特許 7531112 投光装置、および移動体

(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】2024-08-01

(45)【発行日】2024-08-09

(54)【発明の名称】投光装置、および移動体

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/295 20060101AFI20240802BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20240802BHJP

【ＦＩ】

G02F1/295

G01S7/481 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021570650

(86)(22)【出願日】2020-10-23

(86)【国際出願番号】 JP2020040011

(87)【国際公開番号】W WO2021145045

(87)【国際公開日】2021-07-22

【審査請求日】2023-08-24

(31)【優先権主張番号】P 2020005282

(32)【優先日】2020-01-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100188813

【弁理士】

【氏名又は名称】川喜田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100184985

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 悠

(74)【代理人】

【識別番号】100202197

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 成康

(74)【代理人】

【識別番号】100218981

【弁理士】

【氏名又は名称】武田 寛之

(72)【発明者】

【氏名】鳴海 建治

(72)【発明者】

【氏名】橋谷 享

(72)【発明者】

【氏名】清原 督三

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０７５０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２０５１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０３－０１４４７７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１９／１８７７７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１０２１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】GU, Xiaodong et al.，Beam-steering in hollow ZrO2/SiO2 distributed Bragg reflector waveguides for one-dimensional RGB imaging，Japanese Journal of Applied Physics，日本，The Japan Society of Applied Physics，2014年01月30日，Vol. 53，030302-1 - 030302-3

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

Ｇ０２Ｂ ６／３５

Ｇ０２Ｂ ２６／００－２６／０８

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／００－３／３２

Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１

１７／００－１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光偏向装置を備える投光装置であって、
前記光偏向装置は、
互いに対向し、第１方向に沿って延びる第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置し、前記第１方向に沿って光を導波させる光導波層であって、屈折率および／または厚さを変化させることが可能な構造を有する光導波層と、
を備え、
前記第１ミラーは、前記第２ミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬した前記光の少なくとも一部を外部に出射する光出射面を有し、
前記光導波層の前記屈折率および／または前記厚さを変化させることにより、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光の出射角度を、角度θ_１から、前記角度θ_１よりも大きい角度θ_２の範囲で変化させることが可能であり、
前記光偏向装置は、前記光出射面から出射角度θ_１で出射された第１の光が、前記光出射面から出射角度θ_２で出射された第２の光より鉛直下方に向けて投光されるように配置される、
投光装置。

【請求項2】

前記第１ミラーの前記光出射面から出射された前記光の光路上に配置され、前記第１の光が前記第２の光よりも鉛直下方に向くように、前記光の方向を変化させる光学素子をさらに備える、請求項１に記載の投光装置。

【請求項3】

前記光学素子は、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光を屈折させる、請求項２に記載の投光装置。

【請求項4】

前記光学素子は、前記光出射面から出射される前記光の広がり角を拡大または縮小させる１以上のレンズを含む、
請求項３に記載の投光装置。

【請求項5】

前記光学素子は、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光を反射させる、
請求項２に記載の投光装置。

【請求項6】

前記光学素子は、前記光出射面から出射される前記光の広がり角を拡大または縮小させる１以上のミラーを含む、
請求項５に記載の投光装置。

【請求項7】

前記光導波層の前記屈折率および／または前記厚さを変化させる制御装置をさらに備える、
請求項１から６のいずれかに記載の投光装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれかに記載の投光装置を備える移動体であって、
前記投光装置は、前記第１ミラーの前記光出射面から、前記移動体の前方に向けて前記光を出射する、
移動体。

【請求項9】

光偏向装置を備える投光装置であって、
前記光偏向装置は、
第１方向に沿って配列され、各々が第２方向に延びる複数の光導波路と、
前記複数の光導波路にそれぞれ接続される複数の位相シフタと、
を備え、
前記第１方向および前記第２方向に平行な光出射面から出射される光の前記第１方向に沿った出射角度を、角度θ_１から、前記角度θ_１よりも大きい角度θ_２の範囲で変化させることが可能であり、
前記光偏向装置は、前記光出射面から出射角度θ_２で出射された第１の光が、前記光出射面から出射角度θ_１で出射された第２の光より鉛直下方に向けて投光されるように配置される、
投光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、投光装置、および移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、シーンを投光ビームによってスキャンし、シーンに含まれる対象物からの反射光を検出して対象物までの距離を計測する種々のデバイスが提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１２８６６３号公報

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、遠距離の対象物の検出可能な距離を長くでき、かつ近距離の対象物の検出信号が飽和することを抑制できる投光装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係る投光装置は、光偏向装置を備える投光装置であって、前記光偏向装置は、光出射面を備え、前記光出射面に交差する方向に向けて光を出射し、前記光出射面から出射される前記光の前記第１方向に沿った出射角度を、第１角度から、前記第１角度よりも大きい第２角度の範囲で変化させることが可能であり、前記光偏向装置は、前記光出射面から前記第１角度で出射された第１の光と、前記光出射面から前記第２角度で出射された第２の光とのうち、遠方における前記第１方向のスポット幅が大きい一方が、他方より鉛直下方に向けて投光されるように配置される。

