JP2019174163A - 走査装置及び測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子を小型化しつつ対象物からの反射光を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置及び測距装置を提供する。【解決手段】光源１１と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子１２と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、偏向素子に対する位置が変化する受光面を有する受光素子１３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光走査を行う走査装置、及び光測距を行う測距装置に関する。

従来から、光を対象物に照射し、当該対象物によって反射された光を検出することで、当該対象物までの距離を光学的に測定する測距装置が知られている。また、所定の領域に対して光走査を行い、当該領域内に存在する種々の物体までの距離を測定する走査型の測距装置が知られている。例えば、特許文献１には、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、を含む光学的測距装置が開示されている。

特開2016-176750号公報

走査型の測距装置は、例えば、パルス光を方向可変に偏向しつつ所定の領域に向けて投光することで、当該所定の領域の走査を行う走査装置を有する。また、当該走査装置は、当該パルス光が当該所定の領域内の対象物で反射した光を受光する受光部を有する。この場合、走査に用いられるパルス光の投光方向が変化する。従って、対象物による反射光の走査装置への入射方向が変化する。

また、例えば、測距装置が車両などの移動体に搭載される場合、測距可能な距離範囲は広いことが好ましい。従って、対象物までの距離が大きく異なる場合でも、正確に測距できることが好ましい。従って、パルス光が投光されてから走査装置に戻って来るまでの時間、すなわち受光部が当該対象物からの反射光を受光するタイミングが当該対象物の位置によって大きく異なることを考慮する必要がある。

これらを考慮すると、種々の方向から種々のタイミングで入射する光を受光できるように、走査装置には、十分に大きな受光面を有する受光素子が設けられる傾向にある。しかし、受光面が大きな受光素子を設ける場合、ノイズとなる他の光を受光しやすくなる。従って、装置が大型化されるのみならず、複雑な信号処理回路が設けられなければならない場合がある。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、受光素子を小型化しつつ対象物からの反射光を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置及び測距装置を提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、光源と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、偏向素子に対する位置が変化する受光面を有する受光素子と、を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の走査装置と、受光素子による反射光の受光結果に基づいて対象物までの距離を測定する測距部と、を有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、光源と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、偏向素子に対する位置が変化する受光素子と、を有することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、光源と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、反射光を受光可能な領域が変化する受光面を有する受光素子と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る測距装置の構成例を示す図である。 実施例１に係る測距装置の偏向素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置の偏向素子及び受光素子の動作例を示す図である。 実施例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。 比較例に係る測距装置の受光素子の上面図である。 比較例に係る測距装置の受光素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置の偏向素子及び受光素子の他の動作例を示す図である。 実施例１に係る測距装置の偏向素子及び受光素子の他の動作例を示す図である。 実施例１の変形例に係る測距装置における走査装置の偏向素子の上面図である。 実施例１の変形例に係る測距装置における走査装置の受光素子の上面図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る測距装置１０の模式的な配置図である。測距装置１０は、所定の領域（以下、走査領域と称する）Ｒ０の光走査を行い、走査領域Ｒ０内に存在する対象物ＯＢまでの距離を測定する走査型の測距装置である。測距装置１０は、投受光ユニットＵＮ及びその駆動部１６からなる走査装置ＳＣと、測距部１５と、を含む。

走査装置ＳＣは、パルス化された光（以下、出射光と称する）Ｌ１を生成及び出射する光源１１を有する。本実施例においては、光源１１は、赤外領域にピーク波長を有するパルス化されたレーザ光を出射光Ｌ１として出射する。また、本実施例においては、光源１１が点状（ドット状）のビーム形状を有するレーザ光を出射光Ｌ１として出射する場合について説明する。

走査装置ＳＣは、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する偏向素子１２を有する。偏向素子１２は、出射光Ｌ１の偏向方向を連続的かつ周期的に変化させる。偏向素子１２によって偏向された光は、走査光Ｌ２として、走査領域Ｒ０に向けて投光方向を変化させつつ投光される。

本実施例においては、偏向素子１２は、光源１１からの出射光Ｌ１を走査領域Ｒ０に向けて反射させる揺動ミラー１２Ａを有する。例えば、揺動ミラー１２Ａは、少なくとも１つの揺動軸の周りに揺動するように構成されている。

