JP2021167826A

JP2021167826A - 光学装置

Info

Publication number: JP2021167826A
Application number: JP2021106667A
Authority: JP
Inventors: 滋小島; Shigeru Kojima; 知秀野田; Tomohide Noda; 仁史滝口; Hitoshi Takiguchi; 文彦仲村; Fumihiko Nakamura; 敏秀小林; Toshihide Kobayashi
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2021-10-21
Also published as: JP2019215374A; JP2023101823A; JP2024069720A

Abstract

【課題】光学素子の角度調整を簡易かつ正確に実行可能な光学装置を提供する。
【解決手段】測距装置１００は、回転軸７０を中心に回転するプリズム３４と、少なくとも一部に球面状の凸球面６３が形成された球面台座部４３と、球面台座部４３の凸球面６３上で摺動するように設置される光源支持部４４と、光源４０及びコリメータレンズ４１とを備える。ここで、凸球面６３の中心位置Ｐｃは、回転軸７０が交わるプリズム３４の反射面５１上に存在し、光源支持部４４は、中心位置Ｐｃを中心として移動する。そして、光源支持部４４を球面台座部４３の凸球面６３上で摺動させた場合であっても、投射光Ｌ１の光軸は、回転軸７０と交わる反射面５１上の点に入射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を用いた測距装置の光学素子の角度調整に関する。

従来から、レーザ光を用いた測距装置における光学素子の角度調整方法が開示されている。特許文献１には、基体部と加力部と変形部とが一体に構成された本体部と、基体部に対して加力部側への力を作用させる引き螺子と、基体部に対して押圧力を作用させる押し螺子と、を有し、引き螺子と押し螺子の調整により、基体部と加力部の間の角を調整するように構成されたレーザ測距装置が開示されている。

特開２０１５−２０３７５８号公報

特許文献１に記載のレーザ測距装置では、微小な角度調整しか行えないといった問題があった。また、反射面を有する回転体を回転させることでレーザ光を走査するレーザ測距装置では、反射面上に存在する回転軸から光軸がずれやすく、角度調整に手間がかかるといった問題があった。

本発明の解決しようとする課題としては、上記のものが一例として挙げられる。本発明は、光学素子の角度調整を簡易かつ正確に実行可能な光学装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、光学装置であって、回転軸を中心に回転し、反射面の少なくとも一部が前記回転軸上となるように配置された反射部と、前記反射面に向けて光を射出する光源部を支持する支持部と、を備え、前記支持部は、前記光源部が射出する前記光の光軸が前記回転軸と前記反射面の交点に重なるように、角度調整可能に構成されたことを特徴とする

実施例に係る測距装置の概略構成を示すブロック図である。実施例に係る測距装置の内部構造を示す。実施例に係る測距装置の上半分の内部構造を示す。図３の状態から光源支持部を移動させた状態を示す測距装置の内部構造を示す。光源支持部と球面台座部との締結部分の拡大図である。

本発明の好適な実施形態では、光学装置は、回転軸を中心に回転し、反射面の少なくとも一部が前記回転軸上となるように配置された反射部と、少なくとも一部に凸球面を有する球面台座部と、前記球面台座部の前記凸球面上で摺動するように設置される光源支持部と、前記光源支持部に、前記反射部で光が反射するように設置される光源部と、を備え、前記凸球面の中心が前記反射面上に存在することを特徴とする。

上記光学装置は、反射部と、球面台座部と、光源支持部と、光源部とを備える。反射部は、回転軸を中心に回転し、反射面の少なくとも一部が回転軸上となるように配置される。即ち、反射面は、回転軸と交わる交点を有する。球面台座部は、少なくとも一部に凸球面を有する。ここで、「凸球面」は、設置面に対して凸となる所定半径の曲面であって、光路上の一部などが欠けていてもよい。光源支持部は、球面台座部の凸球面上で摺動するように設置される。光源部は、光源支持部に、反射部で光が反射するように設置される。そして、凸球面の中心は、反射面上に存在する。ここで、「凸球面の中心」とは、凸球面を球面として含む球の中心を指す。また、「反射面上」とは、厳密に反射面に重なる位置に限らず、製造工程において生じ得る許容可能な誤差の範囲内で反射面から離れた位置も含む。この態様では、回転軸と交わる反射面上に球面台座部の凸球面の中心が存在することから、光の出射方向等の調整のために光源支持部を球面台座部の凸球面上で摺動させた場合であっても、反射面での光の照射位置が変化しにくい。よって、この態様では、製品性能低下を生じさせることなく、光の出射角度の調整等の光学的な調整を容易に実行することができる。

