JP2010210708A - ビーム照射装置および位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成にて目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源から出射されたレーザ光は、ミラーに入射する。アクチュエータは、レーザ光が入射するミラーを回動させることにより、目標領域においてレーザ光を走査する。一方、半導体レーザ３０３から出射されたサーボ光は、ホログラム素子２００に入射する。ホログラム素子２００は、ミラーの回動に伴って回動し、出射面には、回折パターンが設定されている。光検出器３０９は、ホログラム素子２００を透過したサーボ光を受光して、その受光位置に応じた信号を出力する。こうすると、光検出器３０９に入射するサーボ光の走査幅が広げられるため、光検出器３０９上におけるサーボ光の受光位置が精度良く検出される。結果、目標領域におけるレーザ光の走査位置も精度良く検出され得る。
【選択図】図３

Description

本発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置に関し、特に、レーザレーダに搭載されるビーム照射装置に用いて好適なものである。また、本発明は、移動部の移動位置をサーボ光を用いて光学的に検出する位置検出装置に関するものである。

近年、走行時の安全性を高めるために、走行方向前方にレーザ光を照射し、その反射光の状態から、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出するレーザレーダが、家庭用乗用車等に搭載されている。一般に、レーザレーダは、レーザ光を目標領域内でスキャンさせ、各スキャン位置における反射光の有無から、各スキャン位置における障害物の有無を検出し、さらに、各スキャン位置におけるレーザ光の照射タイミングから反射光の受光タイミングまでの所要時間をもとに、そのスキャン位置における障害物までの距離を検出するものである。

レーザレーダの検出精度を高めるには、レーザ光を目標領域内において適正にスキャンさせる必要があり、また、レーザ光の各スキャン位置を適正に検出する必要がある。これまで、レーザ光のスキャン機構として、ポリゴンミラーを用いるスキャン機構や、走査用レンズを二次元駆動するレンズ駆動タイプのスキャン機構（たとえば、特許文献１参照）が知られている。この他、ミラーによってレーザ光を走査させるミラー回動タイプのスキャン機構も知られている（たとえば、特許文献２および３参照）。

ミラー回動タイプのスキャン機構では、ミラーが２軸駆動可能に支持され、コイルとマグネット間の電磁駆動力によって、ミラーが各駆動軸を軸として回動される。レーザ光は、ミラーに斜め方向から入射され、ミラーが各駆動軸を軸として二軸駆動されることにより、ミラーによるレーザ光の反射光が、目標領域内において、二次元方向に走査される。

このスキャン機構では、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置がミラーの回動位置に一対一に対応する。よって、レーザ光のスキャン位置はミラーの回動位置を検出することにより検出できる。ここで、ミラーの回動位置は、たとえば、ミラーに伴って回動する別部材の回動位置を検出することにより検出することができる。

図１０は、このように別部材の回動位置を検出する際の構成例を示す図である。同図において、６０１は半導体レーザ、６０２は平行平板状の透光性部材、６０３は光検出器（ＰＳＤ：Position Sensing Device）である。半導体レーザ６０１から出射されたレーザ光は、レーザ光軸に対し傾いて配置された透光性部材６０２によって屈折され、光検出器６０３に受光される。ここで、透光性部材６０２が矢印のように回動すると、レーザ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器６０３上におけるレーザ光の受光位置が変化する。よって、光検出器６０３にて検出されるレーザ光の受光位置によって、透光性部材６０２の回動位置を検出することができる。

特開平１１−８３９８８号公報 特開２００１−２９０１００号公報 特開平１０−２５３９０７号公報

しかしながら、図１０の構成において、光検出器６０３に入射するレーザ光の変位量を大きくし、レーザ光の位置検出精度を高めようとすると、透光性部材６０２の厚みを大きくする必要がある。透光性部材６０２が厚くなると、それに伴って透光性部材６０２の重量が増し、透光性部材６０２を駆動させる可動部の負担が大きくなるとの問題が生じる。

本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、簡素な構成にて目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することを目的とする。また、より広範には、移動部の移動位置を高精度に検出可能な位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、ビーム照射装置に関する。第１の態様に係るビーム照射装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光が入射する光学素子を回動させることにより目標領域においてレーザ光を走査させるアクチュエータと、サーボ光を出射するサーボ光源と、前記光学素子の回動に伴って回動するとともに前記サーボ光が入射する透明体と、前記透明体を透過した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器と、前記透明体と一体的に回動するとともに前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる回折部とを有する。

