JP7505312B2 - 光投射装置、物体検出装置、及び移動体 - Google Patents

Description

本願は、光投射装置、物体検出装置、及び移動体に関する。

従来、車両等の移動体前方にある物体を検出するＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置等の物体検出装置と、該物体検出装置で使用され、移動体の前方に走査光を投射する光投射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また光投射装置では、投射される走査光の光路に、走査光を透過する透過部材を設けた構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１及び２の構成では、透過部材を設けると、走査光を広角に投射できない場合がある。

本発明は、透過部材を設けた場合に、走査光を広角に投射可能にすることを課題とする。

本発明の一態様に係る光投射装置は、走査光を投射する光投射装置であって、光を射出する光源部と、前記光源部の射出光を所定の走査方向に走査する光走査部と、前記光走査部による前記走査光の光路に設けられ、前記走査光を透過する透過部材と、前記走査方向において前記射出光を平行光に変換するとともに、前記走査方向の交差方向に前記射出光を拡げる光拡大部と、を有し、前記透過部材は、前記走査方向に曲率を有する走査曲面と、前記交差方向に曲率を有する交差曲面と、を含み、前記走査曲面における前記走査方向の曲率は、前記交差曲面における前記交差方向の曲率よりも大きい。

本発明によれば、透過部材を設けた場合に、走査光を広角に投射できる。

第１実施形態に係る光走査部の構成例を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向から光投射装置を視た図であり、（ｂ）はＹ軸方向から光投射装置を視た図である。 第１実施形態に係る物体検出装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る制御部のハードウェア構成例のブロック図である。 第１実施形態に係る制御部の機能構成例のブロック図である。 ウィンドウ面の入射角度と反射率の関係例を示す図である。 光投射装置の小型化例を説明する図である。 第２実施形態に係る物体検出装置の構成例を示す図である。 第３実施形態に係る制御部の機能構成例のブロック図である。 第４実施形態に係る移動体の構成例の図である。 第４実施形態に係る移動体のハードウェア構成例のブロック図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための画像形成装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の形状、その相対的配置、パラメータの値等は特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

実施形態に係る光投射装置は、車両等の移動体前方にある物体を検出するＬＩＤＡＲ等の物体検出装置で使用される光投射装置である。実施形態では、光走査部による走査光の光路に走査光を透過する透過部材を設け、この透過部材は、所定の走査方向において曲率を有する走査曲面を含む。この構成により、透過部材を設けた場合に、走査角度が大きい角度領域で、透過部材に入射する走査光の入射角度を小さくすることで、透過部材を透過する走査光の光利用効率を確保して走査光を広角に投射可能にする。

［第１実施形態］
以下では、光投射装置３００を有する物体検出装置１００を一例として、実施形態を説明する。なお、実施形態では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、光走査部による光の走査方向をＸ軸方向（所定方向の一例）とし、Ｘ軸方向に交差する方向をＹ軸方向（交差方向の一例）とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に交差する方向をＺ軸方向とする。

＜光投射装置３００の構成例＞
まず、図１を参照して、光投射装置３００の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光投射装置３００の構成の一例を説明する図である。（ａ）は、Ｘ軸方向から光投射装置３００を視た図であり、（ｂ）はＹ軸方向から光投射装置３００を視た図である。なお、図１では、説明を分かりやすくするために光投射装置３００の主要な要素のみを示している。

図１に示すように、光投射装置３００は、半導体レーザ１１と、投射レンズ１２と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー１３と、ウィンドウ１６と、制御部２００とを有する。光投射装置３００は、半導体レーザ１１が射出する光を、投射レンズ１２を介してＭＥＭＳミラー１３に入射させ、ＭＥＭＳミラー１３による走査光を、ウィンドウ１６を介して検出領域５００に投射する。検出領域５００は、検出対象としての物体が存在し得る三次元的な空間領域である。

半導体レーザ１１は、光を射出する光源部の一例である。半導体レーザ１１は、制御部２００からの制御信号に応じて、所定のタイミングで所定の光強度のレーザ光１１ａをＹ軸正方向に向けて射出する。このレーザ光１１ａは光源部の射出光の一例である。なお、レーザ光１１ａはパルスレーザ光であってもよいし、ＣＷ（Continuous Wave）レーザ光であってもよい。

レーザ光１１ａの波長は特に限定されないが、光投射装置３００が自動車等に搭載される場合には、７６０ｎｍより長い波長等の人が肉眼で見ることができない非可視の波長が好適である。半導体レーザ１１から射出されたレーザ光１１ａは、投射レンズ１２に入射する。

なお、光源部の一例として半導体レーザ１１を示したが、これに限定されるものではない。複数の発光部を有する半導体レーザであるＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ；Vertical Cavity Surface Emitting LASER）やＹＡＧレーザ等の固体レーザ、気体レーザ、ファイバーレーザ等を用いることもできる。またレーザ光源に限定されず、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源やランプ光源等も使用できる。

投射レンズ１２は、Ｘ軸方向とＺ軸方向で異なる曲率を有する非軸対称レンズであり、ガラス材料又はプラスチック材料等を含んで構成されている。投射レンズ１２は、Ｘ軸方向ではレーザ光１１ａを略平行光に変換し、Ｚ軸方向では集束位置ｆｙに向けて集束する集束光にレーザ光１１ａを変換する。そして、変換したレーザ光１１ａをＹ軸正方向に出射する。

