(57)【要約】  従来のレーザレーダ装置は、ビーム走査する可動の光学素子に機械的な走査角ダイナミックレンジがある場合、ビーム走査範囲が限定されるため、装置としての視野角が制限される課題があった。  本発明のレーザレーダ装置は、レーザ光を出力する光源と、レーザ光をスキャンするスキャナと、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光の水平方向成分と出射するレーザ光の水平方向成分とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第１の光学系と、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されるレーザ光の水平方向の入射範囲と第１の光学系の水平方向の入射範囲とは同じであって、入射されたレーザ光の出射範囲と第１の光学系の出射範囲とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第２の光学系とを備える。
2020115856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
前記レーザ光をスキャンするスキャナと、
前記スキャナがスキャンした前記レーザ光が入射され、入射された前記レーザ光の水平方向成分と出射する前記レーザ光の水平方向成分とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射する第１の光学系と、
前記スキャナがスキャンした前記レーザ光が入射され、入射される前記レーザ光の水平方向の入射範囲と前記第１の光学系の水平方向の入射範囲とは同じであって、入射された前記レーザ光の出射範囲と前記第１の光学系の出射範囲とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射する第２の光学系と、
を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記第１の光学系は、入射される前記レーザ光の垂直方向成分の符号と出射する前記レーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射し、
前記第２の光学系は、垂直方向の入射範囲が前記第１の光学系の垂直方向の入射範囲と光軸に対して対称であって、入射された前記レーザ光の垂直方向成分の符号と出射する前記レーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射す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】
前記第１の光学系及び第２の光学系は、入射される前記レーザ光を反射し、反射することにより前記レーザ光を出射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】
前記第１の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分とが異なり、前記第１の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の出射面の法線ベクトル水平方向成分とが同じであ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５】
前記第１の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分とが同じで、前記第１の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向性分とが異な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６】
前記光源が出力した前記レーザ光を垂直方向に広げ、垂直方向に広げた前記レーザ光を前記スキャナに出力する送信光学系を備えたことを特徴とする請求項１に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関する。
【背景技術】
【０００２】
この発明は、距離測定対象に対してレーザ光を照射し、該対象からの反射光を受光し、送信光を出射した時間と、前記受信光を受信した時間との時間差から、該対象までの距離を算出し、ビーム走査することで３次元情報を得るレーザレーダ装置に関するものである。以下の特許文献１に示す従来のレーザレーダ装置は、受信した信号から距離および強度を検出し、その際のビーム走査角度を基に距離画像および強度画像を生成していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】再表２０１１／１３８８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来構成では、ビーム走査する可動の光学素子(例えばガルバノスキャナ、ＭＥＭＳ)に機械的な走査角ダイナミックレンジがある場合、ビーム走査範囲が限定されるため、装置としての視野角が制限される課題があった。
特にＭＥＭＳを使用した場合、小型、軽量、堅牢性（ここでは耐環境性を意味する）という観点でメリットあるが、上記ダイナミックレンジが狭く、レーザレーダ装置として必要とされる所望の視野角よりも該ダイナミックレンジが小さく、所望の視野角を確保することが困難となる課題があった。【０００５】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ビーム走査部を構成する可動の光学素子において機械的な走査角ダイナミックレンジにより走査範囲が制限される場合においても、これを広角化する光学系を備えることで、レーザセンサ装置の視野角を広角化し、所望とする視野角を確保することを目的とする。なお、以降では、ビーム走査を「スキャン」、ビーム走査する可動の光学素子を「スキャナ」と呼称する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーザレーダ装置は、レーザ光を出力する光源と、レーザ光をスキャンするスキャナと、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光の水平方向成分と出射するレーザ光の水平方向成分とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第１の光学系と、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されるレーザ光の水平方向の入射範囲と第１の光学系の水平方向の入射範囲とは同じであって、入射されたレーザ光の出射範囲と第１の光学系の出射範囲とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第２の光学系とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係わるレーザレーダ装置によれば、広角化光学系を備えることで、ビーム走査部を構成する可動の光学素子に機械的な走査角ダイナミックレンジにより走査範囲が制限され、レーザレーダ装置として所望とする視野角が確保困難な場合においても、レーザセンサ装置の視野角を広角化し、所望とする視野角を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における広角化光学系７の一構成例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の入射面におけるスキャン位置を示す図。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広視野化を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の他の構成例を説明する構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における広角化光学系２０の一構成例を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の入射面におけるスキャン位置を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の広視野化を説明する図である。
【図１１】この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の広角化光学系３０の一構成例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。本レーザレーダ装置は、レーザ光源１、変調器２、トリガ発生装置３、送信光学系４、送受分離光学系５、スキャナ６、広角化光学系７、受信レンズ８、受光素子９、電流・電圧変換装置１０、距離測定装置１１、強度測定装置１２、角度モニタ装置１３、信号処理装置１４を備える。
【００１０】
レーザ光源１は、所定の波長及び強度のレーザ光を出力するレーザ光源である。例えば、レーザ光源１には、レーザダイオード、ファイバレーザなどが用いられる。波長、強度は、レーザレーダ装置の用途、仕様、使用環境に応じて設定する。
【００１１】
