光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法
【課題】レンズを交換することなく、光走査の走査角を可変する。
【解決手段】可変焦点レンズ１６は、レーザ光源１８側に設けられた、焦点距離（ｆ１）が変更可能な第１の液体レンズ２６と、レーザ光源１８と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズ２６と所定の間隔（Ｌ）を隔てて設けられた、焦点距離（ｆ２）が変更可能な第２の液体レンズ２８との２枚の液体レンズで構成されている。
可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）、及びレーザ光源１８と反対側の焦点距離（ｆ）は、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を変更することによって制御される。
【解決手段】可変焦点レンズ１６は、レーザ光源１８側に設けられた、焦点距離（ｆ１）が変更可能な第１の液体レンズ２６と、レーザ光源１８と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズ２６と所定の間隔（Ｌ）を隔てて設けられた、焦点距離（ｆ２）が変更可能な第２の液体レンズ２８との２枚の液体レンズで構成されている。
可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）、及びレーザ光源１８と反対側の焦点距離（ｆ）は、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を変更することによって制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザレーダ装置では、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いて所定方向にレーザ光を走査し、対象物からの反射光が到達するまでの時間を測定して、対象物までの距離を測定している。
【０００３】
従来の装置では、ミラーを用いて光を走査しているため、光走査装置が比較的大きくなり、レーザレーダ装置が大きくなってしまう。そこで、近年、固体デバイス（例えばＫＴＮ結晶）を用いた光走査技術や、ミラーを用いない光走査技術（特許文献１）が考案されている。また、ＭＥＭＳミラーを用いた光走査が知られている。このような光走査技術では、光源と光走査装置とを小型化することができるため、レーザレーダ装置を小型化することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２４７４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光走査装置においては、広角度の範囲を光走査をする場合には短焦点のレンズを用いる構成とする必要があり、高角度分解能で狭角度の範囲を光走査する場合には長焦点のレンズを用いる必要がある。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術で用いられるレンズの焦点距離は固定されており、偏向角が一定であることから、光走査の走査角を変更したい場合は、光走査の走査角に応じてレンズを交換する必要が生じる、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、レンズを交換することなく、光走査の走査角を可変することができる光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法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】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る光走査装置は、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズと、光軸と交差する方向に間隔を隔てて複数の発光素子を配列させた発光素子列を備え、前記一方の焦点位置に前記可変焦点レンズの方向に光を照射するように配置された光源と、光走査の走査角に応じて前記他方の焦点位置を変更するように制御する制御手段と、を備えている。
【０００８】
可変焦点レンズの一方の焦点位置を固定し、かつ他方の焦点位置を変更すると共に、一方の焦点位置に発光素子列を備えた光源を配置することで、可変焦点レンズからの出射光の偏向角が変更し、光走査の走査角が変化する。このように、焦点位置を変更するように制御することで、所望の走査角の光走査を行うことができる。
【０００９】
第１の発明に係る光走査装置において、可変焦点レンズは、光源側に設けられた焦点距離が変更可能な第１の液体レンズと、光源と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズと所定の間隔を隔てて設けられた焦点距離が変更可能な第２の液体レンズとを含んで構成するとよい。
【００１０】
また、制御手段は、第１の液体レンズの焦点距離（ｆ１）を下記の式（１）を満たすように制御すると共に、第２の液体レンズの焦点距離（ｆ２）を下記の式（２）を満たすように制御することができる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
上記式（１）、及び式（２）中、ｓは可変焦点レンズの一方の焦点位置側の焦点距離、Ｌは第１の液体レンズの中心と第２のレンズの中心との距離、ｆは可変焦点レンズの他方の焦点位置側の焦点距離を示す。
【００１３】
光源は、光軸と交差する面上に発光素子列を複数列配列して構成することができる。すなわち、複数の発光素子を２次元状に配列することができる。なお、複数の発光素子を１次元状に配列するようにしてもよい。
【００１４】
第２の発明に係るレーザレーダ装置は、第１の発明に係る光走査装置と、前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子と、を含んで構成される。
