JP2012255738A - 光学式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学式測定装置において、測定性能を高める。
【解決手段】光学式測定装置１は、第１の受光レンズ１１と、この第１の受光レンズ１１の周囲に配置された環状の第２の受光レンズ１２と、光を検出する光検出器１５と、光学素子１３と、を具備する。この光学素子１３は、第１の受光レンズ１１により受光された光、および第２の受光レンズ１２により受光された光Ｌ１，Ｌ２を光検出器１５に導光する導波路１３ａを含む。この導波路１３ａは、光を反射する反射面１３ｂで形成され、光検出器１５に近づくほど断面積が小さくなる。
【選択図】図２

Description

本明細書で論じる実施態様は、光を検出することにより測定を行う光学式測定装置に関する。

図６および図７に示すように、光学式測定装置２００は、例えば、車両１００の前端中央に配置され、前方車両である測定対象物３００との距離を測定する。
光学式測定装置２００は、レーザ発振器２０１と、ポリゴンミラー２０２と、受光レンズ２０３と、光検出器２０４と、筐体２０５とを備える。

レーザ発振器２０１は、レーザ光Ｌ１１を照射する。
ポリゴンミラー２０２は、回転しながら、外周面においてレーザ光Ｌ１１を反射させる。

受光レンズ２０３は、筐体２０５の表面に配置され、測定対象物３００において反射した散乱光であるレーザ光Ｌ１２を受光する。
光検出器２０４は、受光回路２０４ａを有し、受光レンズ２０３から入射するレーザ光Ｌ１２を検出する。

また、光学式測定装置としては、側方から入射する光を外側に反射させて受光素子に受光させるレンズを用いた光学式測定装置がある。

特開平５−３３２８２２号公報 特開２００９−２２９４６２号公報 特開２００５−２５９８２４号公報

ところで、図７に示すような光学式測定装置２００は、受光レンズ２０３がシングレット（一枚構成）の単純なものであるため、図８に示すように入射光軸Ａからの傾きθが大きい、側方から入射する光は、光検出器２０４の受光領域から外れる場合が生じる。

然るに、光検出器の受光領域から反射光が外れることは、計測信号のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を劣化させ、例えば距離などの測定結果に誤差を誘引する要因となる。
また、上述の光学式測定装置のうち、側方から入射する光を外側に反射させて受光素子に受光させるレンズを用いた光学式測定装置では、レンズに側方から入射する光を確実に光検出器に反射させるのは困難である。

本明細書で開示する光学式測定装置は、測定性能を高めることができるようにする。

本明細書で開示する光学式測定装置は、第１の受光レンズと、この第１の受光レンズの周囲に配置された環状の第２の受光レンズと、光を検出する光検出器と、光学素子と、を具備する。上記光学素子は、上記第１の受光レンズにより受光された光、および上記第２の受光レンズにより受光された光を上記光検出器に導光する導波路を含む。この導波路は、光を反射する反射面で形成され、上記光検出器に近づくほど断面積が小さくなる、

本明細書で開示する光学式測定装置によれば、測定性能を高めることができる。

一実施の形態に係る光学式測定装置を示す概略構成図である。 一実施の形態に係る光学式測定装置を説明するための説明図である。 一実施の形態における光学素子を示す断面図である。 一実施の形態における第２の受光レンズを示す平面図である。 一実施の形態における第２の受光レンズを示す断面図である。 一実施の形態に係る光学式測定装置を備える車両を示す平面図である。 参考技術に係る光学式測定装置を備える車両を示す平面図である。 参考技術に係る光学式測定装置を示す概略構成図である。 参考技術に係る光学式測定装置を説明するための説明図である。

以下、実施の形態に係る光学式測定装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施の形態に係る光学式測定装置１を示す概略構成図である。
図１に示す光学式測定装置１は、第１の受光レンズ１１と、第２の受光レンズ１２と、光学素子１３と、集光レンズ１４と、光検出器１５と、筐体１６と、照射部２０と、を具備する。後述するが、光学式測定装置１は、例えば、図５に示す車両（移動体）１００である測定対象物からの反射光を検出することで、測定対象物までの距離を測定する。なお、集光レンズ１４としては、例えば、両凸レンズや、平凸レンズが採用される。

