JP6908015B2

JP6908015B2 - 光学的測距装置および光学的測距方法

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Publication number: JP6908015B2
Application number: JP2018200540A
Authority: JP
Inventors: 木村　禎祐; 禎祐木村; 柳井　謙一; 謙一柳井; 柏田　真司; 真司柏田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2021-07-21
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Description

本発明は、レーザ光を用いて光学的に対象までの距離を測定する技術に関する。

レーザ光を所定の領域に投写し、その反射光を検出するまでに時間により、対象物までの距離を測定する測距技術が知られている。こうした測距技術では、レーザ光を２次元的に走査して、広い領域に対して、対象物までの距離を計測することが試みられている（例えば特許文献１）。

特許第４８１０７６３号公報

係る発明は、広い領域において対象物までの距離を計測できる優れたものであるが、車両などの種々の移動体や設備に組み込むため、一層の小型化が望まれていた。こうした小型化の要請に応えるためには、特に光学系の小型化が求められていた。２次元的に領域を走査しようとすると、光学系が複雑化し、走査用のミラーやプリズムなどの大型化を招いてしまいがちで、かつ距離を計測する信号処理の負荷も増大する。

本開示は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

本開示の態様は、レーザ光を用いた光学的測距装置（１０）である。この光学的測距装置は、第１方向に少なくとも２画素分で、前記第１方向とは交差する第２方向に１画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光する発光部（４０）と、前記発光部からの前記レーザ光を、前記第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査する第１走査部（５０）と、前記第１走査部により走査された前記レーザ光を反射する反射体（７１）を備え、前記レーザ光を、前記第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲に存在する対象物からの反射光を受ける第２走査部（７０）と、前記第２走査部の前記反射体から前記第１走査部に至る経路の途中に設けられ、前記対象物からの反射光を、受光レンズ（６１）の側に折り返す経路変更部（６６）と、前記受光レンズにより集光された前記対象物から反射光を検出する少なくとも２画素分の受光素子（６５ａ）を備えた受光部（６０）と、前記発光部による発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出する測距部（１００）と、を備える。ここで、前記第１走査部は、前記発光部と前記経路変更部との間に設けられ、前記第１走査部と前記経路変更部と前記第２走査部とは、前記第１走査部からの前記レーザ光が、前記経路変更部を通り抜けて前記第２走査部に至る位置に配置されてよい。

この光学的測距装置によれば、第１方向と第２方向に、レーザ光の照射範囲を変更して測距でき、両方向に走査する光の画角を拡げることができる。しかも、一度に照射するレーザ光を第１方向に少なくとも２画素分で、前記第１方向とは交差する第２方向に１画素分としており、これを受光する受光部も一度に少なくとも第１方向に２画素分の受光ができるので、一度に複数の場所の測距を実施できる。この結果、短時間のうちに広い範囲の測距を行なうことができる。

第１実施形態の光学式測距装置の概略構成図。受光素子の構成を示す説明図。光学的測距の原理を示す説明図。走査範囲と受光素子の関係を示す説明図。領域内検出処理ルーチンを示すフローチャート。領域内の検出の一例を示す説明図。他の実施形態の要部を示す説明図。他の実施形態の要部を示す説明図。

Ａ１．第１実施形態のハードウェア構成：
図１に示すように、光学的測距装置１０は、大きくは対象に向けてレーザ光を照射し反射光を受け取る光学系３０と、測距を行なうＳＰＡＤ演算部１００とを備える。光学系３０は、発光部４０、第１走査部に相当するＶ方向走査部５０、受光部６０、第２走査部に相当するＨ方向走査部７０を備える。

発光部４０は、測距用のレーザ光を射出するレーザ素子４１、レーザ素子４１の駆動回路を組み込んだ回路基板４３、レーザ素子４１から射出されたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ４５を備える。レーザ素子４１は、いわゆる短パルスレーザを発振可能なレーザダイオードであり、レーザ光のパルス幅は、５ｎｓｅｃ程度である。５ｎｓｅｃの短パルスを用いることで、測距の分解能を高めることができる。また、レーザ素子４１は、全部で３つの発光素子を一方向に配列して備える。従って、測距のために照射されるレーザ光も一方向に長い形状となる。レーザ光の長手方向は、後述する様に、レーザ光が測距のための照射される場合の縦方向（Ｖ方向とも言う）とされている。

Ｖ方向走査部５０は、コリメートレンズ４５により平行光とされたレーザ光を反射する表面反射鏡５１、この表面反射鏡５１を回転可能に軸支する回転軸５４、回転軸５４を回転駆動するロータリソレノイド５５を備える。ロータリソレノイド５５は、外部からの制御信号Ｓｍ１を受けて、所定の角度範囲（以下、画角範囲という）内で正転および逆転を繰り返す。この結果、回転軸５４、延いては表面反射鏡５１もこの範囲で回動する。結果的にコリメートレンズ４５を介してレーザ素子４１から入射したレーザ光は、縦方向（Ｖ方向）に所定の画角範囲で走査される。