【発明の効果】

【0006】

本開示の技術によれば、遠距離の対象物の検出可能な距離を長くでき、かつ近距離の対象物の検出信号が飽和することを抑制できる投光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、例示的な実施形態による投光装置が備える構造の例を模式的に示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。

【図3A】図３Ａは、伝搬角度が相対的に小さい場合において、光出射面から光が出射される様子を模式的に示す図である。

【図3B】図３Ｂは、伝搬角度が相対的に大きい場合において、光出射面から光が出射される様子を模式的に示す図である。

【図4】図４は、伝搬長と出射光のＸ方向の広がり角との関係の一例を示す図である。

【図5A】図５Ａは、本開示の実施形態における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図5B】図５Ｂは、本開示の実施形態における投光装置の例を模式的に示す側面図である。

【図6】図６は、本実施形態の投光装置が近距離または遠距離の対象物を検出する動作を説明するための図である。

【図7A】図７Ａは、本実施形態の第１変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図7B】図７Ｂは、図７Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。

【図8A】図８Ａは、本実施形態の第２変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図8B】図８Ｂは、図８Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。

【図9A】図９Ａは、本実施形態の第３変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。

【図10A】図１０Ａは、本実施形態の第４変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図10B】図１０Ｂは、図１０Ａに示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。

【図11A】図１１Ａは、本実施形態の第５変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図11B】図１１Ｂは、図１１Ａに示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。

【図12】図１２は、本実施形態の第６変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図13A】図１３Ａは、本実施形態の第７変形例における投光装置の例を模式的に示す斜視図である。

【図13B】図１３Ｂは、図１３Ａに示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。

【図14A】図１４Ａは、本実施形態における投光装置を車両に搭載した第１応用例を模式的に示す斜視図である。

【図14B】図１４Ｂは、本実施形態における投光装置を車両に搭載した第１応用例を模式的に示す側面図である。

【図15】図１５は、本実施形態における投光装置を監視システムに搭載した第２応用例を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

【0009】

図１は、例示的な実施形態による投光装置１００が備える構造の例を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。参考のために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が模式的に示されている。本明細書では、軸の矢印が向く方向を＋方向とし、その反対の方向を－方向とする。ただし、これらの呼称は説明の便宜上用いられるに過ぎず、これらの呼称は光偏向装置１０が実際に使用されるときの姿勢を限定しない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するわけではない。

【0010】

投光装置１００は、少なくとも１つの光偏向装置１０を含む。光偏向装置１０は、不図示の光源から発せられた光ビームを所定の方向に向けて出射する。光偏向装置１０は、第１ミラー３０、第２ミラー４０、および光導波層２０、を備える。第１ミラー３０および第２ミラー４０は、互いに対向し、Ｘ方向に延びている。第１ミラー３０は、第２ミラー４０よりも＋Ｚ方向の位置に配置されている。第１ミラー３０の透過率は、第２ミラー４０の透過率よりも高い。第１ミラー３０および第２ミラー４０の少なくとも一方は、例えば、複数の高屈折率層および複数の低屈折率層が交互に積層された多層反射膜から形成され得る。第１ミラー３０および第２ミラー４０は、同じ高屈折率層および同じ低屈折率層を含む多層反射膜から形成され得る。この場合、第１ミラー３０の積層数を第２ミラー４０の積層数よりも少なくすれば、第１ミラー３０の透過率は第２ミラー４０の透過率よりも高くなる。光導波層２０は、第１ミラー３０と第２ミラー４０との間に位置する。

【0011】

第１ミラー３０は、光導波層２０とは反対の側に、ＸＹ平面に平行な光出射面３０ｅｓを有する。光２２は、光導波層２０内を第１ミラー３０および第２ミラー４０によって反射されながらＸ方向に沿って伝搬する。その際、光２２の一部が光出射面３０ｅｓから、光ビーム２２ｂとして外部に出射される。光ビーム２２ｂの中心軸の方向は、光導波層２０の屈折率および／または厚さに依存する。本明細書では、光ビーム２２ｂの中心軸の方向を、単に「光ビーム２２ｂの出射方向」と称する。

