JP6685569B1 - 光走査装置、物体検出装置、光走査方法、物体検出方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】光ビームの投光方向を周期的に変動させる走査を行う場合において、小型かつ低コストの構成で広い走査範囲の走査を行えるようにする。【解決手段】点滅する走査ビームＬ２ａにより、互いに平行で副走査方向の位置が異なる複数の主走査線を形成し、調整部６０により各主走査線の走査範囲を調整して、一部の主走査線１１１ａが、残りの主走査線１２１ａよりも主走査方向に広い範囲を走査するようにする。このとき、一部の主走査線１１１ａ上では、残りの主走査線１２１ａ上よりも、光ビームにより形成される光点１０１をまばらにする。調整部６０は、主走査線１１１ａの一部を通過する光ビームを、主走査方向の一端側に近いほど強くその一端側へ屈折させるプリズム６１と、主走査線１１１ａの別の一部を通過する光ビームを、主走査方向の他端側に近いほど強くその他端側へ屈折させるプリズム６２とを備えるとよい。【選択図】 図３

Description

この発明は、光ビームによる走査を行うための光走査装置及び光走査方法、光ビームを外部へ投光すると共に、その投光と同じ光軸で外部から入射する入射光を検出する光検出装置、走査される光ビームの光路上の物体を検出するための物体検出装置及び物体検出方法、および光ビームにより走査を制御するためのプログラムに関する。
に関する。

従来から、レーザ光のパルスを外部へ照射し、物体により反射されて戻ってきたレーザ光を検出することにより、レーザ光の光路上にある物体及びその物体までの距離を検出する物体検出装置が知られている。このような物体検出装置は、ライダー（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）と呼ばれる。
近年、ライダーは、自動車の自動運転の分野でも活用されるようになっている。外部の照明環境の影響を受けやすいカメラセンサーや、分解能が低いミリ波レーダーの欠点を補い、走行環境下の比較的小型の障害物を、精度よく検出するために、カメラセンサーやミリ波レーダーと併用する等である。

このようなライダーにおいては、視野範囲内をレーザビームにより走査すると共に物体からの反射光を検出することが一つの重要な動作であるが、この点に関する技術として、例えば非特許文献１、特許文献１及び特許文献２に記載のものが知られている。
また、本件出願人も、特許文献３に記載の出願を過去に行っている。

米国特許第９８６９７５４号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０１１３２００号明細書 特許第６５２１５５１号公報

Cristiano Niclass, et al.,"A100-m Range 10-Frame/s 340 × 96-Pixel Time-of-Flight DepthSensor in 0.18-μm CMOS", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATECIRCUITS, Institute of Electrical and Electronics Engineers, FEBRUARY 2013,VOL. 48, NO. 2, p. 559-572

以上のうち、非特許文献１には、それぞれ傾き角の異なる３つの面を持つポリゴンミラーを回転させ、そのポリゴンミラーでレーザビームを偏向することにより、垂直方向４．５°の視野角の範囲内にレーザビームを投射しつつ、物体からの反射光を、ポリゴンミラーの投射時と同じ面で反射して光検出素子に導いて検出することが記載されている。

特許文献１には、１つの光源から出力されるレーザ光を２つに分岐させて、２つの走査部にそれぞれ入射させ、２つの走査部によりそれぞれレーザ光を偏向してそれぞれ異なる範囲内を走査することが記載されている（特許文献１の図１７等参照）。また、特許文献１には、各走査部と対応する受光部を設け、各走査部から投光したレーザ光に対する反射光を、対応する受光部で検出することが記載されている。

また、特許文献２には、３つの走査部を設け、３つの光源から出力されるレーザ光を、それぞれ対応する走査部に入射させ、各走査部によりそれぞれレーザ光を偏向してそれぞれ異なる範囲内を走査することが記載されている（特許文献２の図２Ｂ等参照）。また、特許文献２にも、各走査部と対応する受光部を設け、各走査部から投光したレーザ光に対する反射光を、対応する受光部で検出することが記載されている。
特許文献３には、ねじりばねを用いたアクチュエータにより、レーザビームの投光方向を周期的に変動させる走査を、小型かつ耐久性の高い構成で実現する構成が記載されている。

ところで、ライダーにおいては、視野範囲の拡大が一つの要求項目となっているが、これを実現するために、非特許文献１に記載のようなポリゴンミラーは一つの有効な手段である。例えば４面のポリゴンミラーを用いれば最大１８０°、６面のポリゴンミラーでも最大１２０°の走査範囲を実現できる。しかし、ポリゴンミラーの場合、小型化や消費電力の低減が困難であった。このため、例えばドローン等の小型移動体への搭載やウェアラブル機器への搭載には不向きであるという問題があった。

一方、特許文献３に記載のアクチュエータでは、小型化が可能であるが、走査範囲を増すためにはねじりばねをより大きな角度でねじる必要があり、ねじりばねに働くせん断応力を考えると、安定して走査可能な範囲には限度がある。
この点につき、特許文献１及び２に記載のように複数の走査部を用いてそれぞれ異なる走査範囲を走査するようにすれば、装置全体としての走査範囲の拡大は可能である。しかし、走査部と受光部の組を複数組設ける必要があり、装置の大型化やコスト増につながる。
このような問題は、ライダー以外の用途で任意の光ビームによる走査を行う場合にも生じるものである。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光ビームの投光方向を周期的に変動させる走査を行う場合において、小型かつ低コストの構成で広い走査範囲の走査を行えるようにすることを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明の光走査装置は、光ビームにより、互いに副走査方向の位置が異なる複数の主走査線を形成する走査部と、上記走査部が形成した上記複数の主走査線による走査範囲を、上記複数の主走査線のうち一部の主走査線が、上記複数の主走査線のうち残りの主走査線よりも主走査方向に広い範囲を走査するように調整する調整部とを設けたものである。上記調整部は、上記走査部が形成した上記複数の主走査線のうち一部の主走査線に光学部材を通過させて屈折させることにより、上記複数の主走査線のうち上記一部の主走査線が、上記複数の主走査線のうち残りの主走査線よりも主走査方向に広い範囲を走査するように調整するようにするものであるとよい。

このような光走査装置において、上記光学部材が、上記一部の主走査線を形成する光ビームのうち、第１主走査範囲を通過する光ビームを、主走査方向の一端側に近いほど強く上記一端側へ屈折させる第１光学素子と、上記一部の主走査線を形成する光ビームのうち、上記第１主走査範囲よりも上記主走査方向の他端側に近い位置にあり、上記第１主走査範囲と重ならない第２主走査範囲を通過する光ビームを、上記他端側に近いほど強く上記他端側へ屈折させる第２光学素子とを備えるとよい。

さらに、上記第１光学素子と上記第２光学素子はそれぞれ、上記光ビームが通過する面が平面であるとよい。
さらに、上記第１光学素子と上記第２光学素子とが主走査方向に隣り合うように配置され、上記光ビームが上記第１光学素子と上記第２光学素子との境界付近の所定範囲を通過する期間、上記光ビームを消灯する第１境界制御部を備えるとよい。
さらに、上記一部の主走査線においては、上記第１光学素子を通過する光ビームにより形成される第１部分主走査線と、上記第２光学素子を通過する光ビームにより形成される第２部分主走査線との間に間隙があり、上記残りの主走査線は、少なくとも上記間隙がある主走査方向範囲をカバーする主走査方向範囲を走査するとよい。

また、上記の各光走査装置において、上記一部の主走査線が分布する第１副走査範囲と、上記残りの主走査線が分布する第２副走査範囲とが、その光走査装置の外部において少なくとも一部重なるとよい。
さらに、上記調整部が、上記一部の主走査線を形成する光ビームと、上記残りの主走査線を形成する光ビームとのうち一方又は両方を、上記第１副走査範囲と上記第２副走査範囲とが近づく方向へ屈折させる第３光学素子を備えるとよい。
さらに、上記光ビームが上記一部の主走査線を形成する期間と上記光ビームが上記残りの主走査線を形成する期間との境界付近の所定期間、上記光ビームを消灯する第２境界制御部を設けるとよい。

また、上記の各光走査装置において、上記走査部が、点滅する光ビームにより、互いに平行な上記複数の主走査線を形成し、上記調整部による調整後は、上記一部の主走査線上では、上記残りの主走査線上よりも、上記光ビームにより形成される光点がまばらであるとよい。
さらに、上記走査部から出射される光ビームの上記主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが上記調整部による調整後に進む方向との対応関係を取得する取得部と、上記走査部から出射される光ビームの上記主走査方向の位置と、上記取得部が取得した対応関係とに基づき、上記光ビームの点滅周期を制御する周期制御部を設けるとよい。

あるいは、上記走査部から出射される光ビームの上記主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが上記調整部による調整後に進む方向との対応関係を、上記走査部から出射される光ビームの副走査方向の位置と対応付けて取得する取得部と、上記走査部から出射される光ビームの上記主走査方向の位置及び上記副走査方向の位置と、上記取得部が取得した対応関係とに基づき、上記光ビームの点滅周期を制御する周期制御部を設けるとよい。

