特許 7102797 光学装置、これを用いた距離計測装置、及び移動体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-11

(45)【発行日】2022-07-20

(54)【発明の名称】光学装置、これを用いた距離計測装置、及び移動体

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20220712BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20220712BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 B

G02B26/10 C

G02B26/10 D

G02B26/10 104Z

G01S7/481 A

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018044805

(22)【出願日】2018-03-12

(65)【公開番号】P2019159067

(43)【公開日】2019-09-19

【審査請求日】2021-01-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(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】池應 敏行

(72)【発明者】

【氏名】山田 泰史

(72)【発明者】

【氏名】坂井 篤

(72)【発明者】

【氏名】軸谷 直人

(72)【発明者】

【氏名】植野 剛

(72)【発明者】

【氏名】塚本 宣就

(72)【発明者】

【氏名】仲村 忠司

(72)【発明者】

【氏名】泉谷 一磨

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 修一

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２９３２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１６８６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０５８１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／２０７３２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１１１０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３０７７３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０７－１７４９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１３３０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５１９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１００４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３７２６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００５８９２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１４５９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１９８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３３８８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／１０ － ２６／１２

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － １７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の面発光レーザ素子が二次元的に配置されている光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
前記光源と前記走査部の間の光路に配置されて前記レーザ光を前記走査部に導く光学系と、
を有し、
前記光源は、前記複数の面発光レーザ素子が同一面内に配列された面発光レーザアレイであり、
前記光学系は、前記光源から出射された前記レーザ光の発散を抑制する第１光学素子と、
前記第１光学素子を通過した前記レーザ光を前記走査部の走査面に集光する第２光学素子と、を含み、
前記第１光学素子は、前記複数の面発光レーザ素子に対応する複数の光学素子を有する光学素子アレイであり、
前記面発光レーザアレイと前記光学素子アレイの間の距離は、前記光学素子アレイの焦点距離未満である
ことを特徴とする光学装置。

【請求項2】

前記光学素子アレイは、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ、または複数の回折レンズを有する回折素子アレイであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

前記第１光学素子は、片面に複数の凸形状のレンズ素子が形成された平凸のレンズ素子アレイであり、
前記レンズ素子アレイの凸面が前記光源に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

【請求項4】

前記第１光学素子は、片面に複数の凸形状のレンズ素子が形成された平凸のレンズ素子アレイであり、
前記レンズ素子アレイの平面が前記光源に対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

前記第１光学素子は、複数の凸形状のレンズ素子が両面に形成された両凸型のレンズ素子アレイであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

【請求項6】

前記光源は、前記複数の面発光レーザ素子で形成されるレーザ素子グループを１以上有する面発光レーザアレイであり、
１以上の前記レーザ素子グループの発光は互いに独立して制御され、
各レーザ素子グループに含まれる前記複数の面発光レーザ素子は、同時に発光することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

【請求項7】

前記光源は、１つの前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ光を１軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項６に記載の光学装置。

【請求項8】

前記光源は、１つの前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ光を２軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項６に記載の光学装置。

【請求項9】

前記光源は、２以上の前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ素子グループの各々から出射される前記レーザ光を１軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項６に記載の光学装置。

【請求項10】

前記光源は、２以上の前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ素子グループの各々から出射される前記レーザ光を２軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項６に記載の光学装置。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置を用いて対象物までの距離を測定する距離計測装置。

【請求項12】

請求項１１に記載の距離計測装置を搭載した移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を走査する光学装置と、これを用いた距離計測装置、及び移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

車両、船舶、航空機などの移動体の運行では、広い角度範囲で対象物の位置情報を検出する技術が用いられる。このようなセンシング技術の一つとして、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging：光検出および測距）がある。ＬｉＤＡＲは光を用いたリモートセンシングであり、レーザ光源から出射されたレーザ光が対象物で反射されて検出器に戻るまでの時間から対象物までの距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight：飛行時間）法が用いられている。レーザ光は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーやポリゴンミラー等の走査手段によって広角度に走査される。ＬｉＤＡＲのレーザ光源として、一般的に基板に対して平行方向に光を出射する端面発光型の半導体レーザが使われている。端面発光型のレーザは集積化が困難であるため、同一基板上への集積化が容易なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：表面発光型レーザ）を光源として用いることが検討されている。ＶＣＳＥＬは、基板に対して垂直方向にレーザ発振する。ＶＣＳＥＬアレイを用いて、複数の発光点からのレーザ光を可動ミラー上に集光し、可動ミラーで光走査する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従来の光走査では、ＶＣＳＥＬからの出射光を集光レンズなどの光学素子で直接可動ミラーに集光して光ビームを走査する。ＶＣＳＥＬは２次元集積化が容易であるが、発光素子１つ当たりの出力パワーは小さく、複数の発光素子を並べることで出力パワーを増大させている。

【0004】

ＬｉＤＡＲでは、測定分解能と測定距離を確保するため、レーザ光源からのレーザ光を高い角度分解能で走査する必要がある。レーザ光の角度分解能ｄθは、レーザ光源の発光領域のサイズａと可動ミラーへ光を集める集光レンズの焦点距離ｆを用いて、
ｄθ＝２×tan-1[(a/2)／ｆ]
と表される。

【0005】

角度分解能を高くするには（すなわちｄθを小さくするには）、ＶＣＳＥＬの発光領域のサイズａを小さくするか、集光レンズの焦点距離ｆを大きくすればよい。実際には、発光領域ａの縮小には限界があり、集光レンズの焦点距離ｆを長くしなければならない。

【0006】

一方、レンズによって集光されるビームウエスト径Ｗは、レーザ光の発散角φと、レンズの焦点距離ｆによって、
Ｗ＝２ｆ×tan（φ/2）
で計算される。高い角度分解能を確保するためにレンズの焦点距離ｆを長くすると、ビームウエスト径Ｗが大きくなり、ミラー面積の大きい可動ミラーが必要となるが、ＬｉＤＡＲシステムにおいて、可動ミラーは小型であることが望ましい。ＭＥＭＳミラーの場合、ミラー面積が小さいほど、高速かつ広範囲の走査を実現することができる。ポリゴンミラーについては、小型であるほど高速走査が可能になるのに加えて、システムをコンパクトにすることができる。

【0007】

高速かつ広範囲の走査を行うＬｉＤＡＲでは、高い角度分解能のレーザ光が求められるが、焦点距離が長くなるとビーム径を絞ることができない。角度分解能を高める目的で焦点距離を長くとったレーザ光を小型の可動ミラーに集光すると、ビーム径が十分に絞られず、可動ミラーに入射しない光成分が発生する。この場合、光走査のための光量が低下して検出可能な距離が短くなる。

