JP2024028338A - 走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス光の出射態様及び偏向態様を正確に把握し、正確に走査領域の走査を行うことが可能な走査装置を提供する。【解決手段】パルス光を出射する光源１１と、パルス光の１の部分を受光する第１の受光素子１３と、パルス光の他の部分を方向可変に偏向しつつ投光する偏向素子１４と、対象物によって反射されたパルス光の他の部分である反射光を受光する第２の受光素子１５と、第１の受光素子によってパルス光の１の部分が受光されたタイミングに基づいて、偏向素子の動作態様を制御する偏向素子制御部２４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学的な走査を行う走査装置及び光学的な測距を行う測距装置に関する。

従来から、パルス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測距装置が知られている。また、対象物の光走査を行い、当該対象物までの距離に加えて当該対象物の形状や向きなどに関する情報を得ることができる走査型の測距装置が知られている。

当該走査型の測距装置は、例えば、可動式のミラーなど、光を方向可変に偏向することで走査用のパルス光を生成する偏向素子を有する。例えば、特許文献１には、光源、走査
ミラー及び受光素子を含む測距装置が開示されている。

特開2017-075906号公報

当該走査型の測距装置は、例えば、走査用のパルス光である走査光の走査領域への投光タイミング及び投光方向と、対象物によって反射された走査光の受光タイミングと、に基づいて、走査領域内の種々の対象物までの距離を測定する。

ここで、走査光の走査領域への投光タイミングは、例えば、装置内に設けられた光源からのパルス光の出射タイミング、または、当該光源を構成する発光素子の発光タイミングに対応する。また、上記したように、偏向素子によって光を方向可変に偏向することで走査光を生成する場合、走査光の投光方向は、当該光源からの光の出射タイミング及び偏向素子の駆動状態によって定まる。

従って、走査光を走査領域に向けて過不足なく投光することを考慮すると、走査光の投光方向及びその変化状況を正確に把握できることが好ましい。また、走査機能を有しない測距装置であっても、測距精度を向上させることを考慮すると、測距用のパルス光を出射するタイミングを正確にかつ厳密に把握できることが好ましい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、パルス光の出射態様を正確に把握することで正確な測距を行うことが可能な測距装置を提供することを目的の１つとしている。また、本発明は、パルス光の出射態様及び偏向態様を正確に把握し、正確に走査領域の走査を行うことが可能な走査装置及び測距装置を提供することを目的の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、パルス光を出射する光源と、パルス光の１の部分を受光する第１の受光素子と、パルス光の他の部分を方向可変に偏向しつつ投光する偏向素子と、対象物によって反射されたパルス光の他の部分である反射光を受光する第２の受光素子と、第１の受光素子によってパルス光の１の部分が受光されたタイミングに基づいて、偏向素子の動作態様を制御する偏向素子制御部と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る測距装置の全体構成を示す図である。 実施例１に係る測距装置における偏向素子の構成を示す図である。 実施例１に係る測距装置におけるパルス光の偏向態様を示す図である。 実施例１に係る測距装置における制御部の動作フローを示す図である。 実施例１に係る測距装置における制御部の動作フローを示す図である。 実施例１に係る測距装置における制御部の動作フローを示す図である。 実施例１に係る測距装置におけるパルス光の偏向態様の制御例を示す図である。 実施例１に係る測距装置におけるパルス光の偏向態様の制御例を示す図である。 実施例１に係る測距装置におけるパルス光の偏向態様の制御例を示す図である。

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の全体構成を模式的に示す図である。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１には、走査領域Ｒ０及び対象物ＯＢを模式的に示している。

測距装置１０は、パルス光Ｌ１を出射する光源１１を有する。本実施例においては、光源１１は、赤外領域にピーク波長を有するレーザ光を断続的に出射することでパルス光Ｌ１を出射する。

測距装置１０は、パルス光Ｌ１を第１の分離光（パルス光Ｌ１の１の部分）Ｌ１１及び第２の分離光（パルス光Ｌ１の他の部分）Ｌ１２に分離する光分離素子１２を有する。本実施例においては、光分離素子１２は、パルス光Ｌ１の光路上に設けられ、パルス光Ｌ１の一部を透過させることで第１の分離光Ｌ１１を生成し、その他のパルス光Ｌ１を透過させることで第２の分離光Ｌ１２を生成するビームスプリッタである。

測距装置１０は、第１の分離光Ｌ１１を受光する受光素子（以下、第１の受光素子と称する）１３を有する。本実施例においては、第１の受光素子１３は、第１の分離光Ｌ１１に対して光電変換を行い、第１の分離光Ｌ１１に応じた電気信号（以下、第１の受光信号と称する）ＲＳ１を生成する少なくとも１つの光電変換素子を含む。第１の受光素子１３は、第１の受光信号ＲＳ１を、パルス光Ｌ１の出射結果を示す信号として生成する。

測距装置１０は、第２の分離光Ｌ１２を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する偏向素子（以下、第１の偏向素子と称する場合がある）１４を有する。本実施例においては、偏向素子１４は、周期的な動作を行って第２の分離光Ｌ１２の偏向方向を周期的に変化させる。偏向素子１４は、第２の分離光Ｌ１２を屈曲させて出射し、またその屈曲方向を周期的に変化させる。偏向素子１４は、偏向された第２の分離光Ｌ１２を走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する。

本実施例においては、偏向素子１４は、２つの揺動軸（以下、第１及び第２の揺動軸と称する）ＡＸ及びＡＹの周りに揺動し、第２の分離光Ｌ１２を反射させる揺動ミラー１４Ａを有する。本実施例においては、偏向素子１４は、揺動ミラー１４Ａが揺動することで、第２の分離光Ｌ１２の反射方向を周期的に変化させる。

