CN109683326A - 激光投射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光投射装置。激光投射装置具有：激光源、扩散板和壳体。扩散板具有入射面和出射面，入射激光源的出射光。在入射面和出射面的至少一方，排列直线状的多个槽。壳体具有在激光源的射出方向，射出通过槽而扩散的光的开口部。

Description

激光投射装置
技术领域
本公开涉及在用于距离测定的光源等中被使用的激光投射装置。
背景技术
激光投射装置被用于距离测定装置的光源等。
作为距离测定装置的方式，提出并应用了各种距离测定方式。例如，存在自古以来的三角测量方式、对光源的光进行振幅调制并对来自被测定物的反射光与光源的相位差进行测定的相位差检测方式、近年来使用的照射极短脉冲的光并对被测定物的反射光的到达时间进行测定从而测定距离的TOF(Time of Flight，飞行时间)方式等。
在这些距离测定方式中，若增长可测定的距离，提高测定精度，则对光源需要小型高输出且需要高频的调制或者非常短的脉冲波形，因此优选将半导体激光器用作为光源。
对于激光源的使用，从针对人体、眼睛的安全性的观点出发设置安全标准。在日本国内以JIS-C6802进行规定。在光可能进入到人眼的情况下，一般需要满足安全基准的等级1的条件。为了满足等级1的条件并提高激光源的输出，需要在投射装置的出射面，增大激光的光束直径。在人们观察投射光源装置时，若投射光源装置的出射面处的发光直径较小，则形成于视网膜的光源像也变小，光集中变高，容易损伤眼睛。为了防止这种情况，通过增大投射光源装置的出射面的发光直径来增大形成于视网膜的光源像，能够提高不损伤眼睛的激光源的光输出的最大值。
在现有的投射光源装置中，在半导体激光器的射出部的窗口配置有扩散板。图10表示专利文献1中所述的现有的投射光源装置。
图10中，表示了激光源31、将激光源31的出射光扩大的凹透镜32、扩散板33、保持激光源31、凹透镜32和扩散板33的金属封装体34。
来自激光源31的出射光被凹透镜32扩散，向扩散板33投射光。在扩散板33，光在全方向扩散。通过使用凹透镜32，增大扩散板33处的光束直径。激光源31的光束直径非常小为几μm，但通过使用扩散板33，在扩散板33上形成相比于激光源31的出射面处的光束直径非常大的光束直径，因此在人们观察激光时，形成于视网膜的光源的像变大，能够增大不损伤眼睛的激光输出的上限。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平9-307174号公报
发明内容
本公开的激光投射装置具有激光源、扩散板和壳体。
扩散板具有入射面和出射面，入射激光源的出射光。在入射面和出射面的至少一方，排列直线状的多个槽。
壳体具有在激光源的射出方向，射出通过槽而扩散的光的开口部。
此外，本公开的另一激光投射装置具有激光源、准直透镜、扩散板和壳体。
准直透镜具有第1面、第2面、侧面、第1全反射面和第2全反射面。
第1面入射激光源的出射光。
第2面与第1面对置。
侧面被配置于第1面与第2面之间。
第1全反射面被配置于第2面的与第1面对置的位置，使来自第1面的入射光反射。
第2全反射面被配置于侧面，使第1全反射面的反射光反射，使其平行光化。
准直透镜从第2面射出基于第2全反射面的平行光。
扩散板具有入射面和出射面，入射准直透镜的平行光。
在扩散板的入射面和出射面的至少一方，排列直线状的多个槽。
壳体具有在激光源的射出方向射出通过扩散板的多个槽而扩散的光的开口部。
附图说明
图1A是实施方式1中的激光投射装置的从Z轴方向观察的XY面的剖视图。
图1B是实施方式1中的激光投射装置的从Y轴方向观察的XZ面的剖视图。
图1C是实施方式1中的激光投射装置的从X轴方向观察的YZ面的侧面图。
图2A是实施方式1中的扩散板的入射面的槽的主视图。
图2B是实施方式1中的扩散板的槽的中央部的放大剖视图。
图2C是实施方式1中的扩散板的槽的周边部的放大剖视图。
图3A是实施方式1中的扩散板的出射面的槽的主视图。
图3B是实施方式1中的扩散板的槽的中央部的放大剖视图。
图3C是实施方式1中的扩散板的槽的周边部的放大剖视图。
图4A是表示基于实施方式1中的扩散板的槽的光线的光路的放大剖视图。
图4B是实施方式1中的扩散板的槽的凸形状部分处的光的折射状态的说明图。
图4C是实施方式1中的扩散板的槽的凸形状部分处的光的折射状态的说明图。
图4D是实施方式1中的扩散板的槽的凸形状部分处的光的折射状态的说明图。
图5A是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图5B是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图5C是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图5D是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图5E是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图5F是来自实施方式1中的激光投射装置的光的扩展的说明图。
图6A是实施方式1中的另一扩散板的槽的说明图。
图6B是实施方式1中的另一扩散板的槽的说明图。
图6C是实施方式1中的另一扩散板的槽的说明图。
图6D是实施方式1中的另一扩散板的槽的说明图。
图7A是从Z轴方向观察实施方式2中的激光投射装置的XY面的剖视图。
图7B是实施方式2中的准直透镜241的立体图。
图8A是实施方式2中的准直透镜的光线的说明图。
