JP7070029B2 - 光照射装置及びレーザレーダ装置 - Google Patents

Description

本開示は、照射光を透過する光学窓での光の反射を抑制する技術に関する。

レーザレーダ装置では、光源から出射された光ビームを、回転する偏光ミラー等の偏向手段を用いて、予め設定された広角度の照射範囲内に照射する。レーザレーダ装置は、筐体に収納され、光ビームは、光学窓を介して筐体外部に照射される。

光ビームは、一点から照射され、光学窓の異なる部位に異なる角度で入射する。光学窓の反射率は、光の入射角度によって変化するため、照射範囲内の方位によって反射率、ひいては受光部での反射光の検出感度が変動する。また、反射光は受光部にてノイズとして受光され、しかも光ビームの照射方向によってその量が変動するため、一律にキャンセルすることが困難である。特にレーザレーダ装置で使用される受光素子は、高感度であるため、このような反射光の影響が大きい。

これに対して下記特許文献１には、光源から光学窓に至る経路中に波長板を設け、照射方向に応じて波長板を回転させて光ビームの偏光を調整することにより、方位による感度の変動を抑制する技術が開示されている。即ち、光学窓に入射する光の偏光方向によって、光の入射角度と反射率との関係が変化することを利用している。

特開２０１１－１１２６３２号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載の従来技術では、波長板を回転させる必要があるため、構成が複雑化するという課題が見出された。
本開示の１つの局面は、簡易な構成で光学窓での反射率を抑制する技術を提供することにある。

本開示の一態様による光照射装置は、光学窓（６、６ａ、６ｂ）と、光源（２１）と、照射部（２２、２２ａ、２３）とを備える。
光学窓は、光を透過する材料で形成される。光源は、直線偏光を有する照射光を出射する。照射部は、光源から出射された照射光を、光学窓を介して、予め設定された照射範囲に向けて照射する。そして、光学窓は、照射範囲内に設けられる指定範囲内での照射光の反射率が予め設定された上限値以下となる形状を有する。

このような構成によれば、機械的な駆動部等を新たに設けることなく、指定範囲内での照射光の反射率を抑制することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

レーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態における投光部および光学窓の構成および動作を示す説明図である。 光学窓に対する光の入射角度と反射率との関係を示すグラフである。 第１実施形態に適用される光学窓の形状を規定するパラメータに関する説明図である。 実施例１の光学窓を規定するパラメータを示す表である。 実施例１の光学窓と、従来技術である平面形状の光学窓とについて光学窓の反射特性を示したグラフである。 第２実施形態における投光部および光学窓の構成および動作を示す説明図である。 第２実施形態に適用される光学窓の形状を規定するパラメータに関する説明図である。 実施例２の光学窓を規定するパラメータを示す表である。 実施例２の光学窓と、従来技術である平面形状の光学窓とについて光学窓の反射特性を示したグラフである。 投光部の他の実施形態の構成を示す説明図である。 投光部の他の実施形態の構成を示す説明図である。 光学窓の他の形状を表す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示すレーザレーダ装置１は、投光部２と、受光部３と、演算部４と、筐体５と、光学窓６とを備える。なお、投光部２および光学窓６が光照射装置に相当する。

筐体５は、光を通過させる開口部を有した箱体であり、内部に投光部２、受光部３、および演算部４が収納される。
光学窓６は、光を透過する材料で形成され、筐体５の開口部を塞ぐように設けられる。

投光部２は、光学窓６を介して、予め設定された照射範囲に向けて光ビームを照射する。投光部２は、図２に示すように、光源２１と、レンズ２２と、偏向部２３とを備える。
光源２１は、直線偏光の光を発するレーザであり、ここでは、発光面が長方形を有する半導体レーザが用いられる。一般的な半導体レーザから照射される光は、発光面の長軸方向と平行な方向に直線偏光を有する。半導体レーザの配置は、光学設計に依存するが、図２を含めて、本開示では、紙面に対して垂直方向に直線偏光を成していると設定する。

レンズ２２は、光源２１から出射された光ビームが平行状態となるようにコリメートして、偏向部２３に入射する。なお、レンズ２２から出力される光ビームは、必ずしも正確にコリメートされていなくてもよく、レーザレーダ装置１に要求される最大検知距離にて必要な検知精度が得られるビーム幅が得られるのであれば、拡散光や収束光であってもよい。つまり、レンズ２２は、光ビームが照射範囲の一部に照射されるように、光源２１から出射された光ビームのビーム形状を整形する光学素子である。

