JP2009204691A - Optical scanner, laser radar device and optical scanning method - Google Patents

Optical scanner, laser radar device and optical scanning method Download PDF

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    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical scanner which can change a scan angle of optical scan, without having to exchange lens. <P>SOLUTION: A variable focus lens 16 is constituted of two sheets of a first liquid lens 26, which is disposed on the laser beam source 18 side and is capable of changing a focal distance f1 and a second liquid lens 28, which is disposed on the opposite side to the laser beam source 18, is disposed for the first liquid lens 26 with a prescribed interval L and is capable of changing a focal distance f2. The focal distance (s) of the laser beam source 18 side of the variable focus lens 16 and the focal distance (f) of the side opposite to the laser beam source 18 are controlled, by changing the focal distance f1 of the first liquid lens 26 and the focal distance f2 of the second liquid lens 28. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to an optical scanning device, a laser radar device, and an optical scanning method.

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。   Conventionally, a laser radar device scans a laser beam in a predetermined direction using a galvanometer mirror or a polygon mirror, measures the time until the reflected light from the object arrives, and measures the distance to the object. ing.

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。
特開２００４−２４７４６１号公報 In the conventional apparatus, since the light is scanned using the mirror, the optical scanning apparatus becomes relatively large and the laser radar apparatus becomes large. Therefore, in recent years, an optical scanning technique using a solid-state device (for example, a KTN crystal) and an optical scanning technique not using a mirror (Patent Document 1) have been devised. Optical scanning using a MEMS mirror is also known. In such an optical scanning technique, since the light source and the optical scanning device can be reduced in size, the laser radar device can be reduced in size.
JP 2004-247461 A

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。   By the way, in the optical scanning device, it is necessary to use a short focal length lens when performing optical scanning over a wide angle range, and long focal length when performing optical scanning over a narrow angle range with high angular resolution. It is necessary to use this lens.

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。   However, since the focal length of the lens used in the technique described in Patent Document 1 is fixed and the deflection angle is constant, when it is desired to change the scanning angle of the optical scanning, it depends on the scanning angle of the optical scanning. There is a problem that the lens needs to be replaced.

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。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides an optical scanning device, a laser radar device, and an optical scanning method capable of changing the scanning angle of optical scanning without exchanging lenses. The purpose is to do.

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。   In order to achieve the above object, an optical scanning device according to a first aspect of the present invention includes a variable focus lens in which one focal position is fixed and the other focal position is changeable, and an interval in a direction intersecting the optical axis. A light-emitting element array in which a plurality of light-emitting elements are arranged at intervals, and a light source arranged to irradiate light in the direction of the variable-focus lens at the one focal position, and the light scanning according to a scanning angle of the optical scanning And control means for controlling to change the other focal position.

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。   The deflection angle of the light emitted from the variable focus lens is fixed by fixing one focal position of the variable focus lens and changing the focus position of the other, and arranging a light source having a light emitting element array at one focus position. Changes, and the scanning angle of the optical scanning changes. In this way, by controlling to change the focal position, it is possible to perform optical scanning at a desired scanning angle.

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。   In the optical scanning device according to the first aspect of the present invention, the variable focal length lens includes a first liquid lens that is provided on the light source side and capable of changing a focal length, and a first liquid lens that is provided on the opposite side of the light source. It is preferable to include a second liquid lens that is provided at a predetermined interval and that can change the focal length.

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。   The control means controls the focal length (f1) of the first liquid lens so as to satisfy the following formula (1), and the focal length (f2) of the second liquid lens is set by the following formula (2). It can be controlled to satisfy.

Figure 2009204691
Figure 2009204691

Figure 2009204691
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。
Figure 2009204691
 In the above formulas (1) and (2), s is the focal length on one focal position side of the variable focus lens, L is the distance between the center of the first liquid lens and the center of the second lens, and f is The focal distance on the other focal position side of the variable focus lens is shown.

