JPH0445415A - 走査型光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、投光された光を被測定物に照射し、被測定
物からの光を検出する走査型光検出装置に関する。

〔従来技術〕

従来の機械的走査器として、ガルバノメータにミラーを
取付け、ガルバノメータの回動運動を利用してビームを
走査するガルバノメータ型走査器が知られている。

また、機械的走査以外の走査器として、透明媒質中の音
波（弾性波）によって生しる屈折率の空間的周期変化に
より入射ビームを偏向する光音響偏向器を用いた走査器
が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、ガルバノメータ型走査器によると、走査
器で使用するミラーの運動が回転運動ではなく回動運動
なので走査器として無駄が多く、その回動速度も一定で
はないので走査速度が異なるという問題があった。

一方、光音響偏向器を用いた走査器によると、光音響偏
向器では屈折率の空間的周期変化が小さいので、走査器
の偏向角が大きく取れない。また、光音響偏向器ではＴ
　ｅ　Ｏ２等の音響光学結晶を使用することから耐環境
性上に難点があり、走査器の受光系が複雑になるという
問題があった。

そこで本発明は上記問題を解決することを目的とする 〔課題を解決するための手段〕 上記課題を達成する為、本発明はあらかじめ定められた
一定方向にそれぞれ光を偏向するよう形成され、角速度
若しくは方向の少なくともいずれかが異なるように回転
させられる第１および第２の光偏向部材を含んで構成さ
れた第１の光偏向手段と、あらかじめ定められた一定方
向にそれぞれ光を偏向するように形成され、上記第１及
び第２の光偏向部材のそれぞれと同期して回転させられ
る第３及び第４の光偏向部材を含んで構成された第２の
光偏向手段と、上記第１の光偏向手段を介して被測定物
に投光して照明する投光手段と、上記被測定物からの光
を上記第２の光偏向手段を介して受光する受光手段とを
備えて構成されている。

〔作用〕

本発明は、以上のように構成されているので、第１の光
偏向手段における第１及び第２の光偏向部材による偏向
角および偏向方向は、上記光偏向部材の回転に伴って変
化するが、第２の光偏向手段における第３の光偏向部材
と第４の光偏向部材による偏向角および偏向方向は、上
記第１の光偏向部材と第２の光偏向部材のものと等しい
。その為、投光手段からの光が第１の光偏向手段により
所定の角度および方向で偏向されるとき、被測定物から
の光は第２の光偏向手段により同一角度および方向で偏
向され、受光手段に到達する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例に係る走査型光検出装置を添附
図面に基づき説明する。なお、説明において同一要素に
は同一符号を使用し、重複する説明は省略する。

第１図乃至第３図は本発明の第１実施例に係る走査型光
検出装置を示すものである。この走査型光検出装置は、
第１の光偏向手段および第２の光偏向手段として、いわ
ゆるダブルプリズム回転体を使用している。このダブル
プリズム回転体は、断面形状が直角三角形の楔形プリズ
ムを２つ組み合わせ、それぞれの楔形プリズムが互いに
反対方向に回転するように構成されている。この実施例
に係る走査型光検出装置には上記ダブルプリズム回転体
を備えた投光部および受光部が含まれている。以下、投
光部および受光部に分けて説明する。

投光部には、レーザダイオードアレイ１、結像レンズ２
、フィールドレンズ３、投光レンズ４及び一対の楔形プ
リズム５．６（第１のダブルプリズム回転体）が含まれ
ている。

レーザダイオードアレイ１には４個の発光点が等間隔て
設けられており、これらの発光点からの光が入射できる
位置に結像レンズ２が配置されている。この結像レンズ
２の光軸前方にはフィールドレンズ３及び投光レンズ４
が一列に配置されている。その為、レーザダイオードア
レイ１の発光点から発光された光はフィールドレンズ３
て集光され、投光レンズ４に入射する。投光レンズ４の
光軸前方には、一対の楔形プリズム５．６か配置されて
いる。

楔形プリズム５．６は回転軸に沿って当該楔形プリズム
５．６の長手方向で切断した断面形状が直角三角形にな
っており、頂角を構成する直立平面５　ａ　ｓ　６　ａ
が互いに平行に対面するように配置されている。これら
の楔形プリズム５．６は、直立平面５ａ、６ａと直交す
る回転軸を中心として、互いに反対方向に同一角速度で
回転する。その為、楔形プリズム５．６により形成され
る全体の断面形状は、回転に伴って周期的に変化する。

