(57)【要約】【課題】３次元情報をより精度良く生成可能なレーザレーダ装置を提供する。【解決手段】レーザレーダ装置は、所定の第１方向に延びるようにライン状に成形されたレーザ光であるライン状レーザ光を、送光角を変えながら計測対象エリアに照射することにより、第１方向に直交する第２方向に沿って計測対象エリアを走査するスキャナ部と、計測対象エリアに照射されたライン状レーザ光の反射光を受光し、受信信号を生成する受信信号生成部と、ライン状レーザ光の第２方向における形状歪み情報を記憶する記憶部と、受信信号および送光角に基づいて算出される第２方向における位置情報が形状歪み情報により補正されたものとなる第２方向の補正位置情報に基づいて、計測対象エリアの３次元情報を生成する３次元情報生成部と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の第１方向に延びるようにライン状に成形されたレーザ光であるライン状レーザ光を、送光角を変えながら計測対象エリアに照射することにより、前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記計測対象エリアを走査するスキャナ部と、
前記計測対象エリアに照射された前記ライン状レーザ光の反射光を受光し、受信信号を生成する受信信号生成部と、
前記ライン状レーザ光の前記第２方向における形状歪み情報を記憶する記憶部と、
前記受信信号および前記送光角に基づいて算出される前記第２方向における位置情報が前記形状歪み情報により補正されたものとなる前記第２方向の補正位置情報に基づいて、前記計測対象エリアの３次元情報を生成する３次元情報生成部と、を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記３次元情報生成部は、
前記計測対象エリアの前記反射光の反射位置までの距離情報および前記送光角に基づいて算出された前記反射位置の前記第２方向における位置情報と、前記記憶部に記憶された前記形状歪み情報に基づいて得られる前記反射位置の前記第１方向における位置情報および前記距離情報に応じた補正値と、を取得すると共に、取得した前記第２方向における位置情報および前記補正値に基づいて、前記第２方向の補正位置情報を算出する補正位置算出部を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記ライン状レーザ光を受光するモニタ用センサと、
前記スキャナ部から前記計測対象エリアに向けて照射された前記ライン状レーザ光を、前記モニタ用センサに分岐させる分岐器と、
前記モニタ用センサにより受光された前記ライン状レーザ光の形状に基づいて、前記形状歪み情報を生成する形状歪み情報生成部と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記モニタ用センサと前記分岐器との間に設置された、遠視野パターンを観察するための遠視野パターン観察光学系をさら備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記受信信号生成部は、
前記計測対象エリアから反射される前記反射光を受光する受光側レンズと、
前記受光側レンズの下流側に配置され、前記第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、
前記受光側レンズと前記受光ラインセンサとの間に配置され、前記受光側レンズで受光された前記反射光を前記受光ラインセンサに向けて集光するとともに、前記第２方向に集光される倍率が前記第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系と、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記３次元情報生成部は、
前記反射光を受光した前記受光セルのピクセル情報に基づき取得された前記第１方向の位置情報と、
前記第２方向の補正位置情報と、
前記レーザ光が照射されてから前記受光ラインセンサで受光されるまでの光往復時間から取得された前記計測対象エリアまでの距離情報を元にした、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の距離情報とから、前記計測対象エリアの３次元情報を生成する情報生成部を、さらに有することを特徴とする請求項５に記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記形状歪み情報は、前記記憶部に形成されたデータベースに記憶されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置を備えることを特徴とする走行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ光を走査させることで計測対象エリアの３次元情報を生成するレーザレーダ装置、及び、走行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ光を計測対象エリアに走査させながら照射し、この計測対象エリアに存在する物体などからの反射光を受光素子で受光することによって得られる受光信号の分布から計測対象エリアの３次元情報を生成するレーザレーダ装置が知られている。この種のレーザレーダ装置では、レーザ光の送光側、及び、反射光の受光側の各々にスキャナを設け、走査時における送光側のスキャナのミラー角（レーザ光の送光角）に合せて受光側のスキャナのミラー角（反射光の受光角）を随時調整することで反射光を受光素子に入射させている。この構成では、送光側及び受光側の両方にスキャナを設けるため、レーザレーダ装置全体が大型化する問題があった。
【０００３】
