JP2010032221A - Beam irradiation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置に関し、特に、目標領域にレーザ光を照射したときの反射光をもとに、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出する、いわゆるレーザレーザに搭載されるビーム照射装置に用いて好適なものである。 The present invention relates to a beam irradiation apparatus that irradiates a target area with laser light, and in particular, based on reflected light when the target area is irradiated with laser light, the presence or absence of an obstacle in the target area and the distance to the obstacle. It is suitable for use in a beam irradiation device mounted on a so-called laser laser.
近年、走行時の安全性を高めるために、走行方向前方にレーザ光を照射し、その反射光の状態から、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出するレーザレーダが、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。 In recent years, in order to improve safety during traveling, a laser radar that irradiates laser light forward in the traveling direction and detects the presence or absence of an obstacle in the target area and the distance to the obstacle from the state of the reflected light, It is installed in home passenger cars. In general, a laser radar scans a laser beam within a target area, detects the presence or absence of an obstacle at each scan position from the presence or absence of reflected light at each scan position, and further determines from the irradiation timing of the laser light at each scan position. Based on the time required to receive the reflected light, the distance to the obstacle at the scan position is detected.
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、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（たとえば、以下の特許文献１参照）が知られている。
In order to increase the detection accuracy of the laser radar, it is necessary to appropriately scan the laser beam within the target area, and it is necessary to appropriately detect each scan position of the laser beam. Conventionally, as a laser beam scanning mechanism, a scanning mechanism using a polygon mirror and a lens driving type scanning mechanism for driving a scanning lens two-dimensionally (for example, see
また、これらスキャン機構とは異なる新たなスキャン機構として、出願人は、先に特願２００６−１２１７６２号を出願し、ミラー回動タイプのスキャン機構を提案している。このスキャン機構では、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、その反射光が目標領域に向けて照射される。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、レーザ光が、目標領域内において、２次元方向に走査される。 As a new scanning mechanism different from these scanning mechanisms, the applicant has previously filed Japanese Patent Application No. 2006-121762 and has proposed a mirror rotation type scanning mechanism. In this scan mechanism, the mirror is supported so that it can be driven in two axes, and the mirror is rotated about each drive shaft by an electromagnetic drive force between the coil and the magnet. The laser light is incident on the mirror from an oblique direction, and the reflected light is irradiated toward the target area. The mirror is driven two-dimensionally around each drive axis, whereby the laser beam is scanned in a two-dimensional direction within the target area.
このスキャン機構では、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置がミラーの回動位置に一対一に対応する。よって、レーザ光のスキャン位置はミラーの回動位置を検出することにより検出できる。ここで、ミラーの回動位置は、たとえば、ミラーに伴って回動する別部材の回動位置を検出することにより検出することができる。 In this scanning mechanism, the scanning position of the laser beam in the target area corresponds one-to-one with the rotational position of the mirror. Therefore, the scan position of the laser beam can be detected by detecting the rotational position of the mirror. Here, the rotation position of the mirror can be detected, for example, by detecting the rotation position of another member that rotates with the mirror.
図１３は、ミラーの回動位置を検出するための構成例を示す図である。同図（ａ）は、別部材として平行平板状の透明体を用いる場合の構成例、同図（ｂ）は、別部材としてミラーを用いる場合の構成例である。 FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example for detecting the rotational position of the mirror. FIG. 5A shows a configuration example when a parallel plate-shaped transparent body is used as another member, and FIG. 4B shows a configuration example when a mirror is used as another member.
同図（ａ）において、６０１は半導体レーザ、６０２は透明体、６０３は光検出器（ＰＳＤ：Position Sensing Device）である。半導体レーザ６０１から出射されたレーザ光（サーボ光）は、レーザ光軸に対し傾いて配置された透明体６０２によって屈折され、光検出器６０３に受光される。ここで、透明体６０２が矢印のように回動すると、サーボ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６０３上におけるサーボ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６０３にて検出されるサーボ光の受光位置によって、透明体６０２の回動位置を検出することができる。
In FIG. 6A,
同図（ｂ）において、６１１は半導体レーザ、６１２はミラー、６１３は光検出器（ＰＳＤ）である。半導体レーザ６１１から出射されたレーザ光（サーボ光）は、レーザ光軸に対し傾いて配置されたミラー６１２によって反射され、光検出器６１３に受光される。ここで、ミラー６１２が矢印のように回動すると、サーボ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６１３上におけるサーボ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６１３にて検出されるサーボ光の受光位置によって、ミラー６１２の回動位置を検出することができる。
In FIG. 6B, 611 is a semiconductor laser, 612 is a mirror, and 613 is a photodetector (PSD). Laser light (servo light) emitted from the
ここで、ミラー６１２が、同図（ｂ）にように角度αだけ回動すると、ミラー６１２によって反射された後のサーボ光の振り角は２αとなる。このため、これを受光する光検出器６１３の受光面は比較的大きなものとなる。これに対し、同図（ａ）のように透明体６０２を用いると、透明体６０２が回動しても、これを透過した後のサーボ光の振れ幅はあまり大きくならない。よって、同図（ｂ）の場合に比べ、光検出器６０３の受光面をかなり小さくすることができ、光検出器に掛かるコストを抑制することができる。
一般に、レーザレーダでは、レーザ光が目標領域において水平にスキャンされる。また、水平方向の走査ラインは鉛直方向に複数段設定される。このため、目標領域中央から鉛直方向にずれた位置にある走査ラインでは、レーザ光を、水平方向から所定角度（目標の走査ラインに応じた角度）だけ鉛直方向に振った状態で、水平方向に走査させる必要がある。 Generally, in laser radar, laser light is scanned horizontally in a target area. Further, a plurality of horizontal scanning lines are set in the vertical direction. For this reason, in a scanning line at a position shifted in the vertical direction from the center of the target area, the laser beam is moved in the horizontal direction while being swung in the vertical direction by a predetermined angle (an angle corresponding to the target scanning line) from the horizontal direction. It needs to be scanned.