偏向部２３は、光ビームを反射する偏向ミラーと、偏向ミラーを回転駆動する駆動部とを備える。以下、偏向ミラー上において、光源２１からレンズ２２を介して入射される光ビームが反射される地点を反射点Ｐｓという。偏向ミラーにて反射した光ビームは、偏向ミラーの回転軸に直交する平面内の予め設定された角度範囲を照射範囲として、照射範囲を走査しながら光ビームを投光する。照射範囲は、照射範囲の中心方向を０度として、例えば±６０°の範囲に設定される。なお、レンズ２２および偏向部２３が照射部に相当する。

受光部３は、投光部２から投光され、照射範囲内に存在する物体に反射した反射光を受光する。受光部３は、図示は省略するが、光学窓６および偏向部２３を投光部２と共用し、更に、偏向部２３から入射する反射光を収束させるレンズ、および収束した反射光を受光する受光素子を有する。但し、受光部３は、投光部２とは個別に光学窓および偏向部を備えてもよい。もしくは、受光部３は、偏向部が省略されてもよい。

演算部４は、投光部２からの光の出射タイミングから、受光部３での受光タイミングまでの時間を計測することで、光を反射した物体までの距離を算出すると共に、受光タイミングでの偏向ミラーの回転角度から、光を反射した物体が存在する方向を検出する。

光学窓６は、筐体５の内部空間に面する第１面および筐体５の外部空間に面する第２面のいずれもが、照射範囲に投光される光が入射される全範囲において、Ｓ偏光の反射率が５％以下となる非球面形状を有する。なお、Ｓ偏光は、入射面に対して偏光面が平行な光であり、Ｐ偏光は、入射面に対して偏光面が垂直な光である。但し、ここでの入射面は光学窓６の第１面または第２面である。

図３に示すように、Ｓ偏光の反射率は、光学窓６への入射角が大きくなるほど、大きくなり、反射率を５％以下にするには、入射角を２５°以下とする必要がある。図３は、偏向ミラー上の光ビームの反射点Ｐｓから、光学窓６に入射される光ビームの経路を示す。

光学窓６の非球面形状は、（１）式を用いて設定される。但し、図４に示すように、偏向ミラーの回転軸に直交する平面において、照射範囲の中心方向を示す軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し且つ光学窓６の第２面に接する軸をＹ軸とし、Ｘ軸Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とする座標系を用いる。（１）式において、Ａｉはｉ次の非球面係数であり、Ｒは曲率半径であり、ｋはコーニック定数である。そして、ＡｉおよびＲを適宜変化させることで、上述の反射率を実現する。

また、光学窓６は、屈折率ｎが１．４９のポリメタクリル酸メチル樹脂（以下、ＰＭＭＡ）製とし、板厚を２ｍｍとした。また、反射点Ｐｓから光学窓６の第１面までの距離Ｌを２５ｍｍとして設計した。また、光学窓６の曲率半径は、投光部２に属する複数の光学部品の配置および光学部品間の光路が、光学窓６の形状によって制約を受けることがないように、できるだけ平面に近い形状となる充分に大きな値に設定した。光学窓６での反射率を５％以下にするパラメータの一例（以下、実施例１）を、図５に示す。ここでは、第１面および第２面をいずれも同じ形状とした。

図６は、実施例１について、反射点Ｐｓから見た照射範囲内の角度である走査角度―６０°～６０°と光学窓６でのＳ偏光の反射率との関係をシミュレーションによって算出したグラフである。比較のため、平面形状の光学窓の反射率も示す。グラフからわかるように、全照射範囲に渡って、反射率が５％以下となっていることがわかる。つまり、この場合、照射範囲の全範囲が指定範囲に相当し、５％が反射率の上限値に相当する。

［１－２．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）本実施形態では、反射点Ｐｓから光学窓６に入射する光ビームの入射角が特定の角度範囲内に収まるように光学窓６の形状および光学窓６と反射点Ｐｓとの位置関係を設定することによって、光学窓６での反射率を調整している。従って、新たな光学素子等を追加することなく、簡易な構成によって、光学窓６での反射率を上限値以下に抑えることができる。

（１ｂ）本実施形態では、光学窓６の形状が、反射率が最悪となるＳ偏光の場合を想定して設計されるため、Ｓ偏光以外の任意の直線偏光について、光学窓６での反射率を上限値以下に抑えることができる。

［２．第２実施形態］
［２－１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、光学窓が単一の式で表される非球面形状に形成されると共に、光学窓に入射される光ビームの偏光は特に限定されていない。これに対し、第２実施形態では、投光部２ａにおいて、光学窓６ａに入射される光ビームがＰ偏光となるように調整する点、および光学窓６ａの形状が異なる点で、第１実施形態と相違する。

