光ビームスキャナ及びレーザレーダユニット
【課題】水平方向の広い角度を走査した場合においても垂直方向において変動の少ない光ビームスキャナを提供する。
【解決手段】光源と、前記光源からの光を走査する光スキャナと、前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、を有し、前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする光ビームスキャナを提供することにより上記課題を解決する。
【解決手段】光源と、前記光源からの光を走査する光スキャナと、前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、を有し、前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする光ビームスキャナを提供することにより上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームスキャナ及びレーザレーザユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
走行路に存在する先行車両や障害物の判別、または、道路の車線区分を示す白線やキャッツアイ等のレーンマーカの検出のために、車両等に搭載される走査型レーザレーダを用いた物体種別判別装置が一般的に用いられている。レーザレーダ装置は、車両等の前方にレーザ光を出射し、出射されたレーザ光が先行車両や障害物等において反射され、この反射光を受光することにより、車両等の前方に存在している先行車両や障害物等を検出することができる。
【０００３】
一般的な走査型レーザレーダ装置の動作原理について図１に基づき説明する。図１に示されるように、このレーザレーダ装置では、送光部９１０、受光部９２０、制御部となるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）９３０等を有している。尚、送光部９１０及び受光部９２０は、自動車等の車両の前方に存在している物体を検出することができるように、車両の前方に設置されている。
【０００４】
送光部９１０は、パルス状のレーザ光を出射する半導体レーザダイオード（ＬＤ：laser diode）９１１、光スキャナ９１２、ＬＤ９１１からの光を光スキャナ９１２に導くための入力光学系９１３、光スキャナ９１２を通過した光ビームについて、路面対する傾斜角等を制御するための出力光学系９１４等を備えている。ＬＤ９１１は、ＬＤ駆動回路９１５を介してＥＣＵ９３０に接続されており、ＥＣＵ９３０からの駆動信号によりレーザ光を出射する。光スキャナ９１２は、光スキャナ駆動回路９１６を介しＥＣＵ９３０と接続されており、所定の固定周波数でＬＤ９１１から出射された光ビームを水平方向に繰り返し走査する。光スキャナ９１２における光ビームの走査角は走査角モニタ９１７によって検出され、ＥＣＵ９３０側に出力され、光スキャナ駆動信号にフィードバックすることにより走査角度及び走査周波数を制御する。
【０００５】
受光部９２０は、受光レンズ９２１及び受光素子９２２等を有しており、車両前方の物体から反射されたレーザ光は受光レンズ９２１及び不図示のミラー素子等を介し受光素子９２２に入射する。受光素子９２２は、フォトダイオード等により形成されており、反射光における光強度に対応する電圧値の電気信号を出力する。受光素子９２２より出力された電気信号は、増幅器９４１において増幅され、コンパレータ９４２に出力される。コンパレータ９４２では増幅器９４１からの出力電圧の値を基準電圧Ｖ０と比較し、出力電圧の値がＶ０よりも大きくなったときに、所定の受光信号を時間計測回路９４３に出力する。
【０００６】
時間計測回路９４３には、ＥＣＵ９３０からＬＤ駆動回路９１５へ出力される駆動信号も入力しており、ＬＤ駆動信号を出力してから所定の受光信号が発生するまでの時間、即ち、レーザ光を出射した時刻と、反射光を受光した時刻の時間差を計測時間データとして、ＥＣＵ９３０に出力する。この計測時間データに基づいて、ＥＣＵ９３０において、物体までの距離を容易に算出することができる。
【０００７】
このような構成の走査型レーザレーダ装置において、送光部９１０に用いられる光スキャナ９１２として、ポリゴンミラーやガルバノミラー等を用いたものがあり、例えば、図２に示すように、ポリゴンミラー等の走査ミラー９５１の脇にＬＤ９１１及びコリメートレンズ等の入力光学系９１３を配置したものがある。この光スキャナ９１２においては、ＬＤ９１１から出射されたレーザ光は入力光学系９１３を介し、ミラー９５２で反射され、走査ミラー９５１におけるミラー面９５１ａに照射される。走査ミラー９５１は回転軸９５１ｂを中心に回転しており、ミラー面９５１ａに照射された光は反射されるため、水平方向において広範囲にレーザビームを出射させ走査することができる。これにより、広範囲な領域において距離測定が可能となる。
【０００８】
また、近年では、垂直方向においても光ビームを走査する２次元走査や、垂直方向の測定領域の異なる光ビームを水平に走査する複数ラインの走査が要求されている。このような２次元スキャンまたは複数ライン走査を実現するための手段としては、走査方向が９０°、異なるミラー等の走査デバイスを直列に接続し、水平方向に光ビームを走査した直後に垂直方向のビーム走査を行なう構造のものの他、より簡便に複数ライン走査を達成するために、回転ポリゴンミラーの光軸に対して反射面に倒れ角を設け、複数の反射面に対して互いに倒れ角が異なるように形成した構造のものがある。
【０００９】
例えば、特許文献１には、各面倒れ角の異なるポリゴンミラーを用いたレーザレーダ装置において、測定領域の左右両端の垂直方向における測定範囲の差を小さくする目的で、ポリゴンミラーの上部後方にレーザダイオードを配置し、更に、ポリゴンミラーの正面に配置した折返しミラーによって、レーザダイオードから出射された光ビームをポリゴンミラーのミラー面へ正面から入射させる構成のものが開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には、光を３６０°全方位に出射することができるように、発光素子の下にミラー等の偏向部を設けた構成のものが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の面倒れ面を備えた回転ポリゴンミラーによる複数ビーム走査方式では、水平方向のスキャン角度（出射角、出力角）が増大すると垂直方向の出射角度が変動してしまうという問題点があった。具体的に説明すると、ミラー面に対してＬＤからの光ビームが対面して入射した場合、所定の倒れ角の２倍の垂直方向の出力角で反射され出射されるが、ポリゴンミラーの回転に伴い、ミラー面に対して浅い角度で光ビームが入射する場合には、垂直方向に十分な出射角度が得られない。このため、特に水平方向におけるスキャン角度が全角６０°を超えるような広角の走査範囲においては、複数の走査ビームによる測定領域全域を考えたときに、水平方向の走査角が大きくなるほど、垂直方向の測定範囲が限定され、十分な測定領域を確保することができないという問題があった。
【００１２】
また、特許文献１に記載されているレーザレーダ装置では、広角のスキャン範囲に対しては、ビーム歪みを抑制する効果が低く、また、ポリゴンミラーの上部にレーザダイオードを配置する構成のため、ユニットの小型化、特にユニットの薄型化が困難となる。
【００１３】
また、特許文献１に記載されているものでは、出射される光は走査することができるが、受光部は走査されないため、検出範囲が狭く、また、検出範囲を広くしようとすると検出感度が低下してしまう。
【００１４】
また、特許文献２に記載されているものでは、ミラー等の偏向部の上に発光素子を設けた構造のものであるため、装置を縦方向に縮小することが困難であり、装置が大型化してしまう。
【００１５】
ここで、縦方向に縮小するために、ミラー等に対して光ビームを水平方向となる側面より入射させる方法があるが、回転しているミラー等に水平方向より光ビームを入射させると、走査される光ビームが曲がってしまい、測定エリアが台形になったり、変形したりするため、所望の測定領域における測定を行なうことができないといった問題点がある。
【００１６】
よって、本発明は、複数ラインを走査するための光ビームスキャナにおいて、水平方向の出力角が広い場合であっても、垂直方向の出力角の変動が少なく、十分な測定領域を確保するとともに、測定範囲における歪みを低減することを目的とするものであり、更には、この光ビームスキャナを用いて垂直方向の出力角度が異なる複数ビームの走査を可能とする小型のレーザレーダユニットを提供することを目的とするものである。または、本発明は、所望の領域を走査することができ、小型化可能なレーザレーダユニットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、光源と、前記光源からの光を走査する光スキャナと、前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、を有し、前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする。
【００１８】
また、前記回転軸に垂直な面において、前記ミラーの一方の側におけるミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角は、前記他方の側のミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角度よりも、大きいことを特徴とする。
【００１９】
また、前記光ビームの光軸が、前記回転軸より前記回転ミラーの回転半径の０．８倍以上、１．０倍以下離れた位置となるように、前記光ビームが照射されることを特徴とする。
【００２０】
また、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に平行な方向に対しミラー面傾き角が徐々に増加している領域と、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が一定である領域と、を有していることを特徴とする。
【００２１】
また、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が徐々に増加している２つの異なる領域を有しており、前記２つの異なる領域は、前記徐々に増加する傾きの変化が不連続となる点で接続されていることを特徴とする。
【００２２】
また、前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、前記ミラーに入射する光ビームの前記回転軸に垂直な面に平行な方向における光ビーム幅Ｗとすると、５Ｗ以上、１２Ｗ以下であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、前記回転ミラーの回転半径の２倍以上であることを特徴とする。
【００２４】
また、前記ミラーを複数有しており、各々の前記ミラーにおける前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角は相互に異なっていることを特徴とする。
【００２５】
また、前記光源は、端面発光レーザダイオードであって、前記端面発光レーザダイオードの基板面と、前記回転軸とは、略平行となるように設置されていることを特徴とする。
【００２６】
また、前記記載の光ビームスキャナと、前記光ビームスキャナより出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、発光部と、前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有し、前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、発光部と、前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有し、前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とする。
【００２９】
また、前記回転軸に対する前記光反射部の前記傾斜角度を揺動角θとし、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとした場合に、９０°−ｃｏｓ−１（ｓｉｎ２θｃｏｓφ）が一定の値となるように、揺動角θがφに対応して変化するものであることを特徴とする。
【００３０】
また、前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、前記光反射部の他方の端部は、前記ベース部に設けられたカム溝に入り込む接触部が設けられており、前記光反射部が回転することにより前記接触部は前記カム溝内をカム溝に沿って移動するものであることを特徴とする。
【００３１】
また、前記光反射部と前記回転部の回転軸との間には、弾性部材が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
また、前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、前記光反射部の傾斜角度は、アクチュエータにより変化させるものであることを特徴とする。
【００３３】
また、前記アクチュエータを制御する制御部を有しており、前記制御部により、前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、アクチュエータが制御されるものであることを特徴とする。
【００３４】
また、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとし、前記回転軸に垂直な面に対する前記反射部により反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に平行な距離成分をＬとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に垂直な距離成分を揺動量とした場合、揺動量＝Ｌ・ｔａｎ｛１／２・ｓｉｎ−１（ｃｏｓ（９０−ψ）／ｃｏｓφ）｝となるように揺動量が変化するものであることを特徴とする。
【００３５】
また、前記光走査部は複数の光反射部を有しており、前記回転軸に対する各々の前記光反射部における傾斜角度は、各々異なっていることを特徴とする。
【００３６】
また、前記発光部から光走査部に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部に入光する間際の光軸と、光走査部で反射され光検出部において検出される反射光の光軸のうち光走査部から出た間際の光軸とは、同一平面上に存在していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、複数ラインを走査するための光ビームスキャナにおいて、水平方向の出力角が広い場合であっても、垂直方向の出力角の変動が少なく、十分な測定領域を確保するとともに、測定範囲における歪みを低減することができる。更には、この光ビームスキャナを用いて垂直方向の出力角度が異なる複数ビームの走査を可能とする小型のレーザレーダユニットを提供することができる。または、本発明によれば、所望の領域を走査することができ、小型化可能なレーザレーダユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】走査型レーザレーダ装置の構成図
【図２】図１における光スキャナの説明図
【図３】光ビームスキャナの説明図
【図４】光ビームスキャナにおけるミラー面の説明図
【図５】水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図６】水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図７】第１の実施の形態における光ビームスキャナの説明図
【図８】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラーの説明図
【図９】オフセット量の説明図
【図１０】第１の実施の形態におけるミラー回転角と交点座標との相関図
【図１１】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図１２】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図１３】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図１４】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面照射幅の説明図
【図１５】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー回転角とミラー面照射幅との相関図
【図１６】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（３）
【図１７】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（４）
【図１８】第２の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図１９】第２の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図２０】第２の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図２１】第３の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図２２】第３の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図２３】第３の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図２４】第４の実施の形態における端面発光のレーザダイオードの説明図
【図２５】第５の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図
【図２６】第５の実施の形態におけるレーザレーダユニットの構成図
【図２７】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの斜視図
【図２８】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（１）
【図２９】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（２）
【図３０】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（３）
【図３１】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の斜視図
【図３２】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の上面図
【図３３】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの上面図
【図３４】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図（１）
【図３５】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図（２）
【図３６】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（１）
【図３７】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（２）
【図３８】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（３）
【図３９】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（４）
【図４０】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのミラー回転角と揺動量との相関図
【図４１】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのミラーの接触部の説明図
