JP2016127214A - Light source drive unit, light source device, distance measurement device, mobile device, laser processing machine and light source drive method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源駆動装置、光源装置、距離測定装置、移動体装置、レーザ加工機及び光源駆動方法に係り、更に詳しくは、光源を駆動する光源駆動装置、該光源駆動装置を備える光源装置、該光源装置を備える距離測定装置、該距離測定装置を備える移動体装置、前記光源装置を備えるレーザ加工機及び光源を駆動する光源駆動方法に関する。 The present invention relates to a light source driving device, a light source device, a distance measuring device, a moving body device, a laser processing machine, and a light source driving method, and more specifically, a light source driving device that drives a light source, a light source device including the light source driving device, The present invention relates to a distance measuring device including the light source device, a moving body device including the distance measuring device, a laser processing machine including the light source device, and a light source driving method for driving the light source.
従来、光源から出射され物体で反射された光を受光して該物体までの距離を測定する技術が知られている。 Conventionally, a technique for receiving light emitted from a light source and reflected by an object and measuring a distance to the object is known.
例えば、特許文献１には、光源を駆動する光源駆動回路（光源駆動装置）において異なる設定電流値を持つ複数のトランジスタを並列に接続することで光源の発光光量を変更可能なレーザレーダが開示されている。
For example,
しかしながら、特許文献１に開示されているレーザレーダでは、光源駆動回路の大型化を抑制しつつ光源の発光光量を高分解能で制御するという観点において改善の余地がある。
However, the laser radar disclosed in
本発明は、光源に電流を供給可能に接続されたコンデンサと、前記光源と前記コンデンサとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタと、前記トランジスタを制御して前記光源をパルス発光させる発光制御部と、エネルギを一時的に蓄積可能であり、前記コンデンサとエネルギ交換可能なエネルギ蓄積素子と、を備える光源駆動装置である。 The present invention relates to a capacitor connected to be able to supply current to a light source, a transistor for switching conduction / non-conduction between the light source and the capacitor, and light emission for controlling the transistor to cause the light source to emit light in pulses. A light source driving device including a control unit and an energy storage element capable of temporarily storing energy and exchanging energy with the capacitor.
本発明によれば、大型化を抑制しつつ光源の発光光量を高分解能で制御することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the emitted light quantity of a light source can be controlled with high resolution, suppressing enlargement.
《第１実施形態》
以下に、本発明の第１実施形態の距離測定装置１００について、図１〜図７を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
Below, the distance measuring
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。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the
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）からの反射光を受光して該物体までの距離を測定する走査型のレーザレーダである。
For example, the distance measuring
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を駆動する光源駆動装置１２及び照射光学系１４を含む光走査系と、受光光学系１６、光検出器としてのＰＤ１８（フォトディテクタ）及びＰＤ出力検出部２０を含む検出系と、測定制御部２２と、を備えている。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。
As shown in FIG. 1, the
ＬＤは、半導体レーザであり、端面発光レーザ（ＥＥＬ）や、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。ＬＤから出射されたレーザ光は、照射光学系１４により導光され、物体（対象物）に照射される。
The LD is a semiconductor laser and includes an edge emitting laser (EEL) and a surface emitting laser (VCSEL). The laser light emitted from the LD is guided by the irradiation
詳述すると、照射光学系１４は、一例として、ＬＤからのレーザ光の光路上に配置されたカップリングレンズ２５と、該カップリングレンズ２５を介したレーザ光の光路上に配置されたポリゴンミラー２８（偏向器）とを含む（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）参照）。ここでは、ポリゴンミラー２８は、回転軸に直交する断面の形状が正方形であるが、例えば正六角形等の他の正多角形であっても良い。また、ここでは、ポリゴンミラー２８の回転軸は鉛直方向に延びている。
More specifically, the irradiation
なお、偏向器として、ポリゴンミラーに代えて、例えばガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等の他のミラーを用いても良い。 As a deflector, other mirrors such as a galvanometer mirror and a MEMS mirror may be used instead of the polygon mirror.
そこで、ＬＤからのレーザ光は、カップリングレンズ２５により所定のビームプロファイルのレーザ光に整形され、ポリゴンミラー２８で例えば水平面内で偏向され、物体に照射される。すなわち、レーザ光により物体が例えば水平方向に走査される。
Therefore, the laser beam from the LD is shaped into a laser beam having a predetermined beam profile by the
対象物に照射されたレーザ光（走査光）は物体で反射（散乱）され、その少なくとも一部の反射光（散乱光）が受光光学系１６を介してＰＤ１８に導かれる。
The laser light (scanning light) irradiated to the object is reflected (scattered) by the object, and at least a part of the reflected light (scattered light) is guided to the
受光光学系１６は、一例として、受光レンズ（例えば集光レンズ）を含み、物体からの反射光のうち入射光（ポリゴンミラー２８で偏向され物体に入射するレーザ光）の経路とほぼ同じ経路を辿ってくる反射光をＰＤ１８に結像させる。
The light receiving
ＰＤ１８は、物体からの反射光を受光したとき、ＰＤ出力検出部２０に、該反射光の光量に応じた電気信号（アナログ信号）である受光信号を出力する。
When the
ＰＤ出力検出部２０での動作としては、ＰＤ１８からの受光信号の信号増幅及び該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、ＰＤ１８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。ＰＤ出力検出部２０は、受光信号（立ち上がり波形部）を検出したときに検出信号（デジタル信号）を測定制御部２２に出力する。
The operation of the PD
測定制御部２２は、ポリゴンミラー２８に回転制御信号を出力し、ポリゴンミラー２８を所定の回転数（回転速度）で回転させる。また、測定制御部２２は、ポリゴンミラー２８から該ポリゴンミラー２８の回転位置（回転軸周りの位置）を示すタイミング信号を受信したときに光源駆動装置１２に同期信号を出力する。以下では、ポリゴンミラー２８の回転軸を単に「回転軸」とも称する。
The
光源駆動装置１２は、測定制御部２２からの同期信号に基づいて発光制御信号（ここでは矩形パルス信号）を生成し、該発光制御信号を用いてＬＤを駆動してパルス発光させる。
The light
測定制御部２２は、光源駆動装置１２によるＬＤの発光タイミングとＰＤ１８の受光タイミングとの時間差を物体との間の往復距離（物体までの距離の２倍）と推定し、該時間差を距離に換算することで、物体との間の往復距離、ひいては物体までの距離を算出する。
The
詳述すると、測定制御部２２は、発光制御信号の立ち上がりタイミングで計時を開始し、ＰＤ出力検出部２０での受光信号の検出タイミング（検出信号の立ち上がりタイミング）で計時を終了する時計機能を有する。この時計機能で計測された時間は、距離測定装置１００と物体との間をレーザ光が伝播（往復）している時間であり、この時間を距離に換算することで、物体との間の往復距離を求めることができる。
Specifically, the
測定制御部２２での算出結果（距離情報）は、自動車のＥＣＵ（エンジンコントーロールユニット）に測定信号として出力される。ＥＣＵは、測定制御部２２に制御信号（発光指令信号）を出力するとともに、測定制御部２２での算出結果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。
A calculation result (distance information) in the
光源駆動装置１２は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を用いてＬＤへの駆動電流を制御する。
The light
詳述すると、光源駆動装置１２は、図３に示されるように、ＬＤに駆動電流を供給可能に接続されたコンデンサＣを含むドライバと、コンデンサＣを充電可能な充電装置とを含む。
More specifically, as shown in FIG. 3, the light
ドライバは、コンデンサＣに加えて、ＬＤとコンデンサＣとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタＴｒ１と、該トランジスタＴｒ１をスイッチング（制御）してＬＤをパルス発光させる発光制御部２４とを有する。ここでは、トランジスタＴｒ１として、ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）が用いられている。
In addition to the capacitor C, the driver includes a transistor Tr1 for switching between conduction / non-conduction between the LD and the capacitor C, and a light
トランジスタＴｒ１は、ゲート電極が発光制御部２４に接続され、ソース電極がＬＤのアノードに接続され、ドレイン電極がコンデンサＣの一端（正極）に接続されている。コンデンサＣの他端（負極）は、ＬＤのカソードに接続され、かつ接地されている。
The transistor Tr1 has a gate electrode connected to the light
充電装置は、コイルＬと抵抗Ｒが直列接続されて成るＬＰＦと、該ＬＰＦに対する印加電圧のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのトランジスタＴｒ２と、該トランジスタＴｒ２のＯＮ時間（トランジスタＴｒ２のゲート電圧の印加時間）を制御する充電制御部２６と、ダイオードＤとを有する。ここでは、トランジスタＴｒ２として、ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）が用いられている。 The charging device includes an LPF in which a coil L and a resistor R are connected in series, a transistor Tr2 for switching ON / OFF of an applied voltage to the LPF, an ON time of the transistor Tr2 (an application time of a gate voltage of the transistor Tr2) ) And a diode D. Here, a MOS transistor (MOS-FET) is used as the transistor Tr2.
