WO2022209137A1 - 光学系及び光走査装置 - Google Patents

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WO2022209137A1
WO2022209137A1 PCT/JP2022/000998 JP2022000998W WO2022209137A1 WO 2022209137 A1 WO2022209137 A1 WO 2022209137A1 JP 2022000998 W JP2022000998 W JP 2022000998W WO 2022209137 A1 WO2022209137 A1 WO 2022209137A1
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reflecting surface
light
axis
optical system
reflected light
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PCT/JP2022/000998
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耕基 中林
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富士フイルム株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another

Definitions

  • the technology of the present disclosure relates to an optical system and an optical scanning device.
  • LiDAR Light Detection And Ranging
  • the first method is a mechanical scanning method in which a laser light source and a light receiving element are rotated by a mechanical mechanism such as a motor, and laser light is scanned in all directions of 360 degrees (hereinafter referred to as omnidirectional scanning).
  • the second method is a MEMS method in which laser light is scanned by deflecting it with a movable mirror (also called a MEMS mirror) made up of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Omnidirectional scanning is also possible in MEMS-type LiDAR (for example, WO 2019/167587 and non-patent literature (“Resonant biaxial 7-mm MEMS mirror for omnidirectional scanning”, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 13(1), 011103 (Jan-Mar 2014)).
  • MEMS type LiDAR omnidirectional scanning is enabled by using a rotationally symmetric optical system for converting light deflected by a movable mirror into a horizontal direction. is described.
  • a MEMS-type LiDAR when omnidirectional scanning is performed using a rotationally symmetric optical system, the light deflected by the movable mirror is reflected by the optical system and then emitted from the LiDAR to the outside as scanning light.
  • the beam diameter of the scanning light emitted from the LiDAR may expand due to reflection in the optical system.
  • the spatial resolution of distance measurement decreases.
  • the optical system described in WO 2019/167587 does not take into account the decrease in resolution due to the spread of the beam diameter.
  • the optical system described in the above non-patent document is realized only when the movable angle (also referred to as the deflection angle) of the MEMS mirror reaches 15°.
  • the movable angle also referred to as the deflection angle
  • the optical system described in the above non-patent document has not been realized.
  • An object of the technique of the present disclosure is to provide an optical system and an optical scanning device capable of suppressing deterioration in resolution.
  • an optical system of the present disclosure is an optical system into which polarized light deflected by a movable mirror is incident, is rotationally symmetrical about a first axis, and reflects the polarized light.
  • a first reflecting member having a first reflecting surface that emits the first reflected light, and a second reflecting surface that is rotationally symmetrical about the first axis and reflects the first reflected light and emits the second reflected light.
  • the movable mirror rotates in a state in which the normal direction is tilted within a certain angular range with respect to the first axis.
  • the polarized light is parallel light, and is reflected by the second reflecting surface when the parallel light is virtually incident on the second reflecting surface from the condensing position of the first reflected light and the optical path of the second reflected light. It is preferable that the condensing position of the virtual image of the reflected light matches.
  • the distance from the first reflecting surface to the condensing position of the first reflected light is f1
  • the distance from the second reflecting surface to the condensing position of the virtual image is f2
  • the first axis between the first reflecting surface and the second reflecting surface is within the range of 0.9 ⁇ d ⁇ f1 ⁇ f2 ⁇ 1.1 ⁇ d.
  • the shape of either one of the first reflecting surface and the second reflecting surface is preferably a hyperboloid.
  • the shape of either one of the first reflecting surface and the second reflecting surface is preferably an odd-order aspherical surface.
  • a prism that is rotationally symmetrical with respect to the first axis, is arranged outside the second reflecting member, and refracts the second reflected light.
  • the cross-sectional shape obtained by cutting the prism along a plane parallel to the first axis is preferably triangular.
  • An optical scanning device of the present disclosure includes any one of the optical systems described above, a movable mirror device having a movable mirror, and a light source that emits light to be incident on the movable mirror.
  • the second reflected light is preferable to emit the second reflected light as scanning light in all directions around the first axis.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a LiDAR device;
  • FIG. It is a perspective view showing an example of a schematic structure of a movable mirror device. It is a figure which shows a mode that a movable mirror precesses.
  • It is a schematic perspective view showing an example of an optical system.
  • 1 is a schematic exploded perspective view showing an example of an optical system;
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows an example of an optical system. It is a figure explaining the positional relationship of a 1st reflective surface, a 2nd reflective surface, and a movable mirror.
  • 4 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a first reflecting surface and a second reflecting surface according to the first embodiment;
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a LiDAR device
  • FIG. is a perspective view showing an example of a schematic structure of a movable mirror device. It is a figure which shows a
  • FIG. 4 is a simulation image representing a cross-sectional shape of scanning light according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a first reflecting surface and a second reflecting surface according to the second embodiment
  • It is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an optical system according to a third embodiment
  • FIG. 11 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a first reflecting surface and a second reflecting surface according to the third embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a refracting surface, a reflecting surface, and a second reflecting surface according to the third embodiment
  • It is a figure explaining the vertical scanning which concerns on 4th Embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a first reflecting surface and a second reflecting surface according to the fourth embodiment; It is a simulation image showing the cross-sectional shape of scanning light according to the fourth embodiment. It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the optical system which concerns on a comparative example.
  • FIG. 5 is a diagram showing values of parameters representing shapes of a first reflecting surface and a second reflecting surface according to a comparative example; It is a simulation image showing the cross-sectional shape of scanning light according to a comparative example.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a LiDAR device 2 according to one embodiment.
  • the LiDAR device 2 emits scanning light Ls to the object 3 and receives its return light Lr to measure the distance to the object 3 .
  • the LiDAR device 2 is mounted, for example, on an automobile, and acquires distance information of surrounding obstacles.
  • the LiDAR device 2 is an example of an “optical scanning device” according to the technology of the present disclosure.
  • the LiDAR device 2 includes a light source 10, a movable mirror device 11, an optical system 12, a light receiving section 13, and a control section .
  • the movable mirror device 11 includes a movable mirror 20 and a driving section 35 for driving the movable mirror 20 .
  • the optical system 12 includes a first reflecting member 40 , a second reflecting member 41 and a prism 42 .
  • the light source 10 is, for example, a laser diode, and emits laser light L toward the movable mirror 20 of the movable mirror device 11 .
  • the laser light L is, for example, infrared rays with a wavelength of 905 nm. Also, the laser light L is, for example, pulsed. Note that the laser light L is an example of “light emitted by a light source” according to the technology of the present disclosure.
  • the light source 10 is not limited to laser diodes, and lasers of various configurations such as DPSS (Diode Pumped Solid State) lasers and fiber lasers can be used.
  • the laser light is not limited to the above laser light, and pulsed laser light generally used for LiDAR having a wavelength from 850 nm to near-infrared light in the band of 1550 nm can be used, for example.
  • the movable mirror 20 deflects the laser light L incident from the light source 10 by reflecting it. That is, the movable mirror 20 reflects the incident laser light L and emits it as the polarized light Ld.
  • the polarized light Ld emitted from the movable mirror 20 enters the optical system 12 .
  • the polarized light Ld incident on the optical system 12 is sequentially reflected by the first reflecting member 40 and the second reflecting member 41, refracted by the prism 42, and then emitted to the outside of the LiDAR device 2 as the scanning light Ls.
  • the return light Lr from the object 3 enters the optical system 12 .
  • the return light Lr incident on the optical system 12 is refracted by the prism 42 , reflected by the second reflecting member 41 and the first reflecting member 40 in order, and then incident on the movable mirror 20 .
  • the return light Lr incident on the movable mirror 20 is deflected by the movable mirror 20 and then guided to the light receiving section 13 by being reflected by, for example, a half mirror 50 (see FIG. 6).
  • a half mirror 50 instead of the half mirror 50, a mirror having a through hole for passing the laser light L and a reflecting surface for reflecting the return light Lr may be used.
  • the light receiving unit 13 receives the return light Lr and generates a detection signal corresponding to the light amount of the received return light Lr.
  • the light receiving section 13 is composed of, for example, an avalanche photodiode.
