JP2007085832A - 光学式レーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】部品点数が少なく簡易な構成で、発光素子が照射している波長を中心とする狭帯域の光のみを通すバンドパスフィルタを備えた光学式レーダ装置を提供する。
【解決手段】
発光素子2からミラー5を介して照射した光104を測定対象物101で反射させて、受光レンズ4、6を介して、バンドパスフィルタ7を通して、受光素子8に導く。バンドパスフィルタ7の波長は可変であり、バンドパスフィルタ駆動部18は、バンドパスフィルタ7の波長を調整する。また、発光素子2の温度を検知する温度検出部16を備える。発光素子2から照射する光の波長がドリフトするに合わせて、距離測定制御回路15は、この温度に対応する発光素子2の波長から、バンドパスフィルタ駆動部18を制御する。
【選択図】 図1
【解決手段】
発光素子2からミラー5を介して照射した光104を測定対象物101で反射させて、受光レンズ4、6を介して、バンドパスフィルタ7を通して、受光素子8に導く。バンドパスフィルタ7の波長は可変であり、バンドパスフィルタ駆動部18は、バンドパスフィルタ7の波長を調整する。また、発光素子2の温度を検知する温度検出部16を備える。発光素子2から照射する光の波長がドリフトするに合わせて、距離測定制御回路15は、この温度に対応する発光素子2の波長から、バンドパスフィルタ駆動部18を制御する。
【選択図】 図1
Description
この発明は、測定対象物に光を照射して、反射した光が戻ってくるまでの往復の時間を基に距離を測定する、光学的レーダ装置に関する。
従来、光を送信し、このレーザ光を測定対象物に照射して、反射した光が戻ってくるまでの往復の時間を基に距離を測定する装置が実用化されている。このような装置では、この距離測定のために用いる反射光と、太陽光などからの外乱光とを分離するために、送信したレーザ光の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを用いて、S/N比の向上を図っている。
ここで、図15を用いて、従来式の光学式レーダ装置の動作について説明する。図15は、従来式の光学式レーダ装置の構成図である。まず、光学式レーダ装置100は、距離測定制御回路15が投光回路11の動作を駆動する。発光素子2から外部に放出された光104は、投光レンズ3により、所定のビーム形状に整えられ、ミラー5に反射して光学式レーダ装置100の外部に放出される。前方に光104をさえぎる測定対象物101がある場合には測定対象物101で反射して反射光105が受光レンズ4で集光され、バンドパスフィルタ7(図中「BPF」と略す。以下同じ。)を通って受光素子8に入り、光電変換の後、受光回路12に受信信号として取り込まれる。
受光回路12は、距離測定制御回路15が発光素子2に駆動を指示した時点から、受光信号を所定時間観測し受信データ記憶部17に記録する。距離測定制御回路15は、受信データ記憶部17のデータに基づき、発光を指示した時点から受光信号を受信するまでの時間差に基づいて、測定対象物101までの距離を求める。ミラー駆動部13は、ミラー5の角度を変更して、光を送受信できる方向を変更することが可能となっているから、ミラーで測定対象100を走査しながら距離測定を行うことにより、より広い範囲での距離測定が可能となる。ミラー5とミラー駆動部13に相当する走査装置は、図15で例示したミラー揺動方式に限らず、ポリゴンミラー方式等他の方式でも構成できる。また、測定結果を表示する表示装置(図示せず)を備えるもの、インターフェース回路を通じて外部に測定結果を送信する、外部からの起動停止信号を受信するなどの構成をとっている光学式レーダ装置も実用化されている。
このような光学式レーダ装置1では、受信する際に太陽などからの波長が発光素子とは異なる外乱光が受光素子8にノイズとして入射する問題があり、そのために、前述のとおり受光素子8の前にはバンドパスフィルタ6が設けられている。受光素子8により電気信号に変換される前に発光素子2が発生する波長の光のみを通すことができる。これによりこのような外乱光が受光素子8にノイズとして入射することを抑制することができる。
このように、光学式レーダ装置100では、一般的にバンドパスフィルタ6を用いてS/N比の改善を図っているが、発光素子の温度により発生する光の波長がドリフトするため、狭帯域のバンドパスフィルタが使えないという問題がある。狭帯域のバンドパスフィルタが使えない場合には、温度による波長変化を考慮した広めのバンドパスフィルタを用いざるを得ず、S/N比の改善を阻害している。
そこで、従来、このような反射光を用いて測定を行う装置において、その反射光のS/N比の改善を図るため種々の提案がなされている(例えば、特許文献1〜7参照。)。
特許文献1、2には、流体中を透過させたレーザビームの流体速度に応じたドップラー効果による周波数変化に基づいて流体の流速を測定するレーザドップラーベロシティーメータ(LDV)について、受光素子で変換された電気信号について電気的なフィルタをかけるものが開示されている。これは、干渉によるドップラー信号の電気的周波数を観測し、その結果に基づいて電気的バンドパスフィルタの透過帯の制御を行う構成である。これは、ドップラー信号の周波数が比較的低いため、その周波数の測定が比較的容易なため実現している。これに対し、パルスエコー式のレーダの場合、受光信号(=反射光)の周波数(波長)の計測することは困難である。光の周波数(波長)を測定する手法として、光スペクトルアナライザが一般的に知られているが、大規模な装置であるため、小型化を求められる搭載型の光学式測距装置に採用することができない。
特許文献3には、その〔従来の技術〕において、バンドパスフィルタを回転させることにより波長特性を改善している点が記載されていると共に、この方法の入射光束の変更が変化するとフィルタの透過特性が変化してしまう欠点が記載されている。また、2つの光束に分離してそれぞれ偏光素子等を介して合成することで、入力光束の偏光が変化しても、透過特性が変化しないようにした光フィルタ素子が開示されている。
特許文献4には、光の透過系路上に複数のバンドパスフィルタを設けて組み合わせによって構成された狭帯域のフィルタが開示されている。特許文献4には温度変化による変動に対応するなどの動的に調整する旨の記載はない。
特許文献5には、入射光を少なくとも3つの光ビームに分割し、光フィルタを透過した光強度をモニタする手段を設け、光フィルタを移動することにより、適切な波長帯を透過させる構成が開示されている。温度変化による変動に対応することの記載はない。
特許文献6には、ミラーを用いることにより、一枚のバンドパスフィルタで狭帯域のフィルタリングを実現する構成が開示されている。
特許文献7には、以下の構成が開示されている。投光ビームの一部をハーフミラーで分岐し、受光部側へ送光する。受光部では、一度ミラーで反射させた後バンドパスフィルタに入射し、第2の受光素子を用いて、受光レベルが最大となるようにバンドパスフィルタの角度を変化させる。
特公平02−025288号公報
特開平06−194448号公報
特許3288397号公報
特開平10−300915号公報
特開2000−121964号公報
特開2002−277757号公報
特開昭62−103587号公報
しかしながら、従来文献の構成は以下のような問題があった。
即ち、特許文献1、2の構成では、受光素子8で変換された電気信号の周波数特性を解析するものであるが、パルスエコー式のレーダの場合、受光信号(即ち、反射光を受光素子により変換した電気信号)の周波数または波長の計測することは困難であった。また、光の周波数(波長)を測定する手法として、光学用途のスペクトルアナライザが一般的に知られているが、大規模な装置であるため、小型化を求められる車載型の光学式測距装置に採用することができない。
特許文献3の構成では、光学的な構成を複数設ける必要があり、構造が複雑化する問題があった。
特許文献4の構成では、光の透過系路上に複数のBPFを設けるから、部品点数が多くなりまた光量が減る問題があった。また、温度変化による変動に対応するなどの動的に調整する旨の記載はなく、発光素子から送信される光の周波数のドリフトに対応できない問題があった。
特許文献4の構成では、光の透過系路上に複数のBPFを設けるから、部品点数が多くなりまた光量が減る問題があった。また、温度変化による変動に対応するなどの動的に調整する旨の記載はなく、発光素子から送信される光の周波数のドリフトに対応できない問題があった。
特許文献5には、温度変化による変動に対応することの記載はなく、また、L/Rの場合、外乱光の入射があるため、単純に受光した状況において透過光の強度が最大になるようにした場合、自らが発信した光と異なる波長帯の透過率が最大となる可能性がある。例えば、光学的レーダ装置を乗用車に搭載した場合、夜間において、対向車がないとビジョン用に近赤外光帯に感度を持つカメラを搭載し近赤外光の照明をしていたとき、その照明用の近赤外光の中心帯域に透過特性を合わせてしまう問題があった。
特許文献6には、温度変化による変動に対応するなど動的に調整することの記載はなく、発光素子から送信される光の周波数のドリフトに対応できない問題があった。
特許文献7の構成では、構造が複雑であり、ハーフミラーを用いているので光量が10%低下する問題があった。また、他にもミラーを用いているのでさらに、2〜3%光量が低下する問題があった。
そこで、本発明は、これらの問題に鑑み、部品点数が少なく簡易な構成で、発光素子が照射している波長を中心とする狭帯域の光のみを通すバンドパスフィルタを備えた光学式レーダ装置の提供を目的とする。