図７に示すように、投光部２ａは、光源２１と、レンズ２２と、偏向部２３とに加えて、偏光調整部２４を備える。
偏光調整部２４は、レンズ２２と偏向部２３との間の光路上に配置された１／４波長板を有する。偏光調整部２４は、光学窓６ａに入射される光ビームがＰ偏光となるように設置される。なお、偏光調整部２４は、光源２１とレンズ２２との間の光路上に設置されてもよい。光源２１が半導体レーザの場合には、光源２１に近い位置に配置した方が、光ビームの径が小さく、偏光調整部２４を小型化できる。また、レンズ２２が光ビームを収束させる場合は、その収束点付近に偏光調整部２４を配置してもよい。光ビームの径が小さい位置に配置するほど、偏光調整部２４を小型化できる。

光学窓６ａは、平面部６１と曲面部６２とを有する。
曲面部６２は、偏向ミラーの回転軸に直交する平面（即ち、Ｙ－Ｚ平面）での断面形状が、曲率半径で規定される円弧形状を有する。つまり、曲面部６２は、湾曲した板状の部位である。平面部６１は、曲面部６２の一端に接続され、第１面および第２面がＹ軸方向に沿うように配置された平板状の部位である。光学窓６ａは、走査角度が－２０°～２０°の範囲（以下、指定範囲）で反射率が２％以下となり、指定範囲以外では反射率が４％以下となるように設計される。

具体的には、図８に示すように、反射点ＰｓからＺ軸方向にＬだけ離れ、かつＹ軸方向にΔＹだけオフセットした地点をオフセット点Ｑとする。そして、オフセット点Ｑに、曲面部６２の第１面が位置し、かつ、オフセット点Ｑでの光学窓６ａの第１面の接線方向が、設置角度θとなるように、曲面部６２の曲率半径Ｒおよびオフセット点Ｑの位置（Ｌ，ΔＹ）を設定する。なお、設置角度θは、Ｐ偏光の反射特性におけるブリュースター角付近、例えば６０°に設定する。また、オフセット点Ｑの位置は、反射点Ｐｓから見たオフセット点Ｑの方向が、指定範囲内に位置するように設定される。

光学窓６ａでの反射率を４％以下、特に指定範囲では２％以下にするパラメータの一例（以下、実施例２）を、図９に示す。ここでは、第１面の形状を規定するパラメータである。

図１０は、実施例２について、反射点Ｐｓから見た照射範囲内の角度である走査角度―６０°～６０°と光学窓６ａでのＰ偏光の反射率との関係をシミュレーションによって算出したグラフである。比較のため、光学窓が平面形状である場合のＳ偏光およびＰ偏光の反射率も示す。なお、実施例２の場合、走査角度が－６０°～４０°付近までの光ビームが曲面部６２に入射し、走査角度が４０°付近～６０°までの光ビームが平面部６１に入射する。

図１０のグラフからわかるように、光学窓が平面形状である場合、Ｐ偏光の反射率は走査角度０°で最大となる。しかし、実施例２では、曲面部６２の作用により、Ｐ偏光の反射率の特性をシフトさせたものが、実施例２の反射特性となる。従って、反射率が低いブリュースター角付近の特性を、指定範囲の位置にシフトさせることで、所望の特性が実現される。

［２－２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）本実施形態では、投光部２ａに偏光調整部２４を追加し、光学窓６ａに入射する光ビームがＰ偏光となるように調整されているため、Ｓ偏光が入射される場合と比較して、光学窓６ａでの反射率をより抑制することができる。

（２ｂ）本実施形態では、オフセット点Ｑの位置および曲面部６２の曲率半径Ｒを適宜調整することにより、ブリュースター角付近の低い反射率が得られる走査角度の範囲を調整できる。その結果、レーザレーダ装置１が使用される環境に応じた様々な反射特性を実現できる。

（２ｃ）本実施形態では、偏光調整部２４が追加されるが、偏光調整部２４を機械的に駆動する必要はないため、従来技術と比較して簡易な構成にて実現できる。
［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（３ａ） 上記第１及び第２実施形態では、投光部２，２ａは、偏向部２３を用いて光ビームにより照射範囲内を走査するように構成されている。これに対して、図１１に示すように、投光部２ｂは、照射範囲の全体に光ビームを一括照射するように構成されてもよい。この場合、投光部２ｂは、光源２１と、偏光調整部２４と、レンズ２２ｂとで構成される。レンズ２２ｂは、偏光調整部２４を介して光源２１から入射される光ビームを、ビーム径が広がる拡散光に変換して、拡散光を光学窓６に直接入射する。なお、偏光調整部２４は、省略されてもよい。

