JP6234781B2 - ２次元走査型レーザビーム放射装置 - Google Patents

Description

この発明は、２次元走査型レーザビーム放射装置に関する。

２次元的に走査されるレーザビームを物体に照射し、物体で拡散反射されたレーザ光を検出し、物体までの距離を２次元的に測定する２次元測距装置が種々知られている。

このような２次元測距装置は、車載用やロボット、製品検査等のものが実用化されているが、視野を適正化したいという要請がある。

此処に言う「視野」とは、物体に照射されるレーザビームが２次元的に走査されるときの「２次元の偏向角」である。

例えば、車載用に用いられる２次元測距装置では、設置された車両の外周の全域での安全確認が求められ、そのために広い視野が求められる。

また、ロボット用に用いられる場合であれば、より広い検知領域の確保のために、広い視野が求められる。

また、製品検査に用いられる２次元測距装置の場合であれば、検査対象である製品に適正にフィットする視野範囲の設定が求められる。

従来、レーザビームを走査する方法としては、ポリゴンミラーや「ＭＥＭＳによる偏向手段」が知られている。特許文献１には「２軸可動型の偏向手段」が開示されている。

これら、従来から知られた「レーザビームの偏向を利用する偏向手段」は、偏向角が固定されている場合が多く、偏向手段自体の偏向角を変更することが困難である。

特に、偏向手段自体の偏向角を拡大することは難しい。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、所望の偏向角をもつ２次元走査型レーザビーム放射装置の実現を課題とする。

この発明の「２次元走査型レーザビーム放射装置」は、２次元的に偏向するレーザビームを放射するレーザビーム放射装置であって、レーザビームを放射するレーザ光源と、該レーザ光源から放射されたレーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置と、該偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームを反射レーザビームとして反射する反射面部材と、を有し、前記反射面部材は、前記反射レーザビームの偏向角を、水平方向において、所望の偏向角範囲に変倍する凸の円錐面を反射面部分とし、前記偏向装置により２次元的に偏向走査された前記レーザビームを、円錐軸方向に対して有限の角をもって入射されることを特徴とする。

この発明の２次元走査型レーザビーム放射装置は、偏向装置により２次元的に偏向されたレーザビームの偏向角を反射面部材により「所望の偏向角範囲に変倍」する。
従って、所望の視野範囲の設定が可能である。

２次元走査型レーザビーム放射装置の実施の１形態を説明するための図である。

以下、発明の実施の形態を説明する。

図１は、２次元走査型レーザビーム放射装置の、実施の１形態を説明するための図である。同図（ａ）は、実施の形態の要部を説明図的に示している。

この図において、符号１０は「光源」、符号１２は「カップリングレンズ」、符号１４は「偏向装置」、符号１６は「反射面部材」をそれぞれ示している。

光源１０は、この実施の形態においては「半導体レーザ」が用いられており、以下、ＬＤ１０と略記する。

ＬＤ１０から放射される発散性のレーザ光束は、カップリングレンズ１２に入射する。

カップリングレンズ１２は正の屈折力を持ち、入射してくるレーザ光束の発散性を抑制する。この例では、カップリングレンズ１２は「コリメート機能」を有する。

従って、カップリングレンズ１２からは、平行光束化されたレーザビームＬＦが射出する。射出したレーザビームＬＦは、偏向装置１４に入射する。

即ち、ＬＤ１０とカップリングレンズ１２とは「レーザビームＬＦを放射するレーザ光源」を構成する。

偏向装置１４は、入射してくるレーザビームＬＦを「２次元的に偏向走査」する。
この実施の形態において、偏向装置１４は、直交する２方向に揺動可能な反射面を有し、該反射面によりレーザビームＬＦを反射し、反射面の揺動により偏向走査を行う。

このような偏向装置は良く知られているが、説明中の実施形態では、図１（ｂ）に示す如きものが用いられている。
即ち、偏向装置１４は、反射鏡１４０と第１枠体１４２と第２枠体１４４を有する。

