特許 6522384 レーザレーダ装置及び走行体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6522384

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年5月29日

(54)【発明の名称】レーザレーダ装置及び走行体

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20190520BHJP

   G01S 17/42 20060101ALI20190520BHJP

   G01S 17/93 20060101ALI20190520BHJP

   G01S 17/89 20060101ALI20190520BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20190520BHJP

   G08G 1/16 20060101ALN20190520BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/481 A

   G01S17/42

   G01S17/93

   G01S17/89

   G01B11/24 A

   !G08G1/16 C

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-60071(P2015-60071)

(22)【出願日】2015年3月23日

(65)【公開番号】特開2016-180624(P2016-180624A)

(43)【公開日】2016年10月13日

【審査請求日】2018年3月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】川添 浩平

(72)【発明者】

【氏名】窪田 隆博

【審査官】 田中 純

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１３８８９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０６０２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６７３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２５８０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１２１７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１１３２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２６２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１９８８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０５５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１３８２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１０７０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４３５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００６１１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８ − Ｇ０１Ｓ ７／５１

０１Ｓ １７／００ − Ｇ０１Ｓ １７／９５

Ｇ０１Ｂ ９／００ − Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／００ − Ｇ０１Ｃ ３／３２

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０８Ｇ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光源と、
前記レーザ光源から発光されるレーザ光を所定の第１方向に延びるライン状に成形する送光側レンズと、
前記ライン状に成形された前記レーザ光を、計測対象エリアにおける前記第１方向に直交する第２方向に走査させながら照射するスキャナと、
前記計測対象エリアから反射される反射光を受光する受光側レンズと、
前記受光側レンズの下流側に配置され、前記第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、
前記受光側レンズと前記受光ラインセンサとの間に配置され、前記受光側レンズで受光された前記反射光を前記受光ラインセンサに向けて集光するとともに、前記第２方向に集光される倍率が前記第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系と、
前記受光ラインセンサが出力した受信信号に基づき、前記計測対象エリアの３次元情報を生成する情報生成部と、を備え、
前記受光側光学系は、前記スキャナの走査に応じて、前記計測対象エリア全体からの反射光を受光する前記受光側レンズの結像位置付近、または後方に配置され、前記受光側レンズが結像する前記計測対象エリア全体を含む結像情報のすべてを前記受光ラインセンサに向けて伝送するリレーレンズと、前記リレーレンズから伝送された光束を前記受光ラインセンサに向けて前記第２方向に集光させる集光レンズと、を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。

【請求項2】

前記情報生成部は、前記反射光を受光した前記受光セルのピクセル情報に基づき取得された前記第１方向の位置情報と、前記レーザ光が照射されてから前記受光ラインセンサで受光されるまでの光往復時間から取得された計測対象エリアまでの距離情報と、前記レーザ光を照射した際の前記スキャナの送光制御角度に基づき取得された前記第２方向の位置情報とから前記計測対象エリアの３次元情報を生成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】

請求項１または２に記載のレーザレーダ装置を備えることを特徴とする走行体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を走査させることで計測対象エリアの３次元情報を生成するレーザレーダ装置、及び、走行体に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、レーザ光を計測対象エリアに走査させながら照射し、この計測対象エリアに存在する物体などからの反射光を受光素子で受光することによって得られる受光信号の分布から計測対象エリアの３次元情報を生成するレーザレーダ装置が知られている。この種のレーザレーダ装置では、レーザ光の送光側、及び、反射光の受光側の各々にスキャナを設け、走査時における送光側のスキャナのミラー角（レーザ光の送光角）に合せて受光側のスキャナのミラー角（反射光の受光角）を随時調整することで反射光を受光素子に入射させている。この構成では、送光側及び受光側の両方にスキャナを設けるため、レーザレーダ装置全体が大型化する問題があった。