これらの光走査装置において、上記周期制御部が、上記調整部による調整後の各主走査線上の光点分布がそれぞれ等間隔になるように上記点滅周期を制御するとよい。
また、上記走査部が、第１回転軸を中心に第１ミラーを往復回転運動させる第１アクチュエータと、上記第１回転軸と異なる第２回転軸を中心に第２ミラーを回転運動させる第２アクチュエータとを備え、光ビームを上記第１ミラー及び上記第２ミラーで反射した後で出力し、上記第１ミラーの向きの変化に応じて上記主走査線が形成され、上記周期制御部が、上記第１ミラーの回転速度を検出し、その回転速度にも基づき、上記光ビームの点滅周期を制御するとよい。

また、この発明の物体検出装置は、上記のいずれかの光走査装置と、受光素子と、外部から入射する入射光を導光し、上記光走査装置による光ビームの投光と同じ光軸で上記受光素子へ導く光学系と、上記光ビームの投光タイミング及び投光方向と、上記受光素子が出力する光検出信号のタイミングとに基づき、上記光ビームの光路上の物体までの距離及びその物体がある方向を検出する物体検出部とを設けたものである。上記光ビームがレーザビームであるとよい。

また、以上説明した各発明は、その説明した態様のみならず、装置、システム、方法、プログラム、プログラムを記録した記録媒体等、任意の態様で実施することができる。

以上のような本発明によれば、光ビームの投光方向を周期的に変動させる走査を行う場合において、小型かつ低コストの構成で広い走査範囲の走査を行うことができる。

この発明の第１実施形態の物体検出装置１０の主な構成要素をその機能に注目して区分して示すブロック図である。 プリズム６１，６２を通過する走査ビームＬ２ａの光路を模式的に示す図である。 プリズム６１，６２及び透明板６３の構成及びこれらを通過する走査ビームＬ２ａの光路を示す、模式的な斜視図である。 プリズム６１，６２及び透明板６３を通過した出射光Ｌ２により形成される走査線の構成を示す図である。 物体検出装置１０の主な構成要素の構造を示す分解斜視図である。 アクチュエータ３１の、ミラー３１ａの回転軸に垂直な面かつコイルのコア３１１の位置での模式的な断面図である。 ミラー３１ａの走査角と走査角速度の絶対値との関係を示すグラフである。 ＬＤモジュール２１の駆動信号の例を示す図である。 走査線上に形成される走査ビームＬ２ａによる光点の例を示す図である。 ミラー３１ａにより反射されプリズム６１，６２に入射する走査ビームＬ２ａの進行方向ω１と、プリズム６１，６２通過後の出射光Ｌ２の進行方向ω２との関係を示す図である。 ＬＤモジュール２１の駆動信号のパルスの間隔を制御するための制御回路の構成を、その周辺の回路と共に示す図である。 図１１の回路にて生成されるＬＤモジュール２１の駆動信号の例を示す図である。 第１実施形態の変形例におけるプリズム６１の形状を示す図である。 同変形例における、プリズムを通過する走査ビームＬ２ａの光路を模式的に示す、図２と対応する図である。 同変形例における調整部６０を構成する光学部材の構成を示す斜視図である。 第２実施形態における調整部６０−１を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を、副走査方向の進行方向に注目して模式的に示す図である。 第２実施形態における調整部６０−１を構成する光学部材の構成を示す斜視図である。 第２実施形態において出射光Ｌ２により形成される走査線の例を示す、図４と対応する図である。 図１６と異なる調整部６０−２を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を示す、図１６と対応する図である。 図１９と対応する光学部材の構成を示す、図１７と対応する図である。 図１６及び図１９と異なる調整部６０−３を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を示す、図１６と対応する図である。 図２１と対応する光学部材の構成を示す、図１７と対応する図である。

この発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態（図１乃至図１２）〕
まず、この発明の第１実施形態である物体検出装置１０の全体構成について、図１を用い、主な構成要素をその機能に注目して区分して説明する。図１は、物体検出装置の主な構成要素をその機能に注目して区分して示すブロック図である。

物体検出装置１０は、レーザビームを外部へ投光すると共に、外部の物体で反射されて戻ってくるレーザビームを検出し、その投光方向及び投光タイミングと反射光の検出タイミングとの差に基づき、レーザビームの光路上にある物体までの距離及びその物体がある方向を検出する装置である。この物体検出装置１０は、図１に示すように、投光部２０、走査部３０、受光部４０、フロントエンド回路５１、ＴＤＣ（時間−デジタル変換器：Time-to-Digital Converter）５２、プロセッサ５３、入出力部５４、調整部６０を備える。

これらのうち投光部２０は、レーザビームを外部へ投光するためのモジュールであり、ＬＤ（レーザダイオード）モジュール２１、レーザ駆動回路２２、投光光学系２３を備える。
ＬＤモジュール２１は、レーザ駆動回路２２から印加される駆動信号に応じてレーザ光を出力するレーザ光源である。ここでは、複数の発光点を備えるものを用い、出力の強度を高めている。これ以外に、パルスレーザダイオードという半導体レーザで、出力強度を高めるために、発光端面の広いストライプ構造を用いることも考えられる。このストライプ構造は広がり光源になり、物理的な複数発光点と同義となる。また、逆に、発光点が１つであってもよい。レーザ光の波長に特に制約はないが、たとえば近赤外光のレーザ光を用いることが考えられる。レーザ光は、光ビームの一例である。
レーザ駆動回路２２は、プロセッサ５３から供給されるパラメータに従ったタイミングでＬＤモジュール２１を点灯させるための駆動信号を生成し、ＬＤモジュール２１に印加するための回路である。ＬＤモジュール２１の点灯は、パルス波により間欠的に行う。

投光光学系２３は、ＬＤモジュール２１が出力するレーザ光を近似的な平行光のビームにするための光学系であり、この実施形態では、ＬＤモジュール２１が備える複数の発光点の中心に焦点が位置する凸レンズによるコリメートレンズを用いている。
なお、投光光学系２３により形成されたレーザビームＬ１は、受光部４０のミラー４１の透孔４１ａを通過し、走査部３０のミラー３１ａ及びミラー３２ａにより反射されて走査ビームＬ２ａとなり、さらに調整部６０のプリズム６１，６２又は透明板６３により進行方向を調整されて、出射光Ｌ２として物体検出装置１０の外部へ出力される。
図１及び図２では、図を直感的に分かりやすくするため、レーザビームＬ１がミラー３２ａ→ミラー３１ａの順で反射されるように記載しているが、実際には、図５を用いて後述するようにミラー３１ａ→ミラー３２ａの順で反射される。いずれにせよ、反射の順がどちらであるかは本質的ではなく、いずれの順も任意に採用可能である。

次に、走査部３０は、投光部２０により出力されるレーザビームを偏向して、所定の視野（ＦＯＶ：Field of View）内を走査させるためのモジュールである。走査部３０は、アクチュエータ３１とアクチュエータ３２とを備える。
この例では、アクチュエータ３１は、特許第６５２１５５１号公報に記載のような、ミラー３１ａを、直線状の突起部を有するねじりばねの一方の面に、突起部を跨ぐように固定し、ねじりばね３０２の他方の面側に配置された永久磁石及びコイルの作用により、ねじりばねの突起部の略中心に位置する回転軸（第１軸）を中心に回転し、所定の角度範囲を往復運動させるものである。また、アクチュエータ３２は、軸の一端に力を加えることにより軸の他端に取り付けられたミラー３２ａを、この軸（第２軸）を中心に回転させる、公知のガルバノミラーである。しかし、アクチュエータ３１，３２の構成はこれらに限られるものではない。

走査部３０は、ミラー３１ａの向きにより走査ビームＬ２ａの主走査方向の向きを制御し、ミラー３２ａの向きにより走査ビームＬ２ａの副走査方向の向きを制御する。
このことにより、走査ビームＬ２ａは、所定の走査範囲１００′内に、ミラー３１ａの回転に応じて主走査方向（Horizontal）走査線１０１ａを形成し、ミラー３２ａの回転に応じて副走査方向（Vertical）走査線１０１ｂを形成すると共に、副走査方向の走査位置が調整される。

ＬＤモジュール２１は間欠的に点灯させるので、実際には走査線１０１ａ，１０１ｂは連続した線ではなく光点（ビームスポット）の集合となる。
以上の走査ビームＬ２ａは、その進行方向に応じた位置で、調整部６０のプリズム６１，６２又は透明板６３に入射し、その屈折作用によって進行方向を調整されて出射光Ｌ２となる。出射光Ｌ２は、相対的に広い角度範囲の領域である第１走査範囲１１０と、第１走査範囲１１０より狭い角度範囲の領域である第２走査範囲１２０とを含む所定の走査範囲１００内に、走査線を形成する。プリズム６１，６２及び透明板６３の構成及び機能と、形成される走査線の構成については、図２乃至図４を用いて後述する。
以上の投光部２０、走査部３０及び調整部６０が、光走査装置を構成する。

