ビーム照射装置
【課題】構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消し得るビーム照射装置を提供することを課題とする。
【解決手段】走査ミラー２０１を２次元駆動してレーザ光を水平方向および垂直方向にスキャンさせる。走査ミラー２０１のレーザ光入射面は、これによって反射されたレーザ光を平行光よりやや拡散した状態に変換するよう設計されており、また、スキャン動作時に走査ミラー２０１がＰ−Ｐ’方向およびＹ軸方向に変位しても、レーザ光の拡散状態が略変化しないような曲面に設計されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、拡散状態が殆ど変わらない状態で、目標領域内をスキャンする。レーザ光は、走査ミラー２０１に反射されても殆どパワー減衰しない。また、一つの走査ミラー２０１を駆動すればよいから構成の簡素化が図られる。
【解決手段】走査ミラー２０１を２次元駆動してレーザ光を水平方向および垂直方向にスキャンさせる。走査ミラー２０１のレーザ光入射面は、これによって反射されたレーザ光を平行光よりやや拡散した状態に変換するよう設計されており、また、スキャン動作時に走査ミラー２０１がＰ−Ｐ’方向およびＹ軸方向に変位しても、レーザ光の拡散状態が略変化しないような曲面に設計されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、拡散状態が殆ど変わらない状態で、目標領域内をスキャンする。レーザ光は、走査ミラー２０１に反射されても殆どパワー減衰しない。また、一つの走査ミラー２０１を駆動すればよいから構成の簡素化が図られる。
【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、レーザ光を用いて前方車両との距離等を検出する検出器が家庭用乗用車等に搭載されている。この検出器には、前方空間にレーザ光を照射するためのビーム照射装置が配備されている。ここで、ビームは、たとえば、ビーム走査用レンズ（走査レンズ）をレーザ光軸に垂直な方向に変位させることにより、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れる。この場合、走査レンズを変位させるための構成として、たとえば特許文献１に示すアクチュエータが用いられる。
【０００３】
しかし、このスキャン機構では、レーザ光が走査レンズに入射する際に、走査レンズ表面にてレーザ光が反射されるとの問題が生じる。特に、走査レンズ周辺部では、レンズ表面に対するレーザ光の傾斜が大きくなるため、走査レンズ表面におけるレーザ光の反射が大きくなってしまう。このため、レーザ光の利用効率の低下がさらに顕著になるとの問題が生じる。
【０００４】
これに対し、特許文献２に記載の発明のように、２つのガルバノミラーを用いてレーザ光をスキャンさせれば、表面反射によるレーザ光の利用効率の低下を回避することができる。しかし、この場合には、２つのガルバノミラーを個別に駆動制御する必要があるため、構成の複雑化ないし大型化の問題が生じ、また、部品点数の増加が招来されるとの問題も生じる。
【特許文献１】特開平１１−８３９８８号公報
【特許文献２】特開平２−２３２６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消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】
【０００６】
上記課題に鑑み本発明は、それぞれ以下の特徴を有する。
【０００７】
請求項１の発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置において、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸を横切る方向に２次元駆動されることにより該レーザ光の反射方向を該駆動方向に平行な方向に変化させる曲面形状の反射面を有するミラーと、前記光軸を横切る前記方向に前記ミラーを２次元駆動するアクチュエータとを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記レーザ光は平行光よりも拡散した状態で前記反射面によって入射され、前記反射面は、平行光よりも拡散しかつ入射時よりも平行光に近づくよう前記レーザ光を収束させる面形状を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のビーム照射装置において、前記光源は、前記ミラーに入射する際の前記レーザ光の光軸と前記ミラーによって反射された前記レーザ光の光軸が不一致となるよう、前記ミラー面に対し斜め方向から前記レーザ光が入射される位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか一項に記載のビーム照射装置において、前記ミラーによって反射されたレーザ光の一部を分離する光学素子と、前記光学素子によって分離された光を受光するとともに受光位置に応じた信号を出力する受光素子と、前記受光素子からの信号をもとに前記目標領域上における前記レーザ光の照射位置を検出する検出回路とをさらに有することを特徴とする。
【００１１】
なお、上記発明における「光源」は、以下の実施形態において、半導体レーザ１００が対応する。また、上記発明における「ミラー」は、以下の実施形態において、走査ミラー２０１が対応する。また、上記発明における「アクチュエータ」は、以下の実施形態において、アクチュエータ２００が対応する。また、上記発明における「光学素子」は、以下の実施形態において、ビームスプリッタ３００が対応する。また、上記発明における「受光素子」は、以下の実施形態において、ＰＳＤ５００が対応する。また、上記発明における「検出回路」は、以下の実施形態において、ＰＳＤ信号処理回路６０、ＡＤＣ７０および制御回路１０が対応する。
【００１２】
ただし、以下の実施形態は、本発明の技術的範囲を何ら制限するものではない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光は、ミラーの駆動に応じて反射方向が変えられ、これにより、目標領域内においてスキャンされる。
【００１４】
本発明によれば、ミラーの反射作用によってレーザ光のスキャンが行われるため、上記特許文献１のように、レンズ表面における反射によってレーザ光の利用効率が低下する等の問題が生じることはない。また、一つのミラーを駆動するのみでスキャン動作が行われるため、上記特許文献２のように、アクチュエータの構成が複雑化ないし大型化することはなく、また、部品点数の増加等の問題が生じることもない。