トランジスタＴｒ２は、ゲート電極が充電制御部２６に接続され、ソース電極が接地され、ドレイン電極が抵抗Ｒの一端に接続されている。コイルＬは、一端に電源電圧Ｅが印加され、他端が抵抗Ｒの他端及びダイオードＤのアノードに接続されている。ダイオードＤのカソードは、コンデンサＣの一端（正極）及びトランジスタＴｒ１のドレイン電極に接続されている。
The transistor Tr2 has a gate electrode connected to the
次に、光源駆動装置１２の動作原理を説明する。
Next, the operation principle of the light
充電制御部２６は、コイルＬに流れる電流Ｉで決まるコイルＬの蓄積エネルギを一定に決めた後、トランジスタＴｒ２に流れる電流を遮断することで、昇圧チョッパ回路と同じ原理でコンデンサＣの両端電圧ＶＯを昇圧する。Ｖｏの電圧値はコンデンサＣの静電容量と電荷量で決まるため、結果的に、コイルＬとコンデンサＣとの間でエネルギ交換を行うことで、両端電圧ＶＯを得ること、すなわちコンデンサＣを充電することができる。
The
コイルＬの蓄積エネルギをＷＬ＝ＬＩ２／２、コンデンサＣの蓄積エネルギをＷＣ＝ＣＶｏ２／２、ダイオードＤの順電圧をＶｄ、電源電圧をＥとしたとき、Ｖｏは、次の（１）式で表せる。
なお、ＶＯの応答は、ＬとＣの共振周波数１／Ｔ＝１／２π√ＬＣの立ち上がりと等しく、コンデンサＣの充電に要する時間はおよそＴ／４である。
The response of V O is equal to the rise of the
また、ＤＣＤＣコンバータと異なり、出力電圧が安定化しないのでＣは小さくて良く、昇圧にかかる時間が短い。 Unlike the DCDC converter, the output voltage is not stabilized, so C may be small and the time required for boosting is short.
コンデンサＣの充電完了後、発光制御部２４はトランジスタＴｒ１をＯＮにし、ＬＤに駆動電流Ｉｏを印加する。
After completing the charging of the capacitor C, the light
Ｉｏの電流値は、ＬＤの順電圧をＶｆ、Ｔｒ１のＯＮ抵抗をＲｏｎ、コンデンサCの両端電圧をＶｏとした時、次の（２）式で表せる。
Ｉｏ＝（Ｖｏ−Ｖｆ）／Ｒｏｎ・・・(２)
The current value of Io can be expressed by the following equation (2), where the forward voltage of LD is Vf, the ON resistance of Tr1 is Ron, and the voltage across capacitor C is Vo.
Io = (Vo−Vf) / Ron (2)
つまり、ＩｏはＶｏに比例するため、ＶｏによってＩｏを制御できるといえる。Ｒｏｎはトランジスタによりばらつくため、ＬＤに直列抵抗を入れて電流量を制限したり、直列抵抗の両端電圧をフィードバックする等して電流値の安定性を上げることもできる。 That is, since Io is proportional to Vo, it can be said that Io can be controlled by Vo. Since Ron varies depending on the transistor, it is possible to increase the stability of the current value by inserting a series resistance in the LD to limit the amount of current or feeding back the voltage across the series resistance.
以上の説明から分かるように、本実施形態では、コイルＬの蓄積エネルギをＬＰＦにより決定する。このＬＰＦでは、コイルＬと抵抗Ｒが直列接続され、トランジスタＴｒ２をＯＮにすることで入力電圧（電源電圧Ｅ）が印加される。コイルＬに流れる電流ＩはＬＰＦの時定数にしたがって増加していくため、Ｔｒ２のＯＮ時間をＬＰＦの時定数以下で変化させることで電流Ｉを制御することができる。 As can be seen from the above description, in this embodiment, the accumulated energy of the coil L is determined by the LPF. In this LPF, a coil L and a resistor R are connected in series, and an input voltage (power supply voltage E) is applied by turning on the transistor Tr2. Since the current I flowing through the coil L increases according to the time constant of the LPF, the current I can be controlled by changing the ON time of Tr2 below the time constant of the LPF.
電流Ｉは、時間ｔ、時定数Ｒ／Ｌを用いて、次の（３）式で表せる。
ここでの抵抗Ｒは電流を制限し、急な電流変化を抑えて制御性を向上するものである。 The resistor R here limits the current, suppresses a sudden current change, and improves controllability.
なお、ここではコイルＬの自己誘導によってコンデンサＣの両端電圧を昇圧するが、コイルＬをトランス等に置き換え、相互誘導によってコンデンサCの両端電圧を昇圧しても良い。 Here, although the voltage across the capacitor C is boosted by self-induction of the coil L, the voltage across the capacitor C may be boosted by mutual induction by replacing the coil L with a transformer or the like.
次いで、光源駆動装置１２の動作を、図４に示されるタイミングチャートを用いて説明する。
Next, the operation of the light
〈ｔ１〜ｔ２〉
充電制御部２６は、コンデンサＣの両端電圧を昇圧するための昇圧制御信号（矩形パルス信号）を生成する。この際、該昇圧制御信号のパルス幅、すなわちＬＰＦの両端に印加される電圧のパルス幅（ｔ２−ｔ１）に対する電流値Ｉｐを決定する。電流値Ｉｐは、上記（３）式を用いて、次の（４）式で表せる。
The
〈ｔ２〜ｔ３〉
充電制御部２６は、Ｉｐを決定した後、ｔ＝ｔ２に昇圧制御信号を０にしてトランジスタＴｒ２をＯＦＦにし、抵抗Ｒに流れる電流を遮断する。この結果、コイルＬの自己誘導により、コイルＬに蓄積されたエネルギがダイオードＤを介してコンデンサCに移動する。このとき、コンデンサCの両端電圧は、コイルLの自己誘導起電力によりＶｏまで高速に昇圧される。Ｖｏの電圧値は、既に上記（１）式に示した通りである。
<T2 to t3>
After determining Ip, the
〈ｔ３〜〉
コンデンサＣの充電完了後、発光制御部２４は、ｔ＝ｔ３に発光制御信号（矩形パルス信号）をトランジスタＴｒ１のゲート電極に出力する。トランジスタＴｒ１は、入力信号である発光制御信号の立ち上がりタイミングでＯＮとなり、該発光制御信号の立ち下りタイミングでＯＦＦとなる。すなわち、発光制御信号によりトランジスタＴｒ１がスイッチングされる。この際、発光制御信号のＯＮ時間にコンデンサＣから電荷が放電され、ＬＤにパルス状の駆動電流Ｉｏが印加され、ＬＤがパルス発光する。Ｉｏのピーク電流値は、既に上記（２）式に示した通りである。
<T3->
After completing the charging of the capacitor C, the light
なお、光源駆動装置１２において、Ｉｏの電流波形の立ち上がりは、トランジスタＴｒ１の応答速度によって決まり、立ち下がりはＣとＲｏｎの時定数によって決まる。計測用途では、Ｉｏのパルス幅は数［ｎｓ］〜数十［ｎｓ］なので、Ｔｒ１のＯＮ時間を電流波形に対して長く設定することで、コンデンサＣがすべて放電しきるため、コンデンサＣの電荷量によって決まるＩｏのパルス幅のばらつきを小さくすることができる。
In the light
ここで、ポリゴンミラー２８を含む光走査系による略水平方向の走査範囲は、一例として、中央（走査角０°）が自動車の直進方向に一致し（図５参照）、中央から一端（例えば左端）及び他端（例えば右端）それぞれにかけての走査角（偏向角）が７０°（走査範囲全体で１４０°）となるように設定されている。「自動車の直進方向」は、ステアリングの舵角が０°のときの自動車の進行方向を意味する。以下では、光走査系による略水平方向の走査範囲を、単に「走査範囲」とも称する。
Here, as an example, the scanning range in the substantially horizontal direction by the optical scanning system including the
詳述すると、ポリゴンミラー２８の回転中心（例えば回転軸）と走査範囲の中央とを通る方向が自動車の直進方向に平行となっている。なお、走査範囲は、自動車の直進方向を含んでいれば良く、中央が自動車の直進方向からずれていても良い。
More specifically, the direction passing through the rotation center (for example, the rotation axis) of the
ここで、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）から分かるように、回転軸方向から見た偏向反射面への光の入射角は、走査範囲の一端（上流端）から他端（下流端）にかけて徐々に小さくなることが分かる。すなわち、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）において、θ１＞θ２＞θ３が成立する。 Here, as can be seen from FIG. 2A to FIG. 2C, the incident angle of light to the deflecting reflection surface viewed from the rotation axis direction is from one end (upstream end) to the other end (downstream end) of the scanning range. ), It gradually decreases. That is, in FIG. 2A to FIG. 2C, θ1> θ2> θ3 is established.
