(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射される光を可動ミラーに照射し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射されて戻される反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて構成された走査型投受光器の光学系において、
前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置されるフレネルレンズであるとともに、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成された貫通した穴部を有し、
前記受光手段が、前記投光手段および前記集光手段の間に位置し、かつ、前記送出光の光路の近傍に配置されたことを特徴とする走査型投受光器の光学系。
【請求項２】
前記投光手段、前記集光手段および前記受光手段を外部から遮断して収容する筐体を備え、該筐体は、前記送出光の光路を横切る側面が前記送出光に垂直な面に対して角度を持つように成形されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型投受光器の光学系。
【請求項３】
光源から出射される光を可動ミラーに照射し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射されて戻されてくる反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて構成された走査型投受光器の光学系において、
前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置されるフレネルレンズであるとともに、前記送出光の入射される側面について、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたり、前記送出光に垂直な面に対して角度を持つ入射面の形成された送出光入射部を有し、
前記受光手段が、前記投光手段および前記集光手段の間に位置し、かつ、前記送出光の光路の近傍に配置されたことを特徴とする走査型投受光器の光学系。
【請求項４】
前記受光手段が、前記集光手段で集光された反射光を受光するフォトセンサと、該フォトセンサを前記集光手段の焦点に応じた位置に保持する保持部材とを備え、
該保持部材が、前記送出光の光路を横切って配置され、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成された貫通した穴部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の走査型投受光器の光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を走査しながら外部に送出するとともに、その送出光が外部で再帰反射されて戻される反射光を集光して受光する機能を備えた走査型投受光器の光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば物体の位置を計測する場合などに、走査型投受光器が光学式センサとして利用されることがある。この走査型投受光器は、光源から出射された光を可動ミラーなどを用いて走査させながら外部に送出するとともに、該走査された光の反射戻り光を受光する機能を備えたものである。このような走査型投受光器の光学系としては、走査される光の反射戻り光を、レンズ等を用いて集光した後にフォトセンサで受光する構成が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の走査型投受光器の構成の１つとして、走査される光の光路にほぼ沿った方向に反射された戻り光を受光するものがあり、例えば、再帰反射板によって再帰反射された光を受光するような場合などが該当する。再帰反射板は、図８に示すように、入射光を光源の方向に反射し、その反射光は光源の周辺に若干の広がりを持ち、また、光源と反射点を結ぶ軸に近いほど強い光が戻ってくるとういう性質を有する。したがって、このような再帰反射板で反射された光を走査型投受光器のフォトセンサで受光するためには、レンズを用いて集光するとともに、その集光位置は送出した光の光路になるべく近い場所に設定することが望ましい。
【０００４】
