JP6414349B1 - 光放射装置、物体情報検知装置、光路調整方法、物体情報検知方法、及び、光変調ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度の高精度な調整を要することなく、広い角度範囲に光を放射することができる光放射装置を提供する。このような光放射装置に用いられる、又は、このような光放射装置を用いた、物体情報検知装置、光路調整方法、物体情報検知方法、及び、光変調ユニットを提供する。【解決手段】コヒーレント光を出射する光源と、光変調ユニットと、反射体と、第１受光部とを備えた光放射装置であって、反射体は、球面の一部である第１反射面と、第１反射面とは別の第２反射面とを備え、第１反射面には、光変調ユニットで変調された変調光が入射し、その反射光が対象物へ放射され、第２反射面には、光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光が入射し、その反射光が第１受光部で受光される。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物へ所定の光を放射させる光放射装置と、対象物の物体情報を検知する物体情報検知装置と、対象物へ放射する光の光路を調整する光路調整方法と、対象物の物体情報を検知する物体情報検知方法と、変調光と非変調光を出射する光変調ユニットとに関する。

空間光変調器を用いて所望の変調光を生成し、対象物に向けて放射する光放射装置や、前記対象物からの反射光を利用して対象物の情報を検知する装置などが検討・提案されている（特許文献１、２、非特許文献１、２）。例えば特許文献１に記載の装置では、三次元マッピング二次元スキャニング飛行時間型ライダー測距装置に関し、複数の一次元フェーズドアレイに基づくレーザービーム成形及びステアリングフォトニック集積回路チップを含んでいる。このフォトニック集積回路チップは、レーザービームを成形し、ステアリングするものであり、少なくとも１つのオフチップレンズと少なくとも１つのオンチップ回折格子を含む。また、特許文献２に記載の状況認識センサは、コリメートされたスポットビームを生成するレーザーと、スポットビームを光軸から所定角度の方向へ導く液晶導波管と、液晶導波管へ制御信号を与えるコントローラと、光軸に沿った円錐状の固定ミラーと、スポットビームの反射成分を検出する検出器とを備える。

米国公開特許２０１６／０４９７６５号公報 米国公開特許２０１６／３７７７０６号公報

Ｓ．Ｓｅｒａｔｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙｓ （ＰＡＰＡ）"， ＩＥＥＥ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （２００２） Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， "Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ， ｎｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ７０９３， Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ： Ｍｅｔｈｏｄｓ， Ｄｅｖｉｃｅｓ， ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＶＩ， ７０９３０２ （Ａｕｇｕｓｔ ２８， ２００８）

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、空間光変調器を含む複数のフォトニック集積回路チップを並べることによって、レーザービーム成形やステアリングの差異の角度を稼ぐようにしているため、コストが高くなるという問題がある。

また、特許文献２に記載の状況認識センサでは、液晶導波管からのスポットビームを円錐状のミラー上へ走査し、ミラーからの反射光を対象物側へ放射しているが、例えばミラーの角度がθずれると、対象物から検出器への反射角度が２θずれることから、一定の検出精度を確保するためには、ミラーの角度を高い精度で調整することが必要となる。

非特許文献１に記載の装置では、液晶を用いた空間光変調器を備えているが、損失を極端に増大させずに変えることができるビームの角度は３度程度であって、光放射範囲としては実用的な角度範囲とは言えない。また、非特許文献２に記載の装置では、複数の液晶パネルを重ねて走査角度を確保しているが、コストが高くなるという問題がある。

そこで本発明は、コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度の高精度な調整を要することなく、広い角度範囲に光を放射することができる光放射装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、このような光放射装置に用いられる、又は、このような光放射装置を用いた、物体情報検知装置、光路調整方法、物体情報検知方法、及び、光変調ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光放射装置は、コヒーレント光を出射する光源と、光変調ユニットと、反射体と、第１受光部とを備えた光放射装置であって、反射体は、球面の一部である第１反射面と、第１反射面とは別の第２反射面とを備え、第１反射面には、光変調ユニットで変調された変調光が入射し、その反射光が対象物へ放射され、第２反射面には、光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光が入射し、その反射光が第１受光部で受光されることを特徴としている。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度の高精度な調整を要することなく、広い角度範囲に光を放射することができる。

本発明の光放射装置において、第２反射面は、平面、又は、第１反射面と曲率が異なる曲面であることが好ましい。この構成において、第１反射面と第２反射面は曲率中心の位置が同一であることが好ましい。

本発明の光放射装置において、第２反射面は、第１反射面を形成する球面の一部であって、第１反射面とは別の領域に設けられていることが好ましい。

本発明の光放射装置において、光変調ユニットは、光源からの出射光の光路において、光源側から順に配置された、透過部と光変調部とを備え、第１反射面には、光変調部で変調された変調光が入射し、第２反射面には、光変調部で変調されずに、透過部又は光変調部で反射された非変調光が入射することが好ましい。この構成において、光変調部は、入射光を変調して出射する空間光変調器であって、透過部は空間光変調器の入射面上に配置されたカバーガラスであるとよい。この空間光変調器は、液晶層を有する液晶パネル、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、又は複数の可動鏡を持つ微小電気機械システムであることが好ましい。さらに、光変調ユニットの透過部は、空間光変調器よりも光源側に配置された、１又は２以上の透過性を有する板材を含むことが好ましい。また、透過部は、入射光のうち透過率が高い成分に対して８０〜９５％の透過率を有することが好ましい。さらにまた、透過部は、空気との界面で入射光に対して３〜２０％の反射率を有することが好ましい。