しかし、上記ミラー回動方式のスキャン機構では、一方の軸を回動軸としてミラーを鉛直方向に回動させた状態で、他方の軸を回動軸としてミラーを水平方向に回動させると、目標領域におけるレーザ光の走査軌跡は水平とはならず、水平から傾いた状態となる。このため、かかるスキャン機構では、各走査ラインに対するスキャン動作時に、スキャン軌跡が水平となるよう、ミラーを、２軸周りに同時に回動させる必要がある。 However, in the mirror rotation type scanning mechanism, when one of the axes is a rotation axis and the mirror is rotated in the vertical direction, the other axis is a rotation axis and the mirror is rotated in the horizontal direction. The scanning trajectory of the laser beam in the target area is not horizontal, but is inclined from the horizontal. For this reason, in such a scanning mechanism, it is necessary to simultaneously rotate the mirror around two axes so that the scanning locus is horizontal during the scanning operation for each scanning line.
ここで、ミラーの回動位置を検出するための構成として図１３（ａ）の構成を用いると、目標領域上における各走査ラインに対応して、光検出器６０３上に、サーボ光の走査軌跡が複数現れることとなる。ところが、この場合、半導体レーザ６０１の配置如何によっては、光検出器６０３上におけるサーボ光の走査軌跡が湾曲し、このため、光検出器６０３からの出力によるミラーの駆動制御が複雑になるとの問題が生じる。
Here, if the configuration shown in FIG. 13A is used as a configuration for detecting the rotational position of the mirror, the scanning locus of the servo light on the
ミラーの駆動制御は、サーボ光が、所期の走査軌跡、すなわち、目標領域においてレーザ光を適正に走査させたときに光検出器６０３上に現れる走査軌跡（以下、「基準走査軌跡」という）を追従するようにして行われる。具体的には、あるタイミングにおけるサーボ光の照射位置から基準走査軌跡をもとに次のタイミングの照射位置（以下、「基準照射位置」という）を求める。そして、次のタイミングにて実際に検出されたサーボ光の照射位置が基準照射位置からずれた場合には、これを基準照射位置に引き込むよう、ミラーが駆動制御される。
The drive control of the mirror is based on the intended scanning locus of the servo light, that is, the scanning locus that appears on the
この場合、基準照射位置は、基準走査軌跡を関数により近似化した算出式に基づいて求められる。ところが、基準走査軌跡が湾曲していると、これを関数により近似化するのが難しく、また、近似化できたとしても、その算出式は多次多項式を含むものとなる。この場合、次のタイミングの基準照射位置の算出のために多次多項式による複雑な演算が必要となり、また、近似化された算出式と基準走査軌跡の間にずれがあると、算出された基準照射位置には誤差が含まれてしまう。 In this case, the reference irradiation position is obtained based on a calculation formula obtained by approximating the reference scanning locus with a function. However, if the reference scanning trajectory is curved, it is difficult to approximate it with a function, and even if it can be approximated, the calculation formula includes a multi-degree polynomial. In this case, a complex calculation using a multi-order polynomial is required to calculate the reference irradiation position at the next timing, and if there is a deviation between the approximated calculation formula and the reference scanning locus, the calculated reference An error is included in the irradiation position.
これに対し、基準走査軌跡の直線性が高いと、１次の算出式にて基準走査軌跡を近似化することができ、演算処理が簡易なものとなる。また、近似化された算出式と基準走査軌跡の間にずれが生じ難く、算出された基準照射位置には誤差が含まれ難い。よって、目標領域におけるレーザ光の走査制御を簡易かつ高精度に行うには、光検出器６０３上におけるサーボ光の走査軌跡がなるべく直線に近い方が望ましい。
On the other hand, if the linearity of the reference scanning locus is high, the reference scanning locus can be approximated by a primary calculation formula, and the arithmetic processing becomes simple. Further, it is difficult for a deviation to occur between the approximated calculation formula and the reference scanning trajectory, and the calculated reference irradiation position does not easily include an error. Therefore, in order to perform the laser beam scanning control in the target region easily and with high accuracy, it is desirable that the scanning locus of the servo light on the
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、目標領域におけるレーザ光の走査制御を簡易かつ高精度に行い得るビーム照射装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a beam irradiation apparatus that can perform laser beam scanning control in a target region easily and with high accuracy.
