JP2016125970A - 光走査装置、距離測定装置及び移動体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高コスト化を抑制しつつ走査位置を高精度に検出することができる光走査装置を提供する。
【解決手段】光走査装置は、ＬＤ（光源）と、ＬＤからの光を偏向する回転ミラーと、ＬＤを駆動するＬＤ駆動装置１２と、回転ミラーからの光の光路上に配置された同期検知用ＰＤと、を備え、ＬＤ駆動装置１２は、ＬＤを有効走査領域が走査される時間帯（第１の時間帯）でパルス発光させるためのパルス発光電流（第１の駆動電流）を生成するＭＯＳトランジスタＴｒ２と、ＬＤを第１の時間帯とは異なる第２の時間帯で発光させるためのバイアス発光電流（第２の駆動電流）を生成するバイポーラトランジスタＴｒ１と、を含み、第２の時間帯は、回転ミラーからの光が同期検知用ＰＤに入射する時間帯である。
【選択図】図５

Description

本発明は、光走査装置、距離測定装置及び移動体装置に係り、更に詳しくは、光源と該光源からの光を偏向する偏向器とを備える光走査装置、該光走査装置を備える距離測定装置、及び該距離測定装置を備える移動体装置に関する。

近年、物体の有無や、その物体までの距離などを検出するための物体検出装置の開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１〜５参照）。

また、特許文献６には、光ビームの走査位置の高精度な検出を目的とする光走査装置が開示されている。

しかしながら、従来の装置では、高コスト化を抑制しつつ走査位置を高精度に検出することは困難であった。

本発明は、光源と、前記光源からの光を偏向する偏向器と、前記光源を駆動する光源駆動装置と、前記偏向器からの光の光路上に配置された光検出器と、を備え、前記光源駆動装置は、前記光源を第１の時間帯でパルス発光させるための第１の駆動電流を生成するトランジスタと、前記光源を前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯で発光させるための第２の駆動電流を生成するバイポーラトランジスタと、を含み、前記第２の時間帯は、前記偏向器からの光が前記光検出器に入射する時間帯である光走査装置である。

本発明によれば、高コスト化を抑制しつつ走査位置を高精度に検出することができる。

一実施形態に係る距離測定装置の概略構成を示す図である。 図２（Ａ）は、投光光学系、同期系を説明するための図であり、図２（Ｂ）は、受光光学系を説明するための図であり、図２（Ｃ）は、ＬＤから反射ミラーまでの光の光路、及び反射ミラーから時間計測用ＰＤまでの光の光路を概略的に示す図である。 ＰＤ出力検出回路の構成を示す図である。 比較例のＬＤ駆動装置を説明するための図である。 一実施形態のＬＤ駆動装置を説明するための図であり、 図６（Ａ）は、パルス発光電流波形を示す図であり、図６（Ｂ）は、パルス光波形を示す図であり、図６（Ｃ）は、パルス光点灯パターンを示す図である。 図７（Ａ）は、バイアス電流波形を示す図であり、図７（Ｂ）は、バイアス光波形を示す図である。 バイアス・パルス発光電流印加パターンを示す図である。 ＬＤの印加電流と発光光量の関係を示すグラフである。 変形例の光源駆動装置を説明するための図である。 ＰＤ出力検出回路での受光信号の検出タイミングについて説明するための図である。

以下に、本発明の一実施形態の距離測定装置１００について、図１〜図９を参照して説明する。

図１には、距離測定装置１００の概略的構成がブロック図にて示されている。

距離測定装置１００は、一例として、移動体としての自動車に搭載され、光を出射し、物体（例えば先行車両、停車車両、障害物、歩行者等）からの反射光（散乱光）を受光して該物体までの距離を測定する走査型レーザレーダである。距離測定装置１００は、例えば自動車のバッテリ（蓄電池）から電力の供給を受ける。

距離測定装置１００は、図１に示されるように、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）、ＬＤ駆動装置１２、投光光学系２０、受光光学系３０、検出系４０、同期系５０などを備えている。

ＬＤは、端面発光レーザとも呼ばれ、ＬＤ駆動装置１２により駆動され、レーザ光を出射する。ＬＤ駆動装置１２は、自動車のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からのＬＤ駆動信号（矩形パルス信号）を用いてＬＤを点灯（発光）させる。ＬＤ駆動装置１２については、後に詳細に説明する。

図２（Ａ）には、投光光学系２０、同期系５０が模式的に示されている。図２（Ｂ）には、受光光学系３０が模式的に示されている。以下では、図２（Ａ）等に示されるＺ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を適宜用いて説明する。

