JP2023085576A

JP2023085576A - 測距装置

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Publication number: JP2023085576A
Application number: JP2020078306A
Authority: JP
Inventors: 俊平鈴木; Shunpei Suzuki; 貴洋加戸; Takahiro Kato
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2023-06-21
Also published as: EP4145170A4; US20230204732A1; WO2021220862A1; EP4145170A1

Abstract

【課題】小型化が可能で、かつレーザ光の安全基準を満たしつつ、距離計測範囲を広げることが可能な測距装置を提供する。【解決手段】測距装置１は、二次元状に光を射出する投光部２と、二次元方向に配置された複数の受光素子９を有する受光部３と、前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える。前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備えてもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、測距装置に関する。

自動運転や顔認証、デプス情報検出などのために、レーザ光を用いて非接触で距離計測を行う技術（例えば、ＬｉＤＡＲ：Light Detection And Ranging）が注目されている。距離計測を行うには、できるだけ広範囲の光を受光できるのが望ましい。このため、受光系に反射ミラーを設けて、広い範囲の光を受光できるようにするＴｏＦ（Time of Flight）センサが開発されている。

最近は、スマートフォンなどでも、顔認証やデプス情報検出等を目的としてＴｏＦセンサを用いて距離計測を行う例が増えている。スマートフォンなどの携帯機器では、実装面積が限られていることから、ＴｏＦセンサをできるだけ小型化する必要がある。

例えば、特許文献１に開示された装置では、投光系と受光系で共通のＭＥＭＳミラーを用いることで、光学構成を小型化している。

特開２０１５－２１００９８号公報

しかしながら、ＭＥＭＳミラーは振れ角が小さく、受光量を増やせないことから、距離計測範囲が狭くなる上に、ノイズ光との識別ができにくくなることから、距離計測精度が低下するという問題がある。また、二次元方向にレーザ光をスキャンさせることができるＭＥＭＳミラーは、振れ角が小さい上に高価であり、コスト的に採用が難しい。

ＭＥＭＳミラーに入射されるレーザ光の光強度を高くすることも考えられるが、レーザ光の安全基準を満たさなくなるおそれがある。

一方、ポリゴンミラー等の光学ミラーは、振れ角を大きくできるが、小型化するのが困難であり、車載信頼性についても懸念が残る。

そこで、本開示では、小型化が可能で、かつレーザ光の安全基準を満たしつつ、距離計測範囲を広げることが可能な測距装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本開示によれば、二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置が提供される。

前記投光部は、第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第２方向に走査させてもよい。

前記複数の受光素子は、前記第１方向及び前記第２方向に配置されており、
前記制御部は、前記第１方向、及び第２方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させてもよい。

前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーと、を有してもよい。

前記ＭＥＭＳミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を１次元方向に制御してもよい。

前記投光部は、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有してもよい。

前記光方向変更部材で反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であってもよい。

前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。

前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御してもよい。

前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第１投光器及び第２投光器を有し、
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、前記第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第２方向に走査させてもよい。

前記第１投光器及び前記第２投光器は、前記第１投光器から前記第１方向に延びる線状光と、前記第２投光器から前記第１方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置されてもよい。

前記受光部は、前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置されてもよい。

前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳミラーと、を有してもよい。

２つの前記ＭＥＭＳミラーを結ぶ線分の中心線に沿って１００ｍｍの位置での前記第１投光器に向かう方向と前記第２投光器に向かう方向との為す角度は、１００ｍｒａｄ以上であってもよい。

前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有してもよい。

前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーであってもよい。

前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能であってもよい。

前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させてもよい。

前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転されてもよい。

前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備えてもよい。

一実施形態による測距装置の要部の構成を示す図。一実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図。投光部及び受光部の斜視図。投光部及び受光部の上面図。投光部及び受光部をＸ方向の正側から負側を見た側面図。レーザ光のビームスポットの短軸方向がＭＥＭＳミラーの回転軸に略平行な例を示す図。投光部内のレーザ光の進行方向を示す図。投光部と受光部の位置関係を説明する図。２つの投光部から射出されるレーザ光の射出タイミングの一例を示す波形図。光源部内の複数のレーザ光源が発光する順序を数字で表した図。投光部から投光されるレーザ光の各チャネルの平均光強度が等しい場合を模式的に示す図。第２の実施形態による測距装置の要部を示す図。投光部の断面構造の一例を示す断面図。

