JP6482015B2 - レーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の受光装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の受光装置に関する。

レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置は、従来から種々のものが提案されている（特許文献１等）。

周知の如く、レーザレーダ装置は大別すると「共軸系」と「異軸系」に分かれる。

「共軸系」は、レーザビーム走査部を構成する光学系の一部と、受光部を構成する光学系の一部を共用したものであり、レーザレーダ装置のコンパクト化に有利である。

一方「異軸系」は、レーザビーム走査部と、受光部を光学的に分離したものであり、レーザビーム走査部と、受光部に別々の光学系を必要とするが、光学系のレイアウトや設計の自由度が高い。

この発明は、異軸系のレーザレーダ装置の新規な受光装置の実現を課題とする。

この発明の「レーザレーダ装置の受光装置」は、レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置において、前記検出対象物による前記戻りレーザ光を受光する受光装置であって、１以上の受光素子と、広い範囲の戻りレーザ光を入射され、前記１以上の受光素子の側へ射出させる集光レンズ系と、該集光レンズ系から射出するレーザ光を全て、前記１以上の受光素子の受光面に結像させることなく導光する１以上の導光部材と、を有し、前記集光レンズ系は、最も入射側のレンズ面が連続した単一の負のパワーを有する凸レンズ面であり、前記１以上の受光素子は前記１以上の導光部材により前記受光面に導光された前記レーザ光を受光信号化するものであり、前記１以上の受光素子により、前記集光レンズ系から射出するレーザ光を全て受光する。

上記の如く、この発明によれば、レーザビーム走査部と受光装置とを個別に有する、異軸系のレーザレーダ装置の新規な受光装置を実現できる。

集光レンズ系の１具体例を示す図である。 集光レンズ系の別の具体例を示す図である。 実施の形態を６例示す図である。 実施の他の形態を６例示す図である。 異軸系のレーザレーダ装置を説明するための図である。 レーザレーダ装置のシステム構造を説明するための図である。

図５を参照して「異軸系のレーザレーダ装置」を簡単に説明する。

図５の（ａ）は「レーザビーム走査部」を説明する図で、（ｂ）は「受光装置」を説明する図である。

図５（ａ）において、符号１０は「レーザビーム走査部」を簡略化して示している。

レーザビーム走査部１０は、レーザ光源１１とコリメートレンズ１３と偏向手段１５とを有している。

レーザ光源１１としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。
レーザ光源１１から放射されたレーザ光束は、コリメートレンズ１３により平行光束化され、偏向手段１５に入射する。

偏向手段１５は、入射してくる「平行光束化されたレーザ光束」を反射し、偏向レーザビームＳＬＢとして２次元的に走査する。

偏向手段１５としては、種々のものが考えられる。

例えば、回転軸を直交させた２個の回転多面鏡により、レーザ光束を順次に反射させて２次元的に走査するものや、搖動軸を直交させた２個の搖動反射鏡により、レーザ光束を順次に反射させて２次元的に走査するものが考えられる。

さらには、反射面を２次元的に搖動させて、レーザ光束を２次元的に偏向させて２次元的な走査を行うものを所謂「ＭＥＭＳ」として構成したものが知られている。

図５（ａ）の偏向手段１５は、２次元的に搖動する反射面部分のみを簡略化して描いたものである。偏向レーザビームＳＬＢは、図面に平行な方向と、図面に直交する方向に偏向する。

２次元的に走査される偏向レーザビームＳＬＢの走査領域内に「検出対象物」があると、検出対象物は、偏向レーザビームＳＬＢにより走査される。

この走査の際に、偏向レーザビームＳＬＢは検出対象物により反射されて戻りレーザ光束となる。

戻りレーザ光束は「受光装置」により受光される。
図５（ｂ）において、符号２０は受光装置を簡略化して示している。

受光装置２０は、集光レンズ系２１と受光素子２０とを有している。

符号ＢＫＬで示す「戻りレーザ光束」は、集光レンズ系２１に入射し、受光素子２３の受光面に向けて集光される。

受光素子２３は、戻りレーザ光束ＢＫＬを受光すると、受光信号化する。
レーザレーダ装置は、レーザビーム走査部１０と受光装置２０を制御する「制御演算手段」を有する。

制御演算手段は、レーザビーム走査部１０を制御し、レーザ光源１１を、例えば「所定の周期でパルス発光」させる。

制御演算手段は、受光素子２３の受光信号に基づき、任意の偏向レーザビームがパルス発光された瞬間から、検出対象物で反射され、戻りレーザ光束ＢＫＬとなって受光素子２３により受光されるまでの時間：２Ｔを特定する。

そして、光速：Ｃと時間：２Ｔとから、距離：ＣＴを算出する。

偏向レーザビームＳＬＢはパルス発光されるから、各瞬間に「どの方向（方位）」に向かっているかは「各瞬間」に分かっている。

従って、各瞬間の偏向レーザビームＳＬＢの向かう方向と上記距離：ＣＴとから、検出対象物までの距離が、偏向レーザビームＳＬＢの方向とともに「各瞬間」に知られることになり、検出対象物の表面形状と距離が知られることになる。