【図４２】第７の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図
【図４３】第８の実施の形態におけるレーザレーダユニットの斜視図
【図４４】第８の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の上面図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
〔第１の実施の形態〕
最初に、面倒れミラーによる複数ビーム走査の際に生じる測定領域の歪みについて説明する。図３には、一例として、測定領域の歪みについて説明するための光ビームスキャナの構造を示す。この光ビームスキャナは、２つのミラー面９６１、９６２を有する回転ポリゴンミラー９６０を有しており、この回転ポリゴンミラー９６０の側面より光ビームを入射させて光ビームを走査するものである。この２つのミラー面９６１、９６２は、図４に示すように、回転ポリゴンミラー９６０の回転軸９６３に対して、相互に異なる倒れ角を有している。具体的には、ミラー面９６１は、回転軸９６３に対し、ミラー面倒れ角θ１で傾斜した面であり、図面において若干上側に向いている面である。また、ミラー面９６２は、回転軸９６３に対し、ミラー面倒れ角θ２で傾斜した面であり、図面において若干下側に向いている面である。図３は、この光ビームスキャナの上面図であり、図４は、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。尚、本実施の形態においては、直交座標系として、回転軸９６３に平行な方向をＹ軸方向とし、測定範囲の中心をＸ軸方向とする。また、この説明においては、光ビームの光軸がＺ軸と平行となる場合について説明するが、この光ビームの光軸はＹ軸に垂直となるＸＺ面内に存在していればよい。尚、説明の便宜上、Ｙ軸に垂直であって、ミラー面９６１と平行な軸をＫ１軸とし、ミラー面９６２と平行な軸をＫ２軸とする。また、Ｚ軸を基準に、回転軸９６３を中心とするミラー面９６１、９６２の回転角度を角度φとている。よって、φ＝４５°のときには、ミラー面９６１、９６２において反射した光は、Ｘ軸と平行な方向に出射される。
【００４１】
ところで、平面鏡による光ビームの反射方向を光線行列表示で考えた場合、入射光線の方向余弦ベクトルを（Ｌ、Ｍ、Ｎ）、鏡面の法線の方向余弦を（ｌ、ｍ、ｎ）、反射光線の方向余弦を（Ｌ１、Ｍ１、Ｎ１）と定義すると、一般的に、数１に示す関係が成り立つ。
【００４２】
【数１】
数１に示す式において、図３に示す光ビームスキャナの構成を反映させ、入射光線の方向余弦ベクトルを（０、０、−１）とすると、数２に示される式となる。
【００４３】
【数２】
ここで、ミラー面９６１、９６２における倒れ角を一般化して角度θと定義し、ミラー回転角を角度φとすると、このときの鏡面の法線の方向余弦（ｌ、ｍ、ｎ）は、数３に示す式で表わされる。
【００４４】
【数３】
数２及び数３に示される式より、反射光線の方向余弦は、数４に示す式で表わされる。
【００４５】
【数４】
数４より得られる反射光線の方向余弦成分より、ミラー面による水平方向出力角は数５に示す式で表わされ、垂直方向出力角は数６に示す式で表わされる。
【００４６】
【数５】
【００４７】
【数６】
数５及び数６に示される式より、ミラー面が１枚の場合の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を計算した結果を図５に示す。尚、図５では、ミラーの倒れ角θを０．４°とし、垂直方向におけるビームの広がり角を１．６°とした。また、横軸の水平方向出力角については、ミラー回転角φが４５°のときに０°となるように、即ち、図３においてＸ軸方向が０°となるように定めた。よって、図５では、Ｘ軸方向に対し、−８０°から８０°の範囲の水平方向出力角において走査（スキャン）される。図５に示されるように、水平方向出力角が小さい場合には、光ビーム中心の垂直方向出力角はミラー面倒れ角θの２倍に相当する０．８°に近い値となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の値が変動し減少する。これは、水平方向出力角が小さい場合には、ミラー回転角φが小さくミラー面に対し垂直に近い角度で光ビームが入射するのに対し、ミラー回転角φが大きくなるにつれて、ミラー面に対し平行に近い浅い角度で光ビームが入射することに起因する。従って、光ビームを走査した場合には、垂直方向における照射範囲は、光ビームの中心に対して、±０．８°の広がりを有しているため、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略０°から＋１．６°の範囲となる。しかしながら、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角は低下し、最終的には、ミラー面倒れ角θが０°、即ち、ミラー面倒れ角のない状態である−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。このように、図３及び図４に示されるミラー９６１、９６２を用いた場合においては、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角が変化し低下してしまう。
【００４８】
図６は、図３及び図４に示すように、２枚のミラー面９６１、９６２を用いた場合を示すものであり、ミラー面９６１の倒れ角θ１を０．４°とし、ミラー面９６２の倒れ角θ２を−０．４°とし、２本の光ビームを走査させた場合について計算した結果である。ミラー面９６１における走査の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係は、図５に示す場合と同様である。また、ミラー面９６２における走査の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係は、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略−１．６°から０°の範囲となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角は増加し、最終的には、ミラー面倒れ角θが０°、即ち、ミラー面倒れ角のない状態である−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。
【００４９】
よって、２つの光ビームを用いた場合においては、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略−１．６°から＋１．６°の範囲となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の範囲が狭くなり、−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。このように、図３及び図４に示す構造の光ビームスキャナーでは、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の範囲が狭くなってしまう。
【００５０】
（光ビームスキャナ）
次に、本実施の形態における光ビームスキャナについて説明する。図７及び図８は、本実施の形態における光ビームスキャナを示すものであり、図７は上面図であり、図８（ａ）は、図７における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図であり、図８（ｂ）は、図７における一点鎖線７Ｃ−７Ｄにおいて切断した断面図である。
【００５１】
本実施の形態における光ビームスキャナは、光源１０となるレーザダイオードと、入力光学系２０となるコリメートレンズ、光スキャナ３０とを有している。光スキャナ３０は、２つのミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーであり、回転ポリゴンミラーの回転軸３３を中心に回転するものであり、光スキャナ３０となる回転ポリゴンミラーの側面より光ビームを入射させて光ビームを走査するものである。尚、直交座標系として、光スキャナ３０となる回転ポリゴンミラーの回転軸３３をＹ軸方向とし、測定範囲の中心をＸ軸方向とする。また、この説明においては、光ビームの光軸がＺ軸と平行となる場合について説明する。また、説明の便宜上、Ｙ軸に垂直であって、ミラー３１と平行な軸をＫ１軸とし、ミラー３２と平行な軸をＫ２軸とする。また、回転軸３３を中心とするミラー３１、３２の回転角度を角度φとし、φ＝４５°の時に、ミラー３１、３２において反射した光は、Ｘ軸と平行な方向に出射される。
【００５２】
本実施の形態においては、光源１０となるレーザダイオードは、パルス光を出射するものであるが、レーザダイオードに限られず、非コヒーレントな光を出射するダイオード等のであってもよく、また、パルス光が出射されないものであってもよい。
【００５３】
入力光学系２０となるコリメートレンズは、光源１０から出射された光を所定のビーム径及び所定のビーム広がり角を有する光ビームに変換し、光スキャナ３０である回転ポリゴンミラーに出射する。尚、入力光学系２０は、コリメートレンズのみを示しているが、例えば、任意の位置及び光出射方向に配置された光源１０に対して、光進行方向を制御して回転ポリゴンミラー側方から光ビームを導くような光路変換素子を更に設けてもよい。
【００５４】
本実施の形態においては、光スキャナ３０である回転ポリゴンミラーにおけるミラー３１は、図８に示されるように、ミラー３１の長手方向であるＫ１軸方向において、回転軸３３に対するミラー面倒れ角θが徐々に変化するように形成されている。具体的には、図８（ａ）に示すように、光源１０からの光が垂直に近い状態で入射するミラー面３１ａでは、ミラー面倒れ角θ１１は小さな角度となっており、図８（ｂ）に示すように、光源１０からの光が水平に近い状態で入射するミラー面３１ｂでは、ミラー面倒れ角θ１２は大きな角度となっている。即ち、ミラー３１は、光ビームが垂直に近い角度で入射するミラー面３１ａが形成されている一方の側から、光ビームが平行に近い角度で入射するミラー面３１ｂが形成されている他方の側に向かって、ミラー面倒れ角θが徐々に増加するように、形成されている。よって、ミラー３１において、一点鎖線７Ａ−７Ｂと一点鎖線７Ｃ−７Ｄとの間においては、ミラー面倒れ角θは、θ１１≦θ≦θ１２となるように形成されている。
【００５５】
数６に示される式に基づくならば、垂直方向出力角を一定にするためには、ｓｉｎ２θ・ｃｏｓφの値を一定にすればよい。従って、本実施の形態においては、ミラー回転角φに対応してミラー面倒れ角θが変化するようにミラー３１が作製されているため、ミラー回転角φが変化し、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角が一定となる。即ち、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角は殆ど変化しない。
【００５６】
このように、本発明は、発明者が回転ポリゴンミラーの回転に伴い、ミラーに照射される光ビームの位置が変化することに着目したものである。即ち、図７に示すように、ミラー３１において、Ｙ軸と垂直となるＫ１軸を定義し、ミラー３１における面の座標を記述できるようにすると、光ビームがミラー３１に入射する際の入射ビームとミラー３１におけるミラー面との交点における座標がミラー３１の回転に伴って変化する。従って、各々の交点における座標において、ｓｉｎθ・ｃｏｓφの値が一定となるように、ミラー回転角φに応じて、ミラー面倒れ角θとなるミラー３１を作製すればよいのである。
【００５７】
より詳細に、図９に基づき入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点における座標について説明する。図９は、回転ポリゴンミラーにおけるミラー３１に着目したものであり、ミラー回転角φにおける入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点を示したものである。尚、Ｋ１軸における原点は、ミラー回転角φが０°の場合に、Ｚ軸とＫ１軸とが交わる点とする。また、回転軸３３よりＫ１軸における原点までの距離をミラー回転半径Ｒとし、回転軸３３から入射する光ビームのＸ軸方向における距離をオフセット量ΔＸとする。尚、入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点は、便宜上、Ｋ１軸上における座標として示される。この場合において、交点座標ｋ１（φ）は、数７に示す式で表わされる。
【００５８】
【数７】
数７に示されるように、交点座標ｋ１（φ）は、ミラー回転角φとオフセット量ΔＸとに依存して変化する。
【００５９】
図１０は、ミラー回転角φと交点座標ｋ１との関係を計算した結果であり、横軸がミラー回転角φ、縦軸が交点座標ｋ１をミラー回転半径Ｒで規格化した値である。図１０に示されるように、オフセット量ΔＸがミラー回転半径Ｒよりも大きい場合には、異なる２つのミラー回転角φが同一のミラー面に入射することがわかる。例えば、オフセット量ΔＸ＝１．１Ｒの場合では、ミラー回転角φが５３°及び７３°のときに、いずれもｋ１＝０．５Ｒとなるミラー座標において、ミラー面に入射する。この場合、ミラー回転角φを大きくして光ビームを広範囲に走査しようとしても、ミラー回転角φに応じて所定の垂直方向出力角を有するようにミラー面倒れ角θを設計することは困難となる。従って、水平方向に広範囲に光ビームを走査する場合には、オフセット量ΔＸは、ミラー回転半径Ｒ以下であることが好ましい。また、オフセット量ΔＸの値をミラー回転半径Ｒよりも小さくしすぎると、ミラー回転角φが大きい場合における交点座標ｋ１が小さくなり、ミラーの全長を大きくすることが必要となる。ミラー回転角φを８５°と考えた場合には、図１０に示す場合では、ΔＸが０．８Ｒ以上であれば交点座標ｋ１は、−２Ｒよりも大きくなる。
【００６０】
以上の状況を鑑みると、オフセット量ΔＸは、０．８Ｒ≦ΔＸ≦１．０Ｒの範囲であることが好ましく、更には、０．９５Ｒ≦ΔＸ≦１．０Ｒの範囲であることが好ましい。
【００６１】
次に、図１１に基づきミラー面倒れ角θについて説明する。図１１では、オフセット量ΔＸ＝０．９８Ｒ、垂直方向出力角が０．８°となるように、ミラー３１を設計したものである。尚、図１１における横軸のミラー座標は、ミラーにおける面内座標をミラー回転角Ｒにより規格化された値である。具体的に、このミラー３１の設計手順は、ミラー回転角φと予め設定されたオフセット量ΔＸから数７に示す式により、光ビームがミラー３１に入射する座標を求めることができる。この座標において、所望の垂直方向出力角を得るためのミラー面倒れ角θが数６に示す式により定めることができる。更に、このときの水平方向出力角が数５に示す式により定められる。ミラー回転角φをパラメータとして、上記の計算を繰り返すことのよりミラー３１におけるミラー面座標とミラー面倒れ角θとの関係を算出することができる。
【００６２】
図１２は、図１１に示すミラー面倒れ角θが変化するミラー３１において、水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を計算により求めたものである。尚、垂直方向の光ビームの広がり角を１．６°と設定し、水平方向には光ビームが幅を有していない理想的な光ビームを仮定している。図１２に示されるように、この場合においては、垂直方向出力角は、水平方向出力角に依存することなく、常に０．８°となる。また、図１３は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図１３に示されるように、水平方向出力角が変化した場合においても、垂直方向出力角の範囲は変化することなく、−１．６°〜＋１．６°の範囲の測定範囲を確保することができる。
【００６３】
ところで、上記においては、光ビームが水平方向に幅を有しない場合について説明したが、実際の光ビームは、垂直方向のみならず水平方向にも幅を有している。即ち、図１４に示すように、ミラー３１に入射する光ビームは、光ビーム幅Ｗを有しており、この光ビームがミラー３１に入射した場合、ミラー３１のミラー面において、ミラー面照射幅Ｗｍの範囲に照射される。光ビームがミラー３１のミラー面に対し略垂直に入射する場合は、ミラー面照射幅Ｗｍは、光ビーム幅Ｗと略等しいが、ミラー回転角φが増加し、ミラー３１におけるミラー面に対し浅い角度で入射する場合には、ミラー回転角φに応じてミラー面照射幅Ｗｍは広くなる。尚、ミラー面照射幅Ｗｍは、ミラー回転角φと光ビーム幅Ｗとにより、数８に示す式で表わされる。
【００６４】
【数８】
図１５には、ミラー回転角φとミラー面照射幅Ｗｍとの関係を計算により得られた結果を示す。尚、縦軸のミラー面照射幅Ｗｍは光ビーム幅Ｗにより規格化されている。図１５に基づくならば、例えば、ミラー回転角φが８０°の場合には、ミラー面照射幅Ｗｍは、光ビーム幅Ｗの約５．８倍となる。実際の光ビームスキャナの設計においては、このミラー面照射幅Ｗｍを考慮して、ミラー３１の全長、即ち、ＸＺ面におけるミラー３１のミラー面の長さを定める必要がある。
【００６５】
例えば、図１４に示すように、２枚のミラー３１、３２を用いた回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査する場合において、水平方向において全角１４０°の範囲を走査するような広角の光ビームスキャナの場合では、ミラー回転角φを１０°〜８０°の範囲等となるように、ミラー回転角φにおける角度範囲が略７０°となるように走査する必要がある。この場合、ミラー回転角φが大きくなった場合におけるミラー面照射幅Ｗｍを考慮すると、ミラー３１の全長は光ビーム幅Ｗの約５倍以上に設定することが好ましく、更には、６倍以上に設定することが好ましい。一般的に、レーザレーダ装置に用いられる光ビームにおける水平方向のビーム径は１ｍｍ〜１０ｍｍである。例えば、ビーム径５ｍｍの場合では、ミラー３１の全長は３０ｍｍ以上の長さで作製されることが好ましい。尚、ミラー３１の全長が長くなることにより、回転ポリゴンミラーにおけるミラー回転直径、即ち、２Ｒを超えてしまう場合がある。一方、ミラー３１の全長を長くしすぎると、光ビームスキャナの全体が大型なものとなるため好ましくない。よって、数８に示す式に基づき、ミラー回転角φが８５°以下の範囲において使用する場合を考えると、ミラー３１の全長を光ビーム幅Ｗの１２倍程度とすることにより、光ビームが照射されるミラー面照射幅Ｗｍがミラー３１の全長以下となる。よって、ミラー３１の全長、即ち、ミラー３１のＫ１軸方向における全長は、Ｙ軸方向における光ビーム幅Ｗの５倍以上、１２倍以下であることが好ましい。
【００６６】
図１６は、計算により得られたミラー３１に入射する光ビームが水平方向に光ビーム幅Ｗを有している場合を考慮した水平方向出力角と垂直方向出力との関係を示すものである。尚、水平方向における光ビーム幅Ｗは、ミラー回転半径Ｒの１／１６と仮定している。水平方向出力角の増加、即ち、ミラー回転角φの増加に伴い、垂直方向出力角における照射範囲が増大する傾向にある。これは、図１１に示されるように、ミラー３１が、ミラー面の各々座標においてミラー面倒れ角θが異なる範囲において、一定の光ビーム幅Ｗの光ビームが照射されるため、ミラー面倒れ角θが小さい領域に光ビームが照射された場合には、垂直方向出力角が小さく、ミラー面倒れ角θが大きい領域に光ビームが照射された場合には、垂直方向出力角が大きくなって出力されるためである。ミラー回転角φが大きくなるほど、ミラー面照射幅Ｗｍが広がるため、垂直方向出力角の照射範囲も増大する。
【００６７】
図１７は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図１７に示されるように、水平方向出力角が増加するにつれて、垂直方向出力角における照射範囲が広がるものの、照射範囲が狭まることはないため、所望の照射範囲を確保することができる。
【００６８】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、水平方向出力角を変化させた場合において、垂直方向出力角の変化がより小さい光ビームスキャナである。本実施の形態における光ビームスキャナは、図７に示す構成と同様の構成のものであり、ミラーが、図１８に示すミラー面倒れ角θを有するものである。
【００６９】
