(57)【要約】【課題】目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供する。【解決手段】透明体２００の回動に伴い進行方向が変化するサーボ光を、ビームスプリッタ３０９にて分割する。分割されたサーボ光は、一次元ＰＳＤ３１１、３１２にて、それぞれ受光される。一次元ＰＳＤ３１１、３１２からは、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の検出信号が出力される。一般に、ＰＳＤは、受光量が飽和電流値を超えると、適正な位置検出ができなくなる性質を持つ。一次元ＰＳＤは飽和電流値が高いため、サーボ光の光量を大きくすることができる。結果、検出信号に対する外乱光の影響を小さくすることができ、検出精度を高めることができる。【選択図】図３
2010085434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標領域においてレーザ光を二次元方向に走査させるアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させるサーボ光学系を備え、
前記サーボ光学系は；
前記サーボ光を分割する分割素子と、
前記分割素子により分割された第１の分割光を受光してその受光位置における第１の方向に応じた信号を出力する第１の光検出器と、
前記分割素子により分割された第２の分割光を受光してその受光位置における第１の方向とは異なる第２の方向に応じた信号を出力する第２の光検出器とを備える、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに直交する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記分割素子は、ビームスプリッタである、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項において、
前記分割素子は、回折格子である、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項において、
前記アクチュエータは、
前記レーザ光の進行方向を変化させるミラーと、
前記ミラーを第１の回動方向に回動可能に支持する第１の支持部と、
前記第１の支持部を前記第１の回動方向とは異なる第２の回動方向に回動可能に支持する第２の支持部と、
前記第１の支持部と前記第２の支持部を前記第１の回動方向および前記第２の回動方向に駆動する電磁駆動部とを有する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記サーボ光学系は、サーボ光が入射されると共に前記アクチュエータの回動に伴って回動する光学素子を備える、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記光学素子は、平板形状の透光性部材である、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記光学素子は、前記第１の支持部の回動軸に装着されている、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項９】
請求項５において、
前記サーボ光を出射するサーボ光源が、前記アクチュエータに配され、前記ミラーの回動に伴って前記サーボ光の進行方向が変化する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項１０】
移動部の移動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させることにより前記移動部の移動位置を検出する位置検出装置であって、
前記サーボ光を分割する分割素子と、
前記分割素子により分割された第１の分割光を受光してその受光位置における第１の方向に応じた信号を出力する第１の光検出器と、
前記分割素子により分割された第２の分割光を受光してその受光位置における第１の方向とは異なる第２の方向に応じた信号を出力する第２の光検出器とを備える、
ことを特徴とする位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置に関し、特に、レーザレーダに搭載されるビーム照射装置に用いて好適なものである。また、本発明は、移動部の移動位置をサーボ光を用いて光学的に検出する位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、走行時の安全性を高めるために、走行方向前方にレーザ光を照射し、その反射光の状態から、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出するレーザレーダが、家庭用乗用車等に搭載されている。一般に、レーザレーダは、レーザ光を目標領域内でスキャンさせ、各スキャン位置における反射光の有無から、各スキャン位置における障害物の有無を検出し、さらに、各スキャン位置におけるレーザ光の照射タイミングから反射光の受光タイミングまでの所要時間をもとに、そのスキャン位置における障害物までの距離を検出するものである。
【０００３】
レーザレーダの検出精度を高めるには、レーザ光を目標領域内において適正にスキャンさせる必要があり、また、レーザ光の各スキャン位置を適正に検出する必要がある。これまで、レーザ光のスキャン機構として、ポリゴンミラーを用いるスキャン機構や、走査用レンズを二次元駆動するレンズ駆動タイプのスキャン機構（たとえば、特許文献１参照）が知られている。この他、ミラーによってレーザ光を走査させるミラー回動タイプのスキャン機構も知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
ミラー回動タイプのスキャン機構では、ミラーが２軸駆動可能に支持され、コイルとマグネット間の電磁駆動力によって、ミラーが各駆動軸を軸として回動される。レーザ光は、ミラーに斜め方向から入射され、ミラーが各駆動軸を軸として二軸駆動されることにより、ミラーによるレーザ光の反射光が、目標領域内において、二次元方向に走査される。
【０００５】
