JP2009085947A - Beam irradiation device - Google Patents
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Abstract
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、目標領域にレーザ光を照射したときの反射光をもとに、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、いわゆる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。 The present invention relates to a beam irradiation apparatus that irradiates a target area with laser light, and in particular, based on reflected light when the target area is irradiated with laser light, the presence or absence of an obstacle in the target area and the distance to the obstacle. It is suitable for use in a beam irradiation device mounted on a so-called laser radar.
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。 In recent years, in order to improve safety during traveling, a laser radar that irradiates laser light forward in the traveling direction and detects the presence or absence of an obstacle in the target area and the distance to the obstacle from the state of the reflected light, It is installed in home passenger cars. In general, a laser radar scans a laser beam within a target area, detects the presence or absence of an obstacle at each scan position from the presence or absence of reflected light at each scan position, and further determines from the irradiation timing of the laser light at each scan position. Based on the time required to receive the reflected light, the distance to the obstacle at the scan position is detected.
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と、走査用レンズを2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、以下の特許文献1参照)が知られている。
In order to increase the detection accuracy of the laser radar, it is necessary to appropriately scan the laser beam within the target area, and it is necessary to appropriately detect each scan position of the laser beam. Conventionally, as a laser beam scanning mechanism, a scanning mechanism using a polygon mirror and a lens driving type scanning mechanism for driving a scanning lens two-dimensionally (for example, see
また、出願人は、先に特願2006−121762号を出願し、ミラー回動タイプのスキャン機構を提案した。こ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2次元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、2次元方向に走査される。 The applicant previously filed Japanese Patent Application No. 2006-121762 and proposed a mirror rotation type scanning mechanism. In this scan mechanism, the mirror is supported so that it can be driven in two axes, and the mirror is rotated about each drive shaft by an electromagnetic drive force between the coil and the magnet. The laser light is incident on the mirror from an oblique direction, and the mirror is driven two-dimensionally around each drive axis, whereby the reflected light of the laser light from the mirror is scanned in the two-dimensional direction within the target area.
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。 In this scanning mechanism, the scanning position of the laser beam in the target area corresponds one-to-one with the rotational position of the mirror. Therefore, the scan position of the laser beam can be detected by detecting the rotational position of the mirror. Here, the rotation position of the mirror can be detected, for example, by detecting the rotation position of another member that rotates with the mirror.
図11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(a)は、別部材として平行平板状の透光性部材を用いる場合の構成例、同図(b)は、別部材としてミラー部材を用いる場合の構成例である。 FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example when the rotation position of another member is detected in this manner. FIG. 4A is a configuration example in the case where a parallel plate-shaped translucent member is used as another member, and FIG. 4B is a configuration example in which a mirror member is used as another member.
同図(a)において、601は半導体レーザ、602は透光性部材、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。
In FIG. 1A,
同図(b)において、611は半導体レーザ、612はミラー部材、613は光検出器(PSD)である。半導体レーザ611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ミラー部材612によって反射され、光検出器613に受光される。ここで、ミラー部材612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613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613にて検出されるレーザ光の受光位置によって、ミラー部材612の回動位置を検出することができる。
In FIG. 5B, 611 is a semiconductor laser, 612 is a mirror member, and 613 is a photodetector (PSD). The laser light emitted from the
ここで、ミラー部材612が、同図(b)にように角度αだけ回動すると、ミラー部材612によって反射された後のレーザ光の振り角は2αとなる。このため、光検出器613の受光面を大きくする必要がある。これに対し、同図(a)のように透光性部材602を用いると、透光性部材602を回動させても、これを透過した後のレーザ光の振れ幅はそれほど大きくならない。よって、同図(b)の場合に比べ、光検出器603の受光面をかなり小さくすることができ、光検出器に掛かるコストを抑制することができる。
しかしながら、このように透光性部材602を回動させると、その回動に伴って、透光性部材602のレーザ光入射面および出射面にて反射される光の割合が変化する。このため、光検出器603にて受光されるレーザ光の光量が、透光性部材602の回動に伴って変化し、これにより、光検出器603から出力される位置検出信号に誤差が生じるようになる。この誤差は、目標領域におけるレーザ光の走査位置の検出精度に影響する。
However, when the
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、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。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a beam irradiation apparatus capable of accurately detecting a scanning position of a laser beam in a target region.
