JP2009008606A - ビーム照射装置およびレーザレーダ - Google Patents

Abstract

【課題】２軸駆動方式のビーム照射装置において、目標領域におけるビームの照射位置を、簡素な構成にて円滑に検出できるようにする。
【解決手段】ミラーホルダ１０の支軸１２に反射型の回折格子１５を装着し、半導体レーザ２０１から出射されるサーボ光を、コリメートレンズ２０２で平行光化した後、回折格子１５に照射する。回折格子１５を経由したサーボ光（０次光、１次光）をＰＳＤ２０３にて受光する。ミラー１３の回動に伴って、０次光と１次光の進行方向が変化する。これを、ＰＳＤ２０３にて検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ビーム照射装置およびレーザレーダに関し、特に、ミラーを回動させることによりビームを走査させるタイプのビーム照射装置およびレーザレーダに用いて好適なものである。

近年、走行時の安全性を高めるために、レーザレーダが家庭用乗用車等に搭載されている。一般に、レーザレーダは、レーザ光を目標領域内でスキャンさせ、各スキャン位置における反射光の有無から、各スキャン位置における障害物の有無を検出し、さらに、各スキャン位置におけるレーザ光の照射タイミングから反射光の受光タイミングまでの所要時間をもとに、そのスキャン位置における障害物までの距離を検出するものである。

レーザレーダの検出精度を高めるには、レーザ光を目標領域内において適正にスキャンさせる必要があり、また、レーザ光の各スキャン位置を適正に検出する必要がある。これまでに、レーザ光のスキャン機構として、ポリゴンミラーを用いるスキャン機構と、走査用レンズを２次元駆動するレンズ駆動タイプのスキャン機構が知られている。

ポリゴンミラーを用いるスキャン機構は、ポリゴンミラーを回転させながら、レーザ光をポリゴンミラー側面に照射することによって、レーザ光をスキャンさせるものである。ポリゴンミラーは、断面多角形となっており、且つ、各側面にミラーが形成されている。ポリゴンミラーを回転させながらレーザ光を側面に照射することにより、各側面に対するレーザ光の入射角度が変化し、その反射光がポリゴンミラーの回転方向にスキャンされる。

しかし、このスキャン機構では、ミラー面の平面精度やミラーの回転状態がスキャン性能に大きく影響するため、高精度の平面加工技術や、高性能モータの適用が必要となる。また、レーザ光に対するミラー面の角度変化が小さいため、レーザ光の振り角をあまり大きくできないとの問題が生じる。

これに対し、レンズアクチュエータを用いたスキャン機構（たとえば、以下の特許文献１参照）では、レンズ駆動によってスキャンが行われるため、比較的簡単な構成にて、２次元方向のスキャン動作を実現できる。しかし、このアクチュエータでは、レンズが板バネやワイヤによって支持されるため、外部からの振動に弱いとの問題があり、また、振動抑制のために板バネやワイヤの剛性を高めると、スキャン動作のレスポンス特性が低下するとの問題がある。また、スキャン動作時にレーザ光がレンズ光軸に対して偏心した位置に入射するため、レーザ光の強度分布に歪が生じるとの問題が生じる。

なお、以下の特許文献２には、２つのスキャンミラーを用いてレーザ光を２次元方向にスキャンさせる構成が示されている。このように、スキャン手段としてミラーを用いると、レーザ光の強度分布に生じる歪の問題を解消できる。しかし、この構成によれば、２つのスキャンミラーをそれぞれ独立駆動するため、ミラー毎にアクチュエータを配する必要があり、構成の複雑化と大型化を招く。また、各スキャンミラーの回動状態をモニタするための構成をスキャンミラー毎に配する必要があるため、これによっても、構成の複雑化と大型化を招くことになる。

これに対し、出願人は、先に特願２００６−１２１７６２号を出願し、簡単な構成にて、レスポンス特性を高めることができ、かつ、レーザ光の歪みを抑制できるアクチュエータを提案した。この発明に係るアクチュエータでは、ミラーが２軸駆動可能に支持され、コイルとマグネット間の電磁駆動力によって、ミラーが各駆動軸を軸として回動される。レーザ光は、ミラーに斜め方向から入射され、ミラーが各駆動軸を軸として２次元駆動されることにより、ミラーによるレーザ光の反射光が、目標領域内において、２次元方向に走査される。
特開平１１−８３９８８号公報 特開平９−１５５１８号公報

