JP2015014757A - Scanning optical system, optical scanning device, and ranging device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a scanning optical system, an optical scanning device, and a distance measuring device.
従来、光を2軸方向に走査する走査光学系としては、2つのスキャナ(例えば、ガルバノミラー等の可動ミラー)を用いた走査光学系が汎用されている。2つのスキャナの間に、リレーレンズが配置された構成も知られている(特許文献1)。また、リレーレンズに代えて、リレーミラーを用いることも提案されている(特許文献2、特許文献3)。 Conventionally, a scanning optical system using two scanners (for example, a movable mirror such as a galvano mirror) is widely used as a scanning optical system that scans light in two axial directions. A configuration in which a relay lens is disposed between two scanners is also known (Patent Document 1). In addition, it has been proposed to use a relay mirror instead of the relay lens (Patent Documents 2 and 3).
特許文献2には、第1光反射面を有する第1可動板が揺動することによって光源から第1光反射面に入射される光を反射走査する第1走査部と、第1走査部から入射される光を反射する楕円ミラーと、第2光反射面をする第2可動板が揺動することによって楕円ミラーからの光を第1走査部の光走査方向と直交する方向に反射走査する第2走査部と、を備え、二次元走査を行う走査光学系が開示されている。 Patent Document 2 discloses a first scanning unit that reflects and scans light incident on a first light reflecting surface from a light source by swinging a first movable plate having a first light reflecting surface, and a first scanning unit. The elliptical mirror that reflects the incident light and the second movable plate having the second light reflecting surface are swung to reflect and scan the light from the elliptical mirror in a direction perpendicular to the light scanning direction of the first scanning unit. A scanning optical system that includes a second scanning unit and performs two-dimensional scanning is disclosed.
特許文献3には、入射光を走査させる複数のスキャナと、スキャナの間に配置され複数のスキャナのうち一つのスキャナから走査されたスキャニングされた光を隣接するスキャナ側に反射させる少なくとも一つのミラーと、を備え、照明系から照射された光を走査するスキャナユニットが開示されている。また、光を水平方向に広角に走査する水平スキャナユニットと、光を垂直方向に走査する垂直スキャナユニットと、を備えたスキャニング装置が開示されている。 Patent Document 3 discloses a plurality of scanners that scan incident light, and at least one mirror that is arranged between the scanners and reflects scanned light scanned from one of the plurality of scanners to the adjacent scanner side. And a scanner unit that scans the light emitted from the illumination system. In addition, a scanning apparatus including a horizontal scanner unit that scans light in a wide angle in the horizontal direction and a vertical scanner unit that scans light in a vertical direction is disclosed.
2つのスキャナを用いた汎用の走査光学系では、第1のスキャナで広角走査すると、第2のスキャナが大型化する。2つのスキャナの間にリレーレンズを配置すると、リレーレンズにより集光されて、第2のスキャナの大型化は回避される。しかしながら、リレーレンズを用いた場合でも、光学系全体が大型化する、広角走査が困難である。 In a general-purpose scanning optical system using two scanners, if the first scanner performs wide-angle scanning, the second scanner becomes large. When a relay lens is disposed between the two scanners, the light is condensed by the relay lens, and the second scanner is prevented from being enlarged. However, even when a relay lens is used, wide-angle scanning is difficult because the entire optical system becomes large.
特許文献2に記載の走査光学系では、楕円ミラー等の曲面ミラーが用いられているため小型に実現可能な構成となっているが、入射光が出射光走査面と同一であるため走査角度範囲に制限がある。 In the scanning optical system described in Patent Document 2, a curved mirror such as an elliptical mirror is used, so that the configuration can be realized in a small size. However, since the incident light is the same as the outgoing light scanning surface, a scanning angle range is provided. There are limitations.
特許文献3に記載の走査光学系でも同様に、楕円ミラー等の曲面ミラーが用いられているため小型に実現可能な構成となっている。しかし、第1のスキャナによって楕円形状面に沿ってビームが走査されているため、広角領域では第1のスキャナの回転角と第2のスキャナへの入射角(=最終走査角)との間の線形性が崩れてしまう。また、第1のスキャナの光走査方向に沿って曲面ミラーの反射面の曲率が変化しているために、出射光の平行度合いを維持して対象領域を走査することが困難である。 Similarly, the scanning optical system described in Patent Document 3 uses a curved mirror such as an elliptical mirror, so that it can be realized in a small size. However, since the beam is scanned along the elliptical surface by the first scanner, in the wide-angle region, it is between the rotation angle of the first scanner and the incident angle (= final scanning angle) to the second scanner. Linearity will be lost. In addition, since the curvature of the reflecting surface of the curved mirror changes along the light scanning direction of the first scanner, it is difficult to scan the target area while maintaining the parallel degree of the emitted light.
