JP4400429B2 - レーザビームスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを走査するレーザビームスキャナに関するものである。

従来、レーザビームを走査するレーザビームスキャナとして、回転多面鏡を用いたものが知られている。しかしながら、機械的に鏡を動かしてビームを走査するため、装置の小型化に限界がある。また、機械的振動、音を伴う、走査速度が遅い等の欠点がある。

それに対して、例えば特許文献１や特許文献２においては、複数の半導体レーザが一列状に配置されてなる半導体レーザアレイと、この半導体レーザアレイの前方に配置され、全ての半導体レーザの出射レーザビームをその口径内に含むレンズ系を備えるレーザビームスキャナが開示されている。このレーザビームスキャナにおいては、半導体レーザアレイの前方に、結像面上でレーザビームが結像するようにレンズ系としての１個の凸レンズが配置され、半導体レーザアレイ上における発光点の位置変化と凸レンズによるレンズ作用とにより、レーザビームの走査を実現している。
特開平１−１５２６８３号公報 特開平８−９７５０５号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示す構成の場合、１次元の（直線的な）走査は可能であるが、２次元の走査を行うことができない。

また、上記構成において、複数の半導体レーザが２次元に配置されてなる半導体レーザアレイを適用することで、２次元の走査を行うことが可能である。しかしながら、レンズ系として１個の凸レンズを適用する場合、レンズ系を介してレーザビームが走査される走査対象エリアを２次元で任意設定することが困難である。

本発明は上記問題点に鑑み、走査対象エリアを２次元で任意設定できるレーザビームスキャナを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１〜１３に記載の発明は、レーザビームを走査するレーザビームスキャナに関するものである。

先ず、請求項１に記載のレーザビームスキャナは、２次元配置された複数のレーザ光源と、複数の素子部を２次元且つ一体的に配置してなり、レーザ光源の前方に配置されて、複数のレーザ光源からのレーザ光が入射される光学系と、を備える。そして、複数のレーザ光源は、各レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸方向が略同一となるように配置されており、複数の素子部は、その中心に位置する素子部の光軸方向がレーザ光の光軸方向と一致し、複数の素子部が２次元配置された平面に沿う少なくとも一方向において、レーザ光の光軸に対する素子部の光軸の傾きが、中心に位置する素子部から光学系の縁領域に向けて、素子部ごとに徐々に大きくなるように配置されていることを特徴とする。

このように本発明によると、複数のレーザ光源が、各レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸方向が略同一となるように２次元配置されている。また、複数の素子部は、その中心に位置する素子部の光軸方向がレーザ光の光軸方向と一致し、複数の素子部が２次元配置された平面に沿う少なくとも一方向において、レーザ光の光軸に対する素子部の光軸の傾きが、中心に位置する素子部から光学系の縁領域に向けて、素子部ごとに徐々に大きくなるように配置されている。したがって、走査対象エリアを２次元で任意設定することができる。また、本発明では、複数の素子部が一体的に形成されて光学系を構成しているので、光学系を通して出射される各レーザ光の光軸方向を高精度で位置決めすることができる。すなわち、隙間無く走査することができる。

また、本発明においても、レーザ光の走査を複数のレーザ光源における発光点の位置変化と光学系とにより実現しているので、機械的可動部が存在せず、機械的振動や音を伴うことがない。

さらには、複数点同時走査や、飛び越し走査等も可能である。

請求項２に記載のように、複数の素子部を通して出射される各レーザ光は、その光軸方向が全て異なることが好ましい。この場合、より広範囲を走査することができる。

請求項３に記載のように、レーザ光源から出射されたレーザ光が光学系を介して照射される走査対象エリアにおいて、走査対象エリアの照射面におけるビーム径は、光学系に入射される際のレーザ光のビーム径と略同等以上であることが好ましい。

このような構成とすると、より広範囲を走査することができる。また、光学系で収束され、走査対象エリアとの距離が概ね設定されている従来の構成（例えばバーコードリーダ等）とは異なり、光学系（又はレーザ光源）と走査対象エリアとの間の距離が任意であっても、任意設定された２次元の走査対象エリアを隙間無く走査することができる。

