JP2012068349A - 光走査装置及びこれを用いた光測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光走査部の共振周波数が製造バラツキや温度変化等によって変動しても、光走査部による走査軌跡を変更することなく、光走査部に出力される駆動信号の周波数を上記共振周波数に近づけることのできる光走査装置及びこれを用いた光測距装置を提供する。
【解決手段】光測距装置１は、光反射面を有する可動部が揺動することで該光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査部３、光走査部３に第１、第２駆動信号を出力して可動部を揺動駆動する駆動部５、光反射面に向かってパルス光を出射する光源部７、パルス光の反射光を受光する受光部９及びパルス光を反射した物体までの距離を計測する測距部１１を備える。駆動部５は、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動部の光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置及びこれを用いて対象領域内に存在する物体の距離を計測する光測距装置に関する。

従来から、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置を利用して対象物までの距離を計測する光測距装置が知られている。
この種の光測距装置は、例えば、レーザパルスを出射する光源と、この光源から出射されたレーザパルス光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置と、対象領域内の対象物によって反射されたレーザパルスを受光する受光部と、レーザパルスの出射タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差に基づいて対象物までの距離を計測する測距部と、を備える。光走査装置は、二次元ガルバノミラー等で構成される光走査部及びこの光走査部のミラーを揺動駆動する駆動部を含み、通常は光走査部（二次元ガルバノミラー）の共振現象を利用することによって広範囲な光走査を可能としている。すなわち、駆動部は、二次元ガルバノミラーの直交する二軸（ｘ軸、ｙ軸）回りの共振周波数近傍の周波数を有する二つの駆動信号を所定の位相差を与えつつ二次元ガルバノミラーに供給し、これにより、二次元ガルバノミラーをｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動駆動している。

ここで、上記二次元ガルバノミラーの走査軌跡であるリサージュパターンは、二次元ガルバノミラーをｘ軸回りに揺動駆動する駆動信号とｙ軸回りに揺動駆動する駆動信号との周波数比及び位相差によって決定される。また、上記二次元ガルバノミラーによる走査の一周期であるリサージュ周期は、二次元ガルバノミラーをｘ軸回りに揺動駆動する駆動信号の周波数及びｙ軸回りに揺動駆動する駆動信号の周波数によって決定される。

特開２００４−１５７７９６号公報

ところで、上記のような光測距装置は、対象領域についての測距を繰り返し行うものであり、対象領域内の同じ計測位置（複数位置）にレーザパルスを出射する必要がある。レーザパルスの出射は、通常、予め設定されたタイムテーブルにしたがって行われるため、二次元ガルバノミラーはその走査軌跡（すなわち、リサージュパターン）が変わらないように駆動されなければならない。また、リサージュ周期は、対象領域についての測距時間に影響を与えるため、大幅に変えることはできない。
そのため、光測距装置においては、リサージュパターン及びリサージュ周期が変化しないように、ｘ軸回りに揺動駆動する駆動信号の周波数、ｙ軸回りに揺動駆動する駆動信号の周波数及びこれらの位相差が一定値に固定されているのが一般的である。この場合、二次元ガルバノミラーについて言えば、周波数及びその位相差が固定された二つの駆動信号によって上記光測距装置の仕様（測距可能範囲）を満たすような特性（特にｘ軸回り及びｙ軸回りの共振周波数）を有することが要求される。

しかし、二次元ガルバノミラーは、その製造プロセスに起因する固体バラツキを持っており、上記光測距装置の仕様を満たすような特性を有する二次元ガルバノミラーだけを製造することは難しい。そのため、製造後の調整プロセスや製造後の選別等が必要になって製造コストが上昇してしまうという課題がある。
また、二次元ガルバノミラーは、その部材の周囲温度によって特性が変動するため、光測距装置の使用環境の変化によって上記仕様を満たさなくなるおそれもある。このような状態を避けるためには、製造後の調整プロセスや製造後の選別等において光測距装置の使用温度条件内での特性（共振周波数）変動をも考慮しなければならず、そうすると、さらなる製造コストの上昇を招くことになる。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、光走査部の共振周波数が製造バラツキや温度変化等によって変動しても、光走査部による走査軌跡を変更することなく、光走査部に出力される駆動信号の周波数を上記共振周波数に近づけることのできる光走査装置及びこれを用いた光測距装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面よる光走査装置は、光反射面を有する可動部が互いに直交する第１軸、第２軸回りに揺動可能に形成され、該可動部が前記第１軸回り及び前記第２軸回りに揺動することによって前記光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査部と、前記可動部を前記第１軸回りに揺動させる第１駆動信号及び前記可動部を前記第２軸回りに揺動させる第２駆動信号をそれぞれ前記光走査部に出力して前記可動部を第１軸回り及び第２軸回りに揺動駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部は、前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更可能に構成されている。