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。   The light source can be configured by arranging a plurality of light emitting element arrays on a surface intersecting the optical axis. That is, a plurality of light emitting elements can be arranged two-dimensionally. Note that a plurality of light emitting elements may be arranged one-dimensionally.

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。   A laser radar device according to a second invention includes the optical scanning device according to the first invention and a light receiving element disposed in a predetermined region including the focal position.

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。   In the optical scanning method according to the third aspect of the present invention, the other focal position of the variable focus lens in which one focal position is fixed and the other focal position can be changed is changed according to the deflection angle of the optical scanning. To control.

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。   As described above, according to the optical scanning device, the laser radar device, and the optical scanning method of the present invention, the other focal position of the variable focus lens in which one focal position is fixed and the other focal position can be changed. Can be changed without changing the mounted lens, so that the scanning angle of the optical scanning can be freely changed. The effect of is obtained.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。   As shown in FIG. 1, the laser radar device 10 according to the present embodiment irradiates a laser beam, controls an optical system 12 that receives a laser beam reflected from an object, and controls the optical system 12. A measurement processing device 14 that generates a distance image of a measurement region based on light reception by the optical system 12 and an input device 62 for inputting an instruction from an operator are provided.

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。   The laser radar device 10 is mounted in front of a moving body such as a vehicle and a robot, and is used for forward monitoring.

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。   The optical system 12 includes a variable focus lens 16 in which one focal position is fixed and the other focal position is variable, and a laser light source 18 that emits laser light, and an optical scanning unit 20 that deflects and scans the laser light. And a light receiving element 22 composed of a CCD or the like that receives the laser light reflected from the object and converts the received laser light into a voltage, and a lens 24 disposed on the light incident side of the light receiving element 22. ing.

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。   As shown in FIG. 2, the varifocal lens 16 includes a first liquid lens 26 provided on the laser light source 18 side, the focal length (f1) of which can be changed, and the laser light source 18 with respect to the optical scanning unit 20. Two liquid lenses including a second liquid lens 28 provided on the opposite side and provided with a predetermined distance (L) from the first liquid lens 26 and having a variable focal length (f2). It is configured.

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。   The focal length (s) on the laser light source 18 side of the variable focus lens 16 and the focal length (f) on the opposite side of the laser light source 18 are the focal length (f1) of the first liquid lens 26 and the second liquid lens. It is controlled by changing the focal length (f2) of 28.

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。   As shown in FIG. 3, the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28 are sealed with two kinds of liquids of equal density that are sandwiched between the lens holders 30. . One of the liquids has electrical conductivity and the other has non-conductivity. In this embodiment, water 32 and oil 34 are used. The liquid is covered with a thin insulating layer 36.

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。   Electrodes 38 are provided at both ends of the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28 so that a voltage is applied thereto.

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。   When no voltage is applied to the electrode 38, the water 32 and the oil 34 exist in the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28 in half each other.

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。   On the other hand, when a voltage is applied to the electrode 38, a voltage is applied to the water 32, and the curvature of the boundary surface where the two types of liquid contact changes. As shown in FIGS. 3A and 3B, the curvature of the boundary surface in contact with the two types of liquid changes according to the voltage applied to the electrode 38, and the focal length changes. In the present embodiment, the focal lengths of the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28 are changed by changing the magnitude of the voltage applied to the electrode 38.

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。   The measurement processing device 14 includes a pulse driving circuit 46 that drives the laser light source 18, an optical scanning controller 48 that drives the variable focus lens 16, and an amplifier 50 that outputs a signal obtained by amplifying the voltage output from the light receiving element 22. Based on the signal output from the amplifier 50, a time analyzer 52 that measures the time from the irradiation of the laser beam to the reception of the laser beam by the light receiving element 22, a pulse drive circuit 46, and an optical scanning controller 48 And a control unit 54 that generates a distance image based on the measurement result of the time analyzer 52. The control unit 54 includes an input / output interface 56, a CPU 58, and a memory 60 for connecting to the pulse driving circuit 46, the optical scanning controller 48, and the time analyzer 52.

