JP2007248174A - ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの長寿命化と消費電力の抑制を図りつつ、レーザ光の照射位置を目標軌道に円滑に追従させ得るビーム照射装置を提供する。
【解決手段】走査用レーザ１００とサーボ用レーザ５００は、出射レーザ光の波長が相違している。サーボ用レーザからのレーザ光（サーボレーザ光）は、走査レンズ３０１を透過した後、ダイクロイックミラー４００によって反射され、ＰＳＤ７００上に収束される。ＰＳＤ７００によって検出されるサーボレーザ光の収束位置は、走査用レーザ光１００からのレーザ光（走査レーザ光）の走査位置に一対一に対応する。よって、ＰＳＤ７００からの検出信号をもとに、走査レーザ光の走査位置を目標軌道に引き込むことができる。走査レーザ光を目標位置においてのみパルス発光させることにより、走査用レーザ１００の長寿命化が図られる。また、ビーム照射装置全体の消費電力を低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ビーム照射装置に関し、たとえば、車間検出器や距離検出器等に用いて好適なものである。

近年、レーザ光を用いて前方車両との距離等を検出する検出器が家庭用乗用車等に搭載されている。この検出器には、前方空間にレーザ光を照射するためのビーム照射装置が配備されている。ここで、ビームは、たとえば、ビーム走査用レンズ（走査レンズ）をレーザ光軸に垂直な方向に変位させることにより、目標領域内において、水平方向および垂直方向にスキャンされる。この場合、走査レンズを変位させるための構成として、たとえば特許文献１に示すアクチュエータが用いられる。

しかし、このスキャン機構では、振動や外乱等によってレンズに不所望な変位が生じ易く、このため、レーザ光のスキャン軌道が所期のスキャン軌道から外れ易いとの問題が生じる。

そこで、出願人は、この問題を解消するべく、先に、特許文献２を出願している。この出願に係る発明では、レーザ光の照射位置が所期のスキャン軌道に引き戻されるよう、走査レンズの駆動動作にサーボが掛けられる。具体的には、目標領域に照射されるレーザ光の一部が分離され、分離されたレーザ光の照射位置がＰＳＤ（Position Sensitive Detector）でモニタされる。そして、この照射位置が所期の軌道に沿うよう、走査レンズの駆動動作にサーボが掛けられる。
特開平１１−８３９８８号公報 特願２００４−３４８９８９号

上記先願発明の構成によれば、目標領域に照射するレーザ光の一部を用いてレーザ光の照射位置をモニタするものであるため、スキャン動作中において、常に、レーザ光を発光し続ける必要がある。しかし、目標領域に対するレーザ光の照射は、通常、スキャン軌道上、予め決められた位置（目標位置）においてのみ行えば良い。したがって、上記のように、レーザ光を常時発光させるようにすると、目標位置に対してのみ発光させる場合に比べ、装置の消費電力がかなり大きくなるとの問題が生じる。また、目標位置以外の期間においてレーザ光を発光させることから、半導体レーザの寿命がかなり短くなってしまうとの問題も生じる。

そこで、本発明は、半導体レーザの長寿命化と消費電力の抑制を図りつつ、レーザ光の照射位置を目標軌道に円滑に追従させ得るビーム照射装置を提供することを課題とする。

上記課題に鑑み本発明は、それぞれ以下の特徴を有する。

請求項１の発明は、ビーム照射装置において、第１のレーザ光を出射する第１の光源と、第２のレーザ光を出射する第２の光源と、前記第１および第２のレーザ光が入射されるレンズと、前記レンズをこれらレーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータと、受光面上における受光位置に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記レンズを透過した前記第２のレーザ光を前記光検出器に導く光学素子とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記第１の光源は、第１の波長のレーザ光を出射し、前記第２の光源は、前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光を出射し、前記光学素子は、これら波長の相違に基づいて第１のレーザ光と第２のレーザの光路を調整するダイクロイックミラーを含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は、前記光学素子に入射する際の偏光面が互いに相違しており、前記光学素子は、偏光面の相違に基づいて第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を調整する偏光ミラーを含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか一項に記載のビーム照射装置において、照射目標位置に応じたタイミングにて前記第１のレーザ光をパルス状に発光するよう前記第１の光源を制御するとともに、一定の出力レベルにて第２のレーザ光を常時発光するよう前記第２の光源を制御するレーザ制御回路を有することを特徴とする。

