WO2023157454A1 - 測距装置 - Google Patents

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WO2023157454A1
WO2023157454A1 PCT/JP2022/046732 JP2022046732W WO2023157454A1 WO 2023157454 A1 WO2023157454 A1 WO 2023157454A1 JP 2022046732 W JP2022046732 W JP 2022046732W WO 2023157454 A1 WO2023157454 A1 WO 2023157454A1
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WO
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light
axis
scanning light
reflecting surface
reference axis
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/046732
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English (en)
French (fr)
Inventor
亘平 粟津
義孝 森
毅 御手洗
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
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Priority to JP2024500986A priority patent/JPWO2023157454A1/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the technology of the present disclosure relates to a rangefinder.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-081593 describes a movable device applied to an optical scanning system.
  • the movable device includes an optical deflector having a movable portion having a reflecting surface, the movable portion being rotatable about a predetermined rotation axis, a pedestal having a pair of fixing portions for fixing the optical deflector, and light on the pedestal.
  • a substrate bonded to the pedestal on the side opposite to the side where the deflector is fixed, and the substrate is provided with a through hole at a position between the pair of fixing portions.
  • JP 2021-156882 discloses a photoelectric sensor (10), in particular a laser scanner, for obtaining distance measurement data of an object in a monitoring area (20), which emits light (16) to the monitoring area (20). ) at multiple angles and a receiver (26) for generating received light signals from the received light (22) incident at multiple angles from the monitored area (20).
  • Photoelectric sensor comprising a unit and a control and evaluation unit (36) configured to obtain distance measurement data with angular and temporal resolution from the received light signal by measuring the light transit time over a plurality of angular and measurement iterations.
  • control and evaluation unit (36) further arranges the distance measurement data to produce an image (46) in which the pixels containing the distance values are arranged over the angular dimension and the time dimension;
  • a photoelectric sensor (10) is disclosed that is configured to assign a class to each pixel by evaluating an image (46) with a machine learning image classification process (48).
  • An object of the technology of the present disclosure is to provide a distance measuring device that enables miniaturization of the device.
  • a first aspect of the technology of the present disclosure measures the distance to an object by emitting scanning light and receiving return light reflected by the object.
  • a distance measuring device comprising a light source emitting scanning light, a light receiving sensor receiving return light and outputting a light reception signal corresponding to the received return light, and an annular shape centered on a preset reference axis. and has an entrance/exit window capable of emitting scanning light in all directions around the reference axis and allowing return light from the object to enter, and a movable reflecting surface arranged at a position intersecting the reference axis.
  • the mirror section has a movable mirror section that reflects scanning light from the light source toward the entrance/exit window and reflects return light from the entrance/exit window toward the light receiving sensor.
  • An optical deflector that changes the direction of the scanning light in all directions by changing the direction of the scanning light
  • a movable mirror section, and a relay optical system that relays the scanning light and the return light between the light source and the light receiving sensor, respectively.
  • the direction in which the movable reflecting surface faces is the first end side of the reference axis
  • the opposite side is the second end side of the reference axis.
  • the distance measuring device is arranged on the first end side, and the light source and the light receiving sensor are arranged on the second end side.
  • the movable mirror section in the case where two orthogonal axes in a plane normal to a reference axis are defined as a first axis and a second axis, the movable mirror section includes the first axis and the second axis.
  • the distance measuring device changes the direction in which the scanning light is emitted conically around the reference axis by rotating in the positive direction and the negative direction with respect to the initial position.
  • a third aspect of the technology of the present disclosure is the distance measuring device according to the second aspect, in which the movable mirror portion spirally changes the direction of emission of the scanning light around the reference axis.
  • a fourth aspect of the technology of the present disclosure includes an output angle changing optical system disposed on the first end side, and the output angle changing optical system is the angle of the scanning light reflected by the movable reflecting surface with respect to the reference axis.
  • the distance measuring device according to the second aspect or the third aspect, wherein the emission angle, which is the angle of the scanning light emitted from the entrance/exit window with respect to the reference axis, is larger than the reflection angle.
  • a fifth aspect of the technology of the present disclosure is the fourth aspect, wherein the output angle changing optical system further widens the range of the output angle beyond the range of the reflection angle defined by the movable range of the movable mirror section. It is a distance measuring device which concerns.
  • the output angle changing optical system when scanning light traveling along the reference axis from the first end side through the relay optical system is incident on the movable mirror unit, the output angle changing optical system a first annular reflecting mirror having an annular first reflecting surface extending in a radial direction perpendicular to the reference axis centered on the reference axis and having an opening formed in the center corresponding to the reference axis serving as an optical path of the first annular reflecting mirror; An annular second reflecting surface arranged to face the reflecting surface and having an opening formed in the center like the first reflecting surface, the second reflecting surface having a convex shape toward the first end side. and a second annular reflecting mirror.
  • the first annular reflecting mirror reflects the scanning light traveling toward the first end by being reflected by the movable reflecting surface, and the scanning light is reflected by the first reflecting surface to the second reflecting surface. and the second annular reflecting mirror reflects the scanning light incident on the second reflecting surface from the first reflecting surface toward the entrance/exit window. It is a rangefinder.
  • the output angle changing optical system when scanning light traveling along the reference axis from the first end side through the relay optical system is incident on the movable mirror unit, the output angle changing optical system
  • An annular third reflecting surface having an opening formed in the center corresponding to the reference axis serving as the optical path of the third reflecting surface extending in a radial direction perpendicular to the reference axis centered on the reference axis, and having a convex shape toward the second end side and the third annular reflecting mirror reflects the scanning light traveling toward the first end by being reflected by the movable reflecting surface to the third reflecting surface.
  • the distance measuring device according to the fourth aspect or the fifth aspect, in which the light is reflected toward the entrance/exit window by the reflective surface.
  • An eighth aspect of the technology of the present disclosure is an omnidirectional lens in which the entrance/exit window has a refractive power that refracts scanning light emitted in all directions, and the omnidirectional lens has a direction along a reference axis.
  • the cross-sectional shape is a shape in which the thickness in the radial direction orthogonal to the reference axis increases from one of the first end side and the second end side of the reference axis toward the other. It is a distance measuring device according to any one of the above.
  • a ninth aspect of the technology of the present disclosure is an omnidirectional lens, in which the cross-sectional shape in the direction along the reference axis increases in radial thickness from the first end side to the second end side of the reference axis.
  • 8 is a distance measuring device according to the sixth aspect and the eighth aspect, wherein the distance measuring device is a shape;
  • the cross-sectional shape in the direction along the reference axis increases in radial thickness from the second end side to the first end side of the reference axis.
  • 8 is a distance measuring device according to a seventh aspect and an eighth aspect, which is a shape;
  • An eleventh aspect of the technology of the present disclosure is a first relay element that constitutes a part of a relay optical system, the first relay element transmitting scanning light emitted by a light source and reflecting return light to a light receiving sensor.
  • An element is arranged on the second end side in addition to the light source and the light receiving sensor, and the light source, the light receiving sensor and the first relay element are arranged so that at least a part thereof overlaps in the direction along the reference axis.
  • a distance measuring device according to any one of the first to tenth aspects.
  • the relay optical system includes a second relay element arranged on the second end side and reflecting the scanning light that has passed through the first relay element toward the first end side; a third relay element arranged on the one end side and reflecting the scanning light reflected by the second relay element in a direction intersecting the reference axis; and a third relay element arranged on the first end side and reflected by the third relay element. and a fourth relay element for reflecting the scanned light toward the movable mirror section, wherein the relay optical system reflects the returned light to the fourth relay element, the third relay element, the second relay element, and the first relay element. It is a distance measuring device according to the eleventh aspect, which relays in the order of .
  • a thirteenth aspect of the technology of the present disclosure is the distance measuring device according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the light receiving sensor is composed of one photodiode.
  • a fourteenth aspect of the technology of the present disclosure is the distance measuring device according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the light source is a laser light source that emits laser light as scanning light. .
  • a fifteenth aspect of the technology of the present disclosure includes an angle sensor for detecting the rotation angle of the movable reflecting surface, and the angle sensor is arranged on the first end side. It is a distance measuring device according to any one of 14 aspects.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a LiDAR device;
  • FIG. It is a perspective view which shows an example of schematic structure of a movable mirror part. It is a figure which shows a mode that a movable mirror part precesses.
  • It is a schematic perspective view which shows an example of an output angle change optical system.
  • 1 is a schematic exploded perspective view showing an example of an output angle changing optical system;
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows an example of an output angle change optical system. It is a figure explaining the positional relationship of a 1st reflective surface, a 2nd reflective surface, and a movable mirror part. It is the figure which showed typically an example of the change of the emission direction of scanning light.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing an example of a schematic configuration of a LiDAR device according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of arrangement of a light source, a light receiving sensor, and a first relay element
  • FIG. 11 is a cross-sectional perspective view showing an example of a schematic configuration of a LiDAR device according to a modification
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram for explaining the positional relationship of angle sensors according to a modification
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing another example of changes in the emission direction of scanning light
  • It is a schematic sectional drawing which shows an example of the output angle change optical system which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a LiDAR (Light Detection And Ranging) device 2 according to the first embodiment.
  • the LiDAR device 2 emits scanning light Ls, receives return light Lr reflected by the object 3 from the scanning light Ls, and measures the distance to the object 3 .
  • the LiDAR device 2 is mounted, for example, on an automobile, and acquires distance information of surrounding obstacles.
  • the LiDAR device 2 is an example of a “ranging device” according to the technology of the present disclosure
  • the scanning light Ls is an example of the “scanning light” according to the technology of the present disclosure
  • the return light Lr is an example of the technology of the present disclosure. It is an example of "return light” according to.
  • the LiDAR device 2 includes a light source 10, an optical deflector 11, an output angle changing optical system 12, a light receiving sensor 13, a control device 14, a relay optical system 15, and an input/output window 42.
  • the optical deflector 11 includes a movable mirror section 20 and an actuator 35 for driving the movable mirror section 20 .
  • the output angle changing optical system 12 includes a first annular reflecting mirror 40 and a second annular reflecting mirror 41 .
  • the light source 10 emits scanning light Ls.
  • the light source 10 is a laser diode, and the scanning light Ls is laser light.
  • Laser light is, for example, infrared rays with a wavelength of 905 nm.
  • the laser light is, for example, pulsed.
  • the light source 10 is an example of the “light source” according to the technology of the present disclosure, and the laser light is an example of the “laser light” according to the technology of the present disclosure.
  • the scanning light Ls and the return light Lr reflected by the object 3 may be collectively referred to as laser light.
  • the light source 10 is not limited to laser diodes, and laser light sources of various configurations such as DPSS (diode pumped solid state) lasers and fiber lasers can be used.
  • the laser light is not limited to the above laser light, and pulsed laser light generally used for LiDAR having a wavelength from 850 nm to near-infrared light in the band of 1550 nm can be used, for example.
  • the relay optical system 15 relays the scanning light Ls between the light source 10 and the movable mirror section 20 . Also, the relay optical system 15 relays the return light Lr between the movable mirror section 20 and the light receiving sensor 13 .
  • the relay optical system 15 is an example of the "relay optical system" according to the technology of the present disclosure.
  • the movable mirror section 20 deflects the scanning light Ls that has entered through the relay optical system 15 by reflecting the scanning light Ls.
  • the scanning light Ls emitted from the movable mirror section 20 enters the emission angle changing optical system 12 .
  • the scanning light Ls incident on the output angle changing optical system 12 is sequentially reflected by the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41, and is emitted from the entrance/exit window 42 to the outside of the LiDAR device 2. .
  • the movable mirror section 20 is an example of a “movable mirror section” according to the technology of the present disclosure.
  • the return light Lr from the object 3 enters the LiDAR device 2 through the entrance/exit window 42 .
  • the return light Lr that has entered the output angle changing optical system 12 is reflected by the second annular reflecting mirror 41 and the first annular reflecting mirror 40 in order, and then enters the movable mirror section 20 .
  • the return light Lr incident on the movable mirror section 20 is deflected by the movable mirror section 20 and then relayed by the relay optical system 15 to be guided to the light receiving sensor 13 .
  • the light receiving sensor 13 receives the return light Lr and outputs a light reception signal corresponding to the amount of the received return light Lr.
  • the light receiving sensor 13 is composed of one photodiode.
  • the light receiving sensor 13 is composed of an avalanche photodiode (see FIG. 9).
  • a light receiving signal generated by the light receiving sensor 13 is input to the control device 14 .
  • the light-receiving sensor 13 is an example of a “light-receiving sensor” according to the technology of the present disclosure.
  • the control device 14 controls the emission of the scanning light Ls from the light source 10 and performs processing for calculating the distance to the object 3 based on the received light signal input from the light receiving sensor 13 .
  • the control device 14 also supplies the actuator 35 with a driving voltage for driving the movable mirror section 20 .
  • the control device 14 may be provided outside the LiDAR device 2 while being electrically connected to the LiDAR device 2 .
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of the optical deflector 11.
  • the optical deflector 11 is a micromirror device formed by etching an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the optical deflector 11 is also called a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror device.
  • the optical deflector 11 is an example of an "optical deflector" according to the technology of the present disclosure.
  • the optical deflector 11 has a movable mirror section 20 , a first support section 21 , a first movable frame 22 , a second support section 23 , a second movable frame 24 , a connection section 25 and a fixed frame 26 .
  • the optical deflector 11 is a so-called MEMS scanner.
  • the movable mirror section 20 has a movable reflecting surface 20A that reflects incident light such as the scanning light Ls.
  • the movable reflecting surface 20A is provided on one surface of the movable mirror section 20 and is formed of a metal thin film such as gold (Au), aluminum (Al), silver (Ag), or a silver alloy.
  • the shape of the movable reflecting surface 20A is, for example, a circular shape centered on the intersection of the a1 axis and the a2 axis.
  • the movable reflective surface 20A is an example of the "movable reflective surface" according to the technology of the present disclosure.
  • the movable mirror section 20 is a two-axis rotating mirror that can rotate around the a1 axis and the a2 axis.
  • the a 1 axis is an example of the “first axis” according to the technology of the present disclosure
  • the a 2 axis is an example of the “second axis” according to the technology of the present disclosure.