上記の問題を解決するために、受光側にスキャナを設けず、スキャンレスを簡単な構成で実現できるレーザレーダ装置が提案されている（特許文献１参照）。このレーザレーダ装置は、第１方向にライン状に成形したレーザ光が計測対象エリアから反射される反射光を受光する受光側レンズと、この受光側レンズの下流側に配置され、上記の第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、受光側レンズと受光ラインセンサとの間に配置された受光側光学系とを備える。この受光側光学系は、受光側レンズで受光された反射光を受光ラインセンサに向けて集光するとともに、第２方向に集光される倍率が第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系とを備えるため、計測対象エリア全体を受光ラインセンサのセンサ視野に収めることができ、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１８０６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１が開示するレーザレーダ装置では、ライン状に成形されたレーザ光（以下、ライン状レーザ光）は、計測対象エリアＡに照射される際には、その形状が直線で、かつ、ラインセンサ軸（例えばｘ軸方向）に平行であることを前提としている。このため、ライン状レーザ光の照射軸がラインセンサ軸に対して傾いている場合や、ライン状レーザ光の直線形状が湾曲するなど歪んでいる場合（後述する図４参照）などには、生成した３次元情報の走査方向の位置座標にズレが生じることが考えられる。また、例えば、ライン状レーザ光が計測対象エリアに照射される途中にレンズがある場合など、ライン状レーザの送光角（照射方向角）毎に上記の湾曲形状などの歪み形状が変化することも有り得る。
【０００６】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、３次元情報をより精度良く生成可能なレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るレーザレーダ装置は、
所定の第１方向に延びるようにライン状に成形されたレーザ光であるライン状レーザ光を、送光角を変えながら計測対象エリアに照射することにより、前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記計測対象エリアを走査するスキャナ部と、
前記計測対象エリアに照射された前記ライン状レーザ光の反射光を受光し、受信信号を生成する受信信号生成部と、
前記ライン状レーザ光の前記第２方向における形状歪み情報を記憶する記憶部と、
前記受信信号および前記送光角に基づいて算出される前記第２方向における位置情報が前記形状歪み情報により補正されたものとなる前記第２方向の補正位置情報に基づいて、前記計測対象エリアの３次元情報を生成する３次元情報生成部と、を備える。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、第１方向（例えばＸ方向）にライン状に成形されたレーザ光（ライン状レーザ光）の計測対象エリアへの送光角と、この計測対象エリアの反射位置からの反射光の信号（受信信号）とに基づいて、例えば幾何学的な手法などにより求められた第２方向の位置情報（想定位置情報）が、形状歪み情報により補正された第２方向（例えばＹ方向）の補正位置情報に基づいて、計測対象エリアの３次元情報を生成する。
【０００９】
これによって、送光側レンズにより直線状に成形しようとしたレーザ光の形状が、実際には想定通りの直線状に成形されておらず歪んでいる場合や、レーザ光の照射軸が傾くなどして直線状の形状が想定よりも傾いている場合など、計測対象エリアに照射された際のライン状レーザ光の形状の第２方向における位置に、想定位置からのズレが生じている場合であっても、第２方向の補正位置情報を用いることで、計測対象エリアの３次元情報を精度良く生成することができる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記３次元情報生成部は、
前記計測対象エリアの前記反射光の反射位置までの距離情報および前記送光角に基づいて算出された前記反射位置の前記第２方向における位置情報と、前記記憶部に記憶された前記形状歪み情報に基づいて得られる前記反射位置の前記第１方向における位置情報および前記距離情報に応じた補正値と、を取得すると共に、取得した前記第２方向における位置情報および前記補正値に基づいて、前記第２方向の補正位置情報を算出する補正位置算出部を有する。
【００１１】
上記（２）の構成によれば、計測対象エリアの反射位置までの距離情報および送光角に基づいて算出された、反射位置の第２方向における位置情報（想定位置情報）と、反射位置の第１方向における位置情報と距離情報とに応じて定まる補正値を形状歪み情報から取得して、反射位置の第２方向の補正位置情報を算出する。これによって、第２方向の補正位置情報を得ることができる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記ライン状レーザ光を受光するモニタ用センサと、
前記スキャナ部から前記計測対象エリアに向けて照射された前記ライン状レーザ光を、前記モニタ用センサに分岐させる分岐器と、
前記モニタ用センサにより受光された前記ライン状レーザ光の形状に基づいて、前記形状歪み情報を生成する形状歪み情報生成部と、をさらに備える。
【００１３】
上記（３）の構成によれば、計測対象エリアに照射された実際のライン状レーザ光をモニタ用センサに分岐させることによりライン状レーザ光の形状情報を得ると共に、ライン状レーザ光の形状情報に基づいて、送光角に応じた補正値を生成する。これによって、ライン状レーザ光の形状歪み情報を精度良く生成することができる。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記モニタ用センサと前記分岐器との間に設置された、遠視野パターンを観察するための遠視野パターン観察光学系をさら備える。
【００１５】
