JP4758280B2 - 光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子を動かすことにより、光を所定の角度に照射する光照射装置に関し、特にレーザを利用した測距装置などにおいてレーザ光をスキャンする光照射装置に好適なものである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）とＰＳＤ（位置検出用半導体素子）は、位置検出に広く用いられている。これらＬＥＤとＰＳＤとを用いた位置検出について図９を参照して簡単に説明する。図９に示すＬＥＤから出射された光をＰＳＤに入射させたときにＰＳＤの両端からそれぞれ電流信号が出力される。これらの電流信号はＩＶ変換部で電圧信号に変換される。その後、加算アンプにおいてＰＳＤの両端からの信号の和（和信号）が、差動アンプにおいてＰＳＤの両端からの信号の差（差信号）がそれぞれ生成されてＡＧＣ回路に入力される。ＡＧＣ回路においては差信号を和信号で除算することにより位置検出信号が生成される。ここで、ＰＳＤにおける光の受光位置によりＰＳＤから出力される電流信号の大きさが変化する。これに伴って位置検出信号も変化するので、位置検出信号を検出することにより位置検出を行うことが可能である。また、ＬＥＤとＰＳＤの何れか又はこれらの中間に配されるスリットを可動部に設置することにより、可動部の相対的な位置変化を検出することもできる。このような構成は位置制御が必要な装置に応用される。

ところで、一般にＰＳＤは光が入射していない状態においても電流が流れる特性を持ち、この電流を暗電流と呼ぶ。暗電流は特に高温になるほど増加し、暗電流が増加すると図９におけるＡＧＣ回路に入力されるＰＳＤの和信号が増大して正確な位置検出が行えなくなるおそれがある。

そこで、特許文献１や特許文献２では、ＬＥＤを消灯したときにＰＳＤに流れる電流を暗電流として検出し、この暗電流成分を、ＬＥＤを点灯しているときにＰＳＤに流れる電流から差し引くようにしている。
特開平８−２７８１１０号公報 特開平７−２３９２４９号公報

ここで、特許文献１や特許文献２の手法では、暗電流を算出する際にＬＥＤを消灯する必要があり、その間はＰＳＤから位置検出信号が検出されない。この場合、位置制御を行う装置においてはサーボのためのフィードバックに必要な信号が得られないということになる。上述したように、暗電流は温度によって変化するため、温度変化が生じる環境において使われる装置においては、フィードバック信号が必要となるタイミングで常に暗電流を検出する必要がある。この問題を解決にするためには、ＬＥＤをサーボに必要な帯域よりも十分に高い周波数でオンオフし、オン時とオフ時とで得られる信号をサンプルホールドし、オン時の和信号からオフ時の和信号、即ち暗電流を差し引く手法が考えられる。しかしながら、この場合は、ＰＳＤの信号処理を行う回路を高速で動作させるために高性能なアンプやＡＧＣ回路が必要となり、回路の構成が複雑になる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、複雑な構成を取らなくとも、ＰＳＤの暗電流を検出してこれをキャンセルし、信頼性の高い光照射装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による光照射装置は、第１の光源と、少なくとも１方向に移動可能又は１つの軸の回りに回転可能に構成され前記第１の光源から出射された光の向きを変化させる光学部材と、前記光学部材に取り付けられた第２の光源と、前記第２の光源から出射された光を検出することで前記光学部材の移動量を検出する位置検出用半導体素子と、を具備し、前記位置検出用半導体素子により検出された前記光学部材の移動量から、前記第１の光源から出射される光の向きを前記光学部材により所定の方向に制御する光照射装置において、前記第２の光源から出射される光の発光強度を、第１の強度と、前記第１の強度のk倍の強度である第２の強度と、の少なくとも２段階に変化させ、前記第２の光源から出射される光の強度を前記第１の強度としたときに前記位置検出用半導体素子より流れる電流I1と、前記第２の光源から出射される光の発光強度を前記第２の強度としたときに前記位置検出用半導体素子より流れる電流I2とから、前記位置検出用半導体素子の暗電流Idarkを以下の式に従って算出し、
Idark＝（kI1−I2）／（k−1）
前記算出した暗電流の値を保持し、前記光学部材の移動量を検出する際に前記位置検出用半導体素子に流れる総電流から前記暗電流の値を差し引くことを特徴とする。

この第１の態様によれば、第２の光源から出射される光の発光強度を少なくとも２段階に変化させ、それぞれの発光強度に対して位置検出用半導体素子より流れる電流から、暗電流を算出し、この暗電流を総電流から差し引くことにより、複雑な構成を取らなくとも、暗電流を検出してこれをキャンセルすることができる。

