JP2001272623A - 走査型投受光器の光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光を走査して送出するとともに、その反射光を
集光して確実に受光することができる簡略な構成で安価
な走査型投受光器の光学系を提供する。 【解決手段】本発明による走査型投受光器の光学系は、
レーザ光源１から出射されるレーザ光を走査して外部に
送出する可動ミラー２と、送出光が外部で再帰反射され
て戻される反射光を集光するフレネルレンズ４と、フレ
ネルレンズ４で集光された反射光を受光するフォトセン
サ５が取り付けられた基板３と、を備えて構成される光
学系において、フレネルレンズ４および基板３それぞれ
が、送出光の光路を横切って配置されるとともに、送出
光の走査領域に対応する範囲に形成された貫通したレン
ズ穴部４Ａおよび基板穴部３Ａを有し、フォトセンサ５
が送出光の光路の近傍に配置されるようにしたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を走査しながら
外部に送出するとともに、その送出光が外部で再帰反射
されて戻される反射光を集光して受光する機能を備えた
走査型投受光器の光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば物体の位置を計測する場合
などに、走査型投受光器が光学式センサとして利用され
ることがある。この走査型投受光器は、光源から出射さ
れた光を可動ミラーなどを用いて走査させながら外部に
送出するとともに、該走査された光の反射戻り光を受光
する機能を備えたものである。このような走査型投受光
器の光学系としては、走査される光の反射戻り光を、レ
ンズ等を用いて集光した後にフォトセンサで受光する構
成が一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の走査
型投受光器の構成の１つとして、走査される光の光路に
ほぼ沿った方向に反射された戻り光を受光するものがあ
り、例えば、再帰反射板によって再帰反射された光を受
光するような場合などが該当する。再帰反射板は、図８
に示すように、入射光を光源の方向に反射し、その反射
光は光源の周辺に若干の広がりを持ち、また、光源と反
射点を結ぶ軸に近いほど強い光が戻ってくるとういう性
質を有する。したがって、このような再帰反射板で反射
された光を走査型投受光器のフォトセンサで受光するた
めには、レンズを用いて集光するとともに、その集光位
置は送出した光の光路になるべく近い場所に設定するこ
とが望ましい。

【０００４】しかしながら、従来の走査型投受光器の光
学系では、送出光の光路の付近に反射戻り光を集光する
レンズを配置しようとすると、その集光レンズが送出光
の走査領域内に位置するようになり、送出光が集光レン
ズで曲げられて可動ミラーの動きによらない方向へ走査
されてしまうおそれがあった。また、送出光の一部が集
光レンズの表面で反射し、その反射光がフォトセンサで
受光されてしまうといった問題があった。

【０００５】本発明は上記の点に着目してなされたもの
で、光を予め設定された領域に走査して送出するととも
に、その反射光を集光して確実に受光することができる
簡略な構成で安価な走査型投受光器の光学系を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による走査型投受光器の光学系の１つの態様
は、光源から出射される光を可動ミラーに照射し、予め
設定された領域を走査する光を外部に送出する投光手段
と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射されて戻
される反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光
された反射光を受光する受光手段と、を備えて構成され
た走査型投受光器の光学系において、前記集光手段が、
前記送出光の光路を横切って配置されるとともに、前記
送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成された
貫通した穴部を有し、前記受光手段が、前記送出光の光
路の近傍に配置されるようにしたものである。

【０００７】かかる構成では、光源から出射された光
が、可動ミラーにより走査され、集光手段に形成された
穴部を通過して外部に送出される。そして、送出光は外
部で再帰反射されて戻され、その反射戻り光は集光手段
によって集光された後に、送出光の光路の近傍に配置さ
れた受光手段で受光される。これにより、送出光の一部
が集光手段で反射して受光手段で受光されてしまうとい
うようなことが回避されるようになる。

【０００８】また、上記の光学系については、前記投光
手段、前記集光手段および前記受光手段を外部から遮断
して収容する筐体を備え、該筐体は、前記送出光の光路
を横切る側面が前記送出光に垂直な面に対して角度を持
つように成形されるようにしてもよい。

【０００９】かかる構成によれば、光学系の各要素が筐
体によって外部と遮断されるようになって、外部からの
埃等の進入による光学系の汚損の心配がなくなるととも
に、送出光の一部が筐体の内面で反射しても該反射光が
受光手段で受光されるようなことがなくなるようにな
る。

【００１０】本発明による走査型投受光器の光学系の他
の態様は、光源から出射される光を可動ミラーに照射
し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する
投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射
されて戻される反射光を集光する集光手段と、該集光手
段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて
構成された走査型投受光器の光学系において、前記集光
手段が、前記送出光の光路を横切って配置されるととも
に、前記送出光の入射される側面について、前記送出光
の走査領域に対応する範囲にわたり、前記送出光に垂直
な面に対して角度を持つ入射面の形成された送出光入射
部を有し、前記受光手段が、前記送出光の光路の近傍に
配置されるものである。

