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(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】
(24)【登録日】2024-11-14
(45)【発行日】2024-11-22
(54)【発明の名称】走査型測距装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20241115BHJP
G01S 17/04 20200101ALI20241115BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20241115BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 Z
G01S7/481 A
G01S17/04
G01C3/06 120Q
G01C3/06 120P
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2024535609
(86)(22)【出願日】2022-09-09
(86)【国際出願番号】 JP2022033841
(87)【国際公開番号】W WO2024053081
(87)【国際公開日】2024-03-14
【審査請求日】2024-06-13
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100116964
【弁理士】
【氏名又は名称】山形 洋一
(74)【代理人】
【識別番号】100120477
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 賢改
(74)【代理人】
【識別番号】100135921
【弁理士】
【氏名又は名称】篠原 昌彦
(74)【代理人】
【識別番号】100203677
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 力
(72)【発明者】
【氏名】大牧 正幸
(72)【発明者】
【氏名】高川 菜月
【審査官】藤田 都志行
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－００３１１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０９３２５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１６７９５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－２７８４４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５０９７９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と、
前記第１の受光素子を有する第１の受光回路と
を備え、
前記第１の受光回路に入射する前記レーザ光の直径をＤとしたとき、前記第２の受光素子は、前記光軸からＤ／２だけ離れた位置に配置されている
走査型測距装置。
【請求項2】
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と
を備え、
前記レーザ光を反射させて前記測定対象物に向けて案内し、前記測定対象物で反射した前記レーザ光を透過させて前記集光レンズに向けて案内する光制御素子をさらに備え、
前記光制御素子は、前記集光レンズの前記光軸と直交する方向にずれた位置に配置されている
走査型測距装置。
【請求項3】
前記第２の受光素子は、前記光軸に対して前記光制御素子とは反対側に位置している請求項２に記載の走査型測距装置。
【請求項4】
前記光制御素子は、前記集光レンズの前記光軸から、前記レーザ光源から放射された前記レーザ光のファスト軸に平行な方向にずれた位置に配置されている請求項２に記載の走査型測距装置。
【請求項5】
前記第２の受光素子に入射した光量に応じて変換された電圧に対応する信号が閾値電圧以上である場合、前記処理回路は、前記３次元空間内に前記測定対象物が存在すると判定する請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型測距装置。
【請求項6】
前記第２の受光素子は、前記第１の受光素子に対して前記集光レンズとは反対側に位置している請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型測距装置。
【請求項7】
前記３次元空間内に前記測定対象物が存在する場合、前記処理回路は、前記レーザ光の光量が低下するように前記レーザ光源を制御する請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型測距装置。
【請求項8】
前記３次元空間内に前記測定対象物が存在する場合、前記処理回路は、前記レーザ光の放射密度が低下するように前記レーザ光源を制御する請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、走査型測距装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車の自動運転における安全確保のため、光ビームなどのレーザ光を用いた測距装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平５－３４４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の技術は、遠距離測距用と近距離測距用とで別々の受光素子及び別々の投光素子を必要とする。そのため、従来の技術では、簡易な構成で、数メートル以上の距離から測定対象物の検出を行うとともにインターロックを実行するためのレーザ光源の制御を行うことが困難であるという課題がある。