この発明は、上記課題を解決するため、以下の構成を備えている。
(1)本発明は、
半導体レーザ素子を光源とする、外部に光を照射する投光部と、
前方にある測定対象物で反射した光を受信してこの光を電気信号に変換する受光部と、
前記投光部から光を照射した時から前記受光部で反射光を受信した時までの経過時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測手段と、
前記受光部の前に設けられ、特定の波長の帯域を透過させて前記受光部に光を導くバンドパスフィルタであって、この波長の中心波長が調整可能なバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を前記半導体レーザ素子の温度から推定される前記投光部から照射された光の波長に追従させるよう、前記バンドパスフィルタを調整する透過帯域調整手段と、を備えたことを特徴とする。
半導体レーザ素子を光源とする、外部に光を照射する投光部と、
前方にある測定対象物で反射した光を受信してこの光を電気信号に変換する受光部と、
前記投光部から光を照射した時から前記受光部で反射光を受信した時までの経過時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測手段と、
前記受光部の前に設けられ、特定の波長の帯域を透過させて前記受光部に光を導くバンドパスフィルタであって、この波長の中心波長が調整可能なバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を前記半導体レーザ素子の温度から推定される前記投光部から照射された光の波長に追従させるよう、前記バンドパスフィルタを調整する透過帯域調整手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の投光部は、半導体レーザ素子を光源として、外部に光を照射しており、受光部は、測定対象物で反射した光を受信してこの光を電気信号に変換する。距離計測手段は、この経路を光が透過する間の時間から前記測定対象物までの距離を計測する。受光素子8は、投光部で照射した光の反射光のみを受光するのが望ましいが、測定対象物で反射した光には投光部で照射した光のみならず、太陽光などの外乱光が含まれている。この外乱光を取り除いてS/N比を向上させる必要があり、本発明はバンドパスフィルタを設けている。
当然ながら、バンドパスフィルタは、その中心周波数を半導体レーザ素子が発する光の波長と合わせなければ、投光部で照射した光の戻り光を検出できなくなって光学式レーダ装置が機能しなくなる。一方、半導体レーザ素子は、その温度により、照射する光の波長がドリフトして、時間と共にこの照射する光の波長とバンドパスフィルタの中心波長とが合わなくなる問題がある。これを解決するために、本発明は、前記半導体レーザ素子の温度に対応する波長に追従させる透過帯域調整手段を設けている。
したがって、本発明によれば、前記半導体レーザ素子の温度が変動しても、その前記半導体レーザ素子が照射している光の波長に追従させることが可能となる。その結果、このような前記半導体レーザ素子の波長のドリフトに対応して、バンドパスフィルタを光の透過帯域を余分に広い帯域に設定する必要はないので装置のS/N比が向上する。また、前記半導体レーザ素子が照射する光そのものを検出するのではなく、半導体レーザ素子の温度に基づいて透過帯域調整手段は調整するものであるから、この調整のために余分で高価な光学系を必要とせず、光量の減少を抑えることができる。さらに、簡易な構成で構成でき、かつ、コストダウンに寄与する。
なお、透過帯域調整手段が半導体レーザ素子の温度に基づいて、バンドパスフィルタの中心波長を調整する方法は、例えば、温度をセンサで検出する方法が考えられる。
(2)本発明は、
前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度によって、前記バンドパスフィルタを透過する光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度を変化させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度によって、前記バンドパスフィルタを透過する光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度を変化させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
本発明は、前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度によって、前記バンドパスフィルタを透過する光の中心波長が変化するものである。これは、例えば、ファブリペローの干渉計の原理を応用したものを使用でき、この原理は、コートされた2枚の面を多重反射することによって、光の干渉を生じることを利用するものである。本発明に使用できる製品として、例えば、MELES GRIO社(商標)の製品を使用できる。このように構成した場合に、前記透過帯域調整手段は、前記半導体レーザ素子の温度に対応する波長に合うようにこの角度を変化させることにより、前記半導体レーザ素子から照射された光の波長に合わせることができる。
(3)本発明は、
前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する位置を、光の透過方向と直行する方向に移動することに対応して、前記バンドパスフィルタを透過した光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに光が入射する位置を移動させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する位置を、光の透過方向と直行する方向に移動することに対応して、前記バンドパスフィルタを透過した光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに光が入射する位置を移動させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する位置を、光の透過方向と直行する方向に移動させることにより、前記バンドパスフィルタを透過した光の中心波長が変化するものである。これは、(2)と同様、例えば、ファブリペローの干渉計の原理を応用したものを使用できる。この原理は、コートされた2枚の面を多重反射することによって、光の干渉を生じることを利用するものであり、コートされた2枚の面の光学的厚みを変えることにより、透過する光の波長を変えることができる。本発明に使用できる製品として、例えば、MELES GRIO社(商標)の製品を使用できる。このように構成した場合に、前記透過帯域調整手段は、前記半導体レーザ素子の温度に対応する波長に合うようにこの位置を変化させることにより、前記半導体レーザ素子から照射された光の波長に合わせることができる。
なお、透過帯域調整手段が「前記バンドパスフィルタに入射する位置」を変える手段を用いていれば、平行移動や回転移動であってもよい。また、バンドパスフィルタは、入射する位置がバンドパスフィルタ上に沿って、単に直線的に変化するか、または円盤状に形成されたバンドパスフィルタ上の円周に沿って変化するように構成しても良い。
(4)本発明は、
(2)に記載の光学式レーダ装置において、
さらに、前記バンドパスフィルタの前に、反射角度が回転可能な回転ミラーを備え、
前記バンドパスフィルタに透過させる光は、前記回転ミラーの反射光が前記バンドパスフィルタに導かれたものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記ミラーを回転させることにより、
前記バンドパスフィルタと入射する光のなす角度を変化させることによって、
バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
(2)に記載の光学式レーダ装置において、
さらに、前記バンドパスフィルタの前に、反射角度が回転可能な回転ミラーを備え、
前記バンドパスフィルタに透過させる光は、前記回転ミラーの反射光が前記バンドパスフィルタに導かれたものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記ミラーを回転させることにより、
前記バンドパスフィルタと入射する光のなす角度を変化させることによって、
バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
本発明は、(2)の構成のバンドパスフィルタを用いるが、そのバンドパスフィルタに透過させる光は、前記回転ミラーの反射光が前記バンドパスフィルタに導かれたものとして、前記回転ミラーを回転させることにより、前記バンドパスフィルタに前記光が透過する位置を変動させることができる。これにより、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整することができる。
(5)本発明は、
前記受光部に光を導く光学系をアフォーカル系として、バンドパスフィルタに導く光を平行光とすることを特徴とする。
前記受光部に光を導く光学系をアフォーカル系として、バンドパスフィルタに導く光を平行光とすることを特徴とする。
アフォーカル系とは、焦点距離が無限大となる光学系のことを指し、バンドパスフィルタに導く光を平行光とすることによって、この光が拡散しないようにすることができる。また、バンドパスフィルタは、角度依存性が大きく、斜めからの入射した光は、垂直に入射するよりも入射光の透過率が下がる。本発明によれば、この透過率の減少を避けることができ、光の量が減衰することを抑えることができるので、上記構成の発明の効果をより高めることができる。
