(57)【要約】【課題】大きい偏向角をもつ新規な２次元走査型のレーザビーム投射装置を実現する。【解決手段】２次元的に偏向するレーザビームを放射する２次元走査型のレーザビーム投射装置であって、レーザビームを放射するレーザ光源１０、１２と、該レーザ光源から放射されたレーザビームＬＦを２次元的に偏向走査する偏向装置１６と、該偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームＬＤの偏向角を、互いに直交する２方向のうちの少なくとも一方において拡大する偏向レンズ素子１８と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2015125317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に偏向するレーザビームを放射する２次元走査型のレーザビーム投射装置であって、
レーザビームを放射するレーザ光源と、
該レーザ光源から放射されたレーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置と、  
該偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームの偏向角を、互いに直交する２方向のうちの少なくとも一方において拡大する偏向角変倍素子と、を有し、
前記偏向角拡大素子は入射側面が前記２方向のうちの少なくとも一方において凹面であり、前記２次元的に偏向走査されたレーザビームを透過させ、屈折により偏向角の拡大を行う負のパワーの偏向レンズ素子であることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項２】
請求項１記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームの偏向角を、偏向レンズ素子により、互いに直交する２方向において変倍して拡大することを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向レンズ素子は、入射側面が凹のシリンダ面もしくは２次元的な凹面であることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向レンズ素子は、射出側面が、凹面、凸面、平面の何れかであることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、  
レーザ光源は、レーザ光束を平行光束化するコリメート素子と、
該コリメート素子により平行光束化されたレーザビームを、少なくとも１方向に集光させる集光レンズと、を有し、
該集光レンズにより集光されたレーザビームを偏向装置により２次元的に偏向させて、偏向レンズ素子に入射させるようにし、
前記偏向レンズ素子の射出側の焦点位置と、前記集光レンズの射出側の焦点位置とを略合致させたことを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向装置による偏向の起点と偏向レンズ素子の入射面との間隔：Ｌと偏向角変倍素子の入射面側の曲率半径：Ｒ（＜０）とにより、Ｌ／（−Ｒ）として定義されるコンセントリック係数：Ｃが、条件：
０．８＜Ｃ＜１．５  
を満足することを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向レンズ素子が装置の外囲ハウジングのビーム射出部を兼ねていることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
偏向レンズ素子により拡大される偏向角が１方向において６０度以上であることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置において、
レーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置が、２軸のＭＥＭＳ、または、１軸のＭＥＭＳの組み合わせ、または、１軸のＭＥＭＳと１軸のガルバノミラーもしくは１軸のポリゴンミラーの組み合わせ、または１軸のガルバノミラーと１軸のポリゴンミラーの組み合わせであることを特徴とする２次元走査型のレーザビーム投射装置。
【請求項１０】
２次元的に走査されるレーザビームを物体に投射し、該物体で拡散反射されたレーザ光を検出し、物体までの距離を２次元的に測定する２次元測距装置において、
レーザビームを２次元的に走査して物体に投射する２次元走査型のレーザビーム投射装置と、
レーザビームを投射された物体からの反射レーザ光を受光する受光手段と、を有し、  
該受光手段は、受光素子と、前記反射レーザ光を前記受光素子に集光する受光用集光レンズとを有し、
レーザビーム投射装置として、請求項１〜９の何れか１項に記載の２次元走査型のレーザビーム投射装置を用いたことを特徴とする２次元測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２次元走査型のレーザビーム投射装置および２次元測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元的に走査されるレーザビームを物体に投射し、物体で拡散反射されたレーザ光を検出し、物体までの距離を２次元的に測定する２次元測距装置が種々知られている。
【０００３】
このような２次元測距装置は、車載用やロボット、製品検査等のものが実用化されているが、視野を適正化したいという要請がある。
【０００４】
此処に言う「視野」とは、物体に照射されるレーザビームが２次元的に走査されるときの「２次元の偏向角」である。
【０００５】
例えば、車載用に用いられる２次元測距装置では、設置された車両の外周の全域での安全確認が求められ、そのために広い視野が求められる。
【０００６】
また、ロボット用に用いられる場合であれば、より広い検知領域の確保のために、広い視野が求められる。
【０００７】
また、製品検査に用いられる２次元測距装置の場合であれば、検査対象である製品に適正にフィットする視野範囲の設定が求められる。
【０００８】
従来、レーザビームを走査する方法としては、ポリゴンミラーや「ＭＥＭＳによる偏向手段」が知られている。特許文献１には「２軸可動型の偏向手段」が開示されている。