図１８は、本実施の形態における光ビームスキャナのミラー３１におけるミラー座標とミラー面倒れ角θの関係を示すものである。図１８に示されるように、ミラー座標が０近傍までは、図１１と同様に、ミラー座標が低下するに伴い、ミラー面倒れ角θは、徐々に増加するが、ミラー座標が０近傍よりも小さな領域では、ミラー面倒れ角θはミラー座標が０近傍における値と略同位置の値により均一に形成したものである。
【００７０】
図１０に示されるように、オフセット量ΔＸが０．８Ｒ以上、ミラー回転角φが７０°以下の場合では、光ビームがミラー３１に入射する際の交点座標ｋ１は、−０．５×Ｒ以上の範囲に限定される。特に、オフセット量ΔＸが１．０Ｒの場合では、光ビームとミラー面との交点座標ｋ１は、正の値に限定される。即ち、この場合には、ミラー３１の全長のうち、交点座標ｋ１が負の領域には、光ビームの中心は入射しない。実際には、光ビームは一定の光ビーム幅を有しているため、Ｚが負となる領域においてもミラー面が存在している必要はあるものの、その負の領域に対してミラー面倒れ角θの最適設計、即ち、光ビーム幅を有しない理想的な光ビームが入射した場合に垂直方向出力角が一定となるようにミラー面倒れ角θを形成すると、図１１に示すように、ミラー座標が負の領域においてミラー面倒れ角θが急激に増加してしまう。即ち、光ビームが所定の光ビーム幅を有している場合、その光ビーム端では、ミラー面倒れ角θがより大きく設定されたミラー座標における領域に入射するため、ミラー３１により反射される光は、所望の垂直方向出力角よりも大きな出力角となる。このため、垂直方向における光ビームの広がり角が大きくなる。しかしながら、実際には、図１０に示されるように、一定の値よりも小さなミラー座標の領域においては、光ビームの中心が入射することはないため、この領域においては、ミラー面倒れ角θを一定の値となるように形成することにより、余剰な垂直方向出力角の広がり、即ち、垂直方向における余剰となる光ビームの広がりを防ぐことができる。これにより、所望の範囲の垂直方向出射角を得ることができる。尚、図１８に示す場合において、一定の値よりも小さなミラー座標の領域としては、ミラー座標が０近傍よりも小さな領域が挙げられる。
【００７１】
図１９は、本実施の形態におけるミラー３１において、計算により得られた水平方向出力角と垂直方向出力との関係を示すものである。図１９に示されるように、水平方向出力角が変化しても、垂直方向出力角はあまり変化することなく、略一定の範囲を保つことができる。
【００７２】
図２０は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図２０に示されるように、水平方向出射角が４５°近傍においては、それまで垂直方向出射角が増加していたものが減少しているが、水平方向出力角が増加しても、垂直方向出力角における照射範囲は殆ど変化することなく、照射範囲が広がることはない。よって、照射範囲が狭まることはなく、所望の照射範囲を確保することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、水平方向出力角を変化させた場合において、垂直方向出力角の変化がより小さい光ビームスキャナである。本実施の形態における光ビームスキャナは、図７に示す構成と同様の構成のものであり、ミラーが、図２１に示すミラー面倒れ角θを有するものである。
【００７４】
図２１は、本実施の形態における光ビームスキャナのミラー３１におけるミラー座標とミラー面倒れ角θの関係を示すものである。図２１に示されるように、ミラー座標が０．１Ｒまでは、図１１と同様に、ミラー座標が低下するに伴い、ミラー面倒れ角θは、徐々に増加する曲線により形成されており、ミラー座標が０．１Ｒよりも小さな領域では、この曲線とは異なるミラー座標とミラー面倒れ角θとの関係の曲線により形成されている。
【００７５】
よって、本実施の形態においては、ミラー３１は、ミラー座標が１Ｒ近傍においては、ミラー面倒れ角θの変化は小さく、ミラー座標が０．１Ｒまでは、ミラー座標が小さくなるに従い徐々にミラー面倒れ角θの変化が大きくなる。ミラー座標が０．１Ｒよりも小さな領域では、再びミラー面倒れ角θの変化が小さくなり、ミラー座標が小さくなるに従い徐々にミラー面倒れ角θの変化が大きくなる。このため、ミラー座標が０．１Ｒにおいて変曲点を有しており、ミラー３１の全長におけるミラー座標とミラー面倒れ角θとの関係においては、２つの異なる曲線を有している。
【００７６】
図２２は、本実施の形態におけるミラー３１において、計算により得られた水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を示すものである。図２２に示されるように、水平方向出力角が＋６０°以上の領域においても、垂直方向出力角の範囲は殆ど変化することはなく、水平方向出力角が変化しても、垂直方向出力角は変化することなく、より一層、略一定の範囲を保つことができる。
【００７７】
図２３は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図２３に示されるように、水平方向出力角が増加しても、垂直方向出力角における照射範囲は殆ど変化することなく、照射範囲が広がることはない。よって、照射範囲が狭まることはなく、より一層所望の照射範囲を確保することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光源１０として所定の位置に設置された端面発光のレーザダイオードを用いたものである。
【００７９】
図２４に示されるように、光源１０として用いられている端面発光のレーザダイオード１１は、基板１１ａの表面に薄い発光領域１１ｂが形成されており、発光領域１１ｂよりレーザ光が出射されるため、光ビームの広がり角は、基板１１ａ面に対し平行であるか垂直であるかにより異なる。一般的には、光ビームの広がり角の大きい方向、即ち、基板１１ａ面に対し垂直方向を速軸と称し、光ビームの広がり角の小さい方向、即ち、基板１１ａ面に対し平行方向を遅軸と称する。発光領域１１ｂより出射されたレーザ光は、速軸方向においては、光ビーム幅は１μｍであり、広がり角は約３０°である。基板１１ａ面に垂直方向における発光領域１１ｂの幅は狭いため、速軸方向においては、シングルモード発振する。一方、遅軸方向においては、発光領域１１ｂは基板１１ａ面に平行な活性層の幅に依存し、高出力レーザダイオードにおいては、活性層の幅を広げることにより発光強度を高めている。活性層の幅は４０μｍから４００μｍ程度の範囲で形成される場合が多いが、出射されるレーザ光の波長と比較すると、遅軸方向における活性層の幅は大きいため、マルチモード発振となる。尚、遅軸方向における広がり角は約１０°であり、この広がり角は、活性層の幅にはあまり依存しない。よって、端面発光のレーザダイオード１１より出射されるレーザ光は、速軸方向では、シングルモード発振であるためビームプロファイルは、ガウシアンビームに近いが、遅軸方向では、マルチモード発振であるため、ビームプロファイルは特定の関数で表現することは困難である。
【００８０】
端面発光のレーザダイオード１１からの出射光をコリメートレンズ等の入力光学系２０を用いて平行光にした場合を考えると、速軸方向は、シングルモード発振であるため、通常のガウシアンビームと同様のビーム幅とビーム広がり角との関係を有する平行ビームを作り出すことができる。これに対し、遅軸方向は、マルチモード発振であるため、完全な平行ビームにすることは困難であり、コリメートレンズを通過した後においても、ある程度の広がり角を有する光ビームとして伝播していく。
【００８１】
以上より、光源１０として端面発光のレーザダイオード１１を用いる場合には、速軸、即ち、基板１１ｂ面に垂直方向を光ビームスキャナの光ビーム走査方向（水平方向）に一致させて使用することが好ましい。これにより、水平方向における角度分解能を向上させることができる。尚、この場合、基板１１ｂ面と回転軸３３とは略平行となる。この場合、遅軸方向はコリメートレンズを通過した後も、ある程度の広がり角を有しているためこの広がり角により、垂直方向出力角が定まる。尚、本実施の形態は、第１から第３の実施の形態において適用することができる。
【００８２】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について、図２５及び図２６に基づき説明する。本実施の形態は、第１から第４の実施の形態における光ビームスキャナを有するレーザレーダユニットである。図２５に示されるように、本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、光ビームを水平方向に走査する光ビームスキャナの近傍に、受光素子１２２及び受光素子１２２に光を入射させるための受光レンズ１２１を有している。光ビームスキャナによって、レーザレーダユニットの外部に出射された光ビーム（送光ビーム）は、先行車両、障害物、標識等の検出対象に照射されると、その位置で散乱され、出射された光ビームと平行な光線成分がレーザレーダユニットに戻ってくる。この散乱された反射光をレーザレーダユニットに備えられている受光レンズ１２１により集光し、受光素子１２２に入射させる。受光素子１２２としては、レーザレーダユニットまでの距離が比較的近い検出対象を検出することを目的とする装置においては、一般的なＳｉ−ＰｉＮフォトダイオードが好ましい。また、レーザレーダユニットから検出対象までの距離が数十ｍ以上となる場合において検出対象を検出することを目的とする装置においては、より感度の高いアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が好ましい。
【００８３】
図２６に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて、より詳細に説明する。図２６に示されるように、本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、送光部１１０、受光部１２０、制御部となるＥＣＵ１３０等を有している。尚、送光部１１０及び受光部１２０は、自動車等の車両の前方に存在している物体を検出することができるように、車両の前方に設置されている。
【００８４】
送光部１１０は、パルス状のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードにより形成されている光源１０、光スキャナ３０、光源１０からの光を光スキャナ３０に導くためのコリメータレンズ等の入力光学系２０、光スキャナ３０を通過した光ビームについて、路面対する傾斜角等を制御するための出力光学系１１４等を備えている。光源１０は、ＬＤ駆動回路１１５を介してＥＣＵ１３０に接続されており、ＥＣＵ１３０からの駆動信号によりレーザ光を出射する。光スキャナ３０は、光スキャナ駆動回路１１６を介しＥＣＵ１３０と接続されており、所定の固定周波数で光源１０から出射された光ビームを水平方向に繰り返し走査する。光スキャナ３０における光ビームの走査角は走査角モニタ１１７によって検出され、ＥＣＵ１３０側に出力され、光スキャナ駆動信号にフィードバックすることにより走査角度及び走査周波数を制御する。
【００８５】
受光部１２０は、受光レンズ１２１及び受光素子１２２等を有しており、車両前方の物体から反射されたレーザ光は受光レンズ１２１及び不図示のミラー素子等を介し受光素子１２２に入射する。受光素子１２２は、フォトダイオード等により形成されており、反射光における光強度に対応する電圧値の電気信号を出力する。受光素子１２２より出力された電気信号は、増幅器１４１において増幅され、コンパレータ１４２に出力される。コンパレータ１４２では増幅器１４１からの出力電圧の値を基準電圧Ｖ０と比較し、出力電圧の値がＶ０よりも大きくなったときに、所定の受光信号を時間計測回路１４３に出力する。
【００８６】
時間計測回路１４３には、ＥＣＵ１３０からＬＤ駆動回路１１５へ出力される駆動信号も入力しており、ＬＤ駆動信号を出力してから所定の受光信号が発生するまでの時間、即ち、レーザ光を出射した時刻と、反射光を受光した時刻の時間差を計測時間データとして、ＥＣＵ１３０に出力する。この計測時間データに基づいて、ＥＣＵ１３０において、物体までの距離を容易に算出することができる。
【００８７】
以上により、本発明における光ビームスキャナでは、複数の光ビームが互いに十分な測定範囲を維持して走査することができる。即ち、水平方向において広角な走査をした場合においても、垂直方向における照射範囲が殆ど変化することなく、照射範囲が狭まることもない。また、走査する光ビームの本数に応じて垂直方向において領域分割した距離測定を行なうことができる。また、本実施の形態における説明では、説明の便宜上回転ポリゴンミラーに２枚のミラーが設けられている場合について説明したが、ミラーの枚数は３枚以上であっても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
〔第６の実施の形態〕
本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて、図２７〜図３５に基づき説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、図２７及び図２８等に示されるように、光ビームを出射する発光部３１０と、光ビームを走査しレーザレーダユニットより出射する光走査部３２０と、レーザレーダユニットより出射された光が検出対象において反射された光を検出する光検出部３３０とを有している。発光部３１０、光走査部３２０、光検出部３３０は、外部からの光の侵入を防ぎ、また、水分やゴミ等の侵入を防ぐため、ベース部３４０とカバー部３５０により形成されている筐体内に設置されている。カバー部３５０には、発光部３１０において発光した波長の光を透過する材料により形成された窓部３５１を有しており、窓部３５１を介し、出射光が出射され、反射光が入射する。尚、図２７は本実施の形態におけるレーザレーダユニットの外観の斜視図である。図２８〜図３０はカバー部３５０を取り外した状態を示す斜視図であり、図２８は後述するミラー３２２の正面側から見た斜視図であり、図２９はミラー３２２の背面側から見た斜視図であり、図３０はミラー３２２の側面側から見た斜視図である。図３１及び図３２は、ベース部３４０と後述するモータ３２１とを示すものであり、図３１は斜視図であり、図３２は上面図である。図３３は、カバー部３５０を取り外した状態の上面図であり、図３４及び図３５は、この状態における出射光、反射光の光路を説明するための図である。
【００８９】
発光部３１０は、光源となるＬＤ（laser diode；レーザダイオード）３１１と、ＬＤ３１１を駆動するための回路基板３１３と、ＬＤ３１１からの出射光を略平行光となるようにコリメートするレンズ３１２を有している。尚、これらについては、図には示していないが、所定の支持部等によりベース部３４０に支持固定されている。
【００９０】
光走査部３２０は、発光部３１０より入射した光ビームを左右上下方向に偏向させるものである。光走査部３２０は、ベース部３４０に設置されている回転部となるモータ３２１と光反射部となるミラー３２２とを有しており、モータ３２１とミラー３２２とは接続部３２３を介して接続されている。具体的には、モータ３２１と接続部３２３とは、モータ３２１の回転軸３２１ａと接続部３２３において接続されており、ミラー３２２と接続部３２３とは、回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸３２２ｂにより、ミラー３２２が接続軸３２２ｂを中心に回転可能な状態で接続されている。尚、説明では、接続軸３３２２ｂはミラー３２２の端部に直接取り付いているが、直接取り付けが絶対必要なのではなく、加工の都合で構成がとりにくい場合等には、別部材でミラー３２２を支える取り付け部品を追加し、その部分に接続軸３２２ｂを取り付けても良い。また、回転部となるモータ３２１は、ベース部３４０の表面に対し、回転軸３２１ａが垂直となるように設置されている。また、モータ３２１は、ステッピングモータやＤＣモータ、ＡＣサーボモータ等であり、不図示の回転制御部により、外部制御により回転角を制御することができるもの、または、回転角を検出する機能を別途有しており回転が制御されるものである。
【００９１】
また、図２９及び図３０に示されるように、光反射部となるミラー３２２の背面とモータ３２１の回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ３２４が設けられている。バネ３２４は、ミラー３２２がモータ３２１の回転軸３２１ａが設けられている側に引張られる方向、または、モータ３２１の回転軸３２１ａが設けられている側から外側に押し出される方向に力が加えられている。
【００９２】
また、図３１及び図３２に示されるように、ベース部３４０には、モータ３２１の周囲に、所定の形状で形成されたカム溝３４１が設けられており、図２８及び図３０に示されるように、ミラー３２２にはカム溝３４１に入る接触部３２２ａを有している。これにより、モータ３２１が回転軸３２１ａを中心に回転することにより、カム溝３４１に入り込んだミラー３２２の接触部３２２ａはカム溝３４１を移動し、モータ３２１の回転軸３２１ａに対するミラー３２２の傾斜角を変化させることができる。尚、この傾斜角は、後述する揺動角度θである。
【００９３】
光検出部３３０は、不図示の検出対象において反射された反射光を受光し、受光した反射光の光強度に応じて電気信号を出力する光検出素子３３１と、反射光を光検出素子３３１に入射させるための集光レンズ３３２と、光検出素子３３１を駆動するための回路等を有する回路基板３３３とを有している。光検出素子３３１としては、フォトダイオード（ＰＤ）等を用いてもよいが、反射光の光量が低い場合には、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることが好ましい。尚、これらについては、図には示していないが、所定の支持部等によりベース部３４０に支持固定されている。
【００９４】
図３３に示されるように、発光部３１０は、光検出部３３０の上にあり、ベース部３４０の上面から見た場合、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸は略重なっている。言い換えるならば、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸とは同一平面上に存在しており、この平面は回転軸３２１ａに対して平行な面、即ち、ベース部３４０の表面に対し垂直な面である。また、モータ３２１の回転軸３２１ａは、発光部３１０から出射される光ビームの光軸及び光検出部３３０において検出される反射光の光軸の延長線上からずれた位置となるように設置されている。
【００９５】
尚、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸の略重なりは、本構造で示すものに限らず、前記発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部３２０に入光する間際の光軸と、光走査部３２０で反射され光検出部３３０において検出される反射光の光軸のうち光走査部３２０から出た間際の光軸が略重なっていれば良く、その部分以外の光路を別のミラー等で曲げても良い。例えば発光部３１０はそのままにし、被検出物から戻ってきた光を光走査部３２０で反射したあとミラーを入れ、光検出部３３０の向きや位置を変えても良い。また、例えば光検出部３３０はそのままにし、前記発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの途中に別のミラーを置き、発光部３１０の向きや位置を変えても良い。
【００９６】
また、モータ３２１の回転軸３２１ａは、発光部３１０から出射される光ビームの光軸及び光検出部３３０において検出される反射光の光軸の延長線上からずれた位置となっているが、これに限らず一致していても良い。このずれ量は、レーザレーダとしての検出したい範囲（特に水平方向の角度）と他の部品による光のけられ等で決められる。
【００９７】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいては、光ビームを出射する際には、図３４に示されるように、不図示の制御部からの制御に基づき、回路基板３１３を介してＬＤ３１１の発光が制御される。ＬＤ３１１から出射された光ビームは、レンズ３１２に入射し、略平行光となるようにコリメートされた後、ミラー３２２において所定の方向に反射され、レーザレーダユニットより出射される。ミラー３２２では、水平方向のみならず垂直方向においても所定の方向となるように出射される。