第１の態様によれば、前記サーボ光が前記回折部によって前記透明体の回動方向に回折されることにより、前記光検出器に入射するサーボ光の走査幅が広げられるため、前記光検出器上における前記サーボ光の受光位置の分解能が高められる。これにより、サーボ光の受光位置の検出精度が高められるため、軽量且つ薄い透明体が用いられた場合でも、サーボ光の受光位置の検出精度は低下することなく、高く維持され得る。よって、かかる受光位置をもとに目標領域におけるレーザ光の走査位置を検出することで、レーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。

第１の態様において、前記回折部は、前記透光体の表面に一体形成された回折パターンとすることができる。こうすると、部品点数が減少するため、ビーム照射装置の構成が簡素にされ得る。

また、第１の態様において、前記アクチュエータは、第１の軸と当該第１の軸に垂直な第２の軸の周りに前記光学素子を回動させる構成とされ得る。この場合、前記回折部は、少なくとも、前記光学素子が前記第１の軸の周りに回動するときの前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる構成とすることができる。この場合、回折部は、前記光学素子が前記第２の軸の周りに回動するときの前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる構成を、さらに有しても良い。

また、第１の態様において、前記光学素子は、ミラーにより構成され得る。

本発明の第２の態様は、物体の回動位置を検出する位置検出装置に関する。第２の態様に係る位置検出装置は、サーボ光を出射するサーボ光源と、前記物体の回動に伴って回動するとともに前記サーボ光が入射する透明体と、前記透明体を透過した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器と、前記透明体と一体的に回動するとともに前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる回折部とを有する。

第２の態様に係る位置検出装置によれば、上記第１の態様における光学素子の回動位置と同様、前記物体の回動位置が精度良く検出され得る。

以上のとおり、本発明によれば、簡素な構成にて目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出できるビーム照射装置を提供することができる。また、移動部の移動位置を高精度に検出可能な位置検出装置を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、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、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

実施の形態に係るミラーアクチュエータの構成を示す図である。 実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図である。 実施の形態に係るビーム照射装置のサーボ光学系を示す図である。 実施の形態に係るＰＳＤの構成を示す図である。 実施の形態に係る位置検出信号の生成方法を説明する図である。 実施の形態に係るビーム照射装置の回路構成を示す図である。 実施の形態に係るサーボ光の入射状態を説明する図である。 実施の形態に係るサーボ光学系の変更例を示す図である。 実施の形態に係る光検出器の変更例を示す図である。 ＰＳＤを用いた位置検出方法を説明する図である。

図１に、本実施の形態に係るミラーアクチュエータ１００の構成を示す。なお、同図（ａ）はミラーアクチュエータ１００の分解斜視図、同図（ｂ）はアセンブル状態にあるミラーアクチュエータ１００の斜視図である。

同図（ａ）において、１１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１１と、端部に受け部１１２ａを有する支軸１１２が形成されている。受け部１１２ａにはホログラム素子２００の厚みと略同じ寸法の凹部が配され、この凹部にホログラム素子２００の上部が装着される。さらに、ミラーホルダ１１０の前面には平板状のミラー１１３が装着されており、背面にはコイル１１４が装着されている。なお、コイル１１４は、方形状に巻回されている。

支軸１１２には、上記の如く、受け部１１２ａを介して平行平板状のホログラム素子２００が装着される。ここで、ホログラム素子２００は、２つの平面がミラー１１３の鏡面に平行となるようにして支軸１１２に装着される。

１２０は、ミラーホルダ１１０を支軸１１１、１１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠１２０には、ミラーホルダ１１０を収容するための開口１２１が形成されており、また、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２と係合する溝１２２、１２３が形成されている。さらに、可動枠１２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸１２４、１２５が形成され、背面には、コイル１２６が装着されている。コイル１２６は、方形状に巻回されている。