半導体レーザ光源の場合、光源直後（近視野像：Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）と、光源から離れた位置（遠視野像：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）とでは、ライン状レーザ光の形状（照射パターン）が異なる。
【００１６】
上記（４）の構成によれば、モニタ用センサと分岐器との間に遠視野パターン観察光学系が設置される。これによって、遠視野パターン観察光学系を通して得られたライン状レーザ光の形状に基づいて、形状歪み情報を生成することができ、実際の計測対象エリアにおけるライン状レーザ光の形状により近い形状を得ることができ、形状歪み情報をより精度良く生成することができる。
【００１７】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記受信信号生成部は、
前記計測対象エリアから反射される前記反射光を受光する受光側レンズと、
前記受光側レンズの下流側に配置され、前記第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、
前記受光側レンズと前記受光ラインセンサとの間に配置され、前記受光側レンズで受光された前記反射光を前記受光ラインセンサに向けて集光するとともに、前記第２方向に集光される倍率が前記第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系と、を有する。
【００１８】
上記（５）の構成によれば、レーザレーダ装置は、第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、受光側レンズと受光ラインセンサとの間に配置され、受光側レンズで受光された反射光を受光ラインセンサに向けて集光するとともに、第２方向に集光される倍率が第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系と、を備える。このため、計測対象エリア全体を受光ラインセンサのセンサ視野に収めることができ、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できる。
【００１９】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記３次元情報生成部は、
前記反射光を受光した前記受光セルのピクセル情報に基づき取得された前記第１方向の位置情報と、
前記第２方向の補正位置情報と、
前記レーザ光が照射されてから前記受光ラインセンサで受光されるまでの光往復時間から取得された前記計測対象エリアまでの距離情報を元にした、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向の距離情報とから、前記計測対象エリアの３次元情報を生成する情報生成部を、さらに有する。
【００２０】
上記（６）の構成によれば、第１方向の位置情報と、第２方向の補正位置情報と、第３方向の位置情報と、に基づいて、計測対象エリアの３次元情報を生成することができる。
【００２１】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の構成において、
前記形状歪み情報は、前記記憶部に形成されたデータベースに記憶されている。
上記（７）の構成によれば、データベースに記憶された形状歪み情報を用いて、３次元情報の生成が行われる。これによって、レーザレーダ装置は、３次元情報の生成時において上述した分岐器やモニタ用センサなどを搭載している必要はなく、レーザレーダ装置を小型化させることができる。
【００２２】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る走行体は、
上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置を備える。
上記（８）の構成によれば、上記したレーザレーダ装置は、例えば車両等の走行する走行体に搭載される。これによって、走行体の走行経路の３次元情報をリアルタイムに取得することができ、走行体の運転支援を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、３次元情報をより精度良く生成可能なレーザレーダ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザレーダ装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る受光側光学系を含む周辺構成を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る集光レンズの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るライン状レーザ光の形状の歪みを例示する図であり、破線が想定形状であり、実線がライン状レーザ光の実際の形状である。
【図５】本発明の一実施形態に係る形状歪み情報の生成のための構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る遠視野パターン観察光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザレーダ装置１の概略構成図である。レーザレーダ装置１は、図１に示すように、所定距離離れた位置に設定されるエリアなど、予め設定された所定の計測対象エリアＡに対し、例えば、水平方向（第１方向）Ｘに延びるライン状（直線状）のレーザ光Ｌ（以下、ライン状レーザ光Ｌｂ）を、この水平方向Ｘに直交する垂直方向（第２方向）Ｙに走査しながら照射し、このライン状レーザ光Ｌｂの反射光Ｒを受光して計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。
【００２７】
