JP6417198B2 - ２次元走査型のレーザビーム投射装置およびレーザレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、２次元走査型のレーザビーム投射装置およびレーザレーダ装置に関する。

２次元的に走査されるレーザビームを物体に投射し、物体で反射された検出レーザ光を検出し、物体までの距離を２次元的に測定するレーザレーダ装置が種々知られている。

このようなレーザレーダ装置は、車載用やロボット、製品検査等のものが実用化されているが、視野を適正化したいという要請がある。

此処に言う「視野」とは、物体に照射されるレーザビームが２次元的に走査されるときの「２次元の偏向角」である。

従来、レーザビームを走査する方法としては、ポリゴンミラーや「ＭＥＭＳによる偏向手段」が知られている。特許文献１には「２軸可動型の偏向手段」が開示されている。

これら、従来から知られた「レーザビームの偏向を利用する走査手段」は、偏向角が固定されている場合が多い。

例えば「２軸のＭＥＭＳ」は、小型で高速偏向が可能であるところから、レーザビームを２次元的に偏向させる偏向装置として優れている。

２軸のＭＥＭＳの「レーザビームの偏向角」は、２０度、３０度、４０度等、多様な種類のものがあり、偏向角の変更も「ある程度の範囲」では可能である。

これらＭＥＭＳは、偏向角を設計条件として、この偏向角を実現するための最良の反射面形状等が設計で定められる。

従って、ＭＥＭＳは「設計上の偏向角」で偏向を行うことが好ましいことは言うまでもなく、偏向角を変更できる範囲は自ずと制限され、偏向角の大きな変更は難しい。

偏向角の変更は、偏向角を拡大するものと、逆に縮小するものとが考えられる。

偏向角を拡大することに関しては、従来、偏向装置により２次元的に偏向されるレーザビームの偏向角を、光学的に拡大することが提案されている（特許文献２）。

しかし、偏向角を縮小することは従来知られていない。

偏向角を縮小すると、レーザビームによる２次元の走査範囲を狭めることができ、走査を高密度化することができ、物体の形状を高精細に検出できる。

この発明は、偏向手段により２次元的に偏向されるレーザビームの偏向角を縮小できる２次元走査型の新規なレーザビーム投射装置の実現を課題とする。

この発明の「２次元走査型のレーザ投射装置」は、レーザ光源と、該レーザ光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズと、該コリメートレンズにより平行光束化されたレーザビームに、互いに直交するＸ方向及びＹ方向の２方向のうちの少なくとも１方向に収束傾向もしくは発散傾向を与える調整用レンズと、該調整用レンズを透過したレーザビームを、前記Ｘ方向及びＹ方向に２次元的に偏向させる偏向手段と、正の屈折力を有し、前記偏向手段により２次元的に偏向されたレーザビームを入射され、前記Ｘ方向及びＹ方向のうちの少なくとも一方における偏向角を縮小した偏向レーザビームを射出させる変倍レンズと、を有し、前記変倍レンズの光軸を、前記Ｘ、Ｙ方向に直交するＺ方向とし、該光軸含み、前記Ｙ方向に平行な平面をα平面、前記Ｘ方向に平行な平面をβ平面とするとき、前記偏向手段により、前記α平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θαをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡα、前記変倍レンズの射出面の前記α平面内における曲率半径：Ｒαによる縮小コンセントリック係数：Ｃα（≡｜Ａα／Ｒα｜）および、前記偏向手段により、前記β平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θβをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡβ、前記変倍レンズの射出面の前記β平面内における曲率半径：Ｒβによる縮小コンセントリック係数：Ｃβ（≡｜Ａβ／Ｒβ｜）のうち、偏向角の縮小を行う方向について、条件：
（１α） ０．５≦Ｃα≦１．８
（１β） ０．５≦Ｃβ≦１．８
を満足する。

この発明によれば、偏向手段により２次元的に偏向されるレーザビームの偏向角を、互いに直交する２方向のうち少なくとも一方において縮小できる２次元走査型の新規なレーザビーム投射装置を実現できる。

周知の如く、レーザレーダ装置は「異軸系」と「共軸系」の２種類に大別される。

「異軸系」は、レーザビームを照射する光学系の部分と、検出レーザ光を受光するための光学系とを別個に構成したものである。

「共軸系」は、レーザビームを照射する光学系の一部を、検出レーザ光を受光するための光学系の一部として共用したものである。

この発明のレーザビーム投射装置は、異軸系、共軸系の何れのレーザレーダ装置に対しても、用いることができる。

レーザレーダ装置の実施の１形態を説明する図である。 レーザレーダ装置の実施の別形態を説明する図である。 変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態を変化させる方法の1例を説明するための図である。 変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態を変化させる方法の別例を説明するための図である。 調整用レンズと変倍レンズを共に、１方向に屈折力を持たないシリンダレンズ系としたとき、屈折力の無い方向における、レーザ光源から変倍レンズに向かう光束形態の変化の様子を説明する図である。

以下、発明の実施の形態を説明する。

図１は、レーザレーダ装置の実施の１形態を説明するための図であり、要部を説明的に示している。

この実施の形態のレーザレーダ装置は「共軸系」である。
図１において、符号１０は「レーザ光源」、符号１２は「コリメートレンズ」を示し、符号１４は「調整用レンズ」、符号１６は「照射用光路屈曲ミラー」を示す。
符号１８は「偏向手段」、符号２０は「変倍レンズ」を示す。

符号３０は「受光素子」、符号３２は「集光レンズ」、符号３４は「受光用レンズ」、符号３６は「受光用光路屈曲ミラー」、符号４０は「制御演算部」を、それぞれ示す。

レーザ光源１０が発光すると、放射されたレーザ光は、コリメートレンズ１２により平行光束化され、調整用レンズ１４に入射する。

調整用レンズ１４は、正の屈折力を有し、コリメートレンズ１２側から入射するレーザビームに「収束傾向」を与える。

収束傾向を与えられたレーザビームは、照射用光路屈曲ミラー１６により光路を屈曲され、偏向手段１８に入射する。

偏向手段１８は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成された周知の偏向器で「ミラー部を２次元的に搖動」させて反射光の向きを２次元的に偏向させる。

即ち、ミラー部の２次元的な搖動は、図面に直交する方向を搖動軸とする搖動と、図面に平行な方向を搖動軸とする搖動であり、これらの搖動が重ね合わせられる。

偏向手段１８により２次元的に偏向されたレーザ光は、図１の「図面に平行な面内」で搖動するとともに、「図面に直交する方向」においても搖動する。

このように、レーザ光源部１０からのレーザ光は、偏向手段１８により２次元的に偏向されつつ変倍レンズ２０に入射し、偏向レーザビームＳＲＬとして射出する。

変倍レンズ２０は「正の屈折力」を持ち、後述するように、偏向レーザビームＳＲＬの偏向角を、偏向手段１８による偏向角に対して少なくとも１方向について縮小する。

偏向レーザビームＳＲＬは、２次元的に偏向しつつ対象物に照射され、測距対象物を２次元的に走査する。「測距対象物」は、以下において単に「対象物」と言うこともある。

即ち、図１に示す実施の形態において「２次元型のレーザビーム投射装置」は、レーザ光源１０、コリメートレンズ１２、調整用レンズ１４、照射用光路屈曲ミラー１６、偏向手段１８および変倍レンズ２０を有する。