変調器２は、トリガ発生装置３が出力するトリガ信号に従いレーザ光を変調し、パルス光として出力する変調器である。例えば、変調器２には、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などが用いられる。
【００１２】
トリガ発生装置３は、レーザ光の変調タイミングを示すトリガ信号を出力するトリガ発生装置である。例えば、トリガ発生装置３には、ＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ）ボード、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ-Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ファンクションジェネレータなどが用いられる。
【００１３】
送信光学系４は、変調器２がパルス化したレーザ光を所定のビーム径及び広がり角を有するレーザ光に形成し、送信光として出力する送信光学系である。送信光学系４は、レーザ光のビーム径に関し、レーザレーダ装置として最終的に出力される距離、強度画像の空間分解能、角度分解能などの仕様に合わせて設計もしくは設定される。送信光学系４は、レーザ光の水平方向のビーム拡がり角に関して広角化光学系７から距離測定対象へ出力される送信光がコリメート光となるように、予め送信光学系４が出力する送信光の水平方向広がり角を調整する。送信光学系４は、水平方向と同様に、垂直方向のビーム広がり角に関して広角化光学系７から距離測定対象へ出力される送信光がコリメート光となるように、予め送信光学系４が出力する送信光の垂直方向広がり角を調整する。例えば、送信光学系４は、球面、及び非球面の凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、及びこれらの組み合わせで構成される。
【００１４】
送受分離光学系５は、送信光学系４が出力した送信光をスキャナ６へ誘導するとともに、距離測定対象からの散乱光を受信し、受信レンズ８へ誘導する送受分離光学系である。例えば、送受分離光学系５には、ファイバ型のサーキュレータ、空間型の偏光ビームスプリッタなどが用いられる。
【００１５】
スキャナ６は、水平方向及び垂直方向の２軸の回転軸を有し、機械的な角度走査ダイナミックレンジの範囲において送信光を角度走査するスキャナである。垂直方向を走査するための軸をＡ−ｖ、水平方向を走査するための軸をＡ−ｈとした場合、スキャナ６は、各々の軸を基準としてそれぞれ方向を所定の周期で角度スキャンすることで、２次元スキャンする機能を持つ。例えば、スキャナ６は、スキャナの例としてＭＥＭＳミラーやレゾナントスキャナのような共振型スキャナや、ガルバノスキャナのような非共振型スキャナが用いられる。
【００１６】
広角化光学系７は、広角化上段光学系７１（第１の光学系の一例）及び広角化下段光学系７２（第２の光学系の一例）から構成され、スキャナによって２次元スキャンされた送信光を受信し、受信した送信光を水平方向に関してスキャナ６の水平方向のビーム走査角ダイナミックレンジより大きい走査角となるように距離測定対象方向へ出射するとともに、距離測定対象からの散乱光を受信し、スキャナ６へ誘導する広角化光学系である。
上記機能を得るため、広角化光学系７は次の構造を有する。垂直方向のスキャナの走査角が０ｄｅｇの軸（光軸）に対して１８０度回転対称に配置された広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２とで構成される。上段と下段の入射面は水平方向に対して凹面を成す曲面で形成する。凹面とすることで、入射光を拡散させ、これにより水平方向の広角化作用を得る。凹面が球面で有る場合の曲率半径、非球面である場合の多項式係数等については設計において決定される。上段の入射面の曲面を、水平方向の走査角が０ｄeｇの軸（光軸）に対して非対称とすることで、水平方向の負もしくは正の方向に拡散作用が偏る作用を得る。上記の通り、７１と７２を垂直方向の光軸に対して対象に配置することで、各々水平方向の正と負の方向へ入射光が出射光として拡散されることにより、水平方向に等しく視野の広角化が得られる。垂直方向に対してはレンズの入射面を平面で形成し、光軸に対して垂直となるよう配置する。出射面は７１、７２共に水平方向について平面で形成する。垂直方向に対し、出射面は前記光軸から成す角度が９０度以下となるよう配置することで傾斜を有した平面となる。同傾斜により、上下段で垂直方向にずれている視野を、遠方での測定視野において略一致させる作用を得る。使用環境下の屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成する。例えば、大気中での使用とし、大気の屈折率を１とした場合、１より大きい屈折率材料で構成する。詳細は後述の通りである。
【００１７】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における広角化光学系７の一構成例を示す構成図である。
以下、図２を参照して広角化光学系７の構成を説明する。
図２中、実線は広角化上段光学系７１により走査される光線を示し、点線は広角化下段光学系７２により走査される光線を示す。また、一点鎖線で示したＡ−Ａは光軸を示し、一点鎖線は全て光軸に平行な線を示す。
【００１８】
図２の垂直方向(側面図)に示す通り、広角化光学系７は、垂直方向のスキャナの走査角が０ｄｅｇの軸（光軸）に対して対称に配置された広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２とで構成される。
【００１９】
図２中、広角化光学系７においてスキャナ６によって２次元スキャンされた送信光が入射する面を「広角化光学系入射面」と言い、広角化光学系７において送信光が出射する面を「広角化光学系出射面」と言う。
広角化上段光学系７１の入射面を上段入射面、広角化上段光学系７１の出射面を上段出射面と言い、広角化下段光学系７２の入射面を下段出射面、広角化下段光学系７２の出射面を下段出射面と言う。
なお、単に入射面、出射面と記した場合、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の両方の入射面、出射面を指すものとする。また、上段と記した場合、広角化上段光学系７１を示し、下段と記した場合、広角化下段光学系７２を示す。
θiuは、光軸と上段入射面との間の角度を示し、θidは、光軸と下段入射面と間の角を示し、θiu＝θidである。Φouは、光軸と上段出射面との間の角度を示し、Φodは、光軸と下段出射面との間の角度を示し、Φou＝Φodである。図２の側面図においてΦou及びΦodは光軸から反時計まわりを負、時計まわりの方向を正と定義する。
【００２０】
スキャナ６の水平方向の走査角のダイナミックレンジをａ＝ａiu＝ａid ｄｅｇ 、垂直方向の走査角のダイナミックレンジを２ｂ ｄｅｇと定義する。ａiuは広角化上段光学系７１に入射される送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジを示し、ａidは広角化下段光学系７２に入射される送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジを示す。ａouは広角化上段光学系７１を通過した送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジを示し、ａodは広角化下段光学系７２を通過した送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジを示す。ここで、ａou＞ａiu、ａod＞ａidである。
スキャナ６のスキャン範囲はａ＝ａiu＝ａid ｄｅｇであり、スキャン範囲の中心線は光軸と一致する。したがって、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の送信光の水平方向の入射範囲は、ａ＝ａiu＝ａid ｄｅｇであり、水平方向の入射範囲の中心線は光軸と一致する。中心線とは入射範囲の中心を示す線である。つまり、水平方向の入射範囲の中心線は、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２で一致する。ここで光軸とは、スキャナ６の反射面に対して垂直な線である。通常、前記線はスキャナ６の中央と交わる線として定義するが、前記スキャン範囲の角度を定義する上では、中央と交わる線に限定しない。
【００２１】
ｂは、広角化上段光学系７１もしくは広角化下段光学系７２に入射される送信光の垂直方向のダイナミックレンジを示す。したがって、広角化上段光学系７１に入射される送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジと広角化下段光学系７２に入射される送信光の水平方向の走査角のダイナミックレンジとを合わせると、スキャナ６の垂直方向の走査角のダイナミックレンジとなる。広角化上段光学系７１もしくは広角化下段光学系７２を通過した送信光の垂直方向の走査角のダイナミックレンジは、それぞれｂである。
【００２２】
