JPWO2019131307A1 - 走査装置及び光検出装置 - Google Patents

Abstract

出射光を出射する光源部と、出射光によって所定の領域を走査する走査部と、出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、受光部に受光される反射光を分光し、受光部上における反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を有する。

Description

本発明は、光走査を行う走査装置、及び光検出を行う光検出装置に関する。

例えば、光を対象物に照射し、当該対象物によって反射された光を検出することで、当該対象物までの距離を測定することができる。このような光学的な測距装置は、例えば、走査装置と組み合わせることで、当該走査装置が走査する領域内の２次元的な距離情報を得ることができる。

当該走査型の測距装置は、例えば、走査装置として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、当該ミラーに向けて光を出射する光源と、対象物からの反射光を受光する受光部とを有する。例えば、特許文献１には、光投光部、光検出器及び光量分布変換素子を含む距離測定装置が開示されている。

特開2012-202776号公報

走査装置は、例えば、パルス状のレーザ光を走査領域に向けて出射し、対象物からの反射光（光パルス）を受光及び検出することで、走査領域内の光学的な情報を取得する。また、例えば、測距装置は、当該反射光の検出結果に基づいて当該対象物までの距離を測定する。

ここで、測距装置は、対象物が測距装置から遠い位置に存在する場合や、対象物の光反射特性が小さい場合においても、正確に測距できることが好ましい。このためには、走査装置は、例えば、微弱な反射光でも正確に検出できることが好ましい。また、走査装置は、反射光のパルスを正確に検出することを考慮すると、高いダイナミックレンジで反射光を検出できることが好ましい。また、走査装置に限らず、光検出を行う光検出装置においては、微弱な反射光でも正確に検出できることが好ましい。そのため、光検出に用いる受光素子には、当該反射光が均一に照射され、照射ムラが生じないことが好ましい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、対象物からの反射光を正確に検出し、走査領域内の正確な光走査を行うことが可能な走査装置を提供することを課題の１つとしている。また、本発明は、対象物からの反射光を正確に検出することが可能な光検出装置を提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、出射光を出射する光源部と、出射光によって所定の領域を走査する走査部と、出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、受光部に受光される反射光を分光し、受光部上における反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を有することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、出射光を出射する光源部と、出射光が対象物によって反射した反射光を分光して、所定の伸長方向に伸長させた分光光として出力する分光部と、光を検出する複数の受光素子が分光光の伸長方向に沿って配置された受光部と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る測距装置の配置図である。 実施例１に係る測距装置の配置図である。 実施例１に係る測距装置の光検出器の平面図である。 実施例１に係る測距装置の分光部及び受光部の配置図である。 実施例１に係る測距装置における走査部の上面図である。 実施例１に係る測距装置における走査部の断面図である。 実施例１に係る測距装置の走査態様を示す図である。 実施例２に係る測距装置の配置図である。 実施例２に係る測距装置の配置図である。 実施例２に係る測距装置の光検出器の平面図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る測距装置１０の模式的な配置図である。測距装置１０は、所定の領域（以下、走査領域と称する）Ｒ０の光走査を行い、走査領域Ｒ０内に存在する対象物ＯＢまでの距離を測定する走査型の測距装置である。図１を用いて、測距装置１０について説明する。なお、図の明確さのため、図１には、走査領域Ｒ０及び対象物ＯＢを模式的に示している。

まず、測距装置１０は、パルス化された光（以下、出射光と称する）Ｌ１を生成及び出射する光源部１１を有する。本実施例においては、光源部１１は、出射光Ｌ１として、赤外領域にピーク波長を有するパルス化されたレーザ光を生成する。

測距装置１０は、出射光Ｌ１を用いて走査領域Ｒ０を走査する走査部１２を有する。走査部１２は、出射光Ｌ１を走査領域Ｒ０に向けて反射させる可動式の光反射面１２Ａを有する。本実施例においては、走査部１２は、光反射面１２Ａが設けられた可動ミラーを有する。

走査部１２は、光反射面１２Ａの向きを変化させることで、出射光Ｌ１が反射する方向を連続的かつ周期的に変化させる。走査部１２は、この光反射面１２Ａによって反射された出射光Ｌ１を走査光Ｌ２として出射する。

なお、走査領域Ｒ０は、光反射面１２Ａの可動範囲に対応する幅及び高さを有し、走査光Ｌ２が到達及び反射したときに所定強度の反射光を受光可能な距離に対応する奥行を有する仮想の３次元空間である。図１においては、走査領域Ｒ０の外縁を破線で模式的に示した。

例えば、図１に示すように、走査領域Ｒ０内における走査光Ｌ２の光路上に対象物ＯＢが存在する場合、対象物ＯＢに走査光Ｌ２が照射される。また、対象物ＯＢが走査光Ｌ２に対して反射性を有する物体である場合、対象物ＯＢによって走査光Ｌ２が反射（放射）される。

測距装置１０は、走査光Ｌ２が対象物ＯＢに照射されることで対象物ＯＢによって反射された光（以下、反射光と称する）Ｌ３を分光する分光部１３を有する。本実施例においては、分光部１３は、回折格子からなる。分光部１３は、反射光Ｌ３を受け、反射光Ｌ３を波長成分毎に分光した光（以下、分光光と称する）Ｌ４を生成する。

測距装置１０は、分光部１３によって分光された分光光Ｌ４を受光して検出する受光部１４を有する。受光部１４は、例えば、分光部１３によって分光された分光光Ｌ４の波長帯域の光を受光して検出する。また、受光部１４は、分光光Ｌ４に対して光電変換を行い、分光光Ｌ４に応じた電気信号（以下、受光信号と称する）ＳＲを生成する。

