JP2021033142A - レーザスキャニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃や振動等の外乱環境下においても安定的にレーザ光を走査させることが可能なレーザスキャニング装置を提供する。【解決手段】レーザスキャニング装置１は、レーザ光Ｌ１を出射するレーザ光源１１と、レーザ光Ｌ１を所定方向に回折させる回折格子１５と、レーザ光源１１と回折格子１５との間に配置され、回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長を変化させる波長変調素子１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を走査させるレーザスキャニング装置に関する。

従来、レーザ光源から出射されたレーザ光を走査範囲において走査させるレーザスキャニング装置が知られている。この種の装置は、たとえば、走査範囲における物体の有無および当該物体までの距離を測定するためのレーザレーダに装備される。走査範囲に存在する物体によってレーザ光が反射され、その反射光が受光光学系によって検出される。反射光の有無により物体の有無が検出され、レーザ光の投射タイミングと反射光の受光タイミングとの時間差によって、物体までの距離が測定される。

以下の特許文献１には、レーザスキャニング装置の一例が示されている。この装置では、マイクロミラーや、ポリゴンスキャナ、圧電式マイクロプリズム素子およびガルバノメータ等の走査装置によって、レーザ光が走査される。

特許第６３０９４５９号公報

上記構成のレーザスキャニング装置は、ミラー等を機械的に駆動してビームを走査させる構成であるため、衝撃や振動等の影響を受けやすい。このため、衝撃や振動等の外乱環境下において安定的にレーザ光を走査させることが困難である。

かかる課題に鑑み、本発明は、衝撃や振動等の外乱環境下においても安定的にレーザ光を走査させることが可能なレーザスキャニング装置を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様に係るレーザスキャニング装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を所定方向に回折させる回折格子と、前記レーザ光源と前記回折格子との間に配置され、前記回折格子に入射する前記レーザ光の波長を変化させる波長変調素子と、を備える。

本態様に係るレーザスキャニング装置によれば、波長変調素子によってレーザ光の波長を変化させることにより、回折格子におけるレーザ光の出射角（回折角）を変化させることができる。これにより、レーザ光を所定方向に走査させることができる。ここで、レーザ光の走査は、機械的手段ではなく、波長の調整より行われるため、衝撃や振動等の影響を受けにくい。よって、衝撃や振動等の外乱環境下においても安定的にレーザ光を走査させることができる。

以上のとおり、本発明に係るレーザスキャニング装置によれば、衝撃や振動等の外乱環境下においても安定的にレーザ光を走査させることが可能となる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態１に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す平面図および側面図である。 図２（ａ）は、実施形態１に係る、レーザスキャニング装置の回路ブロック図である。図２（ｂ）は、実施形態１に係る、波長変調素子の圧電体に印加される駆動電圧の波形の一例を示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態２に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す平面図および側面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態３に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す平面図および側面図である。 図５は、実施形態３に係る、レーザ光源から部分反射ミラーに向かうレーザ光の光路を模式的に示す図である。 図６は、実施形態４に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す側面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態５に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す平面図および側面図である。 図８（ａ）は、実施形態６に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す側面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の光学系の回折格子以降の構成をＺ軸正側から見た部分側面図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）の光学系の回折格子以降の他の構成例をＺ軸正側から見た部分側面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態７に係る、レーザスキャニング装置の光学系の構成を示す平面図および側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸正方向は、レーザ光源におけるレーザ光の出射方向である。

＜実施形態１＞
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態１に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す平面図および側面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザスキャニング装置１は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、波長変調素子１３と、部分反射ミラー１４と、回折格子１５とを備える。

レーザ光源１１は、所定波長のレーザ光を出射する。レーザ光源１１は、たとえば、赤外波長のレーザ光を出射する。レーザ光源１１は、半導体レーザ等の端面発光型のレーザ光源である。レーザ光源１１は、たとえば、スロー軸がＸ軸に平行となるよう配置される。レーザ光源１１の導波路は、Ｚ軸正側（出射側）の端面の反射率が略ゼロである、Ｚ軸負側の端面の反射率が略１００％であるよう構成されている。

コリメータレンズ１２は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光を略平行光に変換する。コリメータレンズ１２は、全周に亘って均等な収束作用を有する。コリメータレンズ１２は、たとえば、非球面レンズによって構成される。

波長変調素子１３は、透過波長帯域が可変の狭帯域バンドパスフィルタである。波長変調素子１３は、たとえば、ファブリペローエタロン式波長可変フィルタにより構成される。この場合、波長変調素子１３は、互いに平行に配置された２枚の高反射ミラー（多層反射膜ミラー）と、これらミラー間のギャップ（干渉ギャップ）を変化させる圧電体とを備える。２つのミラー間のギャップが圧電素子で変えられることにより、波長変調素子１３の透過波長帯域が変化する。

