JP5314553B2

JP5314553B2 - 光照射装置および撮像システム

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Publication number: JP5314553B2
Application number: JP2009227814A
Authority: JP
Inventors: 良平重松; 州今村; 貴史平田; 孝佐藤; 任史河田
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011076895A

Description

本発明は、所定の周波数の光を照射する光照射装置および当該光照射装置を用いた撮像システムに関する。

従来、自動車などの移動体の外部に存在する物体の有無や物体までの距離などを検出するための技術として、レーザレーダやミリ波レーダを用いた物体検出システムが知られている。物体検出システムは、レーザ光または電波で所定の範囲を走査するアクチュエータを備えている。このようなアクチュエータとして、基端が固定された板ばねの先端にレンズまたはアンテナ等の部品を取付可能な可動部材を有し、この可動部材を駆動手段によって振動させることにより、所定の領域をレーザ光または電波で走査する板ばね式のアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この技術では、可動部材および板ばねからなる系が共振している場合、可動部材の動作速度の大きさは、変位が最大である振動の両端で最小となる一方、変位が最小である振動の中心で最大となる。

特開２００３−１７７３４８号公報

ところで、上述した従来技術では、可動部材に発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光手段を直接取り付けることによって所定の領域に光を照射することも考えられる。光源からの距離が等しい面上の単位面積当たりの光の強度（以下、照射強度という）は、光を照射する時間に比例するため、可動部材の振動の両端付近における照射強度は、振動の中心付近の照射強度よりも大きくなる。このため、上述した従来技術のアクチュエータの可動部材に発光手段を直接取り付けると、照射領域における照射強度に場所ごとのバラツキが生じ、照射性能の低下を招いてしまうという問題があった。

この問題を解決するために、複数の光源を用いることによって照射領域を均一に照射することも考えられるが、この場合には光源部分が大きくなってしまうことに加えて、消費電力が著しく増加してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、消費電力の増加を抑制しつつ、所定の領域に対してほぼ均一な強度の光を照射することができる光照射装置および当該光照射装置を用いた撮像システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光照射装置は、弾性部材と、前記弾性部材に取り付けられ、前記弾性部材による拘束を受けながら振動する可動部材と、前記可動部材を駆動する駆動手段とを有するアクチュエータと、前記可動部材に取り付けられ、所定の周波数の光を発する発光手段と、前記可動部材の振動に関連する情報を取得する振動情報取得手段と、前記振動情報取得手段が取得した振動情報に基づいて定まる前記可動部材の動作速度の大きさが大きいほど、前記発光手段が発する前記光の強度を大きくする制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記光の強度は、前記可動部材の動作速度の大きさと線形な関係にあることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記発光手段から所定の照射面までの前記発光手段の光軸方向の距離に応じて前記光の強度に補正を加えることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記駆動手段は、磁石と、前記磁石の近傍に位置するコイルと、を有し、前記磁石および前記コイルのいずれか一方は前記可動部材に取り付けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記振動情報は、前記コイルを横切る磁束の変化に伴う誘導起電力に関する情報であることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記振動情報は、前記弾性部材の位置に関する情報であることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記光は、可視光または赤外光であることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記弾性部材は板ばねであることを特徴とする。

また、本発明に係る光照射装置は、上記発明において、前記弾性部材はトーションバーであることを特徴とする。

また、本発明に係る撮像システムは、上記発明に記載の光照射装置と、前記発光手段による前記光の照射領域に含まれる画角を有し、被写体を撮像して画像データを生成する撮像装置と、前記撮像装置が生成した画像データに対応する画像を表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータの可動部材に取り付けられた発光手段が発する光の強度を、可動部材の動作速度の大きさが大きいほど大きくする制御を行うため、消費電力の増加を抑制しつつ、所定の領域に対してほぼ均一に光を照射することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の要部の構成を示す斜視図である。図２は、図１の矢視Ａ方向の平面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の構成を模式的に示す図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の可動部材が振動の端点に位置している状態を示す図である。図５は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の可動部材が図４と異なる振動の端点に位置している状態を示す図である。図６は、可動部材の位置および発光素子が照射する光の強度の時間変化を示す図である。図７は、本発明の実施の形態２に係る光照射装置の構成を示す図である。図８は、本発明の実施の形態２に係る光照射装置が備える発光素子の照射領域の設定例を示す図である。図９は、本発明の実施の形態２に係る撮像システムの構成を示す図である。図１０は、本発明の実施の形態３に係る光照射装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、以下の説明で参照する図面は模式的なものであって、同じ物体を異なる図面で示す場合には、寸法や縮尺等が異なる場合もある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光照射装置の要部の構成を示す斜視図である。図２は、図１の矢視Ａ方向の平面図である。図３は、本実施の形態１に係る光照射装置の構成を模式的に示す図である。