なお、光源部１１と走査部１２の光反射面１２Ａとの間の出射光Ｌ１の光路上には、ビームスプリッタＢＳが設けられている。走査光Ｌ２は、対象物ＯＢによって反射されて反射光Ｌ３となり、光反射面１２Ａに向かって戻る。そして、反射光Ｌ３は、光反射面１２Ａによって反射され、ビームスプリッタＢＳによって分離され、分光部１３によって分光された後、受光部１４によって受光される。なお、光源部１１によって出射された出射光Ｌ１は、ビームスプリッタＢＳを透過して走査部１２に向かって進む。

次に、測距装置１０は、受光信号ＳＲに基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１５を有する。本実施例においては、測距部１５は、受光信号ＳＲから分光光Ｌ４のパルスを検出し、出射光Ｌ１の出射からの時間差に基づくタイムオブフライト法によって対象物ＯＢ（及びその一部の表面領域）までの距離を測定する。測距部１４は、測定した距離情報を示すデータ（以下、測距情報と称する）を生成する。

また、本実施例においては、測距部１５は、走査領域Ｒ０内の所定の領域を有効走査領域（又は測距領域）とし、この有効走査領域内に向けて出射された走査光Ｌ２に対応する分光光Ｌ４の受光信号ＳＲに基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する。

なお、本明細書においては、説明上、走査領域Ｒ０内における走査部１２から所定の距離だけ離れた仮想の被走査面を走査面Ｒ１と称する。また、本実施例においては、有効走査領域は、走査領域Ｒ０の外縁部分を除いた領域（すなわち空間）である。図１には、有効走査領域を、走査面Ｒ１の外縁部分を除いた内側の領域である有効走査面Ｒ２として例示した。測距部１５の測距動作は、有効走査面Ｒ２に出射される走査光Ｌ２を用いて行われる。

また、本実施例においては、測距部１５は、当該測距情報に基づいて走査領域Ｒ０の画像化を行う。測距部１５は、走査部１２が走査領域Ｒ０を走査する周期（以下、走査周期と称する）毎に１つの測距画像を生成する。なお、走査周期とは、例えば、走査領域Ｒ０に対する走査を周期的に行う場合において、任意の走査状態（例えば走査光Ｌ２を出射する光反射面１２Ａの向き）の時点から、その後に再度当該走査状態に戻る時点までの期間をいう。

本実施例においては、測距部１５は、当該測距情報を光反射面１２Ａの向きを示す情報と対応付け、２次元又は３次元のマップとして画像化する測距画像を生成する。本実施例においては、測距部１５は、走査周期毎に測距画像を生成する。なお、測距部１５は、複数の測距画像を時系列に沿って動画として表示する表示部（図示せず）を有していてもよい。

また、測距装置１０は、光源部１１、走査部１２、受光部１４及び測距部１５の動作制御を行う制御部１６を有する。例えば、本実施例においては、制御部１６は、光源部１１に駆動信号ＤＬを供給し、光源部１１の駆動及びその制御を行う。なお、駆動信号ＤＬは、測距部１５にも供給される。また、制御部１６は、走査部１２に駆動信号ＤＸ及びＤＹを供給し、走査部１２の駆動及びその制御を行う。

図２は、測距装置１０の構成例を模式的に示す図である。図２を用いて、測距装置１０の構成及び測距装置１０内の光の進路について説明する。まず、本実施例においては、光源部１１は、一次光Ｌ１１を生成する光源１１Ａと、一次光Ｌ１１を整形して整形光Ｌ１２を生成する整形光学系１１Ｂと、整形光Ｌ１２を出射光Ｌ１として投光する投光光学系１１Ｃとからなる。

例えば、光源１１Ａは、一次光Ｌ１１としてパルス状のレーザ光を生成するレーザ装置を含む。光源１１Ａは、本実施例においては、ドット状（点状）のスポット形状を有する一次光Ｌ１１を生成及び出射する。なお、光のスポット形状とは、例えば、当該光の光軸に垂直な方向における当該光の断面形状である。整形光学系１１Ｂは、例えば、コリメートレンズ及びシリンドリカルレンズからなる。整形光学系１１Ｂは、走査光Ｌ２、すなわち走査領域Ｒ０に向けて出射される光の中間像を生成する。また、投光光学系１１Ｃは、例えば投光レンズからなる。

なお、光源部１１は、投光光学系１１Ｃからドット状のスポット形状を有する出射光Ｌ１を出射する点光源であってもよいし、ライン状のスポット形状を有する出射光Ｌ１を出射する線光源であってもよい。

また、光源部１１は、所定の波長帯域の出射光Ｌ１を出射する。本実施例においては、例えば、説明のため、出射光Ｌ１が所定の幅を持つ６つの波長帯λ１、λ２、λ３、λ４、λ５及びλ６の光を含む場合について説明する。例えば、光源部１１の光源１１Ａは、当該波長帯域λ１〜λ６に亘る波長範囲内のレーザ光を一次光Ｌ１１として出射する。

次に、本実施例においては、出射光Ｌ１は、ビームスプリッタＢＳを透過し、反射光学系ＭＬに反射された後、走査部１２の光反射面１２Ａによって反射され、走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に出射される。また、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３は、背景光（環境光）と共に走査部１２の光反射面１２Ａに入射し、反射光学系ＭＬに向けて反射される。

すなわち、走査部１２の光反射面１２Ａに入射する光には、対象物ＯＢからの走査光Ｌ２の反射光である反射光Ｌ３だけでなく、背景光が含まれる場合がある。しかし、特に明記しない限り、以下の説明においては、光反射面１２Ａに入射する光のうち、反射光Ｌ３について説明する。

