JP2023085576A - 測距装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化が可能で、かつレーザ光の安全基準を満たしつつ、距離計測範囲を広げることが可能な測距装置を提供する。【解決手段】測距装置1は、二次元状に光を射出する投光部2と、二次元方向に配置された複数の受光素子9を有する受光部3と、前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える。前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備えてもよい。【選択図】図1
Description
本開示は、測距装置に関する。
自動運転や顔認証、デプス情報検出などのために、レーザ光を用いて非接触で距離計測を行う技術(例えば、LiDAR:Light Detection And Ranging)が注目されている。距離計測を行うには、できるだけ広範囲の光を受光できるのが望ましい。このため、受光系に反射ミラーを設けて、広い範囲の光を受光できるようにするToF(Time of Flight)センサが開発されている。
最近は、スマートフォンなどでも、顔認証やデプス情報検出等を目的としてToFセンサを用いて距離計測を行う例が増えている。スマートフォンなどの携帯機器では、実装面積が限られていることから、ToFセンサをできるだけ小型化する必要がある。
例えば、特許文献1に開示された装置では、投光系と受光系で共通のMEMSミラーを用いることで、光学構成を小型化している。
しかしながら、MEMSミラーは振れ角が小さく、受光量を増やせないことから、距離計測範囲が狭くなる上に、ノイズ光との識別ができにくくなることから、距離計測精度が低下するという問題がある。また、二次元方向にレーザ光をスキャンさせることができるMEMSミラーは、振れ角が小さい上に高価であり、コスト的に採用が難しい。
MEMSミラーに入射されるレーザ光の光強度を高くすることも考えられるが、レーザ光の安全基準を満たさなくなるおそれがある。
一方、ポリゴンミラー等の光学ミラーは、振れ角を大きくできるが、小型化するのが困難であり、車載信頼性についても懸念が残る。
そこで、本開示では、小型化が可能で、かつレーザ光の安全基準を満たしつつ、距離計測範囲を広げることが可能な測距装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本開示によれば、二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置が提供される。
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置が提供される。
前記投光部は、第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第2方向に走査させてもよい。
前記複数の受光素子は、前記第1方向及び前記第2方向に配置されており、
前記制御部は、前記第1方向、及び第2方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させてもよい。
前記制御部は、前記第1方向、及び第2方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させてもよい。
前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーと、を有してもよい。
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーと、を有してもよい。
前記MEMSミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を1次元方向に制御してもよい。
前記投光部は、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有してもよい。
前記光方向変更部材で反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であってもよい。
前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。
前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御してもよい。
前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第1投光器及び第2投光器を有し、
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第2方向に走査させてもよい。
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第2方向に走査させてもよい。
前記第1投光器及び前記第2投光器は、前記第1投光器から前記第1方向に延びる線状光と、前記第2投光器から前記第1方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置されてもよい。
前記受光部は、前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置されてもよい。
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMSミラーと、を有してもよい。
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMSミラーと、を有してもよい。
2つの前記MEMSミラーを結ぶ線分の中心線に沿って100mmの位置での前記第1投光器に向かう方向と前記第2投光器に向かう方向との為す角度は、100mrad以上であってもよい。