本発明の光放射装置において、球面は、対象物側に凸面を向けた凸面鏡の一部、又は、対象物側に凹面を向けた凹面鏡の一部であることが好ましい。

本発明の光放射装置において、光源はレーザー光源であることが好ましい。ここで、レーザー光源からの出射光をコリメート光とし、光変調ユニットへ出射するコリメート光学系を備えるとさらによい。

本発明の光放射装置において、第１受光部における受光結果に基づいて、反射体の状態を検知する状態検知部と、状態検知部による検知結果に基づいて、変調光を制御する変調光調整部とを備えることが好ましい。この構成において、変調光調整部は、状態検知部による検知結果に基づいて、光変調部からの変調光の出射方向を変更するように光変調部を制御するとよい。また、変調光調整部は、状態検知部による検知結果に基づいて、第１反射面における変調光の反射方向を変更するように反射体の向きを調整することが好ましい。

本発明の物体情報検知装置は、上述のいずれかの光放射装置と、対象物で反射された変調光を受光する第２受光部と、第２受光部における受光結果に基づいて、対象物の物体情報を検知する物体情報検知部とを備えることを特徴としている。
本発明の物体情報検知装置は、第１受光部における受光結果に基づいて、反射体の状態を検知する状態検知部と、状態検知部による検知結果に基づいて、座標系を設定する座標系設定部とを備え、物体情報検知部は、第２受光部における受光結果に基づいて、座標系設定部が設定した座標系における対象物の位置を検知することが好ましい。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、高い精度で物体情報検知を実行することができる。

本発明の光路調整方法は、光変調ユニットにおいて変調された変調光を反射体で反射させて対象物へ放射するときに、反射体で反射されて放射される変調光の光路を調整する光路調整方法であって、反射体は、球面の一部である第１反射面と、第１反射面とは別の第２反射面とを備え、光変調ユニットにコヒーレント光を与え、光変調ユニットで変調された変調光を第１反射面に入射させるとともに、光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光を第２反射面に入射させる入射ステップと、第２反射面における反射光に基づいて、反射体の状態を検知する状態検知ステップと、状態検知ステップにおいて検知された反射体の状態に基づいて、変調光を制御するステップとを有することを特徴としている。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、放射光の光路を精度良く調整することが可能となる。

本発明の物体情報検知方法は、光変調ユニットにおいて変調された変調光を反射体で反射させて対象物へ放射し、反射体は、球面の一部である第１反射面と、第１反射面とは別の第２反射面とを備え、光変調ユニットにコヒーレント光を与え、光変調ユニットで変調された変調光を第１反射面に入射させるとともに、光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光を第２反射面に入射させ、第１反射面における反射光を対象物へ放射させ、第２反射面における反射光に基づいて、反射体の状態を検知するとともに、座標系を設定し、対象物で反射された変調光の受光結果に基づいて、対象物の物体情報を検知することを特徴としている。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、高い精度で物体情報検知を実行することができる。

本発明の光変調ユニットは、コヒーレント光を出射する光源からの出射光の光路において、光源側から順に配置された、透過部と光変調部とを備えた光変調ユニットであって、光変調部で変調された変調光と、光変調部で変調されずに、透過部又は光変調部で反射された非変調光とを出射し、変調光と、非変調光の少なくとも一部とは、光変調ユニットの出射面に対して互いに異なる出射角で出射されることを特徴としている。
本発明の光変調ユニットにおいて、透過部は、入射光のうち透過率が高い成分に対して８０〜９５％の透過率を有することが好ましい。また、透過部は、入射光に対して３〜２０％の反射率を有することが好ましい。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度を容易に調整することができ、かつ、広い角度範囲に変調光を放射することができる。

本発明によると、コストを抑えた簡便な構成で、高精度の調整を要することなく、広い角度範囲に光を放射することができる光放射装置を提供することができる。
さらに、このような光放射装置に用いられる、又は、このような光放射装置を用いた、物体情報検知装置、光路調整方法、物体情報検知方法、及び、光変調ユニットを提供することができる。

本発明の実施形態に係る光放射装置及び物体情報検知装置の構成を概念的に示すブロック図である。 実施例１に係る光放射装置の構成を示す図である。 実施例２に係る光放射装置の構成を示す図である。 実施例３に係る光放射装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る光放射装置、物体情報検知装置、光路調整方法、物体情報検知方法、及び、光変調ユニットについて図面を参照しつつ詳しく説明する。

＜光放射装置、光変調ユニット＞
図１は、本実施形態に係る光放射装置及び物体情報検知装置の構成を概念的に示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る光放射装置は、光源１１、光変調ユニット２０、反射体３０、及び、第１受光部１２を備える。さらに、この光放射装置は、状態検知部１３と変調光調整部１４を備えることが好ましい。

