JP2020052183A - 光学系、それを備える照明装置及び測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造が容易でありながら良好な光学性能を有する小型な光学系、それを備える照明装置及び測距装置を提供すること。【解決手段】 光学系２０は、光源１１からの光を対象物に導く光学系であって、光源１１の側から順に配置された第１及び第２の回折素子Ｌ１，Ｌ２を備え、第１及び第２の回折素子Ｌ１，Ｌ２の夫々は、回折面を含む平板で構成されており、光軸を含む第１の断面及び光軸を含み第１の断面に垂直な第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（１）を満足する。０．３０≦ｆ１／Ｄｐ≦３．００ （１）【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光を対象物に導く光学系に関し、例えば車載システムや監視システム等の測距装置に好適なものである。

対象物（被照射面）までの距離を計測する測距装置として、照明装置により対象物を照明し、対象物からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物までの距離を算出するものが知られている。

特許文献１には、測距装置における照明装置に用いられる光学系として、複数のレンズから成るものが記載されている。

特開平８−１５４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている光学系を小型化しようとすると、各レンズの曲率を大きくすることが必要になる。この場合、各レンズを高い精度で形成することが難しくなり、かつ各レンズの組立誤差（配置誤差）に起因して生じる光学性能の変化が大きくなってしまう。よって、このような光学系を測距装置に適用した場合、各レンズの組立誤差によって被照射面における照明光のスポットサイズが大きくなり、測距精度が低下してしまう可能性が生じる。

本発明は、製造が容易でありながら良好な光学性能を有する小型な光学系、それを備える照明装置及び測距装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学系は、光源からの光を対象物に導く光学系であって、前記光源の側から順に配置された第１及び第２の回折素子を備え、該第１及び第２の回折素子の夫々は、回折面を含む平板で構成されており、前記第１の回折素子の焦点距離をｆ１、入射瞳から前記第１の回折素子の回折面までの距離をＤｐとするとき、光軸を含む第１の断面及び光軸を含み該第１の断面に垂直な第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０．３０≦ｆ１／Ｄｐ≦３．００ （１）

本発明によれば、製造が容易でありながら良好な光学性能を有する小型な光学系、それを備える照明装置及び測距装置を提供することができる。

実施形態に係る照明装置の模式図。 アナモフィック光学面を有する回折素子の模式図。 変形例に係る回折素子の模式図。 実施例１に係る光学系の要部概略図。 実施例２に係る光学系の要部概略図。 実施例３に係る光学系の要部概略図。 実施例４に係る光学系の要部概略図。 実施例５に係る光学系の要部概略図。 実施形態に係る測距装置の模式図。 実施形態に係る車載システムの機能ブロック図。 実施形態に係る車両の模式図。 実施形態に係る車載システムの動作例を示すフローチャート。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る照明装置１の光軸を含むＹＺ断面における要部概略図（模式図）である。本実施形態に係る照明装置１は、光源部１０と光学系（照明光学系）２０を備えている。図１では、光軸方向をＺ方向、垂直方向（第１の方向）をＹ方向、水平方向（第２の方向）をＸ方向としている。以下の説明において、ＹＺ断面を垂直断面（第１の断面）、ＺＸ断面を水平断面（第２の断面）とも呼ぶ。

本実施形態に係る光源部１０は、光源１１、コリメータ部１２、及び走査部１３を備え、光学系２０に向けて光（照明光）を射出している。光源１１としては、例えば半導体レーザなどを採用することができる。コリメータ部１２は、１枚以上のレンズ（コリメータレンズ）で構成され、光源１１から射出された発散光を平行光に変換する。ただし、ここでの平行光とは、厳密な平行光に限らず、弱発散光や弱収束光等の略平行光を含むものとする。

走査部１３は、コリメータ部１２からの平行光を偏向することで、光学系２０を介して不図示の対象物を走査する。なお、対象物は光学系２０の＋Ｚ側に配置されているものとする。走査部１３としては、ガルバノミラーやＭＥＭＳミラーなどの可動ミラーや、電圧の印加により屈折率が変化する結晶素子や液晶素子などの光学素子を採用することができる。特に、後者の光学素子によれば、ミラーを駆動するための機構（駆動部）を設ける必要がなくなるため、装置全体の小型化と低コスト化を実現することができる。

なお、照明装置１において、要求される照明範囲（照明画角）が確保できるのであれば、必要に応じてコリメータ部１２や走査部１３を備えない構成を採用してもよい。コリメータ部１２は、特に照明装置１が走査部１３を備えている場合に、駆動部などの各部材と光路との干渉を回避し易くすることができるという効果を奏する。

本実施形態に係る光学系２０は、光源側（−Ｚ側）から順に配置された第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２を備え、光源部１０からの光を対象物に導光（照射）している。なお、必要に応じて、第１の回折素子Ｌ１とそれよりも対象物側（＋Ｚ側）に配置された第２の回折素子Ｌ２との間に他の光学素子が配置されていてもよい。光学系２０は、入射光の角度（入射角）を変換し、その入射角とは異なる角度（出射角）の出射光として射出する機能を有する。

