(57)【要約】      （修正有）【課題】垂直方向の測定角度範囲を複数の領域に分割するマルチレイヤ走査型のレーザレーダ装置において、低コストで小型のレーザレーダ装置を提供する。【解決手段】光ビームを出射する光源と変調光ビーム発生手段と、反射された光を受光する受光素子11と、集光して受光素子に導く反射光集光手段10と、回動可能に構成された回転機構9と、光ビームを水平方向に走査し、かつ反射された光を反射光集光手段に導く、回転機構に備えられたミラー群4とを有するレーザレーダ装置であって、出射方向に対して垂直方向の検出角度範囲が、複数のレイヤに分割され、ミラー群は、回転機構の回転軸に対して互いに異なる倒れ角を設けられた反射ミラー面を備えており、変調ビーム発生手段は、垂直方向に、出射角が異なる少なくとも２つ以上の光ビームを出射し、複数の光ビームに設けられた出射角の差が、垂直方向の１レイヤ分の検出角度範囲に等しい。【選択図】図５
2014029317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源とカップリングレンズを含む変調光ビーム発生手段と、
前記変調光ビーム発生手段により出射された光ビームが検出対象へ照射され、前記検出対象により反射された光を受光する受光素子と、
前記検出対象により反射された光を集光して前記受光素子に導く反射光集光手段と、
所定の回転軸を中心として回動可能に構成された回転機構と、
前記変調ビーム発生手段により出射される光ビームを水平方向に走査し、かつ前記検出対象により反射された光を前記反射光集光手段に導く、前記回転機構に備えられたミラー群とを有するレーザレーダ装置であって、
前記光ビームの出射方向に対して垂直方向の検出角度範囲が、複数のレイヤに分割され、
前記ミラー群は、前記回転機構の回転軸に対して互いに異なる倒れ角を設けられた反射ミラー面を備えており、
前記変調ビーム発生手段は、前記垂直方向に、出射角が異なる複数の光ビームを出射し、
前記複数の光ビームに設けられた出射角の差が、前記垂直方向の１レイヤ分の検出角度範囲に略等しい
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記変調ビーム発生手段より出射される複数の光ビームの発光タイミングは、前記複数の光ビームが一の検出器で互いに干渉しないように、互いに異なる
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】
前記変調ビーム発生手段が複数のレーザ光源を備え、
前記複数のレーザ光源が交互にパルス光ビームを発生する
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】
前記変調ビーム発生手段が、半波長板および偏光ビームスプリッタを有する
ことを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記水平方向に走査される光ビームにおいて走査中心となる光ビームの水平方向出射角と前記変調ビーム発生手段から前記ミラー群に入射される光ビームの入射角の差が９０°より小さい
ことを特徴とする請求項1から４のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記回転機構の回転軸が鉛直方向から傾けられた
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項７】
前記受光素子に導く反射光集光手段が、複数のシリンドリカルレンズを備える
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項８】
前記変調ビーム発生手段に備えられた光源と前記回転機構を制御する制御回路が、共通の基板上に装荷される
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項９】
前記変調ビーム発生手段に備えられた光源と前記受光素子が、共通の制御基板上に装荷される
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のレーザレーダ装置。
【請求項１０】
光源とカップリングレンズを含む変調光ビーム発生手段と、
前記変調光ビーム発生手段により出射された光ビームが検出対象へ照射され、前記検出対象により反射された光を受光する受光素子と、
前記検出対象により反射された光を集光して前記受光素子に導く反射光集光手段と、
所定の回転軸を中心として回動可能に構成された回転機構と、
前記変調ビーム発生手段により出射される光ビームを水平方向に走査し、かつ前記検出対象により反射された光を前記反射光集光手段に導く、前記回転機構に備えられたミラー群とを有するレーザレーダ装置であって、
前記水平方向に走査される光ビームにおいて走査中心となる光ビームの水平方向出射角と前記変調ビーム発生手段から前記ミラー群に入射される光ビームの入射角の差が９０°より小さい
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１１】
光源とカップリングレンズを含む変調光ビーム発生手段と、
前記変調光ビーム発生手段により出射された光ビームが検出対象へ照射され、前記検出対象により反射された光を受光する受光素子と、
前記検出対象により反射された光を集光して前記受光素子に導く反射光集光手段と、
所定の回転軸を中心として回動可能に構成された回転機構と、
前記変調ビーム発生手段により出射される光ビームを水平方向に走査し、かつ前記検出対象により反射された光を前記反射光集光手段に導く、前記回転機構に備えられたミラー群とを有するレーザレーダ装置であって、
前記回転機構の回転軸が鉛直方向から傾けられた
ことを特徴とするレーザレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行路上に存在する先行車や障害物の判別、または道路の車線区分を表す白線やキャッツアイ等のレーンマーカの検出のために、走査型レーザレーダを用いた物体種別判別装置が一般的に用いられている。レーザレーダ装置は車両前方にレーザ光を出射し、反射光を受光することにより車両前方に存在する障害物等を検出する。
