T 마다의 원점 타이밍(파선 위치의 수평 주사타이밍)에서 위치 원점 기준 신호 P 를 생성하고 이것을 CPU(20A)에 입력한다.
CPU(20A)는 위치 원점 기준 신호 P 가 생성되고 부터 개시 시간 TS 만큼 경과한 후의 발광 신호 D 를 유효한 거리 측정용 펄스로서 발광 신호 D 중의 K 개의 유효 펄스에 대응한 출사광(L1)에 의한 반사광(L2)의 수광 신호를 들이며 지연 시간 ΔTi(i=1∼k)을 계측한다.
이때, 대상 물체에서의 반사광(L2)은 수광광학계 60 내지 80(도 4 참조)을 투과해서 수광소자(90)에 집광되며 수광 소자(90)에 의해 광전 변환되어서 수광 신호로 된다. 이 수광 신호는 수광 회로(91)에 의해 증폭된 후, CPU(20A)에 입력된다.
즉, 망원경계 광학계에 있어서 대물렌즈(60)는 개구측의 집광을 행하며 렌즈(70)는 발산을 행하므로서 대물렌즈(60)에서 집광한 광속을 비교적 가는 광속으로 발산시켜서 변배(變培)한다.
수광 광학계내의 타원경(80)은 망원경계 광학게(60) 및 (70)에 의해 집광된 반사광(L2)의 광속을 초점에 위치하는 수광 소자(90)에 수속(收束)시킨다.
수광소자(90)는 수속된 광속을 광전 변환하고 수광 회로(91)는 광전 변환된 수광 신호(전기량)을 증폭한다.
차량용 광레이더 장치의 커버를 형성하는 케이싱(100)은 출사광(L1) 및 반사광(L2)(예컨대 근적외선)의 파장을 투과시키는 분광 특성을 갖는 재료에 의해 구성되고 있다.
도 5 내지 도 7 은 프리즘으로 되는 수평 주사 수단(40)의 상세 구조를 도시하는 도면이며, 도 5 는 정면도, 도 6 은 도 5 내의 화살표(X6) 방향에서 본 측면도, 도 7 은 도 5 내의 화살표(X7) 방향에서 본 저면도이다.
도 5 내지 도 7 에 있어서 수평 주사 수단(40)의 굴절각도를 결정하는 프리즘의 정각(의형선)[θ1]은 회전축(52)의 회전에 따라서 연속적으로 변화하는 나선 형상을 갖고 있다. 즉, 수평 주사 수단(40)의 정각(θ1)은 회전축(52)을 지나는 단면내에 있어서 연속적으로 변화한다.
한편, 발광 수단(30)에서의 출사광(L1)의 수평 주사 수단(40)에 대한 상대적인 입사 위치는 수평 주사 수단(40)(프리즘)의 정각(θ1)의 변화에 상당하므로 출사광(L1)의 광 속의 굴절각(편향각)(θ2)은 정각(θ1)의 약 1/2 의 각도로 되며 회전축(52)의 회전에 의해서 연속적으로 변화한다.
이때 작동기(50)의 회전축(52)은 출사광(L1)의 광속과 더불어 수평이 되는 위치에 배치되고 있으므로 출사광(L1)에 대해서 수평 방향의 굴절각(θ2)이 발생하고 출사광(L1)이 수평 주사가 가능으로 된다.
여기에서 수평 주사 수단(40)(프리즘)의 굴절율을 n 로 하면 굴절각(θ2)은 프리즘의 정각(θ1)을 써서 이하의 (2)식같이 나타내어진다.
θ2=(n-1)·θ1 ...... (2)
이상의 수평 주사 수단(40)의 구성에 의해서 발광 수단(30)내의 콜리메이트 렌즈에 의해 발광 수단(30)의 출사광(L1)의 확산각 α 을 제한한 후, 수평 주사 수단(40)의 프리즘에 의해 수평 방향의 주사를 행할 수 있다.