第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２の夫々は、回折面を含む平板（透過部材）で構成されている。すなわち、各回折素子は、ベース面が平面形状である回折面又は平面形状である屈折面を含む。ただし、ここでの平面形状とは、厳密な平面に限らず、製造誤差などで生じた僅かな曲率（曲率半径３０００ｍｍ以上に相当）を有する曲面等の略平面を含むものとする。

このような平板で構成される回折素子は、レンズと比較して製造が容易であり、かつ組立誤差が生じた場合の光学性能に与える影響が小さい。よって、本実施形態に係る構成を採用すれば、レンズを採用する場合と比較して、容易かつ高精度に光学系を製造することができ、かつ全系を小型化することができる。したがって、光学系２０を測距装置に適用した場合の、組立誤差に起因する測距精度の低下を抑制することが可能になる。

仮に、各回折素子をレンズなどの屈折力を有する光学素子で構成した場合、組立誤差等によって各光学素子が光軸に垂直な方向（Ｘ方向又はＹ方向）へ偏心すると、曲面形状の光学面（レンズ面）に対する光線の入射位置が変化してしまう。これにより、光学系２０の光学性能（照明性能）が低下してしまう可能性が生じる。一方、本実施形態に係る各回折素子によれば、各回折素子が偏心した場合の光学性能への影響を低減することができる。このとき、より良好な回折効率を実現するためには、各光学面が光軸に対して垂直になるように、すなわち各光学面が互いに平行になるように各回折素子を配置することが望ましい。

ここで、第１の回折素子Ｌ１の焦点距離をｆ１、入射瞳（瞳位置）から第１の回折素子Ｌ１の回折面までの距離をＤｐとする。このとき、本実施形態に係る光学系２０は、光軸を含む第１の断面及び光軸を含み第１の断面に垂直な第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（１）を満足する。ただし、ここでの瞳位置とは、第１の回折素子Ｌ１の回折面に入射する各主光線を光源側に延長したときに、夫々が光軸上で交わる点の位置のことである。すなわち、光源部１０が走査部１３を備える場合は、瞳位置は走査部１３の出射面（偏向面）に相当する。
０．３０≦ｆ１／Ｄｐ≦３．００ （１）

条件式（１）は、第１の回折素子Ｌ１から出射する各主光線の出射角に関する。条件式（１）を満足することで、第１の回折素子Ｌ１から出射する軸外主光線と光軸とが成す角度（出射角）を小さくすることができる。これにより、軸外主光線の第２の回折素子Ｌ２に対する入射角を小さくすることができるため、組立誤差等によって第２の回折素子Ｌ２が偏心した場合の光学性能への影響を低減しつつ、第２の回折素子Ｌ２の回折効率を向上させることが可能になる。

条件式（１）の範囲から外れた場合、第２の回折素子Ｌ２が偏心した場合の光学性能への影響を低減しつつ、第２の回折素子Ｌ２の回折効率を向上させることが困難になる。さらに、以下の条件式（１ａ）及び（１ｂ）を順に満足することがより好ましい。
０．３２≦ｆ１／Ｄｐ≦２．８０ （１ａ）
０．３５≦ｆ１／Ｄｐ≦２．５０ （１ｂ）

また、光軸から第１及び第２の回折素子の第１輪帯の格子頂点までの距離を各々ＳＬ１［μｍ］及びＳＬ２［μｍ］、第１及び第２の回折素子の回折面の間の距離をＤｄ［ｍｍ］、光源１１から出射する光のうちピーク強度を有する光の波長をλｓ［ｎｍ］とする。なお、第１輪帯の格子頂点とは、各回折素子において光軸に最も近い輪帯に含まれる回折格子の頂点のことを指す。このとき、本実施形態に係る光学系２０は、第１及び第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．８５≦（ＳＬ１^２±ＳＬ２^２）／（２λｓ×Ｄｄ）≦１．１５ （２）

ただし、条件式（２）における「±」は、第２の回折素子Ｌ２が正のパワー（焦点距離）を有する場合は「＋」、第２の回折素子Ｌ２が負のパワー（焦点距離）を有する場合は「−」となる。条件式（２）を満足することで、各回折素子のパワーのバランスを適切に設定することができる。これにより、各回折素子の製造を容易にしつつ、光学系２０からの出射光を平行光に近づけることができ、より遠くの対象物まで照明することが可能になる。

条件式（２）の範囲から外れた場合、各回折素子のパワーのバランスを良好に保つことが難しくなる。そのため、各回折素子の製造を容易にすることや、光学系２０からの出射光を平行光に近づけることが難しくなる。さらに、以下の条件式（２ａ）及び（２ｂ）を順に満足することがより好ましい。
０．８７≦（ＳＬ１^２±ＳＬ２^２）／（２λｓ×Ｄｄ）≦１．１３ （２ａ）
０．９０≦（ＳＬ１^２±ＳＬ２^２）／（２λｓ×Ｄｄ）≦１．１０ （２ｂ）