【0008】

本発明は、検出距離を低下させることなく、高い角度分解能で高速かつ広範囲の光走査を実現することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、ＶＣＳＥＬの各面発光レーザ素子の光路上に、ＶＣＳＥＬから出射されるレーザ光の発散を抑制する光学素子を設け、レーザ光を小さいビームウエスト径で可動ミラーに集光して入射光量を確保する。

【0010】

より具体的には、光学装置は、
複数の面発光レーザ素子を有する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
前記光源と前記走査部の間の光路に配置されて前記レーザ光を前記走査部に導く光学系と、
を有し、
前記光学系は、前記光源から出射された前記レーザ光の発散を抑制する第１光学素子と、
前記第１光学素子を通過した前記レーザ光を前記走査部の走査面に集光する第２光学素子と、を含む。

【発明の効果】

【0011】

上記の構成により、検出距離を低下させることなく、高い角度分解能で高速かつ広範囲の光走査を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態のＬｉＤＡＲ装置の概略図である。

【図2】光源の構成例を示す図である。

【図3】第１光学素子とＶＣＳＥＬアレイの位置関係を示す図である。

【図4】第１光学素子として回折素子を用いる例を示す図である。

【図5】第２光学素子とＶＣＳＥＬアレイの位置関係を示す図である。

【図6】投光光学系の光路図である。

【図7】可動ミラーの一例を示す図である。

【図8】可動ミラーの別の例を示す図である。

【図9】投光部１による光走査の第１の例を示す図である。

【図10】投光部１による光走査の第２の例を示す図である。

【図11】投光部１による光走査の第３の例を示す図である。

【図12】投光部１による光走査の第４の例を示す図である。

【図13】投光部１による光走査の第５の例を示す図である。

【図14】投光部１による光走査の第６の例を示す図である。

【図15A】隣接したマイクロレンズにレーザ光が入射した際の、ＭＬＡを通過したレーザ光のビームウエスト位置での強度分布を示す図である。

【図15B】可動ミラー１４によって、遠方に投光された光の強度分布を示す。

【図16】発光素子とＭＬＡのレンズ素子の位置関係を示す図である。

【図17】両面凸型のＭＬＡを用いるときの発光素子とレンズ素子の位置関係を示す図である。

【図18】レンズ素子１２１の凸面をＭＬＡの出射側に配置する例を示す図である。

【図19A】ＭＬＡの焦点距離とＶＣＳＥＬ－ＭＬＡ間の距離が一致するときの、ＭＬＡを介して出射されるレーザ光の角度分布である。

【図19B】ＭＬＡの焦点距離がＶＣＳＥＬ－ＭＬＡ間の距離よりも長いときの、ＭＬＡを介して出射されるレーザ光の角度分布である。

【図20】可動ミラーの受光幅とレーザ光のビームウエスト形状を示す図である。

【図21】レーザ光の発散角とビーム径の関係を示す図である。

【図22】異なる発散角で走査したときの走査角に対する光利用効率を示す。

【図23】投光レンズのデフォーカス量に対する副走査方向の角度分解能を発散角ごとに示す図である。

【図24】実施形態のＬｉＤＡＲ装置が適用される移動体の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、実施形態のＬｉＤＡＲ装置１００の概略図である。ＬｉＤＡＲ装置１００は、光学的に距離を計測する距離計測装置の一例である。ＬｉＤＡＲ装置１００は、レーザ光を投光する投光部１と、対象物４０からの反射光Ｌrefを受光する受光部２と、投光部１の制御と受信反射光に基づく距離演算を行う制御・信号処理部３を有する。投光部１は、「特許請求の範囲」における光学装置の一例である。

【0014】

投光部１は、光源の一例であるレーザ光源１１と、走査部としての可動ミラー１４と、レーザ光源１１と可動ミラー１４の間の光路上に配置される投光光学系１６とを有する。投光光学系１６は、レーザ光源１１から出射されるレーザ光の発散角を抑制する第１光学素子１２と、発散角が抑制されたレーザ光を所定の広がり角と角度分解能に変換する第２光学素子１３を含む。可動ミラー１４は、第２光学素子１３から所定の角度分解能で入射するレーザ光を、所望の走査範囲４に走査する。

【0015】

受光部２は、受光素子２１と、光学フィルタ２２と、集光光学系２３を有する。集光光学系２３は、対象物４０からの反射光Ｌrefを集光し、光学フィルタ２２を通して、受光素子２１に入射させる。光学フィルタ２２は、レーザ光源１１の発振波長近傍の波長のみを透過させるフィルタである。発振波長の両側の波長をカットすることで、受光素子２１に入射する光のＳ／Ｎ（信号対雑音）比が向上する。受光素子２１は、１つ以上のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であり、光学フィルタ２２を透過した光を電気信号に変換する。

【0016】

制御・信号処理部３は、レーザ光源１１を駆動するレーザ光源駆動回路３１と、可動ミラー１４の動き（または偏向角）を制御する制御回路３２と、対象物４０の距離を計算する信号処理回路３３を有する。レーザ光源駆動回路３１は、レーザ光源１１の発光タイミングと発光強度を制御する。制御・信号処理部３は、ＬＳＩチップ、マイクロプロセッサ等の集積回路チップ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）等のロジックデバイス、集積回路チップとロジックデバイスの組み合わせ等で実現される。

【0017】

レーザ光源１１からの光は、第１光学素子１２と第２光学素子１３により、可動ミラーに導かれ、可動ミラーによって走査範囲４内に存在する対象物４０に照射される。対象物４０で反射された反射光Ｌrefは、集光光学系２３、光学フィルタ２２を経て、受光素子２１で受光される。受光素子２１は入射光量に応じた光電流を検出信号として出力する。

【0018】

信号処理回路３３は、レーザ光源駆動回路３１から供給される発光タイミング信号と検出信号の時間差とに基づいて距離演算を行い、対象物４０からの距離を計算する。

【0019】

図２は、レーザ光源１１の構成例を示す図である。レーザ光源１１は、たとえば、「レイヤー」と呼ばれるレーザ素子グループが複数、同一面内に配置されたＶＣＳＥＬアレイ１１Ａで形成される（面発光レーザアレイ）。以下の説明では、レーザ光源１１の各レイヤーを形成する「面発光レーザ素子」を「発光素子」と略称する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａはレイヤー１１１－１～１１１－ｍを有し、各レイヤー１１１は、複数の発光素子１１２１～１１２ｎ（以下、適宜「発光素子１１２」と総称する）を有する。

