WO2016056544A1

WO2016056544A1 - 走査光学系及び投受光装置

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Publication number: WO2016056544A1
Application number: PCT/JP2015/078325
Authority: WO
Inventors: 亮太石川; 将司古後
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2016-04-14
Also published as: US10162171B2; JP6618042B2; JPWO2016056544A1; EP3206074A1; EP3206074A4; US20170293138A1

Abstract

　広範囲な測定対象物に対して、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及びレーダーを提供する。光源から出射した光束を、第１ミラー面と第２ミラー面とで２回反射させているので、走査範囲において進行方向直交断面形状(ビームプロファイル)の回転角変化が発生しにくい投光が可能となる。従って、対象物を含む範囲に仮想平面を設定したときに、第２ミラー面で反射された光束が、この仮想平面に入射する際における断面形状が、主走査角に応じて変化しにくくなるので、主走査方向の長さよりも主走査方向に直交する方向（副走査方向）長さの方が長いという投光光束の断面形状が維持されることとなり、これにより、１回の走査で副走査方向に広い範囲に対して投光が可能になるため、走査回数が少ないにもかかわらず、広範な測定範囲の対象物を測定できる。

Description

走査光学系及び投受光装置

　本発明は、レーザー光等を照射して物体を検出する投受光装置に用いると好適な走査光学系及び投受光装置に関する。

　近年、自動車や警備ロボット、或いは無人ヘリコプターなどの分野で、衝突防止の目的で進行方向の障害物検知を精度良く行いたいとの要望が多くなっている。障害物検知の手段として、光走査を利用した距離測定装置であるレーザーレーダーが知られている。一般的なレーザーレーダーは、レーザー光源から出射した光束を、ミラーまたはポリゴンミラー等へ投射しつつ、かかるポリゴンミラー等を回転又は揺動させることで広い範囲を走査し、被投光物体からの散乱光を受光素子により受光することで形状測定や距離測定を行っている。

　特許文献１には、偶数個の平面状反射面を有し，光線を偶数回反射して走査を行うポリゴンミラーに関する技術が開示されている。

特開昭５０－１０９７３７号公報

　ところで、レーザーレーダーにより遠方の物体を測定対象物とする場合において、物体に照射されるレーザー光束の密度が高いほど、その反射光量が増大するので、物体の形状や物体までの距離を精度良く得ることが可能になる。一方、レーザー光源から出射される光束を、光学素子等を介して絞れば、その密度を上げることはできるが、その分だけ照射されるスポット径が小さくなり、一度に測定できる範囲が狭まって測定効率が低下する。つまり、レーザー光源の出射強度が限られていることを前提に、光束の密度と測定効率とは一般的にはトレードオフの関係になるといえる。一方で、なるべく広範囲の対象物を測定したいという要請もある。しかしながら特許文献１に開示されたポリゴンミラーは、本来的にテレビ画像等の画面走査に用いられるものであり、レーダーにかかる上述の問題を解決するための技術は開示されていない。

　本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、広範囲な測定対象物に対して、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及び投受光装置を提供することを目的とする。

　上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した走査光学系は、
　回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えたミラーユニットと、
　前記第１ミラー面に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
　前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じ、対象物に対して主走査方向に走査されつつ投光されるようになっており、
　前記対象物を含む範囲に仮想平面を設定したときに、前記第２ミラー面で反射された光束の前記仮想平面に入射する際における断面形状は、前記主走査方向の長さより前記主走査方向に直交する方向の長さが長いことを特徴とする。

　この走査光学系によれば、光源から出射した光束を、第１ミラー面と第２ミラー面とで２回反射させているので、走査範囲において進行方向直交断面形状(ビームプロファイル)の回転角変化が発生しにくい投光が可能となる。従って、対象物を含む範囲に仮想平面を設定したときに、第２ミラー面で反射された光束が、この仮想平面に入射する際における断面形状が、主走査角に応じて変化しにくくなるので、主走査方向の長さよりも主走査方向に直交する方向（副走査方向）長さの方が長いという投光光束の断面形状が維持されることとなり、これにより、１回の走査で副走査方向に広い範囲に対して投光が可能になるため、走査回数が少ないにもかかわらず、広範な測定範囲の対象物を測定できる。