投射レンズ１２を出射したレーザ光１１ａは、Ｚ軸方向において集束位置ｆｙで一旦集束した後、拡がり角度θｙで拡がる（発散する）。その後、レーザ光１１ａはＭＥＭＳミラー１３で偏向走査され、ＭＥＭＳミラー１３による走査レーザ光１１ｂはウィンドウ１６を介して検出領域５００に投射される。

走査レーザ光１１ｂは、Ｘ軸方向では略平行光で（図１（ｂ）参照）、Ｙ軸方向では拡がり角度θｙで拡がる光である（図１（ａ）参照）。このように投射レンズ１２は、走査方向（Ｘ軸方向）の交差方向（Ｙ軸方向）にレーザ光１１ａを拡げる光拡大部の一例に対応する。なお、Ｘ軸方向で走査レーザ光１１ｂを略平行とすることで、Ｙ軸方向と比較して、高い位置分解能で走査レーザ光１１ｂを投射できる。

なお、本実施形態では、光拡大部の機能を１枚の投射レンズ１２で実現する構成を例示するが、光拡大部の機能を複数の球面レンズ、又は非球面レンズにより実現することもできる。またミラー等の光偏向素子を含んで光拡大部を構成してもよい。さらに拡散板を含み、拡散作用でレーザ光の拡がり角度を調整してもよい。

ＭＥＭＳミラー１３は、半導体レーザ１１の射出光を所定の走査方向に走査する光走査部の一例である。ＭＥＭＳミラー１３は、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術により、シリコンやガラス等を微細加工して製作できる。

ＭＥＭＳミラー１３は、光偏向面１３ａを含む可動部１３ｂと、駆動梁（図示を省略）とを有する。駆動梁は、可動部１３ｂに接続され、弾性を有する弾性梁に薄膜化した圧電材料を重ね合わせて構成されている。ＭＥＭＳミラー１３は、印加電圧に応じて揺動軸１３ｃ回り（矢印１３ｄ方向）に可動部を往復揺動して光偏向面１３ａの角度を変化させる。

ＭＥＭＳミラー１３は、揺動軸１３ｃがＺ軸に対して傾いて設けられている。この傾きの角度は、例えば４５度である。Ｙ軸方向に沿って光偏向面１３ａに入射するレーザ光１１ａは、Ｚ軸正方向側に偏向される。ＭＥＭＳミラー１３は、Ｙ軸方向に拡がり角度θｙで拡がる光を、走査角度θｘ（図１（ｂ）参照）の角度領域内でＸ軸方向に走査する。なお、図１（ｂ）では、ＭＥＭＳミラー１３の可動部１３ｂが揺動軸１３ｃ周りに揺動する様子が表示されている。

ＭＥＭＳミラー１３による走査レーザ光１１ｂは、光走査部による走査光に対応する。光投射装置３００は、走査角度θｘと拡がり角度θｙで規定される検出領域５００に走査レーザ光１１ｂを投射できる。

なお、本実施形態では、光走査部の一例としてＭＥＭＳミラー１３を示すが、これに限定されるものではない。ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＯＰＡ（Optical Phased Array）等を含んで光走査部を構成することもできる。ＭＥＭＳミラー１３には、圧電方式のものだけでなく、静電方式等の他の駆動方式により駆動されるものも適用可能である。

また揺動軸１３ｃのＺ軸に対する傾きは４５度に限定されるものではなく、適宜選択可能である。

ウィンドウ１６は、ＭＥＭＳミラー１３による走査レーザ光１１ｂの光路に設けられ、走査レーザ光１１ｂを透過する透過部材の一例である。ウィンドウ１６は、半導体レーザ１１の波長に対して光透過性を有するガラス材料又はプラスチック材料を含んで構成された部材である。

光投射装置３００は、半導体レーザ１１、投射レンズ１２及びＭＥＭＳミラー１３を、図示を省略する筐体（収容部材）内に配置している。筐体には開口部が設けられている。ウィンドウ１６は、この開口部を塞ぐように設けられ、走査レーザ光１１ｂはウィンドウ１６を透過して外部に投射される。

ここで、半導体レーザ１１、投射レンズ１２及びＭＥＭＳミラー１３にゴミや汚れが付着すると、投射される走査レーザ光１１ｂの光強度変動等が生じて光投射装置３００の性能が低下する場合がある。特にＭＥＭＳミラー１３は可動要素を有するため、可動要素の動作にゴミや汚れ等の影響を受けやすい。本実施形態では、ウィンドウ１６を開口部に設けることで、筐体内へのゴミや汚染物質の侵入を防止でき、光投射装置３００の性能低下を抑制できるようになっている。

また、ウィンドウ１６は、ＭＥＭＳミラー１３に対向する第１面１６ａと、第１面１６ａに対向する第２面１６ｂとを有する。第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれは、全体がＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに曲率を有する曲面に形成されている。

具体的には、図１（ａ）に示すように、Ｙ軸方向において、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれの曲率中心Ｃｙは、集束位置ｆｙに略一致している。これにより、Ｙ軸方向において、集束位置ｆｙから拡がり角度θｙで拡がる走査レーザ光１１ｂが、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれに略垂直に入射するように構成されている。

