CN114258509A - 投射光学系统以及雷达装置 - Google Patents

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Abstract

投射光学系统(10)具备：面发光光源(11)，以高斯分布的强度发出光；和光学元件(12)，使从面发光光源(11)出射的光的强度在投射角度的范围内在至少一个方向均匀化。光学元件(12)的光入射的入射面被划分为具有相互不同的折射作用的多个区域(121)、(122)，多个区域(121)、(122)之中的至少均匀化的方向的外缘部分的光入射的最外区域(122)成为从相对于面发光光源(11)的发光面平行的状态向均匀化的方向倾斜的平面。

Description

投射光学系统以及雷达装置
技术领域
本发明涉及投射光的投射光学系统以及使用了该投射光学系统的雷达装置。
背景技术
已知一种雷达装置，向前方区域投射光，基于其反射光，对存在于前方区域的物体进行检测。在这种雷达装置中，例如向水平方向以规定的发散角投射光。该情况下，优选在该发散角的整个范围同样地进行物体检测。因此，在这种雷达装置中，使用用于在发散角的大致整个范围内使光的强度分布均匀化的投射光学系统。
在以下的专利文献1中，记载了如下的投射光学系统，即：通过在激光二极管的前方配置棱镜形状的光学元件，扩大从激光二极管出射的激光的发散角，并且使强度分布均匀化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-75564号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
在上述的雷达装置中，通过提高投射光的光量，能够扩大可进行物体检测的距离。该情况下，通过使用面发光光源，能够提高投射光的光量。
但是，在上述专利文献1的结构中使用了面发光光源的情况下，由于光源的发光区域从点光源扩散，因此光从光学元件的光轴的外侧的较宽的范围入射。因此，由于轴外分量对光学元件的影响，不能使发散角的边界附近陡峭地上升至均匀强度。
作为解决该问题的方法，能够使用扩大面发光光源与光学元件的距离直到能够将面发光光源视为点光源的程度的方法。但是，该方法中，由于大幅扩展的光入射到光学元件，因此光学元件大型化，结果导致雷达装置的大型化。
鉴于该课题，本发明的目的在于，提供一种能够使用面发光光源来提高投射光的光量、并且在投射光的发散角的边界附近能够使投射光的强度陡峭地提高为均匀强度的投射光学系统以及雷达装置。
-解决课题的手段-
本发明的第1方式涉及投射光学系统。本方式所涉及的投射光学系统具备：面发光光源，以近似于高斯分布的强度发出光；和光学元件，使从所述面发光光源出射的所述光的强度在投射角度的范围内在至少一个方向均匀化。在此，所述光学元件的所述光入射的入射面在所述均匀化的方向被划分为具有相互不同的折射作用的多个区域，所述多个区域之中的至少所述均匀化的方向的外缘部分的所述光入射的最外区域成为从相对于所述面发光光源的发光面平行的状态向所述均匀化的方向倾斜的平面。
入射到在光学元件的入射面所设定的多个区域之中的最外侧的最外区域的光形成透射光学元件后的投射光的外缘。通过将该最外区域设为平面，能够使入射到最外区域的光的强度分布(近似于高斯分布的强度分布)之中侧方的强度分布反映于投射光的外缘的强度分布。由此，能够抑制投射光的外缘的强度分布变得平缓。因此，在投射光的发散角的边界附近，能够使投射光的强度陡峭地提高为均匀强度，结果，能够扩大均匀强度的范围。
本发明的第2方式涉及雷达装置。本方式所涉及的雷达装置具备：第1方式所涉及的投射光学系统；和受光光学系统，对从所述投射光学系统投射的投射光被物体反射的反射光进行受光。
通过第2方式所涉及的雷达装置，由于具备第1方式所涉及的投射光学系统，因此能够扩大以均匀的强度分布对投射光进行投射的角度范围。因此，能够提高物体检测的精度。
-发明效果-
如以上那样，根据本发明，能够提供能够使用面发光光源来提高投射光的光量、并且在投射光的发散角的边界附近将投射光的强度陡峭地提高为均匀强度的投射光学系统以及雷达装置。
本发明的效果乃至意义通过以下所示的实施方式的说明更加清楚。但是，以下所示的实施方式仅仅是将本发明实施化时的一个示例，本发明并不限制于以下的实施方式所述的内容。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的雷达装置的结构的立体图。
图2的(a)是示意性地表示实施方式所涉及的面发光光源的结构的立体图。图2的(b)是示意性地表示实施方式所涉及的发光单元的结构的立体图。图2的(c)是表示实施方式所涉及的远场中的投射光的强度分布的图。图2的(d)是示意性地表示实施方式所涉及的通过来自多个发光单元的光来构成投射光的图。
图3的(a)～(c)分别是表示实施方式所涉及的光学元件的结构的立体图、俯视图以及后视图。
图4的(a)是示意性地表示实施方式所涉及的从面发光光源出射的投射光被光学元件折射的样子的图。图4的(b)是表示实施方式所涉及的验证1中的投射光的强度分布的模拟结果的图表。
图5的(a)是对实施方式所涉及的验证2中成为变量的参数进行说明的图。图5的(b)是表示实施方式所涉及的验证2中的投射光的强度分布的模拟结果的图表。
图6的(a)～(d)分别是表示实施方式所涉及的验证2中的投射光的强度分布的模拟结果的图表。
图7的(a)、(b)分别是表示变更例1所涉及的光学元件的结构的立体图以及俯视图。图7的(c)、(d)分别是表示变更例2所涉及的光学元件的结构的立体图以及俯视图。