なお、走査領域Ｒ０は、偏向素子１２における走査光Ｌ２の偏向可能範囲に対応する角度範囲と、走査光Ｌ２が測距可能な強度を維持できる距離に対応する奥行を有する仮想の３次元空間である。図１には、走査領域Ｒ０の外縁の一部を破線で示した。

例えば、図１に示すように、走査領域Ｒ０内における走査光Ｌ２の光路上に対象物ＯＢが存在する場合、対象物ＯＢに走査光Ｌ２が照射される。また、対象物ＯＢが走査光Ｌ２に対して反射性を有する物体である場合、対象物ＯＢによって走査光Ｌ２が反射する。

走査装置ＳＣは、走査光Ｌ２が対象物ＯＢによって反射した光（以下、反射光と称する）Ｌ３を受光する受光素子１３を有する。受光素子１３は、反射光Ｌ３に対して光電変換を行い、反射光Ｌ３に応じた電気信号（以下、受光信号と称する）ＳＲを生成する。受光素子１３は、反射光Ｌ３を受光する受光面１３Ａを有する。例えば、受光面１３Ａは、例えば反射光Ｌ３を検出する検出素子の検出面である。受光素子１３は、受光信号ＳＲを反射光Ｌ３の受光結果として出力する。

また、本実施例においては、受光素子１３は、受光面１３Ａが可動な構成を有する。本実施例においては、受光面１３Ａは、偏向素子１２の状態、例えば揺動ミラー１２Ａの揺動状態に応じて偏向素子１２に対する位置が変化するように構成されている。

なお、本実施例においては、走査装置ＳＣは、偏向素子１２と受光素子１３との間における出射光Ｌ１及び反射光Ｌ３の光路上に設けられた光分離器ＳＰを有する。光分離器ＳＰは、例えばビームスプリッタである。本実施例においては、光源１１からの出射光Ｌ１は、光分離器ＳＰによって反射され、偏向素子１２に導かれる。一方、対象物ＯＢによる反射光Ｌ３は、偏向素子１２によって反射された後、光分離器ＳＰを透過して受光素子１３に導かれる。

このように、走査装置ＳＣは、投受光ユニットＵＮによって、走査光Ｌ２を走査領域Ｒ０に向けて投光し、かつ対象物ＯＢによる反射光Ｌ３を受光する。そして、走査装置ＳＣは、反射光Ｌ３の受光結果、すなわち走査領域Ｒ０の走査結果を受光信号ＳＲとして出力する。

測距装置１０は、走査装置ＳＣによって生成された受光信号ＳＲに基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１４を有する。本実施例においては、測距部１４は、走査装置ＳＣと対象物ＯＢとの間の距離を測定し、その測定結果を測距装置１０と対象物ＯＢとの間の距離として出力する。

例えば、測距部１４は、受光信号ＳＲを解析して反射光Ｌ３を示す光パルスを検出する。また、測距部１４は、出射光Ｌ１の出射タイミングと反射光Ｌ３の受光タイミングとの間の時間差に基づくタイムオブフライト法によって、対象物ＯＢ（又はその一部の表面領域）までの距離を測定する。また、測距部１４は、測定した距離情報を示すデータ（測距データ）を生成する。

また、本実施例においては、測距部１４は、走査領域Ｒ０を複数の測距点に区別し、当該複数の測距点の各々の当該測距データを画素とした走査領域Ｒ０の画像データ（測距画像データ）を生成する。本実施例においては、測距部１４は、当該測距データと偏向素子１２の揺動ミラー１２Ａの向きを示す情報とを対応付け、走査領域Ｒ０の２次元マップ又は３次元マップを示す画像データを生成する。

例えば、測距部１４は、偏向素子１２による走査光Ｌ２の投光方向の変化周期、すなわち走査装置ＳＣが走査領域Ｒ０を走査する周期である走査周期を測距画像データの生成周期とし、当該走査周期毎に１つの測距画像データを生成する。

なお、走査周期とは、例えば、走査領域Ｒ０に対する光走査を周期的に行う場合において、走査装置ＳＣの任意の走査状態（例えば偏向素子１２における揺動ミラー１２Ａの向き）の時点から、その後に再度当該走査状態に戻る時点までの期間をいう。なお、測距部１４は、複数の測距画像を時系列に沿って動画として表示する表示部（図示せず）を有していてもよい。

