JP2020020703A - 走査装置、走査装置の制御方法、プログラム及び記録媒体並びに測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成で遠方の対象物に対して光走査を行うことが可能であり、測距可能な距離を向上させる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】光を出射する光源１１と、光源から出射された光を方向可変に偏向する第１の偏向素子１２と、第１の偏向素子によって偏向された光を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物によって反射された光を偏向する第２の偏向素子１３と、第１の偏向素子によって偏向された光及び対象物によって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光の光路上に設けられ、対象物によって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光を偏向する第３の偏向素子１４と、第３の偏向素子１４によって偏向された光を検出する検出素子１５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、走査装置の制御方法、プログラム及び記録媒体、並びに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測定する測距装置が知られている。また、対象物の光走査を行い、当該対象物までの距離に加えて当該対象物の形状や向きなどに関する情報を得ることができる光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、光源、走査ミラー及び受光素子を含む測距装置が開示されている。

特開2017-75906号公報

走査型の測距装置は、例えば、パルス化されたレーザ光を走査領域に向けて投光し、対象物からの反射光を受光することで、走査領域内に存在する対象物までの距離を測定する。しかし、測距装置は、光の投受光によって測距を行うという性質上、測距可能な距離に限界がある。

例えば、大気中に存在する対象物までの距離を測定する場合、測距装置は、大気中にレーザ光を投光する。この場合、測距可能な距離を制限する要因としては、レーザ光が大気中で減衰することによって検出可能な強度を保てなくなること、また、大気中に出射できるレーザ光の強度が安全基準によって制限されていることなどが挙げられる。

これに対し、例えば光を検出する素子の検出感度を向上させること、また、検出する光の当該検出素子への入射量を向上させるための光学系を配置することなど、種々の工夫がなされている。しかし、これらは、装置の複雑化、大型化又は高額化を招くこととなる場合がある。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、単純な構成で遠方の対象物に対して光走査を行うことが可能であり、測距可能な距離を向上させる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。また、本発明は、遠方の対象物に対して光走査を行うことが可能であり、測距可能な距離を向上させることが可能な走査装置の制御方法、プログラム及び当該プログラムが記録された記録媒体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、光を出射する光源と、光源から出射された光を方向可変に偏向する第１の偏向素子と、第１の偏向素子によって偏向された光を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物によって反射された光を偏向する第２の偏向素子と、第１の偏向素子によって偏向された光及び対象物によって反射されかつ第２の偏向素子によって偏向された光の光路上に設けられ、対象物によって反射されかつ第２の偏向素子によって偏向された光を偏向する第３の偏向素子と、第３の偏向素子によって偏向された光を検出する検出素子と、を有することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、光源、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び検出素子を有する走査装置の制御方法であって、光源から出射された光を第１の偏向素子が方向可変に偏向するステップと、第１の偏向素子１２を経た光を第２の偏向素子が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、対象物によって反射された光を第２の偏向素子が偏向するステップと、対象物によって反射されかつ第２の偏向素子によって偏向された光を第３の偏向素子が偏向するステップと、第３の偏向素子によって偏向された光を検出素子が検出するステップと、を含むことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、光源、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び検出素子を有する走査装置の制御部としてコンピュータを機能させるプログラムであって、光源から出射された光を第１の偏向素子が方向可変に偏向するステップと、第１の偏向素子１２を経た光を第２の偏向素子が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、対象物によって反射された光を第２の偏向素子が偏向するステップと、対象物によって反射されかつ第２の偏向素子によって偏向された光を第３の偏向素子が偏向するステップと、第３の偏向素子によって偏向された光を検出素子が検出するステップと、を実行させることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のプログラムが記録されていることを特徴とする。

実施例１に係る測距装置の全体構成を示す図である。 実施例１に係る測距装置における第１の偏向素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置における第２の偏向素子の上面図である。 実施例１に係る測距装置の走査態様を示す図である。 実施例１に係る測距装置における検出素子の検出面を示す図である。 実施例１の変形例１に係る測距装置の全体構成を示す図である。 実施例１の変形例１に係る測距装置の走査態様を示す図である。 実施例１の変形例２に係る走査装置の全体構成を示す図である。

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。図１を用いて、測距装置１０について説明する。なお、図１には、走査領域Ｒ０及び対象物ＯＢを模式的に示している。

まず、測距装置１０は、パルス化された光（以下、１次光と称する）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、１次光Ｌ１として赤外領域にピーク波長を有するレーザ光を生成し、これを断続的に出射する。

測距装置１０は、光源１１から出射された１次光Ｌ１を方向可変に偏向する偏向素子（以下、第１の偏向素子と称する）１２を有する。第１の偏向素子１２は、周期的な動作を行って１次光Ｌ１の偏向方向を周期的に変化させる。第１の偏向素子１２は、１次光Ｌ１の進行方向を屈曲させつつ出射し、またその屈曲方向を周期的に変化させる。

