JP2024019680A - 走査装置及び光検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】対象物からの反射光を正確に検出し、走査領域内の正確な光走査を行うことが可能な走査装置を提供する。【解決手段】出射光を出射する光源部と、出射光によって所定の領域を走査する走査部と、出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、受光部に受光される反射光を分光し、受光部上における反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を有する。【選択図】図4
Description
本発明は、光走査を行う走査装置、及び光検出を行う光検出装置に関する。
例えば、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ことができる。このような光学的な測距装置は、例えば、走査装置と組み合わせることで、当該走査装置が走査する領域内の2次元的な距離情報を得ることができる。
当該走査型の測距装置は、例えば、走査装置として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーと、当該ミラーに向けて光を出射する光源と、対象物からの反射光を受光する受光部とを有する。例えば、特許文献1には、光投光部、光検出器及び光量分布変換素子を含む距離測定装置が開示されている。
走査装置は、例えば、パルス状のレーザ光を走査領域に向けて出射し、対象物からの反射光(光パルス)を受光及び検出することで、走査領域内の光学的な情報を取得する。また、例えば、測距装置は、当該反射光の検出結果に基づいて当該対象物までの距離を測定する。
ここで、測距装置は、対象物が測距装置から遠い位置に存在する場合や、対象物の光反射特性が小さい場合においても、正確に測距できることが好ましい。このためには、走査装置は、例えば、微弱な反射光でも正確に検出できることが好ましい。また、走査装置は、反射光のパルスを正確に検出することを考慮すると、高いダイナミックレンジで反射光を検出できることが好ましい。また、走査装置に限らず、光検出を行う光検出装置においては、微弱な反射光でも正確に検出できることが好ましい。そのため、光検出に用いる受光素子には、当該反射光が均一に照射され、照射ムラが生じないことが好ましい。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、対象物からの反射光を正確に検出し、走査領域内の正確な光走査を行うことが可能な走査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、対象物からの反射光を正確に検出することが可能な光検出装置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、出射光を出射する光源部と、出射光によって所定の領域を走査する走査部と、出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、受光部に受光される反射光を分光し、受光部上における反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を有することを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、出射光を出射する光源部と、出射光が対象物によって反射した反射光を分光して、所定の伸長方向に伸長させた分光光として出力する分光部と、光を検出する複数の受光素子が分光光の伸長方向に沿って配置された受光部と、を有することを特徴とする。
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、図の明確さのため、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、出射光と称する)L1を生成及び出射する光源部11を有する。本実施例においては、光源部11は、出射光L1として、赤外領域にピーク波長を有するパルス化されたレーザ光を生成する。
測距装置10は、出射光L1を用いて走査領域R0を走査する走査部12を有する。走査部12は、出射光L1を走査領域R0に向けて反射させる可動式の光反射面12Aを有する。本実施例においては、走査部12は、光反射面12Aが設けられた可動ミラーを有する。
走査部12は、光反射面12Aの向きを変化させることで、出射光L1が反射する方向を連続的かつ周期的に変化させる。走査部12は、この光反射面12Aによって反射された出射光L1を走査光L2として出射する。
なお、走査領域R0は、光反射面12Aの可動範囲に対応する幅及び高さを有し、走査光L2が到達及び反射したときに所定強度の反射光を受光可能な距離に対応する奥行を有する仮想の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、図1に示すように、走査領域R0内における走査光L2の光路上に対象物OBが存在する場合、対象物OBに走査光L2が照射される。また、対象物OBが走査光L2に対して反射性を有する物体である場合、対象物OBによって走査光L2が反射(放射)される。
測距装置10は、走査光L2が対象物OBに照射されることで対象物OBによって反射された光(以下、反射光と称する)L3を分光する分光部13を有する。本実施例においては、分光部13は、回折格子からなる。分光部13は、反射光L3を受け、反射光L3を波長成分毎に分光した光(以下、分光光と称する)L4を生成する。