本発明は、目標領域においてレーザ光を走査させるビーム照射装置において、前記レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光が入射されるミラーと、前記ミラーを第１の軸と当該第１の軸に垂直な第２の軸を回動軸としてそれぞれ第１の方向および第２の方向に回動させるアクチュエータと、前記アクチュエータに配され前記ミラーの回動に伴って前記第１の方向および第２の方向に回動する光屈折素子と、前記光屈折素子にサーボ光を照射するサーボ光源と、前記光屈折素子によって屈折され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備える。そして、前記目標領域において前記レーザ光を走査させる際の前記第１の方向と前記第２の方向の回動範囲の中間位置に前記ミラーが位置するときに、前記サーボ光が前記光屈折素子の入射面に垂直に入射するよう、前記サーボ光源と前記光屈折素子が配置されている。 The present invention provides a beam irradiation apparatus that scans laser light in a target region, a laser light source that emits the laser light, a mirror that receives the laser light emitted from the laser light source, and the mirror that has a first axis. And an actuator that rotates in a first direction and a second direction, respectively, with a second axis perpendicular to the first axis as a rotation axis, and the rotation of the mirror disposed in the actuator. A photorefractive element that rotates in the first direction and the second direction; a servo light source that irradiates the photorefractive element with servo light; and the servo light refracted by the photorefractive element is received at the light receiving position. And a photodetector that outputs a corresponding signal. When the mirror is positioned at an intermediate position between the rotation ranges of the first direction and the second direction when the laser beam is scanned in the target area, the servo light is transmitted to the photorefractive element. The servo light source and the photorefractive element are arranged so as to be perpendicularly incident on the incident surface.
本発明によれば、目標領域においてレーザ光を水平に走査させたときの光検出器上におけるサーボ光の走査軌跡がほぼ直線状となる。よって、目標領域におけるレーザ光の走査制御を簡易な処理にて高精度に行うことができる。 According to the present invention, the scanning trajectory of the servo light on the photodetector when the laser light is scanned horizontally in the target area is substantially linear. Therefore, the laser beam scanning control in the target area can be performed with high accuracy by a simple process.
本発明において、前記光屈折素子は、前記サーボ光の入射面と出射面が互いに平行な透明体とすることができる。 In the present invention, the photorefractive element may be a transparent body in which the incident surface and the exit surface of the servo light are parallel to each other.
この場合、前記光屈折素子は、その入射面と出射面がミラーの反射面に対して平行となるように配置され得る。こうすると、光検出器上におけるサーボ光の走査軌跡間の間隔を大きくとることができ、照射位置検出の分解能を高めることができる。よって、検出信号の品質を高めることができ、結果、目標領域におけるレーザ光の走査精度を高めることができる。 In this case, the photorefractive element can be arranged such that the incident surface and the exit surface are parallel to the reflecting surface of the mirror. By doing so, the interval between the scanning trajectories of the servo light on the photodetector can be increased, and the resolution of irradiation position detection can be increased. Therefore, the quality of the detection signal can be improved, and as a result, the laser beam scanning accuracy in the target region can be increased.
この他、前記光屈折素子は、その入射面と出射面がミラーの反射面に対して前記第１の方向に４５度傾くように配置され得る。こうすると、たとえば図９に示すように部品配置エリアを広くとることができ、サーボ光源、光屈折素子および光検出器が配置される方のスペースを有効に活用することができる。 In addition, the photorefractive element may be arranged such that the incident surface and the exit surface are inclined by 45 degrees in the first direction with respect to the reflecting surface of the mirror. In this case, for example, as shown in FIG. 9, the component arrangement area can be widened, and the space where the servo light source, the photorefractive element, and the photodetector are arranged can be used effectively.
以上のように、本発明によれば、目標領域におけるレーザ光の走査制御を簡易かつ高精度に行い得るビーム照射装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a beam irradiation apparatus capable of performing laser beam scanning control in a target region easily and with high accuracy.
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。
The effects and significance of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments. However, the embodiment described below is merely an example when the present invention is implemented, and the present invention is not limited to what is described in the following embodiment.
