WO2017018152A1

WO2017018152A1 - 投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置

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Publication number: WO2017018152A1
Application number: PCT/JP2016/070099
Authority: WO
Inventors: 亮太石川
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US20180224530A1; US10802115B2; JPWO2017018152A1; EP3312628A4; EP3312628A1; JP6575596B2

Abstract

光源は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する。受光部は、反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面を含む表面を有する。光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く。

Description

投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置

　本発明は、アバランシェフォトダイオードを受光部とする投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置に関する。

　走査装置を備えるレーザーレーダー装置は、走査装置によって走査されたレーザー光を用いて物体を検知するので、走査方向において、測定範囲を広くできる。このレーザーレーダー装置は、現在、様々な分野で応用されており、例えば、自動車等の移動体と障害物との衝突防止を目的として、障害物を検知できるようにするために、移動体に搭載される。

　上記レーザーレーダー装置として、特許文献１は、回転する偏向部によって偏向されたパルスレーザー光を用いて、検知した物体の距離を測定する技術を開示している。

　レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有するレーザー光を出射するレーザーダイオードがある。このレーザーダイオードを、走査装置を備えるレーザーレーダー装置に用いれば、レーザー光の細長形状が延びる方向を走査方向と直交させて、レーザー光を走査方向に走査させることができる。これにより、細長形状が延びる方向において、測定領域を広げることができる。

　レーザーレーダー装置の測定距離を長くするには、測定領域からの反射光の強度が大きくなるようにしたり、反射光に含まれるノイズが小さくなるようにしたり、受光部の感度を高くしたりすればよい。アバランシェフォトダイオードは、高感度、かつ、低コストなので、受光部として、アバランシェフォトダイオードが用いられることがある。

　複数のアバランシェフォトダイオードが一列に並べられて半導体基板に形成された構造を有する受光部（ＡＰＤアレイ）がある。レーザー光の細長形状が延びる方向と複数のアバランシェフォトダイオードが並ぶ方向（複数の受光面が並ぶ方向）とが一致するように、受光部を配置すれば、視野角を広げ、かつ、分解能を向上させることができる。

　反射光の光束が受光面に位置しているとき、受光部は、その光束を受光できる。しかし、反射光の光束が、隣り合う受光面の間の領域に位置しているだけで受光面に位置していないとき、受光部は、その光束を受光できない。この場合、光束で示される像を検知できない（情報の欠落の発生）。隣り合う受光面の間隔を小さくすれば、情報の欠落を防ぐことが可能であるが、ＡＰＤアレイでは、アバランシェフォトダイオードの性質上、隣り合う受光面の間隔を小さくすることが難しい。例えば、０．１ｍｍ程度の間隔が必要とされることが多い。

特開２０１０－１９０７５９号公報（段落００３１、段落００５５～００５８）

　本発明は、複数のアバランシェフォトダイオードを備え、そのダイオードの受光面が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部において、隣り合う受光面の間隔を小さくすることなく、反射光を受光できる能力を向上させることができる投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成する本発明の一局面に係る投受光装置は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える。

　上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

本実施形態に係るレーザーレーダー装置の構成を示すブロック図である。レーザー部がレーザー光を出射している状態を示す模式図である。受光部の平面図である。本実施形態に係るレーザーレーダー装置の外観を示す斜視図である。レーザーレーダー装置からのレーザー光が、測定領域を照射している様子を説明する説明図である。第１比較例において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。第２比較例において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。本実施形態において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。本実施形態に備えられる光学系の第１態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。本実施形態に備えられる光学系の第２態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。本実施形態に備えられる光学系の第３態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。本実施形態に備えられる光学系の第４態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。アナモフィックレンズの焦点位置を受光部の表面に合わせたとき、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を示す模式図である。本実施形態の変形例に備えられる光学系において、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を示す模式図である。光束のｙ方向（受光面が並ぶ方向）のサイズについて、下限値と上限値とを説明する説明図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。各図において、同一符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その構成について、既に説明している内容については、その説明を省略する。

　図１は、本実施形態に係るレーザーレーダー装置１の構成を示すブロック図である。レーザーレーダー装置１は、レーザー部２、コントローラー３、コリメーターレンズ４、走査部５、モーターコントローラー６、光学系７及び受光部８を備える。

　レーザー部２から説明する。図２は、レーザー部２がレーザー光１０を出射している状態を示す模式図である。ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向で規定される３次元空間において、ｚ方向をレーザー光１０の進行方向とする。