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有してもよい。
前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーであってもよい。
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。
前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記MEMSミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させてもよい。
前記MEMSミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させてもよい。
前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記MEMSミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転されてもよい。
前記MEMSミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転されてもよい。
前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備えてもよい。
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備えてもよい。
以下、図面を参照して、測距装置の実施形態について説明する。以下では、測距装置の主要な構成部分を中心に説明するが、測距装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。
図1は一実施形態による測距装置1の要部の構成を示す図、図2は一実施形態による測距装置1の概略構成を示すブロック図である。
図1及び図2に示すように、一実施形態による測距装置1は、投光部2と、受光部3と、制御部4とを備えている。測距装置1は、投光部2と、受光部3と、制御部4を一つの基板又は筐体に実装又は収納してもよいし、別々の基板又は筐体に実装又は収納してもよい。より具体的には、例えば、投光部2と受光部3を含む基板又は筐体と、制御部4を含む基板又は筐体を別個に設けてもよい。
投光部2は、二次元状に光を射出する。射出する光は、例えば、位相及び周波数が揃ったコヒーレント光、すなわちレーザ光である。投光部2は、例えば複数設けられている。図1及び図2では、X方向に沿って間隔を置いて2つの投光部2(第1投光器LD1と第2投光器LD2)を設ける例を示している。2つの投光部2の内部構成は同じである。
投光部2は、光源部5と、投光光学系6と、MEMSミラー7とを有する。光源部5は、レーザ光を射出する。本実施形態では、光源部5が複数チャネルのレーザ光源を有する例を説明する。各チャネルのレーザ光源は、発光及び消灯のタイミングを個別に制御することができる。各チャネルのレーザ光源は、一方向に配置されており、各チャネルのレーザ光源から射出されたレーザ光の光跡は、線状光5a、5bになる。本実施形態では、線状光5a、5bの方向がX方向である例を説明する。
投光光学系6は、光源部5から射出されたレーザ光を所望の広がり角に成形する一つ又は複数のレンズで構成されている。投光光学系6で成形されたレーザ光は、MEMSミラー7に入射される。
MEMSミラー7は、一次元方向にレーザ光を走査する。光源部5におけるレーザ光源の配置方向とは異なる方向(例えば直交する方向)にMEMSミラー7でレーザ光を走査させることで、投光部2はレーザ光を二次元状に射出することができる。本実施形態による投光部2は、二次元方向にレーザ光を走査させる高価なMEMSミラー7を用いることなく、二次元状に光を射出できるため、投光部2のコストを低減できる。MEMSミラー7は、所定方向に延びる回転軸を有し、この回転軸周りにミラー面を回転させることで、光源部5から射出された線状光を一次元方向(例えば、図1のZ方向)に走査させる。
受光部3は、受光光学系8と、二次元方向に配置された複数の受光素子9を有する。受光光学系8は、投光部2から射出されたレーザ光が対象物10で反射されて生成される反射光を通過させる。受光光学系8を通過した反射光は、受光部3に入射される。受光部3は、例えばSPAD(Single Photon Avalanche Diode)であってもよい。SPADでは、アバランシェダイオードを、ゲインが無限大になるガイガーモードで動作させるものであり、微弱な光でも検出することができる。
また、受光部3は、イメージセンサであってもよい。イメージセンサは、CMOS(Complimentary Metal-Oxide Sensor)センサでもよいし、CCD(Charge Coupled Device)センサでもよい。
図2に示す制御部4は、複数の受光素子9で受光を行うか否かを制御する。例えば、複数の受光素子9が図1に示すように第1方向(X方向)と第2方向(Z方向)に配置されている場合、制御部4は、第2方向に配置された複数の受光素子列を順次に切り替えて受光させる。例えば、制御部4は、図1のZ方向の負側から正側にかけて、各受光素子列を順次に切り替えて、反射光を受光する。図1では、受光を行う受光素子列を太線で示している。
制御部4は、受光部3の受光タイミングを制御することに加えて、投光部2から射出されるレーザ光の射出タイミングと、MEMSミラー7の走査タイミングを制御する。図1に示すように、制御部4は、複数のレーザ光源から射出されるレーザ光の射出タイミングを制御することで、投光部2から射出されるレーザ光の射出方向をX方向に沿って制御でき、X方向に延びる線状光を生成できる。また、制御部4は、MEMSミラー7の走査タイミングを制御することで、線状光をZ方向に走査させることができる。さらに、制御部4は、複数の受光素子9の受光タイミングを制御することで、X方向、又はZ方向に配置された複数の受光素子列を順次に切り替えて反射光を受光させることができる。