具体的には、請求項４に記載のように、複数の素子部が、レーザ光源からのレーザ光を、平行光若しくは発散光とするものであれば良い。この場合、光学系と走査対象エリアとの距離に関係無く、走査対象エリアを隙間なく走査することができる。

その際、請求項５に記載のように、複数の素子部は、少なくとも一部が同一平面上に配置されていることが好ましい。この場合、一体的に形成された光学系を小型化することができる。

請求項６に記載のように、複数の素子部の少なくとも一部を凸レンズ又は凹レンズにて構成することもできる。例えば全ての素子部が同一の凸レンズ又は凹レンズで構成される場合、他の凸レンズ又は凹レンズの光軸方向に対して、少なくとも一部の凸レンズ又は凹レンズの光軸方向が異なるように配置すれば良い。

それ以外にも、請求項７に記載のように、複数の前記素子部の少なくとも一部にプリズムを適用することで、少なくとも一部の光軸方向が異なるように配置することができる。尚、請求項８に記載のように、複数の素子部の少なくとも一部を凸レンズ又は凹レンズとプリズムにより構成すると、全てのレンズの光軸方向が略同一であっても、プリズムの配置されたレンズからのレーザ光の光軸方向を、他のレーザ光の光軸方向と異なるものとすることができる。

また、請求項９に記載のように、複数の素子部の少なくとも一部を、その屈折率が他の素子部とは異なるように構成しても良い。例えば基材に対するドープ量を変えることで、少なくとも一部の素子部の屈折率を他の素子部の屈折率と異なる（すなわち、少なくとも一部のレーザ光の光軸方向を他のレーザ光の光軸方向と異なる）ものとすることができる。

さらには、請求項１０に記載のように、光学系をフレネルレンズにより構成しても良い。尚、フレネルレンズの場合、複数の傾斜面の各々が素子部である。

請求項１１に記載のように、複数の素子部は、複数のレーザ光源に対応して形成されていることが好ましい。このように、１つのレーザ光源につき１つの素子部が対応して形成されていると、２次元の走査対象エリアのうち、所定部位にのみレーザ光を精度良く照射することができる。

尚、請求項１２に記載のように、複数のレーザ光源も一体的に形成されていると良い。この場合、光学系を通して出射されるレーザ光の光軸方向をより高精度で位置決めすることができる。

具体的には、請求項１３に記載のように、複数のレーザ光源が単一の半導体基板上に形成された２次元半導体レーザアレイ（特に２次元面発光レーザアレイ）が好適である。この場合、特に走査速度を向上できる。また、小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のレーザビームスキャナのうち、特徴部分（走査対象エリアまでの出射側）を示す概略構成図である。図２はレーザアレイの概略構成を示す平面図である。図３は光学系としてのレンズアレイの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ乃至Ｂ−Ｂ断面における断面図である。

図１において、符号１０はレーザ光を出射するレーザアレイを、符号２０はレーザアレイ１０の出射側の前方に配置され、レーザアレイ１０からのレーザ光が入射されるレンズアレイ２０（光学系に相当）を示している。また、符号３０は、レーザアレイ１０から出射されたレーザ光を、符号４０は、レンズアレイ２０を通した後のレーザ光を、符号４１はレーザ光４０の光軸を示している。

レーザアレイ１０は、２次元に配置された複数のレーザ光源１１から構成されている。レーザ光源１１の個数は特に限定されるものではない。また、レーザ光源１１の種類も特に限定されるものではない。

本実施形態におけるレーザアレイ１０は、図２に示すように、単一の半導体基板１２上に複数のレーザ光源１１（素子）を所定のパターン（図２においては格子状）に形成してなる公知（例えば特開２００１−３５８４１１号公報）の２次元面発光型のレーザアレイとして構成されている。このように、単一の半導体基板１２に複数のレーザ光源１１を形成すると、レーザアレイ１０を小型化でき、各レーザ光源１１間の位置精度を向上できる。また、従来のように機械的に鏡を動かしてビームを走査する構成に比べて、走査速度を向上できる。尚、図２においては、便宜上、レーザ光源１１としてレーザ光３０が出射される開口部を示している。

