JP2018197680A - 距離測定装置及び走査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供する。
【解決手段】 距離測定装置１０は、レーザ光を発光する発光素子１２と、発光素子１２により発光されたレーザ光を第１角度の出射角で投光する走査素子１３と、対象物により反射されたレーザ光を検知する受光素子１６と、受光素子１６に入射するレーザ光を、第１角度の入射角で入射するレーザ光に制限する角度制限素子１５とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を走査することによって物体の位置を測定する距離測定装置及び走査方法に関する。

ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離測定装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、光学的に周囲の物体との距離を測定するセンサである。ＬＩＤＡＲは、対象物にパルス状のレーザ光を照射し、対象物で反射されたレーザ光が戻るまでの往復時間から距離を計測する。最近では、ＬＩＤＡＲは、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driving Assistant System）や自動運転に使われている。

ＬＩＤＡＲには、同軸光学系方式、分離光学系方式、及びＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージセンサ方式などがある。

同軸光学系方式に使われるポリゴンミラー（特許文献１）や、ＭＥＭＳミラー（特許文献２）は、可動部が存在するため、車両の振動により、長期信頼性に懸念がある。また、ポリゴンミラーやＭＥＭＳミラーが光学部品であるため、コストが高くなってしまう。

分離光学系方式では、電気的に位相を変えることにより、光の出射角を変える方式が提案されている（特許文献３、特許文献４）。この構成は、可動部がなく、より安価に製造できる可能性があるが、測定距離に懸念がある。測定距離が短くなる要因として、フォトダイオードに入射する光のうち、信号であるレーザ光に対し、太陽光などの外乱光の強度が強くなってしまう、つまり、ＳＮ比（signal-to-noise ratio）の低下が挙げられる。ＳＮ比が低下すると、精度よく信号を受信及び検知することができない。

特開２０１０−３８８５９号公報 特開２００９−２１６７８９号公報 国際公開２０１４／１１００１７号 国際公開２０１６／０２２２２０号

本発明は、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置及び走査方法を提供する。

本発明の一態様に係る距離測定装置は、レーザ光を発光する発光素子と、前記発光素子により発光されたレーザ光を第１角度の出射角で投光する走査素子と、対象物により反射されたレーザ光を検知する受光素子と、前記受光素子に入射するレーザ光を、前記第１角度の入射角で入射するレーザ光に制限する角度制限素子とを具備する。

本発明の一態様に係る走査方法は、第１角度の出射角でレーザ光を投光する工程と、受光素子に入射するレーザ光を、前記第１角度の入射角で入射するレーザ光に制限する工程とを具備する。

本発明によれば、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置及び走査方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る距離測定装置のブロック図。 投光部の構成を示す模式図。 受光部の構成を示す模式図。 走査素子及び角度制限素子の平面図。 図４のＡ−Ａ´線に沿った走査素子の断面図。 図４のＢ−Ｂ´線に沿った角度制限素子の断面図。 距離測定装置の基本動作を説明する概略図。 距離測定装置によるレーザ光の波形を説明する図。 距離測定装置の動作を説明するフローチャート。 実施例に係る投光部の構成を示す模式図。 実施例に係る受光部の構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る走査素子及び角度制限素子の平面図。 図１２のＣ−Ｃ´線に沿った走査素子及び角度制限素子の断面図。 走査素子及び角度制限素子の動作を説明する概略図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１実施形態］
［１］ 距離測定装置の構成
［１−１］ 距離測定装置のブロック構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る距離測定装置１０のブロック図である。

距離測定装置１０は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲に存在する対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、送信したレーザ光と受信したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。

距離測定装置１０は、車両の前側（例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル）、車両の後ろ側（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、及び／又は、車両の側方（例えば、フロントバンパーの側方）に配置される。また、距離測定装置１０は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。

距離測定装置１０は、投光部１１、受光部１４、パルスタイミング制御部１７、距離演算部１８、及び主制御部１９を備える。

投光部１１は、レーザ光を発光するとともに、このレーザ光を走査（ステアリングともいう）する。投光部１１は、発光素子１２、及び走査素子１３を備える。

発光素子１２は、走査素子１３に向けて、レーザ光を発光する。発光素子１２は、レーザーダイオードなどで構成される。レーザ光としては、例えば、赤外線レーザ光（例えば波長λ＝９０５ｎｍ）が用いられる。また、発光素子１２は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。