但し、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれの曲率中心Ｃｙは、必ずしも集束位置ｆｙに一致する必要はなく、集束位置ｆｙの近傍に配置される構成でもよい。近傍に配置することで、Ｙ軸方向において、拡がり角度θｙで拡がる走査レーザ光１１ｂが第１面１６ａ及び第２面１６ｂに入射する角度を小さくすることができる。

なお、入射角度が小さいとは、入射面に対して入射角度が垂直に近いことをいう。例えば走査レーザ光１１ｂが第１面１６ａに垂直に入射する場合には、走査レーザ光１１ｂの入射角度は０度になる。そして垂直に対する傾きが大きくなるにつれ、入射角度は大きくなる。

また、第１面１６ａの曲率中心と第２面１６ｂの曲率中心は、厳密にはウィンドウ１６の厚みの分だけ位置がずれるが、このずれは、第１面１６ａ及び第２面１６ｂの曲率半径等と比較して小さい。そのため、図１（ａ）では、第１面１６ａ及び第２面１６ｂの両方のＹ軸方向における曲率中心を曲率中心Ｃｙとして表示している。

一方、図１（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向において、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれの曲率中心Ｃｘは、ほぼ揺動軸１３ｃ上に位置している。これにより、Ｘ軸方向において、光偏向面１３ａの揺動軸１３ｃ回りの揺動により走査される走査レーザ光１１ｂが、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれに略垂直に入射するように構成されている。

但し、第１面１６ａ及び第２面１６ｂのそれぞれの曲率中心Ｃｘは、必ずしも揺動軸１３ｃ上に位置する必要はなく、揺動軸１３ｃの近傍に位置する構成でもよい。近傍に位置することで、Ｘ軸方向において、走査レーザ光１１ｂの第１面１６ａ及び第２面１６ｂへの入射角度を小さくすることができる。

また第１面１６ａの曲率中心と第２面１６ｂの曲率中心は、厳密にはウィンドウ１６の厚みの分だけ位置がずれるが、このずれは、第１面１６ａ及び第２面１６ｂの曲率半径等と比較して小さい。そのため、図１（ｂ）では第１面１６ａ及び第２面１６ｂの両方のＸ軸方向における曲率中心を曲率中心Ｃｘとして表示している。

本実施形態では、第１面１６ａのＸ軸方向における曲率とＹ軸方向における曲率は異なり、Ｘ軸方向における曲率は、Ｙ軸方向における曲率より大きい。従って、第１面１６ａは非軸対称な面に形成されている。第１面１６ａのＸ軸方向における曲面は、走査方向に曲率を有する走査曲面の一例に対応する。また第１面１６ａのＹ軸方向における曲面は、交差方向に曲率を有する交差曲面の一例に対応する。

同様に、第２面１６ｂのＸ軸方向における曲率とＹ軸方向における曲率は異なり、Ｘ軸方向における曲率は、Ｙ軸方向における曲率より大きい。従って、第２面１６ｂも非軸対称な面に形成されている。第２面１６ｂのＸ軸方向における曲面は、走査方向に曲率を有する走査曲面の一例に対応する。また第２面１６ｂのＹ軸方向における曲面は、交差方向に曲率を有する交差曲面の一例に対応する。

ウィンドウ１６の製造方法は適宜選択可能であるが、第１面１６ａ又は第２面１６ｂをＸ軸方向とＹ軸方向で曲率が異なる非軸対称な面で形成する場合には、金型を用いたプラスチック材料の成形加工が特に好適である。

制御部２００は、半導体レーザ１１の制御、ＭＥＭＳミラー１３の制御、及び後述する物体情報の取得処理等を行う制御装置である。

＜物体検出装置１００の構成例＞
次に、図２を参照して、物体検出装置１００の構成について説明する。図２は、物体検出装置１００の構成の一例を説明する図である。図２に示すように、物体検出装置１００は、光投射装置３００と、集光レンズ１４と、フォトダイオード１５とを有する。

集光レンズ１４は、検出領域５００に存在する物体５０１による走査レーザ光１１ｂの反射光又は散乱光（以下では、戻り光５０２と総称する）の少なくとも一方を集光するレンズである。集光レンズ１４は、ガラス材料又はプラスチック材料を含んで構成された軸対称性のレンズである。

集光レンズ１４は、戻り光５０２をフォトダイオード１５の受光面上に集光させる。フこの構成により、戻り光５０２がより大きい光強度で受光されるようになっている。但し、フォトダイオード１５の受光面上で必ずしも集光しなくてもよい。また集光レンズ１４は、１つのレンズを有する構成に限定されるものではなく、複数のレンズや反射ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されてもよい。

フォトダイオード１５は、検出領域５００に存在する物体５０１による走査レーザ光１１ｂの反射光又は散乱光の少なくとも一方を受光する受光部の一例である。フォトダイオード１５は、集光レンズ１４により集光された戻り光５０２を受光し、受光した光強度に応じた電圧信号である受光信号を制御部２００に出力する。

なお、受光部は、フォトダイオード１５に限定されるものではなく、ＡＰＤ（Avalanch Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photo Avalanch Photo Diode）、ＴＯＦ（Time of Flight）等を用いることもできる。

本実施形態では、戻り光５０２は、ＭＥＭＳミラー１３の光偏向面１３ａで偏向されてから集光レンズ１４を通ってフォトダイオード１５で受光されるように構成されている。

＜制御部２００のハードウェア構成例＞
次に図３を参照して、物体検出装置１００の備える制御部２００のハードウェア構成について説明する。ここで図３は、制御部２００のハードウェア構成の一例を示すブロックである。

