JP4489038B2 - Beam irradiation device - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a beam irradiation apparatus, and is suitable for use in, for example, an inter-vehicle detector, a distance detector, and the like.

近年、レーザ光を照射して目標領域内の障害物を検出する検出装置が家庭用乗用車等に搭載されている。かかる検出装置は、レーザ光を目標領域内において水平方向および垂直方向にスキャンさせ、その反射光の受光状態から障害物とそこまでの距離を検出するものである。   2. Description of the Related Art In recent years, a detection device that detects an obstacle in a target area by irradiating a laser beam is mounted on a domestic passenger car or the like. Such a detection device scans a laser beam in a horizontal direction and a vertical direction within a target area, and detects an obstacle and a distance to the obstacle from a light receiving state of the reflected light.

かかる検出装置には、レーザ光をスキャンさせるための、いわゆるビーム照射装置が配備されている。ここで、レーザ光のスキャンは、たとえば、特許文献1に示すレンズアクチュエータを用いて行うことができる。このアクチュエータでは、光源からのレーザ光(拡散光)が走査レンズによって平行光またはこれより少し拡散した光に変換される。アクチュエータの駆動に応じて走査レンズがレーザ光の光軸に垂直な方向に2次元駆動されることにより、レーザ光が目標領域内においてスキャンされる。
特開平11−83988号公報
Such a detection device is provided with a so-called beam irradiation device for scanning a laser beam. Here, the scanning of the laser beam can be performed using, for example, a lens actuator disclosed in Patent Document 1. In this actuator, laser light (diffused light) from the light source is converted into parallel light or light slightly diffused by the scanning lens. The scanning lens is two-dimensionally driven in the direction perpendicular to the optical axis of the laser beam in accordance with the driving of the actuator, thereby scanning the laser beam within the target area.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-83988

この種のビーム照射装置では、一般に、目標領域が水平方向と垂直方向にマトリクス状に分割され、レーザ光のスキャン位置が各マス目位置に達したタイミングにてレーザ光の出射レベルがパルス状に高められ、当該マス目位置にレーザ光が照射される。そして、各マス目位置にて目標領域からの反射光が検出されたかによって、当該マス目位置における障害物の有無が検出され、さらに、レーザ光の出射タイミングと受光タイミングの時間差をもとに、障害物までの距離が検出される。   In this type of beam irradiation apparatus, generally, the target area is divided into a matrix in the horizontal direction and the vertical direction, and the emission level of the laser beam is pulsed at the timing when the scan position of the laser beam reaches each grid position. The grid position is raised and the laser beam is irradiated. Then, depending on whether the reflected light from the target area is detected at each grid position, the presence or absence of an obstacle at the grid position is detected, and further, based on the time difference between the laser light emission timing and the light reception timing, The distance to the obstacle is detected.

この場合、マス目の分解能は、障害物の検出精度に影響する。すなわち、マス目の分解能が高いほど、目標領域内における障害物の検出精度が高まる。しかし、その反面、マス目の分解能を高めると、レーザ光の出射頻度が高くなり、スキャン制御が複雑になる。その一方、家庭用乗用車では、垂直方向の検出精度に比べ、水平方向の検出精度を高めておく必要がある。したがって、マス目の分解能は、水平方向に高く、垂直方向に低いものに設定するのが望ましい。   In this case, the grid resolution affects the obstacle detection accuracy. That is, the higher the grid resolution, the higher the obstacle detection accuracy in the target area. On the other hand, if the resolution of the grid is increased, the frequency of laser light emission increases and the scan control becomes complicated. On the other hand, in a passenger car for home use, it is necessary to increase the detection accuracy in the horizontal direction compared to the detection accuracy in the vertical direction. Therefore, it is desirable to set the grid resolution to be high in the horizontal direction and low in the vertical direction.

そこで、本発明は、マス目の分解能に応じて適正な輪郭形状のレーザ光を照射し得るビーム照射装置を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a beam irradiation apparatus that can irradiate laser light having an appropriate contour shape according to the resolution of the grid.

上記課題に鑑み本発明は、以下の特徴を有する。   In view of the above problems, the present invention has the following features.

請求項1の発明は、レーザ光を出射する光源と、前記光源からのレーザ光が入射される第1のレンズと、該第1のレンズを前記レーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータを備え、前記光源から出射されたレーザ光を目標領域内において少なくとも水平方向に走査させる走査手段と、前記第1のレンズを通過したレーザ光が入射する入射面が水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離が相違するトロイダル面とされ、出射面が球面とされた凹レンズから成る第2のレンズを備え、前記目標領域における前記レーザ光をその輪郭を前記水平方向に垂直な方向に細長く変形させる光学手段とを有することを特徴とするビーム照射装置である。   According to a first aspect of the present invention, a light source that emits laser light, a first lens that receives laser light from the light source, and the first lens are driven in a direction perpendicular to the optical axis of the laser light. A scanning unit that includes an actuator and scans at least the horizontal direction of the laser light emitted from the light source; and an incident surface on which the laser light that has passed through the first lens is incident is perpendicular to a horizontal focal length. A second lens composed of a concave lens with a different focal length in the direction and a spherical exit surface, and the laser beam in the target area is elongated in a direction perpendicular to the horizontal direction. And a beam irradiation device.

