JP7097647B1 - 光走査装置、物体検出装置、光走査装置の調整方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
このようなライダーは近年、自動車の自動運転をはじめとする様々な分野で活用されるようになっている。
また、バネと磁石とコイルを用い、コイルに駆動信号を印加することにより往復回転駆動を実現したアクチュエータが、特許文献4及び特許文献5に記載されている。
特許文献4及び特許文献5に記載のアクチュエータも、基本的な仕組みはこれと同じである。
しかしながら、この方式では、逆起電力が回路のノイズや波形の歪みなどに影響されやすく、駆動信号の極性反転のタイミングを精密に設定することが難しいという問題があった。
しかし、エンコーダ素子を設けると、部品点数が増える上、高い組み立て精度が要求され、コストアップにつながるという問題がある。また、温度等の周辺環境の変化による測定誤差の補正も必要となり、このための補正回路も、コストアップにつながる。
このような光走査装置に、上記第1反射部を通る上記往復走査において、主走査中における上記光検出部による上記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、上記主走査が特定の端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差が、往路の走査と復路の走査とで一致するように、上記アクチュエータに印加する駆動信号の周波数を調整する調整部を設けるとよい。
また、上記の各光走査装置において、上記調整部が、上記往路の走査期間内における上記第1反射部からの反射光の検出タイミングの始端と上記復路の走査期間内における上記第1反射部からの反射光の検出タイミングの終端、又は上記往路の走査期間内における上記第1反射部からの反射光の検出タイミングの終端と上記復路の走査期間内における上記第1反射部からの反射光の検出タイミングの始端を上記第1参照タイミングとして用いるとよい。
さらに、上記レーザ光の投光と上記光検出部による受光との時間差を測定する測定部と、上記測定部が測定した時間差が所定閾値以下である場合に投光された上記レーザ光が上記第1反射部により反射されたと判定する判定部とを設けてもよい。
この光走査装置は、上述した各光走査装置の調整部に代えて、上記往復走査中に上記光検出部が上記第1反射部からの反射光を検出するタイミングが所定の目標条件を満たすように上記アクチュエータに印加する駆動信号の振幅を調整する第1調整部を設けたものである。
あるいは、上記所定の目標条件が、ある主走査中における上記光検出部による上記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、次の主走査中における上記光検出部による上記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差が所定の目標値になること、であってもよい。
あるいはまた、上記所定の目標条件は、主走査中における上記光検出部による上記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、上記主走査が端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差が所定の目標値になること、であってもよい。
以上の別の光走査装置によれば、可動部を往復回転運動させるアクチュエータを用いて所定の視野範囲を光により走査する光走査装置において、走査角度範囲を所望の値に容易に設定することができ、所望の角度範囲の光走査を容易に行うことができる。
光走査装置が上記測定部及び上記判定部を備えている場合には、これに上記レーザ光の各回の投光について上記測定部が測定した時間差に基づき、物体が存在する方向及び該物体までの距離を検出する物体検出部を追加することによって物体検出装置を構成することができる。
このような物体検出装置では、以上説明してきた光走査装置を、ライダー等の物体検出装置において低コストで利用し、その機能を発揮させることができる。
〔1.物体検出装置の全体構成(図1乃至図4)〕
まず、この発明の一実施形態である物体検出装置の全体構成について、図1及び図2を用い、主な構成要素をその機能に注目して区分して説明する。図1は、物体検出装置の主な構成要素をその機能に注目して区分して示すブロック図である。図2は、物体検出装置における物体検出の原理について説明するための図である。
LDモジュール21は、レーザ駆動回路22から印加される駆動信号に応じてレーザ光を出力するレーザ光源である。ここでは、複数の発光点を備えるものを用い、出力の強度を高めているが、発光点は1つであってもよい。レーザ光の波長に特に制約はないが、たとえば近赤外光のレーザ光を用いることが考えられる。レーザ光は、光ビームの一例である。