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、光を2軸方向に広角走査する走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置において、広角走査と小型化とを両立する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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide wide-angle scanning and downsizing in a scanning optical system, an optical scanning device, and a distance measuring device that scan light in two axes in a wide-angle direction. An object of the present invention is to provide a scanning optical system, an optical scanning device, and a distance measuring device that can be compatible.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、第1反射面を備え、前記第1反射面を第1回転軸の周りに回転させて、光源から前記第1反射面に入射された光を反射走査する第1走査部と、回転楕円面又は球面の一部から回転中心軸の延びる方向に予め定めた幅で切り出され、前記回転中心軸と交差する方向に湾曲した帯状の反射面を有し、前記帯状の反射面が前記第1走査部の光走査方向に延びるように配置されて、前記第1走査部から入射された光を反射する反射鏡と、第2反射面を備え、前記第2反射面を第2回転軸の周りに回転させて、前記反射鏡からの光を前記第1走査部の光走査方向と交差する方向に反射走査する第2走査部と、を備え、前記第1走査部から入射され前記反射鏡で反射された光が前記第2走査部に入射されるように、前記第1走査部及び前記第2走査部の各々が前記反射鏡の回転中心軸上に離間して配置された、走査光学系である。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided with a first reflecting surface, and the first reflecting surface is rotated around a first rotation axis so as to be incident on the first reflecting surface from a light source. A first scanning unit that reflects and scans the reflected light, and a band-like reflection that is cut out from a part of the spheroid or spherical surface with a predetermined width in the direction in which the rotation center axis extends and is curved in a direction intersecting the rotation center axis A reflective mirror that reflects the light incident from the first scanning unit, and a second reflective surface that is arranged so that the belt-like reflective surface extends in the optical scanning direction of the first scanning unit. A second scanning unit configured to reflect and scan light from the reflecting mirror in a direction intersecting with a light scanning direction of the first scanning unit by rotating the second reflecting surface around a second rotation axis. And light incident from the first scanning unit and reflected by the reflecting mirror is incident on the second scanning unit. On so that, the first scanning unit and each of the second scanning unit are arranged separately on the rotational center axis of the reflector, a scanning optical system.
請求項2に係る発明は、前記反射鏡が回転楕円面の一部から切り出された帯状の反射面を有し、前記第1走査部が前記反射鏡の回転中心軸上で且つ楕円の一方の焦点位置に配置されると共に、前記第2走査部が前記反射鏡の回転中心軸上で且つ楕円の他方の焦点位置に配置された、請求項1に記載の走査光学系である。 According to a second aspect of the present invention, the reflecting mirror has a strip-shaped reflecting surface cut out from a part of the spheroid, and the first scanning unit is on the rotational center axis of the reflecting mirror and one of the ellipses. 2. The scanning optical system according to claim 1, wherein the scanning optical system is disposed at a focal position, and the second scanning unit is disposed on the rotation center axis of the reflecting mirror and at the other focal position of the ellipse.
請求項3に係る発明は、前記第1走査部の前記第1反射面が前記第1回転軸と斜めに交差し、前記第1回転軸が前記反射鏡の回転中心軸に対し傾斜角φで傾けられ、前記第1反射面に対し光源からの光が入射角θで入射されると共に、前記第2走査部の前記第2反射面が固定配置された場合に、前記第1回転軸の前記傾斜角φ≠0°の場合に前記第2走査部から出射される光の前記第1走査部の光走査方向に対する偏差が、前記第1回転軸の前記傾斜角φ=0°の場合に前記第2走査部から出射される光の前記第1走査部の光走査方向に対する偏差より小さくなるように、前記入射角θに応じて前記傾斜角φが予め定められた、請求項1又は請求項2に記載の走査光学系である。 According to a third aspect of the present invention, the first reflection surface of the first scanning unit obliquely intersects the first rotation axis, and the first rotation axis is at an inclination angle φ with respect to the rotation center axis of the reflecting mirror. When the light beam from the light source is incident on the first reflection surface at an incident angle θ and the second reflection surface of the second scanning unit is fixedly disposed, the first rotation shaft has the first rotation shaft. When the inclination angle φ ≠ 0 °, the deviation of the light emitted from the second scanning unit with respect to the optical scanning direction of the first scanning unit is the above-mentioned when the inclination angle φ = 0 ° of the first rotation axis. The inclination angle φ is predetermined according to the incident angle θ so that the light emitted from the second scanning unit is smaller than a deviation with respect to the optical scanning direction of the first scanning unit. 2. The scanning optical system according to 2.
請求項4に係る発明は、更に、前記第2走査部から出射される光が平行光となるように、前記第1走査部の光入射側に前記第1走査部に入射する光を収束させる補正光学系を配置した、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の走査光学系である。 The invention according to claim 4 further converges the light incident on the first scanning unit on the light incident side of the first scanning unit so that the light emitted from the second scanning unit becomes parallel light. The scanning optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein a correction optical system is disposed.