このスキャン機構では、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置がミラーの回動位置に一対一に対応する。よって、レーザ光のスキャン位置はミラーの回動位置を検出することにより検出できる。ここで、ミラーの回動位置は、たとえば、ミラーに伴って回動する別部材の回動位置を検出することにより検出することができる。
【０００６】
図１０（ａ）は、このように別部材の回動位置を検出する際の構成例を示す図である。６０１は半導体レーザ、６０２は透明体、６０３は光検出器（ＰＳＤ：Position Sensing Device）である。半導体レーザ６０１から出射されたレーザ光は、レーザ光軸に対し傾いて配置された透明体６０２によって屈折され、光検出器６０３に受光される。ここで、透明体６０２が矢印のように回動すると、レーザ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６０３上におけるレーザ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６０３にて検出されるレーザ光の受光位置によって、透明体６０２の回動位置を検出することができる。
【０００７】
同図（ｂ）は、二次元方向の位置検出が可能なＰＳＤ６０３の構造を示す図である。
【０００８】
透明体６０２の回動によって上記のように光路が変更されたレーザ光は、ＰＳＤ６０３の抵抗層表面に入射する。抵抗層表面には、Ｘ軸方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、Ｙ軸方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（図示省略）が形成されている。電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流によってＸ軸方向におけるレーザ光の入射位置が検出され、電極Ｙ１、Ｙ２から出力される電流によってＹ軸方向におけるレーザ光の入射位置が検出される。さらに、これらの検出結果をもとにミラーの回動位置が検出される。
【０００９】
同図（ｃ）は、電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流値Ｉｘ１、Ｉｘ２と入射位置の関係をグラフに表したものである。なお、同図の横軸は、電極Ｘ１、Ｘ２間の位置を示している。
【００１０】
電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流は、同図のグラフに示すように、入射位置から各電極までの距離に逆比例しているため、電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流値Ｉｘ１、Ｉｘ２をもとに、受光面上におけるレーザ光のＸ軸方向の入射位置が検出される。また、Ｙ軸方向の入射位置も（グラフ省略）、同様に、電極Ｙ１、Ｙ２から出力される電流値Ｉｙ１、Ｉｙ２をもとに検出される。
【００１１】
かかる構造のＰＳＤ６０３が用いられれば、透明体６０２の回転位置が、１つのＰＳＤで検出され得る。
【特許文献１】特開平１１−８３９８８号公報
【特許文献２】特開２００１−２９０１００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、ＰＳＤでは、受光量がある程度大きくなると、同図（ｄ）に示すように、電極から出力される電流が飽和して、受光位置と出力電流値との関係がリニアな状態とならなくなってしまう。すなわち、ＰＳＤの出力電流値が飽和電流値を超えると、受光位置と出力電流値との関係が同図（ｄ）のように歪んだ状態となってしまい、この状態では、出力電流値をもとにＰＳＤ上での光の入射位置を適正に検出することが極めて困難となる。このため、ＰＳＤを用いる場合には、出力電流値が飽和電流値を超えないように、受光量の大きさが抑制される必要がある。
【００１３】
これに対し、二次元ＰＳＤでは、一般に、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで飽和電流値が異なっているため、光の入射位置が適正に検出されるためには、受光量の大きさが、より小さい飽和電流値を持つ軸に合わせて調整される必要がある。ところが、二次元ＰＳＤでは、各軸方向の飽和電流値が比較的小さくなるため、受光量の大きさが、より小さい飽和電流値を持つ軸に合わせて調整されると、受光量の範囲は、かなり小さなものとなる。しかし、このように受光量の範囲が小さくなると、検出対象以外の外乱光によるノイズの影響が大きくなり、結果、検出精度が低下するとの問題が生じる。
【００１４】
本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することを目的とする。また、より広範には、移動部の移動位置を高精度に検出可能な位置検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様は、ビーム照射装置に関する。第１の態様に係るビーム照射装置は、目標領域においてレーザ光を二次元方向に走査させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させるサーボ光学系を備える。ここで、前記サーボ光学系は、前記サーボ光を分割する分割素子と、前記分割素子により分割された第１の分割光を受光してその受光位置における第１の方向に応じた信号を出力する第１の光検出器と、前記分割素子により分割された第２の分割光を受光してその受光位置における第１の方向とは異なる第２の方向に応じた信号を出力する第２の光検出器とを備える。
【００１６】
第１の態様によれば、前記分割素子により分割された前記サーボ光は、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器で受光される。この場合、前記第１の光検出器として第１の方向の位置検出のみを行うＰＳＤを用いることができ、また、前記第２の光検出器として第２の方向の位置検出のみを行うＰＳＤを用いることができる。一般に、一方向のみの位置検出を行うＰＳＤは、二次元方向の位置検出を行うＰＳＤに比べ、飽和電流値がかなり大きくなる。このため、このように第１の方向と第２の方向の位置検出をそれぞれ個別に行う２つのＰＳＤを配するようにすれば、１つの二次元ＰＳＤで第１の方向および第２の方向の位置検出を行うよりも、ＰＳＤに入射するレーザ光の光量を大きくすることができ、外乱光に対する影響を小さくすることができる。よって、第１の態様によれば、光検出器によるサーボ光の位置検出精度を高くすることができ、結果、目標領域におけるレーザ光の走査位置検出精度を高めることができる。
