(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023127344
(43)【公開日】2023-09-13
(54)【発明の名称】光走査装置、および測距装置
(51)【国際特許分類】
G02B 26/12 20060101AFI20230906BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20230906BHJP
【ＦＩ】
G02B26/12
G01S7/481 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022031072
(22)【出願日】2022-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】000006220
【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】木村 祐司
(72)【発明者】
【氏名】田中 豊樹
(72)【発明者】
【氏名】西山 隆彦
(72)【発明者】
【氏名】山田 健介
【テーマコード（参考）】
2H045
5J084
【Ｆターム（参考）】
2H045AA01
2H045AA13
2H045AA53
2H045CA88
2H045CA98
5J084AA05
5J084AA10
5J084BA04
5J084BA11
5J084BA36
5J084BA50
5J084BB02
5J084BB04
5J084BB25
5J084BB26
5J084BB40
5J084DA01
5J084DA02
5J084DA03
5J084EA07
(57)【要約】 （修正有）
【課題】走査光によって形成される複数走査線同士の間隔を可変とする光走査装置を提供。
【解決手段】光走査装置１２０は、第１周波数ｆｖで第１軸Ａ１周りに光反射面５１を駆動することにより反射された光Ｌ１を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる第１駆動体５と、第１駆動体５を支持し第２周波数ｆｈで第２軸Ａ２周りに駆動することにより光Ｌ１を第２軸Ａ２と交差する方向に走査させる第２駆動体１０と、第２駆動体１０の駆動を制御する制御部１４０とを有し、第２駆動体１０の一駆動周期中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される光Ｌ２によって形成される走査線Ｌｉの数をＮ、第１駆動体５の一駆動周期中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＭ、定数をαとした時、ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、制御部１４０は、定数を変更することにより第２周波数ｆｈを変化させる。
【選択図】図８
【解決手段】光走査装置１２０は、第１周波数ｆｖで第１軸Ａ１周りに光反射面５１を駆動することにより反射された光Ｌ１を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる第１駆動体５と、第１駆動体５を支持し第２周波数ｆｈで第２軸Ａ２周りに駆動することにより光Ｌ１を第２軸Ａ２と交差する方向に走査させる第２駆動体１０と、第２駆動体１０の駆動を制御する制御部１４０とを有し、第２駆動体１０の一駆動周期中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される光Ｌ２によって形成される走査線Ｌｉの数をＮ、第１駆動体５の一駆動周期中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＭ、定数をαとした時、ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、制御部１４０は、定数を変更することにより第２周波数ｆｈを変化させる。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光反射面を有し、第１周波数で第１軸周りに駆動することにより、前記光反射面により反射された光を前記第１軸と交差する方向に走査させる第１駆動体と、
前記第１駆動体を支持し、第２周波数で前記第２軸周りに駆動することにより、前記光を前記第２軸と交差する方向に走査させる第２駆動体と、
前記第２駆動体の駆動を制御する制御部と、を有し、
前記第２駆動体の一駆動周期中に、前記第１軸と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＮ、前記第１駆動体の前記一駆動周期中に、前記第１軸と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＭ、定数をα、前記第１周波数をｆｖ、前記第２周波数をｆｈとした場合に、
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、
前記制御部は、前記定数を変更することにより、前記第２周波数を変化させる、光走査装置。
前記第１駆動体を支持し、第２周波数で前記第２軸周りに駆動することにより、前記光を前記第２軸と交差する方向に走査させる第２駆動体と、
前記第２駆動体の駆動を制御する制御部と、を有し、
前記第２駆動体の一駆動周期中に、前記第１軸と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＮ、前記第１駆動体の前記一駆動周期中に、前記第１軸と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＭ、定数をα、前記第１周波数をｆｖ、前記第２周波数をｆｈとした場合に、
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、
前記制御部は、前記定数を変更することにより、前記第２周波数を変化させる、光走査装置。
【請求項2】
前記制御部は、外部からの設定入力情報に応じて前記定数を変更する、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項3】
前記第１駆動体の駆動周期に対応する同期信号を出力する同期検出部を有し、
前記制御部は、前記同期信号に基づき、前記第２駆動体の駆動を制御する、請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
前記制御部は、前記同期信号に基づき、前記第２駆動体の駆動を制御する、請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
【請求項4】
前記第１駆動体および前記第２駆動体は回転駆動され、
前記同期検出部は、
前記第１駆動体の回転角度の検出信号である角度検出信号を出力する回転角検出部と、
前記角度検出信号に基づいて発光する発光部と、
前記発光部からの光を受光した信号である前記同期信号を出力する周期光受光部と、を有する、請求項３に記載の光走査装置。
前記同期検出部は、
前記第１駆動体の回転角度の検出信号である角度検出信号を出力する回転角検出部と、
前記角度検出信号に基づいて発光する発光部と、
前記発光部からの光を受光した信号である前記同期信号を出力する周期光受光部と、を有する、請求項３に記載の光走査装置。
【請求項5】
前記第１駆動体を駆動させる第１駆動部に給電する給電部を有し、
前記第１駆動部は、前記給電部からの給電が開始された際に前記第１駆動体に駆動を開始させ、前記給電部からの給電が停止された際に前記第１駆動体に駆動を停止させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光走査装置。
前記第１駆動部は、前記給電部からの給電が開始された際に前記第１駆動体に駆動を開始させ、前記給電部からの給電が停止された際に前記第１駆動体に駆動を停止させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項6】
前記給電部は、無接点により前記第１駆動部に給電する、請求項５に記載の光走査装置。
【請求項7】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光走査装置と、
前記光走査装置により走査された光が物体により反射された光に基づいて、前記物体との間の距離を測定する測距装置。
