CN114341726A - 光设备 - Google Patents

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CN114341726A
CN114341726A CN202080062627.3A CN202080062627A CN114341726A CN 114341726 A CN114341726 A CN 114341726A CN 202080062627 A CN202080062627 A CN 202080062627A CN 114341726 A CN114341726 A CN 114341726A
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鸣海建治
稻田安寿
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Abstract

光设备具备：光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上的扩散程度扩大。

Description

光设备
技术领域
本公开涉及光设备。
背景技术
以往，提出了用光束来扫描场景并检测来自场景中包含的对象物的反射光来计测到对象物的距离的各种设备(例如，参照专利文献1及2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018－128663号公报
专利文献2：美国专利申请公开第2018/0224709号说明书
发明内容
发明要解决的课题
本公开的目的是提供一种能够比较容易地变更光束的扩散程度的光设备。
用来解决课题的手段
有关本公开的一技术方案的光设备具备：光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上的扩散程度扩大。
发明效果
根据本公开的技术，能够实现能够比较容易地变更光束的扩散程度的光设备。
附图说明
图1A是示意地表示光偏转装置的例子的立体图。
图1B是将图1A所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图2是示意地表示本公开的实施方式1的光设备的例子的立体图。
图3A是将图2所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图3B是将图2所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图4是将图2所示的构成沿着+X方向观察的图。
图5A是描绘了没有光学元件的情况下的光偏转装置的宽度与光束的扩散角的关系的计算结果的图。
图5B是描绘了有光学元件的情况下的光偏转装置的宽度与光束的扩散角的关系的计算结果的图。
图6A是示意地表示实施方式1的第1变形例的光设备的例子的立体图。
图6B是将图6A所示的构成沿着+X方向观察的图。
图7A是示意地表示实施方式1的第2变形例的光设备的例子的立体图。
图7B是将图7A所示的构成沿着+X方向观察的图。
图8A是示意地表示实施方式1的第3变形例的光设备的例子的立体图。
图8B是将图8A所示的构成沿着+X方向观察的图。
图8C是示意地表示从透镜阵列及单一透镜射出的光束的远场的强度分布的图。
图9是示意地表示实施方式1的第4变形例的光设备的例子的立体图。
图10A是示意地表示实施方式1的第5变形例的光设备的例子的立体图。
图10B是将图10A所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图10C是示意地表示实施方式1的第6变形例的光设备的例子的立体图。
图10D是将图10C所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图10E是示意地表示实施方式1的第7变形例的光设备的例子的立体图。
图10F是将图10E所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图11是示意地表示本公开的实施方式2的光设备的例子的立体图。
图12A是将图11所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图12B是将图11所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图13是将图11所示的构成沿着+X方向观察的图。
图14是示意地表示本公开的实施方式3的光设备300的例子的立体图。
图15A是将图14所示的构成沿着+Y方向观察的图。
图15B是将图14所示的构成沿着+X方向观察的图。
图16A是示意地表示实施方式3的变形例的光设备310的例子的立体图。
图16B是将图16A所示的构成沿着+Y方向观察的图。
具体实施方式
在说明本公开的实施方式之前，说明作为本公开的基础的认识。
图1A是示意地表示例示性的实施方式的光偏转装置10所具备的构造的例子的立体图。图1B是将图1A所示的构成沿着+Y方向观察的图。为了参考，示意地表示了相互正交的X轴、Y轴及Z轴。在本说明书中，设轴的箭头朝向的方向为+方向，设其相反的方向为-方向。设+Z方向指向的方向为上方，设-Z方向指向的方向为下方。但是，这些称呼只不过是为了说明的方便而使用的，并不限定实际使用光偏转装置10时的姿势。此外，图中表示的构造物的整体或一部分的形状及大小也并不限制现实的形状及大小。
光偏转装置10将从未图示的光源发出的光束朝向规定的方向射出。光偏转装置10具备第1镜10m1、第2镜10m2及光波导层10w。第1镜10m1及第2镜10m2相互对置，在X方向上延伸。第1镜10m1的透射率比第2镜10m2的透射率高。第1镜10m1及第2镜10m2的至少一方例如可以由交替地层叠有多个高折射率层及多个低折射率层的多层反射膜形成。第1镜10m1及第2镜10m2可以由包括相同的高折射率层及相同的低折射率层的多层反射膜形成。在此情况下，如果使第1镜10m1的层叠数比第2镜10m2的层叠数少，则第1镜10m1的透射率比第2镜10m2的透射率高。光波导层10w位于第1镜10m1与第2镜10m2之间。
