CN117063085A - 光学系统及光扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学系统，通过可动反射镜发生了偏转的偏转光入射到该光学系统，所述光学系统具备：第1反射部件，关于第1轴旋转对称且具有反射偏转光而将其作为第1反射光射出的第1反射面；及第2反射部件，关于第1轴旋转对称且具有反射第1反射光而将其作为第2反射光射出的第2反射面。将第1反射面以与第1轴平行的面切割所得的截面形状为凹状。将第2反射面以与第1轴平行的面切割所得的截面形状为凸状。第1反射光的光路与第1轴平行。第2反射光的光路为从第1轴朝向外侧的方向。

Description

光学系统及光扫描装置
技术领域
本发明的技术涉及一种光学系统及光扫描装置。
背景技术
近年来，正在活跃地进行用于如下的研究开发等：通过在汽车等上搭载被称为LiDAR(Light Detection And Ranging：光探测和测距)的光扫描装置来获取周边障碍物的距离信息，从而估计自己的位置，使得能够进行自动行驶控制。因此，要求提高LiDAR的性能，因此正在进行小型且轻量并且使得能够进行宽视角及高分辨率的扫描的LiDAR的开发。
目前，作为产品销售中的LiDAR主要存在两个方式。第1方式为机械扫描方式，其通过马达等机械机构旋转激光光源及受光元件，使激光束在360度的全方位上进行扫描(以下，称为全方位扫描。)。第2方式为MEMS方式，其通过利用由MEMS(Micro ElectroMechanical Systems：微机电系统)构成的可动反射镜(也被称为MEMS反射镜。)使激光束偏转来进行扫描。与机械扫描方式相比，MEMS方式为小型且轻量，并且能够进行高速的扫描。
在MEMS方式的LiDAR中也能够进行全方位扫描(例如，参考国际公开第2019/167587号公报及非专利文献(“Resonant biaxial 7-mm MEMS mirror foromnidirectional scanning”,J.Micro/Nanolith.MEMS MOEMS13(1),011103(Jan-Mar2014)))。在国际公开第2019/167587号公报中记载有在MEMS方式的LiDAR中通过使用用于将通过可动反射镜发生了偏转的光转换为水平方向的旋转对称的光学系统来使得能够进行全方位扫描。
发明内容
发明要解决的技术课题
在MEMS方式的LiDAR中，当使用旋转对称的光学系统进行全方位扫描时，通过可动反射镜发生了偏转的光被光学系统反射之后，作为扫描光从LiDAR向外部射出。在该情况下，从LiDAR射出的扫描光可能会因光学系统中的反射而光束直径扩大。若光束直径扩大，则距离测量的空间分辨率会下降。国际公开第2019/167587号公报中所记载的光学系统并未考虑到由光束直径的扩大引起的分辨率下降。
并且，上述非专利文献中所记载的光学系统仅在MEMS反射镜的可动角度(也被称为摆角。)达到15°时实现。但是，实际上可动角度只能达到6.5°，因此上述非专利文献中所记载的光学系统并没有实现。如此，可知尤其在MEMS反射镜的可动角度小时难以实现能够进行全方位扫描的光学系统。
本发明的技术的目的在于提供一种能够抑制分辨率下降的光学系统及光扫描装置。
用于解决技术课题的手段
为了实现上述目的，本发明的光学系统为通过可动反射镜发生了偏转的偏转光入射的光学系统，其具备：第1反射部件，其关于第1轴旋转对称且具有反射偏转光而将其作为第1反射光射出的第1反射面；及第2反射部件，其关于第1轴旋转对称且具有反射第1反射光而将其作为第2反射光射出的第2反射面，以与第1轴平行的面切割第1反射面而得的截面形状为凹状，以与第1轴平行的面切割第2反射面而得的截面形状为凸状，第1反射光的光路与第1轴平行，第2反射光的光路为从第1轴朝向外侧的方向。
优选可动反射镜在法线方向相对于第1轴以一定的角度范围倾斜的状态下转动。
优选偏转光为平行光，第1反射光的聚光位置与使平行光从第2反射光的光路假想地入射到第2反射面时被第2反射面反射的反射光的虚像的聚光位置一致。