前記光走査装置により走査された光が物体により反射された光に基づいて、前記物体との間の距離を測定する測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光走査装置、および測距装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光を走査させる光走査装置が知られている。このような光走査装置は、光走査装置により走査された光が物体により反射された光に基づいて、物体との間の距離を測定する測距装置や、光走査装置により走査された光により画像を投射する画像投射装置等に使用される。
【0003】
上記光走査装置には、第１軸周りに揺動可能な可動部を揺動駆動する駆動部を備えた第１偏向機構と、第１偏向機構を第１軸とは異なる第２軸周りに回転駆動する第２偏向機構と、を有する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１４－１０９６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光走査装置では、走査される光によって形成される複数の走査線同士の間隔を、簡単な構成により可変にすることが求められる。
【0006】
本発明は、走査される光によって形成される複数の走査線同士の間隔を簡単な構成により可変とする光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本光走査装置（１２０）は、光反射面（５１）を有し、第１周波数（ｆｖ）で第１軸（Ａ１）周りに駆動することにより、光反射面（５１）により反射された光（Ｌ１）を第１軸（Ａ１）と交差する方向に走査させる第１駆動体（５）と、第１駆動体（５）を支持し、第２周波数（ｆｈ）で第２軸（Ａ２）周りに駆動することにより、光（Ｌ１）を第２軸（Ａ２）と交差する方向に走査させる第２駆動体（１０）と、第２駆動体（１０）の駆動を制御する制御部（１４０）と、を有し、第２駆動体（１０）の一駆動周期中に、第１軸（Ａ１）と交差する方向に走査される光（Ｌ２）によって形成される走査線（Ｌｉ）の数をＮ、第１駆動体の一駆動周期中に、第１軸（Ａ１）と交差する方向に走査される光によって形成される走査線の数をＭ、定数をα、第１周波数をｆｖ、第２周波数をｆｈとした場合に、ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、制御部（１４０）は、定数を変更することにより、第２周波数（ｆｈ）を変化させる。
【0008】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、走査される光によって形成される複数の走査線同士の間隔を簡単な構成により可変とする光走査装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態に係る測距装置の全体構成を例示する斜視図である。
【図4】実施形態に係る測距装置が有する駆動制御部の構成例のブロック図である。
【図6】実施形態に係る測距装置が有する同期検出部の構成例の図である。
【図7】実施形態に係る測距装置が有する制御部の機能構成例のブロック図である。
【図8】走査線が水平方向へずれる様子を例示する図である。
【図9】実施形態に係る測距装置が有する制御部による処理例のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。
【0012】
以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光走査装置および測距装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。
【0013】
以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る光走査装置が備える第２駆動体の回転軸である第２軸に沿う方向を示す。Ｘ軸に沿うＸ方向は、Ｚ方向に交差する方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ軸およびＺ軸の両方に交差する方向を示す。
【0014】
また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。但し、これらは光走査装置および測距装置の使用時における向きを制限するものではなく、光走査装置および測距装置は任意の向きに配置可能である。
【0015】
以下、サービスロボットに搭載され、サービスロボットの進行方向または周囲に存在する対象物との間の距離をＴＯＦ（Time of Flight）方式で測定する測距装置を一例として、実施形態を説明する。サービスロボットとは、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬および案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で使用される自律移動型の移動体をいう。また移動体とは移動可能な物体をいう。サービスロボットに搭載される測距装置は、サービスロボットの進行方向または周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために使用される。
【0016】
測距装置は、光走査装置により走査される光が物体により反射された光に基づいて、物体との間の距離を測定する。光走査装置は、複数の駆動体の駆動を制御する駆動制御装置を有し、発光部等からの光を走査させる。
【0017】
＜測距装置１００の構成例＞
（全体構成）
図１から図３を参照して、実施形態に係る測距装置１００の構成の一例を説明する。図１は、測距装置１００の全体構成を例示する斜視図である。図２は、測距装置１００におけるＬＤおよびＡＰＤの周辺を例示する斜視図である。図３は測距装置１００における光走査部１２０を例示する斜視図である。
（全体構成）
図１から図３を参照して、実施形態に係る測距装置１００の構成の一例を説明する。図１は、測距装置１００の全体構成を例示する斜視図である。図２は、測距装置１００におけるＬＤおよびＡＰＤの周辺を例示する斜視図である。図３は測距装置１００における光走査部１２０を例示する斜視図である。
【0018】
図１から図３に示すように、測距装置１００は、ベース板１と、保持部２と、ＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ）３と、コリメートレンズ４と、ポリゴンミラー５と、穴あきミラー６と、受光レンズ７と、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode：アバランシェフォトダイオード）８と、イケール９と、回転ステージ１０とを有する。
【0019】
ベース板１は、保持部２と回転ステージ１０が設けられた基台部である。但し、基台部はベース板１等の平板状の部材に限定されるものではなく、回転ステージ１０と保持部２が設けられる構成部であれば如何なるものであってもよい。例えばサービスロボットの筐体に保持部２と回転ステージ１０を設ける場合には、サービスロボットの筐体が基台部に対応する。
【0020】
ベース板１は平板状の部材であり、平板の－Ｚ方向側の面上の相互に異なる領域に、保持部２と回転ステージ１０とが固定されている。回転ステージ１０は、ベース板１の＋Ｙ方向側の領域にネジ部材等により固定され、保持部２はベース板１における回転ステージ１０の－Ｙ方向側の領域に結合部材１１を介してネジ部材等により固定されている。
【0021】
ベース板１の材質に特段の制限はないが、回転ステージ１０は重量が大きい場合があるため、金属材料等の剛性が高い材料を含んでベース板１を構成すると好適である。
【0022】
保持部２は、天井パネル２１と、背面パネル２２と、を組み合わせて構成された部材ある。天井パネル２１および背面パネル２２はそれぞれ平板状の部材であり、天井パネル２１と背面パネル２２が結合することにより保持部２を構成している。天井パネル２１および背面パネル２２の材質に特段の制限はないが、例えば金属材料または樹脂材料等を適用可能である。
【0023】
天井パネル２１の＋Ｚ方向側の面には、ＬＤ３、コリメートレンズ４および穴あきミラー６が設けられている。背面パネル２２の＋Ｙ方向側の面には、受光レンズ７およびＡＰＤ８が設けられている。保持部２は、天井パネル２１にＬＤ３を保持し、また背面パネル２２にＡＰＤ８を保持している。
【0024】
ＬＤ３は光を発する発光部である。ＬＤ３は、パルス光であるレーザ光Ｌ０を＋Ｚ軸方向側に発する。但し、発光部はＬＤに限定されず、ＬＥＤ（light emitting diode：発光ダイオード）等であってもよい。
【0025】
レーザ光Ｌ０の波長は特に制限されないが、近赤外波長領域等の非可視の波長領域のレーザ光を用いると、人間にレーザ光を視認させずに測距できるため好適である。
【0026】
