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技術 投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置

出願人 コニカミノルタ株式会社
発明者 石川亮太
出願日 2016年7月7日 (3年7ヶ月経過) 出願番号 2017-531114
公開日 2018年5月10日 (1年9ヶ月経過) 公開番号 WO2017-018152
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 半円錐台状 投受光装置 モーターコントローラー 受光視野 ファイバーレーザー レーザーレーダー装置 改良形態 開口角
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (16)

課題・解決手段

光源は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する。受光部は、反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面を含む表面を有する。光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く。

概要

背景

走査装置を備えるレーザーレーダー装置は、走査装置によって走査されたレーザー光を用いて物体を検知するので、走査方向において、測定範囲を広くできる。このレーザーレーダー装置は、現在、様々な分野で応用されており、例えば、自動車等の移動体障害物との衝突防止を目的として、障害物を検知できるようにするために、移動体に搭載される。

上記レーザーレーダー装置として、特許文献1は、回転する偏向部によって偏向されたパルスレーザー光を用いて、検知した物体の距離を測定する技術を開示している。

レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有するレーザー光を出射するレーザーダイオードがある。このレーザーダイオードを、走査装置を備えるレーザーレーダー装置に用いれば、レーザー光の細長形状が延びる方向を走査方向と直交させて、レーザー光を走査方向に走査させることができる。これにより、細長形状が延びる方向において、測定領域を広げることができる。

レーザーレーダー装置の測定距離を長くするには、測定領域からの反射光の強度が大きくなるようにしたり、反射光に含まれるノイズが小さくなるようにしたり、受光部の感度を高くしたりすればよい。アバランシェフォトダイオードは、高感度、かつ、低コストなので、受光部として、アバランシェフォトダイオードが用いられることがある。

複数のアバランシェフォトダイオードが一列に並べられて半導体基板に形成された構造を有する受光部(APDアレイ)がある。レーザー光の細長形状が延びる方向と複数のアバランシェフォトダイオードが並ぶ方向(複数の受光面が並ぶ方向)とが一致するように、受光部を配置すれば、視野角を広げ、かつ、分解能を向上させることができる。

反射光の光束が受光面に位置しているとき、受光部は、その光束を受光できる。しかし、反射光の光束が、隣り合う受光面の間の領域に位置しているだけで受光面に位置していないとき、受光部は、その光束を受光できない。この場合、光束で示される像を検知できない(情報の欠落の発生)。隣り合う受光面の間隔を小さくすれば、情報の欠落を防ぐことが可能であるが、APDアレイでは、アバランシェフォトダイオードの性質上、隣り合う受光面の間隔を小さくすることが難しい。例えば、0.1mm程度の間隔が必要とされることが多い。

概要

光源は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する。受光部は、反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面を含む表面を有する。光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く。

目的

本発明は、複数のアバランシェフォトダイオードを備え、そのダイオードの受光面が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部において、隣り合う受光面の間隔を小さくすることなく、反射光を受光できる能力を向上させることができる投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置を提供する

効果

実績

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請求項1

光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える投受光装置

請求項2

前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記受光面が並ぶ方向にのみ正又は負のパワーを有する光学素子と、を備える請求項1に記載の投受光装置。

請求項3

前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の後方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記直交方向にのみ正のパワーを有する光学素子と、を備える請求項1に記載の投受光装置。

請求項4

前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の前方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を透過させ、前記直交方向にのみ負のパワーを有する光学素子と、を備える請求項1に記載の投受光装置。

請求項5

前記光学系は、前記表面の前方又は後方に焦点位置を合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導くアナモフィックレンズを備える請求項1に記載の投受光装置。

請求項6

前記光学系は、下記式(1)を満たす請求項2〜4のいずれか一項に記載の投受光装置。(ここで、Iは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δfは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記受光レンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズの開口角を示し、Sは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。)

請求項7

前記光学系は、下記式(2)を満たす請求項5に記載の投受光装置。(ここで、Iは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δfは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズの開口角を示し、Sは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。)

請求項8

請求項1〜7のいずれか一項に記載の投受光装置を備えるレーザーレーダー装置であって、前記光源は、レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有する前記レーザー光を前記光として、出射するレーザー部を備え、前記レーザーレーダー装置は、前記レーザー部が出射した前記レーザー光を走査方向に沿って走査し、走査したレーザー光を前記測定領域に照射する走査部を備えるレーザーレーダー装置。