この他、本実施形態による測距装置1は、図2に示すように、駆動部11と、測距部12とを備えている。
駆動部11は、制御部4の制御の下で光源部5を駆動する。駆動部11は、発光させるレーザ光源に電源電圧を供給して、レーザ光源を発光させる。また、駆動部11は、消灯させるレーザ光源への電源電圧の供給を停止する。
測距部12は、受光部3の受光結果に基づいて、対象物10までの距離を計測するとともに、距離画像を生成する。すなわち、測距部12は、投光部2がレーザ光を射出したタイミングと、そのレーザ光に対応する反射光を受光部3が受光したタイミングとの時間差に基づいて、対象物10までの距離を計測する。また、測距部12は、対象物10までの距離に応じて色や濃淡度合いを変えた距離画像を生成する。
なお、受光部3がイメージセンサの場合、図2では不図示の画像処理部を設けて、画像処理部で画像処理された画像データに基づいて測距部12は対象物10までの距離を計測してもよい。
図1に示すように、本実施形態では、2つの投光部2から射出された線状光5a、5b同士が一部重なり合うようにしている。線状光5a、5b同士が重なり合う領域では、レーザ光の光強度が高くなるため、遠距離までの距離計測が可能になる。一部の領域だけについて光強度を高めるようにしたのは、レーザ光の安全基準を満たすようにするためである。レーザ光の安全基準は、国又は地域ごとに異なっており、レーザ光の波長、光強度、連続照射時間などについての制限事項を規定している。本実施形態では、2つの投光部2から所定間隔でパルス状のレーザ光を照射し、レーザ光のパルス幅、すなわち連続照射時間等についてレーザ光の安全基準を満たすようにしている。また、各レーザ光パルスの光強度もレーザ光の安全基準を満たすようにしている。このように、レーザ光の安全基準を満たすレーザ光パルスを2つの投光部2から射出する一方で、2つの投光部2から射出された線状のレーザ光同士が一部の領域で重なるようにすることで、重なり合う領域でのレーザ光強度を高めている。レーザ光の強度が高いほど、ノイズ光との識別が容易になり、より遠方に位置する対象物10までの距離計測を高い識別率で行うことができる。
図3は投光部2及び受光部3の斜視図である。また、図4Aは投光部2及び受光部3の上面図、図4Bは投光部2及び受光部3をX方向の正側(図4Aの右側)から負側(図4Aの左側)を見た側面図である。
図3に示すように、2つの投光部2は、X方向に沿って間隔を隔てて配置されている。受光部3は、2つの投光部2から略等距離の位置に配置されている。より具体的には、受光部3は、2つの投光部2のX方向の間隔の中点を通ってY方向に延びる中心線に沿って配置されている。受光部3は、必ずしも上述した中心線上に配置されている必要はないが、2つの投光部2から等距離の位置に配置するのが望ましい。
図3に示すように、投光部2は、MEMSミラー7で反射されたレーザ光の進行方向を変更する折り返しミラー(光方向変更部材)13を有していてもよい。折り返しミラー13は、MEMSミラー7で反射されたレーザ光を対象物10の方向に進行させるために設けられている。折り返しミラー13のミラー面は固定であり、このミラー面に入射された光は、ミラー面の法線方向に対する入射方向に応じた方向に反射される。
図4A及び図4Bに示すように、光源部5は第1基板31上に配置され、MEMSミラー7は第2基板32上に配置され、受光部3は第3基板33上に配置されている。測距装置1の正面パネル14には、図4A及び図4Bに示すように、投光部2からのレーザ光を射出する第1開口部14aと、対象物10からの反射光を受光部3で受光するための第2開口部14bが設けられている。投光部2と受光部3は、一体のモジュールとして共通の筐体に収納されてもよい。
図4Bに示すように、光源部5から射出されたX方向に延びる線状のレーザ光は、MEMSミラー7にて一方向に走査されて、折り返しミラー13で光進行方向が切り替えられて投光部2から射出される。このレーザ光が対象物10で反射されて生成された反射光は、図4Bに示すように、Y方向に進行して受光部3にて受光される。
光源部5から射出されるレーザ光のビーム形状は円形ではなく、楕円形状である。このため、MEMSミラー7を回転させる向きによっては、MEMSミラー7へのレーザ光の投影面積は小さくなり、反射される光強度は低下してしまい、遠方での物体識別率が低下するおそれがある。
図5は光源部5からMEMSミラー7に入射されるレーザ光のビームスポットbsの短軸方向がMEMSミラー7の回転軸j1に略平行な例を示している。この場合、MEMSミラー7を回転軸j1周りに回転させると、図示のように、MEMSミラー7へのレーザ光の投影面積は小さくなり、反射される光強度は低下してしまう。
MEMSミラー7における光強度の低下を抑える方法として、光源部5から射出されるレーザ光のビーム形状の向きを90度回転させる、あるいは、MEMSミラー7の回転軸j1を90度回転させる方法が考えられる。しかしながら、受光素子列との方向を合わせるため、光源部5の回転方向はX軸方向にレーザの複数チャネルが並んだ方向で使わざるを得ない。同様に、MEMSミラー7の回転軸j1についても、Z方向にレーザ光を走査させる必要があるため、回転軸j1はX軸とせざるを得ない。すなわち、MEMSミラー7の面上において横長のビームとなるように光源部5、あるいは、MEMSミラー7を回転させることは出来ない。
このような制約がある中、MEMSミラー7で反射される光成分を最大限多くするには、MEMSミラー7を可能な限り光源部5に近づけ、かつ、レーザ光をMEMSミラー7に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。
