JP2018156051A - Laser scanner - Google Patents

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古山 将樹
Masaki Furuyama
将樹 古山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser scanner having high reliability.SOLUTION: The laser scanner includes a light source 11 emitting laser light, a liquid crystal element for partially transmitting the laser light emitted from the light source 11, an optical element 13 for deflecting the laser light transmitted through the liquid crystal element, and a light-receiving element for detecting the laser light reflected by an object. The liquid crystal element has a plurality of regions each of which can be set into one of a transmitting state and a light-shielding state, and transmits laser light in the laser light emitted from the light source, incident to at least one of the plurality of regions.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、車両に搭載されるレーザ走査装置に係り、例えば、赤外線レーザを用いたレーザ走査装置に関する。   The present invention relates to a laser scanning device mounted on a vehicle, for example, a laser scanning device using an infrared laser.

車両の自動運転、又は車両の運転支援を行う機器が盛んに開発されている。また、車両などに搭載されるLIDAR(Light Detection and Ranging)が知られている。LIDARは、レーザ光(例えば、波長λ=905nm)を用いて車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲にある対象物からの反射光を検出することによって、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。   Devices for automatically driving vehicles or assisting driving of vehicles have been actively developed. Further, LIDAR (Light Detection and Ranging) mounted on a vehicle or the like is known. LIDAR scans a certain area in front of the vehicle using laser light (for example, wavelength λ = 905 nm), detects the reflected light from the object in this scanning range, and detects the object, and from the vehicle. Measure the distance to the object.

LIDARの走査方式には、例えば、ポリゴンミラー、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー、又はガルバノミラーを用いる方式が用いられている。しかし、これらの方式では、レーザ走査装置が高コスト化、大型化する傾向にある。このため、レーザ走査装置の低コスト化、小型化が望まれている。   As the LIDAR scanning method, for example, a method using a polygon mirror, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror, or a galvanometer mirror is used. However, these methods tend to increase the cost and size of the laser scanning device. For this reason, it is desired to reduce the cost and size of the laser scanning device.

米国特許第8,982,313号明細書US Pat. No. 8,982,313

本発明は、信頼性の高いレーザ走査装置を提供する。   The present invention provides a highly reliable laser scanning device.

本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光を発光する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、前記液晶素子を透過したレーザ光を屈折させる光学素子と、対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子とを具備する。   A laser scanning device according to one embodiment of the present invention includes a light source that emits laser light, a liquid crystal element that partially transmits the laser light emitted from the light source, and an optical that refracts the laser light transmitted through the liquid crystal element. An element and a light receiving element that detects laser light reflected by the object are provided.

本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光を発光する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を放射する第1光学素子と、対象物によって反射されたレーザ光を集光する第2光学素子と、前記第2光学素子を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、前記液晶素子を透過したレーザ光を検知する受光素子とを具備する。   A laser scanning device according to an aspect of the present invention includes a light source that emits laser light, a first optical element that emits laser light emitted from the light source, and a first light that focuses the laser light reflected by an object. Two optical elements, a liquid crystal element that partially transmits the laser light transmitted through the second optical element, and a light receiving element that detects the laser light transmitted through the liquid crystal element.

本発明によれば、信頼性の高いレーザ走査装置を提供することができる。   According to the present invention, a highly reliable laser scanning device can be provided.

本発明の第1実施形態に係るレーザ走査装置のブロック図。1 is a block diagram of a laser scanning device according to a first embodiment of the present invention. 液晶素子及び輻射素子の平面図。The top view of a liquid crystal element and a radiation element. 図2のA−A´線に沿った液晶素子及び輻射素子の断面図。Sectional drawing of the liquid crystal element and radiation element which followed the AA 'line of FIG. レーザ走査装置の基本動作を説明する概略図。Schematic explaining the basic operation of the laser scanning device. レーザ走査装置によるレーザ光の波形を説明する図。The figure explaining the waveform of the laser beam by a laser scanning apparatus. 液晶素子の動作を説明する断面図。Sectional drawing explaining operation | movement of a liquid crystal element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 輻射素子の一例を説明する概略断面図。The schematic sectional drawing explaining an example of a radiation element. 本発明の第2実施形態に係るレーザ走査装置のブロック図。The block diagram of the laser scanning apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 光源及び輻射素子の断面図。Sectional drawing of a light source and a radiation element. 液晶素子及び集光素子の平面図。The top view of a liquid crystal element and a condensing element. 図16のA−A´線に沿った液晶素子及び集光素子の断面図。FIG. 17 is a cross-sectional view of the liquid crystal element and the light collecting element along the line AA ′ in FIG. 16. 液晶素子の動作を説明する断面図。Sectional drawing explaining operation | movement of a liquid crystal element.

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and ratios of the drawings are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same portion is represented between the drawings, the dimensional relationship and ratio may be represented differently. In particular, the following embodiments exemplify an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention depends on the shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not specified. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.

[第1実施形態]
[1] レーザ走査装置の構成
図1は、本発明の第1実施形態に係るレーザ走査装置10のブロック図である。
[First Embodiment]
[1] Configuration of Laser Scanning Device FIG. 1 is a block diagram of a laser scanning device 10 according to the first embodiment of the present invention.

レーザ走査装置10は、LIDAR(Light Detection and Ranging)とも呼ばれる。LIDARは、レーザ光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲にある対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、LIDARは、送信したレーザ光と受信したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。   The laser scanning device 10 is also called LIDAR (Light Detection and Ranging). LIDAR scans a certain range, for example, in front of the vehicle using laser light, and detects laser light reflected by an object in this scanning range. The LIDAR then uses the transmitted laser light and the received laser light to detect the object and measure the distance from the vehicle to the object.

レーザ走査装置10は、車両の前側(例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル)、車両の後ろ側(例えば、リアバンパー、又はリアグリル)、及び/又は、車両の側方(例えば、フロントバンパーの側方)に配置される。また、レーザ走査装置10は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。   The laser scanning device 10 is provided on the front side of the vehicle (for example, the front bumper or the front grille), the rear side of the vehicle (for example, the rear bumper or the rear grille), and / or the side of the vehicle (for example, the side of the front bumper). Be placed. Further, the laser scanning device 10 may be disposed on an upper portion of the vehicle such as a roof or a bonnet.

レーザ走査装置10は、光源11、液晶素子12、輻射素子13、受光素子14、パルスタイミング制御部15、出射角制御部16、距離演算部17、及び主制御部18を備える。   The laser scanning device 10 includes a light source 11, a liquid crystal element 12, a radiation element 13, a light receiving element 14, a pulse timing control unit 15, an emission angle control unit 16, a distance calculation unit 17, and a main control unit 18.

光源11は、液晶素子12に向けて、レーザ光を発生(発光)する。レーザ光としては、例えば、赤外線レーザ光(例えば波長λ=905nm)が用いられる。また、光源11は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。   The light source 11 generates (emits) laser light toward the liquid crystal element 12. As the laser light, for example, infrared laser light (for example, wavelength λ = 905 nm) is used. The light source 11 generates laser light as a pulse signal having a predetermined frequency.

液晶素子12は、光源11から出射されたレーザ光を受ける。液晶素子12は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備える。液晶素子12は、複数の領域の少なくとも1つに入射したレーザ光を透過させる。換言すると、液晶素子12は、光源11から出射されたレーザ光を部分的かつ選択的に透過させる。これにより、液晶素子12は、後述する輻射素子13と協同して、対象物2に向けて照射するレーザ光の方向を任意に設定できる。液晶素子12の具体的な構成については後述する。   The liquid crystal element 12 receives the laser light emitted from the light source 11. The liquid crystal element 12 includes a plurality of regions divided into a matrix. The liquid crystal element 12 transmits laser light incident on at least one of the plurality of regions. In other words, the liquid crystal element 12 partially and selectively transmits the laser light emitted from the light source 11. Thereby, the liquid crystal element 12 can set arbitrarily the direction of the laser beam irradiated toward the target object 2 in cooperation with the radiation element 13 described later. A specific configuration of the liquid crystal element 12 will be described later.

輻射素子13は、基本的な機能として、自身に入射したレーザ光を所定の広がりを持って放射する。具体的には、輻射素子13は、液晶素子12を部分的に透過したレーザ光を屈折させ、レーザ光の出射角を大きくさせる。一例として、輻射素子13は、平凹レンズで構成される。輻射素子13の具体的な構成については後述する。   As a basic function, the radiating element 13 radiates laser light incident thereon with a predetermined spread. Specifically, the radiation element 13 refracts the laser light partially transmitted through the liquid crystal element 12 and increases the emission angle of the laser light. As an example, the radiation element 13 is configured by a plano-concave lens. A specific configuration of the radiating element 13 will be described later.