优选将从第1反射面起至第1反射光的聚光位置为止的距离设为f1、将从第2反射面起至虚像的聚光位置为止的距离设为f2、将第1轴上的第1反射面与第2反射面之间的距离设为d时，为0.9×d≤f1-f2≤1.1×d的范围内。
优选第1反射面和第2反射面中的任一个的形状为双曲面。
优选第1反射面和第2反射面中的任一个的形状为奇次非球面。
优选具备棱镜，该棱镜关于第1轴旋转对称且配置于比第2反射部件更靠外侧的位置，并且使第2反射光折射。
优选以与第1轴平行的面切割棱镜而得的截面形状为三角形。
本发明的光扫描装置具备：上述中的任一光学系统；可动反射镜装置，具有可动反射镜；及光源，其发出入射到可动反射镜中的光。
优选光沿着第1轴入射到可动反射镜。
优选将第2反射光作为扫描光而朝向围绕第1轴的全方位射出。
发明效果
根据本发明的技术，可提供一种能够抑制分辨率下降的光学系统及光扫描装置。
附图说明
图1是表示LiDAR装置的概略结构的一例的框图。
图2是表示可动反射镜装置的概略结构的一例的立体图。
图3是表示可动反射镜进行进动的情形的图。
图4是表示光学系统的一例的概略立体图。
图5是表示光学系统的一例的概略分解立体图。
图6是表示光学系统的一例的概略剖视图。
图7是关于第1反射面、第2反射面及可动反射镜的位置关系进行说明的图。
图8是示出表示第1实施方式所涉及的第1反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图9是表示第1实施方式所涉及的扫描光的截面形状的模拟图像。
图10是示出表示第2实施方式所涉及的第1反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图11是表示第2实施方式所涉及的扫描光的截面形状的模拟图像。
图12是表示第3实施方式所涉及的光学系统的结构的概略剖视图。
图13是示出表示第3实施方式所涉及的第1反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图14是示出表示第3实施方式所涉及的折射面、反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图15是关于第4实施方式所涉及的垂直扫描进行说明的图。
图16是示出表示第4实施方式所涉及的第1反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图17是表示第4实施方式所涉及的扫描光的截面形状的模拟图像。
图18是表示比较例所涉及的光学系统的结构的概略剖视图。
图19是示出表示比较例所涉及的第1反射面及第2反射面的形状的参数的值的图。
图20是表示比较例所涉及的扫描光的截面形状的模拟图像。
具体实施方式
根据附图，对本发明的技术所涉及的实施方式的一例进行说明。
[第1实施方式]
图1表示一实施方式所涉及的LiDAR装置2的概略结构。LiDAR装置2向对象物3射出扫描光Ls并接收其返回光Lr，并且测量至对象物3为止的距离。LiDAR装置2例如搭载于汽车，获取周边障碍物的距离信息。LiDAR装置2为本发明的技术所涉及的“光扫描装置”的一例。
如图1所示，LiDAR装置2具备光源10、可动反射镜装置11、光学系统12、受光部13及控制部14。可动反射镜装置11包括可动反射镜20和用于驱动可动反射镜20的驱动部35。光学系统12包括第1反射部件40、第2反射部件41及棱镜42。
光源10例如为激光二极管，朝向可动反射镜装置11的可动反射镜20射出激光束L。激光束L例如为波长905nm的红外线。并且，激光束L例如为脉冲状。另外，激光束L为本发明的技术所涉及的“光源发出的光”的一例。
另外，光源10并不限于激光二极管，能够使用DPSS(Diode Pumped Solid State：二极管泵浦固体)激光器、光纤激光器等各种结构的激光器。并且，激光束并不限于上述的激光束，例如能够使用具有850nm至1550nm波段的近红外光为止的波长的一般用于LiDAR的脉冲激光束。
可动反射镜20通过反射从光源10入射的激光束L来使激光束L偏转。即，可动反射镜20反射入射的激光束L并将其作为偏转光Ld射出。从可动反射镜20射出的偏转光Ld入射到光学系统12中。入射到光学系统12中的偏转光Ld依次被第1反射部件40及第2反射部件41反射并被棱镜42折射之后，作为扫描光Ls射出到LiDAR装置2的外部。