走査素子１３は、発光素子１２から出射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、走査素子１３は、発光素子１２からのレーザ光の出射角を制御することで、レーザ光を走査する。

受光部１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を検出する。この際、受光部１４は、受光部１４に入射するレーザ光のうち、特定の方向から入射するレーザ光に制限して、レーザ光の検知動作を行う。受光部１４は、角度制限素子１５、及び受光素子１６を備える。

角度制限素子１５は、対象物２によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。この際、角度制限素子１５は、レーザ光を所定の角度で屈折させる。換言すると、角度制限素子１５は、所定の角度で入射したレーザ光のみを受光素子１６に向けて屈折させる。所定の角度以外の角度で入射したレーザ光は、角度制限素子１５を透過するが、受光素子１６には入射しない。

受光素子１６は、角度制限素子１５を透過したレーザ光を検出する。受光素子１６は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）フォトセンサを含む。その他、受光素子１６として赤外線カメラを用いてもよい。

パルスタイミング制御部１７は、発光素子１２の動作を制御する。発光素子１２は、パルス信号としてレーザ光（すなわち、パルス状のレーザ光）を発光する。パルスタイミング制御部１７は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。

距離演算部１８は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部１７から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部１９から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１６から受ける。距離演算部１８は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部１８は、出射角や発光から受光までの時間などの情報を用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部１８は、出射角や発光から受光までの時間などの情報を用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部１８によって算出された距離及び／又は相対座標は、例えばデータＤＯＵＴとして外部に出力可能である。

主制御部１９は、距離測定装置１０の全体動作を統括的に制御する。主制御部１９は、走査素子１３に複数の電圧を印加することで、走査素子１３の走査動作を制御する。主制御部１９は、角度制限素子１５に複数の電圧を印加することで、角度制限素子１５の角度制限動作を制御する。

［１−２］ 投光部１１の構成
次に、投光部１１の構成について説明する。図２は、投光部１１の構成を示す模式図である。

発光素子１２は、走査素子１３に向けて、レーザ光を発光する。発光素子１２からのレーザ光は、走査素子１３の出射面に対して垂直方向に進む。発光素子１２から出射されるレーザ光は、高い指向性を有し、コヒーレントで幅の狭いレーザ光である。

走査素子１３は、角度２αの走査範囲でレーザ光を走査するものとする。角度αは、０度より大きく、９０度より小さい。走査素子１３は、出射角θでレーザ光を投光する。角度θは、角度α以下である。例えば、走査素子１３の出射面に対して垂直方向に進むレーザ光の角度を０度、垂直方向に対して右側が角度“＋θ”、垂直方向に対して左側が角度“−θ”とすると、出射角“＋θ”、すなわち垂直方向に対して右側にレーザ光を出射することも可能であるし、出射角“−θ”、すなわち垂直方向に対して左側にレーザ光を出射することも可能である。走査素子１３によるレーザ光の出射角は、主制御部１９によって制御される。

走査素子１３は、屈折率が変化する様々な光学素子を用いることができる。走査素子１３は、熱光学素子、電気光学素子、電界吸収型光学素子、自由キャリア吸収型光学素子、又は磁気光学素子などを用いることが可能である。

本実施形態では、走査素子１３は、例えば液晶素子から構成される。走査素子１３は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。走査素子１３の具体的な構成については後述する。

［１−３］ 受光部１４の構成
次に、受光部１４の構成について説明する。図３は、受光部１４の構成を示す模式図である。

角度制限素子１５は、対象物によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、角度制限素子１５は、走査素子１３によるレーザ光の出射角と同じ入射角で入射したレーザ光を、角度制限素子１５の入射面に対して垂直になるように（屈折角が０度になるように）屈折させる。角度制限素子１５によるレーザ光の入射角は、主制御部１９によって制御される。