なお、波長変調素子１３は、レーザ光の光軸に対して入射面の法線が数度の傾きを持つ（たとえば、入射面の法線がＸ−Ｚ平面に平行な状態で光軸に対し５°の角度をもつように波長変調素子１３を回転させる）状態で配置される。これにより、波長変調素子１３の入射面で反射したレーザ光が、入射時の光路を逆行して、レーザ光源１１に戻ることが防止される。

部分反射ミラー１４は、レーザ光の光軸に垂直に配置され、入射したレーザ光の一部を反射し、残りの部分を透過させる。部分反射ミラー１４は、たとえば、ハーフミラーによって構成される。部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光は、光路を逆行して、レーザ光源１１に入射する。

図１（ａ）、（ｂ）の構成において、レーザ光源１１、コリメータレンズ１２、波長変調素子１３および部分反射ミラー１４は、外部共振型の発振光学系を構成する。すなわち、波長変調素子１３を透過する波長のレーザ光が部分反射ミラー１４によってレーザ光源１１（導波路）に戻されることにより、当該波長でレーザ光源１１が共振する。これにより、当該波長のレーザ光がレーザ光源１１から出射される。したがって、レーザ光源１１の出射波長は、波長変調素子１３の透過波長によって決定される。

上記のように、波長変調素子１３は、干渉ギャップを変化させることにより、透過波長帯を変化させることができる。したがって、この光学系では、波長変調素子１３の透過波長帯を変化させることにより、レーザ光源１１の出射波長を動的に変化させることができる。

回折格子１５は、平板状の透明な光学部材からなっている。回折格子１５は、コリメータレンズ１２の光軸に対して垂直な状態から所定角度（たとえば４５度）だけ回折格子１５の法線がＹ−Ｚ平面に平行な状態を保ちながら、コリメータレンズ１２の光軸に対して傾くように配置される。回折格子１５には、入射したレーザ光の回折光がＹ−Ｚ平面に平行な平面内を直進するよう回折パターン（回折溝）１５ａが形成されている。図１（ａ）、（ｂ）の構成例では、回折パターン１５ａが、回折格子１５の入射面に形成されている。

回折パターン１５ａは、ブラッグ条件を満たすように、溝のピッチおよび深さが設定されている。回折格子１５は、波長変調素子１３による波長の変化範囲（たとえば、中心波長に対して±２０ｎｍ程度の範囲）において所定の回折次数の回折効率が１００％付近（たとえば９０％以上）となるように構成されている。

図１（ａ）、（ｂ）の構成では、回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長に応じて、回折格子１５に対するレーザ光の出射角が変化する。回折格子１５に対するレーザ光の入射角および出射角をそれぞれθ０、θｍとし、格子ピッチをｄとし、回折次数をｍとすると、以下の関係式が成立する。

ｄ（ｓｉｎθｍ−ｓｉｎθ０）＝ｍλ …（１）

上記式（１）から、レーザ光Ｌ１の出射角θｍは、回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長が長くなるほど大きくなる。したがって、波長変調素子１３の作用によりレーザ光Ｌ１の波長がλ１〜λ３の範囲で変化する場合、回折格子１５を透過した後のレーザ光Ｌ１の投射方向は、図１（ｂ）に模式的に示すように、Ｙ−Ｚ平面に平行な方向に変化する。図１（ｂ）において、波長λ１、λ２、λ３は、λ１＞λ２＞λ３の関係にある。したがって、波長変調素子１３を制御してレーザ光Ｌ１の波長を変化させることにより、レーザ光Ｌ１をＺ軸方向に平行な走査方向Ｄ１に走査させることができる。たとえば、レーザ光Ｌ１は、波長の変化に伴い、２０°程度の振り角で走査される。

図２（ａ）は、レーザスキャニング装置１の回路ブロック図である。

レーザスキャニング装置１は、回路部の構成として、コントローラ１０１と、光源駆動回路１０２と、波長調整回路１０３と、を備える。

コントローラ１０１は、集積処理回路により構成され、所定のプログラムに従って光源駆動回路１０２および波長調整回路１０３を制御する。光源駆動回路１０２は、コントローラ１０１からの制御に従ってレーザ光源１１を駆動する。波長調整回路１０３は、コントローラ１０１からの制御に従って波長変調素子１３（圧電体）を駆動する。コントローラ１０１は、レーザ光の走査動作時に、光源駆動回路１０２を介してレーザ光源１１を点灯させ、波長調整回路１０３を介してレーザ光源１１の出射波長を変化させる。

図２（ｂ）は、波長変調素子１３の圧電体に印加される駆動電圧の波形の一例を示す図である。

ここでは、圧電体に印加される電圧がマイナスの場合に波長変調素子１３の干渉ギャップが初期状態（電圧無印加状態）から小さくなり、圧電体に印加される電圧がプラスの場合に波長変調素子１３の干渉ギャップが初期状態（電圧無印加状態）から大きくなる。干渉ギャップが小さくなると、波長変調素子１３の透過波長が短くなり、干渉ギャップが大きくなると、波長変調素子１３の透過波長が長くなる。