本発明の一側面による光測距装置は、光反射面を有する可動部が互いに直交する第１、第２軸回りに揺動可能に形成され、該可動部が前記第１軸回り及び前記第２軸回りに揺動することによって前記光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査部と、前記可動部を前記第１軸回りに揺動させる第１駆動信号及び前記可動部を前記第２軸回りに揺動させる第２駆動信号をそれぞれ前記光走査部に出力して前記可動部を第１軸回り及び第２軸回りに揺動駆動する駆動部と、前記光走査部の光反射面に向かってパルス光を出射する光源部と、前記光源部から出射されたパルス光が前記対象領域内に存在する物体によって反射された反射光を受光する受光部と、前記光源部によるパルス光の出射タイミングと前記受光部による反射光の受光タイミングとに基づいて前記物体までの距離を計測する測距部と、を備え、前記駆動部は、前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更可能に構成されている。

上記光走査装置及び上記光測距装置によれば、光走査部に出力される第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更できるので、例えば第１駆動信号の周波数及び／又は第２駆動信号の周波数と可動部の共振周波数とにずれが生じた場合であっても、当該ずれを低減しつつリサージュパターンを一定に保つことができる。これにより、例えば可動部の揺動角度を確保するために第１，第２駆動信号を大幅に増加させる必要がなく、効率的で安定した光走査を行うことができる。また、光走査部の製造後に調整プロセスが必要になるケースを低減又は製造後の選別条件等を緩和できるので、光走査部の製造コストの上昇を抑制できる。

第１実施形態による光測距装置の概略構成を示すブロック図である。 上記光測距装置の光走査部の一例である二次元ガルバノミラーの構成を示す図である。 上記光走査部の（内側）可動部の揺動角度を検出するためのピエゾ抵抗素子で構成されたブリッジ回路を示す図である。 ガルバノミラーの周波数特性を示す図である。 上記光測距装置の駆動部で実行される第１駆動信号及び第２駆動信号の周波数の決定（変更）処理の一例を示すフローチャートである。 上記光走査部の温度−共振周波数テーブルの一例を示す図である。 二つの一次元ガルバノミラーを用いて入射光を二次元走査する光走査部の例を示す図である。

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、本発明の一実施形態による光測距装置の概略構成を示すブロック図である。この光測距装置は、パルス光（レーザパルス）を対象領域内でリサージュ走査し、該対象領域内に存在する物体（人を含む）による反射光を受光して当該物体までの距離を計測（測距）し、その計測結果に基づく距離画像を生成して出力（表示）する。

図１に示すように、本実施形態による光測距装置１は、電磁駆動型の光走査部３と、光走査部３を駆動する駆動部５と、パルス光を出射する光源部７と、光源部７から出射されたパルス光の反射光を受光する受光部９と、光源部７から出射されたパルス光を反射した物体までの距離を計測する測距部１１と、測距部１１による計測結果に基づいて距離画像を生成する画像生成部１３と、画像生成部１３によって生成された距離画像を出力（表示）する表示部１５と、を備える。

光走査部３は、光反射面（ミラー）を有する可動部が互いに直交する第１軸及び第２軸回りに揺動可能に形成されており、光反射面に入射される光（パルス光）を対象領域内で二次元走査、より具体的にはリサージュ走査することが可能である。このような光走査部３として、例えば本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の二次元走査型の半導体ガルバノミラー（以下単に「二次元ガルバノミラー」という）を用いることができる。

図２は、光走査部３の具体例としての二次元ガルバノミラー３０の構成を示している。
図２に示すように、二次元ガルバノミラー３０は、枠状の固定部３１と、固定部３１の内側に配置されて一対の第１トーションバー３２，３２によって揺動可能に支持された外側可動部３３と、外側可動部３３の内側に配置されて第１トーションバー３２，３２に軸方向が直交する一対の第２トーションバー３４，３４によって揺動可能に支持された内側可動部３５と、を備える。ここで、第１トーションバー３２，３２の中心軸をｙ軸（第１軸）とし、第２トーションバー３４，３４の中心軸をｘ軸（第２軸）とする。

内側可動部３５の中央部には光反射面（ミラー）３６が形成され、外側可動部３３及び内側可動部３５の周縁部にはそれぞれ第１駆動コイル３７、第２駆動コイル３８が形成されている。第１駆動コイル３７の端部は、固定部３１に形成された第１電極端子３９，３９に接続され、第２駆動コイル３８の端部は、固定部３１に形成された第２電極端子４０，４０に接続されている。
また、第１駆動コイル３７に磁界を作用させる一対の第１永久磁石４１，４１及び第２駆動コイル３８に磁界を作用させる一対の第２永久磁石４２，４２が固定部３１を挟んでそれぞれ対向配置されている。ここで、固定部３１、第１トーションバー３２，３２、外側可動部３３、第２トーションバー３４，３４及び内側可動部３５は、半導体基板から一体的に形成される。