  • a detection signal generated by the light receiving unit 13 is input to the control unit 14 .
  • the control unit 14 controls the emission of the laser light L from the light source 10 and performs processing for calculating the distance to the object 3 based on the detection signal input from the light receiving unit 13 . Also, the control unit 14 supplies a driving voltage for driving the movable mirror 20 to the driving unit 35 .
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of the movable mirror device 11.
  • the movable mirror device 11 is a micromirror device formed by etching an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the movable mirror device 11 is also called a MEMS mirror device.
  • the movable mirror device 11 has a movable mirror 20 , a first support section 21 , a first movable frame 22 , a second support section 23 , a second movable frame 24 , a connection section 25 and a fixed frame 26 .
  • the movable mirror device 11 is a so-called MEMS scanner.
  • the movable mirror 20 has a reflecting surface 20A that reflects incident light.
  • the reflecting surface 20A is formed of a metal thin film such as gold (Au), aluminum (Al), silver (Ag), or a silver alloy provided on one surface of the movable mirror 20, for example.
  • the shape of the reflecting surface 20A is, for example, a circular shape centered on the intersection of the a1 axis and the a2 axis.
  • the first support portions 21 are arranged outside the movable mirror 20 at positions opposed to each other across the a2 axis.
  • the first support portion 21 is connected to the movable mirror 20 on the a1 axis, and supports the movable mirror 20 so as to swing about the a1 axis.
  • the first support portion 21 is a torsion bar extending along the a1 axis.
  • the first movable frame 22 is a rectangular frame surrounding the movable mirror 20, and is connected to the movable mirror 20 via the first support 21 on the a1 axis.
  • Piezoelectric elements 30 are formed on the first movable frame 22 at opposing positions across the a1 axis.
  • a pair of first actuators 31 are configured by forming two piezoelectric elements 30 on the first movable frame 22 .
  • the pair of first actuators 31 are arranged at positions facing each other across the a1 axis.
  • the first actuator 31 causes the movable mirror 20 to swing about the a1 axis by applying a rotational torque about the a1 axis to the movable mirror 20 .
  • the second support portions 23 are arranged outside the first movable frame 22 at positions opposed to each other across the a1 axis.
  • the second support portion 23 is connected to the first movable frame 22 on the a2 axis, and supports the first movable frame 22 and the movable mirror 20 so as to be swingable about the a2 axis.
  • the second support portion 23 is a torsion bar extending along the a2 axis.
  • the second movable frame 24 is a rectangular frame surrounding the first movable frame 22, and is connected to the first movable frame 22 via the second support portion 23 on the a2 axis.
  • Piezoelectric elements 30 are formed on the second movable frame 24 at opposing positions across the a2 axis.
  • a pair of second actuators 32 are configured by forming two piezoelectric elements 30 on the second movable frame 24 .
  • the pair of second actuators 32 are arranged at positions facing each other across the a2 axis.
  • the second actuator 32 causes the movable mirror 20 to swing about the a2 - axis by applying rotational torque about the a2 - axis to the movable mirror 20 and the first movable frame 22 .
  • the connecting portions 25 are arranged outside the second movable frame 24 at positions opposed to each other with the a1 axis interposed therebetween.
  • the connecting portion 25 is connected to the second movable frame 24 on the a2 axis.
  • the fixed frame 26 is a rectangular frame that surrounds the second movable frame 24 and is connected to the second movable frame 24 via a connecting portion 25 on the a2 axis.
  • the direction normal to the reflecting surface 20A in the state in which the movable mirror 20 is not tilted is defined as the Z-axis direction
  • one direction orthogonal to the Z-axis direction is defined as the X-axis direction
  • the Z-axis direction and the X-axis direction are orthogonal. Let the direction to do so be the Y-axis direction.
  • the pair of first actuators 31 and the pair of second actuators 32 correspond to the driving section 35 described above.
  • the control unit 14 described above causes the movable mirror 20 to precess by applying sine-wave driving voltages having different phases to the pair of first actuators 31 and the pair of second actuators 32 .
  • FIG. 3 shows how the movable mirror 20 precesses.
  • the precession motion is a motion in which the normal line N of the reflecting surface 20A of the movable mirror 20 swings like drawing a circle. That is, the movable mirror 20 rotates in a state in which the normal direction is inclined within a certain angular range with respect to the Z-axis az .
  • the Z-axis az is an axis parallel to the Z-axis direction and passing through the center of the movable mirror 20 .
  • the Z-axis az is an example of the "first axis" according to the technology of the present disclosure.
  • a laser beam L emitted from the light source 10 is incident on the center of the movable mirror 20 along the Z-axis az . As shown in FIG. 3, the deflected light Ld deflected by the movable mirror 20 precessing is emitted from the movable mirror 20 so as to draw a circle.
  • FIG. 4 to 6 show the configuration of the optical system 12.
  • FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view of the optical system 12.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of the optical system 12.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the optical system 12 cut along the Z-axis az .
  • the first reflecting member 40, the second reflecting member 41, and the prism 42, which constitute the optical system 12, are all rotationally symmetrical with respect to the Z axis az .
  • the first reflecting member 40 and the second reflecting member 41 are arranged in the order of the first reflecting member 40 and the second reflecting member 41 along the traveling direction of the laser light L emitted from the light source 10 .
  • the first reflecting member 40 has a substantially disc-shaped outer shape, and has a hole 40A through which the laser light L passes through in the center.
  • a first reflecting surface 40B is formed on the second reflecting member 41 side of the first reflecting member 40 .
  • the first reflecting surface 40B is rotationally symmetrical with respect to the Z-axis az . Further, the cross-sectional shape of the first reflecting surface 40B cut along a plane parallel to the Z-axis az is concave.
  • the polarized light Ld emitted from the movable mirror 20 is incident on the first reflecting surface 40B.
  • the first reflecting surface 40B reflects the incident polarized light Ld and emits it as a first reflected light Lh1.
  • the optical path of the first reflected light Lh1 emitted from the first reflecting surface 40B is parallel to the Z-axis az .
  • a hole 41A is formed in the center of the second reflecting member 41 for passing the laser light L and the polarized light Ld.
  • a second reflecting surface 41B is formed on the first reflecting member 40 side of the second reflecting member 41 .
  • the second reflecting surface 41B is rotationally symmetrical with respect to the Z-axis az . Further, the cross-sectional shape of the second reflecting surface 41B cut along a plane parallel to the Z-axis az is convex.
  • the first reflected light Lh1 is incident on the second reflecting surface 41B from the first reflecting surface 40B.
  • the second reflecting surface 41B reflects the incident first reflected light Lh1 and emits it as a second reflected light Lh2.
  • the optical path of the second reflected light Lh2 emitted from the second reflecting surface 41B is directed outward from the Z-axis az .
  • the outward direction from the Z-axis az is the radial direction of a circle centered on the Z-axis az .
  • a cavity 42A for accommodating the second reflecting member 41 is formed in the center of the prism 42 .
  • the prism 42 is rotationally symmetrical with respect to the Z-axis az and is arranged outside the second reflecting member 41 .
  • the cross-sectional shape of the prism 42 cut along a plane parallel to the Z-axis az is triangular.
  • the second reflected light Lh2 enters the prism 42 from the second reflecting surface 41B.
  • the prism 42 refracts the second reflected light Lh2 incident from the second reflecting surface 41B and emits it as the scanning light Ls.
  • the emission direction of the scanning light Ls is, for example, a direction orthogonal to the Z-axis az . That is, the scanning light Ls is emitted in all directions around the Z-axis az .
  • a half mirror 50 is arranged on the optical path of the laser light L emitted from the light source 10. As shown in FIG. The half mirror 50 transmits the laser light L from the light source 10 and makes it enter the movable mirror 20 , and reflects the return light Lr reflected by the movable mirror 20 so that it enters the light receiving section 13 .
  • the laser light L emitted from the light source 10 passes through the half mirror 50, passes through the hole 40A of the first reflecting member 40 and the hole 41A of the second reflecting member 41, and enters the movable mirror 20.