第1镜10m1在与光波导层10w相反一侧具有与XY平面平行的光射出面10s。光10L在光波导层10w内一边被第1镜10m1及第2镜10m2反射一边沿着X方向传播。此时，光10L的一部分从光射出面10s作为光束10b被向外部射出。光束10b的中心轴的方向依赖于光波导层10w的折射率及/或厚度。在本说明书中，将光束10b的中心轴的方向简单称作“光束10b的射出方向”。
光波导层10w可以具有根据被施加的驱动电压的变化而折射率及/或厚度变化的构成。在图1B所示的例子中，光波导层10w包含液晶材料，在光波导层10w可以设置用来施加驱动电压的2个电极10e。如果通过来自未图示的控制电路的控制信号的输入而驱动电压变化，则光波导层10w的折射率变化，从光射出面10s射出的光束10b的射出方向沿着X方向变化。在另一例中，光波导层10w包含气体或液体，对第1镜10m1及/或第2镜10m2，可以安装当被施加驱动电压时变形的致动器。如果通过来自未图示的控制电路的控制信号的输入而驱动电压变化，则随着因致动器的变形带来的镜间隔的变化而光波导层10w的厚度变化，从光射出面10s射出的光束10b的射出方向沿着X方向变化。如以上这样，光偏转装置10能够响应于来自外部的控制信号，使从光射出面10s射出的光束10b的射出方向沿着X方向变化。图1A的与X方向平行的粗线表示光束10b的扫描方向。
在美国专利申请公开第2018/0224709号中公开了光偏转装置10的动作原理及动作方法等详细情况。在本说明书中援用该文献的公开内容整体。
接着，说明光束10b的形状。在远场中存在与光束10b的射出方向垂直的屏幕的情况下，光束10b的形状是指由光束10b照射该屏幕而得到的光点的形状。如图1A所示，从沿着X方向延伸的光射出面10s射出的光束10b在远场中具有如线形状或椭圆形状那样沿着Y方向延伸的形状。如图1A所示，光束10b在Y方向上的扩散角比光束10b在X方向上的扩散角大。
在将光偏转装置10利用于用光计测到对象物的距离的LiDAR(Light DetectingAnd Ranging)系统的情况下，根据LiDAR系统的用途适当地调整光束10b在Y方向上的扩散程度。在对汽车等移动体应用LiDAR系统的情况下，通过使沿着道路的水平方向延伸的光束沿着道路的垂直方向变化，能够以少的扫描次数计测到近距离的对象物的距离。另一方面，通过将道路的水平方向上的光束10b的扩散程度相对减小而提高光束10b的每单位面积的照射能量，能够计测到远距离的对象物的距离。
从光偏转装置10射出的光束10b在Y方向上的扩散程度由光偏转装置10的构造、具体而言由光射出面10s的Y方向上的宽度决定。光射出面10s的Y方向上的宽度越窄则光束10b在Y方向上的扩散越大，光射出面10s的Y方向上的宽度越宽则光束10b在Y方向上的扩散越小。但是，仅通过构造的设计，并不能大幅变更光束10b的扩散。
在本公开的实施方式的光设备中，通过在从光偏转装置10射出的光束10b的路径上配置光学元件，能够大幅变更光束10b在Y方向上的扩散程度。
有关第1技术方案的光设备具备：光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上扩散程度扩大。
在该光设备中，能够通过扩散程度被扩大的光束以较少的次数扫描更宽的范围。
有关第2技术方案的光设备在有关第1技术方案的光设备中，上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜。
在该光设备中，从光学元件射出的光束通过透镜的结果，光束的扩散程度被变更。
有关第3技术方案的光设备在有关第2技术方案的光设备中，上述透镜是凹透镜。
在该光设备中，通过凹透镜，能够扩大从光学元件射出的光束的扩散程度。
有关第4技术方案的光设备在有关第2技术方案的光设备中，上述透镜是凸透镜。
在该光设备中，通过凸透镜，能够扩大或缩小从光学元件射出的光束的扩散程度。
有关第5技术方案的光设备在有关第2～第4技术方案中任一项的光设备中，上述光学元件具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
在该光设备中，即使光束的射出角度变化，也能够抑制从光学元件射出的光束的扩散的变化。
有关第6技术方案的光设备在有关第1～第5技术方案中任一项的光设备中，上述光学元件与上述光偏转装置的上述光射出面接触。
在该光设备中，通过使光学元件与光偏转装置的上述光射出面接触，能够减小整体的尺寸。
有关第7技术方案的光设备在有关第1技术方案中任一项的光设备中，上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个镜。上述镜将从上述光偏转装置的上述光射出面射出的上述光束进行反射。
在该光设备中，从光学元件射出的光束被镜反射的结果，光束的扩散程度被变更。
有关第8技术方案的光设备在有关第7技术方案的光设备中，上述镜是凸面镜。
在该光设备中，通过凸面镜，能够扩大从光学元件射出的光束的扩散程度。
有关第9技术方案的光设备在有关第7技术方案的光设备中，上述镜是凹面镜。
在该光设备中，通过凹面镜，能够扩大或缩小从光学元件射出的光束的扩散程度。
有关第10技术方案的光设备在有关第7～第9技术方案中任一项的光设备中，上述光学元件具有上述镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
在该光设备中，即使光束的射出角度变化，也能够抑制被镜反射的光束的扩散的变化。
有关第11技术方案的光设备在有关第1～第10技术方案中任一项的光设备中，上述光偏转装置具备：第1镜及第2镜，相互对置，并在上述第1方向上延伸；以及光波导层，位于上述第1镜与上述第2镜之间，使光在上述第1方向上传播。
在该光设备中，在光波导层中传播的光的一部分向外部射出。
有关第12技术方案的光设备在有关第1～第10技术方案中任一项的光设备中，上述光偏转装置具备：多个光波导，沿着上述第1方向排列，并且沿着上述第2方向延伸；以及多个移相器，与上述多个光波导分别连接。