　レーザー部２は、光源の一例であり、パルス状のレーザー光１０を発光する発光部２０を備える半導体レーザーである。発光部２０の正面（すなわち、発光面）は、ｘ方向を短辺、ｙ方向を長辺とする細長い矩形形状を有する。従って、レーザー光１０の進行方向から見て、レーザー光１０は、ｙ方向に沿った細長形状を有する。なお、シングルモードの半導体レーザーを複数用いて、又は、ファイバーレーザーを複数用いて、ｘ方向を短辺、ｙ方向を長辺とする細長い矩形形状を有するレーザー光１０を形成してもよい。

　図１を参照して、コントローラー３は、レーザーレーダー装置１の動作全体を制御し、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、及び、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）ドライバー等により構成される。ＬＤドライバーは、レーザー部２を駆動させるドライバー回路である。コントローラー３は、機能ブロックとして、出射制御部３０を備える。

　出射制御部３０は、レーザー部２にレーザー光１０を出射させる制御を周期的（例えば、１６．７μｓ）に繰り返す。レーザー光１０の出射は、周期的に限定されず、間欠的であればよい。

　コリメーターレンズ４は、レーザー部２から周期的に出射されたレーザー光１０をコリメートして平行光にする。コリメーターレンズ４でコリメートされたレーザー光１０は、走査部５に送られる。

　走査部５は、図２に示すｙ方向に沿って細長形状を有するレーザー光１０を、走査方向に沿って走査する光学装置である。走査方向は、ｘ方向である。本実施形態では、走査部５として、ポリゴンミラー５０及びポリゴンミラー５０を回転させるモーター５１を例にして説明する。走査部５は、これに限定されず、ガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等を用いることもできる。

　モーターコントローラー６は、コントローラー３の指令により、モーター５１を制御し、ポリゴンミラー５０の回転を制御する。

　ポリゴンミラー５０で走査されたレーザー光１０は、レーザー光１０の進行方向から見て断面が細長形状を有する状態で測定領域Ｒに照射される。レーザー光１０を走査方向（ｘ方向）に沿って走査して、測定領域Ｒにレーザー光１０を照射するので、測定領域Ｒを走査方向に広げることができる。レーザー光１０が測定領域Ｒに照射されることにより生じる反射光１１は、ポリゴンミラー５０に入射し、ポリゴンミラー５０で反射されて光学系７で受光される。光学系７は、受光した反射光１１を、受光部８へ導く。

　図３は、受光部８の平面図である。受光部８は、半導体基板と、半導体基板に形成された４つのアバランシェフォトダイオード８１と、を備える。本実施形態では、４つのアバランシェフォトダイオード８１を例にして説明するが、アバランシェフォトダイオード８１の数は、複数であればよい。

　４つのアバランシェフォトダイオード８１は、それぞれ、反射光１１を受光する受光面８２を有する。４つのアバランシェフォトダイオード８１は、所定の間隔を設けて、一列に並べて半導体基板に形成されているので、４つの受光面８２が、所定の間隔を設けて、一列に並べて配置されている。間隔が一定でもよいし、一定でなくてもよい（例えば、間隔がランダムでもよい）。受光部８の表面８０は、４つの受光面８２及び隣り合う受光面８２の間の領域８３を含む。受光面８２が並ぶ方向をｙ方向（反射光１１の細長形状が延びる方向）にして、受光部８が配置されている。

　図４は、本実施形態に係るレーザーレーダー装置１の外観を示す斜視図である。レーザーレーダー装置１は、図１に示すレーザー部２、コントローラー３、コリメーターレンズ４、走査部５、モーターコントローラー６、光学系７及び受光部８を収容するハウジング９を備える。ハウジング９は、有底半円筒状の下部部材９０と、下部部材９０の上部に連結され有蓋半円錐台状の上部部材９１とを備える。上部部材９１における斜曲面状の側面が開口されており、その開口に窓部９２が設けられている。

　ポリゴンミラー５０で走査されたレーザー光１０は、窓部９２を透過して、測定領域Ｒに向けて出射される。図５は、レーザーレーダー装置１からのレーザー光１０が、測定領域Ｒを照射している様子を説明する説明図である。測定領域Ｒで反射された反射光１１は、窓部９２を透過し、ポリゴンミラー５０及び光学系７を介して、受光部８で受光される。