图8的(a)、(b)分别是示意性地表示变更例1以及变更例2所涉及的从面发光光源出射的投射光被光学元件折射的样子的图。
图9的(a)是对变更例1所涉及的验证3中成为变量的参数进行说明的图。图9的(b)是表示变更例1所涉及的验证3中的投射光的强度分布的模拟结果的图表。
图10的(a)～(d)分别是表示变更例1所涉及的验证3中的投射光的强度分布的模拟结果的图表。
图11的(a)是示意性地表示实施方式所涉及的面发光光源与光学元件的距离被设定为规定的距离的情况下，投射光被光学元件折射的样子的图。图11的(b)是示意性地表示实施方式所涉及的面发光光源与光学元件的距离从规定的距离扩大的情况下，投射光被光学元件折射的样子的图。
图12的(a)是示意性地表示变更例2所涉及的面发光光源与光学元件的距离被设定为规定的距离的情况下，投射光被光学元件折射的样子的图。图12的(b)是示意性地表示变更例2所涉及的面发光光源与光学元件的距离从规定的距离扩大的情况下，投射光被光学元件折射的样子的图。
图13的(a)、(b)分别是说明实施方式以及变更例2的结构中，面发光光源与光学元件的距离变大的情况下的透射最外区域的光束的强度分布的变化的图。
其中，附图仅用于说明，并不限定本发明的范围。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的实施方式进行说明。为了方便，各附图中标注相互正交的X、Y、Z轴。X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向分别是雷达装置1的宽度方向、高度方向以及前后方向。雷达装置1向Z轴正方向出射投射光。
图1是表示雷达装置1的结构的立体图。图1中，表示上面盖被卸下的状态的雷达装置1。
雷达装置1具备：2个投射光学系统10、受光光学系统20、2个散热器30、2个冷却风扇40、2个电路基板50、壳体60。壳体60由长方体形状构成，在内部具有容纳雷达装置1的各结构部件的空间。
投射光学系统10具备面发光光源11、光学元件12、窗构件13。面发光光源11从矩形的发光区域在Z轴方向，以高斯分布(远场的强度分布)的强度分布，出射规定波长的投射光L1。面发光光源11例如出射红外的波段的投射光L1。光学元件12使从面发光光源11出射的投射光L1的投射角在X轴方向扩大，并且使X轴方向上的投射光L1的强度分布均匀化。窗构件13是透光性的构件，装配于壳体60前面的框部62，以使得将形成于壳体60的投射光L1的通过口61封闭。窗构件13也可以是选择性地使投射光L1的波段透射的滤光器。
在图1的结构中，2个投射光学系统10被配置为在X轴方向夹着受光光学系统20。2个投射光学系统10的结构相同。从2个投射光学系统10分别投射的投射光L1在受光光学系统20的前方重叠。这些投射光L1重叠的投射区域是在X轴方向较长的大致长方形的形状。
受光光学系统20具备聚光透镜21和光检测器22。聚光透镜21使被存在于雷达装置1的前方的物体反射的投射光L1的反射光R1在光检测器22的受光面聚光。聚光透镜21也可以不必是一个透镜，也可以是多个透镜组合的结构。受光光学系统20电可以包含仅使投射光L1的波段透射的滤光器。或者，在投射光L1的波段包含于红外的波段的情况下，光检测器22也可以是仅对红外的波段具有检测灵敏度的结构。
光检测器22是多个像素(光传感器)纵横地排列的结构。例如，在各像素配置有APD(雪崩光电二极管)的二维APD阵列被用作为光检测器22。或者，在各像素配置有SPAD(单光子雪崩二极管)的二维SPAD阵列被用作为光检测器22。
散热器30对在面发光光源11产生的热进行散热。面发光光源11被设置于散热器30的前面。冷却风扇40从壳体60的背面获取空气。被冷却风扇40获取的空气在壳体60内循环，从壳体60侧面的排气口63排气。在空气在壳体60内循环时，散热器30的热向空气移动。由此，面发光光源11被冷却。另外，冷却用的空气也可以将63设为吸气口，进行从冷却风扇40排出的相反方向的循环。
2个电路基板50分别安装有用于驱动左侧以及右侧的面发光光源11以及冷却风扇40的驱动电路。也可以在2个电路基板50的一个安装进行用于物体检测的控制的控制电路51。控制电路51也可以被安装于其他电路基板。
在物体检测动作时，控制电路51使2个面发光光源11进行脉冲发光。并且，控制电路51参照来自光检测器22的各像素的检测信号，判断各像素中是否接收到反射光R1。控制电路51判断在投射光L1的投射区域之中的与接收反射光R1的像素对应的位置存在物体。此外，控制电路51也可以基于面发光光源11的发光定时与反射光R1的受光定时的时间差，计算到物体的距离。
图2的(a)是示意性地表示面发光光源11的结构的立体图。图2的(b)是示意性地表示发光单元111的结构的立体图。
如图2的(a)所示，面发光光源11具备多个发光单元111。在此，6个发光单元111被设置于基座113。发光单元111的数量并不局限于6个。各发光单元111通过布线112连接并被提供电源。发光单元111间的连接可以是串联连接，或者也可以是并联连接。
如图2的(b)所示，发光单元111在基座111b上表面的发光区域RA2均等地配置多个光源111a，在分别串联或者并联地电布线的状态下构成。光源111a是垂直腔面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。光源111a也可以是VCSEL以外的光源。例如，光源111a也可以是LED(Light Emitting Diode)。各光源111a在出射光轴以对称的高斯分布出射光L0。光源111a的强度分布在以出射光轴为中心的任一径向上都相同。
