DE102005027929A1

DE102005027929A1 - Optischer Scanner

Info

Publication number: DE102005027929A1
Application number: DE102005027929A
Authority: DE
Inventors: Makiko Kariya Sugiura; Inao Kariya Toyoda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP4517744B2; JP2006010893A; US20050286104A1; DE102005027929B4

Abstract

Ein optischer Scanner (30) umfasst eine Laserdiode (32) zum Aussenden eines Laserstrahls, eine Zylinderlinse (33), die in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist, und eine auf elektrostatischen Kräften basierende Vorrichtung (40) zum Bewegen der Zylinderlinse (33) in einer zu dem Strahlengang senkrechten Richtung. Auf diese Weise ist die Auftreffposition des Laserstrahls auf der Zylinderlinse (33) veränderlich. Demzufolge wird der Laserstrahl, der in die Zylinderlinse (33) eintritt, um zerstreut zu werden, unterschiedlich gebrochen, so dass er dazu geeignet ist, ein Objekt abzutasten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Scanner zum Scannen/Abtasten eines Objekts mittels eines Lichtstrahls.

Allgemein ist zum Beispiel in der JP-2002-31685A ein optischer Scanner bereitgestellt, der ein Objekt mittels eines von einem Leuchtelement ausgesendeten Laserlichts abtastet. Das Laserlicht von dem Leuchtelement wird von einem sich drehenden Polygonspiegel so reflektiert, dass es durch ein Austrittsfenster des optischen Scanners ausgesendet wird. Somit kann der optische Scanner das Objekt in einem vorbestimmten Winkelbereich abtasten.

In diesem Fall umfasst jedoch der Polygonspiegel eine Anzahl ebener Reflexionsoberflächen, die gedreht werden, um die Richtung des Laserlichts zu steuern. Der Polygonspiegel nimmt in dem optischen Scanner einen vergleichsweise großen Raum ein. Ferner ist zur Drehung des Polygonspiegels eine Antriebsmotor mit einer hohen Leistung erforderlich, der groß und schwer ist.

Daher ist es schwierig, den optischen Scanner mit dem Polygonspiegel und dem Antriebsmotor in Gewicht und Größe zu reduzieren. Darüber hinaus sind die Energiekosten des optischen Scanners (Antriebsmotors) hoch.

Daher ist die Montageposition des optischen Scanners begrenzt. Wenn zum Beispiel der optische Scanner in einem Fahrzeugabstand-Erfassungssystem zur Erfassung des Zwischenfahrzeugabstandes verwendet wird, ist es schwierig, den optischen Scanner an einer Position (höher als eine Straßenoberfläche) mit guter "Sicht", zum Beispiel auf der Rückseite eines Rückblickspiegels in einem Fahrzeuginnenraum anzuordnen. Der optische Scanner muss an einem relativ großen Platz, zum Beispiel der Innenseite eines Frontgrills oder der in Querrichtung mittleren Position eines vorderen Stoßfängers des Fahrzeugs angeordnet werden.

Statt des Polygonspiegels zur Steuerung der Austrittsrichtung des Laserlichts kann der optische Scanner einen flachen Spiegel zur Reflexion des Laserlichts in einem einstellbaren Reflexionswinkel oder mehrere Lichtführungsstrecken, deren Richtungen einstellbar sind, umfassen. Es ist jedoch schwierig, die oben beschriebenen optischen Scanner in Größe und Gewicht zu verringern.

Angesichts der oben beschriebenen Nachteile ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Scanner bereitzustellen, der geringe Abmessungen und ein geringes Gewicht besitzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein optischer Scanner eine Lichtquelle zur Aussendung eines Lichtstrahls, eine Zerstreuungslinse, die in einem Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist, und eine Antriebseinheit, die wenigstens entweder die Lichtquelle oder die Zerstreuungslinse in wenigstens einer zu dem Strahlengang senkrechten Richtung bewegt, so dass ein Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf die Zerstreuungslinse veränderbar ist.

Da wenigstens entweder die Lichtquelle oder die Zerstreuungslinse in der zu dem Strahlengang senkrechten Richtung beweglich ist, kann der Laserstrahl unter unterschiedlichen Brechungswinkeln gebrochen werden, so dass ein Abtasten eines Objekts möglich ist. Daher kann der optische Scanner wenigstens in der Richtung des Laserstrahlengangs im Vergleich zu einem Scanner mit einem Drehpolygonspiegel klein dimensioniert sein. Daher ist ein Antriebsmotor zum Drehen des Polygonspiegels, der groß und schwer ist, nicht erforderlich, so dass die Größe und das Gewicht des optischen Scanners weiter reduziert werden kann. Daher kann der optische Scanner mit geringeren Einschränkungen angebracht werden.

Vorzugsweise ist die Zerstreuungslinse eine Plankonkave Linse mit einer Eintrittslinsenoberfläche auf einer Eintrittsseite des Lichtstrahls und einer Austrittslinsenoberfläche auf einer Austrittsseite des Lichtstrahls. Die Eintrittslinsenoberfläche und die Austrittslinsenoberfläche sind auf gegenüberliegenden Seiten der Zerstreuungslinse angeordnet. Die Austrittslinsenoberfläche ist in Längsrichtung der Zerstreuungslinse gekrümmt.

Vorzugsweise weist die Austrittslinsenoberfläche in Richtung der Dicke der Zerstreuungslinse eine Krümmung von im Wesentlichen gleich Null auf. Wenigstens entweder die Lichtquelle oder die Zerstreuungslinse ist in der Dickenrichtung der Zerstreuungslinse beweglich.

Daher kann der Lichtstrahl das Objekt sowohl in der Längsrichtung als auch in der Querrichtung der Plankonkave Linse abtasten. Das heißt, der optische Scanner, der sowohl in der Größe aus auch im Gewicht reduziert ist, ist dazu geeignet, das Objekt in zwei Dimensionen abzutasten.