図３に示すように、制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２３と、ＳＳＤ（Solid State Drive）２４と、光源駆動回路２５と、走査駆動回路２６と、センサＩ／Ｆ（Interface）２７と、入出力Ｉ／Ｆ２８とを有する。これらはシステムバスＢを介して相互に電気的に接続されている。

ＣＰＵ２１はプロセッサであり、ＲＯＭ２２やＳＳＤ２４等のメモリからプログラムやデータをＲＡＭ２３上に読み出し、処理を実行することで、制御部２００全体の制御や機能を実現する。なお、ＣＰＵ２１の有する機能の一部、又は全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の電子回路により実現させてもよい。

ＲＯＭ２２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することが可能な不揮発性の半導体メモリである。ＲＯＭ２２には、制御部２００の起動時に実行されるＢＩＯＳ（Basic Input／Output System）、ＯＳ設定等のプログラムやデータが格納されている。

ＲＡＭ２３は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリである。

ＳＳＤ２４は、制御部２００による処理を実行するプログラムや各種データが記憶された不揮発性メモリである。なお、ＳＳＤに代えてＨＤＤ（Hard Disk Drive）を設けてもよい。

光源駆動回路２５は、半導体レーザ１１に電気的に接続され、ＣＰＵ２１等からの制御信号に応じて半導体レーザ１１に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。駆動信号として矩形波や正弦波、又は所定の波形形状の電圧波形を用いることができる。光源駆動回路２５は、電圧波形の周波数を変化させて、駆動信号の周波数を変調可能である。

走査駆動回路２６は、ＭＥＭＳミラー１３に電気的に接続され、ＣＰＵ１１等からの制御信号に応じてＭＥＭＳミラー１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。

センサＩ／Ｆ２７は、フォトダイオード１５に電気的に接続され、フォトダイオード１５の受光信号を入力するインターフェースである。

入出力Ｉ／Ｆ２８は、車両等の移動体に搭載された外部コントローラやＰＣ（Personal Computer）等の外部装置と接続し、検出条件等のデータを受信したり、検出した物体情報等のデータを送信したりするためのインターフェースである。インターネット等のネットワークに接続してデータの送受を行えるように構成することもできる。

＜制御部２００の機能構成例＞
次に図４を参照して、制御部２００の機能構成について説明する。ここで図４は、制御部２００の機能構成の一例を示すブロックである。なお、図４では、説明を分かりやすくするために制御部２００の主要な要素のみを示している。

図４に示すように、制御部２００は、光源制御部２０１と、走査制御部２０２と、受光信号取得部２０３と、物体情報取得部２０４と、物体情報出力部２０５とを有する。これらのうち、光源制御部２０１、走査制御部２０２及び物体情報取得部２０４のそれぞれの機能は、ＣＰＵ２１が所定のプログラムを実行すること等により実現される。また、受光信号取得部２０３の機能はセンサＩ／Ｆ２７等により実現され、物体情報出力部２０５の機能は入出力Ｉ／Ｆ２８等により実現される。

制御部２００は、半導体レーザ１１によるレーザ光の射出タイミング（射出時期）と、フォトダイオード１５による戻り光５０２の受光タイミング（受光時期）の時間差から検出領域５００における物体と物体検出装置１００との間の距離情報を演算で取得し、取得した距離情報を出力できる。また検出領域に物体が存在しない場合には、フォトダイオード１５の受光信号に基づき判定した物体が存在しないこと示す情報を出力できる。

光源制御部２０１は半導体レーザ１１によるレーザ光の射出を制御する。光源制御部２０１はＣＰＵ２１のクロック等に基づく基準信号に応じて、半導体レーザ１１がレーザ光を射出するタイミングを制御できる。

受光信号取得部２０３は、戻り光の光強度に応じたフォトダイオード１５の受光信号を取得（入力）し、物体情報取得部２０４に出力する。走査制御部２０２はＭＥＭＳミラー１３の回動駆動を制御する。

物体情報取得部２０４は、半導体レーザ１１がレーザ光を射出したタイミング情報を光源制御部２０１から取得し、またフォトダイオード１５が戻り光を受光したタイミング情報を受光信号取得部２０３から取得する。

そして、射出タイミングと受光タイミングの時間差から、検出領域における物体と物体検出装置１００との間の距離情報を演算で取得する。検出領域に物体が存在しない場合は、フォトダイオード１５の出力する受光信号から判定した物体が存在しないこと示す情報を取得する。例えば、受光信号レベルが予め定めた閾値レベルより低いときに、物体情報取得部２０４は物体が存在しないことを判定できる。

物体情報取得部２０４は、物体と物体検出装置１００の間の距離情報と、物体が存在しないことを示す情報とを含む物体情報を、物体情報出力部２０５を介して外部装置に出力できる。

物体情報の具体例として距離画像等が挙げられる。ここで、距離画像とは、画素毎に取得した物体までの距離を示す距離データを画素の位置に応じて二次元に配列させて生成された画像であり、例えば、距離を画素の輝度に変換して生成された画像である。換言すると距離画像は検出領域における物体の位置を示す３次元情報である。

