JP6513962B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置に関する。

従来から、パルス状のレーザ光（以下、単に「パルス光」という。）を対象領域内でリサージュ走査する光走査装置が知られている。この種の光走査装置としては、例えば、パルス光を予め設定された出射タイミングで出射する光源部と、二次元ガルバノミラーで構成される光走査部と、光走査部を駆動する駆動部とを備えたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、光走査部は、光反射面を有する可動部が互いに直交する第１、第２軸回りに揺動可能に形成され、その可動部が第１軸、第２軸回りに揺動することによって光反射面に入射される光を対象領域内でリサージュ走査する。駆動部は、可動部を第１軸回りに揺動させる第１駆動信号及び可動部を第２軸回りに揺動させる第２駆動信号をそれぞれ光走査部に出力して可動部を第１軸、第２軸回りに揺動駆動する。この際、第１軸、第２軸回りにそれぞれ可動部の共振周波数で揺動駆動することが効率的である。

従来例の光走査装置では、可動部の温度変化等により共振周波数が変動し、例えば各駆動信号の周波数と可動部の共振周波数とにずれが生じた場合、一方の駆動信号の周波数をずれ量に応じて変更し、他方の駆動信号の周波数については、第１駆動信号及び第２駆動信号の周波数比を維持しつつ変更している。

特開２０１２−６８３４９号公報

しかし、共振周波数の変動は、第１、第２軸回りで必ずしも上記の周波数比が維持されるとは限らないので、従来例の光走査装置によれば、一方は、共振周波数で揺動させて駆動できるが、他方は、共振周波数で揺動させて駆動できない場合が起こり得る。そのため、効率的な駆動の観点から改善の余地がある。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、共振周波数が変動しても、効率的な駆動が行える光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面よる光走査装置は、光反射面を有する可動部が第１、第２駆動周波数によって互いに直交する第１、第２軸回りに揺動され、光源によるパルス光をリサージュ走査する光走査装置であって、上記第１軸回りの第１共振周波数のシフト量及び上記第２軸回りの第２共振周波数のシフト量に応じて上記第１、第２駆動周波数を変更し、両共振周波数のシフト方向の組合せに応じたタイミングテーブルに基づいて上記パルス光の出射タイミングを変更する。

本発明の一側面よる光走査装置は、上記第１軸回りの第１共振周波数のシフト量及び上記第２軸回りの第２共振周波数のシフト量に応じて上記第１、第２駆動周波数を変更し、両共振周波数のシフト方向の組合せに応じたタイミングテーブルに基づいて上記パルス光の出射タイミングを変更する。これにより、この光走査装置は、共振周波数が変動しても、効率的な駆動が行える。

光走査装置を含む光測距装置の一実施形態の概略構成例を示すブロック図である。 二次元ガルバノミラーの構成例を示す図である。 光走査部の可動部の揺動角度を検出するためのピエゾ抵抗素子で構成されたブリッジ回路一例を示す図である。 二次元ガルバノミラーの周波数特性の一例を示す図である。 二次元ガルバノミラーの周波数特性の一例を示す図である。 メモリ領域に記憶されているタイミングテーブルを説明する図である。 位相差情報に基づいて定まるタイミングテーブルの領域を説明する図である。 第１ずれ量及び第２ずれ量と、タイミングテーブルの領域との対応関係を説明する図である。 第１駆動周波数及び第２駆動周波数の変更処理の一例を示すフローチャートである。 共振周波数の測定におけるサブルーチンの一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、光走査装置を含む光測距装置の一実施形態の概略構成例を示すブロック図である。以下の説明では、図１に示す光走査装置１を、例えば、パルス光を対象領域内でリサージュ走査して、その対象領域内に存在する物体（人を含む）までの距離を計測する光測距装置１００の光走査手段として利用する場合について説明する。

図１に示すように、本実施形態による光測距装置１００は、光走査装置１と、受光部６と、測距部７と、画像生成部８と、表示部９と、を備える。光走査装置１は、電磁駆動型の光走査部２と、光走査部２を駆動する駆動部３と、タイミングテーブルを記憶するメモリ４と、パルス光を出射する光源部５と、を含む。なお、駆動部３は、制御部の一例である。受光部６は、光源部５から出射されたパルス光が対象領域内の物体で反射し、その反射したパルス光を受光する。測距部７は、その反射したパルス光を解析することにより、例えば、受光部６から物体までの距離を計測する。画像生成部８は、測距部７による計測結果に基づいて距離画像を生成する。表示部９は、画像生成部８によって生成された距離画像を出力（表示）する。

光走査部２は、光反射面を有する可動部を含み、この可動部は、後述する第１駆動信号の周波数、第２駆動信号の周波数によって互いに直交する第１、第２軸回りに揺動される。つまり、光走査部２は、可動部を第１、第２軸回りに揺動させることによって光反射面に入射されるパルス光を反射させて対象領域内でリサージュ走査等の二次元走査をすることが可能である。本実施形態では、例えば、本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の二次元ガルバノミラーを光走査部２に適用することができる。

図２は、二次元ガルバノミラーの構成例を示す図である。図２に示す二次元ガルバノミラー２０は、光走査部２の一例を示している。この二次元ガルバノミラー２０は、枠状の固定部２１、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂを含む。外側可動部２３ａは、固定部２１の内側に配置されており、一対の第２トーションバー２２ｃ，２２ｄによって揺動可能に支持されている。内側可動部２３ｂは、外側可動部２３ａの内側に配置されており、第２トーションバー２２ｃ，２２ｄの軸方向と直交する一対の第１トーションバー２２ａ，２２ｂによって揺動可能に支持されている。本実施形態では、第１トーションバー２２ａ，２２ｂの中心軸をｘ軸（第１軸）とし、第２トーションバー２２ｃ，２２ｄの中心軸をｙ軸（第２軸）とする。