また、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２の少なくとも一方を、第１の断面と第２の断面とで互いに異なるパワーを有するアナモフィック光学素子とすることが望ましい。このように、何れかの回折素子をアナモフィック光学素子とすることで、光源部１０からの光の出射角を第１及び第２の断面で互いに独立して制御することができる。これにより、光学系２０において第１及び第２の断面でのより良好な光学性能を実現することができる。本実施形態に係る各回折素子は平板で構成されているため、レンズと比較して容易かつ高精度にアナモフィック形状とすることができる。

なお、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２の少なくとも一方がアナモフィック光学素子である場合、第１及び第２の断面の両方において上述した各条件式を満足することが望ましい。これにより、第１及び第２の断面の両方において上述した効果を得ることができる。また、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２の設計自由度を向上させるためには、各回折素子の両方をアナモフィック光学素子とすることが好ましい。

図２は、アナモフィック光学面を有する回折素子の模式図であり、第１の断面（ＹＺ断面）及び第２の断面（ＺＸ断面）の夫々を示している。なお、図２において、回折素子の縮尺や回折面における回折格子の数などは、実際のものとは異なる。図２に示すように、第１の断面における光軸Ａから回折格子の光軸Ａに最も近い（第１輪帯の）格子頂点までの距離Ｓ１と、第２の断面における光軸Ａから回折格子の光軸Ａに最も近い格子頂点までの距離Ｓ２とは互いに異なる。これは、各回折面のパワーが第１の断面と第２の断面とで互いに異なること、すなわち各回折面がアナモフィック光学面であるということを意味している。

このような回折面を形成する場合は、リソグラフィ技術を用いることが望ましい。リソグラフィ技術を用いることで、切削や研磨又はモールド成形などの技術を用いる場合と比較して、回折面を高精度に形成することができる。リソグラフィ技術を用いる場合は、例えば図３に示すように、回折面における曲面形状を、階段状に配列された微小な矩形形状で近似したものなどを採用してもよい。

なお、本実施形態のように、平板における平面形状の光学面に回折面を設ける場合は、レンズなどにおける曲面形状の光学面に回折面を設ける場合とは異なり、軸上から最軸外にわたって回折面が与える位相差を変化させる必要がない。よって、各回折素子の製造を容易にするためには、各回折面の格子高さを軸上から最軸外にわたって均一にすることが望ましい。ここで、光学系２０は３枚以上の回折素子を備えていてもよく、回折素子以外の光学素子を備えていてもよい。ただし、光学系２０の全系の更なる小型化を実現するためには、本実施形態のように光学系２０を２枚の回折素子で構成することが望ましい。

第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２は、光学系２０を構成する光学素子の中で、最もパワーの絶対値が大きい上位二つであることが望ましい。言い換えると、光学系２０を構成する光学素子の中で、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２の何れか一方のパワーの絶対値が最も大きく、他方のパワーの絶対値が二番目に大きいことが望ましい。これにより、上述した各条件式による更に大きな効果を得ることができる。なお、各回折素子の何れのパワーの絶対値を最も大きくするかについては、光学系２０の仕様（拡大系か縮小系かなど）に応じて決定すればよい。あるいは、必要に応じて各回折素子に絶対値の同じパワーを持たせてもよい。

また、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２のうち光源側に配置された第１の回折素子Ｌ１は、正のパワーを有することが望ましい。第１の回折素子Ｌ１が正のパワーを有することで、第２の回折素子Ｌ２に向かう光を収束させることができ、第２の回折素子Ｌ２を小型化することが可能になる。このとき、第２の回折素子Ｌ２に対する光の入射角が小さくなるため、第２の回折素子Ｌ２の回折効率を向上させることも可能になる。

なお、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２は、夫々の回折面が互いに対向するように配置されていることが望ましい。この構成によれば、各回折面の間の媒質が空気のみとなるため、各回折素子を構成する平板の厚みの製造誤差による光学性能への影響を低減することができる。また、必要に応じて各回折格子における入射面と出射面の両方を回折面としてもよい。ただし、各回折面を形成する際のチャッキング工程などを考慮すると、各回折素子の製造を容易にするためには、入射面と出射面の何れか一方のみを回折面とすることが望ましい。

また、光源１１から出射するピーク強度を有する光の波長λｓ［ｎｍ］は、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
８５０≦λｓ≦１４０００ （３）

条件式（３）を満たす赤外域の波長帯域においてピーク強度を有する光を射出する光源を用いることで、リソグラフィ技術における搬送工程などにおいて生じる各回折面の汚れによる測距性能への影響を低減することができる。また、このような光源を用いることで、照明装置１を測距装置に適用した場合に、照明装置１から対象物に至る光路上における霧などの障害物による測距性能への影響も低減することができる。

条件式（３）の下限値を下回ると、各回折面の汚れや障害物による測距性能への影響を低減することが難しくなる。また、条件式（３）の上限値を上回ると、ピーク強度を有する光の波長が長くなり過ぎてしまい、それに応じて各回折面における回折格子の格子高さを大きくすることが必要になり、各回折面の製造の難易度が上がってしまう。さらに、以下の条件式（３ａ）及び（３ｂ）を順に満足することがより好ましい。
８７５≦λｓ≦１３０００ （３ａ）
９００≦λｓ≦１２０００ （３ｂ）

