(57)【要約】【課題】装置の小型化を実現することができるようにする。【解決手段】レーザ光源１８によってレーザ光を照射し、照射されたレーザ光が、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａを透過する。２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａを透過したレーザ光は、測定領域内の対象物で反射し、反射光が、２焦点レンズ１６の周辺部分１６Ｂによって焦点位置に集光される。そして、焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子２２によって、反射光が受光される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、
前記光源から照射された光が透過する第１の部分と、前記第１の部分を透過した光の反射光を焦点位置に集光する第２の部分とを備えたレンズと、
前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子と、
を含むレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記レンズの第１の部分は、前記焦点位置と異なる位置に焦点を有し、
前記光源は、前記第１の部分の焦点位置を含む所定領域内に配置された請求項１記載のレーザレーダ装置。
【請求項３】
前記レンズを、前記第２の部分の大きさが、前記第１の部分の大きさより大きくなるように形成した請求項１又は２記載のレーザレーダ装置。
【請求項４】
前記レンズの前記第１の部分の光軸と前記第２の部分の光軸とが同一であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項５】
前記光源は、１次元状又は２次元状に配置された複数の発光素子を備え、
前記レンズは、前記第１の部分によって前記発光素子の各々から照射された光を偏向する請求項１〜請求項４の何れか１項記載のレーザレーダ装置。
【請求項６】
前記光源から照射された光を偏向する光偏向素子を更に含み、
前記レンズの第１の部分に、前記光偏向素子によって偏向された光を透過させる請求項１〜請求項４の何れか１項記載のレーザレーダ装置。
【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係り、特に、測定領域に対して光を照射し、測定領域からの反射光を受光するレーザレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザレーダ装置では、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いて１次元にレーザ光を走査し、反射光が到達するまでの遅延時間を測定して、反射対象までの距離を測定している。
【０００３】
従来の装置では、ミラーを用いて光を走査しているため、光走査装置が比較的大きくなり、レーザレーダ装置が大きくなってしまう。そこで、近年、固体デバイス（ＫＴＮ結晶）を用いた光走査技術（非特許文献１）や、ミラーを用いない光走査技術（特許文献１）が考案されている。また、ＭＥＭＳミラーを用いた光走査が知られている。このような光走査技術では、光源と光走査装置とを小型化することができるため、レーザレーダ装置を小型化することが可能となる。
【非特許文献１】Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｊ．Ｍｉｙａｚｕ，Ｍ．Ｓａｓａｕｒａ，ａｎｄ  Ｋ．Ｆｕｊｉｕｒａ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８９（２００６）
【特許文献１】特開２００４−２４７４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１や特許文献１に記載の技術では、光走査のための投光系と、前方の測定領域からの反射光を測定するための受光系とを個別に有しているため、さらなる小型化を実現することができない、という問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、装置の小型化を実現することができる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】
【０００６】
上記の目的を達成するために本発明に係るレーザレーダ装置は、光を照射する光源と、前記光源から照射された光が透過する第１の部分と、前記第１の部分を透過した光の反射光を焦点位置に集光する第２の部分とを備えたレンズと、前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子とを含んで構成されている。
【０００７】