【０００３】
一般的なレーザレーダ装置はレーザパルス光ビームを生成し、その光ビームを水平方向に走査する光送光部と、車両前方の物体から反射されたレーザ光を受光して電圧信号に変換するフォトダイオード等の受光素子および反射光を受光素子に導くレンズ等の光学素子を備えた光受光部からなる。レーザパルスが発生した時間と、反射光を受光素子で受光した時間差によって車両と物体との間の距離を算出することができる。
【０００４】
通常、レーザパルス光は半導体レーザダイオードにパルス形状の駆動電流を印加することによって生成され、カップリングレンズ等の光結合素子を介して水平方向に光を走査する光スキャナに導かれる。光スキャナとしては従来からポリゴンミラーやガルバノミラー等が用いられている。ミラーデバイスによってレーザビームを走査することにより、水平方向について広範囲な領域の距離測定が可能となる。
【０００５】
また近年では水平方向の測定範囲の拡大に加え、垂直方向についてもビームを走査する2次元走査や、垂直方向の測定領域を分割して光ビームを水平に走査する複数ライン走査（マルチレイヤ化）が要求されている。
【０００６】
これらの２次元スキャンまたは複数ライン走査を実現する手段として、走査方向が９０°異なるミラー等の走査デバイスを直列に接続し、水平方向にビームを走査した直後に垂直方向のビーム走査を行う構成や、より簡便に複数ライン走査を達成する手段として、回転ポリゴンミラーの回転軸に対して反射面に倒れ角を設け、複数の反射面に対して互いに倒れ角を異ならせる方法が一般的である。また、垂直方向に測定領域を異ならせた複数ラインの走査を可能にする手段として、複数の受光素子を垂直方向に並べた構成も採用され得る。
【０００７】
以上のように、レーザビーム走査型のレーザレーダ装置において、水平方向の走査のみならず垂直方向にも検出領域を分割して測定行う方法が既に知られている。
【０００８】
しかし、今までの垂直方向のマルチレイヤ動作可能なレーザレーダ装置では、垂直方向のレイヤ数が増加するのに伴い、コスト増加あるいは装置サイズ増加のいずれかもしくはその両方が顕著になるという問題があった。
【０００９】
例えば複数の受光素子を垂直方向に配置した構成を採用した場合、垂直方向に分割された検出領域のレイヤ数に等しい受光領域を有する受光素子を備える必要がある。数10ｍを超える中長距離検出用のレーザレーダ装置では、受光素子として一般に検出感度の高いアバランシェ・フォトダイオード（APD）が用いられるが、APD素子は高価であり、受光領域数の増加と共に使用するAPDの数も増加し、コストが高くなる。また、分割された検出領域に対して個別に増幅回路等の検出信号処理系を準備することが必要となり、制御が複雑となるため、これも装置のコスト増加の原因となる。
【００１０】
またポリゴンミラーを構成する各々のミラーの回転軸に対する倒れ角を異ならせることによって垂直方向の検出領域を分割させる場合、垂直方向レイヤ数と同数以上のミラー面を備えることが必要となるため、ポリゴンミラーのサイズが大きくなる。このことが装置全体の大型化の原因となるという問題があった。
【００１１】
特許文献1には、走査型レーザレーダ装置において、垂直方向の検出領域を複数レイヤに分割する目的で、ポリゴンミラーのミラー面に対して各々の倒れ角を互いに異ならせたミラー面を備えるポリゴンミラーによってビーム走査する構成が開示されている。
【００１２】
特許文献1に記載の発明は、面倒れ角の異なるポリゴンミラーにより垂直方向に領域分割された複数のビームの走査する構成を有している。しかし特許文献1に記載の発明では、垂直方向のレイヤ数が増加した場合には、そのレイヤ数と同数以上のミラー面数を備えることが要求され、装置が大型化するという問題は解消できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、垂直方向の測定角度範囲を複数の領域に分割するような、マルチレイヤ走査型のレーザレーダ装置において、垂直方向の領域分割数が増加した場合でも、低コストで小型の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】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、検出対象へ向けて光ビームを出射する、光源とカップリングレンズを含む変調光ビーム発生手段と、
前記検出対象により反射された光を受光する受光素子と、
前記検出対象により反射された光を集光して前記受光素子に導く反射光集光手段と、
所定の回転軸を中心として回動可能に構成された回転機構と、
前記変調ビーム発生手段により出射される光ビームを水平方向に走査し、かつ前記検出対象により反射された光を前記反射光集光手段に導く、前記回転機構に備えられたミラー群とを有するレーザレーダ装置であって、
前記光ビームの出射方向に対して垂直方向の検出角度範囲が、複数のレイヤに分割され、
前記ミラー群は、前記回転機構の回転軸に対して互いに異なる倒れ角を設けられた反射ミラー面を備えており、
前記変調ビーム発生手段は、前記垂直方向に、出射角が異なる少なくとも２つ以上の光ビームを出射し、
前記複数の光ビームに設けられた出射角の差が、前記垂直方向の１レイヤ分の検出角度範囲に略等しいことを特徴とするレーザレーダ装置である。
【発明の効果】
【００１５】
垂直方向の測定角度範囲を複数の領域に分割するような、マルチレイヤ走査型のレーザレーダ装置において、垂直方向の領域分割数が増加した場合でも、低コストで小型のレーザレーダ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】マルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置の構成を表している。
【図２】マルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置を示している。