来自对象物3的返回光Lr入射到光学系统12中。入射到光学系统12中的返回光Lr被棱镜42折射，并且依次被第2反射部件41及第1反射部件40反射之后，入射到可动反射镜20中。入射到可动反射镜20中的返回光Lr通过可动反射镜20发生偏转之后，例如被半反射镜50(参考图6)反射，由此被引导到受光部13。另外，也可以使用具有使激光束L通过的贯穿孔且具有反射返回光Lr的反射面的反射镜来代替半反射镜50。
受光部13接收返回光Lr并生成与所接收到的返回光Lr的光量对应的检测信号。受光部13例如由雪崩光电二极管构成。受光部13所生成的检测信号输入到控制部14。
控制部14控制来自光源10的激光束L的射出，并且进行根据从受光部13输入的检测信号计算至对象物3为止的距离的处理。并且，控制部14将用于驱动可动反射镜20的驱动电压供给到驱动部35。
图2表示可动反射镜装置11的概略结构。可动反射镜装置11为对SOI(Silicon OnInsulator：绝缘体上硅)基板进行蚀刻处理而形成的微反射镜器件。可动反射镜装置11也被称为MEMS反射镜器件。
可动反射镜装置11具有可动反射镜20、第1支撑部21、第1可动框22、第2支撑部23、第2可动框24、连接部25及固定框26。可动反射镜装置11为所谓的MEMS扫描器。
可动反射镜20具有反射入射光的反射面20A。反射面20A由设置于可动反射镜20的一面的、例如金(Au)、铝(Al)、银(Ag)或银的合金等的金属薄膜形成。反射面20A的形状例如为以a1轴与a2轴的交点为中心的圆形。
第1支撑部21分别配置于可动反射镜20的外侧的隔着a2轴而对置的位置。第1支撑部21在a1轴上与可动反射镜20连接，并且将可动反射镜20支撑为能够围绕a1轴进行摆动。在本实施方式中，第1支撑部21为沿着a1轴延伸的扭力杆(torsion bar)。
第1可动框22为围绕可动反射镜20的矩形的框体，在a1轴上介由第1支撑部21与可动反射镜20连接。在第1可动框22上的隔着a1轴而对置的位置分别形成有压电元件30。如此，通过在第1可动框22上形成两个压电元件30来构成一对第1致动器31。
一对第1致动器31配置于隔着a1轴而对置的位置。第1致动器31通过使围绕a1轴的转矩作用于可动反射镜20而使可动反射镜20围绕a1轴进行摆动。
第2支撑部23分别配置于第1可动框22的外侧的隔着a1轴而对置的位置。第2支撑部23在a2轴上与第1可动框22连接，并且将第1可动框22及可动反射镜20支撑为能够围绕a2轴进行摆动。在本实施方式中，第2支撑部23为沿着a2轴延伸的扭力杆。
第2可动框24为围绕第1可动框22的矩形的框体，在a2轴上介由第2支撑部23与第1可动框22连接。在第2可动框24上的隔着a2轴而对置的位置分别形成有压电元件30。如此，通过在第2可动框24上形成两个压电元件30来构成一对第2致动器32。
一对第2致动器32配置于隔着a2轴而对置的位置。第2致动器32通过使围绕a2轴的转矩作用于可动反射镜20及第1可动框22而使可动反射镜20围绕a2轴进行摆动。
连接部25分别配置于第2可动框24的外侧的隔着a1轴而对置的位置。连接部25在a2轴上与第2可动框24连接。
固定框26为围绕第2可动框24的矩形的框体，在a2轴上介由连接部25与第2可动框24连接。
在以下的说明中，将可动反射镜20未倾斜的状态下的反射面20A的法线方向设为Z轴方向，将与Z轴方向正交的一方向设为X轴方向，将与Z轴方向及X轴方向正交的方向设为Y轴方向。
一对第1致动器31及一对第2致动器32对应于上述的驱动部35。上述的控制部14通过向一对第1致动器31和一对第2致动器32分别施加相位不同的正弦波的驱动电压而使可动反射镜20进行进动。
图3表示可动反射镜20进行进动的情形。进动是指可动反射镜20的反射面20A的法线N以描绘圆的方式摆动的运动。即，可动反射镜20在法线方向相对于Z轴az在一定的角度范围倾斜的状态下转动。另外，Z轴az为与Z轴方向平行且通过可动反射镜20的中心的轴。Z轴az为本发明的技术所涉及的“第1轴”的一例。