請求項1の発明は、目標領域においてレーザ光を走査させるビーム照射装置において、所定方向に回動されることによりレーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、前記光学素子を前記方向に回動させるアクチュエータと、前記アクチュエータに配され前記光学素子の回動に伴って回動する光屈折素子と、前記光屈折素子にサーボ光を照射するサーボ光源と、前記光屈折素子によって屈折され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を備え、前記光屈折素子の前記サーボ光の入射面と出射面に、前記サーボ光の波長帯以下のピッチにて周期構造を形成したことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, in a beam irradiation apparatus that scans laser light in a target region, an optical element that changes a traveling direction of the laser light by rotating in a predetermined direction, and the optical element is rotated in the direction. An actuator to be moved, a photorefractive element that is arranged in the actuator and rotates as the optical element rotates, a servo light source that irradiates servo light to the photorefractive element, and the servo that is refracted by the photorefractive element A photodetector that receives light and outputs a signal corresponding to the light receiving position, and has a period at a pitch equal to or lower than the wavelength band of the servo light on the servo light incident surface and the light emitting surface of the photorefractive element. A structure is formed.
請求項2の発明は、請求項1に記載のビーム照射装置において、前記周期構造は、先細りの錐形からなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the beam irradiation apparatus according to the first aspect, the periodic structure has a tapered cone shape.
請求項3の発明は、請求項1または2に記載のビーム照射装置において、前記光屈折素子は、平板形状の透光性部材であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the beam irradiation apparatus according to the first or second aspect, the photorefractive element is a flat plate-shaped translucent member.
請求項4は、請求項1ないし3の何れか一項に記載のビーム照射装置において、前記光学素子は、ミラーであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the beam irradiation apparatus according to any one of the first to third aspects, the optical element is a mirror.
請求項5の発明は、請求項1ないし4の何れか一項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、前記光学素子を第1の方向に回動可能に支持する第1の支持部と、前記第1の支持部を前記第1の方向とは異なる第2の方向に回動可能に支持する第2の支持部と、前記第1の支持部と前記第2の支持部を前記第1の方向および前記第2の方向に駆動する電磁駆動部とを有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the beam irradiation apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the actuator includes a first support portion that rotatably supports the optical element in a first direction. , A second support portion that rotatably supports the first support portion in a second direction different from the first direction, and the first support portion and the second support portion are connected to the first direction. And an electromagnetic drive unit that drives in the first direction and the second direction.
請求項6の発明は、請求項1ないし5の何れか一項に記載のビーム照射装置において、前記光屈折素子は、前記光学素子を回動する回動軸に装着されていることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the beam irradiation apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the photorefractive element is mounted on a rotating shaft that rotates the optical element. To do.
なお、本発明において、周期構造は、目標領域にビームを照射する際の光学素子の振り角(光屈折素子の振り角と等価)の範囲内において、光屈折素子を透過したレーザ光の強度に略変化が生じないよう形成するのが望ましい。具体的には、かかる振り角の範囲内において、周期構造の光透過特性に、レーザ光の入射角に対する角度依存性が殆ど生じないようなアスペクト比(アスペクト比=周期構造の高さ/周期構造のピッチ)にて、周期構造を形成するのが望ましい。 In the present invention, the periodic structure has the intensity of the laser beam transmitted through the photorefractive element within the range of the swing angle of the optical element (equivalent to the swing angle of the photorefractive element) when the target region is irradiated with the beam. It is desirable to form so as not to substantially change. Specifically, an aspect ratio (aspect ratio = height of the periodic structure / periodic structure) in which the light transmission characteristics of the periodic structure hardly depend on the incident angle of the laser beam within the range of the swing angle. It is desirable to form a periodic structure at a pitch of 1).