内側可動部２３ｂの中央部には、光反射面２４が形成されている。また、外側可動部２３ａの周縁部には、第１駆動コイル２５ａが形成され、内側可動部２３ｂの周縁部には、第２駆動コイル２５ｂが形成されている。第１駆動コイル２５ａの端部は、固定部２１に形成された第１電極端子２６ａに接続され、第２駆動コイル２５ｂの端部は、固定部２１に形成された第２電極端子２６ｂに接続されている。
また、一対の第１永久磁石２７ａ，２７ｂ及び一対の第２永久磁石２７ｃ，２７ｄが、固定部２１を挟んでそれぞれ対向配置されている。

二次元ガルバノミラー２０は、各駆動コイル２５ａ，２５ｂに流れる電流（例えば、交流電流）と、第１永久磁石２７ａ，２７ｂ及び第２永久磁石２７ｃ，２７ｄによる磁界とによって各可動部２３ａ，２３ｂにローレンツ力が作用する。その結果、二次元ガルバノミラー２０がローレンツ力に応じて揺動することで、光反射面２４に入射するパルス光がその光反射面２４で反射される。したがって、光走査装置１は、二次元ガルバノミラー２０で反射されたパルス光を用いて対象領域内でリサージュ走査することができる。なお、固定部２１、第１トーションバー２２ａ，２２ｂ、第２トーションバー２２ｃ，２２ｄ、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂは、例えば、半導体基板から一体的に形成される。

図３は、光走査部の可動部の揺動角度を検出するためのピエゾ抵抗素子で構成されたブリッジ回路の一例を示す図である。図２に示す第１トーションバー２２ａ，２２ｂには、内側可動部２３ｂのｘ軸回りの揺動動作、すなわち、第１トーションバー２２ａ，２２ｂのねじれによって生じる歪み（応力）を検出するための第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が設けられている。

また、図２に示す第２トーションバー２２ｃ，２２ｄには、外側可動部２３ａのｙ軸回りの揺動動作、すなわち、第２トーションバー２２ｃ，２２ｄのねじれによって生じる歪み（応力）を検出するための第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８が設けられている。

なお、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４及び第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８は、それぞれ図示省略した配線によって接続されて、図３に示すようなブリッジ回路Ｐ（入力電圧Ｖｉ，出力電圧Ｖｏ）を構成している。

ここで、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、例えばＰ型拡散抵抗によって形成されており、引張応力を受けると抵抗値が増加し、圧縮応力を受けると抵抗値が減少するものである。このため、第１〜第４ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４で構成されたブリッジ回路（以下、単に「第１ブリッジ回路」という。）の出力電圧Ｖｏをモニタすることで、駆動部３は、内側可動部２３ｂのｘ軸回りの揺動角度（振れ角）に応じた電圧を連続的に検出することができる。

また、同様に、第５〜第８ピエゾ抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８で構成されたブリッジ回路（以下、単に「第２ブリッジ回路」という。）の出力電圧Ｖｏをモニタすることで、駆動部３は、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂのｙ軸回りの揺動角度（振れ角）に応じた電圧を連続的に検出することができる。

なお、図２に示す二次元ガルバノミラー２０は、第１駆動コイル２５ａ及び第２駆動コイル２５ｂに駆動電流（振動電流）が供給される。すると、ローレンツ力に応じて、内側可動部２３ｂが、第１トーションバー２２ａ，２２ｂによりｘ軸回りに揺動し、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂが、第２トーションバー２２ｃ，２２ｄによりｙ軸回りに揺動する。つまり、内側可動部２３ｂは、ｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動可能となる。

したがって、内側可動部２３ｂがｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動すると、光反射面２４を反射したパルス光により、対象領域内でリサージュ走査が実行される。ここで、二次元ガルバノミラー２０は、ｘ軸回り及びｙ軸回りの二つの固有振動モード（共振周波数）を有している。この共振周波数は、例えば、二次元ガルバノミラー２０を振るために必要な電流値が各揺動方向で最も小さくなる周波数である。これにより、光走査装置１は、例えば消費電力等を抑制することができる。なお、共振周波数は、光走査部の周辺温度が変化したり、光走査部自体の温度が変化したりすると、変動（シフト）する傾向を示す。また、共振周波数は、光走査部の経時変化でも変動する傾向を示す。

第１駆動コイル２５ａ及び第２駆動コイル２５ｂには、駆動部３からそれぞれ対応する共振周波数の駆動電流又はその近傍の周波数の駆動電流が駆動信号として供給される。
なお、以下の説明において、二次元ガルバノミラー２０のｘ軸回りの共振周波数を「第１共振周波数」といい、ｙ軸回りの共振周波数、すなわち、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂを含む可動部全体のｙ軸回りの共振周波数を「第２共振周波数」という。

また、例えば、二次元ガルバノミラー２０の外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂがｙ軸回りの一方に傾斜することにより、図３に示す第５ピエゾ抵抗素子Ｒ５及び第８ピエゾ抵抗素子Ｒ８が引張応力を受けた場合には、第６ピエゾ抵抗素子Ｒ６及び第７ピエゾ抵抗素子Ｒ７が圧縮応力を受ける。また、外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂがｙ軸回りの他方に傾斜することにより、第５ピエゾ抵抗素子Ｒ５及び第８ピエゾ抵抗素子Ｒ８が圧縮応力を受けた場合には、第６ピエゾ抵抗素子Ｒ６及び第７ピエゾ抵抗素子Ｒ７は、引張応力を受ける。

図１に戻って、駆動部３は、内側可動部２３ｂをｘ軸回りに揺動させる第１駆動信号（駆動電流）を光走査部２に出力して、内側可動部２３ｂをｘ軸回りに揺動駆動させる。また、駆動部３は、図２に示す外側可動部２３ａ及び内側可動部２３ｂをｙ軸回りに揺動させる第２駆動信号（駆動電流）を光走査部２に出力して、各可動部２３ａ，２３ｂをｙ軸回りに揺動駆動させる。