また、各回折素子の少なくとも一つは、シリコン材料で構成されていることが望ましい。ただし、ここでのシリコン材料は、シリコン（Ｓｉ）を主成分とする材料を示し、シリコンのみから成るものに限らず、微小量のシリコン以外の物質（不純物）が含まれているものであってもよい。光学系２０を２枚の回折素子のみで構成する場合、十分な照明性能を得るためには各回折素子のパワーを大きくすることが必要になる。この場合、各回折素子における回折格子の格子高さに対して配列間隔（格子ピッチ）を小さくすることが必要になるため、各回折素子の回折効率が低下してしまう可能性が生じる。

そこで、各回折素子の材料として屈折率の高いシリコン材料を用いることで、各回折素子のパワーを十分に大きくしつつ格子高さを低減させることができるため、回折効率の低下を抑制することが可能になる。上述した効果をより多く得るためには、全ての回折素子をシリコン材料で構成することがより好ましいが、必要に応じてシリコン材料とは異なる材料で構成される回折素子を採用してもよい。

以上、本実施形態に係る光学系２０によれば、全系を小型化しつつ製造の容易化と良好な光学性能とを両立することができる。これにより、測距装置における照明装置に光学系２０を適用した場合に、組立誤差などに起因する測距精度の低下を抑制することが可能になる。

［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光学系２０について説明する。本実施例に係る光学系２０において、上述した実施形態に係る光学系２０と同等の構成については説明を省略する。

図４は、本実施例に係る光学系２０の要部概略図であり、垂直断面（ＹＺ断面）及び水平断面（ＺＸ断面）の夫々を示している。本実施例に係る光学系２０は、−Ｚ側から順に配置された、正のパワーを有する第１の回折素子Ｌ１と負のパワーを有する第２の回折素子Ｌ２とで構成されている。第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２は、何れも垂直断面と水平断面とで互いに同じパワーを有している。

垂直断面及び水平断面の夫々において、瞳位置Ｐ１及びＰ２から出射した平行光は、第１の回折素子Ｌ１で集光された後、第２の回折素子Ｌ２で再び平行光に変換される。これにより、光学系２０に入射する光の角度が、それとは異なる角度に変換（変倍）されることになる。このように、本実施例に係る光学系２０は、入射光の角度を変換するアフォーカル光学系としての機能を有している。なお、本実施例における瞳位置Ｐ１及びＰ２は、互いに一致している。

光源部１０からの光の第１の回折素子Ｌ１に対する入射角の最大値は、垂直断面において±３°、水平断面において±１０°となっている。そして、光学系２０の垂直断面及び水平断面における角倍率は何れも３倍であるため、第２の回折素子Ｌ２から出射する光の出射角の最大値は、垂直断面において±９°、水平断面において±３０°となる。このように、光学系２０を拡大系とし、光学系２０によって入射光の角度を拡大したい場合は、第１の回折素子Ｌ１のパワーの符号を正、第２の回折素子Ｌ２のパワーの符号を負とすることが望ましい。

本実施例に係る各回折素子はシリコン材料で構成されており、夫々の回折面は基準波長λ０を１５５０ｎｍとして設計されている。なお、不図示の光源から出射するピーク強度を有する光の波長λｓの値は、基準波長λ０と同じ値をとっている。また、光学系２０の瞳の直径（瞳径）は、垂直断面及び水平断面において共に１ｍｍである。

これらの構成により、光学系２０から射出された平行光が、光学系２０から２００ｍ離れた位置にある被照射面に到達したときのスポットサイズを、２５２ｍｍ以下と十分に小さくすることができる。また、仮に各回折素子が１００μｍ程度偏心したとしても、スポットサイズを３３３ｍｍ以下に抑えることができる。

［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光学系２０について説明する。本実施例に係る光学系２０において、上述した実施例１に係る光学系２０と同等の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例に係る光学系２０の要部概略図である。本実施例に係る光学系２０は、実施例１に係る光学系２０とは異なり、瞳位置Ｐ１及びＰ２が互いに一致しない構成を採っている。また、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２は、何れも垂直断面と水平断面とで互いに異なるパワーを有している。

光源部１０からの光の第１の回折素子Ｌ１に対する入射角の最大値は、垂直断面において±２．５°、水平断面において±１０°となっている。そして、光学系２０の垂直断面における角倍率は４倍、水平断面における角倍率は２倍であるため、第２の回折素子Ｌ２から出射する光の出射角の最大値は、垂直断面において±１０°、水平断面において±２０°となる。

本実施例に係る各回折素子は、可視域で用いられる一般的な材料であるＳ−ＢＡＬ４２（株式会社オハラ）で構成されており、夫々の回折面は基準波長λ０を１５５０ｎｍとして設計されている。波長λｓの値は、基準波長λ０と同様に１５５０ｎｍである。また、光学系２０の瞳径は、垂直断面において１ｍｍ、水平断面において２．５ｍｍである。