なお、以下の実施形態では、透明体(本発明の光屈折素子に相当)の振り角を中立位置(レーザ光が透明体に対し45度の入射角で入射)に対して±15度としたときの、PSD(本発明の光検出器に相当)上におけるレーザ光(本発明のサーボ光に相当)の強度の変化が検証されている。この検証では、当該振り角の範囲内におけるPSD上のレーザ光の強度変化が1%以下に抑えられている。この場合、PSDから出力される位置検出信号の誤差は、目標領域内におけるレーザ光のスキャン位置の検出精度の評価において無視できる程度のものとなる。 In the following embodiments, the swing angle of the transparent body (corresponding to the photorefractive element of the present invention) is ± 15 degrees with respect to the neutral position (laser light is incident on the transparent body at an incident angle of 45 degrees). The change in the intensity of the laser beam (corresponding to the servo light of the present invention) on the PSD (corresponding to the photodetector of the present invention) at the time has been verified. In this verification, the intensity change of the laser beam on the PSD within the range of the swing angle is suppressed to 1% or less. In this case, the error of the position detection signal output from the PSD is negligible in the evaluation of the detection accuracy of the scan position of the laser beam in the target area.
少なくとも、このように、光検出器上におけるサーボ光の強度の変化が1%以下に抑えられていれば、目標領域内におけるレーザ光のスキャン位置の検出精度の劣化は無視できる程度のものとなる。周期構造のアスペクト比は、光検出器上におけるサーボ光の強度の変化が、光屈折素子の振り角の範囲内において1%以下となるよう設定されるのが好ましい。 At least in this way, if the change in the intensity of the servo light on the photodetector is suppressed to 1% or less, the deterioration of the detection accuracy of the scan position of the laser light in the target area is negligible. . The aspect ratio of the periodic structure is preferably set so that the change in the intensity of the servo light on the photodetector is 1% or less within the range of the swing angle of the photorefractive element.
本発明によれば、微細な周期構造によってサーボ光の反射が抑制されるため、光学素子の回動に伴って光屈折素子が回動しても、光検出器におけるサーボ光の受光量に大きな変化が生じることはない。よって、光検出器から出力される位置検出信号の誤差を抑制することができ、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置を精度良く検出することができる。 According to the present invention, since the reflection of the servo light is suppressed by the fine periodic structure, even if the photorefractive element rotates with the rotation of the optical element, the received light amount of the servo light in the photodetector is large. There will be no change. Therefore, the error of the position detection signal output from the photodetector can be suppressed, and the scan position of the laser beam in the target area can be detected with high accuracy.
なお、請求項5のように、光屈折素子を光学素子の回動軸に装着すると、光学素子の挙動を光屈折素子にダイレクトに反映させることができる。よって、光屈折素子における回動位置の検出結果から、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置を高精度に検出することができる。 If the photorefractive element is attached to the rotation shaft of the optical element, the behavior of the optical element can be directly reflected on the photorefractive element. Therefore, the scan position of the laser beam in the target area can be detected with high accuracy from the detection result of the rotation position in the photorefractive element.
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。
The effects and significance of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments. However, the embodiment described below is merely an example when the present invention is implemented, and the present invention is not limited to what is described in the following embodiment.
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。
FIG. 1 shows a configuration of a
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、112が形成されている。また、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。
In FIG. 1A,
支軸112には、平行平板状の透明体200が装着される。ここで、透明体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。なお、透明体200のこれら2つの平面には、後述の如く、微細な周期構造201が形成されている。
A parallel plate-shaped
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、可動枠120を支軸124、125を軸として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。
A fixed
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。
When assembling the
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。
After mounting the
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、2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2次元方向に回動する。このとき、支軸112に装着された透明体200も、ミラー113の回動に伴って回動する。
When the
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。
In the assembled state shown in FIG. 6B, the two
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、透明体200が回動する。
Further, in the assembled state shown in FIG. 5B, the two
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。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the optical system in a state where the