この走査範囲には、経路変更部に相当するコンバイナ６６が設けられている。コンバイナ６６は、中心に開口６８が設けられた反射鏡である。表面反射鏡５１により縦方向に走査されたレーザ光は、この開口６８を通過して、Ｈ方向走査部７０の表面反射鏡７１に入射する。コンバイナ６６は、固定の反射鏡であり、反射面は、図１における背面側である。コンバイナ６６の開口６８を通過したレーザ光は、Ｈ方向走査部７０の表面反射鏡７１に反射し、外部に出力される。Ｈ方向走査部７０には、表面反射鏡７１の他、表面反射鏡７１を回転可能に軸支する回転軸７４や、この回転軸７４を回転駆動するロータリソレノイド７５が備えられている。ロータリソレノイド７５は、外部からの制御信号Ｓｍ２を受けて、所定の画角範囲内で正転および逆転を繰り返す。この結果、回転軸７４、延いては表面反射鏡７１もこの範囲で回動する。結果的に開口６８を介して入射したレーザ光は、横方向（Ｈ方向）に所定の画角範囲で走査される。

２つの表面反射鏡５１，７１を所定範囲内で駆動することにより、発光部４０が射出されたレーザ光は、縦方向（Ｖ方向）と横方向（Ｈ方向）に走査される。このため、光学的測距装置１０から外部に出力されるレーザ光は、図１に模式的に示した走査範囲８０内を、Ｖ方向およびＨ方向に走査することになる。この走査範囲８０に、人や車などの対象物があると、レーザ光はその表面で乱反射し、その一部は、Ｈ方向走査部７０方向に戻ってくる。この反射光は、表面反射鏡７１で反射し、コンバイナ６６方向に戻り、コンバイナ６６の表面で反射し、受光部６０に向かう。コンバイナ６６の鏡面に反射した反射光は、受光部６０の受光レンズ６１に入射し、受光レンズ６１で集光されて、図２に示した受光素子６５ａが配列された受光アレイ６５に入射する。

本実施形態の光学系３０では、レーザ素子４１は、縦長の発光角を持ったレーザ素子である。このレーザ素子４１の発光角は、受光部６０の受光素子６５ａとして３画素分の画角に相当する。この場合の縦方向とは、走査範囲８０におけるＶ方向という意味である。図１であれば、紙面上下方向が、レーザ素子４１の発光角における縦方向に相当する。縦長のレーザ光は、表面反射鏡５１の正回転・逆回転によって、表面反射鏡７１上で上下方向（Ｖ方向）に走査されることになり、表面反射鏡７１によって反射したレーザ光は走査範囲８０において、Ｖ方向に走査されるという関係になっている。他方、Ｈ方向走査部７０の表面反射鏡７１が所定の画角範囲で正回転・逆回転することで、Ｖ方向に長いレーザ光は、走査範囲８０において、Ｈ方向に走査されることになる。

上述したように、縦長のレーザ光は、Ｖ方向走査部５０およびＨ方向走査部７０により、走査範囲８０内を走査することができる。走査されたレーザ光は、対象物ＯＢＪに反射して、上述した経路を辿り、受光部６０の受光素子６５ａに入射する。受光アレイ６５は図２に例示するように、縦方向に複数個の受光素子６５ａが配列されている。この受光素子６５ａの並びは、Ｖ方向走査部５０によってＶ方向に走査する最大範囲（Ｖ方向画角）に対応した大きさを有する。受光素子６５ａは、高い応答性と優れた検出能力とを実現するために、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられる。ＡＰＤに反射光（フォトン）が入射すると、電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電界で加速され、次々と衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成される（アバランシェ現象）。このように、ＡＰＤはフォトンの入射を増幅することができることから、遠くの対象物のように反射光の強度が小さくなる場合には、ＡＰＤが用いられることが多い。ＡＰＤの動作モードには、降伏電圧未満の逆バイアス電圧で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上の逆バイアス電圧で動作させるガイガモードとがある。リニアモードでは、生成される電子・正孔対よりも高電解領域から出て消滅する電子・正孔対の数が大きく、電子・正孔対の崩壊は自然に止まる。このため、ＡＰＤからの出力電流は、入射光量にほぼ比例する。

他方、ガイガモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができるため、検出感度を更に高めることができる。こうしたガイガモードで動作されるＡＰＤを、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）と呼ぶことがある。

各受光素子６５ａは、図２に等価回路を示すように、電源Ｖｃｃと接地ラインとの間に直列にクエンチ抵抗器ＲｑとアバランシェダイオードＤａを接続し、その接続点の電圧を論理演算素子の一つである反転素子ＩＮＶに入力し、電圧レベルの反転したデジタル信号に変換している。反転素子ＩＮＶの出力は、アンド回路ＳＷの一方の入力に接続されているから、他方の入力がハイレベルＨになっていれば、外部にそのまま出力される。アンド回路ＳＷの他方の入力の状態は、選択信号ＳＣにより切り換えることができる。選択信号ＳＣは、受光アレイ６５のどの受光素子６５ａからの信号を読み出すかを指定するのに用いられることから、アドレス信号と呼ぶことがある。なお、アバランシェダイオードＤａをリニアモードで用い、その出力をアナログ信号のまま扱う場合などには、アンド回路ＳＷに代えて、アナログスイッチを用いればよい。また、アバランシェダイオードＤａに代えて、ＰＩＮフォトダイオードを用いることも可能である。

