特開 2024-90522 ＬｉＤＡＲ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024090522

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】ＬｉＤＡＲ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20240627BHJP

   G01S 17/42 20060101ALI20240627BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

G01S17/42

G02B26/10 108

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022206482

(22)【出願日】2022-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】小野 貴寛

【テーマコード（参考）】

2H045

5J084

【Ｆターム（参考）】

2H045AF12

2H045BA14

5J084AA04

5J084AA13

5J084AB17

5J084AD01

5J084AD08

5J084BA03

5J084BA50

5J084BB01

5J084BB02

5J084BB04

5J084BB13

5J084BB14

5J084BB24

5J084BB31

5J084CA03

5J084CA08

5J084CA49

5J084EA04

5J084EA31

(57)【要約】

【課題】ウェッジプリズムの安定した回転を実現する技術を提供する。
【解決手段】LiDAR装置１００は、レーザ光源１０１、前記レーザ光源からの出射光の光路を制御する少なくとも１つのレンズ１０２、前記レーザ光源からの出射光の光路を制御するコニカルスキャン機構１０３、を含む。前記コニカルスキャン機構１０３は、少なくとも１つのウェッジプリズムと、前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動する駆動源と、を含む。前記駆動源が前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動することにより前記少なくとも１つのウェッジプリズムは前記レーザ光源１０１からの出射光を円錐状に偏角させる。そして、前記少なくとも１つのレンズ１０２と前記少なくとも１つのウェッジプリズムは一体化している。
【選択図】図１

【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の出射光の光路を制御する少なくとも１つのレンズ及びコニカルスキャン機構と、
を含み、
前記コニカルスキャン機構は、少なくとも１つのウェッジプリズムと、前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動する駆動源と、を含み、前記駆動源が前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動することにより前記少なくとも１つのウェッジプリズムは前記レーザ光源からの出射光を円錐状に偏角させ、
前記少なくとも１つのレンズと前記少なくとも１つのウェッジプリズムは一体化している、
LiDAR装置。

【請求項2】

請求項１に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、前記レーザ光源からの出射光が入射する、前記少なくとも１つのウェッジプリズムの入射面、又は、前記レーザ光源からの出射光が出射する、前記少なくとも１つのウェッジプリズムの出射面に配置されている、
LiDAR装置。

【請求項3】

請求項２に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、コリメータレンズ、又は、ビームエキスパンダを構成する２つのレンズの少なくとも何れか一方を含む、
LiDAR装置。

【請求項4】

請求項１に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのウェッジプリズムは、第１のウェッジプリズムと第２のウェッジプリズムを含み、
前記第１のウェッジプリズム及び前記第２のウェッジプリズムは、前記レーザ光源から見てこの記載順に配置されており、
前記駆動源は、前記第１のウェッジプリズム及び前記第２のウェッジプリズムを個別に回転駆動する、
LiDAR装置。

【請求項5】

請求項４に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、前記レーザ光源からの出射光が入射する、前記第１のウェッジプリズムの入射面、又は、前記レーザ光源からの出射光が出射する、前記第１のウェッジプリズムの出射面、又は、前記レーザ光源からの出射光が入射する、前記第２のウェッジプリズムの入射面、又は、前記レーザ光源からの出射光が出射する、前記第２のウェッジプリズムの出射面に配置されている、
LiDAR装置。

【請求項6】

請求項５に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、コリメータレンズ、又は、ビームエキスパンダを構成する２つのレンズの少なくとも何れか一方を含む、
LiDAR装置。

【請求項7】

請求項６に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、前記コリメータレンズ、及び、前記ビームエキスパンダを構成する前記２つのレンズを含み、
前記コリメータレンズは、前記第１のウェッジプリズムの前記入射面又は前記出射面に配置され、
前記２つのレンズは、前記第２のウェッジプリズムの前記入射面及び前記出射面にそれぞれ配置されている、
LiDAR装置。

