JP6259664B2 - 走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置に関する。

従来、距離測定の対象物に光を投光すると共に当該対象物から反射した光を受光する投受光光学系を投光光学系及び受光光学系に分離し、且つ、投光光学系の光軸及び受光光学系の光軸を隣接させた構造の距離測定装置が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。このように投光光学系及び受光光学系の光軸を隣接させて配置するのは、以下の２つの理由により、近距離にある対象物も検知できるようにするためである。

まず、第１の理由は、距離測定装置内部における散乱光が受光素子に入ってしまうと、その信号と近距離の対象物からの反射光が重なってしまい、近い対象物の検知ができなくなるからである。

第２の理由は、投光光学系と受光光学系の光軸が離れると、近距離の対象物の反射点が受光視野から外れてしまうためである。

例えば特許文献１記載の装置は、受光光学系をよりコンパクトにするために、装置背面のミラーで折り返す構造となっている。

また、特許文献２記載の装置のように、近距離の対象物を検知しようとする場合、投光用の走査ミラー及び受光用の走査ミラーを上下反転して配置するのが妥当であるが、走査に伴って投光像が受光素子上で回転するという問題がある。

この問題について、図１１を参照して説明する。図１１に示すように、投光ミラー１００及び受光ミラー１０２は、矢印Ａ方向を回転軸として一緒に矢印Ｂ方向に回転する。

投光ミラー１００は、図示しないレーザ光源から矢印Ａ方向に出射された投光ビームＬ１を矢印Ａ方向と直交する矢印Ｃ１方向に反射させることにより、対象物に向けて投光する。一方、受光ミラー１０２は、投光ミラー１００を図１１において上下反転させた位置に配置され、対象物から矢印Ｃ２方向へ反射された反射ビームＬ２を矢印Ａ方向に反射させる。

高出力のレーザ光源は発光領域が細長い領域のため、高出力のレーザ光源から出射されたレーザ光をそのままコリメートした場合は、図１１に示すように、投光ビームＬ１も細長いビーム形状となる。従って、対象物により反射された反射ビームＬ２の受光素子上におけるビーム形状も細長い形状となる。

図１１の状態から更に投光ミラー１００及び受光ミラー１０２を矢印Ｂ方向に回転させた状態を図１２に示す。図１２に示すように、投光ビームＬ１の長手方向の向きは、投光ミラー１００の回転に伴って回転する。対象物で反射した反射ビームＬ２の長手方向の向きは、受光ミラー１０２によって更に回転し、図１２に示すように、受光素子上では投光ミラー１００及び受光ミラー１０２の回転角θに対して２倍の回転角２θで回転する。

このように、受光素子上で反射ビームＬ２が回転するため、この光を全て受光しようとした場合、反射ビームＬ２の長軸の長さ以上の直径を持った大きな受光素子が必要となる。しかしながら、受光素子のサイズが大きくなると、応答速度やノイズが大きくなるという問題がある。このため、従来では、投光ビームＬ１のビーム形状を、縦横の長さが同じとなる矩形の形状や円形となるように複雑な光学系で整形したり、幅が狭い低出力のレーザ光源を用いる必要があった。

特許文献１記載の装置のように、受光した反射ビームを装置背面のミラーで折り返す構造とすることにより、反射ビームの受光素子上における像の回転を低減することができる。

しかしながら、特許文献１記載の装置では、受光ミラーの傾斜角が投光ミラーと同一ではないため、完全に回転をキャンセルすることは困難である。また、受光ミラーの傾斜角を投光ミラーと同一にするのも物理的に困難である。

また、特許文献３には、ダブプリズムを用いることにより、反射ビームの受光素子上における像の回転を低減することができる装置が提案されている。

特開２０１１−２５７２２１号公報 特許第４０３２０６１号公報 特開平９−２１８７２号公報

しかしながら、特許文献３記載の装置は、部品点数が増加すると共に、ダブプリズムを走査ミラーの半分の速度で回転させる必要があり、装置構成が複雑になる、という問題がある。

