レーザレーダ装置
【課題】集光効率を向上でき受光感度が良く、低コスト化及び小型化を実現できるレーザレーダ装置を提供する。
【解決手段】一方向の断面が楕円の一部からなる楕円面反射鏡１４を光走査手段１２と受光手段１６の光路間に設置している。そして、楕円面反射鏡１４に対象物から反射してくる反射光を導く固定鏡１３が楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されている。また、受光手段１６が楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。このため、楕円面反射鏡１４を反射した全ての反射光が楕円面反射鏡１４の楕円焦点位置に集光する。
【解決手段】一方向の断面が楕円の一部からなる楕円面反射鏡１４を光走査手段１２と受光手段１６の光路間に設置している。そして、楕円面反射鏡１４に対象物から反射してくる反射光を導く固定鏡１３が楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されている。また、受光手段１６が楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。このため、楕円面反射鏡１４を反射した全ての反射光が楕円面反射鏡１４の楕円焦点位置に集光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザレーダ装置はパルス波または変調波のレーザ光を対象物に向けて送信し、対象物で反射したレーザ光を受信し、パルス波の送信パルスと受信パルスの時間差、或いは変調波の送信波と受信波の位相差から、対象物までの距離値を算出する装置である。特に走査型のレーザレーダ装置は、送信するレーザ光を走査することにより広い範囲に存在する対象物の距離情報を算出することが可能になる。
【０００３】
このような走査型のレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１の走査型のレーザレーダ装置において、回転ミラーを使用して光軸を振ってレーザ光を走査するレーザレーダ装置であり、更には投光ミラーの光軸と受光ミラーを回転させるモータの軸を一致させた構造である。詳細にはモータの上下に回転軸を突出させた両軸のモータを使い、一方の軸に投光ミラー、他方の軸に受光ミラーを互いに同位相で取付けた構造である。このような構成を備えている上記特許文献１は、投光ミラーや受光ミラー、そしてこれらのミラーを回転させるモータを備えているため、装置全体が大型となっていた。また、装置の小型化を図る走査型のレーザレーダ装置として、例えば特許文献２に記載のものが知られている。この特許文献２では、走査用の反射ミラー部にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による小型の走査ミラーを用いている。そして、この小型の走査ミラーを用いて走査し対象物からの反射光は光学フィルタや結像レンズを介して受光素子に入射する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献２では、パルス波の送信波と受信波の時間差から対象物までの距離を正確に算出するためには、受信光の高精度の時間測定が必要になり、そのために応答速度の速い受光器が必要となる。一般に、受光器としてはフォトダイオードやフォトトランジスタが用いられるが、上記特許文献２では高速化のため受光素子の電気容量を小さくする必要があり、また受光素子を非常に小型化にする必要がある。更に、上記特許文献２に記載のような固定の光学系で受光する場合、反射光の入射角により反射光の結像位置が移動し、反射光の光量のばらつきが生じやすい。また、上記特許文献２では、集光用のレンズと受光素子に垂直に光が入射するため、一般的に受光素子の受光部への開口窓は直径０．１から０．５ｍｍ程度であると集光レンズに斜めに入射する光は受光素子の受光部からずれたところに集光してしまう。これでは、集光効率が低くなり受光感度が悪くなる。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載の発明では、対象物からの反射光を光走査用の反射面で反射して集光レンズを介して受光センサに集光させるため、反射光を十分に確保するためには面積の大きな光走査用の反射鏡が必要となる。走査ミラーの反射鏡の大型化は、デバイス及び駆動装置の大型化を招き、装置の小型化阻害の原因となる。
【０００６】
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、集光効率を向上でき受光感度が良く、小型化を実現できる、レーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、パルス波または変調波のレーザ光を出射する発光手段と、該発光手段から出射されたレーザ光を対象物に向けて走査する光走査手段と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、反射光を該受光手段に集光するための集光手段と、前記出射光と前記反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算手段と、を有するレーザレーダ装置において、前記光走査手段と前記受光手段の光路間に設置され、少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を設け、前記反射鏡に前記反射光を導くための固定鏡を前記反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、前記受光手段を前記反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１記載のレーザレーダ装置において、前記固定鏡と前記反射鏡の間の光路長が、前記受光手段と前記反射鏡の間の光路長より短いことを特徴とするものである。
更に、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持されて前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材を有していることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項３記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段の前記基板と所定の角度で保持された固定反射鏡が設けられ、該固定反射鏡は前記光走査手段の前記可動部材の反射面より広い面積の反射面を有していることを特徴とするものである。