反射光学系ＭＬによって反射された反射光Ｌ３は、ビームスプリッタＢＳによってその一部が分離（反射）され、分光部１３に入射する。

分光部１３は、反射光Ｌ３を６つの波長帯の光（以下、分光光と称する）Ｌ４１〜Ｌ４６に分光する。本実施例においては、分光部１３は、光をその波長に応じた方向に導く（本実施例においては反射する）。これによって、分光光Ｌ４１〜Ｌ４６は、それぞれ異なる方向に出射される。分光光Ｌ４１は波長帯λ１の光であり、分光光Ｌ４２〜Ｌ４６はそれぞれ波長帯λ２〜λ６の光である。なお、説明のため、分光光Ｌ４１〜Ｌ４６の全体を分光光群Ｌ４と称する。

なお、本実施例においては、分光光群Ｌ４が複数の分光光Ｌ４１〜Ｌ４６に区別される場合について説明する。しかし、分光光Ｌ４１〜Ｌ４６は、グラデーションを有するように切れ目なく（無段階で）分光されていてもよい。すなわち、分光光Ｌ４１〜Ｌ４６は、互いに分離された光もあってもよいし、その各々の境界が便宜上設定された連続的な光であってもよい。

また、受光部１４は、本実施例においては、分光光群Ｌ４を受光する受光光学系１４Ａと、分光光群Ｌ４を検出する光検出器１４Ｂとを含む。受光光学系１４Ａは、例えば受光レンズからなる。また、光検出器１４Ｂは、分光光群Ｌ４を受けて、分光光群Ｌ４（分光光Ｌ４１〜Ｌ４６の各々）に対して光電変換を行い、受光信号ＳＲを生成する。受光信号ＳＲは、測距部１５に供給される。

図３は、受光部１４の光検出器１４Ｂの検出面を模式的に示す平面図である。本実施例においては、光検出器１４Ｂは、マトリクス状に配置された複数の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６からなるフォトンカウンタである。光検出器１４Ｂは、光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の全体で光検出器１４Ｂの検出面を構成する。

本実施例においては、光検出器１４Ｂは、４行６列で配列された２４個の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ２４を含む。また、本実施例においては、光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ２４の各々は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。従って、本実施例においては、光検出器１４Ｂは、ガイガーモードで光検出を行うマルチピクセルフォトンカウンタ（ＭＰＰＣ）である。

また、本実施例においては、光検出器１４Ｂは、１列毎に異なる分光光が入射されるように配置されている。例えば、図３に示すように、１列目の光電変換素子（行方向に配列された光電変換素子）Ｅ１１、Ｅ２１、Ｅ３１及びＥ４１の各々には、波長帯λ１の分光光Ｌ４１が入射する。また、２列目の光電変換素子Ｅ１２、Ｅ２２、Ｅ３２及びＥ４２の各々には、波長帯λ２の分光光Ｌ４１が入射する。すなわち、ｎ列目の光電変換素子Ｅ１ｎ〜Ｅ４ｎの各々には、波長帯λｎの分光光Ｌ４ｎが入射するように構成されている（ｎは１〜６）。

本実施例においては、分光部１３は、受光部１４に受光される反射光Ｌ３を分光することで、受光部１４上の反射光Ｌ３を所定の方向（伸長方向）に伸長させる（広げる）部分として機能する。また、光検出器１４Ｂは、分光部１３によって広げられた分光光群Ｌ４の分光部１３からの出射範囲に亘って設けられている。これによって、例えば光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の全てに分光光Ｌ４１〜Ｌ４４を入射させることができる。

すなわち、反射光Ｌ３は、分光部１３によって、光検出器１４Ｂの検出機能を最大化するように、その形状が調節されている。また、本実施例においては、受光部１４は、光検出器１４Ｂの光電変換素子Ｅ１１及びＥ４１間の配列方向の長さ（配列幅ＷＡ）、すなわち受光部１４における反射光Ｌ３の分光方向（伸長方向）に対応する長さが、受光部１４上における反射光Ｌ３の分光方向（伸長方向）の長さ以下となるように、その形状及びサイズが構成されている。従って、分光された反射光Ｌ３（分光光群Ｌ４）の全体を受光部１４によって確実に受光することができる。

従って、例えば本実施例のように光検出器１４Ｂがフォトンカウンタからなる場合、全てのフォトダイオードで分光光群Ｌ４の検出（フォトン計数）を行うことができる。従って、微弱な反射光Ｌ３（検出対象の光）しか対象物ＯＢから得られない場合であっても正確にかつ高いダイナミックレンジで検出することができる。従って、例えば反射光Ｌ３のパルス位置を正確に判定することができ、正確な走査及び測距を行うことができる。

また、測距装置１０は、例えば車両に搭載され、車両の周辺状況を認識する装置として用いられることができる。この場合、測距装置１０の測距可能な範囲（特に距離）は大きいことが好ましい。また車両に搭載される場合のみならず、例えば遠方で動く対象物ＯＢを正確に認識することを考慮すると、反射光Ｌ３の受光可能距離が大きく、また高いダイナミックレンジで検出できることが好ましい。測距装置１０は、例えばこのような環境下での使用に適しているといえる。

なお、反射光Ｌ３を光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の全体に入射させることを考慮すると、例えば、分光部１３（回折格子）に代えて、集光レンズを設けることが考えられる。しかし、例えば集光レンズを用いて反射光Ｌ３を広げた場合、当該広がった範囲内で反射光Ｌ３の強度にムラが生ずる。従って、光検出器１４Ｂに入射する際に反射光Ｌ３の光学特性が崩れる場合がある。従って、例えば光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の全てに反射光Ｌ３が入射せず、光検出器１４Ｂによる正確な光検出が行えない場合がある。