レーザレーダ装置は「広い検出範囲（偏向レーザビームＳＬＢが走査する領域）」を持つことが望まれる。

偏向レーザビームＳＬＢの偏向角を大きくすることにより「検出領域」を広くすることが可能である。

検出領域を広くするために、偏向レーザビームＳＬＢの偏向角を大きくする場合、それに応じて、集光レンズ系２１を広角化して「全画角を広く」する必要がある。

レーザビーム走査部１０から放射される偏向レーザビームＳＬＢと、戻りレーザ光束ＢＫＬとが、各瞬間において「同方向」であるからである。

受光装置２０における「集光レンズ系２１と受光素子２３との位置関係」は、例えば、受光素子２３の受光面と集光レンズ系２１の焦点面を合致させることが考えられる。

このようにすれば、検出対象物による戻りレーザ光束ＢＫＬは、集光レンズ系２１へ入射する段階では実質的に平行光束状態となっているので、受光面に集光する。

この場合、偏向レーザビームＳＬＢの偏向角の増大に応じて集光レンズ系２１を広角化すると、「画角の大きい戻りレーザ光束ＢＫＬ」の受光面への入射角が増大する。

その結果「画角の大きい戻りレーザ光束」に対して、受光素子２３の検出出力が低下して検出精度が低下したり、受光素子２３の受光面が大きくなったりする。

この傾向は、集光レンズ系２１の画角が大きくなるに連れて増大し、特に全画角が９０度以上にもなると顕著になる。

ここで、広画角の集光レンズ系２１の具体的な２例を挙げる。

「具体例１」
図１は、具体例１の集光レンズ系のレンズ構成を示している。

この集光レンズ系は、入射側（図の左方）から順に、負の第１レンズ群Ｇ１、正の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正の第３レンズ群Ｇ３を有する。

集光レンズ系は、半画角：８５度（全画角１７０度）の広角レンズである。

負の第１レンズ群Ｇ１は、図の如く入射側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３を配置してなる。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２は共に、曲率の大きい凹面を射出側（図の右方）に向けた「負メニスカスレンズ」であり、第３レンズＬ３は射出側の凹面の曲率が大きい「両凹レンズ」である。

正の第２レンズ群Ｇ２は、第４レンズＬ４で構成され、凸面を入射側に向けた「凸平レンズ」である。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有し、入射側から順に、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７を配して構成されている。

第５レンズＬ５、第６レンズＬ６は共に、曲率の大きい凸面を入射側へ向けた「正メニスカスレンズ」である。

第７レンズＬ７は、凸面を入射側に向けた「凸平レンズ」である。

開口絞りＳは、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５の間に配置されている。

具体例１の集光レンズ系の具体的なデータを表１に示す。

表１の左欄の「Ｎｏ．」は、入射側から数えた面番号で、開口絞りの面を含む。

「Ｒ」は曲率半径、「Ｄ」は面間隔、「Ｎ」は材料の屈折率、「硝種」とあるのは「硝材の名称」である。

表１において「開口絞り：１１．０８１」とあるのは、「開口半径（ｍｍ）」であり、従って開口直径は２２．１６２ｍｍである。

集光レンズ系の具体例１は、全画角：１７０度を持つ「広角レンズ」であるが、入射面に入射する「戻りレーザ光束ＢＫＬ」のビーム径φ：６ｍｍ、受光素子２３の受光面の直径φ：６ｍｍを想定している。

「受光面の径：６ｍｍ」は、受光面に集光する像の集合である「円形領域の直径」であり、受光素子２３の受光面は、この円形領域を受光できるサイズの大きさを有する。

図１において、「Ｈ５」は、集光レンズ系の射出面（第７レンズの射出側面）から射出する光束の光束径が最小となるときの光束半径（光軸からの距離）を表している。

具体例１における「Ｈ５」は「５．６８６ｍｍ」であり、従って、第７レンズの射出側面から射出する光束が最小径となるときの光束径φ：１１．３７２ｍｍである。

具体例１の集光レンズ径の結像位置（幾何光学的なバックフォーカス）は、第７レンズＬ７の射出側面から、９．５２８ｍｍの位置である。

図１における「ＳＦ」は、光線バラつきをチャックするため、第７レンズＬ７の射出面から５ｍｍ離れた位置を表示している。

「具体例２」
図２は、具体例２の集光レンズ系のレンズ構成を示している。

繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付した。

この集光レンズ系は、入射側（図の左方）から順に、負の第１レンズ群Ｇ１、正の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正の第３レンズ群Ｇ３を有する。

集光レンズ系は、半画角：８５度（全画角１７０度）の広角レンズである。

負の第１レンズ群Ｇ１は、図の如く入射側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３を配置してなる。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２は共に、曲率の大きい凹面を射出側（図の右方）に向けた「負メニスカスレンズ」であり、第３レンズＬ３は射出側の凹面の曲率が大きい「両凹レンズ」である。

正の第２レンズ群Ｇ２は、第４レンズＬ４で構成され、凸面を入射側に向けた「凸平レンズ」である。

第３レンズ群Ｇ３は、正の屈折力を有し、入射側から順に、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７を配して構成されている。

