JP2022043268A - Irradiation apparatus and light receiving apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁波の受信及び照射に関する。 The present invention relates to reception and irradiation of electromagnetic waves.
従来から、電磁波であるレーザ光を用いたライダ(LIDAR:Laser Illuminated Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging または LiDAR:Light Detection and Ranging)などの計測装置が知られている。例えば、特許文献1には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いたライダが開示されている。
Conventionally, a measuring device such as a lidar (LIDAR: Laser Illuminated Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging or LiDAR: Light Detection and Ranging) using a laser beam which is an electromagnetic wave is known. For example,
一般的に、ウォブリング型のMEMSミラーを、水平方向を走査するライダに適用した場合には、出射光を水平方向に変換する為に回転対象な光学系を用いるため、受光素子に向けて外界からの入射光を集光する光学系は、サジタル方向の瞳倍率が小さくなるという問題があった。 Generally, when a wobbling type MEMS mirror is applied to a rider that scans in the horizontal direction, an optical system that is a rotation target is used to convert the emitted light in the horizontal direction, so that the light receiving element is directed from the outside world. The optical system that collects the incident light has a problem that the pupil magnification in the sagittal direction becomes small.
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、電磁波の照射範囲を拡大可能な照射装置、及び、受光範囲を好適に拡大可能な受信装置を提供することを目的とする。 As an example of the problem to be solved by the present invention, the above-mentioned one can be mentioned. An object of the present invention is to provide an irradiation device capable of expanding the irradiation range of electromagnetic waves and a receiving device capable of suitably expanding the light receiving range.
請求項に記載の発明は、照射部により照射された電磁波を所定の方向に向けて照射する照射装置であって、照射部によって照射された電磁波を透過するフィルタ部と、枠部に対して揺動し、前記フィルタ部によって透過された前記電磁波を第1反射波として反射する第1反射部と、を備え、前記フィルタ部は、前記フィルタ部を透過した前記電磁波の前記第1反射部への入射角よりも大きな角度で前記第1反射部に入射するように、前記第1反射波を前記第1反射部に反射し、前記第1反射部は、前記フィルタ部によって反射された前記第1反射波を、前記フィルタ部を透過する第2反射波として反射する。 The invention according to the claim is an irradiation device that irradiates an electromagnetic wave irradiated by an irradiation unit in a predetermined direction, and shakes the filter unit and the frame portion that transmit the electromagnetic waves emitted by the irradiation unit. The filter unit includes a first reflection unit that moves and reflects the electromagnetic wave transmitted by the filter unit as a first reflected wave, and the filter unit is provided with the filter unit to the first reflection unit of the electromagnetic wave transmitted through the filter unit. The first reflected wave is reflected by the first reflecting portion so as to be incident on the first reflecting portion at an angle larger than the incident angle, and the first reflecting portion is reflected by the filter portion. The reflected wave is reflected as a second reflected wave transmitted through the filter unit.
また、請求項に記載の発明は、照射部により照射された電磁波が物体によって反射された反射波を受信する受信装置であって、前記反射波を透過するフィルタ部と、枠部に対して揺動し、前記フィルタ部によって透過された前記反射波を第1反射波として反射する第1反射部と、を備え、前記フィルタ部は、前記フィルタ部を透過した前記電磁波の前記第1反射部への入射角よりも小さな角度で前記第1反射部に入射するように、前記第1反射波を前記第1反射部に反射し、前記第1反射部は、前記フィルタ部によって反射された前記第1反射波を、前記フィルタ部を透過して受信部へ入射する第2反射波として反射する。 Further, the invention according to the claim is a receiving device in which an electromagnetic wave emitted by an irradiation unit receives a reflected wave reflected by an object, and is shaken with respect to a filter unit and a frame portion that transmit the reflected wave. It is provided with a first reflecting unit that moves and reflects the reflected wave transmitted by the filter unit as a first reflected wave, and the filter unit is directed to the first reflecting unit of the electromagnetic wave transmitted through the filter unit. The first reflected wave is reflected on the first reflecting portion so as to be incident on the first reflecting portion at an angle smaller than the incident angle of the above, and the first reflecting portion is reflected by the filter portion. 1 The reflected wave is reflected as a second reflected wave that passes through the filter unit and is incident on the receiving unit.
本発明の好適な実施形態では、照射部により照射された電磁波を所定の方向に向けて照射する照射装置であって、照射部によって照射された電磁波を透過するフィルタ部と、枠部に対して揺動し、前記フィルタ部によって透過された前記電磁波を第1反射波として反射する第1反射部と、を備え、前記フィルタ部は、前記フィルタ部を透過した前記電磁波の前記第1反射部への入射角よりも大きな角度で前記第1反射部に入射するように、前記第1反射波を前記第1反射部に反射し、前記第1反射部は、前記フィルタ部によって反射された前記第1反射波を、前記フィルタ部を透過する第2反射波として反射する。この態様によれば、照射装置は、第1反射部の傾き角度が制限される場合であっても、見た目の第1反射部の傾き角度を大きくして電磁波の照射範囲を好適に拡大させることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the irradiation device irradiates the electromagnetic waves irradiated by the irradiation unit in a predetermined direction with respect to the filter unit and the frame portion that transmit the electromagnetic waves emitted by the irradiation unit. It is provided with a first reflecting unit that swings and reflects the electromagnetic wave transmitted by the filter unit as a first reflected wave, and the filter unit is directed to the first reflecting unit of the electromagnetic wave transmitted through the filter unit. The first reflected wave is reflected by the first reflecting portion so as to be incident on the first reflecting portion at an angle larger than the incident angle of the above, and the first reflecting portion is reflected by the filter portion. 1 The reflected wave is reflected as a second reflected wave transmitted through the filter unit. According to this aspect, even when the tilt angle of the first reflecting portion is limited, the irradiation device preferably increases the tilt angle of the first reflecting portion in appearance to expand the irradiation range of the electromagnetic wave. Can be done.