图8B是从X轴方向观察实施方式2中的准直透镜的出射面的光束状态说明图。
图9A是实施方式2中的另一激光投射装置的说明图。
图9B是实施方式2中的另一激光投射装置的说明图。
图9C是实施方式2中的另一激光投射装置的说明图。
图10是表示现有的激光投射装置的图。
具体实施方式
图10中，通过凹透镜32来扩大激光源31的出射光并照射到扩散板33。因此，为了增大激光源1的表观的光束直径，需要使扩散板33的扩散性非常高。在扩散板33的中央部，光几乎垂直地入射到扩散板33的入射面，但在扩散板33的周边部，光斜率地入射到入射面。因此，为了在扩散板33的中央部和周边部射出相同的扩散光，需要不依赖于入射光的角度的程度地增强扩散性。
若激光源31的扩散板33上的表观的光束直径较小，则光源的亮度变高，在观察投射装置时对眼睛有损伤。因此，为了确保投射装置的激光安全，为了增大扩散板33的面处的表观的光束直径，需要使用扩散性非常高的扩散板。在一般的磨砂玻璃状的扩散板中，通过使光在磨砂玻璃部分重复反射从而进行光扩散。因此，若使光扩散性较高则从扩散面向激光源31侧返回的光的比例变大，光利用效率大幅度降低。此外，扩散性较高的扩散板的扩散特性一般为朗伯扩散，向斜率方向的光变弱。
以下，参照附图来对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1～图6表示本发明的实施方式1。
图1A、1B、1C是实施方式1中的激光投射装置的示意图。将纸面右手方向设为X轴，将向上方向设为Y轴，将纸面深度方向设为Z轴。
图1A是从Z轴方向观察的激光投射装置的XY面。图1B是从Y轴方向观察的激光投射装置的XZ面。图1C是从X轴方向观察的激光投射装置的YZ面的图。
壳体205由不透光的材质、例如铝、不锈钢等金属、或黑色的树脂材料形成。在壳体205的内部，配置激光源201以及扩散板202。扩散板202包含在激光源201的发光波长下为透明的材质的聚碳酸酯、丙烯酸等树脂材料或者玻璃等。扩散板202的激光源201的光入射的入射面的折射面形状为向外侧突出为圆筒形的非球面柱面透镜形状，其长度方向为上下方向(Y方向)。扩散板202的出射面的折射面形状为向外侧突出为圆筒形的非球面柱面透镜形状，其长度方向为水平方向(Z方向)。在扩散板202的入射面配置槽203。将槽203的出射光设为入射光，在扩散板202的出射面配置槽204。
在壳体205的激光源201的出射侧，设置比扩散板202的槽204的槽形成区域小的开口部206。出射光仅从壳体205的开口部206出向壳体205外输出。开口部206的范围d3如图1C所示。
激光源201的发光面中心被配置在X轴上，在X轴的正向射出光。射出的光的分布的放射分布的中心在X轴具有高斯分布的放射分布，将全角中光强度相对于放射分布的中心方向的光强度为1/(e^2)、即约0.135的角度设为。在高斯分布的光放射中，在1/(e^2)的角度范围中，激光出射光的能量约为95％。
激光源201的波长为发光时不被人眼感知的近红外的单色的波长。激光源201在YZ面内将多个半导体激光器接近排列而构成。通过将多个半导体激光器排列配置，能够减弱空间上的干扰性，减少斑点噪声。排列半导体激光器的发光面的尺寸为d0。
通过对光源使用半导体激光器，能够使响应性比发光二极管更高，能够形成发光时间短的脉冲状的光。因此，即使平均能量相同也能够提高峰值光强度。因此，距离测量等中，能够照射并测量到较远的物体。
槽203是通过剖面为凹凸的直线状的多个槽在扩散板202的入射面的表面没有间隙地与Y轴平行地排列而形成的。槽方向207是槽203的长度方向。槽203的YZ面内的槽形成区域的尺寸d1形成为能够入射来自激光源201的出射光的大部分。即，若将激光源201到槽203的最远距离设为s1，将激光源201的发光面的尺寸设为d0，则槽203的槽形成区域的尺寸为一边的长度d1长于即，
槽204是通过剖面为凹凸的直线状的多个槽在扩散板202的出射面没有间隙地与Z轴平行地排列而形成的。由于激光源201的出射光在槽203扩散，因此槽204的槽形成区域的尺寸比槽203的槽形成区域的尺寸大。若将扩散板202的最厚部分的厚度设为t，将激光源201的发光面尺寸设为d0，则槽204的YZ面内的尺寸d2大于d1+2.5×t+d0。即，d2＞d1+2.5×t+d0。由于槽203处的光扩散是在Z轴方向扩散，因此最好槽204的YZ面内的槽形成区域设为在Z轴方向较长的长方形形状。
槽203、204是挤压构造(extrusion structure)，即剖面形状是一定的形状，槽203与槽204的槽方向被配置为相互正交。
若槽203、204的槽个数较少，则扩散状态容易受到扩散板202的位置变动而变化。因此，槽203、204至少以10根以上的槽的排列而构成。这样，即使产生扩散板202相对于激光源201的位置变动、特别是YZ面内的位移，扩散光的变化也为10根槽中的1根以下的影响，即10％以下的变动。
图2A、2B、2C表示形成于图1中的扩散板202的入射面的槽203的构造。
图2A是扩散板202的入射面的槽203的主视图。槽方向207表示槽203的方向。图2B是图2A的中央部F1处的A-AA剖视图。图2C是图2A的周边部F2处的A-AA剖视图。
槽203形成于与Y轴平行的槽方向207。槽203的一个槽如图2B、2C所示，剖面由4个斜面、即槽斜面S1(第1槽斜面)、槽斜面S2(第2槽斜面)、槽斜面S3(第3槽斜面)、槽斜面S4(第4槽斜面)构成。槽斜面S1～S4是分别由不同的非球面式表示的形状。
槽斜面S1与槽斜面S2在连接点P2(第2连接点)连接以使得槽斜面的切线的斜率相等。