【0020】

発光素子１１２は、同一基板上に集積可能な素子であり、各発光素子１１２の光軸はＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの配置面と直交する。

【0021】

各レイヤー１１１の発光タイミングは、レーザ光源駆動回路３１によって、それぞれ独立に制御されている。また、各レイヤー１１１は、そのレイヤー１１１内に含まれる複数の発光素子１１２が同時に発光するように制御されている。

【0022】

図２では、複数のレイヤー１１１が一次元的に配置されているが、複数のレイヤー１１１が２次元的に配置されたＶＣＳＥＬアレイ１１Ａを用いてもよい。各レイヤー１１１の発光素子１１２は、所定のピッチで細密配置またはハニカム状に配置されているが、この配置例に限定されない。発光素子１１２の開口の形状も六角形に限定されない。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１の数、レイヤー１１１内の発光素子１１２の数、発光領域の大きさ等は、ＬｉＤＡＲ装置１００に必要とされる角度分解能、走査範囲、検出距離等によって、適宜設計される。

【0023】

図３は、第１光学素子１２とＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの位置関係を示す図である。第１光学素子１２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａから出射されたレーザ光の発散を抑制する光学素子である。第１光学素子１２として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ：Micro Lens Array）、回折素子アレイなど、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの発散角を抑制できる適切な光学素子アレイを用いることができる。図３の例では、第１光学素子１２としてＭＬＡ１２Ａを用いる。

【0024】

図３（Ａ）は、光軸に沿った方向から、ＶＣＳＥＬアレイ１１ＡとＭＬＡ１２Ａを重ねて見た図、図３（Ｂ）は、側面から見た図である。ＭＬＡ１２Ａは、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１の配置に対応する複数のレンズグループ１２２を有する。各レンズグループ１２２は、対応するレイヤー１１１内の発光素子１１２と同数のレンズ素子１２１を含む。

【0025】

各レンズ素子１２１は、対応する発光素子１１２と光軸が一致するように配置されており、各発光素子１１２から出力されるレーザ光の発散角を光の屈折作用により抑制する。各レンズ素子１２１のレンズ径は、隣接するレンズ素子１２１が互いに干渉しないように設定され、レンズ素子１２１の間の間隔は、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの発光素子１１２間の間隔よりも小さい。

【0026】

図３（Ｂ）に示すように、ＭＬＡ１２Ａは、レンズ素子１２１の凸面がＶＣＳＥＬアレイ１１Ａから出力されるレーザ光の入射側に位置するように対向して配置されている。ＭＬＡ１２Ａのレンズ素子１２１は、同一の焦点距離を有している。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、ＭＬＡ１２Ａの入射面の間の距離ｄは、ＭＬＡ１２Ａのレンズ素子１２１の焦点距離以下に設定されている。

【0027】

図４は、第１光学素子１２として回折素子アレイ１２Ｂを用いる例を示す。回折素子アレイ１２Ｂは、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１の配置に対応する複数のレンズグループ１２２を有する。各レンズグループ１２２は、対応するレイヤー１１１内の発光素子１１２と同じ数の回折レンズ１２３を含む。

【0028】

回折レンズ１２３は、光軸ＯＡを中心とする同心円状の周期パターンを有し、この周期パターンによって入射光の発散角を抑制する。各回折レンズ１２３は、対応する発光素子１１２と光軸が一致するように配置されており、回折レンズ１２３のレンズ面がレーザ光の入射側に位置する。

【0029】

図５は、第２光学素子１３とＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの位置関係を示す図である。第２光学素子１３は、ＭＬＡ１２Ａにより発散が抑制されたレーザ光を、所定の広がり角と角度分解能に変換する投光レンズである。

【0030】

投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離はｆである。投光レンズのほぼ焦点位置にＶＣＳＥＬアレイ１１Ａが配置されている。レーザ光の広がり角θと角度分解能ｄθは、投光レンズの焦点距離ｆと、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの全体の発光領域のサイズＳ、および各レイヤー１１１の発光領域のサイズａによって、式（１）と式（２）で決定される。

【0031】

θ＝２×tan-1[(S/2)／ｆ] （１）
ｄθ＝２×tan-1[(a/2)／ｆ] （２）
図６は、投光光学系１６の光路図である。投光レンズ（第２光学素子１３）と通ったレーザ光は、投光レンズの焦点位置でビーム径が最も小さくなる。ビーム径が最も小さくなる箇所は「ビームウエスト」と呼ばれる。ビームウエスト径Ｗは、レーザ光源から発振されるレーザ光の発散角φと、投光レンズの焦点距離ｆによって、式（３）で表される。

【0032】

Ｗ＝２ｆ×tan-1(φ/2） （３）
式（３）からわかるように、レーザ光源の発散角φを小さくすることで、ビームウエスト径Ｗを小さくすることができ、ミラー面積の小さい可動ミラーに集光することができる。

【0033】

図７は、可動ミラー１４の一例として、ＭＥＭＳミラー１４Ａを示す。可動ミラー１４は、投光レンズ（第２光学素子１３）を透過したレーザ光を１軸または２軸方向に走査して、走査範囲４内に位置する対象物を照射する。ＭＥＭＳミラー１４Ａは、第２光学素子１３を透過したレーザ光のビーム径が最も小さくなるビームウエスト位置、すなわち第２光学素子１３のほぼ焦点位置に配置される。

【0034】

ＭＥＭＳミラー１４Ａは、反射ミラー１４５を有する可動部１４４と、可動部１４４の両側で可動部１４４を支持する一対の蛇行梁部１４６を有する。各蛇行梁部１４６で、一端が支持基板１４３に固定され、他端は可動部１４４に連結されている。

【0035】

各蛇行梁部１４６は、複数の折り返し部を介して、第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂが交互に配置され、複数の折り返し部を介して蛇行（ミアンダ）パターンを形成している。隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂには、互いに逆位相の電圧信号が印加され、蛇行梁部１４６にＺ方向への反りが発生する。

【0036】

隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂでは、撓みの方向が逆になる。逆方向の撓みが累積されて、反射ミラー１４５を備えた可動部１４４が、回転軸Ａを回転中心として、往復回動する。図７の例では、反射ミラー１４５は矩形形状をしているが、この例に限定されず、楕円形、円形等の反射ミラー１４５を用いてもよい。

