CN116438480A - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

激光雷达装置(100)是具备发光单元(20)、受光单元(40)以及光学单元(60)的光检测装置。在发光单元(20)中，在光源排列方向(ADs)上排列辐射光束(SB)的多个VCSEL元件。受光单元(40)接收来自测定区域的反射光束(RB)。光学单元(60)包含第一光学元件(61)以及第二光学元件(71)，并形成沿在光源排列方向(ADs)上延伸的投射光束(PB)。第一光学元件(61)在与光源排列方向(ADs)垂直的主扫描面(MS)上，在光束(SB)的透射方向上具有负光焦度。第二光学元件(71)位于第一光学元件(61)的后级，在主扫描面(MS)上在透射方向上具有正光焦度。

Description

光检测装置
相关申请的交叉引用
该申请主张于2020年11月3日在日本申请的日本专利申请第2020－184034号的优先权，并在此引用其全部内容。
技术领域
该说明书的公开涉及光检测装置。
背景技术
在专利文献1记载了具备以规定的间隔一维地排列了多个发光元件的光源、和将来自多个发光元件的光转换为线光的线发生器，并朝向测量对象射出线光的光学装置。专利文献1所公开的线发生器构成为包含具有凸面的平凸柱面透镜。
专利文献1：日本特开2020－34310号公报
例如在朝向远方的测量对象对专利文献1那样的线光进行投射的情况下，线光的宽度的扩大可能成为斑点噪声的重要因素。因此，为了抑制线光的宽度的扩大，期望通过平凸柱面透镜的透镜形状的调整，较长地确保线发生器的焦距。但是，在较长地确保焦距的情况下，需要在远离线发生器的位置配置光源，所以有光学系统大型化的担心。
发明内容
本公开的目的在于提供能够抑制线状的投射光束的宽度的扩大，并且抑制光学系统的大型化的光检测装置。
为了实现上述目的，公开的一个方式是光检测装置，具备：发光单元，在特定排列方向上排列辐射光束的多个发光部；光学单元，位于从发光单元辐射的光束的光路上，并形成在特定排列方向上延伸的投射光束；以及受光单元，接收向测定区域投射的投射光束的返回光，光学单元包含：第一光学元件，在与特定排列方向垂直的特定剖面上，在光束的透射方向上具有负光焦度；以及第二光学元件，位于第一光学元件的后级，且在特定剖面上在透射方向上具有正光焦度。
在该方式中，在与发光单元的特定排列方向垂直的特定剖面上，在具有正光焦度的第二光学元件的前级配置具有负光焦度的第一光学元件。因此，基于第一光学元件以及第二光学元件的组合的主面在特定剖面上，与第二光学元件相比定义在后级。根据以上，能够在确保光学元件组的焦距的同时，实现使发光单元接近光学单元的配置。其结果，能够抑制在特定排列方向上延伸的线状的投射光束的宽度的扩大，并且抑制光学系统的大型化。
另外，权利要求书等中的括号内的参照编号仅表示与后述的实施方式中的具体的构成的对应关系的一个例子，并不对技术范围进行任何限制。
附图说明
图1是表示本公开的第一实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图2是表示VCSEL阵列的构成的俯视图。
图3是表示光学单元的透镜构成的立体图。
图4是说明主扫描面内的光学单元的光学作用的图。
图5是说明副扫描面内的光学单元的光学作用的图。
图6是表示本公开的第二实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图7是说明主扫描面上的光学单元的结构的图。
图8是说明副扫描面上的光学单元的结构的图。
图9是表示本公开的第三实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图10是说明主扫描面上的光学单元的结构的图。
图11是说明副扫描面上的光学单元的结构的图。
图12是表示本公开的第四实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图13是表示本公开的第五实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图14是表示本公开的第六实施方式的激光雷达装置的构成的图。
图15是用于说明均化器的光学作用的图。
图16是表示变形例1的激光雷达装置的构成的图。
图17是表示VCSEL阵列的变形例2～7的图。
具体实施方式
以下，基于附图对本公开的多个实施方式进行说明。另外，有时通过对各实施方式中对应的构成要素附加相同的附图标记，来省略重复的说明。在各实施方式中仅对构成的一部分进行说明的情况下，该构成的其它的部分能够应用先行说明的其它的实施方式的构成。另外，不仅是各实施方式的说明中明示的构成的组合，只要组合未特别产生妨碍，则即使未明示也能够部分地组合多个实施方式的构成彼此。而且，多个实施方式以及变形例所记述的构成彼此的未明示的组合也通过以下的说明公开。
(第一实施方式)
图1～图5所示的本公开的第一实施方式的激光雷达(LiDAR，Light Detectionand Ranging/Laser Imaging Detection and Ranging：光探测测距/激光成像探测测距)装置100作为光检测装置发挥作用。激光雷达装置100搭载于作为移动体的车辆。激光雷达装置100例如配置在车辆的前方部、左右的侧方部、后方部或者车顶等。激光雷达装置100通过投射光束PB扫描成为装置外部的车辆的规定的周边区域(以下，称为测定区域)。激光雷达装置100检测照射到测定区域的投射光束PB被测定对象物反射所引起的返回光(以下，称为反射光束RB)。投射光束PB通常使用外界的人难以视觉确认的近红外域的光。
激光雷达装置100通过反射光束RB的检测，能够对测定对象物进行测定。测定对象物的测定例如是测定对象物存在的方向(相对方向)的测定、从激光雷达装置100到测定对象物为止的距离(相对距离)的测定等。在应用于车辆的激光雷达装置100中，代表性的测定对象物是行人、自行车手、人以外的动物、以及其它车辆等移动物体，或者为护栏、道路标志、道路旁的结构物、道路上的落下物等静止物体。