尚、図１に示すように、各レーザ光源１１から出射された各レーザ光３０は、その光軸方向が略同一（平行）であり、各レーザ光３０は、レーザアレイ１０からレンズアレイ２０に入射されるまでの間に、多少なりとも発散する。

また、レンズアレイ２０は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、複数のレンズ２１（素子部に相当）を２次元配置してなるものである。レンズ２１の個数は特に限定されるものではなく、少なくともレーザアレイ１０を構成する全てのレーザ光源１１から出射されたレーザ光３０をその口径内に含む構成であれば良い。本実施形態においては、１つのレーザ光源１１に対して１つのレンズ２１が対応するように配置されている。このように、１つのレーザ光源１１につき１つのレンズ２１が対応して形成されていると、２次元の走査対象エリアのうち、所定部位にのみレーザ光を精度良く照射することができる。

また、レンズの構成材料は特に限定されるものではない。ガラス製でも樹脂製でも良い。本実施形態においては、複数のレンズ２１として同一構成の凸状レンズを適用しており、例えば公知のレンズアレイ技術によって、図１及び図３（ｂ）に示すように、基部２２（例えば樹脂）にレンズ２１を固定することでレンズアレイ２０が構成されている。このように、複数のレンズ２１が一体的に形成されて光学系であるレンズアレイ２０を構成していると、レンズアレイ２０を通して出射される各レーザ光４０の光軸４１の方向を高精度で位置決めすることができる。すなわち、隙間無く走査することができる。尚、本実施形態における複数のレンズ２１は、それぞれ少なくとも一部が同一平面上に配置されているので、後述するようにレンズ２１の配置角度が異なっても、一体的に形成されたレンズアレイ２０を小型化することができる。尚、本実施形態におけるレンズ２１は縦横５列の格子状に配置されており、その中心位置のレンズを中心レンズ２１ａと示す。

ここで、本実施形態においては、複数のレンズ２１を、複数のレンズ２１の光軸方向が全て略同一となるように配置するのではなく、意図的に少なくとも一部のレンズ２１の光軸方向（基部２２に対する配置角度）が他のレンズ２１の光軸方向と異なるように配置している。すなわち、各レンズ２１を通して出射されるレーザ光４０の少なくとも一部の光軸方向が、他の光軸方向と異なるようしている。従って、走査対象エリアを２次元で任意設定することができる。特に本実施形態においては、光学系を複数のレンズ２１によって構成しているので、走査対象エリアの任意設定が容易である。

具体的には、隣接するレンズ２１においてその光軸方向が徐々に変化するように配置している。さらには、図１及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、中心レンズ２１ａのみレーザ光３０の光軸とレンズ２１の光軸が一致するように配置している。そして、それ以外のレンズ２１は、中心レンズ２１ａからレンズアレイ２０の縁領域に向けて、レーザ光３０の光軸に対するレンズ２１の光軸の傾きが徐々に大きくなるよう（放射状）に配置している。従って、より広範囲を走査することができる。

また、本実施形態においては、レーザ光源１１から出射されたレーザ光３０がレンズ２１を介して照射される走査対象エリア（図示せず）において、走査対象エリアの照射面におけるレーザ光４０のビーム径が、レンズ２１に入射される際のレーザ光３０のビーム径と略同等か、それ以上となる（すなわち拡大される）ようにレーザアレイ１０、レンズアレイ２０、走査対象エリアの配置、出射されるレーザ光３０のビーム径、及びレンズ２１の曲率等が設定されている。従って、より広範囲の走査対象エリアを走査することができる。また、レンズ２１で収束され、走査対象エリアとの距離が概ね設定されている従来の構成（例えばバーコードリーダ等）と比べて分解能は低下するものの、レンズアレイ２０（又はレーザアレイ１０）と走査対象エリアとの間の距離が任意であっても、任意設定された２次元の走査対象エリアを隙間無く走査することができる。例えば、前方における障害物有無を確認するセンサや、前方の対象物との距離を測定する距離センサ等に適用することができる。