上記照射装置の一態様では、前記フィルタ部は、透過率角度依存性を有する光学部材である。この態様によれば、フィルタ部は、照射部によって照射された電磁波を透過しつつ、第1反射波を第1反射部に反射し、かつ、第2反射波を透過して外部へ射出することができる。 In one aspect of the irradiation device, the filter unit is an optical member having a transmittance angle dependence. According to this aspect, the filter unit transmits the electromagnetic wave irradiated by the irradiation unit, reflects the first reflected wave to the first reflection unit, and transmits the second reflected wave to the outside. Can be done.
上記照射装置の他の一態様では、前記フィルタ部は、当該フィルタ部への入射角度が第1角度から前記第1角度より大きい第2角度までの角度となる電磁波を反射し、前記入射角度が前記第1角度未満となる第3角度以下又は前記第2角度より大きい第4角度以上となる電磁波を透過し、前記照射部によって照射された電磁波は、前記入射角度が前記第3角度以下となり、前記第1反射波は、前記入射角度が前記第1角度から前記第2角度までの角度となり、前記第2反射波は、前記入射角度が前記第4角度以上となる。フィルタ部は、このような透過率の角度依存性を有することにより、照射部によって照射された電磁波を透過しつつ、第1反射波を第1反射部に反射し、かつ、第2反射波を透過して外部へ射出することができる。 In another aspect of the irradiation device, the filter unit reflects an electromagnetic wave whose angle of incidence on the filter unit is from a first angle to a second angle larger than the first angle, and the incident angle is increased. The electromagnetic wave transmitted by the third angle or less, which is less than the first angle, or the fourth angle or more, which is larger than the second angle, is irradiated by the irradiation unit, and the incident angle is the third angle or less. The incident angle of the first reflected wave is an angle from the first angle to the second angle, and the incident angle of the second reflected wave is equal to or larger than the fourth angle. Since the filter unit has such an angle dependence of the transmittance, the first reflected wave is reflected by the first reflecting unit and the second reflected wave is transmitted while transmitting the electromagnetic wave irradiated by the irradiation unit. It can be transmitted and ejected to the outside.
上記照射装置の他の一態様では、前記第1反射部は、前記枠部に対する傾き角が所定角度範囲内で変動し、前記傾き角が前記所定角度範囲内の任意の角度となる場合に、前記フィルタ部は、前記第1反射波を前記第1反射部に反射し、前記第1反射部は、前記フィルタ部によって反射された前記第1反射波を前記第2反射波として反射する。この態様により、照射装置は、第1反射部の傾き角を変調させて主走査方向と垂直な方向についても走査を行う場合に、垂直方向の走査角度(垂直視野角)を好適に拡大させることができる。 In another aspect of the irradiation device, the first reflective portion has a tilt angle with respect to the frame portion within a predetermined angle range, and the tilt angle becomes an arbitrary angle within the predetermined angle range. The filter unit reflects the first reflected wave to the first reflecting unit, and the first reflecting unit reflects the first reflected wave reflected by the filter unit as the second reflected wave. According to this aspect, the irradiation device preferably expands the scanning angle (vertical viewing angle) in the vertical direction when the tilt angle of the first reflecting portion is modulated to scan in the direction perpendicular to the main scanning direction. Can be done.
上記照射装置の他の一態様では、前記第1反射部は、前記フィルタ部に対して傾いている。これにより、フィルタ部は、フィルタ部を透過した電磁波の第1反射部への入射角よりも大きな角度で第1反射部に入射するように、第1反射波を第1反射部に反射することが可能となる。好適には、前記フィルタ部は、前記枠部と平行に設けられているとよい。第1反射部は枠部に対して揺動するため、この態様により、第1反射部は、フィルタ部に対して好適に傾く。 In another aspect of the irradiation device, the first reflecting portion is tilted with respect to the filter portion. As a result, the filter unit reflects the first reflected wave to the first reflection unit so that the electromagnetic wave transmitted through the filter unit is incident on the first reflection unit at an angle larger than the angle of incidence on the first reflection unit. Is possible. Preferably, the filter portion is provided in parallel with the frame portion. Since the first reflecting portion swings with respect to the frame portion, the first reflecting portion is suitably tilted with respect to the filter portion according to this embodiment.
上記照射装置の他の一態様では、前記第1反射部は、前記フィルタ部により反射された前記第1反射波を前記第1反射波として再反射した後、前記第1反射波を前記第2反射波として前記フィルタ部に反射する。この態様により、照射装置は、見た目の第1反射部の傾き角度を大幅に拡大することができる。例えば、前記第1反射部が、フィルタ部により反射された第1反射波を1回再反射する場合は、見た目の第1反射部の傾き角度を、フィルタ部を配置しない場合における第1反射部の傾き角度の2倍にすることができる。すなわち、再反射させる回数を増やすと、それに応じて見た目の第1反射部の傾き角度を、2倍、3倍、…と増倍させることができる。 In another aspect of the irradiation device, the first reflecting unit re-reflects the first reflected wave reflected by the filter unit as the first reflected wave, and then the first reflected wave is used as the second reflected wave. It is reflected by the filter unit as a reflected wave. According to this aspect, the irradiation device can greatly increase the tilt angle of the first reflective portion in appearance. For example, when the first reflection unit rereflects the first reflected wave reflected by the filter unit once, the inclination angle of the first reflection unit as it looks is set to the inclination angle of the first reflection unit when the filter unit is not arranged. The tilt angle of can be doubled. That is, if the number of times of rereflection is increased, the tilt angle of the apparent first reflecting portion can be doubled, tripled, and so on.
