(57)【要約】      （修正有）【課題】受光素子を小型化しつつ対象物からの反射光を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置及び測距装置を提供する。【解決手段】光源１１と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する第１の偏向素子１２と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射し、第１の偏向素子を経た反射光を受光する受光素子１４と、第１の偏向素子と受光素子との間の反射光の光路上に設けられ、第１の偏向素子を経た反射光を方向可変に偏向する第２の偏向素子１３と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する第１の偏向素子と、
前記走査光が前記所定の領域内の対象物によって反射し、前記第１の偏向素子を経た反射光を受光する受光素子と、
前記第１の偏向素子と前記受光素子との間の前記反射光の光路上に設けられ、前記第１の偏向素子を経た前記反射光を方向可変に偏向する第２の偏向素子と、を有することを特徴とする走査装置。
【請求項２】
前記第１の偏向素子は、前記光源からの前記出射光を反射させ、かつ少なくとも第１の揺動軸の周りに揺動する第１の揺動ミラーを含み、
前記第２の偏向素子は、前記第１の揺動ミラーの揺動速度の向きに基づいた方向に、前記第１の揺動ミラーを経た前記反射光を偏向することを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
【請求項３】
前記第２の偏向素子は、前記第１の揺動ミラーの揺動速度に基づいた方向に、前記第１の揺動ミラーを経た前記反射光を偏向することを特徴とする請求項２に記載の走査装置。
【請求項４】
前記第２の偏向素子は、前記第１の揺動ミラーを経た前記反射光を反射させ、かつ少なくとも第２の揺動軸の周りに揺動する第２の揺動ミラーを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の走査装置。
【請求項５】
前記第２の偏向素子は、前記第１の揺動ミラーの揺動状態に応じて前記受光素子に対する位置が変化する可動レンズを含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の走査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の走査装置と、
前記受光素子による前記反射光の受光結果に基づいて前記対象物までの距離を測定する測距部と、を有することを特徴とする測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査を行う走査装置、及び光測距を行う測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光を対象物に照射し、当該対象物によって反射された光を検出することで、当該対象物までの距離を光学的に測定する測距装置が知られている。また、所定の領域に対して光走査を行い、当該領域内に存在する種々の物体までの距離を測定する走査型の測距装置が知られている。例えば、特許文献１には、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、を含む光学的測距装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2016-176750号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
走査型の測距装置は、例えば、パルス光を方向可変に偏向しつつ所定の領域に向けて投光することで、当該所定の領域の走査を行う走査装置を有する。また、当該走査装置は、当該パルス光が当該所定の領域内の対象物で反射した光を受光する受光部を有する。この場合、走査に用いられるパルス光の投光方向が変化する。従って、対象物による反射光の走査装置への入射方向が変化する。
【０００５】
また、例えば、測距装置が車両などの移動体に搭載される場合、測距可能な距離範囲は広いことが好ましい。従って、対象物までの距離が大きく異なる場合でも、正確に測距できることが好ましい。従って、パルス光が投光されてから走査装置に戻って来るまでの時間、すなわち受光部が当該対象物からの反射光を受光するタイミングが当該対象物の位置によって大きく異なることを考慮する必要がある。
【０００６】
これらを考慮すると、種々の方向から種々のタイミングで入射する光を受光できるように、走査装置には、十分に大きな受光面を有する受光素子が設けられる傾向にある。しかし、受光面が大きな受光素子を設ける場合、ノイズとなる他の光を受光しやすくなる。従って、装置が大型化されるのみならず、複雑な信号処理回路が設けられなければならない場合がある。
【０００７】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、受光素子を小型化しつつ対象物からの反射光を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置及び測距装置を提供することを課題の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、光源と、光源からの出射光を方向可変に偏向しつつ走査光として所定の領域に向けて投光する第１の偏向素子と、走査光が所定の領域内の対象物によって反射し、第１の偏向素子を経た反射光を受光する受光素子と、第１の偏向素子と受光素子との間の反射光の光路上に設けられ、第１の偏向素子を経た反射光を方向可変に偏向する第２の偏向素子と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の走査装置と、受光素子による反射光の受光結果に基づいて対象物までの距離を測定する測距部と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る測距装置の構成例を示す図である。