走査素子１３による出射角θである場合、角度制限素子１５は、入射角θで入射するレーザ光を垂直方向に、すなわち屈折角が０度で屈折させる。走査素子１３による出射角が０度である場合、角度制限素子１５は、垂直方向に入射するレーザ光を屈折させずに透過する。

角度制限素子１５は、液晶素子から構成される。角度制限素子１５は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。角度制限素子１５の具体的な構成については後述する。

角度制限素子１５を透過したレーザ光は、集光レンズ２０を透過する。集光レンズ２０は、例えば平凸レンズで構成される。平凸レンズ２０は、その平面が角度制限素子１５に向き合うように配置される。平凸レンズ２０は、所定の屈折角でレーザ光を集光する。平凸レンズ２０を設けない場合には、受光素子１６のサイズを角度制限素子１５と同程度とすればよいが、平凸レンズ２０を設けることで、受光素子１６のサイズを小さくできるため、好ましい。平凸レンズ２０を透過したレーザ光は、受光素子１６に入射する。

［１−４］ 走査素子１３及び角度制限素子１５の構成
次に、走査素子１３及び角度制限素子１５の構成について説明する。図４は、走査素子１３及び角度制限素子１５の平面図である。図５は、図４のＡ−Ａ´線に沿った走査素子１３の断面図である。図６は、図４のＢ−Ｂ´線に沿った角度制限素子１５の断面図である。

（走査素子１３）
走査素子１３は、透過型の液晶素子である。走査素子１３は、対向配置された基板３０、３１と、基板３０、３１間に挟持された液晶層３２とを備える。基板３０、３１の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。基板３０は、発光素子１２に対向配置され、発光素子１２からのレーザ光は、基板３０側から液晶層３２に入射する。

液晶層３２は、基板３０、３１間に充填される。具体的には、液晶層３２は、基板３０、３１と、シール材３３とによって包囲された領域内に封入される。図５の液晶層３２に図示された楕円は、液晶分子を模式的に表している。シール材３３は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板３０又は基板３１に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。

液晶層３２を構成する液晶材料は、基板３０、３１間に印加された電圧（電界）に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の走査素子１３は、ホモジニアスモードある。すなわち、液晶層３２として正の誘電率異方性を有するポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧（電界）を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸（ダイレクタ）が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。液晶分子の傾斜角は、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層３２の初期配向は、液晶層３２を挟むようにして基板３０、３１にそれぞれ設けられた２つの配向膜（図示せず）によって制御される。

なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。ＶＡモードでは、電界を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。

基板３０の液晶層３２側には、それぞれがＸ方向に延びる複数のセル電極３４が設けられる。任意の数のセル電極群は、単位電極３５を構成する。図４には、３個の単位電極３５−１〜３５−３を例示しているが、単位電極３５の数は任意に設定可能である。また、図４では、１つの単位電極３５が４個のセル電極３４を備えているが、１つの単位電極３５に含まれるセル電極３４の数は、任意に設定可能である。単位電極３５−１は、セル電極３４−１〜３４−４から構成される。単位電極３５−２は、セル電極３４−５〜３４−８から構成される。単位電極３５−３は、セル電極３４−９〜３４−１２から構成される。

単位電極３５のＹ方向の長さは、これを構成するセル電極３４の数を変更することで変えることができる。セル電極３４は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。

複数の単位電極３５は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極３４は、互いに電気的に分離されている。すなわち、セル電極３４に対して個別に電圧制御が可能であり、また、単位電極３５に対して個別に電圧制御が可能である。

基板３１の液晶層３２側には、それぞれがＸ方向に直交するＹ方向に延びる複数のセル電極３６が設けられる。任意の数のセル電極群は、単位電極３７を構成する。図４には、３個の単位電極３７−１〜３７−３を例示しているが、単位電極３７の数は任意に設定可能である。また、図４では、１つの単位電極３７が４個のセル電極３６を備えているが、１つの単位電極３７に含まれるセル電極３６の数は、任意に設定可能である。単位電極３７−１は、セル電極３６−１〜３６−４から構成される。単位電極３７−２は、セル電極３６−５〜３６−８から構成される。単位電極３７−３は、セル電極３６−９〜３６−１２から構成される。

