JP6450599B2

JP6450599B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP6450599B2
Application number: JP2015008612A
Authority: JP
Inventors: 善幹千葉; 高橋　靖; 靖高橋
Original assignee: Ricoh Industrial Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Industrial Solutions Inc
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP2016133418A

Description

本発明は、光学装置に関する。

測定対象物に照射された反射光を検知することで当該測定対象物までの距離や方位を検知する光学装置のうち、測定対象物に照射する光束として、偏向器によって偏向されたレーザー光を用いるレーザーレーダー装置が知られている。

このようなレーザーレーダー装置において、偏向器から空間に照射されるレーザー光の照射経路上に防塵、防滴などを目的とする透明なカバーを取り付けた構成が知られている（例えば特許文献１、２参照）。
かかるカバーを備えたレーザーレーダー装置においては、レーザー光がカバー内で内部反射し、内部反射光が、測定対象物に反射された反射光と混ざり合って、本来検知されるべき反射光を正しく検知できないおそれがある。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、内部反射光に起因する誤検知を防止し得る光学装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明にかかる光学装置は、光束を射出する光源と、前記光束を偏向して走査させるために、所定の駆動軸を中心として回動する偏向部と、前記偏向部によって偏向された走査光の走査経路上に配置され、前記走査光が透過可能な透過部と、前記走査光が被検出物体にて反射された検出光を検知するための光検知部と、前記透過部の周縁に前記透過部と一体に形成され、前記走査光のうち、前記透過部の有効径よりも外側を透過する光の内部反射光を低減するための光量制限部と、を有し、前記光量制限部の出射面と入射面とには、傾斜が付けられており、前記光量制限部は、当該光量制限部に入射した前記走査光の内部反射光が前記光検知部側へと出射されるときには、当該光量制限部の内部において前記走査光を複数回内部反射させることで前記内部反射光の強度を前記検出光よりも小さくすることを特徴とする。

本発明の光学装置によれば、内部反射光に起因する誤検知を防止し得る。

本発明の実施形態における光学装置の構成の一例を示す図である。図１に示した光学装置に用いる変倍レンズの構成の一例を示す図である。本発明の実施形態における第１の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図３に示した光量制限部における第２の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図３に示した光量制限部における第３の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図３に示した光量制限部における第４の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図３に示した光量制限部における第５の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図３に示した光量制限部における第６の変形例の構成の一例を示す拡大図である。図２に示した変倍レンズにおける第７の変形例の構成の一例を示す図である。図２に示した変倍レンズにおける第７の変形例の構成の他の一例を示す図である。

本発明の実施形態たる光学装置の一例として、レーザーレーダー装置の構成を図１に示す。

レーザーレーダー装置１００は、光束たるレーザー光Ｌ１を射出するレーザー光源としての光源１０１と、レーザー光Ｌ１を平行な光へと平行化する投光用コリメートレンズ１０２と、投光用調整レンズ１０３と、を有している。
レーザーレーダー装置１００は、レーザー光Ｌ１の光路を制御するための光路選択手段たるミラー１０４を有している。
レーザーレーダー装置１００は、ミラー１０４によって反射されたレーザー光Ｌ１を偏向して走査光Ｌ２とするための偏向素子２０と、走査光Ｌ２の走査角を拡大、もしくは縮小する走査角変倍レンズ素子たる変倍レンズ３０と、を有している。
レーザーレーダー装置１００は、変倍レンズ３０の周縁に、変倍レンズ３０と一体に形成された光量制限部３１を有している。

レーザーレーダー装置１００は、変倍レンズ３０を透過した走査光Ｌ２が被検出物体である物体Ｐにて反射した検出光Ｌ３を検知するための光検知部たる受光部１０８を有している。
レーザーレーダー装置１００はまた、検出光Ｌ３が反射されてから受光部１０８までの光路に配置されたミラー１０５と、受光用調整レンズ１０６と、受光用コリメートレンズ１０７と、を有している

光源１０１は、レーザー光Ｌ１を射出する半導体レーザー光源である。
光源１０１から射出されたレーザー光Ｌ１は、投光用コリメートレンズ１０２を透過すると平行な光束となって、投光用調整レンズ１０３へと入射する。
投光用調整レンズ１０３は、レーザー光Ｌ１の光強度分布や照射面積を調整するためのレンズである。
なお、ここで投光用調整レンズ１０３は、単一のレンズ等の光学素子を用いたものであっても良いし、複数の光学素子を組み合わせて光強度分布や照射面積を調整するレンズ群であっても良い。