另外，在车载的激光雷达装置100中，除非另有说明，则以在水平面上静止的车辆为基准定义前后、上下、左右表示的各方向。另外，水平方向表示相对于水平面的切线方向，垂直方向表示相对于水平面的垂直方向。
激光雷达装置100具备发光单元20、扫描单元30、受光单元40、控制器50以及光学单元60、及收容这些构成的壳体。
壳体形成激光雷达装置100的外壳。壳体由遮光容器以及盖板等构成。遮光容器由具有遮光性的合成树脂或者金属等形成，作为整体呈大致长方体的箱状。在遮光容器形成有收容室以及光学窗。在收容室收容有激光雷达装置100的主要的光学构成。光学窗是使投射光束PB以及反射光束RB两方在收容室与测定区域之间往复的矩形形状的开口。盖板例如是由合成树脂或者玻璃等透光性材料形成的盖体。在盖板形成有使投射光束PB以及反射光束RB透过的透过部。盖板以配置为通过透过部堵住遮光容器的光学窗的状态组装于遮光容器。壳体以使光学窗的长边方向沿着车辆的水平方向的姿势保持于车辆。
发光单元20具有多个VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直腔面发射激光器)阵列21、以及保护各VCSEL阵列21的玻璃罩27(参照图4以及图5)。VCSEL阵列21作为整体形成为长边矩形的板状。在各VCSEL阵列21的单侧的板面形成有长边形状的发光区域22。各VCSEL阵列21以实质上使各发光区域22朝向同一方向的姿势安装在发光单元20的主基板上。各VCSEL阵列21相互隔开间隔地排列为一列。多个VCSEL阵列21排列的特定方向为光源排列方向ADs。各VCSEL阵列21以使发光区域22的长边方向沿着光源排列方向Ads的朝向保持在主基板上。发光单元20以使各发光区域22朝向光学单元60以及扫描单元30的姿势，保持于光学单元60的镜筒或者遮光容器等构成。
在VCSEL阵列21的发光区域22形成有作为激光二极管的许多(多个)VCSEL元件23(参照图2)。VCSEL元件23具有用于振荡激光的谐振器。谐振器构成为包含P型半导体层、N型半导体层、设置在这些半导体层之间的活性层、以及夹着活性层配置的一对反射镜等。反射镜使用使半导体或者电介质层叠而成的DBR(Distributed Bragg Reflector：分布布拉格反射镜)。对于VCSEL元件23来说，通过向各半导体层施加电压而在活性层内产生的光通过受激发射进行放大，并通过一对反射镜的反复反射而使相位一致的相干激光产生。VCSEL元件23在圆形形状的顶面形成激光辐射面24，从激光辐射面24向与元件的基板面垂直的方向辐射激光。
许多的VCSEL元件23以相互隔开间隔的配置，在发光区域22内二维排列。各VCSEL元件23以使激光辐射面24朝向发光区域22的法线方向(参照图2的Z方向)的姿势，规则地排列在发光区域22内。各VCSEL元件23与控制器50电连接，在与来自控制器50的电信号对应的发光定时，辐射近红外域的激光作为光束SB。从各VCSEL元件23辐射的许多的光束SB的集合体成为上述的投射光束PB。
在发光单元20中，通过将排列许多的VCSEL元件23而成的VCSEL阵列21进行单列排列的上述的构成，模拟地形成沿着光源排列方向ADs延伸的线状的激光振荡开口25。该激光振荡开口25的中心上的法线成为发光单元20中的光束SB的光轴(以下，称为光束光轴BLA)。激光振荡开口25的光源排列方向Ads上的尺寸(长边尺寸)规定为相对于与光源排列方向ADs垂直的宽度方向的尺寸(宽度尺寸)显著增大，例如在宽度尺寸的100倍以上。另外，在多个VCSEL阵列21之间，例如为了冷却性以及制造性的确保等，而确保规定的缝隙。其结果，在激光振荡开口25不可避免地产生由阵列间的缝隙所引起的未发光部25x(参照图1)。
扫描单元30扫描从各VCSEL元件23辐射的光束SB，作为投射光束PB投射到测定区域。除此之外扫描单元30使在测定区域进行了反射的反射光束RB射入受光单元40。扫描单元30构成为包含驱动马达31以及扫描镜33等。
驱动马达31例如是音圈马达、有刷DC马达、或者步进电机等。驱动马达31具有与扫描镜33机械结合的轴部32。轴部32以沿着光源排列方向Ads的姿势配置，并规定扫描镜33的转动轴AS。转动轴AS与光源排列方向ADs实质上平行。驱动马达31以与来自控制器50的电信号对应的旋转量以及旋转速度驱动轴部32。
扫描镜33通过以由轴部32规定的转动轴AS为转动中心，绕着转动轴AS进行往复转动，从而在有限的角度范围RA内进行摆动运动。能够通过机械限位器、电磁限位器、或者驱动控制等设定扫描镜33的角度范围RA。角度范围RA被限制为投射光束PB不从壳体的光学窗脱离。
扫描镜33具有主体部35以及反射面36。主体部35例如通过玻璃以及合成树脂等形成为平板状。主体部35使用由金属等形成的机械部件与驱动马达31的轴部32结合。反射面36是通过在主体部35的单侧的表面对铝、银以及金等金属膜进行蒸镀，并进一步在该蒸镀面上形成二氧化硅等保护膜而成的镜面。反射面36形成为平滑的矩形平面状。反射面36以使长边方向沿着转动轴AS的姿势设置。其结果，反射面36的长边方向与光源排列方向ADs实质上一致。
对投射光束PB以及反射光束RB共用地设置扫描镜33。即，扫描镜33将反射面36的一部分作为投射光束PB的投射所使用的投射反射部37，并将反射面36的其它的一部分作为反射光束RB的受光所使用的受光反射部38。投射反射部37以及受光反射部38在反射面36上，既可以规定为相互分离的区域，也可以规定为至少一部分重合的区域。
扫描镜33根据反射面36的朝向的变化，使投射光束PB的偏转方向变化。扫描镜33通过基于驱动马达31的转动的投射光束PB的移动，在时间以及空间上对测定区域进行扫描。这样的扫描镜33的扫描成为仅绕着转动轴AS的扫描，成为省去了向光源排列方向ADs的扫描的一维的扫描。