レーザ駆動回路22は、プロセッサ53から供給されるパラメータに従ったタイミングでLDモジュール21を点灯させるための駆動信号を生成し、LDモジュール21に印加するための回路である。LDモジュール21の点灯は、パルス波により間欠的に行う。
なお、投光光学系23により形成されたレーザビームL1は、受光部のミラー41の透孔41aを通過し、走査部30のミラー31により反射されて、出射光L2として物体検出装置10の外部へ出力される。
また、投光される出射光L2の光路上には反射部66を備えている。この反射部66は、主走査方向の一部分であって予め定められた位置において、出射光L2の少なくとも一部を、出射光L2の入射光路に向けて反射する部材である。反射部66については後に詳述する。
以上の投光部20及び走査部30が、光走査装置を構成する。
受光素子43は、所定の受光面上に当たった光の強度に応じた検出信号を出力する光検出素子である。この実施形態では、受光素子としてシリコンフォトマルチプライヤー(SiPM)を用いている。この点については後に詳述する。
以上のうちミラー41、集光レンズ42及びアパーチャー44が、受光光学系を構成する。また、これら受光光学系に加えてミラー31が、導光部に該当する。
TDC52は、レーザ駆動回路22から供給される駆動信号と、フロントエンド回路51から供給される整形後の検出信号とに基づき、出射光となるレーザビームL1の点灯パルスのタイミングt0と、これと対応する戻り光L4のパルスのタイミングt1との時間差を示すデジタル出力を形成する回路である。このTDC52は、レーザ光の投光と受光素子43による受光との時間差を測定する測定部として機能する。
なお、上記sは、正確には物体から受光素子43までの光路長である。レーザビームが反射部66により反射されて戻ってくる場合には、sは基本的には反射部66から受光素子43までの光路長である。しかし、LDモジュール21からミラー41までの距離とミラー41から受光素子43までの距離とが大きく異なる場合、この距離差による誤差を適宜に補正することが好ましい。
物体検出装置10は、図3及び図4に示すように、トップカバー61とリアカバー62を、2つのカバークリップ63,63により結合した外装を備える。また、トップカバー61は、出射光L2を通過させるための窓を備え、その窓には塵の侵入を防ぐための、出射光L2の波長において透明な保護材64が嵌められている。反射部66は、この保護材64の内側表面上に設けている。
また、ミラー48は、図1には示していないが、ミラー41と集光レンズ42の間にあって戻り光L4の向きを変えるための光学素子である。破線65は、物体検出装置10の視野(出射光L2による走査範囲)を示し、図1の視野70と対応する。レーザ駆動回路22、プロセッサ53等の回路やモジュール間の配線は、図を見やすくするため図3では図示を省略している。
以上で全体構成の説明を終え、以下、物体検出装置10のいくつかの構成要素について個別に説明する。
走査部30が、アクチュエータ300と380を備えることは既に述べたが、これらのうちアクチュエータ300についてまず説明する。
図5に、アクチュエータ300,380の概略の外観及び配置を、図3よりも拡大して示す。
アクチュエータ380は、出射光L2の副走査方向の偏向のために用いるので、さほど高速な運動は要求されないことから、物理的な軸を中心にミラーを回転運動させるタイプのアクチュエータを用いている。このアクチュエータ380は、ミラー381を軸382に固定し、軸382をホルダ383に差し込んで回転可能に取り付けて構成されている。そして、ミラー381の裏側に配置された永久磁石及びコイルの作用により、コイルに印加された電圧に応じて、ミラー381が軸382の中心を回転軸384として回転し、所定の角度範囲を往復運動する。電圧の強度を調整することにより、ミラーを運動範囲内の所望の角度で停止させることも可能である。
なお、副走査方向の偏向走査を行うアクチュエータとして、アクチュエータ300と同じ構造のものを用いることも、もちろん妨げられない。
図6は、アクチュエータ300を構成する部品の構造と、その組み立て工程の概略を示す分解斜視図であり、その最終工程において完成したアクチュエータ300の斜視図も含む。図7は、アクチュエータ300の可動子320を構成する部品の構造を示す分解斜視図である。図8は、図6の(d)に示したアクチュエータ300の一点鎖線で示す面における断面(平面部302bの中央付近を通り、突起部302cの長手方向に垂直な平面での断面)を、矢印M方向から見た断面図である。ただし、図を見やすくするため、図8においてコイルアッセンブリ313の図示は省略し、コイルの巻き方を模式的に示している。