図１〜図３に示す光照射装置１は、所定の周波数の光を発する発光手段としての発光素子２と、発光素子２が取り付けられ、発光素子２とともに振動する部材（後述する可動部材）を有するアクチュエータ３と、アクチュエータ３の可動部材の振動に関連する情報を取得する振動情報取得手段としてのセンサ部４と、センサ部４の検出結果に基づいて発光素子２およびアクチュエータ３の動作を制御する制御部５とを備える。

発光素子２は、例えば所定の周波数の可視光または赤外光を発する発光ダイオードを用いて実現される。

アクチュエータ３は、互いに同じ形状をなす２枚の板ばね６、７と、板ばね６、７の各基端部を固定する固定部材８と、板ばね６、７の各先端部を固定し、板ばね６、７の拘束を受けながら振動し、表面に発光素子２が取り付けられた可動部材９と、主面が半円環形状をなす薄板状の磁石１０と、磁石１０が固着され、磁石１０とともに磁気回路を形成するヨーク１１と、可動部材９に保持され、磁石１０およびヨーク１１の近傍に位置するコイル１２と、固定部材８を保持する一方、ねじ部材１３を介してヨーク１１が固設されるベース部材１４と、を有する。

センサ部４は、発光素子４１と受光素子４２とを備えた光反射型のフォトリフレクタである。センサ部４は、発光素子４１および受光素子４２が板ばね６の一つの主面と対向しており、この主面が発光素子４１によって発せられる光の反射面となっている。センサ部４は、発光素子４１が発した光の板ばね６による反射光を受光素子４２が受光することにより、反射光の到達時間に基づいた板ばね６までの距離を検出し、検出結果を振動情報として制御部５へ出力する。なお、センサ部４を板ばね７の一つの主面と対向させることによって板ばね７までの距離を検出するようにしてもよい。

制御部５は、センサ部４から送られてくる振動情報すなわち板ばね６の位置情報に基づいて可動部材９の動作速度を算出し、この算出した動作速度の大きさに応じた制御信号を発光素子２およびコイル１２に対してそれぞれ出力する。

以下、アクチュエータ３の構成をより詳細に説明する。板ばね６、７は、図３に示すように基端部から先端部へ向けて徐々に幅が狭くなっている。また、板ばね６、７は、各々がたわんでいない初期状態（図１等に示す状態）において、互いの主面同士が同じ平面を通過し、かつ互いの長手方向が平行となるように並列に配置されている。

板ばね６の基端部には、その基端部から板ばね６の長手方向に沿って突出し、制御部５と接続する配線を取り付ける電極端子部６１が設けられている。また、板ばね６の先端部には、板ばね６の長手方向と略直交する方向に切り欠かれ、コイル１２の巻き線（破線で表示）の一端を掛止してコイル１２との通電を確保する欠切部６２が設けられている。板ばね７も、板ばね６と同様に、電極端子部７１と欠切部７２とを有する。板ばね６、７は、ベリリウム銅、リン青銅またはステンレスなどのばね材からなり、プレス加工による打ち抜き成形やエッチング成形によって形成される。

板ばね６、７は、電極端子部６１、７１をそれぞれ介して制御部５に接続される一方、欠切部６２、７２をそれぞれ介してコイル１２の巻き線に接続される。このような構成においては、板ばね６、７が配線の一部をなしているため、コイル通電用の回路構造を簡略化することができる。

固定部材８および可動部材９は、軽量で高い剛性を有するガラス繊維などを充填した液晶ポリマー（ＬＣＰ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのエンジニアリングプラスチックを射出成形することによって形成されている。なお、板ばね６、７をインサート材として、固定部材８および可動部材９と一体成形することも可能である。