図２の水平方向(上面図)に示す通り、上段と下段の入射面を形成する曲面は、光軸に対してそれぞれθiu、θid傾いており、両者の絶対値は等しく、θiuは光軸から時計まわり、θidは光軸から反時計まわりとなるように形成・構成する。これは、上段入射面の法線ベクトルと下段入射面の法線ベクトルとが、光軸に対して対称となるように構成することを意味する。
【００２３】
図２の上面図において広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は、スキャナ６の走査で得られる全角ａ ｄｅｇの光線が、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の入射面に全て入射されるように、光軸に対し配置する。
図２の上面図において、広角化上段光学系７１の入射面と広角化下段光学系７２の入射面との交点が光軸上に位置するように、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は配置する。
【００２４】
図２の側面図において、光軸に対する上段入射面の角度Φouと、光軸に対する下段入射面の角度Φodとは、絶対値として等しく、９０ｄｅｇ以下とし、かつ光軸に対して対称であるように、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は配置される。
広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は、スキャナ６の走査で得られる全角２ｂ ｄｅｇの光線のうち、ｂ  ｄｅｇの光線が広角化上段光学系７１に入射され、ｂ  ｄｅｇの光線が広角化下段光学系７２に入射されるように、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は、垂直方向において光軸に対して対称に配置される。
図２の側面図において広角化上段光学系７１の入射面の法線ベクトルの垂直方向成分と広角化下段光学系７２の入射面の法線ベクトルの垂直方向成分とは一致し、ここでは０になるように、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は配置される。これは言い換えると図２の側面図において広角化上段光学系７１の入射面及び広角化下段光学系７２の入射面と光軸との間の角度は、ともに９０ｄｅｇであることを意味する。
図２の側面図において、上記のように配置したことで、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の入射面に対する送信光の入射角度は、π／２からπ／２−ｂの範囲となる。
図２の側面図において、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の出射面に対する送信光の入射角度は、ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（ｂ）／ｎ）＋ΦouからΦouの範囲及び、ｓｉｎ−１(ｓｉｎ(ｂ)／ｎ)＋ΦodからΦodの範囲となる。
【００２５】
図２中、広角化光学系７の入射面を曲面で構成しているが、平面、球面、非球面形状であっても良い。
【００２６】
なお、入射面は平面で形成してもよく、その場合、上段及び下段それぞれの広角化光学系出射後の水平方向スキャン角はａ ｄｅｇとなるが、上述の通り、［００２２］のように形成することで、レーザレーダ装置としての水平方向の視野角aｈは２ａ ｄｅｇの走査角度を得る。
【００２７】
入射面を曲面で構成した場合、上段及び下段それぞれの広角化光学系７の出射後の水平方向スキャン角は＞ａ ｄｅｇとなり、広角化光学系７を［００２２］のように形成することで、レーザレーダ装置としての水平方向の視野角（走査角）aｈは＞２ａ ｄｅｇとなる。
【００２８】
広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２のレンズ形状に関して、実施の形態１ではレンズの入射面を水平方向に対して曲面で形成する。垂直方向に対してはレンズの入射面を光軸に対して垂直となるよう形成する。出射面は７１、７２共に平面で形成し、［００２４］の通り形成する。
上記のように形成することにより、送信光に対して７１及び７２の水平方向の入射面が曲面で出射面が平面なので、水平方向は走査角のダイナミックレンジが広がる。
また、［００２２］の通り形成したので、水平方向に関し、７１の光軸光線の出射方向は光軸に対し正の方向に出射される。同様に７２の光軸光線の出射方向は光軸に対し負の方向に出射される。これは言い換えれば、広角化上段光学系７１の出射範囲の中心線の水平方向成分と広角化下段光学系７２の出射範囲の中心線の水平方向成分とが異なることを意味する。
また、上記のように形成することにより、送信光に対して７１及び７２の垂直方向の入射面と出射面が平面なので、垂直方向は走査角のダイナミックレンジは広がらない。
また［００２２］の通り形成したので、垂直方向に関し、７１の光軸光線の出射方向は光軸に対し負の方向に出射される。同様に７２の光軸光線の出射方向は光軸に対し正の方向に出射される。
【００２９】
広角化光学系７は、使用環境下の屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成する。例えば、大気中での使用とし、大気の屈折率を１とした場合、１以上の屈折率材料で構成する。水中での使用とし、水の屈折率を１．３とした場合、１．３以上の屈折率材料で構成する。屈折率が波長によって異なる場合、広角化光学系７は、使用環境下における使用波長での屈折率を基準とし、基準より屈折率が大きい屈折率材料で構成される。なお、広角化光学系７は、上下段の２段構成でなくても良い。また、入射面、出射面にはARコーティングが施されていても良い。
【００３０】
受信レンズ８は、距離測定対象からの散乱光を受光素子９に集光する受信レンズである。例えば、受信レンズ８には、球面、及び非球面の凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、及びこれらの組み合わせが用いられる。
【００３１】
受光素子９は、受信レンズ８が集光した散乱光を受信し、受信した散乱光を電流に変換し、受信電流信号として出力する受光素子である。
例えば、受光素子９には、フォトダイオードやアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管などが用いられる。
【００３２】
電流・電圧変換装置１０は、受光素子９が出力した受信電流信号を電圧に変換し、受信電圧信号として出力する電流・電圧変換装置１０である。例えば、電流・電圧変換装置１０には、トランスインピーダンスアンプが用いられる。
【００３３】
距離測定装置１１は、電流・電圧変換装置１０が出力した受信電圧信号のピーク電圧値を検出し、受信電圧信号とトリガ信号との時間差（Δt）を測定し、その時間差に相当する距離（ΔＬ）を、ΔＬ=光速×Δｔ/２により算出し、距離信号として出力する距離測定装置である。例えば、距離測定装置１１は、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）回路やＴＡＣ  (Ｔｉｍｅ ｔｏ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ) 回路などが用いられる。なお、時間差から距離への変換はＳ/Ｗ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ）上において上記計算式を用いて算出しても良い。
【００３４】
強度測定装置１２は、電流・電圧変換装置１０が出力した受信電圧信号(パルス信号)のピーク電圧値を記録し、記録したピーク電圧値を強度信号として出力する強度測定装置である。例えば、強度測定装置１２には、ピークホールド回路が用いられる。
【００３５】
角度モニタ装置１３は、スキャナ６の角度をモニタし、モニタしたスキャナ６の角度をスキャナ角度信号として信号処理装置１４へ出力する角度モニタ装置である。例えば、角度モニタ装置１３には、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が用いられる。
【００３６】
信号処理装置１４は、距離信号、強度画像、及びスキャナ角度信号から距離画像及び強度画像を生成する信号処理装置である。例えば、信号処理装置１４は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、マイコン、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）及びこれらの組み合わせが用いられる。ＦＰＧＡもしくはマイコンは、画像を生成する際、スキャナ角度信号及び距離信号から水平方向及び垂直方向の距離へ変換処理を行い、ＰＣは変換処理を実施後、画像表示する。なお、水平方向及び垂直方向の距離への変換をＰＣ上のＳ/Ｗで行っても良い。
【００３７】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。
【００３８】
レーザ光源１は、所定の波長と強度でレーザ光を出力し、変調器２へ出力する。
【００３９】
トリガ発生装置３は、レーザ光の変調タイミングを指定するトリガ信号を変調器２へ出力する。