(6)本発明は、
(2)〜(4)のいずれかに記載の光学式レーダ装置において、
前記透過帯域調整手段は、さらに、
外乱光を遮断した状態で、前記半導体レーザ素子の温度を複数回検出して、その温度の各検出時において、前記受信部で変換された電圧が最大値を示すような、前記バンドパスフィルタとこれに入射する光との入射角または位置関係を検出する検出機能と、
前記温度と前記入射角または位置関係との対応関係を記憶する機能とを備え、
前記透過帯域調整手段は、この対応関係に基づいて、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
(2)〜(4)のいずれかに記載の光学式レーダ装置において、
前記透過帯域調整手段は、さらに、
外乱光を遮断した状態で、前記半導体レーザ素子の温度を複数回検出して、その温度の各検出時において、前記受信部で変換された電圧が最大値を示すような、前記バンドパスフィルタとこれに入射する光との入射角または位置関係を検出する検出機能と、
前記温度と前記入射角または位置関係との対応関係を記憶する機能とを備え、
前記透過帯域調整手段は、この対応関係に基づいて、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである。
このように構成すれば、前記透過帯域調整手段は、前記温度と前記位置関係との対応関係を記憶する機能を備えているから、半導体レーザ素子の特性のばらつきに対応して、前記温度と前記位置関係との正確な対応関係を得ることができる。前記透過帯域調整手段は、この対応関係に基づいて、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するから、上記発明の効果を高めることができる。
この発明によれば、前記半導体レーザ素子の温度が変動しても、その前記半導体レーザ素子が照射している光の波長に追従させることが可能となる。その結果、このような前記半導体レーザ素子の波長のドリフトに対応して、バンドパスフィルタは、光の透過帯域を余分に広い帯域に設定する必要はない。また、前記半導体レーザ素子が照射する光そのものを検出するのではなく、半導体レーザ素子の温度に基づいて透過帯域調整手段は調整するものであるから、この調整のために余分で高価な光学系を必要とせず、光量の減少を抑えることができる。さらに、簡易な構成で構成でき、かつ、コストダウンに寄与する。
図1を用いて、第1の実施形態の光学式レーダ装置の構成について説明する。図1は、この構成を表した図である。光学式レーダ装置1の構成は大別すると光学系およびセンサと、電気的構成に分けることができる。
まず、図1を用いて、光学系およびセンサについて説明する。
図1に示すように、光学系およびセンサは、発光素子2と、発光素子2から照射した光を平行な光に変換する投光レンズ3と、投光レンズ3を経た光を光学式レーダ装置1の外部に導くミラー5を備えている。また、発光素子2から外部に放出された光104が測定対象物101に反射して戻ってきた反射光105が、再度ミラー5で反射した光を集める受光レンズ4と、受光レンズ4で集められた光を平行な光に調整する受光レンズ6と、特定の波長の光を通すバンドパスフィルタ7と、受光素子8を備えている。以下、それぞれの構成を説明する。
図1に示すように、光学系およびセンサは、発光素子2と、発光素子2から照射した光を平行な光に変換する投光レンズ3と、投光レンズ3を経た光を光学式レーダ装置1の外部に導くミラー5を備えている。また、発光素子2から外部に放出された光104が測定対象物101に反射して戻ってきた反射光105が、再度ミラー5で反射した光を集める受光レンズ4と、受光レンズ4で集められた光を平行な光に調整する受光レンズ6と、特定の波長の光を通すバンドパスフィルタ7と、受光素子8を備えている。以下、それぞれの構成を説明する。
図1の発光素子2は、半導体レーザ素子で構成する。これにより安価で小型化に寄与することができる。発光素子2は、これに流れる電流により発熱し、この発熱により発光素子2が照射する光の波長がドリフトするという性質を有する(後述、図9(A)参照。)。
図1の投光レンズ3は、凸レンズで構成でき、発光素子2から照射した光を平行な光に変換し、ミラー5に導く。
ミラー5は、投光レンズ3から照射された平行光を反射して、測定対象物101に当てる。また、測定対象物101から戻ってきた反射光105を反射させて、受光レンズ4に導く。ミラー5は、測定対象物101からの反射光105を受光レンズ4に導く。後述するミラー駆動部13の駆動により、45度の振れ角度で水平方向にミラー5を揺動させて、測定対象物101のスキャンを行う。この揺動は例えば50Hzの周期で行なわれる。そのためにミラー駆動部13は、ミラー5を揺動させる電極アクチュエータと、ミラー5の角度を検出するエンコーダを備えている。
ミラー5は、投光レンズ3から照射された平行光を反射して、測定対象物101に当てる。また、測定対象物101から戻ってきた反射光105を反射させて、受光レンズ4に導く。ミラー5は、測定対象物101からの反射光105を受光レンズ4に導く。後述するミラー駆動部13の駆動により、45度の振れ角度で水平方向にミラー5を揺動させて、測定対象物101のスキャンを行う。この揺動は例えば50Hzの周期で行なわれる。そのためにミラー駆動部13は、ミラー5を揺動させる電極アクチュエータと、ミラー5の角度を検出するエンコーダを備えている。
図1の受光レンズ4は、凸レンズで構成できる。受光レンズ4は、ミラー5で反射した光を集めて、受光レンズ6に導く働きをする。受光レンズ6、バンドパスフィルタ7を通った光が受光素子8で電圧に変換される場合に感度を高めるためである。
受光レンズ6は、凹レンズで構成できる。受光レンズ6は、受光レンズ4で集められた光を、平行に調整してバンドパスフィルタ7に導く。
受光レンズ6は、凹レンズで構成できる。受光レンズ6は、受光レンズ4で集められた光を、平行に調整してバンドパスフィルタ7に導く。
バンドパスフィルタ7は、特定の波長帯域のみの光を透過させるフィルタである。第1の実施形態の光学式レーダ装置1では、透過する光の波長を変えることができるタイプのものを使用する。例えば、ファブリペローの干渉計の原理を応用したものを使用できる。この干渉計の原理は、コートされた2枚の面を多重反射することによって、光の干渉を生じることを利用するものである。
バンドパスフィルタ7をこの原理を応用して構成した場合、バンドパスフィルタ7に入射する光の入射角度を変動させるとバンドパスフィルタ7の中心波長を変動させることができる。この原理を利用する場合には、コートされた2枚の面の光学的距離が一様になるよう構成する。
また、バンドパスフィルタ7をこの原理を応用して構成した場合、コートされた2枚の面の光学的厚みを変えることにより、透過する光の波長を変えることができる。この場合には、一定方向に沿ってコートされた2枚の面の光学的厚みを一様にし、これに直交する方向については、連続的にこの光学的厚みを変動させるようにする。また、バンドパスフィルタ7を円盤状に構成し、円周方向に沿って連続的にこの光学的厚みを変動させるようにすることができる。このようにバンドパスフィルタ7を構成した場合には、円盤状のバンドパスフィルタ7の面の一部にこの面に垂直に光を入射して、バンドパスフィルタ7を図示しない回転部により回転させることで、バンドパスフィルタ7の波長を変動させることができる。
バンドパスフィルタ7をこの原理を応用して構成した場合、バンドパスフィルタ7に入射する光の入射角度を変動させるとバンドパスフィルタ7の中心波長を変動させることができる。この原理を利用する場合には、コートされた2枚の面の光学的距離が一様になるよう構成する。
また、バンドパスフィルタ7をこの原理を応用して構成した場合、コートされた2枚の面の光学的厚みを変えることにより、透過する光の波長を変えることができる。この場合には、一定方向に沿ってコートされた2枚の面の光学的厚みを一様にし、これに直交する方向については、連続的にこの光学的厚みを変動させるようにする。また、バンドパスフィルタ7を円盤状に構成し、円周方向に沿って連続的にこの光学的厚みを変動させるようにすることができる。このようにバンドパスフィルタ7を構成した場合には、円盤状のバンドパスフィルタ7の面の一部にこの面に垂直に光を入射して、バンドパスフィルタ7を図示しない回転部により回転させることで、バンドパスフィルタ7の波長を変動させることができる。
図1のバンドパスフィルタ7の機能は、発光素子2で照射した光のみを受光素子8に導くものであり、太陽光等の外乱光を遮断して、S/N比を向上させるものである。そのためには、発光素子2で照射した光の波長とバンドパスフィルタ7の光の中心波長を合わせるようにする必要がある。前述のとおり、バンドパスフィルタ7で透過する中心波長を可変となるようにしている。そして、この調整は後述する距離測定制御回路15が行う。
なお、図1に示した本発明のバンドパスフィルタ7に使用できる製品として、例えば、MELES GRIO社(商標)の製品を使用できる。
図1の受光素子8は、例えばフォトダイオードで構成する。この受光素子8は、逆方向電圧をかけたフォトダイオードに光を受けた場合、このダイオード間の抵抗値が変動することを用いて、バンドパスフィルタ7を通って受光素子8に導かれた光を電気信号に変換する。この電気信号は、受光素子8に入射する光が強いほど振り幅が大きくなるというような、光の強度との対応関係を有している。
次に図1を用いて、光学式レーダ装置1の電気的構成について説明する。