測距装置10は、分光部13によって分光された分光光L4を受光して検出する受光部14を有する。受光部14は、例えば、分光部13によって分光された分光光L4の波長帯域の光を受光して検出する。また、受光部14は、分光光L4に対して光電変換を行い、分光光L4に応じた電気信号(以下、受光信号と称する)SRを生成する。
なお、光源部11と走査部12の光反射面12Aとの間の出射光L1の光路上には、ビームスプリッタBSが設けられている。走査光L2は、対象物OBによって反射されて反射光L3となり、光反射面12Aに向かって戻る。そして、反射光L3は、光反射面12Aによって反射され、ビームスプリッタBSによって分離され、分光部13によって分光された後、受光部14によって受光される。なお、光源部11によって出射された出射光L1は、ビームスプリッタBSを透過して走査部12に向かって進む。
次に、測距装置10は、受光信号SRに基づいて、対象物OBまでの距離を測定する測距部15を有する。本実施例においては、測距部15は、受光信号SRから分光光L4のパルスを検出し、出射光L1の出射から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(及びその一部の表面領域)までの距離を測定する。測距部14は、測定した距離情報を示すデータ(以下、測距情報と称する)を生成する。
また、本実施例においては、測距部15は、走査領域R0内の所定の領域を有効走査領域(又は測距領域)とし、この有効走査領域内に向けて出射された走査光L2に対応する分光光L4の受光信号SRに基づいて、対象物OBまでの距離を測定する。
なお、本明細書においては、説明上、走査領域R0内における走査部12から所定の距離だけ離れた仮想の被走査面を走査面R1と称する。また、本実施例においては、有効走査領域は、走査領域R0の外縁部分を除いた領域(すなわち空間)である。図1には、有効走査領域を、走査面R1の外縁部分を除いた内側の領域である有効走査面R2として例示した。測距部15の測距動作は、有効走査面R2に出射される走査光L2を用いて行われる。
また、本実施例においては、測距部15は、当該測距情報に基づいて走査領域R0の画像化を行う。測距部15は、走査部12が走査領域R0を走査する周期(以下、走査周期と称する)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、走査領域R0に対する走査を周期的に行う場合において、任意の走査状態(例えば走査光L2を出射する光反射面12Aの向き)の時点から、その後に再度当該走査状態に戻る時点までの期間をいう。
本実施例においては、測距部15は、当該測距情報を光反射面12Aの向きを示す情報と対応付け、2次元又は3次元のマップとして画像化する測距画像を生成する。本実施例においては、測距部15は、走査周期毎に測距画像を生成する。なお、測距部15は、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、光源部11、走査部12、受光部14及び測距部15の動作制御を行う制御部16を有する。例えば、本実施例においては、制御部16は、光源部11に駆動信号DLを供給し、光源部11の駆動及びその制御を行う。なお、駆動信号DLは、測距部15にも供給される。また、制御部16は、走査部12に駆動信号DX及びDYを供給し、走査部12の駆動及びその制御を行う。
図2は、測距装置10の構成例を模式的に示す図である。図2を用いて、測距装置10の構成及び測距装置10内の光の進路について説明する。まず、本実施例においては、光源部11は、一次光L11を生成する光源11Aと、一次光L11を整形して整形光L12を生成する整形光学系11Bと、整形光L12を出射光L1として投光する投光光学系11Cとからなる。
例えば、光源11Aは、一次光L11としてパルス状のレーザ光を生成するレーザ装置を含む。光源11Aは、本実施例においては、ドット状(点状)のスポット形状を有する一次光L11を生成及び出射する。なお、光のスポット形状とは、例えば、当該光の光軸に垂直な方向における当該光の断面形状である。整形光学系11Bは、例えば、コリメートレンズ及びシリンドリカルレンズからなる。整形光学系11Bは、走査光L2、すなわち走査領域R0に向けて出射される光の中間像を生成する。また、投光光学系11Cは、例えば投光レンズからなる。
なお、光源部11は、投光光学系11Cからドット状のスポット形状を有する出射光L1を出射する点光源であってもよいし、ライン状のスポット形状を有する出射光L1を出射する線光源であってもよい。
また、光源部11は、所定の波長帯域の出射光L1を出射する。本実施例においては、例えば、説明のため、出射光L1が所定の幅を持つ6つの波長帯λ1、λ2、λ3、λ4、λ5及びλ6の光を含む場合について説明する。例えば、光源部11の光源11Aは、当該波長帯域λ1~λ6に亘る波長範囲内のレーザ光を一次光L11として出射する。
次に、本実施例においては、出射光L1は、ビームスプリッタBSを透過し、反射光学系MLに反射された後、走査部12の光反射面12Aによって反射され、走査光L2として走査領域R0に出射される。また、対象物OBからの反射光L3は、背景光(環境光)と共に走査部12の光反射面12Aに入射し、反射光学系MLに向けて反射される。