本発明によれば、光学手段によって付与される光学作用によって、目標領域上におけるレーザ光の輪郭が一方向に細長くなるよう調整される。したがって、上記のように、目標領域に設定されるマス目の分解能が変化しても、マス目形状に適した輪郭のレーザ光を目標領域に照射することができる。よって、本発明によれば、効率的かつ安定したスキャン動作を実現できる。   According to the present invention, the contour of the laser beam on the target region is adjusted to be elongated in one direction by the optical action provided by the optical means. Therefore, as described above, even if the resolution of the grid set in the target area changes, it is possible to irradiate the target area with laser light having a contour suitable for the grid shape. Therefore, according to the present invention, an efficient and stable scanning operation can be realized.

本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。   The significance or effect of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments.

なお、本発明における走査手段は、以下の実施形態において、レンズアクチュエータ300によって具現化されている。また、本発明における光学手段は、以下の実施形態において、アタッチメントレンズ700によって具現化されている。   The scanning means in the present invention is embodied by the lens actuator 300 in the following embodiments. The optical means in the present invention is embodied by an attachment lens 700 in the following embodiments.

ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの例示形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
However, the following embodiment is merely an exemplary form of the present invention, and the meaning of the terminology of the present invention or each constituent element is not limited to that described in the following embodiment. Absent.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、図1に実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す。なお、同図には、ビーム照射装置のヘッド部分(ビーム照射ヘッド)が示されており、制御回路の構成は図示省略されている。   First, FIG. 1 shows a configuration of a beam irradiation apparatus according to the embodiment. In the figure, the head portion (beam irradiation head) of the beam irradiation apparatus is shown, and the configuration of the control circuit is not shown.

ビーム照射ヘッドは、半導体レーザ100と、アパーチャ200と、レンズアクチュエータ300と、ビームスプリッタ400と、サーボレンズ500と、PSD(Position Sensitive Detector)600と、アタッチメントレンズ700と、出射窓800を備えている。   The beam irradiation head includes a semiconductor laser 100, an aperture 200, a lens actuator 300, a beam splitter 400, a servo lens 500, a PSD (Position Sensitive Detector) 600, an attachment lens 700, and an exit window 800. .

半導体レーザ100から出射されたレーザ光は、アパーチャ200によって所望の形状に整形された後、走査レンズ301に入射される。走査レンズ301は、両面非球面の凸レンズから構成されており、半導体レーザ100から入射されたレーザ光を平行光よりもさらに収束させる。この走査レンズ301は、同図のY−Z平面方向に変位可能となるよう、レンズアクチュエータ300によって支持されている。走査レンズ301を通過したレーザ光は、レンズアクチュエータ300の駆動に応じて、Y−Z平面方向に出射角度が変化する。なお、走査レンズ301は、中立位置にあるときに、その中心軸がアタッチメントレンズ700の中心軸に一致するよう、レンズアクチュエータ300によって調整される。   Laser light emitted from the semiconductor laser 100 is shaped into a desired shape by the aperture 200 and then incident on the scanning lens 301. The scanning lens 301 is composed of a double-sided aspherical convex lens, and converges the laser light incident from the semiconductor laser 100 more than the parallel light. The scanning lens 301 is supported by a lens actuator 300 so as to be displaceable in the YZ plane direction of FIG. The emission angle of the laser light that has passed through the scanning lens 301 changes in the YZ plane direction according to the driving of the lens actuator 300. The scanning lens 301 is adjusted by the lens actuator 300 so that the central axis thereof coincides with the central axis of the attachment lens 700 when in the neutral position.

レーザ光は、走査レンズ301を通過した後、ビームスプリッタ400によってその一部が反射され、目標領域に照射されるレーザ光(以下、“照射レーザ光”という)から分離される。分離されたレーザ光(以下、“分離光”という)は、サーボレンズ(集束レンズ)500を介してPSD600上に収束される。   After passing through the scanning lens 301, a part of the laser light is reflected by the beam splitter 400 and separated from the laser light irradiated to the target area (hereinafter referred to as “irradiated laser light”). The separated laser light (hereinafter referred to as “separated light”) is converged on the PSD 600 via a servo lens (focusing lens) 500.

PSD600は、同図のX−Y平面に平行な受光面を有しており、この受光面上における分離光の収束位置に応じた電流を出力する。ここで、受光面上における分離光の収束位置と目標領域上における前記照射レーザ光の照射位置は一対一に対応している。よって、PSD60から出力される電流は、目標領域上における前記照射レーザ光の照射位置に対応するものとなっている。   The PSD 600 has a light receiving surface parallel to the XY plane of the figure, and outputs a current corresponding to the convergence position of the separated light on the light receiving surface. Here, the convergence position of the separated light on the light receiving surface and the irradiation position of the irradiation laser light on the target area have a one-to-one correspondence. Therefore, the current output from the PSD 60 corresponds to the irradiation position of the irradiation laser light on the target area.

