JP2023148360A - 光学システム及びＬｉＤＡＲシステム - Google Patents

Abstract

【課題】走査系を使用することなく、広範囲にレーザー光を照射できる光学システム及びＬｉＤＡＲシステムを提供する。【解決手段】光学システムは、第１レーザー光を出射する複数のエミッターと、前記複数の第１レーザー光に基づいて、互いに異なる波長を有する複数の第２レーザー光が合成された合成レーザー光を生成する合成部と、前記合成レーザー光を受光し、前記複数の第２レーザー光を互いに異なる方向に出射させる分光素子と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、光学システム及びＬｉＤＡＲシステムに関する。

自動運転車には、周囲の物体及び物体位置を検出するセンサー技術が採用されている。このセンサー技術で用いられるセンサーには、例えば、レーダー、画像認識カメラ、及び、ソナー等がある。自動運転車は、これらのセンサーを有することで、衝突警告、自動緊急ブレーキ、車線逸脱警告、車線維持支援、及び、アダプティブクルーズコントロールなど、安全運転に関する動作の正確性が高まる。

自動運転に関わるセンサー技術の中で、測距（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ：ＬｉＤＡＲ）システムは、物体距離をリアルタイムに測定する上で重要な技術である。

特許文献１には、同一の波長のレーザー光を出射するレーザーダイオード（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：ＬＤ）を複数備えるＬｉＤＡＲシステムが開示されている。特許文献１のＬｉＤＡＲシステムは、複数のレーザーダイオードから出射される複数のレーザー光の進行方向を制御して対象物に照射する走査系を備えている。走査系は、レーザー光の進行方向を変更する部材を機械的に駆動することで、レーザー光を広範囲に照射している。

特許文献２には、レーザー光を出射するエミッターが複数配置されたＬＤバーを複数備えるＬｉＤＡＲシステムが開示されている。また、特許文献２のＬｉＤＡＲシステムにおいて、異なる波長のレーザー光が出射されるＬＤバーが二次元的に並べられている。

特開平７－８４０４５号公報 特表２０１９－５１６１０１号公報

特許文献１及び特許文献２のいずれのＬｉＤＡＲシステムにおいても、レーザー光を広範囲に照射させるためには、走査系が必要であった。

本開示は、走査系を使用することなく、広範囲にレーザー光を照射できる光学システム及びＬｉＤＡＲシステムを提供することを目的とする。

本開示の光学システムは、
第１レーザー光を出射する複数のエミッターと、
前記複数の第１レーザー光に基づいて、互いに異なる波長を有する複数の第２レーザー光が合成された合成レーザー光を生成する合成部と、
前記合成レーザー光を受光し、前記複数の第２レーザー光を互いに異なる方向に出射させる分光素子と、
を備える。

本開示のＬｉＤＡＲシステムは、上述の光学システムを備える。

本開示によれば、走査系を使用することなく、広範囲にレーザー光を照射できる光学システム及びＬｉＤＡＲシステムを提供することができる。

図１は、波長ビーム結合システムの模式図である。 図２は、第１実施形態に係るＬｉＤＡＲシステムを示す模式図である。 図３は、第１実施形態に係るＬｉＤＡＲシステムの測定精度を説明する模式図である。 図４は、第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステムを示す模式図である。 図５Ａは、第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステムが備える光学素子を示す模式図であり、図５Ｂは、図５Ａの光学素子をＡ方向から見た時の模式図である。 図６Ａは、第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステムが備える光学素子を示す模式図である。図６Ｂは、図６Ａの光学素子をＢ方向から見た時の模式図である

以下、本開示の各実施形態及び変形例について、図面を参照しながら説明する。

（波長ビーム結合システム）
まず、図１を参照しつつ、波長ビーム結合（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ：ＷＢＣ）システムについて説明する。図１は、ＷＢＣシステム３００の模式図である。なお、ＣＬ１は、回折格子３１１の入出射面に垂直な軸であり、ＣＬ２は、回折格子３１１の入出射面に平行な軸である。