  • the first support portions 21 are arranged outside the movable mirror portion 20 at positions opposed to each other across the a2 axis.
  • the first supporting portion 21 is connected to the movable mirror portion 20 on the a1 axis, and supports the movable mirror portion 20 so as to be swingable about the a1 axis.
  • the first support portion 21 is a torsion bar extending along the a1 axis.
  • the first movable frame 22 is a rectangular frame surrounding the movable mirror section 20, and is connected to the movable mirror section 20 via the first support section 21 on the a1 axis.
  • Piezoelectric elements 30 are formed on the first movable frame 22 at opposing positions across the a1 axis.
  • a pair of first actuators 31 are configured by forming two piezoelectric elements 30 on the first movable frame 22 .
  • the pair of first actuators 31 are arranged at positions facing each other across the a1 axis.
  • the first actuator 31 causes the movable mirror section 20 to swing about the a1 axis by applying rotational torque about the a1 axis to the movable mirror section 20 .
  • the second support portions 23 are arranged outside the first movable frame 22 at positions opposed to each other across the a1 axis.
  • the second support portion 23 is connected to the first movable frame 22 on the a2 axis, and supports the first movable frame 22 and the movable mirror portion 20 so as to be swingable about the a2 axis.
  • the second support portion 23 is a torsion bar extending along the a2 axis.
  • the second movable frame 24 is a rectangular frame surrounding the first movable frame 22, and is connected to the first movable frame 22 via the second support portion 23 on the a2 axis.
  • Piezoelectric elements 30 are formed on the second movable frame 24 at opposing positions across the a2 axis.
  • a pair of second actuators 32 are configured by forming two piezoelectric elements 30 on the second movable frame 24 .
  • the pair of second actuators 32 are arranged at positions facing each other across the a2 axis.
  • the second actuator 32 causes the movable mirror section 20 to swing about the a2-axis by applying rotational torque about the a2- axis to the movable mirror section 20 and the first movable frame 22 .
  • the connecting portions 25 are arranged outside the second movable frame 24 at positions opposed to each other with the a1 axis interposed therebetween.
  • the connecting portion 25 is connected to the second movable frame 24 on the a2 axis.
  • the fixed frame 26 is a rectangular frame that surrounds the second movable frame 24 and is connected to the second movable frame 24 via a connecting portion 25 on the a2 axis.
  • the normal direction of the movable reflecting surface 20A in the state in which the movable mirror section 20 is not tilted is defined as the Z-axis direction
  • one direction perpendicular to the Z-axis direction is defined as the X-axis direction
  • the direction orthogonal to the direction is defined as the Y-axis direction.
  • the pair of first actuators 31 and the pair of second actuators 32 correspond to the actuators 35 (see FIG. 1) described above.
  • the control device 14 described above causes the movable mirror section 20 to precess by applying sine-wave drive voltages having different phases to the pair of first actuators 31 and the pair of second actuators 32 .
  • FIG. 3 shows how the movable mirror section 20 precesses.
  • the precession motion is a motion in which the normal line N of the movable reflecting surface 20A of the movable mirror section 20 swings in a circular motion. That is, in the movable mirror section 20, the position where the movable reflecting surface 20A is perpendicular to the Z-axis az is defined as the initial position. In this case, the movable mirror section 20 rotates in the positive direction and the negative direction around the a1 axis and the a2 axis, respectively, with reference to the initial position.
  • the side facing the movable reflecting surface 20A with respect to the optical deflector 11 is defined as the first end E1 side of the Z-axis az
  • the opposite side is defined as the second end E2.
  • the Z-axis az is a virtual axis
  • the first end E1 and the second end E2 are also imaginary endpoints of the virtual axis.
  • the Z-axis az is an axis parallel to the Z-axis direction and passing through the center of the movable mirror section 20 .
  • the Z-axis az is an example of a “reference axis” according to the technology of the present disclosure.
  • the movable reflecting surface 20A of the movable mirror section 20 is arranged at a position that intersects the Z-axis az .
  • the scanning light Ls emitted from the light source 10 is incident on the center of the movable mirror section 20 along the Z-axis az .
  • the scanning light Ls deflected by the movable mirror section 20 that is precessing is emitted from the movable mirror section 20 so as to draw a circle.
  • the movable mirror section 20 changes the direction in which the scanning light Ls is emitted conically around the Z-axis az .
  • the optical deflector 11 changes the orientation of the movable reflecting surface 20A of the movable mirror section 20, thereby changing the direction of the scanning light Ls in all directions around the Z -axis az corresponding to the reference axis.
  • all directions around the reference axis means an error that is generally allowed in the technical field to which the technology of the present disclosure belongs in addition to 360° around the Z-axis az . , refers to all directions in the sense of including an error that does not go against the gist of the technology of the present disclosure.
  • FIG. 4 to 7 show configurations of the output angle changing optical system 12 and the input/output window 42.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the output angle changing optical system 12 and the input/output window 42.
  • FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of the output angle changing optical system 12 and the input/output window 42.
  • FIG. 6 and 7 are schematic cross-sectional views of the output angle changing optical system 12 and the entrance/exit window 42 taken along the Z -axis az.
  • the output angle changing optical system 12 includes a first annular reflecting mirror 40 and a second annular reflecting mirror 41 . Both the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41 are rotationally symmetrical with respect to the Z-axis az .
  • the first annular reflection mirror 40 and the second annular reflection mirror 41 are arranged along the traveling direction of the scanning light Ls emitted from the light source 10 . They are arranged in order of the reflecting mirror 41 .
  • the first annular reflecting mirror 40 is formed with an opening 40A through which the laser beam passes in the center corresponding to the Z-axis az .
  • the first annular reflecting mirror 40 has an annular first reflecting surface 40B extending in a radial direction perpendicular to the Z-axis az centered on the Z-axis az .
  • the first reflecting surface 40B is formed on the second annular reflecting mirror 41 side of the first annular reflecting mirror 40 .
  • the cross-sectional shape of the first reflecting surface 40B cut along a plane parallel to the Z-axis az is concave.
  • the scanning light Ls emitted from the movable mirror section 20 is incident on the first reflecting surface 40B.
  • the first reflecting surface 40B reflects the incident scanning light Ls.
  • the second annular reflecting mirror 41 is formed with an opening 41A through which the laser beam passes in the center corresponding to the Z-axis az .
  • a second reflecting surface 41B is formed on the first annular reflecting mirror 40 side of the second annular reflecting mirror 41 .
  • the second reflecting surface 41B has an annular shape centering on the Z-axis az and spreading in a radial direction orthogonal to the Z-axis az .
  • a cross-sectional shape of the second reflecting surface 41B cut along a plane parallel to the Z-axis az is convex toward the first end E1.
  • the scanning light Ls is incident on the second reflecting surface 41B from the first reflecting surface 40B.
  • the second reflecting surface 41B reflects the incident scanning light Ls.
  • the optical path of the scanning light Ls reflected by the second reflecting surface 41B is directed outward from the Z-axis az .
  • the outward direction from the Z-axis az is the radial direction of a circle centered at the point of intersection with the Z-axis az .
  • the entrance/exit window 42 has an annular shape centered on the Z-axis az .
  • the entrance/exit window 42 can emit the scanning light Ls in all directions around the Z-axis az , and the return light Lr from the object 3 can enter the entrance/exit window 42 . That is, the entrance/exit window 42 is made transparent to the scanning light Ls and the return light Lr.
  • the entrance/exit window 42 is, for example, an omnidirectional lens 43 .
  • the entrance/exit window 42 is an example of an “incident/exit window” according to the technology of the present disclosure.
  • the omnidirectional lens 43 is an example of an "omnidirectional lens" according to the technology of the present disclosure.
  • the omnidirectional lens 43 has a rotationally symmetrical shape with respect to the Z-axis az .
  • the omnidirectional lens 43 has a cavity 43A for accommodating the second annular reflecting mirror 41 in the center.
  • the omnidirectional lens 43 is arranged outside the second annular reflecting mirror 41 .
  • the scanning light Ls enters the omnidirectional lens 43 from the second reflecting surface 41B.
  • the output angle changing optical system 12 is arranged on the first end E1 side of the Z-axis az .
  • the output angle changing optical system 12 is arranged such that the angle of the scanning light Ls emitted from the omnidirectional lens 43 with respect to the Z-axis az is greater than the reflection angle ⁇ 1, which is the angle of the scanning light Ls reflected by the movable mirror section 20 with respect to the Z-axis az . is increased.
  • a relay optical system 15 is arranged on the optical path of the scanning light Ls emitted from the light source 10 .
  • the relay optical system 15 includes a first relay element 15A, a second relay element 15B, a third relay element 15C, and a fourth relay element 15D.
  • the first relay element 15A is an example of the "first relay element” according to the technology of the present disclosure
  • the second relay element 15B is an example of the "second relay element” of the technology of the present disclosure
  • the third relay element 15C is an example of the "third relay element” according to the technology of the present disclosure
  • the fourth relay element 15D is an example of the "fourth relay element” of the technology of the present disclosure.
  • the first relay element 15A like the light source 10 and the light receiving sensor 13, is arranged on the second end E2 side.
  • the first relay element 15 ⁇ /b>A transmits the scanning light Ls from the light source 10 and reflects the return light Lr to enter the light receiving sensor 13 .
  • the first relay element 15A is a branching optical element.
  • the first relay element 15A is a total reflection mirror having a through hole 15A1.
  • the through hole 15A1 has a central axis along the optical path, and has a shape in which the opening diameter gradually decreases from the light source 10 side toward the opposite side.
  • the opening diameter of the through-hole 15A1 on the side opposite to the light source 10 is set to be sufficiently small with respect to the spread of the return light Lr.
  • the return light Lr is reflected by the first relay element 15A.
  • the total reflection mirror having the through hole 15A1 has been described as the first relay element 15A, the technology of the present disclosure is not limited to this.
  • a half mirror may be used as the first relay element 15A, or a polarizing beam splitter may be used.
  • the half mirror transmits part of each of the scanning light Ls and the return light Lr and reflects the rest.
  • a polarizing beam splitter When a polarizing beam splitter is used, the polarizing beam splitter transmits one of the p-polarized light and the s-polarized light of each of the scanning light Ls and the return light Lr, and reflects the other.
  • the scanning light Ls emitted from the light source 10 is incident on the second relay element 15B after passing through the first relay element 15A.
  • the second relay element 15B is arranged on the second end E2 side of the Z-axis az .
  • the second relay element 15B reflects the scanning light Ls toward the first end E1 of the Z-axis az .
  • the second relay element 15B is, for example, a total reflection mirror, and its reflecting surface is arranged to be inclined by 45° with respect to each of the X-axis ax and the Z-axis az . This bends the optical path of the scanning light Ls from the X-axis direction to the Z-axis direction.
  • the third relay element 15C is arranged on the first end E1 side of the Z-axis az .
  • the third relay element 15C reflects the scanning light Ls reflected by the second relay element 15B in a direction intersecting the Z-axis az .
  • the third relay element 15C is, for example, a total reflection mirror.
  • the reflecting surface of the third relay element 15C is arranged at an angle of 45° with respect to each of the X-axis ax and the Z-axis az , and the tilt direction is the direction facing the reflecting surface of the second relay element 15B. is.
  • the optical path of the scanning light Ls reflected by the second relay element 15B is bent from the Z-axis direction to the X-axis direction.
  • the fourth relay element 15D is arranged on the first end E1 side of the Z-axis az .
  • the fourth relay element 15 ⁇ /b>D reflects the scanning light Ls reflected by the third relay element 15 ⁇ /b>C toward the movable mirror section 20 .
  • the fourth relay element 15D is, for example, a total reflection mirror, and has a reflecting surface inclined by 45° with respect to each of the X -axis ax and the Z -axis az. This is the direction facing the reflecting surface of the element 15C. As a result, the optical path of the scanning light Ls reflected by the third relay element 15C is bent from the X-axis direction to the Z-axis direction.
  • a plurality of optical elements such as the first relay element 15A to the fourth relay element 15D are optical elements that can be used for optical axis adjustment.
  • the LiDAR device 2 includes the relay optical system 15 having a plurality of optical elements, which increases the number of position adjustment parts that can be used for optical axis adjustment, thereby facilitating the optical axis adjustment.
  • the scanning light Ls that has passed through the relay optical system 15 travels along the Z-axis az from the first end E1 side.
  • the scanning light Ls passes through the opening 40A of the first annular reflecting mirror 40 and the opening 41A of the second annular reflecting mirror 41 to enter the movable mirror section 20 .
  • the scanning light Ls incident on the movable mirror section 20 is reflected by the movable reflecting surface 20A.
  • the scanning light Ls emitted from the movable mirror section 20 passes through the opening 41A of the second annular reflecting mirror 41 and enters the first reflecting surface 40B of the first annular reflecting mirror 40 .
  • the scanning light Ls incident on the first reflecting surface 40B is reflected by the first reflecting surface 40B.
  • the scanning light Ls emitted from the first reflecting surface 40B enters the second reflecting surface 41B of the second annular reflecting mirror 41 .
  • the scanning light Ls incident on the second reflecting surface 41B is reflected by the second reflecting surface 41B.
  • the scanning light Ls emitted from the second reflecting surface 41B travels outward in the radial direction orthogonal to the Z-axis az and enters the omnidirectional lens 43 .
  • the cross-sectional shape along the direction parallel to the Z-axis az (hereinafter simply referred to as the “longitudinal cross-sectional shape”) extends from the first end E1 side to the second end E2 side of the Z-axis az . It is a shape in which the thickness t increases toward the edge.
  • the omnidirectional lens 43 has a triangular longitudinal cross-sectional shape, but this is merely an example.
  • the vertical cross-sectional shape of the omnidirectional lens 43 may be trapezoidal.
  • the omnidirectional lens 43 has a refractive power that refracts the scanning light Ls.
  • the omnidirectional lens 43 refracts and emits the scanning light Ls incident from the second reflecting surface 41B. Since the thickness t of the omnidirectional lens 43 increases from the first end E1 side toward the second end E2 side, the scanning light Ls incident from the second reflecting surface 41B is bent toward the second end E2 side.