可動部材９は、板ばね６、７の先端部を固定するとともにコイル１２を固定するフレーム部材９１と、フレーム部材９１の先端部に設けられ、発光素子２が固定される薄平板状の発光素子固定部材９２とを有する。可動部材９は、合成樹脂またはアルミニウムなどの軽金属を用いて実現される。フレーム部材９１は、板ばね６、７の先端部をそれぞれ取り付ける板ばね取付部９１１、９１２と、発光素子固定部材９２を支持する支持部９１３と、コイル１２を載置して保持するコイル保持部９１４とを有する。発光素子固定部材９２の主面は、板ばね６、７の初期状態における主面と直交している。

ヨーク１１は、磁石１０の主面と同様の半円環形状をなす表面をそれぞれ有し、その表面同士が平行でありかつ離間した状態で対向する二つの弧状部１１１、１１２と、弧状部１１１、１１２の対向する端部同士をそれぞれ連結する二つの連結部１１３とを有する。図１や図３に示すように、弧状部１１２の表面のうち弧状部１１１と対向する表面には、磁石１０が積層された状態で固定されている。連結部１１３は、ねじ部材１３を介してベース部材１４に固設される。以上の構成を有するヨーク１１は、純鉄等の軟磁性材からなる。

コイル１２は、その開口面が略等脚台形をなしており、短辺側がヨーク１１の弧状部１１１、１１２の内周側に位置する一方、長辺側が弧状部１１１、１１２の外周側に位置している。また、コイル１２は、導線の巻線方向（開口面と直交する方向）の長さが開口面の最小径よりも小さい扁平な形状をなしている。以上の構成を有するコイル１２は、その開口面が磁石１０およびヨーク１１の積層方向と直交する位置に開口面が位置するとともに、磁石１０と弧状部１１１との隙間に配置されている。なお、本実施の形態１では、コイル１２をベース部材１４に固定し、磁石１０およびヨーク１１を可動部材９に取り付ける構成とすることも可能である。

磁石１０、ヨーク１１およびコイル１２は、コイル１２を流れる電流によって生じる電磁力によって可動部材９を駆動する駆動手段の少なくとも一部をなしている。

図４および図５は、以上の構成を有する光照射装置１の動作を説明する図であり、可動部材９が振動の端点に位置している状態を示す図である。これらの図において、初期状態における板ばね６、７の延在方向（図４の左右方向）と直交し、初期状態における板ばね６、７の延在方向との交点を原点とし、かつ図の上向きを正とする座標軸をｘ軸としている。また、振動の端点のｘ座標を±ｘ₀（ｘ₀＞０）としている。可動部材９は、図４および図５に示す振動の端点を往復する単振動を行う。

以下、図４および図５のｘ軸における可動部材９の位置が時間の関数として、
ｘ（ｔ）＝ｘ₀ｓｉｎ（ωｔ）・・・（１）
で表されるものとする。ここで、式（１）のωは、板ばね６、７および可動部材９からなる系が共振する時の角振動数である。この場合、制御部５は、発光素子２が発する光の強度Ｐ（ｔ）を、
Ｐ（ｔ）＝Ａ｜ｄｘ（ｔ）／ｄｔ｜＋Ｂ
＝Ａωｘ₀｜ｃｏｓ（ωｔ）｜＋Ｂ・・・（２）
とする制御を行う。ここで、式（２）の定数Ａ，Ｂは正の数である。式（２）から明らかなように、光の強度Ｐ（ｔ）は、可動部材９の動作速度の大きさ｜ｄｘ（ｔ）／ｄｔ｜と線形な関係にある。

図６は、位置ｘ（ｔ）およびＰ（ｔ）の時間変化を示す図である。図６においては、板ばね６、７および可動部材９からなる系の振動の周期をＴとしている。図６および式（１），（２）によれば、光の強度Ｐ（ｔ）は、振動の中心（ｘ＝０）で最大値Ａωｘ_0--＋Ｂをとる一方、振動の端点（ｘ＝±ｘ₀）で最小値Ｂをとる。

このようにして、本発明の実施の形態１においては、可動部材の動作速度の大きさが大きいほど、アクチュエータの可動部材に取り付けられた発光手段が発する光の強度を大きくする制御を行うため、消費電力の増加を抑制しつつ、所定の領域に対してほぼ均一な強度の光を照射することが可能となる。

なお、発光素子２が時間ｔに発する光の強度Ｐ（ｔ）は、位置ｘ（ｔ）の絶対値が大きいほど小さい値を有していさえすればよく、例えば三角波で表されるような時間の関数であってもよい。