第１トーションバー３２，３２には、外側可動部３３のｙ軸回りの揺動動作、すなわち、第１トーションバー３２，３２の捩れによって生じる歪み（応力）を検出するための第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が設けられている。第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、例えばＰ型拡散抵抗によって第１トーションバー３２，３２の固定部３１の根元近傍に形成されており、第１トーションバー３２，３２に生じる引張歪み及び圧縮歪みを検出する。
同様に、第２トーションバー３４，３４には、内側可動部３５のｘ軸回りの揺動動作、すなわち、第２トーションバー３４，３４の捩れによって生じる歪み（応力）を検出するための第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８が配置されている。
そして、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４、及び、第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８は、それぞれ図示省略した配線によって接続されて、図３に示すようなブリッジ回路４５（入力電圧Ｖｉ，出力電圧Ｖｏ）を構成している。

二次元ガルバノミラー３０においては、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８に駆動電流（振動電流）が供給されると、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８に流れる振動電流と第１永久磁石４１，４１及び第２永久磁石４２，４２による磁界とによって外側可動部３３及び内側可動部３５にそれぞれローレンツ力が作用して内側可動部３５がｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動する。このように内側可動部３５がｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動することによって、光反射面３６に入射されるパルス光は対象領域内でリサージュ走査される。ここで、二次元ガルバノミラー３０は、ｘ軸回り及びｙ軸回りの二つの固有振動モード（共振周波数）を有しており、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８には、駆動部５からそれぞれ対応する共振周波数又はその近傍の周波数の振動電流が駆動信号として供給される。
なお、以下の説明において、光走査部３（内側可動部３５）のｙ軸回りの共振周波数、すなわち、外側可動部３３及び内側可動部３５を含む可動部全体のｙ軸回りの共振周波数を「第１共振周波数」といい、光走査部３（内側可動部３５）のｘ軸回りの共振周波数を「第２共振周波数」という。

また、二次元ガルバノミラー３０においては、外側可動部３３及び内側可動部３５がｙ軸回りの一方に傾斜すると、第１，４ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は引張応力を受けるとともに第２，３ピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は圧縮応力を受け、外側可動部３３及び内側可動部３５がｙ軸回りの他方に傾斜すると、第１，４ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は圧縮応力を受けるとともに第２，３ピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は引張応力を受ける。第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４はＰ型拡散抵抗によって形成されており、引張応力を受けると抵抗値が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値が減少する。このため、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４で構成されたブリッジ回路（図３参照）からは外側可動部３３及び内側可動部３５のｙ軸回りの揺動角度（振れ角）に応じた電圧が正弦波として出力される。このブリッジ回路の出力電圧Ｖoをモニタすることで外側可動部３３及び内側可動部３５のｙ軸回りの揺動角度（振れ角）を連続的に検出することができる。
同様に、第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８で構成されたブリッジ回路（図３参照）の出力電圧Ｖｏをモニタすることで内側可動部３５のｘ軸回りの揺動角度（振れ角）を連続的に検出することできる。
したがって、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４で構成されるブリッジ回路（以下「第１ブリッジ回路」という）が本発明の「第１揺動角度検出部」に相当し、第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８で構成されるブリッジ回路（以下「第２ブリッジ回路」という）が本発明の「第２揺動角度検出部」に相当する。

図１に戻って、駆動部５は、内側可動部３５（及び外側可動部３３）をｙ軸回りに揺動させる第１駆動信号（振動電流）及び内側可動部３５をｘ軸回りに揺動させる第２駆動信号（振動電流）を光走査部３に出力して内側可動部３５をｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動駆動する。なお、第１駆動信号と第２駆動信号との位相差は一定値に固定されている。
第１駆動信号の周波数、第２駆動信号の周波数は、それぞれ光走査部３の第１共振周波数、第２共振周波数に相当する値（例えば、設計値）として予め設定されているが、上述したように、製造バラツキや使用環境（特に、温度）の変化などによって光走査部３の実際の第１共振周波数及び第２共振周波数が上記設計値と異なる（周波数特性がシフトする）場合がある。
そこで、本実施形態における駆動部３は、第１駆動信号の周波数と光走査部３の実際の第１共振周波数とのずれ、及び／又は、第２駆動信号の周波数と光走査部３の実際の第２共振周波数とのずれを検出し、その検出結果に応じて第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数を変更する。但し、光走査部３による光走査のパターン（すなわち、リサージュパターン）を変更しないように、第１駆動信号の周波数と第２駆動信号の周波数との比（周波数比）を一定に維持する。ここで、通常は第２駆動信号の周波数の方が第１駆動信号の周波数よりも高くなっており、二次元ガルバノミラー３０の内側可動部３５はｘ軸回りに高速で揺動駆動され、ｙ軸回りに低速で揺動駆動される。