【００９８】
出射された光ビームは、検出対象が存在している場合には、検出対象において反射される。検出対象において反射された反射光を受光する際には、図３５に示されるように、反射光はミラー３２２において反射され、集光レンズ３３２において集光され、光検出素子３３１に入射し、電気信号に変換された後、回路基板３３３に伝達される。この伝達された信号に基づき不図示の処理部等において、検出対象までの距離を光ビームが出射された後、受光するまでの時間等に基づき算出する。
【００９９】
次に、図３６から図３９に基づき、ミラー３２２の傾きについて説明する。図３６は、光走査部３２０を上から見た図であり、回転軸３２１ａに対し垂直な面において、入射光に対するミラー３２２におけるミラー面の法線方向の角度をミラー回転角φとし、ミラー３２２に入射する入射光に対するミラー３２２において反射され出射する出射光の角度を水平方向出力角とする。また、図３７は、図３６において矢印３６Ａより見た図であり、回転軸３２１ａに対するミラー３２２の傾斜角度を揺動角度θとする。図３８は、図３６において矢印３６Ｂより見た図、即ち、回転軸３２１ａに対して垂直な方向でかつ出射光に対しても垂直な方向から見た図であり、回転軸３２１ａに垂直な面に対するミラー３２２において反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとする。尚、この時、θ＝０であれば、図３６に示す水平方向出力角はφと同じになり、図３８で示す垂直方向出射角ψはψ＝０となるが、θ＝０ではない時にはこの関係ではなくなる。詳細は以下に述べる。
【０１００】
以上に基づき、水平方向出力角を数９に示し、垂直方向出力角ψを数１０に示し、揺動角度θを数１１に示す。
【０１０１】
【数９】
【０１０２】
【数１０】
【０１０３】
【数１１】
図３９に示すように、ミラー３２２における接続軸３２２ｂから、接触部３２２ａがカム溝３４１の側面と接触している位置までにおいて、回転軸３２１ａに平行方向の成分の距離をＬとし、回転軸３２１ａに垂直方向における距離（揺動量）をＸとすると、数９から数１１に基づき揺動量Ｘは数１２に示す式で表わされる。
【０１０４】
【数１２】
数１２に示す式に基づき表１に示す条件におけるミラー回転角φと揺動量Ｘとの関係を表２に示す。また、図４０には表２の結果の相関関係を示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
【表２】
表２及び図４０に示されるように、ミラー回転角φが９０°に近づくに伴い、揺動量Ｘは急激に増加している。実際には、ミラー回転角φが９０°の状態というのは、発光部３１０からの光ビームの入射方向と、ミラー３２２におけるミラー面とが平行となるため、ミラー３２２により光ビームを偏向することはできない。本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、表２等に基づき所定の垂直方向出力角が得られるように、カム溝３４１を形成する。これにより、図３１及び図３２に示されるようなカム溝３４１が形成され、ミラー回転角φが増加するに伴い、回転軸３２１ａからカム溝３４１までの距離（揺動量Ｘ）が増加するように形成されている。
【０１０７】
本実施の形態では、ミラー３２２の接触部３２２ａはカム溝３４１に沿って移動するため、ミラー回転角φに応じて所望の揺動角度θにすることができる。これにより、ミラー３２２がどの位置にあっても、垂直方向に対して一定の角度で光を出射することができる。即ち、水平方向出力角に依存することなく垂直方向出力角を一定に保つことができる。また、同時に、同じ角度の反射光を検出することができる。
【０１０８】
ところで、図３９に示されるように、ミラー３２２の揺動角度θは揺動量Ｘにより定まり、揺動量Ｘはカム溝３４１の側面とミラー３２２の接触部３２２ａにおける先端部分における接触位置により定まる。このため、接触部３２２ａは、常に、カム溝３４１の側面と接触している。接触部３２２ａの形状は、図４１（ａ）に示されるように、丸棒等の棒状のものでもよく、図４１（ｂ）に示されるように、点接触となるように、接触部３２２ａの先端部分に球状の球状部３２２ｃを設けてもよい。また、図４１（ｃ）に示されるように、接触部３２２ａの先端部分にベアリング部３２２ｄを設けることにより、カム溝３４１の側面との接触抵抗を減らすことができる。尚、接触部３２２ａの先端部分とカム溝３４１との摩擦抵抗を減らすため、機械油等の物質を塗布することが好ましい。
【０１０９】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角が変化することなく光を走査することができる。このため、車両等の前方に装着した場合には、走行する車両等の前方において車両の高さにおける水平方向の状況を知ることができるため、車両等における自動運転システム等に寄与することができ、運転の安全にも貢献することができる。また、垂直方向出力角を広げるため、光を走査する本数を増やす場合においても、水平方向出力角に対し垂直方向出力角は変動しないため、少ない光の走査本数で広い垂直方向出力角における検出対象の検出を行なうことができる。
【０１１０】
〔第７の実施の形態〕
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、ミラー３２２の揺動角度θをカム溝３４１ではなく、アクチュエータにより制御するものである。
【０１１１】
図４２に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、ベース部４４０にはカム溝は設けられておらず、光走査部４２０には、ミラー３２２の揺動角度θを変化させるためのアクチュエータ４２５が設けられている。このため、光走査部４２０にはバネは設けられてはいない。また、本実施の形態におけるレーザレーダユニットには、制御部４５０が設けられており、モータ３２１及びアクチュエータ４２５と接続されている。
【０１１２】
アクチュエータ４２５は、モータ３２１の回転軸３２１ａとミラー３２２の背面との間に設けられており、電圧等を印加することにより伸縮するピエゾ素子、磁力等を使ったリニアモータ等の駆動機構により形成されている。
【０１１３】
アクチュエータ４２５は、制御部４５０により、モータ３２１の回転、即ち、ミラー回転角φに応じて、アクチュエータ４２５が所定量伸縮し、ミラー３２２の揺動角度θが所定の角度となるように制御される。このため、制御部４５０には、ミラー回転角φとミラー３２２の揺動角度θとの関係を算出する演算機能を有している。尚、モータ３２１には、モータ３２１の回転角度、即ち、ミラー回転角φを検出するための不図示のセンサ等を設けてもよく、この場合には、センサ等により検出されたモータ３２１の回転角度に応じてミラー３２２の揺動角度θが所定の角度となるように、アクチュエータ４２５の伸縮が制御される。
【０１１４】
これにより、ミラー回転角φに対応してミラー３２２の揺動角θが制御することができ、第６の実施の形態と同様に、水平方向出力角を変化させても垂直方向出力角は、殆ど変化することなく光ビームを走査することができる。
【０１１５】
尚、上記以外の内容については、第６の実施の形態と同様である。
【０１１６】
〔第８の実施の形態〕
次に、第８の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、光走査部において複数のミラーを有するものであり、図４３及び図４４に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて説明する。尚、図４３は、本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいて、カバー部を取り外した状態の斜視図であり、図４４は、ベース部５４０の上面図である。
【０１１７】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいては、ベース部５４０には、２つのカム溝５４１及び５４２が設けられている。また、光走査部５２０には、互いの背面側が向きあうように設置された２枚のミラー５２１及び５２２を有しており、この２枚のミラー５２１及び５２２は接続部５２３を介し、モータ３２１の回転軸３２１ａと接続されている。ミラー５２１は、接続部５２３と回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸５２１ｂにおいて回転可能な状態で接続されており、ミラー５２２は、接続部５２３と回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸５２２ｂにおいて回転可能な状態で接続されている。また、ミラー５２１の背面と回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ５５１が設けられており、ミラー５２２の背面と回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ５５２が設けられている。更に、ミラー５２１には、カム溝５４１に入り込む接触部５２１ａが設けられており、接触部５２１ａはカム溝５４１の壁面に接触しながらカム溝５４１内を移動する。同様に、ミラー５２２には、カム溝５４２に入り込む接触部５２２ａが設けられており、接触部５２２ａはカム溝５４２の壁面に接触しながらカム溝５４２内を移動する。
【０１１８】
カム溝５４１は、ミラー５２１が所定のミラー回転角φにおいて所定の揺動角度θ１となるように形成されており、カム溝５４２は、ミラー５２２が所定のミラー回転角φにおいて所定の揺動角度θ２となるように形成されている。尚、カム溝５４１及び５４２が重ならぬように、ミラー５２２の接触部５２２ａ近傍には、オフセット部５２２ｃが設けられているが、このオフセット部５２２ｃはあまり大きくない方が好ましい。
【０１１９】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、２枚のミラー５２１及び５２２の揺動角度θ１及びθ２を各々独立に制御することができるため、垂直方向出力角の異なる領域において光ビームを走査することができる。よって、垂直方向出力角の範囲を広げることができる。
【０１２０】
尚、光走査部５２０に設けられるミラーの数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上設けてもよい。但し、ミラーとカム溝の位置が大きくなるとオフセットを大きくしなければならないが、これによりミラー面に対してミラーの揺動中心と揺動させる点を結ぶ線とのずれが生じる。これが影響する場合は、オフセットを考慮した溝形状のカム溝にすることで解決される。
【０１２１】
尚、上記以外の記載については、第６の実施の形態と同様であり、第７の実施の形態のものにも適用することができる。
【０１２２】
また、カム溝を多くしたくない場合においては、複数枚のミラーで走査する際、カムでの動きは一枚目のミラーが受け、その動きを他のミラーにリンク等で伝達し、動かすのでもよい。その場合、一枚目のミラーが投射する部分では、そのミラーに必要な揺動を行うが、一枚目のミラーが投射しない部分でも他のミラーが発光に必要な揺動のために、一枚目のミラーは揺動を行っている。
【０１２３】
また、カム構造は前述した記載のものに限定されるものではない。例えば、前述したカム溝における溝形状は摺動面となる一方の側面のみ精度を出せばよいが、カム溝の両側の側面において、精度出せばどちらかの面にならって動くことになるので、バネ等は不要となる。
【０１２４】
また、前述した実施の形態における説明にあるような、"ＬＤからの光はミラーの位置がどこにあっても垂直方向に対して一定の角度で光を出射することができ、同時に同じ角度の反射光を検出することができる"構成ではなく、あえて、垂直方向に対しての角度を変化させてもよい。例えば、検出範囲の中心部を高めに走査し、両端を低めに走査するようにミラーを動かす。また、斜めに走査したり、波打たせたりする。これにより、検出範囲において任意の軌跡で走査をすることができ、その結果、検出範囲を任意の設定にすることができる。
【０１２５】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【０１２６】
１０ 光源
１１ レーザダイオード
１１ａ 基板
１１ｂ 発光領域
２０ 入力光学系
３０ 光スキャナ
３１ ミラー
３１ａ ミラー面
３１ｂ ミラー面
３２ ミラー
３３ 回転軸
１１０ 送光部
１１４ 出力光学系
１１５ ＬＤ駆動回路
１１６ 光スキャナ駆動回路
１１７ 走査角モニタ
１２０ 受光部
１２１ 受光レンズ
１２２ 受光素子
１３０ ＥＣＵ
１４１ 増幅器
１４２ コンパレータ
１４３ 時間計測回路
Ｒ ミラー回転半径
Ｗ 光ビーム幅
Ｗｍ ミラー面照射幅
ΔＸ オフセット量
θ ミラー面倒れ角
φ ミラー回転角
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２７】
【特許文献１】特開平９−２７４０７６号公報
【特許文献２】特開２００９−９８１１１号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームスキャナ及びレーザレーザユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
走行路に存在する先行車両や障害物の判別、または、道路の車線区分を示す白線やキャッツアイ等のレーンマーカの検出のために、車両等に搭載される走査型レーザレーダを用いた物体種別判別装置が一般的に用いられている。レーザレーダ装置は、車両等の前方にレーザ光を出射し、出射されたレーザ光が先行車両や障害物等において反射され、この反射光を受光することにより、車両等の前方に存在している先行車両や障害物等を検出することができる。
【０００３】
一般的な走査型レーザレーダ装置の動作原理について図１に基づき説明する。図１に示されるように、このレーザレーダ装置では、送光部９１０、受光部９２０、制御部となるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）９３０等を有している。尚、送光部９１０及び受光部９２０は、自動車等の車両の前方に存在している物体を検出することができるように、車両の前方に設置されている。
【０００４】
送光部９１０は、パルス状のレーザ光を出射する半導体レーザダイオード（ＬＤ：laser diode）９１１、光スキャナ９１２、ＬＤ９１１からの光を光スキャナ９１２に導くための入力光学系９１３、光スキャナ９１２を通過した光ビームについて、路面対する傾斜角等を制御するための出力光学系９１４等を備えている。ＬＤ９１１は、ＬＤ駆動回路９１５を介してＥＣＵ９３０に接続されており、ＥＣＵ９３０からの駆動信号によりレーザ光を出射する。光スキャナ９１２は、光スキャナ駆動回路９１６を介しＥＣＵ９３０と接続されており、所定の固定周波数でＬＤ９１１から出射された光ビームを水平方向に繰り返し走査する。光スキャナ９１２における光ビームの走査角は走査角モニタ９１７によって検出され、ＥＣＵ９３０側に出力され、光スキャナ駆動信号にフィードバックすることにより走査角度及び走査周波数を制御する。
【０００５】
受光部９２０は、受光レンズ９２１及び受光素子９２２等を有しており、車両前方の物体から反射されたレーザ光は受光レンズ９２１及び不図示のミラー素子等を介し受光素子９２２に入射する。受光素子９２２は、フォトダイオード等により形成されており、反射光における光強度に対応する電圧値の電気信号を出力する。受光素子９２２より出力された電気信号は、増幅器９４１において増幅され、コンパレータ９４２に出力される。コンパレータ９４２では増幅器９４１からの出力電圧の値を基準電圧Ｖ０と比較し、出力電圧の値がＶ０よりも大きくなったときに、所定の受光信号を時間計測回路９４３に出力する。
【０００６】
時間計測回路９４３には、ＥＣＵ９３０からＬＤ駆動回路９１５へ出力される駆動信号も入力しており、ＬＤ駆動信号を出力してから所定の受光信号が発生するまでの時間、即ち、レーザ光を出射した時刻と、反射光を受光した時刻の時間差を計測時間データとして、ＥＣＵ９３０に出力する。この計測時間データに基づいて、ＥＣＵ９３０において、物体までの距離を容易に算出することができる。
【０００７】
このような構成の走査型レーザレーダ装置において、送光部９１０に用いられる光スキャナ９１２として、ポリゴンミラーやガルバノミラー等を用いたものがあり、例えば、図２に示すように、ポリゴンミラー等の走査ミラー９５１の脇にＬＤ９１１及びコリメートレンズ等の入力光学系９１３を配置したものがある。この光スキャナ９１２においては、ＬＤ９１１から出射されたレーザ光は入力光学系９１３を介し、ミラー９５２で反射され、走査ミラー９５１におけるミラー面９５１ａに照射される。走査ミラー９５１は回転軸９５１ｂを中心に回転しており、ミラー面９５１ａに照射された光は反射されるため、水平方向において広範囲にレーザビームを出射させ走査することができる。これにより、広範囲な領域において距離測定が可能となる。
【０００８】
また、近年では、垂直方向においても光ビームを走査する２次元走査や、垂直方向の測定領域の異なる光ビームを水平に走査する複数ラインの走査が要求されている。このような２次元スキャンまたは複数ライン走査を実現するための手段としては、走査方向が９０°、異なるミラー等の走査デバイスを直列に接続し、水平方向に光ビームを走査した直後に垂直方向のビーム走査を行なう構造のものの他、より簡便に複数ライン走査を達成するために、回転ポリゴンミラーの光軸に対して反射面に倒れ角を設け、複数の反射面に対して互いに倒れ角が異なるように形成した構造のものがある。
【０００９】
例えば、特許文献１には、各面倒れ角の異なるポリゴンミラーを用いたレーザレーダ装置において、測定領域の左右両端の垂直方向における測定範囲の差を小さくする目的で、ポリゴンミラーの上部後方にレーザダイオードを配置し、更に、ポリゴンミラーの正面に配置した折返しミラーによって、レーザダイオードから出射された光ビームをポリゴンミラーのミラー面へ正面から入射させる構成のものが開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には、光を３６０°全方位に出射することができるように、発光素子の下にミラー等の偏向部を設けた構成のものが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の面倒れ面を備えた回転ポリゴンミラーによる複数ビーム走査方式では、水平方向のスキャン角度（出射角、出力角）が増大すると垂直方向の出射角度が変動してしまうという問題点があった。具体的に説明すると、ミラー面に対してＬＤからの光ビームが対面して入射した場合、所定の倒れ角の２倍の垂直方向の出力角で反射され出射されるが、ポリゴンミラーの回転に伴い、ミラー面に対して浅い角度で光ビームが入射する場合には、垂直方向に十分な出射角度が得られない。このため、特に水平方向におけるスキャン角度が全角６０°を超えるような広角の走査範囲においては、複数の走査ビームによる測定領域全域を考えたときに、水平方向の走査角が大きくなるほど、垂直方向の測定範囲が限定され、十分な測定領域を確保することができないという問題があった。
【００１２】
また、特許文献１に記載されているレーザレーダ装置では、広角のスキャン範囲に対しては、ビーム歪みを抑制する効果が低く、また、ポリゴンミラーの上部にレーザダイオードを配置する構成のため、ユニットの小型化、特にユニットの薄型化が困難となる。
【００１３】
また、特許文献１に記載されているものでは、出射される光は走査することができるが、受光部は走査されないため、検出範囲が狭く、また、検出範囲を広くしようとすると検出感度が低下してしまう。
【００１４】
また、特許文献２に記載されているものでは、ミラー等の偏向部の上に発光素子を設けた構造のものであるため、装置を縦方向に縮小することが困難であり、装置が大型化してしまう。
【００１５】
ここで、縦方向に縮小するために、ミラー等に対して光ビームを水平方向となる側面より入射させる方法があるが、回転しているミラー等に水平方向より光ビームを入射させると、走査される光ビームが曲がってしまい、測定エリアが台形になったり、変形したりするため、所望の測定領域における測定を行なうことができないといった問題点がある。