本発明に係るレーザレーダ装置によれば、光源によって光を照射し、照射された光が、レンズの第１の部分を透過する。レンズの第１の部分を透過した光は、測定領域内の対象物で反射し、反射光が、レンズの第２の部分によって焦点位置に集光される。そして、焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子によって、反射光が受光される。
【０００８】
このように、レンズの第１の部分を投光レンズとして用い、レンズの第２の部分を受光レンズとして用いることにより、投光系と受光系とを１つのレンズで実現することができるため、装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
本発明のレンズの第１の部分は、焦点位置と異なる位置に焦点を有し、光源を、第１の部分の焦点位置を含む所定領域内に配置することができる。これによって、投光系と受光系とを２焦点レンズを用いて実現することができる。
【００１０】
本発明のレンズを、第２の部分の大きさが、第１の部分の大きさより大きくなるように形成することができる。これによって、受光レンズとして用いる第２の部分を大きくして、照射した光の反射光を受光することができる。
【００１１】
上記のレンズの第１の部分の光軸と第２の部分の光軸とを同一にすることができる。また、レンズの第１の部分と第２の部分とについて、焦点位置が異なり、かつ、光軸が同一である場合には、第１の部分及び第２の部分の焦点距離が各々異なる。
【００１２】
本発明の光源は、１次元状又は２次元状に配置された複数の発光素子を備え、レンズは、第１の部分によって発光素子の各々から照射された光を偏向することができる。これによって、測定領域に対して、光源によって照射された光を走査することができる。
【００１３】
本発明に係るレーザレーダ装置は、光源から照射された光を偏向する光偏向素子を更に含み、レンズの第１の部分に、光偏向素子によって偏向された光を透過させることができる。これによって、測定領域に対して、光源によって照射された光を走査することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明のレーザレーダ装置によれば、レンズの第１の部分を投光レンズとして用い、レンズの第２の部分を受光レンズとして用いることにより、投光系と受光系とを１つのレンズで実現することができるため、装置の小型化を実現することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、２焦点レンズを用いたレーザレーダ装置に本発明を適用する場合を例に説明する。
【００１６】
図１に示すように、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置１０は、光を照射すると共に受光する光学系１２と、光学系１２を制御すると共に、光学系１２による受光に基づいて、測定領域の距離画像を生成する測定処理装置１４とを備えている。
【００１７】
光学系１２は、異なる２つの位置に焦点を結ぶ２焦点レンズ１６と、レーザ光を照射するレーザ光源１８と、照射されたレーザ光を偏向して走査する光走査装置２０と、レーザ光を受光し、受光したレーザ光を電圧出力に変換する受光素子２２と、２焦点レンズ１６で集光した、レーザ光源１８から照射した光の反射光を反射させて受光素子２２に導くミラー２４とを備えている。
【００１８】
図２に示すように、２焦点レンズ１６は、第１位置に焦点を結ぶように形成された中央部分１６Ａと、中央部分以外の部分であって、第１位置とは異なる第２位置に焦点を結ぶように形成された周辺部分１６Ｂとから構成されている。また、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａと周辺部分１６Ｂとの光軸は同一であり、中央部分１６Ａの焦点距離と周辺部分１６Ｂの焦点距離とが異なっている。また、周辺部分１６Ｂの大きさは、中央部分１６Ａの大きさより大きく、周辺部分１６Ｂは、大きな有効面積で反射光を集光する。
【００１９】
なお、２焦点レンズ１６は、ガラス系のレンズで形成されていてもよく、また、樹脂系のフレネルレンズで形成されていてもよい。
【００２０】
光走査装置２０は、光偏向素子としてのＫＴＮ結晶やＭＥＭＳミラーなどを備え、ＫＴＮ結晶やＭＥＭＳミラーなどによって、レーザ光源１８からのレーザ光を偏向して測定領域に対して走査する。光走査装置２０の光の出射面上（ＫＴＮ結晶の出射面上またはＭＥＭＳミラーの反射面上）に、中央部分１６Ａの焦点が結ばれるように、光走査装置２０が配置されている。すなわち、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａの焦点距離は、光走査装置２０の出射面までの距離相当（図２のｆ１参照）である。
【００２１】
なお、光走査装置２０においてＫＴＮ結晶やＭＥＭＳミラーを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の光走査デバイスを用いてもよい。ＫＴＮ結晶やＭＥＭＳミラーを用いた場合には、光走査装置２０を小型で実現できるため、２焦点レンズ１６における中央部分１６Ａの面積比率やミラー２４面での光走査装置２０の設置部分の面積比率を減らすことができ、比較的大きなレンズの有効面積で反射光を受光可能となる。