从光源10射出的激光束L沿着Z轴az入射到可动反射镜20的中心。如图3所示，通过进行进动的可动反射镜20发生了偏转的偏转光Ld以描绘圆的方式从可动反射镜20射出。
图4～图6表示光学系统12的结构。图4是光学系统12的概略立体图。图5是光学系统12的概略分解立体图。图6是将光学系统12沿着Z轴az切割的概略剖视图。构成光学系统12的第1反射部件40、第2反射部件41及棱镜42均为关于Z轴az旋转对称的形状。第1反射部件40及第2反射部件41沿着从光源10射出的激光束L的行进方向以第1反射部件40、第2反射部件41的顺序配置。
第1反射部件40的外形为大致圆盘状，在中央形成有使激光束L通过的孔40A。在第1反射部件40的第2反射部件41侧形成有第1反射面40B。第1反射面40B关于Z轴az旋转对称。并且，将第1反射面40B以与Z轴az平行的面切割所得的截面形状为凹状。
从可动反射镜20射出的偏转光Ld入射到第1反射面40B。第1反射面40B反射入射的偏转光Ld而将其作为第1反射光Lh1射出。从第1反射面40B射出的第1反射光Lh1的光路与Z轴az平行。
在第2反射部件41的中央形成有使激光束L及偏转光Ld通过的孔41A。在第2反射部件41的第1反射部件40侧形成有第2反射面41B。第2反射面41B关于Z轴az旋转对称。并且，将第2反射面41B以与Z轴az平行的面切割所得的截面形状为凸状。
第1反射光Lh1从第1反射面40B入射到第2反射面41B。第2反射面41B反射入射的第1反射光Lh1并将其作为第2反射光Lh2射出。从第2反射面41B射出的第2反射光Lh2的光路为从Z轴az朝向外侧的方向。另外，从Z轴az朝向外侧的方向是指以Z轴az为中心的圆的半径方向。
在棱镜42的中央形成有用于容纳第2反射部件41的空腔42A。棱镜42关于Z轴az旋转对称且配置于比第2反射部件41更靠外侧的位置。并且，将棱镜42以与Z轴az平行的面切割所得的截面形状为三角形。第2反射光Lh2从第2反射面41B入射到棱镜42中。棱镜42折射从第2反射面41B入射的第2反射光Lh2并将其作为扫描光Ls射出。扫描光Ls的射出方向例如为与Z轴az正交的方向。即，朝向围绕Z轴az的全方位射出扫描光Ls。
如图6所示，在从光源10射出的激光束L的光路上配置有半反射镜50。半反射镜50使来自光源10的激光束L透射并入射到可动反射镜20中，并且反射被可动反射镜20反射的返回光Lr并使其入射到受光部13。
从光源10射出的激光束L透射半反射镜50之后，通过第1反射部件40的孔40A及第2反射部件41的孔41A而入射到可动反射镜20中。入射到可动反射镜20中的激光束L通过被可动反射镜20反射而从可动反射镜20作为偏转光Ld被射出。从可动反射镜20射出的偏转光Ld通过第2反射部件41的孔41A而入射到第1反射部件40的第1反射面40B。
入射到第1反射面40B的偏转光Ld通过被第1反射面40B反射而从第1反射面40B作为第1反射光Lh1被射出。从第1反射面40B射出的第1反射光Lh1沿着Z轴az行进并入射到第2反射部件41的第2反射面41B。
入射到第2反射面41B的第1反射光Lh1通过被第2反射面41B反射而从第2反射面41B作为第2反射光Lh2射出。从第2反射面41B射出的第2反射光Lh2沿从Z轴az向外侧延伸的方向行进并入射到棱镜42中。入射到棱镜42中的第2反射光Lh2折射之后，作为扫描光Ls从棱镜42朝向对象物3(参考图1)射出。
来自对象物3的返回光Lr入射到棱镜42中，在偏转光Ld、第1反射光Lh1及第2反射光Lh2的光路中沿相反方向行进并入射到可动反射镜20中。返回光Lr被可动反射镜20反射之后，通过第1反射部件40的孔40A及第2反射部件41的孔41A而入射到半反射镜50中。入射到半反射镜50中的返回光Lr中的一部分被半反射镜50反射并入射到受光部13。
第1反射面40B及第2反射面41B例如由金(Au)、铝(Al)或银(Ag)化合物等的金属膜形成。另外，第1反射面40B及第2反射面41B也可以由多层反射膜形成。
棱镜42由丙烯酸、聚碳酸酯、ZEONEX等光学树脂形成。
