JP2018036543A - スキャナミラー - Google Patents

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Abstract

【課題】受光面を有する反射部の変位に応じた受光素子の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを抑制することが可能なスキャナミラーを提供する。【解決手段】このスキャナミラー30は、各々の受光面51aおよび52aが所定の交差角度αを有して、同一の揺動軸150上に配置される受光用ミラー51および52と、受光用ミラー51および52を所定の角度範囲で揺動させるミラー駆動部60とを備える。【選択図】図2

Description

この発明は、スキャナミラーに関し、特に、受光面を有する反射部を備えたスキャナミラーに関する。
従来、光源からの光を反射させるミラーを備えたスキャナミラーが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、回転軸(揺動軸)となる1本の捻り梁に2枚の可動ミラーが横に並んで配置されて固定された状態で共振駆動される振動ミラーモジュール(スキャナミラー)を備えた光走査装置が開示されている。この特許文献1に記載の光走査装置は、電子写真方式の画像形成装置に搭載されており、振動ミラーモジュールにおける2枚の可動ミラーは、反射面が同一面内に揃えられた状態(2つの反射面が互いに平行な状態)で捻り梁に固定されている。そして、光源ユニットから出射された光ビーム(出射光)がポリゴンミラーを介して振動ミラーモジュールに入射されて、この2枚の可動ミラーを介して感光体ドラムに向けて出射(反射)されるように構成されている。なお、2枚の可動ミラーは、反射面が同一面内に揃えられた状態で共振駆動されることにより、光ビームが感光体ドラムの表面を走査されるように構成されている。
特開2007−164137号公報
上記特許文献1に記載された振動ミラーモジュールは、光源ユニットからの光ビーム(出射光)を感光体ドラムの表面に向けて出射(反射)させる光走査装置用のデバイスとして用いられている。一方、この振動ミラーモジュールを、たとえば、測距装置などにおいて対象物からの反射光を受光するとともに受光素子(光検出部)に向けて反射/導光させるデバイスに適用した場合、対象物の存在する領域に向けて走査中の出射光に同期するように2枚の受光用ミラーを揺動させるとともに、2枚の受光用ミラーは、対象物から反射された反射光を受光しつつ受光素子(光検出部)に反射させる役割を担うことになる。この際、2枚の受光用ミラーが各々の反射面を同一面内に揃えた状態で捻り梁を回転軸として揺動されるため、1回のスキャン動作における反射光の入射角度の変化(受光用ミラーの変位)に応じて、受光用ミラーが受ける反射光の受光面積も必然的に増減する。換言すると、受光用ミラーの変位に応じて受光素子から見た場合の受光用ミラーの有効な受光面積が増減を繰り返すことになる。
このように、上記特許文献1の振動ミラーモジュールを測距装置における受光用のデバイス(スキャナミラー)に適用した場合、2枚の受光用ミラー(反射部)が実質的に単一の反射面(受光面)となった状態で一体的に揺動することに起因して、光検出部(受光素子)に到達する受光量が、極小値と極大値との間で大きく変動する(極小値と極大値との差が顕著になる)という問題点がある。また、光検出部(受光素子)の受光量が変動を繰り返すことは、受光素子におけるS/N比(信号対雑音比)の変動(ばらつき)を引き起こすため、測距装置の測定精度が不安定になる要因となる。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、受光面を有する反射部の変位に応じた光検出部の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを抑制することが可能なスキャナミラーを提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面によるスキャナミラーは、各々の受光面が相対的位置関係を有して、同一の搖動軸上に配置される第1反射部および第2反射部と、第1反射部および第2反射部を所定の角度範囲で揺動させる駆動部とを備える。
この発明の一の局面によるスキャナミラーは、上記のように、各々の受光面が相対的位置関係を有して、同一の搖動軸上に配置される第1反射部および第2反射部を備える。これにより、第1反射部および第2反射部は、各々の受光面間に相対的位置関係を有し他状態(たとえば、所定の交差角度を有した状態)で同一(共通)の揺動軸まわりに揺動されるので、反射光の1回のスキャン動作において、光検出部から見た場合の第1反射部および第2反射部のいずれか一方の反射部の有効な受光面積(たとえば第1反射部の光検出部に対する反射光の投影面積)が減少して光検出部に導かれる反射光の受光量が減少する場合であっても、第1反射部および第2反射部のいずれか他方の反射部の有効な受光面積(たとえば第2反射部の光検出部に対する反射光の投影面積)が増加してこの光検出部に導かれる反射光の受光量を増加させることができる。
したがって、単一の受光面を有する反射部または受光面が同一面内に揃えられた2つの反射部により反射光を受光して光検出部に集光させる場合と比較して、各々の受光面が互いに相対的位置関係を有して配置された第1反射部および第2反射部を介して光検出部に導かれる反射光の合計受光量の変化幅(変動幅)を減少させることができる。この結果、反射部の変位に応じた光検出部の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを抑制することができる。また、光検出部の受光量の変動幅を低減させる(反射部の揺動角度範囲に亘って光検出部の受光量を平準化させる)ことは、光検出部におけるS/N比(信号対雑音比)のばらつきを低減させることにつながる。これにより、反射部の揺動角度範囲(スキャン角度)に関係なく光検出部の測定誤差を均一化させることができる。
上記一の局面によるスキャナミラーにおいて、好ましくは、第1反射部および第2反射部は、相対的位置関係が略一定に維持された状態で揺動されるように構成されている。このように構成すれば、第1反射部と第2反射部とが略一定値の相対的位置関係(たとえば、交差角度)を維持した状態で一体的に揺動されるので、第1反射部および第2反射部を介して光検出部に導かれる反射光の合計受光量の変動幅を略一定値に維持することができる。