【００１５】
したがって、本発明によれば、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消し得るビーム照射装置を提供することができる。
【００１６】
本発明の特徴ないし意義は、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、以下の実施形態は、あくまでも、例示であって、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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。図示の如く、ビーム照射装置は、制御回路１０と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）２０と、レーザ駆動回路３０と、アクチュエータ駆動回路４０と、ビーム照射ヘッド５０と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）信号処理回路６０と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０を備えている。
【００１９】
制御回路１０は、レーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０を駆動制御するためのデジタル信号をＤＡＣ２０に出力する。ＤＡＣ２０は、制御回路１０から入力されたデジタル信号をアナログ信号（制御信号）に変換してレーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０に出力する。
【００２０】
レーザ駆動回路３０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内の半導体レーザ１００を駆動する。アクチュエータ駆動回路４０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内のアクチュエータ２００を駆動する。
【００２１】
ビーム照射ヘッド５０は、前方空間に設定された目標領域にレーザ光をスキャンさせながら照射する。なお、ビーム照射ヘッド５０の構成については、追って、図２を参照して詳述する。
【００２２】
ＰＳＤ信号処理回路６０は、ビーム照射ヘッド５０内に配されたＰＳＤ５００から入力された電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧信号をもとに、ＰＳＤ受光面上におけるレーザ光の収束位置を検出する。そして、検出結果に応じて、後述の如く、ビーム照射ヘッド５０から目標領域に照射されるレーザ光の照射位置にサーボを掛ける。
【００２３】
図２に、ビーム照射ヘッド５０の光学系を示す。
【００２４】
図示の如く、ビーム照射ヘッド５０は、半導体レーザ１００と、アクチュエータ２００と、ビームスプリッタ３００と、集光レンズ４００と、ＰＳＤ５００備えている。
【００２５】
半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、アクチュエータ２００に支持された走査ミラー２０１に入射される。ここで、走査ミラー２０１は、レーザ光の入射面が凹曲面とされており、同図のＰ−Ｐ’方向と、これに垂直な同図のＹ軸方向に変位可能となるよう、アクチュエータ２００によって支持されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、Ｙ−Ｚ平面方向に出射角度が変化する。これにより、目標領域におけるレーザ光のスキャンが行われる。
【００２６】
なお、走査ミラー２０１のレーザ光入射面は、これによって反射されたレーザ光を平行光よりやや拡散した状態に変換するよう設計されている。また、この入射面は、スキャン動作時に走査ミラー２０１が同図のＰ−Ｐ’方向およびＹ軸方向に変位しても、レーザ光の拡散状態が略変化しないような曲面に設計されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、拡散状態が殆ど変わらない状態で、目標領域内をスキャンする。
【００２７】
走査ミラーによって反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３００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（照射レーザ光）から分離される。分離されたレーザ光（分離光）は、集光レンズ４００を通してＰＳＤ５００上に収束される。ＰＳＤ５００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、ＰＳＤ５００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。
【００２８】
ＰＳＤ５００からの出力電流は、上記の如く、ＰＳＤ信号処理回路６０に入力される。ＰＳＤ信号処理回路６０は、入力された電流から分離光の収束位置を表す電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧信号をもとに、受光面上における分離光の収束位置を検出する。
【００２９】
図３に、アクチュエータ２００の構成（分解斜視図）を示す。
【００３０】
同図を参照して、走査ミラー２０１は、ミラーホルダー２０２中央の開口に装着される。ミラーホルダー２０２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２０３中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク２０３は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材２０５の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材２０５に、ヨーク２０３の舌片を挟むようにして磁石２０４が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材２０５が磁石２０４とともにベース（図示せず）に装着される。
【００３１】
さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材２０６が装着されており、このワイヤー固定部材２０６にワイヤー２０７を介してミラーホルダー２０２が弾性支持される。ミラーホルダー２０２には四隅にワイヤー２０７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２０７を嵌入した後、ワイヤー２０７の両端をワイヤー固定部材２０６に固着する。これにより、ミラーホルダー２０２がワイヤー２０７を介してワイヤー固定部材２０６に弾性支持される。
【００３２】
駆動時には、ミラーホルダー２０２に装着されている各コイルに、上記アクチュエータ駆動回路４０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、走査ミラー２０１がミラーホルダー２０２とともに２次元駆動される。
【００３３】
図４は、アクチュエータ２００を駆動して走査ミラー２０１を、図２の中立位置からＰ’方向に変位させたときのレーザ光の光路を示すものである。なお、図中、点線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときのレーザ光の光路を示している。また、図中の破線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの状態を示している。
【００３４】
この場合、照射レーザ光の照射方向（Ｌ’）は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向（Ｌ）から反時計方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＸ軸方向左側に所定量だけシフトする。ここで、照射レーザ光の変化角度と、分離光のシフト量は、上記の如く、一対一に対応している。したがって、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３５】
図５は、アクチュエータ２００を駆動して走査ミラー２０１を、図２の中立位置からＰ方向に変位させたときのレーザ光の光路を示すものである。なお、図中、点線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときのレーザ光の光路を示している。また、図中の破線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの状態を示している。
【００３６】
この場合、照射レーザ光の照射方向（Ｌ’）は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向（Ｌ）から時計方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＸ軸方向右側に所定量だけシフトする。上記と同様、照射レーザ光の変化角度と、分離光のシフト量は、一対一に対応している。したがって、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３７】
走査ミラー２０１をＹ軸方向に変位させたときには、図４と図５の場合と同様、照射レーザ光の照射方向は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向から走査ミラー２０１の変位方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置も、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＹ軸方向に所定量だけシフトする。したがって、この場合も、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３８】
図６は、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光のスポット軌道の一例を示すものである。かかる場合、制御回路１０は、分離光の収束位置を目標軌道に引き込むよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。
【００３９】
今、分離光の収束位置がＰ(x,y)にあり、このとき、目標軌道上にあるべき収束位置がＰ’(x',y')であるとする。ここで、目標軌道上の収束位置Ｐ’(x',y')は、制御回路１０内に設定された軌道テーブルから取得される。具体的には、照射レーザ光のスキャン位置に対応する収束位置が軌道テーブルから取得される。
【００４０】
このとき、制御回路１０は、Ｐ(x,y)とＰ’(x',y')をもとに、Ｅx＝ｘ−ｘ’とＥy＝ｙ−ｙ’を演算し、演算結果をもとに、Ｅx＝０、Ｅy＝０になるよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。これにより、照射レーザ光のスキャン位置は、当該タイミングにおいてスキャン軌道上にあるべきスキャン位置方向に引き戻される。これに応じて、分離光の収束位置も、当該タイミングにおいて目標軌道上にあるべき収束位置Ｐ’(x',y')の方向に引き込まれる。かかるサーボ動作によって、照射レーザ光は所期のスキャン軌道に追従するようスキャンされる。
【００４１】
かかるスキャンサーボは、たとえば、レーザ光を低パワーにて発光させながら行われる。スキャンサーボの際、制御回路１０は、分離光の収束位置が、障害物検出や距離検出等を行うための位置（発光点）として予め設定された位置に到達したかを監視する。そして、収束位置が発光点に到達したタイミングにて、半導体レーザ１００の出射パワーを一定期間だけパルス状に高レベルに設定する。
【００４２】
目標領域に障害物がある場合、パルス光の反射光が検出器の受光部によって受光される。検出器は、反射光の受光をもとに、目標領域に障害物が存在することを検出する。そして、パルス光の発光タイミングと反射光の受光タイミングの時間差から、当該障害物までの距離を算出する。
【００４３】
以上のように、本実施の形態によれば、ＰＳＤ受光面上における分離光の収束位置を逐次モニタすることにより、照射レーザ光のスキャン動作にサーボが掛けられる。このとき、照射レーザ光は、走査ミラー２０１の駆動に応じて反射方向が変えられ、これにより、目標領域内においてスキャンされる。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、走査ミラー２０１の反射作用によって照射レーザ光のスキャンが行われるため、上記特許文献１のように、レンズ表面における反射によってレーザ光の利用効率に低下が生じることはない。また、一つの走査ミラー２０１を駆動するのみでレーザ光のスキャン動作が実現されるから、上記特許文献２のように、アクチュエータの構成の複雑化ないし大型化の問題や、部品点数の増加等の問題が生じることもない。
