JP5910011B2 - 光走査装置及びレーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
レーダ装置は光走査装置を備え、例えば、光走査装置によりレーザ光等の光ビームを車両の周囲の所定の角度範囲の領域に走査して出射すると共に、出射した光ビームの反射波を受光し、光ビームの出射方向に存在する物体の位置や距離等を測距する。このようにレーダ装置により検知された先行車両や障害物の情報が運転者に告知され、さらに先行車両との車間距離を所定の距離に保つように自動的に車両の速度を制御するシステムが開発されている。
特許文献1の装置の模式図を図16に示す。図16において、走査用レンズ222を備えたレンズホルダ234を支持するばね233が撓むことにより、レンズホルダ234及び走査用レンズ222は移動する。図外のレーザダイオードより走査用レンズに光が入射し照射される。走査用レンズを移動することにより、照射される光を走査することができる。照射される光の走査量は走査用レンズの移動量によって決まることは明らかであり、正確な走査量の制御のためには、精度の高い走査用レンズの移動量の検知が重要になる。
特許文献2の装置の模式図を図17に示す。図17において、発光ダイオード(LED)76a,76bは、開口に発光部分が露出する状態で基板70のレンズホルダ側に固定され、照射された光はホルダ85側に射出される。ホルダ85には、発光ダイオード76a、76bに対応する位置にスリット87a、87bが設けられ、発光ダイオードからの光は、スリットを通り、レンズ156,155を経て、光の重心位置により出力電流が変化するポジションセンサ153a,153bに入射する。ポジションセンサ153a、153bは基板56に半田付けされ、図示しない制御基板に接続されている。
ポジションセンサ153aは、1方向の位置を検出する1次元のセンサであり、X軸方向の動きを検出するため、内部の長方形状の検出素子は長手方向がX軸方向となるように取り付けられている。これによりポジションセンサ153aの出力値より走査用レンズ22のX軸方向の位置を検出することができる。同様に、ポジションセンサ153bは、Y軸方向の動きを検出するため、内部の長方形状の検出素子は長手方向がY軸方向となるように取り付けられている。スリット87bからの光は、レンズホルダ部組60がエレベーション方向に移動するとY軸方向に移動し、ポジションセンサ153bで位置が検出される。ここで、レンズ156,155,158,157は、レンズホルダ部組60の移動量に対してポジションセンサ上の移動量を縮小する役割を有し、これによりポジションセンサを小型化している。
特許文献3の装置の模式図を図3に示す。図3において、走査用レンズ307と受光用レンズ309を取り付けたレンズホルダ305は、変位用バネ302,304で支持されており、駆動用コイル311,314とマグネット313,316の間の磁力で変位する。走査光用のレーザダイオード306からの出射光は、走査用レンズ307により偏向され、対象物により反射した光は受光用レンズ309により偏向され、受光フォトダイオード308に入射する。この出射光と入射光より、対象物の方向や距離を算出する
また、発光ダイオードの光が走査光に混入しないように、また走査光がポジショニングセンサに入らないように、発光ダイオード、スリット、レンズ、及びポジショニングセンサを走査光学系から遮蔽するための構造が必要となる。このような構造を備えることにより、装置が大型化し、また高価になるという問題が生じる。同様に、そのような光走査装置を備えたレーザレーダ装置も、大型化し、高価なものになるという問題が生じる。
光学素子と、
該光学素子を保持するホルダと、
該ホルダを前記光学素子の光軸に垂直な方向に移動可能に支持する支持手段と、
前記ホルダを前記光学素子の光軸に垂直な方向に移動させる駆動手段と、
第1の波長の光を発光する第1発光素子と、を備え、
前記ホルダを移動させて前記光学素子を移動させつつ、前記第1発光素子からの光を、前記光学素子を透過させて、透過光を光走査して照射する光走査装置であって、
前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を発光する第2発光素子と、
前記ホルダが前記光学素子を保持している側の反対側に設けられ、前記第2の波長の光を反射する構造体によって形成されるとともに、該第2の波長の光の入射位置によって反射光の強度が異なるパターンと、