更に、請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、前記反射鏡は、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持され、前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた第１の可動部材と、該可動部材の回転または揺動方向と直交する方向に回転または揺動可能に支持する第２の可動部材とを有していることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明においては、従来レーザレーダ装置では広い走査範囲でレーザ光を走査し、反射光を固定された集光レンズで受光手段に集光させているために、反射光の入射角により、受光手段における反射光の結像位置が移動し、入射光量のばらつきが生じやすい。このため、本発明では少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を光走査手段と受光手段の光路間に設置している。そして、この反射鏡に反射光を導くための固定鏡を反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、かつ受光手段を反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置している。このような構成により、対象物から反射されてくる反射光は反射鏡の一対の楕円焦点位置のうち一方の楕円焦点位置に設置されている固定鏡によって反射鏡の楕円面の反射面に導かれる。そして、反射鏡に反射された反射光は、全て、反射鏡の他方の楕円焦点位置に配置されている受光手段に導かれて集光する。これにより、集光位置のずれがなくなり、集光効率を上げることができ、受光感度が良くなる。また、反射面積の広い反射鏡等を用いないため小型化を実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
以上、本発明によれば、集光効率を向上でき受光感度が良く、小型化を実現できるレーザレーダ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図３】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【図４】楕円面反射鏡を介した固定鏡と受光手段に入射する光の関係を示した平面図である。
【図５】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図６】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図７】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【図８】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の他の例を示す図である。
【図９】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図１０】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図１１】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用したレーザレーダ装置の実施形態について説明する。
図１は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図に示す本実施形態のレーザレーダ装置１０は、発光手段１１、光走査手段１２、固定鏡１３、楕円面反射鏡１４、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。なお、発光手段１１と光走査手段１２は互いの光軸（図中一点鎖線で示す）が一致するように配置されている。また、楕円面反射鏡１４、集光レンズ１５及び受光手段１６も互いの光軸（図中一点鎖線で示す）が一致するように配置されている。そして、発光手段１１はレーザ光を照射する光源である。光走査手段１２は発光手段１１から出射されたレーザ光を走査する。固定鏡１３は光走査手段１２で走査された光が図示されていない測定対象物に照射されて発生する反射光や散乱光を受光する鏡である。楕円面反射鏡１４は固定鏡１３からの反射光を反射する鏡であり、断面が楕円の一部をなす鏡である。集光レンズ１５は楕円面反射鏡１４で反射された光を受光手段１６に集光する。そして、受光手段１６は反射光を受光し、電気信号に変換するセンサである。なお、固定鏡１３は楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に配置され、受光手段１６は楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。この場合、楕円面反射鏡１４から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折されるため、受光手段１４の設置位置は楕円面反射鏡１４の幾何学的な楕円焦点位置より楕円面反射鏡側に近づいている。
【００１２】
ここで、図１の光走査手段１２の構成の一例について図２を用いて説明する。同図の（ａ）に示すように、光走査手段１２は基板１２−１に設けられた可動鏡１２−２を一対の捻りバネ１２−３で支持して構成されている。同図の（ｂ）に示すように、一対の捻りバネ１２−３で支持されている可動鏡１２−２が１軸周りに変位することで、可動鏡１２−２に入射した光が一平面内で走査される。
【００１３】