本発明の他の実施形態では、照射部により照射された電磁波が物体によって反射された反射波を受信する受信装置であって、前記反射波を透過するフィルタ部と、枠部に対して揺動し、前記フィルタ部によって透過された前記反射波を第1反射波として反射する第1反射部と、を備え、前記フィルタ部は、前記フィルタ部を透過した前記電磁波の前記第1反射部への入射角よりも小さな角度で前記第1反射部に入射するように、前記第1反射波を前記第1反射部に反射し、前記第1反射部は、前記フィルタ部によって反射された前記第1反射波を、前記フィルタ部を透過して受信部へ入射する第2反射波として反射する。この態様によれば、受信装置は、第1反射部の傾き角度の制限により、第1反射部に入射した反射波を直接受光部に反射できない反射波についても、フィルタ部を介することで受信部に好適に導くことができる。 In another embodiment of the present invention, the electromagnetic wave irradiated by the irradiation unit is a receiving device that receives the reflected wave reflected by the object, and swings with respect to the filter unit and the frame unit that transmit the reflected wave. The filter unit includes a first reflection unit that reflects the reflected wave transmitted by the filter unit as a first reflected wave, and the filter unit transfers the electromagnetic wave transmitted through the filter unit to the first reflection unit. The first reflected wave is reflected by the first reflecting portion so as to be incident on the first reflecting portion at an angle smaller than the incident angle, and the first reflecting portion is reflected by the filter portion. The reflected wave is reflected as a second reflected wave that passes through the filter unit and is incident on the receiving unit. According to this aspect, in the receiving device, even if the reflected wave incident on the first reflecting portion cannot be directly reflected by the light receiving portion due to the limitation of the tilt angle of the first reflecting portion, the receiving device can receive the reflected wave through the filter portion. Can be suitably guided to.
以下、図面を参照して本発明の好適な第1~第3実施例について説明する。以後において、「照射」及び「射出」は、共に、光が出力されることを指し、主に、反射部や対象物などの光が当たる対象の存在を前提とした説明では「照射」、光が当たる対象の存在を特に前提としない(意識しない)説明では「射出」を以下の説明において便宜上用いるものとする。 Hereinafter, preferred first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, both "irradiation" and "emission" refer to the output of light, and in the explanation premised on the existence of an object to which light hits, such as a reflecting part or an object, "irradiation" and light are used. In the explanation that does not presuppose (not be aware of) the existence of the object to which is hit, "injection" is used for convenience in the following explanation.
<第1実施例>
図1は、第1実施例に係る照射装置10の概略構成を示す。照射装置10は、電磁波(例えば、波長905nmの赤外線)であるレーザ光(「射出光Lt」とも呼ぶ。)を外界へ射出する。照射装置10は、主に、射出光Ltを射出する光源部1と、MEMSミラー2と、透過率角度依存フィルタ9とを備える。
<First Example>
FIG. 1 shows a schematic configuration of the
以後では、光源部1から射出された射出光LtがMEMSミラー2に入射する方向(即ちMEMSミラー2が傾いていない時の法線方向)を「z軸方向」、z軸に垂直となる方向をそれぞれ「x軸方向」、「y軸方向」とし、これらの各正方向を図示のように定める。図1は、照射装置10のx-z断面を表しており、MEMSミラー2は、y軸回りにチルト角度「ψ」だけ傾いている。なお、チルト角度ψは、MEMSミラー2の法線方向がz軸に対してなす角度に等しい。図1の二点鎖線は、MEMSミラー2の法線方向を示している。
After that, the direction in which the emitted light Lt emitted from the
MEMSミラー2は、図示しない枠部に対して揺動することで、光源部1から入射するレーザ光を透過率角度依存フィルタ9に向けて反射し、透過率角度依存フィルタ9により反射された光を再び反射して外界へ向けて反射する。MEMSミラー2は、例えば静電駆動方式のミラーであり、図示しない制御部により動作が制御されるウォブリング(揺動)型のミラーである。MEMSミラー2は、本発明における「第1反射部」の一例である。
The
透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラー2の反射面と対向し、かつ、xy平面(即ち図示しないMEMSミラー2の枠部)と平行な状態で載置され、MEMSミラー2へ入射する光及びMEMSミラー2により反射される光の光路上に設けられている。そして、透過率角度依存フィルタ9は、光の入射角によってその光の透過率が変化するフィルタである。図1の例では、透過率角度依存フィルタ9は、光源部1から射出された射出光Ltを透過させた後、MEMSミラー2により反射された射出光Ltを反射し、MEMSミラー2により再反射された射出光Ltを透過させている。なお、透過率角度依存フィルタ9は、例えば、MEMSミラー2の窓板に代えて設けられてもよい。透過率角度依存フィルタ9は、本発明における「フィルタ部」の一例である。