【請求項8】

請求項６に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのレンズは、前記ビームエキスパンダを構成する前記２つのレンズを含み、
前記２つのレンズは、前記第１のウェッジプリズムの前記入射面及び前記出射面、及び、前記第２のウェッジプリズムの前記入射面及び前記出射面のうち何れか２つの面にそれぞれ配置されている、
LiDAR装置。

【請求項9】

請求項１に記載のLiDAR装置であって、
前記少なくとも１つのウェッジプリズムの回転速度が一定となるように前記駆動源を制御する制御部を更に含む、
LiDAR装置。

【請求項10】

請求項９に記載のLiDAR装置であって、
測距対象からの反射光を受光する受光手段と、
前記出射光及び前記反射光に基づいて測距点までの距離を算出する測距手段と、
前記測距手段による算出結果に基づいて点群データを生成する点群データ生成手段と、
を更に含む、
LiDAR装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、LiDAR装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、光計測ドップラーライダーによる能動型風計測システムを開示している。このシステムは、ウェッジプリズムを用いたコニカルスキャン機構を備えており、DBS（Doppler Beam Swinging）計測法によって風の鉛直分布を数秒毎に得ることができるとしている。

【0003】

その他、レーザ光の光路制御に関する文献として、例えば、特許文献１及び２が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－００９８４３号公報

【特許文献2】特開２００６－１４８７１１号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】青柳曉典、泉敏治、酒井哲、永井智広著、「ドップラーライダーDBS 計測による都市域の粗度長とゼロ面変位高の推定」、第23回 風工学シンポジウム論文集、https://www.jstage.jst.go.jp/article/kazekosymp/23/0/23_43/_pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本願発明者は、上記非特許文献１に開示のコニカルスキャン機構をLiDAR装置に応用しようとしたところ、ウェッジプリズムの回転速度に関して新たな課題を発見した。即ち、例えば外部から与えられる振動などの外乱によってウェッジプリズムの回転速度は変動し易い。ウェッジプリズムの回転速度が変動すると、LiDAR装置から出力される点群データの点群密度が安定しない。詳しくは、ウェッジプリズムの回転速度が一時的に高くなったとき点群データの点群密度は局所的に粗となり、ウェッジプリズムの回転速度が一時的に低くなったとき点群データの点群密度は局所的に密となる。

【0007】

上記の問題は、上記のLiDAR装置を異物検出に応答しようとするときに特に顕在化する。というのも、数キロメートル離れた地点において数センチメートルオーダーの異物を検出するには、点群密度の安定化が必要不可欠だからである。

【0008】

そこで、本開示の目的は、ウェッジプリズムの安定した回転を実現する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示によれば、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの出射光の光路を制御する少なくとも１つのレンズ及びコニカルスキャン機構と、
を含み、
前記コニカルスキャン機構は、少なくとも１つのウェッジプリズムと、前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動する駆動源と、を含み、前記駆動源が前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動することにより前記少なくとも１つのウェッジプリズムは前記レーザ光源からの出射光を円錐状に偏角させ、
前記少なくとも１つのレンズと前記少なくとも１つのウェッジプリズムは一体化している、
LiDAR装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】LiDAR装置の概略図である。

【図2】LiDAR装置の機能ブロック図である。（第１実施形態）

【図3】光路制御部の光路図である。（第１実施形態）

【図4】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図5】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図6】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図7】光路制御部の光路図である。（第２実施形態）

【図8】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図9】光路制御部の光路図である。（第３実施形態）

【図10】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図11】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図12】光路制御部を構成する光学系の構成例を示す図である。（変形例）

【図13】光路制御部の光路図である。（第４実施形態）

【図14】光路制御部の光路図である。（第５実施形態）

【発明を実施するための形態】

【0012】

（本開示の概要）
以下、図１を参照して、本開示の概要を説明する。

【0013】

図１に示すように、LiDAR装置１００は、レーザ光源１０１、前記レーザ光源からの出射光の光路を制御する少なくとも１つのレンズ１０２、前記レーザ光源からの出射光の光路を制御するコニカルスキャン機構１０３、を含む。