駆動部５は、第１駆動信号を生成して光走査部３に出力する第１駆動回路５１と、第２駆動信号を生成して光走査部３に出力する第２駆動回路５３と、出力された第１駆動信号の周波数と光走査部３の第１共振周波数とのずれ量である第１ずれ量を検出する第１ずれ量検出部５５と、出力された第２駆動信号の周波数と光走査部３の第２共振周波数とのずれ量である第２ずれ量を検出する第２ずれ量検出部５７と、第１ずれ量検出部５５及び第２ずれ量検出部５７の検出結果に基づいて第１，第２駆動信号の周波数を決定（変更）する周波数決定部５９と、を含む。

第１駆動回路５１及び第２駆動回路５３は、それぞれ周波数決定部５５で決定された周波数に基づいて第１駆動信号、第２駆動信号を生成して光走査部３に出力する。第１駆動回路５１及び第２駆動回路５３は、ＤＤＳ(Direct Digital Synthesizer)方式又はＰＬＬ(Phase Locked Loop)方式の周波数シンセサイザを備えており、基準クロック信号から自由に周波数を発生させることができる。これにより、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５３はそれぞれ高分解能で駆動信号の周波数を変更（設定）することができる。
なお、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザの構成は公知であるので詳細な説明は省略するが、一般に、ＤＤＳ方式の周波数シンセサイザは、加算器、位相レジスタ、正弦波変換部（波形ＲＯＭ）、Ｄ／Ａ変換部及び低域フィルタを含んで構成され、ＰＬＬ方式の周波数シンセサイザは、位相比較器、低域フィルタ及び電圧制御発振器を含んで構成される。

第１ずれ量検出部５５は、第１駆動回路５１から出力された第１駆動信号と上記第１ブリッジ回路の出力信号（すなわち、内側可動部３５のｙ軸回りの揺動角度信号）との位相差に基づいて上記第１ずれ量を検出する。
第２ずれ量検出部５７は、第２駆動回路５３から出力された第２駆動信号と上記第２ブリッジ回路の出力信号（すなわち、内側可動部３５のｘ軸回りの揺動角度信号）との位相差に基づいて第２ずれ量を検出する。

ここで、第１，第２ずれ量検出部５５，５７による上記第１ずれ量、第２ずれ量の検出方法について図４を用いて簡単に説明する。
図４は、ガルバノミラーの周波数特性を示す図であり、図４（ａ）は、駆動信号の周波数に対するミラーの揺動角度（ゲイン）を示し、図４（ｂ）は、駆動信号の周波数に対する駆動信号とミラーの揺動角度（信号）との位相（差）を示している。

図４に示すように、ガルバノミラーがその共振周波数（ここでは１３００Ｈｚ）と同一の周波数を有する駆動信号で駆動されると、当該駆動信号とミラーの揺動角度（信号）との間には−９０°の位相差が発生する。すなわち、駆動信号とミラーの揺動角度信号との位相差が−９０°でない場合には、駆動信号の周波数とガルバノミラーの共振周波数とが一致していない、換言すれば、製造バラツキや温度変化などによってガルバノミラーの周波数特性（共振周波数）がシフトしていると考えることができる。ガルバノミラーの周波数特性は予め取得しておくことが可能であるから、駆動信号とミラーの揺動角度信号との位相差を検出することで、駆動信号の周波数と実際のガルバノミラーの共振周波数とのずれ量（あるいは、共振周波数のシフト量）を把握することができる。

これを利用することで、すなわち、光走査部３（内側可動部３５）のｙ軸回り及びｘ軸回りの周波数特性に基づいて、第１ずれ量検出部５５及び第２ずれ量検出部５７は、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数とのずれ量（第１ずれ量）、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数とのずれ量（第２ずれ量）をそれぞれ検出することができる。
具体的には、第１ずれ量検出部５５は、光走査部３（内側可動部３５）のｙ軸回りについて図４（ｂ）に対応する駆動周波数−位相（差）特性をテーブル等として有しており、第１駆動信号と第１ブリッジ回路の出力信号との位相差から第１ずれ量（第１共振周波数のシフト量）を検出する。また、第２ずれ量検出部５７は、光走査部３（内側可動部３５）のｘ軸回りについて図４（ｂ）に対応する駆動周波数−位相（差）特性」をテーブル等として有しており、第２駆動信号と第２ブリッジ回路の出力信号との位相差から第２ずれ量（第２共振周波数のシフト量）を検出する。

周波数決定部５９は、第１ずれ量検出部５５及び第２ずれ量検出部５７の検出結果に応じて第１駆動信号及び第２駆動信号の周波数を変更する必要があるか否かを判断し、必要があると判断した場合には、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数をこれらに比（周波数比）を一定に維持しながら変更する。
具体的には、周波数決定部５９は、第１駆動信号及び第２駆動信号のいずれか一方の周波数を第１ずれ量検出部５５又は第２ずれ量検出部５７の検出結果に基づいて決定（変更）し、他方の周波数については、両者の周波数比が変化しないように、上記変更された一方の周波数に応じて決定（変更）する。そして、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数を変更後の値に更新するとともに、更新された第１駆動信号の周波数を第１駆動回路５１に出力し、更新された第２駆動信号の周波数を第２駆動回路５３に出力する。