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。   Based on the drive control signal output from the control unit 54 in synchronization with the optical deflection control signal, the pulse drive circuit 46 irradiates the laser light source 18 with laser light having a pulse width of about 10 nsec, for example. Drive.

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。   Here, the configuration of the laser light source 18 will be described with reference to FIG. The laser light source 18 includes a flat VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) array 40 and a changeover switch 42, and the light emitting surface of the VCSEL array 40 is disposed so as to face the variable focus lens 16.

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。   The VCSEL array 40 is configured by arranging a plurality of VCSEL columns on the same plane in which a plurality of VCSELs 44 as light emitting elements are arranged in a predetermined direction. Note that in this embodiment mode, a VCSEL is used as a light-emitting element, but various other laser diodes and light-emitting diodes can be used as the light-emitting element, but it is preferable to use a VCSEL.

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。   The laser light emitted from each VCSEL 44 is deflected by the varifocal lens 16 and applied to the object in the measurement target region.

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。   The VCSEL array 40 is arranged such that the central portion of the VCSEL array 40 on the plane (outgoing surface) where the VCSEL 44 is arranged coincides with the focal point of the variable focus lens 16. That is, the focal length of the variable focus lens 16 on the laser light source 18 side corresponds to the distance to the emission surface of the VCSEL array 40.

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。   A pulse drive circuit 46 is connected to the VCSEL array 40, and a pulse current (drive signal) for driving the VCSEL 44 is generated by the pulse drive circuit 46.

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。   A changeover switch 42 is connected between the pulse drive circuit 46 and the VCSEL array 40, and the changeover switch 42 is connected to a terminal 44 </ b> A of each VCSEL 44. The changeover switch 42 switches the VCSEL 44 that is a light emission target from among a plurality of VCSELs 44, and the VCSEL 44 that is the light emission target by the changeover switch 42 is driven by a drive signal from the pulse drive circuit 46 to emit light.

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。   Here, the light deflection method of the light projecting system in the VCSEL array 40 and the variable focus lens 16 will be described. As shown in FIG. 5, the VCSELs 44 are arranged so that the light emission directions of the VCSELs 44 in the VCSEL array 40 are the same direction. The variable focus lens 16 is disposed substantially perpendicular to the optical axis of each VCSEL 44.

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。   The output light P1 of the VCSEL 44O corresponding to the center 16O of the variable focus lens 16 is emitted on the same axis as the optical axis of the variable focus lens 16. On the other hand, the output light P2 of the VCSEL 44D located at a distance d from the center 16O of the variable focus lens 16 is shifted by an angle θ represented by the following equation (3) with respect to the optical axis of the variable focus lens 16. The light is deflected and emitted.

Figure 2009204691
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。
Figure 2009204691
 In the above formula (3), f indicates the focal length on the object side of the variable focus lens 16.

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。   The laser light from each VCSEL 44 is deflected and emitted at different angles according to the distance from the center 16O of the variable focus lens 16, and the emitted laser light is projected to the front measurement target region. The emitted laser light is reflected by the object in the measurement target region, and the reflected light enters the light receiving element 22 of the laser radar device 10 via the lens 24.

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。   The optical scanning controller 48 changes the voltage applied to the electrode 38 based on the optical deflection control signal from the control unit 54 and controls the deflection angle of the variable focus lens 16.

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。   Based on the light deflection control signal from the controller 54, the optical scanning controller 48 adjusts the focal length of the first liquid lens 26 so that the focal length (s) of the variable focus lens 16 on the laser light source 18 side is constant. (F1) and the focal length (f2) of the second liquid lens 28 are controlled, and the focal position on the laser light source 18 side is fixed at a position indicated by X1 on the laser light source 18.

