JP2020170049A - 走査光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型のミラーを用いて必要且つ十分な走査角を得ることが可能な走査光学装置を提供する。【解決手段】 ミラー１３は、光源１１からの光を一定の角度の範囲内で第１方向に走査する。第１レンズ１４は、第１焦点を有し、ミラーからの光を第１焦点に導く。集光手段１５は、第２焦点を有し、第２焦点が第１焦点と一致される。第２ミラー１６は、集光手段からの光を第１方向と交差する第２方向に走査する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、例えば３次元測距画像センサに適用される走査光学装置に関する。

例えば物体までの距離を３次元的に測定する所謂３Ｄ−ＬｉＤＥＲ（Light Detection and Ranging）と称する３次元測距画像センサが開発されている。このセンサは、例えばパルス状のレーザ光を、ポリゴンミラーを用いて走査し、物体からの反射光を検出することにより、物体までの距離を測定する。ポリゴンミラーは、角錐台形状であり、複数の反射面を有している。各反射面は、回転軸に沿った方向の傾斜角がそれぞれ変化されている。このため、回転するポリゴンミラーに反射面に照射されたレーザ光は、水平方向及び垂直方向に反射され、検出領域に照射される（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

また、角錐台形状ポリゴンミラーを使う替わりに、２台のポリゴンスキャナ、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを水平方向及び垂直方向に１台ずつ配置した構成で、３次元画像を取得する技術も開発されている（例えば特許文献３参照）。

特開平１１−８４００６号公報 特開２０１６−７０９７４号公報 特開平１−１００４９１号公報

一般に、レーザ光により水平方向（Ｘ軸方向）及び垂直方向（Ｙ軸方向）に２次元走査する場合において、１段目をＹ軸方向、２段目をＸ軸方向に走査する場合、Ｘ軸方向を走査するスキャナの反射面を大きくする必要がある。具体的には、Ｘ軸をポリゴンスキャナで走査する場合、ポリゴンミラーのＹ軸方向の厚みを走査角に応じて厚くする必要がある。このため、ポリゴンミラーが大型化し、製造コストが増加する。

本発明の実施形態は、小型のミラーを用いて必要且つ十分な走査角を得ることが可能な走査光学装置を提供する。

本実施形態の走査光学装置は、光源からの光を一定の角度の範囲内で第１方向に走査する第１ミラーと、第１焦点を有し、前記第１ミラーからの光を前記第１焦点に導く第１レンズと、第２焦点を有し、前記第２焦点が前記第１焦点と一致された集光手段と、前記集光手段からの光を前記第１方向と交差する第２方向に走査する第２ミラーと、を具備する。

第１実施形態に係る走査光学装置の一例を示す構成図。 第２実施形態に係る走査光学装置の一例を示す構成図。 比較例に係る走査光学装置の一例を示す構成図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る走査光学装置１０を示している。走査光学装置１０は、例えば光源としてのレーザダイオード１１、コリメートレンズ１２、例えばＹ軸方向の走査手段としてのガルバノスキャナ（第１ミラー）１３、第１レンズ１４、第２レンズ１５、例えばＸ軸方向の走査手段としてのポリゴンスキャナ（第２ミラー）１６、ビームスプリッタ１７、受光部としてのフォトダイオード１８を具備している。

レーザダイオード１１は、例えばパルス状のレーザ光（以下、単に光とも言う）を発生する。

コリメートレンズ１２は、レーザダイオード１１から発生された光を平行光とする。
ガルバノスキャナ１３は、ミラーと、ミラーを所定の回転角度θ１の範囲内で往復運動させる図示せぬ駆動部を具備している。ガルバノスキャナ１３は、コリメートレンズ１２からの平行光をＹ軸方向に回転角度θ１の範囲で走査させる。

図１は、光軸を直線で近似しているため、コリメートレンズ１２からガルバノスキャナ１３への光の入射角度が示されていない。コリメートレンズ１２からガルバノスキャナ１３への光の入射角度は、第２レンズ１５の焦点の位置と、第１レンズ１４を通過してＹ軸方向に走査される光の焦点の位置により決定される。

Ｙ軸方向の走査手段としては、ガルバノスキャナ１３に限定されるものではなく、例えば、レゾナントスキャナやＭＥＭＳスキャナを適用することも可能である。

第１レンズ１４は、アクロマティックレンズ又は非球面レンズにより構成された例えば集光レンズであり、焦点距離（第１焦点距離）ｆ１を有している。第１レンズ１４の焦点距離ｆ１は、ガルバノスキャナ１３の回転角度θ１に対するＹ軸方向の走査角度θ２の倍率に基づき調整される。