単位電極３７のＸ方向の長さは、これを構成するセル電極３６の数を変更することで変えることができる。セル電極３６は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯが用いられる。

複数の単位電極３７は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極３６は、互いに電気的に分離されている。すなわち、セル電極３６に対して個別に電圧制御が可能であり、また、単位電極３７に対して個別に電圧制御が可能である。

図４から理解されるように、走査素子１３は、パッシブマトリクス方式（単純マトリクス方式）であり、また、ドットマトリクス方式である。すなわち、走査素子１３は、ドットマトリクスのパターンを有する。走査素子１３は、１つのセル電極３４と１つのセル電極３６とが交差する１つのドット毎に、液晶配向を制御できる。

単位電極３５と単位電極３７との１つの交差領域は、図４の例では概略正方形であり、この交差領域は、光の位相を制御する単位となる。単位電極３５及び単位電極３７の電圧制御は、主制御部によって行われる。

（角度制限素子１５）
次に、角度制限素子１５の構成について説明する。角度制限素子１５は、前述した走査素子１３と同じ構成を有する。

図４及び図６に示すように、角度制限素子１５は、基板４０、基板４１、液晶層４２、シール材４３を備える。基板４０には、複数の単位電極４５（４５−１〜４５−３）が設けられる。基板４１には、複数の単位電極４７（４７−１〜４７−３）が設けられる。

単位電極４５は、複数のセル電極４４から構成される。一例として、単位電極４５−１は、セル電極４４−１〜４４−４から構成される。単位電極４５−２は、セル電極４４−５〜４４−８から構成される。単位電極４５−３は、セル電極４４−９〜４４−１２から構成される。

単位電極４７は、複数のセル電極４６から構成される。一例として、単位電極４７−１は、セル電極４６−１〜４６−４から構成される。単位電極４７−２は、セル電極４６−５〜４６−８から構成される。単位電極４７−３は、セル電極４６−９〜４６−１２から構成される。

なお、走査素子１３（及び角度制限素子１５）として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶素子（透過型ＬＣＯＳ）を用いてもよい。透過型ＬＣＯＳを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の走査素子１３を実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（又は透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶素子として使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、セル電極がより小さい液晶素子とすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザ光を高速で走査することが可能となる。

［１−５］ 回路構成
次に、前述した図４を用いて、走査素子１３及び角度制限素子１５の周辺の回路構成について説明する。

走査素子１３は、主制御部１９によって電圧制御される。このために、走査素子１３は、主制御部１９に複数の信号線を介して電気的に接続される。

具体的には、セル電極３４−１、３４−５、３４−９は、信号線ＳＬ１に電気的に接続される。セル電極３４−２、３４−６、３４−１０は、信号線ＳＬ２に電気的に接続される。セル電極３４−３、３４−７、３４−１１は、信号線ＳＬ３に電気的に接続される。セル電極３４−４、３４−８、３４−１２は、信号線ＳＬ４に電気的に接続される。

セル電極３６−１、３６−５、３６−９は、信号線ＳＬ５に電気的に接続される。セル電極３６−２、３６−６、３６−１０は、信号線ＳＬ６に電気的に接続される。セル電極３６−３、３６−７、３６−１１は、信号線ＳＬ７に電気的に接続される。セル電極３６−４、３６−８、３６−１２は、信号線ＳＬ８に電気的に接続される。

このような接続関係により、単位電極３５−１〜３５−３はそれぞれ、主制御部１９によって同じ電圧制御が行われる。よって、単位電極３５−１〜３５−３はそれぞれ、液晶層に同じ屈折率の勾配を形成することができる。また、単位電極３７−１〜３７−３はそれぞれ、主制御部１９によって同じ電圧制御が行われる。よって、単位電極３７−１〜３７−３はそれぞれ、液晶層に同じ屈折率の勾配を形成することができる。

角度制限素子１５は、主制御部１９によって電圧制御される。このために、角度制限素子１５は、主制御部１９に複数の信号線を介して電気的に接続される。

具体的には、セル電極３４−１、３４−５、３４−９は、信号線ＳＬ１に電気的に接続される。セル電極３４−２、３４−６、３４−１０は、信号線ＳＬ２に電気的に接続される。セル電極３４−３、３４−７、３４−１１は、信号線ＳＬ３に電気的に接続される。セル電極３４−４、３４−８、３４−１２は、信号線ＳＬ４に電気的に接続される。