光源１１は、コヒーレント光を出射する光源であって、例えば、ガウシアンビームを出射するレーザー光源である。また、光源１１からの出射光をコリメート光とし、光変調ユニット２０へ出射するコリメート光学系を備えることが好ましい。

光変調ユニット２０は、光源１１からの出射光の光路において、光源１１側から順に配置された、透過部２１と光変調部２２とを備える。
光変調ユニット２０の１つの態様としては、光変調部２２を、入射光を変調して出射する空間光変調器とし、透過部２１を、空間光変調器の入射面上に配置されたカバーガラスとする構成がある。

光変調ユニット２０の別の態様としては、液晶層を有する、液晶パネル又はＬＣＯＳを用い、透過部２１を液晶層よりも光源側に配置し、かつ、１又は２以上の透過性を有する板材を含んだ構成とする。

光変調ユニット２０のさらに別の態様としては、複数の可動鏡を有する、微小電気機械システムを用い、透過部２１を可動鏡よりも光源側に配置し、かつ、１又は２以上の透過性を有する板材を含んだ構成とする。

光変調ユニット２０の上記３つの態様のいずれにおいても、透過部２１は、入射光のうち透過率が高い成分に対して８０〜９５％の透過率を有することが好ましい。これにより、反射体３０の第１反射面３１と第２反射面３２のそれぞれへの入射光のバランスをとることができるため、対象物Ｓの物体情報を検知するのに十分な変調光を放射できるとともに、光路調整に十分な非変調光を第２反射面３２側へ放射することができる。

透過部２１は、空気との界面で入射光に対して３〜２０％の反射率を有することが好ましい。これにより、反射体３０の第１反射面３１と第２反射面３２のそれぞれへの入射光のバランスをとることができるため、対象物Ｓの物体情報を検知するのに十分な変調光を放射できるとともに、光路調整に十分な非変調光を第２反射面３２側へ放射することができる。

光変調部２２は、透過部２１を通過した光を変調して放射する。光変調部２２からの放射光の進行方向は、変調光調整部１４により調整可能であり、かつ、透過部２１における反射光とは異なる方向に設定される。

以上の構成の光変調ユニット２０においては、光変調部２２で変調された変調光と、光変調部２２で変調されずに、透過部２１又は光変調部２２で反射された非変調光とが出射される。光変調部２２における変調光と、透過部２１で反射される非変調光の少なくとも一部とは、光変調ユニット２０の出射面に対して互いに異なる出射角で出射される。このような出射角の違いは、例えば、透過部２１を構成する部材の材質、厚み、又は、配置の変更や調整、又は、透過部２１及び／又は光変調部２２の表面処理又は表面層の追加などによって実現される。

反射体３０は、球面の一部で構成される第１反射面３１と、第１反射面３１とは別の第２反射面３２とを備える。第１反射面３１には、光変調ユニット２０で変調された変調光が入射し、その反射光が対象物Ｓへ放射される。第２反射面３２には、光変調ユニット２０で変調されずに、主として透過部２１で反射された非変調光が入射し、その反射光が第１受光部１２で受光される。この非変調光には、透過部２１又は光変調部２２で反射された非変調光が含まれる。

第１反射面３１を構成する球面は、対象物Ｓ側に凸面を向けた凸面鏡の一部、又は、対象物Ｓ側に凹面を向けた凹面鏡の一部であるとよい。

第２反射面３２としては、例えば、平面、又は、第１反射面３１と曲率が異なる曲面とすることができる。第２反射面３２を、第１反射面３１と曲率が異なる曲面とする場合、第１反射面３１と第２反射面３２の曲率中心の位置を同一とする構成にするとよい。

第２反射面３２の別の態様としては、第１反射面３１を形成する球面の一部であって、第１反射面３１とは別の領域に第２反射面３２を設けることも可能である。

第１受光部１２は、各種の光センサを用いることができる。第１受光部１２には、反射体３０の第２反射面３２で反射された非変調光が入射し、その入射光強度を検知することができる。第１受光部１２による検知結果は状態検知部１３へ出力される。

状態検知部１３は、第１受光部１２における検知結果に基づいて、反射体３０の状態を検知する。反射体３０の状態としては、例えば、第２反射面３２の配置角度が挙げられ、この角度は反射体３０全体の配置角度に対応する。状態検知部１３には、光源１１からの出射光強度の情報も入力されており、この出射光強度と、第１受光部１２で検知した受光強度との関係から、反射体３０の第２反射面３２の角度を算出することができる。反射体３０及び光変調部２２の形状や光学特性は予め状態検知部１３に記憶されている。これらを用いると、第２反射面３２の配置角度に基づいて、反射体３０の姿勢及び第１反射面３１の角度も算出でき、これにより、第１反射面３１における反射光の進行方向、及び、その出射強度も算出できる。

変調光調整部１４は、状態検知部１３による検知結果に基づいて、変調光を制御する。この制御としては、例えば、状態検知部１３で検知した反射体３０の姿勢に基づいて、第１反射面３１からの反射光の進行方向を所望の方向にするように、光変調部２２からの変調光の出射方向を変更させる。