これらのうち枠ヨーク312とトップヨーク314は、コイルを囲む磁性体による外装を形成する。枠ヨーク312とトップヨーク314は、4組のねじ孔312b,314bを貫通する4本のねじ315により、内部にコイルアッセンブリ313を保持するように固定される。
コアヨーク311は、駆動コイル316及びセンシングコイル317のコアとなる、強磁性体によるコア部311aを備える。
なお、図6の(b)及び(c)では、スペースの都合上、可動子320の図示は省略している。
これらのうちねじりばね302は、金属板をプレス加工又は折り加工等により折り曲げて形成したばねであり、その折れ目によって、V字型の断面を有する直線状の突起部302cを備える。また、突起部302cの中央付近には、突起部302cを跨ぐように両側に突出する平面部302bを備え、突起部302cの両端にはそれぞれ、突起部302cを跨ぐように両側に突出する平面部302aを備える。これらの突起部302cと平面部302a,302bは、全て一体であり、一枚の板状部材を折り曲げてこれらの各部を形成することにより、十分な強度を持ったねじりばね302を、低コストで形成することができる。
また、永久磁石321は、平面部302bの、突起部302cと反対側の面に、突起部を跨いた一方側にN極321nが、他方側にS極321sが位置するように固定される。N極321nとS極321sの位置は、図と逆でも問題ない。永久磁石321と平面部302bとの間の固定は、接着や溶接など、任意の方法で行うことができる。
そして、駆動コイル316と永久磁石321の間に生じる磁力と、ねじりばね302の復元力とが釣り合う位置で回転が止まる。駆動コイル316に流す電流の強さを変えることにより、この回転の速さと停止位置を調整可能である。
アクチュエータ300では、可動子320はその端部がトップヨーク314に固定されているが、実際に移動する平面部302b付近の部分は空中に浮いているため、揺動時に部品間の摩擦が発生せず、長時間連続で使用しても、発熱や摩耗が生じにくい。従って、高い耐久性を得ることができる。
また、コイルアッセンブリ313を磁性体のトップヨーク314及び枠ヨーク312で囲んでいるため、駆動コイル316に生じる磁力の漏れを防止し、高い駆動効率を得ることができる。ただし、このような磁性体の囲みを設けることは、必須ではない。
しかし、断面の形状はV字型に限られることはなく、ねじりばねとして機能し得るのであれば、断面が角張ったn字型やU字型、またはM字型、W字型、開口部のない空芯薄壁閉断面など、他の形状であってもよい。
また、突起部302cを有するねじりばねは、立体形状であり、全体としての厚みが大きい。このため、板材を折り曲げて形成することは容易であるが、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術を利用したウエーハープロセスで、十分な高さの突起部302cを有するねじりばねを形成することは、困難である。
また、センシングコイル317は、特許文献2に記載のような走査部30におけるミラー31の向きに応じたLDモジュール21の点灯間隔の制御を行うために設けたものであり、この調整を行わないのであれば、不要である。
走査部30に設けるアクチュエータとしては、以上説明してきたアクチュエータ300に代え、全く動作原理の異なるアクチュエータを採用することもできる。次に、このような別のアクチュエータの例として、アクチュエータ400について説明する。
まず図9に、アクチュエータ300に代えてアクチュエータ400を設けた場合の、アクチュエータ400,380の概略の外観及び配置を、図5と同様に示す。
なお、副走査方向の偏向走査を行うアクチュエータとして、アクチュエータ300を用いたり、アクチュエータ400と同じ構造のものを用いたりすることも、もちろん妨げられない。
図10は、アクチュエータ400の構成を示す斜視図である。図11及び図12はそれぞれアクチュエータの400の分解斜視図である。図12は、図11に比べ、永久磁石410周りの部品も分解した状態を示している。
アクチュエータ400は、図10乃至図12に示すように、ミラー401、ミラーホルダ402、ベアリング403、ベアリング405、磁石ホルダ406、永久磁石410、駆動コイル420、ヨーク430を備える。
ミラーホルダ402は、ベアリング403に対し、ミラー401を、その重心が永久磁石410の中心軸(回転中心)上に来るように、かつ永久磁石410の回転に伴って回転するように固定する。
永久磁石410のベアリング403への固定は、上記のようにミラーホルダ402を介して行う。永久磁石410のベアリング405への固定は、永久磁石410が嵌まるように形成された磁石ホルダ406の磁石保持部406aに対して端部を押し込んで永久磁石410と磁石ホルダ406とを一体化した上で、磁石ホルダ406のベアリング接続部406bを、ベアリング405の内輪405aに対して嵌め込んで行う。