投光光学系２０は、図２（Ａ）に示されるように、ＬＤからの光の光路上に配置されたカップリングレンズ２２と、該カップリングレンズ２２を介した光の光路上に配置された反射ミラー２４と、該反射ミラー２４で反射された光の光路上に配置された偏向器としての回転ミラー２６と、を含む。ここでは、装置を小型化するために、カップリングレンズ２２と回転ミラー２６との間の光路上に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。

そこで、ＬＤから出射された光は、カップリングレンズ２６により所定のビームプロファイルの光に整形された後、反射ミラー２４で反射され、回転ミラー２６でＺ軸周りに偏向される。

回転ミラー２６でＺ軸周りの所定の偏向範囲に偏向された光が投光光学系２０から投射された光、すなわち距離測定装置１００から出射された光である。

回転ミラー２６は、反射面を有し、反射ミラー２４からの光を回転軸（Ｚ軸）周りに回転しながら反射（偏向）することで該光により上記偏向範囲に対応する有効走査領域を水平な１軸方向（例えばＹ軸方向）に１次元走査する。回転ミラー２６は、図２（Ａ）から分かるように、反射面を２面（対向する２つの面）有しているが、これに限らず、１面でも３面以上でも良い。また、少なくとも２つの反射面を設け、回転ミラーの回転軸に対して異なった角度で傾けて配置して、走査・検出する領域をＺ軸方向に切り替えることも可能である。

すなわち、ＬＤ、ＬＤ駆動装置１２及び投光光学系２０を含んで、光により有効走査領域を走査する光走査装置２００が構成されている（図１参照）。

受光光学系３０は、図２（Ｂ）に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射（散乱）された光を反射する回転ミラー２６と、該回転ミラー２６からの光を反射する反射ミラー２４と、該反射ミラー２４からの光の光路上に配置され、該光を後述する時間計測用ＰＤ４２に結像させる結像光学系と、を含む。

図２（Ｃ）には、ＬＤから反射ミラー２４までの光路と、反射ミラー２４から時間計測用ＰＤ４２までの光路が一部省略されて示されている。

図２（Ｃ）から分かるように、投光光学系２０と受光光学系３０は、Ｚ軸方向に重なるように配置されており、回転ミラー２６と反射ミラー２４は、投光光学系２０と受光光学系３０で共通となっている。これにより、物体上におけるＬＤの照射範囲と時間計測用ＰＤ４２の受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくでき、安定した物体検出を実現できる。

検出系４０は、図２（Ｂ）及び図１に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射（散乱）された光を受光光学系３０を介して受光する時間計測用ＰＤ４２（フォトダイオード）と、該時間計測用ＰＤ４２の受光信号を検出するＰＤ出力検出部４４と、ＬＤ駆動信号の立ち上がりタイミングとＰＤ出力検出部４４での受光信号の検出タイミングとの時間差から物体までの距離を算出する距離算出部４６と、を含む。

そこで、投光光学系２０から投射され物体で反射（散乱）された光は、回転ミラー２６、反射ミラー２４を介して結像光学系に導かれ、該結像光学系により時間計測ＰＤ４２に集光する（図２（Ｂ）参照）。図２（Ｂ）では、装置を小型化するために、回転ミラー２６と結像光学系との間に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。ここでは、結像光学系は２枚のレンズで構成されているが、１枚のレンズとしても良いし、３枚以上のレンズとしても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

同期系５０は、図２（Ａ）及び図１に示されるように、ＬＤから出射されカップリングレンズ２２を介して反射ミラー２４で反射された光であって回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で再反射された光の光路上に配置された同期レンズ５２と、該同期レンズ５２を介した光の光路上に配置された同期検知用ＰＤ５４と、該同期検知用ＰＤ５４の出力信号を検出するＰＤ出力検出部５６と、を含む。

詳述すると、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向上流側に配置され、回転ミラー２６で上記偏向範囲の上流側に偏向された光が入射される。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光が同期レンズ５２を介して同期検知用ＰＤ５４に入射される。

なお、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向下流側に配置されても良い。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光の光路上に同期系５０が配置されても良い。

回転ミラー２６の回転により、該回転ミラー２６の各反射面で反射された光が同期検知用ＰＤ５４で受光される度に同期検知用ＰＤ５４から信号が出力される。すなわち、同期検知用ＰＤ５４からは定期的に信号が出力されることになる。