【００１７】
第１の態様において、前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに直交とすることができ、前記分割素子は、ビームスプリッタとすることができる。また、前記分割素子は、回折格子とすることもできる。
【００１８】
また、第１の態様において、前記アクチュエータは、前記レーザ光の進行方向を変化させるミラーと、前記ミラーを第１の回動方向に回動可能に支持する第１の支持部と、前記第１の支持部を前記第１の回動方向とは異なる第２の回動方向に回動可能に支持する第２の支持部と、前記第１の支持部と前記第２の支持部を前記第１の回動方向および前記第２の回動方向に駆動する電磁駆動部とを有する構成とすることができる。
【００１９】
この構成において、前記サーボ光学系は、サーボ光が入射されると共に前記アクチュエータの回動に伴って回動する光学素子を備える構成とすることができ、前記光学素子は、平板形状の透光性部材とすることができる。また、前記光学素子は、前記第１の支持部の回動軸に装着することができる。この他、前記サーボ光を出射するサーボ光源を前記アクチュエータに配し、前記ミラーの回動に伴って前記サーボ光の進行方向を変化させるようにすることもできる。
【００２０】
本発明の第２の態様は、移動部の移動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させることにより前記移動部の移動位置を検出する位置検出装置に関する。第２の態様に係る位置検出装置は、前記サーボ光を分割する分割素子と、前記分割素子により分割された第１の分割光を受光してその受光位置における第１の方向に応じた信号を出力する第１の光検出器と、前記分割素子により分割された第２の分割光を受光してその受光位置における第１の方向とは異なる第２の方向に応じた信号を出力する第２の光検出器とを備えることができる。
【００２１】
第２の態様に係る位置検出装置によれば、上記第１の態様と同様、移動部の位置検出精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のとおり、本発明によれば、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することができる。また、移動部の移動位置を高精度に検出可能な位置検出装置を提供することができる。
【００２３】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１に、本実施の形態に係るミラーアクチュエータ１００の構成を示す。なお、同図（ａ）はミラーアクチュエータ１００の分解斜視図、同図（ｂ）はアセンブル状態にあるミラーアクチュエータ１００の斜視図である。
【００２５】
同図（ａ）において、１１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１１と、端部に受け部１１２ａを有する支軸１１２が形成されている。受け部１１２ａには透明体２００の厚みと略同じ寸法の凹部が配され、この凹部に透明体２００の上部が装着される。さらに、ミラーホルダ１１０の前面には平板状のミラー１１３が装着されており、背面にはコイル１１４が装着されている。なお、コイル１１４は、方形状に巻回されている。
【００２６】
支軸１１２には、上記の如く、受け部１１２ａを介して平行平板状の透明体２００が装着される。ここで、透明体２００は、２つの平面がミラー１１３の鏡面に平行となるようにして支軸１１２に装着される。
【００２７】
１２０は、ミラーホルダ１１０を支軸１１１、１１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠１２０には、ミラーホルダ１１０を収容するための開口１２１が形成されており、また、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２と係合する溝１２２、１２３が形成されている。さらに、可動枠１２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸１２４、１２５が形成され、背面には、コイル１２６が装着されている。コイル１２６は、方形状に巻回されている。
【００２８】
１３０は、支軸１２４、１２５を軸として可動枠１２０を回動可能に支持する固定枠である。固定枠１３０には、可動枠１２０を収容するための凹部１３１が形成され、また、可動枠１２０の支軸１２４、１２５と係合する溝１３２、１３３が形成されている。さらに、固定枠１３０の内面には、コイル１１４に磁界を印加するマグネット１３４と、コイル１２６に磁界を印加するマグネット１３５が装着されている。なお、溝１３２、１３３は、それぞれ固定枠１３０の前面から上下２つのマグネット１３５間の隙間内まで延びている。
【００２９】
１４０は、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２が可動枠１２０の溝１２２、１２３から脱落しないよう、支軸１１１、１１２を前方から押さえる押さえ板である。また、１４１は、可動枠１２０の支軸１２４、１２５が固定枠１３０の溝１３２、１３３から脱落しないよう、支軸１２４、１２５を前方から押さえる押さえ板である。
【００３０】
ミラーアクチュエータ１００をアセンブルする際には、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２を可動枠１２０の溝１２２、１２３に係合させ、さらに、支軸１１１、１１２の前面を押さえるようにして、押さえ板１４０を可動枠１２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１１０が、可動枠１２０によって、回動可能に支持される。
【００３１】