なお、上記発明における「第１の光源」および「第２の光源」は、以下の実施形態において、それぞれ、走査用レーザ１００およびサーボ用レーザ５００が対応する。また、上記発明における「レンズ」および「アクチュエータ」は、以下の実施形態において、それぞれ、走査レンズ３０１およびレンズアクチュエータ３００が対応する。また、上記発明における「光検出器」は、以下の実施形態において、ＰＳＤ７００が対応する。また、上記発明における「光学素子」は、図２に示す実施形態では、ダイクロイックミラー４００が対応し、図９に示す実施形態では、偏光ミラー４０１が対応する。また、上記発明における「レーザ制御回路」は、以下の実施形態において、制御回路１０およびレーザ駆動回路３０が対応する。

ただし、以下の実施形態は、本発明の技術的範囲を何ら制限するものではない。

本発明によれば、光検出器の受光面上における第２のレーザ光の収束位置から第１のレーザ光の走査位置を検出することができる。よって、第２のレーザ光の収束位置を逐次モニタすることにより、第１のレーザ光の走査位置が所期の軌道に沿うようにサーボを掛けることができる。

このとき、請求項４の発明のように、照射目標位置に応じたタイミングにて第１のレーザ光をパルス状に発光させるようにすれば、第１のレーザ光を常時発光させる場合に比べ、第１の光源の寿命を長期化させることができる。また、第２のレーザ光の出力レベルを小さく抑えることにより、ビーム照射装置全体の消費電力を低減させることができる。

本発明の特徴ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施形態は、あくまでも、例示であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。

まず、図１に実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す。図示の如く、ビーム照射装置は、制御回路１０と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）２０と、レーザ駆動回路３０と、アクチュエータ駆動回路４０と、ビーム照射ヘッド５０と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）信号処理回路６０と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０を備えている。

制御回路１０は、レーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０を駆動制御するためのデジタル信号をＤＡＣ２０に出力する。ＤＡＣ２０は、制御回路１０から入力されたデジタル信号をアナログ信号（制御信号）に変換してレーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０に出力する。

レーザ駆動回路３０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内の半導体レーザ（走査用レーザ１００／サーボ用レーザ５００）を駆動する。アクチュエータ駆動回路４０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内のレンズアクチュエータ３００を駆動する。

ビーム照射ヘッド５０は、前方空間に設定された目標領域にレーザ光をスキャンさせながら照射する。なお、ビーム照射ヘッド５０の構成については、追って、図２を参照して詳述する。

ＰＳＤ信号処理回路６０は、ビーム照射ヘッド５０内に配されたＰＳＤ７００から入力された電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧信号をもとに、ＰＳＤ受光面上におけるレーザ光の収束位置を検出する。そして、検出結果に応じて、後述の如く、ビーム照射ヘッド５０から目標領域に照射されるレーザ光の照射位置にサーボを掛ける。

図２（ａ）に、ビーム照射ヘッド５０の光学系を示す。

図示の如く、ビーム照射ヘッド５０は、走査用レーザ１００と、ダイクロイックミラー２００と、レンズアクチュエータ３００と、ダイクロイックミラー４００と、サーボ用レーザ５００と、ハーフミラー６００と、ＰＳＤ７００を備えている。

走査用レーザ１００は、所定波長（たとえば、８５０ｎｍ程度）のレーザ光を出射する。走査用レーザ１００から出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー２００によって反射される。ダイクロイックミラー２００は、走査用レーザ１００から出射されたレーザ光（以下、「走査レーザ光」という）を略反射し、サーボ用レーザ５００から出射されたレーザ光（以下、「サーボレーザ光」という）を略透過するように設計されている。

ダイクロイックミラー２００によって反射された走査レーザ光は、レンズアクチュエータ３００に支持された走査レンズ３０１に入射され、平行光よりもやや拡散した光に変換される。ここで、走査レンズ３０１は、同図のＸ−Ｙ平面方向に変位可能となるよう、レンズアクチュエータ３００によって支持されている。したがって、走査レンズ３０１を通過した走査レーザ光は、レンズアクチュエータ３００の駆動に応じて、Ｘ−Ｙ平面方向に出射角度が変化する。

