(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源からのレーザ光が入射される第１のレンズと、該第１のレンズを前記レーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータを備え、前記光源から出射されたレーザ光を目標領域内において少なくとも水平方向に走査させる走査手段と、
前記第１のレンズを通過したレーザ光が入射する入射面が水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離が相違するトロイダル面とされ、出射面が球面とされた凹レンズから成る第２のレンズを備え、前記目標領域における前記レーザ光をその輪郭を前記水平方向に垂直な方向に細長く変形させる光学手段と、
を有することを特徴とするビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム照射装置に関し、たとえば、車間検出器や距離検出器等に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を照射して目標領域内の障害物を検出する検出装置が家庭用乗用車等に搭載されている。かかる検出装置は、レーザ光を目標領域内において水平方向および垂直方向にスキャンさせ、その反射光の受光状態から障害物とそこまでの距離を検出するものである。
【０００３】
かかる検出装置には、レーザ光をスキャンさせるための、いわゆるビーム照射装置が配備されている。ここで、レーザ光のスキャンは、たとえば、特許文献１に示すレンズアクチュエータを用いて行うことができる。このアクチュエータでは、光源からのレーザ光（拡散光）が走査レンズによって平行光またはこれより少し拡散した光に変換される。アクチュエータの駆動に応じて走査レンズがレーザ光の光軸に垂直な方向に２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スキャンされる。
【特許文献１】特開平１１−８３９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のビーム照射装置では、一般に、目標領域が水平方向と垂直方向にマトリクス状に分割され、レーザ光のスキャン位置が各マス目位置に達したタイミングにてレーザ光の出射レベルがパルス状に高められ、当該マス目位置にレーザ光が照射される。そして、各マス目位置にて目標領域からの反射光が検出されたかによって、当該マス目位置における障害物の有無が検出され、さらに、レーザ光の出射タイミングと受光タイミングの時間差をもとに、障害物までの距離が検出される。
【０００５】
この場合、マス目の分解能は、障害物の検出精度に影響する。すなわち、マス目の分解能が高いほど、目標領域内における障害物の検出精度が高まる。しかし、その反面、マス目の分解能を高めると、レーザ光の出射頻度が高くなり、スキャン制御が複雑になる。その一方、家庭用乗用車では、垂直方向の検出精度に比べ、水平方向の検出精度を高めておく必要がある。したがって、マス目の分解能は、水平方向に高く、垂直方向に低いものに設定するのが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、マス目の分解能に応じて適正な輪郭形状のレーザ光を照射し得るビーム照射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み本発明は、以下の特徴を有する。
【０００８】
請求項１の発明は、レーザ光を出射する光源と、前記光源からのレーザ光が入射される第１のレンズと、該第１のレンズを前記レーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータを備え、前記光源から出射されたレーザ光を目標領域内において少なくとも水平方向に走査させる走査手段と、前記第１のレンズを通過したレーザ光が入射する入射面が水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離が相違するトロイダル面とされ、出射面が球面とされた凹レンズから成る第２のレンズを備え、前記目標領域における前記レーザ光をその輪郭を前記水平方向に垂直な方向に細長く変形させる光学手段とを有することを特徴とするビーム照射装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光学手段によって付与される光学作用によって、目標領域上におけるレーザ光の輪郭が一方向に細長くなるよう調整される。したがって、上記のように、目標領域に設定されるマス目の分解能が変化しても、マス目形状に適した輪郭のレーザ光を目標領域に照射することができる。よって、本発明によれば、効率的かつ安定したスキャン動作を実現できる。
【００１５】
本発明の意義ないし効果は、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。
【００１６】
なお、本発明における走査手段は、以下の実施形態において、レンズアクチュエータ３００によって具現化されている。また、本発明における光学手段は、以下の実施形態において、アタッチメントレンズ７００によって具現化されている。
【００１７】
ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの例示形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに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】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
【００１９】
まず、図１に実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す。なお、同図には、ビーム照射装置のヘッド部分（ビーム照射ヘッド）が示されており、制御回路の構成は図示省略されている。
【００２０】
ビーム照射ヘッドは、半導体レーザ１００と、アパーチャ２００と、レンズアクチュエータ３００と、ビームスプリッタ４００と、サーボレンズ５００と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）６００と、アタッチメントレンズ７００と、出射窓８００を備えている。
【００２１】
半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、アパーチャ２００によって所望の形状に整形された後、走査レンズ３０１に入射される。走査レンズ３０１は、両面非球面の凸レンズから構成されており、半導体レーザ１００から入射されたレーザ光を平行光よりもさらに収束させる。この走査レンズ３０１は、同図のＹ−Ｚ平面方向に変位可能となるよう、レンズアクチュエータ３００によって支持されている。走査レンズ３０１を通過したレーザ光は、レンズアクチュエータ３００の駆動に応じて、Ｙ−Ｚ平面方向に出射角度が変化する。なお、走査レンズ３０１は、中立位置にあるときに、その中心軸がアタッチメントレンズ７００の中心軸に一致するよう、レンズアクチュエータ３００によって調整される。
【００２２】
レーザ光は、走査レンズ３０１を通過した後、ビームスプリッタ４００によってその一部が反射され、目標領域に照射されるレーザ光（以下、“照射レーザ光”という）から分離される。分離されたレーザ光（以下、“分離光”という）は、サーボレンズ（集束レンズ）５００を介してＰＳＤ６００上に収束される。
【００２３】
ＰＳＤ６００は、同図のＸ−Ｙ平面に平行な受光面を有しており、この受光面上における分離光の収束位置に応じた電流を出力する。ここで、受光面上における分離光の収束位置と目標領域上における前記照射レーザ光の照射位置は一対一に対応している。よって、ＰＳＤ６０から出力される電流は、目標領域上における前記照射レーザ光の照射位置に対応するものとなっている。
【００２４】
この電流信号が信号処理回路（図示せず）にて処理されて、照射レーザ光の照射位置が検出される。そして、この検出結果をもとに、照射レーザ光のスキャン制御がなされる。なお、ＰＳＤ６００の構成および電流の出力動作については、追って、図３および図４を参照して詳述する。
【００２５】
ビームスプリッタ４００を通過した照射レーザ光は、アタッチメントレンズ７００に入射される。アタッチメントレンズ７００は、入射面がトロイダル面とされ、且つ、出射面が球面とされた凹レンズから構成されており、収束光として入射される照射レーザ光を略平行光に変換する。アタッチメントレンズ７００にて平行光とされた照射レーザ光は、出射窓８００を通過して、目標領域に照射される。なお、トロイダル面は、後述の如く、水平方向（図１のｚ軸方向）の焦点距離と垂直方向（図１のｙ軸方向）の焦点距離が相違している。
【００２６】
図２に、レンズアクチュエータ３００の構成（分解斜視図）を示す。
【００２７】
同図を参照して、走査レンズ３０１は、レンズホルダー３０２中央の開口に装着される。レンズホルダー３０２には、４つの側面にそれぞれコイルが装着されており、各コイル内にヨーク３０３中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク３０３は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材３０５の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材３０５に、ヨーク３０３の舌片を挟むようにして磁石３０４が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材３０５が磁石３０４とともにベース（図示せず）に装着される。
【００２８】
さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材３０６が装着されており、このワイヤー固定部材３０６にワイヤー３０７を介してレンズホルダー３０２が弾性支持される。レンズホルダー３０２には四隅にワイヤー３０７を嵌入するための孔が設けられている。この孔にそれぞれワイヤー３０７を嵌入した後、ワイヤー３０７の両端をワイヤー固定部材３０６に固着する。これにより、レンズホルダー３０２がワイヤー３０７を介してワイヤー固定部材３０６に弾性支持される。
【００２９】
駆動時には、レンズホルダー３０２に装着されている各コイルに、アクチュエータ駆動回路から駆動信号が供給される。これにより、電磁駆動力が発生し、走査レンズ３０１がレンズホルダーとともに２次元駆動される。
【００３０】