本発明は、２軸駆動方式のビーム照射装置において、目標領域におけるビームの照射位置を、簡素な構成にて円滑に検出できるようにすることを課題とする。特に、ビーム照射位置を検出するための構成を小型かつ低コスト化でき、かつ、ビーム照射位置を精度良く検出できるようにすることを課題とする。

本発明に係るビーム照射装置は、ミラーと、前記ミラーを保持するミラーホルダと、前記ミラーホルダを第１の方向に回動可能に軸支する第１の保持体と、前記第１の保持体を前記第１の方向に垂直な第２の方向に回動可能に軸支する第２の保持体と、前記第１および第２の保持体をそれぞれ前記第１および第２の方向に駆動する電磁駆動部と、前記第１および第２の方向における前記ミラーの回動に伴い回動する回折格子と、前記回折格子にサーボ光を照射するサーボ用光源と、前記回折格子を経由した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、第１および第２の方向におけるミラーの回動とともに回折格子が回動し、これに応じて、回折格子を経由した後のサーボ光（回折光）の指向方向が変化する。よって、光検出器上におけるサーボ光（回折光）に受光位置から、ミラーの回動位置、すなわち、目標領域におけるビームの走査位置を検出することができる。

ここで、回折格子は、ミラーホルダの回動軸に装着することができる。反射型の回折格子を用いる場合、ミラーホルダの回動軸の天面等、当該回動軸に垂直な面に、回折格子を装着することができる。

ミラーホルダの回動軸に回折格子を装着する場合、光検出器は、回折格子を経由したサーボ光のうち０次の回折光を受光する第１の受光面と、＋ｎ次または−ｎ次（ｎは１以上の自然数）を受光する第２の受光面を有する構成とすることができる。こうすると、第１の受光面上における０次の回折光の照射位置から、第２の方向におけるミラーの回動位置を検出することができ、また、第２の受光面上における＋ｎ次または−ｎ次の回折光の照射位置から、第１の方向におけるミラーの回動位置を検出することができる。

また、この構成に替えて、光検出器は、回折格子を経由したサーボ光のうち＋ｎ次または−ｎ次（ｎは１以上の自然数）を受光する受光面を有するよう構成することもできる。この場合、この受光面における＋ｎ次または−ｎ次の回折光の照射位置から、第１および第２の方向におけるミラーの回動位置を同時に検出することができる。

なお、本発明では、サーボ用光源と回折格子の間にサーボ光を所定径の平行光とするためのレンズ素子を配するのが好ましい。こうすると、回折格子および光検出器上においてサーボ光が広がりすぎるのを抑制することができ、光検出器上におけるサーボ光の照射位置を円滑に検出することができる。

本発明に係るレーザレーダは、上記構成のビーム照射装置を有することを特徴とする。このレーザレーダによれば、上記ビーム照射装置における効果と同様の効果が奏される。

以上のとおり、本発明によれば、２軸駆動方式のビーム照射装置において、目標領域におけるビームの走査位置を、簡素な構成にて円滑に検出でき、また、ビーム走査位置を検出するための構成を小型かつ低コスト化することができる。特に、ミラーホルダの回動軸に回折格子を装着すれば、ミラーの回動位置をサーボ光（回折光）の指向方向にダイレクトに反映させることができるため、目標領域におけるビームの走査位置を精度良く検出することができる。

本発明の効果ないし意義は、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、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら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。本実施の形態は、乗用車に搭載されるレーザレーダに本発明を適用したものである。本実施の形態では、乗用車前方からビームがスキャン照射されることにより、走査領域内の障害物の有無が検出され、同時に、障害物までの距離が測定される。

なお、本実施の形態では、レーザ光が水平方向からミラーに入射される。ミラーを水平方向および垂直方向に回動させることにより、レーザ光が目標領域において２次元方向に走査される。

図１に、本実施の形態に係るミラーアクチュエータ１００の構成を示す。同図（ａ）はミラーアクチュエータ１００の分解斜視図、同図（ｂ）はアセンブル状態にあるミラーアクチュエータ１００の斜視図である。