【００１６】
よって、本発明は、複数ラインを走査するための光ビームスキャナにおいて、水平方向の出力角が広い場合であっても、垂直方向の出力角の変動が少なく、十分な測定領域を確保するとともに、測定範囲における歪みを低減することを目的とするものであり、更には、この光ビームスキャナを用いて垂直方向の出力角度が異なる複数ビームの走査を可能とする小型のレーザレーダユニットを提供することを目的とするものである。または、本発明は、所望の領域を走査することができ、小型化可能なレーザレーダユニットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、光源と、前記光源からの光を走査する光スキャナと、前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、を有し、前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする。
【００１８】
また、前記回転軸に垂直な面において、前記ミラーの一方の側におけるミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角は、前記他方の側のミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角度よりも、大きいことを特徴とする。
【００１９】
また、前記光ビームの光軸が、前記回転軸より前記回転ミラーの回転半径の０．８倍以上、１．０倍以下離れた位置となるように、前記光ビームが照射されることを特徴とする。
【００２０】
また、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に平行な方向に対しミラー面傾き角が徐々に増加している領域と、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が一定である領域と、を有していることを特徴とする。
【００２１】
また、前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が徐々に増加している２つの異なる領域を有しており、前記２つの異なる領域は、前記徐々に増加する傾きの変化が不連続となる点で接続されていることを特徴とする。
【００２２】
また、前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、前記ミラーに入射する光ビームの前記回転軸に垂直な面に平行な方向における光ビーム幅Ｗとすると、５Ｗ以上、１２Ｗ以下であることを特徴とする。
【００２３】
また、前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、前記回転ミラーの回転半径の２倍以上であることを特徴とする。
【００２４】
また、前記ミラーを複数有しており、各々の前記ミラーにおける前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角は相互に異なっていることを特徴とする。
【００２５】
また、前記光源は、端面発光レーザダイオードであって、前記端面発光レーザダイオードの基板面と、前記回転軸とは、略平行となるように設置されていることを特徴とする。
【００２６】
また、前記記載の光ビームスキャナと、前記光ビームスキャナより出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、発光部と、前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有し、前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、発光部と、前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、を有し、前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とする。
【００２９】
また、前記回転軸に対する前記光反射部の前記傾斜角度を揺動角θとし、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとした場合に、９０°−ｃｏｓ−１（ｓｉｎ２θｃｏｓφ）が一定の値となるように、揺動角θがφに対応して変化するものであることを特徴とする。
【００３０】
また、前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、前記光反射部の他方の端部は、前記ベース部に設けられたカム溝に入り込む接触部が設けられており、前記光反射部が回転することにより前記接触部は前記カム溝内をカム溝に沿って移動するものであることを特徴とする。
【００３１】
また、前記光反射部と前記回転部の回転軸との間には、弾性部材が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
また、前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、前記光反射部の傾斜角度は、アクチュエータにより変化させるものであることを特徴とする。
【００３３】
また、前記アクチュエータを制御する制御部を有しており、前記制御部により、前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、アクチュエータが制御されるものであることを特徴とする。
【００３４】
また、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとし、前記回転軸に垂直な面に対する前記反射部により反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に平行な距離成分をＬとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に垂直な距離成分を揺動量とした場合、揺動量＝Ｌ・ｔａｎ｛１／２・ｓｉｎ−１（ｃｏｓ（９０−ψ）／ｃｏｓφ）｝となるように揺動量が変化するものであることを特徴とする。
【００３５】
また、前記光走査部は複数の光反射部を有しており、前記回転軸に対する各々の前記光反射部における傾斜角度は、各々異なっていることを特徴とする。
【００３６】
また、前記発光部から光走査部に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部に入光する間際の光軸と、光走査部で反射され光検出部において検出される反射光の光軸のうち光走査部から出た間際の光軸とは、同一平面上に存在していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、複数ラインを走査するための光ビームスキャナにおいて、水平方向の出力角が広い場合であっても、垂直方向の出力角の変動が少なく、十分な測定領域を確保するとともに、測定範囲における歪みを低減することができる。更には、この光ビームスキャナを用いて垂直方向の出力角度が異なる複数ビームの走査を可能とする小型のレーザレーダユニットを提供することができる。または、本発明によれば、所望の領域を走査することができ、小型化可能なレーザレーダユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】走査型レーザレーダ装置の構成図
【図２】図１における光スキャナの説明図
【図３】光ビームスキャナの説明図
【図４】光ビームスキャナにおけるミラー面の説明図
【図５】水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図６】水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図７】第１の実施の形態における光ビームスキャナの説明図
【図８】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラーの説明図
【図９】オフセット量の説明図
【図１０】第１の実施の形態におけるミラー回転角と交点座標との相関図
【図１１】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図１２】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図１３】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図１４】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面照射幅の説明図
【図１５】第１の実施の形態における光ビームスキャナのミラー回転角とミラー面照射幅との相関図
【図１６】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（３）
【図１７】第１の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（４）
【図１８】第２の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図１９】第２の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図２０】第２の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図２１】第３の実施の形態における光ビームスキャナのミラー面倒れ角の説明図
【図２２】第３の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（１）
【図２３】第３の実施の形態における光ビームスキャナの水平方向出力角と垂直方向出力角の相関図（２）
【図２４】第４の実施の形態における端面発光のレーザダイオードの説明図
【図２５】第５の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図
【図２６】第５の実施の形態におけるレーザレーダユニットの構成図
【図２７】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの斜視図
【図２８】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（１）
【図２９】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（２）
【図３０】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニット内部の斜視図（３）
【図３１】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の斜視図
【図３２】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の上面図
【図３３】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの上面図
【図３４】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図（１）
【図３５】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図（２）
【図３６】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（１）
【図３７】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（２）
【図３８】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（３）
【図３９】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットの光走査部の説明図（４）
【図４０】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのミラー回転角と揺動量との相関図
【図４１】第６の実施の形態におけるレーザレーダユニットのミラーの接触部の説明図
【図４２】第７の実施の形態におけるレーザレーダユニットの説明図
【図４３】第８の実施の形態におけるレーザレーダユニットの斜視図
【図４４】第８の実施の形態におけるレーザレーダユニットのベース部の上面図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
〔第１の実施の形態〕
最初に、面倒れミラーによる複数ビーム走査の際に生じる測定領域の歪みについて説明する。図３には、一例として、測定領域の歪みについて説明するための光ビームスキャナの構造を示す。この光ビームスキャナは、２つのミラー面９６１、９６２を有する回転ポリゴンミラー９６０を有しており、この回転ポリゴンミラー９６０の側面より光ビームを入射させて光ビームを走査するものである。この２つのミラー面９６１、９６２は、図４に示すように、回転ポリゴンミラー９６０の回転軸９６３に対して、相互に異なる倒れ角を有している。具体的には、ミラー面９６１は、回転軸９６３に対し、ミラー面倒れ角θ１で傾斜した面であり、図面において若干上側に向いている面である。また、ミラー面９６２は、回転軸９６３に対し、ミラー面倒れ角θ２で傾斜した面であり、図面において若干下側に向いている面である。図３は、この光ビームスキャナの上面図であり、図４は、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。尚、本実施の形態においては、直交座標系として、回転軸９６３に平行な方向をＹ軸方向とし、測定範囲の中心をＸ軸方向とする。また、この説明においては、光ビームの光軸がＺ軸と平行となる場合について説明するが、この光ビームの光軸はＹ軸に垂直となるＸＺ面内に存在していればよい。尚、説明の便宜上、Ｙ軸に垂直であって、ミラー面９６１と平行な軸をＫ１軸とし、ミラー面９６２と平行な軸をＫ２軸とする。また、Ｚ軸を基準に、回転軸９６３を中心とするミラー面９６１、９６２の回転角度を角度φとている。よって、φ＝４５°のときには、ミラー面９６１、９６２において反射した光は、Ｘ軸と平行な方向に出射される。
【００４１】
ところで、平面鏡による光ビームの反射方向を光線行列表示で考えた場合、入射光線の方向余弦ベクトルを（Ｌ、Ｍ、Ｎ）、鏡面の法線の方向余弦を（ｌ、ｍ、ｎ）、反射光線の方向余弦を（Ｌ１、Ｍ１、Ｎ１）と定義すると、一般的に、数１に示す関係が成り立つ。
【００４２】
【数１】
数１に示す式において、図３に示す光ビームスキャナの構成を反映させ、入射光線の方向余弦ベクトルを（０、０、−１）とすると、数２に示される式となる。
【００４３】
【数２】
ここで、ミラー面９６１、９６２における倒れ角を一般化して角度θと定義し、ミラー回転角を角度φとすると、このときの鏡面の法線の方向余弦（ｌ、ｍ、ｎ）は、数３に示す式で表わされる。
【００４４】
【数３】
数２及び数３に示される式より、反射光線の方向余弦は、数４に示す式で表わされる。
【００４５】
【数４】
数４より得られる反射光線の方向余弦成分より、ミラー面による水平方向出力角は数５に示す式で表わされ、垂直方向出力角は数６に示す式で表わされる。
【００４６】
【数５】
【００４７】
【数６】
数５及び数６に示される式より、ミラー面が１枚の場合の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を計算した結果を図５に示す。尚、図５では、ミラーの倒れ角θを０．４°とし、垂直方向におけるビームの広がり角を１．６°とした。また、横軸の水平方向出力角については、ミラー回転角φが４５°のときに０°となるように、即ち、図３においてＸ軸方向が０°となるように定めた。よって、図５では、Ｘ軸方向に対し、−８０°から８０°の範囲の水平方向出力角において走査（スキャン）される。図５に示されるように、水平方向出力角が小さい場合には、光ビーム中心の垂直方向出力角はミラー面倒れ角θの２倍に相当する０．８°に近い値となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の値が変動し減少する。これは、水平方向出力角が小さい場合には、ミラー回転角φが小さくミラー面に対し垂直に近い角度で光ビームが入射するのに対し、ミラー回転角φが大きくなるにつれて、ミラー面に対し平行に近い浅い角度で光ビームが入射することに起因する。従って、光ビームを走査した場合には、垂直方向における照射範囲は、光ビームの中心に対して、±０．８°の広がりを有しているため、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略０°から＋１．６°の範囲となる。しかしながら、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角は低下し、最終的には、ミラー面倒れ角θが０°、即ち、ミラー面倒れ角のない状態である−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。このように、図３及び図４に示されるミラー９６１、９６２を用いた場合においては、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角が変化し低下してしまう。
【００４８】
図６は、図３及び図４に示すように、２枚のミラー面９６１、９６２を用いた場合を示すものであり、ミラー面９６１の倒れ角θ１を０．４°とし、ミラー面９６２の倒れ角θ２を−０．４°とし、２本の光ビームを走査させた場合について計算した結果である。ミラー面９６１における走査の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係は、図５に示す場合と同様である。また、ミラー面９６２における走査の水平方向出力角と垂直方向出力角との関係は、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略−１．６°から０°の範囲となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角は増加し、最終的には、ミラー面倒れ角θが０°、即ち、ミラー面倒れ角のない状態である−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。
【００４９】
よって、２つの光ビームを用いた場合においては、水平方向出力角が小さい場合には、垂直方向出力角は、略−１．６°から＋１．６°の範囲となるが、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の範囲が狭くなり、−０．８°から＋０．８°の範囲に近づく。このように、図３及び図４に示す構造の光ビームスキャナーでは、水平方向出力角が大きくなるに伴い、垂直方向出力角の範囲が狭くなってしまう。
【００５０】
（光ビームスキャナ）
次に、本実施の形態における光ビームスキャナについて説明する。図７及び図８は、本実施の形態における光ビームスキャナを示すものであり、図７は上面図であり、図８（ａ）は、図７における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図であり、図８（ｂ）は、図７における一点鎖線７Ｃ−７Ｄにおいて切断した断面図である。
【００５１】
本実施の形態における光ビームスキャナは、光源１０となるレーザダイオードと、入力光学系２０となるコリメートレンズ、光スキャナ３０とを有している。光スキャナ３０は、２つのミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーであり、回転ポリゴンミラーの回転軸３３を中心に回転するものであり、光スキャナ３０となる回転ポリゴンミラーの側面より光ビームを入射させて光ビームを走査するものである。尚、直交座標系として、光スキャナ３０となる回転ポリゴンミラーの回転軸３３をＹ軸方向とし、測定範囲の中心をＸ軸方向とする。また、この説明においては、光ビームの光軸がＺ軸と平行となる場合について説明する。また、説明の便宜上、Ｙ軸に垂直であって、ミラー３１と平行な軸をＫ１軸とし、ミラー３２と平行な軸をＫ２軸とする。また、回転軸３３を中心とするミラー３１、３２の回転角度を角度φとし、φ＝４５°の時に、ミラー３１、３２において反射した光は、Ｘ軸と平行な方向に出射される。