すなわち、走査部12の光反射面12Aに入射する光には、対象物OBからの走査光L2の反射光である反射光L3だけでなく、背景光が含まれる場合がある。しかし、特に明記しない限り、以下の説明においては、光反射面12Aに入射する光のうち、反射光L3について説明する。
反射光学系MLによって反射された反射光L3は、ビームスプリッタBSによってその一部が分離(反射)され、分光部13に入射する。
分光部13は、反射光L3を6つの波長帯の光(以下、分光光と称する)L41~L46に分光する。本実施例においては、分光部13は、光をその波長に応じた方向に導く(本実施例においては反射する)。これによって、分光光L41~L46は、それぞれ異なる方向に出射される。分光光L41は波長帯λ1の光であり、分光光L42~L46はそれぞれ波長帯λ2~λ6の光である。なお、説明のため、分光光L41~L46の全体を分光光群L4と称する。
なお、本実施例においては、分光光群L4が複数の分光光L41~L46に区別される場合について説明する。しかし、分光光L41~L46は、グラデーションを有するように切れ目なく(無段階で)分光されていてもよい。すなわち、分光光L41~L46は、互いに分離された光もあってもよいし、その各々の境界が便宜上設定された連続的な光であってもよい。
また、受光部14は、本実施例においては、分光光群L4を受光する受光光学系14Aと、分光光群L4を検出する光検出器14Bとを含む。受光光学系14Aは、例えば受光レンズからなる。また、光検出器14Bは、分光光群L4を受けて、分光光群L4(分光光L41~L46の各々)に対して光電変換を行い、受光信号SRを生成する。受光信号SRは、測距部15に供給される。
図3は、受光部14の光検出器14Bの検出面を模式的に示す平面図である。本実施例においては、光検出器14Bは、マトリクス状に配置された複数の光電変換素子E11~E46からなるフォトンカウンタである。光検出器14Bは、光電変換素子E11~E46の全体で光検出器14Bの検出面を構成する。
本実施例においては、光検出器14Bは、4行6列で配列された24個の光電変換素子E11~E24を含む。また、本実施例においては、光電変換素子E11~E24の各々は、アバランシェフォトダイオード(APD)である。従って、本実施例においては、光検出器14Bは、ガイガーモードで光検出を行うマルチピクセルフォトンカウンタ(MPPC)である。
また、本実施例においては、光検出器14Bは、1列毎に異なる分光光が入射されるように配置されている。例えば、図3に示すように、1列目の光電変換素子(行方向に配列された光電変換素子)E11、E21、E31及びE41の各々には、波長帯λ1の分光光L41が入射する。また、2列目の光電変換素子E12、E22、E32及びE42の各々には、波長帯λ2の分光光L41が入射する。すなわち、n列目の光電変換素子E1n~E4nの各々には、波長帯λnの分光光L4nが入射するように構成されている(nは1~6)。
本実施例においては、分光部13は、受光部14に受光される反射光L3を分光することで、受光部14上の反射光L3を所定の方向(伸長方向)に伸長させる(広げる)部分として機能する。また、光検出器14Bは、分光部13によって広げられた分光光群L4の分光部13からの出射範囲に亘って設けられている。これによって、例えば光電変換素子E11~E46の全てに分光光L41~L44を入射させることができる。
すなわち、反射光L3は、分光部13によって、光検出器14Bの検出機能を最大化するように、その形状が調節されている。また、本実施例においては、受光部14は、光検出器14Bの光電変換素子E11及びE41間の配列方向の長さ(配列幅WA)、すなわち受光部14における反射光L3の分光方向(伸長方向)に対応する長さが、受光部14上における反射光L3の分光方向(伸長方向)の長さ以下となるように、その形状及びサイズが構成されている。従って、分光された反射光L3(分光光群L4)の全体を受光部14によって確実に受光することができる。
従って、例えば本実施例のように光検出器14Bがフォトンカウンタからなる場合、全てのフォトダイオードで分光光群L4の検出(フォトン計数)を行うことができる。従って、微弱な反射光L3(検出対象の光)しか対象物OBから得られない場合であっても正確にかつ高いダイナミックレンジで検出することができる。従って、例えば反射光L3のパルス位置を正確に判定することができ、正確な走査及び測距を行うことができる。
また、測距装置10は、例えば車両に搭載され、車両の周辺状況を認識する装置として用いられることができる。この場合、測距装置10の測距可能な範囲(特に距離)は大きいことが好ましい。また車両に搭載される場合のみならず、例えば遠方で動く対象物OBを正確に認識することを考慮すると、反射光L3の受光可能距離が大きく、また高いダイナミックレンジで検出できることが好ましい。測距装置10は、例えばこのような環境下での使用に適しているといえる。
なお、反射光L3を光電変換素子E11~E46の全体に入射させることを考慮すると、例えば、分光部13(回折格子)に代えて、集光レンズを設けることが考えられる。しかし、例えば集光レンズを用いて反射光L3を広げた場合、当該広がった範囲内で反射光L3の強度にムラが生ずる。従って、光検出器14Bに入射する際に反射光L3の光学特性が崩れる場合がある。従って、例えば光電変換素子E11~E46の全てに反射光L3が入射せず、光検出器14Bによる正確な光検出が行えない場合がある。