【0012】

光導波層２０は、印加される駆動電圧の変化に応じて屈折率および／または厚さが変化する構成を有し得る。図２に示す例において、光導波層２０は液晶材料を含み、光導波層２０の反射面３０ｓおよび反射面４０ｓには駆動電圧を印加するための２つの電極１０ｅが設けられ得る。不図示の制御装置からの制御信号の入力によって駆動電圧が変化すると、光導波層２０の屈折率が変化し、光出射面３０ｅｓから出射される光ビーム２２ｂの出射方向がＸ方向に沿って変化する。他の例において、光導波層２０は気体または液体を含み、第１ミラー３０および／または第２ミラー４０には、駆動電圧が印加されたときに変形するアクチュエータが取り付けられ得る。不図示の制御装置からの制御信号の入力によって駆動電圧が変化すると、アクチュエータの変形によるミラー間隔の変化に伴って光導波層２０の厚さが変化し、光出射面３０ｅｓから出射される光ビーム２２ｂの出射方向がＸ方向に沿って変化する。以上のように、光偏向装置１０は、外部からの制御信号に応答して、光出射面３０ｅｓから出射される光ビーム２２ｂの出射方向をＸ方向に沿って変化させることができる。図１のＸ方向に平行な太線は、光ビーム２２ｂのスキャン方向を表す。

【0013】

光偏向装置１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。

【数1】

【0014】

ここで、ｎ_ｗは光導波層２０の屈折率、λは空気中での光の波長、ｄは光導波層２０の厚さ、ｍは次数である。式（１）からわかるように、λ、ｎ_ｗまたはｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。

【0015】

投光装置１００は、光導波層２０の屈折率および／または厚さを変化させる不図示の制御装置を備える。

【0016】

光偏向装置１０の動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。

【0017】

＜出射角度と出射光の広がり角＞
光偏向装置１０から出射される光の広がり角は、対象物に照射されるビームスポットのエネルギー密度を決定する。広がり角が狭くなると、ビームスポットのエネルギー密度は向上し、広がり角が広くなると、エネルギー密度は低下する。以下、従来の光偏向装置１０から出射される光の広がり角と、出射角度との関係を説明する。

【0018】

光偏向装置１０から出射される光のファーフィールドパターンは、図２に示す光出射面３０ｅｓでの電界分布のフーリエ変換に相当する。光２２は光導波層２０の内部で伝搬するので、光偏向装置１０が単独で存在する場合、出射光の遠方でのＹ方向の広がり角は、主として光導波層２０の幅に依存する。

【0019】

一方、出射光の遠方でのＸ方向の広がり角は、主として光２２の伝搬長に依存する。すなわち、光導波層２０を伝搬する光２２の伝搬長が長くなるほど、出射光の遠方（すなわち、ファーフィールド）でのＸ方向の広がり角は狭くなる。逆に、光導波層２０を伝搬する光の伝搬長が短くなるほど、出射光の遠方（すなわち、ファーフィールド）でのＸ方向の広がり角は広くなる。ここで、伝搬長とは、光導波層２０を減衰しながら伝搬する光２２の強度が１／ｅ倍に減少する距離を意味する。ｅは自然対数の底である。広がり角とは、出射角度θを中心に両側に広がる角度Δθを意味する。具体的には、広がり角は、角度スペクトルにおける出射光の半値全幅として記述される。

【0020】

一般的には、光導波層２０の幅よりも伝搬長の長さが長い場合には、出射される光の遠方でのスポットはライン形状に近くなる。

【0021】

図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、伝搬角度φが相対的に小さい場合と相対的に大きい場合とにおいて、光出射面３０ｅｓから光が出射される様子を模式的に示す図である。簡単のため、第１ミラー３０および第２ミラー４０の反射率は、伝搬角度φによらず一定であると仮定する。図３Ａに示す例では、伝搬角度φが小さいことから、反射面３０ｓおよび反射面４０ｓが単位長さ当たりに光２２を反射する回数が多くなる。したがって、伝搬長Ｌ_ｐは短くなる。図３Ｂに示す例では、伝搬角度φが大きいことから、反射面３０ｓおよび反射面４０ｓが単位長さ当たりに光２２を反射する回数が少なくなる。したがって、伝搬長Ｌ_ｐは長くなる。伝搬角度φと出射角度θとの間には正の相関関係があることから、出射角度θが大きくなるほど、伝搬長Ｌ_ｐも長くなる。なお、図３Ａおよび図３Ｂにおいて両矢印によって示された伝搬長Ｌ_ｐは、模式的に表されており、実際の長さを表しているわけではない。

【0022】

図４は、伝搬長Ｌ_ｐと出射光のＸ方向の広がり角Δθとの関係の一例を示す図である。図４に示すグラフは、各構成要素の寸法および誘電率などの条件が適切に設定された１つの光偏向装置１０から出射される光ビームの線幅を、伝搬長を様々に変更して計算した結果を示している。図４に示すように、伝搬長Ｌ_ｐが長くなるほど、出射光の広がり角Δθが狭くなる。前述のように、出射角度θが増加すると、伝搬長Ｌ_ｐが増加することから、出射角度θが増加するほど、出射光の広がり角Δθは減少する。このように、出射角度θが変わると、出射光の広がり角Δθが変化することがわかった。