対象物により反射されたレーザビームは、戻りレーザ光束ＢＫＬとなり、変倍レンズ２０に入射する。戻りレーザ光束ＢＫＬは、先に「検出レーザ光」と呼んだものである。

対象物と変倍レンズ２０との距離は一般に、変倍レンズ２０の有効径に対して大きい。

従って、対象物に反射されて変倍レンズ２０に入射する戻りレーザ光束ＢＫＬは、実質的に平行光束状態で、偏向レーザビームＳＲＬと「同方向で逆向き」である。

変倍レンズ２０に入射した戻りレーザ光束ＢＫＬは、変倍レンズ２０の正の屈折力により収束傾向を与えられ、偏向手段１８に入射して反射される。

偏向手段１８により反射された戻りレーザ光束ＢＫＬは、受光用光路屈曲ミラー３６により光路を屈曲され、受光用レンズ３４に入射する。

戻りレーザ光束ＢＫＬは、変倍レンズ２０により収束傾向を与えられると、光路上の受光用レンズ３４の手前で収束したのち発散しつつ受光用レンズ３４に入射する。

受光用レンズ３４を透過した戻りレーザ光束ＢＫＬは、集光レンズ３２を介して受光素子３０に向かって集光され、受光素子３０により受光される。

即ち、変倍レンズ２０、偏向手段１８、受光用光路屈曲ミラー３６、受光用レンズ３４、集光レンズ３２および受光素子３０は「対象物により反射された戻りレーザ光束ＢＫＬを検出する検出手段」を構成する。

即ち、偏向レーザビームＳＲＬを投射させる光学系のうちの、変倍レンズ２０、偏向手段１８の部分は、検出手段の一部として共用されている。

受光素子３０は、戻りレーザ光束ＢＫＬを受光すると、受光信号（適宜の増幅率で増幅される）を制御演算部４０に送る。
制御演算部４０の要部は、ＣＰＵやマイクロコンピュータ等により構成され、図１に示すレーザレーダ装置の各部を制御し、対象物までの距離を演算する。

即ち、制御演算部４０は、レーザ光源１０をパルス発光させ、パルス発光の瞬間から上記受光信号を受けた瞬間までの時間：２Ｔを確定し、光速：Ｃを用いて、距離：ＣＴを演算する。

偏向レーザビームＳＲＬの偏向に従って、時間：２Ｔの取得と距離：ＣＴの演算が繰り返され、対象物までの距離と「対象物の３次元形状」が得られる。

即ち、制御演算部４０は「制御演算手段」を構成する。

上記の如く、レーザレーダ装置は、上記「２次元型のレーザビーム投射装置」と「検出手段」と「制御演算手段」とを有する。

変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬの光束形態は、「平行光束」とすることも「収束光束」とすることも、「発散光束」とすることもできる。

偏向レーザビームＳＲＬの光束形態を「平行光束」とすると、測距対象物へ向かう途上で光束径を実質的に不変と見做すことができ、光強度も実質的に不変と見做しうる。

従って、測距対象物までの距離に拘らず、常に「同一強度の偏向レーザビーム」で測距対象物を２次元的に走査でき、安定した距離測定を行うことができる。

なお、ここで「平行光束」と言っても、これは「厳密な平行光束」であることを要しない。レーザビーム投射装置やレーザレーダ装置の実施状態において、実質的に平行光束と認められる程度の平行度を持って足りる。

実際、レーザビーム投射装置から投射される偏向レーザビームＳＲＬが「完全な平行光束」であったとしても、偏向レーザビームＳＲＬが進行する際に、大気や回折の影響により「平行光束からのずれ」は生じる。

しかし、このような「ずれ」は、上記偏向レーザビームの強度の同一性につき影響を与えることはなく、無視できるレベルである。

偏向レーザビームＳＲＬを「収束光束」とすると、例えば、レーザレーダ装置から特定の位置にある測距対象物に偏向レーザビームＳＲＬを小径のスポットとして集光でき、測距対象物の３次元的な表面形状を高精度に測定することが可能となる。

逆に、偏向レーザビームＳＲＬを「発散光束」とすると、測距対象物に照射する偏向レーザビームＳＲＬのビーム径を大径化でき、測定精度の安定化が可能となる。

上に説明した実施の形態で「平行光束状の偏向レーザビームＳＲＬを実現する場合」を説明する。

上述の如く、調整用レンズ１４は正の屈折力を持ち、コリメートレンズ１２により平行光束化されたレーザビームは、調整用レンズ１４により「収束傾向」を与えられる。

そして、レーザビームは、照射用光路屈曲ミラー１６により光路を屈曲されて偏向手段１８に入射し、偏向手段１８により２次元的に偏向され、変倍レンズ２０により「平行光束化した偏向レーザビームＳＲＬ」に変換されて射出する。

即ち、調整用レンズ１４によりレーザビームに与えられた収束傾向が、変倍レンズ２０により相殺されて平行光束化されるのである。

以下の説明のため、図の如く、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を定める。

Ｘ方向は「図面に直交する方向」であり、Ｙ方向は「図の上下方向」、Ｚ方向は変倍レンズ２０の光軸ＡＸに平行な方向である。調整用レンズ１４の光軸もＺ方向に平行である。

調整用レンズ１４によりレーザビームに与えられる収束傾向と、変倍レンズ２０による平行光束への回復は、種々の組み合わせが可能である。

例えば、図１において、調整用レンズ１４を光軸の周りに回転対称（以下「軸対称」と言う。）な正レンズとし、レーザビームにＸ方向とＹ方向の収束傾向を与える。

一方、変倍レンズ２０も「軸対称な正レンズ」とし、その物体側の焦点位置が、図における点ＰＦになるように配置を定める。

調整用レンズ１４をＺ方向へ変位させると「収束傾向を与えられたレーザビームが集光する集光位置」が光軸方向に移動する。

そこで、調整用レンズ１４を光軸方向に位置調整して、上記集光位置が「点ＰＦに合致する」ようにする。説明中の例では、コリメートレンズ１２側から調整用レンズ１４に入射するレーザビームは「平行光束」であるから、前記「集光位置」は、調整用レンズ１４の像側焦点位置である。

従って、変倍レンズ２０から「平行光束化された偏向レーザビーム」が射出する光学上の条件は、説明中の例では、調整用レンズ１４の像側焦点位置と変倍レンズ２０の物体側焦点位置（上記点「ＰＦ」）が一致することである。

このようにすれば、変倍レンズ２０からは平行光束化された偏向レーザビームＳＲＬが射出することになる。

平行光束化された偏向レーザビームを実現する方法は、上に説明した方法に限らない。

例えば、以下の如き方法も可能である。
調整用レンズ１４を「Ｘ（もしくはＹ）方向にのみ正の屈折力を持つレンズ」とする。

その場合には、コリメートレンズ１２側からの平行光束状のレーザビームは、調整用レンズ１４によりＸ（もしくはＹ）方向に収束傾向を与えられる。

このとき、レーザビームはＹ（もしくはＸ）方向には収束傾向を与えられず、平行光束状態を保つ。

調整用レンズ１４の光軸方向における位置調整により、Ｘ（もしくはＹ）方向の集光位置（像側焦点位置）が、点ＰＦに合致するようにする。

一方、変倍レンズ２０も「Ｘ（もしくはＹ）方向にのみ正の屈折力を持つレンズ」として物体側におけるＸ（もしくはＹ）方向の焦点位置を点ＰＦに位置させる。

このようにすれば、調整用レンズ１４により与えられたＸ（もしくはＹ）方向の収束傾向が、変倍レンズ２０により回復されて、平行光束化された偏向レーザビームＳＲＬが得られる。

即ち、何れにしても、調整用レンズ１４を光軸方向に変位調整して変倍レンズ２０への入射状態を調整し、偏向レーザビームＳＲＬが平行光束状となるようにできる。

レーザレーダ装置の実施の別形態を、図２に即して説明する。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付している。

図１に示した実施の形態と異なる点は、調整用レンズ１４Ａと受光用レンズ３４Ａが共に「負レンズ」である点である。

コリメートレンズ１２により平行光束化されたレーザビームは、調整用レンズ１４Ａにより「発散傾向」を与えられる。

そして、レーザビームは、照射用光路屈曲ミラー１６により光路を屈曲されて偏向手段１８に入射し、偏向手段１８により２次元的に偏向され、変倍レンズ２０により「平行光束化した偏向レーザビームＳＲＬ」に変換されて射出する。

