(57)【要約】【課題】投光用ミラーの曲率を可変可能な構造にすることにより測距データに連続性を保持できるレーザビーム照射装置を提供する。【解決手段】  レーザビーム照射装置は、レーザビームを出力するレーザ光源と、レーザ光源から出力されたレーザビームを反射する投光用ミラーと、投光用ミラーを揺動することにより前記レーザビームにより所定のエリアを走査するミラー駆動装置とを備えている。また、レーザビーム照射装置は、投光用ミラーの背面の上下端部にミラー長手方向（横方向）に沿って２つの圧電素子を取り付けている。投光用ミラーの揺動角に応じてこの圧電素子を駆動し、投光用ミラーを変形させる【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームを反射する投光用ミラーと、
前記投光用ミラーを揺動することにより前記レーザビームにより所定のエリアを走査するミラー駆動装置とを備えたレーザビーム照射装置において、
前記投光用ミラーの背面に圧電素子を取り付けたことを特徴とするレーザビーム照射装置。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記投光用ミラーの背面の周囲に複数個取り付けたことを特徴とする請求項１記載のレーザビーム照射装置。
【請求項３】
前記投光用ミラーの揺動角に応じて前記圧電素子を駆動する圧電素子駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザビーム照射装置。
【請求項４】
前記圧電素子駆動手段は、前記投光用ミラーの揺動角が最大角近辺のときに前記圧電素子を駆動して、前記投光用ミラーをその反射面の曲率が大きくなるように変形させることを特徴とする請求項３記載のレーザビーム照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかのレーザビーム照射装置と、
前記レーザビームの物体から反射波を受光する受光手段と、
レーザビーム照射装置からレーザビームを照射した時間と前記受光手段によりその反射波を受光した時間との差から前記物体までの距離を測定し、該レーザビームの照射方向から前記物体の方位を測定する測距手段と、を備えたことを特徴とする測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学距離測定装置に適用可能なレーザビーム照射装置、例えば、車両において前方障害物や先行車両に対する測距や監視を行う測距装置に適用可能なレーザビーム照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行中の自車両の前方を監視し車間距離制御等に資するための車載装置として、自車両の前方をレーザビームで走査して先行車両等の物体を検出するレーダが実用化されている。このレーダは、レーザビームを照射して検出した物体までの距離を測定し、且つ、その物体の方位を検出する測距装置を備えており、測距装置には、レーザビームを出力するレーザ光源と、レーザ光源から出力されたレーザビームを反射する投光用ミラーと、投光用ミラーを揺動することによりレーザビームにより所定の視野角のエリアを走査するミラー駆動装置とを備えるレーザビーム照射装置が設けられている。
【０００３】
上記レーザビームは、そのビーム径を細くすれば物体の角度分解精度が上がる。ビーム径を細くした場合、同じ走査範囲内において計測回数が増え、処理すべき計測データが増大するため、前方に車両が存在する範囲を想定し、この範囲を走査範囲とすることが多い。そのため、市街地を走行しているときなどでは、走査範囲を限定しているために、車両の前方左右の歩行者を検出できなくなる。走査範囲を広げるには、ビーム径を広げるか、又は、投光用ミラー揺動角を広げる方法があるが、前者の方法では前方を走行する先行車両の検出精度が低下し、後者の方法ではミラー駆動装置の構造が複雑化したり、処理の高速性が要求されたりする等の要因により高コストとなってしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１では、投光用ミラーとして、反射面が平面である正反射ミラーの背面に反射面が凸面又は凹面の拡散反射ミラーを貼り付け、１８０度回転することによりどちらかの反射ミラーを選択的に使用できるようにしている。