偏向素子２０は、レーザー光Ｌ１の光路上に設置されたＭＥＭＳ光スキャナであり、レーザー光Ｌ１が照射される表面である受光面には、各画素に対応する微小区画が縦横に配置され、それぞれ独立に所定の駆動軸を中心として回動する偏向部としての機能を有する。
偏向素子２０は、このように各微小区画が独立して変位することで、偏向素子２０によるレーザー光Ｌ１の反射角度が連続的に変化して、レーザー光Ｌ１を走査光Ｌ２へと変換する。

変倍レンズ３０は、偏向素子２０によって偏向された走査光Ｌ２の走査経路上に、走査経路を覆うように配置され、走査光Ｌ２が透過可能な透過部である。
光量制限部３１は、図２に示すように、変倍レンズ３０の周縁に、言い換えると変倍レンズ３０が走査光Ｌ２を透過させる有効径Ｒよりも外側に、設けられている。
なお、ここでは光量制限部３１の位置を、光軸Ｏの上方としたが、変倍レンズ３０の周縁であれば、下方でも側方でも、特に限定されない。
光量制限部３１は、走査光Ｌ２の出射側の面たる一方の面、言い換えると出射面３３と、走査光Ｌ２の入射側の面としての他方の面たる入射面３２とに囲まれた、変倍レンズ３０の周縁部に形成されている。
光量制限部３１は、端部側へ行くほど入射面３２と出射面３３との間隔が狭くなるように、入射面３２が傾斜して設けられている。

ここで、変倍レンズ３０の光軸Ｏに対し、走査角θ_０だけ傾斜して入射する走査光Ｌ２が有効径Ｒに収まるような臨界走査角θ_０を定義する。
走査光Ｌ２は、走査角θ_０以下の角度で入射するように設計され、大部分は出射面３３からレーザーレーダー装置外部へと投射される。このように、出射面３３を透過した走査光Ｌ２は、レーザーレーダー装置１００外部の物体Ｐに照射された後、反射光が検知光Ｌ３として、変倍レンズ３０を通ってレーザーレーダー装置１００へ再度入射する。

変倍レンズ３０を通過した検知光Ｌ３は、ミラー１０５、受光用調整レンズ１０６、受光用コリメートレンズ１０７を経て、受光部１０８へと入射する。
受光部１０８は、入射した検知光Ｌ３の強度を測定するためのアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であり、検知光Ｌ３の強度情報を制御部１０９へと送信する。
制御部１０９は、入射した検知光Ｌ３の情報を元にして、物体Ｐの位置、方位などを算出する。

走査光Ｌ２のうち、出射面３３から投射されなかった他の一部は、出射面３３において、内部反射によって反射され、内部反射光Ｌ４として有効径Ｒ外の入射面３２の方へと進む。
このとき、走査光Ｌ２のうち、透過される光については、受光部１０８とは異なる方向へと進むように、出射面３３と入射面３２とには、傾斜が付けられている。
このようにして、内部反射光Ｌ４は、光量制限部３１の壁面において多重に内部反射されることによって、光強度が減衰していく。

光量制限部３１はまた、変倍レンズ３０に入射した走査光Ｌ２の内部反射光Ｌ４が、受光部１０８の方へと出射されるときには、光量制限部３１内において少なくとも複数回の内部反射を経るために、内部反射光Ｌ４の光強度が検出光Ｌ３よりも小さくなる。

一般的な光学装置や従来のレーザーレーダー装置では、受光素子の感度などの条件から、内部反射光Ｌ４は、レーザー光Ｌ１の１０^−３程度の強度に抑えられれば十分であった。従って、変倍レンズ３０等の光学素子において、入射面３２における反射光や、出射面３３における反射光について、例えば反射防止処理や光学フィルタなどを用いて十分に減衰可能であった。
また、通常のガラスの一般的な反射率は４×１０^−２程度であることから、内部反射光については、光路の選択や、反射防止処理によって容易に１０^−３以下の強度比に抑えられると考えられ、考慮されていなかったのが実情である。