物体検出方式の具体例には、ＴＯＦ（Time of Flight）方式が挙げられる。なお、ＴＯＦ方式には公知の技術を適用可能である。

＜光投射装置３００の作用効果＞
次に、光投射装置３００の作用効果について説明する。
上述したように、ＭＥＭＳミラー（光走査部）を収容する筐体の開口部にウィンドウ（透過部材）を設けると、筐体内への汚染物質の侵入を防止できるために好適である。しかし、ＭＥＭＳミラーによる走査角度が大きくなると、ウィンドウ面に対する走査レーザ光の入射角度が大きくなり、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率が低下する場合がある。

ここで、図５は、ウィンドウ面への入射角度と、ウィンドウ面での反射率との関係の一例を示す図である。図５では、屈折率１．５７の材料で構成されたウィンドウに入射する走査レーザ光の入射角度ごとでの反射率を示している。また実線グラフ５１は走査レーザ光がＳ偏光である場合を示し、破線グラフ５２は走査レーザ光がＰ偏光である場合を示している。なお、走査レーザ光の偏光状態は、直線偏光のレーザ光を射出する半導体レーザの設置の向き等により予め定めることができる。

図５に示すように、ウィンドウ面に対する入射角度が小さい（略垂直に入射）と、Ｓ偏光，Ｐ偏光とも反射率は５％程度である。従って９５％の光がウィンドウ面を透過する。入射角度が大きくなるにつれ、Ｓ偏光では徐々に反射率が上がり、入射角度が７５度を超えると反射率は大きく上昇する。Ｐ偏光では入射角度が６０度程度までは反射率は低いままであるが、６０度を超えると徐々に反射率が上がり、Ｓ偏光と同様に７５度を超えると反射率は大きく上昇する。反射率の上昇に伴って透過率が低下し、ウィンドウ面を透過する走査レーザ光の光強度は小さくなる。図５は、ウィンドウの一方の面（表面）での反射率であるが、他方の面（裏面）も同様の特性を有するため、透過率の低下は、両面の透過により２倍以上になる。

従って、ＭＥＭＳミラーによる走査レーザ光の走査角度が大きくなると、透過光の光利用効率が低下して光投射装置により十分な光強度の光を投射できなくなる。これによりＭＥＭＳミラーによる走査角度が制限される。例えば、走査レーザ光がＳ偏光である場合には、図５に示すように入射角度が６０度で反射率は約２０％であるため、透過率は約８０％になる。ウィンドウの両面での反射により、ウィンドウを透過後の走査レーザ光の光利用効率は約６０％になる。この場合に、要求される走査レーザ光の光強度が得られずに、走査角度が±６０度以下に制限される場合がある。

本実施形態では、ウィンドウは、Ｘ軸方向（走査方向）において曲率を有する走査曲面を含む。ウィンドウにおける走査曲面が曲率を有することで、走査角度が大きい角度領域で、ウィンドウに入射する走査レーザ光の入射角度を小さくし、ウィンドウ面での反射率を抑えることができる。これにより、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率を確保して走査角度の制限を緩和し、走査レーザ光を広角に投射できる。

なお、図５は、反射防止膜が設けられていないウィンドウの特性を示した例であるが、ウィンドウに反射防止膜が設けられている場合にも、ウィンドウ面への入射角度とウィンドウ面での反射率の関係を示す特性として同様の特性が得られる。

また、本実施形態では、ウィンドウにおけるＭＥＭＳミラーに対向する第１面と、第１面に対向する第２面の両方が走査曲面を含む。これにより第１面及び第２面の両方で走査レーザ光の入射角度を小さくし、走査角度の制限をさらに緩和できるため、走査レーザ光をさらに広角に投射できる。

また、本実施形態では、Ｙ軸方向（交差方向）にレーザ光を拡げる投射レンズ（光拡大部）を有し、ウィンドウは、Ｙ軸方向に曲率を有する交差曲面を有する。これによりＹ軸方向においても、ウィンドウに入射する走査レーザ光の入射角度を小さくし、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、ウィンドウの第１面と第２面の両方が、それぞれ走査曲面と交差曲面を含んで構成されている。これにより、ウィンドウの両面での反射率を抑え、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率をさらに向上できる。

また、本実施形態では、ウィンドウの第１面のＸ軸方向における曲率は、Ｙ軸方向における曲率より大きい。換言すると、ウィンドウの第１面のＸ軸方向における曲率半径は、Ｙ軸方向における曲率半径より小さい。投射レンズによるＹ軸方向への拡がり角度に対してＭＥＭＳミラーによる走査角度が大きい場合にも、ウィンドウに入射する走査レーザ光の入射角度を小さくし、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率を向上できる。

また、本実施形態では、ＭＥＭＳミラーは、光偏向面を揺動軸回りに揺動させることでレーザ光を走査し、走査曲面の曲率中心は、揺動軸上に配置されている。これにより、ＭＥＭＳミラーによる走査レーザ光は、Ｘ軸方向においてウィンドウ面にほぼ垂直に入射するため、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率をより向上できる。

また交差曲面の曲率中心と、投射レンズによるレーザ光の集束位置を略一致させることで、投射レンズにより拡げられた走査レーザ光は、Ｙ軸方向においてウィンドウ面にほぼ垂直に入射するため、ウィンドウを透過する走査レーザ光の光利用効率をより向上できる。

また、ウィンドウがＸ軸方向において曲率を有する走査曲面を含むことで、光投射装置を小型化する効果を得ることもできる。ここで、図６は、光投射装置の小型化例を説明する図である。