このように回転ミラー２６からの光を同期検知用ＰＤ５４に照射するための同期点灯を行うことで、同期検知用ＰＤ５４での受光タイミングに基づいて、回転ミラー２６の回転タイミングを得ることが可能となる。

そこで、ＬＤを同期点灯してから所定時間経過後にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。すなわち、同期検知用ＰＤ５４に光が照射されるタイミングの前後期間にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。

ここで、時間計測や同期検知に用いる光検出器としては、上述したＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）の他、ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）等を用いることが可能である。ＡＰＤやＳＰＡＤは、ＰＤに対して感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。

図３には、検出系４０や同期系５０におけるＰＤ出力検出部の一例が示されている。ＰＤ出力検出部での動作としては、受光信号の信号増幅及び受光信号のタイミング検出の２つの動作がある。受光信号の信号増幅についてはアンプなどの信号増幅器を用いて増幅し、受光信号のタイミング検出についてはコンパレータなどの比較器を用いて、ＰＤからの受光信号の一定出力（スレッシュレベル）以上となる立ち上り波形部を検出する。すなわち、ＰＤ出力検出部は、受光信号をコンパレータを用いて２値化した論理信号として得ることができる。

ＰＤ出力検出部５６は、同期検知用ＰＤ５４の受光信号（立ち上がり波形部）を検出すると同期信号をＥＣＵに出力する。

ＥＣＵは、ＰＤ出力検出部５６からの同期信号に基づいてＬＤ駆動信号を生成し該ＬＤ駆動信号をＬＤ駆動装置１２及び距離算出部４６に出力する。

ＰＤ出力検出部４４は、時間計測用ＰＤ４２の受光信号（立ち上がり波形部）を検出すると検出信号（矩形パルス信号）を距離算出部４６に出力する。

距離算出部４６は、ＥＣＵからのＬＤ駆動信号の立ち上がりタイミングとＰＤ出力検出部４４からの検出信号の立ち上がりタイミングとの時間差を物体までの往復距離と推定し、該時間差を距離に変換することで物体までの距離を算出し、その算出結果をＥＣＵに測定信号として出力する。

ＥＣＵは、距離算出部４６からの測定信号に基づいて例えば自動車の速度制御等を行う。自動車の速度制御としては、例えば自動ブレーキ（オートブレーキ）が挙げられる。

ここで、ＥＣＵからＬＤ駆動装置１２に出力されるＬＤ駆動信号は、同期点灯を行うためのバイアス発光制御信号と、該バイアス発光制御信号に対して遅延した、パルス点灯を行うためのパルス発光制御信号で構成される。バイアス発光制御信号及びパルス発光制御信号は、ＥＣＵにより同期信号に基づいて生成される。

バイアス発光制御信号は、回転ミラー２６の回転タイミングが同期検知用ＰＤ５４に光が入射するタイミングに一致する間、ＬＤ駆動装置１２に入力される。

パルス発光制御信号は、回転ミラー２６の回転タイミングが有効走査領域の走査開始タイミングから走査終了タイミングまでの間に、ＬＤ駆動装置１２に入力される。

ＬＤ駆動装置１２は、バイアス発光制御信号が入力されたときにＬＤを同期点灯（バイアス点灯）させる。このとき、ＬＤから出射された光は、カップリングレンズ２２、反射ミラー２４、回転ミラー２６、反射ミラー２４、同期レンズ５２の経路を辿り、同期検知用ＰＤ５４上に集光する。

また、ＬＤ駆動装置１２は、パルス発光制御信号が入力されたときにＬＤをパルス点灯（パルス発光）させる。このとき、ＬＤから出射された光は、カップリングレンズ２２、反射ミラー２４、回転ミラー２６の経路を辿り、有効走査領域に向けて投射される。

ところで、光源駆動装置（ＬＤ駆動装置）において、光源に駆動電流を印加するためのスイッチング素子や電流増幅素子として機能するトランジスタのうち、バイポーラトランジスタは、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）よりも安定した電流を生成できるという特徴がある。

例えば、ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）の駆動には、所望の電流を得るために必要なゲート電位（ゲート電圧）を有する制御電圧信号を、レベルシフト回路などを用いて生成する必要があり、高コスト化してしまう。

図４には、比較例のＬＤ駆動装置が示されている。

比較例のＬＤ駆動装置は、ＬＤに対してパルス発光用のパルス発光電流を印加するためのＭＯＳトランジスタＴｒ４と、該ＬＤに対してバイアス発光用のバイアス発光電流を印加するためのＭＯＳトランジスタＴｒ３とを含んで構成されている。