通过以上的构成，实质上与转动轴AS正交的平面成为扫描镜33的主扫描面MS。另一方面，沿着从发光单元20射入扫描单元30的光束SB的光束光轴BLA、和转动轴AS双方(实质上平行)的平面成为扫描镜33的副扫描面SS。主扫描面MS以及副扫描面SS是相互正交的平面。光源排列方向Ads是实质上与副扫描面SS平行的方向，成为实质上与主扫描面MS垂直的方向。扫描镜33的扫描成为使沿着光源排列方向ADs细长地延伸的线状的投射光束PB的照射范围沿着主扫描面MS往复移动的扫描。
这里，在激光雷达装置100的车载状态下，成为光源排列方向Ads、转动轴AS以及副扫描面SS沿着垂直方向的姿势。另一方面，成为光束光轴BLA以及主扫描面MS沿着水平方向的姿势。通过以上，照射到测定范围的投射光束PB的形状成为向垂直方向细长地延伸的线状，决定激光雷达装置100的垂直视角。另一方面，扫描镜33的扫描时的有限的角度范围RA规定投射光束PB的照射范围，所以决定激光雷达装置100中的水平视角。
受光单元40接收投射到测定区域的投射光束PB的返回光亦即反射光束RB。反射光束RB是透过了壳体的光学窗的投射光束PB被存在于测定区域的测定对象物反射，再次透过光学窗，并射入到扫描镜33的激光。由于投射光束PB以及反射光束RB的速度相对于扫描镜33的转动速度足够大，所以投射光束PB与反射光束RB的相位偏移小至能够忽略的程度。因此，反射光束RB以与投射光束PB大致相同的反射角被反射面36反射，并在与投射光束PB相反的方向导光到受光单元40。
受光单元40构成为包含检测部41以及受光透镜44等。在检测部41设置有检测面42以及解码器。检测面42由许多的受光元件形成。许多的受光元件以高度集成化的状态排列为阵列状，在检测面42形成长边矩形形状的元件阵列。检测面42的长边方向沿着激光振荡开口25的长边方向亦即光源排列方向ADs，与光源排列方向ADs实质上平行。通过以上的构成，对于检测面42来说，能够在检测面42高效地接收沿着光源排列方向Ads的呈线状的反射光束RB。
作为一个例子，受光元件采用单光子雪崩光电二极管(Single Photon AvalancheDiode，以下称为SPAD)。SPAD若射入一个以上的光子，则通过基于雪崩倍增的电子倍增动作，生成一个电脉冲。SPAD能够不经由AD转换电路，而输出作为数字信号的电脉冲，实现在检测面42聚光的反射光束RB的检测结果的高速读出。另外，能够采用与SPAD不同的元件作为受光元件。例如，受光元件能够采用通常的雪崩光电二极管、以及其它的光电二极管等。
解码器是将通过受光元件生成的电脉冲输出到外部的电路部。解码器从许多的受光元件中依次选择取出电脉冲的对象元件。解码器将选择的受光元件的电脉冲输出到控制器50。若从全部的受光元件的输出结束，则一次的取样结束。
受光透镜44是位于从扫描镜33朝向检测部41的反射光束RB的光路上的光学元件。受光透镜44形成受光光轴RLA。受光光轴RLA被定义为沿着通过受光透镜44的各折射面的曲率中心的虚拟的光线的轴。受光光轴RLA实质上与光束光轴BLA平行。受光透镜44对反射光束RB进行聚光，并使其聚焦到检测面42上。受光透镜44不管扫描镜33的朝向，而将在反射面36进行了反射的反射光束RB聚光到检测面42上。
控制器50控制测定区域的光检测。控制器50包含控制电路部、和驱动VCSEL元件23以及驱动马达31的驱动电路部，控制电路部包含处理器、RAM、存储部、输入输出接口以及连接它们的总线等。控制电路部例如是以包含CPU(Central Processing Unit：中央处理器)作为处理器的微控制器为主体的构成。控制电路部也可以是以FPGA(Field-ProgrammableGate Array：现场可编程门阵列)或者ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成)等为主体的构成。
控制器50与各VCSEL元件23、驱动马达31以及检测部41电连接。控制器50具备发光控制部51、扫描控制部52以及测定运算部53等功能部。各功能部既可以是基于程序以软件的方式构建的构成，或者也可以是以硬件的方式构建的构成。
发光控制部51朝向各VCSEL元件23输出驱动信号，以在与扫描镜33的光束扫描协作的发光定时，从各VCSEL元件23辐射光束SB。发光控制部51使光束SB从各VCSEL元件23以短脉冲状振荡。发光控制部51既可以控制为使多个VCSEL元件23的光束SB的振荡实质上同时，也可以设置微小的时间差使各VCSEL元件23依次振荡。
扫描控制部52朝向驱动马达31输出驱动信号，以实现与VCSEL元件23的光束振荡协作的光束扫描。
测定运算部53对从检测部41输入的电脉冲进行运算处理，判定测定区域上的测定对象物的有无。除此之外测定运算部53测定到掌握了存在的测定对象物为止的距离。测定运算部53在各取样中，对在投射光束PB的投射后从检测部41的各受光元件输出的电脉冲数进行计数。测定运算部53生成记录了每次取样的电脉冲数的直方图。直方图的等级表示从光束SB的辐射时刻到反射光束RB的检测时刻为止的光的飞行时间(Time Of Flight，以下称为TOF)。另外，检测部41的取样频率相当于TOF测定中的时间分辨率。
光学单元60包含位于从发光单元20朝向扫描单元30的光束SB的光路上的光学元件组。光学单元60对从各VCSEL元件23辐射的光束SB组的形状进行调整，并使整形后的光束SB组射入到反射面36。光学单元60构成为包含多个(两个)第一光学元件61、多个(两个)第二光学元件71以及光束整形透镜87等(参照图3)。第一光学元件61、第二光学元件71以及光束整形透镜87例如由合成石英玻璃或者合成树脂等光学特性优异的透光性材料形成。第一光学元件61、第二光学元件71以及光束整形透镜87收容于镜筒，严格地规定相对的位置关系。