技術分野

0001

本発明は、アバランシェフォトダイオード受光部とする投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置に関する。

背景技術

0002

走査装置を備えるレーザーレーダー装置は、走査装置によって走査されたレーザー光を用いて物体を検知するので、走査方向において、測定範囲を広くできる。このレーザーレーダー装置は、現在、様々な分野で応用されており、例えば、自動車等の移動体障害物との衝突防止を目的として、障害物を検知できるようにするために、移動体に搭載される。

0003

上記レーザーレーダー装置として、特許文献1は、回転する偏向部によって偏向されたパルスレーザー光を用いて、検知した物体の距離を測定する技術を開示している。

0004

レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有するレーザー光を出射するレーザーダイオードがある。このレーザーダイオードを、走査装置を備えるレーザーレーダー装置に用いれば、レーザー光の細長形状が延びる方向を走査方向と直交させて、レーザー光を走査方向に走査させることができる。これにより、細長形状が延びる方向において、測定領域を広げることができる。

0005

レーザーレーダー装置の測定距離を長くするには、測定領域からの反射光の強度が大きくなるようにしたり、反射光に含まれるノイズが小さくなるようにしたり、受光部の感度を高くしたりすればよい。アバランシェフォトダイオードは、高感度、かつ、低コストなので、受光部として、アバランシェフォトダイオードが用いられることがある。

0006

複数のアバランシェフォトダイオードが一列に並べられて半導体基板に形成された構造を有する受光部(APDアレイ)がある。レーザー光の細長形状が延びる方向と複数のアバランシェフォトダイオードが並ぶ方向(複数の受光面が並ぶ方向)とが一致するように、受光部を配置すれば、視野角を広げ、かつ、分解能を向上させることができる。

0007

反射光の光束が受光面に位置しているとき、受光部は、その光束を受光できる。しかし、反射光の光束が、隣り合う受光面の間の領域に位置しているだけで受光面に位置していないとき、受光部は、その光束を受光できない。この場合、光束で示される像を検知できない(情報の欠落の発生)。隣り合う受光面の間隔を小さくすれば、情報の欠落を防ぐことが可能であるが、APDアレイでは、アバランシェフォトダイオードの性質上、隣り合う受光面の間隔を小さくすることが難しい。例えば、0.1mm程度の間隔が必要とされることが多い。

先行技術

0008

特開2010−190759号公報(段落0031、段落0055〜0058)

0009

本発明は、複数のアバランシェフォトダイオードを備え、そのダイオードの受光面が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部において、隣り合う受光面の間隔を小さくすることなく、反射光を受光できる能力を向上させることができる投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置を提供することを目的とする。

0010

上記目的を達成する本発明の一局面に係る投受光装置は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える。

0011

上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0012

本実施形態に係るレーザーレーダー装置の構成を示すブロック図である。
レーザー部がレーザー光を出射している状態を示す模式図である。
受光部の平面図である。
本実施形態に係るレーザーレーダー装置の外観を示す斜視図である。
レーザーレーダー装置からのレーザー光が、測定領域を照射している様子を説明する説明図である。
第1比較例において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
第2比較例において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
本実施形態において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
本実施形態に備えられる光学系の第1態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
本実施形態に備えられる光学系の第2態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
本実施形態に備えられる光学系の第3態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
本実施形態に備えられる光学系の第4態様において、反射光が光学系を通って受光部に導かれることを示す光路図である。
アナモフィックレンズの焦点位置を受光部の表面に合わせたとき、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を示す模式図である。
本実施形態の変形例に備えられる光学系において、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を示す模式図である。
光束のy方向(受光面が並ぶ方向)のサイズについて、下限値と上限値とを説明する説明図である。

実施例

0013

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。各図において、同一符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その構成について、既に説明している内容については、その説明を省略する。

0014

図1は、本実施形態に係るレーザーレーダー装置1の構成を示すブロック図である。レーザーレーダー装置1は、レーザー部2、コントローラー3、コリメーターレンズ4、走査部5、モーターコントローラー6、光学系7及び受光部8を備える。

0015

レーザー部2から説明する。図2は、レーザー部2がレーザー光10を出射している状態を示す模式図である。x方向、y方向及びz方向で規定される3次元空間において、z方向をレーザー光10の進行方向とする。