ＷＢＣシステム３００は、異なる波長のレーザー光を複数個結合することで、高強度のレーザービームを得るシステムである。

図１では、ＷＢＣシステム３００は、ｉ個のＬＤバー３０１～３ｉ、回折格子３１１、及び、外部共振ミラー３１２を備えている。

ＬＤバー３０１～３ｉは、レーザーダイオードバーアレイであり、ＬＤバー３０１～３ｉには、レーザー光を出射するエミッターが所定間隔毎に複数形成されている。図１では、各ＬＤバーにｊ個のエミッターが形成されている。

各ＬＤバーにおいて、エミッターに対応して注入領域が形成されている。また、複数の注入領域は、ＬＤバーのレーザー光出射端面（以下、「出射端面」と称することもある。）からレーザー光非出射端面（以下、「非出射端面」と称することもある。）にわたって延在し、ストライプ状に形成されている。注入領域に電圧が印加されることで、エミッターからレーザー光が出射される。

ＷＢＣシステム３００には、ＬＤバー３０１～３ｉそれぞれに対応してビームツイスターユニット（Ｂｅａｍ Ｔｗｉｓｔｅｒ Ｌｅｎｓ Ｕｎｉｔ：ＢＴＵ）（不図示）が配置されている。ＬＤバー３０１～３ｉのエミッターから出射されたレーザー光は、ＢＴＵによって９０度回転され、回折格子３１１に入射する。複数のレーザー光がＢＴＵを透過することで、複数のレーザー光のスポットの相互干渉を防止できる。

回折格子３１１は、複数のレーザー光を集光し、出射させる素子である。複数のレーザー光は、回折格子３１１に集光され、複数のレーザー光に基づく合成レーザー光３１３が、回折格子３１１から外部共振ミラー３１２に向けて出射される。回折格子３１１は、例えば、図１に示されているように、透過型回折格子である。なお、回折格子３１１は、反射型回折格子であってもよい。

外部共振ミラー３１２は、部分透過ミラーである。外部共振ミラー３１２に入射する合成レーザー光３１３の一部が垂直反射される。その反射光は、回折格子３１１を介してＬＤバー３０１～３ｉの各エミッターに戻り、ＬＤバー３０１～３ｉの非出射端面で反射される。このようにして、ＬＤバー３０１～３ｉの各エミッターと外部共振ミラー３１２との間で外部共振が生じる。

一方、外部共振ミラー３１２に入射された合成レーザー光３１３の他の一部は、外部共振ミラー３１２を透過し、出力レーザー光として出力される。

合成レーザー光３１３は、異なる波長のレーザー光が複数個合成された光である。よって、ＷＢＣシステム３００によれば、高強度のレーザー光を出力することができる。

＜発振＞
ＬＤバー３０１～３ｉのエミッターから出射されるレーザー光のうち、回折格子３１１の回折条件を満たし、かつ、外部共振ミラー３１２によって垂直反射されるレーザー光が、出射元のエミッターに戻る。

回折格子３１１の回折条件は、回折格子３１１の回折溝の周期をｄ、回折格子３１１に対するレーザー光の入射角をα、回折格子３１１に対するレーザー光の出射角をβ、レーザー光の波長をλ、次数をｍ（ｍは整数）とすると、下記式（１）で表される。なお、一般には、式（１）において、ｍが１となるように回折格子３１１が配置されている。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλ （１）

この回折条件を満たす波長をロック波長と呼ぶ。式（１）に示されているように、ロック波長は、ＬＤバー３０１～３ｉのエミッター、及び、回折格子３１１の位置関係によって一意に決まる。

エミッターに戻ったレーザー光は、ＬＤバーの非出射端面で反射され、対応するエミッターから回折格子３１１に向けて出射される。よって、ＬＤバー３０１～３ｉの非出射端面と外部共振ミラー３１２との間で、各エミッターの位置に対応したロック波長で外部共振する。