本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、部品点数を増加させることなく、受光素子上における反射ビームの像が回転するのを防ぐことができる走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の走査光学系は、予め定めた回転軸を中心として回転し、光源から出射された光ビームを予め定めた方向へ反射させることにより、前記予め定めた方向の対象物へ向けて投光する投光ミラーと、光反射面が、前記投光ミラーの光反射面を前記回転軸に垂直な面に対して反転させた向きに設置され、且つ、前記回転軸を中心として前記投光ミラーと共に回転し、前記投光ミラーにより前記対象物に投光された光ビームに対する反射ビームを受光する受光ミラーと、を備え、前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面が、前記光ビームの像を反転させる直角ミラー面を有する。

なお、請求項２に記載したように、前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面が、前記直角ミラー面を複数有する構成としてもよい。

また請求項３に記載したように、前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面の周縁に沿って、前記直角ミラー面を有する直角ミラー反射面が複数配置され、前記投光ミラーの中心と前記光源から前記光ビームが照射される位置とを結ぶ基準線と、前記投光ミラーの中心と前記直角ミラー反射面の中心とを結ぶ線と、が成す角度をθとして、前記直角ミラー反射面の軸方向と、前記直角ミラー反射面の中心を通り且つ前記基準線と平行な方向と、が成す角度が、θ／２となるように、前記直角ミラー面が形成されている構成としてもよい。

請求項４記載の発明の光走査装置は、光ビームを出射する光源と、前記光源から出射された光ビームを予め定めた監視領域へ走査させる請求項１〜３の何れか１項に記載の走査光学系と、前記監視領域に存在する対象物からの反射光を検出する光検出器と、を備える。

請求項５記載の発明の距離測定装置は、請求項４記載の光走査装置と、前記光源から光ビームが出力されてから前記光検出器で検出されるまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備える。

本発明によれば、部品点数を増加させることなく、受光素子上における反射ビームの像が回転するのを防ぐことができる。

距離測定装置の制御系の構成を示すブロック図である。 光走査装置の構成図である。 第１実施形態に係る投光ミラーの斜視図である。 第１実施形態に係る投光ミラーの断面図である。 平面ミラーの反射による像について説明するための図である。 直角ミラー面の反射による像の反転について説明するための図である。 投光ミラーによる投光ビームの反転について説明するための図である。 第２実施形態に係る投光ミラーの平面図である。 第２実施形態に係る投光ミラーの平面図である。 第２実施形態に係る投光ミラーの平面図である。 従来における投光ミラーにより反射される像について説明するための図である。 従来における投光ミラーにより反射される像について説明するための図である。

（第１実施形態）

以下、第１実施形態に係る距離測定装置について説明する。図１は、本実施形態に係る距離測定装置１０の構成図である。図１に示すように、距離測定装置１０は、光走査装置１２及び制御部１４を備えている。

光走査装置１２は、制御部１４からの指示により、予め定めた監視領域を走査する投光ビームＬ１を出射すると共に、前記監視領域に存在する対象物Ｆからの反射ビームＬ２を受光する。

本実施形態では、距離測定装置１０は、一例としてレーザ光により走査を行って対象物Ｆまでの距離を測定するレーザレーダ装置である場合について説明する。

光走査装置１２は、レーザ光源１６、走査光学系１８、及び光検出器２０を備えている。

制御部１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部（Ｉ/Ｏ）を備えたコンピュータとして構成されている。制御部１４は、レーザ光源１６、走査光学系１８、及び光検出器２０を制御して、投光ビームＬ１を監視領域に向けて投光させると共に反射ビームＬ２を受光させ、投光ビームＬ１を受光してから反射ビームＬ２を光検出器２０が受光するまでの遅延時間に基づいて、対象物Ｆまでの距離を算出する。

図２は、走査光学系１８の構成図である。図２に示すように、走査光学系１８は、コリメートレンズ２２、投光ミラー２４、回転モータ２６、受光ミラー２８、及び受光レンズ３０を備えている。

レーザ光源１６は、例えば半導体レーザ等を含んで構成され、制御部１４からの指示によりレーザ光を出射する。なお、本実施形態ではレーザ光源は一例として高出力の半導体レーザを含んで構成され、出射されるレーザ光のビーム形状が細長い形状の場合について説明する。

