JP2021184067A - 光走査装置、対象物認識装置および光走査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の二次元的な走査に要する時間を抑えることを可能とする。【解決手段】空間位相変調素子２２は、リボン２２１を変位させることで光に位相変調を実行するいわゆるグレーティングライトバルブである。かかる空間位相変調素子２２に測定光ビームＬｍ（測定光）を入射させると、測定光ビームＬｍはリボン２２１の変位態様に応じた方向へ射出される。つまり、リボン２２１の変位態様を制御することで、測定光ビームＬｍが射出される方向を変更して、測定光ビームＬｍを対象物Ｊに対して走査することができる。この際、空間位相変調素子２２によって位相変調が実行された測定光ビームＬｍは、直線状に成形されてから対象物Ｊに投影される。すなわち、直線状の測定光ビームＬｍが対象物Ｊに走査される。【選択図】図４Ｂ

Description

この発明は、対象物に投影した光の波長を掃引しつつ対象物で反射された光を検出することで対象物を認識する技術に関し、例えばＬｉＤＡＲ(Light Detection and Ranging、Laser Imaging
Detection and Ranging)等で用いられる技術に関する。

従来、例えばＬｉＤＡＲ等によって対象物を認識するにあたっては、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）が用いられている。このＦＭＣＷは、波長を掃引した光を対象物に投影しつつ対象物から反射された光をフォトディテクタで検出した結果に基づき対象物までの距離を計測する。

かかる技術を用いて、例えば車両等の周囲に存在する対象物を認識するためには、対象物に対して光を二次元的に走査する必要がある。このような光の二次元走査は、例えば特許文献１に開示されているＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーにより実行できる。このＭＥＭＳミラーは、直交する２個の軸のそれぞれの周りで回動できる。ＭＥＭＳミラーを一方の軸を中心に回動させつつＭＥＭＳミラーに光を反射させることで、光が主走査方向に走査される（主走査）。この主走査では、対象物に入射した光は、ＭＥＭＳミラーに向けて反射され、さらにＭＥＭＳミラーによってフォトディテクタへ反射されて、フォトディテクタにより検出される。そして、他方の軸の周りでＭＥＭＳミラーを回動させて光の位置を副走査方向に変位させつつ主走査を繰り返すことで、二次元的に光を走査できる。

特開２０２０−０１６４８１号公報

このようなＭＥＭＳミラーを用いた光の二次元走査では、副走査方向へ光の位置を変位させつつ主走査を繰り返す。そのため、走査に時間を要していた。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることを可能とする技術の提供を目的とする。

本発明に係る光走査装置は、波長が連続的に変化する基準光および測定光を生成する波長掃引光生成部と、測定光を反射する複数の格子要素を有し、格子要素を変位させることで測定光に位相変調を実行する空間位相変調素子と、空間位相変調素子によって位相変調が実行された測定光を直線状に成形することで、直線状に延びる測定光を対象物に投影する投影光学系と、直線状に配列された複数のフォトディテクタを有し、対象物で反射された測定光を複数のフォトディテクタに導く受光部とを備え、受光部は、基準光と重ね合わせた測定光を複数のフォトディテクタに導き、複数のフォトディテクタは、重ね合わされた基準光および測定光を検出し、空間位相変調素子は、複数の格子要素それぞれの変位を制御することで、測定光を対象物に対して走査する。

本発明に係る光走査方法は、波長が連続的に変化する基準光および測定光を生成する工程と、測定光を反射する複数の格子要素を有する空間位相変調素子の格子要素を変位させることで測定光に位相変調を実行する工程と、位相変調が実行された測定光を直線状に成形することで、直線状に延びる測定光を対象物に投影する工程と、対象物で反射された測定光と基準光とを重ね合わせる工程と、重ね合わされた測定光と基準光とを、直線状に配列された複数のフォトディテクタによって検出する工程とを備え、空間位相変調素子の複数の格子要素それぞれの変位を制御することで、測定光を対象物に対して走査する。

