JP2023116280A

JP2023116280A - 投光器、及び測定装置

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Publication number: JP2023116280A
Application number: JP2022019000A
Authority: JP
Inventors: 和也本橋; Kazuya Motohashi
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-22
Also published as: WO2023153139A1

Abstract

【課題】レーザ光による人体への影響を低減しつつ、フレームレート（スキャンスピード）の低下を防ぐことが可能な、投光器及び測定装置を提供する。【解決手段】投光器は、個別に点灯／消灯を制御可能な複数のレーザ光源を備えた発光部と、レーザ光源の夫々の点灯／消灯を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、夫々を同時に点灯させた際に人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギーの総量が予め設定された閾値以下となるようなレーザ光源の２つ以上の組合せを同時に点灯させる。制御装置は、例えば、隣接するレーザ光源を同時に点灯させないように複数のレーザ光源を同時に点灯させる。発光部は、例えば、複数の面発光素子が一次元的又は二次元的に配列された面発光素子アレイである。【選択図】図３

Description

本発明は、投光器、及び測定装置に関する。

ＡＤ（Autonomous Driving：自動運転）やＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System：先進運転支援システム）の進展に伴い、周囲環境の把握や自己位置推定に用いる測定装置の一つとしてＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と称する。）の研究／開発が進められている。ＬｉＤＡＲは、投光光（照射光、光ビーム（レーザ光））を対象物に照射する投光器（照射器）と、投光光が測定対象物に反射して戻ってくる反射光（戻り光）を受光する受光器とを備え、投光器が投光光を出射したタイミングと受光器が反射光を受光したタイミングとの差（レーザ光の飛行時間。以下、「ＴＯＦ」（Time Of Flight）と称する。）に基づき対象物までの距離を取得する。

ＬｉＤＡＲの投光器から照射されるレーザ光は、発光面積が小さくエネルギー密度が高いため人体に有害となる場合がある。我が国では日本工業規格（JIS:Japanese Industrial Standards）に「レーザ製品の放射安全基準」が定められており（JIS C 6802）、ＬｉＤＡＲは、投光器から照射（投光）されるレーザ光が、上記規格において定められた条件を満たすように設計する必要がある。

特許文献１には、レーザ光源のパラメータ（目の安全性のための照射範囲、繰り返しレート、デューティサイクル、パルス電力、動作温度への参照等）間のバランスを柔軟に調整することを目的として構成されたＬＩＤＡＲシステムについて記載されている。ＬＩＤＡＲシステムは、複数の角度領域から、第１レーザパルスを特定の角度領域に放射するレーザスキャナのレーザ光源を作動させ、第１レーザパルスの反射に基づきＬＩＤＡＲ測定を行い、ＬＩＤＡＲ測定に基づきレーザスキャナのスキャンパラメータを変更し、第２レーザパルスを特定の角度領域に放射するレーザスキャナのレーザ光源の選択的作動を行う。

特表２０２０－５０９３８９号公報

ＬｉＤＡＲの種別の一つとして、フラッシュＬｉＤＡＲ（Flash LiDAR）がある。フラッシュＬｉＤＡＲは、モータやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）といった機械的な構成を含まず、ＡＤやＡＤＡＳの実現のために車載目的で利用される場合等、耐久性が要求される分野におけるＬｉＤＡＲの有力候補として注目されている。

ところで、例えば、図６（ａ）に示すように、フラッシュＬｉＤＡＲの光源６０を発光させ投光対象エリア６１（ＦＯＶ（Field Of View））の全体に同時にレーザ光を照射しようとして光源６０の全体（例えば、光源の全ての発光素子６０１）を同時に点灯させる制御を行った場合、図６（ｂ）に示すように、人の目に入射する可能性のあるレーザ光の強度（出力、光密度）が上記規格に基づく閾値（安全値、上限値、許容値等）を超える可能性が高くなる。また、対向車線の遠方に存在する車両を測定する場合等、長距離の測定が必要な場合は強度の高いレーザ光を照射する必要あり、人体への影響を如何に防ぐかが課題となる。尚、図６（ｂ）は、上記制御を示すグラフであり、横軸を時間、縦軸を発光素子６０１の発光強度として、投光量（投光光のエネルギー）と被曝量（人が被爆するエネルギー）の大きさを模式的に示したものである。