上記光学装置の一態様では、前記光の光軸は、前記凸球面の中心を通り、前記凸球面の中心は、前記回転軸と前記反射面との交点に存在する。ここで、「凸球面の中心は、前記回転軸と前記反射面との交点に存在する」とは、凸球面の中心と上述の交点とが厳密に重なる態様に限定されず、製造工程において生じ得る許容可能な誤差の範囲内でこれらが離れていてもよい。この態様では、光源支持部を球面台座部の凸球面上で摺動させた場合であっても、光の光軸は、回転軸と交わる反射面上の点に入射する。よって、この態様によれば、光源支持部を球面台座部の凸球面上で摺動させた場合であっても、反射面での光の光軸の反射点が回転軸上に存在するため、好適に光学的な調整を実行することができる。

上記光学装置の他の一態様では、前記光源支持部は、前記凸球面に接する凹面を少なくとも一部に有する。言い換えると、光源支持部の表面のうち、少なくとも凸球面に接する部分に凹面が形成されている。この態様により、光源支持部は、凹面部分により凸球面を滑らかに摺動することが可能となり、球面台座部に対する光源支持部の位置調整を好適に実行することができる。

上記光学装置の好適な例では、前記光源部は、光源とコリメータレンズを含む。

上記光学装置の他の一態様では、前記球面台座部は、前記光源部が出射する光が通過する光路孔を有し、前記光源部は、前記光路孔に挿入して設置される。この態様により、光源部の出射光を好適に反射部に到達させることができる。

上記光学装置の他の一態様では、前記光学装置は、光を用いた測距装置で用いられる。光を用いたライダなどの測距装置では、反射部を回転させて水平面上に光を走査するため、上記の光学装置が好適に適用される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［装置構成］
（概略構成）
図１は、本発明の光学装置が適用された測距装置の概略構成を示す。測距装置１００は、測定対象物５に対して赤外線（例えば、波長９０５ｎｍ）の投射光Ｌ１を投射し、その反射光Ｌ２を受光して測定対象物５までの距離を測定する。図示のように、測距装置１００は、モータ１４と、受光部１６と、制御部１８と、回転体３０と、光源４０とを備える。回転体３０は、集光レンズ３３と、プリズム３４とを備える。

光源４０は、赤外線の投射光Ｌ１をプリズム３４へ向けて出射する。プリズム３４は、投射光Ｌ１を反射し、測距装置１００の外部へ出射する。プリズム３４は回転体３０に設けられており、回転しながら投射光Ｌ１を外部へ出射する。これにより、測距装置１００の全方位（周囲３６０度）にある測定対象物５の距離を測定することができる。光源４０及びプリズム３４は、本発明における「光源部」の一例である。

集光レンズ３３は、測定対象物５により反射された反射光Ｌ２を受光し、プリズム３４へ送る。プリズム３４は、反射光Ｌ２を受光部１６の方向へ反射する。受光部１６は、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）であり、受光した反射光Ｌ２の光量に対応する検出信号を生成して制御部１８へ送る。

制御部１８は、光源４０からの投射光Ｌ１の出射を制御するとともに、受光部１６から供給された検出信号を処理して測定対象物５までの距離を算出する。また、制御部１８は、モータ１４を制御して回転体３０を回転させる。

（測距装置の内部構造）
図２は、測距装置１００の内部構造を示す断面図である。測距装置１００の筐体１０は略円筒状であり、大別して底部１０ａと、カバー１０ｂと、上部１０ｃとにより構成される。測距装置１００は、筐体１０の内部で回転体３０が回転することにより、投射光Ｌ１を全方位へ出射するとともに、その反射光Ｌ２を受光する。カバー１０ｂは、光源４０から出射される赤外線を透過する材料で製作される。