セル電極３６−１、３６−５、３６−９は、信号線ＳＬ５に電気的に接続される。セル電極３６−２、３６−６、３６−１０は、信号線ＳＬ６に電気的に接続される。セル電極３６−３、３６−７、３６−１１は、信号線ＳＬ７に電気的に接続される。セル電極３６−４、３６−８、３６−１２は、信号線ＳＬ８に電気的に接続される。

このような接続関係により、単位電極３５−１〜３５−３はそれぞれ、主制御部１９によって同じ電圧制御が行われる。よって、単位電極３５−１〜３５−３はそれぞれ、液晶層に同じ屈折率の勾配を形成することができる。また、単位電極３７−１〜３７−３はそれぞれ、主制御部１９によって同じ電圧制御が行われる。よって、単位電極３７−１〜３７−３はそれぞれ、液晶層に同じ屈折率の勾配を形成することができる。

ここで、走査素子１３及び角度制限素子１５は、共通の信号線ＳＬ１〜ＳＬ８を用いて主制御部１９に電気的に接続される。よって、主制御部１９は、走査素子１３及び角度制限素子１５を確実に同期して電圧制御できるとともに、走査素子１３及び角度制限素子１５の屈折率を同じに設定することができる。すなわち、走査素子１３の出射角と、角度制限素子１５の入射角とを同じにすることができる。換言すると、走査素子１３の出射角と同じ角度の入射角で角度制限素子１５に入射したレーザ光を受光素子１６に入射させることができる。

なお、走査素子１３及び角度制限素子１５の電圧制御が同じであれば、走査素子１３及び角度制限素子１５を共通の信号線で接続せずに、走査素子１３及び角度制限素子１５と主制御部１９とをそれぞれ別の信号線で電気的に接続してもよい。

［２］ 距離測定装置１０の動作
［２−１］ 距離測定装置１０の基本動作
まず、距離測定装置１０の基本動作について説明する。図７は、距離測定装置１０の基本動作を説明する概略図である。なお、図７では、距離測定装置１０が車両１の前方を走査する態様を一例として示している。

距離測定装置１０に含まれる投光部１１は、角度２αの走査範囲でレーザ光を投光する。受光部１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を受光する。想定する対象物２までの距離Ｌ、距離Ｌにおける走査範囲Ｒとする。例えば、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度２α、距離Ｌ、及び走査範囲Ｒは、距離測定装置１０に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。

図８は、距離測定装置１０によるレーザ光の波形を説明する図である。図８の上側が投光の波形、下側が受光の波形である。図８の横軸が時間であり、図８の縦軸が強度（光強度）である。

発光素子１２は、パルス信号からなるレーザ光を発光する。すなわち、発光素子１２は、時分割でレーザ光を出射する。距離測定装置１０は、パルス信号としてレーザ光を投光する。パルス信号の周期Ｐ、パルス幅Ｗとする。１つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Ｃとする。遅れ量Δは、“Δ＝２Ｌ／Ｃ”で算出される。

例えば、パルス幅Ｗ＝１０ｎｓｅｃ、周期Ｐ＝１０μｓｅｃ（すなわち、周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）であるものとする。遅れ量Δ＝６７ｎｓｅｃの場合、距離Ｌ＝１０ｍが算出される。

このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。

［２−２］ 距離測定装置１０の走査動作
信号強度を向上させるためには、外乱となる太陽光などの外乱光をカットする必要がある。外乱光は、あらゆる角度から入射する一方で、信号は、距離測定装置１０から発した角度からしか返ってこない。そこで、信号が返ってくる角度に制限してレーザ光を受信することで、信号強度を向上させるようにしている。

図９は、距離測定装置１０の動作を説明するフローチャートである。主制御部１９は、走査素子１３の出射角を角度θに設定し、角度制限素子１５の入射角を角度θに設定する（ステップＳ１００）。すなわち、主制御部１９は、走査素子１３と角度制限素子１５とを同期して動作させる。同期とは、走査素子１３による屈折角と、角度制限素子１５による屈折角とを同じにすることを意味する。