しかし、本実施例においては、分光部１３を用いることで、強度変化が少なく、確実にかつ容易に反射光Ｌ３の形状調節を行うことができるため、光検出器１４Ｂによって正確な光検出を行うことが可能となる。

また、本実施例においては、分光部１３は、反射光Ｌ３を受光部１４に向けて反射させる反射型の回折格子からなる。これによって、例えば、透過型の分光を行う場合に比べて装置のレイアウト設計の自由度が上がる。

図４は、実際の使用環境下で使用した場合の測距装置１０内の光の進路の一部を示す図である。図４に示すように、分光部１３に入射する光は、光源部１１からの出射光Ｌ１に対応する反射光Ｌ３のみならず、太陽光や他の発光装置からの光（以下、背景光と称する）Ｌ０を含む。図４は、この場合についても正確に反射光Ｌ３（分光光群Ｌ４）を検出できるような光検出器１４Ｂの好ましい構成を示す図である。

図４に示すように、例えば背景光Ｌ０は、反射光Ｌ３の波長帯域λ１〜λ６以外の波長帯（例えば波長帯λ０及びλ７）の光を含む。また、分光部１３は、分光部１３に入射した光であればその波長に応じた方向に光を出射する。すなわち、分光部１３が出射する光には、波長帯域λ１〜λ６の光（分光光群Ｌ４）の他に、他の波長帯λ０及びλ７の光（背景光Ｌ０）が含まれる。

これに対し、図４に示すように、本実施例においては、光検出器１４Ｂは、分光部１３が出射光Ｌ１の波長帯域λ１〜λ６以外の光を出射する方向上には設けられていない。すなわち、光検出器１４Ｂは、分光部１３が波長帯域λ１〜λ６の光を出射する方向範囲に亘ってのみ設けられている。

これによって、背景光Ｌ０である波長体λ０及びλ７の光は、光検出器１４Ｂに入射せずに減衰又は消失する可能性が高い。従って、光検出器１４Ｂは、分光光群Ｌ４のみを受光及び検出することができ、例えば背景光Ｌ０を検出することによるノイズ発生又は誤検出を抑制することができる。従って、正確に反射光Ｌ３を受光することができる。

なお、背景光Ｌ０は、波長帯域λ０〜λ７の光からなる場合がある。しかし、当該背景光Ｌ０のうち、波長帯域λ１〜λ６の背景光Ｌ０は、設計上の受光タイミング以外でも（例えば太陽光であれば常に）分光部１３に入射し、また反射光Ｌ３に比べて強度（受光レベル）も低い。従って、分光光群Ｌ４と同一波長の背景光Ｌ０が含まれていても、信号処理を行うことによって、反射光Ｌ３に対応する分光光群Ｌ４を正確に検出することができる。

また、例えば、分光部１３の波長毎の光の出射方向及びこれによる分光光群Ｌ４の光検出器１４Ｂへの入射幅は、分光部１３の分光特性及び光検出器１４Ｂの位置から求めることができる。例えば、分光部１３の光の出射方向の変化範囲は、出射光Ｌ１の波長及び分光部１３の分光特性から求めることができる。

例えば、光は、分光部１３としての回折格子の格子定数ｄに応じた出射角度（本実施例においては回折面での反射角度）で出射される。従って、例えば波長帯域λ１〜λ６の分光部１３からの出射方向に対応する位置（すなわち、分光部１３から出射された波長帯域λ１〜λ６の光が照射される位置）に光検出器１４Ｂの検出面を配置すればよい。

また、分光部１３によって出射された光は、受光光学系１４Ａの焦点距離Ｆ１に対応する位置に集光される。従って、例えば受光光学系１４Ａのレンズの焦点距離Ｆに対応する位置に分光部１３及び適切な形状及びサイズの光検出器１４Ｂを配置することで、出射光Ｌ１に対応する分光光群Ｌ４のみを検出することができる。

また、例えば光検出器１４Ｂに波長帯域λ１〜λ６の光のみを入射させることを考慮すると、バンドパスフィルタなどの波長選択フィルタを設けることが考えられる。しかし、本実施例においては、上記したように分光部１３及び光検出器１４Ｂを配置することで、分光部１３が波長選択フィルタとしても機能する。従って、分光部１３を設けることによって、装置が小型化及び単純化する。

また、分光部１３は、例えばプリズムなどのように、反射光Ｌ３を波長毎に完全に分離する（分光光Ｌ４１〜Ｌ４６の各々を離間させる）ように構成されていれもよい。このことを考慮すると、光検出器１４Ｂは、少なくとも分光部１３が波長帯域λ１〜λ６の光を出射する方向に対応する位置に設けられていればよい。すなわち、例えば、光検出器１４Ｂが複数の検出セグメントに分離され、当該検出セグメントの各々がそれぞれ波長帯域λ１〜λ６の光を受光するような位置に設けられていてもよい。

なお、光源部１１は、光源１１Ａの温度調節を行う調温部（図示せず）を有することが好ましい。光源１１Ａとしての例えばレーザ光源は、温度の変化に応じて発振波長が変化する。従って、光源部１１が光源１１Ａの温度調節を行う機能を有することで、安定して所望の波長帯域λ１〜λ６の出射光Ｌ１を出射することができる。