本発明によれば、複雑な構成を取らなくとも、ＰＳＤの暗電流を検出してこれをキャンセルし、信頼性の高い光照射装置を提供することができる。

まず、本発明の原理について図１を参照して説明する。本発明においては、ＰＳＤの暗電流をキャンセルするために、ＬＥＤの順電流を少なくとも２段階に切り替えることによりＬＥＤの発光強度を変化させ、それぞれの発光強度の光に対してＰＳＤより流れる電流から、暗電流の値を求める。

ここで、説明を簡単にするために、ＬＥＤに流れる順電流に対し、発光強度が正比例するとして考える。また、ＬＥＤに流れる順電流がiのときの光がＰＳＤに入射したときにＰＳＤの両端から出力される電流の和（和信号）をI1、ＬＥＤに流れる順電流がk倍のiのときの和信号をI2、暗電流をIdarkとすると、図１に示す関係から、
k（I1−Idark）＝I2−Idark （１）
となる。これから、
Idark＝（kI1−I2）／（k−1） （２）
となる。つまり、k、I1、I2から暗電流を求めることができる。

例えば、ある時間にＬＥＤに10mAの電流を流し、そのときのＰＳＤの和信号が15mAであったとする。次に、ＬＥＤに流す電流を20mAとしたときの和信号が25mAであったとする。このときの暗電流Idarkは、k＝20／10＝2、I1＝15、I2＝25であるから、
Idark＝（2・15−25）／（2−1）＝5mA （３）
となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は本発明の一実施形態に係る光照射装置の光照射部に関連する構成の例について示す図である。

図２において、第１の光源としてのＬＤ（レーザダイオード）１から出射された光は、レンズ２において集光され、レンズ３を通って前方へ照射される。ここで、光学部材としてのレンズ３は、アクチュエータ４に組み込まれている。アクチュエータ４によってレンズ３をその光軸と垂直方向（例えば、図面矢印Ａ方向。光軸と直交関係にある面内で移動させるようにしても良い）に動かすことにより、レンズ３から出射されるレーザビームの出射角を変化させて、ＬＤ１から出射される光を所望の方向に照射することが可能である。

また、図２に示すように、アクチュエータ４には、第２の光源としてのＬＥＤ５が搭載されており、このＬＥＤ５に対向するようにしてＰＳＤ６が配置されている。このような構成において、アクチュエータ４の動きに伴ってＬＥＤ５から出射される光がＰＳＤ６で受光されるときに、その受光位置が変化する。これにより、ＰＳＤ６から出力される電流信号からアクチュエータ４の移動量、即ちレンズ３から出射されるレーザビームの照射角をモニタすることができる。

図３は、図２に示す光照射部をアクチュエータ４の移動量を目標値に追従させる自動制御装置に組み込んだ場合の構成を示す図である。

図３において、動作制御部１１は、パワー制御部１２の動作制御及び保持回路１７等の動作制御を行うと共に、差動回路２１に対するアクチュエータ４の移動量の目標値の指示を行う。

パワー制御部１２は、ＬＥＤ５のパワー制御を、例えばＬＥＤ５に供給する順電流の大きさを変更することにより行う。ここで、パワー制御部１２は、ＬＥＤ５から出射される光の発光強度を少なくとも２段階に変更可能になされている。

ＰＳＤ６は、アクチュエータ４の移動量を相補型の電流変化として検出する。つまり、ＬＥＤ５から出射された光がＰＳＤ６に入射すると、アクチュエータ４の移動量によって変化する入射位置に応じた電流信号がＰＳＤ６の両端からそれぞれＩＶ変換回路１３、１４に入力される。ＩＶ変換回路１３、１４はＰＳＤ６の両端からの出力電流をそれぞれ電圧信号に変換し、差動回路１５と加算回路１６とにそれぞれ入力する。

差動回路１５は、ＩＶ変換回路１３の出力とＩＶ変換回路１４の出力との差（差信号）から、アクチュエータ４の移動量の情報、即ちレーザビームの照射角の情報を求める。また、加算回路１６は、ＩＶ変換回路１３の出力とＩＶ変換回路１４の出力との和（和信号）から、ＰＳＤ６で受光した全発光強度の情報を求め、その値を保持回路１７と差動回路１８とに出力する。保持回路１７は、加算回路１６からの和信号に基づいて（２）式の演算を行って暗電流Idarkを求め、その値を保持する。なお、保持回路１７の詳細については後述する。

