JP7001348B2

JP7001348B2 - 光走査装置及び距離画像センサ

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Publication number: JP7001348B2
Application number: JP2017026466A
Authority: JP
Inventors: 博隆山田
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2022-01-19
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: JP2018132666A

Description

本発明は、リサジュー走査する光走査装置及び距離画像センサに関する。

２軸を駆動してリサジュー走査する光走査装置として、光走査部の共振周波数が変動しても駆動信号の周波数を変動した共振周波数に近づけるために、２軸の駆動信号について、周波数比を維持しつつ２駆動信号の周波数を変更するものが知られている（特許文献１参照）。

また、レーザ光を対象領域内でリサジュー走査する光走査装置において、光走査部の共振周波数が変動した場合に、共振周波数に対する駆動周波数のずれ量に応じてパルス光の投光タイミングを制御するものが知られている（特許文献２参照）。なお、特許文献２において、高周波側や低周波側で駆動周波数が大きく変動する場合についての記載がある。

しかしながら、光走査部の共振周波数の変動に対応すべく駆動信号の周波数の調整すなわち駆動周波数の変更のさせ方について、例えば電力消費をより抑えたものとなるようにするといった観点から、より好適な変更あるいは最適な変更が行われているとは必ずしも限らない。

特許５８２９３９１号公報特許５８０６００６号公報

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、リサジュー走査する光走査装置において、共振周波数の変動への対応に際して、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行う光走査装置及びこれを用いた距離画像センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための光走査装置は、２軸を駆動してリサジュー走査する光走査部と、光走査部の駆動を制御する駆動制御部とを備え、駆動制御部は、光走査部の共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合に、２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するときと、２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するときとで、共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて判別する判別部を有する。

上記光走査装置では、駆動制御部は、判別部において、２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するか、２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するかを、共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて判別し、判別した結果に応じて光走査部の駆動を制御する。これにより、共振周波数の変動によって共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合であっても、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うためにより好適なあるいは最適な選択が可能になる。

本発明の具体的な側面では、判別部は、必要となる駆動エネルギーの大小関係から、駆動周波数の変更についての選択を行う。この場合、駆動エネルギーの大小関係に基づく好適なあるいは最適な選択が可能になる。

本発明の別の側面では、駆動制御部は、光走査部の共振周波数と選択可能な複数の２軸の駆動周波数の組合せとの駆動エネルギーの差をそれぞれ示す複数の候補規定値を算出する候補規定値算出部を有し、判別部は、候補規定値算出部で算出された複数の候補規定値の比較結果に基づいて、駆動周波数の変更についての選択を行う。この場合、候補規定値算出部で算出された複数の候補規定値のうちから適切に選択を行うことができ、確実な選択が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、候補規定値算出部において、算出される候補規定値は、各軸のＱ値により重み付けされている。この場合、状況に応じてＱ値を加味したものとすることで、より適した選択が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、２軸の走査タイミングを強制的に同期させる強制同期部をさらに備える。この場合、例えば離散的な数値からの選択といった制約から、周波数比が理想の状態に完全には合わせられない場合であっても、２軸の走査タイミングの同期を維持して、所望の状態のリサジュー周期を得ることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る距離画像センサは、上記いずれかに記載の光走査装置と、光走査装置の光走査部に光を射出する光源部と、光走査部から射出された光が物体によって反射された反射光を受光する受光部と、光源部から射出された光が受光部で反射光として受光されるまでの時間に基づいて距離を計測する測距部とを備える。

上記距離画像センサでは、光走査装置を備えることにより、共振周波数の変動によって共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合であっても、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うためにより好適なあるいは最適な選択が可能になる。

一実施形態に係る光走査装置を備える距離画像装置について説明するためのブロック図である。光走査部の一例について説明するための図である。光走査部における可動部の揺動角度の検出について一例を説明するための図である。駆動周波数の組合せの選択について説明するための図である。駆動周波数の変更処理の一例を示すフローチャートである。（Ａ）～（Ｃ）は、２軸の走査タイミングを強制的に同期させる強制同期について説明するための図である。（Ａ）～（Ｃ）は、リサジューパターンについて説明するための図である。

以下、図１等を参照して、本発明の一実施形態に係る光走査装置を備える距離画像装置について説明する。図１は、距離画像装置の概略構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の一態様としての距離画像装置１００は、例えばレーザパルス等によるパルス光ＰＬを図中一点鎖線で示す対象領域内でリサジュー走査し、該対象領域内に存在する物体Ｐによる反射光ＲＬを受光して物体Ｐまでの距離を計測し、その計測結果に基づく距離画像を生成して出力する。