此外，一般地，LED与VCSEL相比具有较大的发光面积，因此例如发光单元111、面发光光源11也可以不是LED的阵列结构，而由单体的LED构成。即，在光源111a是LED的情况下，也可以将具有与面发光光源11的发光区域相同程度的发光面积的一个LED配置于面发光光源11的发光区域，也可以将具有比面发光光源11的发光区域小的发光面积的2个以上的LED均等地配置于面发光光源11的发光区域。
如图2的(a)所示，通过集成6个发光单元111，构成将发光区域RA1设为面发光区域的面发光光源11。发光区域RA1例如纵横的边为几mm～几10mm。在发光区域RA1，大致均等地配置光源111a。也可以发光单元111仅在X轴方向一维地排列配置来构成面发光光源11。此外，也可以是光源111a仅在X轴方向一维地排列的结构。
如图2的(d)所示，由从全部光源111a出射的光L0构成投射光L1。通过来自多个光源111a的光L0重叠，投射光L1在远场成为均匀的高斯分布。图2的(c)表示远场中的投射光L1的强度分布。远场中的投射光L1的强度分布为在出射光轴(中心轴)对称的高斯分布。投射光L1的强度分布在以出射光轴为中心的任一径向都相同。
另外，这样，通过重叠来自多个光源111a的光L0来形成投射光L1，从而还具有各个光源111a的远场图案以及输出的偏差被均匀化的效果。
图3的(a)～(c)分别是表示光学元件12的结构的立体图、俯视图以及后视图。
光学元件12包含棱镜形状的透光性的构件。光学元件12是入射面12a向Z轴负方向(接近面发光光源11的方向)突出的凸型的形状。光学元件12的出射面(Z轴正侧的面)是与Z轴垂直的平面。光学元件12是在X轴方向对称的形状。入射面12a在X轴方向(将投射光L1均匀化的方向)被划分为多个区域121、122。即，入射面12a具有中央的2个区域121和配置于这些区域121的外侧的2个区域122。
2个区域121的X轴方向的宽度相互相同并且恒定。此外，2个区域122的X轴方向的宽度相互相同并且恒定。区域121、122均是平面。2个区域121从与XY平面平行的状态(与面发光光源11的发光面平行的状态)向与XZ平面平行的方向(投射光L1的均匀化的方向)倾斜相同的角度。此外，2个区域122从与XY平面平行的状态(与面发光光源11的发光面平行的状态)向与XZ平面平行的方向(投射光L1的均匀化的方向)倾斜相同的角度。区域122的倾斜角比区域121的倾斜角大。因此，区域121和区域122在X轴方向(投射光L1的均匀化的方向)具有相互不同的折射作用。
光学元件12被配置为入射面12a与面发光光源11的发光面正对。即，光学元件12被配置为光学元件12的中心轴A1与面发光光源11的发光区域RA1的中心一致，并且光学元件12的出射面(Z轴负侧的面)与面发光光源11的发光面平行。
图4的(a)是示意性地表示从面发光光源11出射的投射光L1被光学元件12折射的样子的图。
如图4的(a)所示，从面发光光源11的发光面11a出射的投射光L1向入射面12a入射，以使得在X轴方向均等地施加于入射面12a。投射光L1相对于中央的2个区域121、122，入射到X轴方向的宽度的全部区域，在侧方的2个区域121、122，入射到X轴方向的宽度的一部分的区域122a。入射到区域121、122a的投射光L1受到与各区域的倾斜角相应的折射作用。
在此，如上所述，面发光光源11是集成有多个光源111a的结构，因此入射到区域121、122a的投射光L1的光线以来自各光源111a的光的发散角入射到各区域。因此，入射到区域121、122a的光线以由其发散角和与区域121、122a的倾斜角相应的折射作用决定的折射角而被折射。由此，可决定光线的行进方向。
在此，由于区域122a的倾斜角比区域121大，因此入射到区域122a的光线组L12a、L12b比入射到区域121的光线组L11更大地折射。因此，入射到中央的2个区域121的各光线构成透射光学元件12之后的投射光L1之中的X轴方向中央附近的角度范围的光束。此外，入射到侧方的2个区域122a的各光线构成透射光学元件12之后的投射光L1之中的X轴方向外缘附近的角度范围的光束。
在此，入射到侧方的2个区域122a的各光线根据从光源111a出射时的发散角，行进方向不同。图4的(a)的光线组L12a、L组12b表示该情况。在相对于Z轴方向向光学元件12的中心方向倾斜的方向上入射到区域122a的光线被区域122a进一步在向光学元件12的中心方向倾斜的方向折射。
因此，入射到区域122a的投射光L1在相对于区域122a向光轴方向(光学元件12的内侧)倾斜入射的光线组之中最大程度地折射的光线组L12a、和相对于区域122a向远离光轴方向的方向(光学元件12的外侧)倾斜入射的光线组之中最小程度地折射的光线组L12b之间的角度范围内前进。因此，投射光L1的X轴方向的端部附近的光束由光线组L12a附近的光束形成。
在此，如上所述，面发光光源11是多个光源111a大致均等地配置的结构，因此从面发光光源11入射到区域121、122a的光束的强度分布也分别为大致高斯分布。此外，由于光入射的区域121、122a是不具有曲率的平面，因此投射光L1的X轴方向的外缘附近的强度分布直接反映入射到区域122a的光束的强度分布(高斯分布)。