差動回路１８は、加算回路１６からの和信号から保持回路１７に保持された暗電流分を減算し、その結果をＡＧＣ回路１９に出力する。ＡＧＣ回路１９は、差動回路１５の出力を加算回路１６の出力で除算することにより、全発光強度の変化の影響を排除した正規化された移動情報（位置検出信号）を出力する。増幅器２０は、ＡＧＣ回路１９で得られた正規化移動情報を、必要な応答特性が得られるように増幅し、差動回路２１に出力する。差動回路２１は、動作制御部１１より指示された移動量の目標値から、増幅器２０の出力を減算し、移動量と目標値との差分情報を得る。そして、この差分情報を自動制御装置の応答特性改善を目的とした位相補償回路２２を介して、ドライバ２３に入力する。ドライバ２３は、入力された差分情報に応じてアクチュエータ４を移動させる。このような動作により、アクチュエータ４の移動量を常に目標値に追従させることができる。

図４は、図３に示す保持回路１７とその周辺回路とについて詳細に示した図である。図４に示すように、保持回路１７は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１７ａと、演算器１７ｂと、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１７ｃとから構成されている。加算回路１６で得られた和信号はまずＡ／Ｄ変換器１７ａでデジタル信号に変換されて演算器１７ｂに入力される。演算器１７ｂは動作制御部１１からの指示により、ＬＥＤ５の発光強度が変化したタイミングに同期して和信号I1、I2を取り込むことにより、（２）式に示す数値演算を行って暗電流Idarkを求める。なお、kはＬＥＤ５に供給される２段階の順電流の比（図１参照）である。演算器１７ｂで算出されたIdarkの値は、Ｄ／Ａ変換器１７ｃでアナログ信号に変換される。上述したように、差動回路１８は、加算回路１６で得られた和信号から保持回路１７で算出されたIdarkの値を減算する。これにより、暗電流を打ち消すことが可能となる。なお、保持回路１７の演算器１７ｂにIdarkの値を保持しておくことにより、継続的に暗電流を打ち消すことができる。

ここで、暗電流演算の実行タイミングは、まず初期状態で電源が投入されたときに行い、後は必要に応じて繰り返すようにする。また、図５に示すように一般的にＰＳＤ６の暗電流は温度によって変化する特性を持ち、特に高温になると増加が顕著になる。そこで、ＰＳＤ６の周辺の温度を検出するようにし、ＰＳＤ６の周辺温度が予め決められた温度に達したときに暗電流検出動作を行うようにしても良い。例えば、光照射部の動作温度範囲を０℃から１２０℃とした場合、６０℃以下では暗電流は小さいため一定とみなし、６０℃から８０℃では１０℃毎に、８０℃から１００℃では５℃毎に、１００℃から１２０℃では２℃毎に温度が変化したときに暗電流を検出し、暗電流分をキャンセルするようにする。ＰＳＤ６の周辺温度の検出は、図４に示すようにして温度センサ２４を動作制御部１１に接続しておき、温度センサ２４によって検出された温度が上述の何れかの範囲に入ったときに保持回路１７による暗電流検出動作を行うようにすれば良い。

ここで、本一実施形態においては、暗電流を検出するときに一時的にＬＥＤ５のパワー（より具体的にはＬＥＤ５に供給する順電流の大きさ）を変える必要がある。ＬＥＤ５のパワーを変えると、ＰＳＤ６に入射する光の発光強度が変化し、サーボが不安定になる可能性も考えられる。特に車載用途の光照射装置では、走行中常に前方にレーザ光を安定して所定の方向に照射し続ける必要がある。車載用途の光照射装置においては、通常は図６に示すようにレーザ光を一方向にスキャンしていき、その後に元の位置に戻って同じ動作を繰り返す。ただし、一方向にスキャンした後で元に戻る間、レーザ光の照射を一時的に止める時間帯があり、この時間帯においては、正確な位置制御は不要となる。したがって、本一実施形態の手法を車載用の光照射装置に適用する場合には、一方向後にスキャン後元に戻る間にＬＥＤ５の発光強度を変えて（２）式の演算を行い、暗電流を求めるようにすれば、装置の安定性を損なうことがない。

また、図７に示すように、一般的にはＬＥＤ５は駆動する電流（順電流）に対して出射される光の発光強度が正確に比例せず、低電流側では光の発光強度が正比例の直線よりも低パワー側にシフトし、更に電流を上げていくと発光強度が飽和するようになる。したがって（２）式に従って精度良く暗電流を検出するためには、駆動電流と発光強度の関係がほぼ直線であると見なせる領域、例えば図７のI1〜I2の範囲内で駆動順電流を変化させてＬＥＤの発光強度を変化させることが好ましい。この場合、ＬＥＤの発光強度は図７に示すP1〜P2の範囲で変化する。

以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、ＬＥＤ５の暗電流を検出するのに、高性能なアンプやＡＧＣ回路等の複雑な構成を取らずに、かつ、フィードバック信号が必要となるタイミングで常に暗電流を検出することができるので、暗電流の影響を受けずに光の照射角を安定して制御することができる。