図３に、ＰＳＤ６００の構造を示す。なお、同図は、図１において、ＰＳＤ６００をＹ軸方向から見たときの構造を示すものである。
【００３１】
図示の如く、ＰＳＤ６００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、図１のＸ方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、図１のＹ方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（同図では図示省略）が形成されている。また、裏面側には共通電極が形成されている。
【００３２】
受光面に分離光が収束されると、収束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、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される。ここで、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流は、分離光の収束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、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流値をもとに、受光面上における収束位置を検出することができる。
【００３３】
図４（ａ）は、ＰＳＤ６００の有効受光面を示す図である。また、図４（ｂ）は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流をもとにＰＳＤ信号処理回路６０にて生成される位置検出電圧と、有効受光面上における分離光の収束位置の関係を示す図である。なお、図４（ａ）では有効受光面を正方形としている。また、図４（ｂ）では、有効受光面のセンター位置を基準位置（０位置）として、基準位置に対する収束位置のＸ方向およびＹ方向の変位量と出力電圧の関係を示している。
【００３４】
信号処理回路は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流をもとに、収束位置のＸ方向変位量に対応する電圧Ｘoutと、Ｙ方向変位量に対応する電圧Ｙoutを生成し、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）を介してＤＳＰ（Digital Signal Processor）制御回路に出力する。ＤＳＰ制御回路は、入力された電圧ＸoutとＹoutから収束位置のＸ方向変位量とＹ方向変位量を検出する。
【００３５】
本実施の形態では、上記の如く、アタッチメントレンズ７００の入射面をトロイダル面としたことにより、目標領域上におけるビームスポットが、垂直方向（図１のｙ軸方向）に細長い形状に変形される。
【００３６】
図５〜図７は、図１の光学系に以下の条件を設定したときの目標領域上におけるビーム強度をシミュレーションしたものである。また、ここでは、アタッチメントレンズ７００から１００ｍ先に目標領域が設定されている。
【００３７】
＜走査レンズ３０１＞
両面非球面
焦点距離：13.4912 ｍｍ
有効径  ：   Φ16 ｍｍ（アパーチャ）
中心厚さ：      5 ｍｍ
屈折率  ：    1.517
＜アタッチメントレンズ７００＞
入射側  ：トロイダル面 ／ 出射側：球面
焦点距離：水平方向  −23.0359 ｍｍ、垂直方向  −20.9278 ｍｍ
有効径  ：   Φ14.0 ｍｍ
中心厚さ：        1 ｍｍ
屈折率  ：    1.517
＜その他＞
半導体レーザからアタッチメントレンズまでの距離：52.81 mm
走査レンズの変位量：± 2 mm
【００３８】
なお、走査レンズ３０１とアタッチメントレンズ７００は、両レンズの中心軸が一致しているとき、すなわち、走査レンズ３０１が中立位置にあるときに、アタッチメントレンズ７００から出射されるレーザ光が水平方向（図１のｚ軸方向）において平行光となり、且つ、そのビーム径（光線追跡法によるもの）が、水平方向において、走査レンズ３０１に入射するときのビーム径（同じく、光線追跡法によるもの）の略１／２となるような位置に配置されているものとする。
【００３９】
図５〜図７には、走査レンズ３０１を水平方向（図１のｚ軸方向）に変位させることによって照射レーザ光の照射方向を水平方向に所定角度だけ振らせたときのビーム強度分布（左図）と、各ビーム強度分布に対する水平方向（図面左右方向）のビームプロファイル（中図）と、垂直方向（図面上下方向）のビームプロファイル（右図）が示されている。なお、ビームプロファイルの横軸はビーム中心位置（ビーム強度が最も高い位置）からの離間距離であり、縦軸は最大強度を１００とした時の強度レベルである。また、横軸は、ビーム中心位置がゼロになるよう設定されている。
【００４０】
図５〜図７を参照して分かるとおり、アタッチメントレンズ７００の入射面をトロイダル面とすることにより、照射レーザ光のビーム形状を、上下方向（図１のｙ軸方向）に細長くすることができる。その結果、上下方向における照射レーザ光のカバー範囲を広げることができる。したがって、この構成を障害物検出装置に用いた場合には、図８（ｂ）に示す如く、目標領域における上下方向のスキャン段数（目標領域をマトリックス状に分割したときのブロック段数）を削減することができる。なお、図８（ａ）は、アタッチメントレンズ７００の入射面と出射面をともに球面としたときのビーム形状と目標領域の分割状態を示す図である。