底部１０ａ内には、支柱部１３とモータ１４が設けられている。支柱部１３は、回転体３０の回転軸７０上に位置し、底部１０ａに固定されている。一方、回転体３０は、一体化された底部３０ａと上部３０ｂを備え、支柱部１３を回転軸として回転する。具体的には、回転体の３０の底部３０ａは、複数のベアリング１５を介して支柱部１３の回りに回転可能に設けられており、モータ１４により駆動されて回転する。なお、測距装置１００の構成要素のうち、回転体３０以外は全て筐体１０に対して固定されている。

支柱部１３には、受光部１６と受光部基板２２とが配置されている。また、受光部１６の上方には、光学部材により構成されるバンドパスフィルタ１７が設けられている。バンドパスフィルタ１７は、光源４０から出射される赤外線の波長（本例では、約９０５ｎｍ）以外の光を除外する波長選択機能を有する。

モータ１４はモータ基板２１に電気的に接続されている。また、モータ基板２１の下方には制御部（制御基板）１８が設けられている。制御基板１８とモータ基板２１とは配線２４により接続されている。また、制御基板１８と受光部基板２２とは配線２３により接続されている。

回転体３０の上部３０ｂの上面には、回転軸７０上にプリズム３４が設けられている。プリズム３４は、投射光Ｌ１と反射光Ｌ２を精度良く反射する。プリズム３４は本発明における「反射部」の一例である。また、回転体３０の上部３０ｂの側面には、その周方向の一か所に集光レンズ３３が設けられている。集光レンズ３３の位置は、測定対象物５からの反射光Ｌ２が到来する方向、即ち、プリズム３４の投射光Ｌ１を反射する反射面５１及び反射光Ｌ２を反射する反射面５２が向けられた方向と一致している。

筐体１０の上部１０ｃには、光源４０と、コリメータレンズ４１と、光源基板４２と、球面台座部４３と、光源支持部４４と、が設けられている。光源４０は、赤外線の投射光Ｌ１を出射する。コリメータレンズ４１は、光源４０からの投射光Ｌ１を平行光に変換し、カバー１０ｂの上部に形成された開口１１ｘを通してプリズム３４へ導く。なお、光源４０は光源基板４２と接続されており、光源基板４２は配線２５により制御基板１８と接続されている。

球面台座部４３は、カバー１０ｂの上部に載置され、光源４０及びコリメータレンズ４１を支持する光源支持部４４を保持する。球面台座部４３の中心には、開口１１ｘと連通する円筒状の光路孔４７が形成される。また、球面台座部４３には、光路孔４７の壁面及び光源支持部４４と対向する凸球面６３を形成する隆起部４８が形成されている。凸球面６３は、中心がプリズム３４の反射面５１上に存在し、測距装置１００の上方に凸の球面形状を有する。凸球面６３の一部は光源支持部４４と接触し、光源支持部４４を支持する。

光源支持部４４は、光源４０及びコリメータレンズ４１を支持する。具体的には、光源支持部４４の中心部分に光源４０が嵌め込まれると共に、光源４０の出射方向に延出するアーム部４５により、コリメータレンズ４１が挟持されている。そして、光源支持部４４は、延出するアーム部４５が光路孔４７内に挿入されるように、球面台座部４３上に載置される。光源支持部４４の縁部分は、アーム部４５の延出方向と同方向に隆起しており、すり鉢状の凹面６４が形成される。凹面６４は、光源支持部４４が球面台座部４３に載置された状態で凸球面６３に対して摺動自在に接触する。

［角度調整機構］
次に、球面台座部４３及び光源支持部４４が有する投射光Ｌ１の出射角度の調整機構について説明する。概略的には、球面台座部４３は、光源支持部４４が載置された状態で、プリズム３４の反射面５１と回転軸７０との交点に、凸球面６３により特定される球の中心位置が重なるように形成される。これにより、投射光Ｌ１の出射角度の調整のために光源支持部４４の位置合わせを行う場合であっても、反射面５１での投射光Ｌ１の反射位置が変動するのを好適に防ぐ。