光学式レーダ装置1の電気的構成として、発光素子2に与える電圧を駆動する投光回路11と、受光素子8で得た電気信号を増幅して距離測定制御回路15に伝達する受光回路12と、ミラー5の回転を駆動するミラー駆動部13とを備える。また、光学式レーダ装置1の内部には、ミラー駆動部13の動作を制御するミラー制御回路14と、発光素子2の温度を検出して距離測定制御回路15に伝達する温度検出部16とを備える。受光回路12で得たデータを記録する受信データ記憶部17と、バンドパスフィルタ7の動作を駆動するバンドパスフィルタ駆動部18と、これらの電気的構成を制御する距離測定制御回路15と、外部機器110との通信を行うインターフェース19とを備える。以下、それぞれの構成について説明する。
光学式レーダ装置1の電気的構成として、発光素子2に与える電圧を駆動する投光回路11と、受光素子8で得た電気信号を増幅して距離測定制御回路15に伝達する受光回路12と、ミラー5の回転を駆動するミラー駆動部13とを備える。また、光学式レーダ装置1の内部には、ミラー駆動部13の動作を制御するミラー制御回路14と、発光素子2の温度を検出して距離測定制御回路15に伝達する温度検出部16とを備える。受光回路12で得たデータを記録する受信データ記憶部17と、バンドパスフィルタ7の動作を駆動するバンドパスフィルタ駆動部18と、これらの電気的構成を制御する距離測定制御回路15と、外部機器110との通信を行うインターフェース19とを備える。以下、それぞれの構成について説明する。
図1の投光回路11は、半導体レーザ素子に電流を供給して発光素子2を駆動する回路であり、電圧を調節することが可能なレギュレータで構成することができる。投光回路11は、発光素子2に与える電圧を距離測定制御回路15の指示に基づいて変動させる。
受光回路12は、受光素子8で検出した受光量電圧を増幅する増幅器と、A/D変換器で構成する。受光回路12で検出した受光量電圧は、増幅器で増幅され、A/D変換器でディジタルデータに変換して、距離測定制御回路15に伝達するほか、受信データ記憶部17にこのディジタルデータを格納する。
受光回路12は、受光素子8で検出した受光量電圧を増幅する増幅器と、A/D変換器で構成する。受光回路12で検出した受光量電圧は、増幅器で増幅され、A/D変換器でディジタルデータに変換して、距離測定制御回路15に伝達するほか、受信データ記憶部17にこのディジタルデータを格納する。
図1のミラー駆動部13は、ミラー5の揺動を駆動する。前述のとおり、ミラー駆動部13は、ミラー5を揺動させるモータまたはアクチュエータと、ミラー5の角度を検出するエンコーダを備えている。ミラー駆動部13は、エンコーダの出力とミラー制御回路14の指示との残差を増幅するアンプを含んでおり、ミラー制御回路14が指示した角度との残差に応じた電圧をこのモータに供給して、この揺動を駆動する。
図1のミラー制御回路14は、3角波発生回路で構成する。距離測定制御回路15から送られるパルス(例えば50Hz)に同期して、3角波の電圧をミラー駆動部13に与える。ミラー制御回路14の機能は、左右にミラー5を振ることにより、測定対象物101をスキャンするようにミラー5の動作を制御するものである。
図1の距離測定制御回路15は、図1で示すような電気的構成の各部を制御するものであり、この制御の動作のプログラムが距離測定制御回路15に付属するROMに焼き付けられたICで構成する(詳細は後述する)。このICは、このプログラムを読み取って、実行することができる。
図1の温度検出部16は、発光素子2の温度を検出する。この温度検出部16は、例えばサーミスタ、半導体センサ等を備えており、これらの素子により温度を電気信号に変換する。また、温度検出部16には図示しないアンプとA/D変換器を含んでおり、この温度に関する電気信号を増幅して、A/D変換器により温度の値[℃]をディジタル信号に変換する。
図1の受信データ記憶部17は、読み書き可能なメモリで構成する。受信データ記憶部17の機能は、受光回路12で得た受光素子8に入射する光の強度についてのディジタル信号を格納する。また、受信データ記憶部17は、距離測定制御回路15からミラー制御回路14の揺動制御信号を受け取って、角度情報として格納している。
図1のバンドパスフィルタ駆動部18は、バンドパスフィルタ7で透過させる光の波長を制御する。バンドパスフィルタ駆動部18の構成として、後述する図2以降で示すようにバンドパスフィルタ7の構成に応じてさまざまな形態にすることができる。バンドパスフィルタ駆動部18の駆動対象は、例えば、後述する図2、図3に示すように、バンドパスフィルタ7に入射する光の角度を変えることにより光の波長を変えることができるバンドパスフィルタ70がある。この場合には、バンドパスフィルタ駆動部18は、これを回転するモータとエンコーダとを備えるようにする。また、バンドパスフィルタ駆動部18は、この回転を駆動するドライバを備えるようにする。また、駆動対象として、後述する図4に示すようにバンドパスフィルタ7に入射する光の位置を変えることにより、光の波長を変えることができるバンドパスフィルタ71がある。この場合には、バンドパスフィルタ駆動部18はこれを移動させるモータと、エンコーダまたはゲージとを備えており、バンドパスフィルタ駆動部18はこの回転を駆動するドライバを備えるようにする。これらのドライバは、それぞれ、例えばパワートランジスタによる増幅段からなるアンプで構成でき、モータに与える電圧を生成する。
図1のインターフェース19は、データの入出力ポートであり、外部機器110と通信を行って、光学式レーダ装置1の動作の指示を距離測定制御回路15に伝達したり、距離測定制御回路15で計算した距離の値を外部機器110に伝達したりする役割を果たす。
次に、図2〜図5を用いて、図1で示した第1の実施形態の装置に使用できるバンドパスフィルタ駆動部18(図1参照。)の実施例について説明する。ここで、図2、図3は、図1のバンドパスフィルタ7のうち、バンドパスフィルタ7に入射する角度を変えることで透過する光の波長を変化させるバンドパスフィルタ70の実施例を表している。図4、図5は、バンドパスフィルタ7に入射する位置を変えることで透過する光の波長を変化させるバンドパスフィルタ71、710の実施例を表している。
まず、図2(A)を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例1について説明する。実施例1では、バンドパスフィルタ駆動部18は、バンドパスフィルタ70を支えるモータ軸711と、これを回転させるモータ712と、図示しないエンコーダを備える。モータ712は、モータ軸711を介して、バンドパスフィルタ70を回転させる。この駆動電圧は、アンプを備えるバンドパスフィルタ駆動部18から供給する。バンドパスフィルタ駆動部18の動作は、例えば、距離測定制御回路15から指示された角度目標値とエンコーダとで検出される角度の差に応じた出力電圧をモータ712に供給して位置決めを行う。また別の位置決め制御方法としては、バンドパスフィルタ駆動部18は、距離測定制御回路15から指示された電圧のみを供給することを行い、距離測定制御回路15で、より複雑な位置決め制御を行ってもよい。
このように位置決めして、バンドパスフィルタ70を回転させることで、バンドパスフィルタ70を透過して、受光素子8に入射する光の周波数帯域を調整できる。これらの動作は、図2〜図4で後述する以下の実施例でモータを使用する場合には同様であるので、以下の実施例では説明を省略する。
このように位置決めして、バンドパスフィルタ70を回転させることで、バンドパスフィルタ70を透過して、受光素子8に入射する光の周波数帯域を調整できる。これらの動作は、図2〜図4で後述する以下の実施例でモータを使用する場合には同様であるので、以下の実施例では説明を省略する。
図2(B)を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例2について説明する。実施例2では、バンドパスフィルタ70は、回転中心721に支持される鎌状の部材725に取り付けられており、鎌状の部材725は、部分的に歯切りされた歯車724を備え、歯車724は、ピニオン歯車723と噛み合っている。ピニオン歯車723は、モータ722により回転し、これにより、バンドパスフィルタ70が回転する。バンドパスフィルタ70が回転するのでバンドパスフィルタ7に入射する光103の角度を変えることができ、受光素子8に入射する光の周波数帯域を調整できる。
図3(A)を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例3について説明する。実施例3では、バンドパスフィルタ70は、回転中心731に支持される鎌状の部材735に取り付けられており、鎌状の部材735は、部分的に歯切りされたウォームホイール733を備え、ウォームホイール733は、ウォーム歯車734と噛み合っている。回転軸に対してななめに歯面が切られたウォーム歯車734は、モータ732により回転し、ウォーム歯車734の溝に合わせて鎌状の部材735が摺動して、バンドパスフィルタ70が回転する。バンドパスフィルタ70が回転すると、バンドパスフィルタ7に入射する光103の角度を変えることができ、受光素子8に入射する光の周波数帯域を調整できる。