このレーザレーダ装置１は、例えば、線路上を走行する列車などの車両（走行体８）の進行方向前方に搭載されても良い。この場合、車両の進行方向に設定され、車両の走行に応じて随時更新される計測対象エリアＡの３次元情報を、リアルタイムなどで生成しても良い。これにより、生成された３次元情報を利用して、車両の進行方向に障害物が存在するか否かを判別できる。
【００２８】
以下、上記のレーザレーダ装置１について、図１〜図４を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る受光側光学系１７を含む周辺構成を示す模式図である。図３は、本発明の一実施形態に係る集光レンズ３６の構成を示す斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係るライン状レーザ光Ｌｂの形状の歪みを例示する図であり、破線が想定形状であり、実線がライン状レーザ光Ｌｂの実際の形状である。
【００２９】
図１に示すように、レーザレーダ装置１は、ライン状レーザ光Ｌｂを照射することにより計測対象エリアＡを走査（スキャン）するスキャナ部１ａと、受信信号生成部１６ａと、３次元情報生成部２１と、を備える。図１に示す実施形態では、レーザレーダ装置１は、距離演算部２０をさらに有する。レーザレーダ装置１が備える上記の構成について、図１に示す実施形態を例に、それぞれ説明する。
【００３０】
なお、以下の説明では、第１方向を水平方向Ｘ、第２方向を垂直方向Ｙ、この第１方向および第２方向に直交する第３方向をＺ方向として説明する。ただし、本発明はこれには限定されず、第１方向、第２方向および第３方向が相互に直交していれば良い。３次元情報生成部２１や距離演算部２０は、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを備えるコンピュータで構成されても良く、メモリ（主記憶装置）にロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで動作しても良いし、集積回路で構成されても良い。
【００３１】
スキャナ部１ａは、水平方向Ｘ（所定の第１方向）に延びるようにライン状に成形されたライン状レーザ光Ｌｂを、送光角θを変えながら計測対象エリアＡに照射することにより、上記の水平方向Ｘに直交する垂直方向Ｙ（第２方向）に沿って計測対象エリアＡを走査する。図１に示す実施形態では、上記のスキャナ部１ａは、レーザ光源１１と、送光側レンズ１２と、可動式スキャナ１３と、を備えている。
【００３２】
図１に示す実施形態について詳述すると、レーザ光源１１は、レーザ光Ｌを発光する。レーザ光Ｌは、例えば、２００〜２０００ｎｍの波長のレーザ光が用いられる。特に、レーザレーダ装置１を屋外の広い空間で使用する場合には、８００〜２０００ｎｍの波長のレーザ光を用いることで、安定した計測を実現できる。レーザ光源１１は、例えば、レーザダイオードなどから構成されても良い。本実施形態では、レーザ光源１１は、レーザ光源１１の動作を制御する光源制御部３０の発光指令に基づきレーザ光Ｌをパルス状に発光する。
【００３３】
送光側レンズ１２は、レーザ光源１１から発光されるレーザ光Ｌを所定の水平方向Ｘに延びるようにライン状に成形する。例えば、送光側レンズ１２は、円筒型凸レンズで構成されても良いし、円筒型凹レンズでも良い。このような構成により、レーザ光源１１から発光されるレーザ光Ｌをライン状に成形することが可能である。本実施形態では、送光側レンズ１２の軸方向を水平方向Ｘに合わせることで、レーザ光Ｌは水平方向Ｘに延びるライン状に成形される。
【００３４】
可動式スキャナ１３は、上記の送光側レンズ１２によってライン状に成形されたレーザ光Ｌ（以下、適宜、ライン状レーザ光）を、送光角θを変えながら計測対象エリアＡに照射することにより、垂直方向Ｙに沿って計測対象エリアＡを走査するための構成である。走査する方向を、ライン状レーザ光Ｌｂをラインの延びる方向（Ｘ）に垂直な方向（Ｙ）とすることにより、計測対象エリアＡに対する３次元計測レートが向上し、計測対象エリアＡの計測を短時間に行うことが可能である。
【００３５】
より詳細には、本実施形態では、可動式スキャナ１３は、ライン状レーザ光Ｌｂを反射させる反射ミラー１４と、反射ミラー１４で反射したライン状レーザ光Ｌｂを垂直方向Ｙに走査させる垂直走査部１５とを備えている。反射ミラー１４は、送光側レンズ１２でライン状に成形されたレーザ光Ｌを垂直走査部１５に反射する。この垂直走査部１５は、例えば、ガルバノスキャナにより構成され、平面鏡であるガルバノミラー１５ａと、ガルバノミラー１５ａの鏡面を揺動させる駆動モータ１５ｂと、を備えている。そして、垂直走査部１５は、可動式スキャナ１３の動作を制御するスキャナ制御部３１の制御の下、駆動モータ１５ｂを駆動させてガルバノミラー１５ａを揺動させる。
【００３６】
このスキャナ制御部３１は、所定の走査パターンに基づき、駆動モータ１５ｂの動作を制御するようになっている。これによって、反射ミラー１４で反射されたレーザ光Ｌが計測対象エリアＡに照射されるようにしつつ、計測対象エリアＡへの送光角θ（垂直方向Ｙの角度）を制御することができ、計測対象エリアＡに対する垂直方向Ｙの走査が可能とされる。そして、こうして可動式スキャナ１３から計測対象エリアＡに送光されたライン状レーザ光Ｌｂは、計測対象エリアＡで反射されて、その反射光Ｒが、次に説明する受信信号生成部１６ａにより処理される。
【００３７】
ただし、図１に示す実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、スキャナ部１ａは、上記の可動式スキャナ１３を備えることなく、送光角θを変えながらレーザ光を計測対象エリアＡに照射することが可能な光フェーズドアレイなどのビーム走査機能付きの光源（メカレススキャナ）を備えても良く、上記の送光側レンズ１２をさらに備えても良い。その他の幾つかの実施形態では、スキャナ部１ａは、送光側レンズ１２を備えることなく、ライン状レーザ光Ｌｂを出力することが可能な半導体レーザなどの光源を備えても良く、可動式スキャナ１３をさらに備えても良い。
【００３８】