【0014】

前記コニカルスキャン機構１０３は、少なくとも１つのウェッジプリズムと、前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動する駆動源と、を含む。前記駆動源が前記少なくとも１つのウェッジプリズムを回転駆動することにより前記少なくとも１つのウェッジプリズムは前記レーザ光源１０１からの出射光を円錐状に偏角させる。

【0015】

そして、前記少なくとも１つのレンズ１０２と前記少なくとも１つのウェッジプリズムは一体化している。

【0016】

以上の構成によれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。これに加えて、LiDAR装置１００の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0017】

（第１実施形態）
次に、図２及び図３を参照して、第１実施形態を説明する。図２には、異物検出システム１を示している。本実施形態の異物検出システム１は、例えば、空港の滑走路や誘導路、駐機場などの舗装路面に取り残された数センチメートルオーダーの微小異物を数キロメートル離れた場所から検出するのに用いられる。このため、異物検出システム１は、三次元LiDARスキャナ２と異物検出装置３を含む。三次元LiDARスキャナ２は、監視対象の点群データを生成する。異物検出装置３は、三次元LiDARスキャナ２が生成した点群データに基づいて、舗装路面に取り残された微小異物を検出する。

【0018】

三次元LiDARスキャナ２は、LiDAR装置の一具体例である。三次元LiDARスキャナ２は、測距方式として、ToF（Time Of Flight）方式を採用している。しかし、これに代えて、三次元LiDARスキャナ２は、測距方式として、FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）方式やAMCW（Amplitude-modulated continuous wave）方式を採用してもよい。

【0019】

三次元LiDARスキャナ２は、出射部５、光学機構系６、計測部７を含む。

【0020】

出射部５は、制御部１１、発振器１２、光源ドライバ１３、レーザ光源１４、スキャンドライバ１５を含む。

【0021】

光学機構系６は、照射光学系６ａと受光光学系６ｂを含む。照射光学系６ａは、第１光学素子２０、光路制御部２２を含む。受光光学系６ｂは、第２光学素子２１、光路制御部２２を含む。即ち、照射光学系６ａと受光光学系６ｂは、光路制御部２２を共有している。

【0022】

計測部７は、受光素子３０、受光素子３１（受光手段）、測距部３２（測距手段）、点群データ生成部３３（点群データ生成手段）を含む。

【0023】

制御部１１は、発振器１２を制御する。光源ドライバ１３は、発振器１２が生成したパルス信号に基づいてレーザ光源１４を駆動する。レーザ光源１４は、例えば、光ファイバを用いたファイバレーザである。レーザ光源１４は、光源ドライバ１３により駆動されることにより、レーザ光Ｌ１を間欠的に出射する。レーザ光源１４から出射されるレーザ光Ｌ１は、出射光とも言う。

【0024】

照射光学系６ａの光軸Ｏ１上には、レーザ光源１４、第１光学素子２０、第２光学素子２１、光路制御部２２がこの記載順に直列に配置されている。

【0025】

第１光学素子２０は、典型的には、ビームスプリッタである。レーザ光Ｌ１は、第１光学素子２０を透過すると共に第１光学素子２０で反射して光軸Ｏ３に沿って進んで受光素子３０に入射する。光軸Ｏ３には、図示しない集光レンズが設けられており、この集光レンズによりレーザ光Ｌ１は受光素子３０に集光する。

【0026】

第２光学素子２１は、典型的には、ハーフミラーである。レーザ光Ｌ１は、第２光学素子２１を透過して光路制御部２２に入射する。

【0027】

光路制御部２２は、レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ１の光路を制御する。即ち、光路制御部２２は、レーザ光源１４から間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１を円錐状に偏角させる。即ち、光路制御部２２は、コニカルスキャン方式を実現している。光路制御部２２の構成については後述する。

