JPWO2019044823A1 - 光学装置 - Google Patents

Abstract

受光素子における適切な受光位置で受光することができる光学装置を提供する。光学装置（１）は、光の反射方向を連続的に変化させることで、光源（２）が照射したラインビームを、ｘ方向とｘ’方向に走査させるＭＥＭＳミラー（５）と、走査されたラインビームが対象物（１００）で反射した反射光をＭＥＭＳミラー（５）を介して受光する第１受光部（８Ａ）及び第２受光部（８Ｂ）を有する受光部（８）と、を有している。そして、ＭＥＭＳミラー（５）からラインビームが照射されてからＭＥＭＳミラー（５）がラインビームの反射光を受光するまでの期間にＭＥＭＳミラー（５）の光の反射方向が変化することに起因する、受光部（８）のラインビームの反射光の受光位置が変化する方向であるＡ方向に対して傾斜した方向に沿って、受光素子（８２〜８９）が配置されている。

Description

本発明は、出射した光が対象物で反射した反射光を受光する光学装置に関する。

近年、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）を用いたセンサ装置が開発されている。ＬｉＤＡＲを用いたセンサ装置は、光が射出されて受信器に検出されるまでの時間に基づいて、対象物の位置、すなわちセンサ装置と対象物の間の距離を測定することができる。ＬｉＤＡＲはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等によって、出射した光を走査している。

上記したセンサ装置では、装置から出射する光をＭＥＭＳミラー等により走査することで、走査範囲における対象物までの距離を測定している（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７‐８５８３２号公報

特許文献１に記載の装置では、ミラー５を介して照射した光１０４を測定対象物１０１で反射させて、反射光１０５としてミラー５で受光素子８へ反射させて受光素子８が受光する。このミラー５は、所定の角度範囲を走査するように駆動されるので、光１０４の出射時と反射光１０５として戻ってきた時とでミラー５の角度が僅かに変化し、受光素子８での受光位置が走査方向に応じてずれてしまい、適切な位置で受光できないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題としては、上述したような受光素子における適切な受光位置での受光が一例として挙げられる。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、照射手段が照射した照射光を、反射方向の変化により第１方向とその逆の第２方向に走査する走査手段と、走査された前記照射光が対象物で反射した反射光を、前記走査手段を介して受光する２つの受光部を有する受光手段と、を備え、前記走査手段において、前記照射光が出射してから前記反射光が入射するまでの間の前記反射方向の変化に起因する、前記受光手段上の前記反射光の受光位置変化の方向である第３方向に対し傾斜した方向に沿って、前記２つの受光部における光感知部が配置されていることを特徴としている。

本発明の一実施例にかかる光学装置の概略構成図である。 図１に示された受光部の概略構成図である。 図１に示されたＭＥＭＳミラーの角度が変化した場合の説明図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる光学装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる光学装置は、照射手段が照射した照射光を、反射方向の変化により第１方向とその逆の第２方向に走査する走査手段と、走査された照射光が対象物で反射した反射光を、走査手段を介して受光する２つの受光部を有する受光手段と、を備えている。そして、走査手段において、照射光が出射してから反射光が入射するまでの間の反射方向の変化に起因する、受光手段上の反射光の受光位置変化の方向である第３方向に対し傾斜した方向に沿って、２つの受光部における光感知部が配置されている。このようにすることにより、２つの受光部によって、第１方向、第２方向のいずれの走査方向のときにも受光部において適切な位置で受光することができる。また、第３方向に対して傾斜した方向に沿って、第１受光部及び第２受光部が配置されていることにより、走査範囲の解像度を向上させることができる。

また、受光手段は、走査手段が照射光を第１方向に走査しているときは、反射光を第１受光部で受光し当該受光した光の強度に関する信号を取得し、走査手段が照射光を第２方向に走査しているときは、反射光を第２受光部で受光し当該受光した光の強度に関する信号を取得するようにしてもよい。このようにすることにより、走査方向に応じて第１受光部又は第２受光部によって適切な位置で受光でき、その受光した光の強度に応じた信号を取得することができる。

また、２つの受光部は、それぞれ光感知部を複数有し、２つの受光部の第１受光部の光感知部と第２受光部の光感知部とは、第３方向に対して直交する方向に沿って互い違いに配列されていてもよい。このようにすることにより、照射光として第３方向に直交する方向に伸長した所謂ラインビームを用いた場合に、第１受光部の受光素子間の位置に相当する反射光を第２受光部によって受光することができ、受光した光の解像度を向上させることができる。

また、第１受光部及び第２受光部は、走査手段が光の反射方向を変化させていない状態で、受光手段が反射光を受光した場合の当該受光手段上における反射光の受光位置である基準位置を挟んで配置されていてもよい。このようにすることにより、基準位置に基づいて第１方向や第２方向に走査した際のずれに応じた位置に第１受光部及び第２受光部を配置することができる。