また、測距装置１０は、投受光ユニットＵＮ（光源１１、偏向素子１２及び受光素子１３）の駆動及びその制御を行う駆動部１５を有する。例えば、本実施例においては、駆動部１５は、光源１１に駆動信号ＳＬを供給し、光源１１による出射光Ｌ１の出射動作を制御する光源駆動部１５Ａを有する。

また、駆動部１５は、偏向素子１２に駆動信号（以下、第１の駆動信号と称する）ＳＤ１を供給し、偏向素子１２による出射光Ｌ１の偏向動作を制御する偏向素子駆動部１５Ｂを有する。例えば、偏向素子駆動部１５Ｂは、揺動ミラー１２Ａを揺動させるための信号を第１の駆動信号ＳＤ１として偏向素子１２に供給する。

また、駆動部１５は、受光素子１３に駆動信号（以下、第２の駆動信号と称する）ＳＤ２を供給し、受光素子１３の変位動作を制御する受光素子駆動部１５Ｃを有する。また、受光素子駆動部１５Ｃは、受光面１３Ａを移動させるための信号を第２の駆動信号ＳＤ２として受光素子１３に供給する。

図２は、偏向素子１２の上面図である。本実施例においては、偏向素子１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。まず、本実施例においては、偏向素子１２は、フレーム部２１と、フレーム部２１によって支持され、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する揺動部２２とを有する。揺動部２２は、一端がフレーム部２１の内周部に固定され、第１の揺動軸ＡＸ１に沿って延び、かつ第１の揺動軸ＡＸ１の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＸ１を有する。

また、揺動部２２は、一対のトーションバーＴＸ１の内側において第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＸ１の他端に接続された揺動板ＳＸ１を有する。揺動板ＳＸ１は、一対のトーションバーＴＸ１が第１の揺動軸ＡＸ１の周方向に沿ってねじれることで、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する。

偏向素子１２は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＸ１を揺動させる揺動力（すなわち偏向素子１２の駆動力）を生成する駆動力生成部（図示せず）に接続された端子２３を有する。駆動部１５の偏向素子駆動部１５Ｂは、端子２３に接続されている。偏向素子１２の揺動部２２は、偏向素子駆動部１５Ｂから供給される第１の駆動信号ＳＤ１に従って揺動する。

また、偏向素子１２は、揺動板ＳＸ１上に形成された光反射膜２４を有する。光反射膜２４は、揺動板ＳＸ１の揺動に従って、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する。光反射膜２４は、揺動板ＳＸ１に垂直な方向から見たときに第１の揺動軸ＡＸ１上に中心軸ＡＣ１を有する円板形状を有する。本実施例においては、光反射膜２４は、偏向素子１２における揺動ミラー１２Ａとして機能する。

図３は、受光素子１３の上面図である。本実施例においては、受光素子１３は、基板３１と、基板３１上に形成された可動式のステージ（以下、可動ステージと称する）３２と、可動ステージ３２上に形成され、可動ステージ３２の移動に従って移動する検出素子３３とを有する。

本実施例においては、可動ステージ３２は、検出素子３３の表面に平行な方向において、偏向素子１２の揺動ミラー１２Ａの第１の揺動軸ＡＸ１の軸方向に対応する方向に垂直な方向ＭＤに沿って移動する。また、検出素子３３の表面は、受光素子１３における受光面１３Ａとして機能する。従って、受光素子１３の受光面１３Ａは、反射光Ｌ３の光軸に垂直な方向に沿って平行移動する。

また、受光素子駆動部１５Ｃは、受光素子１３の可動ステージ３２に設けられた可動力生成部（図示せず）に接続されている。本実施例においては、可動ステージは第２の駆動信号ＳＤ２によって方向ＭＤに沿って移動し、これに従って検出素子３３（受光面１３Ａ）が移動する。