  • the omnidirectional lens 43 makes the emission direction of the scanning light Ls reflected obliquely upward by the second reflecting surface 41B closer to the horizontal direction.
  • the return light Lr from the object 3 is incident on the omnidirectional lens 43 , travels in the opposite direction along the course of the scanning light Ls, and is incident on the movable mirror section 20 .
  • the return light Lr After being reflected by the movable mirror section 20, the return light Lr passes through the opening 40A of the first annular reflecting mirror 40 and the opening 41A of the second annular reflecting mirror 41, and enters the relay optical system 15. .
  • the return light Lr travels through the relay optical system 15 in the opposite direction to the travel path of the scanning light Ls. That is, the relay optical system 15 relays the return light Lr in the order of the fourth relay element 15D, the third relay element 15C, the second relay element 15B, and the first relay element 15A.
  • the return light Lr is reflected by the first relay element 15A and enters the light receiving sensor 13 .
  • the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B are formed of metal films such as gold (Au), aluminum (Al), or silver (Ag) compounds, for example. Note that the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B may be formed of a multilayer reflecting film.
  • the omnidirectional lens 43 is made of optical resin such as acrylic, polycarbonate, or Zeonex.
  • the output angle changing optical system 12 is arranged such that the scanning light beam Ls emitted from the omnidirectional lens 43 is larger than the reflection angle ⁇ 1, which is the angle of the scanning light beam Ls reflected by the movable mirror unit 20 with respect to the Z-axis az . is increased with respect to the Z -axis az.
  • the reflection angle ⁇ 1 of the scanning light Ls reflected by the movable mirror section 20 has a range corresponding to the movable range of the movable mirror section 20 . Therefore, the output angle changing optical system 12 widens the range of the output angle ⁇ 2 more than the range of the reflection angle ⁇ 1 defined by the movable range of the movable mirror section 20 .
  • the scanning light Ls is reflected by the movable mirror portion 20, and is reflected within a range from the reflection angle ⁇ 1a to the reflection angle ⁇ 1b.
  • the output angle changing optical system 12 expands the range of the reflection angle ⁇ 1 from the output angle ⁇ 2a to the output angle ⁇ 2b. As shown in FIG. 7 as an example, the range from the output angle ⁇ 2a to the output angle ⁇ 2b is larger than the range from the reflection angle ⁇ 1a to the reflection angle ⁇ 1b.
  • the movable mirror section 20 precesses. Further, the angle of the scanning light Ls is changed by the movable mirror section 20 from the reflection angle ⁇ 1a to the reflection angle ⁇ 1b. Therefore, the movable mirror section 20 changes the angle of reflection ⁇ 1 while precessing, thereby spirally changing the direction of emission of the scanning light Ls with respect to the Z-axis az . That is, the emission direction of the scanning light Ls changes in all directions around the Z-axis az , and also changes in the Z-axis direction. As a result, the scanning light Ls is emitted within a range from the emission angle ⁇ 2a to the emission angle ⁇ 2b.
  • FIG. 8 schematically shows a helical change in the emission direction of the scanning light Ls, and the emission direction of the scanning light Ls shows a helical trajectory R with the Z-axis az as the central axis.
  • FIG. 9 is a cross-sectional perspective view showing a configuration example of the LiDAR device 2.
  • FIG. 4 to 7 schematically show the components of the LiDAR device 2
  • FIG. 9 shows the configuration of the LiDAR device 2 in a more specific form.
  • the LiDAR device 2 has a housing 4 .
  • the housing 4 includes a first housing 5 and a second housing 6 with an omnidirectional lens 43 interposed therebetween in the direction along the Z-axis az .
  • the first housing 5 is arranged on the second end E2 side of the Z-axis az .
  • the first housing 5 is, for example, a bottomed cylindrical housing.
  • a light source 10 and a light receiving sensor 13 are housed inside the first housing 5 . That is, the light source 10 and the light receiving sensor 13 are arranged on the side of the second end E2.
  • the first relay element 15A and the second relay element 15B of the relay optical system 15 are housed inside the first housing 5 .
  • the second housing 6 is arranged on the first end E1 side of the Z-axis az .
  • the second housing 6 is, for example, a hollow member having a trapezoidal outer shape. Inside the second housing 6, the third relay element 15C and the fourth relay element 15D of the relay optical system 15 are accommodated.
  • An entrance/exit window 42 is formed between the first housing 5 and the second housing 6 in the direction along the Z-axis az .
  • An omnidirectional lens 43 as the entrance/exit window 42 is arranged on the side of the first end E1.
  • the omnidirectional lens 43 has a vertical cross-sectional shape of a pair of trapezoids with the upper base on the side of the second housing 6 .
  • the LiDAR device 2 emits the scanning light Ls in all directions around the Z-axis az .
  • optical paths of the scanning light Ls and the return light Lr are formed between the movable mirror section 20 and the entrance/exit window 42 .
  • electrical components such as the light receiving sensor 13 and the light source 10 are arranged on the side of the second end E2 of the Z-axis az .
  • the electrical wiring connected to the electrical component is routed only on the second end E2 side, and the routing of the electrical wiring is not required on the first end E1 side.
  • the light receiving sensor 13 is arranged on the first end E1 side and the light source 10 is arranged on the second end E2 side.
  • at least one of the electrical wiring connected to the light-receiving sensor 13 and the electrical wiring connected to the light source 10 extends along the Z-axis az direction of the first housing 5 and the second housing 6. pulled in between.
  • the electric wiring crosses the omnidirectional lens 43, so that the electric wiring blocks the optical paths of the scanning light Ls and the return light Lr.
  • the electrical wiring connected to the electrical components is routed only on the side of the second end E2, so blocking of the optical paths of the scanning light Ls and the return light Lr is suppressed. be.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing the arrangement of each element in the first housing 5 of the LiDAR device 2.
  • the light source 10, the light receiving sensor 13, and the first relay element 15A are arranged so that at least a portion thereof overlaps in the direction along the Z -axis az.
  • the range h1 of the light source 10 in the direction along the Z-axis az is included in the range h3 of the light receiving sensor 13 and the range h2 of the first relay element 15A.
  • the range h2 of the first relay element 15A is included in the range h3 of the light receiving sensor 13 .
  • the range h1 of the light source 10 is included in the range h3 of the light receiving sensor 13 and the range h2 of the first relay element 15A, and the range h2 of the first relay element 15A is within the range h2 of the light receiving sensor 13.
  • the range h3 of the light receiving sensor 13 is arranged such that one range includes the other range in the direction along the Z -axis az. may be placed.
  • At least two of the range h1 of the light source 10, the range h2 of the first relay element 15A, and the range h3 of the light receiving sensor 13 may be arranged so as to partially overlap.
  • the light source 10 and the light receiving sensor 13 are arranged on the side of the second end E2.
  • a relay optical system 15 relays the scanning light Ls and the return light Lr between the second end E2 side and the first end E1 side.
  • electrical components for example, the light source 10 and the light receiving sensor 13
  • electrical wiring connected to the electrical components are gathered on the side of the second end E2. Therefore, according to this configuration, the LiDAR device 2 miniaturization is realized.
  • the movable mirror unit 20 is a biaxial rotating mirror that can rotate around each of the a 1 axis and the a 2 axis. Further, the movable mirror unit 20 rotates in the positive direction and the negative direction with reference to the initial position about the a1 axis and the a2 axis, respectively, so that the direction in which the scanning light Ls is emitted is changed to the Z axis az. change in a conical shape around .
  • the LiDAR device 2 Miniaturization is realized.
  • the movable mirror section 20 spirally changes the direction in which the scanning light Ls is emitted around the Z-axis az . Therefore, according to this configuration, as a configuration for deflecting the scanning light Ls, compared to the case where the tilted reflecting surface is moved up and down along the Z-axis az while rotating around the Z - axis az , the LiDAR device 2 Miniaturization is realized.
  • the output angle changing optical system 12 is arranged on the side of the first end E1.
  • the output angle changing optical system 12 is designed to make the angle of the scanning light Ls emitted from the entrance/exit window 42 with respect to the Z-axis az larger than the reflection angle ⁇ 1, which is the angle of the scanning light Ls reflected by the movable reflecting surface 20A with respect to the Z-axis az . is increased. Thereby, the output angle ⁇ 2 of the scanning light Ls can be tilted with respect to the Z-axis az .
  • biaxially rotating mirrors such as MEMS mirrors generally have a narrower rotation angle range than mirrors driven to rotate by a motor.
  • the output angle changing optical system 12 the output angle ⁇ 2 of the scanning light Ls with respect to the Z axis az can be changed to the Z axis a It can be tilted with respect to z .
  • the output angle changing optical system 12 further widens the range of the output angle ⁇ 2 from the range of the reflection angle ⁇ 1 defined by the movable range of the movable mirror section 20. . Therefore, according to this configuration, the emission range of the scanning light Ls can be widened compared to the case where the scanning light Ls is deflected using only the two-axis rotating mirror.
  • the output angle changing optical system 12 has the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41 .
  • the first annular reflecting mirror 40 reflects the scanning light Ls toward the second reflecting surface 41B by the first reflecting surface 40B.
  • the second annular reflecting mirror 41 reflects the scanning light Ls incident on the second reflecting surface 41B from the first reflecting surface 40B toward the entrance/exit window 42 .
  • the optical path of the scanning light Ls is adjusted by the first reflecting surface 40B and the second reflecting surface 41B. Therefore, according to this configuration, the inclination of the emission angle ⁇ 2 of the scanning light Ls with respect to the Z-axis az and/or the emission range of the scanning light Ls are adjusted.
  • the output angle changing optical system 12 has the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41 .
  • the first annular reflecting mirror 40 has an annular first reflecting surface 40B centered on the Z-axis az .
  • the second annular reflecting mirror 41 has a second annular reflecting surface 41B centered on the Z-axis az . Therefore, according to this configuration, the size of the LiDAR device 2 can be reduced compared to the case where a rectangular mirror is used as a reflecting member for the scanning light Ls whose emission direction changes around the Z -axis az.
  • the entrance/exit window 42 is an omnidirectional lens 43 having refractive power.
  • the cross-sectional shape in the direction along the Z-axis az is a radial direction perpendicular to the Z-axis az from the first end E1 side of the Z-axis az toward the second end E2 side It is a shape in which the thickness t increases. Therefore, according to this configuration, the emission range of the scanning light Ls can be widened compared to the case where the entrance/exit window 42 is an optical member having no refractive power.
  • the cross-sectional shape of the omnidirectional lens 43 in the direction along the Z-axis az is from the first end E1 side to the second end E2 of the Z-axis az . It is a shape in which the thickness t in the radial direction increases toward the sides.
  • the output angle changing optical system 12 also has a first annular reflecting mirror 40 and a second annular reflecting mirror 41 .
  • the first annular reflecting mirror 40 reflects the scanning light Ls, which travels toward the first end E1 by being reflected by the movable reflecting surface 20A, by the first reflecting surface 40B toward the second reflecting surface 41B. .
  • the second annular reflecting mirror 41 reflects the scanning light Ls incident on the second reflecting surface 41B from the first reflecting surface 40B toward the entrance/exit window. Therefore, according to this configuration, compared with the case where the thickness t of the omnidirectional lens 43 does not increase from the first end E1 side to the second end E2 side, the emission direction of the scanning light Ls is changed to It can be approached in a direction perpendicular to the Z-axis az .
  • the relay optical system 15 includes the first relay element 15A.
  • the light source 10, the light-receiving sensor 13, and the first relay element 15A are arranged so that at least a part of them overlap in the direction along the Z-axis az . Therefore, according to this configuration, compared to the case where the light source 10, the light receiving sensor 13 , and the first relay element 15A are arranged without overlapping in the direction along the Z-axis az , Downsizing of the LiDAR device 2 can be realized in the direction along the line.
  • the relay optical system 15 includes the second relay element 15B, the third relay element 15C, and the fourth relay element 15D. Therefore, according to this configuration, compared with the case where the relay optical system 15 is composed of a single optical element, it becomes easier to adjust the optical axes of the scanning light Ls and the return light Lr.
  • the light receiving sensor 13 is composed of one photodiode. Therefore, according to this configuration, the size of the LiDAR device 2 can be reduced compared to the case where the light receiving sensor 13 is a line sensor or a two-dimensional sensor having a plurality of photodiodes.
  • the light source 10 is a laser light source that emits laser light as the scanning light Ls. Therefore, according to this configuration, the directivity of the scanning light Ls is improved and the accuracy of measuring the distance to the object 3 is improved as compared with the case where non-coherent light is used as the scanning light Ls.
  • FIG. 11 is a cross-sectional perspective view showing a configuration example of the LiDAR device 2.
  • the angle sensor 50 is accommodated inside the first housing 5 and arranged on the side of the second end E2 of the Z-axis az .
  • the angle sensor 50 detects the rotation angles of the movable reflecting surface 20A of the movable mirror section 20 about the a1 axis and the a2 axis.
  • the angle sensor 50 is an example of an "angle sensor" according to the technology of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing the arrangement of the angle sensor 50.
  • the angle sensor 50 has an angle detection light source 51 , an angle changing member 52 and a detection element 53 .
  • the angle detection light source 51 emits detection light Ld toward the angle changing member 52 .
  • the angle detection light source 51 is a laser light source
  • the detection light Ld is laser light.
  • the angle changing member 52 is a member having a reflecting surface 52A. 52 A of reflective surfaces reflect the detection light Ld toward the back surface 20B of 20 A of movable reflective surfaces of the movable mirror part 20. As shown in FIG.
  • the detection light Ld reflected by the reflecting surface 52A is further reflected by the back surface 20B.
  • the rear surface 20B has a rotation angle corresponding to the movable reflecting surface 20A. Therefore, the detection light Ld reflected by the back surface 20B is reflected in a direction corresponding to the rotation angle of the movable reflecting surface 20A.
  • the detection element 53 outputs a signal corresponding to the position where the detection light Ld is detected.
  • the detection element 53 is, for example, a two-dimensional line sensor having a light receiving surface 53A.
  • the normal direction of the light receiving surface 53A is the direction along the Z-axis az .