図3(B)を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例4について説明する。実施例4では、受光レンズ6を通った光を反射させて、バンドパスフィルタ70に導く回転ミラー741を備えている。回転ミラー741は、回転中心742を中心として、回転する。この回転の動力は、図示しないモータにより与えられ、このモータに供給する電圧はバンドパスフィルタ駆動部18の駆動により行う。回転ミラー741は、図5(A)の図中に2点鎖線で示したように回転し、これにより、バンドパスフィルタ71に透過する光103が通る位置は、バンドパスフィルタ71上で103Aから103Bまで移動する。これにより、光103の入射角が変わり、バンドパスフィルタ70は、バンドパスフィルタに入射する角度により透過する光の波長が変わるから、バンドパスフィルタ71の移動により、受光素子8に入射する光の波長の帯域を調整できる。
次に、図4、図5を用いて、バンドパスフィルタ駆動部18の実施例であって、バンドパスフィルタに入射する位置により透過する光の波長が変わるバンドパスフィルタ71、710を用いた実施例5、6について説明する。ここで、バンドパスフィルタ71は、入射する位置を直線的に変化させた場合に中心波長の変化するフィルタであり、バンドパスフィルタ710は、入射する位置を円周に沿って変化させた場合に、中心波長の変化するフィルタである。
図4を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例5について説明する。実施例5では、バンドパスフィルタ7としてバンドパスフィルタ71を用いる。バンドパスフィルタ71は、バンドパスフィルタ710に入射する光103の位置を直線的に変化させた場合に中心波長の変化するバンドパスフィルタ71を用いる。バンドパスフィルタ71は、ラック歯車752を備えた部材754に固定されており、ラック歯車752は、ピニオン歯車753と噛み合っている。ピニオン歯車753は、モータ751により回転することができ、モータ751の回転により、ピニオン歯車753が回転し、ピニオン歯車753と噛み合うラック歯車752が移動することにより、バンドパスフィルタ71が左右に移動する(なお、受光素子8は、固定されており移動しない)。バンドパスフィルタ71の移動により、バンドパスフィルタ71に透過する光103が通る位置は、バンドパスフィルタ71上で103Aから103Bまで移動する。バンドパスフィルタ71は、バンドパスフィルタに入射する位置により透過する光の波長が変わるから、バンドパスフィルタ71の移動により、受光素子8に入射する光の波長の帯域を調整できる。
図5を用いてバンドパスフィルタ駆動部18の実施例6について説明する。実施例6ではバンドパスフィルタ7として、バンドパスフィルタ710を用いる。このバンドパスフィルタ710は、円盤状に形成され、この円周方向に沿ってバンドパスフィルタに入射する光103の位置を変えると、透過する光の波長が変わる。バンドパスフィルタ710の外周には歯面765が形成されており、歯面765は、ピニオン歯車784と噛み合っている。ピニオン歯車764は、モータ762のモータ軸781に固定されており、バンドパスフィルタ駆動部18の駆動により、モータ軸761、ピニオン歯車764が回転し、バンドパスフィルタ71が回転する。これにより、バンドパスフィルタに入射する光の円周上の位置を変えることができる。ここで、前述のとおり、この円周方向に沿ってバンドパスフィルタ71に入射する光103の位置を変えると、透過する光の波長が変わるから、バンドパスフィルタ71の移動により、受光素子8に入射する光の波長の帯域を調整できる。
なお、以上図2〜図5の例では、バンドパスフィルタ駆動部18で回転の位置決めをする方法としてモータとエンコーダを用いた例を示したが、より簡易的に、電極アクチュエータや、アクチュエータと回転ばねを組み合わせる構成も考えられる。この場合、アクチュエータに設けた電磁石に電流を流すことで回転力を生じさせるとともに、これを抑止する回転ばねにより、電流に対して角度が一義的に決まるようにすることができる。そこで、この電磁石に与える電流と、回転角度との関係を予め把握しておけば、距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18には、これに対応する電流を流すよう目標値となる電圧を与えることができる。
図6を用いて、第1の実施形態の装置の応用に係る第2の実施形態の装置のバンドパスフィルタ駆動部18の実施例について説明する。図6(A)、(B)は、それぞれ、バンドパスフィルタ70を駆動するバンドパスフィルタ駆動部18の実施例1、2の構造についての説明図である。
図6(A)を用いて、バンドパスフィルタ駆動部18の実施例1について説明する。この実施例1では、温度に反応する形状記憶合金製ばね774を用いてバンドパスフィルタ70の角度調整を機構的に行うものであり、第1の実施形態の装置と異なる点は、温度検出部16とバンドパスフィルタ駆動部18と、バンドパスフィルタ駆動部18の調整機能が形状記憶合金製ばね774で一体的に構成されていることである。以下具体的に説明する。実施例1ではバンドパスフィルタ70は、回転中心741で支持された回転棒772に設けられている。回転棒772は、固定された壁にそれぞれ接続されたばね773、形状記憶合金製ばね774に接続されている。形状記憶合金製ばね774は、温度により伸縮する性質を有しており、形状記憶合金製ばね744は、発光素子2に近接して配置されている。したがって、発光素子2の温度上昇または降下すると、形状記憶合金製ばね774が伸縮する。そうすると、バンドパスフィルタ70が回転するのでバンドパスフィルタ7に入射する光103の角度を変えることができ、受光素子8に入射する光の周波数帯域を調整できる。詳細は図9(A)で後述するが、発光素子2の温度と発光素子2が照射する光の波長との間には、特定の対応関係がある。また、バンドパスフィルタ70と、これに入射する光103の入射角の関係にも特定の関係がある。そこで、この特定の対応関係に沿うように、ばね773と形状記憶合金製ばね744を調整する。この実施例4の構成では、図1で示した温度検出部16と、バンドパスフィルタ駆動部18と、距離測定制御回路15の機能をばね773と形状記憶合金製ばね774のみで機構的に達成しており、図1で示した波長の調整のために電気的構成が不要となるメリットがある。
図6(B)を用いて、第2の実施形態の装置のバンドパスフィルタ駆動部18についての実施例2について説明する。実施例2ではバイメタル781を用いている。バイメタル781は、前述の図6(A)で示した実施例1の形状記憶合金製ばね774と同様に温度により伸縮する金属を用いたものであるが、互いに膨張率が異なる781A、781Bを張り合わせている点が異なる。実施例2では、バイメタル781が温度によりたわむ性質を利用してバンドパスフィルタに透過させる光103の波長を機構的に制御している。以下具体的な構成について説明する。バンドパスフィルタ70は、固定された壁から突き出たバイメタル781に接続されており、発光素子2に近接して配置されている。したがって、発光素子2の温度上昇または降下すると、図6(B)の右側の図のように、互いに781A、781Bの膨張率の違いによりバイメタル761が変形し、これに接続されているバンドパスフィルタ70が傾く。バンドパスフィルタ70が傾くことにより、バンドパスフィルタ70に入射する光103は、バンドパスフィルタ70に対して入射角が変化する。バンドパスフィルタ70は、バンドパスフィルタに入射する角度により透過する光の波長が変わるから、バンドパスフィルタ70が傾くことにより、受光素子8に入射する光の波長の帯域を調整できる。ここで、発光素子2の温度と発光素子2が照射する光の波長との間には、特定の対応関係がある。また、バンドパスフィルタ70で透過する光の波長と、これに入射する光103の入射角度の関係にも特定の関係がある。そこで、図6(A)で示した実施例と同様に、この特定の対応関係に沿うように、バンドパスフィルタ70を選択し、バイメタル781を調整する。この実施例2の構成では、図6(A)の説明で前述した実施例1と同様、図1で示した温度検出部16と、バンドパスフィルタ駆動部18と、距離測定制御回路15の機能を一つのバイメタル781で機構的に達成しており、図1で示した波長の調整のために電気的構成が不要となるメリットがある。
以下、図1で示した第1の実施形態の装置の説明に戻る。
図7〜図10を用いて、距離測定制御回路15に付属するROMに焼き付けられたプログラムについて説明する。このプログラムには、距離測定のためのメインプログラムと、温度検出部16で得られた温度に基づいて、バンドパスフィルタ駆動部18を駆動するサブプログラム1と、測定対象物101をスキャンするミラー制御回路14に、受信データ記憶部17の受信データを解析して受信した旨の信号を送るサブプログラム2とを含んでいる(前述、図6の説明参照。)。以下、それぞれ説明する。
図7を用いて、図1の距離測定制御回路15に付属するROMに焼き付けられた距離測定のためのメインプログラムについて説明する。図7は、このメインプログラムのフロー図の一例である(なお、図7ではこのステップを簡略化して示している。)。以下のステップで構成できる。
<ステップ11>投光回路11に投光を指示する。
<ステップ12>受光回路12のデータを受信データ記憶部17に格納するよう指示する。
<ステップ13>投光回路11に投光の停止を指示する。
<ステップ14>投光回路11に投光するよう指示した時刻を受信データ記憶部17に格納するよう指示する(このステップは必ずしも必要ない。)。
<ステップ15>受信データ記憶部17のデータを解析して、受光回路12が受光した時刻を計測する。
<ステップ16>投光回路11に指示した時刻と受光回路12が受光した時刻との時間差に、光速を積算して、光学式レーダ装置1と測定対象物101との距離を測定する。
<ステップ17>インターフェース19を通じて、外部機器110にこの距離を伝達する。
<ステップ12>受光回路12のデータを受信データ記憶部17に格納するよう指示する。