図４は、偏向素子１２及び受光素子１３の動作態様の一例を示す図である。図４は、揺動ミラー１２Ａの変位動作及び受光面１３Ａの変位動作の態様を示す図である。

本実施例においては、第１の駆動信号ＳＤ１は、揺動ミラー１２Ａの共振周波数に対応する周波数の信号である。例えば、第１の駆動信号ＳＤ１は、正弦波の信号である。従って、本実施例においては、揺動ミラー１２Ａは、非駆動時の位置を基準位置（変位量が０となる位置）としたとき、基準位置からの最大変位量が±Ａ１であり、またその変位速度（揺動速度）及び変位方向（揺動速度の方向）が周期的に変化するように、第１の揺動軸ＡＸ１周りの共振周波数で揺動する。

なお、本実施例においては、揺動ミラー１２Ａの変位量とは、当該基準位置における揺動ミラー１２Ａのミラー面（光反射面）の垂線と、変位時における揺動ミラー１２Ａの当該ミラー面の垂線と、がなす角度をいうものとする。

従って、本実施例においては、揺動ミラー１２Ａは、当該基準位置の角度を０°とし、当該準位置から第１の揺動軸ＡＸ１の周方向における一方の方向（以下、正の方向と称する場合がある）に角度Ａ１（＋Ａ１）だけ傾斜した位置と、当該基準位置から他方の方向（以下、負の方向と称する場合がある）に角度Ａ１（−Ａ１）だけ傾斜した位置との間で揺動する。また、揺動ミラー１２Ａは、周期的かつ連続的に揺動速度を変化させつつ揺動する。

次に、本実施例においては、第２の駆動信号ＳＤ２は、第１の駆動信号ＳＤ１と同一の周波数の正弦波の信号である。従って、本実施例においては、受光面１３Ａは、例えば、基準位置からの最大変位量が±Ａ２（＜Ａ１）であり、揺動ミラー１２Ａからπ／２だけ進んだ位相の正弦波の変位に従った変位量で変位する。また、受光面１３Ａは、周期的かつ連続的に変位速度を変化させつつ変位する。

なお、受光素子１３における受光面１３Ａの変位量とは、揺動ミラー１２の非駆動時において対象物ＯＢからの反射光Ｌ３が入射する位置に受光面１３Ａの中心を配置した場合の受光面１３Ａの位置を基準位置（変位量が０となる位置）とし、当該基準位置における受光面１３Ａの中心位置と、変位時における受光面１３Ａの中心位置との間の距離をいうものとする。

従って、受光素子１３の受光面１３Ａは、基準位置から方向ＭＤにおける一方の方向（以下、正の方向と称する場合がある）にＡ２（＋Ａ２）だけ離れた位置と、基準位置から方向ＭＤにおける他方の方向（以下、負の方向と称する場合がある）にＡ２（−Ａ２）だけ離れた位置との間で、平行移動する。

次に、図４、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、受光素子１３の動作及び対象物ＯＢによる反射光Ｌ３の受光面１３Ａへの入射位置について説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、受光素子１３の受光面１３Ａ及び受光面１３Ａに入射する対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を模式的に示す図である。

なお、図５Ａには、図４に示した期間ＴＰ１、すなわち揺動ミラー１２Ａの変位速度（揺動速度）が正の方向に大きい期間において、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３及び比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３の各々が受光素子１３に入射する位置を破線で示している。

また、図５Ｂには、図４に示した期間ＴＰ２、すなわち揺動ミラー１２Ａの変位速度（揺動速度）が負の方向に大きい期間において、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３及び比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３の各々が受光素子１３に入射する位置を破線で示している。

本実施例においては、図４に示すように、期間ＴＰ１及びＴＰ２においては、偏向素子１２の揺動ミラー１２Ａは、最も速い速度で揺動している。この期間ＴＰ１及びＴＰ２では、走査光Ｌ２が揺動ミラー１２Ａによって投光されてから、対象物ＯＢによって反射して反射光Ｌ３として揺動ミラー１２Ａに戻ってくるまでの間に、揺動ミラー１２Ａの位置（角度）が最も大きく変化する。

特に、比較的遠距離に対象物ＯＢが存在している場合、走査光Ｌ２が反射光Ｌ３となって揺動ミラー１２Ａに戻ってくるまでに比較的長い時間がかかる。従って、揺動ミラー１２Ａに戻って来た反射光Ｌ３は、その往復時間の間に大きく変位した揺動ミラー１２Ａによって、比較的近距離の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３に比べて大きく異なる方向に反射されることが想定される。