本実施例においては、第１の偏向素子１２は、１つの揺動軸（以下、第１の揺動軸と称する）Ｘ１の周りに揺動し、１次光Ｌ１を反射させる揺動ミラー（以下、第１の揺動ミラーと称する）ＭＬ１を有する。本実施例においては、第１の偏向素子１２は、第１の揺動ミラーＭＬ１が揺動することで、１次光Ｌ１の反射方向を周期的に変化させる。

また、本実施例においては、光源１１と第１の偏向素子１２（第１の揺動ミラーＭＬ１）との間の１次光Ｌ１の光路上には１次光Ｌ１を整形するレンズＺ１が設けられている。第１の偏向素子１２には、レンズＺ１によって整形された１次光Ｌ１が入射する。

第１の偏向素子１２は、光源１１から出射された１次光Ｌ１を偏向し、当該偏向された１次光Ｌ１（本実施例においては第１の揺動ミラーＭＬ１によって反射された１次光Ｌ１）を２次光Ｌ２として出射する。

測距装置１０は、２次光Ｌ２、すなわち第１の偏向素子１２を経た１次光Ｌ１を方向可変に偏向する偏向素子（以下、第２の偏向素子と称する）１３を有する。第２の偏向素子１３は、周期的な動作を行って２次光Ｌ２の偏向方向を周期的に変化させる。第２の偏向素子１３は、２次光Ｌ２の進行方向を屈曲させつつ出射し、またその屈曲方向を周期的に変化させる。

本実施例においては、第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２の第１の揺動ミラーＭＬ１が揺動する第１の揺動軸Ｘ１の軸方向に垂直な方向に延びる揺動軸（以下、第２の揺動軸と称する）Ｙ１の周りに揺動し、２次光Ｌ２を反射させる揺動ミラー（以下、第２の揺動ミラーと称する）ＭＬ２を有する。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、第２の揺動ミラーＭＬ２が揺動することで、２次光Ｌ２の反射方向を周期的に変化させる。

また、本実施例においては、第１の偏向素子１２と第２の偏向素子１３との間の２次光Ｌ２の光路上には、２次光Ｌ２を整形するレンズＺ２が設けられている。第２の偏向素子１３には、レンズＺ２によって整形された２次光Ｌ２が入射する。

第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２を経た１次光Ｌ１である２次光Ｌ２を偏向し、当該偏向された２次光Ｌ２（本実施例においては第２の揺動ミラーＭＬ２によって反射された２次光Ｌ２）を３次光（以下、出射光又は走査光と称する場合がある）Ｌ３として走査領域Ｒ０に向けて投光する。

なお、走査領域Ｒ０は、第１及び第２の偏向素子１２及び１３を経た１次光Ｌ１である３次光Ｌ３が投光される仮想の３次元空間である。図１においては、走査領域Ｒ０の外縁を破線で模式的に示した。

例えば、走査領域Ｒ０は、第１の偏向素子１２による１次光Ｌ１の偏向方向の可変範囲に対応する方向（以下、第１の方向と称する）Ｄ１に沿った高さ方向の方向範囲と、第２の偏向素子１３による２次光Ｌ２の偏向方向の可変範囲に対応する方向（以下、第２の方向と称する）Ｄ２に沿った幅方向の方向範囲と、３次光Ｌ３が所定の強度を維持できる距離方向の範囲（すなわち奥行範囲）と、を有する錐状の空間として定義されることができる。

また、走査領域Ｒ０内における第２の偏向素子１３から所定の距離だけ離れた仮想の平面を走査面Ｒ１としたとき、走査面Ｒ１は、第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿って広がる２次元的な領域として定義されることができる。３次光Ｌ３は、この走査面Ｒ１を走査するように、走査領域Ｒ０に向けて投光される。

本実施例においては、走査領域Ｒ０の高さ方向である第１の方向Ｄ１は、第１の偏向素子１２における第１の揺動ミラーＭＬ１の第１の揺動軸Ｘ１の周りの揺動方向（変位方向）に対応する。また、走査領域Ｒ０の幅方向である第２の方向Ｄ２は、第２の偏向素子１３における第２の揺動ミラーＭＬ２の第２の揺動軸Ｙ１の周りの揺動方向（変位方向）に対応する。

また、図１に示すように、走査領域Ｒ０に対象物ＯＢ（すなわち１次光Ｌ１に対して反射性又は散乱性を有する物体又は物質）が存在する場合、３次光Ｌ３は、対象物ＯＢによって反射又は散乱される。対象物ＯＢによって反射された３次光Ｌ３は、その一部が、４次光（以下、反射光と称する場合がある）Ｌ４として、３次光Ｌ３とほぼ同一の光路を３次光Ｌ３とは反対の方向に向かって進み、第２の偏向素子１３に戻って来る。