  • the laser beam L that has entered the movable mirror 20 is reflected by the movable mirror 20 and emitted from the movable mirror 20 as deflected light Ld.
  • the deflected light Ld emitted from the movable mirror 20 passes through the hole 41A of the second reflecting member 41 and enters the first reflecting surface 40B of the first reflecting member 40 .
  • the polarized light Ld incident on the first reflecting surface 40B is reflected by the first reflecting surface 40B, and is emitted from the first reflecting surface 40B as the first reflected light Lh1.
  • the first reflected light Lh1 emitted from the first reflecting surface 40B travels along the Z-axis az and enters the second reflecting surface 41B of the second reflecting member 41 .
  • the first reflected light Lh1 incident on the second reflecting surface 41B is reflected by the second reflecting surface 41B, and is emitted from the second reflecting surface 41B as a second reflected light Lh2.
  • the second reflected light Lh2 emitted from the second reflecting surface 41B travels in a direction extending outward from the Z-axis az and enters the prism .
  • the second reflected light Lh2 incident on the prism 42 is refracted and then emitted from the prism 42 toward the object 3 (see FIG. 1) as scanning light Ls.
  • the return light Lr from the object 3 enters the prism 42, travels in the opposite direction along the optical paths of the deflected light Ld, the first reflected light Lh1, and the second reflected light Lh2, and enters the movable mirror 20. After being reflected by the movable mirror 20 , the return light Lr passes through the hole 40A of the first reflecting member 40 and the hole 41A of the second reflecting member 41 to enter the half mirror 50 . Part of the return light Lr that has entered the half mirror 50 is reflected by the half mirror 50 and enters the light receiving section 13 .
  • the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are formed of metal films such as gold (Au), aluminum (Al), or silver (Ag) compounds, for example. Note that the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B may be formed of a multilayer reflecting film.
  • the prism 42 is made of optical resin such as acrylic, polycarbonate, or Zeonex.
  • FIG. 7 explains the positional relationship among the first reflecting surface 40B, the second reflecting surface 41B, and the movable mirror 20.
  • h1 represents the distance from the incident position of the polarized light Ld on the first reflecting surface 40B to the Z-axis az .
  • h2 represents the distance from the incident position of the first reflected light Lh1 on the second reflecting surface 41B to the Z-axis az .
  • d1 represents the distance in the Z-axis direction from the incident position of the deflected light Ld on the first reflecting surface 40B to the movable mirror 20;
  • the convergence angle of the laser beam L with respect to the horizontal direction on the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B is the same as the spread angle of the laser light L with respect to the horizontal direction.
  • the convergence and spread of the laser light L cancel each other, so that the laser light L in the horizontal direction becomes parallel light.
  • h1 and h2 do not have to be exactly the same value as long as they are substantially the same.
  • the polarized beam Ld is incident on the first reflecting surface 40B as parallel beam. Since the first reflecting surface 40B is a concave surface, the first reflected light Lh1 emitted from the first reflecting surface 40B becomes convergent light. Since the second reflecting surface 41B is a convex surface, the second reflecting surface 41B diverges the first reflected light Lh1 when reflecting it. The curvature of the second reflecting surface 41B is determined so that the second reflected light Lh2 is substantially parallel light.
  • P indicates the condensing position of the first reflected light Lh1 when the second reflecting surface 41B does not exist.
  • the condensing position of the virtual image of the reflected light reflected by the second reflecting surface 41B is the position of the first reflected light Lh1. It is preferable that it coincides with the condensing position P.
  • the condensing position of the virtual image and the condensing position P of the first reflected light Lh1 coincide with each other, so that the second reflected light Lh2 becomes parallel light.
  • f1 is the distance from the incident position of the polarized light Ld on the first reflecting surface 40B to the condensing position of the first reflected light Lh1.
  • f2 is the distance from the incident position of the first reflected light Lh1 on the second reflecting surface 41B to the condensing position of the virtual image.
  • d2 is the distance from the incident position of the polarized light Ld on the first reflecting surface 40B to the incident position of the first reflected light Lh1 on the second reflecting surface 41B.
  • the condensing position of the virtual image and the condensing position P of the first reflected light Lh1 do not have to match completely, and may substantially match.
  • the difference between f1 and f2 may be within the range of 0.9 ⁇ d2 ⁇ f1 ⁇ f2 ⁇ 1.1 ⁇ d2. This is because astigmatism occurs due to oblique incidence on the curved surface, and the focal lengths in the horizontal direction and the vertical direction are slightly deviated.
  • Both the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are aspherical surfaces.
  • the shape of the reflecting surface is represented by the following aspheric surface definition formula (1).
  • z represents a coordinate in the Z-axis direction.
  • h represents the distance from the Z-axis az .
  • R is the radius of curvature.
  • K is the conic coefficient.
  • A1 to A3 are aspheric coefficients.
  • R, K, and A1 to A3 are parameters that determine the shape of the reflecting surface. Note that, in the present disclosure, all aspherical coefficients of fourth or higher order are set to zero.
  • both the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are hyperboloids.
  • Parameters representing the shapes of the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are set to the values shown in FIG. d1 and d2 described above are set to the values shown in FIG.
  • FIG. 9 is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls at a location about 1 m away from the optical system 12.
  • FIG. The image shown in FIG. 9 has a vertical direction parallel to the Z-axis direction and a horizontal direction parallel to a direction orthogonal to the Z-axis direction.
  • both the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are hyperboloids, but in this embodiment, the first reflecting surface 40B is a hyperboloid and the second reflecting surface 41B is a paraboloid and Parameters representing the shapes of the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are set to the values shown in FIG. Also, the above d1 and d2 are set to the values shown in FIG.
  • FIG. 11 is a simulation image representing the cross-sectional shape of the scanning light Ls at a location about 1 m away from the optical system 12.
  • FIG. The image shown in FIG. 11 has a vertical direction parallel to the Z-axis direction and a horizontal direction parallel to a direction orthogonal to the Z-axis direction.
  • a back surface type concave mirror called a Mangin mirror is used as the first reflecting member 40 .
  • the configuration of the optical system 12 according to the third embodiment is the same as that of the optical system 12 according to the first embodiment, except that the first reflecting member 40 is a back concave mirror.
  • the first reflecting member 40 of this embodiment has a refracting surface 40C and a reflecting surface 40D having rotationally symmetrical shapes with respect to the Z-axis az . Both of the cross-sectional shapes obtained by cutting the refracting surface 40C and the reflecting surface 40D along a plane parallel to the Z-axis az are concave.
  • the reflective surface 40D is an example of the "first reflective surface” according to the technology of the present disclosure. That is, the reflecting surface 40D corresponds to the first reflecting surface 40B of the first embodiment.
  • the polarized light Ld emitted from the movable mirror 20 enters the first reflecting member 40, is refracted by the refracting surface 40C, and then enters the reflecting surface 40D.
  • the first reflected light Lh1 emitted from the reflecting surface 40D by reflecting the polarized light Ld on the reflecting surface 40D enters the second reflecting surface 41B of the second reflecting member 41 after being refracted by the refracting surface 40C.
  • the refracting surface 40C is a hyperboloid
  • the reflecting surface 40D is a paraboloid
  • the second reflecting surface 41B is an ellipsoid.
  • Parameters representing the shapes of the refracting surface 40C, the reflecting surface 40D, and the second reflecting surface 41B are set to the values shown in FIG.
  • the above d1 and d2 are set to the values shown in FIG.
  • FIG. 14 is a simulation image representing the cross-sectional shape of the scanning light Ls at a location about 1 m away from the optical system 12.
  • FIG. The image shown in FIG. 14 has a vertical direction parallel to the Z-axis direction and a horizontal direction parallel to a direction orthogonal to the Z-axis direction.
  • the deflection angle ⁇ of the movable mirror 20 is fixed.
  • scanning in the Z-axis direction vertical scanning
  • the scanning light Ls emitted from the optical system 12 is between the direction forming +15° with respect to the YZ plane and the direction forming ⁇ 15° with respect to the YZ plane.
  • the scanning light Ls is scanned in the Z-axis direction.