しかし、本実施例においては、分光部13を用いることで、強度変化が少なく、確実にかつ容易に反射光L3の形状調節を行うことができるため、光検出器14Bによって正確な光検出を行うことが可能となる。
また、本実施例においては、分光部13は、反射光L3を受光部14に向けて反射させる反射型の回折格子からなる。これによって、例えば、透過型の分光を行う場合に比べて装置のレイアウト設計の自由度が上がる。
図4は、実際の使用環境下で使用した場合の測距装置10内の光の進路の一部を示す図である。図4に示すように、分光部13に入射する光は、光源部11からの出射光L1に対応する反射光L3のみならず、太陽光や他の発光装置からの光(以下、背景光と称する)L0を含む。図4は、この場合についても正確に反射光L3(分光光群L4)を検出できるような光検出器14Bの好ましい構成を示す図である。
図4に示すように、例えば背景光L0は、反射光L3の波長帯域λ1~λ6以外の波長帯(例えば波長帯λ0及びλ7)の光を含む。また、分光部13は、分光部13に入射した光であればその波長に応じた方向に光を出射する。すなわち、分光部13が出射する光には、波長帯域λ1~λ6の光(分光光群L4)の他に、他の波長帯λ0及びλ7の光(背景光L0)が含まれる。
これに対し、図4に示すように、本実施例においては、光検出器14Bは、分光部13が出射光L1の波長帯域λ1~λ6以外の光を出射する方向上には設けられていない。すなわち、光検出器14Bは、分光部13が波長帯域λ1~λ6の光を出射する方向範囲に亘ってのみ設けられている。
これによって、背景光L0である波長体λ0及びλ7の光は、光検出器14Bに入射せずに減衰又は消失する可能性が高い。従って、光検出器14Bは、分光光群L4のみを受光及び検出することができ、例えば背景光L0を検出することによるノイズ発生又は誤検出を抑制することができる。従って、正確に反射光L3を受光することができる。
なお、背景光L0は、波長帯域λ0~λ7の光からなる場合がある。しかし、当該背景光L0のうち、波長帯域λ1~λ6の背景光L0は、設計上の受光タイミング以外でも(例えば太陽光であれば常に)分光部13に入射し、また反射光L3に比べて強度(受光レベル)も低い。従って、分光光群L4と同一波長の背景光L0が含まれていても、信号処理を行うことによって、反射光L3に対応する分光光群L4を正確に検出することができる。
また、例えば、分光部13の波長毎の光の出射方向及びこれによる分光光群L4の光検出器14Bへの入射幅は、分光部13の分光特性及び光検出器14Bの位置から求めることができる。例えば、分光部13の光の出射方向の変化範囲は、出射光L1の波長及び分光部13の分光特性から求めることができる。
例えば、光は、分光部13としての回折格子の格子定数dに応じた出射角度(本実施例においては回折面での反射角度)で出射される。従って、例えば波長帯域λ1~λ6の分光部13からの出射方向に対応する位置(すなわち、分光部13から出射された波長帯域λ1~λ6の光が照射される位置)に光検出器14Bの検出面を配置すればよい。
また、分光部13によって出射された光は、受光光学系14Aの焦点距離F1に対応する位置に集光される。従って、例えば受光光学系14Aのレンズの焦点距離Fに対応する位置に分光部13及び適切な形状及びサイズの光検出器14Bを配置することで、出射光L1に対応する分光光群L4のみを検出することができる。
また、例えば光検出器14Bに波長帯域λ1~λ6の光のみを入射させることを考慮すると、バンドパスフィルタなどの波長選択フィルタを設けることが考えられる。しかし、本実施例においては、上記したように分光部13及び光検出器14Bを配置することで、分光部13が波長選択フィルタとしても機能する。従って、分光部13を設けることによって、装置が小型化及び単純化する。
また、分光部13は、例えばプリズムなどのように、反射光L3を波長毎に完全に分離する(分光光L41~L46の各々を離間させる)ように構成されていれもよい。このことを考慮すると、光検出器14Bは、少なくとも分光部13が波長帯域λ1~λ6の光を出射する方向に対応する位置に設けられていればよい。すなわち、例えば、光検出器14Bが複数の検出セグメントに分離され、当該検出セグメントの各々がそれぞれ波長帯域λ1~λ6の光を受光するような位置に設けられていてもよい。
なお、光源部11は、光源11Aの温度調節を行う調温部(図示せず)を有することが好ましい。光源11Aとしての例えばレーザ光源は、温度の変化に応じて発振波長が変化する。従って、光源部11が光源11Aの温度調節を行う機能を有することで、安定して所望の波長帯域λ1~λ6の出射光L1を出射することができる。
なお、本実施例においては、光検出器14Bは、分光部13が波長帯域λ1~λ6の光を出射する方向範囲に亘ってのみ設けられているものとして説明したが、光検出器14Bの大きさを少し小さくする又はその設置位置を調整する(例えば分光部13に近づける)ことで、分光光群L4の一部、例えば波長帯域λ2~λ5の分光光L42~L45を受光するようにしても良い。この場合でも、背景光L0である波長帯λ0及びλ7の光は、光検出器14Bに入射しない。すなわち、受光部14は、反射光L3と共に受光部14に照射される背景光L0のうち、反射光L3の波長帯域λ1~λ6以外の光が入射しないように配置されることで、例えば背景光L0を検出することによるノイズ発生又は誤検出を抑制することができる。