The transmittance angle-
図2は、MEMSミラー2の動作範囲を概略的に示した図である。図2の例では、MEMSミラー2は、矢印90に示すように、チルト角ψが角度「ψ0」を保ちながらz軸回りに回転する。また、好適には、MEMSミラー2のチルト角ψは、角度ψ0を中心として角度「Δψ」だけ変調自在である。この場合、MEMSミラー2のチルト角ψについて以下の式(1)が成立する。
ψ0-Δψ ≦ ψ ≦ ψ0+Δψ (1)
なお、一般的に、製造方法等の理由から、角度ψ0及び角度Δψを大きな角度とするのは困難となっている。そして、本実施例では、MEMSミラー2の反射面と対向する位置に透過率角度依存フィルタ9を設けることで、チルト角度に制限があるウォブリング型のMEMSミラー2の見た目(見かけ上)のチルト角度ψを大きくし、走査角を好適に拡大する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the operating range of the
ψ 0 - Δ ψ ≦ ψ ≦ ψ 0 + Δψ (1)
In general, it is difficult to set the angle ψ 0 and the angle Δψ to be large angles due to the manufacturing method and the like. Then, in this embodiment, the apparent (apparent) tilt angle of the wobbling
図3は、図1に示す透過率角度依存フィルタ9の光学的作用を説明する図である。まず、射出光Ltは、z軸に沿って透過率角度依存フィルタ9に対して垂直に(即ち入射角0°により)入射して透過率角度依存フィルタ9を透過した後、MEMSミラー2のチルト角ψに等しい入射角ψによりMEMSミラー2へ入射する。その後、射出光Ltは、MEMSミラー2で反射することで、入射角2ψにより透過率角度依存フィルタ9に入射し、透過率角度依存フィルタ9により反射されることによりMEMSミラー2へ再入射する。そして、MEMSミラー2へ再入射した射出光Ltは、MEMSミラー2で反射後、入射角4ψにより透過率角度依存フィルタ9に入射し、透過率角度依存フィルタ9を透過する。なお、MEMSミラー2により最初に反射された射出光Ltは、本発明における「第1反射波」の一例であり、MEMSミラー2により最後(2回目)に反射された射出光Ltは、本発明における「第2反射波」の一例である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the optical action of the transmittance angle-
このように、図3の例では、透過率角度依存フィルタ9は、入射角0°及び入射角4ψの光を高い100%に近い透過率により透過し、かつ、入射角2ψの光を0%に近い透過率により反射するような透過率の入射角依存性を有する。この入射角依存性については、図4を参照して後述する。
As described above, in the example of FIG. 3, the transmittance angle-
また、図3の例では、MEMSミラー2が射出光Ltを最初に反射したときの反射光がz軸となす角度は「2ψ」であるのに対し、MEMSミラー2が射出光Ltを2回目に反射したときの反射光(即ち外界へ射出される射出光Lt)がz軸となす角度は2倍の「4ψ」となっている。このように、照射装置10は、透過率角度依存フィルタ9を備えることで、透過率角度依存フィルタ9を備えない構成と比較し、MEMSミラー2のチルト角度ψを2倍にしたときと同じ角度により射出光Ltを射出することができる。よって、本実施例に係る照射装置10によれば、一般的にチルト角度に制限があるウォブリング型のMEMSミラー2の見た目(見かけ上)のチルト角度ψを大きくし、走査角を好適に拡大することができる。
Further, in the example of FIG. 3, the angle formed by the reflected light when the
また、MEMSミラー2のチルト角が式(1)により表される場合、照射装置10は、外界へ射出される射出光Ltを、z軸に対して傾き角4ψ0を中心に「±4Δψ」で変調させることが可能となる。なお、照射装置10は、仮に透過率角度依存フィルタ9を備えない場合には、外界へ射出される射出光Ltを、z軸に対して傾き角2ψ0を中心に「±2Δψ」で変調させることになる。従って、照射装置10は、透過率角度依存フィルタ9を備えることで、変調角を実質的に倍増し、水平方向(即ち主走査方向)に対して垂直な走査角度である垂直視野角を好適に倍増することもできる。
Further, when the tilt angle of the
次に、透過率角度依存フィルタ9の透過率の入射角依存性について、図4を参照して説明する。
Next, the incident angle dependence of the transmittance of the transmittance angle
図4は、透過率角度依存フィルタ9の入射角に基づく透過率の特性を表すグラフである。図4の例では、入射角0°~3°、かつ、入射角43°~69°の帯域は、約100%(ここでは98%以上)の透過率となる帯域(「透過帯域」とも呼ぶ。)となる。一方、入射角21°~35°の帯域においては、約0%(ここでは2%以下)の透過率となる帯域(「反射帯域」とも呼ぶ。)となっている。なお、当該反射帯域では、誘電体多層膜などのフィルタ9自体の吸収を無視できる場合は、「反射率=1-透過率」となるため、反射帯域では約100%の反射率となる。
FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the transmittance based on the incident angle of the transmittance angle-
例えば、透過率角度依存フィルタ9が図4に示す特性を有する場合であって、角度ψ0が「14°」、角度Δψが「3°」となる場合、式(1)に基づき、「22°≦2ψ≦34°」、かつ、「44°≦4ψ≦68°」が成立する。よって、この場合、透過率角度依存フィルタ9は、入射角0°及び入射角4ψの光を100%に近い透過率により透過し、かつ、入射角2ψの光を0%に近い透過率により反射するため、図1及び図3に示す光学的作用を好適に実現することが可能である。
For example, when the transmittance angle-
なお、角度Δψの理論上の上限値は、図4に示す透過帯域と反射帯域とが重ならないようにするため、
Δψ < ψ0/(2N-1)
となる必要がある。
The theoretical upper limit of the angle Δψ is set so that the transmission band and the reflection band shown in FIG. 4 do not overlap.