  • both the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are hyperboloids. Parameters representing the shapes of the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are set to the values shown in FIG. Also, the above d1 and d2 are set to the values shown in FIG.
  • FIG. 17 shows an example of the cross-sectional shape of the scanning light Ls emitted from the optical system 12 when the optical system 12 configured based on the conditions shown in FIG. 16 is used and the deflection angle ⁇ is changed.
  • FIG. 17A is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls when the deflection angle ⁇ is set such that the angle formed by the YZ plane and the scanning light Ls is +15°.
  • FIG. 17B is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls when the deflection angle ⁇ is set so that the angle formed by the YZ plane and the scanning light Ls is 0°.
  • FIG. 17A is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls when the deflection angle ⁇ is set such that the angle formed by the YZ plane and the scanning light Ls is +15°.
  • FIG. 17B is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls when the deflection angle
  • FIG. 17C is a simulation image showing the cross-sectional shape of the scanning light Ls when the deflection angle ⁇ is set so that the angle formed by the YZ plane and the scanning light Ls is ⁇ 15°. All the images in FIGS. 17A to 17C are simulation images representing the cross-sectional shape of the scanning light Ls at a location approximately 1 m away from the optical system 12.
  • FIG. 18 shows the configuration of an optical system 12 according to a comparative example.
  • the first reflecting surface 40B is a flat surface
  • the second reflecting surface 41B is a conical surface. That is, the cross-sectional shapes obtained by cutting the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B along a plane parallel to the Z-axis az are both linear.
  • the parameters representing the shapes of the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are set to the values shown in FIG. Also, the above d1 is set to the value shown in FIG.
  • FIG. 14 is a simulation image representing the cross-sectional shape of the scanning light Ls at a location about 1 m away from the optical system 12.
  • FIG. The image shown in FIG. 20 has a vertical direction parallel to the Z-axis direction and a horizontal direction parallel to a direction orthogonal to the Z-axis direction.
  • the cross-sectional shapes of the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are linear, the beam diameter spreads.
  • the dependency on the deflection angle ⁇ is large, and the spread of the beam diameter in the horizontal direction increases when the deflection angle ⁇ is small.
  • the cross-sectional shape of the first reflecting surface 40B is concave, and the cross-sectional shape of the second reflecting surface 41B is convex, thereby suppressing the spread of the beam diameter.
  • the first reflecting surface of the first reflecting member is a hyperboloid or paraboloid
  • the second reflecting surface of the second reflecting member is a hyperboloid, paraboloid, or ellipsoid.
  • one or both of the first reflecting surface and the second reflecting surface have an odd-order aspherical surface.
  • An odd-order aspherical surface means a curved surface expressed including an odd-order aspherical surface coefficient as in the above equation (1).
  • the direction of incidence of the laser light L on the movable mirror 20 is the Z-axis direction, but the direction of incidence of the laser light L is not limited to the Z-axis direction. (For example, a direction perpendicular to the Z-axis direction).

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Abstract

可動ミラーによって偏向された偏向光が入射する光学系であって、第１軸に対して回転対称であって、偏向光を反射して第１反射光として出射する第１反射面を有する第１反射部材と、第１軸に対して回転対称であって、第１反射光を反射して第２反射光として出射する第２反射面を有する第２反射部材とを備える。第１反射面を第１軸に平行な面で切断した断面形状は凹状である。第２反射面を第１軸に平行な面で切断した断面形状は凸状である。第１反射光の光路は、第１軸と平行である。第２反射光の光路は、第１軸から外側に向かう方向である。

Description

光学系及び光走査装置
　本開示の技術は、光学系及び光走査装置に関する。
　近年、自動車等にＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）と呼ばれる光走査装置を搭載して周辺障害物の距離情報を取得することにより、自己の位置を推定し、自動走行制御を可能にするための研究開発等が活発に行われている。そのため、ＬｉＤＡＲの性能の向上が求められており、小型かつ軽量であって、広視野角及び高分解能の走査を可能とするＬｉＤＡＲの開発が行われている。
　現在製品として販売されているＬｉＤＡＲには、主に２つの方式が存在する。第１の方式は、レーザ光源及び受光素子をモータ等の機械的な機構により回転させ、３６０度の全方位にレーザ光を走査（以下、全方位走査という。）するメカニカルスキャン方式である。第２の方式は、レーザ光を、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成された可動ミラー（ＭＥＭＳミラーとも称される。）で偏向することにより走査するＭＥＭＳ方式である。ＭＥＭＳ方式は、メカニカルスキャン方式と比べて、小型かつ軽量であって、高速な走査が可能である。