【0005】
本開示の目的は、簡易な構成で、測定対象物から数メートル以上離れた位置であっても、測定対象物を検出可能であり、かつ、インターロックを実行可能である走査型測距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】
本開示の一態様に係る走査型測距装置は、
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と、
前記第１の受光素子を有する第１の受光回路と
を備え、
前記第１の受光回路に入射する前記レーザ光の直径をＤとしたとき、前記第２の受光素子は、前記光軸からＤ／２だけ離れた位置に配置されている。
本開示の他の態様に係る走査型測距装置は、
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と
を備え、
前記レーザ光を反射させて前記測定対象物に向けて案内し、前記測定対象物で反射した前記レーザ光を透過させて前記集光レンズに向けて案内する光制御素子をさらに備え、
前記光制御素子は、前記集光レンズの前記光軸と直交する方向にずれた位置に配置されている。
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と、
前記第１の受光素子を有する第１の受光回路と
を備え、
前記第１の受光回路に入射する前記レーザ光の直径をＤとしたとき、前記第２の受光素子は、前記光軸からＤ／２だけ離れた位置に配置されている。
本開示の他の態様に係る走査型測距装置は、
レーザ光を放射するレーザ光源と、
測定対象物で反射した前記レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズの光軸と交差する位置に配置されており、前記集光レンズによって集光された前記レーザ光を検出する第１の受光素子と、
前記光軸から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子と、
前記第２の受光素子に前記レーザ光が入射したか否かに基づいて、前記レーザ光源から前記測定対象物までの間の前記レーザ光が走査される３次元空間内に前記測定対象物が存在するかを判定する処理回路と
を備え、
前記レーザ光を反射させて前記測定対象物に向けて案内し、前記測定対象物で反射した前記レーザ光を透過させて前記集光レンズに向けて案内する光制御素子をさらに備え、
前記光制御素子は、前記集光レンズの前記光軸と直交する方向にずれた位置に配置されている。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、測定対象物から数メートル以上離れた位置であっても、測定対象物を検出可能であり、かつ、インターロックを実行可能である走査型測距装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る走査型測距装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】走査型測距装置におけるレーザ光の光路を概略的に示す斜視図である。
【図3】走査型測距装置におけるレーザ光の光路を概略的に示す上面図である。
【図4】第１の受光素子の位置及び第２の受光素子の位置の一例を示す斜視図である。
【図5】第１の受光素子の位置及び第２の受光素子の位置の一例を示す側面図である。
【図7】走査型測距装置の他の例を概略的に示す図である。
【図8】走査型測距装置の他の例を概略的に示す図である。
【図9】レーザ光が放射される領域であるレーザ光走査領域を示す図である。
【図10】レーザ光が放射される領域であるレーザ光走査領域を示す図である。
【図11】レーザ光が放射される領域であるレーザ光走査領域を示す図である。
【図12】走査型測距装置における光学系を概略的に示す図である。
【図13】第１の受光素子の位置及び第２の受光素子の位置の一例を示す斜視図である。
【図14】第１の受光素子の位置及び第２の受光素子の位置の一例を示す側面図である。
【図15】処理回路の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図面において、同一又は対応する構成要素は、同一の符号によって示される。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る走査型測距装置１の構成を概略的に示す図である。
図２は、走査型測距装置１におけるレーザ光の光路を概略的に示す斜視図である。
図３は、走査型測距装置１におけるレーザ光の光路を概略的に示す上面図である。
図４は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す斜視図である。
図５は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す側面図である。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る走査型測距装置１の構成を概略的に示す図である。
図２は、走査型測距装置１におけるレーザ光の光路を概略的に示す斜視図である。
図３は、走査型測距装置１におけるレーザ光の光路を概略的に示す上面図である。
図４は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す斜視図である。
図５は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す側面図である。
【0010】
〈走査型測距装置１〉
走査型測距装置１は、レーザ光を放射するレーザ光源１０１と、測定対象物２で反射したレーザ光を集光する集光レンズ３０１と、集光レンズ３０１によって集光されたレーザ光を検出する第１の受光素子４１１と、集光レンズ３０１の光軸３０２から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子４２１と、処理回路４４０とを有する。本出願において、「レーザ光」とは、送信レーザ光５１０又は受信レーザ光５２０を意味する。