第２図は楔形プリズム５．６て構成されるダブルプリズ
ム回転体の回転動作を示すものである。

例えば、楔形プリズム５．６の回転初期の位置（以下、
「基準位置」という。）が正立二等辺三角形（同図（ａ
））であり、かつ楔形プリズム５．６の角速度が（π／
　２）　　（ｒａｄ／ｓ　）と仮定すると、楔形プリズ
ム５．６を回転軸に沿って切断した形状は１秒後には平
行四辺形になり（同図（ｂ））、２秒後には倒立二等辺
三角形になり（同図（Ｃ））、３秒後には再び平行四辺
形になり（同図（ｄ））−１再び元の形状である正立二
等辺三角形に戻る（同図（ｅ））。従って、回転軸に対
する入射面及び出射面の角度は一定の周期（１回転）で
変化し、投光レンズ４からの光は楔形プリズム５．６に
より周期的に偏向される。楔形プリズム５．６の全体の
断面形状が正立二等辺三角形を形成する場合（同図（ａ
）、（ｅ））　、楔形プリズム６からの光は第１図にお
いて実線（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）で示された光路に沿って出
射される。また、楔形プリズム５．６の断面形状が全体
として平行四辺形を形成する場合（第２図（ｂ）、（ｄ
）’）　、楔形プリズム６からの光は入射光軸に対して
平行に出射される。さらに、楔形プリズム５．６の全体
の断面形状が倒立二等辺三角形を形成する場合（同図（
Ｃ））　、楔形プリズム６からの光は第１図において破
線（ａ／　、　　ｂ／　、　　Ｃ／　、　　ｄ／　）で
示された光路に沿って出射される。投光面に照射される
光束の軌道については第４図に基づき後述する。

受光部には、一対の楔形プリズム７．８（第２のダブル
プリズム回転体）、受光レンズ９、フィールドレンズ１
０、結像レンズ１１及び光検出器１２が含まれている。

楔形プリズム７．８は、基本的に、前述した楔形プリズ
ム５．６と同様に、断面形状が直角三角形になっており
、それぞれの頂角を構成する直立面７ａ、８ａが対面す
るように配置されている。

楔形プリズム７は投光部の楔形プリズム６と同一の角速
度で同一方向に回転し、楔形プリズム８は投光部の楔形
プリズム５と同一の角速度で同一方向に回転する。従っ
て、ある時点における楔形プリズム５．６の全体の断面
形状は楔形プリズム７．８の全体の断面形状に等しくな
っており、第２図で示された回転動作を行う。従って、
楔形プリズム５．６の全体の断面形状が二等辺三角形で
あれば、楔形プリズム５．６の断面形状も二等辺三角形
になり、楔形プリズム５．６の全体の断面形状が逆二等
辺三角形であれば、楔形プリズム５．６の断面形状も逆
二等辺三角形になる。その為、楔形プリズム５．６にお
ける位相差と楔形プリズム７．８における位相差は一致
する。

楔形プリズム８の回転軸上の一点には受光レンズ９か配
置されており、当該回転軸に沿って、フィールドレンズ
１０及び結像レンズ１１が一列に配置されている。その
為、楔形プリズム８からの出射光は上記レンズを透過し
て光検出器１２に入射する。光検出器１２には、レーザ
ダイオードアレイ１か有する発光点の数と同数の受光点
か、発光点と同一間隔で対応して配置゛されており、対
応する発光点から発光された光が受光される。例えば第
１番目の発光点から発光された光は第１番目の受光点に
入射し、第２番目の発光点から発光された光は第２番目
の受光点に入射する、次に、前述した走査型光検出装置
の作用を説明する。レーザダイオードアレイ１から出射
された光は、結像レンズ２、フィールドレンズ３及び投
光レンズ４を透過して一対の楔形プリズム５．６に入射
し、楔形プリズム６から出射された光は所定の偏向角で
投光面Ｘ−Ｙ上に照射される（第３図参照）。例えば、
楔形プリズム５が基準位置（第２図（ａ））からθの角
度だけ回転した時、楔形プリズム６は基準位置からθの
角度たけ逆方向に回転する。この時、楔形プリズム８は
、楔形プリズム５と同様に、基準位置（第２図（ａ）参
照）からθの角度だけ回転し、楔形プリズム６は基準位
置からθの角度だけ逆方向に回転する。この場合、楔形
プリズム５．６から投光面Ｘ−Ｙ上に照射される光束は
Ｘ軸上に沿って移動する。以下、投光面Ｘ−Ｙ上に照射
される光束の軌道を第４図を参照しながら説明する。