【0037】

回転軸Ａを回転中心としたミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂに印加することで、低電圧で大きな回転角度を得ることができる。

【0038】

図８は、可動ミラー１４の別の例として、ポリゴンミラー１４Ｂを示す。ポリゴンミラー１４Ｂは、回転軸１４１に対して等速回転する。この例では、６角形の回転体の６つの傾斜面に平面ミラー１４２ａ～１４２ｆが設けられている。回転体が回転軸１４１を中心として回転することで、レーザ光のミラー面へ入射角が変化し、レーザビームをＸＺ面内で走査することができる。

【0039】

平面ミラー１４２ａ～１４２ｆは、回転軸１４１に対する倒れ角が互いに異なる。所定の倒れ角を各平面ミラー１４２ａ～１４２ｆに与えることで、投射ビームのＹ軸方向の出射角を制御する。レーザ光が反射されるミラー面が変わるたびに、Ｙ軸方向への出力角が変化する。ポリゴンミラー１４Ｂが有するミラー面の数に応じて、Ｙ軸方向の走査領域を広げることができる。

【実施例1】

【0040】

図９は、投光部１による光走査の第１の例を示す図である。１レイヤーを有するＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、１軸走査型の可動ミラー１４を用いる構成例である。可動ミラーとして１軸走査のＭＥＭＳミラー１４Ａ１を用いる。

【0041】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａから出射したレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａによって発散が抑制されて、投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａは、第２光学素子１３の入射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ１は、第２光学素子１３の出射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。第２光学素子１３を通過したレーザ光は、１軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ１に集光され、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ１との角度に依存した方向へ投光される。

【0042】

主走査方向については、ＭＥＭＳミラー１４Ａ１の回転角度を変えることでレーザ光が走査され（図７参照）、走査範囲４内で投光像１０の位置が主走査方向にスイープする。主走査方向の走査範囲は、ＭＥＭＳミラー１４Ａ１の走査角度に依存する。一方、副走査方向の走査範囲は、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの副走査方向の広がり角θで決まる。広がり角θは式（１）により、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの副走査方向の発光領域のサイズＳと、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆで決まる。

【0043】

走査されるレーザ光の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに、式(２)に基づいて、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆと、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１の発光領域のサイズにより決定される。

【0044】

レイヤー１１１の発光領域のサイズの低減には限界があるが、ＭＬＡ１２ＡでＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光の発散が抑制されているので、ビームウエストが絞られたレーザ光がＭＥＭＳミラー１４Ａ１の反射領域１４８に入射する。これにより、光量の低下を抑制し、高分解能を維持して広範囲にレーザ光を走査することができる。

【0045】

なお、１軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ１に替えて、ポリゴンミラーなどレーザ光に対して可動ミラーの角度が１軸で変化する任意のミラーを用いてもよい。

【実施例2】

【0046】

図１０は、投光部１による光走査の第２の例を示す図である。１レイヤーを有するＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、２軸走査型の可動ミラー１４を用いる構成例である。可動ミラーとして、２軸走査のＭＥＭＳミラー１４Ａ２を用いる。ＭＥＭＳミラー１４Ａ２は、主軸Ｒmainの回りに回動することでレーザ光を主走査方向に走査し、副軸Ｒsubの回りに回動することで、レーザ光を副走査方向に走査する。

【0047】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａによって発散が抑制されて投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａは、第２光学素子１３の入射側で焦点距離ｆの近傍に位置する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ２は、第２光学素子１３の出射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。第２光学素子１３を通過したレーザ光は、２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ２に入射し、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ２との角度に依存した方向へ投光される。

【0048】

ＭＥＭＳミラー１４Ａ２は、主走査方向と副走査方向の角度を変えることでレーザ光を走査する。投光像１０は、所定の走査範囲４内で、主走査方向へのスイープと、副走査方向へのシフトを交互に繰り返す。主走査方向と副走査方向の走査範囲は、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の走査角度に依存する。走査されるレーザ光の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに、式(２)に基づいて、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆと、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１の発光領域のサイズにより決定される。

【0049】

この構成例でも、ＭＬＡ１２ＡでＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光の発散が抑制されているので、ビームウエストが絞られたレーザ光がＭＥＭＳミラー１４Ａ２の反射領域１４８に入射する。これにより、光量の低下を抑制し、高分解能を維持して広範囲にレーザ光を走査することができる。

【0050】

なお、２軸走査のＭＥＭＳミラー１４Ａ２に替えて、ポリゴンミラーなどレーザ光に対して可動ミラーの角度が２軸で変化する任意のミラーを用いてもよい。

【実施例3】

【0051】

図１１は、投光部１による光走査の第３の例を示す図である。副走査方向に２つ以上のレイヤー１１１を有するＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、１軸走査のＭＥＭＳミラー１４Ａ１を用いる。

【0052】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａによって発散が抑制されて投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａは、第２光学素子１３の入射側で焦点距離ｆの近傍に位置する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ１は、第２光学素子１３の出射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。

【0053】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１－１～１１１－４の発光タイミングは個別に制御され、順次、駆動される。レイヤー１１１－１～１１１－４から出射されるレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａの対応するレンズグループ１２２－１～１２２－４によって発散が抑制されて、投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。第２光学素子１３へのレーザ光の入射位置１３１－１～１３１－４は、駆動されているレイヤー１１１に応じて副走査方向で異なる。第２光学素子１３を通過したレーザ光は、１軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ１の対応する反射領域１４８－１～１４８－４のいずれかに集光され、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ１との角度に依存した方向へ投光される。

【0054】

レイヤー１１１－１が駆動されているときは、副走査方向の第１の位置で、投光像１０－１が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－２が駆動されているときは、副走査方向の第２の位置で、投光像１０－２が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－３が駆動されているときは、副走査方向の第３の位置で、投光像１０－３が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－４が駆動されているときは、副走査方向の第４の位置で、投光像１０－４が主走査方向にスイープする。

【0055】

主走査方向の走査範囲は、実施例１と同様に、ＭＥＭＳミラー１４Ａ１の走査角度に依存する。一方、副走査方向の走査範囲は、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの副走査方向の広がり角θ、すなわちＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの全体の発光領域のサイズＳと、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆによって、式（１）により決まる。

【0056】

走査されるレーザ光の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに、式(２)に基づいて、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆと、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの各レイヤー１１１の発光領域のサイズａにより決定される。