このように構成された本発明（光走査装置および光走査方法）では、複数の格子要素を有する空間位相変調素子が用いられる。この空間光変調素子は、格子要素を変位させることで光に位相変調を実行する。かかる空間位相変調素子に測定光を入射させると、測定光は格子要素の変位態様に応じた方向へ射出される。つまり、格子要素の変位態様を制御することで、測定光が射出される方向を変更して、測定光を対象物に対して走査することができる。この際、空間位相変調素子によって位相変調が実行された測定光は、直線状に成形されてから対象物に投影される。すなわち、直線状の測定光が対象物に走査される。これに対応して、直線状に配列された複数のフォトディテクタが設けられており、対象物で反射された直線状の測定光は、複数のフォトディテクタによって検出される。したがって、直線状の測定光の長さと測定光を走査する幅とを有する範囲に対して測定光を一度に走査して、検出することができる。こうして、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることが可能となっている。

また、空間光変調素子により光を走査することで、次のような利点が期待できる。つまり、ＭＥＭＳミラーを用いて光を走査しようとすると、測定光の波長が連続的に変化している期間にＭＥＭＳミラーが回動することで、適切な光の走査を実行するのが難しくなるおそれが想定される。これに対して、空間光変調素子は、所望の変位量で格子要素を的確に静止させることができ、このようなおそれがない。また、格子要素の変位量は比較的高速に変更できるため、格子要素の変位態様を瞬時に変更して測定光を高速に走査することができる。その結果、光の二次元的な走査に要する時間をより確実に抑えることが可能になると期待できる。

また、投影光学系は、延設方向に測定光を広げつつ延設方向からの視点において測定光をコリメートすることで、延設方向に直線状に延びる測定光を対象物に投影するように、光走査装置を構成してもよい。これによって、コリメート光で構成された直線状の測定光を対象物に走査することができる。

また、受光部は、複数のフォトディテクタにそれぞれ対応して直線状に配列された複数のレンズを有し、対象物で反射された測定光が複数のレンズに入射し、レンズは、入射してきた測定光を対応するフォトディテクタに導くように、光走査装置を構成してもよい。かかる構成では、対象物で反射された直線状の測定光を、複数のフォトディテクタのそれぞれに的確に導くことができる。

また、受光部は、複数のフォトディテクタにそれぞれ対応して直線状に配列された複数の光合成器をさらに有し、光合成器は、同一のフォトディテクタに対応するレンズを透過した測定光に基準光を重ね合わせてから、対応するフォトディテクタに測定光および基準光を導くように、光走査装置を構成してもよい。かかる構成では、対象物で反射された直線状の測定光を、基準光と重ね合わせつつ、複数のフォトディテクタのそれぞれに的確に導くことができる。

また、波長掃引光生成部と空間位相変調素子との間に設けられた照射光学系をさらに備え、複数の格子要素は配列方向に配列され、格子要素は配列方向に直交する長尺方向に延びた形状を有し、照射光学系は、長尺方向において空間位相変調素子に対して測定光を収束させるとともに、長尺方向からの視点において空間位相変調素子に対して測定光をコリメートするように、光走査装置を構成してもよい。かかる構成では、空間位相変調素子の複数の格子要素に対して測定光を収束させる。したがって、格子要素のうち、変位が比較的高い精度で制御されている範囲に測定光を絞ることができ、空間位相変調素子から所望の方向へ測定光を的確に射出することが可能となる。

本発明に係る対象物認識装置は、上記の光走査装置と、光走査装置が備える複数のフォトディテクタによる検出結果に基づき対象物との位置関係を算出する制御部とを備える。したがって、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることが可能となっている。

以上のように、本発明によれば、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることが可能となる。

本発明に係る対象物認識装置を示すブロック図。 グレーティングライトバルブの構成を模式的に示す平面図。 グレーティングライトバルブの構成を模式的に示す側面図。 グレーティングライトバルブの動作を模式的に示す図。 送信ユニットの構成を模式的に示す斜視図。 走査方向に直交する直交方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図。 走査方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図。 投影光学系の変形例の光学的動作を模式的に示す光線図。 空間位相変調素子の構成の他の例を概略的に示す図。

図１は本発明に係る対象物認識装置を示すブロック図である。図１の対象物認識装置１は、周囲を走査することで周囲に存在する対象物Ｊまでの距離を測定して、対象物Ｊの存在範囲を認識する。この対象物認識装置１は、対象物Ｊに測定光ビームＬｍを送信する送信ユニット２と、対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍを受信する受信ユニット６と、送信ユニット２および受信ユニット６を制御する制御部９とを備える。

送信ユニット２は、連続的に波長が変化する光ビームを射出する波長掃引光源２１と、波長掃引光源２１から射出された測定光ビームＬｍに対して位相変調を実行する空間位相変調素子２２とを有する。対象物Ｊには、空間位相変調素子２２によって位相変調が実行された測定光ビームＬｍが送信される。