コリメートレンズ２２は、レーザ光源１６から出射されたレーザ光を平行光にする。

投光ミラー２４は、レーザ光源１６からの出射光の出射方向である矢印Ａ方向（鉛直方向）に対して一例として４５°（１３５°）傾いた角度で支持部３２に取り付けられており、支持部３２は回転モータ２６に取り付けられている。また、受光ミラー２８は、矢印Ａ方向に対して一例として１３５°（４５°）傾いた角度で支持部３４に取り付けられており、支持部３４は回転モータ２６に取り付けられている。

このように、受光ミラー２８は、投光ミラー２４を図２において上下反転させた位置に配置されている。すなわち、受光ミラー２８は、投光ミラー２４を回転モータ２６の回転軸Ｘに垂直な面に対して反転させた向きで設置されている。また、投光ミラー２４及び受光ミラー２８の形状は円盤状であり、図２に示すように、投光ミラー２４の直径は、受光ミラー２８の直径よりも小さくなっている。

回転モータ２６は、制御部１４の指示により回転駆動され、投光ミラー２４及び受光ミラー２８は、回転モータ２６が回転することにより、回転軸Ｘを中心として一緒に回転する。

そして、投光ミラー２４は、レーザ光源１６から矢印Ａ方向に出射された投光ビームＬ１を矢印Ａ方向と直交する矢印Ｂ１方向に反射させることにより、監視領域に向けて投光する。

また、受光ミラー２８は、監視領域の対象物Ｆに投光された投光ビームＬ１が対象物Ｆにより矢印Ａ方向と直交する矢印Ｂ２方向へ反射された反射ビームＬ２を矢印Ａ方向に反射させる。受光ミラー２８によって矢印Ａ方向に反射された反射ビームＬ２は、受光レンズ３０によって光検出器２０上に結像される。

また、図３には、投光ミラー２４の斜視図を、図４には投光ミラー２４の断面図を示した。図３、４に示すように、受光ミラー２８の光反射面には、同一の深さの複数の溝が同一方向に沿って形成されており、それぞれの溝は、ダハ面、すなわち直角に交わる２つの面から成る直角ミラー面２４Ａとなっている。

ここで、直角ミラー面２４Ａで反射した光が反転する現象について説明する。例えば図５に示すように、光反射面３６が平面であるプリズム３８に入射した光の像４０は、平面である光反射面３６によって１回だけ反射される。このため、プリズム３８から出射された光の像４２の左右は反転しない。

これに対し、図６に示すように、光反射面４４が直角ミラー面であるプリズム４６に入射した光の像４８は、直角ミラー面を構成する２つの直交する面によって２回反射される。このため、プリズム４６から出射された光の像５０は左右が反転した像となる。

レーザ光源１６から出射された出射光は、コリメートレンズ２２によりコリメートされて投光ミラー２４に照射されるが、投光ミラー２４の光反射面は複数の直角ミラー面２４Ａが形成された構成となっている。このため、図７に示すように、投光ミラー２４に照射された投光ビームＬ１は矢印Ｄ方向へ反転し、監視領域の対象物Ｆに向けて反射される。すなわち、投光ミラー２４が平面ミラーであった場合と比較して反対方向に投光ビームＬ１が回転する。

像が反転した投光ビームＬ１は、対象物Ｆに照射され、その反射ビームＬ２は、受光ミラー２８によって光検出器２０へ向けて反射され、光検出器２０上に結像される。

上記のように、投光ミラー２４が平面ミラーであった場合と比較して反対方向に投光ビームＬ１が回転するため、図７に示すように、光検出器２０上の像は、投光ミラー２４及び受光ミラー２８の回転によって変化せず、レーザ光源１６から出射された投光ビームＬ１と同じ向きとなる。このため、光検出器２０のサイズを、投光ビームＬ１の長軸以上の直径を有するサイズとする必要はなく、投光ビームＬ１のビーム形状と同様に細長い形状の光検出器を用いて効率良く反射ビームＬ２を検出することができる。これにより、応答速度やノイズが大きくなるのを防ぐことができる。

また、投光ビームＬ１の形状を細長い形状にできるので、投光ビームＬ１の走査方向と直交する方向（鉛直方向）の監視領域を拡げることができる。また、光検出器２０に受光素子アレイを用いて、鉛直方向に長い像を分解して受光することにより、一度に複数点の計測が可能となる。