这里，为了对光学单元60的详细构成进行说明，定义X轴、Y轴以及Z轴。X轴实质上与扫描单元30的副扫描面SS正交，且实质上与扫描单元30的主扫描面MS平行。X轴相当于激光的快轴(速轴)。Y轴实质上与光源排列方向ADs以及转动轴AS平行。Y轴相当于激光的慢轴(迟轴)。Z轴实质上与从激光振荡开口25朝向扫描镜33的光束光轴BLA平行。Z方向是透过光学单元60的光束SB的透射方向，是沿着Z轴从发光单元20朝向扫描单元30的方向。通过以上，光学单元60的Z－X平面与扫描单元30的主扫描面MS一致(参照图4)。另外，光学单元60的Y－Z平面与扫描单元30的副扫描面SS一致(参照图5)。
第一光学元件61是在与光源排列方向ADs垂直的主扫描面MS上，在光束SB的透射方向(Z方向)具有负光焦度的光学元件。在第一实施方式中，第一凹柱面透镜161以及第二凹柱面透镜166分别作为第一光学元件61设置在两个第二光学元件71的前级。
第一凹柱面透镜161具有柱面透镜射入面62以及射出平面63。柱面透镜射入面62是形成为半圆筒面状的透镜面，向射入侧凹弯曲。柱面透镜射入面62以使轴向(母线)沿着光源排列方向ADs(Y轴)的姿势，换句话说以使光焦度方向(与母线垂直的方向)沿着X轴的姿势，与发光单元20的激光振荡开口25对置地配置。柱面透镜射入面62仅在主扫描面MS内具有曲率。射出平面63为平滑的平面状的透镜面，实质上与光束光轴BLA正交。
第二凹柱面透镜166具有柱面透镜射入面67和射出平面68。柱面透镜射入面67是形成为部分圆筒面状的透镜面，向射入侧凹弯曲。柱面透镜射入面67的曲率比柱面透镜射入面62的曲率小。柱面透镜射入面67在第一凹柱面透镜161的后级，与射出平面63对置地配置。柱面透镜射入面67以使轴向(母线)沿着光源排列方向ADs(Y轴)的姿势，换句话说以使光焦度方向(与母线垂直的方向)沿着X轴的姿势配置。柱面透镜射入面67也与柱面透镜射入面62相同，仅在主扫描面MS内具有曲率。射出平面68为平滑的平面状的透镜面，实质上与光束光轴BLA正交。
以上的各凹柱面透镜161、166以光束光轴BLA通过柱面透镜射入面62、67以及射出平面63、68的各光学中心的方式配置在光束SB的光路上。柱面透镜射入面62、67以及射出平面63、68的各光学中心上的法线，即各凹柱面透镜161、166的透镜光轴实质上与光束光轴BLA一致。各凹柱面透镜161、166配置为在光束SB的透射方向上相互分离。因此，柱面透镜射入面67不与射出平面63接触，而位于远离射出平面63的位置。
各凹柱面透镜161、166通过柱面透镜射入面62、67以及射出平面63、68对光束SB的折射作用，实质上仅在主扫描面MS内使光束SB扩展(参照图4)。光束SB在第一凹柱面透镜161以及第二凹柱面透镜166的各透镜面上，向远离光束光轴BLA的方向阶段性地偏转。另一方面，各凹柱面透镜161、166实质上不发挥在副扫描面SS内扩展光束SB的光学作用。
第二光学元件71是在主扫描面MS上在光束SB的透射方向(Z方向)具有正光焦度的光学元件。第二光学元件71的正光焦度比第一光学元件61的负光焦度大，以使第一光学元件61以及第二光学元件71的合成光焦度为正。在第一实施方式中，第一凸柱面透镜171以及第二凸柱面透镜176分别作为第二光学元件71设置于两个第一光学元件61的后级。
第一凸柱面透镜171具有射入平面72以及柱面透镜射出面73。射入平面72为平滑的平面状的透镜面，在第二凹柱面透镜166的后级与射出平面68对置地配置。射入平面72与射出平面68接触。射入平面72也可以通过UV固化型的粘合剂等与射出平面68接合。柱面透镜射出面73是形成为部分圆筒面状的透镜面，向射出侧凸弯曲。柱面透镜射出面73以使轴向沿着光源排列方向ADs(Y轴)的姿势，换句话说以使光焦度方向(与母线垂直的方向)沿着X轴的姿势，与第二凸柱面透镜176对置地配置。柱面透镜射出面73仅在主扫描面MS内具有曲率。
第二凸柱面透镜176具有射入平面77以及柱面透镜射出面78。射入平面77为平滑的平面状的透镜面，在第一凸柱面透镜171的后级，与柱面透镜射出面73对置地配置。射入平面77与柱面透镜射出面73接触。柱面透镜射出面78是形成为部分圆筒面状的透镜面，向射出侧凸弯曲。柱面透镜射出面78的曲率比柱面透镜射出面73的曲率大。柱面透镜射出面78以使轴向(母线)沿着光源排列方向ADs(Y轴)的姿势，换句话说以使光焦度方向(与母线垂直的方向)沿着X轴的姿势，与光束整形透镜87对置地配置。柱面透镜射出面78仅在主扫描面MS内具有曲率。
以上的各凸柱面透镜171、176以光束光轴BLA通过射入平面72、77以及柱面透镜射出面73、78的各光学中心的方式配置在光束SB的光路上。射入平面72、77以及柱面透镜射出面73、78的各光学中心上的法线，即各凸柱面透镜171、176的透镜光轴实质上与光束光轴BLA一致。
各凸柱面透镜171、176通过射入平面72、77以及柱面透镜射出面73、78对光束SB的折射作用，实质上仅在主扫描面MS内使光束SB汇集(参照图4)。光束SB在第一凸柱面透镜171以及第二凸柱面透镜176的各透镜面，向接近光束光轴BLA的方向阶段性地偏转。另一方面，各凸柱面透镜171、176实质上不发挥在副扫描面SS内使光束SB汇集的光学作用。
光束整形透镜87位于第二光学元件71的后级。光束整形透镜87在副扫描面SS上，在透射方向(Z方向)上具有负光焦度。光束整形透镜87采用平凹柱面透镜187。
平凹柱面透镜187是具有像散的光学作用的光学元件。平凹柱面透镜187具有射入平面88以及柱面透镜射出面89。射入平面88为平滑的平面状，实质上与光束光轴BLA正交。射入平面88在第二凸柱面透镜176的后级，与柱面透镜射出面78对置地配置。射入平面88与柱面透镜射出面78接触。柱面透镜射出面89是形成为部分圆筒面状的透镜面。柱面透镜射出面89以使轴向(母线)沿着X轴的姿势，换句话说以使光焦度方向(与母线垂直的方向)沿着Y轴的姿势配置。柱面透镜射出面89成为向射出侧亦即Z方向凹弯曲的形状(参照图3以及图5)。