第５レンズＬ５、第６レンズＬ６は共に、曲率の大きい凸面を入射側へ向けた「正メニスカスレンズ」である。

第７レンズＬ７は、凸面を入射側に向けた「凸平レンズ」である。

開口絞りＳは、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５の間に配置されている。

具体例２の集光レンズ系の具体的なデータを表１に倣って表２に示す。

表２の左欄の「Ｎｏ．」は、入射側から数えた面番号で、開口絞りの面を含む。

「Ｒ」は曲率半径、「Ｄ」は面間隔、「Ｎ」は材料の屈折率、「硝種」とあるのは「硝材」の名称である。

表２において「開口絞り：１１．０８１」とあるのは、「開口半径（ｍｍ）」であり、従って開口直径は２２．１６２ｍｍである。

集光レンズ系の具体例２も、全画角：１７０度を持つ「広角レンズ」であるが、具体例１におけると同様、入射面に入射する「戻りレーザ光束ＢＫＬ」のビーム径φ：６ｍｍ、受光素子２３の受光面の直径φ：６ｍｍを想定している。

図２において、「Ｈ５」は、集光レンズ系の射出面（第７レンズの射出側面）から射出する光束の光束径が最小となるときの光束半径（光軸からの距離）を表している。

具体例２における「Ｈ５」は「４．９８９ｍｍ」であり、従って、第７レンズの射出側面から射出する光束が最小径となるときの光束径φ：９．９７８ｍｍである。

具体例２の集光レンズ径の結像位置（幾何光学的なバックフォーカス）は、第７レンズＬ７の射出側面から、３．２６５ｍｍの位置である。

図２における「ＳＦ」も、光線バラつきをチャックするため、第７レンズＬ７の射出面から５ｍｍ離れた位置を表示している。

具体例１と２のデータを比較すれば分かるように、両者は、第５レンズＬ５の入射側レンズ面の曲率半径のみが異なり、あとは同一である。

第５レンズＬ５の入射側面の曲率半径は、具体例１において１７ｍｍ、具体例２において１６ｍｍであり、具体例２の方が若干小さい。

即ち、第５レンズＬ５の入射側面（面番号：１０）の屈折力は、具体例２の方が若干大きい。
このように、第５レンズＬ５の入射側面の屈折力を、具体例１よりも若干大きくすることにより、集光レンズ系の射出面から射出する光束の光束径が最小となるときの光束半径：Ｈ５は、具体例２の方が具体例１よりも若干（≒０．７ｍｍ、直径で≒１．４ｍｍ）小さくなっている。

しかしその反面、第７レンズＬ７の射出側面から５ｍｍ離れた面ＳＦ上において「戻り光束が広がる範囲」は、具体例２では具体例１の１．５倍ほど大きくなっている。

いずれにせよ、具体例１、２とも、面ＳＦの大きさが大きく、また、この面ＳＦの周辺部に入射する結像光束の入射角も大きい。

これは、受光素子の大型化や、検出精度の劣化につながり易い。

この発明では、１以上の導光部材と、１以上の受光素子を用い、受光素子の大型化や、検出精度の劣化に対処する。

以下、実施の形態を説明する。集光レンズ系としては、上に挙げた具体例１、具体例２のものを適宜用いるものとする。

図３に、上に説明した集光レンズ系を用いる実施の形態を６例示す。

図３（ａ）に示す実施の形態では、上に説明した「３レンズ群７枚レンズ構成の集光レンズ系」の、最も像側の第７レンズＬ７の射出側レンズ面の側に導光部材ＬＧ１を配置した例である。

導光部材ＬＧ１は「截頭円錐状のライトガイド（「テーパロッド」とも呼ばれる）」である。

導光部材ＬＧ１は周面が反射面で、大面積の底面部が第７レンズＬ７の射出側レンズ面に近接若しくは密接して配置され、小面積の截頭面が受光素子ＰＤの受光面に近接若しくは密接している。

第７レンズＬ７の射出側レンズ面に近接若しくは密接した大面積の底面部は、第７レンズＬ７から射出する光束の「実質的に全て」を入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」上記底面部から導光部材ＬＧ１に入射する。

そして、導光部材ＬＧ１の「周面をなす反射面」で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

この発明のレーザレーダ装置は「１以上の受光素子と、戻りレーザ光を入射され、前記１以上の受光素子の側へ射出させる集光レンズ系と、該集光レンズ系から射出するレーザ光を、前記１以上の受光素子へ導光する１以上の導光部材と」を有するものである。

そして、検出対象物へ向かう偏向レーザビームＳＬＢが向かう方向と、検出対象物までの距離をレーザ光が往復する時間とにより、検出対象物の表面形状と距離が知られる。

このような検出対象物の検出における「受光素子の意義」は、検出対象物までの距離をレーザ光が往復する時間を特定することにある。

そして、集光レンズ系の意義は、戻りレーザ光束ＢＫＬを取り込み、レーザ光として受光素子に受け渡すことにある。

即ち、集光レンズ系は戻りレーザ光束ＢＫＬを受光素子へ「受け渡す」ことが出来ればよく、戻りレーザ光束ＢＫＬを受光素子の受光面に結像（集光）させる必要はない。

前述のように、集光レンズ系の作用により戻り光束を受光素子の受光面に集光させる場合には、受光面の面積の大きい受光素子が必要となる。

しかし、図３（ａ）に示す如く、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光の実質的に全てを、導光部材ＬＧ１により受光素子ＰＤの受光面に導光すれば、受光素子ＰＤは大面積の受光面を必要とせず、戻りレーザ光束ＢＫＬを精度よく検出できる。