走査レンズ３０１を通過した走査レーザ光は、ダイクロイックミラー４００を透過する。ダイクロイックミラー４００は、走査レーザ光を略透過し、サーボレーザ光を略反射するように設計されている。したがって、走査レーザ光は、上記の如く走査レンズ３０１が駆動されるに応じて、目標領域内においてスキャンされる。

サーボ用レーザ５００は、走査用レーザ１００のレーザ波長と異なる波長（たとえば、６５０ｎｍ程度）のレーザ光を出射する。サーボ用レーザ５００から出射されたサーボレーザ光は、ハーフミラー６００によって反射された後、ダイクロイックミラー２００を透過する。そして、走査レンズ３０１によって収束作用を受けた後、ダイクロイックミラー４００に入射される。しかる後、サーボレーザ光は、ダイクロイックミラー４００によって反射され、上記光路を逆行する。そして、ハーフミラー６００を透過し、ＰＳＤ７００上に収束される。

なお、サーボ用レーザ５００とハーフミラー６００は、ダイクロイックミラー２００を通過した後のサーボレーザ光の光軸が走査用レーザ１００からの走査用レーザ光の光軸に整合するように、光学系内における配置が調整されている。また、ＰＳＤ７００は、ダイクロイックミラー４００にて反射されたサーボレーザ光がその受光面上に収束するように、ダイクロイックミラー４００からの距離が調整されている。

ＰＳＤ７００は、同図のＸ−Ｙ平面に平行な受光面を有しており、この受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置に応じた電流を出力する。ここで、受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置と目標領域上における走査レーザ光の照射位置は一対一に対応している。よって、ＰＳＤ７００から出力される電流は、目標領域上における走査レーザ光の照射位置に対応するものとなっている。なお、ＰＳＤ７００の構成および電流の出力動作については、図５、図６を参照しながら追って詳述する。

図２（ｂ）に、走査用レーザ１００とサーボ用レーザ５００のレーザ出力を示す。

図示の如く、サーボ用レーザ５００からは、目標領域に対する走査レーザ光のスキャンが行われている間、常に、一定強度のサーボレーザ光が出力される。一方、走査用レーザ１００からは、スキャン軌道上の予め決められた位置（目標位置）において、一定期間だけ、高強度の走査レーザ光がパルス状に出力される。

このように、走査用レーザ１００からのレーザ光をパルス状とすることにより、常時発光させる場合に比べ、走査用レーザ１００の寿命を長期化させることができる。また、走査用レーザ１００における消費電力を、常時発光させる場合に比べ、著しく低減させることができる。

このとき、サーボ用レーザ５００の出力レベルは、ＰＳＤ７００にてサーボレーザ光の収束位置を検出できる限界レベル近くまで低下させることができる。こうした場合、サーボ用レーザ５００を常時発光させても、サーボ用レーザ５００における消費電力は、それほど高くならない。したがって、走査用レーザ１００をパルス状に発光させつつサーボ用レーザ５００を常時発光させる方が、走査用レーザ光を常時発光させるよりも、全体として、消費電力をかなり小さく抑えることができる。

図３に、レンズアクチュエータ３００の構成（分解斜視図）を示す。

同図を参照して、走査レンズ３０１は、レンズホルダー３０２中央の開口に装着される。レンズホルダー３０２には、４つの側面にそれぞれコイルが装着されており、各コイル内にヨーク３０３中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク３０３は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材３０５の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材３０５に、ヨーク３０３の舌片を挟むようにして磁石３０４が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材３０５が磁石３０４とともにベース（図示せず）に装着される。

さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材３０６が装着されており、このワイヤー固定部材３０６にワイヤー３０７を介してレンズホルダー３０２が弾性支持される。レンズホルダー３０２には四隅にワイヤー３０７を嵌入するための孔が設けられている。この孔にそれぞれワイヤー３０７を嵌入した後、ワイヤー３０７の両端をワイヤー固定部材３０６に固着する。これにより、レンズホルダー３０２がワイヤー３０７を介してワイヤー固定部材３０６に弾性支持される。

駆動時には、レンズホルダー３０２に装着されている各コイルに、上記アクチュエータ駆動回路４０から駆動信号が供給される。これにより、電磁駆動力が発生し、走査レンズ３０１がレンズホルダーとともに２次元駆動される。

