(57)【要約】【課題】  再帰反射では、非常に高い強度の反射をする。従来のレーザセンサの受信装置は、再帰反射する物体からの再帰反射光により受信回路が飽和して、物体を正確に検出できない場合がある。【解決手段】  パルス変調されたレーザ光１１を送信する送信部１と、物体２０で反射されたレーザ光である反射光１２を受信する受信部２と、受信した反射光１２を電気信号に変換する受信回路４と、電気信号から観測範囲に物体２０が存在するかどうかを含む観測結果３０を生成する観測結果生成部５とを備える。物体が再帰反射する場合に、観測範囲に存在する物体で再帰反射したレーザ光である再帰反射光１３の強度が、受信回路４を飽和させる大きさである。受信部２が、再帰反射光１３の広がりの範囲外になるように決められた離隔距離Ｌだけ送信部１から離れた位置に設けられている。【選択図】  図４
2019045408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測範囲に存在する拡散反射する物体を探知できる強度でパルス変調されたレーザ光を送信する送信部と、
前記物体で反射された前記レーザ光である反射光を受信する受信部と、
受信した前記反射光を電気信号に変換する受信回路と、
前記送信部の変調タイミングと前記受信部の受信タイミングの同期をとるタイミング同期部と、
前記電気信号から前記観測範囲に前記物体が存在するかどうかを含む観測結果を生成する観測結果生成部とを備え、
前記物体が再帰反射する場合に前記観測範囲に存在する前記物体で再帰反射した前記レーザ光である再帰反射光の強度が前記受信回路を飽和させる大きさであり、
前記受信部が、前記再帰反射光の広がりの範囲外になるように決められた離隔距離だけ前記送信部から離れた位置に設けられているレーザセンサ装置。
【請求項２】
前記離隔距離が変化するように前記受信部の位置を変更する離隔設定部をさらに備えた請求項１に記載のレーザセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を用いて物体を検出するレーザセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザセンサ装置（レーザレーダ装置も含む）としては、パルス変調したレーザビームを送信し、撮像対象から反射して、受信したエコーパルスの到達時間を計測し距離測定し、またレーザビームの２次元の照射角度情報と共に、あわせて３次元の情報を構成することで、物体の画像や距離の情報を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のレーザレーダ装置は、レーザの送信ビームを送信する機構と、レーザ光の反射を受信する機構とを備えている。装置としてこの従来のレーザレーダ装置を構成する場合には、送信する機構と受信する機構との距離は、装置の大型化をさせないために離れていない。
【０００４】
従来技術のレーザレーダ装置では、強度の大きい散乱光を受信した場合、受信回路が飽和して受信信号の時間波形がゆがみ、異常な距離値を検出する。従って、受信信号が飽和する場合、送信ビームであるレーザ光のピークパワーを低下させる必要がある。例えばレーザパワーを低下させる一般的な方法として、レーザ光源に入力する電流量を低下させる方法がある。しかし、電流量の制御は高速では行えないため、画像内の一部の画素のみで飽和が発生した場合でも、全画素における測定時のレーザパワーが低下する。その結果、飽和していない他の画素でＳＮ比が劣化し、撮像可能距離が低下するという課題がある。
【０００５】
画像中の一部の画素において強度の大きい散乱光により受信回路が飽和した場合、次回の測定において対象となる画素の測定が飽和しないようにレーザ光のピークパワーを低下させるレーザレーダ装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、特許文献２のレーザレーダ装置では、送信出力するレーザ光のピークパワーを制御することにより、受信回路が飽和しないようにしている。そのため、送信出力の逐次制御が必要である。この場合、送信出力のピークパワーの逐次制御が困難な構成品を用いる場合に、実現できない場合がある。
【０００７】
風速計測に用いられるレーザレーダ装置において、高い空間分解能を得るために、送信波を放射する送信ビーム走査部と反射波を受信する受信ビーム走査部はできるだけ離れた位置に設置し、送信ビームと受信ビームの間が一定以上の角度となるようにするバイスタティックレーザレーダが提案されている（特許文献３参照）。このバイスタティックレーザレーダでは、ビーム方向に誤差が生じる場合にも、ビームを交差させ、風計測を可能とするために、受信信号の強度と該受信信号取得時における所定の送信ビーム方向と該送信ビームに交差する受信ビームの方向とを取得して、受信信号の強度のうち最大強度となる受信信号に対応する送信ビーム方向と受信ビーム方向を求めて、送信ビーム走査手段および受信ビーム走査手段のビーム方向をそれらの方向に設定するビーム方向設定手段を備える。