なお、本実施例においては、光検出器１４Ｂは、分光部１３が波長帯域λ１〜λ６の光を出射する方向範囲に亘ってのみ設けられているものとして説明したが、光検出器１４Ｂの大きさを少し小さくする又はその設置位置を調整する（例えば分光部１３に近づける）ことで、分光光群Ｌ４の一部、例えば波長帯域λ２〜λ５の分光光Ｌ４２〜Ｌ４５を受光するようにしても良い。この場合でも、背景光Ｌ０である波長帯λ０及びλ７の光は、光検出器１４Ｂに入射しない。すなわち、受光部１４は、反射光Ｌ３と共に受光部１４に照射される背景光Ｌ０のうち、反射光Ｌ３の波長帯域λ１〜λ６以外の光が入射しないように配置されることで、例えば背景光Ｌ０を検出することによるノイズ発生又は誤検出を抑制することができる。

次に、図５Ａ及び図５Ｂ並びに図６を用いて、走査部１２の構成例について説明する。まず、図５Ａは、走査部１２の模式的な上面図である。図５Ｂは、走査部１２の断面図である。図５Ｂは、図５ＡのＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図５Ａ及び図５Ｂを用いて、走査部１２の構成例について説明する。

本実施例においては、走査部１２は、光反射面１２Ａを有する光反射膜（可動ミラー）２４を含み、この光反射膜２４が揺動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。また、本実施例においては、走査部１２は、電磁気的に光反射膜２４を揺動させるように構成されている。

より具体的には、走査部１２は、固定部（ベース部）２１、可動部（揺動部）２２、駆動力生成部２３及び光反射膜２４を有する。また、本実施例においては、走査部１２は、互いに直交する２つの揺動軸（第１及び第２の揺動軸）ＡＸ及びＡＹを中心に光反射膜２４が揺動するように構成されている。

本実施例においては、固定部２１は、固定基板Ｂ１及び固定基板Ｂ１上に形成された環状の固定枠Ｂ２を含む。可動部２２は、各々の一端が固定枠Ｂ２の内側に固定された一対のトーションバー（第１のトーションバー）ＴＸを含む。一対のトーションバーＴＸの各々は、少なくとも周方向の弾性を有する棒状の弾性部材からなり、揺動軸ＡＸに沿って整列している。また、可動部２２は、外周部側面が一対のトーションバーＴＸの各々の他端に接続された環状の揺動枠（可動枠）ＳＸを有する。

また、可動部２２は、各々の一端が可動枠ＳＸの内周部側面に接続され、一対のトーションバーＴＸに直交する方向（揺動軸ＡＹに沿った方向）に整列した一対のトーションバー（第２のトーションバー）ＴＹと、外周部側面が一対のトーションバーＴＹの各々の他端に接続された揺動板（可動板）ＳＹと、を有する。一対のトーションバーＴＹの各々は、少なくとも周方向の弾性を有する棒状の弾性部材からなる。

本実施例においては、揺動枠ＳＸは揺動軸ＡＸを中心に（揺動中心として）揺動し、揺動板ＳＹは揺動軸ＡＸ及びＡＹを中心に揺動する。また、揺動板ＳＹ上には光反射膜２４が形成されている。従って、光反射膜２４の光反射面２４Ａは、揺動板ＳＹと共に、互いに直交する揺動軸ＡＸ及びＡＹを中心に揺動する。

駆動力生成部２３は、固定基板Ｂ１上に配置された永久磁石ＭＧと、揺動枠ＳＸ上において揺動枠ＳＸの外周に沿って配線された金属配線（第１のコイル）ＣＸと、揺動板ＳＹ上において揺動板ＳＹの外周に沿って配線された金属配線（第２のコイル）ＣＹと、を含む。

本実施例においては、永久磁石ＭＧは、固定基板Ｂ１上における固定枠Ｂ２の外側領域に設けられた複数の磁石片からなる。本実施例においては、４つの磁石片が、それぞれ、揺動軸ＡＸ及びＡＹの各々に沿ってかつ一対のトーションバーＴＸ及びＴＹの外側の位置に配置されている。

また、揺動軸ＡＸに沿った方向において互いに対向する２つの磁石片は、互いに反対の極性を示す部分が対向するように配置されている。同様に、揺動軸ＡＹに沿った方向において互いに対向する２つの磁石片は、互いに反対の極性を示す部分が対向するように配置されている。

本実施例においては、金属配線ＣＸに電流が流れると、揺動軸ＡＹに沿った方向に並んだ永久磁石ＭＧの２つの磁石片によって生じた磁界との相互作用により、一対のトーションバーＴＸが周方向にねじれ、揺動枠ＳＸが揺動軸ＡＸを中心に揺動する。同様に、金属配線ＣＹに流れた電流による電界と揺動枠ＡＸに沿った方向に並んだ永久磁石ＭＧの２つの磁石片による磁界とによって一対のトーションバーＴＹがねじれ、揺動板ＳＹが揺動軸ＡＹを中心に揺動する。

また、図５Ａに示すように、金属配線ＣＸ及びＣＹは、制御部１６に接続されている。制御部１６は、金属配線ＣＸ及びＣＹに駆動信号ＤＸ及びＤＹを供給する。駆動力生成部２３は、駆動信号ＤＸ及びＤＹの印加によって、可動部２２及び光反射膜２４を揺動させる電磁気力を生成する。

なお、本実施例においては、光反射膜２４は、円板形状を有する。また、光反射膜２４は、揺動軸ＡＸ及びＡＹに直交する中心軸ＡＣを有する。可動部２２及び光反射膜２４は、光反射膜２４の中心軸ＡＣに関して９０度回転対称に形成されている。