这样，由于通过入射面是不具有曲率的平面从而入射到区域122a的光束的强度分布(高斯分布)直接反映投射光L1的X轴方向的外缘附近的强度分布，因此能够抑制投射光L1的外缘的强度分布变缓。因此，在投射光L1的发散角的边界附近，能够使投射光L1的强度陡峭地提高为均匀强度，其结果，能够扩大均匀强度的范围。
<验证1>
发明人通过使用上述结构的光学元件12，通过模拟验证了能够使投射光L1的外缘附近的强度分布陡峭地上升。以下，对该验证结果进行说明。
图4的(b)是表示投射光L1的强度分布的模拟结果的图表。
在该模拟中，假定光以高斯分布入射到区域121、122a。透射各区域的光束的高斯分布的半峰全宽(FWHM)设为13.5°。光学元件12的入射面12a的分割数与图3的(a)～(c)相同，设为4个。被分割的4个区域121、122与上述同样地设为平面。透射光学元件12之后的投射光L1的X轴方向的发散角设为30°。此外，将区域122a与区域121之间的角度间距(透射各区域的光束的峰值强度间的角度差)设为10°。
在图4的(b)中，横轴是投射光L1的X轴方向的放射角度，纵轴是投射光L1的标准化的强度分布。通过虚线来表示透射区域121、122a的光束的强度分布。中央的2个虚线的强度分布是透射2个区域121的光束的强度分布，侧方的2个虚线的强度分布是透射2个区域122a的光束的强度分布。将4个虚线的强度分布相加，得到实线所示的投射光L1整体的强度分布。
如图4的(b)所示，透射区域122a的光束的强度分布之中，外侧的强度分布(被单点划线包围的部分)直接反映在投射光L1的外缘附近的强度分布。由此，能够使投射光L1的外缘附近的强度分布陡峭地上升至均匀的强度分布，能够较大地确保均匀的强度分布的范围。即，能够确认，通过使用上述实施方式的结构的光学元件12，能够使用面发光光源11来确保光量，并且将投射光L1的放射角扩展为±30°，并且，能够在较宽的范围内使投射光L1的强度分布均匀化。
<验证2>
接下来，发明人通过模拟，验证了使透射区域121、122a的光束的高斯分布的半峰全宽与这些光束的角度间距(峰值强度间的角度差)的关系变化的情况下的投射光L1的强度分布的变化。
图5的(a)是说明该验证中成为变量的参数的图。图5的(a)的图表与图4的(b)的图表相同。
在图5的(a)中，θ1是透射最外侧的区域(最外区域)的光束的半峰全宽，θ2是透射与最外区域相邻的内侧的区域(相邻区域)的光束的半峰全宽。P1、P2分别是透射最外区域以及相邻区域的光束的峰值强度的角度位置，ΔP是这些峰值强度的角度位置间的角度差(角度间距)。
在该验证中，与上述验证1同样地，透射光学元件12之后的投射光L1的X轴方向的发散角(放射角)设为±30°。此外，根据半峰全宽θ1、θ2的变化，变更了入射面12a的分割数。被分割的各区域与上述实施方式同样地，均设为平面。假定透射各区域的光束的强度分布是高斯分布。
图6的(a)～(d)是表示模拟结果的图。图6的(a)～(d)中，纵轴、横轴、实线以及虚线的内容与图4的(b)同样。
在图6的(a)中，将半峰全宽θ1、θ2设为10°，将角度间距ΔP设定为10°。即，角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系如以下的式子那样设定。
ΔP＝(θ1+θ2)/2...(1)
此外，光学元件12的入射面12a与上述同样地，划分为4个区域。
在图6的(a)中，最外侧的光束的强度分布(高斯分布)直接反映在投射光L1的强度分布。由此，能够确认能够使投射光L1的外缘范围W2的强度分布陡峭地上升。此外，能够确认均匀范围W1中强度分布稍微变动。由此可知，若将角度间距ΔP设为上述式(1)的值以上，则会对均匀范围W1的均匀化产生妨碍。
在图6的(b)中，将半峰全宽θ1、θ2设为10°，将角度间距ΔP设定为7.5°。即，角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系如以下的式子那样设定。
ΔP＝(θ1+θ2)/2.7...(2)
此外，光学元件12的入射面12a划分为5个区域。因此，中央的区域与面发光光源11的发光面11a平行。
在图6的(b)中，最外侧的光束的强度分布(高斯分布)也直接反映在投射光L1的强度分布。由此，能够确认能够使投射光L1的外缘范围W2的强度分布陡峭地上升。此外，相比于图6的(a)，均匀范围W1中的强度分布的变动被显著抑制。由此能够确认，通过将角度间距ΔP设定为上述式(1)的值，可得到良好的投射光L1的强度分布。
另外，在图6的(b)的验证结果中，均匀范围W1的宽度比图6的(a)稍小。由此可以说，为了扩大均匀范围W1，优选使角度间距ΔP接近于上述式(1)的值。
在图6的(c)中，将半峰全宽θ1、θ2设为10°，将角度间距ΔP设定为5°。即，角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系如以下的式子那样设定。
ΔP＝(θ1+θ2)/4...(3)
此外，光学元件12的入射面12a划分为7个区域。因此，中央的区域与面发光光源11的发光面平行。
在图6的(c)中，对最外侧的光束的强度分布(高斯分布)的外侧的范围赋予了其内侧的光束的强度分布(高斯分布)的一部分，因此投射光L1的外缘范围W2的强度分布与图6的(b)相比稍缓。因此，外缘范围W2稍微扩大，均匀范围W1稍变小。
在图6的(d)中，将半峰全宽θ1、θ2设为10°，将角度间距ΔP设定为0.5°。即，角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系如以下的式子那样设定。
ΔP＝(θ1+θ2)/20...(4)