【図３】図2のマルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置の構成の線A1A2での断面図を示している。
【図４】図2のマルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置の構成の線B1B2での断面図を示している。
【図５】本開示のレーザレーダ装置の基本構成を示している。
【図６】本開示のレーザレーダ装置の基本構成を示している。
【図７】本開示のレーザレーダ装置の基本構成を示している。
【図８】本開示のレーザレーダ装置の光ビーム発生手段を示している。
【図９】図8に図示された複数の光ビーム発生手段の構成例を示している。
【図１０】レーザレーダ装置の一実施例を示している。
【図１１】図10のレーザレーダ装置のA1A2での断面を図示している。
【図１２】目標とする検出範囲の一例を図示している。
【図１３】光源の発光タイミングとミラーの走査時間との関係を表している。
【図１４】図13の光源の発光タイミングとミラーの走査時間との関係をより詳細に表している。
【図１５】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図１６】図15の光ビーム発生手段の具体的な構成例を示している。
【図１７】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図１８】レーザレーダ装置の一実施例の側面図を示している。
【図１９】レーザレーダ装置の一実施例の後方から見た図を示している。
【図２０】レーザレーダ装置の一実施例の側面図を示している。
【図２１】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図２２】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図２３】レーザレーダ装置の一実施例の正面図を示している。
【図２４】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図２５】図17〜19のレーザレーダ装置の一実施例に係る水平出力角と垂直出力角との関係を表している。
【図２６】図24のレーザレーダ装置の一実施例に係る水平出力角と垂直出力角との関係を表している。
【図２７】レーザレーダ装置の一実施例の側面図を示している。
【図２８】図27のレーザレーダ装置の水平出力角と垂直出力角との関係を表している。
【図２９】レーザレーダ装置の一実施例の上面図を示している。
【図３０】レーザレーダ装置の一実施例の側面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図1は、マルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置の構成について説明する図である。図2は、マルチレイヤ動作可能な走査型レーザレーダ装置を示している。また図3および図4は、それぞれ図2におけるA1A2およびB1B2を含むXZ平面におけるレーザレーダ装置の構成を示したものである。
【００１８】
光源22から放出された光ビーム13はカップリングレンズ21を介してZ軸に平行な方向でポリゴンミラー3に導かれる。ポリゴンミラー3は、Y軸に平行な方向に回転軸14を有するモータ9によって回転する。図3に示すように、光ビーム6はポリゴンミラー3の回転に伴ってXZ平面上を走査する。レーザレーダ装置から出射された走査ビーム13は、検出対象物によって反射され、受光ミラー群3a,3b,3cおよび受光レンズ10を介して受光素子11に導かれ、反射信号7として検出される。
【００１９】
検出対象物によって反射された光は、その反射点においてランダムな方向に散乱されるが、図4に示すように、レーザレーダ装置から出射された光ビームと等しい光路を辿って反射してくる光成分のみが再度ポリゴンミラー3に入射する。すなわちレーザレーダ装置から投射されるビームと反射光は、ポリゴンミラー3を構成するミラー群3a,3b,3cのうち、同一のミラーによって反射される。またミラー回転速度は光速に比べて非常に遅く、投射ビームと反射光がそれぞれミラー面3a,3b,3cで反射される時間差で発生するポリゴンミラー3の回転角度は無視できるほど小さい。
【００２０】
反射ビーム7は受光ミラーとしてのポリゴンミラー3によって反射され、回転角度に関わらず常にY軸に垂直な方向に伝播する光線となる。さらにその光線は、その後段に配置された受光レンズ10によって受光素子に集光される。このように共通の回転軸14によって走査ミラーと受光ミラーを回転させて光走査および反射光の受光を行うことにより、水平方向（XZ平面上）において所定の角度範囲をもつ距離測定が可能となる。
【００２１】
一方、垂直方向の光ビーム照射角度範囲はレーザレーダ装置から出射される光ビーム6の垂直方向のビーム広がり角によって規定される。垂直方向のビーム広がり角は、光源22の発光幅とカップリングレンズ21の焦点距離に依存する。よって両者の値を制御することによって所定の垂直方向広がり角をもった光ビームが、レーザレーダ装置から出射される。検出対象物からの反射光7は、出射光ビーム6と同じ経路を辿って受光ミラー3に戻るため、受光ミラー3を介して受光レンズ10に結合した反射光ビーム7も、垂直方向に出射光ビームの広がり角と同等の広がり角を有している。したがって、受光レンズ10を通過した反射光ビーム7は、受光素子11が配置された平面において、その角度成分に応じてレンズの光軸中心からY軸方向にずれた位置に集光される。
【００２２】
ここで、図2に示すように複数の受光素子11を垂直方向（Y軸方向）に並べて配置し、それぞれの受光素子11における反射信号を検出することによって、垂直方向をその受光素子の数だけ分割した測定が可能になる。受光素子11全体のY軸方向の検出幅と受光レンズの焦点距離を制御することで垂直方向の検出角度範囲が決定される。この決定された検出角度範囲を上記の光ビーム照射角度範囲と同等にし、さらに受光素子11をY軸方向に複数の検出領域に分割して各々の反射光信号7を検出することによって、垂直方向のマルチレイヤ動作が可能となる。