また、照射光を前記第３方向に対して直交する方向に伸長させる伸長手段を有してもよい。このようにすることにより、照射光として所謂ラインビームを対象物に照射することができ、走査手段は、一次元方向への走査のみでよく構成を簡略化することができる。

また、走査手段は、照射光及び反射光を反射するミラーを有するものであってもよい。このようにすることにより、単純な構造で光を所定の方向に変更させることができる。また、ＭＥＭＳミラーのように小型化も可能となる。

請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の光学装置を有し、照射光の照射から、受光手段による照射光の受光までに要した時間に基づき、対象物までの距離を測定する距離測定装置としてもよい。このようにすることにより、距離測定装置において、適切な位置で反射光を受光することができ、距離の測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施例にかかる光学装置を図１〜図３を参照して説明する。本実施例にかかる光学装置１は、図１に示したように、光源２と、ラインビーム出射部３と、ビームスプリッタ４と、ＭＥＭＳミラー５と、投受光レンズ６と、集光レンズ７と、受光部８と、を備えている。

出射部としての光源２は、例えばレーザダイオードで構成されている。光源２は、所定の波長のレーザ光をパルス状に発光（出射）する。

伸長手段としてのラインビーム出射部３は、光源２から出射されたレーザ光を点状から強度分布が均一な線状の光（即ち、光束断面が帯状の光であるラインビーム）にしており、例えば凸レンズとシリンドリカルレンズ等から構成されている。本実施例におけるラインビームは、ＭＥＭＳミラー５によって走査する方向（図１のｘ方向及びｘ’方向）と直交する方向に伸長される。また、当該ラインビームが後述する対象物で反射した反射光の受光部８上での伸長方向は、後述する第１受光部８Ａと第１受光部８Ｂとが配列している方向（図２のＡ方向と直交する方向）に沿ったものとなる。

ラインビーム出射部３から出射されたラインビームはビームスプリッタ４を介してＭＥＭＳミラー５へ到達し、且つＭＥＭＳミラー５で反射された後述する反射光を集光レンズ７へ向けて反射する。

走査手段としてのＭＥＭＳミラー５は、ラインビームを対象物１００が存在する領域へ向けてラインビームの伸長方向と直交する方向に走査する１軸のミラーである。つまり、光の反射方向を連続的に変化させることで、光源２が照射してラインビーム出射部３でラインビームにされた照射光を、図１のｘ方向（第１方向）及びｘ方向と反対方向のｘ’方向（第２方向）に走査させる。

また、ＭＥＭＳミラー５は、照射光が対象物１００で反射し、投受光レンズ６に入射した反射光をビームスプリッタ４へ向けて反射させる。ＭＥＭＳミラー５は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により構成されたミラーであり、ミラーと一体的に形成されたアクチュエータ（図示しない）によって駆動される。また、ＭＥＭＳミラー５はガルバノミラーなど他のビーム偏向手段でもよい。

ＭＥＭＳミラー５で反射されたラインビームは投受光レンズ６を介して対象物１００が存在する領域へ照射（投光）される。また、投受光レンズ６には、対象物１００で反射したラインビームである反射光等が入射（受光）する。

集光レンズ７は、ビームスプリッタ４と受光素子８との間に設けられ、ビームスプリッタ４で反射されたラインビームの反射光を受光素子８へ集光する。

受光部８は、集光レンズ７で集光された光を受光する。受光部８には複数の受光素子が設けられており、各々の受光素子は受光した光の強度に関する信号（受光強度）を出力する。

受光部８の構成例を図２に示す。図２に示したように受光部８は、ハウジング８１内に受光素子８２〜８９の受光素子（光感知部）が設けられている。受光素子８２〜８９は、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成されている。受光素子８２〜８５はラインビームの伸長方向に沿って一列に配列されている。なお、受光素子の数は走査範囲に対する解像度によって決定される。受光素子８６〜８９はラインビームの伸長方向に沿って一列に配列されている。即ち、受光素子８２〜８５は、第１受光部８Ａを構成し、受光素子８６〜８９は、第２受光部８Ｂを構成している。第１受光部８Ａと第２受光部８Ｂは、それぞれに含まれる受光素子が互い違いに配列された所謂千鳥配置となっている。また、第１受光部８Ａと第２受光部８Ｂは基準線Ｌを挟んで配列されている。

この基準線Ｌは、ハウジング８１の幅方向（符号Ａで示される方向）の略中央に位置する。この位置は、ＭＥＭＳミラー５（走査手段）が駆動されていない状態で、光源２から照射されたレーザ光の反射光が、受光部８（受光手段）で受光された場合の当該受光部８上における当該反射光の受光位置となっている。