次に、受光部４０は、物体検出装置１０の外部から入射する光を検出するためのモジュールであり、ミラー４１、集光レンズ４２、受光素子４３、アパーチャー４４を備える。この受光部４０により検出したい光は、物体検出装置１０から投光され外部の物体により反射されて戻ってくるレーザビームである。レーザビームは、物体面において乱反射されるが、そのうち投光時の光路と逆向きに反射された成分のみが、戻り光Ｌ３として物体検出装置１０に戻る。物体検出装置１０に入射したこの戻り光Ｌ３は、出射光Ｌ２とほぼ同じ経路を逆向きに進み、戻り光Ｌ４としてミラー４１に到達する。

ミラー４１は、投光部２０から出力されるレーザビームを通過させるための透孔４１ａを備えると共に、戻り光Ｌ４を受光素子４３へ導くための固定のミラーである。ミラー４１の位置において、戻り光Ｌ４はレーザビームＬ１に比べると広がりが大きいため、透孔４１ａよりも広い範囲でミラー４１に当たり、透孔４１ａ以外の位置に当たる成分が、受光素子４３へ向けて反射される。

集光レンズ４２は、ミラー４１で反射された戻り光Ｌ４を集光して所定の焦点面上に結像させる集光光学部材である。
受光素子４３は、所定の受光面上に当たった光の強度に応じた検出信号を出力する光検出素子である。受光素子として例えばシリコンフォトマルチプライヤー（ＳｉＰＭ）を用いることができるが、これに限られることはない。
アパーチャー４４は、集光レンズ４２の焦点面上に配置され、開口部以外の光を遮光することにより、外乱光が受光素子４３に入射することを防止する。
以上のうちミラー４１、集光レンズ４２及びアパーチャー４４が、受光光学系を構成する。

次に、フロントエンド回路５１は、受光素子４３が出力する検出信号を、ＴＤＣ５２でのタイミング検出に適した波形に整形する回路である。
ＴＤＣ５２は、レーザ駆動回路２２から供給される駆動信号と、フロントエンド回路５１から供給される整形後の検出信号とに基づき、出射光となるレーザビームＬ１の点灯パルスのタイミングｔ０と、これと対応する戻り光Ｌ４のパルスのタイミングｔ１との時間差を示すデジタル出力を形成する回路である。

出射光のパルスと、戻り光のパルスでは、光が光路上の物体に到達して戻ってくるのに要する時間だけの時間差があるので、その時間差Δｔに基づき、物体検出装置１０から物体までの距離ｓを、ｓ＝ｃ（Δｔ）／２として求めることができる。ｃは光速である。なお、上記ｓは、正確には物体から受光素子４３までの光路長である。

プロセッサ５３は、図１に示した各部の動作を制御する制御部である。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、ソフトウエアを実行する汎用のコンピュータにより構成してもよいし、専用のハードウエアにより構成してもよいし、それらの組み合わせであってもよい。プロセッサ５３は例えば、ＴＤＣ５２からの出力信号に基づく物体までの距離の算出、戻り光の検出時点での走査部３０による走査のタイミング（出射光Ｌ２の投光方向）に基づく物体のある方向の算出を行う。また、後に詳述するが、走査部３０におけるミラー３１ａ，３２ａの向きに応じたＬＤモジュール２１の点灯間隔の制御も行う。

入出力部５４は、外部との間の情報の入出力を行うモジュールである。ここでいう情報の入出力には、外部の装置との間での有線あるいは無線による通信、ボタンやタッチパネル等を用いたユーザからの操作の受け付け、ディスプレイ、ランプ、スピーカ、バイブレータ等を用いたユーザへの情報の提示を含む。入出力部５４が外部へ出力すべき情報としては、例えば、検出した物体に関する情報（距離や方向の生データでも、それらに基づき所定のサイズ、位置、移動速度等の物体を検出したことを示す情報でもよい）、物体検出装置１０の動作状態や設定状態に関する情報が考えられる。入出力部５４が外部から入力を受け付けるべき情報としては、例えば、物体検出装置１０の動作の設定に関する情報が考えられる。

入出力部５４による通信の相手としては、例えば自動運転システムを備えた自動車やドローンなどの移動体が考えられる。物体検出装置１０が検出した物体の情報を自動運転システムに供給すれば、自動運転システムは、その情報を参照し、検出した物体を回避するような走行ルートを計画することができる。
なお、この発明を、物体検出装置１０と、その通信相手の自動車やドローン、航空機等の装置とを含むシステムとして実施することも考えられる。

次に、プリズム６１，６２及び透明板６３の構成及び機能と、出射光Ｌ２により形成される走査線の構成について、図２乃至図４を用いて説明する。
図２は、プリズム６１，６２を通過する走査ビームＬ２ａの光路を模式的に示す図である。図３は、プリズム６１，６２及び透明板６３の構成及びこれらを通過する走査ビームＬ２ａの光路を示す、模式的な斜視図である。図４は、プリズム６１，６２及び透明板６３を通過した出射光Ｌ２により形成される走査線の構成を示す図である。なお、図３においてミラー３２ａの図示は省略してミラー３１ａ以降の光路を示している。図３及び図４においては、プリズム６１，６２を通過する光路及び走査線を破線で、透明板６３を通過する光路及び走査線を実線で示している。

図２に示すように、アクチュエータ３２は、ミラー３２ａに往復回転運動をさせつつレーザビームＬ１を反射させることにより、走査角ψの範囲を主走査方向に走査する走査ビームＬ２ａを形成する。走査ビームＬ２ａの副走査方向の位置はミラー３１ａの角度により調整されるが、走査角ψは、副走査方向の位置によらず一定である。

一方、プリズム６１，６２はそれぞれ、少なくとも走査ビームＬ２ａが入射する面と出射光Ｌ２が出射する面が平面であり、それらの面は頂角θをなしている。この実施形態においては、説明をわかりやすくするため、プリズム６１，６２は、その境界が走査角ψのちょうど中間に来るように、かつ、ミラー３１ａがレーザビームＬ１を反射する位置と、当該境界とを通る面６９に対して対称になるように配置した例について説明する。しかし、このような配置は必須ではない。

そして、プリズム６１は、走査ビームＬ２ａの主走査線の一端側（図２で右側）に配置される第１光学素子であり、主走査方向の入射位置に応じて走査ビームＬ２ａの入射角が異なることに起因して、プリズム６１に入射する第１主走査範囲のビームを、主走査線の一端側に近い位置に入射するビームほど大きく、該一端側へ屈折させるように配置されている。

プリズム６２は、走査ビームＬ２ａの主走査線の他端側（図２で左側）に配置される第２光学素子であり、主走査方向の入射位置に応じて走査ビームＬ２ａの入射角が異なることに起因して、プリズム６２に入射する第２主走査範囲のビームを、主走査線の他端側に近い位置に入射するビームほど大きく、該他端側へ屈折させるように配置されている。

図２において、α及びβは、プリズム６１，６２を通過した出射光Ｌ２の光路が、プリズム６１，６２の境界を通る光路（面６９）に対して何度傾いているかを示す。図２からわかるように、出射光Ｌ２は、約２βの走査角の範囲を走査することになる。
例えば、屈折率ｎｄ＝１．８で頂角θ＝２３°のプリズム６１，６２を用いると、走査ビームＬ２ａの走査角度（ミラー３１ａの回転角度）ψ＝４５°に対し、出射光Ｌ２の走査角２βとして、最大で約１００°を実現可能である。すなわち、アクチュエータ３１の回転可能範囲の２倍程度の角度範囲を走査することができる。

ねじりばねを用いたアクチュエータ３１は、小型で高速な回転が可能であるが、ねじりばねの可動範囲の制約から、回転角をあまり大きくできないという制約がある。しかし、プリズム６１，６２を用いることにより、その制約を超えた広い範囲の走査が可能になると言える。

なお、プリズム６１，６２は、プリズム６１の対称軸６１ａとプリズム６２の対称軸６２ａとが一直線状に並ぶように配置する必要はなく、また、各対称軸６１ａ，６２ａが面６９と直交している必要もない。走査ビームＬ２ａの入射側が出射光Ｌ２の出射側に比べて狭かったり、逆に広かったりしてもよい。ψの値が共通でも、プリズム６１，６２の配置角度によって、αやβの値は異なる。もちろん、プリズムの屈折率ｎｄや頂角θによっても、ψとα及びβとの関係は異なる。

ところで、図２において、プリズム６１は走査ビームＬ２ａを図で右方向へ、プリズム６２は走査ビームＬ２ａを図で左方向へ屈折させるため、走査ビームＬ２ａがプリズム６１とプリズム６２の境界付近を通過するときには、出射光Ｌ２の進行方向が急激に変化することになる。また、プリズム６１とプリズム６２の境界で走査ビームＬ２ａが乱反射されることも考えられる。

この点を考慮して、物体検出装置１０は、走査の乱れに起因するノイズを避けるため、走査ビームＬ２ａがプリズム６１とプリズム６２の境界付近を通過する間、例えば図２における２本の破線の光路の間では、ＬＤモジュール２１を消灯する。
このため、図３及び図４に示すように、プリズム６１，６２を通過する出射光Ｌ２により第１走査範囲１１０に形成される主走査線１１１ａには、プリズム６１を通過する光ビームによる第１部分主走査線１１１ａ１とプリズム６２を通過する光ビームによる第２部分主走査線１１１ａ２の間の、走査範囲の中央付近の約２αの走査角の範囲に間隙が生じ、この部分は走査できないデッドゾーン１１１ｃとなる。