走査型測距装置１は、レーザ光を放射するレーザ光源１０１と、測定対象物２で反射したレーザ光を集光する集光レンズ３０１と、集光レンズ３０１によって集光されたレーザ光を検出する第１の受光素子４１１と、集光レンズ３０１の光軸３０２から予め定められた距離だけ離れた位置に配置された第２の受光素子４２１と、処理回路４４０とを有する。本出願において、「レーザ光」とは、送信レーザ光５１０又は受信レーザ光５２０を意味する。
【0011】
〈第１の受光回路４１０〉
第１の受光回路４１０は、第１の受光素子４１１を有する。図１に示されるように、第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されている。第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１によって集光された受信レーザ光５２０を検出する。言い換えると、第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差する位置に配置されている。これにより、集光レンズ３０１から第１の受光素子４１１までの距離を長くすることができる。第１の受光素子４１１によって検出されたレーザ光に対応する信号は、処理回路４４０に送られる。
第１の受光回路４１０は、第１の受光素子４１１を有する。図１に示されるように、第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されている。第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１によって集光された受信レーザ光５２０を検出する。言い換えると、第１の受光素子４１１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差する位置に配置されている。これにより、集光レンズ３０１から第１の受光素子４１１までの距離を長くすることができる。第１の受光素子４１１によって検出されたレーザ光に対応する信号は、処理回路４４０に送られる。
【0012】
〈第２の受光回路４２０〉
第２の受光回路４２０は、第１の受光素子４１１とは異なる第２の受光素子４２１を有する。第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されていない。言い換えると、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差しない位置に配置されている。すなわち、第２の受光素子４２１は、光軸３０２から予め定められた距離だけ離れた位置に配置されている。この場合、光軸３０２と第２の受光素子４２１との間の距離が「予め定められた距離」である。第２の受光素子４２１によって検出されたレーザ光に対応する信号は、処理回路４４０に送られる。
第２の受光回路４２０は、第１の受光素子４１１とは異なる第２の受光素子４２１を有する。第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されていない。言い換えると、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差しない位置に配置されている。すなわち、第２の受光素子４２１は、光軸３０２から予め定められた距離だけ離れた位置に配置されている。この場合、光軸３０２と第２の受光素子４２１との間の距離が「予め定められた距離」である。第２の受光素子４２１によって検出されたレーザ光に対応する信号は、処理回路４４０に送られる。
【0013】
〈集光レンズ３０１〉
送信レーザ光５１０が測定対象物２に到達した場合、レーザ光（すなわち、送信レーザ光５１０）は測定対象物２において散乱又は反射し、レーザ光の一部（すなわち、受信レーザ光５２０）が走査型測距装置１に入射する。走査型測距装置１において、受信レーザ光５２０は、集光レンズ３０１によって集光し、第１の受光素子４１１に入射する。これにより、第１の受光素子４１１は、受信レーザ光５２０を検出する。
送信レーザ光５１０が測定対象物２に到達した場合、レーザ光（すなわち、送信レーザ光５１０）は測定対象物２において散乱又は反射し、レーザ光の一部（すなわち、受信レーザ光５２０）が走査型測距装置１に入射する。走査型測距装置１において、受信レーザ光５２０は、集光レンズ３０１によって集光し、第１の受光素子４１１に入射する。これにより、第１の受光素子４１１は、受信レーザ光５２０を検出する。
【0014】
図１に示される例では、測定対象物２で散乱して走査型測距装置１に入射する受信レーザ光５２０は、走査型測距装置１から見て発散角を成す。これは、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離に対し、受信レーザ光５２０の、測定対象物２上における半径（楕円の場合、長径）と集光レンズ３０１で受光される半径（楕円の場合、長径）との差が無視できない大きさである場合を示している。
【0015】
図６は、図１に示される例に比べて遠距離にある測定対象物２で反射したレーザ光を概略的に示す図である。
図６に示される例では、測定対象物２で散乱して走査型測距装置１に入射する受信レーザ光５２０は、走査型測距装置１から見て平行である。これは、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離に対し、受信レーザ光５２０、測定対象物２上における半径（楕円の場合、長径）と集光レンズ３０１で受光される半径（楕円の場合、長径）との差が無視できる大きさである場合を示している。