이것에 의해 수평 주사 수단(40)에 입사된 광속은 프리즘의 정각(θ1)의 거의 1/2 의 각도(θ2)로 굴절되어서 수평 주사 수단(40)을 투과하므로 수평 주사 수단(40)을 투과시의 굴절각(θ2)을 수평 방향의 연속적인 주사각 β 에 이용할 수 있다.
즉, 출사광(L1)을 연속적으로 수평 방향에 주사할 수 있으므로 1 주사 동기 T 중의 개시 시간 TS 을 제외하는 대부분의 시간(거의 100%)을 거리 측정에 쓸 수 있고 실동 효율(1 주사 시간중에 차지하는 거리 측정 시간의 비율)을 두드러지게 향상시킬 수 있다.
도 8 은 도 4 내의 수광 광학계(60-80)의 상세 구조를 도시하는 측면도이며 개구측에서의 집광 작용을 행하는 대물렌즈(60)와 대물렌즈(60)로 수렴된 광속에 대해서 발산 작용을 행하는 렌즈(70)에 의해 망원경계 광학계가 구성되고 있으며 비교적 가는 광속의 생성이 가능해진다.
망원경계 광학계(60) 및 (70)는 초점거리가 비교적 길어지는 특성을 갖는다. 망원경계 광학계(60) 및 (70)의 초점(Q1)은 타원경(80)의 한쪽의 초점과 거의 공유하는 위치에 배치되고 있다. 또, 타원경(80)의 다른쪽의 초점(Q2)의 위치에는 수광소자(90)가 배열 설치되고 있다.
이때, 타원경(80)의 광축 y 은 초점(Q1)을 지나며 또한 망원경계 광학계(60) 및 (70)의 광축 z 과 교차하고 있으며 망원경계 광학계(60 및 70)의 광축 z 에 대해서 축이 벗어나는 구성을 갖고 있다.
이상의 수광 광학계의 구성에 의해서 대물렌즈(60)의 입사측에서 반사광(L2)에 시야각 γ 이 존재해도 시야각 γ 의 범위내에서 평행광으로서 수광 광학계에 입사되는 반사광(L2)의 광속은 파선으로 도시하듯이 수광소자(90)상의 초점(Q2)에 모두 수렴된다.
또, 망원경계 광학계(60) 및 (70)의 광축 z 에 대한 타원경(80)의 광축 y 축이 벗어나는 구성에 의해서 타원경(80)의 입사면 전역에 걸쳐서 입사광 속의 초점 Q2 으로의 수렴이 가능으로 되며 넓은 범위의 반사광(L2)을 검출할 수 있다.
또, 송광 수단의 출사측에 있어서 수직 방향의 확산각을 제한하는 원통면 렌즈(44)를 쓰는 것에 의해서 프리즘을 투과후의 축사광(L1)의 광속을 수직 방향에 대해서만 확산각 α 을 제한할 수 있으며 출사광(L1)으로의 수평 주사 범위 β 의 전역에 걸쳐서 소망의 확산각 α 을 갖는 팬 비임을 생성할 수 있다. 따라서 검출 대상이 되는 물체의 크기에 따라서 출사광(L1)의 확산각 α 을 임의로 설정할 수 있다.
또, 수평 방향의 회전축(52)을 갖는 작동기(50)에 의해서 수평 주사 수단(40)을 수직면내에서 한 방향에 회전시키고 출사광(L1)이 나선형상의 정각(θ1)을 갖는 프리즘내를 연속적으로 투과 또는 굴절케 했으므로 정각(θ1)에 비례한 수평 방향의 광속의 편향각(θ2)을 발생시킬 수 있고 소망의 주사가 β 을 임의로 설정할 수 있다.