【0003】

上記した問題を解決するために、従来、受光側にスキャナを設けないレーザレーダ装置が提案されている（特許文献１参照）。このレーザレーダ装置は、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイと、受信信号を増幅するトランスインピーダンスアンプアレイと、トランスインピーダンスアンプアレイの各素子からの受信信号を加算する加算回路と、を備えることで、広い２次元視野の確保しつつ受光側のスキャンレスを実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５６０２２２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の構成では、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイを備え、アレイ状に並べられた各長尺受光素子が受信した受信信号を加算する加算回路が必要となり、装置構成及び信号処理が煩雑になる問題があった。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できるレーザレーダ装置、及び、走行体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】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光源と、レーザ光源から発光されるレーザ光を所定の第１方向に延びるライン状に成形する送光側レンズと、ライン状に成形されたレーザ光を、計測対象エリアにおける第１方向に直交する第２方向に走査させながら照射するスキャナと、計測対象エリアから反射される反射光を受光する受光側レンズと、受光側レンズの下流側に配置され、第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、受光側レンズと受光ラインセンサとの間に配置され、受光側レンズで受光された反射光を受光ラインセンサに向けて集光するとともに、第２方向に集光される倍率が第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系と、受光ラインセンサが出力した受信信号に基づき、計測対象エリアの３次元情報を生成する情報生成部と、を備えることを特徴とする。

【0008】

この構成によれば、第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、受光側レンズと受光ラインセンサとの間に配置され、受光側レンズで受光された反射光を受光ラインセンサに向けて集光するとともに、第２方向に集光される倍率が第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系とを備えるため、計測対象エリア全体を受光ラインセンサのセンサ視野に収めることができ、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できる。

【0009】

この構成において、受光側光学系は、受光側レンズの結像位置付近、または後方に配置されリレーレンズと、リレーレンズから伝送された略平行光束を受光ラインセンサに向けて集光させる集光レンズとを備えても良い。この構成によれば、２種類のレンズを組み合わせた簡単な構成で、受光側レンズの結像情報を受光ラインセンサに集光させることができる。

【0010】

また、情報生成部は、反射光を受光した受光セルのピクセル情報に基づき取得された第１方向の位置情報と、レーザ光が照射されてから受光ラインセンサで受光されるまでの光往復時間から取得された計測対象エリアまでの距離情報と、レーザ光を照射した際のスキャナの送光制御角度に基づき取得された第２方向の位置情報とから計測対象エリアの３次元情報を生成しても良い。この構成によれば、受光側の視野スキャンにより受信信号の空間位置座標取得が不要となるため、３次元情報を生成するための信号処理の負荷を軽減できる。

【0011】

また、上記したレーザレーダ装置を走行体に搭載しても良い。この構成によれば、走行体の走行経路の３次元情報を常に取得することができ、走行体の運転支援を行うことができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、第１方向に沿って並べられた複数の受光セルを有する受光ラインセンサと、受光側レンズと受光ラインセンサとの間に配置され、受光側レンズで受光された反射光を受光ラインセンサに向けて集光するとともに、第２方向に集光される倍率が第１方向に集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系とを備えるため、計測対象エリア全体を受光ラインセンサのセンサ視野に収めることができ、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本実施形態に係るレーザレーダ装置の概略構成図である。

【図2】図２は、受光側光学系を含む周辺構成を示す模式図である。

【図3】図３は、集光レンズの構成を示す斜視図である。

【図4】図４は、受光ラインセンサの変形例を示す図である。

【図5-1】図５−１は、線路上を走行する列車にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す斜視図である。

【図5-2】図５−２は、線路上を走行する列車にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す側方視図である。

【図6】図６は、車両にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

【0015】

図１は、本実施形態に係るレーザレーダ装置の概略構成図である。レーザレーダ装置１は、図１に示すように、予め設定された所定の計測対象エリアＡに対し、例えば、水平方向（第１方向）Ｘに延びるライン状のレーザ光Ｌを、この水平方向Ｘに直交する垂直方向（第２方向）Ｙに走査しながら照射し、このレーザ光Ｌの反射光Ｒを受光して計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。このレーザレーダ装置１は、例えば、線路上を走行する列車などの車両（走行体）の進行方向前方に搭載され、車両の進行方向に設定された計測対象エリアの３次元情報を生成する。これにより、生成された３次元情報を利用して、車両の進行方向に障害物が存在するか否かを判別できる。