受信ユニット６は、一列に配列された複数のフォトディテクタで構成されたフォトディテクタアレイ６１を有し、対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍはフォトディテクタアレイ６１によって検出される。より詳しくは、受信ユニット６は、送信ユニット２から受信した基準光ビームＬｒと、対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍとを重ね合わせて合成波を生成し、フォトディテクタアレイ６１はこの合成波を検出する。この合成波は、測定光ビームＬｍと基準光ビームＬｒとの干渉によって生じるビートを含む。

制御部９は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)といったプロセッサあるいはＦＰＧＡ(Field
Programmable Gate Array)等で構成される。この制御部９は、波長掃引光源２１からの測定光ビームＬｍおよび基準光ビームＬｒの射出や、空間位相変調素子２２による位相変調を制御する。さらに、制御部９は、フォトディテクタアレイ６１が検出した測定光ビームＬｍと基準光ビームＬｒとの合成波に含まれるビートに基づき、対象物Ｊまでの距離を算出する。

この対象物認識装置１で使用される空間位相変調素子２２は、例えば図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示すグレーティングライトバルブである。ここで、図２Ａはグレーティングライトバルブの構成を模式的に示す平面図であり、図２Ｂはグレーティングライトバルブの構成を模式的に示す側面図であり、図２Ｃはグレーティングライトバルブの動作を模式的に示す図である。

空間位相変調素子２２は、方向Ｇｘに配列された複数のリボン２２１を有する。図２Ａに示すように平面視において、構成要素であるリボン２２１は、方向Ｇｘに短くて方向Ｇｙに長い矩形状を有する。ここで、方向Ｇｙは方向Ｇｘに直交する。リボン２２１は可撓性を有して、その表面は光ビームを正反射する反射面として機能する。図２Ｂには、撓んでいないリボン２２１と、撓んだリボン２２１（破線）とが併記されている。このように、リボン２２１は、撓むことで方向Ｇｚに変位する。ここで、方向Ｇｚは方向Ｇｘおよび方向Ｇｙに直交する。空間位相変調素子２２は、制御部９からの信号に応じた静電気力によってリボン２２１を撓ませることで、当該信号が示す変位量だけリボン２２１を変位させる。これによって、多数の態様で複数のリボン２２１を変位させることができる。

この点について、図２Ｃの例を用いて説明を行う。モードＭ１では、複数のリボン２２１の変位量は等しくゼロであり、空間位相変調素子２２は鏡として機能する。モードＭ２、Ｍ３では、リボン２２１の変位量は方向Ｇｘに周期的に変化して、空間位相変調素子２２はブレーズド回折格子として機能する。つまり、空間位相変調素子２２は、リボン２２１の変位量の周期に応じた角度へ測定光ビームＬｍを反射する。なお、モードＭ２とモードＭ３とでは、リボン２２１の変位の周期が異なり、空間位相変調素子２２によって測定光ビームＬｍ光が反射される角度は異なる。したがって、空間位相変調素子２２は、複数のリボン２２１が変位する周期を変化させることで、測定光ビームＬｍを走査方向に走査することができる。

図３は送信ユニットの構成を模式的に示す斜視図であり、図４Ａは走査方向に直交する直交方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図であり、図４Ｂは走査方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図である。なお、図４Ａでは受信ユニットの構成が併記されている。

先ずは、直交方向Ｄｒの動作について説明する。波長掃引光源２１は、制御部９からの指令に応じて、波長が連続的に変化する波長掃引光ビームＬｏを射出する。図４Ａに示す走査方向Ｄｓからの視点において（換言すれば、直交方向Ｄｒにおいて）、波長掃引光源２１から射出された波長掃引光ビームＬｏは、シリンドリカルレンズＣによってコリメートされる。こうしてコリメートされた波長掃引光ビームＬｏは、ビームスプリッタＳ１によって、基準光ビームＬｒと測定光ビームＬｍとに分割される。これによって、測定光ビームＬｍと同様に波長が連続的に変化する基準光ビームＬｒが生成される。この基準光ビームＬｒは送信ユニット２から受信ユニット６に送信されて、後述するビートの生成に使用される。

