(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】P2024079346
(43)【公開日】2024-06-11
(54)【発明の名称】光源、検出装置及び測定装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20240604BHJP
G01S 17/42 20060101ALI20240604BHJP
H01S 5/42 20060101ALI20240604BHJP
H01S 5/183 20060101ALI20240604BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20240604BHJP
G01S 17/931 20200101ALN20240604BHJP
【FI】
G01S7/481 Z
G01S17/42
H01S5/42
H01S5/183
H01S5/022
G01S17/931
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022192235
(22)【出願日】2022-11-30
(71)【出願人】
【識別番号】000001133
【氏名又は名称】株式会社小糸製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100122183
【弁理士】
【氏名又は名称】小澤 一郎
(72)【発明者】
【氏名】小野田 幸央
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 義朗
(72)【発明者】
【氏名】時田 主
(72)【発明者】
【氏名】曽根 秀倫
【テーマコード(参考)】
5F173
5J084
【Fターム(参考)】
5F173AC00
5F173MA10
5F173MC15
5F173MD65
5J084AA04
5J084AA05
5J084AC02
5J084AD01
5J084BA04
5J084BA07
5J084BA12
5J084BA16
5J084BA20
5J084BA34
5J084BA40
5J084BA49
5J084CA65
5J084CA67
5J084EA06
5J084EA18
(57)【要約】
【課題】光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図る新たな技術を提供する。
【解決手段】光源38は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部40と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備える。発光部40は、発光領域の中央を含む領域に配置された第1のレーザ素子が含まれる第1のグループG1と、第1のグループの外側に配置された第2のレーザ素子が含まれる第2のグループG2と、を有する。駆動部は、第1のグループが発する光の発光強度が第2のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように発光部を駆動する。
【選択図】
図6
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部と、
複数のグループに分けられた前記複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備え、
前記発光部は、発光領域の中央を含む領域に配置された第1のレーザ素子が含まれる第1のグループと、前記第1のグループの外側に配置された第2のレーザ素子が含まれる第2のグループと、を有し、
前記駆動部は、前記第1のグループが発する光の発光強度が前記第2のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように前記発光部を駆動することを特徴とする光源。
【請求項2】
前記発光部は、前記第1のレーザ素子のエミッタサイズが前記第2のレーザ素子のエミッタサイズよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の光源。
【請求項3】
前記発光部は、前記第1のグループにおける前記第1のレーザ素子の配置密度が前記第2のグループにおける前記第2のレーザ素子の配置密度よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の光源。
【請求項4】
前記複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光源。
【請求項5】
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光源と、
対象物で反射された前記光源が発した光を受光する受光部と、
を備える検出装置。
【請求項6】
請求項5に記載の検出装置と、
前記光源が発した光が対象物で反射されて前記受光部で検出されるまでの時間に基づいて前記検出装置と前記対象物との距離を算出する演算部と、
を備える測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源に関し、例えば、車両周囲の状況を検出する装置に用いられる光源に関する。
【背景技術】
【0002】
車両の周囲の状況を検出する種々の検出装置が考案されている。このような検出装置の一つとして、LiDAR(Light Detection And Ranging)が知られている。LiDARは、レーザ光を照射し、物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し、物体までの距離や方向を測定する。また、LiDARの光源として、面発光レーザ(VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER))を備えた物体検出装置が知られている(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光源としてのVCSELには、アイセーフティーの確保や消費電力の削減を考慮したアドレッサブルVCSELがある。アドレッサブルVCSELは、マトリックス状に配置された複数のエミッタをチップの上の行から下の行に順次発光することで、垂直方向の走査が可能である。LiDARでは、長距離検知するときの赤外光の照射範囲は、短距離検知のときの赤外光の照射範囲よりも狭くてよい。一方で、長距離検知するときの赤外光の出力は、狭い照射範囲において高出力が求められる。そのため、長距離検知の際には、チップ内の一部の行だけ電流を増やすことで出力を高めることが一案である。
【0005】
しかしながら、一般的なアドレッサブルVCSELは、チップ内のエミッタが全て同サイズ、同間隔で形成されている。そのため、部分的に高い電流で動作すると、その部分の劣化が早くなる懸念がある。