同図（ａ）において、１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１、１２が形成されている。また、ミラーホルダ１０の前面には平板状のミラー１３が装着されており、背面にはコイル１４が装着されている。なお、コイル１４は、方形状に巻回されている。ミラーホルダ１０の支軸１２には、反射型の回折格子１５（図示せず）が装着されている。回折格子１５については、追って、図２を参照して説明する。

２０は、ミラーホルダ１０を支軸１１、１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠２０には、ミラーホルダ１０を収容するための開口２１が形成されており、また、ミラーホルダ１０の支軸１１、１２と係合する溝２２、２３が形成されている。さらに、可動枠２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸２４、２５が形成され、背面には、コイル２６が装着されている。コイル２６は、方形状に巻回されている。

３０は、可動枠２０を支軸２４、２５を軸として回動可能に支持する固定枠である。固定枠３０には、可動枠２０を収容するための凹部３１が形成され、また、可動枠２０の支軸２４、２５と係合する溝３２、３３が形成されている。さらに、固定枠３０の内面には、コイル１４に磁界を印加するマグネット３４と、コイル２６に磁界を印加するマグネット３５が装着されている。なお、溝３２、３３は、それぞれ固定枠３０の前面から上下２つのマグネット３５間の隙間内まで延びている。

４０は、可動枠２０の支軸２４、２５が溝３２、３３から脱落しないよう、支軸２４、２５を前方から押さえる押さえ板である。なお、ミラーホルダ１０の支軸１１、１２を可動枠２０の溝２２、２３から脱落しないよう規制する押さえ板は、図示省略されている。

ミラーアクチュエータ１００をアセンブルする際には、ミラーホルダ１０の支軸１１、１２を可動枠２０の溝２２、２３に係合させ、さらに、支軸１１、１２の前面を押さえるようにして、押さえ板（図示せず）を可動枠２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１０が、可動枠２０によって、回動可能に支持される。

このようにしてミラーホルダ１０を可動枠２０に装着した後、可動枠２０の支軸２４、２５を固定枠３０の溝３２、３３に係合させ、さらに、支軸３２、３３の前面を押さえるようにして、押さえ板４０をマグネット３５の前面に装着する。これにより、可動枠２０が、回動可能に固定枠３０に装着され、ミラーアクチュエータ１００のアセンブルが完了する。

ミラーホルダ１０が可動枠２０に対し支軸１１、１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１３が回動する。また、可動枠２０が固定枠３０に対し支軸２４、２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１０が回動し、ミラーホルダ１０と一体的にミラー１３が回動する。このように、ミラーホルダ１０は、互いに直交する支軸１１、１２と支軸２４、２５によって、２次元方向に回動可能に支持され、ミラーホルダ１０の回動に伴って、ミラー１３が２次元方向に回動する。

なお、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット３４は、コイル１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１０に支軸１１、１２を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１４に電流を印加すると、コイル１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１０が、支軸１１、１２を軸として回動する。

また、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット３５は、コイル２６に電流を印加することにより、可動枠２０に支軸２４、２５を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル２６に電流を印加すると、コイル２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠２０が、支軸２４、２５を軸として回動する。

このように、コイル１４とコイル２６に電流を印加することにより、ミラーホルダ１０と可動枠２０がそれぞれ支軸１１、１２と支軸２４、２５を軸として回動する。これにより、ミラー１３が、ミラーホルダ１０と一体となって、２次元方向に回動する。

なお、このようにミラー１３が回動すると、これに伴って、支軸１２に装着された回折格子１５（図１には図示省略）も同様に回動する。ここで、ミラー１３の回動位置と回折格子１５の回動位置は一対一に対応する。

図２は、回折格子１５およびミラー１３の回動位置を検出するための光学系を示す図である。

図示の如く、支軸１２の天面には、回折格子１５が装着されている。また、ミラー１３の背面側には、半導体レーザ２０１とコリメートレンズ２０２が配されている。半導体レーザ２０１から出射されるレーザ光（以下、「サーボ光」という）は、コリメートレンズ２０２によって所定径の平行光とされた後、回折格子１５へと導かれる。ここで、サーボ光は、ミラー１３が中立位置にあるときに、ミラー１３の反射面に垂直で且つ支軸１２の回動軸を含む面（以下、「レーザ入射面」という）に光軸が沿うようにして、所定の入射角にて回折格子１５に入射される。