　図３を参照して、受光面８２が並ぶ方向（ｙ方向）及び反射光１１の進行方向（ｚ方向）の両方と直交する方向を直交方向（ｘ方向）としたとき、光学系７は、受光面８２が並ぶ方向の焦点位置を受光部８の表面８０の前方又は後方に合わせ、かつ、直交方向の焦点位置を表面８０に合わせて、反射光１１を受光部８に導く。これについて、第１比較例及び第２比較例と比較して説明する。

　図６は、第１比較例において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。反射光１１は、図１に示す測定領域Ｒで反射されたレーザー光１０である。反射光１１は、図１に示すポリゴンミラー５０に入射し、ポリゴンミラー５０で反射されて光学系７に送られる。ＡＸは、光軸を示している。これらは、図７～図１２についても言えることである。

　第１比較例の光学系７は、受光レンズである。受光レンズは、ｙ方向の焦点位置１３ａ及びｘ方向の焦点位置１３ｂを、受光部８の表面８０に合わせている。このため、表面８０において、光束１２の径が小さくなるので、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する光束１２を受光面８２で受光できない。

　図７は、第２比較例において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。第２比較例の光学系７は、受光レンズである。受光レンズは、ｙ方向の焦点位置１３ａ及びｘ方向の焦点位置１３ｂを、受光部８の表面８０の前方に合わせている。これにより、表面８０において、光束１２の径が大きくなるので、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する光束１２を、受光面８２にまで届かせることができる。

　このように、反射光１１の進行方向から見て、焦点位置１３ａ，１３ｂが、受光部８の表面８０の前方（又は後方）に移動したとき、すなわち、デフォーカスしたとき、表面８０に入射する反射光１１の光束１２の径が大きくなる。これにより、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する反射光１１の光束１２を、受光面８２にまで届かせることができ、その光束１２を受光面８２で検知できる。

　しかし、単にデフォーカスするだけでは、ｘ方向にも反射光１１の光束１２の径が大きくなる。ｘ方向には、受光面８２が並んでいないので、反射光１１の一部は、受光面８２で受光されないことになる。これにより、受光面８２で受光される光量が低下し、ＳＮ比が低下する。

　図８は、本実施形態において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。光学系７は、ｙ方向（受光面８２が並ぶ方向）の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０の前方（又は後方）に合わせ、かつ、ｘ方向（直交方向）の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０に合わせて、反射光１１を受光部８に導く機能を有する。これにより、受光部８の表面８０での反射光１１の光束１２について、ｙ方向のサイズをｘ方向のサイズより大きくすることができる（言い換えれば、反射光１１の光束１２を、ｙ方向が長軸となり、ｘ方向が短軸となる楕円形状にすることができる）。

　本実施形態に備えられる光学系７によれば、ｙ方向の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０の前方（又は後方）に合わせているので、受光部８の表面８０での反射光１１の光束１２について、ｙ方向のサイズを大きくできる。これに対して、ｘ方向の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０に合わせているので、受光部８の表面８０での反射光１１の光束１２について、ｘ方向のサイズを大きくしないようにできる。

　このように、本実施形態に備えられる光学系７によれば、受光部８の表面８０での反射光１１の光束１２は、ｙ方向のサイズが大きくなるので、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する光束１２を受光面８２にまで届かせることができる。

　受光部８の表面８０上において、反射光１１の光束１２は、ｘ方向のサイズが大きくなれば、ｘ方向において、光束１２は受光面８２を越えてしまう。受光面８２を大きくすれば、光束１２は受光面８２を越えることがなく、受光面８２で受光できる。しかし、受光面８２を大きくすることにより、受光視野が広がるので、ノイズが多くなり、その結果、Ｓ／Ｎ比が低下する。そこで、受光部８の表面８０上において、反射光１１の光束１２は、ｘ方向のサイズを大きくしないようにする。

　以上のように、本実施形態によれば、複数のアバランシェフォトダイオード８１を備え、アバランシェフォトダイオード８１の受光面８２が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部８において、隣り合う受光面８２の間隔を小さくすることなく、反射光１１を受光できる能力を向上させることができる。

　本実施形態に備えられる光学系７として、以下の第１態様から第４の態様がある。図９は、本実施形態に備えられる光学系７の第１態様において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。光学系７は、受光レンズ７０と光学素子７１とを備える。

　受光レンズ７０は、反射光１１を受け、受光部８に集光させる円形レンズである。受光レンズ７０は、ｙ方向の焦点位置１３ａ及びｘ方向の焦点位置１３ｂを、受光部８の表面８０に合わせており、反射光１１を受光して受光部８に導いている。