以上により、永久磁石410とミラー401とが一体として、内輪403a及び内輪405aと共に回転可能なように、ベアリング403,405によって保持される。
以上に挙げた、嵌め込み、接着、溶接などの固定方法は一例であり、他の方法を用いることももちろん可能である。
また、上記構成の駆動コイル420は、平面シングル空芯コイルをU字型に折り曲げるだけで形成できるため、製造が容易である。
ヨーク430は、駆動コイル420の外側に配置される磁性体であり、それぞれ平板の、連続した第1部分431、第2部分432及び第3部分433からなり、長手方向に垂直な面での断面は概ね、一辺が欠けた正方形の残り3辺の形状である。
なお、永久磁石410から第3部分433までの距離は、第1部分431あるいは第2部分432までの距離より遠いことが好ましい。永久磁石410から第3部分433までの距離が近くても、一方の極が第3部分433側を向くと、他方の極に対向するヨークがないため、この向きは中立位置とはならないが、局所的に、永久磁石410の向きと復元力の強さとの関係に大きな乱れが発生し得るためである。
図13及び図14は、永久磁石410に垂直な平面での、永久磁石410、駆動コイル420及びヨーク430の断面をミラー401側から見た状態を、模式的に示している。ただし、断面のハッチングは省略し、ヨーク430は、中立位置の形成に関与する第1部分431及び第2部分432のみを示している。また、符号B及びB′の矢印は、各状態で永久磁石410が発生させる磁力線の向きの代表を示す。符号F及びF′の矢印は、各状態で永久磁石410に与えられる力の向きを示す。いずれも、矢印の長さは必ずしも力の大きさとは対応しない。
この状態では、第1部分421の周囲には時計回りの、第2部分422の周囲には反時計回りの磁界が形成され、永久磁石410の付近には、磁力線が図で下から上へ向かう磁界が形成される。永久磁石410は、この磁界からN極410nが上を向く方向への力を受け、時計回りに回転する。この力は、永久磁石410が発生させる磁界内で駆動コイル420に電流を流したことにより生じるローレンツ力の反作用であると考えることができる。
そして、ある程度回転した図13(c)の状態で駆動コイル420への電圧印加を停止すると、永久磁石410は、各極とヨーク430との間に発生する磁力により、図13(a)の自然状態に戻る。
ある程度回転した図14(c)の状態で駆動コイル420への電圧印加を停止すると、永久磁石410は、各極とヨーク430との間に発生する磁力により、図14(a)の自然状態(図13(a)と同じ状態)に戻る。
回転運動の範囲は自然状態に対して対称であってもよいし、対称でなくてもよい。例えば、駆動コイル420に印加する電圧のオンオフを周期的に切り換えることにより、中立位置付近の位置を一端とする所定範囲での揺動を行うこともできる。駆動コイル420に印加する電圧又は電流を、適宜な範囲で周期的に変化させることにより、任意の揺動範囲で、ミラー401を揺動させることができる。
これらの観点から、回転運動の範囲が自然状態に対して対称であると、揺動範囲を広く取りつつ、高いエネルギー効率が得られ、好ましい。
次に、上述した物体検出装置10が実行する、アクチュエータの駆動周波数の制御に関する動作について説明する。この動作は、レーザビームL1を主走査方向に偏向させるためのアクチュエータとして、上述のアクチュエータ300を用いる場合でも、アクチュエータ400を用いる場合でも、同様に適用可能である。もちろん、その他のアクチュエータを用いる場合でも、自然状態への復元力を持つ可動子をその復元力に抗して往復回転駆動するタイプをはじめ、共振周波数を持つアクチュエータであれば、任意の形態のものに適用可能である。他の例としては、例えば特許文献3に記載のものが挙げられる。
ここでは、アクチュエータ400を用いる構成を例として説明する。
ここで用いる駆動信号drv_pは、図15に示すように、一定周期で+vと-vの電圧が繰り返す矩形波である。この周期の逆数(本明細書において、これを「駆動周波数」と呼ぶ)が、可動子であるミラー401(及びミラー401が固定された永久磁石410)の共振周波数と一致する場合に、アクチュエータ400のミラー401を効率よく、すなわち低消費電力で駆動することができる。
なお、以後の説明について、特に断らずに「速度」あるいは「角速度」といった場合には、速度あるいは角速度の絶対値を指す。
図17の例では往路走査、復路走査ともに角速度のピークが中央位置よりも後方にずれている。図18の例では逆にピークが中央位置よりも前方にずれている。
