JP5754564B2 - 走査光学系及びレーダー - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光等を照射して物体を検出するレーダーに用いると好適な走査光学系及びレーダーに関する。

近年、自動車や警備ロボットなどの分野で、衝突防止の目的で進行方向の障害物検知を精度良く行いたいとの要望が多くなっている。障害物検知の方法として、光走査を利用した距離測定装置であるレーザレーダーが知られている。一般的なレーザレーダーは、レーザ光を投光し、反射光を検出するまでの時間から障害物までの距離を測定する装置である。

光束を絞らずに光を投光すると障害物に当たる光量が少なくなり、長距離の測定に向かないため、光束を絞って走査させることで検知範囲の拡大を図れる。一般的な走査手法としては、ミラーまたは複数のミラー面をもつポリゴンミラーを回転または揺動させる技術が知られている。

特にレーザレーダーでは、広い範囲を検知する必要があるため、広い範囲にレーザ光を投光する必要することが求められる。走査角方向の投光範囲は、走査角とスポットサイズで決まるが、レーザ光の走査角方向はミラーの回転方向になるため、走査角方向に大きいスポットサイズにする必要はなく、また、分解能を上げるために走査角方向のスポットサイズは短い方が好まれる。一方、走査角方向に直交する副走査角方向の投光範囲は、走査ライン数と投光スポットサイズ（または受光レンズの視野）で決まる。走査ライン数を増やすことには限界があるため、走査角中心で投光スポットサイズを副走査角方向に長くすることが行われ、よって水平方向と垂直方向でスポットサイズが異なる場合が多い。

さらに、高精度の検出を行うためには、走査中心と走査周辺で測定分解能の変化を抑える工夫が求められる。分解能の変化する要因として、縦歪曲とスポット回転がある。これらについて説明する。レーザレーダーを模式的に示す図１において、回転軸ＲＯに対して傾いた反射面ＲＭ１を有するミラーユニットＭＵを、回転軸ＲＯ回りに回転させるものとする。ここで、投光系ＬＰの光源ＬＤから回転軸ＲＯに沿った方向に出射するスポット光ＳＬは、縦横比が異なるものとする。従って、図１において、反射面ＲＭ１で反射した測定範囲のスポット光ＳＬ（断面をハッチングで示す）は、紙面垂直方向に進行するが、その断面は、走査角方向（図で左右方向）の長さがａ、副走査角方向（図で上下方向）の長さがｂ（＞ａ）の矩形断面となっている。

一方、図２に示すように、ミラーユニットＭＵが３０°近く回転した場合、反射面ＲＭ１で反射した光束ＬＢは，図１に示す位置から左右方向へと移動する。これにより対象物が存在する範囲を走査することとなるが、スポット光ＳＬにおいてスポット回転が生じるのである。又、反射面ＲＭに対し光束ＬＢが回転軸に非平行に入射した場合、縦歪曲も生じる（スポット回転は、平行入射の場合と異なる）。具体的には、縦歪曲は、スポット光ＳＬが副走査角方向に歪むことで、走査ラインの間隔が詰まったり、間隔が開いたりするものであり、図２では、スポット光ＳＬが本来向かう方向（実線）に対して、回転軸ＲＯの軸線方向にシフトする（点線で図示）現象をいう。このシフト量は、副走査角方向の角度ずれ（ε）で表す。一方、スポット光ＳＬの断面形状において、走査角方向と副走査角方向とで異なる場合、スポット光が回転することで、スポット光間隔が詰まったり、間隔が開いたりするものであり、図２では、スポット光ＳＬが本来の姿勢方向（実線）に対して、一点鎖線で示すように回転する現象をいう。その回転角γを，スポット回転角という。

図３は、回転軸に対して４５°傾いた反射面に対し回転軸と平行に光束を入射させた場合における、走査角とスポット回転角との関係を示す図である。尚、反射面ＲＭに対し回転軸と平行に光束を入射させた場合、走査角は回転角と同じになる。図３に示すように、スポット回転角γは、反射面ＲＭ１の回転角αが増大するにつれ増大する。

特開２０１１−１９７５７５号公報

特許文献1では、反射面の回転軸を傾けることで、図４（ａ）に示す縦歪曲を、図４（ｂ）に示すように広い走査範囲で補正する技術を開示しているが、スポット光の回転までは考慮されていない。また、回転軸に対する配置が難しいという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、対象物に照射されるスポット光の縦歪曲とスポット回転を抑制し、広い視野範囲を持ちつつ分解能の変化を抑制できる走査光学系及びレーダーを提供することを目的とする。