しかしながら、従来の走査型投受光器の光学系では、送出光の光路の付近に反射戻り光を集光するレンズを配置しようとすると、その集光レンズが送出光の走査領域内に位置するようになり、送出光が集光レンズで曲げられて可動ミラーの動きによらない方向へ走査されてしまうおそれがあった。また、送出光の一部が集光レンズの表面で反射し、その反射光がフォトセンサで受光されてしまうといった問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に着目してなされたもので、光を予め設定された領域に走査して送出するとともに、その反射光を集光して確実に受光することができる簡略な構成で安価な走査型投受光器の光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による走査型投受光器の光学系の１つの態様は、光源から出射される光を可動ミラーに照射し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射されて戻される反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて構成された走査型投受光器の光学系において、前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置されるフレネルレンズであるとともに、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成された貫通した穴部を有し、前記受光手段が、前記投光手段および前記集光手段の間に位置し、かつ、前記送出光の光路の近傍に配置されるようにしたものである。
【０００７】
かかる構成では、光源から出射された光が、可動ミラーにより走査され、フレネルレンズに形成された穴部を通過して外部に送出される。そして、送出光は外部で再帰反射されて戻され、その反射戻り光はフレネルレンズによって集光された後に、送出光の光路の近傍に配置された受光手段で受光される。これにより、送出光の一部がフレネルレンズで反射して受光手段で受光されてしまうというようなことが回避されるようになる。
【０００８】
また、上記の光学系については、前記投光手段、前記集光手段および前記受光手段を外部から遮断して収容する筐体を備え、該筐体は、前記送出光の光路を横切る側面が前記送出光に垂直な面に対して角度を持つように成形されるようにしてもよい。
【０００９】
かかる構成によれば、光学系の各要素が筐体によって外部と遮断されるようになって、外部からの埃等の進入による光学系の汚損の心配がなくなるとともに、送出光の一部が筐体の内面で反射しても該反射光が受光手段で受光されるようなことがなくなるようになる。
【００１０】
本発明による走査型投受光器の光学系の他の態様は、光源から出射される光を可動ミラーに照射し、予め設定された領域を走査する光を外部に送出する投光手段と、該投光手段からの送出光が外部で再帰反射されて戻される反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光された反射光を受光する受光手段と、を備えて構成された走査型投受光器の光学系において、前記集光手段が、前記送出光の光路を横切って配置されるフレネルレンズであるとともに、前記送出光の入射される側面について、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたり、前記送出光に垂直な面に対して角度を持つ入射面の形成された送出光入射部を有し、前記受光手段が、前記投光手段および前記集光手段の間に位置し、かつ、前記送出光の光路の近傍に配置されるものである。
【００１１】
かかる構成では、光源から出射された光が、可動ミラーにより走査され、送出光入射部を介してフレネルレンズを透過し外部に送出される。この際、送出光の一部が送出光入射部の入射面で反射したとしても、その反射光が受光手段で受光されるようなことはない。そして、送出光は外部で再帰反射されて戻され、その反射戻り光はフレネルレンズによって集光された後に、送出光の光路の近傍に配置された受光手段で受光される。
【００１２】
また、前述した各態様の具体的な構成としては、前記受光手段が、前記集光手段で集光された反射光を受光するフォトセンサと、該フォトセンサを前記集光手段の焦点に応じた位置に保持する保持部材とを備え、該保持部材が、前記送出光の光路を横切って配置され、前記送出光の走査領域に対応する範囲にわたって形成された貫通した穴部を有するようにしてもよい。さらに、前記集光手段が、フレネルレンズを含むようにしても構わない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態にかかる走査型投受光器の光学系を示す斜視図である。また、図２は、図１の走査型投受光器の側方断面図である。
【００１４】
図１および図２に示すように、本走査型投受光器の光学系は、例えば、投光手段としてのレーザ光源１および可動ミラー２と、受光手段としてのフォトセンサ５およびそれを取り付ける基板３と、集光手段としてのフレネルレンズ４と、それらの各要素を収容する筐体としてのケース６と、から構成される。ただし、図１では、ケース６の表示を省略し、内部の構成が明らかになるようにしている。
【００１５】
レーザ光源１は、所要の波長のレーザ光を発生する一般的な光源であり、発生したレーザ光が可動ミラー２の鏡面２Ａ中心部付近に照射されるように配置されている。
【００１６】
可動ミラー２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光を揺動可能な鏡面２Ａで全反射させることにより、例えば図で水平方向にレーザ光を走査する。可動ミラー２の具体例としては、共振型ミラーやポリゴンミラーなどを挙げることができる。共振型ミラーを用いる場合には、例えば、本出願人により先に提案されたマイクロマシニング技術を用いて製造した半導体ガルバノミラーなどが好適である（特開平７−１７５００５号公報及び特開平７−２１８８５７号公報等参照）。