回折格子１５は、ミラー１３が中立位置にあるときに、回折方向がレーザ入射面に平行となるようにして、支軸１２の天面に装着されている。したがって、回折格子１５によって回折および反射されたサーボ光は、ミラー１３が中立位置にある状態では、レーザ入射面に平行な方向に、０次光と±１次光に分離される。

回折格子１５によって回折および反射されたサーボ光は、ミラー１３の前面側に配されたＰＳＤ（Position Sensitive Detector）２０３によって受光される。ミラー１３が回動すると、これに伴って、回折格子１５が回動するため、サーボ光（０次光と±１次光）の指向方向が変化する。したがって、サーボ光（０次光と±１次光）は、ミラー１３の回動に伴って、ＰＳＤ２０３の受光面上を移動する。ここで、ミラー１３の回動位置とＰＳＤ受光面上におけるサーボ光の照射位置は一対一に対応する。

図３は、ミラー１３の回動とサーボ光（０次光と±１次光）の指向方向の関係を模式的に示す図である。

同図（ａ）ないし（ｃ）は上面側から支軸１２を見たときの図であり、同図（ｄ）ないし（ｆ）は側面側（支軸２４、２５の回動軸に平行な方向）から支軸１２を見たときの図である。

同図（ｂ）および（ｅ）は、ミラー１３が中立位置にあるときの状態を示している。この状態において、回折後の０次光と±１次光は、それぞれ、レーザ入射面に平行で（同図（ｂ）参照）、且つ、異なる回折角の方向（同図（ｅ）参照）に向かう。

この状態から、同図（ａ）に示す如く、支軸１２が矢印Ａ１方向（反時計方向）に回動すると、この回動に伴って、±１次光の指向方向が矢印Ａ１方向に回動する。また、同図（ｃ）に示す如く、支軸１２が矢印Ａ２方向（時計方向）に回動すると、この回動に伴って、±１次光の指向方向が矢印Ａ２方向に回動する。何れの場合も、０次光の指向方向は変わらない。

また、同図（ｅ）に示す中立位置から、同図（ｄ）に示す如く、支軸１２が矢印Ｂ１方向に回動（支軸２４、２５を軸とした回動）すると、この回動に伴って、０次光と±１次光の指向方向が矢印Ｂ１方向（時計方向）に回動する。また、同図（ｆ）に示す如く、支軸１２が矢印Ｂ２方向（反時計方向）に回動すると、この回動に伴って、０次光と±１次光の指向方向が矢印Ｂ２方向に回動する。

図４は、目標領域におけるビームの走査状態と、ＰＳＤ２０３上におけるサーボ光の走査状態を模式的に示す図である。なお、ここでは、目標領域におけるビームの走査ライン数は３ラインとされている。

同図（ａ）に示す如く、目標領域は、マトリクス状にエリア分割されている。中立位置からミラー１３を支軸１１、１２を軸として所定の振り幅にて回動させると、ビームは、目標領域上に設定された中段の走査ライン（走査ライン２）に沿って走査される。中立位置から支軸２４、２５を軸としてミラー１３を所定角度だけ上向きに回動させた状態で、ミラー１３を支軸１１、１２を軸として所定の振り幅にて回動させると、ビームは、目標領域上に設定された上段の走査ライン（走査ライン１）に沿って走査される。中立位置から支軸２４、２５を軸としてミラー１３を所定角度だけ下向きに回動させた状態で、ミラー１３を支軸１１、１２を軸として所定の振り幅にて回動させると、ビームは、目標領域上に設定された下段の走査ライン（走査ライン３）に沿って走査される。

スキャン動作時には、たとえば、最初に、上段のエリア（走査ライン１）が矢印方向（水平方向）に走査される。走査位置が各分割エリアに到達したタイミングにて、ビームがパルス状に発光され、障害物の検出と距離の測定が行われる。走査ライン１に対する走査が終了すると、次に、中段のエリア（走査ライン２）が矢印方向（水平方向）に走査され、同様に、各分割エリアにおける障害物の検出と距離の測定が行われる。さらに、走査ライン２に対する走査が終了すると、下段のエリア（走査ライン３）が矢印方向（水平方向）に走査され、各分割エリアにおける障害物の検出と距離の測定が行われる。これにより、目標領域に対するスキャン動作が終了する。