在该光设备中，通过多个移相器并分别入射到多个光波导的光的一部分向外部射出。
有关第13技术方案的光设备在有关第12技术方案的光设备中，在上述多个光波导分别设有光栅。上述光束经由上述光栅射出。
在该光设备中，经由光栅，射出多个衍射光叠加而形成的光束。
有关第14技术方案的光设备具备：光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上的扩散程度变化；上述光学元件具有上述光束入射的第1面和上述光束射出的第2面；上述光射出面和上述光学元件的上述第1面或上述第2面之间的沿着与上述光射出面垂直的方向的距离沿着上述第1方向变化。
在该光设备中，能够抑制伴随于光束扫描的光束的形状及强度分布的变化。
有关第15技术方案的光设备在有关第14技术方案的光设备中，上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜，并且具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
在该光设备中，即使对于光束的透镜的曲率不是无论射出角度如何都严格地一定，也能够抑制因射出角度的变化带来的光束的形状及强度分布的变化。
有关第16技术方案的光设备在有关第14技术方案的光设备中，上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜，并且具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向为一定的部分；上述光学元件的上述部分的上述第1面或上述第2面相对于上述光射出面沿着上述第1方向倾斜。
在该光设备中，能够在使透镜的曲率沿着第1方向为一定的同时，抑制依赖于射出角度的光路长度的变化。结果，能够抑制伴随于光束扫描的光束的形状及强度分布的变化。
在本公开中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或者框图中的功能块的全部或一部分例如可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scaleintegration)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成到一个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，也可以将存储元件以外的功能块集成到一个芯片中。这里称作LSI或IC，但根据集成的程度而叫法变化，也可以称作系统LSI、VLSI(very large scaleintegration)或ULSI(ultra large scale integration)。也可以以相同的目的使用在LSI的制造后编程的Field Programmable Gate Array(FPGA)、或者能够进行LSI内部的接合关系的重构或LSI内部的电路划区的设置的reconfigurable logic device。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或动作可以通过软件处理来执行。在此情况下，软件被记录在一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等的非暂时性的记录介质中，在软件被处理装置(processor)执行时，由该软件确定的功能被处理装置(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性的记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备例如接口。
在本公开中，“光”不仅指可视光(波长为约400nm～约700nm)，还指包括紫外线(波长为约10nm～约400nm)及红外线(波长为约700nm～约1mm)的电磁波。
以下，说明本公开的更具体的实施方式。其中，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有省略已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长、使本领域技术人员的理解变得容易。另外，发明人们为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供附图及以下的说明，并不是要由它们来限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对于相同或类似的构成要素赋予相同的标号。
(实施方式1)
首先，参照图2说明本公开的实施方式1的光设备的基本的构成例。图2是示意地表示本公开的实施方式1的光设备100的例子的立体图。在图2中，为了使说明容易理解，将构成要素以分离的状态进行了表示，但这些构成要素也可以接触。关于以下的立体图也是同样的。实施方式1的光设备100具备光偏转装置10和光学元件20。
关于实施方式1的光偏转装置10，如参照图1A及图1B说明的那样。上述的光源例如可以包括半导体激光器元件。从光源发出的光束的波长可以根据用途而选择。在通过红外线计测到对象物的距离的情况下，光束的波长例如可以是700nm以上且2.5μm以下。光束的波长也可以是可视域的波长，即约400nm以上且约700nm以下。光束的波长也可以是2.5μm以上。
实施方式1的光学元件20包括透镜20a及支承透镜20a的介质20b。光学元件20配置在从光偏转装置10射出的光束10b的路径上。透镜20a是具有上表面20as1及下表面20as2的平凹透镜。在图2中，将透镜20a的弯曲夸张地表示。透镜20a在上表面20as1中在Y方向上具有曲率，在下表面20as2具有平坦的底面。曲率由曲率半径的倒数规定。透镜20a是具有在X方向上延伸的构造的柱形透镜。透镜20a可以在上表面20as1及下表面20as2的至少一方上在Y方向上具有曲率。曲率半径例如可以是1mm以上且100mm以下。介质20b具有与透镜20a相同的折射率，但也可以具有不同的折射率。介质20b与光偏转装置10的光射出面10s接触。介质20b根据用途，也可以不与光偏转装置10的光射出面10s接触。介质20b也可以是空气、水或真空。光学元件20不需要包括透镜20a及介质20b双方，也可以仅包括至少一方。光学元件20的X方向上的长度例如是1mm以上且5mm以下，Y方向上的宽度例如是1mm以上且10mm以下，Z方向上的高度例如可以是1mm以上且10mm以下。