第４図は、上記走査型光検出装置により投光面Ｘ−Ｙ上
に光束を照射する状態を示すものである。

同図では楔形プリズム５．６を透過して照射される光束
の軌道を５′　　６′で表示している。楔形プリズム５
．６からＸ−Ｙ投光面までの距離および楔形プリズム５
．６の屈折角で決まる定数をδとすれば、Ｘ−Ｙ投光面
上に照射される光束ａの座標（ｘ、ｙ）と楔形プリズム
５．６の偏向角θは、 ｘ−６（ｃｏｓθ＋ｃｏｓ　（−θ）］＝２δｃｏｓθ
・・・　（１） ｙ−δ　１ｓｉｎ　　θ＋５ｉｎ（−θ））　−０・・
・　（２）で示される。従って、光束ａはＸ−Ｙ投光面
上でｘ−２δＣＯＳθの座標に照射される。換言すれば
、個々の発光点から楔形プリズム５．６を透過して投光
面Ｘ−Ｙに照射される光は、それぞれ、Ｘ軸上を±２６
の範囲で移動する（第３図参照）。投光面Ｘ−Ｙからの
光（反射光、透過光）は、Ｘ軸上の±２δの範囲内を移
動する一点から楔形プリズム７．８に向けて照射される
ので、投光面ＸＹから楔形プリズム７に入射する光は、
例えば第１図の実線および破線で示す光路の間で移動す
る。

ところか、楔形プリズム７．８の全体の断面形状は楔形
プリズム５．６と等しいので、レーサダイオードアレイ
１からの光が楔形プリズム５．６を透過した光路と全く
同一の光路を逆方向に辿り、楔形プリズム８の前方に位
置する受光レンズ９に集光する。受光レンズ９からの光
は、フィールドレンズ１０及び結像レンズ１１を透過し
て光検出器１２で受光される。

このように、第１実施例に係る走査型光検出装置による
と、互いに反対方向に一定の角速度で回転する一対のプ
リズムを使用しているので、走査器に無駄がなく、走査
速度を一定にすることができる。

また、光源に複数の発光点かあり受光素子に複数の受光
点があるので、一対の楔形プリズムによる偏向角が小さ
くても全体としては広い視野を走査することかでき、楔
形プリズムのコンパクト化を図ることができる。この場
合、個々の発光点における発光のデユーティ比か低くな
り、スイッチングの際のノイズや発熱を抑えることがで
きる。

次に、本発明の第２実施例に係る走査型光検出装置を説
明する。第５図は、第２実施例に係る走査型光検出装置
を示すものである。第１実施例に係る走査型光検出装置
との差異は、楔形プリズム５と楔形プリズム６の回転角
速度が同一ではない点である。その為、基準位置より一
定時間経過した時の進み角度は楔形プリズム５と楔形プ
リズム６とては異なっている。

第６図は第２実施例に係る走査型光検出装置により投光
面Ｘ−Ｙ上に光束を照射する状態を示すものである。同
図では楔形プリズム５．６を透過して照射される光束の
軌道を５′　　６′で表示している。楔形プリズム５．
６からＸ−Ｙ投光面までの距離および楔形プリズム５．
６の屈折角で決まる定数をδ、楔形プリズム５の偏向角
をθ、楔形プリズム６の偏向角をψとすれば、Ｘ−Ｙ投
光面上に照射される光束ａの座標（ｘ、ｙ）と楔形プリ
ズム５．６の偏向角θ、ψとの関係は、Ｘ−δ（ＣＯＳ
θ＋ｃｏｓψ）・・・・・・・・・・・・・（３）ｙ−
δ（ｓｉｎθ＋ｓｉｎψ）・・・・・・・・・・・・・
・・（４）６示される。上記（３）、（４）式より、θ
、ψについて解くと、０≦Ｘ≦２６の範囲では、θ　−
ｔａｎ　　　（ｙ／ｘ）　　±　（１／２）ｃｏｓ−’
　　ｆ（ｘ２　＋ｙ２　）／（２×６２）−１１・・・
・−・・・・・・・　（５）ψ−ｔａｎ　　（ｙ／ｘ）
±（−１／２）　ｃｏｓ　’　ｆ（ｘ２＋ｙ２）／＝１ （２Ｘδ２）−１１・・・　・・・・・・　（６）２δ
≦ｘ＜０の範囲では、 θ＝　　ｔａｎ　　（ｙ／ｘ）±（１／２）ｃｏｓ　’
　ｆ　（Ｘ２＋ｙ２）／（２Ｘδ２）−１１＋π　　・
・　・・（７）ψ＝　　ｔａｎ　　（ｙ／ｘ）±（−１
／２）　ｃｏｓ−１１（ｘ２＋ｙ２）／（２Ｘδ２）−
１１＋π　　・・・　（８）で示される。上式において
Ｘ、ｙはＸ−＋ｙ２≦４６２を満足し、原点はθ＝ψ＋
πの条件で常に成立する。式（５）、（６）より、ある
点（ｘ。