回転軸方向から見た偏向反射面への光の入射角が小さいほど光の反射率が大きくなる。ここでは、走査範囲内における偏向反射面での光の反射率は、図６に示されるように、走査範囲の一端（−７０°）から他端（＋７０°）にかけて単調増加する曲線で表される。なお、図６の縦軸は、反射率の最大値を０％としたときの該最大値からの減少率（％）である。 The light reflectance increases as the incident angle of light on the deflecting / reflecting surface viewed from the direction of the rotation axis decreases. Here, as shown in FIG. 6, the reflectance of light on the deflecting reflecting surface within the scanning range is represented by a curve that monotonously increases from one end (−70 °) to the other end (+ 70 °) of the scanning range. The Note that the vertical axis in FIG. 6 represents the rate of decrease (%) from the maximum value when the maximum value of the reflectance is 0%.
このように、走査範囲内において偏向反射面での光の反射率（光量）にばらつきがあるため、走査範囲内において測定距離にばらつきが生じてしまう（図５の破線の曲線参照）。 As described above, since the reflectance (light quantity) of the light on the deflecting reflection surface varies within the scanning range, the measurement distance varies within the scanning range (see the dashed curve in FIG. 5).
ここで、走査タイミング（ビーム走査位置）に応じてＬＤの発光光量を調整することで、走査範囲内における走査光（ポリゴンミラー２８で偏向された光）の光量分布を所望の分布に設定できる。 Here, by adjusting the light emission amount of the LD according to the scanning timing (beam scanning position), the light amount distribution of the scanning light (light deflected by the polygon mirror 28) within the scanning range can be set to a desired distribution.
そこで、本実施形態では、図７に示されるように、ＬＤの発光光量を走査範囲の一端から他端にかけて単調減少するように変化させることで、図５の実線の曲線のように、走査範囲内での測定距離のばらつきを抑制できる。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, by changing the light emission amount of the LD so as to monotonously decrease from one end of the scanning range to the other end, the scanning range as shown by the solid curve in FIG. Variations in measurement distance can be suppressed.
また、ＬＤからのレーザ光は、回転軸に直交する方向（ここでは水平方向）から見て傾斜して入射される。このように、ＬＤからの光がポリゴンミラー２８の偏向反射面に斜入射されることで、ＬＤに光が戻らないようにして走査光により物体を走査することが可能となる。なお、偏向反射面に入射されるレーザ光は、該偏向反射面に対してＳ偏光成分がＰ偏光成分よりも多いほど好ましく、Ｓ偏光成分が１００％であることが最も好ましい。
The laser beam from the LD is incident with an inclination when viewed from a direction orthogonal to the rotation axis (here, the horizontal direction). In this way, the light from the LD is obliquely incident on the deflecting / reflecting surface of the
以上説明した第１実施形態の光源駆動装置１２は、ＬＤ（光源）に電流を供給可能に接続されたコンデンサＣと、ＬＤとコンデンサＣとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ１をスイッチング（制御）してＬＤを発光させる発光制御部２４と、エネルギを一時的に蓄積可能であり、コンデンサＣとエネルギ交換可能なコイルＬ（エネルギ蓄積素子）と、を備えている。
The light
また、第１実施形態の光源駆動方法は、ＬＤに電流を供給可能に接続されたコンデンサＣを充電する工程と、充電されたコンデンサＣとＬＤとを導通させてＬＤを発光させる工程と、を含み、充電する工程では、コンデンサＣとコイルＬ（エネルギ蓄積素子）との間でエネルギ交換を行う。 The light source driving method according to the first embodiment includes a step of charging a capacitor C connected so as to be able to supply current to the LD, and a step of causing the charged capacitor C and LD to conduct to emit light from the LD. In the process of including and charging, energy exchange is performed between the capacitor C and the coil L (energy storage element).
第１実施形態の光源駆動装置及び光源駆動方法では、コイルＬとコンデンサＣとの間でエネルギを高速で交換することができる。すなわち、コイルＬに蓄積されたエネルギをコンデンサＣに高速で移動させることができ、コンデンサＣに蓄積されたエネルギをコイルＬに高速で移動させることができる。つまり、コンデンサＣの両端電圧を高速に昇降圧可能である。 In the light source driving device and the light source driving method of the first embodiment, energy can be exchanged between the coil L and the capacitor C at high speed. That is, the energy stored in the coil L can be moved to the capacitor C at high speed, and the energy stored in the capacitor C can be moved to the coil L at high speed. That is, the voltage across the capacitor C can be stepped up and down at high speed.
結果として、大型化を抑制しつつＬＤ（光源）の発光光量を高分解能で制御することができる。 As a result, the amount of light emitted from the LD (light source) can be controlled with high resolution while suppressing the increase in size.
一方、特許文献１に開示されているレーザレーダでは、光源駆動回路（光源駆動装置）において、異なる設定電流値を持つ複数のトランジスタを並列に接続することで、光源の発光光量を変更することができるが、設定電流値と同数の駆動トランジスタを用いる必要があるため、光源の発光光量を高分解能で制御するために駆動トランジスタの数を多くすると回路が大型化し、大型化を抑制するために駆動トランジスタの数を少なくすると光源の発光光量を高分解能で制御するという観点において課題が残る。すなわち、特許文献１では、大型化を抑制しつつ光源の発光光量を高分解能で制御するという観点において改善の余地がある。
On the other hand, in the laser radar disclosed in
また、第１実施形態の光源駆動装置１２及び光源駆動方法では、従来の光源駆動装置や光源駆動方法と比較して、ＬＤ駆動電流の大きさを高速に変更でき、ひいてはＬＤ発光光量（発光パルスの光出力）を高速に制御できる。その理由は、駆動電流の供給源であるコンデンサの充電行程の違いにある。
Further, in the light
詳述すると、従来の光源駆動装置や光源駆動方法では、小容量のコンデンサに高電圧（例えば５０［Ｖ］以上）を印加し、トランジスタのスイッチングによってコンデンサを放電させていた。そして、高電圧を得るために、昇圧型のＤＣＤＣコンバータを用いていたが、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧は大容量の平滑コンデンサによって安定化・フィードバックされているため、駆動電流を高速に変更することは困難であった。 More specifically, in the conventional light source driving apparatus and light source driving method, a high voltage (for example, 50 [V] or more) is applied to a small-capacitance capacitor, and the capacitor is discharged by switching the transistor. In order to obtain a high voltage, a step-up DCDC converter was used. However, since the output voltage of the DCDC converter is stabilized and fed back by a large-capacity smoothing capacitor, it is impossible to change the drive current at high speed. It was difficult.