【００１５】
第３の発明に係る光走査方法は、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの前記他方の焦点位置を、光走査の偏向角に応じて変更するように制御する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法によれば、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御することにより、搭載するレンズを交換することなく、偏向角の可変を実現することができるため、光走査の走査角を自在に可変できる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０は、レーザ光を照射すると共に、対象物から反射されたレーザ光を受光する光学系１２と、光学系１２を制御すると共に、光学系１２による受光に基づいて、測定領域の距離画像を生成する測定処理装置１４と、操作者からの指示を入力するための入力デバイス６２とを備えている。
【００１９】
レーザレーダ装置１０は、例えば車両、及びロボット等の移動体の前方に搭載され、前方の監視に用いられる。
【００２０】
光学系１２は、一方の焦点位置が固定で他方の焦点位置が可変である可変焦点レンズ１６、及びレーザ光を照射するレーザ光源１８で構成され、レーザ光を偏向して走査する光走査部２０と、対象物から反射されたレーザ光を受光し、受光したレーザ光を電圧に変換するＣＣＤ等で構成された受光素子２２と、受光素子２２の光入射側に配置されたレンズ２４とを備えている。
【００２１】
図２に示すように、可変焦点レンズ１６は、レーザ光源１８側に設けられた、焦点距離（ｆ１）が変更可能な第１の液体レンズ２６と、光走査部２０に対してレーザ光源１８と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズ２６と所定の間隔（Ｌ）を隔てて設けられた、焦点距離（ｆ２）が変更可能な第２の液体レンズ２８との２枚の液体レンズで構成されている。
【００２２】
可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）、及びレーザ光源１８と反対側の焦点距離（ｆ）は、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を変更することによって制御される。
【００２３】
図３に図示されるように、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８は、レンズホルダー３０に挟まれた領域に、２種類の等密度の混ざらない液体が封止されている。液体の一方は電導性を有し、他方は非電導を有するものであり、本実施の形態では、水３２と油３４とを用いている。液体は薄い絶縁層３６で覆われている。
【００２４】
第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の両端部には電極３８が設けられ、電圧が印加されるようになっている。
【００２５】
電極３８に電圧が印加されていないときは、水３２と油３４とは、互いに半分ずつ第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８内に存在する。
【００２６】
一方、電極３８に電圧が印加されたときは、水３２に電圧が印加され、２種類の液体の接する境界面の曲率が変化する。図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、電極３８に印加する電圧に応じて、２種類の液体の接する境界面の曲率が変化し、焦点距離が変化する。本実施の形態では、電極３８に印加する電圧の大きさを変更することにより、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離を変更する。
【００２７】
測定処理装置１４は、レーザ光源１８を駆動するパルス駆動回路４６と、可変焦点レンズ１６を駆動する光走査コントローラ４８と、受光素子２２からの電圧出力の電圧を増幅した信号を出力する増幅器５０と、増幅器５０から出力された信号に基づいて、レーザ光を照射してから受光素子２２でレーザ光を受光するまでの時間を測定する時間解析器５２と、パルス駆動回路４６、及び光走査コントローラ４８を制御すると共に、時間解析器５２の測定結果に基づいて、距離画像を生成する制御部５４とを備えている。制御部５４は、パルス駆動回路４６、光走査コントローラ４８、及び時間解析器５２の各々と接続するための入出力インタフェース５６と、ＣＰＵ５８と、メモリ６０とを備えている。
【００２８】
パルス駆動回路４６は、制御部５４から光偏向制御信号に同期して出力された駆動制御信号に基づいて、レーザ光源１８から例えば１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅のレーザ光を照射するように、レーザ光源１８を駆動する。
【００２９】
ここで、図４を参照してレーザ光源１８の構成を説明する。レーザ光源１８は、平板状のＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）アレイ４０と、切換スイッチ４２とを備え、ＶＣＳＥＬアレイ４０の光出射面は可変焦点レンズ１６と対向するように配置されている。
【００３０】
ＶＣＳＥＬアレイ４０は、発光素子としての複数個のＶＣＳＥＬ４４を所定方向に配列させたＶＣＳＥＬ列を複数列同一平面上に配置して構成されている。なお、本実施の形態では、発光素子としてＶＣＳＥＬを用いているが、発光素子としては、その他の種々のレーザダイオードや発光ダイオードを使用することができるが、ＶＣＳＥＬを利用することが好ましい。
【００３１】
各ＶＣＳＥＬ４４から照射されたレーザ光は、可変焦点レンズ１６で偏向されて、測定対象領域内の対象物に照射される。
【００３２】