一方、測定光ビームＬｍは、図４Ａに示す走査方向Ｄｓからの視点において、レンズＦａ１によって空間位相変調素子２２に結像される。ここの例では、走査方向Ｄｓが方向Ｇｘに対応し、直交方向Ｄｒが方向Ｇｙに対応する（図２、図４Ａ、図４Ｂ）。したがって、測定光ビームＬｍは、方向Ｇｙにおいて集光されて、各リボン２２１の中央に結像される。

ちなみに、図３に示すように、レンズＦａ１と空間位相変調素子２２との間には、偏光ビームスプリッタＳ２と１／４波長板Ｐとが配置されている。したがって、レンズＦａ１から射出された測定光ビームＬｍは、偏光ビームスプリッタＳ２によって反射されて、空間位相変調素子２２に向けて直角に曲げられる。こうして偏光ビームスプリッタＳ２で反射された測定光ビームＬｍは、１／４波長板Ｐの通過に伴って１／４波長回転してから、空間位相変調素子２２に入射する。

空間位相変調素子２２に入射した測定光ビームＬｍは、空間位相変調素子２２によって、１／４波長板Ｐおよび偏光ビームスプリッタＳ２に向けて反射される。したがって、測定光ビームＬｍは、１／４波長板Ｐの通過に伴ってさらに１／４波長回転してから、偏光ビームスプリッタＳ２に入射する。測定光ビームＬｍは、２回の１／４波長板Ｐの通過によって１／２波長回転しているため、偏光ビームスプリッタＳ２に入射した測定光ビームＬｍは、偏光ビームスプリッタＳ２を通過して、レンズＦａ２、Ｆａ３で構成される投影光学系Ｆａ２３に向かう。なお、図４Ａ、図４Ｂでは、説明を簡略化するため反射型の空間光変調素子２２の光線の折り返しについては図示を省略している。

図４Ａに示す走査方向Ｄｓからの視点において、空間位相変調素子２２で反射された測定光ビームＬｍは、レンズＦａ２によってコリメートされた後に、レンズＦａ３によって結像される。レンズＦａ３によって測定光ビームＬｍが結像される結像点は、レンズＦａ３と対象物Ｊとの間に位置する。そのため、測定光ビームＬｍは、直交方向Ｄｒに広がりつつ対象物Ｊに入射する。このように投影光学系Ｆａ２３は、直交方向Ｄｒに広がる測定光ビームＬｍを成形して、対象物Ｊに照射する。

次に、走査方向Ｄｓの動作について説明する。シリンドリカルレンズＣは走査方向Ｄｓにはパワーを有さず、図４Ｂに示す直交方向Ｄｒからの視点において（換言すれば、走査方向Ｄｓにおいて）、波長掃引光源２１から射出された波長掃引光ビームＬｏは、シリンドリカルレンズＣにより屈折されることなく進行して、測定光ビームＬｍとしてレンズＦａ１に入射する。

直交方向Ｄｒからの視点において、レンズＦａ１に入射した測定光ビームＬｍは、レンズＦａ１によってコリメートされてから空間位相変調素子２２に入射する。つまり、測定光ビームＬｍは、走査方向Ｄｓにおいてコリメートされつつ上述の通り直交方向Ｄｒにおいて結像された状態で、空間位相変調素子２２に入射する。したがって、方向Ｇｘに平行に延びた測定光ビームＬｍが、空間位相変調素子２２の方向Ｇｙの中央に結像される。

一方、空間位相変調素子２２は、制御部９からの指令に応じた態様で複数のリボン２２１を変位させて、測定光ビームＬｍに対して位相変調を実行する。そのため、空間位相変調素子２２に入射した測定光ビームＬｍは、複数のリボン２２１の変位態様に応じた角度で空間位相変調素子２２によって反射される。図４Ｂでは、空間位相変調素子２２によって４つの異なる角度へ反射された測定光ビームＬｍが併記されている。こうして、空間位相変調素子２２によって反射された測定光ビームＬｍは、レンズＦａ２に入射する。

ちなみに、上述のとおり、レンズＦａ１と空間位相変調素子２２との間には、偏光ビームスプリッタＳ２と１／４波長板Ｐとが配置されている。したがって、測定光ビームＬｍは、偏光ビームスプリッタＳ２から１／４波長板Ｐを経由して空間位相変調素子２２に入射する。さらに、測定光ビームＬｍは、空間位相変調素子２２から１／４波長板Ｐを経由して偏光ビームスプリッタＳ２に入射する。これら偏光ビームスプリッタＳ２および１／４波長板Ｐの機能の詳細は上で説明した通りである。

