JP2010048564A - ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供する。
【解決手段】ビーム走査用のミラー１１３に伴って回動する透明体２００を配する。この透明体２００にサーボ光を照射し、透明体２００によって屈折されたサーボ光をＰＳＤ３０８にて受光する。ＰＳＤ３０８の受光光量に応じた出力（ＳＵＭ出力）を生成し、この出力が基準値（Ｖref）に一致するよう、半導体レーザ３０３の出力を制御する。このように制御することで、透明体２００が回動しても、ＰＳＤ３０８の受光光量は略一定となり、ＰＳＤ出力に含まれる誤差を抑制できる。また、ＰＳＤ３０８の受光光量が極端に低下した場合、ＳＵＭ出力の替わりにモニター用ＰＤ３０３ａの出力をサーボ光の出力制御に用いる。これにより、半導体レーザ３０３に過電流が流れることを防ぐことができる。
【選択図】図６

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ダ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。

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。

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。

また、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た。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、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。

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。

図９は、このように別部材の回動位置を検出する際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光性部材を用いる場合の構成例、同図（ｂ）は、別部材としてミラー部材を用いる場合の構成例である。

同図（ａ）において、６０１は半導体レーザ、６０２は透光性部材、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は、レーザ光軸に対し傾いて配置された透光性部材６０２によって屈折され、光検出器６０３に受光される。ここで、透光性部材６０２が矢印のように回動すると、レーザ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６０３上におけるレーザ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６０３にて検出されるレーザ光の受光位置によって、透光性部材６０２の回動位置を検出することができる。

同図（ｂ）において、６１１は半導体レーザ、６１２はミラー部材、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は、レーザ光軸に対し傾いて配置されたミラー部材６１２によって反射され、光検出器６１３に受光される。ここで、ミラー部材６１２が矢印のように回動すると、レーザ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６１３上におけるレーザ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６１３にて検出されるレーザ光の受光位置によって、ミラー部材６１２の回動位置を検出することができる。

ここで、ミラー部材６１２が、同図（ｂ）にように角度αだけ回動すると、ミラー部材６１２によって反射された後のレーザ光の振り角は２αとなる。このため、光検出器６１３の受光面を大きくする必要がある。これに対し、同図（ａ）のように透光性部材６０２を用いると、透光性部材６０２を回動させても、これを透過した後のレーザ光の振れ幅はそれほど大きくならない。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。
特開平１１−８３９８８号公報

上記図９（ａ）の構成において、半導体レーザ６０１は、通常、出射パワーが一定となるよう制御される。一般に、このパワー制御は、レーザパッケージ内にあるモニター用ＰＤ（Photo Detector）からの出力をもとに行われる。すなわち、モニター用ＰＤからの出力が予め決められた大きさとなるよう、半導体レーザ６０１の出射パワーが制御される。

しかしながら、上記のように透光性部材６０２を回動させる場合には、その回動に伴って、透光性部材６０２のレーザ光入射面および出射面にて反射される光の割合が変化する。このため、半導体レーザ６０１の出射パワーが一定であると、光検出器６０３にて受光されるレーザ光の光量が透光性部材６０２の回動に伴って変化し、これにより、光検出器６０３から出力される位置検出信号に誤差が生じるようになる。この誤差は、目標領域におけるレーザ光の走査位置の検出精度に影響する。

本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することを目的とする。

本発明に係るビーム照射装置は、所定方向に回動されることによりレーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、前記光学素子を前記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光学素子の回動に伴って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第１の光検出器と、前記サーボ光源の出射パワーを調整するパワー調整回路とを備える。ここで、前記パワー調整回路は、前記第１の光検出器からの出力信号に基づいて、前記第１の光検出器における前記サーボ光の受光光量が一定となるように前記出射パワーを調整する第１の調整系と、前記第１の光検出器からの出力信号の異常を判定する異常判定部と、前記異常が判定されたとき、前記第１の光検出器からの出力信号とは別の参照信号に基づいて、前記出射パワーを調整する第２の調整系とを備える。