このようにしてミラーホルダ１１０を可動枠１２０に装着した後、可動枠１２０の支軸１２４、１２５を固定枠１３０の溝１３２、１３３に係合させ、さらに、支軸１３２、１３３の前面を押さえるようにして、押さえ板１４１を固定枠１３０の前面に装着する。これにより、可動枠１２０が、回動可能に固定枠１３０に装着され、ミラーアクチュエータ１００のアセンブルが完了する。
【００３２】
ミラーホルダ１１０が可動枠１２０に対し支軸１１１、１１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１１３が回動する。また、可動枠１２０が固定枠１３０に対し支軸１２４、１２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１１０が回動し、ミラーホルダ１１０と一体的にミラー１１３が回動する。このように、ミラーホルダ１１０は、互いに直交する支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５によって、二次元方向に回動可能に支持され、ミラーホルダ１１０の回動に伴って、ミラー１１３が二次元方向に回動する。このとき、支軸１１２に装着された透明体２００も、ミラー１１３の回動に伴って回動する。
【００３３】
なお、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３４は、コイル１１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０に支軸１１１、１１２を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１１４に電流を印加すると、コイル１１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１１０が、支軸１１１、１１２を軸として回動する。
【００３４】
また、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３５は、コイル１２６に電流を印加することにより、可動枠１２０に支軸１２４、１２５を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１２６に電流を印加すると、コイル１２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠１２０が、支軸１２４、１２５を軸として回動し、これに伴って、透明体２００が回動する。
【００３５】
図２は、ミラーアクチュエータ１００が装着された状態の光学系の構成を示す図である。
【００３６】
図２において、５００は、光学系を支持するベースである。ベース５００には、ミラーアクチュエータ１００の設置位置に開口５０３ａが形成され、この開口に透明体２００が挿入されるようにして、ミラーアクチュエータ１００がベース５００上に装着されている。
【００３７】
ベース５００の上面には、ミラー１１３にレーザ光を導くための光学系４００が装着されている。この光学系４００は、レーザ光源４０１と、ビーム整形用のレンズ４０２、４０３からなっている。レーザ光源４０１は、ベース５００の上面に配されたレーザ光源用の基板４０１ａに装着されている。
【００３８】
レーザ光源４０１から出射されたレーザ光は、レンズ４０２、４０３によって、それぞれ、水平方向および鉛直方向の収束作用を受ける。レンズ４０２、４０３は、目標領域（たとえば、ビーム照射装置のビーム出射口から前方１００ｍ程度の位置に設定される）におけるビーム形状が、所定の大きさ（たとえば、縦２ｍ、横１ｍ程度の大きさ）になるよう設計されている。
【００３９】
レンズ４０２は、鉛直方向にレンズ効果があるシリンドリカルレンズであり、レンズ４０３は、レーザ光を略平行光とするための非球面レンズである。レーザ光源から出射されたビームは、鉛直方向と水平方向で広がり角が異なる。１つ目のレンズ４０２は、鉛直方向と水平方向におけるレーザ光の広がり角の比率を変える。２つ目のレンズ４０３は、出射ビームの広がり角(鉛直方向と水平方向の両方）の倍率を変える。
【００４０】
レンズ４０２、４０３を透過したレーザ光は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３に入射し、ミラー１１３によって目標領域に向かって反射される。ミラーアクチュエータ１００によってミラー１１３が二次元駆動されることにより、レーザ光が目標領域内において二次元方向にスキャンされる。
【００４１】
ミラーアクチュエータ１００は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、レンズ４０３からのレーザ光がミラー１１３のミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するよう配置されている。なお、「中立位置」とは、ミラー面が鉛直方向に対し平行で、且つ、レーザ光がミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するときのミラー１１３の位置をいう。
【００４２】
ベース５００の下面には、回路基板３００が配されている。さらに、ベース５００の裏面と側面にも回路基板３０１、３０２が配されている。
【００４３】
図３は、ベース５００を裏面側から見たときの一部平面図である。図３には、ベース５００の裏側のうちミラーアクチュエータ１００が装着された位置近傍の部分が示されている。
【００４４】
図示の如く、ベース５００の裏側周縁には、壁５０１、５０２が形成されており、壁５０１、５０２よりも中央側は、壁５０１、５０２よりも一段低い平面５０３となっている。壁５０１には、半導体レーザ３０３を装着するための開口が形成されている。この開口に半導体レーザ３０３を挿入するようにして、半導体レーザ３０３が装着された回路基板３０１が壁５０１の外側面に装着されている。半導体レーザ３０３のパッケージ内には、半導体レーザ３０３のレーザ光をモニターするためのモニター用ＰＤ３０３ａが設置されている。他方、壁５０２の近傍には、一次元方向の位置検出のみを行うＰＳＤ３１１および３１２が装着された回路基板３０２が装着されている。なお、以下では、一次元方向の位置検出のみを行うＰＳＤのことを「一次元ＰＳＤ」と称する。
【００４５】