一方、第１実施形態の光源駆動装置１２及び光源駆動方法では、コイルＬにエネルギを一旦保持（一時的に蓄積）させることで、昇圧行程を１動作で終了できる。昇圧を高速で完了できるため、パルス発光用の光源駆動装置１２において、発光パルスの光出力を高速に変更できる。
On the other hand, in the light
以上の説明から分かるように、第１実施形態の光源駆動装置１２及び光源駆動方法は、ＬＤからのパルス光の光出力（発光光量）を高速かつ高分解能に制御できるため、走査範囲内の各領域毎に所望の測定距離を得ることができる。
As can be seen from the above description, the light
例えば、距離測定装置１００が搭載される自動車では、進行方向（ステアリングの舵角）に応じてＬＤの発光光量を制御すること（例えば低中速で左右方向に曲がりながら進行しているときには測定範囲を広範囲化して側方検知を強化したり、高速で略直進方向に進行しているときには測定距離を長距離化して前方検知を強化すること）や、速度に応じてＬＤの発光光量を制御すること（例えば低中速で進行しているときには測定範囲を広範囲化したり、高速で進行しているときには測定距離を長距離化すること）や、外乱光の影響が少ない夜間等に受光信号のＳＮ比に応じて光量を可変したりすることや、偏光反射面への光の入射角の違いによる反射率のばらつきの影響を補正することで、状況に応じて十分な測定距離を得つつＬＤの長寿命化を図ることができる。
For example, in an automobile equipped with the
また、第１実施形態の光源駆動装置１２及び光源駆動方法では、ＬＤからの発光パルスのピーク光出力を高速・高分解能に制御できるため、パルス光を利用する機器において、光量削減による光源の長寿命化や、ＡＰＣ（オートパワーコントロール）や温度補正のような光量微調整のような機能を実現することもできる。
Further, in the light
また、第１実施形態の光源駆動装置１２及び光源駆動方法は、コイルＬに蓄積されるエネルギを制御する充電制御部２６を更に含むため、コイルＬに所望のエネルギを蓄積させ、コンデンサＣの両端電圧を所望の大きさに昇圧することができる。このように、コイルＬの蓄積エネルギを制御することで、大規模な定電流源を必要とせず、低コストでコンデンサＣの両端電圧を昇圧できる。
In addition, since the light
また、光源駆動装置１２は、コイルＬとコンデンサＣとの間のエネルギの流れを整流するためのダイオードＤ（整流素子）を更に含むため、コイルＬとコンデンサＣとの間のエネルギの移動をスムーズにすることができる。
Further, since the light
また、ダイオードＤの順方向は、コイルＬからコンデンサＣへエネルギが移動する向きであるため、コンデンサＣの両端電圧をスムーズに昇圧することができる。 Further, since the forward direction of the diode D is the direction in which energy moves from the coil L to the capacitor C, the voltage across the capacitor C can be boosted smoothly.
また、エネルギ蓄積素子は、電磁誘導素子（コイルＬ）であるため、電磁誘導素子の誘導起電力（コイルＬの自己誘導起電力）によりコンデンサＣの両端電圧を確実かつ高速に昇圧できる。 Further, since the energy storage element is an electromagnetic induction element (coil L), the voltage across the capacitor C can be reliably and rapidly boosted by the induced electromotive force of the electromagnetic induction element (self-induced electromotive force of the coil L).
また、充電装置は、電磁誘導素子（コイルＬ）と共にローパスフィルタ（ＬＰＦ）を構成する抵抗Ｒ（インピーダンス素子、すなわちゼロ以上のインピーダンスを持つ素子）を含み、充電制御部２６は、ローパスフィルタに印加される電圧の印加時間を制御することで、電磁誘導素子に蓄積されるエネルギを制御する。
In addition, the charging device includes a resistor R (impedance element, that is, an element having an impedance of zero or more) that forms a low-pass filter (LPF) together with the electromagnetic induction element (coil L), and the charging
この場合、コイルＬの蓄積エネルギはＬＰＦの時定数によって変化する。コイルＬに対する電圧印加時間とコイルＬの蓄積エネルギは比例しないので、制御性にやや難があるものの、充電制御部２６に電流源を必要としないため低コスト化を図ることができる。なお、ＬＰＦのインピーダンス素子である抵抗Ｒは、必ずしも設けられていなくても良い。
In this case, the energy stored in the coil L varies depending on the time constant of the LPF. Since the voltage application time to the coil L and the accumulated energy of the coil L are not proportional, although there is some difficulty in controllability, a current source is not required for the charging
また、ＬＤと、該ＬＤを駆動する光源駆動装置１２とを備える光源装置では、大型化を抑制しつつＬＤの発光光量を高速かつ高分解能で制御可能な光源装置を実現できる。
Further, in the light source device including the LD and the light
また、移動体（例えば自動車）と、該移動体に搭載される距離測定装置１００とを備える移動体装置は、距離測定装置１００により、光量抑制（消費電力の低減）を図りつつ移動体の速度や進行方向に応じた適切な制御（例えば自動ブレーキ）を行うことができる。
In addition, a mobile body device including a mobile body (for example, an automobile) and a
以下に本発明の他の実施形態を説明する。他の実施形態では、上記第１実施形態と同様の構成及び機能を有する部材等には、同一の符号を付し、その説明を省略し、主に上記第１実施形態と異なる点を説明する。 Other embodiments of the present invention will be described below. In other embodiments, members having the same configurations and functions as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences from the first embodiment are mainly described. .
《第２実施形態》
第２実施形態の光源駆動装置１２０では、充電装置に定電流源を用いてＬＤへの駆動電流を制御する。すなわち、図８に示されるように、光源駆動装置１２０の充電制御部１２６は、基準電圧Ｖｒｅｆを印加する定電流源を有している。
<< Second Embodiment >>
In the light
詳述すると、光源駆動装置１２０では、充電制御部１２６とトランジスタＭとの間にオペアンプＯＡが設けられている。光源駆動装置１２０でも、コイルＬと抵抗Ｒが直列に接続されＬＰＦが構成されているが、トランジスタＭと抵抗Ｒの位置関係が第１実施形態とは逆である。また、ここでは、トランジスタＭとして、バイポーラトランジスタが用いられている。
More specifically, in the light
オペアンプＯＡは、＋入力端子が充電制御部１２６に接続され、−入力端子が抵抗Ｒの一端及びトランジスタＭのエミッタ端子に接続され、出力端子がトランジスタＭのベース端子に接続されている。抵抗Ｒの他端は、接地されている。コイルＬは、一端に電源電圧Ｅが印加され、他端がトランジスタＭのコレクタ端子及びダイオードＤのアノードに接続されている。
The operational amplifier OA has a + input terminal connected to the
光源駆動装置１２０におけるコンデンサＣの昇圧原理は、上記第１実施形態とほぼ同様である。
The principle of boosting the capacitor C in the light
次に、光源駆動装置１２０の動作を、図９に示されるタイミングチャートを用いて説明する。
Next, the operation of the light
〈ｔ１〜ｔ２〉
充電制御部１２６から矩形パルス状の基準電圧Ｖｒｅｆ（パルス幅（ｔ２−ｔ１））をオペアンプＯＡに印加（入力）すると、オペアンプＯＡにより増幅された電流がトランジスタＭのベース端子に印加されトランジスタＭがＯＮとなる。これにより、コイルＬと抵抗Ｒとが導通し、コイルＬと抵抗Ｒに電流Ｉｐ＝Ｖｒｅｆ／Ｒが流れる。Ｉｐの立ち上がり時間は、コイルＬのインダクタンス及び定電流源のインピーダンスによって決まる。
<T1-t2>
When a rectangular pulse-shaped reference voltage Vref (pulse width (t2-t1)) is applied (input) to the operational amplifier OA from the
〈ｔ２〜ｔ３〉
充電制御部１２６は、Ｉｐが決まった後、ｔ＝ｔ２にＶｒｅｆを０にしてコイルＬと抵抗Ｒとを非導通とする。この結果、コイルＬに自己誘導が発生し、コイルＬに蓄積されたエネルギがダイオードＤを介してコンデンサＣに移動する。このとき、コイルＬの自己誘導起電力でコンデンサＣの両端電圧がＶｏまで高速に昇圧される。Ｖｏの電圧値は、既に上記（１）式に示した通りである。
<T2 to t3>
After the Ip is determined, the charging
〈ｔ３〜〉
コンデンサＣの充電完了後、発光制御部１２４は、ｔ＝ｔ３に発光制御信号（矩形パルス信号）をトランジスタＴｒ１のゲート端子に出力する。トランジスタＴｒ１は、発光制御信号の立ち上がりタイミングでＯＮとなり、該発光制御信号の立ち下りタイミングでＯＦＦとなる。すなわち、発光制御信号によりトランジスタＴｒ１がスイッチングされる。この際、発光制御信号のＯＮ時間にコンデンサＣから電荷が放電され、ＬＤにパルス状の駆動電流Ｉｏが印加され、ＬＤがパルス発光する。Ｉｏのピーク電流値は、既に上記（２）式に示した通りである。
<T3->
After completing the charging of the capacitor C, the light
なお、第２実施形態の駆動電流Ｉｏの波形は、立ち上がりはトランジスタＴｒ１の応答速度により、立ち下りはＣとＲｏｎの時定数によって決まる。計測用途ではＩｏのパルス幅は数［ｎｓ］〜数十［ｎｓ］である。トランジスタＴｒ１のＯＮ時間を電流波形に対して長く設定することで、Ｉｏのパルス幅のバラツキを小さくすることができる。 In the waveform of the drive current Io of the second embodiment, the rising edge is determined by the response speed of the transistor Tr1, and the falling edge is determined by the time constant of C and Ron. In measurement applications, the pulse width of Io is several [ns] to several tens [ns]. By setting the ON time of the transistor Tr1 to be longer than the current waveform, the variation in the pulse width of Io can be reduced.