【００１７】
基板３は、可動ミラー２とフレネルレンズ４の間に配置され、フレネルレンズ４に対向する平面上にフォトセンサ５が取り付けられている。また、基板３の中央部付近には、可動ミラー２で走査されるレーザ光の走査領域に対応した範囲にわたって貫通した基板穴部３Ａが形成されている。この基板３としては、例えば、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）基板等を用いることが可能である。
【００１８】
フォトセンサ５は、フレネルレンズ４によって集光された光を受光し、電気信号に変換して外部に出力するものである。このフォトセンサ５の基板面上の配置は、フレネルレンズ４の焦点に相当する位置に受光面が位置するように設定され、ここでは、例えば基板穴部３Ａの上方に取り付けられている。
【００１９】
なお、ここでは、レーザ光の走査領域を横切るような形状を有する基板３を用いる場合を示したが、この基板３はフォトセンサ５を所要の位置に保持するために設けられる部材であるので、レーザ光の走査領域を横切らないような形状が可能であれば、もちろん基板穴部３Ａを設ける必要性はない。
【００２０】
フレネルレンズ４は、送出した光の反射光をフォトセンサ５の受光面に集光させるための公知のレンズである。このフレネルレンズ４は、輪帯状の多くのプリズムで作られた薄いレンズであって、輪帯の中心（以下、光学的中心とする）を通る光線を１点に集光する（図２参照）。また、フレネルレンズ４の中央部付近には、基板３と同様にして、レーザ光の走査領域に対応した範囲にわたってレンズ穴部４Ａが形成され、ここでは、例えばフレネルレンズ４の光学的中心から少し下方にずらした部位に貫通した長穴が形成されている。なお、本実施形態では、プラスチック製で板状のフレネルレンズ４を使用することにより、レンズ穴部４Ａの穴あけ加工を容易にしている。ただし、フレネルレンズ４の材質および形状は上記のものに限定されるものではない。図３には、フレネルレンズ４の凹凸面側を拡大して示した平面図およびその側面図を示しておく。
【００２１】
ケース６は、その内部に上述したような光学系の各要素を収容可能な筐体である。このケース６は、送出光およびその反射光が通過する図２で左方に位置する側面がレーザ光に対して透明な材料を用いて形成されているものとする。具体的には、例えば黒色の可視光カットフィルタ等を上記の側面に用いて、外乱光の影響を避けるようにしてもよい。ケース６内に光学系を収容することは、光学系の汚損を防止するという点で重要である。すなわち、第１実施形態では、フレネルレンズ４にレンズ穴部４Ａを形成しているため、光学系をケース６内に収容して外部と遮断しないとすれば、外部から埃などが進入して可動ミラー２やフォトセンサ５等が汚損し、レーザ光の通過や反射光の受光を妨げるおそれがあるためである。また、ここでは、ケース６の光の入出射面（上記の透明な側面）について、送出光に対して垂直な面と平行にならないように角度が設けてある。これは、ケース６の内面でレーザ光が反射して生じる不要光（図２の点線矢印）が、フォトセンサ５に向かって受光されてしまうことを防ぐための措置である。
【００２２】
上記のような光学系を備えた走査型投受光器では、レーザ光源１から出射されたレーザ光が、可動ミラー２で反射されることにより所要の領域内で走査される。この走査されたレーザ光は、基板穴部３Ａ、レンズ穴部４Ａおよびケース６の透明な側面を順に通過して外部に送出される。そして、外部に送出された光は、例えば上述の図８で説明したような再帰反射板等に到達すると、再帰反射されて走査型投受光器に戻される。その反射戻り光は、上述の図２に示したように、ある程度の広がりをもった平行光線となって走査型投受光器に入射し、ケース６の透明な側面を透過した後に、フレネルレンズ４によってフォトセンサ５の受光面に集光される。フォトセンサ５では、集光された反射光が電気信号に変換されて受光信号として外部等に出力される。
【００２３】
このように第１実施形態によれば、外部に送出した光が再帰反射されて戻されてくる光を効率良く受光するために、送出光の光路の近くにフレネルレンズ４を配置するような場合であっても、送出光の走査領域に応じてレンズ穴部４Ａを形成する簡易な加工を施すことによって、送出光がフレネルレンズ４で曲げられて、可動ミラー２の動きによらない方向へ走査されてしまうのを防止できるのと同時に、送出光の一部がフレネルレンズ４の表面で反射してフォトセンサ５で受光されてしまうといった不具合を容易に回避できる。また、レンズ穴部４Ａを形成したフレネルレンズ４等を用いて構成された光学系の各要素については、ケース６内に収容することで外部からの埃等の進入による汚損の心配がなくなり、さらに、ケース６の光の出射面を光軸に対して傾けるようにしたことで、ケース６の内面で反射した不要光がフォトセンサ５で受光されることが殆どなくなり、外部で再帰反射された光を確実に受光することが可能になる。このような光学系を用いた走査型投受光器は、例えばレーザ光の走査領域内に存在する物体の位置などを計測するような各種機器の光学センサとして利用することができる。