請求項5に係る発明は、光を照射する光源と、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の走査光学系と、を備えた光走査装置である。 The invention according to claim 5 is an optical scanning device comprising a light source for irradiating light and the scanning optical system according to any one of claims 1 to 4.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の光走査装置を備え、予め定めた監視領域を走査する照射光を出力する光出力部と、前記監視領域に在る障害物からの反射光を検出する光検出部と、前記光出力部から出力され且つ前記光検出部で検出された反射光の遅延時間に基づいて、前記障害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である。 According to a sixth aspect of the present invention, the optical scanning device according to the fifth aspect is provided, a light output unit that outputs irradiation light for scanning a predetermined monitoring area, and reflection from an obstacle in the monitoring area. A light detection unit that detects light; and a distance calculation unit that calculates a distance to the obstacle based on a delay time of reflected light output from the light output unit and detected by the light detection unit. Distance measuring device.
本発明によれば、光を2軸方向に広角走査する走査光学系、光走査装置、及び距離測定装置において、広角走査と小型化とを両立することができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both wide-angle scanning and downsizing in a scanning optical system, an optical scanning device, and a distance measuring device that scan light in two axes in a wide angle direction.
<距離測定装置>
まず、本実施の形態に係る距離測定装置について説明する。
図1は本実施の形態に係る距離測定装置の主に制御系の構成を示すブロック図である。図1に示すように、距離測定装置10は、制御部12、予め定めた監視領域を走査する照射光30を出力する光出力部26、及び前記監視領域に在る障害物からの反射光32を検出する光検出部28を備えている。制御部12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おり、反射光の遅延時間に基づいて前記障害物までの距離を算出する距離算出部として機能する。例えば、レーザ光により走査を行うレーザレーダ装置としてもよい。以下、レーザレーダ装置として説明する。
<Distance measuring device>
First, the distance measuring device according to the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a block diagram mainly showing a configuration of a control system of the distance measuring apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
本実施の形態では、光出力部26と光検出部28とは一部の構成を互いに共用している。光出力部26は、光源駆動部14、レーザ光源16、共用光学系18、走査機構駆動部20、及び走査機構22で構成されている。光検出部28は、共用光学系18、走査機構駆動部20、走査機構22、及び光検出器24で構成されている。即ち、共用光学系18、走査機構駆動部20、及び走査機構22が、光出力部26と光検出部28との間で共用されている。
In the present embodiment, the
上記の距離測定装置10では、制御部12から光源駆動部14に制御信号が入力される。光源駆動部14は、入力された制御信号に基づいて、レーザ光源16を駆動する駆動信号を生成する。レーザ光源16は、入力された駆動信号に基づいてパルス変調駆動される。例えば10ナノ秒程度のパルス幅で変調される。パルス変調されたレーザ光が、レーザ光源16から出射される。レーザ光の強度は、遠方まで走査する場合は強度を上げるというように、監視領域の広さに応じて予め定められる。
In the
レーザ光源16の動作と同期するように、制御部12から走査機構駆動部20に制御信号が入力される。走査機構駆動部20は、入力された制御信号に基づいて、走査機構22を駆動する駆動信号を生成する。走査機構22は、入力された駆動信号に基づいて駆動される。本実施の形態では、後述する通り、走査機構22と共用光学系18とで走査光学系が構成されている。レーザ光源16から出射されたレーザ光は、これら走査光学系により監視領域に向けて照射される。
A control signal is input from the
照射光30は、監視領域に在る障害物で反射されて、距離測定装置10に向けて戻ってくる。本実施の形態では、後述する通り、走査機構22と共用光学系18とで受光光学系が構成されている。戻ってきた反射光32は、これら受光光学系により光検出器24まで導光されて、光検出器24により検出される。光検出器24は、受光素子を含んで構成されており、検出した光を電気信号に変換して増幅する。増幅された検出信号が、光検出器24から制御部12に入力される。
The
制御部12では、反射光(パルス)32の遅延時間τ(単位:秒)から、τ=2L/cの関係に基づいて障害物までの距離L(単位:m)が算出される。ここで、遅延時間τは、レーザ光源16から出力されたレーザ光パルスが、光検出器24で反射光パルスとして検出されるまでの時間である。cは光速(3.0×108m/秒)である。また、算出された障害物までの距離Lは、必要に応じて表示装置(図示せず)等に表示される。
In the
上記の距離測定装置10の光出力部26が「光走査装置」に相当する。また、走査機構22と共用光学系18とで構成された光学系が「走査光学系」に相当する。
The
ここで、走査方向について説明する。図2は本実施の形態に係る距離測定装置が走査する監視領域を図示する模式図である。本実施の形態では、距離測定装置10は、照射光30を2軸方向に広角走査する。即ち、水平方向に広角走査を行うと共に、水平方向と直交する垂直方向にも広角走査を行う。従って、図示した通り、照射光30により監視領域が二次元走査される。ここで「水平方向」とは、距離測定装置10が配置される面と平行な方向を意味する。例えば、車載用レーザレーダ装置では、路面と平行な方向が水平方向である。なお、本明細書では、水平方向は「経度方向」と同義であり、垂直方向は「緯度方向」と同義である。また、「水平方向」と水平方向と直交する「垂直方向」について説明するが、広角走査する2軸方向は交差していればよい。
Here, the scanning direction will be described. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a monitoring region scanned by the distance measuring apparatus according to the present embodiment. In the present embodiment, the
<光走査装置>
次に、光走査装置について説明する。
図3は本実施の形態の光走査装置を適用した距離測定装置の概略構成を示す斜視図である。図4(A)は図3に示す距離測定装置を上方から見た上視図である。図4(B)は図3に示す距離測定装置を側方から見た横視図である。上記の通り、本実施の形態では、走査機構と共用光学系とで構成された走査光学系が、反射光を受光するための受光光学系としても使用される。
<Optical scanning device>
Next, the optical scanning device will be described.