１３０は、支軸１２４、１２５を軸として可動枠１２０を回動可能に支持する固定枠である。固定枠１３０には、可動枠１２０を収容するための凹部１３１が形成され、また、可動枠１２０の支軸１２４、１２５と係合する溝１３２、１３３が形成されている。さらに、固定枠１３０の内面には、コイル１１４に磁界を印加するマグネット１３４と、コイル１２６に磁界を印加するマグネット１３５が装着されている。なお、溝１３２、１３３は、それぞれ固定枠１３０の前面から上下２つのマグネット１３５間の隙間内まで延びている。

１４０は、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２が可動枠１２０の溝１２２、１２３から脱落しないよう、支軸１１１、１１２を前方から押さえる押さえ板である。また、１４１は、可動枠１２０の支軸１２４、１２５が固定枠１３０の溝１３２、１３３から脱落しないよう、支軸１２４、１２５を前方から押さえる押さえ板である。

ミラーアクチュエータ１００をアセンブルする際には、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２を可動枠１２０の溝１２２、１２３に係合させ、さらに、支軸１１１、１１２の前面を押さえるようにして、押さえ板１４０を可動枠１２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１１０が、可動枠１２０によって、回動可能に支持される。

このようにしてミラーホルダ１１０を可動枠１２０に装着した後、可動枠１２０の支軸１２４、１２５を固定枠１３０の溝１３２、１３３に係合させ、さらに、支軸１３２、１３３の前面を押さえるようにして、押さえ板１４１を固定枠１３０の前面に装着する。これにより、可動枠１２０が、回動可能に固定枠１３０に装着され、ミラーアクチュエータ１００のアセンブルが完了する。

ミラーホルダ１１０が可動枠１２０に対し支軸１１１、１１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１１３が回動する。また、可動枠１２０が固定枠１３０に対し支軸１２４、１２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１１０が回動し、ミラーホルダ１１０と一体的にミラー１１３が回動する。このように、ミラーホルダ１１０は、互いに直交する支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５によって、二次元方向に回動可能に支持され、ミラーホルダ１１０の回動に伴って、ミラー１１３が二次元方向に回動する。このとき、支軸１１２に装着されたホログラム素子２００も、ミラー１１３の回動に伴って回動する。

なお、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３４は、コイル１１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０に支軸１１１、１１２を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１１４に電流を印加すると、コイル１１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１１０が、支軸１１１、１１２を軸として回動する。

また、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３５は、コイル１２６に電流を印加することにより、可動枠１２０に支軸１２４、１２５を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１２６に電流を印加すると、コイル１２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠１２０が、支軸１２４、１２５を軸として回動し、これに伴って、ホログラム素子２００が回動する。

図２は、ミラーアクチュエータ１００が装着された状態の光学系の構成を示す図である。

図２において、５００は、光学系を支持するベースである。ベース５００には、ミラーアクチュエータ１００の設置位置に開口５０３ａが形成され、この開口にホログラム素子２００が挿入されるようにして、ミラーアクチュエータ１００がベース５００上に装着されている。

ベース５００の上面には、ミラー１１３にレーザ光を導くための光学系４００が装着されている。この光学系４００は、レーザ光源４０１と、ビーム整形用のレンズ４０２、４０３からなっている。レーザ光源４０１は、ベース５００の上面に配されたレーザ光源用の基板４０１ａに装着されている。

レーザ光源４０１から出射されたレーザ光は、レンズ４０２、４０３によって、それぞれ、水平方向および鉛直方向の収束作用を受ける。レンズ４０２、４０３は、目標領域（たとえば、ビーム照射装置のビーム出射口から前方１００ｍ程度の位置に設定される）におけるビーム形状が、所定の大きさ（たとえば、縦２ｍ、横１ｍ程度の大きさ）になるよう設計されている。

レンズ４０２は、鉛直方向にレンズ効果があるシリンドリカルレンズであり、レンズ４０３は、レーザ光を略平行光とするための非球面レンズである。レーザ光源から出射されたビームは、鉛直方向と水平方向で広がり角が異なる。１つ目のレンズ４０２は、鉛直方向と水平方向におけるレーザ光の広がり角の比率を変える。２つ目のレンズ４０３は、出射ビームの広がり角(鉛直方向と水平方向の両方）の倍率を変える。

レンズ４０２、４０３を透過したレーザ光は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３に入射し、ミラー１１３によって目標領域に向かって反射される。ミラーアクチュエータ１００によってミラー１１３が二次元駆動されることにより、レーザ光が目標領域内において二次元方向にスキャンされる。