　ＭＥＭＳ方式のＬｉＤＡＲにおいても全方位走査が可能である（例えば、国際公開第２０１９／１６７５８７号公報及び非特許文献（“Resonant biaxial 7-mm MEMS mirror for omnidirectional scanning”, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 13(1), 011103 (Jan-Mar 2014)）参照）。国際公開第２０１９／１６７５８７号公報には、ＭＥＭＳ方式のＬｉＤＡＲにおいて、可動ミラーで偏向された光を水平方向に変換するための回転対称な光学系を用いることにより、全方位走査を可能とすることが記載されている。
　ＭＥＭＳ方式のＬｉＤＡＲにおいて、回転対称な光学系を用いて全方位走査を行う場合、可動ミラーで偏向された光は、光学系で反射された後、ＬｉＤＡＲから外部へ走査光として出射される。この場合、ＬｉＤＡＲから出射される走査光は、光学系における反射によりビーム径が広がる可能性がある。ビーム径が広がると、距離計測の空間的な分解能が低下してしまう。国際公開第２０１９／１６７５８７号公報に記載の光学系は、ビーム径の広がりによる分解能の低下については考慮されていない。
　また、上記非特許文献に記載の光学系は、ＭＥＭＳミラーの可動角度（振れ角とも称される。）が１５°に到達した場合においてのみ実現される。しかし、実際には可動角度が６．５°までしか到達されていないため、上記非特許文献に記載の光学系は実現されていない。このように、特に、ＭＥＭＳミラーの可動角度が小さいときには、全方位走査が可能な光学系を実現することが困難であることが分かっている。
　本開示の技術は、分解能の低下を抑制することを可能とする光学系及び光走査装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の光学系は、可動ミラーによって偏向された偏向光が入射する光学系であって、第１軸に対して回転対称であって、偏向光を反射して第１反射光として出射する第１反射面を有する第１反射部材と、第１軸に対して回転対称であって、第１反射光を反射して第２反射光として出射する第２反射面を有する第２反射部材と、を備え、第１反射面を第１軸に平行な面で切断した断面形状は凹状であり、第２反射面を第１軸に平行な面で切断した断面形状は凸状であり、第１反射光の光路は、第１軸と平行であり、第２反射光の光路は、第１軸から外側に向かう方向である。
　可動ミラーは、法線方向が第１軸に対して一定の角度範囲で傾斜した状態で回動することが好ましい。
　偏向光は平行光であって、第１反射光の集光位置と、第２反射光の光路から第２反射面に仮想的に平行光を入射させた場合において第２反射面により反射された反射光の虚像の集光位置とが一致することが好ましい。
　第１反射面から第１反射光の集光位置までの距離をｆ１、第２反射面から虚像の集光位置までの距離をｆ２、第１反射面と第２反射面との第１軸への距離をｄとした場合に、０．９×ｄ≦ｆ１－ｆ２≦１．１×ｄの範囲内であることが好ましい。
　第１反射面と第２反射面とのうちいずれか一方の形状は、双曲面であることが好ましい。
　第１反射面と第２反射面とのうちいずれか一方の形状は、奇数次非球面であることが好ましい。
　第１軸に対して回転対称であって第２反射部材より外側に配置され、第２反射光を屈折させるプリズムを備えることが好ましい。
　プリズムを第１軸に平行な面で切断した断面形状は三角形であることが好ましい。
　本開示の光走査装置は、上記のうちいずれかの光学系と、可動ミラーを有する可動ミラー装置と、可動ミラーに入射させる光を発する光源とを備える。
　可動ミラーには、第１軸に沿って光が入射することが好ましい。
　第２反射光を走査光として、第１軸周りの全方位に向けて出射することが好ましい。
　本開示の技術によれば、分解能の低下を抑制することを可能とする光学系及び光走査装置を提供することができる。
ＬｉＤＡＲ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 可動ミラー装置の概略構成の一例を示す斜視図である。 可動ミラーが歳差運動する様子を示す図である。 光学系の一例を示す概略斜視図である。 光学系の一例を示す概略分解斜視図である。 光学系の一例を示す概略断面図である。 第１反射面、第２反射面、及び可動ミラーの位置関係について説明する図である。 第１実施形態に係る第１反射面及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 第１実施形態に係る走査光の断面形状を表すシミュレーション画像である。 第２実施形態に係る第１反射面及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 第２実施形態に係る走査光の断面形状を表すシミュレーション画像である。 第３実施形態に係る光学系の構成を示す概略断面図である。 第３実施形態に係る第１反射面及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 第３実施形態に係る屈折面、反射面、及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 第４実施形態に係る垂直走査について説明する図である。 第４実施形態に係る第１反射面及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 第４実施形態に係る走査光の断面形状を表すシミュレーション画像である。 比較例に係る光学系の構成を示す概略断面図である。 比較例に係る第１反射面及び第２反射面の形状を表すパラメータの値を示す図である。 比較例に係る走査光の断面形状を表すシミュレーション画像である。
　添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、一実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２の概略構成を示す。ＬｉＤＡＲ装置２は、対象物３に対して走査光Ｌｓを出射し、その戻り光Ｌｒを受光して対象物３までの距離を計測する。ＬｉＤＡＲ装置２は、例えば自動車に搭載され、周辺障害物の距離情報を取得する。ＬｉＤＡＲ装置２は、本開示の技術に係る「光走査装置」の一例である。
　図１に示すように、ＬｉＤＡＲ装置２は、光源１０、可動ミラー装置１１、光学系１２、受光部１３、及び制御部１４を備える。可動ミラー装置１１は、可動ミラー２０と、可動ミラー２０を駆動するための駆動部３５とを含む。光学系１２は、第１反射部材４０、第２反射部材４１、及びプリズム４２を含む。
　光源１０は、例えば、レーザダイオードであり、レーザ光Ｌを可動ミラー装置１１の可動ミラー２０に向けて出射する。レーザ光Ｌは、例えば、波長９０５ｎｍの赤外線である。また、レーザ光Ｌは、例えば、パルス状である。なお、レーザ光Ｌは、本開示の技術に係る「光源が発する光」の一例である。
　なお、光源１０は、レーザダイオードに限られず、ＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザ、ファイバーレーザ等の各種構成のレーザを用いることが可能である。また、レーザ光は、上記のレーザ光に限られず、例えば８５０ｎｍから１５５０ｎｍ帯の近赤外光までの波長を有する一般的にＬｉＤＡＲに用いられているパルスレーザ光を使用することができる。
　可動ミラー２０は、光源１０から入射したレーザ光Ｌを反射することにより、レーザ光Ｌを偏向する。すなわち、可動ミラー２０は、入射したレーザ光Ｌを反射して偏向光Ｌｄとして出射する。可動ミラー２０から出射された偏向光Ｌｄは、光学系１２に入射する。光学系１２に入射した偏向光Ｌｄは、第１反射部材４０及び第２反射部材４１で順に反射され、プリズム４２により屈折した後、走査光Ｌｓとして、ＬｉＤＡＲ装置２の外部に出射される。
　対象物３からの戻り光Ｌｒは、光学系１２に入射する。光学系１２に入射した戻り光Ｌｒは、プリズム４２により屈折し、第２反射部材４１及び第１反射部材４０で順に反射された後、可動ミラー２０に入射する。可動ミラー２０に入射した戻り光Ｌｒは、可動ミラー２０により偏向された後、例えば、ハーフミラー５０（図６参照）で反射されることにより、受光部１３に導かれる。なお、ハーフミラー５０に代えて、レーザ光Ｌを通過させる貫通孔を有し、かつ戻り光Ｌｒを反射させる反射面を有するミラーを用いてもよい。
　受光部１３は、戻り光Ｌｒを受光し、受光した戻り光Ｌｒの光量に対応する検出信号を生成する。受光部１３は、例えば、アバランシェフォトダイオードにより構成されている。受光部１３が生成した検出信号は、制御部１４に入力される。
　制御部１４は、光源１０からのレーザ光Ｌの出射を制御するとともに、受光部１３から入力された検出信号に基づいて、対象物３までの距離を算出する処理を行う。また、制御部１４は、可動ミラー２０を駆動するための駆動電圧を駆動部３５に供給する。
　図２は、可動ミラー装置１１の概略構成を示す。可動ミラー装置１１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理することにより形成されたマイクロミラーデバイスである。可動ミラー装置１１は、ＭＥＭＳミラーデバイスとも称される。
　可動ミラー装置１１は、可動ミラー２０、第１支持部２１、第１可動枠２２、第２支持部２３、第２可動枠２４、接続部２５、及び固定枠２６を有する。可動ミラー装置１１は、いわゆるＭＥＭＳスキャナである。
　可動ミラー２０は、入射光を反射する反射面２０Ａを有する。反射面２０Ａは、可動ミラー２０の一面に設けられた、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又は銀の合金等の金属薄膜で形成されている。反射面２０Ａの形状は、例えば、ａ１軸とａ２軸との交点を中心とした円形状である。