【０００８】
しかし、特許文献３のレーザレーダ装置は、風速を計測するものであり、物体を検出するためのものではない。送信部から受信部までの距離を離すのは、距離方向の空間分解能を高くするためである。
【０００９】
光を前方に射出して検出対象で反射した光を受光する反射型光電センサでは、投光レンズおよび投光素子の組と受光レンズおよび受光素子の組とが離間して設けられる（例えば特許文献４参照）。投光素子としては、レーザ光を発光するレーザダイオードを使用できることは知られている。例えば特許文献４の０００４には、「投光素子２は、電流を流すと発光するＬＥＤまたはレーザダイオードなどである。」との記載がある。
【００１０】
特許文献４の反射型光電センサでは、送信部から受信部（受光素子）までの距離を変更する特徴を有するが、これは、センサの検出分解能の向上と、不感帯の範囲の縮小を目的とするものである。特許文献４の反射型光電センサは、遠くても１０ｍ程度の比較的近距離の物体を検出するためのものである。照射するレーザ光の強度はそれほど大きくなく、物体からの反射光の強度が大きいために受信回路が飽和することは課題として認識されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１１/１３８８９５号
【特許文献２】特開２０１６−２０５８８４
【特許文献３】特開２００４−３０９３６７
【特許文献４】特開２００３−２０４０７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、レーザビームの照射方向に再帰反射をする物体などがある場合でも従来よりも正確に物体を検出できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係るレーザセンサ装置は、観測範囲に存在する拡散反射する物体を探知できる強度でパルス変調されたレーザ光を送信する送信部と、物体で反射されたレーザ光である反射光を受信する受信部と、受信した反射光を電気信号に変換する受信回路と、送信部の変調タイミングと受信部の受信タイミングの同期をとるタイミング同期部と、電気信号から観測範囲に物体が存在するかどうかを含む観測結果を生成する観測結果生成部とを備える。物体が再帰反射する場合に、観測範囲に存在する物体で再帰反射したレーザ光である再帰反射光の強度が、受信回路を飽和させる大きさである。受信部が、再帰反射光の広がりの範囲外になるように決められた離隔距離だけ送信部から離れた位置に設けられている。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、レーザビームの照射方向に再帰反射をする物体などがある場合でも従来よりも正確に物体を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザセンサ装置の構成を示す図である。
【図２】拡散反射と再帰反射と鏡面反射の特徴を説明する図である。
【図３】拡散反射と再帰反射の反射ビームパターンの例を反射角度に対する反射強度のグラフで説明する図である。
【図４】実施の形態１に係るレーザセンサ装置での送信部と受信部と物体の位置関係を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るレーザセンサ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザセンサ装置の構成を示す図である。レーザセンサ装置１０は、パルス変調されたレーザ光１１を照射する送信部１、レーザ光１１が物体２０で反射されたレーザ光である反射光１２を受信する受信部２、送信部１の変調タイミングと受信部２の受信タイミングの同期をとるタイミング同期部３、反射光１２を光電変換して電気信号を生成する受信回路４、電気信号から観測範囲に物体２０が存在するかどうか、存在する場合には物体２０との距離を含む観測結果３０を生成する観測結果生成部５を備える。
【００１７】
送信部１は、例えば数10ｍから数100ｍまでを最遠観測距離とする決められた観測範囲に存在する拡散反射する物体２０を検知できる強度でパルス変調されたレーザ光１１を送信する。
【００１８】
受信部２は、レーザ光１１が物体２０で反射された反射光１２を受信し、物体２０で再帰反射されたレーザ光である再帰反射光１３（図４に図示）を受信しないように決められた離隔距離Ｌだけ送信部１から位置に設けられる。
【００１９】