正反射ミラーでは、レーザビームの広がりがないために、物体の認識精度が高くなり、拡散反射ミラーでは、レーザビームが広がるために認識精度は落ちるが、視野角が広がる。すなわち、高速道路を走行している時など、遠方の先行車両等に対する監視を行うときには正反射ミラーを選択し、市街地を走行し前方左右の歩行者や障害物を検出する必要があるときには拡散反射ミラーを選択する。ミラー駆動装置は、ミラーを１８０度回転することにより、正反射ミラーか拡散反射ミラーを選択する。
【特許文献１】特開２００２−０７１８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の装置では、正反射ミラーと拡散反射ミラーを切り換えるときに切り換え時間が必要となる。このため、その瞬間に計測が途切れることになり、測距データに連続性がなくなるという不都合がある。また、市街地を走行しているときに拡散反射ミラーを選択していると、前方の先行車両の検出精度が高くならない不都合がある。
【０００６】
この発明の目的は、投光用ミラーの曲率を可変できる構造にして、前方の物体の検出精度を高くしたまま、測距データに連続性を保持できるレーザビーム照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のレーザビーム照射装置は、レーザビームを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザビームを反射する投光用ミラーと、前記投光用ミラーを揺動することにより前記レーザビームにより所定のエリアを走査するミラー駆動装置とを備えたレーザビーム照射装置である。ミラー駆動装置は、平面形状の投光用ミラーを回転駆動することにより、レーザ光源から出力されるレーザビームを反射して少なくとも左右（水平）又は上下（垂直）方向に走査する。
【０００８】
この発明のレーザビーム照射装置は、前記投光用ミラーの背面に圧電素子を取り付けたことを特徴とする。圧電素子に電圧を印加するとその圧電効果によりミラーに力が加わる。そこで、圧電素子を投光用ミラー背面の適所に取り付けることにより、投光用ミラーを凹面状又は凸面状に変形させ、レーザビームの広がりを制御することができる。このとき、レーザビームの走査に同期して、すなわち投光用ミラー回転角度に同期して圧電素子に電圧を印加することで、レーザビームの広がりの連続性（測距データの連続性）を保つことができる。
【０００９】
投光用ミラーを凹面状又は凸面状に効果的に変形させるには、圧電素子を、投光用ミラーの背面の周囲に複数個取り付けることが望ましい。
【００１０】
また、車両に積載する測距装置に適用した場合は、前方左右の歩行者や障害物を検出するために、投光用ミラーの揺動角が最大角近辺のときに圧電素子を駆動して投光用ミラーの反射面曲率が大きくなるように変形させる。このようにすると、レーザビームが前方中央付近を走査しているときには細いビームで先行車両を高精度に追跡、監視し、レーザビームが前方左右付近の走査になったときには、広がりのあるビームで歩行者や障害物の検出を行うことができる。以上の構成において、揺動角が中央位置から最大角付近に移動するのに応じてミラーの反射面曲率を大きくするようにしても良い。なお、広がりのあるビームは細いビームに比較して精度が低くなるが、歩行者の有無の検出を行えば良いために、問題は生じない。
【発明の効果】
【００１１】
圧電素子により投光用ミラーの曲率を可変できるため、測距データの計測の連続性が保たれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、この発明の実施形態であるレーザビーム照射装置を用いた測距装置の一部ブロックである。
車両に登載される測距装置は、レーザビーム照射装置１と、レーザビーム受光装置２と、制御部３とで構成されている。測距装置は、レーザビーム照射装置１からレーザビームを照射した時刻と前記レーザビーム受光装置２によりその反射波を受光した時刻との差（時間）から、制御部３において車両前方を走行する先行車両等の物体までの距離を測定し、また、該レーザビームの照射方向から前記物体の方位を測定する。また、制御部３は、車両前方左右を歩行する歩行者や障害物の存在を検出する。測距装置の出力は、例えば先行車両追跡システムに送られ、ここで先行車両との車間が一定となるように速度制御が行われる。