受光素子６５ａに光が入射していなければ、アバランシェダイオードＤａは、非導通状態に保たれる。このため、反転素子ＩＮＶの入力側は、クエンチ抵抗器Ｒｑを介してプルアップされた状態、つまりハイレベルＨに保たれている。従って、反転素子ＩＮＶの出力はロウレベルＬに保たれる。各受光素子６５ａに外部から光が入射すると、アバランシェダイオードＤａは、入射した光（フォトン）により通電状態となる。この結果、クエンチ抵抗器Ｒｑを介して大きな電流が流れ、反転素子ＩＮＶの入力側は一旦ロウレベルＬとなり、反転素子ＩＮＶの出力はハイレベルＨに反転する。クエンチ抵抗器Ｒｑを介して大きな電流が流れた結果、アバランシェダイオードＤａに印加される電圧は低下するから、アバランシェダイオードＤａへの電力供給は止り、アバランシェダイオードＤａは、非道通状態に復する。この結果、反転素子ＩＮＶの出力信号も反転してロウレベルＬに戻る。結果的に、反転素子ＩＮＶは、各受光素子６５ａに光（フォトン）が入射すると、ごく短時間、ハイレベルとなるパルス信号を出力することになる。そこで、各受光素子６５ａが光を受光するタイミングに合わせて、アドレス信号ＳＣをハイレベルＨにすれば、アンド回路ＳＷの出力信号、つまり各受光素子６５ａからの出力信号Ｓout は、アバランシェダイオードＤａの状態を反映したものとなる。

各受光素子６５ａの出力Ｓout は、レーザ素子４１が発光し、その光が走査範囲８０に存在する対象物ＯＢＪに反射して戻ってくることで生じる。従って、図３に示したように、発光部４０が駆動されてレーザ光（以下、照射光バルスという）が出力されてから、対象物ＯＢＪによって反射した反射光バルスが受光部６０の各受光素子６５ａにより検出されるまでの時間Ｔｆを計ることにより、対象までの距離を検出できる。対象物ＯＢＪは、光学的測距装置１０の近くから遠くまで、様々な位置に存在し得る。従って、図１における走査範囲８０は、光学的測距装置１０の遠近距離が一様であることを示しているのではなく、レーザ光により走査範囲を模式的に示すものである。

受光素子６５ａは、以上説明したように、反射光を受けると、パルス信号を出力する。受光素子６５ａが出力するパルス信号は、測距部に相当するＳＰＡＤ演算部１００に入力される。ＳＰＡＤ演算部１００は、レーザ素子４１を発光させて外部の空間を走査しつつ、レーザ素子４１が照射光パルスを出力した時点から受光部６０の受光アレイ６５が反射光バルスを受け取るまでの時間から、対象物ＯＢＪまでの距離を演算する。ＳＰＡＤ演算部１００は、周知のＣＰＵやメモリを備え、予め用意されたプログラムを実行することで、測距に必要な処理を行なう。具体的には、ＳＰＡＤ演算部１００は、全体の制御を行なう制御部１１０の他、加算部１２０、ヒストグラム生成部１３５、ピーク検出部１４０、距離演算部１５０等を備える。

加算部１２０は、１つの受光素子６５ａに含まれる更に多数の受光素子の出力を加算する回路である。図２には、１つの受光素子６５ａに１つの出力Ｓout が存在するものとして描いたが、実際には、１つの受光素子６５ａの内部には、Ｎ×Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の受光素子が設けられており、反射光が受光素子６５ａに入射すると、Ｎ×Ｎ個の素子が動作する。本実施形態では、１つの受光素子６５ａ内に７×７個のＳＰＡＤが設けられている。もとより、ＳＰＡＤの数や配列は、７×７個以外、例えば５×９個など、種々の構成が可能である。

受光素子６５ａを複数個のＳＰＡＤから構成しているのは、ＳＰＡＤの特性による。ＳＰＡＤは、たった一つのフォトンが入射しただけでこれを検出することが可能であるが、対象物ＯＢＪからの限られた光によるＳＰＡＤの検出は確率的なものにならざるを得ない。ＳＰＡＤ演算部１００の加算部１２０は、確率的にしか反射光を検出し得ないＳＰＡＤからの出力信号Ｓout を加算して反射光を確実に検出する。