上記一の局面によるスキャナミラーにおいて、好ましくは、相対的位置関係は、第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度が75度以上105度以下となることである。このように構成すれば、1回の反射光のスキャン動作における第1反射部および第2反射部の変位に応じた光検出部の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを確実に抑制することができる。なお、この効果は、後述する「従来のスキャナミラーとの対比および考察」において確認済みである。すなわち、図9に示すように、第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度は、受光量が比較的多く、かつ、変動幅が比較的小さい、75度以上105度以下(特性Fから特性Hまでの間)であるのが好ましいことを確認済みである。
この場合、好ましくは、相対的位置関係は、第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度が85度以上95度以下となることである。このように構成すれば、1回の反射光のスキャン動作における第1反射部および第2反射部の変位に応じた光検出部の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)を効果的に低減することができる。なお、この効果は、後述する「従来のスキャナミラーとの対比および考察」において確認済みである。すなわち、図9に示すように、第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度は、変動幅が最も小さい、90度(特性G)が最も好ましく、90度の近傍の範囲である±5度の範囲内である85度以上95度以下に第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度を構成することにより、変動幅(受光量の極小値と極大値との差)を効果的に低減できることを確認済みである。
上記一の局面によるスキャナミラーにおいて、好ましくは、第1反射部の受光面の面積と、第2反射部の受光面の面積とは、略等しい。このように構成すれば、第1反射部が反射する光量特性(光検出部から見た場合の第1反射部の変位に伴う有効な受光面積の変化の特性)と第2反射部が反射する光量特性(光検出部から見た場合の第2反射部の変位に伴う有効な受光面積の変化の特性)とを互いに略等しくすることができる。したがって、第1反射部および第2反射部のいずれか一方の反射光量が少ない場合に他方の反射光量を多くして光検出部に導かれる反射光の合計受光量を相互に補完し合うという作用を有効に生じさせることができる。
上記一の局面によるスキャナミラーにおいて、好ましくは、光源と、光源からの光を反射させる第3反射部とを備え、第3反射部は、搖動軸上に搖動可能に支持される。このように構成すれば、第1反射部および第2反射部が配置されている揺動軸を利用して第3反射部を揺動させることができる。したがって、第3反射部の揺動軸を別途設ける場合と異なり、スキャナミラーが搭載される測距装置の部品点数が増加するのを抑制することができる。また、第1反射部および第2反射部の揺動に同期させて第3反射部を揺動させることができるので、第3反射部の駆動部を別途設ける場合と異なり、スキャナミラーが搭載される測距装置の構成を簡素化させることができる。
上記第3反射部をさらに備える構成において、好ましくは、揺動軸方向の一方に、第1反射部、第3反射部、および第2反射部の順に配置されている。このように構成すれば、第3反射部を第1反射部と第2反射部との間に配置することができるので、第3反射部から対象物を含む所定領域に向けて出射される出射光の光軸と、所定領域内に存在する対象物から反射された反射光の反射光軸(受光光軸)とを極力近付けることができる。したがって、パララックス(視差)を緩和することができるので、対象物までの距離が相対的に近い(短い)場合においても、その対象物までの距離を精度よく計測することが可能な測距装置を得ることができる。
上記第3反射部をさらに備える構成において、好ましくは、揺動軸方向の一方に、3反射部、第1反射部、および第2反射部の順に配置されている。このように構成すれば、本発明のスキャナミラーが搭載される測距装置などにおいては、第3反射部を含む出射光側の光学系と、第1反射部および第2反射部を含む反射光側の光学系とを互いに分離して配置することができるので、測距装置内の光学設計を容易に調整することができる。
上記第3反射部をさらに備える構成において、好ましくは、第1反射部および第2反射部の各々の受光面の面積は、第3反射部の反射面の面積よりも大きい。このように構成すれば、所定領域内に存在する対象物から反射された反射光を第1反射部および第2反射部により確実に受光するとともに、光検出部に確実に反射(導光)させることができる。
上記一の局面によるスキャナミラーにおいて、好ましくは、第1反射部および第2反射部を支持する支持部と、支持部の揺動軸方向の端部と、支持部と端部との間に位置するミアンダ構造の捻れ部とを備える。このように構成すれば、ミアンダ構造を有する捻れ部により、支持部を端部に対して容易に揺動させることができる。その結果、支持部に支持された第1反射部および第2反射部を、相対的位置関係を有した状態で、所定の角度範囲で揺動させることができる。
本発明によれば、上記のように、受光面を有する反射部の変位に応じた光検出部(受光素子)の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを抑制することができる。
本発明の第1実施形態による測距装置の構成を示したブロック図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの全体構成を示した斜視図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの詳細な構成を示した斜視図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの詳細な構成を示した斜視図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの光学系を説明するための図である。 本発明の第1実施形態によるスキャナミラーに対する比較例としてのスキャナミラーの概略的な構成を示した図である。 本発明の第1実施形態によるスキャナミラーに対する比較例としてのスキャナミラーの動作状態を説明するための模式図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの動作状態を説明するための模式図である。 本発明の第1実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの効果を説明するための図である。 本発明の第2実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの構成を示した斜視図である。 本発明の第3実施形態による測距装置に搭載されるスキャナミラーの構成を示した斜視図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
