JP5499502B2

JP5499502B2 - 光学装置

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Publication number: JP5499502B2
Application number: JP2009067045A
Authority: JP
Inventors: 千恵豊田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP2010217782A

Description

本発明は、光学装置に関する。

従来、光学装置としては、次のものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。すなわち、特許文献１に記載の例では、光源部から投光されたレーザ光が有孔反射ミラーの孔部を通過した後に走査ミラーで走査され、対象物で反射された戻り光は走査ミラーで反射された後に有孔反射ミラーにおける孔部の周囲の反射面で反射されて受光素子で受光される構成とされている。

また、特許文献２に記載の例では、発光部から投光されたレーザ光がポリゴンミラーのミラー面で反射されて走査され、対象物で反射された戻り光はポリゴンミラーの上記ミラー面とは異なるミラー面で反射されて受光部で受光される構成とされている。

特開２００４−１７０９６５号公報特開２００５−６９９７５号公報特開２０００−２７５３４０号公報特開２００４−３６１３１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の例では、光源部から投光されたレーザ光と対象物で反射された戻り光とが同じ光路を通る。このため、例えば、有効反射ミラーの孔部の縁などで散乱した投光パルスが不要なエコーとして受光素子に入射し、このことが上述の投光パルスに比べて非常に微弱な対象物からの戻り光を検出する際の妨げとなってしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載の例では、走査ミラーとしてポリゴンミラーを用いている。このため、ポリゴンミラーを駆動させるためのモータが必要であり、このモータによって装置が大型化したり騒音や振動が生じたりするなどの問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、上記諸問題を解決できる光学装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の光学装置は、レーザ光を投光する投光部と、前記投光部から投光されたレーザ光の反射角度を変更するように回動可能とされると共に、両面が反射面とされて一方の反射面で前記投光部から投光されたレーザ光を反射し他方の反射面に対象物からの戻り光が他の構成を介さずに入射されて前記他方の反射面で対象物からの戻り光を反射する走査ミラーを有して構成されたメムスミラーと、前記一方の反射面で反射されたレーザ光が前記他方の反射面の向く側に出射されるように、前記一方の反射面で反射されたレーザ光を複数の反射ミラーにより複数回反射させて前記対象物に向けて出射させる光線方向変換鏡と、前記他方の反射面で反射された戻り光を受光する受光部と、を備えている。

請求項１に記載の光学装置では、投光部からレーザ光が投光されると、このレーザ光はメムスミラーに備えられた走査ミラーの一方の反射面で反射され、その後、光線方向変換鏡で反射されて対象物に向けて出射される。一方、対象物からの戻り光は走査ミラーの他方の反射面で反射され、その後、受光部にて受光される。

ここで、上述の光線方向変換鏡は、一方の反射面で反射されたレーザ光を対象物に向けて出射させる際に、この一方の反射面で反射されたレーザ光を複数の反射ミラーにより複数回反射させて他方の反射面の向く側に出射させる。つまり、この光学装置では、投光側に同期して受光側の視野が走査される。従って、この構成よれば、受光側の視野を投光ビームの広がりに一致する程度に限定できるので、これにより、受光部にて受光される背景光ノイズを低減することができる。

しかも、投光部から投光されたレーザ光と対象物からの戻り光とは、走査ミラーの一方の反射面と他方の反射面で反射され、同じ光路を通らないので、投光パルスの散乱光が不要なエコーとして受光部に入射することを抑制できる。これにより、本来の目的である対象物（遠方物体）からの微弱な戻り光を受光部にてより的確にとらえることができる。

また、走査装置としてメムスミラーが用いられているので、モータが不要であり、装置の小型化、低騒音化、低振動化を図ることができる。

以上詳述したように、本発明によれば、受光部にて受光される背景光ノイズを低減することができると共に、対象物（遠方物体）からの微弱な戻り光を受光部にてより的確にとらえることができ、且つ、装置の小型化、低騒音化、低振動化を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る光学装置の側面図である。本発明の第一実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第一実施形態におけるメムスミラーを一方の反射面側から見た斜視図である。本発明の第一実施形態におけるメムスミラーを他方の反射面側から見た斜視図である。本発明の第一実施形態に係る光学装置の構成する説明する図である。本発明の第一実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。本発明の第一実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。本発明の第一実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。本発明の第二実施形態に係る光学装置の側面図である。本発明の第二実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置の側面図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置の構成する説明する図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置の構成する説明する図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。本発明の第三実施形態に係る光学装置におけるレーザ光の出射方向と走査ミラーの走査方向との関係を説明する図である。