コリメートレンズ４は、ガラス材料または樹脂材料を含んでなり、レーザ光Ｌ０を略コリメート（略平行化）する。コリメートレンズ４を必ずしも設けなくてもよいが、コリメートレンズ４を設けると、レーザ光Ｌ０の広がりが抑制され、光利用効率が向上する。
【0027】
コリメートレンズ４によりコリメートされたレーザ光Ｌ０は、回折格子４１に入射し、回折格子４１によって５つの光束Ｌ１に分割される。回折格子４１は、レーザ光Ｌ０を複数（ここでは５つ）の光束Ｌ１に分割する。
【0028】
複数の光束Ｌ１は、穴あきミラー６に設けられた貫通孔６１を通過してポリゴンミラー５の光反射面５１に入射する。なお、回折格子４１の作用と複数の光束Ｌ１については、別途図５を参照して詳述する。
【0029】
ポリゴンミラー５は、複数の光反射面５１を含み、第１軸Ａ１周りに回転して光反射面５１で光束Ｌ１を反射する第１駆動体の一例である。ポリゴンミラー５は、光束Ｌ１の反射光に対応する走査レーザ光Ｌ２を、第１軸Ａ１を中心にした円の円周方向に沿って走査させる。
【0030】
ポリゴンミラー５は、平面視形状が正六角形状の回転多面体であり、正六角形の各辺に対応する外周面に、６つの光反射面５１が形成されている。ポリゴンミラー５は、アルミニウム等の金属材料で形成した略正六角柱状の部材の外周面を、切削または鏡面研磨することにより製作できる。但し、これに限定されるものではなく、例えば金属材料または樹脂材料等で形成した多面体の外周面に、アルミニウム等を鏡面蒸着してポリゴンミラー５を製作してもよい。
【0031】
図１では、光反射面５１の面数が６面であるポリゴンミラー５を例示するが、回転多面体はこれに限定されるものではない。例えば、３面の光反射面を有する回転多面体であってもよいし、５面の光反射面を有する回転多面体であってもよい。回転多面体の面数に応じて、回転多面体による光の走査角度範囲が異なる。例えば、面数が多いほど走査角度範囲は狭くなり、面数が少ないほど走査角度範囲は広くなる。要求される走査角度範囲に応じて回転多面体の面数を適宜決定できる。
【0032】
ポリゴンミラー５には、ポリゴンミラー５の中心軸と回転軸が略一致するように第１軸モータが取り付けられている。ポリゴンミラー５は第１軸モータを駆動源にして第１軸Ａ１周りに回転する。
【0033】
ポリゴンミラー５の回転方向は一定であり、例えば図１における第１軸回転方向Ａ１１に沿って連続回転する。但し、第１軸回転方向Ａ１１とは反対方向である一定の回転方向にポリゴンミラー５を連続回転させてもよい。
【0034】
ポリゴンミラー５の光反射面５１に入射した光束Ｌ１は、光反射面５１で反射され、＋Ｙ方向側に照射される。ポリゴンミラー５の回転により、光束Ｌ１の入射方向に対する光反射面５１の角度が連続的に変化することで、光反射面５１による反射光は第１軸Ａ１と交差する方向に走査され、走査レーザ光Ｌ２として＋Ｙ方向側に照射される。第１軸Ａ１と交差する方向は、例えば重力方向または重力方向に対して所定角度傾いた方向である。なお、図１は、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２のうち、任意のタイミングに＋Ｙ方向側に照射される１つのレーザビームである走査レーザ光Ｌ２を例示している。
【0035】
測距装置１００の＋Ｙ方向側に物体が存在すると、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光が測距装置１００に戻される。戻り光は、再びポリゴンミラー５の光反射面５１に入射し、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１と交差する方向に走査される。走査される戻り光のうち、穴あきミラー６に到達する戻り光は、穴あきミラー６によって－Ｙ方向側に反射され、ＡＰＤ８により受光される。本実施形態では、ポリゴンミラー５で光束Ｌ１が反射される光反射面５１と、ポリゴンミラー５で戻り光が反射される光反射面５１と、は同じ面である。
【0036】
穴あきミラー６は、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光を偏向させる光偏向部である。穴あきミラー６は貫通孔６１を含む。貫通孔６１は、ＬＤ３が発する光を通過させる開口部であり、穴あきミラー６における光反射面が設けられた領域の一部に形成されている。穴あきミラー６に入射する光のうち、光反射面に入射する光は反射され、貫通孔６１に入射する光は通過する。
【0037】
なお、本実施形態では、光偏向部が開口部としての貫通孔を有する構成を例示するが、これに限定されるものではない。光偏向部における光反射面が設けられた領域の一部を透明にし、この透明な領域を透過させることで開口部として機能させてもよい。また、光偏向部としてビームスプリッターやハーフミラー等を用いることもできる。
【0038】
穴あきミラー６は、コリメートレンズ４によりコリメートされた光束Ｌ１を、貫通孔６１を通して通過させ、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射または散乱された戻り光を、光反射面によりＡＰＤ８に向けて反射することができる。
【0039】
穴あきミラー６で反射された光は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。受光レンズ７は必ずしも設けなくてもよいが、受光レンズ７を設けると、ＡＰＤ８に入射するレーザ光の入射効率が向上する点において好適である。
【0040】
ＡＰＤ８は、ＡＰＤ８１からＡＰＤ８５を含み、物体により反射または散乱された光に基づいて、戻り光受光信号を出力する。ＡＰＤ８は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を向上させたフォトダイオードの一種である。但し、戻り光を受光する構成部には、フォトダイオード（Photodiode）や、光電子増倍管等を用いてもよい。
【0041】
イケール９は、屈曲部を含む部材であり、ポリゴンミラー５を支持する支持部である。イケール９は、－Ｚ方向側の面が回転ステージ１０の載置面１０１に接触し、ネジ部材等により載置面１０１上に固定されている。またイケール９は基板９１を介し、底面に交差する＋Ｘ方向側の面にポリゴンミラー５を支持する。イケール９の材質に特段の制限はないが、剛性を高く確保するために金属等の高剛性の材料を含んで構成されると好適である。
【0042】
回転ステージ１０は、ポリゴンミラー５を支持する第２駆動体の一例である。回転ステージ１０は、自身の回転によって第２軸Ａ２周りにイケール９を回転させることにより、ポリゴンミラー５を第２軸Ａ２周りに回転させる。ポリゴンミラー５の光反射面５１で反射された走査レーザ光Ｌ２は、回転ステージ１０の回転により、第２軸Ａ２を中心にした円の円周方向に沿って走査される。
【0043】
回転ステージ１０は、ベース板１上において、保持部２が設けられた領域とは異なる領域に設けられている。従って回転ステージ１０が回転しても、保持部２、並びに保持部２が保持するＬＤ３およびＡＰＤ８はそれぞれ不動であり、ベース板１に固定された状態が維持される。
【0044】
図３に示すように、回転ステージ１０は、載置面１０１と、ベアリング１０２と、マグネット１０３と、モータコア１０４と、を有する。
【0045】
載置面１０１は、第２軸Ａ２に略直交し、第２軸Ａ２周りに回転可能な面である。載置面１０１はイケール９を載置する。ベアリング１０２は、載置面１０１の回転を滑らかにする部材である。ボールベアリングまたはクロスローラベアリング等の各種のものを適用できる。
【0046】
マグネット１０３は永久磁石からなる。モータコア１０４はモータを構成するステータの鉄心に該当する部材である。マグネット１０３とモータコア１０４とを含んでモータが構成されている。電流に応じてマグネット１０３が回転することで、ベアリング１０２を介して載置面１０１が回転する。
【0047】
回転ステージ１０の回転方向は一定であり、例えば図１における第２軸回転方向Ａ２１に対応する。但し、回転ステージ１０は、第２軸回転方向Ａ２１とは反対方向である一定の回転方向に連続回転させてもよい。
【0048】
測距装置１００は、レーザ光Ｌ０の光軸と第２軸Ａ２が同軸になるように構成されている。ここで、レーザ光Ｌ０の光軸はレーザビームの中心を通る軸を意味する。また同軸とは、複数の軸が略一致していることを意味する。走査レーザ光Ｌ２は、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１と交差する方向に走査されるとともに、回転ステージ１０の回転により第２軸Ａ２と交差する方向に走査される。第２軸Ａ２と交差する方向は、例えば重力方向に略直交する水平方向である。なお、本実施形態では、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２が略直交する構成を例示するが、これに限定されるものではなく、第１軸Ａ１に対して第２軸Ａ２が傾いて配置されてもよい。