【0016】

レーザレーダ装置１は、図１に示すように、レーザ光源１１と、送光側レンズ１２と、スキャナ１３と、受光側レンズ１６と、受光側光学系１７と、受光ラインセンサ１８と、アンプ回路１９と、距離演算部２０と、情報生成部２１と、光源制御部３０と、スキャナ制御部３１と、を有する。光源制御部３０は、レーザ光源１１の動作を制御する。スキャナ制御部３１は、スキャナ１３の動作を制御する。光源制御部３０は、レーザレーダ装置１のマスタークロックを有し、レーザ光Ｌの発光と同時にパルス状の発光同期信号を距離演算部２０に発信する。

【0017】

レーザレーダ装置１は、水平方向Ｘに延びるライン状のレーザ光Ｌを、計測対象エリアＡの垂直方向Ｙに走査しながら照射する。計測対象エリアＡは、レーザレーダ装置１から所定距離離れた位置に設定されたエリアである。レーザレーダ装置１が、例えば、列車などの車両に搭載された場合には、計測対象エリアＡは車両の走行に応じて随時更新される。

【0018】

レーザ光源１１は、レーザ光Ｌを発光する。レーザ光Ｌは、例えば、２００〜２０００ｎｍの波長のレーザ光が用いられる。特に、レーザレーダ装置１を屋外の広い空間で使用する場合には、８００〜２０００ｎｍの波長のレーザ光を用いることで、安定した計測を実現できる。レーザ光源１１は、例えば、レーザダイオードなどから構成され、光源制御部３０の発光指令に基づきレーザ光Ｌをパルス状に発光する。送光側レンズ１２は、円筒型凸レンズで構成され、レーザ光源１１から発光されるレーザ光Ｌをライン状に成形する。本実施形態では、送光側レンズ１２の軸方向を水平方向Ｘに合わせることで、レーザ光Ｌは水平方向Ｘに延びるライン状に成形される。スキャナ１３は、ライン状に成形されたレーザ光Ｌを、計測対象エリアＡの垂直方向Ｙに走査する。

【0019】

スキャナ１３は、計測対象エリアＡを走査する機能を有し、ライン状のレーザ光Ｌを反射させる反射ミラー１４と、反射ミラー１４で反射したライン状のレーザ光Ｌを垂直方向Ｙに走査させる垂直走査部１５とを備える。反射ミラー１４は、送光側レンズ１２でライン状に成形されたレーザ光Ｌを垂直走査部１５に反射する。垂直走査部１５は、例えば、ガルバノスキャナにより構成され、平面鏡であるガルバノミラー１５ａと、ガルバノミラー１５ａの鏡面を揺動させる駆動モータ１５ｂと、を備えている。垂直走査部１５は、スキャナ制御部３１の制御の下、駆動モータ１５ｂを駆動させてガルバノミラー１５ａを揺動させる。これにより、反射ミラー１４を反射したレーザ光Ｌの垂直方向の角度が変更され、計測対象エリアＡの垂直方向Ｙに走査される。なお、本実施形態では、垂直走査部１５の一例として、ガルバノスキャナを用いた構成を説明したが、この構成に限るものではなく、例えば、ポリゴンミラーを有するポリゴンスキャナを用いても良い。また、送光側レンズ１２の光軸上に垂直走査部１５を配置できる構成では、反射ミラー１４を設けなくても良い。

【0020】

スキャナ制御部３１は、所定の走査パターンに基づき、駆動モータ１５ｂの動作を制御する。これにより、ライン状のレーザ光Ｌは、走査パターンに則して計測対象エリアＡに照射され、この照射された点（領域）が計測点Ｓとなる。この場合、スキャナ制御部３１は、各計測点Ｓに対応するガルバノミラー１５ａのミラー角（送光制御角度）を取得し、このミラー角を情報生成部２１に発信する。本実施形態では、スキャナ１３は、ライン状のレーザ光Ｌをラインの延びる方向に垂直な方向に走査しながら計測対象エリアＡに照射する。このため、計測対象エリアＡに対する３次元計測レートが向上し、計測対象エリアＡの計測を短時間に行うことができる。