本発明によれば、前記第１の光検出器におけるサーボ光の受光光量が一定となるようにサーボ光源の出射パワーが調整されるため、光学素子の変位に伴って光屈折素子が変位し、これに応じて光屈折素子の光入射面および光出射面にて反射される光の割合が変化しても、光検出器に導かれるサーボ光の光量が略一定に保たれる。よって、前記第１の光検出器から出力される位置検出信号の誤差を抑制することができ、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。

なお、本発明に係る構成では、何らかの原因で、前記第１の光検出器におけるサーボ光の受光光量が極端に減少することが起こり得る。この場合、第１の調整系によって出射パワーの調整を行うと、前記サーボ光源に過電流が流れ、前記サーボ光源が破壊されてしまう惧れがある。

この問題を解決するために、本発明では、前記第１の光検出器からの出力信号の異常を判定する異常判定部が配されている。そして、この異常判定部において異常と判定されれば、前記第１の光検出器からの出力信号とは別の参照信号に基づいて、前記出射パワーが調整され、前記サーボ光源に過電流が流れるのが回避される。

本発明において、前記第１の調整系は、前記第１の光検出器における前記サーボ光の総受光光量に応じた信号を生成する演算回路を備える構成とすることができ、この場合、第１の調整系は、当該演算回路にて生成された信号に基づいて前記出射パワーを調整する。

また、本発明において、前記第２の調整系は、前記サーボ光の出射光量をモニターする第２の光検出器を備える構成とすることができ、前記参照信号は、前記第２の光検出器からの出力信号とすることができる。ここで、サーボ光源が半導体レーザである場合、半導体レーザ内に装備されているモニター用ＰＤ（Photo-Detector）を前記第２の光検出器として用いることができる。この場合、第２の光検出器を別に配する必要がないため、部品点数の削減と構成の簡素化を図ることができる。

さらに、本発明のビーム照射装置は、前記サーボ光源に対する過電流を抑制する過電流保護素子をさらに備える構成とすることができる。こうすると、第１の調整系による調整が行われている場合、あるいは、第２の調整系による調整に切り替えられている場合に、何らかの要因によってサーボ光源に過電流が供給されようとしても、過電流保護素子によって、前記サーボ光源に過電流が流れるのを防止することができる。これにより、過電流によるサーボ用光源の損傷ないし破壊をより徹底して回避することができる。

本発明において、前記光屈折素子は平板形状の透光性部材とすることができ、前記光学素子はミラーとすることができる。

さらに、本発明において、前記アクチュエータは、前記光学素子を第１の方向に回動可能に支持する第１の支持部と、前記第１の支持部を前記第１の方向とは異なる第２の方向に回動可能に支持する第２の支持部と、前記第１の支持部と前記第２の支持部を前記第１の方向および前記第２の方向に駆動する電磁駆動部とを有する構成とすることができる。

また、前記光屈折素子は、前記光学素子を回動する回動軸に装着することができる。こうすると、光学素子の挙動を光屈折素子にダイレクトに反映させることができるため、光屈折素子における回動位置の検出結果から、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置を高精度に検出することができる。

以上のとおり、本発明によれば、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することができる。併せて、本発明によれば、過電流によるサーボ光源の損傷ないし破壊を抑制することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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次元方向にスキャンされる。

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。

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の裏面と側面にも回路基板３０１、３０２が配されている。

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。

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には、半導体レーザ３０３を装着するための開口が形成されている。この開口に半導体レーザ３０３を挿入するようにして、半導体レーザ３０３が装着された回路基板３０１が壁５０１の外側面に装着されている。半導体レーザ３０３のパッケージ内には、半導体レーザ３０３のレーザ光をモニターするためのモニター用ＰＤ３０３ａが設置されている。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。

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。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４５度傾くように位置づけられる。