受信信号生成部１６ａは、計測対象エリアＡに照射されたライン状レーザ光Ｌｂの反射光Ｒを受光し、その反射光Ｒに応じた受信信号を生成する。より詳細には、本実施形態では、図２に示すように、受信信号生成部１６ａは、受光側レンズ１６と、受光側光学系１７と、受光ラインセンサ１８と、を有する。
【００３９】
受光側レンズ１６は、計測対象エリアＡの各反射位置（以下、計測点Ｓ）から反射される反射光Ｒを受光する。図２に示すように、ライン状レーザ光Ｌｂはライン状の形状を有しており、計測対象エリアＡの一定のライン状の範囲に照射されるので、受光側レンズ１６は、複数の計測点Ｓからの反射光Ｒを受光する。そして、受光側レンズ１６は、各計測点Ｓの像を受光側レンズ１６の下流側の所定位置で結像する。
【００４０】
受光側光学系１７は、受光側レンズ１６で受光された反射光Ｒを垂直方向Ｙに集光するための光学系である。本実施形態では、受光側光学系１７は、図２に示すように、受光側レンズ１６の結像位置に配置されるリレーレンズ３５と、このリレーレンズ３５の下流側に配置される集光レンズ３６とを備える。リレーレンズ３５は、凸レンズで構成され、結像位置における受光側レンズ１６の結像情報を保持したまま、集光レンズ３６に伝送する機能を有する。集光レンズ３６は、図３に示すように、反射光Ｒの入射側が曲面３６ａ、出射側が平面３６ｂの円筒型凸レンズで構成される。なお、集光レンズ３６は、反射光Ｒの入射側が平面、出射側が曲面の円筒型凸レンズであっても良い。この集光レンズ３６は、垂直方向Ｙに集光される倍率が水平方向Ｘに集光される倍率よりも大きくなるように形成されている。すなわち、集光レンズ３６は、リレーレンズ３５から伝送された反射光Ｒの平行光束、すなわち結像情報のすべてを受光ラインセンサ１８に向けて垂直方向Ｙに集光させる。
【００４１】
このように、本実施形態では、受光側光学系１７は、２種類のレンズを組み合わせた簡単な構成で、受光側レンズ１６の結像情報を受光ラインセンサ１８に集光させており、計測対象エリアＡのどの計測点Ｓからの反射光Ｒも受光ラインセンサ１８に集光させることにより、常時、計測対象エリアＡにおける区分された分割エリアＡａ全体を受光ラインセンサ１８の各受光セル１８ａの視野に収めることを可能とし、受光側のスキャンレスを実現している。
【００４２】
受光ラインセンサ１８は、受光した反射光Ｒを電気信号に変換する。受光ラインセンサ１８は、水平方向Ｘに沿って並べられた複数（本実施形態では５つ）の受光セル１８ａを備えて構成されており、これらの受光セル１８ａが水平方向Ｘに横並びで配置されることで、ラインセンサ軸１８ｓが水平方向Ｘに延びるように構成される。各受光セル１８ａは、反射光Ｒを受光して電流に変換する光電変換素子（例えば、フォトダイオード）で形成されており、単一のピクセルを有する単一素子で形成されている。このため、短いパルスのレーザ光Ｌに応答することが可能である。
【００４３】
そして、リレーレンズ３５から伝送された平行光束の各光束は、複数の受光セル１８ａのうちの水平方向Ｘの位置が一致する受光セル１８ａに受光される。すなわち、計測対象エリアＡは、受光ラインセンサ１８が備える受光セル１８ａの数と同数の分割エリアＡａに区分けされており、計測対象エリアＡからの反射光Ｒは、受光ラインセンサ１８が備える受光セル１８ａの数と同数の数に空間分解されて、分割エリアＡａに対応する受光セル１８ａに受光される。図２〜図３に示す実施形態では、受光セル１８ａの数は５つである。よって、計測対象エリアＡからの反射光Ｒは、分割エリアＡａに対応して５つに空間分解され、分割エリアＡａに対応する受光セル１８ａに受光される。この際、各分割エリアＡａからの反射光Ｒは、集光レンズ３６によって垂直方向Ｙに集光されるので、受光ラインセンサ１８には、計測対象エリアＡからの反射光Ｒの平行光束、すなわち結像情報のすべてが集光される。
【００４４】
また、受光ラインセンサ１８は、受光した反射光Ｒに含まれるレーザ光Ｌに基づいた受信信号を出力する。本実施形態では、受信信号生成部１６ａは、アンプ回路１９をさらに備えている。このアンプ回路１９は、受光ラインセンサ１８が出力した受信信号を電圧信号として増幅する。受光ラインセンサ１８が出力する受信信号は、微弱な電流信号であるため、アンプ回路１９は、電流信号を電圧信号に変換して距離演算部２０に出力するようになっている。
【００４５】
この距離演算部２０は、入力された受信信号に基づき、計測対象エリアＡの計測点Ｓの距離情報Ｄ、およびその計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報を演算する。本実施形態では、上述した光源制御部３０は、レーザレーダ装置１のマスタークロックを有しており、レーザ光Ｌの発光と同時にパルス状の発光同期信号を距離演算部２０に出力するようになっている。そして、距離演算部２０は、光源制御部３０から出力されたパルス状の発光同期信号と、受信信号生成部１６ａから出力された受信信号とを受信し、レーザ光Ｌが照射された計測対象エリアＡの計測点Ｓまでの距離を演算する。
【００４６】
具体的には、距離演算部２０は、発光同期信号と受信信号とに基づいてレーザ光Ｌを発光（照射）してから、受光ラインセンサ１８が反射光Ｒを受光するまでの時間（光往復時間）を計測するとともに、この計測時間に基づいて、レーザ光Ｌを反射した計測点Ｓまでの距離を演算する。つまり、この距離は、レーザ光Ｌが進んだ距離（送光距離）であり、レーザ光Ｌの速さをｃ、計測時間ｔとすると、ｃ×ｔ÷２といった演算式で求められる。
【００４７】
他方、上記の水平方向Ｘの位置情報については、距離演算部２０は、反射光Ｒを受光した受光セル１８ａのピクセル情報（番号）を取得し、このピクセル情報から計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報を演算する。
【００４８】
そして、距離演算部２０は、上述のように演算した計測対象エリアＡの計測点Ｓの上記の送光距離の情報（以下、距離情報Ｄ）および水平方向Ｘの位置情報を、３次元情報生成部２１に出力する。距離演算部２０は、距離情報Ｄとともに、受信信号に含まれる受光強度を距離情報Ｄと関連づけて生成部２５に出力しても良い。