図６は、走査レーザ光１１ｂが、本実施形態に係るウィンドウ１６を透過する場合と、比較例に係るウィンドウ１６ｘを透過する場合の両方を模式的に示している。ウィンドウ１６ｘは、平板状の透過部材である。

図６に示すように、ウィンドウ１６を有する光投射装置は、ウィンドウ１６ｘを有する光投射装置に対して、ウィンドウ１６が曲率を有する分だけ小型化可能である。図６に示す小型化領域１６１（格子ハッチング部分）は、ウィンドウ１６ｘを有する光投射装置に対して、ウィンドウ１６を有する光投射装置が小型化可能な領域を表している。

なお、本実施形態の説明では、第１面と第２面の両方が曲面に形成された構成を例示したが、何れか一方が曲面に形成され、他方は平面であってもよい。また第１面と第２面の曲面の形状が略同じである構成を例示したが、異なる形状であってもよい。この異なる形状には、例えば、第１面と第２面で曲率が異なる形状等が挙げられる。この場合にも、両方が平面である場合と比較して光利用効率を確保し、走査レーザ光を広角に投射できる。

また走査レーザ光がＹ軸方向に拡がる光であり、ウィンドウはＸ軸方向とＹ軸方向の両方に曲率を有する第１面及び第２面を含む構成を例示したが、これに限定されるものではない。走査レーザ光をＹ軸方向において略平行な光とし、ウィンドウはＸ軸方向にのみ曲率を有する第１面及び第２面を含む構成であってもよい。

また第１面と第２面の両方の全体に曲面が形成された構成を例示したが、走査レーザ光が透過する部分等の一部分のみを曲面に形成し、他の部分を平面に形成することもできる。

またＸ軸方向及びＹ軸方向において、曲面が球面である構成を例示したが、これに限定されるものではない。放物面等の非球面を有する曲面であっても、走査レーザ光の入射角度を小さくする効果が得られる。

また、投射レンズ（光拡大部）が半導体レーザ（光源部）とＭＥＭＳミラー（光走査部
の間に配置される構成を例示したが、投射レンズがＭＥＭＳＭミラーとウィンドウの間に配置することもできる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に物体検出装置１００ａについて説明する。図７は、物体検出装置１００ａの構成の一例を説明する図である。

図７に示すように、物体検出装置１００ａは光投射装置３００ａを有する。また光投射装置３００ａは、ＭＥＭＳミラー１３'を有する。ＭＥＭＳミラー１３'は、光偏向面１３ａの端部領域に反射型回折構造１７を含む。

半導体レーザ１１から射出されたレーザ光１１ａは、投射レンズ１２によりＺ軸方向において平行光に変換され、ＭＥＭＳミラー１３'に形成された反射型回折構造１７に入射する。なお、反射型回折構造１７に入射するレーザ光１１ａは、Ｘ軸方向では平行化されても平行化されなくても何れでもよい。

反射型回折構造１７は、入射するレーザ光１１ａをＺ軸方向に反射しつつ、回折作用により、Ｙ軸方向において集束位置ｆｙ'に集束するレーザ光に変換する。該レーザ光は集束位置ｆｙ'で一旦集束した後、Ｙ軸方向において拡がり角度θｙで拡がりながらＺ軸方向に伝搬する。ＭＥＭＳミラー１３'は、揺動軸１３ｃ回りに矢印１３ｄ方向に揺動して、入射するレーザ光１１ａをＸ軸方向に走査する。ＭＥＭＳミラー１３'による走査レーザ光１１ｂは、Ｙ軸方向において拡がり角度θｙで拡がりながらＸ軸方向に走査され、検出領域５００に投射される。

ＭＥＭＳミラー１３'に反射型回折構造１７を設けることで、レーザ光１１ａをＹ軸方向に拡げるための構成を簡略化でき、光投射装置３００ａを小型化できる。

但し、ＭＥＭＳミラー１３'の光偏向面１３ａ上に反射型回折構造１７を形成すると、反射型回折構造１７による散乱光が発生し、この散乱光が、検出領域５００に存在しない物体からの戻り光（ゴースト光）として振る舞うことで、物体を誤検出する場合がある。従って反射型回折構造１７による光投射装置３００ａを小型化と、物体の誤検出はトレードオフの関係になるため、両者のバランスを考慮して反射型回折構造１７の位置や大きさ等を決定することが好ましい。

ウィンドウ１６の構成及び機能は、第１実施形態で説明したものと同様であるが、第１面１６ａ及び第２面１６ｂにおけるＹ軸方向に曲率を有する交差曲面の曲率中心Ｃｙが、集束位置ｆｙ'に略一致するように構成されている点が異なる。この構成により、ウィンドウ１６に入射する走査レーザ光１１ｂは、Ｙ軸方向において第１面１６ａ及び第２面１６ｂに略垂直に入射できる。但し、曲率中心Ｃｙと集束位置ｆｙ'は必ずしも一致していなくてもよい。両者を近接して配置することで、Ｙ軸方向において第１面１６ａ及び第２面１６ｂに入射する走査レーザ光１１ｂの入射角度を小さくする作用が得られる。これにより、第１実施形態と同様に、ウィンドウ１６を透過する走査レーザ光１１ｂの光利用効率を確保して、走査角度の制限を緩和し、走査レーザ光１１ｂを広角に投射できる。