図５は、駆動部５において実行される第１，第２駆動信号の周波数の決定（変更）処理の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、第１駆動信号及び第２駆動信号を光走査部３に出力する。ここで出力される第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は、前回の決定（変更）処理において更新された周波数であり、全く更新されていない場合にはそれぞれの初期値（すなわち、光測距装置１の製造時に設定されている値）である。

ステップＳ２では、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数（ｙ軸回りの共振周波数）とのずれ量（第１ずれ量）、及び、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数（ｘ軸回りの共振周波数）とのずれ量（第２ずれ量）を検出する。上述したように、本実施形態において、第１ずれ量は第１駆動信号と第１ブリッジ回路の出力信号との位相差に基づいて検出され、第２ずれ量は第２駆動信号と第２ブリッジ回路の出力信号との位相差に基づいて検出される。

ステップＳ３では、検出された第１ずれ量が第１閾値以下であるか否かを判定する。この第１閾値は、例えば第１駆動信号の大きさ（電流値）を一定としたときに光測距装置１がｙ軸方向の走査幅（内側可動部３５のｙ軸回りの振れ角）を十分に確保できなくなるおそれがある値として予め設定される。但し、これに限るものではなく、第１閾値は光測距装置１の仕様等に応じて任意に設定することができる。第１ずれ量が第１閾値以下であればステップＳ４に進み、第１ずれ量が第１閾値を超えていればステップＳ５に進む。

ステップＳ４では、検出された第２ずれ量が第２閾値以下であるか否かを判定する。この第２閾値は、例えば第１駆動信号の大きさ（電流値）を一定としたときに光測距装置１がｘ軸方向の走査幅（内側可動部３５のｘ軸回りの振れ角）を十分に確保できなくなるおそれがある値として予め設定される。但し、これに限るものではなく、第２閾値は、第１閾値と同様に、光測距装置の仕様等に応じて任意に設定することができる。第２ずれ量が第２閾値以下であれば本フローを終了する。この場合、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は更新されない。一方、第２ずれ量が第２閾値を超えていればステップＳ７に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ４と同様に、検出された第２ずれ量が第２閾値以下であるか否かを判定する。第２ずれ量が第２閾値以下であればステップＳ１０に進み、第２ずれ量が第２閾値を超えていればステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、第１ずれ量と第１閾値との比（第１ずれ量／第１閾値）と、第２ずれ量と第２閾値との比（第２ずれ量／第２閾値）を比較する。そして、（第２ずれ量／第２閾値）≧（第１ずれ量／第１閾値）であればステップＳ７に進み、（第２ずれ量／第２閾値）＜（第１ずれ量／第１閾値）であればステップＳ１０に進む。

ステップＳ７では、第２駆動信号の周波数を検出された第２ずれ量に応じて変更する。すなわち、第２駆動信号の周波数を光走査部３（内側可動部３５）の実際の第２共振周波数に近づけるように変更する。
ステップＳ８では、第１駆動信号と第２駆動信号との周波数比を一定に保つように、ステップ７で変更された第２駆動信号の周波数に応じて第１駆動信号の周波数を変更する。
ステップＳ９では、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数を上記ステップＳ７、Ｓ８で変更された値に更新する。

ステップＳ１０では、第１駆動信号の周波数を検出された第１ずれ量に応じて変更する。すなわち、第１駆動信号の周波数を光走査部３（内側可動部３５）の実際の第１共振周波数に近づけるように変更する。
ステップＳ１１では、第１駆動信号と第２駆動信号との周波数比を一定に保つように、ステップ１０で変更された第１駆動信号の周波数に応じて第２駆動信号の周波数を変更する。
ステップＳ１２では、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数を上記ステップＳ１０、Ｓ１１で変更された値に更新する。

このようにして、駆動部５は、検出した第１ずれ量が第１閾値よりも大きい場合には第１駆動信号の周波数を第１ずれ量に応じて変更し、この変更された第１駆動信号の周波数に応じて第２駆動信号の周波数を変更する。また、検出した第２ずれ量が第２閾値よりも大きい場合には第２駆動信号の周波数を第２ずれ量に応じて変更し、この変更された第２駆動信号の周波数に応じて第１駆動信号の周波数を変更する。さらに、検出した第１ずれ量が第１閾値よりも大きくかつ検出した第２ずれ量が第２閾値よりも大きい場合には、閾値に対するずれ量の割合が大きい方の駆動信号の周波数を変更し、この変更後の周波数に応じて閾値に対するずれ量の割合が小さい方の駆動信号の周波数を変更する。ここで、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５３は、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを備えており、高分解能での周波数の設定が可能である。これにより、変更された周波数の第１、第２駆動信号を確実に出力することができ、光走査部３を効率的かつ安定して駆動することができる。