図６に示される例では、測定対象物２で散乱して走査型測距装置１に入射する受信レーザ光５２０は、走査型測距装置１から見て平行である。これは、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離に対し、受信レーザ光５２０、測定対象物２上における半径（楕円の場合、長径）と集光レンズ３０１で受光される半径（楕円の場合、長径）との差が無視できる大きさである場合を示している。
【0016】
受光光量は測距距離の自乗に反比例するため、遠距離になるほど第１の受光素子４１１に集光するように走査型測距装置１を設計することが望ましい。
【0017】
〈処理回路４４０〉
第１の受光素子４１１に入射した受信レーザ光５２０は、入射光量に応じて電流に変換され、更に、第１の受光回路４１０のＴｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＴＩＡ）によって電圧に変換される。この信号が処理回路４４０に送られ、ダイレクト Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴｏＦ）方式により測距が行われる。ダイレクトＴｏＦ方式は、走査型測距装置１から放射された光（パルス変調された光）が測定対象物２で反射されて走査型測距装置１によって受光されるまでの時間を計測する方式である。
第１の受光素子４１１に入射した受信レーザ光５２０は、入射光量に応じて電流に変換され、更に、第１の受光回路４１０のＴｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＴＩＡ）によって電圧に変換される。この信号が処理回路４４０に送られ、ダイレクト Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴｏＦ）方式により測距が行われる。ダイレクトＴｏＦ方式は、走査型測距装置１から放射された光（パルス変調された光）が測定対象物２で反射されて走査型測距装置１によって受光されるまでの時間を計測する方式である。
【0018】
処理回路４４０は、レーザ光源１０１を制御する。例えば、処理回路４４０は、放射密度又は光量などのレーザ光源１０１の出力を制御する。処理回路４４０は、第１の受光素子４１１によって検出されたレーザ光に対応する信号を受信する。例えば、処理回路４４０は、第１の受光素子４１１によって検出されたレーザ光に基づいて、レーザ光源１０１の出力を制御する。
【0019】
処理回路４４０は、第２の受光素子４２１によって検出されたレーザ光に対応する信号を受信する。例えば、処理回路４４０は、第２の受光素子４２１によって検出されたレーザ光に基づいて、測距領域３内に測定対象物２が存在するかを判定する。処理回路４４０は、単一の中央処理装置で構成されていても良く、複数の中央処理装置を有していても良い。
【0020】
測距領域３は、安全基準を満たすためにインターロックが必要な領域として設定される領域である（後述する図１０及び図１１）。インターロックとは、送信レーザ光５１０の送信を停止すること、又は、送信レーザ光５１０の出力を低下させることである。測距領域３は、走査型測距装置１から測定対象物２までの間の送信レーザ光５１０が走査される３次元空間である。例えば、測距領域３は、安全基準を満たすためにインターロックが必要となる走査型測距装置１からの距離として設定される。
【0021】
〈その他の構成要素、及び、走査型測距装置１の動作〉
図２に示されるように、走査型測距装置１は、第１のシリンドリカルレンズ１０２と、ミラー１０３（例えば、折り曲げミラー）と、第２のシリンドリカルレンズ１０４と、光制御素子としての分離ミラー２０１とを有してもよい。この場合、ミラー１０３は、第１のシリンドリカルレンズ１０２と第２のシリンドリカルレンズ１０４との間に設けられている。ミラー１０３は、第１のシリンドリカルレンズ１０２からの光の光路を変換することができる。したがって、走査型測距装置１がミラー１０３を有する場合、走査型測距装置１の全体の寸法、例えば、筐体の寸法を低減することができる。
図２に示されるように、走査型測距装置１は、第１のシリンドリカルレンズ１０２と、ミラー１０３（例えば、折り曲げミラー）と、第２のシリンドリカルレンズ１０４と、光制御素子としての分離ミラー２０１とを有してもよい。この場合、ミラー１０３は、第１のシリンドリカルレンズ１０２と第２のシリンドリカルレンズ１０４との間に設けられている。ミラー１０３は、第１のシリンドリカルレンズ１０２からの光の光路を変換することができる。したがって、走査型測距装置１がミラー１０３を有する場合、走査型測距装置１の全体の寸法、例えば、筐体の寸法を低減することができる。
【0022】
レーザ光源１０１から放射された送信レーザ光５１０のうちの、ファスト軸に平行な方向（「ファスト軸方向」又は「ファスト方向」ともいう）に放射されている光は、第１のシリンドリカルレンズ１０２によって、略平行な光に変換される。第１のシリンドリカルレンズ１０２の形状は、ファスト方向に曲率を持つ形状である。送信レーザ光５１０のうちの、スロー軸に平行な方向（「スロー軸方向」又は「スロー方向」ともいう）に放射されている光は、第１のシリンドリカルレンズ１０２の曲率の影響を受けないので、レーザ光源１０１から放射された送信レーザ光５１０のうちの、スロー方向に放射された光は、スロー方向に広がり続ける。
【0023】
第１のシリンドリカルレンズ１０２の代わりに、スロー方向にも曲率を持つトロイダルレンズ又はクロスシリンドリカルレンズを用いても良い。スロー方向に負の曲率を持つレンズを用いた場合、送信レーザ光５１０のスロー方向の広がり角が大きくなり、第１のシリンドリカルレンズ１０２と第２のシリンドリカルレンズ１０４との間隔を狭めることができる。
【0024】
送信レーザ光５１０が第１のシリンドリカルレンズ１０２を透過した後、送信レーザ光５１０のうちの、スロー方向に広がっている光は、第２のシリンドリカルレンズ１０４によって、略平行な光に変換される。これにより、第２のシリンドリカルレンズ１０４を透過した送信レーザ光５１０は、大きく広がることなく、より遠くに照射される。