この電流信号が信号処理回路(図示せず)にて処理されて、照射レーザ光の照射位置が検出される。そして、この検出結果をもとに、照射レーザ光のスキャン制御がなされる。なお、PSD600の構成および電流の出力動作については、追って、図3および図4を参照して詳述する。   This current signal is processed by a signal processing circuit (not shown), and the irradiation position of the irradiation laser beam is detected. Based on the detection result, scan control of the irradiation laser light is performed. The configuration of the PSD 600 and the current output operation will be described in detail later with reference to FIGS.

ビームスプリッタ400を通過した照射レーザ光は、アタッチメントレンズ700に入射される。アタッチメントレンズ700は、入射面がトロイダル面とされ、且つ、出射面が球面とされた凹レンズから構成されており、収束光として入射される照射レーザ光を略平行光に変換する。アタッチメントレンズ700にて平行光とされた照射レーザ光は、出射窓800を通過して、目標領域に照射される。なお、トロイダル面は、後述の如く、水平方向(図1のz軸方向)の焦点距離と垂直方向(図1のy軸方向)の焦点距離が相違している。   The irradiated laser light that has passed through the beam splitter 400 is incident on the attachment lens 700. The attachment lens 700 is composed of a concave lens whose incident surface is a toroidal surface and whose exit surface is a spherical surface, and converts irradiated laser light incident as convergent light into substantially parallel light. The irradiated laser light converted into parallel light by the attachment lens 700 passes through the emission window 800 and is irradiated onto the target area. As will be described later, the focal length in the horizontal direction (z-axis direction in FIG. 1) is different from the focal length in the vertical direction (y-axis direction in FIG. 1).

図2に、レンズアクチュエータ300の構成(分解斜視図)を示す。   FIG. 2 shows a configuration (disassembled perspective view) of the lens actuator 300.

同図を参照して、走査レンズ301は、レンズホルダー302中央の開口に装着される。レンズホルダー302には、4つの側面にそれぞれコイルが装着されており、各コイル内にヨーク303中央の突出部が図示矢印のように挿入される。各ヨーク303は、両側の舌片が一対のヨーク固定部材305の凹部に嵌入される。さらに、それぞれのヨーク固定部材305に、ヨーク303の舌片を挟むようにして磁石304が固着される。この状態にて、ヨーク固定部材305が磁石304とともにベース(図示せず)に装着される。   With reference to the figure, the scanning lens 301 is attached to the central opening of the lens holder 302. The lens holder 302 is provided with coils on four side surfaces, and a protrusion at the center of the yoke 303 is inserted into each coil as shown by the arrows in the drawing. As for each yoke 303, the tongue piece of both sides is inserted in the recessed part of a pair of yoke fixing member 305. FIG. Further, the magnet 304 is fixed to each yoke fixing member 305 so as to sandwich the tongue piece of the yoke 303. In this state, the yoke fixing member 305 is attached to the base (not shown) together with the magnet 304.

さらに、ベースには一対のワイヤー固定部材306が装着されており、このワイヤー固定部材306にワイヤー307を介してレンズホルダー302が弾性支持される。レンズホルダー302には四隅にワイヤー307を嵌入するための孔が設けられている。この孔にそれぞれワイヤー307を嵌入した後、ワイヤー307の両端をワイヤー固定部材306に固着する。これにより、レンズホルダー302がワイヤー307を介してワイヤー固定部材306に弾性支持される。   Further, a pair of wire fixing members 306 are attached to the base, and the lens holder 302 is elastically supported by the wire fixing members 306 via the wires 307. The lens holder 302 has holes for fitting the wires 307 at the four corners. After the wires 307 are inserted into the holes, both ends of the wire 307 are fixed to the wire fixing member 306. As a result, the lens holder 302 is elastically supported by the wire fixing member 306 via the wire 307.

駆動時には、レンズホルダー302に装着されている各コイルに、アクチュエータ駆動回路から駆動信号が供給される。これにより、電磁駆動力が発生し、走査レンズ301がレンズホルダーとともに2次元駆動される。   At the time of driving, a driving signal is supplied from the actuator driving circuit to each coil mounted on the lens holder 302. Thereby, an electromagnetic driving force is generated, and the scanning lens 301 is two-dimensionally driven together with the lens holder.

図3に、PSD600の構造を示す。なお、同図は、図1において、PSD600をY軸方向から見たときの構造を示すものである。   FIG. 3 shows the structure of the PSD 600. This figure shows the structure of the PSD 600 in FIG. 1 when viewed from the Y-axis direction.

図示の如く、PSD600は、N型高抵抗シリコン基板の表面に、受光面と抵抗層を兼ねたP型抵抗層を形成した構造となっている。抵抗層表面には、図1のX方向における光電流を出力するための電極X1、X2と、図1のY方向における光電流を出力するための電極Y1、Y2(同図では図示省略)が形成されている。また、裏面側には共通電極が形成されている。   As shown in the figure, PSD 600 has a structure in which a P-type resistance layer serving as a light-receiving surface and a resistance layer is formed on the surface of an N-type high-resistance silicon substrate. Electrodes X1 and X2 for outputting photocurrent in the X direction in FIG. 1 and electrodes Y1 and Y2 (not shown in the figure) for outputting photocurrent in the Y direction in FIG. 1 are provided on the resistance layer surface. Is formed. A common electrode is formed on the back side.