以下、図面を参照して、測距装置の実施形態について説明する。以下では、測距装置の主要な構成部分を中心に説明するが、測距装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

図１は一実施形態による測距装置１の要部の構成を示す図、図２は一実施形態による測距装置１の概略構成を示すブロック図である。

図１及び図２に示すように、一実施形態による測距装置１は、投光部２と、受光部３と、制御部４とを備えている。測距装置１は、投光部２と、受光部３と、制御部４を一つの基板又は筐体に実装又は収納してもよいし、別々の基板又は筐体に実装又は収納してもよい。より具体的には、例えば、投光部２と受光部３を含む基板又は筐体と、制御部４を含む基板又は筐体を別個に設けてもよい。

投光部２は、二次元状に光を射出する。射出する光は、例えば、位相及び周波数が揃ったコヒーレント光、すなわちレーザ光である。投光部２は、例えば複数設けられている。図１及び図２では、Ｘ方向に沿って間隔を置いて２つの投光部２（第１投光器ＬＤ１と第２投光器ＬＤ２）を設ける例を示している。２つの投光部２の内部構成は同じである。

投光部２は、光源部５と、投光光学系６と、ＭＥＭＳミラー７とを有する。光源部５は、レーザ光を射出する。本実施形態では、光源部５が複数チャネルのレーザ光源を有する例を説明する。各チャネルのレーザ光源は、発光及び消灯のタイミングを個別に制御することができる。各チャネルのレーザ光源は、一方向に配置されており、各チャネルのレーザ光源から射出されたレーザ光の光跡は、線状光５ａ、５ｂになる。本実施形態では、線状光５ａ、５ｂの方向がＸ方向である例を説明する。

投光光学系６は、光源部５から射出されたレーザ光を所望の広がり角に成形する一つ又は複数のレンズで構成されている。投光光学系６で成形されたレーザ光は、ＭＥＭＳミラー７に入射される。

ＭＥＭＳミラー７は、一次元方向にレーザ光を走査する。光源部５におけるレーザ光源の配置方向とは異なる方向（例えば直交する方向）にＭＥＭＳミラー７でレーザ光を走査させることで、投光部２はレーザ光を二次元状に射出することができる。本実施形態による投光部２は、二次元方向にレーザ光を走査させる高価なＭＥＭＳミラー７を用いることなく、二次元状に光を射出できるため、投光部２のコストを低減できる。ＭＥＭＳミラー７は、所定方向に延びる回転軸を有し、この回転軸周りにミラー面を回転させることで、光源部５から射出された線状光を一次元方向（例えば、図１のＺ方向）に走査させる。

受光部３は、受光光学系８と、二次元方向に配置された複数の受光素子９を有する。受光光学系８は、投光部２から射出されたレーザ光が対象物１０で反射されて生成される反射光を通過させる。受光光学系８を通過した反射光は、受光部３に入射される。受光部３は、例えばＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）であってもよい。ＳＰＡＤでは、アバランシェダイオードを、ゲインが無限大になるガイガーモードで動作させるものであり、微弱な光でも検出することができる。

また、受光部３は、イメージセンサであってもよい。イメージセンサは、ＣＭＯＳ（Complimentary Metal-Oxide Sensor）センサでもよいし、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサでもよい。

図２に示す制御部４は、複数の受光素子９で受光を行うか否かを制御する。例えば、複数の受光素子９が図１に示すように第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｚ方向）に配置されている場合、制御部４は、第２方向に配置された複数の受光素子列を順次に切り替えて受光させる。例えば、制御部４は、図１のＺ方向の負側から正側にかけて、各受光素子列を順次に切り替えて、反射光を受光する。図１では、受光を行う受光素子列を太線で示している。

制御部４は、受光部３の受光タイミングを制御することに加えて、投光部２から射出されるレーザ光の射出タイミングと、ＭＥＭＳミラー７の走査タイミングを制御する。図１に示すように、制御部４は、複数のレーザ光源から射出されるレーザ光の射出タイミングを制御することで、投光部２から射出されるレーザ光の射出方向をＸ方向に沿って制御でき、Ｘ方向に延びる線状光を生成できる。また、制御部４は、ＭＥＭＳミラー７の走査タイミングを制御することで、線状光をＺ方向に走査させることができる。さらに、制御部４は、複数の受光素子９の受光タイミングを制御することで、X方向、又はＺ方向に配置された複数の受光素子列を順次に切り替えて反射光を受光させることができる。