　本発明によれば、広範囲な測定対象物に対して、十分な強度の反射光を得ることができる走査光学系及びレーダーを提供することができる。

比較例の走査光学系を示す図である。比較例の走査光学系を示す図である。比較例の走査光学系を示す概略図であり、正面から見た図である。比較例の走査光学系を示す概略図であり、回転した状態を示す図である。比較例の走査光学系における主走査角とスポット回転角との関係を示すグラフである。比較例の走査光学系から測定対象物を含む仮想平面上に投射されるスポット光において主走査方向の位置によって傾きが変化する様を示す図である。本実施形態にかかる走査光学系を、回転軸を含む面で切断して示す図である。（ａ）は、本実施形態にかかるにかかる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角中心の状態を示す。（ａ）は、本実施形態にかかるにかかる走査光学系の正面図であり、（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角周辺の状態を示す。本実施形態にかかる走査光学系の縦歪曲を示すグラフである。本実施形態にかかる走査光学系の主走査角とスポット回転角との関係を示すグラフである。本実施形態にかかる走査光学系から測定対象物を含む仮想平面上に投射されるスポット光において主走査方向の位置によって傾きが変化しない様を示す図である。第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの主走査角と縦歪曲との関係を示す図である。第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの主走査角とスポット回転角との関係を示す図である。（ａ）は、本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの概略構成図であり、（ｂ）は、半導体レーザーの発光面形状を示す斜視図である。本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの縦歪曲を示す図である。本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲのスポット回転角を示す図である。本実施形態の走査光学系の変形例を示す断面図である。変形例の走査光学系において、主走査角と縦歪曲との関係を示す図である。

　以下の説明では、主走査角とは、ミラーユニットによって偏角される投光光束の回転軸中心の方位角、副走査角とは、回転軸に直交する面を基準とした投光光束の仰俯角、スポット回転角とは、投光方向を中心に回転する光束の向きの角度、縦歪曲とは、主走査角中心の副走査方向の角度に対し、周辺に走査したときの副走査方向の角度のズレを言う。

　以下、添付した図面を参照しながら、本実施形態を説明する。まず、図１に示すように、回転軸ＲＯに対し１枚の反射面ＲＭ１を４５°傾けて、回転軸ＲＯ方向に沿って光源ＯＰＳから出射された光束ＬＢを入射させつつ、回転軸ＲＯ回りに反射面ＲＭ１を回転させる比較例を考える。かかる比較例では、光源ＯＰＳを変位させることなく、反射面ＲＭ１から光束ＬＢをある角度範囲にわたって投光することが可能となる。これを走査といい、反射面ＲＭ１の回転に伴って光束ＬＢが移動する方向を主走査方向という。光源ＯＰＳ（または光源ＯＰＳとレンズやプリズムからなる投光系）の光軸と、反射面ＲＭ１からの投光方向の光路とを直交させることができるため、広範囲に投光することが可能である。

　図１に示す反射面ＲＭ１を使用した場合、主走査方向に関しては光束ＬＢが連続的に移動するので、光束形状にかかわらず、測定対象物をもれなく走査することができる。一方、主走査方向に直交する副走査方向においては、１回の走査で光束ＬＢを投光される範囲が光束の副走査方向の長さに限られるため、測定可能範囲を広げるためには、測定対象物へと向かう光束の進行方向直交断面形状において、副走査方向の長さをなるべく長くすることが望ましいといえる。しかるに、光束断面における副走査方向の長さを長くすることには限界がある。そこで、図２に示すように、例えば回転軸ＲＯに対して角度（θ１，θ２）を異ならせた複数の反射面ＲＭ１、ＲＭ２を設置したミラーユニットＭＵを設けることを考える。このミラーユニットＭＵを回転軸ＲＯ回りに回転させることで、異なる角度の反射面ＲＭ１、ＲＭ２より投光される光束ＬＢ、ＬＢ’の出射角度を変え、異なる副走査範囲に光束ＬＢ及びＬＢ’を投光することで、２次元的な測定範囲にできる。

　ここで、光源から出射された光束を、ミラー面で１回のみ反射させて測定対象物へと向かわせる場合における問題について説明する。図３、４に比較例の走査光学系を示す。投光系ＬＰＳから出射されたレーザー光束（以下、スポット光とする）が、１回だけ反射して測定対象物へと向かう比較例の走査光学系を用いた場合、以下に述べる問題が生じる。図３において、回転軸ＲＯに対して傾いた反射面ＲＭ１を有するミラーユニットＭＵを、回転軸ＲＯ回りに回転させている。投光系ＬＰＳの光源ＯＰＳから回転軸ＲＯに沿った方向に出射されたスポット光ＳＬは、縦横比が異なるものとする。従って、図３において、反射面ＲＭ１で反射し、対象物に向かうスポット光ＳＬは、紙面垂直方向に進行するが、その進行方向直交断面（ハッチングで示す）は、反射面ＲＭ１から離れた仮想平面上において、主走査角方向（図で左右方向）の長さがａ、副走査角方向（図で上下方向）の長さがｂ（＞ａ）の矩形断面となっているものとする。