本発明による走査光学系は、
回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えた回転するミラーユニットと、
前記ミラーユニットを介して、対象物に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面へ向かって進行し、更に前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じて前記対象物に対して走査されつつ投光されるようになっており、
前記投光系から出射された光束は、前記対象物の測定範囲で走査角方向よりも副走査角方向に長く、下記条件式を満足し、
前記ミラーユニットは、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、各対における前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が異なっていることを特徴とする。
|θ１−９０|×|α|≦２２５・・・（１）
但し、
θ１：前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角（°）
α：回転角（°）

特開昭５０−１０９７３７号公報には、回転するミラーユニットに、９０°の挟み角で第１ミラー面と第２ミラー面を形成し、回転軸の直交方向に沿って光源から出射した光束を、第１ミラー面と第２ミラー面とで２回反射させて走査することで、回転ぶれにより回転軸が倒れても、走査線の乱れを招かない構成が開示されている。このようなミラー構成をレーダーに応用することを考えた場合、一般的な走査式のレーダーでは縦長のスポット光を用いて測定範囲を走査するので、以下に述べる問題があることがわかった。

ここで、ミラーユニットの回転軸の傾きはないものとして、以下の説明では、回転軸に直交する方向を走査角方向、回転軸と平行な方法を副走査角方向とする。また、第1ミラー面に当たる直前の投光系の光軸の走査角方向の角度を１８０度反転したものを走査角中心とする。走査角方向に対し、副走査角方向の角度を副走査角とし、副走査角中心は回転軸と直交する角度とする。「縦歪曲」とは、走査角中心の副走査角方向の角度に対し、周辺に走査したときの副走査角方向の角度ずれを言う。また「スポット回転角」とは、走査角中心のスポットを基準に投光方向を中心に回転する角度のことを言う。

例えば、図５に示すように、第1ミラー面Ｍ１と第2ミラー面Ｍ２を有するミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して、光源ＬＤとコリメートレンズＣＬとを有する投光系ＬＰＳの光軸ＳＯを直交するように配置する。このとき第1ミラー面Ｍ１と第2ミラー面Ｍ２のなす交差角頂点を基準に、投光系ＬＰＳは第1ミラー面Ｍ１側に配置される。ここでは、第１ミラー面Ｍ１を回転軸ＲＯと直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に対して−４５度傾け、第２ミラー面Ｍ２を回転軸と直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に＋４５度傾けて配置する。

図６に示すように、ミラーユニットＭＵの回転位置が、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯが第1ミラー面Ｍ１と第2ミラー面Ｍ２の法線を含む面内に位置する角度となったとき（光軸ＳＯは走査角中心に向いた状態）、投光系ＬＰＳから出射した光束ＬＢは、第１ミラー面Ｍ１で反射し、回転軸ＲＯと平行に進行し、次いで第２ミラー面Ｍ２で反射される。反射した光束ＬＢは、第２ミラーＭ２から対象物へ投光される。このとき、図６（ａ）に示すように、投光方向からミラーユニットＭＵを見た場合、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯを回転軸ＲＯから左右にズラしてもよい。

更に図７に示すように、ミラーユニットＭＵを走査角中心（図６の状態）から回転角α＝４５度だけ回転軸ＲＯ回りに回転させた場合、第２ミラー面Ｍ２で反射後における光束ＬＢと、投光系から出た直後の光束ＬＢとの相対角度差としての、走査角（図７（ｂ）に示すように回転軸ＲＯから見たときに、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯと、ミラーユニットＭＵから出射する光束ＬＢとのなす角）が９０度になる。つまり、回転角（α＝４５°）に対し、２倍の走査角（δ＝９０°）を得られていることが分かる。

この場合における走査角δに対する縦歪曲（副走査角で示す）の関係を図８に示し、走査角δに対するスポット回転角の関係を図９に示す。このように第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とのなす角が９０°である場合、走査角δが変化しても縦歪曲及びスポット回転角のいずれも変化しない。従って、縦長断面であるスポット光を対象物に投光して、理想的に走査することができる。

ところが、このような構成をレーダーで用いる場合、測定範囲が副走査角０°でないことや、入射角と副走査角が一致しないこともある。さらに、スポット光の副走査角方向断面の長さが限定されるため、対象物が存在する測定範囲を副走査角方向に分割しなければならないという実情がある。従って、ミラーユニットには、複数対の第１ミラー面と第２ミラー面とを設け、各ミラー対を通過する光束毎に副走査角方向にシフトして、異なる副走査角方向位置で走査できるように、第１ミラー面と第２ミラー面のなす角を９０°からずらす必要がある。しかしながら、第１ミラー面と第２ミラー面のなす角を９０°からずらすと、縦歪曲とスポット回転が増大するという問題がある。