0016

レーザー部2は、光源の一例であり、パルス状のレーザー光10を発光する発光部20を備える半導体レーザーである。発光部20の正面(すなわち、発光面)は、x方向を短辺、y方向を長辺とする細長い矩形形状を有する。従って、レーザー光10の進行方向から見て、レーザー光10は、y方向に沿った細長形状を有する。なお、シングルモードの半導体レーザーを複数用いて、又は、ファイバーレーザーを複数用いて、x方向を短辺、y方向を長辺とする細長い矩形形状を有するレーザー光10を形成してもよい。

0017

図1を参照して、コントローラー3は、レーザーレーダー装置1の動作全体を制御し、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及び、LD(Laser Diode)ドライバー等により構成される。LDドライバーは、レーザー部2を駆動させるドライバー回路である。コントローラー3は、機能ブロックとして、出射制御部30を備える。

0018

出射制御部30は、レーザー部2にレーザー光10を出射させる制御を周期的(例えば、16.7μs)に繰り返す。レーザー光10の出射は、周期的に限定されず、間欠的であればよい。

0019

コリメーターレンズ4は、レーザー部2から周期的に出射されたレーザー光10をコリメートして平行光にする。コリメーターレンズ4でコリメートされたレーザー光10は、走査部5に送られる。

0020

走査部5は、図2に示すy方向に沿って細長形状を有するレーザー光10を、走査方向に沿って走査する光学装置である。走査方向は、x方向である。本実施形態では、走査部5として、ポリゴンミラー50及びポリゴンミラー50を回転させるモーター51を例にして説明する。走査部5は、これに限定されず、ガルバノミラーMEMSミラー等を用いることもできる。

0021

モーターコントローラー6は、コントローラー3の指令により、モーター51を制御し、ポリゴンミラー50の回転を制御する。

0022

ポリゴンミラー50で走査されたレーザー光10は、レーザー光10の進行方向から見て断面が細長形状を有する状態で測定領域Rに照射される。レーザー光10を走査方向(x方向)に沿って走査して、測定領域Rにレーザー光10を照射するので、測定領域Rを走査方向に広げることができる。レーザー光10が測定領域Rに照射されることにより生じる反射光11は、ポリゴンミラー50に入射し、ポリゴンミラー50で反射されて光学系7で受光される。光学系7は、受光した反射光11を、受光部8へ導く。

0023

図3は、受光部8の平面図である。受光部8は、半導体基板と、半導体基板に形成された4つのアバランシェフォトダイオード81と、を備える。本実施形態では、4つのアバランシェフォトダイオード81を例にして説明するが、アバランシェフォトダイオード81の数は、複数であればよい。

0024

4つのアバランシェフォトダイオード81は、それぞれ、反射光11を受光する受光面82を有する。4つのアバランシェフォトダイオード81は、所定の間隔を設けて、一列に並べて半導体基板に形成されているので、4つの受光面82が、所定の間隔を設けて、一列に並べて配置されている。間隔が一定でもよいし、一定でなくてもよい(例えば、間隔がランダムでもよい)。受光部8の表面80は、4つの受光面82及び隣り合う受光面82の間の領域83を含む。受光面82が並ぶ方向をy方向(反射光11の細長形状が延びる方向)にして、受光部8が配置されている。

0025

図4は、本実施形態に係るレーザーレーダー装置1の外観を示す斜視図である。レーザーレーダー装置1は、図1に示すレーザー部2、コントローラー3、コリメーターレンズ4、走査部5、モーターコントローラー6、光学系7及び受光部8を収容するハウジング9を備える。ハウジング9は、有底半円筒状の下部部材90と、下部部材90の上部に連結され有蓋半円錐台状の上部部材91とを備える。上部部材91における斜曲面状の側面が開口されており、その開口に窓部92が設けられている。

0026

ポリゴンミラー50で走査されたレーザー光10は、窓部92を透過して、測定領域Rに向けて出射される。図5は、レーザーレーダー装置1からのレーザー光10が、測定領域Rを照射している様子を説明する説明図である。測定領域Rで反射された反射光11は、窓部92を透過し、ポリゴンミラー50及び光学系7を介して、受光部8で受光される。