反射の種類について説明する。レーザセンサ装置１０の測定対象である物体２０での反射の種別として、大別すると、拡散反射、再帰反射、鏡面反射がある。これら３種の反射の反射ビーム特性を図２に示す。図２(A)が、拡散反射の反射ビーム特性である。図２(B)が再帰反射の反射ビーム特性である。図２(C)が、鏡面反射の反射ビーム特性である。拡散反射では、図２(A)に示す反射ビーム１４のように、あらゆる方向にほぼ同じ強度で反射光１２が散乱する。そのため、拡散反射では各方向への反射強度は低くなる。図２(B)に示す再帰反射では、物体２０への入射光１１の光路にほぼ沿う方向に狭い広がり角を有する反射ビーム１６として再帰反射光１３が反射する。そのため、再帰反射での反射強度は高くなる。レーザセンサ装置１０に反射されてくる反射光は、再帰反射が拡散反射の例えば100倍以上強い光になる場合がある。再帰反射をする物体の例としては、プリズムやコーナーリフレクタ（例えば、自転車、自動車の反射板）や、反射塗装（例えば、道路標識、工事作業服の反射塗装）などがある。図２(C)に示す鏡面反射は、鏡と同様な反射である。鏡面の垂線に関して入射光に対称な方向に鏡面反射光１４が反射する。反射ビーム１７は、反射ビーム１６と同様に広がり角が狭く、鏡面反射の反射強度も再帰反射と同様に強い。
【００２０】
図３は、拡散反射と再帰反射の反射ビームパターンの例を反射角度に対する反射強度のグラフで説明する図である。反射強度は対数目盛りで表現する。角度θcの方角からレーザ光１１が照射される場合に、再帰反射での反射ビームパターン３１(実線で示す)は、角度θcを中心とする狭い範囲での強度が強くなる。角度θcは、入射光に対して１８０度反対の方向である。強度が最大になる角度θcでの強度の例えば１/１０以上の強度になる範囲の角度をθb（＞０）とする。θbは数度以下の小さい値である。θbを再帰反射光の広がり角と呼ぶ。
【００２１】
これに対して、拡散反射での反射ビームパターン３２(破線で示す)は、各方向でほぼ同じ強度である。物体の表面の性質にもよるが、鏡面反射の性質も少し有する場合は、反射ビームパターン３２に示すように、１８０−θcの方向での強度が最大になるように、方向により強度が少し変化する。
【００２２】
図４を参照して、受信部１１の設置位置について説明する。送信部１が照射するレーザ光１１は物体２０の表面に対して角度θcをなして物体２０に照射される。物体２０が再帰反射する場合には、広がり角θbを有する再帰反射光１３が反射される。ここで厳密には、広がり角θbよりも外側にも再帰反射光１３は反射される。広がり角θbよりも外側では強度が小さいので、広がり角θbよりも内側にだけ再帰反射光１３が反射すると考える。再帰反射光１３の強度は、受信回路４に入力されると受信回路４を飽和させる大きさである。受信回路４が飽和することが無いように、受信部２は再帰反射光１３の広がりの範囲の外側に設置する。そのための条件について説明する。
【００２３】
物体２０を検出する観測範囲の最遠観測距離（送信部１からの距離）をＲとする。送信部１が送信するレーザ光１１と、観測範囲内に存在する物体２０で反射されて受信部２で受信される反射光１２とがなす角度をθとする。最遠観測距離Ｒに存在する物体２０で反射されて受信部２で受信される反射光１２の場合の角度θをθaとする。間隔が決められた２点と物体２０とがなす角度は、物体２０が遠くにあるほど小さくなるので、以下が成立する。
|θ|≧|θa|                                (1)
【００２４】
離隔距離Ｌは、レーザ光１１が照射される方向に垂直な方向での受信部２と送信部１との間の距離である。離隔距離Ｌと最遠観測距離Ｒの間には、以下の関係がある。
Ｌ＝Ｒ*tan(|θa|)                          (2)
【００２５】
観測範囲内に存在する物体２０からの再帰反射光１３の広がりの範囲外であるためには、以下が成立する必要がある。
|θ|≧θb/２                               (3)
【００２６】
式(3)が常に成立するためには、以下が成立する必要がある。
|θa|≧θb/２                              (4)
式(2)と式(4)から、以下の式が得られる。
Ｌ≧Ｒ*tan(θb/２)                         (5)
式(5)が、受信部２が再帰反射光１３の広がりの範囲の外側に位置するための、受信部２と送信部１との間の距離Ｌに対する条件を表す式である。
【００２７】
送信部１と受信部２の間の隔離距離Ｌは、予め決められた最遠観測距離Ｒに対して式(5)を満足するようにしておく。
【００２８】