平凹柱面透镜187以具有负光焦度的透镜剖面与副扫描面SS平行的姿势配置。平凹柱面透镜187以光束光轴BLA通过射入平面88以及柱面透镜射出面89的各光学中心的方式配置在光束SB的光路上。平凹柱面透镜187通过射入平面88以及柱面透镜射出面89对光束SB的折射作用，在副扫描面SS内使光束SB沿着光源排列方向Ads拉伸(参照图5)。另一方面，平凹柱面透镜187实质上不发挥在主扫描面MS内使光束SB偏转的光学作用(参照图4)。
进一步对以上的光学单元60的光学元件组的光学作用的详细进行说明。
在副扫描面SS(Y－Z平面，参照图5)内，光学单元60的光学元件组的合成焦平面FPB被规定在光束整形透镜87的后级。各第一光学元件61以及各第二光学元件71为不具有副扫描面SS内的光焦度的柱面透镜，所以合成焦平面FPB的位置主要由柱面透镜射出面89的曲率决定。根据该柱面透镜射出面89的负光焦度，透过光学单元60的光束SB如上述那样，沿着光源排列方向Ads拉伸。因此，即使在各VCSEL阵列21之间存在未发光部25x，由于在合成焦平面FPB的后级，透过了光学单元60的光束SB相互重合，所以也形成连续的线状的投射光束PB。
另一方面，在主扫描面MS(Z－X平面，参照图4)内，基于光学单元60的光学元件组的合成焦平面FPF被规定在第一凹柱面透镜161的前级。光束整形透镜87不具有主扫描面MS上的光焦度，所以合成焦平面FPF的位置由第一光学元件61以及第二光学元件71的各柱面透镜面的曲率决定。各VCSEL阵列21配置在与合成焦平面FPF交叉的位置。其结果，第一光学元件61以及第二光学元件71作为准直发挥作用，从VCSEL阵列21辐射的光束SB被放大为规定的倍率，之后成为沿着光束光轴BLA的平行光从光学单元60射出。如以上那样，光学单元60能够抑制线状的光束SB的线宽度的扩大，形成能够维持规定的光束宽度的线状的投射光束PB。
在到此为止进行了说明的第一实施方式中，在与光源排列方向ADs垂直的主扫描面MS上具有正光焦度的第二光学元件71的前级配置具有负光焦度的第一光学元件61。因此，基于第一光学元件61以及第二光学元件71的组合的主面在主扫描面MS上，定义为与第二光学元件71相比在后级。根据以上，能够在确保从主扫描面MS上的合成焦平面FPF到主面为止的距离，即光学单元60的焦距的同时，实现使发光单元20接近光学单元60的配置。其结果，能够抑制向光源排列方向ADs延伸的线状的投射光束PB的宽度的扩大，并抑制包含发光单元20以及光学单元60的光学系统的大型化。而且，若能够抑制投射光束PB的宽度的扩大，则也能够降低在投射光束PB产生的斑点噪声。
除此之外在第一实施方式中，分别设置多个第一光学元件61以及第二光学元件71。并且，多个第一光学元件61位于多个第二光学元件71的前级。如以上那样，根据组合多个光学元件的光学构成，能够减小在各个透镜面产生的折射。其结果，能够降低伴随折射的像差，所以能够形成清晰的线状的投射光束PB。
另外在第一实施方式中，作为第一光学元件61设置的第二凹柱面透镜166的射出平面68与作为第二光学元件71设置的第一凸柱面透镜171的射入平面72接触。根据这样的接合构成，能够降低在第一光学元件61以及第二光学元件71间产生的公差，也能够降低合成焦平面FPF的位置的偏差。根据以上，能够精度良好地将VCSEL元件23配置于合成焦平面FPF，所以能够稳定地形成清晰的线状的投射光束PB。
并且第一实施方式的光学单元60包含具有向射入侧凹弯曲的柱面透镜射入面62、67的各凹柱面透镜161、166作为第一光学元件61。除此之外光学单元60包含具有向射出侧凸弯曲的柱面透镜射出面73、78的各凸柱面透镜171、176作为第二光学元件71。如以上那样，通过使用制造性较高的柱面透镜作为各光学元件，能够使光学单元60的提供变得容易，并且也能够可靠地获得在主扫描面MS内抑制投射光束PB的扩展的效果。
除此之外第一实施方式的发光单元20具有在将光源排列方向Ads作为长边的长边形状的发光区域22二维地排列使激光辐射面24朝向透射方向的VCSEL元件23而成的VCSEL阵列21。根据这样的VCSEL阵列21的采用，能够在发光单元20高密度地配置许多的VCSEL元件23，所以能够实现投射光束PB的高输出化。
并且，即使激光振荡开口25的短边方向的宽度由于VCSEL元件23的二维排列而扩大，根据光学单元60的光学作用，也能够抑制投射光束PB的宽度的扩大。根据以上，将上述的光学单元60与VCSEL阵列21组合的构成能够避免激光的干扰所引起的斑点噪声的增加，并且使投射光束PB为高输出。因此，能够实现激光雷达装置100的检测能力的提高。
另外第一实施方式的扫描单元30具有绕沿着光源排列方向Ads的转动轴AS转动的扫描镜33。这样，若光源排列方向Ads与转动轴AS实质上平行，则激光雷达装置100实施使抑制了宽度方向的扩展的线状的投射光束PB在该宽度方向上往复移动的扫描。如以上那样，若投射光束PB被整形为尖锐，则激光雷达装置100的检测精度能够提高。
另外，在第一实施方式中，VCSEL阵列21相当于“发光元件阵列”，VCSEL元件23相当于“发光部”以及“面发光激光元件”，激光辐射面24相当于“辐射面”，扫描镜33相当于“转动镜”。另外，柱面透镜射入面62、67相当于“凹状射入面”，射出平面68相当于“前级射出面”，射入平面72相当于“后级射入面”，柱面透镜射出面73、78相当于“凸状射出面”。并且，第一凹柱面透镜161以及第二凹柱面透镜166相当于“凹柱面透镜”，第一凸柱面透镜171以及第二凸柱面透镜176相当于“凸柱面透镜”。而且，光源排列方向ADs相当于“特定排列方向”，主扫描面MS相当于“特定剖面”，副扫描面SS相当于“正交剖面”，Z方向相当于“(光束SB的)透射方向”。并且，反射光束RB相当于“返回光”，激光雷达装置100相当于“光检测装置”。
(第二实施方式)
图6～图8所示的本公开的第二实施方式是第一实施方式的变形例。在第二实施方式的光学单元60中，分别各设置一个第一光学元件61以及第二光学元件71。具体而言，在第二实施方式的光学单元60设置有凹柱面透镜261以及凸柱面透镜271作为第一光学元件61以及第二光学元件71。