　この図３に示すミラーユニットＭＵが回転した場合、反射面ＲＭ１で反射した光束ＬＢは、図４に示すように左右方向へと移動する。これにより測定対象物が存在する範囲を走査することとなるが、スポット光ＳＬにおいてスポット回転が生じる。又、反射面ＲＭ１に対し光束ＬＢが回転軸ＲＯに非平行に入射した場合、縦歪曲も生じる（スポット回転は、平行入射の場合と異なる）。具体的には、縦歪曲は、スポット光ＳＬが副走査角方向に歪むことで、走査ラインの間隔が詰まったり、間隔が開いたりするものであり、図４では、スポット光ＳＬが本来向かう方向（実線）に対して、回転軸ＲＯの軸線方向にシフトする（点線で図示）現象をいう。このシフト量は、副走査角方向の角度ずれ（ε）で表す。一方、スポット光ＳＬの断面形状において、主走査角方向と副走査角方向とで異なる場合、スポット光が回転することで、スポット光間隔が詰まったり、間隔が開いたりする。図４では、スポット光ＳＬが本来の姿勢方向（実線）に対して、一点鎖線で示すように回転する現象をいう。その回転角γを、スポット回転角という。

　図５は、図１に示す回転軸に対して４５°傾いた反射面に対し回転軸と平行に光束を入射させた場合における、主走査角とスポット回転角との関係を示す図である。尚、反射面ＲＭに対し回転軸と平行に光束を入射させた場合、主走査角は回転角と同じになる。図５に示すように、スポット回転角γは、反射面ＲＭ１の回転角αが増大するにつれ増大する。

　図６は、このような走査光学系から測定対象物を含む仮想平面ＶＰ（ここでは主走査角中心方向に対して直交する面）上に投射されるスポット光において、主走査方向の位置によって傾きが変化する様を示す図であり、１走査毎に副走査方向にシフトした例を示すが、ここでは縦歪曲については無視している。図６において、スポット光ＳＬが走査される面を走査面ＳＲとする。図６から明らかなように、反射面ＲＭ１の中央に向かうスポット光ＳＬは、スポット回転角γがゼロであり、主走査方向に対して立っているのに対し、反射面ＲＭ１の周辺に向かうスポット光ＳＬは、スポット回転角γが増大し、つまり周辺に向かうにつれて傾きが大きくなる。これにより、走査面ＳＲの中央では、１回の主走査でカバーできる範囲が副走査方向に広いのに対し、走査面ＳＲの両端では、１回の主走査でカバーできる範囲が副走査方向に狭くなり、すなわち対象物の測定洩れが生じる恐れがある。このため、広角度に走査する場合、主走査方向の光束幅に対し副走査方向の光束幅を長くすることができなかった。つまり、スポット光ＳＬの断面形状が、たとえば円形や主走査角方向と副走査角方向の縦横比が近似している場合は問題とはならないが、異なっている場合に問題となるということである。

　かかる問題を解消する本実施形態について、以下に説明する。図７は、本実施形態の走査光学系を示す回転軸ＲＯに沿った断面図である。図８（ａ）は、本実施形態の走査光学系の正面図であり、図８（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角中心の状態を示す。図９（ａ）は、本実施形態の走査光学系の正面図であり、図９（ｂ）は回転軸方向に見た図であって、主走査角周辺の状態を示す。尚、ミラーユニットＭＵと投光系ＬＰＳとで走査光学系を構成する。又、スポット光の進行方向直交断面は比較例と同様であるものとする。

　図７に示すように、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２を有するミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して、光源としての半導体レーザーＬＤとコリメートレンズＣＬとを有する投光系ＬＰＳをその光軸ＳＯが直交するように配置する。このとき、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とのなす交差角頂点を基準に、投光系ＬＰＳは第１ミラー面Ｍ１側に配置される。ここでは、第１ミラー面Ｍ１を回転軸ＲＯと直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に対して－４５度傾け、第２ミラー面Ｍ２を回転軸ＲＯと直交する平面から投光系ＬＰＳの光軸方向に＋４５度傾けて配置している。