図４Ｂに示す直交方向Ｄｒからの視点において、空間位相変調素子２２で反射された測定光ビームＬｍは、レンズＦａ２によって結像された後に、レンズＦａ３によってコリメートされる。図４Ｂに示すように、レンズＦａ２、Ｆａ３で構成される投影光学系Ｆａ２３は、空間位相変調素子２２から射出された測定光ビームＬｍの幅を狭める。また、上述のように、投影光学系Ｆａ２３は、直交方向Ｄｒには測定光ビームＬｍを広げる。つまり、投影光学系Ｆａ２３は、直交方向Ｄｒに広くて走査方向Ｄｓに狭い直線状に測定光ビームＬｍを成形して、対象物Ｊに照射する。

かかる構成では、空間位相変調素子２２が測定光ビームＬｍを反射する角度を変更すると、直交方向Ｄｒに直線状に延びる測定光ビームＬｍが対象物Ｊに対して走査方向Ｄｓに走査される。なお、図４Ｂに示すように、投影光学系Ｆａ２３は、空間位相変調素子２２による測定光ビームＬｍの反射角を広げる。これによって、測定光ビームＬｍの走査範囲が広く確保されている。

以上が送信ユニット２の詳細である。続いては、受信ユニット６について説明を行う。対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍは、送信ユニット２に戻らずに、送信ユニット２とは別に設けられた受信ユニット６に入射する。この受信ユニット６は、フォトディテクタアレイ６１、光合成素子アレイ６３、マイクロレンズアレイ６５およびカメラレンズ６７を有する。対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍは、カメラレンズ６７によってマイクロレンズアレイ６５に導かれる。そして、マイクロレンズアレイ６５を透過した測定光ビームＬｍは、光合成素子アレイ６３を経由してフォトディテクタアレイ６１に入射する。

フォトディテクタアレイ６１は、アレイ方向Ａに一列に配列された複数のフォトディテクタ６１１を有する。これに対して、光合成素子アレイ６３は、複数のフォトディテクタ６１１に対応してアレイ方向Ａに一列に配列された複数の光合成素子６３１を有し、マイクロレンズアレイ６５は、複数のフォトディテクタ６１１に対応してアレイ方向Ａに一列に配列された複数のマイクロレンズ６５１を有する。なお、フォトディテクタアレイ６１の個数は、図４Ａに示される個数に限られない点は言うまでもない。

アレイ方向Ａは直交方向Ｄｒに対応しており、対象物Ｊで反射された直線状の測定光ビームＬｍは、アレイ方向Ａに沿って複数のマイクロレンズ６５１に照射される。そして、複数のマイクロレンズ６５１を透過した測定光ビームＬｍは、複数の光合成素子６３１を経由して複数のフォトディテクタ６１１に到達する。

詳述すると、マイクロレンズ６５１は、入射してきた測定光ビームＬｍを対応するフォトディテクタアレイ６１に向けて結像する。また、各光合成素子６３１には、ビームスプリッタＳ１で波長掃引光ビームＬｏから分割された基準光ビームＬｒが送信されており、光合成素子６３１は、対応するフォトディテクタ６１１に向けて結像される測定光ビームＬｍと基準光ビームＬｒとを重ね合わせて、フォトディテクタ６１１に向けて射出する。こうして、フォトディテクタ６１１は、測定光ビームＬｍと基準光ビームＬｒとの合成波を検出する。この合成波は、測定光ビームＬｍと基準光ビームＬｒとの干渉によって生じるビートを含み、制御部９はこのビートに基づき対象物Ｊまでの距離を算出する。

ちなみに、上述の通り、測定光ビームＬｍおよび基準光ビームＬｒに対しては、波長を連続的に変化させる波長掃引が実行される。この波長掃引は、長波長から短波長へ波長を連続的に変化させる、あるいは短波長から長波長へ波長を連続的に変化させる動作である。波長掃引が実行されている間は、空間位相変調素子２２は、測定光ビームＬｍを反射する角度（走査角）に応じた変位態様で複数のリボン２２１を静止させる。そして、走査角の変更は、この波長掃引が完了して次の波長掃引が開始される間に、複数のリボン２２１の変位態様を変化させることで実行される。