　光学素子７１は、ｚ方向（反射光１１の進行方向）から見て、受光レンズ７０の前方に配置され、反射光１１を透過させ、ｙ方向にのみ正のパワー（光学的パワーとも言う）を有する。パワーとは、焦点距離の逆数である。

　光学素子７１は、例えば、シリンダーレンズや回折格子である。光学素子７１を、受光レンズ７０の後方に配置してもよい。これらについては、第２態様、第３態様及び第４態様についても言えることである。

　光学系７の第１態様に備えられる光学素子７１は、反射光１１を透過させ、ｙ方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系７のｘ方向の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０に合わせた状態で、光学系７のｙ方向の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０から表面８０の前方に移すことができる（言い換えれば、ｙ方向だけをデフォーカスし、ｘ方向をデフォーカスしない）。

　図１０は、本実施形態に備えられる光学系７の第２態様において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。光学系７は、受光レンズ７０と光学素子７１とを備える。第２態様が第１態様と異なる点は、以下の通りである。第１態様では、反射光１１を透過させ、ｙ方向にのみ正のパワーを有する光学素子７１を用いている。これに対して、第２態様では、反射光１１を透過させ、ｙ方向にのみ負のパワーを有する光学素子７１を用いている。

　光学系７の第２態様に備えられる光学素子７１は、反射光１１を透過させ、ｙ方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系７のｘ方向の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０に合わせた状態で、光学系７のｙ方向の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０から表面８０の後方に移すことができる（言い換えれば、ｙ方向だけをデフォーカスし、ｘ方向をデフォーカスしない）。

　図１１は、本実施形態に備えられる光学系７の第３態様において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。光学系７は、受光レンズ７０と光学素子７１とを備える。

　受光レンズ７０は、反射光１１を受け、受光部８に集光させる円形レンズである。受光レンズ７０は、ｙ方向の焦点位置１３ａ及びｘ方向の焦点位置１３ｂを、受光部８の表面８０の後方に合わせており、反射光１１を受光して受光部８に導いている。

　光学素子７１は、ｚ方向（反射光１１の進行方向）から見て、受光レンズ７０の前方に配置され、反射光１１を透過させ、ｘ方向にのみ正のパワーを有する。

　光学系７の第３態様に備えられる光学素子７１は、反射光１１を透過させ、ｘ方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系７のｙ方向の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０の後方に合わせた状態で、光学系７のｘ方向の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０の後方から表面８０に移すことができる（言い換えれば、ｙ方向だけをデフォーカスし、ｘ方向をデフォーカスしない）。

　図１２は、本実施形態に備えられる光学系７の第４態様において、反射光１１が光学系７を通って受光部８に導かれることを示す光路図である。光学系７は、受光レンズ７０と光学素子７１とを備える。第４態様は、第３態様と以下の点で異なる。第４態様では、ｙ方向の焦点位置１３ａ及びｘ方向の焦点位置１３ｂを、受光部８の表面８０の前方に合わせる受光レンズ７０を用いている。また、第４態様では、反射光１１を透過させ、ｘ方向にのみ負のパワーを有する光学素子７１を用いている。

　光学系７の第４態様に備えられる光学素子７１は、反射光１１を透過させ、ｘ方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系７のｙ方向の焦点位置１３ａを受光部８の表面８０の前方に合わせた状態で、光学系７のｘ方向の焦点位置１３ｂを受光部８の表面８０の前方から表面８０に移すことができる（言い換えれば、ｙ方向だけをデフォーカスし、ｘ方向をデフォーカスしない）。

　本実施形態の変形例を説明する。変形例では、光学系７として、アナモフィックレンズを用いる。アナモフィックレンズは、一方向にのみ光束１２を圧縮するレンズである。図１３は、アナモフィックレンズの焦点位置（ｘ方向の焦点位置及びｙ方向の焦点位置）を、受光部８の表面８０に合わせたとき、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する光束１２を示す模式図である。これにより、反射光１１の光束１２の形状は、ｙ方向が長軸となり、ｘ方向が短軸となる楕円形状となる。

　図１４は、本実施形態の変形例に備えられる光学系７において、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する光束１２を示す模式図である。アナモフィックレンズは、ｙ方向（受光面８２が並ぶ方向）の焦点位置を受光部８の表面８０の前方又は後方に合わせ、かつ、ｘ方向（直交方向）の焦点位置を表面８０に合わせているので、受光部８の表面８０では、デフォーカスされる。このため、図１３に示す楕円形の光束１２は、図１４に示す楕円形の光束１２に拡大される。