【0049】
測距装置１００は、ＬＤ３、ポリゴンミラー５、ＡＰＤ８または回転ステージ１０等の構成部の一部または全部を覆うための外装カバーを備えてもよい。外装カバーを備えると、測距装置１００の内部へのゴミや埃等の侵入を防ぎ、ポリゴンミラー５等にゴミや埃等が付着することを防止できる。またポリゴンミラー５や回転ステージ１０が高速回転すると、回転に伴う風切り音が大きくなる場合があるが、外装カバーを設けることで音が周囲に伝わることを抑制できる。外装カバーの材質には、金属または樹脂材料等を適用可能である。
【0050】
一方で、外装カバーを設けると、外装カバーにおける走査レーザ光Ｌ２が出射する出射窓以外の部分が走査レーザ光Ｌ２を遮るため、走査角度範囲が制限され、測距装置１００による物体２００の検出範囲または測距範囲が制限される場合がある。走査レーザ光Ｌ２の波長に対して光透過性を有する透明な樹脂材料で外装カバーを構成すると、このような走査角度範囲の制限を緩和できるため、好適である。
【0051】
（駆動制御部１５０の構成例）
図４を参照して、測距装置１００が有する駆動制御部１５０の構成について説明する。図４は、駆動制御部１５０の構成を例示するブロック図である。なお、図４における太い実線で示した矢印は光の流れを示し、太い破線で示した矢印は電気信号の流れを示している。
図４を参照して、測距装置１００が有する駆動制御部１５０の構成について説明する。図４は、駆動制御部１５０の構成を例示するブロック図である。なお、図４における太い実線で示した矢印は光の流れを示し、太い破線で示した矢印は電気信号の流れを示している。
【0052】
図４に示すように、測距装置１００は、受発光部１１０と、光走査部１２０と、出射窓１３０と、制御部１４０と、を有する。
【0053】
光走査部１２０は、ポリゴンミラー５と、回転ステージ１０と、駆動制御部１５０と、を有する。光走査部１２０は、ポリゴンミラー５および回転ステージ１０それぞれの回転を駆動制御部１５０により制御することによって、ＬＤ３から発せれるレーザ光を走査させる光走査装置の一例である。
【0054】
駆動制御部１５０は、第１軸モータ１５１と、第２軸モータ１５２と、同期検出部１５３と、回転制御部１５４と、給電部１５５と、を有する。駆動制御部１５０は、同期検出部１５３から出力されるポリゴンミラー５の回転周期に対応する同期信号Ｓｎに基づき、回転制御部１５４により、第２軸モータ１５２による回転を制御する駆動制御装置の一例である。
【0055】
同期検出部１５３は、第１軸エンコーダ５３１と、発光部５３２と、周期光受光部５３３と、を有する。同期検出部１５３は、第１軸エンコーダ５３１から出力される第１角度検出信号Ｅｎ１に基づいて発光部５３２に発光させ、発光部５３２からの光を受光した周期光受光部５３３により同期信号Ｓｎを出力させる。第１角度検出信号Ｅｎ１は、ポリゴンミラー５の回転角度の検出信号である角度検出信号の一例である。
【0056】
発光部５３２は、例えばＬＥＤ等を含んで構成され、第１角度検出信号Ｅｎ１に基づき、例えば第１軸エンコーダ５３１がポリゴンミラー５の回転原点に対応する角度を検出したタイミングにパルス光Ｏｐを発する。
【0057】
周期光受光部５３３は、フォトダイオード（Photo Diode）等を含んで構成され、発光部５３２により発生されたパルス光Ｏｐを受光したタイミングに、第２軸ドライバ基板１７３を介して同期信号Ｓｎを回転制御部１５４に出力する。
【0058】
給電部１５５は、発電コイル５５１と、給電コイル５５２と、を有し、電磁誘導により第１軸モータ１５１等に非接触で給電する。なお、給電とは電力を供給することをいう。
発電コイル５５１は、電磁誘導により逆起電力を発生し、第１軸モータ１５１、第１軸エンコーダ５３１および第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに給電可能なコイルである。給電コイル５５２は、発電コイル５５１に対向配置され、第２軸ドライバ基板１７３から流れる電流に応じて、電磁誘導により発電コイル５５１に逆起電力を発生させるコイルである。給電コイル５５２に電流を流すと、電磁誘導により非接触で発電コイル５５１に逆起電力が発生する。
発電コイル５５１は、電磁誘導により逆起電力を発生し、第１軸モータ１５１、第１軸エンコーダ５３１および第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに給電可能なコイルである。給電コイル５５２は、発電コイル５５１に対向配置され、第２軸ドライバ基板１７３から流れる電流に応じて、電磁誘導により発電コイル５５１に逆起電力を発生させるコイルである。給電コイル５５２に電流を流すと、電磁誘導により非接触で発電コイル５５１に逆起電力が発生する。
【0059】
なお、本実施形態では、給電部１５５が電磁誘導により非接触給電する構成を例示するが、これに限定されるものではない。例えば給電部１５５は、回転接点により給電することもできる。ここで回転接点とは、回転体に配置された金属製リングとブラシを介して、回転体に電気的に接続する構成をいう。このような回転接点を用いて、外部から第１軸モータ１５１等に給電することもできる。
【0060】
基板９１には、ポリゴンミラー５、第１軸モータ１５１、第１軸エンコーダ５３１、第１軸ドライバ基板１６３、発光部５３２および発電コイル５５１等が設けられている。回転ステージ１０には、第２軸モータ１５２、第２軸エンコーダ１７２、第２軸ドライバ基板１７３、周期光受光部５３３、給電コイル５５２等が設けられている。
【0061】
第１軸モータ１５１は、ポリゴンミラー５を第１軸Ａ１周りに回転させる第１駆動部の一例である。第１軸モータ１５１には、ＤＣ（Direct Current）モータまたはＡＣ（Alternating Current）モータ等を適用できる。
【0062】
第１軸エンコーダ５３１は、第１角度検出信号Ｅｎ１を出力する回転角検出部の一例であり、例えばロータリエンコーダである。
【0063】
第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸モータ１５１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第１軸ドライバ基板１６３は、第１角度検出信号Ｅｎ１に基づき、ポリゴンミラー５が所定の第１周波数（回転数）により回転するように制御できる。ここで、第１周波数は、第１軸ドライバ基板１６３により制御されるため、回転制御部１５４の制御対象ではない。
【0064】
第１軸ドライバ基板１６３は、給電部１５５による給電が開始された場合に、第１軸モータ１５１によりポリゴンミラー５の回転を開始させ、給電部１５５による給電が停止された場合に、第１軸モータ１５１によりポリゴンミラー５の回転を停止させる。
【0065】
第２軸モータ１５２は、ＤＣモータ、ＡＣモータまたはステッピングモータ等の各種モータにより構成される。第２軸エンコーダ１７２は、ロータリエンコーダ等により構成され、回転ステージ１０の回転角度を検出する。
【0066】
第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸モータ１５２に駆動信号を供給する電気回路等を含む実装基板である。第２軸ドライバ基板１７３は、回転制御部１５４からの第２軸制御信号Ｄｒ２に基づき、回転ステージ１０を回転させる。また、第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸エンコーダ１７２により検出された回転ステージ１０の第２角度検出信号Ｅｎ２を回転制御部１５４に出力する。
【0067】
回転制御部１５４は、第２角度検出信号Ｅｎ２に基づき、回転ステージ１０の回転を制御する。ここで、回転ステージ１０の回転数である第２周波数は、回転制御部１５４の制御対象である。
【0068】
受発光部１１０は、ＬＤ基板１１１と、発光ブロック１１２と、穴あきミラー６と、穴あきミラーホルダ６２と、受光ブロック１１３と、ＡＰＤ基板１１４と、を含む。
【0069】
ＬＤ基板１１１は、制御部１４０からの発光制御信号Ｄｒ１に応じてＬＤ３を発光させる電気回路を含む実装基板である。
【0070】
発光ブロック１１２は、ＬＤ３と、ＬＤホルダ３１と、コリメートレンズ４と、コリメートレンズホルダ４０と、を含む。ＬＤホルダ３１はＬＤ３を保持する部材である。コリメートレンズホルダ４０はコリメートレンズ４を保持する部材である。穴あきミラーホルダ６２は、穴あきミラー６を保持する部材である。