こうして得られた反射光パルス（図３）をヒストグラム生成部１３５が受け取る。ヒストグラム生成部１３５は、加算部１２０の加算結果を複数回足し合せてヒストグラムを生成する。受光素子６５ａが検出する信号には、ノイズも含まれるが、複数個の照射光パルスに対する各受光素子６５ａからの信号を足し合せると、反射光パルスに対応する信号は累積され、ノイズに対応する信号は累積されないので、反射光パルスに対応する信号が明確になる。そこで、ヒストグラム生成部１３５からのヒストグラムを解析して、ピーク検出部１４０が信号のピークを検出する。信号のピークとは、図３における反射光パルスに他ならない。こうしてピークが検出されると、距離演算部１５０は、照射光パルスから、反射光パルスのピークまでの時間Ｔｆを検出することで、対象物までの距離Ｄを検出することができる。検出され距離Ｄは、外部に、例えば光学的測距装置１０が自動運転車両に搭載されていれば、自動運転装置などに出力される。もとより、ドローンや自動車、船舶などの移動体の他、固定された測距装置として用いることも可能である。

制御部１１０は、発光部４０の回路基板４３に対してレーザ素子４１の発光タイミングを決定する指令信号ＳＬや、いずれの受光素子６５ａをアクティブにするかを決定するアドレス信号Ｓout の他、ヒストグラム生成部１３５に対するヒストグラムの生成タイミングを指示する信号Ｓｔや、Ｖ方向走査部５０およびＨ方向走査部７０のロータリソレノイド５５，７５に対する駆動信号Ｓm1、Ｓm2を出力する。制御部１１０が予め定めたタイミングでこれらの信号を出力することにより、ＳＰＡＤ演算部１００は、走査範囲８０に存在し得る対象物ＯＢＪをそのＯＢＪまでの距離Ｄと共に検出する。

Ａ２．照射光パルスの走査：
次に、上記ハードウェア構成を用いて、走査範囲８０に照射光バルスを走査する手法について説明する。図４は、走査範囲８０と受光部６０との関係を示す説明図である。この実施形態では、受光アレイ６５には縦方向（Ｖ方向）に複数個（図４では９個）の受光素子６５ａが配列されており、１つの照射光バルスにより、このうちの３個の受光素子６５ａに反射光が入射するよう光学系３０のアライメントが調整されている。反射光が入射する３個の受光素子６５ａの集まりを受光エリア６５Ｓと呼ぶ。この状態で、制御部１１０が駆動信号Ｓm1によりＶ方向走査部５０を駆動すると、受光エリア６５Ｓは、走査範囲８０に対して、Ｖ方向に移動する。これを矢印Ｖ１，Ｖ２として表わした。また、制御部１１０が信号Ｓm2によりＨ方向走査部７０を駆動すると、受光エリア６５Ｓは、走査範囲８０に対して、Ｈ方向に移動する。これを矢印Ｈ１，Ｈ２として表わした。もとより、Ｈ方向走査部７０を駆動して表面反射鏡７１の画角を変更しても、受光アレイ６５上での反射光の入射位置は、Ｈ方向には変更しない。従って、受光アレイ６５は、Ｈ方向には１画素分しか用意されていない。他方、Ｖ方向走査部５０を駆動して表面反射鏡５１の画角を変更すると、受光アレイ６５上で、反射光の入射位置は、Ｖ方向に移動する。これは、光学系３０において、コンバイナ６６を含む受光部６０が、Ｖ方向走査部５０とＨ方向走査部７０との間に設けられているからである。このため、受光アレイ６５において、Ｖ方向には、受光素子６５ａが複数画素分用意されている。もとより、Ｈ方向を複数画素分用意して、複数画素分用意されているＶ方向の画素と組合せ、それらを１つのブロックとして走査しても良い。また、受光エリア６５Ｓ以外の受光画素はオフにしてもよいし、環境光を計測するような動作をさせてもよい。

上述した光学系３０を前提として、ＳＰＡＤ演算部１００は、図５に示した領域内検出処理ルーチンを実行する。図５の処理ルーチンを開始すると、ＳＰＡＤ演算部１００は、まず走査する領域を取得する（ステップＳ１００）。走査する領域とは、光学系３０を駆動して、照射光パルスを出力する範囲である。図１に示した走査範囲８０は、走査する領域が、略長方形の範囲となっている例を示している。本実施形態では、この走査領域は、略長方形に限らず、予め設定することができる。ＳＰＡＤ演算部１００は、走査領域を自ら定めてもよいし、外部、例えば自動運転装置などから与えられてもよい。

こうした走査領域の一例を図６に示した。この例では、走査範囲８０をＶ方向に３つに分け、最下段Ｖ１に相当する領域は、Ｈ方向の全範囲に亘って走査し、中段のＶ２に相当する領域と、最上段のＶ３に相当する領域は、中央の所定の範囲のみ走査するものとしている。本実施形態では、走査範囲８０の走査は、まずＶ方向に行ない、その後Ｈ方向に行なう。このため、走査する領域を取得すると、次にＨ方向の走査範囲を設定する（ステップＳ１１０）。この例では、Ｈ方向走査範囲は、走査範囲８０の一端から他端までである。Ｈ方向の走査範囲が設定されると、ＳＰＡＤ演算部１００は、Ｖ方向走査部５０およびＨ方向走査部７０を制御して、レーザ光の照光位置を原点、ここでは、走査範囲８０の図示右下の位置（０，０）に設定する。