Die oben genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen sind:
1 eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau einer Laserradarvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, 2B eine schematische Draufsicht des in 2A gezeigten optischen Scanners und 2C eine schematische Seitenansicht des in 2A gezeigten optischen Scanners;
3A ein Diagramm zur Erläuterung des Brechungsgesetzes (Snell'sches Gesetz), 3B ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Zerstreuung (Aufweitung) durch eine Zerstreuungslinse (Zylinderlinse) und 3C ein Diagramm zur Erläuterung des Abtast- bzw. Scanprinzips durch die Zerstreuungslinse (Zylinderlinse);
4 eine schematische Ansicht, die einen Aufbau einer auf elektrostatischen Kräften basierenden Vorrichtung zeigt;
5A eine schematische Ansicht, die einen Aufbau einer auf elektrostatischen Kräften basierenden Vorrichtung zeigt, und 5B eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt der auf elektrostatischen Kräften basierenden Vorrichtung entlang der Linie VB-VB in 5A zeigt;
6A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 6B eine schematische Draufsicht des in 6A gezeigten optischen Scanners und 6C eine schematische Seitenansicht des in 6A gezeigten optischen Scanners;
7A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 7B eine schematische Draufsicht des in 7A gezeigten optischen Scanners und 7C eine schematische Seitenansicht des in 7A gezeigten optischen Scanners;
8A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 8B eine schematische Draufsicht des in 8A gezeigten optischen Scanners und 8C eine schematische Seitenansicht des in 8A gezeigten optischen Scanners;
9A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 9B eine schematische Draufsicht des in 9A gezeigten optischen Scanners und 9C eine schematische Seitenansicht des in 9A gezeigten optischen Scanners;
10A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 10B eine schematische Draufsicht des in 10A gezeigten optischen Scanners und 10C eine schematische Seitenansicht des in 10A gezeigten optischen Scanners; und
11A eine schematische, perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines optischen Scanners gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
11B eine schematische Draufsicht des in 11A gezeigten optischen Scanners und 11C eine schematische Seitenansicht des in 11A gezeigten optischen Scanners.
Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
[Erste Ausführungsform]
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 1 bis 5 dargestellt ist, wird ein optischer Scanner 30 in geeigneter Weise in einer Laserradarvorrichtung 20 verwendet. Die Laserradarvorrichtung 20 ist zum Beispiel in einem vorderen Abschnitt eines (nicht gezeigten) Fahrzeuginnenraums eines eigenen Fahrzeugs angebracht, um die Position eines weiteren Fahrzeugs (zum Beispiel eines vor dem eigenen Fahrzeug sich befindenden Fahrzeugs, kurz "Vorausfahrzeug" genannt) und/oder den Abstand zwischen dem Vorausfahrzeug und dem eigenen Fahrzeug zu erfassen. Die Laserradarvorrichtung 20 kann zum Beispiel in einem automatischen Geschwindigkeitsregelungssystem zur Verbesserung des Fahrkomforts oder in einem Unfallvorwarnsystem zur Verbesserung der Fahrsicherheit verwendet werden.
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst die Laserradarvorrichtung 20 ein Gehäuse 21, eine Hauptplatine 22, eine Lichtempfangseinheit, einen optischen Scanner 30 und dergleichen. Die Lichtempfangseinheit umfasst eine Nebenplatine 24, eine Fotodiode 25 und eine Lichtempfangslinse 26.
Das kastenförmige Gehäuse 21, das aus einem Harz oder dergleichen hergestellt ist, nimmt die Hauptplatine 22, die Lichtempfangseinheit, den optischen Scanner 30 und dergleichen auf. Das Gehäuse 21 umfasst ein Austrittsfen ster 21b, durch das ein Lichtstrahl (z.B. ein Laserstrahl LB; engl: "light beam"), der von dem optischen Scanner 30 ausgesendet wird, in den außerhalb des Gehäuses 21 befindlichen Bereich ausgestrahlt werden kann, und ein Eintrittsfenster 21a, durch das reflektiertes Licht, kurz "Reflexionslicht" (z.B. reflektiertes Laserlicht), das von einem Objekt (z.B. einem Vorausfahrzeug) reflektiert wird, in und durch die Lichtempfangslinse 26 der Lichtempfangseinheit eintreten kann. In 1 ist das Gehäuse 21 durch die zweipunkt-gestrichelte Linie angedeutet, so dass die Hauptplatine 22, die Lichtempfangseinheit und der optische Scanner 30, die darin aufgenommen sind, deutlich gezeigt und gut erkannt werden können.
Die Hauptplatine 22 besteht im Wesentlichen aus einem (nicht gezeigten) Mikrocomputer, der zum Beispiel vom ASIC-Typ ist und eine CPU, ein RAM, ein ROM und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle umfasst. Die Hauptplatine 22 erzeugt Daten zur Steuerung des optischen Scanners 30 oder verarbeitet Lichtempfangsdaten, die von der Lichtempfangseinheit ausgesendet werden. Ferner sendet/empfängt die Hauptplatine 22 Daten an/von eine/einer externe/externen elektronische/elektronischen Fahrzeugregelungseinheit (ECU; electronic control unit). Insbesondere empfängt die Hauptplatine 22 Daten zur Einstellung von Erfassungsmodi von der ECU und sendet Alarmdaten über das Objekt (zum Beispiel das Vorausfahrzeug) an die ECU. Die Hauptplatine 22 ist über einen Verbinder, eine Leitung oder dergleichen (die nicht gezeigt sind) elektrisch mit einer Nebenplatine 23 des optischen Scanners 30 oder/und der Nebenplatine 24 der Lichtempfangseinheit verbunden. Die Hauptplatine 22 ist mit der externen ECU über ein fahrzeug-internes Netzwerk (Fahrzeug-LAN; local area network) über ein Kommunikationsprotokoll, zum Beispiel ein CAN (controller area network), verbunden.
Die Lichtempfangseinheit ist im Wesentlichen aus der Nebenplatine 24, der Fotodiode 25, die auf der Nebenplatine 24 angeordnet ist, und der Lichtempfangslinse 26 aufgebaut. Die Lichtempfangseinheit gibt die Lichtempfangsdaten, die ein Vorhandensein des Objekts anzeigen, an die Hauptplatine 22, wenn die Lichtempfangseinheit das Reflexionslaserlicht empfängt, das von dem objekt reflektiert wird und in die Lichtempfangseinheit eintritt.
Insbesondere empfängt die Fotodiode 25, wenn das Reflexionslaserlicht durch die Lichtempfangslinse 26 (zum Beispiel eine Sammellinse wie etwa eine Fresnel-Linse), die eine Linsenoberfläche aufweist, die dem Eintrittsfenster 21a des Gehäuses 21 gegenüberliegt, auf die Fotodiode 25 auftrifft, das Reflexionslaserlicht, so dass in einer Signalverarbeitungsschaltung der Nebenplatine 24 ein elektrischer Strom (kurz "Strom") erzeugt wird. Das Objekt kann dann entsprechend dem Betrag des Stroms (d.h. der "Stromstärke") erfasst werden. Zum Beispiel wird der Strom in der Signalverarbeitungsschaltung der Nebenplatine 24 in eine elektrische Spannung (kurz "Spannung") umgewandelt. Wenn die Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, wird bestimmt, dass das Objekt vorhanden ist.