【００４９】
３次元情報生成部２１は、上述した受信信号生成部１６ａから出力される受信信号に基づいて、計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。本実施形態では、この３次元情報の生成にあたって、３次元情報生成部２１は、計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報については上述した距離演算部２０から取得し、垂直方向Ｙの位置情報ＳｙおよびＺ方向の位置情報Ｓｚは、距離演算部２０から入力された距離情報Ｄと、上述したスキャナ制御部３１から入力された送光角θ（送光制御角度）に基づいて演算することにより取得する。すなわち、幾何学的な手法により、Ｚ方向の位置情報Ｓｚを、上記の距離情報Ｄ×ｃｏｓθ等により算出することが可能である。
【００５０】
一方、垂直方向Ｙの位置情報Ｓｙを、距離情報Ｄ×ｓｉｎθ等により算出すると、次に説明するような問題が生じる。すなわち、上記のように演算した垂直方向Ｙの位置座標は、ライン状に成形されたレーザ光Ｌ（Ｌｂ）が計測対象エリアＡに照射される際には、その形状が直線で、かつ、ラインセンサ軸１８ｓに平行となっていることを前提としたものとなっている。このため、ライン状レーザ光Ｌｂの照射軸がラインセンサ軸１８ｓに対して傾いている場合や、ライン状レーザ光Ｌｂの直線形状が湾曲するなど歪んでいる場合（図４参照）などには、生成した３次元情報の走査方向（本実施形態では垂直方向Ｙ）の位置座標にズレが生じることが考えられる。
【００５１】
例えば、レーザレーダ装置１からのレーザ光Ｌが、図４の破線で示すように、水平方向Ｘ（ラインセンサ軸１８ｓの延在方向）に平行に延びる直線（想定直線Ｖ）に成形したはずが、実際には、図４の実線のように湾曲していたとする。この場合、水平方向Ｘにおける位置は、実線および破線で同じ位置（図４のｘ１）となるが、垂直方向Ｙについては誤差Ｄｙが生じることになる。このような場合に、３次元情報生成部２１が、ライン状レーザ光Ｌｂの形状が計測対象エリアＡに対して、図４の破線で示すように水平方向Ｘに直線で照射されているとの想定下で３次元情報を生成すると、垂直方向Ｙの位置座標が実際にはｙ１である計測点Ｓの垂直方向Ｙの位置情報をｙ２と算出することになる。よって、この図４に示された計測点Ｓの場合には、生成した３次元情報の各計測点Ｓの垂直方向Ｙの位置座標には、誤差Ｄｙ（｜ｙ２−ｙ１｜）が生じることになる。
【００５２】
また、垂直方向Ｙにおける上記の誤差Ｄｙは、可動式スキャナ１３から離れるほど拡大されることになるので、Ｚ方向における計測点Ｓの位置座標に応じて変わることになる。よって、計測対象エリアＡに位置する物体の表面までの距離（Ｚ方向の距離）が遠いほど、誤差Ｄｙが大きくなり、生成した３次元情報の精度が低下する。また、例えば、ライン状レーザ光Ｌｂが計測対象エリアＡに照射される途中にレンズがある場合などには、ライン状レーザ光Ｌｂの送光角θ毎に上記の湾曲形状などの歪み形状が変化することも有り得る。このように、送光角θに応じてライン状レーザ光Ｌｂの形状が変わる場合には、誤差Ｄｙの大きさが垂直方向Ｙの位置座標に応じて一律とならず、生成した３次元情報の精度がさらに低下する。
【００５３】
そこで、本発明のレーザレーダ装置１は、上述した構成に加えて、ライン状レーザ光Ｌｂの垂直方向Ｙ（第２方向）における形状歪み情報Ｉを記憶可能な記憶部２６を、さらに備える。そして、上述した３次元情報生成部２１は、受信信号生成部１６ａから出力される受信信号および送光角θに基づいて算出される垂直方向Ｙにおける位置情報が形状歪み情報Ｉにより補正されたものとなる垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙに基づいて、計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。
【００５４】
具体的には、上記の形状歪み情報Ｉは、送光角θ、およびＺ方向の単位距離の情報セットに対して定めた誤差Ｄｙの情報で構成されても良い。つまり、形状歪み情報Ｉを参照すれば、送光角θに対する、Ｚ方向に単位距離だけ離れた位置における誤差Ｄｙが得られる。よって、こうして得られた誤差Ｄｙを、Ｚ方向の距離（Ｚ方向の位置情報Ｓｚ）に基づいて、拡大あるいは縮小する演算を行うことにより、ライン状レーザ光Ｌｂが、ラインセンサ軸１８ｓに並行かつ直線（図４の想定直線Ｖ）であることを前提に算出した垂直方向Ｙにおける位置座標（図４のｙ２）を、実際の位置（図４のｙ１）に補正する補正値Ｃを算出することが可能となる。これによって、補正値Ｃを、Ｚ方向の位置情報Ｓｚに応じて適切に算出可能としつつ、この補正値Ｃが水平方向Ｘの位置情報や送光角θに対する依存性を有する場合にも補正値Ｃの適切な算出が可能となる。
【００５５】
本実施形態では、３次元情報生成部２１は、計測対象エリアＡの反射光Ｒの反射位置（計測点Ｓ）までの距離情報Ｄおよび送光角θに基づいて算出された反射位置の垂直方向Ｙにおける位置情報（図４のｙ２）と、記憶部２６に記憶された形状歪み情報Ｉに基づいて得られる反射位置の水平方向Ｘにおける位置情報（図４のｘ１）および距離情報Ｄに応じた補正値Ｃ（図４のｙ１−ｙ２）とを取得すると共に、取得した垂直方向Ｙにおける位置情報および補正値Ｃに基づいて、垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙ（図４のｙ１）を算出する補正位置算出部２３を有する。
【００５６】
より詳細には、３次元情報生成部２１は、距離情報Ｄと送光角θとに基づいて垂直方向Ｙ（第２方向）の想定第２方向位置座標Ｓｙ´を算出する第２方向位置算出部２２を有している。上記の補正位置算出部２３は、この第２方向位置算出部２２に接続されており、第２方向位置算出部２２から入力された想定第２方向位置座標Ｓｙ´を、補正値Ｃで補正することにより垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙを算出するようになっている。また、３次元情報生成部２１は、送光角θと、距離情報Ｄに基づいて、Ｚ方向の位置情報Ｓｚを算出する第３方向位置算出部２４を備えている。