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。   Further, based on the light deflection control signal from the control unit 54, the focal length (f1) of the first liquid lens 26 and the focal length (f2) of the second liquid lens 28 are controlled, and the variable focus lens 16 is controlled. The focal length (f) on the object side of the varifocal lens 16 is changed so that the passed light is deflected to a desired deflection angle.

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。   In general, when a lens having a focal length of f1 and a focal length of f2 are combined and the distance between the centers of the lenses is L, the focal length (s on one side of the lens composed of two lenses (s ) And the other focal length (f) can be expressed by the following equations (4) and (5).

Figure 2009204691
Figure 2009204691

Figure 2009204691
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。
Figure 2009204691
 That is, the focal length (f1) of the first liquid lens 26 is controlled so as to satisfy the following formula (6), and the focal length (f2) of the second liquid lens 28 satisfies the following formula (7). By controlling in this way, the focal length (s) on the laser light source 18 side is fixed, the focal position is fixed at the position indicated by X1 on the laser light source 18, and the focal position on the object side of the variable focus lens 16 is fixed. X2 and the focal length (f) can be changed.

Figure 2009204691
Figure 2009204691

Figure 2009204691
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。
Figure 2009204691
 In the above formulas (6) and (7), s is the focal length of the variable focus lens 16 on the laser light source 18 side, and L is the distance between the centers of the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28. Show.

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。   In FIG. 6, the focal length (s) on the laser light source 18 side of the variable focus lens 16 is fixed at 30 mm, and the distance (L) between the centers of the first liquid lens 26 and the second liquid lens 28 is 10 mm. In this case, the focal length (f1) of the first liquid lens 26 and the focal length (f2) of the second liquid lens 28 with respect to a desired focal length (f) are shown. A positive value on the vertical axis indicates the focal length of the convex lens, and a negative value indicates the focal length of the concave lens.

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。   As described above, the variable focus lens 16 is composed of two lenses in which the first liquid lens 26 and the second second liquid lens 28 are combined, so that the focal position on the laser light source 18 side can be adjusted. The focal length (f) on the object side can be changed while being fixed, and the deflection angle can be set according to the scanning angle of the desired optical scanning.

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。   The time analyzer 52 measures the time from the laser light irradiation start time to the reflected light receiving time based on the drive control signal output from the control unit 54 and the signal input from the amplifier 50.

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。   The input device 62 is a device for inputting instructions from an operator, such as designation of a desired scanning angle of light scanning and designation of various parameters relating to distance image generation processing. An instruction from the operator input from the input device 62 is input to the control unit 54 via the input / output interface 56.

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。   Next, the operation of the laser radar device 10 according to the present embodiment will be described. In the control unit 54, a measurement processing routine shown in FIG.

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。   First, in step 100, a scanning angle (θ × 2) of desired optical scanning input via the input device 62 is acquired.

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。   In step 102, the focal length (f) is calculated based on the following equation (8).

Figure 2009204691
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。
Figure 2009204691
 In the above formula (8), d represents the distance between the VCSEL array 40O and the farthest VCSEL 44D.

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。   In step 104, the focal length (f1) and the focal length (f1) are calculated based on the above formulas (4) and (5).

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。   In step 106, the focal length of the first liquid lens 26 is changed to the focal length (f1) calculated in step 104, and the focal length of the second liquid lens 28 is changed to the focal length (f2) calculated in step 104. change.

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。   In step 108, a drive control signal is output to the pulse drive circuit 46 so that each VCSEL 44 emits laser light in order. In step 108, a drive control signal is also output to the time analyzer 52 in order to measure time.

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。   The laser light irradiated by the laser light source 18 is deflected by the variable focus lens 16 and irradiated to the front measurement region. The irradiated laser light is reflected by an object in the front measurement region, and the reflected laser light is received by the light receiving element 22 through the lens 24. The received laser light is converted into a voltage output by the light receiving element 22 and amplified by the amplifier 50, and a signal is output from the amplifier 50 to the time analyzer 52. Based on the signal from the amplifier 50, the time analyzer 52 measures the time from when the laser beam is irradiated until the laser beam is received.