ＶＣＳＥＬアレイ４０は、ＶＣＳＥＬアレイ４０のＶＣＳＥＬ４４が配置された平面（出射面）上の中心部分と、可変焦点レンズ１６の焦点とが一致するように配置されている。すなわち、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離は、ＶＣＳＥＬアレイ４０の出射面までの距離に相当する。
【００３３】
ＶＣＳＥＬアレイ４０には、パルス駆動回路４６が接続され、パルス駆動回路４６によって、ＶＣＳＥＬ４４を駆動するパルス電流（駆動信号）が生成される。
【００３４】
パルス駆動回路４６とＶＣＳＥＬアレイ４０との間には、切換スイッチ４２が接続されており、切換スイッチ４２は各ＶＣＳＥＬ４４の端子４４Ａにそれぞれ接続されている。切換スイッチ４２は複数個のＶＣＳＥＬ４４の中から発光対象のＶＣＳＥＬ４４を切換えるものであり、そして切換スイッチ４２で発光対象とされたＶＣＳＥＬ４４はパルス駆動回路４６からの駆動信号で駆動され発光する。
【００３５】
ここで、ＶＣＳＥＬアレイ４０、及び可変焦点レンズ１６における投光システムの光偏向方式について説明する。図５に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ４０における各ＶＣＳＥＬ４４の光出射方向が、同一方向になるように、各ＶＣＳＥＬ４４が配置されている。また、可変焦点レンズ１６は各ＶＣＳＥＬ４４の光軸に対して略垂直に配置されている。
【００３６】
可変焦点レンズ１６の中心１６Ｏに対応するＶＣＳＥＬ４４Ｏの出力光Ｐ１は、可変焦点レンズ１６の光軸と同一軸に出射される。一方、可変焦点レンズ１６の中央１６Ｏから距離ｄだけ離れた位置のＶＣＳＥＬ４４Ｄの出力光Ｐ２は、可変焦点レンズ１６の光軸に対して下記の式（３）で表される角度θだけずれた方向に偏向されて出射される。
【００３７】
【数３】
上記式（３）中、ｆは可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点距離を示す。
【００３８】
各ＶＣＳＥＬ４４からのレーザ光は、可変焦点レンズ１６の中央１６Ｏからの距離に応じて各々異なる角度に偏向されて出射され、出射されたレーザ光は前方の測定対象領域に投光される。そして、出射されたレーザ光は、測定対象領域内の対象物で反射され、反射光が、レーザレーダ装置１０の受光素子２２にレンズ２４を介して入射する。
【００３９】
光走査コントローラ４８は、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、電極３８に印加する電圧を変更し、可変焦点レンズ１６の偏向角を制御する。
【００４０】
光走査コントローラ４８は、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）が一定となるように、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を制御し、レーザ光源１８側の焦点位置はレーザ光源１８上のＸ１で示される位置に固定する。
【００４１】
また、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を制御し、可変焦点レンズ１６を通過した光が所望の偏向角に偏向するように可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点距離（ｆ）を変更する。
【００４２】
一般的に、焦点距離がｆ１のレンズと焦点距離がｆ２とを、各々のレンズの中心間の距離をＬとして組み合わせた場合は、２枚で構成されるレンズの一方の側の焦点距離（ｓ）、及び他方の焦点距離（ｆ）は、下記の式（４）、及び式（５）で表すことができる。
【００４３】
【数４】
【００４４】
【数５】
すなわち、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）を下記の式（６）を満たすように制御すると共に、第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を下記の式（７）を満たすように制御することで、レーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）を一定とし、焦点位置をレーザ光源１８上のＸ１で示される位置に固定すると共に、可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点位置Ｘ２、及び焦点距離（ｆ）を変更することができる。
【００４５】
【数６】
【００４６】
【数７】
上記式（６）、及び式（７）中、ｓは可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離、Ｌは第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の中心間の距離を示す。
【００４７】
図６は、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）を３０ｍｍで固定し、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の中心間の距離（Ｌ）を１０ｍｍとする場合の、所望の焦点距離（ｆ）に対する第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を示している。縦軸の正の値は凸レンズでの焦点距離を示し、負の値は凹レンズでの焦点距離を示している。
【００４８】
このように、可変焦点レンズ１６は、第１の液体レンズ２６、及び第２の第２の液体レンズ２８を組み合わせた２枚ののレンズで構成としたことで、レーザ光源１８側の焦点位置を固定したまま、対象物側の焦点距離（ｆ）を変更可能であり、所望の光走査の走査角に応じた偏向角とすることができる。
【００４９】
時間解析器５２は、制御部５４から出力される駆動制御信号と、増幅器５０から入力された信号とに基づいて、レーザ光照射開始時間から反射光受光時間までの時間を測定する。
【００５０】
入力デバイス６２は、所望の光走査の走査角の指定、及び距離画像生成処理に係る各種のパラメータの指定等、操作者による指示を入力するための装置である。入力デバイス６２から入力された操作者による指示は、入出力インタフェース５６を介して制御部５４に入力される。