物体検出装置１０においては、このデッドゾーン１１１ｃの影響を緩和するために、走査ビームＬ２ａによる副走査範囲の一部に透明板６３を設けている。
この透明板６３は、光線の方向を変更する屈折パワーを有さず、走査ビームＬ２ａをそのまま通過させて、出射光Ｌ２として出射させる。この出射光Ｌ２により、第２走査範囲１２０には、走査範囲１００′と同じく走査角ψの範囲に、主走査線１２１ａが形成され、こちらには中央付近にデッドゾーンが生じない。この主走査線１２１ａは、少なくとも、デッドゾーン１１１ｃの主走査方向範囲をカバーするような主走査方向範囲を持つことが好ましい。

このようにすると、走査範囲１００の全体で見れば、第１走査範囲１１０が持つ広い走査角の全体において、副走査方向のいずれかの位置では走査が可能であることになる。比較的副走査方向に長い物体を検出する場合や、走査範囲１００のサイズに対して比較的大きいサイズの物体を検出すればよい場合などは、その物体の主走査方向位置を、副走査方向の一部の範囲の走査線でカバーできれば、検出に支障はない。このため、デッドゾーン１１１ｃがあったり、第２走査範囲１２０においては走査角が狭かったりしても、この点は大きな問題とならず、全体として約２βの広い走査範囲が得られることによる効果を享受できる。例えば、大きな物体を検出して回避すればよい場合等である。

なお、走査ビームＬ２ａがプリズム６１，６２と透明板６３との境界付近を通過する期間にも、物体検出装置１０は、プリズム６１とプリズム６２の境界の場合と同様な理由により、ＬＤモジュール２１を消灯する。あるいは、境界付近において、１走査線当たりのアクチュエータ３２の回転量を大きくして、境界をスキップする。いずれにしても、第１走査範囲１１０と第２走査範囲１２０との間には、副走査方向にある程度の間隔が生じる。

また、物体検出装置１０においては、図４に示すように、第１走査範囲１１０では、第２走査範囲１２０に比べて、主走査線上に形成される光点１０１がまばらになるようにしている。第１走査範囲１１０の方が第２走査範囲１２０に比べて主走査方向の角度範囲が大きいため、同じ密度で光点１０１を配置しようとすると、点灯間隔をより短く、点灯制御の周波数をより大きくする必要がある。しかし、小型化を考慮した場合、点灯制御の周波数を上げると、放熱の問題や、ＬＤモジュール２１の寿命、出射されるレーザの対眼安全性等の問題が生じることが考えられる。そこで、これらの問題を避けるため、第１走査範囲１１０においても、ＬＤモジュール２１の点灯周期は第２走査範囲１２０と同程度として、光点１０１の分布がまばらであることを許容することにより、小型でも安全かつ信頼性の高い光走査を実現することができる。

また、調整部６０において、透明板６３の部分は、光学的パワーを持たないため、何も設けなくても構わない。また、副走査方向の全長に亘ってプリズム６１，６２を設ける構成も妨げられない。この構成では、デッドゾーン１１１ｃの主走査範囲を主走査線１２１ａにより補うことができないが、主走査方向の一部範囲の走査ができなくても問題ない場合には、この構成でも、走査範囲拡大の効果自体は享受できる。

また、２つのプリズム６１，６２を用いることは必須ではなく、走査ビームＬ２ａが主走査方向の全長に亘って入射する１つのプリズムを用いることも考えられる。プリズム６１，６２を用いる場合に比べ、走査範囲拡大の効果は落ちるが、プリズムへのビームの入射角に応じて、屈折により生じる入射と出射との角度差が異なるため、その角度差の変化分だけ、走査ビームＬ２ａに比べ出射光Ｌ２の走査範囲を拡大することが可能である。１つのプリズムを用いる場合には、デッドゾーンも生じない。

また、プリズム６１，６２に代えて、走査ビームＬ２ａが入射する面と出射光Ｌ２が出射する面の少なくとも一方が曲面である凹レンズを用いても、走査ビームＬ２ａの進行方向を広げ出射光Ｌ２の走査範囲を拡大すること自体は可能である。しかし、ビームが曲面を通過すると収差が生じて光点１０１がぼやけてしまい、反射光が検出しにくくなる。複数のレンズを組み合わせることにより収差を補正することもできるが、そうするとサイズやコストの増加につながる。しかし、この点が障害とならなければ、凹レンズも採用可能である。ビームが通過する面が平面のみであるプリズム６１，６２であれば、収差は生じず、このような問題はない。

次に、物体検出装置１０の概略の構造について、図５を用いて説明する。図５は、物体検出装置１０の主な構成要素の構造を示す分解斜視図である。
物体検出装置１０は、図５に示すように、トップカバー７１とリアカバー７２を、２つのカバークリップ７３，７３により結合した外装を備える。また、トップカバー７１は、走査ビームＬ２ａを通過させるための窓を備え、その窓には塵の侵入を防ぐための、走査ビームＬ２ａの波長において透明な保護材７４が嵌められている。

また、窓の外側に設けられた窪み７５に、プリズム６１，６２及び透明板６３を一体に形成した光学部材である調整部６０が装着されている。窓を通過した走査ビームＬ２ａがさらにこの調整部６０を通過することにより、主走査線１１１ａ，１２１ａを含む出射光Ｌ２となる。調整部６０は、接着等によりトップカバー７１に固定してもよいし、着脱可能としてもよい。着脱可能とすれば、広範囲の走査が必要な場合に調整部６０を装着し、デッドゾーン１１１ｃのない走査が必要な場合に調整部６０を取り外す等して、走査範囲を容易に変更することができる。

これらの筐体の内側に、図１に示した調整部６０以外の各構成要素が格納されている。ミラー４５は、図１には示していないが、ミラー４１と集光レンズ４２の間にあって戻り光Ｌ４の向きを変えるための光学素子である。レーザ駆動回路２２、プロセッサ５３等の回路やモジュール間の配線は、図を見やすくするため図５では図示を省略している。

次に、図６を用いて、アクチュエータ３１の詳細な構成について説明する。
図６は、アクチュエータ３１の、ミラー３１ａの回転軸に垂直な面かつコイルのコア３１１の位置での模式的な断面図である。
図６に示すように、アクチュエータ３１においては、ミラー３１ａが、直線状の突起部３０２ｃと平面部３０２ｂとを有するねじりばね３０２の一方の面に、ホルダ３２３を介して突起部３０２ｃを跨ぐように固定され、ねじりばね３０２の端部（図６で奥側と、図に表れない手前側）にある平面部３０２ａを支持部材としてのトップヨーク３１４に固定されている。そして、ねじりばね３０２の他方の面側に、Ｎ極３２１ｎとＳ極３２１ｓとが突起部３０２ｃを跨ぐように配置された永久磁石３２１が固定されている。

また、駆動コイル３１６が、その一端が永久磁石３２１と対向するように、強磁性体によるコア３１１に巻き回されて配置されている。同じコア３１１を用いて、センシングコイル３１７も設けられている。枠ヨーク３１２とトップヨーク３１４が、これらのコイルを囲む磁性体による外装を形成する。また、外装に覆われない位置に、駆動コイル３１６へ駆動信号を印加するための端子と、センシングコイル３１７に発生する信号を出力するための端子が設けられている。

駆動コイル３１６に通電し、例えば永久磁石３２１と対向する側の端部がＮ極となると、永久磁石３２１のＳ極３２１ｓが駆動コイル３１６に引き寄せられる。それに応じてねじりばね３０２は回転軸３０４を中心に時計回りに回転してねじれ、ミラー３１ａも、回転軸３０４を中心に時計回りに回転する。そして、駆動コイル３１６と永久磁石３２１の間に生じる磁力と、ねじりばね３０２の復元力とが釣り合う位置で回転が止まる。駆動コイル３１６に流す電流の強さを変えることにより、この回転の速さと停止位置を調整可能である。駆動コイル３１６への通電方向を逆向きにすると、ねじりばね３０２及びミラー３１ａは同様に反時計回りに回転する。

駆動コイル３１６に印加する駆動信号の電圧又は電流の向きを定期的に反転させることにより、図６に矢印Ｖで示すようにミラー３１ａに上記の時計回り及び反時計回りの回転を交互に行わせ、回転軸３０４の廻りを所定の角度範囲で回転する往復運動（揺動）をさせることができる。

次に、図７乃至図９を用いて、アクチュエータ３１による揺動動作の特性について説明する。図７は、ミラー３１ａの走査角と走査角速度の絶対値との関係を示すグラフ、図８は、ＬＤモジュール２１の駆動信号の例を示す図、図９は、走査線上に形成される走査ビームＬ２ａによる光点の例を示す図である。