ベース５００裏側の平面５０３には、取り付け具３０７によって集光レンズ３０４と、アパーチャ３０５と、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ３０６が装着されている。さらに、この平面５０３には開口５０３ａが形成されており、この開口５０３ａを介して、ミラーアクチュエータ１００に装着された透明体２００がベース５００の裏側に突出している。ここで、透明体２００は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３が中立位置にあるときに、２つの平面が、鉛直方向に平行で、且つ、半導体レーザ３０３の出射光軸に対し４５度傾くように位置づけられる。
【００４６】
半導体レーザ３０３から出射されたレーザ光（以下、「サーボ光」という）は、集光レンズ３０４を透過した後、アパーチャ３０５によってビーム径が絞られ、さらにＮＤフィルタ３０６によって減光される。その後、サーボ光は、透明体２００に入射され、透明体２００によって屈折作用を受ける。
【００４７】
透明体２００を透過したサーボ光は、コリメータレンズ３０８によって平行光に変換され、ビームスプリッタ３０９へと導かれる。ビームスプリッタ３０９は、入射されたサーボ光を所定の比率にて反射および透過する。
【００４８】
ビームスプリッタ３０９を透過したサーボ光は、ＰＳＤ３１１によって受光され、ＰＳＤ３１１から受光位置に応じた位置検出信号が出力される。一方、ビームスプリッタ３０９によって反射されたサーボ光は、ミラー３１０によって方向を変えられた後、ＰＳＤ３１２によって受光され、ＰＳＤ３１２から受光位置に応じた位置検出信号が出力される。かかる光学系の作用により、ＰＳＤ３１１、３１２上に照射されるサーボ光は、略同じビーム軌跡を辿る。
【００４９】
ここで、サーボ光は、透明体２００の入射面２００ａと出射面２００ｂ（同図（ｂ）参照）によって一部が反射される。このときの反射光量は、透明体２００の回動位置に応じて変化する。すなわち、目標領域の走査時に、ミラー１１３が回動し、これに伴い透明体２００が回動すると、透明体２００の反射率・透過率が角度によって変化するため、透明体２００の入射面２００ａと出射面２００ｂによるサーボ光の反射光量が変化する。このため、半導体レーザ３０３の出射パワーが一定であると、透明体２００の回動によってＰＳＤ３１１、３１２における受光量が変化し、これに起因して、ＰＳＤ３１１、３１２からの位置検出信号に誤差が生じる。
【００５０】
かかる誤差を抑制するために、透明体２００の表面には、反射防止膜等、界面反射を抑制する手段が配されている。こうすると、透明体２００の入射面と出射面にて反射されるサーボ光の割合を抑えることができ、ＰＳＤ３１１、３１２におけるサーボ光の受光量の変動を小さくすることができる。結果、位置検出信号に含まれる誤差を抑制することができる。
【００５１】
図４（ａ）および（ｃ）は、それぞれＰＳＤ３１１、３１２の側断面図であり、図４（ｂ）および（ｄ）は、それぞれＰＳＤ３１１、３１２の受光面を示す図である。
【００５２】
同図（ａ）に示すように、ＰＳＤ３１１は、Ｎ型高抵抗シリコン基板の表面に、受光面と抵抗層を兼ねたＰ型抵抗層を形成した構造となっている。抵抗層表面には、同図（ｂ）の横（Ｘ軸）方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２が形成され、裏面側には共通電極が形成されている。また、同図（ｃ）に示すように、ＰＳＤ３１２についても、ＰＳＤ３１１と同様の構造であり、電極の配置のみ異なっている。すなわち、ＰＳＤ３１２には、同図（ｄ）の縦（Ｙ軸）方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２が形成されている。
【００５３】
なお、ＰＳＤ３１１、３１２の有効受光面として、便宜上、横（Ｘ軸）幅をＬｘ、縦（Ｙ軸）幅をＬｙとしたが、透明体２００の回動範囲に応じたサーボ光の走査軌跡をカバーできる大きさであれば、これに限らず他の大きさの受光面が用いられ得る。
【００５４】
次に、ＰＳＤ３１１、３１２における位置検出の算出方法について述べる。ＰＳＤの受光面にレーザ光が照射されると、照射位置に光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、各電極までの距離に逆比例して分割されて、ＰＳＤ３１１の場合は電極Ｘ１、Ｘ２から出力され、ＰＳＤ３１２の場合はＹ１、Ｙ２から出力される。
【００５５】
ここで、ＰＳＤ３１１において、電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流は、レーザ光の照射位置から各電極までの距離に逆比例して分割された大きさを有している。よって、電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流値をもとに、受光面上におけるＸ軸方向の光の照射位置を検出することができる。
【００５６】
たとえば、ＰＳＤ３１１について、図５（ａ）の位置Ｐにサーボ光が照射されたとする。この場合、受光面のセンターを基準点とする位置ＰのＸ座標ｘは、電極Ｘ１、Ｘ２から出力される電流量をそれぞれＩｘ１、Ｉｘ２、Ｘ方向における電極間の距離をＬｘとすると、以下の式によって算出される。
【００５７】
【数１】
2010085434.tif 000003
【００５８】
ＰＳＤ３１２についても同様に、同図（ｃ）の位置Ｐにサーボ光が照射されたとすると、位置ＰのＹ座標ｙは、電極Ｙ１、Ｙ２から出力される電流量をそれぞれＩｙ１、Ｉｙ２、Ｙ方向における電極間の距離をＬｙとすると、以下の式によって算出される。
【００５９】
【数２】
2010085434.tif 000004
【００６０】
図５（ｂ）および（ｄ）は、上記式（１）および（２）の算出式を実現する演算回路の構成を示す図である。
【００６１】
同図（ｂ）および（ｄ）において、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２は、Ｉ／Ｖアンプ１１、１２、１６、１７によって増幅および電圧変換される。そして、加算回路１３、１８によって、それぞれ、上記各式の（Ｉｘ２ ＋ Ｉｘ１）、（Ｉｙ２ ＋ Ｉｙ１）の演算が行われ、また、減算回路１４、１９によって、それぞれ、上記各式の（Ｉｘ２ − Ｉｘ１）、（Ｉｙ２ − Ｉｙ１）の演算が行われる。さらに、除算回路１５、２０によって、それぞれ、上記式（１）、（２）の左辺の除算が行われ、この除算回路１５、２０から、サーボ光の受光位置ＰにおけるＸ方向位置（２ｘ／Ｌｘ）とＹ方向位置（２ｙ／Ｌｙ）を示す位置検出信号が出力される。