受光面に分離光が収束されると、収束位置に光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、各電極までの距離に逆比例して分割されて、電極X1、X2、Y1、Y2から出力される。ここで、電極X1、X2、Y1、Y2から出力される電流は、分離光の収束位置から各電極までの距離に逆比例して分割された大きさを有している。よって、電極X1、X2、Y1、Y2から出力される電流値をもとに、受光面上における収束位置を検出することができる。   When the separated light is converged on the light receiving surface, an electric charge proportional to the amount of light is generated at the convergence position. This electric charge reaches the resistance layer as a photocurrent, is divided in inverse proportion to the distance to each electrode, and is output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2. Here, the current output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2 has a magnitude divided in inverse proportion to the distance from the convergence position of the separated light to each electrode. Therefore, the convergence position on the light receiving surface can be detected based on the current values output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2.

図4(a)は、PSD600の有効受光面を示す図である。また、図4(b)は、電極X1、X2、Y1、Y2から出力される電流をもとにPSD信号処理回路60にて生成される位置検出電圧と、有効受光面上における分離光の収束位置の関係を示す図である。なお、図4(a)では有効受光面を正方形としている。また、図4(b)では、有効受光面のセンター位置を基準位置(0位置)として、基準位置に対する収束位置のX方向およびY方向の変位量と出力電圧の関係を示している。   FIG. 4A is a diagram showing an effective light receiving surface of the PSD 600. 4B shows the position detection voltage generated by the PSD signal processing circuit 60 based on the currents output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2, and the convergence of the separated light on the effective light receiving surface. It is a figure which shows the relationship of a position. In FIG. 4A, the effective light receiving surface is a square. FIG. 4B shows the relationship between the amount of displacement in the X and Y directions of the convergence position with respect to the reference position and the output voltage, with the center position of the effective light receiving surface as the reference position (0 position).

信号処理回路は、電極X1、X2、Y1、Y2から出力される電流をもとに、収束位置のX方向変位量に対応する電圧Xoutと、Y方向変位量に対応する電圧Youtを生成し、ADC(Analog Digital Converter)を介してDSP(Digital Signal Processor)制御回路に出力する。DSP制御回路は、入力された電圧XoutとYoutから収束位置のX方向変位量とY方向変位量を検出する。   The signal processing circuit generates a voltage Xout corresponding to the X-direction displacement amount of the convergence position and a voltage Yout corresponding to the Y-direction displacement amount based on the currents output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2. The data is output to a DSP (Digital Signal Processor) control circuit via an ADC (Analog Digital Converter). The DSP control circuit detects the X-direction displacement amount and the Y-direction displacement amount of the convergence position from the input voltages Xout and Yout.

本実施の形態では、上記の如く、アタッチメントレンズ700の入射面をトロイダル面としたことにより、目標領域上におけるビームスポットが、垂直方向(図1のy軸方向)に細長い形状に変形される。   In the present embodiment, as described above, the incident surface of the attachment lens 700 is a toroidal surface, so that the beam spot on the target region is deformed into an elongated shape in the vertical direction (y-axis direction in FIG. 1).

図5〜図7は、図1の光学系に以下の条件を設定したときの目標領域上におけるビーム強度をシミュレーションしたものである。また、ここでは、アタッチメントレンズ700から100m先に目標領域が設定されている。   5 to 7 are simulations of the beam intensity on the target area when the following conditions are set in the optical system of FIG. Here, the target area is set 100 m away from the attachment lens 700.

<走査レンズ301>
両面非球面
焦点距離:13.4912 mm
有効径 : Φ16 mm(アパーチャ)
中心厚さ: 5 mm
屈折率 : 1.517
<アタッチメントレンズ700>
入射側 :トロイダル面 / 出射側:球面
焦点距離:水平方向 −23.0359 mm、垂直方向 −20.9278 mm
有効径 : Φ14.0 mm
中心厚さ: 1 mm
屈折率 : 1.517
<その他>
半導体レーザからアタッチメントレンズまでの距離:52.81 mm
走査レンズの変位量:± 2 mm
<Scanning lens 301>
Double-sided aspheric focal length: 13.4912 mm
Effective diameter: Φ16 mm (Aperture)
Center thickness: 5 mm
Refractive index: 1.517
<Attachment lens 700>
Incident side: Toroidal surface / Outgoing side: spherical Focal length: Horizontal -23.0359 mm, Vertical -20.9278 mm
Effective diameter: Φ14.0 mm
Center thickness: 1 mm
Refractive index: 1.517
<Others>
Distance from laser diode to attachment lens: 52.81 mm
Scan lens displacement: ± 2 mm

なお、走査レンズ301とアタッチメントレンズ700は、両レンズの中心軸が一致しているとき、すなわち、走査レンズ301が中立位置にあるときに、アタッチメントレンズ700から出射されるレーザ光が水平方向(図1のz軸方向)において平行光となり、且つ、そのビーム径(光線追跡法によるもの)が、水平方向において、走査レンズ301に入射するときのビーム径(同じく、光線追跡法によるもの)の略1/2となるような位置に配置されているものとする。   Note that the scanning lens 301 and the attachment lens 700 have laser beams emitted from the attachment lens 700 in the horizontal direction when the center axes of the two lenses coincide, that is, when the scanning lens 301 is in the neutral position (see FIG. 1 in the z-axis direction), and the beam diameter (according to the ray tracing method) is an abbreviation of the beam diameter (also according to the ray tracing method) when entering the scanning lens 301 in the horizontal direction. It is assumed that it is arranged at a position that becomes 1/2.