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of a distance measuring device to which the optical scanning device of the present embodiment is applied. 4A is a top view of the distance measuring device shown in FIG. 3 as viewed from above. FIG. 4B is a side view of the distance measuring device shown in FIG. 3 viewed from the side. As described above, in the present embodiment, the scanning optical system constituted by the scanning mechanism and the shared optical system is also used as a light receiving optical system for receiving reflected light.
まず、光走査装置(光出力部)を構成する部分について説明する。
図3に示すように、距離測定装置10は、レーザ光源16、第1走査部40、反射鏡42、及び第2走査部44を有している。第1走査部40は、第1回転軸40Bの周りに回転する第1反射面40Aを有している。第1走査部40は、第1反射面40Aを回転させて、レーザ光源16から第1反射面40Aに入射された光を反射走査する。本実施の形態では、第1回転軸40Bは垂直方向に対し平行であり、レーザ光源16から入射された光は概ね水平方向に走査される。
First, the part which comprises an optical scanning device (light output part) is demonstrated.
As shown in FIG. 3, the
また、図示は省略するが、レーザ光源16から出射した光は、レーザ光源16に近接配置されたレンズにより平行光化される。以下では、レンズを省略して、レーザ光源16から出射した光は、平行光であるものとして説明する。
Although not shown, the light emitted from the
反射鏡42は、回転楕円面の一部を成す湾曲した帯状の反射面42Aを有している。反射鏡42の詳細な形状ついては後述する。湾曲した帯状の反射面42Aは、第1走査部40の光走査方向(水平方向)に延びるように配置されている。第1走査部40から入射された光は、反射面42Aにより第2走査部44の方向に反射される。
The reflecting
第2走査部44は、第2回転軸44Bの周りに回転する第2反射面44Aを有している。第2走査部44は、第2反射面44Aを回転させて、反射鏡42から第2反射面44Aに入射された光を反射走査する。本実施の形態では、第2回転軸44Bは水平方向と平行であり、反射鏡42から入射された光は概ね垂直方向に走査される。こうして、二次元走査を行うための照射光30が、第2走査部44から出射される。
The
また、第1走査部40の光入射側には、補正レンズ等の補正光学系46が配置されていてもよい。補正光学系46は、第2走査部44から出射される光が平行光となるように、第1走査部40に入射する光を収束させる機能を有する。補正光学系46を配置することで、二次元走査を行う照射光30の拡がりが抑制され、照射光30の平行度が低下しないようになる。従って、照射光30の拡がりが許容される場合や、照射光30が収束光の場合には、補正光学系46を省略してもよい。
A correction
補正光学系46を配置した場合、レーザ光源16から出射された平行光は、補正光学系46により収束光とされる。収束光は、第1走査部40により水平方向に走査される。第1走査部40で反射された光は、第1走査部40と反射鏡42との間で一旦集光された後、拡げられて反射鏡42に照射される。反射鏡42で反射された光は平行光となり、第2走査部44に導かれる。これにより、第2走査部44から出射される照射光30も平行光となる。
When the correction
次に、光検出部を構成する部分について説明する。
距離測定装置10は、光検出部として、第2走査部44、反射鏡42、第1走査部40、集光光学系48、及び光検出器24を有している。第2走査部44、反射鏡42、及び第1走査部40は、光走査装置(光出力部)と共用である。入射された反射光32は、第2走査部44で反射鏡42の方向に反射され、反射鏡42により第1走査部40の方向に反射され、第1走査部40により集光光学系48の方向に反射される。
Next, the part which comprises a photon detection part is demonstrated.