图7中，关于第1反射面40B、第2反射面41B及可动反射镜20的位置关系进行说明。在图7中，h1表示从第1反射面40B中的偏转光Ld的入射位置至Z轴az为止的距离。h2表示从第2反射面41B中的第1反射光Lh1的入射位置至Z轴az为止的距离。d1表示从第1反射面40B中的偏转光Ld的入射位置至可动反射镜20为止的Z轴方向上的距离。
在图7所示的结构中，关于减小激光束L的发散角的条件，分为与Z轴az正交的方向(以下，称为水平方向。)和与Z轴az平行的方向(以下，称为垂直方向。)进行说明。将减小激光束L的发散角的条件分为水平方向和垂直方向进行说明是因为第1反射面40B及第2反射面41B的曲率根据激光束L的光束的截面方向而不同。
首先，对在水平方向上减小激光束L的发散角的条件进行说明。第1反射面40B的曲率和距离d1的值被确定为满足h1＝h2的关系。通过将第1反射面40B的曲率和距离d1的值确定为满足h1＝h2，第1反射面40B中的在水平方向上的激光束L的收敛角度和第2反射面41B中的激光束L在水平方向上的发散角度变得相同。如此，通过激光束L的收敛与发散相抵消，在水平方向上的激光束L成为平行光。另外，只要在至少一个摆角θ下满足h1＝h2即可。并且，h1和h2也可以不是完全相同的值，只要实质上相同即可。
接着，对在垂直方向上减小激光束L的发散角的条件进行说明。如图7所示，若将入射到可动反射镜20中的激光束L设为平行的光束(即，平行光)，则偏转光Ld作为平行光入射到第1反射面40B中。由于第1反射面40B为凹面，因此从第1反射面40B射出的第1反射光Lh1成为收敛光。由于第2反射面41B为凸面，因此第2反射面41B在反射第1反射光Lh1时使其发散。第2反射面41B的曲率被确定为使第2反射光Lh2成为大致平行光。
在图7中，P表示不存在第2反射面41B时的第1反射光Lh1的聚光位置。使平行光从第2反射光Lh2的光路假想地入射到第2反射面41B时被第2反射面41B反射的反射光的虚像的聚光位置优选与第1反射光Lh1的聚光位置P一致。通过该虚像的聚光位置与第1反射光Lh1的聚光位置P一致，第2反射光Lh2成为平行光。
换言之，第2反射面41B的曲率被确定为满足f1＝f2+d2的关系。其中，f1为从第1反射面40B中的偏转光Ld的入射位置至第1反射光Lh1的聚光位置为止的距离。f2为从第2反射面41B中的第1反射光Lh1的入射位置至上述虚像的聚光位置为止的距离。d2为从第1反射面40B中的偏转光Ld的入射位置至第2反射面41B中的第1反射光Lh1的入射位置为止的距离。另外，在至少一个摆角θ下满足f1＝f2+d2的关系即可。
并且，虚像的聚光位置和第1反射光Lh1的聚光位置P也可以不完全一致，只要实质上一致即可。例如，f1与f2之差只要在0.9×d2≤f1-f2≤1.1×d2的范围内即可。这是因为，因向曲面倾斜入射而产生像散，水平方向和垂直方向的焦距发生稍微的偏离。该偏离量在设计的经验上为10％左右，若f1与f2之差在上述范围内，则可以说虚像的聚光位置和第1反射光Lh1的聚光位置P实质上一致。另外，f1＞f2，“f1-f2”成为正的值。
第1反射面40B及第2反射面41B均为非球面。反射面的形状一般由下式(1)的非球面定义式表示。
[数式1]
z表示与Z轴方向有关的坐标。h表示距Z轴az的距离。R为曲率半径。K为康尼格(Konig)系数。A1～A3为非球面系数。R、K及A1～A3为确定反射面的形状的参数。另外，在本发明中，四阶以上的非球面系数全部设为0。
在K＝0的情况下，反射面成为球面。在0＞K＞-1的情况下，反射面成为椭圆面。在K＝-1的情况下，反射面成为抛物面。在-1＞K的情况下，反射面成为双曲面。
在本实施方式中，将第1反射面40B及第2反射面41B均设为双曲面。表示第1反射面40B及第2反射面41B的形状的参数设定为图8所示的值。并且，上述的d1及d2设定为图8所示的值。
图9表示使用根据图8所示的条件来构成的光学系统12并设为θ＝6.5°时从光学系统12射出的扫描光Ls的截面形状的一例。图9是表示与光学系统12分开约1m的部位的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图9所示的图像平行于垂直方向与Z轴方向平行且水平方向与Z轴方向正交的方向。
