CN112014851A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影装置。激光光源(101)的出射光通过棱镜(102)被分为与来自斜面(104)和斜面(105)的出射光对应的两个光束(130)以及光束(131)。光束(130)以及光束(131)通过扩散板(106)以及扩散板(111)进行扩散，从而成为光束(132)以及光束(133)。通过使光束(132)以及光束(133)重叠在一起，可得到大角度且光强度高的放射分布。

Description

投影装置

技术领域

本发明涉及用于距离测定的投影装置。

背景技术

以往，作为距离测定方式，已知有对光源的光进行振幅调制并测定来自被测定物的反射光与光源的相位差的相位差检测方式、通过照射极短脉冲的光并测定被测定物的反射光的到达时间来测定距离的TOF(Time Of Flight：飞行时间)方式。

在此，若想要延长可测定的距离并且提高测定精度，则为了得到小型高输出且高频的调制或者非常短的脉冲波形，需要使用半导体激光器作为光源。

关于激光光源的使用，从对人体、眼睛的安全性的观点出发，在日本国内，由JIS-C6802进行规定。特别是，在人的眼睛有可能进入光的情况下，一般而言，需要满足等级1的条件。

在此，为了满足等级1的条件而提高激光光源的输出，在配置于投影装置的出射面的扩散板中，需要增大激光的光束直径。

具体而言，在投影装置的出射面上的光束直径小的情况下，当人观察投影装置时，在眼睛的视网膜上形成的光源像也变小，光集中变高，容易对眼睛造成损伤。为了防止这种情况，通过增大投影装置的出射面的光束直径，从而增大在视网膜上形成的光源像即可。由此，不会对眼睛造成损伤，能够增大激光光源的光输出的最大值。

然而，作为以往的激光投影装置，存在在半导体激光器的出射部的窗上配置有扩散板的结构的激光投影装置(例如，参照专利文献1)。

在专利文献1的发明中，来自激光光源的出射光被凹透镜扩散放大，光被投影到扩散板。在扩散板中，光各向同性地扩散。通过使用凹透镜，使扩散板中的光束直径变大。

在此，激光光源的光束直径非常小，小到几μm，但通过使用凹透镜和扩散板，就会在扩散板上形成相比激光光源的出射面上的光束直径非常大的光束直径。

由此，在人观察激光时，形成于眼睛的视网膜的光源的像变大，因此不会对眼睛造成损伤，能够增大激光输出的上限。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-307174号公报

发明内容

本发明的一方式所涉及的投影装置具备：具有第1面、第2面以及第3面的三角形状的棱镜；向所述棱镜的所述第1面出射光的光源；和与所述棱镜的所述第2面以及所述第3面分别对置配置的两个扩散板，所述棱镜的所述第2面以及所述第3面所成的顶角为5°以上且90°以下。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的激光投影装置的结构的示意图。

图2是将扩散板的结构局部放大表示的剖视图。

图3是表示激光投影装置的光线的图。

图4是表示扩散板中的折射所致的光扩散的图。

图5A是表示来自棱镜的斜面的出射光的放射角分布的图。

图5B是表示扩散板的出射光的放射角分布的图。

图5C是表示使扩散板的光束重叠在一起时作为激光投影装置的放射角分布的图。

附图标记说明

100 激光投影装置

101 激光光源

102 棱镜

103 底面(第1面)

104 斜面(第2面)

105 斜面(第3面)

106 扩散板

108 槽部

109 凹部

110 凸部

111 扩散板

112 透明壳体

具体实施方式

在以往的发明中，由于利用凹透镜将激光光源的出射光扩展并照射到扩散板，因此为了增大激光光源的表观的光束直径，需要使扩散板的扩散性非常高。

具体而言，在扩散板的中央部分，光大致垂直地入射到扩散板的入射面，但在周边部，倾斜地入射到扩散板的入射面。因此，为了在扩散板的中央部和周边部出射同样的扩散光，必须使扩散性增强到不依赖于入射光的角度的程度。

此外，若激光光源在扩散板上的表观的光束直径小，则光源的亮度就会变高，在人观察投影装置时，会对眼睛造成损伤。因此，为了确保投影装置的激光安全性，需要使用扩散性非常高的扩散板，增大扩散板的面上的表观的光束直径。