次に、図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０の動作について当該動作を示す概略平面図である図３に従って説明する。図３において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）において、発光手段１１から出射されたレーザ光は、図２に示す光走査手段１２の可動鏡に入射し、走査範囲Ｓ内を走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。同図の（ｂ）において、測定対象物により散乱、反射された光のうち固定鏡１３に反射された光は楕円面反射鏡１４に入射する。固定鏡１３は楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されているので、楕円面反射鏡１４で反射された光は楕円の他方の焦点位置にある受光手段１６に集光することになる。ただ、楕円面反射鏡１４と受光手段１６の間には凸レンズの集光レンズ１５が置かれているので、実際の集光位置は幾何学的な楕円焦点位置より近くにある光学的な焦点位置となり、その位置に受光手段１６は設置されている。同図の（ｃ）は、光走査手段１２によって同図の（ａ），（ｂ）に図示している角度とは別の角度で反射された光の受光手段１６への集光の様子である。同図に示すように、固定鏡１３と受光手段１６が楕円面反射鏡１４の楕円焦点位置に配置されているので、どのような角度で反射されたレーザ光の反射、散乱光も受光手段１６が配置された位置に集光することができる。
【００１４】
図４は楕円面反射鏡を介した固定鏡と受光手段に入射する光の関係を示した平面図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、固定鏡１３と受光手段１６はある寸法の楕円の一部をなす楕円面反射鏡１４の２つの楕円焦点位置にそれぞれ設置されている。この場合、例えば固定鏡１２に３０度の角度をなして入射する２本の光線は楕円面反射鏡１４に反射された後に受光手段１６に入射するときには１７度の角度をなしている。このように、受光手段１６に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、従来のような集光レンズ単体による受光手段への集光を行う構成に比して集光効率を上げることができる。
【００１５】
図５は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す実施形態のレーザレーダ装置２０は、発光手段１１、光走査手段１２、楕円面反射鏡２１、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０と異なる構成要素としての図６の（ａ）に示す光走査手段２１は、図６の（ｂ）に示すような固定鏡２１−１と、図６の（ｃ）に示すような可動鏡２１−２とを張り合わせて一体化されている。図６の（ｂ）に示す固定鏡２１−１には、鏡の一部に貫通穴が設けられ、この貫通穴は、発光手段１１からのレーザ光が通って図６の（ｃ）に示す可動鏡２１−２の可動鏡部分に到達するための穴である。なお、可動鏡２１−２は一対の捻りバネ２１−３で支持されている。また、楕円面反射鏡２２には、発光手段１１から照射されたレーザ光が通る貫通穴が設けられている。更に、固定鏡一体型の光走査手段２１は楕円面反射鏡２２の一方の楕円焦点位置に、受光手段１６は楕円面反射鏡２２の他方の楕円焦点位置にそれぞれ設置されている。
【００１６】
このような構成を有する実施形態のレーザレーダ装置２０によれば、図７の（ａ）に示すように、発光手段１１から照射されたレーザ光は、楕円面反射鏡２２の一部に設けられた貫通穴２２−１を通って、光走査手段２１の可動鏡２１−２に入射し、走査範囲Ｓ内を走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。そして、図７の（ｂ）に示すように、光走査手段２１で走査された光が、測定対象物に照射されて発生する反射、散乱光のうち光走査手段２１の固定鏡２１−１に反射される。更に、図７の（ｃ）に示すように、反射光は楕円面反射鏡２２に入射する。そして、光走査手段２１は楕円面反射鏡２２の一方の楕円焦点位置に設置されているので、楕円面反射鏡２２で反射された光は楕円の他方の焦点位置にある受光手段１６に集光することになる。この場合、楕円面反射鏡２２から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折するため、受光手段１６の設置位置は楕円面反射鏡１４の幾何学的な楕円焦点位置より楕円面反射鏡側に近づいている。なお、図６に示す固定鏡と可動鏡を張り合わせて一体化した固定鏡一体型の光走査手段以外に、図８に示すような可動鏡２１−２を支持する基板部分に固定反射鏡２１−１を形成したものがある。この実施形態のレーザレーダ装置でも受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、従来のような集光レンズ単体による受光手段への集光を行う構成に比して集光効率を上げることができる。
【００１７】
図９は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す実施形態のレーザレーダ装置３０は、発光手段１１、光走査手段３２、固定鏡１３、楕円面反射鏡３１、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０及び図５に示す実施形態のレーザレーダ装置２０と異なる構成要素として、楕円球反射鏡３１及び二軸可動型の光走査手段３２を配置している。楕円球反射鏡３１は、固定鏡１３からの反射光を反射する断面が楕円で、更に直交する断面も円の一部をなす楕円球をなしている。二軸可動型の光走査手段３２は図１０に示すように、基板３２−１に一対の捻りバネ３２−２で支持され、更にもう一対の捻りバネ３２−３で支持された可動鏡３２−４が２軸周りに変位し、可動鏡３２−４に入射した光を、立体的に走査する。本実施形態においても固定鏡１３は楕円球反射鏡３１の一方の楕円焦点位置に、そして受光手段１６は楕円球反射鏡３１の他方の楕円焦点位置に設置されている。この場合、楕円球反射鏡３１から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折するため、受光手段１６の設置位置は幾何学的な楕円焦点位置より楕円球鏡側に近づいている。
【００１８】