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(図2には図示せず)が形成され、この開口に透明体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。
In FIG. 2,
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、2つのミラー401、402と、ビーム整形用のレンズ403、404と、半導体レーザ(図示せず)からなっている。
An
レーザ光源(図示せず)から上向きに出射されたレーザ光は、ミラー401によって水平方向に反射された後、さらにミラー402によって、進行方向が水平方向に90度折り曲げられる。その後、レーザ光は、レンズ403、404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。なお、レンズ403、404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)になるようレンズ面が設計されている。
Laser light emitted upward from a laser light source (not shown) is reflected by the
レンズ403、404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2次元方向にスキャンされる。
The laser light transmitted through the
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404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。
The
図3は、ベース500を裏面側から見たときの一部平面図である。図3には、ベース500の裏側のうちミラーアクチュエータ100が装着された位置近傍の部分が示されている。
FIG. 3 is a partial plan view of the base 500 when viewed from the back side. FIG. 3 shows a portion near the position where the
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が装着された基板301が壁501の外側面に装着されている。
As shown in the drawing,
他方、壁502には、切欠き502aが形成されており、この切欠き502aにPSD306が収まるようにして、PSD306が装着された基板302が壁502の外側面に装着されている。
On the other hand, a
ベース500裏側の平面503には、取り付け具305によって集光レンズ304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に装着された透明体200がベース500の裏側に突出している。ここで、透明体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300の出射光軸に対し45度傾くように位置づけられる。
A condensing
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、透明体200に入射され、屈折作用を受ける。しかる後、透明体200を透過したサーボ光は、PSD306によって受光され、PSD306から、受光位置に応じた位置検出信号が出力される。
Laser light emitted from the semiconductor laser 303 (hereinafter referred to as “servo light”) passes through the
ここで、透明体200には、同図(b)に示すように、サーボ光の入射面と出射面に微細な周期構造201が形成されている。この周期構造201によって、透明体200の入射面および出射面におけるサーボ光の反射が抑制される。
Here, in the
図4は、周期構造201を模式的に示す図である。同図(a)は、周期構造201の斜視図、同図(b)および(c)は、周期構造201の平面図および側面図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the
図示の如く、周期構造201は、所定の高さHを有する先細りの錐形(円錐)の突起201aを所定のピッチPにて配列することにより形成されている。かかる周期構造201は、透明体200をポリカーボネートやシクロオレフィンポリマー等の樹脂材料から形成する場合には、かかる周期構造を有する金型を用いて射出成型にて形成することができる。このような突起201aは、表面無反射構造と呼ばれ、先細りの錐形からなる周期構造で形成される。図のような円錐に限らず、角錐等で形成されることもある。
As illustrated, the
また、かかる樹脂材料の他、ガラス材料から透明体200を構成する場合には、いわゆる2P成型にて、透明体200の平面上に周期構造201を形成することができる。かかる2P成型では、透明体200上の平面に紫外線硬化樹脂を塗布され、これに、周期構造を有する金型を押し付けた状態で紫外線を照射して紫外線硬化樹脂が硬化され、その後、金型を紫外線硬化樹脂から引き剥がすことにより、透明体200の平面上に周期構造201が形成される。
When the
この他、透明体200を熱硬化樹脂や熱可塑性樹脂から形成する場合には、熱インプリントの手法を用いて透明体200上に周期構造201を形成することができる。
In addition, when the
なお、紫外線硬化樹脂を用いて周期構造201を形成する場合、透明体200と紫外線硬化樹脂との間の境界面におけるサーボ光の反射を抑制するために、透明体200の屈折率に接近した屈折率の紫外線硬化樹脂を用いる必要がある。
When the
図5は、周期構造201と屈折率の関係を示す図である。図示の如く、屈折率n1の媒質上に周期構造201が形成されている場合には、光の入射媒質表面における有効屈折率が緩やかに変化し、あたかも2つの媒質(屈折率n0、n1)間に屈折率の境界が存在しない状態となる。これにより、屈折率n1の媒質の光入射面における反射率が抑制される。なお、この現象は、光の入射面内方向における周期構造201のピッチが入射光の波長よりも小さい場合に生じる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the
したがって、周期構造201上の突起201aのピッチをP、材料の屈折率をn、サーボ光の波長をλとして、P≦λ/nに設定すると、透明体200の入射面および反射面におけるサーボ光の反射を抑制することができる。本実施の形態では、かかる観点から、透明体200の入射面および反射面に形成された周期構造201のピッチPがサーボ光の波長以下に設定されている。
Therefore, if P ≦ λ / n, where P is the pitch of the
なお、本実施の形態では、透明体200がサーボ光の光軸に対して傾いた状態で配置され、また、この傾き角がミラー113の回動に伴って変化する。このため、周期構造201における上記反射抑制効果が、サーボ光に対する透明体200の傾き角の変動に対しどのように変化するか(角度依存性)を検証する必要がある。これに対し、発明者らは、入射面と出射面に周期構造201を有する透明体200を実際に形成し、角度依存性の検証を行った。これについては、追って、図9を参照して説明する。
In the present embodiment, the
なお、図5を参照して分かるとおり、突起201aの高さHが高いほど、光の入射媒質表面における有効屈折率の変化が緩やかになり、当該入射媒質表面における反射が抑制される。したがって、サーボ光に対する透明体200の傾き角の変動による上記反射抑制効果の変動は、突起201aの高さHを高くするほど抑制されると言える。つまり、周期構造201のアスペクト比(アスペクト比=周期構造201の高さH/周期構造201のピッチP)が大きいほど、透明体200の傾き角の変動による反射抑制効果の変動を抑制することができる。
As can be seen with reference to FIG. 5, as the height H of the
図6(a)は、PSD306の構成を示す図(側断面図)、図6(b)はPSD306の受光面を示す図である。
6A is a diagram (side sectional view) showing a configuration of the
図6(a)を参照して、PSD306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。
Referring to FIG. 6A,
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。 When the light receiving surface is irradiated with laser light, an electric charge proportional to the amount of light is generated at the irradiation 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 laser light irradiation position to each electrode. Therefore, the light irradiation position on the light receiving surface can be detected based on the current values output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2.