【0071】
受光ブロック１１３は、受光レンズ７と、受光レンズホルダ７１と、ＡＰＤ８と、ＡＰＤホルダ８０と、を含む。受光レンズホルダ７１は受光レンズ７を保持する部材である。ＡＰＤホルダ８０はＡＰＤ８を保持する部材である。
【0072】
ＡＰＤ基板１１４は、ＡＰＤ８が受光した光強度に応じた電気信号である戻り光受光信号Ｓを、制御部１４０に出力する電気回路を含む実装基板である。
【0073】
外部コントローラ３００は、サービスロボットを制御するためのコントローラであり、ＲＯＳ（Robot Operating System）を搭載するＢｏａｒｄ ＰＣ（Personal Computer）等からなる。
【0074】
制御部１４０は、電気回路または電子回路等を有する制御回路基板を含み、例えば背面パネル２２等に設置されている。ポリゴンミラー５および回転ステージ１０が回転しても、制御部１４０を構成する制御回路基板は動かない。
【0075】
制御部１４０は、外部コントローラ３００、受発光部１１０および光走査部１２０のそれぞれに電気的に接続しており、信号およびデータを相互に送受可能である。本実施形態では、回転制御部１５４は、制御部１４０内に設けられているが、制御部１４０の外部に設けられてもよい。
【0076】
制御部１４０は、外部コントローラ３００からの測距制御信号Ｃｔに応じて発光制御信号Ｄｒ１を出力し、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３を発光させる。ＬＤ３により発せられ、コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ０は、回折格子４１により５つの光束Ｌ１に分割される。光束Ｌ１は、穴あきミラー６を通ってポリゴンミラー５の光反射面５１に入射し、光反射面５１で反射された後、出射窓１３０を透過して、測距装置１００から外部に向けて走査レーザ光Ｌ２として照射される。
【0077】
出射窓１３０は、レーザ光Ｌ０の波長に対して光透過性を有するガラス材料または樹脂材料を含んでなる。出射窓１３０は、測距装置１００が装置全体を覆う不透明な外装カバーを備える場合に、走査レーザ光Ｌ２を透過して出射させる窓として機能する部材である。
【0078】
走査レーザ光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された戻り光Ｒ２は、出射窓１３０を透過してポリゴンミラー５の光反射面５１に入射する。そして光反射面５１で反射され、穴あきミラー６によりＡＰＤ８に向けて戻り光Ｒ１として反射される。
【0079】
戻り光Ｒ１は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。ＡＰＤ８がこの入射光を受光した戻り光受光信号Ｓは、ＡＰＤ基板１１４を介して制御部１４０に出力される。制御部１４０は、受光信号に基づき、物体２００までの距離を示す距離情報Ｄｔを演算により取得し、この距離情報Ｄｔを外部コントローラ３００に出力できる。
【0080】
測距装置１００は、サービスロボットが搭載するバッテリから供給される電力により動作可能である。但し、これに限定されるものではなく、測距装置１００自身が搭載するバッテリから電力供給されてもよい、またサービスロボットの動作範囲が広くない場合等には、商用電源からケーブルを用いて給電されるように構成してもよい。
【0081】
（回折格子４１による光分割例）
図５は、回折格子４１による光分割の一例を示す図である。図５（ａ）は回折格子４１の側面図、図５（ｂ）は回折格子４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図５（ｃ）は回折格子４１を＋Ｚ方向側から視た正面図である。
図５は、回折格子４１による光分割の一例を示す図である。図５（ａ）は回折格子４１の側面図、図５（ｂ）は回折格子４１を－Ｚ方向側から視た斜視図、図５（ｃ）は回折格子４１を＋Ｚ方向側から視た正面図である。
【0082】
回折格子４１は、平面視において略円形状を有し、レーザ光Ｌ０の波長に対して光透過性を有する透明な平板状部材である。回折格子４１の－Ｚ方向側の面または＋Ｚ方向の面の少なくとも一方に周期構造が形成されている。回折格子４１は、入射されるレーザ光Ｌ０を、周期構造を用いて回折させることによって、複数の光束に分割する。
【0083】
本実施形態では、回折格子４１は、レーザ光Ｌ０を光束Ｌ１１から光束Ｌ１５の５つの光束を含む光束Ｌ１に分割する。光束Ｌ１１は、回折格子４１の０次光（透過光）であり、光束Ｌ１２から光束Ｌ１５は１次回折光である。
【0084】
光束Ｌ１１から光束Ｌ１５は、伝搬方向が相互に異なる平行光束である。光束Ｌ１１から光束Ｌ１５は、それぞれ穴あきミラー６を通過し、光走査部１２０により走査される。光束Ｌ１１の走査レーザ光Ｌ２１、光束Ｌ１２の走査レーザ光Ｌ２２、光束Ｌ１３の走査レーザ光Ｌ２３、光束Ｌ１４の走査レーザ光Ｌ２４、および光束Ｌ１５の走査レーザ光Ｌ２５は、それぞれ照射領域５００における異なる位置に照射される。
【0085】
走査レーザ光Ｌ２は、５つの光束Ｌ１１から光束Ｌ１５がそれぞれ走査された５つの走査レーザ光Ｌ２１から走査レーザ光Ｌ２５を含む。また戻り光Ｒ２は、走査レーザ光Ｌ２１に対する戻り光Ｒ２１、走査レーザ光Ｌ２２に対する戻り光Ｒ２２、走査レーザ光Ｌ２３に対する戻り光Ｒ２３、走査レーザ光Ｌ２４に対する戻り光Ｒ２４、および走査レーザ光Ｌ２５に対する戻り光Ｒ２５を含む。戻り光Ｒ１は、戻り光Ｒ２１がポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１１、戻り光Ｒ２２がポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１２、戻り光Ｒ２３がポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１３、戻り光Ｒ２４がポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１４、および戻り光Ｒ２５がポリゴンミラー５により反射された戻り光Ｒ１５を含む。ＡＰＤ８１からＡＰＤ８５は、戻り光Ｒ１１から戻り光Ｒ１５の戻り光受光信号Ｓを出力する。
【0086】
なお、本実施形態では、平面視において略円形状の回折格子４１を例示するが、これに限定されるものではなく、矩形状や楕円形状等であってもよい。またレーザ光Ｌ０が５つの光束に分割される構成を例示するが、複数であれば分割数に制限はなく、要求される空間分解能等に応じて適宜選択可能である。さらに、回折格子４１の中央を透過する光束Ｌ１１と、４つの対角方向に分割される光束Ｌ１２から光束Ｌ１５が得られる構成を例示したが、各光束が分割される方向は対角方向に限定されるものではなく、用途に応じて適宜選択可能である。
【0087】
【0088】
図６に示すように、回転ステージ１０は、回転可能な回転部１０ａと、回転しない固定部１０ｂと、を含んで構成される。発光部５３２は、回転部１０ａにおける載置面１０１に設けられた発光基板５３２ａに実装される。周期光受光部５３３は、固定部１０ｂに設けられた受光基板５３３ａに実装される。
【0089】
発光部５３２は、発光基板５３２ａに入力される第１角度検出信号Ｅｎ１に応じて、発光部５３２に対向配置された周期光受光部５３３に向けてパルス光Ｏｐを発する。周期光受光部５３３によるパルス光Ｏｐの受光信号は、受光基板５３３ａにより二値信号に変換され、同期信号Ｓｎとして回転制御部１５４に出力される。
【0090】
【0091】
制御部１４０は、可変部１４１と、回転制御部１５４と、発光制御部１４２と、距離情報取得部１４３と、距離情報出力部１４４と、を有する。回転制御部１５４は、第１軸回転制御部５４１と、第２軸回転制御部５４２とを、停止制御部５４３と、有する。
【0092】
制御部１４０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の電気回路により上記各機能を実現できる他、上記各機能の少なくとも一部をソフトウェア（ＣＰＵ；Central Processing Unit）によって実現することもできる。また、制御部１４０は、複数の回路または複数のソフトウェアによってこれらの機能を実現してもよい。上記各機能の一部は、外部コントローラ３００等の制御部１４０以外の構成部により実現されてもよく、制御部１４０と制御部１４０以外の構成部との分散処理により実現されてもよい。
【0093】
可変部１４１は、以下に示す定数αを変更することにより、回転ステージ１０の第２周波数ｆｈを変化させる。
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α） ・・・（２）