【0023】

本発明者らは、この現象を地面に対して垂直な方向にスキャンする投光装置に応用すれば、比較的簡単な構成で、遠距離の対象物の検出可能な距離を長くでき、かつ近距離の対象物の検出信号が飽和することを抑制できることを見出した。以下に説明する本開示の実施形態は、当該知見に基づいている。

【0024】

第１の項目に係る投光装置は、光偏向装置を備える投光装置である。前記光偏向装置は、互いに対向し、第１方向に沿って延びる第１ミラーおよび第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置し、前記第１方向に沿って光を導波させる光導波層であって、屈折率および／または厚さを変化させることが可能な構造を有する光導波層と、を備える。前記第１ミラーは、前記第２ミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬した前記光の少なくとも一部を外部に出射する光出射面を有する。前記光導波層の前記屈折率および／または前記厚さを変化させることにより、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光の出射角度を、角度θ_１から、前記角度θ_１よりも大きい角度θ_２の範囲で変化させることが可能である。前記光偏向装置は、前記光出射面から出射角度θ_１で出射された第１の光が、前記光出射面から出射角度θ_２で出射された第２の光より鉛直下方に向けて投光されるように配置される。

【0025】

この投光装置では、遠距離の対象物の検出可能な距離を長くでき、かつ近距離の対象物の検出信号が飽和することを抑制できる。

【0026】

第２の項目に係る投光装置は、第１の項目に係る投光装置において、前記第１ミラーの前記光出射面から出射された前記光の光路上に配置され、前記第１の光が前記第２の光よりも鉛直下方に向くように、前記光の方向を変化させる光学素子をさらに備える。

【0027】

この投光装置では、光学素子を介して、第１の光を第２の光よりも鉛直下方に向けることができる。

【0028】

第３の項目に係る投光装置は、第２の項目に係る投光装置において、前記光学素子が、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光を屈折させる。

【0029】

この投光装置では、光に屈折により、光出射面から出射される光の方向および／または広がり角を調整することができる。

【0030】

第４の項目に係る投光装置は、第３の項目に係る投光装置において、前記光学素子が、前記光出射面から出射される前記光の広がり角を拡大または縮小させる１以上のレンズを含む。

【0031】

この投光装置では、出射光の広がり角を拡大させることにより、近距離の対象物の検出信号が飽和することをさらに抑制できることができ、出射光の広がり角を縮小させることにより、遠距離の対象物の検出可能な距離をさらに長くできる。

【0032】

第５の項目に係る投光装置は、第２の項目に係る投光装置において、前記光学素子が、前記第１ミラーの前記光出射面から出射される前記光を反射させる。

【0033】

この投光装置では、光に反射により、光出射面から出射される光の方向および／または広がり角を調整することができる。

【0034】

第６の項目に係る投光装置は、第５の項目に係る投光装置において、前記光学素子が、前記光出射面から出射される前記光の広がり角を拡大または縮小させる１以上のミラーを含む。

【0035】

この投光装置では、出射光の広がり角を拡大させることにより、近距離の対象物の検出信号が飽和することをさらに抑制できることができ、出射光の広がり角を縮小させることにより、遠距離の対象物の検出可能な距離をさらに長くできる。

【0036】

第７の項目に係る投光装置は、第１から第６の項目のいずれかに係る投光装置において、前記光導波層の前記屈折率および／または前記厚さを変化させる制御装置をさらに備える。

【0037】

この投光装置では、制御装置によって光導波層の屈折率および／または厚さを変化させることにより、光出射面から出射された光の方向を調整することができる。

【0038】

第８の項目に係る移動体は、第１から第７の項目のいずれかに係る投光装置を備える移動体である。前記投光装置は、前記第１ミラーの前記光出射面から、前記移動体の前方に向けて前記光を出射する。

【0039】

この移動体では、地面などの近距離の対象物、および人などの遠距離の対象物の情報を正確に得ることができる。本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

【0040】

さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

【0041】

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。

【0042】

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するわけではない。以下の説明において、同一のまたは類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

【0043】

（実施形態）
まず、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本開示の実施形態における光デバイスの基本的な構成例を説明する。図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、本開示の実施形態における投光装置１００の例を模式的に示す斜視図および側面図である。これらの図では、前述したＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に加えて、互いに直交するＵ軸およびＶ軸が模式的に示されている。Ｕ軸は地面に対して平行な成分を表し、Ｖ軸は地面に対して垂直な成分を表している。Ｕ軸は、Ｙ軸に対して平行である。投光装置１００は、地面の上方に位置する。光ビーム２２ｂは、微視的にはＸＹ平面に平行な平面内に面積を有する光出射面３０ｅｓから出射されるが、説明を簡単にするために１点から出射されるように記載されている。