図１に示すように、距離画像装置１００は、光走査装置５０と、パルス光ＰＬを射出する光源部７と、光源部７から射出されたパルス光ＰＬの反射光ＲＬを受光する受光部９と、光源部７から射出されたパルス光ＰＬを反射した物体Ｐまでの距離を計測する測距部１１と、測距部１１による計測結果に基づいて距離画像を生成する画像生成部１３と、画像生成部１３によって生成された距離画像を出力（表示）する表示部１５と、を備える。

距離画像装置１００のうち、光走査装置５０は、光走査によるリサジュー走査を行うための本体部分であり、光源部７からのパルス光ＰＬの対象領域内に向けて走査させて該対象領域内に存在する物体Ｐによる反射光ＲＬを受光部９に受光させる。このため、光走査装置５０は、電磁駆動型の光走査部３と、光走査部３の動作全般を制御する駆動制御部として機能する光走査制御部４と、光走査制御部４により制御に従って光走査部３を駆動させる駆動部５と、光走査部３の動作における周波数に関するずれ量を検出するずれ量検出部６とを備える。

光源部７は、光走査部３に向かって射出タイミングを制御しつつパルス光ＰＬを射出するものであり、レーザダイオード等で構成される。なお、射出タイミングは、例えば対象領域内の計測位置と関連付けられ、対象領域内の一定の位置（複数位置）にパルス光ＰＬが射出されるように制御されている。

受光部９は、例えばフォトセンサを用いて構成され、光源部７から射出されたパルス光ＰＬが物体Ｐによって反射された成分である反射光ＲＬを受光して検知する。なお、受光部９は、反射光ＲＬを直接受光するものであってもよいし、光走査部３を介して受光するものであってもよい。

測距部１１は、光源部７によるパルス光ＰＬの射出タイミングと、受光部９による反射光ＲＬの受光タイミングとの時間差（光源部７から射出されたパルス光ＰＬが受光部９で反射光ＲＬとして受光されるまでの時間）に基づいて、パルス光ＰＬを反射した物体Ｐまでの距離を計測する。測距部１１による距離の計測は、対象領域内の各計測位置において、すなわち、光源部７からのパルス光ＰＬの射出毎に行なわれ、その計測結果が画像生成部１３に出力される。

画像生成部１３は、測距部１１によって計測された距離に基づいて各計測位置の画素値を決定し、対象領域についての距離画像を例えば光走査部３による走査の一周期毎に生成する。生成される距離画像は、計測された距離毎に色が異なる画像、すなわち、対象領域内の存在する物体Ｐについてはその距離や奥行きが反映された三次元的な画像とすることができる。この画像生成部１３で生成された距離画像は表示部１５に出力される。

表示部１５は、ディスプレイを備え、画像生成部１３から出力された距離画像を表示する。表示部１５に表示される距離画像によって対象領域内に物体が存在するか否かを認識できることはもちろん、物体が存在する場合には、当該物体の対象領域内における位置、当該物体までの距離、当該物体の形状なども認識することができる。また、距離画像は走査周期毎に更新されるから、当該物体の姿勢の変化をも認識するができる。

距離画像装置１００は、以上のような構成を有することで、光走査装置５０でのリサジュー走査による設置位置から対象領域内にある物体までの距離を計測した計測結果に基づく距離画像の生成及び出力を可能としている。

以下、距離画像装置１００を構成する光走査装置５０の各部について説明する。まず、光走査装置５０のうち、光走査部３は、光反射面（ミラー）を有する可動部が互いに直交する第１軸及び第２軸回りに揺動可能に形成されており、光反射面に入射される光（パルス光）を対象領域内で二次元走査、より具体的にはリサジュー走査することが可能である。このような光走査部３として、例えば図２に示す二次元走査型の半導体ガルバノミラー（二次元ガルバノミラー）を用いることができる。すなわち、光走査装置５０は、図２に例示されるように、光走査部３において中央に配置される光反射面（ミラー）３６を揺動させるための一対の第１トーションバー３２，３２による中心軸であるｘ軸（第１軸）と、ｘ軸と軸方向が直交する一対の第２トーションバー３４，３４による中心軸であるｙ軸（第２軸）とを駆動させてリサジュー走査を行う。以下の説明において、光走査部３のｘ軸回りの共振周波数を「第１共振周波数」といい、光走査部３のｙ軸回りの共振周波数を「第２共振周波数」とする。ここでは、第１共振周波数の方が第２共振周波数よりも高くなっており、これに応じて、第１駆動信号の周波数の方が第２駆動信号の周波数よりも高くなっている。つまり、光走査部３は、ｘ軸回りに高速で揺動駆動され、ｙ軸回りに低速で揺動駆動される。なお、光走査部３についてのより詳しい一構成例の説明については、図２等を参照して後述する。