前記パターンからの前記第2の波長の反射光を受光するセンサと、
前記センサが受光した前記第2の波長の反射光の強度に基づいて、前記ホルダの位置の変化を検出し、該ホルダの位置に基づいて、前記光学素子の位置を推定するとともに、前記透過光の走査量を算出する走査量読取装置と、
を備え、
前記第1発光素子、前記第2発光素子、および前記センサは、前記ホルダに前記パターンが設けられる側に設けられるとともに、
前記パターンは、前記光学素子に入射する前記第1発光素子からの光の光路上に設けられている光走査装置である。
本発明の光走査装置と、該光走査装置の第1発光素子からの前記第1の波長の光を感知するセンサをさらに備え、
前記第1発光素子が、探査領域に対して探査波を送信する探査送信手段を、前記第1の波長の光を感知するセンサが、前記探査領域内に存在する障害物からの反射波を受信する探査受信手段をそれぞれ構成し、
前記探査送信手段により前記探査波を送信した時刻と、前記探査受信手段により前記反射波を受信した時刻との時間差に基づいて、前記障害物との相対的位置関係を検知するレーザレーダ装置である。
また、本発明のレーザレーダ装置によれば、精度高く正確に走査光の走査量を測定することができるとともに、小型化が可能で、かつ安価なレーザレーダ装置を提供することができる。
前記複数の発光素子は、前記光学素子を透過する第1の波長の光を発光する第1発光素子、及び第2の波長の光を発光する第2発光素子からなり、前記ホルダの前記光学素子の出射面の反対側の面に、前記第2の波長の光を透過しない構造体からなるパターンが形成され、前記第2の波長の光を感知するセンサをさらに備え、前記センサは、前記第2発光素子から出射して前記光学素子及び前記ホルダで反射された光を受光可能な位置に配置され、かつ前記第1発光素子と、前記第2発光素子と、前記センサとが、相対的に固定された位置に配置されている。
なお、前記構造体は、光学素子とホルダが一体成型された態様等においては、光学素子の出射面ではない面に構造体が形成されていることと同義である。
本発明の光走査装置の第1の実施形態を図1〜7により説明する。
図1は、本実施形態の光走査装置の正面図である。
図1に示すように、光学素子1、光学素子1を保持するホルダ2を備え、ホルダ2を外枠8及び内枠7との間で光学素子1の光軸に垂直な方向に移動可能に支持する支持手段3,5としてのバネ、ホルダ2を光学素子1の光軸に垂直な方向に移動させる駆動手段4,6としての櫛歯型の静電アクチュエータを備える。
光学素子1としては、例えば、凸レンズ、凸型のフレネル形状レンズ等が挙げられる。本実施形態においては、片凸レンズの例として説明する。
ホルダ2は、駆動手段4により図中のX方向へ移動することができ、駆動手段6により図中のY方向に移動することができる。静電アクチュエータである駆動手段4,6に電圧を印加することにより、ホルダ2に保持された光学素子1をX方向及びY方向へ自在に遥動させることができる。
図2に示すように、ホルダ2の光学素子1の出射面の反対側の面に、前記第2の波長の光を透過しない構造体からなるパターン9が形成されている。
前記構造体の配置は適宜選択することができ、例えば、ホルダ2のパターン9が形成された領域の単位面積当たりの前記構造体の底面積の和が、位置により異なるように前記構造体を配置することができる。具体的には、図2に示すように、ホルダ2の中心部から外周部へ向けて、前記構造体の底面積を小さくし、外周部に近い領域が中心部よりも単位面積当たりの構造体の底面積の和が小さくなるように配置することができる。
本実施形態において、光学素子1及びホルダ2の材質はシリコンであり、前記構造体の材質は酸化シリコンである。
第1発光素子からの第1の発光波長は1.5μm、第2発光素子からの第2の発光波長は0.9μmである。
前記構造体の厚さtは、その屈折率をn、第2の発光波長をλ、第2発光素子の光源とパターン9を形成しているホルダ2との角度をθとしたとき、2ntcosθ=λ/2を満たす厚さとしている。
第1発光素子の光源としては、コリメートされたLD光源を用いている。