したがって、図２（ｂ）のように、圧電体に対する印加電圧を−Ｖ１〜＋Ｖ１の範囲で変化させると、回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長をλ１〜λ３の範囲で変化させることができる。波長λ３は、圧電体に対する印加電圧が−Ｖ１である場合（波長変調素子１３の干渉ギャップが最小の場合）に回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長であり、波長λ１は、圧電体に対する印加電圧が＋Ｖ１である場合（波長変調素子１３の干渉ギャップが最大の場合）に回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長である。図１（ａ）、（ｂ）の波長λ２は、たとえば、圧電体に対する印加電圧がゼロの場合に回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長である。

したがって、図２（ｂ）の駆動信号を圧電体に印加して、回折格子１５に入射するレーザ光Ｌ１の波長を波長λ１〜λ３の範囲で変化させることにより、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ１を走査方向Ｄ１に走査させることができる。このとき、印加電圧の最小値−Ｖ１および最大値＋Ｖ１は、圧電体の正負の抗電界の範囲内において設定されればよい。

なお、波長変調素子１３の圧電体に印加される駆動信号の波形は、必ずしも、図２（ｂ）の波形に限られるものではない。たとえば、圧電体に対する印加電圧がゼロの場合に、レーザ光Ｌ１の波長がλ３（最小値）であれば、印加電圧をプラス方向のみに変化させて、レーザ光Ｌ１の波長を波長λ３（最大値）まで変化させてもよい。この場合、印加電圧の最大値は、圧電体の正側の抗電界の範囲内において設定されればよい。

＜実施形態１の効果＞
以上、本実施形態１によれば、以下の効果が奏される。

波長変調素子１３によってレーザ光Ｌ１の波長を変化させることにより、回折格子１５におけるレーザ光Ｌ１の出射角（回折角）を変化させることができる。これにより、レーザ光Ｌ１を走査方向Ｄ１に走査させることができる。ここで、レーザ光Ｌ１の走査は、機械的手段ではなく、波長の調整より行われるため、衝撃や振動等の影響を受けにくい。よって、衝撃や振動等の外乱環境下においても安定的にレーザ光Ｌ１を走査させることができる。

また、レーザ光源１１、波長変調素子１３および部分反射ミラー１４によって外部共振型の発振光学系が構成されている。このため、波長変調素子１３の透過波長を変化させることにより、レーザ光源１１の波長を円滑に変化させることができ、また、各波長においてビーム品質の高いレーザ光をレーザ光源１１から出射させることができる。

＜実施形態２＞
上記実施形態１では、略平行光の状態でレーザ光が部分反射ミラー１４に入射したが、実施形態２では、レーザ光が部分反射ミラー１４に収束するよう光学系が構成される。すなわち、実施形態２では、部分反射ミラー１４に向かうレーザ光を部分反射ミラー１４に収束させる収束光学系がさらに設けられる。

図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態２に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す平面図および側面図である。ここでは、上述の収束光学系として、収束レンズ１６が用いられている。ただし、収束光学系は、必ずしも、単一の収束レンズ１６によって構成されなくてもよく、複数のレンズや、凹面状の反射面によって構成されてもよい。

収束レンズ１６は、波長変調素子１３から部分反射ミラー１４に向かうレーザ光を部分反射ミラー１４の入射面に収束させる。収束レンズ１６は、たとえば、光軸周りの全周に亘って均一な収束パワーを持つ非球面レンズである。この光学系では、部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光は、収束レンズ１６を介してレーザ光源１１に入射する。すなわち、この構成では、レーザ光源１１、コリメータレンズ１２、波長変調素子１３、収束レンズ１６および部分反射ミラー１４によって、外部共振型の発振光学系が構成される。

部分反射ミラー１４を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１７によって、略平行光に変換される。したがって、この構成においても、レーザ光Ｌ１は、略平行光の状態で回折格子１５に入射する。回折格子１５によりレーザ光Ｌ１に付与される光学作用は、上記実施形態１と同様である。この構成においても、上記実施形態１と同様に、波長変調素子１３の透過波長を図２（ａ）の回路構成により変化させることにより、レーザ光Ｌ１を走査方向Ｄ１に走査させることができる。

さらに、本実施形態２では、部分反射ミラー１４にレーザ光が収束されるため、上記実施形態１に比べて、部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光をレーザ光源１１により適正に戻すことができる。すなわち、上記実施形態１では、収束レンズ１６が用いられないため、レーザ光は、コリメータレンズ１２で平行光化された状態で部分反射ミラー１４に入射する。この場合、レーザ光は、平行光に対して、やや拡散した状態や、やや収束された状態で、部分反射ミラー１４に入射することが起こり得る。このように、平行光からずれた状態でレーザ光が部分反射ミラー１４に入射すると、平行光に対して角度を持ったレーザ光の部分は、部分反射ミラー１４で反射されても、レーザ光源１１に適正に戻りにくくなる。