発明者らの実験により、アクチュエータ３１により揺動されるミラー３１ａの移動速度は一定ではないことがわかっている。ミラー３１ａは揺動経路の端部では停止し、他の部分では動いているので、移動速度に変動があるのは明らかだが、その速度は、図７に示すように、概ね揺動経路の端部に行くほど遅く、中央部に行くほど速くなっている。反時計回りに回転する際も時計回りに回転する際も、移動の向きが異なるのみで、同じ位置であれば速さはほぼ等しい。

そこで、図７では、揺動経路上の位置（回転角により表現し、「走査角」と呼ぶことにする）を横軸に、その位置での角速度の絶対値を縦軸に取って速度の変化を図示している。
このようにミラー３１ａの回転速度に変動があるため、図８に示すような等間隔のパルスを有する駆動信号ｄｒｖ１によりＬＤモジュール２１を駆動すると、走査ビームＬ２ａによる走査線１００ａ上には、図９に示すように光点１０１が形成されることになる。すなわち、主走査方向の中央部では粗く、端部では細かく分布する光点が形成される。このため、物体の検出分解能も、中央部では端部よりも粗くなってしまう。

次に、出射光Ｌ２について考えると、透明板６３を通過する部分については、走査線１２１ａ上の光点分布は図９と同様であるが、プリズム６１，６２を通過する部分については、プリズム６１，６２の影響を受けることになる。
図１０に、ミラー３１ａにより反射されプリズム６１，６２に入射する走査ビームＬ２ａの進行方向ω１と、プリズム６１，６２通過後の出射光Ｌ２の進行方向ω２との関係を示す。各軸の値は、図２の面６９とω１，ω２とがなす角を、面６９から見て反時計回りをプラスの角度として表している。

図１０において、ω１とω２がプラスの部分が、プリズム６１を通るビームに、ω１とω２がマイナスの部分が、プリズム６２を通るビームにそれぞれ該当する。ω１の絶対値が最大の箇所が、走査ビームＬ２ａの主走査方向端部と対応し、ω１がゼロ付近の線が途切れている部分は、主走査方向中央部のデッドゾーン１１１ｃに対応する。そして、各タイミングにおける出射光Ｌ２の進行方向ω２は、ミラー３１ａの角度によって規定される各タイミングのω１を、図１０の関係に従って換算した方向となる。

ω１とω２の関係はプリズム６１，６２の屈折率ｎｄ及び頂角θや、配置角度によって異なるが、一般には、図１０に示すように、単純な線形関係にはならない。また、この実施形態においては、ω１の変化速度よりもω２の変化速度の方が大きく、かつω１の絶対値が大きくなるほど（主走査方向端部に近いほど）ω２の変化速度が大きい。
このようなω１とω２の関係を予め測定して求めておくことは可能である。従って、測定で得た対応関係やその近似式を制御回路から参照できるようにしておき、かつ、各タイミングのω１を取得できるようにすれば、物体検出装置１０は、走査中にリアルタイムでω２の値を求めることができる。

物体検出装置１０には、以上のアクチュエータ３１による揺動動作の特性と、プリズム６１，６２の特性とを考慮して、出射光Ｌ２による各主走査線１１１ａ，１２１ａ上に光点１０１がそれぞれ等間隔で分布するように、ＬＤモジュール２１の駆動信号のパルスの間隔を制御する機能を設けている。なお、主走査線１１１ａ上と主走査線１２１ａ上とで光点１０１の間隔が異なってよいことは、上述の通りである。

次に、図１１を用いて、この制御を行う制御回路の動作及び機能について説明する。図１１は、その制御回路及び周辺回路の構成を示す図である。
図１１に示す制御回路３５１は、周期制御部に該当し、大きく分けて、アクチュエータ３１，３２の駆動制御、ミラー３１ａの回転速度の検出、及びＬＤモジュール２１の点灯間隔の制御に関する動作を行う。

まず、アクチュエータ３１，３２の駆動制御については、制御回路３５１は、駆動信号生成回路３５２に対し、アクチュエータ３１に実行させる走査の範囲や周期の値を設定する。駆動信号生成回路３５２は、その設定された値に従い、適当な周期で変動する電圧の、適当なレベルの駆動信号３５３を生成してアクチュエータ３１の駆動コイル３１６に印加する。このことにより、図６を用いて説明したように、アクチュエータ３１にミラー３１ａを揺動させることができる。

また、制御回路３５１は、アクチュエータ３１が揺動範囲の端部に到達するタイミングで、アクチュエータ３２を副走査方向へ主走査線の間隔分だけ回転させるための駆動信号を生成し、アクチュエータ３２へ出力する。アクチュエータ３２が副走査方向の端部に到達すると、制御回路３５１は、アクチュエータ３２の回転方向を反転させて、次のフレームの走査を行う。この場合、ミラー３２ａは往復回転運動をする。

次に、ミラー３１ａの回転速度の検出については、検出回路３５４が、アクチュエータ３１のセンシングコイル３１７に生じる誘導電圧を検出し、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）３５５がリアルタイムでその電圧をデジタル値に変換し、その値を差分算出部３５７によって補正して制御回路３５１に供給する。制御回路３５１は、その電圧値に基づき、ミラー３１ａの回転速度を算出する。センシングコイル３１７の巻数は、駆動コイル３１６と同じで、駆動コイル３１６と逆巻きにするとよいが、これに限られることはない。

ここで、ミラー３１ａを揺動させる際、センシングコイル３１７には、２種類の要因による誘導起電力が発生する。
１つめの要因は、駆動コイル３１６に印加される駆動信号の電圧変動によって駆動コイル３１６が発生する磁界の強さ及び向きが変動することによる誘導起電力である。
２つ目の要因は、永久磁石３２１が揺動することによって生じる磁界の強さの変動による誘導起電力である。永久磁石３２１が図６を用いて説明したように揺動する場合、それによってセンシングコイル３１７内に生じる磁界の強さの変動速度は、概ね永久磁石３２１の回転角速度に比例すると考えることができる。永久磁石３２１の回転角速度は、すなわちミラー３１ａの回転角速度でもあるので、２つめの要因で生じる誘導起電力の強さは、ミラー３１ａの回転角速度に比例すると考えることができる。

相互誘導電圧パターン記憶部３５６及び差分算出部３５７は、以上のうち１つめの要因による誘導起電力分の値をＡＤＣ３５５の出力から差し引くために設けたものである。
すなわち、相互誘導電圧パターン記憶部３５６は、アクチュエータ３１において、永久磁石３２１を取り外した状態で駆動信号を駆動コイル３１６に印加した場合に相互誘導によりセンシングコイル３１７に生じる誘導電圧の電圧値の推移を、駆動信号の１周期分、駆動信号の位相と対応付けて記憶している。そして、駆動信号生成回路３５２は、ミラー３１ａを揺動させるために駆動信号を駆動コイル３１６に印加する際、相互誘導電圧パターン記憶部３５６に対し、駆動信号の位相を示すタイミング信号Ｔｍを供給する。相互誘導電圧パターン記憶部３５６は、このタイミング信号Ｔｍに基づき、現在のタイミングと対応する電圧値を、差分算出部３５７へ供給する。

差分算出部３５７は、ＡＤＣ３５５から供給される、実際にセンシングコイル３１７に生じている誘導電圧の値から、相互誘導電圧パターン記憶部３５６から供給される電圧値を、相互誘導の寄与分として減算し、その結果の差分を制御回路３５１へ供給する。
以上により、制御回路３５１へ、ミラー３１ａの回転角速度に比例した誘導電圧の値を供給することができる。制御回路３５１へ供給される誘導電圧の変化を、ミラー３１ａの揺動範囲の一端から他端まで半周期分の時間を横軸に取ってプロットすると、グラフ３７１に示すように、図７に示した回転角速度のグラフと概ね同様な形状になると考えられる。

制御回路３５１は、時刻ｔにおいて差分算出部３５７から供給される電圧値ＶＲ（ｔ）に、予め求めて設定された比例定数Ｋを乗じて、ミラー３１ａの角速度ω（ｔ）を、ω（ｔ）＝Ｋ×ＶＲ（ｔ）により求める。
Ｋの値は、例えば、半周期分のミラー３１ａの回転角を他の手段で計測した値と、半周期分の電圧値ＶＲ（ｔ）の積分値とを比較することにより求められる。
なお、センシングコイル３１７に生じる誘導電圧の電流値を用いても、同様にω（ｔ）を求めることができる。

次に、ＬＤモジュール２１の点灯間隔の制御については、制御回路３５１が、上述のω（ｔ）に基づき行うが、この際に、図１０を用いて説明したプリズム６１，６２の特性に基づく補正値も参照して行う。
光学補正値出力部３６１が、この補正値を出力する。具体的には、ミラー３１ａの現在の角度ω１として、走査ビームＬ２ａの主走査方向の現在位置を求め、この現在位置と、図１０に示した関係とから、現在の、ω１の変化量に対するω２の変化量の割合であるｄω２／ｄω１を求めて、補正値として出力する。また、現在、走査ビームＬ２ａがプリズム６１，６２に入射しているか、透明板６３に入射しているかによって、ω１とω２の関係が変わる（透明板６３に入射している間はω１＝ω２である）ので、光学補正値出力部３６１は、走査ビームＬ２ａの副走査方向の現在位置にも基づき、補正値の出力を行う。