　図８（ａ）（ｂ）に示すように、ミラーユニットＭＵの回転位置が、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯが第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の法線を含む面内に位置する角度となったとき（光軸ＳＯは主走査角中心に向いた状態）、投光系ＬＰＳから出射した光束ＬＢは、第１ミラー面Ｍ１で反射し、回転軸ＲＯと平行に進行し、次いで第２ミラー面Ｍ２で反射される。反射した光束ＬＢは、第２ミラー面Ｍ２から対象物へ投光される。このとき、図８（ａ）に示すように、投光方向からミラーユニットＭＵを見た場合、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯを回転軸ＲＯから左右にズラしてもよい。

　更に図９（ａ）（ｂ）に示すように、ミラーユニットＭＵを主走査角中心（図８の状態）から回転角α＝４５度だけ回転軸ＲＯ回りに回転させた場合、第２ミラー面Ｍ２で反射後における光束ＬＢと、投光系から出た直後の光束ＬＢとの相対角度差としての、主走査角（図９（ｂ）に示すように回転軸ＲＯから見たときに、投光系ＬＰＳの光軸ＳＯと、ミラーユニットＭＵから出射する光束ＬＢとのなす角δ）が９０度になる。つまり、回転角（α＝４５°）に対し、２倍の主走査角（δ＝９０°）を得られていることが分かる。

　この場合における主走査角δに対する縦歪曲（副走査角で示す）の関係を図１０に示し、主走査角δに対するスポット回転角の関係を図１１に示す。このように第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とのなす角が９０°である場合、主走査角δが変化しても縦歪曲及びスポット回転角のいずれも変化しない。従って、進行方向直交断面が副走査方向に長いスポット光を対象物に平行移動で投光して、理想的に走査することができる。すなわち、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で２回反射させることでスポット回転を抑えることができることを示している。このようなミラーユニットＭＵを用いることで、主走査角全域でスポット回転が生じないレーザーレーダーを実現できる。

　図１２は、本実施形態の走査光学系から測定対象物を含む仮想平面ＶＰ（ここでは主走査角中心方向に対して直交する面）上に投射されるスポット光において、主走査方向の位置によって傾きが変化しない様を示す図であり、４つの副走査方向を有する例を示す。図１２において、スポット光ＳＬが走査される面を走査面ＳＲとする。図１２から明らかであるが、スポット光ＳＬは、主走査角に関わらず、主走査方向よりも副走査方向に長い断面形状が、ほぼ維持されるので、走査面のいずれに存在する測定対象物にも光束を照射できることとなる。ここで、副走査方向に並んだスポット光ＳＬは互いに接しているか重畳していると好ましく、これにより副走査方向に更に洩れのない測定を行える。

　次に、縦歪曲の影響について考察する。図７等に示すミラーユニットＭＵをレーダーで実際に用いる場合、測定範囲が副走査角０°でないことや、入射角と副走査角が一致しないこともある。さらに、スポット光の進行方向直交断面における副走査方向の長さが限定されるため、対象物が存在する測定範囲を副走査方向に分割しなければならないという実情がある。従って、ミラーユニットＭＵには、複数対の第１ミラー面と第２ミラー面とを設け、各ミラー対を通過する光束毎に副走査角方向にシフトして、異なる副走査角方向位置で走査できるように、第１ミラー面と第２ミラー面のなす角を９０°からずらすことが望ましい。

　ここで、縦歪曲とスポット回転角について検討する。図１３に、第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの主走査角と縦歪曲との関係を示す。図１４に、第１ミラー面Ｍ１の傾き角度を変えたときの主走査角とスポット回転角との関係を示す。図７の状態から、第１ミラー面Ｍ１を回転軸ＲＯと直交する平面から投光系側に－４５度、－４６度、－４７度傾け、第２ミラー面Ｍ２は全て逆に４５度で傾いている場合の縦歪曲とスポット回転角は、図１３、１４に示す通りである。第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２とのなす角度が変わると、縦歪曲とスポット回転角の変化の度合いが変わるが、図１３から分かるとおり、周辺での各ラインが近づく方向に縦歪曲がでるため、隙間がでることがない。第１ミラー面の角度と第２ミラー面の個々の角度は、任意に設定できる。また、レーザープリンタのように一定速度で回転している必要はなく、ある特定の方向のみ投光したい場合は、必要な角度回転させて止めたり、往復揺動させてもよい。