【００４５】
したがって、本実施の形態によれば、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消し得るビーム照射装置を提供することができる。
【００４６】
なお、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であることは言うまでもない。
【００４７】
たとえば、上記実施の形態では、電磁駆動回路を用いて走査ミラー２０１を駆動するようにしたが、圧電素子等の他の駆動手段を用いて走査ミラー２０１を駆動するように構成することもできる。
【００４８】
また、上記実施の形態では、半導体レーザ１００からのレーザ光の一部をビームスプリッタ３００で分離してＰＳＤ５００上に収束させるようにしたが、たとえば図７に示すように、サーボ用のレーザ光を発する半導体レーザ（サーボ用レーザ６０１）を別途配し、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光をＰＳＤ５００上に収束させるようにしても良い。
【００４９】
この場合、半導体レーザ１００を常時発光させる必要がないため、半導体レーザ１００の長寿命化を図ることができる。また、サーボ用レーザ６０１は高出力で発光させる必要がないため、装置全体の消費電力を低減させることもできる。
【００５０】
なお、図７の構成例では、ダイクロイックミラー６０２、６０３によって、半導体レーザ１００からのレーザ光とサーボ用レーザ６０１からのレーザ光の光路調整が行われる。すなわち、この構成例では、半導体レーザ１００とサーボ用レーザ６０１の出射レーザ波長が相違しており、ダイクロックミラー６０２および６０３は、それぞれ、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光を略全反射し、半導体レーザ１００からのレーザ光を略透過するよう設計されている。かかる構成により、半導体レーザ１００からのレーザ光は、ダイクロイックミラー６０３を透過して目標領域へと導かれ、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光は、ダイクロイックミラー６０３によって反射されＰＳＤ５００へと導かれる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、ＰＳＤ５００からの検出信号をもとに、アクチュエータ２００の駆動にサーボを掛けるようにしたが、たとえば、アクチュエータを圧電素子等によって駆動する場合等、走査レンズの駆動状態が振動や外乱による影響を受け難いような場合には、サーボのための構成を省略することもできる。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、半導体レーザ１００からのレーザ光を斜め方向から走査ミラー２０１に入射させるようにしたが、レーザ光の入射方向はこれに限定されるものではなく、たとえば図８に示すように、正面方向から、レーザ光を走査ミラー２０１に入射させるようにしても良い。図８の構成例では、半導体レーザ１００からのレーザ光は偏光ビームスプリッタ７０１にて略全反射された後、λ／４板７０２にて円偏光に変換され、走査ミラー２０１に入射される。走査ミラー２０１からの反射光は、λ／４板７０２を再び通ることにより、走査ミラー２０１への入射時に比べ偏光面が９０度回転し、偏光ミラー７０１を略透過する。以降の光路は、上記実施の形態と同様である。
【００５３】
なお、走査ミラー２０１の反射面は、たとえば、走査ミラー２０１を図２のＰ−Ｐ’方向に所定量だけ変位させたときのレーザ光の変位角と、これと同じ量だけ走査ミラーＹ軸方向に変位させたときのレーザ光の変位角が相違するように設定することもできる。走査ミラー２０１の反射面は、レーザ光の走査目的に応じた形状に、適宜、設計可能である。
【００５４】
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】
【００５５】
【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】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成を示す図
【図３】実施の形態に係るアクチュエータ２００の構成を示す図
【図４】実施の形態に係る走査ミラー駆動時のレーザ光の光路状態を示す図
【図５】実施の形態に係る走査ミラー駆動時のレーザ光の光路状態を示す図
【図６】実施の形態に係る軌道サーボの掛け方を説明する図
【図７】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成の変更例を示す図
【図８】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成の変更例を示す図
【符号の説明】
【００５６】
１０ 制御回路
６０ ＰＳＤ信号処理回路６０
７０ ＡＤＣ
１００ 半導体レーザ
２００ アクチュエータ
２０１ 走査ミラー
３００ ビームスプリッタ
４００ 集光レンズ
５００ ＰＳＤ
【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、レーザ光を用いて前方車両との距離等を検出する検出器が家庭用乗用車等に搭載されている。この検出器には、前方空間にレーザ光を照射するためのビーム照射装置が配備されている。ここで、ビームは、たとえば、ビーム走査用レンズ（走査レンズ）をレーザ光軸に垂直な方向に変位させることにより、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れる。この場合、走査レンズを変位させるための構成として、たとえば特許文献１に示すアクチュエータが用いられる。
【０００３】
しかし、このスキャン機構では、レーザ光が走査レンズに入射する際に、走査レンズ表面にてレーザ光が反射されるとの問題が生じる。特に、走査レンズ周辺部では、レンズ表面に対するレーザ光の傾斜が大きくなるため、走査レンズ表面におけるレーザ光の反射が大きくなってしまう。このため、レーザ光の利用効率の低下がさらに顕著になるとの問題が生じる。