４次光Ｌ４は、第２の偏向素子１３によって偏向される。すなわち、本実施例においては、第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２を経た１次光である２次光Ｌ２を方向可変に偏向しつつ３次光Ｌ３として投光し、対象物ＯＢによって反射された３次光Ｌ３である４次光Ｌ４を受光して偏向する投受光素子として機能する。４次光Ｌ４は、第２の偏向素子１３によって偏向された後、２次光Ｌ２とほぼ同一の光路を２次光Ｌ２とは反対の方向に向かって進む。

測距装置１０は、第１の偏向素子１２と第２の偏向素子１３との間（本実施例においては、第２の揺動ミラーＭＬ２とレンズＺ２との間）の２次光Ｌ２の光路上に設けられ、４次光Ｌ４を偏向する偏向素子（以下、第３の偏向素子と称する）１４を有する。例えば、第３の偏向素子１４は、２次光Ｌ２を透過させかつ４次光Ｌ４を反射させることで２次光Ｌ２及び４次光Ｌ４を分離する光分離素子であり、本実施例においてはビームスプリッタである。

換言すれば、本実施例においては、第１及び第２の偏向素子１２及び１３の各々は、動作することで光を方向可変に偏向する可動式の光偏向素子である。一方、第３の偏向素子１４は、動作しない固定式の光偏向素子である。

なお、第１〜第３の偏向素子１２〜１４の各々は、上記した構成を有する場合に限定されない。例えば、第１の偏向素子１２又は第２の偏向素子１３は、第１の揺動ミラーＭＬ１又は第２の揺動ミラーＭＬ２に代えて、回動式のミラー又は可動式のレンズを有していてもよい。また、第３の偏向素子１４は、レンズを有していてもよい。

測距装置１０は、第３の偏向素子１４によって偏向された４次光Ｌ４を検出する検出素子１５を有する。検出素子１５は、例えば、４次光Ｌ４に対して光電変換を行い、４次光Ｌ４に応じた電気信号を生成する。

なお、本実施例においては、第３の偏向素子１４と検出素子１５との間の４次光Ｌ４の光路上には、４次光Ｌ４を整形するレンズＺ３を有する。検出素子１５には、レンズＺ４によって整形された４次光Ｌ４が入射する。

検出素子１５は、当該電気信号を４次光Ｌ４の検出結果（受光結果）として生成する。すなわち、測距装置１０は、検出素子１５によって生成された当該電気信号を走査領域Ｒ０の走査結果として生成する。

測距装置１０は、検出素子１５による４次光Ｌ４の検出結果に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１６を有する。本実施例においては、測距部１６は、当該電気信号から４次光Ｌ４を示すパルスを検出する。また、測距部１６は、３次光Ｌ３の投光タイミングと４次光Ｌ４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１６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１６は、走査領域Ｒ０（走査面Ｒ１）を複数の測距点（走査点）に区別し、当該複数の測距点の各々の測距結果（距離値）を画素として示す走査領域Ｒ０の画像（測距画像）を生成する。本実施例においては、測距部１６は、測距点と第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２の変位（揺動位置）と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。

また、測距部１６は、例えば、３次光Ｌ３の投光方向の変化周期、すなわち走査領域Ｒ０を走査する周期である走査周期を測距画像の生成周期とし、当該走査周期毎に１つの測距画像を生成する。

なお、走査周期とは、例えば、測距装置１０が走査領域Ｒ０に対する光走査を周期的に行う場合において、第１及び第２の偏向素子１２及び１３における第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２の任意の変位の状態が、その後に再度当該変位の状態に戻るまでの期間をいう。また、測距部１６は、生成した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、光源１１、第１及び第２の偏向素子１２及び１３、検出素子１５及び測距部１６の動作制御を行う制御部１７を有する。例えば、本実施例においては、制御部１７は、光源１１に駆動信号を供給し、光源１１による１次光Ｌ１の生成及び出射動作を制御する。また、制御部１７は、第１及び第２の偏向素子１２及び１３に駆動信号を供給し、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２の各々の揺動動作を制御する。

図２は、第１の偏向素子１２の上面図である。本実施例においては、第１の偏向素子１２は、第１の揺動ミラーＭＬ１を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。まず、本実施例においては、第１の偏向素子１２は、フレーム部１２Ａと、フレーム部１２Ａによって支持され、第１の揺動軸Ｘ１の周りに揺動する揺動部１２Ｂとを有する。揺動部１２Ｂは、一端がフレーム部１２Ａの内周部に固定され、第１の揺動軸Ｘ１に沿って延び、かつ第１の揺動軸Ｘ１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１２Ｂ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Ｘ１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ＳＰ１を有する。揺動板ＳＰ１は、一対のトーションバーＴＸ１が第１の揺動軸Ｘ１の周方向に沿ってねじれることで、第１の揺動軸Ｘ１の周りに揺動する。

第１の偏向素子１２は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＰ１を揺動させる揺動力（すなわち揺動部１２Ｂ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１２Ｃを有する。制御部１７は、端子１２Ｃに接続されている。第１の偏向素子１２の揺動部１２Ｂは、制御部１７からの駆動信号を受けて揺動する。