図３（ｂ）以下に、図３（ａ）に示す実施の形態の変形例を５例挙げる。
繁雑を避けるために、混同の虞が無いと思われるものについては図３（ａ）と同一の符号を付した。また、図３（ｂ）〜（ｆ）においては、集光レンズ系に関しては、最も像側の第３レンズ群Ｇ３の第７レンズＬ７のみを示した。

図３（ｂ）に示す例は、導光部材ＬＧ２として、第７レンズＬ７の光軸を回転対称軸とする「非球面形状の反射面」を周面に有するものが用いられている。

導光部材ＬＧ２の入射側の面は、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」導光部材ＬＧ２に入射する。

そして、導光部材ＬＧ２の周面をなす非球面形状の反射面で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

図３（ｃ）に示す例は、導光部材ＬＧ３として、第７レンズＬ７の光軸を回転対称軸とする「球面形状の反射面」を周面に有するものが用いられている。

導光部材ＬＧ３の入射側の面は、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」導光部材ＬＧ３に入射する。

そして、導光部材ＬＧ３の周面をなす球面形状の反射面で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

図３（ｄ）に示す例は、導光部材ＬＧ１０と、受光素子ＰＤを用いる例である。

導光部材ＬＧ１０は、複数本のライトガイドＬＧ１１、ＬＧ１２、ＬＧ１３等を束ねてなる。図に示されたライトガイドＬＧ１１〜ＬＧ１３等は、全体を１つに束ねられ、入射側は第７レンズＬ７の射出側面に近接若しくは密接し、射出側は受光素子ＰＤの受光面に近接若しくは密接している。

ライトガイドＬＧ１１等は、周面が「テーパの付いた反射面」であるテーパロッドであり、図の如く、受光素子ＰＤ側が細くなっている。

導光部材ＬＧ１０の入射側は、複数のライトガイドの入射面の集合面であり、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有する。

第７レンズＬ７から射出するレーザ光は、ライトガイドＬＧ１１等の内部で反射されつつ、実質的にその全てが受光素子ＰＤに導光され、受光素子ＰＤにより受光される。

図３（ｅ）に示す例は、導光部材ＬＧ２０と、複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３等を用いる例である。

導光部材ＬＧ２０は、複数本のライトガイドＬＧ２１、ＬＧ２２、ＬＧ２３等を束ねてなる。ライトガイドＬＧ２１等は「周面がテーパの付いた反射面」であるテーパロッドであり、図の如く、入射側から射出側へ向かって細くなっている。

図に示されたライトガイドＬＧ２１〜ＬＧ２３等は、入射側を１つに束ねられ、束ねられた入射側面は、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有し、第７レンズＬ７の射出側面に近接若しくは密接している。

複数のライトガイドＬＧ２１等の射出側は互いに別れ、個々の射出側はライトガイドごとに設けられた複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２等の受光面に近接若しくは密接している。

集光レンズ系の射出側に射出されるレーザ光の実施的に全ては、ライトガイドＬＧ２１等により受光素子ＰＤ１等に導光されて、受光素子ＰＤ１等に受光される。

複数の受光素子ＰＤ１等の出力信号を合成すれば、集光レンズ系から射出するレーザ光全体に対する受光情報が得られる。

図３（ｆ）に示す例は、導光部材ＬＧ３０と、複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３等を用いる例である。

導光部材ＬＧ３０は、複数本のライトガイドＬＧ３１、ＬＧ３２、ＬＧ３３等を束ねてなる。ライトガイドＬＧ３１等は「周面がテーパの付いた反射面」であるテーパロッドであり、図の如く、入射側から射出側へ向かって細くなっている。

図示されたライトガイドＬＧ３１〜ＬＧ３３等は、入射側を１つに束ねられ、束ねられた入射側面は、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有し、第７レンズＬ７の射出側面に近接若しくは密接している。

複数のライトガイドＬＧ３１等の射出側は互いに別れ、個々の射出側はライトガイドごとに設けられた複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２等の受光面に近接若しくは密接している。

集光レンズ系の射出側に射出されるレーザ光の実施的に全ては、ライトガイドＬＧ３１等により受光素子ＰＤ１等に導光されて、受光素子ＰＤ１等に受光される。

複数の受光素子ＰＤ１等の出力信号を合成すれば、集光レンズ系の第７レンズＬ７から射出するレーザ光全体に対する受光情報が得られる。

図３（ｅ）に示す例と、（ｆ）に示す例とを比較すると、図３（ｆ）の例では、複数のライトガイドＬＧ３１等の射出側が大きく離されている。

このようにすると、受光素子ＰＤ１等の配置位置の自由度が大きくなる。

図３に示した実施の各形態では、集光レンズ系は、入射側から順に、負の第１レンズ群Ｇ１、正の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正の第３レンズ群Ｇ３を有し、全画角：１７０度以上の広角レンズであり、１以上の導光部材（ＬＧ１等）は、その入射面を、前記第３レンズ群Ｇ３の射出レンズ面に近接若しくは密接して配置されている。