図４は、レンズアクチュエータ３００を駆動して走査レンズ３０１を一方向に変位させたときの、走査レーザ光の出射角度とＰＳＤ受光面上におけるサーボレーザ光（同図では、“モニター光”と表記）の収束位置の関係（シミュレーション）を示すものである。同図に示す如く、サーボレーザ光の変位量は走査レーザ光の出射角度に比例して増加する。なお、同図の特性にうねりが生じているのは、走査レンズを２次元駆動することによって、ＰＳＤ受光面上のサーボレーザ光に収差が生じるためである。

図５に、ＰＳＤ６００の構造を示す。なお、同図は、図２において、ＰＳＤ６００をＹ軸方向から見たときの構造を示すものである。

図示の如く、ＰＳＤ６００は、Ｎ型高抵抗シリコン基板の表面に、受光面と抵抗層を兼ねたＰ型抵抗層を形成した構造となっている。抵抗層表面には、図１のＸ方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、図１のＹ方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（同図では図示省略）が形成されている。また、裏面側には共通電極が形成されている。

受光面にサーボレーザ光が収束されると、収束位置に光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、各電極までの距離に逆比例して分割されて、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される。ここで、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流は、サーボレーザ光の収束位置から各電極までの距離に逆比例して分割された大きさを有している。よって、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流値をもとに、受光面上における収束位置を検出することができる。

図６（ａ）は、ＰＳＤ６００の有効受光面を示す図である。また、図６（ｂ）は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流をもとにＰＳＤ信号処理回路６０にて生成される位置検出電圧と、有効受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置の関係を示す図である。なお、図６（ａ）では有効受光面を正方形としている。また、図６（ｂ）では、有効受光面のセンター位置を基準位置（０位置）として、基準位置に対する収束位置のＸ方向およびＹ方向の変位量と出力電圧の関係を示している。

上記ＰＳＤ信号処理回路６０は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流をもとに、収束位置のＸ方向変位量に対応する電圧Ｘoutと、Ｙ方向変位量に対応する電圧Ｙoutを生成し、ＡＤＣ７０を介して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧ＸoutとＹoutから収束位置のＸ方向変位量とＹ方向変位量を検出する。

図７は、有効受光面上におけるサーボレーザ光のスポット軌道の一例を示すものである。かかる場合、制御回路１０は、サーボレーザ光の収束位置を目標軌道に引き込むよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。

今、サーボレーザ光の収束位置がＰ(x,y)にあり、このとき、目標軌道上にあるべき収束位置がＰ’(x',y')であるとする。ここで、目標軌道上の収束位置Ｐ’(x',y')は、制御回路１０内に設定された軌道テーブルから取得される。具体的には、照射レーザ光のスキャン位置に対応する収束位置が軌道テーブルから取得される。

このとき、制御回路１０は、Ｐ(x,y)とＰ’(x',y')をもとに、Ｅx＝ｘ−ｘ’とＥy＝ｙ−ｙ’を演算し、演算結果をもとに、Ｅx＝０、Ｅy＝０になるよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。これにより、照射レーザ光のスキャン位置は、当該タイミングにおいてスキャン軌道上にあるべきスキャン位置方向に引き戻される。これに応じて、サーボレーザ光の収束位置も、当該タイミングにおいて目標軌道上にあるべき収束位置Ｐ’(x',y')の方向に引き込まれる。かかるサーボ動作によって、照射レーザ光は所期のスキャン軌道に追従するようスキャンされる。

このようにサーボを掛けながらスキャン動作を行っている間、制御回路１０は、上述の如く、サーボレーザ光の収束位置が、障害物検出や距離検出等を行うための位置（発光点）として予め設定された位置に到達したかを監視する。そして、収束位置が発光点に到達したタイミングにて、走査用レーザ１００の出射パワーを一定期間だけパルス状に高レベルに設定する。

以上のように、本実施の形態によれば、ＰＳＤ受光面上におけるサーボレーザ光の収束位置を逐次モニタすることにより、走査レーザ光のスキャン動作にサーボが掛けられる。このとき、走査レーザ光は、スキャン軌道上に予め設定された目標位置においてのみパルス状に発光される。したがって、走査レーザ光を常時発光させる場合に比べ、走査用レーザ１００の寿命を長期化させることができる。また、サーボレーザ光の出力レベルを小さく抑えることにより、走査レーザ光を常時発光させる場合に比べ、ビーム照射装置全体の消費電力を顕著に低減させることができる。