図３は、測距装置１００の上半分の内部構造を拡大した図である。図３では、凸球面６３により特定される球５５の中心位置「Ｐｃ」を図示している。

図３に示すように、中心位置Ｐｃは、回転軸７０上であって、かつ、反射面５１上に存在する。また、光源４０及びコリメータレンズ４１は、光源支持部４４が球面台座部４３に載置された状態で、投射光Ｌ１の光軸が球５５の中心位置を通過するように位置調整が行われている。よって、光源４０及びコリメータレンズ４１から出射された投射光Ｌ１の光軸は、中心位置Ｐｃと重なる反射面５１上の点を反射点として反射して測距装置１００の外部に出射される。

ここで、測距装置１００の組立時には、まず、カバー１０ｂの上面に球面台座部４３が固定された後、位置調整が行われた光源４０及びコリメータレンズ４１を保持する光源支持部４４が球面台座部４３上に載置される。その後、投射光Ｌ１の光軸がプリズム３４から水平方向に測距装置１００外に出射されるように、球面台座部４３上での光源支持部４４の位置調整が行われる。この光源支持部４４の位置調整では、球面台座部４３の凸球面６３上で光源支持部４４の凹面６４を摺動させることで、光源４０及びコリメータレンズ４１を保持する光源支持部４４の傾きを調整する。これにより、プリズム３４で反射された投射光Ｌ１の光軸の出射角度（即ち仰俯角）の調整を行う。そして、図３に示す構成によれば、光源支持部４４の位置調整において、投射光Ｌ１の光軸の反射面５１上での反射点が変位しない。これについて、図４を参照してさらに詳しく説明する。

図４（Ａ）は、図３の状態から光源支持部４４を所定角度だけ反時計回りに摺動させた場合の測距装置１００を示す。図４（Ｂ）は、図３の状態から光源支持部４４を所定角度だけ時計周りに摺動させた場合の測距装置１００を示す。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）において、破線Ｌ１ｃは、投射光Ｌ１の光軸を示す。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のいずれの場合においても、光源支持部４４は、中心位置Ｐｃの球面形状を有する凸球面６３上で摺動するため、光源４０及びコリメータレンズ４１から出射される投射光Ｌ１の光軸Ｌ１ｃは、光源支持部４４を摺動させる前の状態と同様、中心位置Ｐｃと重なる反射面５１上の点を反射点として反射している。このように、光源支持部４４は、中心位置Ｐｃの球面形状を有する凸球面６３上で摺動するため、光軸Ｌ１ｃの反射面５１上での反射点は、光源支持部４４の移動の前後で変化せず、常に回転軸７０上に存在する。

一方、光源支持部４４を所定角度だけ摺動させた場合、反射面５１に対する光源４０及びコリメータレンズ４１の相対位置が変化することから、反射面５１での反射後の投射光Ｌ１の出射角度（即ち仰俯角）は、光源支持部４４を回転させた方向及び角度に応じて変化する。具体的には、図３の状態から光源支持部４４を所定角度だけ反時計回りに回転させた図４（Ａ）の例では、反射面５１での反射後の投射光Ｌ１の出射角度は、上述の所定角度に応じた角度だけ上方向に変化し、図３の状態から光源支持部４４を所定角度だけ時計回りに回転させた図４（Ｂ）の例では、反射面５１での反射後の投射光Ｌ１の出射角度は、上述の所定角度に応じた角度だけ下方向に変化する。

このように、投射光Ｌ１の出射角度の調整時に光源支持部４４の位置調整を行う場合であっても、投射光Ｌ１の光軸の反射点は、回転軸７０上の中心位置Ｐｃから変化しない。これにより、測距装置１００の組み立てを容易かつ高精度に実行することができる。一方、仮に球面台座部４３が下に凸の球面を有し、当該球面上を光源支持部４４が摺動する構造の場合、光源支持部４４の移動中心が反射面５１と離れた光源４０の上方に位置することになるため、光源支持部４４を移動させたときに反射面５１上での投射光Ｌ１の光軸の反射点が大きく変位し、結果として反射点が回転軸７０からずれやすくなり、製品の性能低下要因となる。以上を勘案し、本実施例に係る測距装置１００の球面台座部４３は、プリズム３４と反対側に凸の凸球面６３を有し、光源支持部４４の移動中心が反射面５１上となるように設計されている。これにより、投射光Ｌ１の出射角度の調整時での投射光Ｌ１の光軸の反射点が回転軸７０からずれるのを防ぎ、製品の性能低下を好適に抑制することができる。