【図２】実施例１に係る測距装置の第１の偏向素子の上面図である。
【図３】実施例１に係る測距装置の第２の偏向素子の上面図である。
【図４】実施例１に係る測距装置の第１及び第２の偏向素子の動作例を示す図である。
【図５Ａ】実施例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。
【図５Ｂ】実施例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。
【図６Ａ】比較例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。
【図６Ｂ】比較例１に係る測距装置の受光素子の上面図である。
【図７】実施例１に係る測距装置の第１及び第２の偏向素子の他の動作例を示す図である。
【図８】実施例１に係る測距装置の第１及び第２の偏向素子の他の動作例を示す図である。
【図９】実施例１の変形例１に係る測距装置の構成例を示す図である。
【図１０】実施例１の変形例２に係る測距装置における走査装置の第１の偏向素子の上面図である。
【図１１】実施例１の変形例２に係る測距装置における走査装置の第２の偏向素子の上面図である。
【図１２】実施例１の変形例２に係る測距装置における受光素子に入射する光の位置の例を示す図である。
【図１３】比較例２に係る測距装置における受光素子に入射する光の位置の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る測距装置１０の模式的な配置図である。測距装置１０は、所定の領域（以下、走査領域と称する）Ｒ０の光走査を行い、走査領域Ｒ０内に存在する対象物ＯＢまでの距離を測定する走査型の測距装置である。測距装置１０は、投受光ユニットＵＮ及びその駆動部１６からなる走査装置ＳＣと、測距部１５と、を含む。
【００１３】
走査装置ＳＣは、パルス化された光（以下、出射光と称する）Ｌ１を生成及び出射する光源１１を有する。本実施例においては、光源１１は、赤外領域にピーク波長を有するパルス化されたレーザ光を出射光Ｌ１として出射する。また、本実施例においては、光源１１が点状（ドット状）のビーム形状を有するレーザ光を出射光Ｌ１として出射する場合について説明する。
【００１４】
走査装置ＳＣは、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域Ｒ０に向けて投光する偏向素子（以下、第１の偏向素子と称する）１２を有する。第１の偏向素子１２は、出射光Ｌ１の偏向方向を連続的かつ周期的に変化させる。第１の偏向素子１２によって偏向された光は、走査光Ｌ２として、走査領域Ｒ０に向けて投光方向を変化させつつ投光される。
【００１５】
本実施例においては、第１の偏向素子１２は、光源１１からの出射光Ｌ１を走査領域Ｒ０に向けて反射させる揺動ミラー（以下、第１の揺動ミラーと称する）１２Ａを有する。例えば、第１の揺動ミラー１２Ａは、少なくとも１つの揺動軸の周りに揺動するように構成されている。
【００１６】
なお、走査領域Ｒ０は、第１の偏向素子１２における走査光Ｌ２の偏向可能範囲に対応する角度範囲と、走査光Ｌ２が測距可能な強度を維持できる距離に対応する奥行を有する仮想の３次元空間である。図１には、走査領域Ｒ０の外縁の一部を破線で示した。
【００１７】
例えば、図１に示すように、走査領域Ｒ０内における走査光Ｌ２の光路上に対象物ＯＢが存在する場合、対象物ＯＢに走査光Ｌ２が照射される。また、対象物ＯＢが走査光Ｌ２に対して反射性を有する物体である場合、対象物ＯＢによって走査光Ｌ２が反射する。
【００１８】
走査装置ＳＣは、走査光Ｌ２が対象物ＯＢによって反射した光（以下、反射光と称する）Ｌ３を方向可変に偏向する偏向素子（以下、第２の偏向素子と称する）１３を有する。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２を経た反射光Ｌ３を方向可変に偏向する。
【００１９】
本実施例においては、第２の偏向素子１３は、反射光Ｌ３を反射させる揺動ミラー（以下、第２の揺動ミラーと称する）１３Ａを有する。また、例えば、第２の揺動ミラー１３Ａは、第１の揺動ミラー１２Ａと同様に、少なくとも１つの揺動軸の周りに揺動するように構成されている。
【００２０】
走査装置ＳＣは、第２の偏向素子１３によって偏向された反射光Ｌ３Ａを受光する受光素子１４を有する。受光素子１４は、反射光Ｌ３Ａに対して光電変換を行い、反射光Ｌ３Ａに応じた電気信号（以下、受光信号と称する）ＳＲを生成する。受光素子１４は、反射光Ｌ３Ａを受光する受光面１４Ａを有する。例えば、受光面１４Ａは、例えば反射光Ｌ３Ａを検出する検出素子の検出面である。受光素子１４は、受光信号ＳＲを反射光Ｌ３Ａの受光結果として出力する。
【００２１】
なお、本実施例においては、走査装置ＳＣは、第１及び第２の偏向素子１２及び１３間における出射光Ｌ１及び反射光Ｌ３の光路上に設けられた光分離器ＳＰを有する。光分離器ＳＰは、例えばビームスプリッタである。本実施例においては、光源１１からの出射光Ｌ１は、光分離器ＳＰによって反射され、第１の偏向素子１２に導かれる。一方、対象物ＯＢによる反射光Ｌ３は、第１の偏向素子１２によって反射された後、光分離器ＳＰを透過して第２の偏向素子１３に導かれる。
【００２２】
このように、走査装置ＳＣは、投受光ユニットＵＮによって、走査光Ｌ２を走査領域Ｒ０に向けて投光し、かつ対象物ＯＢによる反射光Ｌ３を受光する。そして、走査装置ＳＣは、反射光Ｌ３の受光結果、すなわち走査領域Ｒ０の走査結果を受光信号ＳＲとして出力する。
【００２３】
測距装置１０は、走査装置ＳＣによって生成された受光信号ＳＲに基づいて、対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１５を有する。本実施例においては、測距部１５は、走査装置ＳＣと対象物ＯＢとの間の距離を測定し、その測定結果を測距装置１０と対象物ＯＢとの間の距離として出力する。