在本模拟中，图7所示的h1及h2的模拟值成为h1＝10.3mm、h2＝10.4mm。即，作为h1及h2，得到了大致相等的值。并且，图7所示的f1及f2的模拟值成为f1＝58mm、f2＝23mm。即，f1与f2之差为35mm，成为与图8所示的d2的值(33mm)大致相等的值。
图9所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)在垂直方向及水平方向上均为约1.6mm。即，计算出扫描光Ls的发散角α为α＝tan-1(1.6/1000)≈0.09°。
[第2实施方式]
在上述第1实施方式中，将第1反射面40B及第2反射面41B均设为双曲面，但在本实施方式中，将第1反射面40B设为双曲面，将第2反射面41B设为抛物面。表示第1反射面40B及第2反射面41B的形状的参数设定为图10所示的值。并且，上述的d1及d2设定为图10所示的值。
图11表示使用根据图10所示的条件来构成的光学系统12并设为θ＝6.5°时从光学系统12射出的扫描光Ls的截面形状的一例。图11是表示与光学系统12分开约1m的部位的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图11所示的图像平行于垂直方向与Z轴方向平行且水平方向与Z轴方向正交的方向。
在本模拟中，h1及h2的模拟值成为h1＝9.2mm、h2＝8.7mm。即，作为h1及h2，得到了大致相等的值。并且，f1及f2的模拟值成为f1＝44mm、f2＝16mm。即，f1与f2之差为28mm，成为与图10所示的d2的值(29mm)大致相等的值。
图11所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)与第1实施方式同样地在垂直方向及水平方向上均为约1.6mm。即，计算出扫描光Ls的发散角α为α＝tan-1(1.6/1000)≈0.09°。
[第3实施方式]
在第3实施方式中，使用被称为曼金镜(Mangin mirror)的背面型凹面镜作为第1反射部件40。第3实施方式所涉及的光学系统12的结构除了将第1反射部件40设为背面型凹面镜以外，与第1实施方式所涉及的光学系统12相同。
如图12所示，本实施方式的第1反射部件40具备具有关于Z轴az旋转对称的形状的折射面40C及反射面40D。将折射面40C及反射面40D以与Z轴az平行的面切割所得的截面形状均为凹状。反射面40D为本发明的技术所涉及的“第1反射面”的一例。即，反射面40D对应于第1实施方式的第1反射面40B。
在本实施方式中，从可动反射镜20射出的偏转光Ld入射到第1反射部件40中，被折射面40C折射之后，入射到反射面40D。通过反射面40D反射偏转光Ld，从反射面40D射出的第1反射光Lh1被折射面40C折射之后，入射到第2反射部件41的第2反射面41B。
在本实施方式中，将折射面40C设为双曲面，将反射面40D设为抛物面，将第2反射面41B设为椭圆面。表示折射面40C、反射面40D及第2反射面41B的形状的参数设定为图13所示的值。并且，上述的d1及d2设定为图13所示的值。
图14表示使用根据图13所示的条件来构成的光学系统12并设为θ＝6.5°时从光学系统12射出的扫描光Ls的截面形状的一例。图14是表示与光学系统12分开约1m的部位的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图14所示的图像平行于垂直方向与Z轴方向平行且水平方向与Z轴方向正交的方向。
在本模拟中，h1及h2的模拟值成为h1＝10.4mm、h2＝9.4mm。即，作为h1及h2，得到了大致相等的值。并且，f1及f2的模拟值成为f1＝48mm、f2＝15mm。即，f1与f2之差为33mm，成为与图13所示的d2的值(35mm)大致相等的值。
图14所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)与第1实施方式同样地在垂直方向及水平方向上均为约1.6mm。即，计算出扫描光Ls的发散角α为α＝tan-1(1.6/1000)≈0.09°。