【0021】

また、受光側レンズ１６は、計測対象エリアＡの各計測点Ｓから反射される反射光Ｒを受光する。受光側光学系１７は、受光側レンズ１６で受光された反射光Ｒを垂直方向Ｙに集光する。

【0022】

図２は、受光側光学系を含む周辺構成を示す模式図であり、図３は、集光レンズの構成を示す斜視図である。図２に示すように、計測対象エリアＡの各計測点Ｓで反射される反射光Ｒは、それぞれ受光側レンズ１６で受光される。この受光側レンズ１６は、各計測点Ｓの像を受光側レンズ１６の下流側の所定位置（結像位置）で結像する。

【0023】

受光側光学系１７は、受光側レンズ１６の結像位置に配置されるリレーレンズ３５と、このリレーレンズ３５の下流側に配置される集光レンズ３６とを備える。この図２では、リレーレンズ３５と集光レンズ３６とを１枚ずつ備えた構成としているが、各レンズを複数組み合わせたレンズユニットとしても良いことは勿論である。リレーレンズ３５は、凸レンズで構成され、結像位置における受光側レンズ１６の結像情報を保持したまま、それ以降の光束を略平行化するレンズであり、この結像情報をそのまま集光レンズ３６に伝送する機能を有する。また、本実施形態では、リレーレンズ３５は、受光側レンズ１６の結像位置に配置する構成としたが、これに限るものではなく、受光側レンズ１６の結像位置付近、または結像位置の後方に配置しても良い。

【0024】

集光レンズ３６は、図３に示すように、反射光Ｒの入射側が曲面３６ａ、出射側が平面３６ｂの円筒型凸レンズで構成される。この集光レンズ３６は、垂直方向Ｙに集光される倍率が水平方向Ｘに集光される倍率よりも大きくなるように形成されている。すなわち、集光レンズ３６は、リレーレンズ３５から伝送された反射光Ｒの平行光束、すなわち結像情報のすべてを受光ラインセンサ１８に向けて垂直方向Ｙに集光させる。このため、受光側光学系１７は、２種類のレンズを組み合わせた簡単な構成で、受光側レンズ１６の結像情報を受光ラインセンサ１８に集光させることができ、受光側のスキャンレスを実現できる。

【0025】

受光ラインセンサ１８は、水平方向Ｘに沿って並べられた複数（本実施形態では５つ）の受光セル１８ａを備えて構成される。各受光セル１８ａは、反射光Ｒを受光して電流に変換する光電変換素子（例えば、フォトダイオード）で形成されており、単一のピクセルを有する単一素子で形成されている。このため、短いパルスのレーザ光Ｌに応答することができる。

【0026】

この構成では、受光セル１８ａの数（５つ）に応じて、計測対象エリアＡは、５つの分割エリアＡａに区分けされる。そして、計測対象エリアＡからの反射光Ｒは、分割エリアＡａに対応して５つに空間分解され、分割エリアＡａに対応する受光セル１８ａに受光される。この場合、分割エリアＡａからの反射光Ｒは、集光レンズ３６によって、垂直方向Ｙに集光されて、対応する受光セル１８ａに受光される。このため、受光ラインセンサ１８には、計測対象エリアＡからの反射光Ｒの平行光束、すなわち結像情報のすべてが集光される。

【0027】

受光ラインセンサ１８は、受光側光学系１７で集光された反射光Ｒを受光し、受光した反射光Ｒに含まれるレーザ光Ｌに基づいた受信信号を出力する。アンプ回路１９は、受光ラインセンサ１８が出力した受信信号を電圧信号として増幅する。受光ラインセンサ１８が出力する受信信号は、微弱な電流信号であるため、アンプ回路１９は、電流信号を電圧信号に変換して距離演算部２０に出力する。本実施形態では、受光ラインセンサ１８とアンプ回路１９とを備えて受光部を構成する。