　これにより、受光部８の表面８０上において、反射光１１の光束１２について、ｙ方向のサイズを大きくできる。これに対して、受光部８の表面８０上において、反射光１１の光束１２について、ｘ方向のサイズを大きくしないようにできる。

　従って、変形例によれば、本実施形態と同様の理由で、複数のアバランシェフォトダイオード８１を備え、アバランシェフォトダイオード８１の受光面８２が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部８において、隣り合う受光面８２の間隔を小さくすることなく、反射光１１を受光できる能力を向上させることができる。

　次に、本実施形態及びこの変形例において、光束１２のｙ方向のサイズの範囲について説明する。上述したように、光学系７により、測定領域Ｒで反射された反射光１１の光束１２は、ｙ方向のサイズが、ｘ方向のサイズより大きくされる。図１５は、光束１２のｙ方向のサイズについて、下限値と上限値とを説明する説明図である。下限値と上限値は、式（１）で規定される。

　Ｉは、隣り合う受光面８２の間隔を示す。δｆは、ｙ方向（受光面８２が並ぶ方向）における受光レンズ７０のバックフォーカスｂｆとｘ方向（直交方向）における受光レンズ７０のバックフォーカスｂｆとの差を示す。バックフォーカスとは、レンズ系の最後端から焦点までの距離をいう。αは、ｙ方向における受光レンズ７０の開口角を示す。Ｓは、ｙ方向における受光面８２のサイズを示す。

　δｆ×ｔａｎ（α）は、受光部８の表面８０において、ｙ方向における光束１２のサイズの半値を示す。この半値を、Ｉ／２より大きくすることにより、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する反射光１１の光束１２を、少なくとも一方の受光面８２に届かせることができる。

　反射光１１の光束１２が、隣り合う受光面８２を越えて、これらの受光面８２の隣りに位置する受光面８２ａ，８２ｂに届けば、反射光１１が全ての受光面８２で受光されることになり、分解能が低下する。そこで、上記半値を、Ｉ×３／２＋Ｓより小さくする。これにより、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する反射光１１の光束１２が、隣り合う受光面８２を越えて、これらの受光面８２の隣りに位置する受光面８２ａ，８２ｂに届かないようにできる。

　さらに望ましくは、上記半値を、Ｉ／２＜δｆ×ｔａｎ（α）＜Ｉ／２＋Ｓ、とすれば、隣り合う受光面８２の間の領域８３に位置する反射光１１の光束１２が、隣り合う受光面８２を越えることを防止できるので、受光面８２で受光できる光量の低下を抑制できる。

　なお、変形例の場合、受光レンズ７０をアナモフィクレンズと読み替える。

　レーザーレーダー装置１を用いて、本実施形態及び変形例を説明したが、レーザーレーダー装置１に限らず、投受光装置であれば、本発明を適用することができる。

（実施形態の纏め）
　実施形態の一局面に係る投受光装置は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える。

　光学系は、受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方又は後方に合わせ、かつ、直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせて、反射光を受光部に導く機能を有する。

　この機能によれば、受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方又は後方に合わせているので、受光部の表面での反射光の光束について、受光面が並ぶ方向のサイズを大きくできる。これに対して、直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせているので、受光部の表面での反射光の光束について、直交方向のサイズを大きくしないようにできる。

　このように、光学系によれば、受光部の表面での反射光の光束は、受光面が並ぶ方向のサイズが大きくなるので、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を受光面にまで届かせることができる。

　受光部の表面での反射光の光束は、直交方向のサイズが大きくなれば、直交方向において、光束は受光面を越えてしまう。受光面を大きくすれば、その光束は受光面を越えることがなく、受光面で受光できる。しかし、受光面を大きくすることにより、受光視野が広がるので、ノイズが多くなり、その結果、Ｓ／Ｎ比が低下する。そこで、受光部の表面での反射光の光束は、直交方向のサイズを大きくしないようにする。

　以上のように、実施形態の一局面に係る投受光装置によれば、複数のアバランシェフォトダイオードを備え、アバランシェフォトダイオードの受光面が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部において、隣り合う受光面の間隔を小さくすることなく、反射光を受光できる能力を向上させることができる。

　上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記受光面が並ぶ方向にのみ正又は負のパワーを有する光学素子と、を備える。