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。なお、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。
FIG. 1 shows a configuration of a
同図（ａ）において、１１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１１と、端部に受け部１１２ａを有する支軸１１２が形成されている。受け部１１２ａには透明体２００の厚みと略同じ寸法の凹部が配され、この凹部に透明体２００の上部が装着される。さらに、ミラーホルダ１１０の前面には平板状のミラー１１３が装着されており、背面にはコイル１１４が装着されている。なお、コイル１１４は、方形状に巻回されている。
In FIG. 1A,
支軸１１２には、上記の如く、受け部１１２ａを介して平行平板状の透明体２００が装着される。ここで、透明体２００は、２つの平面がミラー１１３の鏡面に平行となるようにして支軸１１２に装着される。
As described above, the parallel plate-like
１２０は、ミラーホルダ１１０を支軸１１１、１１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠１２０には、ミラーホルダ１１０を収容するための開口１２１が形成されており、また、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２と係合する溝１２２、１２３が形成されている。さらに、可動枠１２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸１２４、１２５が形成され、背面には、コイル１２６が装着されている。コイル１２６は、方形状に巻回されている。
１３０は、支軸１２４、１２５を軸として可動枠１２０を回動可能に支持する固定枠である。固定枠１３０には、可動枠１２０を収容するための凹部１３１が形成され、また、可動枠１２０の支軸１２４、１２５と係合する溝１３２、１３３が形成されている。さらに、固定枠１３０の内面には、コイル１１４に磁界を印加するマグネット１３４と、コイル１２６に磁界を印加するマグネット１３５が装着されている。なお、溝１３２、１３３は、それぞれ固定枠１３０の前面から上下２つのマグネット１３５間の隙間内まで延びている。
１４０は、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２が可動枠１２０の溝１２２、１２３から脱落しないよう、支軸１１１、１１２を前方から押さえる押さえ板である。また、１４１は、可動枠１２０の支軸１２４、１２５が固定枠１３０の溝１３２、１３３から脱落しないよう、支軸１２４、１２５を前方から押さえる押さえ板である。
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１１０の支軸１１１、１１２を可動枠１２０の溝１２２、１２３に係合させ、さらに、支軸１１１、１１２の前面を押さえるようにして、押さえ板１４０を可動枠１２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１１０が、可動枠１２０によって、回動可能に支持される。
When assembling the
このようにしてミラーホルダ１１０を可動枠１２０に装着した後、可動枠１２０の支軸１２４、１２５を固定枠１３０の溝１３２、１３３に係合させ、さらに、支軸１３２、１３３の前面を押さえるようにして、押さえ板１４１を固定枠１３０の前面に装着する。これにより、可動枠１２０が、回動可能に固定枠１３０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。
After mounting the
ミラーホルダ１１０が可動枠１２０に対し支軸１１１、１１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１１３が回動する。また、可動枠１２０が固定枠１３０に対し支軸１２４、１２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１１０が回動し、ミラーホルダ１１０と一体的にミラー１１３が回動する。このように、ミラーホルダ１１０は、互いに直交する支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５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１１０の回動に伴って、ミラー１１３が２次元方向に回動する。このとき、支軸１１２に装着された透明体２００も、ミラー１１３の回動に伴って回動する。
When the
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１３４は、コイル１１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０に支軸１１１、１１２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１１４に電流を印加すると、コイル１１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１１０が、支軸１１１、１１２を軸として回動する。
In the assembled state shown in FIG. 6B, the two
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１３５は、コイル１２６に電流を印加することにより、可動枠１２０に支軸１２４、１２５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１２６に電流を印加すると、コイル１２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠１２０が、支軸１２４、１２５を軸として回動し、これに伴って、透明体２００が回動する。
Further, in the assembled state shown in FIG. 5B, the two
図２は、ミラーアクチュエータ１００が装着された状態の光学系の構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the optical system in a state where the
図２において、５００は、光学系を支持するベースである。ベース５００には、ミラーアクチュエータ１００の設置位置に開口５０３ａが形成され、この開口５０３ａに透明体２００が挿入されるようにして、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。
In FIG. 2,
ベース５００の上面には、ミラー１１３にレーザ光を導くための光学系４００が装着されている。この光学系４００は、レーザ光源４０１と、ビーム整形用のレンズ４０２、４０３からなっている。レーザ光源４０１は、ベース５００の上面に配されたレーザ光源用の基板４０１ａに装着されている。
An
レーザ光源４０１から出射されたレーザ光は、レンズ４０２、４０３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。レンズ４０２、４０３は、目標領域（たとえば、ビーム照射装置の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）になるよう設計されている。
Laser light emitted from the
レンズ４０２は、鉛直方向にレンズ効果があるシリンドリカルレンズであり、レンズ４０３は、レーザ光を略平行光とするための非球面レンズである。レーザ光源から出射されたビームは、鉛直方向と水平方向で広がり角が異なる。１つ目のレンズ４０２は、鉛直方向と水平方向におけるレーザ光の広がり角の比率を変える。２つ目のレンズ４０３は、出射ビームの広がり角(鉛直方向と水平方向の両方）の倍率を変える。
The
レンズ４０２、４０３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１１３に入射し、ミラー１１３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１１３が２軸駆動されることにより、レーザ光が目標領域内において２次元方向にスキャンされる。
The laser light that has passed through the