【0028】

距離演算部２０は、アンプ回路１９にて増幅された受信信号に基づき、計測対象エリアＡの計測点Ｓの距離情報を演算する。距離演算部２０は、光源制御部３０から発信されたパルス状の発光同期信号とアンプ回路１９から発信された受信信号とを受信し、レーザ光Ｌが照射された計測対象エリアＡの計測点Ｓまでの距離を演算し、距離情報を情報生成部２１に発信する。具体的には、距離演算部２０は、発光同期信号と受信信号とに基づいてレーザ光Ｌを発光してから反射光Ｒを受光するまでの時間を計測するとともに、この計測時間に基づいてレーザ光Ｌを反射した計測点Ｓまでの距離を演算する。また、距離演算部２０は、距離情報とともに、受信信号に含まれる受光強度を距離情報と関連づけて情報生成部２１に発信しても良い。

【0029】

また、距離演算部２０は、アンプ回路１９にて増幅された受信信号に基づき、計測対象エリアＡの計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報を演算する。具体的には、距離演算部２０は、反射光Ｒを受光した受光セル１８ａのピクセル情報（番号）を取得し、このピクセル情報から計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報を演算し、この位置情報を情報生成部２１に発信する。

【0030】

情報生成部２１は、スキャナ制御部３１から発信された計測点Ｓに関するガルバノミラー１５ａのミラー角（送光制御角度）を取得し、このミラー角に基づき、該計測点Ｓの垂直方向Ｙの位置情報を演算する。情報生成部２１は、距離演算部２０から受信した計測点Ｓの距離情報及び水平方向Ｘの位置情報と、計測点Ｓの垂直方向Ｙの位置情報に基づき、計測点Ｓにおける座標情報を取得し、計測対象エリアＡに存在する複数の計測点Ｓの座標情報分布から計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。この構成では、受光側の視野スキャンによる受信信号の空間位置座標取得が不要となるため、３次元情報を生成するための信号処理の負荷を軽減できる。情報生成部２１で生成された計測対象エリアＡの３次元情報は、外部機器２５（例えば、車両のコンピュータ等）に有線または無線にて送信され、この外部機器２５で利用される。

【0031】

本実施形態のレーザレーダ装置１は、集光レンズ３６は、リレーレンズ３５から伝送された受光側レンズ１６の結像情報のすべてを、各受光セル１８ａを横並びに配置した受光ラインセンサ１８に集光する。このため、受光ラインセンサ１８には、計測対象エリアＡのどの計測点Ｓからの反射光Ｒも集光されることにより、受光ラインセンサ１８は、常時、計測対象エリアＡにおける区分された領域Ａａ全体をセンサの各受光セル視野に収めることができる。

【0032】

例えば、特許第５６０２２２５号公報に記載されている長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べた長尺受光素子アレイと、各長尺受光素子の受信信号を加算する加算回路とを備えることで、広い２次元視野の確保しつつ受光側のスキャンレスを実現している。しかし、従来技術では、長尺受光素子を受光素子の長尺方向と直交する方向にアレイ状に並べることで、長尺受光素子アレイが大型化してしまい、レーザレーダ装置の小型化という目的に反する恐れがある。また、アレイ状に並べられた各長尺受光素子が受信した受信信号を加算する加算回路が必要となり、装置構成が煩雑になる恐れがあった。これに対して、レーザレーダ装置１は、上述したように、受光側光学系１７を設けたことにより、受光ラインセンサ１８には、計測対象エリアＡの反射光Ｒが垂直方向Ｙに集光されるため、計測対象エリアＡのどの計測点Ｓからの反射光Ｒも受光ラインセンサ１８に集光される。このため、受光ラインセンサ１８は、常時、計測対象エリアＡ全体をセンサ視野に収めることができ、従って、計測対象エリアＡからの反射光を単一の情報として取り扱うことができ、小型化を実現できる。