0027

図3を参照して、受光面82が並ぶ方向(y方向)及び反射光11の進行方向(z方向)の両方と直交する方向を直交方向(x方向)としたとき、光学系7は、受光面82が並ぶ方向の焦点位置を受光部8の表面80の前方又は後方に合わせ、かつ、直交方向の焦点位置を表面80に合わせて、反射光11を受光部8に導く。これについて、第1比較例及び第2比較例と比較して説明する。

0028

図6は、第1比較例において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。反射光11は、図1に示す測定領域Rで反射されたレーザー光10である。反射光11は、図1に示すポリゴンミラー50に入射し、ポリゴンミラー50で反射されて光学系7に送られる。AXは、光軸を示している。これらは、図7図12についても言えることである。

0029

第1比較例の光学系7は、受光レンズである。受光レンズは、y方向の焦点位置13a及びx方向の焦点位置13bを、受光部8の表面80に合わせている。このため、表面80において、光束12の径が小さくなるので、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する光束12を受光面82で受光できない。

0030

図7は、第2比較例において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。第2比較例の光学系7は、受光レンズである。受光レンズは、y方向の焦点位置13a及びx方向の焦点位置13bを、受光部8の表面80の前方に合わせている。これにより、表面80において、光束12の径が大きくなるので、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する光束12を、受光面82にまで届かせることができる。

0031

このように、反射光11の進行方向から見て、焦点位置13a,13bが、受光部8の表面80の前方(又は後方)に移動したとき、すなわち、デフォーカスしたとき、表面80に入射する反射光11の光束12の径が大きくなる。これにより、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する反射光11の光束12を、受光面82にまで届かせることができ、その光束12を受光面82で検知できる。

0032

しかし、単にデフォーカスするだけでは、x方向にも反射光11の光束12の径が大きくなる。x方向には、受光面82が並んでいないので、反射光11の一部は、受光面82で受光されないことになる。これにより、受光面82で受光される光量が低下し、SN比が低下する。

0033

図8は、本実施形態において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。光学系7は、y方向(受光面82が並ぶ方向)の焦点位置13aを受光部8の表面80の前方(又は後方)に合わせ、かつ、x方向(直交方向)の焦点位置13bを受光部8の表面80に合わせて、反射光11を受光部8に導く機能を有する。これにより、受光部8の表面80での反射光11の光束12について、y方向のサイズをx方向のサイズより大きくすることができる(言い換えれば、反射光11の光束12を、y方向が長軸となり、x方向が短軸となる楕円形状にすることができる)。

0034

本実施形態に備えられる光学系7によれば、y方向の焦点位置13aを受光部8の表面80の前方(又は後方)に合わせているので、受光部8の表面80での反射光11の光束12について、y方向のサイズを大きくできる。これに対して、x方向の焦点位置13bを受光部8の表面80に合わせているので、受光部8の表面80での反射光11の光束12について、x方向のサイズを大きくしないようにできる。

0035

このように、本実施形態に備えられる光学系7によれば、受光部8の表面80での反射光11の光束12は、y方向のサイズが大きくなるので、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する光束12を受光面82にまで届かせることができる。

0036

受光部8の表面80上において、反射光11の光束12は、x方向のサイズが大きくなれば、x方向において、光束12は受光面82を越えてしまう。受光面82を大きくすれば、光束12は受光面82を越えることがなく、受光面82で受光できる。しかし、受光面82を大きくすることにより、受光視野が広がるので、ノイズが多くなり、その結果、S/N比が低下する。そこで、受光部8の表面80上において、反射光11の光束12は、x方向のサイズを大きくしないようにする。

0037

以上のように、本実施形態によれば、複数のアバランシェフォトダイオード81を備え、アバランシェフォトダイオード81の受光面82が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部8において、隣り合う受光面82の間隔を小さくすることなく、反射光11を受光できる能力を向上させることができる。

0038

本実施形態に備えられる光学系7として、以下の第1態様から第4の態様がある。図9は、本実施形態に備えられる光学系7の第1態様において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。光学系7は、受光レンズ70と光学素子71とを備える。

0039

受光レンズ70は、反射光11を受け、受光部8に集光させる円形レンズである。受光レンズ70は、y方向の焦点位置13a及びx方向の焦点位置13bを、受光部8の表面80に合わせており、反射光11を受光して受光部8に導いている。

0040

光学素子71は、z方向(反射光11の進行方向)から見て、受光レンズ70の前方に配置され、反射光11を透過させ、y方向にのみ正のパワー光学的パワーとも言う)を有する。パワーとは、焦点距離逆数である。