まず、図1〜図5を参照して、本発明の第1実施形態による測距装置100(スキャナミラー30)の構成について説明する。
(測距装置の概略構成)
本発明の第1実施形態による測距装置100は、図1に示すように、対象物1(物体)までの距離および存在方向を検出する機能を有する。すなわち、測距装置100から出射されたレーザ光3の往復する時間に基づいて対象物1(物体)までの距離を計測するための計測装置である。この場合、測距装置100の前方のスキャン領域2に対して所定の角度範囲でレーザ光3が2次元的に走査(スキャン)される。そして、走査(スキャン)されたレーザ光3が対象物1によって反射されて測距装置100がこの反射光4を受光することにより、対象物1(物体)までの距離および存在方向が検出されるように構成されている。なお、スキャン領域2は、特許請求の範囲の「所定領域」の一例である。
測距装置100は、LD(レーザダイオード)部10と、出射用ミラー20と、スキャナミラー30(二点鎖線枠内)と、光検出部40と、主制御部90とを備える。また、これらの構成要素は、図示しない筐体内に収容されている。そして、筐体(図示せず)の内部には、レーザ光3を出射するための光学系101と、反射光4を受光するための光学系102(詳細は図5参照)とが設けられている。なお、LD部10は、特許請求の範囲の「光源」の一例である。また、出射用ミラー20は、特許請求の範囲の「第3反射部」の一例である。
(各構成要素の説明)
LD部10は、レーザ光3を出射(射出)する機能を有する。また、出射側の光学系101を構成する出射用ミラー20は、LD部10から出射されるとともにコリメートレンズ11により平行光にされたレーザ光(出射光)3を反射させる機能を有する。なお、出射用ミラー20は、後述するミラー駆動制御部92により揺動されることによって、レーザ光3を測距装置100からスキャン領域2に向けて走査(スキャン)しながら出射するように構成されている。また、スキャナミラー30(二点鎖線枠内)は、対象物1によって反射された反射光4を受光するとともに光検出部40に向けて反射(導光)させる機能を有する。また、スキャナミラー30は、1つのスキャンデバイスとして構成されており、スキャナミラー30は、反射用ミラー部50と、ミラー駆動部60とを含んでいる。そして、光検出部40は、APD(アバランシェ・フォトダイオード)からなり、スキャナミラー30からの反射光4(後述する反射光4aおよび反射光4b(図5参照))を実際に受光するとともに電気信号に変換する機能を有する。なお、ミラー駆動部60は、特許請求の範囲の「駆動部」の一例である。
主制御部90は、測距装置100の制御処理を統括する役割を有する。また、測距装置100は、レーザ駆動部91と、ミラー駆動制御部92と、ミラー駆動制御部93と、信号処理部(距離演算部)94と、表示部95と、メモリ部96と、外部IF(インターフェース)部97とを備える。これらの構成要素は、主制御部90の指令に基づいて動作制御されるように構成されている。
レーザ駆動部91は、LD部10を駆動する役割を有する。また、ミラー駆動制御部92は、出射用ミラー20を駆動する役割を有する。また、ミラー駆動制御部93は、後述する電磁駆動用コイル62(ミラー駆動部60)を駆動することにより反射用ミラー部50を駆動する役割を有する。そして、信号処理部(距離演算部)94は、光検出部40により変換された電気信号に基づいて対象物1(物体)までの距離および存在方向を演算する役割を有する。また、信号処理部94による演算結果は、表示部95に表示されるように構成されている。また、メモリ部96内の所定領域には、主制御部90が実行する制御プログラムなどが格納されている。また、メモリ部96は、制御プログラムが実行される際に用いられる制御上のパラメータを一時的に保存する作業用メモリとしても用いられる。外部IF部97は、測距装置100に接続される外部機器(たとえばPCなど)とのインターフェースの役割を有する。
(スキャナミラーの詳細な構成)
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、反射用ミラー部50は、一対の受光用ミラー51および52と、MEMS(微小電気機械システム)技術により形成された金属製の基材部53とを含んでいる。なお、以下の説明において、基材部53の延びる方向(揺動軸150の延びる方向;揺動軸方向)をX軸方向とし、X軸方向と直交する受光用ミラー52の延びる方向をY軸方向とし、X軸方向およびY軸方向に共に直交する方向をZ軸方向として説明を行う。なお、受光用ミラー51および52は、それぞれ、特許請求の範囲の「第1反射部」および「第2反射部」の一例である。また、基材部53は、特許請求の範囲の「支持部」の一例である。
基材部53は、図3に示すように、X軸方向のX1側の端部に形成された固定部54aおよびX2側の端部に形成された固定部54bと、固定部54aを起点としてY軸方向に沿って矢印Y1方向および矢印Y2方向に往復蛇行しながら矢印X2方向に延びる捻れ部55aと、固定部54bを起点としてY軸方向に沿って矢印Y1方向および矢印Y2方向に往復蛇行しながら矢印X1方向に延びる捻れ部55bとを有する。捻れ部55aおよび55bは、ミアンダ構造を構成しており、捻れ部55aおよび55bは、全体として矢印Z1方向および矢印Z2方向に弾性変形可能に構成されている。また、基材部53は、上記に加えて、捻れ部55aの固定部54aとは反対側(X2側)の部分と、捻れ部55bの固定部54bとは反対側(X1側)の部分とを揺動軸150に沿って連結する板状部56とを有する。また、基材部53は、受光用ミラー51(図2参照)を支持するための支持部57と、受光用ミラー52(図2参照)を支持するための支持部58とをさらに有する。なお、支持部57は、Z軸方向に平行に延びる2本の腕部57aおよび57bを有するとともに、支持部58は、Y軸方向に平行に延びる4本の腕部58a〜58dを有する。この場合、腕部57aおよび57bは、基材部53の形成時には腕部58a〜58dと同じY軸方向に延びているのであるが、その後、腕部57aおよび57bの板状部56との接続部分(根元部分)において板状部56に対して略90度交差するZ軸方向に折り曲げられて構成されている。なお、固定部54aおよび固定部54bは、特許請求の範囲「端部」の一例である。また、板状部56は、特許請求の範囲の「支持部」の一例である。