次に、図5A及び図5B並びに図6を用いて、走査部12の構成例について説明する。まず、図5Aは、走査部12の模式的な上面図である。図5Bは、走査部12の断面図である。図5Bは、図5AのV-V線に沿った断面図である。図5A及び図5Bを用いて、走査部12の構成例について説明する。
本実施例においては、走査部12は、光反射面12Aを有する光反射膜(可動ミラー)24を含み、この光反射膜24が揺動するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーである。また、本実施例においては、走査部12は、電磁気的に光反射膜24を揺動させるように構成されている。
より具体的には、走査部12は、固定部(ベース部)21、可動部(揺動部)22、駆動力生成部23及び光反射膜24を有する。また、本実施例においては、走査部12は、互いに直交する2つの揺動軸(第1及び第2の揺動軸)AX及びAYを中心に光反射膜24が揺動するように構成されている。
本実施例においては、固定部21は、固定基板B1及び固定基板B1上に形成された環状の固定枠B2を含む。可動部22は、各々の一端が固定枠B2の内側に固定された一対のトーションバー(第1のトーションバー)TXを含む。一対のトーションバーTXの各々は、少なくとも周方向の弾性を有する棒状の弾性部材からなり、揺動軸AXに沿って整列している。また、可動部22は、外周部側面が一対のトーションバーTXの各々の他端に接続された環状の揺動枠(可動枠)SXを有する。
また、可動部22は、各々の一端が可動枠SXの内周部側面に接続され、一対のトーションバーTXに直交する方向(揺動軸AYに沿った方向)に整列した一対のトーションバー(第2のトーションバー)TYと、外周部側面が一対のトーションバーTYの各々の他端に接続された揺動板(可動板)SYと、を有する。一対のトーションバーTYの各々は、少なくとも周方向の弾性を有する棒状の弾性部材からなる。
本実施例においては、揺動枠SXは揺動軸AXを中心に(揺動中心として)揺動し、揺動板SYは揺動軸AX及びAYを中心に揺動する。また、揺動板SY上には光反射膜24が形成されている。従って、光反射膜24の光反射面24Aは、揺動板SYと共に、互いに直交する揺動軸AX及びAYを中心に揺動する。
駆動力生成部23は、固定基板B1上に配置された永久磁石MGと、揺動枠SX上において揺動枠SXの外周に沿って配線された金属配線(第1のコイル)CXと、揺動板SY上において揺動板SYの外周に沿って配線された金属配線(第2のコイル)CYと、を含む。
本実施例においては、永久磁石MGは、固定基板B1上における固定枠B2の外側領域に設けられた複数の磁石片からなる。本実施例においては、4つの磁石片が、それぞれ、揺動軸AX及びAYの各々に沿ってかつ一対のトーションバーTX及びTYの外側の位置に配置されている。
また、揺動軸AXに沿った方向において互いに対向する2つの磁石片は、互いに反対の極性を示す部分が対向するように配置されている。同様に、揺動軸AYに沿った方向において互いに対向する2つの磁石片は、互いに反対の極性を示す部分が対向するように配置されている。
本実施例においては、金属配線CXに電流が流れると、揺動軸AYに沿った方向に並んだ永久磁石MGの2つの磁石片によって生じた磁界との相互作用により、一対のトーションバーTXが周方向にねじれ、揺動枠SXが揺動軸AXを中心に揺動する。同様に、金属配線CYに流れた電流による電界と揺動枠AXに沿った方向に並んだ永久磁石MGの2つの磁石片による磁界とによって一対のトーションバーTYがねじれ、揺動板SYが揺動軸AYを中心に揺動する。
また、図5Aに示すように、金属配線CX及びCYは、制御部16に接続されている。制御部16は、金属配線CX及びCYに駆動信号DX及びDYを供給する。駆動力生成部23は、駆動信号DX及びDYの印加によって、可動部22及び光反射膜24を揺動させる電磁気力を生成する。
なお、本実施例においては、光反射膜24は、円板形状を有する。また、光反射膜24は、揺動軸AX及びAYに直交する中心軸ACを有する。可動部22及び光反射膜24は、光反射膜24の中心軸ACに関して90度回転対称に形成されている。
また、図5Bを参照すると、本実施例においては、固定部21の固定基板B1は、凹部を有する。また、固定枠B2は、固定基板B1の当該凹部に可動部22を懸架するように固定基板B1に固定されている。また、固定枠B2及び可動部22(揺動枠SX、揺動板SY並びにトーションバーTX及びTY)は、例えば半導体基板を加工することで形成された当該半導体基板の部分である。
光反射膜24は、揺動板SYと共に、固定基板B1の凹部に揺動可能に懸架(支持)されている。また、永久磁石MGは、固定基板B1上における凹部の外側に形成されている。また、本実施例においては、トーションバーTX及びTYがねじれることで、固定枠B2の内側において、トーションバーTX及びTYを挟んだ可動部22の両端部が固定基板B1の凹部に向かう方向及び離れる方向に揺動する。また、光反射膜24は、中心軸AC上の1点を揺動中心とし、固定枠B2に対して傾斜するように揺動する。
光反射膜24(光反射面24A)が揺動することで、出射光L1の反射方向、すなわち走査光L2の出射方向が変化する。このようにして、走査部12は、走査光L2を用いて走査領域R0の走査を行う。すなわち、本実施例においては、走査部12は、出射光L1の出射方向を連続的に変化させることで走査領域R0を所定の周期で周期的に走査する。