接着，参照图3A及图3B，说明从光偏转装置10的光射出面10s射出的光束10b的射出方向的变化。图3A及图3B是将图2所示的构成沿着+Y方向观察的图。在图3A及图3B所示的例子中，光偏转装置10及光学元件20以沿着+X方向观察的面对齐的方式配置。通过使光波导层10w的折射率及/或厚度变化，光束10b的射出方向沿着X方向变化。在图3A及图3B所示的例子中，光束10b的射出角度从
Figure BDA0003533860130000091
变化到
Figure BDA0003533860130000092
光束10b的射出角度相当于平行于YZ平面的平面与光束10b所成的角度。
Figure BDA0003533860130000093
及
Figure BDA0003533860130000094
两者都具有正值。如图3A及图3B所示，在光波导层10w内传播的光10L的一部分从光射出面10s射出，所以光10L的强度沿着X方向减小。设光10L的强度为1/e倍时的距离为传播长度lx。e是自然对数的底。为了使通过光学元件20后的光束10b的全部从光学元件20的透镜20a的上表面20as1向外部有效地射出，光学元件20的X方向上的长度Lx被设计为比传播长度lx长。具体而言，根据传播长度lx、光束10b的最大射出角度
Figure BDA0003533860130000101
及光学元件20的Z方向上的高度Lz而设计光学元件20的长度Lx。光束10b在透镜20a的上表面20as1折射并向外部射出。
接着，参照图4说明通过光学元件20后的光束10b在Y方向上的扩散程度。图4是将图2所示的构成沿着+X方向观察的图。带箭头的光线表示从光偏转装置10射出的光束10b传播的状况。光学元件20通过折射效应，使入射到光学元件20中的光向与入射方向不同的方向射出。也可以代替折射效应而利用衍射效应，也可以利用折射效应及衍射效应双方。另外，光束10b在微观上从在Y方向上具有宽度的光射出面10s射出，但为了使说明简单而记作从1点射出。
关于光学元件20的构造，如下所述。设透镜20a及介质20b的折射率为n。将从光射出面10s射出并在介质20b内传播的光束10b的扩散角用半角表示，设为θ1。将从透镜20a向外部射出的光束10b的扩散角用半角表示，设为θ2。设光偏转装置10的宽度为w。光偏转装置10的宽度等于光射出面10s的宽度。设透镜20a的y方向的半宽度为r0，设沿着光束10b的射出方向观察时的透镜20a的焦点距离为f。设透镜20a的主点H与在介质20b内传播的光线的聚光点F的距离为s1。设透镜20a的主点H与向外部射出的光线的聚光点F的距离为-s2。另外，主点H是以光学元件20的光束10b的射出方向为光轴时的主点，s1及-s2是光学元件20内的沿着光束10b的射出方向的距离。
首先，说明从光射出面10s射出的光束10b的扩散角θ1。从光射出面10s射出的光束10b的Y方向上的强度分布在近场中呈现接近于矩形形状的形状，假定其宽度是光偏转装置10的宽度w。如果设光束10b的波长为λ，则从光偏转装置10的中央沿着Y方向离开y、从光射出面10s沿着Z方向离开z的部位处的光强度I由以下的式(1)表示。
[数式1]
Figure BDA0003533860130000111
光强度I的Y方向上的分布具有被称作主瓣的中心峰值，并在其两侧具有多个小峰值。如果设光束10b的宽度为主瓣的宽度，则该主瓣的半宽度由以下的式(2)表示。
[数式2]
Figure BDA0003533860130000112
光束10b的扩散角θ1由以下的式(3)表示。
[数式3]
Figure BDA0003533860130000113
根据式(2)及式(3)，扩散角θ1由以下的式(4)表示。
[数式4]
Figure BDA0003533860130000114
在扩散角θ1充分小的情况下，扩散角θ1近似地由以下的式(5)表示。
[数式5]
Figure BDA0003533860130000115
根据式(4)或式(5)可知，在波长λ为一定的情况下，w越小则扩散角θ1越大，w越大则扩散角θ1越小。
接着，说明从光学元件20向外部射出的光束10b的扩散角θ2。在图4所示的例子中，实际上，透镜20a的弯曲是平缓的，透镜20a的上表面20as1与下表面20as2的距离相比于距离s1相对较短。
当扩散角θ1的光束10b以半径r入射到透镜20a时，距离s1近似地由以下的式(6)表示。
[数式6]
Figure BDA0003533860130000116
这里，距离s1及距离s2满足以下的式(7)。
[数式7]
Figure BDA0003533860130000121
如果将式(7)变形，则距离s2由以下的式(8)表示。
[数式8]
Figure BDA0003533860130000122
因而，光束10b的扩散角θ2近似地由以下的式(9)表示。
[数式9]
Figure BDA0003533860130000123
在透镜20a是平凹透镜的情况下，由于焦点距离f由负值表示，所以焦点距离f的绝对值越小、r越大，则扩散角θ2越大。这里，假设透镜20a是至少在y方向上具有平凹形状的透镜，如果设平凹透镜的曲率半径为R，则焦点距离f由以下的式(10)表示。
[数式10]
Figure BDA0003533860130000124
如果将式(10)代入到式(9)中，则扩散角θ2由以下的式(11)表示。
[数式11]
Figure BDA0003533860130000125
根据式(11)可知，R越小扩散角θ2越大，r越大扩散角θ2越大。