これにより、第1実施形態では、図4に示すように、X1側の支持部57(腕部57aおよび57b)に対して受光用ミラー51の裏面(Y2側の面)が接着されているとともに、X2側の支持部58(腕部58a〜58d)に対して受光用ミラー52の裏面(Z2側の下面)が接着されている。なお、受光用ミラー51および52は、薄いガラス板材の表面上に反射膜が蒸着されている。そして、この反射膜が蒸着されていることによって、受光用ミラー51および52は、受光面51aおよび52aを有している。また、受光用ミラー51の受光面51aと受光用ミラー52の受光面52aとは、X軸方向に見て、揺動軸150まわりに互いに略90度の交差角度αを有して互いに交差する関係を有している。なお、交差角度αは、特許請求の範囲の「相対的位置関係」の一例である。
また、受光用ミラー51は、揺動軸150と直交する幅方向(Z軸方向)の中央線160を揺動軸150に略一致させた状態で基材部53に支持されている。同様に、受光用ミラー52は、揺動軸150と直交する幅方向(Y軸方向)の中央線165を揺動軸150に略一致させた状態で基材部53に支持されている。したがって、受光用ミラー51は、揺動軸150からZ1側の端部までの距離L1と、揺動軸150からZ2側の端部までの距離L2とが略等しい(L1=L2)。同様に、受光用ミラー52は、揺動軸150からY1側の端部までの距離L3と、揺動軸150からY2側の端部までの距離L4とが略等しい(L3=L4)。また、受光用ミラー51の受光面51aの面積S1と、受光用ミラー52の受光面52aの面積S2とは、互いに略等しい(S1=S2)。したがって、受光用ミラー51と受光用ミラー52とは、大きさ(受光面積)および外形形状および厚みが略同じであって、これらの基材部53に対する取付方向が互いに略90度だけ異なっている。
また、図2に示すように、ミラー駆動部60は、永久磁石61と、電磁駆動用コイル62とを含んでいる。永久磁石61は、受光用ミラー51のZ2側の端部51bに固定されている。なお、永久磁石61の固定位置は、端部51bのうちの最もX2側(受光用ミラー52に最も近い側)に位置している。したがって、永久磁石61は、基材部53における受光用ミラー51および52が固定されたX軸方向に沿った領域の略中央に対応した位置に配置されている。
そして、電磁駆動用コイル62は、永久磁石61に対して矢印Z2方向に所定の隙間を隔てて配置されている。また、永久磁石61の一方端部61a(Y1側)はN極を有し、他方端部61b(Y2側)はS極を有する。そして、ミラー駆動制御部93(図1参照)によって電磁駆動用コイル62の極性が所定の周波数で周期的に切り替えられることによって、永久磁石61のN極側(一方端部61a)が電磁駆動用コイル62に引き寄せられる状態と、永久磁石61のS極側(他方端部61b)が電磁駆動用コイル62に引き寄せられる状態とが、所定の周波数で交互に繰り換えられる。これにより、受光用ミラー51が矢印P1方向および矢印P2方向に揺動されるように構成されている。また、受光用ミラー51の揺動に伴って、基材部53に固定(支持)されている受光用ミラー52も矢印P1方向および矢印P2方向に揺動されるように構成されている。
なお、固定部54a(54b)と板状部56との間にミアンダ構造の捻れ部55a(55b)が設けられていることによって、受光用ミラー51と受光用ミラー52とが揺動軸150まわりに矢印P1方向および矢印P2方向に一体的に揺動されるように構成されている。この場合、第1実施形態では、基材部53に支持されている受光用ミラー51および52は、受光面51aおよび52a間の所定の交差角度αが略一定値に維持された状態で、同一(共通)の揺動軸150まわりに矢印P1方向および矢印P2方向に揺動されるように構成されている。
また、受光側の光学系102としては、図5に示すように、スキャナミラー30と光検出部40との間に、固定的に設置された一対の反射ミラー81および82と、固定的に設置された一対の集光レンズ83および84とが設けられている。反射ミラー81は、受光用ミラー51からの反射光4aを単一の光検出部40に向けて反射させる役割を有する。また、反射ミラー82は、受光用ミラー52からの反射光4bを単一の光検出部40に向けて反射させる役割を有する。また、集光レンズ83は、反射ミラー81と単一の光検出部40との間に配置され、反射ミラー81により反射された反射光4aを集光する役割を有する。また、集光レンズ84は、反射ミラー82と単一の光検出部40との間に配置され、反射ミラー82により反射された反射光4bを集光する役割を有する。そして、受光用ミラー51からの反射光4aが反射ミラー81および集光レンズ83を介して光検出部40に入射されるとともに、受光用ミラー52からの反射光4bが反射ミラー82および集光レンズ84を介して光検出部40に入射されるように構成されている。
(従来のスキャナミラーとの対比および考察)
次に、図1および図5〜図9を参照して、本発明の第1実施形態によるスキャナミラー30を測距装置100に適用した場合の利点について説明する。このために、まず、比較例としての従来のスキャナミラー930の構成および受光量の特性を説明し、その後、本発明の第1実施形態によるスキャナミラー30の受光量の特性について説明する。
まず、比較例としての従来のスキャナミラー930は、図6に示すように、枠状の支持体901に1本の揺動軸902が形成されている。そして、揺動軸902の一方側に出射用ミラー920が固定されるとともに他方側に1枚の受光用ミラー953が固定されている。なお、実際には、出射用ミラー920と受光用ミラー953との間には、レーザ光3と反射光4との混合を防ぐための遮光壁(図示せず)が設けられている。そして、LD部910から出射されたレーザ光3が出射用ミラー920を介してスキャン領域2に向けて出射されるとともに、対象物1によって反射された反射光4が1枚の受光用ミラー953により受光(反射)されて光検出部940へと導かれるように構成されている。そして、出射用ミラー920および受光用ミラー953は、揺動軸190まわりに矢印P1方向および矢印P2方向に揺動される。この場合、光学スキャン角度が「±0度」(中立)を中心に一方側に「−45度」でかつ他方側に「+45度」の角度範囲で揺動される。なお、光学スキャン角度が「±45度」の場合、スキャナミラー930の機械的スキャン角度は、0度を中心に「±22.5度」になる。