この他、本実施形態による測距装置１は、図２に示すように、駆動部１１と、測距部１２とを備えている。

駆動部１１は、制御部４の制御の下で光源部５を駆動する。駆動部１１は、発光させるレーザ光源に電源電圧を供給して、レーザ光源を発光させる。また、駆動部１１は、消灯させるレーザ光源への電源電圧の供給を停止する。

測距部１２は、受光部３の受光結果に基づいて、対象物１０までの距離を計測するとともに、距離画像を生成する。すなわち、測距部１２は、投光部２がレーザ光を射出したタイミングと、そのレーザ光に対応する反射光を受光部３が受光したタイミングとの時間差に基づいて、対象物１０までの距離を計測する。また、測距部１２は、対象物１０までの距離に応じて色や濃淡度合いを変えた距離画像を生成する。

なお、受光部３がイメージセンサの場合、図２では不図示の画像処理部を設けて、画像処理部で画像処理された画像データに基づいて測距部１２は対象物１０までの距離を計測してもよい。

図１に示すように、本実施形態では、２つの投光部２から射出された線状光５ａ、５ｂ同士が一部重なり合うようにしている。線状光５ａ、５ｂ同士が重なり合う領域では、レーザ光の光強度が高くなるため、遠距離までの距離計測が可能になる。一部の領域だけについて光強度を高めるようにしたのは、レーザ光の安全基準を満たすようにするためである。レーザ光の安全基準は、国又は地域ごとに異なっており、レーザ光の波長、光強度、連続照射時間などについての制限事項を規定している。本実施形態では、２つの投光部２から所定間隔でパルス状のレーザ光を照射し、レーザ光のパルス幅、すなわち連続照射時間等についてレーザ光の安全基準を満たすようにしている。また、各レーザ光パルスの光強度もレーザ光の安全基準を満たすようにしている。このように、レーザ光の安全基準を満たすレーザ光パルスを２つの投光部２から射出する一方で、２つの投光部２から射出された線状のレーザ光同士が一部の領域で重なるようにすることで、重なり合う領域でのレーザ光強度を高めている。レーザ光の強度が高いほど、ノイズ光との識別が容易になり、より遠方に位置する対象物１０までの距離計測を高い識別率で行うことができる。

図３は投光部２及び受光部３の斜視図である。また、図４Ａは投光部２及び受光部３の上面図、図４Ｂは投光部２及び受光部３をＸ方向の正側（図４Ａの右側）から負側（図４Ａの左側）を見た側面図である。

図３に示すように、２つの投光部２は、Ｘ方向に沿って間隔を隔てて配置されている。受光部３は、２つの投光部２から略等距離の位置に配置されている。より具体的には、受光部３は、２つの投光部２のＸ方向の間隔の中点を通ってＹ方向に延びる中心線に沿って配置されている。受光部３は、必ずしも上述した中心線上に配置されている必要はないが、２つの投光部２から等距離の位置に配置するのが望ましい。

図３に示すように、投光部２は、ＭＥＭＳミラー７で反射されたレーザ光の進行方向を変更する折り返しミラー（光方向変更部材）１３を有していてもよい。折り返しミラー１３は、ＭＥＭＳミラー７で反射されたレーザ光を対象物１０の方向に進行させるために設けられている。折り返しミラー１３のミラー面は固定であり、このミラー面に入射された光は、ミラー面の法線方向に対する入射方向に応じた方向に反射される。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光源部５は第１基板３１上に配置され、ＭＥＭＳミラー７は第２基板３２上に配置され、受光部３は第３基板３３上に配置されている。測距装置１の正面パネル１４には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、投光部２からのレーザ光を射出する第１開口部１４ａと、対象物１０からの反射光を受光部３で受光するための第２開口部１４ｂが設けられている。投光部２と受光部３は、一体のモジュールとして共通の筐体に収納されてもよい。

図４Ｂに示すように、光源部５から射出されたＸ方向に延びる線状のレーザ光は、ＭＥＭＳミラー７にて一方向に走査されて、折り返しミラー１３で光進行方向が切り替えられて投光部２から射出される。このレーザ光が対象物１０で反射されて生成された反射光は、図４Ｂに示すように、Ｙ方向に進行して受光部３にて受光される。