【００２３】
また、垂直方向の検出範囲をマルチレイヤ化する方法として、ポリゴンミラー3に備えられたミラーのモータ9の回転軸14に対する倒れ角を互いに異なった角度にすることが考えられる。所定の倒れ角がミラー3に与えられることで、投射ビーム13の垂直方向の出射角が制御され、光ビーム6が反射されるミラー面が変わる度に垂直方向出力角が変化する。反射光7は、投射ビーム6を反射した面と同じミラー面による反射により、受光レンズ10を介して受光素子11に導かれる。ビーム照射範囲および光検出領域がともにミラーの倒れ角で規定されるため、受光素子11の数を増やすことなく垂直方向のマルチレイヤ化が可能となる。
【００２４】
図5から図8は本発明のレーザレーダ装置の基本構成を説明するための図である。図5はレーザレーダ装置を側面から見たときの構成を示したものであり、図7および図8は、それぞれ図5におけるA1A2およびB1B2を含むXZ平面におけるレーザレーダ装置の構成を示したものである。
【００２５】
図6は、投射ビーム6がポリゴンミラー3を介してレーザレーダ装置から出射する光線も描いている。光ビーム発生手段2から放出されたレーザビーム13はほぼ平行光である。そのレーザビーム13は、コーナミラー4を介して所定の角度でポリゴンミラー3を構成するミラー面のある一面に導かれる。その後そのレーザビームは、ポリゴンミラー3の回転角度に応じた水平方向出射角度をもってレーザレーダ装置の外へ出射される。
【００２６】
光ビームの時間波形としては、ごく短時間（数ｎｓｅｃ〜１００nsec）の発光を一定時間間隔で繰り返すようなパルス信号波形が用いられることが多いが、正弦波や三角波等の強度変調を光源に与えることにより発生する強度変調ビームが用いられてもよい。
【００２７】
図7は、反射光7がポリゴンミラー3および受光レンズを介して受光装置に導かれる際の光線の軌跡を描いている。反射光は数ｍから数１００ｍ程度遠方の物体からの散乱光であり、レーザレーダ装置に戻ってくる反射光は平行ビームとみなされてよい。反射光は、ポリゴンミラーおよびコーナミラーを介して受光レンズに結合され、最終的には受光素子駆動回路上に実装された受光素子に導かれる。
【００２８】
ここで、ポリゴンミラーは、所定の回転軸を有する回転モータに装荷されており、所定の速度で回転し続ける。また、ポリゴンミラーを構成する各々のミラーは、それぞれモータの回転軸に対して異なる倒れ角が設けられており、その倒れ角は垂直方向の検出範囲に応じて適宜設定される。
【００２９】
図8は本発明の光ビーム発生手段2から放出される光ビーム13a,13bを模式的に図示したものである。図8では、2本の光ビーム13a,13bを放出する光ビーム発生手段2の例を用いて、本発明の光ビーム発生手段2について説明する。それぞれの光ビーム13a,13bは垂直方向に所定の広がり角18,19を有しており、このビームの広がり角18,19は垂直方向のレイヤ当たりの検出角度範囲とほぼ同じ値に設定される。また、２つのビームの出力角は互いに異なり、この出力角の差20は垂直方向１レイヤ当たりの検出角度に略等しく設定される。すなわち、複数の光ビームがそれぞれ垂直方向の１レイヤ分の水平方向ビーム走査を担うように、それぞれの光ビームの広がり角および出力角度が規定される。
【００３０】
図9は、図8に示したような垂直方向に所定の出力角度差を有して出力される複数の光ビームを生成する光ビーム発生手段の構成例を説明するものである。光ビーム発生手段2は、光ビームの本数に等しい数量の光源22a,22bおよびカップリングレンズ21a,21bを備えている。各々の光源は独立に発光タイミングを制御することが可能である。光ビーム13a,13bは、光源駆動回路を用いて光源を所定の変調パターンで発光させることによって放出され、その後カップリングレンズ21a,21bを通過することによって所定のビーム広がり角18,19をもって出力される。ビーム広がり角△θは、光源の発光幅Ｗとカップリングレンズの焦点距離ｆによって制御でき、以下の式
【００３１】
【数１】
2014029317.tif 000003
により決定される。
【００３２】
さらに光源の光軸25a,25bとカップリングレンズの光軸23a,23bはオフセットが設けられており、このオフセット量に応じて光ビーム13a,13bの出力角度を制御することができる。光ビーム13a,13bの出力角度θはオフセット量△Wとカップリングレンズ21a,21bの焦点距離ｆによって制御でき、以下の式
【００３３】
【数２】
2014029317.tif 000004
により決定される。したがって、光源22a,22bの発光幅、カップリングレンズ21a,21bの焦点距離、光源とカップリングレンズの光軸オフセット量を制御することで、所望のビーム広がり角および出力角度を有する光ビームが与えられうる。
【００３４】
例えば図8のように出力ビーム本数が２本の場合、同等の性能を有する２つの光源22a,22bおよびカップリングレンズ21a,21bが使用されてよい。その２つの光源22a,22bおよびカップリングレンズ21a,21bの設定は、両者の光軸オフセット量が一致し、かつオフセット24a,24bの方向はそれぞれのビームで逆向きになるように行われる。それにより、光ビーム１と光ビーム２は互いに等しい垂直方向ビーム広がり角を有し、またそれぞれの光ビームの垂直方向の出力角の差が、垂直方向１レイヤ当たりの検出角度に等しくなるように設計することができる。
【００３５】
このときビーム広がり角とビーム出力角度の関係が△θ＝０．５×θとなり、オフセット量は、
【００３６】
【数３】
2014029317.tif 000005
で与えられる。
【００３７】
具体的な数値例としてレーザレーダ装置の垂直方向検出角度範囲が１．０°である場合、これに適した光ビーム発生手段2の設計例として、光源22a,22bの発光幅を２００μｍ、光源22a,22bの垂直方向の発光幅およびオフセット量を１００μｍ、カップリングレンズ21a,21bの焦点距離を１１．５ｍｍとすれば、光ビーム１および光ビーム２のビーム広がり角18,19はそれぞれ１．０°で、出力角度の差は１．０°なる。