例えば、図１には、ＬＤバー３０１のｊ個のエミッターそれぞれと外部共振ミラー３１２との間において、波長λ１１～λ１ｊでレーザー発振することが示されている。同様に、図１には、ＬＤバー３ｉのｊ個のエミッターそれぞれと外部共振ミラー３１２との間において、波長λｉ１～λｉｊでレーザー発振することが示されている。

なお、ＬＤバー３０１～３ｉの構成に起因して決定されるゲインピーク波長と、外部共振のロック波長との差が大きい場合、レーザー発振ができなくなることがある。

（第１実施形態）
図２を参照しつつ、第１実施形態に係るＬｉＤＡＲシステム１００について説明する。図２は、ＬｉＤＡＲシステム１００を示す模式図である。

ＬｉＤＡＲシステム１００は、例えば、自動運転車に搭載されるシステムであり、自動運転車と対象物１０５との距離をリアルタイムに測定する。ＬｉＤＡＲシステム１００は、光学システム１１０を備えている。光学システム１１０は、レーザー光を出射するエミッターを複数備えており、各エミッターからのレーザー光を集光した後、波長ごとに分光し、分光されたレーザー光を対象物１０５に照射する。

光学システム１１０は、ＷＢＣシステム４００、及び、分光素子１０３を備えている。光学システム１１０は、ＷＢＣシステム４００を利用して、異なる波長のレーザー光を複数合成する。そして、光学システム１１０は、合成により生成された合成レーザー光２０を、分光素子１０３を利用して波長別に分光し、分光された各レーザー光を波長に応じて異なる方向に出射することで、対象物１０５に照射する。

ＷＢＣシステム４００は、上述のＷＢＣシステム３００と同じ原理で、異なる波長のレーザー光を複数合成し、合成されたレーザー光（以下、「合成レーザー光」と称す。）２０を出射させるシステムである。

図２では、ＷＢＣシステム４００は、複数のＬＤバー１～３、及び、合成部１２０を備えている。図２には、ＷＢＣシステム４００が、３個のＬＤバー１～３を備えていることが示されているが、必ずしも３個に限定されない。

また、図２では、ＬＤバー１～３には、それぞれ２個のエミッターが形成されている。ＬＤバー１のエミッター１１、１２、ＬＤバー２のエミッター２１、２２、ＬＤバー３のエミッター３１、３２からそれぞれレーザー光が出射される。なお、ＬＤバー１～３に形成されるエミッターの数は必ずしも２個に限定されない。

合成部１２０は、回折格子１０１、及び、外部共振ミラー１０２を備えている。

回折格子１０１には、回折溝が形成されている。エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２から出射されたレーザー光は、回折格子１０１にて集光され、合成レーザー光２０として外部共振ミラー１０２に向けて出射される。

合成レーザー光は、異なる波長を有するレーザー光４１～４６が合成されたレーザー光である。レーザー光４１～４６の波長は、それぞれλＬ１、λＬ２、λＬ３、λＬ４、λＬ５、λＬ６である。波長λＬ１、λＬ２、λＬ３、λＬ４、λＬ５、λＬ６は、エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２と回折格子１０１との位置関係によって一意に決まるロック波長である。

外部共振ミラー１０２は部分反射ミラーであり、合成レーザー光２０の一部は、外部共振ミラー１０２において反射し、波長λＬ１、λＬ２、λＬ３、λＬ４、λＬ５、λＬ６に対応するエミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２にそれぞれ戻る。そして、ＬＤバー１～３の非出射端面で反射され、エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２から回折格子１０１に向けて再度出射される。これにより、ロック波長にて、外部共振ミラー１０２と、ロック波長に対応するエミッターとの間で外部共振が生じる。

外部共振ミラー１０２に入射した合成レーザー光２０の他の一部は、分光素子１０３に向けて外部共振ミラー１０２から出射される。

分光素子１０３は、例えば、回折格子である。分光素子１０３には回折溝Ｍ１（後述の図５Ａ参照）が形成されている。分光素子１０３には、回折格子１０１と同じ溝間隔で回折溝Ｍ１が形成されてもよいし、異なる溝間隔で回折溝Ｍ１が形成されていてもよい。光学システム１１０には、レーザー光４１～４６の所望の照射範囲に適した溝間隔の分光素子１０３が用いられる。