たとえば、図7(a)の位置Pにサーボ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。 For example, it is assumed that servo light is irradiated to the position P in FIG. In this case, the coordinates (x, y) of the position P with the center of the light receiving surface as the reference point are the current amounts output from the electrodes X1, X2, Y1, Y2, respectively, in the Ix1, Ix2, Iy1, Iy2, X direction and When the distance between the electrodes in the Y direction is Lx and Ly, for example, it is calculated by the following equation.
図7(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11、12、13、14によって増幅される。そして、加算回路15、17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16、18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19、20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19、20から、サーボ光の受光位置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。
FIG. 7B is a diagram showing a configuration of an arithmetic circuit that realizes this calculation formula. Current signals Ix1, Ix2, Iy1, and Iy2 output from the electrodes X1, X2, Y1, and Y2 are amplified by
かかる算出において、透明体200の回動に伴いPSD306におけるサーボ光の受光量が変化すると、上記式(1)および式(2)の左辺の分母と分子が変化する。この影響から、除算回路19、20から出力される位置検出信号に誤差が含まれるようになる。この誤差は、PSD306におけるサーボ光の受光量の変化が小さいほど抑制される。
In this calculation, when the received amount of servo light in the
本実施の形態では、上記の如く、透明体200の入射面と出射面に微細な周期構造201が形成されているため、透明体200が回動する際のPSD受光量の変動が抑制される。このため、位置検出信号に含まれる誤差を顕著に抑制することができる。
In the present embodiment, as described above, since the fine
以下に、かかる効果を検証した検証結果を示す。 Below, the verification result which verified this effect is shown.
図8は、この検証における測定方法を示す図である。ここでは、サーボ光用の光源として、波長650nmのレーザ光を出射する半導体レーザが用いられた。また、検証対象サンプル(透明屈折体)として、本実施の形態に係る透明体200(実施サンプル)と、周期構造201が形成されていない平行平板状の透明体(比較サンプル1)、および、この透明体の入射面と出射面に多層反射防止膜を配したもの(比較サンプル2)を準備した。そして、入射面と出射面がレーザ光軸に垂直となる状態から透明屈折体を一方向に傾けて行き、各傾き角において、透明屈折体を透過する光の光量を測定した。
FIG. 8 is a diagram showing a measurement method in this verification. Here, a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength of 650 nm was used as a light source for servo light. Further, as a sample to be verified (transparent refractor), a transparent body 200 (implementation sample) according to the present embodiment, a parallel plate-like transparent body (comparative sample 1) in which the
測定条件は、次のとおりである。 The measurement conditions are as follows.
a.比較サンプル1
材料 :ポリカーボネート(屈折率1.58)
厚み :1mm
b.比較サンプル2
材料 :ポリカーボネート(屈折率1.58)
厚み :1mm
入射面:多層反射防止膜(日本油脂株式会社製、型番8201UV)を装着
出射面:多層反射防止膜(日本油脂株式会社製、型番8201UV)を装着
c.実施サンプル
材料 :ポリカーボネート(屈折率1.58)
厚み :1mm
入射面:ピッチ300nm、アスペクト比1.52の周期構造を形成
出射面:ピッチ300nm、アスペクト比1.52の周期構造を形成
a.
Material: Polycarbonate (refractive index 1.58)
Thickness: 1mm
b.