これに対し、実施形態２の構成では、収束レンズ１６で部分反射ミラー１４の入射面にレーザ光が収束されるため、レーザ光の焦点位置に部分反射ミラー１４の入射面が位置付けられるように、部分反射ミラー１４を位置合わせすることにより、部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光をレーザ光源１１に適正に戻すことができる。これにより、レーザ光源１１のＺ軸負側の端面と部分反射ミラー１４との間で、レーザ光を効率的に多重反射させることができ、外部共振光学系の共振をより効率的に行うことができる。よって、波長変調素子１３による波長変調をより円滑に行うことができ、結果、レーザ光の走査精度を高めることができる。

＜実施形態３＞
上記実施形態２では、レーザ光が平行光の状態で波長変調素子１３に入射したが、実施形態３では、収束光の状態で波長変調素子１３にレーザ光が入射する。すなわち、波長変調素子１３よりもレーザ光源１１側からレーザ光が収束するように、収束光学系が構成されている。

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態３に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す平面図および側面図である。

この構成では、収束光学系として、収束レンズ１８が用いられ、図３（ａ）、（ｂ）のコリメータレンズ１２が省略されている。ただし、収束光学系は、必ずしも、単一の収束レンズ１８によって構成されなくてもよく、複数のレンズや、凹面状の反射面によって構成されてもよい。

収束レンズ１８は、レーザ光源１１から部分反射ミラー１４に向かうレーザ光を部分反射ミラー１４の入射面に収束させる。収束レンズ１８は、たとえば、光軸周りの全周に亘って均一な収束パワーを持つ非球面レンズである。この光学系では、部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光は、波長変調素子１３および収束レンズ１８を介してレーザ光源１１に入射する。すなわち、この構成では、レーザ光源１１、収束レンズ１８、波長変調素子１３および部分反射ミラー１４によって、外部共振型の発振光学系が構成される。

部分反射ミラー１４を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１９によって、略平行光に変換される。したがって、この構成においても、レーザ光Ｌ１は、略平行光の状態で回折格子１５に入射する。回折格子１５によりレーザ光Ｌ１に付与される光学作用は、上記実施形態１、２と同様である。この構成においても、上記実施形態１、２と同様に、波長変調素子１３の透過波長を図２（ａ）の回路構成により変化させることにより、レーザ光Ｌ１を走査方向Ｄ１に走査させることができる。

また、本実施形態３においても、部分反射ミラー１４にレーザ光が収束されるため、上記実施形態２と同様、部分反射ミラー１４で反射されたレーザ光をレーザ光源１１に適正に戻すことができる。これにより、外部共振光学系の共振をより効率的に行うことができ、波長変調素子１３による波長変調をより円滑に行うことができる。

さらに、本実施形態３では、収束光の状態で波長変調素子１３にレーザ光が入射するため、上記実施形態１、２に比べて、波長変調素子１３におけるレーザ光の透過領域が制限される。

図５は、レーザ光源１１から部分反射ミラー１４に向かうレーザ光の光路を模式的に示す図である。

図５に示すように、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、φαの範囲において収束レンズ１８に入射し、その後、収束レンズ１８で収束されて、φβの範囲において波長変調素子１３に入射する。すなわち、波長変調素子１３におけるレーザ光の入射領域が、φβの範囲に制限される。これにより、波長変調素子１３における変調有効領域を狭く絞ることができる。このため、波長変調素子１３に含まれる２つのミラーの平行度を、変調有効領域内において確保させ易くなり、結果、変調有効領域における面内方向（ビーム径方向）の変調作用のばらつきを低減できる。これにより、回折格子１５によって、より適正に、レーザ光を回折させることができ、結果、投射されるレーザ光のビーム品質を向上させることができる。

＜実施形態４＞
実施形態４では、レーザスキャニング装置１が、さらに、レーザ光の振れ角を拡大させる拡大光学系を備えている。

図６は、実施形態４に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す側面図である。便宜上、図６では、レーザスキャニング装置１の光学系の平面図が省略されている。ここでは、上述の拡大光学系として、拡大レンズ２０が用いられている。ただし、拡大光学系２０は、必ずしも、単一の凹レンズによって構成されなくてもよく、複数のレンズや、凸面状の反射面によって構成されてもよい。また、凸レンズを用いて光を収束させた後に発散する構成でもよい。

図６の光学系において、拡大レンズ２０以外の構成は、上記実施形態１における図１（ａ）、（ｂ）の構成と同様である。

拡大レンズ２０は、入射面にレンズ面２０ａを備えている。レンズ面２０ａは、内方に凹んだシリンドリカル面である。レンズ面２０ａの母線はＸ軸方向に平行である。したがって、拡大レンズ２０は、Ｚ軸方向のみに、拡散作用を有する。回折格子１５によって回折されたレーザ光は、拡大レンズ２０の拡散作用により、さらに、進行方向がＺ軸方向に広げられる。これにより、レーザ光の振れ角が拡大される。したがって、走査方向Ｄ１における走査範囲がさらに広げられる。