図１に戻って、光走査装置５０のうち、駆動部５は、第１駆動信号を生成して光走査部３に出力する第１駆動回路５１と、第２駆動信号を生成して光走査部３に出力する第２駆動回路５２とを備える。すなわち、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５２は、それぞれ光走査制御部４で決定された駆動周波数に基づいて、光走査部３の光反射面３６をｘ軸回りに揺動させる第１駆動信号（振動電流）と、ｙ軸回りに揺動させる第２駆動信号とをそれぞれ生成して光走査部３に出力する。なお、第１駆動信号と第２駆動信号との位相差は一定値に固定されている。ここで、初期状態における第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は、設計上の光走査部３の第１及び第２共振周波数に合わせられている。これにより、光走査部３に固有の各共振周波数が設計通りであれば、最も効率的に揺動駆動されるものとなる。しかしながら、光走査部３の各共振周波数は、種々の要因により変動（シフト）しうる。

また、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５２は、例えばＤＤＳ(Direct Digital Synthesizer)方式又はＰＬＬ(Phase Locked Loop)方式の周波数シンセサイザを備えており、基準クロック信号から自由に周波数を発生させることができる。これにより、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５２はそれぞれ高分解能で駆動信号の周波数を変更（設定）することができる。

光走査装置５０のうち、ずれ量検出部６は、駆動部５の第１駆動回路５１から出力された第１駆動信号の周波数と光走査部３の第１共振周波数とのずれ量である第１ずれ量を検出する第１ずれ量検出部６１と、駆動部５の第２駆動回路５２から出力された第２駆動信号の周波数と光走査部３の第２共振周波数とのずれ量である第２ずれ量を検出する第２ずれ量検出部６２とを備える。

第１ずれ量検出部６１は、例えば第１駆動回路５１から出力された第１駆動信号と光走査部３のｘ軸回りの揺動角度信号との位相差に基づいて第１ずれ量を検出する。同様に、第２ずれ量検出部６２は、例えば第２駆動回路５２から出力された第２駆動信号と光走査部３のｙ軸回りの揺動角度信号との位相差に基づいて第２ずれ量を検出する。

ここで、上記第１ずれ量及び第２ずれ量の検出方法について簡単に説明する。光走査部３が自己に固有の共振周波数と同一の周波数を有する駆動周波数の信号で構成された駆動信号で駆動された場合、例えば当該駆動信号の振動と光走査部３の光反射面（ミラー）３６（図２参照）の揺動との間には－９０°の位相差が発生し、この状態が保たれる。逆に、この位相差が－９０°でない状態となる場合には、各駆動信号の周波数と光走査部３の各共振周波数とが一致していないことになる。すなわち、駆動信号とミラーの揺動角度信号との位相差を検出することで、駆動信号の周波数と実際のガルバノミラーの共振周波数とのずれ量（あるいは、共振周波数のシフト量）を把握することができる。すなわち、第１ずれ量検出部６１及び第２ずれ量検出部６２は、光走査部３のｘ軸回り及びｙ軸回りの周波数特性に基づいて、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数とのずれ量を第１ずれ量として検出し、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数とのずれ量を第２ずれ量として検出することができる。以上のことを可能とするため、例えば、第１ずれ量検出部６１は、光走査部３のｘ軸回りについて駆動周波数と位相（差）特性との関係を示すテーブル等として有しており、位相差から第１ずれ量（第１共振周波数のシフト量）を検出する。同様に、第２ずれ量検出部６２は、光走査部３のｙ軸回りについて駆動周波数と位相（差）特性との関係を示すテーブル等として有しており、位相差から第２ずれ量（第２共振周波数のシフト量）を検出する。なお、これらのテーブルについては、例えば後述する光走査制御部４のテーブルデータ部７３に格納され、光走査制御部４においてずれ量が検出されるものとしてもよい。

光走査装置５０のうち、光走査制御部４は、ずれ量検出部６において上記のように検出された周波数に関するずれ量の情報を入手するとともに、光走査部３を駆動部５により駆動させることで、光走査部３の動作全般を制御する駆動制御部として機能する。第１及び第２駆動信号の周波数について変更を行う場合において、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うために、光走査制御部４は、駆動信号の周波数を決定するための周波数決定部７１と、周波数決定部７１における決定をするための指針となる規定値の算出を行う演算部７２と、各種テーブルデータを格納するテーブルデータ部７３とを有する。なお、周波数決定部７１は、ｘ軸とｙ軸との走査タイミングを強制的に同期させる強制同期部７１ａを含んでいる。

ここで、既述のように、初期状態における第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は、それぞれ設計上固有である光走査部３の第１共振周波数、第２共振周波数に相当する値（例えば、設計値）として予め設定されている。しかしながら、製造バラツキや使用環境（特に、温度）の変化などによって光走査部３の実際の使用時における第１共振周波数及び第２共振周波数が上記設計値とは異なる（周波数特性がシフトする）場合がある。そこで、本実施形態では、光走査装置５０のずれ量検出部６において、第１駆動回路５１からの第１駆動信号の周波数と光走査部３の実際の第１共振周波数とのずれ、及び／又は、第２駆動回路５２からの第２駆動信号の周波数と光走査部３の実際の第２共振周波数とのずれを検出し、光走査制御部４において、その検出結果に応じて第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数を変更している。