【００２４】
例えば、測距部１５は、受光信号ＳＲを解析して反射光Ｌ３Ａを示す光パルスを検出する。また、測距部１５は、出射光Ｌ１の出射タイミングと反射光Ｌ３の受光タイミングとの間の時間差に基づくタイムオブフライト法によって、対象物ＯＢ（又はその一部の表面領域）までの距離を測定する。また、測距部１５は、測定した距離情報を示すデータ（測距データ）を生成する。
【００２５】
また、本実施例においては、測距部１５は、走査領域Ｒ０を複数の測距点に区別し、当該複数の測距点の各々の当該測距データを画素とした走査領域Ｒ０の画像データ（測距画像データ）を生成する。本実施例においては、測距部１５は、当該測距データと第１の偏向素子１２の揺動ミラー１２Ａの向きを示す情報とを対応付け、走査領域Ｒ０の２次元マップ又は３次元マップを示す画像データを生成する。
【００２６】
例えば、測距部１５は、第１の偏向素子１２による走査光Ｌ２の投光方向の変化周期、すなわち走査装置ＳＣが走査領域Ｒ０を走査する周期である走査周期を測距画像データの生成周期とし、当該走査周期毎に１つの測距画像データを生成する。
【００２７】
なお、走査周期とは、例えば、走査領域Ｒ０に対する光走査を周期的に行う場合において、走査装置ＳＣの任意の走査状態（例えば第１の偏向素子１２における第１の揺動ミラー１２Ａの向き）の時点から、その後に再度当該走査状態に戻る時点までの期間をいう。なお、測距部１５は、複数の測距画像を時系列に沿って動画として表示する表示部（図示せず）を有していてもよい。
【００２８】
また、測距装置１０は、投受光ユニットＵＮ（光源１１、第１の偏向素子１２、第２の偏向素子１３及び受光素子１４）の駆動及びその制御を行う駆動部１６を有する。例えば、本実施例においては、駆動部１６は、光源１１に駆動信号ＳＬを供給し、光源１１による出射光Ｌ１の出射動作を制御する光源駆動部１６Ａを有する。
【００２９】
また、駆動部１６は、第１の偏向素子１２に駆動信号（以下、第１の駆動信号と称する）ＳＤ１を供給し、第１の偏向素子１２による出射光Ｌ１の偏向動作を制御する第１の偏向素子駆動部１６Ｂを有する。また、駆動部１６は、第２の偏向素子１３に駆動信号（以下、第２の駆動信号と称する）ＳＤ２を供給し、第２の偏向素子１３による反射光Ｌ３の偏向動作を制御する第２の偏向素子駆動部１６Ｃを有する。
【００３０】
例えば、第１及び第２の偏向素子駆動部１６Ｂ及び１６Ｃは、それぞれ、第１の揺動ミラー１２Ａ及び第２の揺動ミラー１３Ａを揺動させる信号を第１及び第２の駆動信号ＳＤ１及びＳＤ２として第１及び第２の偏向素子１２及び１３に供給する。
【００３１】
図２は、第１の偏向素子１２の上面図である。本実施例においては、第１の偏向素子１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。まず、本実施例においては、第１の偏向素子１２は、フレーム部２１と、フレーム部２１によって支持され、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する揺動部２２とを有する。揺動部２２は、一端がフレーム部２１の内周部に固定され、第１の揺動軸ＡＸ１に沿って延び、かつ第１の揺動軸ＡＸ１の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＸ１を有する。
【００３２】
また、揺動部２２は、一対のトーションバーＴＸ１の内側において第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＸ１の他端に接続された揺動板ＳＸ１を有する。揺動板ＳＸ１は、一対のトーションバーＴＸ１が第１の揺動軸ＡＸ１の周方向に沿ってねじれることで、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する。
【００３３】
第１の偏向素子１２は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＸ１を揺動させる揺動力（すなわち第１の偏向素子１２の駆動力）を生成する駆動力生成部（図示せず）に接続された端子２３を有する。駆動部１６の第１の偏向素子駆動部１６Ｂは、端子２３に接続されている。第１の偏向素子１２の揺動部２２は、第１の偏向素子駆動部１６Ｂから供給される第１の駆動信号ＳＤ１に従って揺動する。
【００３４】
また、第１の偏向素子１２は、揺動板ＳＸ１上に形成された光反射膜２４を有する。光反射膜２４は、揺動板ＳＸ１の揺動に従って、第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動する。本実施例においては、光反射膜２４は、揺動板ＳＸ１に垂直な方向から見たときに第１の揺動軸ＡＸ１上に中心軸ＡＣ１を有する円板形状を有する。本実施例においては、光反射膜２４は、第１の偏向素子１２における第１の揺動ミラー１２Ａとして機能する。
【００３５】
図３は、第２の偏向素子１３の上面図である。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、ＭＥＭＳミラーである。本実施例においては、第２の偏向素子１３は、フレーム部３１と、フレーム部３１によって支持され、第２の揺動軸ＡＸ２の周りに揺動する揺動部３２とを有する。揺動部３２は、一端がフレーム部３１の内周部に固定され、第２の揺動軸ＡＸ２に沿って延び、かつ第２の揺動軸ＡＸ２の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＸ２を有する。
【００３６】
また、揺動部３２は、一対のトーションバーＴＸ２の内側において第２の揺動軸ＡＸ２の周りに揺動可能なように一対のトーションバーＴＸ２の他端に接続された揺動板ＳＸ２を有する。揺動板ＳＸ２は、一対のトーションバーＴＸ２が第２の揺動軸ＡＸ２の周方向に沿ってねじれることで、第２の揺動軸ＡＸ２の周りに揺動する。