＜物体情報検知装置＞
本実施形態に係る物体検知装置は、上述の光放射装置に加えて、第２受光部４１と物体情報検知部４２を備える。この物体検知装置は、さらに座標系設定部４３を備えることが好ましい。

第２受光部４１は、対象物Ｓで反射された変調光を受光する。第２受光部４１は、変調光の強度を検知できれば、各種の光センサを用いることができる。検知結果は、物体情報検知部４２へ出力される。

物体情報検知部４２は、第２受光部４１における受光結果に基づいて、対象物Ｓの物体情報を検知する。対象物Ｓの物体情報としては、位置、向き、形状、色などが含まれる。

座標系設定部４３は、状態検知部１３による検知結果に基づいて座標系を設定する。設定された座標系の情報は、物体情報検知部４２へ出力され、物体情報検知部４２では、第２受光部４１における受光結果に基づいて、座標系設定部４３が設定した座標系における対象物Ｓの位置などが検知される。

＜光路調整方法＞
本実施形態の光路調整方法は、以下の各ステップにより、光変調ユニット２０において変調された変調光を反射体３０で反射させて対象物Ｓ側へ放射するときに、放射される変調光の光路を調整する。

（１）入射ステップ
光源１１から光変調ユニット２０へコヒーレント光を与えると、光変調ユニット２０では、光変調部２２で変調された変調光と、変調されずに主として透過部２１で反射された非変調光とが反射体３０側へ放射される。変調光調整部１４による調整によって光変調部２２から放射される変調光の進行方向は、透過部２１における反射光を含む非変調光の進行方向とは異なるように設定される。このため、光変調ユニット２０から放射される変調光は主として第１反射面３１に入射し、非変調光は主として第２反射面３２に入射する（入射ステップ）。さらに、第１反射面３１で反射された変調光は対象物Ｓ側へ放射され、第２反射面３２で反射された非変調光は、第１受光部１２で受光される。

（２）状態検知ステップ
第１受光部１２には、反射体３０の第２反射面３２で反射された非変調光が入射し、その入射光強度が検知される。この検知結果は状態検知部１３へ出力され、状態検知部１３では、検知結果に基づいて反射体３０の状態が検知される（状態検知ステップ）。状態検知部１３による検知結果は、変調光調整部１４及び座標系設定部４３へ出力される。

（３）変調光制御ステップ
変調光調整部１４においては、状態検知部１３によって検知された、反射体３０の状態に基づいて、光変調部２２に対して制御信号が出力される（変調光制御ステップ）。制御信号を受けた光変調部２２では、構成する部材の角度の調整によって変調光の光路、出射角度、出射範囲などが調整される。また、光路の調整のほか、例えば、光変調部２２では、変調光の出射光強度を調整することもできる。

＜物体情報検知方法＞
本実施形態の物体情報検知方法では、上述の光路調整方法のステップ（１）〜（３）に加えて、以下のステップ（４）、（５）を実行することにより、対象物Ｓの物体情報を検知する。

（４）座標系設定ステップ
上記状態検知ステップにおける状態検知部１３による検知結果は座標系設定部４３へ出力され、座標系設定部４３においては、状態検知部１３による検知結果に基づいて座標系を設定する。設定された座標系の情報は、物体情報検知部４２へ出力される。

（５）物体情報検知ステップ
第２受光部４１には、対象物Ｓで反射された変調光が入射し、その入射光強度が検知される。この検知結果は物体情報検知部４２へ出力される。物体情報検知部４２には、座標系設定ステップにおいて設定された座標系の情報が記憶されており、第２受光部４１における検知結果に基づいて、座標系設定部４３で設定された座標系における対象物Ｓの位置、向き、形状、色などが検知される。

以下、本実施形態の実施例について説明する。
＜実施例１＞
図２は、実施例１に係る光放射装置の構成を示す図である。表１と表２は、実施例１に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。

実施例１の光放射装置の概略構成について説明する。
図２に示すように、実施例１に係る光放射装置は、光変調ユニット１２０、反射体１３０、第１受光部１１２、平面ミラー１１５、及び、図示しない光源を備える。反射体１３０は、第１反射面１３１と第２反射面１３２を有する。光源からの出射光Ｌ１００は、平面ミラー１１５で反射されて光変調ユニット１２０に入射する。光変調ユニット１２０からは、変調光Ｌ１１０と非変調光Ｌ１２０が出射される。変調光Ｌ１１０は、反射体１３０の第１反射面１３１に入射して反射光Ｌ１１１として対象物側へ放射される。非変調光Ｌ１２０は、反射体１３０の第２反射面１３２に入射して反射光Ｌ１２１として第１受光部１１２へ入射する。

次に、表１と表２に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
反射体１３０は、１つの樹脂材料の別の領域に第１反射面１３１と第２反射面１３２をそれぞれ設けた構成を有する。第１反射面１３１の表面形状は、半径４ｍｍの球面の一部の半球面とし、第２反射面１３２は、上記球面の球中心Ａ１を通る平面とした。そして、第１反射面１３１と第２反射面１３２の表面に金属メッキを施して、鏡面とした。