ＭＯＳトランジスタＴｒ３はバイアス発光制御信号Ｖｂｃｏｎｔによりスイッチング動作を制御され、Ｔｒ４はパルス発光制御信号Ｖｐｃｏｎｔによりスイッチング動作を制御される。

パルス発光制御信号によるスイッチング動作では、ＬＤを数１０Ｗ、数１０ｎｓの短パルス発光を行い、その点灯ｄｕｔｙ（点灯周期（パルス周期）に対する点灯時間（パルス幅）の割合）は、光源寿命などの要因により、０．１％以下に設定する。

一方、バイアス発光制御信号によるスイッチング動作では、ＬＤを数ｍＷ、数ｕｓ程度の、パルス発光に比べて極低光量かつ長時間点灯を行う。

ここで、Ｔｒ３、Ｔｒ４ともにＭＯＳトランジスタであるため、所望の駆動電流にてスイッチング動作をさせるためにはゲート電位をある電圧レベル以上にレベルシフトするか、ゲートドライバなどのＩＣを用いてスイッチング動作をさせる必要がある。このため、高コスト化を招く。

図５には、本実施形態のＬＤ駆動装置１２が示されている。

ところで、ＬＤとして数１０Ｗ程度の高出力なパルス発光が可能な、パルスＬＤを用いた場合、数１０Ｗで数１０ｎｓの短パルス駆動をするには、数１０Ａの大電流を瞬時にＬＤに印加する必要がある。

ＬＤ駆動装置１２は、短時間に大電流を印加する方式としてコンデンサＣ１に充電した電荷をＭＯＳトランジスタＴｒ２のスイッチングにより瞬時に印加するパルス駆動回路を含んで構成されており、ＭＯＳトランジスタＴｒ２のゲート電圧を制御するパルス発光制御信号Ｖｐｃｏｎｔが高電位（ハイレベル）を保っているＯＮ時間に、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がＬＤに供給され、該ＬＤがパルス発光する。

また、ＬＤ駆動装置１２では、上記パルス駆動回路に、バイポーラトランジスタＴｒ１を含んで構成されるバイアス発光回路が組み合わされている。

このバイアス発光回路は、バイポーラトランジスタＴｒ１に加えて、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を含んで構成されており、バイアス発光制御信号ＶｂｃｏｎｔによりＬＤのバイアス発光タイミング（同期点灯タイミング）を制御し、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の組み合わせによりバイアス発光電流を制御する。

ここで、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタとは異なり、ベース電流によりコレクタ電流を制御するため、バイアス発光電流が大きい場合にはトランジスタの発熱などの問題により駆動が困難である。

しかしながら、レーザレーダにおける同期検知用ＰＤに照射する光量レベルとして求められる光源（ＬＤ）の発光光量は、同期検知用ＰＤ上で数μＷから数ｍＷ、ＬＤ端面でも数ｍＷと微小な電流レベル相当であり、バイポーラトランジスタにより容易に電流駆動が可能である。

また、ＬＤ駆動装置１２のように、バイポーラトランジスタＴｒ１を用いたバイアス発光回路の駆動電流は、バイポーラトランジスタＴｒ１のエミッタ電位と抵抗Ｒ３の抵抗値とから安定した駆動電流量を制御可能であり、例えばバイアス発光制御信号をＦＰＧＡやＰＬＤなどのロジックＩＣから、３．３ＶのＩＯ出力信号を抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してバイポーラトランジスタＴｒ１のベース電位に抵抗分圧して印加することによって、バイポーラトランジスタＴｒ１のスイッチングを簡易な回路構成で実現できる利点がある。

ここで、ＭＯＳトランジスタＴｒ２により生成されＬＤに印加されるパルス発光電流（第１の駆動電流）の電流値をＩｐ、印加時間（点灯時間）をＴｏｎ１としたとき（図６（Ａ）参照）、距離測定などに用いるＬＤは検出距離が長くなるほど光出力Ｐ１（図６（Ｂ）参照）が数１０Ｗ〜１００Ｗレベルの高出力パルス光が必要となり、ＬＤに注入すべき電流値Ｉｐは数１０〜１００Ａ程度と非常に大きい電流値となる。パルスＬＤにおいてパルスの印加時間Ｔｏｎ１は仕様で定められており、数１０ＷレベルのパルスＬＤの場合、その点灯ｄｕｔｙ（点灯周期（パルス周期）に対する点灯時間（パルス幅）の割合）は０．１％以下程度であり、それ以上の高いｄｕｔｙで点灯すると、光源寿命に影響を及ぼしてしまう。よって、例えば点灯時間Ｔｏｎ１＝２０ｎｓとしたとき、点灯ｄｕｔｙを０．１％とすると、点灯周期Ｔ１（図６（Ｃ）参照）を２０ｕｓより大きい時間に設定する必要がある。

