JP2019125522A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ正確に光走査範囲の情報を取得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１は、光源３と、光源３から出力された光を集光する集光レンズ５と、回動軸線周りに回動して、光を所定方向に反射するミラー部１１と、ミラー部１１で反射された光から０次光走査範囲Ａ０の配光パターンを形成するとともに、０次光走査範囲Ａ０と重複しない１次光走査範囲Ａ１の配光パターンを形成する回折格子２０と、１次光走査範囲Ａ１内に設けられて、入射する光を検出する光検出センサ３０を備える。光検出センサ３０は、０次光走査範囲Ａ０に対応する走査範囲の入射光を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用ヘッドライト等に用いられる光走査装置に関する。

近年、レーザ装置から出射される光により蛍光体を含む発光部を照射し、さらに発光部で励起された蛍光を、レンズを透過させて前方に出射する照明装置が普及し、車両用ヘッドライト等に利用されている。

このような照明装置の内部には、レーザ装置の他に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーが収容されているが、ＭＥＭＳミラーの挙動を把握するためには、走査光の振幅や位相の情報を取得する必要がある。

技術分野は異なるが、下記の特許文献１のレーザビームプリンタでは、製造工程において、走査光学系を構成する走査ユニットと感光ドラムとを所定の位置に組み立てた後、受光手段である２次元受光センサーアレイを感光ドラムの直前に、感光ドラムへ入射する光を遮るように挿入する。そして、機器を作動させ、実際に走査光束の走査軌跡を２次元受光センサーアレイで計測し、光束走査手段であるポリゴンミラーのパラメータ、具体的には回転角度と走査光束の位置ずれ量との関係を計測している（段落００３５，図２）。

特開２００２−０１９１８４号公報

しかしながら、特許文献１は製造工程において行われる検査であるため、感光ドラムの直前に２次元受光センサーアレイを配置できるが、実際の使用状態では、この方法による検査を行うことができない。従って、照明装置の場合でも、使用状態における走査光の検出は、照明光の照射範囲外で行うことが望ましい。

例えば、照明装置において、光の走査方向の両端部に受光センサをそれぞれ配置し、受光センサがオンするタイミング等から走査情報を取得する方法も考えられる。しかし、その場合には、断片的に得られる受光センサからの情報を適用して推測することになる。すなわち、高次の異常共振や外的振動の影響によるブレ等が原因で誤差が生じ、理想的な２次元走査画像に対して、実際の２次元走査画像は劣化が生じているおそれがある。特に、挙動モデルに当てはまらない状況下では、誤差が無視できないものとなる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易かつ正確に光走査の情報を取得することができる光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の光走査装置は、光源と、前記光源から出力された光を集光する集光光学部と、回動軸線周りに回動して、前記集光光学部で集光された光を所定方向に反射するミラー部と、前記ミラー部で反射された光が入射する位置に設けられて、前記反射された光から第１光走査範囲の配光パターンを形成するとともに、前記第１光走査範囲と重複しない第２光走査範囲の配光パターンを形成する回折光学部と、前記第２光走査範囲内に設けられて、入射する光を検出する光検出部と、を備え、前記光検出部は、前記第１光走査範囲に対応する走査範囲の入射光を検出することを特徴とする。

本発明では、光源から出射された光を集光光学部で集光し、回動軸線周りに回動するミラー部で光を反射する。ミラー部により反射された光は、回折光学部に入射して第１光走査範囲に進むと、例えば、照明用の配光パターンとなる。

また、ミラー部により反射された光のうち、回折光学部に入射して第２光走査範囲に進む光もある。ここで、第２光走査範囲内には光検出部が設けられているので、光検出部に入射する光により第１光走査範囲の光の変化を検出することができる。これにより、簡易かつ正確に第１光走査範囲の光走査の情報を取得することができる。