また、温度センサ２４を用いてＬＥＤ５の周辺の温度を検出し、この検出温度に応じて暗電流を検出するようにすることで、暗電流検出の際に温度上昇による暗電流の変化を考慮することができ、温度変化に対する装置の安定性を向上させることができる。

また、車載用のレーザ測距装置などの、常にレーザ光の制御が必要な光照射装置に本一実施形態の手法を適用する場合には、一方向後にスキャン後元に戻る間に暗電流の検出を行うようにすることで、動作を休止することなく暗電流の検出を行うことができ、装置の信頼性を確保することができる。

更には、一般にＬＥＤは駆動する電流に対して出射される光の発光強度が正確に比例しないが、暗電流の検出は、電流と発光強度とがほぼ正比例する範囲内で行うようにすることで正確に暗電流を検出することが可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、図１に示す一実施形態のアクチュエータ４は、少なくとも１方向に移動可能なリニアアクチュエータを用いた構成を例示している。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、例えば図８に示すように、２つのレンズ２、３は固定とし、ＬＤ１からの出射光を反射させる反射ミラーとして、例えば図示矢印Ｂ方向に回転可能なガルバノミラー７を用いても良い。この場合もガルバノミラー７の回転角度を検出するためにＬＥＤ５とＰＳＤ６を用いることができる。なお、このような構成の光照射部を用いても暗電流検出に係る構成やサーボ回路の構成は上述した一実施形態と同様である。

また、上述した実施形態においては、ＬＥＤ５の発光強度を２段階に変える例について説明しているが、発光強度を３段階以上に変えて暗電流を求めるようにしても良い。

更に、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明の原理について説明するための、ＬＥＤの駆動電流とＰＳＤの出力電流との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光照射装置の光照射部に関連する構成の例について示す図である。 図２に示す光照射部をアクチュエータの移動量を目標値に追従させる自動制御装置に組み込んだ場合の構成を示す図である。 保持回路とその周辺回路とについて詳細に示した図である。 一般的なＰＳＤにおける暗電流の温度特性について示した図である。 車載用途の光照射装置における、レーザ光照射の概要について説明するための図である。 一般的なＬＥＤにおける駆動電流と発光強度との関係について示した図である。 アクチュエータの別の例について示した図である。 ＬＥＤとＰＳＤとを用いた位置検出装置に関する構成を示した図である。

符号の説明

１…ＬＤ、２，３…レンズ、４…アクチュエータ、５…ＬＥＤ、６…ＰＳＤ、１１…動作制御部、１２…パワー制御部、１３，１４…ＩＶ変換回路、１５，１８，２１…差動回路、１６…加算回路、１７…保持回路、１９…ＡＧＣ回路、２０…増幅器、２２…位相補償回路、２３…ドライバ、２４…温度センサ

Claims (6)

1. 第１の光源と、少なくとも１方向に移動可能又は１つの軸の回りに回転可能に構成され前記第１の光源から出射された光の向きを変化させる光学部材と、前記光学部材に取り付けられた第２の光源と、前記第２の光源から出射された光を検出することで前記光学部材の移動量を検出する位置検出用半導体素子と、を具備し、前記位置検出用半導体素子により検出された前記光学部材の移動量から、前記第１の光源から出射される光の向きを前記光学部材により所定の方向に制御する光照射装置において、
   前記第２の光源から出射される光の発光強度を、第１の強度と、前記第１の強度のk倍の強度である第２の強度と、の少なくとも２段階に変化させ、
   前記第２の光源から出射される光の強度を前記第１の強度としたときに前記位置検出用半導体素子より流れる電流I1と、前記第２の光源から出射される光の発光強度を前記第２の強度としたときに前記位置検出用半導体素子より流れる電流I2とから、前記位置検出用半導体素子の暗電流Idarkを以下の式に従って算出し、
   Idark＝（kI1−I2）／（k−1）
   前記算出した暗電流の値を保持し、前記光学部材の移動量を検出する際に前記位置検出用半導体素子に流れる総電流から前記暗電流の値を差し引くことを特徴とする光照射装置。
2. 前記位置検出用半導体素子の周辺温度を検出する温度センサを更に具備し、
   前記暗電流の算出は、前記位置検出用半導体素子の周辺温度が予め設定した範囲を超えて変化した場合に行われることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記暗電流の算出は、前記第１の光源から照射された光を所定の角度範囲に連続的にスキャンした後、次のスキャンに移るまでの期間に行われることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
4. 前記暗電流の算出は、前記第１の光源が消灯している期間に行われることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
5. 前記第２の光源はＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
6. 前記ＬＥＤの順電流と該ＬＥＤの発光強度とがほぼ正比例する範囲内で前記ＬＥＤに流す電流を変化させることを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。

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