[第4实施方式]
在上述各实施方式中，固定了可动反射镜20的摆角θ，但也能够在使可动反射镜20进动的期间将摆角θ偏转来将扫描光Ls沿围绕Z轴的周向扫描，并且沿Z轴方向扫描(垂直扫描)。如图15所示，在本实施方式中，从光学系统12射出的扫描光Ls相对于YZ面成+15°的方向与相对于YZ面成-15°的方向之间，将扫描光Ls沿Z轴方向扫描。
在本实施方式中，与第1实施方式同样地，将第1反射面40B及第2反射面41B均设为双曲面。表示第1反射面40B及第2反射面41B的形状的参数设定为图16所示的值。并且，上述的d1及d2设定为图16所示的值。
图17表示使用根据图16所示的条件来构成的光学系统12并改变摆角θ时从光学系统12射出的扫描光Ls的截面形状的一例。图17(A)是将摆角θ设定为YZ面与扫描光Ls所成的角成为+15°时的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图17(B)是将摆角θ设定为YZ面与扫描光Ls所成的角成为0°时的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图17(C)是将摆角θ设定为YZ面与扫描光Ls所成的角成为-15°时的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图17(A)～(C)的图像均表示与光学系统12分开约1m的部位的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。
图17(A)所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)在垂直方向上为约3mm，在水平方向上为约5mm。即，计算出扫描光Ls在垂直方向上的发散角α为α＝tan-1(3/1000)≈0.17°，且计算出扫描光Ls在水平方向上的发散角α为α＝tan-1(5/1000)≈0.29°。
图17(B)所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)在垂直方向及水平方向上均为约10mm。即，计算出扫描光Ls的发散角α为α＝tan-1(10/1000)≈0.57°。
图17(C)所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)在垂直方向上为约5mm，在水平方向上为约20mm。即，计算出扫描光Ls在垂直方向上的发散角α为α＝tan-1(5/1000)≈0.29°，且计算出扫描光Ls在水平方向上的发散角α为α＝tan-1(20/1000)≈1.1°。
[比较例1]
接着，对比较例进行说明。图18表示比较例所涉及的光学系统12的结构。在本比较例中，第1反射面40B为平面，第2反射面41B为圆锥面。即，将第1反射面40B及第2反射面41B以与Z轴az平行的面切割所得的截面形状均为直线状。在本比较例中，表示第1反射面40B及第2反射面41B的形状的参数设定为图19所示的值。并且，上述的d1设定为图19所示的值。
在本比较例中，第1反射面40B为平面，因此从第1反射面40B射出的第1反射光Lh1的光路并不与Z轴az平行。即，并不满足上述各实施方式中所说明的h1＝h2的关系及f1＝f2+d2的关系。
图20表示使用根据图19所示的条件来构成的光学系统12并设为θ＝6.5°时从光学系统12射出的扫描光Ls的截面形状的一例。图14是表示与光学系统12分开约1m的部位的扫描光Ls的截面形状的模拟图像。图20所示的图像平行于垂直方向与Z轴方向平行且水平方向与Z轴方向正交的方向。
图20所示的扫描光Ls的光束直径(半峰全宽)在垂直方向上为约8mm，在水平方向上为约100mm。即，计算出扫描光Ls在垂直方向上的发散角α为α＝tan-1(8/1000)≈0.46°，且计算出扫描光Ls在水平方向上的发散角α为α＝tan-1(100/1000)≈5.7°。