［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。

図１Ａ，図１Ｂに示されるように、本発明の第一実施形態に係る光学装置１０は、例えば、車両用レーザレーダとして好適に用いられるものであり、レーザ光源１２と、コリメートレンズ１４と、メムスミラー１６と、光線方向変換鏡１８と、結像レンズ２０と、受光素子２２とを備えている。

レーザ光源１２は、レーザ光Ｌ１を投光する例えばレーザダイオード等により構成されている。コリメートレンズ１４は、レーザ光源１２と光軸方向（以後、Ｘ軸方向と言う）に離間して配置されており、レーザ光源１２から投光されたレーザ光Ｌ１を平行ビームとする構成とされている。

メムスミラー１６は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）の技術を応用して構成されたものであり、コリメートレンズ１４とＸ軸方向に離間して配置されている。このメムスミラー１６は、図２Ａ，図２Ｂに示されるように、本体部２４と、走査ミラー２６と、駆動コイル２８と、マグネット３０とを有して構成されている。

本体部２４は、枠状に構成されており、この本体部２４の内側には、走査ミラー２６が配置されている。走査ミラー２６は、一対の支持ビーム３２によって本体部２４に回動可能に支持されている。一対の支持ビーム３２は、図１Ａに示されるように、Ｘ軸方向と交差する方向に延在されている。そして、これにより、走査ミラー２６は、コリメートレンズ１４から出射されたレーザ光Ｌ１の反射角度を変更するように回動可能とされている。

また、この走査ミラー２６は、両面が反射面２６Ａ，２６Ｂとされており、一方の反射面２６Ａでコリメートレンズ１４から投光されたレーザ光Ｌ１を反射し、他方の反射面２６Ｂで対象物からの戻り光Ｌ２を反射する構成とされている。

駆動コイル２８は、走査ミラー２６に一体に設けられており、外部から電流の供給を受ける構成とされている。一方、マグネット３０は、本体部２４の外側に配置されており、走査ミラー２６を回動させるための磁界を駆動コイル２８に対して形成する構成とされている。

そして、このメムスミラー１６では、外部から駆動コイル２８に供給される電流の向きが切り替えられると、駆動コイル２８とマグネット３０との間に吸引力と反発力が交互に作用し、これにより、走査ミラー２６が回動（回転振動）される構成とされている。

光線方向変換鏡１８は、図１Ａに示されるように、Ｘ軸方向と直交する方向（以後、Ｙ軸方向と言う）にメムスミラー１６と離間して配置されている。この光線方向変換鏡１８は、図１Ｂに示されるように、一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂを有して構成されており、この一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂは、直角を成している。

この一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂは、図３に示されるように、その交線ＡがＸ軸方向とＹ軸方向とによって規定される平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行で、且つ、Ｙ軸方向と所定の角度で交わるように配置されている。

なお、ここでは、一例として、レーザ光Ｌ１の一方の反射面２６Ａへの入射角θ１、レーザ光Ｌ１の一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂの一方への入射角（レーザ光Ｌ１と一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂの交線Ａとの成す角）θ２、戻り光Ｌ２の他方の反射面２６Ｂからの出射角θ３は、いずれも４５°に設定されている。

結像レンズ２０は、図１Ａに示されるように、メムスミラー１６とＹ軸方向に離間して配置されており、上述の他方の反射面２６Ｂで反射された戻り光Ｌ２を結像させる構成とされている。受光素子２２は、結像レンズ２０とＹ軸方向に離間して配置されており、結像レンズ２０で結像された戻り光Ｌ２を受光する例えばフォトダイオード等により構成されている。

なお、本実施形態では、レーザ光源１２及びコリメートレンズ１４によって本発明における投光部が構成されており、結像レンズ２０及び受光素子２２によって本発明における受光部が構成されている。

次に、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。

本発明の第一実施形態に係る光学装置１０では、図１Ａに示されるように、レーザ光源１２からレーザ光Ｌ１が投光されると、このレーザ光Ｌ１はコリメートレンズ１４によって平行ビームとされる。そして、このレーザ光Ｌ１はメムスミラー１６に備えられた走査ミラー２６の一方の反射面２６Ａで反射され、その後、光線方向変換鏡１８で反射されて対象物に向けて出射される。一方、対象物からの戻り光Ｌ２は走査ミラー２６の他方の反射面２６Ｂで反射され、結像レンズ２０で結像された後、受光素子２２にて受光される。