此外，光学元件12的入射面12a划分为61个区域。因此，中央的区域与面发光光源11的发光面平行。
在图6的(d)中，分割数较多，因此入射面12a与曲面大致等价。在该条件下，由于在投射光L1的外缘附近多个光束的强度分布重合，因此外缘附近的强度分布变得相当平缓。根据其结果可知，入射面为曲面无法得到陡峭的强度分布。
图5的(b)是将图6的(a)～的(d)的验证结果综合的图表。为了方便，在图5的(b)中表示各图表的左侧的边界附近的强度分布。
根据该验证结果可知，通过将角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/4以上，能够确保投射光L1的边界附近的强度分布的陡峭性。因此，可以说优选角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/4以上。
此外，根据该验证结果以及图6的(a)的验证结果可知，若角度间距ΔP超过(θ1+θ2)/2，则均匀范围W1中的强度分布的均匀性劣化。因此，可以说优选角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/2以下。
另外，在图4的(b)所示的验证1中，角度间距ΔP为(θ1+θ2)/2.7。该情况下，也与图5的(b)的实线的图表同样地，能够确保投射光L1的边界附近处的强度分布的陡峭性和均匀范围W1中的强度分布的均匀性。
<实施方式的效果>
通过本实施方式，起到以下的效果。
入射到在光学元件12的入射面12a设定的多个区域121、122之中的最外侧的区域122(最外区域)的光形成透射光学元件12之后的投射光的外缘。通过将该区域122(最外区域)设为平面，例如图4的(a)所示，能够使入射到区域122(最外区域)的光的强度分布(高斯分布)之中的侧方的强度分布反映于投射光L1的外缘的强度分布。由此，能够抑制投射光L1的外缘的强度分布变缓。因此，能够在投射光L1的发散角(放射角度)的边界附近，使投射光L1的强度陡峭地提高为均匀强度，其结果，能够扩大均匀强度的范围(均匀范围W1)。或者，在将均匀强度的范围考虑为一定的情况下，能够提高均匀强度范围内的光能，其结果，光利用效率提高。
如上所述，优选角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/4以上。由此，能够确保投射光L1的边界附近处的强度分布的陡峭性，能够较宽地设定均匀范围W1。
此外，如上所述，优选角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/2以下。由此，能够抑制均匀范围W1中的均匀性的劣化。
在上述实施方式中，面发光光源11包含多个VCSEL在发光区域RA1均等地配置的VCSEL阵列。由此，能够有效地提高面发光光源11的总光量(发光功率)。
另外，若这样使用面发光光源11作为光源，则发光面积变大，因此眼睛的视网膜上的能量密度降低，因此能够确保眼睛安全，并且能够以更高的功率进行光投射。此外，在图1的结构中，投射光学系统10被分离配置2个，因此各个光源在人眼的视网膜上成像于分离的位置。若该成像位置的差在一定以上，则只要针对各个光源独立地满足眼睛安全条件即可，因此，由此也能够确保眼睛安全，并且能够以更高的功率进行光投射。此外，由于投射光学系统10被配置2个，因此即使万一在一个面发光光源11产生不良情况，也能够将投射光L1向前方区域投射，能够继续物体检测。
通过图1所示的雷达装置1，由于具备上述结构的投射光学系统10，因此能够高效地扩大以均匀的强度分布投射了投射光L1的角度范围(均匀范围W1)。因此，能够提高物体检测的精度，延长测距距离。
<变更例1、2>
雷达装置1的结构除了上述实施方式所示的结构以外，能够进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，在光学元件12的入射面12a中央附近设定了包含平面的2个区域121，但也可以在光学元件12的入射面12a中央附近设定向投射光L1的均匀化的方向(X轴方向)弯曲的曲面(以下，表示为“变更例1”)。
此外，在上述实施方式中，光学元件12的入射面12a是向靠近面发光光源11的方向突出的凸型的形状，但光学元件12的入射面12a也可以是向远离面发光光源11的方向凹陷的凹型的形状(以下，表示为“变更例2”)。
图7的(a)、(b)是表示变更例1所涉及的在入射面12a中央附近设定有向投射光L1的均匀化的方向(X轴方向)弯曲的曲面的情况下的光学元件12的结构的立体图以及俯视图。此外，图7的(c)、(d)是表示变更例2所涉及的入射面12a是向远离面发光光源11的方向凹陷的凹型的形状的情况下的光学元件12的结构的立体图以及俯视图。
在图7的(a)、(b)的结构中，入射面12a在X轴方向被划分为3个区域122、123。其中，中央的区域123是仅向X轴方向弯曲的曲面。区域123的形状是球面或者非球面的圆筒形状。区域123是在X轴方向对称的形状。区域122与上述实施方式的区域122同样地，是向X轴方向倾斜的平面。光学元件12是在X轴方向对称的形状。
在图7的(c)、(d)的结构中，入射面12a在X轴方向被划分为3个区域124、125。其中，中央的区域124是仅向X轴方向弯曲的曲面。区域124的形状是球面或者非球面的圆筒形状。区域124是在X轴方向对称的形状。区域125是向X轴方向倾斜的平面。在此，由于入射面12a是凹型的形状，因此2个区域125向与上述实施方式1的区域122相反方向倾斜。光学元件12是在X轴方向对称的形状。