図5〜図7には、走査レンズ301を水平方向(図1のz軸方向)に変位させることによって照射レーザ光の照射方向を水平方向に所定角度だけ振らせたときのビーム強度分布(左図)と、各ビーム強度分布に対する水平方向(図面左右方向)のビームプロファイル(中図)と、垂直方向(図面上下方向)のビームプロファイル(右図)が示されている。なお、ビームプロファイルの横軸はビーム中心位置(ビーム強度が最も高い位置)からの離間距離であり、縦軸は最大強度を100とした時の強度レベルである。また、横軸は、ビーム中心位置がゼロになるよう設定されている。   5 to 7 show the beam intensity distribution (left) when the irradiation direction of the irradiation laser light is swung by a predetermined angle in the horizontal direction by displacing the scanning lens 301 in the horizontal direction (z-axis direction in FIG. 1). The figure shows a beam profile (middle figure) in the horizontal direction (left and right direction in the drawing) and a beam profile (right figure in the vertical direction (up and down direction)) for each beam intensity distribution. The horizontal axis of the beam profile is the distance from the beam center position (the position where the beam intensity is highest), and the vertical axis is the intensity level when the maximum intensity is 100. The horizontal axis is set so that the beam center position becomes zero.

図5〜図7を参照して分かるとおり、アタッチメントレンズ700の入射面をトロイダル面とすることにより、照射レーザ光のビーム形状を、上下方向(図1のy軸方向)に細長くすることができる。その結果、上下方向における照射レーザ光のカバー範囲を広げることができる。したがって、この構成を障害物検出装置に用いた場合には、図8(b)に示す如く、目標領域における上下方向のスキャン段数(目標領域をマトリックス状に分割したときのブロック段数)を削減することができる。なお、図8(a)は、アタッチメントレンズ700の入射面と出射面をともに球面としたときのビーム形状と目標領域の分割状態を示す図である。   As can be seen with reference to FIGS. 5 to 7, by making the incident surface of the attachment lens 700 a toroidal surface, the beam shape of the irradiated laser light can be elongated in the vertical direction (y-axis direction in FIG. 1). . As a result, the cover range of the irradiation laser beam in the vertical direction can be expanded. Therefore, when this configuration is used for an obstacle detection apparatus, as shown in FIG. 8B, the number of scan stages in the vertical direction in the target area (the number of block stages when the target area is divided into a matrix) is reduced. be able to. FIG. 8A is a diagram illustrating a beam shape and a division state of the target region when both the incident surface and the exit surface of the attachment lens 700 are spherical surfaces.

なお、上記シミュレーション条件に従うアタッチメントレンズ700は、以下のレンズデータをもとに形成できる。   The attachment lens 700 according to the simulation conditions can be formed based on the following lens data.

<走査レンズ301>
a.入射面(非球面)
・曲率半径 16.8777649771835 mm
・非球面係数(非球面生成多項式):
コーニック定数(K) −8.48832199279343
4次の係数(A) −4.27096033316007e-007
6次の係数(B) 1.17521904684828e-006
8次の係数(C) −2.111559547426e-008
b.出射面(非球面)
・曲率半径 −10.4603963534906 mm
・非球面係数(非球面生成多項式):
コーニック定数(K) 0.0947470811575341
4次の係数(A) 7.4254388113816e-005
6次の係数(B) 2.33700944147862e-006
8次の係数(C) −1.55061157703029e-008
c.材料:ガラス/BK7(屈折率=1.517)
<アタッチメントレンズ701>
a.入射面(トロイダル面)
・曲率半径:
水平方向 −60.16068895769 mm
垂直方向 −40 mm
b.出射面(球面)
・曲率半径 14.68847686175 mm
c.材料 ガラス/BK7(屈折率=1.517)
<Scanning lens 301>
a. Incident surface (aspheric surface)
・ Curvature radius 16.8777649771835 mm
-Aspheric coefficient (aspheric generator polynomial):
Conic constant (K) −8.48832199279343
Fourth-order coefficient (A) −4.27096033316007e-007
6th order coefficient (B) 1.17521904684828e-006
8th order coefficient (C) -2.111559547426e-008
b. Output surface (aspheric surface)
・ Curvature radius −10.4603963534906 mm
-Aspheric coefficient (aspheric generator polynomial):
Conic constant (K) 0.0947470811575341
Fourth-order coefficient (A) 7.4254388113816e-005
6th order coefficient (B) 2.33700944147862e-006
8th order coefficient (C) -1.55061157703029e-008
c. Material: Glass / BK7 (refractive index = 1.517)
<Attachment lens 701>
a. Incident surface (toroidal surface)
·curvature radius:
Horizontal direction −60.16068895769 mm
Vertical direction −40 mm
b. Output surface (spherical surface)
・ Curvature radius 14.68847686175 mm
c. Material Glass / BK7 (refractive index = 1.517)