以上説明した第２実施形態の光源駆動装置１２０では、充電制御部１２６は、定電流源を含み、該定電流源の電流値を制御することで、コイルＬ（電磁誘導素子）に蓄積されるエネルギを制御する。
In the light
この場合、コイルＬの蓄積エネルギが外部入力電圧（基準電圧Ｖｒｅｆ）に比例するので、制御性が良く、高分解能である。すなわち、充電制御部１２６の基準電圧Ｖｒｅｆに比例した電流Ｉｐ＝Ｖｒｅｆ／Ｒが得られるため、制御性が良い。
In this case, since the energy stored in the coil L is proportional to the external input voltage (reference voltage Vref), the controllability is good and the resolution is high. That is, since the current Ip = Vref / R proportional to the reference voltage Vref of the
《第３実施形態》
第３実施形態の光源駆動装置２２０では、コンデンサＣの両端電圧を昇降圧可能な構成を有している。
<< Third Embodiment >>
The light
光源駆動装置２２０は、図１０に示されるように、上記第２実施形態の光源駆動装置１２０に対して、コイルＬと、トランジスタＭ及び抵抗Ｒとを反転させた構成を有している。
As illustrated in FIG. 10, the light
詳述すると、光源駆動装置２２０では、オペアンプＯＡは、＋入力端子が充電制御部２２６に接続され、−入力端子が抵抗Ｒの一端及びトランジスタＭのエミッタ端子に接続され、出力端子がトランジスタＭのベース端子に接続されている。抵抗Ｒの他端には、電源電圧Ｅが印加される。コイルＬは、一端が接地され、他端がトランジスタＭのコレクタ端子及びダイオードのカソードに接続されている。ダイオードＤのアノードは、ＬＤのカソード及びコンデンサＣの一端（負極）に接続されている。トランジスタＴｒ１は、ゲート電極が発光制御部２２４に接続され、ソース電極がＬＤのアノードに接続され、ドレイン電極がコンデンサＣの他端（正極）に接続され、かつ接地されている。
More specifically, in the light
光源駆動装置２２０におけるコンデンサＣの昇圧原理は、光源駆動装置１２０とほぼ同様であるが、コイルＬに流れる電流の向きが光源駆動装置１２０の場合とは逆になるため、コンデンサＣの両端電圧は−Ｖｏ（負電圧）になる。すなわち、ここでは、コイルＬからコンデンサＣへのエネルギの移動のみならず、コンデンサＣからコイルＬへのエネルギの移動も可能である。具体的には、トランジスタＴｒ１がＯＦＦのとき、コンデンサＣに蓄積された電気エネルギ（電荷）をコイルＬに磁気エネルギとして移動させることができる。なお、上記第１実施形態の光源駆動装置１２においても、コイルＬと、抵抗Ｒ及びトランジスタＴｒ２とを反転させれば、コンデンサＣの両端電圧を昇降圧可能となる。
The boosting principle of the capacitor C in the light
このように、第３実施形態では、昇圧のみならず降圧にも対応できるため、微弱光の出力も可能になる。 As described above, in the third embodiment, not only the step-up but also the step-down can be handled, so that it is possible to output weak light.
次に、光源駆動装置２２０の動作を、図１１に示されるタイミングチャートを用いて説明する。
Next, the operation of the light
〈ｔ１〜ｔ２〉
充電制御部２２６からオペアンプＯＡに矩形パルス状の基準電圧Ｖｒｅｆ（パルス幅（ｔ２−ｔ１））を印加（入力）すると、増幅された電流がトランジスタＭのベース端子に印加されトランジスタＭがＯＮとなる。この結果、コイルＬと抵抗Ｒとが導通し、コイルＬと抵抗Ｒに電流Ｉ＝（Ｖ−Ｖｒｅｆ）／Ｒが流れる。Ｉの立ち上がり時間はコイルＬのインダクタンス及び定電流源のインピーダンスによって決まる。
<T1-t2>
When a rectangular pulse reference voltage Vref (pulse width (t2-t1)) is applied (input) from the
〈ｔ２〜ｔ３〉
充電制御部２２６は、Ｉが決まった後、ｔ＝ｔ２にＶｒｅｆ＝Ｅとし、定電流源の電流を遮断する。この結果、コイルＬに蓄積されたエネルギがダイオードＤを介してコンデンサCに移動する。このとき、コイルＬの自己誘導起電力でコンデンサＣの両端電圧が−Ｖｏに高速に昇圧される。−Ｖｏの電圧値は、上記（１）式を変形した次の式（１−２）で表せる。
After I is determined, the charging
〈ｔ３〜〉
コンデンサＣの充電完了後、発光制御部２２４は、ｔ＝ｔ３に発光制御信号（矩形パルス信号）をトランジスタＴｒ１のゲート端子に出力する。トランジスタＴｒ１は、発光制御信号の立ち上がりタイミングでＯＮとなり、該発光制御信号の立ち下りタイミングでＯＦＦとなる。すなわち、発光制御信号によりトランジスタＴｒ１がスイッチングされる。この際、発光制御信号のＯＮ時間にコンデンサＣから電荷が放電され、ＬＤにパルス状の駆動電流Ｉｏが印加され、ＬＤがパルス発光する。Ｉｏのピーク電流値は、既に上記（２）式に示した通りである。
<T3->
After completing the charging of the capacitor C, the light
以上説明した第３実施形態の光源駆動装置２２０では、コンデンサＣの両端電圧を昇降圧可能である。
In the light
この場合、微弱出力光〜高出力光の幅広いレンジでＬＤの発光光量の制御が可能である。 In this case, it is possible to control the light emission amount of the LD in a wide range from weak output light to high output light.
すなわち、光源駆動装置２２０では、コンデンサＣの両端電圧を電源電圧Ｅ以下の範囲で、任意の電圧（低電圧〜高電圧）に設定可能である。
That is, in the light
《第４実施形態》
第４実施形態の光源駆動装置３２０は、定電圧源を用いてＬＤへの駆動電流を制御する。
<< 4th Embodiment >>
The light
光源駆動装置３２０は、図１２に示されるように、定電圧源Ｅｖと、コンデンサCと抵抗Ｒとが直列接続されて成るＬＰＦと、該ＬＰＦに電圧を印加するためのスイッチとして機能するトランジスタＴｒ２と、該トランジスタＴｒ２を制御する充電制御部３２６と、ＬＤに駆動電流を印加するためのスイッチとして機能するトランジスタＴｒ１と、該トランジスタＴｒ１を制御する発光制御部３２４とを備えている。
As shown in FIG. 12, the
詳述すると、トランジスタＴｒ２は、ゲート電極が充電制御部３２６に接続され、ドレイン電極が、負極が接地された定電圧源Ｅｖの正極に接続され、ソース電極が抵抗Ｒの一端に接続されている。トランジスタＴｒ１は、ゲート電極が発光制御部３２４に接続され、ドレイン電極が抵抗Ｒの他端及びコンデンサＣの一端（正極）に接続され、ソース電極がＬＤのアノードに接続されている。コンデンサＣの他端（負極）は、ＬＤのカソードに接続され、かつ接地されている。
More specifically, the transistor Tr2 has a gate electrode connected to the
そこで、発光制御部３２４がトランジスタＴｒ２のスイッチングにより、抵抗ＲとコンデンサＣとから成るＬＰＦの両端に定電圧源Ｅｖの電圧を印加すると、コンデンサＣの両端電圧Ｖｏは時定数τ＝ＣＲに従って上昇していく（過渡的に変化する）。このように、第４実施形態では、コンデンサＣの両端電圧を過渡的に変化させるためにコンデンサＣを含んでＬＰＦを構成している。
Therefore, when the light
この際、トランジスタＴｒ２のＯＮ時間Ｔｏｎの値をＴｏｎ＜τとなるように制御することで、Ｔｏｎの長さにより、Ｖｏの両端電圧を制御できる。 At this time, by controlling the value of the ON time Ton of the transistor Tr2 such that Ton <τ, the voltage across Vo can be controlled by the length of Ton.