すなわち、初めは図17と図18の一方の関係をとり、駆動周波数が共振周波数に近づくにつれて往路走査と復路走査の差が小さくなり、ある値となったとき図16に示す関係となる。この値が共振周波数であると考えられる。その後、駆動周波数が共振周波数を通り過ぎると、図17と図18のうち他方の関係となり、駆動周波数が共振周波数から離れるにつれて往路走査と復路走査の差が大きくなっていく。
この実施形態におけるアクチュエータ400の駆動周波数の制御は、ミラー401の走査角と角速度との間のこれらの関係を利用し、アクチュエータ400の駆動周波数をミラー401の共振周波数と一致させるために行うものである。
図19の模式図に、走査部30から投光されるレーザビーム及び走査部30へ入射する反射光の光路を、図1よりも詳細に示す。なお、図19においては、光路の向きは、主走査方向についてのみ考慮している。
ここで説明する走査部30では、アクチュエータ400が主走査方向の走査を担当し、レーザビームL1を反射するミラー401の揺動により、出射光L2の出射方向を変化させて主走査線を形成する。そして、この出射光L2は、外部の物体200や、保護材64上の反射部66で反射されると、戻り光L3としてミラー401に戻る。このとき、物体200や反射部66で反射された光のうち、出射光L2と同方向に反射され出射光L2と逆向きの光路でミラー401に戻った光のみが、ミラー401及びミラー381で反射されて、戻り光L4として受光部40に導かれ、受光素子43により検出される。
反射部66のうちこの有効反射領域66aの部分が第1反射部に、有効反射領域66a以外の部分が第2反射部に該当する。
副走査方向についても同様なことは成り立つが、この点については後述する。
図20に示すように、破線65で示す出射光L2の走査範囲は、出射光L2が透過可能な保護材64内に長方形状に形成される。図で横方向が主走査方向であり、縦方向が副走査方向である。71と72は、それぞれ往路と復路の主走査線の例を示す。
なお、反射部66を通過する1往復の主走査方向走査を行う間、副走査方向の走査を反射部66と対応する位置で停止させる制御を行うのであれば、反射部66は、副走査方向に主走査線1本分の幅を有していれば足りる。
物体検出装置10が物体検出を行う場合、LDモジュール21を間欠的に点灯させ走査線71,72をビームスポット82の集合として形成することは図1の説明で述べた通りである。そして、ビームスポット82が有効反射領域66aに入射し有効反射領域66aで反射されると、TDC52が、点灯パルスのタイミングt0と、これと対応する戻り光L4のパルスのタイミングt1との時間差として、有効反射領域66aから受光素子43までの距離と対応する時間差の信号を出力する。プロセッサ53は、あるビームスポットについてこの時間差の信号を検出した場合に、そのビームスポットの出射光L2が有効反射領域66aにより反射されたと判定すればよい。
TDC52が出力する時間差の信号は、外部の物体200から反射された反射光を検出した場合と全く同じフォーマットでよい。単に、t0とt1の時間差が小さい旨の信号を出力すれば足りる。
なお、主走査線の端部が見切られている等して、主走査線を基準に見ると往路走査の期間と復路走査の期間とが連続していないこともあり得る。しかしここでは、往復回転運動するミラー401が揺動経路の一方側の端部で回転を開始してから他方側の端部まで回転して静止し回転方向を変えるまでを一主走査とカウントし、往路走査と復路走査とは連続して行われるものとする。すなわち、往路のTeと次の復路のTs′は一致し、復路のTe′と次の往路のTsとは一致すると考えて以降の説明をする。
また、この状態では図16に示すように往路と復路でミラー401の走査角と角速度との関係が同じであることから、復路走査の各ビームスポットについてのTDC52の出力を逆順に並べると、グラフ203に示すように往路走査における出力と(ほぼ)一致すると考えられる。
逆に、図18のように走査の前半側で角速度が大きくなる条件では、図24に示すように、往路走査復路走査ともに、図22の場合と比べ有効反射領域66からの反射光が検出されるタイミングが走査の前半側にずれる。図23及び図24において、仮想線で示す位置が図22における検出タイミングの位置である。
また、駆動周波数と共振周波数とのずれが小さくなれば、上記時間差の違いも小さくなる。
以上から、往路走査と復路走査で、第1参照タイミングと第2参照タイミングとの時間差が一致するようにアクチュエータ400の駆動周波数を調整すれば、駆動周波数をミラー401の共振周波数と一致させ、エネルギー効率のよい駆動が可能となる。
プロセッサ53は、一往復の主走査が完了したことを検出すると、図25の処理を開始する。