【0025】
第１のシリンドリカルレンズ１０２及び第２のシリンドリカルレンズ１０４は、レーザ光のスロー方向の幅がファスト方向の幅より大きい場合に有効である。一般的には、第１のシリンドリカルレンズ１０２及び第２のシリンドリカルレンズ１０４は、高出力なレーザ光源を用いる場合に有効である。これは、光源幅が大きいほど、平行光に変換するレンズを透過した後の光の拡がり角が大きくなるためである。
【0026】
これに対し、平行光に変換するレンズの焦点距離が長いほど、拡がり角を小さくすることができるので、スロー方向におけるレーザ光については、光源からの距離が遠い第２のシリンドリカルレンズ１０４によって略平行光に変換することができる。すなわち、スロー方向におけるレーザ光については、焦点距離の長い第２のシリンドリカルレンズ１０４によって略平行光に変換することができる。
【0027】
同様の理由で、中出力のレーザ光源で足りる場合又はファイバに結合された光源の場合等、スロー方向とファスト方向とで光源幅の差異が小さい場合は、必ずしもこの形態とする必要はない。例えば、第１のシリンドリカルレンズ１０２及び第２のシリンドリカルレンズ１０４は、同じ焦点距離でもよい。例えば、第１のシリンドリカルレンズ１０２及び第２のシリンドリカルレンズ１０４の代わりに、１つのコリメータレンズを用いても良い。
【0028】
走査型測距装置１は、第１の走査ミラー２０２と、第２の走査ミラー２０３とを有してもよい。この場合、略平行光に変換された送信レーザ光５１０は、分離ミラー２０１によって、受信レーザ光５２０と同じ光路に案内され、第１の走査ミラー２０２に向けて案内される。さらに、送信レーザ光５１０は、第１の走査ミラー２０２によって第２の走査ミラー２０３に向けて案内され、第２の走査ミラー２０３によって走査型測距装置１から測距領域３へ放射される。
【0029】
図２に示されるように、第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３は、送信レーザ光５１０と受信レーザ光５２０との共通光路に配置されている。第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３は、互いに直交する軸と中心として回転できる構造を持っている。これにより、走査型測距装置１からの送信レーザ光５１０の放射角度を制御することができる。
【0030】
第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３の形状及び位置は、本実施の形態で説明された例に限定されない。
【0031】
第１のシリンドリカルレンズ１０２の焦点距離は第２のシリンドリカルレンズ１０４の焦点距離と大きく異なっている。これにより、ファスト方向とスロー方向とで送信レーザ光５１０の光束径が異なっている。図１及び図２に示される例では、スロー方向の送信レーザ光５１０の光束径は、ファスト方向の送信レーザ光５１０の光束径の３倍以上である。そのため、分離ミラー２０１の形状は、例えば、スロー方向に長い長方形である。
【0032】
スロー方向とファスト方向とで光源幅の差異が小さくなるにつれて、スロー方向とファスト方向とで送信レーザ光５１０の光束径の差異が小さくなるため、分離ミラー２０１の形状は必ずしも長方形である必要はなく、円形でも良く、正方形でも良い。
【0033】
分離ミラー２０１は、例えば、測定対象物２で反射したレーザ光を集光レンズ３０１に向けて案内する。分離ミラー２０１は受信レーザ光５２０と同じ光路に導くための部品であるが、分離ミラー２０１は必ずしも小片ミラーである必要はない。例えば、光制御素子として、分離ミラー２０１の代わりに、直交する偏光方向に従って反射と透過とを切り替えることができる偏光ビームスプリッタなどの部品を用いても良い。受信レーザ光５２０の偏光方向は決まっていないため、分離ミラー２０１の代わりに偏光ビームスプリッタを用いた場合でも、受信レーザ光５２０の全光量を減衰させることはない。
【0034】
図７及び図８は、走査型測距装置１の他の例を概略的に示す図である。
図７及び図８に示されるように、分離ミラー２０１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に必ずしも配置されている必要はない。図７に示される例では、分離ミラー２０１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と直交する方向にずれた位置に配置されている。これにより、レーザ光源１０１の出力を上げることができ、測距領域３をより広げることができる。
図７及び図８に示されるように、分離ミラー２０１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に必ずしも配置されている必要はない。図７に示される例では、分離ミラー２０１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と直交する方向にずれた位置に配置されている。これにより、レーザ光源１０１の出力を上げることができ、測距領域３をより広げることができる。
【0035】
例えば、分離ミラー２０１は、集光レンズ３０１の光軸３０２から、レーザ光源１０１から放射されたレーザ光のファスト軸に平行な方向にずれた位置に配置されていてもよい。この場合、分離ミラー２０１を小型化することができ、受光効率を高めることができる。その結果、走査型測距装置１を小型化することができる。
【0036】
図８に示される例では、第２の受光素子４２１及び第２の受光回路４２０は、第１の受光回路４１０から離れて位置している。この場合、第２の受光回路４２０（具体的には、第２の受光素子４２１）は、例えば、第１の受光回路４１０（具体的には、第１の受光素子４１１）に対して集光レンズ３０１とは反対側に位置していればよい。
【0037】