【００６２】
図６は、ＰＳＤ３１１、３１２の位置検出回路の構成を示す図である。位置検出回路は、Ｉ／Ｖ変換回路２ａおよび２ｂと、信号演算回路３ａおよび３ｂと、Ａ／Ｄ変換回路４と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５を備えている。同図には、便宜上、半導体レーザ３０３の出射光量を調整するための回路（Ｉ／Ｖ変換回路６、オペアンプ７、電源回路８、電流調整回路９）が図示されている。なお、図中、１は、サーボ用の光学系であり、図３における要部のみ図示している。
【００６３】
Ｉ／Ｖ変換回路２ａは、上記図５（ｂ）のＩ／Ｖアンプ１１、１２に相当し、Ｉ／Ｖ変換回路２ｂは、上記図５（ｄ）のＩ／Ｖアンプ１６、１７に相当する。信号演算回路３ａは、上記図５（ｂ）の加算回路１３、減算回路１４および除算回路１５に相当し、信号演算回路３ｂは、上記図５（ｄ）の加算回路１８、減算回路１９および除算回路２０に相当する。
【００６４】
信号演算回路３ａから出力されるＸ出力と、信号演算回路３ｂから出力されるＹ出力は、それぞれ、Ａ／Ｄ変換回路４によりデジタル信号に変換され、ＤＳＰ５に入力される。ＤＳＰ５は、入力されたＸ出力とＹ出力をもとに、目標領域におけるレーザ光の走査位置を検出し、ミラーアクチュエータ１００の駆動制御や、レーザ光源４０１の駆動制御等を実行する。
【００６５】
一方、モニター用ＰＤ３０３ａからの出力は、Ｉ／Ｖ変換回路６によって電圧信号に変換され、パワー調整用の出力（ＡＰＣ用出力）としてオペアンプ７に入力される。
【００６６】
オペアンプ７は、電源回路８から入力される一定レベルの基準電圧ＶrefとＡＰＣ用出力とを比較し、比較結果に応じた制御信号を電流調整回路９に出力する。ここで、オペアンプ７は、ＡＰＣ用出力が基準電圧Ｖrefになるまで制御信号を増加させ、ＡＰＣ用出力が基準電圧Ｖrefを超えると、制御信号を低下させる。電流調整回路９は、抵抗とトランジスタから構成され、オペアンプ７から入力される制御信号に比例する大きさの駆動信号を出力する。電流調整回路９から出力された駆動信号は、半導体レーザ３０３に供給される。
【００６７】
半導体レーザ３０３の劣化等により、モニター用ＰＤ３０３ａからの出力が減少すると、上記のように、オペアンプ７に入力されるＡＰＣ用出力が基準電圧Ｖrefよりも小さくなり、オペアンプ７から出力される制御信号が増加する。これにより、電流調整回路９から半導体レーザ３０３に供給される駆動電流が増加し、サーボ光の出射パワーが増加する。
【００６８】
かかるサーボ動作により、半導体レーザ３０３の出射パワーは、ＡＰＣ用出力が基準電圧Ｖrefに一致するよう制御されるため、サーボ光の出射パワーを略一定とすることができる。結果、ＰＳＤの受光量を略一定とすることができ、位置検出における誤差を抑制することができる。
【００６９】
ところで、飽和状態に至る一次元ＰＳＤの飽和電流値は、二次元ＰＳＤよりも大きいため、適正な位置検出ができる一次元ＰＳＤの受光量は、二次元ＰＳＤよりも大きくなる。このため、一次元ＰＳＤを用いる場合には、二次元ＰＳＤを用いる場合よりも、サーボ光の出射パワーを高めることができる。結果、出力電流に対する外乱光の影響を小さくすることができ、ＰＳＤ上の位置検出精度を高くすることができる。
【００７０】
また、現行の一次元ＰＳＤは製品ラインナップが多いため、装置の小型化を維持しながら適正な位置検出ができるＰＳＤを適宜選択して用いることができる。
【００７１】
以上、本実施の形態によれば、Ｘ軸方向とＹ軸方向のサーボ光の入射位置をそれぞれ個別に検出するために、２つの一次元ＰＳＤ３１１、３１２を用いる構成としたため、１つの二次元ＰＳＤを用いるよりも、正確な位置検出信号を得ることができる。よって、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。
【００７２】
＜変更例１＞
以下に、サーボ光の分光手段として回折格子を用いる場合の構成例について説明する。なお、便宜上、上記実施の形態と同じ構成部分については、図示および説明を省略する。
【００７３】
図７（ａ）は、図３のビームスプリッタ３０９およびミラー３１０の替わりに、ホログラム素子３２０を用いた場合の構成例を示すものである。なお、ホログラム素子３２０は、サーボ光を同図Ｘ−Ｚ平面の面内方向に回折させる回折パターンを有している。
【００７４】
図示のごとく、ホログラム素子３２０に入射したサーボ光は、ホログラム素子３２０の回折作用により、０次光と＋１次光に分割され、ＰＳＤ３１１、３１２で受光される。ここで、ＰＳＤ３１１、３１２は、上記のように、一次元ＰＳＤからなっている。
【００７５】
このように、図７（ａ）に示す構成としても、一次元ＰＳＤにおいてサーボ光を受光できるため、上記実施例と同様の効果が奏される。さらに、ホログラム素子３２０を用いてサーボ光を分割するため、上記実施例よりも部品点数を削減でき且つ構成を簡素にすることができる。
【００７６】
図７（ｂ）は、図３の透明体２００、ビームスプリッタ３０９およびミラー３１０の替わりに、透明体２００と略同じ厚みを持つホログラム素子３２１を用いた場合の構成例を示すものである。なお、ホログラム素子３２１は、サーボ光の出射面に、サーボ光を同図Ｘ−Ｚ平面の面内方向に回折させる回折パターンを有している。
【００７７】
図８は、図７（ｂ）の構成において、サーボ光がホログラム素子３２１の屈折作用および回折作用を受けることを示す図である。同図（ａ）に示すように、ホログラム素子３２１の回転角度θinは、ホログラム素子３２１が中立位置（同図中の破線の位置）にあるときを基準として設定される。
【００７８】
図８（ｂ）は、サーボ光がホログラム素子３２１の入射面において屈折作用を受け、出射面において回折作用および屈折作用を受けることを原理的に示す図である。
【００７９】
ホログラム素子３２１に入射するサーボ光は、入射面において、入射面の法線に対してαとなる方向に屈折される。ここで、ホログラム素子の屈折率をｎとすると、ｓｉｎαは以下の演算によって得られる。