光源部５から射出されるレーザ光のビーム形状は円形ではなく、楕円形状である。このため、ＭＥＭＳミラー７を回転させる向きによっては、ＭＥＭＳミラー７へのレーザ光の投影面積は小さくなり、反射される光強度は低下してしまい、遠方での物体識別率が低下するおそれがある。

図５は光源部５からＭＥＭＳミラー７に入射されるレーザ光のビームスポットｂｓの短軸方向がＭＥＭＳミラー７の回転軸ｊ１に略平行な例を示している。この場合、ＭＥＭＳミラー７を回転軸ｊ１周りに回転させると、図示のように、ＭＥＭＳミラー７へのレーザ光の投影面積は小さくなり、反射される光強度は低下してしまう。
ＭＥＭＳミラー７における光強度の低下を抑える方法として、光源部５から射出されるレーザ光のビーム形状の向きを９０度回転させる、あるいは、ＭＥＭＳミラー７の回転軸ｊ１を９０度回転させる方法が考えられる。しかしながら、受光素子列との方向を合わせるため、光源部５の回転方向はＸ軸方向にレーザの複数チャネルが並んだ方向で使わざるを得ない。同様に、ＭＥＭＳミラー７の回転軸ｊ１についても、Ｚ方向にレーザ光を走査させる必要があるため、回転軸ｊ１はＸ軸とせざるを得ない。すなわち、ＭＥＭＳミラー７の面上において横長のビームとなるように光源部５、あるいは、ＭＥＭＳミラー７を回転させることは出来ない。
このような制約がある中、ＭＥＭＳミラー７で反射される光成分を最大限多くするには、ＭＥＭＳミラー７を可能な限り光源部５に近づけ、かつ、レーザ光をＭＥＭＳミラー７に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。
この理由について説明する。ＭＥＭＳミラー７は、微細加工で形成されるため、光を反射可能なミラー面の面積を大きくするのは難しい。また、レーザ光は広がり角を持つため、距離に応じてレーザ光サイズは大きくなる。このため、光源部５から離れた位置にＭＥＭＳミラー７を配置すると、ＭＥＭＳミラー７で反射できない光成分が増えてしまい、光の利用効率が低下してしまう。そこで、光源部５にできるだけ近づけてＭＥＭＳミラー７を配置するのが望ましい。同様に、レーザ光のＭＥＭＳミラー７への投影面積を可能な限り大きくすることで、ＭＥＭＳミラー７で反射される光成分は増え、これにはレーザ光をＭＥＭＳミラー７に対して可能な限り垂直入射させることが望ましい。

図６は投光部２内のレーザ光の進行方向を示す図である。図６に示すように、投光部２内では、レーザ光は、逆Ｚ字形状にジグザグに進行する。より具体的には、光源部５から射出されたレーザ光の光路はＭＥＭＳミラー７で変更され、次に、折り返しミラー１３で再度変更される。折り返しミラー１３を設けることで、光源部５から射出されたレーザ光の方向と同じ方向（Ｙ方向）に投光部２からレーザ光を射出することができる。

投光光学系６の直後にＭＥＭＳミラー７を設け、かつ、レーザ光をＭＥＭＳミラー７に対して可能な限り垂直入射させるように配置することで、光の利用効率の低下を抑制しつつ、Ｘ方向に延びる線状のレーザ光をＺ方向に走査させることができる。しかしながら、これだけでは、対象物１０の方向に進行させることができない。そこで、位置が固定の折り返しミラー１３を設けて、レーザ光の向きを変更させて、対象物１０の方向にレーザ光を進行させる。上記理由により、逆Ｚ字形状で折り返す構造とした。

図７は投光部２と受光部３の位置関係を説明する図である。２つの投光部２のＸ方向における間隔は、例えば８８ｍｍ前後である。受光部３は、２つの投光部２を結ぶ線分の中心線上に配置されている。走査中心であるＭＥＭＳミラー７の前方１００ｍｍの位置での２つの投光部２同士の為す角度が１００ｍｒａｄ以上である場合、影響が大きい１つの投光部２のみをレーザ光の安全基準の対象とすれば良いことが定められている。そこで、本実施形態では、２つの投光部２の間隔を８８ｍｍとし、ＭＥＭＳミラー７の前方１００ｍｍの位置での２つの投光部２同士の為す角度を１００ｍｒａｄ以上としている。