【0033】

ここで、単一ピクセルからなる受光セル１８ａを有する受光ラインセンサ１８を受光側レンズ１６の結像位置に配置する構成が想定される。しかし、この構成では、受光ラインセンサ１８の受光セル１８ａの面積が、受光側レンズ１６の結像位置での結像情報の面積に比べて極めて小さいため、計測対象エリアＡの垂直方向Ｙの一部分しかセンサ視野に収めることができない。また、計測対象エリアＡの垂直方向Ｙ全体のセンサ視野を確保するためには、各受光セル１８ａの垂直方向Ｙの大きさ（高さ）を受光側レンズ１６の結像位置での結像情報と同等以上の大きさとする必要がある。しかし、受光セル１８ａのセンサ画素サイズが大きくなると、受光セル（フォトダイオード）としての応答性が低下する問題がある。

【0034】

これに対して、本実施形態では、受光側光学系１７は、受光側レンズ１６の結像位置に配置されるリレーレンズ３５と、このリレーレンズ３５の下流側に配置される集光レンズ３６とを備え、集光レンズ３６は、リレーレンズ３５から伝送された受光側レンズ１６の結像情報のすべてを、受光セル１８ａを並べた受光ラインセンサ１８に集光する。このため、応答性を低下することなく、受光側レンズ１６の有する視野全体の情報を受光セル１８ａの画素形状に関係なくカバーすることを可能としている。このため、受光セル１８ａは、長方形、正方形や円形の画素が並んだラインセンサでも構成可能となり、センサの選択幅を広くすることができる。

【0035】

次に、受光素子の変形例について説明する。図４は、受光ラインセンサの変形例を示す図である。上記した実施形態では、受光セル１８ａを水平方向Ｘに横並びに配置した受光ラインセンサ１８を１つ設ける構成としたが、図４に示すように、複数（例えば３つ）の受光ラインセンサ１８を垂直方向Ｙにアレイ状に並べたラインセンサアレイ１８０とすることもできる。この構成では、垂直方向Ｙに並んだ残りの２つの受光ラインセンサ１８は、予備的に配置されるものであり、レーザレーダ装置１の運用中に受光側レンズ１６−リレーレンズ３５−集光レンズ３６による受光ラインセンサ１８への集光位置がずれたり、集光サイズが最適点からずれて拡大した場合でも、ラインセンサアレイ１８０のうち、反射光が集光される受光ラインセンサ１８を使用することができる。これによれば、反射光を確実に受光素子で受光することができ、計測品質を確保することができる。

【0036】

次に、本実施形態のレーザレーダ装置１の適用例について説明する。図５−１は、線路上を走行する列車にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す斜視図であり、図５−２は、線路上を走行する列車にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す側方視図である。この適用例では、レーザレーダ装置１を列車（走行体）１００に搭載している。列車１００は、線路１０１上を走行するものであり、運転士の操縦によって運転される構成や、コンピュータによって自動運転される構成であっても良い。

【0037】

レーザレーダ装置１は、列車１００の前側上部に設けられ、この列車１００の進行方向前方に設定される計測対象エリアＡを監視するようになっている。このレーザレーダ装置１は、上述のように、受信側のスキャナを設けない構成であるため、レーザレーダ装置１の小型化を実現している。このため、このレーザレーダ装置１を搭載した列車１００は、該レーザレーダ装置１の配置レイアウトによる列車１００内の自由空間の減少、もしくは列車１００外への突出部などの影響を最小限に抑えることができる。

【0038】

計測対象エリアＡは、具体的には、列車１００から所定距離Ｄ（例えば３００〜５００ｍ）に亘って、線路１０１を含んだ進行方向前方の走行路面に設定されており、この計測対象エリアＡは列車１００の走行に応じて随時更新される。レーザレーダ装置１は、この計測対象エリアＡに向けて、レーザ光Ｌを走査しながら照射し、各計測点Ｓの距離情報及び位置情報に基づき、計測対象エリアＡの３次元情報を生成する。