なお、走査領域Ｒ０は、偏向素子１４から走査光Ｌ２が投光される仮想の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、走査領域Ｒ０は、揺動ミラー１４Ａの第１の揺動軸ＡＸ周りの揺動方向に応じた第２の分離光Ｌ１２の偏向方向の可変範囲に対応する方向（以下、第１の方向と称する）Ｄ１に沿った高さ方向の方向範囲と、揺動ミラー１４Ａの第２の揺動軸ＡＹ周りの揺動方向に応じた第２の分離光Ｌ１２の偏向方向の可変範囲に対応する方向（以下、第２の方向と称する）Ｄ２に沿った幅方向の方向範囲と、走査光Ｌ２が所定の強度を維持できる奥行方向の範囲と、を有する錐状の空間として定義されることができる。

また、走査領域Ｒ０内における偏向素子１４から所定の距離だけ離れた仮想の平面を走査面Ｒ１としたとき、走査面Ｒ１は、第１及び第２の方向Ｄ１及びＤ２に沿って広がる２次元的な領域として定義されることができる。走査光Ｌ２は、この走査面Ｒ１を走査するように、走査領域Ｒ０に向けて投光される。

また、図１に示すように、走査領域Ｒ０に対象物ＯＢ（すなわち第２の分離光Ｌ１に対して反射性又は散乱性を有する物体又は物質）が存在する場合、走査光Ｌ２は、対象物ＯＢによって反射又は散乱される。対象物ＯＢによって反射された走査光Ｌ２の一部は、反射光Ｌ３として偏向素子１４に戻って来る。

反射光Ｌ３は、偏向素子１４によって偏向（屈曲）される。反射光Ｌ３は、偏向素子１４によって偏向された後、第２の分離光Ｌ１２とほぼ同一の光路を第２の分離光Ｌ１２とは反対の方向に向かって進む。

測距装置１０は、偏向素子１４を経た反射光Ｌ３を受光する受光素子（以下、第２の受光素子と称する）１５を有する。本実施例においては、第２の受光素子１５は、反射光Ｌ３に対して光電変換を行い、反射光Ｌ３に応じた電気信号（以下、第２の受光信号と称する）ＲＳ２を生成する少なくとも１つの光電変換素子を含む。

第２の受光素子１５は、第２の受光信号ＲＳ２を、反射光Ｌ３の受光結果すなわち走査光Ｌ２の投受光結果を示す信号として生成する。換言すれば、測距装置１０は、第２の受光素子１５によって生成された第２の受光信号ＲＳ２を走査領域Ｒ０の走査結果として取得する。

本実施例においては、測距装置１０は、光分離素子１２と偏向素子１４との間の第２の分離光Ｌ１２及び反射光Ｌ３に共通の光路上に設けられ、反射光Ｌ３を偏向して第２の受光素子１５に導く偏向素子（以下、第２の偏向素子と称する場合がある）１６を有する。本実施例においては、偏向素子１６は、第２の分離光Ｌ１２を透過させかつ反射光Ｌ３を第２の受光素子１５に向けて反射させるビームスプリッタである。本実施例においては、偏向素子１６は、第２の分離光Ｌ１２と反射光Ｌ３とを分離する投受光分離素子として機能する。

なお、図１に示す走査領域Ｒ０は、実質的に走査情報を得る領域（有効走査領域）である場合について説明する。例えば、走査光Ｌ２は、走査領域Ｒ０のわずかに外側に対しても投光される場合がある。しかし、走査領域Ｒ０の外に向けて投光される走査光Ｌ２については、例えば走査処理（第２の受光素子１５による受光処理）が行われない。

測距装置１０は、光源１１、第１の受光素子１３、偏向素子１４及び第２の受光素子１５の各々の駆動及びその制御を行う制御部１７を有する。まず、本実施例においては、制御部１７は、光源１１に駆動信号ＤＬを供給し、光源１１にパルス光Ｌ１の出射動作を行わせる。また、制御部１７は、偏向素子１４に駆動信号ＤＸ及びＤＹを供給し、揺動ミラー１４Ａを揺動させる。

次に、制御部１７は、第１の受光素子１３を駆動し、第１の受光信号ＲＳ１を取得する。制御部１７は、第１の受光信号ＲＳ１に基づいて、光源１１によるパルス光Ｌ１の出射態様を監視する出射態様監視部２１を有する。

本実施例においては、出射態様監視部２１は、第１の受光信号ＲＳ１（すなわち第１の受光素子１３による第１の分離光Ｌ１１の受光結果）に基づいて、光源１１からパルス光Ｌ１が出射されたタイミングを特定する出射タイミング特定部２１Ａを有する。また、出射態様監視部２１は、所定の期間に亘って第１の受光信号ＲＳ１の監視を行うことで、パルス光Ｌ１の出射間隔を特定するパルス間隔特定部２１Ｂを有する。

本実施例においては、出射態様監視部２１は、第１の受光信号ＲＳ１内における第１の分離光Ｌ１１を示すパルスを検出する。そして、出射態様監視部２１は、当該パルスの位置及び他のパルスとの間隔に基づいて、光源１１によるパルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔を特定及び監視する。

制御部１７は、第１及び第２の受光信号ＲＳ１及びＲＳ２（すなわち第１の分離光Ｌ１１及び反射光Ｌ３の受光結果）に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部２２を有する。

本実施例においては、測距部２２は、第２の受光信号ＲＳ２から反射光Ｌ３を示すパルスを検出し、第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が受光されたタイミングを特定する。そして、測距部２２は、出射態様監視部２１によって特定されたパルス光Ｌ１の出射タイミングと反射光Ｌ３の受光タイミングとの間の時間差に基づいて、タイムオブフライト法によって、対象物ＯＢ（又はその一部の表面領域）までの距離を測定する。また、測距部２２は、測定した距離情報を示すデータ（測距データ）を生成する。