【００４０】
変調器２は、トリガ信号に従い、レーザ光源１が出力したレーザ光を変調し、パルス状のレーザ光を送信光学系４へ出力する。
【００４１】
送信光学系４は、変調器２が出力したパルスレーザ光を受信し、受信したパルスレーザ光を所定のビーム径及びビーム拡がり角に形成し、形成したパルスレーザ光を送信光として出力する。送信光学系４は、レーザ光の水平方向のビーム拡がり角に関して広角化光学系７から距離測定対象へ出力される送信光がコリメート光となるように、予め送信光学系４が出力する送信光の水平方向広がり角を調整する。また、送信光学系４は、水平方向と同様に、垂直方向のビーム広がり角に関して広角化光学系７から距離測定対象へ出力される送信光がコリメート光となるように、予め送信光学系４が出力する送信光の垂直方向広がり角を調整する。送信光学系４は、ビーム径に関し、レーザレーダ装置として最終的に出力される距離、強度画像の空間分解能、角度分解能の仕様に合わせて調整される。
【００４２】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の入射面におけるスキャン位置を示す図である。
図３を用いてスキャナ６の動作を説明する。
図３中、ハッチングされている部分は広角化上段光学系７１を示し、ハッチングされていない部分は広角化下段光学系７２の入射面を示す。
図３のＷｖは広角化光学系７の入射面におけるスキャナの垂直方向走査範囲（＝スキャナの垂直方向視野）を示し、Ｗｈは広角化光学系７の入射面におけるスキャナの水平方向走査範囲（＝スキャナの水平方向視野）を示す。
【００４３】
スキャナ６は、以下の動作によりレーザ光を２次元スキャンし、スキャンしたレーザ光を広角化光学系７の入射面に出射する。
スキャナ６は、垂直方向に対し１周期の走査を実施する間に水平方向の走査を１周期以上実施することで、図３に示す通り、広角化光学系７の入射面上において、ジグザグ状にスキャンする。
例えば、垂直方向１周期の間に水平方向の走査を１０周期実施した場合、広角化光学系７の入射面において、垂直方向の走査の往路と復路(合わせて１周期)において各々１０本によって構成されるグザグ状のスキャンとなる。
図３において、ｌ＿１, ｌ＿２, ・・・, ｌ＿Ｎは、スキャナによる垂直方向と水平方向のスキャンによって広角化光学系７の入射面においてビーム走査されるラインを示す。ｌはラインを意味し、添え字の数字はライン番号を示す。上記例の場合、Ｎ＝１０である。このライン上において、距離測定される位置は、パルス化されたレーザ光のパルス周期に依存する。パルス周期は、レーザレーダ装置として所望とする画素数に応じて設定される。画素数はレーザレーダ装置として所望とする空間分解能、角度分解能から設定される。
【００４４】
以上のように、スキャナ６は、２次元スキャンされたパルス状のレーザ光を広角化光学系７へ出射する。
【００４５】
図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広視野化を説明する図である。
図４を参照して、広角化光学系７の動作を説明する。
図４において、Ａｎ＿１とＡｎ＿２はそれぞれ広角化光学系から出射後、近傍領域において広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２によって走査される範囲を示す。測定視野１と測定視野２は、それぞれ距離測定対象位置における広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２の測定視野を示す。Ｗｈ＿ｆａｒは、距離測定対象位置における水平方向走査範囲を示し、Ｗｖ＿ｆａｒは距離測定対象位置における垂直方向走査範囲を示す。
【００４６】
水平方向に関してスキャナ６の水平方向の走査角ダイナミックレンジをａ＝ａiu＝ａid ｄｅｇとした場合、図２に示すように広角化上段光学系７１の水平方向スキャン角aou及び広角化下段光学系７２の水平方向スキャン角aodは、＞ａ ｄｅｇとなるので、広角化光学系７の出射後の水平方向のスキャン角(＝レーザレーダ装置としての水平方向の視野角)ａhは、＞２ａ ｄｅｇとなる。
【００４７】
垂直方向に関してスキャナの垂直方向の走査角ダイナミックレンジを２ｂ ｄｅｇとした場合、図２に示すように広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２のスキャン角度はそれぞれｂ ｄｅｇとなるので、広角化光学系出射後の垂直方向のスキャン角(＝レーザレーダ装置としての垂直方向の視野角)は、ｂ ｄｅｇとなる。
【００４８】
図４に示すように、スキャナ６が広角化光学系７に出射した送信光のうち、広角化上段光学系７１に入射された送信光の視野は、距離測定対象位置において測定視野１となり、広角化下段光学系７２に入射された送信光の視野は、測定視野２となる。このように、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２は、それぞれ水平方向に異なる測定視野を得る。
【００４９】
広角化光学系７は、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２が垂直方向に配置され、広角化上段光学系７１の水平方向の入射面と広角化下段光学系７２の水平方向の入射面とを異なる向きで光軸に対称に構成したことより、スキャナ６の出射直後、送信光の水平方向の角度範囲は広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２で同一であるが、広角化光学系７の出射後、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２でそれぞれ異なる水平方向へ伝搬するため、レーザ装置としての水平方向の視野角は大きくなる。
【００５０】
また、広角化上段光学系７１の垂直方向の出射面及び広角化下段光学系７２の垂直方向の出射面を互いに異なる角度であって光軸に対して対称となるように構成したことで、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２が出力した送信光は、垂直方向に対して広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の入射角度の違いによる垂直方向の軸ずれを補正するように伝播し、所望とする距離測定対象位置において垂直方向の軸ずれが小さくなる。ここでの軸ずれという文言は、垂直方向に対する７１と７２の視野のずれを意味する。このずれに関し、図４においてＡｎ＿１とＡｎ＿２は所望とする距離測定対象よりも近傍での７１と７２の視野を模式的に示し、測定視野１と測定視野２は所望とする距離測定対象の位置での視野を示す。
【００５１】
図４に示すように、広角化光学系７の出射直後の近傍においては、測定視野１と測定視野２は垂直方向に軸ずれが生じるが、所望の距離測定対象位置(遠方)においては、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２の垂直方向の出射面を図２のように構成したため、測定視野１と測定視野２の垂直方向の軸ずれは無視できる程度となる。
【００５２】
このように広角化光学系７を上記の通り構成することで、スキャナの垂直方向の視野は、広角化光学系により２分割され、距離測定対象位置において水平方向の視野に変換されることで、レーザレーダ装置の視野角として、スキャナの有する水平方向の走査角ダイナミックレンジ以上の視野角を得る。
【００５３】
なお、距離測定対象位置において、測定視野１と測定視野２の一部が重なるよう構成しても良い。測定視野１と測定視野２に重なりが無く隣接させ、入射面を平面で構成した場合ａhは２a  ｄｅｇ、入射面を曲面で構成した場合ａhは＞２a ｄｅｇ、となる。測定視野１と測定視野２がｃ ｄｅｇ重なりを有する場合、ａhは２ｃ ｄｅｇ減少する。
【００５４】
また、上記では上下段の２段で構成したが、２段以上の複数段で構成しても良い。複数段で構成した場合、その段数と等しい測定視野が得られ、各々の測定視野を広角化苦学系により水平方向に並べることで、スキャナの水平方向の走査角ダイナミックレンジ以上の測定視野を得る。
【００５５】
以下、広角化光学系７以降の本レーザレーダ装置の動作の説明に戻る。
【００５６】
距離測定対象物における散乱光は、受信光として広角化光学系７及びスキャナ６を介し、送受分離光学系５へ出力される。
【００５７】
送受分離光学系５は、距離測定対象物からの散乱光を受信光として受信レンズ８へ出力する。
【００５８】
受信レンズ８は、受信光を集光し受光素子９へ集光する。
【００５９】
受光素子９は、集光された受信光を受光し、受光した光を電流に変換し、変換した受信光の電流信号を電流・電圧変換装置１０に出力する。この受信光の電流信号はパルス状の信号となる。
【００６０】
電流・電圧変換装置１０は、電流信号を電圧信号に変換して距離測定装置１１及び強度測定装置１２に出力する。
【００６１】
距離測定装置１１は、電流・電圧変換装置１０が出力する受信電圧信号とトリガ発生装置３が出力するするトリガ信号との時間差を測定し、その時間差に相当する距離を算出し、距離信号として信号処理装置１４に出力する。