同図（ｂ）は、このようにミラー１３を駆動したときの、ＰＳＤ２０３上におけるサーボ光（０次光、＋１次光）の走査軌跡を示す図である。なお、ここでは、ＰＳＤ２０３上に、０次光を受光するためのＰＳＤ受光面２０３ａと、＋１次光を受光するためのＰＳＤ受光面２０３ｂが配されている。

上記の如く、０次光の指向方向は、支軸１１、１２を軸としてミラー１３が回動しても変化せず（図３（ａ）ないし（ｃ）参照）、支軸２４、２５を軸としてミラー１３が回動するに伴って変化する（図３（ｄ）ないし（ｅ）参照）。よって、ＰＳＤ受光面２０３ａ上における０次光の照射位置は、ビームが走査ライン１を走査している間はＰＳＤ受光面２０３ａ上のＰ１の位置（図４（ｂ）参照）に固定され、ビームが走査ライン１から走査ライン２へと移行することに応じて、Ｐ１からＰ２の位置へとシフトする。また、ビームが走査ライン２から走査ライン３へと移行することに応じて、０次光の照射位置が、Ｐ２からＰ３の位置へとシフトする。したがって、ＰＳＤ受光面２０３ａ上における０次光の照射位置によって、ビームが何ライン目を走査中であるかが検出され得る。

また、＋１次光の指向方向は、上記の如く、支軸１１、１２を軸としてミラー１３が回動するに伴って変化し（図３（ａ）ないし（ｃ）参照）、また、支軸２４、２５を軸としてミラー１３が回動することによっても変化する（図３（ｄ）ないし（ｅ）参照）。よって、ＰＳＤ受光面２０３ｂ上における＋１次光の照射位置は、ビームが走査ライン１を走査している間はＰＳＤ受光面２０３ｂ上のＱ１の曲面状の軌跡（図４（ｂ）参照）に沿って移動し、ビームが走査ライン１から走査ライン２へと移行することに応じて、軌跡がＱ１からＱ２へとシフトする。また、ビームが走査ライン２から走査ライン３へと移行することに応じて、＋１次光の移動軌跡が、Ｑ２からＱ３へとシフトする。

なお、ＰＳＤ受光面２０３ｂ上における１次光の照射位置からは、走査中の走査ラインと、その走査ライン上における走査位置の両方を検出することができる。すなわち、＋１次光がＱ１〜Ｑ３のうちどの移動軌跡を走査中であるかに基づいて、ビームが目標領域上の何ライン目を走査中であるかが検出される。また、その移動軌跡上における＋１次光の照射位置に基づいて当該走査ライン上における走査位置が検出され得る。

したがって、＋１次光の照射位置から走査中の走査ラインと、その走査ライン上における走査位置の両方を検出する場合には、同図（ｃ）に示す如く、０次光を受光するためのＰＳＤ受光面２０３ａを省略し、ＰＳＤ２０３上にＰＳＤ受光面２０３ｂのみを配するようにすることができる。

図５（ａ）は、ＰＳＤ２０３の構成を示す図（側断面図）、図５（ｂ）はＰＳＤ２０３の受光面を示す図である。

図５（ａ）を参照して、ＰＳＤ２０３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、同図（ｂ）の横方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、縦方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（同図（ａ）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。

受光面にレーザ光が照射されると、照射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、レーザ光の照射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、受光面上における光の照射位置を検出することができる。

図６は、ＰＳＤ２０３からの信号を処理する処理回路の構成を示す図である。

電極Ｙ１、Ｙ２から出力された信号は、それぞれ、アンプ３０４、３０１で増幅された後、減算回路３０５で減算される。これにより、電極Ｙ１−Ｙ２方向におけるレーザ光の照射位置を示す信号が生成される（Ｙ出力）。また、電極Ｘ１、Ｘ２から出力された信号は、それぞれ、アンプ３０３、３０２で増幅された後、減算回路３０６で減算される。これにより、電極Ｘ１−Ｘ２方向におけるレーザ光の照射位置を示す信号が生成される（Ｘ出力）。これら、Ｘ出力とＹ出力をもとに、受光面上における光の照射位置が検出される。また、ＰＳＤに代えて４分割ＰＤを用いても良い。