光変調ユニット１２０は、反射型の空間光変調器を選択し、この空間光変調器光源側に（平面ミラー１１５側の面）に、透過部としての厚さ０．７ｍｍ、屈折率１．５０のカバーガラスを配置した。

光源（不図示）からは、半径２００μｍのガウシアンビームが出射される設定とした。光源からの出射光Ｌ１００は平面ミラー１１５で反射されて光変調ユニット１２０へ入射する。図２に示す例では、出射角が互いに異なる２つの変調光Ｌ１１０が反射体１３０の第１反射面１３１の異なる位置に入射し、それぞれの反射光は、互いに異なる方向に進行する。また、非変調光Ｌ１２０は、主として第２反射面１３２に入射する。

ここで、光放射装置全体の位置関係を説明するために座標系を定義した。原点は、空間光変調器の表面の平面中心、かつ、カバーガラスと空気との界面とした。原点と、第１反射面１３１の球面の中心Ａ１とを結んだ直線の、光変調ユニット１２０を設置した平面への射影をｘ軸とした。ｚ軸は、光変調ユニット１２０を設置した平面の法線ベクトルと平行になるように設定した。ｙ軸は、ｘ軸、ｚ軸と垂直、かつ右手系で定義した。座標系の単位はｍｍとした。

上記座標系において、第２反射面１３２は、その法線ベクトルがｘ軸と平行となるように配置した。反射体１３０は、原点に近い側に第２反射面１３２を、原点から遠い側に第１反射面１３１をそれぞれ配置した。第１反射面１３１の球面の中心Ａ１の座標は（４．７，０，５４）とした。
光源から出射され、平面ミラー１１５で反射されるガウシアンビームは、その中心が原点へ向かうように、ベクトル（０．０８７，０，−０．９９６）で光変調ユニット１２０へ入射させた。

第１受光部１１２（フォトセンサアレイ）は、ｘｙ平面と平行で、かつ、ｚ＝１００ｍｍの位置に設置した。この第１受光部１１２内に、Ａ（２．１７，０，１００）、Ｂ（２．１，０，１００）、Ｃ（２．２，０．０６，１００）、Ｄ（２．２，−０．０６，１００）、Ｅ（２．１７，０．０７，１００）の５つの観測点を定義した。これらの観測点において、非変調光Ｌ１２０の反射光Ｌ１２１の受光強度比は、誤差が無いときには、１：０．７９：０．７９：０．７９：０．７９であった（表１参照）。

ここで、表１は、反射体１３０の位置決め誤差、及び、第１受光部１１２への反射光Ｌ１２１の入射角度誤差が、測定点Ａ〜Ｅのそれぞれにおいて受光強度に与える影響をまとめた表である。表１において、「ｘ ＋０．１ｍｍ」は、ｘ軸の正の方向において、反射体１３０の位置決め誤差が０．１ｍｍであることを意味し、「ｘ −０．１ｍｍ」は、ｘ軸の負の方向において、反射体１３０の位置決め誤差が０．１ｍｍであることを意味している。同様に、「ｙ ＋０．１ｍｍ」はｙ軸の正の方向における反射体１３０の位置決め誤差、「ｙ −０．１ｍｍ」はｙ軸の負の方向における反射体１３０の位置決め誤差、「ｚ ＋０．１ｍｍ」はｚ軸の正の方向における反射体１３０の位置決め誤差、さらに、「ｚ −０．１ｍｍ」はｚ軸の負の方向における反射体１３０の位置決め誤差を意味しており、それぞれ０．１ｍｍとなっている。

また、表１中の「ビーム入射角」は、第１受光部１１２への反射光Ｌ１２１の入射角であって、仰角とはベクトル（０，０，１）との相対角度変化のことを指し、相対角度が小さくなる方向を正、大きくなる方向を負としている。また方位角の操作は、ベクトル（０，０，１）と平行な軸を回転軸とした操作を指す。表１から、実施例１の反射体１３０の形状では、ｚ軸方向への平行移動以外の誤差を、観測点間の受光強度比の変化として検出することができることが分かった。

光変調ユニット１２０では、入射光に対して空間光変調器において変調を掛けている。変調角度の上限は、光変調ユニット１２０においてカバーガラスで反射した非変調光Ｌ１２０の進行方向の中心に対して、３（度）÷１８０×π（ステラジアン）で定義される角度とした。変調角度の下限は、非変調光と変調光のそれぞれが反射体１３０へ入射した座標のｘ成分の差が１ｍｍ以上となる角度とした。

第１反射面１３１での反射光Ｌ１１１の出射角度の基準として、ベクトル（１，０，０）を用いた。変調された光が第１反射面１３１で反射された後の相対角度の範囲を表２に示す。表１と同様に、表２中の仰角は、ベクトル（０，０，１）との相対角度変化のことを指し、相対角度が小さくなる方向を正、大きくなる方向を負としている。また方位角の操作は、ベクトル（０，０，１）と平行な軸を回転軸とした操作を指す。回転の方向の正負は右手系における回転操作に準じる。また、反射体１３０の位置決め誤差、第１反射面１３１への変調光Ｌ１１０の入射角度誤差が有った場合の反射光Ｌ１１１の相対角度範囲、反射光Ｌ１１１の出射角度誤差を打ち消すための変調量も併せて列記した。