これ以外の効果は、第１実施形態で説明したものと同様である。

なお、本実施形態では、ＭＥＭＳミラー１３が反射型回折構造１７を有する構成を例示したが、ＭＥＭＳミラー１３の構成はこれに限定されるものではなく、各種変形が可能である。例えば、ＭＥＭＳミラー１３が曲率を有する光偏向面を備えることもできる。さらに、ＭＥＭＳミラー１３として、透過型の屈折手段やプリズムの回転を利用したものや回折等を利用したものを用いてもよい。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る物体検出装置１００ｂについて説明する。ここで図８は、物体検出装置１００ｂが有する制御部２００ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。なお、制御部２００ｂのハードウェア構成は、図３に示したものと同様である。

図８に示すように、制御部２００ｂは、歪補正部２０６と、物体画像情報取得部２０７と、補完物体情報取得部２０８と、補完物体情報出力部２０９とを備えている。

これらのうち、歪補正部２０６、物体画像情報取得部２０７、及び補完物体情報取得部２０８のそれぞれの機能は図３のＣＰＵ２１が所定のプログラムを実行することで実現される。また補完物体情報出力部２０９の機能は、図３の入出力Ｉ／Ｆ２８等により実現される。

歪補正部２０６は、物体検出装置１００ｂに含まれるステレオカメラ１８が備える右カメラ１８１が撮像した右眼画像と、左カメラ１８２が撮像した左眼画像とを入力し、右眼画像及び左眼画像のそれぞれの画像歪みを補正する。この画像歪みには、画像の外縁周辺における樽型又は糸巻型の歪みや、台形歪み等が挙げられる。歪補正部２０６は、補正後の右眼画像及び左眼画像をそれぞれ物体画像情報取得部２０７に出力する。

右カメラ１８１及び左カメラ１８２のそれぞれは、物体の画像を撮像する撮像部の一例である。

物体画像情報取得部２０７は、入力した右眼画像と左眼画像を用いて画像処理で検出した視差に基づいて距離画像を生成し、生成した距離画像を補完物体情報取得部２０８に出力する。

補完物体情報取得部２０８は、物体情報取得部２０４から入力した物体情報と、物体画像情報取得部２０７から入力した距離画像とに基づき、補完物体情報を取得する。ここで、補完物体情報とは、異なる方式で取得される複数の物体情報を用いて一方又は両方の物体情報を補完した物体情報をいう。本実施形態では、複数の物体情報のうちの１つはＴＯＦ方式で検出した距離情報画像等の物体情報であり、もう１つはステレオカメラ方式により検出した距離画像等の物体情報である。

ＴＯＦ方式では、物体までの距離に依存せずに高精度な距離検出が可能であるが、ビームを拡げて投射したレーザ光の物体による戻り光を利用するため、面内空間分解能が低くなる場合がある。またステレオカメラ方式では、右カメラ１８１及び左カメラ１８２の解像度に応じて高い面内空間分解能が得られるが、物体までの距離に応じて距離の検出精度が低くなる場合がある。

ＴＯＦ方式とステレオカメラ方式の両方で得られる情報を組み合わせることで、高い面内空間分解能で高精度な距離検出が可能になる。

例えば物体情報取得部２０４による距離画像と、物体画像情報取得部２０７による距離画像との間で対応する１以上の画素を定めておく。この対応画素では、物体情報取得部２０４による距離画像の距離検出値を用い、対応画素以外の画素では対応画素での距離検出値に基づき補正された物体画像情報取得部２０７による距離画像の距離検出値を用いて、補完距離画像を生成して取得する。補完距離画像は、ＴＯＦ方式の距離画像の面内空間分解能を、ステレオカメラ方式の距離画像を用いて補完して得られる補完物体情報である。

補完物体情報取得部２０８は、取得した補完距離画像を補完物体情報出力部２０９に提供する。補完物体情報出力部２０９は、画像に基づき物体情報を補完した補完物体情報を車両用コントローラ等の外部装置に出力できる。

以上説明したように、本実施形態では、ＴＯＦ方式による距離画像と、ステレオカメラ方式による距離画像とに基づいて取得される補完距離画像を出力する。これによりＴＯＦ方式の距離画像の面内空間分解能をステレオカメラ方式の距離画像を用いて補完した高い面内空間分解能で高い距離検出精度の距離画像を出力できる。

なお、本実施形態では、ＴＯＦ方式の距離画像の面内空間分解能を補完する例を示したが、これに限定されるものではなく、ＴＯＦ方式では得られない色情報等を、撮像画像を利用して補完してもよい。色情報の補完により、車両に物体検出装置１００ｂを適用する場合に、交通信号や交通標識等の色情報を利用することが可能になる。また、これら以外の他の情報を補完することもできる。

また、撮像部の例としてステレオカメラを挙げたが、ステレオカメラに限定されるものではなく、単眼のカメラであってもよい。

なお、上述したもの以外の効果は、第１実施形態と同様である。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る移動体について説明する。図９は、第１実施形態で説明した物体検出装置１００を備える移動体１の構成の一例を説明する図である。移動体１は、荷物を目的地に無人搬送する無人搬送車である。

物体検出装置１００は、移動体１の前部に取り付けられ、移動体１の正のＺ方向側の距離画像等の物体情報を取得する。物体検出装置１００の出力によって、移動体１の正のＺ方向側の障害物等の物体の有無及び物体の位置等の物体情報を検出することができる。

図１０は移動体１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１０に示すように、移動体１は、物体検出装置１００と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とを備える。これらは、信号やデータの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