図１に戻って、光源部７は、光走査部３の内側可動部３５に形成された光反射面３６に向かってパルス光を出射するものであり、光源７１と、光源７１の駆動を制御する光源制御部７３と、投光光学系７５と、を含む。

光源７１は、例えばレーザダイオードであり、光源制御部７３からの駆動（出射）信号によって発光してパルス光（レーザパルス）を出射する。
光源制御部７３は、光源７１によるパルス光の出射タイミングを制御する。光源制御部７３は、例えば対象領域内の計測位置と出射時刻（タイミング）とが関連付けられたタイミングテーブルを備えており、例えば内側可動部３５（光反射面３６）の所定の揺動角度（例えば、０°）を基準として予め設定されたタイミング（計測位置）で光源７１を発光させる。
投光光学系７５は、光源７１が発したパルス光を好ましい状態（例えば平行光）に変換するものであり、例えばコリメータレンズを含む。

光源部７から出射されたパルス光（平行光）は、光走査部３の光反射面３６で反射されて対象領域内をリサージュ走査される。上述したように、リサージュパターンは一定に維持されるから、上記タイミングテーブルに基づいて光源７１を発光させることで対象領域内の一定の位置（複数位置）にパルス光が出射される。

受光部９は、光源部７から出射されたパルス光の反射光を受光して検知するものであり、例えばフォトセンサを用いることができる。上述したように、光源部７からのパルス光は光走査部３によって対象領域内の一定の位置（複数位置）に出射される。これらの位置に何らかの物体が存在すれば、光源部７から出射されたパルス光は存在する物体によって反射される。受光部９はこの対象領域内に存在する物体による反射光を受光する。なお、受光部９は、反射光を直接受光するものであってもよいし、光走査部３（光反射面３６）を介して受光するものであってもよい。

測距部１１は、光源部７によるパルス光の出射タイミングと、受光部９による反射光の受光タイミングと、を入力し、両者の時間差（光飛行時間）に基づいてパルス光を反射した物体又は人までの距離を計測する。測距部１１による距離の計測は、対象領域内の各計測位置において、すなわち、光源部７からのパルス光の出射毎に行なわれ、その計測結果が画像生成部１３に出力される。

画像生成部１３は、測距部１１によって計測された距離に基づいて各計測位置の画素値を決定し、対象領域についての距離画像を例えば光走査部３による走査の一周期毎に生成する。生成される距離画像は、計測された距離毎に色が異なる画像、すなわち、対象領域内の存在する物体についてはその距離や奥行きが反映された三次元的な画像とすることができる。この画像生成部１３で生成された距離画像は表示部１５に出力される。

表示部１７は、ディスプレイを備え、画像生成部１３から出力された距離画像を表示する。表示部１７に表示される距離画像によって対象領域内に物体が存在するか否かを認識できることはもちろん、物体が存在する場合には、当該物体の対象領域内における位置、当該物体までの距離、当該物体の形状なども認識することができる。また、距離画像は走査周期毎に更新されるから、当該物体の姿勢の変化をも認識するができる。

次に、以上のような構成を有する光測距装置１の全体的な作用について説明する。
図示省略したメインスイッチ等がＯＮされて光測距装置１が起動すると、駆動部５は第１駆動信号及び第２駆動信号を光走査部３に出力して内側可動部３５（光反射面３６）をｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動駆動する。また、光源部７からはタイミングテーブルに基づいてパルス光が出射される。これにより、対象領域には、光走査部３によるリサージュ走査軌跡上の予め設定された各計測位置にパルス光が出射され、測距部９によって当該各計測位置について測距が行われる。そして、対象領域内の全ての計測位置での測距が完了すると（すなわち、光走査部３による走査の一周期毎に）、画像生成部１１によって対象領域についての距離画像が生成され、この生成された距離画像が表示部１３に表示される。

ここで、駆動部３は、第１駆動信号の周波数と光走査部３の第１共振周波数との第１ずれ量及び第２駆動信号の周波数と光走査部３の第２共振周波数との第２ずれ量を検出し、これらの検出結果に応じて第１駆動信号及び第２駆動信号の周波数を両者の周波数比を一定に維持しつつ変更する。これにより、光走査部３の実際の第１，第２共振周波数がその設計値からずれていた場合や温度変化によって変動した場合であっても、第１駆動信号及び第２駆動信号の振幅（すなわち、駆動電流値）を増加させることなく、光走査部３による走査幅（光反射面３６の振れ角）を十分に確保でき、光走査部３の効率的な駆動が可能になる。また、リサージュパターンは変わらないので、対象領域における各計測位置で安定した測距を行うことができる。この結果、従来に比べて、光走査部３の製造後に調整プロセスが必要となるケースを低減又は製造後における選別基準を緩和することができ、その結果、製造コストの上昇を抑制できる。