この理由について説明する。MEMSミラー7は、微細加工で形成されるため、光を反射可能なミラー面の面積を大きくするのは難しい。また、レーザ光は広がり角を持つため、距離に応じてレーザ光サイズは大きくなる。このため、光源部5から離れた位置にMEMSミラー7を配置すると、MEMSミラー7で反射できない光成分が増えてしまい、光の利用効率が低下してしまう。そこで、光源部5にできるだけ近づけてMEMSミラー7を配置するのが望ましい。同様に、レーザ光のMEMSミラー7への投影面積を可能な限り大きくすることで、MEMSミラー7で反射される光成分は増え、これにはレーザ光をMEMSミラー7に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。
MEMSミラー7における光強度の低下を抑える方法として、光源部5から射出されるレーザ光のビーム形状の向きを90度回転させる、あるいは、MEMSミラー7の回転軸j1を90度回転させる方法が考えられる。しかしながら、受光素子列との方向を合わせるため、光源部5の回転方向はX軸方向にレーザの複数チャネルが並んだ方向で使わざるを得ない。同様に、MEMSミラー7の回転軸j1についても、Z方向にレーザ光を走査させる必要があるため、回転軸j1はX軸とせざるを得ない。すなわち、MEMSミラー7の面上において横長のビームとなるように光源部5、あるいは、MEMSミラー7を回転させることは出来ない。
このような制約がある中、MEMSミラー7で反射される光成分を最大限多くするには、MEMSミラー7を可能な限り光源部5に近づけ、かつ、レーザ光をMEMSミラー7に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。
この理由について説明する。MEMSミラー7は、微細加工で形成されるため、光を反射可能なミラー面の面積を大きくするのは難しい。また、レーザ光は広がり角を持つため、距離に応じてレーザ光サイズは大きくなる。このため、光源部5から離れた位置にMEMSミラー7を配置すると、MEMSミラー7で反射できない光成分が増えてしまい、光の利用効率が低下してしまう。そこで、光源部5にできるだけ近づけてMEMSミラー7を配置するのが望ましい。同様に、レーザ光のMEMSミラー7への投影面積を可能な限り大きくすることで、MEMSミラー7で反射される光成分は増え、これにはレーザ光をMEMSミラー7に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。
図6は投光部2内のレーザ光の進行方向を示す図である。図6に示すように、投光部2内では、レーザ光は、逆Z字形状にジグザグに進行する。より具体的には、光源部5から射出されたレーザ光の光路はMEMSミラー7で変更され、次に、折り返しミラー13で再度変更される。折り返しミラー13を設けることで、光源部5から射出されたレーザ光の方向と同じ方向(Y方向)に投光部2からレーザ光を射出することができる。
投光光学系6の直後にMEMSミラー7を設け、かつ、レーザ光をMEMSミラー7に対して可能な限り垂直入射させるように配置することで、光の利用効率の低下を抑制しつつ、X方向に延びる線状のレーザ光をZ方向に走査させることができる。しかしながら、これだけでは、対象物10の方向に進行させることができない。そこで、位置が固定の折り返しミラー13を設けて、レーザ光の向きを変更させて、対象物10の方向にレーザ光を進行させる。上記理由により、逆Z字形状で折り返す構造とした。
図7は投光部2と受光部3の位置関係を説明する図である。2つの投光部2のX方向における間隔は、例えば88mm前後である。受光部3は、2つの投光部2を結ぶ線分の中心線上に配置されている。走査中心であるMEMSミラー7の前方100mmの位置での2つの投光部2同士の為す角度が100mrad以上である場合、影響が大きい1つの投光部2のみをレーザ光の安全基準の対象とすれば良いことが定められている。そこで、本実施形態では、2つの投光部2の間隔を88mmとし、MEMSミラー7の前方100mmの位置での2つの投光部2同士の為す角度を100mrad以上としている。
レーザ光の射出タイミングについても、レーザ光の安全基準で規定されている以下の1)と2)を準拠したものが望ましい。
1)所定期間5μs以内に複数のレーザ光パルスを同一箇所に射出する場合は、これら複数のレーザ光パルスを合算して一つのパルスとしてみなす。すなわち、5μs以内に複数のレーザ光パルスを同一箇所に射出する場合は、最初のレーザ光パルスが射出を開始してから、最後のレーザ光パルスの射出が終了するまでの期間を連続照射時間とみなす。よって、同一箇所に射出されるレーザ光パルスの間隔は、所定期間5μs以上であることが望ましい。
2)レーザ光が目の中を連続して通過する時間が放出持続時間となる。よって、レーザ光が目の中を連続して通過しないように、頻繁にレーザ光を目の外にそらすことが望ましい。
上記1)と2)に示すレーザ光の安全基準を準拠し、本実施形態では、図8及び図9に示すような射出タイミングで2つの投光部2からレーザ光を射出する。
図8は2つの投光部2から射出されるレーザ光の射出タイミングの一例を示す波形図である。本明細書では、2つの投光部2を第1投光器LD1と第2投光器LD2と呼ぶことがある。一方の投光部2(第1投光器LD1)のch4のレーザ光の射出タイミングと、他方の投光部2(第2投光器LD2)のch1のレーザ光の射出タイミングは同一である。図8では、9μsごとに、第1投光器LD1のch4のレーザ光と、第2投光器LD2のch1のレーザ光がそれぞれ射出されている(時刻t1、t4、t7、t10)。第1投光器LD1のch4のレーザ光と、第2投光器LD2のch1のレーザ光は、重複する領域に射出される。