０＜｜α｜＜１ ・・・（３）
（２）式において、Ｎは、回転ステージ１０の１回転中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２によって形成される走査線の数を表し、ｆｖは第１周波数を表す。Ｍは、ポリゴンミラーの一回転周期中に、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２によって形成される走査線の数である。ｍ面のポリゴンミラー５であれば、Ｍ＝ｍであり、往復ミラーであればＭ＝２となる。可変部１４１は、測距装置１００に設けられた操作部等の外部からの設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更することができる。
ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α） ・・・（２）
０＜｜α｜＜１ ・・・（３）
（２）式において、Ｎは、回転ステージ１０の１回転中に第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２によって形成される走査線の数を表し、ｆｖは第１周波数を表す。Ｍは、ポリゴンミラーの一回転周期中に、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２によって形成される走査線の数である。ｍ面のポリゴンミラー５であれば、Ｍ＝ｍであり、往復ミラーであればＭ＝２となる。可変部１４１は、測距装置１００に設けられた操作部等の外部からの設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更することができる。
【0094】
第１軸回転制御部５４１は、給電部１５５に給電制御信号Ｓｔを出力し、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を開始させることにより、第１軸モータ１５１に回転を開始させる。また第１軸回転制御部５４１は、給電部１５５に給電制御信号Ｓｔを出力し、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を停止させることにより、第１軸モータ１５１に回転を停止させる。第１軸モータ１５１は、第１周波数ｆｖによりポリゴンミラー５を回転させることができる。ポリゴンミラー５の回転周期は１／ｆｖとなる。ここで、第１軸回転制御部５４１は、第１軸モータ１５１の回転の開始および停止のみを制御し、第１軸モータ１５１の回転速度等の制御は行わない。
【0095】
第２軸回転制御部５４２は、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎと、第２軸エンコーダ１７２からの第２角度検出信号Ｅｎ２と、に基づき、第２軸ドライバ基板１７３を介して回転ステージ１０の回転を制御する。第２軸モータ１５２は、第２周波数ｆｈにより回転ステージ１０を回転させることができる。
【0096】
停止制御部５４３は、同期検出部１５３から所定期間、同期信号Ｓｎが出力されない場合に、第２軸モータ１５２による回転ステージ１０の回転を停止させる。
【0097】
発光制御部１４２は、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３に発光制御信号Ｄｒ１を出力することにより、ＬＤ３の発光を制御する。また発光制御部１４２は、ＬＤ３が発光した時刻に対応する発光時刻情報を距離情報取得部１４３に出力する。
【0098】
距離情報取得部１４３は、走査レーザ光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された戻り光Ｒに基づいて、物体２００との間の距離情報Ｄｔを演算により取得する。
【0099】
具体的には、距離情報取得部１４３は、ＬＤ３によりレーザ光Ｌ０が発せられた発光時刻情報を発光制御部１４２から入力し、ＡＰＤ８により戻り光Ｒが受光された戻り光受光信号Ｓを、ＡＰＤ基板１１４を介して入力し、戻り光受光信号Ｓに基づき受光時刻情報を取得する。距離情報取得部１４３は、ＴＯＦ（Time Of Flight）の原理に基づき、以下の（１）式を演算することによって距離情報Ｄｔを取得できる。
Ｄｔｎ＝ｃ×Δｔｎ／２ ・・・（１）
Ｄｔｎ＝ｃ×Δｔｎ／２ ・・・（１）
【0100】
ｎは、光束Ｌ１１から光束Ｌ１５それぞれに対応する整数である。例えば、Ｄｔ１は光束Ｌ１１に基づき得られる距離情報、Ｄｔ２は光束Ｌ１２に基づき得られる距離情報、Ｄｔ３は光束Ｌ１３に基づき得られる距離情報、Ｄｔ４は光束Ｌ１４に基づき得られる距離情報、Ｄｔ５は光束Ｌ１５に基づき得られる距離情報である。ｃは光速（約３×１０８［ｍ／ｓ］）を表す。
【0101】
Δｔは、光束Ｌ１１から光束Ｌ１５それぞれにおける発光時刻と受光時刻との間の時間差である。なお、光束Ｌ１１から光束Ｌ１５は、ＬＤ３から同時に発せられたレーザ光Ｌ０を分割したものであるため、発光時刻はいずれも等しい。一方で、光束Ｌ１１から光束Ｌ１５それぞれにおいて受光時刻はそれぞれ異なる。距離情報取得部１４３は、光束Ｌ１１から光束Ｌ１５ごとでの距離情報Ｄｔｎを、並行演算により取得することが好ましい。
【0102】
距離情報を取得する方式は、ＴＯＦ方式に限定されるものではない。例えば測距装置１００は、振幅変調したレーザ光を照射し、物体で反射または散乱された戻り光と照射したレーザ光との位相差に基づき、距離情報を取得する位相差検出方式等を用いることもできる。
【0103】
距離情報取得部１４３は、距離情報出力部１４４を介して外部コントローラ３００等の外部装置に距離情報を出力できる。
【0104】
＜可変部１４１の作用＞
可変部１４１の作用について説明する。光走査部１２０は、回転ステージ１０の１回転につき、水平方向に交差する交差方向への走査線を複数本描くことにより、１フレームの画像を形成するようにして光走査を行う。交差方向への走査線の粗密は、第１周波数ｆｖおよび第２周波数ｆｈを制御することにより可変である。
可変部１４１の作用について説明する。光走査部１２０は、回転ステージ１０の１回転につき、水平方向に交差する交差方向への走査線を複数本描くことにより、１フレームの画像を形成するようにして光走査を行う。交差方向への走査線の粗密は、第１周波数ｆｖおよび第２周波数ｆｈを制御することにより可変である。
【0105】
第１周波数ｆｖを第２周波数ｆｈのＮ倍にすると、回転ステージ１０の１回転につき、交差方向への走査線がＮ本得られる。なお、ポリゴンミラー５の面数をＭにするとＭ×Ｎ本の走査線が得られる。
【0106】
交差方向への走査線同士の間隔を密にするためには、第２周波数ｆｈに対する第１周波数ｆｖの倍数比率を大きくすることが求められるため、要求される走査線同士の間隔によっては、第１周波数ｆｖが高くなりすぎる場合がある。なお、以下では、交差方向への走査線を単に走査線と称し、交差方向への走査線同士の間隔を走査線間隔と称する。
【0107】
本実施形態では、第１周波数ｆｖが高くなりすぎることを回避するために、回転ステージ１０の１回転につき描かれる走査線の数をＮ＋α（０＜α＜１）とする。これにより、走査線の位置は、回転ステージ１０の１回転ごとに水平方向にずれる。
【0108】
図８は、走査線が水平方向へずれる様子を例示する図である。図８において、Ｚ方向は垂直方向（鉛直方向）に対応し、Ｘ方向は水平方向に対応する。複数の走査線Ｌｉは、走査線Ｌｉ１_１、Ｌｉ２_１、Ｌｉ１_２、Ｌｉ２_２、Ｌｉ１_３、・・・、Ｌｉ１_１５およびＬｉ１_１６を含んでいる。フレーム画像Ｗは、複数の走査線Ｌｉにより形成される１フレームの画像を表している。
【0109】
黒丸を並べることにより表される走査線Ｌｉ１_１、Ｌｉ１_２、Ｌｉ１_３、Ｌｉ１_１５およびＬｉ１_１６は、回転ステージ１０の１回転目における走査線を示している。より詳しくは、走査線Ｌｉ１_１は、回転ステージ１０の１回転目における１本目の走査線を示し、走査線Ｌｉ１_２は、回転ステージ１０の１回転目における２本目の走査線を示し、走査線Ｌｉ１_３は、回転ステージ１０の１回転目における３本目の走査線を示している。走査線Ｌｉ１_１５は、回転ステージ１０の１回転目における１５本目の走査線を示し、走査線Ｌｉ１_１６は、回転ステージ１０の１回転目における１６本目の走査線を示している。
【0110】
白丸を並べることにより表される走査線Ｌｉ２_１およびＬｉ２_２は、回転ステージ１０の１回転目における走査線を示している。より詳しくは、走査線Ｌｉ２_１は、回転ステージ１０が２回転目における１本目の走査線を示し、走査線Ｌｉ２_２は、回転ステージ１０が２回転目における２本目の走査線を示している。
【0111】