レーザ光の射出タイミングについても、レーザ光の安全基準で規定されている以下の１）と２）を準拠したものが望ましい。

１）所定期間５μｓ以内に複数のレーザ光パルスを同一箇所に射出する場合は、これら複数のレーザ光パルスを合算して一つのパルスとしてみなす。すなわち、５μｓ以内に複数のレーザ光パルスを同一箇所に射出する場合は、最初のレーザ光パルスが射出を開始してから、最後のレーザ光パルスの射出が終了するまでの期間を連続照射時間とみなす。よって、同一箇所に射出されるレーザ光パルスの間隔は、所定期間５μｓ以上であることが望ましい。

２）レーザ光が目の中を連続して通過する時間が放出持続時間となる。よって、レーザ光が目の中を連続して通過しないように、頻繁にレーザ光を目の外にそらすことが望ましい。

上記１）と２）に示すレーザ光の安全基準を準拠し、本実施形態では、図８及び図９に示すような射出タイミングで２つの投光部２からレーザ光を射出する。

図８は２つの投光部２から射出されるレーザ光の射出タイミングの一例を示す波形図である。本明細書では、２つの投光部２を第１投光器ＬＤ１と第２投光器ＬＤ２と呼ぶことがある。一方の投光部２（第１投光器ＬＤ１）のｃｈ４のレーザ光の射出タイミングと、他方の投光部２（第２投光器ＬＤ２）のｃｈ１のレーザ光の射出タイミングは同一である。図８では、９μｓごとに、第１投光器ＬＤ１のｃｈ４のレーザ光と、第２投光器ＬＤ２のｃｈ１のレーザ光がそれぞれ射出されている（時刻ｔ１、ｔ４、ｔ７、ｔ１０）。第１投光器ＬＤ１のｃｈ４のレーザ光と、第２投光器ＬＤ２のｃｈ１のレーザ光は、重複する領域に射出される。

それ以外のチャネルのレーザ光の射出タイミングは、３μｓごとにずれている。例えば、第１投光器ＬＤ１のｃｈ１のレーザ光は時刻ｔ２に射出され、その３μｓ後の時刻ｔ３に第１投光器ＬＤ１のｃｈ２のレーザ光が射出され、その６μｓ後の時刻ｔ５に第１投光器ＬＤ１のｃｈ３のレーザ光が射出される。また、第２投光器ＬＤ２のｃｈ２のレーザ光は時刻ｔ６に射出され、その６μｓ後の時刻ｔ８に第２投光器ＬＤ２のｃｈ３のレーザ光は時刻ｔ８に射出され、その３μｓ後の時刻ｔ９に第２投光器ＬＤ２のｃｈ４のレーザ光が射出される。第１投光器ＬＤ１のｃｈ４以外のチャネルのレーザ光と、第２投光器ＬＤ２のｃｈ１以外のチャネルのレーザ光は、２つの線状光が重複しない領域に射出される。

図８を見ればわかるように、第１投光器ＬＤ１のｃｈ４と第２投光器ＬＤ２のｃｈ１の各レーザ光は、他のチャネルのレーザ光よりも照射回数を多くしている。第１投光器ＬＤ１のｃｈ４と第２投光器ＬＤ２のｃｈ１の各レーザ光は、図１に示すように、２つの線状光５ａ、５ｂが重なる領域に射出される。そこで、この領域内でのレーザ光の照射回数を増やすことで、レーザ光の光強度を高めることができ、Ｓ／Ｎ比が向上して、検知可能距離を長距離化することができる。

図９は光源部５内の複数のレーザ光源が発光する順序を数字で表した図である。図９の右側の４つの円は、第１投光器ＬＤ１のｃｈ１～ｃｈ４のレーザ光による線状光５ａを構成する４つのビームスポットｂｓを示している。また、図９の左側の４つの円は、第２投光器ＬＤ２のｃｈ１～ｃｈ４のレーザ光による線状光５ｂを構成する４つのビームスポットｂｓを示している。実際には、２つの線状光はＺ方向の同一位置に射出されるが、図９では便宜上Ｚ方向にずらして示している。