ｙ）を決定する（θ、ψ）は２通りの組合せがあること
か分かる。ここで、δ−１として、一方の組合せのみを
考慮すると、０≦Ｘ≦２のとき、θ　’　　−ｔａｎ　
　　（ｙ／ｘ）　　＋　　（１／２）ｃｏｓ−■　（（
ｘ２　＋ｙ２　）−■ ／２−１　）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（９）ψ’　　−ｔａｎ　　　（ｙ／
ｘ）　　±　（−１／２）　　ｃｏｓ−’　　（（ｘ２
　＋ｙ２　　）／２−１　）　・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（１０）−２≦ｘ＜０のと
き、 θ’　−ｔａｎ　　（ｙ／ｘ）　＋　（１／２）ｃｏｓ
−’　（（ｘ２＋ｙ２）／２−１１　＋π　　・・・・
・・・・・・・・（１１）ψ’　　−ｔａｎ　　　（ｙ
／ｘ）　　−（−１／２）　　ｃｏｓ’　　（（ｘ２　
＋ｙ２　）／２−１）＋π　　・・・・・・・・・・・
・（１２）のように示される。

第７図は、式（９）、（１０）、（１１）、（１２）に
於けるＸ　ｓ　ｙｓ　θ′　ψ′の関係を示すグラフで
ある。同図（ａ）、（ｂ）は、（０くＸ≦１．４）及び
（−１，４≦ｙ≦１．４）の範囲におけるθ′　ψ′の
関係を示すもので、同図（ｃ）　　　（ｄ）は（−１，
４≦ｘ〈０）及び（−１，４≦ｙ≦１．４）の範囲にお
けるθ′ψ′の関係を示すものである。これらのグラフ
に基づいて、楔形プリズム５．６のＸ−Ｙ平面上の位置
を容易に決定することができる。

このように、第２実施例に係る走査型光検出装置による
と、第６図で示すように、投光面Ｘ−Ｙ上に照射される
光はＸ　　＋ｙ　　≦４６２の成立する範囲内で任意の
座標をとることができるので、一対の楔形プリズム５．
６の位相を個々に制御することにより、被測定物に対し
２次元走査が可能になる。

次に、本発明の第３実施例に係る走査型光検出装置を説
明する。第８図（ａ）、（ｂ）は、当該実施例に係る走
査型光検出装置、第９図は当該実施例に使用できるフレ
ネルプリズム回転体を示すものである。

この走査型光検出装置には一対のフレネルプリズムで構
成されたフレネルプリズム回転体を使用している。フレ
ネルプリズム回転体は、第９図で示すように、−面に多
数の三角状突起が平行に形成された２つのフレネルプリ
ズムを組み合わせ、互いに回転できるように構成されて
いる。

第３実施例における第１実施例との差異は、光偏向部材
として、楔形プリズムの代わりにフレネルプリズムを使
用している点であり、他の構成は第１実施例に係る走査
型光検出装置と異ならない。

上記実施例に係る走査型光検出装置によると、フレネル
プリズムの中心部に重心が位置するので、装置をよりコ
ンパクトにすることができ、安定かつ高速回転が可能に
なる。

次に、本発明の第４実施例に係る走査型光検出装置を説
明する。第１０図は、当該実施例に係る走査型光検出装
置、第１１図は当該実施例に使用できる一体型フレネル
プリズム回転体を示すものである。第３実施例との差異
は、投光部のフレネルプリズムと受光部のフレネルプリ
ズムが一体化されている点である。