上記の課題を解決する方法の一つとして、例えば、図７（ａ）に示すように、光源６０として個別に点灯／消灯の制御（オンオフ制御）が可能な複数（同図では４つ）の発光素子６０１を備えたもの（例えば、アドレッサブルＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ）を用いることが考えられる。この場合、個々の発光素子６０１ａ～６０１ｄの投光対象エリア６１ａ～６１ｄが異なるように設定し、個々の発光素子６０１ａ～６０１ｄを夫々順次点灯（時間をずらして点灯）させるようにすることで、投光対象エリア６１の全体にレーザ光を照射することができるとともに人体への影響を低減することができる。

しかし上記の方法では発光素子６０１ａ～６０１ｄの点灯／消灯回数（オンオフ回数）が必然的に増加するため、図７（ｂ）に示すように、図６（ａ）に示した方法に比べてフレームレート（投光対象エリア６１ａ～６１ｄ全体のスキャンスピード）の確保が難しくなるという課題がある。

特許文献１には、目の安全性確保のための照射範囲をレーザ光源のパラメータとして考慮して他のパラメータとのバランスを調整することが記載されている。しかしフレームレートの低下を防ぐ方法についてはとくに記載されていない。

本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、レーザ光による人体への影響を低減しつつ、フレームレートの低下を防ぐことが可能な、投光器、及び測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一つは、投光器であって、個別に点灯／消灯を制御可能な複数のレーザ光源を備えた発光部と、前記レーザ光源の夫々の点灯／消灯を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、夫々を同時に点灯させた際に人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギーの総量が予め設定された閾値以下となるような前記レーザ光源の２つ以上の組合せを同時に点灯させる。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、レーザ光による人体への影響を低減しつつ、フレームレート（スキャンスピード）の低下を防ぐことができる。

測定装置の概略的な構成を説明する図である。発光部の一例として示す面発光素子アレイの平面図である。（ａ）は、投光制御装置による面発光素子の制御の説明に用いる投光器の構成例を示す模式図であり、（ｂ）は、投光制御装置による発光部の制御の一例を示すグラフである。（ａ）～（ｃ）は、同時に点灯させる面発光素子の組合せの例を示す模式図である。（ａ）は、「測定条件１」の場合における、面発光素子が開口絞りを見込む角の算出方法を説明する図であり、（ｂ）は、「測定条件３」の場合における、面発光素子が開口絞りを見込む角の算出方法を説明する図である。（ａ）は、発光素子の制御の説明に用いる投光器の構成例を示す模式図であり、（ｂ）は、光源の制御の一例を示すグラフである。（ａ）は、発光素子の制御の説明に用いる投光器の構成例を示す模式図であり、（ｂ）は、光源の制御の一例を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

図１に、一実施形態として示す測定装置１００の概略的な構成（ブロック図）を示している。例示する測定装置１００は、ＡＤ（Autonomous Driving：自動運転システム）やＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System：先進運転支援システム）が実装される車両等に搭載されるフラッシュＬｉＤＡＲ（Flash Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）である。

測定装置１００は、測定エリアに向けて照射（投光）した光ビームが対象物５０で反射し、その反射光（戻り光、散乱光）が戻ってくるまでの時間（以下、「ＴＯＦ」（Time Of Flight）と称する。）を測定することにより、対象物５０までの距離を測定する。

以下の説明において、測定装置１００が対象物５０に向けて照射する光ビーム（照射光）のことを「投光光」と、また、投光光が対象物５０に反射して戻ってくる光のことを「反射光」と称する。