なお、アンプ３０１〜３０４から出力される信号は、加算回路３０７によって加算される。これにより、受光面に照射されたレーザ光の全光量を示す信号が生成される（ＳＵＭ出力）。通常、半導体レーザ２０１の出力パワーを調整するＡＰＣ（Automatic Power Control）回路には、半導体パッケージ内のモニタ用ＰＤの出力信号がフィードバックされるが、図６の構成例では、ＳＵＭ出力信号をＡＰＣ回路に入力して、パワー調整用のモニタ信号として利用することもできる。このようにＰＳＤ２０３からの信号をパワー調整用のモニタ信号として利用することにより、半導体レーザ２０１にパワーモニタ用のフォトダイオードを配する必要がなくなる。この場合、半導体レーザ２０１に代えて、レーザチップのみをサーボ用光源として配する構成とすることができる。

図７は、図１（ｂ）に示すミラーアクチュエータ１００がベース５００に装着された状態の構成を示す図である。ベース５００には、ミラーアクチュエータ１００の他に、走査ビームをミラー１３に導くための走査用光学系４００が装着されている。

図示の如く、ベース５００には、凹部５０１が形成され、この凹部５０１に支軸１２および回折格子１５が収容されるようにして、ミラーアクチュエータ１００がベース５００上に装着されている。

ベース５００の上面には、走査用光学系４００を構成するミラー４０２、４０３と、ビーム整形用のレンズ４０４、４０５が装着されている。また、ベース５００には、ミラー４０２に対向する位置にレーザ光源４０１（図示せず）が装着されている。

レーザ光源４０１（図示せず）から上向きに出射されたレーザ光は、ミラー４０２によって水平方向に反射された後、さらにミラー４０２によって、進行方向が水平方向に９０度折り曲げられる。その後、レーザ光は、レンズ４０４、４０５によって、それぞれ、水平方向および鉛直方向の収束作用を受ける。なお、レンズ４０４、４０５は、目標領域（たとえば、ビーム出射口から前方１００ｍ程度の位置に設定される）におけるビーム形状が、所定の大きさ（たとえば、縦２ｍ、横１ｍ程度の大きさ）になるようレンズ面が設計されている。

レンズ４０４、４０５を透過したレーザ光は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１３に入射し、ミラー１３によって目標領域に向かって反射される。ミラーアクチュエータ１００によってミラー１３が上記の如く２次元駆動されることにより、レーザ光が図４（ａ）に示す目標領域内において２次元方向にスキャンされる。

ミラーアクチュエータ１００は、ミラー１３が中立位置にあるときに、レンズ４０５からのレーザ光がミラー１３のミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するよう配置されている。また、ミラー１３が中立位置にあるとき、ミラー面は鉛直方向に対して平行となっている。

凹部５０１の内側面には、図２に示す配置にて、半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０３とＰＳＤ２０３が装着されている。ここで、ＰＳＤ２０３上には、上記図４（ｂ）（ｃ）のうち何れ一方の受光面が、回折格子１５にて回折された後の０次光および＋１次光を受光する位置に配されている。

図８に、本実施の形態に係るレーザレーダの構成を示す。

図示の如く、レーザレーダは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）制御回路７０１と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）７０２と、レーザ駆動回路７０３と、アクチュエータ駆動回路７０４と、ビーム照射ヘッド７０５と、ＰＳＤ信号処理回路７０６と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０７と、ＰＤ信号処理回路７０８と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０９を備えている。

ＤＳＰ制御回路７０１は、レーザ駆動回路７０３およびアクチュエータ駆動回路７０４を駆動制御するためのデジタル信号をＤＡＣ７０２に出力する。また、ＡＤＣ７０９から入力されるデジタル信号をもとに、スキャン領域内に含まれる障害物の位置と障害物までの距離を検出する。

さらに、ＤＳＰ制御回路７０１は、ＡＤＣ７０９から入力される受光信号に基づいて、障害物までの距離を測定する。ＤＳＰ制御回路７０１には、高周波の内部クロックが入力されている。ＤＳＰ制御回路７０１は、各スキャン位置において出力されるパルス光の出力タイミングからその反射光の受光タイミングまでのクロック数Ｎをカウントする。そして、カウントしたクロック数Ｎをもとに、当該スキャン位置における障害物の有無と障害物までの距離Ｌを検出する。たとえば、内部クロックの周期をＴとして、Ｌ＝Ｃ（光速）×Ｔ×Ｎ／２を演算することにより障害物までの距離を検出する。なお、予め決められた時間内に反射光を受光できない場合、当該スキャン位置には障害物が存在しないとされる。