图8的(a)是示意性地表示从面发光光源11出射的投射光L1被变更例1所涉及的光学元件12折射的样子的图。图8的(b)是示意性地表示从面发光光源11出射的投射光L1被变更例2所涉及的光学元件12折射的样子的图。
参照图8的(a)，变更例1的光学元件12是与图4的(a)的结构中2个区域121被置换为倾斜角逐渐变化的多个区域的情况等价的结构。因此，在该情况下，也与图4的(a)的光学元件12同样地，向外侧的2个区域122a入射的光线组L12a、L12b的放射角大于向中央的区域123入射的光线组L13的放射角。因此，向2个区域122a入射的光束构成投射光L1的X轴方向外缘附近的角度范围的光束。
参照图8的(b)，在变更例2的光学元件12中，区域125的倾斜角大于区域124的倾斜角。因此，从面发光光源11向入射面12a入射的投射光L1之中，向外侧的区域125a入射的光束的光线组L15a、L15b的放射角大于向中央的区域124入射的光束的光线组L14的放射角。因此，向2个区域125a入射的光束构成投射光L1的X轴方向外缘附近的角度范围的光束。
这样，在变更例1、2中，向最外侧的区域(2个区域122a以及2个区域125a)入射的光束也构成投射光L1的外缘附近的光束，因此透射这些区域的光束中的高斯分布的外侧的范围反映在投射光L1的边界附近的强度分布。因此，在变更例1、2中，也与上述实施方式同样地，能够使投射光L1的边界附近的强度分布陡峭地上升为均匀强度。
在图7的(c)、(d)所示的变更例2的结构中，区域124也可以被置换为多个平面。例如，入射面12a的形状也可以是图3的(a)～(c)所示的入射面12a向Z轴方向折回的形状。在该结构中，向外缘的区域125a入射的光束也构成投射光L1的外缘附近的光束，因此与图8的(b)的情况同样地，能够使投射光L1的边界附近的强度分布陡峭地上升为均匀强度。
<验证3>
发明人通过模拟，在变更例2的结构中，验证了使透射区域123、122a的光束的高斯分布的半峰全宽与这些光束的角度间距(峰值强度间的角度差)的关系变化的情况下的投射光L1的强度分布的变化。
图9的(a)是对该验证中成为变量的参数进行说明的图。
在图9的(a)中，横轴是投射光L1的X轴方向的放射角度，纵轴是投射光L1的被标准化的强度分布。通过虚线来表示透射区域123、122a的光束的强度分布。中央的虚线的强度分布是透射区域123的光束的强度分布，侧方的2个虚线的强度分布是透射2个区域122a的光束的强度分布。将3个虚线的强度分布相加，得到通过实线来表示的投射光L1整体的强度分布。
在图9的(a)中，θ1是透射最外侧的区域(最外区域)的光束的半峰全宽，θ2是透射与最外区域相邻的中央的区域(相邻区域)的光束的半峰全宽。P1、P2分别是透射最外区域以及相邻区域的光束的峰值强度的角度位置，ΔP是这些峰值强度的角度位置间的角度差(角度间距)。
在该验证中，也与上述验证1同样地，透射光学元件12之后的投射光L1的X轴方向的发散角(放射角)设为±30°。假定为透射各区域的光束的强度分布是高斯分布。另外，在图9的(a)所示的图表中，半峰全宽θ1、θ2分别被设定为10°、17°，角度间距ΔP被设定为10°。即，在半峰全宽θ1、θ2与角度间距ΔP之间，存在上述式(2)的关系。
图10的(a)～(d)是表示模拟结果的图。图10的(a)～(d)中，纵轴、横轴、实线以及虚线的内容与图9的(a)同样。
在图10的(a)中，将半峰全宽θ1、θ2设为10°，将角度间距ΔP设定为10°。即，根据上述式(1)而设定了角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系。
在图10的(b)中，将半峰全宽θ1、θ2分别设为10°、17°，将角度间距ΔP设定为10°。即，根据上述式(2)而设定了角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系。图10的(b)的图表与图9的(a)的图表相同。
在图10的(c)中，将半峰全宽θ1、θ2分别设为10°、30°，将角度间距ΔP设定为10°。即，根据上述式(3)而设定了角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系。
在图10的(d)中，将半峰全宽θ1、θ2分别设为10°、190°，将角度间距ΔP设定为10°。即，根据上述式(4)而设定了角度间距ΔP与半峰全宽θ1、θ2的关系。
在图10的(a)～(c)的验证中，可得到与上述实施方式的验证2中的图6的(a)～(c)的验证结果同样的倾向的验证结果。与此相对地，在图10的(d)的验证中，相比于上述实施方式的验证2中的图6的(d)的验证结果而边界附近的上升显著地成为平缓的强度分布。
图9的(b)是将图10的(a)～的(d)的验证结果综合的图表。为了方便，在图9的(b)中，表示各图表的左侧的边界附近的强度分布。
根据这些验证能够确认，在变更例1的结构中，通过将角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/4以上也能够使投射光L1的边界附近的强度分布陡峭地上升，此外，通过将角度间距ΔP设定为(θ1+θ2)/2以下能够抑制投射光L1的均匀范围W1中的强度分布的变动。在变更例2的结构中，也能够假定得到同样的验证结果。
接下来，对在面发光光源11与光学元件12的距离变化的情况下，在光学元件12的入射面12a是凸型的情况和是凹型的情况下，投射光L1的边界附近的强度分布产生怎样的差异进行研究。