特に、本実施形態の光走査装置５０は、光走査制御部４での制御において、ｘ軸及びｙ軸の２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するか、２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するかを、共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて判別し、判別した結果に応じて光走査部３の駆動を制御するものとなっている。これにより、共振周波数の変動によって共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合であっても、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うためにより好適なあるいは最適な選択が可能にしている。

以下、図２等を参照して光走査部３の一構成例についてより具体的に説明することにより、光走査の制御を含む動作についての一具体例を説明する。図２に示すように、二次元ガルバノミラーとしての光走査部３は、枠状の固定部３１と、固定部３１の内側に配置されて一対の第２トーションバー３４，３４によって揺動可能に支持された外側可動部３３と、外側可動部３３の内側に配置されて第２トーションバー３４，３４に軸方向が直交する一対の第１トーションバー３２，３２によって揺動可能に支持された内側可動部３５と、を備える。なお、既述のように、内側の第１トーションバー３２，３２の中心軸をｘ軸（第１軸）とし、外側の第２トーションバー３４，３４の中心軸をｙ軸（第２軸）とする。

内側可動部３５の中央部には光反射面（ミラー）３６が形成され、内側可動部３５の周縁部には第１駆動コイル３７が形成されており、外側可動部３３の周縁部には第２駆動コイル３８が形成されている。第１駆動コイル３７の端部は、固定部３１に形成された第１電極端子３９，３９に接続されている。第２駆動コイル３８の端部は、固定部３１に形成された第２電極端子４０，４０に接続されている。

また、第１駆動コイル３７に磁界を作用させる一対の第１永久磁石４１，４１及び第２駆動コイル３８に磁界を作用させる一対の第２永久磁石４２，４２が、固定部３１を挟んでそれぞれ対向配置されている。

なお、固定部３１、第１トーションバー３２，３２、外側可動部３３、第２トーションバー３４，３４及び内側可動部３５は、半導体基板から一体的に形成される。

第１トーションバー３２，３２には、内側可動部３５のｘ軸回りの揺動動作、すなわち、第１トーションバー３２，３２の捩れによって生じる歪み（応力）を検出するための第１～第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４が設けられている。第１～第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４は、例えばＰ型拡散抵抗によって第１トーションバー３２，３２の固定部３１の根元近傍に形成されており、第１トーションバー３２，３２に生じる引張歪み及び圧縮歪みを検出する。

同様に、第２トーションバー３４，３４には、外側可動部３３のｙ軸回りの揺動動作、すなわち、第２トーションバー３４，３４の捩れによって生じる歪み（応力）を検出するための第５～第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５～Ｒ８が配置されている。

そして、第１～第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４、及び、第５～第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５～Ｒ８は、それぞれ図示省略した配線によって接続されて、図３に示すようなブリッジ回路（入力電圧Ｖｉ，出力電圧Ｖｏ）を構成している。

光走査部３においては、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８に駆動電流（振動電流）が供給されると、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８に流れる振動電流と第１永久磁石４１，４１及び第２永久磁石４２，４２による磁界とによって内側可動部３５及び外側可動部３３にそれぞれローレンツ力が作用して内側可動部３５がｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動する。このように内側可動部３５がｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動することによって、光反射面３６に入射されるパルス光は対象領域内でリサジュー走査される。すなわち、光走査部３は、ｘ軸回り及びｙ軸回りの二つの固有振動モード（共振周波数）を有しており、第１駆動コイル３７及び第２駆動コイル３８には、駆動部５からそれぞれ対応する共振周波数又はその近傍の周波数の振動電流が駆動信号として供給される。

また、光走査部３においては、内側可動部３５及び外側可動部３３がｙ軸回りの一方に傾斜すると、第１，４ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は引張応力を受けるとともに第２，３ピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は圧縮応力を受け、内側可動部３５及び外側可動部３３がｙ軸回りの他方に傾斜すると、第１，４ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ４は圧縮応力を受けるとともに第２，３ピエゾ抵抗素子Ｒ２，Ｒ３は引張応力を受ける。第１～第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４はＰ型拡散抵抗によって形成されており、引張応力を受けると抵抗値が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値が減少する。このため、第１～第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ４で構成されたブリッジ回路（図３参照）からは内側可動部３５及び外側可動部３３のｙ軸回りの揺動角度（振れ角）に応じた電圧が正弦波として出力される。このブリッジ回路の出力電圧Ｖｏをモニタすることで内側可動部３５及び外側可動部３３のｙ軸回りの揺動角度（振れ角）を連続的に検出することができる。