受光素子(検出回路)14は、対象物2によって反射されたレーザ光を検出する。受光素子14は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやCMOS(complementary metal oxide semiconductor)フォトセンサを含む。その他、受光素子14として赤外線カメラを用いてもよい。   The light receiving element (detection circuit) 14 detects the laser light reflected by the object 2. The light receiving element 14 is composed of, for example, an infrared sensor. Infrared sensors include photodiodes and CMOS (complementary metal oxide semiconductor) photosensors. In addition, an infrared camera may be used as the light receiving element 14.

パルスタイミング制御部15は、光源11の動作を制御する。光源11は、パルス信号としてレーザ光(すなわち、パルス状のレーザ光)を発光する。パルスタイミング制御部15は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。   The pulse timing control unit 15 controls the operation of the light source 11. The light source 11 emits laser light (that is, pulsed laser light) as a pulse signal. The pulse timing control unit 15 controls the timing of pulses included in the laser light. The pulse timing includes the period of the pulse signal, the frequency of the pulse signal, and the pulse width.

出射角制御部16は、液晶素子12に複数の電圧を印加し、液晶素子12が備える複数の領域のうち、レーザ光を透過する領域(透過領域)と、レーザ光を遮光する領域(遮光領域)とを制御する。輻射素子13の光学特性が決定された時点で、液晶素子12の複数の領域にそれぞれ対応した輻射素子13の複数の屈折角は、予め算出できる。よって、液晶素子12の複数の領域をそれぞれ透過したレーザ光の出射角も予め算出できる。この情報は、例えばテーブルとして、主制御部18に含まれるメモリに格納される。よって、出射角制御部16は、液晶素子12の透過領域を選択することで、輻射素子13から出射されるレーザ光の出射角を設定及び認識できる。   The emission angle control unit 16 applies a plurality of voltages to the liquid crystal element 12, and among a plurality of regions included in the liquid crystal element 12, a region that transmits laser light (a transmission region) and a region that blocks laser light (a light shielding region). ) And control. When the optical characteristics of the radiation element 13 are determined, a plurality of refraction angles of the radiation element 13 corresponding to the plurality of regions of the liquid crystal element 12 can be calculated in advance. Therefore, the emission angle of the laser beam that has passed through each of the plurality of regions of the liquid crystal element 12 can be calculated in advance. This information is stored in a memory included in the main control unit 18 as a table, for example. Therefore, the emission angle control unit 16 can set and recognize the emission angle of the laser light emitted from the radiation element 13 by selecting the transmission region of the liquid crystal element 12.

距離演算部17は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部15から受け、出射角の情報を出射角制御部16から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子14から受ける。距離演算部17は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部17は、出射角の情報などを用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部17は、出射角の情報などを用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部17によって算出された距離及び/又は相対座標は、例えばデータDOUTとして外部に出力可能である。   The distance calculation unit 17 receives the timing information of the transmitted laser beam from the pulse timing control unit 15, receives the information of the emission angle from the emission angle control unit 16, and receives the received timing information and light intensity information of the laser beam. Received from the light receiving element 14. The distance calculation unit 17 calculates the distance from the vehicle to the object using these pieces of information. Specifically, the distance calculation unit 17 calculates a linear distance, a horizontal distance, and a vertical distance using information on the emission angle and the like. In addition, the distance calculation unit 17 calculates the relative coordinates of the object using the information on the emission angle and the like. The distance and / or relative coordinates calculated by the distance calculation unit 17 can be output to the outside as data DOUT, for example.

主制御部18は、レーザ走査装置10の全体動作を統括的に制御する。   The main control unit 18 comprehensively controls the overall operation of the laser scanning device 10.

[2] 液晶素子12及び輻射素子13の構成
次に、液晶素子12及び輻射素子13の構成について説明する。図2は、液晶素子12及び輻射素子13の平面図である。図3は、図2のA−A´線に沿った液晶素子12及び輻射素子13の断面図である。
[2] Configuration of Liquid Crystal Element 12 and Radiation Element 13 Next, the configuration of the liquid crystal element 12 and the radiation element 13 will be described. FIG. 2 is a plan view of the liquid crystal element 12 and the radiation element 13. FIG. 3 is a cross-sectional view of the liquid crystal element 12 and the radiation element 13 taken along the line AA ′ of FIG.

液晶素子12は、透過型かつシャッター方式の液晶パネルである。液晶素子12は、対向配置された基板20、21と、基板20、21間に挟持された液晶層22とを備える。基板20、21の各々は、透明基板(例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板)から構成される。基板20は、光源11に対向配置され、光源11からのレーザ光は、基板20側から液晶層22に入射する。   The liquid crystal element 12 is a transmissive and shutter type liquid crystal panel. The liquid crystal element 12 includes substrates 20 and 21 disposed to face each other and a liquid crystal layer 22 sandwiched between the substrates 20 and 21. Each of the substrates 20 and 21 is composed of a transparent substrate (for example, a glass substrate or a plastic substrate). The substrate 20 is disposed to face the light source 11, and the laser light from the light source 11 enters the liquid crystal layer 22 from the substrate 20 side.

液晶層22は、基板20、21間に充填される。具体的には、液晶層22は、基板20、21と、シール材23とによって包囲された領域内に封入される。シール材23は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板20及び/又は基板21に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。   The liquid crystal layer 22 is filled between the substrates 20 and 21. Specifically, the liquid crystal layer 22 is sealed in a region surrounded by the substrates 20 and 21 and the sealing material 23. The sealing material 23 is made of, for example, an ultraviolet curable resin, a thermosetting resin, or an ultraviolet / heat combination type curable resin, and is applied to the substrate 20 and / or the substrate 21 in the manufacturing process, and then irradiated with ultraviolet rays or heated. Cured.

液晶層22を構成する液晶材料は、基板20、21間に印加された電圧(電界)に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の液晶素子12は、例えば、TN(Twisted Nematic)モードである。すなわち、液晶層22として正の誘電率異方性を有するポジ型(P型)のネマティック液晶が用いられ、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸(ダイレクタ)が概略水平方向に配向し、かつ厚さ方向に沿って(基板20から基板21に向かって)液晶分子の長軸が概略90度(又は60度〜120度の範囲で)ねじれて配向する。そして、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に向く。液晶層の初期配向は、液晶層22を挟むようにして基板20、21にそれぞれ設けられた2つの配向膜(図示せず)によって制御される。   The liquid crystal material constituting the liquid crystal layer 22 changes its optical characteristics by manipulating the orientation of liquid crystal molecules in accordance with the voltage (electric field) applied between the substrates 20 and 21. The liquid crystal element 12 of this embodiment is, for example, a TN (Twisted Nematic) mode. That is, a positive (P-type) nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy is used as the liquid crystal layer 22, and the major axis (director) of the liquid crystal molecules is aligned in a substantially horizontal direction when no voltage is applied, and Along the thickness direction (from the substrate 20 toward the substrate 21), the major axis of the liquid crystal molecules is twisted and aligned approximately 90 degrees (or in the range of 60 degrees to 120 degrees). When the voltage is applied, the major axis of the liquid crystal molecules is oriented in a substantially vertical direction. The initial alignment of the liquid crystal layer is controlled by two alignment films (not shown) provided on the substrates 20 and 21 with the liquid crystal layer 22 interposed therebetween.

なお、TNモード以外の液晶の駆動方式を用いてもよい。例えば、液晶の駆動方式として、ネガ型(N型)のネマティック液晶を用いた垂直配向(VA:Vertical Alignment)モードを用いてもよい。VAモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。さらに、他の液晶の駆動方式として、ポジ型(P型)のネマティック液晶を用いたホモジニアスモードを用いてもよい。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。   A liquid crystal driving method other than the TN mode may be used. For example, as a liquid crystal driving method, a vertical alignment (VA) mode using negative (N-type) nematic liquid crystal may be used. In the VA mode, the major axis of liquid crystal molecules is aligned in a substantially vertical direction when no voltage is applied, and the major axis of the liquid crystal molecules is inclined in the horizontal direction when a voltage is applied. Further, as another liquid crystal driving method, a homogeneous mode using a positive (P-type) nematic liquid crystal may be used. In the homogeneous mode, the major axis of the liquid crystal molecules is aligned in a substantially horizontal direction when no voltage is applied, and the major axis of the liquid crystal molecules is inclined in the vertical direction when a voltage is applied.