Δψ <ψ 0 / (2N-1)
Must be.
また、透過率と入射角との関係を示すグラフにおいてリップルの少ない透過率角度依存フィルタ9を製造するため、透過率角度依存フィルタ9は、例えば、ルゲート型フィルタや、各層の膜厚を調整して製膜した誘電体多層膜により構成されるとよい。
Further, in order to manufacture the transmittance angle-
なお、図4における入射角21°は、本発明における「第1角度」の一例であり、入射角35°は、本発明における「第2角度」の一例である。また、入射角3°は、本発明における「第3角度」の一例であり、入射角度43°は、本発明における「第4角度」の一例である。 The incident angle of 21 ° in FIG. 4 is an example of the “first angle” in the present invention, and the incident angle of 35 ° is an example of the “second angle” in the present invention. Further, the incident angle of 3 ° is an example of the "third angle" in the present invention, and the incident angle of 43 ° is an example of the "fourth angle" in the present invention.
図1及び図3の例では、透過率角度依存フィルタ9は、射出光LtをMEMSミラー2に2回反射させるように構成されていた。これに代えて、透過率角度依存フィルタ9は、射出光Ltを3回以上MEMSミラー2に反射させるように構成されてもよい。
In the examples of FIGS. 1 and 3, the transmittance angle-
すなわち、透過率角度依存フィルタ9は、光源部1からのレーザ光をN回(Nは3以上の整数)反射させることにより、z軸となす角度が「2ψ・N」となる射出光Ltを照射装置10外へ射出させる。
That is, the transmittance angle-
図5は、「N=3」となる場合の透過率角度依存フィルタ9の光学的作用を示した図である。図5の例では、透過率角度依存フィルタ9は、入射角0°及び入射角6ψの光を100%に近い透過率により透過し、かつ、入射角2ψ及び4ψの光を0%に近い透過率により反射するような透過率の入射角依存性を有する。そして、MEMSミラー2が射出光Ltを最初に反射したときの反射光がz軸となす角度は2ψであるのに対し、MEMSミラー2が射出光Ltを最後(即ち3回目)に反射したときの反射光(即ち外界へ射出される射出光Lt)がz軸となす角度は「6ψ」となっている。なお、MEMSミラー2により最初及び2回目に反射された射出光Ltは、本発明における「第1反射波」の一例であり、MEMSミラー2により最後に反射された射出光Ltは、本発明における「第2反射波」の一例である。
FIG. 5 is a diagram showing the optical action of the transmittance angle-
このように、図5の例によれば、透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラー2の見た目のチルト角度を3倍にし、走査角を好適に拡大することができる。なお、実際には、射出光Ltは、所定長の光束径を有し、透過率角度依存フィルタ9で反射された射出光Ltの光束全体若しくは大部分がMEMSミラー2へ入射する必要がある。一方、MEMSミラー2での反射回数Nが大きいほど、MEMSミラー2に照射される射出光Ltの照射範囲は広がる。よって、MEMSミラー2の大きさの制限等を勘案すると、現実的には、「N≦3」が好ましい。
As described above, according to the example of FIG. 5, the transmittance angle-
以上説明したように、本実施例に係る照射装置10は、光源部1により照射された電磁波である射出光Ltを所定の方向に向けて照射するものであって、光源部1により射出された射出光Ltを透過する透過率角度依存フィルタ9と、透過率角度依存フィルタ9により透過された射出光Ltを第1反射波として反射するMEMSミラー2とを備える。そして、透過率角度依存フィルタ9は、透過率角度依存フィルタ9を透過した射出光LtのMEMSミラー2への入射角よりも大きな角度でMEMSミラー2に入射するように、第1反射波をMEMSミラー2に反射し、MEMSミラー2は、透過率角度依存フィルタ9によって反射された第1反射波を、透過率角度依存フィルタ9を透過する第2反射波として反射する。これにより、照射装置10は、チルト角度に制限があるウォブリング型のMEMSミラー2の見た目のチルト角度を大きくし、走査角を好適に拡大することができる。
As described above, the
<第2実施例>
図6は、第2実施例に係る受信装置11の概略構成を示す。第2実施例は、第1実施例の照射装置10が備える透過率角度依存フィルタ9をレーザ受信光学系に適用した例であって、第2実施例に係る受信装置11は、図示しない光源から射出されたレーザ光が外界の物体によって反射された光(「戻り光Lr」とも呼ぶ。)を受光する。図6に示す受信装置11は、MEMSミラー2と、アバランシェフォトダイオード(Avalanche PhotoDiode)などの受光部4と、透過率角度依存フィルタ9とを備える。なお、第2実施例では、受光部4に入射する戻り光LrがMEMSミラー2から射出される方向をz軸としている。
<Second Example>
FIG. 6 shows a schematic configuration of the receiving
ここで、MEMSミラー2は、図1~図3に示した照射装置10のMEMSミラー2と同様、傾き(即ち光走査の角度)が所定の範囲内で変化するウォブリング(揺動)型のミラーである。また、透過率角度依存フィルタ9は、第1実施例と同様、MEMSミラー2の反射面と対向し、かつ、xy平面と平行な状態で載置され、MEMSミラー2へ入射する戻り光Lr及びMEMSミラー2を反射する戻り光Lrの光路上に設けられている。そして、透過率角度依存フィルタ9は、透過率の入射角度依存性を有し、外界から入射した戻り光Lrを透過させた後、MEMSミラー2により反射された戻り光Lrを反射し、MEMSミラー2により再反射された戻り光Lrを透過させることで、戻り光Lrを受光部4へ導く。
Here, the