同样地，槽斜面S2与槽斜面S3在连接点P3(第3连接点)连接，槽斜面S3与槽斜面S4在连接点P4(第4连接点)连接。槽斜面S4与下一个槽的槽斜面S1在连接点P5连接，前一个槽的槽斜面S4与槽斜面S1在连接点P1(第1连接点)连接。在各个连接点，构成为切线的斜率相等。
槽203的一个槽由包含槽斜面S2和在连接点P3连接于槽斜面S2的槽斜面S3的凹形状、包含在连接点P2连接于槽斜面S2的槽斜面S1和在连接点P4连接于槽斜面S3的槽斜面S4的凸形状构成。槽的凸形状的高度形成为比凹形状高或者与凹形状相等。即，由在连接点P1或者连接点P5连接的槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状的高度h6为由在连接点P3连接的槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状的高度h7以上。即，h6≥h7。
换言之，槽203的一个槽包含：凹形状、第1凸形状和第2凸形状。
凹形状由槽斜面S2(第2槽斜面)、和在连接点P3(第3连接点)连接于槽斜面S2的槽斜面S3(第3槽斜面)构成。
第1凸形状由在连接点P2(第2连接点)连接于槽斜面S2的槽斜面S1(第1槽斜面)形成。
第2凸形状由在连接点P4(第4连接点)连接于槽斜面S3的槽斜面S4(第4槽斜面)形成。
并且，槽斜面S1或者槽斜面S4的凸形状的高度高于或者等于由槽斜面S2和槽斜面S3形成的凹形状的高度。
通过使高度h6比高度h7高，可得到以下效果。
图4A中，入射到由槽斜面S1和槽斜面S4构成的凸形状的光线230在扩散板202内，暂时聚光后扩散。入射到由槽斜面S2和槽斜面S3构成的凹形状的光线231在扩散板202内扩散从而扩大。因此，若要使光扩散扩大，则在凹形状折射的光在扩散板202的内部相邻的槽，光反射并使光的扩展变窄。另一方面，由于入射到凸形状的光暂时聚光，因此难以产生相邻的槽处的反射。因此，通过使凹形状的高度比凸形状的高度小，能够进行宽扩展角的光扩散。
在使高度h6与高度h7相等的情况下，入射到扩散板的一个槽中的凸形状和凹形状的光量相等，能够使从图2B的X轴的正向观察的扩散板面的光量分布最均匀。
优选X轴方向上的槽斜面S1的长度为槽斜面S2的长度以下，槽斜面S4的长度为槽斜面S3的长度以下。
槽203的间距p1、即相邻的连接点P1之间的距离形成为0.05mm以上。即，0.05mm≤p1。扩散板202的中央部F1处的槽斜面S1与槽斜面S2的X轴方向的槽深度的合计、和槽斜面S3与槽斜面S4的槽深度的合计几乎相等(这里设为h0)。在中央部F1，若将槽203相对于YZ面的槽切线的斜率、即槽切线与YZ面所成的角，在连接点P2设为角θ1，在连接点P4设为角θ2，则角θ1与角θ2几乎相等。即，θ1≈θ2。
进一步地，将从激光源201的发光面中心通过由槽斜面S1和槽斜面S4形成的凸形状的顶点的线设为线210、线212，将通过由槽斜面S2和槽斜面S3形成的凹形状的底部的线设为线211。若将线210与线211的间隔设为间隔w1，将线211与线212的间隔设为间隔w2，则间隔w1与间隔w2几乎相等。即，w1≈w2。
这样，中央部F1的附近的槽203的槽斜面S1与槽斜面S4、以及槽斜面S2与槽斜面S3为对称形状。进一步地，由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状、和由槽斜面S2与槽斜面S3构成的凹形状为相似形状。
扩散板202的周边部F2的槽203如图2C所示那样构成。
在周边部F2的槽203，构成为连接点P4的倾斜角θ4为连接点P2的倾斜角θ3以上，并且倾斜角θ4为倾斜角θ2以上。即，θ3≤θ4，并且θ2≤θ4。倾斜角θ4形成为从中央部F1到周边部F2的距离越大，即越远离X轴则越大。
将从激光源201的发光面中心通过由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状的顶点的线设为线213、线215，将通过由槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状的底部的线设为线214。将线213与线214的间隔设为间隔w3，将线214与线215的间隔设为间隔w4，槽203形成为间隔w3与间隔w4几乎相等。即，w3≈w4。
这里，从在连接点P2连接的槽斜面S2到槽斜面S1的高度h1比从在连接点P4连接的槽斜面S3到槽斜面S4的高度h2高。接近于扩散板202的中央部F1的槽斜面的高度h1比接近于周边部F2的槽斜面的高度h2高。
因此，槽203的包络线在XZ剖面在X轴的负向为凸形状。关于Y轴方向，槽203为挤压形状，在XZ剖面无论Y轴方向的位置如何都为相同的形状。
接下来，表示在扩散板202的出射侧形成的槽204的构造。
图3A是实施方式1中的扩散板202的出射面的槽204的主视图。槽方向208表示槽204的方向。图3B是图3A的中央部F3处的B-BB剖视图。图3C是图3A的周边部F4处的B-BB剖视图。
槽204与槽203为相同的剖面形状。槽203与槽204的差异点在于：槽203与槽204的槽方向正交；槽203在扩散板202的入射面被配置在X轴负向而槽204在扩散板202的出射侧被配置在X轴正向。
槽204的槽方向208是与Z轴平行的方向。槽204的一个槽的剖面由4个斜面、即槽斜面S1、槽斜面S2、槽斜面S3、槽斜面S4构成。槽斜面S1到槽斜面S4分别是由不同的非球面式表示的形状。
槽斜面S1与槽斜面S2在连接点P2连接以使得槽斜面的切线的斜率相等。
同样地，槽斜面S2与槽斜面S3在连接点P3连接，槽斜面S3与槽斜面S4在连接点P4连接。槽斜面S4与下一个槽的槽斜面S1在连接点P5连接，前一个槽的槽斜面S4与槽斜面S1在连接点P1连接。在各个连接点，构成为切线的斜率相等。