ミラーアクチュエータ１００は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、レンズ４０３からのレーザ光がミラー１１３のミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するよう配置されている。なお、「中立位置」とは、ミラー面が鉛直方向に対し平行で、且つ、レーザ光がミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するときのミラー１１３の位置をいう。

ベース５００の下面には、回路基板３００が配されている。さらに、ベース５００の裏面と側面にも回路基板３０１、３０２が配されている。

図３（ａ）は、ベース５００を裏面側から見たときの一部平面図である。同図（ａ）には、ベース５００の裏側のうちミラーアクチュエータ１００が装着された位置の近傍が示されている。

図示の如く、ベース５００の裏側周縁には、壁５０１、５０２が形成されており、壁５０１、５０２よりも中央側は、壁５０１、５０２よりも一段低い平面５０３となっている。壁５０１には、半導体レーザ３０３を装着するための開口が形成されている。この開口に半導体レーザ３０３を挿入するようにして、半導体レーザ３０３が装着された回路基板３０１が壁５０１の外側面に装着されている。他方、壁５０２の近傍には、ＰＳＤ３０９が装着された回路基板３０２が装着されている。ＰＳＤ３０９は、同図（ａ）のＹ軸方向よりもＸ軸方向の方の幅が広い横長の受光面を有する。

ベース５００裏側の平面５０３には、取り付け具３０７によって集光レンズ３０４と、アパーチャ３０５と、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ３０６が装着されている。さらに、この平面５０３には開口５０３ａが形成されており、この開口５０３ａを介して、ミラーアクチュエータ１００に装着されたホログラム素子２００がベース５００の裏側に突出している。

ホログラム素子２００は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３が中立位置にあるときに、２つの平面が、鉛直方向に平行で、且つ、半導体レーザ３０３の出射光軸に対し４５度傾くように位置づけられる。また、ホログラム素子２００の出射面には、ミラー１１３が中立位置にあるときに、サーボ光をＸ−Ｚ平面の面内方向において、Ｘ軸の正方向（上方向）に回折させるブレーズ型の回折パターンが一体形成されている。

半導体レーザ３０３から出射されたレーザ光（以下、「サーボ光」という）は、集光レンズ３０４を透過した後、アパーチャ３０５によってビーム径が絞られ、さらにＮＤフィルタ３０６によって減光される。さらに、サーボ光は、コリメータレンズ３０８によって平行光に変換された後、ホログラム素子２００に入射される。

ホログラム素子２００に入射するサーボ光は、後述するように、ホログラム素子２００により屈折作用および回折作用を受ける。これにより生じたサーボ光の＋１次光は、図示の如く、進行方向が変化された状態でホログラム素子２００から出射され、ＰＳＤ３０９によって受光される。ＰＳＤ３０９は、＋１次光の受光位置に応じて位置検出信号を出力する。

図３（ｂ）は、ホログラム素子２００の屈折作用および回折作用を模式的に示す図である。

ホログラム素子２００に入射するサーボ光は、まず、ホログラム素子２００の入射面によって屈折作用を受ける。続いて、屈折作用を受けたサーボ光は、ホログラム素子２００の出射面によって、回折作用および屈折作用を受ける。すなわち、サーボ光は、ホログラム素子２００の出射面において、上述した回折パターンにより、０次光（図示せず）と、Ｘ軸の正方向（上方向）に回折された＋１次光に分割される。このとき同時に、０次光と＋１次光は、それぞれ、ホログラム素子２００の出射面において屈折作用を受け、ホログラム素子２００の出射面から出射される。結果、＋１次光は、ホログラム素子２００の入射前のサーボ光よりも、Ｘ軸の正方向（上方向）に進行方向が変化された状態でホログラム素子２００から出射される。

なお、ホログラム素子２００の回折効率および回折角度は、それぞれ、回折パターンのブレーズ高およびピッチ幅によって決められる。このため、＋１次光のみがＰＳＤ３０９において適正に受光されるよう、あらかじめ回折パターンと光学系の配置が設定される必要がある。また、ホログラム素子２００の回折パターンは、＋１次光の回折効率が最大となるよう設定されるのが望ましい。こうすると、ＰＳＤ３０９によって受光される＋１次光の光量が大きくなるため、より精度の高い位置検出信号が得られ得る。