また、バイポーラトランジスタＴｒ１により生成されＬＤに印加されるバイアス発光電流（第２の駆動電流）の電流値をＩｂ、印加時間（点灯時間）をＴｏｎ２としたとき（図７（Ａ）参照）、Ｉｂは、パルス発光電流による光出力Ｐ１よりも非常に低い数ｍＷの光出力Ｐ２（図７（Ｂ）参照）に相当する電流値に設定される。すなわち、Ｉｂ≪Ｉｐである。

そして、図８に示されるように、パルス発光電流とバイアス発光電流は、異なるタイミングでＬＤに印加される。

詳述すると、パルス発光電流は、有効走査領域が走査される時間帯（第１の時間帯）でＬＤに印加され、バイアス発光電流は、有効走査領域が走査される時間帯の前の時間帯（第２の時間帯）にＬＤに印加される。

図９には、ＬＤの電流／光出力特性が示されている。

図９から分かるように、パルス発光電流の電流値ＩｐはＬＤのしきい値電流Ｉｔｈよりも大きいＬＤ発光領域内にあり、ＬＤにパルス発光電流（電流値Ｉｐ）が印加されることによりＬＤは光出力Ｐ１で点灯する。

一方、バイアス発光電流の電流値Ｉｂは、ＬＤのしきい値電流Ｉｔｈよりも小さいＬＥＤ発光領域内にあり、ＬＤにバイアス発光電流（電流値Ｉｂ）が印加されることによりＬＤは光出力Ｐ２で点灯する。Ｉｂは、投光光学系の光利用効率により多少異なるが、Ｉｐの１／１００以下程度の微小な電流値となる。

このとき、光出力Ｐ２も光出力Ｐ１の１／１００以下となるため、両者の電流値の差は著しく大きく、パルス発光電流とバイアス発光電流を同じ回路構成で制御する場合、バイアス電流による光量調整精度には温度変動や環境変動によるばらつき要因が大きくなるという問題がある。

そこで、この問題に対処するために、ＬＤ駆動装置において、パルス発光電流を生成する回路には高出力化に適したトランジスタ（例えばＦＥＴ）を設け、バイアス発光電流を生成する回路には安定した電流を生成可能なバイポーラトランジスタを設けることで、パルス発光時の高出力化とバイアス発光時の微小発光光量のばらつきの低減化を両立したレーザレーダを実現できる。

以上説明した本実施形態の光走査装置２００は、第１の観点からすると、ＬＤ（光源）と、ＬＤからの光を偏向する回転ミラー２６と、ＬＤを駆動するＬＤ駆動装置１２と、回転ミラー２６からの光の光路上に配置された同期検知用ＰＤ５４と、を備え、ＬＤ駆動装置１２は、ＬＤを有効走査領域が走査される時間帯（第１の時間帯）でパルス発光させるためのパルス発光電流（第１の駆動電流）を生成するＭＯＳトランジスタＴｒ２と、ＬＤを第１の時間帯とは異なる第２の時間帯で発光させるためのバイアス発光電流（第２の駆動電流）を生成するバイポーラトランジスタＴｒ１と、を含み、第２の時間帯は、回転ミラー２６からの光が同期検知用ＰＤ５４に入射する時間帯である。

また、本実施形態の光走査装置２００は、第２の観点からすると、ＬＤと該ＬＤからの光を偏向する回転ミラー２６とＬＤを駆動するＬＤ駆動装置１２とを備える光走査装置において、ＬＤ駆動装置１２は、有効走査領域を走査するときにＬＤをパルス発光させるためのパルス発光電流（第１の駆動電流）を生成するＭＯＳトランジスタＴｒ２と、有効走査領域以外の領域（有効走査領域から外れた領域）を走査するときにＬＤを発光させるためのバイアス発光電流（第２の駆動電流）を生成するバイポーラトランジスタＴｒ１と、を含む。そして、有効走査領域以外の領域を走査した光の光路上に同期検知用ＰＤ５４が配置されている。

光走査装置２００では、バイポーラトランジスタＴｒ１によって安定したバイアス発光電流を生成でき、該バイアス発光電流をＬＤに印加したとき（第２の時間帯）の回転ミラー２６からの光を検知することにより、回転ミラー２６による光の走査位置を高精度に検出することができる。