槽204的一个槽由包含槽斜面S2和在连接点P3连接于槽斜面S2的槽斜面S3的凹形状、包含在连接点P2连接于槽斜面S2的槽斜面S1和在连接点P4连接于槽斜面S3的槽斜面S4的凸形状构成。
槽204的凸形状的高度形成为等于或者大于凹形状的高度，即，X轴方向上的槽斜面S1的长度为槽斜面S2的长度以上，槽斜面S4的长度为槽斜面S3的长度以上。
槽204的间距p2、即相邻的连接点P1之间的距离形成为0.05mm以上。即，0.05mm≤p2。扩散板202的中央部F1处的X轴方向的槽斜面S1与槽斜面S2的槽深度的合计、和槽斜面S3与槽斜面S4的槽深度的合计几乎相等(这里设为h3)。
在中央部F1，若将槽204相对于YZ面的槽切线的斜率、即槽切线与YZ面所成的角度，在连接点P2设为角θ5，在连接点P4设为角θ6，则角θ5与角θ6几乎相等。即，θ5≈θ6。
将从激光源201的发光面中心通过由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状的顶点的线设为线220、线222，将通过由槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状的底部的线设为线221。若将线220与线221的间隔设为间隔w5，将线221与线222的间隔设为间隔w6，则间隔w5与间隔w6几乎相等。即，w5≈w6。
在中央部F3的附近，槽斜面S1与槽斜面S4、以及槽斜面S2与槽斜面S3为对称形状。进一步地，由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状、和由槽斜面S2与槽斜面S3构成的凹形状为相似形状。
扩散板202的周边部F4的槽204如图3C所示那样构成。
周边部F4的槽204构成为，若将连接点P2的倾斜角设为倾斜角θ7，以及将连接点P4的倾斜角设为倾斜角θ8，则角θ8为角θ7以上，并且角θ8为角θ6以上。即，θ7≤θ8，并且，θ6≤θ8。倾斜角θ8形成为从中央部F3到周边部F4的距离越大，即越远离X轴则越大。
若将从激光源201的发光面中心通过由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状的顶点的线设为线223、线225，将通过由槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状的底部的线设为线224，则槽204形成为线223与线224的间隔w7、和线224与线225的间隔w8几乎相等。即，w7≈w8。
这里，若将X轴方向上的槽斜面S1与槽斜面S2的槽深度的合计设为h4，将槽斜面S3与槽斜面S4的槽深度的合计设为h5，则h4为h5以上。即，h4≥h5。因此，槽204的包络线在XZ剖面在X轴的正向为凸形状。关于Z轴方向，槽204为挤压形状，在XY剖面，无论Z轴方向的位置如何都为相同的形状。
在槽204，若将扩散板202的折射率设为n，则槽相对于YZ面的倾斜角θ5、θ6、θ7、θ8以不超过asin(1/n)的角度来形成。
关于槽间距相对于槽深度、即纵横比，在扩散板202的中央部F1以及中央部F3，槽203的纵横比h0/p1与槽204的纵横比h3/p2的关系为，h0/p1≥h3/p2。
在如以上那样构成的激光投射装置中，对其动作进行说明。
如图1A～1C所示，激光源201的出射光入射到扩散板202的入射面的槽203。由于槽203的YZ面内的槽形成区域的尺寸的激光源201的光的扩展较大，因此激光源201的大部分的光入射到扩散板202的槽203。
若将扩散板202的折射率设为n，则槽203处的折射中的相对于YZ面的最大角为槽倾斜角θ1是90°时，此时，若与X轴方向平行的光入射到扩散板202并进行折射，则相对于YZ面，为90°-asin(1/n)的角度的光线。若将树脂的折射率例如设为n＝1.59，则90°-asin(1/n)＝51°。因此，若将扩散板202的厚度设为厚度t，则槽203的出射光在槽204上，成为d1+2×tan(51°)×t+d0＝d1+2.5×t+d0的尺寸。槽204的槽形成区域的YZ面内的尺寸d2形成为至少大于d1+2.5×t+d0，因此槽203的出射光的大部分入射到槽204。
扩散板202的出射光通过壳体205的开口部206，作为照明光而被从激光投射装置照射。由于壳体205的开口部206比扩散板202的出射侧的槽204的槽形成区域的尺寸小，因此从壳体205仅射出在扩散板202扩散的光。未被扩散板202扩散的光的亮度非常高，若直视则可能对眼睛有损伤，非常危险。因此，通过从壳体205仅射出扩散的光，能够安全地进行基于激光投射装置的照明。
通过增大从激光源201射出的光在扩散板202上扩散的光束直径，能够增大成为激光等级1的激光源的输出。扩散板202上的光束直径能够通过将激光源201与扩散板202的距离分离，来与距离成正比地变大。
图4A～图4D表示入射到扩散板202的槽203的光的状态。
图4A中，入射到槽203的光在槽斜面S1～S4折射，在扩散板202内部传播。入射到由在连接点P1或者连接点P5连接的槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状的光线230通过凸透镜作用而在扩散板202的内部聚光后扩散。入射到由在连接点P3连接的槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状的光线231通过凹透镜作用而被扩散。