具体的には、レンズ２１が、レーザ光源１１からのレーザ光３０を、平行若しくは発散するレーザ光４０（平行光もしくは発散光）とするものであれば良い。凸状のレンズ２１の場合、レンズ２１の焦点位置よりもレーザアレイ１０（レーザ光源１１）が手前にあれば発散し、焦点位置にあれば平行光となる。尚、図１においては、レーザ光４０が発散光となる例を示している。

また、本実施形態においては、レーザ光４０の走査をレーザアレイ１０のレーザ光源１１（発光点）の位置変化とレンズアレイ２０とにより実現しているので、機械的可動部が存在せず、機械的振動や音を伴うことがない。さらには、複数点同時走査や、飛び越し走査等が可能である。

尚、本実施形態においては、レンズアレイ２０が、基部２２にレンズ２１を配置して構成される例を示した。しかしながら、基部２２に直接レンズ２１を形成してレンズアレイ２０を構成することもできる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図４は、本実施の形態におけるレーザビームスキャナを構成するレンズアレイ２０の概略構成を示す図であり、（ａ）がＡ−Ａ断面、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す。尚、図４（ａ），（ｂ）におけるＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面は、第１の実施形態で示した図３（ａ）のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面である。

第２の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、光学系であるレンズアレイ２０を構成するレンズ２１の配置角度である。

レンズアレイ２０を構成する複数のレンズ２１の配置位置及び構成材料は第１実施形態と同様である。本実施形態においては、図４（ａ），（ｂ）に示すように、レンズアレイ２０のＡ−Ａ断面とレンズアレイ２０のＢ−Ｂ断面とで、レーザ光３０の光軸に対するレンズ２１の光軸の傾きが異なっている。すなわち、Ａ−Ａ断面とＢ−Ｂ断面とで照射範囲が異なるような配置としている。尚、Ａ−Ａ断面における配置は第１実施形態（図３（ｂ））と同様であり、Ｂ−Ｂ断面における配置が異なっている（全て中心レンズ２１ａと同様の配置角度）。

このように、レンズアレイ２０を構成するレンズ２１を、必ずしも規則的に配置する必要はない。例えば光軸方向に関係無い配置（ランダムな配置）としても良い。従って、任意形状の走査対象エリアに対応することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。

本実施形態においては、２次元に配置された複数のレーザ光源１１が、２次元面発光型のレーザアレイ１０として一体化された例を示した。しかしながら、レーザ光源１１の配置は、２次元であれば特に限定されるものではない。一体化されていなくとも良い。

また、本実施形態においては、素子部としての複数のレンズ２１がレンズアレイ２０として一体化された例を示した。しかしながら、必ずしも一体化されていなくとも良い。

また、光学系を構成する素子部として凸状のレンズ２１を適用する例を示した。しかしながら、素子部は凸状のレンズ２１（凸レンズ）に限定されるものではない。例えば、凹状のレンズ（凹レンズ）を適用することもできる。それ以外にも、複数の素子部の少なくとも一部として、図５に示すようにプリズム５０を適用することもできる。さらには、図６に示すように、プリズム５０とレンズ５１（図６においては凸レンズ）とにより素子部を構成することもできる。尚、図６において、プリズム５０とレンズ５１が互いに接触配置されているが、離間して配置された構成でも良い。図５，図６は、光学系を構成する素子部の変形例を示す図である。

また、複数の素子部の少なくとも一部を、その屈折率が他の素子部とは異なるように構成しても良い。例えば基材に対するドープ量を変えることで、少なくとも一部の素子部の屈折率を他の素子部の屈折率と異なるもの（例えば公知の屈折率分布型のレンズ）とすることができる。この場合、構成をより簡素化することができ、その体格を小型化することができる。また、素子部の位置精度を向上できる。

さらには、図７に示すように、光学系をフレネルレンズ５２により構成しても良い。尚、フレネルレンズ５２の場合、複数の傾斜面の各々が素子部に相当する。この場合も、光学系の体格を小型化することができる。