図6は、制御部16が生成する駆動信号DX及びDYと、これに基づいた光反射膜24の揺動状態の変化及び走査光L2の走査軌道と、の関係を模式的に示す図である。図6を用いて、走査部12による走査領域R0の走査態様について説明する。
まず、制御部16が生成する駆動信号DXは、A1及びB1を定数とし、θ1を変数としたとき、DX(θ1)=A1sin(θ1+B1)の式で示される正弦波の信号である。また、駆動信号DYは、A2及びB2を定数とし、θ2を変数としたとき、DY(θ2)=A2sin(θ2+B2)の式で示される正弦波の信号である。
また、変数θ1には、駆動信号DXが、走査部12のトーションバーTX、揺動枠SX、トーションバーTY及び揺動板SYの共振周波数に対応する周波数の正弦波となるように設定される。また、変数θ2は、駆動信号DYが、走査部12のトーションバーTY及び揺動板SYの共振周波数に対応する周波数の正弦波となるように設定される。
従って、光反射膜24(揺動板SY)は、揺動軸AXを中心に共振し、かつ揺動軸AYを中心に共振する。従って、図6に示すように、走査領域R0の走査面R1を見たとき、光反射膜24に反射された出射光L1である走査光L2は、リサージュ曲線を描くような軌跡TR(L2)を示す。
換言すれば、本実施例においては、走査部12は、出射光L1を反射させかつ互いに直交する第1及び第2の揺動軸AX及びAYを中心に揺動する光反射面12Aを有し、リサージュ曲線に従った軌跡TRを描くように走査領域R0を走査する走査態様を有する。
なお、上記した走査部12の構成は一例に過ぎない。例えば、走査部12は、リサージュ曲線に従った軌道で走査領域R0を走査する場合に限定されない。例えば、走査部12は、ラスタースキャンを行う軌道を有していてもよいし、走査周期毎にその走査軌道が異なっていてもよい。走査部12は、出射光L1(走査光L2)によって走査領域R0を走査するように構成されていればよい。
また、本実施例においては、受光部14がマトリクス状に配置された複数の光電変換素子E11~E46を有する光検出器14Bを有する場合について説明した。しかし、受光部14の構成はこれに限定されない。例えば分光光L41~L46の各々を異なる素子によって検出する場合、受光部14は、光を検出する複数の受光素子が、分光部13による反射光L3の分光方向(伸長方向)に沿って配置されていればよい。また、受光部14は、複数の受光素子を有していなくてもよく、分光光群L4の一部又は全部を受光するように構成されていればよい。
上記したように、測距装置10は、所定の波長帯域λ1~λ6の出射光L1を出射する光源部11と、出射光L1によって所定の領域R0を走査する走査部12と、出射光L1が所定の領域R0内に存在する対象物OBによって反射した反射光L3を受光する受光部14と、受光部14に受光される反射光L3を分光し、受光部14上における反射光L3を所定の伸長方向に伸長させる分光部13と、受光部14によって受光された光に基づいて、対象物OBまでの距離を測定する測距部15と、を有する。従って、対象物OBからの反射光L3を正確に検出し、走査領域R0内の正確な測距を行うことが可能な測距装置10を提供することができる。
また、本実施例においては、受光部14が生成した受光信号SRは測距以外の用途にも用いられることができる。すなわち、測距装置10は、測距部15を有する場合に限定されない。例えば、光源部11、走査部12、分光部13及び受光部14は、走査装置を構成する。この場合においても、対象物OBからの反射光L3を正確に検出し、走査領域R0内の正確な光走査を行うことが可能な走査装置を提供することができる。
また、測距装置10は、走査部12を有する場合に限定されない。例えば、光源部11からの出射光L1を対象物OBに向けて出射し、この反射光を分光して検出することで、対象物OBからの反射光を正確に受光し、対象物OBを正確に検出することが可能な光検出装置を提供することができる。
すなわち、本発明に係る光検出装置は、例えば、出射光L1を出射する光源部11と、出射光L1が対象物OBによって反射した反射光L3を分光して、所定の伸長方向に伸長させた分光光L41~L46として出力する分光部13と、光を検出する複数の受光素子が分光光L41~L46の伸長方向に沿って配置された受光部14と、を有する。従って、正確な光検出を行う光検出装置を提供することができる。
図7は、実施例2に係る測距装置30の模式的な配置図である。測距装置30は、ライン状(細長い形状)のスポット形状を有する出射光L1A及び走査光L2Aを用いて走査領域R0を走査する点、及びライン状の反射光L3Aを分光して受光する点を除いては、測距装置10と同様の構成を有する。
本実施例においては、測距装置30は、ライン状の出射光L1Aを出射する光源部31と、当該ライン状の出射光L1Aを走査光L2Aとして用い、走査領域R0を走査する走査部32とを有する。従って、対象物OBからは、略ライン状の反射光L3Aが戻って来ることが想定される。
また、測距装置30は、ライン状の反射光L3Aを分光するように構成された分光部33と、分光部33によって分光されたライン状の分光光群L4Aを受光及び検出するように構成された受光部34と、を有する。また、測距装置30は、これらの動作制御を行う制御部36を有する。
本実施例においては、例えば、走査部32は、1つの揺動軸を中心に光反射膜12Aを揺動させるように構成されたMEMSミラーからなる。従って、走査領域R0は、出射光L1Aが反射された光である走査光L2によって、1次元方向に走査される。