比較例としての測距装置(図示せず)に搭載されたスキャナミラー930は、図7に示すように揺動される。ここで、図7は、スキャナミラー930を揺動軸190に沿って見た場合の図である。また、図7における中央枠内の模式図を光学スキャン角度が「±0度」(対象物1からの反射光4が受光用ミラー953の受光面953aに対して45度で入射する状態)とした場合に、図7における左枠内の模式図が、光学スキャン角度が「−45度」の状態に対応するとともに、図7における右枠内の模式図が、光学スキャン角度が「+45度」の状態に対応している。
そして、光学スキャン角度が「+45度」の状態(図7の右枠内)において光検出部940が受光する受光量を100%(基準値)とした場合、光学スキャン角度が「±0度」の状態(図7の中央枠内)では、受光用ミラー953が反時計回りに22.5度回動されるので、光検出部940から見た場合の受光用ミラー953の有効な受光面積の比率(受光面953aの光検出部940への投影面積の比率(百分率))は、約77%になる。したがって、光検出部940が受光する受光量も約77%になる。そして、光学スキャン角度が「−45度」の状態(図7の左枠内)では、受光用ミラー953が反時計回りにさらに22.5度回動されるので、光検出部940から見た場合の受光用ミラー953の有効な受光面積の比率(百分率)は、約41%になる。したがって、光検出部940が受光する受光量も約41%になる。
このことから、1枚の受光用ミラー953しか有しないスキャナミラー930では、光学スキャン角度が−45度〜+45度までの間で、光検出部940が受光する受光量が約41%〜100%の間で変動することになる。したがって、光検出部940に到達する受光量が、極小値(約41%)と極大値(100%)との間でその変動幅が約59%を有して大きく変動する。また、この特性は、図9における特性A(太い破線)として示される。
一方、第1実施形態によるスキャナミラー30では、図8に示すように、互いに90度で交差する受光用ミラー51および52を備えている。ここで、受光用ミラー51の受光面51aの面積S1(図4参照)および受光用ミラー52の各々の受光面52aの面積S2(図4参照)は、比較例における受光用ミラー953の受光面953a(図6参照)の面積S9の半分であることを前提としている。これにより、光学スキャン角度が「±0度」の状態(図8の中央枠内)では、単一の光検出部40から見た場合の受光用ミラー51の有効な受光面積の比率(受光面51aの光検出部40に対する投影面積の比率(百分率))および受光用ミラー52の有効な受光面積の比率(受光面52aの光検出部40に対する投影面積の比率(百分率))は、共に、約77%になるので、光検出部40が受光する受光量も約77%になる。そして、光学スキャン角度が「+45度」の状態(図8の右枠内)では、受光用ミラー52の有効な受光面積の比率が相対的に増加する一方、受光用ミラー51の有効な受光面積の比率が相対的に減少する結果、全体として光検出部40から見た場合のスキャナミラー30の有効な受光面積の比率は、約71%になり、光検出部40が受光する受光量も約71%になる。また、光学スキャン角度が「−45度」の状態(図8の左枠内)では、受光用ミラー52の有効な受光面積の比率(百分率)が相対的に減少する一方、受光用ミラー51の有効な受光面積の比率(百分率)が相対的に増加する結果、全体として光検出部40から見た場合のスキャナミラー30の有効な受光面積の比率(百分率)は、約71%になり、光検出部40が受光する受光量も約71%になる。
このことから、スキャナミラー30では、光学スキャン角度が−45度〜+45度までの間で、光検出部40が受光する受光量が約71%〜約77%の間で変動することになる。したがって、光検出部40に到達する受光量が、極小値(約71%)と極大値(約77%)との間でその変動幅が約6%を有して僅かに変動する程度にとどまる。また、この特性は、図9における特性G(太い実線)として示される。
以上から、比較例としての従来のスキャナミラー930の場合に光検出部940に到達する受光量の変動幅が約59%であったものが、第1実施形態によるスキャナミラー30では変動幅が約6%へと大幅に改善されているという知見が得られる。また、スキャナミラー930では受光量の極小値が約41%であったものが、スキャナミラー30では受光量の極小値が約71%へと、約30%の向上につながる点も特筆すべきことである。これにより、第1実施形態によるスキャナミラー30を用いた場合に光検出部40に到達する受光量が約6%の変動幅にとどめられるので、光検出部40におけるS/N比(信号対雑音比)のばらつきも従来のスキャナミラー930を用いた場合よりも大幅に低減される。
なお、図9には、上記説明したスキャナミラー930およびスキャナミラー30の各々の特性(特性Aおよび特性G)に加えて、受光用ミラー51と受光用ミラー52との交差角度αを15度〜120度まで15度刻みで変化させた場合の、各々の光学スキャン角度における有効な受光面積の比率(光検出部40が受光する受光量)を算出した結果を示す。
図9に示すように、特性Aに加えて、特性B(交差角度α=15度)、特性C(交差角度α=30度)、特性D(交差角度α=45度)、特性E(交差角度α=60度)および特性F(交差角度α=75度)では、特性A(交差角度α=90度:第1実施形態)よりも光検出部40が受光する受光量が全体的に低下する傾向にある。また、特性H(交差角度α=105度)および特性I(交差角度α=120度)では、特性A(交差角度α=90度:第1実施形態)よりも光検出部40が受光する受光量が全体的に増加するものの、光学スキャン角度範囲(−45度〜+45度)における有効な受光面積の比率(受光量)の極小値と極大値との差分(変動幅)が、特性Aの約6%よりも大きくなる傾向にある。