Dann wird zum Beispiel ein Signalpegel der Lichtempfangsdaten von "LOW" auf "HI" umgeschaltet. Somit wird das Auftreffen (der Lichtempfang) des Reflexionslaserlichts des Laserstrahls LB bestimmt. Der Laserstrahl LB wird von dem optischen Scanner 30 in einem vorbestimmten Winkel ausgesendet. Daher kann der Mikrocomputer der Hauptplatine 22 ein Vorhandensein des Objekts sowie dessen Richtung erfassen. Ferner kann der Abstand zwischen dem eigenen Fahrzeug und dem Objekt (zum Beispiel dem Vorausfahrzeug) dadurch berechnet werden, dass die Zeitspanne vom Aussenden des von dem optischen Scanner 30 ausgesendeten Laserstrahls LB bis zum Auftreffen des Reflexionslaserlichts des Laserstrahls LB auf die Lichtempfangseinheit erfasst wird.
Wie es in den 2A–2C gezeigt ist, umfasst der optische Scanner 30 eine Platine 30, eine Laserdiode 32 (Lichtquelle), eine Zylinderlinse 33, eine auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (Antriebseinheit) und dergleichen. Der optische Scanner 30 ist über die Nebenplatine 23 elektrisch mit der Hauptplatine 22 verbunden.
Wenigstens ein Teil der Platine 31 ist aus einem Halbleitermaterial wie etwa Silizium gebildet. Die Platine 31 bildet die Basis des optischen Scanners 30. Die Laserdiode 32, die Zylinderlinse 33 und die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 sind auf der Platine 31 befestigt. Die Platine 31 weist eine Führungsnut 31a auf. Die Zylinderlinse 33, die auf einem Gleittisch 42 der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 angeordnet ist, ist entlang der Gleitnut 31a in einer zu einem Strahlengang LR des von der Laserdiode 32 ausgesendeten Laserstrahls LB gleitbar, wie es unten beschrieben ist. Die Längsrichtung und die Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 können senkrecht zu dem Strahlengang LR ausgerichtet werden, und die Zylinderlinse 33 ist in ihrer Längsrichtung gleitbar.
Die Laserdiode 32 ist ein Halbleiterlaser-Leuchtelement zur Aussendung des Lichtstrahls (Laserstrahls LB) zum Beispiel im nahen Infrarotbereich mit einer vorbestimmten Wellenlänge. Ein Impulsstrom wird der Laserdiode 32 von einer (nicht gezeigten) Ansteuerschaltung zugeführt, die auf der Nebenplatine 23 angeordnet ist, so dass die Laserdiode 32 intermittierend den Laserstrahl LB aussendet. Die Dauer des Impulses kann in einem weiten Bereich, zum Beispiel von einigen zehn Nanosekunden bis zu einigen hundert Nanosekunden, eingestellt werden.
Die Zylinderlinse 33, die aus Quartzglas, Kunststoff oder dergleichen hergestellt ist, ist eine Zerstreuungslinse (bzw. Negativlinse oder Konkavlinse), die paralleles, in 2A von rechts einfallendes Licht aufweitet bzw. zerstreut. In dieser Ausführungsform ist die Zylinderlinse 33 als plankonvexe Linse ausgebildet, die auf der Eintrittsseite des Laserstrahls LB eine Linsenoberfläche 33a (Eintrittslinsenoberfläche) und auf der Austrittsseite des Laserstrahls LB eine Linsenoberfläche 33b (Austrittslinsenoberfläche) aufweist, wobei die Eintritts- und die Austrittslinsenoberfläche senkrecht zur Platine 31 ist. Die Eintrittslinsenoberfläche 33a und die Austrittslinsenoberfläche 33b sind an zwei gegenüberliegenden Seiten der Zylinderlinse 33 angeordnet.
Die Eintrittslinsenoberfläche 33a ist plan. Die Austrittslinsenoberfläche 33b, die konkav ist, ist in der Längsrichtung der Zylinderlinse 33, jedoch nicht in deren Dickenrichtung gekrümmt. Das heißt, die Austrittslinsenoberfläche 33b weist in der Dickenrichtung der Sammellinse eine Krümmung von im Wesentlichen Null auf.
Die Zylinderlinse 33 ist so ausgebildet, dass sie an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Krümmungen aufweist, so dass der Laserstrahl LB, der in die Zylinderlinse 33 eintritt, von der Zylinderlinse 33 gebrochen und auf geweitet werden kann.
Die von der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 angetriebene Zylinderlinse 33 ist in ihrer, d.h. in der zu dem Strahlengang LR des von der Laserdiode 32 ausgesendeten Laserstrahls LB senkrechten Richtung, beweglich. Die Laserdiode 32 ist auf der Platine 31 befestigt, so dass der Abstand zwischen der Laserdiode 32 und der Zylinderlinse 33 konstant bleibt.
3 zeigt ein Zerstreuungsprinzip der Zylinderlinse 33. Gemäß dem Snell'schen Brechungsgesetz (3A) gilt n·sin θ = n'·sin θ', wobei n der Brechungsindex eines ersten optischen Mediums, n' der Brechungsindex eines zweiten optischen Mediums, θ ein Einfallswinkel zwischen einem einfallenden Lichtstrahl und der Normalen k auf die Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Medium an einem Auftreffpunkt des einfallenden Lichtstrahls und θ' ein Winkel (Brechungswinkel) zwischen der Normalen k und einem dem einfallenden Lichtstrahl zugehörigen, an der Grenzfläche gebrochenen Lichtstrahl bedeutet. In dieser Ausführungsform ist das erste optische Medium Luft und das zweite optische Medium die Zylinderlinse 33 (Glas oder dergleichen).
Wie es in 3B gezeigt ist, wird, wenn die Zylinderlinse 33 in einer (durch einen Hohlpfeil in 3B gezeigten) Richtung senkrecht zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB (in 3B als Strahl LBa und LBb gezeigt) von einer "gestrichelten Position" 33' zu der "durchgezogenen Position" 33'' verschoben wird, die relative Position der Zylinderlinse 33 bezüglich des Strahlengangs LR so verändert, dass die Krümmung der Zylinderlinse 33 an einem entsprechenden Punkt verändert wird, d.h. zum Beispiel größer wird. Somit wird der Brechungswinkel des gebrochenen Lichts (als durchgezogene Linie dargestellt) des Laserstrahls LB an der durchgezogenen Position 33'' im Vergleich zu dem Brechungswinkel des gebrochenen Lichts (als gestrichelte Linie dargestellt) des Laserstrahls LB an der gestrichelten Position 33' größer. Das heißt, das gebrochene Licht des Laserstrahls LB wird an der durchgezogenen Position 33'' im Vergleich zu dem gebrochenen Licht des Laserstrahls LB an der gestrichelten Position 33' zerstreut, d.h. auf geweitet.
Im Gegensatz dazu wird, wenn die Zylinderlinse 33 von der durchgezogenen Position 33'' in einer zu der durch den Hohlpfeil in 3B gezeigten Richtung entgegengesetzten Richtung zu der gestrichelten Position 33' verschoben wird, der Brechungswinkel des gebrochenen Lichts des Laserstrahls LB (von der durchgezogenen Position zu der gestrichelten Position) kleiner.
Somit wird die Zylinderlinse 33, die in dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB angeordnet ist, in der zu dem Strahlengang LB senkrechten Richtung hin- und herbewegt (in Schwingung versetzt). Der Laserstrahl LB wird von der Laserdiode 32 ausgesendet, die ortsfest ist. Daher wird der Laserstrahl LB, der in die Zylinderlinse 33 eintritt, gebrochen und fächerartig zerstreut (aufgeweitet), so dass er dazu geeignet ist, das Objekt abzutasten.
Insbesondere sendet die Laserdiode 32 den Laserstrahl LB aufgrund des gepulsten Ansteuerstromes in vorbestimmten Intervallen aus. Wie es in 3C gezeigt ist, wird der Laserstrahl LB, wenn sich die Zylinderlinse 33 zu einem Anfangszeitpunkt an der gestrichelten Position 33' befindet, in eine (durch eine gestrichelte Linie gezeigte) Richtung LB' gebrochen (bzw. wie es in 3B gezeigt ist, nicht gebrochen). Wenn sich die Zylinderlinse 33 zu einem späteren Zeitpunkt an der durchgezogenen Position 33'' befindet, wird der Laserstrahl LB in die (durch eine durchgezogene Linie gezeigte) Richtung LB'' gebrochen. wenn sich die Zylinderlinse 33 zu einem noch späteren Zeitpunkt an einer einpunkt-gestrichelten Position 33''' befindet, wird der Laserstrahl LB in eine (durch eine einpunkt-gestrichelte Linie gezeigte) Richtung LB''' gebrochen. Somit wird der Laserstrahl LB von der Zylinderlinse 33 gebrochen und zerstreut, so dass er dazu in der Lage ist, das Objekt abzutasten.