また、板ばね６または７の主面にひずみゲージ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の薄膜、または接触式スイッチなどを取り付けることにより、板ばね６または７の初期状態からの変形量を振動状態として検出するようにしてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、発光素子が発する光の強度に、その発光素子から照射領域までの光軸方向の距離に応じた補正を加えることを特徴とする。

図７は、本発明の実施の形態２に係る光照射装置の構成を示す図である。同図に示す光照射装置１５は、上述した実施の形態１に係る光照射装置１の構成に加えて、発光素子２から照射領域までの発光素子２の光軸方向の距離を含む照射領域情報を記憶する照射領域情報記憶部１６を備える。

図８は、発光素子２の照射領域の設定例を模式的に示す図である。具体的には、図８は、平面をなす照射面Ｓ上に設けられる照射領域Ｓ₀の端点Ｑ₁、Ｑ₂までの発光素子２の光軸方向の距離がそれぞれｒ₁、ｒ₂である場合を示している。図８に示す場合、発光素子２から照射領域Ｓ₀までの発光素子２の光軸方向の距離ｒ（以下、距離ｒという）は、時間とともに変化している。

図８に示す状況下において、制御部５は、光の強度Ｐ（ｔ，ｒ）として、式（２）の強度Ｐ（ｔ）に対し、時間ｔにおける距離ｒの自乗を乗じた補正を行う。すなわち、光の強度Ｐ（ｔ，ｒ）は、
Ｐ（ｔ，ｒ）＝Ｃ・ｒ²・Ｐ（ｔ）・・・（３）
で与えられる。ここで、係数Ｃは正の定数である。また、距離ｒはｘ（ｔ）の関数ｒ（ｘ（ｔ））であり、ｒ（ｘ₀）＝ｒ₁，ｒ（−ｘ₀）＝ｒ₂である。この関数ｒ（ｘ（ｔ））は、照射領域情報として照射領域情報記憶部１６に格納されている。式（３）より、照射領域Ｓ₀の端点Ｑ₁、Ｑ₂における強度の比は、
Ｐ（ｔ、ｒ₁）／Ｐ（ｔ、ｒ₂）＝ｒ₁ ²／ｒ₂ ² ・・・（４）
である。式（４）では、振動の端点（ｘ＝±ｘ₀）における光の強度Ｐ（ｔ）の値がＢであることを用いた（図６を参照）。

このようにして、本発明の実施の形態２においては、距離ｒに応じた補正を加えるため、その距離ｒが時間ｔとともに変化するような場合であっても、照射領域Ｓ₀に対してほぼ均一な強度の光を照射することができる。

ところで、光照射装置１５は、例えば物体を監視するために所定の領域を撮像する撮像システムに適用することもできる。図９は、本実施の形態２に係る撮像システムの構成を示す図である。同図に示す撮像システム１７は、光照射装置１５と、被写体を撮像して画像データを生成する撮像装置１８と、撮像装置１８が生成した画像データに対応する画像を表示する表示装置１９と、を備える。図９において、光照射装置１５の照射領域Ｓ₀は、撮像装置１８の画角を含むように設定されている。

表示装置１９は、撮像装置１８が撮像した画像に所定の画像処理を施す画像処理部１９１と、画像処理部１９１によって所定の画像処理が施された画像を表示する表示部１９２とを有する。画像処理部１９１の機能として、例えば画像内に所定の物体が含まれているか否かを検出する物体検出機能を具備させることもできる。この場合には、検出した物体を表示部１９２で強調して表示するようにしてもよい。

以上説明した本実施の形態２に係る撮像システム１７によれば、発光素子２の照射領域が撮像装置１８の画角を含むように構成しているため、撮像装置１８が撮像した画像を表示装置１９で表示する場合、照射領域Ｓ₀の明るさのムラが少ない画像を取得して表示することができる。

また、撮像システム１７によれば、表示装置１９の画像処理部１９１が物体検出機能を備えている場合、発光素子２による良好な照明状態により、物体検知の精度を向上させることができる。

なお、光照射装置１５の代わりに上述した実施の形態１に係る光照射装置１を適用することによって撮像システムを構成することも可能である。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係る光照射装置の構成を示す図である。同図に示す光照射装置２０は、発光素子２と、発光素子２とともに振動する可動部材を有するアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１の可動部材の振動情報を取得する振動情報取得部２２と、振動情報取得部２２が取得した結果に基づいて発光素子２およびアクチュエータ２１の動作を制御する制御部２３とを備える。