0041

光学素子71は、例えば、シリンダーレンズ回折格子である。光学素子71を、受光レンズ70の後方に配置してもよい。これらについては、第2態様、第3態様及び第4態様についても言えることである。

0042

光学系7の第1態様に備えられる光学素子71は、反射光11を透過させ、y方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系7のx方向の焦点位置13bを受光部8の表面80に合わせた状態で、光学系7のy方向の焦点位置13aを受光部8の表面80から表面80の前方に移すことができる(言い換えれば、y方向だけをデフォーカスし、x方向をデフォーカスしない)。

0043

図10は、本実施形態に備えられる光学系7の第2態様において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。光学系7は、受光レンズ70と光学素子71とを備える。第2態様が第1態様と異なる点は、以下の通りである。第1態様では、反射光11を透過させ、y方向にのみ正のパワーを有する光学素子71を用いている。これに対して、第2態様では、反射光11を透過させ、y方向にのみ負のパワーを有する光学素子71を用いている。

0044

光学系7の第2態様に備えられる光学素子71は、反射光11を透過させ、y方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系7のx方向の焦点位置13bを受光部8の表面80に合わせた状態で、光学系7のy方向の焦点位置13aを受光部8の表面80から表面80の後方に移すことができる(言い換えれば、y方向だけをデフォーカスし、x方向をデフォーカスしない)。

0045

図11は、本実施形態に備えられる光学系7の第3態様において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。光学系7は、受光レンズ70と光学素子71とを備える。

0046

受光レンズ70は、反射光11を受け、受光部8に集光させる円形レンズである。受光レンズ70は、y方向の焦点位置13a及びx方向の焦点位置13bを、受光部8の表面80の後方に合わせており、反射光11を受光して受光部8に導いている。

0047

光学素子71は、z方向(反射光11の進行方向)から見て、受光レンズ70の前方に配置され、反射光11を透過させ、x方向にのみ正のパワーを有する。

0048

光学系7の第3態様に備えられる光学素子71は、反射光11を透過させ、x方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系7のy方向の焦点位置13aを受光部8の表面80の後方に合わせた状態で、光学系7のx方向の焦点位置13bを受光部8の表面80の後方から表面80に移すことができる(言い換えれば、y方向だけをデフォーカスし、x方向をデフォーカスしない)。

0049

図12は、本実施形態に備えられる光学系7の第4態様において、反射光11が光学系7を通って受光部8に導かれることを示す光路図である。光学系7は、受光レンズ70と光学素子71とを備える。第4態様は、第3態様と以下の点で異なる。第4態様では、y方向の焦点位置13a及びx方向の焦点位置13bを、受光部8の表面80の前方に合わせる受光レンズ70を用いている。また、第4態様では、反射光11を透過させ、x方向にのみ負のパワーを有する光学素子71を用いている。

0050

光学系7の第4態様に備えられる光学素子71は、反射光11を透過させ、x方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系7のy方向の焦点位置13aを受光部8の表面80の前方に合わせた状態で、光学系7のx方向の焦点位置13bを受光部8の表面80の前方から表面80に移すことができる(言い換えれば、y方向だけをデフォーカスし、x方向をデフォーカスしない)。

0051

本実施形態の変形例を説明する。変形例では、光学系7として、アナモフィックレンズを用いる。アナモフィックレンズは、一方向にのみ光束12を圧縮するレンズである。図13は、アナモフィックレンズの焦点位置(x方向の焦点位置及びy方向の焦点位置)を、受光部8の表面80に合わせたとき、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する光束12を示す模式図である。これにより、反射光11の光束12の形状は、y方向が長軸となり、x方向が短軸となる楕円形状となる。

0052

図14は、本実施形態の変形例に備えられる光学系7において、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する光束12を示す模式図である。アナモフィックレンズは、y方向(受光面82が並ぶ方向)の焦点位置を受光部8の表面80の前方又は後方に合わせ、かつ、x方向(直交方向)の焦点位置を表面80に合わせているので、受光部8の表面80では、デフォーカスされる。このため、図13に示す楕円形の光束12は、図14に示す楕円形の光束12に拡大される。

0053

これにより、受光部8の表面80上において、反射光11の光束12について、y方向のサイズを大きくできる。これに対して、受光部8の表面80上において、反射光11の光束12について、x方向のサイズを大きくしないようにできる。