このような構成を有する実施形態のレーザレーダ装置３０によれば、図１１の（ａ）に示すように、図示していない発光手段から出射されたレーザ光は光走査手段３２の可動鏡３２−４に入射し、その走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。そして、同図の（ｂ）に示すように、測定対象物から散乱、反射された光のうち固定鏡１３に反射された光は楕円球反射鏡３１に入射する。固定鏡１３は楕円球反射鏡３１の一方の楕円焦点位置に設置されている。これにより、楕円球反射鏡３１で反射された反射光は楕円球反射鏡３１のもう一方の楕円焦点位置にある受光手段１６に集光する。楕円球反射鏡３１と受光手段１６の間には凸レンズの集光レンズ１５が置かれているので、実際の集光位置は楕円球反射鏡３１の幾何学的焦点より近くにある光学的な焦点位置となる。同図の（ｃ）に示すように、同様に光走査手段３２の別角度で反射された光は受光手段１６へ集光する。固定鏡１３と受光手段１６が楕円球反射鏡３１の光学的な焦点位置に配置されている。これにより、どのような角度で反射されたレーザ光の反射、散乱光も受光手段１６の集光位置に集光することができる。この実施形態でも受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、集光レンズに従来ような集光レンズ単体による受光手段への集光より、集光位置のずれを小さくでき、集光効率を上げることができる。
【００１９】
以上説明したように、実施形態によれば、図１に示すように、一方向の断面が楕円の一部からなる楕円面反射鏡１４を光走査手段１２と受光手段１６の光路間に設置している。そして、楕円面反射鏡１４に対象物から反射してくる反射光を導く固定鏡１３が楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されている。また、受光手段１６が楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。このため、対象物から反射されてくる反射光は反射鏡の一対の楕円焦点位置のうち一方の楕円焦点位置に設置されている固定鏡によって反射鏡の楕円面の反射面に導かれる。そして、反射鏡に反射された反射光は、全て、反射鏡の他方の楕円焦点位置に配置されている受光手段に導かれて集光する。これにより、集光位置のずれがなくなり、集光効率を上げることができて受光感度が良くなる。また、従来のような高価なハーフミラーや反射面積の広い反射鏡等を用いないため低コスト化及び小型化を実現できる。
【００２０】
また、実施形態によれば、図２に示すように、光走査手段１２は、基板１２−１に回転または揺動可能に支持されて発光手段からの出射光を偏向する可動鏡１２−２を一対の捻りバネ１２−３で支持して構成されている。これにより、従来のような走査用のモータを用いないため、装置全体の小型化を図れる。
【００２１】
更に、実施形態によれば、図８に示すように、光走査手段２１の基板と所定の角度で保持された固定反射鏡２１−１が設けられている。この固定反射鏡２１−１は光走査手段の可動部材２１−２の反射面より広い面積の反射面を有している。これにより、受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできる。
【００２２】
また、実施形態によれば、図９に示すように、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡３１を光走査手段３２と受光手段１６の光路間に設置している。また、図１０に示すような二軸可動型の光走査手段３２を用いている。このため、立体的に走査して反射してくる反射光に対しても楕円焦点位置に配置した固定鏡と受光手段に集光することできる。これにより、集光位置のずれをなくし全ての反射光が受光手段に集光するために集光効率を上げることができて受光感度が良くなる。また、高価なハーフミラーや反射面積の広い反射鏡等を用いないため低コスト化及び小型化を実現できる。
【符号の説明】
【００２３】
１０ レーザレーダ装置
１１ 発光手段
１２ 光走査手段
１３ 固定鏡
１４ 楕円面反射鏡
１５ 集光レンズ
１６ 受光手段
２０ レーザレーダ装置
２１ 楕円面反射鏡
３０ レーザレーダ装置
３１ 楕円球反射鏡
３２ 光走査手段
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特許第３９０８２２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７０４４号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザレーダ装置はパルス波または変調波のレーザ光を対象物に向けて送信し、対象物で反射したレーザ光を受信し、パルス波の送信パルスと受信パルスの時間差、或いは変調波の送信波と受信波の位相差から、対象物までの距離値を算出する装置である。特に走査型のレーザレーダ装置は、送信するレーザ光を走査することにより広い範囲に存在する対象物の距離情報を算出することが可能になる。
【０００３】
このような走査型のレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１の走査型のレーザレーダ装置において、回転ミラーを使用して光軸を振ってレーザ光を走査するレーザレーダ装置であり、更には投光ミラーの光軸と受光ミラーを回転させるモータの軸を一致させた構造である。詳細にはモータの上下に回転軸を突出させた両軸のモータを使い、一方の軸に投光ミラー、他方の軸に受光ミラーを互いに同位相で取付けた構造である。このような構成を備えている上記特許文献１は、投光ミラーや受光ミラー、そしてこれらのミラーを回転させるモータを備えているため、装置全体が大型となっていた。また、装置の小型化を図る走査型のレーザレーダ装置として、例えば特許文献２に記載のものが知られている。この特許文献２では、走査用の反射ミラー部にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による小型の走査ミラーを用いている。そして、この小型の走査ミラーを用いて走査し対象物からの反射光は光学フィルタや結像レンズを介して受光素子に入射する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献２では、パルス波の送信波と受信波の時間差から対象物までの距離を正確に算出するためには、受信光の高精度の時間測定が必要になり、そのために応答速度の速い受光器が必要となる。