【００８０】
ｓｉｎα＝（ｓｉｎ（θin＋π／４））／ｎ    …（１）
【００８１】
また、サーボ光は、ホログラム素子３２１の出射面において、まず０次光と＋１次光に分割される。なお、同図中では、便宜上、＋１次光の光路のみ破線で示されている。
【００８２】
０次光は、出射面において、回折作用を受けず屈折作用のみを受ける。結果、ホログラム素子３２１から出射する方向と、ホログラム素子３２１に入射する方向とは平行になる。
【００８３】
＋１次光は、まず回折作用によって進行方向が変化した後、さらに屈折作用を受ける。ここで、＋１次光は出射面の法線に対しβとなる方向に回折されるものとし、サーボ光の波長をλ、ホログラム素子３２１の回折パターンのピッチ幅をＰとすると、ｓｉｎβは、以下の演算によって得られる。
【００８４】
ｓｉｎβ＝ｓｉｎα−λ／Ｐ    …（２）
【００８５】
また、＋１次光は出射面の法線に対しγとなる方向に屈折されるものとすると、ｓｉｎγは、以下の演算によって得られる。
【００８６】
ｓｉｎγ＝ｎｓｉｎβ    …（３）
【００８７】
（１）〜（３）式により、ｓｉｎγは、θinを用いて以下の式で表される。
【００８８】
ｓｉｎγ＝ｎ（（ｓｉｎ（θin＋π／４））／ｎ−λ／Ｐ）
【００８９】
よって、０次光と＋１次光のなす角度θoutは、以下の演算によって得られる。
【００９０】
θout＝θin＋π／４−γ
＝θin＋π／４−ａｒｃｓｉｎ(ｎ((ｓｉｎ（θin＋π／４）)／ｎ−λ／Ｐ))
【００９１】
ここで、上記演算式を用いて、入射角度θinを変化させたときの出射角度θoutを求めてみた。シミュレーション条件は、以下の通りである。
【００９２】
（１）ホログラム素子３２１の屈折率（ｎ）：１．５
（２）サーボ光の波長（λ）：０．６５（μｍ）
（３）ホログラム素子３２１の回折パターンのピッチ幅：２０（μｍ）
【００９３】
図８（ｃ）は、上記シミュレーションの結果を表すグラフである。グラフを参照して、θinの値とθoutの値は１対１に対応するため、ホログラム素子３２１のＹ軸を中心とした回動位置は、Ｘ軸方向の位置検出を行うＰＳＤ３１１によって検出される。
【００９４】
なお、グラフを参照して分かるとおり、θinの値が大きくなればθoutの値も大きくなるため、＋１次光を受光するＰＳＤ上のビーム軌跡は、０次光を受光するＰＳＤ上のビーム軌跡よりも、Ｘ軸方向に伸長されたものとなる。このため、＋１次光を受光するＰＳＤで横（Ｘ軸）方向の位置検出を行うと、位置検出の分解能を高めることができ、より高精度の位置検出信号が得られる。
【００９５】
したがって、このように透明体２００に替えてホログラム素子３２１を用いる場合には、図７（ｃ）に示すように、ＰＳＤ３１１とＰＳＤ３１２の配置を入れ替え、ＰＳＤ３１１として、＋１次光のビーム軌跡をカバー可能なＸ軸方向に受光面が幅広の一次元ＰＳＤを用いるようにするのが好ましい。
【００９６】
このように、図７（ｂ）または（ｃ）に示す構成としても、ミラー１１３に伴って回動するホログラム素子３２１の回動位置が一次元ＰＳＤ３１１、３１２によって検出されるため、上記実施例と同様の効果が奏される。さらに、透明体２００、ビームスプリッタ３０９およびミラー３１０の替わりにホログラム素子３２１が用いられたため、上記実施例よりも部品点数を削減でき且つ構成を簡素にすることができる。
【００９７】
なお、図７（ｂ）および（ｃ）の構成では、出射面に回折パターンが形成されたホログラム素子３２１を用いたが、これに替えて、たとえば図７（ｄ）のように、透明体２００の出射面にホログラム素子３２２が一体的に配置されていても良い。なお、ホログラム素子３２２は、サーボ光を同図Ｘ−Ｚ平面の面内方向に回折させる回折パターンを有している。
【００９８】
この場合、サーボ光は、透明体２００とホログラム素子３２２の接面においても屈折するが、この屈折後は、ホログラム素子３２２の回折パターンによって、上記図７（ｂ）、（ｃ）におけるホログラム素子３２１の出射面と同様の作用を受ける。したがって、この場合も、図７（ｂ）、（ｃ）の場合と同様、＋１次光を受光するＰＳＤ上のビーム軌跡は、０次光を受光するＰＳＤ上のビーム軌跡よりも、Ｘ軸方向に伸長されたものとなる。よって、図７（ｄ）の構成においても、ＰＳＤ３１１によって＋１次光を受光するのが好ましく、ＰＳＤ３１１としてＸ軸方向に受光面が幅広の一次元ＰＳＤを用いるようにすると良い。
【００９９】
その他、図７（ｂ）、（ｃ）の構成では、ホログラム素子３２１の出射面に回折パターンが配されたが、入射面に回折パターンが配されるようにしても良い。また、図７（ｄ）の構成では、透明体２００の出射面にホログラム素子３２２が一体的に配置されたが、入射面に一体的に配置されても良い。
【０１００】
また、上記各構成において、ホログラム素子がステップ型の回折パターンを有する場合には、その回折効率および回折角度は、それぞれ、回折パターンのステップ高さおよびピッチ幅によって決まり、ブレーズ型の回折パターンを有する場合には、その回折効率および回折角度は、それぞれ、回折パターンのブレーズ高およびピッチ幅によって決まる。よって、上記のように回折作用を利用してＰＳＤ３１１、３１２にサーボ光を導く場合には、０次光と＋１次光がＰＳＤ３１１、３１２において適正に受光されるよう、あらかじめ回折パターンと光学系の配置が設定される必要がある。
【０１０１】
以上、本変更例に示す構成としても、一次元ＰＳＤ３１１、３１２においてサーボ光を受光できるため、１つの二次元ＰＳＤを用いるよりも、正確な位置検出信号を得ることができ、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。
【０１０２】
＜変更例２＞
上記実施例および変更例では、ミラーアクチュエータ１００の回動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させるために透明体２００を用いたが、ミラーアクチュエータの端部にサーボ光源を設置しても同様の効果を得られる。以下、図を用いて説明する。
【０１０３】