　投光光束が副走査方向における長さの短い断面を持つと、副走査方向に投光を傾けるための偏角手段が必要になり、また何度も走査する必要が生じるので好ましくない。本実施形態のミラーユニットは、スポット回転を抑えることができるので、投光範囲で主走査方向よりも副走査方向に光束断面を長くすることで、光束の密度を高めつつも１回の走査で副走査方向に広い範囲に投光することが可能になる。また、縦歪曲が小さいため中心と周辺で副走査方向の投光角度ズレを起こしにくいというメリットもある。また、スポット回転と縦歪曲は、主走査角中心に対し対称性が得られるので、左右の主走査角が同じであればスポット回転角と副走査角が同等になる。

　本実施形態において、投光系としては、少なくともの１つの光源（ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）やファイバーレーザー）を含む。光源から出射される光束自体の進行方向直交断面形状が、ミラーユニットの回転軸に沿った方向と、それに直交する方向とで異なるようにしても良く、或いはシリンドリカルレンズ、アナモフィックレンズ、ビームシェイパー、特殊プリズムなどの光学素子を介することで光源から出射された円形断面光束の分布を変化させ、その進行方向直交断面形状が、ミラーユニットの回転軸に沿った方向と、それに直交する方向とで異なるようにしても良い。ここで、「対象物を含む範囲に仮想平面を設定したときに、第２ミラー面から出射された光束の、仮想平面に入射する際における断面形状が、主走査方向の長さよりも、主走査方向に直交する副走査方向の長さの方が長い」とは、投光方向から見た第２ミラー面の反射直後における光束の進行方向直交断面が、主走査方向よりも副走査方向が短くても、光束の広がり角が主走査方向よりも副走査方向のほうが広くなっており、仮想平面に入射する際に主走査方向に直交する副走査方向の長さの方が長ければよい。光束の断面長さとは、光束におけるピーク強度の光量に対し、半値幅または１／ｅ²の強度となる長さとする。なお、複数の光源を用いてそれぞれの光束を端部で重畳させ、見かけ上、主走査方向に直交する副走査方向の長さを長くしたものであってもよい。

　レーダーの光源として、パルス発光するＬＥＤやレーザーを使うことでＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｆｌｉｇｈｔ）での距離測定を行うことが出来る。従来のＴＯＦを使うレーダーに使われていた走査光学系に比べ、広い主走査角で分解能変化が少ないため、有効に使える広い視野角を持ったレーダーを提供することが出来る。

　本実施形態において、受光系は、少なくとも一つのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ），ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Dｉｏｄｅ）などの受光素子を持ち、レンズやミラーやプリズムなどの光学部品を介して物体からの反射光を受光素子へ集光することで、物体形状や距離などの情報を得られるものであると好ましい。

　図１５（ａ）は、本実施形態にかかるレーザーレーダーＬＲの概略構成を示す斜視図であるが、構成要素の形状や長さ等、実際と異なる場合がある。レーザーレーダーＬＲは、例えば、光源としての半導体レーザーＬＤと、半導体レーザーＬＤからの発散光を平行光に変換するコリメートレンズＣＬと、コリメートレンズＣＬで平行とされたレーザー光を、回転する反射面により対象物側に向かって走査投光すると共に、走査投光された対象物からの反射光を反射させるミラーユニットＭＵと、ミラーユニットＭＵで反射された対象物からの反射光を集光するレンズＬＳと、レンズＬＳにより集光された光を受光するフォトダイオードＰＤとを有する。

　半導体レーザーＬＤと、コリメートレンズＣＬとで投光系ＬＰＳを構成し、レンズＬＳと、フォトダイオードＰＤとで受光系ＲＰＳを構成する。半導体レーザーＬＤの発光面ＬＤａの形状は、図１５（ｂ）に示すように矩形形状であって、回転軸ＲＯに沿った方向の長さＢが，それに直交する方向の長さＡよりも長くなっている。投光系ＬＰＳから出射され第２ミラー面Ｍ２で反射された後の光束は、進行方向直交断面形状が主走査方向よりも副走査方向に長くなっている（図５参照）。