このことから、受光用ミラー51と受光用ミラー52との交差角度αは90度に設定されるのが最も好ましい。また、交差角度αに許容範囲を設けるならば、交差角度αは、75度以上105度以下(特性Fから特性Hまでの間)であるのが好ましい。なお、より好ましい交差角度αの範囲としては、85度以上95度以下(特性Gの近傍の値;±5度)に設定することが望まれる。このようにして、第1実施形態による測距装置100およびこれに搭載されるスキャナミラー30は構成されている。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、揺動軸150まわりに各々の受光面51aおよび52aが互いに交差角度αを有した状態で(相対的位置関係を有して)対象物1からの反射光4をそれぞれ受光する受光用ミラー51および52を備える。これにより、受光用ミラー51および52は、各々の受光面51aおよび52a間に交差角度αを有した状態で同一(共通)の揺動軸150まわりに揺動されるので、反射光4の1回のスキャン動作において、光検出部40から見た場合の受光用ミラー51および52のいずれか一方の有効な受光面積(たとえば受光用ミラー51の光検出部40に対する投影面積)が減少して光検出部40に導かれる反射光の受光量が減少する場合であっても、受光用ミラー51および52のいずれか他方の受光面積(たとえば受光用ミラー52の光検出部40に対する投影面積)が増加して、光検出部40に導かれる反射光の受光量を増加させることができる。
したがって、単一の受光面を有する受光用ミラーまたは受光面が同一面内に揃えられた2つの受光用ミラーにより反射光を受光して光検出部に集光させる場合と比較して、受光面51aおよび52aが互いに交差角度αを有して配置された受光用ミラー51および52を介して光検出部40に導かれる反射光の合計受光量の変化幅(変動幅)を減少させることができる。この結果、受光用ミラー(受光用ミラー51および52)の変位に応じた光検出部40の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを抑制することができる。また、光検出部40の受光量の変動幅を低減させる(受光用ミラー51および52の揺動角度範囲(光学スキャン角度)に亘って光検出部40の受光量を平準化させる)ことは、光検出部40におけるS/N比(信号対雑音比)のばらつきを低減させることにつながる。これにより、受光用ミラー51および52の揺動角度範囲(光学スキャン角度)に関係なく光検出部40の測定誤差を均一化させることができる。また、このような効果を奏する測距装置100を容易に得ることができる。
また、第1実施形態では、受光用ミラー51および52を、受光面51aおよび52a間の所定の交差角度αが略一定値である略90度に維持した状態で揺動するように構成する。これにより、受光用ミラー51と受光用ミラー52とが略一定値の交差角度α(略90度)を維持した状態で一体的に揺動されるので、受光用ミラー51および52を介して光検出部40に導かれる反射光4aおよび4bの合計受光量の変動幅を略一定値に維持することができる。
また、第1実施形態では、交差角度αを75度以上105度以下に設定する。これにより、1回の反射光のスキャン動作における受光用ミラー51および52の変位に応じた光検出部40の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのを確実に抑制することができる。なお、この効果は、上記した「従来のスキャナミラーとの対比および考察」において確認済みである。すなわち、図9に示すように、受光用ミラー51および52とがなす交差角度αは、受光量が比較的多く、かつ、変動幅が比較的小さい、75度以上105度以下(特性Fから特性Hまでの間)であるのが好ましいことを確認済みである。
また、第1実施形態では、交差角度αを85度以上95度以下に設定する。これにより、1回の反射光のスキャン動作における受光用ミラー51および52の変位に応じた光検出部40の受光量の変動幅(受光量の極小値と極大値との差)が顕著になるのをより効果的に抑制することができる。なお、この効果は、上記した「従来のスキャナミラーとの対比および考察」において確認済みである。すなわち、図9に示すように、受光用ミラー51および52とがなす交差角度αは、変動幅が最も小さい、90度(特性G)が最も好ましく、90度の近傍の範囲である±5度の範囲内である85度以上95度以下に交差角度αを構成することにより、変動幅(受光量の極小値と極大値との差)を効果的に低減できることを確認済みである。
また、第1実施形態では、受光用ミラー51の受光面51aの面積S1と受光用ミラー52の受光面52aの面積S2とを略等しく構成する。これにより、受光用ミラー51が反射する光量特性(光検出部40から見た場合の受光用ミラー51の変位に伴う有効な受光面積の変化の特性)と受光用ミラー52が反射する光量特性(光検出部40から見た場合の受光用ミラー52の変位に伴う有効な受光面積の変化の特性)とを互いに略等しくすることができる。したがって、受光用ミラー51および52のいずれか一方の反射光量が少ない場合に他方の反射光量を多くして光検出部40に導かれる反射光4aおよび4bの合計受光量を相互に補完し合うという作用を有効に生じさせることができる。
また、第1実施形態では、スキャナミラー30に、受光用ミラー51および52を支持する基材部53(板状部56)と、固定部54aおよび54bと、板状部56と固定部54aおよび54bとの間に位置するミアンダ構造の捻れ部55aおよび55bとを備える。これにより、ミアンダ構造を有する捻れ部55aおよび55bによって、板状部56を固定部54aおよび54bに対して容易に揺動させることができる。その結果、板状部56に支持された受光用ミラー51および52を、交差角度αを有した状態で、所定の角度範囲で揺動させることができる。
[第2実施形態]
次に、図1、図2および図10を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、出射用ミラー59を基材部253に固定して(支持させて)スキャナミラー230を構成した例について説明する。なお、図中において、上記第1実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
本発明の第2実施形態による測距装置200(図1参照)では、図10に示すように、スキャナミラー230を備える。また、スキャナミラー230は、反射用ミラー部250と、ミラー駆動部60(図1参照)とを含んでいる。そして、スキャナミラー230においては、基材部253に対して、出射用ミラー59と、受光用ミラー51と、受光用ミラー52とが固定されて構成されている。この場合、基材部253における同一(共通)の揺動軸150に沿った一方側(X1側)から他方側(X2側)に向かって、出射用ミラー59、受光用ミラー51および52の順に配置されている。なお、基材部253は、特許請求の範囲の「支持部」の一例である。また、出射用ミラー59は、特許請求の範囲の「第3反射部」の一例である。