図４（ａ）は、ＰＳＤ３０９の構成を示す図（側断面図）、図４（ｂ）はＰＳＤ３０９の受光面を示す図である。

図４（ａ）を参照して、ＰＳＤ３０９は、Ｎ型高抵抗シリコン基板の表面に、受光面と抵抗層を兼ねたＰ型抵抗層を形成した構造となっている。抵抗層表面には、同図（ｂ）の横方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、縦方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（同図（ａ）では図示省略）が形成されている。また、裏面側には共通電極が形成されている。

受光面にレーザ光が照射されると、照射位置に、光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、各電極までの距離に逆比例して分割されて、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される。ここで、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流は、レーザ光の照射位置から各電極までの距離に逆比例して分割された大きさを有している。よって、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流値をもとに、受光面上における光の照射位置を検出することができる。

たとえば、図５（ａ）の位置Ｐに＋１次光が照射されたとする。この場合、受光面のセンターを基準点とする位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流量をそれぞれＩｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２、Ｘ方向およびＹ方向における電極間の距離をＬｘ、Ｌｙとすると、たとえば、以下の式によって算出される。

図５（ｂ）は、この算出式を実現する演算回路の構成を示す図である。電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２は、アンプ２１、２２、２３、２４によって増幅される。そして、加算回路２５、２７によって、それぞれ、（Ｉｘ２ ＋ Ｉｘ１）、（Ｉｙ２ ＋ Ｉｙ１）の演算が行われ、また、減算回路２６、２８によって、それぞれ、（Ｉｘ２ − Ｉｘ１）と（Ｉｙ２ − Ｉｙ１）の演算が行われる。さらに、除算回路２９、３０によって、それぞれ、式（１）および式（２）の左辺の除算が行われ、この除算回路２９、３０から、＋１次光の受光位置ＰにおけるＸ方向位置（２ｘ／Ｌｘ）とＹ方向位置（２ｙ／Ｌｙ）を示す位置検出信号が出力される。

なお、図５（ｂ）には、電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２を演算処理する際の回路構成を示したが、電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２をＩ／Ｖ変換した電圧信号をもとに同様の演算処理を行って、位置検出信号を生成するようにしても良い。

図６は、本実施の形態に係るビーム照射装置の回路構成を示す図である。なお、同図には、便宜上、図３（ａ）に示すサーボ光学系１の主要な構成が示されている。

図示の如く、ビーム照射装置は、Ｉ／Ｖ変換回路２と、ＰＳＤ信号処理回路３と、Ａ／Ｄ変換回路４と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）制御回路５と、Ｄ／Ａ変換回路６、８、１０と、サーボレーザ駆動回路７と、走査レーザ駆動回路９と、アクチュエータ駆動回路１１とを備えている。

サーボ光学系１において、半導体レーザ３０３から出射されたサーボ光は、上記の如く、ホログラム素子２００によって屈折および回折された後、＋１次光がＰＳＤ３０９の受光面に入射される。これにより、＋１次光の受光位置に応じた電流信号（図５（ａ）中の電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号）がＰＳＤ３０９から出力され、Ｉ／Ｖ変換回路２に入力される。

Ｉ／Ｖ変換回路２は、入力された電流信号を電圧信号に変換し、ＰＳＤ信号処理回路３に出力する。ＰＳＤ信号処理回路３は、図５を用いて説明した演算に基づき、入力された電圧信号から＋１次光の受光位置を表す信号を生成し、これをＡ／Ｄ変換回路４に出力する。なお、本回路構成では、ＰＳＤ３０９の各電極からの電流信号が電圧信号に変換され、変換後の電圧信号をもとに、受光位置を表す位置検出信号が生成される。Ａ／Ｄ変換回路４は、入力された位置検出信号をデジタル信号に変換してＤＳＰ制御回路５に出力する。

ＤＳＰ制御回路５は、入力された＋１次光の受光位置を表す位置検出信号をもとに、目標領域におけるレーザ光の走査位置を検出し、ミラーアクチュエータ１００の駆動制御や、レーザ光源４０１の駆動制御等を実行する。