それ以外のチャネルのレーザ光の射出タイミングは、3μsごとにずれている。例えば、第1投光器LD1のch1のレーザ光は時刻t2に射出され、その3μs後の時刻t3に第1投光器LD1のch2のレーザ光が射出され、その6μs後の時刻t5に第1投光器LD1のch3のレーザ光が射出される。また、第2投光器LD2のch2のレーザ光は時刻t6に射出され、その6μs後の時刻t8に第2投光器LD2のch3のレーザ光は時刻t8に射出され、その3μs後の時刻t9に第2投光器LD2のch4のレーザ光が射出される。第1投光器LD1のch4以外のチャネルのレーザ光と、第2投光器LD2のch1以外のチャネルのレーザ光は、2つの線状光が重複しない領域に射出される。
図8を見ればわかるように、第1投光器LD1のch4と第2投光器LD2のch1の各レーザ光は、他のチャネルのレーザ光よりも照射回数を多くしている。第1投光器LD1のch4と第2投光器LD2のch1の各レーザ光は、図1に示すように、2つの線状光5a、5bが重なる領域に射出される。そこで、この領域内でのレーザ光の照射回数を増やすことで、レーザ光の光強度を高めることができ、S/N比が向上して、検知可能距離を長距離化することができる。
図9は光源部5内の複数のレーザ光源が発光する順序を数字で表した図である。図9の右側の4つの円は、第1投光器LD1のch1~ch4のレーザ光による線状光5aを構成する4つのビームスポットbsを示している。また、図9の左側の4つの円は、第2投光器LD2のch1~ch4のレーザ光による線状光5bを構成する4つのビームスポットbsを示している。実際には、2つの線状光はZ方向の同一位置に射出されるが、図9では便宜上Z方向にずらして示している。
図9は、1番目から12番目までのレーザ光の射出位置を数字で示している。なお、この射出順序は一例であり、種々の変形例が考えられる。図9に示すように、線状光5a、5b同士が重なる領域に射出されるレーザ光(第1投光器LD1のch4と第2投光器LD2のch1)は、他のチャネルのレーザ光よりも射出頻度を高くしている。線状光5a、5b同士が重ならない領域に射出されるレーザ光は、順繰りに射出される。
図10は投光部2から投光されるレーザ光の各チャネルの平均光強度が等しい場合を模式的に示す図である。図示のように、投光部2からは二次元状に光が射出されるが、一部の領域のみレーザ光を射出する頻度を高くすることで、平均光強度を他の領域よりも高くすることができる。これにより、距離計測可能な範囲のうち、一部の領域については、光強度の高いレーザ光が照射されるため、遠距離までの距離計測が可能になる。
このように、第1の実施形態では、一方向に配置された複数チャネルのレーザ光源から射出されたレーザ光を、1次元方向に光走査可能なMEMSミラー7で走査させるため、投光部2から二次元状にレーザ光を射出できる。本実施形態では、二次元方向に光走査可能な高価なMEMSミラー7を用いることなく、二次元状にレーザ光を射出できるため、投光部2のコストを削減できる。
また、本実施形態では、二次元方向に配置された複数の受光素子9を有する受光部3にて、対象物10からの反射光を受光し、複数の受光素子9のうち、反射光を受光する受光素子9を制御部4にて制御するため、受光側にはMEMSミラー7を設ける必要がなくなり、ミラー面積の小さいMEMSミラー7を用いることによる受光量の低下という問題が起きない。また、本実施形態では、複数の受光素子9のうち、反射光を受光する受光素子9を電気的に切り替えるため、MEMSミラー7で光学的に受光素子9を切り替えるよりも、迅速に受光素子9の切替を行うことができる。
さらに、本実施形態では、2つの投光部2と受光部3を、レーザ光の安全基準を準拠して配置し、かつ、2つの投光部2から射出される線状光5a、5b同士が一部重なるようにしたため、重なる領域では、レーザ光の光強度を高めることができ、レーザ光の安全基準を満たしつつ、より遠方までの距離計測が可能になる。
また、本実施形態では、投光部2内に複数のレーザ光源を設け、各レーザ光源ごとにレーザ光を射出するタイミングを制御できるようにするため、レーザ光の安全基準を満たしつつ、より光強度を高めることができるような射出タイミングで、各レーザ光源からレーザ光を射出できる。特に、線状光5a、5b同士が重なる領域にレーザ光を射出するレーザ光源は、他のレーザ光源よりも、レーザ光の射出回数を増やすため、光強度を高めることができ、遠距離までの距離計測が可能になる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、投光部2の構成が第1の実施形態とは異なっている。
第2の実施形態は、投光部2の構成が第1の実施形態とは異なっている。
図11は第2の実施形態による測距装置1aの要部を示す図である。図11に示すように、第2の実施形態による測距装置1aは、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:垂直共振器面発光レーザ)15を二次元状に配置した投光部2aを備える点で第1の実施形態による測距装置1とは異なる。投光部2a以外の構成は、図1及び図2に示す測距装置1と同様である。ただし、投光部2aが複数のVCSEL15を有するため、制御部4による制御方法と、駆動部11による駆動方法も図2とは異なったものになる。
図11の測距装置1aは、X方向に離隔して配置される2つの投光部2aを備えており、各投光部2aとも、二次元状に配置された複数のVCSEL15を有する。制御部4は、複数のVCSEL15のそれぞれを発光させるか否かを個別に制御することができる。
制御部4は、各投光部2a内のX方向及びZ方向に配置された複数のVCSEL15を、各チャネルごとに発光させ、その発光タイミング、チャネルに合わせて、受光部3内の複数の受光素子9を各チャネルごとに駆動して、反射光を受光してもよい。