ＤＡＣ７０２は、ＤＳＰ制御回路７０１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７０３およびアクチュエータ駆動回路７０４に出力する。レーザ駆動回路７０３は、ＤＡＣ７０２から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド７０５内の半導体レーザ１０１、２０１を駆動する。アクチュエータ駆動回路７０４は、ＤＡＣ７０２から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド７０５内のミラーアクチュエータ１００（図１参照）を駆動する。

ビーム照射ヘッド７０５は、前方空間に設定された走査領域においてビームを走査させる。図示の如く、ビーム照射ヘッド７０５は、ミラーアクチュエータ１００の他に、図２に示す半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０２、ＰＤ２０３を備え、さらに、図７に示す走査用光学系４００（半導体レーザ４０１のみ図示）と、目標領域からの反射光を受光レンズ６０１を介して受光するＰＤ６０２を備えている。

ＰＳＤ２０３からの出力信号は、図６に示す演算回路を含むＰＳＤ信号処理回路７０６によって信号処理された後ノイズ除去され、ＡＤＣ７０７に入力される。ＡＤＣ７０７は、入力された信号をデジタル信号に変換してＤＳＰ制御回路７０１に出力する。ＤＳＰ制御回路７０１は、ＡＤＣ７０７からの信号に基づいて、ＰＳＤ受光面２０３ａ、２０３ｂ上における０次光および＋１次光の照射位置を検出し、この照射位置をもとに、図４を参照して説明した如く、目標領域上におけるビームの走査ラインおよび当該走査ライン上における走査位置を検出する。

スキャン動作時、ＤＳＰ制御回路７０１は、アクチュエータ駆動回路７０４を駆動して、目標領域に設定された各走査ラインに沿って走査ビームを走査させる。このスキャン動作の際、ＤＳＰ制御回路７０１は、半導体レーザ２０１をパワーレベルＰｗｃにて常時発光させるための信号を、ＤＡＣ７０２を介してレーザ駆動回路７０３に出力する。また、上記のように、ＰＳＤ２０３からの信号をもとに目標領域におけるビームの走査位置を検出し、走査位置が、障害物検出および距離検出を行うための位置（図４（ａ）に示す各分割エリアの位置（以下、「測定位置」という）に到達したタイミングにて、半導体レーザ４０１の出力を、一定期間だけパルス状にレベルＰｗａからレベルＰｗｂに立ち上げるための信号を、ＤＡＣ７０２を介してレーザ駆動回路７０３に出力する。

ここで、レベルＰｗａは、測定位置の到来に応じて半導体レーザ４０１の出力を円滑にレベルＰｗｂに立ち上げることができる程度のレベルに設定される。また、レベルＰｗｂは、障害物検出および距離検出を円滑に行い得るレベルに設定される。なお、半導体レーザ４０１の出力をゼロレベルから円滑にレベルＰｗｂに立ち上げることができる場合、レベルＰｗａはゼロレベルに設定されても良い。

測定位置に障害物が存在するとき、高パワーにて発光された走査ビーム光は、障害物によって反射され、その反射光が、受光レンズ６０１を介してＰＤ６０２に入射される。ＰＤ６０２は、受光量に応じた大きさの信号をＰＤ信号処理回路７０８に出力する。ＰＤ信号処理回路７０８は、ＰＤ６０２から入力された信号を増幅およびノイズ除去してＡＤＣ７０９に出力する。ＡＤＣ７０９は、入力された信号をデジタル信号に変換してＤＳＰ制御回路７０１に出力する。

ＤＳＰ制御回路７０１は、ＡＤＣ７０９から入力されたデジタル信号をもとに反射光の受光タイミングを検出し、この受光タイミングと、走査ビームの出力タイミングから、上記の如く、当該測定位置における障害物までの距離を検出する。また、予め設定された時間内に反射光を受光できない場合は、当該測定位置には障害物が存在しないと判定する。

以上、本実施の形態によれば、目標領域におけるビームの走査位置を、簡素な構成にて円滑に検出でき、また、ビーム走査位置を検出するための構成を小型かつ低コスト化することができる。特に、回動軸１２に回折格子１５が装着されているため、ミラー１３の回動位置をサーボ光（０次光、１次光）の指向方向にダイレクトに反映させることができ、よって、目標領域におけるビームの走査位置を精度良く検出することができる。