【０００９】
これら、従来から知られた「レーザビームの偏向を利用する走査手段」は、偏向角が固定されている場合が多い。
【００１０】
例えば「２軸のＭＥＭＳ」は、小型で高速偏向が可能であるところから、レーザビームを２次元的に偏向させる偏向装置として優れている。
【００１１】
しかし、２軸のＭＥＭＳではレーザビームの偏向角が、２軸の何れについても３０度程度であって、十分に広い視野角の実現は難しい。
【００１２】
障害物検知等に用いられる２次元測距装置等のように、全角で１２０度以上の偏向角が求められることもある。
【００１３】
そこで、偏向装置により２次元的に偏向されるレーザビームの偏向角を、光学的に拡大することが提案されている（特許文献２）。
【００１４】
即ち、特許文献２には、２次元的に偏向されるレーザビームの偏向角を「投光角拡大レンズ」により拡大することが記載されている。
【００１５】
しかしながら、特許文献２は肝心の「投光角拡大レンズ」については、図面に両凸レンズが図示されているのみであり、投光角拡大レンズの具体的な説明は開示していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、偏向角を拡大できる新規な２次元走査型のレーザビーム投射装置の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明のレーザビーム投射装置は、２次元的に偏向するレーザビームを放射する２次元走査型のレーザビーム投射装置であって、レーザビームを放射するレーザ光源と、該レーザ光源から放射されたレーザビームを２次元的に偏向走査する偏向装置と、該偏向装置により２次元的に偏向走査されたレーザビームの偏向角を、互いに直交する２方向のうちの少なくとも一方において拡大する偏向角変倍素子と、を有し、前記偏向角拡大素子は入射側面が前記２方向のうちの少なくとも一方において凹面であり、前記２次元的に偏向走査されたレーザビームを透過させて屈折により偏向角の拡大を行う負のパワーの偏向レンズ素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の２次元投射型レーザビーム投射装置は、上記の如く、入射側を凹面とした負のパワーの偏向レンズ素子の屈折作用によりレーザビームを偏向させる。
【００１９】
屈折を利用するので、無理なく偏向角の拡大を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２次元走査型のレーザビーム投射装置の、実施の１形態を説明するための図である。
【図２】図１の偏向装置１６の１形態例を説明するための図である。
【図３】２次元走査型のレーザ投射装置の１実施形態の全体構成の１例を説明するための図である。
【図４】測距装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図５】レーザ投射装置の実施例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、２次元走査型のレーザビーム投射装置の、実施の１形態を説明するための図である。図１（ａ）は装置全体を簡略化して説明図的に示している。
【００２２】
図１（ａ）において符号１０は、半導体レーザ（以下、「ＬＤ１０」と表記する。）、符号１２はカップリングレンズを示している。
【００２３】
ＬＤ１０を発光させると、放射されるレーザ光束は、カップリングレンズ１２によりコリメートされて「平行」なレーザビームＬＦに変換される。
【００２４】
レーザビームＬＦは、シリンダレンズ１３に入射し、１方向に収束するレーザ光束ＬＡに変換される。
【００２５】
ＬＤ１０とカップリングレンズ１２とシリンダレンズ１３とは「レーザ光源」を構成する。１方向に収束するレーザ光束ＬＡは、ミラー１４に入射して定方向へ反射される。
【００２６】
ミラー１４は平面鏡で「レーザビームＬＡの光路を屈曲させる」ために設けられるが、装置のレイアウトによっては省略することもできる。
【００２７】
ミラー１４により反射されたレーザビームＬＡは、１方向に収束しつつ、偏向装置１６に入射する。  
偏向装置１６は、この例では「２軸のＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)」として構成され、反射面を２次元的に揺動させて、反射光を２次元的に偏向させる。
【００２８】
２次元的に偏向されたレーザビームは、図１（ａ）に符号ＬＤで示す如く、偏向装置１６による偏向の起点を実質的な中心として、互いに直交する２方向へ周期的に偏向する。
【００２９】
このように２次元的に偏向走査されたレーザビームＬＤは、「偏向角拡大素子」としての偏向レンズ素子１８に入射する。
【００３０】
偏向レンズ素子１８は、図１に示す例では、凹シリンダレンズで、入射側面が「凹シリンダ面」をなし、射出側面は「平面」となっている。
【００３１】
このシリンダ面の軸方向（パワーを持たない方向）を、便宜上「縦方向」、これに直交する面内で、縦方向に直交する方向を便宜上「横方向」と呼ぶ。
【００３２】
なお、この明細書において、シリンダ面の形状として「凹シリンダ面」を「凹のシリンダ面」とも言い、「凸シリンダ面」を「凸のシリンダ面」とも言う。
【００３３】
偏向走査されたレーザビームＬＤは、偏向レンズ素子１８の入射側面１８Ａを、縦方向と横方向に２次元的に偏向走査する。
【００３４】
２次元的に偏向走査されて入射側面１８Ａに入射するレーザビームＬＤは、前述の如く、シリンダレンズ１３により１方向に収束傾向を与えられている。
【００３５】
レーザビームＬＤの、この収束傾向は上記「横方向」に与えられている。
【００３６】
レーザビームＬＤは、偏向レンズ素子１８を縦横方向に偏向走査し、偏向レンズ素子１８の射出側面から偏向角を拡大された偏向レーザビームＬＢとして射出する。
【００３７】
図１（ｂ）は、レーザビームの偏向の様子を「縦方向から見た状態」を示している。即ち、この図の状態はレーザビームの横方向の偏向の様子を示している。
【００３８】
図１（ｂ）において符号１０Ａは、ＬＤ１０の発光部を示している。  
前述の如く、ＬＤ１０から放射されたレーザ光束はカップリングレンズ１２により、平行なレーザビームＬＦに変換される。