なお、本実施形態では、投光ミラー２４の光反射面に複数の直角ミラー面２４Ａを設けた場合について説明したが、投光ミラー２４を平面ミラーとし、受光ミラー２８の光反射面に複数の直角ミラー面を備えた構成としてもよい。

また、本実施形態では、投光ミラー２４の光反射面に複数の直角ミラー面２４Ａを設けた場合について説明したが、直角ミラー面２４Ａは複数に限らず一つでもよい。直角ミラー面２４Ａが少ない方が光のロスが少ないため、測定精度の悪化を抑えることができる。ただし、投光ビームＬ１の大きさを変えずに直角ミラー面２４Ａの数を減らすためには、直角ミラー面２４Ａにより形成される溝を深くしなければならないので、投光ミラー２４のサイズは大きくなる。従って、投光ミラー２４のサイズを小さくしたい場合には、溝が小さい直角ミラー面２４Ａを多数設ける方がよい。

（第２実施形態）

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第１実施形態で説明した距離測定装置１０は、投光ミラー２４の光反射面が直角ミラー面２４Ａを備えた構造となっているので、光検出器２０上で反射ビームＬ２の像が回転するのを防ぐことができる。

しかしながら、投光ビームＬ１が走査方向に応じて回転してしまうことに変わりはない。例えば細長いビーム形状の投光ビームＬ１が、投光ミラー２４により鉛直方向に最も長い縦長の形状で反射されるときの投光ミラー２４の位置を投光ミラー２４の正面とする。この状態から投光ミラー２４が＋９０°又は−９０°回転すると、投光ミラー２４によって反射された投光ビームＬ１のビーム形状は、水平方向に長い横長の形状となる。このため、投光ミラー２４が正面から＋９０°又は−９０°回転した状態では、高さ方向（鉛直方向）における監視領域が狭くなってしまう。

そこで、本実施形態では、投光ミラー２４の回転角に関係なく投光ビームＬ１が鉛直方向に長い縦長のビーム形状を維持しながら走査することができる距離測定装置について説明する。

図８には、本実施形態に係る投光ミラー２４Ｂの平面図を示した。なお、投光ミラー２４Ｂ以外の構成は第１実施形態と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、投光ミラー２４Ｂは、第１の実施形態で説明したのと同様の複数の直角ミラー面を有する直角ミラー反射面２４Ｃが投光ミラー２４Ｂの周縁に沿って複数配置されている。レーザ光源１６は、投光ミラー２４Ｂの周縁の予め定めた位置Ｐの図８の紙面に対して上方に設けられており、図８において縦長の形状の投光ビームＬ１を位置Ｐに照射する。投光ミラー２４Ｂに照射された縦長の投光ビームＬ１は、投光ミラー２４Ｂが回転することにより、投光ミラー２４Ｂの周縁に設けられた複数の直角ミラー反射面２４Ｃにより順次反射される。

ここで、図８に示すように、投光ミラー２４Ｂの中心Ｈ１とレーザ光源１６から投光ビームＬ１が照射される位置Ｐとを結ぶ基準線６０と、投光ミラー２４Ｂの中心Ｈ１と直角ミラー反射面２４Ｃの中心Ｈ２とを結ぶ線６２と、が成す角度をθとすると、直角ミラー反射面２４Ｃには、直角ミラー反射面２４Ｃの軸方向（直角ミラー面により形成される溝の延伸方向）６４と、中心Ｈ２を通り且つ基準線６０と平行な方向６６と、が成す角度αがθ／２となるように、複数の直角ミラー面（溝）が形成されている。

図９に示すように、投光ビームＬ１が照射される位置Ｐにおける直角ミラー反射面２４Ｃの軸方向が基準線６０の延伸方向と同一方向の場合、位置Ｐにおける直角ミラー反射面２４Ｃで反射した投光ビームＬ１は、図９の紙面に対して垂直方向に長い縦長のビームとなる。

そして、図９の状態から投光ミラー２４Ｂが回転し、図１０に示すように、投光ビームＬ１が照射される位置Ｐにおける直角ミラー反射面２４Ｃの軸方向が基準線６０の延伸方向と異なる方向となっても、位置Ｐにおける直角ミラー反射面２４Ｃに照射された投光ビームＬ１は反転して反射されるため、この場合も投光ビームＬ１は、図１０の紙面に対して垂直方向に長い縦長のビームとなる。