【0044】

本実施形態における投光装置１００は、少なくとも１つの光偏向装置１０を備える。光偏向装置１０については、図１および図２を参照して説明した通りである。前述した光源は、例えば半導体レーザ素子を含み得る。光源から発せられる光ビームの波長は、用途に応じて選択され得る。対象物までの距離を赤外線によって計測する場合、光ビームの波長は、例えば７００ｎｍ以上２．５μｍ以下であり得る。光ビームの波長は、可視域の波長、すなわち、約４００ｎｍ以上約７００ｎｍ以下であってもよい。光ビームの波長は、２．５μｍ以上であってもよい。

【0045】

光偏向装置１０は、そのスキャン方向がＶ方向の成分を含むように配置される。図５Ａおよび図５Ｂに示す例において、光偏向装置１０は、Ｘ軸がＶ軸に対して傾斜するように配置されている。Ｘ軸は、光偏向装置１０内を光が伝搬する方向に対して平行である。図５Ｂに示すように、光偏向装置１０は、出射角度θ_１と、出射角度θ_１よりも大きい出射角度θ_２との間でスキャンする。光偏向装置１０は、出射角度θ_１で出射された光が、出射角度θ_２で出射された光よりも鉛直下方に向けて投光されるように配置されている。これは、図５Ｂに示す配置において、光源からの光が光導波層２０の下方の端面から地面に入射することを意味する。鉛直下方は、－Ｖ方向に相当する。

【0046】

スキャンの範囲は、例えば出射角度θ_１＝５°から出射角度θ_２＝３５°であり、光出射面３０ｅｓとＶ軸のなす角度は、例えば３５°であり得る。この場合、出射角度θ_１で出射された光は地面に入射する一方、出射角度θ_２で出射された光は地面に対して平行に伝搬する。

【0047】

光偏向装置１０をこのような配置にすると、出射角度θ_１で出射された光の広がり角Δθ_１は、出射角度θ_２で出射された光の広がり角Δθ_２よりも大きくなる。すなわち、出射角度θ_１で出射された光は、Ｘ方向に相対的に太いスポットを形成する。地面に対して垂直なＶ方向はスキャン方向に平行なＸ方向の成分を含むので、－Ｖ方向に出射された光は、相対的に太いスポットを形成する。

【0048】

図６は、本実施形態の投光装置１００が近距離または遠距離の対象物を検出する動作を説明するための図である。図６に示す例において、近距離の対象物は地面であり、遠距離の対象物は人である。本実施形態の投光装置１００から出射された光のスキャン方向は、地面に対して垂直な方向である。光のスキャン方向は、太い両矢印によって表されている。地面または地面に近い部分を照射する光は、相対的に太いスポットを形成する。本実施形態の投光装置１００が近距離の対象物を照射する場合、その反射光の強度は、遠距離の対象物と比較して増加する。従来、近距離の対象物からの反射光をフォトディテクタまたはイメージセンサで検出すると、検出信号が飽和して、近距離の対象物に関する距離および形状などの情報を正確に得られない課題が存在した。

【0049】

しかしながら、本実施形態の投光装置１００によれば、－Ｖ方向にスキャンする場合、光のスポットが相対的に太くなることから、近距離の対象物に照射される光のエネルギー密度を低下させることができる。これにより、反射光の強度を低下させて検出信号の飽和を抑制し、近距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0050】

逆に、本実施形態の投光装置１００が遠距離の対象物を照射する場合、その反射光の強度は、近距離の対象物と比較して減少する。従来、対象物が遠くなるほど検出信号のＳ／Ｎが低下して、遠距離の対象物の情報を正確に得られない課題が存在した。

【0051】

しかしながら、本実施形態の投光装置１００によれば、＋Ｖ方向にスキャンする場合、光のスポットが相対的に細くなることから、遠距離の対象物に照射される光のエネルギー密度を向上させることができる。これにより、検出信号のＳ／Ｎの低下を抑制して、遠距離の対象物の情報を正確に得ることができる。

【0052】

また、従来、遠距離の対象物は検出画像では小さく見えるので、遠距離の対象物の情報を正確に得ることは容易ではない。しかしながら、本実施形態の投光装置１００によれば、遠距離の対象物を照射する場合、光のスポットを細くできる。これにより、地面に対して垂直な方向における検出分解能が向上し、遠距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0053】

（変形例）
次に、図７Ａから図１２を参照して、本実施形態における投光装置１００の第１変形例から第６変形例を説明する。これらの図では、説明のわかりやすさのために、構成要素が分離した状態で示されているが、これらの構成要素は接触していてもよい。

【0054】

図７Ａは、本実施形態の第１変形例における投光装置１１０の例を模式的に示す斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。第１変形例における投光装置１１０が本実施形態における投光装置１００とは異なる点は、光学素子５０が、光偏向装置１０の光出射面３０ｅｓから出射された光の光路上に配置されていることである。光学素子５０は、光偏向装置１０の光出射面３０ｅｓから出射される光を屈折させ得る。