また、第１の偏向素子１２は、揺動板ＳＰ１上に形成された光反射膜１２Ｄを有する。光反射膜１２Ｄは、揺動板ＳＰ１の揺動に従って、第１の揺動軸Ｘ１の周りに揺動する。本実施例においては、光反射膜１２Ｄは、第１の偏向素子１２における第１の揺動ミラーＭＬ１として機能する。

図３は、第２の偏向素子１３の上面図である。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、ＭＥＭＳミラーである。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、フレーム部１３Ａと、フレーム部１３Ａによって支持され、第２の揺動軸Ｙ１の周りに揺動する揺動部１３Ｂとを有する。揺動部１３Ｂは、一端がフレーム部１３Ａの内周部に固定され、第２の揺動軸Ｙ１に沿って延び、かつ第２の揺動軸Ｙ１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１３Ｂは、一対のトーションバーＴＹ１の内側において第２の揺動軸Ｙ１の周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＹ１の他端に接続された揺動板ＳＰ２を有する。揺動板ＳＰ２は、一対のトーションバーＴＹ１が第２の揺動軸Ｙ１の周方向に沿ってねじれることで、第２の揺動軸Ｙ１の周りに揺動する。

第２の偏向素子１３は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＰ２を揺動させる揺動力（すなわち揺動部１３Ｂ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１３Ｃを有する。制御部１７は、端子１３Ｃに接続されている。第２の偏向素子１３の揺動部１３Ｂは、制御部１７からの駆動信号を受けて揺動する。

また、第２の偏向素子１３は、揺動板ＳＰ２上に形成された光反射膜１３Ｄを有する。光反射膜１３Ｄは、揺動板ＳＰ２の揺動に従って、第２の揺動軸Ｙ１の周りに揺動する。本実施例においては、光反射膜１３Ｄは、第２の偏向素子１３における第２の揺動ミラーＭＬ２として機能する。

また、本実施例においては、図２及び図３に示すように、第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２よりも大きい光入射面を有する。本実施例においては、第２の偏向素子１３の第２の揺動ミラーＭＬ２は、第１の偏向素子１２の第１の揺動ミラーＭＬ１よりも大きな光反射面（ミラー面）を有する。

図４は、測距装置１０における走査領域Ｒ０の走査態様を模式的に示す図である。図４は、走査面Ｒ１上における３次光Ｌ３の軌跡を模式的に示す図である。図４を用いて、光源１１、第１及び第２の偏向素子１２及び１３の動作について説明する。

本実施例においては、光源１１は、１次光Ｌ１として、点状のビーム形状のレーザ光を出射するように構成されている。また、第１の偏向素子１２は、第１の揺動ミラーＭＬ１を共振させつつ揺動させる。また、第２の偏向素子１３は、非共振の態様で線形的に第２の揺動ミラーＭＬ２を揺動させる。

例えば、制御部１７は、光源１１に対し、所定の間隔でパルス化された点状のレーザ光を生成させる駆動信号を供給する。また、制御部１７は、第１の偏向素子１２に対し、揺動部１２Ｂ及び第１の揺動ミラーＭＬ１の共振周波数に対応する周波数の駆動信号を供給する。

また、制御部１７は、第２の偏向素子１３に対して揺動部１３Ｂ及び第２の揺動ミラーＭＬ２の共振周波数とは異なる周波数の駆動信号を供給し、第２の揺動ミラーＭＬ２を第１の揺動ミラーＭＬ１よりも長い揺動周期で（すなわち遅い速度で）揺動させる。

従って、本実施例においては、測距装置１０は、走査領域Ｒ０に対し、第１の偏向素子１２における第１の揺動ミラーＭＬ１の第１の揺動軸Ｘ１周りの変位方向に対応する方向である第１の方向Ｄ１を主走査方向とし、第２の偏向素子１３における第２の揺動ミラーＭＬ２の第２の揺動軸Ｙ１周りの変位方向に対応する方向である第２の方向Ｄ２を副走査方向とするラスタースキャンを行う。

従って、第２の偏向素子１３から走査面Ｒ１を見たとき、３次光Ｌ３は、図４に示すような軌跡を描くように偏向されつつ投光される。すなわち、測距装置１０は、光源１１によって生成された１次光Ｌ１を第１の方向Ｄ１に沿って順次投光して走査を行い、この走査（投光動作）を第２の方向Ｄ２に沿って繰り返し行うような走査態様を有する。

次に、図５を用いて、検出素子１５の構成について説明する。図５は、検出素子１５における４次光Ｌ４の検出面を模式的に示す図である。まず、検出素子１５は、第１の方向Ｄ１、すなわち第１の偏向素子１２による１次光Ｌ２の偏向方向の可変方向に沿って配列された複数の検出セグメント１５Ａを有するラインセンサである。また、本実施例においては、これら複数の検出セグメント１５Ａの各々は、独立して４次光Ｌ４の検出動作を行う。