【0028】

制御部１１は、光路制御部２２が所望の光路制御を実行するように、スキャンドライバ１５に駆動信号を出力する。スキャンドライバ１５は、制御部１１から入力された駆動信号に基づいて、光路制御部２２を制御する。即ち、制御部１１は、スキャンドライバ１５を駆動することにより、レーザ光Ｌ１の照射方向を制御する。

【0029】

受光光学系６ｂの光軸Ｏ２上には、反射光Ｌ２が入射する順に、光路制御部２２、第２光学素子２１、受光素子３１が配置されている。光軸Ｏ２には、図示しない集光レンズが設けられており、この集光レンズによって反射光Ｌ２は受光素子３１に集光する。受光素子３１は、測距対象からの反射光Ｌ２を受光する。

【0030】

なお、図２では、明確化のためにレーザ光Ｌ１の光路と反射光Ｌ２の光路が離れている。しかし、実際にはこれらは重なっていてもよい。

【0031】

計測部７は、反射光Ｌ２を信号化した電気信号をアナログデジタル変換した時系列輝度信号に基づいて三次元LiDARスキャナ２から監視対象までの距離を計測する。具体的には、以下の通りである。

【0032】

測距部３２は、受光素子３１が出力する電気信号を所定のサンプリング間隔で時系列輝度信号に変換する。時系列輝度信号は、反射光Ｌ２の輝度の時間的変化を所定のサンプリング間隔でサンプリングして得た輝度値の系列である。

【0033】

測距部３２は、レーザ光源１４からレーザ光Ｌ１が出射されてから受光素子３１が反射光Ｌ２を受光するまでに要した時間に基づいて測距点までの距離を算出する。即ち、測距部３２は、時系列輝度信号に基づいて、受光素子３０がレーザ光Ｌ１を検出するタイミングと、受光素子３１が反射光Ｌ２を検出するタイミングとの時間差に基づき、三次元LiDARスキャナ２から監視対象までの距離を計測して距離データを生成する（ToF方式）。

【0034】

ただし、上記のとおり、測距部３２による距離データの生成方法（すなわち測距方法）は、ToF方式に限定されるものではない。例えば、ToF方式に変えて、FMCW方式が用いられるものであってもよい。

【0035】

点群データ生成部３３は、測距部３２による算出結果に基づいて点群データを生成する。即ち、点群データ生成部３３は、制御部１１から出力されたレーザ光Ｌ１の出射方向情報と、測距部３２から出力された距離データと、に基づいて、測距点毎に点データを生成する。そして、点群データ生成部３３は、点データの集合である点群データを生成し、生成した点群データを異物検出装置３に出力する。

【0036】

異物検出装置３は、三次元LiDARスキャナ２から取得した点群データに基づいて、舗装路面上に取り残された微小異物を検出する。そして、異物検出装置３は、検出結果をオペレータに通知する。

【0037】

なお、上記のとおり、光路制御部２２は、照射光学系６ａ及び受光光学系６ｂにより共有されるものであってもよい。この場合、例えば、図２に示す如く、第１光学素子２０と光路制御部２２間に第２光学素子２１が配置される。これにより、レーザ光Ｌ１及び反射光Ｌ２の両方が光路制御部２２を通過する。ただし、図３を参照して後述するとおり、光路制御部２２は、コニカルスキャンを実現する観点から、主にレーザ光Ｌ１の光路を制御するための部材である。このため、レーザ光Ｌ１及び反射光Ｌ２のうちのレーザ光Ｌ１のみが光路制御部２２を通過するものであってもよい。これは、例えば、第１光学素子２０と第２光学素子２１間に光路制御部２２が配置されることにより実現される。なお、図３以降の図面において例示される光路は、原則、レーザ光Ｌ１の光路を示している。