次に、光源駆動装置３２０の動作を、図１３に示されるタイミングチャートを用いて説明する。
Next, the operation of the light
〈ｔ１〜ｔ２〉
充電制御部３２６は、トランジスタＴｒ２に矩形パルス信号（パルス幅（ｔ２−ｔ１））を入力し、トランジスタＴｒ２をｔ＝ｔ１にＯＮにし、ｔ＝ｔ２にＯＦＦにする。この結果、コンデンサＣの両端電圧Ｖｏは時定数τ＝ＣＲによって最大電圧Ｅｖを上限に上昇していく。Ｔｒ２のＯＮ時間は、少なくとも１つの電圧パルスのパルス幅又は数（パルス数）で決定することができる。
<T1-t2>
The
〈ｔ２〜ｔ３〉
ＬＤに駆動電流が流れるまでの間（Ｔｒ１がＯＦＦの間）、ＶｏはコンデンサＣに蓄えられた電荷量によって維持される。
<T2 to t3>
Until the drive current flows through the LD (while Tr1 is OFF), Vo is maintained by the amount of charge stored in the capacitor C.
〈ｔ３〜〉
コンデンサＣの充電完了後、発光制御部３２４は、ｔ＝ｔ３に発光制御信号（矩形パルス信号）をトランジスタＴｒ１のゲート端子に出力する。トランジスタＴｒ１は、発光制御信号の立ち上がりタイミングでＯＮとなり、該発光制御信号の立ち下りタイミングでＯＦＦとなる。すなわち、発光制御信号によりトランジスタＴｒ１がスイッチングされる。この際、発光制御信号のＯＮ時間にコンデンサＣから電荷が放電され、ＬＤにパルス状の駆動電流Ｉｏが印加され、ＬＤがパルス発光する。Ｉｏのピーク電流値は、既に上記（２）式に示した通りである。
<T3->
After completing the charging of the capacitor C, the light
以上説明した第４実施形態の光源駆動装置３２０は、ＬＤに電流を供給可能に接続されたコンデンサＣと、ＬＤとコンデンサＣとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ１を制御してＬＤを発光させる発光制御部３２４と、コンデンサＣに電圧を印加するための定電圧源Ｅｖ（電源）と、定電圧源Ｅｖの印加時間を制御する充電制御部３２６（印加時間制御部）と、を備え、該充電制御部３２６は、コンデンサＣに蓄積される電荷量が過渡的に変化するときの定電圧源Ｅｖの電圧印加時間を制御する。
The light
この場合、コンデンサＣの両端電圧が過渡的に変化するときに定電圧源Ｅｖの電圧印加時間を制御することでコンデンサの両端電圧を高分解能で制御することができる。また、定電圧源Ｅｖは、安定化した電源であるため、動作を安定化させることができる。 In this case, the voltage across the capacitor can be controlled with high resolution by controlling the voltage application time of the constant voltage source Ev when the voltage across the capacitor C changes transiently. Further, since the constant voltage source Ev is a stabilized power supply, the operation can be stabilized.
詳述すると、充電制御部３２６は、コンデンサＣの両端電圧がコンデンサＣと該コンデンサＣに直列に接続された抵抗Ｒ（インピーンダンス素子）とにより過渡特性を有するとき定電圧源Ｅｖの電圧印加時間を制御する。
More specifically, the charging
この場合、コンデンサＣ及び抵抗Ｒを含むＬＰＦに対する電圧印加時間を制御することにより、すなわちＤＣＤＣコンバータを用いた簡易な構成により、コンデンサＣの両端電圧を高分解能で制御することができる。なお、ここでは、コンデンサＣと抵抗Ｒとが直列に接続されているが、並列に接続されても良い。 In this case, the voltage across the capacitor C can be controlled with high resolution by controlling the voltage application time for the LPF including the capacitor C and the resistor R, that is, with a simple configuration using a DCDC converter. Here, the capacitor C and the resistor R are connected in series, but may be connected in parallel.
また、定電圧源Ｅｖの電圧印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＮ時間）が１つの発光パルスに対して、少なくとも１つの電圧パルスのパルス幅で決定される場合、少ない電圧パルスで充電を完了できるため、高速充電が可能になる。 Further, when the voltage application time of the constant voltage source Ev (ON time of the transistor Tr2) is determined by the pulse width of at least one voltage pulse with respect to one light emission pulse, charging can be completed with a small voltage pulse. Fast charging is possible.
また、定電圧源Ｅｖの電圧印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＮ時間）が１つの発光パルスに対して、少なくとも１つの電圧パルスの数で決定される場合、パルス幅固定の電圧パルスの数で充電電荷を決定することができる。この結果、出力をフィードバックするＰＷＭ制御等の適用が可能になる。 Further, when the voltage application time of the constant voltage source Ev (ON time of the transistor Tr2) is determined by the number of at least one voltage pulse with respect to one light emission pulse, the charge is charged by the number of voltage pulses having a fixed pulse width. Can be determined. As a result, PWM control or the like that feeds back the output can be applied.
《第５実施形態》
第５実施形態の光源駆動装置４２０では、理想電流源を用いてＬＤへの駆動電流を制御する。
<< 5th Embodiment >>
In the light
光源駆動装置４２０は、図１４に示されるように、定電流源Ｅｉと、トランジスタＴｒ２と、該トランジスタＴｒ２を制御する充電制御部４２６と、ダイオードＤと、トランジスタＴｒ１と、該トランジスタＴｒ１を制御する発光制御部４２４と、コンデンサＣとを備えている。
As shown in FIG. 14, the light
詳述すると、トランジスタＴｒ２は、ゲート電極が充電制御部４２６に接続され、ドレイン電極が定電流源Ｅｉの正極及びダイオードＤのアノードに接続され、ソース電極が接地されている。トランジスタＴｒ１は、ゲート電極が発光制御部４２４に接続され、ドレイン電極がダイオードＤのカソード及びコンデンサＣの一端（正極）に接続され、ソース電極がＬＤのアノードに接続されている。コンデンサＣの他端（負極）は、ＬＤのカソードに接続され、かつ接地されている。
Specifically, the transistor Tr2 has a gate electrode connected to the
そこで、充電制御部４２６は、コンデンサＣの両端電圧Ｖｏを、定電流源ＥｉからコンデンサCへの電流印加時間を制御することで、制御する。
Therefore, the
充電制御部４２６は、コンデンサＣの充電開始前、トランジスタＴｒ２を常にＯＮとする。これにより、定電流源Ｅｉからの電流ＩはすべてトランジスタＴｒ２に流れ込む。
The charging
充電制御部４２６は、コンデンサＣを充電する際、トランジスタＴｒ２をＯＦＦにし、電流ＩをダイオードＤを介してコンデンサＣに流し、該コンデンサＣの両端電圧Ｖｏを昇圧していく。このとき、コンデンサＣに蓄積される電荷量が過渡的に変化する。
When charging the capacitor C, the
Ｖｏは、クーロンの公式Ｑ＝Ｉ・ｔ＝ＣＶを用いて、次の（５）式で表せる。
上記（５）式より、ＶｏはトランジスタＴｒ２のＯＦＦ時間に比例することがわかる。 From the above equation (5), it can be seen that Vo is proportional to the OFF time of the transistor Tr2.
