(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出力された光束を被測定対象物体に向けて照射するための投光光学系と、前記被測定対象物体により反射された反射光束を検出する検出光学系とを含み、前記被測定対象物体までの距離を測定する距離計測装置を備えており、
前記投光光学系が、非球面レンズ部分とシリンドリカルレンズ部分とを含むと共に、所定の距離離れた位置において、前記光束の光軸に直交する面で見て略矩形形状を呈し、且つ、前記シリンドリカルレンズ部分が前記光束のうち光軸付近の光を前記光束の周辺部に向けて広げることにより前記光束の光軸を通る互いに直交する２つの直線に沿った光強度の分布がいずれもガウス分布から前記光束の光軸付近の光強度よりも前記光束の周辺部の光強度を高くされた光強度分布とする光強度補正手段を有し、前記光束の光軸と交差する方向に複数並設されていることを特徴とする物体検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定対象物体までの距離を測定する距離計測装置、及び距離計測装置を用いた物体検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえばＥＴＣ（Electronic Toll Collection System）における車両検知装置として、外部に出射される照射光を発生させる光源（レーザダイオード等）を用いた照射光学系と、被測定対象物体からの反射光を検出する受光素子等を用いた検出光学系とを有して構成されて、受光の有無によって検出方向における被測定対象物体の有無を、また、照射光と反射光との時間差・位相差などから被測定対象物体までの距離を検出する距離計測装置が知られている。
【０００３】
たとえば、特開平７−２５３４６２号公報には、レーザ光源から出射した光を送信する送信光学系と、送信光学系から送信された光のうち、対象物から反射し戻った光を受信し、受信信号を出力する受信手段と、受信信号により対象物を検知する検知手段と、光の送信タイミングと受信タイミングの差から対象物までの往復時間を計測して対象物までの距離を演算する演算手段とを具備した距離測定装置が開示されている。この特開平７−２５３４６２号公報に開示された距離測定装置にあっては、送信光学系が、並列する複数の主点を有して光の光束強度分布を平坦化するフライアイレンズを具備しており、このフライアイレンズによりレーザ光源からの光は強度分布が平坦化されて送信され、対象物に対して投射された光は測定光束の中央部のものであるか、或いは周辺部のものであるかに拘わらず、強度が異なることがなく、光源から出射する光の強度分布に基因する誤差は減少して高精度の距離測定が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等の調査研究の結果、特開平７−２５３４６２号公報に開示された距離測定装置においては、以下のような問題点を有していることが判明した。特開平７−２５３４６２号公報に開示された距離測定装置では、送信光学系にフライアイレンズが用いられている。しかしながら、レーザ光源の発光強度分布はガウス分布（光軸付近が高く、周辺付近が低い）をしていることから、フライアイレンズでは、ガウス分布の発光強度を有する光束が細分化されるだけであり、光束全体の発光強度分布を平坦化することは困難である。
【０００５】
また、光束全体の発光強度分布が平坦化されたとしても、光源から出射された光束の照射範囲に円筒あるいは円柱形状の被測定対象物体の一部のみ侵入した状態では、被測定対象物体からの反射光束の反射光量が少なくなり反射光束そのものの検出が困難となり、検出精度及び確度が劣る惧れがある。円筒あるいは円柱形状の被測定対象物体では、光反射面が曲面となる。このため、被測定対象物体の中央部に光束が照射されると、照射された光束は正反射されて反射光束の光強度は高いが、被測定対象物体の端部（周辺部）に光束が照射されると、端部は曲率が大きいため散乱が大きく反射光束の光強度は激減する。更に、レーザ光源の発光強度分布は、上述したようにガウス分布であることから、光束の周辺部の光強度そのものも、光束の光軸付近の光強度に比べて低くなっている。これらのことから、外側形状が曲面である被測定対象物体の端部のみが光束の照射範囲に侵入している状態では、反射光束の光強度が極めて低く、検出が困難となる。