【００３８】
また、複数の光ビームに対して、垂直方向出力角度が互いに異なっている場合には、光ビーム発生手段の構成は限定されない。例えば、上記の構成は、レーザ光源とカップリングレンズのオフセットを利用しているが、複数の光源の取付け角度そのものが互いに異なり、垂直方向１レイヤ分の出射角度差が設けられてもよい。また、図5では水平方向（X軸方向）に２つの光ビームが並べられているが、図10に示すように垂直方向（Y軸方向）に並べられてもよい。図11は図10のA1A2を含むXZ平面におけるレーザレーダ装置の構成を示したものであるが、２つの光ビームを垂直方向に並列することにより、水平方向には２つのビームがほぼ同じ経路でポリゴンミラー3に入射する。その結果、ポリゴンミラー3を構成するミラー面積の増加を防ぎ、ポリゴンミラー3の大型化を抑制することができる。
【００３９】
[実施例1]
図12は目標とする検出範囲の一例を図示したものであり、横軸は水平方向検出角度、縦軸は垂直方向出力角度をそれぞれ表している。水平方向では、ポリゴンミラーの回転により光ビームを走査することにより、広い角度範囲にわたって距離計測が行われてよい。典型的な水平方向検出角度は±２０°程度である。また、垂直方向の検出範囲は８レイヤに分割されており、それぞれレイヤ１層あたりの検出角度範囲は互いに等しい。典型的な１レイヤあたりの垂直方向検出角度は１°程度である。
【００４０】
ここでは、垂直方向の走査レイヤを上から順にレイヤ１、レイヤ２、・・・、レイヤ８と定義することにする。図12の例では、レイヤ１からレイヤ６までおよびレイヤ７とレイヤ８は互いに垂直方向に隙間なく並べられており、またレイヤ６とレイヤ７の間には所定の非検出範囲を設けてある。上方の６つのレイヤは、前方の車両や歩行者等を検出するために用いられ、下方の２つのレイヤは、路面上の白線や路肩等を検出するために用いられる。
【００４１】
図8に示すような２本の出射角が異なる光ビームと、それぞれ面倒れ角の異なる４面のミラー面を有するポリゴンミラーによって、図12に示したような検出範囲が実現可能となる。この際のレーザレータ装置の動作は図13を用いて説明される。ここでは、２本の光ビームのうち上方側に照射される光ビームをビーム１、下方側に照射される光ビームをビーム２と定義し、またポリゴンミラーを構成する４面のミラー面を順にミラー面１、ミラー面２、ミラー面３、ミラー面４と定義する。
【００４２】
検出領域全体すなわち８レイヤ分の走査に要する時間を検出周期と定義すると、この間にポリゴンミラーは２回転する。さらに第１回転では光ビーム１のみが一定の周波数でパルス発光され、第２回転では光ビーム２のみが一定の周波数でパルス発光される。すなわち光ビーム１と光ビーム２の発光タイミングはそれぞれ異なる。またパルス照射時間は、光ビームがポリゴンミラーによって水平方向検出角度範囲内に投射される期間内に限られる。しかし例外的にポリゴンの回転制御のため、水平方向検出範囲外に投射される時間にパルス照射が行われてもよい。
【００４３】
まず、ポリゴンミラーの回転に伴い、光ビーム１がミラー面１によって走査され、レイヤ１に相当する領域が検出される。続いてミラー面２によって検出レイヤが切替わるが、ここでミラー面２の面倒れ角は、ミラー面１による走査範囲と比べて２レイヤ分だけ下方のレイヤに移るように設定される。これにより、ビーム１とミラー面２による走査によってレイヤ３に相当する領域が検出される。同様にビーム１とミラー面３によってレイヤ５が、ビーム１とミラー面４によってレイヤ７に相当する領域がそれぞれ検出され、ポリゴンミラーの第１回転が終了する。
【００４４】
続いてポリゴンミラーが２回転目に移るが、この際に照射する光ビームは、光ビーム１から光ビーム２に切り替わる。光ビーム２は光ビーム１より１レイヤ分だけ下方を照射するから、ポリゴンミラーの回転よって光ビーム２を走査するミラー面が変化することでレイヤ２、レイヤ４、レイヤ６、レイヤ８が順次検出される。以上のように、所定の検出周期時間において８レイヤ全てが検出され得る。
【００４５】
従来のレーザレーダ装置の構成ではポリゴンミラーの面倒れ角制御のみでマルチレイヤ動作実現しているため、レイヤ数と同じだけのミラー面が必要となる。このためこの例のように８レイヤの検出を実現するためにはポリゴンミラーのミラー面を８面備える必要がある。従来のレーザレーダ装置の構成は、反射光の受光範囲をポリゴンミラーによる走査で限定することにより外乱光が受光素子に導かれることを抑制し検出感度を高めている。しかし十分な受光量を得るためにはミラー１面当たりの面積を縮小することはできない。そのためミラーの面数の増加はポリゴンミラーサイズの増大に直結し、これによりレーザレーダ装置が大型化し部品コストが増大してしまう。
【００４６】
これに対し、本発明では、複数の光ビームを備えることによって、垂直方向のレイヤ数が増加してもポリゴンミラーの面数が増加しないので、レーザレーダ装置の大型化を防ぐことができる。また複数の光ビームの発光タイミングを互い異ならせているため、受光素子領域が一つのみであっても、複数のビームの検出信号同士が干渉しあうことがない。したがって検出レイヤ数が増加しても受光素子の領域数が増加することがなく、レーザレーダ装置が高価にならない。
【００４７】
[実施例2]
図14は、光ビームの発光タイミングに係る別の好適実施例を説明する図である。図13では検出周期内でポリゴンミラーを２回転させたのに対し、図14では、ポリゴンミラーが１回転する時間と検出周期とが一致する。光ビーム１と光ビーム２の発光タイミングを異ならせる点については図13で示した方式と同様であるが、図14では、２つの光ビームが交互に照射されることに特徴がある。
【００４８】
ポリゴンミラーが回転して、最初に光ビーム1と2がミラー面１によって走査される。ここで光ビーム１と光ビーム２との間には所定の発光時間差が設けられる。すなわちミラー面１による走査でレイヤ１およびレイヤ２がほぼ同時に検出される。同様にミラー面２によってレイヤ３とレイヤ４、ミラー面３によってレイヤ５とレイヤ６、そしてミラー面４によってレイヤ７とレイヤ８とがそれぞれほぼ同時に検出される。したがってポリゴンミラーが１回転する間に８つのレイヤ全てが検出される。