【００１３】
レーザビーム照射装置１は、赤外線レーザを発光するレーザダイオード１０（レーザ光源）と、このレーザダイオード１０から出力された一定の広がり角を有するレーザ光を集光して縦長の細いビーム径を有するレーザビームＬＡに変換する光学系１１とをからなる発光部１２とを備えている。また、レーザビーム照射装置１は、レーザビームＬＡを反射させて装置前方（車両前方）に出射させる投光用ミラー１３と、この投光用ミラー１３を水平方向に揺動駆動するミラー駆動装置１４とからなる走査部１５を備えている。投光用ミラー１３は、例えばアルミニウム素材をその表面を研磨加工して矩形形状に構成され、反射面は平面状であって鏡面に仕上げられている。また、後述のように、投光用ミラー１３の背面には２つの圧電素子Ｐ１、Ｐ２が取り付けられている。
【００１４】
レーザビーム受光装置２は、受光素子２０と、この受光素子に効率良く反射光を入射させるための受光用光学系（図示せず）を備えている。
【００１５】
前記制御部３は、レーザビーム照射装置１とミラー駆動装置１４を駆動する駆動回路３０と、受光素子２０で受光した信号を処理する信号処理部３１、駆動回路３０、信号処理部３１を制御し、距離測定、方位測定する制御回路３２とを備えている。駆動回路３０は、後述のように、さらに、制御回路３２からの信号に基づいて、圧電素子Ｐ１、Ｐ２を駆動する。
【００１６】
投光用ミラー１３の背面には、図２のように、２つの圧電素子Ｐ１とＰ２とが取り付けられている。圧電素子Ｐ１とＰ２は長片状であって、投光用ミラー１３の背面上端部と背面下端部に横方向に取り付けられている。圧電素子Ｐ１とＰ２は、例えば２枚の圧電素子材料を貼り合わせたバイモルフ構造であり、２枚の圧電素子材料のそれぞれに差動的な電圧を加えると伸縮方向が反対になるため反りが生ずる。この反りによる応力を投光用ミラー１３の背面に付与すると、同ミラー１３が図示のように矢印Ａ、Ｂ方向に内側に変形する（反る）。又は、バイモルフ構造を変えることで、同ミラー１３が外側に変形する。図４はこのようにして内側に変形して凹面状となった投光用ミラー１３を示している。以下の説明では、凹面状に変形するものとする。なお、投光用ミラー１３が凸面状に変形した場合は、反射面で反射したレーザビームはそのまま拡散していくが、凹面状に変形した場合は、反射面においてビーム径が絞られる。そこで、光学系１１においてビームが一定の広がり角を有するように整形しておくことにより、凹面状の反射面で反射されるビームの拡散度合い（広がり角）を適当な大きさに設定することができる。
【００１７】
変形による反射面の曲率は、圧電素子Ｐ１とＰ２の変形の度合い、つまり印加電圧の大きさに依存する。
【００１８】
そこで、投光用ミラー１３の揺動角が最大角近辺になったときに圧電素子Ｐ１とＰ２を駆動して（電圧を印加して）、同ミラーの反射面１３ａの曲率を大きくする。図５は、車両４とレーザビーム照射装置から照射されるレーザビームＬＡとの関係を示している。今、同図に示すように、車両４の前方の左右視野角がレーザビームＬＡで左右に走査している状態で（１）〜（３）の領域に分割されているものとする。
【００１９】
図５（Ａ）は、領域（１）及び（２）において、投光用ミラー１３を変形させず平板状のまま使用し、投光用ミラー１３の揺動角が最大角近辺である左右の領域（３）において、投光用ミラー１３を変形させてその反射面１３ａを凹面状とする例を示す。なお、θＡ、θＢは、中心線Ｏから領域（２）、（３）の中心までの揺動角を示している。
【００２０】
図５（Ｂ）は、領域（２）、領域（３）において、投光用ミラー１３を徐々に変形させてその反射面１３ａの凹面曲率を変えていき、ビームの広がり角を広くしていく例を示す。さらに、図５（Ｂ）では、領域（２）、領域（３）の幅も徐々に広げていく。
【００２１】