このように、実施形態４の構成によれば、さらに拡大レンズ２０を配置することにより、実施形態１の構成に比べてレーザ光の走査範囲を広げることができる。なお、上記実施形態２、３の構成についても、さらに、拡大光学系が配置されてもよい。この場合も、上記実施形態２、３に比べて、走査方向Ｄ１におけるレーザ光の走査範囲を広げることができる。

なお、図６の構成では、拡大レンズ２０の入射面にレンズ面２０ａが形成されたが、拡大レンズ２０の出射面にＺ軸方向のみに拡散作用を有するレンズ面が形成されてもよく、あるいは、拡大レンズ２０の入射面と出射面の両方に、Ｚ軸方向のみに拡散作用を有するレンズ面が形成されてもよい。

＜実施形態５＞
上記実施形態１〜４では、投射されるレーザ光Ｌ１のビーム形状が、コリメータレンズ１２またはコリメータレンズ１９で規定される形状であった。これに対し、実施形態５では、レーザスキャニング装置１が、さらに、レーザ光のビーム形状を走査方向Ｄ１に交差する方向に扁平化（ライン化）する扁平化光学系を備えている。

図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態５に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す平面図および側面図である。ここでは、上述の扁平化光学系として、シリンドリカル凹レンズ２１が用いられている。ただし、扁平化光学系は、必ずしも、単一のシリンドリカル凹レンズ２１によって構成されなくてもよく、複数のレンズや、凸レンズ、凹状または凸状の反射面によって構成されてもよい。また、後述のディフューザ等により扁平化光学系が構成されてもよい。

図７（ａ）、（ｂ）の光学系において、シリンドリカル凹レンズ２１以外の構成は、上記実施形態３における図４（ａ）、（ｂ）の構成と同様である。

シリンドリカル凹レンズ２１は、入射面にレンズ面２１ａを備えている。レンズ面２１ａは、内方に凹んだシリンドリカル面である。レンズ面２０ａの母線はＹ軸方向に平行である。したがって、シリンドリカル凹レンズ２１は、Ｘ軸方向のみに、拡散作用を有する。コリメータレンズ１９によって平行光化されたレーザ光は、シリンドリカル凹レンズ２１の拡散作用により、Ｘ軸方向に広げられる。これにより、レーザ光Ｌ１のビーム形状が、Ｘ軸方向に広げられて扁平化（ライン化）される。その後、レーザ光は、回折格子１５によって回折される。

この構成においても、波長変調素子１３の透過波長を図２（ａ）の回路構成により変化させることにより、レーザ光Ｌ１を走査方向Ｄ１に走査させることができる。この場合、レーザ光は、一方向に長いライン状のビーム形状でその短軸に平行な方向に走査される。したがって、より広い範囲をレーザ光で走査することができる。

また、この構成では、扁平化光学系（シリンドリカル凹レンズ２１）が回折格子１５よりもレーザ光源１１側に配置されるため、回折格子１５によって振られる前のレーザ光Ｌ１、すなわち、光路が固定された状態のレーザ光Ｌ１が、扁平化光学系（シリンドリカル凹レンズ２１）に入射する。このため、扁平化光学系の形状を小型化でき、且つ、扁平化光学系の光学設計を容易に行うことができる。

なお、図７（ａ）、（ｂ）の構成では、シリンドリカル凹レンズ２１の入射面にレンズ面２１ａが形成されたが、シリンドリカル凹レンズ２１の出射面にＸ軸方向のみに拡散作用を有するレンズ面が形成されてもよく、あるいは、シリンドリカル凹レンズ２１の入射面と出射面の両方に、Ｘ軸方向のみに拡散作用を有するレンズ面が形成されてもよい。

また、この構成においても、図６に示した拡大光学系がさらに配置されてもよい。

＜実施形態６＞
上記実施形態５では、扁平化光学系を構成するシリンドリカル凹レンズ２１が回折格子１５よりもレーザ光源１１側に配置された。これに対し、実施形態６では、扁平化光学系が回折格子１５の後段側に配置される。

図８（ａ）は、実施形態６に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す側面図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の光学系の回折格子１５以降の構成をＺ軸正側から見た部分側面図である。ここでは、上述の扁平化光学系として、ディフューザ２２が用いられている。また、レーザ光Ｌ１の振れ角を拡大させる拡大光学系（拡大レンズ２０）が、回折格子１５とディフューザ２２との間に配置されている。

ディフューザ２２は、入射したレーザ光Ｌ１をＸ軸方向に拡散させる。ディフューザ２２は、表面に微小な凹凸が並んで形成された光学素子である。ディフューザ２２は、平板状の形状であってもよい。また、ディフューザ２２は、上述の拡散作用とともに、微小な凹凸が形成される面全体の曲率による拡散作用を重畳してレーザ光Ｌ１に付与するために、入射面または出射面に曲率を有していてもよい。ディフューザ２２による拡散作用により、ディフューザ２２を透過したレーザ光Ｌ１は、Ｘ軸方向に拡散され、扁平化（ライン化）される。