これに対し、受光素子１３の受光面１３Ａは、揺動ミラー１２Ａの変位に追従しかつ揺動ミラー１２Ａの変位による反射光Ｌ３の受光素子１３への入射位置のずれを相殺する（補正する）ように移動する。従って、揺動ミラー１２Ａが大きく変位している場合に揺動ミラー１２によって反射された反射光Ｌ３Ａであっても、受光面１３Ａの設計上の中心の近傍に入射する可能性が高い。

例えば、期間ＴＰ１においては、揺動ミラー１２Ａは、最も速い速度で正の方向に揺動している。この期間ＴＰ１においては、図５Ａに示すように、対象物ＯＢまでの距離が大きいほど、受光素子１３への反射光Ｌ３の入射位置は正の方向（図の右方向）にずれることとなる。従って、例えば、近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３は基準位置に配置された受光面１３Ａの中心付近に入射するが、遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、当該中心から正の方向に離れた位置に入射することとなる。

これに対し、期間ＴＰ１においては、受光素子１３の受光面１３Ａは、最も大きな変位量（距離）だけ正の方向に変位した位置Ｐ１に配置されている。従って、期間ＴＰ１では、近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２の各々からの反射光Ｌ３の両方は、位置Ｐ１に配置された受光面１３Ａに向かって進むこととなる。

一方、図４に示すように、期間ＴＰ２においては、揺動ミラー１２Ａは、最も速い速度で負の方向に揺動している。この期間ＴＰ２においては、図５Ｂに示すように、対象物ＯＢまでの距離が大きいほど、受光素子１３への反射光Ｌ３の入射位置は、期間ＴＰ１とは反対の負の方向（図の左方向）にずれることとなる。従って、期間ＴＰ２においては、近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３は基準位置に配置された受光面１３Ａの中心付近に入射するが、遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、当該中心から負の方向に離れた位置に入射することとなる。

これに対し、期間ＴＰ２においては、受光素子１３の受光面１３Ａは、最も大きな変位量だけ負の方向に変位した位置Ｐ２に配置されている。従って、期間ＴＰ２においては、近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２の各々からの反射光Ｌ３の両方は、位置Ｐ２に配置された受光面１３Ａに向かって進むこととなる。

このように、受光面１３Ａを移動させることで、例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示す程度の受光面１３Ａのサイズであっても、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を受光することができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、比較例として、受光素子１３に代えて、受光面１００Ａが固定された受光素子１００を有する走査装置における受光素子１００の上面図である。受光素子１００は、基板３１に固定された受光面１００Ａを構成する検出素子１０１を有する。

なお、図６Ａ及び図６Ｂには、比較例に係る走査装置の偏向素子１２が図４の期間ＴＰ１及びＴＰ２に対応する揺動状態となった際において、それぞれ近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３の各々が受光面１００Ａに入射する位置を破線で示している。

比較例の走査装置においては、まず、図６Ａに示すように、期間ＴＰ１において、遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、受光面１００Ａの設計上の中心から正の方向に変位した位置に入射する。一方、図６Ｂに示すように、期間ＴＰ２においては、遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、受光面１００Ａの設計上の中心から負の方向に変位した位置に入射する。

従って、期間ＴＰ１及びＴＰ２を含む全ての期間において、近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２の両方からの反射光Ｌ３を受光するためには、例えば図６Ａに示すように、受光素子１３よりも大きな受光面１００Ａを設ける必要があると考えられる。これに対し、本実施例においては、揺動ミラー１２Ａの変位状態に応じて移動する受光面１３Ａを有する受光素子１３を有する。従って、受光素子１３を小型化しつつ種々の位置の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を十分に受光することができる。

従って、意図しないノイズ光の受光が大幅に抑制される。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ及び測距装置１０を提供することができる。

なお、受光面１３Ａの最大変位量Ａ２は、想定される測距環境及び走査環境に応じて調節されることができる。例えば、走査領域Ｒ０内の比較的遠距離に対象物ＯＢが存在することが予め予測できる場合、又は外部からその情報を取得した場合、受光面１３Ａの最大変位量Ａ２を比較的大きくすることで、反射光Ｌ３の受光位置のずれが大きくても受光面１３Ａによって受光できることができる。一方、比較的近距離に対象物ＯＢが存在することを示す情報を取得した場合は、最大変位量Ａ２を比較的小さくした場合でも十分に小さな受光面１３Ａによって反射光Ｌ３を受光することができる。