ミラーアクチュエータ１００は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、レンズ４０３からのレーザ光がミラー１１３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。なお、「中立位置」とは、ミラー面が鉛直方向に対し平行で、且つ、レーザ光が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ときのミラー１１３の位置をいう。
The
ベース５００の下面には、回路基板３００が配されている。さらに、ベース５００の裏面にも回路基板３０１、３０２が配されている。
A
図３は、ベース５００を裏面側から見たときの一部平面図である。図３には、ベース５００の裏側のうちミラーアクチュエータ１００が装着された位置近傍の部分が示されている。
FIG. 3 is a partial plan view of the base 500 when viewed from the back side. FIG. 3 shows a portion near the position where the
図示の如く、ベース５００の裏側周縁には、壁５０１、５０２が形成されており、壁５０１、５０２よりも中央側は、壁５０１、５０２よりも一段低い平面５０３となっている。壁５０１の近傍に、半導体レーザ３０３が装着された回路基板３０１が装着されている。他方、壁５０２の近傍には、ＰＳＤ３０８が装着された回路基板３０２が装着されている。
As shown in the figure,
ベース５００裏側の平面５０３には、取り付け具３０７によって集光レンズ３０４と、アパーチャ３０５と、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ３０６が装着されている。さらに、この平面５０３には開口５０３ａが形成されており、この開口５０３ａを介して、ミラーアクチュエータ１００に装着された透明体２００がベース５００の裏側に突出している。
A condensing
ここで、透明体２００は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３が中立位置にあるときに、２つの平面が、鉛直方向に平行で、且つ、半導体レーザ３０３の出射光軸に対し垂直となるように位置づけられる。すなわち、半導体レーザ３０３、集光レンズ３０４、アパーチャ３０５、ＮＤフィルタ３０６およびＰＳＤ３０８は、ミラー１１３が中立位置にあるときに半導体レーザ３０３の光軸が透明体２００の２つの平面（入射面、出射面）に垂直となるよう配置される。
Here, the
半導体レーザ３０３から出射されたレーザ光（以下、「サーボ光」という）は、集光レンズ３０４を透過した後、アパーチャ３０５によってビーム径が絞られ、さらにＮＤフィルタ３０６によって減光される。その後、サーボ光は、透明体２００に入射され、透明体２００によって屈折作用を受ける。しかる後、透明体２００を透過したサーボ光は、ＰＳＤ３０８によって受光され、ＰＳＤ３０８から、受光位置に応じた位置検出信号が出力される。
Laser light emitted from the semiconductor laser 303 (hereinafter referred to as “servo light”) passes through the
たとえば、ミラー１１３が中立位置から水平方向に回転すると、これに伴い透明体２００が同図（ｂ）のように回動し、透明体２００を透過したのちのサーボ光の光路がＬ１からＬ２へと変位する。その結果、ＰＳＤ３０８上におけるサーボ光の照射位置が変化し、ＰＳＤ３０８から出力される位置検出信号が変化する。
For example, when the
図４は、目標領域におけるレーザ光の走査状態と、ＰＳＤ３０８上におけるサーボ光の走査状態を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a scanning state of the laser light in the target area and a scanning state of the servo light on the
本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、レーザ光が目標領域において水平にスキャンされる。また、水平方向の走査ラインは鉛直方向に３段設定されている。このため、目標領域中央（走査ライン２）から鉛直方向にずれた位置にある２つの走査ラインでは、同図（ｂ）に示すように、レーザ光を、水平方向から所定角度（目標の走査ラインに応じた角度）だけ鉛直方向（＋α方向または−α方向）に振った状態で、水平方向に走査させる必要がある。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the laser beam is scanned horizontally in the target area. Further, the horizontal scanning lines are set in three stages in the vertical direction. For this reason, as shown in FIG. 2B, in the two scanning lines at positions shifted in the vertical direction from the center of the target area (scanning line 2), the laser beam is emitted from the horizontal direction at a predetermined angle (target scanning line). It is necessary to scan in the horizontal direction while swinging in the vertical direction (+ α direction or −α direction) by an angle corresponding to the angle.
ところが、本実施の形態に係るミラーアクチュエータでは、一方の軸（支軸１２４、１２５）を回動軸としてミラー１１３を鉛直方向に回動させた状態で、他方の軸（支軸１１１、１１２）を回動軸としてミラー１１３を水平方向に回動させると、目標領域におけるレーザ光の走査軌跡は図４（ａ）のように水平とはならず、水平から傾いた状態となる。このため、このミラーアクチュエータでは、各走査ラインに対するスキャン動作時に、スキャン軌跡が水平となるよう、ミラー１１３を、支軸１１１、１１２を回動軸として水平方向に回動させると同時に、支軸１２４、１２５を回動軸として鉛直方向に回動させる必要がある。
However, in the mirror actuator according to the present embodiment, one of the shafts (
このとき、本実施の形態では、ミラー１１３が中立位置にあるときに、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に垂直となっているため、ＰＳＤ３０８上におけるサーボ光の各走査軌跡は、図４（ｃ）に示すものとなる。なお、図４（ｃ）に図示された３本の点線矢印は、図４（ａ）の各走査ラインに対応するサーボ光の走査軌跡を表している。すなわち、上段、中段、下段の走査軌跡は、それぞれ、走査ライン１、２、３をレーザ光が走査したときのサーボ光の走査軌跡である。
At this time, in this embodiment, since the optical axis of the servo light is perpendicular to the incident surface and the exit surface of the
ここで、それぞれの走査軌跡は、直線性の高いものとなっている。このため、これら走査軌跡が直線であると近似して目標領域におけるレーザ光の走査制御を行った場合にも、レーザ光の走査制御を適正に行うことができる。 Here, each scanning locus is highly linear. Therefore, even when the scanning trajectory is approximated to be a straight line and the laser light scanning control is performed in the target region, the laser light scanning control can be appropriately performed.