図6の例では、まず、戻り光Lrは、入射角4ψにより透過率角度依存フィルタ9に入射して透過率角度依存フィルタ9を透過した後、入射角4ψによりMEMSミラー2に入射する。その後、戻り光Lrは、MEMSミラー2で反射されることにより、入射角2ψにより透過率角度依存フィルタ9に入射する。そして、戻り光Lrは、透過率角度依存フィルタ9に再び反射されることにより入射角2ψによりMEMSミラー2へ再入射し、その後MEMSミラー2で反射されて入射角0°により透過率角度依存フィルタ9に入射し、透過率角度依存フィルタ9を透過することにより受光部4へ到達する。なお、MEMSミラー2により最初に反射された戻り光Lrは、本発明における「第1反射波」の一例であり、MEMSミラー2により最後(2回目)に反射された戻り光Lrは、本発明における「第2反射波」の一例である。
In the example of FIG. 6, first, the return light Lr is incident on the transmittance angle-
このように、図6の例では、透過率角度依存フィルタ9は、第1実施例の図1の例と同様、入射角0°及び入射角4ψの光を100%に近い透過率により透過し、かつ、入射角2ψの光を0%に近い透過率により反射するような透過率の入射角依存性を有する。従って、透過率角度依存フィルタ9は、例えば、図4に示すような透過率の入射角依存性を有するとよい。
As described above, in the example of FIG. 6, the transmittance angle-
そして、第2実施例に係る受信装置11によれば、チルト角度ψに制限があるウォブリング型のMEMSミラー2の見た目のチルト角度を大きくすることができる。また、一般的に、見た目のチルト角度ψが大きいほど、サジタル方向の瞳倍率が拡大する。そして、本実施例に係る受信装置11の構成によれば、見た目のチルト角度を拡大することができるため、見た目のMEMSミラー2のミラー径を拡大させ、受信光量を好適に増やすことができる。
Then, according to the receiving
なお、受信装置11に用いられる透過率角度依存フィルタ9は、第1実施例の照射装置10に用いられる透過率角度依存フィルタ9と同様、外部から入射する光を3回以上MEMSミラー2に反射させる(即ちMEMSミラー2での反射回数Nが3以上となる)ように構成されてもよい。
The transmittance angle-
図7は、「N=3」となる透過率角度依存フィルタ9の光学的作用を示した図である。図7の例では、透過率角度依存フィルタ9は、入射角0°及び入射角6ψの光を100%に近い透過率により透過し、かつ、入射角2ψ及び4ψの光を0%に近い透過率により反射するような透過率の入射角依存性を有する。そして、この例によれば、受信装置11は、入射角6ψでMEMSミラー2に入射した戻り光Lrを、好適に受光部4へ導くことができる。なお、MEMSミラー2により最初及び2回目に反射された戻り光Lrは、本発明における「第1反射波」の一例であり、MEMSミラー2により最後に反射された戻り光Lrは、本発明における「第2反射波」の一例である。
FIG. 7 is a diagram showing the optical action of the transmittance angle-
このように、図7の例によれば、透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラー2の見た目のチルト角度を3倍にし、見た目のMEMSミラー2のミラー径を拡大させ、受信光量を好適に増やすことができる。なお、第1実施例と同様、戻り光Lrの光束の一部が欠けることなく受光部4へ入射するには、現実的には「N≦3」が好ましい。
As described above, according to the example of FIG. 7, the transmittance angle-
以上説明したように、第2実施例に係る受信装置11は、物体によって反射された戻り光Lrを受信する受信装置であって、戻り光Lrを透過する透過率角度依存フィルタ9と、透過率角度依存フィルタ9により透過された戻り光Lrを第1反射波として反射するMEMSミラー2とを備える。そして、透過率角度依存フィルタ9は、透過率角度依存フィルタ9を透過した戻り光LrのMEMSミラー2への入射角よりも小さな角度でMEMSミラー2に入射するように、第1反射波をMEMSミラー2に反射し、MEMSミラー2は、透過率角度依存フィルタ9によって反射された第1反射波を、透過率角度依存フィルタ9を透過して受光部4へ入射する第2反射波として反射する。これにより、受信装置11は、チルト角度ψに制限があるウォブリング型のMEMSミラー2の見た目のチルト角度を大きくすることができる。
As described above, the receiving
<第3実施例>
第3実施例は、第1実施例の照射装置10及び第2実施例の受信装置11をライダに適用した例を示す。
<Third Example>
The third embodiment shows an example in which the
図8は、第3実施例に係る計測装置100の概略構成を示す。計測装置100は、計測対象物OBに対して電磁波である赤外線(例えば、波長905nm)の射出光Ltを射出し、その戻り光Lrを受光して計測対象物OBまでの距離を計測する。計測装置100は、例えば車両に搭載され、車両から所定距離以内となる領域を計測範囲とするライダである。図示のように、計測装置100は、光源部1と、MEMSミラー2を有するMEMSミラーデバイス20と、光学部材3と、受光部4と、制御部5とを備える。
FIG. 8 shows a schematic configuration of the measuring device 100 according to the third embodiment. The measuring device 100 emits infrared rays (for example, wavelength 905 nm) emission light Lt which is an electromagnetic wave to the measurement object OB, receives the return light Lr, and measures the distance to the measurement object OB. The measuring device 100 is, for example, a rider mounted on a vehicle and having a measurement range within a predetermined distance from the vehicle. As shown in the figure, the measuring device 100 includes a
光源部1は、赤外線の射出光LtをMEMSミラーデバイス20のMEMSミラー2へ向けて射出する。受光部4は、受光した戻り光Lrの光量に対応する検出信号を生成して制御部5へ送る。
The
MEMSミラーデバイス20は、MEMSミラー2を有し、光源部1から入射する射出光Ltを光学部材3に向けて反射する。また、MEMSミラーデバイス20は、光学部材3から入射する戻り光Lrを、受光部4へ向けて反射する。MEMSミラーデバイス20は、例えば、水平方向において360度の範囲で射出光Ltを反射させる。