Der optische Scanner 30 umfasst die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 zum Bewegen der Zylinderlinse 33 in der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung, so dass die Position der Zylinderlinse 33 relativ zu dem Strahlengang LR veränderlich ist. Die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 ist ein elektrostatischer Aktor (Mikromaschine), vermittels derer die Zylinderlinse 33 durch elektrostatische Kräfte als Antriebskräfte bewegt wird.
Wie es in 4 gezeigt ist, umfasst die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 ein Paar von ersten feststehenden Elektroden 41, den Gleittisch 42, eine zweite feststehende Elektrode 43, mehrere (z.B. vier) Blattfedern 43a und dergleichen. Diese Komponenten der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 sind auf der Platine 31 in Form eines MEMS (Micro Electro Mechanical System) ausgebildet.
Die zwei ersten feststehenden Elektroden 41 sind so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegend (zum Beispiel auf der linken Seite und auf der rechten Seite, wie es in 4 gezeigt ist) und in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Jede der ersten feststehenden Elektroden 41 umfasst eine (kammförmige) Kamm-Elektrode auf der der jeweils anderen ersten feststehenden Elektrode zugewandten Seite, wie es in 4 gezeigt ist.
Der Gleittisch 42, der plattenförmig ist, ist in der Lücke zwischen den zwei ersten feststehenden Elektroden 41 gleitbar angeordnet. Der Gleittisch 42 umfasst zwei (kammförmige) Kamm-Elektroden 42a, die an zwei gegenüberliegenden Seiten (von denen jede einer der ersten feststehenden Elektroden 41 gegenüberliegt) des Gleittischs 42 angeordnet sind. Die Zinken einer Kamm-Elektrode 41a und die Zinken einer entsprechenden Kamm-Elektrode 42a greifen fingerartig ineinander, wobei zwischen den ineinander greifenden Zinken eine Lücke vorgesehen (siehe 4).
Der Gleittisch 42 ist mit den Blattfedern 43a an zwei entgegengesetzten Seiten verbunden, an denen die Kamm-Elektroden 42a nicht angeordnet sind. Ein Ende jeder Blattfeder 43a ist mit dem Gleittisch 42 verbunden, und das weitere Ende jeder Blattfeder 43a ist mit der zweiten feststehenden Elektrode 43 verbunden. Somit ist die zweite feststehenden Elektrode 43 elektrisch mit den Kamm-Elektroden 42a des Gleittischs 42 verbunden.
Der Gleittisch 42 ist entlang der Führungsnut 31a der Platine 31 in der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung verschiebbar. Die erste feststehende Elektrode 41 und die zweite feststehende Elektrode 43 sind auf der Platine 31 befestigt. Wenn der Gleittisch 42 entlang einer Querrichtung (Links-Rechts-Richtung), wie es in 4 durch den Doppelpfeil angedeutet ist, gleitet, üben die Blattfedern 43a, die die zweite feststehende Elektrode 43 mit dem Gleittisch 43 verbinden, eine elastische Kraft auf den Gleittisch 42 aus, so dass der Gleittisch 42 die Tendenz hat, zu der Mittenposition (Gleichgewichtsposition) zurückzukehren, die in 4 gezeigt ist.
Wenn Wechselspannungen 45a und 45b entsprechend an die zwei ersten feststehenden Elektroden 41 angelegt werden, schwingt der Gleittisch 42 in der Links-Rechts- Richtung (in 4 durch den Doppelpfeil gezeigt), die der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung entspricht. Die Wechselspannungen 45a und 45b sind um eine Phasendifferenz von 90° gegeneinander verschoben, und die Frequenz und der Betrag der Wechselspannungen 45a und 45b sind jeweils einstellbar.
Insbesondere wird, wenn die Wechselspannung 45a zwischen der ersten feststehenden Elektrode 41 auf der linken Seite und der zweiten feststehenden Elektrode 43 angelegt wird, zwischen der Kamm-Elektrode 42a und der Kamm-Elektrode 41a der ersten feststehenden Elektrode 41 auf der linken Seite die elektrostatische Kraft erzeugt. Somit wird der Gleittisch 42 periodisch zwischen der in 4 gezeigten Mittenposition und einer linksseitigen Position mit einer Frequenz hin- und herbewegt, die doppelt so hoch ist wie die der Wechselspannung 45a.
Entsprechend wird, wenn die Wechselspannung 45b zwischen der ersten feststehende Elektrode 41 auf der rechten Seite und der zweiten feststehenden Elektrode 43 angelegt wird, die elektrostatische Kraft zwischen der Kamm-Elektrode 42a und der Kamm-Elektrode 41a der ersten feststehenden Elektrode 41 auf der rechten Seite erzeugt. Somit wird der Gleittisch 42 periodisch zwischen der in 4 gezeigten Mittenposition und einer gegenüber dieser rechtsseitig gelegenen Position mit einer Frequenz, die doppelt so hoch wie die der Wechselspannung 45b ist, hin- und herbewegt.
Daher kann, wenn die Wechselspannungen 45 und 45b an die ersten feststehenden Elektroden 41 (auf der linken Seite und der rechten Seite) und die zweite feststehende Elektrode 43 angelegt wird, der Gleittisch 42 in der Links-Rechts-Richtung hin- und herbewegt werden. Somit kann die Zylinderlinse 33, die auf dem Gleittisch 42 be festigt ist, in der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung gleiten. Die Gleitgeschwindigkeit des Gleittischs 42 kann gesteuert werden, indem die Frequenz (Schaltfrequenz) der Wechselspannung 45a oder 45b eingestellt wird.
In dem optischen Scanner 30 gemäß dieser Ausführungsform kann statt der auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebseinheit 40 auch eine auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50 als die Antriebseinheit zum Bewegen der Zylinderlinse 33 verwendet werden.
Die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50 ist eine Mikromaschine, vermittels derer die Zylinderlinse 33 durch elektromagnetische Kräfte angetrieben wird. Wie es in den 5A und 5B gezeigt ist, umfasst die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50 eine erste feststehende Elektrode 51, eine zweite feststehende Elektrode 52, einen Gleittisch 53 und Magnete 55a, 55b. Diese Komponenten der auf elektromagnetischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 50 sind auf der Platine 31 als MEMS ausgebildet. Die Magnete 55a und 55b sind in den 5A und 5B durch die gestrichelte Linie dargestellt.
Die erste feststehende Elektrode 51 und die zweite befestige Elektrode 52 sind durch die Blattfedern 51a mit einer jeweiligen Seite des Gleittisches 53 verbunden, die sich gegenüberliegen. Die durch den Doppelpfeil in 5 angezeigte Links-Rechts-Richtung entspricht der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung. Das heißt, der Gleittisch 53 ist zwischen der ersten feststehenden Elektrode 51 und der zweiten feststehenden Elektrode 52, deren Verbindungslinie in Richtung des Laserstrahlengangs LR ausgerichtet ist, angeordnet. Der Gleittisch 53 ist zwischen den zwei Magneten 55a und 55b, deren Verbindungslinie in Richtung der Dicke des Gleittischs 53 (bzw. der Zylinderlinse 33) ausgerichtet ist, angeordnet, wie es in 5B gezeigt ist. Zwischen dem Gleittisch 53 und dem Magnet 55a bzw. 55b ist eine Lücke vorgesehen.