  • the control device 14 calculates the rotation angle of the movable reflecting surface 20A based on the signal output from the detection element 53.
  • the LiDAR device 2 is provided with the angle sensor 50 for detecting the rotation angle of the movable reflecting surface 20A.
  • the angle sensor 50 is arranged on the second end E2 side of the Z-axis az with respect to the movable reflecting surface 20A of the movable mirror section 20 . Therefore, according to this configuration, the LiDAR device 2 can be made smaller than when the angle sensor 50 is arranged on the side of the first end E1.
  • the angle sensor 50 is an electrical component together with the light source 10 and the light receiving sensor 13 . Therefore, since the electric components and the wiring connected to the electric components are collectively arranged on the side of the second end E2 of the Z-axis az , the size reduction of the LiDAR device 2 is realized.
  • FIG. 13 shows an example of the trajectory R of the scanning light Ls other than the helical shape.
  • the emission direction of the scanning light Ls is not changed to the direction of the Z-axis az while the emission direction rotates around the Z -axis az .
  • the emitting direction is moved in the direction of the Z-axis az .
  • the rotation about the Z-axis az in the emission direction and the movement in the direction of the Z-axis az may be performed stepwise.
  • the movable mirror section 20 is driven as follows. First, the movable mirror section 20 is caused to precess while the tilt angle of the movable mirror section 20 with respect to the Z-axis az is kept constant. Then, after the direction of emission has made one or more rotations, the precession motion is temporarily stopped, and the tilt angle of the movable mirror section 20 is changed. After changing the tilt angle, precession is started again. By repeating such an operation, the tilt angle of the movable mirror section 20 is changed stepwise, and as shown in FIG .
  • the output angle changing optical system 12 has been described by giving an example of a form in which the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41 are provided. Not limited.
  • the output angle changing optical system 12 has a third annular reflecting mirror 44 instead of the first annular reflecting mirror 40 and the second annular reflecting mirror 41 .
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the output angle changing optical system 12 and the entrance/exit window 42 taken along the Z-axis az .
  • the output angle changing optical system 12 has a third annular reflecting mirror 44 .
  • the third annular reflecting mirror 44 has a rotationally symmetrical shape with respect to the Z-axis az .
  • the third annular reflecting mirror 44 is formed with an opening 44A through which the scanning light Ls passes in the center corresponding to the Z-axis az .
  • the third annular reflecting mirror 44 has an annular third reflecting surface 44B extending in a radial direction perpendicular to the Z-axis az centered on the Z-axis az .
  • the third reflecting surface 44B is formed on the movable reflecting surface 20A side of the third annular reflecting mirror 44 .
  • a cross-sectional shape of the third reflecting surface 44B cut along a plane parallel to the Z-axis az is convex toward the second end E2.
  • the entrance/exit window 42 is, for example, an omnidirectional lens 45 .
  • the omnidirectional lens 45 has a rotationally symmetrical shape with respect to the Z-axis az .
  • the omnidirectional lens 45 has a cavity 45A for accommodating the third annular reflecting mirror 44 in the center.
  • the omnidirectional lens 45 is rotationally symmetrical with respect to the Z-axis az and is arranged outside the third annular reflecting mirror 44 .
  • the cross-sectional shape along the direction parallel to the Z-axis az is a shape in which the thickness t increases from the second end E2 side toward the first end E1 side of the Z-axis az. is.
  • the scanning light Ls enters the omnidirectional lens 45 from the third reflecting surface 44B.
  • the omnidirectional lens 45 has a refractive power that refracts the scanning light Ls.
  • the omnidirectional lens 45 refracts and emits the scanning light Ls incident from the third reflecting surface 44B.
  • the omnidirectional lens 45 is an example of an "omnidirectional lens" according to the technology of the present disclosure.
  • the omnidirectional lens 45 Since the thickness t of the omnidirectional lens 45 increases from the second end E2 side toward the first end E1 side, the scanning light Ls incident from the third reflecting surface 44B is bent toward the first end E1 side. Let for example, taking the scanning light Ls shown in FIG. 14 as an example, the omnidirectional lens 45 makes the emission direction of the scanning light Ls reflected obliquely downward by the third reflecting surface 44B approach the horizontal direction.
  • the scanning light Ls that has passed through the relay optical system 15 passes through the opening 44A of the third annular reflecting mirror 44 and enters the movable mirror section 20 .
  • the scanning light Ls incident on the movable mirror section 20 is reflected by the movable reflecting surface 20A.
  • the scanning light Ls emitted from the movable reflecting surface 20A is incident on the third reflecting surface 44B of the third annular reflecting mirror 44 after traveling toward the first end E1.
  • the scanning light Ls incident on the third reflecting surface 44B is reflected by the third reflecting surface 44B.
  • the scanning light Ls emitted from the third reflecting surface 44B travels outward in the radial direction perpendicular to the Z-axis az and enters the omnidirectional lens 45 .
  • the scanning light Ls incident on the omnidirectional lens 45 is refracted and then emitted from the omnidirectional lens 45 toward the object 3 (see FIG. 1).
  • the return light Lr from the object 3 enters the omnidirectional lens 45 , travels in the opposite direction along the course of the scanning light Ls, and enters the movable mirror section 20 . After being reflected by the movable reflecting surface 20A, the return light Lr passes through the opening 44A of the third annular reflecting mirror 44 and enters the relay optical system 15. As shown in FIG. The return light Lr travels through the relay optical system 15 in the opposite direction to the travel path of the scanning light Ls.
  • the output angle changing optical system 12 has the third annular reflecting mirror 44 .
  • the third annular reflecting mirror 44 reflects the scanning light Ls toward the entrance/exit window 42 by the third reflecting surface 44B.
  • the optical path of the scanning light Ls is adjusted by the third reflecting surface 44B. Therefore, according to this configuration, the inclination of the emission angle ⁇ 2 of the scanning light L with respect to the Z-axis az and/or the emission range of the scanning light Ls are adjusted.
  • the output angle changing optical system 12 has the third annular reflecting mirror 44 .
  • the third annular reflecting mirror 44 has an annular third reflecting surface 44B centered on the Z-axis az . Therefore, according to this configuration, the size of the LiDAR device 2 can be reduced compared to the case where a rectangular mirror is used as a reflecting member for the scanning light Ls whose emission direction changes around the Z -axis az.
  • the entrance/exit window 42 is an omnidirectional lens 45 having refractive power.
  • the cross-sectional shape in the direction along the Z-axis az is the radial direction orthogonal to the Z-axis az from the second end E2 side of the Z-axis az toward the first end E1 side. It is a shape in which the thickness t increases. Therefore, according to this configuration, the emission range of the scanning light Ls can be widened compared to the case where the entrance/exit window 42 is an optical member having no refractive power.
  • the cross-sectional shape of the omnidirectional lens 45 in the direction along the Z-axis az is from the second end E2 to the first end E1 of the Z-axis az. It is a shape in which the thickness t in the radial direction increases toward the sides.