【００４９】
図13の方式と比べて、図14の方式によればミラーの回転数が半分の速度で済み、その回転制御が容易になるとともに長時間駆動時の信頼性も向上させることができる。
【００５０】
ここで、光ビーム１および２の発光タイミングの時間差としては、３μ秒以上とすることが望ましい。その理由は、発光タイミングの時間差が小さすぎると、光ビーム１によって遠方にある対象物から反射してきた光と、光ビーム２によって極近傍から反射してきた光とが混ざることで、互いの信号を分離できなくなるためである。
【００５１】
レーザレーダ装置において、光パルスを送出した時間と反射光を検出した時間の差を△ｔとすると、検出対象物までの距離ＬはＬ＝△ｔ×c÷２で与えられる。ここでcは光速である。上式より、△ｔが３μ秒のときには、Ｌは４５０ｍとなる。車載用のレーザレーダ装置では検出距離は最大２００ｍ程度なので、仮に４５０ｍ先から反射光が戻ってきたとしても十分にその光強度は小さく、複数の光ビームによる反射光同士が影響しあうことを避けることができる。
【００５２】
また、一般的なレーザレーダ装置ではレーザパルスの発光周波数は１０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度に設定される。これは発光周期に換算すると１０μ秒から１００μ秒の間にある。したがって光ビームの発光タイミング差は１０μ秒以下に設定することが好ましい。
【００５３】
[実施例3]
本発明は複数の光ビームを用いることを特徴とする。本発明のレーザレーダ装置内部の光学系では、その複数の光ビーム同士はできる限り近接させることが望ましい。例えば図6に示したように、２本の光ビームが水平方向に並列する場合、ポリゴンミラー面は両方のビームを反射させるのに十分なミラー幅を有する必要がある。したがって光ビーム同士の間隔が広いとその分ミラー面積が大きくなり、装置が大型化する原因となる。
【００５４】
光ビーム本数を増やす際にその光ビーム同士をできる限り近接させるためには、ビーム合成を行うなうことが有効である。図15は、ビーム合成により２本の光ビームをほぼ１本分の光ビーム領域に合成した際の、投光ビームの伝播の様子を示している。また図16は、図15の光ビーム発生手段の具体的な構成例を示している。
【００５５】
例として、図16を用いてビーム合成を実現する方法について説明する。ここでは光ビーム本数が２本の場合を考える。光ビーム発生手段2は、光源駆動回路26上に実装された２つの光源22a,22b、２つのカップリングレンズ21a,21b、半波長板27、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）28、そして一方のビームの進行方向を変化させるミラー4を有する。図16では、光源１および光源２が共通の光源駆動回路26上に実装されているが、各々別個の駆動回路によって発光制御が行われてもよい。また光源の光軸とカップリングレンズの光軸については、Ｙ軸方向にオフセットが設けられているため、垂直方向の出射角度が互いに異なっている。
【００５６】
２つの光源22a,22bおよびカップリングレンズ21a,21bにより、ほぼ平行光の光ビーム13a,13bが発生される。ここで光源１および光源２の偏光方向は一致している。ここでは電界がＹ軸方向に振動しているものとする。光ビーム１については半波長板27を通過することで偏光方向が９０°回転し、電界がＸ軸方向に振動する偏光となる。一方光ビーム２については、偏光方向は光源自体の偏光方向がそのまま維持され、電界がＹ方向に振動する。ここでＰＢＳ28に両方の光ビームが入射すると、偏向方向の相違により光ビーム１はＰＢＳ28を透過するのに対して、光ビーム２はＰＢＳ28で反射される。その結果、光ビーム１と光ビーム２は、ＸＺ平面上で同一の光ビームとなるように合成される。
【００５７】
光ビーム合成後の２つのビームは互いに偏光方向が９０°異なっているが、これが投光ビーム間でのレーザレーダの検出感度の差に影響する場合がある。そのような場合には、ビーム合成後の２つのビームを１／４波長板に通過させることが有効である。ビーム合成後の２つのビームが１／４波長板を通過することで円偏光になる結果、その２つのビームの偏光依存性は解消されうる。
【００５８】
上記のような光ビーム合成を行うことにより、たとえ光ビームの数が増えても、それらの光ビームは、ほぼ同じ経路を辿ってレーザレーダ装置外へ出力される。そのため、光学系のサイズの増大は抑制される。またＬＤの放熱性を改善するため、又はカップリングレンズの位置調整を高精度に行うため、光源同士又はカップリングレンズを近接して配置することが困難な場合も考えられ得る。そのような場合にも、上記のようにビーム合成を行うことによって、光ビーム自体が伝播する領域をほぼビーム１本分に狭めることができる。その結果、光学系のサイズが大きくなることがなく、そのレイアウトも柔軟に設計できる。
【００５９】
[実施例4]
光ビーム合成を利用した場合のレーザレーダ装置の実施例が図17から図19に示されている。図17はレーザレーダ装置を上面から見たときの図であり、図18はレーザレーダ装置を側面から見たときの図であり、また図19はレーザレーダ装置を後方から見たときの図である。
【００６０】
２つの光源22a,22bは、レーザレーダ装置の底面からＹ軸方向に向けて光ビームを出射する。その２つの光源から出射される２本の光ビームは、半波長板27および偏光ビームスプリッタ28によって合成され、合成された光ビームの進行方向は-Ｘ軸方向に変換される。その後その光ビームは、コーナミラー群4a,4bを介してポリゴンミラー3に導かれ、レーザレーダ装置から走査ビーム6として出射される。反射光7は、ポリゴンミラー3およびコーナミラー4を介して、受光レンズ10に導かれた後、受光素子11に結合される。複数の光ビームを合成することにより、光学系の大型化が抑制されうる。
【００６１】