図９は、１番目から１２番目までのレーザ光の射出位置を数字で示している。なお、この射出順序は一例であり、種々の変形例が考えられる。図９に示すように、線状光５ａ、５ｂ同士が重なる領域に射出されるレーザ光（第１投光器ＬＤ１のｃｈ４と第２投光器ＬＤ２のｃｈ１）は、他のチャネルのレーザ光よりも射出頻度を高くしている。線状光５ａ、５ｂ同士が重ならない領域に射出されるレーザ光は、順繰りに射出される。

図１０は投光部２から投光されるレーザ光の各チャネルの平均光強度が等しい場合を模式的に示す図である。図示のように、投光部２からは二次元状に光が射出されるが、一部の領域のみレーザ光を射出する頻度を高くすることで、平均光強度を他の領域よりも高くすることができる。これにより、距離計測可能な範囲のうち、一部の領域については、光強度の高いレーザ光が照射されるため、遠距離までの距離計測が可能になる。

このように、第１の実施形態では、一方向に配置された複数チャネルのレーザ光源から射出されたレーザ光を、１次元方向に光走査可能なＭＥＭＳミラー７で走査させるため、投光部２から二次元状にレーザ光を射出できる。本実施形態では、二次元方向に光走査可能な高価なＭＥＭＳミラー７を用いることなく、二次元状にレーザ光を射出できるため、投光部２のコストを削減できる。

また、本実施形態では、二次元方向に配置された複数の受光素子９を有する受光部３にて、対象物１０からの反射光を受光し、複数の受光素子９のうち、反射光を受光する受光素子９を制御部４にて制御するため、受光側にはＭＥＭＳミラー７を設ける必要がなくなり、ミラー面積の小さいＭＥＭＳミラー７を用いることによる受光量の低下という問題が起きない。また、本実施形態では、複数の受光素子９のうち、反射光を受光する受光素子９を電気的に切り替えるため、ＭＥＭＳミラー７で光学的に受光素子９を切り替えるよりも、迅速に受光素子９の切替を行うことができる。

さらに、本実施形態では、２つの投光部２と受光部３を、レーザ光の安全基準を準拠して配置し、かつ、２つの投光部２から射出される線状光５ａ、５ｂ同士が一部重なるようにしたため、重なる領域では、レーザ光の光強度を高めることができ、レーザ光の安全基準を満たしつつ、より遠方までの距離計測が可能になる。

また、本実施形態では、投光部２内に複数のレーザ光源を設け、各レーザ光源ごとにレーザ光を射出するタイミングを制御できるようにするため、レーザ光の安全基準を満たしつつ、より光強度を高めることができるような射出タイミングで、各レーザ光源からレーザ光を射出できる。特に、線状光５ａ、５ｂ同士が重なる領域にレーザ光を射出するレーザ光源は、他のレーザ光源よりも、レーザ光の射出回数を増やすため、光強度を高めることができ、遠距離までの距離計測が可能になる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、投光部２の構成が第１の実施形態とは異なっている。

図１１は第２の実施形態による測距装置１ａの要部を示す図である。図１１に示すように、第２の実施形態による測距装置１ａは、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザ）１５を二次元状に配置した投光部２ａを備える点で第１の実施形態による測距装置１とは異なる。投光部２ａ以外の構成は、図１及び図２に示す測距装置１と同様である。ただし、投光部２ａが複数のＶＣＳＥＬ１５を有するため、制御部４による制御方法と、駆動部１１による駆動方法も図２とは異なったものになる。

図１１の測距装置１ａは、Ｘ方向に離隔して配置される２つの投光部２ａを備えており、各投光部２ａとも、二次元状に配置された複数のＶＣＳＥＬ１５を有する。制御部４は、複数のＶＣＳＥＬ１５のそれぞれを発光させるか否かを個別に制御することができる。

制御部４は、各投光部２ａ内のＸ方向及びＺ方向に配置された複数のＶＣＳＥＬ１５を、各チャネルごとに発光させ、その発光タイミング、チャネルに合わせて、受光部３内の複数の受光素子９を各チャネルごとに駆動して、反射光を受光してもよい。

図１２は投光部２の断面構造の一例を示す断面図である。図１２の投光部２は、複数のＶＣＳＥＬを備えている。図１２に示すように、投光部２は、発光チップ２１を第１基板２２上にバンプ２３にて接合している。発光チップ２１は、第２基板２４と、積層膜２５と、積層膜２５の一部に配置される発光素子２６と、アノード電極２７と、カソード電極２８とを備えている。また、第１基板２２の表面には、接続パッド２９が設けられている。発光素子２６、アノード電極２７、カソード電極２８、及び接続パッド２９は、複数個ずつ設けられている。