【0006】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図る新たな技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光源は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備える。発光部は、発光領域の中央を含む領域に配置された第1のレーザ素子が含まれる第1のグループと、第1のグループの外側に配置された第2のレーザ素子が含まれる第2のグループと、を有する。駆動部は、第1のグループが発する光の発光強度が第2のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように発光部を駆動する。
【0008】
この態様によると、第1のグループが発する光の発光強度が、第1のグループの外側に配置された第2のグループが発する光の発光強度よりも高いため、第1のグループが発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源を検出装置に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。
【0009】
発光部は、第1のレーザ素子のエミッタサイズが第2のレーザ素子のエミッタサイズよりも大きい。これにより、第1のグループが発する光の出力を高めることができる。
【0010】
発光部は、第1のグループにおける第1のレーザ素子の配置密度が第2のグループにおける第2のレーザ素子の配置密度よりも高い。これにより、第1のグループが発する光の出力を高めることができる。
【0011】
複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザであってもよい。これにより、例えば、検出装置の受光部で可視光と干渉しにくくなる。
【0012】
本発明の他の態様は検出装置である。この検出装置は、光源と、対象物で反射された光源が発した光を受光する受光部と、を備える。
【0013】
また、本発明の更に別の態様は測定装置である。この測定装置は、検出装置と、光源が発した光が対象物で反射されて受光部で検出されるまでの時間に基づいて検出装置と対象物との距離を算出する演算部と、を備える。
【0014】
以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を製造方法、灯具や照明などの装置、発光モジュール、光源などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】
図1(a)は、横一列に並んだエミッタが一方向に順次発光が可能なアドレッサブルVCSELの模式図、
図1(b)は、各エミッタの発光を独立して制御可能なアドレッサブルVCSELの模式図である。
【
図2】光源として
図1(a)に示すVCSELを用いたLiDARを説明するための模式図である。
【
図3】光源から照射されるレーザ光の照射範囲を説明するための模式図である。
【
図4】
図4(a)は、参考例に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図4(b)は、
図4(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図4(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【
図5】本実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。
【
図6】
図6(a)は、本実施の形態の実施例1に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図6(b)は、
図6(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図6(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【
図7】
図7(a)は、本実施の形態の実施例2に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図7(b)は、
図7(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図7(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【
図8】
図8(a)は、本実施の形態の実施例3に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図8(b)は、
図8(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図8(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【
図9】
図9(a)は、本実施の形態の実施例4に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図9(b)は、
図9(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図9(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0018】
(アドレッサブルVCSEL)
図1(a)は、横一列に並んだエミッタが一方向に順次発光が可能なアドレッサブルVCSELの模式図、
図1(b)は、各エミッタの発光を独立して制御可能なアドレッサブルVCSELの模式図である。
図1(a)や
図1(b)に示すアドレッサブルVCSEL(以下、VCSELと称する。)100,200は、半導体プロセスによってチップ10にマトリックス状に配列された複数のエミッタ12が形成されたものである。本実施の形態に係るVCSELは、波長が900nm程度の赤外面発光レーザであるが、他の波長のレーザであってもよい。また、各エミッタの直径は、10~20μm程度であるが、この範囲に限られず、それ以上でもそれ以下の直径であってもよい。また、エミッタ同士のピッチは、50~100μm程度であるが、この範囲に限られず、それ以上でもそれ以下のピッチであってもよい。
【0019】
本実施の形態では、
図1(a)に示す一行ごとの順次発光が可能なVCSEL100を光源に用いたLiDARを例に説明する。なお、
図1(b)に示すVCSEL200を光源に用いてもよい。
図2は、光源として
図1(a)に示すVCSELを用いたLiDARを説明するための模式図である。
【0020】
図2に示すLiDAR20は、光源14から照射されたライン状の光L1がターゲット16で反射し、反射したライン状の光L2が受光部18で受光する。受光部18は、複数の受光素子が二次元配列したものである。
【0021】
光源14から照射された光L1は、上下方向に移動しながらターゲットの表面を走査する。一方、受光部18には、ターゲット16で反射されたライン状の光L2が上下方向に移動しながら入射する。これにより、光源14の特定のエミッタから出射した光は、受光部18の対応する受光素子に入射するため、その時間差に基づいてLiDAR20からターゲット16までの距離を算出することができる。