【００５２】
本実施の形態においては、光源１０となるレーザダイオードは、パルス光を出射するものであるが、レーザダイオードに限られず、非コヒーレントな光を出射するダイオード等のであってもよく、また、パルス光が出射されないものであってもよい。
【００５３】
入力光学系２０となるコリメートレンズは、光源１０から出射された光を所定のビーム径及び所定のビーム広がり角を有する光ビームに変換し、光スキャナ３０である回転ポリゴンミラーに出射する。尚、入力光学系２０は、コリメートレンズのみを示しているが、例えば、任意の位置及び光出射方向に配置された光源１０に対して、光進行方向を制御して回転ポリゴンミラー側方から光ビームを導くような光路変換素子を更に設けてもよい。
【００５４】
本実施の形態においては、光スキャナ３０である回転ポリゴンミラーにおけるミラー３１は、図８に示されるように、ミラー３１の長手方向であるＫ１軸方向において、回転軸３３に対するミラー面倒れ角θが徐々に変化するように形成されている。具体的には、図８（ａ）に示すように、光源１０からの光が垂直に近い状態で入射するミラー面３１ａでは、ミラー面倒れ角θ１１は小さな角度となっており、図８（ｂ）に示すように、光源１０からの光が水平に近い状態で入射するミラー面３１ｂでは、ミラー面倒れ角θ１２は大きな角度となっている。即ち、ミラー３１は、光ビームが垂直に近い角度で入射するミラー面３１ａが形成されている一方の側から、光ビームが平行に近い角度で入射するミラー面３１ｂが形成されている他方の側に向かって、ミラー面倒れ角θが徐々に増加するように、形成されている。よって、ミラー３１において、一点鎖線７Ａ−７Ｂと一点鎖線７Ｃ−７Ｄとの間においては、ミラー面倒れ角θは、θ１１≦θ≦θ１２となるように形成されている。
【００５５】
数６に示される式に基づくならば、垂直方向出力角を一定にするためには、ｓｉｎ２θ・ｃｏｓφの値を一定にすればよい。従って、本実施の形態においては、ミラー回転角φに対応してミラー面倒れ角θが変化するようにミラー３１が作製されているため、ミラー回転角φが変化し、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角が一定となる。即ち、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角は殆ど変化しない。
【００５６】
このように、本発明は、発明者が回転ポリゴンミラーの回転に伴い、ミラーに照射される光ビームの位置が変化することに着目したものである。即ち、図７に示すように、ミラー３１において、Ｙ軸と垂直となるＫ１軸を定義し、ミラー３１における面の座標を記述できるようにすると、光ビームがミラー３１に入射する際の入射ビームとミラー３１におけるミラー面との交点における座標がミラー３１の回転に伴って変化する。従って、各々の交点における座標において、ｓｉｎθ・ｃｏｓφの値が一定となるように、ミラー回転角φに応じて、ミラー面倒れ角θとなるミラー３１を作製すればよいのである。
【００５７】
より詳細に、図９に基づき入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点における座標について説明する。図９は、回転ポリゴンミラーにおけるミラー３１に着目したものであり、ミラー回転角φにおける入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点を示したものである。尚、Ｋ１軸における原点は、ミラー回転角φが０°の場合に、Ｚ軸とＫ１軸とが交わる点とする。また、回転軸３３よりＫ１軸における原点までの距離をミラー回転半径Ｒとし、回転軸３３から入射する光ビームのＸ軸方向における距離をオフセット量ΔＸとする。尚、入射する光ビームとミラー３１におけるミラー面との交点は、便宜上、Ｋ１軸上における座標として示される。この場合において、交点座標ｋ１（φ）は、数７に示す式で表わされる。
【００５８】
【数７】
数７に示されるように、交点座標ｋ１（φ）は、ミラー回転角φとオフセット量ΔＸとに依存して変化する。
【００５９】
図１０は、ミラー回転角φと交点座標ｋ１との関係を計算した結果であり、横軸がミラー回転角φ、縦軸が交点座標ｋ１をミラー回転半径Ｒで規格化した値である。図１０に示されるように、オフセット量ΔＸがミラー回転半径Ｒよりも大きい場合には、異なる２つのミラー回転角φが同一のミラー面に入射することがわかる。例えば、オフセット量ΔＸ＝１．１Ｒの場合では、ミラー回転角φが５３°及び７３°のときに、いずれもｋ１＝０．５Ｒとなるミラー座標において、ミラー面に入射する。この場合、ミラー回転角φを大きくして光ビームを広範囲に走査しようとしても、ミラー回転角φに応じて所定の垂直方向出力角を有するようにミラー面倒れ角θを設計することは困難となる。従って、水平方向に広範囲に光ビームを走査する場合には、オフセット量ΔＸは、ミラー回転半径Ｒ以下であることが好ましい。また、オフセット量ΔＸの値をミラー回転半径Ｒよりも小さくしすぎると、ミラー回転角φが大きい場合における交点座標ｋ１が小さくなり、ミラーの全長を大きくすることが必要となる。ミラー回転角φを８５°と考えた場合には、図１０に示す場合では、ΔＸが０．８Ｒ以上であれば交点座標ｋ１は、−２Ｒよりも大きくなる。
【００６０】
以上の状況を鑑みると、オフセット量ΔＸは、０．８Ｒ≦ΔＸ≦１．０Ｒの範囲であることが好ましく、更には、０．９５Ｒ≦ΔＸ≦１．０Ｒの範囲であることが好ましい。
【００６１】
次に、図１１に基づきミラー面倒れ角θについて説明する。図１１では、オフセット量ΔＸ＝０．９８Ｒ、垂直方向出力角が０．８°となるように、ミラー３１を設計したものである。尚、図１１における横軸のミラー座標は、ミラーにおける面内座標をミラー回転角Ｒにより規格化された値である。具体的に、このミラー３１の設計手順は、ミラー回転角φと予め設定されたオフセット量ΔＸから数７に示す式により、光ビームがミラー３１に入射する座標を求めることができる。この座標において、所望の垂直方向出力角を得るためのミラー面倒れ角θが数６に示す式により定めることができる。更に、このときの水平方向出力角が数５に示す式により定められる。ミラー回転角φをパラメータとして、上記の計算を繰り返すことのよりミラー３１におけるミラー面座標とミラー面倒れ角θとの関係を算出することができる。
【００６２】
図１２は、図１１に示すミラー面倒れ角θが変化するミラー３１において、水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を計算により求めたものである。尚、垂直方向の光ビームの広がり角を１．６°と設定し、水平方向には光ビームが幅を有していない理想的な光ビームを仮定している。図１２に示されるように、この場合においては、垂直方向出力角は、水平方向出力角に依存することなく、常に０．８°となる。また、図１３は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図１３に示されるように、水平方向出力角が変化した場合においても、垂直方向出力角の範囲は変化することなく、−１．６°〜＋１．６°の範囲の測定範囲を確保することができる。
【００６３】
ところで、上記においては、光ビームが水平方向に幅を有しない場合について説明したが、実際の光ビームは、垂直方向のみならず水平方向にも幅を有している。即ち、図１４に示すように、ミラー３１に入射する光ビームは、光ビーム幅Ｗを有しており、この光ビームがミラー３１に入射した場合、ミラー３１のミラー面において、ミラー面照射幅Ｗｍの範囲に照射される。光ビームがミラー３１のミラー面に対し略垂直に入射する場合は、ミラー面照射幅Ｗｍは、光ビーム幅Ｗと略等しいが、ミラー回転角φが増加し、ミラー３１におけるミラー面に対し浅い角度で入射する場合には、ミラー回転角φに応じてミラー面照射幅Ｗｍは広くなる。尚、ミラー面照射幅Ｗｍは、ミラー回転角φと光ビーム幅Ｗとにより、数８に示す式で表わされる。
【００６４】
【数８】
図１５には、ミラー回転角φとミラー面照射幅Ｗｍとの関係を計算により得られた結果を示す。尚、縦軸のミラー面照射幅Ｗｍは光ビーム幅Ｗにより規格化されている。図１５に基づくならば、例えば、ミラー回転角φが８０°の場合には、ミラー面照射幅Ｗｍは、光ビーム幅Ｗの約５．８倍となる。実際の光ビームスキャナの設計においては、このミラー面照射幅Ｗｍを考慮して、ミラー３１の全長、即ち、ＸＺ面におけるミラー３１のミラー面の長さを定める必要がある。
【００６５】
例えば、図１４に示すように、２枚のミラー３１、３２を用いた回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査する場合において、水平方向において全角１４０°の範囲を走査するような広角の光ビームスキャナの場合では、ミラー回転角φを１０°〜８０°の範囲等となるように、ミラー回転角φにおける角度範囲が略７０°となるように走査する必要がある。この場合、ミラー回転角φが大きくなった場合におけるミラー面照射幅Ｗｍを考慮すると、ミラー３１の全長は光ビーム幅Ｗの約５倍以上に設定することが好ましく、更には、６倍以上に設定することが好ましい。一般的に、レーザレーダ装置に用いられる光ビームにおける水平方向のビーム径は１ｍｍ〜１０ｍｍである。例えば、ビーム径５ｍｍの場合では、ミラー３１の全長は３０ｍｍ以上の長さで作製されることが好ましい。尚、ミラー３１の全長が長くなることにより、回転ポリゴンミラーにおけるミラー回転直径、即ち、２Ｒを超えてしまう場合がある。一方、ミラー３１の全長を長くしすぎると、光ビームスキャナの全体が大型なものとなるため好ましくない。よって、数８に示す式に基づき、ミラー回転角φが８５°以下の範囲において使用する場合を考えると、ミラー３１の全長を光ビーム幅Ｗの１２倍程度とすることにより、光ビームが照射されるミラー面照射幅Ｗｍがミラー３１の全長以下となる。よって、ミラー３１の全長、即ち、ミラー３１のＫ１軸方向における全長は、Ｙ軸方向における光ビーム幅Ｗの５倍以上、１２倍以下であることが好ましい。
【００６６】
図１６は、計算により得られたミラー３１に入射する光ビームが水平方向に光ビーム幅Ｗを有している場合を考慮した水平方向出力角と垂直方向出力との関係を示すものである。尚、水平方向における光ビーム幅Ｗは、ミラー回転半径Ｒの１／１６と仮定している。水平方向出力角の増加、即ち、ミラー回転角φの増加に伴い、垂直方向出力角における照射範囲が増大する傾向にある。これは、図１１に示されるように、ミラー３１が、ミラー面の各々座標においてミラー面倒れ角θが異なる範囲において、一定の光ビーム幅Ｗの光ビームが照射されるため、ミラー面倒れ角θが小さい領域に光ビームが照射された場合には、垂直方向出力角が小さく、ミラー面倒れ角θが大きい領域に光ビームが照射された場合には、垂直方向出力角が大きくなって出力されるためである。ミラー回転角φが大きくなるほど、ミラー面照射幅Ｗｍが広がるため、垂直方向出力角の照射範囲も増大する。
【００６７】
図１７は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図１７に示されるように、水平方向出力角が増加するにつれて、垂直方向出力角における照射範囲が広がるものの、照射範囲が狭まることはないため、所望の照射範囲を確保することができる。
【００６８】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、水平方向出力角を変化させた場合において、垂直方向出力角の変化がより小さい光ビームスキャナである。本実施の形態における光ビームスキャナは、図７に示す構成と同様の構成のものであり、ミラーが、図１８に示すミラー面倒れ角θを有するものである。
【００６９】
図１８は、本実施の形態における光ビームスキャナのミラー３１におけるミラー座標とミラー面倒れ角θの関係を示すものである。図１８に示されるように、ミラー座標が０近傍までは、図１１と同様に、ミラー座標が低下するに伴い、ミラー面倒れ角θは、徐々に増加するが、ミラー座標が０近傍よりも小さな領域では、ミラー面倒れ角θはミラー座標が０近傍における値と略同位置の値により均一に形成したものである。
【００７０】
図１０に示されるように、オフセット量ΔＸが０．８Ｒ以上、ミラー回転角φが７０°以下の場合では、光ビームがミラー３１に入射する際の交点座標ｋ１は、−０．５×Ｒ以上の範囲に限定される。特に、オフセット量ΔＸが１．０Ｒの場合では、光ビームとミラー面との交点座標ｋ１は、正の値に限定される。即ち、この場合には、ミラー３１の全長のうち、交点座標ｋ１が負の領域には、光ビームの中心は入射しない。実際には、光ビームは一定の光ビーム幅を有しているため、Ｚが負となる領域においてもミラー面が存在している必要はあるものの、その負の領域に対してミラー面倒れ角θの最適設計、即ち、光ビーム幅を有しない理想的な光ビームが入射した場合に垂直方向出力角が一定となるようにミラー面倒れ角θを形成すると、図１１に示すように、ミラー座標が負の領域においてミラー面倒れ角θが急激に増加してしまう。即ち、光ビームが所定の光ビーム幅を有している場合、その光ビーム端では、ミラー面倒れ角θがより大きく設定されたミラー座標における領域に入射するため、ミラー３１により反射される光は、所望の垂直方向出力角よりも大きな出力角となる。このため、垂直方向における光ビームの広がり角が大きくなる。しかしながら、実際には、図１０に示されるように、一定の値よりも小さなミラー座標の領域においては、光ビームの中心が入射することはないため、この領域においては、ミラー面倒れ角θを一定の値となるように形成することにより、余剰な垂直方向出力角の広がり、即ち、垂直方向における余剰となる光ビームの広がりを防ぐことができる。これにより、所望の範囲の垂直方向出射角を得ることができる。尚、図１８に示す場合において、一定の値よりも小さなミラー座標の領域としては、ミラー座標が０近傍よりも小さな領域が挙げられる。
【００７１】
図１９は、本実施の形態におけるミラー３１において、計算により得られた水平方向出力角と垂直方向出力との関係を示すものである。図１９に示されるように、水平方向出力角が変化しても、垂直方向出力角はあまり変化することなく、略一定の範囲を保つことができる。
【００７２】
図２０は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図２０に示されるように、水平方向出射角が４５°近傍においては、それまで垂直方向出射角が増加していたものが減少しているが、水平方向出力角が増加しても、垂直方向出力角における照射範囲は殆ど変化することなく、照射範囲が広がることはない。よって、照射範囲が狭まることはなく、所望の照射範囲を確保することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、水平方向出力角を変化させた場合において、垂直方向出力角の変化がより小さい光ビームスキャナである。本実施の形態における光ビームスキャナは、図７に示す構成と同様の構成のものであり、ミラーが、図２１に示すミラー面倒れ角θを有するものである。
【００７４】
図２１は、本実施の形態における光ビームスキャナのミラー３１におけるミラー座標とミラー面倒れ角θの関係を示すものである。図２１に示されるように、ミラー座標が０．１Ｒまでは、図１１と同様に、ミラー座標が低下するに伴い、ミラー面倒れ角θは、徐々に増加する曲線により形成されており、ミラー座標が０．１Ｒよりも小さな領域では、この曲線とは異なるミラー座標とミラー面倒れ角θとの関係の曲線により形成されている。
【００７５】
よって、本実施の形態においては、ミラー３１は、ミラー座標が１Ｒ近傍においては、ミラー面倒れ角θの変化は小さく、ミラー座標が０．１Ｒまでは、ミラー座標が小さくなるに従い徐々にミラー面倒れ角θの変化が大きくなる。ミラー座標が０．１Ｒよりも小さな領域では、再びミラー面倒れ角θの変化が小さくなり、ミラー座標が小さくなるに従い徐々にミラー面倒れ角θの変化が大きくなる。このため、ミラー座標が０．１Ｒにおいて変曲点を有しており、ミラー３１の全長におけるミラー座標とミラー面倒れ角θとの関係においては、２つの異なる曲線を有している。
【００７６】
図２２は、本実施の形態におけるミラー３１において、計算により得られた水平方向出力角と垂直方向出力角との関係を示すものである。図２２に示されるように、水平方向出力角が＋６０°以上の領域においても、垂直方向出力角の範囲は殆ど変化することはなく、水平方向出力角が変化しても、垂直方向出力角は変化することなく、より一層、略一定の範囲を保つことができる。
【００７７】
図２３は、２枚のミラー３１、３２を有する回転ポリゴンミラーにより光ビームを走査した場合において、水平方向における光ビーム幅を考慮した場合を示すものである。具体的には、ミラー３１における垂直方向出力角が＋０．８°、ミラー３２における垂直方向出力角が−０．８°となるように、各々のミラー３１、３２におけるミラー面倒れ角θを算出して設計した場合を示す。図２３に示されるように、水平方向出力角が増加しても、垂直方向出力角における照射範囲は殆ど変化することなく、照射範囲が広がることはない。よって、照射範囲が狭まることはなく、より一層所望の照射範囲を確保することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光源１０として所定の位置に設置された端面発光のレーザダイオードを用いたものである。
【００７９】
図２４に示されるように、光源１０として用いられている端面発光のレーザダイオード１１は、基板１１ａの表面に薄い発光領域１１ｂが形成されており、発光領域１１ｂよりレーザ光が出射されるため、光ビームの広がり角は、基板１１ａ面に対し平行であるか垂直であるかにより異なる。一般的には、光ビームの広がり角の大きい方向、即ち、基板１１ａ面に対し垂直方向を速軸と称し、光ビームの広がり角の小さい方向、即ち、基板１１ａ面に対し平行方向を遅軸と称する。発光領域１１ｂより出射されたレーザ光は、速軸方向においては、光ビーム幅は１μｍであり、広がり角は約３０°である。基板１１ａ面に垂直方向における発光領域１１ｂの幅は狭いため、速軸方向においては、シングルモード発振する。一方、遅軸方向においては、発光領域１１ｂは基板１１ａ面に平行な活性層の幅に依存し、高出力レーザダイオードにおいては、活性層の幅を広げることにより発光強度を高めている。活性層の幅は４０μｍから４００μｍ程度の範囲で形成される場合が多いが、出射されるレーザ光の波長と比較すると、遅軸方向における活性層の幅は大きいため、マルチモード発振となる。尚、遅軸方向における広がり角は約１０°であり、この広がり角は、活性層の幅にはあまり依存しない。よって、端面発光のレーザダイオード１１より出射されるレーザ光は、速軸方向では、シングルモード発振であるためビームプロファイルは、ガウシアンビームに近いが、遅軸方向では、マルチモード発振であるため、ビームプロファイルは特定の関数で表現することは困難である。
【００８０】
端面発光のレーザダイオード１１からの出射光をコリメートレンズ等の入力光学系２０を用いて平行光にした場合を考えると、速軸方向は、シングルモード発振であるため、通常のガウシアンビームと同様のビーム幅とビーム広がり角との関係を有する平行ビームを作り出すことができる。これに対し、遅軸方向は、マルチモード発振であるため、完全な平行ビームにすることは困難であり、コリメートレンズを通過した後においても、ある程度の広がり角を有する光ビームとして伝播していく。
【００８１】
以上より、光源１０として端面発光のレーザダイオード１１を用いる場合には、速軸、即ち、基板１１ｂ面に垂直方向を光ビームスキャナの光ビーム走査方向（水平方向）に一致させて使用することが好ましい。これにより、水平方向における角度分解能を向上させることができる。尚、この場合、基板１１ｂ面と回転軸３３とは略平行となる。この場合、遅軸方向はコリメートレンズを通過した後も、ある程度の広がり角を有しているためこの広がり角により、垂直方向出力角が定まる。尚、本実施の形態は、第１から第３の実施の形態において適用することができる。