次に、光源駆動装置４２０の動作を、図１５に示されるタイミングチャートを用いて説明する。
Next, the operation of the light
〈〜ｔ１〉
ｔ＜ｔ１では、充電制御部４２６は、トランジスタＴｒ２を常にＯＮとし、定電流源Ｅｉから出力される電流Ｉはすべて、トランジスタＴｒ２に流れ込む。
<~ T1>
At t <t1, the charging
〈ｔ１〜ｔ２〉
ｔ＝ｔ１に、充電制御部４２６は、トランジスタＴｒ２をＯＦＦにする。これにより、電流ＩはすべてダイオードＤに向かって流れ、コンデンサＣが充電され両端電圧がＶｏまで昇圧する。昇圧速度は、上記（５）式に示した通りに表せる。電流Ｉの印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＦＦ時間）は、少なくとも１つの電流パルスのパルス幅又は数（パルス数）で決定することができる。
<T1-t2>
At t = t1, the charging
〈ｔ２〜ｔ３〉
ＬＤに駆動電流が流れるまでの間（Ｔｒ１がＯＦＦの間）、ＶｏはコンデンサＣに蓄えられた電荷量によって維持される。
<T2 to t3>
Until the drive current flows through the LD (while Tr1 is OFF), Vo is maintained by the amount of charge stored in the capacitor C.
〈ｔ３〜〉
コンデンサＣの充電完了後に、発光制御部４２４は、ｔ＝ｔ３に発光制御信号（矩形パルス信号）をトランジスタＴｒ１のゲート端子に出力する。トランジスタＴｒ１は、発光制御信号の立ち上がりタイミングでＯＮとなり、該発光制御信号の立ち下りタイミングでＯＦＦとなる。すなわち、発光制御信号によりトランジスタＴｒ１がスイッチングされる。この際、発光制御信号のＯＮ時間にコンデンサＣから電荷が放電され、ＬＤにパルス状の駆動電流Ｉｏが印加され、ＬＤがパルス発光する。Ｉｏのピーク電流値は、既に上記（２）式に示した通りである。
<T3->
After completing the charging of the capacitor C, the light
以上説明した第５実施形態の光源駆動装置４２０は、ＬＤに電流を供給可能に接続されたコンデンサＣと、ＬＤとコンデンサＣとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ１を制御してＬＤを発光させる発光制御部４２４と、コンデンサＣに電流を印加するための定電流源（電源）Ｅｉと、定電流源Ｅｉの電流印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＦＦ時間）を制御する充電制御部４２６と、を備え、充電制御部４２６は、コンデンサＣに蓄積される電荷量が過渡的に変化するときの定電流源Ｅｉの電流印加時間を制御する。
The light
この場合、定電流源Ｅｉの電流印加時間に比例した両端電圧が得られるため、高速充電が可能であり、コンデンサＣの両端電圧を高分解能で制御でき、ひいてはＬＤの発光光量を高分解能で制御できる。すなわち、理想電流源があれば、電流パルスの印加時間に比例した出力電圧が得られ、昇降圧も可能である。 In this case, the voltage across the constant current source Ei is proportional to the current application time, so that high-speed charging is possible, the voltage across the capacitor C can be controlled with high resolution, and the light emission quantity of the LD can be controlled with high resolution. it can. That is, if there is an ideal current source, an output voltage proportional to the application time of the current pulse can be obtained, and step-up / step-down is also possible.
また、定電流源Ｅｉの電流印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＦＦ時間）が１つの発光パルスに対して少なくとも１つの電流パルスのパルス幅で決定される場合、少ないパルスで充電が完了できるので、高速充電に適している。 In addition, when the current application time of the constant current source Ei (OFF time of the transistor Tr2) is determined by the pulse width of at least one current pulse with respect to one light emission pulse, charging can be completed with a small number of pulses, so that fast charging is possible. Suitable for
また、定電流源Ｅｉの電流印加時間（トランジスタＴｒ２のＯＦＦ時間）が１つの発光パルスに対して少なくとも１つの電流パルスの数で決定される場合、出力をフィードバックするＰＷＭ制御が可能になる。 Further, when the current application time of the constant current source Ei (OFF time of the transistor Tr2) is determined by the number of at least one current pulse with respect to one light emission pulse, PWM control that feeds back the output becomes possible.
なお、上記各実施形態では、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、半導体レーザの一種である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。 In each of the above embodiments, a single LD is used as the light source, but the present invention is not limited to this. For example, an LD array in which a plurality of LDs are arranged in one or two dimensions, a VCSEL (surface emitting laser) which is a kind of semiconductor laser, a VCSEL array in which VCSELs are arranged in one or two dimensions, or a laser other than a semiconductor laser A light source other than a laser may be used. Examples of the LD array in which a plurality of LDs are arranged one-dimensionally include a stack type LD array in which a plurality of LDs are stacked and an LD array in which a plurality of LDs are arranged horizontally.
また、上記各実施形態の距離測定装置の構成は、適宜変更可能である。例えば、照射光学系は、カップリングレンズ及びポリゴンミラーの少なくとも一方を有していなくても良い。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（例えばミラー）を有していても良い。 Moreover, the structure of the distance measuring device of each said embodiment can be changed suitably. For example, the irradiation optical system may not have at least one of a coupling lens and a polygon mirror. The light receiving optical system may not have a light receiving lens or may have another optical element (for example, a mirror).
また、光源駆動装置の構成も適宜変更可能である。例えば、上記第１、第４及び第５実施形態では、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２としてＭＯＳ−ＦＥＴが用いられているが、Ｔｒ１及びＴｒ２の少なくとも一方として接合型ＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いても良い。また、上記第２及び第３実施形態では、トランジスタＴｒ１として、ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられているが、接合型ＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いても良い。また、上記第２及び第３実施形態では、トランジスタＭとして、バイポーラトランジスタが用いられているが、ＦＥＴ（ＭＯＳ−ＦＥＴや接合型ＦＥＴ）を用いても良い。 In addition, the configuration of the light source driving device can be changed as appropriate. For example, in the first, fourth, and fifth embodiments, MOS-FETs are used as the transistors Tr1 and Tr2. However, a junction FET or a bipolar transistor may be used as at least one of Tr1 and Tr2. In the second and third embodiments, a MOS-FET is used as the transistor Tr1, but a junction FET or a bipolar transistor may be used. In the second and third embodiments, a bipolar transistor is used as the transistor M, but an FET (MOS-FET or junction FET) may be used.
また、上記実施形態において、例えば抵抗Ｒ、ダイオードＤ、オペアンプＯＡ等は、適宜、省略しても良い。 In the above embodiment, for example, the resistor R, the diode D, the operational amplifier OA, and the like may be omitted as appropriate.
また、上記各実施形態では、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（例えば電車等）、航空機、船舶等であっても良い。 In each of the above-described embodiments, the automobile is described as an example of the moving body on which the distance measuring device is mounted. However, the moving body may be a vehicle other than the automobile (for example, a train), an aircraft, a ship, or the like. .
また、上記各実施形態の距離測定装置は、物体との間の往復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。 In addition, the distance measurement device of each of the above embodiments is a technique using a so-called Time of Flight (TOF) method for measuring a reciprocal distance between an object and a motion capture technique, a measurement in addition to sensing in a moving body. Widely used in industrial fields such as rangefinders. That is, the distance measuring device of the present invention does not necessarily have to be mounted on the moving body.
そして、上記各実施形態の光源駆動装置の具体的な用途としては、低熱量用途ではレーザレーダやＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラ等の平均エネルギーの小さい距離測定装置、上記画像形成装置、上記画像表示装置等が挙げられ、高熱量用途では高パワーを必要とするレーザ加工機等が挙げられる。 As specific applications of the light source driving device of each of the above embodiments, a distance measuring device having a small average energy, such as a laser radar or a TOF (Time Of Flight) camera, an image forming device, and an image display are used for low heat applications. Examples of such devices include laser processing machines that require high power for high calorie applications.
例えば上記各実施形態の光源駆動装置をパルス光を用いるレーザ加工機に使用することで、レーザの光出力（発光光量）を材料の熱容量や熱吸収率に応じて微調整でき、被加工材の過剰な溶融を防止できる。 For example, by using the light source driving device of each of the above embodiments in a laser processing machine that uses pulsed light, the laser light output (the amount of emitted light) can be finely adjusted according to the heat capacity and heat absorption rate of the material. Excessive melting can be prevented.
このようなレーザ加工機は、ＬＤと該ＬＤを駆動する上記各実施形態の光源駆動装置とＬＤからの光を導光する光学系とを含んで構成することができる。 Such a laser beam machine can be configured to include an LD, the light source driving device of each of the above-described embodiments that drives the LD, and an optical system that guides light from the LD.
さらに、上記各実施形態の光源駆動装置は、距離測定装置やレーザ加工機以外にも、パルス光を用いる様々な装置に適用可能である。 Furthermore, the light source driving device of each of the above embodiments can be applied to various devices using pulsed light in addition to the distance measuring device and the laser processing machine.