なお、以上では本発明の一実施形態として光測距装置について説明したが、本発明の他の実施形態として光走査部３及び駆動部５を含む光走査装置として構成することができることはいうまでもない。この場合には、別体で構成された光源から光反射面３６に光が入力され、当該光走査装置はこの入力された光を対象領域内でリサージュ走査できる。また、以下に述べる上記実施形態の変形例は光走査装置として構成した場合にもそのまま適用することができる。

上記実施形態では、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量を第１駆動信号と内側可動部３５のｙ軸回りの揺動角度信号との位相差に基づいて検出しており、ｙ軸回りの揺動角度信号は第１トーションバー３２，３２に形成された第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４で構成したブリッジ回路（図３参照）の出力電圧としている。同様に、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量を第２駆動信号と内側可動部３５のｘ軸回りの揺動角度信号との位相差に基づいて検出しており、ｘ軸回りの揺動角度信号は第２トーションバー３４，３４に形成された第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８で構成したブリッジ回路（図３参照）の出力電圧としている。

しかし、これに限るものではなく、ピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路の出力電圧以外の信号を内側可動部３５のｙ軸回り及びｘ軸回りの揺動角度信号として検出してもよい。例えば、特開２００４−７８１３０号公報や特開２００４−２４２４８８号公報に記載されているように、外側可動部３３に形成された第１駆動コイル３７及び内側可動部３５に形成された第２駆動コイル３８に発生する逆起電力を検出し、これをｙ軸回り及びｘ軸回りの揺動角度信号とすることができる。但し、この場合においては、共振周波数と一致する周波数を有する駆動信号で光走査部３が駆動されると、駆動信号と内側可動部３５の揺動角度信号（逆起電力信号）との位相差は０°になる。
また、内側可動部３５（外側可動部３３）のｙ軸回りの揺動振幅（振れ角）及び内側可動部３５のｘ軸回りの揺動振幅（振れ角）が所定値となるように第１駆動信号及び第２駆動信号の大きさ（駆動電流値）を制御する構成とした場合には、この駆動電流値を内側可動部３５のｙ軸回り及びｘ軸回りの揺動角度信号とすることができる。この場合、駆動電流値は共振周波数と一致する周波数を有するときに最小となり、共振周波数からずれるほどその値が大きくなる。

さらに、内側可動部３５の揺動角度信号を用いることなく、光走査部３又はその近傍の温度に基づいて第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量及び第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量を検出するようにしてもよい。例えば、光走査部３又はその近傍の温度を検出する温度センサを設け、ｙ軸回り及びｘ軸回りのそれぞれについて光走査部３又はその近傍の温度と共振周波数とが対応付けられた「温度−第１共振周波数テーブル（図６（ａ）参照）」及び「温度−第２共振周波数テーブル（図６（ｂ）」参照を駆動部３に記憶させておく。このようにすれば、駆動部３は、温度センサの検出結果に基づいて温度−共振周波数テーブルを参照することにより、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量（換言すれば、第１共振周波数の温度変化に伴うシフト量）、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量（換言すれば、第２共振周波数の温度変化に伴うシフト量）をそれぞれ検出（算出）することができる。

また、上記実施形態では、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量及び第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量を検出しているが、いずれか一方のみを検出するように構成してもよい。好ましくは、高速で揺動駆動されるｘ軸回りに関するずれ量のみ、すなわち、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量のみを検出するようにする。この場合、上記図５において、ステップＳ２で第２ずれ量のみを検出すればよく、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ１０−Ｓ１２が不要になる。もちろん、これとは逆に、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量のみを検出するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、光走査部として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁駆動式、静電方式、圧電方式、熱方式などの各種の駆動方式で光反射面を有する可動部を揺動駆動する構成の光走査部にも適用することができる。

また、上記実施形態では、光走査部として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、二つの一次元ガルバノミラーの回転軸が互いに直交するように配置する構成の光走査部にも適用することが出来る。たとえば、図７に示すように、１次ミラーと２次ミラーの回転軸を互いに直交させて配置し、１次ミラーで水平方向に走査したレーザ光を、楕円面ミラー等を介して２次ミラーにあて、２次ミラーで垂直方向に走査することで２次元走査が実現できる。

１…光測距装置、３…光走査部、５…駆動部、７…光源部、９…受光部、１１…測距部、１３…画像生成部、１５…表示部、３０…二次元ガルバノミラー（光走査部）、３１…固定部、３２…第１トーションバー、３３…外側可動部、３４…第２トーションバー、３５…内側可動部、３７…第１駆動コイル、３８…第２駆動コイル、５１…第１駆動回路、５３…第２駆動回路、５５…第１ずれ量検出部、５７…第２ずれ量検出部、５９…周波数決定部、９１…光源、９３…光源制御部、９５…投光光学系