【００５１】
次に、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０の動作について説明する。制御部５４において、図７に示す測定処理ルーチンが実行される。
【００５２】
まず、ステップ１００では、入力デバイス６２を介して入力された所望の光走査の走査角（θ×２）を取得する。
【００５３】
ステップ１０２では、下記の式（８）に基づいて、焦点距離（ｆ）を演算する。
【００５４】
【数８】
上記式（８）中、ｄは、ＶＣＳＥＬアレイ４０Ｏと最も離れたＶＣＳＥＬ４４Ｄとの距離を示す。
【００５５】
ステップ１０４では、上記の式（４）、及び式（５）に基づいて、焦点距離（ｆ１）、及び焦点距離（ｆ１）を演算する。
【００５６】
ステップ１０６では、第１の液体レンズ２６の焦点距離をステップ１０４において演算した焦点距離（ｆ１）に変更すると共に、第２の液体レンズ２８の焦点距離をステップ１０４において演算した焦点距離（ｆ２）に変更する。
【００５７】
ステップ１０８では、各々のＶＣＳＥＬ４４が順にレーザ光を照射するように、駆動制御信号をパルス駆動回路４６に出力する。また、上記ステップ１０８では、時間を測定するために、時間解析器５２にも駆動制御信号を出力する。
【００５８】
レーザ光源１８によって照射されたレーザ光は、可変焦点レンズ１６によって偏向されて、前方の測定領域に照射される。照射されたレーザ光は、前方の測定領域内の対象物で反射し、反射されたレーザ光がレンズ２４を介して受光素子２２で受光される。受光されたレーザ光は、受光素子２２によって電圧出力に変換されて増幅器５０で電圧増幅され、増幅器５０から時間解析器５２に信号が出力される。時間解析器５２では、増幅器５０からの信号に基づいて、レーザ光を照射してからレーザ光を受光するまでの時間を測定する。
【００５９】
次のステップ１１０では、時間解析器５２から、測定された時間を取得して、メモリ６０に記憶する。
【００６０】
ステップ１１２では、上記ステップ１１０で取得された測定領域全体の時間の測定結果に基づいて、測定領域全体の距離を示す距離画像を生成する。そして、ステップ１１４において、上記ステップ１１２で生成された距離画像をディスプレイ（図示省略）に表示して、測定処理ルーチンを終了する。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、２枚の液体レンズを組み合わせて構成される、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズを用いて、可変焦点レンズの他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御することにより、搭載するレンズを交換することなく、偏向角の可変を実現することができるため、光走査の走査角を自在に可変できる、という効果が得られる。
【００６２】
なお、上記の実施の形態では、２次元状に複数の発光素子を配列した場合を例に説明したが、１次元状に複数の発光素子を配列するようにしてもよい。
【００６３】
また、可変焦点レンズの中央部分が、光源の光出射面上で焦点を結ぶ場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、可変焦点レンズの中央部分の焦点位置の近傍の所定領域に、光源の光出射面が位置するように、光源を配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置の可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズに含まれる液体レンズの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置のＶＣＳＥＬアレイの構成を示す斜視図である。
【図５】ＶＣＳＥＬアレイと可変焦点レンズの中央部分とによってレーザ光を走査する様子を示すイメージ図である。
【図６】可変焦点レンズと液体レンズとの焦点距離の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置における測定処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ レーザレーダ装置
１２ 光学系
１４ 測定処理装置
１６ 可変焦点レンズ
１８ レーザ光源
２０ 光走査部
２２ 受光素子
２６ 第１の液体レンズ
２８ 第２の液体レンズ
３０ レンズホルダー
３２ 水
３４ 油
３６ 絶縁層
３８ 電極
４０ ＶＣＳＥＬアレイ
４２ 切換スイッチ
４４ ＶＣＳＥＬ
４６ パルス駆動回路
４８ 光走査コントローラ
５０ 増幅器
５２ 時間解析器
５４ 制御部
６０ メモリ
６２ 入力デバイス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザレーダ装置では、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いて所定方向にレーザ光を走査し、対象物からの反射光が到達するまでの時間を測定して、対象物までの距離を測定している。
【０００３】