  • the output angle changing optical system 12 has a third annular reflecting mirror 44, and the third annular reflecting mirror 44 reflects the scanning light Ls toward the entrance/exit window 42 with a third reflecting surface 44B. do.
  • the emission direction of the scanning light Ls is changed to It can be approached in a direction orthogonal to the Z-axis az .
  • the second relay element 15B, the third relay element 15C, and the fourth relay element 15D constituting the relay optical system 15 are each a total reflection mirror.
  • the technology of the present disclosure is not limited to this.
  • the second relay element 15B, the third relay element 15C, and the fourth relay element 15D may be optical elements capable of reflecting the scanning light Ls and the return light Lr, and may be prisms, for example.
  • the relay optical system 15 has been described by exemplifying a configuration including the first relay element 15A to the fourth relay element 15D, but the technology of the present disclosure is not limited to this.
  • the relay optical system 15 may have other optical elements in addition to the first relay element 15A to the fourth relay element 15D, may omit part of the first relay element 15A to the fourth relay element 15D, or It may be a modified configuration.
  • the vertical cross-sectional shape of the omnidirectional lenses 43 and 45 is triangular or trapezoidal, but the technology of the present disclosure is not limited to this.
  • the vertical cross-sectional shape of the omnidirectional lenses 43 and 45 may be rectangular.
  • the omnidirectional lenses 43 and 45 having refractive power are used as members constituting the entrance/exit window 42 , but the technology of the present disclosure is not limited to this.
  • a member having no refractive power and transparent to the scanning light Ls and the return light Lr may be used as the entrance/exit window 42 .
  • the direction of incidence of the scanning light Ls on the movable mirror section 20 is the Z-axis direction, but the direction of incidence of the scanning light Ls on the movable mirror section 20 is not limited to the Z-axis direction. It may be in a direction that intersects the Z-axis direction.
  • the LiDAR device 2 by cutting out a part of the output angle changing optical system 12 of each of the above embodiments, it is possible to configure the LiDAR device 2 with a laser beam scanning range of, for example, 270° or 180°.
  • a and/or B is synonymous with “at least one of A and B.” That is, “A and/or B” means that only A, only B, or a combination of A and B may be used. Also, in this specification, when three or more matters are expressed by connecting with “and/or”, the same idea as “A and/or B" is applied.

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Abstract

走査光を発する光源と、戻り光を受光する受光センサと、予め設定された基準軸を中心とする円環形状であり、基準軸の回りの全方位に走査光を出射可能で、かつ戻り光が入射可能な入出射窓と、光源からの走査光を入出射窓に向けて反射し、かつ入出射窓からの戻り光を受光センサに向けて反射する可動ミラー部を有し、可動反射面の姿勢を変化させることにより、走査光の向きを全方位に変化させる光偏向器と、可動ミラー部と、光源及び受光センサのそれぞれとの間で走査光及び戻り光を中継する中継光学系とを備えており、基準軸に沿った方向において、光偏向器を基準として可動反射面が向く方向を基準軸の第１端側、反対側を基準軸の第２端側とした場合において、入出射窓は第１端側に配置され、かつ光源及び受光センサは第２端側に配置されている、測距装置。

Description

測距装置
　本開示の技術は、測距装置に関する。
　特開２０２１－０８１５９３号公報には、光走査システムに適用される可動装置が記載されている。可動装置は、反射面を有する可動部を有し、可動部を所定の回動軸で回動可能な光偏向器と、光偏向器を固定する一対の固定部を有する台座と、台座における光偏向器が固定されている側とは反対側で、台座に接合されている基板と、を有し、基板には、一対の固定部の間の位置に貫通穴が設けられている。
　特開２０２１－１５６８８２号公報には、監視領域（２０）内の物体の距離測定データを取得するための光電センサ（１０）、特にレーザスキャナであって、監視領域（２０）へ発射光（１６）を複数の角度で送出するための発光器（１２）と監視領域（２０）から複数の角度で入射する受信光（２２）から受光信号を生成するための受光器（２６）とを備える測定ユニット、並びに、受光信号から複数の角度及び測定の反復にわたり光伝播時間の測定により角度解像度及び時間解像度を有する距離測定データを取得するように構成された制御及び評価ユニット（３６）を備える光電センサ（１０）において、制御及び評価ユニット（３６）が更に、距離測定データを配列することで、距離値を含む画素が角度の次元と時間の次元にわたって配列された画像（４６）を作成し、該画像（４６）を機械学習の画像分類処理（４８）で評価することで画素にそれぞれクラスを割り当てるように構成されていることを特徴とする光電センサ（１０）が開示されている。
　本開示の技術は、装置の小型化を実現可能とする測距装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の技術に係る第１の態様は、走査光を出射し、かつ走査光が対象物で反射した戻り光を受光することにより、対象物との距離を測定する測距装置であって、走査光を発する光源と、戻り光を受光し、受光した戻り光に応じた受光信号を出力する受光センサと、予め設定された基準軸を中心とする円環形状であり、基準軸の回りの全方位に走査光を出射可能で、かつ対象物からの戻り光が入射可能な入出射窓と、基準軸と交差する位置に配置された可動反射面を有する可動ミラー部であって、光源からの走査光を入出射窓に向けて反射し、かつ入出射窓からの戻り光を受光センサに向けて反射する可動ミラー部を有し、可動反射面の姿勢を変化させることにより、走査光の向きを全方位に変化させる光偏向器と、可動ミラー部と、光源及び受光センサのそれぞれとの間で走査光及び戻り光を中継する中継光学系とを備えており、基準軸に沿った方向において、光偏向器を基準として可動反射面が向く方向を基準軸の第１端側、反対側を基準軸の第２端側とした場合において、入出射窓は第１端側に配置され、かつ光源及び受光センサは第２端側に配置されている、測距装置である。
　本開示の技術に係る第２の態様は、基準軸を法線とする面内で直交する２軸を第１軸及び第２軸とした場合において、可動ミラー部は、第１軸と第２軸のそれぞれの軸回りで回転可能な２軸回転ミラーであり、かつ、可動反射面が基準軸と直交する位置を初期位置とした場合において、第１軸と第２軸のそれぞれの軸回りに初期位置を基準とする正方向及び負方向に回転することにより、走査光が出射する向きを基準軸の回りに円錐状に変化させる、第１の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第３の態様は、可動ミラー部は、走査光が出射する向きを基準軸の回りに螺旋状に変化させる、第２の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第４の態様は、第１端側に配置された出射角変更光学系を備え、出射角変更光学系は、可動反射面で反射する走査光の基準軸に対する角度である反射角よりも、入出射窓から出射する走査光の基準軸に対する角度である出射角を大きくする、第２の態様又は第３の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第５の態様は、出射角変更光学系は、さらに、可動ミラー部の可動範囲で規定される反射角の範囲よりも、出射角の範囲を広げる、第４の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第６の態様は、中継光学系を経て第１端側から基準軸に沿って進行する走査光が可動ミラー部に入射する場合において、出射角変更光学系は、走査光の光路となる基準軸に対応する中央に開口が形成され、基準軸を中心に基準軸と直交する径方向に広がる円環状の第１反射面を有する第１円環型反射ミラーと、第１反射面と対向して配置され、第１反射面と同様に中央に開口が形成された円環状の第２反射面であって、第１端側に向けて凸面形状の第２反射面を有する第２円環型反射ミラーとを有し、第１円環型反射ミラーは、可動反射面で反射することにより第１端側に向けて進行する走査光を第１反射面によって第２反射面に向けて反射し、第２円環型反射ミラーは、第１反射面から第２反射面に入射した走査光を入出射窓に向けて反射する、第４の態様又は第５の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第７の態様は、中継光学系を経て第１端側から基準軸に沿って進行する走査光が可動ミラー部に入射する場合において、出射角変更光学系は、走査光の光路となる基準軸に対応する中央に開口が形成され、基準軸を中心に基準軸と直交する径方向に広がる円環状の第３反射面であって、第２端側に向けて凸面形状の第３反射面を有する第３円環型反射ミラーを有し、第３円環型反射ミラーは、可動反射面で反射することにより第１端側に向けて進行する走査光を、第３反射面によって入出射窓に向けて反射する、第４の態様又は第５の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第８の態様は、入出射窓は、全方位に出射する走査光を屈折させる屈折力を有する全方位レンズであって、全方位レンズにおいて、基準軸に沿った方向の断面形状は、基準軸の第１端側及び第２端側のうちの一方から他方に向かって基準軸と直交する径方向の厚みが増加する形状である、第１の態様から第７の態様のうちの何れか一つに係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第９の態様は、全方位レンズにおいて、基準軸に沿った方向の断面形状は、基準軸の第１端側から第２端側に向かって径方向の厚みが増加する形状である、第６の態様及び第８の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１０の態様は、全方位レンズにおいて、基準軸に沿った方向の断面形状は、基準軸の第２端側から第１端側に向かって径方向の厚みが増加する形状である、第７の態様及び第８の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１１の態様は、中継光学系の一部を構成する第１中継素子であって、光源が発する走査光を透過し、戻り光を受光センサへと反射する第１中継素子が、光源及び受光センサに加えて第２端側に配置されており、さらに、基準軸に沿った方向において、光源、受光センサ及び第１中継素子は、少なくとも一部が重なり合って配置されている、第１の態様から第１０の態様のうちの何れか一つに係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１２の態様は、中継光学系は、第２端側に配置され、かつ第１中継素子を経由した走査光を第１端側に反射させる第２中継素子と、第１端側に配置され、かつ第２中継素子により反射された走査光を基準軸と交差する方向に反射させる第３中継素子と、第１端側に配置され、かつ第３中継素子により反射された走査光を可動ミラー部に向けて反射させる第４中継素子と、を含み、中継光学系は、戻り光を、第４中継素子、第３中継素子、第２中継素子、及び第１中継素子の順に中継する、第１１の態様に係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１３の態様は、受光センサは、１つのフォトダイオードで構成される、第１の態様から第１２の態様のうちの何れか一つに係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１４の態様は、光源は、走査光としてレーザ光を発するレーザ光源である、第１の態様から第１３の態様のうちの何れか一つに係る測距装置である。
　本開示の技術に係る第１５の態様は、可動反射面の回転角を検出するための角度センサを備えており、角度センサは、第１端側に配置されている、第１の態様から第１４の態様のうちの何れか一つに係る測距装置である。
　本開示の技術によれば、装置の小型化を実現可能とする測距装置を提供することができる。
ＬｉＤＡＲ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 可動ミラー部の概略構成の一例を示す斜視図である。 可動ミラー部が歳差運動する様子を示す図である。 出射角変更光学系の一例を示す概略斜視図である。 出射角変更光学系の一例を示す概略分解斜視図である。 出射角変更光学系の一例を示す概略断面図である。 第１反射面、第２反射面、及び可動ミラー部の位置関係について説明する図である。 走査光の出射方向の変化の一例を模式的に示した図である。 第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置の概略構成の一例を示す断面斜視図である。 光源、受光センサ、及び第１中継素子の配置の一例を示す概略構成図である。 変形例に係るＬｉＤＡＲ装置の概略構成の一例を示す断面斜視図である。 変形例に係る角度センサの位置関係について説明するための概略構成図である。 走査光の出射方向の変化のその他の例を模式的に示した図である。 第２実施形態に係る出射角変更光学系の一例を示す概略断面図である。
　添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）装置２の概略構成を示す。ＬｉＤＡＲ装置２は、走査光Ｌｓを出射し、走査光Ｌｓが対象物３で反射した戻り光Ｌｒを受光して対象物３までの距離を測定する。ＬｉＤＡＲ装置２は、例えば自動車に搭載され、周辺障害物の距離情報を取得する。ＬｉＤＡＲ装置２は、本開示の技術に係る「測距装置」の一例であり、走査光Ｌｓは、本開示の技術に係る「走査光」の一例であり、戻り光Ｌｒは、本開示の技術に係る「戻り光」の一例である。
　図１に示すように、ＬｉＤＡＲ装置２は、光源１０、光偏向器１１、出射角変更光学系１２、受光センサ１３、制御装置１４、中継光学系１５、及び入出射窓４２を備える。光偏向器１１は、可動ミラー部２０、及び可動ミラー部２０を駆動するためのアクチュエータ３５を含む。出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０、及び、第２円環型反射ミラー４１を含む。
　光源１０は、走査光Ｌｓを出射する。例えば、光源１０は、レーザダイオードであり、また、走査光Ｌｓは、レーザ光である。レーザ光は、例えば、波長９０５ｎｍの赤外線である。また、レーザ光は、例えば、パルス状である。なお、光源１０は、本開示の技術に係る「光源」の一例であり、レーザ光は、本開示の技術に係る「レーザ光」の一例である。また、以下において、走査光Ｌｓと、走査光Ｌｓが対象物３で反射した戻り光Ｌｒとを総称して、レーザ光と呼ぶ場合がある。
　なお、光源１０は、レーザダイオードに限られず、ＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザ、ファイバーレーザ等の各種構成のレーザ光源を用いることが可能である。また、レーザ光は、上記のレーザ光に限られず、例えば８５０ｎｍから１５５０ｎｍ帯の近赤外光までの波長を有する一般的にＬｉＤＡＲに用いられているパルスレーザ光を使用することができる。