【００５７】
そして、補正位置算出部２３によって算出された垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙは、上述した距離演算部２０によって演算された水平方向Ｘの位置情報Ｓｘ、および第３方向位置算出部２４によって算出されたＺ方向の位置情報Ｓｚと共に、３次元情報生成部２１が備える生成部２５に入力される。これによって、生成部２５は、各計測点Ｓについて、それぞれ、水平方向Ｘ、垂直方向ＹおよびＺ方向の位置情報Ｓｚを取得できる。つまり、生成部２５は、計測点Ｓの３次元の座標情報を取得でき、計測対象エリアＡに存在する複数の計測点Ｓの座標情報分布から計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。
【００５８】
こうして、３次元情報生成部２１によって生成された計測対象エリアＡの３次元情報は、外部機器８２（例えば、車両のコンピュータ等）に有線または無線にて送信され、この外部機器８２で利用される。
【００５９】
ただし、本実施形態に本発明は限定されない。３次元情報生成部２１は、垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙに基づいて３次元情報を生成すれば良く、上記の想定第２方向位置座標Ｓｙ´を補正値Ｃで補正するといった順序を経ることなく、距離情報Ｄ、送光角θおよび形状歪み情報Ｉに基づいて、他の方法により、第２方向の補正位置情報Ｓｙを算出しても良い。また、距離演算部２０に送光角θが入力されるよう構成することで、距離演算部２０がＺ方向の位置情報Ｓｚを算出しても良い。この場合には、第３方向位置算出部２４は省略することが可能となる。
【００６０】
また、上述した実施形態では、垂直走査部１５の一例として、ガルバノスキャナを用いた構成を説明したが、この構成に限るものではなく、例えば、ポリゴンミラーを有するポリゴンスキャナを用いても良い。また、送光側レンズ１２の光軸上に垂直走査部１５を配置できる構成では、反射ミラー１４を設けなくても良い。図２では、リレーレンズ３５と集光レンズ３６とを１枚ずつ備えた構成としているが、各レンズを複数組み合わせたレンズユニットとしても良いことは勿論である。また、本実施形態では、リレーレンズ３５は、受光側レンズ１６の結像位置に配置する構成としたが、これに限るものではなく、受光側レンズ１６の結像位置付近、または結像位置の後方に配置しても良い。
【００６１】
上記の構成によれば、第１方向（例えば水平方向Ｘ）にライン状に成形されたレーザ光（ライン状レーザ光Ｌｂ）の計測対象エリアＡへの送光角θと、この計測対象エリアＡの反射位置（計測点Ｓ）からの反射光Ｒの信号（受信信号）とに基づいて例えば幾何学的な手法などにより求められた第２方向の位置情報（想定位置情報）が、形状歪み情報Ｉにより補正されたものとなる第２方向（例えば垂直方向Ｙ）の補正位置情報Ｓｙに基づいて、計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。
【００６２】
これによって、例えば送光側レンズ１２などスキャナ部１ａにより直線状に成形しようとしたレーザ光Ｌ（あるいは種光）の形状が、実際には想定通りの直線状に成形されておらず歪んでいる場合や、レーザ光Ｌの照射軸が傾くなどして直線状の形状が想定よりも傾いている場合など、計測対象エリアＡに照射された際のライン状レーザ光Ｌｂの形状の第２方向における位置に、想定位置からのズレが生じている場合であっても、第２方向の補正位置情報Ｓｙを用いることで、計測対象エリアＡの３次元情報を精度良く生成することができる。
【００６３】
次に、上述した形状歪み情報Ｉの生成手法について、図５〜図６を用いて説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る形状歪み情報Ｉの生成のための構成を示す図である。また、図６は、本発明の一実施形態に係る遠視野パターン観察光学系５を示す図である。
【００６４】
幾つかの実施形態では、図５に示すように、レーザレーダ装置１は、ライン状レーザ光Ｌｂを受光するモニタ用センサ４１と、可動式スキャナ１３などから計測対象エリアＡに向けて照射されたライン状レーザ光Ｌｂを、上記のモニタ用センサ４１に分岐させる分岐器４２と、上記のモニタ用センサ４１により受光されたライン状レーザ光Ｌｂの形状に基づいて、例えば水平方向Ｘにおける位置情報、および上述した距離情報Ｄに応じた上記の補正値Ｃを求めるための形状歪み情報Ｉを生成する形状歪み情報生成部２７と、をさらに備える。図５に示す実施形態では、分岐器４２は、可動式スキャナ１３と計測対象エリアＡとの間に設置されているが、他の幾つかの実施形態では、例えば送光側レンズ１２と可動式スキャナ１３（反射ミラー１４など）との間など、レーザ光Ｌの形状がライン状となっている他の位置に設置されても良い。
【００６５】
上記のモニタ用センサ４１は、撮像素子であり、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサであっても良い。そして、分岐器４２によって分岐されたライン状レーザ光Ｌｂは、モニタ用センサ４１の受光面に結像されるようになっており、モニタ用センサ４１は、受光したライン状レーザ光Ｌｂを電気信号に変換することにより、その形状情報を取得する。そして、形状歪み情報生成部２７は、モニタ用センサ４１から入力された電気信号をデータに変換することで、上述した記憶部２６に記憶することが可能な形状歪み情報Ｉを生成する。
【００６６】
つまり、ライン状レーザ光Ｌｂの実際の形状をモニタするためのモニタ系を分岐器４２およびモニタ用センサ４１を用いて構成する。そして、このモニタ系により得られるライン状レーザ光Ｌｂの実際の形状と、送光角θに応じて想定される垂直方向Ｙの位置を通り、かつ、水平方向Ｘに平行な直線との誤差Ｄｙを、画像処理を通して計測することで、上記の形状歪み情報Ｉを生成する。そして、形状歪み情報生成部２７で生成された形状歪み情報Ｉは、上記の記憶部２６に記憶されることで、３次元情報生成部２１による利用が可能となる。