図12は投光部2の断面構造の一例を示す断面図である。図12の投光部2は、複数のVCSELを備えている。図12に示すように、投光部2は、発光チップ21を第1基板22上にバンプ23にて接合している。発光チップ21は、第2基板24と、積層膜25と、積層膜25の一部に配置される発光素子26と、アノード電極27と、カソード電極28とを備えている。また、第1基板22の表面には、接続パッド29が設けられている。発光素子26、アノード電極27、カソード電極28、及び接続パッド29は、複数個ずつ設けられている。
積層膜25は、第2基板24の表面S1に積層された複数の層を含んでいる。これらの層の例は、n型半導体層、活性層、p型半導体層、光反射層、光の射出窓を有する絶縁層などである。積層膜25は、-X方向に突出した複数のメサ部30を含んでいる。これらのメサ部30の一部が、複数の発光素子26となっている。
複数の発光素子26は、積層膜25の一部を構成しており、基板24の表面S1側に設けられている。本実施形態の各発光素子26は、VCSEL構造を有しており、光を+X方向に出射する。各発光素子26から出射された光は、図12に示すように、第2基板24内を表面S1から裏面S2へと透過し、第2基板24から射出される。
アノード電極27は、発光素子26の下面に形成されている。カソード電極28は、メサ部30の下面に形成されており、メサ部30間にある積層膜25の下面まで延びている。各発光素子26は、そのアノード電極27と対応するカソード電極28との間に電流が流れることで光を出射する。
上述のように、発光チップ21は、第1基板22上にバンプ23を介して配置されており、バンプ23により第1基板22と電気的に接続されている。具体的には、バンプ23は、第1基板22上の接続パッド29に接合されており、接続パッド29上にバンプ23を介してメサ部30が配置されている。各メサ部30は、アノード電極27またはカソード電極28を介してバンプ23上に配置されている。基板22は、例えばSi(シリコン)基板などの半導体基板である。
このように、第2の実施形態による測距装置1は、投光部2をVCSEL構造にすることで、投光部2の全体をチップ化することができ、MEMSミラー7や折り返しミラー13が不要となり、投光部2の光学構造が簡易となる。
制御部4は、投光部2内の二次元方向に配置された複数のVCSELを発光させるか否かを個別に制御でき、投光部2から第1の実施形態と同様の線状光を射出することができる。よって、2つの投光部2から射出される線状光5a、5b同士が一部重なるようにすることもでき、重なった領域では、レーザ光の光強度を向上できるため、第1の実施形態と同様に、遠方の対象物10の距離計測が可能になる。
第1の実施形態では、投光部2における線状光の射出は光学的な制御を行っていたが、第2の実施形態では、投光部2と受光部3の両方とも電気的な制御で二次元方向へのレーザ光の射出制御と、二次元方向からの反射光の受光制御を行うため、レーザ光の走査方向と受光位置を迅速に切り替えることができる。
なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
(1)二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置。
(2)前記投光部は、第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第2方向に走査させる、(1)に記載の測距装置。
(3)前記複数の受光素子は、前記第1方向及び前記第2方向に配置されており、
前記制御部は、前記第1方向、及び第2方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させる、(2)に記載の測距装置。
(4)前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーと、を有する、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(5)前記MEMSミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を1次元方向に制御する、(4)に記載の測距装置。
(6)前記投光部は、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、(4)又は(5)に記載の測距装置。
(7)前記光方向変更部材反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であることを特徴とする、(6)に記載の測距装置。
(8)前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(9)前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御する、(8)に記載の測距装置。
(10)前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第1投光器及び第2投光器を有し、
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第2方向に走査させる、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(11)前記第1投光器及び前記第2投光器は、前記第1投光器から前記第1方向に延びる線状光と、前記第2投光器から前記第2方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置される、(10)に記載の測距装置。
(12)前記受光部は、前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置される、(10)又は(11)に記載の測距装置。