　中継光学系１５は、光源１０と可動ミラー部２０との間で走査光Ｌｓを中継する。また、中継光学系１５は、可動ミラー部２０と受光センサ１３との間で戻り光Ｌｒを中継する。中継光学系１５は、本開示の技術に係る「中継光学系」の一例である。
　可動ミラー部２０は、中継光学系１５を経て入射した走査光Ｌｓを反射することにより、走査光Ｌｓを偏向する。可動ミラー部２０から出射された走査光Ｌｓは、出射角変更光学系１２に入射する。出射角変更光学系１２に入射した走査光Ｌｓは、第１円環型反射ミラー４０及び第２円環型反射ミラー４１で順に反射され、入出射窓４２からＬｉＤＡＲ装置２の外部に出射される。可動ミラー部２０は、本開示の技術に係る「可動ミラー部」の一例である。
　対象物３からの戻り光Ｌｒは、入出射窓４２からＬｉＤＡＲ装置２内に入射する。出射角変更光学系１２に入射した戻り光Ｌｒは、第２円環型反射ミラー４１及び第１円環型反射ミラー４０で順に反射された後、可動ミラー部２０に入射する。可動ミラー部２０に入射した戻り光Ｌｒは、可動ミラー部２０により偏向された後、中継光学系１５で中継されることにより、受光センサ１３に導かれる。
　受光センサ１３は、戻り光Ｌｒを受光し、受光した戻り光Ｌｒの光量に対応する受光信号を出力する。受光センサ１３は、１つのフォトダイオードで構成される。例えば、受光センサ１３は、アバランシェフォトダイオード（図９参照）により構成されている。受光センサ１３が生成した受光信号は、制御装置１４に入力される。受光センサ１３は、本開示の技術に係る「受光センサ」の一例である。
　制御装置１４は、光源１０からの走査光Ｌｓの出射を制御するとともに、受光センサ１３から入力された受光信号に基づいて、対象物３までの距離を算出する処理を行う。また、制御装置１４は、可動ミラー部２０を駆動するための駆動電圧をアクチュエータ３５に供給する。なお、制御装置１４がＬｉＤＡＲ装置２に含まれる形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。例えば、制御装置１４は、ＬｉＤＡＲ装置２と電気的に接続された状態で、ＬｉＤＡＲ装置２の外部に設けられてもよい。
　図２は、光偏向器１１の概略構成を示す。光偏向器１１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理することにより形成されたマイクロミラーデバイスである。光偏向器１１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーデバイスとも称される。光偏向器１１は、本開示の技術に係る「光偏向器」の一例である。
　光偏向器１１は、可動ミラー部２０、第１支持部２１、第１可動枠２２、第２支持部２３、第２可動枠２４、接続部２５、及び固定枠２６を有する。光偏向器１１は、いわゆるＭＥＭＳスキャナである。
　可動ミラー部２０は、走査光Ｌｓなどの入射光を反射する可動反射面２０Ａを有する。可動反射面２０Ａは、可動ミラー部２０の一面に設けられた、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又は銀の合金等の金属薄膜で形成されている。可動反射面２０Ａの形状は、例えば、ａ１軸とａ２軸との交点を中心とした円形状である。可動反射面２０Ａは、本開示の技術に係る「可動反射面」の一例である。
　可動ミラー部２０は、ａ１軸及びａ２軸のそれぞれの軸周りに回転可能な２軸回転ミラーである。なお、ａ１軸は、本開示の技術に係る「第１軸」の一例であり、ａ２軸は、本開示の技術に係る「第２軸」の一例である。
　第１支持部２１は、可動ミラー部２０の外側に、ａ２軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第１支持部２１は、ａ１軸上で可動ミラー部２０と接続されており、可動ミラー部２０をａ１軸周りに揺動可能に支持している。本実施形態では、第１支持部２１は、ａ１軸に沿って延伸したトーションバーである。
　第１可動枠２２は、可動ミラー部２０を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ１軸上で第１支持部２１を介して可動ミラー部２０と接続されている。第１可動枠２２の上には、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子３０が形成されている。このように、第１可動枠２２上に２つの圧電素子３０が形成されることにより、一対の第１アクチュエータ３１が構成されている。
　一対の第１アクチュエータ３１は、ａ１軸を挟んで対向する位置に配置されている。第１アクチュエータ３１は、可動ミラー部２０に、ａ１軸周りの回転トルクを作用させることにより、可動ミラー部２０をａ１軸周りに揺動させる。
　第２支持部２３は、第１可動枠２２の外側に、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。第２支持部２３は、ａ２軸上で第１可動枠２２と接続されており、第１可動枠２２及び可動ミラー部２０を、ａ２軸周りに揺動可能に支持している。本実施形態では、第２支持部２３は、ａ２軸に沿って延伸したトーションバーである。
　第２可動枠２４は、第１可動枠２２を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ２軸上で第２支持部２３を介して第１可動枠２２と接続されている。第２可動枠２４の上には、ａ２軸を挟んで対向する位置にそれぞれ圧電素子３０が形成されている。このように、第２可動枠２４上に２つの圧電素子３０が形成されることにより、一対の第２アクチュエータ３２が構成されている。
　一対の第２アクチュエータ３２は、ａ２軸を挟んで対向する位置に配置されている。第２アクチュエータ３２は、可動ミラー部２０及び第１可動枠２２に、ａ２軸の周りの回転トルクを作用させることにより、ａ２軸の周りに可動ミラー部２０を揺動させる。
　接続部２５は、第２可動枠２４の外側に、ａ１軸を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。接続部２５は、ａ２軸上で第２可動枠２４と接続されている。
　固定枠２６は、第２可動枠２４を取り囲む矩形状の枠体であって、ａ２軸上で接続部２５を介して第２可動枠２４と接続されている。
　以下の説明では、可動ミラー部２０が傾斜していない状態における可動反射面２０Ａの法線方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する一方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。
　一対の第１アクチュエータ３１及び一対の第２アクチュエータ３２が、上述のアクチュエータ３５（図１参照）に対応する。上述の制御装置１４は、一対の第１アクチュエータ３１と、一対の第２アクチュエータ３２とに、それぞれ位相の異なる正弦波の駆動電圧を印加することにより、可動ミラー部２０を歳差運動させる。
　図３は、可動ミラー部２０が歳差運動する様子を示す。歳差運動とは、可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａの法線Ｎが円を描くように振れる運動である。すなわち、可動ミラー部２０において、可動反射面２０ＡがＺ軸ａｚと直交する位置を初期位置とする。この場合において、可動ミラー部２０が、ａ１軸及びａ２軸のそれぞれの軸回りに初期位置を基準とする正方向及び負方向に回転する。ここで、Ｚ軸ａｚに沿った方向において、光偏向器１１を基準として可動反射面２０Ａが向く方向の側をＺ軸ａｚの第１端Ｅ１の側とし、反対側を第２端Ｅ２の側とする。ここで、当然ながらＺ軸ａｚは仮想軸であり、第１端Ｅ１及び第２端Ｅ２も仮想軸において観念される仮想的な端点である。なお、Ｚ軸ａｚは、Ｚ軸方向に平行であって、かつ可動ミラー部２０の中心を通る軸である。Ｚ軸ａｚは、本開示の技術に係る「基準軸」の一例である。
　可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａは、Ｚ軸ａｚと交差する位置に配置されている。光源１０から出射された走査光Ｌｓは、Ｚ軸ａｚに沿って可動ミラー部２０の中心に入射する。図３に示すように歳差運動を行っている可動ミラー部２０により偏向された走査光Ｌｓは円を描くように可動ミラー部２０から出射される。例えば、可動ミラー部２０は、走査光Ｌｓが出射する向きをＺ軸ａｚの回りに円錐状に変化させる。このように、光偏向器１１は、可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａの姿勢を変化させることにより、走査光Ｌｓの向きを、基準軸に相当するＺ軸ａｚの回りの全方位に変化させる。なお、本実施形態において、「基準軸の回りの全方位」とは、Ｚ軸ａｚの周囲３６０°の他に、本開示の技術が属する技術分野で一般的に許容される誤差であって、本開示の技術の趣旨に反しない程度の誤差を含めた意味合いでの全方位を指す。
　図４～図７は、出射角変更光学系１２及び入出射窓４２の構成を示す。図４は、出射角変更光学系１２及び入出射窓４２の概略斜視図である。図５は、出射角変更光学系１２及び入出射窓４２の概略分解斜視図である。図６及び図７は、出射角変更光学系１２及び入出射窓４２をＺ軸ａｚに沿って切断した概略断面図である。
　図４及び図５に示すように、出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０、及び第２円環型反射ミラー４１を含む。第１円環型反射ミラー４０、及び第２円環型反射ミラー４１は、いずれもＺ軸ａｚに対して回転対称な形状である。第１円環型反射ミラー４０及び第２円環型反射ミラー４１は、光源１０から出射された走査光Ｌｓの進行方向に沿って、第１円環型反射ミラー４０、及び第２円環型反射ミラー４１の順に配置されている。
　第１円環型反射ミラー４０には、Ｚ軸ａｚに対応する中央にレーザ光を通過させる開口４０Ａが形成されている。第１円環型反射ミラー４０は、Ｚ軸ａｚを中心にＺ軸ａｚと直交する径方向に広がる円環状の第１反射面４０Ｂを有している。第１反射面４０Ｂは、第１円環型反射ミラー４０において、第２円環型反射ミラー４１側に形成されている。また、第１反射面４０ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は凹面形状である。
　第１反射面４０Ｂには、可動ミラー部２０から出射された走査光Ｌｓが入射する。第１反射面４０Ｂは、入射した走査光Ｌｓを反射する。
　第２円環型反射ミラー４１には、Ｚ軸ａｚに対応する中央にレーザ光を通過させる開口４１Ａが形成されている。第２円環型反射ミラー４１の第１円環型反射ミラー４０側には、第２反射面４１Ｂが形成されている。第２反射面４１Ｂは、Ｚ軸ａｚを中心にＺ軸ａｚと直交する径方向に広がる円環状である。また、第２反射面４１ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は、第１端Ｅ１の側に向けて凸面形状である。
　第２反射面４１Ｂには、第１反射面４０Ｂから走査光Ｌｓが入射する。第２反射面４１Ｂは、入射した走査光Ｌｓを反射する。第２反射面４１Ｂで反射した走査光Ｌｓの光路は、Ｚ軸ａｚから外側に向かう方向である。なお、Ｚ軸ａｚから外側に向かう方向とは、Ｚ軸ａｚとの交点を中心とした円の半径方向である。
　入出射窓４２は、Ｚ軸ａｚを中心とした円環形状である。入出射窓４２は、Ｚ軸ａｚの回りの全方位に走査光Ｌｓを出射可能であり、かつ入出射窓４２には、対象物３からの戻り光Ｌｒが入射可能である。すなわち、入出射窓４２は、走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒに対して透明とされている。入出射窓４２は、例えば、全方位レンズ４３である。入出射窓４２は、本開示の技術に係る「入出射窓」の一例である。全方位レンズ４３は、本開示の技術に係る「全方位レンズ」の一例である。
　全方位レンズ４３は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称な形状である。全方位レンズ４３には、中央に第２円環型反射ミラー４１を収容するための空洞４３Ａが形成されている。全方位レンズ４３は、第２円環型反射ミラー４１より外側に配置されている。全方位レンズ４３には、第２反射面４１Ｂから走査光Ｌｓが入射する。
　図６に示すように、出射角変更光学系１２は、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側に配置されている。出射角変更光学系１２は、可動ミラー部２０で反射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である反射角θ１よりも、全方位レンズ４３から出射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である出射角θ２を大きくする。
　光源１０から出射された走査光Ｌｓの光路上には、中継光学系１５が配置されている。中継光学系１５は、第１中継素子１５Ａ、第２中継素子１５Ｂ、第３中継素子１５Ｃ、及び第４中継素子１５Ｄを含んでいる。なお、第１中継素子１５Ａは、本開示の技術に係る「第１中継素子」の一例であり、第２中継素子１５Ｂは、本開示の技術に係る「第２中継素子」の一例であり、第３中継素子１５Ｃは、本開示の技術に係る「第３中継素子」の一例であり、第４中継素子１５Ｄは、本開示の技術に係る「第４中継素子」の一例である。
　第１中継素子１５Ａは、光源１０及び受光センサ１３と同様に、第２端Ｅ２の側に配置されている。第１中継素子１５Ａは、光源１０からの走査光Ｌｓを透過させるとともに、戻り光Ｌｒを反射して受光センサ１３に入射させる。すなわち、第１中継素子１５Ａは、分岐光学素子である。例えば、第１中継素子１５Ａは、貫通孔１５Ａ１を有する全反射ミラーである。貫通孔１５Ａ１は、一例として、光路に沿って中心軸を有し、かつ光源１０側から反対側に向けて次第に開口径が小さくなる形状を有する。貫通孔１５Ａ１において、光源１０とは反対側の開口径は、戻り光Ｌｒの拡がりに対して十分小さい径となるように設定されている。これにより、戻り光Ｌｒが、第１中継素子１５Ａによって反射される。なお、第１中継素子１５Ａとして貫通孔１５Ａ１を有する全反射ミラーを挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。例えば、第１中継素子１５Ａとしてハーフミラーを用いてもよいし、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。ハーフミラーを用いた場合は、ハーフミラーが走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒのそれぞれの一部を透過し、残りを反射する。偏光ビームスプリッタを用いた場合は、偏光ビームスプリッタが走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒのそれぞれのｐ偏光及びｓ偏光の一方を透過し、他方を反射する。
　光源１０から出射された走査光Ｌｓは、第１中継素子１５Ａを透過した後、第２中継素子１５Ｂに入射される。第２中継素子１５Ｂは、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に配置されている。第２中継素子１５Ｂは、走査光ＬｓをＺ軸ａｚの第１端Ｅ１の側に向かって反射させる。第２中継素子１５Ｂは、例えば、全反射ミラーであり、反射面がＸ軸ａｘ及びＺ軸ａｚのそれぞれに対して４５°傾斜して配置されている。これにより、走査光Ｌｓの光路をＸ軸方向からＺ軸方向に屈曲させる。
　第３中継素子１５Ｃは、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側に配置されている。第３中継素子１５Ｃは、第２中継素子１５Ｂにより反射された走査光Ｌｓを、Ｚ軸ａｚと交差する方向に反射させる。第３中継素子１５Ｃは、例えば、全反射ミラーである。第３中継素子１５Ｃの反射面は、Ｘ軸ａｘ及びＺ軸ａｚのそれぞれに対して４５°傾斜して配置されており、かつ傾斜方向は、第２中継素子１５Ｂの反射面と向かい合う方向である。これにより、第２中継素子１５Ｂで反射した走査光Ｌｓの光路をＺ軸方向からＸ軸方向に屈曲させる。
　第４中継素子１５Ｄは、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側に配置されている。第４中継素子１５Ｄは、第３中継素子１５Ｃにより反射された走査光Ｌｓを、可動ミラー部２０へ向けて反射させる。第４中継素子１５Ｄは、例えば、全反射ミラーであり、反射面がＸ軸ａｘ及びＺ軸ａｚのそれぞれに対して４５°傾斜して配置されており、かつ傾斜方向は、第３中継素子１５Ｃの反射面と向かい合う方向である。これにより、第３中継素子１５Ｃで反射した走査光Ｌｓの光路をＸ軸方向からＺ軸方向に屈曲させる。
　第１中継素子１５Ａ～第４中継素子１５Ｄといった複数の光学素子は、それぞれが光軸調整に使用可能な光学素子である。このように、ＬｉＤＡＲ装置２は、複数の光学素子を有する中継光学系１５を備えることにより、光軸調整に使用可能な位置調整部品が増加するため、光軸調整がしやすくなる。
　中継光学系１５を経由した走査光Ｌｓは、第１端Ｅ１の側からＺ軸ａｚに沿って進行する。走査光Ｌｓは、第１円環型反射ミラー４０の開口４０Ａ、及び第２円環型反射ミラー４１の開口４１Ａを通過して可動ミラー部２０に入射する。可動ミラー部２０に入射した走査光Ｌｓは、可動反射面２０Ａで反射される。可動ミラー部２０から出射された走査光Ｌｓは、第２円環型反射ミラー４１の開口４１Ａを通過して第１円環型反射ミラー４０の第１反射面４０Ｂに入射する。
　第１反射面４０Ｂに入射した走査光Ｌｓは、第１反射面４０Ｂで反射される。第１反射面４０Ｂから出射された走査光Ｌｓは、第２円環型反射ミラー４１の第２反射面４１Ｂに入射する。
　第２反射面４１Ｂに入射した走査光Ｌｓは、第２反射面４１Ｂで反射される。第２反射面４１Ｂから出射された走査光Ｌｓは、Ｚ軸ａｚと直交する径方向外側に進行して全方位レンズ４３に入射する。
　全方位レンズ４３において、Ｚ軸ａｚに平行な方向に沿った断面形状（以下単に「縦断面形状」と称する）は、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側から第２端Ｅ２の側へ向かって厚みｔが増加する形状である。例えば、全方位レンズ４３において、縦断面形状は、三角形状であるが、これはあくまでも一例に過ぎない。全方位レンズ４３において縦断面形状は、台形状であってもよい。
　全方位レンズ４３は、走査光Ｌｓを屈折させる屈折力を有する。全方位レンズ４３は、第２反射面４１Ｂから入射した走査光Ｌｓを屈折させて出射する。全方位レンズ４３は、第１端Ｅ１の側から第２端Ｅ２の側へ向かって厚みｔが増加しているため、第２反射面４１Ｂから入射した走査光Ｌｓを第２端Ｅ２側に屈曲させる。例えば、図６において示す走査光Ｌｓの光線を例に説明すると、全方位レンズ４３は、第２反射面４１Ｂで斜め上方に反射した走査光Ｌｓの出射方向を水平方向に近づける。