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、被測定対象物体からの反射光束を確実に検出することができ、高精度な距離計測が可能となる距離計測装置及び物体検知装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る距離計測装置は、光源から出力された光束を被測定対象物体に向けて照射するための投光光学系と、被測定対象物体により反射された反射光束を検出する検出光学系とを備え、被測定対象物体までの距離を測定する距離計測装置であって、投光光学系は、所定の距離離れた位置において光束の光軸付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度を高くする光強度補正手段を有していることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る距離計測装置では、投光光学系が光強度補正手段を有しているので、光源から出力され被測定対象物体に照射される光束の光強度分布は、光束の周辺部の光強度が光束の光軸付近の光強度よりも高い強度分布となる。これにより、円筒あるいは円柱形状等の外側形状が曲面である被測定対象物体の端部に対して光束の周辺部の光が入射する場合、この被測定対象物体の端部からの反射光束の光強度は、光源から出力される光束の光強度分布がガウス分布である、あるいは平坦化されているものに比して、高くなる。したがって、外側形状が曲面である被測定対象物体の端部のみが光束の照射範囲に侵入している状態においても、被測定対象物体からの反射光束の光強度が高くなり、この反射光束を適切に検出することができる。この結果、本発明に係る距離計測装置によれば、高精度な距離計測が可能となる。なお、外側形状が曲面である被測定対象物体の中央部に対して光が入射するとこの光は略正反射するので、たとえ光束の光軸付近の光（光束の周辺部よりも光強度が低い）が被測定対象物体の中央部に入射するとしても、反射光束の光強度は検出に必要相当な強度となる。
【０００９】
また、光強度補正手段は、非球面レンズ部分とシリンドリカルレンズ部分とを含んでいることが好ましい。このように、光強度補正手段が非球面レンズ部分とシリンドリカルレンズ部分とを含むことにより、光源から出力された光束のうち光軸付近の光が光束の周辺部に向けて広がることになる。これにより、所定の距離離れた位置において光束の光軸付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度を高くし得る光強度補正手段を、非球面レンズ部分とシリンドリカルレンズ部分との組み合わせという極めて簡易な構成にて実現することができる。
【００１０】
そして、本発明に係る物体検知装置は、上記の距離計測装置を備えた物体検知装置であって、投光光学系が、光束の光軸と交差する方向に複数並設されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る物体検知装置では、外側形状が曲面である被測定対象物体が、複数個並設された投光光学系から出力される光束により構成される検知ゾーンに侵入した場合においても、高精度な距離計測が可能となり、被測定対象物体の検知精度を向上することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による距離測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
まず、図１に基づいて、本発明の実施形態に係る距離測定装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る距離計測装置の構成を示すブロック図である。距離計測装置１は、被測定対象物体Ｔに測定光としての光束を照射するための投光光学系１１と、この被測定対象物体Ｔで反射した反射光束を検出するための検出光学系２１と、これら投光光学系１１及び検出光学系２１に入出力する各種の電気信号を処理する信号処理系３１とから構成されている。
【００１４】
投光光学系１１は、光源１２と、光強度補正手段としての投光レンズ（コリメートレンズ）１３とを有している。光源１２は、レーザダイオード駆動回路（ＬＤ駆動回路）３３から入力された駆動信号に対応して、光束を発生、出力するレーザダイオード（ＬＤ）である。光源（以下、ＬＤと称する）１２から出力された光束の光強度分布はガウス分布（光束の光軸付近の光強度が光束の周辺部の光強度より高い）となっている。投光レンズ１３は、ＬＤ１２から出力された光束を被測定対象物体Ｔに向けて出射すると共に、ＬＤ１２から出力された光束の光強度分布を補正するためのものであり、投光レンズ１３から所定の距離離れた位置において、ＬＤ１２から出力された光束の光軸付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度を高くする。本実施形態においては、投光レンズ１３は、この投光レンズ１３から５ｍ程度離れた位置において、光束の光軸付近の光強度と光束の周辺部の光強度との比が１：２程度となるように設計されている
【００１５】