一対の一体型フレネルプリズム１７．１８を同一角速度
で異なる方向に回転させることにより、前述したように
、出射光は投光面Ｘ−Ｙ上のＸ軸に沿って所定の範囲で
走査される。一体型フレネルプリズム１７．１８は、第
１１図に示すように、円板状になっており、その−面に
は複数の三角状突起が平行に形成されている。一体型フ
レネルプリズム１７．１８は、互いに平面になった他面
を合わせるように配置されており、互いに反対方向に同
一角速度で回転する。

この実施例に係る走査型光検出装置によると、投光部の
フレネルプリズムと受光部のフレネルプリズムか一体化
されているので、投光部と受光部の回転軸が一軸になり
、機械的位相ずれがなくなる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
多種多様の変形が可能である。

ます、光偏向部材は楔形プリズム、フレネルプリズムに
限定されるものではなく、あらがしめ定められた一定方
向にそれぞれ光を偏向するよう形成された光偏向部材で
あれば使用することができる。

また、上記実施例ではそれぞれの偏向部材が互いに反対
方向に回転し、回転数が同一あるいは異なる光偏向手段
を用いて説明したが、角速度若しくは方向の少なくとも
いずれがか異なるように回転する光偏向手段であればよ
い。従って、回転方向か同一で回転数か異なる一対の光
偏向部材を備えて構成される光偏向手段を使用すること
ができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように構成されているので、互い
に角速度若しくは方向の少なくともいずれかか異なるよ
うに回転する光偏向部材を使用することから、その回転
速度を一定にすることで、安定した速度での走査を実現
することができる。

また、光偏向部材の偏向角を自由に設定できるので走査
範囲を自由に変更することができる。

さらに、投光手段の発光点を複数にすれば走査範囲を簡
単に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る走査型光検出装置を
示す光軸に対して直交する方向から見た側断面図、第２
図は第１実施例に係る走査型光検出装置に使用できるダ
ブルプリズム回転体の回転動作を示す工程図、第３図は
第１実施例に係る走査型光検出装置の使用状態を示す斜
視図、第４図は第１実施例に係る走査型光検出装置から
照射されたＸ−Ｙ上の光束軌道を示す模式図、第５図は
本発明の第２実施例に係る走査型光検出装置を示す斜視
図、第６図は第２実施例に係る走査型光検出装置から照
射されたＸ−Ｙ上の光束軌道を示す模式図、第７図は式
（９）、（１０）、（１１）、（１２）に於けるｘ、ｙ
、θ′　　ψ′の関係を示すグラフ、第８図は本発明の
第３実施例に係る走査型光検出装置を示す光軸に対して
直交する方向から見た側断面図、第９図は第３実施例に
係る走査型光検出装置に使用できるフレネルプリズム回
転体の一例を示す斜視図、第１０図は本発明の第４実施
例に係る走査型光検出装置を示す光軸に対して直交する
方向から見た側断面図、第１１図は第４実施例に係る走
査型光検出装置に使用できる一体型フレネルプリズム回
転体の一例を示す斜視図である。 １・・・レーサダイオードアレイ、 ２・・・結像レンズ、 ３・・フィールドレンズ、４・投光レンズ、５．６．７
．８・・楔形プリズム、５′　６′・・・光束の軌道、
９・受光レンズ、１２・光検出器、１３．１４．１５．
１６　フレネルプリズム、１７．１８・・・−体型フレ
ネルプリズム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、あらかじめ定められた一定方向にそれぞれ光を偏向
   するよう形成され、角速度若しくは方向の少なくともい
   ずれかが異なるように回転させられる第１および第２の
   光偏向部材を含んで構成された第１の光偏向手段と、 あらかじめ定められた一定方向にそれぞれ光を偏向する
   ように形成され、前記第１及び第２の光偏向部材のそれ
   ぞれと同期して回転させられる第３及び第４の光偏向部
   材を含んで構成された第２の光偏向手段と、 前記第１の光偏向手段を介して被測定物に投光して照明
   する投光手段と、 前記被測定物からの光を前記第２の光偏向手段を介して
   受光する受光手段とを備えて構成されている走査型光検
   出装置。 ２、前記第１および第３の光偏向部材が一体構造となり
   、かつ前記第２および第４の光偏向部材が一体構造にな
   っていることを特徴とする請求項１記載の走査型光検出
   装置。 ３、前記投光手段に含まれる光源が複数の発光点を有し
   、前記受光手段に含まれる受光素子が複数の受光点を有
   することを特徴とする請求項１記載の走査型光検出装置
   。