因此，入射到槽203的光在槽203的槽排列方向、即主要在XZ面内进行光扩散。由于光扩散仅通过折射作用而进行，因此向激光源201侧的光反射仅为槽203的表面反射，能够高效地将光扩散。槽203中的表面反射之中，即使在由槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状部分，进行表面反射，大部分的光也入射到槽的斜面，不返回到激光源201侧。
此外，虽然由槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状部分处的表面反射容易返回到激光源201侧，但由于凸形状相比于凹形状，面积更小地构成，因此能够将返回到激光源201侧的光减少到最小限。
图2B中，在扩散板202的中央部F1的附近，从激光源201入射到槽203的光是接近于几乎与X轴平行的光，在图2C所示周边部F2，相对于X轴具有角度。
图4B～4D中表示槽203的凸形状部分处的光的折射。
图4B是扩散板202的中央部F1处的槽形状。表示向槽203的一个槽入射与X轴平行的光的状态。槽斜面S1与槽斜面S4处的光的折射相同，为相对于X轴几乎对称的光扩散。
图4C表示向槽203的中央部F1入射相对于X轴具有角度θ的光的情况。此时，在槽折射的扩散光也整体上与入射光同样地，光的角度在θ的方向偏离。若激光源201的出射光的扩展变大，则在扩散板202的中央部F1，与X轴方向几乎平行的光入射，随着前往周边部F2，相对于X轴具有角度的光入射到槽203。因此，基于槽203的光扩散的扩展的中心方向也随着前往周边部F2，向与X轴偏离的方向变化。其结果，在扩散板202的周边部F2，光非必要地向照射区域的外侧扩散，照射区域内的光量降低，激光投射装置的光效率降低。
因此，如图4D所示，在扩散板202的周边部F2，使槽形状在与来自激光源201的光的角度θ相反方向围绕Y轴旋转配置。由此，槽203处的扩散光的扩展的中心能够朝向X轴方向。减小槽203的扩散板202的中央部F1附近的槽斜面、即槽斜面S4的斜率来减小折射角，相反地，增大扩散板202周边部F2附近的槽斜面、即槽斜面S1的斜率来更加增大折射角。由此，能够使周边部F2的槽203的光扩散的扩展的中心方向接近于X轴。此时，连接点P4处的倾斜角θ3比连接点P2处的倾斜角θ4大。
这样，通过使扩散板202的槽203的形状从中央部F1到周边部F2，使槽斜面S1的倾斜角比槽斜率面S4的倾斜角大，从而能够使基于槽203的光扩散的扩展不取决于场所地相同。其结果，能够防止照射区域内的光量降低。
图4B～4D中，对由槽203的槽斜面S1与槽斜面S4形成的凸形状进行了说明，但由槽斜面S2与槽斜面S3形成的凹形状也是同样的。
此外，图4A中，入射到槽斜面S1和槽斜面S2的光相对于Y轴顺时针地折射。此外，入射到槽斜面S3和槽斜面S4的光相对于Y轴逆时针地折射。在扩散板202的中央部F1，如图2B所示，使入射到槽斜面S1与槽斜面S2的光的宽度w1和入射到槽斜面S3与槽斜面S4的光的宽度w2相等。此外，在扩散板202的周边部F2也如图2C所示，使入射到槽斜面S1与槽斜面S2的光的宽度w3与入射到槽斜面S3与槽斜面S4的光的宽度w4相等。其结果，基于槽203的光扩散从中央部F1到周边部F2的整个区域，具有扩散的扩展的中心在X轴方向对称的扩展。
图5A～5F表示来自扩散板202的XZ剖面或者XY剖面处的出射光的角度放射分布。通过改变槽203或者槽204的槽斜面S1、槽斜面S2、槽斜面S3、槽斜面S4的剖面形状的非球面系数，能够改变角度放射分布。
图5A中使基于角度的光强度一定。图5B中提高角度大的方向的光强度。图5C中降低角度大的方向的光强度。
此外，图5D、图5E在中央或者角度大的位置局部提高光强度。
图5F中使角度放射分布非对称，通过相对于槽斜面S1和槽斜面S2，改变槽斜面S3和槽斜面S4来形成分布。
若通过准直透镜来使激光源201的出射光平行光化，则在图2C以及图3C所示的扩散板202的周边部F2、F4，不需要变化槽形状，但会产生基于准直透镜的表面反射所导致的光损耗。通过使扩散板202的槽形状从中央部F1、F3至周边部F2、F4发生变化，能够不使用准直透镜就高效地使光从扩散板202向必要的照射区域扩散并照射。
入射到扩散板202的槽203并通过折射而扩散的光在扩散板202内传播，入射到配置于扩散板202的出射面的槽204。槽204的槽形成区域形成为比槽203的槽形成区域大，因此在槽203扩散的光的大部分入射到槽204。槽204处的光扩散也与槽203处的光扩散同样地，通过折射来改变光的光路并使其扩散。
由于槽203以及槽204是槽被排列而得到的挤压构造，因此分别将入射光在槽排列方向扩大。由于槽203与槽204的槽排列方向相互正交，因此扩散板202的出射光为面状地扩展的扩散光。
此外，槽204的倾斜角θ5、θ6、θ7、θ8以asin(1/n)、即相对于与X轴平行入射的光至少不超过全反射角的倾斜角来形成。因此，成为在槽204难以产生全反射、光难以返回到激光源201侧的结构。其结果，能够提高扩散板202的光效率。
由于激光源201是单色光，因此在具有一定周期的槽的扩散板202，出现光的衍射的影响。若将激光源201的波长设为λ，将槽203的间距设为p1，则衍射光的角度间隔为sin(λ/p1)。若将激光源201的波长例如设为950nm，将槽间距设为0.1mm，则衍射角约为1°，相对于扩散板202的扩展角的最小扩展10°充分小，衍射的影响较小。在槽间距为0.05mm时，衍射角为2°，对于扩展角的影响也较小。若槽间距为0.025mm以下，则衍射角为4°，对于最小扩展角具有相当大的影响。因此，槽间距优选为0.05mm以上，进一步优选为0.1mm以上。若槽间距变小，衍射角变大，则向特定的方向产生较强的光，因此扩散光的均匀性降低。