また、偏光板でのエネルギー損失を抑えるために、液晶素子12として、高分子分散型液晶(PDLC:Polymer Dispersed Liquid Crystal)、又はポリマーネットワーク型液晶(PNLC:Polymer Network Liquid Crystal)を用いてもよい。PDLC又はPNLCは、偏光板が不要で、透過状態と散乱状態とを実現できる。   Further, in order to suppress energy loss in the polarizing plate, a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) or a polymer network liquid crystal (PNLC) may be used as the liquid crystal element 12. . PDLC or PNLC does not require a polarizing plate and can realize a transmission state and a scattering state.

基板20の液晶層22側には、それぞれがY方向に延びる複数の電極24が設けられる。図2には、5本の電極24−1〜24−5を一例として示している。電極24の数は、2本以上であれば任意の数に設定可能である。電極24−1〜24−5は、互いに電気的に分離されており、個別に電圧制御が可能である。複数の電極24の間隔は、液晶素子の小型化の観点からはより小さい方が望ましく、例えば、製造工程に起因する最小加工寸法に設定される。電極24は、透明電極から構成され、透明電極としては、例えばITO(インジウム錫酸化物)が用いられる。電極24は、その一端がシール材23より外側に引き出されており、この引き出された部分が出射角制御部16に電気的に接続される。   A plurality of electrodes 24 each extending in the Y direction are provided on the liquid crystal layer 22 side of the substrate 20. In FIG. 2, five electrodes 24-1 to 24-5 are shown as an example. The number of the electrodes 24 can be set to any number as long as it is two or more. The electrodes 24-1 to 24-5 are electrically separated from each other and can be individually voltage controlled. The interval between the plurality of electrodes 24 is desirably smaller from the viewpoint of miniaturization of the liquid crystal element, and is set to, for example, the minimum processing dimension resulting from the manufacturing process. The electrode 24 is composed of a transparent electrode, and for example, ITO (indium tin oxide) is used as the transparent electrode. One end of the electrode 24 is drawn to the outside of the sealing material 23, and the drawn portion is electrically connected to the emission angle control unit 16.

基板21の液晶層22側には、それぞれがX方向に延びる複数の電極25が設けられる。図2には、5本の電極25−1〜25−5を一例として示している。電極25の数は、2本以上であれば任意の数に設定可能である。電極25−1〜25−5は、互いに電気的に分離されており、個別に電圧制御が可能である。電極25は、透明電極から構成され、透明電極としては、例えばITOが用いられる。電極25は、その一端がシール材23より外側に引き出されており、この引き出された部分が出射角制御部16に電気的に接続される。   A plurality of electrodes 25 each extending in the X direction are provided on the liquid crystal layer 22 side of the substrate 21. In FIG. 2, five electrodes 25-1 to 25-5 are shown as an example. The number of the electrodes 25 can be set to any number as long as it is two or more. The electrodes 25-1 to 25-5 are electrically separated from each other and can be individually voltage controlled. The electrode 25 is composed of a transparent electrode, and for example, ITO is used as the transparent electrode. One end of the electrode 25 is drawn to the outside of the sealing material 23, and the drawn portion is electrically connected to the emission angle control unit 16.

図2から理解されるように、液晶素子12は、パッシブマトリクス方式(単純マトリクス方式)であり、また、ドットマトリクス方式である。すなわち、液晶素子12は、ドットマトリクスのパターンを有する。液晶素子12は、1つの電極24と1つの電極25とが交差する1つのドット毎に、液晶配向を制御できる。電極24と電極25との1つの交差領域は、図2の例では概略正方形であり、この交差領域は、光の位相を制御する単位となる。   As can be understood from FIG. 2, the liquid crystal element 12 is a passive matrix system (simple matrix system) and a dot matrix system. That is, the liquid crystal element 12 has a dot matrix pattern. The liquid crystal element 12 can control the liquid crystal alignment for each dot at which one electrode 24 and one electrode 25 intersect. In the example of FIG. 2, one intersection region between the electrode 24 and the electrode 25 is a substantially square, and this intersection region is a unit for controlling the phase of light.

偏光板26、27は、基板20、21を挟むように配置される。偏光板(直線偏光子)26、27の各々は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有する。偏光板26、27の各々は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光(直線偏光した光成分)を透過し、吸収軸に平行な振動面を有する直線偏光(直線偏光した光成分)を吸収する。偏光板26、27は、互いの吸収軸が平行になるように、すなわち平行ニコル状態で配置される。   The polarizing plates 26 and 27 are disposed so as to sandwich the substrates 20 and 21. Each of the polarizing plates (linear polarizers) 26 and 27 has a transmission axis and an absorption axis orthogonal to each other in a plane orthogonal to the light traveling direction. Each of the polarizing plates 26 and 27 transmits linearly polarized light (linearly polarized light component) having a vibration surface parallel to the transmission axis out of light having a vibration surface in a random direction, and is a vibration surface parallel to the absorption axis. It absorbs linearly polarized light (linearly polarized light component). The polarizing plates 26 and 27 are arranged so that their absorption axes are parallel to each other, that is, in a parallel Nicol state.

なお、前述した偏光板を規定する角度は、所望の動作を実現可能な誤差、及び製造工程に起因する誤差を含むものとする。例えば、前述した直交は、90度±5度の範囲を含むものとし、平行は、±5度の範囲を含むものとする。   In addition, the angle which prescribes | regulates the polarizing plate mentioned above shall contain the error which can implement | achieve a desired operation | movement, and the error resulting from a manufacturing process. For example, the orthogonality mentioned above includes a range of 90 ° ± 5 °, and the parallel includes a range of ± 5 °.

偏光板27の基板21と反対側には、輻射素子13が設けられる。前述したように、輻射素子13は、例えば平凹レンズで構成される。輻射素子13の外形は、四角形に限定されず、円であってもよい。   The radiation element 13 is provided on the opposite side of the polarizing plate 27 from the substrate 21. As described above, the radiating element 13 is composed of, for example, a plano-concave lens. The outer shape of the radiating element 13 is not limited to a quadrangle, and may be a circle.

輻射素子13は、液晶素子12と透過したレーザ光を屈折させるとともに、レーザ光をより広範囲に(所定の放射角で)出射する。輻射素子13から放射されるレーザ光の拡がり(放射角、又は立体角)は、レーザ走査装置10の走査範囲となる。放射角とは、1次元で見た場合における出射光の広がり角を意味する。3次元で見た場合、放射の様子は、立体角で表現される。   The radiation element 13 refracts the laser light transmitted through the liquid crystal element 12 and emits the laser light in a wider range (with a predetermined radiation angle). The spread (radiation angle or solid angle) of the laser light emitted from the radiation element 13 is a scanning range of the laser scanning device 10. The radiation angle means a spread angle of outgoing light when viewed in one dimension. When viewed in three dimensions, the state of radiation is represented by a solid angle.

輻射素子13は、レーザ光を所定の放射角で放射する機能を有していれば、様々な光学素子を用いることができる。輻射素子13と液晶素子12との固定方法は、任意に設計可能である。輻射素子13が液晶素子12と接する場合は、透明な接着材を用いて互いを接着してもよい。輻射素子13と液晶素子12とは、間隔を空けて配置してもよい。この場合は、例えば、輻射素子13及び液晶素子12は、これらを支持する部材(図示せず)によって所定の位置に固定される。   Various optical elements can be used as the radiation element 13 as long as it has a function of emitting laser light at a predetermined radiation angle. The fixing method of the radiation element 13 and the liquid crystal element 12 can be designed arbitrarily. When the radiating element 13 is in contact with the liquid crystal element 12, a transparent adhesive may be used to bond each other. The radiating element 13 and the liquid crystal element 12 may be arranged with a space therebetween. In this case, for example, the radiation element 13 and the liquid crystal element 12 are fixed at predetermined positions by members (not shown) that support them.