また、本発明の光走査装置において、前記第２光走査範囲は、前記第１光走査範囲を挟む位置に２つ形成され、前記光検出部は、光強度が強い側の前記第２光走査範囲内に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、回折光学部により、第１光走査範囲（後述する０次光走査範囲）を挟む位置に、２つの第２光走査範囲（後述する±１次光走査範囲）が形成される。ここで、第２光走査範囲のうちの一方は光強度が弱いが、他方は光強度が強くなるという性質がある。従って、光強度が強い側に光検出部を設けることで、第１光走査範囲における光走査を確実に検出することができる。

また、本発明の光走査装置において、前記第２光走査範囲は、前記第１光走査範囲の半分以下の範囲を有していることが好ましい。

第２光走査範囲は、第１光走査範囲の半分以下の範囲を有しているので、第２光走査範囲に設ける光検出部が小型でも、第１光走査範囲における光走査の情報を正確に検出することができる。

また、本発明の光走査装置において、前記光検出部は、２次元光位置センサ又は２次元イメージセンサであることが好ましい。

この構成によれば、光検出部として２次元光位置センサ（例えば、ＰＳＤ素子）、又は２次元イメージセンサ（例えば、ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子）を用いることで、簡易かつ正確に光走査範囲を検出することができる。

実施形態の光走査装置の全体構成を示す断面図。 図１の光走査装置の制御構成のブロック図。 図１の光走査装置を構成する光偏向器を説明する図。 図１の光走査装置を構成する回折格子を説明する図。 図１の光走査装置を構成する光検出部（ＰＳＤ素子）を説明する図。 図１の光走査装置を構成する光偏向器の変更形態を説明する図。

図１は、本発明の実施形態に係る光走査装置１の全体構成を示している。

光走査装置１は、主に光源３、集光レンズ５、光偏向器１０、回折格子２０及び光検出センサ３０により構成されている。光走査装置１により生成される配光パターンは、主目的としては、例えば、車両用ヘッドライト（特に、ロービーム用）の光として利用される。

光源３は、１個のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）で構成されている。光源３として、例えば、中心波長が約４５０ｎｍであり、青色光を出力するレーザダイオードが用いられる。

光源３から出射された光は、集光レンズ５（本発明の「集光光学部」）に入射する。集光レンズ５はコリメートレンズであり、光源３の光が入射すると、その光をほぼ平行な平行光に変更して光偏向器１０の方向に導光する。

光偏向器１０は、２次元的に傾倒するミラー部１１を備え、光源３から出射され、集光レンズ５を通過した光を回折格子２０（本発明の「回折光学部」）の方向に反射させる。光偏向器１０は、定常位置のミラー部１１の中央に光が入射するように、光軸上に配置される。

光走査装置１を車両用ヘッドライトに用いる場合には、蛍光体プレートを使用してもよい。蛍光体プレートの蛍光体は、光源３の青色光が照射されることで励起され、青色光と補色の関係にある黄色光を発する。このため、この蛍光体からは青色光と黄色光とが混色した白色光が出射される。

蛍光体プレートは、透過型でも反射型でもよい。蛍光体プレートは、光偏向器１０で反射した光が回折格子２０を通過した後に照射する位置に設けることが好ましい。光偏向器１０と回折格子２０との間に設けた場合には、光源３からの光、特にレーザ光の直進性が損なわれるため、蛍光体プレートを照射する前の光を用いて光偏向器１０の挙動を把握する方が好ましいからである。

ミラー部１１で反射され、回折格子２０に入射した光のうち、直進する成分（０次回折成分）は、０次光走査範囲Ａ０に配光パターンを形成する。また、ミラー部１１で反射され、回折格子２０に入射した光のうち、回折して進行方向が変化した１次回折成分は、１次光走査範囲Ａ１に配光パターンを形成する。なお、１次光走査範囲Ａ１は、０次光走査範囲Ａ０と重複しない位置に形成される。

実際には、０次光走査範囲Ａ０を挟むように−１次光走査範囲（図示省略）も現れる。しかし、回折格子２０の格子パターンを工夫したり、回折格子２０を複数、重畳させたりすることで、１次光走査範囲Ａ１の光強度と比較して、−１次光走査範囲の光強度を弱くすることができる。