また、図５Ｂを参照すると、本実施例においては、固定部２１の固定基板Ｂ１は、凹部を有する。また、固定枠Ｂ２は、固定基板Ｂ１の当該凹部に可動部２２を懸架するように固定基板Ｂ１に固定されている。また、固定枠Ｂ２及び可動部２２（揺動枠ＳＸ、揺動板ＳＹ並びにトーションバーＴＸ及びＴＹ）は、例えば半導体基板を加工することで形成された当該半導体基板の部分である。

光反射膜２４は、揺動板ＳＹと共に、固定基板Ｂ１の凹部に揺動可能に懸架（支持）されている。また、永久磁石ＭＧは、固定基板Ｂ１上における凹部の外側に形成されている。また、本実施例においては、トーションバーＴＸ及びＴＹがねじれることで、固定枠Ｂ２の内側において、トーションバーＴＸ及びＴＹを挟んだ可動部２２の両端部が固定基板Ｂ１の凹部に向かう方向及び離れる方向に揺動する。また、光反射膜２４は、中心軸ＡＣ上の１点を揺動中心とし、固定枠Ｂ２に対して傾斜するように揺動する。

光反射膜２４（光反射面２４Ａ）が揺動することで、出射光Ｌ１の反射方向、すなわち走査光Ｌ２の出射方向が変化する。このようにして、走査部１２は、走査光Ｌ２を用いて走査領域Ｒ０の走査を行う。すなわち、本実施例においては、走査部１２は、出射光Ｌ１の出射方向を連続的に変化させることで走査領域Ｒ０を所定の周期で周期的に走査する。

図６は、制御部１６が生成する駆動信号ＤＸ及びＤＹと、これに基づいた光反射膜２４の揺動状態の変化及び走査光Ｌ２の走査軌道と、の関係を模式的に示す図である。図６を用いて、走査部１２による走査領域Ｒ０の走査態様について説明する。

まず、制御部１６が生成する駆動信号ＤＸは、Ａ₁及びＢ₁を定数とし、θ₁を変数としたとき、ＤＸ（θ₁）＝Ａ₁ｓｉｎ（θ₁＋Ｂ₁）の式で示される正弦波の信号である。また、駆動信号ＤＹは、Ａ₂及びＢ₂を定数とし、θ₂を変数としたとき、ＤＹ（θ₂）＝Ａ₂ｓｉｎ（θ₂＋Ｂ₂）の式で示される正弦波の信号である。

また、変数θ₁には、駆動信号ＤＸが、走査部１２のトーションバーＴＸ、揺動枠ＳＸ、トーションバーＴＹ及び揺動板ＳＹの共振周波数に対応する周波数の正弦波となるように設定される。また、変数θ₂は、駆動信号ＤＹが、走査部１２のトーションバーＴＹ及び揺動板ＳＹの共振周波数に対応する周波数の正弦波となるように設定される。

従って、光反射膜２４（揺動板ＳＹ）は、揺動軸ＡＸを中心に共振し、かつ揺動軸ＡＹを中心に共振する。従って、図６に示すように、走査領域Ｒ０の走査面Ｒ１を見たとき、光反射膜２４に反射された出射光Ｌ１である走査光Ｌ２は、リサージュ曲線を描くような軌跡ＴＲ（Ｌ２）を示す。

換言すれば、本実施例においては、走査部１２は、出射光Ｌ１を反射させかつ互いに直交する第１及び第２の揺動軸ＡＸ及びＡＹを中心に揺動する光反射面１２Ａを有し、リサージュ曲線に従った軌跡ＴＲを描くように走査領域Ｒ０を走査する走査態様を有する。

なお、上記した走査部１２の構成は一例に過ぎない。例えば、走査部１２は、リサージュ曲線に従った軌道で走査領域Ｒ０を走査する場合に限定されない。例えば、走査部１２は、ラスタースキャンを行う軌道を有していてもよいし、走査周期毎にその走査軌道が異なっていてもよい。走査部１２は、出射光Ｌ１（走査光Ｌ２）によって走査領域Ｒ０を走査するように構成されていればよい。

また、本実施例においては、受光部１４がマトリクス状に配置された複数の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６を有する光検出器１４Ｂを有する場合について説明した。しかし、受光部１４の構成はこれに限定されない。例えば分光光Ｌ４１〜Ｌ４６の各々を異なる素子によって検出する場合、受光部１４は、光を検出する複数の受光素子が、分光部１３による反射光Ｌ３の分光方向（伸長方向）に沿って配置されていればよい。また、受光部１４は、複数の受光素子を有していなくてもよく、分光光群Ｌ４の一部又は全部を受光するように構成されていればよい。

上記したように、測距装置１０は、所定の波長帯域λ１〜λ６の出射光Ｌ１を出射する光源部１１と、出射光Ｌ１によって所定の領域Ｒ０を走査する走査部１２と、出射光Ｌ１が所定の領域Ｒ０内に存在する対象物ＯＢによって反射した反射光Ｌ３を受光する受光部１４と、受光部１４に受光される反射光Ｌ３を分光し、受光部１４上における反射光Ｌ３を所定の伸長方向に伸長させる分光部１３と、受光部１４によって受光された光に基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１５と、を有する。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確に検出し、走査領域Ｒ０内の正確な測距を行うことが可能な測距装置１０を提供することができる。

また、本実施例においては、受光部１４が生成した受光信号ＳＲは測距以外の用途にも用いられることができる。すなわち、測距装置１０は、測距部１５を有する場合に限定されない。例えば、光源部１１、走査部１２、分光部１３及び受光部１４は、走査装置を構成する。この場合においても、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確に検出し、走査領域Ｒ０内の正確な光走査を行うことが可能な走査装置を提供することができる。