(13)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMSミラーと、を有する、(10)乃至(12)のいずれか一項に記載の測距装置。
(14)2つの前記MEMSミラーを結ぶ線分の中心線に沿って100mmの位置での前記第1投光器に向かう方向と前記第2投光器に向かう方向との為す角度は、100mrad以上である、(13)に記載の測距装置。
(15)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、(13)又は(14)に記載の測距装置。
(16)前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーである、(6)又は(15)に記載の測距装置。
(17)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、(10)乃至(13)のいずれか一項に記載の測距装置。
(18)前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記MEMSミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させる、(4)、(5)、(14)又は(15)に記載の測距装置。
(19)前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記MEMSミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転される、(18)に記載の測距装置。
(20)前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備える、(1)乃至(19)のいずれか一項に記載の測距装置。
(1)二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置。
(2)前記投光部は、第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第2方向に走査させる、(1)に記載の測距装置。
(3)前記複数の受光素子は、前記第1方向及び前記第2方向に配置されており、
前記制御部は、前記第1方向、及び第2方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させる、(2)に記載の測距装置。
(4)前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーと、を有する、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(5)前記MEMSミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を1次元方向に制御する、(4)に記載の測距装置。
(6)前記投光部は、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、(4)又は(5)に記載の測距装置。
(7)前記光方向変更部材反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であることを特徴とする、(6)に記載の測距装置。
(8)前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(9)前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御する、(8)に記載の測距装置。
(10)前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第1投光器及び第2投光器を有し、
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第2方向に走査させる、(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の測距装置。
(11)前記第1投光器及び前記第2投光器は、前記第1投光器から前記第1方向に延びる線状光と、前記第2投光器から前記第2方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置される、(10)に記載の測距装置。
(12)前記受光部は、前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置される、(10)又は(11)に記載の測距装置。
(13)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMSミラーと、を有する、(10)乃至(12)のいずれか一項に記載の測距装置。
(14)2つの前記MEMSミラーを結ぶ線分の中心線に沿って100mmの位置での前記第1投光器に向かう方向と前記第2投光器に向かう方向との為す角度は、100mrad以上である、(13)に記載の測距装置。
(15)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、(13)又は(14)に記載の測距装置。
(16)前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーである、(6)又は(15)に記載の測距装置。
(17)前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、(10)乃至(13)のいずれか一項に記載の測距装置。
(18)前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記MEMSミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させる、(4)、(5)、(14)又は(15)に記載の測距装置。