また、本実施例では、偏向素子１２はその共振周波数で駆動することが想定されるため、偏向素子１２の変位の位相は、第１の駆動信号ＳＤ１の位相に対してπ／２遅れる。また可動ステージ３２の共振周波数は、その駆動周波数より高いことが想定されるため、受光素子１３の変位の位相は、第２の駆動信号ＳＤ２の位相に対して遅れがほぼない。従って、例えばこのような条件下では、第１の駆動信号ＳＤ１と第２の駆動信号ＳＤ２とを同一周波数、同一位相として振幅だけ異なる信号として簡易に構成することも出来る。

図７は、受光素子１３の受光面１３Ａの他の動作例を示す図である。例えば、受光面１３Ａは、矩形波の変位に従うように変位されてもよい。この場合、図７に示すように、受光面１３Ａは、揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに応じた方向に変位されることができる。

具体的には、揺動ミラー１２Ａによって反射した反射光Ｌ３の方向がずれる方向は、走査光Ｌ２の往復時間中の揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに対応する。従って、揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに対応する方向に変位させるように、受光面１３Ａの位置を制御すればよい。従って、例えば図７に示すように、一定の位置で一定時間受光面１３Ａを保持するような駆動を行っても、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を小さな受光面１３Ａで受光することができる。

図８は、受光面１３Ａの他の動作例を示す図である。受光面１３Ａは、図８に示す波形に従うように変位されてもよい。このような変位を示すように受光面１３Ａを移動させる場合であっても、例えば図７に示す例と同様の効果を得ることができる。

また、上記した受光素子１３の動作は一例に過ぎない。偏向素子１２を経た反射光Ｌ３を、小型化された受光素子１で受光することを考慮すると、受光素子１３の受光面１３Ａは、例えば、揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに応じた方向に変位するように構成されていればよい。また、受光素子１３は、揺動ミラー１２Ａの揺動速度に応じた位置に受光面１３Ａを移動させるように構成されていればよい。

図９は、実施例１の変形例に係る測距装置１０Ａにおける走査装置ＳＣ１の偏向素子１２Ｍの上面図である。また、図１０は、走査装置ＳＣ１の受光素子１３Ｍの上面図である。図９及び図１０を用いて、測距装置１０Ａ及び走査装置ＳＣ１について説明する。

測距装置１０Ａは、走査装置ＳＣ１が２次元走査に対応する偏向素子１２Ｍを有する点、受光素子１３Ｍが２次元的に変位する構成を有する点、及び駆動部１５Ｍ（偏向素子駆動部１５ＭＢ及び受光素子駆動部１５ＭＣ）の構成を除いては、走査装置ＳＣと同様の構成を有する。

まず、図９に示すように、偏向素子１２Ｍは、互いに直交する第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する揺動ミラー１２ＭＡを有する。本変形例においては、偏向素子１２Ｍは、フレーム部２１と、フレーム部２１に揺動可能に支持され、第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する揺動部２２Ｍとを有する。

揺動部２２Ｍは、一端がフレーム部２１の内周部に固定され、第２の揺動軸ＡＹ１に沿って延び、第２の揺動軸ＡＹ１の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＹ１を有する。また、揺動部２２Ｍは、一対のトーションバーＴＹ１の他端に接続され、第２の揺動軸ＡＹ１の周りに揺動する揺動枠ＳＹ１を有する。

また、揺動部２２Ｍは、一端が揺動枠ＳＹ１の内周部に接続され、揺動部２２と同様の一対のトーションバーＴＸ１及び揺動板ＳＸ１を有する。従って、揺動部２２Ｍの揺動板ＳＸ１は、第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。

また、偏向素子１２Ｍは、揺動部２２Ｍの揺動板ＳＸ１上に形成された光反射膜２４Ｍを有する。光反射膜２４Ｍは、揺動板ＳＸ１の揺動に従って、第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。

光反射膜２４Ｍは、揺動板ＳＸ１に垂直な方向から見たときに第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の交点上に中心軸ＡＣ１を有する円板形状を有する。揺動部２２Ｍの光反射膜２４Ｍは、偏向素子１２Ｍにおける揺動ミラー１２ＭＡとして機能する。