また、測距装置１０は、走査部１２を有する場合に限定されない。例えば、光源部１１からの出射光Ｌ１を対象物ＯＢに向けて出射し、この反射光を分光して検出することで、対象物ＯＢからの反射光を正確に受光し、対象物ＯＢを正確に検出することが可能な光検出装置を提供することができる。

すなわち、本発明に係る光検出装置は、例えば、出射光Ｌ１を出射する光源部１１と、出射光Ｌ１が対象物ＯＢによって反射した反射光Ｌ３を分光して、所定の伸長方向に伸長させた分光光Ｌ４１〜Ｌ４６として出力する分光部１３と、光を検出する複数の受光素子が分光光Ｌ４１〜Ｌ４６の伸長方向に沿って配置された受光部１４と、を有する。従って、正確な光検出を行う光検出装置を提供することができる。

図７は、実施例２に係る測距装置３０の模式的な配置図である。測距装置３０は、ライン状（細長い形状）のスポット形状を有する出射光Ｌ１Ａ及び走査光Ｌ２Ａを用いて走査領域Ｒ０を走査する点、及びライン状の反射光Ｌ３Ａを分光して受光する点を除いては、測距装置１０と同様の構成を有する。

本実施例においては、測距装置３０は、ライン状の出射光Ｌ１Ａを出射する光源部３１と、当該ライン状の出射光Ｌ１Ａを走査光Ｌ２Ａとして用い、走査領域Ｒ０を走査する走査部３２とを有する。従って、対象物ＯＢからは、略ライン状の反射光Ｌ３Ａが戻って来ることが想定される。

また、測距装置３０は、ライン状の反射光Ｌ３Ａを分光するように構成された分光部３３と、分光部３３によって分光されたライン状の分光光群Ｌ４Ａを受光及び検出するように構成された受光部３４と、を有する。また、測距装置３０は、これらの動作制御を行う制御部３６を有する。

本実施例においては、例えば、走査部３２は、１つの揺動軸を中心に光反射膜１２Ａを揺動させるように構成されたＭＥＭＳミラーからなる。従って、走査領域Ｒ０は、出射光Ｌ１Ａが反射された光である走査光Ｌ２によって、１次元方向に走査される。

図８は、測距装置３０の構成例を模式的に示す図である。また、図９は、測距装置３０の受光部３４の構成を示す図である。図８及び図９を用いて、測距装置３０の構成及び測距装置１０内の光の進路について説明する。

まず、本実施例においては、光源部３１は、ライン状の一次光Ｌ１１Ａを生成する光源３１Ａと、一次光Ｌ１１Ａを整形して整形光Ｌ１２Ａを生成する整形光学系３１Ｂと、整形光Ｌ１２Ａを出射光Ｌ１Ａとして投光する投光光学系３１Ｃとからなる。

本実施例においては、整形光学系３１Ｂは、例えば、一次光Ｌ１１Ａを相似形状で拡大するエキスパンダからなる。すなわち、整形光学系３１Ｂは、ライン状の中間像を生成する。従って、光源部３１は、投光光学系３１Ｃから、第１の方向Ｄ１に沿ってライン状に延びたスポット形状の光を出射光Ｌ１Ａとして出射する。なお、図８には、出射光Ｌ１Ａのスポット形状、すなわち出射光Ｌ１Ａの光軸に垂直な方向における出射光Ｌ１Ａの断面形状を示した。

また、走査部３２は、第１の方向Ｄ１に垂直な第２の方向Ｄ２に沿って出射光Ｌ１Ａの反射方向を変化させるように構成されている。すなわち、走査部３２は、出射光Ｌ１Ａを反射させかつ出射光Ｌ１Ａの反射方向を第２の方向Ｄ２に沿って変化させる光反射面１２Ａを有する。以下においては、第１の方向Ｄ１を出射光Ｌ１Ａの長さ方向と称し、第２の方向Ｄ２を出射光Ｌ１Ａの幅方向と称する。

なお、例えば図７に示すように、本実施例においては、走査領域Ｒ０（走査面Ｒ１）は、走査部３２の光反射面１２Ａの揺動範囲に対応する。

本実施例においては、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３Ａは、出射光Ｌ１Ａの長さ方向Ｄ１に対応する方向にライン状に延びたスポット形状を有する。分光部３３及び受光部３４は、この反射光Ｌ３Ａを受光するのに適した形状及びサイズを有する。

分光部３３は、出射光Ｌ１Ａの幅方向Ｄ２に対応する方向範囲内において波長に応じて分光することで、異なる方向に向けて反射光Ｌ３Ａを分光光群Ｌ４Ａとして出射する。従って、例えば分光部３３が反射光Ｌ３Ａを６つの分光光Ｌ４１Ａ（λ１）〜Ｌ４６Ａ（λ６）に分光する場合、その各々がライン状のスポット形状を有する。また、分光光Ｌ４１Ａ〜Ｌ４６Ａの各々は、その幅方向に沿って配列される。

受光部３４は、受光光学系３４Ａと、光検出器３４Ｂとを有する。図９に示すように、光検出器３４Ｂは、出射光Ｌ１Ａの長さ方向Ｄ１に対応する方向に沿って整列した複数のフォトンカウンタＣ１〜Ｃｍを有する。

また、当該フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々は、光検出器１４Ｂと同様に、マトリクス状の配置された複数の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６を有する。本実施例においては、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々における光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の列方向が、出射光Ｌ１Ａの長さ方向Ｄ１に対応する。