接着，参照图5A及图5B，说明光束10b的扩散角θ2与扩散角θ1相比以何种程度变化。图5A是描绘了没有光学元件20的情况下的光偏转装置10的宽度w与光束10b的扩散角θ1的关系的计算结果的图。图5B是描绘了有光学元件20的情况下的光偏转装置10的宽度w与光束10b的扩散角θ2的关系的计算结果的图。在图5A及图5B所示的例子中，光束10b的波长是λ＝940nm，光偏转装置10的宽度w是1μm以上且10μm。
将光偏转装置10的宽度w在该范围内设计的理由如下。如果为了使光偏转装置10的宽度w比1μm窄而将光偏转装置10以较高的加工精度制作，则制造成本变高。此外，使光偏转装置10的宽度w越窄，在光波导层10w内传播的光10L的Y方向上的向外部的渗出越大。由于向外部的大的渗出而光10L的在光波导层10w内的传播效率下降，从光射出面10s射出的光束10b的效率下降。此外，向外部的大的渗出也贡献于光束10b，所以光射出面10s的Y方向上的宽度实质上变宽，不能使光束10b的扩散角θ1大到期待的程度。另一方面，如果使光偏转装置10的宽度w比10μm宽，则包括光偏转装置10的芯片的尺寸扩大，制造成本变高。
在图5A所示的例子中，光偏转装置10的宽度w与光束10b的扩散角θ1的关系，除了式(4)以外还考虑从光波导层10向外部的光的渗出而计算。如果将光偏转装置10的宽度w在1μm以上且10μm以下的范围中设计，则光束10b的扩散角θ1为6°以上且34°以下。
在图5B所示的例子中，光偏转装置10的宽度w与光束10b的扩散角θ2的关系是除了式(4)、式(6)及式(11)以外还考虑从光波导层10向外部的光的渗出而计算的。将光学元件20的折射率设为n＝1.451，将平凹透镜的曲率半径设为R＝2.5mm，将与在介质20b内传播的光线的聚光点F的距离设为s1＝2mm、4mm或6mm。图5B所示的虚线部分表示因为光束10b的半径r超过透镜20a的曲率半径R而不能实现的扩散角θ2。
在图5B所示的例子中，在s1＝2mm的情况下，如果将光偏转装置10的宽度w在1μm以上且10μm以下的范围中设计，则光束10b的扩散角θ2为8°以上且42°以下。在图5A所示的例子中，在相同的宽度w的范围中，光束10b的扩散角θ1为6°以上且34°以下。
同样，在图5B所示的例子中，在s1＝4mm的情况下，如果将光偏转装置10的宽度w在1μm以上且10μm以下的范围中设计，则光束10b的扩散角θ2为10°以上且36°以下。在图5A所示的例子中，在相同的宽度w的范围中，光束10b的扩散角θ1为6°以上且23°以下。
同样，在图5B所示的例子中，在s1＝6mm的情况下，如果将光偏转装置10的宽度w在1μm以上且10μm以下的范围中设计，则光束10b的扩散角θ2为12°以上且33°以下。在图5A所示的例子中，在相同的宽度w的范围中，光束10b的扩散角θ1为6°以上且17°以下。
在s1＝2mm、4mm及6mm的任何一个情况下，有光学元件20的情况下的光束10b的扩散角θ2相比于没有光学元件20的情况下的光束10b的扩散角θ1都被扩大。这样，通过在光偏转装置10上设置光学元件20，不用以较高的加工精度使光偏转装置10的宽度w变窄就能够增大光束10b的扩散角θ2。通过该光束10b能够以较少的次数扫描更宽的区域。在实施方式1的光设备100中，能够容易地得到具有与用途相应的扩散程度的光束10b。
(实施方式1的变形例)
接着，参照图6A至图10B说明实施方式1的光设备100的第1变形例至第5变形例。光设备100的光学元件20也可以包括图2所示的在X方向上延伸的平凹透镜20a以外的透镜。
图6A是示意地表示实施方式1的第1变形例的光设备110的例子的立体图。图6B是将图6A所示的构成沿着+X方向观察的图。第1变形例的光设备110与实施方式1的光设备100不同的点是光学元件20中包含的透镜20a为平凸透镜。在图6A及图6B所示的例子中，平凸透镜20a的Y方向上的曲率相对较小。在此情况下，与上述的例子不同，光束10b的扩散角θ2变小。由于光束10b的每单位面积的照射能量变高，所以通过该光束10b能够扫描远距离的对象物。
图7A是示意地表示实施方式1的第2变形例的光设备120的例子的立体图。图7B是将图7A所示的构成沿着+X方向观察的图。第2变形例的光设备120与第1变形例的光设备110不同的点是凸透镜20a的Y方向上的曲率相对较大。光束10b在从凸透镜20a射出后，先聚光后扩散。在此情况下，光束10b的扩散角θ2变大。
如图6B及图7B所示，能够根据凸透镜20a的曲率使光束10b的扩散角θ2扩大或缩小。
图8A是示意地表示实施方式1的第3变形例的光设备130的例子的立体图。图8B是将图8A所示的构成沿着+X方向观察的图。第3变形例的光设备130与实施方式1的光设备100不同的点是，光学元件20中包含的透镜20a为包括沿着Y方向有规则地排列的多个凹透镜的透镜阵列。多个凹透镜既可以沿着Y方向随机地排列，也可以在各个凹透镜的曲率上有偏差。透镜阵列20a将向透镜阵列20a入射的光束10b的光点范围覆盖。在实施方式1中，有透镜20a上的光束半径r不超过透镜的曲率半径R的限制。相对于此，在第3变形例中没有这样的限制。这是因为，即使各个凹透镜的曲率半径R比光束10b的光束半径r小，多个凹透镜也将光束10b的光点范围覆盖。通过以上，能够实现图5B所示的虚线部分中的光束10b的扩散角θ2，所以能够进一步增大扩散角θ2。
图8C是示意地表示从透镜阵列及单一透镜射出的光束10b的远场的强度分布的图。实线及虚线分别表示从透镜阵列及单一透镜射出的光束10b的强度分布。在单一透镜的情况下，光束10b的强度在主瓣的两端大致为零。相对于此，在透镜阵列的情况下，光束10b的上述的两端处的强度更高，光束10b的中心处的最大强度更低。在透镜阵列中，如图8B所示各个凹透镜将入射光扩散，所以如图8C所示能够缓和强度分布的不均匀性。因而，能够以低强度的光束10b照射Y方向上的更宽的区域。