ここで、上述の光線方向変換鏡１８は、一方の反射面２６Ａで反射されたレーザ光Ｌ１を対象物に向けて出射させる際に、この一方の反射面２６Ａで反射されたレーザ光Ｌ１を一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂによって複数回（ここでは２回）反射させて他方の反射面２６Ｂの向く側に出射させる。

すなわち、図４Ａに示されるように、走査ミラー２６が中立位置にあるときには、レーザ光Ｌ１はＸ軸方向と平行な方向に出射される。

一方、図４Ｂに示されるように、走査ミラー２６が一方側（Ｒ１側）に回動されたときには、これに同期するように、レーザ光Ｌ１は他方の反射面２６Ｂの向く側に出射される。

同様に、図４Ｃに示されるように、走査ミラー２６が他方側（Ｒ２側）に回動されたときには、これに同期するように、レーザ光Ｌ１は他方の反射面２６Ｂの向く側に出射される。

つまり、一方の反射面２６Ａで反射されたレーザ光Ｌ１が単体の反射ミラーで反射される場合には、このレーザ光Ｌ１が他方の反射面２６Ｂの向く側と反対側に向けて出射されるが、本実施形態では、一方の反射面２６Ａで反射されたレーザ光Ｌ１が一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂで複数回反射されることにより他方の反射面２６Ｂの向く側に向けて出射される。

そして、この光学装置１０では、上述のようにして、投光側に同期して受光側の視野が走査される。従って、この構成よれば、受光側の視野を投光ビームの広がりに一致する程度に限定できるので、これにより、受光素子２２にて受光される背景光ノイズを低減することができる。

しかも、レーザ光源１２から投光されたレーザ光Ｌ１と対象物からの戻り光Ｌ２とは、走査ミラー２６の一方の反射面２６Ａと他方の反射面２６Ｂで反射され、同じ光路を通らないので、投光パルスの散乱光が不要なエコーとして受光素子２２に入射することを抑制できる。これにより、本来の目的である対象物（遠方物体）からの微弱な戻り光Ｌ２を受光素子２２にてより的確にとらえることができる。

また、走査装置としてメムスミラー１６が用いられているので、モータが不要であり、装置の小型化、低騒音化、低振動化を図ることができる。

このように、本発明の第一実施形態に係る光学装置１０によれば、受光素子２２にて受光される背景光ノイズを低減することができると共に、対象物（遠方物体）からの微弱な戻り光Ｌ２を受光素子２２にてより的確にとらえることができ、且つ、装置の小型化、低騒音化、低振動化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、レーザ光Ｌ１が光線方向変換鏡１８によって他方の反射面２６Ｂの向く側に出射されるのであれば、上述の一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂの配置や角度等は上記以外に設定されていても良い。

また、光線方向変換鏡１８は、一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂを備えた構成以外にも、例えば、この一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂをより小さなミラーに分割して組み合わせたものを備えた構成とされていても良い。

また、メムスミラー１６の駆動方式は、駆動コイル２８と、マグネット３０とを有する所謂電磁式とされていたが、その他の方式、例えば、静電方式、磁気方式、圧電方式とされていても良く、また、これらと同様の機能を実現できる方式であれば何でも構わない。

また、他方の反射面２６Ｂは、図２Ｂに示される走査ミラー２６の他方の面（駆動コイル２８が設けられた面）に例えば蒸着や、スパッタリング等により形成されても良い。また、他方の反射面２６Ｂは、駆動コイル２８の上に積層されても良く、また、駆動コイル２８を避けた走査ミラー２６の他方の面の中央部分に形成されていても良い。また、他方の反射面２６Ｂは、走査ミラー２６の他方の面に設けられるのであれば、その方式は何でも構わない。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

図５Ａ，図５Ｂに示される本発明の第二実施形態に係る光学装置４０は、上述の本発明の第一実施形態に係る光学装置１０に対し、次の如く構成が変更されている。

すなわち、この光学装置４０は、レーザ光源１２、コリメートレンズ１４、結像レンズ２０、受光素子２２を複数（３個ずつ）備えている。なお、メムスミラー１６及び光線方向変換鏡１８については、上述の本発明の第一実施形態と同様である。

この複数のレーザ光源１２とコリメートレンズ１４は、レーザ光Ｌ１がそれぞれ異なる角度で走査ミラー２６に入射されるように配置されており、複数の結像レンズ２０と受光素子２２も、これに対応して戻り光Ｌ２を受光できるように配置されている。