图11的(a)、(b)是示意性地表示实施方式的结构(入射面12a是凸型)中，面发光光源11与光学元件12的距离变化的情况下，从面发光光源11出射的投射光L1被光学元件12折射的样子的图。
如图11的(b)所示，若面发光光源11与光学元件12的距离变大，则入射到区域122的光束的范围(区域122a)扩大。此时，由于从面发光光源11的各光源111a出射的光以规定的出射角扩大，因此随着面发光光源11与光学元件12的距离变大，入射到区域122a的光线组中向远离光轴方向的方向(光学元件12的外侧)倾斜入射的光线组的比率提高。因此，构成投射光L1的边界附近的光线组L12a的光量随着面发光光源11与光学元件12的距离变大而减少，伴随于此，光线组L12b的光量增加。
图12的(a)、(b)是示意性地表示变更例2的结构(入射面12a是凹型)中，面发光光源11与光学元件12的距离变化的情况下，从面发光光源11出射的投射光L1被光学元件12折射的样子的图。
如图12的(b)所示，若面发光光源11与光学元件12的距离变大，则入射到区域125的光束的范围(区域125a)扩大。此时，由于从面发光光源11的各光源111a出射的光以规定的出射角扩大，因此随着面发光光源11与光学元件12的距离变大，入射到区域125a的光线组中，向远离光轴方向的方向(光学元件12的外侧)倾斜入射的光线组的比率提高。在变更例2中，由于入射面12a是凹型，因此与实施方式的结构不同，通过区域125a而向外侧方向最大程度地折射的光线组L15b构成投射光L1的边界附近。因此，在变更例2中，构成投射光L1的边界附近的光线组L15b的光量随着面发光光源11与光学元件12的距离变大而增加，伴随于此，光线组L15a的光量减少。
图13的(a)、(b)分别是对实施方式以及变更例2的结构中，面发光光源11与光学元件12的距离变大的情况下的透射最外区域的光束的强度分布的变化进行说明的图。
为了方便，在图13的(a)中，表示实施方式的结构中，透射X轴负侧的区域122的光束的强度分布，在图13的(b)中，表示变更例2的结构中，透射X轴正侧的区域125的光束的强度分布。实线表示面发光光源11与光学元件12的距离扩大前的强度分布，虚线表示面发光光源11与光学元件12的距离扩大后的强度分布。
在实施方式的结构中，若面发光光源11与光学元件12的距离扩大，则如上所述，构成投射光L1的边界附近的光线组L12a的光量减少，光线组L12b的光量增加。因此，如图13的(a)所示，透射X轴负侧的区域122的光束的强度分布由于面发光光源11与光学元件12的距离扩大，外侧的范围(+30°侧的范围)变得更加陡峭，内侧的范围(0°侧的范围)变得更加平缓。在此，由于外侧的范围反映在投射光L1的外缘附近的强度分布，因此投射光L1的外缘附近的强度分布随着面发光光源11与光学元件12的距离变宽而变得陡峭。
与此相对地，在变更例2的结构中，若面发光光源11与光学元件12的距离扩大，则如上所述，构成投射光L1的边界附近的光线组L15b的光量增加，光线组L15a的光量减少。因此，如图13的(b)所示，透射X轴正侧的区域125的光束的强度分布由于面发光光源11与光学元件12的距离变宽，外侧的范围(-30°侧的范围)变得更加平缓，内侧的范围(0°侧的范围)变得更加陡峭。在此，由于外侧的范围反映在投射光L1的外缘附近的强度分布，因此投射光L1的外缘附近的强度分布随着面发光光源11与光学元件12的距离变宽而变得平缓。
这样，在变更例2的结构(入射面12a是凹型)的情况下，若使光学元件12从规定的位置向Z轴正方向移动，则投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性降低。与此相对地，在实施方式的结构(入射面12a是凸型)的情况下，通过使光学元件12从规定的位置向Z轴正方向移动，能够提高投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性。
因此，在实施方式的结构中，通过将光学元件12的位置在Z轴方向调整，能够调整投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性。因此，通过实施方式的结构，能够进行均匀范围W1的平坦度的调整和各个光源111a的远场图案的个体差异的修正，并且将投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性设定为所希望的状态。
<变更例1、2的效果>
如变更例1那样，即使中央的区域123是向X轴方向(投射光L1的均匀化的方向)弯曲的曲面，如参照图8的(a)来说明那样，能够使投射光L1的外缘附近的强度分布陡峭地上升为均匀强度，能够较宽地确保均匀范围W1。
另外，若对图5的(b)与图9的(b)进行比较可知，则如实施方式那样将全部区域设定为平面的情况相比于如变更例2那样将中央的区域设定为曲面的情况，能够将均匀范围W1的边界位置设定于更外侧的角度位置，能够更宽地确保均匀范围W1。因此，可以说为了更宽地确保均匀范围W1，优选入射面12a的全部区域是平面。
此外，如变更例2那样，即使入射面12a是向远离面发光光源11的方向凹陷的凹型的形状，也如参照图8的(b)来说明那样，能够使投射光L1的外缘附近的强度分布陡峭地上升为均匀强度，能够较宽地确保均匀范围W1。