即ち、調整用レンズ１４Ａによりレーザビームに与えられた発散傾向が、変倍レンズ２０により相殺されて平行光束化されるのである。

図２において、調整用レンズ１４Ａは「軸対称な負レンズ」で、レーザビームにＸ方向とＹ方向の「発散傾向」を与える。

変倍レンズ２０は「軸対称な正レンズ」であり、その物体側の焦点位置が、図２における点ＰＦ１になるように配置を定める。

調整用レンズ１４ＡをＺ方向へ変位させると「発散傾向を与えられたレーザビームの発散の起点」が光軸方向へ移動する。

そこで、調整用レンズ１４Ａの光軸方向への位置調整により、上記発散の起点が「点ＰＦ１に合致する」ようにする。

即ち、図２の例では、調整用レンズ１４Ａの物体側焦点位置と、変倍レンズ２０の物体側焦点位置を、図２の点「ＰＦ１」において合致させる。

このようにすれば、変倍レンズ２０からは平行光束化された偏向レーザビームＳＲＬが射出することになる。

調整用レンズ１４Ａを「軸対称な負レンズ」としたことに応じて、受光用レンズ３４Ａも軸対称な負レンズとされる。

戻りレーザ光束ＢＫＬは、変倍レンズ２０に入射すると、変倍レンズ２０の作用により収束傾向を与えられ、偏向手段１８に入射して反射される。

偏向手段１８により反射された戻りレーザ光束ＢＫＬは、受光用光路屈曲ミラー３６により光路を屈曲され、受光用レンズ３４に入射する。

変倍レンズ２０により収束傾向を与えられた戻りレーザ光束ＢＫＬは、収束状態のまま受光用レンズ３４Ａ（の像側焦点を集光点として）に入射する。

従って、受光用レンズ３４Ａに入射した戻りレーザ光束ＢＫＬは、受光用レンズ３４Ａの負の屈折力により平行光束化され、集光レンズ３２により受光素子３０に向かって集光され、受光素子３０により受光される。

図１の実施の形態において用いられる調整用レンズ１４と変倍レンズ２０との「正の屈折力の組み合わせ」については、上に述べた。

即ち「調整用レンズ１４を光軸方向に変位調整して変倍レンズ２０への入射状態を調整して、偏向レーザビームＳＲＬが平行光束状となるようにする」ことができればよい。

上には、調整用レンズ１４として、Ｘ（もしくはＹ）方向にのみ正の屈折力を有するレンズ（正シリンダレンズ）とする場合を挙げた。

しかし、これに限らず、調整用レンズ１４を、Ｘ方向とＹ方向に「互いに異なる正の屈折力」を持つ「正アナモルフィックレンズ」とすることができる。

この場合には、変倍レンズ２０も、Ｘ方向とＹ方向に「互いに異なる正の屈折力」を持つ「正アナモルフィックレンズ」とする。

上記何れの場合にも、変倍レンズ２０の形状に応じて、調整用レンズ１４の形状を適切に設定し、調整用レンズ１４を光軸方向へ変位調整して、変倍レンズ２０から平行光束状の偏向レーザビームＳＲＬを射出させることができる。

図２に示した調整用レンズ１４Ａと変倍レンズ２０の関係も同様である。

即ち、調整用レンズ１４Ａは、上に挙げた軸対称な負レンズに限らず、Ｘ方向のみ、もしくはＹ方向にのみ負の屈折力を持つ「負シリンダレンズ」とすることもでき、また、Ｘ方向とＹ方向に「互いに異なる負の屈折力」を持つ「負アナモルフィックレンズ」とすることもできる。

これらの何れの場合も、変倍レンズ２０の形状に応じて、調整用レンズ１４Ａの形態を「負シリンダレンズや負アナモルフィックレンズ」に設定し、調整用レンズ１４Ａを光軸方向へ変位調整して、調整用レンズ１４Ａの物体側焦点位置と、変倍レンズ２０の物体側焦点位置を合致させることにより、変倍レンズ２０から平行光束状の偏向レーザビームＳＲＬを射出させることができる。

上には、図１、図２に示す実施の形態において、変倍レンズ２０から「平行光束状」の偏向レーザビームＳＲＬを射出させる場合を説明した。

しかし、前述したように、変倍レンズ２０から射出させる偏向レーザビームは、平行光束に限らず、収束光束とすることも、発散光束とすることもできる。

これらの場合を簡単に説明する。
図３は、図１におけるレーザビーム投射装置の部分を示している。
説明の簡単のため、コリメートレンズ１２から変倍レンズ２０に至る光軸光線（コリメートレンズ１２の光軸に合致する光線）を直線的に展開した状態で示している。

説明の具体性のため、調整用レンズ１４、変倍レンズ２０は、共に軸対称な正レンズであるとする。

調整用レンズ１４は、光軸方向（図のＺ方向）に変位可能である。
図３（ａ）、（ｂ）において、調整用レンズ１４の位置が「破線で示す位置」にあるときを調整用レンズ１４の「基準位置」と呼ぶことにする。

調整用レンズ１４が、基準位置にあるとき、その像側焦点位置は、変倍レンズ２０の物体側焦点位置ＰＦに合致している。従ってこの場合、前述したように、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬは「破線」で示すように平行光束状である。
調整用レンズ１４が、図３（ａ）に実線で示すように、基準位置よりもコリメートレンズ１２側にずれると、調整用レンズ１４の像側焦点の位置ＰＦＣは、変倍レンズ２０の物体側焦点位置ＰＦよりも物体側にずれる。

コリメートレンズ１２からのレーザビームは、調整用レンズ１４の像側焦点の位置ＰＦＣで集光したのち発散性となって変倍レンズ２０に入射する。

このとき、前記像側焦点の位置ＰＦＣは、変倍レンズ２０の物体側焦点の位置ＰＦより物体側で、偏向レーザビームＳＲＬＣは収束光束として変倍レンズ２０から射出する。

調整用レンズ１４が、図３（ｂ）に実線で示すように、基準位置よりも変倍レンズ２０側にずれると、調整用レンズ１４の像側焦点の位置ＰＦＤは、変倍レンズ２０の物体側焦点の位置ＰＦよりも像側にずれる。

この場合、前記像側焦点の位置ＰＦＤが焦点の位置ＰＦよりも像側になるので、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬＤは「発散光束」になる。

図４は、図２におけるレーザビーム投射装置の部分を示している。
説明の簡単のために、コリメートレンズ１２から変倍レンズ２０に至る光軸光線を直線的に展開した状態で示している。

説明の具体性のため、調整用レンズ１４Ａ、変倍レンズ２０は、共に軸対称なレンズであるとする。調整用レンズ１４Ａは「軸対称な負レンズ」である。

調整用レンズ１４Ａは、光軸方向（図のＺ方向）へ変位可能である。
図４（ａ）、（ｂ）において、調整用レンズ１４Ａの位置が「破線で示す位置」にあるときを調整用レンズ１４Ａの「基準位置」と呼ぶことにする。

調整用レンズ１４Ａが、基準位置にあるとき、その物体側焦点の位置は、変倍レンズ２０の物体側焦点の位置ＰＦに合致している。従ってこの場合、前述したように、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬは「破線」で示すように平行光束状である。

調整用レンズ１４Ａが、図４（ａ）に実線で示すように、基準位置よりもコリメートレンズ１２側にずれると、調整用レンズ１４Ａの物体側焦点の位置ＰＦＣは、変倍レンズ２０の物体側焦点ＰＦよりも物体側にずれる。

従って、この場合、コリメートレンズ１２からのレーザビームは調整用レンズ１４Ａの物体側焦点の位置ＰＦＣを起点とする発散性の光束となって変倍レンズ２０に入射する。

このとき、発散の起点ＰＦＣが焦点の位置ＰＦよりも物体側になるので、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬＣは「収束性」になる。