　対象物３からの戻り光Ｌｒは、全方位レンズ４３に入射し、走査光Ｌｓの進路を逆方向に進行して可動ミラー部２０に入射する。戻り光Ｌｒは、可動ミラー部２０により反射された後、第１円環型反射ミラー４０の開口４０Ａ、及び第２円環型反射ミラー４１の開口４１Ａを通過して中継光学系１５に入射する。戻り光Ｌｒは、中継光学系１５を走査光Ｌｓの進路を逆方向に進行する。すなわち、中継光学系１５は、戻り光Ｌｒを、第４中継素子１５Ｄ、第３中継素子１５Ｃ、第２中継素子１５Ｂ、及び第１中継素子１５Ａの順に中継する。戻り光Ｌｒは、第１中継素子１５Ａにより反射されて受光センサ１３に入射する。
　第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂは、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は銀（Ａｇ）化合物などの金属膜により形成されている。なお、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂは、多層反射膜により形成されていてもよい。
　全方位レンズ４３は、アクリル、ポリカーボネート、又はゼオネクスなどの光学樹脂により形成されている。
　図７に示すように、出射角変更光学系１２は、可動ミラー部２０で反射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である反射角θ１よりも、全方位レンズ４３から出射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である出射角θ２を大きくする。可動ミラー部２０で反射する走査光Ｌｓの反射角θ１は、可動ミラー部２０の可動範囲に対応する範囲を有する。そのため、出射角変更光学系１２は、可動ミラー部２０の可動範囲で規定される反射角θ１の範囲よりも、出射角θ２の範囲を広げる。すなわち、走査光Ｌｓは、可動ミラー部２０で反射されることにより、反射角θ１ａから反射角θ１ｂの範囲で反射される。出射角変更光学系１２は、反射角θ１の範囲を、出射角θ２ａから出射角θ２ｂの範囲に広げる。図７において一例として示すように、出射角θ２ａから出射角θ２ｂまでの範囲は、反射角θ１ａから反射角θ１ｂまでの範囲よりも大きくなっている。
　上述したように、可動ミラー部２０は、歳差運動をする。さらに、走査光Ｌｓは、可動ミラー部２０により反射角θ１ａから反射角θ１ｂまで角度が変更される。従って、可動ミラー部２０は、歳差運動をしながら反射角θ１を変更することで、走査光Ｌｓの出射する向きをＺ軸ａｚに対して螺旋状に変化させる。すなわち、走査光Ｌｓの出射方向は、Ｚ軸ａｚの回りの全方位に変化しながら、Ｚ軸方向にも変化する。これにより、走査光Ｌｓは、出射角θ２ａから出射角θ２ｂの範囲で出射される。図８は、走査光Ｌｓの出射方向の螺旋状の変化を模式的に示したものであり、走査光Ｌｓの出射方向は、Ｚ軸ａｚを中心軸とする螺旋状の軌跡Ｒを示す。
　図９は、ＬｉＤＡＲ装置２の構成例を示す断面斜視図である。図４～図７は、ＬｉＤＡＲ装置２の構成要素を模式的に示したが、図９は、ＬｉＤＡＲ装置２の構成を、より具体的な形態で示すものである。図９に示すように、ＬｉＤＡＲ装置２は、筐体４を有している。筐体４は、Ｚ軸ａｚに沿った方向において、全方位レンズ４３を挟んで、第１筐体５と、第２筐体６とを備えている。第１筐体５は、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に配置されている。第１筐体５は、例えば、有底円筒状の筐体である。第１筐体５の内部には、光源１０及び受光センサ１３が収容されている。すなわち、光源１０及び受光センサ１３は、第２端Ｅ２の側に配置されている。また、第１筐体５の内部には、中継光学系１５の内の第１中継素子１５Ａ及び第２中継素子１５Ｂが収容されている。
　第２筐体６は、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側に配置されている。第２筐体６は、例えば、外形が台形状の中空部材である。第２筐体６の内部には、中継光学系１５の内の第３中継素子１５Ｃ及び第４中継素子１５Ｄが収容されている。
　Ｚ軸ａｚに沿った方向において、第１筐体５と第２筐体６との間には、入出射窓４２が形成されている。入出射窓４２としての全方位レンズ４３は、第１端Ｅ１の側に配置されている。例えば、全方位レンズ４３において、縦断面形状は、第２筐体６の側を上底とする、一対の台形状とされている。
　上述したように、ＬｉＤＡＲ装置２は、走査光ＬｓをＺ軸ａｚの回りに全方位に出射させる。この場合、可動ミラー部２０と入出射窓４２との間には走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒの光路が形成される。ＬｉＤＡＲ装置２において、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に、受光センサ１３及び光源１０等の電気部品が配置されている。これにより、第２端Ｅ２の側でのみ、電気部品に接続される電気配線が引き回され、第１端Ｅ１の側では電気配線の引き回しが不要となる。この結果、Ｚ軸ａｚに沿った方向の電気配線によって走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒの光路が遮られることが抑制される。
　より具体的に説明すると、例えば、受光センサ１３が第１端Ｅ１の側に配置され、光源１０が第２端Ｅ２の側に配置されているとする。この場合、受光センサ１３に接続される電気配線、及び光源１０に接続される電気配線のうちの少なくとも何れかが、Ｚ軸ａｚ方向に沿って第１筐体５及び第２筐体６の間で引き回される。こうすると、電気配線が全方位レンズ４３を横切ることになるため、電気配線によって走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒの光路が遮られる。ＬｉＤＡＲ装置２では、上述したように、第２端Ｅ２の側でのみ、電気部品に接続される電気配線が引き回されるので、走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒの光路が遮られることが抑制される。
　図１０は、ＬｉＤＡＲ装置２の第１筐体５内における各素子の配置を示す概略構成図である。第１筐体５内において、光源１０、受光センサ１３、及び第１中継素子１５Ａは、Ｚ軸ａｚに沿った方向において、少なくとも一部が重なり合って配置されている。図１０に示すように、Ｚ軸ａｚに沿った方向における光源１０の範囲ｈ１は、受光センサ１３の範囲ｈ３及び第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２内に含まれている。また、第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２は、受光センサ１３の範囲ｈ３内に含まれている。
　なお、図１０に示す例では、光源１０の範囲ｈ１が、受光センサ１３の範囲ｈ３及び第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２内に含まれ、第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２が、受光センサ１３の範囲ｈ３内に含まれている挙げて説明したが、これはあくまでも一例に過ぎない。光源１０の範囲ｈ１、第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２、及び受光センサ１３の範囲ｈ３の内の何れか２つが、Ｚ軸ａｚに沿った方向において一方の範囲が他方の範囲を含むように配置されていてもよい。また、光源１０の範囲ｈ１、第１中継素子１５Ａの範囲ｈ２、及び受光センサ１３の範囲ｈ３の内の少なくとも何れか２つが、部分的に重なり合うように配置されていてもよい。
　以上説明したように、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、光源１０及び受光センサ１３は、第２端Ｅ２の側に配置されている。また、第２端Ｅ２の側と第１端Ｅ１の側との間は中継光学系１５によって走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒを中継する。これにより、第２端Ｅ２の側に電気部品（例えば、光源１０及び受光センサ１３）、及び電気部品に接続される電気配線がまとめられる。従って、本構成によれば、光源１０及び受光センサ１３が、可動反射面２０Ａの第１端Ｅ１の側と第２端Ｅ２の側とに分けて配置される場合と比較して、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が実現される。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、可動ミラー部２０は、ａ１軸及びａ２軸のそれぞれの軸周りに回転可能な２軸回転ミラーである。また、可動ミラー部２０は、ａ１軸及びａ２軸のそれぞれの軸回りに初期位置を基準とする正方向及び負方向に回転することにより、走査光Ｌｓが出射する向きをＺ軸ａｚの回りに円錐状に変化させる。従って、本構成によれば、走査光Ｌｓを偏向させる構成として、傾斜した反射面をＺ軸ａｚ回りに回転させながらＺ軸ａｚに沿って上下させる場合と比較して、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が実現される。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、可動ミラー部２０は、走査光Ｌｓが出射する向きをＺ軸ａｚの回りに螺旋状に変化させる。従って、本構成によれば、走査光Ｌｓを偏向させる構成として、傾斜した反射面をＺ軸ａｚ回りに回転させながらＺ軸ａｚに沿って上下させる場合と比較して、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が実現させる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２が第１端Ｅ１の側に配置される。出射角変更光学系１２は、可動反射面２０Ａで反射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である反射角θ１よりも、入出射窓４２から出射する走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する角度である出射角θ２を大きくする。これにより、走査光Ｌｓの出射角θ２をＺ軸ａｚに対して傾けることができる。従って、本構成によれば、走査光Ｌｓを偏向させる構成として、傾斜した反射面をＺ軸ａｚ回りに回転させながらＺ軸ａｚに沿って上下させる場合と比較して、Ｚ軸ａｚに沿った方向のＬｉＤＡＲ装置２の小型化が可能になる。
　例えば、ＭＥＭＳミラーなどの２軸回転ミラーは、モータで回転駆動されるミラーと比較して、一般的に回転角の範囲が狭い。本実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、このような２軸回転ミラーを用いた場合でも、出射角変更光学系１２を備えることで、走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する出射角θ２をＺ軸ａｚに対して傾けることができる。また、例えば、Ｚ軸ａｚに対する傾きを大きくすることで、Ｚ軸ａｚに対して直交する方向よりも第２端Ｅ２の側に走査光Ｌｓの走査範囲を広げることも可能である。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２は、さらに、可動ミラー部２０の可動範囲で規定される反射角θ１の範囲よりも、出射角θ２の範囲を広げる。従って、本構成によれば、２軸回転ミラーのみを用いて走査光Ｌｓを偏向させる場合と比較して、走査光Ｌｓの出射範囲を広げることができる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０と、第２円環型反射ミラー４１とを有する。第１円環型反射ミラー４０は、走査光Ｌｓを第１反射面４０Ｂによって第２反射面４１Ｂに向けて反射する。第２円環型反射ミラー４１は、第１反射面４０Ｂから第２反射面４１Ｂに入射した走査光Ｌｓを入出射窓４２に向けて反射する。このように、走査光Ｌｓは、第１反射面４０Ｂ及び第２反射面４１Ｂによって光路が調整される。従って、本構成によれば、走査光ＬｓのＺ軸ａｚに対する出射角θ２の傾き及び／又は走査光Ｌｓの出射範囲が調整される。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０及び第２円環型反射ミラー４１を有する。第１円環型反射ミラー４０は、Ｚ軸ａｚを中心とした円環状の第１反射面４０Ｂを有している。第２円環型反射ミラー４１は、Ｚ軸ａｚを中心とした円環状の第２反射面４１Ｂを有している。従って、本構成によれば、Ｚ軸ａｚ回りに出射方向が変化する走査光Ｌｓの反射部材として矩形状のミラーを用いる場合と比べて、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が図れる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、入出射窓４２は、屈折力を有する全方位レンズ４３である。全方位レンズ４３において、Ｚ軸ａｚに沿った方向の断面形状は、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側から第２端Ｅ２の側に向かってＺ軸ａｚと直交する径方向の厚みｔが増加する形状である。従って、本構成によれば、入出射窓４２が屈折力を有さない光学部材である場合と比較して、走査光Ｌｓの出射範囲を広げることができる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、全方位レンズ４３において、Ｚ軸ａｚに沿った方向の断面形状は、Ｚ軸ａｚの第１端Ｅ１の側から第２端Ｅ２の側に向かって径方向の厚みｔが増加する形状である。また、出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０と、第２円環型反射ミラー４１とを有する。第１円環型反射ミラー４０は、可動反射面２０Ａで反射することにより第１端Ｅ１の側に向けて進行する走査光Ｌｓを第１反射面４０Ｂによって第２反射面４１Ｂに向けて反射する。第２円環型反射ミラー４１は、第１反射面４０Ｂから第２反射面４１Ｂに入射した走査光Ｌｓを入出射窓に向けて反射する。従って、本構成によれば、全方位レンズ４３の厚みｔが第１端Ｅ１の側から第２端Ｅ２の側に向かって増加しない形状である場合と比較して、走査光Ｌｓの出射方向をＺ軸ａｚに直交する方向に近づけることができる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、中継光学系１５が第１中継素子１５Ａを備え、第１中継素子１５Ａが、光源１０及び受光センサ１３に加えて、第２端Ｅ２の側に配置されている。光源１０、受光センサ１３、及び第１中継素子１５Ａは、Ｚ軸ａｚに沿った方向において、少なくとも一部が重なりあって配置されている。従って、本構成によれば、光源１０、受光センサ１３、及び第１中継素子１５ＡがＺ軸ａｚに沿った方向に重なり合わずに配置されている場合と比較して、Ｚ軸ａｚに沿った方向にＬｉＤＡＲ装置２の小型化を実現できる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、中継光学系１５は、第２中継素子１５Ｂ、第３中継素子１５Ｃ、及び第４中継素子１５Ｄを含んでいる。従って、本構成によれば、中継光学系１５が単一の光学素子から成る場合と比較して、走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒの光軸調整を行うことが容易になる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、受光センサ１３は、一つのフォトダイオードで構成される。従って、本構成によれば、受光センサ１３が複数のフォトダイオードを有するラインセンサ又は二次元センサである場合と比較して、ＬｉＤＡＲ装置２を小型化することができる。
　また、本第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、光源１０は、走査光Ｌｓとしてレーザ光を発するレーザ光源である。従って、本構成によれば、非コヒーレント光を走査光Ｌｓとして用いる場合と比較して、走査光Ｌｓの指向性が高くなり、対象物３までの距離の測定精度が高くなる。
　（変形例１）
　上記第１実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に光源１０及び受光センサ１３等の電気部品が配置されている形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。本変形例では、光源１０及び受光センサ１３に加えて、可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａの回転角を検出する角度センサ５０が、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に配置されている。
　図１１は、ＬｉＤＡＲ装置２の構成例を示す断面斜視図である。図１１に示すように、角度センサ５０は、第１筐体５の内部に収容されており、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に配置されている。角度センサ５０は、可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａのａ１軸及びａ２軸のそれぞれの軸回りの回転角を検出する。なお、角度センサ５０は、本開示の技術に係る「角度センサ」の一例である。
　図１２は、角度センサ５０の配置を示す概略構成図である。図１２に示すように、角度センサ５０は、角度検出用光源５１、角度変更部材５２、及び検出素子５３を有する。角度検出用光源５１は、検出光Ｌｄを角度変更部材５２に向かって出射する。例えば、角度検出用光源５１は、レーザ光源であり、検出光Ｌｄは、レーザ光である。角度変更部材５２は、反射面５２Ａを有する部材である。反射面５２Ａは、検出光Ｌｄを可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａの裏面２０Ｂに向かって反射する。
　反射面５２Ａで反射された検出光Ｌｄは、裏面２０Ｂでさらに反射される。ここで、可動反射面２０Ａが、ある回転角となっているとき、裏面２０Ｂは、可動反射面２０Ａに応じた回転角となっている。従って、裏面２０Ｂで反射された検出光Ｌｄは、可動反射面２０Ａの回転角に応じた方向に反射されることになる。