また、本実施例においては、測距部２２は、走査領域Ｒ０（走査面Ｒ１）を複数の走査点（測距点）に区別し、当該複数の走査点の各々の測距結果（距離値）を画素として示す走査領域Ｒ０の画像（測距画像）を生成する。本実施例においては、測距部２２は、測距点と揺動ミラー１４Ａの変位（揺動位置）とを示す情報とを対応付け、走査領域Ｒ０の２次元マップ又は３次元マップを示す画像データを生成する。

また、測距部２２は、例えば、走査光Ｌ２の投光方向の変化周期、すなわち走査領域Ｒ０を走査する周期である走査周期を測距画像の生成周期とし、当該走査周期毎に１つの測距画像を生成する。

なお、走査周期とは、例えば、測距装置１０が走査領域Ｒ０に対する光走査を周期的に行う場合において、偏向素子１４の揺動ミラー１４Ａの任意の変位の状態が、その後に再度当該変位の状態に戻るまでの期間をいう。また、測距部２２は、生成した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、制御部１７は、出射態様監視部２１によって特定されたパルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔に基づいて、走査領域Ｒ０内の複数の走査点の群である走査点群を監視する走査点群監視部２３を有する。例えば、走査点群監視部２３は、走査面Ｒ１を見たときの走査周期内の走査点（すなわち走査光Ｌ２が照射される領域）の配置状況を判定する。また、走査点群監視部２３は、走査周期毎に走査点の配置状況を判定することで、走査点群を監視する。

制御部１７は、走査点の配置状況に応じて、偏向素子１４によるパルス光Ｌ１（第２の分離光Ｌ１２）の偏向態様を制御する偏向素子制御部２４を有する。本実施例においては、偏向素子制御部２４は、走査点群監視部２３によって判定された走査点の配置状況と、設計上の走査点の配置構成とを比較する。そして、偏向素子制御部２４は、当該走査点群の比較結果に基づいて、偏向素子１４に供給する駆動信号ＤＸ及びＤＹの態様を調節し、揺動ミラー１４Ａの揺動態様を制御する。

換言すれば、本実施例においては、偏向素子制御部２４は、第１の受光素子１３によってパルス光Ｐ１の一部である第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングに基づいて、偏向素子１４の動作態様を変化させる。例えば、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４による第２の分離光Ｌ１２の偏向方向の変化速度及びその位相を制御する。

このように、本実施例においては、測距装置１０は、光源１１から出射されたパルス光Ｌ１を監視しつつ測距動作を行う。また、測距装置１０は、パルス光Ｌ１の監視結果及び偏向素子１４の状態に基づいて偏向素子１４の偏向態様を調節しつつ走査領域Ｒ０の走査を行う。

図２は、偏向素子１４の上面図である。本実施例においては、偏向素子１４は、揺動ミラー１４Ａを有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。まず、本実施例においては、偏向素子１４は、フレーム部３１と、フレーム部３１によって支持され、第１及び第２の揺動軸ＡＸ及びＡＹの周りに揺動する揺動部３２とを有する。

揺動部３２は、一端がフレーム部３１の内周部に固定され、第１の揺動軸ＡＸに沿って延び、かつ第１の揺動軸ＡＸの周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＸを有する。また、揺動部３２は、一対のトーションバーＴＸの内側において第１の揺動軸ＡＸの周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＸの他端に接続された揺動枠ＳＸを有する。揺動枠ＳＸは、一対のトーションバーＴＸが第１の揺動軸ＡＸの周方向に沿ってねじれることで、第１の揺動軸ＡＸの周りに揺動する。

また、揺動部３２は、一端が揺動枠ＳＸの内周部に固定され、第２の揺動軸ＡＹに沿って延び、かつ第２の揺動軸ＡＹの周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＹを有する。また、揺動部３２は、一対のトーションバーＴＹの内側において第２の揺動軸ＡＹの周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＹの他端に接続された揺動板ＳＰを有する。

揺動板ＳＰは、一対のトーションバーＴＹが第２の揺動軸ＡＹの周方向に沿ってねじれることで、第２の揺動軸ＡＹの周りに揺動する。また、揺動板ＳＰは、揺動枠ＳＸが第１の揺動軸ＡＸの周りに揺動することで、第１及び第２の揺動軸ＡＸ及びＡＹの周りに揺動する。

偏向素子１４は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＰを揺動させる揺動力（すなわち揺動部３２の駆動力）を生成する駆動力生成部（図示せず）に接続された端子３３を有する。制御部１７は、端子３３に接続されている。偏向素子１４の揺動部３２は、制御部１７からの駆動信号ＤＸ及びＤＹを受けて揺動する。

また、偏向素子１４は、揺動板ＳＰ上に形成された光反射膜３４を有する。光反射膜３４は、揺動板ＳＰの揺動に従って、第１及び第２の揺動軸ＡＸ及びＡＹの周りに揺動する。本実施例においては、光反射膜３４は、偏向素子１４における揺動ミラー１４Ａとして機能する。

図３は、測距装置１０における走査領域Ｒ０の走査態様を模式的に示す図である。図３は、走査面Ｒ１上における走査光Ｌ２の軌跡を模式的に示す図である。図３を用いて、光源１１及び偏向素子１４）の動作について説明する。

本実施例においては、光源１１は、パルス光Ｌ１として、点状のビーム形状のレーザ光を出射するように構成されている。また、偏向素子１４は、揺動ミラー１４Ａを、第１の揺動軸ＡＸの周りには非共振の態様で揺動させ、第２の揺動軸ＡＹの周りには共振させつつ揺動させる。