즉, 프리즘을 회전축(52)의 주위에 회전시키면서 발광 수단(30)에서의 출사광(L1)을 나선면에 입사시키므로서 회전각에 비례한 프리즘의 정각(θ1)의 변화가 프리즘 투과후의 편향각(θ2)을 연속적으로 변화시키게 되므로 축사광(11)을 수평 방향에 왕복 주사(β 참조)시킬 수 있다.
특히, 나선형상의 프리즘을 사용하므로서 연속적인 팬비임으로 이루는 출사광(L1)이 효율있게 얻어지며 부품 점수의 증대도 억제할 수 있다.
또한, 수광 수단으로서 시야각 γ 이 수광 소자(90)의 치수에 의존하지 않는 망원경계 광학계(60) 및 (70)에서의 광속을 수렴시키고 1 점에 집광하는 타원경(80)을 쓰는 동시에 주점(Q1)과 타원경(80)의 한쪽의 초점을 거의 공유시키고 또한 타원경(80)의 다른쪽의 초점(Q2)에 수광 소자(90)를 배치했으므로 넓은 시야각 γ 에 대해서 반사광(L2)을 검출할 수 있다.
<실시의 형태 2>
또한, 상기 실시의 형태(1)에선 볼록 렌즈로 이루는 대물렌즈(60)와 오목 렌즈로 이루는 렌즈(70)와의 조합에 의해 망원경계 광학계를 구성했는데 오목면경과 볼록면경과의 조합, 또는 렌즈와 거울과의 조합에 의해 망원경계 광학계를 구성해도 좋다.
도 9 는 예컨대 복수의 거울에 의해서 망원경계 광학계를 구성한 본 발명의 실시의 형태(2)의 수광 수단을 도시하는 측면도이다.
도 9 에 있어서 반사광(L2), 주점(Q1), 시야각 γ, 타원경(80), 수광소자(90) 및 타원경(80)의 광축 y 은 상술과 마찬가지의 것이다.
이 경우, 수광 광학계내의 망원경계 광학계는 개구측에서 반사광(L2)의 수렴 작용을 행하는 주경(主鏡,140)과 주경(140)으로 수렴된 반사광(L2)에 대해서 발산 작용을 행하는 부경(副鏡,150)에 의해 구성되고 있다. 다른 구성 및 상호의 배치 관계는 상술과 마찬가지이며 여기에선 특히 설명하지 않는다.
도 9 의 구성에 있어서도 시야각 γ 내의 반사광(L2)을 수광 소자(90)상에 위치하는 타원경(80)의 초점(Q2)에 수렴시킬 수 있고 상술과 동등한 작용 효과를 나타낸다.
실시의 형태 3
또한, 상기의 실시의 형태 1 및 2 에선 수광 수단내에 비교적 초점이 긴 망원경계 광학계를 두었는데 초점을 갖지 않는 무초점계 광학계를 두어도 좋다.
이 경우, 무초점계 광학계를 통과한 반사광(L2)이 평행광속으로 해서 타원경(80)에 입사되는 점을 제외하면 무초점계 광학계 그 자체의 구성은 도 3 내지 도 9 와 동일하므로 여기에선 도시하지 않는다.
이같이 수광 수단내에 무초점계 광학계를 써도 시야각 γ 의 범위내에서 입사되는 반사광(L2)을 타원경(80)을 거쳐서 초점(Q2)에 수렴시킬 수 있고 상술과 마찬가지의 작용효과를 나타냄은 물론이다.
<실시의 형태 4>
또한, 상기 각 실시의 형태 1 내지 4 에선 수평 주사 수단으로서 출사광을 투과 및 굴절시키는 프리즘을 썼는데 나선 형상의 반사면을 갖는 나선 반사광학계를 써도 좋다.
도 10 은 수평 주사 수단으로서 나선 반사 광학계를 쓴 이 발생의 실시의 형태(5)에 의한 광학계의 요부를 도시하는 단면도이며 도 11 및 도 10 내의 나선 반사 미러(나선 반사 광학계)(180)의 구체적 형상을 도시하는 도면이다.