【００６７】
この際、実際のライン状レーザ光Ｌｂが、想定第２方向位置座標Ｓｙ´を通り、水平方向Ｘに平行な想定直線Ｖ（図４参照）に対して、上下のどちら側に位置しているかが定かではない場合がある。例えば、垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙを、Ｓｙ＝Ｓｙ´＋Ｃの演算式で演算する場合において、図４のように実際の計測点Ｓが想定直線Ｖよりも下に位置している場合には、補正値Ｃの符号をマイナスとしておくことで、補正位置情報Ｓｙが適切に算出できる。しかし、計測点Ｓが、実際には想定直線Ｖよりも上に位置していたような場合には、垂直方向Ｙの補正位置情報Ｓｙを適切に算出できないことになる。このため、例えば、ライン状に成形しない状態のレーザ光Ｌをモニタ用センサ４１に受光させることで、想定第２方向位置座標Ｓｙ´の位置を確認した後、ライン状に成形したライン状レーザ光Ｌｂの形状の計測を行うことで、補正値Ｃの符号を適切に定めることが可能となる。
【００６８】
ここで、上述したレーザ光源１１が、例えば面発光レーザなどの半導体レーザ光源の場合、光源直後（近視野像：Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）と、光源から離れた位置（遠視野像：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）とでは、ライン状レーザ光Ｌｂの形状（照射パターン）が異なる。
【００６９】
そこで、幾つかの実施形態では、図５〜図６に示すように、レーザレーダ装置１は、モニタ用センサ４１と分岐器４２との間に設置された、遠視野パターンを観察するための遠視野パターン観察光学系５をさら備えても良い。図５〜図６に示す実施形態では、遠視野パターン観察光学系５は、分岐器４２側からモニタ用センサ４１側に向けて、ｆ−θレンズ５１と、フィールドレンズ５２と、リレーレンズ５３とを横並びに並べることにより、構成されている。そして、ライン状レーザ光Ｌｂは、リレーレンズ５３からモニタ用センサ４１に送光されるようになっている。
【００７０】
上記の構成によれば、モニタ用センサ４１と分岐器４２との間に遠視野パターン観察光学系５が設置される。これによって、遠視野パターン観察光学系５を通して得られたライン状レーザ光Ｌｂの形状に基づいて、形状歪み情報Ｉを生成することができ、実際の計測対象エリアＡにおけるライン状レーザ光Ｌｂの形状により近い形状を得ることができ、形状歪み情報Ｉをより精度良く生成することができる。
【００７１】
また、幾つかの実施形態では、上記のモニタ系で、実際のライン状レーザ光Ｌｂの形状をモニタすると共に、形状歪み情報生成部２７による形状歪み情報Ｉの生成および記憶部２６への格納をしつつ、３次元情報の生成を行うように構成しても良い。これによって、形状歪み情報Ｉを予め作成することなく、３次元情報の生成を行うことが可能となる。
【００７２】
他の幾つかの実施形態では、レーザレーダ装置１による３次元情報を生成するよりも前に、上記のモニタ系による形状歪み情報Ｉの生成を行っておくと共に、記憶部２６にデータベースとして記憶しても良い。この場合、データベースに記憶された形状歪み情報Ｉを用いて、３次元情報の生成が行われる。これによって、レーザレーダ装置１は、３次元情報の生成時において上述した分岐器４２やモニタ用センサ４１などを搭載している必要はなく、レーザレーダ装置を小型化させることができる。
【００７３】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【符号の説明】
【００７４】
１        レーザレーダ装置
１ａ      スキャナ部
１１      レーザ光源
１２      光側レンズ
１３      可動式スキャナ
１４      反射ミラー
１５      垂直走査部
１５ａ    ガルバノミラー
１５ｂ    駆動モータ
１６      受光側レンズ
１６ａ    受信信号生成部
１７      受光側光学系
１８      受光ラインセンサ
１８ａ    受光セル
１８ｓ    ラインセンサ軸
１９      アンプ回路
２０      距離演算部
２１      ３次元情報生成部
２２      第２方向位置算出部
２３      補正位置算出部
２４      第３方向位置算出部
２５      生成部
２６      記憶部
２７      形状歪み情報生成部
３０      光源制御部
３１      スキャナ制御部
３５      リレーレンズ
３６      集光レンズ
３６ａ    曲面
３６ｂ    平面
４１      モニタ用センサ
４２      分岐器
５        遠視野パターン観察光学系
５１      レンズ
５２      フィールドレンズ
５３      リレーレンズ
８２      外部機器
Ｌ        レーザ光
Ｌｂ      ライン状レーザ光
Ｓ        計測点
Ｒ        反射光
Ａ        計測対象エリア
Ａａ      分割エリア
Ｘ        第１方向（水平方向）
Ｙ        第２方向（垂直方向）
Ｚ        第３方向（Ｚ方向）
Ｉ        形状歪み情報
Ｖ        想定直線
Ｄｙ      誤差
Ｄ        距離情報
Ｓｘ      水平方向Ｘの位置座標
Ｓｙ      垂直方向Ｙの補正位置座標
Ｓｙ´    垂直方向Ｙの想定第２方向位置座標
Ｓｚ      Ｚ方向の位置座標
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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