然而，在一般的毛玻璃状的扩散板中，通过在毛玻璃部分对光进行多重反射而进行光扩散，因此如果提高光扩散性，则从扩散面返回到激光光源侧的光的比例就会变大，光利用效率会大幅降低。

此外，扩散性高的扩散板的扩散特性一般为朗伯(Lambert)扩散，朝向倾斜方向的光会变弱。进而，由于是平板的扩散面，因此存在无法进行180°以上的光扩散这样的课题。

本发明是鉴于上述方面而完成的，其目的在于提供一种扩散板中的光损失小并能够出射均匀且大放射角的光的投影装置。

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下的优选实施方式的说明本质上仅为例示，意图并不在于对本发明、其应用对象或其用途加以限制。

图1是本实施方式所涉及的激光投影装置的示意图。在图1中，将纸面右手方向设为X轴，将向上方向设为Y轴，将纸面进深方向设为Z轴。

如图1所示，激光投影装置100具备激光光源101、棱镜102、扩散板106及扩散板111、以及透明壳体112。

激光光源101向X轴正方向出射光。出射的光的分布具有放射分布的中心与X轴平行且接近于高斯分布的放射分布。激光光源101的扩展角优选按半值全角为5°以上且40°以下。可能的话，优选为30°以下。

激光光源101的波长是近红外的单色的波长，在发光时不会被人的眼睛感知。激光光源101在YZ面内接近地排列有多个激光发光元件(省略图示)。通过排列配置多个激光发光元件，能够减弱空间上的干涉性，降低斑点噪声。

此外，通过对光源使用激光，与LED相比能够提高响应性，能够形成发光时间短的脉冲状的光。由此，即使平均能量相同，通过提高峰值光强度，在距离测量等中，也能够照射至远处的物体进行测量。

棱镜102在XY面内剖面为三角形，是在Z轴方向上剖面形状固定的挤出形状。即，棱镜102的包含三角形的顶点的边与任意顶角部的Z轴方向平行。

棱镜102的底面103被配置为与激光光源101对置，且与YZ面平行。由棱镜102的斜面104和斜面105构成的顶角θ为90°以下，按照全反射来自激光光源101的光的角度来设定。另外，顶角θ如果太小，则强度不足而容易破损，因此优选为5°以上。

棱镜102在激光光源101的波长下是透明的，材质例如可以是聚碳酸酯、丙烯等树脂、或者玻璃。

将连结棱镜102的底面的中心位置和棱镜102的顶点113的线相对于激光光源101的发光中心少许偏离地配置。

扩散板106由薄的平板状的构件构成。扩散板106被配置为与棱镜102的斜面104对置。扩散板106的槽部108位于棱镜102侧，槽部108的相反面是平面部107。

扩散板111是与扩散板106同样的扩散板，被配置为与棱镜102的斜面105对置，扩散板111的槽部位于棱镜102侧。

扩散板106以及扩散板111在激光光源101的波长下是透明的。材质例如可以是聚碳酸酯、丙烯等树脂、或者玻璃。

扩散板106和扩散板111隔开规定的间隙d而配置。间隙d的间隔至少为0.05mm以上。通过隔开间隙d，能够降低因扩散板106以及扩散板111彼此的接触而导致的垃圾的产生、破损的风险。

光量中心线140表示出射棱镜102的光的放射分布的光量最大的方向。扩散板106的面法线141相对于光量中心线140绕Z轴顺时针偏离角度φ而配置。角度φ设为激光光源101的扩展角的1/2左右。

透明壳体112的XY面内的剖面形状形成为三角形状。透明壳体112与扩散板106、以及透明壳体112与扩散板111的相对置的面大致平行。

图2是将图1所示的假想圆A所围起的部分放大后的图。如图2所示，扩散板106的槽部108的凹部109和凸部110邻接配置，凹部109和凸部110的组合成为以周期p重复的形状。

槽部108是在Z轴方向上剖面形状固定的挤出形状。即，包含三角形状的顶点的边与任意的顶角部的槽部108的槽方向平行。

凹部109和凸部110为非球面形状，凹部109和凸部110相接的部分的倾斜角相同，凹部109和凸部110平滑地接合。使凹部109绕Z轴中心旋转180度后的形状是与凸部110相似的形状。在XY面中，通过凹部109与凸部110的连接部的线145与槽部108的法线方向垂直。另外，扩散板111的槽形状与扩散板106同样。