＜検証例１＞
以下、この効果の検証結果（シミュレーション）について説明する。
<Verification Example 1>
Hereinafter, the verification result (simulation) of this effect will be described.
図５（ａ）は、実施例における光学系を示す図、図５（ｂ）は、比較例における光学系を示す図である。図において、４０５は、目標領域に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザである。その他の付番の構成部材は、上記実施の形態にて用いた付番の構成部材と同じである。
FIG. 5A is a diagram showing the optical system in the example, and FIG. 5B is a diagram showing the optical system in the comparative example. In the figure,
なお、ここでは、ミラー１１３の直下位置に透明体２００が配置されている。ミラー１１３と透明体２００は、実施例においても比較例においても、共に、中立位置において、半導体レーザ４０５からのレーザ光がミラー１１３に４５度の傾きをもって入射するよう配置されている。また、同図（ａ）の実施例では、上記実施の形態と同様、中立位置において、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に対し垂直となっている。これに対し、同図（ｂ）の比較例では、中立位置において、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に対し水平方向に４５度の傾きをもっている。
Here, the
その他のシミュレーション条件は、以下のとおりである。
ａ．サーボ光の波長：６５０ｎｍ
ｂ．透明体の屈折率：１．５
ｃ．透明体の厚み ：３ｍｍ
Other simulation conditions are as follows.
a. Servo light wavelength: 650 nm
b. Refractive index of transparent body: 1.5
c. Transparent body thickness: 3 mm
この条件により、レーザ光を、図４（ａ）の各走査ラインにおいて、走査ラインの中点から±２２．５度の範囲で水平方向に走査させたとして、ＰＳＤ３０８上におけるサーボ光の走査軌跡をシミュレーションにより求めた。ここで、中央にある走査ライン２ではレーザ光の光軸が水平であるとし、走査ライン１と走査ライン３では、それぞれ、レーザ光の光軸が水平から図４（ｂ）の＋α方向と−α方向に５度ずつ傾いているとした。
Under this condition, assuming that the laser beam is scanned in the horizontal direction within a range of ± 22.5 degrees from the midpoint of the scan line at each scan line in FIG. Obtained by simulation. Here, it is assumed that the optical axis of the laser beam is horizontal in the scanning line 2 at the center, and the optical axis of the laser beam is horizontal from the horizontal in the
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、比較例と実施例に対するシミュレーション結果を示す図である
同図（ａ）を参照すると、比較例では、中段の走査軌跡は直線状になっているが、上段と下段の走査軌跡は全体に湾曲しており、特に、Ａ１、Ａ２に示す走査軌跡の端部では湾曲の度合が大きくなっている。
6A and 6B are diagrams showing simulation results for the comparative example and the example, respectively. Referring to FIG. 6A, in the comparative example, the scanning trajectory in the middle stage is linear. However, the upper and lower scanning trajectories are entirely curved, and the degree of curvature is particularly large at the ends of the scanning trajectories indicated by A1 and A2.
これに対し、実施例では、同図（ｂ）に示す如く、中段のみならず上段と下段の走査軌跡もほぼ直線状となっており、走査軌跡の直線性が高く維持されている。実施例では、たとえば、同図（ｂ）のＢ１、Ｂ２を参照して分かるとおり、走査軌跡の端部においても直線性が維持されている。 On the other hand, in the embodiment, as shown in FIG. 7B, the upper and lower scanning trajectories as well as the middle stage are almost linear, and the linearity of the scanning trajectory is maintained high. In the embodiment, for example, as can be seen with reference to B1 and B2 in FIG. 5B, linearity is maintained even at the end of the scanning locus.
かかるシミュレーション結果から、ミラー１１３が中立位置にあるときに、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に垂直となるよう、サーボ用光学系の配置を調整することにより、ＰＳＤ３０８上における基準走査軌跡を略直線状にできることが分かる。
From this simulation result, by adjusting the arrangement of the servo optical system so that the optical axis of the servo light is perpendicular to the entrance surface and the exit surface of the
＜検証例２＞
上記検証例１では、透明体２００がミラー１１３に平行に配置されたが、本検証では、図７（ａ）に示すように、透明体２００がミラー１１３に対し水平方向に４５度傾いた状態となっている。本検証においても、同図（ａ）の実施例では、中立位置においてサーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に対し垂直となっている。比較例におけるサーボ用光学系の配置は、上記検証例の場合と同じである。その他のシミュレーション条件は、検証例１と同様である。
<Verification Example 2>
In the verification example 1, the
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、比較例と実施例に対するシミュレーション結果を示す図である。なお、比較例のシミュレーション結果は、上記検証例１の場合と同じであるが、比較の便宜上、同図（ａ）に示した。 FIGS. 8A and 8B are diagrams showing simulation results for the comparative example and the example, respectively. The simulation result of the comparative example is the same as in the case of the verification example 1, but is shown in FIG.