図4(A)に示すように、第1発光素子10のLD光源からの出射光20aが、光学素子1の中心付近に入射する場合、透過光20bは、そのまま直進する。一方、図4(B)に示すように、ホルダ2とともに光学素子1が移動し、LDからの出射光20aが光学素子1の中心から外れた外周付近に入射する場合には、透過光20bは偏向される。このように、ホルダ2とともに光学素子1を移動させることにより、光の走査を行うことができる。
本実施形態において、第2の発光波長の波長領域に感度を持ち、第2発光素子11からの第2の発光波長を感知するセンサ12として、第2の発光波長の光強度を検出するPD(フォトダイオード)を用いている。このPDは、特定の領域の光量だけを測定できるようにした光学系を搭載している。
第2発光素子11の光源としては、広い範囲を照明できるようにしたLED光源を用いている。LEDからの出射光19aは、ホルダ2の複数の構造体からなるパターン9が形成された領域付近を照明する。
センサ12は、第2発光素子11から出射して光学素子1及びホルダ2で反射された光19bを受光可能な位置に固定して配置され、パターン9が形成された領域付近の限定された領域からの反射光19bの光量を測定する。そのため、光学素子1及びホルダ2が移動すると、センサ12の測定対象となる領域が変化し、反射する対象の構造体が変化する。前述のように、前記構造体は、前記構造体の底面積の和が、位置により異なるように配置されているため、照射する位置により反射光19bの強度も変化する。このため、センサ12により反射光量の変化を測定することで、ホルダ2の位置の変化を検出することができる。
すなわち、前記走査量読取装置は、第2の発光波長を感知するセンサ12で受光した信号により、第2の発光波長を感知するセンサ12と第2発光素子11との位置関係を算出し、第2の発光波長を感知するセンサ12と第2発光素子11との位置関係から、光学素子1と第1発光素子10との位置関係を算出して、前記照射光の走査量を算出することができる。
本発明の光走査装置の第2の実施形態を図8〜10により説明する。
図8は、本実施形態の光走査装置の正面図であり、図10はその斜視図である。
図8に示すように、光学素子1として片凸レンズ、光学素子1を保持するホルダ2を備えている。また、ホルダ2がX方向及びY方向に揺動できるように、外枠8との間を移動可能に支持する支持手段3,5としてのバネを備えている。
また、ホルダ2には、永久磁石13が取り付けられており、外枠8の外部には電磁石14,15が取り付けられている。電磁石に電流を流すことにより、レンズ1が保持されたホルダ2をX、Y方向に自在に遥動させることができる。
図9に示すように、ホルダ2の光学素子1が形成されている面と反対の面には、複数の構造体からなるパターン16が形成されている。
パターン16は、ホルダ2の位置によって異なる形状の前記構造体が配置されている。
第2の発光波長を感知するセンサ12として、形状の情報を取得できるCCDなどの撮像素子を用いることにより、パターン16を読み取ることにより、移動したホルダ2の位置を検出することができる。
本発明の光走査装置の第3の実施形態を図11により説明する。
図11は、本実施形態の光走査装置の光学素子1の出射面の反対の面の正面図である。
本実施形態は、駆動手段4,6として、第1の実施形態と同様の静電櫛歯型のアクチュエータを使用した光走査装置である。
本実施形態において、ホルダ2に形成されたパターンは、ホルダ2の移動方向に、同じ形状の構造体が繰り返し配置されている。すなわち、図に示す内枠7のX方向に沿って、等間隔に同一形状の構造体17が整列して配置されている。また、外枠8のY方向に沿って、同じく等間隔に同一形状の構造体18が整列して配置されている。
本発明の光走査装置の第4の実施形態として、レーザレーダ装置に用いられる態様を図12〜15により説明する。
本発明のレーザレーダ装置は、本発明の光走査装置と、該光走査装置の第1発光素子10aからの第1の発光波長を感知するセンサ10bをさらに備え、第1発光素子10aが、探査領域に対して探査波を送信する探査送信手段を、第1の発光波長を感知するセンサ10bが、前記探査領域内に存在する障害物からの反射波を受信する探査受信手段をそれぞれ構成し、前記探査送信手段により前記探査波を送信した時刻と、前記探査受信手段により前記反射波を受信した時刻との時間差に基づいて、前記障害物との相対的位置関係を検知する。