【0038】

次に、図３を参照して、光路制御部２２を詳細に説明する。

【0039】

図３に示すように、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ４１を備える。

【0040】

コニカルスキャン機構４０は、第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３、駆動源４４を含む。第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３は、レーザ光源１４から離れる方向においてこの記載順に配置されている。駆動源４４は、モータ４４ａ及びモータ４４ｂを含む。モータ４４ａ及びモータ４４ｂは、図２に示すスキャンドライバ１５によって駆動される。モータ４４ａ及びモータ４４ｂは、第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３をそれぞれ個別に回転駆動する。即ち、駆動源４４は、第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３を個別に回転駆動する。第１のウェッジプリズム４２の回転速度と第２のウェッジプリズム４３の回転速度は異なっている。典型的には、第１のウェッジプリズム４２の回転速度は、第２のウェッジプリズム４３の回転速度よりも低い。図２の制御部１１は、第１のウェッジプリズム４２の回転速度が一定となるようにモータ４４ａをフィードバック制御する。同様に、制御部１１は、第２のウェッジプリズム４３の回転速度が一定となるようにモータ４４ｂをフィードバック制御する。第１のウェッジプリズム４２は、レーザ光Ｌ１を円錐状に偏角する。同様に、第２のウェッジプリズム４３は、レーザ光Ｌ１を円錐状に偏角する。以上の構成でコニカルスキャン機構４０は、三次元LiDARスキャナ２から見た測距点の分布がディスク状となるコニカルスキャンを実現している。かかるコニカルスキャンには、公知の種々の技術を用いることができる。例えば、以下の参考文献１に記載されたものと同様の技術を用いることができる。

【0041】

［参考文献１］Thorlabs, Inc., Application Note "Risley Prism Scanner", https://www.thorlabs.co.jp/images/tabimages/Risley_Prism_Scanner_App_Note.pdf

【0042】

第１のウェッジプリズム４２は、レーザ光Ｌ１が入射する入射面４２ａと、レーザ光Ｌ１が出射する出射面４２ｂと、を有する。入射面４２ａは、出射面４２ｂに対して傾斜している。同様に、第２のウェッジプリズム４３は、レーザ光Ｌ１が入射する入射面４３ａと、レーザ光Ｌ１が出射する出射面４３ｂと、を有する。入射面４３ａは、出射面４３ｂに対して傾斜している。

【0043】

コリメータレンズ４１は、レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ１の光路を制御する。詳しくは、コリメータレンズ４１は、レーザ光源１４から出射したレーザ光Ｌ１を平行光とするものであって、平凸球面レンズ状に形成されている。例えば、レーザ光源１４にファイバレーザを用いた場合、光路制御部２２に入射するレーザ光Ｌ１は、十分にコリメートされていない可能性がある。コリメータレンズ４１は、かかるレーザ光Ｌ１をコリメートするために設けられる。

【0044】

ここで、コリメータレンズ４１は、第１のウェッジプリズム４２と一体化している。即ち、コリメータレンズ４１は、第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられている。これによれば、第１のウェッジプリズム４２の安定した回転を実現することができる。これに加えて、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0045】

即ち、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２間の空間を不要とすることにより、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0046】

また、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、レーザ光Ｌ１がコリメータレンズ４１及び第１のウェッジプリズム４２を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0047】

更に、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、第１のウェッジプリズム４２のイナーシャが大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によって第１のウェッジプリズム４２の回転速度が変動し難く、三次元LiDARスキャナ２から出力される点群データの点群密度が広範囲にわたって均一化される。これにより、数キロメートル離れた地点において数センチメートルオーダーの異物を高い確度で検出できるようになる。

【0048】

本明細書において、「２つの光学素子が一体化している」とは、「２つの光学素子が１つの光学材料から一体的に形成されている」ことと「同一の屈折率を有する２つの光学素子が互いに接合されている」ことを含む。後者の場合、２つの光学素子は、例えば、同じ材料により構成されていることにより、同一の屈折率を有する。