以上に説明した実施形態では、複数のリボン２２１を有する空間位相変調素子２２が用いられる。この空間位相変調素子２２は、リボン２２１を変位させることで光に位相変調を実行するいわゆるグレーティングライトバルブである。かかる空間位相変調素子２２に測定光ビームＬｍ（測定光）を入射させると、測定光ビームＬｍはリボン２２１の変位態様に応じた方向へ射出される。つまり、リボン２２１の変位態様を制御することで、測定光ビームＬｍが射出される方向を変更して、測定光ビームＬｍを対象物Ｊに対して走査することができる。この際、空間位相変調素子２２によって位相変調が実行された測定光ビームＬｍは、直線状に成形されてから対象物Ｊに投影される。すなわち、直線状の測定光ビームＬｍが対象物Ｊに走査される。これに対応して、直線状に配列された複数のフォトディテクタ６１１が設けられており、対象物Ｊで反射された直線状の測定光ビームＬｍは、複数のフォトディテクタ６１１によって検出される。したがって、直線状の測定光ビームＬｍの長さと、測定光ビームＬｍを走査する幅とを有する範囲に対して測定光ビームＬｍを一度に走査して、検出することができる。こうして、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることが可能となっている。

また、グレーティングライトバルブにより光を走査することで、次のような利点が期待できる。つまり、ＭＥＭＳミラーを用いて測定光ビームＬｍを走査しようとすると、測定光ビームＬｍの波長が連続的に変化している期間にＭＥＭＳミラーが回動することで、適切な測定光ビームＬｍの走査を実行するのが難しくなるおそれが想定される。これに対して、グレーティングライトバルブは、測定光ビームＬｍの波長が掃引される間、走査角に応じた変位態様でリボン２２１を的確に静止させることができ、このようなおそれがない。また、リボン２２１は１００ｋＨｚ以上で動作でき、比較的高速に変更できるため、リボン２２１の変位態様を瞬時に変更して測定光ビームＬｍを高速に走査することができる。その結果、測定光ビームＬｍの二次元的な走査に要する時間をより確実に抑えることが可能になると期待できる。

また、投影光学系Ｆａ２３は、直交方向Ｄｒ（延設方向）に測定光ビームＬｍを広げつつ直交方向Ｄｒからの視点において測定光ビームＬｍをコリメートすることで、直交方向Ｄｒに直線状に延びる測定光ビームＬｍを対象物Ｊに投影する。これによって、コリメート光で構成された直線状の測定光ビームＬｍを対象物Ｊに走査することができる。

また、受信ユニット６（受光部）は、複数のフォトディテクタ６１１にそれぞれ対応して直線状に配列された複数のマイクロレンズ６５１（レンズ）を有し、対象物Ｊで反射された測定光ビームＬｍが複数のマイクロレンズ６５１に入射する。そして、マイクロレンズ６５１は、入射してきた測定光ビームＬｍを対応するフォトディテクタ６１１に導く。かかる構成では、対象物Ｊで反射された直線状の測定光ビームＬｍを、複数のフォトディテクタ６１１のそれぞれに的確に導くことができる。

また、受信ユニット６は、複数のフォトディテクタ６１１にそれぞれ対応して直線状に配列された複数の光合成素子６３１（光合成器）をさらに有する。この光合成素子６３１は、同一のフォトディテクタ６１１に対応するマイクロレンズ６５１を透過した測定光ビームＬｍに基準光ビームＬｒ（基準光）を重ね合わせてから、対応するフォトディテクタ６１１に測定光ビームＬｍおよび基準光ビームＬｒを導く。かかる構成では、対象物Ｊで反射された直線状の測定光ビームＬｍを、基準光ビームＬｒと重ね合わせつつ、複数のフォトディテクタ６１１のそれぞれに的確に導くことができる。

また、空間位相変調素子２２では、複数のリボン２２１は方向Ｇｘ（配列方向）に配列され、リボン２２１は方向Ｇｙ（長尺方向）に延びた形状を有する。これに対して、波長掃引光源２１と空間位相変調素子２２との間には、レンズＦａ１（照射光学系）が配置されている。このレンズＦａ１は、方向Ｇｙにおいて空間位相変調素子２２に対して測定光ビームＬｍを収束させるとともに、方向Ｇｙからの視点において空間位相変調素子２２に対して測定光ビームＬｍをコリメートする。このように、空間位相変調素子２２の複数のリボン２２１に対して測定光ビームＬｍを収束させているため、リボン２２１のうち、変位が比較的高い精度で制御されている範囲（中央部）に測定光ビームＬｍを絞ることができ、空間位相変調素子２２から所望の方向へ測定光ビームＬｍを的確に射出することが可能となる。