【００４１】
なお、上記シミュレーション条件に従うアタッチメントレンズ７００は、以下のレンズデータをもとに形成できる。
【００４２】
＜走査レンズ３０１＞
ａ．入射面（非球面）
・曲率半径    16.8777649771835 mm
・非球面係数（非球面生成多項式）：
コーニック定数(K)   −8.48832199279343
４次の係数(A)       −4.27096033316007e-007
６次の係数(B)         1.17521904684828e-006
８次の係数(C)       −2.111559547426e-008
ｂ．出射面（非球面）
・曲率半径    −10.4603963534906 mm
・非球面係数（非球面生成多項式）：
コーニック定数(K)     0.0947470811575341
４次の係数(A)         7.4254388113816e-005
６次の係数(B)         2.33700944147862e-006
８次の係数(C)       −1.55061157703029e-008
ｃ．材料：ガラス／BK７（屈折率＝1.517）
＜アタッチメントレンズ７０１＞
ａ．入射面（トロイダル面）
・曲率半径：
水平方向  −60.16068895769 mm
垂直方向  −40 mm
ｂ．出射面（球面）
・曲率半径    14.68847686175 mm
ｃ．材料  ガラス／BK７（屈折率＝1.517）
【００４３】
ところで、図５〜図７を参照して分かるとおり、レーザ光を目標領域内において走査させるために走査レンズ３０１をレーザ光の光軸に垂直な方向に変位させると、目標領域上における照射レーザ光に収差が発生する。たとえば、上記シミュレーション条件に従う場合には、照射レーザ光を中立位置から水平方向に１５°程度走査させたあたりから収差の発生状態が目立って大きくなり、照射レーザ光の強度分布が水平方向に歪んだ状態となる（図６（ｂ）参照）。さらに、走査角度が２０°程度になると、強度分布の歪みはかなり大きなものとなっている（図７参照）。かかる歪の発生は、照射レーザ光を垂直方向に走査させたときも同様に生じる。
【００４４】
しかし、車載用のビーム照射装置では、一般に、車両前方の監視に必要とされるレーザ光の振り角は±１０度程度であるため、振り角が±１０度の範囲にあるときに収差が目立って大きくならなければ、車間検出動作等の精度に別段問題が生じることはない。従って、上記シミュレーション条件にて光学系を設計した場合には、問題のないスキャン動作を実現することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態によれば、上記効果の他に、アタッチメントレンズ７００による光学作用によって、水平および垂直方向におけるレーザ光の振り角を拡大できるとの効果を併せて奏することができる。
【００４６】
図９（ａ）は、走査レンズ３０１を同図の矢印Ａ方向に変位させたときの照射レーザ光の振れ具合を光線追跡法にてシミュレーションしたものである。また、図９（ｂ）は、走査レンズ３０１を図９（ａ）と同一方向（矢印Ａ方向）に変位させたときの分離光の振れ具合を光線追跡法にてシミュレーションしたものである。なお、図９（ｂ）には、便宜上、サーボレンズ５００に入射するレーザ光の軌跡のみが示されている。
【００４７】
同図（ａ）に示す如く、走査レンズ３０１を変位させることにより、走査レンズ通過直後の照射レーザ光の進行方向が所定角度だけ曲げられる。その後、照射レーザ光は、アタッチメントレンズ７００を通過することにより、その進行方向がさらに同一方向に所定角度だけ曲げられる。したがって、最終的に出射窓８００から出射される照射レーザ光の振れ角は、アタッチメントレンズ７００が配されていない場合に比べて、このアタッチメントレンズ７００によって付与される振れ角の分だけ大きくなる。なお、アタッチメントレンズ７００は、入射面がトロイダル面とされ、且つ、出射面が球面とされた凹レンズから構成されているため、かかる振れ角の増大効果（広角作用）は、アタッチメントレンズ７００の全周方向において生じる。
【００４８】
図１０は、走査レンズ３０１の水平方向の移動量と照射レーザ光の走査角度の関係を上記シミュレーションにて設定した条件と同じ条件下でシミュレーションしたときのシミュレーション結果である。なお、縦軸の走査角度は、半導体レーザ１００から出射されるレーザ光の光軸と出射窓８００から出射される際のレーザ光の光軸の間の角度である。また、同図には、比較例として、アタッチメントレンズ７００を省略したときの走査レンズ３０１の移動量と走査角度の関係が示されている。
【００４９】
同図に示す如く、本実施の形態によれば、比較例に比べ、各走査レンズ位置において約２倍の走査角を得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば走査レンズ３０１を小さく変位させても大きな振り角にて照射レーザ光をスキャンさせることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態において、アタッチメントレンズ７００から出射されるレーザ光のビーム径（光線追跡法によるもの）が走査レンズ３０１に入射するときのビーム径（同じく、光線追跡法によるもの）の１／ｎになるように光学系の条件を設定した場合には、比較例に比べてｎ倍の振れ角にて、照射レーザ光をスキャンさせることができる。