【0049】

以下、図４から図６を参照して、上記第１実施形態の変形例を説明する。例えば図３に示すように、上記第１実施形態において、コリメータレンズ４１は、第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられている。しかし、これに代えて、図４に示すように、コリメータレンズ４１は第１のウェッジプリズム４２の出射面４２ｂに設けられてもよい。図５に示すように、コリメータレンズ４１は第２のウェッジプリズム４３の入射面４３ａに設けられてもよい。図６に示すように、コリメータレンズ４１は第２のウェッジプリズム４３の出射面４３ｂに設けられてもよい。何れの場合においても、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制と共に、第１のウェッジプリズム４２の安定した回転を実現することができる。

【0050】

（第２実施形態）
次に、図７を参照して、本開示の第２実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0051】

例えば、図３に示すように、上記第１実施形態において、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ４１を備える。

【0052】

これに対し、本実施形態では、図７に示すように、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ４１、ビームエキスパンダ用の２つのレンズ４５を備える。２つのレンズ４５は、平凹レンズ４５ａと平凸レンズ４５ｂを含む。平凹レンズ４５ａと平凸レンズ４５ｂは、レーザ光源１４から離れる方向においてこの記載順に配置されている。ビームエキスパンダ用の２つのレンズ４５は、レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ１の光路を制御する。詳しくは、ビームエキスパンダ用の２つのレンズ４５は、レーザ光源１４から出射されたレーザ光Ｌ１のビーム径を拡大する。

【0053】

そして、コリメータレンズ４１は、第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられて、第１のウェッジプリズム４２と一体化している。平凹レンズ４５ａは、第２のウェッジプリズム４３の入射面４３ａに設けられて、第２のウェッジプリズム４３と一体化している。平凸レンズ４５ｂは、第２のウェッジプリズム４３の出射面４３ｂに設けられて、第２のウェッジプリズム４３と一体化している。これによれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。また、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0054】

即ち、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２間の空間を不要とすることにより、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0055】

また、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、レーザ光Ｌ１がコリメータレンズ４１及び第１のウェッジプリズム４２を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0056】

更に、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が一体化していることで、コリメータレンズ４１と第１のウェッジプリズム４２が互いに離れて配置されている場合と比較して、第１のウェッジプリズム４２のイナーシャが大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によって第１のウェッジプリズム４２の回転速度が変動し難く、三次元LiDARスキャナ２から出力される点群データの点群密度が広範囲にわたって均一化される。これにより、数キロメートル離れた地点において数センチメートルオーダーの異物を高い確度で検出できるようになる。

【0057】

また、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が互いに離れて配置されている場合と比較して、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３間の空間を不要とすることにより、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0058】

また、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が互いに離れて配置されている場合と比較して、レーザ光Ｌ１が２つのレンズ４５及び第２のウェッジプリズム４３を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0059】

更に、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、２つのレンズ４５と第２のウェッジプリズム４３が互いに離れて配置されている場合と比較して、第２のウェッジプリズム４３のイナーシャが大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によって第２のウェッジプリズム４３の回転速度が変動し難く、三次元LiDARスキャナ２から出力される点群データの点群密度が広範囲にわたって均一化される。これにより、数キロメートル離れた地点において数センチメートルオーダーの異物を高い確度で検出できるようになる。

【0060】

以下、図８を参照して、上記第２実施形態の変形例を説明する。例えば図７に示すように、上記第２実施形態において、コリメータレンズ４１は、第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられている。しかし、これに代えて、図８に示すように、コリメータレンズ４１は第１のウェッジプリズム４２の出射面４２ｂに設けられてもよい。この場合においても、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制と共に、第１のウェッジプリズム４２の安定した回転を実現することができる。

【0061】

（第３実施形態）
次に、図９を参照して、本開示の第３実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0062】

例えば、図３に示すように、上記第１実施形態において、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ４１を備える。