主走査方向の現在位置については、駆動信号生成回路３５２がタイミング信号Ｔｍに基づき、差分算出部３５７が出力するω（ｔ）を積分することにより求めることができる。すなわち、主走査方向の端部からスタートして、タイミング信号Ｔｍの間隔毎に、角速度ω（ｔ）に基づき前回算出時点からの移動量を求めることができるので、この移動量を加算していけば、各タイミングでの現在位置を求めることができる。また、このような算出を、主走査方向走査の複数周期に亘って行えば、主走査の１周期内の各タイミングでの現在位置の概算値を求めることができる。そこで、初めにその概算値を求めて、走査の条件が維持される間は、タイミング信号Ｔｍが示す位相に基づき、その位相に対応する概算値を、現在位置として用いることもできる。

副走査方向の現在位置については、ミラー３２ａの回転位置に対応するが、走査範囲１００全体の走査１回当たりの主走査線の本数が既知であるので、タイミング信号Ｔｍに基づき主走査の回数をカウントすることにより、求めることができる。副走査カウンタ３６２がこのカウントを行い、副走査方向位置をプリズム境界制御部３６３へ出力する。

プリズム境界制御部３６３は、その副走査方向位置に基づき、走査ビームＬ２ａがプリズム６１，６２に入射しているか、透明板６３に入射しているかを示す信号を、光学補正値出力部３６１及び制御回路３５１へ出力する。また、プリズム境界制御部３６３は、上記副走査方向位置と、タイミング信号Ｔｍが示す位相とに基づき、走査ビームＬ２ａが、プリズム６１とプリズム６２との間の境界、または、プリズム６１，６２と透明板６３との間の境界付近に入射する、ビームを消灯すべきタイミングを検出し、そのことを示す信号を制御回路３５１へ出力する。
光学補正量記憶部３６４は、図１０に示したω１とω２の関係を、テーブルや換算式等の形で予め記憶しておく。この関係は、走査ビームＬ２ａの副走査方向の位置と対応付けて記憶させておくとよい。

光学補正値出力部３６１は、プリズム境界制御部３６３からの信号に基づき光学補正量記憶部３６４を参照して、走査ビームＬ２ａの副走査方向の現在位置と対応するω１とω２の関係を取得し、その関係と、主走査方向の現在位置とに基づき、ｄω２／ｄω１を求めて制御回路３５１へ出力する。

なお、予めω１とｄω２／ｄω１との関係を求めて光学補正量記憶部３６４へ記憶させておいてもよい。また、グラフ３７１からわかるように、主走査１周期内の大まかな位相（前半か後半か）が特定されれば、ω（ｔ）とω１は１対１対応であるので、ω（ｔ）とω２、あるいはω（ｔ）とｄω２／ｄω１との関係を予め求めて光学補正量記憶部３６４へ記憶させておくことも可能である。この場合、光学補正値出力部３６１は、必ずしも各時点のω１を求めなくても、タイミング信号Ｔｍとω（ｔ）の現在値とからｄω２／ｄω１を得ることができる。

いずれの手法を採っても、実質的に、走査ビームＬ２ａの主走査方向及び副走査方向の現在位置と対応する、調整部６０の特性に基づき、当該位置における走査ビームＬ２ａの進行方向と出射光Ｌ２の進行方向との関係から、ＬＤモジュール２１の点灯間隔の制御に用いるｄω２／ｄω１の値を得る点では共通である。

制御回路３５１は、以上のω（ｔ）及びｄω２／ｄω１を用いて、出射光Ｌ２の主走査線１１１ａ，１２１ａ上で所望の分解能が得られるようにＬＤモジュール２１を点灯させるための点灯間隔Ｔを求めることができる。分解能をξ度とすると、Ｔ＝π・（ξ／１８０）／ω（ｔ）／（ｄω２／ｄω１）である。

制御回路３５１は、ＬＤモジュール２１の点灯間隔の制御を行うため、差分算出部３５７からの電圧値ＶＲ（ｔ）（又はω（ｔ））の供給と、光学補正値出力部３６１からのｄω２／ｄω１の供給とに応じて、リアルタイムで点灯間隔Ｔを求め、そのＴの値を示すパルス幅変調信号をパルス発生器３５８へ供給する。主走査線１１１ａ上と主走査線１２１ａ上では分解能を変えてよいことは上述の通りであり、この場合、点灯間隔Ｔの算出に当たって、プリズム境界制御部３６３から供給される副走査方向位置の情報と対応するξの値を用いるとよい。

パルス発生器３５８は、そのパルス幅変調信号に従ってパルス幅変調を行い、間隔Ｔのパルスを有するタイミング信号を生成してレーザ駆動回路２２に供給する。レーザ駆動回路２２は、パルス発生器３５８から供給されるタイミング信号に含まれるパルスのタイミングでＬＤモジュール２１を点灯させる駆動信号を生成して、ＬＤモジュール２１へ供給する。

また、制御回路３５１は、プリズム境界制御部３６３から供給される消灯タイミング信号に基づき、ＬＤモジュール２１の点灯オンオフを制御するオンオフ信号をパルス発生器３５８へ出力する。パルス発生器３５８は、このオンオフ信号に基づき、ＬＤモジュール２１を消灯すべき期間には、駆動信号をオフにする。プリズム６１とプリズム６２との間の境界で消灯する制御は、第１境界制御部の機能に対応し、プリズム６１，６２と透明板６３との間の境界で消灯する制御は、第２境界制御部の機能に対応する。

制御回路３５１がパルス発生器３５８へ供給するパルス間隔を、グラフ３７１と同様に時間を横軸に取ってミラーの揺動範囲の一端から他端までの期間について示すと、グラフ３７３のようになる。グラフ３７２は、調整部６０による光路の変化、すなわちｄω２／ｄω１を考慮しない場合のパルス間隔である。
グラフ３７２では、制御回路３５１は、センシングコイル３１７に発生する誘導電圧に応じて、ミラー３１ａが揺動経路の中央付近にあってその誘導電圧が高いレベル（第１レベル）である場合に、ミラー３１ａが揺動経路の端部付近にあってその誘導電圧が低いレベル（第２レベル）である場合に比べて、ＬＤモジュール２１の点滅周期を短くするような制御を行っていることになる。

また、制御回路３５１は、これに加え、ミラー３１ａが揺動経路の端部付近にあってプリズム６１，６２の屈折による光路の変化が大きい場合に、ミラー３１ａが揺動経路の中央付近にあってプリズム６１，６２の屈折による光路の変化が小さい場合と比べて、ＬＤモジュール２１の点滅周期を短くするような制御を行っていることになる。

その結果、レーザ駆動回路２２が生成するＬＤモジュール２１の駆動信号は、図１２に示すｄｒｖ２のように、ミラー３１ａの位置に応じて異なるパルス間隔のものになる。そして、このように点灯制御されたレーザビームＬ１を、ミラー３１ａ，３２ａで偏向し、調整部６０で屈折させて得られる光点１０１は、図４に示したように、主走査方向の走査線１１１ａ上に、（デッドゾーン１１１ｃを除き）その全長に亘って概ね等間隔で配列されることになる。そして、このことにより、物体検出装置１０は、物体の検出を、主走査線１１１ａ，１２１ａが走査する領域毎に、その領域内において概ね均等な分解能で行うことができる。

なお、視界内の中央付近を高密度で走査したい等の要求がある場合、光学補正値出力部３６１が求める走査ビームＬ２ａの主走査方向の位置に応じてξの値を調整すれば、主走査方向の位置毎に光点１０１の分布密度を変えることもできる。
副走査方向については、主走査方向の１ライン分の走査を行う間ミラー３２ａを静止させており、また、調整部６０が光路の向きを副走査方向に変化させることがないため、上述のような問題は起こらず、点灯間隔の調整は不要である。

なお、上述した制御回路３５１は、プロセッサ５３の一部として設けても、プロセッサ５３と別に設けてもよい。また、制御回路３５１の機能は、専用のハードウエアによって実現しても、汎用のプロセッサにソフトウエアを実行させることにより実現しても、それらの組み合わせでもよい。

また、図１１では、センシングコイル３１７に生じる誘導電圧の電圧値に基づきミラー３１ａの回転速度を検出する例について説明したが、角度センサや撮影画像の解析等によりミラー３１ａの位置をまず検出し、その変化速度に基づき回転速度を検出することも考えられる。ミラー３２ａの回転位置についても、同様に測定により求めることが考えられる。

〔第１実施形態の変形例（図１３乃至図１５）〕
次に、図１３乃至図１５を用いて、以上説明してきた第１実施形態の変形例について説明する。
図１３は、変形例におけるプリズム６１の形状を示す図である。図１４は、変形例におけるプリズムを通過する走査ビームＬ２ａの光路を模式的に示す、図２と対応する図である。図１５は、変形例における調整部６０を構成する光学部材の構成を示す斜視図である。