すなわち、ＤＳＰ制御回路５は、目標領域におけるレーザ光の走査位置が所定の位置に到達したタイミングで、パルス駆動信号を、Ｄ／Ａ変換回路８を介して走査レーザ駆動回路９に出力する。これにより、レーザ光源４０１がパルス発光され、目標領域にレーザ光が照射される。また、ＤＳＰ制御回路５は、目標領域におけるレーザ光の走査位置を所期の軌道に追従させるためのサーボ信号を、Ｄ／Ａ変換回路１０を介してアクチュエータ駆動回路１１に出力する。これを受けてアクチュエータ駆動回路１１はミラーアクチュエータ１００を駆動し、レーザ光が所期の軌道に追従するよう目標領域を走査する。

さらに、ＤＳＰ制御回路５は、Ｄ／Ａ変換回路６を介して、サーボレーザ駆動回路７に制御信号を出力する。これにより、サーボ光学系１内の半導体レーザ３０３が、一定パワーレベルにて常時発光する。

図７は、ＰＳＤ３０９に対するサーボ光の入射状態を示す図である。

同図（ａ）および（ｂ）は、ホログラム素子２００と略同じ屈折率および厚みを有する平行平板状の透明体２１０を用いる場合（比較例）のサーボ光の状態を示す図である。この透明体２１０の出射面には回折パターンが配されていない。

同図（ｃ）および（ｄ）は、本実施の形態におけるホログラム素子２００を用いる場合のサーボ光の状態を示す図である。なお、各図中には、ＰＳＤ３０９の受光面と同じＸ−Ｙ平面（以下、「受光平面」という）において、サーボ光が直進した場合の入射位置を基準点とするＸ軸方向の座標軸が示されている。

同図（ａ）の場合、透明体２１０に入射するサーボ光は、図示の如く、透明体２１０の屈折作用により、受光平面においてｄ０となる位置に入射する。また、同図（ｂ）の場合、透明体２０１に入射するサーボ光は、図示の如く、受光平面においてｄ０’となる位置に入射する。よって、比較例では、透明体２１０が、同図（ａ）の状態から同図（ｂ）の状態に回動したとき、受光平面におけるＸ軸方向の入射位置の変化量Δｄ０は、
Δｄ０＝ｄ０’−ｄ０ …（３）
となる。

次に、同図（ｃ）の場合、ホログラム素子２００に入射するサーボ光は、上述したように、ホログラム素子２００の屈折作用および回折作用を受ける。これにより生じた＋１次光は、図示の如く、ホログラム素子２００の出射面から出射される時点において、Ｘ軸方向の位置が、同図（ａ）と同じｄ０となり、さらに出射面で回折されることによって、受光平面上ではｄ１の位置に入射する。また、同図（ｄ）の場合、＋１次光は、図示の如く、ホログラム素子２００の出射面から出射される時点において、Ｘ軸方向の位置が、同図（ｂ）と同じｄ０’となり、さらに出射面で回折されることによって、受光平面においてｄ１’の位置に入射する。

よって、ホログラム素子２００が、同図（ｃ）の状態から同図（ｄ）の状態に回動したときの、受光平面におけるＸ軸方向の入射位置の変化量Δｄ１は、回折がないときの受光位置の変化量、すなわち、上記式（３）の変化量に、回折のみによる受光位置の変化量を加えた大きさとなる。すなわち、ｄ１とｄ０との間の差分をα、ｄ１’とｄ０’との間の差分をα’とすると、変化量Δｄ１は、
Δｄ１＝（ｄ０’−ｄ０）＋（α’−α）＝Δｄ０＋（α’−α） …（４）
となる。

ここで、同図（ｃ）および（ｄ）において、＋１次光が、Ｘ−Ｚ平面内でＺ軸に対し、それぞれ、θ１およびθ１’の角度をなすとすると、ホログラム素子２００の回動、およびホログラム素子２００の出射面の作用により、これら２つの角度の関係は、θ１＜θ１’となる。よって、上記式（４）における回折のみによる変化量（α’−α）は、（α’−α）＞０となる。したがって、同図（ｃ）および（ｄ）の場合は、同図（ａ）および（ｂ）の場合に比べ、Ｘ軸方向におけるサーボ光（＋１次光）の走査幅が広げられる。