このように、投光ミラー２４Ｂの中心Ｈ１とレーザ光源１６から投光ビームＬ１が照射される位置Ｐとを結ぶ基準線６０と、投光ミラー２４Ｂの中心Ｈ１と直角ミラー反射面２４Ｃの中心Ｈ２とを結ぶ線６２と、が成す角度をθとして、直角ミラー反射面２４Ｃの軸方向６４と、中心Ｈ２を通り且つ基準線６０と平行な方向６６と、が成す角度αがθ／２となるように、複数の直角ミラー面を有する直角ミラー反射面２４Ｃが投光ミラー２４の周縁に複数設けられた構成となっている。

このため、投光ミラー２４Ｂを回転させて投光ビームＬ１を走査させた場合であっても、直角ミラー反射面２４Ｃによって投光ビームＬ１が適切な方向に反転されるため、鉛直方向を保った状態で投光ビームＬ１を監視領域に対して照射することができる。

なお、図８に示すように、直角ミラー反射面２４Ｃは、ある程度離散的に配置されていてもよいが、離散的に配置された直角ミラー反射面２４Ｃ以外の部分で反射された投光ビームＬ１は若干回転してしまうため、なるべく軸方向が連続的に変化するように直角ミラー反射面２４Ｃを設けることが好ましい。これにより、測定点が連続する場合でも鉛直方向を保った投光ビームＬ１を照射することができるため、精度良く測定することが可能となる。

また、投光ビームＬ１が鉛直方向に長い縦長のビームを保つように照射した場合、光検出器２０上では像が回転してしまうため、これを防ぐために、受光ミラー２８を投光ミラー２４と同一構造のミラーとしてもよい。すなわち、受光ミラー２８の周縁に直角ミラー反射面２４Ｃと同様の光反射面を複数設けた構成としてもよい。

なお、上記各実施の形態で説明した走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

１０ 距離測定装置
１２ 光走査装置
１４ 制御部
１６ レーザ光源
１８ 走査光学系
２０ 光検出器
２４、２４Ｂ 投光ミラー
２４ 投光ミラー
２４Ａ 直角ミラー面
２４Ｃ 光反射面
２８ 受光ミラー
６０ 基準線
６４ 軸方向

Claims (5)

1. 予め定めた回転軸を中心として回転し、光源から出射された光ビームを予め定めた方向へ反射させることにより、前記予め定めた方向の対象物へ向けて投光する投光ミラーと、
   光反射面が、前記投光ミラーの光反射面を前記回転軸に垂直な面に対して反転させた向きに設置され、且つ、前記回転軸を中心として前記投光ミラーと共に回転し、前記投光ミラーにより前記対象物に投光された光ビームに対する反射ビームを受光する受光ミラーと、
   を備え、
   前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面が、前記光ビームの像を反転させる直角ミラー面を有する
   走査光学系。
2. 前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面が、前記直角ミラー面を複数有する
   請求項１記載の走査光学系。
3. 前記投光ミラー及び前記受光ミラーの少なくとも一方の光反射面の周縁に沿って、前記直角ミラー面を有する直角ミラー反射面が複数配置され、
   前記投光ミラーの中心と前記光源から前記光ビームが照射される位置とを結ぶ基準線と、前記投光ミラーの中心と前記直角ミラー反射面の中心とを結ぶ線と、が成す角度をθとして、前記直角ミラー反射面の軸方向と、前記直角ミラー反射面の中心を通り且つ前記基準線と平行な方向と、が成す角度が、θ／２となるように、前記直角ミラー面が形成されている
   請求項１又は請求項２記載の走査光学系。
4. 光ビームを出射する光源と、
   前記光源から出射された光ビームを予め定めた監視領域へ走査させる請求項１〜３の何れか１項に記載の走査光学系と、
   前記監視領域に存在する対象物からの反射光を検出する光検出器と、
   を備えた光走査装置。
5. 請求項４記載の光走査装置と、
   前記光源から光ビームが出力されてから前記光検出器で検出されるまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、
   を備えた距離測定装置。

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