表２に示すように、ｘｙ平面への射影で４８°の、ｘｚ平面への射影で１５３°の走査角度が得られた。補正の操作は、変調光が含まれる角度領域を仰角と方位角の方向へ回転させることで行った。表２にその操作量も示している。表２に示す誤差の範囲内であれば、仰角を最大０．２°操作することで、０．００５°以下の角度誤差で補正することができた。

＜実施例２＞
図３は、実施例２に係る光放射装置の構成を示す図である。表３は、実施例２に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。

実施例２の光放射装置の概略構成について説明する。
図３に示すように、実施例２に係る光放射装置は、光変調ユニット２２０、反射体２３０、第１受光部２１２、及び、図示しない光源を備える。反射体２３０は、第１反射面２３１と第２反射面２３２を有する。光源からの出射光Ｌ２００は光変調ユニット２２０に入射し、光変調ユニット２２０からは、変調光Ｌ２１０と非変調光Ｌ２２０が出射される。変調光Ｌ２１０は、反射体２３０の第１反射面２３１に入射して反射光Ｌ２１１として対象物側へ放射される。非変調光Ｌ２２０は、反射体２３０の第２反射面２３２に入射して反射光Ｌ２２１として第１受光部２１２へ入射する。ここで、第１受光部２１２と光変調ユニット２２０は同一の平面上に設置した。

次に、表３に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
反射体２３０は、樹脂材料で形成された、第１反射面２３１と第２反射面２３２を備えている。第１反射面２３１は半径４ｍｍの球面の一部として形成され、第２反射面２３２は、第１反射面２３１を構成する球面と中心Ａ２を共有する半径３ｍｍの球面の一部とした。さらに、第１反射面２３１と第２反射面２３２の表面に金属メッキを施して、鏡面とした。

光変調ユニット２２０は、実施例１と同様に、反射型の空間光変調器を選択し、この空間光変調器光源側に（平面ミラー１１５側の面）に、透過部としての厚さ０．７ｍｍ、屈折率１．５０のカバーガラスを配置した。

光源（不図示）からは、実施例１と同様に、半径２００μｍのガウシアンビームが出射される設定とした。光源からの出射光Ｌ２００は光変調ユニット２２０へ入射する。図３に示す例では、出射角が互いに異なる２つの変調光Ｌ２１０が反射体２３０の第１反射面２３１の異なる位置に入射し、それぞれの反射光は、互いに異なる方向に進行する。また、非変調光Ｌ２２０は、主として第２反射面２３２に入射する。

実施例２においても、実施例１と同様に、光放射装置全体の位置関係を説明するために座標系を定義した。ｘ軸は、原点と、第１反射面２３１の球面の中心Ａ２とを結んだ直線の、第１受光部２１２及び光変調ユニット２２０を設置した平面への射影とした。

第２反射面２３２は、反射体２３０が有する平面に設けられ、かつ、その平面上に第２反射面２３２の球面の中心Ａ２が位置している。第２反射面２３２が設けられた平面は、その法線ベクトルがｘ軸と平行とされている。反射体２３０においては、原点に近い側に第２反射面２３２を、原点から遠い側に第１反射面２３１をそれぞれ配置した。第１反射面２３１及び第２反射面２３２の球面の中心Ａ２の座標は（４．７，０，５４）とした。
光源から出射されたガウシアンビームは、その中心が原点へ向かうように、ベクトル（０．０８７，０，−０．９９６）で光変調ユニット２２０へ入射させた。

第１受光部２１２（フォトセンサアレイ）は、ｘｙ平面と平行で、かつ、ｚ＝０ｍｍの位置に設置した。この第１受光部２１２内に、Ａ（１．７，０，０）、Ｂ（４．９，０，０）、Ｃ（０．６，２．０，０）、Ｄ（０．６，−２．０，０）、Ｅ（１．７，２．３，０）の５つの観測点を定義した。これらの観測点において、非変調光Ｌ２２０の反射光Ｌ２２１の受光強度比は、誤差が無いときには、１：０．７９：０．７９：０．７９：０．７９であった（表３参照）。ここで、表３は、反射体２３０の位置決め誤差、及び、第１受光部２１２への反射光Ｌ２２１の入射角度誤差が、測定点Ａ〜Ｅのそれぞれにおいて受光強度に与える影響をまとめた表である。この表中の「観測点」の記載に関しては、実施例１の表１と同様である。表３から、実施例２の反射体２３０の形状においても、ｚ軸方向への平行移動以外の誤差を、観測点間の受光強度比の変化として検出することができることが分かった。また、誤差の補正の結果は実施例１に準じる。

＜実施例３＞
図４は、実施例３に係る光放射装置の構成を示す図である。表４は、実施例３に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。