より詳細には、駆動部３は、例えば、二次元ガルバノミラー２０の直交する二軸（ｘ軸、ｙ軸）回りの共振周波数近傍の周波数を有する二つの駆動信号を所定の位相差を与えつつ二次元ガルバノミラー２０に供給する。すなわち、駆動部３は、二次元ガルバノミラー２０をｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動駆動させることができる。

ここで、第１駆動信号の周波数（以下、単に「第１駆動周波数」ということがある。）は、光走査部２の第１共振周波数に相当する値（例えば、光測距装置１００の製造時に設定された第１初期設定値）として予め設定されている。また、同様にして、第２駆動信号の周波数（以下、単に「第２駆動周波数」ということがある。）は、光走査部２の第２共振周波数に相当する値（例えば、光測距装置１００の製造時に設定された第２初期設定値）として予め設定されている。但し、例えば、製造時のばらつき、経時変化又は使用環境（特に、温度）の変化等によって光走査部２の実際の第１共振周波数及び第２共振周波数が上記第１、第２初期設定値とは、実際には異なる（周波数特性がシフトする）場合がある。

そこで、本実施形態における光走査装置１の駆動部３は、第１駆動周波数をｘ軸（第１軸）回りの第１共振周波数に一致させ、第２駆動周波数をｙ軸（第２軸）回りの第２共振周波数に一致させ、一致させた第１及び第２駆動周波数に基づいて光源５１によるパルス光の出射タイミングを設定する。つまり、駆動部３は、第１共振周波数が変動すれば、変動後の第１共振周波数に合うように第１駆動周波数を変更して一致させる。換言すると、駆動部３は、変動後の第１共振周波数に第１駆動周波数を追随させる。なお、変動するとは、例えば、第１初期設定値や第２初期設定値が所定の値だけシフトした状態を表す。

また、駆動部３は、第２共振周波数が変動すれば、変動後の第２共振周波数に合うように第２駆動周波数を変更して一致させる。換言すると、駆動部３は、変動後の第２共振周波数に第２駆動周波数を追随させる。

したがって、駆動部３は、第１共振周波数と第２共振周波数との少なくとも一方が変動した場合、変動後の第１共振周波数又は変動後の第２共振周波数に合うように、第１駆動周波数又は第２駆動周波数を変更する。

ここで、本実施形態では、一例として、第１駆動周波数の方が第２駆動周波数よりも周波数の値が高くなっており、二次元ガルバノミラー２０の内側可動部２３ｂは、ｘ軸回りに高速で揺動駆動され、ｙ軸回りに低速で揺動駆動される。

また、駆動部３は、第１駆動回路３１、第２駆動回路３２、第１ずれ量検出部３３、第２ずれ量検出部３４及び周波数変更部３５を含む。第１駆動回路３１は、第１駆動信号を生成し、その信号を光走査部２に出力する。第２駆動回路３２は、第２駆動信号を生成し、その信号を光走査部２に出力する。第１ずれ量検出部３３は、出力された第１駆動信号の周波数と光走査部２の第１共振周波数とのずれ量である第１ずれ量を検出する。第２ずれ量検出部３４は、出力された第２駆動信号の周波数と光走査部２の第２共振周波数とのずれ量である第２ずれ量を検出する。周波数変更部３５は、第１ずれ量検出部３３の検出結果に基づいて、第１駆動周波数を変更し、第２ずれ量検出部３４の検出結果に基づいて、第２駆動周波数を変更する。

以下、第１駆動回路３１、第２駆動回路３２、第１ずれ量検出部３３、第２ずれ量検出部３４及び周波数変更部３５の詳細について説明を続ける。
第１駆動回路３１及び第２駆動回路３２は、それぞれ周波数変更部３５で、新たに変更された周波数に基づいて第１駆動信号、第２駆動信号を生成して光走査部２に出力する。第１駆動回路３１及び第２駆動回路３２は、例えば、ＤＤＳ(Direct Digital Synthesizer)方式又はＰＬＬ(Phase Locked Loop)方式の周波数シンセサイザを備えており、基準クロック信号から自由に周波数を発生させることができる。つまり、第１駆動回路３１及び第２駆動回路３２は、それぞれ高分解能で駆動信号の周波数を設定し、必要に応じて、その周波数を変更することができる。

第１ずれ量検出部３３は、第１駆動回路３１から出力された第１駆動信号と第１ブリッジ回路の出力信号との位相差に基づいて第１ずれ量を検出する。第２ずれ量検出部３４は、第２駆動回路３２から出力された第２駆動信号と第２ブリッジ回路の出力信号との位相差に基づいて第２ずれ量を検出する。ここで、第１ずれ量検出部３３による第１ずれ量と、第２ずれ量検出部３４による第２ずれ量との検出方法について、図４及び図５を用いて簡単に説明する。

図４及び図５は、二次元ガルバノミラーの周波数特性の一例を示す図である。図４は、駆動周波数（横軸）に対する二次元ガルバノミラー２０の揺動角度（縦軸）を示し、図５は、駆動周波数−位相差特性であって、駆動周波数（横軸）に対する駆動信号と二次元ガルバノミラー２０の揺動角度を示す信号（ゲイン［ｄＢ］）（以下、単に「揺動角度信号」という。）との位相差（縦軸）を示している。つまり、第１ブリッジ回路の出力信号は、内側可動部２３ｂのｘ軸回りの揺動角度信号に相当し、第２ブリッジ回路の出力信号は、内側可動部２３ｂのｙ軸回りの揺動角度信号に相当する。