도 11 은 나선 반사 미러(180)의 정면도, 도 12 는 도 11 내의 화살표 (X12) 방향에서 본 저면도이다.
도 10-도 12 에 있어서 LD(10), 메인 기판(20), 발광 수단(30), 원통면 렌즈(44), 작동기(50), 회전축(52), 대물렌즈(60), 렌즈(70), 타원경(80), 수광 소자(90), 수광 회로(91), 케이싱(100), 출사광(L1), 반사광(L2), 정각(θ1) 및 수평 주사 범위 β 는 상술과 마찬가지의 것이다. 또한, 도시생략의 구성 및 사호의 배치관계 등은 상술과 마찬가지이므로 여기에선 특히 설명하지 않는다.
이 경우, 송광 수단내의 수평 주사 수단은 발광 수단(30)에서의 출사광(L1)을 나선 반사 미러(180)(나선 반사 광학계)의 반사면에 돌리기 위한 고정 미러(170)와 연속적으로 변화하는 나선 형상의 반사면을 갖는 나선 반사 미러(180)와 출사광(L1)의 광축 방향에 회전축(52)을 갖는 작동기(50)를 포함하며 나선 반사 미러(180)를 회전시키면서 출사광(L1)을 반사시키므로서 출사광(L1)의 광속을 수평 방향(β 참조)에 연속적으로 주사하게 되어 있다.
나선 반사 미러(180)의 나선 반사면은 정각(θ1)이 나선형상의 프리즘(상술의 수평실사 수단(40)과 마찬가지)에 대해서 반사막은 피복하므로서 구성되며 이 나사면에 발광 수단(30)에서의 출사광(L1)이 고정 미러(170)를 거쳐서 입사되게 되어 있다. 이것에 의해 나선 반사 미러(180)의 부품으로서 수평 주사 수단(40)과 공용하게 된다.
나선 반사 미러(180)로 반사된 출사광(L1)은 원통면 렌즈(44)를 거쳐서 팬 비임으로 되어 송광된다.
도 10 내지 도 12 의 구성에 있어서도 나선 반사 미러(180)를 회전시키는 것에 의해서 반사면의 정각(θ1)의 변화가 출사광(L1)의 입사각 및 반사각을 변화시키므로 상술과 마찬가지로 출사광(L1)의 수평 방향의 왕복 주사(β 참조)가 가능으로 된다. 따라서 소정의 확산각 α(도 3 참조)을 갖는 팬 비임으로 되는 출사광(L1)을 수평 방향에 연속적으로 왕복 주사(β 참조)할 수 있고 상술과 마찬가지의 작용 효과를 나타낸다.
이상과 같이 본 발명의 제 1 항에 의하면 차량에 탑재된 발광 수단과 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과 출사광을 수직 방향에 확산하기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 차량의 한 방향에 송광하는 송광 수단과 발광 수단에 대해서 수평 방향에 소정의 상대 위치로 되게 유지되는 동시에 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사광 집광 수단을 포함하며 반사광 집광 수단을 거쳐서 반사광을 수광하는 수광 수단과 출사광이 발생되고나서 반사광이 수광되기 까지의 지연시간에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단과 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 역광 방향에 의거해서 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비한 차량용 광 레이더 장치에 있어서 수평 주사 수단은 프리즘을 쓴 광학계를 포함하며 프리즘을 회전시키면서 출사광을 투과시키고 또한 굴절시키므로서 출사광의 광속을 수평 방향에 연속적으로 주사케 했으므로 실동 효율을 향상시킨 차량용 광레이더 장치가 얻어지는 효과가 있다.
또, 본 발명의 제 2 항에 의하면 제 1 항에 있어서 프리즘의 굴절각도를 결정하는 프리즘의 정각이 연속적으로 변화하는 나선 형상을 가지며 출사광의 송광광속이 연속적으로 수평 방향에 편향되어서 주사되게 했으므로 실동 효율을 향상시킨 차량용 광레이더 장치가 얻어지는 효과가 있다.