The
集光光学系48は、第1走査部40の光出射側に配置されている。集光光学系48は、凹面の反射面を備えた凹面鏡等で構成されており、入射された反射光32を反射集光して光検出器24の結像面に結像させる。また、集光光学系48には、開口部48Aが設けられている。レーザ光源16から出射された光は、この開口部48Aを通過して第1走査部40に照射される。
The condensing
なお、図示した通り、反射光32は照射光30より太いビームである。レーザレーダ装置等の距離測定装置では、受光信号強度は受光側の有効開口面積の大きさに比例するため、太いビームを取り扱える光学系が必要となる。上記の通り、補正光学系46を配置した場合には、太いビームである反射光32の取り扱いも容易になる。
As shown, the reflected
本実施形態では、図4(A)及び(B)に示すように、反射鏡42の配置される面を基準面とすると、第1走査部40は略基準面内に配置される。レーザ光源16、集光光学系48、光検出器24、及び補正光学系46は、基準面より上方に配置される。第2走査部44は、基準面より下方に配置される。後述する通り、第1走査部40と第2走査部44とは、回転楕円面の回転中心軸上に高さを変えて配置されている。第1走査部40は、第2走査部44の上方に配置されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, when the surface on which the reflecting
レーザ光源16より第1走査部40に上方から入射された光は、水平方向に反射されて反射鏡42に照射される。反射鏡42で下方に反射された光は、第2走査部44に上方から入射する。第2走査部44に上方から入射された光は、水平方向に反射されて照射光30として出射される。回転楕円面の反射面42Aの水平方向の断面は円であり、円の中心(回転中心)に配置された第1走査部40から出射された光は、反射面42Aで反射されて再び円の中心(回転中心)に戻ってくる。
Light incident on the
ここで、反射鏡42の詳細な形状ついて説明する。
図5(A)は反射面が回転楕円面の一部を成す反射鏡の形状を示す模式図である。図5(A)に示すように、反射鏡42は、楕円52を回転中心軸50の周りに回転させて得られる回転楕円面54の一部を成す湾曲した帯状の反射面42Aを有する。反射面42Aは、回転楕円面54の回転中心軸50の延びる方向に予め定めた幅で、回転楕円面54から切り出されたものである。
Here, the detailed shape of the reflecting
FIG. 5A is a schematic diagram showing the shape of a reflecting mirror whose reflecting surface forms part of a spheroid. As shown in FIG. 5A, the reflecting
帯状の反射面42Aは、水平方向に延びるように配置されるので、垂直方向の幅が予め定めた幅となる。垂直方向の幅は、受光する反射光32のビームの太さ、第1走査部40で反射されたビームの拡がり、光学系や装置の大きさ等に応じて、予め定められる。回転楕円面54の水平方向の断面は円であり、水平方向において反射面42Aの曲率は一定である。一方、回転楕円面54の垂直方向の断面は楕円であり、垂直方向において反射面42Aの曲率が変化する。
Since the belt-like reflecting
また、反射鏡、第1走査部及び第2走査部の位置関係について説明する。
図5(B)は図5(A)に示す反射鏡、第1走査部及び第2走査部の位置関係を示す模式図である。第1走査部40の配置される位置を「第1位置56」とし、第2走査部44の配置される位置を「第2位置58」とする。回転楕円面54を構成する楕円52は、回転中心軸50上に2つの焦点位置を有している。本実施の形態では、「第1位置56」を一方の焦点位置として、一方の焦点位置に第1走査部40を配置する。また、「第2位置58」を他方の焦点位置として、他方の焦点位置に第2走査部44を配置する。
The positional relationship among the reflecting mirror, the first scanning unit, and the second scanning unit will be described.
FIG. 5B is a schematic diagram illustrating a positional relationship among the reflecting mirror, the first scanning unit, and the second scanning unit illustrated in FIG. The position where the
上記の通り、回転楕円面54の水平方向の断面は円であり、水平方向において反射面42Aの曲率は一定である。一方、回転楕円面54の垂直方向の断面は楕円であり、垂直方向において反射面42Aの曲率が変化する。そして、回転楕円面54を構成する楕円52は、回転中心軸50上に2つの焦点位置を有している。
As described above, the horizontal cross section of the
楕円52の一方の焦点位置から放射された光は、回転楕円面54である反射面で反射されて、他方の焦点位置に集光する性質がある。上記の反射鏡42を用いることで、一方の焦点位置に配置された第1走査部40により水平方向に広角に走査しても、走査された光は反射鏡42で反射されて、他方の焦点位置に配置された第2走査部44周辺の狭い範囲に集光される。従って、反射鏡、第1走査部及び第2走査部を備えた従来の走査光学系に比べて、第2走査部44が小型化される。
The light emitted from one focal position of the ellipse 52 is reflected by the reflecting surface which is the
また、第1走査部40に入射された光は概ね水平方向に走査される。回転楕円面54の水平方向の断面は円であり、水平方向において反射面42Aの曲率は一定である。即ち、第1走査部40による水平方向の走査角度が変化しても、反射面42Aの曲率は変化しない。従って、平行度を維持したまま広角な二次元走査が行われる。
Further, the light incident on the
なお、第1走査部40に入射された光を垂直方向の広い範囲に走査する等して、反射面42Aの曲率が変化すると、走査を行う照射光30の結像時に収差(結像位置のずれ)を生じてしまう。これは、第1走査部40に入射された光が受けるレンズ作用が変化するためである。本実施の形態では、第1走査部40に入射された光は、反射面42Aの曲率が一定な水平方向に走査されるので、反射面42Aの曲率が変化する場合に比べて収差が抑制される。
Note that if the curvature of the reflecting
また、反射鏡42として、反射面が球面の一部を成す反射鏡を用いてもよい。図5(C)は反射面が球面の一部を成す反射鏡、第1走査部及び第2走査部の位置関係を示す模式図である。図5(C)に示すように、反射鏡42は、円60を回転中心軸50の周りに回転させて得られる球面62の一部を成す湾曲した帯状の反射面42Aを有する。
Further, as the reflecting
球面62の水平方向の断面は円であり、第1走査部40による走査角度が変化しても反射面42Aの曲率は変化しない。また、球面62の垂直方向の断面も円であり、第1走査部40で反射された光が垂直方向に拡がっても反射面42Aの曲率は変化しない。従って、第1走査部40に入射された光を垂直方向の広い範囲に走査する等しても、反射面42Aの曲率は一定であり、高度に平行度を維持したまま広角な二次元走査が行われる。