次に、本実施例における作用について図３を参照して説明する。図３は、図１に示した光学装置１を簡略化して示した図である。なお、図３において、ラインビーム出射部３と、投受光レンズ６と、集光レンズ７と、は省略している。

光源２から出射されたレーザ光はラインビーム出射部３でラインビームとされた後、ビームスプリッタ４を介してＭＥＭＳミラー５で対象物１００の存在する領域に向けて照射（反射）している。

照射されたラインビームが対象物１００で反射された反射光は、ＭＥＭＳミラー５でビームスプリッタ４へ向けて反射される。このときＭＥＭＳミラー５は、所定の範囲を走査するように連続的に駆動されている。そのため、ＭＥＭＳミラー５がラインビームを反射して対象物１００の存在する領域へ向けて出射させたときと、ラインビームが対象物１００で反射した反射光がＭＥＭＳミラー５に入射したときとでは、ＭＥＭＳミラー５の角度が変化している。したがって、ＭＥＭＳミラー５からビームスプリッタ４への光路と、ビームスプリッタからＭＥＭＳミラー５へ向かう光路とは異なってしまうため、受光部８における受光位置が出射時のＭＥＭＳミラーの角度を基準とした場合における位置とずれてしまう。

また、ＭＥＭＳミラー５は、図１のｘで示した方向とその逆方向であるｘ’で示した方向を往復するようにラインビームを走査する。ここで、ｘ方向（往路）とｘ’方向（復路）とでは、同じ位置を狙って照射したビームであっても、ＭＥＭＳミラー５からの照射時と、反射光のＭＥＭＳミラー５への入射した時のＭＥＭＳミラー５の角度が変化する方向が往路と復路とで異なる。従って、受光部８における受光位置のずれの方向は往路と復路とで異なる（図３の一点鎖線と二点鎖線を参照）。

そこで、本実施例では、受光部８は、ｘ方向における反射光を受光できる受光素子８２〜８５からなる列の第１受光８Ａと、ｘ’方向における反射光を受光できる受光素子８６〜８９からなる列の第２受光部８Ｂと、を有することで、往路も復路も適切にラインビームの反射光を受光できるようにしている。

また、ラインビームは、走査方向（ｘ方向、ｘ’方向）と直交する方向に伸長した光であり、受光部８においては、当該ラインビームの反射光は図２のＡ方向と直交する方向（受光部において受光素子が配列されている方向）に沿って伸長されている。このラインビームの反射光を受光する受光部８において、各受光部の受光素子の間隔は、受光素子からの配線等の都合上一定以上小さくできず、ラインビームの反射光を受光することができない。そこで、本実施例のように、第１受光部８Ａと第２受光部８Ｂとを千鳥配置とすることで、ｘ方向への走査時に受光する受光素子では取得できない反射光について、ｘ’方向への走査時に受光することができるようになる。

即ち、図２のＡ方向が、ＭＥＭＳミラー５（走査手段）から照射光が照射されてからＭＥＭＳミラー５が反射光を受光するまでの期間にＭＥＭＳミラー５の光の反射方向が変化することに起因する、受光部８上の反射光の受光位置が変化する方向である第３方向となる。そして、第１受光部８Ａと第２受光部８Ｂとを千鳥配置とすることで、第１受光部８Ａに含まれる受光素子と第２受光部８Ｂに含まれる受光素子とが、Ａ方向に対して傾斜した方向に沿って配置されることとなる。

本実施例によれば、光学装置１は、光の反射方向を連続的に変化させることで、光源２が照射したラインビームを、ｘ方向とｘ’方向に走査させるＭＥＭＳミラー５と、走査されたラインビームが対象物１００で反射した反射光をＭＥＭＳミラー５を介して受光する第１受光部８Ａ及び第２受光部８Ｂを有する受光部８と、を有している。そして、ＭＥＭＳミラー５からラインビームが照射されてからＭＥＭＳミラー５がラインビームの反射光を受光するまでの期間にＭＥＭＳミラー５の光の反射方向が変化することに起因する、受光部８のラインビームの反射光の受光位置が変化する方向であるＡ方向に対して傾斜した方向に沿って、受光素子８２〜８９が配置されている。このようにすることにより、２つの受光部に含まれる受光素子８２〜８９によって、ｘ方向とその逆方向のいずれの走査方向のときにも受光部８において適切な位置で受光することができる。また、Ａ方向に対して傾斜した方向に沿って、受光素子８２〜８９が配置されていることにより、走査範囲の解像度を向上させることができる。