为了增大扩散板202处的光的扩展角，需要增大扩散板202的槽的斜率，槽深度变深。若槽深度相对于槽间距、即纵横比变大，则槽形状容易破损，因此希望纵横比最大为2以下。此时，若将扩散板202的槽间距设为0.1mm，则槽深度为0.1mm，扩散板202的厚度t至少需要为0.2mm以上。若增强扩散板202的强度则希望厚度为0.5mm以上。
此外，若加厚扩散板202的厚度，则由于槽203处的扩散导致光在扩散板202内部变宽，因此必须增大扩散板202的YZ面内的尺寸。在厚度t为1mm时，需要增大2.5mm，在厚度t为10mm时，需要将尺寸增大25mm，在厚度t为30mm时，需要将尺寸增大75mm。为了激光投射装置的小型化、轻型化，希望扩散板202的厚度为30mm以下，如果可以，优选为10mm以下。
扩散板202能够通过使用了模具的射出成型来制作。扩散板202的槽203、204是光滑的形状，因此难以受到扩散板202的制造工序中的磨耗、成形的转印不良所导致的变形的影响。若倾斜角在边缘等局部变大，则成为边缘附近的不必要的反射、杂光，由于边缘部分的磨耗而产生未预期的扩散的变宽，扩散板的光效率容易降低。扩散板的槽是光滑的曲线，设为挤压形状，因此例如，能够通过成形机加工来容易地利用短时间内的机械加工来制作模具，能够通过射出成型来廉价地制作扩散板。
根据该结构，针对激光源201的出射光，利用由4个槽斜面构成的具有槽203、204的扩散板202并通过折射来使光扩散，从而扩散板处的光损耗较小，能够射出宽扩展角的光。此外，通过加宽激光源201与扩散板202的距离，能够增大扩散板202上的表观的光源发光尺寸，能够提高成为激光等级1的激光输出，能够实现可进行光亮的照明的激光投射装置。
(实施方式2)
图7A、7B表示实施方式2中的激光投射装置。针对与图1相同的结构要素，使用相同的符号并省略说明。
在实施方式2的激光投射装置中，在壳体205的内部，配置激光源201、准直透镜241、扩散板202。实施方式2的扩散板202的入射面以及出射面都为平板形状。
图7B是准直透镜241的立体图。另外，在扩散板202的入射面形成的槽203的构造与实施方式1相同。
配置于激光源201与扩散板202之间的准直透镜241将激光源201的出射光作为入射光，具有增大光束直径并且使其平行光化的全反射面。准直透镜241的入射面250(第1面)是凸状的圆锥状的透过面，入射激光源201的出射光。
在准直透镜241的出射面，形成凹状的圆锥形状的第1全反射面251。第1全反射面251使入射面250的入射光全反射。第1全反射面251的角度相对于X轴为约45°。若角度较大则不进行全反射，因此希望为50°以下。
在准直透镜241的侧面，形成非球面形状的第2全反射面252。第2全反射面252将在第1全反射面251全反射的光再次全反射，设为X轴方向的平行光。
在准直透镜241的光出射的面形成凹状且圆锥的出射面253(第2面)。出射面253透过在第1全反射面251全反射并平行光化的光，使其从准直透镜241射出。
在扩散板202的入射面形成槽203，在出射面形成槽204。向扩散板202的入射光几乎被准直透镜241平行光化，成为X轴方向的光。槽203的槽形状是图2B所示的槽形状被从扩散板202的中央部F1配置至周边部F2。同样地，槽204的槽形状是图3B所示的槽形状被从扩散板202的中央部F3配置至周边部F4。因此，扩散板202的槽包络线为平板状。
由于激光源201的出射光通过准直透镜241而将光束直径放大，因此槽203的槽形成区域的尺寸d1至少形成为大于准直透镜241的第2全反射面的尺寸。
在如以上那样构成的激光投射装置中，对其动作进行说明。
图8A是实施方式2中的准直透镜241中的光路的说明图。
来自激光源201的光在X轴方向射出，入射到准直透镜241的入射面250。由于入射面250设为凸状的圆锥形状，因此将激光源201的光聚光，使大部分的光入射到第1全反射面251。入射到第1全反射面251的光的大部分的光通过全反射而反射，入射到形成于准直透镜241的侧面的非球面形状的第2全反射面252。此时，由于准直透镜241的出射面253设为凹状的圆锥形状，因此第1全反射面251的全反射光未入射到出射面253，而入射到第2全反射面252。第2全反射面252处的全反射光通过第2全反射面252的非球面形状，被平行光化为出射面253的出射光成为平行光。
被准直透镜241平行光化的光通过被配置于扩散板202的入射面的槽203，在XZ面内通过折射而被扩散，进一步地，通过被配置于出射面的槽204，在XY面内通过折射而被扩散。被扩散板202扩散的光从壳体205的开口部射出。
在准直透镜241中，通过第1全反射面251来将光路改变为与X轴垂直的方向，通过第2全反射面252来再次将光路返回到X轴方向，从而能够以准直透镜241的厚度量来增大表观的光束直径。
图8B中表示从X轴方向观察的准直透镜241的出射面处的光束状态。256是准直透镜241的光束形状，第1全反射面251的部分不发光，从其以外的部分射出环状的形状的光。
根据该结构，针对激光源201的出射光，通过具有2个全反射面的准直透镜241来增大光束直径，通过由4个槽斜面构成的具有槽203、204的扩散板202利用折射来使光扩散。因此，扩散板处的光损耗较小，能够射出宽扩展角的光。由于通过准直透镜241来增大光束直径，因此能够提高成为激光等级1的激光输出，能够实现可进行明亮的照明的激光投射装置。
在实施方式1中，通过未使用准直透镜的结构，能够减少准直透镜处的表面反射所导致的光损耗，但若减小激光源201与扩散板202的距离则扩散板202上的表观的光束直径变小。