图9是示意地表示实施方式1的第4变形例的光设备140的例子的立体图。第4变形例的光设备140与第3变形例的光设备130不同的点是，光学元件20中包含的透镜20a包括沿着X方向及Y方向有规则地排列的多个凹透镜的透镜阵列。多个凹透镜既可以沿着Y方向随机地排列，也可以在各个凹透镜的曲率上有偏差。从光射出面10s射出的光束10b在X方向及Y方向的双方向上扩散。因为参照图8C说明的理由，能够以低强度的光束10b照射X方向及Y方向上的更宽的区域。
激光的强度根据JIS(日本工业标准)的C6802“激光产品的安全基准”被按每个等级进行了分类。从眼睛安全的观点来看，激光的强度优选为等级1。即使从光射出面10s射出的光束10b的强度分布不满足等级1，通过用图8A及图9所示的光学元件20使光束10b扩散，也能够使得从光学元件20射出的光束10b的强度分布满足等级1。
图10A是示意地表示实施方式1的第5变形例的光设备150的例子的立体图。图10B是将图10A所示的构成沿着+Y方向观察的图。图10A及图10B所示的虚线是将凹透镜20a的Y方向上的停留点相连的线。第5变形例的光设备130与实施方式1的光设备100不同的点是，光学元件20中包含的透镜20a的Y方向上的曲率沿着X方向单调地变化。这样，光学元件20具有透镜20a的Y方向上的曲率沿着X方向变化的部分。如图10B所示，如果光束10b的射出角度从
Figure BDA0003533860130000161
增加到
Figure BDA0003533860130000162
则透镜20a内的光束10b的通过距离变长。对于某射出角度的光束10b的透镜20a的曲率，可以根据将透镜20a用以下的平面切断时的透镜20a的切断面知道。该平面是与光学元件20内的光束10b的射出方向及Y方向双方平行的平面。如果透镜20a的Y方向上的曲率沿着X方向为一定，则对于光束10b的透镜20a的曲率与光束10b的射出角度一起变大。相对于此，在图10B所示的例子中，通过使透镜20a的Y方向上的曲率沿着+X方向单调减小，能够使对于光束10b的透镜20a的曲率无论射出角度如何都为一定。在第5变形例的光设备150中，光束10b的扩散角θ2无论光束10b的射出角度如何都为一定。光束10b的形状及强度分布不依赖于光束10b的射出角度。即使对于光束10b的透镜20a的曲率不是无论射出角度如何都严格地一定，也能够抑制因射出角度的变化带来的光束10b的形状及强度分布的变化。
另外，在第5变形例中，将光学元件20的上表面20as1设为透镜面，使上表面20as1的曲率沿着X方向变化，但也可以将光学元件的20的下表面20as2设为透镜面，使下表面20as2的曲率沿着X方向变化。在此情况下，上表面20as1也可以是平坦的。
图10C是示意地表示实施方式1的第6变形例的光设备160的例子的立体图。图10D是将图10C所示的构成沿着+Y方向观察的图。与上述的实施方式同样，介质20b也可以不与光偏转装置10的光射出面10s接触。第6变形例的光设备160的光学元件20具有透镜20a的Y方向上的曲率沿着X方向为一定的部分。第6变形例的光设备160与实施方式1的光设备100不同的点是，将透镜20a的作为光学元件20的光射出侧表面且为透镜面的上表面20as1相对于偏转装置10的光射出面10s沿着X方向倾斜。即，使光射出面10s和透镜面20as1之间的沿着与光射出面10s垂直的方向的距离沿着X方向变化。在图10D中，设将透镜面20as1和光射出面10s在X方向上观察时所成的角度设为δ。
在透镜20a的曲率沿着X方向为一定的情况下，透镜20a的焦点距离沿着X方向为一定。另一方面，在宏观上可看作来自光偏转元件10的光10b从充分小的1点射出。如果使光束10b的射出角度在
Figure BDA0003533860130000163
到
Figure BDA0003533860130000164
之间变化，则光束10b的形状及强度分布依赖于射出角度而变化。这是因为，尽管透镜20a的焦点距离为一定，但从光束10b的射出点到透镜面20as1的光路长度变动。在第6变形例的光设备160中，能够抑制该光路长度的变动。这里，角度δ最优选的是等于光束10b的射出角度范围的中间(即
Figure BDA0003533860130000171
Figure BDA0003533860130000172
)。
以下，表示用来说明第6变形例的效果的计算例。在以下的计算例中，设
Figure BDA0003533860130000173
此外，设中间的射出角度20°下的从光偏转元件10的射出点到透镜面的光路长度为10mm。在δ＝0°的情况下，对于与光偏转元件的表面10垂直的方向(即相当于射出角度0°的方向)的从射出点到透镜面的光路长度是10×cos20°＝9.40mm。射出角度5°下的光路长度为(10×cos20°)/cos5°＝9.43mm，射出角度35°下的光路长度为(10×cos20°)/cos35°＝11.47mm。因此，射出角度从5°变动到35°时的光路长度的变动幅度为2.04mm。
另一方面，在图10C及图10D所示的构成中，在δ＝(5°+35°)/2＝20°的情况下，射出角度5°下的光路长度为10×cos(20°－5°)＝10.35mm，射出角度35°下的光路长度为10×cos(20°－35°)＝10.35mm。因此，光路长度的变动幅度为0.35mm。即，可知与δ＝0°的情况相比能够将变动幅度抑制为17％。
像这样，在第6变形例的光设备160中，能够在将透镜20a的曲率沿着X方向设为一定的同时，抑制依赖于射出角度的光路长度的变化。结果，能够抑制伴随与光束扫描的光束10b的形状及强度分布的变化。
另外，在第6变形例中，将光学元件20的下表面20as2沿着X方向倾斜，但也可以与光偏转装置10的光射出面10s平行。此外，将介质20的光入射面设为与光射出面10s平行，但也可以沿着X方向倾斜。
另外，透镜20a的透镜面也可以形成于作为入射侧表面的下表面20as2。图10E及图10F是示意地表示实施方式1的第7变形例的光设备170的例子的立体图。第7变形例的光设备170与第6变形例的光设备160不同的点是，使光射出面10s和光学元件20的下表面20as2之间沿着与光射出面10s垂直的方向的距离沿着X方向变化。