第１の受光レンズ１１は、図２に示すように、例えば、筐体１６の表面から突出した位置において、主に正面からの光Ｌ１を受光する。第１の受光レンズ１１は、正面部１１ａが凸形状を呈し、背面部１１ｂが凹形状を呈するメニスカスレンズであるが、他の形状とすることも可能である。

図４Ａおよび図４Ｂに示す第２の受光レンズ１２は、環状を呈し、第１の受光レンズ１１の周囲に配置されている。本実施の形態では、第２の受光レンズ１２は、前後方向（入射光軸Ａの方向）の長さが第１の受光レンズ１１よりも短いが、第２の受光レンズ１２の前端は、前後方向の位置が第１の受光レンズ１１の前端の位置と一致する。

第２の受光レンズ１２は、図２に示すように、主に側方からの光Ｌ２を受光する。第２の受光レンズ１２は、例えば、外周面１２ａから入射する光Ｌ２を、内周面１２ｂにおいて光学素子１３に向けて反射させる。

第２の受光レンズ１２の外周面１２ａは、例えば円環面である。内周面１２ｂは、例えば、正面側の前端開口部１２ｃから背面側の後端開口部１２ｄにかけて、光学素子１３に近づくほど径が小さくなる円錐面である。なお、後端開口部１２ｄは、外周面１２ａの後端よりも正面側に奥まって位置している。第２の受光レンズ１２は、他の形状とすることも可能である。

集光レンズ１４は、正面部１４ａおよび背面部１４ｂの両方が凸形状を有し、第１の受光レンズ１１から入射する光Ｌ１を光学素子１３に出射する。集光レンズ１４は、省略することも可能である。また、集光レンズ１４以外の１つ以上のレンズ、又は集光レンズ１４を含む複数のレンズを、第１の受光レンズ１１および第２の受光レンズ１２と光学素子１３との間に配置してもよい。

図３に示す光学素子１３は、第１の受光レンズ１１から集光レンズ１４を介して間接的に入射する光Ｌ１、および第２の受光レンズ１２から入射する光Ｌ２を光検出器１５に導光する導波路１３ａを含む。

導波路１３ａは、例えば外周面に位置し光Ｌ１，Ｌ２を反射（例えば全反射）する全反射面（反射面の一例）１３ｂで形成され、光検出器１５に近づくほど例えば内径が小さくなることで断面積が小さくなるホーン型形状を呈する。なお、導波路１３ａは、全反射面１３ｂが円錐面である場合のように断面積が一定割合で小さくなるようにしてもよいが、光検出器１５に近づくほど断面積が緩やかに小さくなるようにすることが望ましい。

光学素子１３は、前端に位置する径が一定の前端外周面１３ｃ以外の部分では、光検出器１５に近づくほど断面積が小さくなる。そのため、本実施の形態では、導波路１３ａは、光学素子１３のうち前端外周面１３ｃよりも下方の部分の全体である。

なお、導波路１３ａが中空になっていたり他の部材からなるようにしたりしてもよい。また、全反射面１３ｂは、塗膜等されてもよいし、光学素子１３の内部に形成されてもよい。

本実施の形態の光学素子１３の前後方向の長さＨは、例えば３０ｍｍ〜６０ｍｍ程度であるが、これよりも大きくすることも小さくすることも可能である。

光検出器１５は、第１の受光レンズ１１および第２の受光レンズ１２からの収束光Ｌ１，Ｌ２を受光する。光検出器１５は、飛行時間計測法を用いた時間測定や画像の２値化を行う受光回路１５ａを有し、例えば測定対象までの距離を検出する。

例えば、受光回路１５ａ（光学式測定装置１）は、後述する光照射部２０が光を照射してから光検出器１５が反射光を検出するまでに要した時間を用いて、測定対象までの距離を測定する。

なお、光検出器１５やその受光範囲の大きさＷ（１辺の長さ或いは径）は、例えば数ｍｍ〜数１０ｍｍ程度であるが、これよりも大きくすることも小さくすることも可能である。また、光検出器１５は、距離ではなく、対称物の位置、形状などの他の要素を測定するものでもよい。