【００２２】
また、受光素子２２の受光面上に、周辺部分１６Ｂの焦点が結ばれるように、受光素子２２が配置されている。すなわち、周辺部分１６Ｂの２焦点レンズ１６の焦点距離は、受光素子２２の受光面までの距離相当（図２のｆ２参照）である。
【００２３】
レーザ光源１８から照射されたレーザ光は、光走査装置２０を介して２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａに投光される。投光されたレーザ光は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａのレンズを透過して、平行光とされ、測定対象領域内の対象物に照射される。また、対象物に照射されたレーザ光は、対象物で反射し、反射光がレーザレーダ装置１０の２焦点レンズ１６に戻る。
【００２４】
この反射光は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａ以外の周辺部分１６Ｂで集光する。また、２焦点レンズ１６で集光された反射光は、ミラー２４によって受光素子２２に折り返される。
【００２５】
また、レーザ光源１８から照射されたレーザ光は、光走査装置２０によって偏向されて走査され、走査されたレーザ光は、前方の測定対象領域全体に投光される。そして、走査されたレーザ光は、測定対象領域内の対象物で反射され、反射光がレーザレーダ装置１０の２焦点レンズ１６に戻る。
【００２６】
測定処理装置１４は、レーザ光源１８を駆動するパルス駆動回路３０と、光走査装置２０を駆動する光走査コントローラ３２と、受光素子２２からの電圧出力の電圧を増幅した信号を出力する増幅器３４と、増幅器３４から出力された信号に基づいて、レーザ光を照射してから受光素子２２でレーザ光を受光するまでの遅延時間を測定する遅延時間解析器３６と、パルス駆動回路３０及び光走査コントローラ３２を制御すると共に、遅延時間解析器３６の測定結果に基づいて、距離画像を生成する制御部３８とを備えている。制御部３８は、パルス駆動回路３０、光走査コントローラ３２、及び遅延時間解析器３６の各々と接続するための入出力インタフェース４０と、ＣＰＵ４２と、メモリ４４とを備えている。
【００２７】
光走査コントローラ３２は、制御部３８からの光偏向制御信号に基づいて、光走査装置２０の偏向角度を制御する。また、パルス駆動回路３０は、制御部３８から光偏向制御信号に同期して出力された駆動制御信号に基づいて、レーザ光源１８から１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅のレーザ光を照射するように、レーザ光源１８を駆動する。
【００２８】
遅延時間解析器３６は、制御部３８から出力される駆動制御信号と、増幅器３４から入力された信号とに基づいて、レーザ光照射開始時間から反射光受光時間までの遅延時間を測定する。
【００２９】
次に、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置１０の動作について説明する。制御部３８において、図３に示す測定処理ルーチンが実行される。
【００３０】
まず、ステップ１００において、光走査装置２０の偏向角度を初期設定するように光偏向制御信号を光走査コントローラ３２に出力し、光走査装置２０の偏向角度を走査開始角度に設定する。そして、ステップ１０２において、レーザ光源１８にパルスレーザ光を照射させる。上記ステップ１０２では、遅延時間を測定するために、駆動制御信号を、パルス駆動回路３０に出力すると共に遅延時間解析器３６に出力する。
【００３１】
レーザ光源１８によって照射されたレーザ光は、光走査装置２０によって偏向されて、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａを透過し、平行光になったレーザ光が前方の測定領域に照射される。照射されたレーザ光は、前方の測定領域内の対象物で反射し、反射光が２焦点レンズ１６の周辺部分１６Ｂを透過して集光され、ミラー２４を介して受光素子２２で受光される。受光されたレーザ光は、受光素子２２によって電圧出力に変換されて増幅器３４で電圧増幅され、増幅器３４から遅延時間解析器３６に信号が出力される。遅延時間解析器３６では、増幅器３４からの信号に基づいて、レーザ光を照射してからレーザ光を受光するまでの遅延時間を測定する。
【００３２】
次のステップ１０４では、遅延時間解析器３６から、測定された遅延時間を取得して、メモリ４４に記憶する。そして、ステップ１０６において、レーザ光の走査が終了したか否かを判定し、レーザ光が、測定領域全体に対して走査されていない場合には、ステップ１０８において、次の偏向角度になるように偏向制御信号を光走査コントローラ３２に出力して、光走査装置２０による光の偏向角度が、別の角度になるように制御して、ステップ１０２へ戻る。
【００３３】