【００３９】
そして、さらにシリンダレンズ１３により「横方向の収束傾向」を与えられたレーザビームＬＡとなって、収束状態で偏向装置１６に入射して２次元的に偏向される。
【００４０】
偏向されたレーザビームＬＤは、縦方向から見ると、図１（ｂ）に示すように、収束しつつ偏向レンズ素子１８の入射側面１８Ａに入射する。
【００４１】
図１に示す実施の形態においては、偏向装置１６による「偏向の起点」は、入射側面１８Ａをなす「凹シリンダ面」のシリンダ軸上に実質的に位置する。
【００４２】
即ち、縦方向から見たとき、入射側面１８Ａは「偏向の起点を中心とする円弧形状」となっている。  
このため、レーザビームＬＤは、縦方向から見ると「入射側面１８Ａに直交」するように入射し、横方向には屈折されない。  
レーザビームＬＤは、偏向レンズ素子１８を透過すると射出側面１８Ｂから射出する。
【００４３】
射出側面１８Ｂは平面であり、偏向レーザビームＬＢは屈折されて射出する。
【００４４】
即ち、横方向においては、偏向レーザビームＬＢは、射出側面１８Ｂの屈折作用により、偏向角を拡大される。
【００４５】
偏向レンズ素子１８は、シリンダレンズ１３と以下のような位置関係で結ばれている。
【００４６】
即ち、偏向レンズ素子１８の物体側焦点（偏向レンズ素子１８の射出側における「虚焦点」）の位置が、シリンダレンズ１３の「像側焦点の位置」と略合致する。
【００４７】
なお、シリンダレンズ１３の像側焦点の位置は、シリンダレンズ１３によるレーザビームＬＤが、偏向レンズ素子１８の中心に向かって進行し「偏向レンズ素子１８の作用を受けない」としたときの「一方向（横方向）の集光位置」である。
【００４８】
このような位置関係により、レーザビームＬＤが、入射側面１８Ａのシリンダ軸に直交する平面上で偏向走査されるとき、偏向レーザビームＬＢは平行光束になる。
【００４９】
そして、図１（ｂ）に示すように偏向レーザビームＬＢの光束径は平行なレーザビームＬＦよりも細くなる。
【００５０】
従って、偏向レーザビームＬＢを投射する測距対象物を解像度良く照射できる。
【００５１】
図１（ｃ）は、レーザビームＬＤの偏向の様子を、横方向から見た状態を示している。
【００５２】
偏向レンズ素子１８は入射側面１８Ａが「縦方向を軸とするシリンダ面」、射出側面１８Ｂは平面である。
【００５３】
従って、縦方向には入射側面１８Ａ、射出側面１８Ｂともに屈折力をもたない。
【００５４】
即ち、縦方向には偏向角の拡大は生じない。偏向されて入射するレーザビームＬＤは、縦方向には「偏向角を保った偏向レーザビームＬＢ」として射出する。
【００５５】
このようにして、図１に即して説明した２次元走査型のレーザビーム投射装置は、縦横の２方向のうち、横方向について、レーザビームＬＤの偏向角を拡大して投射できる。
【００５６】
即ち、図１に即して説明した２次元走査型のレーザビーム投射装置は「２次元的に偏向するレーザビームＬＢを放射するレーザビーム投射装置」である。
【００５７】
該装置は、レーザビームＬＡを放射するレーザ光源１０、１２、１３と、該レーザ光源から放射されたレーザビームＬＡを２次元的に偏向走査する偏向装置１６を有する。
【００５８】
また、偏向装置１６により２次元的に偏向走査されたレーザビームＬＤの偏向角を、互いに直交する２方向のうちの少なくとも一方において拡大する偏向角拡大素子を有する。
【００５９】
互いに直交する２方向は、図１の例では縦・横２方向であり、偏向角の拡大は横方向において行われる。
【００６０】
偏向角拡大素子は入射側面１８Ａが凹面で、２次元的に偏向走査されたレーザビームＬＤを透過させ、屈折により偏向角の拡大を行う偏向レンズ素子１８である。
【００６１】
偏向レンズ素子１８はまた、レーザビームＬＤの射出側面が平面である。
【００６２】
そして、レーザビームＬＤの入射側面１８Ａが凹シリンダ面である。
【００６３】
図１に示す２次元走査型のレーザビーム投射装置は、偏向レンズ素子１８に入射するレーザビームＬＤを、収束状態で偏向レンズ素子に入射させる集光光学系１３を有する。
【００６４】
また、偏向レンズ素子１８は、レーザビームＬＤの入射側面１８Ａが凹シリンダ面、射出側面１８Ｂが平面である。
【００６５】
そして、２次元的に偏向されるレーザビームＬＤの偏向中心が、凹シリンダ面１８Ａの略シリンダ軸上に位置する。
【００６６】
さらに、２次元的に偏向されるレーザビームＬＤが「１方向的に収束状態」とされて、偏向レンズ素子１８に入射する。
【００６７】
偏向レンズ素子１８に偏向角：０で入射するレーザビームＬＤが１方向的に集光する仮想的な集光位置は、偏向レンズ素子の「横方向における物体側焦点位置」である。
【００６８】
偏向レンズ素子１８は、横方向には負レンズであるから「横方向における物体側焦点」は、偏向レンズ素子１８の射出側に存在し「虚焦点」である。
【００６９】
従って、偏向レンズ素子１８から射出する偏向レーザビームＬＢは「平行ビーム」となる。
【００７０】
さらに具体的には「レーザ光源」は、ＬＤ１０から放射されるレーザ光束を平行光束化する「コリメート素子」としてカップリングレンズ１２を有する。
【００７１】
また、このコリメート素子により平行光束化されたレーザビームＬＦを一方向的に集光する「集光レンズ」として、シリンダレンズ１３を有する。
【００７２】
該シリンダレンズ１３により一方向に集光されたレーザビームＬＡを、偏向装置１６により２次元的に偏向させて、偏向レンズ素子１８の凹シリンダ面１８Ａに入射させる。
【００７３】
図１に即して説明した実施の形態では、偏向角の拡大は、偏向レンズ素子の凹シリンダ面ではなく、射出面をなす平面による屈折で行っている。
【００７４】
しかし、これに限らず、偏向レンズ素子の入射側面にも「屈折による偏向角拡大」の機能を付与してもよいことは言うまでもない。
【００７５】
例えば、図１の実施の形態例において、偏向レンズ素子１８の入射側面を「２次元的な凹面」とし、この凹面に「縦横両方向の屈折機能」を付与することもできる。
【００７６】
このようにすると、偏向されたレーザビームＬＤの偏向角を、横方向のみならず縦方向にも拡大できる。
【００７７】
また、上記２次元的な凹面の持つパワーを「縦方向と横方向とで異ならせ」れば、縦方向と横方向とで偏向角拡大倍率を異ならせることができる。