以上に説明した実施形態では、対象物認識装置１が本発明の「対象物認識装置」の一例に相当し、送信ユニット２および受信ユニット６が本発明の「光走査装置」を構成し、波長掃引光源２１およびビームスプリッタＳ１が本発明の「波長掃引光生成部」を構成し、空間位相変調素子２２が本発明の「空間位相変調素子」の一例に相当し、リボン２２１が本発明の「格子要素」の一例に相当し、受信ユニット６が本発明の「受光部」の一例に相当し、フォトディテクタ６１１が本発明の「フォトディテクタ」の一例に相当し、光合成素子６３１が本発明の「光合成器」の一例に相当し、マイクロレンズ６５１が本発明の「レンズ」の一例に相当し、制御部９が本発明の「制御部」の一例に相当し、直交方向Ｄｒが本発明の「延設方向」の一例に相当し、レンズＦａ１が本発明の「照射光学系」の一例に相当し、投影光学系Ｆａ２３が本発明の「投影光学系」の一例に相当し、方向Ｇｘが本発明の「配列方向」の一例に相当し、方向Ｇｙが本発明の「長尺方向」の一例に相当し、対象物Ｊが本発明の「対象物」の一例に相当し、基準光ビームＬｒが本発明の「基準光」の一例に相当し、測定光ビームＬｍが本発明の「測定光」の一例に相当する。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記の投影光学系Ｆａ２３は測定光ビームＬｍを対象物Ｊより前で結像することで、測定光ビームＬｍの走査角を広げていた。しかしながら、図５のように投影光学系を構成してもよい。ここで、図５は投影光学系の変形例の光学的動作を模式的に示す光線図である。同図では、４個の異なる走査角に投影された測定光ビームＬｍがそれぞれ併記されている。この投影光学系Ｆｂ１４は、測定光ビームＬｍの角度をそれぞれ広げる４個のレンズＦｂ１〜Ｆｂ４で構成される。

また、偏光ビームスプリッタＳ２および１／４波長板Ｐは必須の構成ではない。したがって、偏光ビームスプリッタＳ２および１／４波長板Ｐを設けずに送信ユニット２を構成してもよい。

また、基準光ビームＬｒの生成方法は上記の例に限られない。例えば、図４Ｂに示す直交方向Ｄｒからの視点において、測定光ビームＬｍから基準光ビームＬｒを分割するビームスプリッタによって基準光ビームＬｒを生成してもよい。

また、上述の例では、空間位相変調素子２２の一例としてグレーティングライトバルブを用いて説明してきたが、これに限られるものではなく、平面ライトバルブを採用しても良い。平面ライトバルブについて、図６を用いて説明する。

図６は空間位相変調素子２２の構成の他の例として平面ライトバルブを概略的に示す図である。平面ライトバルブ２２は、図示省略の基板上に隣接してマトリクス状に配置された複数の略矩形の反射素子２２３（格子要素）を備える。当該複数の反射素子２２３の表面が変調面となる。図６の示す例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個の反射素子２２３が配置される。

各反射素子２２３は、固定部材２２４と、可動部材２２５とを備える。固定部材２２４は、上記基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口が設けられる。可動部材２２５は、固定部材２２４の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材２２４の上面（すなわち、図６中の紙面に垂直な方向における手前側の面）には固定反射面が設けられる。可動部材２２５の上面には可動反射面が設けられる。可動部材２２５は、図６の紙面に垂直な方向に移動可能である。

反射素子２２３では、固定部材２２４と可動部材２２５との相対位置が、制御部９からの信号が示す変位量だけ変位する。この時、縦方向に並ぶ各反射素子２２３における可動部材２２５の変位量は同じである。つまり、１列単位（縦方向の単位）で変位量を制御する。したがって、上述したモードＭ２、Ｍ３の場合、列単位で可動部材２２５の変位量を横方向に周期的に変化させることでブレーズド回折格子として機能する。

なお、このような平面ライトバルブを適用する場合、空間位相変調素子２２に入射する光をＭ×Ｎのサイズとなる矩形状の光に成形する光学系、及び、縦方向に１列に並ぶ反射素子２２３からの反射光を積算し、直線状の測定光ビームに成形する光学系が搭載されることとなる。