The cross section of the spherical surface 62 in the horizontal direction is a circle, and the curvature of the reflecting
しかしながら、反射面が球面62の一部を成す反射鏡42は、回転中心軸50上の特定位置から放射された光が、球面62である反射面で反射されて、回転中心軸50上の異なる位置に集光する性質は備えていない。このため、反射鏡42で反射された光の集光位置がばらついてしまう。この場合は、ばらついた反射光が入射する程度に、第2走査部44を大きくすればよい。
However, in the reflecting
<走査軌跡の改良>
次に、走査軌跡の改良手法について説明する。
図4(A)及び(B)は、走査が開始される前の状態を示す図であり、第1走査部40が基準位置にある場合を図示した。第1走査部40が基準位置にある場合には、水平方向において正面前方から0°の方向に光が反射される。これに対し、図6(A)及び(B)は、図3に示す距離測定装置における水平方向の走査動作を示す図である。図6(A)は上視図であり、図6(B)は横視図である。
<Improvement of scanning trajectory>
Next, a method for improving the scanning locus will be described.
4A and 4B are diagrams showing a state before scanning is started, and illustrates a case where the
図6(A)及び(B)に示すように、走査が開始されると、第1走査部40が基準位置から第1回転軸40Bの周りに回転し、第1反射面40Aに入射された光は回転角度に応じた方向に反射される。図示した例では、水平方向において正面前方から60°の方向に光が反射される。第1反射面40Aによる光の反射方向が変化しても、上記の通り、円の中心(回転中心)に配置された第1走査部40から出射された光は、反射面42Aで反射されて再び円の中心(回転中心)に戻り、第2走査部44の第2反射面44Aに照射される。
As shown in FIGS. 6A and 6B, when scanning is started, the
一方、図示した例では、第2走査部44を第2回転軸44Bの周りに回転させていない。しかしながら、照射光30の垂直方向の出射角度は、水平方向から下方を向くように変化している。図7は第2走査部を固定配置した場合の走査軌跡を示すグラフである。図示した例では、垂直方向において水平方向から0°、15°、30°、45°の方向に光が反射されるように第2走査部44を予め回転させて固定配置し、第1走査部40を回転させた場合の走査軌跡を示す。垂直方向において水平方向から0°の方向(即ち、水平方向)に光が反射される配置が、第2走査部44の基準位置である。
On the other hand, in the illustrated example, the
図7に示すように、第2走査部44を何れの回転角度で固定配置しても、走査軌跡が水平方向に延びる直線にならず、上に凸な曲線(回転角度0°=基準位置)、下に凸な曲線(回転角度15°、30°)、斜めに延びる直線(回転角度45°)等になる。即ち、何れの場合にも水平面上を走査していないことが分かる。第1走査部40の回転に連動して第2走査部44を回転させることで、走査軌跡を改良することもできる。しかしながら、2つの走査部を連動させるには更に駆動機構、制御手順を追加する必要がある。
As shown in FIG. 7, even if the
特開2011-197575号公報には、光走査装置の走査軌跡を柔軟に設定する手法が開示されている。公報記載の技術では、単一の走査部(回転軸に対して傾斜した反射面を有する回転反射体)を前提として、走査部である回転反射体の回転軸の角度を傾斜させて走査軌跡を改良している。本実施の形態に係る走査光学系は、第1走査部40、反射鏡42、及び第2走査部44を備える走査光学系であり、前提となる構成が相違する。しかしながら、第1走査部40に対してこの手法を応用することで、光走査装置の走査軌跡が改良されることを見出した。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-197575 discloses a method for flexibly setting a scanning trajectory of an optical scanning device. In the technique described in the publication, on the premise of a single scanning unit (a rotating reflector having a reflecting surface inclined with respect to the rotation axis), the scanning locus is formed by inclining the angle of the rotation axis of the rotating reflector as the scanning unit. It is improved. The scanning optical system according to the present embodiment is a scanning optical system including a
図8は図3に示す距離測定装置の走査軌跡の改良動作を示す横視図である。図8に示すように、第1走査部40を回転軸40Bに対して傾斜した第1反射面40Aを有する回転反射体で構成し、回転反射体の第1回転軸40Bを基準方向に対し傾斜角φで傾斜させる。回転反射体の構造については後述する。ここでの「基準方向」は、反射鏡42(反射面42A)の回転中心軸の延びる方向であり、垂直方向となる。
FIG. 8 is a side view showing the scanning locus improving operation of the distance measuring apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 8, the
第1反射面40Aに対し光源からの光が入射角θで入射されると共に、第2走査部44の第2反射面44Aが固定配置されると仮定する。そして、第1回転軸40Bの傾斜角φ≠0°の場合に第2走査部44から出射される光の第1走査部40の光走査方向に対する偏差が、第1回転軸40Bの傾斜角φ=0°の場合に第2走査部44から出射される光の第1走査部40の光走査方向に対する偏差より小さくなるように、入射角θに応じて傾斜角φを予め定めておく。ここでの「第1走査部40の光走査方向」は、水平方向である。
It is assumed that light from the light source is incident on the first reflecting
ここで、回転反射体の構造について説明する。
図9(A)は第1走査部の構成の一例を示す概略図である。図9(B)は第1反射面を備えた第1走査部の回転軸の傾斜角φを示す模式図である。図9(A)に示すように、第1走査部40は、第1回転軸40Bと斜めに交差する第1反射面40Aを備え、第1回転軸40Bの周りに回転可能に構成された回転ミラー等の回転反射体である。
Here, the structure of the rotating reflector will be described.