0054

従って、変形例によれば、本実施形態と同様の理由で、複数のアバランシェフォトダイオード81を備え、アバランシェフォトダイオード81の受光面82が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部8において、隣り合う受光面82の間隔を小さくすることなく、反射光11を受光できる能力を向上させることができる。

0055

次に、本実施形態及びこの変形例において、光束12のy方向のサイズの範囲について説明する。上述したように、光学系7により、測定領域Rで反射された反射光11の光束12は、y方向のサイズが、x方向のサイズより大きくされる。図15は、光束12のy方向のサイズについて、下限値と上限値とを説明する説明図である。下限値と上限値は、式(1)で規定される。

0056

0057

Iは、隣り合う受光面82の間隔を示す。δfは、y方向(受光面82が並ぶ方向)における受光レンズ70のバックフォーカスbfとx方向(直交方向)における受光レンズ70のバックフォーカスbfとの差を示す。バックフォーカスとは、レンズ系の最後端から焦点までの距離をいう。αは、y方向における受光レンズ70の開口角を示す。Sは、y方向における受光面82のサイズを示す。

0058

δf×tan(α)は、受光部8の表面80において、y方向における光束12のサイズの半値を示す。この半値を、I/2より大きくすることにより、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する反射光11の光束12を、少なくとも一方の受光面82に届かせることができる。

0059

反射光11の光束12が、隣り合う受光面82を越えて、これらの受光面82の隣りに位置する受光面82a,82bに届けば、反射光11が全ての受光面82で受光されることになり、分解能が低下する。そこで、上記半値を、I×3/2+Sより小さくする。これにより、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する反射光11の光束12が、隣り合う受光面82を越えて、これらの受光面82の隣りに位置する受光面82a,82bに届かないようにできる。

0060

さらに望ましくは、上記半値を、I/2<δf×tan(α)<I/2+S、とすれば、隣り合う受光面82の間の領域83に位置する反射光11の光束12が、隣り合う受光面82を越えることを防止できるので、受光面82で受光できる光量の低下を抑制できる。

0061

なお、変形例の場合、受光レンズ70をアナモフィクレンズと読み替える。

0062

レーザーレーダー装置1を用いて、本実施形態及び変形例を説明したが、レーザーレーダー装置1に限らず、投受光装置であれば、本発明を適用することができる。

0063

(実施形態の纏め)
実施形態の一局面に係る投受光装置は、光の進行方向から見て断面が細長形状を有する光を出射する光源と、前記光源から出射された光が測定領域に照射されることにより、前記測定領域で反射された反射光を受光する受光面を有するアバランシェフォトダイオードを複数備え、前記細長形状が延びる方向に所定の間隔を設けて、前記受光面が一列に並べられた構造、並びに、前記受光面及び隣り合う前記受光面の間の領域を含む表面を有する受光部と、前記受光面が並ぶ方向及び前記反射光の進行方向の両方と直交する方向を直交方向としたとき、前記受光面が並ぶ方向の焦点位置を前記表面の前方又は後方に合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導く光学系と、を備える。

0064

光学系は、受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方又は後方に合わせ、かつ、直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせて、反射光を受光部に導く機能を有する。

0065

この機能によれば、受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方又は後方に合わせているので、受光部の表面での反射光の光束について、受光面が並ぶ方向のサイズを大きくできる。これに対して、直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせているので、受光部の表面での反射光の光束について、直交方向のサイズを大きくしないようにできる。

0066

このように、光学系によれば、受光部の表面での反射光の光束は、受光面が並ぶ方向のサイズが大きくなるので、隣り合う受光面の間の領域に位置する光束を受光面にまで届かせることができる。

0067

受光部の表面での反射光の光束は、直交方向のサイズが大きくなれば、直交方向において、光束は受光面を越えてしまう。受光面を大きくすれば、その光束は受光面を越えることがなく、受光面で受光できる。しかし、受光面を大きくすることにより、受光視野が広がるので、ノイズが多くなり、その結果、S/N比が低下する。そこで、受光部の表面での反射光の光束は、直交方向のサイズを大きくしないようにする。

0068

以上のように、実施形態の一局面に係る投受光装置によれば、複数のアバランシェフォトダイオードを備え、アバランシェフォトダイオードの受光面が所定の間隔を設けて一列に配置された構造を有する受光部において、隣り合う受光面の間隔を小さくすることなく、反射光を受光できる能力を向上させることができる。