これらの構成により、光学系２０から射出された平行光が、光学系２０から２００ｍ離れた位置にある被照射面に到達したときのスポットサイズを、３４０ｍｍ以下と十分に小さくすることができる。また、仮に各回折素子が５０μｍ程度偏心したとしても、スポットサイズを７５０ｍｍ以下に抑えることができる。

［実施例３］
以下、本発明の実施例３に係る光学系２０について説明する。本実施例に係る光学系２０において、上述した実施例１に係る光学系２０と同等の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例に係る光学系２０の要部概略図である。本実施例に係る光学系２０は、実施例１に係る光学系２０とは異なり、瞳位置Ｐ１及びＰ２が互いに一致しない構成を採っている。また、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２は、何れも垂直断面と水平断面とで互いに異なるパワーを有している。

光源部１０からの光の第１の回折素子Ｌ１に対する入射角の最大値は、垂直断面において±２．５°、水平断面において±１０°となっている。そして、光学系２０の垂直断面における角倍率は４倍、水平断面における角倍率は２倍であるため、第２の回折素子Ｌ２から出射する光の出射角の最大値は、垂直断面において±１０°、水平断面において±２０°となる。

本実施例に係る各回折素子は石英材料で構成されており、夫々の回折面は基準波長λ０を９０５ｎｍとして設計されている。波長λｓの値は、基準波長λ０と同様に９０５ｎｍである。また、光学系２０の瞳径は、垂直断面において１ｍｍ、水平断面において２．５ｍｍである。

これらの構成により、光学系２０から射出された平行光が、光学系２０から２００ｍ離れた位置にある被照射面に到達したときのスポットサイズを、２０７ｍｍ以下と十分に小さくすることができる。また、仮に各回折素子が１００μｍ程度偏心したとしても、スポットサイズを２１０ｍｍ以下に抑えることができる。

［実施例４］
以下、本発明の実施例４に係る光学系２０について説明する。本実施例に係る光学系２０において、上述した実施例１に係る光学系２０と同等の構成については説明を省略する。

図７は、本実施例に係る光学系２０の要部概略図である。本実施例に係る光学系２０は、実施例１に係る光学系２０とは異なり、−Ｚ側から順に配置された、正のパワーを有する第１の回折素子Ｌ１と正のパワーを有する第２の回折素子Ｌ２とで構成されている。第１の回折素子Ｌ１は瞳位置Ｐ１及びＰ２からの平行光を集光して中間像を形成し、第２の回折素子Ｌ２は中間像からの光を再び平行光に変換している。また、第１の回折素子Ｌ１は垂直断面と水平断面とで互いに異なるパワーを有しているが、第２の回折素子Ｌ２は垂直断面と水平断面とで同じパワーを有している。

光源部１０からの光の第１の回折素子Ｌ１に対する入射角の最大値は、垂直断面及び水平断面において共に±３０°となっている。そして、光学系２０の垂直断面における角倍率は０．２８倍、水平断面における角倍率は０．３２倍であるため、第２の回折素子Ｌ２から出射する光の出射角の最大値は、垂直断面において±８．５°、水平断面において±９．５°となる。このように、光学系２０を縮小系とし、光学系２０によって入射光の角度を縮小したい場合は、第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２のパワーの符号を共に正とすることが望ましい。

本実施例に係る各回折素子はシリコン材料で構成されており、夫々の回折面は基準波長λ０を１５５０ｎｍとして設計されている。波長λｓの値は、基準波長λ０と同様に１５５０ｎｍである。また、光学系２０の瞳径は、垂直断面及び水平断面において共に１ｍｍである。

これらの構成により、光学系２０から射出された平行光が、光学系２０から２００ｍ離れた位置にある被照射面に到達したときのスポットサイズを、１２３ｍｍ以下と十分に小さくすることができる。また、仮に各回折素子が１００μｍ程度偏心したとしても、スポットサイズを１２４ｍｍ以下に抑えることができる。

［実施例５］
以下、本発明の実施例５に係る光学系２０について説明する。本実施例に係る光学系２０において、上述した実施例１に係る光学系２０と同等の構成については説明を省略する。

図８は、本実施例に係る光学系２０の要部概略図である。本実施例に係る光学系２０は、実施例１に係る光学系２０とは異なり、３枚の回折素子で構成されている。具体的に、本実施例に係る光学系２０は、−Ｚ側から順に配置された、正のパワーを有する第１の回折素子Ｌ１と、垂直断面において負のパワー、水平断面において正のパワーを有する第３の回折素子Ｌ３と、負のパワーを有する第２の回折素子Ｌ２とから成る。光学系２０の光学素子の中で、最もパワーの大きい上位二つは第１の回折素子Ｌ１及び第２の回折素子Ｌ２である。各回折素子は、何れも垂直断面と水平断面とで互いに異なるパワーを有している。

光源部１０からの光の第１の回折素子Ｌ１に対する入射角の最大値は、垂直断面において±３°、水平断面において±１５°となっている。そして、光学系２０の垂直断面における角倍率は５倍、水平断面における角倍率は３倍であるため、第２の回折素子Ｌ２から出射する光の出射角の最大値は、垂直断面において±１５°、水平断面において±４５°となる。本実施例に係る各回折素子はシリコン材料で構成されており、夫々の回折面は基準波長λ０を１００００ｎｍとして設計されている。波長λｓの値は、基準波長λ０と同様に１００００ｎｍである。また、光学系２０の瞳径は、垂直断面及び水平断面において共に１ｍｍである。