【００１１】かかる構成では、光源から出射された光
が、可動ミラーにより走査され、送出光入射部を介して
集光手段を透過し外部に送出される。この際、送出光の
一部が送出光入射部の入射面で反射したとしても、その
反射光が受光手段で受光されるようなことはない。そし
て、送出光は外部で再帰反射されて戻され、その反射戻
り光は集光手段によって集光された後に、送出光の光路
の近傍に配置された受光手段で受光される。

【００１２】また、前述した各態様の具体的な構成とし
ては、前記受光手段が、前記集光手段で集光された反射
光を受光するフォトセンサと、該フォトセンサを前記集
光手段の焦点に応じた位置に保持する保持部材とを備
え、該保持部材が、前記送出光の光路を横切って配置さ
れ、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形
成された貫通した穴部を有するようにしてもよい。さら
に、前記集光手段が、フレネルレンズを含むようにして
も構わない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、第１実施形態にかかる走査
型投受光器の光学系を示す斜視図である。また、図２
は、図１の走査型投受光器の側方断面図である。

【００１４】図１および図２に示すように、本走査型投
受光器の光学系は、例えば、投光手段としてのレーザ光
源１および可動ミラー２と、受光手段としてのフォトセ
ンサ５およびそれを取り付ける基板３と、集光手段とし
てのフレネルレンズ４と、それらの各要素を収容する筐
体としてのケース６と、から構成される。ただし、図１
では、ケース６の表示を省略し、内部の構成が明らかに
なるようにしている。

【００１５】レーザ光源１は、所要の波長のレーザ光を
発生する一般的な光源であり、発生したレーザ光が可動
ミラー２の鏡面２Ａ中心部付近に照射されるように配置
されている。

【００１６】可動ミラー２は、レーザ光源１から出射さ
れたレーザ光を揺動可能な鏡面２Ａで全反射させること
により、例えば図で水平方向にレーザ光を走査する。可
動ミラー２の具体例としては、共振型ミラーやポリゴン
ミラーなどを挙げることができる。共振型ミラーを用い
る場合には、例えば、本出願人により先に提案されたマ
イクロマシニング技術を用いて製造した半導体ガルバノ
ミラーなどが好適である（特開平７−１７５００５号公
報及び特開平７−２１８８５７号公報等参照）。

【００１７】基板３は、可動ミラー２とフレネルレンズ
４の間に配置され、フレネルレンズ４に対向する平面上
にフォトセンサ５が取り付けられている。また、基板３
の中央部付近には、可動ミラー２で走査されるレーザ光
の走査領域に対応した範囲にわたって貫通した基板穴部
３Ａが形成されている。この基板３としては、例えば、
ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）基板等を用いることが可
能である。

【００１８】フォトセンサ５は、フレネルレンズ４によ
って集光された光を受光し、電気信号に変換して外部に
出力するものである。このフォトセンサ５の基板面上の
配置は、フレネルレンズ４の焦点に相当する位置に受光
面が位置するように設定され、ここでは、例えば基板穴
部３Ａの上方に取り付けられている。

【００１９】なお、ここでは、レーザ光の走査領域を横
切るような形状を有する基板３を用いる場合を示した
が、この基板３はフォトセンサ５を所要の位置に保持す
るために設けられる部材であるので、レーザ光の走査領
域を横切らないような形状が可能であれば、もちろん基
板穴部３Ａを設ける必要性はない。

【００２０】フレネルレンズ４は、送出した光の反射光
をフォトセンサ５の受光面に集光させるための公知のレ
ンズである。このフレネルレンズ４は、輪帯状の多くの
プリズムで作られた薄いレンズであって、輪帯の中心
（以下、光学的中心とする）を通る光線を１点に集光す
る（図２参照）。また、フレネルレンズ４の中央部付近
には、基板３と同様にして、レーザ光の走査領域に対応
した範囲にわたってレンズ穴部４Ａが形成され、ここで
は、例えばフレネルレンズ４の光学的中心から少し下方
にずらした部位に貫通した長穴が形成されている。な
お、本実施形態では、プラスチック製で板状のフレネル
レンズ４を使用することにより、レンズ穴部４Ａの穴あ
け加工を容易にしている。ただし、フレネルレンズ４の
材質および形状は上記のものに限定されるものではな
い。図３には、フレネルレンズ４の凹凸面側を拡大して
示した平面図およびその側面図を示しておく。