調整用レンズ１４Ａが、図４（ｂ）に実線で示すように、基準位置よりも変倍レンズ２０側にずれると、調整用レンズ１４Ａの物体側焦点の位置ＰＦＤは、変倍レンズ２０の物体側焦点の位置ＰＦよりも像側にずれる。

從って、コリメートレンズ１２からのレーザビームは、調整用レンズ１４Ａの物体側焦点の位置ＰＦＤを起点とする発散性の光束として変倍レンズ２０に入射する。

このとき、前記発散の起点ＰＦＤが焦点の位置ＰＦよりも像側になるので、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬＤは「発散性」になる。

なお、戻りレーザ光束ＢＫＬは、上述の如く、変倍レンズ２０に入射するときには平行光束状態であるので、「検出手段」としては、図３、図４の場合も図１、図２におけると同様のものを用いることができる。

変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態は、レーザレーダ装置が実施される場合に、どのような状況で使用されるかに応じて、平行光束とするか、収束光束とするか、発散光束とするかは設計条件として定めることができる。

このような場合には、調整用レンズ１４、１４Ａと変倍レンズ２０との「光学的関係」を、偏向レーザビームの光束形態に応じて設定することができる。

このように設定された光学的関係を実現するように、レーザビーム投射装置の光学配置を設定して固定すれば、平行光束もしくは所望の「収束光束もしくは発散光束」の偏向レーザビームを実現できる。

ここで、調整用レンズ１４や１４Ａの「光軸方向における変位」について述べる。
上に説明した実施の各形態においては、制御演算手段である制御演算部４０が、調整用レンズ１４や１４Ａの光軸方向への変位を行うようになっている。

即ち、制御演算部４０は、調整用レンズ１４や１４Ａを光軸方向へ変位させる「平行移動機構」を有し、平行移動の「向きや移動量を制御」する機能を有している。

上に図１、図２に即して説明した実施の形態においては、調整用レンズ１４の像側焦点の位置や調整用レンズ１４Ａの物体側焦点の位置を、変倍レンズ２０の物体側焦点の位置に合致させるために、調整用レンズ１４、１４Ａの変位を行っている。

上に、図３、図４に即して説明したように、調整用レンズ１４、１４Ａを光軸上で変位させることにより、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームの光束形態を、平行光束（ＳＲＬ）、収束光束（ＳＲＬＣ）、発散光束（ＳＲＬＤ）に変化させることができる。

のみならず、偏向レーザビームが収束光束である場合や、発散光束である場合には「収束や発散の程度」も変化させることができる。

即ち、調整用レンズの光軸方向への変位調整により、変倍レンズから射出するレーザ光束の光束形態を変更可能である。

そこで、制御演算部４０に「変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態を所望の形態」にするように、調整用レンズの変位を調整する機能を持たせることができる。

この調整は、制御演算部４０に設けたＣＰＵ等の制御手段によるプログラミング制御で前記平行移動機構を制御して行うようにしてもよいし、平行移動機構を手動で調整できるようにしてもよい。

上には、調整用レンズ１４、１４Ａ、変倍レンズ２０の何れも「光軸の周りに回転対称な軸対称のレンズ」として説明した。

しかし、これらのレンズをシリンダレンズ等の「アナモルフィックレンズ」とすることもできる。

このような場合の１例として、調整用レンズと変倍レンズが共に「シリンダレンズ」である場合を、図５に即して説明する。
図５は、例えば、上の説明におけるＸＺ面内における「レーザ光束の光束径の変化」の様子を、レーザ光源１０から変倍レンズ２０Ｃに至る光路を仮想的に直線的に展開した状態として示している。

調整用レンズ１４Ｂ、変倍レンズ２０Ｃは共に「ＸＺ面内において屈折力を持たないシリンダレンズ」である。

従って、レーザ光源１０から放射され、コリメートレンズ１２で平行光束化されたレーザビームの光束径は、図５に示すように「ＸＺ面内」においては変化せず、平行光束状態を保って変倍レンズ２０Ｃに入射する。

変倍レンズ２０Ｃも「ＸＺ面内では屈折力を持たない」から、変倍レンズ２０Ｃから射出する偏向レーザビームＳＲＬは、コリメートレンズ１２により平行光束化された状態を保った平行状態である。

調整用レンズ１４Ｂの、図５の図面に直交する方向（ＹＺ面内）における断面形状は、図１の調整用レンズ１４のような「正レンズの断面形状」であることも、図２に示す調整用レンズ１４Ａのような「負レンズの断面形状」であることもできる。

従って、ＹＺ面内では、調整用レンズ１４Ｂの変位により「変倍レンズ２０Ｃに向かうレーザビーム」のＹＺ面内における発散の起点（前述の位置ＰＦＣ、ＰＦＤ）を変位させることができるが、その際「ＸＺ面内」におけるレーザビームの光束径は変化しない。

従って、調整用レンズ１４Ｂの変位を調整することにより、変倍レンズ２０Ｃから射出する偏向レーザビームの「ＹＺ面内の光束形態」のみを調整することができる。

以下に、この発明の「２次元型のレーザビーム投射装置」の特徴部分を、図１の実施の形態に即して説明する。

上記の如く、図１における「２次元走査型のレーザビーム投射装置」は、レーザ光源１０、コリメートレンズ１２、調整用レンズ１４、照射用光路屈曲ミラー１６、偏向手段１８と変倍レンズ２０とを有している。

照射用光路屈曲ミラー１６は、光学系のレイアウト次第では省略することができる。

受光用光路屈曲ミラー３６も、光学系のレイアウト次第では省略することができる。

変倍レンズ２０は、軸対称な正レンズであることも、Ｘ、Ｙ方向に屈折力の異なるアナモルフィックな正レンズであることもできる。

変倍レンズ２０は「Ｘ方向及びＹ方向のうちの少なくとも一方における偏向角を縮小」する機能を持つ。

図１において、「変倍レンズ２０の光軸ＡＸを含み、Ｙ方向に平行な平面（上の説明で「ＹＺ平面」と呼んだもの）を「α平面」と呼ぶ。
図中の角：θαは、α平面内において偏向手段１８が「変倍レンズ２０に向かうレーザビーム」を偏向させる最大の偏向角（以下α平面内の「最大偏向角」と言う。）を表す。

レーザ光源１０から放射されたレーザ光のうち、コリメートレンズ１２の光軸と合致する光線を「中心光線」と呼ぶ。

「偏向角」は、偏向された中心光線と変倍レンズの光軸とがなす角である。

一方、α平面内において、最大偏向角：θαを持つレーザビームが変倍レンズ２０に入射したとき、変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームＳＲＬの中心光線が、光軸ＡＸに対してなす角：θ_Ｄαを「Ｙ方向の最大走査偏向角」と呼ぶ。

変倍レンズ２０が「Ｙ方向における偏向角を縮小する機能」を持つとは、α平面内において、最大走査偏向角：θ_Ｄαが、最大偏向角：θαよりも小さい（θ_Ｄα＜θα）ことを意味する。

角：θ_Ｄα、θαに正負を考えるときには「０≦｜θ_Ｄα｜＜｜θα｜である。

偏向手段１８による「α平面内におけるＹの正方向の偏向角」を一般に「θＹ（０≦θＹ≦θα）」とする。

また、偏向角：θＹに対する走査偏向角（変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームがα平面内で光軸ＡＸに対してなす正の角）を「θｙ（０≦θｙ≦θ_Ｄα）」とする。

このとき、α平面内において、即ちＹ方向において「偏向角の縮小」が行われる場合であれば、一般に「θＹ＞θｙ」である。

このようにＹ方向において偏向角の縮小を行う場合、「Ｙ方向における偏向角の縮小率（％）」を次式により定義する。
Ｙ方向における偏向角の縮小率＝「｛１−（θｙ／θＹ）｝×１００」 。