【００７８】
偏向レンズ素子のレンズ面は、少なくとも一方に「非球面もしくは自由曲面」を用いることにより、偏向レーザビームＬＢの偏向方向を精度良く調整できる。
【００７９】
上には、偏向装置１６として「２軸のＭＥＭＳ」として構成されたものを例示した。
【００８０】
このような２軸のＭＥＭＳとして構成された偏向装置の１例を、図２に示す。
【００８１】
即ち、偏向装置１６は、可動部としての反射鏡１６０および第１枠体１６２と、第２枠体１６４を有する。
【００８２】
反射鏡１６０は平面鏡で、レーザビームＬＡの光束径よりも若干大きい反射面を有し、レーザビームＬＡの全体を受光して反射できるようになっている。
【００８３】
第１枠体１６２、第２枠体１６４は共に長方形形状の枠体であり、反射鏡１６０は、第１枠体１６２に、揺動軸を共有する軸ｊ１、ｊ２により固定されている。
【００８４】
軸ｊ１、ｊ２は、捩れ弾性を有し、捩れ変形の復元力により、反射鏡１６０を軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。
【００８５】
第１枠体１６２は、第２枠体１６４に、軸ｊ３、ｊ４により固定されている。  
軸Ｊ３、ｊ４も、揺動軸を共有している。
【００８６】
軸ｊ３、ｊ４も捩れ弾性を有し、捩れ変形の復元力により、第１枠体１６２を軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸の回りに揺動させることができるようになっている。
【００８７】
第２枠体１６４は、レーザビーム投射装置の装置空間に固定的に設けられており、不動である。
【００８８】
軸ｊ１、ｊ２に共有される揺動軸と、軸ｊ３、ｊ４に共有される揺動軸とは互いに直交している。  
従って、反射鏡１６０を「互いに直交する縦横２方向（例えば、水平方向と鉛直方向）において独立して揺動させる」ことができる。
【００８９】
揺動は、図示されない駆動手段により行われる。  
駆動手段は、電子回路素子として構成できる。  
第１枠体１６２に固定した駆動手段を反射鏡１６０に連結して、反射鏡１６０を揺動する駆動を行うことができる。
【００９０】
同様に、第２枠体１６４に固定した駆動手段を第１枠体１６２に連結して、反射鏡１６０を有する第１枠体１６２を揺動する駆動を行うことができる。
【００９１】
偏向装置は、このような「２軸のＭＥＭＳ」として構成されたもののほか、周知の適宜のものを用いることができる。
【００９２】
例えば、１軸のＭＥＭＳを２個「縦横方向の偏向用に組み合わせた」ものや、１軸のＭＥＭＳと１軸のガルバノミラーまたは１軸のポリゴンミラーの組み合わせたものを挙げることができる。
【００９３】
あるいはまた、１軸のガルバノミラーと１軸のポリゴンミラーの組み合わせとして実施することもできる。
【００９４】
これらの「２次元の偏向装置」は、特許文献２等にも記載されたように周知であるので、説明は省略する。
【００９５】
図３は、２次元走査型のレーザ投射装置の、１実施形態の全体構成の１例を説明するための図である。
【００９６】
レーザ光源から偏向レンズ素子に到る光学系の構成は、図１と同様である。
【００９７】
レーザ光源１０、１２、１３から偏向レンズ素子１８に至る光学系は、外囲ハウジングＣＳの内部に収納されている。
【００９８】
この実施の形態の特徴とするところは、偏向レンズ素子１８が装置の外囲ハウジングＣＳのビーム射出部を兼ねている点にある。
【００９９】
このようにすると、偏向レンズ素子１８に「外囲ハウジングＣＳの防塵ガラス」としての機能を兼ねさせることができ、部品点数を削減して装置コストの低減を図れる。
【０１００】
図４は、２次元測距装置の実施の１形態を要部のみ説明図的に示している。
【０１０１】
図の下方に描かれた部分は、図１に即して説明した２次元走査方レーザビーム投射装置であり、図の上方の部分は受光手段を示している。
【０１０２】
２次元走査型のレーザビーム投射装置は、レーザビームＬＢを２次元的に走査して、物体（測距の対象となる物体）に投射する。
【０１０３】
「受光手段」は、２次元的に走査された偏向レーザビームＬＢを投射された物体で拡散反射された反射レーザ光ＬＯを受光する手段である。  
受光手段は、受光素子２０と、反射レーザ光ＬＯを受光素子２０に集光する集光用光学系２２とを有する。
【０１０４】
測距装置はまた、レーザビーム投射装置のレーザ光源の点滅を制御し、受光素子２０の出力に対して必要な演算を行う制御演算手段（図示されず）を有する。
【０１０５】
レーザ光源を点灯して、偏向レーザビームＬＢを２次元的に走査して、図示されない物体に投射し、反射レーザ光ＬＯを受光素子２０で受光する。
【０１０６】
このようにして「レーザ光が物体まで往復する時間：Ｔ」を検出して、光速：ｃを用いて、距離：ＤＳをｃＴ/２として検出する。
【０１０７】
偏向レーザビームＬＢの２次元的な走査に応じて、測定対象である物体までの距離を２次元的に測定できる。
【０１０８】
あるいはまた、レーザ光源から位相変調したレーザ光束を放射し、受光素子２０で受光した反射レーザ光ＬＯとの位相差を検出して、距離を求めることもできる。
【０１０９】
これら、の測距方式は、既に周知であるので詳細な説明は省略する。  
「測距装置」は、各種方式のものが種々知られている。
【０１１０】
図４に示した例では、反射レーザ光ＬＯを、偏向レンズ素子１８とは別体の集光用光学系２２により受光素子２０に集光させる所謂「２軸型」である。
【０１１１】
しかし、偏向レンズ素子１８自体を「集光用光学系として用いる同軸型」の測距装置も可能である。
【０１１２】
この発明のレーザビーム投射装置は、これら種々の測距装置におけるレーザビーム投射部として、好適に使用可能である。
【０１１３】
上に、図１に即して実施の形態を説明したレーザ放射装置では、偏向レンズ素子による偏向角の拡大は「横方向」において行われる。
【０１１４】
しかしこれに限らず、偏向角の拡大を「縦横両方向」において行うことができる。
【０１１５】
即ち、上に説明した例において、偏向レンズ素子１８に変えて、入射側面および射出側面の少なくとも一方を２次元的な曲面とし、２次元的な曲面による屈折を利用して、互いに直交する２方向に「偏向角の拡大」を行うことができる。
【０１１６】