実施例３の光放射装置の概略構成について説明する。
図４に示すように、実施例３に係る光放射装置は、光変調ユニット３２０、反射体３３０、第１受光部３１２、及び、図示しない光源を備える。反射体３３０は、第１反射面３３１と第２反射面３３２を有する。光源からの出射光Ｌ３００は光変調ユニット３２０に入射し、光変調ユニット３２０からは、変調光Ｌ３１０と非変調光Ｌ３２０が出射される。変調光Ｌ３１０は、反射体３３０の第１反射面３３１に入射して反射光Ｌ３１１として対象物側へ放射される。非変調光Ｌ３２０は、反射体３３０の第２反射面３３２に入射して反射光Ｌ３２１として第１受光部３１２へ入射する。ここで、第１受光部３１２と光変調ユニット３２０は同一の平面上に設置した。

次に、表４に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
反射体３３０は、樹脂材料で形成された、第１反射面３３１と第２反射面３３２を備えている。第１反射面３３１は、半径４ｍｍの球面の一部として形成されている。第２反射面３３２は、半径４ｍｍ、高さ３ｍｍの円柱の一方の円形端面を半径３ｍｍ（中心Ａ３２）で丸めたものである。第２反射面３３２は、第１反射面３３１を構成する球の中心Ａ３１が、円柱状の第２反射面３３２の中心軸上に位置するように、第１反射面３３１に対して接合される。この接合は、第２反射面３３２の円柱形状の両端の円形端面のうち、半径３ｍｍで丸めた端面ではない方の端面を第１反射面３３１に接合している。さらに、第１反射面３３１と第２反射面３３２の表面に金属メッキを施して、鏡面とした。

光変調ユニット３２０は、実施例１と同様に、反射型の空間光変調器を選択し、この空間光変調器光源側に（平面ミラー１１５側の面）に、透過部としての厚さ０．７ｍｍ、屈折率１．５０のカバーガラスを配置した。

光源（不図示）からは、実施例１と同様に、半径２００μｍのガウシアンビームが出射される設定とした。光源からの出射光Ｌ３００は光変調ユニット３２０へ入射する。図４に示す例では、出射角が互いに異なる２つの変調光Ｌ３１０が反射体３３０の第１反射面３３１の異なる位置に入射し、それぞれの反射光は、互いに異なる方向に進行する。また、非変調光Ｌ３２０は、主として第２反射面３３２に入射する。

実施例３においても、実施例２と同様に、光放射装置全体の位置関係を説明するために座標系を定義した。原点、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の設定、並びに、座標系の単位は実施例２と同様とした。

反射体３３０は、原点に近い側に第２反射面３３２を、原点から遠い側に第１反射面３３１をそれぞれ設置した。第１反射面３３１の中心Ａ３１の座標は（４．７，０，５４）とした。
光源から出射されたガウシアンビームは、その中心が原点へ向かうように、ベクトル（０．０８７，０，−０．９９６）で光変調ユニット３２０へ入射させた。

第１受光部３１２（フォトセンサアレイ）は、ｘｙ平面と平行で、かつ、ｚ＝０ｍｍの位置に設置した。この第１受光部３１２内にＡ（−４．８，０，０）、Ｂ（−１．７，０，０）、Ｃ（−４．９，１．５，０）、Ｄ（−４．９，−１．５，０）、Ｅ（−４．８，２．０，０）の５つの観測点を定義した。これらの観測点において、非変調光Ｌ３２０の反射光Ｌ３２１の受光強度比は、誤差が無いときには、１：０．７９：０．７９：０．７９：０．７９であった（表４参照）。表４から、実施例３の反射体３３０の形状においても、ｚ軸方向への平行移動以外の誤差を、観測点間の受光強度比の変化として検出することができることが分かった。また、誤差の補正の結果は実施例１に準じる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る光放射装置は、コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度の高精度な調整を要することなく、広い角度範囲に光を放射することができる点で有用である。また、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、高い精度で物体情報検知を実行できる物体情報検知装置及び物体情報検知方法を提供可能である。さらにまた、本発明に係る光路調整方法は、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、放射光の光路を精度良く調整することが可能となる。また、本発明に係る光変調ユニットは、コストを抑えた簡便な構成で、光放射角度を容易に調整することができ、かつ、広い角度範囲に変調光を放射することができる点で有用である。

１１ 光源
１２、１１２、２１２、３１２ 第１受光部
１３ 状態検知部
１４ 変調光検知部
２０、１２０、２２０、３２０ 光変調ユニット
２１ 透過部
２２ 光変調部
３０、１３０、２３０、３３０ 反射体
３１、１３１、２３１、３３１ 第１反射面
３２、１３２、２３２、３３２ 第２反射面
４１ 第２受光部
４２ 物体情報検知部
４３ 座標系設定部
１１５ 平面ミラー
Ｌ１００、Ｌ２００、Ｌ３００ 出射光
Ｌ１１０、Ｌ２１０、Ｌ３１０ 変調光
Ｌ１１１、Ｌ２１１、Ｌ３１１ 反射光
Ｌ１２０、Ｌ２２０、Ｌ３２０ 非変調光
Ｌ１２１、Ｌ２２１、Ｌ３２１ 反射光
Ｓ 対象物

Claims (20)