また、本変形例においては、走査装置ＳＣ１の駆動部１５Ｍは、揺動ミラー１２ＭＡが第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ１Ｘを供給し、揺動ミラー１２ＭＡが第２の揺動軸ＡＹ１の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ１Ｙを供給する偏向素子駆動部１５ＭＢを有する。揺動ミラー１２ＭＡは、駆動信号ＳＤ１Ｘ及びＳＤ１Ｙによって、第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。

また、本変形例においては、偏向素子駆動部１５ＭＢは、駆動信号ＳＤ１Ｘとして揺動ミラー１２ＭＡの第１の揺動軸ＡＸ１周りの共振周波数の正弦波の信号を、また駆動信号ＳＤ１Ｙとして揺動ミラー１２ＭＡの第２の揺動軸ＡＹ１周りの共振周波数の正弦波の信号を、それぞれ偏向素子１２Ｍに供給する。

また、図１０に示すように、受光素子１３Ｍは、互いに直交する第１及び第２の方向ＭＤＸ及びＭＤＹに沿って平行移動する受光面１３ＭＡを有する。具体的には、受光素子１３Ｍは、第１及び第２の方向ＭＤＸ及びＭＤＹに沿って移動可能なように基板３１上に形成された可動ステージ３２Ｍと、可動ステージ３２Ｍ上に形成された検出素子３３Ｍとを有する。

従って、検出素子３３Ｍの表面である受光面１３ＭＡは、第１及び第２の方向ＭＤＸ及びＭＤＹに沿って２次元的に移動するように構成されている。なお、第１及び第２の方向ＭＤＸ及びＭＤＹは、それぞれ偏向素子１２Ｍにおける揺動ミラー１２ＭＡの第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１に垂直な方向に対応する。

また、走査装置ＳＣ１は、可動ステージ３２Ｍに駆動信号ＳＤ２Ｘ及びＳＤ２Ｙを供給して可動ステージ３２Ｍをそれぞれ第１及び第２の方向ＭＤＸ及びＭＤＹに沿って移動させる受光素子１５ＭＣを有する。受光素子駆動部１５ＭＣは、可動ステージ３２Ｍを移動させることで、受光面１３ＭＡを移動させる。

また、受光素子駆動部１５ＭＣは、可動ステージ３２Ｍに対し、第１の方向ＭＤＸに沿った位置を指定する信号を駆動信号ＳＤ２Ｘとして、第２の方向ＭＤＹに沿った位置を指定する信号を駆動信号ＳＤ２Ｙとして、それぞれ供給する。

例えば、受光素子駆動部１５ＭＣは、駆動信号ＳＤ２Ｘ及びＳＤ２Ｙとして、それぞれ揺動ミラー１２ＭＡの揺動に追従して受光面１３ＭＡが変位するような正弦波の信号を受光素子１３Ｍに供給する。

これによって、例えば、受光素子駆動部１５ＭＣは、揺動ミラー１２ＭＡにおける第１の揺動軸ＡＸ１周りの揺動方向に基づいた第１の方向ＭＤＸ上の位置に受光素子１３Ｍの受光面１３ＭＡを移動させる。同様に、受光素子駆動部１５ＭＣは、揺動ミラー１２ＭＡにおける第２の揺動軸ＡＹ１周りの揺動方向に基づいた第２の方向ＭＤＹ上の位置に受光素子１３Ｍの受光面１３ＭＡを移動させる。

従って、本変形例においては、揺動ミラー１２ＭＡにおける第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＸ２の周りの揺動角度は、それぞれ、周波数及び振幅は異なるものの、図４に示した揺動ミラー１２Ａの第１の揺動軸ＡＸ１の周りの揺動角度と同様の推移を行う。また、受光素子１３Ｍの受光面１３ＭＡについても、方向毎の変位量及びその周期はそれぞれ異なるものの、図４に示した受光面１３Ａの方向ＭＤに沿った移動と同様の移動を行う。

これによって、揺動ミラー１２ＭＡが２軸走査を行う場合においても、揺動ミラー１２ＭＡの変位状態に応じて２次元的に移動する受光面１３ＭＡを有する受光素子１３Ｍを設けることで、受光素子１３Ｍを小型化しつつ種々の位置の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を受光することができる。