【００８２】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について、図２５及び図２６に基づき説明する。本実施の形態は、第１から第４の実施の形態における光ビームスキャナを有するレーザレーダユニットである。図２５に示されるように、本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、光ビームを水平方向に走査する光ビームスキャナの近傍に、受光素子１２２及び受光素子１２２に光を入射させるための受光レンズ１２１を有している。光ビームスキャナによって、レーザレーダユニットの外部に出射された光ビーム（送光ビーム）は、先行車両、障害物、標識等の検出対象に照射されると、その位置で散乱され、出射された光ビームと平行な光線成分がレーザレーダユニットに戻ってくる。この散乱された反射光をレーザレーダユニットに備えられている受光レンズ１２１により集光し、受光素子１２２に入射させる。受光素子１２２としては、レーザレーダユニットまでの距離が比較的近い検出対象を検出することを目的とする装置においては、一般的なＳｉ−ＰｉＮフォトダイオードが好ましい。また、レーザレーダユニットから検出対象までの距離が数十ｍ以上となる場合において検出対象を検出することを目的とする装置においては、より感度の高いアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が好ましい。
【００８３】
図２６に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて、より詳細に説明する。図２６に示されるように、本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、送光部１１０、受光部１２０、制御部となるＥＣＵ１３０等を有している。尚、送光部１１０及び受光部１２０は、自動車等の車両の前方に存在している物体を検出することができるように、車両の前方に設置されている。
【００８４】
送光部１１０は、パルス状のレーザ光を出射する半導体レーザダイオードにより形成されている光源１０、光スキャナ３０、光源１０からの光を光スキャナ３０に導くためのコリメータレンズ等の入力光学系２０、光スキャナ３０を通過した光ビームについて、路面対する傾斜角等を制御するための出力光学系１１４等を備えている。光源１０は、ＬＤ駆動回路１１５を介してＥＣＵ１３０に接続されており、ＥＣＵ１３０からの駆動信号によりレーザ光を出射する。光スキャナ３０は、光スキャナ駆動回路１１６を介しＥＣＵ１３０と接続されており、所定の固定周波数で光源１０から出射された光ビームを水平方向に繰り返し走査する。光スキャナ３０における光ビームの走査角は走査角モニタ１１７によって検出され、ＥＣＵ１３０側に出力され、光スキャナ駆動信号にフィードバックすることにより走査角度及び走査周波数を制御する。
【００８５】
受光部１２０は、受光レンズ１２１及び受光素子１２２等を有しており、車両前方の物体から反射されたレーザ光は受光レンズ１２１及び不図示のミラー素子等を介し受光素子１２２に入射する。受光素子１２２は、フォトダイオード等により形成されており、反射光における光強度に対応する電圧値の電気信号を出力する。受光素子１２２より出力された電気信号は、増幅器１４１において増幅され、コンパレータ１４２に出力される。コンパレータ１４２では増幅器１４１からの出力電圧の値を基準電圧Ｖ０と比較し、出力電圧の値がＶ０よりも大きくなったときに、所定の受光信号を時間計測回路１４３に出力する。
【００８６】
時間計測回路１４３には、ＥＣＵ１３０からＬＤ駆動回路１１５へ出力される駆動信号も入力しており、ＬＤ駆動信号を出力してから所定の受光信号が発生するまでの時間、即ち、レーザ光を出射した時刻と、反射光を受光した時刻の時間差を計測時間データとして、ＥＣＵ１３０に出力する。この計測時間データに基づいて、ＥＣＵ１３０において、物体までの距離を容易に算出することができる。
【００８７】
以上により、本発明における光ビームスキャナでは、複数の光ビームが互いに十分な測定範囲を維持して走査することができる。即ち、水平方向において広角な走査をした場合においても、垂直方向における照射範囲が殆ど変化することなく、照射範囲が狭まることもない。また、走査する光ビームの本数に応じて垂直方向において領域分割した距離測定を行なうことができる。また、本実施の形態における説明では、説明の便宜上回転ポリゴンミラーに２枚のミラーが設けられている場合について説明したが、ミラーの枚数は３枚以上であっても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
〔第６の実施の形態〕
本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて、図２７〜図３５に基づき説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、図２７及び図２８等に示されるように、光ビームを出射する発光部３１０と、光ビームを走査しレーザレーダユニットより出射する光走査部３２０と、レーザレーダユニットより出射された光が検出対象において反射された光を検出する光検出部３３０とを有している。発光部３１０、光走査部３２０、光検出部３３０は、外部からの光の侵入を防ぎ、また、水分やゴミ等の侵入を防ぐため、ベース部３４０とカバー部３５０により形成されている筐体内に設置されている。カバー部３５０には、発光部３１０において発光した波長の光を透過する材料により形成された窓部３５１を有しており、窓部３５１を介し、出射光が出射され、反射光が入射する。尚、図２７は本実施の形態におけるレーザレーダユニットの外観の斜視図である。図２８〜図３０はカバー部３５０を取り外した状態を示す斜視図であり、図２８は後述するミラー３２２の正面側から見た斜視図であり、図２９はミラー３２２の背面側から見た斜視図であり、図３０はミラー３２２の側面側から見た斜視図である。図３１及び図３２は、ベース部３４０と後述するモータ３２１とを示すものであり、図３１は斜視図であり、図３２は上面図である。図３３は、カバー部３５０を取り外した状態の上面図であり、図３４及び図３５は、この状態における出射光、反射光の光路を説明するための図である。
【００８９】
発光部３１０は、光源となるＬＤ（laser diode；レーザダイオード）３１１と、ＬＤ３１１を駆動するための回路基板３１３と、ＬＤ３１１からの出射光を略平行光となるようにコリメートするレンズ３１２を有している。尚、これらについては、図には示していないが、所定の支持部等によりベース部３４０に支持固定されている。
【００９０】
光走査部３２０は、発光部３１０より入射した光ビームを左右上下方向に偏向させるものである。光走査部３２０は、ベース部３４０に設置されている回転部となるモータ３２１と光反射部となるミラー３２２とを有しており、モータ３２１とミラー３２２とは接続部３２３を介して接続されている。具体的には、モータ３２１と接続部３２３とは、モータ３２１の回転軸３２１ａと接続部３２３において接続されており、ミラー３２２と接続部３２３とは、回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸３２２ｂにより、ミラー３２２が接続軸３２２ｂを中心に回転可能な状態で接続されている。尚、説明では、接続軸３３２２ｂはミラー３２２の端部に直接取り付いているが、直接取り付けが絶対必要なのではなく、加工の都合で構成がとりにくい場合等には、別部材でミラー３２２を支える取り付け部品を追加し、その部分に接続軸３２２ｂを取り付けても良い。また、回転部となるモータ３２１は、ベース部３４０の表面に対し、回転軸３２１ａが垂直となるように設置されている。また、モータ３２１は、ステッピングモータやＤＣモータ、ＡＣサーボモータ等であり、不図示の回転制御部により、外部制御により回転角を制御することができるもの、または、回転角を検出する機能を別途有しており回転が制御されるものである。
【００９１】
また、図２９及び図３０に示されるように、光反射部となるミラー３２２の背面とモータ３２１の回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ３２４が設けられている。バネ３２４は、ミラー３２２がモータ３２１の回転軸３２１ａが設けられている側に引張られる方向、または、モータ３２１の回転軸３２１ａが設けられている側から外側に押し出される方向に力が加えられている。
【００９２】
また、図３１及び図３２に示されるように、ベース部３４０には、モータ３２１の周囲に、所定の形状で形成されたカム溝３４１が設けられており、図２８及び図３０に示されるように、ミラー３２２にはカム溝３４１に入る接触部３２２ａを有している。これにより、モータ３２１が回転軸３２１ａを中心に回転することにより、カム溝３４１に入り込んだミラー３２２の接触部３２２ａはカム溝３４１を移動し、モータ３２１の回転軸３２１ａに対するミラー３２２の傾斜角を変化させることができる。尚、この傾斜角は、後述する揺動角度θである。
【００９３】
光検出部３３０は、不図示の検出対象において反射された反射光を受光し、受光した反射光の光強度に応じて電気信号を出力する光検出素子３３１と、反射光を光検出素子３３１に入射させるための集光レンズ３３２と、光検出素子３３１を駆動するための回路等を有する回路基板３３３とを有している。光検出素子３３１としては、フォトダイオード（ＰＤ）等を用いてもよいが、反射光の光量が低い場合には、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることが好ましい。尚、これらについては、図には示していないが、所定の支持部等によりベース部３４０に支持固定されている。
【００９４】
図３３に示されるように、発光部３１０は、光検出部３３０の上にあり、ベース部３４０の上面から見た場合、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸は略重なっている。言い換えるならば、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸とは同一平面上に存在しており、この平面は回転軸３２１ａに対して平行な面、即ち、ベース部３４０の表面に対し垂直な面である。また、モータ３２１の回転軸３２１ａは、発光部３１０から出射される光ビームの光軸及び光検出部３３０において検出される反射光の光軸の延長線上からずれた位置となるように設置されている。
【００９５】
尚、発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸と光走査部３２０より光検出部３３０において検出される反射光の光軸の略重なりは、本構造で示すものに限らず、前記発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部３２０に入光する間際の光軸と、光走査部３２０で反射され光検出部３３０において検出される反射光の光軸のうち光走査部３２０から出た間際の光軸が略重なっていれば良く、その部分以外の光路を別のミラー等で曲げても良い。例えば発光部３１０はそのままにし、被検出物から戻ってきた光を光走査部３２０で反射したあとミラーを入れ、光検出部３３０の向きや位置を変えても良い。また、例えば光検出部３３０はそのままにし、前記発光部３１０から光走査部３２０に向けて出射される光ビームの途中に別のミラーを置き、発光部３１０の向きや位置を変えても良い。
【００９６】
また、モータ３２１の回転軸３２１ａは、発光部３１０から出射される光ビームの光軸及び光検出部３３０において検出される反射光の光軸の延長線上からずれた位置となっているが、これに限らず一致していても良い。このずれ量は、レーザレーダとしての検出したい範囲（特に水平方向の角度）と他の部品による光のけられ等で決められる。
【００９７】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいては、光ビームを出射する際には、図３４に示されるように、不図示の制御部からの制御に基づき、回路基板３１３を介してＬＤ３１１の発光が制御される。ＬＤ３１１から出射された光ビームは、レンズ３１２に入射し、略平行光となるようにコリメートされた後、ミラー３２２において所定の方向に反射され、レーザレーダユニットより出射される。ミラー３２２では、水平方向のみならず垂直方向においても所定の方向となるように出射される。
【００９８】
出射された光ビームは、検出対象が存在している場合には、検出対象において反射される。検出対象において反射された反射光を受光する際には、図３５に示されるように、反射光はミラー３２２において反射され、集光レンズ３３２において集光され、光検出素子３３１に入射し、電気信号に変換された後、回路基板３３３に伝達される。この伝達された信号に基づき不図示の処理部等において、検出対象までの距離を光ビームが出射された後、受光するまでの時間等に基づき算出する。
【００９９】
次に、図３６から図３９に基づき、ミラー３２２の傾きについて説明する。図３６は、光走査部３２０を上から見た図であり、回転軸３２１ａに対し垂直な面において、入射光に対するミラー３２２におけるミラー面の法線方向の角度をミラー回転角φとし、ミラー３２２に入射する入射光に対するミラー３２２において反射され出射する出射光の角度を水平方向出力角とする。また、図３７は、図３６において矢印３６Ａより見た図であり、回転軸３２１ａに対するミラー３２２の傾斜角度を揺動角度θとする。図３８は、図３６において矢印３６Ｂより見た図、即ち、回転軸３２１ａに対して垂直な方向でかつ出射光に対しても垂直な方向から見た図であり、回転軸３２１ａに垂直な面に対するミラー３２２において反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとする。尚、この時、θ＝０であれば、図３６に示す水平方向出力角はφと同じになり、図３８で示す垂直方向出射角ψはψ＝０となるが、θ＝０ではない時にはこの関係ではなくなる。詳細は以下に述べる。
【０１００】
以上に基づき、水平方向出力角を数９に示し、垂直方向出力角ψを数１０に示し、揺動角度θを数１１に示す。
【０１０１】
【数９】
【０１０２】
【数１０】
【０１０３】
【数１１】
図３９に示すように、ミラー３２２における接続軸３２２ｂから、接触部３２２ａがカム溝３４１の側面と接触している位置までにおいて、回転軸３２１ａに平行方向の成分の距離をＬとし、回転軸３２１ａに垂直方向における距離（揺動量）をＸとすると、数９から数１１に基づき揺動量Ｘは数１２に示す式で表わされる。
【０１０４】
【数１２】
数１２に示す式に基づき表１に示す条件におけるミラー回転角φと揺動量Ｘとの関係を表２に示す。また、図４０には表２の結果の相関関係を示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
【表２】
表２及び図４０に示されるように、ミラー回転角φが９０°に近づくに伴い、揺動量Ｘは急激に増加している。実際には、ミラー回転角φが９０°の状態というのは、発光部３１０からの光ビームの入射方向と、ミラー３２２におけるミラー面とが平行となるため、ミラー３２２により光ビームを偏向することはできない。本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、表２等に基づき所定の垂直方向出力角が得られるように、カム溝３４１を形成する。これにより、図３１及び図３２に示されるようなカム溝３４１が形成され、ミラー回転角φが増加するに伴い、回転軸３２１ａからカム溝３４１までの距離（揺動量Ｘ）が増加するように形成されている。
【０１０７】
本実施の形態では、ミラー３２２の接触部３２２ａはカム溝３４１に沿って移動するため、ミラー回転角φに応じて所望の揺動角度θにすることができる。これにより、ミラー３２２がどの位置にあっても、垂直方向に対して一定の角度で光を出射することができる。即ち、水平方向出力角に依存することなく垂直方向出力角を一定に保つことができる。また、同時に、同じ角度の反射光を検出することができる。
【０１０８】
ところで、図３９に示されるように、ミラー３２２の揺動角度θは揺動量Ｘにより定まり、揺動量Ｘはカム溝３４１の側面とミラー３２２の接触部３２２ａにおける先端部分における接触位置により定まる。このため、接触部３２２ａは、常に、カム溝３４１の側面と接触している。接触部３２２ａの形状は、図４１（ａ）に示されるように、丸棒等の棒状のものでもよく、図４１（ｂ）に示されるように、点接触となるように、接触部３２２ａの先端部分に球状の球状部３２２ｃを設けてもよい。また、図４１（ｃ）に示されるように、接触部３２２ａの先端部分にベアリング部３２２ｄを設けることにより、カム溝３４１の側面との接触抵抗を減らすことができる。尚、接触部３２２ａの先端部分とカム溝３４１との摩擦抵抗を減らすため、機械油等の物質を塗布することが好ましい。
【０１０９】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、水平方向出力角が変化しても垂直方向出力角が変化することなく光を走査することができる。このため、車両等の前方に装着した場合には、走行する車両等の前方において車両の高さにおける水平方向の状況を知ることができるため、車両等における自動運転システム等に寄与することができ、運転の安全にも貢献することができる。また、垂直方向出力角を広げるため、光を走査する本数を増やす場合においても、水平方向出力角に対し垂直方向出力角は変動しないため、少ない光の走査本数で広い垂直方向出力角における検出対象の検出を行なうことができる。
【０１１０】
〔第７の実施の形態〕
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、ミラー３２２の揺動角度θをカム溝３４１ではなく、アクチュエータにより制御するものである。
【０１１１】
図４２に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、ベース部４４０にはカム溝は設けられておらず、光走査部４２０には、ミラー３２２の揺動角度θを変化させるためのアクチュエータ４２５が設けられている。このため、光走査部４２０にはバネは設けられてはいない。また、本実施の形態におけるレーザレーダユニットには、制御部４５０が設けられており、モータ３２１及びアクチュエータ４２５と接続されている。
【０１１２】
アクチュエータ４２５は、モータ３２１の回転軸３２１ａとミラー３２２の背面との間に設けられており、電圧等を印加することにより伸縮するピエゾ素子、磁力等を使ったリニアモータ等の駆動機構により形成されている。
【０１１３】
アクチュエータ４２５は、制御部４５０により、モータ３２１の回転、即ち、ミラー回転角φに応じて、アクチュエータ４２５が所定量伸縮し、ミラー３２２の揺動角度θが所定の角度となるように制御される。このため、制御部４５０には、ミラー回転角φとミラー３２２の揺動角度θとの関係を算出する演算機能を有している。尚、モータ３２１には、モータ３２１の回転角度、即ち、ミラー回転角φを検出するための不図示のセンサ等を設けてもよく、この場合には、センサ等により検出されたモータ３２１の回転角度に応じてミラー３２２の揺動角度θが所定の角度となるように、アクチュエータ４２５の伸縮が制御される。
【０１１４】
これにより、ミラー回転角φに対応してミラー３２２の揺動角θが制御することができ、第６の実施の形態と同様に、水平方向出力角を変化させても垂直方向出力角は、殆ど変化することなく光ビームを走査することができる。
【０１１５】
尚、上記以外の内容については、第６の実施の形態と同様である。
【０１１６】
〔第８の実施の形態〕
次に、第８の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるレーザレーダユニットは、光走査部において複数のミラーを有するものであり、図４３及び図４４に基づき、本実施の形態におけるレーザレーダユニットについて説明する。尚、図４３は、本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいて、カバー部を取り外した状態の斜視図であり、図４４は、ベース部５４０の上面図である。