次にＶ方向の走査範囲を設定する（ステップＳ１２０）。図６の例では、原点位置でのＶ方向の走査範囲は、範囲Ｖ１である。そこで、次に対象物検出処理を行なう（ステップＳ１３０）。つまり、この位置でレーザ光を駆動して照射光パルスを出力し、対象物ＯＢＪからの反射光を検出して、その時間Ｔｆから、対象物ＯＢＪの存在をその距離Ｄと共に検出するのである。

次に、Ｖ方向についての検出処理が完了したかを判断する（ステップＳ１４０）。Ｖ方向について設定された検出範囲（ここでは範囲Ｖ１）での検出が完了していなければ、Ｖ方向走査部５０に駆動信号Ｓm1を出力し、表面反射鏡５１を僅かに回転させて、領域Ｖ１をＶ方向に走査して、対象物ＯＢＪの検出を継続する。Ｈ方向の一つの位置でのＶ方向の走査と検出が完了すれば（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、次にＨ方向の走査が完了したかを判断する（ステップＳ１５０）。Ｈ方向の走査が完了していなければ（ステップＳ１５０：「ＮＯ」）、Ｈ方向走査部７０に駆動信号Ｓm2を出力し、表面反射鏡７１を僅かに回転させて、レーザ光の照光位置をＨ方向に移動する。その上で、再度Ｖ方向の走査範囲を設定する（ステップＳ１２０）。

図６に示した例では、Ｈ方向に照光位置を変えながら、領域Ｖ１をＶ方向走査して、対象物ＯＢＪの検出（距離Ｄの取得）を継続する。Ｈ方向の走査が進んで、位置（６，０）に至ると、ここでは、Ｖ方向走査範囲は、領域Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に設定される（ステップＳ１２０）。そこで、対象物ＯＢＪの検出処理（ステップＳ１３０）とＶ方向走査部５０を用いたＶ方向の照光位置の走査とを、Ｖ方向の検出処理が完了したと判断されるまで（ステップＳ１４０：「ＹＥＳ」）、繰り返す。この結果、図６に示した領域Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が順次走査される。これらの領域からの反射光は、受光アレイ６５の対応する受光素子６５ａにより検出される。レーザ光の照光領域がＶ方向に変化すると、受光アレイ６５上での反射光の入射位置もＶ方向に変化する。

こうして、図６に示した例では、Ｈ方向の位置（６，０）から（９，０）まででは、Ｖ方向の走査範囲は、領域Ｖ１〜Ｖ３に設定される。Ｈ方向の位置が（１０，０）となると、再び、Ｖ方向の走査範囲は、領域Ｖ１に限られる。このようにＨ方向に走査しつつ、予め設定した範囲ではＶ方向に広範囲に亘って走査し、Ｈ方向端部まで至ると、図５のステップＳ１５０での判断は、「ＹＥＳ」となり、「ＥＮＤ」に抜けて処理を終了する。

以上説明したように、この実施形態の光学的測距装置１０によれば、Ｖ方向走査部５０とＨ方向走査部７０との間にコンバイナ６６を配置し、コンバイナ６６よりもレーザ素子４１側でＶ方向走査部５０によりＶ方向にレーザ光の方向を変え、コンバイナ６６の開口６８を通過したあとで、Ｈ方向走査部７０によりＨ方向にレーザ光の方向を変えている。このため、走査範囲８０において、Ｖ方向とＨ方向に、レーザ光の照射範囲を変更させることができる。従って、両方向に走査する光の画角を拡げることができる。しかも、一度に照射するレーザ光を３画素分としているので、これを受光する受光部６０においても一度に３画素分の測距を実施でき、短時間のうちに広い範囲の測距を行なうことができる。

更に本実施形態では、最初から縦長のレーザ光を用いているので、Ｖ方向の画角を拡げても、Ｈ方向の走査を行なう表面反射鏡７１を大型化する必要がない。また、レーザ素子４１として、発光パルス幅の狭い短パルスレーザを用い、受光素子６５ａとしてＳＰＡＤを用いているので、検出精度を向上させることができる。しかも、照射光パルスの発光時間を短くできるので、測距において余分な光が受光部６０内に入って外乱となる影響を抑制することができる。しかも、照射光と反射光とを分離するのに、開口６８のあるコンバイナ６６用いているので、照射光がコンバイナ６６に反射して受光部６０に入り込むことを抑制でき、この点でも測距における外乱の影響を抑制することができる。