具体的には、θ２の角度とθ１の関係は、第１レンズ１４の焦点位置の高さ（レンズ中心からの距離）Ａと、第２レンズ１５の焦点位置の高さＡが一致する場合、各レンズの焦点距離に依存して角度倍率が決定される。

ガルバノスキャナ１３は、例えば第１レンズ１４の焦点距離ｆ１の位置に配置され、ガルバノスキャナ１３によりＹ軸方向に走査された平行光は、第１レンズ１４の他方の焦点に集光される。

第１レンズ１４に対するガルバノスキャナ１３の位置は、第１レンズ１４の焦点距離ｆ１の位置に限定されるものではなく、第１レンズ１４に平行光を入射できればよい。このため、ガルバノスキャナ１３の位置は、焦点距離ｆ１以上であってもよい。

集光手段としての第２レンズ１５は、例えばアクロマティックレンズ又は非球面レンズにより構成された集光レンズであり、焦点距離（第２焦点距離）ｆ２を有している。第２レンズ１５の一方の焦点面（焦点を通り光軸に垂直な面）は、第１レンズ１４の焦点面に一致され、第２レンズ１５の例えば他方の焦点面には、ポリゴンスキャナ１６を構成するポリゴンミラー１６ａが配置される。このため、第１レンズ１４の焦点からの光は、第２レンズ１５により平行光としてポリゴンミラー１６ａの中央部に集光される。

第１レンズ１４と第２レンズ１５との間の各光軸が中心軸に平行な場合、第１レンズ１４から第２レンズ１５に入射される光は、第２焦点距離ｆ２の位置に集光されるため、ポリゴンミラー１６ａミラー面を第２レンズ１５の焦点面と一致させることが有効である。しかし、ポリゴンスキャナ１６を構成するポリゴンミラー１６ａのミラー面と第２レンズ１５の位置関係は、第２レンズ１５の焦点距離ｆ２により調整され、第２レンズ１５からの光がポリゴンミラー１６ａのミラー面の中央に集光される位置であればよい。このため、ポリゴンミラー１６ａの位置は、第２レンズ１５の焦点距離ｆ２以上であってもよい。

第２レンズ１５の焦点距離ｆ２は、第１レンズ１４の焦点距離ｆ１と異なっていても、同一であってもよい。

第１レンズ１４と第２レンズ１５は、それぞれ焦点面を一致させたが、第１レンズ１４の焦点と第２レンズ１５の焦点が一致していればよい。

集光手段としては、集光レンズとしての第２レンズ１５に限定されるものではなく、例えば楕円ミラーや放物面ミラーなどを適用することも可能である。この場合、楕円ミラーや放物面ミラーの焦点を第１レンズ１４の焦点面に一致させ、楕円ミラーや放物面ミラーからの反射光をポリゴンミラー１６ａのミラー面の中央に集光させればよい。

ポリゴンスキャナ１６は、例えば５つのミラーを有するポリゴンミラー１６ａと、ポリゴンミラー１６ａを一定の方向に回転させる図示せぬ駆動部とを具備する。ポリゴンミラー１６ａは、５角柱に限定されるものではなく、４角柱や６角柱であってもよい。

さらに、ポリゴンスキャナ１６に替えてガルバノスキャナやレゾナントスキャナなどを適用することも可能である。

第２レンズ１５によりポリゴンミラー１６ａに導かれた光は、ポリゴンミラー１６ａの回転に伴い、Ｘ軸方向に走査される。このため、走査空間がレーザ光によりＸ軸方向及びＹ軸方向にラスタスキャンされる。

走査空間内の物体から反射された光は、ポリゴンミラー１６ａに導かれ、ポリゴンミラー１６ａにより反射された光は、第２レンズ１５、第１レンズ１４、ガルバノスキャナ１３の順に導かれる。ガルバノスキャナ１３により反射された光は、ビームスプリッタ１７及び集光レンズとしての第３レンズ１９によりフォトダイオード１８に導かれ、フォトダイオード１８により電気信号に変換される。

ビームスプリッタ１７は、ガルバノスキャナ１３とコリメートレンズ１２との間に配置したが、これに限定されるものではなく、コリメートレンズ１２とレーザダイオード１１との間に配置してもよい。

レーザダイオード１１からの光とガルバノスキャナ１３からの光を分離する分離手段としては、ビームスプリッタ１７に限定されるものではなく、例えばレーザダイオード１１からの光を通過する開口を有し、ガルバノスキャナ１３からの光をフォトダイオード１８方向に反射するミラーであってもよい。