【００３７】
第２の偏向素子１３は、例えば、電磁気的、静電気的、圧電的又は熱的に揺動板ＳＸ２を揺動させる揺動力（すなわち第２の偏向素子１３の駆動力）を生成する駆動力生成部（図示せず）に接続された端子３３を有する。駆動部１６の第２の偏向素子駆動部１６Ｃは、端子３３に接続されている。第２の偏向素子１３の揺動部３２は、第２の偏向素子駆動部１６Ｃから供給される第２の駆動信号ＳＤ２に従って揺動する。
【００３８】
また、第２の偏向素子１３は、揺動板ＳＸ２上に形成された光反射膜３４を有する。光反射膜３４は、揺動板ＳＸ２の揺動に従って、第２の揺動軸ＡＸ２の周りに揺動する。光反射膜３４は、揺動板ＳＸ２に垂直な方向から見たときに第２の揺動軸ＡＸ２上に中心軸ＡＣ２を有する円板形状を有する。本実施例においては、光反射膜３４は、第２の偏向素子１３における第２の揺動ミラー１３Ａとして機能する。
【００３９】
図４は、第１及び第２の偏向素子１２及び１３の動作態様の一例を示す図である。図４は、第１の揺動ミラー１２Ａの変位動作及び第２の揺動ミラー１３Ａの変位動作の態様を示す図である。
【００４０】
本実施例においては、第１及び第２の偏向素子１２及び１３は同様の材料及び形状を有する。また、第１及び第２の駆動信号ＳＤ１及びＳＤ２は、それぞれ第１及び第２の揺動ミラー１２Ａ及び１３Ａの共振周波数に対応する互いに等しい周波数の信号である。
【００４１】
図４に示すように、まず、本実施例においては、第１の揺動ミラー１２Ａは、非駆動時の位置を基準位置（変位量が０となる位置）としたとき、基準位置からの最大変位量が±Ａ１であり、またその変位速度（揺動速度）及び変位方向（揺動速度の方向）が周期的に変化するように、第１の揺動軸ＡＸ１周りの共振周波数で揺動する。
【００４２】
なお、本実施例においては、第１の揺動ミラー１２Ａの変位量とは、当該基準位置における第１の揺動ミラー１２Ａのミラー面（光反射面）の垂線と、変位時における第１の揺動ミラー１２Ａの当該ミラー面の垂線と、がなす角度をいうものとする。
【００４３】
従って、本実施例においては、第１の揺動ミラー１２Ａは、当該基準位置の角度を０°とし、当該準位置から第１の揺動軸ＡＸ１の周方向における一方の方向（以下、正の方向と称する場合がある）に角度Ａ１（＋Ａ１）だけ傾斜した位置と、当該基準位置から他方の方向（以下、負の方向と称する場合がある）に角度Ａ１（−Ａ１）だけ傾斜した位置との間で揺動する。また、第１の揺動ミラー１２Ａは、周期的かつ連続的に揺動速度を変化させつつ揺動する。従って、第１の揺動ミラー１２Ａの位置は、図４に示すように、正弦波の変位に従って変化する。
【００４４】
次に、本実施例においては、第２の揺動ミラー１３Ａは、非駆動時の位置を基準位置（変位量が０となる位置）とし、当該基準位置から第２の揺動軸ＡＸ２の周方向に沿って揺動する。また、例えば、第２の揺動ミラー１３Ａは、当該基準位置から第２の揺動軸ＡＸ２の周方向における一方の方向（以下、正の方向と称する場合がある）に所定の変位量だけ変位した位置と、他方の方向（以下、正の方向と称する場合がある）に所定の変位量だけ変位した位置との間で揺動する。
【００４５】
例えば、第２の揺動ミラー１３Ａは、最大変位量（最大揺動角度）が±Ａ２（＜Ａ１）であり、第１の揺動ミラー１２Ａの変位を示す正弦波からπ／２だけ進んだ位相の正弦波の変位に従った変位量で第２の揺動軸ＡＸ２周りの共振周波数で揺動する。従って、第２の揺動ミラー１３Ａは、周期的かつ連続的に揺動速度を変化させつつ揺動する。
【００４６】
なお、第２の揺動ミラー１３Ａの変位量とは、第１の揺動ミラー１２Ａの変位量と同様に、第２の揺動ミラー１３Ａの非駆動時の位置を基準位置としたときの当該基準位置における第２の揺動ミラー１３Ａのミラー面の垂線と変位時における第２の揺動ミラー１３Ａの当該ミラー面の垂線と、がなす角度をいう。
【００４７】
図５Ａは、受光素子１４の受光面１４Ａ及び受光面１４Ａに入射する対象物ＯＢからの反射光Ｌ３Ａを模式的に示す図である。なお、図５Ａには、図４に示した期間Ｐ１、すなわち第１の揺動ミラー１２Ａの変位速度（揺動速度）が正の方向に大きい期間において、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３Ａの受光素子１４への入射位置と、比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３Ａの受光素子１４への入射位置と、を破線で示している。
【００４８】
まず、本実施例においては、受光素子１４は、基板４１と、基板４１上に形成され、反射光Ｌ３Ａを検出する検出素子４２とを含む。例えば、検出素子４２は、少なくとも１つの光電変換素子を含む。検出素子４２の第２の偏向素子１３に対向する表面は、受光素子１４の受光面１４Ａとして機能する。
【００４９】
次に、図４、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、対象物ＯＢによる反射光Ｌ３Ａの受光面１４Ａへの入射位置について説明する。図５Ｂは、図４に示した期間Ｐ２、すなわち第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度が負の方向に大きい期間における近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２の各々からの反射光Ｌ３Ａの受光素子１４への入射位置を破線で示している。
【００５０】
本実施例においては、まず、図４に示すように、期間Ｐ１及びＰ２においては、第１の偏向素子１２の第１の揺動ミラー１２Ａは、最も速い速度で揺動している。この期間Ｐ１及びＰ２では、走査光Ｌ２が第１の揺動ミラー１２Ａによって投光されてから、対象物ＯＢによって反射して反射光Ｌ３として第１の揺動ミラー１２Ａに戻ってくるまでの間に、第１の揺動ミラー１２Ａの位置（角度）が最も大きく変化する。