照射部２０は、半導体レーザダイオード２１と、コリメータレンズ２２と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー２３と、集光レンズ２４ａおよびメニスカスレンズ２４ｂを有する走査拡大レンズ群２４とを含む。

半導体レーザダイオード２１は、例えば光モニタ回路付きのパルス発光回路２１ａにより発光制御されてパルス光Ｌ０を発光する。
コリメータレンズ２２は、半導体レーザダイオード２１から出射されたパルス光Ｌ０を略平行光に変換する。

ＭＥＭＳミラー２３は、ＭＥＭＳ駆動回路２３ａにより揺動制御され、コリメータレンズ２２により変換された略平行光を反射させ、数１０度の範囲で走査する。走査拡大レンズ群２４は、集光レンズ２４ａと、この集光レンズ２４ａから出射される光が凹面側から入射するメニスカスレンズ２４ｂとで、さらに走査角を拡大させる。

なお、光学式測定装置１は、照射部２０を備えず、他の装置の照射部により照射される光の反射光、或いは太陽光の反射光などを測定するようにしてもよい。

以下、本実施の形態に係る光学式測定装置１の動作について、上述の説明と重複する点については適宜省略しながら説明する。

上述の光学式測定装置１は、例えば、図５に示す移動体である車両１００の前後左右の計４箇所に配置される場合もあるし、前方部 FRONTだけ、また後方部BACKだけに配置される場合もある。

図１に示すように、照射部２０の半導体レーザダイオード２１により発光されたパルス光Ｌ０は、コリメータレンズ２２により略平行光に変換される。この略平行光は、揺動制御されるＭＥＭＳミラー２３において反射し、数１０度の範囲で走査され、走査拡大レンズ群２４によって広範囲に走査される。

上述のように照射されたレーザ光は、図６に示す車両１００において反射して散乱光となり、図２に示すように第１の受光レンズ１１及び第２の受光レンズ１２に入射する（レーザ光Ｌ１，Ｌ２）。

第１の受光レンズ１１及び第２の受光レンズ１２に入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、直接或いは集光レンズ１４を介して間接的に光学素子１３に入射する。

光学素子１３に入射した光Ｌ１，Ｌ２は、全反射面１３ｂで形成された導波路１３ａにおいて反射しながら光検出器１５に導光され、光検出器１５により検出される。そして、光検出器１５は、検出した光から測定対象物との距離を計測する。

ところで、レーザ光を用いた測距技術の測距可能範囲は、測定対象物に当たって帰って来たレーザ光が受光レンズにて屈折した場合に、屈折光が光検出器１５に到達する範囲である。本実施の形態では、光学素子１３に入射する光Ｌ１，Ｌ２は、導波路１３ａ内にて全反射しながら光検出器１５方向へ進むとともに、光検出器１５方向へ収束するため、広い範囲（入射光軸Ａからの傾きθがほぼ９０度）から入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２を光検出器１５で検出することができる。つまり、測距可能範囲が広がる。

以上説明した本実施の形態では、光学素子１３は、第１の受光レンズ１１により受光された光、およびその周囲に配置された環状の第２の受光レンズ１２により受光された光Ｌ１、Ｌ２を光検出器１５に導光する導波路１３ａを含む。この導波路１３ａは、光Ｌ１，Ｌ２を全反射する全反射面１３ｂで形成され、光検出器１５に近づくほど断面積が小さくなる。そのため、側方からの光Ｌ２も十分に受光することが可能となり、例えば距離測定用の信号品質が向上し、測定結果の誤差を低減することが可能となる。よって、本実施の形態によれば、測定性能を高めることができる。

また、単一の光検出器１５で光Ｌ１，Ｌ２を受光することで、浮遊容量が減り、計測信号の帯域が延び信号品質向上に寄与することも可能となる。

また、光学式測定装置１が飛行時間計測法を用いた距離計測を行う場合、光量を受光できれば、結像性能（収差等）を考慮せずに光学系を配置することができる。そのため、枚数の多い、非球面形状を有するレンズ等を配置しなくともよくなり、設計の自由度や構造の簡素化にも寄与することが可能となる。