図8は、測距装置30の構成例を模式的に示す図である。また、図9は、測距装置30の受光部34の構成を示す図である。図8及び図9を用いて、測距装置30の構成及び測距装置10内の光の進路について説明する。
まず、本実施例においては、光源部31は、ライン状の一次光L11Aを生成する光源31Aと、一次光L11Aを整形して整形光L12Aを生成する整形光学系31Bと、整形光L12Aを出射光L1Aとして投光する投光光学系31Cとからなる。
本実施例においては、整形光学系31Bは、例えば、一次光L11Aを相似形状で拡大するエキスパンダからなる。すなわち、整形光学系31Bは、ライン状の中間像を生成する。従って、光源部31は、投光光学系31Cから、第1の方向D1に沿ってライン状に延びたスポット形状の光を出射光L1Aとして出射する。なお、図8には、出射光L1Aのスポット形状、すなわち出射光L1Aの光軸に垂直な方向における出射光L1Aの断面形状を示した。
また、走査部32は、第1の方向D1に垂直な第2の方向D2に沿って出射光L1Aの反射方向を変化させるように構成されている。すなわち、走査部32は、出射光L1Aを反射させかつ出射光L1Aの反射方向を第2の方向D2に沿って変化させる光反射面12Aを有する。以下においては、第1の方向D1を出射光L1Aの長さ方向と称し、第2の方向D2を出射光L1Aの幅方向と称する。
なお、例えば図7に示すように、本実施例においては、走査領域R0(走査面R1)は、走査部32の光反射面12Aの揺動範囲に対応する。
本実施例においては、対象物OBからの反射光L3Aは、出射光L1Aの長さ方向D1に対応する方向にライン状に延びたスポット形状を有する。分光部33及び受光部34は、この反射光L3Aを受光するのに適した形状及びサイズを有する。
分光部33は、出射光L1Aの幅方向D2に対応する方向範囲内において波長に応じて分光することで、異なる方向に向けて反射光L3Aを分光光群L4Aとして出射する。従って、例えば分光部33が反射光L3Aを6つの分光光L41A(λ1)~L46A(λ6)に分光する場合、その各々がライン状のスポット形状を有する。また、分光光L41A~L46Aの各々は、その幅方向に沿って配列される。
受光部34は、受光光学系34Aと、光検出器34Bとを有する。図9に示すように、光検出器34Bは、出射光L1Aの長さ方向D1に対応する方向に沿って整列した複数のフォトンカウンタC1~Cmを有する。
また、当該フォトンカウンタC1~Cmの各々は、光検出器14Bと同様に、マトリクス状の配置された複数の光電変換素子E11~E46を有する。本実施例においては、フォトンカウンタC1~Cmの各々における光電変換素子E11~E46の列方向が、出射光L1Aの長さ方向D1に対応する。
従って、本実施例においては、光検出器34Bは、4行6列の光電変換素子E11~E46からなるフォトンカウンタが当該光電変換素子E11~E46の行方向に沿って複数個配列された構成を有するラインセンサである。また、本実施例においては、フォトンカウンタC1~Cmの各々は、独立して検出動作を行う。これによって、フォトンカウンタC1~Cmの各々から異なる検出結果が得られ、この検出結果の各々が走査領域R0内の各場所に応じた走査結果となる。
また、本実施例においては、分光部33は、出射光L1Aの幅方向D2に対応する方向範囲において波長毎に異なる方向に光を出射することで反射光L3Aを分光する。また、図9に示すように、受光部34の光検出器34BにおけるフォトンカウンタC1~Cmの各々は、出射光L1Aの幅方向D2に対応する方向に沿って設けられた複数の光電変換素子(例えば光電変換素子E11~E16)を有する。ライン状の6つの分光光L41A(λ1)~L46A(λ6)は、フォトンカウンタC1~Cmの各々の各列の光電変換素子に入射するように配置されている。例えば、分光光L41Aは、フォトンカウンタC1~Cmの各々の1列目の光電変換素子E11~E41に入射する。すなわち、分光光群L4nAは、フォトンカウンタC1~Cmの各々のn列目の光電変換素子E1n~E4nに入射する(nは2~6)。
本実施例に示すように、測距装置30は、出射光L1A(走査光L2A)としてライン状の光を用いて走査領域R0を走査する。この場合においても、分光部33を用いることで、反射光L3Aを容易に整形し、例えば光検出器34Bの全体に反射光L3Aを入射させることができる。従って、正確にかつ高いダイナミックレンジで走査領域R0内の走査を行うことができ、正確な測距を行うことができる。
また、本実施例においても、分光部33は反射光L3に対応する波長帯の背景光を含む場合がある。従って、例えば図4に示すように、受光部34は、分光部33によって分光された反射光L3Aのうちの波長帯域λ1~λ6の光が照射される位置に光検出器34Bを配置し、波長帯域λ1~λ6以外の光が光検出器34Bに照射されないように装置を構成することで、正確に出射光L1Aに対応する分光光群L4Aを検出することができる。
また、ライン状の出射光L1Aを用いることで、走査部12の構成が単純なものとなり、装置が小型化される。また、ラインセンサとしてフォトンカウンタC1~Cmの各々を用いることで、走査領域R0を短時間かつ高感度で走査することができる。
なお、本実施例においては、第2の方向D2が第1の方向D1に垂直な方向であり、走査部32が出射光L1Aの反射方向を第2の方向D2に沿った方向に沿って変化させる場合について説明した。しかし、第2の方向D2は、第1の方向D1に対して角度を持った方向、例えば走査光L2Aの光軸に垂直な方向において第1の方向D1とは異なる方向であればよい。