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。

ここで、サーボ光は、透明体２００の入射面２００ａと出射面２００ｂ（同図（ｂ）参照）によって一部が反射される。このときの反射光量は、透明体２００の回動位置に応じて変化する。すなわち、目標領域の走査時に、ミラー１１３が回動し、これに伴い透明体２００が回動すると、透明体２００の反射率・透過率が角度によって変化するため、透明体２００の入射面２００ａと出射面２００ｂによるサーボ光の反射光量が変化する。このため、半導体レーザ３０３の出射パワーが一定であると、透明体２００の回動によってＰＳＤ３０８における受光量が変化し、これに起因して、ＰＳＤ３０８からの位置検出信号に誤差が生じる。

本実施の形態では、かかる不都合を回避するために、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量が一定となるよう、半導体レーザ３０３の出射パワーが制御される。このように出射パワーを制御するための構成については、追って、図５および図６を参照して説明する。

図４（ａ）は、ＰＳＤ３０８の構成を示す図（側断面図）、図４（ｂ）はＰＳＤ３０８の受光面を示す図である。

図４（ａ）を参照して、ＰＳＤ３０８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。

たとえば、図５（ａ）の位置Ｐにサーボ光が照射されたとする。この場合、受光面のセンターを基準点とする位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流量をそれぞれＩｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２、Ｘ方向およびＹ方向における電極間の距離をＬｘ、Ｌｙとすると、たとえば、以下の式によって算出される。

図５（ｂ）は、この算出式を実現する演算回路の構成を示す図である。電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２は、アンプ２１、２２、２３、２４によって増幅される。そして、加算回路２５、２７によって、それぞれ、（Ｉｘ２ ＋ Ｉｘ１）、（Ｉｙ２ ＋ Ｉｙ１）の演算が行われ、また、減算回路２６、２８によって、それぞれ、（Ｉｘ２ − Ｉｘ１）と（Ｉｙ２ − Ｉｙ１）の演算が行われる。さらに、除算回路２９、３０によって、それぞれ、式（１）および式（２）の左辺の除算が行われ、この除算回路２９、３０から、サーボ光の受光位置ＰにおけるＸ方向位置（２ｘ／Ｌｘ）とＹ方向位置（２ｙ／Ｌｙ）を示す位置検出信号が出力される。

かかる算出において、透明体２００の回動に伴いＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量が変化すると、上記式（１）および式（２）の左辺の分母と分子が変化する。原理的には、上記式を用いることで、光量に依存しない位置信号の検出が可能であるが、実際には、Ｉ／Ｖ変換回路３のゲイン設定や、Ａ／Ｄ変換回路４のビット数等の条件によって、光量による位置検出の誤差が生じてしまう。この誤差は、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量の変化が小さいほど抑制される。

本実施の形態では、上記の如く、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量が一定となるよう、半導体レーザ３０３の出射パワーが制御される。このため、透明体２００が回動する際のＰＳＤ受光量の変動が抑制され、位置検出信号に含まれる誤差を抑制することができる。

具体的には、図５（ｂ）に示すように、アンプ２１、２２、２３、２４からの信号が加算回路３１によって加算される。加算回路３１からの出力は、ＰＳＤ３０８の総受光光量に相当する大きさとなる。そして、加算回路３１からの出力（ＳＵＭ出力）が一定の大きさとなるように、半導体レーザ３０３の出射パワーが制御される。この制御によって、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量は、透明体２００の回動位置に拘らず略一定となる。

図６は、半導体レーザ３０３の出射パワーを調整するパワー調整回路の構成を示す図である。パワー調整回路は、信号演算回路２と、Ｉ／Ｖ変換回路３と、スイッチング回路６と、オペアンプ７と、電流調整回路８と、電源回路９を備えている。同図には、便宜上、ＰＳＤ３０８からの位置検出信号を処理するための回路（Ａ／Ｄ変換回路４、ＤＳＰ５）が図示されている。なお、図中、１は、サーボ用の光学系であり、上記半導体レーザ３０３と、透明体２００と、ＰＳＤ３０８からなっている。