ステップS11でNoの場合、今回の一往復の主走査に基づき駆動周波数の調整を行うことができないため、現在の駆動周波数を維持して(S14)処理を終了する。
ステップS13でNoであれば、プロセッサ53は、前回の図25の処理で駆動周波数を変更したか否か判断する(S15)。これがNoであれば、プロセッサ53は、駆動周波数を任意の方向に適当な量だけ変更して(S16)、処理を終了する。
ステップS18とS19のいずれの場合も、ステップS12で求めた差の値に応じて、駆動周波数の変更量を変えてもよい。
次に、上述した物体検出装置10が実行する、アクチュエータの駆動振幅の制御に関する動作について説明する。この動作も、上述の駆動周波数制御の場合と同様、共振周波数を持つアクチュエータであれば、任意の形態のものに適用可能である。ここでは、アクチュエータ400を用いる構成を例として説明する。
なお、ここでいう駆動振幅とは、アクチュエータ400の駆動コイル420に印加する駆動信号の時間当たりのエネルギーの大きさであり、典型的には図15に示した駆動信号drv_pの振幅である。しかし、デューティー制御等により、駆動信号の振幅を変えずにエネルギーの大きさを変化させることも考えられる。
図26において、グラフ511~513はそれぞれ、アクチュエータ400の駆動周波数がミラー401の共振周波数と一致している状態で、駆動振幅が異なる条件での、走査角と角速度との関係を示す。グラフ511が最も駆動振幅が大きく、512、513の順で小さくなる。
この実施形態におけるアクチュエータの400の駆動振幅の制御は、このような特性を利用し、主走査方向の走査範囲を任意に調整するために行うものである。
まず図27に、図20の場合と同様に、出射光L2の走査範囲と反射部66を設ける位置との関係を示す。
ここでは、図27に示すように反射部66を主走査線の中央に設け、有効反射領域66aも主走査線の中央に位置する例について説明するが、これは本項の説明を分かりやすくするためであり、図20の場合と同様、反射部66を中央からやや離れた位置に設け、有効反射領域66aもその位置に来るようにしてもよい。ただし、駆動振幅が変動しても有効反射領域66aが走査範囲から外れないような位置に設けることが好ましい。また、駆動振幅制御のみを考慮するのであれば、副走査方向には主走査線1本分の広がりを持つように反射部66及び有効反射領域66aを形成すれば足りる。
ここで説明する例では、有効反射領域66aを主走査線の中央に設けており、かつ駆動周波数がミラー401の共振周波数と一致しているため、図28に示すように、有効反射領域66aからの反射光が検出される期間(RaからRb)は主走査期間の中央に位置する。これは、駆動振幅によらず一定である。また、往路走査でも復路走査でも、RaとRbは同じ位置に来る(正確には、復路走査ではRbが先、Raが後であり、往路走査の場合と順番が逆である)。
この理由は次の通りである。まず、有効反射領域66aが存在する範囲は、走査角で見れば駆動振幅によって変化することはない。そして、図26に示したように、同じ走査角であれば駆動振幅が大きいほど角速度は大きくなる。従って、走査が有効反射領域66aを通過するのに要する時間、すなわち、有効反射領域66aからの反射光が検出される期間は、駆動振幅が大きいほど短くなる。また、駆動振幅が大きいほど走査角度範囲も大きくなる。従って、有効反射領域66aからの反射光が検出される期間は、走査角度範囲が大きいほど短くなる
なお、反射期間が所望の走査角度範囲と対応する目標値となることは、往復走査中に前有効反射領域66aからの反射光を検出するタイミングが満たすべき目標条件(駆動振幅の調整基準)の一例にすぎず、調整基準の他の例については図30及び図31も用いて後述する。
プロセッサ53は、一主走査が完了したことを検出すると、図29の処理を開始する。
ステップS31でNoの場合、今回の主走査に基づき駆動振幅の調整を行うことができないため、現在の駆動振幅を維持して(S34)処理を終了する。
ステップS31でYesの場合、プロセッサ53は、今回の主走査における反射期間を求め(S32)、これが所定の目標値と一致するか否か判断する(S33)。この目標値は、例えば所望の走査角度範囲と対応付けて予め用意され、適宜な記憶装置に記憶されるテーブル540に格納された値であるが、これには限られない。
ステップS33でNoであれば、プロセッサ53は、ステップS32で求めた反射期間比率と目標値との大小関係に応じて、目標値へ近づける方向へ駆動振幅を調整し(S35~S37)、処理を終了する。
このことにより、物体検出装置10が物体を検出できる視野角を容易に調整することができる。このことにより、プロセッサ53の処理速度等を考慮して一主走査線内のビームスポットの数を一定とする場合でも、広範囲で解像度の比較的低い検出と、狭い範囲だが解像度の高い検出とを、容易に切り替えて行うことができる。