また、受光部８は、ＭＥＭＳミラー５が光の照射方向をｘ方向に変化させているときは、ラインビームの反射光を第１受光部８Ａで受光して当該受光した光の強度に関する信号を取得し、ＭＥＭＳミラー５が光の照射方向をｘ’方向に変化させているときは、ラインビームの反射光を第２受光部８Ｂで受光して当該受光した光の強度に関する信号を取得している。このようにすることにより、走査方向に応じて第１受光部８Ａ又は第２受光部８Ｂによって適切な位置で受光でき、その受光した光の強度に応じた信号を取得することができる。

また、第１受光部８Ａと第２受光部８Ｂは、Ａ方向に対して直交する方向に沿って互い違いに配列されていている。このようにすることにより、照射光としてＡ方向に直交する方向に伸長したラインビームを用いた場合に、第１受光部８Ａの受光素子間の位置の相当する反射光を第２受光部８Ｂによって受光することができ、受光した光の解像度を向上させることができる。

また、第１受光部８Ａ及び第２受光部８Ｂは、基準線Ｌを挟んで配置されている。このようにすることにより、基準線Ｌに基づいてｘ方向やｘ’方向に走査した際のずれに応じた位置に第１受光部８Ａ及び第２受光部８Ｂを配置することができる。

また、照射光をＡ方向に対して直交する方向に伸長させるラインビーム出射部３を有している。このようにすることにより、照射光としてラインビームを対象物１００に照射することができ、ＭＥＭＳミラー５は、一次元方向への走査のみでよく構成を簡略化することができる。

また、本光学装置は対象物までの距離を測定に用いることができる。すなわち、本光学装置を搭載した距離測定装置のＣＰＵ等により、光源２がレーザ光を出射してから対象物１００で反射した反射光として受光部８に受光されるまでの時間を測定することで、光学装置から対象物１００までの距離を測定することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の光学装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１ 光学装置
２ 光源（出射手段）
３ ラインビーム出射部（伸長手段）
４ コリメートレンズ
５ ＭＥＭＳミラー（走査手段、ミラー）
８ 受光部（受光手段）
８Ａ 第１受光部
８Ｂ 第２受光部
８２〜８９ 受光素子
１００ 対象物
Ｌ 基準線（基準位置）
ｘ 第１方向
ｘ’ 第２方向
Ａ 第３方向

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、照射手段が照射した照射光を、第１方向とその逆の第２方向に走査する走査手段と、走査された前記照射光が対象物で反射した反射光を、前記走査手段を介して受光する第１受光部及び第２受光部を有する受光手段と、を備え、前記受光手段は、前記走査手段が前記照射光を前記第１方向に走査しているときは前記第１受光部の受光結果に基づき受光した光の強度に関する信号を取得し、前記走査手段が前記照射光を前記第２方向に走査しているときは前記第２受光部の受光結果に基づき受光した光の強度に関する信号を取得し、前記第１受光部及び前記第２受光部は、前記走査手段において前記照射光を走査してから前記反射光として入射するまでの間の前記反射方向の変化に起因する、前記受光手段上の前記反射光の受光位置変化に対応する位置に配置されていることを特徴としている。

Claims (7)

1. 照射手段が照射した照射光を、反射方向の変化により第１方向とその逆の第２方向に走査する走査手段と、
   走査された前記照射光が対象物で反射した反射光を、前記走査手段を介して受光する２つの受光部を有する受光手段と、を備え、
   前記走査手段において、前記照射光が出射してから前記反射光が入射するまでの間の前記反射方向の変化に起因する、前記受光手段上の前記反射光の受光位置変化の方向である第３方向に対し傾斜した方向に沿って、前記２つの受光部における光感知部が配置されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記受光手段は、前記走査手段が前記照射光を前記第１方向に走査しているときは、前記反射光を前記第１受光部で受光し当該受光した光の強度に関する信号を取得し、前記走査手段が前記照射光を前記第２方向に走査しているときは、前記反射光を前記第２受光部で受光し当該受光した光の強度に関する信号を取得することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記２つの受光部は、それぞれ前記光感知部を複数有し、
   前記２つの受光部の第１受光部の前記光感知部と第２受光部の前記光感知部とは、前記第３方向に対して直交する方向に沿って互い違いに配列されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記第１受光部及び前記第２受光部は、前記走査手段が光の反射方向を変化させていない状態で、前記受光手段が前記反射光を受光した場合の当該受光手段上における前記反射光の受光位置である基準位置を挟んで配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の光学装置。
5. 前記照射光を前記第３方向に対して直交する方向に伸長させる伸長手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記走査手段は、前記照射光及び前記反射光を反射するミラーを有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の光学装置。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の光学装置を有し、
   前記照射光の照射から、前記受光手段による前記照射光の受光までに要した時間に基づき、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。

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