FIG. 9A is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the first scanning unit. FIG. 9B is a schematic diagram showing the inclination angle φ of the rotation axis of the first scanning unit having the first reflecting surface. As shown in FIG. 9A, the
例えば、図示したように、第1回転軸40Bの周りに回転可能な円筒形状としてもよい。円筒が第1回転軸40Bに対し斜めに切断されて切断面が形成される。この切断面に反射率の高い材料をコーティングする等して、斜線を付した第1反射面40Aを形成してもよい。また、円盤状の平面ミラーを支柱で支える構成としてもよい。
For example, as shown in the figure, it may have a cylindrical shape that can rotate around the
図9(B)に示すように、第1走査部40の第1回転軸40Bは、垂直方向に対し傾斜角φだけ傾けられている。レーザ光源16は、第1走査部40の斜め上方に配置されている。レーザ光源16は、第1反射面40Aに対し、斜め上方から予め定めた入射角θ1でレーザ光(入射光i1)を照射する。入射光i1は第1反射面40Aで反射されて、反射光(出射光o1)が出射される。第1走査部40が第1回転軸40Bの周りに回転することで、反射光(出射光o1)が水平方向に走査される。
As shown in FIG. 9B, the
図9(C)は第2走査部の第2反射面で反射された光による走査軌跡を改良する原理を説明する説明図である。図9(C)に示すように、レーザ光源16からのレーザ光(入射光i1)は、第1走査部40の第1反射面40Aに対し入射角θ1で入射し、第1反射面40Aで反射されて、反射光(出射光o1)が出射される。第1反射面40Aから出射されたレーザ光(出射光o1)は、反射鏡42の反射面42Aで反射されて、第2走査部44の第2反射面44Aに対し入射角θ2で入射される。反射面42Aからのレーザ光(入射光i2)は、第2走査部44の第2反射面44Aに対し入射角θ2で入射し、第2反射面44Aで反射されて、反射光(出射光o2)が「照射光」として出射される。
FIG. 9C is an explanatory diagram for explaining the principle of improving the scanning locus by the light reflected by the second reflecting surface of the second scanning unit. As shown in FIG. 9C, the laser light (incident light i 1 ) from the
本実施の形態では、傾斜角φ≠0°の場合に第2走査部44から出射される照射光(出射光o2)の水平方向に対する偏差が、傾斜角φ=0°の場合に第2走査部44から出射される照射光(出射光o2)の水平方向に対する偏差より小さくなるように、レーザ光源16から第1走査部40の第1反射面40Aに入射する入射光i1の入射角θ1に応じて、第1走査部40の第1回転軸40Bの傾斜角φを予め定めておく。
In the present embodiment, the deviation of the irradiation light (emitted light o 2 ) emitted from the
図10は改良された走査軌跡を示すグラフである。図示した例では、垂直方向において水平方向から0°、15°、30°、45°の方向に光が反射されるように第2走査部44を予め回転させて固定配置し、第1走査部40を回転させた場合の走査軌跡を示す。図9(A)に示す第1走査部40を用い、第1回転軸40Bを傾斜角φ=30°だけ傾けて回転させた。
FIG. 10 is a graph showing an improved scanning trajectory. In the illustrated example, the
すると、第2走査部44を回転角度0°で固定配置した場合に、走査軌跡を水平方向に延びる直線にすることができた。また、第2走査部44を回転角度45°で固定配置した場合には、水平方向の±90°の位置で垂直方向に沿って広い範囲で走査することができた。即ち、基準位置(垂直方向の回転角度0°)から下の半円柱状の領域を監視領域とすると、監視領域の略全域が走査されている。
Then, when the
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。 Note that the configurations of the scanning optical system, the optical scanning device, and the distance measuring device described in the above embodiments are merely examples, and it goes without saying that the configurations may be changed without departing from the gist of the present invention. Yes.