一般に、受光器としてはフォトダイオードやフォトトランジスタが用いられるが、上記特許文献２では高速化のため受光素子の電気容量を小さくする必要があり、また受光素子を非常に小型化にする必要がある。更に、上記特許文献２に記載のような固定の光学系で受光する場合、反射光の入射角により反射光の結像位置が移動し、反射光の光量のばらつきが生じやすい。また、上記特許文献２では、集光用のレンズと受光素子に垂直に光が入射するため、一般的に受光素子の受光部への開口窓は直径０．１から０．５ｍｍ程度であると集光レンズに斜めに入射する光は受光素子の受光部からずれたところに集光してしまう。これでは、集光効率が低くなり受光感度が悪くなる。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載の発明では、対象物からの反射光を光走査用の反射面で反射して集光レンズを介して受光センサに集光させるため、反射光を十分に確保するためには面積の大きな光走査用の反射鏡が必要となる。走査ミラーの反射鏡の大型化は、デバイス及び駆動装置の大型化を招き、装置の小型化阻害の原因となる。
【０００６】
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、集光効率を向上でき受光感度が良く、小型化を実現できる、レーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、パルス波または変調波のレーザ光を出射する発光手段と、該発光手段から出射されたレーザ光を対象物に向けて走査する光走査手段と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、反射光を該受光手段に集光するための集光手段と、前記出射光と前記反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算手段と、を有するレーザレーダ装置において、前記光走査手段と前記受光手段の光路間に設置され、少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を設け、前記反射鏡に前記反射光を導くための固定鏡を前記反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、前記受光手段を前記反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１記載のレーザレーダ装置において、前記固定鏡と前記反射鏡の間の光路長が、前記受光手段と前記反射鏡の間の光路長より短いことを特徴とするものである。
更に、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持されて前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材を有していることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項３記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段の前記基板と所定の角度で保持された固定反射鏡が設けられ、該固定反射鏡は前記光走査手段の前記可動部材の反射面より広い面積の反射面を有していることを特徴とするものである。
更に、請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、前記反射鏡は、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持され、前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた第１の可動部材と、該可動部材の回転または揺動方向と直交する方向に回転または揺動可能に支持する第２の可動部材とを有していることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明においては、従来レーザレーダ装置では広い走査範囲でレーザ光を走査し、反射光を固定された集光レンズで受光手段に集光させているために、反射光の入射角により、受光手段における反射光の結像位置が移動し、入射光量のばらつきが生じやすい。このため、本発明では少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を光走査手段と受光手段の光路間に設置している。そして、この反射鏡に反射光を導くための固定鏡を反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、かつ受光手段を反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置している。このような構成により、対象物から反射されてくる反射光は反射鏡の一対の楕円焦点位置のうち一方の楕円焦点位置に設置されている固定鏡によって反射鏡の楕円面の反射面に導かれる。そして、反射鏡に反射された反射光は、全て、反射鏡の他方の楕円焦点位置に配置されている受光手段に導かれて集光する。これにより、集光位置のずれがなくなり、集光効率を上げることができ、受光感度が良くなる。また、反射面積の広い反射鏡等を用いないため小型化を実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
以上、本発明によれば、集光効率を向上でき受光感度が良く、小型化を実現できるレーザレーダ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図３】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【図４】楕円面反射鏡を介した固定鏡と受光手段に入射する光の関係を示した平面図である。
【図５】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図６】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図７】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【図８】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の他の例を示す図である。