　第１支持部２１は、可動ミラー２０の外側に、ａ２軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第１支持部２１は、ａ１軸上で可動ミラー２０と接続されており、可動ミラー２０をａ１軸周りに揺動可能に支持している。本実施形態では、第１支持部２１は、ａ１軸に沿って延伸したトーションバーである。
　第１可動枠２２は、可動ミラー２０を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ１軸上で第１支持部２１を介して可動ミラー２０と接続されている。第１可動枠２２の上には、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子３０が形成されている。このように、第１可動枠２２上に２つの圧電素子３０が形成されることにより、一対の第１アクチュエータ３１が構成されている。
　一対の第１アクチュエータ３１は、ａ１軸を挟んで対向する位置に配置されている。第１アクチュエータ３１は、可動ミラー２０に、ａ１軸周りの回転トルクを作用させることにより、可動ミラー２０をａ１軸周りに揺動させる。
　第２支持部２３は、第１可動枠２２の外側に、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第２支持部２３は、ａ２軸上で第１可動枠２２と接続されており、第１可動枠２２及び可動ミラー２０を、ａ２軸周りに揺動可能に支持している。本実施形態では、第２支持部２３は、ａ２軸に沿って延伸したトーションバーである。
　第２可動枠２４は、第１可動枠２２を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ２軸上で第２支持部２３を介して第１可動枠２２と接続されている。第２可動枠２４の上には、ａ２軸を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子３０が形成されている。このように、第２可動枠２４上に２つの圧電素子３０が形成されることにより、一対の第２アクチュエータ３２が構成されている。
　一対の第２アクチュエータ３２は、ａ２軸を挟んで対向する位置に配置されている。第２アクチュエータ３２は、可動ミラー２０及び第１可動枠２２に、ａ２軸の周りの回転トルクを作用させることにより、ａ２軸の周りに可動ミラー２０を揺動させる。
　接続部２５は、第２可動枠２４の外側に、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。接続部２５は、ａ２軸上で第２可動枠２４と接続されている。
　固定枠２６は、第２可動枠２４を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ２軸上で接続部２５を介して第２可動枠２４と接続されている。
　以下の説明では、可動ミラー２０が傾斜していない状態における反射面２０Ａ法線方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。
　一対の第１アクチュエータ３１及び一対の第２アクチュエータ３２が、上述の駆動部３５に対応する。上述の制御部１４は、一対の第１アクチュエータ３１と、一対の第２アクチュエータ３２とに、それぞれ位相の異なる正弦波の駆動電圧を印加することにより、可動ミラー２０を歳差運動させる。
　図３は、可動ミラー２０が歳差運動する様子を示す。歳差運動とは、可動ミラー２０の反射面２０Ａの法線Ｎが円を描くように振れる運動である。すなわち、可動ミラー２０は、法線方向がＺ軸ａｚに対して一定の角度範囲で傾斜した状態で回動する。なお、Ｚ軸ａｚは、Ｚ軸方向に平行であって、かつ可動ミラー２０の中心を通る軸である。Ｚ軸ａｚは、本開示の技術に係る「第１軸」の一例である。
　光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、Ｚ軸ａｚに沿って可動ミラー２０の中心に入射する。図３に示すように歳差運動を行っている可動ミラー２０により偏向された偏向光Ｌｄは円を描くように可動ミラー２０から出射される。
　図４～図６は、光学系１２の構成を示す。図４は、光学系１２の概略斜視図である。図５は、光学系１２の概略分解斜視図である。図６は、光学系１２をＺ軸ａｚに沿って切断した概略断面図である。光学系１２を構成する第１反射部材４０、第２反射部材４１、及びプリズム４２は、いずれもＺ軸ａｚに対して回転対称な形状である。第１反射部材４０及び第２反射部材４１は、光源１０から出射されたレーザ光Ｌの進行方向に沿って、第１反射部材４０、第２反射部材４１の順に配置されている。
　第１反射部材４０は、外形がほぼ円盤状であって、中央にレーザ光Ｌを通過させる孔４０Ａが形成されている。第１反射部材４０の第２反射部材４１側には、第１反射面４０Ｂが形成されている。第１反射面４０Ｂは、Ｚ軸ａｚに対して回転対称である。また、第１反射面４０ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は凹状である。
　第１反射面４０Ｂは、可動ミラー２０から出射された偏向光Ｌｄが入射する。第１反射面４０Ｂは、入射した偏向光Ｌｄを反射して第１反射光Ｌｈ１として出射する。第１反射面４０Ｂから出射される第１反射光Ｌｈ１の光路は、Ｚ軸ａｚと平行である。
　第２反射部材４１の中央には、レーザ光Ｌ及び偏向光Ｌｄを通過させる孔４１Ａが形成されている。第２反射部材４１の第１反射部材４０側には、第２反射面４１Ｂが形成されている。第２反射面４１Ｂは、Ｚ軸ａｚに対して回転対称である。また、第２反射面４１ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は凸状である。
　第２反射面４１Ｂには、第１反射面４０Ｂから第１反射光Ｌｈ１が入射する。第２反射面４１Ｂは、入射した第１反射光Ｌｈ１を反射して第２反射光Ｌｈ２として出射する。第２反射面４１Ｂから出射される第２反射光Ｌｈ２の光路は、Ｚ軸ａｚから外側に向かう方向である。なお、Ｚ軸ａｚから外側に向かう方向とは、Ｚ軸ａｚを中心とした円の半径方向である。
　プリズム４２には、中央に第２反射部材４１を収容するための空洞４２Ａが形成されている。プリズム４２は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称であって、第２反射部材４１より外側に配置されている。また、プリズム４２をＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は三角形である。プリズム４２には、第２反射面４１Ｂから第２反射光Ｌｈ２が入射する。プリズム４２は、第２反射面４１Ｂから入射した第２反射光Ｌｈ２を屈折させ、走査光Ｌｓとして出射する。走査光Ｌｓの出射方向は、例えば、Ｚ軸ａｚに直交する方向である。すなわち、走査光Ｌｓは、Ｚ軸ａｚ周りの全方位に向けて出射される。
　図６に示すように、光源１０から出射されたレーザ光Ｌの光路上には、ハーフミラー５０が配置されている。ハーフミラー５０は、光源１０からのレーザ光Ｌを透過させ可動ミラー２０に入射させるとともに、可動ミラー２０で反射された戻り光Ｌｒを反射して受光部１３に入射させる。
　光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、ハーフミラー５０を透過した後、第１反射部材４０の孔４０Ａ、及び第２反射部材４１の孔４１Ａを通過して可動ミラー２０に入射する。可動ミラー２０に入射したレーザ光Ｌは、可動ミラー２０で反射されることにより、可動ミラー２０から偏向光Ｌｄとして出射される。可動ミラー２０から出射された偏向光Ｌｄは、第２反射部材４１の孔４１Ａを通過して第１反射部材４０の第１反射面４０Ｂに入射する。
　第１反射面４０Ｂに入射した偏向光Ｌｄは、第１反射面４０Ｂで反射されることにより、第１反射面４０Ｂから第１反射光Ｌｈ１として出射される。第１反射面４０Ｂから出射された第１反射光Ｌｈ１は、Ｚ軸ａｚに沿って進行して第２反射部材４１の第２反射面４１Ｂに入射する。
　第２反射面４１Ｂに入射した第１反射光Ｌｈ１は、第２反射面４１Ｂで反射されることにより、第２反射面４１Ｂから第２反射光Ｌｈ２として出射される。第２反射面４１Ｂから出射された第２反射光Ｌｈ２は、Ｚ軸ａｚから外側に伸びる方向に進行してプリズム４２に入射する。プリズム４２に入射した第２反射光Ｌｈ２は、屈折した後、走査光Ｌｓとしてプリズム４２から対象物３（図１参照）に向けて出射される。
　対象物３からの戻り光Ｌｒは、プリズム４２に入射し、偏向光Ｌｄ、第１反射光Ｌｈ１、及び第２反射光Ｌｈ２の光路を逆方向に進行して可動ミラー２０に入射する。戻り光Ｌｒは、可動ミラー２０により反射された後、第１反射部材４０の孔４０Ａ、及び第２反射部材４１の孔４１Ａを通過してハーフミラー５０に入射する。ハーフミラー５０に入射した戻り光Ｌｒは、一部がハーフミラー５０により反射されて受光部１３に入射する。
　第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂは、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は銀（Ａｇ）化合物などの金属膜により形成されている。なお、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂは、多層反射膜により形成されていてもよい。
　プリズム４２は、アクリル、ポリカーボネート、ゼオネクスなどの光学樹脂により形成されている。
　図７は、第１反射面４０Ｂ、第２反射面４１Ｂ、及び可動ミラー２０の位置関係について説明する。図７において、ｈ１は、第１反射面４０Ｂにおける偏向光Ｌｄの入射位置からＺ軸ａｚまでの距離を表している。ｈ２は、第２反射面４１Ｂにおける第１反射光Ｌｈ１の入射位置からＺ軸ａｚまでの距離を表している。ｄ１は、第１反射面４０Ｂにおける偏向光Ｌｄの入射位置から可動ミラー２０までのＺ軸方向に関する距離を表している。