従来の装置では、ミラーを用いて光を走査しているため、光走査装置が比較的大きくなり、レーザレーダ装置が大きくなってしまう。そこで、近年、固体デバイス（例えばＫＴＮ結晶）を用いた光走査技術や、ミラーを用いない光走査技術（特許文献１）が考案されている。また、ＭＥＭＳミラーを用いた光走査が知られている。このような光走査技術では、光源と光走査装置とを小型化することができるため、レーザレーダ装置を小型化することが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２４７４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光走査装置においては、広角度の範囲を光走査をする場合には短焦点のレンズを用いる構成とする必要があり、高角度分解能で狭角度の範囲を光走査する場合には長焦点のレンズを用いる必要がある。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術で用いられるレンズの焦点距離は固定されており、偏向角が一定であることから、光走査の走査角を変更したい場合は、光走査の走査角に応じてレンズを交換する必要が生じる、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、レンズを交換することなく、光走査の走査角を可変することができる光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法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】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る光走査装置は、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズと、光軸と交差する方向に間隔を隔てて複数の発光素子を配列させた発光素子列を備え、前記一方の焦点位置に前記可変焦点レンズの方向に光を照射するように配置された光源と、光走査の走査角に応じて前記他方の焦点位置を変更するように制御する制御手段と、を備えている。
【０００８】
可変焦点レンズの一方の焦点位置を固定し、かつ他方の焦点位置を変更すると共に、一方の焦点位置に発光素子列を備えた光源を配置することで、可変焦点レンズからの出射光の偏向角が変更し、光走査の走査角が変化する。このように、焦点位置を変更するように制御することで、所望の走査角の光走査を行うことができる。
【０００９】
第１の発明に係る光走査装置において、可変焦点レンズは、光源側に設けられた焦点距離が変更可能な第１の液体レンズと、光源と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズと所定の間隔を隔てて設けられた焦点距離が変更可能な第２の液体レンズとを含んで構成するとよい。
【００１０】
また、制御手段は、第１の液体レンズの焦点距離（ｆ１）を下記の式（１）を満たすように制御すると共に、第２の液体レンズの焦点距離（ｆ２）を下記の式（２）を満たすように制御することができる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
上記式（１）、及び式（２）中、ｓは可変焦点レンズの一方の焦点位置側の焦点距離、Ｌは第１の液体レンズの中心と第２のレンズの中心との距離、ｆは可変焦点レンズの他方の焦点位置側の焦点距離を示す。
【００１３】
光源は、光軸と交差する面上に発光素子列を複数列配列して構成することができる。すなわち、複数の発光素子を２次元状に配列することができる。なお、複数の発光素子を１次元状に配列するようにしてもよい。
【００１４】
第２の発明に係るレーザレーダ装置は、第１の発明に係る光走査装置と、前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子と、を含んで構成される。
【００１５】
第３の発明に係る光走査方法は、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの前記他方の焦点位置を、光走査の偏向角に応じて変更するように制御する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の光走査装置、レーザレーダ装置、及び光走査方法によれば、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御することにより、搭載するレンズを交換することなく、偏向角の可変を実現することができるため、光走査の走査角を自在に可変できる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０は、レーザ光を照射すると共に、対象物から反射されたレーザ光を受光する光学系１２と、光学系１２を制御すると共に、光学系１２による受光に基づいて、測定領域の距離画像を生成する測定処理装置１４と、操作者からの指示を入力するための入力デバイス６２とを備えている。
【００１９】
レーザレーダ装置１０は、例えば車両、及びロボット等の移動体の前方に搭載され、前方の監視に用いられる。
【００２０】
光学系１２は、一方の焦点位置が固定で他方の焦点位置が可変である可変焦点レンズ１６、及びレーザ光を照射するレーザ光源１８で構成され、レーザ光を偏向して走査する光走査部２０と、対象物から反射されたレーザ光を受光し、受光したレーザ光を電圧に変換するＣＣＤ等で構成された受光素子２２と、受光素子２２の光入射側に配置されたレンズ２４とを備えている。
【００２１】
図２に示すように、可変焦点レンズ１６は、レーザ光源１８側に設けられた、焦点距離（ｆ１）が変更可能な第１の液体レンズ２６と、光走査部２０に対してレーザ光源１８と反対側に設けられ、かつ第１の液体レンズ２６と所定の間隔（Ｌ）を隔てて設けられた、焦点距離（ｆ２）が変更可能な第２の液体レンズ２８との２枚の液体レンズで構成されている。
【００２２】
可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）、及びレーザ光源１８と反対側の焦点距離（ｆ）は、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を変更することによって制御される。
【００２３】
図３に図示されるように、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８は、レンズホルダー３０に挟まれた領域に、２種類の等密度の混ざらない液体が封止されている。液体の一方は電導性を有し、他方は非電導を有するものであり、本実施の形態では、水３２と油３４とを用いている。液体は薄い絶縁層３６で覆われている。
【００２４】
第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の両端部には電極３８が設けられ、電圧が印加されるようになっている。