なお、液晶素子12として、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)方式を用いた透過型液晶パネル(透過型LCOS)を用いてもよい。透過型LCOSを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の液晶素子12を実現できる。透過型LCOSでは、シリコン基板(又は透明基板上に形成されたシリコン層)が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光(赤外線を含む)を透過するため、LCOSを透過型液晶パネルとして使用することができる。LCOSを使用することにより、電極のサイズがより小さい液晶パネルとすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザ光を高速で走査することが可能となる。   Note that a transmissive liquid crystal panel (transmissive LCOS) using an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) method may be used as the liquid crystal element 12. By using the transmissive LCOS, the electrode can be finely processed, and a smaller liquid crystal element 12 can be realized. In the transmissive LCOS, a silicon substrate (or a silicon layer formed on a transparent substrate) is used. Since the silicon substrate transmits light (including infrared rays) having a wavelength greater than a specific wavelength in relation to the band gap, LCOS can be used as a transmissive liquid crystal panel. By using LCOS, a liquid crystal panel having a smaller electrode size can be obtained, and thus further miniaturization can be achieved. In addition, since the mobility of the liquid crystal molecules is high, the laser beam can be scanned at a high speed.

[3] レーザ走査装置10の動作
[3−1] レーザ走査装置10の基本動作
まず、レーザ走査装置10の基本動作について説明する。図4は、レーザ走査装置10の基本動作を説明する概略図である。なお、図4では、レーザ走査装置10は、車両1の前側に設けられ、レーザ走査装置10が車両1の前方を水平方向に走査する態様を一例として示している。
[3] Operation of Laser Scanning Device 10 [3-1] Basic Operation of Laser Scanning Device 10 First, the basic operation of the laser scanning device 10 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the basic operation of the laser scanning device 10. In FIG. 4, the laser scanning device 10 is provided on the front side of the vehicle 1, and an example in which the laser scanning device 10 scans the front of the vehicle 1 in the horizontal direction is shown as an example.

レーザ走査装置10に含まれる液晶素子12及び輻射素子13は、角度αの範囲でレーザ光を送信する。受光素子14は、対象物2によって反射されたレーザ光を検出する。想定する対象物までの距離L、距離Lにおける走査範囲Rとする。例えば、角度α=10度、距離L=10mである場合は、走査範囲R=1.7mであり、角度α=10度、距離L=50mである場合は、走査範囲R=8.7mである。角度α、距離L、及び走査範囲Rは、レーザ走査装置10に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。   The liquid crystal element 12 and the radiation element 13 included in the laser scanning device 10 transmit laser light in the range of the angle α. The light receiving element 14 detects the laser light reflected by the object 2. The distance L to the assumed object and the scanning range R at the distance L are assumed. For example, when the angle α = 10 degrees and the distance L = 10 m, the scanning range R = 1.7 m, and when the angle α = 10 degrees and the distance L = 50 m, the scanning range R = 8.7 m. is there. The angle α, the distance L, and the scanning range R can be arbitrarily designed according to specifications required for the laser scanning device 10.

図5は、レーザ走査装置10によるレーザ光の波形を説明する図である。図5の上側が送信の波形、下側が受信の波形である。図5の横軸が時間であり、図5の縦軸が強度(光強度)である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the waveform of the laser beam by the laser scanning device 10. The upper side of FIG. 5 is a transmission waveform, and the lower side is a reception waveform. The horizontal axis in FIG. 5 is time, and the vertical axis in FIG. 5 is intensity (light intensity).

光源11は、パルス信号からなるレーザ光を出射する。すなわち、光源11は、時分割でレーザ光を出射する。パルスタイミング制御部15は、光源11の動作を制御し、レーザ光の周期、及びパルス幅を制御する。レーザ走査装置10は、パルス信号としてレーザ光を送信する。   The light source 11 emits a laser beam composed of a pulse signal. That is, the light source 11 emits laser light in a time division manner. The pulse timing control unit 15 controls the operation of the light source 11 and controls the period and pulse width of the laser light. The laser scanning device 10 transmits laser light as a pulse signal.

パルス信号の周期P、パルス幅Wとする。1つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Cとする。遅れ量Δは、“Δ=2L/C”で算出される。距離演算部17は、遅れ量Δを用いて、車両1から対象物2までの距離を算出する。   It is assumed that the pulse signal has a period P and a pulse width W. A delay amount Δ, which is a time from when one pulse is transmitted to when a pulse reflected by an object is received, and a light velocity C are set. The delay amount Δ is calculated by “Δ = 2L / C”. The distance calculation unit 17 calculates the distance from the vehicle 1 to the object 2 using the delay amount Δ.

例えば、パルス幅W=10nsec、周期P=10μsec(すなわち、周波数f=100kHz)であるものとする。遅れ量Δ=67nsecの場合、距離L=10mが算出される。このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。   For example, it is assumed that the pulse width W = 10 nsec and the period P = 10 μsec (that is, the frequency f = 100 kHz). When the delay amount Δ = 67 nsec, the distance L = 10 m is calculated. By such an operation, the object can be detected and the distance to the object can be calculated.

[3−2] 液晶素子12の動作
次に、液晶素子12の動作について説明する。出射角制御部16は、液晶素子12を駆動するために、液晶素子12に含まれる電極24−1〜24−5、及び電極25−1〜25−5に複数の電圧を印加する。
[3-2] Operation of Liquid Crystal Element 12 Next, the operation of the liquid crystal element 12 will be described. The emission angle control unit 16 applies a plurality of voltages to the electrodes 24-1 to 24-5 and the electrodes 25-1 to 25-5 included in the liquid crystal element 12 in order to drive the liquid crystal element 12.

図6は、液晶素子12の動作を説明する断面図である。光源11は、液晶素子12のうちシール材23で囲まれた液晶領域にレーザ光を出射する。   FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the operation of the liquid crystal element 12. The light source 11 emits laser light to the liquid crystal region surrounded by the sealing material 23 in the liquid crystal element 12.

出射角制御部16は、液晶素子12の複数の領域(ドット)のうち例えば1つのドットを透過状態にする。すなわち、出射角制御部16は、透過状態にしたい1つのドットを形成する1本の電極24と1本の電極25との間に所定の実効電圧V1を印加する。実効電圧V1は、交流電圧である。実効電圧V1は、液晶分子を垂直に配向させることが可能な電圧であり、液晶の閾値電圧以上の電圧である。   The emission angle control unit 16 sets, for example, one dot among the plurality of regions (dots) of the liquid crystal element 12 to a transmission state. That is, the emission angle control unit 16 applies a predetermined effective voltage V1 between one electrode 24 and one electrode 25 that form one dot that is desired to be transmitted. The effective voltage V1 is an AC voltage. The effective voltage V1 is a voltage capable of vertically aligning liquid crystal molecules, and is a voltage equal to or higher than the threshold voltage of the liquid crystal.

図6の例では、出射角制御部16は、電極24−2と電極25−3との間に実効電圧V1を印加する。これにより、電極24−2と電極25−3とが交差するドットでは、液晶層に電界が印加され、液晶層が概略垂直配向になる(オン状態となる)。よって、オン状態のドットは、透過状態となる。すなわち、偏光板26を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が回転せず、偏光板27を透過する。   In the example of FIG. 6, the emission angle control unit 16 applies the effective voltage V1 between the electrode 24-2 and the electrode 25-3. As a result, at the dots where the electrode 24-2 and the electrode 25-3 intersect, an electric field is applied to the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer is substantially vertically aligned (turned on). Therefore, the dot in the on state is in a transmissive state. That is, the laser light that has passed through the polarizing plate 26 does not rotate in the liquid crystal layer and passes through the polarizing plate 27.

一方で、出射角制御部16は、電極24−2、及び電極25−3以外の電極、すなわち、電極24−1、24−3〜24−5、及び電極25−1、25−2、25−4、25−5に0Vを印加する。或いは、出射角制御部16は、電極24−1、24−3〜24−5、及び電極25−1、25−2、25−4、25−5に所定の共通電圧を印加する。すなわち、液晶層を挟んで対向する2つの電極に印加される電圧が同じであればよい。   On the other hand, the emission angle control unit 16 is an electrode other than the electrode 24-2 and the electrode 25-3, that is, the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5, and the electrodes 25-1, 25-2, and 25. -4, 25-5 is applied with 0V. Alternatively, the emission angle control unit 16 applies a predetermined common voltage to the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5, and the electrodes 25-1, 25-2, 25-4, and 25-5. That is, the voltage applied to the two electrodes facing each other across the liquid crystal layer may be the same.