一方、例えばポリゴンミラーを用いた走査であると、走査振幅はポリコンの面数で決まるので、物体検出の分解能を上げるにはレーザ光源の点灯間隔を短く(光源駆動の周波数を大きく)する必要がある。そうすると、レーザ光源の寿命が大幅に低下してしまうか、光源の消費電力が大きく増加してしまう。以上説明してきた物体検出装置10では、レーザ光源の寿命や消費電力に悪影響を与えることなく、分解能の高い物体検出が可能となる。
また、反射期間を求めるために、時間を計測することは必須ではない。例えば、主走査線内のビームスポットが等時間間隔である場合、有効反射領域66aに反射され受光素子43で検出されたビームスポットの数から、反射期間を求めることも考えられる。
まず、駆動振幅を、主走査中における有効反射領域66aからの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、主走査が端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差が所定の目標値になるように調整することが考えられる。
従って、駆動振幅が小さく一主走査の中で反射光が検出される時間範囲が長いほど、有効反射領域66aからの反射光が検出されるタイミング(例えば図30のRb)と、主走査が端部に達するタイミング(例えば図30のTe)との間の時間差(図30のΔT1)は、小さくなる。
次に、以上説明してきた実施形態の比較例について説明する。この比較例は、反射部66が入射光を乱反射する場合の例である。図32に、この場合の走査部30から投光されるレーザビーム及び受光部43で検出される反射光の光路を、図19と対応する模式図として示す。
図33の例では、反射部66を、拡散板など入射光を乱反射する部材を用いて構成している。この場合には、反射部66上の各点からの反射光には、入射方向と同じ向き以外の向きの成分も含まれるが、入射方向と同じ向きの成分(図33に符号L3で示す)も含まれる。従って、反射部66のどこに入射した光の反射光でも受光素子43により検出される。従って、反射部66の反射面の全域が有効反射領域66aとなる。
上述した実施形態は、反射部66がレーザ光を正反射する構成であり、また反射部66を有効反射領域66aよりも広い範囲に設けていることにより、有効反射領域66aの端部の検出精度を高めることができ、駆動信号の周波数や振幅の調整の精度も高めることができる。
次に、以上説明してきた実施形態の変形例について説明する。ここで説明する変形例は、特に断らない限り、駆動周波数の調整の項で述べた内容と、駆動振幅の調整の項で述べた内容とに、共通して適用可能である。また、変形例の説明において、上述した実施形態と共通する又は対応する部分には、上述した実施形態と同じ符号を用いる。
このように、LDモジュール21の点灯が等時間間隔でない場合にも、上述の実施形態は適用可能である。駆動信号drv_LDに基づきプロセッサ53に各点灯時刻の情報を供給すれば、プロセッサ53は、受光素子43で反射光を検出したビームスポットの点灯時刻に基づき、RaとRbを求められるためである。
また、以上の各項目において説明した特徴は、それぞれ独立して装置やシステムに適用し得るものである。特に、以上説明した駆動周波数調整や駆動振幅調整、および有効反射領域66aからの反射の検出は、物体検出を目的としない光走査装置においても適用可能である。
Claims (7)
- レーザ光を、アクチュエータにより周期的に往復回転駆動される反射材により反射して投光することにより、所定の視野範囲を前記レーザ光で第1方向に往復走査する光走査部と、
所定の位置で光を受光し検出する光検出部と、
投光される前記レーザ光と逆向きの光路で前記反射材に入射する光を前記光検出部に導く導光部と、
前記レーザ光の投光と前記光検出部による受光との時間差を測定する測定部と、
前記レーザ光の各回の投光について前記測定部が測定した時間差に基づき、物体が存在する方向及び該物体までの距離を検出する物体検出部と、
投光される前記レーザ光の光路上の前記第1方向の一部分であって予め定められた位置に設けられ、前記レーザ光を正反射する第1反射部と、
前記第1反射部を通る前記往復走査において、主走査中における前記光検出部による前記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、前記主走査が特定の端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差の、往路の走査における値である第1値と復路の走査における値である第2値との差が縮小するように前記アクチュエータに印加する駆動信号の周波数を調整し、前記第1値と前記第2値とが一致するように該調整を行う調整部とを備えることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1に記載の光走査装置であって、