このように、本実施の形態によれば、Ｘ軸方向におけるサーボ光（＋１次光）の走査幅が広げられるため、Ｘ軸方向における走査位置の分解能が高められ得る。よって、Ｘ軸方向におけるサーボ光の受光位置の検出精度を高めることができる。また、ホログラム素子２００の厚みが小さくとも、大きな厚みの透明体と同様の精度で回動位置が検出され得る。よって、本実施の形態によれば、軽量かつ薄いホログラム素子２００を用いながら、目標領域におけるレーザ光の走査位置を精度良く検出することができる。

なお、本実施の形態に係るビーム照射装置は、たとえば、車載用のレーザレーダに用いて好適なものである。車載用のレーザレーダにおける目標領域は、通常、水平方向が長くなるよう設定され、水平方向における走査用レーザ光の照射位置を正確に検出する必要がある。よって、本実施の形態に係るビーム照射装置を車載用のレーザレーダに搭載する場合には、図２および図３に示すように、水平方向をＸ軸方向に設定することで、水平方向における走査用レーザ光の照射位置を正確に検出することができ、目標領域における物体の検出精度を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記以外に種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、サーボ光用の光源として半導体レーザを用いたが、これに替えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることもできる。

また、上記実施の形態では、ブレーズ型の回折パターンが一体形成されたホログラム素子２００が用いられたが、これに替えて、図８（ａ）に示すように、ステップ型の回折パターンを有するホログラム素子２２０が用いられても良い。

この場合も、上記実施の形態と同様、ホログラム素子２２０は、入射するサーボ光をＸ−Ｚ平面の面内方向に回折させる回折パターンが一体形成される。また、サーボ光は、ホログラム素子２２０によって０次光、＋１次光、−１次光に分割されるが、回折効率および回折角度は、それぞれ、回折パターンのステップ高さおよびピッチ幅によって決められるため、あらかじめ＋１次光が適正にＰＳＤ３０９に入射するよう、回折パターンと光学系の配置が設定されれば良い。

また、図８（ｂ）に示すように、上記実施の形態のホログラム素子２００の替わりに、透明体２２１の出射面にブレーズ型の回折パターンを有するホログラム素子２２２が、貼り合わせやＵＶ硬化樹脂による成形などにより、一体的に配置されても良い。

この場合も、上記実施の形態と同様、ホログラム素子２０１は、入射するサーボ光をＸ−Ｚ平面の面内方向に回折させる回折パターンを有する。こうすると、透明体２２１に入射するサーボ光は、透明体２１１の屈折作用により進行方向が変化し、ホログラム素子２２２の屈折作用および回折作用をうける。サーボ光は、回折作用により０次光（図示せず）と＋１次光に分割され、＋１次光がＰＳＤ３０９によって受光される。結果、上記実施の形態に比べ部品点数が増えるものの、上記実施の形態と同様の効果が奏される。

また、図８（ｃ）に示すように、図７（ｂ）のブレーズ型の回折パターンを有するホログラム素子２２２の替わりに、ステップ型の回折パターンを有するホログラム素子２２３が配置されても良い。

また、上記実施の形態および図８（ａ）の構成では、ホログラム素子２００および２２０の出射面に回折パターンが配されたが、入射面に回折パターンが配されるようにしても良い。また、図８（ｂ）および（ｃ）の構成では、透明体２２１の出射面にホログラム素子２２２および２２３が一体的に配置されたが、入射面に一体的に配置されても良い。

また、上記実施の形態では、サーボ光を受光する光検出器としてＰＳＤ３０９を用いたが、これに替えて、４分割センサを用いることもできる。

図９は、サーボ用レーザ光を受光する光検出器として４分割センサ３１０を用いる場合の構成を示す図である。サーボ用レーザ光は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、４分割センサ３１０の中央位置に照射される。また、ビームスポットのＸ方向位置とＹ方向位置は、図示の如く、各センサからの出力信号をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とすると、たとえば次式から求められる。

図９には、この算出式を実現する演算回路の構成が併せて示されている。各センサから出力される信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、アンプ３１、３２、３３、３４によって増幅される。そして、加算回路３５、３６、３７、３８によって、それぞれ、（Ｓ１＋Ｓ２）、（Ｓ３＋Ｓ４）、（Ｓ１＋Ｓ４）、（Ｓ２＋Ｓ３）の演算が行われ、また、減算回路３９、４０によって、それぞれ、（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｓ３＋Ｓ４）と（Ｓ１＋Ｓ４）−（Ｓ２＋Ｓ３）の演算が行われる。さらに、加算回路４１によって、（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）の演算が行われる。そして、除算回路４２、４３によって、それぞれ、式（５）および式（６）の左辺の除算が行われ、この除算回路４２、４３から、Ｘ方向およびＹ方向におけるサーボ用レーザ光の受光位置を示す位置検出信号が出力される。