<ステップ13>投光回路11に投光の停止を指示する。
<ステップ14>投光回路11に投光するよう指示した時刻を受信データ記憶部17に格納するよう指示する(このステップは必ずしも必要ない。)。
<ステップ15>受信データ記憶部17のデータを解析して、受光回路12が受光した時刻を計測する。
<ステップ16>投光回路11に指示した時刻と受光回路12が受光した時刻との時間差に、光速を積算して、光学式レーダ装置1と測定対象物101との距離を測定する。
<ステップ17>インターフェース19を通じて、外部機器110にこの距離を伝達する。
なお、これらのメインプログラムのステップは、投光回路11への投光が停止している状態から開始する。また、光学式レーダ装置1の動作中は、ミラー5が揺動している角度範囲の中の予め定めた刻み幅ごとの角度で、常にこれらの動作サイクルを繰り返す。したがって、ミラー5の揺動の周期(例えば50Hz)よりも速い速度で、このサイクルを繰り返す。また、実現可能な限りこれらのステップは、順序が前後していても良い。
図1の距離測定制御回路15で用いる、前述したサブプログラム1について説明する。サブプログラム1は、温度検出部16で得られた温度に基づいて、バンドパスフィルタ駆動部18を駆動するプログラムである。詳細は、図9の説明でさらに具体的に説明するが、ここでは簡潔にこれを説明する。サブプログラム1は、温度検出部16で得られた温度を表すディジタルデータを基にバンドパスフィルタ駆動部18を駆動するための電圧値を決定するものである。そして、このサブプログラム1の動作の目標は、バンドパスフィルタ7の中心波長を発光素子2が照射している光の波長に追従させるようにすることである。
ここで、図8を用いて、このサブプログラム1の構成例について説明する。図8は、このサブプログラム1のフロー図の一例である。図8に示すようにこのサブプログラムは、例えば以下のステップで実現できる(なお、図中では各ステップを簡略化して表示している。)。
<ステップ21>温度検出部16で得られたディジタルデータを温度に変換する。
<ステップ22>発光素子2の温度から発光素子2が照射している光の波長を求める。
<ステップ23>発光素子2が照射している光の波長から、バンドパスフィルタ7に入る光の角度または位置の目標値を決める。
<ステップ24>バンドパスフィルタ駆動部18にステップ23で決定した目標値を与える。
<ステップ22>発光素子2の温度から発光素子2が照射している光の波長を求める。
<ステップ23>発光素子2が照射している光の波長から、バンドパスフィルタ7に入る光の角度または位置の目標値を決める。
<ステップ24>バンドパスフィルタ駆動部18にステップ23で決定した目標値を与える。
なお、距離測定制御回路15のうちこのサブプログラム1に関する部分と、温度検出部16とバンドパスフィルタ駆動部18は、本発明の「透過帯域調整手段」に相当する。
このステップ24で示すように、温度検出部16で得たデータは、バンドパスフィルタ駆動部18で用いるものであり、実装上、内部の計算上では必ずしも、温度[℃]という値を求める必要はない。
また、上記では、サブプログラム1について、説明上ステップ21〜24を設け、温度→光の波長→バンドパスフィルタ駆動部18に与える目標値を順番に求めるような構成としたが、これらは1対1の対応関係にあるから、実装上は、必ずしもこのようにステップを分ける必要はなく、同時に値を求めることができる場合がありうる。
このステップ24で示すように、温度検出部16で得たデータは、バンドパスフィルタ駆動部18で用いるものであり、実装上、内部の計算上では必ずしも、温度[℃]という値を求める必要はない。
また、上記では、サブプログラム1について、説明上ステップ21〜24を設け、温度→光の波長→バンドパスフィルタ駆動部18に与える目標値を順番に求めるような構成としたが、これらは1対1の対応関係にあるから、実装上は、必ずしもこのようにステップを分ける必要はなく、同時に値を求めることができる場合がありうる。
図1の距離測定制御回路15で実施するサブプログラム2は、前述のとおり、測定対象物101をスキャンするミラー制御回路14に、受信データ記憶部17の受信データを解析して受信した旨の信号を送るサブプログラム2である(前述、図6の説明参照。)。このサブプログラム2は、ミラー制御回路14の、測定対象物をスキャンするプログラムが稼働中は、常時所定間隔ごとにタイマを設定して何度も繰り返す。このプログラムは、例えば以下のステップで構成できる。
<ステップ41>受光回路12のデータが記憶された受信データ記憶部17のデータを特定時間ごとに切り出す。
<ステップ42>受光回路12のデータの2乗和をこの特定時間について計算する。
<ステップ43>閾値を決めて、ステップ42で得たデータと比較して大きければ、光が受光素子8に入力されていると判断し、ミラー制御回路14にその旨伝える。
次に、図9を用いて、第1の実施形態の装置について、図6〜図8で説明した距離測定制御回路15の説明を参照しつつ、距離測定制御回路15のサブプログラム1の動作についてさらに具体的に実験値を示して説明する。図9は、発光素子2の温度からバンドパスフィルタ駆動部18に与える目標値を与えるのに必要な対応関係を表す実測値データの一例である。
<ステップ42>受光回路12のデータの2乗和をこの特定時間について計算する。
<ステップ43>閾値を決めて、ステップ42で得たデータと比較して大きければ、光が受光素子8に入力されていると判断し、ミラー制御回路14にその旨伝える。
次に、図9を用いて、第1の実施形態の装置について、図6〜図8で説明した距離測定制御回路15の説明を参照しつつ、距離測定制御回路15のサブプログラム1の動作についてさらに具体的に実験値を示して説明する。図9は、発光素子2の温度からバンドパスフィルタ駆動部18に与える目標値を与えるのに必要な対応関係を表す実測値データの一例である。
図9(A)は、発光素子2の温度と発光素子2により照射される光の波長との関係を表している。横軸が発光素子2の温度[℃]、縦軸が照射される光の波長[nm]を表している。この関係は、上述の発光素子2の温度から発光素子2が照射している光の波長を求めるステップ22の算出に用いる。図9(A)に示すように、温度上昇に伴い、略直線的に照射される光の波長が長くなっているのが分かる。第1の実施形態の装置では、発光素子2から照射された光そのものでなく、この温度と、波長の関係を基にバンドパスフィルタ駆動部18に指示しているから、光学式レーダ装置1の光学系に余計なレンズ等を介在させる必要がない。したがって、光学系の付加により光量が落ちるといった問題を避けることができ、また、構造の単純化、コストダウン、小型化に寄与する。
図9(B)は、バンドパスフィルタ7への光103の入射角とバンドパスフィルタ7の透過率特性との関係を表す図である。横軸が、バンドパスフィルタ7への光103の入射角[deg]、縦軸がバンドパスフィルタ7で透過する波長[nm](これを以後「透過波長」ということにする。)である。図9(B)は、上述の発光素子2が照射している光の波長から、バンドパスフィルタ7に入る光の角度または位置の目標値を決めるステップ23に用いるものであるが、特に、角度により中心波長を調整するバンドパスフィルタ70を用いる場合に利用できる。例えば、前述したバンドパスフィルタ7の実施例1〜4(図2、図3参照。)に用いることができる。ここで、サブプログラム1の目的は、バンドパスフィルタ7の中心波長を発光素子2が照射する光の波長と合わせることであるから、図99(A)で求めた発光素子2が照射している波長を図9(B)の縦軸の値に入れて、これに対応する横軸の値、即ち、バンドパスフィルタ7に入射する角度を求める。この値が目標値であり、上述のステップ23で求める値である。ステップ24では、この値を指令値としてバンドパスフィルタ駆動部18に与える。
なお、図9(B)のグラフが、横軸が入射角[deg]、縦軸が透過波長[nm]としているのは、この関係を求める際には、バンドパスフィルタ7への入射角を決めて、それに対する透過波長を測定するのが簡便であるからである。
また、前述図4、図5で示したようにバンドパスフィルタ71に入射する位置を変えることで透過する光の中心波長を変える場合には、この入射する位置の移動量[mm]と透過波長[nm]との関係の実測値が必要となる。
次に図10を用いて、第1の実施形態の装置に用いるバンドパスフィルタの透過波長の特性について説明する。図10は、この透過波長の特性について第1の実施形態の装置と図15で示した従来形態の装置とを比較した図である。横軸が波長[nm]、縦軸が透過率[%]である。透過波長特性602は、第1の実施形態の装置に用いるバンドパスフィルタの特性であり、透過波長特性601が図15で示した従来形態の装置に用いるバンドパスフィルタの特性である。図10では、中心波長が900[nm]であるバンドパスフィルタを示している。
図10の透過波長特性601に示すように、図15に示す従来形態の装置では、発光素子2の波長のドリフトに対応する手段がなく、広帯域のバンドパスフィルタで構成せざるを得ず、S/N比が十分でなかった。第1の実施形態の装置では、発光素子2の温度を温度検出部16が検出して、距離測定制御回路15内でこの温度とこの発光素子2の照射している光の波長との関係を基に、発光素子2が照射した光の波長に追従するようにしているので、発光素子2で照射した光がバンドパスフィルタ7の帯域外であるという不具合は生じない。したがって、透過波長特性602のように狭帯域でバンドパスフィルタ7を構成できるから、第1の実施形態の装置によれば、よりS/N比が高いフィルタ7を構成できる。