第1の発光波長の光源である第1発光素子10aは、レーザレーダ装置の投光用の光源として用いる。さらにレーザレーダ装置の受光用のセンサ10bとしては、第1の発光波長の波長領域に感度を持ち、第1の発光波長を感知するセンサであるAPD(アバランシェフォトダイオード)等が用いられる。
ホルダ2の第1光学素子1aが保持された領域の出射面の反対側の面に形成された構造体からなるパターン9が第2の発光波長の光源11で照射され、レーザレーダを走査するためレンズ1a及び1bが搭載されたホルダ2が遥動すると、その反射光の変化をセンサ12で受光することにより、レーザレーダの走査量を検出することができる。
2 ホルダ
3,5 支持手段
4,6 駆動手段
7 内枠
8 外枠
9 パターン
10 第1発光素子
11 第2発光素子
12 センサ
Claims (10)
- 光学素子と、
該光学素子を保持するホルダと、
該ホルダを前記光学素子の光軸に垂直な方向に移動可能に支持する支持手段と、
前記ホルダを前記光学素子の光軸に垂直な方向に移動させる駆動手段と、
第1の波長の光を発光する第1発光素子と、を備え、
前記ホルダを移動させて前記光学素子を移動させつつ、前記第1発光素子からの光を、前記光学素子を透過させて、透過光を光走査して照射する光走査装置であって、
前記第1の波長とは異なる第2の波長の光を発光する第2発光素子と、
前記ホルダが前記光学素子を保持している側の反対側に設けられ、前記第2の波長の光を反射する構造体によって形成されるとともに、該第2の波長の光の入射位置によって反射光の強度が異なるパターンと、
前記パターンからの前記第2の波長の反射光を受光するセンサと、
前記センサが受光した前記第2の波長の反射光の強度に基づいて、前記ホルダの位置の変化を検出し、該ホルダの位置に基づいて、前記光学素子の位置を推定するとともに、前記透過光の走査量を算出する走査量読取装置と、
を備え、
前記第1発光素子、前記第2発光素子、および前記センサは、前記ホルダに前記パターンが設けられる側に設けられるとともに、
前記パターンは、前記光学素子に入射する前記第1発光素子からの光の光路上に設けられている光走査装置。 - 前記支持手段はバネであって、前記駆動手段は櫛歯型の静電アクチュエータである請求項1に記載の光走査装置。
- 前記走査量読取装置の出力値から前記駆動手段の駆動量を算出し、該駆動量に基づき、前記透過光の走査量を制御する請求項1または2に記載の光走査装置。
- 前記パターンは、前記ホルダの該パターンが形成された領域の単位面積当たりの前記構造体の底面積の和が、位置により異なるように前記構造体が配置されてなる請求項1から3のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記パターンは、前記ホルダの移動方向に、同じ形状の前記構造体が繰り返し配置されてなる請求項1から3のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記パターンは、前記ホルダの位置によって異なる形状の前記構造体が配置されてなる請求項1から3のいずれかに記載の光走査装置。
- 前記光学素子が、凸レンズまたは凸型のフレネル形状レンズである請求項1から6のいずれかに記載の光走査装置
- 前記ホルダの少なくとも前記構造体が形成された領域の材質がシリコンであり、かつ
前記第1の波長が1.1μm以上であり、前記第2の波長が1.1μm以下である請求項1から7のいずれかに記載の光走査装置。 - 請求項1から8のいずれかに記載の光走査装置と、該光走査装置の第1発光素子からの前記第1の波長の光を感知するセンサをさらに備え、
前記第1発光素子が、探査領域に対して探査波を送信する探査送信手段を、前記第1の波長の光を感知するセンサが、前記探査領域内に存在する障害物からの反射波を受信する探査受信手段をそれぞれ構成し、
前記探査送信手段により前記探査波を送信した時刻と、前記探査受信手段により前記反射波を受信した時刻との時間差に基づいて、前記障害物との相対的位置関係を検知するレーザレーダ装置。 - 前記光学素子を複数備え、
前記探査送信手段を構成する第1光学素子、及び探査受信手段を構成する第2光学素子が、前記ホルダに保持されてなり、
前記構造体からなるパターンが、前記ホルダの前記第1光学素子が保持された領域の出射面の反対側の面に形成されている請求項9に記載のレーザレーダ装置。
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