例えば、制御部１７は、光源１１に対し、所定の間隔で点状のレーザ光を生成させる駆動信号ＤＬを供給する。また、制御部１７は、偏向素子１４における揺動ミラー１４Ａを第１の揺動軸ＡＸの周りに揺動させる駆動力生成部に対し、揺動部３２及び揺動ミラー１４Ａの共振周波数とは異なる周波数の駆動信号ＤＸ、例えばのこぎり波の信号ＤＸ１を供給する。

一方、例えば、制御部１７は、偏向素子１４における揺動ミラー１４Ａを第２の揺動軸ＡＹの周りに揺動させる駆動力生成部に対し、揺動部３２及び揺動ミラー１４Ａの共振周波数に対応する周波数の駆動信号ＤＹ、例えば正弦波の信号ＤＹ１を供給する。これによって、揺動ミラー１４Ａは、第１の揺動軸ＡＸの周りには低速で（長い揺動周期で）揺動し、第２の揺動軸ＡＹの周りには高速で（短い揺動周期で）揺動する。

従って、本実施例においては、偏向素子１４は、走査領域Ｒ０に対し、揺動ミラー１４Ａの第２の揺動軸ＡＹ周りの変位方向に対応する方向である第２の方向Ｄ２を主走査方向とし、揺動ミラー１４Ａの第１の揺動軸ＡＸ周りの変位方向に対応する方向である第１の方向Ｄ１を副走査方向とするラスタースキャンを行う。

従って、偏向素子１４から走査面Ｒ１を見たとき、走査光Ｌ２は、図３に示すような軌跡（軌道）ＴＲを辿るように順次投光される。すなわち、偏向素子１４は、光源１１によって生成されたパルス光Ｌ１を第２の方向Ｄ２に沿って順次偏向しつつ投光し、この投光動作を第１の方向Ｄ１に沿って繰り返し行うような態様で、パルス光Ｌ１を偏向する。測距装置１０は、走査領域Ｒ０に対し、第２の方向Ｄ２に沿った走査線を第１の方向Ｄ１に沿って順次取得するような態様で走査を行う。

例えば、揺動ミラー１４Ａの第２の揺動軸ＡＹが鉛直方向に沿った方向となるように測距装置１０を配置した場合、第１の方向Ｄ１は鉛直方向に対応し、第２の方向Ｄ２は水平方向に対応する方向となる。この場合、測距装置１０は、水平方向を主走査方向とし、鉛直方向を副走査方向として、走査領域Ｒ０に対して走査光Ｌ２によるラスタースキャンを行う。

図４及び図５は、測距装置１０による制御部１７の動作フローを示す図である。また、図６は、測距装置１０によるパルス光Ｌ１の出射動作及び走査光Ｌ２の投受光動作のフローを模式的に示す図である。図４乃至図６を用いて、測距装置１０の動作ルーチンについて説明する。

まず、図４は、制御部１０による測距動作のフローを示す図である。制御部１７は、光源１１を駆動する（ステップＳ１１）。なお、制御部１７は、ステップＳ１１においては、光源１１の他、第１及び第２の受光素子１３及び１５並びに偏向素子１４の駆動を開始する。

次に、出射態様監視部２１の出射タイミング特定部２１Ａは、第１の受光素子１３から第１の受光信号ＲＳ１を取得し、パルス光Ｌ１の一部である第１の分離光Ｌ１１が受光されたか否かを判定する（ステップＳ１２）。第１の分離光Ｌ１１が受光されたと判定された場合、出射タイミング特定部２１Ａは、パルス光Ｌ１が光源１１から出射されたタイミングを特定する（ステップＳ１３）。

また、測距部２２は、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングに基づいて、測距の基準タイミング測距の基準タイミング、本実施例においてはタイムオブフライトの開始時刻を設定する（ステップＳ１４）。例えば、測距部２２は、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングを測距の基準タイミングとして設定してもよいし、パルス光Ｌ１が光源１１から出射されたタイミングを基準タイミングとして設定してもよい。

また、測距部２２は、ステップＳ１４において、測距の時間窓、本実施例においてはタイムオブフライトの終了時刻として許容する時間範囲を設定する。より具体的には、測距の時間窓とは、例えば、出射されたパルス光Ｌ１に起因する反射光Ｌ３の受光処理（第２の受光信号ＲＳ２内でパルスを検出する処理）を行う範囲として限定する時間領域に対応する。

例えば、測距の時間窓の始点は、第１の分離光Ｌ１１が第１の受光素子１３によって受光されたタイミングよりも後の任意のタイミングであってもよい。また、例えば、測距の時間窓の終点は、次にパルス光Ｌ１が出射されるタイミングよりも前の任意のタイミングであってもよい。また、例えば、測距の時間窓の終点は、次に第１の分離光Ｌ１１が第１の受光素子１３によって受光されるタイミングよりも前の任意のタイミングであってもよい。

続いて、測距部２２は、第２の受光素子１５から第２の受光信号ＲＳ２を取得し、第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が当該時間窓内に受光されたか否かを判定する（ステップＳ１５）。そして、反射光Ｌ３が当該時間窓内に受光されたと判定された場合、測距部２２は、設定した基準タイミング及び第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が受光されたタイミングに基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する（ステップＳ１６）。

なお、制御部１７は、ステップＳ１６の後は、ステップＳ１２～Ｓ１６を繰り返すか、又は測距フローを終了する。このように、測距部２２は、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングと、第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が受光されたタイミングとに基づいて、測距動作を行う。

なお、例えば、ステップＳ１２において第１の分離光Ｌ１１が受光されたと判定されなかった場合、及びステップＳ１５において反射光Ｌ３が時間窓内で受光されたと判定されなかった場合、制御部１７は動作を終了する。