積層膜２５は、第２基板２４の表面Ｓ１に積層された複数の層を含んでいる。これらの層の例は、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、光反射層、光の射出窓を有する絶縁層などである。積層膜２５は、－Ｘ方向に突出した複数のメサ部３０を含んでいる。これらのメサ部３０の一部が、複数の発光素子２６となっている。

複数の発光素子２６は、積層膜２５の一部を構成しており、基板２４の表面Ｓ１側に設けられている。本実施形態の各発光素子２６は、ＶＣＳＥＬ構造を有しており、光を＋Ｘ方向に出射する。各発光素子２６から出射された光は、図１２に示すように、第２基板２４内を表面Ｓ１から裏面Ｓ２へと透過し、第２基板２４から射出される。

アノード電極２７は、発光素子２６の下面に形成されている。カソード電極２８は、メサ部３０の下面に形成されており、メサ部３０間にある積層膜２５の下面まで延びている。各発光素子２６は、そのアノード電極２７と対応するカソード電極２８との間に電流が流れることで光を出射する。

上述のように、発光チップ２１は、第１基板２２上にバンプ２３を介して配置されており、バンプ２３により第１基板２２と電気的に接続されている。具体的には、バンプ２３は、第１基板２２上の接続パッド２９に接合されており、接続パッド２９上にバンプ２３を介してメサ部３０が配置されている。各メサ部３０は、アノード電極２７またはカソード電極２８を介してバンプ２３上に配置されている。基板２２は、例えばＳｉ（シリコン）基板などの半導体基板である。

このように、第２の実施形態による測距装置１は、投光部２をＶＣＳＥＬ構造にすることで、投光部２の全体をチップ化することができ、ＭＥＭＳミラー７や折り返しミラー１３が不要となり、投光部２の光学構造が簡易となる。

制御部４は、投光部２内の二次元方向に配置された複数のＶＣＳＥＬを発光させるか否かを個別に制御でき、投光部２から第１の実施形態と同様の線状光を射出することができる。よって、２つの投光部２から射出される線状光５ａ、５ｂ同士が一部重なるようにすることもでき、重なった領域では、レーザ光の光強度を向上できるため、第１の実施形態と同様に、遠方の対象物１０の距離計測が可能になる。

第１の実施形態では、投光部２における線状光の射出は光学的な制御を行っていたが、第２の実施形態では、投光部２と受光部３の両方とも電気的な制御で二次元方向へのレーザ光の射出制御と、二次元方向からの反射光の受光制御を行うため、レーザ光の走査方向と受光位置を迅速に切り替えることができる。

なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
（１）二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置。
（２）前記投光部は、第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第２方向に走査させる、（１）に記載の測距装置。
（３）前記複数の受光素子は、前記第１方向及び前記第２方向に配置されており、
前記制御部は、前記第１方向、及び第２方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させる、（２）に記載の測距装置。
（４）前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーと、を有する、（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の測距装置。
（５）前記ＭＥＭＳミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を１次元方向に制御する、（４）に記載の測距装置。
（６）前記投光部は、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、（４）又は（５）に記載の測距装置。
（７）前記光方向変更部材反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であることを特徴とする、（６）に記載の測距装置。
（８）前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の測距装置。
（９）前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御する、（８）に記載の測距装置。
（１０）前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第１投光器及び第２投光器を有し、
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、前記第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を前記第２方向に走査させる、（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の測距装置。
（１１）前記第１投光器及び前記第２投光器は、前記第１投光器から前記第１方向に延びる線状光と、前記第２投光器から前記第２方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置される、（１０）に記載の測距装置。
（１２）前記受光部は、前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置される、（１０）又は（１１）に記載の測距装置。
（１３）前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳミラーと、を有する、（１０）乃至（１２）のいずれか一項に記載の測距装置。
（１４）２つの前記ＭＥＭＳミラーを結ぶ線分の中心線に沿って１００ｍｍの位置での前記第１投光器に向かう方向と前記第２投光器に向かう方向との為す角度は、１００ｍｒａｄ以上である、（１３）に記載の測距装置。
（１５）前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、（１３）又は（１４）に記載の測距装置。
（１６）前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーである、（６）又は（１５）に記載の測距装置。
（１７）前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、（１０）乃至（１３）のいずれか一項に記載の測距装置。
（１８）前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させる、（４）、（５）、（１４）又は（１５）に記載の測距装置。
（１９）前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転される、（１８）に記載の測距装置。
（２０）前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備える、（１）乃至（１９）のいずれか一項に記載の測距装置。