測定装置１００は、例えば、人、車両、物体等の検出を補助するとともに、車両の運転者や車両の周囲に存在する者の安全確保や、車両の運転中に周囲に存在する物体に与える損傷を低減するために有用な各種の情報を提供する。

同図に示すように、例示する測定装置１００は、発光部１１１、投光制御装置１１２、電流源１１３、投光光学系１１４、受光光学系１１５、受光部１１６、ＴＯＦ測定装置１１７、演算装置１５０、及び通信Ｉ／Ｆ１６０の各構成を含む。このうち、発光部１１１、投光制御装置１１２、電流源１１３、及び投光光学系１１４は、投光光を生成する「投光器」を構成する。また、受光光学系１１５及び受光部１１６は、反射光を受光する「受光器」を構成する。

発光部１１１は、一次元的又は二次元的に基板（半導体基板、セラミック基板等）に配置された複数の面発光タイプのレーザ光源（例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。以下、「面発光素子１０」と称する。））を有し、個々の面発光素子１０を独立してオンオフ制御することが可能な面発光素子アレイ（アドレッサブルＶＣＳＥＬアレイ）を用いて構成される。面発光素子１０は、投光光となる光ビーム（レーザ光）を生成する。

図２は、発光部１１１の一例として示す面発光素子アレイの平面図である。例示する面発光素子アレイは、基板２２の一方の面に正方格子状に配列された複数の面発光素子１０を有する。同図において、複数の面発光素子１０は、いずれもその放出方向（光軸）を紙面に対して垂直方向（同図に示す＋ｚ方向）に向けて設けられている。例示する面発光素子アレイには、面発光素子１０を発光させるための電流（駆動電流）を電流源１１３から供給するための複数の電流供給線２３が電気的に接続されている。

尚、面発光素子アレイにおける面発光素子１０の配置形態は同図に示すものに必ずしも限定されず、例えば、斜方格子状、三角格子状、正方格子状、矩形格子状、六角格子状等であってもよい。また、面発光素子１０は必ずしも基板２２上に二次元的に配列されるものでなくてもよく、基板２２上に一次元的に配列されていてもよい。

図１に戻り、投光制御装置１１２は、発光部１１１の面発光素子１０の駆動電流を供給する電流源１１３を制御するための制御信号を生成して電流源１１３に入力することにより、電流源１１３から面発光素子１０に供給される電流（駆動電流）を制御する。また、投光制御装置１１２は、面発光素子１０が発光したタイミング（投光光が面発光素子１０から出射したタイミング。以下、「投光タイミング」と称する。）を示す信号をＴＯＦ測定装置１１７に入力する。投光制御装置１１２は、例えば、面発光素子１０の夫々に流す電流のオンオフを周期的に繰り返す制御を行うことにより、面発光素子１０を周期的に繰り返し発光させる。

電流源１１３は、投光制御装置１１２から入力される制御信号に応じた電流を面発光素子１０に供給する。電流源１１３は、例えば、面発光素子１０の夫々に流す電流をオンオフするための周期的な方形波の電流を面発光素子１０に供給する。

投光光学系１１４は、例えば、発光部１１１から出射する投光光に光学的な作用（屈折、散乱、回折等）を与えることにより投光光の配光を調節する。投光光学系１１４は、例えば、コリメートレンズ等の各種レンズ、回折格子、反射鏡（ミラー）等の光学部品を用いて構成される。

受光光学系１１５は、対象物５０から戻ってくる反射光を受光部１１６に集光する。受光光学系１１５は、例えば、集光レンズ等の各種レンズ、波長フィルタ等の各種フィルタ、反射鏡（ミラー）等の光学部品を用いて構成される。