また、図１１では、投光部２ｂは、単一の光源２１によって、照射範囲の全体に光ビームを一括照射するように構成されているが、複数の光源２１を備えてもよい。例えば、図１２に示すように、投光部２ｃは、図１１に示した投光部２ｂと同等の構成を有する二つの投光ブロックＢ１，Ｂ２を備えてもよい。この場合、各投光ブロックＢ１，Ｂ２の配置および各投光ブロックＢ１，Ｂ２に属する各レンズ２２ｂの形状は、各投光ブロックＢ１，Ｂ２から照射される照射光によって照射範囲の全体が覆われるように設定される。図示は省略するが、上記形態以外でも、各レンズ２２ｂの後に、上述した偏向部２３等の偏向手段を設けることで、照射範囲の全体が覆われるようにしてもよい。また、投光部２ｃにおいて各投光ブロックの偏光調整部２４は省略されてもよい。

（３ｃ）上記第２実施形態では、偏光調整部２４として、１／２波長板が用いられているが、本開示は、これに限定されるものではない。偏光調整部２４として、例えば、液晶光学素子が用いられてもよい。

（３ｄ）上記第１及び第２実施形態では、１次元的な走査を行う場合について説明したが、Ｙ－Ｚ平面に対して直交するＸ軸方向への走査も行うように構成されてもよい。この場合、光学窓６のＸ－Ｚ平面の断面形状を曲面形状に設計してもよい。また、Ｘ－Ｚ平面の断面形状が平面状である場合、光ビームの経路上に１／４波長板を配置し、Ｘ軸方向に沿った光ビームの照射方向の変化に応じて１／４波長板を回転させることで、光学窓６の反射率が、Ｘ軸方向の位置によらず略一定となるように調整してもよい。

（３ｅ）上記第１及び第２実施形態では、光学窓６，６ａの第１面および第２面の形状がいずれも同一とされているが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、図１３に示す光学窓６ｂのように、装置の外観に関わる第２面を平面にして第１面だけを曲面としてもよい。また、第１面と第２面とで異なる曲面としてもよい。

（３ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（３ｇ）上述した光照射装置の他、当該光照射装置を構成要素とするシステム、光学窓の設計方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…レーザレーダ装置、２，２ａ，２ｂ，２ｃ…投光部、３…受光部、４…演算部、５…筐体、６，６ａ，６ｂ…光学窓、２１…光源、２２，２２ｂ…レンズ、２３…偏向部、２４…偏光調整部、６１…平面部、６２…曲面部。

Claims (8)

1. 光を透過する材料で形成された光学窓（６ａ）と、
   直線偏光を有する照射光を出射する光源（２１）と、
   前記光源から出射された前記照射光を、前記光学窓を介して、予め設定された照射範囲に向けて照射する照射部（２２、２２ｂ、２３）と、
   を備え、
   前記光学窓は、前記照射範囲内の互いに異なる角度範囲に配置された、平板状の部位である平面部（６１）と湾曲した板状の部位である曲面部（６２）とを有し、かつ、前記照射範囲内に設けられる指定範囲内での前記照射光の反射率が予め設定された上限値以下となる形状を有する
   光照射装置。
2. 請求項１に記載の光照射装置であって、
   前記照射部から前記光学窓に入射する前記照射光がＰ偏光となるように、前記光源から出射された前記照射光の偏光を変化させる偏光調整部（２４）を更に備える
   光照射装置。
3. 請求項２に記載の光照射装置であって、
   前記偏光調整部は、前記光源と前記照射部との間に配置された
   光照射装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光照射装置であって、
   前記光学窓は、前記照射部からの前記照射光が入射する第１面および該照射光が出射する第２面のうち、いずれか一つの面が曲面形状を有する
   光照射装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光照射装置であって、
   前記照射部は、
   前記照射光が前記照射範囲の一部に照射されるように、前記照射光のビーム形状を整形する光学素子（２２）と、
   前記光学素子により整形された前記照射光である光ビームの出射方向を、前記照射範囲内で変化させる偏向部（２３）と、
   を備える、光照射装置。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光照射装置であって、
   前記照射部は、
   前記照射光が前記照射範囲の全体に一括して照射されるように、前記照射光のビーム形状を整形する光学素子（２２ｂ）を有する、
   光照射装置。
7. 請求項６に記載の光照射装置であって、
   前記光源を複数備え、
   前記照射部は、前記複数の光源のそれぞれに対応して設けられた複数の光学素子を備え、
   前記複数の光学素子は、前記複数の光源から出射される複数の照射光によって前記照射範囲の全体が覆われるように、前記複数の照射光の各ビーム形状を整形するように構成された、
   光照射装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の光照射装置（２）と、
   前記光照射装置から出射され物体で反射した光である反射光を受光する受光部（３）と、
   前記光照射装置からの光の出射タイミングと、前記受光部での受光タイミングから、前記物体までの距離を算出する演算部（４）と、
   を更に備える、レーザレーダ装置。

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