図３に即して説明した実施の形態では、集光レンズ系として全画角：１７０度以上の物が用いられているが、一般的に、この全画角以下で同様の効果を得ることは自明である（具体例では、０〜１７０度までの範囲をすべてカバーしている）。

従って、一般的な広角レンズ（９０°以上）では、より容易に本発明の効果を達成することが可能である。

ここで、この発明の受光装置における「集光レンズ系」の役割について見ると、上述の如く「集光レンズ系」は、戻りレーザ光束ＢＫＬをレーザ光として受光素子へ「受け渡す」役割を負っている。

即ち、集光レンズ系は、戻りレーザ光束ＢＫＬを受光素子の受光面に結像（集光）させる必要はない。

このような観点から、上に具体例として挙げた図１、図２の集光レンズ系を見ると、これら具体例の集光レンズ系は、入射側から順に、負の第１レンズ群Ｇ１、正の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、正の第３レンズ群Ｇ３を有し、画角：１７０度以上の広角レンズである。

この３レンズ群構成の集光レンズ系において、第３レンズ群Ｇ３を除いた部分、即ち「第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳで構成される部分」を考えてみる。

「第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２と開口絞りＳにより構成される部分」は、全画角１７０度をもち、戻りレーザ光束ＢＫＬを取り込み、開口絞りＳから射出させる。

このとき、開口絞りＳから射出される光束は、上の具体例の集光レンズ系では「その全てが第７レンズＬ７から射出」する。

即ち、開口絞りＳから射出する光束は、戻りレーザ光束ＢＫＬの「全レーザ光」を含んでいる。

この観点からすると、前記３レンズ群の集光レンズ系から第３レンズ群を除いた「第１レンズ群、第２レンズ群、開口絞り」の部分は、この発明のレーザレーダ装置の受光装置において必要とされる「集光レンズ系」の機能を充足している。

従って、３レンズ群の集光レンズ系から第３レンズ群を除いた「第１レンズ群、第２レンズ群、開口絞り」の部分を新たに「集光レンズ系」とし、この「新たな集光レンズ系」から１以上の受光素子の側へ射出するレーザ光を、１以上の導光部材を用いて、１以上の受光素子へ導光することができる。

以下、この場合の新たな集光レンズ系を用いる実施の形態例を６例、図４に示す。

図４の各図において、図の左側が入射側、右側が射出側である。

図４（ａ）に示す実施の形態は、前記「第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳ、第３レンズ群Ｇ３による３レンズ群構成の集光レンズ」から、第３レンズ群Ｇ３を除いたものを「新たな集光レンズ」として用いる場合の例である。

第２レンズ群Ｇ２を構成する第４レンズＬ４の射出側に設けられた開口絞りＳの射出側に、導光部材ＬＧ１０Ａを配置した例である。

導光部材ＬＧ１０Ａは「截頭円錐状のライトガイド」である。

導光部材ＬＧ１０Ａは周面が反射面で、大面積の底面部が開口絞りＳの開口に、射出側から近接若しくは密接して配置され、小面積の截頭面が受光素子ＰＤの受光面に近接若しくは密接している。

開口絞りＳの射出側に近接若しくは密接した大面積の底面部は、開口絞りＳの開口から射出するレーザ光の「実質的に全て」を入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」上記底面部から導光部材ＬＧ１０Ａに入射する。

そして、導光部材ＬＧ１０Ａの周面をなす反射面で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

図４（ｂ）以下に、図４（ａ）に示す実施の形態の変形例を５例挙げる。
図の繁雑を避けるため、図４の（ｂ）〜（ｆ）では「新たな集光レンズ系を構成する第１レンズＬ１〜第４レンズＬ４と開口絞りＳ」のうち、第４レンズと開口絞りＳのみを図示する。

また、繁雑を避けるために、混同の虞が無いと思われるものについては図４（ａ）におけると同一の符号を付した。

図４（ｂ）に示す例は、導光部材ＬＧ２０Ａとして、第４レンズＬ４の光軸を回転対称軸とする「非球面形状の反射面」を周面に有するものが用いられている。

導光部材ＬＧ２０Ａの入射側の面は、開口絞りＳから射出する光束の全てを入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」導光部材ＬＧ２０Ａに入射する。

そして、導光部材ＬＧ２０Ａの周面をなす非球面形状の反射面で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

図４（ｃ）に示す例は、導光部材ＬＧ３０Ａとして、第４レンズＬ４の光軸を回転対称軸とする「球面形状の反射面」を周面に有するものが用いられている。

導光部材ＬＧ３０Ａの入射側の面は、開口絞りＳから射出するレーザ光の実質的に全てを入射できる大きさを有する。

従って、集光レンズ系から受光素子ＰＤ側へ射出するレーザ光は「実質的に全て」導光部材ＬＧ３０Ａに入射する。

そして、導光部材ＬＧ３０Ａの周面をなす球面形状の反射面で反射されつつ受光素子ＰＤ側へ導光され、受光素子ＰＤに受光される。

図４（ｄ）に示す例は、導光部材ＬＧ４０と、受光素子ＰＤを用いる例である。

導光部材ＬＧ４０は、複数本のライトガイドＬＧ４１、ＬＧ４２、ＬＧ４３等を束ねてなる。図に示されたライトガイドＬＧ４１〜ＬＧ４３等は、全体を１つに束ねられ、入射側は開口絞りＳの射出側面に近接若しくは密接し、射出側は受光素子ＰＤの受光面に近接若しくは密接している。