以下，对激光投影装置100的动作进行说明。如图3所示，激光光源101的出射光120自棱镜102的底面103入射并折射，成为光线121。棱镜102的顶角θ被设定为小于90°且在斜面105进行全反射，因此光线121的大部分的光由斜面105进行全反射，入射到与斜面105对置的斜面104。

光线121以接近于斜面104的法线方向的角度入射，因此大部分的光透过斜面104，从棱镜102出射。从棱镜102的斜面104出射的光线121入射到扩散板106的槽部108。

图4是将图3所示的假想圆B所围起的部分放大后的图。如图4所示，槽部108由凹部109和凸部110构成。入射到凹部109的光线122通过凹透镜效应而扩散。入射到凸部110的光线123暂时聚光，之后扩散。

在扩散板106的槽部108中扩散的光在扩散板106的平面部107折射并出射。扩散板106的折射率比空气大，因此从扩散板106出射的光的扩展角进一步变大。因此，入射到排列有凹部109和凸部110的槽部108的光线121通过折射作用而被进行光扩散。另外，在棱镜102的斜面104进行全反射并透过斜面105而在扩散板111扩散的光也同样。

图5A～图5C是表示来自激光投影装置100的出射光在图1中的XY面上的放射角分布的图。关于角度，将通过棱镜102的顶点113的X轴上设为0度，相对于从Z轴的负方向向正方向观察时的Z轴，将顺时针方向设为正，将逆时针方向设为负。

图5A是表示来自棱镜102的斜面104以及斜面105的出射光的放射角分布的图。如图5A所示，激光光源101的出射光通过棱镜102而分成与来自斜面104和斜面105的出射光对应的两个光束130以及光束131。

图5B是表示扩散板106以及扩散板111的出射光的放射角分布的图。从棱镜102的斜面104以及斜面105出射的光通过扩散板106以及扩散板111进行扩散，从而成为光束132以及光束133。

从扩散板106扩散的光即光束132在放射角分布的负方向上存在扩展，但设定扩散板106的扩展角，使得稍微向正方向跨越。同样地，从扩散板111扩散的光即光束133在放射角分布的正方向上存在扩展，但设定扩散板111的扩展角，使得稍微向负方向跨越。

来自扩散板106的出射光的光束134的放射角分布的负方向侧的光强度变高，角度0°方向的光强度变低(参照图5C)。这是因为如下情况而产生的，即，在图2中，棱镜102的出射光的光量中心线140相对于扩散板106的槽部108的面法线141在XY面内以角度φ入射。

通过使棱镜102的出射光的光量中心线140相对于槽部108以角度φ入射，由此相对于槽部108的斜面146，入射角就变小，从而因折射导致的光线角度变化就变小。即，扩散板106中的扩散变小。槽部108的斜面146处的折射光是向放射角分布的负方向扩散的光，因此负方向的角度的扩展变小(参照图5B的附图标记150)。

另一方面，相对于斜面147，入射角变大，从而因折射导致的光线角度变化就变大。即，扩散板106中的扩散变大。槽部108的斜面147处的折射光是向放射角分布的正方向侧扩散的光，因此正方向侧的角度的扩展变大(参照图5B的附图标记151)。

若光量中心线140相对于面法线141倾斜角度φ，则向斜面146的光量就比斜面147多，并且光扩散就变小，因此在放射角度分布中，负方向的光强度就变大。因此，扩散板106的出射光的放射角度分布的负方向的光强度变强。另外，在来自扩散板111的出射光中，正方向侧的光强度变强也是同样的。

图5C是使扩散板106的光束132与扩散板111的光束133重叠在一起时的作为激光投影装置100的放射角分布。从扩散板106扩散的光束132被设定为不仅扩展到角度负方向，一部分还扩展到正方向的角度(参照图5B)。同样地，来自扩散板111的扩散后的光束133被设定为不仅扩展到角度方向正方向，一部分还扩展到负方向的角度(参照图5B)。