昨今では、レーザーレーダー装置の遠距離のセンシングが求められている。当然ながら、距離に従って検知光Ｌ４の強度は加速度的に弱まるため、受光部１０８には、より高い感度特性が要求される。
しかしながら、かかる高感度の受光素子を用いた場合には、内部反射光Ｌ４が微弱であっても、受光部１０８の距離測定のノイズとして影響を与えることが明らかとなった。
具体的には、レーザー光Ｌ１の強度に対して、内部反射光Ｌ４の強度を１０^−５程度の強度に抑える必要があることが明らかとなった。
また、２次以降の高次の内部反射光についても、受光経路に入らないように、光学素子の設計を見直す必要があったが、このような有効径外の内部反射光についてはシミュレーションが難しい。

そこで、本実施形態における光量制限部３１は、変倍レンズ３０に入射した走査光Ｌ２の内部反射光Ｌ４が受光部１０８側へと出射されるときであっても、光量制限部３１の内部において複数回内部反射させるから、内部反射光Ｌ４の強度が検出光Ｌ３よりも小さくなる。
かかる構成により、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

また、本実施形態では、光量制限部３１が光量を制限する内部反射光Ｌ４は、走査光Ｌ２のうち、変倍レンズ３０の有効径Ｒよりも外側を透過する。
言い換えると、走査光Ｌ２の入射角度たる走査角は、臨界走査角θ_０より大きい。
かかる構成により、内部反射光Ｌ４が受光部１０８の方向へ戻ることを抑制して、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

また、前述したように、ガラスの一般的な反射率は４×１０^−２であるから、４回反射した場合の強度は、（４×１０^−２）^４＝３×１０^−６となって１０^−５以下となるために望ましい。本実施形態では、光量制限部３１は、内部反射光Ｌ４が４回以上内部反射するように、光量制限部３１の光軸Ｏと垂直方向の長さが定められている。
かかる構成により、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

以下、本発明の実施形態における変倍レンズ３０の変形例を示す。

本実施形態の第１の変形例として、図３に、変倍レンズ３０が光量制限部３１ａを有する場合を示す。
以降の変形例の紹介では、既に説明した実施形態と同様の構成については同一の符号をつけて説明を適宜省略する。
光量制限部３１ａは、図３に示すように、先端を切り取られた円錐状である。
このような円錐状の光量制限部３１ａによって、走査光Ｌ２は、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように立体的に反射される。
かかる構成により、入射した走査光Ｌ２が、立体的に反射されるから、受光部１０８へ向かう内部反射光Ｌ４が減少して、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

本実施形態の第２の変形例として、図４に、変倍レンズ３０が光量制限部３１ｂを有する場合を示す。
光量制限部３１ｂは、図４に示すように、入射面３２と出射面３３とが略平行である。
また、光量制限部３１ｂは、光軸Ｏと垂直な方向の長さｌが、厚みｈに対して、数式１を満たす。

このような光量制限部３１ｂによって、走査光Ｌ２は、図４に示されるように少なくとも４回反射される。
かかる構成により、入射した走査光Ｌ２が、複数回反射されるから、受光部１０８へ向かう内部反射光Ｌ４が減少して、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

本実施形態の第３の変形例として、図５に、変倍レンズ３０が光量制限部３１ｃを有する場合を示す。
光量制限部３１ｃは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、三角柱の角を切り取った所謂プリズムの形状である。ここで図５（ｂ）は、図５（ａ）と垂直な方向から見た図を示している。
このような円錐状の光量制限部３１ａによって、走査光Ｌ２は、図５に示されるように立体的に反射される。
かかる構成により、入射した走査光Ｌ２が、立体的に反射されるから、受光部１０８へ向かう内部反射光Ｌ４が減少して、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

本実施形態の第４の変形例として、図６に、変倍レンズ３０が光量制限部３１ｄを有する場合を示す。
光量制限部３１ｄは、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、何れかの面が内部反射光Ｌ４の光路の終端付近において、複数の櫛形の切込みが形成された櫛歯部３５を有している。
櫛歯部３５は、入射してきた内部反射光Ｌ４を複数回反射して減衰させるが、このとき、それぞれの櫛歯部３５において同様に反射される。
このとき、内部反射光Ｌ４は、１箇所に導かれる場合よりも１つ１つの光強度は弱くなるので、効率よく内部反射光Ｌ４の強度を低減させることができる。
かかる構成により、内部反射光Ｌ４の光路の終端付近において、複数の櫛歯部３５で内部反射するから、効率よく内部反射光Ｌ４の強度を低減させ、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知を防止し得る。