図１３乃至図１５の変形例は、プリズム６１，６２をそれぞれ複数のパーツで構成した点が上述の第１実施形態と異なるのみであり、他の点は共通であるので、この相違点についてのみ説明する。第１実施形態と共通する又は対応する部分には、第１実施形態と同じ符号を用いる。
この変形例では、図１３及び図１４に示すように、第１実施形態のプリズム６１に代えて、同じ頂角θを持つ小型のプリズム６１ａ，６１ｂを、走査ビームＬ２ａが入射する側の面が共通の平面上に来るように並べて配置している。このように複数のプリズムに分割しても、頂角が同じであり、かつ同じ向きに配置されていれば、全体として、プリズム６１と同じ屈折力を得ることができる。

一方、プリズム６１ａ，６１ｂでは、プリズム６１よりも、頂角と対面している底辺を短くできるため、薄肉化と軽量化を図ることができる。なお、プリズム６１ａとプリズム６１ｂの境界付近を通過する光には、頂点位置での乱反射が起こる可能性があるので、境界付近ではＬＤモジュール２１を消灯してもよい。しかし、全体としては境界付近で出射光Ｌ２の進行方向が急激に変動することはないので、必ずしも消灯する必要はなく、隣り合う光点１０１の間に境界が位置するように点灯タイミングを調整する程度で十分である。
プリズム６２も、同様に小型のプリズム６２ａ，６２ｂに分割して設けている。

調整部６０の光学部材の具体的構造としては、図１５に示すように、全てのプリズム６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂを、走査ビームＬ２ａが入射する側の面が共通の平面上に来るように並べ、走査ビームＬ２ａが入射する側に、共通の透明板６４を加えた形状として構成するとよい。このような構造とすれば、プリズム６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ及び透明板６３，６４を全て樹脂により一体成型することができ、低コストで製造できると共に、部品点数を削減することができる。
ただし、このように一体化することは必須ではなく、プリズム６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂを個別に設けてもよい。また、プリズム６１，６２に相当する屈折力を持つプリズムを、それぞれ３以上に分割して設けてもよい。

〔第２実施形態（図１６乃至図２２）〕
次に、この発明の第２実施形態である物体検出装置１０について説明する。
第２実施形態は、調整部６０−１に、走査ビームＬ２ａの副走査方向の進行方向を調整する機能を持たせた点が上述の第１実施形態と異なるのみであり、他の点は共通である。そこで、図１６乃至図１８を用いてこの相違点について説明し、他の部分の説明は省略する。第１実施形態と共通する又は対応する部分には、第１実施形態と同じ符号を用いる。
図１６は、第２実施形態における調整部６０−１を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を、副走査方向の進行方向に注目して模式的に示す図である。図１７は、第２実施形態における調整部６０−１を構成する光学部材の構成を示す斜視図である。図１８は、第２実施形態において出射光Ｌ２により形成される走査線の例を示す、図４と対応する図である。

第２実施形態の調整部６０−１では、プリズム６１，６２は第１実施形態と共通であるが、透明板６３に代えて図１７に示すようなプリズム６５を設けている。プリズム６５は、図１６に示すように、入射する走査ビームＬ２ａの副走査方向の進行方向を、プリズム６１，６２を通過した出射光Ｌ２に近づく方向へ屈折させる第３光学素子である。プリズム６５は、プリズム６５を通過した出射光Ｌ２の副走査方向の進行範囲（図１６のｃ−ｄ間の範囲）が、プリズム６１，６２を通過した出射光Ｌ２の進行範囲（図１６のａ−ｂ間の範囲）と平行に拡がるように、すなわち、ａとｃ、ｂとｄがそれぞれ平行になるように、頂角、屈折率及び配置角度などを定めるとよい。また、プリズム６５も、プリズム６１，６２と同様、ビームの入射側と出射側の面は平面であるとよい。

第２実施形態においては、以上のようなプリズム６５の機能により、物体検出装置１０の外部の、物体検出装置１０からある程度離れた位置では、図１８に示すように第１走査範囲１１０と第２走査範囲１２０とを副走査方向に実質的に重ねることができる。従って、第１走査範囲１１０ではデッドゾーン１１１ｃとなる範囲も、第２走査範囲１２０の主走査線１２１ａにより走査することができる。また、主走査線１１１ａと主走査線１２１ａとが重なる範囲は、２重に走査できるので、高密度の走査が可能である。
正確には、第１走査範囲１１０と第２走査範囲１２０には、プリズム６１，６２とプリズム６５の位置の違い分だけずれが生じ、ａ−ｃ間、ｂ−ｄ間はゼロにはならないが、各プリズムのサイズは例えば数センチメートル程度であるので、ａ−ｂ間及びｃ−ｄ間が大きく拡がる数十メートル先ではこのずれは無視できる。より近い範囲でも、さほど大きな問題にはならない。

なお、プリズム６５を通過した出射光Ｌ２の進行範囲と、プリズム６１，６２を通過した出射光Ｌ２の進行範囲を完全に平行にせず、若干ずらすことにより、第１走査範囲１１０と第２走査範囲１２０とを部分的に重ね、デッドゾーン１１１ｃを部分的に第２走査範囲でカバーすることもできる。第１走査範囲１１０と第２走査範囲１２０とが重なった分だけ走査範囲１００の全体で見た副走査方向の幅は小さくなるので、デッドゾーン１１１ｃのカバー度合いとのトレードオフとなる。

なお、第２実施形態と同様な効果は、プリズム６１，６２を通過した走査ビームＬ２ａの進行方向を、透明板６３を通過した出射光Ｌ２に近づく方向へ屈折させることによっても実現できる。
この屈折は、例えば、第１実施形態の調整部６０に加えて、プリズム６５と逆向きのプリズム６６を設けることにより実現できる。

図１９は、プリズム６１，６２に加えてプリズム６６を設けた調整部６０−２を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を示す、図１６と対応する図である。図２０は、この場合の光学部材の構成を示す、図１７と対応する図である。
また、同様な屈折を、プリズム６１，６２の、ビームの入射側及び／又は出射側の面を副走査方向に傾け、プリズム６１，６２にプリズム６６と同様な機能を付加することによっても実現できる。

図２１は、プリズム６１，６２に代えて、出射側の面を傾けることによりプリズム６６の機能を付加したプリズム６７，６８を設けた調整部６０−３を通過する走査ビームＬ２ａ及び出射光Ｌ２の光路を示す、図１６と対応する図である。図２２は、この場合の光学部材の構成を示す、図１７と対応する図である。
また、プリズム６５を用いる場合にも、図１９及び図２０の場合と同様に、プリズム６５を透明板６３と別に設けることも考えられる。
また、プリズム６５〜６８のような第３光学素子を、図１３乃至図１５を用いて説明した例と同様に、同一の屈折パワーを持つ複数の小型プリズムの組み合わせとして設けてもよい。これらの小型プリズムに、共通の透明板を加えてよいことも、図１３乃至図１５を用いて説明した例と同様である。

〔その他の変形例〕
以上で実施形態の説明を終了するが、この発明において、装置の具体的な構成、具体的な動作の手順、部品の具体的な形状等は、上述の各実施形態で説明したものに限るものではない。
また、上述した物体検出装置１０は、人の手のひらに載る程度のサイズで構成可能であり、自動車やドローンなどの移動体に搭載して、自動運転のための障害物検出装置として用いるために好適なものであるが、その利用目的はこれに限られない。柱や壁等に固定して、定点観測に用いることもできる。

また、この発明のプログラムの実施形態は、１のコンピュータに、あるいは複数のコンピュータを協働させて、所要のハードウエアを制御させ、上述した実施形態における物体検出装置１０における、ＬＤモジュール２１の発光タイミング調整機能を含む機能を実現させ、あるいは上述した実施形態にて説明した処理を実行させるためのプログラムである。

このようなプログラムは、はじめからコンピュータに備えるＲＯＭや他の不揮発性記憶媒体（フラッシュメモリ，ＥＥＰＲＯＭ等）などに格納しておいてもよい。メモリカード、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等の任意の不揮発性記録媒体に記録して提供することもできる。さらに、ネットワークに接続された外部装置からダウンロードし、コンピュータにインストールして実行させることも可能である。

また、以上説明してきた実施形態及び変形例の構成が、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であり、また、一部のみを取り出して実施することができることは、勿論である。

１０…物体検出装置、２０…投光部、２１…ＬＤモジュール、２２…レーザ駆動回路、２３…投光光学系、３０…走査部、３１，３２…アクチュエータ、３１ａ，３２ａ…ミラー、４０…受光部、４１，４５…ミラー、４２…集光レンズ、４３…受光素子、４４…アパーチャー、５１…フロントエンド回路、５２…ＴＤＣ、５３…プロセッサ、５４…入出力部、６０，６０−１〜３…調整部、６１，６１ａ，６１ｂ，６２，６２ａ，６２ｂ，６５〜６８…プリズム、６３，６４…透明板、６９…プリズム６１と６２の境界を通る面、７１…トップカバー、７２…リアカバー、７３…カバークリップ、７４…保護材、７５…窪み、１００，１００′…走査範囲、１０１…光点、１０１ａ，１０１ｂ…走査線、１１０…第１走査範囲、１１１ａ…主走査線、１１１ａ１…第１部分主走査線、１１１ａ２…第２部分主走査線、１１１ｃ…デッドゾーン、１２０…第２走査範囲、１２１ａ…主走査線、３１６…駆動コイル、３１７…センシングコイル、３５１…制御回路、３５３…駆動信号、Ｌ１…レーザビーム、Ｌ２…出射光、Ｌ２ａ…走査ビーム、Ｌ３，Ｌ４…戻り光