【０１１７】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットにおいては、ベース部５４０には、２つのカム溝５４１及び５４２が設けられている。また、光走査部５２０には、互いの背面側が向きあうように設置された２枚のミラー５２１及び５２２を有しており、この２枚のミラー５２１及び５２２は接続部５２３を介し、モータ３２１の回転軸３２１ａと接続されている。ミラー５２１は、接続部５２３と回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸５２１ｂにおいて回転可能な状態で接続されており、ミラー５２２は、接続部５２３と回転軸３２１ａに対し垂直方向となる接続軸５２２ｂにおいて回転可能な状態で接続されている。また、ミラー５２１の背面と回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ５５１が設けられており、ミラー５２２の背面と回転軸３２１ａとの間には、弾性部材となるバネ５５２が設けられている。更に、ミラー５２１には、カム溝５４１に入り込む接触部５２１ａが設けられており、接触部５２１ａはカム溝５４１の壁面に接触しながらカム溝５４１内を移動する。同様に、ミラー５２２には、カム溝５４２に入り込む接触部５２２ａが設けられており、接触部５２２ａはカム溝５４２の壁面に接触しながらカム溝５４２内を移動する。
【０１１８】
カム溝５４１は、ミラー５２１が所定のミラー回転角φにおいて所定の揺動角度θ１となるように形成されており、カム溝５４２は、ミラー５２２が所定のミラー回転角φにおいて所定の揺動角度θ２となるように形成されている。尚、カム溝５４１及び５４２が重ならぬように、ミラー５２２の接触部５２２ａ近傍には、オフセット部５２２ｃが設けられているが、このオフセット部５２２ｃはあまり大きくない方が好ましい。
【０１１９】
本実施の形態におけるレーザレーダユニットでは、２枚のミラー５２１及び５２２の揺動角度θ１及びθ２を各々独立に制御することができるため、垂直方向出力角の異なる領域において光ビームを走査することができる。よって、垂直方向出力角の範囲を広げることができる。
【０１２０】
尚、光走査部５２０に設けられるミラーの数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上設けてもよい。但し、ミラーとカム溝の位置が大きくなるとオフセットを大きくしなければならないが、これによりミラー面に対してミラーの揺動中心と揺動させる点を結ぶ線とのずれが生じる。これが影響する場合は、オフセットを考慮した溝形状のカム溝にすることで解決される。
【０１２１】
尚、上記以外の記載については、第６の実施の形態と同様であり、第７の実施の形態のものにも適用することができる。
【０１２２】
また、カム溝を多くしたくない場合においては、複数枚のミラーで走査する際、カムでの動きは一枚目のミラーが受け、その動きを他のミラーにリンク等で伝達し、動かすのでもよい。その場合、一枚目のミラーが投射する部分では、そのミラーに必要な揺動を行うが、一枚目のミラーが投射しない部分でも他のミラーが発光に必要な揺動のために、一枚目のミラーは揺動を行っている。
【０１２３】
また、カム構造は前述した記載のものに限定されるものではない。例えば、前述したカム溝における溝形状は摺動面となる一方の側面のみ精度を出せばよいが、カム溝の両側の側面において、精度出せばどちらかの面にならって動くことになるので、バネ等は不要となる。
【０１２４】
また、前述した実施の形態における説明にあるような、"ＬＤからの光はミラーの位置がどこにあっても垂直方向に対して一定の角度で光を出射することができ、同時に同じ角度の反射光を検出することができる"構成ではなく、あえて、垂直方向に対しての角度を変化させてもよい。例えば、検出範囲の中心部を高めに走査し、両端を低めに走査するようにミラーを動かす。また、斜めに走査したり、波打たせたりする。これにより、検出範囲において任意の軌跡で走査をすることができ、その結果、検出範囲を任意の設定にすることができる。
【０１２５】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【０１２６】
１０ 光源
１１ レーザダイオード
１１ａ 基板
１１ｂ 発光領域
２０ 入力光学系
３０ 光スキャナ
３１ ミラー
３１ａ ミラー面
３１ｂ ミラー面
３２ ミラー
３３ 回転軸
１１０ 送光部
１１４ 出力光学系
１１５ ＬＤ駆動回路
１１６ 光スキャナ駆動回路
１１７ 走査角モニタ
１２０ 受光部
１２１ 受光レンズ
１２２ 受光素子
１３０ ＥＣＵ
１４１ 増幅器
１４２ コンパレータ
１４３ 時間計測回路
Ｒ ミラー回転半径
Ｗ 光ビーム幅
Ｗｍ ミラー面照射幅
ΔＸ オフセット量
θ ミラー面倒れ角
φ ミラー回転角
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２７】
【特許文献１】特開平９−２７４０７６号公報
【特許文献２】特開２００９−９８１１１号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を走査する光スキャナと、
前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、
を有し、
前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、
前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項２】
前記回転軸に垂直な面において、前記ミラーの一方の側におけるミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角は、前記他方の側のミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角度よりも、大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項３】
前記光ビームの光軸が、前記回転軸より前記回転ミラーの回転半径の０．８倍以上、１．０倍以下離れた位置となるように、前記光ビームが照射されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビームスキャナ。
【請求項４】
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に平行な方向に対しミラー面傾き角が徐々に増加している領域と、
前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が一定である領域と、
を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項５】
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が徐々に増加している２つの異なる領域を有しており、
前記２つの異なる領域は、前記徐々に増加する傾きの変化が不連続となる点で接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項６】
前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、
前記ミラーに入射する光ビームの前記回転軸に垂直な面に平行な方向における光ビーム幅Ｗとすると、５Ｗ以上、１２Ｗ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項７】
前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、
前記回転ミラーの回転半径の２倍以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の光ビームスキャナと、
前記光ビームスキャナより出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有することを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項９】
発光部と、
前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、
前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有し、
前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、
前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、
前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項１０】
発光部と、
前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、
前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有し、
前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、
前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、
前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項１１】
前記回転軸に対する前記光反射部の前記傾斜角度を揺動角θとし、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとした場合に、
９０°−ｃｏｓ−１（ｓｉｎ２θｃｏｓφ）が一定の値となるように、揺動角θがφに対応して変化するものであることを特徴とする請求項９または１０に記載のレーザレーダユニット。
【請求項１２】
前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、
前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、
前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、
前記光反射部の他方の端部は、前記ベース部に設けられたカム溝に入り込む接触部が設けられており、
前記光反射部が回転することにより前記接触部は前記カム溝内をカム溝に沿って移動するものであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【請求項１３】
前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、
前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、
前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、
前記光反射部の傾斜角度は、アクチュエータにより変化させるものであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【請求項１４】
前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとし、前記回転軸に垂直な面に対する前記反射部により反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとし、
前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に平行な距離成分をＬとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に垂直な距離成分を揺動量とした場合、
揺動量＝Ｌ・ｔａｎ｛１／２・ｓｉｎ−１（ｃｏｓ（９０−ψ）／ｃｏｓφ）｝
となるように揺動量が変化するものであることを特徴とする請求項１２または１３に記載のレーザレーダユニット。
【請求項１５】
前記発光部から光走査部に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部に入光する間際の光軸と、光走査部で反射され光検出部において検出される反射光の光軸のうち光走査部から出た間際の光軸とは、同一平面上に存在していることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を走査する光スキャナと、
前記光源より出射された光ビームを前記光スキャナに入射させるための入力光学系と、
を有し、
前記光スキャナは、回転軸を中心に回転する回転ミラーであって、前記光源より入射した光ビームを反射するミラーを有しており、
前記回転ミラーが前記回転軸を中心に回転することにより、前記光ビームは、前記ミラーのミラー面において異なる位置に照射されるものであって、
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記ミラーの一方の側から他方の側に向かって、前記回転軸に平行な方向に対するミラー面傾き角が徐々に増加していることを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項２】
前記回転軸に垂直な面において、前記ミラーの一方の側におけるミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角は、前記他方の側のミラー面に照射される光ビームの前記ミラー面に対する入射角度よりも、大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項３】
前記光ビームの光軸が、前記回転軸より前記回転ミラーの回転半径の０．８倍以上、１．０倍以下離れた位置となるように、前記光ビームが照射されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビームスキャナ。
【請求項４】
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に平行な方向に対しミラー面傾き角が徐々に増加している領域と、
前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が一定である領域と、
を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項５】
前記ミラーにおけるミラー面は、前記回転軸に垂直な面に平行な方向において、前記回転軸に対しミラー面傾き角が徐々に増加している２つの異なる領域を有しており、
前記２つの異なる領域は、前記徐々に増加する傾きの変化が不連続となる点で接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項６】
前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、
前記ミラーに入射する光ビームの前記回転軸に垂直な面に平行な方向における光ビーム幅Ｗとすると、５Ｗ以上、１２Ｗ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項７】
前記ミラーにおけるミラー面の前記回転軸に垂直な面に平行な方向における長さは、
前記回転ミラーの回転半径の２倍以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光ビームスキャナ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の光ビームスキャナと、
前記光ビームスキャナより出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有することを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項９】
発光部と、
前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、
前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有し、
前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、
前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、
前記回転軸に垂直な面に対する出射光の垂直方向の出力角が、前記光ビームを走査した際に一定の角度となるように、前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項１０】
発光部と、
前記発光部より出射された光ビームを走査する光走査部と、
前記光走査部より出射された光ビームが検出対象に照射され、前記検出対象において反射された光を受光する受光部と、
を有し、
前記光走査部は、前記光源より出射された光を反射する光反射部と、回転軸を中心に前記光反射部を回転させる回転部とを有しており、前記回転部が回転することにより前記光ビームが走査されるものであって、
前記検出対象において反射された光は、前記光走査部における光反射部において反射され、前記受光部に入射するものであり、
前記光反射部の傾斜角度は、前記光反射部の回転角度に対応して変化するものであることを特徴とするレーザレーダユニット。
【請求項１１】
前記回転軸に対する前記光反射部の前記傾斜角度を揺動角θとし、前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとした場合に、
９０°−ｃｏｓ−１（ｓｉｎ２θｃｏｓφ）が一定の値となるように、揺動角θがφに対応して変化するものであることを特徴とする請求項９または１０に記載のレーザレーダユニット。
【請求項１２】
前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、
前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、
前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、
前記光反射部の他方の端部は、前記ベース部に設けられたカム溝に入り込む接触部が設けられており、
前記光反射部が回転することにより前記接触部は前記カム溝内をカム溝に沿って移動するものであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【請求項１３】
前記回転部はベース部に、前記回転軸が前記ベース部の面に対し垂直となるように設置されており、
前記光反射部の一方の端部は、前記回転軸に対し垂直方向に設置された接続軸により、前記光反射部が前記接続軸を中心に回転可能な状態で接続部と接続されており、
前記接続部は前記回転軸に接続されているものであって、
前記光反射部の傾斜角度は、アクチュエータにより変化させるものであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【請求項１４】
前記回転部により回転する前記光反射部の回転角度をφとし、前記回転軸に垂直な面に対する前記反射部により反射され出射される出射光の角度を垂直方向出力角ψとし、
前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に平行な距離成分をＬとし、前記接続軸から前記光反射部の他方の端部までの前記回転軸に垂直な距離成分を揺動量とした場合、
揺動量＝Ｌ・ｔａｎ｛１／２・ｓｉｎ−１（ｃｏｓ（９０−ψ）／ｃｏｓφ）｝
となるように揺動量が変化するものであることを特徴とする請求項１２または１３に記載のレーザレーダユニット。
【請求項１５】
前記発光部から光走査部に向けて出射される光ビームの光軸のうち、光走査部に入光する間際の光軸と、光走査部で反射され光検出部において検出される反射光の光軸のうち光走査部から出た間際の光軸とは、同一平面上に存在していることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載のレーザレーダユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【公開番号】特開２０１３−８３６２６（Ｐ２０１３−８３６２６Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４７３９８（Ｐ２０１２−１４７３９８）
【出願日】平成２４年６月２９日（２０１２．６．２９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２９日（２０１２．６．２９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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