すなわち、走査部32は、出射光L1Aを反射させかつ出射光L1Aの反射方向を第1の方向D1に対して角度を持った第2の方向D2に沿って変化させる光反射面12Aを有していればよい。なお、第2の方向D2が第1の方向D1に垂直な方向であると、走査部32、分光部33及び受光部34の設計が容易となる。
このように、測距装置30(走査装置又は光検出装置についても同様である)においては、光源部31は、第1の方向D1に沿ってライン状に延びたスポット形状の光を出射光L1Aとして出射し、走査部32は、出射光L1Aを反射させかつ出射光L1Aの反射方向を第1の方向D1に対して角度を持った第2の方向D2に沿って変化させる光反射面12Aを有する。
また、分光部33は、第2の方向D2に沿った方向範囲において波長に応じて異なる方向に光を出射することで反射光L3Aを分光し、受光部34の光検出器34Bは、第1の方向D1に沿って整列した複数のフォトンカウンタC1~Cmを有する。従って、対象物OBからの反射光L3Aを正確に検出し、対象物OBまでの距離を正確に測定することが可能な測距装置30を提供することができる。
10、30 測距装置
11、31 光源部
12、32 走査部
13、33 分光部
14、34 受光部
15、35 測距部
11、31 光源部
12、32 走査部
13、33 分光部
14、34 受光部
15、35 測距部
Claims (9)
- 出射光を出射する光源部と、
前記出射光によって所定の領域を走査する走査部と、
前記出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、
前記反射光を分光して前記受光部に導き、かつ前記受光部上における前記反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を備え、
前記分光部が導く光には前記出射光の波長帯域以外の光が含まれ、
前記受光部は、複数の受光素子を含み、
前記複数の受光素子は、前記分光部に導かれた前記出射光の波長帯域以外の光が入射する方向には設けられていないことを特徴とする走査装置。 - 出射光を出射する光源部と、
前記出射光によって所定の領域を走査する走査部と、
ガイガーモードで動作し、前記出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部に受光される前記反射光を分光し、前記受光部上における前記反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を備え、
前記受光部は、複数の光電変換素子を有するマルチピクセルフォトンカウンタを含み、
前記複数の光電変換素子の長手方向は、前記反射光の前記伸長方向とは異なる方向であることを特徴とする走査装置。 - 前記複数の光電変換素子は、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の走査装置。
- 前記受光部は、前記受光部上における前記反射光の前記伸長方向の長さ未満の伸長方向の長さを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の走査装置。
- 前記分光部は、光をその波長に応じた方向に導くことで、前記反射光を前記伸長方向へ伸長させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の走査装置。
- 前記受光部は、前記反射光と共に前記受光部に照射される背景光のうち、前記反射光の波長帯域以外の光が入射しないように配置されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の走査装置。
- 前記光源の前記出射光が複数の波長を含む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。
- 出射光を出射する光源部と、
前記出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、
前記反射光を分光して前記受光部に導き、かつ前記受光部上における前記反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を備え、
前記分光部が導く光には前記出射光の波長帯域以外の光が含まれ、
前記受光部は、複数の受光素子を有するマルチピクセルフォトンカウンタを含み、
前記複数の受光素子は、前記分光部に導かれた前記出射光の波長帯域以外の光が入射する方向には設けられていないことを特徴とする光検出装置。 - 出射光を出射する光源部と、
前記出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、
前記反射光を分光して前記受光部に導き、かつ前記受光部上における前記反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を備え、
前記分光部が導く光には前記出射光の波長帯域以外の光が含まれ、
前記受光部は、各々が複数の受光素子を有する複数のマルチピクセルフォトンカウンタを含み、
前記複数の受光素子は、前記分光部に導かれた前記出射光の波長帯域以外の光が入射する方向には設けられていないことを特徴とする光検出装置。
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