ところで、図5〜図7を参照して分かるとおり、レーザ光を目標領域内において走査させるために走査レンズ301をレーザ光の光軸に垂直な方向に変位させると、目標領域上における照射レーザ光に収差が発生する。たとえば、上記シミュレーション条件に従う場合には、照射レーザ光を中立位置から水平方向に15°程度走査させたあたりから収差の発生状態が目立って大きくなり、照射レーザ光の強度分布が水平方向に歪んだ状態となる(図6(b)参照)。さらに、走査角度が20°程度になると、強度分布の歪みはかなり大きなものとなっている(図7参照)。かかる歪の発生は、照射レーザ光を垂直方向に走査させたときも同様に生じる。   By the way, as can be seen with reference to FIGS. 5 to 7, when the scanning lens 301 is displaced in a direction perpendicular to the optical axis of the laser light in order to scan the laser light in the target area, the irradiated laser light on the target area Aberration occurs. For example, in the case of following the above simulation conditions, the state of occurrence of aberration becomes conspicuous after the irradiation laser beam is scanned about 15 ° in the horizontal direction from the neutral position, and the intensity distribution of the irradiation laser beam is distorted in the horizontal direction. It will be in a state (refer to Drawing 6 (b)). Furthermore, when the scanning angle is about 20 °, the distortion of the intensity distribution becomes considerably large (see FIG. 7). Such distortion also occurs when the irradiated laser beam is scanned in the vertical direction.

しかし、車載用のビーム照射装置では、一般に、車両前方の監視に必要とされるレーザ光の振り角は±10度程度であるため、振り角が±10度の範囲にあるときに収差が目立って大きくならなければ、車間検出動作等の精度に別段問題が生じることはない。従って、上記シミュレーション条件にて光学系を設計した場合には、問題のないスキャン動作を実現することができる。   However, in an in-vehicle beam irradiation apparatus, generally, the swing angle of laser light required for monitoring the front of the vehicle is about ± 10 degrees, and thus aberration is conspicuous when the swing angle is in the range of ± 10 degrees. If it does not increase, there will be no problem in the accuracy of the distance detection operation. Therefore, when the optical system is designed under the simulation conditions, a scan operation without any problem can be realized.

なお、本実施の形態によれば、上記効果の他に、アタッチメントレンズ700による光学作用によって、水平および垂直方向におけるレーザ光の振り角を拡大できるとの効果を併せて奏することができる。   According to the present embodiment, in addition to the above effects, the effect that the swing angle of the laser light in the horizontal and vertical directions can be expanded by the optical action of the attachment lens 700 can be achieved.

図9(a)は、走査レンズ301を同図の矢印A方向に変位させたときの照射レーザ光の振れ具合を光線追跡法にてシミュレーションしたものである。また、図9(b)は、走査レンズ301を図9(a)と同一方向(矢印A方向)に変位させたときの分離光の振れ具合を光線追跡法にてシミュレーションしたものである。なお、図9(b)には、便宜上、サーボレンズ500に入射するレーザ光の軌跡のみが示されている。   FIG. 9A shows a simulation of the fluctuation of the irradiated laser beam by the ray tracing method when the scanning lens 301 is displaced in the direction of arrow A in FIG. FIG. 9B shows a simulation of the fluctuation of the separated light when the scanning lens 301 is displaced in the same direction (arrow A direction) as that in FIG. In FIG. 9B, only the locus of laser light incident on the servo lens 500 is shown for convenience.

同図(a)に示す如く、走査レンズ301を変位させることにより、走査レンズ通過直後の照射レーザ光の進行方向が所定角度だけ曲げられる。その後、照射レーザ光は、アタッチメントレンズ700を通過することにより、その進行方向がさらに同一方向に所定角度だけ曲げられる。したがって、最終的に出射窓800から出射される照射レーザ光の振れ角は、アタッチメントレンズ700が配されていない場合に比べて、このアタッチメントレンズ700によって付与される振れ角の分だけ大きくなる。なお、アタッチメントレンズ700は、入射面がトロイダル面とされ、且つ、出射面が球面とされた凹レンズから構成されているため、かかる振れ角の増大効果(広角作用)は、アタッチメントレンズ700の全周方向において生じる。   As shown in FIG. 5A, by moving the scanning lens 301, the traveling direction of the irradiation laser light immediately after passing through the scanning lens is bent by a predetermined angle. Thereafter, the irradiation laser light passes through the attachment lens 700, and the traveling direction thereof is further bent by a predetermined angle in the same direction. Therefore, the deflection angle of the irradiation laser light finally emitted from the emission window 800 becomes larger by the amount of the deflection angle provided by the attachment lens 700 than in the case where the attachment lens 700 is not provided. Since the attachment lens 700 is composed of a concave lens whose entrance surface is a toroidal surface and whose exit surface is a spherical surface, the effect of increasing the deflection angle (wide-angle action) is the entire circumference of the attachment lens 700. Occurs in the direction.