【００５１】
特に、比較的遠距離に対象物ＯＢが存在している場合、走査光Ｌ２が反射光Ｌ３となって第１の揺動ミラー１２Ａに戻ってくるまでに比較的長い時間がかかる。従って、第１の揺動ミラー１２Ａに戻って来た反射光Ｌ３は、その大きく変位した第１の揺動ミラー１２Ａによって、比較的近距離の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３に比べて大きく異なる方向に反射されることが想定される。
【００５２】
これに対し、第２の偏向素子１３の第２の揺動ミラー１３Ａは、第１の揺動ミラー１２Ａの変位に追従しかつ第１の揺動ミラー１２Ａの変位による反射光Ｌ３の偏向方向のずれを相殺する（補正する）ように揺動する。従って、第２の揺動ミラー１３Ａによって、反射された反射光Ｌ３Ａは、受光面１４Ａの設計上の中心の近傍に入射する。
【００５３】
例えば、期間Ｐ１においては、第２の偏向素子１３の第２の揺動ミラー１３Ａは、最も大きな変位量（揺動角度）で正の方向に変位している。従って、期間Ｐ１では、第１の揺動ミラー１２Ａを経た対象物ＯＢからの反射光Ｌ３は、第２の揺動ミラー１３Ａによって大きく偏向されることとなる。従って、例えば、図５Ａに示すように、期間Ｐ１において、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３Ａと、比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３Ａと、の両方が受光面１４Ａの設計上の中心近傍に入射することとなる。
【００５４】
一方、図４に示すように、期間Ｐ２においては、第１の揺動ミラー１２Ａは、最も速い速度で負の方向に揺動している。この期間Ｐ２においては、第２の揺動ミラー１３Ａは、負の方向に最も大きな変位量で変位している。この場合、対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３Ａ（ＯＢ１）及び対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３Ａ（ＯＢ２）の各々は、受光面１４Ａにおける設計上の中心近傍において期間Ｐ１とは逆転した位置関係を持って入射することとなる。
【００５５】
具体的には、図５Ｂにおける左右方向において、反射光Ｌ３Ａ（ＯＢ１）及びＬ３Ａ（ＯＢ２）の受光面１４Ａへの入射位置の関係が図５Ａに示す関係から入れ替わる。しかし、反射光Ｌ３Ａ（ＯＢ１）及びＬ３Ａ（ＯＢ２）の各々は、受光面１４Ａにおける設計上の中心近傍に入射することとなる。
【００５６】
図６Ａ及び図６Ｂは、比較例として、第２の偏向素子１３を有さない走査装置における受光素子１００の受光面１００Ａを示す図である。受光素子１００は、受光面１００Ａを構成する検出素子１０１を有する。図６Ａ及び図６Ｂは、比較例に係る走査装置において、受光素子１００が第１の偏向素子１２を経た反射光Ｌ３を受光する場合の反射光Ｌ３の入射位置を模式的に示す図である。
【００５７】
なお、図６Ａ及び図６Ｂには、比較例に係る走査装置の第１の偏向素子１２が図４の期間Ｐ１及びＰ２に対応する揺動状態となった際において、それぞれ近距離の対象物ＯＢ１及び遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３の各々が受光面１０１Ａに入射する位置を破線で示している。
【００５８】
比較例の走査装置においては、例えば第１の揺動ミラー１２Ａが走査光Ｌ２の往復時間中に変位した場合、第１の揺動ミラー１２Ａを経た反射光Ｌ３の方向は、当該往復時間中の第１の揺動ミラー１２Ａの変位、すなわち第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度及びその方向の影響を忠実に受ける。
【００５９】
従って、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、比較例においては、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３は、期間Ｐ１及びＰ２間で、受光面１００Ａ上における第１の揺動ミラー１２Ａの揺動軸ＡＸ１に対応する軸を対称軸として対称的な位置（図では左右対称な位置）に入射する。
【００６０】
すなわち、まず、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３は、期間Ｐ１及びＰ２の両方で、受光面１００Ａの中心近傍に入射する。しかし、その一方で、比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、期間Ｐ１及びＰ２間で、受光面１００Ａの中心から互いに反対方向に離れた位置に入射することとなる。
【００６１】
従って、受光素子１００に受光面１０１を形成する検出素子１０１を設ける場合、図６に示すように、これらを全て受光するために大きなサイズの検出素子１０１を設ける必要がある。
【００６２】
これに対し、本実施例においては、第１の揺動ミラー１２Ａの変位状態に応じて揺動する第２の揺動ミラー１３Ａを受光素子１４と第１の揺動ミラー１２Ａとの間に設けている。従って、種々の位置の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を受光面１４Ａ内の設計上の中心に近い位置に導くことができる。
【００６３】
従って、第２の揺動ミラー１３Ａ（第２の偏向素子１３）を設けない場合（比較例）に比べて、受光素子１４のサイズを大幅に縮小することができる。従って、意図しないノイズ光の受光が大幅に抑制される。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ及び測距装置１０を提供することができる。
【００６４】