図９は、図１における支軸１１２の構成を変更した図である。支軸１１２の端部に設置された透明体２００および受け部１１２ａの替わりに、レーザチップ６０１およびヒートシンク６０２が装着されている。レーザチップ６０１は、ヒートシンク６０２を介して支軸１１２の端部に装着され、発光部６０１ａを有する。
【０１０４】
ここで、レーザ素子６０１は、発光部６０１ａが支軸１１２の軸中心に位置し、かつ、レーザ光の出射方向が支軸１１２の中心軸に対し垂直となるよう、支軸１１２の端部に装着されている。したがって、レーザチップ６０１の発光部６０１ａは、支軸１１２が回動しても位置変位を起こさず、軸中心上で回転するのみとなる。
【０１０５】
レーザチップ６０１は、ミラーアクチュエータ１００がベース３００に装着された状態において、図３に示す開口５０３ａからベース３００の裏面へと突出して配置される。この場合も、レーザチップ６０１から出射されたサーボ光は、たとえば、図３の場合と同様、コリメータレンズ３０８、ビームスプリッタ３０９およびミラー３１０によって２つのビームに分割され、各ビームがそれぞれＰＳＤ３１１、３１２によって受光される。
【０１０６】
このように、本変更例に示す構成としても、一次元ＰＳＤ３１１、３１２においてサーボ光を受光できるため、１つの二次元ＰＳＤを用いるよりも、正確な位置検出信号を得ることができ、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。
【０１０７】
以上、本発明の実施例および変更例について説明したが、本発明は上記実施例および変更例に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施例も上記以外に種々の変更が可能である。
【０１０８】
たとえば、上記実施例および変更例では、サーボ光用の光源として半導体レーザを用いたが、これに替えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることもできる。
【０１０９】
また、上記実施例および変更例におけるＰＳＤ３１１、３１２の配置を逆にしても良い。ただし、図７（ｃ）、（ｄ）の場合には、上記のように、＋１次光のビーム軌跡の範囲がＸ軸方向に広がるため、＋１次光をＸ軸用のＰＳＤ３１１で受光するようにするのが好ましい。
【０１１０】
また、上記実施例および変更例では、ミラー１１３を駆動することによってレーザ光を目標領域内で走査させたが、ミラー１１３の替わりにレンズを用い、レンズを二次元駆動することによってレーザ光を目標領域内で走査させるようにすることもできる。この場合、たとえば、レンズを透過した後のレーザ光の一部をビームスプリッタによって分岐させ、分岐したレーザ光をサーボ光としてＰＳＤで受光するようにする。この場合も、上記と同様、サーボ光をさらに２つの光に分岐させ、これら２つのレーザ光をそれぞれＸ軸方向用のＰＳＤとＹ軸方向用のＰＳＤで受光するようにすれば良い。
【０１１１】
また、上記実施の形態および変更例１では、透明体を用いてサーボ光の進行方向を変化させるようにしたが、透明体に替えてサーボ用のミラーをミラーアクチュエータ１００の支軸１１２に装着し、かかるサーボ用のミラーによってサーボ光を反射させることによりサーボ光の進行方向を変化させるようにしても良い。
【０１１２】
また、上記実施例および変更例で示した位置検出用の光学系は、レーザレーダに搭載される上記ビーム照射装置以外にも、種々の装置に適用可能である。たとえば、自動追従型の天体観測装置に上記光学系を用いることもできる。この場合には、たとえば、鏡筒に上記透明体を装着し、鏡筒の動きに合わせてサーボ光の進行方向が変化するよう構成される。そして、透明体を透過した後のサーボ光を回折格子等で２つの光に分岐させ、これら２つの光をそれぞれ２つのＰＳＤで受光する。こうすれば、上記実施例および変更例で説明したのと同様、鏡筒位置ないし天体の観測位置の検出精度を高めることができる。
【０１１３】
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】実施の形態に係るミラーアクチュエータの構成を示す図
【図２】実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図
【図３】実施の形態に係るビーム照射装置のサーボ光学系を示す図
【図４】実施の形態に係るＰＳＤの構成を示す図
【図５】実施の形態に係る位置検出信号の生成方法を説明する図
【図６】実施の形態に係る位置検出回路の構成を示す図
【図７】実施の形態に係るサーボ光の分割手段の変更例を表す図
【図８】サーボ光の分割手段の変更例における角度計算を説明する図
【図９】実施の形態に係るサーボ光学系の変更例を表す図
【図１０】ＰＳＤを用いた位置検出方法を説明する図
【符号の説明】
【０１１５】
１００    ミラーアクチュエータ（アクチュエータ）
１１０    ミラーホルダ（第１の支持部）
１１１    支軸（第１の支持部）
１１２    支軸（第１の支持部）
１１３    ミラー
１１４    コイル（電磁駆動部）
１２０    可動枠（第１の支持部）
１２４    支軸（第２の支持部）
１２５    支軸（第２の支持部）
１２６    コイル（電磁駆動部）
１３０    固定枠（第２の支持部）
１３４    マグネット（電磁駆動部）
１３５    マグネット（電磁駆動部）
２００    透明体（光学素子）
３０３    半導体レーザ（サーボ光源）
３０９    ビームスプリッタ（分割素子）
３１１    ＰＳＤ（第１の光検出器）
３１２    ＰＳＤ（第２の光検出器）
３２０    ホログラム素子（分割素子）
３２１    ホログラム素子（分割素子）
３２２    ホログラム素子（分割素子）
６０１ａ  発光部（サーボ光源）
【図１】
2010085434.tif 000005
【図２】
2010085434.tif 000006
【図３】
2010085434.tif 000007
【図４】
2010085434.tif 000008
【図５】
2010085434.tif 000009
【図６】
2010085434.tif 000010
【図７】
2010085434.tif 000011
【図８】
2010085434.tif 000012
【図９】
2010085434.tif 000013
【図１０】
2010085434.tif 000014