そこで、本発明者らは、縦歪曲とスポット回転の許容範囲について検討した。図１０に、第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの走査角と縦歪曲との関係を示す。図１１に、第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの走査角とスポット回転との関係を示す。第1ミラー面Ｍ１を図５の状態から第２ミラー面Ｍ２を回転軸ＲＯと直交する平面から投光光学系の光軸方向に４５度、４６度、４７度傾けた場合の縦歪曲とスポット回転角は，図１０，１１に示す通りである。第１ミラー面と第２ミラー面とのなす角度が変わると、縦歪曲とスポット回転の変化の度合いが変わるため、第1ミラー面の角度と第2ミラー面の個々の角度は自由に設定してよいことがわかる。また、レーザプリンタのように一定速度で回転している必要はなく、ある特定の方向のみ投光したい場合は、必要な角度回転させて止めるか、往復揺動させることもできる。

またレーダーの実情に鑑みると、スポット回転は、投光スポットが重なったり、間隔が開いたりすることを考えると、走査角中心より１５°以内、好ましくは１０°以内にする事が望まれることがわかった。縦歪曲は、走査角に対して８分の１以内、好ましくは１０分の１以内にすることが望まれることがわかった。

かかる知見に基づいて、本発明者らは、縦歪曲とスポット回転を実用上、問題がない範囲に抑える条件について検討した。その結果、以下の条件式（１）を得た。
|θ１−９０|×|α|≦２２５・・・（１）
但し、
θ１：前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角（°）
α：回転角（°）

条件式（１）は、走査角±９０度、副走査角±３０度範囲でのスポット回転と縦歪曲を抑制する条件式である。条件式（１）の範囲内であれば、スポット回転と縦歪曲を問題ない範囲に抑えることができるが、この範囲に限定して解釈されるべきではない。好ましくは、以下の式を満たすことである。
|θ１−９０|×|α|≦１８０・・・（１’）
更に望ましくは、以下の式を満たすことである。
|θ１−９０|×|α|≦１２０・・・（１’’）

本発明によるレーダーは、上述の走査光学系を有することを特徴とする。

レーダーの光源として、パルス発光するLEDやレーザを使うことでTOF（Time of flight）での距離測定を行うことが出来る。従来のTOFを使うレーダーに使われていた走査光学系に比べ、広い走査角で分解能変化が少ないため、有効に使える広い視野角を持ったレーダーを提供することが出来る。

本発明によれば、対象物に照射されるスポット光の縦歪曲とスポット回転を抑制し、広い視野範囲を持ちつつ分解能の変化を抑制できる走査光学系及びレーダーを提供することができる。

比較例のレーダーを示す図である。 比較例のレーダーを示す図である。 比較例のレーダーにおける走査角とスポット回転角との関係を示す図である。 従来技術による補正前の縦歪曲（ａ）と、補正後の縦歪曲（ｂ）を示す図である。 本発明の一例にかかるレーダーを回転軸を含む面で切断して示す図である。 （ａ）は、本発明の一例にかかるレーダーの正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、走査角中心の状態を示す。 （ａ）は、本発明の一例にかかるレーダーの正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、走査角周辺の状態を示す。 理想状態のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示す図である。 理想状態のレーダーにおける走査角とスポット回転角との関係を示す図である。 本発明の一例にかかるレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示す図である。 本発明の一例にかかるレーダーにおける走査角とスポット回転角との関係を示す図である。 比較例のレーダーの断面図である。 本発明の一例にかかるレーダーを示す図であり、（ａ）は偏光素子からの反射光を入射角ゼロでミラーユニットに入射させた場合であり、（ｂ）は、偏光素子を回転させて入射角ゼロ以外でミラーユニットに入射させた場合であり、（ｃ）は、交差角が９０°の状態で、反射鏡ＢＥを用いて第１ミラー面Ｍ１への入射角を変更した場合における走査角と縦歪曲との関係を示す図である。 本発明の一例にかかるレーダーを示す図であり、複数の投光系を用いたものである。 本発明の一例にかかるレーダーを示す図である。 本実施形態にかかるレーザレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。 本実施形態にかかるレーザレーダーの概略構成図である。 レーザレーダーＬＲで走査する対象領域に対応する画面を示す図である。 本実施形態による変形例にかかるレーザレーダーの概略構成図である。 実施例１のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフである。 実施例１のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。 実施例２のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフである。 実施例２のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。 実施例３のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフである。 実施例３のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。 実施例４のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフである。 実施例４のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。 本実施形態による別の変形例にかかるレーダーの構成を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１６は、本実施形態にかかるレーザレーダーを車両に搭載した状態を示す概略図である。本実施形態のレーザレーダーＬＲは、車両１のフロントウィンドウ１ａの背後、もしくはフロントグリル１ｂの背後に設けられている。