【0063】

これに対し、本実施形態では、図９に示すように、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とビームエキスパンダ用の２つのレンズ４５を備える。２つのレンズ４５は、平凹レンズ４５ａと平凸レンズ４５ｂを含む。平凹レンズ４５ａと平凸レンズ４５ｂは、レーザ光源１４から離れる方向においてこの記載順に配置されている。

【0064】

そして、平凹レンズ４５ａは、第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられて、第１のウェッジプリズム４２と一体化している。平凸レンズ４５ｂは、第２のウェッジプリズム４３の入射面４３ａに設けられ、第２のウェッジプリズム４３と一体化している。これによれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。また、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0065】

即ち、平凹レンズ４５ａと第１のウェッジプリズム４２が一体化すると共に平凸レンズ４５ｂと第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、一体化していない場合と比較して、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0066】

また、平凹レンズ４５ａと第１のウェッジプリズム４２が一体化すると共に平凸レンズ４５ｂと第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、一体化していない場合と比較して、レーザ光Ｌ１が２つのレンズ４５、第１のウェッジプリズム４２、第２のウェッジプリズム４３を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0067】

更に、平凹レンズ４５ａと第１のウェッジプリズム４２が一体化すると共に平凸レンズ４５ｂと第２のウェッジプリズム４３が一体化していることで、一体化していない場合と比較して、第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３のイナーシャがそれぞれ大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によって第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３の回転速度がそれぞれ変動し難く、三次元LiDARスキャナ２から出力される点群データの点群密度が広範囲にわたって均一化される。これにより、数キロメートル離れた地点において数センチメートルオーダーの異物を高い確度で検出できるようになる。

【0068】

以下、図１０から図１２を参照して、上記第３実施形態の変形例を説明する。例えば図９に示すように、上記第３実施形態において、平凹レンズ４５ａは第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられ、平凸レンズ４５ｂは第２のウェッジプリズム４３の入射面４３ａに設けられている。しかし、これに代えて、図１０に示すように、平凹レンズ４５ａは第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられ、平凸レンズ４５ｂは第２のウェッジプリズム４３の出射面４３ｂに設けられてもよい。また、図１１に示すように、平凹レンズ４５ａは第１のウェッジプリズム４２の入射面４２ａに設けられ、平凸レンズ４５ｂは第１のウェッジプリズム４２の出射面４２ｂに設けられてもよい。また、図１２に示すように、平凹レンズ４５ａは第２のウェッジプリズム４３の入射面４３ａに設けられ、平凸レンズ４５ｂは第２のウェッジプリズム４３の出射面４３ｂに設けられてもよい。何れの場合においても、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制と共に、第１のウェッジプリズム４２の安定した回転を実現することができる。

【0069】

（第４実施形態）
次に、図１３を参照して、本開示の第４実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0070】

上記第１実施形態では、例えば図３に示すように、コニカルスキャン機構４０は、第１のウェッジプリズム４２及び第２のウェッジプリズム４３を備えている。これにより、コニカルスキャン機構４０は、三次元LiDARスキャナ２から見た測距点の分布がディスク状となるコニカルスキャンを実現している。

【0071】

これに対し、本実施形態では、図１３に示すように、コニカルスキャン機構４０は、１つのウェッジプリズム５０と、ウェッジプリズム５０を回転駆動するモータ５１（駆動源）を含む。そして、モータ５１がウェッジプリズム５０を回転駆動することによりレーザ光Ｌ１を円錐状に偏角させる。これにより、コニカルスキャン機構４０は、三次元LiDARスキャナ２から見た測距点の分布が円弧状となるコニカルスキャンを実現する。ウェッジプリズム５０は、レーザ光Ｌ１が入射する入射面５０ａと、レーザ光Ｌ１が出射する出射面５０ｂと、を有する。入射面５０ａは、出射面５０ｂに対して傾斜している。