以上、説明したように平面ライトバルブを空間位相変調素子２２として適用した場合でも、直線状の測定光の長さと測定光を走査する幅とを有する範囲に対して測定光を一度に走査して、検出することができる。こうして、光の二次元的な走査に要する時間を抑えることが可能となっている。

本発明は光を走査させる光走査技術の全般に適用可能である。

１…対象物認識装置
２…送信ユニット（光走査装置）
２１…波長掃引光源２１（波長掃引光生成部）
２２…空間位相変調素子
２２１…リボン（格子要素）
６…受信ユニット（光走査装置、受光部）
６１１…フォトディテクタ
６３１…光合成素子（光合成器）
６５１…マイクロレンズ（レンズ）
９…制御部
Ｄｒ…直交方向（延設方向）
Ｆａ１…レンズ（照射光学系）
Ｆａ２３…投影光学系
Ｇｘ…方向（配列方向）
Ｇｙ…方向（長尺方向）
Ｊ…対象物
Ｌｒ…基準光ビーム（基準光）
Ｌｍ…測定光ビーム（測定光）
Ｓ１…ビームスプリッタ（波長掃引光生成部）

Claims (7)

1. 波長が連続的に変化する基準光および測定光を生成する波長掃引光生成部と、
   前記測定光を反射する複数の格子要素を有し、前記格子要素を変位させることで前記測定光に位相変調を実行する空間位相変調素子と、
   前記空間位相変調素子によって位相変調が実行された前記測定光を直線状に成形することで、直線状に延びる前記測定光を対象物に投影する投影光学系と、
   直線状に配列された複数のフォトディテクタを有し、前記対象物で反射された前記測定光を前記複数のフォトディテクタに導く受光部と
   を備え、
   前記受光部は、前記基準光と重ね合わせた前記測定光を前記複数のフォトディテクタに導き、
   前記複数のフォトディテクタは、重ね合わされた前記基準光および前記測定光を検出し、
   前記空間位相変調素子は、前記複数の格子要素それぞれの変位を制御することで、前記測定光を前記対象物に対して走査する光走査装置。
2. 前記投影光学系は、延設方向に前記測定光を広げつつ前記延設方向からの視点において前記測定光をコリメートすることで、前記延設方向に直線状に延びる前記測定光を前記対象物に投影する請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記受光部は、前記複数のフォトディテクタにそれぞれ対応して直線状に配列された複数のレンズを有し、
   前記対象物で反射された前記測定光が前記複数のレンズに入射し、
   前記レンズは、入射してきた前記測定光を対応する前記フォトディテクタに導く請求項１または２に記載の光走査装置。
4. 前記受光部は、前記複数のフォトディテクタにそれぞれ対応して直線状に配列された複数の光合成器をさらに有し、
   前記光合成器は、同一の前記フォトディテクタに対応する前記レンズを透過した前記測定光に前記基準光を重ね合わせてから、対応する前記フォトディテクタに前記測定光および前記基準光を導く請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記波長掃引光生成部と前記空間位相変調素子との間に設けられた照射光学系をさらに備え、
   前記複数の格子要素は配列方向に配列され、
   前記格子要素は前記配列方向に直交する長尺方向に延びた形状を有し、
   前記照射光学系は、前記長尺方向において前記空間位相変調素子に対して前記測定光を収束させるとともに、前記長尺方向からの視点において前記空間位相変調素子に対して前記測定光をコリメートする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光走査装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光走査装置と、
   前記光走査装置が備える複数のフォトディテクタによる検出結果に基づき対象物との位置関係を算出する制御部と
   を備えた対象物認識装置。
7. 波長が連続的に変化する基準光および測定光を生成する工程と、
   前記測定光を反射する複数の格子要素を有する空間位相変調素子の前記格子要素を変位させることで前記測定光に位相変調を実行する工程と、
   位相変調が実行された前記測定光を直線状に成形することで、直線状に延びる前記測定光を対象物に投影する工程と、
   前記対象物で反射された前記測定光と前記基準光とを重ね合わせる工程と、
   重ね合わされた前記測定光と前記基準光とを、直線状に配列された複数のフォトディテクタによって検出する工程と
   を備え、
   前記空間位相変調素子の前記複数の格子要素それぞれの変位を制御することで、前記測定光を前記対象物に対して走査する光走査方法。
   

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