Material: Polycarbonate (refractive index 1.58)
Thickness: 1mm
Incident surface: Multilayer antireflection film (Nippon Yushi Co., Ltd., model number 8201UV) is mounted Outgoing surface: Multilayer antireflection film (Nippon Yushi Co., Ltd., model number 8201UV) is mounted c. Implementation sample Material: Polycarbonate (refractive index 1.58)
Thickness: 1mm
Incident surface: forming a periodic structure with a pitch of 300 nm and an aspect ratio of 1.52 Outgoing surface: forming a periodic structure with a pitch of 300 nm and an aspect ratio of 1.52
なお、実施サンプルにおける周期構造は、紫外線硬化樹脂(屈折率1.52)を用いた2P成型により形成した。また、各サンプルに対するサーボ光用半導体レーザの出射パワーは同じとした。 In addition, the periodic structure in the implementation sample was formed by 2P molding using an ultraviolet curable resin (refractive index 1.52). The output power of the servo light semiconductor laser for each sample was the same.
図9に、測定結果を示す。横軸は、図8における傾き角θ、縦軸は、パワーメータにおける透過光強度の測定値である。縦軸は、傾き角θが0度のときの測定値を1として示されている。図中、“ARS(表面無反射構造:Anti Reflection Structure)”は、実施サンプルに対する測定結果、“PCパネル”は、比較サンプル1に対する測定結果、“ARフィルム”は、比較サンプル2に対する測定結果である。また、中立位置からミラー113が水平方向に±15度(振れ角=30度)の範囲で振れるときの透明屈折体(サンプル)の振れ範囲(以下、「検出範囲」という)が点線で示されている。
FIG. 9 shows the measurement results. The horizontal axis represents the tilt angle θ in FIG. 8, and the vertical axis represents the measured value of transmitted light intensity in the power meter. The vertical axis shows the measured value when the inclination angle θ is 0 degree as 1. In the figure, “ARS (Anti Reflection Structure)” is the measurement result for the implementation sample, “PC panel” is the measurement result for the
この測定結果を参照すると、透明屈折体として比較サンプル1、2を用いた場合には、検出範囲において、透過光強度が大きく変化することが分かる。このため、この場合には、上記式(1)(2)および図7(b)の演算回路にて求めた位置検出信号に、透過光強度の変化に基づく大きな誤差成分が含まれると予測される。
Referring to this measurement result, it can be seen that when the
これに対し、透明屈折体として実施サンプルを用いた場合には、検出範囲において、透過光強度は殆ど変化していない。具体的数値を示すと、入射角が35度のときの透過光強度は1.00、入射角が55度のときの透過光強度は0.99であり、両者の間の変動は、1%程度である。したがって、実施サンプルによれば、上記式(1)(2)および図7(b)の演算回路にて求めた位置検出信号には透過光強度の変動に基づく誤差成分は含まれず、よって、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置を高精度に検出できると想定される。 On the other hand, when the implementation sample is used as the transparent refractor, the transmitted light intensity hardly changes in the detection range. Specifically, the transmitted light intensity when the incident angle is 35 degrees is 1.00, the transmitted light intensity when the incident angle is 55 degrees is 0.99, and the variation between the two is about 1%. Therefore, according to the implementation sample, the position detection signal obtained by the arithmetic circuits of the above formulas (1), (2) and FIG. 7B does not include an error component based on the fluctuation of the transmitted light intensity. It is assumed that the scan position of the laser beam in the region can be detected with high accuracy.
以上のとおり、本実施の形態によれば、微細な周期構造201によってサーボ光の反射が抑制されるため、ミラー113の回動に伴って透明体200が回動しても、PSD306におけるサーボ光の受光量に大きな変化が生じることはない。よって、PSD306から出力される位置検出信号の誤差を抑制することができ、目標領域におけるレーザ光のスキャン位置を精度良く検出することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the reflection of the servo light is suppressed by the fine
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態によって何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施形態も上記の他に種々の変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and the embodiment of the present invention can be variously modified in addition to the above.
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。 For example, in the above embodiment, a semiconductor laser is used as a light source for servo light, but instead of this, an LED (Light Emitting Diode) may be used.