　裏面２０Ｂで反射された検出光Ｌｄは、検出素子５３に入射する。検出素子５３は、検出光Ｌｄを検出した位置に応じた信号を出力する。検出素子５３は、例えば、受光面５３Ａを備えた二次元ラインセンサである。受光面５３Ａは、Ｚ軸ａｚに沿った方向を法線方向とする。制御装置１４は、検出素子５３から出力された信号に基づいて、可動反射面２０Ａの回転角を算出する。
　以上説明したように、本第１変形例に係るＬｉＤＡＲ装置２では、可動反射面２０Ａの回転角を検出するための角度センサ５０が設けられている。角度センサ５０は、可動ミラー部２０の可動反射面２０Ａに対して、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に配置されている。従って、本構成によれば、角度センサ５０が第１端Ｅ１の側に配置されている場合と比較して、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が実現される。
　すなわち、角度センサ５０は、光源１０及び受光センサ１３とともに電気部品である。従って、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側に電気部品及び電気部品に接続される配線がまとめて配置されるので、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が実現される。
　（変形例２）
　上記第１実施形態では、ＬｉＤＡＲ装置２から出射される走査光Ｌｓの軌跡Ｒが螺旋状である形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。螺旋状以外の走査光Ｌｓの軌跡Ｒの例を、図１３に示す。図１３に示す例では、図８に示す螺旋状の例と異なり、走査光Ｌｓの出射方向がＺ軸ａｚの回りで回転する間は、出射方向をＺ軸ａｚの方向に変化させない。そして、出射方向がＺ軸ａｚの回りで１回転以上した後、出射方向をＺ軸ａｚの方向に移動させる。このように出射方向のＺ軸ａｚの回りの回転と、Ｚ軸ａｚの方向の移動とを段階的に行うようにしてもよい。
　走査光Ｌｓの出射方向を図１３のように変化させる場合は、次のように可動ミラー部２０を駆動する。まず、可動ミラー部２０のＺ軸ａｚに対する傾斜角を一定に保った状態で、可動ミラー部２０の歳差運動を行わせる。そして、出射方向が１回転以上した後に、歳差運動をいったん停止し、可動ミラー部２０の傾斜角を変化させる。傾斜角を変化させた後、再び歳差運動を開始させる。こうした動作を繰り返すことにより、可動ミラー部２０の傾斜角を段階的に変化させれば、図１３に示すように、Ｚ軸ａｚの方向の出射方向の移動が行われる。
　［第２実施形態］
　上記第１実施形態では、出射角変更光学系１２が、第１円環型反射ミラー４０及び第２円環型反射ミラー４１を有する形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。本第２実施形態では、出射角変更光学系１２は、第１円環型反射ミラー４０及び第２円環型反射ミラー４１に代えて、第３円環型反射ミラー４４を有する。
　図１４は、出射角変更光学系１２及び入出射窓４２をＺ軸ａｚに沿って切断した概略断面図である。図１４に示すように、出射角変更光学系１２は、第３円環型反射ミラー４４を有する。第３円環型反射ミラー４４は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称な形状である。第３円環型反射ミラー４４には、Ｚ軸ａｚに対応する中央に走査光Ｌｓを通過させる開口４４Ａが形成されている。第３円環型反射ミラー４４は、Ｚ軸ａｚを中心にＺ軸ａｚと直交する径方向に広がる円環状の第３反射面４４Ｂを有している。第３反射面４４Ｂは、第３円環型反射ミラー４４において、可動反射面２０Ａ側に形成されている。また、第３反射面４４ＢをＺ軸ａｚに平行な面で切断した断面形状は、第２端Ｅ２の側に向けて凸面形状である。
　入出射窓４２は、例えば、全方位レンズ４５である。全方位レンズ４５は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称な形状である。全方位レンズ４５には、中央に第３円環型反射ミラー４４を収容するための空洞４５Ａが形成されている。全方位レンズ４５は、Ｚ軸ａｚに対して回転対称であって、第３円環型反射ミラー４４より外側に配置されている。また、全方位レンズ４５において、Ｚ軸ａｚに平行な方向に沿った断面形状は、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側から第１端Ｅ１の側へ向かって厚みｔが増加する形状である。全方位レンズ４５には、第３反射面４４Ｂから走査光Ｌｓが入射する。全方位レンズ４５は、走査光Ｌｓを屈折させる屈折力を有する。全方位レンズ４５は、第３反射面４４Ｂから入射した走査光Ｌｓを屈折させて出射する。全方位レンズ４５は、本開示の技術に係る「全方位レンズ」の一例である。
　全方位レンズ４５は、第２端Ｅ２の側から第１端Ｅ１の側へ向かって厚みｔが増加しているため、第３反射面４４Ｂから入射した走査光Ｌｓを第１端Ｅ１側に屈曲させる。例えば、図１４において示す走査光Ｌｓの光線を例に説明すると、全方位レンズ４５は、第３反射面４４Ｂで斜め下方に反射した走査光Ｌｓの出射方向を水平方向に近づける。
　中継光学系１５を経由した走査光Ｌｓは、第３円環型反射ミラー４４の開口４４Ａを通過して可動ミラー部２０に入射する。可動ミラー部２０に入射した走査光Ｌｓは、可動反射面２０Ａで反射される。可動反射面２０Ａから出射された走査光Ｌｓは、第１端Ｅ１の側に進行した後、第３円環型反射ミラー４４の第３反射面４４Ｂに入射する。
　第３反射面４４Ｂに入射した走査光Ｌｓは、第３反射面４４Ｂで反射される。第３反射面４４Ｂから出射された走査光Ｌｓは、Ｚ軸ａｚと直交する径方向外側に進行して全方位レンズ４５に入射する。全方位レンズ４５に入射した走査光Ｌｓは、屈折した後、全方位レンズ４５から対象物３（図１参照）に向けて出射される。
　対象物３からの戻り光Ｌｒは、全方位レンズ４５に入射し、走査光Ｌｓの進路を逆方向に進行して可動ミラー部２０に入射する。戻り光Ｌｒは、可動反射面２０Ａにより反射された後、第３円環型反射ミラー４４の開口４４Ａを通過して中継光学系１５に入射する。戻り光Ｌｒは、中継光学系１５を走査光Ｌｓの進路を逆方向に進行する。
　以上説明したように、本第２実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２は、第３円環型反射ミラー４４を有する。第３円環型反射ミラー４４は、走査光Ｌｓを第３反射面４４Ｂによって入出射窓４２に向けて反射する。このように、走査光Ｌｓは、第３反射面４４Ｂによって光路が調整される。従って、本構成によれば、走査光ＬのＺ軸ａｚに対する出射角θ２の傾き及び／又は走査光Ｌｓの出射範囲が調整される。
　また、本第２実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、出射角変更光学系１２は、第３円環型反射ミラー４４を有する。第３円環型反射ミラー４４は、Ｚ軸ａｚを中心とした円環状の第３反射面４４Ｂを有している。従って、本構成によれば、Ｚ軸ａｚ回りに出射方向が変化する走査光Ｌｓの反射部材として矩形状のミラーを用いる場合と比べて、ＬｉＤＡＲ装置２の小型化が図れる。
　また、本第２実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、入出射窓４２は、屈折力を有する全方位レンズ４５である。全方位レンズ４５において、Ｚ軸ａｚに沿った方向の断面形状は、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側から第１端Ｅ１の側に向かってＺ軸ａｚと直交する径方向の厚みｔが増加する形状である。従って、本構成によれば、入出射窓４２が屈折力を有さない光学部材である場合と比較して、走査光Ｌｓの出射範囲を広げることができる。
　また、本第２実施形態に係るＬｉＤＡＲ装置２では、全方位レンズ４５において、Ｚ軸ａｚに沿った方向の断面形状は、Ｚ軸ａｚの第２端Ｅ２の側から第１端Ｅ１の側に向かって径方向の厚みｔが増加する形状である。また、出射角変更光学系１２は、第３円環型反射ミラー４４を有し、第３円環型反射ミラー４４は、走査光Ｌｓを第３反射面４４Ｂによって入出射窓４２に向けて反射する。従って、本構成によれば、全方位レンズ４５の厚みｔが第２端Ｅ２の側から第１端Ｅ１の側に向かって増加しない形状である場合と比較して、走査光Ｌｓの出射方向をＺ軸ａｚに直交する方向に近づけることができる。
　なお、上記各実施形態では、中継光学系１５を構成する第２中継素子１５Ｂ、第３中継素子１５Ｃ、及び第４中継素子１５Ｄが、それぞれ全反射ミラーである形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。第２中継素子１５Ｂ、第３中継素子１５Ｃ、及び第４中継素子１５Ｄは、走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒを反射可能な光学素子であればよく、例えば、プリズムであってもよい。
　また、上記各実施形態では、中継光学系１５は、第１中継素子１５Ａ～第４中継素子１５Ｄを含んで構成される形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。中継光学系１５は、第１中継素子１５Ａ～第４中継素子１５Ｄに加えて他の光学素子を有してもよいし、第１中継素子１５Ａ～第４中継素子１５Ｄの一部を省略、又は変更した構成であってもよい。
　また、上記各実施形態では、全方位レンズ４３及び４５の縦断面形状が、三角形状又は台形状である形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。全方位レンズ４３及び４５の縦断面形状は、矩形状であってもよい。
　また、上記各実施形態では、入出射窓４２を構成する部材として屈折力を有する全方位レンズ４３及び４５が用いられる形態例を挙げて説明したが、本開示の技術はこれに限定されない。例えば、入出射窓４２として、屈折力を有さず、かつ走査光Ｌｓ及び戻り光Ｌｒに対して透明な部材が用いられてもよい。
　また、上記各実施形態では、可動ミラー部２０への走査光Ｌｓの入射方向はＺ軸方向であるが、可動ミラー部２０への走査光Ｌｓの入射方向はＺ軸方向には限定されず、Ｚ軸方向に交差する方向であってもよい。
　また、上各実施形態の出射角変更光学系１２の一部分を切り出すことにより、レーザ光の走査範囲を、例えば２７０°又は１８０°としたＬｉＤＡＲ装置２を構成することも可能である。
　以上に示した記載内容及び図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、及び効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、及び効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容及び図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことは言うまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容及び図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。
　本明細書において、「Ａ及び／又はＢ」は、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」と同義である。つまり、「Ａ及び／又はＢ」は、Ａだけであってもよいし、Ｂだけであってもよいし、Ａ及びＢの組み合わせであってもよい、という意味である。また、本明細書において、３つ以上の事柄を「及び／又は」で結び付けて表現する場合も、「Ａ及び／又はＢ」と同様の考え方が適用される。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
　２０２２年２月１５日に出願された日本国特許出願２０２２－０２１５３４号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。

Claims (15)

  1. 　走査光を出射し、かつ前記走査光が対象物で反射した戻り光を受光することにより、前記対象物との距離を測定する測距装置であって、
    　前記走査光を発する光源と、
    　前記戻り光を受光し、受光した前記戻り光に応じた受光信号を出力する受光センサと、
    　予め設定された基準軸を中心とする円環形状であり、前記基準軸の回りの全方位に前記走査光を出射可能で、かつ前記対象物からの前記戻り光が入射可能な入出射窓と、
    　前記基準軸と交差する位置に配置された可動反射面を有する可動ミラー部であって、前記光源からの前記走査光を前記入出射窓に向けて反射し、かつ前記入出射窓からの前記戻り光を前記受光センサに向けて反射する前記可動ミラー部を有し、前記可動反射面の姿勢を変化させることにより、前記走査光の向きを全方位に変化させる光偏向器と、
    　前記可動ミラー部と、前記光源及び前記受光センサのそれぞれとの間で前記走査光及び前記戻り光を中継する中継光学系とを備えており、
    　前記基準軸に沿った方向において、前記光偏向器を基準として前記可動反射面が向く方向を前記基準軸の第１端側、反対側を前記基準軸の第２端側とした場合において、前記入出射窓は前記第１端側に配置され、かつ前記光源及び前記受光センサは前記第２端側に配置されている、測距装置。
  2. 　前記基準軸を法線とする面内で直交する２軸を第１軸及び第２軸とした場合において、
    　前記可動ミラー部は、前記第１軸と前記第２軸のそれぞれの軸回りで回転可能な２軸回転ミラーであり、かつ、前記可動反射面が前記基準軸と直交する位置を初期位置とした場合において、前記第１軸と前記第２軸のそれぞれの軸回りに前記初期位置を基準とする正方向及び負方向に回転することにより、前記走査光が出射する向きを前記基準軸の回りに円錐状に変化させる、請求項１に記載の測距装置。
  3. 　前記可動ミラー部は、前記走査光が出射する向きを前記基準軸の回りに螺旋状に変化させる、請求項２に記載の測距装置。
  4. 　前記第１端側に配置された出射角変更光学系を備え、
    　前記出射角変更光学系は、前記可動反射面で反射する前記走査光の前記基準軸に対する角度である反射角よりも、前記入出射窓から出射する前記走査光の前記基準軸に対する角度である出射角を大きくする、請求項２又は３に記載の測距装置。
  5. 　前記出射角変更光学系は、さらに、前記可動ミラー部の可動範囲で規定される前記反射角の範囲よりも、前記出射角の範囲を広げる、請求項４に記載の測距装置。
  6. 　前記中継光学系を経て前記第１端側から前記基準軸に沿って進行する前記走査光が前記可動ミラー部に入射する場合において、
    　前記出射角変更光学系は、
    　前記基準軸に対応する中央に前記走査光を通過させる開口が形成され、前記基準軸を中心に前記基準軸と直交する径方向に広がる円環状の第１反射面を有する第１円環型反射ミラーと、
    　前記第１反射面と対向して配置され、前記第１反射面と同様に中央に開口が形成された円環状の第２反射面であって、前記第１端側に向けて凸面形状の前記第２反射面を有する第２円環型反射ミラーとを有し、
    　前記第１円環型反射ミラーは、前記可動反射面で反射することにより前記第１端側に向けて進行する前記走査光を前記第１反射面によって前記第２反射面に向けて反射し、
    　前記第２円環型反射ミラーは、前記第１反射面から前記第２反射面に入射した前記走査光を前記入出射窓に向けて反射する、請求項４又は５に記載の測距装置。
  7. 　前記中継光学系を経て前記第１端側から前記基準軸に沿って進行する前記走査光が前記可動ミラー部に入射する場合において、
    　前記出射角変更光学系は、
    　前記基準軸に対応する中央に前記走査光を通過させる開口が形成され、前記基準軸を中心に前記基準軸と直交する径方向に広がる円環状の第３反射面であって、前記第２端側に向けて凸面形状の第３反射面を有する第３円環型反射ミラーを有し、
    　前記第３円環型反射ミラーは、前記可動反射面で反射することにより前記第１端側に向けて進行する前記走査光を、前記第３反射面によって前記入出射窓に向けて反射する、請求項４又は５に記載の測距装置。
  8. 　前記入出射窓は、全方位に出射する前記走査光を屈折させる屈折力を有する全方位レンズであって、
    　前記全方位レンズにおいて、前記基準軸に沿った方向の断面形状は、前記基準軸の前記第１端側及び前記第２端側のうちの一方から他方に向かって前記基準軸と直交する径方向の厚みが増加する形状である、請求項１から請求項７のうちの何れか一項に記載の測距装置。
  9. 　前記全方位レンズにおいて、前記基準軸に沿った方向の断面形状は、前記基準軸の前記第１端側から前記第２端側に向かって径方向の厚みが増加する形状である、請求項６及び請求項８に記載の測距装置。
  10. 　前記全方位レンズにおいて、前記基準軸に沿った方向の断面形状は、前記基準軸の前記第２端側から前記第１端側に向かって径方向の厚みが増加する形状である、請求項７及び請求項８に記載の測距装置。
  11. 　前記中継光学系の一部を構成する第１中継素子であって、前記光源が発する前記走査光を透過し、前記戻り光を前記受光センサへと反射する前記第１中継素子が、前記第２端側に配置されており、
    　さらに、前記基準軸に沿った方向において、前記光源、前記受光センサ及び前記第１中継素子は、少なくとも一部が重なり合って配置されている、請求項１から請求項１０のうちの何れか一項に記載の測距装置。
  12. 　前記中継光学系は、
    　前記第２端側に配置され、かつ前記第１中継素子を経由した前記走査光を前記第１端側に反射させる第２中継素子と、
    　前記第１端側に配置され、かつ前記第２中継素子により反射された前記走査光を前記基準軸と交差する方向に反射させる第３中継素子と、
    　前記第１端側に配置され、かつ前記第３中継素子により反射された前記走査光を前記可動ミラー部に向けて反射させる第４中継素子と、を含み、
    　前記中継光学系は、前記戻り光を、前記第４中継素子、前記第３中継素子、前記第２中継素子、及び前記第１中継素子の順に中継する、請求項１１に記載の測距装置。
  13. 　前記受光センサは、１つのフォトダイオードで構成される、請求項１から請求項１２のうちの何れか一項に記載の測距装置。
  14. 　前記光源は、前記走査光としてレーザ光を発するレーザ光源である、請求項１から請求項１３のうちの何れか一項に記載の測距装置。
  15. 　前記可動反射面の回転角を検出するための角度センサを備えており、
    　前記角度センサは、前記第２端側に配置されている、請求項１から請求項１４のうちの何れか一項に記載の測距装置。
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