これらの構成により、光学系２０から射出された平行光が、光学系２０から２００ｍ離れた位置にある被照射面に到達したときのスポットサイズを、４８ｍｍ以下と十分に小さくすることができる。また、仮に各回折素子が１００μｍ程度偏心したとしても、スポットサイズを８３ｍｍ以下に抑えることができる。

［数値実施例］
以下、上述した実施例１乃至５に対応する数値実施例１乃至５を示す。各数値実施例において、面番号は、瞳位置から数えたときの瞳面を含む各光学面の順番である。ただし、瞳位置Ｐ１及びＰ２が互いに異なる場合は、各瞳面を互いに異なる面番号として示している。ｒ［ｍｍ］は第ｉ番目の光学面の曲率半径を示し、ｄ［ｍｍ］は第ｉ番目の光学面と第（ｉ＋１）番目の光学面の間隔を示す。また、Ｎは、第ｉ番目の光学面と第（ｉ＋１）番目の光学面の間の媒質（材料）の基準波長λ０に対する屈折率を示す。なお、回折面については、面番号の横に＊（アスタリスク）を付している。

また、回折面の位相関数Φは、以下の式で表わされる。ただし、Ｃｎは位相関数係数、ｘは光軸からの水平方向（Ｘ方向）における距離、ｙは光軸からの垂直方向（Ｙ方向）における距離である。なお、各数値実施例の位相関数データにおける「Ｅ±Ｘ」は、「１０^±Ｘ」を意味する。

（数値実施例１）
面データ
面番号 r d N
1(P1,P2) ∞ 10
2 ∞ 0.73 3.479
3* ∞ 4.95
4* ∞ 0.73 3.479
5 ∞

位相関数データ
面番号 C3 C5 C3,C5以外
3 -6.654E-02 -6.654E-02 0.000E+00
4 1.988E-01 1.988E-01 0.000E+00

（数値実施例２）
面データ
面番号 r d N
1(P2) ∞ 6
2(P1) ∞ 10
3 ∞ 1 1.565
4* ∞ 3
5* ∞ 1 1.565
6 ∞

位相関数データ
面番号 C3 C5 C10
4 -8.223E-02 -1.224E-01 2.838E-04
5 1.630E-01 4.621E-01 -1.512E-03

面番号 C12 C14 C3,C5,C10,C12,C14以外
4 6.146E-04 1.225E-03 0.000E+00
5 -4.879E-03 -3.635E-02 0.000E+00

（数値実施例３）
面データ
面番号 r d N
1(P2) ∞ 6
2(P1) ∞ 15
3 ∞ 0.73 1.444
4* ∞ 24.45
5* ∞ 0.73 1.444
6 ∞

位相関数データ
面番号 C3 C5 C3,C5以外
4 -1.000E-02 -1.549E-02 0.000E+00
5 1.971E-02 6.134E-02 0.000E+00

（数値実施例４）
面データ
面番号 r d N
1(P1,P2) ∞ 6
2 ∞ 1 3.479
3* ∞ 32.82
4 ∞ 1 3.479
5* ∞

位相関数データ
面番号 C3 C5 C3,C5以外
4 -6.220E-02 -7.061E-02 0.000E+00
5 -1.989E-02 -1.989E-02 0.000E+00

（数値実施例５）
面データ
面番号 r d N
1(P1,P2) ∞ 10
2 ∞ 0.73 3.416
3* ∞ 3.30
4* ∞ 0.73 3.416
5 ∞ 3.70
6* ∞ 0.73 3.416
7 ∞

位相関数データ
面番号 C3 C5 C3,C5以外
3 -4.075E-02 -5.641E-02 0.000E+00
4 -8.026E-03 3.283E-03 0.000E+00
6 1.273E-01 2.687E-01 0.000E+00

表１及び表２に、上述した各実施例に係る光学系２０についての各条件式に関する数値を示す。表１は垂直断面における数値を示し、表２は水平断面における数値を示している。表１及び表２に示すように、何れの実施例に係る光学系２０についても、各断面において全ての条件式を満足している。

［測距装置］
図９は、上述した実施形態に係る照明装置１を適用した測距装置１００の光軸を含むＺＸ断面における要部概略図（模式図）である。本実施形態に係る測距装置１００は、対象物からの反射光を受光するまでの時間やその反射光の位相に基づいて対象物までの距離を算出する、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）という技術を用いている。なお、対象物は測距装置１００の＋Ｚ側に配置されているものとする。

測距装置１００は、照明装置１と、照明装置１により照明された対象物からの光（反射光又は散乱光）を受光する受光部２とを備える。受光部２は、対象物からの光を受光して信号を出力する受光素子２１と、対象物からの光を受光素子２１に導く光学系（受光光学系）２２とを有する。受光素子２１としては、例えばＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどの光電変換素子（撮像素子）を採用することができる。受光光学系２２としては、１枚以上のレンズなどの光学素子で構成され、対象物からの光を受光素子２１の受光面に集光するものを採用することができる。