【０００４】
これに対し、特許文献２に記載の発明のように、２つのガルバノミラーを用いてレーザ光をスキャンさせれば、表面反射によるレーザ光の利用効率の低下を回避することができる。しかし、この場合には、２つのガルバノミラーを個別に駆動制御する必要があるため、構成の複雑化ないし大型化の問題が生じ、また、部品点数の増加が招来されるとの問題も生じる。
【特許文献１】特開平１１−８３９８８号公報
【特許文献２】特開平２−２３２６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消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】
【０００６】
上記課題に鑑み本発明は、それぞれ以下の特徴を有する。
【０００７】
請求項１の発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置において、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸を横切る方向に２次元駆動されることにより該レーザ光の反射方向を該駆動方向に平行な方向に変化させる曲面形状の反射面を有するミラーと、前記光軸を横切る前記方向に前記ミラーを２次元駆動するアクチュエータとを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のビーム照射装置において、前記レーザ光は平行光よりも拡散した状態で前記反射面によって入射され、前記反射面は、平行光よりも拡散しかつ入射時よりも平行光に近づくよう前記レーザ光を収束させる面形状を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のビーム照射装置において、前記光源は、前記ミラーに入射する際の前記レーザ光の光軸と前記ミラーによって反射された前記レーザ光の光軸が不一致となるよう、前記ミラー面に対し斜め方向から前記レーザ光が入射される位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか一項に記載のビーム照射装置において、前記ミラーによって反射されたレーザ光の一部を分離する光学素子と、前記光学素子によって分離された光を受光するとともに受光位置に応じた信号を出力する受光素子と、前記受光素子からの信号をもとに前記目標領域上における前記レーザ光の照射位置を検出する検出回路とをさらに有することを特徴とする。
【００１１】
なお、上記発明における「光源」は、以下の実施形態において、半導体レーザ１００が対応する。また、上記発明における「ミラー」は、以下の実施形態において、走査ミラー２０１が対応する。また、上記発明における「アクチュエータ」は、以下の実施形態において、アクチュエータ２００が対応する。また、上記発明における「光学素子」は、以下の実施形態において、ビームスプリッタ３００が対応する。また、上記発明における「受光素子」は、以下の実施形態において、ＰＳＤ５００が対応する。また、上記発明における「検出回路」は、以下の実施形態において、ＰＳＤ信号処理回路６０、ＡＤＣ７０および制御回路１０が対応する。
【００１２】
ただし、以下の実施形態は、本発明の技術的範囲を何ら制限するものではない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光は、ミラーの駆動に応じて反射方向が変えられ、これにより、目標領域内においてスキャンされる。
【００１４】
本発明によれば、ミラーの反射作用によってレーザ光のスキャンが行われるため、上記特許文献１のように、レンズ表面における反射によってレーザ光の利用効率が低下する等の問題が生じることはない。また、一つのミラーを駆動するのみでスキャン動作が行われるため、上記特許文献２のように、アクチュエータの構成が複雑化ないし大型化することはなく、また、部品点数の増加等の問題が生じることもない。
【００１５】
したがって、本発明によれば、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消し得るビーム照射装置を提供することができる。
【００１６】
本発明の特徴ないし意義は、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、以下の実施形態は、あくまでも、例示であって、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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。図示の如く、ビーム照射装置は、制御回路１０と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）２０と、レーザ駆動回路３０と、アクチュエータ駆動回路４０と、ビーム照射ヘッド５０と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）信号処理回路６０と、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）７０を備えている。
【００１９】
制御回路１０は、レーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０を駆動制御するためのデジタル信号をＤＡＣ２０に出力する。ＤＡＣ２０は、制御回路１０から入力されたデジタル信号をアナログ信号（制御信号）に変換してレーザ駆動回路３０およびアクチュエータ駆動回路４０に出力する。
【００２０】
レーザ駆動回路３０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内の半導体レーザ１００を駆動する。アクチュエータ駆動回路４０は、ＤＡＣ２０から入力された制御信号に応じて、ビーム照射ヘッド５０内のアクチュエータ２００を駆動する。
【００２１】
ビーム照射ヘッド５０は、前方空間に設定された目標領域にレーザ光をスキャンさせながら照射する。なお、ビーム照射ヘッド５０の構成については、追って、図２を参照して詳述する。
【００２２】