例えば、上に説明した例において、偏向レンズ素子１８は、入射側の面が凹シリンダ面であるが、これに代えて「２次元的な凹面」とすることができる。
【０１１７】
２次元的な凹面は「凹球面」であることも、互いに直交する方向で曲率の異なる「アナモフィックな凹面」であることもできる。
【０１１８】
アナモフィックな凹面を用いれば、互いに直交する２方向で、偏向角拡大の拡大倍率を異ならせて設定できる。
【０１１９】
上に説明した例において、偏向レンズ素子１８は、射出側の面が平面であるが、射出側の面形状は、これに限らず、凸面や凹面であることができる。
【０１２０】
これら「凸面や凹面」も、凸や凹のシリンダ面であることもできるし、光軸回転対称な凸球面・凹球面でも、アナモフィックな凹面でもよい。
【０１２１】
図１に即して説明したレーザビーム投射装置は、レーザ光源が、レーザ光束を平行光束化するコリメート素子１２と、コリメート素子により平行光束化されたレーザビームを、少なくとも１方向に集光させる集光レンズ１３と、を有する。
【０１２２】
そして、集光レンズにより集光されたレーザビームＬＡを偏向装置６１により２次元的に偏向させて、偏向レンズ素子１８に入射させるように構成されている。
【０１２３】
偏向レンズ素子１８に偏向角：０で入射するレーザビームＬＤは、偏向レンズ素子１８の「横方向における物体側焦点」が占めるべき位置において、１方向的に集光する。
【０１２４】
ここで、「コンセントリック係数：Ｃ」を以下の如く定義する。
【０１２５】
図５に示す如く、偏向装置１６による「偏向の起点」と偏向レンズ素子１８の入射面１８との間隔を「Ｌ」、偏向レンズ素子１８の入射面側の曲率半径を「Ｒ(＜０)」とする。
【０１２６】
このとき、コンセントリック係数：Ｃは、以下のように定義される。  
Ｃ＝Ｌ／（−Ｒ）                                    。
【０１２７】
偏向レンズ素子１８の入射面１８が、凹シリンダ面であるときは、曲率半径：Ｒは、無曲率な方向（シリンダ面の軸方向）に直交する方向の曲率半径である。
【０１２８】
入射面が２次元的な凹面であれば、互いに直交する２方向（上の例で縦横２方向）の曲率半径であり、これらをＲＡ、ＲＢとする。凹球面の場合はＲＡ＝ＲＢ＝Ｒである。
【０１２９】
コンセントリック係数：Ｃは、条件：
０．８＜Ｃ＜１．５  
を満足することが好ましい。
【０１３０】
２次元の凹面の場合には、上記直交２方向の曲率半径：ＲＡ、ＲＢに対して上記条件が満足されることが好ましい。
【０１３１】
コンセントリック係数：Ｃが、上記条件の範囲外では、偏向角を拡大されたレーザビームのビーム径が２倍以上に増大し易く、対象物に投射されるとき解像力が低下し易い。
【０１３２】
また、偏向角を拡大されたレーザビームの拡大の程度を表す「角度ディストーション」は、０．８以下では減少する傾向にあり、偏向角の「拡大の程度」が小さくなる。
【実施例】
【０１３３】
以下、図１に即して説明した２次元走査型のレーザビーム投射装置に関連した光学系部分の具体的な数値を実施例として挙げる。
【０１３４】
以下において「距離：Ｌ」は、図５に即して説明した「偏向装置による偏向の起点と偏向レンズ素子の入射面との間隔」である。
【０１３５】
「距離：ＳＬ」は、集光レンズ（シリンダレンズ１３）と上記入射面との距離（入射角が０のときの距離）である。
【０１３６】
「実施例１」
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹球面）：Ｒ１＝−２４．３ｍｍ  
射出側面（平面）：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ    
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−２４．３）＝１．０  
「集光レンズ（球面）」
入射側面（球面）の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面（平面）の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例１における走査角のデータを示す。
【０１３７】
互いに直交する方向をα、βとし、αは「横方向」、βは「縦方向」である。
【０１３８】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表１に示す。
【０１３９】
【表１】
2015125317.tif 000003
【０１４０】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表２に示す。
【０１４１】
【表２】
2015125317.tif 000004
【０１４２】
「β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」
β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータを角度ディストーションとして、表３に示す。
【０１４３】
【表３】
2015125317.tif 000005
【０１４４】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表４に示す。
【０１４５】
【表４】
2015125317.tif 000006
【０１４６】
「実施例２」
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ  
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹球面）：Ｒ１＝−３０．２ｍｍ  
射出側面（凹球面）：Ｒ２＝２６５ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ    
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−３０．２）＝０．８
「集光レンズ（球面）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例２における走査角のデータを、実施例１に倣って示す。