例えば、矩形の凹凸からなる回折格子の場合には、＋１次光走査範囲Ａ１の光強度と−１次光走査範囲の光強度が同等となるが、鋸歯状の斜めの溝からなるブレーズド回折格子の場合には、＋１次光走査範囲Ａ１の光強度を強め、−１次光走査範囲の光強度を弱くすることができる。

０次光走査範囲Ａ０（本発明の「第１光走査範囲」）の配光パターンは、仮想スクリーンＳ上で配光パターンを変化させることができる。例えば、光走査装置１を配光可変ヘッドランプ（ＡＤＢ：Adaptive Driving Beam）として用いたとき、配光パターンを対向車の位置等に応じて移動したり、マスクしたりすることができる。

光検出センサ３０（本発明の「光検出部」）は、１次光走査範囲Ａ１（本発明の「第２光走査範囲」）に配設され、光走査範囲を検出することができる。回折格子２０により、１次光走査範囲Ａ１には０次光走査範囲Ａ０に対応する走査範囲の入射光が到達するので、光検出センサ３０の測定結果から０次光走査範囲Ａ０の光走査範囲に異常がないかを検出することができる。

すなわち、光走査装置１では、主目的で用いられる０次光走査範囲Ａ０以外の領域で、その光走査範囲を検出できることから、本来の目的の性能を妨げることがない。なお、１次光走査範囲Ａ１は、０次光走査範囲Ａ０と比較して半分以下の範囲となっているので、光検出センサ３０は小型でよい。

次に、図２に、光走査装置１の制御構成のブロック図を示す。

図２に示すように、光走査装置１は、光源３と光偏向器１０とを含む配光ユニット２と、光検出センサ３０と、制御部５０とからなり、制御部５０が光検出センサ３０からの検出信号を受けて配光ユニット２を制御する。

光検出センサ３０は、光偏向器１０のミラー部１１で反射され、回折格子２０を通過した光を検出する光検出器であり、１次光走査範囲Ａ１に配設されている。光検出センサ３０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子等の２次元イメージセンサや、ＰＳＤ(Position Sensitive Device)素子等の２次元光検出センサ等の公知のセンサを用いることができる。

制御部５０は、演算処理部５０ａと駆動制御部５０ｂとを備えている。このうち、演算処理部５０ａは、光検出センサ３０からの情報等を受信して、形成すべき最適な配光パターンを決定する。そして、配光パターンの形状や光度分布についての配光パターン情報を駆動制御部５０ｂへ出力する。このとき、各種情報は逐次更新され、配光パターンの決定及び配光パターン情報の出力は所定の時間間隔で繰り返し行われる。

一方、駆動制御部５０ｂは、配光ユニット２の光源３の点灯制御を行う。また、演算処理部５０ａから入力された配光パターン情報に基づいて、光偏向器１０のミラー部１１を制御する。具体的には、駆動制御部５０ｂは、光源３から出射されるレーザ光の点灯強度及び点灯時間を制御するとともに、ミラー部１１の傾倒を制御する。

続いて、光走査装置１における配光パターンの形成プロセスについて説明する。上述したように、演算処理部５０ａが各種情報に基づいて最適な配光パターンを決定すると、駆動制御部５０ｂは、この配光パターンについての配光パターン情報に基づいて光源３及びミラー部１１を制御する。そして、駆動制御部５０ｂは、配光パターンを仮想スクリーンＳ上に形成する。

走査態様としては、パターン変化部分の形状をなぞるように光を走査させる、いわゆるベクトルスキャンであってもよいし、パターン変化部分外となる部分も含めて仮想スクリーンＳの全面に光を走査させる、いわゆるラスタースキャンであってもよい。或いは、両方式を組み合わせたものでもよい。ただし、パターン変化部分内の特定箇所だけを強く照射したい場合には、ベクトルスキャンの方が効率的である。