Der Gleittisch 53 ist in der Führungsnut 31a in der Links-Rechts-Richtung (d.h. der zu dem Strahlengang LR senkrechten Richtung) gleitend angeordnet. Wenn zwischen der ersten feststehenden Elektrode 51 und der zweiten feststehenden Elektrode 52 eine Wechselspannung 57 angelegt wird, schwingt der Gleittisch 53 in der durch den Doppelpfeil in 5A gezeigten Links-Rechts-Richtung. Die Frequenz und der Betrag der Wechselspannung 57 sind einstellbar. Wenn die Position des Gleittischs 53 von der in 5A gezeigten Mittenposition (Gleichgewichtsposition) abweicht, üben die Blattfedern 51a elastische Kräfte auf den Gleittisch 53 aus, so dass der Gleittisch 53 die Tendenz hat, zur Mittenposition zurückzukehren.
Insbesondere wird, wenn von der ersten feststehenden Elektrode 51 zu der zweiten feststehenden Elektrode 52 aufgrund der Wechselspannung 57 ein Strom fließt, gemäß der Fleming'schen Regel ein magnetischer Fluss in Richtung von der Papierrückseite zur Papiervorderseite von 5A (d.h. in Richtung von dem Magneten 55b zu dem Magneten 55a in 5B) erzeugt. Daher wird durch die Magneten 55a und 55b ein geschlossener Magnetkreis gebildet, so dass auf den Gleittisch 53 eine magnetische Kraft wirkt, die diesen nach links bewegt.
Wenn hingegen aufgrund der Wechselspannung 57 ein Strom von der zweiten feststehenden Elektrode 52 zu der ersten feststehenden Elektrode 51 fließt, wird ein magnetischer Fluss in Richtung von der Papiervorderseite zur Papierrückseite von 5A (d.h. in Richtung von dem Magneten 55a zu dem Magneten 55b in 5B) erzeugt. Somit wird eine magnetische Kraft auf den Gleittisch 53 ausgeübt, die ihn nach rechts bewegt.
Wie es oben beschrieben ist, hat der Gleittisch 53 aufgrund der elastischen Kräfte der Blattfedern 51a die Tendenz, zu der Mittenposition zurückzukehren. Demzufolge kann der Gleittisch 53 aufgrund der zwischen der ersten befestigen Elektrode 51 und der zweiten feststehenden Elektrode 52 angelegten Wechselspannung 57 in der Links-Rechts-Richtung hin- und herbewegt (in Schwingungen versetzt) werden. Daher kann die auf dem Gleittisch 53 befestigte Zylinderlinse 33 in der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung gleiten. Die Gleitgeschwindigkeit des Gleittischs 53 kann durch Einstellen der Frequenz (Schaltfrequenz) der Wechselspannung 57 gesteuert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der optische Scanner 30 des Laserradars 20 die Laserdiode 32 zur Aussendung des Laserstrahls LB, die Zylinderlinse 33, die in dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB angeordnet ist, und die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (oder die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50), die die Zylinderlinse 33 in der zu dem Strahlengang LB senkrechten Richtung bewegt, um den Auftreffpunkt des Laserstrahls LB auf der Zylinderlinse 33 zu verändern. Das heißt, in dem optischen Scanner 30 ist die Zylinderlinse 33 in dem Strahlengang LR angeordnet und wird durch die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (oder die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50) angetrieben, um sich in der zu dem Strahlengang LR senkrechten Richtung zu bewegen.
Demzufolge kann der in die Zylinderlinse 33 eingetretene Laserstrahl LB unter unterschiedlichen Brechungswinkeln gebrochen werden, um zerstreut zu werden, so dass er dazu geeignet ist, das Objekt abzutasten. Daher kann der optische Scanner 30 gemäß dieser Ausführungsform im Vergleich zu einem optischen Scanner, der einen drehenden Polygonspiegel umfasst, wenigstens in der Richtung des Strahlgengangs klein dimensioniert werden. Somit ist ein Antriebsmotor, welcher groß und schwer ist und zum Drehen des Polygonspiegels dient, unnötig, wodurch die Größe und das Gewicht des optischen Scanners 30 verringert ist. Ferner können die Kosten für Einzelteile des optischen Scanners 30 reduziert werden.
Daher gibt es weniger Einschränkungen beim Einbau des sowohl in der Größe als auch im Gewicht kleinen Laserradars 20. Die Laserradarvorrichtung 20 kann an Positionen in einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs mit guter Sicht angeordnet werden, zum Beispiel in einem Fahrzeuginnenraum an der Rückseite des Rückblickspiegels oder der Vorderseite einer Instrumententafel. Da die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (oder die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50) als die Antriebseinheit verwendet wird, können die Energiekosten des optischen Scanners 30 verringert werden.
[Zweite Ausführungsform]
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist die Zylinderlinse 33 gleitbar, während die Laserdiode 32 ortsfest ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zylinderlinse 33 befestigt bzw. ortsfest, während die Laserdiode 32 gleitbar ist.
Wie es in den 6A–6C gezeigt ist, ist die Zylinderlinse 33 an der Platine 31 befestigt und in dem Strah lengang LR des von der Laserdiode 32 ausgesendeten Laserstrahls LB angeordnet.
Die Platine 31 weist eine Führungsnut 31b auf, die der Position der Laserdiode 32 entspricht. Die Laserdiode 32 ist auf dem Gleittisch 42 (bzw. dem Gleittisch 53) befestigt, der von der Antriebseinheit (z.B. der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebseinheit 40 oder der auf elektromagnetischen Antriebskräften basierenden Antriebseinheit 50) angetrieben wird, so dass sie dazu geeignet ist, in der zu dem Strahlengang LR senkrechten Richtung zu gleiten. Der Gleittisch 42 (bzw. der Gleittisch 53) ist entlang der Führungsnut 31b in der zu dem Strahlengang LR senkrechten Richtung gleitbar. Daher ist die Position der Zylinderlinse 33 relativ zu dem Strahlengang LR des von der Laserdiode 32 ausgesendeten Laserstrahls LB veränderbar.
Somit wird der Laserstrahl LB, der in die Zylinderlinse 33 eintritt, in unterschiedlichen Brechungswinkeln gebrochen bzw. zerstreut (abgelenkt), so dass er dazu geeignet ist, das Objekt abzutasten. Daher kann das Laserradar 20, das mit dem optischen Scanner 30 ausgestattet ist, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, in kleiner Größe und im Gewicht reduziert sein. Daher gibt es weniger Einschränkungen für den Einbau der Laserradarvorrichtung 20. Darüber hinaus können die Kosten für den Energieverbrauch und für die Komponenten der Laserradarvorrichtung 20 verringert werden.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung 20 (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, gleich wie der der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist entweder die Zylinderlinse 33 oder die Laserdiode 32 bezüglich des jeweils anderen gleitbar. Gemäß einer dritten Ausführungsform ist die Laserdiode 32 bezüglich der Zylinderlinse 33 drehbar, wie es in den 7A–7C gezeigt ist.