図４、図５において、説明を分かりやすくするため、横軸は、共振周波数を基準として、＋方向及び−方向に所定ヘルツ（例えば２［Ｈｚ］）ずつシフトした目盛り（共振周波数のシフト量）を表している。
図４において、駆動周波数のうちで共振周波数は、グラフのピーク値である。図４では、駆動周波数を第１駆動周波数とし、共振周波数を第１共振周波数とした場合を表しており、第１共振周波数は、第１初期設定値の一例として１４００［Ｈｚ］とする。なお、第２共振周波数についても、二次元ガルバノミラーの周波数特性から、第２初期設定値の一例として４２０［Ｈｚ］とする（図示省略）。ここで、第１共振周波数は、１４００［Ｈｚ］に限定されず、例えば１３００Ｈｚであってもよい。また、第２共振周波数についても、４２０［Ｈｚ］に限定されない。

図５において、二次元ガルバノミラー２０が、共振周波数（この例では、第１共振周波数：１４００［Ｈｚ］とする）と同一の周波数を有する駆動信号で駆動されると、駆動信号（この例では、第１駆動信号）の位相に対して光反射面２４の揺動角度（信号）の位相は９０度遅れる。その結果、駆動信号と揺動角度信号との間には９０度の位相差が発生する。すなわち、駆動信号と光反射面２４の揺動角度信号との位相差が９０度以外の場合には、駆動周波数と二次元ガルバノミラー２０の共振周波数とが一致していない。換言すると、図４及び図５において、例えば、温度変化によって二次元ガルバノミラー２０の周波数特性（共振周波数）がシフトしていると考えることができる。

本実施形態では、二次元ガルバノミラー２０の周波数特性を予め取得しておくことが可能である。したがって、本実施形態では、駆動信号と揺動角度信号との位相差を検出することで、駆動周波数と実際の二次元ガルバノミラー２０の共振周波数とのずれ量を把握することができる。なお、第２共振周波数（４２０［Ｈｚ］）についても、第１共振周波数の値と異なるが、図４、図５と同様の傾向を示すので説明を省略する。

上記の第１ずれ量及び第２ずれ量の検出方法を利用することにより、第１ずれ量検出部３３は、図２に示す内側可動部２３ｂのｘ軸回りの周波数特性に基づいて、第１駆動周波数と第１共振周波数とのずれ量（第１ずれ量）を検出する。また、第２ずれ量検出部３４は、図２に示す内側可動部２３ｂのｙ軸回りの周波数特性に基づいて、第２駆動周波数と第２共振周波数とのずれ量（第２ずれ量）を検出する。

具体的には、第１ずれ量検出部３３は、内側可動部２３ｂのｘ軸回りについて、図５に示すｘ軸回り用の駆動周波数−位相差特性に基づいて、第１駆動信号と第１ブリッジ回路の出力信号との位相差から第１ずれ量（第１共振周波数のシフト量）を検出する。また、第２ずれ量検出部３４は、内側可動部２３ｂのｙ軸回りについて、ｙ軸回り用の駆動周波数−位相差特性（図示省略）に基づいて、第２駆動信号と第２ブリッジ回路の出力信号との位相差から第２ずれ量（第２共振周波数のシフト量）を検出する。

周波数変更部３５は、第１ずれ量検出部３３及び第２ずれ量検出部３４の検出結果に応じて第１駆動周波数及び第２駆動周波数を変更する必要があるか否かを判断し、必要があると判断した場合には、第１駆動周波数及び第２駆動周波数を変更する。或いは、周波数変更部３５は、第１駆動周波数と第２駆動周波数との少なくとも一方を変更する必要があると判断した場合には、その変更を必要する方の第１駆動周波数又は第２駆動周波数を変更する。

本実施形態では、例えば、第１共振周波数、第２共振周波数のシフト量が、基準領域内から所定ヘルツ（例えば２［Ｈｚ］）以内であれば、基準領域内として、周波数変更部３５は、周波数の変更を実行しないこととする。また、第１共振周波数と第２共振周波数との少なくとも一方のシフト量が、基準領域内から所定ヘルツを超えると、周波数変更部３５は、駆動周波数の変更をするためのフラグをオンに設定する。本実施形態では、このフラグをオンに設定する領域をフラグセット領域という。

図５において、例えば、第１共振周波数（第１初期設定値）が所定ヘルツを超えてマイナス側にシフトした場合、位相差が第１閾値を超えるため、周波数変更部３５は、駆動周波数の変更を実行する。また、例えば、第１共振周波数が所定ヘルツを超えてプラス側にシフトした場合、位相差が第２閾値を下回るため、周波数変更部３５は、駆動周波数の変更を実行する。なお、第１閾値及び第２閾値は、基準領域からフラグセット領域にシフトするときの位相差を示す。詳細は、フローチャートの処理で説明する。

図１に戻り、メモリ４は、例えば対象領域内の計測位置、パルス光を出射するタイミングを示す出射時刻（クロック数）、第１駆動周波数の値、第２駆動周波数の値等が関連付けられたタイミングテーブルを複数記憶している。計測位置は、例えば、格子状のブロックに分割された各領域である。

図６は、メモリ領域に記憶されているタイミングテーブルを説明する図である。本実施形態では、例えば、予め、光測距装置１００の製造時に後述する基準領域のタイミングテーブルと、第１〜第８のタイミングテーブルとを、所定のアドレス番号で指定されるメモリ領域４１に記憶しておく。すなわち、本実施形態では、現在使用中のタイミングテーブルに対して、新しく使用するタイミングテーブルを別のアドレスに配置しておくことができる。つまり、本実施形態では、予め複数個のタイミングテーブルを持たせた状態にすることで、タイミングテーブルを選択可能とし、経時変化や温度変化に対して対処可能とすることができる。