同様に、第５～第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５～Ｒ８で構成されたブリッジ回路（図３参照）の出力電圧Ｖｏをモニタすることで内側可動部３５のｘ軸回りの揺動角度（振れ角）を連続的に検出することできる。

以下、図１に戻って、光走査装置５０のうち、光走査制御部４の構成と動作について説明することで、上記のような本実施形態における光走査の駆動制御について説明する。

光走査制御部４は、既述のように、周波数決定部７１と、演算部７２と、テーブルデータ部７３とを有する。

周波数決定部７１は、第１ずれ量検出部６１及び第２ずれ量検出部６２の検出結果に応じて、第１及び第２駆動信号の周波数を変更する必要があるか否かを判断し、必要があると判断した場合には、各周波数を変更する。すなわち、周波数決定部７１は、共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて変更の内容を判別する判別部として機能する。ここでは、周波数決定部７１は、駆動周波数を変更するか否か及び新たに変更すべき駆動周波数の値を、必要となる駆動エネルギーの大小関係から判別を行う。

演算部７２は、周波数決定部７１において駆動周波数の変更についての選択を行うために、複数の候補規定値を算出する候補規定値算出部である。ここでは、一例として、下記の式（１）に示される駆動エネルギーの大きさを示す指標について算出を行うものとし、周波数決定部７１は、演算部７２で算出された複数の候補規定値の大小の比較結果に基づいて、駆動周波数の変更についての選択を行うものとする。

ただし、添え字ｉには、選択可能な第１駆動信号及び第２駆動信号の組合せすなわち選択可能な駆動周波数の組合せのパターンのいずれかを示す文字が入る。値ΔＸ_ｉは、添え字ｉで示されるパターンにおける第１駆動周波数と第１共振周波数との差を意味し、値ΔＹ_ｉは、同様に、添え字ｉで示されるパターンにおける第２駆動周波数と第２共振周波数との差を意味する。すなわち、上式（１）で求められる候補規定値Ｚ_ｉは、添え字ｉで示されるパターンでの各駆動周波数の組合せと各共振周波数との差に基づく必要な駆動エネルギーの大きさを示す指標の１つとなっている。

演算部７２は、テーブルデータ部７３に格納された候補となり得る駆動周波数の組合せのパターンデータを読み出して、ずれ量検出部６での検出結果に基づいて、上式（１）に対応する計算をし、複数の候補規定値Ｚ_ｉをそれぞれ算出する。周波数決定部７１は、演算部７２で式（１）に基づいて算出された候補規定値Ｚ_ｉの中から、最小になるものを選択する。以上により、エネルギーの効率性について、より好適なあるいは最適な選択を可能にしている。

以下、図４を参照して、選択可能な第１駆動信号及び第２駆動信号の組合せすなわち選択可能な駆動周波数の組合せのパターンについて説明する。なお、これらのデータについえては、光走査制御部４のテーブルデータ部７３に格納されているものとする。

図４は、駆動周波数の組合せの選択について説明するためのグラフであり、横軸は、ｘ軸すなわち高速側周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は、ｙ軸すなわち低速側周波数（Ｈｚ）を示す。図中の多数の点は、駆動周波数の組合せとして選択可能な点を示している。通常、所望のリサジュー周期となる駆動周波数の組合せは、非常に限られているが、本実施形態では、駆動部５を構成する第１駆動回路５１及び第２駆動回路５２において、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを備えており、高分解能での周波数の設定が可能となっている。これにより、所望のリサジュー周期となる駆動周波数の組合せを基準として、図中の直線Ｌ１～Ｌ３で例示するように同じ比率（あるいはほぼ同じ比率）となる多数の周波数の組合せを候補として選択可能な駆動周波数の組合せとしている。すなわち、当該組合せが存在する各直線上の多くの点において、変更された周波数の第１、第２駆動信号を確実に出力することができ、光走査部３を効率的かつ安定して駆動することができる。また、この場合、直線Ｌ１等の複数の直線のうち、同一の直線上にある点どうしでは、各駆動周波数は変化してもその比率すなわち周波数比については、変化しない場合の構成であるものとして取り扱える。