次に、図５は、制御部１７による偏向素子１４の動作制御のフローの例を示す図である。出射態様監視部２１の出射タイミング特定部２１Ａは、ステップＳ１３の後、再度第１の分離光Ｌ１１が第１の受光素子１３によって受光されたか否かを判定する（ステップＳ２１）。続いて、ステップＳ２１において第１の分離光Ｌ１１が受光されたと判定された場合、出射タイミング特定部２１Ａは、パルス光Ｌ１が光源１１から出射されたタイミングを特定する（ステップＳ２２）。すなわち、出射態様監視部２１は、第１の受光素子１３が複数回に亘ってパルス光Ｌ１（第１の分離光Ｌ１１）を受光するまで待機する。

続いて、出射態様監視部２１のパルス間隔特定部２１Ｂは、この複数回に亘るパルス光Ｌ１の出射タイミングの特定結果に基づいて、パルス光Ｌ１の出射間隔（パルス光Ｌ１が出射された時間間隔）を特定する（ステップＳ２３）。なお、パルス間隔特定部２１Ｂは、出射タイミング特定部２１Ａによるパルス光Ｌ１の出射タイミングの特定結果を取得せず、ステップＳ１３及びＳ２２を経ずに、パルス光Ｌ１の出射間隔を特定してもよい。

続いて、制御部１７の走査点群監視部２３は、パルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔に基づいて、走査領域Ｒ０内における走査点の配置状況を判定する（ステップＳ２４）。例えば、走査点群監視部２３は、走査面Ｒ１を定義し、走査面Ｒ１に照射される走査光Ｌ２の領域をマップ化する。また、走査点群２３は、例えば、走査領域Ｒ０の走査周期毎に、走査点の配置状況を判定する。

続いて、制御部１７の偏向素子制御部２４は、走査点群監視部２３によって判定された走査点の配置状況に基づいて、偏向素子１４によるパルス光Ｌ１の偏向動作を制御する（ステップＳ２５）。例えば、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の揺動ミラー１４Ａの揺動速度及び位相を調節する。制御部１７は、例えばこのようにして偏向素子１４の制御を行う。

図６は、制御部１７の制御フローと、光源１１、第１の受光素子１３、偏向素子１４及び第２の受光素子１５の動作フローとの関係を模式的に示す図である。例えば、光源１１は、測距装置１０の駆動開始後（ステップＳ１１の後）のタイミングｔ１において、パルス光Ｌ１を出射する。また、本実施例においては、パルス光Ｌ１は、光分離素子１２によって分離される。第１の受光素子１３は、タイミングｔ２において、分離されたパルス光Ｌ１の一部である第１の分離光Ｌ１１を受光し、第１の受光信号ＲＳ１を生成する。

この際、制御部１７は、例えば図４のステップＳ１２～Ｓ１４に示す動作を行い、パルス光Ｌ１の出射タイミングであるタイミグｔ１を特定し、測距の基準タイミング及び時間窓ＴＷを設定する。

続いて、偏向素子１４は、第１の受光素子１３に受光されない他のパルス光Ｌ１である第２の分離光Ｌ１２を偏向しつつ、走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する。走査光Ｌ２は、タイミングｔ３において、対象物ＯＢに照射され、反射又は散乱される。

本実施例においては、反射された走査光Ｌ２の一部である反射光Ｌ３は、偏向素子１４及び１６によって偏向（屈曲）される。そして、第２の受光素子１５は、タイミングｔ４において、偏向素子１４及び１６を経た反射光Ｌ３を受光し、第２の受光信号ＲＳ２を生成する。

この際、制御部１７は、例えば図４のステップＳ１５及びＳ１６に示す動作を行い、反射光Ｌ３の受光タイミングであるタイミングｔ４の特定、タイミングｔ４が時間窓ＴＷ内のタイミングであるか否かの判定を行いつつ、対象物ＯＢに対して測距を行う。

また、光源１１、第１の受光素子１３、偏向素子１４及び第２の受光素子１５は、タイミングｔ４よりも後のタイミングにおいては、タイミングｔ１～ｔ４と同様の動作を繰り返し行う。例えば、タイミングｔ４の任意のタイミングｔ５において、光源１１からパルス光Ｌ１が出射される。また、パルス光Ｌ１は、光分離素子１２によって分離された後、その一部がタイミングｔ６において第１の受光素子１３によって受光される。

また、制御部１７は、タイミングｔ５以降についても、タイミングｔ１～ｔ４と同様の測距動作（ステップＳ１２～Ｓ１６）を行う。なお、図６においては、時間窓ＴＷの始点がタイミングｔ２よりも後のタイミングとして設定され、時間窓ＴＷの終点がタイミングｔ５よりも前のタイミングとして設定される場合について示している。

また、タイミングｔ６以降においては、制御部１７は、例えば図５のステップＳ２２～Ｓ２５に示す偏向素子の制御動作を合わせて行う。なお、ステップＳ２２～Ｓ２５については、所定期間毎、例えば、所定の走査周期毎又は所定の動作時間経過毎（例えば半日毎など）に行われてもよい。

このように、測距装置１０は、パルス光Ｌ１の出射状況を考慮し、走査領域Ｒ０の走査態様を調節しつつ対象物ＯＢまでの距離を測定する。換言すれば、測距装置１０は、光源１１から出射されたパルス光Ｌ１を実測し、この実測結果を走査動作及び測距動作にフィードバックする。

従って、走査光Ｌ２となるパルス光Ｌ１の出射タイミングを正確にかつ厳密に把握することができ、正確なタイムオブフライトを算出することができる。すなわち、パルス光Ｐ１の出射態様を正確に把握することで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。