10 距離測定装置
12 制御部
14 光源駆動部
16 レーザ光源
18 共用光学系
20 走査機構駆動部
22 走査機構
24 光検出器
26 光出力部
28 光検出部
30 照射光
32 反射光
40 第1走査部
40A 第1反射面
40B 第1回転軸
42 反射鏡
42A 反射面
44 第2走査部
44A 第2反射面
44B 第2回転軸
46 補正光学系
48 集光光学系
48A 開口部
50 回転中心軸
52 楕円
54 回転楕円面
56 第1位置
58 第2位置
60 円
62 球面
DESCRIPTION OF
Claims (6)
回転楕円面又は球面の一部から回転中心軸の延びる方向に予め定めた幅で切り出され、前記回転中心軸と交差する方向に湾曲した帯状の反射面を有し、前記帯状の反射面が前記第1走査部の光走査方向に延びるように配置されて、前記第1走査部から入射された光を反射する反射鏡と、
第2反射面を備え、前記第2反射面を第2回転軸の周りに回転させて、前記反射鏡からの光を前記第1走査部の光走査方向と交差する方向に反射走査する第2走査部と、
を備え、
前記第1走査部から入射され前記反射鏡で反射された光が前記第2走査部に入射されるように、前記第1走査部及び前記第2走査部の各々が前記反射鏡の回転中心軸上に離間して配置された、
走査光学系。 A first scanning unit that includes a first reflecting surface, rotates the first reflecting surface around a first rotation axis, and reflects and scans light incident on the first reflecting surface from a light source;
A band-shaped reflecting surface that is cut out in a direction extending in the direction of the rotation center axis from a part of the spheroid or spherical surface and curved in a direction intersecting with the rotation center axis, the band-shaped reflection surface being A reflecting mirror arranged to extend in the light scanning direction of the first scanning unit and reflecting the light incident from the first scanning unit;
A second reflection surface, wherein the second reflection surface is rotated around a second rotation axis to reflect and scan light from the reflection mirror in a direction intersecting the light scanning direction of the first scanning unit; A scanning unit;
With
Each of the first scanning unit and the second scanning unit has a rotation center axis of the reflecting mirror so that light incident from the first scanning unit and reflected by the reflecting mirror is incident on the second scanning unit. Spaced apart above,
Scanning optical system.
前記第1走査部が前記反射鏡の回転中心軸上で且つ楕円の一方の焦点位置に配置されると共に、前記第2走査部が前記反射鏡の回転中心軸上で且つ楕円の他方の焦点位置に配置された、
請求項1に記載の走査光学系。 The reflecting mirror has a band-like reflecting surface cut out from a part of the spheroid,
The first scanning unit is disposed on the rotation center axis of the reflecting mirror and at one focal position of the ellipse, and the second scanning unit is disposed on the rotation center axis of the reflecting mirror and the other focal position of the ellipse. Placed in the
The scanning optical system according to claim 1.
前記第1回転軸の前記傾斜角φ≠0°の場合に前記第2走査部から出射される光の前記第1走査部の光走査方向に対する偏差が、前記第1回転軸の前記傾斜角φ=0°の場合に前記第2走査部から出射される光の前記第1走査部の光走査方向に対する偏差より小さくなるように、前記入射角θに応じて前記傾斜角φが予め定められた、
請求項1又は請求項2に記載の走査光学系。 The first reflection surface of the first scanning unit obliquely intersects the first rotation axis, the first rotation axis is inclined at an inclination angle φ with respect to the rotation center axis of the reflection mirror, and the first reflection surface When light from the light source is incident at an incident angle θ and the second reflecting surface of the second scanning unit is fixedly arranged,
The deviation of the light emitted from the second scanning unit with respect to the light scanning direction of the first scanning unit when the tilting angle φ ≠ 0 ° of the first rotating shaft is the tilt angle φ of the first rotating shaft. The inclination angle φ is predetermined according to the incident angle θ so that the light emitted from the second scanning unit becomes smaller than the deviation of the light from the first scanning unit with respect to the optical scanning direction when 0 °. ,
The scanning optical system according to claim 1 or 2.
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の走査光学系と、
を備えた光走査装置。 A light source that emits light;
A scanning optical system according to any one of claims 1 to 4,
An optical scanning device comprising:
前記監視領域に在る障害物からの反射光を検出する光検出部と、
前記光出力部から出力され且つ前記光検出部で検出された反射光の遅延時間に基づいて、前記障害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。
A light output unit comprising the optical scanning device according to claim 5 and outputting irradiation light for scanning a predetermined monitoring area;
A light detection unit for detecting reflected light from an obstacle in the monitoring area;
A distance calculation unit that calculates a distance to the obstacle based on a delay time of the reflected light output from the light output unit and detected by the light detection unit;
Distance measuring device with
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