本実施形態では、物体検出装置１００と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。走行管理装置１０は、移動体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、移動体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。

表示装置３０は、物体検出装置１００が取得した３次元情報や移動体１に関わる各種設定情報等を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等のディスプレイである。位置制御装置４０は、物体検出装置１００が取得した物体情報に基づき、移動体１の位置を制御するＣＰＵ等の演算装置である。音声・警報発生装置６０は、物体検出装置１００が取得した３次元データから、障害物の回避の可否を判定し、回避不可と判断された場合に周囲の人員に通知するスピーカー等の装置である。

このようにして、物体検出装置１００を備えた移動体を提供することができる。

なお、物体検出装置１００を備える移動体は無人搬送車に限定されるものではない。自動車等の車両や、ドローン等の飛行体等に搭載することもできる。また、移動体だけでなく、スマートフォンやタブレット等の情報端末に搭載することも可能である。

また、実施形態では、物体検出装置１００が制御部２００の構成及び機能を備える例を示したが、必ずしもこれに限定されるものではない。制御部２００の備える構成及び機能の一部、又は全部を、移動体１に含まれる外部コントローラ等の物体検出装置１００を搭載する装置、又は物体検出装置１００に接続される装置等が備えても良い。

なお、上述した効果以外の効果は、第１，第２実施形態と同様である。

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

なお、光投射装置３００により投射される光は、レーザ光に限定されるものではなく、指向性を有さない光であってもよいし、またレーダー等の波長の長い電磁波等であってもよい。

また、上記で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。

また、機能ブロック図におけるブロックの分割は一例であり、複数のブロックを一つのブロックとして実現する、一つのブロックを複数に分割する、及び／又は、一部の機能を他のブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数のブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。

上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

１ 移動体
１００ 物体検出装置
１１ 半導体レーザ（光源部の一例）
１１ａ レーザ光（射出光の一例）
１１ｂ 走査レーザ光（走査光の一例）
１２ 投射レンズ（光拡大部の一例）
１３ ＭＥＭＳミラー（光走査部の一例）
１３ａ 光偏向面
１３ｂ 可動部
１３ｃ 揺動軸
１４ 集光レンズ
１５ フォトダイオード（受光部の一例）
１６ ウィンドウ（透過部材の一例）
１６ａ 第１面（走査曲面の一例、交差曲面の一例）
１６ｂ 第２面（走査曲面の一例、交差曲面の一例）
１６１ 小型化領域
１７ 反射型回折構造
１８ ステレオカメラ
１８１ 右カメラ（撮像部の一例）
１８２ 左カメラ（撮像部の一例）
２００ 制御部
２０１ 光源制御部
２０２ 走査制御部
２０３ 受光信号取得部
２０４ 物体情報取得部
２０５ 物体情報出力部
２０６ 歪補正部
２０７ 物体画像情報取得部
２０８ 補完物体情報取得部
２０９ 補完物体情報出力部
５００ 検出領域
５０１ 物体
５０２ 戻り光
ｆｙ ，ｆｙ' 集束位置
Ｃｘ Ｘ軸方向における曲率中心
Ｃｙ Ｙ軸方向における曲率中心
θｘ 走査角度
θｙ 拡がり角度
Ｘ軸方向 走査方向
Ｙ軸方向 交差方向

特開２０１８－１５１２７８号公報 特開２０１９－１２８２２１号公報

Claims (7)

1. 走査光を投射する光投射装置であって、
   光を射出する光源部と、
   前記光源部の射出光を所定の走査方向に走査する光走査部と、
   前記光走査部による前記走査光の光路に設けられ、前記走査光を透過する透過部材と、
   前記走査方向において前記射出光を平行光に変換するとともに、前記走査方向の交差方向に前記射出光を拡げる光拡大部と、を有し、
   前記透過部材は、前記走査方向に曲率を有する走査曲面と、前記交差方向に曲率を有する交差曲面と、を含み、
   前記走査曲面における前記走査方向の曲率は、前記交差曲面における前記交差方向の曲率よりも大きい
   光投射装置。
2. 前記透過部材は、前記光走査部に対向する第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有し、前記第１面及び前記第２面の両方に、前記走査曲面を含む
   請求項１に記載の光投射装置。
3. 前記透過部材は、前記光走査部に対向する第１面と、前記第１面に対向する第２面とを有し、前記第１面及び前記第２面の両方に、前記走査曲面と、前記交差曲面とを含む
   請求項１に記載の光投射装置。
4. 前記光走査部は、光偏向面を所定の揺動軸回りに揺動させることで前記射出光を走査し、
   前記走査曲面の曲率中心は、前記揺動軸上に配置されている
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の光投射装置。
5. 所定の検出領域に前記走査光を投射する請求項１乃至４の何れか１項に記載の光投射装置と、
   前記検出領域に存在する物体による前記走査光の反射光又は散乱光の少なくとも一方を受光する受光部と、
   前記光源部の射出時期と、前記受光部の受光時期と、に基づいて取得される物体情報を出力する物体情報出力部と、を有する
   物体検出装置。
6. 前記物体の画像を撮像する撮像部と、
   前記画像に基づき前記物体情報を補完した補完物体情報を出力する補完物体情報出力部と、をさらに有する
   請求項５に記載の物体検出装置。
7. 請求項５又は６に記載の物体検出装置を有する
   移動体。

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