従って、受光面１３ＭＡの小型化を図ることができ、また意図しないノイズ光を受光することが大幅に抑制される。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ２及び測距装置１０Ｂを提供することができる。

なお、上記した受光素子１３の駆動構成（すなわち変位動作）は一例に過ぎない。受光素子１３は、偏向素子１２に対する位置が変化する受光面１３Ａを有していればよい。すなわち、受光素子１３と偏向素子１２との相対位置が偏向素子１２の状態に応じて変化するように構成されていればよい。受光素子１３は、例えば、揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに基づいた方向に受光面１３Ａを移動させればよい。

本実施例及びその変形例に示したように、例えば、測距装置１０は、光源１１と、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域（所定の領域）Ｒ０に向けて投光する偏向素子１２と、走査光Ｌ２が走査領域Ｒ０内の対象物ＯＢによって反射した反射光Ｌ３を受光し、偏向素子１２に対する位置が変化する受光面１３Ａを有する受光素子１３と、受光素子１３による反射光Ｌ３の受光結果に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１４を有する。

また、測距装置１０から測距部１４を除いた構成に対応する走査装置ＳＣは、正確な反射光Ｌ３の受光結果である受光信号ＳＲを種々の用途に応じた走査情報として出力する走査装置として機能する。従って、受光素子１３を小型化しつつ対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ及び測距装置１０を提供することができる。

また、本実施例においては、受光素子１３の受光面１３Ａが移動可能な構成を有する場合について説明した。しかし、受光素子１３の構成はこれに限定されない。例えば、受光素子１３の全体が移動可能な構成を有していてもよい。例えば、受光素子１３の検出素子３３が基板３１上に直接形成されており、基板３１及び検出素子３３の全体を移動させる移動機構（図示せず）を有していてもよい。

すなわち、走査装置ＳＣは、例えば、光源１１と、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する偏向素子１２と、走査光Ｌ２が走査領域Ｒ０内の対象物ＯＢによって反射した反射光Ｌ３を受光し、偏向素子１２に対する位置が変化する受光素子１３と、を有していてもよい。

また、例えば、受光素子１３は、反射光Ｌ３の受光面１３Ａにおける反射光Ｌ３の受光可能な領域を変化させるように構成されていてもよい。この場合、例えば、受光面１３Ａを構成する検出素子３３が複数の検出領域を有し、当該検出領域の一部のみを選択的に動作させる（有効とする）ように構成されていればよい。この場合、受光素子１３の受光面１３Ａは移動しなくてもよい。

すなわち、走査装置ＳＣは、例えば、光源１１と、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する偏向素子１２と、走査光Ｌ２が走査領域Ｒ０内の対象物ＯＢによって反射した反射光Ｌ３を受光し、受光可能な領域が変化する受光面１３Ａを有する受光素子１３と、を有していてもよい。受光素子１３がこのような構成を有していても、反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ及び測距装置１０を提供することができる。

１０、１０Ａ 測距装置
ＳＣ、ＳＣ１ 走査装置
１１ 光源
１２ 偏向素子
１３ 受光素子
１４ 測距部
１５ 駆動部

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、
   前記走査光が前記所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、前記偏向素子に対する位置が変化する受光面を有する受光素子と、を有することを特徴とする走査装置。
2. 前記偏向素子は、前記光源からの前記出射光を反射させ、かつ少なくとも第１の揺動軸の周りに揺動する揺動ミラーを含み、
   前記受光素子は、前記揺動ミラーの揺動速度の向きに基づいた方向に前記受光面を移動させることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
3. 前記受光素子は、前記揺動ミラーの揺動速度に基づいた位置に前記受光面を移動させることを特徴とする請求項２に記載の走査装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の走査装置と、
   前記受光素子による前記反射光の受光結果に基づいて前記対象物までの距離を測定する測距部と、を有することを特徴とする測距装置。
5. 光源と、
   前記光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、
   前記走査光が前記所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、前記偏向素子に対する位置が変化する受光素子と、を有することを特徴とする走査装置。
6. 光源と、
   前記光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する偏向素子と、
   前記走査光が前記所定の領域内の対象物によって反射した反射光を受光し、前記反射光を受光可能な領域が変化する受光面を有する受光素子と、を有することを特徴とする走査装置。

Images