凹柱面透镜261是相当于第一实施方式的第一凹柱面透镜161(参照图1)的构成，具有柱面透镜射入面62以及射出平面63。柱面透镜射入面62是向射入侧凹弯曲的部分圆筒面状的透镜面。柱面透镜射入面62与激光振荡开口25对置地配置。射出平面63为平滑的平面状的透镜面，与凸柱面透镜271对置地配置。凹柱面透镜261通过柱面透镜射入面62以及射出平面63对光束SB的折射作用，实质上仅在主扫描面MS内使光束SB扩展(参照图7)。另一方面，凹柱面透镜261在副扫描面SS内实质上不发挥使光束SB扩展的光学作用。
凸柱面透镜271是相当于第一实施方式的第一凸柱面透镜171(参照图1)的构成，具有射入平面72以及柱面透镜射出面73。射入平面72是平滑的平面状的透镜面，与射出平面63隔开间隔对置地配置。射入平面72不与射出平面63接触，而位于与射出平面63分离的位置。柱面透镜射出面73是向射出侧凸弯曲的部分圆筒面状的透镜面。柱面透镜射出面73与平凹柱面透镜187的射入平面88对置地配置。凸柱面透镜271通过射入平面72以及柱面透镜射出面73对光束SB的折射作用，实质上仅在主扫描面MS内汇集光束SB(参照图7)。另一方面，凸柱面透镜271在副扫描面SS内实质上不发挥汇集光束SB的光学作用。
在到此为止进行了说明的第二实施方式的激光雷达装置200中，也起到与第一实施方式相同的效果，能够在确保光学单元60的焦距的同时，实现使发光单元20接近光学单元60的配置。因此，能够抑制向光源排列方向ADs延伸的线状的投射光束PB的宽度的扩大，并抑制光学系统的大型化。
除此之外在第二实施方式中，第一光学元件61的射出平面63远离第二光学元件71的射入平面72。根据这样的透镜配置，能够使主扫描面MS内的主面的位置向第二光学元件71的后级侧远离。其结果，能够在确保主扫描面MS内的焦距的同时，实现进一步的小型化。另外，在第二实施方式中，射出平面63相当于“前级射出面”，射入平面72相当于“后级射入面”，激光雷达装置200相当于“光检测装置”。
(第三实施方式)
图9～图11所示的本公开的第三实施方式是第二实施方式的变形例。第三实施方式的光学单元60采用柱状透镜387作为光束整形透镜87。柱状透镜387由合成石英玻璃或者树脂等透光性材料形成。柱状透镜387包含许多微小的平凸透镜部387a。柱状透镜387是连续地排列许多的平凸透镜部387a而成的光学元件。
各平凸透镜部387a沿着X轴延伸为线状(参照图10)。各平凸透镜部387a沿着光源排列方向ADs(Y轴)连续地排列(参照图11)。各平凸透镜部387a分别具有微小射入面388以及微小射出面389。微小射入面388形成为平滑的平面状。多个平凸透镜部387a的各微小射入面388在光源排列方向Ads上连续地无阶梯差地排列，形成柱状透镜387的射入平面88。柱状透镜387以使射入平面88与光束光轴BLA正交的姿势配置。微小射出面389形成为部分圆筒面状，成为在副扫描面SS上向射出侧亦即Z方向凸弯曲的形状。通过在光源排列方向Ads上连续地排列多个微小射出面389，来形成柱状透镜387的射出面。
柱状透镜387在副扫描面SS内具有正光焦度。柱状透镜387通过各微小射入面388以及各微小射出面389的使光束SB折射的光学作用，实质上使光束SB仅在副扫描面SS内的一个方向上扩展，形成连续的线状的投射光束PB(参照图11)。与此相对，柱状透镜387在主扫描面MS内实质上不发挥使光束SB扩展的光学作用(参照图11)。
在到此为止进行了说明的第三实施方式的激光雷达装置300中，也起到与第二实施方式相同的效果，通过凹柱面透镜261以及凸柱面透镜271，能够在抑制线状的投射光束PB的宽度的扩大的同时，抑制光学系统的大型化。另外，在采用柱状透镜387作为光束整形透镜87的第三实施方式中，与使用了平凹柱面透镜187(参照图6)的方式相比较，容易允许沿着X－Y平面方向的透镜光轴的偏移。另外，在第三实施方式中，激光雷达装置300相当于“光检测装置”。
(第四实施方式)
图12所示的本公开的第四实施方式是第二实施方式的其它的变形例。在第四实施方式的激光雷达装置400中，发光单元20以及扫描单元30的构成与第二实施方式不同。
发光单元20具有多个VCSEL阵列21。多个VCSEL阵列21沿着成为发光区域22的短边方向的X轴排列。各VCSEL阵列21在短边方向上相互隔开间隔，并保持于发光单元20的主基板。各VCSEL阵列21以使发光区域22朝向Z方向，并且，使发光区域22的长边方向沿着光源排列方向Ads的姿势配置。各VCSEL阵列21基于发光控制部51(参照图1)对发光定时的控制，依次向短边方向辐射光束SB。发光控制部51既可以使辐射光束SB的VCSEL阵列21沿着短边方向向一个方向移动，也可以使辐射光束SB的VCSEL阵列21沿着短边方向往复移动。
从各VCSEL阵列21辐射的光束SB组形成一个投射光束PB，不被扫描镜33的反射面36反射，而向测定区域进行投射。由从不同的VCSEL阵列21辐射的光束SB组构成的投射光束PB向测定区域的不同的位置进行投射。
扫描单元30通过扫描镜33仅反射投射光束PB以及反射光束RB中的反射光束RB。通过扫描控制部52(图1参照)，与VCSEL阵列21的发光切换同步控制扫描单元30中的扫描镜33的朝向。扫描单元30通过绕转动轴AS的扫描镜33的转动使反射面36的朝向变化，使从测定区域的不同的位置返回来的反射光束RB适当地射入到检测部41。
在到此为止进行了说明的第四实施方式的激光雷达装置400中，也起到与第二实施方式相同的效果，通过凹柱面透镜261以及凸柱面透镜271，能够在抑制线状的各投射光束PB的宽度的扩大的同时，抑制光学系统的大型化。