信号演算回路２は、上記図５の構成を有する。信号演算回路２から出力されるＸ出力、Ｙ出力およびＳＵＭ出力（図５参照）は、それぞれＩ／Ｖ変換回路３によって電圧信号に変換される。このうち、Ｘ出力とＹ出力は、Ａ／Ｄ変換回路４によりデジタル信号に変換され、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５に入力される。ＤＳＰ５は、入力されたＸ出力とＹ出力をもとに、目標領域におけるレーザ光の走査位置を検出し、ミラーアクチュエータ１００の駆動制御や、レーザ光源４０１の駆動制御等を実行する。

Ｉ／Ｖ変換回路３によって電圧信号に変換されたＳＵＭ出力は、スイッチング回路６に入力される。スイッチング回路６は、通常の動作においては、ＳＵＭ出力をレーザパワー調整用の出力（ＡＰＣ用出力）として出力する。ＳＵＭ出力が異常となった場合、モニター用ＰＤ３０３ａからの出力（モニターＰＤ出力）をＡＰＣ用出力として出力する。スイッチング回路６の構成については、追って、図７を参照して説明する。

スイッチング回路６からの出力は、オペアンプ７に入力される。オペアンプ７は、電源回路９から入力される一定レベルの基準電圧Ｖrefとスイッチング回路６からの出力とを比較し、比較結果に応じた制御信号を電流調整回路８に出力する。ここで、オペアンプ７は、スイッチング回路６からの出力が基準電圧Ｖrefになるまで制御信号を増加させ、スイッチング回路６からの出力が基準電圧Ｖrefを超えると、制御信号を低下させる。電流調整回路８は、抵抗とトランジスタから構成され、オペアンプ７から入力される制御信号に比例する大きさの駆動信号を出力する。電流調整回路８から出力された駆動信号は、過電流保護素子１０に通され、半導体レーザ３０３に供給される。過電流保護素子１０の動作については、後述する。

上記のように、通常動作時には、ＳＵＭ出力がスイッチング回路６を介してオペアンプ７に入力される。ミラー１１３の回動に伴って透明体２００が回動し、上記透明体２００における界面反射によって、ＰＳＤ３０８に対するサーボ光の入射光量が減少すると、オペアンプ７に入力されるＳＵＭ出力が基準電圧Ｖrefよりも小さくなり、オペアンプ７から出力される制御信号が増加する。これにより、電流調整回路８から半導体レーザ３０３に供給される駆動電流が増加し、サーボ光の出射パワーが増加する。他方、透明体２００の回動によって、ＰＳＤ３０８に対するサーボ光の入射光量が増加すると、オペアンプ７に入力されるＳＵＭ出力が基準電圧Ｖrefよりも大きくなり、オペアンプ７から出力される制御信号が減少する。これにより、電流調整回路８から半導体レーザ３０３に供給される駆動電流が減少し、サーボ光の出射パワーが減少する。

かかるサーボ動作により、半導体レーザ３０３の出射パワーは、ＳＵＭ出力が基準電圧Ｖrefに一致するよう制御されるため、ＰＳＤ３０８には、透明体２００の回動位置に拘らず、略一定強度のサーボ光が導かれる。

しかしながら、何らかの原因で、ＰＳＤ３０８に対するサーボ光の入射光量が極端に減少する場合がある。原因としては、光学部品の歪み、汚れ、位置ずれ、あるいは設置時のずれが考えられる。また、アクチュエータ１００の暴走によってサーボ光がＰＳＤ３０８に入射しないことも考えられる。この場合、ＰＳＤ３０８に対するサーボ光の入射光量が極端に低下するため、電流調整回路８から半導体レーザ３０３に供給される駆動電流が極端に上昇する。そのため、半導体レーザ３０３に過電流が流れ、場合によっては、半導体レーザ３０３が破壊されてしまうこともある。