【００６２】
強度測定装置１２は、電流・電圧変換装置１０が出力する受信電圧信号のピーク電圧値を検出し、強度信号として信号処理装置１４に出力する。
【００６３】
信号処理装置１４は、角度モニタ装置１３が出力するスキャン角度信号と、強度信号及び距離信号とから、強度画像および距離画像を生成する。距離画像及び強度画像を生成する際、スキャン角度信号と距離信号とから水平方向と垂直方向の距離を計算する。スキャン角度信号は、広角化光学系７の出射後の角度である。
【００６４】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態１によれば、広角化光学系７を広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２で構成し、スキャナの垂直方向の視野を広角化光学系７により２分割し、分割した視野を距離測定対象位置において水平方向の視野に変換することで、レーザレーダ装置の視野角として、スキャナの有する水平方向の走査角ダイナミックレンジ以上の視野角を得ることができる。
【００６５】
なお、広角化光学系７を保持する治具には手動、及び電動の光軸調整治具が付加されていても良い。
【００６６】
広角化光学系７の入射及び出射面には反射防止コーティングを施しても良い。
【００６７】
ここでは、送信光はパルス光を用いた距離測定方式を例に示したが、広角化光学系７による視野の広角化は、他方式にも適用して良い。例として、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式、などが挙げられる。
【００６８】
受信レンズ８、送信光学系４は、複数の光学素子から構成しても良い。
【００６９】
広角化光学系７の入射面を曲面で形成した場合、これは球面でも非球面でも良い。
【００７０】
広角化光学系７の上段（広角化上段光学系７１に対応）と下段（広角化下段光学系７２に対応）は一体の削り出しで構成しても、分離して製造し、接合して構成しても良い。
【００７１】
広角化光学系７の入射面への入射する２次元スキャンは、図３に示すように往路と復路のライン(ｌ＿１〜ｌ＿Ｎ)が重なるようにスキャナの水平方向と垂直方向の走査周期を示したが、これに限るものではない。
【００７２】
広角化光学系７の入射面は、垂直方向に対しても曲面を持たせても良い。すなわち、入射面に関しトロイダル面としても良い。この場合、送信光学系の垂直方向のビーム広がり角の調整として、広角化光学系出射後において所望の広がり角となるよう調整する。
【００７３】
垂直方向の出射面に関し、図２中にて定義される上段と下段との出射面の角度（ΦouとΦod）は等しくなくても良い。等しくした場合、所望の観測距離において、測定視野１と測定視野２は垂直方向において光軸上に配列されるが、ΦouとΦodとを異なる角度で構成した場合、距離測定対象位置において垂直方向に対して光軸上から外れた位置に配列される。補足として、ΦouとΦodと等しくした場合、図４中、光軸はＷｖ_ｆａｒ/２の位置を通るが、ΦouとΦodとを異なる角度で構成した場合、Ｗｖ_ｆａｒ/２の位置から外れた位置に光軸が通る。
【００７４】
図２では、広角化光学系７の水平方向の入射面に曲面、垂直方向の出射面に平面の傾斜面を上段と下段とで異なる向きとなるよう構成したが、水平方向の入射面と垂直方向の出射面の形状は、送信光の入射方向と送信光の出射方向が逆となるよう構成しても良い。以下でその場合を説明する。
【００７５】
図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の他の構成例を説明する構成図である。
図５に示す通り、垂直方向の入射面を平面の傾斜面、水平方向の出射面を曲面としても良い。図５の変数定義は、図２と同様である。異なる変数は以下で定義する。
【００７６】
垂直方向の入射面に関し、図５中にて定義される上段と下段の光軸に対する入射面の角度（ηouとηod）は絶対値で等しく、９０ｄｅｇ以下とする。従って、図５中に示すように光軸からの正負の角度方向を定義した場合、上段の入射面の角度ηouを光軸から正の方向、下段の入射面の角度ηodを光軸から負の方向となるよう、上段と下段が接するよう構成する。つまり、上段の入射面と下段の入射面とは光軸に対して対称に配置される。
【００７７】
水平方向の出射面に関し、図５の水平方向(上面図)に示す通り、図５中にて定義される光軸に対する上段出射面の角度θouが、下段の出射面の角度θodと絶対値で同じになるようにする。つまり、上段及び下段の出射面は、光軸に対して対称に配置される。
【００７８】
水平方向の入射面を曲面で構成した場合、上下段の境界に生じる段差によりスキャナによって入力された送信光の一部にケラレが生じる場合があるが、図５の通り、水平方向の入射面を平面の傾斜面で構成することで、前記ケラレが低減する効果を奏する。
【００７９】
図５のように、水平方向の入射面に平面の傾斜面を用いて、水平方向の出射面に曲面を用いる構成であっても、水平方向の視野角を広げるという効果を奏する。
【００８０】
広角化光学系７の水平方向の出射面は平面でなくても良い。例として水平方向の出射面に対して曲率を持たせても良い。例として、図２に示す通り、入射面を凹面で構成し、出射面も凹面で構成した場合、両凹レンズの効果を奏することにより、水平方向の視野角はさらに広がる。
【００８１】
広角化光学系７の出射後の水平方向及び垂直方向の送信光はコリメート光でなくても良い。
【００８２】
スキャナ６は２軸で角度走査する軸を有することを示したが、１軸で角度走査する軸を有するスキャナを２つ用いることで代用しても良い。
【００８３】
実施の形態２．
【００８４】
実施の形態１では、透過材料で広角化光学系７を構成したが、実施の形態２では、広角化光学系２０を反射材料で構成する
図６は、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。この発明の実施の形態２に係わるレーザレーダ装置は、レーザ光源１、変調器２、トリガ発生装置３、送信光学系４、送受分離光学系５、スキャナ６、広角化光学系２０、受信レンズ８、受光素子９、電流・電圧変換装置１０、距離測定装置１１、強度測定装置１２、角度モニタ装置１３、信号処理装置１４を備える。
【００８５】
図７は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置における広角化光学系２０の一構成例を示す構成図である。広角化光学系２０は、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２とから構成される。なお、以下で上段と記した場合、広角化上段光学系２０１を示し、下段と記した場合、広角化下段光学系２０２を示す。
【００８６】
スキャナ６によって２次元スキャンされた送信光が入射し、かつ反射する面を、「広角化光学系２０の反射面」と定義する。なお、単に入射面、反射面と記した場合、広角化上段光学系２０１及び広角化下段光学系２０２の両者を指すものとする。以下、入射面もしくは反射面と呼称する場合があるが、本形態では同一の面を指す。
【００８７】
スキャナ６の水平方向の走査角度（視野角度）ダイナミックレンジをａ＝ａiu＝ａid ｄｅｇ 、垂直方向の走査角ダイナミックレンジを２ｂ ｄｅｇと定義する。ａiu及びａidの添え字（ｉｕ、ｉｄ）は、送信光が入射される広角化上段光学系２０１及び広角化下段光学系２０２を示す。
ａou、ａod は、それぞれ広角化上段光学系２０１、広角化下段光学系２０２を通過したあとの送信光の水平方向の視野角を示す。広角化上段光学系２０１、広角化下段光学系２０２を通過した後の送信光の垂直方向の視野角は、それぞれｂ  ｄｅｇである。
【００８８】
図７に示す通り、広角化光学系２０の反射面を、水平方向の断面で見た場合に曲面、垂直方向の断面で見た場合に平面となるよう構成する。実施の形態２では水平方向の断面で見た場合に入射面を曲面で構成するが、これは平面、球面、非球面であっても良い。
上記機能を得るため、広角化光学系２０は次の構造を有する。広角化上段光学系２０１及び広角化下段光学系２０２の水平方向の反射面は光軸に対して回転対称になるように構成される。広角化光学系２０を反射系で構成するため、垂直方向の反射面を平面で形成し、光軸に対して傾斜させる。光軸に対する広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２の垂直方向の反射面の角度は、絶対値で等しくなるように構成する。広角化上段光学系２０１の垂直方向の反射面と広角化下段光学系２０２の垂直方向の反射面は光軸に対して線対称に構成される。入射面の水平方向の曲面形状については実施の形態１と同様である。異なる点は反射面として構成していることである。反射面は、使用する波長で反射可能な反射率を有する材料で構成する。例として、金属蒸着膜や誘電体多層膜などが挙げられる。その他の構造は、実施の形態１と同様である。詳細は後述の通りである。
【００８９】