これにより、電極24−1、24−3〜24−5と、電極25−1、25−2、25−4、25−5とが交差する複数のドットでは、液晶層に電界が印加されず、液晶層がねじれ配向を維持する(オフ状態となる)。よって、オフ状態のドットは、遮光状態となる。すなわち、偏光板26を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が90度回転し、偏光板27で遮蔽される。図6には、オン状態及びオフ状態において、液晶分子を上から見た様子を概略的に図示している。   As a result, an electric field is not applied to the liquid crystal layer at a plurality of dots where the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5 and the electrodes 25-1, 25-2, 25-4, and 25-5 intersect. The liquid crystal layer maintains the twisted alignment (becomes off state). Therefore, the dot in the off state is in a light shielding state. That is, the laser light transmitted through the polarizing plate 26 is rotated by 90 degrees in the direction of vibration in the liquid crystal layer and is blocked by the polarizing plate 27. FIG. 6 schematically illustrates liquid crystal molecules viewed from above in the on state and the off state.

液晶素子12を透過したレーザ光は、輻射素子13によって屈折され、所定の出射角θで輻射素子13から出射する。このように、出射角制御部16は、所定の方向に限定して、レーザ光を出射することができる。また、マトリクス状に配置された複数のドットのうち特定の1つのドットを選択、すなわち透過状態にすることで、対象物を2次元で走査することができる。   The laser light transmitted through the liquid crystal element 12 is refracted by the radiation element 13 and is emitted from the radiation element 13 at a predetermined emission angle θ. As described above, the emission angle control unit 16 can emit laser light only in a predetermined direction. In addition, by selecting one specific dot out of a plurality of dots arranged in a matrix, that is, in a transmissive state, the object can be scanned two-dimensionally.

また、走査範囲(角度α)は、輻射素子13の屈折率及び曲率半径(焦点距離)、すなわち屈折角を調整することで、任意に設定可能である。   Further, the scanning range (angle α) can be arbitrarily set by adjusting the refractive index and the radius of curvature (focal length) of the radiating element 13, that is, the refraction angle.

[4] 輻射素子13の構成例
次に、輻射素子13の構成例について説明する。輻射素子13は、レーザ光を屈折させることができれば、前述した構成以外であってもよい。図7乃至図13は、輻射素子13の構成例を説明する概略断面図である。
[4] Configuration Example of Radiation Element 13 Next, a configuration example of the radiation element 13 will be described. The radiation element 13 may have a configuration other than that described above as long as it can refract laser light. 7 to 13 are schematic cross-sectional views for explaining a configuration example of the radiation element 13.

図7では、輻射素子13は、両凸レンズで構成される。輻射素子13として両凸レンズを用いた場合、液晶素子12を透過したレーザ光は、輻射素子13によって両凸レンズの中央側に屈折するとともに、所定の出射角で輻射素子13から出射する。換言すると、両凸レンズは、レーザ光を一旦焦点にて集光した後、放射するように機能する。   In FIG. 7, the radiating element 13 is composed of a biconvex lens. When a biconvex lens is used as the radiating element 13, the laser light transmitted through the liquid crystal element 12 is refracted by the radiating element 13 toward the center of the biconvex lens and is emitted from the radiating element 13 at a predetermined emission angle. In other words, the biconvex lens functions so as to radiate the laser light once it is focused at the focal point.

図8では、輻射素子13は、平凸レンズで構成される。平凸レンズの平面は、液晶素子12に向き合うように配置される。   In FIG. 8, the radiation element 13 is configured by a plano-convex lens. The plane of the plano-convex lens is disposed so as to face the liquid crystal element 12.

図9では、輻射素子13は、平凸レンズで構成される。平凸レンズの凸面は、液晶素子12に向き合うように配置される。   In FIG. 9, the radiating element 13 is constituted by a plano-convex lens. The convex surface of the plano-convex lens is disposed so as to face the liquid crystal element 12.

図10では、輻射素子13は、両凹レンズで構成される。両凹レンズは、平凹レンズに比べて、走査範囲を大きくできる。   In FIG. 10, the radiating element 13 is composed of a biconcave lens. The biconcave lens can increase the scanning range compared to the plano-concave lens.

図11では、輻射素子13は、平凹レンズで構成される平凹レンズの平面は、液晶素子12に向き合うように配置される。   In FIG. 11, the radiating element 13 is arranged so that the plane of the plano-concave lens constituted by a plano-concave lens faces the liquid crystal element 12.

図12では、輻射素子13は、平凹レンズで構成される平凹レンズの凹面は、液晶素子12に向き合うように配置される。   In FIG. 12, the radiating element 13 is arranged so that the concave surface of the plano-concave lens constituted by a plano-concave lens faces the liquid crystal element 12.

図13では、輻射素子13は、回折格子(透過型回折格子)で構成される。図13の構成例では、輻射素子13としての回折格子は、光源11と液晶素子12との間に配置される。回折格子は、光源11からのレーザ光を受け、このレーザ光を放射する。回折格子を透過したレーザ光は、液晶素子12を部分的に透過する。   In FIG. 13, the radiating element 13 is formed of a diffraction grating (transmission type diffraction grating). In the configuration example of FIG. 13, the diffraction grating as the radiation element 13 is disposed between the light source 11 and the liquid crystal element 12. The diffraction grating receives laser light from the light source 11 and emits this laser light. The laser light that has passed through the diffraction grating partially passes through the liquid crystal element 12.

なお、輻射素子13としては、上記説明した構成例以外に、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。   In addition to the configuration example described above, a cylindrical lens, a Fresnel lens, a refractive index distribution lens, or the like may be used as the radiation element 13.

このように、輻射素子13として様々が光学素子を用いることができ、また、使用する光学素子に応じて、走査角を調整することができる。   Thus, various optical elements can be used as the radiating element 13, and the scanning angle can be adjusted according to the optical element to be used.

なお、液晶素子12と輻射素子13とを固定する構成は、特に限定されず、任意に設計可能である。   In addition, the structure which fixes the liquid crystal element 12 and the radiation element 13 is not specifically limited, It can design arbitrarily.

[5] 第1実施形態の効果
以上詳述したように第1本実施形態では、レーザ走査装置10は、レーザ光を発光する光源11と、光源11から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子12と、液晶素子12を透過したレーザ光を屈折させる光学素子(輻射素子)13と、対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子14とを備えている。また、液晶素子12は、透過状態及び遮光状態の1つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、光源11から出射されたレーザ光のうち複数の領域の少なくとも1つに入射するレーザ光を透過させる。
[5] Effects of First Embodiment As described in detail above, in the first embodiment, the laser scanning device 10 partially transmits the light source 11 that emits laser light and the laser light emitted from the light source 11. A liquid crystal element 12 to be refracted, an optical element (radiation element) 13 that refracts the laser light transmitted through the liquid crystal element 12, and a light receiving element 14 that detects the laser light reflected by the object. Further, the liquid crystal element 12 has a plurality of regions each settable to one of a transmission state and a light shielding state, and laser light incident on at least one of the plurality of regions emitted from the light source 11. Permeate.

従って第1実施形態によれば、所定の走査範囲のうち特定の方向に絞ってレーザ光を出射することができる。そして、特定の方向に送信したレーザ光が対象物によって反射されたか否かを検出することで、特定の方向に対象物が存在するか否かを判定でき、さらに、対象物が存在した場合に、対象物までの距離を算出することができる。   Therefore, according to the first embodiment, the laser beam can be emitted while being narrowed down in a specific direction within the predetermined scanning range. Then, by detecting whether or not the laser beam transmitted in a specific direction is reflected by the object, it is possible to determine whether or not the object exists in a specific direction. The distance to the object can be calculated.

また、1種類の実効電圧を用意し、この実効電圧を液晶素子12が備える電極に印加することで、レーザ光の出射角を制御することができる。ひいては、簡単な電圧制御で、レーザ光を走査させることができる。   In addition, by preparing one type of effective voltage and applying this effective voltage to the electrodes provided in the liquid crystal element 12, the emission angle of the laser light can be controlled. As a result, the laser beam can be scanned by simple voltage control.

また、輻射素子13の屈折率及び曲率半径(焦点距離)を変えることで、走査範囲を変えることができる。   Further, the scanning range can be changed by changing the refractive index and the radius of curvature (focal length) of the radiating element 13.

また、液晶素子12及び輻射素子13を用いて、レーザ光の出射角を制御できる。これにより、レーザ走査装置10を小型化及び低コスト化することが可能である。   Further, the emission angle of the laser beam can be controlled using the liquid crystal element 12 and the radiation element 13. Thereby, the laser scanning device 10 can be reduced in size and cost.

また、本実施形態のレーザ走査装置10は、機械的な構成部品がなく、かつ機械的な可動部がない。これにより、レーザ走査装置10の信頼性を向上できる。   Further, the laser scanning device 10 of the present embodiment has no mechanical components and no mechanical movable part. Thereby, the reliability of the laser scanning apparatus 10 can be improved.