図２では、分光素子１０３は、回折溝Ｍ１が水平面に平行となるように配置されている。後述する合成レーザー光２０に含まれるレーザー光４１～４６の照射位置を鉛直方向にずらす場合、分光素子１０３は、回折溝Ｍ１が鉛直方向及び合成レーザー光２０の進行方向に垂直な方向に平行となるように配置されればよい。また、例えば、合成レーザー光２０に含まれるレーザー光４１～４６の照射位置を水平方向にずらす場合、分光素子１０３は回折溝Ｍ１が鉛直方向に平行となるように配置されればよい。

合成レーザー光２０は、分光素子１０３にて波長ごとに分光される。その結果、合成レーザー光２０がレーザー光４１～４６に分光され、波長に応じた出射角度の方向にレーザー光４１～４６がそれぞれ出射される。図２では、レーザー光４１～４６は、鉛直方向に広がり、対象物１０５に照射される。その結果、対象物１０５に対してレーザー光４１～４６が一次元的に照射される。

例えば、分光素子１０３の回折溝Ｍ１の溝間隔を狭くすることで、レーザー光４１～４６の出射角度の差を大きくすることができるので、レーザー光４１～４６の照射範囲が広がる。

光学システム１１０は、レーザー光を受光する受光装置１０４を備えている。受光装置１０４は、レーザー光４１～４６が対象物１０５に照射されたことによって生じる反射光５１～５６を受光する。受光装置１０４は、例えば、波長毎に強度を検出する分光器を備えていてもよい。これにより、波長ごとに反射光５１～５６の強度をモニターすることができる。

ＬｉＤＡＲシステム１００は、例えば、レーザー光４１～４６を対象物１０５にパルス照射し、反射光５１～５６の検出時刻のずれを解析することで、レーザー光４１～４６の出射部と対象物１０５との距離を測定する。出射部とは、例えば、分光素子１０３の出射面である。

＜分解能＞
＜＜ビームスポット間距離＞＞
以下、図３を参照しつつ、本実施形態に係るＬｉＤＡＲシステム１００の分解能について説明する。図３は、ＬｉＤＡＲシステム１００の測定精度を説明する模式図である。

図３には、ＬｉＤＡＲシステム１００が備えるＬＤバーとして、３０個のエミッター５０１～５３０が等間隔に形成されているＬＤバー５００が示されている。以下、ＬＤバー５００において、エミッター５０１～５３０が順に並んでいるとして説明する。

隣接するエミッターそれぞれに対応するロック波長の差は、ＷＢＣシステム４００内の光学部品の設計及び配置位置に応じて異なる。例えば、下記条件（１）～（４）が満たされるように、ＬＤバー５００、及び、回折格子１０１を採用し、かつ、配置位置を設定した場合、エミッター５０１に対応するロック波長は、８５０．００ｎｍとなり、エミッター５０２に対応するロック波長は、８５０．５７ｎｍとなる。
（１）ＬＤバー５００における隣接エミッター間距離が５００μｍ
（２）回折格子１０１の回折溝の周期が１５００本/ｍｍ
（３）エミッター５０１～５３０は、８５０．００ｎｍ程度の波長のレーザー光を出射する構成
（４）回折格子１０１からのレーザー光の出射角βが５０°
（５）ＬＤバー５００の出射端面から回折格子１０１までの距離Ｌ１が０．５ｍ

また、ＬＤバー５００において、両端のエミッター５０１、５３０間のロック波長の差は、１６．５３ｎｍとなる。

ここで、ＬｉＤＡＲシステム１００が、ＷＢＣシステム４００で合成された合成レーザー光２０を分光し、分光されたレーザー光５４１、５４２を、平面６００に照射することを例に挙げて測定精度について説明する。レーザー光５４１、５４２は、それぞれ、エミッター５０１、５０２を出射元とするレーザー光である。平面６００は、分光素子１０３の出射面に平行、かつ、分光素子１０３から距離Ｌ２離れている平面である。以下、距離Ｌ２が１００ｍであるとする。この場合、互いに隣接するエミッター５０１、５０２を出射元とするレーザー光５４１、５４２の平面６００に対する照射位置間の距離ｄは、約１ｃｍである。