因此，如图5C所示，通过将光束132和光束133重叠在一起，如光束134那样，能够得到0°附近的光量稍低且在正方向和负方向上光强度高的放射分布。

通过设为这样的放射分布，在自0°方向即激光投影装置100的正面方向观察正方向和负方向即周边部时是有利的。通过将扩散板106以及扩散板111的扩散所产生的扩展角分别设为90°以上，能够将合成的扩展角设为180°以上。

另一方面，XZ面内的放射分布保持激光光源101的扩展角不变。在机动车等搭载激光投影装置100的情况下，通过将XZ面设为垂直方向，将XY面设为水平方向，从而在垂直方向上不太扩展光，而在水平面内扩展，由此能够高效地照射光。

然而，在计算激光光源101的激光等级时，投影光学系统的扩散板中的光束直径会干预到激光等级计算。在本实施方式中，构成为利用棱镜102将光两分割，并使其各自扩散，因此，在表观上，将激光光源101分为两个，在激光等级计算中能够提高成为激光等级1的激光光源输出的上限。

扩散板106以及扩散板111能够通过使用了模具的注射成型来制作。在本实施方式中，扩散板106以及扩散板111的槽部108以平滑的曲线形成为挤出形状，因此，例如能够通过成形加工容易地以短时间的机械加工来制作模具，通过注射成型而廉价地制作扩散板。此外，不易受到扩散板106以及扩散板111的制造工序中的磨损、成形的转印不良所引起的变形的影响。

此外，扩散板106以及扩散板111的槽部108以平滑的曲线形成，因此，例如，不会在边缘等处局部地使倾斜角变大而成为边缘附近的不需要的反射、杂光。此外，也不会由于边缘部分的磨损而形成未预期的扩散的扩展，使扩散板的光效率容易降低。

扩散板106和扩散板111隔开间隙d而配置，但来自激光光源101的光被棱镜102分为两个而成为具有角度的光，因此来自棱镜102的出射光几乎不产生向0°方向的光(参照图5A)。因此，几乎不会产生来自扩散板106与扩散板111的间隙d的泄漏光。

然而，一般而言，若组装时产生误差，则难以使激光光源101的放射分布中心和棱镜102的对称轴一致。

与此相对，在本实施方式中，激光光源101的放射分布是高斯分布且至少按半值全角具有5°以上的扩展，扩散板106和扩散板111的放射分布在角度0°处重叠。

因此，即使激光光源101的放射分布中心与棱镜102的对称轴偏离，角度0°方向的光强度也难以成为0。在此，越增大激光光源101的放射分布的扩展角，就越能够增大激光光源101的放射分布中心与棱镜102的对称轴的偏离的允许值。

根据这样的结构，利用棱镜102将激光光源101的出射光分为两个，由使用两个折射的扩散板106以及扩散板111进行扩散，使扩散光重叠在一起，由此，扩散板106以及扩散板111中的光损失小，能够出射180°以上的扩展角的光。

此外，通过将激光光源101的光源像分为两个，能够增大表观的光源发光尺寸，提高成为激光等级1的激光输出，因此能够提供能进行明亮的照明的激光投影装置。

《其他实施方式》

在所述实施方式中，也可以采用以下的结构。

在本实施方式中，激光光源101使用了排列多个激光发光元件并降低了空间上的干涉性的激光光源，但也可以使用多模类型的半导体激光器等空间上的干涉性低的激光光源。此外，也可以使用发光二极管、发光直径小的发光二极管(SLD)。

另外，若斑点噪声增加也没有关系，则也可以是单模类型的半导体激光器。此外，如果装置也可以大型化，则也可以使用HeNe、氩气体激光器等。

此外，在本实施方式中，使激光光源101的波长为近红外，但也可以在测定光可见也没有关系时使用可见光。或者，也可以使用紫外光。另外，将光源设为激光光源101，响应特性变差，但也可以使用LED。

此外，在本实施方式中，也可以在扩散板106以及扩散板111的平面部107形成防反射膜，使表面反射降低。

此外，在本实施方式中，扩散板106和扩散板111既可以是相同的扩展角，也可以变更槽部108的凹部109和凸部110的形状而设为不同的扩展角。

此外，在本实施方式中，棱镜102的剖面形状可以是等腰三角形，也可以是不等边三角形。

此外，在本实施方式中，将透明壳体112的剖面设为三角形状，但并不限定于该方式。例如，由于透镜效应，放射角分布发生少许变化，但也可以是在图1的XY面内成为半圆的圆筒形状。