上記ステップ１０６において、パルスレーザ光が、測定領域全体に対して１次元または２次元に走査された場合には、ステップ１１０において、上記ステップ１０４で取得された測定領域全体の遅延時間の測定結果に基づいて、測定領域全体の距離を示す距離画像を生成する。そして、ステップ１１２において、上記ステップ１１０で生成された距離画像をディスプレイ（図示省略）に表示して、測定処理ルーチンを終了する。
【００３４】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、２焦点レンズの中央部分を投光レンズとして用い、２焦点レンズの周辺部分を受光レンズとして用いることにより、投光系と受光系とを１つの２焦点レンズで実現することができるため、レーザレーダ装置の小型化を実現することができる。また部品点数を減らすことができるため、装置を安価に実現することができる。
【００３５】
また、受光レンズとして用いる２焦点レンズの周辺部分の大きさを大きくすることにより、受光系の感度を上げることができる。
【００３６】
なお、上記の実施の形態では、２焦点レンズによってレーザ光を平行光にする場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、レンズに対して平行光を照射するようにしてもよい。この場合には、レンズの中央部分の焦点距離が無限大になるように中央部分を形成すればよい。例えば、中央部分を平板レンズで形成したレンズを用いるか、あるいは中央部分に穴が開いたレンズを用いればよい。
【００３７】
次に、第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成の部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
第２の実施の形態では、光源が複数の発光素子を備えている点と、２焦点レンズによって照射する光を偏向している点とが第１の実施の形態と主に異なっている。
【００３９】
第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置は、図４に示すように、光源としての平板状のＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）アレイ２１８を備え、ＶＣＳＥＬアレイ２１８の光出射面に対向するように、２焦点レンズ１６が配置されている。
【００４０】
ＶＣＳＥＬアレイ２１８は、発光素子としての複数個のＶＣＳＥＬ２１９を同一平面上に配置している。なお、本実施の形態では、発光素子としてＶＣＳＥＬを用いているが、発光素子としては、その他の種々のレーザダイオードを使用することができ、更に、レーザダイオードに限定されないが、ＶＣＳＥＬを利用することが好ましい。
【００４１】
各ＶＣＳＥＬ２１９から照射されたレーザ光は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａに投光されるように、ＶＣＳＥＬアレイ２１８が配置されている。投光されたレーザ光は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａのレンズを透過して、測定対象領域内の対象物に照射される。また、対象物に照射されたレーザ光は、対象物で反射し、反射光がレーザレーダ装置１０の２焦点レンズ１６に戻り、２焦点レンズ１６の周辺部分１６Ｂで集光される。集光された反射光は、ミラー２４を介して受光素子２２で受光される。
【００４２】
ＶＣＳＥＬアレイ２１８のＶＣＳＥＬ２１９が配置された平面（出射面）上に、中央部分１６Ａの焦点が結ばれるように、ＶＣＳＥＬアレイ２１８が配置されている。すなわち、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａの焦点距離は、ＶＣＳＥＬアレイ２１８の出射面までの距離相当となる。
【００４３】
ＶＣＳＥＬアレイ２１８には、パルス駆動回路３０が接続され、パルス駆動回路３０によって、ＶＣＳＥＬ２１９を駆動するパルス電流（駆動信号）が生成される。
【００４４】
パルス駆動回路３０とＶＣＳＥＬアレイ２１８との間には、切換スイッチ２２０が接続されており、切換スイッチ２２０は各ＶＣＳＥＬ２１９の端子２１８Ａにそれぞれ接続されている。切換スイッチ２２０は複数個のＶＣＳＥＬ２１９の中から発光対象のＶＣＳＥＬ２１９を切換えるものであり、そして切換スイッチ２２０で発光対象とされたＶＣＳＥＬ２１９はパルス駆動回路３０からの駆動信号で駆動され発光する。
【００４５】
ここで、ＶＣＳＥＬアレイ２１８および２焦点レンズ１６における投光システムの光偏向方式について説明する。図５に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ２１８における各ＶＣＳＥＬ２１９の光出射方向が、同一方向になるように、各ＶＣＳＥＬ２１９が配置されている。また、２焦点レンズ１６は各ＶＣＳＥＬ２１９の光軸に対して略垂直に配置されており、各ＶＣＳＥＬ２１９からの出力光は２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａで平行光とされる。