従って、本実施例においては、光検出器３４Ｂは、４行６列の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６からなるフォトンカウンタが当該光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４６の行方向に沿って複数個配列された構成を有するラインセンサである。また、本実施例においては、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々は、独立して検出動作を行う。これによって、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々から異なる検出結果が得られ、この検出結果の各々が走査領域Ｒ０内の各場所に応じた走査結果となる。

また、本実施例においては、分光部３３は、出射光Ｌ１Ａの幅方向Ｄ２に対応する方向範囲において波長毎に異なる方向に光を出射することで反射光Ｌ３Ａを分光する。また、図９に示すように、受光部３４の光検出器３４ＢにおけるフォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々は、出射光Ｌ１Ａの幅方向Ｄ２に対応する方向に沿って設けられた複数の光電変換素子（例えば光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ１６）を有する。ライン状の６つの分光光Ｌ４１Ａ（λ１）〜Ｌ４６Ａ（λ６）は、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々の各列の光電変換素子に入射するように配置されている。例えば、分光光Ｌ４１Ａは、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々の１列目の光電変換素子Ｅ１１〜Ｅ４１に入射する。すなわち、分光光群Ｌ４ｎＡは、フォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々のｎ列目の光電変換素子Ｅ１ｎ〜Ｅ４ｎに入射する（ｎは２〜６）。

本実施例に示すように、測距装置３０は、出射光Ｌ１Ａ（走査光Ｌ２Ａ）としてライン状の光を用いて走査領域Ｒ０を走査する。この場合においても、分光部３３を用いることで、反射光Ｌ３Ａを容易に整形し、例えば光検出器３４Ｂの全体に反射光Ｌ３Ａを入射させることができる。従って、正確にかつ高いダイナミックレンジで走査領域Ｒ０内の走査を行うことができ、正確な測距を行うことができる。

また、本実施例においても、分光部３３は反射光Ｌ３に対応する波長帯の背景光を含む場合がある。従って、例えば図４に示すように、受光部３４は、分光部３３によって分光された反射光Ｌ３Ａのうちの波長帯域λ１〜λ６の光が照射される位置に光検出器３４Ｂを配置し、波長帯域λ１〜λ６以外の光が光検出器３４Ｂに照射されないように装置を構成することで、正確に出射光Ｌ１Ａに対応する分光光群Ｌ４Ａを検出することができる。

また、ライン状の出射光Ｌ１Ａを用いることで、走査部１２の構成が単純なものとなり、装置が小型化される。また、ラインセンサとしてフォトンカウンタＣ１〜Ｃｍの各々を用いることで、走査領域Ｒ０を短時間かつ高感度で走査することができる。

なお、本実施例においては、第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に垂直な方向であり、走査部３２が出射光Ｌ１Ａの反射方向を第２の方向Ｄ２に沿った方向に沿って変化させる場合について説明した。しかし、第２の方向Ｄ２は、第１の方向Ｄ１に対して角度を持った方向、例えば走査光Ｌ２Ａの光軸に垂直な方向において第１の方向Ｄ１とは異なる方向であればよい。

すなわち、走査部３２は、出射光Ｌ１Ａを反射させかつ出射光Ｌ１Ａの反射方向を第１の方向Ｄ１に対して角度を持った第２の方向Ｄ２に沿って変化させる光反射面１２Ａを有していればよい。なお、第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に垂直な方向であると、走査部３２、分光部３３及び受光部３４の設計が容易となる。

このように、測距装置３０（走査装置又は光検出装置についても同様である）においては、光源部３１は、第１の方向Ｄ１に沿ってライン状に延びたスポット形状の光を出射光Ｌ１Ａとして出射し、走査部３２は、出射光Ｌ１Ａを反射させかつ出射光Ｌ１Ａの反射方向を第１の方向Ｄ１に対して角度を持った第２の方向Ｄ２に沿って変化させる光反射面１２Ａを有する。

また、分光部３３は、第２の方向Ｄ２に沿った方向範囲において波長に応じて異なる方向に光を出射することで反射光Ｌ３Ａを分光し、受光部３４の光検出器３４Ｂは、第１の方向Ｄ１に沿って整列した複数のフォトンカウンタＣ１〜Ｃｍを有する。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３Ａを正確に検出し、対象物ＯＢまでの距離を正確に測定することが可能な測距装置３０を提供することができる。

１０、３０ 測距装置
１１、３１ 光源部
１２、３２ 走査部
１３、３３ 分光部
１４、３４ 受光部
１５、３５ 測距部

Claims (7)

1. 出射光を出射する光源部と、
   前記出射光によって所定の領域を走査する走査部と、
   前記出射光が対象物によって反射した反射光を受光する受光部と、
   前記受光部に受光される前記反射光を分光し、前記受光部上における前記反射光を所定の伸長方向に伸長させる分光部と、を有することを特徴とする走査装置。
2. 前記受光部の前記伸長方向の長さは、前記受光部上における前記反射光の前記伸長方向の長さ以下であることを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
3. 前記受光部には、光を検出する複数の受光素子が、前記受光部上における前記反射光の前記伸長方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査装置。
4. 前記複数の受光素子は、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の走査装置。
5. 前記分光部は、光をその波長に応じた方向に導くことで、前記反射光を前記伸長方向へ伸長させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の走査装置。
6. 前記受光部は、前記反射光と共に前記受光部に照射される背景光のうち、前記反射光の波長帯域以外の光が入射しないように配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の走査装置。
7. 出射光を出射する光源部と、
   前記出射光が対象物によって反射した反射光を分光して、所定の伸長方向に伸長させた分光光として出力する分光部と、
   光を検出する複数の受光素子が前記分光光の前記伸長方向に沿って配置された受光部と、を有することを特徴とする光検出装置。

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