受光部は、フォトダイオード１８に限定されるものではなく、ラインセンサやイメージセンサであってもよい。

受光部としてのフォトダイオード１８の径が、ビームスプリッタ１７からの光の径より大きい場合、集光用の第３レンズ１９は、省略可能である。しかし、受光部の高速応答を考慮した場合、受光部のサイズが小さくなるため、集光用の第３レンズ１９が必要となる。
（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態に係る走査光学装置１０によれば、ガルバノスキャナ１３により、Ｙ軸方向に走査された光を焦点面が一致された第１レンズ１４及び第２レンズ１５により、ポリゴンスキャナ１６を構成するポリゴンミラー１６ａに導き、ポリゴンスキャナ１６によりＸ軸方向に走査させている。第２レンズ１５からの光は、ポリゴンスキャナ１６を構成するポリゴンミラー１６ａの中央部に集光される。このため、ポリゴンミラー１６の厚みＴ１を薄くすることができ、薄いポリゴンミラー１６ａにより必要且つ十分なＹ軸方向の走査角度を得ることができる。

図３に示す比較例の場合、ガルバノスキャナ１３からの光は、設定された走査角度、例えばθ２に従ってＹ軸方向に広がる。このため、走査角度θ２を満たし、ポリゴンミラー１６ａの厚みＴ２を薄くするためには、ポリゴンミラー１６ａとガルバノスキャナ１３との間の距離Ｌを短くする必要がある。しかし、ポリゴンミラー１６ａとガルバノスキャナ１３との干渉を防止する必要があるため、距離Ｌを短縮するには、限界がある。したがって、比較例の構成の場合、Ｙ軸方向の走査角度θ２を確保してポリゴンミラー１６ａの厚みを第１実施形態のように薄くすることは困難である。

また、第１実施形態によれば、ポリゴンミラー１６ａの厚みＴ１が比較例の厚みＴ２に比べて薄いため、１つのミラーの面積が小さい。したがって、ミラーの加工が容易であるため、ポリゴンミラー１６ａの製造が容易である。

さらに、薄いポリゴンミラー１６ａは軽量であるため、ポリゴンミラー１６ａを駆動する図示せぬモータも小型化することが可能である。したがって、ポリゴンスキャナ１６を小型化でき、製造コストを低廉化することができる。

また、ポリゴンスキャナ１６に替えて、ガルバノスキャナやレゾナントスキャナなどを適用した場合においても、ガルバノミラーのサイズを小型化することが可能である。このため、ポリゴンスキャナ１６以外のミラーを用いる場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る走査光学装置１０を示している。第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成部分は、第１実施形態と同様に作用し、第１実施形態と同様に変形することが可能である。

第１実施形態は、第２レンズ１５の一方の焦点を第１レンズ１４の焦点に一致させた。これに対して、第２実施形態において、第１レンズ１４が省略され、コリメートレンズ１２ａが集光機能を有している。

レーザダイオード１１からの光は、コリメートレンズ１２ａに入射される。コリメートレンズ１２ａは、集光機能を有し、焦点距離（第３焦点距離）ｆ３を有している。コリメートレンズ１２ａからの光は、ガルバノスキャナ１３により例えばＹ軸方向にθ１の角度範囲で走査される。このため、コリメートレンズ１２ａからの光の焦点は、ガルバノスキャナ１３によりＹ軸方向にθ１の角度範囲で走査される。

第２レンズ１５の一方の焦点面は、コリメートレンズ１２ａの焦点面と一致されている。このため、レーザダイオード１１からの光は、コリメートレンズ１２ａ、ガルバノスキャナ１３を経由して第２レンズ１５の一方の焦点面に導かれる。

図２は、光軸を直線で近似しているため、コリメートレンズ１２ａからガルバノスキャナ１３への光の入射角度が示されていない。コリメートレンズ１２ａからポリゴンミラー１６ａのミラー面への入射角θ２は、第２レンズ１５の入射側の焦点位置と、Ｙ軸方向に走査されるガルバノスキャナ１３の走査角θ１により決定される。

具体的には、図２に示す第２実施形態の場合、第１実施形態に示す第１レンズ１４が無く、焦点位置の高さＢは、ガルバノスキャナ１３によって走査された終端と一致する。このため、コリメートレンズ１２ａの焦点距離ｆ３と第２レンズ１５の焦点距離ｆ２との関係と、θ１とθ２との関係に相関関係は無く、ポリゴンミラー１６ａのミラー面への入射角θ２の角度は、第２レンズ１５に入射される光の傾き（中心を０度とするとθ１）と、ガルバノスキャナ１３によって走査された終端の高さＢ、及び第２レンズ１５の焦点距離ｆ２により決定されることとなる。