【0039】

列車１００は、図示は省略するが、外部機器２５（図１）として、レーザレーダ装置１から出力された計測対象エリアＡの３次元情報を取得するコンピュータと、このコンピュータが３次元情報に基づいて描画した計測対象エリアＡの形状を表示するディスプレイとを備える。これらコンピュータ及びディスプレイは、列車１００の運転室に配置される。

【0040】

この構成では、レーザレーダ装置１が生成した３次元情報は、随時、列車１００のコンピュータに出力され、このコンピュータを介して、ディスプレイに表示される。このため、例えば、線路１０１上に障害物１０２が存在する場合であっても、この障害物１０２を含んだ計測対象エリアＡの形状がディスプレイに表示されるため、運転士への運転支援を実現することができる。また、ディスプレイに形状を表示するだけでなく、計測対象エリアＡにおける進行方向への形状変化が所定の閾値を超えた場合には、障害物１０２が存在する可能性が高いとして、注意警報を発報する構成としてもよい。

【0041】

また、列車１００がコンピュータによって自動運転される構成において、レーザレーダ装置１が生成した３次元情報に基づき、線路１０１上に障害物１０２が存在する場合には、列車１００を停止することで安全な自動運転を実現できる。

【0042】

図６は、車両にレーザレーダ装置を搭載した構成を示す斜視図である。この適用例では、レーザレーダ装置１を車両（走行体）１５０に搭載している。車両１５０は、路面上を自在に走行するものであり、運転手の操縦によって運転される構成や、コンピュータによって自動運転される構成であっても良い。

【0043】

レーザレーダ装置１は、車両１５０の前側上部に設けられ、この車両１５０の進行方向前方の地形２００上に設定される計測対象エリアＡを監視するようになっている。このレーザレーダ装置１は、上述のように、受信側のスキャナを設けない構成であるため、レーザレーダ装置１の小型化を実現している。このため、このレーザレーダ装置１を搭載した車両１５０は、該レーザレーダ装置１の配置レイアウトによる車両１５０内の自由空間の減少、もしくは車両１５０外への突出部などの影響を最小限に抑えることができる。

【0044】

計測対象エリアＡは、具体的には、車両１５０から所定距離Ｄ（例えば１００ｍ）に亘って、進行方向前方の地形２００の表面に設定されており、この計測対象エリアＡは車両１５０の走行に応じて随時更新される。レーザレーダ装置１は、この計測対象エリアＡに向けて、レーザ光Ｌを走査しながら照射し、各計測点Ｓの距離情報及び位置情報に基づき、計測対象エリアＡ（地形２００）の３次元情報を生成する。この図６では、地形２００は、起伏の大きな頂き部２００Ａと、起伏の小さな平坦部２００Ｂとを備えるものとして説明する。

【0045】

車両１５０は、図示は省略するが、外部機器２５（図１）として、この車両１５０の経路案内を行うナビゲーション装置を備える。このナビゲーション装置は、ナビゲーション装置全体を制御する制御部と、経路（地図情報）を表示するディスプレイとを備え、計測対象エリアＡの３次元情報は制御部に出力される。ナビゲーション装置は、計測対象エリアＡの３次元情報に基づき、起伏の大きな頂き部２００Ａを避けて、起伏の小さな平坦部２００Ｂを通る経路２０１を設定する。この構成によれば、起伏の激しい地形２００を走行する場合であっても、なるべく平坦部２００Ｂを含む経路２０１を走行することができ、運転手への運転支援を実現することができる。

【0046】

また、車両１５０がコンピュータによって自動運転される構成において、レーザレーダ装置１が生成した３次元情報に基づき、なるべく平坦部２００Ｂを含む経路２０１を走行することで安全な自動運転を実現できる。