【０１４７】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表５に示す。
【０１４８】
【表５】
2015125317.tif 000007
【０１４９】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表６に示す。
【０１５０】
【表６】
2015125317.tif 000008
【０１５１】
「β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」
β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータを角度ディストーションとして、表７に示す。
【０１５２】
【表７】
2015125317.tif 000009
【０１５３】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表８に示す。
【０１５４】
【表８】
2015125317.tif 000010
【０１５５】
「実施例３」
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ  
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹球面）：Ｒ１＝−１６．２ｍｍ  
射出側面（凸球面）：Ｒ２＝−９５ｍｍ    
肉厚：３ｍｍ    
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：  
２４．３／−（−１６．２）＝１．５
「集光レンズ（球面）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」  
以下に、実施例３における走査角のデータを示す。
【０１５６】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表９に示す。
【０１５７】
【表９】
2015125317.tif 000011
【０１５８】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表１０に示す。
【０１５９】
【表１０】
2015125317.tif 000012
【０１６０】
「β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」
β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータを角度ディストーションとして、表１１に示す。
【０１６１】
【表１１】
2015125317.tif 000013
【０１６２】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表１２に示す。
【０１６３】
【表１２】
2015125317.tif 000014
【０１６４】
「実施例４」  
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹球面）：Ｒ１＝−１５．０５５ｍｍ
射出側面（平面）：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ    
硝材  ＢＫ７  （ＳＣＨＯＴＴ）  １．５０９４９３（８７０  ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−１５．０５５）＝１．６１
「集光レンズ（球面）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝５５．８４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例４における走査角のデータを示す。
【０１６５】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表１３に示す。
【０１６６】
【表１３】
2015125317.tif 000015
【０１６７】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表１４に示す。
【０１６８】
【表１４】
2015125317.tif 000016
【０１６９】
「β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」
β方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータを角度ディストーションとして、表１５に示す。
【０１７０】
【表１５】
2015125317.tif 000017
【０１７１】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表１６に示す。
【０１７２】
【表１６】
2015125317.tif 000018
【０１７３】
「実施例５」  
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−２４．３ｍｍ
射出側面（平面）：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３（Ｌ）／−（−２４．３）（Ｒ１）＝１．０
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例５における走査角のデータを示す。
【０１７４】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表１７に示す。
【０１７５】
【表１７】
2015125317.tif 000019
【０１７６】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表１８に示す。
【０１７７】
【表１８】
2015125317.tif 000020
【０１７８】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０１７９】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表１９に示す。
【０１８０】
【表１９】
2015125317.tif 000021