또, 본 발명에 제 3 항에 의하면 차량에 탑재된 발광수단과 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과 출사광을 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 차량의 한 방햐에 송광하는 송광 수단과 발광 수단에 대해서 수평 방햐에 소정의 상대 위치가 되게 유지되는 동시에 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사광 집광 수단을 포함하며 반사광 집광수단을 거쳐서 반사광을 수광하는 수광 수단과 출사광이 발생되고 나서 반사광이 수광되기 까지의 지연 시간에 의거해서 차량에서 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단과 반사광이 얻어졌을 때의 출사광의 송광 방향에 의거해서 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비한 차량용 레이더 장치에 있어서 수평 주사 수단은 연속적으로 변화하는 나선 형상의 반사면을 갖는 나선 반사광학계를 포함하며 나선광학계를 회전시키면서 출사공을 반사시키므로서 출사광의 광속을 수평 방향에 연속적으로 주사케 했으므로 실동효율을 향상시킨 차량용 광레이더 장치가 얻어지는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 차량에 탑재된 발광 수단과 상기 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과 상기 출사광을 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며 상기 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 상기 차량의 한 방향에 송광하는 송광 수단과,
    상기 발광 수단에 대해서 수평 방향에 소정의 상대 위치가 되게 유지되는 동시에 상기 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사 집광수단을 포함하며 상기 반사광 집광수단을 거쳐서 상기 반사광을 수광하는 수광 수단과,
    상기 출사광이 발생되고부터 상기 반사광이 수광되기 까지의 지연 시간에 의거해서 상기 차량에서 상기 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산 수단과,
    상기 반사광이 얻어졌을 때의 상기 출사광의 송광 방향에 의거해서 상기 물체의 방향을 검출하는 방향 검출 수단을 구비한 차량용 광레이더 장치에 있어서,
    상기 수평 주사 수단은 프리즘을 쓴 광학계를 포함하며 상기 프리즘을 회전시키면서 상기 출사광을 투과시키고 또한 굴절시키므로서 상기 출사광의 광속을 수평 방향에 연속적으로 주사하는 것을 특징으로 하는 차량용 광레이더 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프리즘의 굴절각도를 결정하는 상기 프리즘의 정각은 연속적으로 변화하는 나선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 광레이더 장치.
  3. 차량에 탑재된 발광 수단과 상기 발광 수단에서의 출사광을 수평 방향에 주사하는 수평 주사 수단과 상기 출사광을 수직 방향에 확산시키기 위한 확산각을 설정하는 확산각 설정 수단을 포함하며 상기 발광 수단에서의 출사광을 편향해서 상기 차량의 한방향에 송광하는 송광 수단과,
    상기 발광 수단에 대해서 수평방향에 소정의 상대위치가 되게 유지되는 동시에 상기 출사광에 의한 물체에서의 반사광을 집광하는 반사 집광수단을 포함하며 상기 반사광 집광수단을 거쳐서 상기 반사광을 수광하는 수광수단과,
    상기 출사광이 발생되고 부터 상기 반사광이 수광되기 까지의 지연시간에 의거해서 상기 차량에서 상기 물체까지의 거리를 연산하는 거리 연산수단과,
    상기 반사광이 얻어졌을 때의 상기 출사광의 송광방향에 의거해서 상기 물체의 방향을 검출하는 방향 검출수단을 구비한 차량용 레이더 장치에 있어서,
    상기 수평 주사 수단은 연속적으로 변화하는 나선형상의 반사면을 갖는 나선 반사 광학계를 포함하며 상기 나선 반사 광학계를 회전시키면서 상기 출사광을 반사 시키므로서 상기 출사광의 광속을 수평방향에 주사하는 것을 특징으로하는 차량용 광레이더 장치.
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