【0047】

上記した適用例では、レーザレーダ装置１を列車１００や車両１５０の走行体に搭載する構成を説明したが、自走する走行体であればこれらに限るものではない。また、上記した適用例では、レーザレーダ装置１を走行体に搭載したが、例えば、計測対象エリアＡが設定される交差点や踏切等の脇に立設された支柱上に計測対象エリアＡを俯瞰するように配置され、ライン状のレーザ光Ｌを垂直方向Ｙにスキャンしながら照射し、計測対象エリアＡ内の物体（例えば、歩行者、自転車、二輪自動車、自動車等の移動物体や建物、ガードレール、樹木等の静止物体等）の反射光Ｒを受光することで、これら物体の３次元情報を生成する構成としても良い。

【0048】

以上、説明したように、本実施形態に係るレーザレーダ装置１は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から発光されるレーザ光Ｌを水平方向Ｘに延びるライン状に成形する送光側レンズ１２と、ライン状に成形されたレーザ光Ｌを、計測対象エリアＡにおける水平方向Ｘに直交する垂直方向Ｙに走査させながら照射するスキャナ１３と、計測対象エリアＡから反射される反射光Ｒを受光する受光側レンズ１６と、受光側レンズ１６の下流側に配置され、水平方向Ｘに沿って並べられた複数の受光セル１８ａを有する受光ラインセンサ１８と、受光側レンズ１６と受光ラインセンサ１８との間に配置され、受光側レンズ１６で受光された反射光Ｒを受光ラインセンサ１８に向けて集光するとともに、垂直方向Ｙに集光される倍率が水平方向Ｘに集光される倍率よりも大きく設定された受光側光学系１７と、受光ラインセンサ１８が出力した受信信号に基づき、計測対象エリアＡの３次元情報を生成する情報生成部２１と、を備えるため計測対象エリアＡ全体を受光ラインセンサ１８のセンサ視野に収めることができ、受光側のスキャンレスを簡単な構成で実現できる。

【0049】

また、本実施形態によれば、受光側光学系１７は、受光側レンズ１６の結像位置に配置され、該結像位置での結像情報を保持したまま伝送するリレーレンズ３５と、リレーレンズ３５から伝送された平行光束を受光ラインセンサ１８に向けて集光させる集光レンズ３６とを備えるため、２種類のレンズを組み合わせた簡単な構成で、受光側レンズ１６の結像情報を受光ラインセンサ１８に集光させることができる。

【0050】

また、本実施形態によれば、情報生成部２１は、反射光Ｒを受光した受光セル１８ａのピクセル情報に基づき取得された計測対象エリアＡの計測点Ｓの水平方向Ｘの位置情報と、レーザ光Ｌが照射されてから受光ラインセンサ１８で受光されるまでの光往復時間から取得された計測点Ｓまでの距離情報と、レーザ光Ｌを照射した際のスキャナ１３のミラー角に基づき取得された計測点Ｓの垂直方向Ｙの位置情報とから計測対象エリアＡの３次元情報を生成するため、受光側の視野スキャンにより受信信号の空間位置座標取得が不要となり、３次元情報を生成するための信号処理の負荷を軽減できる。

【0051】

また、上記したレーザレーダ装置１は、列車１００や車両１５０に搭載されるため、列車１００または車両１５０の走行経路の３次元情報を常に取得することができ、列車１００または車両１５０の運転支援を行うことができる。

【符号の説明】

【0052】

１ レーザレーダ装置
１１ レーザ光源
１２ 送光側レンズ
１３ スキャナ
１５ 垂直走査部
１６ 受光側レンズ
１７ 受光側光学系
１８ 受光ラインセンサ
１８ａ 受光セル
２１ 情報生成部
３０ 光源制御部
３１ スキャナ制御部
３５ リレーレンズ
３６ 集光レンズ
３６ａ 曲面
３６ｂ 平面
１００ 列車（走行体）
１５０ 車両（走行体）
Ａ 計測対象エリア
Ａａ 分割エリア
Ｌ レーザ光
Ｒ 反射光
Ｓ 計測点
Ｘ 水平方向（第１方向）
Ｙ 垂直方向（第２方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5-1】

【図5-2】

【図6】