ライトガイドＬＧ１１等は、周面が「テーパの付いた反射面」であり、図の如く、受光素子ＰＤ側が細くなっている。

導光部材ＬＧ１０の入射側は、複数のライトガイドの入射面の集合面であり、開口絞りＳから射出するレーザ光の実質的に全てを入射できる大きさを有する。

開口絞りＳから射出するレーザ光は、ライトガイドＬＧ４１等の内部で反射されつつ、実質的にその全てが受光素子ＰＤに導光され、受光素子ＰＤにより受光される。

図４（ｅ）に示す例は、導光部材ＬＧ５０と、複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３等を用いる例である。

導光部材ＬＧ５０は、複数本のライトガイドＬＧ５１、ＬＧ５２、ＬＧ５３等を束ねてなる。ライトガイドＬＧ５１等は「周面がテーパの付いた反射面」であり、図の如く、入射側から射出側へ向かって細くなっている。

図に示されたライトガイドＬＧ５１〜ＬＧ５３等は、入射側を１つに束ねられ、束ねられた入射側面は、第７レンズＬ７から射出する光束の実質的に全てを入射できる大きさを有し、開口絞りＳの射出側面に近接若しくは密接している。

複数のライトガイドＬＧ５１等の射出側は互いに別れ、個々の射出側はライトガイドごとに設けられた複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２等の受光面に近接若しくは密接している。

集光レンズ系の射出側に射出されるレーザ光の実施的に全ては、ライトガイドＬＧ５１等により受光素子ＰＤ１等に導光されて、受光素子ＰＤ１等に受光される。

複数の受光素子ＰＤ１等の出力信号を合成すれば、集光レンズ系から射出するレーザ光全体に対する受光情報が得られる。

図４（ｆ）に示す例は、導光部材ＬＧ６０と、複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３等を用いる例である。

導光部材ＬＧ６０は、複数本のライトガイドＬＧ６１、ＬＧ６２、ＬＧ６３等を束ねてなる。ライトガイドＬＧ６１等は「周面がテーパの付いた反射面」であり、図の如く、入射側から射出側へ向かって細くなっている。

図に示されたライトガイドＬＧ６１〜ＬＧ６３等は、入射側を１つに束ねられ、束ねられた入射側面は、開口絞りＳから射出するレーザ光の実質的に全てを入射できる大きさを有し、開口絞りＳの射出側面に近接若しくは密接している。

複数のライトガイドＬＧ６１等の射出側は互いに別れ、個々の射出側はライトガイドごとに設けられた複数の受光素子ＰＤ１、ＰＤ２等の受光面に近接若しくは密接している。

集光レンズ系の射出側に射出されるレーザ光の実施的に全ては、ライトガイドＬＧ６１等により受光素子ＰＤ１等に導光されて、受光素子ＰＤ１等に受光される。

複数の受光素子ＰＤ１等の出力信号を合成すれば、集光レンズ系から射出するレーザ光全体に対する受光情報が得られる。

図４（ｅ）に示す例と、（ｆ）に示す例とを比較すると、図４（ｆ）の例では、複数のライトガイドＬＧ３１等の射出側が大きく離されている。

このようにすると、受光素子ＰＤ１等の配置位置の自由度が大きくなる。

図４に示した実施の各形態では、集光レンズ系は、入射側から順に、負の第１レンズ群Ｇ１、正の第２レンズ群Ｇ２、開口絞りＳを有し、全画角：１７０度以上の広角レンズであり、１以上の導光部材（ＬＧ１０Ａ等）は、その入射面を開口絞りＳの射出面に直接に近接若しくは密接して配置されている。

図４に即して説明した実施の各形態でも、集光レンズ系として全画角：１７０度以上の物が用いられているが、一般的に、この全画角以下で同様の効果を得ることは自明である（具体例では、０〜１７０度までの範囲をすべてカバーしている）。

従って、一般的な広角レンズ（全画角：９０°以上）では、より容易にこの発明の効果を達成することが可能である。

上に説明した実施の各形態では、導光部材やライトガイドは、周面部が反射面であるものである。
即ち、硝子や透明プラスチックのような透明な材料で、導光部材やライトガイドの形状を形成し、その周面部分に蒸着等の方法で反射面を形成することにより製造できる。

導光部材ＬＧ２やＬＧ２０Ａでは、反射面形状が非球面形状であるが、この非球面形状は受光素子側へのレーザ光の導光が効率よく行われるように設計される。

また、導光部材ＬＧ３やＬＧ３０Ａは、所謂「積分球」と同様の効果で、レーザ光を効率よく受光素子ＰＤへ導光できる。

上には、導光部材の具体例を示したが、これに限らず種々の形態のものが可能である。

即ち、上には、硝子や透明プラスチックのような透明な材料で、導光部材やライトガイドの形状を形成し、その周面部分に蒸着等の方法で反射面を形成したものを例示したが、勿論これに限らない。