In diesem Fall ist die Zylinderlinse 33 auf der Platine 31 befestigt. Die Laserdiode 32 ist auf einem Drehtisch 31c befestigt, der von einer Drehantriebsvorrichtung 60 gedreht wird. Die Drehantriebsvorrichtung 60 kann zum Beispiel ein Gleichstrommotor vom Induktionstyp (Motor mit veränderlicher Leistung) sein, welcher eine Mikromaschine ist, die elektrostatische Kräfte als Antriebskräfte verwendet, ähnlich wie die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40.
Der Drehtisch 31c, der auf drehbar auf der Platine 31 befestigt ist, kann durch die Drehantriebsvorrichtung 60, die eine auf der Platine 31 ausgebildete Elektrode 61 aufweist, im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, wie es in 7C gezeigt ist. Die Laserdiode 32 ist auf dem Drehtisch 31c befestigt, um mit diesem zu drehen. Somit ist der Strahlengang LR des von der Laserdiode 32 ausgesendeten Laserstrahls LB schwenkbar. Daher ist die Auftreffposition des Laserstrahls LB auf der Zylinderlinse 33 veränderlich. Das heißt, die Position der Zylinderlinse 33 relativ zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB ist veränderlich. Demzufolge kann der Laserstrahl LB, der in die Zylinderlinse 33 eintritt, in unterschiedlichen Winkeln fächerförmig gebrochen (zerstreut) werden, so dass er dazu geeignet ist, das Objekt abzutasten.
Da gemäß dieser Ausführungsform die Laserdiode 32 auf der Oberfläche (Ebene) der Platine 31 gedreht wird, kann der optische Scanner 30 im Vergleich zu Fall, in dem der Polygonspiegel oder dergleichen verwendet wird, klein bemessen sein. Somit ist ein Antriebsmotor zum Drehen des Polygonspiegels nicht erforderlich, so dass die Größe und das Gewicht des optischen Scanners 30 reduziert sind. Darüber hinaus sind die Kosten für die Komponenten des optischen Scanners 30 reduziert. Für die klein dimensionierte und leichtgewichtige Laserradarvorrichtung 20 gibt es geringere Einschränkungen für den Einbau. Ferner wird die Drehantriebsvorrichtung 60 als die Antriebseinheit verwendet, so dass die Energiekosten der Laserradarvorrichtung 20 reduziert werden können.
Darüber hinaus kann auch die Laserdiode 32 auf der Platine 31 befestigt sein, während die Zylinderlinse 33 auf dem Drehtisch 31c befestigt ist, um sich zusammen mit diesem zu drehen. Auf diese Weise ist die Position der Zylinderlinse 33 bezüglich des Strahlengangs LR veränderlich, was den gleichen Effekt wie den hat, bei dem die Laserdiode 32 gedreht wird.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung 20 (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, gleich wie der der ersten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
Gemäß einer vierten Ausführungsform ist die Laserdiode 32 in der Dickenrichtung (laterale Richtung) der Zylinderlinse 33 beweglich, und die Zylinderlinse 33 ist in ihrer Längsrichtung gleitbar, wie es in den 8A–8C gezeigt ist.
In diesem Fall umfasst die Antriebseinheit des optischen Scanners 30 die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (oder die auf elektroma gnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50) zum Antrieb der Zylinderlinse 33 und eine Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 zum Antreiben der Laserdiode 32.
Insbesondere ist die Zylinderlinse 33 auf dem Gleittisch 42 (bzw. dem Gleittisch 53) der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung (oder der auf elektromagnetischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 50) befestigt, so dass sie in der zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB senkrechten Richtung gleitbar ist.
Die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 umfasst einen piezoelektrischen Abschnitt 71 (z.B. PZT = Blei-Zirkonium-Titanat), auf dem die Laserdiode 32 befestigt ist. Wenn an den piezoelektrischen Abschnitt 71 eine Spannung angelegt wird, verändert sich entsprechend seine Dicke. Somit ist die Laserdiode 32 in der Dickenrichtung (d.h. der Z-Richtung in den 8A und 8C) des piezoelektrischen Abschnitts 71 (Zylinderlinse 33) bewegbar.
Entsprechend kann die Laserdiode 32, außer der Gleitbewegung aufgrund der von der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 (bzw. der auf elektromagnetischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 50) in der zu dem Strahlengang LR senkrechten Richtung (d.h. der Längsrichtung der Zylinderlinse 33) angetriebenen Zylinderlinse 33 durch die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 bewegt werden. Somit kann der Laserstrahl LB das Objekt sowohl in der Längsrichtung als auch in der Querrichtung, d.h. der lateralen Richtung, der Zylinderlinse 33 abtasten. Das heißt, ein zweidimensionales Scannen des Objekts ist möglich.
Daher kann gemäß dieser Ausführungsform die Laserradarvorrichtung 20, die den optischen Scanner 30 umfasst, klein dimensioniert und im Gewicht reduziert sein und somit mit geringeren Einschränkungen montiert bzw. eingebaut werden. Ferner kann das zweidimensionale Scannen bzw. Abtasten des Objekts realisiert werden.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung 20 (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, gleich wie der der ersten Ausführungsform.
[Fünfte Ausführungsform]
Gemäß einer fünften Ausführungsform kann die Zylinderlinse 33 sowohl in ihrer Dickenrichtung als auch in ihrer Längsrichtung durch die Antriebseinheit angetrieben werden, die die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (bzw. die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50) und die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 enthält.
Wie es in den 9A–9C gezeigt ist, ist der piezoelektrische Abschnitt 71 der Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 (beschrieben im Zusammenhang mit der vierten Ausführungsform) an dem von der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 (bzw. der auf elektromagnetischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 50) angetriebenen Gleittisch 42 (bzw. 53) befestigt. Die Zylinderlinse 33 ist auf dem piezoelektrischen Abschnitt 71 der Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 befestigt. Somit kann die Zylinderlinse 33 in ihrer Dickenrichtung (der Z-Richtung in den 9A und 9C) durch die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 bewegt werden, während der piezoelektrische Abschnitt 71 zusammen mit dem von der auf elektrostatischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 40 (bzw. der auf elektromagnetischen Kräften basierenden Antriebsvorrichtung 50) angetriebenen Gleittisch 42 (bzw. 53) in der Längsrichtung der Zylinderlinse 33 gleitbar ist. Daher ist die Zylinderlinse 33 sowohl in ihrer Dickenrichtung als auch in ihrer Längsrichtung beweglich.
Entsprechend kann der Laserstrahl LB das Objekt sowohl in der Längsrichtung als auch in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 abtasten. Das heißt, das zweidimensionale Abtasten (Scannen) ist gemäß der fünften Ausführungsform möglich.
Ferner kann die Laserradarvorrichtung 20, die den optischen Scanner 30 umfasst, klein dimensioniert und im Gewicht reduziert sein, so dass sie mit weniger Einschränkungen montiert bzw. eingebaut werden kann.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung 20 (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, der gleiche wie der der ersten Ausführungsform.
[Sechste Ausführungsform]