本実施形態の第５の変形例を図７に示す。
第５の変形例において、光量制限部３１ｅは、変倍レンズ３０の内部反射光Ｌ４を受光部１０８とは異なる方向へ誘導する導光部３６を有している。
導光部３６は、ここでは光ファイバのケーブルであり、内部反射光Ｌ４の光路の終端部に配置されている。
かかる構成により、多重に内部反射した後の内部反射光Ｌ４を排除することができて、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知をさらに確実に防止し得る。

導光部３６は、光量制限部３１の内部反射光Ｌ４の光路の終端に配置されている。
かかる構成により、多重に内部反射した後の内部反射光Ｌ４を排除することができて、内部反射光Ｌ４に起因する受光部１０８の誤検知をさらに確実に防止し得る。

本実施形態の第６の変形例として、図８に、変倍レンズ３０が光量制限部３１ｆを有する場合を示す。
光量制限部３１ｆは、図８に示すように、内部反射光Ｌ４の光路の終端付近において、終端部３７を有している。
終端部３７は、やすりなどで表面を粗く成型することで、内部反射光Ｌ４を乱反射させて内部反射光Ｌ４の強度をその光路の終端において大きく低減する。
かかる終端部３７は、黒化処理によって内部反射光Ｌ４を吸収させる方法でもよいし、反射防止コーティングなどの処理であっても良い。
また、これらの手法を複数併せ用いても良い。

本実施形態の第７の変形例として、図９及び図１０に示すように、カバーガラスが光量制限部３１を有するとしても良い。
このように、光量制限部３１は、レーザーレーダー装置１００に備えられたその他のレンズ等の透過型光学素子に備えられるとしても良い。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、光量制限部３１は、変倍レンズ３０の周縁部に一体に成型されるとしたが、変倍レンズ３０と別途成型されて取り付けられるものでも良い。また、光量制限部３１の形状は、第１〜第６の変形例に示されたものであっても良いし、それらを複数組み合わせたものであっても良い。
また、光量制限部３１は変倍レンズ３０に備えられるとしたが、例えばカバーレンズ、カバーガラスや投射レンズなど、レーザーレーダー装置１００に備えられたその他のレンズ等の透過型光学素子に備えられるとしても良い。

また、上述の実施形態では、レーザーレーダー装置についてのみ述べたが、本発明は、レーザーレーダー装置のみならず、光検知部に要求される感度が高く、検出光と内部反射光との強度差が大きくなるような光学装置においても同様に適用可能である。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２０偏向部
３０透過部（変倍レンズ）
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ光量制限部
１００レーザーレーダー装置
１０１光源
１０４ミラー
１０８光検知部（受光部）
Ｌ１光束（レーザー光）
Ｌ２走査光
Ｌ３検出光
Ｌ４内部反射光

特開平１０−３３２８１４号公報特開２０１１−１４１２６１号公報

Claims

光束を射出する光源と、
前記光束を偏向して走査させるために、所定の駆動軸を中心として回動する偏向部と、
前記偏向部によって偏向された走査光の走査経路上に配置され、前記走査光が透過可能な透過部と、
前記走査光が被検出物体にて反射された検出光を検知するための光検知部と、
前記透過部の周縁に前記透過部と一体に形成され、前記走査光のうち、前記透過部の有効径よりも外側を透過する光の内部反射光を低減するための光量制限部と、
を有し、
前記光量制限部の出射面と入射面とには、傾斜が付けられており、
前記光量制限部は、当該光量制限部に入射した前記走査光の内部反射光が前記光検知部側へと出射されるときには、当該光量制限部の内部において前記走査光を複数回内部反射させることで前記内部反射光の強度を前記検出光よりも小さくする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記光量制限部は、前記透過部の内部反射光を前記光検知部とは異なる方向へ誘導する導光部を有することを特徴とする光学装置。
請求項２に記載の光学装置において、
前記導光部は、前記光量制限部の前記内部反射光の光路の終端に配置されていることを特徴とする光学装置。