ＰＳＤ信号処理回路６０は、ビーム照射ヘッド５０内に配されたＰＳＤ５００から入力された電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧信号をもとに、ＰＳＤ受光面上におけるレーザ光の収束位置を検出する。そして、検出結果に応じて、後述の如く、ビーム照射ヘッド５０から目標領域に照射されるレーザ光の照射位置にサーボを掛ける。
【００２３】
図２に、ビーム照射ヘッド５０の光学系を示す。
【００２４】
図示の如く、ビーム照射ヘッド５０は、半導体レーザ１００と、アクチュエータ２００と、ビームスプリッタ３００と、集光レンズ４００と、ＰＳＤ５００備えている。
【００２５】
半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、アクチュエータ２００に支持された走査ミラー２０１に入射される。ここで、走査ミラー２０１は、レーザ光の入射面が凹曲面とされており、同図のＰ−Ｐ’方向と、これに垂直な同図のＹ軸方向に変位可能となるよう、アクチュエータ２００によって支持されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、Ｙ−Ｚ平面方向に出射角度が変化する。これにより、目標領域におけるレーザ光のスキャンが行われる。
【００２６】
なお、走査ミラー２０１のレーザ光入射面は、これによって反射されたレーザ光を平行光よりやや拡散した状態に変換するよう設計されている。また、この入射面は、スキャン動作時に走査ミラー２０１が同図のＰ−Ｐ’方向およびＹ軸方向に変位しても、レーザ光の拡散状態が略変化しないような曲面に設計されている。したがって、走査ミラー２０１によって反射されたレーザ光は、アクチュエータ２００の駆動に応じて、拡散状態が殆ど変わらない状態で、目標領域内をスキャンする。
【００２７】
走査ミラーによって反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３００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（照射レーザ光）から分離される。分離されたレーザ光（分離光）は、集光レンズ４００を通してＰＳＤ５００上に収束される。ＰＳＤ５００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、ＰＳＤ５００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。
【００２８】
ＰＳＤ５００からの出力電流は、上記の如く、ＰＳＤ信号処理回路６０に入力される。ＰＳＤ信号処理回路６０は、入力された電流から分離光の収束位置を表す電圧信号をＡＤＣ７０に出力する。ＡＤＣ７０は、入力された電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路１０に出力する。制御回路１０は、入力された電圧信号をもとに、受光面上における分離光の収束位置を検出する。
【００２９】
図３に、アクチュエータ２００の構成（分解斜視図）を示す。
【００３０】
同図を参照して、走査ミラー２０１は、ミラーホルダー２０２中央の開口に装着される。ミラーホルダー２０２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２０３中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク２０３は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材２０５の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材２０５に、ヨーク２０３の舌片を挟むようにして磁石２０４が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材２０５が磁石２０４とともにベース（図示せず）に装着される。
【００３１】
さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材２０６が装着されており、このワイヤー固定部材２０６にワイヤー２０７を介してミラーホルダー２０２が弾性支持される。ミラーホルダー２０２には四隅にワイヤー２０７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２０７を嵌入した後、ワイヤー２０７の両端をワイヤー固定部材２０６に固着する。これにより、ミラーホルダー２０２がワイヤー２０７を介してワイヤー固定部材２０６に弾性支持される。
【００３２】
駆動時には、ミラーホルダー２０２に装着されている各コイルに、上記アクチュエータ駆動回路４０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、走査ミラー２０１がミラーホルダー２０２とともに２次元駆動される。
【００３３】
図４は、アクチュエータ２００を駆動して走査ミラー２０１を、図２の中立位置からＰ’方向に変位させたときのレーザ光の光路を示すものである。なお、図中、点線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときのレーザ光の光路を示している。また、図中の破線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの状態を示している。
【００３４】
この場合、照射レーザ光の照射方向（Ｌ’）は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向（Ｌ）から反時計方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＸ軸方向左側に所定量だけシフトする。ここで、照射レーザ光の変化角度と、分離光のシフト量は、上記の如く、一対一に対応している。したがって、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３５】
図５は、アクチュエータ２００を駆動して走査ミラー２０１を、図２の中立位置からＰ方向に変位させたときのレーザ光の光路を示すものである。なお、図中、点線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときのレーザ光の光路を示している。また、図中の破線は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの状態を示している。
【００３６】