図７の垂直方向(側面図)に示す通り、スキャナ６の垂直方向の走査角ダイナミックレンジ(全角２ｂ ｄｅｇ)のうち、 ０ｄｅｇから＋ｂ ｄｅｇまでの送信光が広角化上段光学系２０１に入射し、０ｄｅｇから−ｂ ｄｅｇまでの送信光が広角化下段光学系２０２に入射するように構成する。スキャナ６の垂直方向の走査角度が０ｄｅｇのときの送信光が広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２との境目にくるように、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２とを配置する。
【００９０】
図７の水平方向(上面図)に示す通り、広角化上段光学系２０１及び広角化下段光学系２０２の水平方向の反射面は光軸に対して対称になるように構成される。光軸に対する上段入射面の角度θｉｕと光軸に対する下段入射面の角度θｉｄとが、絶対値で一致するように構成する。
【００９１】
実施の形態２では、広角化光学系２０を反射系で構成するため、図７の垂直方向(断面図)に示す通り、垂直方向の反射面を平面で形成し、光軸に対して傾斜させる。光軸に対する上段と下段の垂直方向の反射面の角度（γouとγodと）は、絶対値で等しくなるように構成する。したがって、上段の垂直方向の反射面と下段の垂直方向の反射面とは光軸に対して対称に構成される。
【００９２】
反射系で構成するため、広角化光学系２０の反射面で反射した後の送信光がスキャナ６でケラレないように、送信光学系４から出力された送信光は、スキャナ６の反射面に対して斜入射となる。従って、スキャナ６の反射面で反射された送信光は、垂直方向において、送信光学系４が出力した送信光に対してα(図７参照)の傾きを持つ。この軸を垂直方向の光軸Ｂ−Ｂと定義する。なお、水平方向の光軸はＡ−Ａである。
【００９３】
上記の構成としたため、スキャナの反射面で反射した送信光を広角化光学系２０の入射面に入射させるため、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２との接合面は光軸Ｂ−Ｂを通るように配置する。
【００９４】
上記の配置としたため、図７中に示すように光軸Ｂ−Ｂから正負の角度方向を定義した場合、上段の反射面の角度γouは光軸から正の方向、下段の反射面の角度はγodを光軸から負の方向となり、絶対値が一致するように、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２とは構成される。
【００９５】
広角化上段光学系２０１及び広角化下段光学系２０２の反射面は、使用する波長で反射可能な反射率を有する材料で構成する。例として、金属蒸着膜や誘電体多層膜などが挙げられる。
【００９６】
その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００９７】
次に、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。広角化光学系２０以外の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００９８】
スキャナ６は以下の動作によりレーザ光を２次元スキャンし、スキャンされたレーザ光を広角化光学系２０の入射面に入射させる。
図３で示したように垂直方向に対し１周期の走査を実施する間に水平方向の走査を１周期以上実施することで、スキャナ６は、広角化光学系２０の入射面上においてジグザグ状にスキャンする。
【００９９】
図７の側面図で示したように、送信光学系４からの送信光は、スキャナ６を介して垂直方向において広角化光学系２０に角度αで斜入射する。
【０１００】
図３で示したように、本実施の形態でも、スキャナ６から広角化上段光学系２０１へ入射した送信光は距離測定対象位置にて測定視野１へ、広角化下段光学系２０２へ入射した送信光は測定視野２へ、それぞれ照射される。
【０１０１】
スキャナ６の出射直後、広角化光学系２０に入射される前まで、送信光は、上下段に対して同一の水平方向の範囲に伝搬するが、図７(水平方向：上面図)に示すように、広角化上段光学系２０１の水平方向の入射面と、広角化下段光学系２０２の水平方向の入射面とはＡ−Ａ軸に対して対称に配置されているので、スキャナ６が出力した送信光は、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２とで異なる方向に反射され、広角化光学系２０の出射後、異なる水平方向へ伝搬する。
【０１０２】
また、垂直方向において、広角化上段光学系２０１で反射された送信光と広角化下段光学系２０２で反射された送信光とは、広角化上段光学系２０１と広角化下段光学系２０２とにおいて入射角度のずれ、すなわち軸ずれが生じるが、図７(垂直方向：Ａ−Ａ断面図)に示すように、広角化上段光学系２０１の垂直方向の反射面と広角化下段光学系２０２の垂直方向の反射面とをＢ−Ｂ軸に対して対称に構成したことで、広角化上段光学系２０１で反射された送信光と広角化下段光学系２０２で反射された送信光とは、軸ずれを補正するように伝播するので、所望とする距離測定対象位置において垂直方向の軸ずれが小さい状態で距離測定対象に照射される。
【０１０３】
その他の構成は実施の形態１と同等の動作を行うため、説明を省略する。
【０１０４】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。加えて、実施の形態２では、広角化光学系２０を反射系で構成することにより、材料の選択できる幅を広げることができ、例えば樹脂材料の適用が可能となり、廉価に実装できる。
【０１０５】
距離測定対象位置において、測定視野１と測定視野２の一部が重なるよう構成しても良い。測定視野１と測定視野２に重なりが無く丁度隣接させ、入射面を平面で構成した場合、水平方向の視野ａhは２a  ｄｅｇ、入射面を曲面で構成した場合ａhは＞２a  ｄｅｇとなる。測定視野１と測定視野２がｃ ｄｅｇ重なりを有する場合、ａhは２ｃ ｄｅｇ減少する。
【０１０６】
実施の形態２は、実施の形態１と同様、２段以上の複数段で広角化光学系２０を構成しても良い。複数段に対する応用例については、以下に示す実施の形態４において透過系で構成した場合を例に示すが、反射系でも実施の形態２で示した２段の拡張として構成可能である。
【０１０７】
ここでは、広角化光学系２０の反射面(入射面)は曲面としたが、平面でも良い。
【０１０８】
その他、実施の形態1に記載した構成、機能、動作の変更例は本実施の形態２でも同様に適用できる。
【０１０９】
実施の形態３．
実施の形態３では、送信光学系４１により垂直方向においてレーザレーダ装置として要求される垂直方向の視野もしくはそれ以上のビーム広がり角を有する送信光を形成し、実施の形態１で示す受光素子を受光アレイ素子１５で構成し、スキャナ６は水平方向の角度走査をするよう構成することで、１軸の角度走査で２軸の角度走査をした場合と同様の測定結果が得られる。
【０１１０】
図８は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。本レーザレーダ装置は、レーザ光源１、変調器２、トリガ発生装置３、送信光学系４１、送受分離光学系５、スキャナ６１、広角化光学系７、受信レンズ８、受光アレイ素子１５、電流・電圧変換装置１０、距離測定装置１１、強度測定装置１２、角度モニタ装置１３、信号処理装置１４を備える。
【０１１１】
スキャナ６１は水平方向の１軸の角度スキャン機能を有する。
水平方向を走査するための軸をＡ−ｈと定義（図８参照）した場合、Ａ−ｈを基準とし所定の周期で角度スキャンすることで、１次元スキャンする機能を持つ。加えて、広角化光学系７から出力された受信光を受信し、送受分離光学系５へ誘導する機能を有する。
【０１１２】
スキャナ６１の例としてＭＥＭＳミラーやレゾナントスキャナのような共振型スキャナや、ガルバノスキャナのような非共振型スキャナが挙げられる。
【０１１３】
広角化光学系７の構成と機能は図２と同様である。
【０１１４】
受光アレイ素子１５は、各々の素子が受光した光を各々電流に変換し、各々の素子が受光した光を受信電流信号として出力する機能を持つ。
受光アレイ素子１５の例として、フォトダイオードアレイやアバランシェフォトダイオードアレイ、などが挙げられる。受光アレイ素子１５の素子数は、レーザレーダ装置として要求される垂直方向の画素数に応じて設定する。画素数はレーザレーダ装置として所望とする空間分解能、角度分解能から設定しても良い。
【０１１５】
その他の構成は実施の形態１と同様である。
【０１１６】
なお、広角化光学系７は反射系で構成しても良く、この場合の広角化光学系７の構成は、広角化光学系２０となる。
【０１１７】
次に、この発明の実施の形態２に係るレーザレーダ装置の動作について説明する。送信光学系４１、スキャナ６１、受光アレイ素子１５以外の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【０１１８】
送信光学系４１は、変調器２からの送信光(パルス状のレーザ光)を受信し、所定のビーム径とビーム拡がり角に形成する。実施の形態３では、広角化光学系７の出力後、水平方向に関して、距離測定対象への送信光がコリメート光となるよう、送信光学系４１の出射後の水平方向のビーム広がり角を設定する。
送信光学系４１は、垂直方向のビーム広がり角に関し、垂直方向においてレーザレーダ装置として要求される垂直方向の視野もしくはそれ以上のビーム広がり角にする。