次に、図11、図12を用いて、第1の実施形態の装置の応用に係る第3の実施形態の装置の実施例について説明する。図11は、この実施例についての構成を表す図である。この実施例では、図1〜図10で説明したバンドパスフィルタ7に代わって、プリズム9を用いる点が異なる。図12は、図11の説明のうち、このプリズム9についての詳細図である。以下、図1に示した第1の実施形態の装置と同様の部分は、同一の符号を用いて重複する説明を省略し、以下、この実施例の重要点、図1〜図10で説明した装置との相違点のみを説明する。
図11に示す第3の実施形態の装置の実施例では、距離測定制御回路15で距離測定を行うプロセスは同様である。また、距離測定制御回路15が、前述のサブプログラム1を用いて、温度検出部16で検出したデータに基づいて、プリズム9を制御するようプリズム駆動部180に目標となる角度の指示を与える点も(バンドパスフィルタ駆動部18と名称は異なるが)、図1の実施形態の装置と同様である。
ただし、図11に示す第3の実施形態の装置の実施例ではプリズムを用いており、図10で示した狭帯域のフィルタを構成する点とは相違する。また、このサブプログラム1のうち、ステップ23は、若干の修正が必要である(詳細は図12の説明の後、図13を用いて後述する。)。
図12を用いて、図11で示した実施例について、プリズム9の動作をさらに詳細に説明する。この実施例では、プリズム9を通すと、その透過した光の波長の違いに応じて光の屈折率が異なることを利用するものである。以下具体的に説明する。
図12に示すように、凹レンズで構成された受光レンズ6により平行光に調整した光103は、プリズム9に入射する。プリズム9に入射した光103はその波長に応じて振り分けられ、違った方向に光が進行する。波長がλ1である光106のみが、小さい(2〜3[mm]程度)受光素子8に入射することになり、その他の、波長がλ1でない光107は、受光素子8に入射できない。その結果として特定の波長帯域の光のみを受光素子8に入れることができる。そして、プリズム9を図示しない回転部により回転91を行えば、受光素子8に入射する光の波長帯域を可変とすることができる。したがって、結果的に図10で示したような、透過波長特性602を持つバンドパスフィルタ7を透過したのと同様な効果を奏することができる。
図12に示すように、凹レンズで構成された受光レンズ6により平行光に調整した光103は、プリズム9に入射する。プリズム9に入射した光103はその波長に応じて振り分けられ、違った方向に光が進行する。波長がλ1である光106のみが、小さい(2〜3[mm]程度)受光素子8に入射することになり、その他の、波長がλ1でない光107は、受光素子8に入射できない。その結果として特定の波長帯域の光のみを受光素子8に入れることができる。そして、プリズム9を図示しない回転部により回転91を行えば、受光素子8に入射する光の波長帯域を可変とすることができる。したがって、結果的に図10で示したような、透過波長特性602を持つバンドパスフィルタ7を透過したのと同様な効果を奏することができる。
図13を用いて、図11で示した第3の実施形態の実施例の装置で用いるサブプログラム1について説明する。サブプログラム1は、第1の実施形態の装置と若干異なり、温度検出部16で得られた温度に基づいて、プリズム駆動部180を駆動する。図13は係るサブプログラム1のフロー図の一例である。図1で示したサブプログラム1のステップ23は、第1の実施形態の実施例の装置と一部分異なり、前述のとおり以下の修正が必要である。即ち、
「<ステップ23>発光素子2が照射している光の波長から、バンドパスフィルタ7に入る光の角度または位置の目標値を決める」は、
「<ステップ33>発光素子2が照射している光の波長から、プリズム9に入る光の角度の目標値を決める」に変更する必要がある。
また、「<ステップ24>バンドパスフィルタ駆動部18にステップ23で決定した目標値を与える。」は、
「<ステップ34>プリズム駆動部180にステップ23で決定した目標値を与える。」必要がある。
ここで、ステップ33において、図11、図12の実施例に用いるプリズム9をプリズム駆動部180で駆動するためには、第1の実施形態の装置について表した図9(B)に示す対応関係に相当するデータが必要である。即ち、プリズム9の回転91の角度と、受光素子8で観測される光の波長と関係を予め調べておく必要がある。そして、ステップ23’では、この関係の縦軸(受光素子8で観測される光の波長[nm])から、横軸(プリズム9の回転91の角度[deg])を求めるための近似関数をプログラム化する必要がある。
「<ステップ23>発光素子2が照射している光の波長から、バンドパスフィルタ7に入る光の角度または位置の目標値を決める」は、
「<ステップ33>発光素子2が照射している光の波長から、プリズム9に入る光の角度の目標値を決める」に変更する必要がある。
また、「<ステップ24>バンドパスフィルタ駆動部18にステップ23で決定した目標値を与える。」は、
「<ステップ34>プリズム駆動部180にステップ23で決定した目標値を与える。」必要がある。
ここで、ステップ33において、図11、図12の実施例に用いるプリズム9をプリズム駆動部180で駆動するためには、第1の実施形態の装置について表した図9(B)に示す対応関係に相当するデータが必要である。即ち、プリズム9の回転91の角度と、受光素子8で観測される光の波長と関係を予め調べておく必要がある。そして、ステップ23’では、この関係の縦軸(受光素子8で観測される光の波長[nm])から、横軸(プリズム9の回転91の角度[deg])を求めるための近似関数をプログラム化する必要がある。
図14を用いて、第1、第3の実施形態の装置の応用として使用できる角度の事前設定プロセスを行うサブプログラム3のフローについて説明する。図14は、このフローを表す図である。以上で説明した距離測定制御回路15のサブプログラム1や、ステップ23’の調整を行うためには、発光素子2の温度と、バンドパスフィルタ7の回転角度または光の入射位置(例えば図2〜図5参照。第2、第3の実施形態の装置は除く。)、または図12のプリズム9の回転角度との対応関係(例えば図9(B)に例示。)を予め把握している必要がある(なお、これらの第1、第3の実施形態でバンドパスフィルタ7、プリズム9に設定する回転角度、位置を、以下の説明では、「バンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度」ということにする。)。しかし、発光素子2にもばらつきがあり得、工場出荷前にそれぞれ調整を行うとなると、困難が生じる場合がある。そこで、図14に示すように例えば、以下のフローからなるサブプログラム3を実施する(なお、図14では、このステップを簡略化して示している。)。
<ステップ51>装置の前方の光路を遮断して、外乱光が入らないようにする。この遮断方法としては、モータ等を用いて自動的にシャッタを閉じても良く、手動でシャッタを閉じるよう誘導し、光が遮断されるまで待機することが考えられる。
<ステップ52>時間経過に沿って、温度検出部16は、以下42〜46まで繰り返す上で特定時間ごとに温度データを取得する。距離測定制御回路15は、温度検出部16で得たデータを必ずしも温度[℃]そのものに変換する必要はない。
<ステップ53>距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18に対し、バンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度の端点となる位置に移動するよう目標値を与える。
<ステップ54>距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18に対し、バンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度を、予め定めた刻み幅の角度をインクリメントするよう目標値を与える。
<ステップ55>受光回路12で得たデータが受信データ記憶部17に格納され、受信データ記憶部17のデータを距離測定制御回路15が解析して、受光素子8で得られた光量を測定する。このステップ54、55は、ステップ53で設定した端点と逆側の端点に到達するまで繰り返す。
<ステップ56>このステップ54、55で得た光量のデータの中で最も大きな値を、ステップ52で、温度検出部16が得た値に対応するデータとする。
以上のステップ52〜56は、ステップ53で得られた温度データの値が収束するまで続ける。ステップ52〜56では、温度変化が激しい前の方の時間ほど頻繁に行うのが好ましい。
<ステップ57>ステップ52で温度検出部16が検知した温度と、ステップ56で設定したバンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度とを、受信データ記憶部17に記憶する。
<ステップ52>時間経過に沿って、温度検出部16は、以下42〜46まで繰り返す上で特定時間ごとに温度データを取得する。距離測定制御回路15は、温度検出部16で得たデータを必ずしも温度[℃]そのものに変換する必要はない。
<ステップ53>距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18に対し、バンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度の端点となる位置に移動するよう目標値を与える。
<ステップ54>距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18に対し、バンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度を、予め定めた刻み幅の角度をインクリメントするよう目標値を与える。