受信部２が受信した反射光１２は、受信回路４に入力されて電気信号に変換される。タイミング同期部３は、信部１の変調タイミングと受信部２の受信タイミングの同期をとる。観測結果生成部５には、受信回路２が出力する電気信号が入力される。電気信号は、送信タイミングからの時間情報と対応付けて入力される。観測結果生成部５は、電気信号から観測範囲に物体２０が存在するかどうか判断する。さらに、物体２０が存在すると判断する場合、すなわち物体２０を検出する場合は、物体２０までの距離を計算する。物体２０が存在することを意味する電気信号の受信時刻のレーザ光１１を送信してからの経過時間を光速で割って、レーザセンサ装置１０と物体２０との間の距離を計測する。観測結果生成部５は、物体２０が存在するかどうか、存在する場合には物体２０との距離を含む観測結果３０を生成する。
【００２９】
動作を説明する。送信部１がレーザ光１１を送信する。タイミング同期部３により同期をとったタイミングで、受信部２が物体２０で反射された反射光１２を受信する。反射光１２は、受信回路４で電気信号に変換される。受信部２は、観測範囲に再帰反射する物体２０が存在する場合でも物体２０で再帰反射された再帰反射光１３が入射されない位置に配置している。強度が強い再帰反射光１３により、受信回路４が飽和することがない。その結果、観測範囲に物体２０が存在するかどうかを含む観測結果３０を正確に得ることができる。すなわち従来よりも正確に物体２０を検出できる。
【００３０】
レーザセンサ装置１０では、再帰反射をする物体の強い反射を避ける場所に位置する受信部２が、受信回路４が飽和しないレベルの反射光を受信し、散乱反射の物体でも再帰反射の物体でも観測することができる効果がある。また、散乱反射をする物体は特定方向に強力な反射をしないので、受信系装置を送信系装置との間を離隔しても受信光の強度への影響は小さく、観測することができる。すなわち、再帰反射の物体と散乱反射の物体の両方を観測対象として観測できる。
【００３１】
レーザセンサ装置は、レーザ光をスキャンする機構を有するものでもよい。観測結果は、物体が存在するかどうかだけでもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
【００３２】
実施の形態２．
実施の形態１では、送信部と受信部の離隔距離Ｌは一定であった。離隔距離Ｌが一定であると、最遠観測距離Ｒを大きくすると再帰反射光を受信部が受信する場合が発生する可能性がある。実施の形態２は、隔離距離Ｌを変化させる離隔設定部を有する場合である。
【００３３】
図５は、この発明の実施の形態２に係るレーザセンサ装置の構成を示す図である。実施の形態１の場合の図１と異なる点を説明する。レーザセンサ装置１０Ａは、送信部１と受信部２の間の距離を計測する測距部６、離隔設定部７を有する。離隔設定部７は、ユーザが入力する最遠観測距離Ｒに応じて送信部と受信部との間の離隔距離Ｌが変化するように、受信部１の位置を変更する。離隔距離Ｌは、式(5)の関係が満足されるように変化させる。測距部６が計測した離隔距離Ｌから、離隔設定部７が変化させた離隔距離Ｌが式(5)を満足していることを確認する。
【００３４】
レーザセンサ装置１０Ａは、入力された最遠観測距離Ｒに応じて送信部と受信部との離隔距離Ｌを変化させる。レーザ光１１を照射する以降の動作は、レーザセンサ装置１０と同様であり、同様の効果が得られる。
【００３５】
最遠観測距離Ｒの想定する最大値に対して式(5)を満足するように離隔距離Ｌを決めている場合は、再帰反射光で受信回路４が飽和することは無いが、再帰反射する物体２０からの反射光で受信部２が受信する反射光の強度が小さくなりすぎて、再帰反射する物体２０を検出できない可能性がある。最遠観測距離Ｒを観測しようとする距離に応じて変化させ、離隔距離Ｌも最遠観測距離Ｒに応じて変化させることで、観測範囲に存在する再帰反射する物体を検出できない可能性を小さくできる。
【００３６】
本発明はその発明の精神の範囲内において各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の変形や省略が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０、１０Ａ：レーザセンサ装置
１：送信部
２：受信部
３：タイミング同期部
４：受信回路
５：観測結果生成部
６：測距部
７：離隔設定部
１１：レーザ光
１２：反射光
１３：再帰反射光
１４：鏡面反射光
１５：反射ビーム（拡散反射）
１６：反射ビーム（再帰反射）
１７：反射ビーム（鏡面反射）
２０：物体
３０：観測結果
３１：反射ビーム特性（再帰反射の場合）
３２：反射ビーム特性（拡散反射の場合）
【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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