但是，如参照图11的(a)～图13的(b)来说明那样，若如实施方式那样，入射面12a是凸型的形状，则通过将光学元件12的位置在Z轴方向调整，能够提高投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性，因此能够适当地进行均匀范围W1的平坦度的调整与各个光源111a的远场图案的个体差异的修正，并且将投射光L1的外缘附近的强度分布的陡峭性设定为所希望的状态。因此，在这方面，可以说光学元件12的入射面12a相比于凹型更优选凸型的形状。
<其他变更例>
在上述实施方式以及变更例1、2中，仅在X轴方向将入射面12a划分为多个区域，将其中至少最外的区域设定为平面，但也可以将该结构进一步应用于Y轴方向，来构成入射面12a。由此，能够使投射光L1在X轴方向和Y轴方向这两方均匀化，能够使两个方向的外缘附近的强度分布陡峭地上升为均匀强度。
此外，在上述实施方式中，在雷达装置1设置了2个投射光学系统10，但设置于雷达装置1的投射光学系统10的数量并不局限于2个，也可以在雷达装置1设置一个或者3个以上的投射光学系统10。
此外，在上述实施方式以及变更例1、2的各图中，在入射面12a设定的各区域的倾斜角以及曲率是为了说明的方便而示出的，这些区域的倾斜角以及曲率并不限定于各图所所示的例子。各区域的倾斜角以及曲率被设定为能够使投射光L1的强度分布在外缘附近陡峭地上升，并能够适当地确保均匀范围W1的平坦度即可。
此外，入射面12a的划分数并不限定于上述实施方式以及变更例1、2所示的划分数，只要能够在两侧设定最外区域并且能够在其内侧设定相邻区域，则也可以设定为其他划分数。此外，曲面的区域与平面的区域的组合方法并不局限于上述变更例1、2所示的组合方法，只要两侧的最外区域是平面，也可以使用其他组合方法。
此外，在入射面12a划分的各面的面积作用于通过各面的光束形成的高斯分布的强度(大小)，因此最优化并设定为将通过各面并向前方投射的高斯分布合成的强度分布变得平坦即可。
此外，上述实施方式以及变更例1、2所示的光学元件的出射面设为相对于光源的发光面平行的平面，但也可以通过设为凹面或者凸面而使其具有针对投射角度范围的扩大缩小作用。
此外，上述中，以与光学元件组合的光源111a以高斯分布发光为前提进行了说明，但是如果将通过光学元件12的各面并向前方投射的光束组合成得到的强度分布是能够实现平坦的分布的范围，则即使光源111a的强度分布稍微偏离高斯分布也能够允许。
此外，上述实施方式中，投射光学系统10应用于雷达装置1，但本发明所涉及的投射光学系统也能够适当应用于雷达装置1以外的装置，能够适当应用于以均匀强度对投射光进行投射的其他装置。
此外，本发明的实施方式在权利要求书所示的技术思想的范围内能够适当进行各种变更。
-符号说明-
1 雷达装置
10 投射光学系统
11 面发光光源
11a 发光面
12 光学元件
12a 入射面
20 受光光学系统
121、122、123、124、125 区域
111a 光源(VCSEL)
RA1 发光区域。

Claims (11)

1.一种投射光学系统，具备：
面发光光源，以近似于高斯分布的强度发出光；和
光学元件，使从所述面发光光源出射的所述光的强度在投射角度的范围内在至少一个方向均匀化，
所述光学元件的所述光入射的入射面在所述均匀化的方向上被划分为具有相互不同的折射作用的多个区域，
所述多个区域之中的至少所述均匀化的方向的外缘部分的所述光入射的最外区域成为从相对于所述面发光光源的发光面平行的状态向所述均匀化的方向倾斜的平面。
2.根据权利要求1所述的投射光学系统，其中，
在将入射到所述最外区域的所述光的半峰全宽设为θ1、将入射到所述多个区域中的相对于所述最外区域在内侧相邻的相邻区域的所述光的半峰全宽设为θ2的情况下，入射到所述最外区域的所述光的峰值位置P1与入射到所述相邻区域的所述光的峰值位置P2之间的角度间距ΔP被设定为(θ1+θ2)/4以上。
3.根据权利要求2所述的投射光学系统，其中，
所述角度间距ΔP被设定为(θ1+θ2)/2以下。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述光学元件的所述入射面是向接近所述面发光光源的方向突出的凸型的形状。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述光学元件的所述入射面是向远离所述面发光光源的方向凹陷的凹型的形状。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述多个区域的全部区域是从相对于所述面发光光源的发光面平行的状态向所述均匀化的方向倾斜的平面。
7.根据权利要求1至5的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述多个区域之中的中央的区域是向所述均匀化的方向弯曲的曲面。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述面发光光源是多个垂直腔面发射激光器VCSEL被均等地配置于发光区域的VCSEL阵列。
9.根据权利要求1至7的任一项所述的投射光学系统，其中，
所述面发光光源构成为至少一个LED配置于发光区域。
10.根据权利要求9所述的投射光学系统，其中，
所述面发光光源构成为多个LED均等地配置于发光区域。
11.一种雷达装置，具备：
权利要求1至10的任一项所述的投射光学系统；和
受光光学系统，对从所述投射光学系统投射的投射光被物体反射的反射光进行受光。
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