この結果、高コスト化を抑制しつつ走査位置を高精度に検出することができる。

そこで、光走査装置２００を備える距離測定装置１００では、バイアス発光時の光量安定性により、有効走査領域の走査開始タイミングを高精度に検出することができ、有効走査領域内にある物体の各走査位置までの距離の測定精度を向上させることができる。そして、温度変動の大きい環境下や、デバイスばらつきの大きいパルスＬＤを用いた系などでも、バイポーラトランジスタによってバイアス発光時の光量を安定させることができ、走査開始タイミングを高精度に検出することができ、距離の測定精度を向上させることができる。

結果として、光走査装置２００では、距離測定を行う発光レベルよりも大幅に小さい発光レベルの光が必要なバイアス発光レベルの光量レベル設定を安定化し、繰り返し走査位置再現性の向上や、距離測定装置１００のような走査型レーザレーダでの走査方向距離測定精度の低下を抑制できる。

また、ＬＤの発光タイミングをバイアス発光時とパルス発光時とで異ならせることで、光走査装置におけるアイセーフティや光源寿命などの仕様を満たすことが可能となる。

また、トランジスタは、ＦＥＴであるため、高出力の発光パルスを出力するための第１の駆動電流を安定して生成できる。

また、トランジスタは、ＭＯＳ−ＦＥＴであるため、例えば接合型ＦＥＴに比べて入力インピーダンスを高くすることできる。

また、光走査装置２００は、バイアス発光電流の電流値Ｉｂを調整可能な、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有する電流調整部を更に含む。

この場合、同期検知を行う際のバイアス発光量を調整可能となり、光走査装置２００における繰り返し走査位置を決める発光タイミングを安定したタイミングで得ることが可能となる。

また、バイアス発光電流の電流値Ｉｂは、パルス発光電流の電流値Ｉｐの１／１００以下であるため、光源寿命やアイセーフティを実現することができる。なお、Ｉｂは、Ｉｐの１／１００を超えても良いが、その場合であっても極力小さいことが望ましい。

また、パルス発光電流及びバイアス発光電流は、周期的なパルス電流であり、バイアス発光電流の１周期での平均電流値は、パルス発光電流の１周期での平均電流値以下であるため、パルス発光周期で規定される光源寿命に対し、バイアス発光による長時間点灯時の光源寿命を同等以下の負荷条件で実現できる。

また、本実施形態の距離測定装置１００は、光走査装置２００と、該光走査装置２００から出射され物体で反射（散乱）された光を受光する時間計測用ＰＤ４２（受光素子）と、光走査装置２００の光源（ＬＤ）の発光タイミングと時間計測用ＰＤ４２の受光タイミングに基づいて物体までの距離を求める距離算出部４６と、を備えている。

この場合、高コスト化を抑制しつつ物体までの距離の測定精度を向上させることができる。

また、距離測定装置１００と、該距離測定装置１００が搭載される移動体（例えば車両）と、を備える移動体装置では、高コスト化を抑制しつつ移動体の制御（速度制御等）を高精度に行うことができる。

図１０には、上記実施形態の抵抗Ｒ２を可変抵抗に変更した変形例のＬＤ駆動装置１２０が示されている。

バイアス発光制御信号として例えば０Ｖ、３．３Ｖのインタフェースを有するＦＰＧＡやＰＬＤからの出力信号などを用いる場合、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値の比によってバイポーラトランジスタＴｒ１のベース電位のレベルを変更できる。

抵抗Ｒ２を可変抵抗に変更することで、ベース電位の調整が容易となり、ベース電位の調整によってバイポーラトランジスタＴｒ１のエミッタ電位も制御することになり、エミッタ電位と抵抗Ｒ３で決まるバイアス発光電流の電流値を微調整可能となる。これにより数１０Ｗの定格出力であるパルスＬＤにおいて、数ｍＷなどの微小発光をさせる場合に、印加電流を数ｍＡ〜数１０ｍＡなどのレベルで微調整可能となり、バイアス発光時の発光レベルを高精度に設定可能となる。

変形例では、可変抵抗器を用いた簡易な回路構成によって、光走査装置における発光開始タイミングを安定して得る同期検知信号を取得できる。

ところで、バイアス発光電流のばらつきによってバイアス発光光量がばらついた場合に、同期検知用ＰＤ５４の受光パルス信号と、ＰＤ出力検出部５６においてスレッシュレベルを決めるＶｔｈをある値に決めたとき、コンパレータ出力信号は、図１１に示されるように立ち上がり、立下りのタイミングに差異が生じてしまう。