図10は、走査レンズ301の水平方向の移動量と照射レーザ光の走査角度の関係を上記シミュレーションにて設定した条件と同じ条件下でシミュレーションしたときのシミュレーション結果である。なお、縦軸の走査角度は、半導体レーザ100から出射されるレーザ光の光軸と出射窓800から出射される際のレーザ光の光軸の間の角度である。また、同図には、比較例として、アタッチメントレンズ700を省略したときの走査レンズ301の移動量と走査角度の関係が示されている。   FIG. 10 shows a simulation result when the relationship between the horizontal movement amount of the scanning lens 301 and the scanning angle of the irradiation laser light is simulated under the same conditions as those set in the simulation. The scanning angle on the vertical axis is an angle between the optical axis of the laser light emitted from the semiconductor laser 100 and the optical axis of the laser light when emitted from the emission window 800. In addition, in the figure, as a comparative example, the relationship between the amount of movement of the scanning lens 301 and the scanning angle when the attachment lens 700 is omitted is shown.

同図に示す如く、本実施の形態によれば、比較例に比べ、各走査レンズ位置において約2倍の走査角を得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば走査レンズ301を小さく変位させても大きな振り角にて照射レーザ光をスキャンさせることができる。   As shown in the figure, according to the present embodiment, it is possible to obtain a scanning angle approximately twice as large at each scanning lens position as compared with the comparative example. In other words, according to the present embodiment, the irradiation laser light can be scanned with a large swing angle even if the scanning lens 301 is displaced small.

なお、本実施の形態において、アタッチメントレンズ700から出射されるレーザ光のビーム径(光線追跡法によるもの)が走査レンズ301に入射するときのビーム径(同じく、光線追跡法によるもの)の1/nになるように光学系の条件を設定した場合には、比較例に比べてn倍の振れ角にて、照射レーザ光をスキャンさせることができる。   In the present embodiment, the beam diameter of the laser light emitted from the attachment lens 700 (by the ray tracing method) is 1 / of the beam diameter (also by the ray tracing method) when entering the scanning lens 301. When the conditions of the optical system are set so as to be n, it is possible to scan the irradiation laser light with a deflection angle n times that of the comparative example.

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能なものである。   Although the embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible.

たとえば、上記実施の形態では、アタッチメントレンズ700の入射面をトロイダル面としたが、これに代えて、シリンドリカル面とすることができる。この場合、ビーム形状が目標領域において所望の方向に細長くなるように、シリンドリカル面の方向を調整する必要がある。また、ビームサイズが目標領域において所望のサイズとなるよう、シリンドリカル面(入射面)の面形状と球面(出射面)の面形状を設計する必要がある。   For example, in the above-described embodiment, the incident surface of the attachment lens 700 is a toroidal surface, but it can be a cylindrical surface instead. In this case, it is necessary to adjust the direction of the cylindrical surface so that the beam shape is elongated in a desired direction in the target region. In addition, it is necessary to design the surface shape of the cylindrical surface (incident surface) and the surface shape of the spherical surface (exit surface) so that the beam size becomes a desired size in the target region.

また、上記実施の形態では、アタッチメントレンズ700の入射面を工夫することによってビーム形状を調整するようにしたが、ビーム形状を調整するためのレンズを別途光学系に追加するようにしても良い。ただし、この場合には、部品点数の増加とコストの上昇が生じることとなる。   In the above embodiment, the beam shape is adjusted by devising the incident surface of the attachment lens 700, but a lens for adjusting the beam shape may be added to the optical system separately. However, in this case, the number of parts increases and the cost increases.

さらに、上記実施の形態では、ビーム走査手段としてレンズアクチュエータ300を用いたが、図11に示す如く、ポリゴンミラー900を用いてビームを走査させることもできる。   Furthermore, in the above-described embodiment, the lens actuator 300 is used as the beam scanning unit. However, as shown in FIG. 11, the polygon mirror 900 can be used to scan the beam.

ここで、ポリゴンミラー900は、断面多角形となっており、且つ、各側面にミラー面が形成されている。ポリゴンミラー900は、モータ(図示せず)からの駆動力を受けて同図の矢印方向に回転される。ポリゴンミラー900を回転させながらレーザ光をその側面に照射すると、各側面に対するレーザ光の入射角度が変化する。これにより、ポリゴンミラー900の側面によって反射されたレーザ光(照射レーザ光)はポリゴンミラーの回転方向にスキャンされる。   Here, the polygon mirror 900 has a polygonal cross section, and a mirror surface is formed on each side surface. Polygon mirror 900 receives a driving force from a motor (not shown) and is rotated in the direction of the arrow in FIG. When laser light is irradiated on the side surfaces while rotating the polygon mirror 900, the incident angle of the laser light on each side surface changes. Thereby, the laser beam (irradiation laser beam) reflected by the side surface of the polygon mirror 900 is scanned in the rotation direction of the polygon mirror.

ここで、ポリゴンミラー900は、レーザ光の入射位置が一つのミラー面から次のミラー面へと移ることによって、水平方向のスキャン軌道が、目標領域上において、上下方向に1ブロック分だけシフトするように、回転軸に対する各ミラー面の傾き角が調整されている。また、ミラー面の傾き角は、水平方向のスキャン軌道が最下段のブロック位置にあるときに、レーザ光の入射位置が次のミラー面に移ると、これに応じて、水平方向のスキャン軌道が、最下段のブロック位置から最上段のブロック位置へとシフトするようにも調整されている。   Here, in the polygon mirror 900, the horizontal scan trajectory is shifted by one block in the vertical direction on the target area as the incident position of the laser beam moves from one mirror surface to the next mirror surface. As described above, the inclination angle of each mirror surface with respect to the rotation axis is adjusted. Also, the tilt angle of the mirror surface is such that when the horizontal scan trajectory is at the lowest block position, the horizontal scan trajectory will change accordingly when the incident position of the laser beam moves to the next mirror surface. Also, adjustment is made to shift from the lowermost block position to the uppermost block position.