In den oben genannten Ausführungsformen wird die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40 (bzw. die auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50) verwendet, um die Zylinderlinse 33 oder die Laserdiode 32 in der Längsrichtung der Zylinderlinse 33 zu bewegen. Die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 wird verwendet, um die Zylinderlinse 33 oder die Laserdiode 32 in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 zu bewegen. Gemäß einer sechsten Ausführungsform wird eine Y/Z-Richtung-Antriebsvorrichtung 80 (Zweirichtungsantriebsvorrichtung) als die Antriebseinheit zum Bewegen der Zylinderlinse 33 sowohl in deren Längsrichtung als auch in deren Dickenrichtung verwendet.
Die Längsrichtung und die Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 sind als Y-Richtung in den 10A, 10B bzw. als Z-Richtung in den 10A, 10C durch Doppelpfeile gezeigt.
Wie es in den 10A, 10C gezeigt ist, ist die Laserdiode an der Platine 31 befestigt. Die Zylinderlinse 33 ist auf der Y/Z-Richtungs-Antriebsvorrichtung 80 befestigt. Die Y/Z-Richtungs-Antriebsvorrichtung 80 kann zum Beispiel vom zweischichtigen Typ sein, der piezoelektrische Abschnitte 81 und 82 umfasst, die aneinander geklebt und übereinander angeordnet sind. Wenn an den piezoelektrischen Abschnitt 81 eine Spannung angelegt wird, verformt sich dieser, so dass sich seine Länge (Y-Richtung) ändert. Wenn an den piezoelektrischen Abschnitt 82 eine Spannung angelegt wird, verformt sich dieser derart, dass sich seine Dicke (Z-Richtung) ändert. Das heißt, die piezoelektrischen Abschnitte 81 bzw. 82 verformen sich in ihrer Längs- bzw. in ihrer Dickenrichtung.
Daher ist die Zylinderlinse 33 sowohl in der Y- als auch in der Z-Richtung beweglich. Daher kann die Position der Zylinderlinse 33 relativ zu dem Strahlengang LR des Laserstrahls LB verändert werden, ohne dass dabei die in MEMS-Technologie ausgelegten Vorrichtungen, nämlich die auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 40, auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung 50, die Drehantriebsvorrichtung 60 und die Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung 70 verwendet werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zylinderlinse 33 sowohl in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 durch die den piezoelektrischen Abschnitt 82 als auch in der Längsrichtung der Zylinderlinse 33 durch den piezoelektrischen Abschnitt 81 beweglich. Somit wird der Laser strahl LB, der in die Zylinderlinse 33 eintritt, fächerartig gebrochen bzw. zerstreut, so dass ein Abtasten des Objekts möglich ist. Der Laserstrahl LB kann das Objekt sowohl in der Längsrichtung als auch in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 abtasten. Das heißt, ein zweidimensionales Abtasten des Objekts ist möglich.
Entsprechend kann die Laserradarvorrichtung 20, die den optischen Scanner 30 umfasst, klein dimensioniert und im Gewicht reduziert werden. Die Energiekosten der Laserradarvorrichtung 20 können reduziert werden.
Andererseits kann die Y/Z-Richtungs-Antriebsvorrichtung 80 ebenfalls als die Antriebseinheit zum Bewegen der Laserdiode 32 sowohl in der Längsrichtung als auch in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 33 verwendet werden, während die Zylinderlinse 33 auf der Platine 31 befestigt ist.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung 20 (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, gleich wie der der ersten Ausführungsform.
[Siebte Ausführungsform]
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Zerstreuungslinse als die Zylinderlinse 33 verwendet. Gemäß einer siebten Ausführungsform wird eine Sammellinse (Zylinderlinse 133) statt der Zerstreuungslinse (Zylinderlinse 33) verwendet, wie es in den 11A–11C gezeigt ist. In diesem Fall ist die Zylinderlinse 33 aus der Sammellinse (Positivlinse oder Konvexlinse) aufgebaut, die parallel einfallendes Licht bündelt.
In dieser Ausführungsform ist die Zylinderlinse 33, die aus Quartzglas hergestellt ist, eine Plankonvex-Linse mit einer planen Eintrittslinsenoberfläche 133a auf der Eintrittsseite des Laserstrahls LB und einer konvexen Austrittslinsenoberfläche 133b auf der Austrittsseite des Laserstrahls LB. Die Eintrittslinsenoberfläche 133a und die Austrittslinsenoberfläche 133b sind an entgegengesetzten Seiten der Zylinderlinse 133 angeordnet. Die Austrittslinsenoberfläche 133b ist in der Längsrichtung der Zylinderlinse 133 gekrümmt, sie ist jedoch nicht in ihrer Dickenrichtung gekrümmt. Das heißt, die Austrittslinsenoberfläche 133b weist in der Dickenrichtung der Zylinderlinse 133 eine Krümmung von im Wesentlichen Null auf.
Wie es in den 11A–11C gezeigt ist, umfasst der optische Scanner 30 die Platine 31, die Laserdiode 32 zur Aussendung des Laserstrahls LB, die Zylinderlinse 133, die im Strahlengang LR des Laserstrahls LB angeordnet ist, und die Drehantriebsvorrichtung 60 (Antriebseinheit), die die gleich ist wie jene, die in der oben beschriebenen dritten Ausführungsform beschrieben ist. Die Laserdiode 32 ist auf der Platine 31 befestigt. Die Zylinderlinse 133 ist auf dem Drehtisch 31c befestigt, der drehbar auf der Platine 31 befestigt ist. Der Drehtisch 31c wird von der Drehantriebsvorrichtung 60 angetrieben, so dass er im oder gegen den Uhrzeigersinn um ein Drehzentrum α, das an beliebiger Stelle im Strahlengang angeordnet ist, gedreht werden kann.
Demzufolge kann die Zylinderlinse 33, die im Strahlengang LR angeordnet ist, um das Drehzentrum α im Strahlengang gedreht werden.
Die Zylinderlinse 133 bricht (sammelt) den Laserstrahl LB zum Brennpunkt (der auf der Linsenachse angeordnet ist) der Zylinderlinse 133, unabhängig von der Auftreffposition des Laserstrahls LB. In diesem Fall kann die Zylinderlinse 133 von der Drehantriebseinheit 60 um den beliebigen Punkt α im Strahlengang LR gedreht werden, so dass die Bündelrichtung des Laserstrahls LB, der in die Zylinderlinse 133 eintritt, veränderlich ist. Somit kann der optische Scanner 30 das Objekt abtasten.
Daher kann gemäß dieser Ausführungsform die Laserradarvorrichtung 20, die den optischen Scanner 30 umfasst, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Polygonspiegel oder dergleichen verwendet wird, klein dimensioniert und im Gewicht reduziert sein. Daher ist der Antriebsmotor zum Drehen des Polygonspiegels unnötig, wodurch Kosten für die Komponenten reduziert sind.
Entsprechend kann die Laserradarvorrichtung 20 an Positionen mit guter "Sicht" an dem Frontabschnitt des Fahrzeugs, zum Beispiel an der Rückseite eines Rückblickspiegels oder der Frontseite einer Instrumententafel im Fahrzeuginnenraum angeordnet werden.
In dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Laserradarvorrichtung (einschließlich des optischen Scanners 30), der nicht beschrieben worden ist, der gleiche wie der der ersten Ausführungsform.
[Weitere Ausführungsform]
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der optische Scanner 30 dazu geeignet, in der Laserradarvorrichtung 20 verwendet zu werden. Der optische Scanner 30 kann jedoch auch in weiteren Systemen verwendet werden, um ein Objekt zu erfassen (abzutasten bzw. zu scannen).