図１７は、本実施形態にかかるレーザレーダーＬＲの概略構成図であり、水平方向からみた図であるが、構成要素の形状や長さ等、実際と異なる場合がある。レーザレーダーＬＲは、例えば、レーザ光束を出射するパルス式の半導体レーザＬＤと、半導体レーザＬＤからの発散光を平行光に変換するコリメートレンズＣＬと、コリメートレンズＣＬで平行とされたレーザ光を、回転する反射面により対象物ＯＢＪ側（図１６）に向かって走査投光すると共に、走査投光された対象物ＯＢＪからの反射光を反射させるミラーユニットＭＵと、ミラーユニットＭＵで反射された対象物ＯＢＪからの反射光を集光するレンズＬＳと、レンズＬＳにより集光された光を受光するフォトダイオードＰＤとを有する。

半導体レーザＬＤと、コリメートレンズＣＬとで投光系ＬＰＳを構成し、レンズＬＳと、フォトダイオードＰＤとで受光系ＲＰＳを構成する。投光系ＬＰＳから出射された光束は、対象物の測定範囲で走査角方向よりも副走査角方向に長くなっている（図１（ａ）参照）。

略四角筒状のミラーユニットＭＵは、軸線である回転軸ＲＯ回りに回転可能に保持されており、下部外周に、４枚の台形状の第１ミラー面Ｍ１を配置しており、それに対向して、上部外周に、４枚の台形状の第２ミラー面Ｍ２を配置している。それぞれ上下に対になった第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との交差角は，異なっている。又、下記条件式を満足する。
|θ１−９０|×|α|≦２２５・・・（１）
但し、
θ１：第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との交差角（°）
α：回転角（°）

投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して直交しており、投光系ＬＰＳは受光系ＲＰＳよりも回転軸ＲＯ方向に遠く配置されている。

次に、レーザレーダーＬＲの測距動作について説明する。半導体レーザＬＤからパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズＣＬで平行光束に変換され、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１の点Ｐ１に入射し、ここで反射され、第２ミラー面Ｍ２へ向かって進行し、更に第２ミラー面Ｍ２の点Ｐ２で反射して対象物ＯＢＪ側に走査投光される。

図１８は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、出射するレーザスポット光ＳＢ（ハッチングで示す）で、レーザレーダーＬＲの検出範囲である画面Ｇ上を走査する状態を示す図である。ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が異なっている。レーザ光は、回転移動する第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて、順次反射してゆくが、まず１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて反射したレーザ光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、画面Ｇの一番上の領域Ｌｎ１を水平方向に左から右へと走査される。次に、２番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザ光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、画面Ｇの上から二番目の領域Ｌｎ２を水平方向に左から右へと走査される。次に、３番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザ光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、画面Ｇの上から三番目の領域Ｌｎ３を水平方向に左から右へと走査される。次に、４番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面で反射したレーザ光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、画面Ｇの最も下の領域Ｌｎ４を水平方向に左から右へと走査される。これにより１画面の走査が完了する。そして、ミラーユニットＭＵが１回転した後、１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２が戻ってくれば、再び画面Ｇの一番上からの走査を繰り返す。尚、各対における交差角が９０度以外であってそれぞれ異なっている場合、交差角が９０度から離れた対に対して投光する際のレーザ光の発光タイミングを、それよりも交差角が９０度に近い対に対して投光する際のレーザ光の発光タイミングより遅くすると好ましい。

図１７において、走査投光された光束のうち対象物ＯＢＪに当たって反射したレーザ光は、再びミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２の点Ｐ３に入射し、ここで反射され、回転軸ＲＯに沿って進行し、更に第１ミラー面Ｍ１の点Ｐ４で反射して、レンズＬＳにより集光され、それぞれフォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。これにより画面Ｇ上の全範囲で、対象物ＯＢＪの検出を行える。

図１９は、本実施形態による変形例にかかるレーダーの構成を示す図である。図２０の変形例では、略５角筒状のミラーユニットＭＵが、下部外周に、５枚の台形状の第１ミラー面Ｍ１を配置しており、それに対向して、上部外周に、５枚の台形状の第２ミラー面Ｍ２を配置している。又、受光系ＲＰＳは１つだが、投光系ＬＰＳは水平方向に２つ並行して設けている。本変形例では、特に受光系ＲＰＳがミラーユニットＭＵの稜線に対向する位置で、２つの投光系ＬＰＳが投光した２方向のレーザ光の反射光を受光することができるので、走査範囲を広く確保できる。それ以外の構成は上述した実施形態と同様である。