なお、偏向手段１８および変倍レンズ２０によるレーザビームの偏向は、α平面内において、光軸ＡＸに対して対称的である。

即ち、上に説明した偏向角：θＹは、±θαの範囲で変化し、走査偏向角：θｙは、±θ_Ｄαの範囲で変化する。

図１は、前述の如く「α平面」内における偏向の様子を示しているが「α平面内における縮小コンセントリック係数」を以下のように定義する。

図１に示すように、変倍レンズ２０の「入射側面」を入射面２０Ａ、射出側面を射出面２０Ｂとする。

偏向手段１８により、α平面内で光軸ＡＸに対して最大偏向角：θαで偏向され、変倍レンズ２０の入射面２０Ａで屈折したレーザビームの中心光線の、変倍レンズ２０のレンズ内における部分を「α平面内におけるレンズ内中心光線」と呼び、符号ＰＬで示す。

このレンズ内中心光線ＰＬを、図の如く、α平面内において偏向手段１８側へ延長した延長線ＥＴＬが、変倍レンズ２０の光軸ＡＸと「交点位置Ｑαで交わる」ものとする。

また、レンズ内中心光線ＰＬは、変倍レンズ２０の射出面２０Ｂと交点位置ｑαで交わるものとする。

α平面内における「交点位置Ｑαとｑαの間の距離」の光軸ＡＸ方向の成分を、図の如く「Ａα」とする。

一方、変倍レンズ２０の射出面２０Ｂは、α平面内において、曲率半径：Ｒαを持つものとする。通常のレンズ面における曲率半径の定義に従い、曲率半径に正負を考える。

レーザビームは、変倍レンズ２０を図の左方から右方へ透過するので、図の右方を「正方向」とする。射出面２０Ｂの曲率中心は、図において、射出面の左方即ち「負の側」に位置する。従って、曲率半径：Ｒαは「負の大きさ」をもつ。

このとき、α平面内における縮小コンセントリック係数：Ｃαは、以下のように定義される。

Ｃα≡｜Ａα／Ｒα｜ 。

次に、図１において図面に直交する方向、即ち、Ｘ方向を考え、変倍レンズ２０の光軸ＡＸを含み、Ｘ方向に平行な平面を「β平面」と呼ぶ。

この「β平面」についても、上の説明と全く同様にして、偏向手段１８による最大偏向角：θβ、Ｘ方向の最大走査偏向角：θ_Ｄβを定義できる。
また、β平面内におけるＸの正方向の偏向角：θＸ（０≦θＸ≦θβ）、偏向角：θＸに対する走査偏向角（変倍レンズ２０から射出する偏向レーザビームがβ平面内で光軸ＡＸに対してなす正の角）：θｘ（０≦θｘ≦θ_Ｄβ）を定義できる。

この場合、β平面内において、即ちＸ方向において偏向角の縮小が行われる場合であれば、一般に「θＸ＞θｘ」である。

このようにＸ方向において偏向角の縮小を行う場合は、次式により「Ｘ方向における偏向角の縮小率（％）」を定義する。

「Ｘ方向における偏向角の縮小率（％）」＝「｛１−（θｘ／θＸ）｝×１００」 。

偏向手段１８および変倍レンズ２０によるレーザビームの偏向は、β平面内においても光軸ＡＸに対して対称的である。

即ち、上に説明した偏向角：θＸは、±θβの範囲で変化し、走査偏向角：θｘは、±θ_Ｄβの範囲で変化する。

変倍レンズ２０が「Ｘ方向における偏向角を縮小する機能」を持つとは、β平面内において、最大走査偏向角：θ_Ｄβが、最大偏向角：θβよりも小さい（θ_Ｄβ＜θβ）ことを意味する。

偏向手段１８により、β平面内で光軸ＡＸに対して最大偏向角：θβをなして偏向され、変倍レンズ２０の入射面２０Ａで屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、偏向手段１８側に直線的に延長させた延長線が、光軸ＡＸと交わる位置と、レンズ内中心光線と変倍レンズ２０の射出面２０Ｂとの交点位置との間の距離の、光軸ＡＸ方向の距離成分をＡβとする。

また、変倍レンズ２０の射出面２０Ｂの「β平面内における曲率半径：Ｒβ」と、上記距離成分：Ａβと、により、縮小コンセントリック係数：Ｃβを
Ｃβ≡｜Ａβ／Ｒβ｜
で定義する。

上に説明したところから明らかなように、変倍レンズ２０が軸対称で、偏向手段１８による２次元的な偏向の最大角がＸ方向Ｙ方向で同じであれば、縮小コンセントリック係数：ＣαとＣβとは互いに等しい（Ｃα＝Ｃβ）。

この発明の２次元走査型のレーザ投射装置は、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβのうち「偏向角の縮小を行う方向」について、以下の条件を満足する。

（１α） ０．５≦Ｃα≦１．８
（１β） ０．５≦Ｃβ≦１．８ 。

縮小コンセントリック係数の意味を、Ｃαを例にとって説明する。

縮小コンセントリック係数：Ｃαの定義から、明らかなように、Ｃαは「Ａαが大きいほど」大きく、「Ｒαの絶対値が小さいほど」大きい。

最大偏向角：θαを持つレーザビームが、α平面内において「変倍レンズ２０の入射面２０Ａで屈折される角度」が大きいほど、レンズ内中心光線ＰＬは光軸ＡＸに平行に近くなり、距離成分：Ａαは大きくなる。

また、変倍レンズ２０の射出面（凸面）２０Ｂのα平面内での曲率半径：Ｒαの絶対値が小さいほど、最大走査偏向角：θ_Ｄαも光軸ＡＸに平行に近くなる。

これから分かるように、縮小コンセントリック係数：Ｃαは、α平面内における変倍レンズ２０による縮小率に関連し、縮小コンセントリック係数：Ｃαが大きいほど「Ｙ方向における偏向角の縮小率（％）」は大きい。

全く同様に、縮小コンセントリック係数：Ｃβが大きいほど「Ｘ方向における偏向角の縮小率（％）」は大きい。

偏向レーザビームＳＲＬによる対象物の２次元走査を「質的な面」から見ると、以下の２つの点が重要になる。

即ち、２次元走査される偏向レーザビームＳＲＬの「ビーム径」と「角度ディストーション」である。

「ビーム径」は、偏向レーザビームＳＲＬが測距対象物にスポット状に照射されたときの照射部（以下「照射スポット」とも言う。）のサイズである。

良好な測距を実現できるためには、偏向レーザビームのビーム径が、偏向角によらず安定しており、角度ディストーションも小さいことが重要である。

ビーム径の劣化は、偏向角に応じ、変倍レンズの軸外収差である「コマ収差」により発生する。

例えば、変倍レンズのコマ収差が、偏向角に応じて増大するような場合、偏向角に大きいところでは「ビーム径」が崩れ、偏向角の大きい部分で測定の精度が劣化する。

角度ディストーションが大きくなると、走査軌跡が歪みやすくなり、取得する「対象物の３次元形状」に歪が生じやすい。

なお、「角度ディストーション」は以下のように定義される。

α平面内での角度ディストーションについて説明すると、α平面内で、偏向手段１８を０．５度傾けたときの、変倍レンズ２０による走査偏向角を「θα０」とする。

偏向手段１８をα平面内で、θＹ傾けた時の変倍レンズ２０による走査偏向角をθｙとする。

このとき「角度ディストーション」は、以下のように算出される。
［｛θｙ／（θα０×２θＹ）｝×１００］−１００（％）
角度ディストーションは、走査偏向角：θｙにつき、±θαの範囲で算出され、走査偏向角：θｙの関数である。角度ディストーションの値は「負」である。

β平面内でのＸ方向についての角度ディストーションについても、同様に定義される。

上記縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβの上限値は、角度ディストーションに関連し、下限値は偏向レーザビームのビーム径、即ち、軸外収差に関連する。

縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβが上記条件（１α）、（１β）の上限を超えると、角度ディストーションの最大値が「−２０％」を超え易く、走査軌跡の歪曲が目立ち易くなる。

縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβが上記条件（１α）、（１β）の下限を超えると、軸外収差が大きくなり、軸外において「ビーム径の劣化」をもたらし易くなる。

上記条件（１α）、（１β）は一般的な条件であり、変倍レンズの「材質やレンズ形状」によっても、条件（１α）、（１β）の上下限値の適正範囲は、上記範囲内で変動する。

例えば、変倍レンズ２０の材質、特に屈折率でみると、屈折率が高い材料（例えばＳＦ６）による変倍レンズの場合は、縮小コンセントリック係数の下限値は、条件（１α）、（１β）の下限値よりも大きめ（例えば０．６程度）が良い。

逆に、屈折率の低い材料（例えばＢＫ７）による変倍レンズの場合には、縮小コンセントリック係数の上限値は、条件（１α）、（１β）の上限値よりも小さめ（例えば１．５程度）が良い。

上に説明した縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは、上に説明した調整用レンズ１４、１４Ａ、変倍レンズ２０、２０Ｃに許容される種々のレンズ形態においても、上記と全く同様に定義され、これらのレンズ形態の場合においても、偏向角の縮小を行う方向について、上記条件（１α）、（１β）を満足する。

調整用レンズと変倍レンズの形態（軸対称形状、シリンダ形状、アナモルフィックレンズ等）の組み合わせについては、上に説明した。

即ち、「変倍レンズの形状を調整用レンズの形態に応じて調整し、調整用レンズを光軸方向へ変位調整して、変倍レンズから、所望の光束形態の偏向レーザビームを射出させる」ことができるような組み合わせが許容される。

上に説明したように、この発明の２次元走査型のレーザビーム投射装置は、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβに条件（１α）、（１β）を課することにより、軸外収差、角度ディストーションを許容範囲内に収める点に特徴がある。

従って、偏向レーザビームの光束形態は、偏向角に従って変動するが、この変動に伴うビーム径の変動は許容領域内に収められる。

以下、２次元走査型のレーザビーム投射装置の具体的な実施例を９例挙げる。

以下の実施例は、何れも、調整用レンズ・変倍レンズとも正レンズとし、平行光束状の偏向レーザビームを得るようにした場合の具体例である。

レーザ光源として用いられるレーザ光源は使用波長：８７０ｎｍのものである。
各実施例においては、調整用レンズと変倍レンズに関するデータと、縮小コンセントリック係数を挙げる。

各実施例において、距離：Ｌは、変倍レンズの光軸に沿った「偏向手段と変倍レンズとの距離」を表し、距離：ＳＬは「調整用レンズから変倍レンズの入射面までの、偏向角が０のときの距離」を表す。

なお、屈折率は使用波長に対するものであり、レンズは全て（ＳＣＨＯＴＴ製）である。

また、偏向手段による最大偏向角は、α平面、β平面内共に±３０度である。

「実施例１」
実施例１に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表１に示す。

実施例１において、変倍レンズは軸対称で、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは互いに等しい。

実施例１における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を表２に示す。これらは前述のα平面及びβ平面におけるものであり、単位は「度」である。

変倍レンズが軸対称であるので、α平面、β平面におけるこれらの角は実質的に等しく、「偏向角の縮小率」はα平面内で「最大偏向角：±３０度に対して５１．２％」であり、β平面内でも実質的に等しい。

角度ディストーション（以下の表において「ＡＮＤＴ」と略記する。単位は「％」である。）を表３に示す。α平面内、β平面内ともに値は等しい。

「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表４に示す。

α平面内、β平面内ともに値は等しい。

なお、実施例１〜９において「ビーム径」は変倍レンズの射出面から「３ｍの位置」におけるスポットダイヤグラムから求めた値である。

表２〜表４に示されたように、角度ディストーションの最大値も−１１．１％と小さく、
走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も８．８ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例２」
実施例２に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表５に示す。

実施例２においても、変倍レンズは軸対称で、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは互いに等しい。

実施例２における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表６に示す。

変倍レンズが軸対称であるので、α平面、β平面におけるこれらの角は実質的に等しく、「偏向角の縮小率」はα平面内で「最大偏向角：±３０度に対して３０．３％」であり、β平面内でも実質的に等しい。

角度ディストーションを表７に示す。α平面内、β平面内ともに値は等しい。

「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表８に示す。α平面内、β平面内ともに値は等しい。

表６〜表８に示されたように、角度ディストーションの最大値も−６．６％と小さく、
走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も１７．２ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例３」
実施例３に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表９に示す。

実施例３においても、変倍レンズは軸対称で、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは互いに等しい。

実施例３における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表１０に示す。

変倍レンズが軸対称であるので、α平面、β平面におけるこれらの角は実質的に等しく、「偏向角の縮小率」はα平面内で「最大偏向角：±３０度に対して６９．６％」であり、β平面内でも実質的に等しい。

角度ディストーションを表１１に示す。α平面内、β平面内ともに値は等しい。

「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表１２に示す。α平面内、β平面内ともに値は等しい。

表１０〜表１２に示されたように、角度ディストーションの最大値は−２０％以下で、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も９．７ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例４」
実施例４に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表１３に示す。

実施例４においては、変倍レンズの入射面は平面、射出面はＸ方向に軸を持つシリンダ面であり、従って、Ｘ方向には偏向角を縮小しない。

従って、縮小コンセントリック係数のうち、条件を満たすべきものは「Ｃα」である。

実施例４における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表１４に示す。

変倍レンズ２０は、Ｘ方向には偏向角の縮小を行わず、Ｙ方向における偏向角の縮小率は、最大偏向角：±３０度に対して５４．６％である。

α平面内の角度ディストーションを表１５に示す。

α平面内における「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表１６に示す。

表１４〜表１６に示されたように、Ｙ方向における角度ディストーションの最大値は−１２．２％と小さい。従って、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も７．６ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例５」
実施例５に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表１７に示す。

実施例５においても、変倍レンズの入射面は平面、射出面はＸ方向に軸を持つシリンダ面であり、従って、Ｘ方向には偏向角を縮小しない。

従って、縮小コンセントリック係数のうち、条件を満たすべきものは「Ｃα」である。

調整用レンズ１４の入射面もＸ方向に軸を持つシリンダ面である。

実施例５における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表１８に示す。

変倍レンズ２０は、Ｘ方向には偏向角の縮小を行わず、Ｙ方向における偏向角の縮小率は、最大偏向角：±３０度に対して４６．４％である。

α平面内の角度ディストーションを表１９に示す。

α平面内における「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表２０に示す。

表１８〜表２０に示されたように、Ｙ方向における角度ディストーションの最大値は−９．９％と小さい。従って、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も７．９ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例６」
実施例６に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表２１に示す。

実施例６においては、変倍レンズの入射面は平面、射出面はＹ方向に軸を持つシリンダ面であり、従って、Ｙ方向には偏向角を縮小しない。

従って、縮小コンセントリック係数のうち、条件を満たすべきものは「Ｃβ」である。

調整用レンズ１４の入射面もY方向に軸を持つシリンダ面である。

実施例６における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表２２に示す。

変倍レンズ２０は、Ｙ方向には偏向角の縮小を行わず、Ｘ方向における偏向角の縮小率は、最大偏向角：±２５．７度に対して５２．９％である。

β平面内における角度ディストーションを表２３に示す。

β平面内における「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表２４に示す。

表２２〜表２４に示されたように、Ｘ方向における角度ディストーションの最大値は−９．９％と小さい。従って、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も６１．９ｍｍと小さく、解像力は良好である。