かかる過電流の問題を解消するために、モニター用ＰＤ３０３ａおよび過電流保護素子１０が利用される。

モニターＰＤ出力は、Ｉ／Ｖ変換回路１１によって電圧信号に変換される。スイッチング回路６には、モニターＰＤ出力およびＳＵＭ出力が入力される。

ＳＵＭ出力が極端に低下した場合、スイッチング回路６は、ＳＵＭ出力に替えて、モニターＰＤ出力をオペアンプ７に出力する。モニター用ＰＤ３０３ａは、半導体レーザ３０３のパッケージ内に配置されており、光学部品の不具合の影響を受けにくいため、安定した電圧信号を出力する。したがって、ＳＵＭ出力の極端な低下の際に、モニターＰＤ出力をオペアンプ７へ供給することにより、電流調整回路８から半導体レーザ３０３に供給される駆動電流が極端に上昇することを防ぐことができる。

この場合、モニターＰＤ出力は、ＳＵＭ出力の替わりに基準電圧Ｖrefと比較されるため、ＳＵＭ出力と同程度のレベルにある必要がある。Ｉ／Ｖ変換回路１１は、モニター用ＰＤ３０３ａから出力されたモニターＰＤ出力を電圧に変換するとともにＳＵＭ出力と同程度のレベルとなるよう増幅する。

なお、このようにモニターＰＤ出力を用いて半導体レーザ３０３の出力を制御する場合には、上記透明体２００における界面反射のために、ＰＳＤ３０８に一定強度のサーボ光を導くことができない。しかし、この場合も、その時々の温度条件や半導体レーザ３０３の劣化状態等に適合するよう調整されたサーボ光がＰＳＤ３０８に導かれるため、ＳＵＭ出力を用いる場合より精度が劣るものの、ＰＳＤ３０８からの出力をもとに、目標領域におけるレーザ光の照射位置を検出可能である。

なお、透明体２００の表面には、反射防止膜等、界面反射を抑制する手段を配するのが望ましい。こうすると、透明体２００の入射面２００ａと出射面２００ｂにて反射されるサーボ光の割合を抑えることができる。このため、上記のようにモニターＰＤ出力を用いて半導体レーザ３０３の出力を制御する場合にも、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光量の変動を小さくすることができ、結果、位置検出信号に含まれる誤差を抑制することができる。

過電流保護素子１０は、過電流により熱せられると、素子内部の温度が上昇し抵抗値が上昇する素子である。過電流保護素子１０は、電流をオフにすると、素子温度が下がり、元の抵抗値に戻るため、ヒューズのように過電流が流れて断線するごとに交換する必要はない。このように過電流保護素子１０を配置すると、万一、電流調整回路８から過電流が出力された場合においても、過電流保護素子１０の抵抗値が上昇するので、半導体レーザ３０３に過電流が流れるのを防ぐことができる。また、一度過電流保護がなされた場合にも、電流をオフにすれば、再度過電流保護機能を実現できる。なお、過電流保護素子１０としては、たとえば、ポリスイッチ（タイコ・エレクトロニクス・コーポレイションの登録商標）等のポリマーＰＴＣ素子を用いることができる。

以上のように、スイッチング回路６および過電流保護素子１０を配置すると、ＰＳＤ３０８に対するサーボ光の入射光量が極端に低下した場合においても、半導体レーザ３０３に過電流が流れることを防ぐことができる。

図７は、スイッチング回路６の構成例を示す図である。ＳＵＭ出力は、スイッチング回路６内の比較回路４１により、閾値Ｖshと大小比較される。ＳＵＭ出力が閾値Ｖshよりも大きいとき、選択回路４２は端子４２ａを選択し、ＳＵＭ出力をＡＰＣ用出力としてオペアンプ７へ出力する。一方、ＳＵＭ出力が閾値Ｖshよりも小さいとき、選択回路４２は端子４２ｂを選択し、モニターＰＤ出力をＡＰＣ用出力としてオペアンプ７へ出力する。