この構成によれば、拡大光学系（拡大レンズ２０）によるレーザ光Ｌ１の振り角の拡大と、扁平化光学系（ディフューザ２２）によるレーザ光Ｌ１の扁平化の両方とを同時に実現できる。よって、より広い走査範囲においてレーザ光Ｌ１を走査させることができる。

また、この構成によれば、レーザ光Ｌ１がディフューザ２２に入射する領域のビームプロファイルが、アパーレント光源（最も小さな網膜像を結ぶ実物体または仮想的物体）に対応するため、レーザ光Ｌ１が目に入射した場合に、網膜に結像する光の密度を低下させることができる。このため、アイセーフ（目に対して損傷を与えないレーザ光の照射レベル）の観点において、この構成は有利である。

なお、図８（ａ）、（ｂ）の光学系では、扁平化光学系としてディフューザ２２が用いられたが、他の光学素子を扁平化光学系として用いることもできる。

また、これら扁平化光学系は、回折格子１５と拡大光学系２０との間に配置してもよい。たとえば、図８（ｃ）は、シリンドリカル凸レンズ２３とシリンドリカル凹レンズ２４との組み合わせが扁平化光学系として用いられている例である。ここで、シリンドリカル凹レンズ２４は、入射面にレンズ面２４ａを備えている。レンズ面２４ａは、内方に凹んだシリンドリカル面である。レンズ面２４ａの母線はＺ軸に平行である。また、シリンドリカル凸レンズ２３の母線もＺ軸に平行である。シリンドリカル凸レンズ２３とシリンドリカル凹レンズ２４は、光軸方向（Ｙ軸方向）に並ぶように配置される。

この構成では、シリンドリカル凸レンズ２３によってレーザ光がＸ軸方向に収束された後、シリンドリカル凹レンズ２４によってレーザ光がＸ軸方向に拡散されることで、レーザ光がＸ軸方向に扁平化される。このように、シリンドリカル凹レンズ２４を透過した後のレーザ光Ｌ１がＸ軸方向に広がるように、シリンドリカル凸レンズ２３とシリンドリカル凹レンズ２４との間の光軸方向の間隔が調整される。また、レーザ光Ｌ１の振れ角を拡大させる拡大光学系（拡大レンズ２０）が、扁平化光学系の後段に配置されている。

この構成によっても、図８（ａ）、（ｂ）の構成と同様、レーザ光Ｌ１の振り角の拡大と、レーザ光Ｌ１の扁平化の両方を同時に実現できる。よって、より広い走査範囲においてレーザ光Ｌ１を走査させることができる。

ただし、この構成によれば、扁平化光学系（シリンドリカル凸レンズ２３、シリンドリカル凹レンズ２４）によりアパーレント光源のサイズが図８（ａ）、（ｂ）のようにディフューザ２２を用いる場合に比べて小さくなるため、アイセーフにおいて不利となる。

図８（ｃ）の構成では、シリンドリカル凹レンズ２４がシリンドリカル凸レンズに置き換えられてもよい。この場合、シリンドリカル凸レンズは、母線がＺ軸に平行となるように配置される。この構成によれば、レーザ光Ｌ１は、シリンドリカル凸レンズによりさらにＸ軸方向に収束される。これにより、レーザ光Ｌ１は、Ｚ軸に平行な焦線に収束された後、拡散することにより、扁平化（ライン化）される。

なお、図８（ａ）、（ｂ）の構成では、拡大光学系（拡大レンズ２０）の後段に扁平化光学系（ディフューザ２２）が配置されたが、図８（ｃ）の構成では、拡大光学系（拡大レンズ２０）の前段に扁平化光学系（シリンドリカル凸レンズ２３、シリンドリカル凹レンズ２４）が配置されている。

したがって、図８（ｃ）の構成では、振り角が拡大される前に、レーザ光Ｌ１が扁平化光学系（シリンドリカル凸レンズ２３、シリンドリカル凹レンズ２４）に入射するため、扁平化光学系の形状を小さくできる。しかし、その反面、扁平化光学系によってＸ軸方向に広げられたレーザ光Ｌ１が拡大光学系（拡大レンズ２０）に入射するため、拡大光学系の形状が大きくなる。また、扁平化光学系によるレーザ光Ｌ１の直線性を維持したままレーザ光の振り角を拡大する必要があるため、拡大光学系の光学設計（拡大レンズ２０のレンズ面２０ａの曲率の設計）が複雑になる。

他方、図８（ａ）、（ｂ）の構成では、扁平化光学系（ディフューザ２２）によってＸ軸方向に広げられる前のレーザ光Ｌ１が拡大光学系（拡大レンズ２０）に入射するため、拡大光学系の形状を小さくでき、且つ、拡大光学系の光学設計（拡大レンズ２０のレンズ面２０ａの曲率の設計）が容易になる。しかし、その反面、拡大光学系によって振り角が拡大されたレーザ光Ｌ１が扁平化光学系に入射するため、扁平化光学系の形状が大きくなり、且つ、扁平化光学系の光学設計が複雑になる。