なお、第２の揺動ミラー１３Ａの最大変位量Ａ２は、想定される測距環境及び走査環境に応じて調節されることができる。例えば、走査領域Ｒ０内の比較的遠距離に対象物ＯＢが存在することが予め予測できる場合、又は外部からその情報を取得した場合、第２の揺動ミラー１３Ａの最大変位量Ａ２を比較的大きくすることで、反射光Ｌ３Ａの受光位置のずれを大きく補正することができる。一方、比較的近距離に対象物ＯＢが存在することを示す情報を取得した場合は、最大変位量Ａ２を比較的小さくしても十分に反射光Ｌ３の受光位置のずれを補正することができる。
【００６５】
また、本実施例では、第１及び第２の偏向素子１２及び１３が互いに同一の材料で形成され、かつ互いに同一の形状を有する。また、本実施例においては、第１及び第２に揺動ミラー１２Ａ及び１３Ａが共振するように互いに同一の周波数を有する第１及び第２の駆動信号ＳＤ１及びＳＤ２によって駆動される場合について説明した。しかし、第１及び第２の揺動ミラー１２Ａ及び１３Ａは、共振周波数に対応する周波数の信号によって駆動される場合に限定されない。
【００６６】
例えば、第２の揺動ミラー１３Ａを第１の揺動ミラー１２よりも高い共振周波数を有するように設計してもよい。また、この場合、例えば、第２の揺動ミラー１３Ａをその共振周波数よりも低い第１の揺動ミラー１２Ａの共振周波数に対応する周波数の第２の駆動信号ＳＤ２によって駆動されてもよい。
【００６７】
この場合、駆動時において、第１の揺動ミラー１２Ａは共振し、第２の揺動ミラー１３Ａは共振しないような揺動態様となる。この場合、第１の揺動ミラー１２Ａの変位の位相が第１の駆動信号ＳＤ１の位相に対してπ／２遅れることを考慮すれば、第１及び第２の駆動信号ＳＤ１及びＳＤ２は同位相の信号とすることもできる。
【００６８】
図７は、第２の揺動ミラー１３Ａの他の動作例を示す図である。例えば、第２の揺動ミラー１３Ａは、矩形波の変位に従うように揺動されてもよい。この場合、図７に示すように、第２の揺動ミラー１３Ａは、第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度及びその揺動方向に応じて、位置を変化させるように揺動されればよい。
【００６９】
具体的には、第１の揺動ミラー１２Ａによって反射した反射光Ｌ３の方向がずれる方向は、走査光Ｌ２の往復時間中の第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに対応する。従って、第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きとは反対方向に偏向させるように、第２の揺動ミラー１３Ａの位置（角度）を制御すればよい。従って、例えば図７に示すように、一定の位置で第２の揺動ミラー１３Ａを保持するような駆動を行っても、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３の受光面１４Ａ上の入射位置のずれを補正することができる。
【００７０】
図８は、第２の揺動ミラー１３Ａの他の動作例を示す図である。第２の揺動ミラー１３Ａは、図８に示す波形の変位に従うように揺動されてもよい。このような変位を示すように第２の揺動ミラー１３Ａを揺動させる場合であっても、例えば図７に示す例と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
図９は、実施例１の変形例１に係る測距装置１０Ａの配置図である。測距装置１０Ａは、走査装置ＳＣ１の構成を除いては、測距装置１０と同様の構成を有する。走査装置ＳＣ１は、投受光ユニットＵＮ０の構成を除いては、走査装置ＳＣと同様の構成を有する。投受光ユニットＵＮ０は、第２の偏向素子１３Ｌの構成を除いては、投受光ユニットＵＮと同様の構成を有する。本変形例においては、第２の偏向素子１３Ｌが可動レンズを含む。
【００７２】
具体的には、本実施例においては、投受光ユニットＵＮの第２の偏向素子１３が揺動ミラー１３Ａを有する場合について説明した。しかし、第２の偏向素子１３は揺動ミラー１３Ａを有する場合に限定されない。第２の偏向素子１３は、第１の偏向素子１２を経た反射光Ｌ３を偏向することが可能な構成を有していればよい。
【００７３】
本変形例においては、第２の偏向素子１３Ｌは第１の揺動ミラー１２Ａの揺動状態に応じて受光素子１４に対する位置が変化する可動レンズを含む。例えば、可動レンズは、所定の方向に沿って回動若しくは旋回し、又は平行移動するように構成されている。この場合であっても、第１の揺動ミラー１２Ａを経た反射光Ｌ３を受光素子１４の好ましい位置に導くように反射光Ｌ３を偏向することができる。
【００７４】
なお、第２の偏向素子１３は、ＭＥＭＳミラー及び可動レンズ以外の他の光学素子を有していてもよい。例えば、第２の偏向素子１３は、ポリゴンミラー、ガルバノミラー又は液晶素子を有していてもよい。
【００７５】
また、上記した第２の偏向素子１３又は１３Ｌの動作は一例に過ぎない。第１の偏向素子１２を経た反射光Ｌ３を受光素子１４の好ましい位置に入射させることを考慮すると、第２の偏向素子１３は、例えば、第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度の向きに基づいた方向に、第１の揺動ミラー１２Ａを経た反射光Ｌ３を偏向するように構成されていればよい。また、例えば、第２の偏向素子１３は、第１の揺動ミラー１２Ａの揺動速度に基づいた方向に、第１の揺動ミラー１２Ａを経た反射光Ｌ３を偏向するように構成されていればよい。
【００７６】
図１０は、実施例１の変形例２に係る測距装置１０Ｂにおける走査装置ＳＣ２の第１の偏向素子１２Ｍの上面図である。また、図１１は、走査装置ＳＣ２の第２の偏向素子１３Ｍの上面図である。図１０及び図１１を用いて、測距装置１０Ｂ及び走査装置ＳＣ２について説明する。
【００７７】
測距装置１０Ｂは、走査装置ＳＣ２が２次元走査に対応する第１の偏向素子１２Ｍを有する点、第２の偏向素子１３Ｍが反射光Ｌ３を２次元的に偏向する構成を有する点、及び駆動部１６Ｍ（第１及び第２の偏向素子駆動部１６ＭＢ及び１６ＭＣ）の構成を除いては、走査装置ＳＣと同様の構成を有する。
