JP2019164284A - 走査光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の利用効率を向上でき、高速なラスタスキャンが可能な走査光学装置を提供する。【解決手段】 第１レンズ１２は、第１焦点距離の第１焦点を有し、入射した光を前記第１焦点に集光する。プリズム１３は、第１モータ１４により第１方向に回転され、第１焦点に入射された光を第１方向に移動させる平行な２面を有する。第２レンズ１５は、第２焦点距離の第２焦点を有し、プリズムにより第１方向に移動される光を、第２焦点を経由して走査させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えば３次元測距画像センサに適用される走査光学装置に関する。

例えば物体までの距離を３次元的に測定する所謂３Ｄ−ＬｉＤＥＲ（Light Detection and Ranging）と称する３次元測距画像センサが開発されている。このセンサは、例えばパルス状のレーザ光を、ポリゴンミラーを用いて走査し、物体からの反射光を検出することにより、物体までの距離を測定する。ポリゴンミラーは、角錐台形状であり、複数の反射面を有している。各反射面は、回転軸に沿った方向の傾斜角がそれぞれ変化されている。このため、回転するポリゴンミラーに反射面に照射されたレーザ光は、水平方向及び垂直方向に反射され、検出領域に照射される（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

また角錐台形状ポリゴンミラーを使う替わりに、２台のポリゴンスキャナ、ガルバノスキャナ、レゾナントスキャナ、ＭＥＭＳスキャナを水平方向及び垂直方向に１台ずつ配置した構成で、３次元画像を取得している物もある（例えば特許文献３参照）。

特開平１１−８４００６号公報 特開２０１６−７０９７４号公報 特開平１−１００４９１号公報

一般に、レーザ光を水平方向及び垂直方向に２次元走査する場合、２台のガルバノスキャナやレゾナントスキャナ、又はＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）スキャナが用いられる。しかし、これらのスキャナは、ミラーの往復運動を伴う。このため、これらのスキャナを用いて、ラスタスキャンでデータ取得する場合、１方向の走査により取得したデータが画像として反転してしまうため、通常のデータ処理では利用できず、光の利用効率は必然的に５０％以下となる。

ちなみに、光の利用効率とは、各スキャナの１走査辺りの時間又は角度（次の走査が開始するまでの時間又は角度）に対する有効走査時間又は角度（データ採集に使われる時間又は角度）の比率をパーセンテージで表したものである。

また、走査の高速化及び広角化を実現する場合、１軸方向の走査をポリゴンスキャナで代替することが考えられる。しかし、この場合も垂直又は水平のうちの一方の走査は往復運動であるので光の利用効率は最大でも５０％以下となる。

本発明の実施形態は、光の利用効率を向上でき、高速で等速性に優れたラスタスキャンが可能な走査光学装置を提供する。

本実施形態の走査光学装置は、第１焦点距離の第１焦点を有し、入射した光を前記第１焦点に集光する第１レンズと、モータにより第１方向に回転され、前記第１焦点に入射された前記光を前記第１方向に移動させる平行な２面を有するプリズムと、第２焦点距離の第２焦点を有し、前記プリズムにより前記第１方向に移動される前記光を、前記第２焦点を経由して走査させる第２レンズと、を具備する。

第１実施形態に係る走査光学装置の一例を示す構成図。 図１に示すプリズムの回転角と光の位置シフト量の関係を説明するために示す図。 図１に示すプリズムの回転角と光の位置シフト量の関係を示す図。 第２実施形態に係り、図１に示す走査光学装置を用いた３次元測距画像センサの一例を示す上面図。 第３実施形態に係り、図１に示す走査光学装置を用いた３次元測距画像センサの他の例を示す上面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

図１は、本実施形態に係る走査光学装置１０を示している。走査光学装置１０は、例えば発光部としてのレーザダイオード（ＬＤ）１１、コリメートレンズ１６、第１レンズ１２、プリズム１３、モータ１４、第２レンズ１５を具備している。

レーザダイオード（ＬＤ）１１は、例えばパルス状のレーザ光（以下、単に光とも言う）を発生する。

第１レンズ１２は、アクロマティックレンズ又は非球面レンズにより構成された例えば集光レンズであり、第１焦点距離ｆ１の第１焦点Ｆ１を有している。ＬＤ１１から発生されたレーザ光は、コリメートレンズ１６により平行光とされ、第１レンズ１２を通って第１焦点に集光される。

また、第１レンズ１２はコリメートレンズ１６の機能を有した複合レンズとすることで、部品点数を減らすことも出来る。

プリズム１３は、例えばガラス又は透明樹脂により構成された直方体のプリズムである。プリズム１３は、直方体に限定されるものではなく、平行する２つの辺を有する多面体、例えば６角柱又は８角柱であってもよい。