【００５１】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能なものである。
【００５２】
たとえば、上記実施の形態では、アタッチメントレンズ７００の入射面をトロイダル面としたが、これに代えて、シリンドリカル面とすることができる。この場合、ビーム形状が目標領域において所望の方向に細長くなるように、シリンドリカル面の方向を調整する必要がある。また、ビームサイズが目標領域において所望のサイズとなるよう、シリンドリカル面（入射面）の面形状と球面（出射面）の面形状を設計する必要がある。
【００５３】
また、上記実施の形態では、アタッチメントレンズ７００の入射面を工夫することによってビーム形状を調整するようにしたが、ビーム形状を調整するためのレンズを別途光学系に追加するようにしても良い。ただし、この場合には、部品点数の増加とコストの上昇が生じることとなる。
【００５４】
さらに、上記実施の形態では、ビーム走査手段としてレンズアクチュエータ３００を用いたが、図１１に示す如く、ポリゴンミラー９００を用いてビームを走査させることもできる。
【００５５】
ここで、ポリゴンミラー９００は、断面多角形となっており、且つ、各側面にミラー面が形成されている。ポリゴンミラー９００は、モータ（図示せず）からの駆動力を受けて同図の矢印方向に回転される。ポリゴンミラー９００を回転させながらレーザ光をその側面に照射すると、各側面に対するレーザ光の入射角度が変化する。これにより、ポリゴンミラー９００の側面によって反射されたレーザ光（照射レーザ光）はポリゴンミラーの回転方向にスキャンされる。
【００５６】
ここで、ポリゴンミラー９００は、レーザ光の入射位置が一つのミラー面から次のミラー面へと移ることによって、水平方向のスキャン軌道が、目標領域上において、上下方向に１ブロック分だけシフトするように、回転軸に対する各ミラー面の傾き角が調整されている。また、ミラー面の傾き角は、水平方向のスキャン軌道が最下段のブロック位置にあるときに、レーザ光の入射位置が次のミラー面に移ると、これに応じて、水平方向のスキャン軌道が、最下段のブロック位置から最上段のブロック位置へとシフトするようにも調整されている。
【００５７】
ポリゴンミラー９００のミラー面の傾き角がこのように調整されていることにより、照射レーザ光は、ポリゴンミラー９００の回転に応じて、たとえば、図８（ｂ）に示す照射ブロックを左から右方向に一段ずつスキャンする。
【００５８】
なお、この場合には、図１におけるビームスプリッタ４００と、サーボレンズ５００と、ＰＳＤ６００が省略され得る。これは、ポリゴンミラー９００の回転位置からレーザ光の照射位置を検出できるためである。すなわち、図１１の構成例では、たとえば、モータから出力される回転同期信号をもとに、ポリゴンミラー９００の回転位置が逐次検出される。そして、検出された回転位置をもとに、目標領域上における照射レーザ光の照射位置が検出される。
【００５９】
本発明は、車載用の他、様々な用途のビーム照射装置に適用可能である。障害物検出装置、距離検出装置の他、画像読み取り装置等にも搭載可能なものである。
【００６０】
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】
【００６１】
【図１】実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す図
【図２】実施の形態に係るレンズアクチュエータの構成を示す図
【図３】実施の形態に係るＰＳＤの構造を示す図
【図４】実施の形態に係るＰＳＤの構造と電圧特性を説明する図
【図５】実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果
【図６】実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果
【図７】実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果
【図８】実施の形態に係るレーザ光の照射状態を説明する図
【図９】実施の形態に係る走査レンズ３０１を一方向に変位させたときの照射レーザ光と分離光の振れ具合を光線追跡法にて求めたシミュレーション結果
【図１０】実施の形態に係る走査レンズの移動量と走査角度の関係を示す図
【図１１】実施の形態に係るビーム照射装置の他の構成例を示す図
【符号の説明】
【００６２】
３００  レンズアクチュエータ
３０１  走査レンズ
７００  アタッチメントレンズ
９００  ポリゴンミラー
【図１】
0004489038.tif 000002
【図２】
0004489038.tif 000003
【図３】
0004489038.tif 000004
【図４】
0004489038.tif 000005
【図５】
0004489038.tif 000006
【図６】
0004489038.tif 000007
【図７】
0004489038.tif 000008
【図８】
0004489038.tif 000009
【図９】
0004489038.tif 000010
【図１０】
0004489038.tif 000011
【図１１】
0004489038.tif 000012