[第2実施形態]
第2実施形態では、送信側において、レーザ光を広範囲に放射させ、受信側において、マトリクス状に配置された複数の領域のうち少なくとも1つを透過状態にしてレーザ光を受信するようにしている。そして、透過状態にした領域に応じて、対象物によって反射されたレーザ光の入射角を検知するようにしている。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, laser light is emitted in a wide range on the transmission side, and at least one of a plurality of regions arranged in a matrix is transmitted on the reception side to receive the laser light. . Then, the incident angle of the laser beam reflected by the object is detected according to the region that is in the transmission state.

[1] レーザ走査装置の構成
図14は、本発明の第2実施形態に係るレーザ走査装置10のブロック図である。レーザ走査装置10は、光源11、輻射素子13、集光素子30、液晶素子12、受光素子14、パルスタイミング制御部15、入射角制御部31、距離演算部17、及び主制御部18を備える。
[1] Configuration of Laser Scanning Device FIG. 14 is a block diagram of a laser scanning device 10 according to the second embodiment of the present invention. The laser scanning device 10 includes a light source 11, a radiation element 13, a condensing element 30, a liquid crystal element 12, a light receiving element 14, a pulse timing control unit 15, an incident angle control unit 31, a distance calculation unit 17, and a main control unit 18. .

輻射素子13は、光源11からのレーザ光を屈折させるとともに、レーザ光をより広範囲に(所定の放射角で)放射する。一例として、輻射素子13は、平凹レンズで構成される。   The radiating element 13 refracts the laser light from the light source 11 and radiates the laser light in a wider range (with a predetermined radiation angle). As an example, the radiation element 13 is configured by a plano-concave lens.

図15は、光源11及び輻射素子13の断面図である。輻射素子13は、平凹レンズで構成され、平凹レンズの平面側が光源11と向き合っている。輻射素子13は、光源11からのレーザ光をより広範囲に放射する。輻射素子13から放射されたレーザ光の拡がり(放射角、又は立体角)は、レーザ走査装置10の走査範囲となる。輻射素子13は、レーザ光を放射する機能を有していれば、様々な光学素子を用いることができる。輻射素子13は、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、回折格子、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。すなわち、輻射素子13は、第1実施形態で説明した輻射素子と同じ構成例が適用される。   FIG. 15 is a cross-sectional view of the light source 11 and the radiating element 13. The radiating element 13 is composed of a plano-concave lens, and the plane side of the plano-concave lens faces the light source 11. The radiation element 13 radiates laser light from the light source 11 in a wider range. The spread (radiation angle or solid angle) of the laser light emitted from the radiation element 13 becomes the scanning range of the laser scanning device 10. As long as the radiation element 13 has a function of emitting laser light, various optical elements can be used. The radiating element 13 may be a biconvex lens, a plano-convex lens, a biconcave lens, a diffraction grating, a cylindrical lens, a Fresnel lens, or a refractive index distribution lens. That is, the same configuration example as the radiation element described in the first embodiment is applied to the radiation element 13.

集光素子30は、対象物によって反射されたレーザ光を屈折させるとともに、液晶素子12に向けてレーザ光を集光する。また、集光素子30は、液晶素子12に概略垂直にレーザ光が入射するように、その屈折角が設定される。   The condensing element 30 refracts the laser light reflected by the object and condenses the laser light toward the liquid crystal element 12. Further, the converging angle of the condensing element 30 is set so that the laser light is incident on the liquid crystal element 12 substantially perpendicularly.

液晶素子12は、集光素子30によって屈折されたレーザ光を受ける。液晶素子12の配置される位置は第1実施形態と異なるが、液晶素子12の構成は、第1実施形態と同じである。すなわち、液晶素子12は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備える。液晶素子12は、複数の領域の少なくとも1つを透過状態にし、この透過状態の領域にレーザ光が入射した場合に、このレーザ光を透過させる。換言すると、液晶素子12は、集光素子30からのレーザ光を部分的かつ選択的に透過させる。透過状態である領域に応じて、レーザ光の入射角が特定できるため、対象物が存在する方向を特定できる。液晶素子12の具体的な構成については後述する。   The liquid crystal element 12 receives the laser light refracted by the light condensing element 30. The position where the liquid crystal element 12 is arranged is different from that of the first embodiment, but the configuration of the liquid crystal element 12 is the same as that of the first embodiment. That is, the liquid crystal element 12 includes a plurality of regions divided into a matrix. The liquid crystal element 12 sets at least one of the plurality of regions to a transmission state, and transmits the laser light when the laser light is incident on the transmission state region. In other words, the liquid crystal element 12 partially and selectively transmits the laser light from the light condensing element 30. Since the incident angle of the laser beam can be specified according to the region that is in the transmission state, the direction in which the object exists can be specified. A specific configuration of the liquid crystal element 12 will be described later.

受光素子14は、液晶素子12を透過したレーザ光を検出する。   The light receiving element 14 detects the laser light transmitted through the liquid crystal element 12.

入射角制御部31は、液晶素子12に複数の電圧を印加し、液晶素子12が備える複数の領域のうち、レーザ光を透過する領域(透過領域)と、レーザ光を遮光する領域(遮光領域)とを制御する。入射角制御部31は、集光素子30の光学特性に応じて、集光素子30による屈折角を予め認識できる。また、入射角制御部31は、集光素子30による屈折角に応じて、液晶素子12の複数の領域をそれぞれ透過したレーザ光の入射角を予め認識できる。この情報は、例えばテーブルとして、主制御部18に含まれるメモリに格納される。よって、入射角制御部31は、液晶素子12の透過領域を選択することで、対象物によって反射されたレーザ光の入射角を認識できる。   The incident angle control unit 31 applies a plurality of voltages to the liquid crystal element 12, and among a plurality of regions included in the liquid crystal element 12, a region that transmits laser light (a transmission region) and a region that blocks laser light (a light shielding region). ) And control. The incident angle control unit 31 can recognize in advance the refraction angle by the light collecting element 30 according to the optical characteristics of the light collecting element 30. Further, the incident angle control unit 31 can recognize in advance the incident angles of the laser beams respectively transmitted through the plurality of regions of the liquid crystal element 12 according to the refraction angle by the condensing element 30. This information is stored in a memory included in the main control unit 18 as a table, for example. Therefore, the incident angle control unit 31 can recognize the incident angle of the laser light reflected by the object by selecting the transmission region of the liquid crystal element 12.

その他の構成は、第1実施形態と同じである。   Other configurations are the same as those of the first embodiment.

[2] 液晶素子12及び集光素子30の構成
次に、液晶素子12及び集光素子30の構成について説明する。図16は、液晶素子12及び集光素子30の平面図である。図17は、図16のA−A´線に沿った液晶素子12及び集光素子30の断面図である。
[2] Configuration of Liquid Crystal Element 12 and Condensing Element 30 Next, the configuration of the liquid crystal element 12 and the condensing element 30 will be described. FIG. 16 is a plan view of the liquid crystal element 12 and the condensing element 30. FIG. 17 is a cross-sectional view of the liquid crystal element 12 and the condensing element 30 along the line AA ′ in FIG. 16.

液晶素子12は、第1実施形態と同様に、基板20、21、液晶層22、シール材23、複数の電極24(電極24−1〜24−5)、複数の電極25(電極25−1〜25−5)、及び偏光板26、27を備える。   Similarly to the first embodiment, the liquid crystal element 12 includes substrates 20 and 21, a liquid crystal layer 22, a sealing material 23, a plurality of electrodes 24 (electrodes 24-1 to 24-5), and a plurality of electrodes 25 (electrodes 25-1). 25-5), and polarizing plates 26 and 27.

偏光板27の基板21と反対側には、集光素子30が設けられる。前述したように、集光素子30は、例えば平凹レンズで構成される。集光素子30の外形は、四角形に限定されず、円であってもよい。   A condensing element 30 is provided on the opposite side of the polarizing plate 27 from the substrate 21. As described above, the condensing element 30 is configured by a plano-concave lens, for example. The outer shape of the light collecting element 30 is not limited to a quadrangle, and may be a circle.