また、第2実施形態では、出射用ミラー59の反射面59aは、交差角度α(略90度)を有して互いに交差する受光用ミラー51の受光面51aと受光用ミラー52の受光面52aとの間の角度範囲内に位置している。この場合、出射用ミラー59の反射面59aは、受光用ミラー52の受光面52aと略同一面内に揃えられている。また、受光用ミラー51および52の各々の受光面51aおよび52aの面積S1およびS2は、出射用ミラー59の反射面59aの面積S3よりも大きい(S1=S2>S3)。そして、出射用ミラー59と受光用ミラー51と受光用ミラー52とが一体となって揺動軸150まわりに矢印P1方向および矢印P2方向に揺動されるように構成されている。なお、スキャナミラー230における出射用ミラー59と受光用ミラー51との間には、出射用ミラー59から出射されるレーザ光3が受光用ミラー51および52に回り込むのを防止するための遮光壁5(破線で示す)が設けられている。なお、第2実施形態における測距装置200のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
(第2実施形態の効果)
第2実施形態では、上記のように、光を射出するLD部10からのレーザ光3をスキャン領域2に向けて反射させる出射用ミラー59をスキャナミラー230に設ける。そして、出射用ミラー59を基材部253に支持させる。これにより、受光用ミラー51および52が支持(固定)された基材部253を利用して出射用ミラー59を揺動させることができる。したがって、出射用ミラー59の揺動軸を別途設ける場合と異なり、基材部253が出射用ミラー59の揺動軸を兼ねる分、スキャナミラー230が搭載される測距装置200の部品点数が増加するのを抑制することができる。また、受光用ミラー51および52の揺動に同期させて出射用ミラー59を揺動させることができるので、出射用ミラー59のミラー駆動部を別途設ける場合と異なり、スキャナミラー230が搭載される測距装置200の構成を簡素化させることができる。
また、第2実施形態では、基材部253における同一(共通)の揺動軸150の(に沿った)一方側(X1側)から他方側(X2側)に向かって、出射用ミラー59、受光用ミラー51、および、受光用ミラー52の順に配置してスキャナミラー230を構成する。これにより、スキャナミラー230が搭載される測距装置200においては、出射用ミラー59を含む出射光側の光学系101(図1参照)と、受光用ミラー51および52を含む反射光側の光学系102(図1参照)とを互いに分離して配置することができるので、測距装置200内の光学設計を容易に調整することができる。
また、第2実施形態では、受光用ミラー51および52の各々の受光面51aおよび52aの面積S1および面積S2を、出射用ミラー59の反射面59aの面積S3よりも大きく構成する。これにより、スキャン領域2内に存在する対象物1から反射された反射光4(4aおよび4b)を受光用ミラー51および52により確実に受光するとともに、光検出部40に確実に反射(導光)させることができる。なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
[第3実施形態]
次に、図1、図2、図10および図11を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態では、出射用ミラー59を、受光用ミラー51と受光用ミラー52との間に配置してスキャナミラー330を構成した例について説明する。なお、図中において、上記第1実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
本発明の第3実施形態による測距装置300(図1参照)では、図11に示すように、スキャナミラー330を備える。また、スキャナミラー330は、反射用ミラー部350と、ミラー駆動部60とを含んでいる。そして、スキャナミラー330においては、基材部353における同一(共通)の揺動軸150に沿った一方側(X1側)から他方側(X2側)に向かって、受光用ミラー51、出射用ミラー59および受光用ミラー52の順に各構成要素が配置されている。すなわち、出射用ミラー59が受光用ミラー51と受光用ミラー52との間に配置されている。なお、基材部353は、特許請求の範囲の「支持部」の一例である。
これにより、測距装置300においては、出射用ミラー59から対象物1(図1参照)を含むスキャン領域2(図1参照)に向けて出射されるレーザ光3(図1参照)の光軸と、スキャン領域2内に存在する対象物1から反射された反射光4(4aおよび4b)(図1参照)の反射光軸(受光光軸)とを極力近付けることが可能に構成されている。そして、受光用ミラー51と出射用ミラー59と受光用ミラー52とが一体となって揺動軸150まわりに矢印P1方向および矢印P2方向に揺動されるように構成されている。なお、スキャナミラー330における受光用ミラー51と出射用ミラー59との間、および、出射用ミラー59と受光用ミラー52との間には、出射用ミラー59から出射されるレーザ光3が受光用ミラー51および52に回り込むのを防止するための遮光壁(図示せず)がそれぞれ設けられている。この一対の遮光壁は、上記第2実施形態において説明した遮光壁5(図10参照)と同様に構成されている。なお、図11においては、スキャナミラー330自体の構成を明確に図示するために、この一対の遮光壁の図示を便宜的に省略している。なお、第3実施形態における測距装置300のその他の構成は、上記第2実施形態と同様である。
(第3実施形態の効果)
第3実施形態では、上記のように、基材部353における同一(共通)の揺動軸150の(に沿った)一方側(X1側)から他方側(X2側)に向かって、受光用ミラー51、出射用ミラー59および受光用ミラー52の順に配置してスキャナミラー330を構成する。これにより、出射用ミラー59を受光用ミラー51と受光用ミラー52との間に配置することができるので、出射用ミラー59から対象物1(図1参照)を含むスキャン領域2(図1参照)に向けて出射されるレーザ光3(図1参照)の光軸と、スキャン領域2内に存在する対象物1から反射された反射光4(4aおよび4b)(図1参照)の反射光軸(反射光4aの光軸および反射光4aの光軸)とを、極力近付けることができる。したがって、パララックス(視差)を緩和することができるので、対象物1までの距離が相対的に近い(短い)場合においても、その対象物1までの距離を精度よく計測することが可能な測距装置300を得ることができる。なお、第3実施形態のその他の効果は、上記第2実施形態と同様である。