「実施例７」
実施例７に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表２５に示す。

実施例７においても、変倍レンズの入射面は平面、射出面はＹ方向に軸を持つシリンダ面であり、従って、Ｙ方向には偏向角を縮小しない。

従って、縮小コンセントリック係数のうち、条件を満たすべきものは「Ｃβ」である。

調整用レンズ１４の入射面もＸ方向に軸を持つシリンダ面である。

実施例７における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を、表２に倣って表２６に示す。

変倍レンズは、Ｙ方向には偏向角の縮小を行わず、Ｘ方向における偏向角の縮小率は、最大偏向角：±２５．７度に対して３７．９％である。

β平面内における角度ディストーションを表２７に示す。

β平面内における「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表２８に示す。

表２６〜表２８に示されたように、Ｘ方向における角度ディストーションの最大値は−７．１％と小さい。従って、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も３５．９ｍｍと小さく、解像力は良好である。

実施例６、実施例７では、表２４、表２８に示すように、偏向角の変化に対して「ビーム径の変動」が極めて小さく抑えられている。

「実施例８」
実施例８に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表２９に示す。

実施例８において、変倍レンズは軸対称で、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは互いに等しい。調整用レンズ１４も軸対称である。

実施例８における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を表３０に示す。

変倍レンズが軸対称であるので、α平面、β平面におけるこれらの角は実質的に等しく、「偏向角の縮小率」はα平面内で「最大偏向角：±３０度に対して５１．２％」であり、β平面内でも実質的に等しい。

角度ディストーションを表３１に示す。角度ディストーションは、α平面内・β平面内で同じ値である。

「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表３２に示す。

表３１に示されたように、角度ディストーションの最大値は−９．６％と小さい。従って、走査軌跡の歪曲は小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も９．０ｍｍと小さく、偏向角の変化に対して「ビーム径の変動」が小さく抑えられており、解像力は良好である。

「実施例９」
実施例９に関する変倍レンズ、調整用レンズ、およびこれらのレイアウト、縮小コンセントリック係数を表３３に示す。

実施例９においても、変倍レンズは軸対称で、縮小コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβは互いに等しい。調整用レンズ１４も軸対称である。

実施例９における偏向手段による偏向角と、変倍レンズによる走査偏向角を表３４に示す。

変倍レンズが軸対称であるので、α平面、β平面におけるこれらの角は実質的に等しく、「偏向角の縮小率」はα平面内で「最大偏向角：±３０度に対して５１．２％」であり、β平面内でも実質的に等しい。

角度ディストーションを表３５に示す。角度ディストーションは、α平面内・β平面内で同じ値である。

「偏向角」と偏向レーザビームＳＲＬのビーム径との関係を表３６に示す。

表３５に示されたように、角度ディストーションの最大値は−１．９％と極めて小さい。従って、走査軌跡の歪曲も極めて小さく、取得された対象物の３次元画像の歪曲は目立ちにくい。

また、ビーム径の最大値も５．１ｍｍと小さく、偏向角の変化に対して「ビーム径の変動」が小さく抑えられており、解像力は良好である。

若干補足する。

実施例１〜９においては、調整用レンズと変倍レンズの位置関係は、調整用レンズにより収束するレーザビームの収束位置が、変倍レンズの物体側の焦点の位置（図１の点ＰＦ）に合致するように調整され、この状態で、変倍レンズから放射される偏向レーザビームＳＲＬは「平行ビーム」となる。この場合の位置関係を「基準位置関係」と呼ぶ。

上の各実施例では、基準位置関係を満足するように「調整用レンズと変倍レンズの位置関係」を定めたのち、調整用レンズの光軸方向の位置を微調整している。

即ち、この微調整で、変倍レンズの射出面から３ｍの位置における「偏向レーザビームのビーム径」が、偏向角：０度と最大偏向角とで略等しくなるようにする。

この微調整により、変倍レンズとして軸対称なレンズを用いる実施例１ないし３、実施例８及び９において、α平面内とβ平面内とで「偏向角の縮小率」に微差が生じる。

この微差は以下の通りである。

実施例１
α平面内での縮小率：５１．２％、β平面内での縮小率：４９．６％
実施例２
α平面内での縮小率：３０．３％、β平面内での縮小率：２９．０％
実施例３
α平面内での縮小率：６９．６％、β平面内での縮小率：６７．５％
実施例８
α平面内での縮小率：５１．２％、β平面内での縮小率：４９．８％
実施例９
α平面内での縮小率：５１．２％、β平面内での縮小率：４９．８％ 。

これらの実施例における「α平面内とβ平面内における縮小率の微差」は、上に示した縮小コンセントリック係数や角度ディストーションには実質的な影響を与えない。

付言すると、上に挙げた実施例９では、変倍レンズの入射面・射出面が共に球面となっている。入射面は凹球面、射出面は凸球面であり、曲率半径は共に負である。

このような場合、入射面の曲率半径をＲＡ、射出面の曲率半径をＲＢとすると、これらの比：ＲＡ／ＲＢは、ある程度大きいことが重要である。

例えば、実施例９のように変倍レンズを屈折率の大きい硝材で形成した場合だと、ＲＡ／ＲＢは１．６以上であることが好ましい。

この場合に、ＲＡ／ＲＢが１．６より小さいと、角度ディストーションが、偏向角の増大と共に大きくなり易い。

変倍レンズを、ＢＫ７のような屈折率の低い硝材で形成した場合だと、ＲＡ／ＲＢは１．８以上であることが好ましい。

この場合にＲＡ／ＲＢが１．８より小さいと、角度ディストーションが、偏向角の増大と共に大きくなり易い。

実施例９では、ＲＡ／ＲＢ＝１．８７で、十分に大きい値となっており、角度ディストーションも良好である。

なお、軸外収差の軽減と言う観点からすると、コンセントリック係数：Ｃα、Ｃβの値は「１に近い」ことが好ましい。

上に示した実施例１〜９の２次元走査型のレーザビーム投射装置では、基本的に平行光束状の偏向レーザビームを得るものである。

しかし前述のように、変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態は、収束光束状とすることも、発散光束状とすることもできる。

１例として、上の実施例１において、調整用レンズ以外のデータをそのままにし、調整用レンズの入斜面の曲率半径のみを４８．９ｍｍから１９．６ｍｍに変えると、調整用レンズの正の屈折力が増大する。

このため、コリメートレンズから調整用レンズに入射した平行光束状のレーザビームは変倍レンズの焦点距離を「ｆ」とすると、変倍レンズの物体側の距離：２ｆの位置に集光する。

従って、この点を物点とする変倍レンズによる像は、変倍レンズの像側の距離：２ｆの位置に等倍像として結像する。従って、変倍レンズから射出する偏向レーザビームは収束光束状となる。