これらの例では、外周面部分を反射面とし、反射面の内部は実態を持った透明体であるが、このようにする代わりに、内部を中空とし、内側面を反射面として導光部材やライトガイドを構成することができる。

また、導光部材やライトガイドの形状として、上には軸対称（回転対称）なものを例示したが、導光部材やライトガイドの形状は、上に例示したものに限らない。

導光部材の果たすべき機能は上記の如く「集光レンズ系から射出するレーザ光を、１以上の受光素子へ導光するし、１以上の受光素子により、集光レンズ系から射出するレーザ光を全て受光する」ことにある。

なお、ここに言う「全て」は、厳密な意味ではなく「実質的に全て」であればよい。

従って、導光部材は、このような意味で、集光レンズ系から導光部材へ入射するレーザ光を実施的に全て受光素子側へ受け渡すことができればよく、このような機能が果たされる形状であれば任意に形状を定めることができる。

図３や図４に示す各種の導光部材は、その射出側が受光素子の受光面に近接若しくは密接している。

上記のように、導光部材やライトガイドには「形状の自由度」があるので、上に説明した各種の導光部材やライトガイドの射出側の形状は「受光素子の受光面形状」に合わせるのが合理的である。

以下に、図６を参照してレーザレーダ装置のシステム構造の１形態を簡単に説明する。

レーザレーダ装置は、レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置である。

レーザレーダ装置は、レーザビーム走査部１００と、受光装置２００と、制御演算部３００とディスプレイ４００を有する。

レーザビーム走査部１００は、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームＳＬＢとして２次元的に走査する機能を持つ部分であり、例えば、図５（ａ）に即して先に簡単に説明した如きものである。

受光装置２００は、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光ＢＫＬとして検出する機能を持つ部分である。

この部分は、例えば、図３、図４に即して実施の形態を説明したように、１以上の受光素子と、戻りレーザ光を入射され、１以上の受光素子の側へ射出させる集光レンズ系と、該集光レンズ系から射出するレーザ光を、前記１以上の受光素子へ導光する１以上の導光部材と、を有する。

図６に示す制御演算部３００は、レーザビーム走査部１００と受光装置２００とを制御し、受光装置２００の受光情報に基づき「検出対象物までの距離」を演算し、検出対象部の「方位と距離」を特定する制御演算手段である。

「制御演算手段」としての制御演算部３００は、マイクロコンピュータあるいはＣＰＵとして構成される。

ディスプレイ４００は、制御演算手段３００により特定された「検出対象物の方位と距離を表示する表示手段」で、液晶ディスプレイ等の各種のものを用いることができる。

以上のように、この発明によれば、以下の如き「レーザレーダ装置及びその受光装置」を実現できる。

［１］
レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置において、前記検出対象物による前記戻りレーザ光を受光する受光装置であって、１以上の受光素子（ＰＤ等）と、広い範囲の戻りレーザ光ＢＫＬを入射され、前記１以上の受光素子の側へ射出させる集光レンズ系と、該集光レンズ系から射出するレーザ光を全て、前記１以上の受光素子の受光面に結像させることなく、前記１以上の受光素子へ導光する１以上の導光部材（ＬＤ１等）と、を有し、前記集光レンズ系は、最も入射側のレンズ面が連続した単一の負のパワーを有する凸レンズ面であり、前記１以上の受光素子は前記１以上の導光部材により前記受光面に導光された前記レーザ光を受光信号化するものであり、前記１以上の受光素子により、前記集光レンズ系から射出するレーザ光を全て受光するレーザレーダ装置の受光装置。

［２］
［１］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、集光レンズ系は、全画角：９０度以上とする広角レンズであることを特徴とするレーザレーダ装置の受光装置。
［３］
［１］または［２］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、導光部材ＬＧ１、ＬＧ１０Ａは入射面から射出面に向かって断面積が小さくなる単一のテーパロッドであって、前記射出面を単一の受光素子の受光面に近接若しくは密接させているレーザレーダ装置の受光装置。

［４］
［１］または［２］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、導光部材ＬＧ２、ＬＧ２０Ａは単一で、反射面が凹の変形非球面を内面として有する、レーザレーダ装置の受光装置。

［５］
［１］または［２］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、導光部材ＬＧ３、ＬＧ３０Ａは単一で、反射面が凹の球面を内面として有する、レーザレーダ装置の受光装置。

［６］
［１］または［２］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、導光部材（ＬＤ１０、ＬＤ４０等）が、入射面から射出面に向かって断面積が小さくなるテーパロッドを複数個有する、レーザレーダ装置の受光装置。

［７］
［６］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、複数のテーパロッドの射出側が、同一の受光素子ＰＤの受光面に近接若しくは密接している、レーザレーダ装置の受光装置。

［８］
［６］記載のレーザレーダ装置の受光装置において、複数のテーパロッド（ＬＤ２１等）の射出側が個別に、各テーパロッドに対応する受光素子（ＰＤ１等）の受光面に近接若しくは密接している、レーザレーダ装置の受光装置。