【図９】実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。
【図１０】実施形態のレーザレーダ装置における光走査手段の構成の一例を示す図である。
【図１１】実施形態のレーザレーダ装置の動作を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用したレーザレーダ装置の実施形態について説明する。
図１は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図に示す本実施形態のレーザレーダ装置１０は、発光手段１１、光走査手段１２、固定鏡１３、楕円面反射鏡１４、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。なお、発光手段１１と光走査手段１２は互いの光軸（図中一点鎖線で示す）が一致するように配置されている。また、楕円面反射鏡１４、集光レンズ１５及び受光手段１６も互いの光軸（図中一点鎖線で示す）が一致するように配置されている。そして、発光手段１１はレーザ光を照射する光源である。光走査手段１２は発光手段１１から出射されたレーザ光を走査する。固定鏡１３は光走査手段１２で走査された光が図示されていない測定対象物に照射されて発生する反射光や散乱光を受光する鏡である。楕円面反射鏡１４は固定鏡１３からの反射光を反射する鏡であり、断面が楕円の一部をなす鏡である。集光レンズ１５は楕円面反射鏡１４で反射された光を受光手段１６に集光する。そして、受光手段１６は反射光を受光し、電気信号に変換するセンサである。なお、固定鏡１３は楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に配置され、受光手段１６は楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。この場合、楕円面反射鏡１４から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折されるため、受光手段１４の設置位置は楕円面反射鏡１４の幾何学的な楕円焦点位置より楕円面反射鏡側に近づいている。
【００１２】
ここで、図１の光走査手段１２の構成の一例について図２を用いて説明する。同図の（ａ）に示すように、光走査手段１２は基板１２−１に設けられた可動鏡１２−２を一対の捻りバネ１２−３で支持して構成されている。同図の（ｂ）に示すように、一対の捻りバネ１２−３で支持されている可動鏡１２−２が１軸周りに変位することで、可動鏡１２−２に入射した光が一平面内で走査される。
【００１３】
次に、図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０の動作について当該動作を示す概略平面図である図３に従って説明する。図３において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）において、発光手段１１から出射されたレーザ光は、図２に示す光走査手段１２の可動鏡に入射し、走査範囲Ｓ内を走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。同図の（ｂ）において、測定対象物により散乱、反射された光のうち固定鏡１３に反射された光は楕円面反射鏡１４に入射する。固定鏡１３は楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されているので、楕円面反射鏡１４で反射された光は楕円の他方の焦点位置にある受光手段１６に集光することになる。ただ、楕円面反射鏡１４と受光手段１６の間には凸レンズの集光レンズ１５が置かれているので、実際の集光位置は幾何学的な楕円焦点位置より近くにある光学的な焦点位置となり、その位置に受光手段１６は設置されている。同図の（ｃ）は、光走査手段１２によって同図の（ａ），（ｂ）に図示している角度とは別の角度で反射された光の受光手段１６への集光の様子である。同図に示すように、固定鏡１３と受光手段１６が楕円面反射鏡１４の楕円焦点位置に配置されているので、どのような角度で反射されたレーザ光の反射、散乱光も受光手段１６が配置された位置に集光することができる。
【００１４】
図４は楕円面反射鏡を介した固定鏡と受光手段に入射する光の関係を示した平面図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、固定鏡１３と受光手段１６はある寸法の楕円の一部をなす楕円面反射鏡１４の２つの楕円焦点位置にそれぞれ設置されている。この場合、例えば固定鏡１２に３０度の角度をなして入射する２本の光線は楕円面反射鏡１４に反射された後に受光手段１６に入射するときには１７度の角度をなしている。このように、受光手段１６に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、従来のような集光レンズ単体による受光手段への集光を行う構成に比して集光効率を上げることができる。
【００１５】
図５は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す実施形態のレーザレーダ装置２０は、発光手段１１、光走査手段１２、楕円面反射鏡２１、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０と異なる構成要素としての図６の（ａ）に示す光走査手段２１は、図６の（ｂ）に示すような固定鏡２１−１と、図６の（ｃ）に示すような可動鏡２１−２とを張り合わせて一体化されている。図６の（ｂ）に示す固定鏡２１−１には、鏡の一部に貫通穴が設けられ、この貫通穴は、発光手段１１からのレーザ光が通って図６の（ｃ）に示す可動鏡２１−２の可動鏡部分に到達するための穴である。なお、可動鏡２１−２は一対の捻りバネ２１−３で支持されている。また、楕円面反射鏡２２には、発光手段１１から照射されたレーザ光が通る貫通穴が設けられている。更に、固定鏡一体型の光走査手段２１は楕円面反射鏡２２の一方の楕円焦点位置に、受光手段１６は楕円面反射鏡２２の他方の楕円焦点位置にそれぞれ設置されている。
【００１６】