よって、本実施形態によれば、レーザー光５４１、５４２を含む合成レーザー光２０が合成された場合、レーザー光５４１、５４２を分光素子１０３から１００ｍ程度離れた対象物に対して、１ｃｍ程度のビームスポット間距離の精度で照射することができる。

＜＜ＬＤバーを５個備える光学システム＞＞
以下、光学システム１１０が、３０個のエミッターが形成されたＬＤバーを５個備えている場合における照射範囲について説明する。以下、５個のＬＤバーを、「第１ＬＤバー」、「第２ＬＤバー」、「第３ＬＤバー」、「第４ＬＤバー」、及び、「第５ＬＤバー」と称する。また、第１ＬＤバー、第２ＬＤバー、第３ＬＤバー、第４ＬＤバー、及び、第５ＬＤバーの順に配列されているとして説明する。また、第１ＬＤバー、第２ＬＤバー、第３ＬＤバー、第４ＬＤバー、及び、第５ＬＤバーの中の計１５０個のエミッターのうち、第１ＬＤバーの１番目のエミッター、及び、第５ＬＤバーの３０番目のエミッターが両端に位置するように配置されているとする。

上述の条件（１）～（５）が満たされている場合、第１ＬＤバーの１番目のエミッターと第５ＬＤバーの３０番目のエミッターとの間隔は、約７．４５ｃｍとなる。また、第１ＬＤバーの１番目のエミッターのロック波長が、８５０．０ｎｍである場合、第５ＬＤバーの３０番目のエミッターのロック波長は９３４．９３ｎｍとなる。

また、平面６００において、第１ＬＤバーの１番目のエミッター及び第５ＬＤバーの３０番目のエミッターを出射元とするレーザー光の照射位置の間隔は約１４９ｃｍとなる。なお、これらの２つのレーザー光の波長の差は、約８４．９３ｎｍである。

よって、光学システム１１０が、３０個のエミッターが形成されたＬＤバーを５個備え、かつ、上述の条件（１）～（５）が満たされる場合、分光素子１０３から約１００ｍ離れた対象物に対して約１５０ｃｍの範囲でレーザー光を照射できる。

なお、８５０．０ｎｍ程度の波長域のレーザー光において、外部共振可能なＬＤバーの波長の利得幅は、６５ｎｍ程度である。第１～第５ＬＤバーが特定波長のレーザー光を出射するＬＤバーであり、かつ、特定波長が８５０ｎｍ程度の波長域に含まれる場合、ＷＢＣシステム４００は、最大で６５ｎｍ程度の波長差のレーザー光が含まれる合成レーザー光２０を出射できる。

約８４．９３ｎｍの波長差を有するレーザー光を含む合成レーザー光２０を出射させるためには、光学システム１１０は、５個のＬＤバーとして、複数種類の利得波長を有するＬＤバーを備えていればよい。例えば、光学システム１１０は、λ０１の波長のレーザー光を出射するＬＤバーと、λ０２（≠λ０１）の波長のレーザー光を出射するＬＤバーとを合計で５個備えていればよい。すなわち、光学システム１１０によれば、８５０ｎｍ程度の波長域のレーザー光が出射されるＬＤバーを使用する場合、１５０個の異なる波長のレーザー光を、２種類のＬＤバーを用いて生成することができる。

＜＜１５５０ｎｍ程度波長域のレーザー光を出射するＬＤバー＞＞
以下、光学システム１１０が、１５５０ｎｍ程度の波長帯域のレーザー光を出射するＬＤバーを５個備えている場合の対象物１０５の測定について説明する。