また、本実施例においては、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２間には、第２の揺動ミラーＭＬ２を経た４次光（対象物ＯＢからの反射光）Ｌ４を偏向して検出素子１５に導く第３の偏向素子１４が配置されている。すなわち、第２の偏向素子１３によって偏向された４次光Ｌ４は、第１の揺動ミラーＭＬ１を経ることなく検出素子１５に導かれる。従って、検出素子１５には、第１の方向Ｄ１に対応する方向に沿った偏向状態を維持した４次光Ｌ４が入射する。

また、検出素子１５の検出セグメント１５Ａの各々は、１つの４次光Ｌ４を受光可能なサイズの受光面を有する。従って、例えば、１つの走査周期内において、４次光Ｌ４は、図５に示すように、タイミング毎に異なる検出セグメント１５Ａによって受光されて検出されることとなる。

ここで、走査領域Ｒ０に投光される光である３次光Ｌ３と、検出素子１５によって検出される光である４次光Ｌ４について説明する。まず、１次光Ｌ１は、光源１１から出射されて第２の揺動ミラーＭＬ２によって反射されるまで（３次光Ｌ３として走査領域Ｒ０に投光されるまで）の間、ほとんど減衰しないか、又は計算可能な範囲で減衰する。従って、１次光Ｌ１の出力をもとに３次光Ｌ３の光量を算出することができる。従って、例えば、安全基準で定められたレーザ光の出力の制限を満たしつつ、十分な出力の１次光Ｌ１を出射することができる。

しかし、４次光Ｌ４は、第２の揺動ミラーＭＬ２と対象物ＯＢとの間を往復してきた光であり、使用環境や対象物ＯＢの性質によって、大きく減衰する場合がある。例えば、走査領域Ｒ０が大気中の空間である場合、大気中の状態（湿度など）によって、また、対象物ＯＢが測距装置１０から遠いほど、４次光Ｌ４が大きく減衰する場合がある。従って、例えば測距可能な距離を大きくすることを考慮すると、できるだけ多くの４次光Ｌ４を検出素子１５に導けることが好ましい。

これに対し、本実施例においては、第１及び第２の偏向素子１２及び１３によって１次光Ｌ１を方向可変に偏向すること、また、第１及び第２の偏向素子１２及び１３間に４次光Ｌ４を検出素子１５に導く第３の偏向素子１５を配置することによって、単純な構成で４次光Ｌ４を多く検出素子１４に導くことを実現している。

具体的には、本実施例においては、第２の揺動ミラーＭＬ２は、多くの４次光Ｌ４を検出素子１５に導くことを考慮して、大きな光反射面を有している。一方、４次光Ｌ４は第１の揺動ミラーＭＬ１を経由せずに検出素子１５に導かれる。従って、第１の揺動ミラーＭＬ１は、４次光Ｌ４を受光する必要がないため、大きな光反射面を有する必要がなく、小さな光反射面を有していればよい。

これによって、例えば他の大径の集光レンズを設けることなく、多くの４次光Ｌ４を検出素子１５に導くことができる。従って、単純な構成で遠方の対象物ＯＢからの４次光Ｌ４を検出することができ、確実に対象物ＯＢを検出し、また対象物ＯＢまでの距離を測定することができる。

また、本実施例においては、光源１１は、１次光Ｌ１として、点状のビーム形状を有するレーザ光を出射する。そして、測距装置１０内においては、その１次光Ｌ１のビーム形状を保った状態で、３次光Ｌ３として走査領域Ｒ０に向けて投光する。これによって、例えば１次光Ｌ１のビーム径を拡大しつつ投光する場合に比べ、検出素子１５が検出可能な強度を保ちながら遠方まで３次光Ｌ３を投光することができる。従って、対象物ＯＢの測距可能な距離（検出可能な距離）が大きくなる。

なお、第２の揺動ミラーＭＬ２を大きくすることを考慮すると、例えば、ライン状のビーム形状を有するレーザ光を投光し、第１の揺動ミラーＭＬ１（第１の偏向素子１２）を省略することが考えられる。しかし、この場合、投光される光の全体としてレーザ光の出力の制限を満たす必要があることから、点状のレーザ光を投光する場合に比べ、検出素子１５が検出可能な強度を保てる距離が小さくなる。従って、測距可能な距離の低下を招くこととなる。

また、一般に、揺動式のミラーは、共振させることで大きな振幅を得ることができる。また、一般に、揺動ミラーのサイズを小さくするほど、揺動ミラーを安定して共振させることができる。また、揺動ミラーを走査に用いる場合、揺動ミラーの振幅が大きいほど、走査領域の範囲が拡大する。すなわち、できるだけ広い範囲（例えば高さ範囲又は幅範囲）を走査することを考慮すると、揺動ミラーの振幅は大きいことが好ましい。

これに対し、本実施例においては、第１の揺動ミラーＭＬ１は、比較的小さな光反射面を有し、また、共振しつつ揺動するように構成されている。従って、測距装置１０を小型化することができ、また、走査領域Ｒ０を大きくすることができる。