図２８は、本実施形態による別の変形例にかかるレーダーの構成を示す図である。図２８の変形例では、受光系ＲＰＳをレンズＬＳと受光センサＲＳとで構成する。受光センサＲＳは、回転軸ＲＯと平行に配置され図の縦方向に並べられた複数の受光素子ＲＳ１〜ＲＳ３から構成される。このように受光センサＲＳが３画素分の受光素子ＲＳ１〜ＲＳ３を有することで、受光視野が大きくなるとともに、図の実線で示す主光線が中心の受光素子ＲＳ１に入射し、また、破線で示す主光線が隣接の受光素子ＲＳ２に入射し、同じく破線で示す主光線が別の隣接の受光素子ＲＳ３に入射するので、図の縦方向（垂直方向）に視野を分割でき、分解能が向上する。それ以外の構成は上述した実施形態と同様である。

以下、上述した実施形態に好適な実施例について説明する。また、走査角中心を基準に左右対称なため、グラフは片側のみ記載する。以下の実施例では全て、投光系から出射された光束が、測定範囲で走査角方向よりも副走査角方向に長くなっている。実施例１は、４対の第１ミラー面と第２ミラー面（以下、ミラー対という）を有する樹脂製のミラーユニットを用いたレーダーである。従って、走査線の数は４である。表１に、実施例１のレーダーの仕様を示す。尚、ミラー面の角度は、図１５を参照して、回転軸に直交する面に対して投光系に近づく側を−、遠い側を＋として示している（以下、同じ）。図２０は、実施例１のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフであり、図２１は、実施例１のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。実施例１で、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角をθ１とし、回転角をαとすると、最大値としての|θ１−９０|×|α|＝２２５である。又、入射角βは０°である。実施例１より、交差角が大きいほど、同じ回転角でも走査角が小さくなることがわかる。

実施例２は、２対のミラー対を有する樹脂製のミラーユニットと、１つの投光系と１つの偏光子を用いたレーダーである。偏向子はミラーであり、偏向角Ａから出射された光束の入射角は−３０°であり、他方の偏向角Ｂから出射された光束の入射角は−２０°である。これらの組み合わせにより、走査線の数は４である。表２に、実施例２のレーダーの仕様を示す。図２２は、実施例２のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフであり、図２３は、実施例２のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。実施例２で、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角をθ１とし、回転角をαとすると、|θ１−９０|×|α|の最大値は１１２．５である。又、入射角βの絶対値の最大は３０°である。偏向子によって２つ入射角を得たが、投光系を２つ用い投光系Ａの光束の入射角−３０°と、他方の投光系Ｂから出射された光束の入射角−２０°を用いてもよい。

実施例３は、３対のミラー対を有する樹脂製のミラーユニットを用いたレーダーである。従って、走査線の数は３である。表３に、実施例３のレーダーの仕様を示す。図２４は、実施例３のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフであり、図２５は、実施例３のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。実施例３で、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角をθ１とし、回転角をαとすると、|θ１−９０|×|α|の最大値は２２５である。又、入射角βは３０°である。

実施例４は、３対のミラー対を有する樹脂製のミラーユニットを用いたレーダーである。従って、走査線の数は３である。表４に、実施例４のレーダーの仕様を示す。図２６は、実施例４のレーダーにおける走査角と縦歪曲との関係を示すグラフであり、図２７は、実施例４のレーダーにおける走査角とスポット回転角（絶対値）との関係を示すグラフである。実施例４で、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角をθ１とし、回転角をαとすると、|θ１−９０|×|α|＝１１２．５である。又、入射角βは０°である。

以下、好ましい態様についてまとめて説明する。

前記ミラーユニットは、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、各対における前記交差角は異なっていることが好ましい。上述したように、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の交差角を異ならせることで、１番目の対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面を反射したスポット光と、２番目の対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面を反射したスポット光との、副走査角方向の投光位置を変更できるから、これによりスポット光の副走査角方向の長さを小さくしても、広い測定範囲を２次元走査できる。又、第１ミラー面と第２ミラー面、面法線が共に回転軸と直交する成分が同方向であるため回転角よりも走査角を大きくすることが出来き、一対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面における走査に必要になる回転角度を、例えば図１に示す方式よりも小さくできるため、副走査角方向の走査ライン数を多くすることが出来る。