1. コヒーレント光を出射する光源と、光変調ユニットと、反射体と、第１受光部とを備えた光放射装置であって、
   前記反射体は、球面の一部である第１反射面と、前記第１反射面とは別の第２反射面とを備え、
   前記第１反射面には、前記光変調ユニットで変調された変調光が入射し、その反射光が対象物へ放射され、
   前記第２反射面には、前記光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光が入射し、その反射光が前記第１受光部で受光されることを特徴とする光放射装置。
2. 前記第２反射面が、平面、又は、第１反射面と曲率が異なる曲面である請求項１に記載の光放射装置。
3. 前記第１反射面と前記第２反射面は曲率中心の位置が同一である請求項２に記載の光放射装置。
4. 前記第２反射面は、前記第１反射面を形成する球面の一部であって、前記第１反射面とは別の領域に設けられている請求項１に記載の光放射装置。
5. 前記光変調ユニットは、前記光源からの出射光の光路において、前記光源側から順に配置された、透過部と光変調部とを備え、
   前記第１反射面には、前記光変調部で変調された変調光が入射し、
   前記第２反射面には、前記光変調部で変調されずに、前記透過部又は前記光変調部で反射された非変調光が入射する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光放射装置。
6. 前記光変調部は、入射光を変調して出射する空間光変調器であって、
   前記透過部は前記空間光変調器の入射面上に配置されたカバーガラスである請求項５に記載の光放射装置。
7. 前記光変調ユニットは、液晶層を有する、液晶パネル又はＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であって、前記透過部は、前記液晶層よりも前記光源側に配置された、１又は２以上の透過性を有する板材を含む請求項５又は請求項６に記載の光放射装置。
8. 前記光変調ユニットは、複数の可動鏡を含む微小電気機械システムであって、前記透過部は、前記可動鏡よりも前記光源側に配置された、１又は２以上の透過性を有する板材を含む請求項５又は請求項６に記載の光放射装置。
9. 前記透過部は、入射光のうち透過率が高い成分に対して８０〜９５％の透過率を有する請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の光放射装置。
10. 前記透過部は、空気との界面で入射光に対して３〜２０％の反射率を有する請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の光放射装置。
11. 前記球面は、前記対象物側に凸面を向けた凸面鏡の一部、又は、前記対象物側に凹面を向けた凹面鏡の一部である請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光放射装置。
12. 前記光源はレーザー光源である請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の光放射装置。
13. 前記レーザー光源からの出射光をコリメート光とし、前記光変調ユニットへ出射するコリメート光学系を備える請求項１２に記載の光放射装置。
14. 前記第１受光部における受光結果に基づいて、前記反射体の状態を検知する状態検知部と、
    前記状態検知部による検知結果に基づいて、前記変調光を制御する変調光調整部とを備える請求項５から請求項１０のいずれか１項に記載の光放射装置。
15. 前記変調光調整部は、前記状態検知部による検知結果に基づいて、前記光変調部からの前記変調光の出射方向を変更するように前記光変調部を制御する請求項１４に記載の光放射装置。
16. 前記変調光調整部は、前記状態検知部による検知結果に基づいて、前記第１反射面における前記変調光の反射方向を変更するように前記反射体の向きを調整する請求項１４又は請求項１５に記載の光放射装置。
17. 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の光放射装置と、
    前記対象物で反射された前記変調光を受光する第２受光部と、
    前記第２受光部における受光結果に基づいて、前記対象物の物体情報を検知する物体情報検知部とを備えることを特徴とする物体情報検知装置。
18. 前記第１受光部における受光結果に基づいて、前記反射体の状態を検知する状態検知部と、
    前記状態検知部による検知結果に基づいて、座標系を設定する座標系設定部とを備え、
    前記物体情報検知部は、前記第２受光部における受光結果に基づいて、前記座標系設定部が設定した座標系における前記対象物の位置を検知する請求項１７に記載の物体情報検知装置。
19. 光変調ユニットにおいて変調された変調光を反射体で反射させて対象物へ放射するときに、前記反射体で反射されて放射される変調光の光路を調整する光路調整方法であって、
    前記反射体は、球面の一部である第１反射面と、前記第１反射面とは別の第２反射面とを備え、
    前記光変調ユニットにコヒーレント光を与え、前記光変調ユニットで変調された変調光を前記第１反射面に入射させるとともに、前記光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光を前記第２反射面に入射させる入射ステップと、
    前記第２反射面における反射光に基づいて、前記反射体の状態を検知する状態検知ステップと、
    前記状態検知ステップにおいて検知された前記反射体の状態に基づいて、前記変調光を制御するステップとを有することを特徴とする光路調整方法。
20. 光変調ユニットにおいて変調された変調光を反射体で反射させて対象物へ放射し、
    前記反射体は、球面の一部である第１反射面と、前記第１反射面とは別の第２反射面とを備え、
    前記光変調ユニットにコヒーレント光を与え、前記光変調ユニットで変調された変調光を前記第１反射面に入射させるとともに、前記光変調ユニットで変調されずに反射された非変調光を前記第２反射面に入射させ、
    前記第１反射面における反射光を前記対象物へ放射させ、
    前記第２反射面における反射光に基づいて、前記反射体の状態を検知するとともに、座標系を設定し、
    前記対象物で反射された前記変調光の受光結果に基づいて、前記対象物の物体情報を検知することを特徴とする物体情報検知方法。