The
光学部材3は、MEMSミラー2から入射する射出光Ltを計測装置100の外へ射出させると共に、計測対象物OBにおいて反射された戻り光Lrを、MEMSミラー2へ入射させる。また、光学部材3は、第1及び第2実施例で説明した透過率角度依存フィルタ9を有する。透過率角度依存フィルタ9は、射出光Lt及び戻り光LrをMEMSミラー2へ向けて反射することで、射出光Lt及び戻り光LrをそれぞれMEMSミラー2により複数回反射させ、MEMSミラー2の見た目のチルト角度を拡大させる。
The
制御部5は、光源部1からの射出光Ltの射出を制御するとともに、受光部4から供給された検出信号を処理して計測対象物OBまでの距離を算出する。また、制御部5は、MEMSミラー2の傾きに関する制御信号をMEMSミラー2に送信することで、射出光Ltの照射方向をMEMSミラー2により徐変させる。
The
図9は、MEMSミラーデバイス20の一構成例を示した上面図である。図9に示すように、MEMSミラーデバイス20は、主に、MEMSミラー2と、フレーム部12と、固定枠13と、磁石14A~14Dと、X軸トーションバー15A、15Bと、Y軸トーションバー16A、16Bと、歪ゲージ17V、17Hとを有する。
FIG. 9 is a top view showing a configuration example of the
固定枠13は、フレーム部12を支持するための構造体であり、金属材料またはシリコンなどの半導体材料によって形成される。固定枠13は、内部に空隙を備える枠形状を有している。フレーム部12は、内部に空隙を備える枠形状を有している。フレーム部12は、X軸トーションバー15A、15Bを介し固定枠13に接続されており、固定枠13に対してX軸トーションバー15A、15Bを回転軸として揺動(回転)自在となっている。固定部11及びフレーム部12は、本発明における「枠部」の一例である。MEMSミラー2は、フレーム部12に対してY軸トーションバー16A、16Bを回転軸として揺動自在となっている。固定枠13及びフレーム部12の表面には、凸パターンが形成されており、固定枠13からX軸トーションバー15A、15Bを経由して延びる配線パターンは、フレーム部12の枠形状に沿って、フレーム部12の表面上にコイル18を形成する。磁石14A~14Dは、フレーム部12の周辺に配置され、フレーム部12に形成されるコイル18が存在する領域に、水平(H)方向及び垂直(V)方向の磁界を発生させる。また、X軸トーションバー15B付近には、歪ゲージ17Vが設けられ、Y軸トーションバー16B付近には、歪ゲージ17Hが設けられている。歪ゲージ17Vは、MEMSミラー2の垂直(V)方向の位置を検出するセンサであり、X軸トーションバー15Bのねじれ量とねじれ方向に対応する電圧を出力する。歪ゲージ17Hは、MEMSミラー2の水平(H)方向の位置を検出するセンサであり、Y軸トーションバー16Bのねじれ量とねじれ方向に対応する電圧を出力する。
The fixed
図10は、光学部材3の構成例を示す。図10に示す光学部材3は、光サーキュレータ7と、全方位レンズ8と、透過率角度依存フィルタ9とを有する。
FIG. 10 shows a configuration example of the
光サーキュレータ7は、光源部1が射出した射出光Ltを平行光にしてz軸負方向に存在するMEMSミラー2に向けて射出すると共に、MEMSミラー2で反射した戻り光Lrを集光してz軸正方向に存在する受光部4へ導く。
The optical circulator 7 converts the emitted light Lt emitted by the
全方位レンズ8は、z軸について回転対称な形状を有し、MEMSミラー2が反射した射出光Ltの視野を360度の水平方向に変換すると共に、360度の水平方向から入射した戻り光LrをMEMSミラー2に入射させる。また、全方位レンズ8は、例えばz軸に沿って中心に孔が形成され、光サーキュレータ7からMEMSミラー2に向けて射出された射出光Ltを孔を介してMEMSミラー2へ導くと共に、MEMSミラー2で反射された戻り光Lrを孔を介して光サーキュレータ7へ導く。
The
透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラーデバイス20と平行な状態で載置され、MEMSミラー2へ入射する射出光Lt及び戻り光Lrの光路上であって、MEMSミラー2により反射される射出光Lt及び戻り光Lrの光路上に設けられている。そして、透過率角度依存フィルタ9は、透過率の入射角度依存性を有し、光源部1から射出された射出光Ltを透過させ、かつ、MEMSミラー2により反射された射出光Ltを1又は複数回反射後、所定角度以上の入射角となった射出光Ltを透過させて全方位レンズ8へ導く。同様に、透過率角度依存フィルタ9は、全方位レンズ8から入射した戻り光Lrを透過させ、MEMSミラー2により反射された戻り光Lrを1又は複数回反射後、所定角度以下の入射角となった戻り光Lrを透過させて受光部4へ導く。
The transmission angle-
そして、図10で示される光学部材3及び透過率角度依存フィルタ9を有する計測装置100の構成によれば、MEMSミラー2のチルト角度ψが増倍した事と同じ効果を得ることができ、全方位レンズのサジタル方向の瞳倍率を大きくとることができる。これにより、受光系については、受光部はより径の太い戻り光を受光することが可能となり、射出系については、より径が太いレーザ光を外部に射出することができる。延いては、透過率角度依存フィルタ9を用いずにMEMSミラー2を単体で用いる構成と比較して、受光部4で受光する受光量を好適に増やし、かつ、計測装置100から射出する射出光Ltの広がり角を小さくし、計測の角度分解能を上げることが可能となる。
Then, according to the configuration of the measuring device 100 having the
なお、光学部材3の構成は、視野を水平に変換する光学系であればよく、図10に示す構成に限られない。例えば、光学部材3は、反射屈折素子やミラー単体からなるものであってもよい。また、光学部材3に適用される透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラー2で射出光Lt及び戻り光Lrをそれぞれ2回反射させるように構成されたものに限らず、図5及び図7に示されるように、MEMSミラー2で射出光Lt及び戻り光Lrをそれぞれ3回以上反射させるように構成されてもよい。
The configuration of the