【0022】
図3は、光源14から照射されるレーザ光の照射範囲を説明するための模式図である。
図3に示すイメージUは、光源14を上方から見た照射範囲の違いを示している。領域R1は、光源から100m程度前方までに必要な照射範囲(照射角度α=120°)であり、領域R2は、光源から200~300m程度前方までに必要な照射範囲(照射角度β=30°)である。また、
図3に示すイメージFは、光源から前方を見た照射範囲の違いを示している。領域R1’は、光源から100m程度前方の鉛直方向の仮想スクリーン上の照射範囲(照射角度120°)であり、領域R2’は、光源から200~300m程度前方の鉛直方向の仮想スクリーン上の照射範囲(照射角度30°)である。
【0023】
図3に示すように、領域R2’は、狭い範囲であるものの遠方に位置するため、強い光で照射する必要がある。
図4(a)は、参考例に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図4(b)は、
図4(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図4(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。なお、以下の説明では、各光源は、複数のエミッタがマトリックス状に配置されている例を示すが、レイアウトはこれに限られない。
【0024】
参考例に係る光源22は、
図4(a)に示すように、各行のエミッタの発光領域は全て1mm
2/行である。また、光源22の中央の行(上から4~6行)のエミッタ22a2に印加する電流は2A/行、光源22の上部の行(上から1~3行)及び下部の行(上から7~9行)のエミッタ22a1に印加する電流は1A/行である。したがって、
図4(c)に示すように、光源22の中央の行の電流密度は2A/mm
2、光源22の上の行及び下の行の電流密度は1A/mm
2である。この場合、特定の行に高い電流を印加することで、遠方を照射する光の放射強度を高くすることは可能であるが、電流密度が高い光源22の中央の領域のエミッタが優先的に劣化する可能性がある。
【0025】
そこで、本実施の形態では、特定の行のエミッタの径や配置密度(レイアウト)を他の行のエミッタの径や配置密度(レイアウト)と異ならせることで、特定の行の高出力のエミッタの劣化を抑制できる光源を実現した。
【0026】
図5は、本実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。測定装置24は、検出装置26と、演算部31と、を備える。演算部31は、光源28が発した光L1が対象物30で反射された光L2として受光部32で検出されるまでの時間に基づいて検出装置26と対象物30との距離を算出する。検出装置26は、光源28と、受光部32と、を備える。
【0027】
光源28は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部34と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部36と、を備える。本実施の形態に係る複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザが好ましい。これにより、例えば、検出装置26の受光部32で可視光(太陽光)と干渉しにくくなる。また、受光部32は、CMOSやCCD等のイメージセンサが用いられる。
【0028】
図6(a)は、本実施の形態の実施例1に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図6(b)は、
図6(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図6(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【0029】
実施例1に係る光源38は、
図6(a)に示すように、光源38の中央の各行のエミッタ38a2の発光領域が2mm
2/行である。また、光源38の上部の各行及び下部の各行のエミッタ38a1の発光領域が1mm
2/行である。また、
図6(b)に示すように、光源38の中央の各行に印加する電流は2A、光源22の上部の行及び下部の各行に印加する電流は1Aである。
【0030】
したがって、
図6(c)に示すように、光源38の中央の各行の電流密度は1A/mm
2、光源38の上部の各行及び下部の各行の電流密度も1A/mm
2である。この場合、特定の中央の行のエミッタ38a2に高い電流を印加しても、エミッタサイズも大きく発光領域も広いため、光源38の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。なお、エミッタ38a2のサイズ(直径)は、同じ行の全てで同じにしてもよいし、同じ行の中央部に形成されているエミッタ38a2のサイズを同じ行の他のエミッタ38a2のサイズよりも大きくしてもよい。
【0031】
このように、実施例1に係る光源38の発光部40は、発光領域の中央を含む領域に配置されたエミッタ38a2(第1のレーザ素子)が含まれる第1のグループG1(上から4~6行の中央の行)と、第1のグループの外側に配置されたエミッタ38a1(第2のレーザ素子)が含まれる第2のグループG2(上から1~3行、7~9行)と、を有する。駆動部36は、第1のグループG1が発する光の発光強度(2Aに対応する相対強度)が第2のグループG2が発する光の発光強度(1Aに対応する相対強度)よりも高くなるように発光部40を駆動する。
【0032】
これにより、エミッタ38a2が発する光の発光強度が、第1のグループG1の上下方向外側に配置されたエミッタ38a1が発する光の発光強度よりも高いため、第1のグループG1が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源38を検出装置26に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。
【0033】
また、発光部40は、エミッタ38a2のエミッタサイズがエミッタ38a1のエミッタサイズよりも大きい。これにより、第1のグループG1が発する光の出力を高めることができる。
【0034】
図7(a)は、本実施の形態の実施例2に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図7(b)は、
図7(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図7(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【0035】
実施例2に係る光源42は、