アクチュエータ２１は、トーションバー２４と、トーションバー２４の両端をそれぞれ固定する二つの固定部材２５ａ、２５ｂと、表面に発光素子２が取り付けられた状態でトーションバー２４の中央部に設けられ、トーションバー２４のねじれに伴って回動する薄平板状の可動部材２６と、可動部材２６を駆動する駆動部２７とを備える。トーションバー２４は、上述した板ばね６等と同様のばね材からなる。駆動部２７は、磁石、ヨークおよびコイルを適宜組み合わせることによって可動部材２６を駆動する構成としてもよいし、トーションバー２４を直接回動させることによって可動部材２６を駆動する構成としてもよい。

なお、固定部材２５ａと可動部材２６との間、および固定部材２５ｂと可動部材２６との間に、各々独立した２つのトーションバーを設けるようにしてもよい。

以上の構成を有する光照射装置２０が行う制御の詳細は、上述した光照射装置１または１５が行う制御と同様である。

以上説明した本発明の実施の形態３によれば、可動部材２６に取り付けられた発光素子２が発する光の強度を、可動部材２６の動作速度の大きさが大きいほど大きくする制御を行うため、消費電力の増加を抑制しつつ、所定の領域に対してほぼ均一な強度の光を照射することが可能となる。

ここまで、本発明を実施するための形態として実施の形態１〜３を説明してきたが、本発明は、上述した三つの実施の形態によって限定されるべきものではない。

例えば、本発明において、ホール素子またはサーチコイルを有する磁気センサを用いることによって振動情報取得手段を構成してもよい。この場合の振動情報は、磁気センサが測定するコイル１２に生じた誘導起電力である。したがって、制御部５は誘導起電力から所定の演算によって可動部材９の動作速度の大きさを算出することができる。

また、本発明において、上述したアクチュエータ３とは異なる構成を有するアクチュエータを適用することも可能である。

本発明は、可視光または赤外光を照射する製品全般に有用であり、特に、照射範囲を撮像して画像を取り込む自動車の監視カメラ、防犯用の監視カメラ、あるいは広範囲の照明として好適である。

１、１５、２０光照射装置
２、４１発光素子
３、２１アクチュエータ
４センサ部
５、２３制御部
６、７板ばね
８、２５ａ、２５ｂ固定部材
９可動部材
１０磁石
１１ヨーク
１２コイル
１３ねじ部材
１４ベース部材
１６照射領域情報記憶部
１７撮像システム
１８撮像装置
１９表示装置
２２振動情報取得部
２４トーションバー
２６可動部材
２７駆動部
４２受光素子
１９１画像処理部
１９２表示部
Ｓ照射面
Ｓ₀ 照射領域

Claims

弾性部材と、前記弾性部材に取り付けられ、前記弾性部材による拘束を受けながら振動する可動部材と、前記可動部材を駆動する駆動手段とを有するアクチュエータと、
前記可動部材に取り付けられ、所定の周波数の光を発する発光手段と、
前記可動部材の振動に関連する情報を取得する振動情報取得手段と、
前記振動情報取得手段が取得した振動情報に基づいて定まる前記可動部材の動作速度の大きさが大きいほど、前記発光手段が発する前記光の強度を大きくする制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする光照射装置。
前記光の強度は、前記可動部材の動作速度の大きさと線形な関係にあることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
前記制御手段は、
前記発光手段から所定の照射面までの前記発光手段の光軸方向の距離に応じて前記光の強度に補正を加えることを特徴とする請求項１または２に記載の光照射装置。
前記駆動手段は、
磁石と、
前記磁石の近傍に位置するコイルと、
を有し、
前記磁石および前記コイルのいずれか一方は前記可動部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光照射装置。
前記振動情報は、前記コイルを横切る磁束の変化に伴う誘導起電力に関する情報であることを特徴とする請求項４に記載の光照射装置。
前記振動情報は、前記弾性部材の位置に関する情報であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光照射装置。
前記光は、可視光または赤外光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光照射装置。
前記弾性部材は板ばねであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光照射装置。
前記弾性部材はトーションバーであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光照射装置。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光照射装置と、
前記発光手段による前記光の照射領域に含まれる画角を有し、被写体を撮像して画像データを生成する撮像装置と、
前記撮像装置が生成した画像データに対応する画像を表示する表示装置と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。