なお、図４（ｂ）に示すように０次光と１次光に対応して個別に受光面２０３ａ、２０３ｂを配する場合には、０次光の回折効率と１次光の回折効率が略等しくなるよう回折格子１５のパターンを調整するのが好ましい。こうすると、何れか一方の受光面からの出力信号が過度に小さくなることを抑制することができ、よって、各受光面からの出力信号のＳＮ比を適正範囲内に設定することができる。

また、図４（ｃ）に示すように１次光のみに対応して受光面２０３ｂを配する場合には、たとえば、回折格子１５をブレーズ型として、１次光の回折効率を１００％に近づけるようにしても良い。こうすると、受光面２０３ｂからの出力信号を高めることができ、よって、当該出力信号におけるＳＮ比を高めることができる。

なお、図４（ｃ）の構成とする場合には、０次光が受光面２０３ｂに入射しないよう、適宜、０次光を遮光するための構成を追加すると良い。こうすると、受光面２０３ｂを回折格子１５により接近させることができ、ＰＳＤ２０３を配置する際の自由度を高めることができる。

本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も、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。

たとえば、上記実施の形態では、回折格子１５を支軸１２の天面に配したが、ミラー１３の回動に伴って回動する位置であれば、これ以外の位置に配置しても良い。また、上記では、回折格子１５として反射型の回折格子を用いたが、透過型の回折格子を用いることもできる。

また、受光面２０３ｂによって＋１次光を受光するようにしたが、−１次光を受光するようにしてもよく、さらには、±２次以上の回折光を受光するようにしても良い。

この他、本発明は、車載用のレーザレーダに適用して好ましいものであるが、たとえば、大気中のエアロゾル計測用など、他の用途のレーザレーダに適用することも可能である。

実施の形態に係るミラーアクチュエータの構成を示す図 実施の形態に係る回折格子と位置検出用の光学系の構成を示す図 実施の形態に係る支軸の回動とサーボ光の指向方向の関係を示す図 実施の形態に係る走査ビームとサーボ光の関係を示す図 実施の形態に係るＰＳＤの構成を示す図 実施の形態に係るＰＳＤ信号の処理回路の構成を示す図 実施の形態に係るビーム走査装置の光学系の構成を示す図 実施の形態に係るレーザレーダの構成を示す図

符号の説明

１０ … ミラーホルダ
１１、１２ … 支軸
１３ … ミラー
１５ … 回折格子
２０ … 可動枠（第１の保持体）
２４、２５ … 支軸
３０ … 固定枠（第２の保持体）
２０１ … 半導体レーザ（サーボ用光源）
２０２ … コリメートレンズ（レンズ素子）
２０３ … ＰＳＤ（光検出器）
２０３ａ … ＰＳＤ受光面（第１の受光面）
２０３ｂ … ＰＳＤ受光面（第２の受光面）

Claims (7)

1. ミラーと、
   前記ミラーを保持するミラーホルダと、
   前記ミラーホルダを第１の方向に回動可能に軸支する第１の保持体と、
   前記第１の保持体を前記第１の方向に垂直な第２の方向に回動可能に軸支する第２の保持体と、
   前記第１および第２の保持体をそれぞれ前記第１および第２の方向に駆動する電磁駆動部と、
   前記第１および第２の方向における前記ミラーの回動に伴い回動する回折格子と、
   前記回折格子にサーボ光を照射するサーボ用光源と、
   前記回折格子を経由した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器とを有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
2. 請求項１において、
   前記回折格子は、前記ミラーホルダの回動軸に装着されている、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項２において、
   前記回折格子は、前記ミラーホルダの回動軸に垂直な面に装着された反射型の回折格子である、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
4. 請求項２または３において、
   前記光検出器は、前記回折格子を経由した前記サーボ光のうち０次の回折光を受光する第１の受光面と、＋ｎ次または−ｎ次（ｎは１以上の自然数）を受光する第２の受光面を有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
5. 請求項２または３において、
   前記光検出器は、前記回折格子を経由した前記サーボ光のうち＋ｎ次または−ｎ次（ｎは１以上の自然数）を受光する受光面を有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項において、
   前記サーボ用光源と前記回折格子の間に前記サーボ光を所定径の平行光とするためのレンズ素子が配されている、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載のビーム照射装置を有するレーザレーダ。

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