例えば、図５に示すように、主制御部１９は、単位電極３７−１において、セル電極３６−１〜３６−４に、この順に低くなる実効電圧を印加する。セル電極３４とセル電極３６との間に印加される電圧は、交流電圧である。単位電極３７−２、３７−３においても、主制御部１９は、単位電極３７−１と同じ電圧を印加する。これにより、単位電極３７−１〜３７−３のそれぞれにおいて、同じ屈折率の勾配が生じる。

同様に、図６に示すように、主制御部１９は、単位電極４７−１において、セル電極４６−１〜４６−４に、この順に低くなる実効電圧を印加する。セル電極４４とセル電極４６との間に印加される電圧は、交流電圧である。単位電極４７−２、４７−３においても、主制御部１９は、単位電極４７−１と同じ電圧を印加する。これにより、単位電極４７−１〜４７−３のそれぞれにおいて、同じ屈折率の勾配が生じる。

続いて、主制御部１９は、投光部１１から出射角θでレーザ光を投光する（ステップＳ１０１）。具体的には、パルスタイミング制御部１７は、パルス状のレーザ光を発光素子１２から発光させる。発光素子１２からのレーザ光は、走査素子１３を透過するとともに、角度θだけ屈折する。図５の例では、基板３０側から入射したレーザ光は、右側に屈折するようにして、走査素子１３から出射される。

続いて、受光部１４は、入射角θで入射したレーザ光を受光する（ステップＳ１０２）。具体的には、角度制限素子１５は、入射角θで入射したレーザ光を、入射面に対して垂直方向に（屈折角が０度で）屈折させる。角度制限素子１５を透過したレーザ光は、受光素子１６に入射する。これにより、角度制限素子１５は、受光素子１６に入射するレーザ光を、入射角θで受光部１４に入射するレーザ光に制限することができる。なお、入射角θ以外の角度で角度制限素子１５に入射したレーザ光は、受光素子１６に向かって屈折せず、受光素子１６には入射しないので、このレーザ光は、受光素子１６によって検出されない。

続いて、距離演算部１８は、対象物までの距離を算出する（ステップＳ１０３）。具体的には、距離演算部１８は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部１７から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部１９から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１６から受ける。距離演算部１８は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。

［３］ 実施例
次に、投光部１１の実施例について説明する。図１０は、実施例に係る投光部１１の構成を示す模式図である。

走査素子１３の出射面側には、平凹レンズ２１が設けられる。平凹レンズ２１は、その平面が走査素子１３に向き合うように配置される。平凹レンズ２１は、レーザ光を拡散する。すなわち、平凹レンズ２１は、入射角θより大きい出射角（屈折角）θ´でレーザ光を出射する。実施例によれば、レーザ光の走査範囲を広くすることができる。

次に、受光部１４の実施例について説明する。図１１は、実施例に係る受光部１４の構成を示す模式図である。

角度制限素子１５の入射面側には、平凹レンズ２２が設けられる。平凹レンズ２２は、その平面が角度制限素子１５に向き合うように配置される。平凹レンズ２２は、入射角θ´で凹面側に入射したレーザ光を屈折角θで屈折させる。実施例によれば、レーザ光の受光範囲を広くすることができるとともに、投光部１１の出射角θ´と、受光部１４の入射角θ´とを同じにすることができる。

［４］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１実施形態では、距離測定装置１０は、レーザ光を発光する発光素子１２と、発光素子１２により発光されたレーザ光を第１角度θの出射角で投光する走査素子１３と、対象物により反射されたレーザ光を検知する受光素子１６と、受光素子１６に入射するレーザ光を、第１角度θの入射角で入射するレーザ光に制限する角度制限素子１５とを備える。

従って第１実施形態によれば、距離測定装置１０は、距離測定装置１０に入射する光（太陽光などの外乱光を含む）のうち、送信したレーザ光が対象物によって反射されたレーザ光に制限して受信することができる。これにより、ＳＮ比を向上させることができる。また、ＳＮ比が向上するため、遠方の対象物によって反射された微小なレーザ光であっても精度良く検出することができるようになり、遠距離の信号を検出することが可能となるため、測定可能な距離を向上させることができる。