また、送信光学系４１は、水平方向のビーム径に関し、レーザレーダ装置として最終的に出力される距離、強度画像の空間分解能、角度分解能の仕様に合わせて設定される。
加えて、送信光学系４１は、球面、及び非球面の凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、及びこれらの組み合わせから構成され、所望のビーム形状に整形する。
【０１１９】
スキャナ６１は、以下の動作によりレーザ光を１次元スキャンし、スキャンしたレーザ光を広角化光学系７の入射面に入射させる。
【０１２０】
図９は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の広角化光学系７の入射面におけるスキャン位置を示す図である。
図９の楕円でハッチした領域Ｂが広角化光学系７に入射される送信光のビームパターンを示す。
【０１２１】
送信光学系４１は垂直方向に対しては拡がり角を有した送信光に整形し、垂直方向に対しては拡がり角を有した送信光をスキャナ６１が水平方向に対してビーム走査することで、図９に示す通り、広角化光学系７の入射面上において、垂直方向に広がった送信光が照射され、水平方向のスキャンによって送信光が水平方向に移動する形でスキャンされる。
図９において、ｌｈ＿１ 〜 ｌｈ＿Ｎの各破線は、広角化光学系７の入射面に照射される送信光の位置を表す。なお、ｌｈはラインを意味し、添え字の数字はライン番号を示す。
【０１２２】
図９の各破線の間隔は、レーザ繰り返し周期及びスキャナの水平方向の角度走査周期により定まる。
【０１２３】
１次元スキャンの例として、レーザ繰り返し周波数を１０Ｈｚとし、水平方向の角度走査周期を１Ｈｚとした場合、広角化光学系の入射面において、水平方向の走査の往路と復路(合わせて１周期)において各々５本によって構成されるスキャンとなる。
上記例の場合、Ｎ＝５に相当する。レーザ繰り返し周期は、レーザレーダ装置として所望とする画素数に応じて設定する。画素数はレーザレーダ装置として所望とする空間分解能、角度分解能から設定しても良い。
【０１２４】
スキャナ６１により１次元スキャンされたパルス状のレーザ光は広角化光学系７の入射面へ入射される。
【０１２５】
図１０は、この発明の実施の形態３に係るレーザレーダ装置の広視野化を説明する図である。図１０を参照して、広角化光学系７の動作を説明する。
図１０において、Ａｎ＿１とＡｎ＿２はそれぞれ広角化光学系から出射後、近傍領域において広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２によって走査される範囲を示す。測定視野１と測定視野２は、それぞれ距離測定対象位置における広角化上段光学系７１と広角化下段光学系７２の測定視野を示す。Ｗｈ＿ｆａｒは、距離測定対象位置における水平方向走査範囲を示し、Ｗｖ＿ｆａｒは距離測定対象位置における垂直方向走査範囲を示す。７１、７２、Ａｎ＿１、Ａｎ＿２、測定視野１、測定視野２に示す垂直方向の破線は図９のＢで示す送信ビームのスポット位置を模式的に示し、水平方向へのみスキャンされる様子を示す。
実施の形態３では７１、７２、Ａｎ＿１、Ａｎ＿２、測定視野１、測定視野２に対し送信される送信光の形状、スキャン方法のみが異なるため、水平方向の視野角に対する動作は［００４６］、［００４８］、［００４９］、［００５２］、［００５３］、［００５４］と同様である。
垂直方向のビーム広がり角に関し、広がり角(全角)をθｖとした場合、広角化上段光学系７１及び広角化下段光学系７２への各々の入射角度は θｖ/２ｄｅｇとなるので、広角化光学系出射後の垂直方向のスキャン角(＝レーザレーダ装置としての垂直方向の視野角)は、θｖ/２ｄｅｇとなる。垂直方向への視野角に関する動作は［００５０］、［００５１］、［００５２］と同様である。
【０１２６】
距離測定対象物からの散乱光は、受信光として広角化光学系７及びスキャナ６１を介し、送受分離光学系５へ出力される。
送受分離光学系５は、距離測定対象物からの散乱光を受信光として受信レンズ８へ出力する。
受信レンズ８は、受信光を集光し受光アレイ素子１５へ集光する。
受光アレイ素子１５は、集光された受信光を受光し、受光した光をピクセル毎に電流に変換し、変換した受信光の各電流信号を電流・電圧変換装置１０に出力する。この受信光の電流信号はパルス状の信号となる。
電流・電圧変換装置１０は、各ピクセルの電流信号をピクセル毎に電圧信号に変換して距離測定装置１１及び強度測定装置１２に出力する。
【０１２７】
その他の構成は実施の形態１と同等の動作を行う。
【０１２８】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態３によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。加えて、スキャナ６１の走査角度する軸を１軸にしたことで、水平方向と垂直方向の２軸の角度走査制御を精度良く合わせる調整が回避されるため、スキャナ製造及び制御に伴う煩雑性が低下する。これにより装置の低コスト化、小型化を図ることが可能となる。また、垂直方向に長尺化困難なスキャナ反射面の製造に困難がある場合に、これを解決することが可能となる。
【０１２９】
なお、スキャナ６１は単一反射面を有する構成を例に実施の形態３は説明したが、これに限るものではく、スキャナ６１の反射面も垂直方向、もしくは垂直方向と水平方向にアレイ化し、各々の素子が独立に角度走査できるように構成しても良い。
【０１３０】
受光アレイ素子１５は垂直方向だけでなく、水平方向にアレイ化しても良い。
【０１３１】
その他、実施の形態1、２に記載した構成、機能、動作の変更例は本実施の形態３でも同様に適用できる。
【０１３２】
実施の形態４．
実施の形態４では広角化光学系３０を広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３の３段で構成した場合について説明する。なお、以下で上段と記した場合、広角化上段光学系３０１を示し、中段と記した場合、広角化中段光学系３０２を示し、下段と記した場合、広角化下段光学系３０３を示す。
【０１３３】
図１１は、この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。本レーザレーダ装置は、レーザ光源１、変調器２、トリガ発生装置３、送信光学系４、送受分離光学系５、スキャナ６、広角化光学系３０、受信レンズ８、受光素子９、電流・電圧変換装置１０、距離測定装置１１、強度測定装置１２、角度モニタ装置１３、信号処理装置１４を備える。
【０１３４】
図１２は、この発明の実施の形態４に係るレーザレーダ装置の広角化光学系３０の一構成例を示す構成図である。
広角化光学系３０は、広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３から構成される。
【０１３５】
図１２において、スキャナ６の水平方向の送信光の走査角度（視野角度）ダイナミックレンジはａ＝ａiu＝ａim＝ａid ｄｅｇであり、それぞれの添え字（ｉｕ、ｉｍ、ｉｄ）は、送信光が入射される広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、及び広角化下段光学系３０３を示す。ａou、ａom、ａod は、それぞれ広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３を通過したあとの送信光の水平方向の視野角を示す。
スキャナ６の垂直方向の送信光の走査角度（視野角度）ダイナミックレンジは、３ｂ  ｄｅｇであり、広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３にそれぞれ、視野角ｂ  ｄｅｇの送信光が入射される。広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３を通過した後の送信光の垂直方向の視野角は、それぞれｂ  ｄｅｇである。
Φouは光軸と上段出射面との間の角度を示し、Φodは光軸と下段出射面との間の角度を示し、Φou＝Φodである。図２の側面図においてΦou及びΦodは光軸から反時計まわりを負、時計まわりの方向を正と定義する。
【０１３６】
広角化上段光学系３０１及び広角化下段光学系３０３の垂直方向の出射面は、実施の形態１と同様、光軸Ａ−Ａに対して対称であり、｜Φou｜＝｜ Φod｜である。
【０１３７】
広角化中段光学系３０２の水平方向の入射面は、上段および下段と同様に、曲面で構成し、水平方向及び垂直方向の出射面は平面で構成する。なお、測定対象距離において測定視野１、２、３の隣接する視野が一部重なる、もしくは隙間なく隣接する場合、水平方向の入射面は曲面でなく、平面、球面、非球面であっても良く、水平方向及び垂直方向の出射面は平面でなくても良い。
上記機能を得るため、広角化光学系３０は次の構造を有する。広角化光学系３０が、広角化光学系７と異なる点は上段と下段の間に中段の光学系が挿入された点である。中段の入射面は水平方向に対して曲面で構成し、光軸に対し回転対称である。出射面は、水平及び垂直方向に対して傾斜のない平面で構成する。その他の構造については実施の形態１と同様である。
【０１３８】