以上を踏まえ、設計上の共振周波数に合わせて、初期状態として図中のパターンＡにあった駆動信号の周波数を、共振周波数が変動（シフト）することに応じて変化させる場合について考察する。例えば、初期状態においては、設計上の第１及び第２共振周波数に合わせて、パターンＡの点（第１駆動信号、第２駆動信号がそれぞれ約１４１３Ｈｚ、約４２６Ｈｚの規定値）にあったが、図中のパターンＡ´に示す位置に第１及び第２共振周波数がシフトしたとする。この場合、パターンＡ´がパターンＡから離隔するほど光走査部３での揺動動作におけるエネルギー効率が悪くなる。悪くなってしまったエネルギー効率を良くするには、できるだけパターンＡ´に近い状態にある駆動周波数の組合せを新たに選択することになる。図示の例では、その候補として、元のパターンＡと同一の直線Ｌ１上にあるもののうちパターンＡ´に最も近いパターンＢを選択する場合と、別の直線上にあってパターンＡ´に最も近いパターンＣを選択する場合とが考えられる。つまり、パターンＢは、駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するものであり、パターンＣは、周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するものである。このような場合に、周波数決定部７１は、演算部７２において、上式（１）に基づいて、パターンＢに基づく下記の式（１ｂ）で示される値Ｚ_Ｂと、パターンＣに基づく下記の式（１ｃ）で示される値Ｚ_Ｃとを算出させ、これらの値を比較することで、選択すべき駆動周波数の組合せを決定する。

ただし、値ΔＸ_ｂは、図４のパターンＡ´とパターンＢとでの第１共振周波数と第１駆動周波数との差であり、値ΔＹ_ｂは、図４のパターンＡ´とパターンＢとでの第２共振周波数と第２駆動周波数との差である。また、値Ｚ_ｂは、パターンＢを選択した場合に必要な駆動エネルギーの大きさを示す指標となっている。

ただし、値ΔＸ_ｃは、図４のパターンＡ´とパターンＣとでの第１共振周波数と第１駆動周波数との差であり、値ΔＹ_ｃは、図４のパターンＡ´とパターンＣとでの第２共振周波数と第２駆動周波数との差である。また、値Ｚ_ｃは、パターンＣを選択した場合に必要な駆動エネルギーの大きさを示す指標となっている。

なお、上記のようなパターンＢとパターンＣとの選択において、パターンＢを選択した場合には、駆動周波数比が維持されるため、第１及び第２駆動周波数は変更されても、リサジュー走査において走査される位置の順序は変更されず、例えば走査タイミング全般についてのテーブルデータは変更されず同じものが利用される。これに対して、パターンＣを選択した場合には、駆動周波数比が変わり、第１及び第２駆動周波数の変更とともにリサジュー走査において走査される位置の順序も変更される。このため、各種テーブルデータの変更が必要になる。この場合、例えば光源部７における投射タイミング等も変更されるため、その旨の信号が、光走査制御部４から光源部７に送信される。

以下、図５のフローチャートを参照して、光走査装置５０の光走査制御部４による第１，第２駆動信号の周波数の決定（変更）処理について一例を説明する。

まず、光走査制御部４は、周波数決定部７１で決定された第１駆動信号及び第２駆動信号を光走査部３に出力する（ステップＳ１）。ここで出力される第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は、前回の決定（変更）処理において更新された周波数であり、全く更新されていない場合にはそれぞれの初期値（すなわち、距離画像装置１００の製造時に設定されている値）である。

次に、光走査制御部４は、ずれ量検出部６において検出されたずれ量の情報を取得する。すなわち、第１ずれ量検出部６１から第１駆動信号の周波数と第１共振周波数とに関する第１ずれ量を検出し、第２ずれ量検出部６２から第２駆動信号の周波数と第２共振周波数とに関する第２ずれ量を検出する（ステップＳ２）。

次に、光走査制御部４は、ステップＳ２で検出された第１及び第２ずれ量のうち少なくとも一方が、予め定めた閾値以上であるかを判断し（ステップＳ３）、どちらも閾値未満である場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、周波数の変更すなわち信号の変更に関する処理を行うことなく、再びステップＳ１の光走査部３への出力動作をする。すなわち、共振周波数のシフトが小さければ、図４に示すところの元のパターンＡがパターンＡ´に最も近く、各駆動信号の周波数をパターンＡのままの状態にしておくことが最適であると判断する。

一方、ステップＳ３において、第１及び第２ずれ量のうち少なくとも一方が、予め定めた閾値以上であると判断された場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、光走査制御部４は、演算部７２において、テーブルデータ部７３に格納された駆動周波数の組合せのパターンデータを読み出して候補となり得る候補周波数の検索を行い（ステップＳ４）、上式（１）に示す計算により複数の候補規定値を算出する（ステップＳ５）。

次に、光走査制御部４の周波数決定部７１は、ステップＳ５において計算された複数の候補規定値について大小比較を行い、最も値が小さくなる駆動周波数の組合せを選択する（ステップＳ６）。さらに、周波数決定部７１は、直近の駆動周波数の組合せ（図４のパターンＡ）からステップＳ６で選択された駆動周波数の組合せに基づく信号への変更処理を行う。ここでは、例えば図４のテーブルデータを参照して説明した場合のように、パターンＡにある状態から、２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するパターンＢへの変更と、２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するパターンＣへの変更とのうちから選択すべきものを判別する、すなわちより最適なものを選ぶものとする。言い換えると、ステップＳ６においてパターンＢを選択した場合には、周波数比を維持しつつ（ステップＳ７ａ）、第１及び第２駆動信号の周波数をそれぞれ変更する（ステップＳ８ａ）。一方、ステップＳ６においてパターンＣを選択した場合には、周波数比を変更しつつ（ステップＳ７ｂ）、第１及び第２駆動信号の周波数をそれぞれ変更する（ステップＳ８ｂ）。なお、ステップＳ７ｂを選択した場合、既述のように、全般的にテーブルデータが置き換わり、リサジュー走査において走査される位置の順序も変更されることになるため、例えばこれに対応すべく投射タイミング等も適宜変更される。光走査制御部４は、以上の動作を繰り返すことで、常に適した駆動周波数の組合せの選択を行う。