また、上記実施形態では、照射光パルスを照射可能な範囲を、Ｈ方向、Ｖ方向に自由に設定できるので、走査範囲８０を一部に限定することができる。このため、測距の必要がない範囲を無駄に測距する必要がない。例えば、車両から見て空に当たると判断できる部位については、測距する必要がない。測距する必要がない部位を走査するのに要する時間を、測距する領域での測距の繰り返しに利用することができる。測距の繰り返し回数を高くすれば、その分、測定の精度を高めることができる。例えば図６に示した例では、中央部分のＶ方向の測距範囲を拡げているが、測距しない左右のＶ２，Ｖ３の部分の走査を略した時間を中央部分の測距に充てることができる。高速走行などの場合には、走査範囲８０の中央部分の測距の精度を高めたいといったケースがあり、こうした要請に応えることができる。逆に、左折や右折の場合には、回る方向の側の測距を広い範囲に亘って行ない、他の方向より広く、かつ精度良く測距することも望ましい。

Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、コンバイナ６６は平面形状をしているものとしたが、凹面鏡の形状をとすることも差し支えない。この凹面鏡を、反射光を受光部６０の受光アレイ６５上に結像させる光学系の一部として利用すれば、受光部６０の光学系を小型化することができる。例えば、受光部６０の光学系が４枚のレンズ構成とされている場合、そのうちの最も外側の凸レンズをコンバイナの６６による凹面鏡で置き換えることができるので、受光部６０自体のレンズ構成を小型化することができる。上記実施形態でのコンバイナ６６は、照射光パルスを通過させるのに開口６８を利用しているので、コンバイナ６６を凹面鏡としても、照射する側のレーザ光に影響を与えることがなく、好適である。

Ｃ．第３実施形態：
第１実施形態では、開口６８のあるコンバイナ６６を利用したが、照射側のレーザ光を通過させる構成は、開口に限る必要はなく、図７に例示したように、ハーフミラーなど、一方向からの光を透過し反対側からの光を反射する機能を備えた光学部品を採用することかできる。図７の例では、コンバイナ６６Ａとしてハーフミラーを採用している。図７に示すように、照射する側のレーザ光を中心ＬｃからＶ方向に上下に走査すると、レーザ光は、最も上のラインＬｕから最も下ラインＬｄの範囲を通過する。このＬｄからＬｕまでが、Ｖ方向の画角となり、第１実施形態では、開口６８はこの画角範囲に対応する長さを有していた。これに対して、図７の光学系では、コンバイナ６６Ａは、ハーフミラーを採用しているので、開口部を設ける必要がない。レーザ光は、コンバイナ６６Ａを通過し、表面反射鏡７１で反射して走査範囲８０に照射され、対象物に反射して戻ってくる。戻ってきた反射光は、表面反射鏡７１に反射した後、コンバイナ６６Ａの表面で反射して、受光部６０に入射する。この場合も、第１実施形態と同様に、広い画角を小型の構成で実現でき、広い走査範囲で測距することができる。

Ｄ．その他の実施形態：
［１］第１実施形態で用いた開口を備えたコンバイナ６６に代えて、図８に例示したように、ハーフサイズのコンバイナ６６Ｂを用いることもできる。図８に示すように、照射する側のレーザ光を中心ＬｃからＶ方向に上下に走査すると、レーザ光は、最も上のラインＬｕから最も下ラインＬｄの範囲を通過する。このＬｄからＬｕまでが、Ｖ方向の画角となる。これらの範囲の光は、コンバイナ６６Ｂの存在位置の直ぐ脇を通過し、表面反射鏡７１で反射して走査範囲８０に照射され、対象物に反射して戻ってくる。この反射光は、表面反射鏡７１に反射した後、コンバイナ６６Ｂの存在位置に入射し、コンバイナ６６Ｂの表面で反射して、受光部６０に入射する。この場合も、第１実施形態と同様に、広い画角を小型の構成で実現でき、広い走査範囲で測距することができる。

［２］上記実施形態では、コンバイナ６６を挟んでＶ方向走査部５０とＨ方向走査部７０を配置したが、両者の配置は逆であっても差し支えない。また、図１に示した各部の配置を、そのまま９０度回転して、Ｖ方向とＨ方向とを入替えてもよい。なお、方向走査部５０と方向走査部７０とを独立に走査できればよく、走査範囲８０の形状は特に特定の形状に限定する必要はない。また、レーザ光の発光部が少なくとも２画素分のレーザ光を２つの方向に走査でき、受光部も少なくとも２画素分の検出ができれば、コンバイナ６６やハーフミラーなどを備えなくても差し支えない。

［３］上記実施形態では、３つの発光素子を用いてレーザ素子４１からのレーザ光をＶ方向に広い画角を持つものとしたが、単一のレーザ素子４１で、一方向に長い発光面を持つレーザ素子を用いて、画角を広くしてもよい。レーザ素子４１の画角は３画素分に限るものではなく、受光素子６５ａの２画素分以上あればよい。また、このＶ方向に広い画角を持つレーザ素子に合せて、各受光部からの信号を処理する各部、つまり加算部１２０、ヒストグラム生成部１３５、ピーク検出部１４０、測距演算部１５０等を、同時に反射光を受光する受光素子６５ａの数だけ用意し、測距の処理を少なくとも各受光素子６５ａに対して、並列に行なうものとしてもよい。レーザ素子４１のレーザ光が広い画角を有し、対象物からの反射光が同時に受光部６０に戻ってくるので、並列処理が可能である。並列処理を行なえば、同じ走査範囲８０に対する処理を、並列処理を行なわない場合と比べて、短時間に完了することができる。