(19)前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記MEMSミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転される、(18)に記載の測距装置。
(20)前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備える、(1)乃至(19)のいずれか一項に記載の測距装置。
本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
1 測距装置、2 投光部、3 受光部、4 制御部、5 光源部、6 投光光学系、7 MEMSミラー、8 受光光学系、9 受光素子、10 対象物、11 駆動部、12 測距部、13 折り返しミラー、14 正面パネル、14a 第1開口部、14b 第2開口部、15 VCSEL、21 発光チップ、22 第1基板、23 バンプ、24 第2基板、25 積層膜、26 発光素子、27 アノード電極、28 カソード電極、29 接続パッド、30 メサ部
Claims (20)
- 二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置。 - 前記投光部は、第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第2方向に走査させる、請求項1に記載の測距装置。
- 前記複数の受光素子は、前記第1方向及び前記第2方向に配置されており、
前記制御部は、前記第1方向、及び第2方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させる、請求項2に記載の測距装置。 - 前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーと、を有する、請求項1に記載の測距装置。 - 前記MEMSミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を1次元方向に制御する、請求項4に記載の測距装置。
- 前記投光部は、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、請求項4に記載の測距装置。
- 前記光方向変更部材で反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であることを特徴とする、請求項6に記載の測距装置。
- 前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、請求項1に記載の測距装置。 - 前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御する、請求項8に記載の測距装置。
- 前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第1投光器及び第2投光器を有し、
前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、第1方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第2方向に走査させる、請求項1に記載の測距装置。 - 前記第1投光器及び前記第2投光器は、前記第1投光器から前記第1方向に延びる線状光と、前記第2投光器から前記第1方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置される、請求項10に記載の測距装置。
- 前記受光部は、前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置される、請求項10に記載の測距装置。
- 前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するMEMSミラーと、を有する、請求項10に記載の測距装置。 - 2つの前記MEMSミラーを結ぶ線分の中心線に沿って100mmの位置での前記第1投光器に向かう方向と前記第2投光器に向かう方向との為す角度は、100mrad以上である、請求項13に記載の測距装置。
- 前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、前記MEMSミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、請求項13に記載の測距装置。
- 前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーである、請求項6に記載の測距装置。
- 前記第1投光器及び前記第2投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、請求項10に記載の測距装置。 - 前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記MEMSミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させる、請求項4に記載の測距装置。 - 前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記MEMSミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転される、請求項18に記載の測距装置。 - 前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備える、請求項1に記載の測距装置。
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