例えば、光源１１は、レーザ光を出射するレーザ素子など、種々の発光素子を含む。この発光素子は、電圧の印加によって発光動作を行い、これを出射する。また、例えば、レーザ素子は、電圧の印加によってレーザ発振を行い、当該発振状態の光の一部をパルス光Ｌ１として出射する。

しかし、発光素子の動作特性、例えばレーザ素子の発振特性は、使用される環境（例えば温度や湿度）及び使用期間に応じて、わずかに設計上の特定とは異なる特性を示す場合がある。従って、光源１１からパルス光Ｌ１が出射されるタイミングは、これらの使用条件に応じてわずかに変化する場合がある。

測距装置１０は、このようにパルス光Ｌ１の出射タイミングが変化する場合でも、パルス光Ｌ１を受光して監視することで、パルス光Ｌ１の出射タイミングの変化に追従して測距動作を行うことができる。従って、正確なタイムオブフライトを算出することができ、正確な測距を行うことができる。

また、測距装置１０を構成する場合に使用する光源１１の条件が大幅に緩和されることとなる。例えば、駆動信号ＤＬ、例えば駆動信号ＤＬの波形を調節することによってはパルス光Ｌ１の出射タイミングを特定及び調節することができない発光素子を光源１１に用いることができる。

例えば、固体物質をレーザ媒質とする固体レーザをＱスイッチ法やモード同期法を用いて発振させる構成の光源など、独自にレーザ発振を行うレーザ素子を含む光源については、パルス光Ｌ１の出射タイミングを外部から制御できない場合がある。例えば、光源１１がこのような固体レーザを含む場合、制御部１７は、光源１１に対しては、駆動信号ＤＬとして電圧（例えば直流電圧）を印加することしかできない。

これに対し、測距装置１０は、パルス光Ｌ１の出射態様を監視する（パルス光Ｌ１の出射タイミングを特定する）ように構成されている。従って、上記した固体レーザを有する光源であっても、光源１１として用いることができる。すなわち、測距装置１０は、例えば、光源１１が電圧の印加によって独自にレーザ発振を行うレーザ素子を含む場合にも有用な構成を有する。

なお、駆動信号ＤＬの構成（例えば駆動信号ＤＬ内に挿入するパルスの位置）を調節することでパルス光Ｌ１の出射タイミングを制御することが可能な発光素子を光源１１として用いる場合でも、上記したように、測距装置１０の測距精度及び走査精度は十分に向上する。

次に、図７～図９を用いて、制御部１７による偏向素子１４の制御について説明する。図７、図８及び図９は、それぞれ、制御部１７による偏向素子１４の制御例、及びその制御前後における走査面Ｒ１上の走査点ＰＳの配置例を示す図である。

図７は、設計上のパルス光Ｌ１の出射間隔よりも長い間隔でパルス光Ｌ１が出射されていた場合の制御部１７の制御例を模式的に示す図である。具体的には、本実施例においては、走査点群監視部２３は、出射態様監視部２１によって特定されたパルス光Ｌ１の出射
タイミング及び出射間隔をもとに、ステップＳ２４において、走査点ＰＳの配置状況を判定する。そして、図７に示す例では、走査点群監視部２３は、走査点ＰＳが設計上の配置間隔（例えば図３に示すような配置構成）よりも所定の間隔以上離れて配置されていることを判定する。

この場合、走査領域Ｒ０に設けられる走査点ＰＳは、設計上の走査点ＰＳよりも、他の隣接する走査点ＰＳとの間隔が大きくなり、また走査点ＰＳの個数が少なくなる。従って、走査領域Ｒ０内に走査漏れとなる領域（走査光Ｌ２が照射されない領域）ができる場合がある。また、設計上の走査点ＰＳとは大きく異なる位置の点が走査される場合、走査領域Ｒ０の空間的な走査精度が低下する場合がある。

これに対し、本実施例においては、ステップＳ２５において、偏向素子制御部２４は、第１の方向Ｄ１の偏向速度を遅くするように、偏向素子１４を制御する。具体的には、本実施例においては、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の揺動ミラー１４Ａの第１の揺動軸ＡＸ周りの揺動速度を遅くするように、駆動信号ＤＸを調節する。

これによって、図７に示すように、第１の方向Ｄ１において、隣接する走査点ＰＳ間の距離が小さくなる。従って、パルス光Ｌ１の出射間隔が長くなった場合の走査漏れの発生又は走査精度の低下を抑制することができる。

次に、図８は、設計上のパルス光Ｌ１の出射間隔よりも短い間隔でパルス光Ｌ１が出射されていた場合の制御部１７の制御例を模式的に示す図である。本実施例においては、走査点群監視部２３は、図８に示す例では、走査点ＰＳが所定の間隔以下に近接して配置されていることを判定する。

この場合、走査領域Ｒ０に設けられる走査点ＰＳは、設計上の走査点ＰＳよりも、他の隣接する走査点ＰＳとの間隔が小さくなり、また走査点ＰＳの個数が多くなる。従って、走査領域Ｒ０内において重複する領域を走査する（走査光Ｌ２が照射される領域が重複する）場合がある。従って、パルス光Ｌ１の利用効率が低下する場合がある。また、図７に示す場合と同様に、設計上の走査点ＰＳとは大きく異なる位置の点が走査される場合には、走査領域Ｒ０の空間的な走査精度が低下する場合がある。

これに対し、本実施例においては、偏向素子制御部２４は、第１の方向Ｄ１の偏向速度を速くするように、偏向素子１４を制御する。本実施例においては、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の揺動ミラー１４Ａの第１の揺動軸ＡＸ周りの揺動速度を速くするように、駆動信号ＤＸを調節する。

これによって、図８に示すように、第１の方向Ｄ１において、隣接する走査点ＰＳ間の距離が大きくなる。従って、パルス光Ｌ１の出射間隔が短くなった場合の重複する走査点ＰＳの発生又は走査精度の低下を抑制することができる。