一般的に、ウォブリング型のMEMSミラーを、上述のような水平走査するライダに適用する場合は、通常は回転対称な光学系を用いる為、受光素子に向けて外界からの入射光を集光する光学系はサジタル方向の瞳倍率が小さくなる。なお、一般的に、光学的不変量がこの回転対称光学系で保存されることから、MEMSの機械チルト角をψとおくと、一般的にサジタル瞳倍率はsin2ψ倍になることが導かれる。また、MEMSミラーのチルト角は一般的に、15°程度以下と小さい為、サジタル瞳倍率は1より小さな値になり、ターゲットからの反射光の受光量もそれに応じて減ってしまう。 Generally, when a wobbling type MEMS mirror is applied to a rider that scans horizontally as described above, since a rotationally symmetric optical system is usually used, incident light from the outside world is collected toward a light receiving element. The optical system has a smaller pupil magnification in the sagittal direction. Since the optically invariant is generally stored in this rotationally symmetric optical system, it is generally derived that the sagittal pupil magnification is sin2ψ times when the mechanical tilt angle of the MEMS is set to ψ. Further, since the tilt angle of the MEMS mirror is generally as small as about 15 ° or less, the sagittal pupil magnification becomes a value smaller than 1, and the amount of received light reflected from the target also decreases accordingly.
そこで、上述した構成にすることにより、MEMSミラーでの反射光の光学チルト角ψを実質的に大きくすることが可能になり、瞳倍率を大きくすることができる。これにより、ライダのターゲットからの反射光の受光量を増やすことができることとなる。また、式(1)に示すように、チルト角ψを角度ψ0から角度Δψだけ変調可能とした場合には、変調角についても倍増することができ、水平方向(即ち主走査方向)と垂直な方向の走査角度(垂直視野角)についても好適に倍増させることができる。 Therefore, by adopting the above-described configuration, it is possible to substantially increase the optical tilt angle ψ of the reflected light in the MEMS mirror, and it is possible to increase the pupil magnification. This makes it possible to increase the amount of light received from the lidar's target. Further, as shown in the equation (1), when the tilt angle ψ can be modulated by the angle Δψ from the angle ψ 0 , the modulation angle can also be doubled and is perpendicular to the horizontal direction (that is, the main scanning direction). The scanning angle (vertical viewing angle) in any direction can be preferably doubled.
また、第1~第3実施例では、透過率角度依存フィルタ9は、MEMSミラー2の窓板に代えて設けられてもよいため、ミラーやレンズなどの光学素子を挿入する場合と比較して、部品点数の増加が好適に抑制される。また、透過率角度依存フィルタ9を用いることで、量産時の部材費の上昇抑制、及び省スペース等を好適に実現することができ、光学系を精度よく配置して固定するような手間も不要となる。
Further, in the first to third embodiments, the transmittance angle-
1 光源部
2 MEMSミラー
3 光学部材
4 受光部
5 制御部
9 透過率角度依存フィルタ
OB 計測対象物
100 計測装置
1
Claims (1)
照射部によって照射された電磁波を透過するフィルタ部と、
枠部に対して揺動し、前記フィルタ部によって透過された前記電磁波を第1反射波として反射する第1反射部と、
を備え、
前記フィルタ部は、前記フィルタ部を透過した前記電磁波の前記第1反射部への入射角よりも大きな角度で前記第1反射部に入射するように、前記第1反射波を前記第1反射部に反射する、照射装置。 An irradiation device that irradiates an electromagnetic wave emitted by an irradiation unit in a predetermined direction.
A filter unit that transmits electromagnetic waves emitted by the irradiation unit,
A first reflecting portion that swings with respect to the frame portion and reflects the electromagnetic wave transmitted by the filter portion as a first reflected wave.
Equipped with
The filter unit transfers the first reflected wave to the first reflection unit so that the electromagnetic wave transmitted through the filter unit is incident on the first reflection unit at an angle larger than the angle of incidence on the first reflection unit. Irradiation device that reflects on.
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