【００２５】
電極３８に電圧が印加されていないときは、水３２と油３４とは、互いに半分ずつ第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８内に存在する。
【００２６】
一方、電極３８に電圧が印加されたときは、水３２に電圧が印加され、２種類の液体の接する境界面の曲率が変化する。図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、電極３８に印加する電圧に応じて、２種類の液体の接する境界面の曲率が変化し、焦点距離が変化する。本実施の形態では、電極３８に印加する電圧の大きさを変更することにより、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離を変更する。
【００２７】
測定処理装置１４は、レーザ光源１８を駆動するパルス駆動回路４６と、可変焦点レンズ１６を駆動する光走査コントローラ４８と、受光素子２２からの電圧出力の電圧を増幅した信号を出力する増幅器５０と、増幅器５０から出力された信号に基づいて、レーザ光を照射してから受光素子２２でレーザ光を受光するまでの時間を測定する時間解析器５２と、パルス駆動回路４６、及び光走査コントローラ４８を制御すると共に、時間解析器５２の測定結果に基づいて、距離画像を生成する制御部５４とを備えている。制御部５４は、パルス駆動回路４６、光走査コントローラ４８、及び時間解析器５２の各々と接続するための入出力インタフェース５６と、ＣＰＵ５８と、メモリ６０とを備えている。
【００２８】
パルス駆動回路４６は、制御部５４から光偏向制御信号に同期して出力された駆動制御信号に基づいて、レーザ光源１８から例えば１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅のレーザ光を照射するように、レーザ光源１８を駆動する。
【００２９】
ここで、図４を参照してレーザ光源１８の構成を説明する。レーザ光源１８は、平板状のＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）アレイ４０と、切換スイッチ４２とを備え、ＶＣＳＥＬアレイ４０の光出射面は可変焦点レンズ１６と対向するように配置されている。
【００３０】
ＶＣＳＥＬアレイ４０は、発光素子としての複数個のＶＣＳＥＬ４４を所定方向に配列させたＶＣＳＥＬ列を複数列同一平面上に配置して構成されている。なお、本実施の形態では、発光素子としてＶＣＳＥＬを用いているが、発光素子としては、その他の種々のレーザダイオードや発光ダイオードを使用することができるが、ＶＣＳＥＬを利用することが好ましい。
【００３１】
各ＶＣＳＥＬ４４から照射されたレーザ光は、可変焦点レンズ１６で偏向されて、測定対象領域内の対象物に照射される。
【００３２】
ＶＣＳＥＬアレイ４０は、ＶＣＳＥＬアレイ４０のＶＣＳＥＬ４４が配置された平面（出射面）上の中心部分と、可変焦点レンズ１６の焦点とが一致するように配置されている。すなわち、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離は、ＶＣＳＥＬアレイ４０の出射面までの距離に相当する。
【００３３】
ＶＣＳＥＬアレイ４０には、パルス駆動回路４６が接続され、パルス駆動回路４６によって、ＶＣＳＥＬ４４を駆動するパルス電流（駆動信号）が生成される。
【００３４】
パルス駆動回路４６とＶＣＳＥＬアレイ４０との間には、切換スイッチ４２が接続されており、切換スイッチ４２は各ＶＣＳＥＬ４４の端子４４Ａにそれぞれ接続されている。切換スイッチ４２は複数個のＶＣＳＥＬ４４の中から発光対象のＶＣＳＥＬ４４を切換えるものであり、そして切換スイッチ４２で発光対象とされたＶＣＳＥＬ４４はパルス駆動回路４６からの駆動信号で駆動され発光する。
【００３５】
ここで、ＶＣＳＥＬアレイ４０、及び可変焦点レンズ１６における投光システムの光偏向方式について説明する。図５に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ４０における各ＶＣＳＥＬ４４の光出射方向が、同一方向になるように、各ＶＣＳＥＬ４４が配置されている。また、可変焦点レンズ１６は各ＶＣＳＥＬ４４の光軸に対して略垂直に配置されている。
【００３６】
可変焦点レンズ１６の中心１６Ｏに対応するＶＣＳＥＬ４４Ｏの出力光Ｐ１は、可変焦点レンズ１６の光軸と同一軸に出射される。一方、可変焦点レンズ１６の中央１６Ｏから距離ｄだけ離れた位置のＶＣＳＥＬ４４Ｄの出力光Ｐ２は、可変焦点レンズ１６の光軸に対して下記の式（３）で表される角度θだけずれた方向に偏向されて出射される。
【００３７】
【数３】
上記式（３）中、ｆは可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点距離を示す。
【００３８】
各ＶＣＳＥＬ４４からのレーザ光は、可変焦点レンズ１６の中央１６Ｏからの距離に応じて各々異なる角度に偏向されて出射され、出射されたレーザ光は前方の測定対象領域に投光される。そして、出射されたレーザ光は、測定対象領域内の対象物で反射され、反射光が、レーザレーダ装置１０の受光素子２２にレンズ２４を介して入射する。
【００３９】
光走査コントローラ４８は、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、電極３８に印加する電圧を変更し、可変焦点レンズ１６の偏向角を制御する。
【００４０】
光走査コントローラ４８は、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）が一定となるように、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を制御し、レーザ光源１８側の焦点位置はレーザ光源１８上のＸ１で示される位置に固定する。
【００４１】