以上のようにして、光走査制御部４は、ずれ量検出部６において検出された共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて、２軸の周波数比を維持しつつ第１及び第２駆動信号の周波数をそれぞれ変更するか、２軸の周波数比を第１及び第２駆動信号の周波数とともに変更するかを判別し、判別した結果に応じて光走査部の駆動を制御している。これにより、周波数の変更に際して電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うためにより好適なあるいは最適な選択が可能になる。

以下、図６を参照して、光走査制御部４の周波数決定部７１における走査タイミングの制御に関するより具体的な一例について説明する。既述のように、第１駆動回路５１及び第２駆動回路５２において、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを利用することで、多数の駆動周波数の組合せについて選択可能としている。しかしながら、上記多数の駆動周波数の組合せは、あくまで、周波数から換算した離散的なクロック数を用いた処理によってなされる。言い換えると、周波数比が有限の桁数でした表現できず、所望の組合せの場合の周波数比と必ずしも完全には一致させられず、一致しない場合、疑似的に近づけた状態とすることになる。このため、例えば図６（Ａ）に示す所望のリサジュー周期となる駆動周波数の組合せの場合のようにリサジュー周期と各駆動信号とが完全に一致した状態とは必ずしもならず、図６（Ｂ）に示すように、ｘ軸とｙ軸とのタイミングが同期せず、微小なずれが生じてくる可能性がある。そこで、本実施形態では、周波数決定部７１は、ｘ軸とｙ軸との走査タイミングを強制的に同期させる強制同期部７１ａを有している。すなわち、強制同期部７１ａは、図６（Ｃ）に示すように、所定のタイミングで強制的にｘ軸とｙ軸とのタイミングを同期させている。これにより、所望の状態を維持できるものとして想定したリサジュー周期が得られる。なお、強制的にタイミングを同期させる基準としては、例えば上記微小なずれに対して閾値を設けておき、閾値を超えた場合に強制同期を行うことが考えられる。

また、一方で、周波数比をある程度の精度に保つ、すなわちある程度の桁数以上で周波数比を揃えておくことも重要である。例えば、図７（Ａ）に示す周波数比が維持された基準のリサジューパターンに対して、図７（Ｂ）に示すように、周波数比（単位Ｈｚ）が小数点以下の桁数での一致が不十分な状態であると、基準のリサジューパターンから変わってしまう可能性がある。このように、リサジューパターンが変形してしまうと、要求される精度（例えば解像度の精度）によっては、走査される位置の順序が変更してしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを利用することで、周波数比（単位Ｈｚ）が小数点以下の桁数について十分な程度まで一致した状態に維持している。これにより、図７（Ｃ）に示すようなリサジューパターンが形成され、図７（Ａ）に示す基準のリサジューパターンと遜色のない状態を維持できる。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置５０及びこれを備える距離画像装置１００では、駆動制御部としての光走査制御部４が、判別部としての周波数決定部７１において、ｘ軸及びｙ軸の２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するか、当該２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するかを、ずれ量検出部６で検出される共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて判別し、判別した結果に応じて光走査部３の駆動を制御する。これにより、共振周波数の変動（シフト）によって共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合であっても、電力消費をより抑えた効率的な駆動制御を行うためにより好適なあるいは最適な選択が可能になる。

〔その他〕
この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

まず、上記実施形態では、判別部としての周波数決定部７１において判別を行うために、候補規定値算出部としての演算部７２での算出に、上式（１）を適用しているが、これに限らず、種々の数値あるいはベクトル値を判別の指標として利用できる。例えば、駆動エネルギーの大きさについては、特に高速側周波であるｘ軸の値の変化の影響が大きい。このことを加味して、例えば上式（１）を変形した下記式（２）のように、ｘ軸及びｙ軸におけるゲインについて各軸のＱ値により重み付けされた値を採用してもよい。なお、一般的に高速側周波の方が、低速側周波よりもＱ値すなわち半値幅に対するピークの大きさが大きくなると考えられる。