　略四角筒状のミラーユニットＭＵは樹脂製であり、軸線である回転軸ＲＯ回りに回転可能に保持されており、下部外周に、４枚の台形状の第１ミラー面Ｍ１を配置しており、それに対向して、上部外周に、４枚の台形状の第２ミラー面Ｍ２を配置している。それぞれ上下に対になった第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２との交差角は、異なっている。一例として、回転軸ＲＯの直交面に対して、第１ミラー面Ｍ１は全て－４５°で傾き、第２ミラー面Ｍ２は、それぞれ第１ミラー対が６０°、第２ミラー対が５５°、第３ミラー対が５０°、第４ミラー対が４５°で逆側に傾いている。この場合の縦歪曲を図１６、スポット回転角を図１７に示す。第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２は、蒸着、塗布、メッキによる反射膜や金属研磨ミラー、フィルムミラー等を張り付けてなる。

　投光系ＬＰＳ、受光系ＲＰＳの光軸は、ミラーユニットＭＵの回転軸ＲＯに対して直交しており、投光系ＬＰＳは受光系ＲＰＳよりも回転軸ＲＯ方向に遠く配置されている。なお、投光系ＬＰＳと受光系ＲＰＳは、図とは逆の配置であってもよい。

　レーザーレーダーでは、光束内の光量分布が一定でないと、測定点によって戻り光の光量に増減が生じ、場所によっては測定距離が短くなる可能性があるため、物体に当てる光量を一定にする必要がある。このため、光源に通常のシングルモードのレーザーを使用すると、レンズやプリズムなどの複数光学系の使用が必要となり、複雑な光学系になってしまう。これに対し、本実施形態によれば、図１５（ｂ）のような発光面ＬＤａが縦長の光源を使うことで、光源からの光束が測定範囲の遠方に行ったとしても、光源の輝度分布そのままに投影をすることになるため、トップハット分布に近い光量分布を得ることが可能になる。

　次に、レーザーレーダーＬＲの測距動作について説明する。半導体レーザーＬＤからパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズＣＬで平行光束に変換され、回転するミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１に入射し、ここで反射され、更に第２ミラー面Ｍ２で反射して対象物（不図示）側に走査投光される。

　ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の組み合わせにおいて、それぞれ交差角が４種に異なっているので、１回転すると対象物側で異なる４つの副走査方向を走査できる。図１２を参照して、レーザー光は、回転移動する第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて、順次反射してゆくが、まず１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、走査面の一番上の領域を水平方向に左から右へと走査される。次に、２番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２で反射したレーザー光は、ミラーユニットＭＵの回転に応じて、走査面の上から二番目の領域を水平方向に左から右へと走査される。以下同様に繰り返されることで、対象物側を２次元的に走査することができる。

　走査投光された光束のうち対象物に当たって反射したレーザー光は、図１５（ａ）に点線で示すように、再びミラーユニットＭＵの第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、更に第１ミラー面Ｍ１で反射して、レンズＬＳにより集光され、それぞれフォトダイオードＰＤの受光面で検知されることとなる。これにより対象物範囲上で、対象物の検出を行える。

　図１８は本実施形態の変形例を示す断面図である。図１８に示す変形例では、ミラーユニットＭＵの第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の複数対において、交差角は全て一定（９０°）である。又、偏向素子の一例として反射鏡ＢＥを用いて、投光系ＬＰＳからの光束ＬＢを反射して、第１ミラー面Ｍ１で反射させ、その後第２ミラー面Ｍ２で反射するようにしている。反射鏡ＢＥは、紙面垂直方向に延在する軸線ＰＶ回りに回転可能となっている。

　図１８（ａ）、（ｂ）を比較すると明らかであるが、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の各対が通過する毎に、偏向素子として反射鏡ＢＥを軸線ＰＶ回りに回転させることで、反射鏡ＢＥから反射した光束ＬＢの第１ミラー面Ｍ１への入射角βが変化する（図１８（ａ）ではβ＝０）。つまり、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の各対が通過する毎に、反射鏡ＢＥを軸線ＰＶ回りに回転させるようにすれば、第１ミラー面Ｍ１から反射した光束ＬＢの方向が変わり、更に、第２ミラー面Ｍ２から反射した光束ＬＢの方向が副走査角方向において変わることになるので、上述した実施形態と同様に副走査方向への走査を行える効果がある。図１９は、図１８に示す走査光学系において、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２の交差角が９０°の状態で、反射鏡ＢＥを用いて第１ミラー面Ｍ１への入射角を変更（回転軸に対し直交、回転軸に直交＋２°、回転軸に直交＋４°）した場合における主走査角と縦歪曲との関係を示す図であるが、縦歪曲が主走査角中心と周辺とで変化しないことが分かる。尚、偏向素子としては、反射鏡に限定されず、音響光学素子やＭＥＭＳミラーを用いることができる。