在比较例中，第1反射面40B及第2反射面41B的截面形状为直线状，因此光束直径产生发散。尤其，在比较例中，摆角θ的依赖性大，当摆角θ小时，在水平方向上的光束直径的发散变大。与此相对，在上述各实施方式中，第1反射面40B的截面形状为凹状，第2反射面41B的截面形状为凸状，因此可抑制光束直径的发散。即，根据本发明的技术，能够抑制由光束直径的发散引起的距离测量的空间分辨率下降。
另外，在上述各实施方式中，将第1反射部件的第1反射面设为双曲面或抛物面，将第2反射部件的第2反射面设为双曲面、抛物面或椭圆面。并且，第1反射面和第2反射面中的任一个或两个的形状优选为奇次非球面。奇次非球面是指如上式(1)那样包含奇次非球面系数来表示的曲面。
并且，在上述各实施方式中，向可动反射镜20的激光束L的入射方向为Z轴方向，但激光束L的入射方向并不限定于Z轴方向，也可以为与Z轴方向交叉的方向(例如，与Z轴方向正交的方向)。
并且，通过切出上述各实施方式的光学系统12的一部分，还能够构成激光束L的扫描范围例如为270°或180°的LiDAR装置。
本说明书中所记载的所有文献、专利申请及技术标准，与具体地且分别地记载通过参考而被并入的各个文献、专利申请及技术标准的情况相同程度地，通过参考而被并入本说明书中。

Claims (11)

1.一种光学系统，通过可动反射镜而发生了偏转的偏转光入射到该光学系统，所述光学系统具备：
第1反射部件，其关于第1轴旋转对称且具有反射所述偏转光而将其作为第1反射光射出的第1反射面；及
第2反射部件，其关于所述第1轴旋转对称且具有反射所述第1反射光而将其作为第2反射光射出的第2反射面，
以与所述第1轴平行的面切割所述第1反射面而得的截面形状为凹状，
以与所述第1轴平行的面切割所述第2反射面而得的截面形状为凸状，
所述第1反射光的光路与所述第1轴平行，
所述第2反射光的光路为从所述第1轴朝向外侧的方向。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述可动反射镜在法线方向相对于所述第1轴以一定的角度范围倾斜的状态下转动。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，
所述偏转光为平行光，
所述第1反射光的聚光位置与使平行光从所述第2反射光的光路假想地入射到所述第2反射面时被所述第2反射面反射的反射光的虚像的聚光位置一致。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，
在将从所述第1反射面起至所述第1反射光的聚光位置为止的距离设为f1、将从所述第2反射面起至所述虚像的聚光位置为止的距离设为f2、将所述第1轴上的所述第1反射面与所述第2反射面之间的距离设为d时，
为0.9×d≤f1-f2≤1.1×d的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，其中，
所述第1反射面和所述第2反射面中的任一个的形状为双曲面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其中，
所述第1反射面和所述第2反射面中的任一个的形状为奇次非球面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其中，
该光学系统具备棱镜，所述棱镜关于所述第1轴旋转对称且配置于比所述第2反射部件更靠外侧的位置，并且使所述第2反射光折射。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中，
以与所述第1轴平行的面切割所述棱镜而得的截面形状为三角形。
9.一种光扫描装置，其具备：
权利要求1至8中任一项所述的光学系统；
可动反射镜装置，其具有所述可动反射镜；及
光源，其发出入射到所述可动反射镜中的光。
10.根据权利要求9所述的光扫描装置，其中，
所述光沿着所述第1轴入射到所述可动反射镜。
11.根据权利要求9或10所述的光扫描装置，其中，
将所述第2反射光作为扫描光而朝向围绕所述第1轴的全方位射出。
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