【0057】

図１１では、複数のレイヤー１１１－１～１１１－４で同時にレーザ光を出力するのではなく、レイヤー１１１ごとに発光タイミングを制御することで、副走査方向に分割された４つの走査領域で、独立して測定している。

【0058】

レイヤー１１１の発光領域のサイズの低減には限界があるが、ＭＬＡ１２Ａの各レンズグループ１２２により、対応するレイヤー１１１からのレーザ光の発散が抑制されているので、ビームウエストが絞られたレーザ光をＭＥＭＳミラー１４Ａ１の反射領域１４８に入射することができる。これにより、光量の低下を抑制し、高分解能を維持して広範囲にレーザ光を走査することができる。

【0059】

なお、１軸のＭＥＭＳミラー１４Ａ１に替えて、ポリゴンミラーなどレーザ光に対して可動ミラーの角度が１軸で変化する任意のミラーを用いてもよい。

【実施例4】

【0060】

図１２は、投光部１による光走査の第４の例を示す図である。副走査方向に少なくとも２つのレイヤー１１１を有するＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ２を用いる。ＭＥＭＳミラー１４Ａ２は、主軸Ｒmainの回りに回動することでレーザ光を主走査方向に走査させ、副軸Ｒsubの回りに回動することでレーザ光を副走査方向にシフトさせる。

【0061】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａによって発散が抑制されて投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａは、第２光学素子１３の入射側で焦点距離ｆの近傍に位置する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ１は、第２光学素子１３の出射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。

【0062】

実施例３と同様に、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１－１～１１１－４の発光タイミングは個別に制御され、順次、駆動される。レイヤー１１１－１～１１１－４から出射されるレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａの対応するレンズグループ１２２－１～１２２－４によって発散が抑制されて、投光レンズ（第２光学素子１３）の対応する領域に入射する。

【0063】

第２光学素子１３を通過したレーザ光は、２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ２の反射領域に集光され、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ２との角度に依存した方向へ投光される。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー１１１－１～１１１－４の発光タイミングは個別に制御され、順次、駆動される。レイヤー１１１－１～１１１－４から出射されるレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａの対応するレンズグループ１２２－１～１２２－４によって発散が抑制されて、投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。第２光学素子１３へのレーザ光の入射位置１３１－１～１３１－４は、駆動されているレイヤー１１１に応じて副走査方向で異なる。

【0064】

第２光学素子１３を通過したレーザ光は、２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ２の対応する反射領域１４８－１～１４８－４のいずれかに集光され、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ2との角度に依存した方向へ投光される。

【0065】

２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ2が副軸のＲsubに対して、θsub-n傾いているとき、レイヤー１１１－１～１１１－４が作る投光像を10-n-1～10-n-4とする。実施例３と同様に、レイヤー１１１－１が駆動されているときは、副走査方向の第１の位置で、投光像10-n-1が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－２が駆動されているときは、副走査方向の第２の位置で、投光像10-n-2が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－３が駆動されているときは、副走査方向の第３の位置で、投光像10-n-3が主走査方向にスイープする。レイヤー１１１－４が駆動されているときは、副走査方向の第４の位置で、投光像10-n-4が主走査方向にスイープする。

【0066】

投光像10-n-1～10-n-4が主走査方向のスイープが終了すると、２軸走査型のＭＥＭＳミラー１４Ａ2の副軸Ｒsubに対する傾きがθsub-(n+1)に変化し、投光像の10-(n+1)-1～10-(n+1)-4の主走査方向へのスイープを順次行う。この動作を繰り返すことで、実施例３に比べて、より広い範囲の副走査方向を走査することができる。

【0067】

主走査方向の走査範囲は、実施例１と同様に、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の主走査方向の走査角度に依存する。一方、副走査方向の走査範囲は、式（１）と、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の副走査方向の走査角度とによって決定される。

【0068】

走査されるレーザ光の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに、式(２)に基づいて、投光レンズ（第２光学素子１３）の焦点距離ｆと、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの各レイヤー１１１の発光領域のサイズａにより決定される。

【0069】

図１２では、複数のレイヤー１１１－１～１１１－４で同時にレーザ光を出力するのではなく、レイヤー１１１ごとに発光タイミングを制御することで、走査範囲４内で、副走査方向に分割された４つの走査領域で、独立して測定している。

【0070】

レイヤー１１１の発光領域のサイズの低減には限界があるが、ＭＬＡ１２Ａの各レンズグループ１２２でＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの各レイヤー１１１からのレーザ光の発散が抑制されているので、ビームウエストが絞られたレーザ光をＭＥＭＳミラー１４Ａ2の対応する反射領域１４８に入射することができる。これにより、光量の低下を抑制し、高分解能を維持して広範囲にレーザ光を走査することができる。

【0071】

なお、２軸のＭＥＭＳミラー１４Ａ2に替えて、ポリゴンミラーなどレーザ光に対して可動ミラーの角度が２軸で変化する任意のミラーを用いてもよい。

【実施例5】

【0072】

図１３は、投光部１による光走査の第５の例を示す図である。主走査方向に少なくとも２つのレイヤー１１１を有するＶＣＳＥＬアレイ１１Ａと、１軸走査または２軸走査の可動ミラー１４を用いる。図１３の例では２軸走査のＭＥＭＳミラー１４Ａ２を用いる。

【0073】

実施例１～４では、各レイヤー１１１を可動ミラー１４によって広角度に走査していたが、実施例５では、レイヤー１１１ごとに走査領域を分割する。

【0074】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａからのレーザ光は、ＭＡＬ１２Ａによって発散が抑制され、投光レンズ（第２光学素子１３）に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａは、第２光学素子１３の入射側で焦点距離ｆの近傍に位置する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ２は、第２光学素子１３の出射側で、焦点距離ｆの近傍に位置する。

【0075】

第２光学素子１３を通過したレーザ光は、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の対応する反射領域に集光され、入射レーザ光とＭＥＭＳミラー１４Ａ２との角度に依存した方向へ投光される。

【0076】

主走査方向に配置されたＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの複数のレイヤー１１１のうち、レイヤー１１１－１からのレーザ光は第２光学素子１３の対応する領域に入射して、走査領域４１１に投光像１０１が形成される。同様に、レイヤー１１１－ｋ（図１３の例では、ｋは１～４の整数）からのレーザ光は、第２光学素子１３によって、対応する走査領域４１ｋに投影され、光学像１０ｋが形成される。