なお、この場合も、各センサからの信号（電流信号）をＩ／Ｖ変換して電圧信号に変換し、変換後の電圧信号をもとに、同様の演算処理にて、受光位置を表す位置検出信号を生成するようにしても良い。

また、上記実施の形態では、Ｘ軸方向のみにサーボ光を回折させるホログラム素子２００を用いたが、これに加えてＹ軸方向にもサーボ光を回折させるホログラム素子を用いることも可能である。この場合、たとえば、ホログラム素子の出射面には上記と同様の回折パターンが形成され、ホログラム素子の入射面に、Ｙ軸方向にサーボ光を回折させるための回折パターンが形成される。あるいは、Ｙ軸方向にサーボ光を回折させるための回折パターンを有する別のホログラム素子を上記ホログラム素子２００に一体化しても良い。こうすると、Ｘ軸方向のみならずＹ軸方向にも、サーボ光の走査幅が広げられるため、Ｙ軸方向におけるサーボ光の検出精度をも高めることができる。

さらに、上記実施の形態では、ミラーを回動させることによりレーザ光を目標領域において走査させるタイプのビーム照射装置を例示したが、本発明は、レーザ光が入射するレンズを回動させることによりレーザ光を目標領域において走査させるタイプのビーム照射装置にも適用可能である。

なお、上記実施の形態および変更例で示した位置検出用の光学系は、上記ビーム照射装置以外にも、所定の軸周りに回動する物体の回動位置を検出する種々の検出装置に、適宜、適用可能である。この場合、たとえば、回動位置検出対象の物体に、上記ホログラム素子が直接装着され、あるいは、当該物体の回動に伴って回動するよう連結部材を介してホログラム素子が当該物体に装着される。そして、このホログラム素子にサーボ光が入射するようサーボ光用の光源が配置され、ホログラム素子を透過した後のサーボ光がＰＳＤで受光される。こうすれば、上記実施の形態および変更例で説明したのと同様、物体回動時のサーボ光の振り幅を大きくすることができ、結果、物体の回動位置を精度よく検出することができる。

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。

１００ … ミラーアクチュエータ（アクチュエータ）
１１１ … 支軸（第１の軸）
１１２ … 支軸（第２の軸）
１１３ … ミラー（光学素子）
２００、２２０ … ホログラム素子（透明体、回折部）
２２１ … 透明体
２２２、２２３ … ホログラム素子（回折部）
３０３ … 半導体レーザ（サーボ光源）
３０９ … ＰＳＤ（光検出器）
３１０ … ４分割センサ（光検出器）
４０１ … レーザ光源

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光が入射する光学素子を回動させることにより目標領域においてレーザ光を走査させるアクチュエータと、
   サーボ光を出射するサーボ光源と、
   前記光学素子の回動に伴って回動するとともに前記サーボ光が入射する透明体と、
   前記透明体を透過した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器と、
   前記透明体と一体的に回動するとともに前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる回折部と、を有する、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
2. 請求項１に記載のビーム照射装置において、
   前記回折部は、前記透光体の表面に一体形成された回折パターンである、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項１または２に記載のビーム照射装置において、
   前記アクチュエータは、第１の軸と当該第１の軸に垂直な第２の軸の周りに前記光学素子を回動させ、
   前記回折部は、少なくとも、前記光学素子が前記第１の軸の周りに回動するときの前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
4. 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、
   前記光学素子は、ミラーである、
   ことを特徴とするビーム照射装置。
5. 物体の回動位置を検出する位置検出装置であって、
   サーボ光を出射するサーボ光源と、
   前記物体の回動に伴って回動するとともに前記サーボ光が入射する透明体と、
   前記透明体を透過した前記サーボ光を受光してその受光位置に応じた信号を出力する光検出器と、
   前記透明体と一体的に回動するとともに前記透明体の回動方向に前記サーボ光を回折させる回折部と、を有する、
   ことを特徴とする位置検出装置。

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