次に、図２に基づいて、投光レンズ１３の構成について説明する。図２は、投光レンズ１３の一例を示す図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は出射側から見た図、同図（ｃ）は下面図、同図（ｄ）は出射側から見た図である。投光レンズ１３は、非球面レンズ部分１４とシリンドリカルレンズ部分１５とを含んでおり、これらの非球面レンズ部分１４とシリンドリカルレンズ部分１５とは一体形成されている。この投光レンズ１３は、非球面レンズ部分１４を投光レンズ１３の入射（ＬＤ１２）側に位置させ、シリンドリカルレンズ部分１５を出射（被測定対象物体Ｔ）側に位置させた状態で配設されている。シリンドリカルレンズ部分１５は、出射面がかまぼこ状に凹んでいる。なお、投光レンズ１３は、シリンドリカルレンズ部分１５を投光レンズ１３の入射側に位置させ、非球面レンズ部分１４を出射側に位置させた状態で配設させてもよい。
【００１６】
ＬＤ１２から出力された光束は、投光レンズ１３に入射し、投光レンズ１３の非球面レンズ部分１４により平行光化される。平行光化された光束の幅は、５０ｍｍ程度に設定されている。そして、投光レンズ１３のシリンドリカルレンズ部分１５により、光束のうち光軸付近の光が光束の周辺部に向けて広がることになる。これにより、ＬＤ１２から出力された光束の光強度分布が、図３に示されるように、ガウス分布から光束の光軸付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度を高くされた光強度分布になる。
【００１７】
投光レンズ１３から出射した光束のビーム形状は、図４に示されるように、光束の光軸Ｌに直交する面で見て、略矩形形状を呈している。また、図示のように、光束の光軸Ｌを通る互いに直交する２つの直線に沿った光強度の分布は、いずれも光束の光軸Ｌ付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度が高い分布となっている。光束の光軸Ｌ付近の光強度と光束の周辺部の光強度との比は、上述したように１：２程度となっている。
【００１８】
図２に示された投光レンズ１３を用いる代わりに、図５及び図６に示されるような投光レンズ１６，１８を用いてもよい。図５及び図６は、図２と同様に、投光レンズ１６，１８の一例を示す図である。同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は出射側から見た図、同図（ｃ）は下面図である。図５に示された投光レンズ１６は、図示のように、非球面レンズ部分１４と円筒非球面レンズ部分１７とを含んでいる。この投光レンズ１６は、非球面レンズ部分１４を投光レンズ１３の入射側に位置させ、円筒非球面レンズ部分１７を出射側に位置させた状態で配設される。また、図６に示された投光レンズ１８は、非球面レンズ部分１４と屋根型プリズム部分１９とを含んでいる。この投光レンズ１３は、非球面レンズ部分１４を投光レンズ１３の入射側に位置させ、屋根型プリズム部分１９を出射側に位置させた状態で配設される。
【００１９】
再び、図１を参照する。検出光学系２１は、受光レンズ２２と、光検出器２３とを含んでいる。受光レンズ２２は、投光レンズ１３を介して出射された光束のうち被測定対象物体Ｔから反射し戻った反射光束を光検出器２３に入射させる。光検出器２３は、入射した反射光束に対応して光電変換した受光信号を、増幅器３４に出力するフォトダイオード（ＰＤ）である。
【００２０】
信号処理系３１は、パルス発生回路３２と、ＬＤ駆動回路３３と、増幅器３４と、コンパレータ３５と、クロック発生回路３６と、時間差測定回路３７と、距離出力部３８とを含んでいる。パルス発生回路３２は、所定の周期のパルス信号を発生させ、ＬＤ駆動回路３３及び時間差測定回路３７に出力するものである。ＬＤ駆動回路３３は、パルス発生回路３２から入力されるパルス信号が点灯トリガとなって動作し、駆動信号をＬＤ１２に出力する。
【００２１】
増幅器３４は光検出器（以下、ＰＤと称する）２３から入力された受光信号を増幅するものであり、増幅された受光信号はアナログ出力信号としてコンパレータ３５に出力される。コンパレータ３５は増幅器３４からのアナログ出力信号をディジタル矩形波の受光パルス信号に変換するものであり、変換した受光信号を時間差測定回路３７に出力している。
【００２２】
時間差測定回路３７は、パルス発生回路３２からのパルス信号とコンパレータ３５からの受光パルス信号とに基づいて、ＬＤ１２からの光束の投光タイミングとＰＤ２３での反射光束の受光（検出）タイミングとの時間差、すなわちＬＤ１２から出力された光束が被測定対象物体Ｔにて反射し反射光束がＰＤ２３に入射するまでの時間（光束の往復飛翔時間）を測定する。時間差測定回路３７には、クロック発生回路３６からのクロック信号が入力されており、時間差測定回路３７は、パルス信号の入力タイミング（たとえば、パルス信号の立ち上がりタイミング）から受光パルス信号の入力タイミング（たとえば、受光パルス信号の立ち上がりタイミング）までのクロック信号を計数し、計数されたクロック信号の数にクロック信号の周期を乗算することにより、上述した光束の往復飛翔時間を演算、測定する。