0069

上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記受光面が並ぶ方向にのみ正又は負のパワーを有する光学素子と、を備える。

0070

この構成には、光学系の第1態様及び第2態様が含まれる。第1態様に備えられる光学素子は、反射光を透過させ、受光面が並ぶ方向にのみ正のパワーを有する。これにより、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせた状態で、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面からこの表面の前方に移すことができる。

0071

第2態様に備えられる光学素子は、反射光を透過させ、受光面が並ぶ方向にのみ負のパワーを有する。これにより、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面に合わせた状態で、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面からこの表面の後方に移すことができる。

0072

上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の後方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記直交方向にのみ正のパワーを有する光学素子と、を備える。

0073

この構成は、光学系の第3態様である。この光学素子により、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の後方に合わせた状態で、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面の後方からこの表面に移すことができる。

0074

上記構成において、前記光学系は、前記受光面が並ぶ方向及び前記直交方向の焦点位置を、前記表面の前方に合わせており、前記反射光を受光して前記受光部に導く受光レンズと、前記反射光の進行方向から見て、前記受光レンズの前方又は後方に配置され、前記反射光を前記直交方向にのみ負のパワーを有する光学素子と、を備える。

0075

この構成は、光学系の第4態様である。この光学素子により、光学系の受光面が並ぶ方向の焦点位置を受光部の表面の前方に合わせた状態で、光学系の直交方向の焦点位置を受光部の表面の前方からこの表面に移すことができる。

0076

上記構成において、前記光学系は、前記表面の前方又は後方に焦点位置を合わせ、かつ、前記直交方向の焦点位置を前記表面に合わせて、前記反射光を前記受光部に導くアナモフィックレンズを備える。

0077

この構成によれば、一つの光学素子で上記した光学系の機能を実現できる。

0078

上記構成において、前記光学系は、下記式(1)を満たす。

0079

0080

(ここで、Iは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δfは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記受光レンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光レンズの開口角を示し、Sは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。)

0081

上述したように、光学系により、受光部の表面での反射光の光束は、受光面が並ぶ方向のサイズが大きくされる。δf×tan(α)は、受光部の表面において、受光面が並ぶ方向における光束のサイズの半値を示す。この半値を、I/2より大きくすることにより、隣り合う受光面の間に位置する反射光の光束を、少なくとも一方の受光面に届かせることができる。

0082

反射光の光束が、隣り合う受光面を越えて、これらの受光面の隣りに位置する受光面に届けば、4つの受光面で受光されることになり、分解能が低下する。そこで、上記半値を、I×3/2+Sより小さくする。これにより、隣り合う受光面の間に位置する反射光の光束が、隣り合う受光面を越えて、これらの受光面の隣りに位置する受光面に届かないようにできる。

0083

上記構成において、前記光学系は、下記式(2)を満たす。

0084

0085

(ここで、Iは、隣り合う前記受光面の間隔を示し、δfは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスと前記直交方向における前記アナモフィックレンズのバックフォーカスとの差を示し、αは、前記受光面が並ぶ方向における前記アナモフィックレンズの開口角を示し、Sは、前記受光面が並ぶ方向における前記受光面のサイズを示す。)

0086

この構成は、アナモフィクレンズの場合を規定している。式(2)の趣旨は、式(1)の趣旨と同じであり、受光レンズをアナモフィクレンズと読み替えている。

0087

実施形態の他の局面は、実施形態の一局面に係る投受光装置を備えるレーザーレーダー装置であって、前記光源は、レーザー光の進行方向から見て、断面が細長形状を有する前記レーザー光を前記光として、出射するレーザー部を備え、前記レーザーレーダー装置は、前記レーザー部が出射した前記レーザー光を走査方向に沿って走査し、走査したレーザー光を前記測定領域に照射する走査部を備える。

0088

実施形態の他の局面に係るレーザーレーダー装置によれば、レーザー光を走査方向に沿って走査して、測定領域にレーザー光を照射するので、走査方向において、測定領域を広げることができる。

0089

この出願は、2015年7月24日に出願された日本国特許出願特願2015−146987を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

0090

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

0091

本発明によれば、投受光装置及びこれを備えるレーザーレーダー装置を提供することができる。

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