【００４６】
２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａの中心点に対応するＶＣＳＥＬ２１９Ａの出力光Ｐ１は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａで平行光とされ、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａの中心光軸（出力光Ｐ１と同一軸）に対して平行に出射される。一方、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａの中心点から離れた位置のＶＣＳＥＬ２１９Ｂの出力光Ｐ２は、２焦点レンズ１６の中央部分１６Ａで平行光となった後、ＶＣＳＥＬ２１９と２焦点レンズ１６との間の光軸に対して角度θだけずれた方向に偏向されて出射される。
【００４７】
各ＶＣＳＥＬ２１９からのレーザ光は、各々異なる角度に偏向されて走査され、走査されたレーザ光は、前方の測定対象領域全体に投光される。そして、走査されたレーザ光は、測定対象領域内の対象物で反射され、反射光が、レーザレーダ装置１０の２焦点レンズ１６に戻る。
【００４８】
レーザレーダ装置の他の構成や動作については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４９】
なお、上記の第２の実施の形態では、２次元状に複数の発光素子を配列した場合を例に説明したが、１次元状に複数の発光素子を配列するようにしてもよい。
【００５０】
また、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、２焦点レンズの中央部分の光軸と周辺部分の光軸とが同一である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、２焦点レンズの中央部分が焦点を結ぶ位置と周辺部分が焦点を結ぶ位置とが異なっていれば、２焦点レンズの中央部分の光軸と周辺部分の光軸とが異なっていてもよい。
【００５１】
また、２焦点レンズの中央部分より周辺部分の方が大きさが大きい場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、中央部分と周辺部分との大きさが同等であるか、または中央部分の大きさが周辺部分より大きくてもよい。
【００５２】
また、２焦点レンズの中央部分が、光走査装置やＶＣＳＥＬアレイの光出射面上で焦点を結ぶ場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、２焦点レンズの中央部分の焦点位置の近傍の所定領域に、光走査装置やＶＣＳＥＬアレイの光出射面が位置するように、光走査装置やＶＣＳＥＬアレイを配置してもよい。
【００５３】
また、２焦点レンズの周辺部分が、受光素子の受光面上で焦点を結ぶ場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、２焦点レンズの周辺部分の焦点位置の近傍の所定領域に、受光素子の受光面が位置するように、受光素子を配置してもよい。
【００５４】
また、中央部分を投光レンズとして用いるように２焦点レンズを形成した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、２焦点レンズの中央部分以外の一部分を投光レンズとして用いるように形成してもよい。この場合には、投光レンズ用の２焦点レンズの一部分以外の部分を、受光レンズとして用いるように形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の２焦点レンズの構成を示す上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置における測定処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るレーザレーダ装置のＶＣＳＥＬアレイの構成を示す斜視図である。
【図５】ＶＣＳＥＬアレイと２焦点レンズの中央部分とによってレーザ光を走査する様子を示すイメージ図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０   レーザレーダ装置
１２   光学系
１４   測定処理装置
１６   ２焦点レンズ
１６Ｂ  周辺部分
１６Ａ  中央部分
１８   レーザ光源
２０   光走査装置
２２   受光素子
３６   遅延時間解析器
３８   制御部
２１８  ＶＣＳＥＬアレイ
２１９  ＶＣＳＥＬ
【図１】
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【図２】
2009128238.tif 000004
【図３】
2009128238.tif 000005
【図４】
2009128238.tif 000006
【図５】
2009128238.tif 000007