［４］上記各実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。ソフトウェアによって実現されていた構成の少なくとも一部は、ディスクリートな回路構成により実現することも可能である。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、以下の態様を採用することも可能である。

（１）本開示の一態様は、レーザ光を用いた光学的測距装置である。この光学的測距装置は、所定方向に少なくとも２画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光する発光部と、前記発光部からの前記レーザ光を、前記所定方向に対応した第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査する第１走査部と、前記第１走査部により走査された前記レーザ光を反射する反射体を備え、前記レーザ光を、前記第１方向とは交差する第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲に存在する対象物からの反射光を受ける第２走査部と、前記第２走査部の前記反射体から前記第１走査部に至る経路の途中に設けられ、前記対象物からの反射光を、受光レンズ側に折り返す経路変更部と、前記受光レンズにより集光された前記対象物から反射光を検出する少なくとも２画素分の受光素子を備えた受光部と、前記発光部による発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出する測距部と、を備える。前記第１走査部は、前記発光部と前記経路変更部との間に設けられ、前記第１走査部と前記経路変更部と前記第２走査部とは、前記第１走査部からの前記レーザ光が、前記経路変更部を通り抜けて前記第２走査部に至る位置に配置されたてよい。

（２）こうした光学的測距装置において、前記経路変更部は、前記レーザ光が通り抜ける開口またはスリットを備えるコンバイナであり、前記開口または前記スリットは、前記第１走査部からの前記レーザ光の前記画角範囲に対応する長さを有するものとしてよい。こうすれば、第１方向に走査したレーザ光を、反射体により第２方向に走査でき、かつ反射光を受光レンズの側に折り返す構成を容易に実現できる。

（３）こうした光学的測距装置において、前記経路変更部は、前記第１走査部からの前記レーザ光は通り抜け、前記第２走査部からの反射光は前記受光レンズ側に反射するハーフミラーとしてもよい。経路変更部を簡易に構成できる。

（４）こうした光学的測距装置において、前記発光部の発光素子として短パルスレーザを用いてもよい。こうすれば、測距の分解能を高めることができる。

（５）こうした光学的測距装置において、前記経路変更部は、凹面鏡であり、前記受光部に向けて、前記対象物からの反射光を集光する前記受光レンズの一部として働くものとしてもよい。こうすれば、受光部のレンズ構成を一枚少ないレンズにより構成できるなど、受光部の光学系を小型化することができる。

（６）こうした光学的測距装置において、前記第１走査部と前記第２走査部とは、独立に駆動可能としてもよい。こうすれば、測距を行なう範囲を、第１方向と第２方向とで独立に設定することができる。あるいは、測距の対象となる所定の範囲は、前記第１方向と前記第２方向とが、予め定められた組合せにより得られる形状としてもよい。こうすれば、目的に合せた範囲での測距を効率的に行なうことができる。

（７）こうした光学的測距装置において、更に、前記少なくとも２画素分の受光素子からの信号を並列に処理するものとしてもよい。同時に、少なくとも２画素分の測距を行なえるので、測距の処理を高速化できる。

（８）本開示の第２の態様は、光学的に距離を測る光学的測距方法である。この測距方法は、所定方向に少なくとも２画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光し、前記発光したレーザ光を、前記所定方向に対応した第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査し、前記走査された前記レーザ光を反射する反射体を駆動し、前記レーザ光を、前記第１方向とは交差する第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲の対象物からの反射光を受け、前記対象物からの反射光の前記反射体から上流側への経路の途中に設けられた経路変更部により、前記対象物からの反射光を、受光レンズ側に折り返し、前記受光レンズにより集光された前記対象物から反射光を、少なくとも２画素分の受光素子を備えた受光部により検出し、前記レーザ光の発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出する。ここで、前記レーザ光は、前記経路変更部より上流側で、前記第１方向かつ前記所定の画角範囲に亘って走査され、前記経路変更部は、前記第１方向かつ前記所定の画角範囲に亘って走査された前記レーザ光が、前記経路変更部を通り抜けるように配置されてよい。この光学的測距方法によっても、第１方向と第２方向に、レーザ光の照射範囲を変更して測距でき、両方向に走査する光の画角を拡げることができる。しかも、一度に照射するレーザ光を少なくとも２画素分としており、これを受光する受光部も一度に少なくとも２画素分の受光ができるので、一度に複数の場所の測距を実施できる。この結果、短時間のうちに広い範囲の測距を行なうことができる。