かかるスイッチング回路６の動作により、ＳＵＭ出力が極端に低下した場合においても、オペアンプ７に供給される電圧信号が極端に低下することはなく、結果、半導体レーザ３０３の損傷を回避することができる。

以上、本実施の形態によれば、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光光量が一定となるよう半導体レーザ３０３の出射パワーが調整されるため、ミラー１１３の回動に伴って透明体２００が回動し、これに応じて透明体２００の光入射面および光出射面にて反射されるサーボ光の割合が変化しても、ＰＳＤ３０８に導かれるサーボ光の光量が略一定に保たれる。よって、ＰＳＤ３０８から出力される位置検出信号の誤差を抑制することができ、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。

また、何らかの原因で、ＰＳＤ３０８の受光量が極端に低下した場合でも、サーボ光の出射パワーを上記のように制御することによって、半導体レーザ３０３に過電流が流れることを防ぐことができる。結果、半導体レーザ３０３の損傷を回避することができる。

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。

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、図８に示す如く、光検出器として４分割センサ３１０を用いることもできる。この場合、サーボ光は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、４分割センサ３１０の中央位置に照射される。また、ビームスポットのＸ方向位置とＹ方向位置は、図示の如く各センサからの出力信号をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とすると、たとえば次式から求められる。

図８には、この算出式を実現する演算回路の構成が併せて示されている。各センサから出力される信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、アンプ５１、５２、５３、５４によって増幅される。そして、加算回路５５、５６、５７、５８によって、それぞれ、（Ｓ１＋Ｓ２）、（Ｓ３＋Ｓ４）、（Ｓ１＋Ｓ４）、（Ｓ２＋Ｓ３）の演算が行われ、また、減算回路５９、６０によって、それぞれ、（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｓ３＋Ｓ４）と（Ｓ１＋Ｓ４）−（Ｓ２＋Ｓ３）の演算が行われる。さらに、加算回路６１によって、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）の演算が行われる。そして、除算回路６２、６３によって、それぞれ、式（３）および式（４）の左辺の除算が行われ、この除算回路６２、６３から、Ｘ方向およびＹ方向におけるサーボ光の受光位置を示す位置検出信号（出力ｘ、ｙ）が出力される。

なお、図８に示す如く、光検出器として４分割センサ３１０を用いる場合には、加算回路６１からの出力信号を用いて、サーボ光のパワー調整が行われる。すなわち、加算回路６１からの出力信号が、ＳＵＭ出力として用いられ、図６のＩ／Ｖ変換回路３を介してスイッチング回路６に入力される。この場合も、上記の場合と同様、半導体レーザ３０３は、４分割センサ３１０に対するサーボ光の受光光量が略一定となるよう、出射パワーが調整される。これにより、上記と同様、透明体２００の回動による位置検出信号の誤差を抑制することができ、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。また、何らかの原因で、ＰＳＤ３０８の受光量が極端に低下した場合でも、上記と同様、半導体レーザ３０３の破壊を防ぐことができる。

上記実施の形態では、図５に示すように、アンプ２１〜２４からの出力を加算してＳＵＭ出力を生成するようにしたが、たとえば、アンプ２１、２２からの出力を加算してＳＵＭ出力を生成するようにしても良く、あるいは、たとえば、アンプ２３、２４からの出力を加算してＳＵＭ出力を生成するようにしても良い。すなわち、ＳＵＭ出力は、ＰＳＤ３０８におけるサーボ光の受光光量を反映するものであれば良い。

また、モニターＰＤ出力を用いて半導体レーザ３０３のパワー調整を行う場合には、光量変動に応じた位置検出信号の誤差をＤＳＰ５において求め、この誤差に基づいて、検出結果を補正することもできる。