本検証例においても、実施例では、同図（ｂ）に示す如く、中段のみならず、上段および下段の走査軌跡もほぼ直線状となっており、走査軌跡の直線性が高く維持されている。実施例では、たとえば、同図（ｂ）のＣ１、Ｃ２を参照して分かるとおり、走査軌跡の端部においても直線性が維持されている。 Also in this verification example, in the embodiment, as shown in FIG. 5B, not only the middle stage but also the upper and lower scanning trajectories are substantially linear, and the linearity of the scanning trajectory is maintained high. . In the embodiment, for example, as can be seen with reference to C1 and C2 in FIG. 5B, linearity is maintained even at the end of the scanning locus.
かかるシミュレーション結果から、ミラー１１３に対する透明体２００の配置を図７（ａ）のように変更しても、ミラー１１３が中立位置にあるときに、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に垂直となるよう、サーボ用光学系の配置を調整しておけば、ＰＳＤ３０８上における基準走査軌跡を略直線状に維持できることが分かる。
From this simulation result, even if the arrangement of the
以上、２つのシミュレーション結果から確認されたとおり、サーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に垂直となるよう、サーボ用光学系の配置を調整することにより、ＰＳＤ３０８上における基準走査軌跡の直線性を高めることができる。この場合、基準走査軌跡（目標領域においてレーザ光を水平に走査させたときのサーボ光走査軌跡）を１次関数にて近似することができ、サーボ光を基準走査軌跡に追従させる際の演算処理を簡易なものとすることができる。
As described above, as confirmed from the two simulation results, the reference scanning on the
また、このように基準走査軌跡の直線性が高い場合には、近似化された関数と基準走査軌跡の間にずれが生じ難い。よって、この関数をもとに次のタイミングにおけるサーボ光の照射位置（基準照射位置）を求めると、求めた基準照射位置には誤差が含まれ難くなる。したがって、基準照射位置と実際のサーボ光の照射位置との差分から目標領域におけるレーザ光の走査を制御する場合には、レーザ光の走査位置を所期の走査軌跡（図４（ａ）参照）に適正に追従させることができる。 Further, when the linearity of the reference scanning locus is high as described above, it is difficult for a deviation to occur between the approximated function and the reference scanning locus. Therefore, if the servo light irradiation position (reference irradiation position) at the next timing is obtained based on this function, the obtained reference irradiation position does not easily include an error. Therefore, when laser beam scanning in the target area is controlled from the difference between the reference irradiation position and the actual servo light irradiation position, the laser light scanning position is set to the intended scanning locus (see FIG. 4A). Can be properly followed.
なお、以上２つの検証結果を示したが、両検証結果を比較すると、さらに以下の効果を確認できる。 In addition, although the two verification results have been shown above, the following effects can be further confirmed by comparing the two verification results.
図９（ａ）および（ｂ）は、検証例１、２の検証結果を並べて示したものである。両図を比較して分かるとおり、サーボ光の走査軌跡間の間隔Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、検証例２よりも検証例１の方が広くなる。このため、図４（ｃ）の電極Ｙ１−Ｙ２による照射位置検出の分解能は、検証例２よりも検証例１の方が高くなる。よって、検出信号の品質を高めるためには、検証例２のように透明体２００をミラー１１３に対して４５度傾けるよりも、検証例１のように透明体２００をミラー１１３に平行に配置する方が有利であると言える。
FIGS. 9A and 9B show the verification results of Verification Examples 1 and 2 side by side. As can be seen by comparing the two figures, the intervals G1, G2, and G3 between the servo light scanning trajectories are larger in the verification example 1 than in the verification example 2. For this reason, the resolution of the irradiation position detection by the electrodes Y1-Y2 in FIG. 4C is higher in the verification example 1 than in the verification example 2. Therefore, in order to improve the quality of the detection signal, the
ただし、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、ベース４００の裏面スペースを有効活用する観点からは、検証例１のように透明体２００をミラー１１３に平行に配置するよりも、検証例２のように透明体２００をミラー１１３に対して４５度傾けた方が有利であると言える。すなわち、同図（ｂ）のように透明体２００をミラー１１３に対して４５度傾けて配置すると、裏面スペースに残される部品配置エリアを広くとることができ、この部品配置エリアを用いて、たとえば、図２の回路基板３００上に実装される背の高い（３〜１０ｍｍ程度）電子部品（たとえば、電源系を構成する電解コンデンサやコイル、レギュレータ等）を円滑に収容することができる。
However, as shown in FIGS. 10A and 10B, from the viewpoint of effectively using the back surface space of the
なお、走査軌跡間の間隔Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、検証例１のように透明体２００をミラー１１３に平行に配置する場合が最大となり、透明体２００がミラー１１３に対して垂直になるにつれて小さくなる。よって、照射位置検出の分解能を最良とするには、検証例１のように、透明体２００をミラー１１３に平行に配置するが望ましい。
Note that the intervals G1, G2, and G3 between the scanning trajectories are maximized when the
なお、上記検証例１、２の効果は、図１１（ａ）、（ｂ）のように半導体レーザ３０３とＰＳＤ３０８の位置関係を逆転させても同様に奏され得る。また、上記検証例１、２の検証結果によると、水平方向における透明体２００とミラー１１３の間の角度がゼロ（検証例１）から４５度（検証例２）の間である場合や、たとえば、図１２（ａ）に示すように、４５度を超える場合も、中立位置においてサーボ光の光軸が透明体２００の入射面と出射面に垂直になっている限り、走査軌跡の直線性は維持されるものと予測できる。
Note that the effects of the first and second verification examples 1 and 2 can be obtained in the same manner even when the positional relationship between the
ただし、図１２（ｂ）のように、水平方向における透明体２００とミラー１１３の間の角度が９０度である場合には、図１の支軸１２５を軸として、中立位置からミラー１１３が鉛直方向に回動しても、サーボ光の光軸は透明体２００の入射面と出射面に対して垂直なままとなり、ＰＳＤ３０８上においてサーボ光の変位は生じない。つまり、図１２（ｂ）のように透明体２００を配置すると、ミラー１１３の鉛直方向の回動を適正に検出できなくなる。このことから、透明体２００の配置は、少なくともミラー１１３に対して９０度とならないように調整される必要がある。
However, as shown in FIG. 12B, when the angle between the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態によって何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施形態も上記の他に種々の変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and the embodiment of the present invention can be variously modified in addition to the above.