図５（Ａ）では、走査端に位置する領域（３）のビーム広がり角を単純に広げている。しかし、各領域内のビーム本数が同じままだとすると、領域（３）においては、領域内のビームの重なりが生じる。また、隣接する領域（２）内のビームとの重なりも生じる。このため、ビームの重なりによる計測処理の無駄（重なった部分について計測処理が２度行われる）が生じ、また、精度が低下する。しかし、領域の幅を広げる操作が不要である分処理が簡単となり、そのため計測精度を高くする必要がない場合は図５（Ａ）の構成を採用すれば良い。
【００２２】
これに対し、図５（Ｂ）では、ビームの広がり角を広くしていってもビームの重なりが生じないために、処理は少し複雑化するが計測の無駄が生じないから高速化する。また、精度も高くなる。したがって、走査端での計測精度を高くしたい場合には、図５（Ｂ）の構成を採用すれば良い。
【００２３】
図６は、制御回路３２において投光用ミラー１３の走査の制御動作を示すフローチャートである。この例では、図５（Ａ）のように、投光用ミラー１３の揺動角θが領域（３）の範囲にあるときにビームの広がり角を広げる制御を行う。
【００２４】
ステップＳＴ１において、投光用ミラー１３の揺動角θを検出する。揺動角θが領域（１）又は（２）の範囲にあることを検出した場合は、圧電素子Ｐ１、Ｐ２の駆動をしない（ＳＴ２）。このため、投光用ミラー１３は図１のようになり（変形せず）、反射面１３ａで反射されるレーザビームＬＡは、その径が細いものとなり物体の検出を高精度に行うことができる。
【００２５】
ステップＳＴ１において、投光用ミラー１３の揺動角θが領域（３）内にあることを検出した場合は、圧電素子Ｐ１、Ｐ２を駆動する（ＳＴ３）。このため、投光用ミラー１３は図３のように変形して、反射面１３ａで反射されるレーザビームＬＡは拡散して、その径が広がる。その結果、左右視野角αが広くなり、投光用ミラー１３が平板状のときには検出できない前方左右にいる歩行者等の検出が可能になる。
【００２６】
このように、投光用ミラー１３を、その走査位置に応じて変形するため、反射面の曲率を変えるための時間が不要であり、測距装置での計測動作が連続的となる。
【００２７】
上記の実施形態では、投光用ミラー１３の背面の上下端部にミラー長手方向（横方向）に沿って２つの圧電素子Ｐ１、Ｐ２を取り付けたが、レーザビームＬＡを上下方向に走査する場合は、投光用ミラー１３の背面面の左右端部にミラー短手方向（縦方向）に沿って２つの圧電素子を取り付ける。また、レーザビームＬＡを左右方向と上下方向に振って前方の２次元面を走査する場合は、投光用ミラー１３の背面の上下左右の端部に合計４つの圧電素子を取り付ける。図７は、４つの圧電素子（Ｘ方向変形用とＹ方向変形用）を取り付けた場合の変形方向を示している。同図（Ａ）は変形していない状態、同図（Ｂ）は左右方向（Ｘ方向）に変形した状態、同図（Ｃ）は上下方向（Ｙ方向）に変形した状態をそれぞれ示している。圧電素子は２枚に限定するものではなく、３枚以上の複数枚でも良い。左右、もしくは、上下方向にのみ変形させれば足りる場合は１枚としてもよい。ミラー１３を一様に変形させることが可能であれば良い。
【００２８】
なお、圧電素子に印加する電圧を連続的に変化させれば、投光用ミラー１３の曲率も連続的に変化させることができる。また、圧電素子に印加する電圧を変化させて、投光用ミラー１３の曲率を変えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施形態であるレーザビーム照射装置を用いた測距装置の一部ブロック図を示している。
【図２】投光用ミラーの斜視図を示している。
【図３】投光用ミラーの変形時のレーザビーム反射状態を示している。
【図４】投光用ミラーの変形時の斜視図を示している。
【図５】レーザビームの視野角を示している。
【図６】ミラー走査時の概略動作を示すフローチャートである。
【図７】投光用ミラーの他の例を示す図である。
【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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【図７】
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