第２レンズ１５の他方の焦点面には、ポリゴンスキャナ１６を構成するポリゴンミラー１６ａが配置される。このため、ガルバノスキャナ１３によりコリメートレンズ１２ａの焦点面と第２レンズ１５の一方の焦点面に導かれた光は、第２レンズ１５により平行光としてポリゴンミラー１６ａの中央部に集光される。

また、ポリゴンミラー１６ａのミラー面の位置は、θ１の最大角度に依存して、第２レンズ１５の焦点距離ｆ２より若干遠い位置が最適となる。

ポリゴンミラー１６ａに導かれた光は、ポリゴンミラー１６ａによりＸ軸方向に走査される。このため、走査空間がレーザ光によりＸ軸方向及びＹ軸方向にラスタスキャンされる。

一方、走査空間内の物体から反射された光は、ポリゴンミラー１６ａに導かれ、ポリゴンミラー１６ａにより反射された光は、第２レンズ１５、ガルバノスキャナ１３の順に導かれる。ガルバノスキャナ１３により反射された光は、ビームスプリッタ１７、第３レンズ１９によりフォトダイオード１８に導かれ、フォトダイオード１８により電気信号に変換される。
（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によっても、ガルバノスキャナ１３からの光を第２レンズ１５によりポリゴンミラー１６ａの中央部に集光させることができる。このため、第１実施形態と同様にポリゴンミラー１６ａの厚みを薄くすることができる。

しかも、第２実施形態によれば、第１実施形態の第１レンズ１４を省略することができる。このため、光路長を短縮することができ、走査光学装置１０を小型化することが可能である。

さらに、第２実施形態によれば、第１レンズ１４を省略することができるため、部品点数を削減でき、製造コストを低廉化することが可能である。

尚、第１、第２実施形態は、ＬｉＤＥＲに適用される走査光学装置を説明したが、第１、第２実施形態は、ＬｉＤＥＲに限定されるものではなく、その他の光学走査の分野に適用することが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…レーザダイオード、１３…ガルバノスキャナ、１２…コリメートレンズ、１２ａ…集光機能を有するコリメートレンズ、１４…第１レンズ、１５…第２レンズ、１６…ポリゴンスキャナ、１６ａ…ポリゴンミラー、１７…ビームスプリッタ、１８…フォトダイオード。

Claims (12)

1. 光源からの光を一定の角度の範囲内で第１方向に走査する第１ミラーと、
   第１焦点距離の第１焦点を有し、前記第１ミラーからの光を前記第１焦点に導く第１レンズと、
   第２焦点距離の第２焦点を有し、前記第２焦点が前記第１焦点と一致された集光手段と、
   前記集光手段からの光を前記第１方向と交差する第２方向に走査する第２ミラーと、
   を具備することを特徴とする走査光学装置。
2. 前記第１ミラーは、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナ、及びＭＥＭＳスキャナのうちの１つであることを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
3. 前記集光手段は、集光レンズとしての第２レンズ、楕円ミラー、放物面ミラーのうちの１つであることを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
4. 前記第２ミラーは、ポリゴンスキャナ、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナのうちの１つであることを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
5. 前記第１焦点距離と、前記第２焦点距離は、異なることを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
6. 前記第１焦点距離と、前記第２焦点距離は、等しいことを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
7. 前記光源からの光と前記第１ミラーからの光を分離する分離手段と、
   前記分離手段からの光を受光する受光部と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
8. 第１焦点距離の第１焦点を有し、光源からの光を前記第１焦点に導く第１レンズと、
   前記第１レンズからの光を一定の角度範囲内で前記第１焦点に向けて第１方向に走査する第１ミラーと、
   第２焦点距離の第２焦点を有し、前記第２焦点が前記第１焦点と一致された集光手段と、
   前記集光手段からの光を前記第１方向と交差する第２方向に走査する第２ミラーと、
   を具備することを特徴とする走査光学装置。
9. 前記第１ミラーは、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナ、及びＭＥＭＳスキャナのうちの１つであることを特徴とする請求項８記載の走査光学装置。
10. 前記集光手段は、集光レンズとしての第２レンズ、楕円ミラー、放物面ミラーのうちの１つであることを特徴とする請求項８記載の走査光学装置。
11. 前記第２ミラーは、ポリゴンスキャナ、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナのうちの１つであることを特徴とする請求項８記載の走査光学装置。
12. 前記光源からの光と前記第１ミラーからの光を分離する分離手段と、
    前記分離手段からの光を受光する受光部と、
    をさらに具備することを特徴とする請求項８記載の走査光学装置。

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