集光素子30の入射角は、輻射素子13の出射角と概略同じであることが望ましい。集光素子30の屈折率及び曲率半径は、上記条件を満たすように設定され、屈折率及び曲率半径の組み合わせは任意に設計可能である。例えば、集光素子30は、輻射素子13と同じ光学素子で構成される。検出感度を高めるためには、集光素子30の面積は、なるべく大きいことが望ましい。液晶素子12のサイズは、集光素子30のサイズと概略同じに設定される。   It is desirable that the incident angle of the condensing element 30 is substantially the same as the emission angle of the radiating element 13. The refractive index and the radius of curvature of the condensing element 30 are set so as to satisfy the above conditions, and the combination of the refractive index and the radius of curvature can be arbitrarily designed. For example, the condensing element 30 is composed of the same optical element as the radiating element 13. In order to increase the detection sensitivity, it is desirable that the area of the light collecting element 30 is as large as possible. The size of the liquid crystal element 12 is set to be approximately the same as the size of the light collecting element 30.

なお、集光素子30の入射角は、輻射素子13の出射角と完全に同じでなくてもよく、多少の差は許容される。集光素子30の入射角と輻射素子13の出射角とが異なる場合は、液晶素子12を透過するレーザ光が液晶素子12(液晶素子12の基板面)に対して垂直にならない。しかし、液晶素子12を透過するレーザ光が液晶素子12に対して垂直でなくても、透過状態のドットを透過できる範囲でレーザ光が傾いているのであれば、本実施形態の機能を実現できる。   In addition, the incident angle of the condensing element 30 may not be completely the same as the emission angle of the radiation element 13, and some difference is permitted. When the incident angle of the condensing element 30 and the emission angle of the radiating element 13 are different, the laser light transmitted through the liquid crystal element 12 is not perpendicular to the liquid crystal element 12 (the substrate surface of the liquid crystal element 12). However, even if the laser beam transmitted through the liquid crystal element 12 is not perpendicular to the liquid crystal element 12, the function of the present embodiment can be realized as long as the laser beam is tilted within a range that can transmit the transmissive dots. .

集光素子30としては、平凹レンズ、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、回折格子、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。例えば、集光素子30として平凹レンズを用いた場合、液晶素子12と向き合う面は、平面側であってもよいし、凹面側であってもよい。その他の光学素子についても、同様である。   As the condensing element 30, a plano-concave lens, a biconvex lens, a plano-convex lens, a biconcave lens, a diffraction grating, a cylindrical lens, a Fresnel lens, or a refractive index distribution lens may be used. For example, when a plano-concave lens is used as the condensing element 30, the surface facing the liquid crystal element 12 may be a flat surface or a concave surface. The same applies to other optical elements.

[3] 液晶素子12の動作
次に、液晶素子12の動作について説明する。入射角制御部31は、液晶素子12を駆動するために、液晶素子12に含まれる電極24−1〜24−5、及び電極25−1〜25−5に複数の電圧を印加する。
[3] Operation of Liquid Crystal Element 12 Next, the operation of the liquid crystal element 12 will be described. The incident angle control unit 31 applies a plurality of voltages to the electrodes 24-1 to 24-5 and the electrodes 25-1 to 25-5 included in the liquid crystal element 12 in order to drive the liquid crystal element 12.

図18は、液晶素子12の動作を説明する断面図である。集光素子30は、対象物によって反射されたレーザ光を屈折させ、レーザ光が液晶素子12に対して概略垂直に入射するように、液晶素子12に集光する。   FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining the operation of the liquid crystal element 12. The condensing element 30 refracts the laser light reflected by the object, and condenses the laser light on the liquid crystal element 12 so that the laser light enters the liquid crystal element 12 substantially perpendicularly.

入射角制御部31は、液晶素子12の複数の領域(ドット)のうち例えば1つのドットを透過状態にする。すなわち、入射角制御部31は、透過状態にしたい1つのドットを形成する1本の電極24と1本の電極25との間に所定の実効電圧V1を印加する。   The incident angle control unit 31 sets, for example, one dot among a plurality of regions (dots) of the liquid crystal element 12 to a transmission state. That is, the incident angle control unit 31 applies a predetermined effective voltage V <b> 1 between one electrode 24 and one electrode 25 that form one dot that is to be transmitted.

図18の例では、入射角制御部31は、電極24−2と電極25−3との間に実効電圧V1を印加する。これにより、電極24−2と電極25−3とが交差するドットでは、液晶層に電界が印加され、液晶層が概略垂直配向になる(オン状態となる)。よって、オン状態のドットは、透過状態となる。すなわち、偏光板27を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が回転せず、偏光板26を透過する。   In the example of FIG. 18, the incident angle control unit 31 applies the effective voltage V1 between the electrode 24-2 and the electrode 25-3. As a result, at the dots where the electrode 24-2 and the electrode 25-3 intersect, an electric field is applied to the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer is substantially vertically aligned (turned on). Therefore, the dot in the on state is in a transmissive state. That is, the laser beam that has passed through the polarizing plate 27 passes through the polarizing plate 26 without rotating in the vibration direction in the liquid crystal layer.

一方で、入射角制御部31は、電極24−2、及び電極25−3以外の電極、すなわち、電極24−1、24−3〜24−5、及び電極25−1、25−2、25−4、25−5に0Vを印加する。或いは、入射角制御部31は、電極24−1、24−3〜24−5、及び電極25−1、25−2、25−4、25−5に所定の共通電圧を印加する。   On the other hand, the incident angle control unit 31 is an electrode other than the electrode 24-2 and the electrode 25-3, that is, the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5, and the electrodes 25-1, 25-2, and 25. -4, 25-5 is applied with 0V. Alternatively, the incident angle control unit 31 applies a predetermined common voltage to the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5, and the electrodes 25-1, 25-2, 25-4, and 25-5.

これにより、電極24−1、24−3〜24−5と、電極25−1、25−2、25−4、25−5とが交差する複数のドットでは、液晶層に電界が印加されず、液晶層がねじれ配向を維持する(オフ状態となる)。よって、オフ状態のドットは、遮光状態となる。すなわち、偏光板27を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が90度回転し、偏光板26で遮蔽される。   As a result, an electric field is not applied to the liquid crystal layer at a plurality of dots where the electrodes 24-1, 24-3 to 24-5 and the electrodes 25-1, 25-2, 25-4, and 25-5 intersect. The liquid crystal layer maintains the twisted alignment (becomes off state). Therefore, the dot in the off state is in a light shielding state. That is, the laser beam transmitted through the polarizing plate 27 is rotated by 90 ° in the liquid crystal layer and is blocked by the polarizing plate 26.

入射角制御部31は、透過状態にしたドットに対応する入射角θを算出できる。よって、受光素子14がレーザ光を検知した場合、主制御部18は、透過状態のドットに対応する入射角の方向に対象物が存在することを認識できる。一方で、受光素子14がレーザ光を検知しなかった場合、主制御部18は、透過状態のドットに対応する入射角の方向に対象物が存在しないことを認識できる。   The incident angle control unit 31 can calculate the incident angle θ corresponding to the dot in the transmissive state. Therefore, when the light receiving element 14 detects the laser beam, the main control unit 18 can recognize that the object exists in the direction of the incident angle corresponding to the transmissive dot. On the other hand, when the light receiving element 14 does not detect the laser beam, the main control unit 18 can recognize that there is no object in the direction of the incident angle corresponding to the transmissive dot.

また、入射角制御部31は、透過状態のドットを順次変更することで、実質的に、対象物を2次元で走査することができる。走査範囲(角度α)は、輻射素子13及び集光素子30の屈折率及び曲率半径(焦点距離)、すなわち屈折角を調整することで、任意に設定可能である。   Further, the incident angle control unit 31 can substantially scan the object in two dimensions by sequentially changing the dots in the transmission state. The scanning range (angle α) can be arbitrarily set by adjusting the refractive index and the radius of curvature (focal length) of the radiating element 13 and the condensing element 30, that is, the refraction angle.

[4] 第2実施形態の効果
以上詳述したように第2実施形態では、レーザ走査装置10は、レーザ光を発光する光源11と、光源11から出射されたレーザ光を放射する第1光学素子(輻射素子)13と、対象物によって反射されたレーザ光を集光する第2光学素子(集光素子)30と、集光素子30を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子12と、液晶素子12を透過したレーザ光を検知する受光素子14とを備えている。また、液晶素子12は、透過状態及び遮光状態の1つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、集光素子30を透過したレーザ光のうち複数の領域の少なくとも1つに入射するレーザ光を透過させる。
[4] Effects of the Second Embodiment As described in detail above, in the second embodiment, the laser scanning device 10 includes the light source 11 that emits laser light and the first optical that emits the laser light emitted from the light source 11. An element (radiating element) 13, a second optical element (condensing element) 30 that condenses the laser light reflected by the object, and a liquid crystal element 12 that partially transmits the laser light that has passed through the condensing element 30. And a light receiving element 14 for detecting the laser light transmitted through the liquid crystal element 12. In addition, the liquid crystal element 12 has a plurality of regions each of which can be set to one of a transmission state and a light shielding state, and is incident on at least one of the plurality of regions of the laser light transmitted through the condensing element 30. Transmit light.