例えば、回転させるミラーユニットだけで全角１６０度程度を走査できる、走査ライン数を考える。比較例として示す図１２に示す走査光学系のミラーユニットＭＵでは、紙面に垂直に延在するミラー面ＲＭ１，ＲＭ２を、背面同士を対向させて組み合わせている。ミラー面ＲＭ１の回転軸ＲＯに対する傾き角θ１は、ミラー面ＲＭ２の回転軸ＲＯに対する傾き角θ２と異なっている。ここで、ミラーユニットＭＵに対して回転軸ＲＯに平行に、光束ＬＢを入射させた場合、ミラーユニットＭＵのミラー面ＲＭ１，ＲＭ２の傾き角θ１，θ２だけで変えられる走査ライン数は、最大２本（実線ＬＢと点線ＬＢ’）である。これに対し、本発明の走査光学系を用いた場合、それぞれ交差角を変えた前記第１ミラー面と前記第２ミラー面を４対用いることで、走査ライン数は４本にすることも可能である。また走査ライン数を少なくして、走査角を広くすることも可能である。

前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記投光系から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有することが好ましい。上述したように、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角を、９０°からずらすことで縦歪曲が大きくなるが、前記第１ミラー面への入射角βを副走査角方向に偏向させることで交差角を９０度から大きくずらさずに走査させることが可能である。図１３において、偏光素子の一例として反射鏡ＢＥを用いて、投光系ＬＰＳからの光束ＬＢを反射して、第１ミラー面Ｍ１で反射させ、その後第２ミラー面Ｍ２で反射している。反射鏡ＢＥは、紙面垂直方向に延在する軸線ＰＶ回りに回転可能となっている。尚、図１３（ｃ）は、交差角が９０°の状態で、反射鏡ＢＥを用いて第１ミラー面Ｍ１への入射角を変更した場合における走査角と縦歪曲との関係を示す図である。このように交差角が９０°であれば、縦歪曲の変化が生じない。

図１３（ａ）、（ｂ）を比較すると明らかであるが、反射鏡ＢＥを軸線ＰＶ回りに回転させることで、反射鏡ＢＥから反射した光束ＬＢの第１ミラー面Ｍ１への入射角βが変化する（図１３（ａ）ではβ＝０）。これにより、第１ミラー面Ｍ１から反射した光束ＬＢの方向が変わり、更に、第２ミラー面Ｍ２から反射した光束ＬＢの方向が副走査角方向において変わることになる。尚、反射鏡を回転する間は走査を行えないので、例えば第１ミラー面と第２ミラー面とが３対以上ある場合、１対目から３対目のミラー面で走査を行った後、１対目のミラー面が通過する間に、反射鏡を回転させ、回転後の２対目、３対目、１対目のミラー面で、異なる副走査範囲を走査し順番を入れ替えてもよい。

走査角中心である場合、第１ミラー面への入射角を変えることで、副走査角方向にスポット光を移動することが出来るが、上述したように第１ミラー面と第２ミラー面との交差角が９０°からずれると、走査角の周辺に行くにつれスポット回転が生じる（図１１参照）。よって、スポット回転が生じた延長線上で、スポット光を移動することになるため、スポット回転を抑えることができる第１ミラー面と第２ミラー面との交差角を使用することで、走査角周辺でも測定範囲の変化を抑えて走査することが可能になる。また、入射角のずれは副走査角に影響するので、投光系全体が傾いたとき、また、走査光学系本体が傾いたとき、また初期位置補正のために、偏向素子を用いて入射角を所望の値とするように調整しても良い。

前記ミラーユニットは、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、各対における前記交差角は異なっており、前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記投光系から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有し、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角の副走査角の角度が連続していることが好ましい。

前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の対の数を増やし、且つそれぞれの交差角を変更することに加え、前記偏向素子を用いて前記第１ミラー面への入射角を変化させることで、走査ラインを任意に増やすことが可能である。図１３で、ミラーユニットＭＵが、交差角を異ならせた複数対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とを有する場合に相当する。前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の交差角が複数ある場合、一つ一つの交差角の角度が離れていると、理論上縦歪曲の生じない交差角９０°から離れてしまい、縦歪曲が生じることになる。そのため、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の交差角が複数ある場合、角度が隣接した走査角で走査することで、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の交差角が９０°から大きく外れることなく、かつ前記偏向素子で副走査角を増やすことが出来る。「連続」とは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面の交差角による副走査角方向の偏角（角度差）よりも、偏向素子による偏角（角度差）のほうが大きいことをいう。必ずしも回転方向順に走査される必要はない。