［９］
レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置であって、レーザビーム走査部１００と、検出対象物による前記戻りレーザ光を受光する受光装置２００と、前記レーザビーム走査部と受光装置とを制御し、前記受光装置の受光情報に基づき、前記検出対象物までの距離を演算し、前記検出対象物の方位と距離を特定する制御演算手段３００と、該制御演算手段により特定された前記検出対象物の方位と距離を表示する表示手段４００と、を有し、前記受光装置２００として［１］ないし［８］の何れか１に記載のものを用いるレーザレーダ装置。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上の説明から明らかなように、この発明で用いる集光レンズ系は「結像」を問題としていないので、広角レンズであればどのようなものでも使用可能である。

また、開口絞りの入射側にレンズ群があるものであれば、開口絞りから射出するレーザ光を導光部材で受光素子に導光するための集光レンズ系として用いることができることは言うまでもない。

上記広角レンズとして「画角：９０度以上」のものを挙げたが、画角：９０度は厳密に９０度であることを意味せず、実質的に９０度である場合も含まれる。

画角が９０度より小さく、例えば「８５度」でも「画角の大きい戻りレーザ光束ＢＫＬの受光面への入射角が増大し、その結果、受光素子２３の検出出力が低下して検出精度が低下したり、受光素子２３の受光面が大きくなったりする」場合には、この発明を有効に適用できることは言うまでもない。

勿論、具体例として挙げた画角１７０度の集光レンズ系よりも、さらに画角の大きい集光レンズ系の場合にも、この発明を有効に適用できることは言うまでもない。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１００ レーザビーム走査部
２００ 受光装置
３００ 制御演算部
４００ ディスプレイ
Ｌ１ 集光レンズ系の第１レンズ
Ｌ２ 集光レンズ系の第２レンズ
Ｌ３ 集光レンズ系の第３レンズ
Ｌ４ 集光レンズ系の第４レンズ
Ｌ５ 集光レンズ系の第５レンズ
Ｌ６ 集光レンズ系の第６レンズ
Ｌ７ 集光レンズ系の第７レンズ
Ｓ 集光レンズ系の開口絞り
ＳＦ 集光レンズ系の像面
ＬＧ１ 導光部材
ＬＧ２ 導光部材
ＬＧ３ 導光部材
ＬＧ１０ 導光部材
ＬＧ２０ 導光部材
ＬＧ３０ 導光部材
ＬＧ１０Ａ 導光部材
ＬＧ２０Ａ 導光部材
ＬＧ３０Ａ 導光部材
ＬＧ４０ 導光部材
ＬＧ５０ 導光部材
ＬＧ６０ 導光部材
ＰＤ 受光素子
ＰＤ１ 受光素子
ＰＤ２ 受光素子
ＰＤ３ 受光素子

特開２０１３−１１３６８４号公報

Claims (9)

1. レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置において、前記検出対象物による前記戻りレーザ光を受光する受光装置であって、
   １以上の受光素子と、
   広い範囲の戻りレーザ光を入射され、前記１以上の受光素子の側へ射出させる集光レンズ系と、
   該集光レンズ系から射出するレーザ光を全て、前記１以上の受光素子の受光面に結像させることなく導光する１以上の導光部材と、を有し、
   前記集光レンズ系は、最も入射側のレンズ面が連続した単一の負のパワーを有する凸レンズ面であり、
   前記１以上の受光素子は前記１以上の導光部材により前記受光面に導光された前記レーザ光を受光信号化するものであり、
   前記１以上の受光素子により、前記集光レンズ系から射出するレーザ光を全て受光するレーザレーダ装置の受光装置。
2. 請求項１記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   集光レンズ系は、全画角：９０度以上とする広角レンズであることを特徴とするレーザレーダ装置の受光装置。
3. 請求項１または２記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   導光部材は入射面から射出面に向かって断面積が小さくなる単一のテーパロッドであって、前記射出面を単一の受光素子の受光面に近接若しくは密接させているレーザレーダ装置の受光装置。
4. 請求項１または２記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   導光部材は単一で、反射面が凹の変形非球面を内面として有する、レーザレーダ装置の受光装置。
5. 請求項１または２記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   導光部材は単一で、反射面が凹の球面を内面として有する、レーザレーダ装置の受光装置。
6. 請求項１または２記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   導光部材が、入射面から射出面に向かって断面積が小さくなるテーパロッドを複数個有する、レーザレーダ装置の受光装置。
7. 請求項６記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   複数のテーパロッドの射出側が、同一の受光素子の受光面に近接若しくは密接している、レーザレーダ装置の受光装置。
8. 請求項６記載のレーザレーダ装置の受光装置において、
   複数のテーパロッドの射出側が個別に、各テーパロッドに対応する受光素子の受光面に近接若しくは密接している、レーザレーダ装置の受光装置。
9. レーザビーム走査部により、レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査し、検出対象物による反射レーザビームを戻りレーザ光として検出するレーザレーダ装置であって、
   レーザビーム走査部と、
   検出対象物による前記戻りレーザ光を受光する受光装置と、
   前記レーザビーム走査部と受光装置とを制御し、前記受光装置の受光情報に基づき、前記検出対象物までの距離を演算し、前記検出対象物の方位と距離を特定する制御演算手段と、
   該制御演算手段により特定された前記検出対象物の方位と距離を表示する表示手段と、
   を有し、
   前記受光装置として、請求項１ないし８の何れか１項に記載のものを用いるレーザレーダ装置。

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