従って第2実施形態によれば、所定の走査範囲のうち特定の方向に絞ってレーザ光を入射させる(透過させる)ことができる。そして、特定の方向においてレーザ光が対象物によって反射されたか否かを検出することで、特定の方向に対象物が存在するか否かを判定でき、さらに、対象物が存在した場合に、対象物までの距離を算出することができる。   Therefore, according to the second embodiment, laser light can be incident (transmitted) while being narrowed down in a specific direction within a predetermined scanning range. Then, by detecting whether or not the laser beam is reflected by the object in a specific direction, it can be determined whether or not the object exists in the specific direction, and when the object exists, The distance to the object can be calculated.

また、輻射素子13及び集光素子30の屈折率及び曲率半径(焦点距離)を変えることで、走査範囲を変えることができる。その他の効果は、第1実施形態と同じである。   Further, the scanning range can be changed by changing the refractive index and the radius of curvature (focal length) of the radiating element 13 and the condensing element 30. Other effects are the same as those of the first embodiment.

なお、上記各実施形態では、2次元で走査する構成例を示したが、1次元で走査するようにしてもよい。この場合は、X方向に並んだ複数を領域を持つように液晶素子12を構成することで実現できる。   In each of the above-described embodiments, the configuration example in which scanning is performed in two dimensions has been described. However, the scanning may be performed in one dimension. In this case, it can be realized by configuring the liquid crystal element 12 to have a plurality of regions arranged in the X direction.

上記各実施形態では、液晶素子12は、単純マトリクス方式で構成されているが、他の構造(電極構造)を適用してもよい。液晶素子12は、マトリスク状に配置されて複数の領域のうち1つを透過状態、他を遮光状態に設定可能である液晶素子、すなわち、任意の光シャッター方式を有する液晶素子を用いることができる。例えば、複数の領域の各々に対応する矩形の電極をスイッチング素子(例えば、TFT(Thin Film Transistor))で駆動する液晶素子を用いてもよい。   In each of the above embodiments, the liquid crystal element 12 is configured by a simple matrix method, but other structures (electrode structures) may be applied. As the liquid crystal element 12, a liquid crystal element that is arranged in a matrix shape and can be set in one of a plurality of regions in a transmission state and the other in a light shielding state, that is, a liquid crystal element having an arbitrary optical shutter method can be used. . For example, a liquid crystal element that drives a rectangular electrode corresponding to each of a plurality of regions with a switching element (for example, a TFT (Thin Film Transistor)) may be used.

上記各実施形態では、レーザ走査装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、本実施形態に係るレーザ走査装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。   In each of the above embodiments, an infrared laser is used as the laser beam handled by the laser scanning device. However, the present invention is not limited to this, and the laser scanning device according to the present embodiment can be applied to light other than infrared light.

上記実施形態では、車両に搭載されるレーザ走査装置について説明している。しかし、これに限定されず、レーザ光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。   In the above embodiment, a laser scanning device mounted on a vehicle has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to various electronic devices having a function of scanning with laser light.

本明細書において、「平行」とは、完全に平行であることが好ましいが、必ずしも厳密に平行である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に平行と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいてもよい。また、「垂直」とは、必ずしも厳密に垂直である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に垂直と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいてもよい。   In the present specification, the term “parallel” is preferably completely parallel, but is not necessarily strictly parallel, and includes those that can be regarded as substantially parallel in view of the effects of the present invention. An error that may occur in the manufacturing process may be included. In addition, “vertical” does not necessarily have to be strictly vertical, and includes what can be regarded as substantially vertical in view of the effects of the present invention, and may include errors that may occur in the manufacturing process. Good.

本明細書において、板やフィルムは、その部材を例示した表現であり、その構成に限定されるものではない。例えば、偏光板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であってもよい。   In this specification, a board and a film are the expressions which illustrated the member, and are not limited to the structure. For example, the polarizing plate is not limited to a plate-like member, and may be a film having other functions described in the specification or other members.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, the embodiments may be implemented in combination as appropriate, and in that case, the combined effect can be obtained. Furthermore, the present invention includes various inventions, and various inventions can be extracted by combinations selected from a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if several constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, if the problem can be solved and an effect can be obtained, the configuration from which the constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

10…レーザ走査装置、11…光源、12…液晶素子、13…輻射素子、14…受光素子、15…パルスタイミング制御部、16…出射角制御部、17…距離演算部、18…主制御部、20,21…基板、22…液晶層、23…シール材、24,25…電極、26,27…偏光板、30…集光素子、31…入射角制御部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Laser scanning apparatus, 11 ... Light source, 12 ... Liquid crystal element, 13 ... Radiation element, 14 ... Light receiving element, 15 ... Pulse timing control part, 16 ... Output angle control part, 17 ... Distance calculation part, 18 ... Main control part , 20, 21 ... substrate, 22 ... liquid crystal layer, 23 ... sealing material, 24, 25 ... electrode, 26, 27 ... polarizing plate, 30 ... condensing element, 31 ... incident angle control unit

Claims (6)

レーザ光を発光する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、
前記液晶素子を透過したレーザ光を屈折させる光学素子と、
対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子と
を具備するレーザ走査装置。
A light source that emits laser light;
A liquid crystal element that partially transmits laser light emitted from the light source;
An optical element that refracts laser light transmitted through the liquid crystal element;
A laser scanning device comprising: a light receiving element that detects a laser beam reflected by an object.
前記液晶素子は、透過状態及び遮光状態の1つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、前記光源から出射されたレーザ光のうち前記複数の領域の少なくとも1つに入射するレーザ光を透過させる
請求項1に記載のレーザ走査装置。
The liquid crystal element has a plurality of regions each of which can be set to one of a transmission state and a light shielding state, and is configured to emit laser light incident on at least one of the plurality of regions out of the laser light emitted from the light source. The laser scanning device according to claim 1, wherein the laser scanning device is transmitted.
レーザ光を発光する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を放射する第1光学素子と、
対象物によって反射されたレーザ光を集光する第2光学素子と、
前記第2光学素子を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、
前記液晶素子を透過したレーザ光を検知する受光素子と
を具備するレーザ走査装置。
A light source that emits laser light;
A first optical element that emits laser light emitted from the light source;
A second optical element for condensing the laser light reflected by the object;
A liquid crystal element that partially transmits laser light transmitted through the second optical element;
A laser scanning device comprising: a light receiving element that detects laser light transmitted through the liquid crystal element.
前記液晶素子は、透過状態及び遮光状態の1つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、前記第2光学素子を透過したレーザ光のうち前記複数の領域の少なくとも1つに入射するレーザ光を透過させる
請求項3に記載のレーザ走査装置。
The liquid crystal element has a plurality of regions each of which can be set to one of a transmission state and a light-shielding state, and is incident on at least one of the plurality of regions of the laser light transmitted through the second optical element. The laser scanning device according to claim 3, wherein light is transmitted.
前記液晶素子は、パッシブマトリクス方式を有する
請求項1乃至4のいずれかに記載のレーザ走査装置。
The laser scanning device according to claim 1, wherein the liquid crystal element has a passive matrix method.
前記液晶素子は、
第1及び第2基板と、
前記第1及び第2基板間に充填された液晶層と、
前記第1基板上に設けられ、それぞれが第1方向に延在する複数の第1電極と、
前記第2基板上に設けられ、それぞれが前記第1方向と交差する第2方向に延在する複数の第2電極と、
前記第1及び第2基板を挟むように設けられた第1及び第2偏光板と
を含む
請求項1乃至5のいずれかに記載のレーザ走査装置。
The liquid crystal element is
First and second substrates;
A liquid crystal layer filled between the first and second substrates;
A plurality of first electrodes provided on the first substrate, each extending in a first direction;
A plurality of second electrodes provided on the second substrate, each extending in a second direction intersecting the first direction;
The laser scanning device according to claim 1, further comprising: first and second polarizing plates provided so as to sandwich the first and second substrates.
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