　この構成には、光学系の第１態様及び第２態様が含まれる。第１態様に備えられる光学素子は、反射光を透過させ、受光面が並ぶ方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせた状態で、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面からこの表面の前方に移すことができる。

　第２態様に備えられる光学素子は、反射光を透過させ、受光面が並ぶ方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせた状態で、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面からこの表面の後方に移すことができる。

　上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の後方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記直交方向にのみ正のパワーを有する光学素子と、を備える。

　この構成は、光学系の第３態様である。この光学素子により、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の後方に合わせた状態で、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面の後方からこの表面に移すことができる。

　上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の前方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記直交方向にのみ負のパワーを有する光学素子と、を備える。

　この構成は、光学系の第４態様である。この光学素子により、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方に合わせた状態で、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面の前方からこの表面に移すことができる。

　上記構成において、前記光学系は、前記表面の前方又は後方に焦点位置を合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導くアナモフィックレンズを備える。

　この構成によれば、一つの光学素子で上記した光学系の機能を実現できる。

　上記構成において、前記光学系は、下記式（１）を満たす。

　（ここで、Ｉは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δｆは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記受光レンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズの開口角を示し、Ｓは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。）

　上述したように、光学系により、受光部の表面での反射光の光束は、受光面が並ぶ方向のサイズが大きくされる。δｆ×ｔａｎ（α）は、受光部の表面において、受光面が並ぶ方向における光束のサイズの半値を示す。この半値を、Ｉ／２より大きくすることにより、隣り合う受光面の間に位置する反射光の光束を、少なくとも一方の受光面に届かせることができる。

　反射光の光束が、隣り合う受光面を越えて、これらの受光面の隣りに位置する受光面に届けば、４つの受光面で受光されることになり、分解能が低下する。そこで、上記半値を、Ｉ×３／２＋Ｓより小さくする。これにより、隣り合う受光面の間に位置する反射光の光束が、隣り合う受光面を越えて、これらの受光面の隣りに位置する受光面に届かないようにできる。

　上記構成において、前記光学系は、下記式（２）を満たす。

　（ここで、Ｉは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δｆは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズの開口角を示し、Ｓは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。）

　この構成は、アナモフィクレンズの場合を規定している。式（２）の趣旨は、式（１）の趣旨と同じであり、受光レンズをアナモフィクレンズと読み替えている。

　実施形態の他の局面は、実施形態の一局面に係る投受光装置を備えるレーザーレーダー装置であって、前記光源は、レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有する前記レーザー光を前記光として、出射するレーザー部を備え、前記レーザーレーダー装置は、前記レーザー部が出射した前記レーザー光を走査方向に沿って走査し、走査したレーザー光を前記測定領域に照射する走査部を備える。

　実施形態の他の局面に係るレーザーレーダー装置によれば、レーザー光を走査方向に沿って走査して、測定領域にレーザー光を照射するので、走査方向において、測定領域を広げることができる。

　この出願は、２０１５年７月２４日に出願された日本国特許出願特願２０１５－１４６９８７を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

　本発明によれば、投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置を提供することができる。

Claims

　光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、
　前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、
　前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える投受光装置。
　前記光学系は、
　前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、
　前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記受光面が並ぶ方向にのみ正又は負のパワーを有する光学素子と、を備える請求項１に記載の投受光装置。
　前記光学系は、
　前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の後方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、
　前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記直交方向にのみ正のパワーを有する光学素子と、を備える請求項１に記載の投受光装置。
　前記光学系は、
　前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の前方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、
　前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記直交方向にのみ負のパワーを有する光学素子と、を備える請求項１に記載の投受光装置。
　前記光学系は、前記表面の前方又は後方に焦点位置を合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導くアナモフィックレンズを備える請求項１に記載の投受光装置。
　前記光学系は、下記式（１）を満たす請求項２～４のいずれか一項に記載の投受光装置。

　（ここで、Ｉは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δｆは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記受光レンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズの開口角を示し、Ｓは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。）
　前記光学系は、下記式（２）を満たす請求項５に記載の投受光装置。

　（ここで、Ｉは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δｆは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズの開口角を示し、Ｓは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。）
　請求項１～７のいずれか一項に記載の投受光装置を備えるレーザーレーダー装置であって、
　前記光源は、レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有する前記レーザー光を前記光として、出射するレーザー部を備え、
　前記レーザーレーダー装置は、
　前記レーザー部が出射した前記レーザー光を走査方向に沿って走査し、走査したレーザー光を前記測定領域に照射する走査部を備えるレーザーレーダー装置。