ところで、レーザレーダ装置を制御する回路として、光源駆動回路26、受光素子駆動回路12、モータ駆動回路8の３種類が存在する。このほかレーザレーダ装置全体の制御を行う回路等が存在するが、ここでは上記３種類の駆動回路のいずれかが全体制御機能も有しているものとする。レーザレーダ装置を低コストで製作するためには、駆動回路は一つの基板上に集積して一括形成されることが好ましい。図17から図19に示した構成では、レーザ駆動回路をモータ駆動回路8と共通の基板上に形成することで、電子回路部品点数が削減され、その結果低コスト化が可能となる。
【００６２】
[実施例5]
光ビーム合成を利用した場合のレーザレーダ装置レイアウトの別の実施例が図20から図23に図示されている。図20は、レーザレーダ装置の側面から見た構成図であり、図21と22は、それぞれ図20におけるA1A2およびB1B2を含むXZ平面におけるレーザレーダ装置の構成を示したものである。また図23は、本構成における２つの光源と受光素子とが共通の制御基板上に実装されることを示した図である。
【００６３】
複数の光ビームが、ポリゴンミラー3の後方に備えられた半波長板および偏光ビームスプリッタによってビーム合成され、コーナミラー4を介してポリゴンミラー3に導き光ビームが走査される点については図17〜19に示した構成と同様である。図17〜19ではモータ駆動回路8と光源駆動回路26が共通の基板上に実装されているのに対し、本構成では図１９に示したように、光源駆動回路26と受光素子駆動回路12が共通の基板に形成され、光源22と受光素子11が共通の基板上に実装されていることが特徴である。このような構成によっても基板枚数および電子回路部品点数は削減され、低コスト化が可能となる。
【００６４】
[実施例6]
本発明の光学系は、ポリゴンミラー3を構成するミラーに対して側方から、すなわちＸＺ平面上で光ビームを入力してビーム走査する。このようなミラーの側方から光ビームを入射する構成を採用すると、原理的に垂直方向の出力角度は水平方向のビーム出力角度に依存して変化する。すなわちビーム走査時の検出領域が曲げられる。
【００６５】
光ビームが、倒れ角を有するミラーに対して垂直に入射するときは、ミラーからの反射光は、倒れ角の２倍の垂直方向出力角度を付与されて放出される。一方ミラーが回転して、光ビームがその回転したミラーに対して斜め方向に入射するときには、垂直方向での出力角度は、倒れ角の２倍より小さくなる。すなわち、垂直方向での出力角度変化は、モータの回転軸に対する倒れ角を設けることによって与えられるが、その垂直方向での出力角度変化が、ミラー回転角の増大に伴って失われる。その結果、光ビームによる照射範囲が限定される恐れがある。
【００６６】
図24は、上記の問題を低減することに有効なレーザレーダ装置の構成例を説明するための図である。これまでに示した実施例では、光ビームはＸ軸に平行な方向でポリゴンミラーに入射して、ビーム走査中心は-Ｚ軸に平行な方向であった。すなわち光ビーム入射方向と走査中心方向の差は９０°に設定されている。これに対して、図24ではコーナミラー１の取付け角度を調整し、光ビーム入射方向と走査中心方向の差が９０°より小さくしている。これにより、光ビームは、ポリゴンミラーに対してより正面に近い方向から入射するため、垂直方向出力角度の減少は防止され、検出領域の曲がりは抑制されうる。
【００６７】
図25は図5又は図17〜19の構成、すなわち光ビーム入射方向と走査中心方向の差を９０°に設定した場合の検出領域の具体例を図示したものであり、横軸は水平方向の検出角度を表し、縦軸は垂直方向の検出角度を表す。またグラフ内の８本の軌跡はそれぞれレイヤ１からレイヤ８を走査する光ビームの中心の軌跡を示したものである。図25より、水平方向での出力角度が小さい場合は８つのレイヤが互いに分離しているが、水平方向での出力角度が増加するのに従って、異なるレイヤに対応する光ビームの軌跡が近接している。このことが検出領域の減少又はレイヤ間の誤検出を引き起こす要因となる。
【００６８】
一方図26は、図24のように光ビーム入射方向と走査中心方向の差を４０°にした場合の検出領域を図示したものであり、水平方向出力角の増加に伴い、ビーム自体の曲がりは発生するものの、レイヤ間の検出領域が互いに重なりあうまでには至らない。すなわち検出領域の減少やレイヤ間の誤検出を抑制することができる。
【００６９】
本実施例のレーザレーダ装置においては、複数の光ビームが用いられている。しかし本願発明は本実施例に限定されず、単一の光ビームが用いられても良い。
【００７０】
[実施例7]
図27は本発明におけるレーザレーダ装置の別の構成例を説明するための図である。これまでの構成例ではモータの回転軸が鉛直方向33すなわちＹ軸方向に平行な場合を想定していたが、モータの回転軸はこれに限定されず、例えば図27に示すように鉛直方向からＺ軸方向に傾けることも有効である。
【００７１】
図26は、モータ回転軸が、Ｙ軸方向に平行なときの検出領域の軌跡を図示したものであり、図28は、モータ回転軸が、Ｙ軸方向から−Ｚ軸側、すなわちレーザレーダ装置の窓側に１°傾いたときの検出領域の軌跡を図示したものである。モータ回転軸がＹ軸方向に平行である場合、垂直方向での出力角が０°のときには原理的には曲がりは発生しないが、垂直方向での出力角が０°から外れるほど曲がりが大きくなる。したがってレイヤ２やレイヤ３には曲がりが殆ど発生していないのに比べ、レイヤ５やレイヤ６は曲がり量が増加している。
【００７２】
図12に示した検出範囲の例は、レイヤ１からレイヤ６の範囲における垂直方向での出力角の中心が−１°であることを仮定している。したがってモータ回転軸を１°傾けることによって、図28に示すように、垂直方向での出力角が−１°のときに、曲がりを発生させないことが可能である。その結果、レイヤ間の曲がり量の差を低減できる。
【００７３】
本実施例ではモータの回転軸を鉛直方向33から傾けたが、同様の効果を有する限り、これに限定されることはなく、例えばモータ回転軸は鉛直方向33のまま、ポリゴンミラー3に対する光ビームの入力角度が、Ｙ軸方向に傾けられてもよい。
【００７４】
本実施例のレーザレーダ装置においては、複数の光ビームが用いられている。しかし本願発明は本実施例に限定されず、単一の光ビームが用いられても良い。