【００７８】
まず、図１０に示すように、第１の偏向素子１２Ｍは、互いに直交する第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する揺動ミラー１２ＭＡを有する。本変形例においては、第１の偏向素子１２Ｍは、フレーム部２１と、フレーム部２１に揺動可能に支持され、第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する揺動部２２Ｍとを有する。
【００７９】
揺動部２２Ｍは、一端がフレーム部２１の内周部に固定され、第３の揺動軸ＡＹ１に沿って延び、第３の揺動軸ＡＹ１の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＹ１を有する。また、揺動部２２Ｍは、一対のトーションバーＴＹ１の他端に接続され、第３の揺動軸ＡＹ１の周りに揺動する揺動枠ＳＹ１を有する。
【００８０】
また、揺動部２２Ｍは、一端が揺動枠ＳＹ１の内周部に接続され、揺動部２２と同様の一対のトーションバーＴＸ１及び揺動板ＳＸ１を有する。従って、揺動部２２Ｍの揺動板ＳＸ１は、第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。
【００８１】
また、第１の偏向素子１２Ｍは、揺動部２２Ｍの揺動板ＳＸ１上に形成された光反射膜２４Ｍを有する。光反射膜２４Ｍは、揺動板ＳＸ１の揺動に従って、第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。
【００８２】
光反射膜２４Ｍは、揺動板ＳＸ１に垂直な方向から見たときに第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の交点上に中心軸ＡＣ１を有する円板形状を有する。揺動部２２Ｍの光反射膜２４Ｍは、第１の偏向素子１２Ｍにおける第１の揺動ミラー１２ＭＡとして機能する。
【００８３】
また、本変形例においては、走査装置ＳＣ２の駆動部１６Ｍは、第１の揺動ミラー１２ＭＡが第１の揺動軸ＡＸ１の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ１Ｘを供給し、第１の揺動ミラー１２ＭＡが第３の揺動軸ＡＹ１の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ１Ｙを供給する第１の偏向素子駆動部１６ＭＢを有する。第１の揺動ミラー１２ＭＡは、駆動信号ＳＤ１Ｘ及びＳＤ１Ｙによって、第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りに揺動する。
【００８４】
また、図１１に示すように、第２の偏向素子１３Ｍは、互いに直交する第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の周りに揺動する揺動ミラー１３ＭＡを有する。本変形例においては、第２の偏向素子１３Ｍは、フレーム部３１と、フレーム部３１に揺動可能に支持され、第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の周りに揺動する揺動部３２Ｍとを有する。
【００８５】
揺動部３２Ｍは、一端がフレーム部３１の内周部に固定され、第４の揺動軸ＡＹ２に沿って延び、第４の揺動軸ＡＹ２の周方向の弾性を有する一対のトーションバーＴＹ２を有する。また、揺動部３２Ｍは、一対のトーションバーＴＹ２の他端に接続され、第４の揺動軸ＡＹ２の周りに揺動する揺動枠ＳＹ２を有する。
【００８６】
また、揺動部３２Ｍは、一端が揺動枠ＳＹ２の内周部に接続され、揺動部３２と同様の一対のトーションバーＴＸ２及び揺動板ＳＸ２を有する。従って、揺動部３２Ｍの揺動板ＳＸ２は、第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の周りに揺動する。
【００８７】
また、第２の偏向素子１３Ｍは、揺動部３２Ｍの揺動板ＳＸ２上に形成された光反射膜３４Ｍを有する。光反射膜３４Ｍは、揺動板ＳＸ２の揺動に従って、第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の周りに揺動する。
【００８８】
光反射膜３４は、揺動板ＳＸ２に垂直な方向から見たときに第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の交点上に中心軸ＡＣ２を有する円板形状を有する。揺動部３２Ｍの光反射膜３４Ｍは、第２の偏向素子１３Ｍにおける第２の揺動ミラー１３ＭＡとして機能する。
【００８９】
また、本変形例においては、走査装置ＳＣ２の駆動部１６Ｍは、第２の揺動ミラー１３ＭＡが第２の揺動軸ＡＸ２の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ２Ｘを供給し、第２の揺動ミラー１３ＭＡが第４の揺動軸ＡＹ２の周りに揺動するための揺動力を生成する揺動力生成部（図示せず）に駆動信号ＳＤ２Ｙを供給する第２の偏向素子駆動部１６ＭＣを有する。第２の揺動ミラー１３ＭＡは、駆動信号ＳＤ２Ｘ及びＳＤ２Ｙによって、第２及び第４の揺動軸ＡＸ２及びＡＹ２の周りに揺動する。
【００９０】
また、本変形例においては、第１の偏向素子駆動部１６ＭＢは、駆動信号ＳＤ１Ｘとして第１の揺動ミラー１２Ｍの第１の揺動軸ＡＸ１周りの共振周波数の正弦波の信号を、また駆動信号ＳＤ１Ｙとして第１の揺動ミラー１２Ｍの第３の揺動軸ＡＹ１周りの共振周波数の正弦波の信号を、それぞれ第１の偏向素子１２Ｍに供給する。
【００９１】
また、第２の偏向素子駆動部１６ＭＣは、駆動信号ＳＤ２Ｘ及びＳＤ２Ｙとして、第１の揺動ミラー１２Ｍの揺動に追従して第２の揺動ミラー１３Ｍが揺動するような正弦波の信号を第２の偏向素子１３Ｍに供給する。例えば、第１及び第２の偏向素子１２Ｍ及び１３Ｍが同様の材料及び形状を有する場合、第２の偏向素子駆動部１６ＭＣは、駆動信号ＳＤ２Ｘ及びＳＤ２Ｙとして、駆動信号ＳＤ１Ｘ及びＳＤ１Ｙのそれぞれからπ／２だけ位相をずらした正弦波の信号を第２の偏向素子１３Ｍに供給する。