実施例１〜９の２次元走査型のレーザビーム投射装置は、図１に示した如き検出手段、制御演算手段と組み合わせてレーザレーダ装置を構成できる。

以上のように、この発明によれば、以下の如き、２次元走査型のレーザビーム投射装置とレーザレーダ装置を実現できる。

［１］
レーザ光源１０と、該レーザ光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズ１２と、該コリメートレンズにより平行光束化されたレーザビームに、互いに直交するＸ方向及びＹ方向の２方向のうちの少なくとも１方向に収束傾向もしくは発散傾向を与える調整用レンズ１４（１４Ａ）と、該調整用レンズを透過したレーザビームを、前記Ｘ方向及びＹ方向に２次元的に偏向させる偏向手段１８と、正の屈折力を有し、前記偏向手段により２次元的に偏向されたレーザビームを入射され、前記Ｘ方向及びＹ方向のうちの少なくとも一方における偏向角を縮小した偏向レーザビームを射出させる変倍レンズ（２０、２０Ａ）と、を有し、前記変倍レンズの光軸ＡＸを、前記Ｘ、Ｙ方向に直交するＺ方向とし、該光軸含み、前記Ｙ方向に平行な平面をα平面、前記Ｘ方向に平行な平面をβ平面とするとき、前記偏向手段１８により、前記α平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θαをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線ＰＬを、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡα、前記変倍レンズの射出面の前記α平面内における曲率半径：Ｒαによる縮小コンセントリック係数：Ｃα（≡｜Ａα／Ｒα｜）および、前記偏向手段１８により、前記β平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θβをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡβ、前記変倍レンズの射出面の前記β平面内における曲率半径：Ｒβによる縮小コンセントリック係数：Ｃβ（≡｜Ａβ／Ｒβ｜）のうち、偏向角の縮小を行う方向について、条件：
（１α） ０．５≦Ｃα≦１．８
（１β） ０．５≦Ｃβ≦１．８
を満足する、２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［２］
［１］記載のレーザビーム投射装置において、変倍レンズ（２０、２０Ｃ）から射出する偏向レーザビームＳＲＬが平行光束となるように、調整用レンズ（１４、１４Ａ、１４Ｂ）と変倍レンズ（２０、２０Ｃ）の光学的関係が設定されていることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［３］
［１］記載のレーザビーム投射装置において、変倍レンズ（２０、２０Ｃ）から射出する偏向レーザビームが収束性もしくは発散性の光束ＳＲＬＣ、ＳＲＬＤとなるように、調整用レンズ（１４、１４Ａ、１４Ｂ）と変倍レンズ（２０、２０Ｃ）の光学的関係が設定されていることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［４］
［１］記載のレーザビーム投射装置において、調整用レンズ（１４、１４Ａ、１４Ｂ）の光軸方向への変位調整により、変倍レンズ（２０、２０Ｃ）から射出する偏向レーザビームの光束形態が変更可能である２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［５］
［１］ないし［４］の何れか１に記載のレーザビーム投射装置において、調整用レンズ（１４、１４Ａ）および変倍レンズ（２０）がともに、光軸の周りに回転対称な軸対称のレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［６］
［１］ないし［４］の何れか１に記載のレーザビーム投射装置において、調整用レンズ１４Ｂおよび変倍レンズ２０Ｃが共に、α平面内もしくはβ平面内において屈折力をもたないシリンダレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［７］
［１］ないし［４］の何れか１に記載のレーザビーム投射装置において、調整用レンズおよび変倍レンズが共に、α平面内とβ平面内とで屈折力のことなるアナモルフィックなレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。

［８］
レーザ光源から放射されるレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査して対象物に照射し、該対象物による反射光を戻りレーザ光束として受光素子により受光し、前記対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置であって、レーザ光源１０からのレーザ光束を、偏向レーザビームＳＲＬとして２次元的に走査して対象物に照射する２次元型のレーザビーム投射装置と、前記対象物により反射された戻りレーザ光束ＢＫＬを検出する検出手段（３０、３２、３４、３４Ａ）と、前記レーザビーム投射装置と検出手段を制御し、レーザ光が対象物までの距離を往復する時間を測定して、前記対象物までの距離を演算する制御演算手段４０と、を有し、前記レーザビーム投射装置として［１］ないし［７］の何れか１に記載の２次元型のレーザビーム投射装置を用いるレーザレーダ装置。

［９］
［８］記載のレーザレーダ装置において、２次元型のレーザビーム投射装置における制御演算手段４０が、調整用レンズ（１４、１４Ａ、１４Ｂ）を光軸方向へ位置調整可能であるレーザレーダ装置。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

なお、この発明の２次元走査型のレーザビーム投射装置は、偏向手段による偏向角を１／５ないし１／１．２程度に縮小する場合に有効であり、解像度の向上、走査エリアを目的の範囲に調整できる。

１０ レーザ光源
１２ コリメートレンズ
１４ 調整用レンズ
１８ 偏向手段
２０ 変倍レンズ
ＳＲＬ 偏向レーザビーム
ＢＫＬ 戻りレーザ光束
３０ 受光素子
３２ 集光レンズ
３４ 受光用レンズ
４０ 制御演算部（制御演算手段）

特開２０１２−５８１７８号公報 特開２０１３−１１３６８４号公報

Claims (9)

1. レーザ光源と、
   該レーザ光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズと、
   該コリメートレンズにより平行光束化されたレーザビームに、互いに直交するＸ方向及びＹ方向の２方向のうちの少なくとも１方向に収束傾向もしくは発散傾向を与える調整用レンズと、
   該調整用レンズを透過したレーザビームを、前記Ｘ方向及びＹ方向に２次元的に偏向させる偏向手段と、
   正の屈折力を有し、前記偏向手段により２次元的に偏向されたレーザビームを入射され、前記Ｘ方向及びＹ方向のうちの少なくとも一方における偏向角を縮小した偏向レーザビームを射出させる変倍レンズと、を有し、
   前記変倍レンズの光軸を、前記Ｘ、Ｙ方向に直交するＺ方向とし、該光軸含み、前記Ｙ方向に平行な平面をα平面、前記Ｘ方向に平行な平面をβ平面とするとき、
   前記偏向手段により、前記α平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θαをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡα、前記変倍レンズの射出面の前記α平面内における曲率半径：Ｒαによる縮小コンセントリック係数：Ｃα（≡｜Ａα／Ｒα｜）および、
   前記偏向手段により、前記β平面内で前記光軸に対して最大偏向角：θβをなして偏向され、前記変倍レンズの入射面で屈折したレーザビームのレンズ内中心光線を、前記偏向手段側に直線的に延長させた延長線が、前記光軸と交わる位置と、前記レンズ内中心光線と前記変倍レンズの射出面との交点位置との間の距離の、前記光軸方向の距離成分をＡβ、前記変倍レンズの射出面の前記β平面内における曲率半径：Ｒβによる縮小コンセントリック係数：Ｃβ（≡｜Ａβ／Ｒβ｜）のうち、偏向角の縮小を行う方向について、条件：
   （１α） ０．５≦Ｃα≦１．８
   （１β） ０．５≦Ｃβ≦１．８
   を満足する、２次元走査型のレーザビーム投射装置。
2. 請求項１記載のレーザビーム投射装置において、
   変倍レンズから射出する偏向レーザビームが平行光束となるように、調整用レンズと変倍レンズの光学的関係が設定されていることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
3. 請求項１記載のレーザビーム投射装置において、
   変倍レンズから射出する偏向レーザビームが収束性もしくは発散性の光束となるように、調整用レンズと変倍レンズの光学的関係が設定されていることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
4. 請求項１記載のレーザビーム投射装置において、
   調整用レンズの光軸方向への変位調整により、変倍レンズから射出する偏向レーザビームの光束形態が変更可能である２次元走査型のレーザビーム投射装置。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載のレーザビーム投射装置において、
   調整用レンズおよび変倍レンズがともに、光軸の周りに回転対称な軸対称のレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。
6. 請求項１ないし４の何れか１項に記載のレーザビーム投射装置において、
   調整用レンズおよび変倍レンズが共に、α平面内もしくはβ平面内において屈折力をもたないシリンダレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。
7. 請求項１ないし４の何れか１項に記載のレーザビーム投射装置において、
   調整用レンズおよび変倍レンズが共に、α平面内とβ平面内とで屈折力のことなるアナモルフィックなレンズである２次元走査型のレーザビーム投射装置。
8. レーザ光源から放射されるレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査して対象物に照射し、該対象物による反射光を戻りレーザ光束として受光素子により受光し、前記対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置であって、
   レーザ光源からのレーザ光束を、偏向レーザビームとして２次元的に走査して対象物に照射する２次元型のレーザビーム投射装置と、
   前記対象物により反射された戻りレーザ光束を検出する検出手段と、
   前記レーザビーム投射装置と検出手段を制御し、レーザ光が対象物までの距離を往復する時間を測定して、前記対象物までの距離を演算する制御演算手段と、を有し、
   前記レーザビーム投射装置として、請求項１ないし７の何れか１項に記載の２次元型のレーザビーム投射装置を用いるレーザレーダ装置。
9. 請求項８記載のレーザレーダ装置において、
   ２次元型のレーザビーム投射装置における制御演算手段が、調整用レンズを光軸方向へ位置調整可能であるレーザレーダ装置。

Images