また、本実施例においては、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２が互いに異なる方向を軸方向とする第１及び第２の揺動軸Ｘ１及びＹ１の周りに揺動するように構成されている。すなわち、第１及び第２の偏向素子１２及び１３は、互いに異なる第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿って１次光Ｌ１を方向可変に偏向するように構成されている。

従って、走査領域Ｒ０に投光される３次光Ｌ３は、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２を経ることで、その光軸の軸方向が２次元的に（第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿って）変化する。一方、検出素子１５に入射する４次光Ｌ４は、第２の揺動ミラーＭＬ２のみを経ることで、その光軸の軸方向の変化方向が１次元的なものとなる（第２の方向Ｄ２に沿った光軸の変化がほぼなくなり、第１の方向Ｄ１に沿った光軸の変化が支配的となる）。

従って、検出素子１５のように検出セグメント１５Ａを４次光Ｌ４の１次元的な光軸変化に対応するように配列することで、２次元的に走査領域Ｒ０を走査をしつつ、最小限の検出領域で４次光Ｌ４を区別しながら４次光Ｌ４の全体を検出することができる。

また、第１及び第２の偏向素子１２及び１３が揺動ミラー以外の光学素子によって光偏向を行う場合であってよい。この場合であっても、第１〜第３の偏向素子１２〜１４を上記したように配置することで、例えば第１の偏向素子１２を高速で動作させかつ第２の偏向素子１３における４次光Ｌ４の入射面を大きくするなどの工夫によって、遠方の対象物ＯＢに対して走査及び測距を行うことが可能な測距装置１０となる。

なお、本実施例においては、第１及び第２の偏向素子１２及び１３が互いに異なる第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿って１次光Ｌ１を方向可変に偏向する場合について説明した。また、本実施例においては、検出素子１５が１次元的に配列された複数の検出セグメント１５Ａを有するラインセンサからなる場合について説明した。しかし、第１及び第２の偏向素子１２及び１３並びに検出素子１５の構成はこれに限定されない。

例えば、第１及び第２の偏向素子１２及び１３による１次光Ｌ１の偏向方向の可変方向は、同一であってもよい。この場合でも、４次光Ｌ４の光軸が第１の偏向素子１２による１次光Ｌ１の偏向方向の可変範囲に対応してのみ変化することを考慮して検出素子１５を構成及び配置すればよい。従って、検出素子１５を小型化することができる。

また、本実施例においては、第１の偏向素子１２が共振しつつ揺動する第１の揺動ミラーＭＬ１を有し、第２の偏向素子１３が非共振の態様で揺動する第２の揺動ミラーＭＬ２を有する場合について説明した。しかし、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２の揺動態様はこれに限定されない。例えば、第１及び第２の揺動ミラーＭＬ１及びＭＬ２の両方が共振しつつ揺動してもよいし、非共振の態様で揺動してもよい。

換言すれば、第１の偏向素子１２は、光源１１から出射された光である１次光Ｌ１を方向可変に偏向するように構成されていればよい。また、第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２を経た光（２次光Ｌ２）を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物ＯＢによって反射された光（４次光Ｌ４）を偏向するように構成されていればよい。

また、例えば、検出素子１５は、マトリクス状に（２次元的に）配列された複数の検出セグメント１５Ａを有していてもよい。また、例えば、第１の方向Ｄ１に沿った複数の４次光Ｌ４をまとめて１つの走査結果又は測距結果として出力する場合、検出素子１５は、複数の検出セグメント１５Ａを有していなくてもよい。すなわち、検出素子１５は、第３の偏向素子１４によって偏向された４次光Ｌ４を検出するように構成されていればよい。

このように、測距装置１０は、光（１次光Ｌ１）を出射する光源１１と、光源１１から出射された光を方向可変に偏向する第１の偏向素子１２と、第１の偏向素子１２によって偏向された光（２次光Ｌ２）を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物ＯＢによって反射された光（４次光Ｌ４）を偏向する第２の偏向素子１３と、第１の偏向素子１２によって偏向された光（２次光Ｌ２）及び対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）の光路上に設けられ、対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）を偏向する第３の偏向素子１４と、第３の偏向素子１４によって偏向された光（４次光Ｌ４）を検出する検出素子１５と、検出素子１５による光（４次光Ｌ４）の検出結果に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１６と、を有する。従って、単純な構成で遠方の対象物ＯＢに対して光走査を行うことが可能であり、測距可能な距離を向上させることが可能な測距装置１０を提供することができる。

図６は、実施例１の変形例１に係る測距装置１０Ａの構成を示す図である。測距装置１０Ａは、第２の偏向素子１８の構成を除いては、測距装置１０と同様の構成を有する。測距装置１０Ａにおいては、第２の偏向素子１８は、２次光Ｌ２及び４次光Ｌ４を反射させる第２の揺動ミラーＭＬ３を有する。また、第２の揺動ミラーＭＬ３は、第２の揺動軸Ｙ１に加え、第２の揺動軸Ｙ１の軸方向に垂直に延びる揺動軸（以下、第３の揺動軸と称する）Ｘ２の周りに揺動するように構成されている。