　図７に示す構成においてレーザ光Ｌの拡がり角を小さくする条件について、Ｚ軸ａｚに直交する方向（以下、水平方向という。）と、Ｚ軸ａｚに平行な方向（以下、垂直方向という。）とに分けて説明する。レーザ光Ｌの拡がり角を小さくする条件を水平方向と垂直方向とに分けて説明するのは、レーザ光Ｌの光束の断面方向によって第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの曲率が異なるからである。
　まず、水平方向に対してレーザ光Ｌの拡がり角を小さくする条件について説明する。第１反射面４０Ｂの曲率と、距離ｄ１の値とは、ｈ１＝ｈ２の関係を満たすように決定されている。ｈ１＝ｈ２が満たされるように、第１反射面４０Ｂの曲率と距離ｄ１の値とを決定することにより、第１反射面４０Ｂにおける水平方向に対するレーザ光Ｌの収束角度と、第２反射面４１Ｂにおけるレーザ光Ｌの水平方向に対する広がり角度とが同じになる。このように、レーザ光Ｌの収束と広がりとが相殺することにより、水平方向に対するレーザ光Ｌは平行光となる。なお、少なくとも１つの振れ角θにおいてｈ１＝ｈ２が満たされればよい。また、ｈ１とｈ２は、完全に同一の値でなくてもよく、実質的に同一であればよい。
　次に、垂直方向に対してレーザ光Ｌの拡がり角を小さくする条件について説明する。図７に示すように、可動ミラー２０に入射するレーザ光Ｌを平行な光束（すなわち平行光）とすると、偏向光Ｌｄは平行光として第１反射面４０Ｂに入射する。第１反射面４０Ｂは凹面であるので、第１反射面４０Ｂから出射される第１反射光Ｌｈ１は、収束光となる。第２反射面４１Ｂは凸面であるので、第２反射面４１Ｂは、第１反射光Ｌｈ１を反射させる際に発散させる。第２反射面４１Ｂは、第２反射光Ｌｈ２はほぼ平行光となるように曲率が決定されている。
　図７において、Ｐは、第２反射面４１Ｂが存在しない場合における第１反射光Ｌｈ１の集光位置を示している。第２反射光Ｌｈ２の光路から第２反射面４１Ｂに仮想的に平行光を入射させた場合において第２反射面４１Ｂにより反射された反射光の虚像の集光位置は、第１反射光Ｌｈ１の集光位置Ｐと一致することが好ましい。この虚像の集光位置と、第１反射光Ｌｈ１の集光位置Ｐとが一致することにより、第２反射光Ｌｈ２が平行光となる。
　換言すると、ｆ１＝ｆ２＋ｄ２の関係を満たすように第２反射面４１Ｂの曲率が決定されている。ここで、ｆ１は、第１反射面４０Ｂにおける偏向光Ｌｄの入射位置から、第１反射光Ｌｈ１の集光位置までの距離である。ｆ２は、第２反射面４１Ｂにおける第１反射光Ｌｈ１の入射位置から、上記虚像の集光位置までの距離である。ｄ２は、第１反射面４０Ｂにおける偏向光Ｌｄの入射位置から、第２反射面４１Ｂにおける第１反射光Ｌｈ１の入射位置までの距離である。なお、少なくとも１つの振れ角θにおいてｆ１＝ｆ２＋ｄ２の関係が満たされていればよい。
　また、虚像の集光位置と第１反射光Ｌｈ１の集光位置Ｐとは、完全に一致していなくてもよく、実質的に一致していればよい。例えば、ｆ１とｆ２との差は、０．９×ｄ２≦ｆ１－ｆ２≦１．１×ｄ２の範囲内であればよい。これは、曲面への斜入射により非点収差が発生し、水平方向と垂直方向の焦点距離が若干ずれてしまうためである。このずれ量は、設計の経験上１０％程度であるので、ｆ１とｆ２との差が上記範囲内であれば、虚像の集光位置と第１反射光Ｌｈ１の集光位置Ｐとが実質的に一致していると言える。なお、ｆ１＞ｆ２であり、「ｆ１－ｆ２」は正の値となる。
　第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂは、いずれも非球面である。一般に、反射面の形状は、下式（１）の非球面定義式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 
　ｚはＺ軸方向に関する座標を表す。ｈはＺ軸ａｚからの距離を表す。Ｒは曲率半径である。Ｋはコーニック係数である。Ａ１～Ａ３は非球面係数である。Ｒ，Ｋ，及びＡ１～Ａ３は、反射面の形状を決定するパラメータである。なお、本開示では、四次以上の非球面係数は全て０とする。
　Ｋ＝０の場合には、反射面は球面となる。０＞Ｋ＞－１の場合には、反射面は楕円面となる。Ｋ＝－１の場合には、反射面は放物面となる。－１＞Ｋの場合には、反射面は双曲面となる。
　本実施形態では、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂを共に双曲面とする。第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの形状を表すパラメータは、図８に示す値に設定されている。また、上述のｄ１及びｄ２は、図８に示す値に設定されている。
　図９は、図８に示す条件に基づいて構成される光学系１２を用い、θ＝６．５°とした場合に、光学系１２から出射される走査光Ｌｓの断面形状の一例を示す。図９は、光学系１２から約１ｍ離れた場所における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図９に示す画像は、垂直方向がＺ軸方向に平行であり、水平方向がＺ軸方向に直交する方向に平行である。
　本シミュレーションにおいて、図７に示すｈ１及びｈ２のシミュレーション値は、ｈ１＝１０．３ｍｍ、ｈ２＝１０．４ｍｍとなった。すなわち、ｈ１及びｈ２として、ほぼ等しい値が得られた。また、図７に示すｆ１及びｆ２のシミュレーション値は、ｆ１＝５８ｍｍ、ｆ２＝２３ｍｍとなった。すなわち、ｆ１とｆ２との差は、３５ｍｍであり、図８に示すｄ２の値（３３ｍｍ）とほぼ等しい値となった。
　図９に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、垂直方向及び水平方向ともに、約１．６ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（１．６／１０００）≒０．０９°と算出される。
　［第２実施形態］
　上記第１実施形態では、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂをともに双曲面としているが、本実施形態では、第１反射面４０Ｂを双曲面とし、第２反射面４１Ｂを放物面とする。第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの形状を表すパラメータは、図１０に示す値に設定されている。また、上述のｄ１及びｄ２は、図１０に示す値に設定されている。
　図１１は、図１０に示す条件に基づいて構成される光学系１２を用い、θ＝６．５°とした場合に、光学系１２から出射される走査光Ｌｓの断面形状の一例を示す。図１１は、光学系１２から約１ｍ離れた場所における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図１１に示す画像は、垂直方向がＺ軸方向に平行であり、水平方向がＺ軸方向に直交する方向に平行である。
　本シミュレーションにおいて、ｈ１及びｈ２のシミュレーション値は、ｈ１＝９．２ｍｍ、ｈ２＝８．７ｍｍとなった。すなわち、ｈ１及びｈ２として、ほぼ等しい値が得られた。また、ｆ１及びｆ２のシミュレーション値は、ｆ１＝４４ｍｍ、ｆ２＝１６ｍｍとなった。すなわち、ｆ１とｆ２との差は、２８ｍｍであり、図１０に示すｄ２の値（２９ｍｍ）とほぼ等しい値となった。
　図１１に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、第１実施形態と同様に、垂直方向及び水平方向ともに、約１．６ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（１．６／１０００）≒０．０９°と算出される。
　［第３実施形態］
　第３実施形態では、第１反射部材４０としてマンギンミラーと呼ばれる裏面型凹面ミラーを用いる。第３実施形態に係る光学系１２の構成は、第１反射部材４０を裏面型凹面ミラーとすること以外は、第１実施形態に係る光学系１２と同様である。
　図１２に示すように、本実施形態の第１反射部材４０は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称な形状を有する屈折面４０Ｃ及び反射面４０Ｄを有する。屈折面４０Ｃ及び反射面４０ＤをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は、いずれも凹状である。反射面４０Ｄは、本開示の技術に係る「第１反射面」の一例である。すなわち、反射面４０Ｄは、第１実施形態の第１反射面４０Ｂに対応する。
　本実施形態では、可動ミラー２０から出射された偏向光Ｌｄは、第１反射部材４０に入射し、屈折面４０Ｃで屈折した後、反射面４０Ｄに入射する。反射面４０Ｄが偏向光Ｌｄを反射することにより反射面４０Ｄから出射される第１反射光Ｌｈ１は、屈折面４０Ｃで屈折した後、第２反射部材４１の第２反射面４１Ｂに入射する。
　本実施形態では、屈折面４０Ｃを双曲面とし、反射面４０Ｄを放物面とし、第２反射面４１Ｂを楕円面とする。屈折面４０Ｃ、反射面４０Ｄ、及び第２反射面４１Ｂの形状を表すパラメータは、図１３に示す値に設定されている。また、上述のｄ１及びｄ２は、図１３に示す値に設定されている。
　図１４は、図１３に示す条件に基づいて構成される光学系１２を用い、θ＝６．５°とした場合に、光学系１２から出射される走査光Ｌｓの断面形状の一例を示す。図１４は、光学系１２から約１ｍ離れた場所における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図１４に示す画像は、垂直方向がＺ軸方向に平行であり、水平方向がＺ軸方向に直交する方向に平行である。
　本シミュレーションにおいて、ｈ１及びｈ２のシミュレーション値は、ｈ１＝１０．４ｍｍ、ｈ２＝９．４ｍｍとなった。すなわち、ｈ１及びｈ２として、ほぼ等しい値が得られた。また、ｆ１及びｆ２のシミュレーション値は、ｆ１＝４８ｍｍ、ｆ２＝１５ｍｍとなった。すなわち、ｆ１とｆ２との差は、３３ｍｍであり、図１３に示すｄ２の値（３５ｍｍ）とほぼ等しい値となった。
　図１４に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、第１実施形態と同様に、垂直方向及び水平方向ともに、約１．６ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（１．６／１０００）≒０．０９°と算出される。