[変形例]
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記第1〜第3実施形態では、LD(レーザダイオード)部10を用いて特許請求の範囲の「光源」を構成したが、本発明はこれに限られない。たとえば、揺動する出射用ミラー20および59を用いることなく、LED(発光ダイオード)を「光源」に用いるとともに細長いかまぼこ型の凸レンズ(シリンドリカルレンズ)を並べてシート状にしたレンチキュラーレンズによってLED光をスキャン領域2に拡散させるように光学系101を構成してもよい。そして、拡散光のうち対象物1によって反射された反射光4を受光する際に、一対の受光用ミラー51および52を一体的に揺動させるスキャナミラー30を用いてこの反射光4を受光するように測距装置を構成してもよい。このような構成においても、受光用ミラー51および52の揺動角度範囲(光学スキャン角度)に亘って光検出部40の受光量を平準化させることができるとともに、受光用ミラー51および52の揺動角度範囲(光学スキャン角度)に関係なく光検出部40の測定誤差を均一化させることができる。
また、上記第1〜第3実施形態では、ミラー駆動部60を永久磁石61と、電磁力により永久磁石61を揺動させる電磁駆動用コイル62とによって構成したが、本発明はこれに限られない。たとえば、基材部53におけるミアンダ構造を有する捻れ部55aおよび55bの部分に圧電体(電圧が印加されると極性に応じてZ1側またはZ2側がZ軸方向に伸縮変形を起こす圧電素子)を組み込んでもよい。そして、所定のパターンに制御された電圧を圧電体に印加することによって、基材部53に支持されている受光用ミラー51および52を所定の角度範囲で揺動させるようにスキャナミラー30(230、330)を構成してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、受光用ミラー51の受光面51aと受光用ミラー52の受光面52aとを揺動軸150まわりに互いに略90度だけ交差させたが、本発明はこれに限られない。すなわち、図9に示した受光量の特性(試算結果)からも明らかなように、本発明では、受光面51aと受光面52aとの交差角度αが、75度以上105度以下であればよい。また、より好ましくは、85度以上95度以下であればよい。受光面51aと受光面52aとの交差角度αがこれらの角度範囲内であれば、本発明の効果を十分に得ることができる。
また、上記第2および第3実施形態では、出射用ミラー59の反射面59aを受光用ミラー52の受光面52aと略同一面内に揃えてスキャナミラー230(330)を構成したが、本発明はこれに限られない。本発明では、交差角度α(90度)を有して互いに交差する受光面51aと受光面52aとの間の角度範囲内であるのならば、出射用ミラー59の反射面59aを受光面51aまたは受光面52aと略同一面内に揃えなくてもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、光学スキャン角度が「±45度」(機械的スキャン角度が±22.5度)に設定されたスキャナミラー30(230、330)に対して本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。機械的スキャン角度が±22.5度以外の機械的スキャン角度に設定されたスキャナミラーに対して本発明を適用してもよい。
また、上記第1〜第3実施形態では、受光用ミラー51および52を用いて特許請求の範囲の「第1反射部」および「第2反射部」を構成し、出射用ミラー20および59を用いて特許請求の範囲の「第3反射部」を構成したが、本発明はこれに限られない。すなわち、「ミラー」以外の反射部により、第1〜第3反射部を構成してもよい。
10 LD部(光源)
20、59 出射用ミラー(第3反射部)
30、230、330 スキャナミラー
51 受光用ミラー(第1反射部)
51a、52a 受光面
52 受光用ミラー(第2反射部)
53、253、353 基材部(支持部)
54a、54b 固定部(端部)
55a、55b 捻れ部
56 板状部(支持部)
60 ミラー駆動部(駆動部)
150 揺動軸
α 交差角度(第1反射部の受光面と第2反射部の受光面とがなす角度、相対的位置関係)

Claims (10)

  1. 各々の受光面が相対的位置関係を有して、同一の搖動軸上に配置される第1反射部および第2反射部と、
    前記第1反射部および前記第2反射部を所定の角度範囲で揺動させる駆動部と、を備える、スキャナミラー。
  2. 前記第1反射部および前記第2反射部は、前記相対的位置関係が略一定に維持された状態で揺動されるように構成されている、請求項1に記載のスキャナミラー。
  3. 前記相対的位置関係は、前記第1反射部の受光面と前記第2反射部の受光面とがなす角度が75度以上105度以下となることである、請求項1または2に記載のスキャナミラー。
  4. 前記相対的位置関係は、前記第1反射部の受光面と前記第2反射部の受光面とがなす角度が85度以上95度以下となることである、請求項3に記載のスキャナミラー。
  5. 前記第1反射部の受光面の面積と、前記第2反射部の受光面の面積とは、略等しい、請求項1〜4のいずれか1項に記載のスキャナミラー。
  6. 光源と、
    前記光源からの光を反射させる第3反射部とを備え、
    前記第3反射部は、前記搖動軸上に搖動可能に支持される、請求項1〜5のいずれか1項に記載のスキャナミラー。
  7. 前記揺動軸方向の一方に、前記第1反射部、前記第3反射部、および前記第2反射部の順に配置されている、請求項6に記載のスキャナミラー。
  8. 前記揺動軸方向の一方に、前記第3反射部、前記第1反射部、および前記第2反射部の順に配置されている、請求項6に記載のスキャナミラー。
  9. 前記第1反射部および前記第2反射部の各々の前記受光面の面積は、前記第3反射部の反射面の面積よりも大きい、請求項6〜8のいずれか1項に記載のスキャナミラー。
  10. 前記第1反射部および前記第2反射部を支持する支持部と、前記支持部の前記揺動軸方向の端部と、前記支持部と前記端部との間に位置するミアンダ構造の捻れ部とを備える、請求項1〜9のいずれか1項に記載のスキャナミラー。
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