【0077】

ＭＥＭＳミラー１４Ａ２を主走査方向と副走査方向に走査することで、光学像１０ｋが走査領域４１ｋの全体をスイープする。この場合の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに式（２）に基づく。一方、走査範囲４については、主走査方向の範囲は、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の走査による各レイヤー１１１の光走査範囲と、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａのレイヤー数の掛け算で決まる。副走査方向の範囲は、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の走査によるレイヤー１１１の走査範囲で決まる。なお、各レイヤー１１１の走査領域４１の大きさがレイヤーごとに異なるように、可動ミラー１４の走査範囲を変えても良い。

【実施例6】

【0078】

図１４は、投光部１による光走査の第６の例を示す図である。実施例６では、実施例５の走査方式において、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの複数のレイヤー１１１を、主走査方向と副走査方向に２次元配置している。図をわかりやすくするためにＭＬＡ１２Ａの絵を省略してあるが、レイヤー１１１の２次元配列に合わせて、ＭＬＡ１２Ａの複数のレンズグループ１２２も、２次元的に配置されている。

【0079】

ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの各レイヤー１１１を、１１１－ｉｊ（ｉ、ｊは自然数）とする。レイヤー１１１－ｉｊから出射されたレーザ光は、ＭＬＡ１２Ａの対応するレンズグループ１２２－ｉｊによって発散が抑制され、第２光学素子１３によって、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の対応する反射領域１４８ｉｊに入射する。ＭＥＭＳミラー１４Ａ２で反射されたレーザ光の光学像1０ｉｊは、走査領域４1ｉｊに投影される。

【0080】

ＭＥＭＳミラー１４Ａ２を主走査方向と副走査方向に走査することで、光学像1０ｉｊは走査領域４1ｉｊの全体を走査する。この場合の角度分解能ｄθは、主走査方向、副走査方向ともに、式（２）に基づく。一方、走査範囲については、主走査方向、副走査方向のいずれも、ＭＥＭＳミラー１４Ａ２の走査によるレイヤー１１１の光走査範囲と、その走査方向でのＶＣＳＥｌアレイ１１Ａのレイヤー数の掛け算で決定される。なお、各レイヤー１１１の走査領域４１の大きさがレイヤーごとに異なるように、可動ミラー１４の走査範囲を変えても良い。
＜ＶＣＳＥＬ発光素子とレンズ素子の配置関係＞
図１５Ａと図１５Ｂは、発光素子１１２ｎから出射されたレーザ光が対応するレンズ素子１２１ｎだけでなく、隣接するマイクロレンズ１２１(ｎ＋１)に入射した場合におけるレーザ光の強度分布を示す図である。

【0081】

図１５Ａは、ビームウエスト位置、すなわち可動ミラー１４の反射面での強度分布である。発光素子１１２から対応するレンズ素子１２１に入射した光は、中心に集光されて高いビーム強度を示す。一方、周囲のレンズ素子に入射した光は、ターゲットのレンズ素子１２１の結像位置と異なる位置に集光され、第２光学素子１３を通過した後のビームウエスト位置でも、中心から外れた位置に結像する。周辺領域に集光される光は、可動ミラー１４に入射せずに光損失となるだけではなく、ビームウエスト位置で迷光として現れる。

【0082】

図１５Ｂは、可動ミラー１４によって遠方に投光（反射）された光の強度分布を示す。可動ミラー１４で反射されたビームは、遠方に投光されて、スポット形状がＹ方向に広がる。対応するレンズ素子を通って可動ミラー１４に入射したレーザ光は、スポット形状が拡がってもある程度の強度を維持している。隣接するレンズ素子を取って周辺に漏れ出た迷光は、走査されるレーザ光の迷光となって現れる。距離測定に用いる光の周辺に迷光が含まれると、誤検知の要因となる。発光素子１１２とレンズ素子１２１の位置関係は、光軸を合わせるだけではなく、隣接するレンズ素子にレーザ光が入射しない配置関係が必要である。

【0083】

実施形態では、一つの配置例として、ＭＬＡ１２Ａのレンズ素子１２１の凸面を発光素子１１２の側に向けることで迷光の発生を抑制する。

【0084】

図１６は、実施形態のレンズ配置の原理を説明する図である。

【0085】

レンズ素子１２１が平凸レンズの場合、ＭＬＡ１２Ａは片面に複数の凸形状のレンズ素子１２１が形成された平凸のレンズ素子アレイとなる。通常は、図１６（Ｂ）のように、収差の観点から平凸レンズの平面を発光素子１１２の側に向ける。しかし、ＭＬＡ１２Ａの場合、各レンズ素子１２１の有効径は小さく、一方でＭＬＡ基板の厚さは、一般的に数１００μｍ～数ｍｍ（例えば、100μｍ～10ｍｍの間）オーダーになる。図１６（Ｂ）のように、平面を発光素子１１２の側に向けた場合、発光素子１１２ｎからのレーザ光がレンズ素子１２１ｎの凸面に到達する時点で、レーザ光はレンズ素子１２１ｎの径以上に広がって隣接するレンズ素子１２１ｍに入射する。

【0086】

そこで、ひとつの実施形態では、図１６（Ａ）のように、レンズ素子１２１の凸面を、発光素子１１２の側に向ける。ＬｉＤＡＲ装置の場合、レーザ光を所定の角度分解能で、所定の走査範囲に制御できればよいので、結像面での球面収差を厳密に考慮しなくてもよい。ＭＬＡの平面を発光素子１１２側に向けなくても、投光部１の動作にはほとんど影響しない。

【0087】

ただし、レンズの凸面を発光素子１１２の側に向けた場合でも、図１６（Ｃ）のようにＶＣＳＥＬの発光面とＭＬＡ１２Ａの距離が離れすぎると、隣接するレンズ素子にレーザ光が入って迷光が発生する。そのため、発光素子１１２とレンズ素子１２１の光軸が一致し、かつ発光素子１１２から出射されたレーザ光が隣接するレンズ素子１２１に入射しない距離に、レンズ素子１２１の凸面が配置される。

【0088】

図１７は、第１光学素子１２として両面にレンズ素子１２１ｎ１、１２１ｎ２を有する両面凸型のＭＬＡ１２Ｃを用いるときの発光素子１１２とレンズ素子１２１の位置関係を示す。凸型のレンズ素子１２１ｎ１と１２１ｎ２を両面に配置することで、片面凸レンズ構成よりも、さらに発散角を抑制することができる。この場合、ＭＬＡ１２Ｃの入射側のレンズ素子１２１ｎ１と、出射側のレンズ素子１２１ｎ２のそれぞれが、対応する発光素子１１２ｎと同軸上に配置されている。