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PSDを用いたが、図10に示す如く、光検出器として4分割センサ310を用いることもできる。この場合、サーボ光は、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。
In the above embodiment, PSD is used as a photodetector that receives servo light. However, as shown in FIG. 10, a
図10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(3)および式(4)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光の受光位置を示す位置検出信号(出力x、y)が出力される。また、全光量が変化しないので、(S1+S2)−(S3+S4)=X、(S1+S4)−(S2+S3)=Yで、差分のみを計算しても良い。
FIG. 10 also shows the configuration of an arithmetic circuit that realizes this calculation formula. Signals S1, S2, S3, S4 output from each sensor are amplified by
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。 In addition, the embodiment of the present invention can be variously modified as appropriate within the scope of the technical idea shown in the claims.
100 ミラーアクチュエータ
110 ミラーホルダ
112 支軸
113 ミラー
120 可動枠
130 固定枠
200 透明体
210 周期構造
210a 突起
303 半導体レーザ
306 PSD
310 4分割センサ
DESCRIPTION OF
310 quadrant sensor
Claims (6)
所定方向に回動されることによりレーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、
前記光学素子を前記方向に回動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータに配され前記光学素子の回動に伴って回動する光屈折素子と、
前記光屈折素子にサーボ光を照射するサーボ光源と、
前記光屈折素子によって屈折され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を備え、
前記光屈折素子の前記サーボ光の入射面と出射面に、前記サーボ光の波長帯以下のピッチで周期構造を形成した、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In a beam irradiation apparatus that scans a laser beam in a target area,
An optical element that changes the traveling direction of the laser light by being rotated in a predetermined direction;
An actuator for rotating the optical element in the direction;
A photorefractive element that is disposed in the actuator and rotates with the rotation of the optical element;
A servo light source for irradiating the photorefractive element with servo light;
A photodetector that receives the servo light refracted by the photorefractive element and outputs a signal corresponding to the light receiving position;
A periodic structure is formed at a pitch equal to or lower than the wavelength band of the servo light on the incident surface and the exit surface of the servo light of the photorefractive element,
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記周期構造は、先細りの錐形からなる、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In claim 1,
The periodic structure consists of a tapered cone.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記光屈折素子は、平板形状の透光性部材である、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In claim 1 or 2,
The photorefractive element is a flat plate-shaped translucent member.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
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。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The optical element is a mirror;
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記アクチュエータは、
前記光学素子を第1の方向に回動可能に支持する第1の支持部と、
前記第1の支持部を前記第1の方向とは異なる第2の方向に回動可能に支持する第2の支持部と、
前記第1の支持部と前記第2の支持部を前記第1の方向および前記第2の方向に駆動する電磁駆動部とを有する、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The actuator is
A first support portion that supports the optical element so as to be rotatable in a first direction;
A second support portion that rotatably supports the first support portion in a second direction different from the first direction;
An electromagnetic drive unit that drives the first support unit and the second support unit in the first direction and the second direction;
A beam irradiation apparatus characterized by that.
前記光屈折素子は、前記光学素子を回動する回動軸に装着されている、
ことを特徴とするビーム照射装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The photorefractive element is mounted on a rotation shaft that rotates the optical element.
A beam irradiation apparatus characterized by that.
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JP2017187603A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | ミツミ電機株式会社 | Uniaxial rotation actuator |
WO2017183629A1 (en) * | 2016-04-19 | 2017-10-26 | ミツミ電機株式会社 | Spectroscope and measurement device |
JP2020126243A (en) * | 2020-03-06 | 2020-08-20 | ミツミ電機株式会社 | Monoaxial rotation actuator |
WO2024128290A1 (en) * | 2022-12-14 | 2024-06-20 | 株式会社トプコン | Inclination detection device and inclination detection method |
-
2008
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017187603A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | ミツミ電機株式会社 | Uniaxial rotation actuator |
WO2017175672A1 (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | ミツミ電機株式会社 | Single-axis rotary actuator |
US11131846B2 (en) | 2016-04-05 | 2021-09-28 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Single-axis rotary actuator |
WO2017183629A1 (en) * | 2016-04-19 | 2017-10-26 | ミツミ電機株式会社 | Spectroscope and measurement device |
JP2020126243A (en) * | 2020-03-06 | 2020-08-20 | ミツミ電機株式会社 | Monoaxial rotation actuator |
WO2024128290A1 (en) * | 2022-12-14 | 2024-06-20 | 株式会社トプコン | Inclination detection device and inclination detection method |
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