【0055】

図７Ｂに示す例では、光学素子５０は、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向において曲率を有するシリンドリカル凹レンズを有する。この凹レンズでは、少なくとも光スキャンの範囲内で、－Ｘ方向における曲率が大きくなり得る。凹レンズの曲率半径は、例えば、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり得る。光偏向装置１０から出射角度θ_１で出射された光の、Ｘ方向における広がり角は、光学素子５０によって拡大されてΔθ_１Ａになる。これにより、近距離の対象物に照射される光のエネルギー密度をさらに低下させることができる。その結果、反射光の強度を低下させて検出信号の飽和を抑制し、近距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0056】

図８Ａは、本実施形態の第２変形例における投光装置１２０の例を模式的に示す斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。第２変形例における投光装置１２０が第１変形例における投光装置１１０とは異なる点は、光学素子５０が、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向において曲率を有するシリンドリカル凸レンズを有することである。この凸レンズでは、少なくとも光スキャンの範囲内で、＋Ｘ方向における曲率が大きくなり得る。凸レンズの曲率半径は、例えば、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり得る。光偏向装置１０から出射角度θ_２で出射された光の、Ｘ方向における広がり角は、光学素子５０によって縮小されてΔθ_２Ｂになる。これにより、遠距離の対象物に照射される光のエネルギー密度を向上させることができる。その結果、検出信号のＳ／Ｎの低下を抑制し、より遠い対象物の情報を正確に得ることができる。

【0057】

図９Ａは、本実施形態の第３変形例における投光装置１３０の例を模式的に示す斜視図である。図９Ｂは、図９Ａに示す構成を－Ｙ方向に沿って見た図である。第３変形例における投光装置１３０が第１変形例における投光装置１１０とは異なる点は、光学素子５０が複数の凹レンズを含むレンズアレイを有することである。複数の凹レンズは、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向に沿って配列されている。このレンズアレイは、光スキャンの範囲の少なくとも一部をカバーしている。個々の凹レンズの曲率は、少なくとも光スキャンの範囲内で、－Ｘ方向において大きくなってもよい。これにより、前述した第１変形例と同様に、近距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0058】

第１変形例から第３変形例における光偏向装置１０の配置は、本実施形態と同様である。光偏向装置１０から出射される光のスポットは、－Ｖ方向にスキャンすると太くなり、＋Ｖ方向にスキャンすると細くなる。小さい曲率半径の凹レンズにより、近距離の対象物を照射するための光のスポットをさらに太くする効果が実現できる。小さい曲率半径の凸レンズにより、遠距離の対象物を照射するための光のスポットをさらに細くする効果が実現できる。第１変形例における投光装置１１０から第３変形例における投光装置１３０は容易に作製することができる。

【0059】

また、第１変形例から第３変形例において、光学素子５０は地面に対して垂直に配置されているが、傾斜していてもよい。また、レンズは光学素子５０の出射面ではなく入射面に設けられていてもよく、入射面と出射面の両方に設けられていてもよい。

【0060】

図１０Ａは、本実施形態の第４変形例における投光装置１４０の例を模式的に示す斜視図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。第４変形例における投光装置１４０が第１変形例における投光装置１１０とは異なる点は、光学素子５０がミラーを有することである。この第４変形例では、光偏向装置１０を、光の出射角度を厳密に考慮して配置する必要がない。すなわち、光偏向装置１０の配置の自由度を高めることができ、第４変形例における投光装置１４０は、第１変形例における投光装置１１０から第３変形例における投光装置１３０よりも容易に作製することができる。また、光偏向装置１０が誤差を持って配置された場合、光学素子５０が有するミラーの配置を微調整することにより、所望の方向に光を投光することが可能である。例えば、光偏向装置１０が所定の位置からＹ軸に対してψ°回転して配置された場合、ミラーの角度をＹ軸に対して（ψ／２）°回転させて配置することにより、投光の角度のずれを補償することができる。

【0061】

図１１Ａは、本実施形態の第５変形例における投光装置１５０の例を模式的に示す斜視図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示す構成を＋Ｙ方向に沿って見た図である。第５変形例における投光装置１５０が第４変形例における投光装置１４０とは異なる点は、光学素子５０が、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向において曲率を有するシリンドリカル凸ミラーを有することである。この凸ミラーでは、少なくとも光スキャンの範囲内で、－Ｘ方向において曲率半径が大きくなり得る。凸ミラーの曲率半径は、例えば、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり得る。光偏向装置１０から出射角度θ_１で出射された光の、Ｘ方向における広がり角は、光学素子５０によって拡大されてΔθ_１Ｄになる。これにより、光偏向装置１０の配置の自由度を高められるだけでなく、近距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0062】