さらに、この場合、図７を参照して説明した如く、走査用レーザ光のスキャン動作にサーボが掛けられる。これにより、走査レーザ光のスキャン位置が所期のスキャン軌道から外れた場合にも、これをスキャン軌道に円滑に引き戻すことができる。よって、不所望な振動や外乱がビーム照射装置に加えられた場合にも、安定したスキャン動作が実現される。

このように、本実施の形態によれば、消費電力の抑制と半導体レーザの長寿命化を図りつつ、レーザ光の照射位置を目標軌道に円滑に追従させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能であることは言うまでもない。

たとえば、上記実施形態では、図７を参照して説明したように、サーボレーザ光の収束位置Ｐ(x,y)を、当該タイミングにおいて目標軌道上にあるべき収束位置Ｐ’(x',y')に引き込むようにしてサーボを掛けるようにしたが、この他のサーボ処理にて、サーボレーザ光の収束位置を目標軌道上に引き込むようにすることもできる。

たとえば、図８に示すように、当該タイミングよりΔＴだけ経過したタイミングにおいて目標軌道上にあるべき収束位置Ｐ’(xa',ya')に引き込むようにすることもできる。この場合、制御回路１０は、Ｐ(x,y)とＰ’(xa',ya')をもとに、Ｅx＝ｘ−ｘa’とＥy＝ｙ−ｙa’を演算し、演算結果をもとに、Ｅx＝０、Ｅy＝０になるよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。こうすると、照射レーザ光のスキャン位置を次に予定されているスキャン位置に円滑に引き込むことができ、効率的なスキャン動作を実現することができる。

また、上記実施の形態では、図２に示すように、ダイクロイックミラー２００、４００にて走査レーザ光とサーボレーザ光の光路を調整するようにしたが、図９に示すように、偏光ミラー２０１、４０１にて走査レーザ光とサーボレーザ光の光路を調整するようにすることもできる。この場合、サーボレーザ光は、偏光ミラー２０１を略全透過し、且つ、偏光ミラー４０１にて略全反射されるように偏光面が調整され、また、走査レーザ光は、偏光ミラー２０１にて略全反射され、且つ、偏光ミラー４０１を略全透過するように偏光面が調整される。なお、この場合には、走査用レーザ１００とサーボ用レーザ５００のレーザ波長を相違させる必要はない。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す図 実施の形態に係るビーム照射ヘッドの光学系とレーザ出力を示す図 実施形態に係るレンズアクチュエータの構成を示す図 走査レーザ光の出射角度とサーボレーザ光の収束位置の関係を示す図 実施形態に係るＰＳＤの構造を示す図 実施形態に係るＰＳＤの構造と位置検出電圧の変動を説明する図 実施形態に係る軌道サーボの掛け方を説明する図 実施形態に係る軌道サーボの掛け方の変更例を説明する図 実施の形態に係るビーム照射ヘッドの光学系の変更例を示す図

符号の説明

１０ 制御回路
３０ レーザ駆動回路
１００ 走査用レーザ
３００ アクチュエータ
３０１ 走査レンズ
４００ ダイクロイックミラー
４０１ 偏光ミラー
５００ サーボ用レーザ
７００ ＰＳＤ

Claims (4)

1. 第１のレーザ光を出射する第１の光源と、
   第２のレーザ光を出射する第２の光源と、
   前記第１および第２のレーザ光が入射されるレンズと、
   前記レンズをこれらレーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータと、
   受光面上における受光位置に応じた検出信号を出力する光検出器と、
   前記レンズを透過した前記第２のレーザ光を前記光検出器に導く光学素子と、
   を有することを特徴とするビーム照射装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の光源は、第１の波長のレーザ光を出射し、
   前記第２の光源は、前記第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光を出射し、
   前記光学素子は、これら波長の相違に基づいて第１のレーザ光と第２のレーザの光路を調整するダイクロイックミラーを含む、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項１において、
   前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は、前記光学素子に入射する際の偏光面が互いに相違しており、
   前記光学素子は、偏光面の相違に基づいて第１のレーザ光と第２のレーザ光の光路を調整する偏光ミラーを含む、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項において、
   照射目標位置に応じたタイミングにて前記第１のレーザ光をパルス状に発光するよう前記第１の光源を制御するとともに、一定の出力レベルにて第２のレーザ光を常時発光するよう前記第２の光源を制御するレーザ制御回路を有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。

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