球面台座部４３に対する光源支持部４４の位置調整が完了した後では、ねじ止めや接着剤等の固定手段により光源支持部４４が球面台座部４３に対して固定される。ねじ止めでの固定を行う際には、球面台座部４３の水平面と光源支持部４４の水平面とがなす角度は、図４で説明した投射光Ｌ１の出射角度の調整によって変化するため、ねじ止めの角度も調整に伴って変化する。以上を勘案し、測距装置１００は、球面台座部４３の水平面と光源支持部４４の水平面とがなす角度が所定範囲の角度をとり得る構造であっても、上述の所定範囲内の任意の角度において球面台座部４３に対して光源支持部４４を固定可能なねじ止め機構を備える。

図５は、球面台座部４３と光源支持部４４とのねじ止め部分の拡大図である。図５の例では、球面台座部４３及び光源支持部４４には、ねじ穴６８、６９が設けられており、ワッシャー７１、７２が取り付けられたボルト７０がナット７３により締め付けられて球面台座部４３及び光源支持部４４を締結している。

この例では、ワッシャー７１は、光源支持部４４と対向する面が曲面形状を有し、ワッシャー７２は、球面台座部４３と対向する面が曲面形状を有する。そして、球面台座部４３のねじ穴６８には、ワッシャー７２の曲面と当接するすり鉢型の斜面が形成され、光源支持部４４のねじ穴６９には、ワッシャー７１の曲面と当接するすり鉢型の斜面が形成される。また、ねじ穴６８、６９の円筒部分は、ボルト７０が傾いた状態でもボルト７０の円筒部がねじ穴６８、６９を挿通可能なように、ボルト７０の円筒部よりも大きい幅を有する。

図５の構成によれば、ボルト７０が球面台座部４３及び光源支持部４４の少なくとも一方に対して傾いた状態でナット７３により締め付けられた場合であっても、ワッシャー７１、７２とねじ穴６９、６８のすり鉢型の斜面とが一ヶ所に偏ることなくボルト７０の周りに沿って接触する。よって、この構成により、球面台座部４３の水平面と光源支持部４４の水平面とがなす角度によらず、好適に球面台座部４３と光源支持部４４とをボルト７０により締結させることができる。なお、図５の例において、ナット７３とねじ穴６８との間に曲面形状のワッシャー７２を設ける代わりに、ワッシャー７２と同様の形状（ねじ穴６８の方向に凸の曲面）を有するナットを用いてもよい。この場合には、ワッシャー７２を用いる必要がない。

以上説明したように、本実施例に係る測距装置１００は、回転軸７０を中心に回転するプリズム３４と、少なくとも一部に凸球面の凸球面６３が形成された球面台座部４３と、球面台座部４３の凸球面６３上で摺動するように設置される光源支持部４４と、光源４０及びコリメータレンズ４１とを備える。ここで、凸球面６３の中心位置Ｐｃは、回転軸７０が交わるプリズム３４の反射面５１上に存在し、光源支持部４４は、中心位置Ｐｃを中心として移動する。そして、光源支持部４４を球面台座部４３の凸球面６３上で摺動させた場合であっても、投射光Ｌ１の光軸は、回転軸７０と交わる反射面５１上の点に入射する。よって、この態様によれば、投射光Ｌ１の出射角度の調整に起因した製品の性能低下を好適に抑制することができる。

１０筐体
１３支柱部
１６受光部
１８制御部
３０回転体
３３集光レンズ
３４プリズム
４０光源部
４１コリメータレンズ
４３球面台座部
４４光源支持部
１００測距装置

Claims

回転軸を中心に回転し、反射面の少なくとも一部が前記回転軸上となるように配置された反射部と、
前記反射面に向けて光を射出する光源部を支持する支持部と、
を備え、
前記支持部は、前記光源部が射出する前記光の光軸が前記回転軸と前記反射面の交点に重なるように、角度調整可能に構成されたことを特徴とする光学装置。