図１２は、本実施形態の第６変形例における投光装置１６０の例を模式的に示す斜視図である。第６変形例における投光装置１６０が本実施形態における投光装置１００とは異なる点は、複数の光偏向装置１０がＹ方向に沿って配列されていることである。複数の光偏向装置１０には、複数の位相シフタ６０がそれぞれ接続されている。複数の光偏向装置１０の個数は、例えば８以上６４以下であり得る。第６変形例における投光装置１６０では、複数の光偏向装置１０から出射された光の干渉によって光ビームが形成される。光ビームは、複数の光出射面３０ｅｓを含む広い光出射面から外部に出射されるということもできるが、前述の実施形態および変形例と同様に、図１２では説明を簡単にするために１点から出射されるように記載されている。図１２に示す例において、光ビームのＹ方向における幅は、前述した例と比較して狭くなり得る。これは、上記の広い光出射面のＹ方向におけるサイズが、前述した例における光出射面３０ｅｓのＹ方向におけるサイズよりも大きいからである。

【0063】

位相シフタ６０は、印加される駆動電圧の変化に応じて屈折率が変化する構成を有し得る。ある例では、位相シフタ６０は、温度変化によって屈折率が変化する熱光学材料から形成され得る。位相シフタ６０は、熱光学材料の温度を変化させる不図示のヒータを備える。不図示のヒータには、駆動電圧を印加するための２つの電極が設けられている。他の例として、位相シフタ６０は、駆動電圧の変化によって屈折率が変化する電気光学材料から形成され得る。位相シフタ６０には、電気光学材料に駆動電圧を印加するための２つの電極が設けられている。不図示の制御装置からの制御信号の入力によって駆動電圧が変化すると、位相シフタ６０の屈折率が変化して位相シフタ６０を通過する光の位相が変化する。第６変形例における投光装置１６０では、制御信号に応答して、駆動電圧が変化し、複数の位相シフタ６０から複数の光偏向装置１０にそれぞれ入射する光の位相が、複数の光偏向装置１０が並ぶ順に一定量ずつ変化する。この位相シフトにより、光ビームの出射方向をＹ方向に沿って変化させることができる。これにより、光をＵＶ平面上で２次元的にスキャンすることが可能になる。

【0064】

図１３Ａは、本実施形態の第７変形例における投光装置１７０の例を模式的に示す斜視図である。第７変形例における投光装置１７０が本実施形態における投光装置１００とは異なる点は、光偏向装置１１が、Ｘ方向に沿って配列された複数の光導波路１２と、複数の光導波路１２の各々に接続される複数の位相シフタ６０とで構成される点である。複数の光導波路１２の各々は、光を導波させる光導波領域１２ｗと、光を出射させる光出射領域１２ｒとを備える。また、複数の光出射領域１２ｒの各々には、グレーティング１２ｇが設けられている。このような構成により、光出射面３０ｅｓから出射する光をＶ方向に沿ってスキャンすることができる。光出射領域１２ｒは、グレーティング１２ｇの代わりに、上述の実施形態における光偏向装置１０と同様に、２つのミラーとその間に存在する光導波層から構成されるものとしてもよい。このような構成により、Ｖ方向に加えて、Ｕ方向に沿っても光をスキャンすることができる。

【0065】

光導波領域１２ｗをＹ方向に沿って伝搬する光は、グレーティング１２ｇによる回折に起因して、ＹＺ平面に平行な複数の回折光として光出射領域１２ｒから外部に出射される。光出射領域１２ｒのＹ方向における長さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であり得る。グレーティング１２ｇにおける凹部の個数、例えば４個以上１６個以下に設定され得る。グレーティング１２ｇにおける、１周期当たりの凹部のＹ方向の長さ、すなわちデューティ比は、グレーティングの凹部の深さおよび個数によって適宜変更してもよい。第７変形例における光偏向装置１１では、複数の光導波路１２から出射された光の干渉によって光ビームが形成される。光ビームは、複数のグレーティング１２ｇを含む光出射面３０ｅｓから外部に出射されるということもできるが、前述の実施形態および変形例と同様に、図１３Ａでは説明を簡単にするために１点から出射されるように記載されている。

【0066】

第６変形例と同様に、位相シフタ６０は、印加される駆動電圧の変化に応じて屈折率が変化する構成を有し得る。不図示の制御装置からの制御信号の入力によって駆動電圧が変化すると、位相シフタ６０の屈折率が変化して位相シフタ６０を通過する光の位相が変化する。第７変形例における投光装置１７０では、制御信号に応答して、駆動電圧が変化し、複数の位相シフタ６０から複数の光導波路１２にそれぞれ入射する光の位相が、複数の光導波路１２が並ぶ順に一定量ずつ変化する。この位相シフトにより、光ビームの出射方向をＶ方向に沿って変化させることができる。