この場合、照射レーザ光の照射方向（Ｌ’）は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向（Ｌ）から時計方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＸ軸方向右側に所定量だけシフトする。上記と同様、照射レーザ光の変化角度と、分離光のシフト量は、一対一に対応している。したがって、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３７】
走査ミラー２０１をＹ軸方向に変位させたときには、図４と図５の場合と同様、照射レーザ光の照射方向は、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの照射方向から走査ミラー２０１の変位方向に所定角度だけ変化する。また、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光の収束位置も、走査ミラー２０１が中立位置にあるときの収束位置からＹ軸方向に所定量だけシフトする。したがって、この場合も、分離光の収束位置をもって照射レーザ光の照射位置を検出することができる。
【００３８】
図６は、ＰＳＤ５００の受光面上における分離光のスポット軌道の一例を示すものである。かかる場合、制御回路１０は、分離光の収束位置を目標軌道に引き込むよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。
【００３９】
今、分離光の収束位置がＰ(x,y)にあり、このとき、目標軌道上にあるべき収束位置がＰ’(x',y')であるとする。ここで、目標軌道上の収束位置Ｐ’(x',y')は、制御回路１０内に設定された軌道テーブルから取得される。具体的には、照射レーザ光のスキャン位置に対応する収束位置が軌道テーブルから取得される。
【００４０】
このとき、制御回路１０は、Ｐ(x,y)とＰ’(x',y')をもとに、Ｅx＝ｘ−ｘ’とＥy＝ｙ−ｙ’を演算し、演算結果をもとに、Ｅx＝０、Ｅy＝０になるよう、アクチュエータ駆動回路４０にサーボ信号を供給する。これにより、照射レーザ光のスキャン位置は、当該タイミングにおいてスキャン軌道上にあるべきスキャン位置方向に引き戻される。これに応じて、分離光の収束位置も、当該タイミングにおいて目標軌道上にあるべき収束位置Ｐ’(x',y')の方向に引き込まれる。かかるサーボ動作によって、照射レーザ光は所期のスキャン軌道に追従するようスキャンされる。
【００４１】
かかるスキャンサーボは、たとえば、レーザ光を低パワーにて発光させながら行われる。スキャンサーボの際、制御回路１０は、分離光の収束位置が、障害物検出や距離検出等を行うための位置（発光点）として予め設定された位置に到達したかを監視する。そして、収束位置が発光点に到達したタイミングにて、半導体レーザ１００の出射パワーを一定期間だけパルス状に高レベルに設定する。
【００４２】
目標領域に障害物がある場合、パルス光の反射光が検出器の受光部によって受光される。検出器は、反射光の受光をもとに、目標領域に障害物が存在することを検出する。そして、パルス光の発光タイミングと反射光の受光タイミングの時間差から、当該障害物までの距離を算出する。
【００４３】
以上のように、本実施の形態によれば、ＰＳＤ受光面上における分離光の収束位置を逐次モニタすることにより、照射レーザ光のスキャン動作にサーボが掛けられる。このとき、照射レーザ光は、走査ミラー２０１の駆動に応じて反射方向が変えられ、これにより、目標領域内においてスキャンされる。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、走査ミラー２０１の反射作用によって照射レーザ光のスキャンが行われるため、上記特許文献１のように、レンズ表面における反射によってレーザ光の利用効率に低下が生じることはない。また、一つの走査ミラー２０１を駆動するのみでレーザ光のスキャン動作が実現されるから、上記特許文献２のように、アクチュエータの構成の複雑化ないし大型化の問題や、部品点数の増加等の問題が生じることもない。
【００４５】
したがって、本実施の形態によれば、構成の複雑化とレーザ光の利用効率の低下を同時に解消し得るビーム照射装置を提供することができる。
【００４６】
なお、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であることは言うまでもない。
【００４７】
たとえば、上記実施の形態では、電磁駆動回路を用いて走査ミラー２０１を駆動するようにしたが、圧電素子等の他の駆動手段を用いて走査ミラー２０１を駆動するように構成することもできる。
【００４８】
また、上記実施の形態では、半導体レーザ１００からのレーザ光の一部をビームスプリッタ３００で分離してＰＳＤ５００上に収束させるようにしたが、たとえば図７に示すように、サーボ用のレーザ光を発する半導体レーザ（サーボ用レーザ６０１）を別途配し、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光をＰＳＤ５００上に収束させるようにしても良い。
【００４９】
この場合、半導体レーザ１００を常時発光させる必要がないため、半導体レーザ１００の長寿命化を図ることができる。また、サーボ用レーザ６０１は高出力で発光させる必要がないため、装置全体の消費電力を低減させることもできる。
【００５０】
なお、図７の構成例では、ダイクロイックミラー６０２、６０３によって、半導体レーザ１００からのレーザ光とサーボ用レーザ６０１からのレーザ光の光路調整が行われる。すなわち、この構成例では、半導体レーザ１００とサーボ用レーザ６０１の出射レーザ波長が相違しており、ダイクロックミラー６０２および６０３は、それぞれ、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光を略全反射し、半導体レーザ１００からのレーザ光を略透過するよう設計されている。かかる構成により、半導体レーザ１００からのレーザ光は、ダイクロイックミラー６０３を透過して目標領域へと導かれ、サーボ用レーザ６０１からのレーザ光は、ダイクロイックミラー６０３によって反射されＰＳＤ５００へと導かれる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、ＰＳＤ５００からの検出信号をもとに、アクチュエータ２００の駆動にサーボを掛けるようにしたが、たとえば、アクチュエータを圧電素子等によって駆動する場合等、走査レンズの駆動状態が振動や外乱による影響を受け難いような場合には、サーボのための構成を省略することもできる。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、半導体レーザ１００からのレーザ光を斜め方向から走査ミラー２０１に入射させるようにしたが、レーザ光の入射方向はこれに限定されるものではなく、たとえば図８に示すように、正面方向から、レーザ光を走査ミラー２０１に入射させるようにしても良い。図８の構成例では、半導体レーザ１００からのレーザ光は偏光ビームスプリッタ７０１にて略全反射された後、λ／４板７０２にて円偏光に変換され、走査ミラー２０１に入射される。走査ミラー２０１からの反射光は、λ／４板７０２を再び通ることにより、走査ミラー２０１への入射時に比べ偏光面が９０度回転し、偏光ミラー７０１を略透過する。以降の光路は、上記実施の形態と同様である。