Claims (11)

1. 光反射面を有する可動部が互いに直交する第１、第２軸回りに揺動可能に形成され、該可動部が前記第１軸回り及び前記第２軸回りに揺動することによって前記光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査部と、
   前記可動部を前記第１軸回りに揺動させる第１駆動信号及び前記可動部を前記第２軸回りに揺動させる第２駆動信号をそれぞれ前記光走査部に出力して前記可動部を前記第１軸回り及び前記第２軸回りに揺動駆動する駆動部と、
   を備え、
   前記駆動部は、前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更可能に構成されている、光走査装置。
2. 前記可動部の前記第１軸回りの第１共振周波数に対する前記第１駆動信号の周波数のずれ量である第１ずれ量及び前記可動部の前記第２軸回りの第２共振周波数に対する前記第２駆動信号の周波数のずれ量である第２ずれ量の少なくとも一方を検出するずれ量検出部を備え、
   前記駆動部は、前記第１ずれ量が予め定められた第１閾値よりも大きい場合、前記第２ずれ量が予め定められた第２閾値よりも大きい場合、又は、前記第１ずれ量が前記第１閾値よりも大きくかつ前記第２ずれ量が前記第２閾値よりも大きい場合に、前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数を変更する、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記駆動部は、前記第１ずれ量が前記第１閾値よりも大きい場合には、前記第１駆動信号の周波数を前記第１ずれ量に応じて変更し、この変更された第１駆動信号の周波数に応じて前記第２駆動信号の周波数を変更する、請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記駆動部は、前記第２ずれ量が前記第２閾値よりも大きい場合には、前記第２駆動信号の周波数を前記第２ずれ量に応じて変更し、この変更された第２駆動信号の周波数に応じて前記第１駆動信号の周波数を変更する、請求項２に記載の光走査装置。
5. 前記駆動部は、前記第１ずれ量が前記第１閾値よりも大きくかつ前記第２ずれ量が前記第２閾値よりも大きい場合には、第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数のいずれか一方を対応するずれ量に応じて変更し、この変更された周波数に応じて他方を変更する、請求項２に記載の光走査装置。
6. 前記可動部の前記第１軸回りの揺動角度に応じた信号を出力する第１揺動角度検出部を備え、
   前記ずれ量検出部は、前記第１駆動信号と前記第１揺動角度検出部の出力信号との位相差に基づいて前記第１ずれ量を検出する、請求項２〜５のいずれか一つに記載の光走査装置。
7. 前記可動部の前記第２軸回りの揺動角度に応じた信号を出力する第２揺動角度検出部を備え、
   前記ずれ量検出部は、前記第２駆動信号と前記第２揺動角度検出部の出力信号との位相差に基づいて前記第２ずれ量を検出する、請求項２〜６のいずれか一つに記載の光走査装置。
8. 前記光走査部又はその近傍の温度を検出する温度センサを備え、
   前記ずれ量検出部は、前記光走査部又はその近傍の温度に基づいて前記第１ずれ量及び前記第２ずれ量の少なくとも一方を検出する、請求項２〜５のいずれか一つに記載の光走査装置。
9. 前記駆動部は、
   前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数を決定する周波数決定部と、
   前記周波数決定部で決定された周波数に基づいて前記第１駆動信号を生成する第１駆動回路と、
   前記周波数決定部で決定された周波数に基づいて前記第２駆動信号を生成する第２駆動回路と、
   を備え、
   前記第１駆動回路及び前記第２駆動回路は、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）方式又はＰＬＬ（Phase Lock Loop）方式の周波数シンセサイザを備える、請求項１〜８のいずれか一つに記載の光走査装置。
10. 光反射面を有する可動部が互いに直交する第１、第２軸回りに揺動可能に形成され、該可動部が前記第１軸回り及び前記第２軸回りに揺動することによって前記光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する光走査部と、
    前記可動部を前記第１軸回りに揺動させる第１駆動信号及び前記可動部を前記第２軸回りに揺動させる第２駆動信号をそれぞれ前記光走査部に出力して前記可動部を第１軸回り及び第２軸回りに揺動駆動する駆動部と、
    前記光走査部の光反射面に向かってパルス光を出射する光源部と、
    前記光源部から出射されたパルス光が前記対象領域内に存在する物体によって反射された反射光を受光する受光部と、
    前記光源部によるパルス光の出射タイミングと前記受光部による反射光の受光タイミングとに基づいて前記物体までの距離を計測する測距部と、
    を備え、
    前記駆動部は、前記第１駆動信号の周波数及び前記第２駆動信号の周波数をこれらの周波数比を維持しつつ変更可能に構成されている、光測距装置。
11. 前記測距部による計測結果に基づいて前記対象領域についての距離画像を生成する画像生成部と、
    前記画像生成部により生成された距離画像を表示する表示部と、
    をさらに備える、請求項１０に記載の光測距装置。