レーザレーダにおいて、このタイミングの差異は、同じ走査位置での距離情報を取得する際の、該走査位置における走査方向のばらつきにつながってしまう。

このような受光パルス信号、コンパレータ出力信号を得ないようにするためには、受光パルス信号の信号レベルばらつきを少なくする必要、すなわちバイアス発光レベルのばらつきを低減する必要があり、バイポーラトランジスタを用いたバイアス発光回路がその実現に寄与するものとなり、レーザレーダにおける高精度な距離計測を実現できる。

なお、上記各実施形態及び変形例の距離測定装置の構成は、適宜変更可能である。

上記各実施形態及び変形例では、光源として、単一のＬＤを用いているが、これに限られない。例えば、複数のＬＤが１次元又は２次元に配列されたＬＤアレイ、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、ＶＣＳＥＬが１次元又は２次元に配列されたＶＣＳＥＬアレイ、半導体レーザ以外のレーザ、レーザ以外の光源などを用いても良い。複数のＬＤが１次元配列されたＬＤアレイとしては、複数のＬＤが積層されたスタック型のＬＤアレイや複数のＬＤが横に並べられたＬＤアレイが挙げられる。

また、投光光学系は、カップリングレンズを有していなくても良いし、他のレンズを有していても良い。

また、投光光学系は、反射ミラーを有していなくても良い。すなわち、ＬＤからの光を、光路を折り返さずに回転ミラーに入射させても良い。

また、受光光学系は、受光レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー（回転多面鏡）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等の他のミラーを用いても良い。

また、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、ＬＤ駆動装置において、コンデンサ及び抵抗の少なくとも一方を用いない構成も可能である。

また、パルス発光電流を生成するためのトランジスタとしてＭＯＳ−ＦＥＴが用いられているが、これに限らず、例えば接合型ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等の他のトランジスタを用いても良い。

また、上記各実施形態及び各変形例では、距離測定装置が搭載される移動体として自動車を例に説明したが、該移動体は、自動車以外の車両、航空機、船舶等であっても良い。

以上の説明で用いた具体的な数値、形状などは、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である

以上の説明から明らかなように、上記実施形態及び変形例の光走査装置及び距離測定装置は、物体までの距離を測定する所謂Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた技術であり、移動体におけるセンシングの他、モーションキャプチャ技術、測距計などの産業分野などで幅広く用いられる。すなわち、本発明の距離測定装置は、必ずしも移動体に搭載されなくても良い。

また、上記実施形態及び変形例の光走査装置は、距離測定装置に用いられているが、これに限らず、例えば、光により感光体を走査して画像を形成する画像形成装置（例えばプリンタ、複写機等）や、光によりスクリーンを走査して画像を表示する画像表示装置（例えばプロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等）に用いても良い。

以下に、発明者が上記実施形態及び変形例を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、発光素子、受光素子及び各駆動回路から構成され、発光素子からの発光ビームを測距対象物へ照射して、発光ビームの出射タイミングと測距対象物からの反射光の受光素子での受光タイミングとの時間差、位相遅れを信号処理部にて信号処理して検出することで、対象物までの往復の距離を測定するＴｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた測距装置が、車両などのセンシングやモーションキャプチャ技術、測距計などの産業分野などで広く用いられている。その一例として航空機や列車、自動車などに広く使用されているレーザレーダがある。

通常、発光パルスは光源としてたとえば半導体レーザにパルス状の駆動電流を印加することによって生成され、カップリングレンズ等の光結合素子を介して所定の光ビームプロファイルを有する光ビームに成形された後、装置外に放出される。対象物の表面で反射した光はその反射点においてランダムな方向に散乱されるが、測距装置から送出された光ビームと等しい光路を辿って反射してくる光成分のみが再び測距装置に入射される。ここで投光部および受光部を構成する光学素子の光軸を一致させた同軸光学系を採用することで、測距装置に入射された反射光が受光素子に導かれる。

また、上記光結合素子の後段に、光ビームを水平方向に走査する光スキャナ（偏向器）を設けた走査型レーザレーダがあり、光スキャナとしてはポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳ等が用いられている。このようなミラーデバイスによってレーザビームを走査することにより、例えば水平方向において広範囲な領域の距離測定が可能となる。

このような測距装置（レーザーレーダ）は例えば自動車等に取り付けられ、先行車、障害物、歩行者の有無およびその距離を検出する検出装置として応用される。

信号処理部は、半導体レーザをパルス発光させる発光制御部で生成された信号でスタートする時計機能を持ち、受光部で受信した光を変換した信号で時計機能が停止する回路が組まれている。信号は必要に応じて増幅、減幅される。