図７は、位相差情報に基づいて定まるタイミングテーブルの領域を説明する図である。横軸は、第１駆動周波数の値［Ｈｚ］を示し、縦軸は、第２駆動周波数の値［Ｈｚ］を示している。基準領域は、その中心が、第１共振周波数（第１初期設定値）と第２共振周波数（第２初期設定値）に相当する。本実施形態では、第１共振周波数や第２共振周波数が、温度変化等により変動しても、例えば、基準領域内であれば、リサージュ走査時に対象領域内の計測位置における走査幅のずれは、第１駆動周波数や第２駆動周波数を変更しなくても許容範囲内に収まることを意味する。図７に示す基準領域のタイミングテーブルのデータが、図６に示すメモリ領域４１内の基準領域のタイミングテーブルに記憶されている。

また、図７に示す第１〜第８領域は、第１共振周波数や第２共振周波数の位相差のずれに応じて定まる領域である。周波数変更部３５は、第１ずれ量検出部３３及び第２ずれ量検出部３４の検出結果に応じて、基準領域、第１〜第８領域の何れか１つを決定して、タイミングテーブルの選択を行う。

図８は、第１ずれ量及び第２ずれ量と、タイミングテーブルの領域との対応関係を説明する図である。図８では、基準領域を基準として、第１共振周波数（ＲＦ１）や第２共振周波数（ＲＦ２）の位相差のずれ（第１ずれ量及び第２ずれ量）と、図７に示す第１〜第８領域の対応関係の一例を示している。

例えば、図７に示す第１領域は、第１共振周波数が基準領域からマイナス（−）側に所定ヘルツを超えてシフト（変動）し、第２共振周波数が基準領域からプラス（＋）側に所定ヘルツを超えてシフトしたことを表している。第２領域は、第１共振周波数が基準領域からずれず、第２共振周波数が基準領域からプラス（＋）側に所定ヘルツを超えてシフトしたことを表している。第３領域は、第１共振周波数が基準領域からプラス（＋）側に所定ヘルツを超えてシフトし、第２共振周波数が基準領域からプラス（＋）側に所定ヘルツを超えてシフトしたことを表している。以下、同様にして、第４領域から第８領域についても第１共振周波数と第２共振周波数との少なくとも一方が、所定ヘルツを超えてシフトしたことを表している。なお、図７、図８を用いる処理の詳細については、フローチャートを用いて後述する（図９,１０参照）。

再び、図１に戻り、光源部５は、光走査部２の内側可動部２３ｂに形成された光反射面２４に向かってパルス光を出射するものであり、光源５１と、光源５１の駆動を制御する光源制御部５２と、投光光学系５３と、を含む。

光源５１は、例えばレーザダイオードであり、光源制御部５２からの駆動（出射）信号によって発光してパルス光を出射する。
光源制御部５２は、光源５１によるパルス光の出射タイミングを制御する。光源制御部５２は、タイミングテーブルをメモリ４から読み込み、例えば内側可動部２３ｂ（光反射面２４）の所定の揺動角度（例えば、０度に相当するゲイン）を基準として予め設定されたタイミングで光源５１を発光させる。
投光光学系５３は、光源５１が発したパルス光を好ましい状態（例えば平行光）に変換するものであり、例えばコリメータレンズを含む。

光源部５から出射されたパルス光は、光走査部２の光反射面２４で反射される。これにより、光走査装置１の光走査部２が、反射されたパルス光を用いて、対象領域内をリサージュ走査する。この際、上記タイミングテーブルに基づいて光源５１を発光させることで、対象領域内に対して予め設定した軌跡（リサージュパターン）を描くようにパルス光が出射される。

受光部６は、光源部５から出射されたパルス光の反射光を受光して検知するものであり、例えばフォトセンサを用いることができる。上述した通り、光源部５からのパルス光は、光走査部２により、対象領域内に対してリサージュパターンを描くように出射される。これらの位置に何らかの物体が存在すれば、光源部５から出射されたパルス光は、存在する物体に応じて反射される。受光部６は、この対象領域内に存在する物体による反射したパルス光を受光する。なお、受光部６は、反射したパルス光を直接受光するものであってもよいし、光走査部２の光反射面２４を介して受光するものであってもよい。

測距部７は、光源部５によるパルス光の出射タイミングと、受光部６による反射したパルス光の受光タイミングと、を入力し、両者の時間差（光飛行時間）に基づいてパルス光を反射した物体又は人までの距離を計測する。測距部７による距離の計測は、対象領域内の各計測位置において、光源部５からのパルス光の出射毎に行われ、その計測結果が画像生成部８に出力される。

画像生成部８は、測距部７によって計測された距離に基づいて各計測位置の画素値を決定し、対象領域についての距離画像を例えば光走査部２によるリサージュ走査の一周期毎に生成する。生成される距離画像は、計測された距離毎に色が異なる画像、すなわち、対象領域内の存在する物体については、その距離や奥行きが反映された三次元的な画像とすることができる。この画像生成部８で生成された距離画像は、表示部９に出力される。

表示部９は、例えば液晶画面等のディスプレイを備え、画像生成部８から出力された距離画像を表示する。ユーザは、表示部９に表示される距離画像によって対象領域内に物体が存在するか否かを認識できる。物体が存在する場合には、ユーザは、当該物体の対象領域内における位置、当該物体までの距離、当該物体の形状等も認識することができる。また、距離画像がリサージュ走査周期毎に更新されるので、ユーザは、当該物体の姿勢の変化を認識することができる。

次に、本実施形態の光走査装置１における駆動周波数の変更処理に係る動作について説明する。
図９は、第１駆動周波数及び第２駆動周波数の変更処理の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートの処理に先立って、第１駆動回路３１及び第２駆動回路３２は、それぞれ周波数変更部３５で決定された周波数に基づいて第１駆動信号、第２駆動信号を生成して光走査部２に出力する。ここで、出力された第１駆動信号の周波数及び第２駆動信号の周波数は、前回の変更処理において更新された周波数である。なお、全く更新されていない場合には、第１駆動信号の周波数は、第１共振周波数（第１初期設定値）であり、第２駆動信号の周波数は、第２共振周波数（第２初期設定値）である。