【００７５】
[実施例8]
図29は、本発明のレーザレーダ装置の受光レンズ群の別の実施例を示したものである。受光レンズ群はシリンドリカルレンズ１およびシリンドリカルレンズ２を含む。図30は、本発明のレーザレーダ装置に係る受光光学系の側面図である。これまでの実施例では、反射光は、１枚の受光レンズによって集光されて、受光素子に導かれた。これまでの実施例とは対照的に、本実施例の構成は、焦点距離が互いに異なる２枚のシリンドリカルレンズを直列に配置し、水平方向（Ｘ軸方向）および垂直方向（Ｙ軸方向）をそれぞれ別のレンズで集光することを特徴とする。
【００７６】
典型的なレーザレーダ装置の空間角度分解能は、水平方向では０．１°程度で、垂直方向では１．０°程度である。さらに本発明では、垂直方向に出射角の異なる光ビーム全てが受光される必要があるため、例えばビーム本数が２本の場合には、垂直方向では２．０°の角度範囲がカバーされる必要がある。
【００７７】
受光光学系はこのように定められた水平および垂直それぞれの角度範囲からの反射光を完全に取り込むことが求められるが、同時に迷光や背景光が受光素子に入り込むことを防止するため、取り込み角度を広げすぎることを避ける必要がある。この取り込み角度範囲は、受光素子の寸法と受光レンズの焦点距離によって決定される。
【００７８】
例えば受光レンズの受光素子の寸法が、水平方向＝０．０６ｍｍ、垂直方向＝１．２ｍｍで、受光レンズの焦点距離が３５ｍｍである場合には、取り込み角度範囲は、水平方向で０．１°、垂直方向で２．０°となる。上記の受光素子寸法を実現するためには、受光エリア自体の形状が０．０６ｍｍ×１．２ｍｍの長方形にされてもよいし、より広い受光範囲を有する受光素子上に上記寸法の透過領域を有する遮光マスクが配置されてもよい。
【００７９】
上述の例のように受光レンズが１枚の共軸レンズで構成される場合には、水平方向の受光素子寸法は数１０μｍと小さく、製作時の寸法精度が厳しく要求される。さらに受光レンズの位置がずれたときには、集光位置の変動等の影響が、受光光量に大きく影響する。
【００８０】
図29と図30に示した構成は、反射光の水平方向成分および垂直方向成分を、それぞれ異なる焦点距離をもつシリンドリカルレンズによって集光する。よって、水平方向成分を集光する受光レンズ１の焦点距離を、垂直方向成分を集光する受光レンズ２より長くすることにより、レンズ位置調整時のずれの影響を軽減することができる。例えば受光レンズ２の焦点距離が７０ｍｍで、受光レンズ２の焦点距離が３５ｍｍである場合には、水平方向で０．１°および垂直方向で２．０°の取り込み角度範囲を得るために必要な受光素子の寸法はそれぞれ、水平方向＝０．１２ｍｍ、垂直方向＝１．２ｍｍとなる。この寸法は、より製作しやすい寸法である。
【００８１】
以上のように、受光レンズを２枚のシリンドリカルレンズによって構成することにより、素子寸法の製作許容誤差に対する要求が緩和され、調整時および温度変動時等で発生する光軸ずれに対するロバスト性が向上しうる。また本実施例は、受光レンズを２枚のシリンドリカルレンズで構成しているが、レンズの表面および裏面にそれぞれ水平および垂直方向それぞれの集光に寄与するシリンドリカル面を持たせた単独のレンズを受光レンズとしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
2  光ビーム発生手段
3  ポリゴンミラー
3a  ミラー面
3b  ミラー面
3c  ミラー面
4  コーナミラー
5  窓
6  投射光ビーム
7  反射光
9  モータ
10  受光レンズ
11  受光素子
12  受光素子駆動回路
13  光ビーム
14  回転軸
18  光ビームの広がり角
19  光ビームの広がり角
20  光ビームの出力角の差
21  カップリングレンズ
22  光源
23  カップリングレンズの光軸
24  光軸オフセット
25  パルス光源の光軸
26  光源駆動回路
27  半波長板
28  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８３】
【特許文献１】特開平０９‐２７４０７６号明細書
【図１】
2014029317.tif 000006
【図２】
2014029317.tif 000007
【図３】
2014029317.tif 000008
【図４】
2014029317.tif 000009
【図５】
2014029317.tif 000010
【図６】
2014029317.tif 000011
【図７】
2014029317.tif 000012
【図８】
2014029317.tif 000013
【図９】
2014029317.tif 000014
【図１０】
2014029317.tif 000015
【図１１】
2014029317.tif 000016
【図１２】
2014029317.tif 000017
【図１３】
2014029317.tif 000018
【図１４】
2014029317.tif 000019
【図１５】
2014029317.tif 000020
【図１６】
2014029317.tif 000021
【図１７】
2014029317.tif 000022
【図１８】
2014029317.tif 000023
【図１９】
2014029317.tif 000024
【図２０】
2014029317.tif 000025
【図２１】
2014029317.tif 000026
【図２２】
2014029317.tif 000027
【図２３】
2014029317.tif 000028
【図２４】
2014029317.tif 000029
【図２５】
2014029317.tif 000030
【図２６】
2014029317.tif 000031
【図２７】
2014029317.tif 000032
【図２８】
2014029317.tif 000033
【図２９】
2014029317.tif 000034
【図３０】
2014029317.tif 000035