モータ１４の回転軸は、プリズム１３の回転中心（軸心）ＣＴに連結され、プリズム１３は、モータ１４により、図示矢印Ａ方向に回転される。

プリズム１３の平行する２つの面の一方から入射した光は、屈折され、平行する２つの面の他方から出射される。プリズム１３から出射された光は、プリズム１３の回転に伴い、図示矢印Ａ方向に沿って、平行移動する。

第２レンズ１５は、アクロマティックレンズ又は非球面レンズにより構成され、出射光をコリメートするためのレンズであり、第２焦点距離ｆ２の第２焦点Ｆ２を有している。第２焦点距離ｆ２は、光学系を短くするために、第１レンズ１２の第１焦点距離ｆ１より長い方が望ましく、第２レンズ１５の第２焦点Ｆ２の位置は、第１レンズ１２の第１焦点Ｆ１の位置と一致されている。

第１レンズ１２及び第２レンズ１５とプリズム１３との位置関係は、次の通りである。第１レンズ１２の第１焦点Ｆ１と第２レンズ１５の第２焦点Ｆ２は、プリズム１３の回転中心ＣＴより、第１レンズ１２側に位置している。すなわち、第１レンズ１２の第１焦点Ｆ１の位置と第２レンズ１５の第２焦点Ｆ２の位置は、入射光束を細くするために、プリズム１３の第１レンズ１２側の端面近傍であることが望ましい。

回転するプリズム１３から出射された平行に移動する光は、第２レンズ１５を通過後、第２焦点Ｆ２を通る。このため、第２焦点Ｆ２を通った光は、図示矢印Ａ方向と逆の図示矢印Ｂ方向に走査される。図示矢印Ｂ方向の走査は、プリズム１３が９０°回転される毎に繰り返される。

図１に示す走査光学装置１０において、矢印Ｂ方向を垂直方向と仮定し、走査光学装置１０全体を後述するように水平方向に往復運動させることにより、ラスタスキャンを実現することができる。

図２を参照して、図１に示すプリズム１３の回転角と光の位置シフト量の関係について説明する。

プリズム１３を正方プリズムと仮定する。

プリズム１３の一辺の長さをａ、
プリズム１３の屈折率をｎ、
プリズム１３の正立位置からの回転角をθ、
屈折後のプリズム面の鉛直方向とレーザ光の成す角をθ’、
レーザ光のシフト量をＤ（θ）とする。

スネルの法則より、次式（１）が得られる。

n・sin(θ’)=sin(θ) …（１）
図２より、次式（２）が得られる。

QS=a・tan(θ’)
RS=a・tan（θ）
RQ=RS-QS
=a(tan(θ)-tan(θ’)）
D(θ)=RQ・cos(θ)
=a・(tan（θ)-tan(θ’））・cos(θ)
=a・(sin(θ)/cos(θ)-sin(θ’)/cos(θ’））・cos(θ)
=a・(sin(θ)/cos(θ)-sin(θ’)/(1-sin²(θ’))^1／2）・cos(θ) …（２）
式（２）に式（１）を代入して整理すると、式（３）が得られる。

D(θ)=a・sin(θ)・（1-cos(θ)/(n²-sin²(θ))^1／2)) …（３）
プリズム１３の屈折率をｎ＝１．５１（ＢＫ７）とした場合のシフト量D(θ)の辺の長さａに対する割合D（θ)／ａを計算すると、図３に示すようになる。

図３に示すように、プリズム１３の回転角が０°から３０°までの出射光を走査光として使うとすると、D（θ)／ａの最大値は、略０．２である。この場合、例えばプリズム１３の一辺の長さａが１０ｍｍであるとすると、２ｍｍのシフト量Ｄ（θ)を得ることができる。

また、第２レンズ１５の画角（光の出射角）αは、プリズム１３から出射される光のシフト量Ｄ（θ)（＝平行移動量ｄ）と第２レンズ１５の焦点距離ｆ２により次式（４）により求められる。

α＝2 arctan d/2・f2 …（４）
したがって、第２レンズ１５のサイズと焦点距離、及びプリズム１３のサイズを最適化することにより、走査光の等速性を維持したまま光の出射角を拡大でき、９０％以上の光の利用効率を達成することが可能である。
（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態に係る走査光学装置１０によれば、第１レンズ１２と第２レンズ１５との間に、モータ１４により回転され、平行する２つの面を有するプリズム１３を配置している。このため、ＬＤ１１から発生され、第１レンズ１２を通過したレーザ光は、回転するプリズム１３により平行移動する光に変換され、第２レンズ１５を通過すことにより、走査光として出射される。したがって、プリズム１３に入射した光の殆どは走査光として利用されるため、ガルバノスキャナやレゾナントスキャナ、又はＭＥＭＳに比べて光の利用効率を向上することが可能である。