【0038】
図９は、送信レーザ光５１０が放射される領域であるレーザ光走査領域５を示す図である。
図９において、レーザ光走査領域５は、４本の実線で囲われた角度領域を示している。走査型測距装置１は、例えば、第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３にって、送信レーザ光５１０を、レーザ光走査領域５内を自由に走査できる。走査型測距装置１は、第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３以外の手段で送信レーザ光５１０を走査してもよい。
図９において、レーザ光走査領域５は、４本の実線で囲われた角度領域を示している。走査型測距装置１は、例えば、第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３にって、送信レーザ光５１０を、レーザ光走査領域５内を自由に走査できる。走査型測距装置１は、第１の走査ミラー２０２及び第２の走査ミラー２０３以外の手段で送信レーザ光５１０を走査してもよい。
【0039】
一般的に、数ｎｓのパルス幅であり、急峻な立ち上がり、あるいは、立ち下がりの時間を検出する必要があるため、受光素子も受光回路も処理回路も、数１００ＭＨｚから数ＧＨｚオーダの帯域が必要となる。
【0040】
一般的に、レーザ製品の安全基準はエネルギーで規定されているため、パルス幅を狭くすればするほど同じ光のエネルギー量でもより高い光量に設定することができる。したがって、遠距離の測距方法として、ダイレクトＴｏＦ方式を用いることが望ましい。ダイレクトＴｏＦ方式の場合、受光回路で検知限界となるまでパルス幅を狭くすることで、その分光量を上げることが可能となり、より遠くまで測距できる。
【0041】
図１０は、送信レーザ光５１０が放射される領域であるレーザ光走査領域５を示す図である。
図１１は、送信レーザ光５１０が放射される領域であるレーザ光走査領域５を示す図である。図１１では、図１０に示される例に比べて、測定対象物２は走査型測距装置１の近くに存在している。
図１０及び図１１において、測距領域３は、破線で囲まれた領域である。図１０及び１１に示される例では、測距領域３に測定対象物２が存在している状態が示されている。図１０に示される例では、測定対象物２は送信レーザ光５１０を２点だけ受光している。図１１に示される例では、測定対象物２が存在している状態が示されており、測定対象物２は送信レーザ光５１０を５点で受光している。
図１１は、送信レーザ光５１０が放射される領域であるレーザ光走査領域５を示す図である。図１１では、図１０に示される例に比べて、測定対象物２は走査型測距装置１の近くに存在している。
図１０及び図１１において、測距領域３は、破線で囲まれた領域である。図１０及び１１に示される例では、測距領域３に測定対象物２が存在している状態が示されている。図１０に示される例では、測定対象物２は送信レーザ光５１０を２点だけ受光している。図１１に示される例では、測定対象物２が存在している状態が示されており、測定対象物２は送信レーザ光５１０を５点で受光している。
【0042】
走査型測距装置１において、送信レーザ光５１０は、例えば、パルス変調される。この場合、レーザ光走査領域５内で送信レーザ光５１０は断続的に放射され、走査型測距装置１から同一距離における面（略球面）では、図１０及び図１１において点で示された部分が、送信レーザ光５１０が照射された部分であり、且つ、測定点である。
【0043】
【0044】
図１２は、走査型測距装置１における光学系を概略的に示す図である。
走査型測距装置１から測定対象物２までの距離が特定の距離よりも近い場合、受信レーザ光５２０は、第１の受光回路４１０の第１の受光素子４１１に完全に集光しない。図１２に示される例では、第１の受光回路４１０に入射する受信レーザ光５２０の直径がＤで示されている。第１の受光回路４１０に入射する受信レーザ光５２０の直径は、「スポット径」とも称する。
走査型測距装置１から測定対象物２までの距離が特定の距離よりも近い場合、受信レーザ光５２０は、第１の受光回路４１０の第１の受光素子４１１に完全に集光しない。図１２に示される例では、第１の受光回路４１０に入射する受信レーザ光５２０の直径がＤで示されている。第１の受光回路４１０に入射する受信レーザ光５２０の直径は、「スポット径」とも称する。
【0045】
図１２に示される例において、集光レンズ３０１を理想的な単レンズとした場合、第１の受光回路４１０上の直径Ｄ、集光レンズ３０１の焦点距離ｆ、集光位置のシフト量ｄｆ、レンズ開口径ＡＰ、及び集光レンズ３０１から測定対象物２までの距離ｚの関係は、次の式で示される。
Ｄ／ＡＰ＝ｄｆ／（ｄｆ＋ｆ） ・・・（式１）
１／ｆ＝１／（ｄｆ＋ｆ）＋１／ｚ ・・・（式２）
Ｄ／ＡＰ＝ｄｆ／（ｄｆ＋ｆ） ・・・（式１）
１／ｆ＝１／（ｄｆ＋ｆ）＋１／ｚ ・・・（式２）
【0046】
式１及び式２より、下記のように式３が得られる。
Ｄ＝ＡＰ×ｆ／ｚ ・・・（式３）
Ｄ＝ＡＰ×ｆ／ｚ ・・・（式３）
【0047】
式３に示されるように、第１の受光回路４１０上の直径Ｄは、集光レンズ３０１の焦点距離ｆに比例し、集光レンズ３０１から測定対象物２までの距離ｚに反比例する。したがって、集光レンズ３０１から測定対象物２までの距離ｚが短くなるにつれて第１の受光回路４１０上の直径Ｄは大きくなる。
【0048】
図１３は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す斜視図である。
図１４は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す側面図である。