このような構成によれば、走査ミラー２６の傾き限界角の３倍の広さの領域を走査することができる。また、３組のレーザ光源１２から同時にレーザ光Ｌ１を投光し、この各戻り光Ｌ２を各受光素子２２で受光することで、走査領域の異なる３点を同時に検出することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

図６Ａ，図６Ｂに示される本発明の第三実施形態に係る光学装置５０は、上述の本発明の第二実施形態に係る光学装置４０に対し、次の如く構成が変更されている。

すなわち、この光学装置５０において、走査ミラー２６は、Ｘ軸方向と交差する方向を回動軸として回動可能とされることに加えて、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ直交する方向（Ｚ軸方向；図６Ｂ参照）を回動軸として回動可能とされている。

また、光線方向変換鏡１８は、一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂに加えて、反射ミラー１８Ｃを有する構成とされている。一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂは、上記と同様に、図７Ａに示される如く、直角を成している（α＝９０°）。一方、反射ミラー１８Ｃは、図７Ｂに示される如く、一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂとの交線ＢがＸ軸方向とＹ軸方向とによって規定される平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行で、且つ、Ｙ軸方向と所定の角度で交わるように配置されている。

なお、ここでは、一例として、レーザ光Ｌ１の一方の反射面２６Ａへの入射角θ４、戻り光Ｌ２の他方の反射面２６Ｂからの出射角θ７は、いずれも４５°に設定されている。一方、レーザ光Ｌ１の反射ミラー１８Ｃへの入射角（レーザ光Ｌ１と一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂ及び反射ミラー１８Ｃの交線Ｂとの成す角）θ５、レーザ光Ｌ１の一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂの一方からの出射角（レーザ光Ｌ１と一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂの交線Ａとの成す角）θ６は、いずれも６７．５°に設定されている。

そして、この光学装置５０では、図８Ａに示されるように、走査ミラー２６が中立位置にあるときには、レーザ光Ｌ１は一方の反射面２６Ａに入射される方向と平行な方向に光線方向変換鏡１８から出射される。

一方、図８Ｂに示されるように、走査ミラー２６がＺ軸方向（図６Ｂ参照）を回動軸として一方側（Ｒ３側）に回動されたときには、これに同期するように、レーザ光Ｌ１は他方の反射面２６Ｂの向く側に出射される。

同様に、図８Ｃに示されるように、走査ミラー２６がＺ軸方向を回動軸として他方側（Ｒ４側）に回動されたときには、これに同期するように、レーザ光Ｌ１は他方の反射面２６Ｂの向く側に出射される。

このように構成されていると、走査ミラー２６が二つの回動軸を中心に回動されることで、走査領域をさらに広げることができる。

なお、上記実施形態においては、レーザ光Ｌ１が光線方向変換鏡１８によって他方の反射面２６Ｂの向く側に出射されるのであれば、上述の一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂ及び反射ミラー１８Ｃの配置や角度等は上記以外に設定されていても良い。

また、光線方向変換鏡１８は、一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂ及び反射ミラー１８Ｃを備えた構成以外にも、例えば、この一対の反射ミラー１８Ａ，１８Ｂ及び反射ミラー１８Ｃをより小さなミラーに分割して組み合わせたものを備えた構成とされていても良い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０，４０，５０光学装置
１２レーザ光源（投光部の一部）
１４コリメートレンズ（投光部の一部）
１６メムスミラー
１８光線方向変換鏡
２０結像レンズ（受光部の一部）
２２受光素子（受光部の一部）
２６走査ミラー
２８駆動コイル
３０マグネット
２６Ａ一方の反射面
２６Ｂ他方の反射面

Claims

レーザ光を投光する投光部と、
前記投光部から投光されたレーザ光の反射角度を変更するように回動可能とされると共に、両面が反射面とされて一方の反射面で前記投光部から投光されたレーザ光を反射し、他方の反射面に対象物からの戻り光が他の構成を介さずに入射されて前記他方の反射面で対象物からの戻り光を反射する走査ミラーを有して構成されたメムスミラーと、
前記一方の反射面で反射されたレーザ光が前記他方の反射面の向く側に出射されるように、前記一方の反射面で反射されたレーザ光を複数の反射ミラーにより複数回反射させて前記対象物に向けて出射させる光線方向変換鏡と、
前記他方の反射面で反射された戻り光を受光する受光部と、
を備えた光学装置。