また、上記実施の形態では、スイッチング回路６においてＳＵＭ出力が異常と判定された場合に、モニターＰＤ出力が基準電圧Ｖrefに収束するよう半導体レーザ３０３の出力が制御されたが、これに替えて、半導体レーザ３０３の駆動電流が目標値となるように、半導体レーザ３０３の出力を制御することもできる。この場合、ＰＳＤ３０８には一定強度のサーボ光を導くことができないが、上記と同様、半導体レーザ３０３の損傷を回避することができる。なお、このときの目標値として、たとえば、ＳＵＭ出力を用いたパワー制御時（正常動作時）に半導体レーザ３０３に供給された駆動電流値を用いることができる。たとえば、サーボ光がＰＳＤ受光面の中央にある時に半導体レーザ３０３に供給された駆動電流値を所定時間間隔毎に取得しておき、ＳＵＭ出力に異常が生じたときには、その直前または数回前に取得された駆動電流値を目標値として半導体レーザ３０３の出力を制御する。こうすると、そのときの温度条件や半導体レーザ３０３の劣化状態に略適合するよう半導体レーザ３０３の出力を調整することができる。

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 実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図 実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図 実施の形態に係るＰＳＤの構成を示す図 実施の形態に係る位置検出信号の生成方法を説明する図 実施の形態に係るパワー調整回路の構成を示す図 実施の形態に係るスイッチング回路の構成を示す図 実施の形態に係る光検出器の変更例を示す図 光屈折素子およびミラーを用いた位置検出方法を説明する図

符号の説明

２ 信号演算回路（パワー調整回路）
３ Ｉ／Ｖ変換回路（第１の調整系）
６ スイッチング回路（異常判定部）
７ オペアンプ（第１、第２の調整系）
８ 電流調整回路（第１、第２の調整系）
１０ 過電流保護素子
１１ Ｉ／Ｖ変換回路（第２の調整系）
３１ 加算回路（第１の調整系）
４１ 比較回路（異常判定部）
４２ 選択回路（異常判定部）
１００ ミラーアクチュエータ
１１０ ミラーホルダ
１１２ 支軸
１１３ ミラー（光学素子）
１２０ 可動枠
１３０ 固定枠
２００ 透明体（光屈折素子）
３０３ 半導体レーザ（サーボ光源）
３０３ａ モニター用ＰＤ（第２の調整系）
３０８ ＰＳＤ（光検出器）
３１０ ４分割センサ（光検出器）

Claims (8)

1. 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、
   所定方向に回動されることによりレーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、
   前記光学素子を前記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光学素子の回動に伴って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第１の光検出器と、
   前記サーボ光源の出射パワーを調整するパワー調整回路とを備え、
   前記パワー調整回路は；
   前記第１の光検出器からの出力信号に基づいて、前記第１の光検出器における前記サーボ光の受光光量が一定となるように前記出射パワーを調整する第１の調整系と、
   前記第１の光検出器からの出力信号の異常を判定する異常判定部と、
   前記異常が判定されたとき、前記第１の光検出器からの出力信号とは別の参照信号に基づいて、前記出射パワーを調整する第２の調整系とを備える、
   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の調整系は、前記第１の光検出器における前記サーボ光の総受光光量に応じた信号を生成する演算回路を備え、当該演算回路にて生成された信号に基づいて前記出射パワーを調整する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項１または２において、
   前記参照信号は、前記サーボ光の出射光量をモニターする第２の光検出器からの出力信号である、
   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、
   前記サーボ光源に対する過電流を抑制する過電流保護素子をさらに備える、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項において、
   前記光屈折素子は、平板形状の透光性部材である、
   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、
   前記光学素子は、ミラーである、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項において、
   前記アクチュエータは、
   前記光学素子を第１の方向に回動可能に支持する第１の支持部と、
   前記第１の支持部を前記第１の方向とは異なる第２の方向に回動可能に支持する第２の支持部と、
   前記第１の支持部と前記第２の支持部を前記第１の方向および前記第２の方向に駆動する電磁駆動部とを有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項において、
   前記光屈折素子は、前記光学素子を回動する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。

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