受光部１１６は、例えば、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）、フォトダイオード、バランス型光検出器等の光検出器を用いて構成される。受光部１１６は、受光光学系１１５から入射する反射光を光電変換することにより、反射光の強度に応じた電流（以下、「受光電流」と称する。）を生成する。受光部１１６は、反射光を受光したタイミング（以下、「受光タイミング」と称する。）を示す信号、及び生成した受光電流を、ＴＯＦ測定装置１１７に入力する。

ＴＯＦ測定装置１１７は、投光制御装置１１２から入力される投光タイミングを示す信号と受光部１１６から入力される受光タイミングを示す信号とに基づき、ＴＯＦを求める。ＴＯＦ測定装置１１７は、例えば、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）回路を搭載した時間測定ＩＣ（集積回路：Integrated Circuit）を用いて構成される。ＴＯＦ測定装置１１７は、求めたＴＯＦと受光部１１６から入力された受光電流を、演算装置１５０に入力する。

演算装置１５０は、プロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等）を用いて構成される。演算装置１５０は、ＴＯＦ測定装置１１７から入力される受光電流やＴＯＦに基づき、対象物５０の検出や測距等の各種測定に用いる情報を生成する。上記情報は、例えば、時間相関単一光子計数法（Time Correlated Single Photon Counting）で用いるヒストグラム（histogram）、対象物５０の各点（ポイント）までの距離、ポイントクラウド（点群情報:point cloud）等である。また、演算装置１５０は、投光制御装置１１２や受光部１１６を制御する。演算装置１５０は、例えば、投光制御装置１１２や受光部１１６を制御することにより、上記のヒストグラムの生成にかかる処理が高速化もしくは最適化されるように、前述した投光タイミングや受光タイミングを制御する。演算装置１５０によって生成された情報は、通信Ｉ／Ｆ１６０（I/F:Interface）を介して当該情報を利用する装置（以下、「各種利用装置４０」と称する。）に提供（送信）される。

各種利用装置４０は、例えば、ポイントクラウドによる環境地図の作成、スキャンマッチングアルゴリズム（ＮＤＴ（Normal Distributions Transform）、ＩＣＰ(Iterative Closest Point)等）を用いた自己位置推定（ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping））等を行う。

＜発光制御＞
投光制御装置１１２は、人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギーの総量が予め設定された閾値（安全値、上限値、許容値等）以下となるような面発光素子１０の２つ以上の組合せを同時に点灯させるように制御する。これによりレーザ光が誤って人体に照射された際の人体への影響（被曝量）を低減し、測定装置１００や投光器がレーザ製品についての放射安全基準（国際電気標準（IEC：International Electrotechnical Commission）の60825-1、日本工業規格（JIS:Japanese Industrial Standards）の「レーザ製品の放射安全基準」（JIS C 6802）等）を満たすようにすることができる。また、２つ以上の上記の組合せを同時に点灯させるようにすることで、フレームレート（投光対象エリアのスキャンスピード）の低下を防ぐことができる。

図３（ａ）は、投光制御装置１１２による面発光素子１０の制御の説明に用いる投光器の構成例を示す模式図である。同図における符号は、図１に付した符号と対応している。同図の例では、説明の簡単のため、発光部１１１が基板上に一次元的に等間隔で配列された４つの面発光素子１０ａ～１０ｄを有している場合を示している。面発光素子１０ａ～１０ｄは、いずれも共通の仕様（例えば、いずれも同一型番の製品）であるものとする。

同図に示すように、４つの面発光素子１０ａ～１０ｄのうち、面発光素子１０ａから出射したレーザ光は、投光光学系１１４を介して投光エリア５１ａに、また、面発光素子１０ｂから出射したレーザ光は、投光光学系１１４を介して投光エリア５１ｂに、また、面発光素子１０ｃから出射したレーザ光は、投光光学系１１４を介して投光エリア５１ｃに、また、面発光素子１０ｄから出射したレーザ光は、投光光学系１１４を介して投光エリア５１ｄに、夫々配光される。