本実施形態では、必要に応じて、駆動周波数の変更、レーザ出射のタイミングの変更、制御パラメータの変更をリサージュ走査周期毎に行うこととする。したがって、以下のフローチャートの処理では、ステップＳ１〜Ｓ５の処理を繰り返すことにより、例えば最新の変更に係る情報をメモリ４の所定の領域に上書きして記憶する。そして、次回のリサージュ走査時に、駆動部３は、最新の変更に係る情報をメモリ４から読み出し、第１、第２共振周波の少なくとも一方が基準領域から外れていれば、駆動周波数の変更、レーザ出射のタイミングの変更、制御パラメータの変更等をした後にリサージュ走査を実行する。以下、具体的に説明する。

ステップＳ１では、駆動部３は、共振周波数の測定のサブルーチンを実行する。このサブルーチンの詳細については、図１０を用いて後述する。このサブルーチンを実行すると、駆動周波数を変更するか否かの情報が得られる。

ステップＳ２では、駆動部３は、駆動周波数を変更する必要があるか否かを判定する。具体的には、周波数変更部３５は、ステップＳ１の処理に基づいて、フラグがオンに設定されているか否かを判定する。なお、フラグがオンに設定されているとは、後述する第１フラグから第８フラグの何れかがオンに設定されていることを意味する。フラグがオンに設定されている場合には、駆動周波数を変更する必要がありと判定し、ステップＳ３の処理に進み、フラグがオフに設定されている場合には、駆動周波数を変更する必要がなしと判定し、ステップＳ１の処理に戻り、共振周波数の測定のサブルーチンを再度繰り返す。

ステップＳ３では、駆動部３は、駆動周波数の変更を実行する。具体的には、駆動部３は、共振周波数の測定のサブルーチンに基づいて、最新の変更に係る情報をメモリ４から読み出し、第１、第２共振周波の少なくとも一方が基準領域から外れていれば、第１フラグから第８フラグの設定状態に基づいて、変更する駆動周波数の値を設定する。
ステップＳ４では、駆動部３は、レーザ出射のタイミングを変更する。具体的には、周波数変更部３５は、選択したタイミングテーブルをメモリ４から読み出して、レーザ出射のタイミングを設定する。
ステップＳ５では、駆動部３は、制御パラメータの変更を行う。具体的には、周波数変更部３５は、選択したタイミングテーブルに基づいて、クロック数等の制御パラメータの変更を行う。

ここで、周波数変更部３５は、第１共振周波数が変動（シフト）することにより基準領域から外れた場合には、第１駆動周波数を第１ずれ量に応じて変更する。また、周波数変更部３５は、第２共振周波数が変動（シフト）することにより基準領域から外れた場合には、第２駆動周波数を第２ずれ量に応じて変更する。なお、第１駆動回路３１及び第２駆動回路３２は、例えば、上述した通り、ＤＤＳ方式又はＰＬＬ方式の周波数シンセサイザを備えているので高分解能での周波数の設定が可能である。つまり、変更された周波数の第１、第２駆動信号を確実に出力することができ、光走査部２を効率的かつ安定して駆動することができる。

次に、共振周波数の測定のサブルーチンについて説明をする。
図１０は、共振周波数の測定におけるサブルーチンの一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１０では、駆動部３は、位相差の測定を行う。具体的には、第１ずれ量検出部３３は、第１駆動周波数と第１共振周波数（ｘ軸回りの共振周波数）とのずれ量（第１ずれ量）を検出する。第２ずれ量検出部３４は、第２駆動周波数と第２共振周波数（ｙ軸回りの共振周波数）とのずれ量（第２ずれ量）を検出する。

ステップＳ１１では、駆動部３は、第１共振周波数と第２共振周波数との少なくとも一方が、基準領域から外れたか否かを判定する。基準領域から外れた場合には、ステップＳ１２に進み、基準領域内であれば、共振周波数の測定のサブルーチンを終了し、図９に示すステップＳ２の処理に戻る。

ステップＳ１２では、駆動部３は、フラグのオンオフを設定するためのフラグセットの処理を行う。具体的には、駆動部３は、ステップＳ１０の位相差の測定処理に基づいて、第１共振周波数と第２共振周波数との組合せで定まる第１〜第８領域の何れかを決定する。ここで、本実施形態では、図７に示す第１〜第８領域をフラグ（第１〜第８フラグ）に対応付ける。すなわち、駆動部３は、ステップＳ１０の位相差の測定処理で、第１領域であれば第１フラグをオンに設定し、第２領域であれば第２フラグをオンに設定し、以下同様にして、第８領域であれば第８フラグをオンに設定する。なお、例えば、第１共振周波数及び第２共振周波数の変動が第１領域から第２領域に移行した場合には、駆動部３は、第１フラグをオフに設定し、第２フラグをオンに設定する。

つまり、フラグがオンに設定されている場合、第１〜第８フラグの何れかがオンにセットされていることを意味し、一方、フラグ（第１〜第８フラグ）がオフに設定されている場合、第１共振周波数及び第２共振周波数が基準領域内にあることを意味する。ステップＳ１２の処理を終了すると、共振周波数の測定のサブルーチンを終了し、図９に示すステップＳ２の処理に戻る。

以上より、本実施形態では、例えば、高分解能での周波数の設定が可能であるので、第１、第２共振周波数の変動に応じて第１、第２駆動周波数をそれぞれ追随させて変更することができ、光走査部２による走査軌跡のずれを効率良く抑制できる。したがって、光走査装置１は、光走査部２に対して効率的かつ安定して駆動することができる。