除此之外如第四实施方式那样，若为通过多个VCSEL阵列21的依次点亮以电子的方式实施投射光束PB的扫描的方式，则能够使扫描单元30小型化，所以能够进一步抑制激光雷达装置400的大型化。另外，在这样的方式中，也能够对从各VCSEL阵列21辐射的各投射光束PB抑制线宽度的扩大。因此，即使在不将扫描镜33使用于投射光束PB的扫描的闪光型的构成中，包含凹柱面透镜261以及凸柱面透镜271的光学单元60也能够发挥斑点的降低效果。另外，在第四实施方式中，激光雷达装置400相当于“光检测装置”。
(第五实施方式)
图13所示的本公开的第五实施方式是第四实施方式的变形例。在第五实施方式的激光雷达装置500中，省略相当于扫描单元30(参照图12)的构成。另一方面，在受光单元40设置有多个检测部41。在呈长边矩形状的检测面42的短边方向排列多个检测部41。各检测部41通过测定运算部53(参照图1)的检测控制，实施与VCSEL阵列21的电子的扫描同步的检测。即，多个检测部41中与辐射光束SB的VCSEL阵列21建立关联的一个检测部41检测反射光束RB。
在到此为止进行了说明的第五实施方式的激光雷达装置500中，也起到与第四实施方式相同的效果，通过凹柱面透镜261以及凸柱面透镜271，能够在抑制线状的各投射光束PB的宽度的扩大的同时，抑制光学系统的大型化。除此之外在第五实施方式中，由于能够省略扫描单元30，所以能够进一步抑制激光雷达装置500的大型化。另外，在第五实施方式中，激光雷达装置500相当于“光检测装置”。
(第六实施方式)
图14以及图15所示的本公开的第六实施方式是第二实施方式的其它的变形例。在第六实施方式的光学单元60中，除了第一光学元件61、第二光学元件71以及光束整形透镜87之外，还包含有均化器80。
均化器80位于发光单元20与第一光学元件61之间。均化器80使光束SB组的强度在光源排列方向Ads上均匀化。均化器80由第一柱状透镜181以及第二柱状透镜184等构成。第一柱状透镜181以及第二柱状透镜184实质上为彼此相同的构成，是连续地排列许多的平凸透镜部而成的光学元件。
第一柱状透镜181在光学单元60中，配置在第二柱状透镜184的前级。第一柱状透镜181具有平滑的平面状的射入面82、和在光源排列方向Ads上连续地形成了多个射出面部83的射出面。射入面82与多个VCSEL阵列21的发光区域22对置地配置。各射出面部83为在主扫描面MS内向射出侧凸弯曲的柱面透镜形状。
第二柱状透镜184在光学单元60中，配置在第一柱状透镜181的后级。第二柱状透镜184具有在光源排列方向Ads上连续地形成多个射入面部85的射入面、和平滑的平面状的射出面86。各射入面部85为在主扫描面MS上向射入侧凸弯曲的柱面透镜形状。各射入面部85实质上与各射出面部83同轴地对置配置。在各射入面部85与各射出面部83之间形成有规定的缝隙。射出面86与作为第一光学元件61设置的第一凹柱面透镜161的柱面透镜射入面62对置地配置。
在到此为止进行了说明的第六实施方式的激光雷达装置600中，也起到与第二实施方式相同的效果，通过在光学单元60中包含第一光学元件61以及第二光学元件71，能够在抑制线状的各投射光束PB的宽度的扩大的同时，抑制光学系统的大型化。
除此之外在第六实施方式中，通过对置配置的各射出面部83以及各射入面部85，发挥使从各个VCSEL阵列21辐射的光束SB的强度在光源排列方向Ads上均匀的效果。通过具备具有这样的效果的均化器80，线状的投射光束PB的强度即使在两端附近也不容易降低。其结果，能够在测定区域的整个区域提高检测能力。
另外，在第六实施方式中，第一柱状透镜181相当于“前级光学元件”，第二柱状透镜184相当于“后级光学元件”，激光雷达装置600相当于“光检测装置”。
(其它的实施方式)
以上，对本公开的多个实施方式进行了说明，但本公开并不限定于上述实施方式进行解释，能够在不脱离本公开的主旨的范围内应用于各种实施方式以及组合。
在图16所示的上述实施方式的变形例1中，在短边方向上排列多个VCSEL阵列21的发光单元20组合与第六实施方式实质相同的均化器80。均化器80也能够对从各VCSEL阵列21辐射的各个光束SB，发挥使光源排列方向Ads上的强度均匀化的功能。
在图17示出上述实施方式的VCSEL阵列21的多个变形例。在变形例2的VCSEL阵列21a中，在发光区域22a的长边方向上连续地单列排列许多的VCSEL元件23。在变形例3的VCSEL阵列21b中，在发光区域22b的长边方向上断续地单列排列许多的VCSEL元件23。在变形例4的VCSEL阵列21c中，在发光区域22c的长边方向上以两列连续地排列许多的VCSEL元件23。在变形例5的VCSEL阵列21d中，在发光区域22d的长边方向上以两列断续地排列许多的VCSEL元件23。在变形例6的VCSEL阵列21e以及变形例7的VCSEL阵列21f中，在发光区域22e、22f连续地二维排列许多的VCSEL元件23。如以上的变形例2～7那样，能够适当地变更VCSEL阵列21中的VCSEL元件23的排列。
在上述实施方式的变形例8、9中，仅第一光学元件61以及第二光学元件71的一方设置多个。具体而言，变形例8的光学单元60具有两个第一光学元件61和一个第二光学元件71。另外，变形例9的光学单元60具有一个第一光学元件61和两个第二光学元件71。如以上那样，第一光学元件61以及第二光学元件71的构成数可以适当地变更。
在上述实施方式的变形例10中，第一光学元件61以及第二光学元件71一体地形成。具体而言，在变形例10的光学单元60设置有兼具第一光学元件61以及第二光学元件71的光学功能的一个光学元件(透镜)。在该光学元件形成有柱面透镜射入面62以及柱面透镜射出面73。在以上的变形例10中，能够降低在第一光学元件61以及第二光学元件71间产生的公差，也能够降低合成焦平面FPF的位置的偏差。其结果，能够精度良好地将VCSEL元件23配置于合成焦平面FPF，所以能够稳定地形成清晰的线状的投射光束PB。
在上述实施方式的变形例11中，柱面透镜射入面62以及柱面透镜射出面73的至少一方形成为非球面状。根据这样的透镜形状，由于像差的降低，而能够形成清晰的投射光束PB。