前記第1反射部は、投光されるレーザ光を、前記導光部により前記光検出部に導かれる向きに正反射させ、
前記第1反射部から前記第1方向に広がるように、前記第1反射部と滑らかに連続し、投光される前記レーザ光を、実質的に、前記導光部により前記光検出部に導かれる向き以外の向きのみに正反射させる第2反射部を備えることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1又は2に記載の光走査装置であって、
前記調整部は、
前記往路の走査期間内における前記第1反射部からの反射光の検出タイミングの始端と前記復路の走査期間内における前記第1反射部からの反射光の検出タイミングの終端、又は
前記往路の走査期間内における前記第1反射部からの反射光の検出タイミングの終端と前記復路の走査期間内における前記第1反射部からの反射光の検出タイミングの始端を前記第1参照タイミングとして用いることを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
前記光走査部は、前記所定の視野範囲を前記レーザ光で、主走査方向である前記第1方向と、該主走査方向と異なる副走査方向とにそれぞれ走査し、
前記第1反射部を、少なくとも1往復の主走査方向走査の走査線が前記第1反射部上を通過するように、前記レーザ光の光路上の副走査方向の一部分にのみ設けたことを特徴とする光走査装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
前記測定部が測定した時間差が所定閾値以下である場合に投光された前記レーザ光が前記第1反射部により反射されたと判定する判定部を備えることを特徴とする光走査装置。 - レーザ光を、アクチュエータにより周期的に往復回転駆動される反射材により反射して投光することにより、所定の視野範囲を前記レーザ光で第1方向に往復走査する光走査部と、所定の位置で光を受光し検出する光検出部と、投光される前記レーザ光と逆向きの光路で前記反射材に入射する光を前記光検出部に導く導光部と、前記レーザ光の投光と前記光検出部による受光との時間差を測定する測定部と、前記レーザ光の各回の投光について前記測定部が測定した時間差に基づき、物体が存在する方向及び該物体までの距離を検出する物体検出部と、投光される前記レーザ光の光路上の前記第1方向の一部分であって予め定められた位置に設けられ、前記レーザ光を正反射する第1反射部とを備える光走査装置を用意する手順と、
前記第1反射部を通る前記往復走査において、主走査中における前記光検出部による前記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、前記主走査が特定の端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差の、往路の走査における値である第1値と復路の走査における値である第2値との差が縮小するように前記アクチュエータに印加する駆動信号の周波数を調整し、前記第1値と前記第2値とが一致するように該調整を行う調整手順とを備えることを特徴とする光走査装置の調整方法。 - レーザ光を、アクチュエータにより周期的に往復回転駆動される反射材により反射して投光することにより、所定の視野範囲を前記レーザ光で第1方向に往復走査する光走査部と、所定の位置で光を受光し検出する光検出部と、投光される前記レーザ光と逆向きの光路で前記反射材に入射する光を前記光検出部に導く導光部と、前記レーザ光の投光と前記光検出部による受光との時間差を測定する測定部と、前記レーザ光の各回の投光について前記測定部が測定した時間差に基づき、物体が存在する方向及び該物体までの距離を検出する物体検出部と、投光される前記レーザ光の光路上の前記第1方向の一部分であって予め定められた位置に設けられ、前記レーザ光を正反射する第1反射部とを備える光走査装置を制御するプロセッサに、
前記第1反射部を通る前記往復走査において、主走査中における前記光検出部による前記第1反射部からの反射光の検出タイミングに基づき定められる第1参照タイミングと、前記主走査が特定の端部に達するタイミングに基づき定められる第2参照タイミングとの間の時間差の、往路の走査における値である第1値と復路の走査における値である第2値との差が縮小するように前記アクチュエータに印加する駆動信号の周波数を調整し、前記第1値と前記第2値とが一致するように該調整を行う調整手順を実行させるためのプログラム。
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