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。   In the next step 110, the measured time is acquired from the time analyzer 52 and stored in the memory 60.

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。   In step 112, a distance image indicating the distance of the entire measurement region is generated based on the measurement result of the entire measurement region acquired in step 110. In step 114, the distance image generated in step 112 is displayed on a display (not shown), and the measurement processing routine is terminated.

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。   As described above, according to the laser radar device of the present embodiment, a variable focus that is configured by combining two liquid lenses, one of which has a fixed focal position and the other of which can be changed. By using the lens to control the other focal position of the variable focus lens so as to change according to the scanning angle of the optical scanning, the deflection angle can be changed without replacing the mounted lens. Therefore, the effect that the scanning angle of optical scanning can be freely changed is obtained.

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。   In the above embodiment, the case where a plurality of light emitting elements are arranged two-dimensionally has been described as an example, but a plurality of light emitting elements may be arranged one-dimensionally.

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。   In addition, the case where the central portion of the variable focus lens is focused on the light emission surface of the light source has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and a predetermined position near the focal position of the central portion of the variable focus lens is not limited thereto. The light source may be arranged so that the light emission surface of the light source is located in the region.

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。It is the schematic which shows the structure of the laser radar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the variable focus lens of the laser radar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the liquid lens contained in the variable focus lens which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a perspective view which shows the structure of the VCSEL array of the laser radar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 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。It is an image figure which shows a mode that a laser beam is scanned with a VCSEL array and the center part of a variable focus lens. 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。It is a graph which shows the relationship of the focal distance of a variable focus lens and a liquid lens. 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。It is a flowchart which shows the content of the measurement process routine in the laser radar apparatus which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser radar apparatus 12 Optical system 14 Measurement processing apparatus 16 Variable focus lens 18 Laser light source 20 Optical scanning part 22 Light receiving element 26 First liquid lens 28 Second liquid lens 30 Lens holder 32 Water 34 Oil 36 Insulating layer 38 Electrode 40 VCSEL array 42 selector switch 44 VCSEL
46 Pulse Drive Circuit 48 Optical Scanning Controller 50 Amplifier 52 Time Analyzer 54 Control Unit 60 Memory 62 Input Device

Claims (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。 A variable focus lens in which one focal position is fixed and the other focal position is changeable;
A light source arranged with a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are arranged at intervals in a direction intersecting the optical axis, and arranged to irradiate light in the direction of the variable focus lens at the one focal position;
Control means for controlling to change the other focal position in accordance with the scanning angle of optical scanning;
An optical scanning device comprising: 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。   The variable focus lens is provided on the light source side, the first liquid lens having a variable focal length, and provided on the opposite side of the light source and spaced from the first liquid lens by a predetermined distance. The optical scanning device according to claim 1, further comprising a second liquid lens having a variable focal length. 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。
Figure 2009204691
Figure 2009204691
 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。 The control means controls the focal length (f1) of the first liquid lens so as to satisfy the following formula (1), and sets the focal length (f2) of the second liquid lens to the following formula (2). The optical scanning device according to claim 2, which is controlled to satisfy
Figure 2009204691
Figure 2009204691
 In the above formulas (1) and (2), s is the focal length on the one focal position side of the variable focus lens, and L is the center of the first liquid lens and the center of the second lens. The distance, f, indicates the focal distance on the other focal position side of the variable focus lens. 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。   4. The optical scanning device according to claim 1, wherein the light source is configured by arranging a plurality of the light emitting element rows on a surface intersecting with the optical axis. 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。 The optical scanning device according to any one of claims 1 to 4, and
A light receiving element disposed in a predetermined region including the focal position;
A laser radar apparatus including: 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。   An optical scanning method for controlling the other focal position of a variable focus lens in which one focal position is fixed and the other focal position can be changed according to a scanning angle of optical scanning.
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