反射鏡１４０は平面鏡で、レーザビームＬＦの光束径よりも若干大きい反射面を有し、レーザビームＬＦの全体を受光して反射できるようになっている。

第１枠体１４２、第２枠体１４４は共に長方形形状の枠体であり、反射鏡１４０は、第１枠体１４２に、揺動軸を共有する軸ｊ１、ｊ２により固定されている。

軸ｊ１、ｊ２は、捩れ弾性を有し、捩れ変形の復元力により、反射鏡１４０を軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。

第１枠体１４２は、第２枠体１４４に、軸ｊ３、ｊ４により固定されている。
軸Ｊ３、ｊ４も、揺動軸を共有している。

軸ｊ３、ｊ４も捩れ弾性を有し、捩れ変形の復元力により、第１枠体１４２を軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。

第２枠体１４４は、２次元走査型レーザビーム放射装置の装置空間に固定的に設けられて不動である。

軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸と、軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸とは互いに直交している。
従って、反射鏡１４０を「互いに直交する２方向（即ち、水平方向と鉛直方向）において独立して揺動させる」ことができる。

揺動は、図示されない駆動手段により行われる。
駆動手段は、例えば圧電素子を用いることができる。
第１枠体１４２に固定した圧電素子を反射鏡１４０に連結して、反射鏡１４０を揺動する駆動を行うことができる。

同様に、第２枠体１４４に固定した圧電素子を第１枠体１４２に連結して、反射鏡１４０を有する第１枠体１４２を揺動する駆動を行うことができる。

なお、偏向装置１４は「ＭＥＭＳ」により構成することができる。

レーザビームＬＦは、偏向装置１４の反射鏡１４０で反射され、反射鏡１４０が２次元的に揺動すると、２次元的に偏向するレーザビームＬＦ１となる。

以下、２次元的に偏向するレーザビームＬＦ１を「偏向レーザビームＬＦ１」と呼ぶ。

反射面部材１６は、偏向装置１４により２次元的に偏向走査された偏向レーザビームＬＦ１が入射する反射面を持つ。

反射面部材１６は「凸の円錐面状の反射面」を有する。

２次元的に偏向走査された偏向レーザビームＬＦ１は、反射面部材１６の反射面に「該反射面を２次元的に走査する」ように入射する。

図１（ｃ）は、反射面部材１６の「偏向レーザビームＬＦ１で２次元的に走査」される反射面部分１６０を示している。図の左右方向が水平方向、上下方向が鉛直方向である。
即ち、反射面部分１６０をなす凸の円錐面の円錐軸は鉛直方向に平行である。