【0089】

図１７（Ａ）は、発光素子１１２ｎとレンズ素子１２１ｎ１および１２１ｎ２の位置関係が適切な例を示す。発光素子１１２ｎから出射したレーザ光は、そのビーム径がレンズ径よりも大きくなる前にレンズ素子１２１ｎ１の凸面に入射する。入射レーザ光は、レンズ素子１２１ｎ１とレンズ素子１２１ｎ２によって、発散が効果的に抑制される。

【0090】

図１７（Ｂ）は、発光素子１１２ｎと入射側のレンズ素子１２１ｎ１の距離が近すぎる配置を示す。入射側では、レーザ光は隣接するレンズ素子１２１に入射しないが、出射側のレンズ素子１２１ｎ２の凸面に到達した時点で、レーザ光のビーム径がレンズ径よりも広がっている。

【0091】

図１７（Ｃ）は、発光素子１１２ｎと入射側のレンズ素子１２１ｎ１の距離が遠すぎる配置を示す。レーザ光は、入射側のレンズ素子１２１ｎ１の凸面に到達した時点で、ビーム径がレンズ径よりも広がっている。

【0092】

両面凸型のＭＬＡ１２Ｃを用いる場合は、入射側と出射側の両方で、対応するレンズ素子１２１にだけレーザ光が入射する構成とすることで、迷光の発生を防止する。

【0093】

図１８は、レンズ素子１２１の凸面をＭＬＡ１２Ａの出射側に配置する例を示す。ＭＬＡ基板が、発光素子１１２nからのレーザ光が隣接するレンズ素子１２１mに入らないほどの薄さであれば、光は対応するレンズ素子１２１nのみに入ってそのレンズ素子１２１nの凸面から出射する。この場合は、図１８のようにＭＬＡ１２Ａの凸面を出射側に配置、すなわち平面をＶＣＳＥＬアレイ１１Ａに対向させて配置してもよい。ＭＬＡ１２Ａの平面を発光素子１１２の側に向ける場合、ウェハレベルでＶＣＳＥＬ基板とＭＬＡ基板を接合してパッケージングが可能になり、生産性の向上やコスト削減の効果がある。図１８に開示されるＭＬＡ基板の厚さは、発光素子からのレーザ光との関係で適宜設計される。
＜ＶＣＳＥＬ－ＭＡＬ間距離とＭＬＡの焦点距離＞
ＭＬＡ１２Ａまたは１２Ｃ、回折素子アレイ１２Ｂなどの第１光学素子１２を用いることで、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの各発光素子１２１から出力されるレーザ光の発散を抑制することができる。ただし、高出力を得るために発光素子の発光面積を大きくすると、結像系で第１光学素子１２による発散角の抑制効果が低下する場合があり得る。

【0094】

同一間隔で発光素子１１２が配置されたＶＣＳＥＬアレイ１１Ａにおいて、発光面積を大きくすると、レーザ光のビーム径も大きくなる。ＭＬＡ１２Ａの隣接するレンズ素子１２１にレーザ光を入射させないようにするためには、ＶＣＳＥＬアレイ１１ＡとＭＬＡ１２Ａの距離を短くする必要がある。一方、結像系ではＭＬＡの焦点距離が短くなり、発散角が大きくなる。

【0095】

そこで、実施形態では、レーザ光源１１（たとえばＶＣＳＥＬアレイ１１Ａで形成される）と第１光学素子１２（たとえばＭＬＡ１２Ａ）の間の距離ｄと同等以上の焦点距離をもつ第１光学素子１２を用いて、発散角の抑制効果を確保する。

【0096】

ＭＬＡ１２Ａの焦点距離ｆMLAを、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａとの間の距離ｄよりも長くした場合、レーザ光は、本来平行に進むために必要な曲率よりもゆるい曲率（大きな曲率半径）の界面で屈折することから、各発光点から光の屈折が弱くなる。すなわち、ＭＬＡ１２Ａの焦点距離ｆMLAをＶＣＳＥＬ－ＭＬＡ間の距離ｄと一致させた場合に比べて、発散角は小さくなる。発散角は抑制されても、各発光点からの光はある程度は発散しながら進むので、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの出力は、角度分布を持ったレーザ光となる。

【0097】

図１９Ａと図１９Ｂは、ＭＬＡを介して出射されるレーザ光の角度分布である。図１９Ａは、ＭＬＡの焦点距離ｆMLAと、ＶＣＳＥＬ－ＭＬＡ間の距離dが一致しているとき（ｆMLA＝ｄ）の角度分布、図１９Ｂは、ＭＬＡの焦点距離ｆMLAがＶＣＳＥＬ－ＭＡＬ間の距離ｄよりも大きいとき（ｆMLA＞ｄ）の角度分布である。

【0098】

図１９Ａと図１９Ｂの双方で、発散角が１８．５°のレーザ光源に対して、ＭＬＡ１２Ａの入射面を８０μｍ離して配置し（ｄ＝８０μｍ）、水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）で、放射輝度を角度の関数として測定している。

【0099】

図１９Ｂ（ｆMLA＞ｄ）の方が、図１９Ａ（ｆMLA＝ｄ）よりも角度分布があり、発散角が小さくなる。角度分布の多いレーザ光は、角度分布が少ないレーザ光に比べて、同じビーム径に集光した場合に、中心部分の強度がより高く、外周部分の強度が低くなる（図１９Ｂの分布プロファイル参照）。

【0100】

可動ミラー１４における光量ロスは、可動ミラー１４に集光されなかったレーザ光の外周部の光量ロスであるため、同じ発散角のレーザ光でも、角度分布のあるレーザ光のほうが、より少ない光量ロスで可動ミラーに結像する。その結果、ＬｉＤＡＲ装置から出射されるレーザ光のパワーが高くなり、より遠方の対象物までの距離を測定することが可能になる。

【0101】

ＶＣＳＥＬ－ＭＬＡ間の距離ｄよりも長い焦点距離のＭＬＡを用いることで、可動ミラー１４への結像光学系で光量ロスを低減し、ＬｉＤＡＲ装置の測距性能を向上することができる。

【0102】

図２０は、可動ミラー１４の受光幅とビームウエスト形状を示す図である。ＬｉＤＡＲでは、入射レーザ光に対する可動ミラー１４の角度を変えて、光ビームを走査する。１軸の可動ミラー１４を考えると、可動ミラー１４の受光幅Ｄeffは、可動ミラーの幅Ｄと、入射レーザ光に対する可動ミラーの傾きθMEMSから、
Ｄeff＝Ｄ×cosθMEMS
で表される。