前記ミラーユニットは樹脂製であることが好ましい。本発明にかかるミラーユニットは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面を組み合わせているため、回転軸方向に大型化する傾向がある。そのため、公知例で知られるような、ミラーやポリゴンミラーに比べ重量が大きくなることが多い。また、モータなどの動力源よりも離れた位置に重心があると、軸ぶれが起きやすくなる。軸ぶれが起きると、走査評価する角度と副走査角との間にずれが生じるため、例えば対象物のある方を前方として、前後に回転軸が傾いたとき、走査角の周辺に行くほど縦歪曲が出てしまうことになる。そこで、前記ミラーユニットを樹脂製とすることで軽量化すれば、軸ぶれが起きにくいミラーユニットとできる。尚、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面は、ミラーユニットに反射層は蒸着、塗布、メッキ、による反射膜や金属研磨ミラー、フィルミラーを張り付けるなどして形成することができる。また、温度変化のある環境下で使用する場合、ポリカーボネート、アクリルなどの樹脂でミラーユニットを作製すると熱膨張率が高く温度変化による面が歪むなどの変化があるため、投光光束が崩れる可能性がある。そのため、温度変化のある環境下で使用する場合、ミラーユニットを熱膨張率の低いアルミニウムなどの金属を用いて作製してもよい。

前記ミラーユニットの前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が90度以外のとき、下記の条件式を満足することが好ましい。
|β|≦３０ （２）
但し、
β：前記第１ミラー面へ入射する光束の前記回転軸に直交する面に対する角度（°：入射角という）

前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が90度から離れるほど、走査角の周辺を走査した場合に、縦歪曲とスポット回転が起こりやすい。条件式（２）の範囲内であれば、入射角と副走査角が近づくので、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角を90度から離さなくてもよくなり、縦歪曲とスポット回転を抑制できる。また、入射角が回転軸と直交する角度に近づけると、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が同じであれば、縦歪曲とスポット回転を抑制できる。望ましくは以下の条件式を満たすことである。
|β|≦２０ （２’）
更に望ましくは以下の条件式を満たすことである。
|β|≦１０ （２’’）

前記投光系を複数個有し、各投光系から出射された光束は、前記第１ミラー面へ入射する際の前記回転軸に直交する面に対する角度が異なることが好ましい。

前記投光系を複数個用意することで、縦歪曲やスポット回転を大きく劣化させることなく、走査角または副走査角を大きくとることが可能である。たとえば、図１４に示すように、副走査角方向に異なる入射角度で２つの投光系ＬＰＳ１，ＬＰＳ２から光束ＬＢ，ＬＢ’を入射させれば、第２ミラー面Ｍ２から出射した光束ＬＢ，ＬＢ’の出射方向が副走査角方向において変わり、これにより縦歪曲を悪化させることなく走査ラインを増やすことが可能になる。そうすることによって、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角９０°付近を使いつつ、副走査する範囲を増やすことができる。

また、回転軸とは離れた位置に複数の投光系（入射角が等しいことが望ましい）を配置することで、ミラーユニットの稜線（回転方向に隣接するミラー面との交差部）の影響が少なくなるため、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との対数を増やしても、走査角を広げることができる。

前記ミラーユニットを介して走査され前記対象物に投光された光束の反射光を受光する受光系を有することが好ましい。本発明によれば、対象物に対して縦歪曲やスポット回転の少ない投光を行えるため、前記投光系からの光束を適切な方向に投光や照明することができる。そのため、必要な範囲にのみスポット光を当てて走査することができるため、対応する走査範囲の視野を持つ受光系を設けることで、必要な範囲のみの対象物を検出することができる。例えば、２次元センサー（ＣＭＯＳ、ＣＣＤ等）とレンズからなる受光系を用いる。

前記対象物からの反射光は、前記第２ミラー面に反射した後、前記第１ミラー面に反射して、前記受光系で受光されることが好ましい。前記投光系と前記ミラーユニットにより、全角１８０度以上の広い範囲を走査することも可能であるが、そのように広い走査範囲からの反射光を、前記受光系として、２次元センサー（CMOS、ＣＣＤ等）とレンズで受光することは困難であり、必要な物体側開口径を得ることは難しい。また例え受光出来たとしても、レンズの歪曲があるので分解能が変化することになる。そこで、図１５に示すように、投光系ＬＰＳを受光系ＲＰＳよりも回転軸ＲＯ方向に第２ミラー面近く、共に光軸が回転軸に直交し、かつ光軸が平行になるように配置し、対象物からの反射光を、第２ミラー面Ｍ２に反射した後、第1ミラー面Ｍ１に反射させて、受光系ＲＰＳのレンズＬＳを介して撮像素子ＰＤで受光することで、例えば全角１８０度の範囲で投光系ＬＰＳと同じ分解能を得ることが出来る。受光系ＲＰＳと投光系ＬＰＳの光軸が互いに平行であることが好ましいが、レンズや自由曲面ミラーによって光軸をずらして受光しても良い。光軸が回転軸に交差するように配置することで、左右対称の走査角を得ることができるが、走査角に余裕があれば左右にずらして配置してもよい。