【０１８１】
「実施例６」  
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−３０．２ｍｍ
射出側面（凹シリンダ面）：Ｒ２＝２６５ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ    
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３（Ｌ）／−（−３０．２）（Ｒ１）＝０．８  
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例６における走査角のデータを示す。
【０１８２】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表２０に示す。
【０１８３】
【表２０】
2015125317.tif 000022
【０１８４】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表２１に示す。
【０１８５】
【表２１】
2015125317.tif 000023
【０１８６】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０１８７】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表２２に示す。
【０１８８】
【表２２】
2015125317.tif 000024
【０１８９】
「実施例７」  
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−１６．２ｍｍ
射出側面（凹シリンダ面）：Ｒ２＝９５ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ    
硝材：ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−１６．２）＝１．５
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材：ＢＫ７（ＳＣＨＯＴＴ）  屈折率：１．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例７における走査角のデータを示す。
【０１９０】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表２３に示す。
【０１９１】
【表２３】
2015125317.tif 000025
【０１９２】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表２４に示す。
【０１９３】
【表２４】
2015125317.tif 000026
【０１９４】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０１９５】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表２５に示す。
【０１９６】
【表２５】
2015125317.tif 000027
【０１９７】
「実施例８」
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−１５．０５５ｍｍ
射出側面（凹シリンダ面）：Ｒ２＝９５ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＢＫ７  （ＳＣＨＯＴＴ）  １．５０９４９３（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−１５．０５５）＝１．６１  
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＢＫ７  （ＳＣＨＯＴＴ）  １．５０９４９３（８７０  ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例８における走査角のデータを示す。
【０１９８】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表２６に示す。
【０１９９】
【表２６】
2015125317.tif 000028
【０２００】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表２７に示す。
【０２０１】
【表２７】
2015125317.tif 000029
【０２０２】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０２０３】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表２８に示す。
【０２０４】
【表２８】
2015125317.tif 000030
【０２０５】
「実施例９」
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−３４．７１ｍｍ
射出側面（凹シリンダ面）：Ｒ２＝１７３ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）    １．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３（Ｌ）／−（−３４．７１）（Ｒ１）＝０．７
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＢＫ７  （ＳＣＨＯＴＴ）  １．５０９４９３（８７０  ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例９における走査角のデータを示す。
【０２０６】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表２９に示す。
【０２０７】
【表２９】
2015125317.tif 000031
【０２０８】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表３０に示す。
【０２０９】
【表３０】
2015125317.tif 000032