また、本実施形態では、上述した通り、位相差や出力電圧Ｖｏをモニタすることにより、駆動周波数と共振周波数との関係をモニタすることができる。これにより、本実施形態では、共振周波数が基準領域から外れた場合であっても、第１フラグ〜第８フラグの設定状態に応じて、第１から第８領域の何れかのタイミングテーブルに変更してリサージュ走査を行えるので、経時変化、温度変化等に強いシステムを提供することができる。

また、本実施形態では、温度変化や経時変化等によって第１共振周波数と第２共振周波数との少なくとも一方が変動しても、タイミングテーブルをリアルタイムで生成させる必要がないので、光走査装置の制御部におけるＣＰＵ（Central Processing Unit）の負荷の増大を抑制することができる。

なお、１回のリサージュ走査が終了した際の処理として、より詳細に説明すると以下の通りとなる。上記のフローチャートの処理において、例えば、フラグがオフの設定からオンの設定に変化した場合、駆動部３は、あるフレームの最後の測距点のパルス光を出射し終えた段階で、オンの設定になったフラグに対応するタイミングテーブルのアドレスに参照先を変更する。また、駆動周波数についても、あるフレームの最後の測距点の測定後、駆動周波数を変更する。但し、駆動周波数を変更すると、位相差も変更することになるため、２軸間の位相差が所定の位相関係になるまでの間、パルス光の照射を止める。その後、パルス光の出射を再開することで、タイミングテーブルの変更が可能となる。

次に、以上のような構成を有する光走査装置１を含む光測距装置１００の全体的な動作について説明する。
先ず、メインスイッチ等（図示省略）がオンされて光測距装置１００が起動すると、駆動部３は、第１駆動信号及び第２駆動信号を光走査部２に出力して光反射面２４をｘ軸回り及びｙ軸回りに揺動駆動する。また、光源部５からは、タイミングテーブルに基づいてパルス光が出射される。続いて、対象領域には、光走査部２によるリサージュ走査軌跡上の予め設定された各計測位置にパルス光が出射され、測距部６によって当該各計測位置について測距が行われる。そして、対象領域内の全ての計測位置での測距が完了すると画像生成部８によって対象領域についての距離画像が生成され、この生成された距離画像が表示部９に表示される。すなわち、距離画像は、光走査部２によるリサージュ走査の一周期毎に生成される。

より詳細には、駆動部３の第１ずれ量検出部３３は、第１共振周波数が変動した場合、第１ずれ量を検出し、駆動部３の第２ずれ量検出部３４は、第２共振周波数が変動した場合、第２ずれ量を検出する。つまり、第１ずれ量検出部３３は、リサージュ走査周期毎にｘ軸回りの第１共振周波数を検出し、第２ずれ量検出部３４は、リサージュ走査周期毎にｙ軸回りの第２共振周波数を検出する。駆動部３の周波数変更部３５は、第１共振周波数と第２共振周波数との組合せが図７に示す基準領域から外れた場合、第１〜第８領域に応じて、第１駆動周波数を変動した第１共振周波数に一致させ、第２駆動周波数を変動した第２共振周波数に一致させる。これにより、駆動部３は、第１共振周波数及び第２共振周波数で駆動できるので、二次元ガルバノミラー２０に対して効率的な揺動駆動を実行することができる。

そして、駆動部３は、一致させた第１、第２駆動周波数に基づいて、適切なタイミングテーブルを参照して光源５１によるパルス光の出射タイミングを設定する。
このような処理を行うのは、第１駆動周波数を変動した第１共振周波数に一致させ、第２駆動周波数を変動した第２共振周波数に一致させても、出射タイミングを調整しないと、例えば、各計測位置でリサージュ走査するパルス光の走査幅にずれが生じる場合が発生するからである。そこで、駆動部３は、走査幅のずれを各計測位置で許容範囲内に抑制できるように、出射タイミングを設定する。但し、第１共振周波数と第２共振周波数との比は、効率的な揺動駆動の観点から、例えば３：１程度が保つことが好ましい。
これにより、光走査装置１は、光走査部２による走査幅のずれを各計測位置で許容（誤差）範囲内に抑制することができる。したがって、光測距装置１００は、対象領域における各計測位置で安定した測距を行うことができる。

なお、以上では本発明の一実施形態として光測距装置について説明したが、本発明の他の実施形態として光走査部２及び駆動部３を含む光走査装置として構成することができることはいうまでもない。この場合には、別体で構成された光源から光反射面２４に光が入力され、当該光走査装置はこの入力された光を対象領域内でリサージュ走査できる。

次に、上記実施形態の変形例について説明をする。上記実施形態では、内側可動部２３ｂのｘ軸回り及びｙ軸回りの揺動角度信号を、ピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路の出力電圧で検出した。

しかし、これに限るものではなく、変形例としては、例えば、特開２００４−７８１３０号公報や特開２００４−２４２４８８号公報に記載に基づいて、ピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路の出力電圧以外の信号を、内側可動部２３ｂのｘ軸回り及びｙ軸回りの揺動角度信号として検出してもよい。この場合、変形例では、第１駆動コイル２５ａ及び第２駆動コイル２５ｂに発生する逆起電力を検出し、ｘ軸回り及びｙ軸回りの揺動角度信号を求めてもよい。但し、共振周波数と一致する周波数を有する駆動信号で光走査部２が駆動されると、駆動信号と内側可動部２３ｂの揺動角度信号（逆起電力信号）との位相差は、０度になる。

また、変形例では、内側可動部２３ｂの揺動角度信号を用いることなく、光走査部２又はその近傍の温度に基づいて第１ずれ量及び第２ずれ量を検出するようにしてもよい。例えば、変形例では、光走査部２又はその近傍の温度を検出する温度センサを設けてもよい。すなわち、変形例では、ｘ軸回り及びｙ軸回りのそれぞれについて光走査部２又はその近傍の温度と共振周波数とが対応付けられた「温度−第１共振周波数テーブル」及び「温度−第２共振周波数テーブル」参照をメモリ４に記憶させておく。