【0072】

そして、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ５２を備える。コリメータレンズ５２は、レーザ光源１４から出射したレーザ光Ｌ１を平行光とするものであって、平凸球面レンズ状に形成されている。そして、コリメータレンズ５２は、ウェッジプリズム５０と一体化している。即ち、コリメータレンズ５２は、ウェッジプリズム５０の入射面５０ａに設けられている。これによれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。また、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0073】

即ち、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が一体化していることで、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０間の空間を不要とすることにより、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0074】

また、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が一体化していることで、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、レーザ光Ｌ１がコリメータレンズ５２及びウェッジプリズム５０を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0075】

更に、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が一体化していることで、コリメータレンズ５２とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、ウェッジプリズム５０のイナーシャが大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によってウェッジプリズム５０の回転速度が変動し難い。

【0076】

上記のコリメータレンズ５２は、ウェッジプリズム５０の入射面５０ａに設けることに代えて、ウェッジプリズム５０の出射面５０ｂに設けてもよい。この場合でも、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制と共に、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。

【0077】

（第５実施形態）
次に、図１４を参照して、本開示の第５実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第４実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

【0078】

上記第４実施形態では、例えば図１３に示すように、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とコリメータレンズ５２を備えている。コリメータレンズ５２は、コニカルスキャン機構４０を構成するウェッジプリズム５０の入射面５０ａに設けられている。

【0079】

これに対し、本実施形態では、図１４に示すように、光路制御部２２は、コニカルスキャン機構４０とビームエキスパンダ用の２つのレンズ５５を備える。２つのレンズ５５は、平凹レンズ５５ａと平凸レンズ５５ｂを含む。平凹レンズ５５ａは、ウェッジプリズム５０の入射面５０ａに設けられ、ウェッジプリズム５０と一体化している。平凸レンズ５５ｂは、ウェッジプリズム５０の出射面５０ｂに設けられ、ウェッジプリズム５０と一体化している。これによれば、ウェッジプリズムの安定した回転を実現することができる。また、三次元LiDARスキャナ２の小型化、出射光のパワーロス抑制に寄与することができる。

【0080】

即ち、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が一体化していることで、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０間の空間を不要とすることにより、三次元LiDARスキャナ２の小型化に寄与する。

【0081】

また、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が一体化していることで、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、レーザ光Ｌ１が２つのレンズ５５及びウェッジプリズム５０を通過する際の界面数が削減される。従って、レーザ光Ｌ１のパワーロスが抑制され、三次元LiDARスキャナ２の測距可能な距離が延びる。

【0082】

更に、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が一体化していることで、２つのレンズ５５とウェッジプリズム５０が互いに離れて配置されている場合と比較して、ウェッジプリズム５０のイナーシャが大きくなる。従って、例えば外部から与えられる振動などの外乱によってウェッジプリズム５０の回転速度が変動し難い。

【符号の説明】

【0083】

１ 異物検出システム
２ 三次元LiDARスキャナ
３ 異物検出装置
５ 出射部
６ 光学機構系
６ａ 照射光学系
６ｂ 受光光学系
７ 計測部
１１ 制御部
１２ 発振器
１３ 光源ドライバ
１４ レーザ光源
１５ スキャンドライバ
２０ 第１光学素子
２１ 第２光学素子
２２ 光路制御部
３０ 受光素子
３１ 受光素子
３２ 測距部
３３ 点群データ生成部
４０ コニカルスキャン機構
４１ コリメータレンズ
４２ 第１のウェッジプリズム
４２ａ 入射面
４２ｂ 出射面
４３ 第２のウェッジプリズム
４３ａ 入射面
４３ｂ 出射面
４４ 駆動源
４４ａ モータ
４４ｂ モータ
４５ レンズ
４５ａ 平凹レンズ
４５ｂ 平凸レンズ
５０ ウェッジプリズム
５０ａ 入射面
５０ｂ 出射面
５１ モータ
５２ コリメータレンズ
５５ レンズ
５５ａ 平凹レンズ
５５ｂ 平凸レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】