しかも、プリズム１３は、モータ１４により一定方向に回転されるだけである。このため、ガルバノスキャナやレゾナントスキャナ、又はＭＥＭＳのように、ミラーを往復運動させる構成に比べて、制御回路を簡単化することが可能である。

さらに、走査光学装置１０を、プリズム１３による走査方向と交差する方向に回転運動させることにより、容易にラスタスキャンを行うことができる。このため、２個のミラーを同期して動作させる必要があるガルバノスキャナやレゾナントスキャナに比べて、ラスタスキャンを行うために複雑な制御回路を必要としない。したがって、製造コストを低廉化することが可能である。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態を示すものであり、図１に示す走査光学装置１０を用いた３次元測距画像センサの一例を示している。図４は、３次元測距画像センサの光学系のみを示し、制御回路は省略している。

基台２１の上に発光装置としての第１走査光学装置１０−１と、受光装置としての第２走査光学装置１０−２が設けられている。

第１走査光学装置１０−１は、図１に示す走査光学装置１０と同様の構成である。すなわち、基台２１に設けられたＬＤ１１−１、第１コリメートレンズ１６−１、第１レンズ１２−１、第１プリズム１３−１、プリズム１３−１を回転させる第１モータ１４−１、及び第２レンズ１５−１を含んでいる。

第２走査光学装置１０−２は、図１に示す走査光学装置１０とほぼ同様の構成であり、受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）１１−２、第２コリメートレンズ１６−２、第３レンズ１５−２、第２プリズム１３−２、第２モータ１４−２、第４レンズ１２−２を含んでいる。

第２走査光学装置１０−２の光軸は、第１走査光学装置１０−１の光軸と平行に設けられ、第２プリズム１３−２は、第２モータ１４−２により第１プリズム１３−１と同期して回転される。

基台２１は、例えばモータ２２により、図示矢印Ｃ方向とＤ方向に１方向に回転、又は図示矢印Ｃ方向とＤ方向に往復運動可能とされている。

第１走査光学装置１０−１と第２走査光学装置１０−２との間には、例えば遮光板２３が設けられ、第１走査光学装置１０−１の出射光が第２走査光学装置１０−２に直接入射することが防止されている。

上記構成において、動作について説明する。

第１走査光学装置１０−１のＬＤ１１は、例えばパルス状のレーザ光を発生する。この光は、第１コリメートレンズ１６−１、第１レンズ１２−１、第１プリズム１３−１、第２レンズ１５−１を通って出射される。第１プリズム１３−１の回転に伴い、第２レンズ１５−１から出射される光は、紙面と垂直な方向に走査され、且つ、第２レンズ１５−１から出射される光は、基台２１の回転、又は往復運動により水平方向にも走査される。

第２走査光学装置１０−２は、第１走査光学装置１０−１から出射され、図示せぬ物体により反射された光を受け、電気信号に変換する。すなわち、第３レンズ１５−２、第２プリズム１３−２は、垂直方向及び水平方向に走査された光の反射光を受け、第４レンズ１２−２、第２コリメートレンズ１６−２、を通してフォトダイオード１１−２に導く。フォトダイオード１１−２は、受けた光を電気信号に変換する。
（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によって、第１実施形態よりも受光感度が良い３次元測距画像センサを構築することが可能となる。

さらに、第１プリズム１３−１と第２レンズ１５−１とにより、レーザ光を走査するため、ラスタスキャンを行う場合、第２レンズ１５−１画角の範囲及び基台２１の回転運動にて連続的に走査することができる。このため、容易に３次元データを取得可能となる。

また、第２実施形態によれば、基台２１を扁平なモータ２２にて回転させることにより、全方位をラスタスキャンすることが可能であるため、３次元測距画像センサとして様々な用途に適用することが可能となる。例えば、安全管理用途としてレーザレンジファインダーが広く普及しているが、本実施形態は、これら上位互換として適用することが可能となる。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態を示すものであり、図４に示す３次元測距画像センサの変形例である。

第２実施形態は、基台２１を扁平なモータ２２にて回転させることにより、ラスタスキャンを実現した。これに対して、第３実施形態は、走査光学装置１０から出射された垂直方向に走査された光を、ポリゴンスキャナ３１を用いて水平方向に走査することにより、ラスタスキャンを実現する。