たとえば、上記実施の形態では、サーボ光用の光源として半導体レーザを用いたが、これに替えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることもできる。また、上記実施の形態では、サーボ光を受光する光検出器としてＰＳＤを用いたが、光検出器として他の検出器、たとえば、４分割センサを用いることもできる。 For example, in the above embodiment, a semiconductor laser is used as a light source for servo light, but instead of this, an LED (Light Emitting Diode) may be used. Moreover, in the said embodiment, PSD was used as a photodetector which receives a servo beam, However, Other detectors, for example, a 4-part dividing sensor, can also be used as a photodetector.
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。 In addition, the embodiment of the present invention can be variously modified as appropriate within the scope of the technical idea shown in the claims.
１００ ミラーアクチュエータ
１１０ ミラーホルダ
１１１ 支軸
１１２ 支軸
１１３ ミラー
１２０ 可動枠
１２４ 支軸
１２５ 支軸
１３０ 固定枠
２００ 透明体
３０３ 半導体レーザ
３０８ ＰＳＤ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光が入射されるミラーと、
前記ミラーを第１の軸と当該第１の軸に垂直な第２の軸を回動軸としてそれぞれ第１の方向および第２の方向に回動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに配され前記ミラーの回動に伴って前記第１の方向および第２の方向に回動する光屈折素子と、
前記光屈折素子にサーボ光を照射するサーボ光源と、
前記光屈折素子によって屈折され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備え、
前記目標領域において前記レーザ光を走査させる際の前記第１の方向と前記第２の方向の回動範囲の中間位置に前記ミラーが位置するときに、前記サーボ光が前記光屈折素子の入射面に垂直に入射するよう、前記サーボ光源と前記光屈折素子が配置されている、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In a beam irradiation apparatus that scans a laser beam in a target area,
A laser light source for emitting the laser light;
A mirror on which laser light emitted from the laser light source is incident;
An actuator for rotating the mirror in a first direction and a second direction about a first axis and a second axis perpendicular to the first axis as a rotation axis;
A photorefractive element disposed in the actuator and rotating in the first direction and the second direction as the mirror rotates;
A servo light source for irradiating the photorefractive element with servo light;
A photodetector that receives the servo light refracted by the photorefractive element and outputs a signal corresponding to the light receiving position;
When the mirror is positioned at an intermediate position between the rotation ranges of the first direction and the second direction when the laser beam is scanned in the target area, the servo light is incident on the photorefractive element. The servo light source and the photorefractive element are arranged so as to be perpendicularly incident on
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記光屈折素子は、前記サーボ光の入射面と出射面が互いに平行な透明体からなっている、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In claim 1,
The photorefractive element is made of a transparent body in which the incident surface and the emission surface of the servo light are parallel to each other.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記光屈折素子は、前記入射面と前記出射面が前記ミラーの反射面に対して平行となるように配置されている、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In claim 2,
The photorefractive element is arranged such that the incident surface and the exit surface are parallel to the reflecting surface of the mirror.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記光屈折素子は、前記入射面と前記出射面が前記ミラーの反射面に対して前記第１の方向に４５度傾くように配置されている、
ことを特徴とするビーム照射装置。
In claim 2,
The photorefractive element is disposed such that the incident surface and the exit surface are inclined by 45 degrees in the first direction with respect to the reflecting surface of the mirror.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008191532A JP2010032221A (en) | 2008-07-24 | 2008-07-24 | Beam irradiation apparatus |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109443219A (en) * | 2018-11-05 | 2019-03-08 | 北方民族大学 | New Displacement Transducer and its measurement method with refracting telescope |
-
2008
- 2008-07-24 JP JP2008191532A patent/JP2010032221A/en not_active Withdrawn
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