１５５０ｎｍ程度波長域のレーザー光において、外部共振可能なＬＤバーの波長の利得幅は、１７０ｎｍ程度である。

よって、第１～第５ＬＤバーが特定波長のレーザー光を出射するＬＤバーであり、かつ、特定波長が１５５０ｎｍ程度の波長域に含まれる場合、ＷＢＣシステム４００は、最大で１７０ｎｍ程度の波長差のレーザー光が含まれる合成レーザー光２０を出射できる。

すなわち、１種類のＬＤバーを複数個準備するだけで、約８４．９３ｎｍの波長差を有するレーザー光を含む合成レーザー光２０を生成できる。よって、第１～第５ＬＤバーを同じ種類のＬＤバーとするだけで、１５０個の異なる波長のレーザー光を生成することができる。したがって、長波長帯域のレーザー光が出射されるＬＤバーを用いることで、準備するＬＤバーの種類を少なくできるので、より低コストで、異なる波長を有するレーザー光を多数生成し、それらのレーザー光を対象物の測定に利用することができる。

以上、説明した通り、実施形態に係る光学システム１１０は、レーザー光を出射する複数のエミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２と、それらのエミッターから出射されたレーザー光に基づいて、互いに異なる波長を有するレーザー光４１～４６が合成された合成レーザー光２０を生成する合成部１２０と、合成レーザー光２０を受光し、レーザー光４１～４６を互いに異なる方向に出射させる分光素子１０３と、を備える。

これにより、対象物１０５との距離の測定に用いる多数のレーザー光を、走査系を用いることなく、広範囲に照射することができる。また、走査系の部品の摩耗等による走査誤差が生じない。

また、分光素子１０３は、合成レーザー光２０を波長に応じて決まる方向に各レーザー光の進行方向を制御するので、レーザー光４１～４６の間隔及び出射方向を、一定の条件に保持することができる。

光学システム１１０は、レーザー光４１～４６に基づく反射光５１～５６を受光する受光装置１０４を備える。

すなわち、広範囲に照射したレーザー光４１～４６に基づく反射光５１～５６を受光し、レーザー光４１～４６の出射面とレーザー光４１～４６の照射位置との距離を測定することができる。

また、受光装置１０４は、反射光５１～５６を波長毎に検出する。

すなわち、波長ごとにレーザー光の信号処理を行うことができるので、光学システム１１０の簡素化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、レーザー光の出射光源１つに対して１つの受光部を備えるシステムを準備しなくてよいので、光学システム１１０のコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。

合成部１２０は、回折格子を備えている。複数のエミッターから出射されたレーザー光が、回折格子に入射することで、合成レーザー光２０が形成される。合成レーザー光２０は、エミッターの配置位置毎に決まる波長を有するレーザー光が複数合成されたレーザー光である。

すなわち、多数の波長に対応させてそれぞれ異なる構造を有するエミッターを作り分けることなく、互いに異なる波長のレーザー光４１～４６が合成された合成レーザー光２０を生成できる。よって、多数の種類のエミッターを準備しなくても、広範囲にレーザー光を照射できる。

上述したように、特に、エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２が出射するレーザー光の波長が長い場合、外部共振可能なＬＤバーの波長の利得幅が広いので、特定の波長のレーザー光を出射するエミッターを１種類だけ、多数準備すればよい。

したがって、本実施形態によれば、出射光源の準備の点で、光学システム１１０の低コスト化を図ることができる。

また、合成部１２０は、回折格子１０１を用いるだけで、互いに異なる波長を有するレーザー光４１～４６が合成された合成レーザー光２０を生成できるので、光学素子の準備という点でも光学システム１１０の低コスト化を図ることができる。

さらに、回折格子１０１とエミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２との位置関係によりレーザー光の波長がロックされるので、出射するレーザー光同士の間隔、及び、出射方向を精度よく制御できる。

光学システム１１０は、エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２が複数配置されたＬＤバー１～３を複数備える。