次に、図３を参照して、光偏向器１０の詳細を説明する。

図３に示すように、光偏向器１０は、反射面を有するミラー部１１を一対のトーションバー１２ａ，１２ｂにより支持する第１支持部１３と、ミラー部１１を第１支持部１３に対して主走査方向（Ｙ軸周り）に回動させる第１アクチュエータ１７ａ，１７ｂと、第１支持部１３を支持する第２支持部１５と、第１支持部１３を第２支持部１５に対して副走査方向（Ｘ軸周り）に回動させる第２アクチュエータ１８，１９とを備え、２次元走査が可能な２軸型光偏向器である。

光偏向器１０のアクチュエータとしては、圧電方式、静電方式、電磁形式等のアクチュエータを用いることができる。本実施形態では、第１アクチュエータ１７ａ，１７ｂとして、圧電アクチュエータを採用している。また、第２アクチュエータ１８，１９はそれぞれ、４つの圧電カンチレバーが連結されて構成されている。圧電カンチレバー１８Ａ〜１８Ｄ，１９Ａ〜１９Ｄは、支持体と、下部電極と、圧電体と、上部電極とから構成された積層体を含む。

配光パターンの投射は、水平方向の高速走査、垂直方向の低速走査によって実行される。そのため、ミラー部１１は、高速動作に対応した第１アクチュエータ１７ａ，１７ｂの共振駆動により主走査方向に回動し、低速動作に対応した第２アクチュエータ１８，１９の非共振駆動により副走査方向に回動する。本実施形態では、副走査方向の回動は低速動作であるため、非共振駆動のアクチュエータを用いたが、これに限定されず、共振駆動のアクチュエータを用いてもよい。

なお、光偏向器１０は、光源３からの光がミラー部１１の中心に入射して、ミラー部１１で反射された光が回折格子２０に入射するように、光軸上に配置されている。

次に、図４を参照して、回折格子２０の詳細を説明する。

図４に示すように、回折格子２０には溝（スリット）が等間隔（１ｍｍあたり数百本）に形成されており、光が入射して回折すると、光の進行方向が変化する。図示するように、ミラー部１１で反射された光は、回折格子２０の平坦部分に入射する。

ここで、回折格子２０のスリット間隔をｄとすると、隣り合う光のスクリーン上の１点までの光路差はｄｓｉｎθとなる。回折光によりスクリーン上に干渉縞が現れるが、明線の現れる条件は、
ｄｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，…） ・・・（式１）
で与えられる。なお、λは光の波長であり、スリット間隔ｄは、スクリーン（光検出センサ３０）までの距離Ｌに対して十分小さい。

（式１）でｍ＝０のとき、光は波長λによらず直進する。この光（０次光）が作る明線を０次光走査範囲Ａ０の仮想スクリーンＳ上で走査して得られた配光パターンは、主目的（例えば、車両用ヘッドライト）に用いられる。

また、（式１）でｍ＝１のとき、光は回折して進行方向が変化する。そして、この光（１次光）が作る明線は、１次光走査範囲Ａ１に配光パターンを形成する。従って、この配光パターンの光は、光検出センサ３０の表面上で走査される。この光は、０次光走査範囲Ａ０に対応する走査範囲の光となっているため、１次光走査範囲Ａ１において、０次光走査範囲Ａ０の光走査の情報を取得することができる。

次に、図５を参照して、光検出センサ３０の詳細を説明する。

光検出センサ３０は１次光走査範囲Ａ１に配設される撮像素子であり、例えば、ＰＳＤ素子が挙げられる。ＰＳＤ素子は、図５に示すように、中央部分が受光部３０ａとなっており、レーザ光（ビームＢ）によるスポット光ＳＰが入射すると入射位置に光エネルギーに応じた電荷が発生する。ＰＳＤ素子は、スポット光ＳＰの位置座標を取得することで、目的の光走査範囲を検出することができる。