另一方面，在实施方式2中，通过使用利用了全反射的准直透镜241的结构，能够以短距离增大激光源201的光束直径。因此，能够增大扩散板202上的表观的光束直径，减少扩散板202上的亮度，从而增加成为激光等级1的激光源201的输出，能够实现明亮的激光投射装置。
在上述的各实施方式中，激光源201使用将半导体激光器排列多个、降低了空间上的干扰性的部件，但也可以使用多模式类型的半导体激光器等空间上的干扰性较低的部件。
或者，也可以使用发光二极管、发光直径较小的超级发光二极管(SLD：Superluminescent diode)。若即使斑点噪声增加也无所谓，则也可以是单模式类型的半导体激光豁。此外，若即使装置大型化也可以，则也可以使用HeNe激光、氩气激光等。
在上述的各实施方式中，将激光源201的波长设为近红外，但在看到测定光也无所谓时，也可以使用可见光。或者也可以使用紫外光。
另外，在实施方式2中将扩散板202配置于壳体205的内侧，但也可以配置于壳体205的外侧。配置于内侧可防止基于冲击等的扩散板202的脱落，因此有利。
在上述的各实施方式中，为了防止来自外部的冲击所导致的破损，因此也可以在扩散板202的外侧配置透明的平面状的外罩。若配置外罩则通过表面反射，降低约10％程度的照射光量。
在上述的各实施方式中，在扩散板202的入射面形成槽203，在扩散板202的出射面形成槽204，使槽方向相互垂直从而使其面状地扩散，在可以仅为1个轴向的扩散的情况下，也可以省略槽204并设为仅槽203的结构。
此外，若基于扩散的光的扩展角例如可以为90°以下，则槽形成面既可以为扩散板202的入射面的一侧也可以为出射面的一侧。
若在扩散板202的出射面形成槽，则在扩散的扩展角变大时，即槽深度相对于槽间距的纵横比变大时，从出射面向激光源201侧的反射光增加，因此光效率降低。因此，希望向扩散板202的槽配置于入射侧。
图2C中，通过使间隔w3与间隔w4几乎相等，从而使槽203的扩散展开的中心为相对于X轴方向对称的展开。但是，也可以改变间隔w3与间隔w4的比率、以及槽斜面S1～S4的非球面系数，使展开形成为相对于X轴非对称的展开。也可以在扩散板202的表面形成防反射膜，减少表面反射。
图6A～6D是另一扩散板202的槽203、204的说明图。在上述的实施方式1中，将扩散板202的形状设为包络线为曲面状，但也可以如图6A所示，将扩散板202的入射面以及出射面设为平板形状。此时，w3＜w4，w7＜w8。因此，在扩散板202的周边部F2、F4，扩散光的扩展的中心方向与X轴具有角度。扩散板202在1片扩散板的入射面形成槽203，在出射面形成槽204，但也可以分离为2片扩散板202a、202b，在扩散板202a设置槽203，在扩散板202b设置槽204。此外，也可以如图6B所示，是如下结构：使用2片在扩散板202仅形成槽203的结构，使第2片扩散板的槽203的槽排列方向围绕X轴旋转90°。由于若使用2片扩散板则表面反射增加，因此来自激光投射装置的照射光量约减少10％。图6B的扩散板202a的入射面以及出射面都为平板形状。
另外，在上述的实施方式1中，也可以如图6C所示，将扩散板202的入射面的槽203的包络线设为平面状，在出射面未配置槽，而设为圆筒轴与槽203的排列方向平行的剖面为非球面的圆筒形状的透镜面233。并且，在槽203，在XZ面使光扩散，另一方面，也可以在XY面，通过非球面的圆筒形状来校准光并在扩展上形成较小的光。此外，透镜面233也可以设为非球面透镜形状。图6C的扩散板202除了在出射面未形成槽204以外，与图1A相同。
另外，在上述的实施方式1中，也可以如图6D所示，在扩散板202，在入射侧形成槽203，在出射侧未形成槽，设为平面形状，并针对扩散板202出射光配置在出射面具有圆筒轴与槽203的排列方向平行的剖面为非球面的圆筒形状的透镜234。并且，也可以在槽203，在XZ面，使光扩散，另一方面，在XY面，通过非球面的圆筒形状来校准光并在扩展形成较小的光。此外，透镜面233也可以设为非球面透镜形状。图6D的扩散板202与图6B的扩散板202a相同。
另外，在上述的实施方式2中，将入射面250设为凸的圆锥形状，将激光源201的光聚光，朝向第1全反射面251的光增加。但是，在激光源201的出射光的扩展较小、不需要聚光时，或者入射面250的透过光的直接从出射面253射出的光增加、光可以扩散时，也可以将入射面250的形状设为平面。
另外，在上述的实施方式2中，如图9A所示，也可以作为准直透镜，使用两面非球面透镜，使用在入射面配置有槽203、在出射面配置有槽204的扩散板202。但是，相比于使用了全反射的准直透镜241，表观的光束直径较小，透镜厚度也变厚。图9A的扩散板202与图7A相同。
另外，在上述的实施方式2中，也可以如图9B所示，作为准直透镜，使用两面非球面透镜，使用在入射面配置有槽203的2片扩散板202a、202b，使第1片扩散板202a的槽方向与第2片扩散板202b的槽方向相互正交来进行配置。但是，相比于使用了全反射的准直透镜，表观的光束直径较小，透镜厚度也变厚，将扩散板设为2片，因此通过表面反射增加，光效率降低。图9B的扩散板202a、202b与图6B相同。
另外，在上述的实施方式2中，通过如图9C所示，设为在准直透镜241的第1全反射面251的后面追加锥状的圆筒面255的形状，也可以使出射面253的形状不为圆锥形状，而为平面形状。
另外，在上述的实施方式2中，向扩散板202的入射光通过准直透镜241而被平行光化，因此将扩散板202的入射面的槽203以及出射面的槽204设为平面状。但是，也可以不使准直透镜241的出射光完全平行光化，而使其以扩散状态射出，将扩散板202与实施方式1同样地设为曲面形状。