走査線間隔ｄ１は、第１周波数ｆｖが第２周波数ｆｈのＮ倍である場合の走査線間隔ｄである。この場合には、複数の走査線Ｌそれぞれの水平方向における位置は、回転ステージ１０が回転回数によって変化せず、走査線間隔ｄ１はＤｘ／Ｎとなる。なお、ＤｘはＸ方向における光走査範囲である。
【0112】
走査線間隔ｄ２は、第１周波数ｆｖが第２周波数ｆｈの（Ｎ＋α）倍である場合の走査線間隔ｄである。この場合には、複数の走査線Ｌそれぞれの水平方向における位置は、回転ステージ１０の回転回数によって変化し、走査線間隔ｄ２はＤｘ×α／Ｎとなって、走査線間隔ｄ２よりも狭くなる。定数αの値に応じて走査線間隔ｄ２は可変となる。
【0113】
走査線間隔ｄ２が密になるように定数αを設定することにより、第１周波数ｆｖが高くなることを抑えつつ、走査線間隔ｄを密にすることができる。例えば、可変部１４１は、αを±０．５にすることにより、走査線間隔ｄを約１／２にでき、αを±０．２５にすることにより、走査線間隔ｄを約１／４にすることができる。αが±０．５であるとは、αが＋０．５または－０．５であると言い換えることもできる。
【0114】
一方、上記方法では、１フレームの画像形成のために、回転ステージ１０を複数回回転させる必要があるため、リフレッシュレートＲｒが低下する。ここでリフレッシュレートＲｒとは、単位時間当たりに形成可能なフレーム画像Ｗの数をいい、ここでは、Ｒｒ＝ｆｖ／（Ｑ×Ｎ）により表される。Ｑは１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を回転させる回数を意味する。例えば、αが±０．５の場合には、光走査部１２０は、１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を２回転させ、αが±０．２５の場合には、１フレームの画像形成のために回転ステージ１０を４回転させる必要があり、回転回数Ｑの増加に応じてリフレッシュレートＲｒが低くなる。
【0115】
測距装置１００では、その利用シーン等に応じて、要求される走査線間隔ｄやリフレッシュレートＲｒは異なる。本実施形態では、可変部１４１により、定数αを変更して走査線間隔ｄおよびリフレッシュレートＲｒを変化させることにより、走査線間隔ｄやリフレッシュレートＲｒに対する要求に適合させることができる。また、第２周波数ｆｈに対して高い第１周波数ｆｖを変化させると、光走査部１２０の制御が複雑になる場合があるが、本実施形態では、定数αを変化させて第２周波数ｆｈのみ変化させるため、光走査部１２０の制御が簡素化される。
【0116】
＜制御部１４０による処理例＞
図９は、制御部１４０による処理の一例を示すフローチャートである。制御部１４０は、測距装置１００に電源が投入され、測距装置１００が起動されたタイミングに図９の処理を開始する。なお、ここでは、ポリゴンミラー５の第１周波数ｆｖは、予め定められた一定の周波数とする。
図９は、制御部１４０による処理の一例を示すフローチャートである。制御部１４０は、測距装置１００に電源が投入され、測距装置１００が起動されたタイミングに図９の処理を開始する。なお、ここでは、ポリゴンミラー５の第１周波数ｆｖは、予め定められた一定の周波数とする。
【0117】
まずステップＳ９１において、制御部１４０は、可変部１４１により走査線間隔ｄまたはリフレッシュレートＲｒを変更するか否かを判定する。例えば可変部１４１は、測距装置１００に設けられた操作部を用いた測距装置１００のユーザによる走査線間隔ｄまたはリフレッシュレートＲｒの設定入力があるか否かに基づき、走査線間隔ｄまたはリフレッシュレートＲｒを変更するか否かを判定できる。
【0118】
ステップＳ９１において、変更しないと判定された場合には（ステップＳ９１、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ９４に処理を移行する。一方、変更すると判定された場合には（ステップＳ９１、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ９２において、可変部１４１により、ユーザによる走査線間隔ｄまたはリフレッシュレートＲｒの設定入力情報Ｓｅを受け付ける。
【0119】
続いて、ステップＳ９３において、制御部１４０は、可変部１４１により、走査線間隔ｄまたはリフレッシュレートＲｒの設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更する。これにより、上記（２）式に応じて、第２周波数ｆｈが変化し、走査線間隔ｄおよびリフレッシュレートＲｒが変更される。
【0120】
続いて、ステップＳ９４において、制御部１４０は、第１軸回転制御部５４１により、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を開始させることにより、第１軸モータ１５１に回転を開始させる。第１軸モータ１５１は、給電部１５５による給電開始に応答して回転し、ポリゴンミラー５の回転を開始させる。
【0121】
続いて、ステップＳ９５において、制御部１４０は、第２軸回転制御部５４２により、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎと、第２軸エンコーダ１７２からの第２角度検出信号Ｅｎ２と、に基づき、回転ステージ１０の回転を開始させる。以降、回転ステージ１０は、第２軸回転制御部５４２による制御下において回転を続ける。
【0122】
続いて、ステップＳ９６において、制御部１４０は、発光制御部１４２により、ＬＤ３に発光制御信号Ｄｒ１を出力することによって、ＬＤ３にレーザ光Ｌ０を発光させる。また発光制御部１４２は、ＬＤ３の発光時刻情報を距離情報取得部１４３に出力する。
【0123】
続いて、ステップＳ９７において、制御部１４０は、走査レーザ光Ｌ２が物体２００により反射または散乱された戻り光Ｒに基づきＡＰＤ８から出力される戻り光受光信号Ｓを、距離情報取得部１４３により入力する。
【0124】
続いて、ステップＳ９８において、制御部１４０は、距離情報取得部１４３により、ＡＰＤ８による戻り光Ｒの受光時刻情報と、ＬＤ３の発光時刻情報と、に基づいて距離情報Ｄｔを取得する。
【0125】
続いて、ステップＳ９９において、制御部１４０は、距離情報取得部１４３により取得された距離情報Ｄｔを、距離情報出力部１４４により外部コントローラ３００等の外部装置に出力する。
【0126】
続いて、ステップＳ１００において、制御部１４０は、停止制御部５４３により、同期検出部１５３からの同期信号Ｓｎが出力されない期間が所定の期間閾値以下であるか否かを判定する。
【0127】
ステップＳ１００において、期間閾値以下ではないと判定された場合には（ステップＳ１００、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ１０２に処理を移行する。一方、期間閾値以下であると判定された場合には（ステップＳ１００、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ１０１において、測距装置１００による測距を終了するか否かを判定する。例えば、制御部１４０は、測距装置１００の操作部を介してユーザの操作入力に応じて測距を終了するか否かを判定できる。
【0128】
ステップＳ１０１において、終了しないと判定した場合には（ステップＳ１０１、ＮＯ）、制御部１４０は、ステップＳ９６以降の処理を再度行う。一方、終了すると判定した場合には（ステップＳ１０１、ＹＥＳ）、制御部１４０は、ステップＳ１０２において、第２軸回転制御部５４２により回転ステージ１０の回転を停止させるとともに、発光制御部１４２によりＬＤ３の発光を停止させる。
【0129】
続いて、ステップＳ１０３において、制御部１４０は、第１軸回転制御部５４１により、給電部１５５から第１軸モータ１５１への給電を停止させることにより、第１軸モータ１５１に回転を停止させる。第１軸モータ１５１は、給電部１５５による給電停止に応答して回転を停止し、ポリゴンミラー５の回転を停止させる。
【0130】
このようにして、制御部１４０は、光走査部１２０による光走査、測距装置１００による測距を制御することができる。
【0131】
＜駆動制御部１５０、光走査部１２０の作用効果＞
以上説明したように、駆動制御部１５０は、ポリゴンミラー５（第１駆動体）を第１軸Ａ１周りに回転（駆動）させる第１軸モータ１５１（第１駆動部）と、ポリゴンミラー５を支持する回転ステージ１０（第２駆動体）を、第１軸Ａ１に交差する第２軸Ａ２周りに回転させる第２軸モータ１５２（第２駆動部）と、を有する。また駆動制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転周期（１／ｆｖ）（駆動周期）に対応する同期信号Ｓｎを出力する同期検出部１５３と、同期信号Ｓｎに基づき、第２軸モータ１５２による回転を制御する制御部１４０と、を有する。