在上述实施方式的变形例12中，代替VCSEL阵列21，而在发光单元20设置边缘发射型的激光二极管作为相当于“发光部”的构成。在边缘发射型的激光二极管中，从形成于半导体侧面的激光辐射窗辐射与半导体基板平行的激光。
在上述实施方式的变形例13中，扫描镜并不构成为在规定的角度范围RA内进行摆动运动，而在一个方向上旋转运动360度。在变形例13的扫描镜中，在主体部的两表面形成反射面。扫描镜也可以是多面镜等实施二维的扫描的反射镜。
在上述实施方式的变形例14、15中，未平行地配置光束光轴BLA与受光光轴RLA。具体而言，在变形例14中，光束光轴BLA与受光光轴RLA的间隔随着接近扫描镜33的反射面36而递减。另一方面，在变形例15中，光束光轴BLA与受光光轴RLA的间隔随着接近扫描镜33的反射面36而递增。
上述实施方式的变形例16的第一光学元件61以及第二光学元件71不仅具有主扫描面MS内的光焦度，在副扫描面SS内也具有光焦度。
在上述实施方式的变形例17中，在激光雷达装置的壳体外部设置相当于控制器50的运算处理部。运算处理部既可以作为独立的车载ECU设置，也可以作为功能部安装于驾驶支援ECU或者自动驾驶ECU。另外，在上述实施方式的变形例18中，控制器50的功能作为功能部安装于受光单元40的检测部41。
在上述实施方式的变形例19中，在与车辆不同的移动体搭载激光雷达装置。具体而言，可以在能够无人移动的配送用机器人以及无人机等搭载激光雷达装置。另外，在上述实施方式的变形例20中，在非移动体安装激光雷达装置。激光雷达装置例如也可以构成为设置在路侧器等道路基础设施，并测量车辆以及行人等测量对象物。
也可以通过被编程为执行通过计算机程序具体化的一个或者多个功能的专用计算机的处理部实现本公开所记载的处理器及其方法。或者，也可以通过专用硬件逻辑电路实现本公开所记载的处理器及其方法。另外，也可以通过分立电路实现本公开所记载的处理器及其方法。或者，也可以通过从执行计算机程序的一个以上的计算机的处理部、一个以上的硬件逻辑电路以及一个以上的分立电路中选择的任意的组合实现本公开所记载的处理器及其方法。另外，计算机程序也可以作为通过计算机执行的指令，存储于计算机能够读取的非迁移有形记录介质。

Claims (12)

1.一种光检测装置，具备：
发光单元(20)，在特定排列方向(ADs)上排列辐射光束(SB)的多个发光部(23)；
光学单元(60)，位于从上述发光单元辐射的上述光束的光路上，并形成在上述特定排列方向上延伸的投射光束(PB)；以及
受光单元(40)，接收向测定区域投射的上述投射光束的返回光(RB)，
上述光学单元包含：
第一光学元件(61)，在与上述特定排列方向垂直的特定剖面(MS)上，在上述光束的透射方向上具有负光焦度；以及
第二光学元件(71)，位于上述第一光学元件的后级，在上述特定剖面上在上述透射方向上具有正光焦度。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
上述光学单元将上述第一光学元件以及上述第二光学元件的至少一方包含多个。
3.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，
上述光学单元包含多个上述第二光学元件、和与多个上述第二光学元件相比位于前级的多个上述第一光学元件。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述第一光学元件的前级射出面(63、68)与上述第二光学元件的后级射入面(72)接触。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述第一光学元件的前级射出面(63、68)与上述第二光学元件的后级射入面(72)分离。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述第一光学元件与上述第二光学元件一体地形成。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述光学单元还在上述第一光学元件的前级包含：
前级光学元件(181)，在上述特定排列方向上排列多个在与上述特定剖面正交且沿着上述透射方向的正交剖面(SS)内向射出侧凸弯曲的多个射出面部(83)；以及
后级光学元件(184)，在上述特定排列方向上排列多个在上述正交剖面内向射入侧凸弯曲且分别与多个上述射出面部对置的多个射入面部(85)。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述光学单元包含具有向射入侧凹弯曲的凹状射入面(62、67)的凹柱面透镜(161、166、261)作为上述第一光学元件，包含具有向射出侧凸弯曲的凸状射出面(73、78)的凸柱面透镜(171、176、271)作为上述第二光学元件。
9.根据权利要求8所述的光检测装置，其中，
上述凹状射入面以及上述凸状射出面的至少一方形成为非球面状。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的光检测装置，其中，
上述发光单元具有发光元件阵列(21)，该发光元件阵列通过使上述光束的辐射面(24)朝向上述透射方向的面发光激光元件作为上述发光部在以上述特定排列方向为长边的长边形状的发光区域(22)二维排列而成。
11.根据权利要求1～10中任意一项所述的光检测装置，其中，
还具备扫描单元(30)，该扫描单元扫描从上述发光单元辐射的上述光束，并向上述测定区域进行投射，
上述扫描单元具有转动镜(33)，该转动镜绕沿着上述特定排列方向的转动轴(AS)转动。
12.根据权利要求10所述的光检测装置，其中，
上述发光单元具有在上述发光区域的短边方向上排列的多个上述发光元件阵列，
多个上述发光元件阵列在上述短边方向上依次辐射上述光束。
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