【０２１０】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０２１１】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表３１に示す。
【０２１２】
【表３１】
2015125317.tif 000033
【０２１３】
「実施例１０」  
距離：Ｌ＝２４．３ｍｍ
距離：ＳＬ＝６２．８８ｍｍ  
偏向レンズ素子の曲率半径と肉厚と硝材  
入射側面（凹シリンダ面）：Ｒ１＝−１５．１８７５ｍｍ
射出側面（凸シリンダ面）：Ｒ２＝−７８ｍｍ  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＳＦ６（ＳＣＨＯＴＴ）    １．７８０６９８（波長：８７０ｎｍ）
コンセントリック係数：
２４．３／−（−１５．１８７５）＝１．６
「集光レンズ（シリンドリカルレンズ）」
入射側面の曲率半径：Ｒ１＝４７．４ｍｍ  
射出側面の曲率半径：Ｒ２＝∞  
肉厚：３ｍｍ  
硝材  ＢＫ７  （ＳＣＨＯＴＴ）  １．５０９４９３（８７０  ｎｍ）
「走査角」
以下に、実施例１０における走査角のデータを示す。
【０２１４】
「α方向におけるレーザビームの偏向角の拡大のデータ」を表３２に示す。
【０２１５】
【表３２】
2015125317.tif 000034
【０２１６】
「α方向の角度ディストーション」
α方向の角度ディストーションを表３３に示す。
【０２１７】
【表３３】
2015125317.tif 000035
【０２１８】
偏向レンズ素子はβ方向にはパワーを持たないので、β方向における角度ディストーションは０である。
【０２１９】
走査角を拡大されたレーザビームのビーム径をα方向に関して表３４に示す。
【０２２０】
【表３４】
2015125317.tif 000036
【０２２１】
実施例１〜１０に示すように、偏向装置による偏向角：±３０度を「±６０度以上に拡大」することができた。
【０２２２】
また、偏向角を拡大されたレーザビームのビーム径の変動も２倍を超えることがない。
【０２２３】
なお、上の実施例に挙げた「角度ディストーション」は、以下のように算出される。
【０２２４】
偏向装置の反射面が１度傾いたときに反射されたレーザ光が、偏向レンズ素子に入射するときの偏向角をθ１、偏向角が最大角：３０度となったときの偏向角をθ２とする。
【０２２５】
このとき、θ１を最大角：３０度に応じて３０倍する。
【０２２６】
このとき、偏向装置による偏向角：３０度が、偏向レンズ素子により拡大された偏向角：θ２と、上記３０θ１とを用いて、角度ディストーションを次の演算式で演算する。  
角度ディストーション＝｛θ２/（３０θ１）｝×１００−１００          。
【０２２７】
α方向、β方向とも同様に演算される。
【０２２８】
例えば、上述の実施例１の場合を例にとり、α方向における偏向装置による最大の偏向角：３０度のときの角度ディストーションを算出してみる。
【０２２９】
偏向装置の反射面が１度傾いたときに反射されたレーザ光が、偏向レンズ素子に入射するときの偏向角をθ１は１．７８度である。  
従って、３０θ１＝３０×１．７８＝５３．４度である。一方、最大の偏向角：３０度のときの拡大された偏向角：θ２は表１から６２．９２度である。
【０２３０】
従って、α方向の角度ディストーションは、
（６２．９２／５３．４）×１００−１００＝１７．８２７  
となる。従って「拡大された偏向角が６０度における角度ディストーション」は、表２に示すように１７．８３になる。
【０２３１】
実施例５以下の各実施例では、偏向レンズ素子がβ方向にパワーを持たないので、上記角度ディストーションの定義式における右辺カッコ内の分数の、分子・分母が等しくなるため、角度ディストーションは０となる。
【０２３２】
因みに、偏向角：θ１は、実施例２〜１０において、以下の通りである。
【０２３３】
実施例１（１．７８）、実施例２（１．７１）、実施例３（１．９４）、実施例４（１．８２）、実施例５（１．７８）、実施例６（１．７１）、実施例７（１．９４）、実施例８（１．８２）、実施例９（１．６７）、実施例１０（１．９７）。
【０２３４】
また、拡大された偏向角：θ２は、実施例２〜１０において、以下の通りである。
【０２３５】
実施例１（６２．９２）、実施例２（６２．８６）、実施例３（６２．８８）、実施例４（６２．９２）、実施例５（６２．９２）、実施例６（６２．８６）、実施例７（６２．８８）、実施例８（６２．９２）、実施例９（６２．８９）、実施例１０（６２．９１）。
【０２３６】
これらの値を用いることにより、上記定義式に従って、各実施例に示したα方向の角度ディストーションが得られる。
【０２３７】
この発明が、上に説明した実施の形態や実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。上に説明した実施の形態や実施例に限らず、種々の実施形態等が可能である。
【符号の説明】
【０２３８】
１０        半導体レーザ（ＬＤ）
１２        カップリングレンズ  
ＬＦ        平行光束化されたレーザビーム  
１３        シリンダレンズ  
ＬＡ        シリンダレンズ１３により１方向に収束傾向を与えられたレーザビーム
１６        偏向装置  
ＬＤ        ２次元的に偏向されるレーザビーム  
１８        偏向レンズ素子  
１８Ａ      入射側面（凹シリンダ面）  
１８Ｂ      射出側面（平面）  
ＬＢ        偏向角を拡大された偏向レーザビーム  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０２３９】
【特許文献１】特開２０１２−５８１７８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１３６８４号公報
【図１】
2015125317.tif 000037
【図２】
2015125317.tif 000038
【図３】
2015125317.tif 000039
【図４】
2015125317.tif 000040
【図５】
2015125317.tif 000041