另外，在第7变形例中，将光学元件20的上表面20as1设为与光偏转装置10的光射出面10s平行，但也可以沿着X方向倾斜。此外，将介质20的光入射面设为与光射出面10s平行，但也可以沿着X方向倾斜。
(实施方式2)
接着，参照图11说明本公开的实施方式2的光设备的基本的构成例。图11是示意地表示本公开的实施方式2的光设备200的例子的立体图。在图11中，为了使说明容易理解而将光设备200的构成要素以分离的状态记载，但这些构成要素也可以接触。实施方式2的光设备200具备光偏转装置30和光学元件20。
实施方式2的光偏转装置30具备多个光波导30w以及与多个光波导30w分别连接的多个移相器30p。多个光波导30w沿着X方向排列，并且沿着Y方向延伸。多个光波导30w的个数例如可以是8以上且64以下。多个光波导30w分别在表面具备使光射出的光射出区域30r。在多个光射出区域30r各自中设有光栅30g。光波导30w具有比空气等的外部的介质高的折射率。光波导30w通过全反射使光沿着Y方向传播。在光波导30w中沿着Y方向传播的光因为基于光栅30g的衍射，作为与YZ平面平行的多个衍射光从光射出区域30r向外部射出。光射出区域30r的Y方向上的长度例如可以是1μm以上且10μm以下。光栅30g的凹部的个数例如可以设定为4个以上且16个以下。光栅30g的每1周期的凹部的Y方向的长度即占空比也可以通过光栅的凹部的深度及个数来适当变更。在实施方式2的光偏转装置30中，通过从多个光波导30w射出的光的干涉而形成光束。光束也可以说是从包括多个光射出区域30r的光射出面30s向外部射出的。光束通过与YZ平面平行的多个衍射光的叠加，具有在Y方向上延伸的形状。
多个移相器30p与多个光波导30w同样，沿着X方向排列并沿着Y方向延伸。移相器30p具有折射率根据被施加的驱动电压的变化而变化的构成。在某一例中，移相器30p可以由折射率随着温度变化而变化的热光学材料形成。移相器30p具备使热光学材料的温度变化的未图示的加热器。在未图示的加热器中，设有用来施加驱动电压的2个电极。作为另一例，移相器30p可以由折射率随着驱动电压的变化而变化的电光学材料形成。在移相器30p中，设有用来向电光学材料施加驱动电压的2个电极。如果通过来自未图示的控制电路的控制信号的输入而驱动电压发生变化，则移相器30p的折射率变化，通过移相器30p的光的相位变化。在实施方式2的光偏转装置30中，响应于控制信号，驱动电压发生变化，从多个移相器30p向多个光波导30w分别入射的光的相位以多个光波导30w排列的顺序各变化一定量。通过该移相，能够使光束的射出方向沿着X方向变化。
接着，参照图12A及图12B，说明从光偏转装置30的光射出面30s射出的光束的射出方向的变化。图12A及图12B是将图11所示的构成沿着+Y方向观察的图。在图12A及图12B所示的例子中，光偏转装置30及光学元件20相互接触，以相对于与YZ平面平行的平面对称的方式配置。在图12A及图12B所示的例子中，光束30b的射出角度从
Figure BDA0003533860130000191
变化到
Figure BDA0003533860130000192
在实施方式2的光偏转装置30中，与实施方式1的光偏转装置10不同，
Figure BDA0003533860130000193
具有负值，
Figure BDA0003533860130000194
具有正值。
Figure BDA0003533860130000195
的绝对值及
Figure BDA0003533860130000196
的绝对值既可以相等也可以不同。为了使通过光学元件20后的光束30b的全部从光学元件20的透镜20a的上表面20as1向外部有效地射出，将光学元件20的X方向上的长度Lx设计为比光偏转装置30的X方向上的长度dx长。具体而言，光学元件20的长度Lx根据光偏转装置30的长度dx、光束30b的最小射出角度
Figure BDA0003533860130000197
光束30b的最大射出角度
Figure BDA0003533860130000198
及光学元件20的Z方向上的高度Lz而设计。光束30b在透镜20a的上表面20as1被折射并向外部射出。
接着，参照图13说明通过光学元件20后的光束30b的Y方向上的扩散程度。图13是将图11所示的构成沿着+X方向观察的图。实施方式2的光学元件20如参照图4说明的那样。如图13所示，光束30b的扩散角θ2通过光学元件20变大。作为实施方式2的光学元件20，也可以使用实施方式1的第1变形例至第5变形例的光学元件20。
在实施方式2的光设备200中，也通过在光偏转装置30上设置光学元件20，能够变更光束30b的扩散角θ2。因而，能够容易地得到具有与用途相应的扩散程度的光束30b。
(实施方式3)
接着，参照图14说明本公开的实施方式3的光设备的基本的构成例。图14是示意地表示本公开的实施方式3的光设备300的例子的立体图。实施方式3的光设备300与实施方式1的光设备100不同的点是，光学元件20中代替透镜20a而包括镜20c。实施方式3的光学元件20包括镜20c及介质20b。镜20c是具有上表面20cs1及下表面20cs2的平凸面镜。镜20c在上表面20as1具有平坦的面，在下表面20cs2在Y方向上具有曲率。镜20c的下表面20cs2相当于反射面。反射面的反射率在光束10b的波长下例如可以为90％以上。镜20c是具有在X方向上延伸的构造的柱形镜。平凸面镜的曲率等于实施方式1的平凹透镜的曲率。关于介质20b，如上所述。在图14所示的例子中，介质20b是空气。在图14所示的例子中，镜20c的反射面20cs2延伸的方向与光偏转装置10的光射出面10s延伸的方向平行。这样，镜20c的反射面20cs2与光偏转装置10的光射出面10s正对着。
图15A及图15B分别是将图14所示的构成沿着+Y方向及+X方向观察的图。如图15A所示，从光偏转装置10朝向上方射出的光束10b由镜20c朝向下方反射。镜20c的反射面20cs2与光偏转装置10的光射出面10s的最短距离Lz更优选的是设计为满足以下的条件。该条件是，以最小射出角度
Figure BDA0003533860130000201