【００５３】
なお、走査ミラー２０１の反射面は、たとえば、走査ミラー２０１を図２のＰ−Ｐ’方向に所定量だけ変位させたときのレーザ光の変位角と、これと同じ量だけ走査ミラーＹ軸方向に変位させたときのレーザ光の変位角が相違するように設定することもできる。走査ミラー２０１の反射面は、レーザ光の走査目的に応じた形状に、適宜、設計可能である。
【００５４】
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】
【００５５】
【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】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成を示す図
【図３】実施の形態に係るアクチュエータ２００の構成を示す図
【図４】実施の形態に係る走査ミラー駆動時のレーザ光の光路状態を示す図
【図５】実施の形態に係る走査ミラー駆動時のレーザ光の光路状態を示す図
【図６】実施の形態に係る軌道サーボの掛け方を説明する図
【図７】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成の変更例を示す図
【図８】実施の形態に係るビーム照射ヘッド５０の構成の変更例を示す図
【符号の説明】
【００５６】
１０ 制御回路
６０ ＰＳＤ信号処理回路６０
７０ ＡＤＣ
１００ 半導体レーザ
２００ アクチュエータ
２０１ 走査ミラー
３００ ビームスプリッタ
４００ 集光レンズ
５００ ＰＳＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置において、
レーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸を横切る方向に２次元駆動されることにより該レーザ光の反射方向を該駆動方向に平行な方向に変化させる曲面形状の反射面を有するミラーと、
前記光軸を横切る前記方向に前記ミラーを２次元駆動するアクチュエータと、
を有す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、
前記レーザ光は平行光よりも拡散した状態で前記反射面によって入射され、前記反射面は、平行光よりも拡散しかつ入射時よりも平行光に近づくよう前記レーザ光を収束させる面形状を有する、
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、
前記光源は、前記ミラーに入射する際の前記レーザ光の光軸と前記ミラーによって反射された前記レーザ光の光軸が不一致となるよう、前記ミラー面に対し斜め方向から前記レーザ光が入射される位置に配置されている、
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、
前記ミラーによって反射されたレーザ光の一部を分離する光学素子と、
前記光学素子によって分離された光を受光するとともに受光位置に応じた信号を出力する受光素子と、
前記受光素子からの信号をもとに前記目標領域上における前記レーザ光の照射位置を検出する検出回路とをさらに有する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項１】
目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置において、
レーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光が入射されるとともに該レーザ光の光軸を横切る方向に２次元駆動されることにより該レーザ光の反射方向を該駆動方向に平行な方向に変化させる曲面形状の反射面を有するミラーと、
前記光軸を横切る前記方向に前記ミラーを２次元駆動するアクチュエータと、
を有す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、
前記レーザ光は平行光よりも拡散した状態で前記反射面によって入射され、前記反射面は、平行光よりも拡散しかつ入射時よりも平行光に近づくよう前記レーザ光を収束させる面形状を有する、
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、
前記光源は、前記ミラーに入射する際の前記レーザ光の光軸と前記ミラーによって反射された前記レーザ光の光軸が不一致となるよう、前記ミラー面に対し斜め方向から前記レーザ光が入射される位置に配置されている、
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、
前記ミラーによって反射されたレーザ光の一部を分離する光学素子と、
前記光学素子によって分離された光を受光するとともに受光位置に応じた信号を出力する受光素子と、
前記受光素子からの信号をもとに前記目標領域上における前記レーザ光の照射位置を検出する検出回路とをさらに有する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２４８１７９（Ｐ２００７−２４８１７９Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７０３０９（Ｐ２００６−７０３０９）
【出願日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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