例えば上記各実施形態の光源駆動装置を、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。 For example, the light source driving device of each of the above embodiments is an image forming apparatus (for example, a printer, a copier, or the like) that scans a photosensitive member with light to form an image, or an image display apparatus that displays an image by scanning a screen with light. (For example, a projector, a head-up display, a head-mounted display, etc.) may be used.
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ことは言うまでもない。 It should be understood that the specific numerical values, shapes, etc. used in the above description are merely examples, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
以下に、発明者らが上記各実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。 Below, the thought process that the inventors have come up with the above embodiments will be described.
例えば半導体レーザ（ＬＤ、ＶＣＳＥＬ）等の光源をパルス発光させる光源駆動回路（光源駆動装置）の主な用途として、対象物にパルス光を照射し、反射光を受光して対象物までの距離を測定する、レーザレーダ、ＴＯＦカメラ等の距離測定装置がある。 For example, as a main application of a light source driving circuit (light source driving device) that emits light from a light source such as a semiconductor laser (LD, VCSEL), the object is irradiated with pulsed light, reflected light is received, and the distance to the object is measured. There are distance measuring devices such as a laser radar and a TOF camera for measuring.
このような距離測定装置に搭載される光源駆動回路には、長距離にある対象物を高い精度で検出するため、高出力（例えば２０［Ａ］）、かつ高速（例えばパルス幅２０［ｎｓ］）な駆動電流を供給することが求められる。この仕様を満たす光源駆動を実現するため、駆動電流を供給するためのコンデンサを充電して、トランジスタのスイッチング動作によりコンデンサの電荷を急速に放電する技術が導入されている。 In the light source driving circuit mounted on such a distance measuring device, in order to detect an object at a long distance with high accuracy, high output (for example, 20 [A]) and high speed (for example, pulse width of 20 [ns]). ) Driving current is required. In order to realize light source driving satisfying this specification, a technique has been introduced in which a capacitor for supplying a driving current is charged and the capacitor charge is rapidly discharged by a transistor switching operation.
しかし、従来、高出力発光パルスを生成するための光源駆動回路は、駆動電流の可変域を、高分解能（例えば最大出力７０［Ｗ］まで１［Ｗ］刻みで調整）かつ高速（例えば１０ｋＨｚ以上）に切り替えることはできなかった。 However, conventionally, a light source driving circuit for generating a high-output light emission pulse has a variable range of driving current with high resolution (for example, adjusted in increments of 1 [W] up to a maximum output of 70 [W]) and high speed (for example, 10 kHz or more). ) Could not be switched to.
また、例えば小信号用途では一般的に用いられている、ＡＰＣや温度補正のような光量の微調整の機能が実現できなかった。 In addition, for example, a fine adjustment function of light quantity such as APC and temperature correction, which is generally used in small signal applications, cannot be realized.
そこで、上記各実施形態は、発光パルスの光出力を高速・高分解能に可変できる回路構成により、同一発光周期駆動消費電力を低減して光源を長寿命化したり、光源の発光光量を補正したりできる光源駆動回路を提供するために発案された。 Therefore, in each of the above embodiments, the circuit configuration that can vary the light output of the light emission pulse at high speed and high resolution reduces the same light emission period driving power consumption to extend the life of the light source, or correct the light emission amount of the light source. It was conceived to provide a light source driving circuit that can be used.
１０…ＬＤ（光源）、１２、１２０、２２０、３２０、４２０…光源駆動装置、２２…測定制御部（距離算出部）、２４、１２４、２２４、３２４、４２４…発光制御部、２６、１２６、２２６、３２６、４２６…充電制御部（エネルギ制御部）、２８…ポリゴンミラー（偏向器）、１００…距離測定装置、３２６、４２６…充電制御部（印加時間制御部）、Ｃ…コンデンサ、Ｌ…コイル（エネルギ蓄積素子、電磁誘導素子）、Ｒ…抵抗、Ｔｒ１…トランジスタ、Ｅｖ…定電圧源（電源）、Ｅｉ…定電流源（電源）。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記光源と前記コンデンサとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタと、
前記トランジスタを制御して前記光源をパルス発光させる発光制御部と、
エネルギを一時的に蓄積可能であり、前記コンデンサとエネルギ交換可能なエネルギ蓄積素子と、を備える光源駆動装置。 A capacitor connected to be able to supply current to the light source;
A transistor for switching conduction / non-conduction between the light source and the capacitor;
A light emission control unit for controlling the transistor to emit light from the light source;
A light source driving device comprising: an energy storage element capable of temporarily storing energy and capable of exchanging energy with the capacitor.
前記エネルギ制御部は、前記ローパスフィルタに印加される電圧の印加時間を制御することで、前記電磁誘導素子に蓄積されるエネルギを制御することを特徴とする請求項４に記載の光源駆動装置。 Including at least one impedance element constituting a low-pass filter together with the electromagnetic induction element;
The light source driving apparatus according to claim 4, wherein the energy control unit controls the energy accumulated in the electromagnetic induction element by controlling a voltage application time applied to the low-pass filter.
前記光源と前記コンデンサとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタと、
前記コンデンサに電圧又は電流を印加するための電源と、
前記トランジスタを制御して前記光源をパルス発光させる発光制御部と、
前記電源の印加時間を制御する印加時間制御部と、を備え、
前記印加時間制御部は、前記コンデンサに蓄積される電荷量が過渡的に変化するときの前記印加時間を制御する光源駆動装置。 A capacitor connected to be able to supply current to the light source;
A transistor for switching conduction / non-conduction between the light source and the capacitor;
A power source for applying a voltage or current to the capacitor;
A light emission control unit for controlling the transistor to emit light from the light source;
An application time control unit for controlling the application time of the power source,
The application time control unit is a light source driving device that controls the application time when the amount of charge accumulated in the capacitor changes transiently.
前記印加時間制御部は、前記コンデンサの両端電圧が、前記コンデンサと該コンデンサと直列又は並列に接続されたインピーンダンス素子とにより過渡特性を有するとき、前記電圧源の電圧印加時間を制御することを特徴とする請求項８に記載の光源駆動装置。 The power source is a voltage source;
The application time control unit controls the voltage application time of the voltage source when the voltage across the capacitor has a transient characteristic due to the capacitor and an impedance element connected in series or in parallel with the capacitor. The light source driving device according to claim 8.
前記印加時間制御部は、前記電流源の電流印加時間を制御することを特徴とする
請求項８に記載の光源駆動装置。 The power source is a current source;
The light source driving apparatus according to claim 8, wherein the application time control unit controls a current application time of the current source.
前記光源を駆動する請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光源駆動装置と、を備える光源装置。 A light source;
A light source device comprising: the light source driving device according to claim 1 that drives the light source.
前記光源装置から物体に照射され該物体で反射された光を受光する受光素子と、
前記光源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算出する距離算出部と、を備える距離測定装置。 The light source device according to claim 15;
A light receiving element that receives light emitted from the light source device and reflected by the object;
A distance measurement device comprising: a distance calculation unit that calculates a distance to the object based on a light emission timing of a light source of the light source device and a light reception timing of the light receiving element.
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。 A distance measuring device according to claim 16;
A moving body device comprising: a moving body on which the distance measuring device is mounted.
前記光源装置からのレーザ光を導光する光学系と、を備えるレーザ加工機。 The light source device according to claim 15, wherein the light source is a laser light source;
An optical system that guides laser light from the light source device.
充電された前記コンデンサと前記光源とを導通させて前記光源をパルス発光させる工程と、を含み、
前記充電する工程では、前記コンデンサとエネルギ蓄積素子との間でエネルギ交換を行う光源駆動方法。 Charging a capacitor connected to supply a current to the light source;
Conducting the charged capacitor and the light source to pulse the light source, and
A light source driving method for exchanging energy between the capacitor and an energy storage element in the charging step.
充電された前記コンデンサと前記光源とを導通させて前記光源をパルス発光させる工程と、を含み、
前記充電する工程では、前記コンデンサに電圧又は電流を印加するための電源の印加時間を前記コンデンサに蓄積される電荷量が過渡的に変化するときに制御する光源駆動装置。
Charging a capacitor connected to supply a current to the light source;
Conducting the charged capacitor and the light source to pulse the light source, and
In the charging step, a light source driving device that controls application time of a power source for applying voltage or current to the capacitor when the amount of charge accumulated in the capacitor changes transiently.
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