このようにすれば、駆動部３は、温度センサの検出結果に基づいて、温度−第１共振周波数テーブルを参照することにより、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量（換言すれば、第１共振周波数の温度変化に伴うシフト量）を検出（算出）することができる。また同様に、駆動部３は、温度センサの検出結果に基づいて、温度−第２共振周波数テーブルを参照することにより、第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量（換言すれば、第２共振周波数の温度変化に伴うシフト量）を検出（算出）することができる。

また、上記実施形態では、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量及び第２駆動信号の周波数と第２共振周波数との第２ずれ量を検出しているが、何れか一方のみを検出するように構成してもよい。好ましくは、高速で揺動駆動されるｘ軸回りに関するずれ量のみ、すなわち、第１駆動信号の周波数と第１共振周波数との第１ずれ量のみを検出するようにする。

また、上記実施形態では、光走査部として電磁駆動式の二次元ガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁駆動式、静電方式、圧電方式、熱方式等の各種の駆動方式で光反射面を有する可動部を揺動駆動する構成の光走査部にも適用することができる。また、本件開示の技術を、一次元ガルバノミラーに適用してもよい。

また、上記実施形態では、複数のタイミングテーブルを設定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、基準領域のテーブルを設定しておき、共振周波数がずれた場合に、基準領域のタイミングテーブルに基づいて、ずれ量に応じたタイミングテーブルを生成するようにしてもよい。

１００…光測距装置、２…光走査部、３…駆動部、４…メモリ、５…光源部、６…受光部、７…測距部、８…画像生成部、９…表示部、２０…二次元ガルバノミラー（光走査部）、２１…固定部、２２ａ,２２ｂ…第１トーションバー、２２ｃ,２２ｄ…第２トーションバー、２３ａ…外側可動部、２３ｂ…内側可動部、２５ａ…第１駆動コイル、２５ｂ…第２駆動コイル、３１…第１駆動回路、３２…第２駆動回路、３３…第１ずれ量検出部、３４…第２ずれ量検出部、３５…周波数変更部、５１…光源、５２…光源制御部、５３…投光光学系

Claims (6)

1. 光反射面を有する可動部が第１、第２駆動周波数によって互いに直交する第１、第２軸回りに揺動され、光源によるパルス光をリサージュ走査する光走査装置であって、
   前記第１軸回りの第１共振周波数のシフト量及び前記第２軸回りの第２共振周波数のシフト量に応じて前記第１、第２駆動周波数を変更し、両共振周波数のシフト方向の組合せに応じたタイミングテーブルに基づいて前記パルス光の出射タイミングを変更する、
   光走査装置。
2. 前記第１共振周波数の第１初期設定値及び前記第２共振周波数の第２初期設定値を含む基準領域と、前記基準領域を取り囲む複数の領域と、が予め設定されており、
   前記基準領域及び前記複数の領域のそれぞれには、前記出射タイミングの情報を含むタイミングテーブルが対応付けられており、
   前記第１共振周波数のシフト量及び前記第２共振周波数のシフト量を検出し、検出結果に応じて前記基準領域及び前記複数の領域のいずれかの領域を決定してタイミングテーブルの選択を行い、選択されたタイミングテーブルに基づいて前記パルス光の前記出射タイミングを設定する、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記両共振周波数のシフト方向の組合せは、前記第１共振周波数のみがプラス方向又はマイナス方向にシフトしたことと、前記第２共振周波数のみがプラス方向又はマイナス方向にシフトしたことと、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数がプラス方向又はマイナス方向にシフトしたことと、及び、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数の一方がプラス方向にシフトし且つ他方がマイナス方向にシフトしたこととを含む、請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記第１共振周波数のプラス方向のシフト量、前記第１共振周波数のマイナス方向のシフト量、前記第２共振周波数のプラス方向のシフト量及び前記第２共振周波数のマイナス方向のシフト量の少なくとも一方が所定ヘルツを超えた場合に、前記第１、第２駆動周波数の変更及び前記出射タイミングの変更を行う、請求項１〜３のいずれか一つに記載の光走査装置。
5. 前記第１共振周波数の第１初期設定値及び前記第２共振周波数の第２初期設定値を含む基準領域が予め設定されており、前記基準領域には、前記出射タイミングの情報を含むタイミングテーブルが対応付けられており、
   前記第１共振周波数のシフト量及び前記第２共振周波数のシフト量を検出し、前記第１共振周波数及び第２共振周波数の少なくとも一方が前記基準領域から外れたか否かを判定し、
   前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数が前記基準領域内にある場合には、前記基準領域に対応付けられたタイミングテーブルに基づいて、前記パルス光の前記出射タイミングを設定し、
   前記第１共振周波数及び第２共振周波数の少なくとも一方が前記基準領域から外れた場合には、前記基準領域に対応付けられたタイミングテーブルに基づいて、前記シフト量に応じた前記出射タイミングの情報を含むタイミングテーブルを生成して、生成したタイミングテーブルに基づいて前記パルス光の前記出射タイミングを設定する、請求項１に記載の光走査装置。
6. 光反射面を有する可動部に向かってパルス光を出射する光源と、
   前記可動部が第１、第２駆動周波数によって互いに直交する第１、第２軸回りに揺動され、前記光源によるパルス光をリサージュ走査する光走査部と、
   前記第１軸回りの第１共振周波数のシフト量及び前記第２軸回りの第２共振周波数のシフト量に応じて前記第１、第２駆動周波数を変更し、両共振周波数のシフト方向の組合せに応じたタイミングテーブルに基づいて前記パルス光の出射タイミングを変更する制御部と、
   を備える、光走査装置。