【００２３】
時間差測定回路３７にて演算、測定された光束の往復飛翔時間は、時間情報として距離出力部３８に出力される。距離出力部３８は、時間差測定回路３７からの時間情報に基づいて距離計測装置１から被測定対象物体Ｔまでの距離を演算し、距離情報として出力する。
【００２４】
このように、本実施形態に係る距離計測装置１では、投光光学系１１が投光レンズ１３を有しているので、ＬＤ１２から出力され被測定対象物体Ｔに照射される光束の光強度分布は、光束の周辺部の光強度が光束の光軸付近の光強度よりも高い強度分布となる。これにより、たとえば図３に示されるように円筒あるいは円柱形状等の外側形状が曲面である被測定対象物体Ｔの端部に対して光束の周辺部の光が入射する場合、この被測定対象物体Ｔの端部からの反射光束の光強度は、光源から出力される光束の光強度分布がガウス分布である、あるいは平坦化されているものに比して、高くなる。したがって、外側形状が曲面である被測定対象物体Ｔの端部がわずかに光束の照射範囲（検知エリア）に侵入している状態においても、被測定対象物体Ｔからの反射光束の光強度が高くなり、ＰＤ２３（検出光学系２１）での反射光束の検知に必要相当の受光光量が得られ、反射光束をＰＤ２３（検出光学系２１）にて適切に検出することができる。この結果、本実施形態の距離計測装置１によれば、高精度な距離計測が可能となる。なお、外側形状が曲面である被測定対象物体Ｔの中央部に対して光が入射するとこの光は略正反射するので、たとえ光束の光軸付近の光（光束の周辺部よりも光強度が低い）が被測定対象物体Ｔの中央部に入射するとしても、反射光束の光強度は検出に必要相当な強度となる。
【００２５】
ところで、反射光束の光強度を高めるための手法として、ＬＤ１２の出力を上げることが考えられる。ＬＤ１２の出力を上げることにより、光束の光軸付近のみならず周辺部の光強度も高められ、外側形状が曲面である被測定対象物体Ｔの端部からの反射光束の光強度も高くなる。このように、ＬＤ１２の出力を上げることは、ＬＤ１２寿命の劣化を早める原因になる。また、レーザは、日本工業規格（ＪＩＳ）にて、安全性に関して１、２、３Ａ、３Ｂ、４といったクラスが定められており、反射光束の検知に必要相当の受光光量を得るためには、クラス３Ｂ程度のＬＤ１２を用いる必要があり、安全性の面で問題が生じる。しかしながら、本実施形態に係る距離計測装置１によれば、クラス１程度の出力のＬＤ１２を用いた場合でも、反射光束をＰＤ２３（検出光学系２１）にて適切に検出することができるために、ＬＤ１２の早期劣化、安全性等に関する問題が生じることはない。また、ＬＤ１２そのものの低コスト化、消費電力低下に伴うランニングコストの低下等のコスト削減が可能となる。
【００２６】
また、投光レンズ１３は、非球面レンズ部分１４とシリンドリカルレンズ部分１５とを含んでおり、ＬＤ１２から出力された光束のうち光軸付近の光が光束の周辺部に向けて広がることになる。これにより、所定の距離離れた位置において光束の光軸付近の光強度よりも光束の周辺部の光強度を高くし得る投光レンズ１３（光強度補正手段）を、非球面レンズ部分１４とシリンドリカルレンズ部分１５との組み合わせという極めて簡易な構成にて実現することができる。
【００２７】
次に、図７及び図８に基づいて、上述した距離計測装置１を用いた物体検知装置について説明する。図７は、本発明の実施形態に係る物体検知装置の構成を示す概略斜視図であり、図８は、本実施形態に係る物体検知装置において投光光学系から出力される光束の光強度分布を示す説明図である。なお、図７に示された物体検知装置は、ＥＴＣ等に用いられる車両検知装置である。
【００２８】
車両検知装置（物体検知装置）４１は、料金所アイランド５１の車両進入側に設置されており、距離計測装置１が所定間隔（たとえば、４０ｍｍピッチ）にて複数（たとえば、３８ｃｈ）並設されている。距離計測装置１は、図７に示されるように、距離計測装置１の投光光学系１１から出射される光束の光軸と交差（たとえば、直交）する方向で、車両上下方向となる方向に並設されている。車両検知装置４１は、複数並設された距離計測装置１から測定光としての光束をエリア的に照射し、距離計測装置１に反射光束が入射することにより、光束の往復飛翔時間が測定され、この光束の往復飛翔時間（時間情報）に基づいて車両が存在するか否かを検知する。
【００２９】