射出并由镜20c的反射面20cs2反射的光束10b不再入射到光射出面10s。这是因为，该再入射带来向外部射出的光束10b的损失。如图15B所示，被向下方反射的光束10b的扩散程度变大。由镜20c反射后的光线的聚光点F位于比镜20c的下表面20cs2靠上方的位置。如以上这样，在将实施方式1的平凹透镜替换为平凸面镜的情况下，虽然有光束10b的透射和反射的差异，但光束10b的扩散程度同样地被扩大。
(实施方式3的变形例)
接着，参照图16A至图16B说明实施方式3的光设备300的变形例。图16A是示意地表示实施方式3的变形例的光设备310的例子的立体图。图16B是将图16A所示的构成沿着+Y方向观察的图。实施方式3的变形例的光设备310与实施方式3的光设备300不同的点是，镜20c的反射面20cs2延伸的方向与光偏转装置10的光射出面10s延伸的方向不平行。这样，镜20c的反射面20cs2相对于光偏转装置10的光射出面10s倾斜。因而，能够大幅地减小被镜20c的反射面20cs2向下方反射的光束10b再入射到光射出面10s的可能性。进而，如图16B所示，能够使镜20c的反射面20cs2与光偏转装置10的光射出面10s之间的最短距离Lz变短。如果能够使最短距离Lz变短，则与图15B所示的例子相比，能够在从光偏转装置10射出的光束10b较大地扩散之前，通过镜20c使该光束10b反射。因而，能够减小镜20c的Y方向上的尺寸。
在本公开的光设备中，如图14及图16A所示，光偏转装置10的光射出面10s朝向镜20c的反射面20cs2所处的方向。从光偏转装置10的光射出面10s射出的光束10b向镜20c的反射面20cs2入射。
除了上述例子以外，在将实施方式1的第1变形例及第2变形例的平凸透镜替换为平凹面镜的情况下，虽然有光束10b的透射和反射的差异，但光束10b的扩散程度同样地被扩大或缩小。镜20c也可以如图8A及图9所示包括多个镜。镜20c也可以如图10A所示具有Y方向上的曲率沿着X方向变化的部分。
工业实用性
本公开的实施方式的光设备能够利用于例如计测到对象物的距离的用途。
标号说明
10 光偏转装置
10L 光
10b 光束
10e 电极
10m1 第1镜
10m2 第2镜
10s 光射出面
10w 光波导层
20 光学元件
20a 透镜
20as1 透镜的上表面
20as2 透镜的下表面
20b 介质
20c 镜
20cs1 镜的上表面
20cs2 镜的下表面
30 光偏转装置
30b 光束
30g 光栅
30p 移相器
30r 光射出区域
30s 光射出面
30w 光波导
100、110、120、130、140、150、200、300、310 光设备

Claims (16)

1.一种光设备，其中，具备：
光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及
光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上的扩散程度扩大。
2.如权利要求1所述的光设备，其中，
上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜。
3.如权利要求2所述的光设备，其中，
上述透镜是凹透镜。
4.如权利要求2所述的光设备，其中，
上述透镜是凸透镜。
5.如权利要求2～4中任一项所述的光设备，其中，
上述光学元件具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光设备，其中，
上述光学元件与上述光偏转装置的上述光射出面接触。
7.如权利要求1所述的光设备，其中，
上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个镜；
上述镜将从上述光偏转装置的上述光射出面射出的上述光束进行反射。
8.如权利要求7所述的光设备，其中，
上述镜是凸面镜。
9.如权利要求7所述的光设备，其中，
上述镜是凹面镜。
10.如权利要求7～9中任一项所述的光设备，其中，
上述光学元件具有上述镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
11.如权利要求1～10中任一项所述的光设备，其中，
上述光偏转装置具备：
第1镜及第2镜，相互对置，并在上述第1方向上延伸；以及
光波导层，位于上述第1镜与上述第2镜之间，使光在上述第1方向上传播。
12.如权利要求1～10中任一项所述的光设备，其中，
上述光偏转装置具备：
多个光波导，沿着上述第1方向排列，并且沿着上述第2方向延伸；以及
多个移相器，与上述多个光波导分别连接。
13.如权利要求12所述的光设备，其中，
在上述多个光波导分别设有光栅，上述光束经由上述光栅射出。
14.一种光设备，其中，具备：
光偏转装置，从与第1方向及交叉于上述第1方向的第2方向平行的光射出面，朝向与上述光射出面交叉的方向射出具有在上述第2方向上延伸的形状的光束，并且能够使上述光束的射出方向沿着上述第1方向变化；以及
光学元件，配置在上述光束的路径上，使上述光束在上述第2方向上的扩散程度变化；
上述光学元件具有上述光束入射的第1面和上述光束射出的第2面；
上述光射出面与上述光学元件的上述第1面或上述第2面之间的沿着与上述光射出面垂直的方向的距离沿着上述第1方向变化。
15.如权利要求14所述的光设备，其中，
上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜，并且具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向变化的部分。
16.如权利要求14所述的光设备，其中，
上述光学元件包括在上述第2方向上具有曲率的至少一个透镜，并且具有上述透镜的上述曲率沿着上述第1方向为一定的部分；
上述光学元件的上述部分中的上述第1面或上述第2面相对于上述光射出面沿着上述第1方向倾斜。
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