換言すれば、本変形例においては、第１の偏向素子１２の第１の揺動ミラーＭＬ１及び第２の偏向素子１８の第２の揺動ミラーＭＬ３は、互いに同一の方向に沿って延びる第１及び第３の揺動軸Ｘ１及びＸ２の周りに揺動する。また、第２の偏向素子１８の第２の揺動ミラーＭＬ３は、第１及び第３の揺動軸Ｘ１及びＸ２の軸方向に垂直な方向に沿って延びる第２の揺動軸Ｙ１の周りに揺動する。

図７は、測距装置１０Ａにおける走査領域Ｒ０の走査態様を模式的に示す図である。図７は、走査面Ｒ１上における３次光Ｌ３の軌跡を模式的に示す図である。本変形例においては、第２の揺動ミラーＭＬ３は、第２及び第３の揺動軸Ｙ１及びＸ２の周りに、非共振の態様で揺動する。一方、第１の偏向素子１２の第１の揺動ミラーＭＬ１は、第１の揺動軸Ｘ１の周りに共振しつつ揺動する。

これによって、測距装置１０Ａは、走査領域Ｒ０（走査面Ｒ１）を第１の方向Ｄ１に沿って仮想の複数の部分領域Ｒ２に区画し、当該部分領域の各々に対し、第１の方向Ｄ１を主走査方向とし、第２の方向Ｄ２を副走査方向とするラスタースキャンを行うような態様の走査を行う。従って、第２の偏向素子１３から走査面Ｒ１を見たとき、３次光Ｌ３は、図７に示すような軌跡を描くように偏向されつつ投光される。

すなわち、測距装置１０Ａは、光源１１によって生成された１次光Ｌ１を第１の方向Ｄ１に沿って順次投光して１次元走査を行い、この１次元走査を第２の方向Ｄ２に沿って繰り返し行って部分領域Ｒ２の２次元走査を行う。さらに、測距装置１０Ａは、この第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿った部分領域Ｒ２の２次元走査を、第２の揺動ミラーＭＬ３の第３の揺動軸Ｘ３周りの変位方向に対応する第１の方向Ｄ１に沿って、繰り返し行うような走査態様を有する。

本変形例においても、第２の偏向素子１８を経た４次光Ｌ４は、第３の偏向素子１４によって偏向され、検出素子１５に導かれる。従って、例えば第２の偏向素子１８を大きくすることで、他の集光素子を設けることなく多くの４次光Ｌ４を検出素子１５に導くことができ、遠方の対象物ＯＢに対しても正確に走査及び測距することができる。また、第１の偏向素子１２及び検出素子１５を小型化することで、装置全体を小型化することができる。

なお、本変形例においても、第２の偏向素子１８は第２の揺動ミラーＭＬ３を有する場合に限定されない。例えば、第２の偏向素子１８は、第２の揺動軸Ｙ１を回動軸として回動する回動ミラーであってもよい。この場合、例えば、当該回動ミラーの例としては、法線ベクトルが少なくとも当該回動軸の軸方向に沿って互いに異なる複数のミラーを有するポリゴンミラーが挙げられる。第２の偏向素子１８は、２つの互いに異なる方向に沿って方向可変に２次光Ｌ２を偏向するように構成されていればよい。

図８は、実施例１の変形例２としての走査装置１０Ｂの構成を示す図である。走査装置１０Ｂは、測距装置１０から測距部１６を除いた構成に相当する構成を有する。測距装置１０が測距部１６を有しない場合、走査装置１０Ｂとして機能する。すなわち、走査装置１０Ｂは、検出素子１５による４次光Ｌ４の検出結果を、走査領域Ｒ０の走査結果として出力する。走査装置１０Ｂは、例えば上記したような構成を有することで、対象物ＯＢが遠方に存在する場合であっても正確に走査を行うことができる。

すなわち、例えば、走査装置１０Ｂは、光源１１と、光（１次光Ｌ１）を出射する光源１１と、光源１１から出射された光を方向可変に偏向する第１の偏向素子１２と、第１の偏向素子１２によって偏向された光（２次光Ｌ２）を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物ＯＢによって反射された光（４次光Ｌ４）を偏向する第２の偏向素子１３と、第１の偏向素子１２によって偏向された光（２次光Ｌ２）及び対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）の光路上に設けられ、対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）を偏向する第３の偏向素子１４と、第３の偏向素子１４によって偏向された光（４次光Ｌ４）を検出する検出素子１５と、を有する。従って、単純な構成で遠方の対象物ＯＢに対して光走査を行うことが可能な走査装置１０Ｂを提供することができる。