このように、偏向素子制御部２４は、パルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔に基づいて、偏向素子１４によるパルス光Ｌ１（第２の分離光Ｌ２）の偏向動作の速度を変化させる。

なお、本実施例においては、第２の揺動軸ＡＹ周りについては揺動ミラー１４Ａを共振させている場合について説明しているため、第２の方向Ｄ２の揺動速度を調節することが困難となる。従って、本実施例においては、第１の方向Ｄ１における揺動速度（偏向速度）を制御する場合について説明している。

しかし、偏向素子１４の構成、及び偏向素子制御部２４による偏向素子１４の動作速度の制御態様はこれに限定されない。例えば、偏向素子１４は、揺動ミラー１４Ａを有する場合に限定されない。例えば、偏向素子１４は、ポリゴンミラーなど、回動式のミラーを有していてもよいし、可動式のレンズを有していてもよい。また、偏向素子１４は、複数のミラー又はレンズを有していてもよい。

また、本実施例においては、偏向素子１４は、第２の方向Ｄ２を主走査方向としかつ第１の方向Ｄ１を副走査方向としてラスタースキャンを行うように、第２の分離光Ｌ１２を方向可変に偏向する場合について説明した。しかし、偏向素子１４による第２の分離光Ｌ１２の偏向態様はこれに限定されない。

例えば、偏向素子１４は、第１の方向Ｄ１を主走査方向としかつ第２の方向Ｄ２を副走査方向としてラスタースキャンを行うように、第２の分離光Ｌ１２を方向可変に偏向していてもよい。この場合、例えば、制御部１７は、揺動ミラー１４Ａを第１の揺動軸ＡＸ周りには共振させつつ揺動させ、第２の揺動軸ＡＹ周りには非共振で揺動させるような駆動信号ＤＸ及びＤＹを供給すればよい。この場合、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の第２の方向Ｄ２の偏向速度（第２の揺動軸ＡＹ周りの揺動速度）を制御すればよい。

続いて、図９は、パルス光Ｌ１の出射間隔は設計上の間隔と同程度であるが、出射開始タイミングが早くなっていた場合における制御部１７の制御例を模式的に示す図である。本実施例においては、走査点群監視部２３は、図９に示す例では、走査点ＰＳの群全体が設計上の走査面Ｒ１の中心に対してずれた位置（図では左側にオフセットされた位置）に配置されていることを判定する。

この場合、設計上の走査領域Ｒ０（有効走査領域）内の一部（図では走査領域Ｒ０の右側の領域）が走査されない場合がある。この場合も、走査領域Ｒ０の走査精度は低下することとなる。

これに対し、本実施例においては、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の偏向動作の位相を進ませるように、偏向素子１４を制御する。本実施例においては、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の揺動ミラー１４Ａの第２の方向Ｄ２の位相が進むように、駆動信号ＤＹを調節する。

これによって、図９に示すように、走査点ＰＳの全体が第２の方向Ｄ２において移動する。従って、走査点ＰＳを走査領域Ｒ０の全体に設けることができる。従って、パルス光Ｌ１の出射開始タイミングが変化した場合の走査領域Ｒ０の走査精度の低下を抑制することができる。

このように、偏向素子制御部２４は、パルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔に基づいて、偏向素子１４の偏向動作の位相を変化させる。なお、図９に示す例においても、偏向素子制御部２４は、偏向素子１４の偏向動作の速度を変化させてもよい。

なお、本実施例においては、測距装置１０は、制御部１７が出射態様監視部２１を有する場合について説明した。そして、出射態様監視部２１がパルス光Ｌ１の出射タイミング及び出射間隔を特定し、これに基づいて測距部２２が測距を行う場合について説明した。しかし、測距装置１０の構成はこれに限定されない。また、上記した動作フローは１例に過ぎない。

例えば、本実施例においては、測距部２２は、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングｔ２に基づいて測距の基準タイミング及び時間窓ＴＷを設定し、これを用いて測距を行う場合について説明した。しかし、測距部２２は、測距の基準タイミングや時間窓ＴＷを設定する場合に限定されない。測距部２２は、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングｔ２及び第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が受光されたタイミングｔ４に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定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、走査点群監視部２３が走査点ＰＳの配置状況を監視し、これに基づいて偏向素子制御部２４が偏向素子１４の動作制御を行う場合について説明した。しかし、偏向素子制御部２４は、例えば、第１の受光素子１３によって第１の分離光Ｌ１１が受光されたタイミングに基づいて、偏向素子１４の動作態様を変化させるように構成されていればよい。

また、第１の受光素子１３は、単にパルス光Ｌ１を受光又は検出することができればよく、例えば第１の分離光Ｌ１１の強度や波長を検出するように構成されている必要はない。従って、第１の受光素子１３としては、多くの種類の素子を用いることができる。第１の受光素子１３は、例えば、少なくとも第１の分離光Ｌ１１の強度又は波長に対して感度を有する検出素子を含んでいればよい。従って、第１の受光素子１３は、第２の受光素子１５とは異なる検出感度域又は検出波長域を有していてもよい。

また、本実施例においては、光分離素子１２がパルス光Ｌ１の１の部分を第１の分離光Ｌ１１として反射させ、パルス光Ｌ１の他の部分を第２の分離光Ｌ１２として透過させるビームスプリッタである場合について説明した。しかし、光分離素子１２の構成は、これに限定されない。

例えば、光分離素子１２は、パルス光Ｌ１の光路の一部を遮るように配置されてパルス光Ｌ１の１の部分を第１の分離光Ｌ１１として反射させるミラーであってもよい。この場合、当該ミラーに遮られないパルス光Ｌ１の他の部分が第２の分離光Ｌ１２となる。