このような構成を有する実施形態のレーザレーダ装置２０によれば、図７の（ａ）に示すように、発光手段１１から照射されたレーザ光は、楕円面反射鏡２２の一部に設けられた貫通穴２２−１を通って、光走査手段２１の可動鏡２１−２に入射し、走査範囲Ｓ内を走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。そして、図７の（ｂ）に示すように、光走査手段２１で走査された光が、測定対象物に照射されて発生する反射、散乱光のうち光走査手段２１の固定鏡２１−１に反射される。更に、図７の（ｃ）に示すように、反射光は楕円面反射鏡２２に入射する。そして、光走査手段２１は楕円面反射鏡２２の一方の楕円焦点位置に設置されているので、楕円面反射鏡２２で反射された光は楕円の他方の焦点位置にある受光手段１６に集光することになる。この場合、楕円面反射鏡２２から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折するため、受光手段１６の設置位置は楕円面反射鏡１４の幾何学的な楕円焦点位置より楕円面反射鏡側に近づいている。なお、図６に示す固定鏡と可動鏡を張り合わせて一体化した固定鏡一体型の光走査手段以外に、図８に示すような可動鏡２１−２を支持する基板部分に固定反射鏡２１−１を形成したものがある。この実施形態のレーザレーダ装置でも受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、従来のような集光レンズ単体による受光手段への集光を行う構成に比して集光効率を上げることができる。
【００１７】
図９は実施形態のレーザレーダ装置の構成を示す概略斜視図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す実施形態のレーザレーダ装置３０は、発光手段１１、光走査手段３２、固定鏡１３、楕円面反射鏡３１、集光レンズ１５及び受光手段１６を含んで構成されている。図１に示す実施形態のレーザレーダ装置１０及び図５に示す実施形態のレーザレーダ装置２０と異なる構成要素として、楕円球反射鏡３１及び二軸可動型の光走査手段３２を配置している。楕円球反射鏡３１は、固定鏡１３からの反射光を反射する断面が楕円で、更に直交する断面も円の一部をなす楕円球をなしている。二軸可動型の光走査手段３２は図１０に示すように、基板３２−１に一対の捻りバネ３２−２で支持され、更にもう一対の捻りバネ３２−３で支持された可動鏡３２−４が２軸周りに変位し、可動鏡３２−４に入射した光を、立体的に走査する。本実施形態においても固定鏡１３は楕円球反射鏡３１の一方の楕円焦点位置に、そして受光手段１６は楕円球反射鏡３１の他方の楕円焦点位置に設置されている。この場合、楕円球反射鏡３１から受光手段１６へ出射される光は集光レンズ１５で屈折するため、受光手段１６の設置位置は幾何学的な楕円焦点位置より楕円球鏡側に近づいている。
【００１８】
このような構成を有する実施形態のレーザレーダ装置３０によれば、図１１の（ａ）に示すように、図示していない発光手段から出射されたレーザ光は光走査手段３２の可動鏡３２−４に入射し、その走査された反射光が図示していない測定対象物に照射される。そして、同図の（ｂ）に示すように、測定対象物から散乱、反射された光のうち固定鏡１３に反射された光は楕円球反射鏡３１に入射する。固定鏡１３は楕円球反射鏡３１の一方の楕円焦点位置に設置されている。これにより、楕円球反射鏡３１で反射された反射光は楕円球反射鏡３１のもう一方の楕円焦点位置にある受光手段１６に集光する。楕円球反射鏡３１と受光手段１６の間には凸レンズの集光レンズ１５が置かれているので、実際の集光位置は楕円球反射鏡３１の幾何学的焦点より近くにある光学的な焦点位置となる。同図の（ｃ）に示すように、同様に光走査手段３２の別角度で反射された光は受光手段１６へ集光する。固定鏡１３と受光手段１６が楕円球反射鏡３１の光学的な焦点位置に配置されている。これにより、どのような角度で反射されたレーザ光の反射、散乱光も受光手段１６の集光位置に集光することができる。この実施形態でも受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできるので、集光レンズに従来ような集光レンズ単体による受光手段への集光より、集光位置のずれを小さくでき、集光効率を上げることができる。
【００１９】
以上説明したように、実施形態によれば、図１に示すように、一方向の断面が楕円の一部からなる楕円面反射鏡１４を光走査手段１２と受光手段１６の光路間に設置している。そして、楕円面反射鏡１４に対象物から反射してくる反射光を導く固定鏡１３が楕円面反射鏡１４の一方の楕円焦点位置に設置されている。また、受光手段１６が楕円面反射鏡１４の他方の楕円焦点位置に設置されている。このため、対象物から反射されてくる反射光は反射鏡の一対の楕円焦点位置のうち一方の楕円焦点位置に設置されている固定鏡によって反射鏡の楕円面の反射面に導かれる。そして、反射鏡に反射された反射光は、全て、反射鏡の他方の楕円焦点位置に配置されている受光手段に導かれて集光する。これにより、集光位置のずれがなくなり、集光効率を上げることができて受光感度が良くなる。また、従来のような高価なハーフミラーや反射面積の広い反射鏡等を用いないため低コスト化及び小型化を実現できる。
【００２０】
また、実施形態によれば、図２に示すように、光走査手段１２は、基板１２−１に回転または揺動可能に支持されて発光手段からの出射光を偏向する可動鏡１２−２を一対の捻りバネ１２−３で支持して構成されている。これにより、従来のような走査用のモータを用いないため、装置全体の小型化を図れる。
【００２１】
更に、実施形態によれば、図８に示すように、光走査手段２１の基板と所定の角度で保持された固定反射鏡２１−１が設けられている。この固定反射鏡２１−１は光走査手段の可動部材２１−２の反射面より広い面積の反射面を有している。これにより、受光手段に入射する角度を実際の測定対象物から戻ってくる反射光の角度より小さくできる。
【００２２】
また、実施形態によれば、図９に示すように、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡３１を光走査手段３２と受光手段１６の光路間に設置している。また、図１０に示すような二軸可動型の光走査手段３２を用いている。このため、立体的に走査して反射してくる反射光に対しても楕円焦点位置に配置した固定鏡と受光手段に集光することできる。これにより、集光位置のずれをなくし全ての反射光が受光手段に集光するために集光効率を上げることができて受光感度が良くなる。また、高価なハーフミラーや反射面積の広い反射鏡等を用いないため低コスト化及び小型化を実現できる。