また、本実施形態においては、素子部であるレンズ２１が、レーザ光源１１に対応（１対１で）して形成されている例を示した。しかしながら、レーザ光源１１とレンズ２１（素子部）が１対１でなくとも良い。例えば複数の光源１１に対して１つのレンズ２１を配置した構成としても良い。

また、本実施形態においては、素子部としてのレンズ２１の配置によって、複数のレーザ光４０のうち、少なくとも一部のレーザ光４０の光軸４１の方向を他のレーザ光４０の光軸４１の方向と異なるようにする例を示した。しかしながら、少なくとも一部のレーザ光４０の光軸４１の方向を他のレーザ光４０の光軸４１の方向と異なるようにする構成としては、素子部側に限定されるものではない。例えば、複数のレーザ光３０のうち、少なくとも一部のレーザ光３０の光軸方向が、他のレーザ光３０の光軸方向と異なるようにレーザ光源１１を配置することで、レーザ光４０の光軸方向を制御する構成としてもよい。さらには、複数のレーザ光源１１と、素子部としてのレンズ２１の両方の配置によって、少なくとも一部のレーザ光４０の光軸４１の方向を他のレーザ光４０の光軸４１の方向と異なるように構成しても良い。

レーザビームスキャナのうち、第１の実施形態の特徴部分を示す概略構成図である。 レーザアレイの概略構成を示す平面図である。 光学系としてのレンズアレイの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ乃至Ｂ−Ｂ断面における断面図である。 第２実施の形態におけるレンズアレイの概略構成を示す図であり、（ａ）がＡ−Ａ断面、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す。 光学系を構成する素子部の変形例を示す図である。 光学系を構成する素子部の変形例を示す図である。 光学系の変形例を示す図である。

符号の説明

１０・・・レーザアレイ
１１・・・レーザ光源
２０・・・レンズアレイ（光学系）
２１・・・レンズ（素子部）
２１ａ・・・中心レンズ
３０・・・レーザ光（レンズ前）
４０・・・レーザ光（レンズ後）
４１・・・光軸
５０・・・プリズム（素子部）
５２・・・フレネルレンズ（光学系）

Claims (13)

1. ２次元に配置された複数のレーザ光源と、
   複数の素子部を２次元且つ一体的に配置してなり、前記レーザ光源の前方に配置されて、複数の前記レーザ光源からのレーザ光が入射される光学系と、を備え、
   複数の前記レーザ光源は、各レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸方向が略同一となるように配置され、
   複数の前記素子部は、複数の前記素子部の中心に位置する前記素子部の光軸方向が前記レーザ光の光軸方向と一致し、複数の前記素子部が２次元配置された平面に沿う少なくとも一方向において、前記レーザ光の光軸に対する前記素子部の光軸の傾きが、前記中心に位置する素子部から前記光学系の縁領域に向けて、前記素子部ごとに徐々に大きくなるように配置されていることを特徴とするレーザビームスキャナ。
2. 複数の前記素子部を通して出射される各レーザ光は、その光軸方向が全て異なることを特徴とする請求項１に記載のレーザビームスキャナ。
3. 前記レーザ光源から出射されたレーザ光が前記光学系を介して照射される走査対象エリアにおいて、前記走査対象エリアの照射面におけるビーム径は、前記光学系に入射される際の前記レーザ光のビーム径と略同等以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザビームスキャナ。
4. 複数の前記素子部は、前記レーザ光源からのレーザ光を、平行光若しくは発散光とすることを特徴とする請求項３に記載のレーザビームスキャナ。
5. 複数の前記素子部は、少なくとも一部が同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
6. 複数の前記素子部の少なくとも一部は、凸レンズ又は凹レンズであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
7. 複数の前記素子部の少なくとも一部は、プリズムであることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
8. 複数の前記素子部の少なくとも一部は、凸レンズ又は凹レンズとプリズムにより構成されることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
9. 複数の前記素子部の少なくとも一部は、その屈折率が他の素子部とは異なることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
10. 前記光学系は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
11. 複数の前記素子部は、複数の前記レーザ光源に対応して形成されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
12. 複数の前記レーザ光源は、一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載のレーザビームスキャナ。
13. 複数の前記レーザ光源は、単一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のレーザビームスキャナ。

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