【0103】

可動ミラーの傾き角度が大きくなるに従って、受光幅Ｄeffは小さくなる。広角度の走査の場合、可動ミラー１４の回転角が大きくなると可動ミラーに集光されないレーザ光の量が増加し、光利用効率が低下する場合があり得る。実施形態では、あらかじめ第１光学素子１２でレーザ光の発散角を小さくすることで、広角度の走査でも光量ロスを最小限にする。

【0104】

図２１は、レーザ光源の発散角とビーム径の関係を示す図である。図２１（Ａ）は、異なる発散角のレーザ光を投光レンズ（第２光学素子１３）で集光したときの副走査方向のビーム径を示す。四角マークは、発散角１８．５°のレーザ光を焦点距離３０ｍｍの投光レンズで集光したときのビーム径を、投光レンズからの距離の関数としてプロットしたものである。黒丸は、ＭＬＡ１２Ａにより発散角を１０．６°に抑制したレーザ光を焦点距離３０ｍｍの投光レンズで集光したときのビーム径をプロットしたものである。三角マークは、ＭＬＡ１２Ａにより発散角を７．８°に抑制したレーザ光を焦点距離３０ｍｍの投光レンズで集光したときのビーム径をプロットしたものである。

【0105】

ＭＬＡ１２Ａの有無にかかわらず、レーザ光は投光レンズの焦点距離と一致する３０ｍｍの位置でビームウエストになっている。また、ＭＬＡ１２Ａによって発散角を抑制することにより、より小さいビーム径で集光できることがわかる。

【0106】

図２１（Ｂ）は、レーザ光の発散角の関数としてビームウエスト径をプロットした図である。黒丸が測定値、点線は式（３）に基づく計算値である。

【0107】

Ｗ＝２ｆ×tan-1(φ/2） （３）
投光レンズの焦点距離ｆは、３０ｍｍである。

【0108】

計算結果と実際のビームウエスト径は一致しており、投光系としてはＭＬＡの有無に関係なく、投光レンズ（第２光学素子１３）を通過した後のビームウエスト径は、投光レンズ後の発散角に依存して小さくできる（式（３）参照）。

【0109】

図２２は、異なる発散角で走査したときの走査角に対する光利用効率を示す。図２１と同様に、ＭＬＡなしの発散角１８．５°と、ＭＬＡを用いた発散角１０．６°および７．８°のレーザ光を、それぞれ焦点距離３０ｍｍの投光レンズを介して、ビームウエスト位置で１軸のＭＥＭＳミラー１４Ａに集光する。ＭＥＭＳミラー１４Ａのサイズは、水平方向と垂直方向で１０ｍｍ×１４ｍｍである。ＭＥＭＳミラー１４Ａを、主走査方向に１４０°の範囲で回転したときの走査角度に対する光利用効率を示す。

【0110】

上述したように、発散角が小さいほど、投光レンズによって集光されるレーザ光のビームウエスト径Ｗは小さくなるため、走査角が大きくなったときの光利用効率が向上し、広角度範囲での距離測定が可能になる。たとえば、光利用効率９５％以上の範囲を距離測定可能な範囲とすると、ＭＬＡにより発散角を１８．５°から１０．６°、さらには７．８°に抑制することで、走査可能な角度範囲は５５°から１００°、さらには１２０°へと拡大される。

【0111】

ＬｉＤＡＲ装置に適用する場合、ＭＬＡ１２ＡによってＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの発散角を抑制することで、ミラー面積の小さい（例えば、矩形の反射ミラーの短手方向の長さが１ｍｍ～２０ｍｍ程度の）可動ミラー１４へ効率的に集光し、広い角度範囲で長距離測定を行うことができる。

【0112】

図２３は、投光レンズのデフォーカス量に対する副走査方向の角度分解能を、発散角ごとに示す図である。透光レンズのデフォーカス量は、投光レンズを焦点位置から光軸に沿って移動させたときの距離である。横軸のマイナス側は投光レンズをＶＣＳＥＬアレイ側に近づけた場合であり、プラス側はＶＣＳＥＬアレイから遠ざけた場合である。

【0113】

発散角を小さくすることによる副次的な効果として、投光レンズの実装精度の緩和がある。図２３からわかるように、発散角を小さくするほど、投光レンズが焦点距離からずれた場合の角度分解能の変化量が小さい。ＭＬＡ１２Ａにより、ＶＣＳＥＬアレイ１１Ａの発散角を抑制することで、投光レンズ（第２光学素子１３）の角度分解能のばらつきが小さくなり、投光レンズの実装精度を緩和することができる。

【0114】

図２４は、ＬｉＤＡＲ装置１００を搭載した移動体の概略図である。移動体は、たとえば自動車５０１であり、ＬｉＤＡＲ装置１００は自動車５０１のフロントグラスの上方、前座席の天井などに取り付けられる。ＬｉＤＡＲ装置１００は、たとえば自動車５０１の進行方向に向かって光走査して、進行方向に存在する対象物４０からの反射光を受光することで、対象物４０を認識する。ＬｉＤＡＲ装置１００の投光部１は、ＭＬＡなどの第１光学素子１２であらかじめレーザ光の発散角を抑制して光走査するので、可動ミラー１４などの走査部での光損失が低減され、高い角度分解能でレーザ光を遠方まで投光することができる。

【0115】

ＬｉＤＡＲ装置１００の搭載位置は、自動車５０１の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。ＬｉＤＡＲ装置１００は、車両だけではなく、航空機、ドローンなどの飛行体、ロボット等の自律移動体など、任意の移動体に適用可能である。実施形態の投光部１の構成を採用することで、広い範囲で物体の存在とその位置を検知することができる。

【符号の説明】

【0116】

１ 投光部（光学装置）
２ 受光部
３ 制御・信号処理部
１１ レーザ光源（光源）
１１Ａ ＶＣＳＥＬアレイ
１１１ レイヤー（レーザ素子グループ）
１１２ 発光素子（面発光レーザ素子）
１２ 第１光学素子
１２Ａ ＭＬＡ（光学素子アレイ）
１２Ｂ 回折素子アレイ（光学素子アレイ）
１２１ レンズ素子(光学素子)
１３ 第２光学素子
１４ 可動ミラー（走査部）
１００ ＬｉＤＡＲ装置（距離計測装置）
５０１ 自動車（移動体）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0117】

【文献】特開２０１０－１５１９５８号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】