広角化中段光学系３０２の垂直方向の入射面は、スキャナ６の水平方向の走査角度０ｄｅｇの送信光が垂直に入射するよう構成する。つまり、光軸Ａ−Ａに対する広角化中段光学系３０２の垂直方向の入射面の角度は、９０ｄｅｇである。また、広角化中段光学系３０２は、図１２中の側面図において、光軸Ａ−Ａ軸上に中心がくるように配置する。
【０１３９】
図１２中の水平方向(上面図)に示す通り、中段出射後の送信光の水平方向の視野角が光軸Ａ−Ａに対して対称となるように、水平方向の入射面を構成する。従って、例えば入射面が球面の場合、曲率中心はＡ−Ａ上に位置する。
【０１４０】
次に、この発明の実施の形態４に係わるレーザレーダ装置の動作について説明する。広角化光学系３０以外の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【０１４１】
スキャナ６で２次元スキャンされたパルス状のレーザ光を広角化光学系３０の入射面へ入射する。
【０１４２】
広角化光学系３０を透過した送信光は、図１１に示すように、スキャナ６から広角化上段光学系３０１へ入射した送信光は距離測定対象位置にて測定視野１へ、広角化下段光学系３０３へ入射した送信光は測定視野３へ、広角化中段光学系３０２へ入射した送信光は測定視野２へ照射される。
【０１４３】
図１２に示すように、広角化光学系３０の水平方向の入射面を上段、下段、及び中段で異なる向きに配置したことより、スキャナ６の出射直後、広角化光学系３０の入射前では、上中下段で同一の水平方向の範囲に伝搬している送信光は、広角化光学系３０の出射後において異なる水平方向へ伝搬する。
【０１４４】
また、広角化光学系３０の垂直方向の出射面を図１２に示すように構成したことで、広角化光学系３０を出射した上段、下段、及び中段からの送信光は、所望とする距離測定対象位置において垂直方向の軸ずれなく距離測定対象に照射される。
【０１４５】
その他の構成は実施の形態１と同等の動作を行う。
【０１４６】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態４によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。加えて、広角化光学系３０を広角化上段光学系３０１、広角化中段光学系３０２、広角化下段光学系３０３という３段で構成したので、実施の形態１より広い視野角を得ることができる。
【０１４７】
実施の形態１〜３に記載された内容は、（１）広角化光学系３０の入射面に垂直方向を補正する平面の傾斜面を形成し、出射面に曲面を形成する、（２）広角化光学系３０を反射系で構成する、（３）受光素子に受光素子アレイを用いるなど、実施の形態４で示すような複数段への広角化光学系３０に適用しても良い。
【０１４８】
その他、実施の形態１、２、３に記載した構成、機能、動作の変更例は本実施の形態４でも同様に適用できる。
【符号の説明】
【０１４９】
１  レーザ光源、２  変調器、３  トリガ発生装置、４  送信光学系、５  送受分離光学系、６  ６１  スキャナ、７  ２０  ３０  広角化光学系、７１  ２０１  ３０１  広角化上段光学系、３０２  広角化中段光学系  ７２  ２０２  ３０３広角化下段光学系、８  受信レンズ、９  受光素子、１０  電流・電圧変換装置、１１  距離測定装置、１２  強度測定装置、１３  角度モニタ装置、１４  信号処理装置、１５  受光アレイ素子。
【図１】
2020115856.tif 000003
【図２】
2020115856.tif 000004
【図３】
2020115856.tif 000005
【図４】
2020115856.tif 000006
【図５】
2020115856.tif 000007
【図６】
2020115856.tif 000008
【図７】
2020115856.tif 000009
【図８】
2020115856.tif 000010
【図９】
2020115856.tif 000011
【図１０】
2020115856.tif 000012
【図１１】
2020115856.tif 000013
【図１２】
2020115856.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月13日(2020.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明のレーザレーダ装置は、レーザ光を出力する光源と、レーザ光をスキャンするスキャナと、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されたレーザ光の水平方向成分と出射するレーザ光の水平方向成分とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第１の光学系と、スキャナがスキャンしたレーザ光が入射され、入射されるレーザ光の水平方向の入射範囲と第１の光学系の水平方向の入射範囲とは同じであって、入射されたレーザ光の出射範囲と第１の光学系の出射範囲とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する第２の光学系とを備える。
第１の光学系は、入射されるレーザ光の垂直方向成分の符号と出射するレーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射されたレーザ光を出射し、第２の光学系は、垂直方向の入射範囲が第１の光学系の垂直方向の入射範囲と光軸に対して対称であって、入射されたレーザ光の垂直方向成分の符号と出射するレーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射されたレーザ光を出射する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
また、上記では上下段の２段で構成したが、２段以上の複数段で構成しても良い。複数段で構成した場合、その段数と等しい測定視野が得られ、各々の測定視野を広角化光学系により水平方向に並べることで、スキャナの水平方向の走査角ダイナミックレンジ以上の測定視野を得る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
前記レーザ光をスキャンするスキャナと、
前記スキャナがスキャンした前記レーザ光が入射され、入射された前記レーザ光の水平方向成分と出射する前記レーザ光の水平方向成分とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射する第１の光学系と、
前記スキャナがスキャンした前記レーザ光が入射され、入射される前記レーザ光の水平方向の入射範囲と前記第１の光学系の水平方向の入射範囲とは同じであって、入射された前記レーザ光の出射範囲と前記第１の光学系の出射範囲とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射する第２の光学系と、
を備え、
前記第１の光学系は、入射される前記レーザ光の垂直方向成分の符号と出射する前記レーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射し、
前記第２の光学系は、垂直方向の入射範囲が前記第１の光学系の垂直方向の入射範囲と光軸に対して対称であって、入射された前記レーザ光の垂直方向成分の符号と出射する前記レーザ光の垂直方向成分の符号とが異なるように、入射された前記レーザ光を出射することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
前記第１の光学系及び第２の光学系は、入射される前記レーザ光を反射し、反射することにより前記レーザ光を出射す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】
前記第１の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分とが異なり、前記第１の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分とが同じであ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４】
前記第１の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の入射面の法線ベクトルの水平方向成分とが同じで、前記第１の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分と前記第２の光学系の出射面の法線ベクトルの水平方向成分とが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５】
前記光源が出力した前記レーザ光を垂直方向に広げ、垂直方向に広げた前記レーザ光を前記スキャナに出力する送信光学系を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
【国際調査報告】
2020115856.tif 000015
2020115856.tif 000016
2020115856.tif 000017
2020115856.tif 000018