光検出センサとして、ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子等の２次元イメージセンサを用いてもよい。ＣＣＤ撮像素子は、受光部の１つの画素にフォトダイオードとＣＣＤとが転送ゲートを介して配置されたデバイスである。また、ＣＭＯＳ撮像素子は、受光部の１つの画素がフォトダイオードとＣＭＯＳトランジスタで構成されたデバイスである。これらの撮像素子によっても光の位置座標、速度を取得することができるので、目的の光走査範囲を検出することができる。

最後に、図６を参照して、光走査装置１を構成する光偏向器１０の変更形態について説明する。以下では、上述の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図６に示すように、光偏向器６０は、光源３の光が入射するミラー部１１の上面側に反射型回折格子２１が配設されている。反射型回折格子２１の表面には鋸歯状の凸部が形成されており、表面で反射した光が回折するようになっている。

反射型回折格子２１表面の法線方向に対する入射角をα、反射角をβとし、スリット間隔をｄとしたとき、スクリーン上に明線が現れる条件は、
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｎλ（ｎ＝０，１，２，…） ・・・（式２）
で与えられる。

反射型回折格子２１によっても、（式２）でｎ＝０のときの光（０次光）が明線を作る。そして、この明線を０次光走査範囲Ａ０の仮想スクリーンＳ上で走査して得られた配光パターンは、主目的に用られる。

また、（式２）でｎ＝１のときの光（１次光）が作る明線は、１次光走査範囲Ａ１に配光パターンを形成する。そして、この配光パターンの光が光検出センサ３０の表面上で走査され、０次光走査範囲Ａ０の光の検出用に用いられる。これにより、１次光走査範囲Ａ１において、０次光走査範囲Ａ０の光走査の情報を取得することができる。

上述の実施形態は、本発明の実施形態の一例に過ぎず、用途に応じて適宜変更することができる。例えば、光偏向器１０は、通常、窓部を有するパッケージに収納され、光源３からの光は、窓部を通じてミラー部１１に入射する。ミラー部１１で反射された光も窓部を通じて出射するので、窓部を外部向きの透過型回折格子としてもよい。この方法によっても、回折により０次光及び１次光が生じるので、１次光走査範囲Ａ１において、０次光走査範囲Ａ０の光走査範囲の情報を取得することができる。

本発明の光走査装置は、車載用ヘッドライトのみならず、光偏向器を搭載した超小型プロジェクタ、その他の機器に適用することができる。

１…光走査装置、２…配光ユニット、３…光源、５…集光レンズ、１０，６０…光偏向器、１１…ミラー部、１２ａ，１２ｂ…トーションバー、１３…第１支持部、１５…第２支持部、１７ａ，１７ｂ…第１アクチュエータ、１８，１９…第２アクチュエータ、１８Ａ〜１８Ｄ，１９Ａ〜１９Ｄ…圧電カンチレバー、２０…回折格子、２１…反射型回折格子、３０…光検出センサ、５０…制御部、５０ａ…演算処理部、５０ｂ…駆動制御部。

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源から出力された光を集光する集光光学部と、
   回動軸線周りに回動して、前記集光光学部で集光された光を所定方向に反射するミラー部と、
   前記ミラー部で反射された光が入射する位置に設けられて、前記反射された光から第１光走査範囲の配光パターンを形成するとともに、前記第１光走査範囲と重複しない第２光走査範囲の配光パターンを形成する回折光学部と、
   前記第２光走査範囲内に設けられて、入射する光を検出する光検出部と、
   を備え、
   前記光検出部は、前記第１光走査範囲に対応する走査範囲の入射光を検出することを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置において、
   前記第２光走査範囲は、前記第１光走査範囲を挟む位置に２つ形成され、
   前記光検出部は、光強度が強い側の前記第２光走査範囲内に設けられていることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１又は２に記載の光走査装置において、
   前記第２光走査範囲は、前記第１光走査範囲の半分以下の範囲を有していることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の光走査装置において、
   前記光検出部は、２次元光位置センサ又は２次元イメージセンサであることを特徴とする光走査装置。