ここで例えば、隣接する２つの面発光素子１０（面発光素子１０ａと面発光素子１０ｂ、面発光素子１０ｂと面発光素子１０ｃ、面発光素子１０ｃと面発光素子１０ｄのいずれかの組合せ）の夫々から同時にレーザ光を出射した場合、投光光学系１１４によって投光対象エリアに向けて配光される２つのレーザ光は、人の目に同時に入射して人体に有害な影響を与える可能性がある。そこで、投光制御装置１１２は、隣接する面発光素子１０を同時に点灯させないように制御することによりレーザ光による人体への影響を低減し、測定装置１００（投光器）がレーザ製品の放射安全基準を満たすようにする。

図３（ｂ）は、上記の制御を示すグラフである。同グラフは、横軸を時間、縦軸を面発光素子１０の発光強度として、投光量（投光光のエネルギー）と被曝量（人が被爆するエネルギー）の大きさを示したものである。同図に示すように、本例では、面発光素子１０ａと面発光素子１０ｃの組合せを同時に点灯させ、その後、面発光素子１０ｂと面発光素子１０ｄの組合せを同時に点灯させている。同図から理解されるように、各点灯タイミングにおける被曝量は、図６（ａ）に示した方法における被曝量（図６（ｂ））の１／２になる。また、この場合、１フレームに要する時間は、図７（ａ）に示した方法における時間（図７（ｂ））の１／２の時間で済み、図７（ａ）に示した方法に比べてフレームレート（投光対象エリアのスキャンスピード）を高めることができる。

尚、本例では、隣接する２つの面発光素子１０を同時に点灯させないようにするために１つおきの面発光素子１０の組合せを同時に点灯させるようにしているが、例えば、面発光素子１０を２つ以上おきに同時に点灯させるようにしてもよい。また、隣接していない２つ以上の面発光素子１０の任意の組合せを同時に点灯させるようにしてもよい。

また、発光部１１１を構成する複数の面発光素子１０を、夫々隣接する複数の面発光素子１０を要素とする複数のグループに分類し、隣接する２つのグループに属する面発光素子１０を同時に点灯させないようにしてもよい。但しこの場合、一つのグループの面発光素子１０を全てを同時に点灯させた場合に人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギーの総量は予め設定された閾値（安全値、上限値、許容値等）以下であるものとする。

図４に同時に点灯させる面発光素子１０の組合せの例を示す。（ａ）は、面発光素子１０を１つおきに同時に点灯させるようにした場合、（ｂ）は、面発光素子１０を２つおきに同時に点灯させるようにした場合、（ｃ）は、２つ以上の面発光素子１０を有するグループ（本例では２つの面発光素子１０を有するグループ）を単位としてグループ一つおきに面発光素子１０を同時に点灯させるようにした場合である。

尚、発光部１１１（面発光素子アレイ）を構成する面発光素子１０のうち同時に点灯させる面発光素子１０の組合せをどのように選択するかは、例えば、面発光素子１０の配置間隔、面発光素子１０の配置形態（例えば、斜方格子状、三角格子状、正方格子状、矩形格子状、六角格子状等）、面発光素子１０から出射する光ビームもしくは当該光ビームが投光光学系１１４を通過した後のビーム発散角（ビーム広がり角、ピッチ）、人の目の視角（瞳孔の開口絞りに応じて定まる視角）を考慮することにより決定する。

例えば、レーザ光の波長が400～1400nmである場合、「JIS C 6802の「5.4測定光学系」の「表10」には、「測定条件１」（望遠鏡、双眼鏡等（以下、「観察機器」と称する。）によって危険性が増大するような平行ビームに適用）として、「2000mmの位置にある50mmの開口絞り」が、また、「測定条件３」（裸眼、低倍率の拡大鏡及び操作ビームに対する放射量の決定に適用）として、「100mmの位置にある7mmの開口絞り」が記載されている。