また、制御部５４からの光偏向制御信号に基づいて、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を制御し、可変焦点レンズ１６を通過した光が所望の偏向角に偏向するように可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点距離（ｆ）を変更する。
【００４２】
一般的に、焦点距離がｆ１のレンズと焦点距離がｆ２とを、各々のレンズの中心間の距離をＬとして組み合わせた場合は、２枚で構成されるレンズの一方の側の焦点距離（ｓ）、及び他方の焦点距離（ｆ）は、下記の式（４）、及び式（５）で表すことができる。
【００４３】
【数４】
【００４４】
【数５】
すなわち、第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）を下記の式（６）を満たすように制御すると共に、第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を下記の式（７）を満たすように制御することで、レーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）を一定とし、焦点位置をレーザ光源１８上のＸ１で示される位置に固定すると共に、可変焦点レンズ１６の対象物側の焦点位置Ｘ２、及び焦点距離（ｆ）を変更することができる。
【００４５】
【数６】
【００４６】
【数７】
上記式（６）、及び式（７）中、ｓは可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離、Ｌは第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の中心間の距離を示す。
【００４７】
図６は、可変焦点レンズ１６のレーザ光源１８側の焦点距離（ｓ）を３０ｍｍで固定し、第１の液体レンズ２６、及び第２の液体レンズ２８の中心間の距離（Ｌ）を１０ｍｍとする場合の、所望の焦点距離（ｆ）に対する第１の液体レンズ２６の焦点距離（ｆ１）、及び第２の液体レンズ２８の焦点距離（ｆ２）を示している。縦軸の正の値は凸レンズでの焦点距離を示し、負の値は凹レンズでの焦点距離を示している。
【００４８】
このように、可変焦点レンズ１６は、第１の液体レンズ２６、及び第２の第２の液体レンズ２８を組み合わせた２枚ののレンズで構成としたことで、レーザ光源１８側の焦点位置を固定したまま、対象物側の焦点距離（ｆ）を変更可能であり、所望の光走査の走査角に応じた偏向角とすることができる。
【００４９】
時間解析器５２は、制御部５４から出力される駆動制御信号と、増幅器５０から入力された信号とに基づいて、レーザ光照射開始時間から反射光受光時間までの時間を測定する。
【００５０】
入力デバイス６２は、所望の光走査の走査角の指定、及び距離画像生成処理に係る各種のパラメータの指定等、操作者による指示を入力するための装置である。入力デバイス６２から入力された操作者による指示は、入出力インタフェース５６を介して制御部５４に入力される。
【００５１】
次に、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０の動作について説明する。制御部５４において、図７に示す測定処理ルーチンが実行される。
【００５２】
まず、ステップ１００では、入力デバイス６２を介して入力された所望の光走査の走査角（θ×２）を取得する。
【００５３】
ステップ１０２では、下記の式（８）に基づいて、焦点距離（ｆ）を演算する。
【００５４】
【数８】
上記式（８）中、ｄは、ＶＣＳＥＬアレイ４０Ｏと最も離れたＶＣＳＥＬ４４Ｄとの距離を示す。
【００５５】
ステップ１０４では、上記の式（４）、及び式（５）に基づいて、焦点距離（ｆ１）、及び焦点距離（ｆ１）を演算する。
【００５６】
ステップ１０６では、第１の液体レンズ２６の焦点距離をステップ１０４において演算した焦点距離（ｆ１）に変更すると共に、第２の液体レンズ２８の焦点距離をステップ１０４において演算した焦点距離（ｆ２）に変更する。
【００５７】
ステップ１０８では、各々のＶＣＳＥＬ４４が順にレーザ光を照射するように、駆動制御信号をパルス駆動回路４６に出力する。また、上記ステップ１０８では、時間を測定するために、時間解析器５２にも駆動制御信号を出力する。
【００５８】
レーザ光源１８によって照射されたレーザ光は、可変焦点レンズ１６によって偏向されて、前方の測定領域に照射される。照射されたレーザ光は、前方の測定領域内の対象物で反射し、反射されたレーザ光がレンズ２４を介して受光素子２２で受光される。受光されたレーザ光は、受光素子２２によって電圧出力に変換されて増幅器５０で電圧増幅され、増幅器５０から時間解析器５２に信号が出力される。時間解析器５２では、増幅器５０からの信号に基づいて、レーザ光を照射してからレーザ光を受光するまでの時間を測定する。
【００５９】
次のステップ１１０では、時間解析器５２から、測定された時間を取得して、メモリ６０に記憶する。
【００６０】
ステップ１１２では、上記ステップ１１０で取得された測定領域全体の時間の測定結果に基づいて、測定領域全体の距離を示す距離画像を生成する。そして、ステップ１１４において、上記ステップ１１２で生成された距離画像をディスプレイ（図示省略）に表示して、測定処理ルーチンを終了する。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、２枚の液体レンズを組み合わせて構成される、一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズを用いて、可変焦点レンズの他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御することにより、搭載するレンズを交換することなく、偏向角の可変を実現することができるため、光走査の走査角を自在に可変できる、という効果が得られる。
【００６２】
なお、上記の実施の形態では、２次元状に複数の発光素子を配列した場合を例に説明したが、１次元状に複数の発光素子を配列するようにしてもよい。
【００６３】