　本発明の一態様によれば、ミラーユニットは、第１ミラー面と第２ミラー面とを複数対有し、各対における第１ミラー面と第２ミラー面との交差角は異なっている。複数対ある第１ミラー面と第２ミラー面の交差角が異なることで、１ラインの走査だけでなく、副走査方向にずらした複数ラインの走査が可能になり、より広範囲の投光可能になる。又、ミラーユニットは回転角よりも主走査角を大きくすることが出来るため、１つのミラーユニットが走査に必要になる回転角度を従来方式よりも小さくでき、副走査角が異なる走査ライン数を多くすることが出来る。このようなミラーユニットを回転させるだけで、回転軸と直交方向に全角１８０度より多く走査でき、且つ副走査方向に異なる走査ラインで投光可能である。広く主走査方向をカバーする必要がない場合には、第１ミラー面と第２ミラー面の対数を増やすことで，副走査方向の走査ライン数を増やすことが可能になる。これによりミラーユニットを１回転させるだけで、広範囲に投光可能である。

　本発明の一態様によれば、ミラーユニットは、第１ミラー面と第２ミラー面とを複数対有し、それらの複数対は、第１ミラー面と第２ミラー面との交差角が同じである少なくとも二対を含み、かつ、交差角がそれら少なくとも二対の交差角と異なる少なくとも一対を含む。これにより、フレームレート等を改善できる。例えば、自動車などで使用する場合、自車と他の環境が目まぐるしく変化するため、視野角よりもフレームレートが重要視される。例えば、第１ミラー面と第２ミラー面との対が４つの場合を考えると、第１対と第３対（対向面）で同じ第１の交差角度、かつ、第２対と第４対（対向面）で同じ第２の交差角度（第１の交差角度とは異なる）に構成することで、回転軸方向の視野を確保しつつ、部分的にフレームレートも改善できる。また、第１ミラー面と第２ミラー面との対が３つの場合を考えると、第１対と第２対が同じ第１の交差角度、かつ、第３対が第１の交差角度と異なる第２の交差角度となるように構成することで、フレームレートがさほど要求されない路面の白線や中央線の検知に適する。

　本発明の一態様によれば、光源とミラーユニットとの間に、光源から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有する。図１３、１４を用いて説明したように、ミラーユニットの第１ミラー面と第２ミラー面との交差角が９０度から離れるほど、縦歪曲やスポット回転角が大きくなる。そこで、図１８に示すような偏向素子を用いて、ミラーユニットに対する光束の入射角を副走査方向に変化させることで、縦歪曲とスポット回転角を抑えられる交差角９０度付近のミラー対を使用しつつ、副走査方向へ走査ラインをずらせることが可能になる。また、ミラーユニットへの光束の入射角のずれは、副走査角に影響するため、投光系全体が傾いたとき、或いはレーダーの初期位置補正において、副走査方向の入射角補正に偏向素子を用いても良い。

　本発明の一態様によれば、光源の発光面形状は回転軸に沿った方向長さが回転軸に直交する長さより長い。光源から出射された光束の進行方向直交断面形状が円または正方形形状である場合、そのままでは使いにくい。そこで、元々発光面のアスペクト比が異なるＬＤやＬＥＤから出射した光束を、コリメートレンズを通し平行光にすることで、主走査方向と副走査方向の長さが所望の比となる光束を得ることができる。但し、汎用の半導体レーザーなどには、必要なアスペクト比を満たさない光源もあるため、アナモフィックレンズやエキスパンダーなどで、必要な光束の広がり角を補正してもよい。

　本発明の一態様によれば、走査光学系と、対象物から反射した反射光を受光する受光素子を備えた受光系と、を有する投受光装置である。かかる受光系は、対象物から反射した反射光を第２ミラー面で反射し、更に第１ミラー面で反射した後、受光素子で受光すると好ましい。この構成はレーザーレーダーとして用いることができる。