Claims (22)

1. 光ビームにより、互いに副走査方向の位置が異なる複数の主走査線を形成する走査部と、
   前記走査部が形成した前記複数の主走査線のうち一部の主走査線に光学部材を通過させて屈折させることにより、前記複数の走査線による走査範囲を、前記複数の主走査線のうち前記一部の主走査線が、前記複数の主走査線のうち残りの主走査線よりも主走査方向に広い範囲を走査するように調整する調整部とを備えることを特徴とする光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置であって、
   前記光学部材は、
   前記一部の主走査線を形成する光ビームのうち、第１主走査範囲を通過する光ビームを、主走査方向の一端側に近いほど強く前記一端側へ屈折させる第１光学素子と、
   前記一部の主走査線を形成する光ビームのうち、前記第１主走査範囲よりも前記主走査方向の他端側に近い位置にあり、前記第１主走査範囲と重ならない第２主走査範囲を通過する光ビームを、前記他端側に近いほど強く前記他端側へ屈折させる第２光学素子とを備えることを特徴とする光走査装置。
3. 請求項２に記載の光走査装置であって、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子はそれぞれ、前記光ビームが通過する面が平面であることを特徴とする光走査装置。
4. 請求項２又は３に記載の光走査装置であって、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子とが主走査方向に隣り合うように配置され、
   前記光ビームが前記第１光学素子と前記第２光学素子との境界付近の所定範囲を通過する期間、前記光ビームを消灯する第１境界制御部を備えることを特徴とする光走査装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
   前記一部の主走査線においては、前記第１光学素子を通過する光ビームにより形成される第１部分主走査線と、前記第２光学素子を通過する光ビームにより形成される第２部分主走査線との間に間隙があり、
   前記残りの主走査線は、少なくとも前記間隙がある主走査方向範囲をカバーする主走査方向範囲を走査することを特徴とする光走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
   前記一部の主走査線が分布する第１副走査範囲と、前記残りの主走査線が分布する第２副走査範囲とが、当該光走査装置の外部において少なくとも一部重なることを特徴とする光走査装置。
7. 請求項６に記載の光走査装置であって、
   前記調整部が、
   前記一部の主走査線を形成する光ビームと、前記残りの主走査線を形成する光ビームとのうち一方又は両方を、前記第１副走査範囲と前記第２副走査範囲とが近づく方向へ屈折させる第３光学素子を備えることを特徴とする光走査装置。
8. 請求項７に記載の光走査装置であって、
   前記光ビームが前記一部の主走査線を形成する期間と前記光ビームが前記残りの主走査線を形成する期間との境界付近の所定期間、前記光ビームを消灯する第２境界制御部を備えることを特徴とする光走査装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
   前記走査部は、点滅する光ビームにより、互いに平行な前記複数の主走査線を形成し、
   前記調整部による調整後は、前記一部の主走査線上では、前記残りの主走査線上よりも、前記光ビームにより形成される光点がまばらであることを特徴とする光走査装置。
10. 請求項９に記載の光走査装置であって、
    前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが前記調整部による調整後に進む方向との対応関係を取得する取得部と、
    前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置と、前記取得部が取得した対応関係とに基づき、前記光ビームの点滅周期を制御する周期制御部とを備えることを特徴とする光走査装置。
11. 請求項９に記載の光走査装置であって、
    前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが前記調整部による調整後に進む方向との対応関係を、前記走査部から出射される光ビームの副走査方向の位置と対応付けて取得する取得部と、
    前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置及び前記副走査方向の位置と、前記取得部が取得した対応関係とに基づき、前記光ビームの点滅周期を制御する周期制御部とを備えることを特徴とする光走査装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の光走査装置であって、
    前記周期制御部が、前記調整部による調整後の各主走査線上の光点分布がそれぞれ等間隔になるように前記点滅周期を制御することを特徴とする光走査装置。
13. 請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の光走査装置であって、
    前記走査部は、
    第１回転軸を中心に第１ミラーを往復回転運動させる第１アクチュエータと、
    前記第１回転軸と異なる第２回転軸を中心に第２ミラーを回転運動させる第２アクチュエータとを備え、
    光ビームを前記第１ミラー及び前記第２ミラーで反射した後で出力し、
    前記第１ミラーの向きの変化に応じて前記主走査線が形成され、
    前記周期制御部は、前記第１ミラーの回転速度を検出し、その回転速度にも基づき、前記光ビームの点滅周期を制御することを特徴とする光走査装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光走査装置と、
    受光素子と、
    外部から入射する入射光を導光し、前記光走査装置による光ビームの投光と同じ光軸で前記受光素子へ導く光学系と、
    前記光ビームの投光タイミング及び投光方向と、前記受光素子が出力する光検出信号のタイミングとに基づき、前記光ビームの光路上の物体までの距離及びその物体がある方向を検出する物体検出部とを備え、
    前記光ビームがレーザビームであることを特徴とする物体検出装置。
15. 光ビームにより形成した、互いに副走査方向の位置が異なる複数の主走査線により走査を行い、
    前記複数の主走査線のうち一部の主走査線に光学部材を通過させて屈折させ、このことにより、前記複数の主走査線のうち前記一部の主走査線が、前記複数の主走査線のうち残りの主走査線よりも主走査方向に広い範囲を走査することを特徴とする光走査方法。
16. 請求項１５に記載の光走査方法であって、
    前記光ビームの光源からの距離が有効走査範囲である領域内において、前記一部の主走査線が分布する第１副走査範囲と、前記残りの主走査線が分布する第２副走査範囲とが、少なくとも一部重なることを特徴とする光走査方法。
17. 請求項１５又は１６に記載の光走査方法であって、
    点滅する光ビームにより、互いに平行な前記複数の主走査線により走査を行い、
    前記一部の主走査線に前記光学部材を通過させた後は、前記一部の主走査線上では、前記残りの主走査線上よりも、前記光ビームにより形成される光点がまばらであることを特徴とする光走査方法。
18. 請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の光走査方法により所定視野範囲の走査を行い、
    前記所定視野範囲から入射する入射光を前記光ビームの投光と同じ光軸で受光素子へ導き、
    前記光ビームの投光タイミング及び投光方向と、前記受光素子が出力する光検出信号のタイミングとに基づき、前記光ビームの光路上の物体までの距離及びその物体がある方向を検出し、
    前記光ビームがレーザビームであることを特徴とする物体検出方法。
19. 点滅する光ビームにより、互いに平行で副走査方向の位置が異なる複数の主走査線を形成する走査部と、前記走査部が形成した前記複数の主走査線のうち一部の主走査線に光学部材を通過させて屈折させることにより、前記複数の走査線による走査範囲を、前記複数の主走査線のうち前記一部の主走査線が、前記複数の主走査線のうち残りの主走査線よりも主走査方向に広い範囲を走査するように調整する調整部とを備え、前記調整部による調整後は、前記一部の主走査線上では、前記残りの主走査線上よりも、前記光ビームにより形成される光点がまばらである光走査装置を制御するプロセッサに、
    前記走査部から出射される光ビームの主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが前記調整部による調整後に進む方向との対応関係を取得する取得手順と、
    前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置と、前記取得手順で取得した対応関係とに基づき、前記光ビームの点滅周期を制御する周期制御手順とを実行させるためのプログラム。
20. 請求項１９に記載のプログラムであって、
    前記取得手順は、前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置と、その位置を通過する光ビームが前記調整部による調整後に進む方向との対応関係を、前記走査部から出射される光ビームの副走査方向の位置と対応付けて取得する手順であり、
    前記周期制御手順は、前記走査部から出射される光ビームの前記主走査方向の位置及び前記副走査方向の位置と、前記取得手順で取得した対応関係とに基づき、前記光ビームの点滅周期を制御する手順であることを特徴とするプログラム。
21. 請求項１９又は２０に記載のプログラムであって、
    前記周期制御手順が、前記調整部による調整後の各主走査線上の光点分布がそれぞれ等間隔になるように前記点滅周期を制御する手順であることを特徴とするプログラム。
22. 請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載のプログラムであって、
    前記光走査装置において、前記走査部は、第１回転軸を中心に第１ミラーを往復回転運動させる第１アクチュエータと、前記第１回転軸と異なる第２回転軸を中心に第２ミラーを回転運動させる第２アクチュエータとを備え、光ビームを前記第１ミラー及び前記第２ミラーで反射した後で出力し、前記第１ミラーの向きの変化に応じて前記主走査線が形成され、
    前記周期制御手順は、前記第１ミラーの回転速度を検出する手順を備え、その回転速度にも基づき、前記光ビームの点滅周期を制御する手順であることを特徴とするプログラム。

Images