<ステップ55>受光回路12で得たデータが受信データ記憶部17に格納され、受信データ記憶部17のデータを距離測定制御回路15が解析して、受光素子8で得られた光量を測定する。このステップ54、55は、ステップ53で設定した端点と逆側の端点に到達するまで繰り返す。
<ステップ56>このステップ54、55で得た光量のデータの中で最も大きな値を、ステップ52で、温度検出部16が得た値に対応するデータとする。
以上のステップ52〜56は、ステップ53で得られた温度データの値が収束するまで続ける。ステップ52〜56では、温度変化が激しい前の方の時間ほど頻繁に行うのが好ましい。
<ステップ57>ステップ52で温度検出部16が検知した温度と、ステップ56で設定したバンドパスフィルタ7の回転角度または位置、またはプリズム9の回転角度とを、受信データ記憶部17に記憶する。
以上、図14のフローのとおり実行してステップ56のデータを作成すれば、サブプログラム1を実行する際に受信データ記憶部17から前述のステップ57で記憶したデータを読み出して、温度検出部16に対する最適なバンドパスフィルタ駆動部18に指示すべ
き角度、位置を求めることができる。
き角度、位置を求めることができる。
以下、図14で示したサブプログラム1の機能を説明する。まず、バンドパスフィルタ7、プリズム9は、上述のとおり特定の波長帯域しか通さない。したがって、温度検出部16で検出した温度のときには、ステップ55を繰り返す中で、ある角度または位置のパターンを距離測定制御回路15が実行して光量が最大となる角度パターンに設定するとき、ステップ54で設定した角度または位置は、図9(A)で示したような温度に対応する波長帯域となるよう、バンドパスフィルタ駆動部18を介してバンドパスフィルタ7を制御していることになる。ここで、ステップ51で外乱光は遮断しているから、受光素子8に到達すべき光の波長は、発光素子2で照射したものである。したがって、前述のステップ56では、発光素子2で照射した光の波長帯域を中心とする光を通すのに適した、バンドパスフィルタ駆動部18に設定すべき角度、位置を求めたことになる。
このようにして、サブプログラム3を実行することにより、温度検出部16で得たディジタルデータに対応するバンドパスフィルタ駆動部18で設定すべき角度が分かれば、温度検出部16での温度変化に応じて、距離測定制御回路15は、この設定角度をバンドパスフィルタ駆動部18に指示するようにして、図8または図13で示したサブプログラム2を実行する。これにより、発光素子2のばらつきに対応して、発光素子2の各温度に応じたバンドパスフィルタ駆動部18に設定すべき値を自動的に求めることができるので、発光素子2で照射する光の波長のドリフトがあっても、バンドパスフィルタ7またはプリズム9は、このドリフトに対応して、狭帯域の波長を通すフィルタとして機能する。
なお、以上の図のいずれかで説明したバンドパスフィルタ駆動部18は、別の構成として、単に指示された電圧を与えるアンプを備え、目標の電圧を出力するよう制御するのみであるとともに、距離測定制御回路15は、バンドパスフィルタ駆動部18を介してバンドパスフィルタ7の角度を検出して、バンドパスフィルタ7またはプリズム9のモータに設定するのに適する目標の電圧値を与えるよう構成してもよい。この場合には、単に目標値との差に比例する電圧を与えるような制御でなく、距離測定制御回路15を用いて、さらに高度な制御も可能である。
1−光学式レーダ装置
2−発光素子
3−投光レンズ
4−受光レンズ
5−ミラー
6−受光レンズ
601−透過波長特性
602−透過波長特性
7−バンドパスフィルタ
70−バンドパスフィルタ
71−バンドパスフィルタ
711−モータ軸
712−モータ
721−回転中心
722−モータ
723−ピニオン歯車
724−歯車
725−鎌状の部材
731−回転中心
732−モータ
733−ウォームホイール
734−ウォーム歯車
741−回転ミラー
742−回転中心
751−モータ
752−ラック歯車
753−ピニオン歯車
754−部材
761−モータ軸
762−モータ
764−ピニオン歯車
765−歯面
771−回転中心
772−回転棒
773−ばね
774−形状記憶合金製ばね
781−バイメタル
781A−金属
781B−金属
8−受光素子
9−プリズム
91−回転
93−入射面
94−出光面
11−投光回路
12−受光回路
13−ミラー駆動部
14−ミラー制御回路
15−距離測定制御回路
16−温度検出部
17−受信データ記憶部
18−バンドパスフィルタ駆動部
180−プリズム駆動部
19−インターフェース
101−測定対象物
103−光
103A−入射する位置
103B−入射する位置
104−光
105−反射光
106−波長がλ1である光
107−波長がλ1でない光
110−外部機器
2−発光素子
3−投光レンズ
4−受光レンズ
5−ミラー
6−受光レンズ
601−透過波長特性
602−透過波長特性
7−バンドパスフィルタ
70−バンドパスフィルタ
71−バンドパスフィルタ
711−モータ軸
712−モータ
721−回転中心
722−モータ
723−ピニオン歯車
724−歯車
725−鎌状の部材
731−回転中心
732−モータ
733−ウォームホイール
734−ウォーム歯車
741−回転ミラー
742−回転中心
751−モータ
752−ラック歯車
753−ピニオン歯車
754−部材
761−モータ軸
762−モータ
764−ピニオン歯車
765−歯面
771−回転中心
772−回転棒
773−ばね
774−形状記憶合金製ばね
781−バイメタル
781A−金属
781B−金属
8−受光素子
9−プリズム
91−回転
93−入射面
94−出光面
11−投光回路
12−受光回路
13−ミラー駆動部
14−ミラー制御回路
15−距離測定制御回路
16−温度検出部
17−受信データ記憶部
18−バンドパスフィルタ駆動部
180−プリズム駆動部
19−インターフェース
101−測定対象物
103−光
103A−入射する位置
103B−入射する位置
104−光
105−反射光
106−波長がλ1である光
107−波長がλ1でない光
110−外部機器
Claims (6)
- 半導体レーザ素子を光源とする、外部に光を照射する投光部と、
前方にある測定対象物で反射した光を受信してこの光を電気信号に変換する受光部と、
前記投光部から光を照射した時から前記受光部で反射光を受信した時までの経過時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測手段と、
前記受光部の前に設けられ、特定の波長の帯域を透過させて前記受光部に光を導くバンドパスフィルタであって、この波長の中心波長が調整可能なバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を前記半導体レーザ素子の温度から推定される前記投光部から照射された光の波長に追従させるよう、前記バンドパスフィルタを調整する透過帯域調整手段と、を備えたことを特徴とする、
光学式レーダ装置。 - 前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度によって、前記バンドパスフィルタを透過する光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに入射する光とバンドパスフィルタのなす角度を変化させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである、
請求項1に記載の光学式レーダ装置。 - 前記バンドパスフィルタは、前記バンドパスフィルタに入射する位置を、光の透過方向と直行する方向に移動することに対応して、前記バンドパスフィルタを透過した光の中心波長が変化するものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記バンドパスフィルタに光が入射する位置を移動させることによって、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである、
請求項1に記載の光学式レーダ装置。 - 請求項2に記載の光学式レーダ装置において、
さらに、前記バンドパスフィルタの前に、反射角度が回転可能な回転ミラーを備え、
前記バンドパスフィルタに透過させる光は、前記回転ミラーの反射光が前記バンドパスフィルタに導かれたものであって、
前記透過帯域調整手段は、前記ミラーを回転させることにより、
前記バンドパスフィルタと入射する光のなす角度を変化させることによって、
バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである、
光学式レーダ装置。 - 前記受光部に光を導く光学系をアフォーカル系として、バンドパスフィルタに導く光を平行光とすることを特徴とする、
請求項1〜4に記載の光学式レーダ装置。 - 請求項2〜4のいずれかに記載の光学式レーダ装置において、
前記透過帯域調整手段は、さらに、
外乱光を遮断した状態で、前記半導体レーザ素子の温度を複数回検出して、その温度の各検出時において、前記受信部で変換された電圧が最大値を示すような、前記バンドパスフィルタとこれに入射する光との入射角または位置関係を検出する検出機能と、
前記温度と前記入射角または位置関係との対応関係を記憶する機能とを備え、
前記透過帯域調整手段は、この対応関係に基づいて、前記バンドパスフィルタを透過させる光の中心波長を調整するものである、
光学式レーダ装置。
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