ポリゴンミラー900のミラー面の傾き角がこのように調整されていることにより、照射レーザ光は、ポリゴンミラー900の回転に応じて、たとえば、図8(b)に示す照射ブロックを左から右方向に一段ずつスキャンする。   Since the tilt angle of the mirror surface of the polygon mirror 900 is adjusted in this way, the irradiation laser light moves, for example, from the left to the right in the irradiation block shown in FIG. 8B according to the rotation of the polygon mirror 900. Scan one step at a time.

なお、この場合には、図1におけるビームスプリッタ400と、サーボレンズ500と、PSD600が省略され得る。これは、ポリゴンミラー900の回転位置からレーザ光の照射位置を検出できるためである。すなわち、図11の構成例では、たとえば、モータから出力される回転同期信号をもとに、ポリゴンミラー900の回転位置が逐次検出される。そして、検出された回転位置をもとに、目標領域上における照射レーザ光の照射位置が検出される。   In this case, the beam splitter 400, the servo lens 500, and the PSD 600 in FIG. 1 can be omitted. This is because the irradiation position of the laser beam can be detected from the rotational position of the polygon mirror 900. That is, in the configuration example of FIG. 11, for example, the rotational position of the polygon mirror 900 is sequentially detected based on the rotation synchronization signal output from the motor. Based on the detected rotational position, the irradiation position of the irradiation laser light on the target area is detected.

本発明は、車載用の他、様々な用途のビーム照射装置に適用可能である。障害物検出装置、距離検出装置の他、画像読み取り装置等にも搭載可能なものである。   The present invention can be applied to a beam irradiation apparatus for various uses other than in-vehicle use. In addition to the obstacle detection device and the distance detection device, it can be mounted on an image reading device or the like.

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。   The embodiments of the present invention can be appropriately modified in various ways within the scope of the technical idea shown in the claims.

実施の形態に係るビーム照射装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the beam irradiation apparatus which concerns on embodiment 実施の形態に係るレンズアクチュエータの構成を示す図The figure which shows the structure of the lens actuator which concerns on embodiment 実施の形態に係るPSDの構造を示す図The figure which shows the structure of PSD which concerns on embodiment 実施の形態に係るPSDの構造と電圧特性を説明する図The figure explaining the structure and voltage characteristic of PSD which concern on embodiment 実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果Simulation result of intensity distribution of laser beam according to embodiment 実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果Simulation result of intensity distribution of laser beam according to embodiment 実施の形態に係るレーザ光の強度分布のシミュレーション結果Simulation result of intensity distribution of laser beam according to embodiment 実施の形態に係るレーザ光の照射状態を説明する図The figure explaining the irradiation state of the laser beam which concerns on embodiment 実施の形態に係る走査レンズ301を一方向に変位させたときの照射レーザ光と分離光の振れ具合を光線追跡法にて求めたシミュレーション結果Simulation results obtained by the ray tracing method for the fluctuation of the irradiation laser beam and the separated light when the scanning lens 301 according to the embodiment is displaced in one direction 実施の形態に係る走査レンズの移動量と走査角度の関係を示す図The figure which shows the relationship between the moving amount of the scanning lens and scanning angle which concern on embodiment 実施の形態に係るビーム照射装置の他の構成例を示す図The figure which shows the other structural example of the beam irradiation apparatus which concerns on embodiment

符号の説明Explanation of symbols

300 レンズアクチュエータ
301 走査レンズ
700 アタッチメントレンズ
900 ポリゴンミラー
300 Lens actuator 301 Scan lens 700 Attachment lens 900 Polygon mirror

Claims (1)

レーザ光を出射する光源と、
前記光源からのレーザ光が入射される第1のレンズと、該第1のレンズを前記レーザ光の光軸に垂直な方向に駆動するアクチュエータを備え、前記光源から出射されたレーザ光を目標領域内において少なくとも水平方向に走査させる走査手段と、
前記第1のレンズを通過したレーザ光が入射する入射面が水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離が相違するトロイダル面とされ、出射面が球面とされた凹レンズから成る第2のレンズを備え、前記目標領域における前記レーザ光をその輪郭を前記水平方向に垂直な方向に細長く変形させる光学手段と、
を有することを特徴とするビーム照射装置。
A light source that emits laser light;
A first lens on which the laser light from the light source is incident; and an actuator for driving the first lens in a direction perpendicular to the optical axis of the laser light, the laser light emitted from the light source being a target region Scanning means for scanning in the horizontal direction at least
A second lens composed of a concave lens in which the incident surface on which the laser light that has passed through the first lens is incident is a toroidal surface having a horizontal focal length and a vertical focal length different from each other, and the emission surface is a spherical surface. comprising an optical means for elongated deforming the laser beam in the target area in a direction perpendicular to the contour to the horizontal direction,
A beam irradiation apparatus comprising:
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