また、可変焦点レンズの中央部分が、光源の光出射面上で焦点を結ぶ場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、可変焦点レンズの中央部分の焦点位置の近傍の所定領域に、光源の光出射面が位置するように、光源を配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置の可変焦点レンズの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る可変焦点レンズに含まれる液体レンズの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置のＶＣＳＥＬアレイの構成を示す斜視図である。
【図５】ＶＣＳＥＬアレイと可変焦点レンズの中央部分とによってレーザ光を走査する様子を示すイメージ図である。
【図６】可変焦点レンズと液体レンズとの焦点距離の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係るレーザレーダ装置における測定処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０ レーザレーダ装置
１２ 光学系
１４ 測定処理装置
１６ 可変焦点レンズ
１８ レーザ光源
２０ 光走査部
２２ 受光素子
２６ 第１の液体レンズ
２８ 第２の液体レンズ
３０ レンズホルダー
３２ 水
３４ 油
３６ 絶縁層
３８ 電極
４０ ＶＣＳＥＬアレイ
４２ 切換スイッチ
４４ ＶＣＳＥＬ
４６ パルス駆動回路
４８ 光走査コントローラ
５０ 増幅器
５２ 時間解析器
５４ 制御部
６０ メモリ
６２ 入力デバイス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズと、
光軸と交差する方向に間隔を隔てて複数の発光素子を配列させた発光素子列を備え、前記一方の焦点位置に前記可変焦点レンズの方向に光を照射するように配置された光源と、
光走査の走査角に応じて前記他方の焦点位置を変更するように制御する制御手段と、
を備えた光走査装置。
【請求項２】
前記可変焦点レンズを、前記光源側に設けられた焦点距離が変更可能な第１の液体レンズと、前記光源と反対側に設けられ、かつ前記第１の液体レンズと所定の間隔を隔てて設けられた焦点距離が変更可能な第２の液体レンズとを含んで構成した請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の液体レンズの焦点距離（ｆ１）を下記の式（１）を満たすように制御すると共に、前記第２の液体レンズの焦点距離（ｆ２）を下記の式（２）を満たすように制御する請求項２に記載の光走査装置。
【数１】
【数２】
上記式（１）、及び式（２）中、ｓは前記可変焦点レンズの前記一方の焦点位置側の焦点距離、Ｌは前記第１の液体レンズの中心と前記第２のレンズの中心との距離、ｆは前記可変焦点レンズの前記他方の焦点位置側の焦点距離を示す。
【請求項４】
前記光源は、前記光軸と交差する面上に前記発光素子列を複数列配列して構成される請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光走査装置と、
前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子と、
を含むレーザレーダ装置。
【請求項６】
一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの前記他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御する光走査方法。
【請求項１】
一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズと、
光軸と交差する方向に間隔を隔てて複数の発光素子を配列させた発光素子列を備え、前記一方の焦点位置に前記可変焦点レンズの方向に光を照射するように配置された光源と、
光走査の走査角に応じて前記他方の焦点位置を変更するように制御する制御手段と、
を備えた光走査装置。
【請求項２】
前記可変焦点レンズを、前記光源側に設けられた焦点距離が変更可能な第１の液体レンズと、前記光源と反対側に設けられ、かつ前記第１の液体レンズと所定の間隔を隔てて設けられた焦点距離が変更可能な第２の液体レンズとを含んで構成した請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の液体レンズの焦点距離（ｆ１）を下記の式（１）を満たすように制御すると共に、前記第２の液体レンズの焦点距離（ｆ２）を下記の式（２）を満たすように制御する請求項２に記載の光走査装置。
【数１】
【数２】
上記式（１）、及び式（２）中、ｓは前記可変焦点レンズの前記一方の焦点位置側の焦点距離、Ｌは前記第１の液体レンズの中心と前記第２のレンズの中心との距離、ｆは前記可変焦点レンズの前記他方の焦点位置側の焦点距離を示す。
【請求項４】
前記光源は、前記光軸と交差する面上に前記発光素子列を複数列配列して構成される請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光走査装置と、
前記焦点位置を含む所定領域内に配置された受光素子と、
を含むレーザレーダ装置。
【請求項６】
一方の焦点位置が固定で、かつ他方の焦点位置が変更可能な可変焦点レンズの前記他方の焦点位置を、光走査の走査角に応じて変更するように制御する光走査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２０４６９１（Ｐ２００９−２０４６９１Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４４３６７（Ｐ２００８−４４３６７）
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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