また、本発明は、走査装置１０Ｂの制御方法としても実施されることができる。すなわち、例えば、本発明による方法は、光源１１、第１の偏向素子１２、第２の偏向素子１３、第３の偏向素子１４及び検出素子１５を有する走査装置１０Ｂの制御方法であって、光源１１から出射された光（１次光Ｌ１）を第１の偏向素子１２が方向可変に偏向するステップと、第１の偏向素子１２を経た光を第２の偏向素子１３が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、対象物ＯＢによって反射された光（４次光Ｌ４）を第２の偏向素子１３が偏向するステップと、対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）を第３の偏向素子１４が偏向するステップと、第３の偏向素子１４によって偏向された光（４次光Ｌ４）を検出素子１５が検出するステップと、を含む。これによって、単純な構成で遠方の対象物ＯＢに対して光走査を行うことが可能な走査装置１０Ｂの制御方法を提供することができる。

また、本発明は、コンピュータを走査装置１０Ｂの制御部１７として機能させるプログラムとしても実施されることができる。すなわち、例えば、本発明によるプログラムは、光源１１、第１の偏向素子１２、第２の偏向素子１３、第３の偏向素子１４及び検出素子１５を有する走査装置１０Ｂの制御部１７としてコンピュータを機能させるプログラムであって、光源１１から出射された光（１次光Ｌ１）を第１の偏向素子１２が方向可変に偏向するステップと、第１の偏向素子１２を経た光を第２の偏向素子１３が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、対象物ＯＢによって反射された光（４次光Ｌ４）を第２の偏向素子１３が偏向するステップと、対象物ＯＢによって反射されかつ第２の偏向素子１３によって偏向された光（４次光Ｌ４）を第３の偏向素子１４が偏向するステップと、第３の偏向素子１４によって偏向された光（４次光Ｌ４）を検出素子１５が検出するステップと、を実行させる。また、本発明は、上記したプログラムが記録された記録媒体としても実施されることができる。これによって、単純な構成で遠方の対象物ＯＢに対して光走査を行うことが可能な走査装置１０Ｂの制御プログラム及びこれが記録された記録媒体を提供することができる。

１０、１０Ａ 測距装置
１０Ｂ 走査装置
１２ 第１の偏向素子
１３、１８ 第２の偏向素子
１４ 第３の偏向素子

Claims (11)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を方向可変に偏向する第１の偏向素子と、
   前記第１の偏向素子によって偏向された光を方向可変に偏向しつつ投光し、対象物によって反射された光を偏向する第２の偏向素子と、
   前記第１の偏向素子によって偏向された光及び前記対象物によって反射されかつ前記第２の偏向素子によって偏向された光の光路上に設けられ、前記対象物によって反射されかつ前記第２の偏向素子によって偏向された光を偏向する第３の偏向素子と、
   前記第３の偏向素子によって偏向された光を検出する検出素子と、を有することを特徴とする走査装置。
2. 前記第１の偏向素子は、第１の方向に沿って光を方向可変に偏向し、
   前記第２の偏向素子は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って光を方向可変に偏向することを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
3. 前記検出素子は、前記１の方向に対応する方向に沿って配列された複数の検出セグメントを有することを特徴とする請求項２に記載の走査装置。
4. 前記第１の偏向素子は、第１の揺動軸の周りに揺動して光を反射させることで前記第１の方向に沿って光を方向可変に偏向する第１の揺動ミラーを有し、
   前記第２の偏向素子は、前記第１の揺動軸の軸方向とは異なる方向に沿って延びる第２の揺動軸の周りに揺動して光を反射させることで前記第２の方向に沿って光を方向可変に偏向する第２の揺動ミラーを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の走査装置。
5. 前記第２の揺動ミラーは、非共振の態様で揺動することを特徴とする請求項４に記載の走査装置。
6. 前記第２の揺動ミラーは、前記第１の揺動ミラーよりも大きな光反射面を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の走査装置。
7. 前記光源は、前記１次光として、点状のビーム形状のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の走査装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の走査装置と、
   前記検出素子による光の検出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。
9. 光源、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び検出素子を有する走査装置の制御方法であって、
   前記光源から出射された光を前記第１の偏向素子が方向可変に偏向するステップと、
   前記第１の偏向素子１２を経た光を前記第２の偏向素子が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、
   対象物によって反射された光を前記第２の偏向素子が偏向するステップと、
   前記対象物によって反射されかつ前記第２の偏向素子によって偏向された光を前記第３の偏向素子が偏向するステップと、
   前記第３の偏向素子によって偏向された光を前記検出素子が検出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
10. 光源、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び検出素子を有する走査装置の制御部としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
    前記光源から出射された光を前記第１の偏向素子が方向可変に偏向するステップと、
    前記第１の偏向素子１２を経た光を前記第２の偏向素子が方向可変に偏向しつつ投光するステップと、
    対象物によって反射された光を前記第２の偏向素子が偏向するステップと、
    前記対象物によって反射されかつ前記第２の偏向素子によって偏向された光を前記第３の偏向素子が偏向するステップと、
    前記第３の偏向素子によって偏向された光を前記検出素子が検出するステップと、を実行させることを特徴とするプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムが記録された記録媒体。

Images