此外，在本实施方式中，为了使光在XZ面方向上扩展，也可以在激光光源101之后直接配置使光在XZ面内扩散的扩散板。

第1方式所涉及的投影装置具备：具有第1面、第2面、以及第3面的三角形状的棱镜；向所述棱镜的所述第1面出射光的光源；和与所述棱镜的所述第2面以及所述第3面分别对置配置的两个扩散板，所述棱镜的所述第2面以及所述第3面所成的顶角为5°以上且90°以下。

第2方式所涉及的投影装置也可以是，在第1方式中，所述扩散板的扩散面设置于与所述棱镜对置的一侧，所述扩散板的所述扩散面的相反侧的面形成为平面状。

第3方式所涉及的投影装置也可以是，在第2方式中，所述扩散板的扩散面形成为将凹部和凸部邻接地配置多个而成的槽状。

第4方式所涉及的投影装置也可以是，在第3方式中，所述棱镜形成为剖面形状固定的挤出形状，所述扩散板的扩散面的槽部与所述棱镜的挤出方向大致平行地延伸。

第5方式所涉及的投影装置也可以是，在第3或者第4方式中，与所述扩散板的槽方向大致平行的方向的光扩散角小于与该扩散板的槽方向大致垂直的方向的光扩散角。

第6方式所涉及的投影装置也可以是，在第1至第5方式中的任意一个中，所述两个扩散板隔开规定的间隙而配置。

第7方式所涉及的投影装置也可以是，在第1至第6方式中的任意一个中，所述两个扩散板的光的扩展角分别是90°以上。

第8方式所涉及的投影装置在第1至第7方式中的任意一个中，具备配置于所述光源、所述棱镜、以及所述两个扩散板的外侧的透明罩，所述透明罩可以具有供所述扩散板的出射光入射且与该扩散板对置的大致平行的面。

第9方式所涉及的投影装置在第1至第8方式中的任意一个中，所述光源也可以是激光光源。

根据本发明，扩散板中的光损失小，能够出射均匀且大放射角的光。

工业上的可利用性

本发明的投影装置的扩散板中的光损失小且能够出射大放射角的光，能够将投影装置的出射面中的表观的光束分开，在激光等级1的范围内提高激光光源输出，因此也能够应用到室外的车载传感器、防盗传感器、室内的空调、照明等家电的距离传感器用光源中。

Claims (9)

1.一种投影装置，其特征在于，具备：

三角形状的棱镜，具有第1面、第2面、以及第3面；

光源，向所述棱镜的所述第1面出射光；以及

两个扩散板，与所述棱镜的所述第2面以及所述第3面分别对置配置，

所述棱镜的所述第2面以及所述第3面所成的顶角为5°以上且90°以下。

2.根据权利要求1所述的投影装置，其中，

所述扩散板的扩散面设置于与所述棱镜对置的一侧，

所述扩散板的所述扩散面的相反侧的面形成为平面状。

3.根据权利要求2所述的投影装置，其中，

所述扩散板的扩散面形成为将凹部和凸部邻接地配置多个而成的槽状。

4.根据权利要求3所述的投影装置，其中，

所述棱镜形成为剖面形状固定的挤出形状，

所述扩散板的扩散面的槽部与所述棱镜的挤出方向大致平行地延伸。

5.根据权利要求3或者4所述的投影装置，其中，

与所述扩散板的槽方向大致平行的方向的光扩散角小于与该扩散板的槽方向大致垂直的方向的光扩散角。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的投影装置，其中，

所述两个扩散板隔开规定的间隙而配置。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的投影装置，其中，

所述两个扩散板的光的扩展角分别是90°以上。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的投影装置，其中，

所述投影装置具备配置于所述光源、所述棱镜、以及所述两个扩散板的外侧的透明罩，

所述透明罩具有供所述扩散板的出射光入射且与该扩散板对置的大致平行的面。

9.根据权利要求1～8中的任一项所述的投影装置，其中，

所述光源是激光光源。

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