また、例えば、光分離素子１２は、パルス光Ｌ１の１の偏光成分を第１の分離光Ｌ１１として反射させ、パルス光Ｌ１の他の偏光成分を第２の分離光Ｌ１２として透過させるビームサンプラであってもよい。また、光分離素子１２は、パルス光Ｌ１の１の波長成分を第１の分離光Ｌ１１として第１の方向に向けて回折させ、パルス光Ｌ１の他の波長成分を第２の分離光Ｌ１２として第２の方向に向けて回折させる回折格子であってもよい。

また、本実施例においては、測距装置１０がパルス光Ｌ１を第１及び第２の分離光Ｌ１１及びＬ１２に分離して第１の分離光Ｌ１１を第１の受光素子１３に導く光分離素子１２を有する場合について説明した。しかし、測距装置１０は、光分離素子１２を有していなくてもよい。

例えば、光源１１は、パルス光Ｌ１を複数の方向に向けて投光するように構成されていてもよい。この場合、当該複数の方向に投光されたパルス光Ｌ１の一方の部分を受光するように第１の受光素子１３が構成及び配置されていればよい。すなわち、測距装置１０は、少なくともパルス光Ｌ１の一部を受光する第１の受光素子１３を有していればよい。

また、本実施例においては、測距装置１０が偏向素子１６を有する場合について説明した。しかし、測距装置１０は偏向素子１６を有していなくてもよい。例えば、第２の受光素子１５は、偏向素子１４を経た反射光Ｌ３を受光するように構成されておらず、対象物ＯＢによって反射された走査光Ｌ２を直接受光するように構成されていてもよい。

従って、例えば、測距装置１０は、対象物ＯＢに向けて投光されかつ対象物ＯＢによって反射されたパルス光Ｌ１の一部（第２の分離光Ｌ１２）を受光する第２の受光素子１５を有していればよい。

なお、偏向素子１４及び１６が設けられることで、例えば第２の受光素子１５を走査光Ｌ２の投光方向に応じて動作させる必要が無いなど、測距装置１０が単純化又は小型化される。従って、例えば、測距装置１０は、光分離素子１２と偏向素子（第１の偏向素子）１４との間の第２の分離光Ｌ１２及び反射光Ｌ３に共通の光路上に設けられ、反射光Ｌ３を偏向して第２の受光素子１５に導く偏向素子（第２の偏向素子）１６と、を有することで、単純かつコンパクトな構成で走査機能を実現することができる。

また、本実施例においては、測距装置１０が走査光Ｌ２を生成する偏向素子１４を有することで走査機能を有する場合について説明した。しかし、測距装置１０は、走査機能を有する場合に限定されない。測距装置１０が偏向素子１４を有さない場合でも、パルス光Ｌ１の出射態様を監視することで、正確な測距を行うことができる。また、上記したような独自にレーザ発振を行うレーザ素子をも光源１１として用いることができ、走査光Ｌ２の特性の幅、すなわち測距可能な（検出可能な）対象物ＯＢの幅が大幅に広がる。

従って、測距装置１０は、例えば、光源１１、第１及び第２の受光素子１３及び１５、並びに測距部２３を有していればよい。すなわち、例えば、測距装置１０は、パルス光Ｌ１を出射する光源１１と、パルス光Ｌ１の１の部分（第１の分離光Ｌ１１）を受光する第１の受光素子１３と、対象物ＯＢに向けて投光されかつ対象物ＯＢによって反射されたパルス光Ｌ１の他の部分（第２の分離光Ｌ１２）光である反射光Ｌ３を受光する第２の受光素子１５と、第１の受光素子１３によってパルス光Ｌ１の１の部分が受光されたタイミングと第２の受光素子１５によって反射光Ｌ３が受光されたタイミングとに基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部２３と、を有する。従って、パルス光Ｌ１の出射態様を正確に把握することで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、測距装置１０は、測距部２３、すなわち測距機能を有していなくてもよい。具体的には、第２の受光素子１５による反射光Ｌ３の受光結果（第２の受光信号ＲＳ２）は、測距以外の種々の用途に用いられることができる。従って、測距装置１０が測距部２３を有していない場合、測距装置１０は、偏向素子１４を有することで、走査装置として機能する。

従って、例えば、当該走査装置は、パルス光Ｌ１を出射する光源１１と、パルス光Ｌ１の１の部分（第１の分離光Ｌ１１）を受光する第１の受光素子１３と、パルス光Ｌ１の他の部分（第２の分離光Ｌ１２）を方向可変に偏向しつつ投光する偏向素子１４と、対象物によって反射されたパルス光Ｌ１の他の部分である反射光Ｌ３を受光する第２の受光素子１５と、第１の受光素子１３によってパルス光Ｌ１の１の部分が受光されたタイミングに基づいて偏向素子１４の動作態様を変化させる偏向素子制御部２４と、を有する。これによって、パルス光Ｌ１の出射態様及び偏向態様を正確に把握し、正確に走査領域Ｒ０の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。

１０ 測距装置（走査装置）
１１ 光源
１３ 第１の受光素子
１４ 偏向素子
１５ 第２の受光素子
２１ 出射態様監視部
２４ 偏向素子制御部

Claims (1)

1. パルス光を出射する光源と、
   前記パルス光の１の部分を受光する第１の受光素子と、
   前記パルス光の他の部分を方向可変に偏向しつつ投光する偏向素子と、
   対象物によって反射された前記パルス光の前記他の部分である反射光を受光する第２の受光素子と、
   前記第１の受光素子によって前記パルス光の前記１の部分が受光されたタイミングに基づいて、前記偏向素子の動作態様を制御する偏向素子制御部と、を有することを特徴とする走査装置。

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