図7(a)に示すように、光源42の中央の各行のエミッタ42a2の発光領域が2mm
2/行である。また、光源42の上部の各行及び下部の各行のエミッタ42a1の発光領域が1mm
2/行である。また、
図7(b)に示すように、光源42の中央の各行に印加する電流は2A、光源42の上部の各行及び下部の各行に印加する電流は1Aである。一方、第1のグループG1の各行に形成されているエミッタ42a2の数は、第2のグループG2の各行に形成されているエミッタ42a1の数の2倍である。したがって、
図6(c)に示すように、光源38の中央の各行の電流密度は1A/mm
2、光源42の上部の各行及び下部の各行の電流密度も1A/mm
2である。この場合、特定の中央の行のエミッタ42a2に高い電流を印加しても、各行のエミッタ42a2の数が多く発光領域も広いため、光源42の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。
【0036】
これにより、エミッタ42a2が多く形成されている中央で発する光の発光強度が、第1のグループG1の外側に配置されたエミッタ42a1が少なく形成されている上部の行及び下部の行において発する光の発光強度よりも高いため、第1のグループG1が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源42を検出装置26に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。
【0037】
また、発光部44は、第1のグループG1におけるエミッタ42a1の配置密度(1行あたりの数)が第2のグループG2におけるエミッタ42a2の配置密度よりも高い。これにより、第1のグループG1が発する光の出力を高めることができる。
【0038】
図8(a)は、本実施の形態の実施例3に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図8(b)は、
図8(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図8(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【0039】
実施例3に係る光源46は、
図8(a)に示すように、光源46の中央の各行のエミッタ42a2の発光領域が1.33mm
2/行である。また、光源46の上部の各行及び下部の各行のエミッタ46a1の発光領域が1mm
2/行である。また、
図8(b)に示すように、光源42の中央の行に印加する電流は1.33A、光源22の上部の行及び下部の行に印加する電流は1Aである。一方、第1のグループG1の各行に形成されているエミッタ46a2の数は、第2のグループG2の各行に形成されているエミッタ42a1の数の1.5倍である。また、グループG1の各行に形成されているエミッタ46a2は、左右端部ではグループG2の各行に形成されているエミッタ46a1と同じ間隔であるが、中央部ではグループG2の各行に形成されているエミッタ46a1の半分の間隔である。
【0040】
したがって、
図8(c)に示すように、光源46の中央の各行の電流密度は1A/mm
2、光源46の上部の各行及び下部の各行の電流密度も1A/mm
2である。この場合、特定の中央の行のエミッタ46a2に高い電流を印加しても、各行のエミッタ46a2の数が多く発光領域も広いため、光源46の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。このように、実施例3に係る光源46は、実施例2に係る光源42と比較して、同じ行でもエミッタの配置密度が異なる(中央の密度が高い)。
【0041】
これにより、エミッタ46a2が多く形成されている光源46の中央(領域S)で発する光の発光強度が、第1のグループG1の外側に配置されたエミッタ46a1が少なく形成されている上部の行及び下部の行において発する光の発光強度よりも高いため、第1のグループG1が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源46を検出装置26に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。
【0042】
図9(a)は、本実施の形態の実施例4に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、
図9(b)は、
図9(a)に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、
図9(c)は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。
【0043】
実施例4に係る光源48は、
図9(a)に示すように、光源48の中央の各行のエミッタ48a2の発光領域が1mm
2/行である。また、光源48の上部の各行及び下部の各行のエミッタ48a1の発光領域も1mm
2/行である。また、
図9(b)に示すように、光源48の中央の行に印加する電流は2A、光源48の上部の行及び下部の行に印加する電流は1Aである。一方、第1のグループG1の各行に形成されているエミッタ48a2の数は、第2のグループG2の各行に形成されているエミッタ48a1の数と同数である。したがって、
図9(c)に示すように、光源38の中央の行の電流密度は2A/mm
2、光源48の上部の行及び下部の行の電流密度は1A/mm
2である。このように、特定の中央の行のエミッタ48a2に高い電流を印加すると、
図4の参考例に係る光源22と同様に、優先的に劣化する可能性がある。そこで、実施例4に係る光源48では、中央の行間を、上部の行間及び下部の行間より広げることで、中央の行のエミッタ48a2の温度Tjの上昇を抑えることができる。
【0044】
なお、上述の各光源では、各行のエミッタの発光が隣接する一行毎に順次行われるが、例えば、奇数行を順次発光した後に偶数行を順次発光するように駆動部が発光部を駆動してもよい。これにより、光源の発熱箇所が分散され、光源の放熱性が向上する。
【0045】
以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態や各実施例に限定されるものではなく、実施の形態や各実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や各実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態や各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【0046】
10 チップ、 12 エミッタ、 14 光源、 16 ターゲット、 18 受光部、 20 LiDAR、 24 測定装置、 26 検出装置、 28 光源、 30 対象物、 31 演算部、 32 受光部、 34 発光部、 36 駆動部、 38 光源、 38a エミッタ、 40 発光部、 G1 第1のグループ、 G2 第2のグループ。