図１３及び図１４に示されるように、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されていない。言い換えると、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差しない位置に配置している。例えば、第２の受光素子４２１は、光軸３０２からＤ／２（すなわち、スポット径の半分）だけ離れた位置に配置されている。これにより、第２の受光素子４２１における受光量によって、第１の受光回路４１０に入射した受信レーザ光５２０の直径がＤ以上かどうかを判定することができる。その結果、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離（例えば、集光レンズ３０１から測定対象物２までの距離ｚ）が、式３を満たす値かどうかを判定することができる。例えば、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離が、ｚ以下であるかどうかを判定することができる。
図１４は、第１の受光素子４１１の位置及び第２の受光素子４２１の位置の一例を示す側面図である。
図１３及び図１４に示されるように、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２上に配置されていない。言い換えると、第２の受光素子４２１は、集光レンズ３０１の光軸３０２と交差しない位置に配置している。例えば、第２の受光素子４２１は、光軸３０２からＤ／２（すなわち、スポット径の半分）だけ離れた位置に配置されている。これにより、第２の受光素子４２１における受光量によって、第１の受光回路４１０に入射した受信レーザ光５２０の直径がＤ以上かどうかを判定することができる。その結果、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離（例えば、集光レンズ３０１から測定対象物２までの距離ｚ）が、式３を満たす値かどうかを判定することができる。例えば、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離が、ｚ以下であるかどうかを判定することができる。
【0049】
第２の受光素子４２１に入射した受信レーザ光５２０は、入射光量に応じて電流に変換され、更に、第２の受光回路４２０のＴＩＡによって電圧に変換される。第２の受光素子４２１は測距を目的としていないため、パルス形状のまま受光できる必要はない。走査型測距装置１は、第２の受光素子４２１に受信レーザ光５２０が入射したか否かを判定できればよい。
【0050】
図１５は、処理回路４４０の一例を概略的に示す図である。
処理回路４４０は、比較器４４１を有する。比較器４４１は、受光信号と閾値電圧とを比較する。受光信号は、第２の受光素子４２１に入射した光量に応じて変換された電圧に対応する信号である。受光信号が閾値電圧以上である場合、比較器４４１は、検出信号を出力する。例えば、第２の受光素子４２１に入射した光量に応じて変換された電圧に対応する信号が閾値電圧以上である場合、処理回路４４０は、測距領域３内に測定対象物２が存在すると判定する。処理回路４４０は、判定結果（例えば、検出信号）に応じてレーザ光源１０１を制御することができる。
処理回路４４０は、比較器４４１を有する。比較器４４１は、受光信号と閾値電圧とを比較する。受光信号は、第２の受光素子４２１に入射した光量に応じて変換された電圧に対応する信号である。受光信号が閾値電圧以上である場合、比較器４４１は、検出信号を出力する。例えば、第２の受光素子４２１に入射した光量に応じて変換された電圧に対応する信号が閾値電圧以上である場合、処理回路４４０は、測距領域３内に測定対象物２が存在すると判定する。処理回路４４０は、判定結果（例えば、検出信号）に応じてレーザ光源１０１を制御することができる。
【0051】
図１５に示される例では、受光信号は、例えば、正理論の信号である。一方、受光信号が負理論の信号である場合でも、受光信号が正理論の信号である場合と同様に処理可能である。
【0052】
受光信号をアナログデジタルコンバータに入力し、受光信号を直接デジタル信号として処理し、デジタルの閾値と比較しても良い。
【0053】
一般的な走査型測距装置では、数ｎｓのパルス幅の信号の急峻な立ち上がりの時間又は立ち下がりの時間を検出する必要があるため、受光素子、受光回路、及び処理回路のいずれも、数１００ＭＨｚから数ＧＨｚオーダの帯域が必要である。
【0054】
これに対して、本実施の形態では、第２の受光素子４２１、第２の受光回路４２０、及び処理回路４４０のいずれも、数ＭＨｚ以下の帯域で良く、走査型測距装置１を安価に構成することができる。そのため、第２の受光素子４２１の出力電流にＴＩＡを用いる必要はなく、抵抗を直列に接続するだけでも良い。
【0055】
第２の受光回路４２０及び第２の受光素子４２１は近距離からの反射光を受光する必要があるため、第２の受光素子４２１の感度及び第２の受光回路４２０のゲインは、第１の受光素子４１１及び第１の受光回路４１０よりもそれぞれ低い必要がある。例えば、第２の受光回路４２０として安価なフォトダイオードを用いたり、ＴＩＡのゲインを決める帰還抵抗値を小さくしたりすれば良い。
【0056】
図１６は、図４及び図５に示される例における、第２の受光素子４２１の位置と第２の受光素子４２１の位置と測定対象物２が存在するか否かの判定が可能な走査型測距装置１から測定対象物２までの最大の距離との関係を示すグラフである。具体的には、図１６は、第２の受光素子４２１によって検出された検出値（出力電圧）が、閾値電圧と一致する位置関係を示している。図１６の縦軸は、走査型測距装置１から測定対象物２までの距離を示しており、横軸は、集光レンズ３０１の光軸３０２から第２の受光素子４２１までの距離を示している。第２の受光素子４２１の位置を設定することによって、測定対象物２が存在するか否かの判定が可能となる走査型測距装置１から測定対象物２までの距離の限界を決めることができる。
【0057】
図１６に示されるように、集光レンズ３０１の光軸３０２から第２の受光素子４２１までの位置を適切に設定することにより、測距領域３の範囲を適切に制御することができる。その結果、測距領域３内に測定対象物２が存在するか否かの判定が可能となる。