（９）本開示の第３の態様は、光学的に距離を測る光学的測距方法である。この光学的測距方法は、所定方向に少なくとも２画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光し、前記発光したレーザ光を、前記所定方向に対応した第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査し、前記走査された前記レーザ光を、前記第１方向とは交差する第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲の対象物からの反射光を、少なくとも２画素分の受光素子を備えた受光部により検出し、前記レーザ光の発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出する。この光学的測距方法によっても、第１方向と第２方向に、レーザ光の照射範囲を変更して測距でき、両方向に走査する光の画角を拡げることができる。しかも、一度に照射するレーザ光を少なくとも２画素分としており、これを受光する受光部も一度に少なくとも２画素分の受光ができるので、一度に複数の場所の測距を実施できる。この結果、短時間のうちに広い範囲の測距を行なうことができる。

１０光学的測距装置、３０光学系、４０発光部、４１レーザ素子、４３回路基板、４５コリメートレンズ、５０Ｖ方向走査部、５１表面反射鏡、５４回転軸、５５ロータリソレノイド、６０受光部、６１受光レンズ、６５受光アレイ、６５ａ受光素子、６５Ｓ受光エリア、６６，６６Ａ，６６Ｂコンバイナ、６８開口、７０Ｈ方向走査部、７１表面反射鏡、７４回転軸、７５ロータリソレノイド、８０走査範囲、１００ＳＰＡＤ演算部、１１０制御部、１２０加算部、１３５ヒストグラム生成部、１４０ピーク検出部、１５０距離演算部

Claims

レーザ光を用いた光学的測距装置（１０）であって、
第１方向に少なくとも２画素分で、前記第１方向とは交差する第２方向に１画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光する発光部（４０）と、
前記発光部からの前記レーザ光を、前記第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査する第１走査部（５０）と、
前記第１走査部により走査された前記レーザ光を反射する反射体（７１）を備え、前記レーザ光を、前記第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲に存在する対象物からの反射光を受ける第２走査部（７０）と、
前記第２走査部の前記反射体から前記第１走査部に至る経路の途中に設けられ、前記対象物からの反射光を、受光レンズ（６１）の側に折り返す経路変更部（６６）と、
前記受光レンズにより集光された前記対象物から反射光を検出する少なくとも２画素分の受光素子（６５ａ）を備えた受光部（６０）と、
前記発光部による発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出する測距部（１００）と、
を備え、
前記第１走査部は、前記発光部と前記経路変更部との間に設けられ、前記第１走査部と前記経路変更部と前記第２走査部とは、前記第１走査部からの前記レーザ光が、前記経路変更部を通り抜けて前記第２走査部に至る位置に配置された光学的測距装置。
前記経路変更部は、前記レーザ光が通り抜ける開口またはスリットを備えるコンバイナであり、前記開口または前記スリットは、前記第１走査部からの前記レーザ光の前記画角範囲に対応する長さを有する請求項１に記載の光学的測距装置。
前記経路変更部は、前記第１走査部からの前記レーザ光は通り抜け、前記第２走査部からの反射光は前記受光レンズ側に反射するハーフミラー（６６Ａ）である請求項１に記載の光学的測距装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、
前記発光部の発光素子として短パルスレーザ（４１）を用いた光学的測距装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、
前記経路変更部は、凹面鏡であり、前記受光部に向けて、前記対象物からの反射光を集光する前記受光レンズの一部として働く
光学的測距装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、
前記第１走査部と前記第２走査部とは、独立に駆動可能である光学的測距装置。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、
前記所定の範囲は、前記第１方向と前記第２方向とが、予め定められた組合せの形状である光学的測距装置。
更に、前記少なくとも２画素分の受光素子からの信号を並列に処理する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光学的測距装置。
光学的に距離を測る光学的測距方法であって、
第１方向に少なくとも２画素分で、前記第１方向とは交差する第２方向に１画素分の検出を行なうためのレーザ光を発光し、
前記発光したレーザ光を、前記第１方向に、かつ少なくとも所定の画角範囲に亘って走査し、
前記走査された前記レーザ光を反射する反射体を駆動し、前記レーザ光を、前記第２方向に、かつ外部の所定の範囲に亘って走査すると共に、前記所定の範囲の対象物からの反射光を受け、
前記対象物からの反射光の前記反射体から前記レーザ光の発光側へ向かう経路の途中に設けられた経路変更部により、前記対象物からの反射光を、受光レンズ側に折り返し、
前記受光レンズにより集光された前記対象物から反射光を、少なくとも２画素分の受光素子を備えた受光部により検出し、
前記レーザ光の発光から、前記対象物からの反射光を前記受光部が受光するまでの時間に応じて、前記対象物までの距離を検出し、
前記レーザ光は、前記経路変更部よりも前記レーザ光の発光側で、前記第１方向かつ前記所定の画角範囲に亘って走査され、前記経路変更部は、前記第１方向かつ前記所定の画角範囲に亘って走査された前記レーザ光が、前記経路変更部を通り抜けるように配置された
光学的測距方法。