【００２１】ケース６は、その内部に上述したような光
学系の各要素を収容可能な筐体である。このケース６
は、送出光およびその反射光が通過する図２で左方に位
置する側面がレーザ光に対して透明な材料を用いて形成
されているものとする。具体的には、例えば黒色の可視
光カットフィルタ等を上記の側面に用いて、外乱光の影
響を避けるようにしてもよい。ケース６内に光学系を収
容することは、光学系の汚損を防止するという点で重要
である。すなわち、第１実施形態では、フレネルレンズ
４にレンズ穴部４Ａを形成しているため、光学系をケー
ス６内に収容して外部と遮断しないとすれば、外部から
埃などが進入して可動ミラー２やフォトセンサ５等が汚
損し、レーザ光の通過や反射光の受光を妨げるおそれが
あるためである。また、ここでは、ケース６の光の入出
射面（上記の透明な側面）について、送出光に対して垂
直な面と平行にならないように角度が設けてある。これ
は、ケース６の内面でレーザ光が反射して生じる不要光
（図２の点線矢印）が、フォトセンサ５に向かって受光
されてしまうことを防ぐための措置である。

【００２２】上記のような光学系を備えた走査型投受光
器では、レーザ光源１から出射されたレーザ光が、可動
ミラー２で反射されることにより所要の領域内で走査さ
れる。この走査されたレーザ光は、基板穴部３Ａ、レン
ズ穴部４Ａおよびケース６の透明な側面を順に通過して
外部に送出される。そして、外部に送出された光は、例
えば上述の図８で説明したような再帰反射板等に到達す
ると、再帰反射されて走査型投受光器に戻される。その
反射戻り光は、上述の図２に示したように、ある程度の
広がりをもった平行光線となって走査型投受光器に入射
し、ケース６の透明な側面を透過した後に、フレネルレ
ンズ４によってフォトセンサ５の受光面に集光される。
フォトセンサ５では、集光された反射光が電気信号に変
換されて受光信号として外部等に出力される。

【００２３】このように第１実施形態によれば、外部に
送出した光が再帰反射されて戻されてくる光を効率良く
受光するために、送出光の光路の近くにフレネルレンズ
４を配置するような場合であっても、送出光の走査領域
に応じてレンズ穴部４Ａを形成する簡易な加工を施すこ
とによって、送出光がフレネルレンズ４で曲げられて、
可動ミラー２の動きによらない方向へ走査されてしまう
のを防止できるのと同時に、送出光の一部がフレネルレ
ンズ４の表面で反射してフォトセンサ５で受光されてし
まうといった不具合を容易に回避できる。また、レンズ
穴部４Ａを形成したフレネルレンズ４等を用いて構成さ
れた光学系の各要素については、ケース６内に収容する
ことで外部からの埃等の進入による汚損の心配がなくな
り、さらに、ケース６の光の出射面を光軸に対して傾け
るようにしたことで、ケース６の内面で反射した不要光
がフォトセンサ５で受光されることが殆どなくなり、外
部で再帰反射された光を確実に受光することが可能にな
る。このような光学系を用いた走査型投受光器は、例え
ばレーザ光の走査領域内に存在する物体の位置などを計
測するような各種機器の光学センサとして利用すること
ができる。

【００２４】次に、第２実施形態について説明する。図
４は、第２実施形態にかかる走査型投受光器の光学系を
示す斜視図である。また、図５は、図４の光学系に用い
られるフレネルレンズの構造を示した断面図である。

【００２５】図４および図５に示すように、第２実施形
態における光学系の構成が第１実施形態の場合と異なる
部分は、レンズ穴部４Ａの形成されたフレネルレンズ４
に代えてフレネルレンズ７を設けた部分である。それ以
外の他の部分の構成は、第１実施形態の場合と同様であ
るため、ここでの説明を省略する。

【００２６】フレネルレンズ７は、基板３に対向する側
の平面の中央部付近であって、レーザ光の走査領域に対
応した範囲にわたって送出光入射部７Ａが形成されてい
る。この送出光入射部７Ａは、図５の断面図に示すよう
に、送出光の入射される入射面が送出光に垂直な面に対
して角度を持つように、すなわち、図で下方に傾くよう
に加工された部分であって、送出光の一部がフレネルレ
ンズ７の表面で反射されることによって発生する不要光
をフォトセンサ５に向かわせないようにするために設け
られている。

【００２７】上記のようにフレネルレンズについて、送
出光を通過させる貫通した穴部を設ける代わりに送出光
入射部７Ａを形成するようにしても、第１実施形態の場
合と同様の作用効果を得ることができる。また、貫通し
た穴部を持たないフレネルレンズ７によって、フォトセ
ンサ５や可動ミラー２等の光学系の構成が外部と遮断さ
れるようになるため、上述の図２に示したようなケース
６について、フレネルレンズよりも外側（図２で左方）
に位置する部分が不要となり、走査型投受光器の小型化
を図ることが可能になる。