【0058】
一般的に、受光回路のダイナミックレンジは３桁から４桁程度が限界であるため、測距レンジは３０倍から１００倍程度である。例えば、３００ｍ以上を測距可能とすれば、３ｍ以下は測距困難である。例えば、１０００ｍ以上を測距可能とすれば、１０ｍ以下は測距困難である。
【0059】
本実施の形態では、例えば、測距領域３が数ｍ以上となるように走査型測距装置１が構成されている。この場合、図１６に示されるように、集光レンズ３０１の光軸３０２から第２の受光素子４２１までの距離に対して、測距領域３が敏感であり、測距領域３の範囲を制御することが難しい。さらに、受光素子の外形サイズは一般的に数ｍｍ前後であるため、受光素子の代わりに他の素子を用いることは困難である。
【0060】
そこで、図８、図１３、及び図１４に示される例では、第２の受光素子４２１及び第２の受光回路４２０は、第１の受光回路４１０から離れて位置している。この場合、第２の受光回路４２０（具体的には、第２の受光素子４２１）は、例えば、第１の受光回路４１０（具体的には、第１の受光素子４１１）に対して集光レンズ３０１とは反対側に位置していればよい。これにより、測距領域３を精度良く設定することができる。
【0061】
図１７は、図１３及び図１４に示される例における、第２の受光素子４２１の位置と第２の受光素子４２１の位置と測定対象物２が存在するか否かの判定が可能な走査型測距装置１から測定対象物２までの最大の距離との関係を示すグラフである。第２の受光素子４２１の位置を設定することによって、測定対象物２が存在するか否かの判定が可能となる走査型測距装置１から測定対象物２までの距離の限界を決めることができる。
図１７に示されるデータは、図１６に示されるデータに比べて傾きが緩やかである。すなわち、図１３及び図１４に示される構成では、測距領域３の範囲を容易に制御することができる。その結果、第２の受光素子４２１の配置可能な範囲を広げることができる。
図１７に示されるデータは、図１６に示されるデータに比べて傾きが緩やかである。すなわち、図１３及び図１４に示される構成では、測距領域３の範囲を容易に制御することができる。その結果、第２の受光素子４２１の配置可能な範囲を広げることができる。
【0062】
図１３及び図１４に示される構成により、測距領域３を自在に設定することできる。さらに、安全基準を満たすためにインターロックが必要な領域として測距領域３を設定することにより、測距領域３内に測定対象物２が存在する場合にレーザ光の放射を停止するなどのインターロックの機能を走査型測距装置１に搭載することができる。
【0063】
走査型測距装置１の連続運転を行う場合において、測距領域３内に測定対象物２が存在しなくなったとき、インターロックを自動的に解除することが望ましい。そのため、インターロックを自動的に解除する場合、送信レーザ光５１０の放射密度を低下させる。
【0064】
測距領域３内に測定対象物２が存在する場合、処理回路４４０は、送信レーザ光５１０の放射密度が低下するようにレーザ光源１０１を制御する。これにより、測定対象物２に照射される送信レーザ光５１０の放射密度が低下する。この場合、図１０に示される例では、測定対象物２は送信レーザ光５１０を２点だけ受光している。これにより、測定対象物２に対する単位時間内の積算光量を安全基準未満に抑えることができる。したがって、放射密度又は光量を制御することにより、測距領域３内に測定対象物２が存在しなくなった場合、インターロックを自動的に解除することができる。
【0065】
また、送信レーザ光５１０の光量を低下させることによりインターロックを実行しても良い。この場合、測距領域３内に測定対象物２が存在する場合、処理回路４４０は、送信レーザ光５１０の光量が低下するようにレーザ光源１０１を制御する。さらに、測距領域３を判定する閾値電圧も同様に低下させることが望ましい。
【0066】
以上に説明したように、本開示によれば、簡易な構成で、測定対象物から数メートル以上離れた位置であっても、測定対象物を検出可能であり、かつ、インターロックを実行可能である走査型測距装置を提供することができる。
【0067】
実施の形態２．
安全基準を満たすためにインターロックが必要な領域として測距領域３を設定し、測距領域３内に測定対象物２が存在する場合に発光を停止することにより、インターロックを実行してもよい。
安全基準を満たすためにインターロックが必要な領域として測距領域３を設定し、測距領域３内に測定対象物２が存在する場合に発光を停止することにより、インターロックを実行してもよい。
【0068】
また、実施の形態１と同様に、測定対象物２に対する単位時間内の積算光量を安全基準未満に抑えられるよう、送信レーザ光５１０の放射密度又は光量を設定してもよい。これにより、測距領域３内に測定対象物２が存在しなくなった場合でも検出を行うことができ、インターロックの自動解除も可能となる。
【0069】
以上に説明した各実施の形態における特徴は、互いに組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0070】
１ 走査型測距装置、 ２ 測定対象物、 ３ 測距領域、 ５ レーザ光走査領域、 １０１ レーザ光源、 １０２ 第１のシリンドリカルレンズ、 １０３ ミラー、 １０４ 第２のシリンドリカルレンズ、 ２０１ 分離ミラー、 ２０２ 第１の走査ミラー、 ２０３ 第２の走査ミラー、 ３０１ 集光レンズ、 ３０２ 光軸、 ４１０ 第１の受光回路、 ４１１ 第１の受光素子、 ４２０ 第２の受光回路、 ４２１ 第２の受光素子、 ４４０ 処理回路、 ５１０ 送信レーザ光（レーザ光）、 ５２０ 受信レーザ光（レーザ光）。
【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】
【図15】
【図16】
【図17】