Claims

Optischer Scanner (30), mit: – einer Lichtquelle (32) zur Aussendung eines Lichtstrahls; – einer Zylinderlinse (33, 133), die im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist; und – einer Antriebseinheit (40, 50, 60, 70, 80), die wenigstens entweder die Lichtquelle (32) oder die Zylinderlinse (33, 133) so bewegt, dass eine Position der Zylinderlinse (33, 133) relativ zu dem Strahlengang veränderlich ist.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Zylinderlinse eine Zerstreuungslinse (33) ist; und – die Antriebseinheit (40, 50, 70, 80) wenigstens entweder die Lichtquelle (32) oder die Zerstreuungslinse (33) in wenigstens einer zu dem Strahlengang senkrechten Richtung bewegt.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstreuungslinse (33) eine plankonvexe Linse ist, die eine Eintrittslinsenoberfläche (33a) auf einer Eintrittsseite des Laserstrahls und eine Austrittslinsenoberfläche (33b) auf einer Austrittsseite des Laserstrahls aufweist, wobei die Eintrittslinsenoberfläche (33a) und die Austrittslinsenoberfläche (33b) an zwei einander entgegengesetzten Seiten der Zerstreuungslinse (33) angeordnet sind, wobei die Austrittslinsenoberfläche (33b) in einer Längsrichtung der Zerstreuungslinse (33) gekrümmt ist.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Austrittslinsenoberfläche (33b) in einer Dickenrichtung der Zerstreuungslinse (33) eine Krümmung von im Wesentlichen Null aufweist; und – wenigstens entweder die Lichtquelle (32) oder die Zerstreuungslinse (33) in der Dickenrichtung der Zerstreuungslinse (33) beweglich ist.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Zylinderlinse eine Sammellinse (133) ist; und – die Antriebseinheit (60) die Sammellinse (133) um ein Drehzentrum (α) dreht, das an einer beliebigen Stelle im Strahlengang angeordnet ist, so dass eine Sammelrichtung des Lichtstrahls, der in die Sammellinse (133) eintritt, veränderlich ist.
Optischer Scanner (130) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstreuungslinse (133) eine plankonvexe Linse ist, die eine Eintrittslinsenoberfläche (133a) auf einer Eintrittsseite des Laserstrahls und eine Austrittslinsenoberfläche (133b) auf einer Austrittsseite des Laserstrahls aufweist, wobei die Eintrittslinsenoberfläche (133a) und die Austrittslinsenoberfläche (133b) an zwei einander entgegengesetzten Seiten der Zerstreuungslinse (133) angeordnet sind, wobei die Austrittslinsenoberfläche (133b) in einer Längsrichtung der Zerstreuungslinse (133) gekrümmt ist.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Austrittslinsenoberfläche (133b) in einer Dickenrichtung der Zerstreuungslinse (133) eine Krümmung von im Wesentlichen Null aufweist; und – wenigstens entweder die Lichtquelle (32) oder die Zerstreuungslinse (133) in der Dickenrichtung der Zerstreuungslinse (133) beweglich ist.
Optischer Scanner (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit wenigstens entweder eine auf elektrostatischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung (40), die elektrostatische Kräfte als Antriebskräfte verwendet, eine auf elektromagnetischen Kräften basierende Antriebsvorrichtung (50), die elektromagnetische Kräfte als Antriebskräfte verwendet, oder eine Aufwärts-/Abwärts-Antriebsvorrichtung (70), die einen piezoelektrischen Abschnitt (71) umfasst, der sich verformt, wenn an ihn eine Spannung angelegt wird, umfasst.
Optischer Scanner (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit eine Zweirichtungs-Antriebsvorrichtung (80) zum Bewegen von entweder der Zerstreuungslinse (33) oder der Lichtquelle (32) sowohl in einer Längsrichtung als auch in einer Dickenrichtung der Zerstreuungslinse (33) ist.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweirichtungs-Antriebsvorrichtung (80) piezoelektrische Abschnitte (81, 82) umfasst, die sich in ihrer Längsrichtung bzw. ihrer Dickenrichtung verformen, wenn an sie eine Spannung angelegt wird.
Optischer Scanner (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Zylinderlinse eine Zerstreuungslinse (33) ist; und – die Antriebseinheit (60) entweder die Lichtquelle (32) oder die Zerstreuungslinse (33) in einer Ebene dreht.
Optischer Scanner (30) nach einem der Ansprüche 5–7 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (60) ein Gleichstrommotor vom Induktionstyp ist.
Optischer Scanner (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Laserdiode (32) ist.