【００２８】なお、上述した第１、２の実施形態では、
凹凸面側に入射される平行光線を１点に集光するタイプ
のフレネルレンズを使用する場合を説明したが、本発明
はこれに限らず、凹凸面とは反対側の平面に入射される
平行光線を１点に集光するタイプのフレネルレンズを使
用してもよい。具体的には、第１実施形態の場合、図６
の断面図に示すような、レンズ穴部４Ａ’が形成された
フレネルレンズ４’を、その凹凸面が基板３側を向くよ
うにして配置すればよい。また、第２実施形態の場合に
は、図７の断面図に示すような、送出光入射部７Ａ’が
形成されたフレネルレンズ７’を、その凹凸面が基板３
側を向くようにして配置すればよい。

【００２９】また、フレネルレンズを用いて反射光を集
光する構成としたが、本発明はフレネルレンズと同様な
光学的機能を有する公知のレンズ（例えばレンズアレイ
等）を利用して反射光を集光するようにしても構わな
い。さらに、レーザ光を走査して送出するようにした
が、本発明における光源はレーザに限定されるものでは
ない。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、送出光の
光路の近くに集光手段を配置するような光学系の構成で
あっても、送出光の走査領域に応じて、集光手段に貫通
した穴部または送出光入射部を設けることによって、送
出光が集光手段で曲げられて、可動ミラーの動きによら
ない方向へ走査されてしまうのを防止できるのと同時
に、送出光の一部が集光手段で反射して受光手段で受光
されてしまうといった不具合を容易に回避できる。

【００３１】また、貫通した穴部を形成した集光手段を
用いて構成された光学系の各要素を筐体内に収容すると
ともに、該筐体の送出光の光路を横切る側面を送出光に
垂直な面に対して傾けるようにしたことで、外部からの
埃等の進入による光学系の汚損を防ぐことができるとと
もに、筐体の内面で反射した光が受光手段で受光される
ようなことを回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる走査型投受光器
の光学系を示す斜視図である。

【図２】図１の走査型投受光器の側方断面図である。

【図３】第１実施形態についてフレネルレンズの凹凸面
側を拡大して示した平面図およびその側面図である。

【図４】本発明の第２実施形態にかかる走査型投受光器
の光学系を示す斜視図である。

【図５】図４の光学系に用いられるフレネルレンズの構
造を示した断面図である。

【図６】第１実施形態に関連する他のフレネルレンズの
構造を示した断面図である。

【図７】第２実施形態に関連する他のフレネルレンズの
構造を示した断面図である。

【図８】一般的な再帰反射板の光学特性を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１…レーザ光源 ２…可動ミラー ２Ａ…鏡面 ３…基板 ３Ａ…基板穴部 ４,４’,７,７’…フレネルレンズ ４Ａ,４Ａ’…レンズ穴部 ７Ａ,７Ａ’…送出光入射部 ６…ケース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 DD15 FF01 GG04 HH04 HH12 JJ02 JJ25 LL10 LL16 LL62 MM16 UU02 UU07 2H045 AB01 BA02 DA31

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から出射される光を可動ミラーに照射
   し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する
   投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射
   されて戻される反射光を集光する集光手段と、該集光手
   段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて
   構成された走査型投受光器の光学系において、 前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置され
   るとともに、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわ
   たって形成された貫通した穴部を有し、 前記受光手段が、前記送出光の光路の近傍に配置された
   ことを特徴とする走査型投受光器の光学系。
2. 【請求項２】前記投光手段、前記集光手段および前記受
   光手段を外部から遮断して収容する筐体を備え、該筐体
   は、前記送出光の光路を横切る側面が前記送出光に垂直
   な面に対して角度を持つように成形されていることを特
   徴とする請求項１に記載の走査型投受光器の光学系。
3. 【請求項３】光源から出射される光を可動ミラーに照射
   し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する
   投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射
   されて戻されてくる反射光を集光する集光手段と、該集
   光手段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備
   えて構成された走査型投受光器の光学系において、 前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置され
   るとともに、前記送出光の入射される側面について、前
   記送出光の走査領域に対応する範囲にわたり、前記送出
   光に垂直な面に対して角度を持つ入射面の形成された送
   出光入射部を有し、 前記受光手段が、前記送出光の光路の近傍に配置された
   ことを特徴とする走査型投受光器の光学系。
4. 【請求項４】前記受光手段が、前記集光手段で集光され
   た反射光を受光するフォトセンサと、該フォトセンサを
   前記集光手段の焦点に応じた位置に保持する保持部材と
   を備え、 該保持部材が、前記送出光の光路を横切って配置され、
   前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成さ
   れた貫通した穴部を有することを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか１つに記載の走査型投受光器の光学系。
5. 【請求項５】前記集光手段が、フレネルレンズを含むこ
   とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の走
   査型投受光器の光学系。