なお、図８（ｃ）の構成において、シリンドリカル凸レンズ２３とシリンドリカル凹レンズ２４の組み合わせがディフューザに置き換えられてもよい。この場合、ディフューザは、Ｘ軸方向のみにレーザ光Ｌ１を拡散させるよう構成される。また、回折格子１５の前段に、レーザ光をライン化するためのディフューザが配置されてもよい。この場合も、ディフューザは、Ｘ軸方向にレーザ光Ｌ１を拡散させるよう構成される。

これらの構成では、拡大レンズ２０によってレーザ光Ｌ１の振り角が拡大される前にディフューザにレーザ光Ｌ１が入射するため、ディフューザの形状を小さくできる。また、ディフューザがアパーレント光源を構成するため、アイセーフの観点から有利である。ただし、これらの場合のアパーレント光源の大きさ（レーザ光Ｌ１が入射するディフューザの領域）は、図８（ａ）、（ｂ）の場合よりも小さくなる。このため、アイセーフの観点からは、図８（ａ）、（ｂ）のように、拡大光学系（拡大レンズ２０）よりも後ろ側にディフューザ２２が配置されることが最も好ましいと言える。

＜実施形態７＞
上記実施形態１〜６では、レーザ光源１１の導波路のＺ軸正側の端面から出射されるレーザ光が、回折格子１５で回折されて投射された。これに対し、実施形態７では、レーザ光源１１の導波路のＺ軸正側の端面から出射されるレーザ光は、外部共振のために用いられ、レーザ光源１１の導波路のＺ軸負側の端面から出射されるレーザ光が、回折格子１５で回折されて投射される。

図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態７に係る、レーザスキャニング装置１の光学系の構成を示す平面図および側面図である。便宜上、図９（ａ）には、回路部の構成が併せて図示されている。

レーザ光源１１の導波路は、Ｚ軸負側の端面の反射率も略ゼロに設定されている。また、レーザ光源１１のＺ軸負側の端面から出射されるレーザ光を平行光に変換するためのコリメータレンズ３１が配置されている。コリメータ３１の光軸に対して所定角度（たとえば４５°）だけ傾くように、回折格子１５が配置されている。回折格子１５の構成は、上記実施形態１〜６と同様である。

さらに、部分反射ミラー１４に代えて、ミラー３２が配置されている。この構成では、レーザ光源１１、波長変調素子１３およびミラー３２によって外部共振型の発振光学系が構成される。この発振光学系により、上記実施形態１と同様、レーザ光源１１の発振波長が調整される。これにより、レーザ光源１１のＺ軸負側から出射されるレーザ光の波長が変化する。これに伴い、回折格子１５によるレーザ光の回折角が変化し、Ｙ−Ｚ平面に平行な方向にレーザ光が走査される。

なお、図９（ａ）に示すように、ミラー３２を、完全反射ではなく、僅かにレーザ光を透過させるよう設計し、ミラー３２を透過したレーザ光を、波長調整のためのモニタ光として用いてもよい。この構成では、ミラー３２を透過したレーザ光の波長がモニタ３３により参照され、モニタ３３からの出力がコントローラ１０１にフィードバックされる。コントローラ１０１は、モニタ３２からの出力により、レーザ光源１１の出射波長が適正な波長となるように、波長調整回路１０３を介して、波長変調素子１３の圧電体を制御する。これにより、レーザ光源１１の出射波長をより正確に所定の波長に調整でき、レーザ光１１の走査をより正確に行うことができる。

なお、波長のモニタを行わない場合は、ミラー３２を完全反射に構成してもよい。この場合、モニタ３３が省略される。

この構成においても、図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）、（ｂ）の発信光学系の構成（レーザ光源１１から部分反射ミラー１４までの構成）が同様に適用さられ得る。また、この構成においても、図６〜図８（ｃ）に示した拡大光学系および扁平化光学系の構成が同様に適用され得る。

＜変更例＞
レーザスキャニング装置１の構成は、上記実施形態１〜６に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施形態１〜６では、透過型の回折格子１５が用いられたが、反射型の回折格子が用いられてもよい。この場合も、回折後の反射角が、波長の変化に応じてＹ−Ｚ平面に平行な方向に変化するように、回折格子の回折パターンが設定される。

また、上記実施形態５、６では、扁平化光学系として、シリンドリカル凹レンズ２１や、ディフューザ２２およびシリンドリカル凸レンズ２３とシリンドリカル凹レンズ２４との組み合わせが用いられたが、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）や、ロッドレンズおよびパウエルレンズ等の他の光学素子が扁平化光学系として用いられてもよい。この他、一方向にレーザ光を拡散させる多数のシリンドリカルレンズが並べて配置されたマイクロレンズアレイが、扁平化光学系として用いられてもよい。回折光学素子およびマイクロレンズアレイは、ディフューザ２２と同様、レーザ光が入射する領域でのビームプロファイルがアパーレント光源に対応する。このため、回折光学素子およびマイクロレンズアレイを扁平化光学系として用いると、アイセーフの観点から有利である。