この場合、上記の「測定条件１」では、図５（ａ）に示すように、面発光素子１０（レーザ製品）が開口絞りを見込む角θ_１は1.4゜（≒2*arctan(50/2/2000)となる。また、例えば、上記の「測定条件３」では、図５（ｂ）に示すように、面発光素子１０（レーザ製品）が開口絞りを見込む角θ_２は4．0゜（≒2*arctan(7/2/100)）となる。

このため、例えば、投光器を図３（ａ）に示す構成において面発光素子１０ａと面発光素子１０ｃ（もしくは面発光素子１０ｂと面発光素子１０ｄ）を同時に点灯させた場合に双方からのレーザ光が同時に人の目に入射しないようにするには、「測定条件１」では、面発光素子１０から出射する光ビームもしくは当該光ビームが投光光学系１１４を通過した後のビーム発散角（ビーム広がり角）及びピッチが0．7゜（=1.4゜/2）以上であればよい。また、「測定条件３」では、面発光素子１０から出射する光ビームもしくは当該光ビームが投光光学系１１４を通過した後のビーム発散角（ビーム広がり角）及びピッチが、2.0゜（=4.0゜/2）以上であればよい。

以上に説明したように、本実施形態の測定装置１００は、投光制御装置１１２は、夫々を同時に点灯させた際に人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギー総量が予め設定された閾値（安全値、上限値、許容値等）以下となるような面発光素子１０の２つ以上の組合せを同時に点灯させるように制御する。このため、レーザ光による人体への影響（被曝量）を低減し、測定装置１００（投光器）がレーザ製品の放射安全基準を満たすようにすることができるとともに、フレームレート（投光対象エリアのスキャンスピード）の低下を防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

１０面発光素子、２２基板、５０対象物、１００測定装置、１１１発光部、１１２投光制御装置、１１３電流源、１１４投光光学系、１１５受光光学系、１１６受光部、１１７ＴＯＦ測定装置、１５０演算装置、１６０通信インタフェース

Claims

個別に点灯／消灯を制御可能な複数のレーザ光源を備えた発光部と、
前記レーザ光源の夫々の点灯／消灯を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、夫々を同時に点灯させた際に人の目に入射する可能性のあるレーザ光のエネルギーの総量が予め設定された閾値以下となるような前記レーザ光源の２つ以上の組合せを同時に点灯させる、
投光器。
請求項１に記載の投光器であって、
前記制御装置は、観察機器を用いた覗き込みによる人体への被曝量が予め設定された閾値以下となるように、同時に点灯させる前記複数のレーザ光源を選択する、
投光器。
請求項１に記載の投光器であって、
前記制御装置は、裸眼による覗き込みによる人体への被曝量が予め設定された閾値以下となるように、同時に点灯させる前記複数のレーザ光源を選択する、
投光器。
請求項１に記載の投光器であって、
前記制御装置は、隣接する前記レーザ光源を同時に点灯させないように複数の前記レーザ光源を同時に点灯させる、
投光器。
請求項４に記載の投光器であって、
前記制御装置は、前記レーザ光源の一つ以上おきの組合せを同時に点灯させる、
投光器。
請求項１に記載の投光器であって、
前記発光部を構成する複数の前記レーザ光源を、隣接する複数の前記レーザ光源を要素とする複数のグループに分類し、隣接する２つの前記グループの面発光素子を同時に点灯させないように、複数の前記グループの前記レーザ光源を同時に点灯させる、
投光器。
請求項１～６のいずれか一項に記載の投光器であって、
前記発光部は、前記レーザ光源である面発光素子を一次元的又は二次元的に配列した構造を有する面発光素子アレイである、
投光器。
請求項１～６のいずれか一項に記載の投光器を用いて構成される測定装置であって、
前記投光器と、
前記投光器から投光された光の反射光を受光する受光器と、
を備え、
前記受光器の受光結果に基づき検知対象までの距離を計測する、
測定装置。