また、走査素子１３及び角度制限素子１５を同じ構造の液晶素子で構成するようにしている。また、走査素子１３及び角度制限素子１５を同じ信号で制御するようにしている。これにより、走査素子１３及び角度制限素子１５を同期させることが容易であり、受信の精度を向上させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、走査素子１３及び角度制限素子１５を共通の液晶素子で構成するようにしている。

図１２は、本発明の第２実施形態に係る走査素子１３及び角度制限素子１５の平面図である。図１３は、図１２のＣ−Ｃ´線に沿った走査素子１３及び角度制限素子１５の断面図である。

基板３０、３１、及び液晶層３２は、走査素子１３及び角度制限素子１５に共用される。また、セル電極３４−１〜３４−１２は、走査素子１３及び角度制限素子１５に共用される。さらに、信号線ＳＬ１〜ＳＬ８は、走査素子１３及び角度制限素子１５に共通接続される。

図１４は、走査素子１３及び角度制限素子１５の動作を説明する概略図である。主制御部１９は、走査素子１３の出射角を角度θに設定し、角度制限素子１５の入射角を角度θに設定する。投光部１１は、出射角θでレーザ光を投光する。受光部１４は、入射角θで入射したレーザ光を受光する。

第２実施形態によれば、走査素子１３及び角度制限素子１５は、液晶素子として一体で形成される。これにより、走査素子１３及び角度制限素子１５とで、液晶層の厚さ（セルギャップ）、セル電極の幅、セル電極間のスペース、並びに基板の材料及び厚さなどの製造工程において生じる誤差を同じにすることができる。よって、走査素子１３及び角度制限素子１５の光学特性を同じにすることができる。この結果、受信の精度をより向上させることができる。

なお、上記各実施形態では、距離測定装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、上記実施形態にかかる距離測定装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。

上記実施形態では、車両に搭載される距離測定装置について説明している。しかし、これに限定されず、距離測定装置は、レーザ光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。

上記実施形態では、角度制限素子１５にパッシブマトリクス方式を適用しているが、他の電極構造を用いてもよい。例えば、第１基板に複数のドットに対応しかつ互いに電気的に分離された複数の第１電極を形成し、第１基板に対向する第２基板に平面状の１つの共通電極を形成する。そして、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）などで構成される複数のスイッチング素子を用いて複数の第１電極を駆動するようにしてもよい。走査素子１３についても同様である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…距離測定装置、１１…投光部、１２…発光素子、１３…走査素子、１４…受光部、１５…角度制限素子、１６…受光素子、１７…パルスタイミング制御部、１８…距離演算部、１９…主制御部、２０…平凸レンズ、２１，２２…平凹レンズ、３０，３１…基板、３２…液晶層、３３…シール材、３４，３６…セル電極、３５，３７…単位電極、４０，４１…基板、４２…液晶層、４３…シール材、４４，４６…セル電極、４５，４７…単位電極、ＳＬ１〜ＳＬ８…信号線

Claims (6)

1. レーザ光を発光する発光素子と、
   前記発光素子により発光されたレーザ光を第１角度の出射角で投光する走査素子と、
   対象物により反射されたレーザ光を検知する受光素子と、
   前記受光素子に入射するレーザ光を、前記第１角度の入射角で入射するレーザ光に制限する角度制限素子と
   を具備する距離測定装置。
2. 前記角度制限素子及び前記走査素子を同期して動作させる
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記角度制限素子は、液晶素子で構成される
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
4. 前記走査素子は、液晶素子で構成される
   請求項１から３のいずれかに記載の距離測定装置。
5. 前記走査素子及び前記角度制限素子はそれぞれ、第１及び第２液晶素子で構成され、
   前記第１及び第２液晶素子は、一体で形成される
   請求項１から３のいずれかに記載の距離測定装置。
6. 第１角度の出射角でレーザ光を投光する工程と、
   受光素子に入射するレーザ光を、前記第１角度の入射角で入射するレーザ光に制限する工程と
   を具備する走査方法。