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１測距装置、２投光部、３受光部、４制御部、５光源部、６投光光学系、７ＭＥＭＳミラー、８受光光学系、９受光素子、１０対象物、１１駆動部、１２測距部、１３折り返しミラー、１４正面パネル、１４ａ第１開口部、１４ｂ第２開口部、１５ＶＣＳＥＬ、２１発光チップ、２２第１基板、２３バンプ、２４第２基板、２５積層膜、２６発光素子、２７アノード電極、２８カソード電極、２９接続パッド、３０メサ部

Claims

二次元状に光を射出する投光部と、
二次元方向に配置された複数の受光素子を有する受光部と、
前記複数の受光素子で受光を行うか否かを制御する制御部と、を備える、測距装置。
前記投光部は、第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第２方向に走査させる、請求項１に記載の測距装置。
前記複数の受光素子は、前記第１方向及び前記第２方向に配置されており、
前記制御部は、前記第１方向、及び第２方向に配置された複数の受光素子を順次に切り替えて受光させる、請求項２に記載の測距装置。
前記投光部は、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーと、を有する、請求項１に記載の測距装置。
前記ＭＥＭＳミラーは、前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を１次元方向に制御する、請求項４に記載の測距装置。
前記投光部は、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、請求項４に記載の測距装置。
前記光方向変更部材で反射後のレーザ光の向きは、前記光源部から発せられたレーザ光と平行であることを特徴とする、請求項６に記載の測距装置。
前記投光部は、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、請求項１に記載の測距装置。
前記制御部は、所定期間ごとに前記複数の光源部の点灯又は消灯を個別に制御する、請求項８に記載の測距装置。
前記投光部は、所定方向に沿って離隔して配置される第１投光器及び第２投光器を有し、
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、第１方向に延びる線状光を射出するとともに、前記線状光を第２方向に走査させる、請求項１に記載の測距装置。
前記第１投光器及び前記第２投光器は、前記第１投光器から前記第１方向に延びる線状光と、前記第２投光器から前記第１方向に延びる線状光との一部が重なるように、前記所定方向に離隔して配置される、請求項１０に記載の測距装置。
前記受光部は、前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれから略等しい距離の位置に配置される、請求項１０に記載の測距装置。
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、
レーザ光を射出する光源部と、
前記レーザ光を通過させる光学系と、
前記光学系を通過したレーザ光の進行方向を制御するＭＥＭＳミラーと、を有する、請求項１０に記載の測距装置。
２つの前記ＭＥＭＳミラーを結ぶ線分の中心線に沿って１００ｍｍの位置での前記第１投光器に向かう方向と前記第２投光器に向かう方向との為す角度は、１００ｍｒａｄ以上である、請求項１３に記載の測距装置。
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、前記ＭＥＭＳミラーで反射されたレーザ光の向きを変更する光方向変更部材を有する、請求項１３に記載の測距装置。
前記光方向変更部材は、傾斜角度が固定の反射面を有する反射ミラーである、請求項６に記載の測距装置。
前記第１投光器及び前記第２投光器のそれぞれは、二次元方向に配置された複数の光源部を有し、
前記複数の光源部のそれぞれは、レーザ光を射出するか否かを個別に切り替え可能である、請求項１０に記載の測距装置。
前記光源部は、一方向に配置された複数のレーザ光源を有し、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記複数のレーザ光源から射出されたレーザ光を、前記複数のレーザ光の配置方向とは異なる方向に走査させる、請求項４に記載の測距装置。
前記レーザ光源から射出されるレーザ光のビーム形状は、楕円形であり、
前記ＭＥＭＳミラーは、前記楕円形の短軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転される、請求項１８に記載の測距装置。
前記投光部から射出された光が対象物で反射された反射光を前記受光部で受光し、
前記投光部が光を射出した時刻と、前記投光部から射出された光が対象物で反射されて前記受光部で受光される時刻と、の時間差により、前記対象物までの距離を計測する距離計測部を備える、請求項１に記載の測距装置。