【0067】

第７変形例におけるＶ方向のスポットの幅は、光出射領域１２ｒの出射部における光ビーム２２ｂの幅に依存する。図１３Ｂは、複数の光導波路から出射される光ビーム２２ｂと出射角度との関係を微視的に（すなわち１点ではなく、幅を持ったビームが出射される形態で）示した図である。図１３Ｂの左図では出射角度がθ _１ の場合を、右図は出射角度がθ _１ よりも大きなθ _２ の場合を示す。ここで、光出射面３０ｅｓに対して垂直な出射角度をゼロ度とする。図１３Ｂに示されるように、出射方向から見たときの出射部の光ビーム２２ｂの幅は出射角度θに依存する。光出射領域の幅をｄとすると、出射部の光ビーム２２ｂの幅はｄｃｏｓθで表される。言い換えれば、出射角度が大きいほど、出射方向から見たときの出射部の光ビームのＸ方向の幅は小さくなる。従って出射角度が大きいほど、遠方（すなわち、ファーフィールド）におけるＶ方向のスポットの幅は大きくなる。

【0068】

投光装置１７０では、複数の位相シフタ６０が光の位相を変化させることにより、光出射面３０ｅｓから出射される光の出射角度を角度θ１から、角度θ１よりも大きい角度θ２の範囲で変化させることが可能であり、光出射面３０ｅｓから出射角度θ１で出射された第１の光が、光出射面３０ｅｓから出射角度θ２で出射された第２の光より鉛直下方に向けて投光されるように配置されている。これにより、上述の実施形態と同様に、反射光の強度を低下させて検出信号の飽和を抑制し、近距離の対象物の情報をより正確に得ることができる。

【0069】

前述した第１変形例から第７変形例において、光学素子５０は、光出射面３０ｅｓから出射角度θ_１で出射された光が、出射角度θ_２で出射された光よりも鉛直下方に向くように、光の方向を変化させると言うことができる。光学素子５０は、光学素子５０に入射した光を、光学素子５０に入射した角度とは異なる角度で出射させ得る。

【0070】

前述した例の他に、第２変形例における投光装置１２０において、光学素子５０は、複数の凸レンズを含むレンズアレイを有していてもよい。複数の凸レンズは、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向に沿って配列されていてもよい。この場合には、遠距離の対象物に照射される光のエネルギー密度を向上させることができる。これにより、検出信号のＳ／Ｎの低下を抑制して、より遠距離の対象物の情報を正確に得ることができる。

【0071】

また、第５変形例における投光装置１５０において、出射角度θ_１の光に対する凸ミラーを、出射角度θ_２の光に対する凹ミラーに置き換えてもよい。あるいは、出射角度θ_１の光に対する凸ミラーに加えて、出射角度θ_２の光に対する凹ミラーを設けてもよい。これらの場合には、より遠距離の対象物の情報を正確に得ることができる。光学素子５０は、少なくともＸ方向の成分を含む所定の方向に沿って配列された複数のミラーを含んでいてもよい。

【0072】

（応用例）
次に，図１４Ａから図１５を参照して、本実施形態における投光装置１００の第１応用例および第２応用例を説明する。

【0073】

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ、本実施形態における投光装置１００を車両１００Ｖに搭載した第１応用例を模式的に示す斜視図および側面図である。図１４Ａに示す例では、車両１００Ｖは、その前面に投光装置１００を備える。投光装置１００は、前方に向けて光を出射する。このように、投光装置１００は移動体に搭載され得る。移動体は、車両１００Ｖの他に、例えば、船舶、または電車であってもよい。図１４Ｂに示す例において、車両１００Ｖは、近距離における地面、および遠距離における人の情報を正確に得ることができる。車両１００Ｖの運転手は、これらの情報から周辺の状況を正確に把握し、安全に運転することができる。

【0074】

図１５は、本実施形態における投光装置１００を監視システム１００Ｓに搭載した第２応用例を模式的に示す斜視図である。図１５に示す例では、監視システム１００Ｓは、円柱状の形状を有する。監視システム１００Ｓは、その側面に投光装置１００を備える。監視システム１００Ｓの形状は任意である。監視システム１００Ｓは、例えば、建築物またはその周辺に取り付けられ得る。建築物内の人は、監視システム１００Ｓから得られた近距離および遠距離の対象物の情報から、建築物の周辺における不審者または不審物の有無を正確に把握することができる。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本開示における投光装置は、例えば車両、ＡＧＶ（無人搬送車）、船舶、電車などの移動体、および、ＵＡＶ（無人飛行機）などの飛行体に搭載されるＬｉＤＡＲシステムなどの用途に利用できる。また、建築物に取り付ける監視システムなどにも適用できる。

【符号の説明】

【0076】

１０ 光偏向装置
１０ｅ 電極
２０ 光導波層
２２ 光
２２ｂ 光ビーム
３０ 第１ミラー
３０ｅｓ 光出射面
３０ｓ、４０ｓ 反射面
４０ 第２ミラー
５０ 光学素子
６０ 位相シフタ
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０ 投光装置
１００Ｖ 車両
１００Ｓ 監視システム

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15】