　投光系とミラーユニットにより全角１８０度以上の広い範囲を投光することも可能であるが、物体からの反射光を、レンズを介して２次元センサー（ＣＭＯＳ、ＣＣＤ）である受光素子にダイレクトに受光することは、必要な物体側開口径を得ることができないため困難である。また例え受光出来たとしても、大口径のレンズを用いることで、その歪曲により主走査中心と周辺での分解能が変化する恐れがある。そこで、図１５（ａ）に示すように、受光系ＲＰＳが、対象物から反射した反射光を第２ミラー面Ｍ２で反射し、更に第１ミラー面Ｍ１で反射した後、受光素子ＰＤで受光すると、投光と同様に受光も走査範囲を広くとれ、例えば全主走査角１８０度の範囲で、受光系ＲＰＳもミラーユニットＭＵの低スポット回転角及び低縦歪曲の効果を得ることが出来る。また受光系ＲＰＳの開口を大きくすることも可能である。受光系ＲＰＳと投光系ＬＰＳの光軸が平行であることが理想であるが、レンズや自由曲面ミラーによって光軸をずらして受光しても良い。又、受光素子は、受光される光束の進行方向直交断面が長い方向に複数の素子を持つことで、分解能を上げることも可能である。

　また、１回反射ミラーでの走査において受光系を走査反射ミラーで反射後に受光するように配置する構成とした場合、太陽光に直接、受光系の光学面が曝される可能性がある。その場合、受光光学系の迷光により、ノイズが多くなり、S/Nが悪化するおそれがある。これに対し、ミラーユニットの受光系配置を、投光系に対し並列配置し、ミラー反射後に受光するように配置することで、受光系は、太陽光が入射することなく、ミラーに反射した光のみ受光可能になる。かかる配置によれば、走査反射ミラーに当たった光の場合、常にS/Nが悪化するわけでなく、ミラーで反射した光が受光系に入る場合にのみS/Nが悪化するため、１枚ミラーの走査方式と比べ、走査範囲全方位・太陽光の影響などでS/Nが悪化する可能性が改善される。

　本発明は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施形態は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、図面を用いて説明した本発明の内容は、全て実施形態に適用できる。例えば光源はレーザーに限られず、ＬＥＤを用いたものでも良い。

ＢＥ　　　　　　　反射鏡
ＣＬ　　　　　　　コリメートレンズ
ＬＢ、ＬＢ’　　　レーザー光束
ＬＤ　　　　　　　半導体レーザー
ＬＰＳ　　　　　　投光系
ＬＲ　　　　　　　レーザーレーダー
ＬＳ　　　　　　　レンズ
Ｍ１　　　　　　　第１ミラー面
Ｍ２　　　　　　　第２ミラー面
ＭＵ　　　　　　　ミラーユニット
ＯＰＳ　　　　　　光源
ＰＤ　　　　　　　フォトダイオード（受光素子）
ＰＶ　　　　　　　軸線
ＲＭ１、ＲＭ２　　反射面
ＲＯ　　　　　　　回転軸
ＲＰＳ　　　　　　受光系
ＳＬ　　　　　　　スポット光
ＳＯ　　　　　　　光軸
ＳＲ　　　　　　　走査面
ＶＰ　　　　　　　仮想平面

Claims

　回転軸に対して傾いた第１ミラー面と第２ミラー面を備えたミラーユニットと、
　前記第１ミラー面に向けて光束を出射する少なくとも１つの光源を含む投光系と、を有し、
　前記光源から出射された光束は、前記ミラーユニットの前記第１ミラー面で反射した後、前記第２ミラー面で反射され、前記ミラーユニットの回転に応じ、対象物に対して主走査方向に走査されつつ投光されるようになっており、
　前記対象物を含む範囲に仮想平面を設定したときに、前記第２ミラー面で反射された光束の前記仮想平面に入射する際における断面形状は、前記主走査方向の長さより前記主走査方向に直交する方向の長さが長いことを特徴とする走査光学系。
　前記ミラーユニットは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを複数対有し、各対における前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角は異なっている請求項１に記載の走査光学系。
　前記ミラーユニットは、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面とを複数対有し、前記複数対は、前記第１ミラー面と前記第２ミラー面との交差角が同じである少なくとも二対を含み、かつ、前記交差角が前記少なくとも二対の交差角と異なる少なくとも一対を含む請求項１に記載の走査光学系。
　前記光源と前記ミラーユニットとの間に、前記光源から出射された光束の進行方向を変更する偏向素子を有する請求項１～３のいずれかに記載の走査光学系。
　前記光源の発光面形状は前記回転軸に沿った方向の長さが前記回転軸に直交する方向の長さより長い請求項１～４のいずれかに記載の走査光学系。
　請求項１～５のいずれかに記載の走査光学系と、前記対象物から反射した反射光を受光する受光素子を備えた受光系と、を有することを特徴とする投受光装置。
　前記受光系は、前記対象物から反射した反射光を前記第２ミラー面で反射し、更に前記第１ミラー面で反射した後、前記受光素子で受光する請求項６に記載の投受光装置。