ここで計測された時間は光が伝播している時間であり、この時間を距離に換算すれば対象物までの距離になる。

測距装置において、特に車に搭載して、高速で走る車を停止させる判断をしたり、小さい物体を検出して警告やブレーキをかけようとする場合、測距の距離を伸ばしかつ対象物との距離をいかに正確に測定するかという、距離検出精度の問題がある。

特にビームを走査することで測定対象物の水平方向の位置検出を行う走査型レーザレーダにおいて、繰り返し走査する際の測距の精度を向上するには走査を行う偏向器の回転タイミング（走査位置）を高精度に検出する必要がある。

走査位置の検出精度向上において、特に発光部の発光ビームの品質として同期検知用ＰＤに発光パルスを照射する際の、発光パルスの光量安定性が問題となる。パルスＬＤで距離計測を行う場合には数１０Ｗ程度の光量での発光が必要となるが、同期検知の際には同期検知用ＰＤに導光する光学系の特性に応じて、走査ビームによる同期検知ＰＤへの入射光量レベルを数１０ｕ〜数ｍＷ程度にする必要があり、パルスＬＤの発光レベルとして数ｍＷ程度点灯するために微小電流での同期発光が必要となる。パルスＬＤにおける数ｍＷ発光のため、従来技術ではパルス発光用の駆動回路と同じ例えばＭＯＳトランジスタを用いた駆動回路が提案されているが、ＭＯＳトランジスタを駆動するにはゲート電圧を高くするゲート駆動回路やゲートドライバなどの複雑かつコストの高い回路構成が必要となるという問題がある。

そこで、発明者は、このような問題に対処するために、上記実施形態及び変形例を発案した。

２４…回転ミラー（偏向器）、１２…ＬＤ駆動装置（光源駆動装置）、５４…同期検知用ＰＤ（光検出器）、１００…距離測定装置、２００…光走査装置、Ｔｒ１…バイポーラトランジスタ、Ｔｒ２…ＭＯＳトランジスタ（トランジスタ）、Ｒ１…抵抗（電流調整部の一部）、Ｒ２…抵抗（電流調整部の一部）、Ｒ３…抵抗（電流調整部の一部）。

特許第５２５１８５８号公報 特開２００９−０６３３３９号公報 特開２０１２−１０７９８４号公報 特許第５０８２７０４号公報 特開２０１１−０８５５７７号公報 特許第４６７３０７８号公報

Claims (11)

1. 光源と、
   前記光源からの光を偏向する偏向器と、
   前記光源を駆動する光源駆動装置と、
   前記偏向器からの光の光路上に配置された光検出器と、を備え、
   前記光源駆動装置は、
   前記光源を第１の時間帯でパルス発光させるための第１の駆動電流を生成するトランジスタと、
   前記光源を前記第１の時間帯とは異なる第２の時間帯で発光させるための第２の駆動電流を生成するバイポーラトランジスタと、を含み、
   前記第２の時間帯は、前記偏向器からの光が前記光検出器に入射する時間帯である光走査装置。
2. 前記トランジスタは、ＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記トランジスタは、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記光源駆動装置は、前記第２の駆動電流の電流値を調整可能な電流調整部を更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 前記電流調整部は、可変抵抗を有することを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 前記第２の駆動電流の電流値は、前記第１の駆動電流の電流値の１／１００以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光走査装置。
7. 前記第１及び第２の駆動電流は、周期的なパルス電流であり、
   前記第２の駆動電流の１周期での平均電流値は、前記第１の駆動電流の１周期での平均電流値以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光走査装置
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光走査装置と、
   前記光走査装置から出射され物体で反射された光を受光する受光素子と、
   前記光走査装置の光源の発光タイミングと前記受光素子の受光タイミングとに基づいて前記物体までの距離を求める距離算出部と、を備える距離測定装置。
9. 請求項８に記載の距離測定装置と、
   前記距離測定装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
10. 光源と該光源からの光を偏向する偏向器と前記光源を駆動する光源駆動装置とを備える光走査装置において、
    前記光源駆動装置は、
    有効走査領域を走査するときに前記光源をパルス発光させるための第１の駆動電流を生成するトランジスタと、
    前記有効走査領域以外の領域を走査するときに前記光源を発光させるための第２の駆動電流を生成するバイポーラトランジスタと、を含むことを特徴とする光走査装置。
11. 前記有効走査領域以外の領域を走査した光の光路上に配置された光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の光走査装置。

Images