また、測距装置１００は、照明装置１が射出する照明光を制御する第１制御部（照明制御部）３１と、受光素子２１の出力に基づいて対象物までの距離に関する情報（距離情報）を取得する第２制御部（距離算出部）３２とを備えている。第１制御部３１は、例えば光源を制御することで照明光をパルス光としたり、照明光の強度変調を行って信号光を生成したりすることができる。第２制御部３２は、照明装置１の光源から照明光が出射した時刻から、受光素子２１が対象物からの光を受光した時刻までの時間に基づいて、対象物の距離情報を取得することができる。

なお、対象物からの光を受光するまでの時間ではなく、対象物からの光の位相に基づいて距離情報を取得してもよい。具体的には、照明装置１における光源の信号の位相と受光素子２１から出力される信号の位相との差分（位相差）を求め、その位相差に光速を乗じることで、対象物の距離情報を取得してもよい。また、必要に応じて第１制御部３１及び第２制御部３２を設けずに、測距装置１００を撮像装置として構成してもよい。

このようなＬｉＤＡＲを用いた測距装置は、対象物としての車両や人、又は障害物等を識別し、その対象物の距離情報に応じて自車両を制御する車載システムに好適なものである。なお、ＬｉＤＡＲを用いた測距装置としては、照明装置の光軸と受光部の光軸とが一致する同軸系か、あるいは照明装置の光軸と受光部の光軸とが一致しない非同軸系を採用することができる。本実施形態に係る照明装置１は、図９に示したような非同軸系に特に好適なものである。

［車載システム］
図１０は、本実施形態に係る測距装置１００及びそれを備える車載システム（運転支援装置）６００の構成図である。車載システム６００は、自動車（車両）等の移動可能な移動体（移動装置）により保持され、測距装置１００により取得した車両の周囲の対象物（障害物）の距離情報に基づいて、車両の運転を支援するための装置である。図１１は、車載システム６００を含む車両７００の模式図である。図７においては、測距装置１００の測距範囲５０を車両７００の前方に設定した場合を示しているが、測距範囲５０を車両７００の後方や側方などに設定してもよい。

図１０に示すように、車載システム６００は、測距装置１００と、車両情報取得装置２００と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）３００と、警告装置４００とを備える。測距装置１００は、上述した照明装置１、受光部２、第１制御部３１、及び第２制御部３２を備えている。本実施形態に係る第２制御部３２は、距離算出部及び衝突判定部としての機能を有する。

図１２は、本実施形態に係る車載システム６００の動作例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、車載システム６００の動作を説明する。

まず、ステップＳ１では、照明装置１により車両の周囲の対象物を照明し、対象物からの反射光を受光することで受光部２が出力する信号に基づいて、第２制御部３２により対象物の距離情報を取得する。また、ステップＳ２では、車両情報取得装置２００から車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む車両情報の取得を行う。そして、ステップＳ３では、第２制御部３２によって、ステップＳ２で取得された距離情報が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を行う。

これにより、車両の周囲の設定距離内に障害物が存在するか否かを判定し、車両と障害物との衝突可能性を判定することができる。なお、ステップＳ１及びＳ２は、上記の順番とは逆の順番で処理を行ってもよいし、互いに並列して処理を行ってもよい。第２制御部３２は、設定距離内に障害物が存在する場合は「衝突可能性あり」と判定し（ステップＳ４）、設定距離内に障害物が存在しない場合は「衝突可能性なし」と判定する（ステップＳ５）。

次に、第２制御部３２は、「衝突可能性あり」と判定した場合、その判定結果を制御装置３００や警告装置４００に対して通知する。このとき、制御装置３００は、第２制御部３２での判定結果に基づいて車両を制御し（ステップＳ６）、警告装置４００は、第２制御部３２での判定結果に基づいて運転者への警告を行う（ステップＳ７）。なお、判定結果の通知は、制御装置３００及び警告装置４００の少なくとも一方に行えばよい。

制御装置３００は、車両に対して、例えばブレーキをかける、アクセルを戻す、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制する、などの制御を行う。また、警告装置４００は、車両のユーザ（運転者）に対して、例えば警告音（警報）を発する、カーナビゲーションシステムなどの画面に警告情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどの警告を行う。

以上、本実施形態に係る車載システム６００によれば、上記の処理により障害物の検知を行うことができ、車両と障害物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施例に係る光学系を車載システム６００に適用することで、高い測距精度を実現することができるため、障害物の検知及び衝突判定を高精度に行うことが可能になる。

なお、本実施形態では、車載システム６００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限らず、車載システム６００をクルーズコントロール（全車速追従機能付を含む）や自動運転などに適用してもよい。また、車載システム６００は、自動車等の車両に限らず、例えば船舶や航空機、産業用ロボットなどの移動体に適用することができる。また、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）や監視システム等の物体認識を利用する種々の機器に適用することができる。

［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。例えば、上述した各実施例では、第１及び第２の回折素子のパワーの符号が垂直断面と水平断面とで互いに等しくなっているが、必要に応じて各回折素子のパワーの符号を垂直断面と水平断面とで互い異ならせてもよい。