なお、全反射面１３ｂで一回だけ反射する光線と二回以上反射する光線とでは、光検出器１５に到達するまでの光路長が変わる分、光の飛行距離が変わるので飛行時間、すなわち、測定対象物までの距離が異なることになる。

しかし、光学素子と測定対象物との間に例えば数ｍ〜１００ｍ程度の距離がある場合、例えば数ｍｍ〜数ｃｍの径の光学素子１３内を複数回反射するような光路差は、数ｍ〜１００ｍというオーダーと比較すると無視できる距離差である。光学式測定装置１と測定対象物１００が大きい場合でも、光路差の影響を無視した測定が可能となる。

また、本実施の形態では、導波路１３ａの断面積は、光検出器１５に近づくほど緩やかに小さくなる。そのため、光学素子１３が受光した光をより確実に光検出器１５に導光することができ、したがって、測定性能をより一層高めることができる。

また、本実施の形態では、全反射面１３ｂは、光学素子１３の外周面に形成されている。そのため、簡素な構成で測定性能を高めることができる。

また、本実施の形態では、第２の受光レンズ１２は、内周面１２ｂの径が光学素子１３に近づくほど小さくなり、外周（外周面１２ａ）から入射する光を内周面１２ｂにおいて光学素子（１３）に向けて反射させる。そのため、第２の受光レンズ１２の受光範囲が広がり、測定性能をより一層高めることができる。

また、本実施の形態の光学式測定装置１は、測定対象に光を照射する光照射部２０を具備し、光検出器１５は、光照射部２０が測定対象に照射した光の反射光を検出し、光学式測定装置１受光回路１５ａは、光照射部２０が光を照射してから光検出器１５が反射光を検出するまでに要した時間を用いて、測定対象までの距離を測定する。そのため、距離測定性能を高めることができる。

１ 光学式測定装置
１１ 第１の受光レンズ
１１ａ 正面部
１１ｂ 背面部
１２ 第２の受光レンズ
１２ａ 外周面
１２ｂ 内周面
１２ｃ 前端開口部
１２ｄ 後端開口部
１３ 光学素子
１３ａ 導波路
１３ｂ 全反射面
１３ｃ 前端外周面
１４ 集光レンズ
１４ａ 正面部
１４ｂ 背面部
１５ 光検出器
１５ａ 受光回路
１６ 筐体
２０ 照射部
２１ 半導体レーザダイオード
２１ａ パルス発光回路
２２ コリメータレンズ
２３ ＭＥＭＳミラー
２３ａ ＭＥＭＳ駆動回路
２４ 走査拡大レンズ群
２４ａ 集光レンズ
２４ｂ メニスカスレンズ
１００ 車両

Claims (4)

1. 第１の受光レンズと、
   前記第１の受光レンズの周囲に配置された環状の第２の受光レンズと、
   光を検出する光検出器と、
   前記第１の受光レンズにより受光された光、および前記第２の受光レンズにより受光された光を前記光検出器に導光する導波路を含む光学素子と、
   を具備し、
   前記導波路は、光を反射する反射面で形成され、前記光検出器に近づくほど断面積が小さくなる、
   ことを特徴とする光学式測定装置。
2. 請求項１記載の光学式測定装置において、
   前記反射面は、前記光学素子の外周面に形成されている、
   ことを特徴とする光学式測定装置。
3. 請求項１記載の光学式測定装置において、
   前記第２の受光レンズは、内周面の径が前記光学素子に近づくほど小さくなり、外周から入射する光を前記内周面において前記光学素子に向けて反射させる、
   ことを特徴とする光学式測定装置。
4. 請求項１記載の光学式測定装置において、
   測定対象に光を照射する光照射部を更に具備し、
   前記光検出器は、前記光照射部が前記測定対象に照射した光の反射光を検出し、
   前記光学式測定装置は、前記光照射部が前記光を照射してから前記光検出器が前記反射光を検出するまでに要した時間を用いて、前記測定対象までの距離を測定する、
   ことを特徴とする光学式測定装置。