【符号の説明】
【００２３】
１０ レーザレーダ装置
１１ 発光手段
１２ 光走査手段
１３ 固定鏡
１４ 楕円面反射鏡
１５ 集光レンズ
１６ 受光手段
２０ レーザレーダ装置
２１ 楕円面反射鏡
３０ レーザレーダ装置
３１ 楕円球反射鏡
３２ 光走査手段
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特許第３９０８２２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７０４４号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス波または変調波のレーザ光を出射する発光手段と、該発光手段から出射されたレーザ光を対象物に向けて走査する光走査手段と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、反射光を該受光手段に集光するための集光手段と、前記出射光と前記反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算手段と、を有するレーザレーダ装置において、
前記光走査手段と前記受光手段の光路間に設置され、少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を設け、
該反射鏡に前記反射光を導く固定鏡を前記反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、前記受光手段を前記反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザレーダ装置において、
前記固定鏡と前記反射鏡の間の光路長が、前記受光手段と前記反射鏡の間の光路長より短いことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持されて前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材を有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項４】
請求項３記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段の前記基板と所定の角度で保持された固定反射鏡が設けられ、該固定反射鏡は前記光走査手段の前記可動部材の反射面より広い面積の反射面を有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記反射鏡は、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡であることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持され、前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた第１の可動部材と、該可動部材の回転または揺動方向と直交する方向に回転または揺動可能に支持する第２の可動部材とを有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１】
パルス波または変調波のレーザ光を出射する発光手段と、該発光手段から出射されたレーザ光を対象物に向けて走査する光走査手段と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、反射光を該受光手段に集光するための集光手段と、前記出射光と前記反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算手段と、を有するレーザレーダ装置において、
前記光走査手段と前記受光手段の光路間に設置され、少なくとも一方向の断面が楕円の一部からなる反射鏡を設け、
該反射鏡に前記反射光を導く固定鏡を前記反射鏡の一方の楕円焦点位置に設置し、前記受光手段を前記反射鏡の他方の楕円焦点位置に設置することを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザレーダ装置において、
前記固定鏡と前記反射鏡の間の光路長が、前記受光手段と前記反射鏡の間の光路長より短いことを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持されて前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材を有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項４】
請求項３記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段の前記基板と所定の角度で保持された固定反射鏡が設けられ、該固定反射鏡は前記光走査手段の前記可動部材の反射面より広い面積の反射面を有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記反射鏡は、一方向の断面が楕円の一部からなり、かつ一方向の断面に直交する他方向の断面が円の一部からなる楕円球反射鏡であることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置において、
前記光走査手段は、基板に回転または揺動可能に支持され、前記発光手段からの出射光を偏向する反射面を備えた第１の可動部材と、該可動部材の回転または揺動方向と直交する方向に回転または揺動可能に支持する第２の可動部材とを有していることを特徴とするレーザレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−５８１７８（Ｐ２０１２−５８１７８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４１７６（Ｐ２０１０−２０４１７６）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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