以上説明したように、駆動制御部１５０は、ポリゴンミラー５（第１駆動体）を第１軸Ａ１周りに回転（駆動）させる第１軸モータ１５１（第１駆動部）と、ポリゴンミラー５を支持する回転ステージ１０（第２駆動体）を、第１軸Ａ１に交差する第２軸Ａ２周りに回転させる第２軸モータ１５２（第２駆動部）と、を有する。また駆動制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転周期（１／ｆｖ）（駆動周期）に対応する同期信号Ｓｎを出力する同期検出部１５３と、同期信号Ｓｎに基づき、第２軸モータ１５２による回転を制御する制御部１４０と、を有する。
【0132】
上記構成により、ポリゴンミラー５については回転速度等を制御することなく、所定の第１周波数ｆｖにより回転ステージ１０とは独立して回転させるとともに、ポリゴンミラー５の回転に同期させて回転ステージ１０の回転を制御できるため、ポリゴンミラー５および回転ステージ１０の駆動を簡単に制御可能な駆動制御装置を提供できる。なお、本実施形態では、ポリゴンミラー５および回転ステージ１０の回転駆動を例示したが、駆動制御部１５０の制御対象は、ポリゴンミラー５および回転ステージ１０等の回転体の回転駆動に限定されるものではなく、ガルバノミラーやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等の揺動体の揺動駆動等であってもよい。また回転体、揺動体等の駆動体の数は２つに限定されず、３以上であってもよい。
【0133】
また本実施形態では、同期検出部１５３は、ポリゴンミラー５の第１角度検出信号Ｅｎ１（角度検出信号）を出力する第１軸エンコーダ５３１（回転角検出部）と、第１角度検出信号Ｅｎ１に基づいて発光する発光部５３２と、発光部５３２から発生されたパルス光Ｏｐを受光して同期信号Ｓｎを出力する周期光受光部５３３と、を有する。この構成により、ポリゴンミラー５については回転速度等を制御することなく所定の第１周波数ｆｖにより回転させ、ポリゴンミラー５の回転に同期させて回転ステージ１０の回転を制御できる。また簡単な構成により、ポリゴンミラー５の回転と回転ステージ１０の回転を同期させることができる。さらにパルス光Ｏｐを用いて同期信号Ｓｎを得るため、電気ノイズの影響を抑え、制御の信頼性を向上させることができる。
【0134】
また本実施形態では、駆動制御部１５０は、第１軸モータ１５１に給電する給電部１５５を有し、第１軸モータ１５１は、給電部１５５からの給電が開始された際にポリゴンミラー５の回転を開始させ、給電部１５５からの給電が停止された際にポリゴンミラー５の回転を停止させる。この構成により、ポリゴンミラー５については回転制御部１５４から回転速度等を制御することなく所定の第１周波数ｆｖにより回転させることができる。
【0135】
また本実施形態では、給電部１５５は無接点により第１軸モータ１５１に給電する。無接点による非接触給電によって、回転ステージ１０の回転に伴う接点の摩耗等がなくなるため、駆動制御部１５０や光走査部１２０、測距装置１００を構成する部品の耐久性、信頼性を向上させることができる。また給電のための配線が不要となるため、構成を簡略化できる。
【0136】
また、例えば、制御部１４０からポリゴンミラー５の駆動に関する制御信号を、非接触給電信号に含ませる方法や、給電の周波数をポリゴンミラー５の第１周波数ｆｖとする方法も考えられるが、給電信号の品質が低いと第１周波数ｆｖが安定しなくなる。また、第１周波数ｆｖに給電部１５５のコイル共振周波数を合わせる必要があり、制御が複雑になる。本実施形態では、ポリゴンミラー５の回転制御のために給電信号を用いないため、第１周波数ｆｖを安定化させることができる。
【0137】
また、回転ステージ１０とは独立して回転するポリゴンミラー５に故障や異常が発生した場合に、回転ステージ１０の回転を継続すると、測距装置１００の利用効率が低下したり、消費電力の無駄が生じたりする場合がある。本実施形態では、制御部１４０は、所定の期間閾値より長い期間、同期検出部１５３から同期信号Ｓｎが出力されない場合に、第２軸モータ１５２による回転ステージ１０の回転を停止させる。これにより、ポリゴンミラー５の故障や異常の発生に応じて回転ステージ１０の回転を停止させ、測距装置１００による測距を停止させることができるため、測距装置１００の利用効率の低下や、消費電力の無駄を抑制できる。
【0138】
また本実施形態では、光走査部１２０は、ポリゴンミラー５と、ポリゴンミラー５を支持する回転ステージ１０と、回転ステージ１０の回転を制御する制御部１４０と、を有する。回転ステージ１０の一回転周期（一駆動周期）中に、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２（走査される光）によって形成される走査線Ｌｉの数をＮ、ポリゴンミラー５の一回転周期（一駆動周期）中に、第１軸Ａ１と交差する方向に走査される走査レーザ光Ｌ２によって形成される走査線の数をＭ、定数をαとした場合に、ｆｈ＝Ｍ×ｆｖ／（Ｎ＋α）であって、０＜｜α｜＜１であり、制御部１４０は、定数αを変更することにより、第２周波数ｆｈを変化させる。例えば、制御部１４０は、外部からの設定入力情報Ｓｅに応じて定数αを変更する。
【0139】
光走査部１２０は、制御部１４０により定数αを変化させることによって、走査線間隔ｄやリフレッシュレートＲｒを要求に対して容易に適合させることができる。これにより、本実施形態では、走査される光Ｌ２によって形成される複数の走査線間隔ｄを簡単な構成により可変とする光走査装置を提供することができる。また、第２周波数ｆｈに対して高い第１周波数ｆｖを変化させると、光走査部１２０の制御が複雑になる場合があるが、定数αを変化させて第１周波数ｆｖと第２周波数ｆｈとの比を変化させることにより、光走査部１２０の制御を簡単にすることができる。
【0140】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形または変更が可能である。
【0141】
実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。
【符号の説明】
【0142】
１…ベース板、２…保持部、３…ＬＤ、４…コリメートレンズ、５…ポリゴンミラー（第１駆動体）、６…穴あきミラー、７…受光レンズ、８、８１、８２、８３、８４、８５…ＡＰＤ、９…イケール、１０…回転ステージ（第２駆動体）、１０ａ…回転部、１０ｂ…固定部、１１…結合部材、２１…天井パネル、２２…背面パネル、３１…ＬＤホルダ、４０…コリメートレンズホルダ、４１…回折格子、５１…光反射面、６１…貫通孔、６２…穴あきミラーホルダ、７１…受光レンズホルダ、９１…基板、１００…測距装置、１０１…載置面、１０２…ベアリング、１０３…マグネット、１０４…モータコア、１１０…受発光部、１１２…発光ブロック、１１３…受光ブロック、１１４…ＡＰＤ基板、１２０…光走査部（光走査装置）、１３０…出射窓、１４０…制御部、１４１…可変部、１４２…発光制御部、１４３…距離情報取得部、１４４…距離情報出力部、１５０…駆動制御部（駆動制御装置）、１５１…第１軸モータ（第１駆動部）、１５２…第２軸モータ（第２駆動部）、１５３…同期検出部、１５４…回転制御部、１５５…給電部、１６３…第１軸ドライバ基板、１７２…第２軸エンコーダ、１７３…第２軸ドライバ基板、２００…物体、３００…外部コントローラ、５３１…第１軸エンコーダ（回転角検出部）、５３２…発光部、５３２ａ…発光基板、５３３…周期光受光部、５３３ａ…受光基板、５４１…第１軸回転制御部、５４２…第２軸回転制御部、５４３…停止制御部、５５１…発電コイル、５５２…給電コイル、Ａ１…第１軸、Ａ１１…第１軸回転方向、Ａ２…第２軸、Ａ２１…第２軸回転方向、Ｌ０…レーザ光、Ｌ１、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、Ｌ１５…光束、Ｌ２…走査レーザ光、Ｒ１、Ｒ２…戻り光、Ｄｒ１…発光制御信号、Ｄｒ２…第２軸制御信号、Ｃｔ…測距制御信号、Ｄｔ…距離情報、Ｓ…戻り光受光信号、Ｓｎ…同期信号、Ｓｔ…給電制御信号、Ｅｎ１…第１角度検出信号（角度検出信号）、Ｅｎ２…第２角度検出信号、Ｏｐ…パルス光、Ｌｉ、Ｌｉ１_１、Ｌｉ１_２、Ｌｉ１_３、Ｌｉ１_１５、Ｌｉ１_１６、Ｌｉ２_１、Ｌｉ２_２…走査線、ｄ、ｄ１、ｄ２…走査線間隔、Ｄｘ…光走査範囲、Ｗ…フレーム画像
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】