偏向レーザビームＬＦ１が、反射面部材１６の「鉛直方向の最上部」を走査するときは、偏向レーザビームＬＦ１は、図１（ｃ）の弧状部分ＡＢを走査する。

「鉛直方向の中ほど」を走査するときは、弧状部分ＣＤを走査する。また「鉛直方向の最下部」を走査するときは、弧状部分ＥＦを走査する。

図１（ｄ）は、弧状部分ＣＤを走査するときの様子を、反射面部分１６０の対称軸方向（即ち、円錐軸方向）から見た状態を示している。

この図に示すように、偏向レーザビームＬＦ１が、弧状部分ＣＤを走査するときの「水平方向の偏向角はθ１」である。

反射面部分１６０は円錐状の反射面であるので、反射面部分１６０で反射レーザビームＬＦ２のように反射される。

従って、反射レーザビームＬＦ２の水平方向の偏向角は「θ２」である。
図１（ｄ）から明らかに「偏向角：θ２＞偏向角：θ１」である。

即ち、反射レーザビームＬＦ２の水平方向の偏向角：θ２は、偏向装置１４による偏向レーザビームＬＦ１の偏向角：θ１を「拡大変倍」したものとなっている。

図１（ｅ）は、反射面部分１６０を水平方向から見た状態において、偏向レーザビームＬＦ１が「鉛直方向において反射される状態」を示している。

図中、符号ａで示す部分は、偏向レーザビームＬＦ１の、弧状部分ＡＢ上の入射位置であり、符号ｆで示す部分は「弧状部分ＥＦ上の入射位置」である。

反射面部分１６０は、鉛直方向には曲率を持たないので、反射レーザビームＬＦ２の鉛直方向の偏向角は、偏向装置１４による鉛直方向の偏向角を拡大しない。

即ち、図１に実施の形態を示した「２次元走査型レーザビーム放射装置」は、２次元的に偏向するレーザビーム（反射レーザビームＬＦ２）を放射する装置である。

そして、レーザビームＬＦを放射するレーザ光源１０、１２と、該レーザ光源から放射されたレーザビームＬＦを２次元的に偏向走査する偏向装置１４を有する。

さらに、偏向装置１４により２次元的に偏向走査されたレーザビーム（偏向レーザビームＬＦ１）を反射する反射面部材１６を有する。

反射面部材１６は、反射レーザビームＬＦ２の偏向角を、水平方向に拡大変倍する曲面形状をもつ反射面部分１６０を有するものである。

反射面部材１６の反射面部分１６０の水平断面内での曲率を「強く（弱く）」すれば、水平方向の拡大変倍の倍率を「高く（低く）」することができる。

従って、反射面部分１６０の形状を適宜の設定することにより「反射レーザビームＬＦ２の偏向角を、水平方向において所望の偏向角範囲に拡大変倍」することができる。

図１の例では、反射面部材１６の反射面部分１６０を「反射レーザビームＬＦ２の偏向角を、水平方向において所望の偏向角範囲に拡大変倍」する形状として凸円錐面とした。

反射面部材の反射面形状の参考例としては、「凸のシリンダ面」を考えることができる。

また、反射面部材の反射面部分の曲面形状の他の参考例として、反射面部分の形状を水平方向の断面形状を「凹形状」とすることも考えられ、このような場合には、水平方向の偏向角を縮小倍率で変倍し、水平方向の視野を「狭める」ことも、可能である。

他の参考例として、反射面部材の鉛直方向の形状を「凹形状（凸形状）」とすれば、鉛直方向の偏向角を縮小（拡大）倍率で変倍し、鉛直方向の視野を狭める（広げる）こともできる。

即ち、「凹のシリンダ面もしくは凹の円錐面」である反射面部材も参考例として考えられる。

このような参考例のように、反射面形状を「凹面形状」とする場合、凹面の曲率を大きくすれば、水平方向や鉛直方向の偏向角を狭めて、反射レーザビームが空間内で一度交点を結び、その後拡大偏向角となるようにすることもできる。

上に参考例として述べたように、反射面部分の形状如何により、偏向装置により偏向される偏向レーザビームＬＦ１の水平方向および鉛直方向の少なくとも一方の偏向角に対する変倍率を適宜に設定できる。

この発明の２次元走査型レーザビーム放射装置では、水平方向の偏向角の変倍率を適宜に設定できる。

この発明の２次元走査型レーザビーム放射装置は、反射面部材は、反射レーザビームの偏向角を、水平方向において所望の偏向角範囲に変倍する曲面として円錐面形状の反射面部分を有するものであることが出来る。

上に説明した偏向装置１４は、反射鏡１４０を互いに「直交する軸の回りに揺動」させるものである。

しかし。これに限らず、反射面を軸の回りに振動もしくは回転させる１次元反射偏向装置を２個、軸を直交させて組み合わせたものであることもできる。

１０ 光源
１２ カップリングレンズ
１４ 偏向装置
１６ 反射面部材
ＬＦ レーザビーム

特開２０１２−５８１７８号公報

Claims (2)

1. ２次元的に偏向するレーザビームを放射するレーザビーム放射装置であって、
   レーザビームを放射するレーザ光源と、
   該レーザ光源から放射されたレーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置と、
   該偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームを反射レーザビームとして反射する反射面部材と、を有し、
   前記反射面部材は、前記反射レーザビームの偏向角を、水平方向において、所望の偏向角範囲に変倍する凸の円錐面を反射面部分とし、前記偏向装置により２次元的に偏向走査された前記レーザビームを、円錐軸方向に対して有限の角をもって入射されることを特徴とする２次元走査型レーザビーム放射装置。
2. 請求項１記載の２次元走査型レーザビーム放射装置において、
   レーザ光源から放射されたレーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置は、反射鏡を互いに直交する軸の回りに揺動させるものであることを特徴とする２次元走査型レーザビーム放射装置。

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