【００２４】
次に、第２実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態にかかる走査型投受光器の光学系を示す斜視図である。また、図５は、図４の光学系に用いられるフレネルレンズの構造を示した断面図である。
【００２５】
図４および図５に示すように、第２実施形態における光学系の構成が第１実施形態の場合と異なる部分は、レンズ穴部４Ａの形成されたフレネルレンズ４に代えてフレネルレンズ７を設けた部分である。それ以外の他の部分の構成は、第１実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００２６】
フレネルレンズ７は、基板３に対向する側の平面の中央部付近であって、レーザ光の走査領域に対応した範囲にわたって送出光入射部７Ａが形成されている。この送出光入射部７Ａは、図５の断面図に示すように、送出光の入射される入射面が送出光に垂直な面に対して角度を持つように、すなわち、図で下方に傾くように加工された部分であって、送出光の一部がフレネルレンズ７の表面で反射されることによって発生する不要光をフォトセンサ５に向かわせないようにするために設けられている。
【００２７】
上記のようにフレネルレンズについて、送出光を通過させる貫通した穴部を設ける代わりに送出光入射部７Ａを形成するようにしても、第１実施形態の場合と同様の作用効果を得ることができる。また、貫通した穴部を持たないフレネルレンズ７によって、フォトセンサ５や可動ミラー２等の光学系の構成が外部と遮断されるようになるため、上述の図２に示したようなケース６について、フレネルレンズよりも外側（図２で左方）に位置する部分が不要となり、走査型投受光器の小型化を図ることが可能になる。
【００２８】
なお、上述した第１、２の実施形態では、凹凸面側に入射される平行光線を１点に集光するタイプのフレネルレンズを使用する場合を説明したが、本発明はこれに限らず、凹凸面とは反対側の平面に入射される平行光線を１点に集光するタイプのフレネルレンズを使用してもよい。具体的には、第１実施形態の場合、図６の断面図に示すような、レンズ穴部４Ａ’が形成されたフレネルレンズ４’を、その凹凸面が基板３側を向くようにして配置すればよい。また、第２実施形態の場合には、図７の断面図に示すような、送出光入射部７Ａ’が形成されたフレネルレンズ７’を、その凹凸面が基板３側を向くようにして配置すればよい。
【００２９】
さらに、レーザ光を走査して送出するようにしたが、本発明における光源はレーザに限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、外部に送出した光が再帰反射されて戻されてくる光を、フレネルレンズを用いた集光手段によって効率良く集光して受光手段で受光することができ、かつ、送出光の光路の近くにフレネルレンズを配置するような光学系の構成であっても、送出光の走査領域に応じて、フレネルレンズに貫通した穴部または送出光入射部を設けることによって、送出光がフレネルレンズで曲げられて、可動ミラーの動きによらない方向へ走査されてしまうのを防止できるのと同時に、送出光の一部がフレネルレンズで反射して受光手段で受光されてしまうといった不具合を容易に回避できる。
【００３１】
また、貫通した穴部を形成した集光手段を用いて構成された光学系の各要素を筐体内に収容するとともに、該筐体の送出光の光路を横切る側面を送出光に垂直な面に対して傾けるようにしたことで、外部からの埃等の進入による光学系の汚損を防ぐことができるとともに、筐体の内面で反射した光が受光手段で受光されるようなことを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる走査型投受光器の光学系を示す斜視図である。
【図２】図１の走査型投受光器の側方断面図である。
【図３】第１実施形態についてフレネルレンズの凹凸面側を拡大して示した平面図およびその側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる走査型投受光器の光学系を示す斜視図である。
【図５】図４の光学系に用いられるフレネルレンズの構造を示した断面図である。
【図６】第１実施形態に関連する他のフレネルレンズの構造を示した断面図である。
【図７】第２実施形態に関連する他のフレネルレンズの構造を示した断面図である。
【図８】一般的な再帰反射板の光学特性を説明する図である。
【符号の説明】
１…レーザ光源
２…可動ミラー
２Ａ…鏡面
３…基板
３Ａ…基板穴部
４,４’,７,７’…フレネルレンズ
４Ａ,４Ａ’…レンズ穴部
７Ａ,７Ａ’…送出光入射部
６…ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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