また、レーザスキャニング装置１の光学系の構成も、上記実施形態１〜６に示した構成に限られるものではない。たとえば、レーザスキャニング装置１の光学系に光路を折り曲げるためのミラーが配置されてもよい。また、波長変調素子１３がレーザ光源１１の光軸に垂直な状態から傾いていなくてもよい。レーザ光源１１の配置および構成も、必ずしも上記実施形態１〜６に示したものに限られるものではない。また、回折格子１５の傾け方や回折の方向も変更可能である。回折格子１５が、レーザ光源１１の光軸に垂直に配置されてもよい。さらに、上記以外の構成によりレーザ光Ｌ１の波長を変化させてもよい。

なお、本実施形態に係るレーザスキャニング装置１は、たとえば、目標領域における物体の有無の検出および当該物体までの距離の計測を行うレーザレーダに用いられ得る。この場合、レーザスキャニング装置１は、目標領域に向かってレーザ光を照射するように、レーザレーダに設置される。レーザレーダは、レーザスキャニング装置１の他、目標領域からのレーザ光の反射光を検出するための光検出器（たとえば撮像素子）と、当該光検出器に反射光を集光させる受光光学系とを備える。

この場合、図２（ａ）のコントローラ１０１は、目標領域においてレーザ光が走査されるように波長調整回路１０３を制御し、且つ、各走査位置においてレーザ光が出射されるように、光源駆動回路１０２を制御する。レーザレーダの信号処理回路は、各走査位置において出射されたレーザ光の反射光を光検出器が受光するか否かに基づいて、当該走査位置における物体の有無を判別する。また、信号処理回路は、レーザ光源１１におけるレーザ光の出射タイミングと光検出器における反射光の受光の受光タイミングとの時間差に基づいて、物体までの距離を算出する。

ただし、レーザスキャニング装置１の利用形態は、これに限られるものではない。レーザスキャニング装置１は、所定の走査範囲においてレーザ光を走査させることが必要な装置およびシステムに適宜用いられ得る。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … レーザスキャニング装置
１１ … レーザ光源
１３ … 波長変調素子
１４ … 部分反射ミラー
１５ … 回折格子
１６、１８ … 収束レンズ（収束光学系）
２０ … 拡大レンズ（拡大光学系）
２１ … シリンドリカル凹レンズ（扁平化光学系）
２２ … ディフューザ（扁平化光学系）
２３ … シリンドリカル凸レンズ（扁平化光学系）
２４ … シリンドリカル凹レンズ（扁平化光学系）
１０３ … 波長調整回路

Claims (11)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光を所定方向に回折させる回折格子と、
   前記レーザ光源と前記回折格子との間に配置され、前記回折格子に入射する前記レーザ光の波長を変化させる波長変調素子と、を備える、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
2. 請求項１に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記波長変調素子を駆動する波長調整回路を備え、
   前記波長調整回路により前記レーザ光の波長を変化させて前記回折格子における前記レーザ光の出射角を変化させることにより、前記レーザ光を走査させる、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記波長変調素子と前記回折格子との間に配置され、前記レーザ光の一部を反射して前記レーザ光源に入射させる部分反射ミラーを備え、
   前記レーザ光源、前記波長変調素子および前記部分反射ミラーによって外部共振型の発振光学系を構成する、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
4. 請求項３に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記部分反射ミラーに向かう前記レーザ光を前記部分反射ミラーに収束させる収束光学系を備える、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
5. 請求項４に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記収束光学系は、前記波長変調素子よりも前記レーザ光源側から前記レーザ光を収束させる、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
6. 導波路の両端面からレーザ光を出射するレーザ光源と、
   一方の端面から出射された前記レーザ光を所定方向に回折させる回折格子と、
   他方の端面から出射された前記レーザ光を前記導波路に戻すミラーと、
   前記レーザ光源と前記ミラーとの間に配置され前記レーザ光の波長を変化させる波長変調素子と、を備え、
   前記レーザ光源、前記波長変調素子および前記ミラーによって外部共振型の発振光学系を構成する、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
7. 請求項６に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記ミラーに向かう前記レーザ光を前記ミラーに収束させる収束光学系を備える、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
8. 請求項７に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記収束光学系は、前記波長変調素子よりも前記レーザ光源側から前記レーザ光を収束させる、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載のレーザスキャニング装置において、
   前記レーザ光の振れ角を拡大させる拡大光学系をさらに備える、
   ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載のレーザスキャニング装置において、
    前記レーザ光のビーム形状を走査方向に交差する方向に扁平化する扁平化光学系をさらに備える、
    ことを特徴とするレーザスキャニング装置。
11. 請求項１０に記載のレーザスキャニング装置において、
    前記扁平化光学系は、前記回折格子よりも前記レーザ光源側に配置されている、
    ことを特徴とするレーザスキャニング装置。

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