ところで、図７に示されるように、被測定対象物体Ｔとなる車両が、たとえば、牽引車の場合には、牽引駆動車Ｖ１と牽引台車Ｖ２との間が牽引棒Ｖ３で連結されている。このような牽引車は、通行料金の支払いに関しては、通常、全体で一台分の車両として取り扱われる。牽引棒Ｖ３としては、アルミニウム製あるいは鉄製の円筒パイプ材（直径が４０ｍｍ程度）が用いられることがある。
【００３０】
各距離計測装置１の投光光学系１１から照射される光束の光強度分布は、図８に示されるように、夫々の光束の周辺部の光強度が光束の光軸付近の光強度よりも高い強度分布となる。このため、牽引棒Ｖ３（円筒パイプ材）の端部に光束が照射された場合、この牽引棒Ｖ３の端部からの反射光束の光強度は、光源から出力される光束の光強度分布がガウス分布である、あるいは平坦化されている場合に比して、高くなる。したがって、牽引棒Ｖ３の端部がわずかに距離計測装置１の検知エリア（投光光学系１１からの光束の照射範囲）に侵入している状態においても、牽引棒Ｖ３からの反射光束の光強度が高くなり、距離計測装置１での反射光束の検知に必要相当の受光光量が得られ、反射光束を適切に検出することができる。この結果、本実施形態の車両検知装置４１によれば、高精度な距離計測が可能となり、牽引車を一台分の車両として正しく検知することができ、車両の検知精度を向上することができる。
【００３１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、投光レンズ１３も、光束の光強度分布が投光レンズ１３から所定の距離離れた位置において光軸付近の光強度よりも周辺部の光強度が高くされた光強度分布となるものであれば、上述した構成のものに限られない。なお、上述した「所定の距離」の値は、距離計測装置１の検知範囲を考慮して適宜設定されることになる。
【００３２】
また、本発明による距離計測装置は、上述した車両検知装置以外の物体検知装置に適用することができる。そして、本発明による物体検知装置は、特に、曲面部分を有する被測定対象物体の検知に好適である。
【００３３】
本実施形態による距離計測装置は、投光光学系から出射された光束が被測定対象物体にて反射して戻り、反射光束が検出光学系にて検出されるまでの時間に基づいて距離を計測するように構成しているが、これに限られることなく、投光光学系から出射された光束と検出光学系にて検出された反射光束との位相差に基づいて被測定対象物体までの距離を計測するように構成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明の距離計測装置及び物体検知装置によれば、被測定対象物体からの反射光束を確実に検出することができ、高精度な距離計測が可能となる距離計測装置及び物体検知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る距離計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る距離計測装置に含まれる投光レンズの一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る距離計測装置において投光光学系から出力される光束の光強度分布を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る距離計測装置において投光光学系から出力される光束の光強度分布を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態に係る距離計測装置に含まれる投光レンズの一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る距離計測装置に含まれる投光レンズの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る物体検知装置の構成を示す概略斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る物体検知装置において投光光学系から出力される光束の光強度分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１…距離計測装置、１１…投光光学系、１２…光源（ＬＤ）、１３…投光レンズ、１４…非球面レンズ部分、１５…シリンドリカルレンズ部分、２１…検出光学系、２３…光検出器（ＰＤ）、３１…信号処理系、３７…時間差測定回路、３８…距離出力部、４１…車両検知装置、Ｔ…被測定対象物体、Ｖ１…牽引駆動車、Ｖ２…牽引台車、Ｖ３…牽引棒。
【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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【図８】
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