　［第４実施形態］
　上記各実施形態では、可動ミラー２０の振れ角θを固定しているが、可動ミラー２０を歳差運動させている間に振れ角θを偏向することにより、走査光Ｌｓを、Ｚ軸回りの周方向に走査するとともに、Ｚ軸方向に走査（垂直走査）することも可能である。図１５に示すように、本実施形態では、光学系１２から出射される走査光Ｌｓが、ＹＺ面に対して＋１５°をなす方向と、ＹＺ面に対して－１５°をなす方向との間で、走査光ＬｓをＺ軸方向に走査する。
　本実施形態では、第１実施形態と同様に、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂを共に双曲面とする。第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの形状を表すパラメータは、図１６に示す値に設定されている。また、上述のｄ１及びｄ２は、図１６に示す値に設定されている。
　図１７は、図１６に示す条件に基づいて構成される光学系１２を用い、振れ角θを変化させ場合に、光学系１２から出射される走査光Ｌｓの断面形状の一例を示す。図１７（Ａ）は、ＹＺ面と走査光Ｌｓとのなす角が＋１５°となるように振れ角θを設定した場合における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図１７（Ｂ）は、ＹＺ面と走査光Ｌｓとのなす角が０°となるように振れ角θを設定した場合における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図１７（Ｃ）は、ＹＺ面と走査光Ｌｓとのなす角が－１５°となるように振れ角θを設定した場合における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図１７（Ａ）～（Ｃ）のいずれの画像も、光学系１２から約１ｍ離れた場所における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。
　図１７（Ａ）に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、垂直方向に約３ｍｍであり、水平方向に約５ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの垂直方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（３／１０００）≒０．１７°と算出され、走査光Ｌｓの水平方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（５／１０００）≒０．２９°と算出される。
　図１７（Ｂ）に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、垂直方向及び水平方向ともに、約１０ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（１０／１０００）≒０．５７°と算出される。
　図１７（Ｃ）に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、垂直方向に約５ｍｍであり、水平方向に約２０ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの垂直方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（５／１０００）≒０．２９°と算出され、走査光Ｌｓの水平方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（２０／１０００）≒１．１°と算出される。
　［比較例］
　次に、比較例について説明する。図１８は、比較例に係る光学系１２の構成を示す。本比較例では、第１反射面４０Ｂは平面であり、第２反射面４１Ｂは円錐面である。すなわち、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は、いずれも直線状である。本比較例では、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの形状を表すパラメータは、図１９に示す値に設定されている。また、上述のｄ１は、図１９に示す値に設定されている。
　本比較例では、第１反射面４０Ｂが平面であるので、第１反射面４０Ｂから出射される第１反射光Ｌｈ１の光路は、Ｚ軸ａｚと平行ではない。すなわち、上記各実施形態で説明したｈ１＝ｈ２の関係、及びｆ１＝ｆ２＋ｄ２の関係は満たされない。
　図２０は、図１９に示す条件に基づいて構成される光学系１２を用い、θ＝６．５°とした場合に、光学系１２から出射される走査光Ｌｓの断面形状の一例を示す。図１４は、光学系１２から約１ｍ離れた場所における走査光Ｌｓの断面形状を表すシミュレーション画像である。図２０に示す画像は、垂直方向がＺ軸方向に平行であり、水平方向がＺ軸方向に直交する方向に平行である。
　図２０に示す走査光Ｌｓのビーム径（半値全幅）は、垂直方向に約８ｍｍであり、水平方向に約１００ｍｍである。すなわち、走査光Ｌｓの垂直方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（８／１０００）≒０．４６°と算出され、走査光Ｌｓの水平方向への広がり角αは、α＝ｔａｎ－１（１００／１０００）≒５．７°と算出される。
　比較例では、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂの断面形状が直線状であるため、ビーム径に広がりが生じる。特に、比較例では、振れ角θの依存性が大きく、振れ角θが小さい場合に水平方向へのビーム径の広がりが大きくなる。これに対して、上記各実施形態では、第１反射面４０Ｂの断面形状が凹状であり、第２反射面４１Ｂの断面形状が凸状であるので、ビーム径の広がりが抑制される。すなわち、本開示の技術によれば、ビーム径の広がりによる距離計測の空間的な分解能低下を抑制することができる。
　なお、上記各実施形態では、第１反射部材の第１反射面を双曲面又は放物面とし、第２反射部材の第２反射面を双曲面、放物面、又は楕円面としている。また、第１反射面と第２反射面とのうちいずれか一方又は両方の形状は、奇数次非球面であることが好ましい。奇数次非球面とは、上式（１）のように奇数次の非球面係数を含んで表される曲面を意味する。
　また、上記各実施形態では、可動ミラー２０へのレーザ光Ｌの入射方向はＺ軸方向であるが、レーザ光Ｌの入射方向はＺ軸方向には限定されず、Ｚ軸方向に交差する方向（例えば、Ｚ軸方向に直交する方向）であってもよい。
　また、上各実施形態の光学系１２の一部分を切り出すことにより、レーザ光Ｌの走査範囲を、例えば２７０°又は１８０°としたＬｉＤＡＲ装置を構成することも可能である。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (11)

  1. 　可動ミラーによって偏向された偏向光が入射する光学系であって、
    　第１軸に対して回転対称であって、前記偏向光を反射して第１反射光として出射する第１反射面を有する第１反射部材と、
    　前記第１軸に対して回転対称であって、前記第１反射光を反射して第２反射光として出射する第２反射面を有する第２反射部材と、を備え、
    　前記第１反射面を前記第１軸に平行な面で切断した断面形状は凹状であり、
    　前記第２反射面を前記第１軸に平行な面で切断した断面形状は凸状であり、
    　前記第１反射光の光路は、前記第１軸と平行であり、
    　前記第２反射光の光路は、前記第１軸から外側に向かう方向である、
    　光学系。
  2. 　前記可動ミラーは、法線方向が前記第１軸に対して一定の角度範囲で傾斜した状態で回動する、
    　請求項１に記載の光学系。
  3. 　前記偏向光は平行光であって、
    　前記第１反射光の集光位置と、前記第２反射光の光路から前記第２反射面に仮想的に平行光を入射させた場合において前記第２反射面により反射された反射光の虚像の集光位置とが一致する、
    　請求項１又は請求項２に記載の光学系。
  4. 　前記第１反射面から前記第１反射光の集光位置までの距離をｆ１、前記第２反射面から前記虚像の集光位置までの距離をｆ２、前記第１反射面と前記第２反射面との前記第１軸への距離をｄとした場合に、
    　０．９×ｄ≦ｆ１－ｆ２≦１．１×ｄの範囲内である、
    　請求項３に記載の光学系。
  5. 　前記第１反射面と前記第２反射面とのうちいずれか一方の形状は、双曲面である、
    　請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学系。
  6. 　前記第１反射面と前記第２反射面とのうちいずれか一方の形状は、奇数次非球面である、
    　請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の光学系。
  7. 　前記第１軸に対して回転対称であって前記第２反射部材より外側に配置され、前記第２反射光を屈折させるプリズムを備える、
    　請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光学系。
  8. 　前記プリズムを前記第１軸に平行な面で切断した断面形状は三角形である、
    　請求項７に記載の光学系。
  9. 　請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の光学系と、
    　前記可動ミラーを有する可動ミラー装置と、
    　前記可動ミラーに入射させる光を発する光源と、
    　を備える光走査装置。
  10. 　前記可動ミラーには、前記第１軸に沿って前記光が入射する、
    　請求項９に記載の光走査装置。
  11. 　前記第２反射光を走査光として、前記第１軸周りの全方位に向けて出射する
    　請求項９又は請求項１０に記載の光走査装置。
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