また、上述した実施形態においては、第２制御部が衝突判定部（判定部）としての機能を有する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、車載システムにおいて、第２制御部とは別体の衝突判定部を設けてもよい。すなわち、第２制御部は、少なくとも距離算出部（距離情報取得部）としての機能を有していればよい。また、必要に応じて第１及び第２の制御部を測距装置の外部（例えば車両の内部）に設けてもよい。

１１ 光源
２０ 光学系
Ｌ１ 第１の回折素子
Ｌ２ 第２の回折素子

Claims (27)

1. 光源からの光を対象物に導く光学系であって、
   前記光源の側から順に配置された第１及び第２の回折素子を備え、
   該第１及び第２の回折素子の夫々は、回折面を含む平板で構成されており、
   前記第１の回折素子の焦点距離をｆ１、入射瞳から前記第１の回折素子の回折面までの距離をＤｐとするとき、光軸を含む第１の断面及び光軸を含み該第１の断面に垂直な第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（１）を満足することを特徴とする光学系。
   ０．３０≦ｆ１／Ｄｐ≦３．００ （１）
2. 前記第１及び第２の断面の両方において前記条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記光学系を構成する光学素子の中で、前記第１及び第２の回折素子の何れか一方のパワーの絶対値が最も大きく、他方のパワーの絶対値が二番目に大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記第２の回折素子は、正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
5. 光軸から前記第１及び第２の回折素子の第１輪帯の格子頂点までの距離を各々ＳＬ１［μｍ］及びＳＬ２［μｍ］、前記第１及び第２の回折素子の回折面の間の距離をＤｄ［ｍｍ］、前記光源から出射するピーク強度を有する光の波長をλｓ［ｎｍ］とするとき、前記第１及び第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
   ０．８５≦（ＳＬ１^２＋ＳＬ２^２）／（２λｓ×Ｄｄ）≦１．１５ （２）
6. 前記第２の回折素子は、負のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
7. 光軸から前記第１及び第２の回折素子の第１輪帯の格子頂点までの距離を各々ＳＬ１［μｍ］及びＳＬ２［μｍ］、前記第１及び第２の回折素子の回折面の間の距離をＤｄ［ｍｍ］、前記光源から出射するピーク強度を有する光の波長をλｓ［ｎｍ］とするとき、前記第１及び第２の断面の少なくとも一方において以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項６に記載の光学系。
   ０．８５≦（ＳＬ１^２−ＳＬ２^２）／（２λｓ×Ｄｄ）≦１．１５ （２）
8. 前記第１及び第２の断面の両方において前記条件式（２）を満足することを特徴とする請求項５又は７に記載の光学系。
9. 前記第１の回折素子は、正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
10. 前記第１及び第２の回折素子の夫々の回折面は、互いに対向していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系。
11. 前記第１の回折素子は、シリコン材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系。
12. 前記第２の回折素子は、シリコン材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学系。
13. 前記第１及び第２の回折素子の夫々の回折面の格子高さは、軸上から最軸外にわたって均一であることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学系。
14. 前記第１及び第２の回折素子の少なくとも一方は、前記第１の断面と前記第２の断面とで互いに異なるパワーを有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学系。
15. 前記第１及び第２の回折素子の夫々は、前記第１の断面と前記第２の断面とで互いに異なるパワーを有することを特徴とする請求項１４に記載の光学系。
16. 前記第１及び第２の回折素子から成ることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項に記載の光学系。
17. 前記光源を有する光源部と、請求項１乃至１６の何れか一項に記載の光学系とを有することを特徴とする照明装置。
18. 前記光源から出射するピーク強度を有する光の波長をλｓ［ｎｍ］とするとき、以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
    ８５０≦λｓ≦１４０００ （３）
19. 前記光源部は、前記光源からの光を偏向して前記対象物を走査する走査部を備えることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の照明装置。
20. 前記走査部は、電圧の印加により屈折率が変化する光学素子を含むことを特徴とする請求項１９に記載の照明装置。
21. 前記光源部は、前記光源からの光を平行光に変換するコリメータ部を備えることを特徴とする請求項１７乃至２０の何れか一項に記載の照明装置。
22. 請求項１７乃至２１の何れか一項に記載の照明装置と、前記対象物からの光を受光する受光素子とを備えることを特徴とする測距装置。
23. 前記受光素子の出力に基づいて前記対象物の距離情報を取得する制御部を備えることを特徴とする請求項２２に記載の測距装置。
24. 請求項２２又は２３に記載の測距装置と、該測距装置によって得られた前記対象物の距離情報に基づいて車両と前記対象物との衝突可能性を判定する判定部とを備えることを特徴とする車載システム。
25. 前記車両と前記対象物との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両の各輪に制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項２４に記載の車載システム。
26. 前記車両と前記対象物との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記車両の運転者に対して警告を行う警告装置を備えることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の車載システム。
27. 請求項２２又は２３に記載の測距装置を備え、該測距装置を保持して移動可能であることを特徴とする移動装置。
    

Images