図５において、走査光学装置１０の第２レンズ１５から出射された光は、ポリゴンスキャナ３１のポリゴンミラー３２に入射される。第２レンズ１５の焦点Ｆ２の位置は、ポリゴンミラー３２の１つの面の例えばポリゴンミラーの角度が走査角の中心（出射光が正面へ向かう角度）の時に中央部に一致されている。ポリゴンミラー３２は、モータ３３により例えば図示矢印Ｃ方向に回転される。ポリゴンミラー３２の回転軸は、プリズム１３の回転軸と交差する方向に配置されている。このため、走査光学装置１０から出射された垂直方向に走査された光は、ポリゴンミラー３２により水平方向に走査される。

ポリゴンスキャナ３１の近傍には、第６レンズ３４及びフォトダイオード３５が設けられている。ポリゴンミラー３２から出射され、物体から反射された光は、第６レンズ３４により、フォトダイオード３５に導かれ、フォトダイオード３５により電気信号に変換される。
（第３実施形態の効果）
上記第３実施形態によっても、第１実施形態、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

しかも、第３実施形態によれば、プリズム１３により垂直方向に走査された光をポリゴンスキャナ３１により水平方向に走査している。このため、モータ１４及びモータ３３を一定方向に回転させるだけで、ラスタスキャンが可能である。したがって、ガルバノスキャナやレゾナントスキャナ、又はＭＥＭＳのように、ミラーを往復運動させる構成に比べて、制御回路を簡単化することが可能であり、ガルバノスキャナに比べて消費電力を低減し高速化することが可能である。

また、角錐台形状ポリゴンミラーを用いたラスタスキャンの場合、ポリゴンスキャナのみで構成される為、垂直方向の利用率低下は無くなるものの、走査分解能は、ポリゴンミラーの面数に依存することになる。つまり、ポリゴンミラーが５面を有する場合、垂直方向の分解能は、各面毎に設定された角度の５ポイントのみであり、設定された以外の角度範囲は走査されない。このため、垂直方向の分解能は低く、離散的な走査となる。これに対して、第３実施形態の場合、第１プリズム１３と第２レンズ１５とにより、一定の角度範囲内が連続的に走査される。このため、ポリゴンミラー面数依存の離散的な走査に比べて走査本数が増加し、細密な３次元画像を得ることが出来る。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１、１１−１…レーザダイオード、１１−２…フォトダイオード、１２、１２−１…第１レンズ、１２−２…第４レンズ、１３…プリズム、１３−１…第１プリズム、１３−２…第２プリズム、１４…モータ（第１モータ）、１４−１…第１モータ（第３モータ）、１４−２…第２モータ（第４モータ）、３３…モータ（第２モータ）、１５、１５−１…第２レンズ、１５−２…第３レンズ、１６…コリメートレンズ、１６−１…第１コリメートレンズ、１６−２…第２コリメートレンズ、１０…走査光学装置、１０−１…第１走査光学装置、１０−２…第２走査光学装置、２１…基台、２２…モータ、２３…遮光板、３１…ポリゴンスキャナ、３２…ポリゴンミラー。

Claims (5)

1. 第１焦点距離の第１焦点を有し、入射した光を前記第１焦点に集光する第１レンズと、
   第１モータにより第１方向に回転され、前記第１焦点に入射された前記光を前記第１方向に移動させる平行な２面を有する第１プリズムと、
   第２焦点距離の第２焦点を有し、前記第１プリズムにより前記第１方向に移動される前記光を、前記第２焦点を経由して走査させる第２レンズと、
   を具備することを特徴とする走査光学装置。
2. 第２モータにより前記第１方向と交差する第２方向に回転され、前記第２レンズにより走査される前記光を前記第２方向に走査するポリゴンミラーと
   を具備することを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
3. 前記第１レンズの前記第１焦点の位置は、前記第１プリズムの回転中心より前記第２レンズ側であり、前記第２レンズの前記第２焦点は、前記第１焦点と一致していることを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
4. 前記走査光学装置が搭載される基台と、
   前記基台を前記第１方向と交差する第２方向と、前記第２方向と逆の第３方向に回転させる第３モータと、
   を具備することを特徴とする請求項１記載の走査光学装置。
5. 前記基台上に設けられた受光装置、
   前記受光装置は、
   前記第２焦点距離の第３焦点を有し、物体からの反射光が前記第３焦点を経由して入射される第３レンズと、
   第４モータにより前記第１プリズムと同期して回転され、前記第３レンズからの前記反射光が入射される第２プリズムと、
   前記第１焦点距離の第４焦点を有し、前記第２プリズムからの前記反射光を集光する第４レンズと、
   前記第４レンズからの前記反射光を電気信号に変換する受光部と、
   を具備することを特徴とする請求項４記載の走査光学装置。

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