【００９２】
従って、変形例においては、第１及び第２の揺動ミラー１２Ｍ及び１３Ｍにおける第１及び第２の揺動軸ＡＸ１及びＡＸ２の周りの揺動角度は、図４と同様の推移を行う。また、第１及び第２の揺動ミラー１２Ｍ及び１３Ｍにおける第３及び第４の揺動軸ＡＹ１及びＡＹ２の周りの揺動角度は、周波数及び振幅は異なるものの、図４と同様の推移を行う。
【００９３】
図１２は、走査装置ＳＣ２における受光素子１４の受光面１４Ａを模式的に示す上面図である。図１２は、同一タイミングで投光された走査光Ｌ２が互いに異なる距離の対象物ＯＢによって反射されたことによる反射光Ｌ３の受光面１４Ａ上の受光位置を模式的に示す図である。
【００９４】
本変形例においては、第２の偏向素子１３Ｍ（第２の揺動ミラー１３ＭＡ）は、走査光Ｌ２の往復時間中における第１の揺動ミラー１２ＭＡの第１及び第３の揺動軸ＡＸ１及びＡＹ１の周りの変位の両方の影響を相殺するように揺動する。従って、第２の揺動ミラー１３ＭＡを経た反射光Ｌ３０Ａは、受光面１４Ａにおける設計上の中心の近傍に入射することとなる。従って、設計上の距離よりも近い距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３０Ａや、当該設計上の距離よりも遠い距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３０Ａであっても、受光面１４Ａにおける設計上の中心の近傍に入射する可能性が高い。
【００９５】
一方、図１３は、比較例として、第２の偏向素子１３Ｍを有さない走査装置における受光素子１００の受光面１００Ａが第１の偏向素子１２Ｍを経た反射光Ｌ３を受光する場合の反射光Ｌ３の入射位置を模式的に示す図である。当該比較例に係る走査装置においては、例えば第１の揺動ミラー１２ＭＡが走査光Ｌ２の往復時間中に変位した場合、第１の揺動ミラー１２ＭＡを経た反射光Ｌ３の方向は、当該往復時間中の第１の揺動ミラー１２ＭＡの変位の影響を２次元的に受けることとなる。
【００９６】
従って、図１３に示すように、比較的近距離の対象物ＯＢ１からの反射光Ｌ３は受光面１００Ａの中心付近に入射し、比較的遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は受光面１００Ａの周辺に入射する。また、遠距離の対象物ＯＢ２からの反射光Ｌ３は、第１の揺動ミラー１２ＭＡの揺動速度の向きに応じた方向に沿って受光面１００Ａの中心から離れた位置に入射する。従って、受光素子１００に受光面１０１を形成する検出素子１０１を設ける場合、図１３に示すように、これらを全て受光するために２次元的に大きなサイズの検出素子１０１を設ける必要がある。
【００９７】
これに対し、本変形例のように２軸走査を行う場合においても、第１の揺動ミラー１２ＭＡの変位状態に応じて揺動する第２の揺動ミラー１３ＭＡが受光素子１４と第１の揺動ミラー１２ＭＡとの間に設けられている。従って、種々の位置の対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を受光面１４Ａの設計上の中心に近い位置に導くことができる。
【００９８】
従って、本変形例においても、第２の揺動ミラー１３ＭＡ（第２の偏向素子１３Ｍ）を設けない場合（比較例）に比べて、受光素子１４のサイズを大幅に縮小することができる。従って、測距装置１０Ｂ及び走査装置ＳＣ２の小型化を図ることができ、また意図しないノイズ光を受光することが大幅に抑制される。従って、対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ２及び測距装置１０Ｂを提供することができる。
【００９９】
なお、上記した第２の偏向素子１３及び１３Ｍの駆動構成（すなわち変位動作）は一例に過ぎない。第２の偏向素子１３又は１３Ｍは、第１の偏向素子１２又は１２Ｍと受光素子１４との間の反射光Ｌ３の光路上に設けられ、反射光Ｌ３を方向可変に偏向するように構成されていればよい。
【０１００】
このように、本実施例及びその種々の変形例に示したように、例えば、測距装置１０は、光源１１、光源１１からの出射光Ｌ１を方向可変に偏向しつつ走査光Ｌ２として走査領域（所定の領域）Ｒ０に向けて投光する第１の偏向素子１２、走査光Ｌ２が走査領域Ｒ０内の対象物ＯＢによって反射し、第１の偏向素子１２を通過した反射光Ｌ３を受光する受光素子１４、及び受光素子１４による反射光Ｌ３（反射光Ｌ３Ａ）の受光結果に基づいて対象物ＯＢまでの距離を測定する測距部１５を有する。また、測距装置１０は、第１の偏向素子１２と受光素子１４との間の反射光Ｌ３の光路上に設けられ、第１の反射光Ｌ３を方向可変に偏向する第２の偏向素子１３を有する。
【０１０１】
また、測距装置１０から測距部１５を除いた構成に対応する走査装置ＳＣは、正確な反射光Ｌ３の受光結果である受光信号ＳＲを種々の用途に応じた走査情報として出力する走査装置として機能する。従って、受光素子１４を小型化しつつ対象物ＯＢからの反射光Ｌ３を正確かつ確実に受光でき、正確な走査及び測距を行うことが可能な走査装置ＳＣ及び測距装置１０を提供することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  測距装置
ＳＣ、ＳＣ１、ＳＣ２  走査装置
１１  光源
１２  第１の偏向素子
１３  第２の偏向素子
１４  受光素子
１５  測距部
１６  駆動部
【図１】
2019174162.tif 000003
【図２】
2019174162.tif 000004
【図３】
2019174162.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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