前記受光系は、少なくとも前記投光系の出射光束の長辺方向に視野分割するように複数の受光素子から構成される受光センサを備えることが好ましい。前記投光系から出射された光束は、前記対象物の測定範囲内で走査角方向よりも副走査各方向に長くすることで、スポットの回転が少なくできるため、広い走査角で垂直方向の視野拡大を行うことができるが、その分、分解能が低下してしまう。そこで、少なくとも投光系から出射された光束の長辺方向と同方向に複数の受光素子を配置することで、視野を広く取ることができることに加え、視野分割をすることができ、分解能を向上できる。例えば、図２８のように、回転軸方向に複数の受光素子を配置することで視野を分割することができる。

複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、少なくとも一つの対における前記交差角は９０度以外であり、前記交差角が９０度から離れた対に対して投光する際の前記光源の発光タイミングを、前記交差角が９０度に近い（９０度である場合を含む）対に対して投光する際の前記光源の発光タイミングより遅くすることが好ましい。前記交差角が９０度より離れると、回転角と走査角が近付くこととなる。そのため、異なる交差角で発光タイミングが同じだと、スポット光間が詰まったり、離れたりしてしまう恐れがある。そこで、前記交差角が９０度から離れるほど、前記光源の発光タイミングを遅くすることで分解能変化を低減にすることが可能になる。

本発明は、明細書に記載の実施形態、実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、図面を用いて説明した本発明の内容は、全て実施形態に適用できる。

１ 車両
１ａ フロントウィンドウ
１ｂ フロントグリル
ＣＬ コリメートレンズ
Ｇ 画面
ＬＤ 半導体レーザ
Ｌｎ１−Ｌｎ４ 画面の領域
ＬＰＳ 投光系
ＳＯ 投光系の光軸
ＬＲ レーザレーダー
ＬＳ レンズ
Ｍ１ 第１の反射面
Ｍ２ 第２の反射面
ＯＢＪ 対象物
ＰＤ フォトダイオード
ＭＵ ミラーユニット
ＲＯ 回転軸
ＲＰＳ 受光系

Claims (11)

1. 回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えた回転するミラーユニットと、
   前記ミラーユニットを介して、対象物に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
   前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面へ向かって進行し、更に前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じて前記対象物に対して走査されつつ投光されるようになっており、
   前記投光系から出射された光束は、前記対象物の測定範囲で走査角方向よりも副走査角方向に長く、下記条件式を満足し、
   前記ミラーユニットは、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、各対における前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が異なっていることを特徴とする走査光学系。
   |θ１−９０|×|α|≦２２５・・・（１）
   但し、
   θ１：前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角（°）
   α：回転角（°）
2. 前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記投光系から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有する請求項１に記載の走査光学系。
3. 前記ミラーユニットは、複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、各対における前記交差角は異なっており、
   前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記投光系から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有し、
   前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角の副走査角の角度が連続している請求項１に記載の走査光学系。
4. 前記ミラーユニットは樹脂製である請求項１から３のいずれかに記載の走査光学系。
5. 前記ミラーユニットの前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が90度以外のとき、下記の条件式を満足する請求項１から４のいずれかに記載の走査光学系。
   |β|≦３０ （２）
   但し、
   β：前記第１ミラー面へ入射する光束の前記回転軸に直交する面に対する角度（°：入射角という）
6. 前記投光系を複数個有し、各投光系から出射された光束は、前記第１ミラー面へ入射する際の前記回転軸に直交する面に対する角度が異なる請求項１から５のいずれかに記載の走査光学系。
7. 前記ミラーユニットを介して走査され前記対象物に投光された光束の反射光を受光する受光系を有する請求項１から６のいずれかに記載の走査光学系。
8. 前記対象物からの反射光は、前記第２ミラー面に反射した後、前記第１ミラー面に反射して、前記受光系で受光される請求項７に記載の走査光学系。
9. 前記受光系は、少なくとも前記投光系の出射光束の長辺方向に視野分割するように複数の受光素子から構成される受光センサを備える請求項７または８に記載の走査光学系。
10. 複数対の前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを有し、少なくとも一つの対における前記交差角は９０度以外であり、前記交差角が９０度から離れた対に対して投光する際の前記光源の発光タイミングを、前記交差角が９０度に近い対に対して投光する際の前記光源の発光タイミングより遅くする請求項１から９のいずれかに記載の走査光学系。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の走査光学系を有することを特徴とするレーダー。

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