ただし、Ｑ_Ｘは、ｘ軸におけるゲインについてのＱ値、Ｑ_Ｙは、ｙ軸におけるゲインについてのＱ値である。

また、影響の大きいｘ軸に関する値の変化のみで算出を行い判断をするものとしてもよい。すなわち、上式（１）や上式（２）において、ｙ軸に関する値を考慮せずゼロとして取り扱うものとしてもよい。なお、これは、図４を参照して考えると横軸方向の変化の大きさについて考慮し、縦軸の方向の変化については考慮しないことに相当する。なお、逆に、ｙ軸に関する値の変化のみを利用することも考えられる。

上記実施形態では、ピエゾ抵抗素子Ｒ１～Ｒ８で構成したブリッジ回路（図３参照）の出力電圧を利用した揺動角度信号と駆動信号との位相差に基づいてずれ量を検出しているものを例示したが、これに限らず、例えば、特開２００４－７８１３０号公報や特開２００４－２４２４８８号公報に記載されているように、外側可動部３３に形成された第１駆動コイル３７及び内側可動部３５に形成された第２駆動コイル３８に発生する逆起電力を検出し、これをｙ軸回り及びｘ軸回りの揺動角度信号とすることができる。

さらに、内側可動部３５の揺動角度信号を用いることなく、光走査部３又はその近傍の温度に基づいて第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量及び第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量を検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、光走査部として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁駆動式、静電方式、圧電方式、熱方式などの各種の駆動方式で光反射面を有する可動部を揺動駆動する構成の光走査部にも適用することができる。

また、上記実施形態では、光走査部として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、二つの一次元ガルバノミラーの回転軸が互いに直交するように配置する構成の光走査部にも適用することが出来る。例えば、１次ミラーと２次ミラーの回転軸を互いに直交させて配置し、１次ミラーで水平方向に走査したレーザ光を、楕円面ミラー等を介して２次ミラーにあて、２次ミラーで垂直方向に走査することで２次元走査が実現できる。

Ａ，Ｂ，Ｃ…パターン、Ｌ１-Ｌ３…直線、Ｐ…物体、ＰＬ…パルス光、Ｒ１-Ｒ８…ピエゾ抵抗素子、ＲＬ…反射光、Ｖｉ…入力電圧、Ｖｏ…出力電圧、ＺＢ，ＺＣ…値、Ｚｉ…候補規定値、ΔＸｂ，ΔＸｃ，ΔＸｉ，ΔＹｂ，ΔＹｃ，ΔＹｉ…値、３…光走査部、３…光走査部、４…光走査制御部、５…駆動部、６…ずれ量検出部、７…光源部、９…受光部、１１…測距部、１３…画像生成部、１５…表示部、３１…固定部、３２…トーションバー、３３…外側可動部、３４…トーションバー、３５…内側可動部、３６…光反射面、３７，３８…駆動コイル、３９，４０…電極端子、４１，４２…永久磁石、５０…光走査装置、５１…第１駆動回路、５２…第２駆動回路、６１…第１ずれ量検出部、６２…第２ずれ量検出部、７１…周波数決定部、７１ａ…強制同期部、７２…演算部、７３…テーブルデータ部、１００…距離画像装置

Claims

２軸を駆動してリサジュー走査する光走査部と、
前記光走査部の駆動を制御する駆動制御部と
を備え、
前記駆動制御部は、前記光走査部の共振周波数と駆動周波数とにずれが生じた場合に、前記２軸の駆動周波数比を維持しつつ各軸の駆動周波数を変更するか、前記２軸の周波数比を各軸の駆動周波数とともに変更するか、の選択に際して、共振周波数と駆動周波数とのずれ量に基づいて電力消費をより抑えると判別されたものを選択する判別部を有する、光走査装置。
前記判別部は、必要となる駆動エネルギーの大きさを示す指標についての大小の比較結果に基づいて、駆動周波数の変更についての選択を行う、請求項１に記載の光走査装置。
前記駆動制御部は、前記光走査部の共振周波数と選択可能な複数の前記２軸の駆動周波数の組合せとの駆動エネルギーの差をそれぞれ示す複数の候補規定値を算出する候補規定値算出部を有し、
前記判別部は、前記候補規定値算出部で算出された複数の前記候補規定値の比較結果に基づいて、駆動周波数の変更についての選択を行う、請求項１及び２のいずれか一項に記載の光走査装置。
前記候補規定値算出部において、算出される前記候補規定値は、各軸のＱ値により重み付けされている、請求項３に記載の光走査装置。
前記２軸の走査タイミングを強制的に同期させる強制同期部をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の光走査装置。
請求項１～５のいずれか一項に記載の光走査装置と、
前記光走査装置の前記光走査部に光を射出する光源部と、
前記光走査部から射出された光が物体によって反射された反射光を受光する受光部と、
前記光源部から射出された光が前記受光部で反射光として受光されるまでの時間に基づいて距離を計測する測距部と
を備える距離画像センサ。