通过本公开的激光投射装置，针对激光源的出射光通过形成于扩散板的槽的斜面处的折射来使光扩散。因此，扩散板处的光损耗较小，能够射出宽扩展角的光。
此外，通过具有2个全反射面的准直透镜来放大激光源的出射光的光束直径后入射到扩散板，从而能够提高成为等级1的激光输出。因此，能够实现可进行明亮的照明的激光投射装置。
本公开的激光投射装置能够应用于屋外的车载传感器、防犯传感器、屋内的空调、照明等家庭电气产品的距离传感器用光源。

Claims (16)

1.一种激光投射装置，具备：
激光源；
扩散板，具有入射面和出射面，入射所述激光源的出射光；和
壳体，具有在所述激光源的射出方向，射出通过槽而扩散的光的开口部，
这里，在所述入射面和所述出射面的至少一方，排列直线状的多个所述槽。
2.一种激光投射装置，具备：
激光源；
准直透镜，具有：第1面，入射所述激光源的出射光；第2面，与所述第1面对置；侧面，被配置于所述第1面与所述第2面之间；第1全反射面，被配置于所述第2面的与所述第1面对置的位置，使来自所述第1面的入射光反射；以及第2全反射面，被配置于所述侧面，使所述第1全反射面的反射光反射，使其平行光化，所述准直透镜中从所述第2面射出基于所述第2全反射面的平行光；
扩散板，具有入射面和出射面，入射所述准直透镜的所述平行光；和
壳体，具有在所述激光源的射出方向射出通过所述扩散板的多个槽而扩散的光的开口部，
这里，在所述入射面和所述出射面的至少一方，排列直线状的所述多个槽。
3.根据权利要求2所述的激光投射装置，其中，
所述激光源通过将多个半导体激光器靠近排列而构成。
4.根据权利要求2所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的多个槽的各自的剖面由第1槽斜面、第2槽斜面、第3槽斜面、第4槽斜面这4个曲面状的槽斜面构成，
相邻的所述槽斜面在连接点按照倾斜角几乎相等的方式被连接。
5.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述多个槽的一个槽由凹形状、第1凸形状以及第2凸形状构成，
所述凹形状由所述第2槽斜面、和在第3连接点连接于所述第2槽斜面的所述第3槽斜面构成，
所述第1凸形状由在第2连接点连接于所述第2槽斜面的所述第1槽斜面形成，
所述第2凸形状由在第4连接点连接于所述第3槽斜面的所述第4槽斜面形成，
所述第1凸形状和所述第2凸形状的至少一方的高度高于或者等于由所述第2槽斜面和所述第3槽斜面形成的所述凹形状的高度。
6.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述多个槽的一个槽由凹形状、第1凸形状以及第2凸形状构成，
所述凹形状由所述第2槽斜面、和在第3连接点连接于所述第2槽斜面的所述第3槽斜面构成，
所述第1凸形状由在第2连接点连接于所述第2槽斜面的所述第1槽斜面形成，
所述第2凸形状由在第4连接点连接于所述第3槽斜面的所述第4槽斜面形成，
所述第1槽斜面距离在所述第2连接点所连接的所述第2槽斜面的高度比所述第4槽斜面距离在所述第4连接点所连接的所述第3槽斜面的高度高，
接近于所述扩散板的中央的槽斜面的高度比接近于所述扩散板的周边的槽斜面的高度高。
7.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述多个槽的一个槽由凹形状、第1凸形状以及第2凸形状构成，
所述凹形状由所述第2槽斜面、和在第3连接点连接于所述第2槽斜面的所述第3槽斜面构成，
所述第1凸形状由在第2连接点连接于所述第2槽斜面的所述第1槽斜面形成，
所述第2凸形状由在第4连接点连接于所述第3槽斜面的所述第4槽斜面形成，
所述第2槽斜面与所述第1槽斜面的第2连接点处的倾斜角等于或者小于所述第3槽斜面与所述第4槽斜面的第4连接点处的倾斜角，
接近于所述扩散板的中央的倾斜角等于或者小于接近于所述扩散板的周边的倾斜角。
8.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述多个槽的剖面处的槽斜面的形状为非球面。
9.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述多个槽的槽间距为0.1mm以上，且无间隙地进行排列。
10.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的厚度为0.2mm以上。
11.根据权利要求4所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的多个所述槽的形状是剖面为一定的挤压形状。
12.根据权利要求2所述的激光投射装置，其中，
在所述扩散板的所述入射面和所述出射面分别配置多个槽，所述入射面的所述多个槽的槽方向与所述出射面的所述多个槽的槽方向相互正交。
13.根据权利要求12所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述入射面的所述槽的槽深度相对于槽间距之比，大于或者等于所述出射面的所述槽的槽深度相对于槽间距之比。
14.根据权利要求12所述的激光投射装置，其中，
所述扩散板的所述出射面的形成有所述槽的区域比所述入射面的形成有所述槽的区域大。
15.根据权利要求2所述的激光投射装置，其中，
在所述准直透镜的所述第1全反射面，使所述入射光的光路弯曲为几乎直角，在所述第2全反射面，使来自所述第1全反射面的光的光路弯曲为几乎直角。
16.根据权利要求15所述的激光投射装置，其中，
所述准直透镜的出射面是凹的圆锥形状。
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