エミッターが一つ形成されたレーザーダイオード（ＬＤ）を複数配置する場合、エミッターが異なるＬＤに属するので、エミッター同士の間隔を狭くしにくい。本実施形態によれば、ＬＤバー内においてエミッター同士の間隔を狭くすることができる。よって、合成レーザー光２０に含まれるレーザー光同士の波長差を小さくすることができるので、分光素子１０３によって分光されたレーザー光の光軸間の距離を狭くすることができる。したがって、広範囲にレーザー光を照射できるだけでなく、分解能を高めることができる。すなわち、測距精度が高まるので、対象物１０５の表面状態（凹凸状態等）や形状を精度よく測定することができる。

ＬｉＤＡＲシステム１００は、上述の光学システム１１０を備える。よって、広範囲に測定用のレーザー光を照射するとともに、高い分解能を有するＬｉＤＡＲシステムが実現できる。

（第２実施形態）
図４、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂを参照しつつ、第２実施形態について、主に第１実施形態と異なる点を説明する。

図４は、第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステム２００を示す模式図である。図５Ａは、第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステム２００が備える光学素子２０４を示す模式図であり、図５Ｂは、図５Ａの光学素子２０４をＡ方向から見た時の模式図である。図６Ａは、図５Ａとは異なる光学状態にある光学素子２０４を示す模式図であり、図６Ｂは、図６Ａの光学素子２０４をＢ方向から見た時の模式図である。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び、図６ＢのＦ１は、分光されたレーザー光４１～４６の光軸が含まれる平面である。

第２実施形態に係るＬｉＤＡＲシステム２００は、ＷＢＣシステム４００、及び、分光素子１０３に加えて、光学素子２０４及び制御部２０５を備えている。

光学素子２０４は、例えば、音響光学素子である。光学素子２０４は、レーザー光４１～４６の進行方向下流側に配置されている。

光学素子２０４には、回折溝Ｍ２が形成されている。光学素子２０４は、図５Ａ及び図６Ａに示されているように、光学素子２０４の回折溝Ｍ２が、分光素子１０３の回折溝Ｍ１の延在方向に対して垂直方向に延在するように配置される。

レーザー光４１～４６は、光学素子２０４の光学状態に応じて進行方向が変化する。光学素子２０４は、制御部２０５からの電気信号に応じて光学状態が変化する。光学状態は、例えば、回折溝Ｍ２の溝間隔である。

制御部２０５は、光学素子２０４の光学状態を変化させる電気信号を出力する信号発生装置である。

＜光学状態の変化＞
制御部２０５は、電気信号の出力を変えることにより光学素子２０４に発生させる音響波を変化させることにより溝間隔を変化させることができる。図５Ａには、溝間隔が比較的狭い状態の光学素子２０４が示されている。

図５Ｂに示されているように、光学素子２０４は、分光素子２０３によって分光されたレーザー光４１～４６２の進行方向を平面Ｆ１に対してθ１度変化させる。これにより、レーザー光４１～４６は、平面Ｆ１からθ１度傾いた方向に出力され、対象物１０５に照射される。

図６Ａには、溝間隔が比較的狭い状態の光学素子２０４が示されている。図６Ｂに示されているように、光学素子２０４は、分光素子２０３によって分光されたレーザー光４１～４６の進行方向を平面Ｆ１に対してθ２（＜θ１）度変化させる。これにより、レーザー光４１～４６は、平面Ｆ１からθ２度傾いた方向に出力され、対象物１０５に照射される。

このように、制御部２０５は、分光素子２０３の回折溝Ｍ２の溝間隔を制御することで、分光後のレーザー光４１～４６の進行方向を、平面Ｆ１に対して変化させることができる。よって、レーザー光４１～４６の照射位置を、平面Ｆ１に対して垂直な方向にシフトさせることができる。

受光装置１０４は、レーザー光４１～４６が対象物１０５に照射されたことによって生じる反射光５１～５６を受光する。

ＬｉＤＡＲシステム２００において、溝間隔を変化させる電気信号と反射光５１～５６を受光するタイミングとを同期させることで、対象物１０５に２次元的に位置する照射位置と、レーザー光４１～４６の出射面との距離を導出することができる。

また、エミッター１１、１２、２１、２２、３１、３２同士の間隔を狭くすることで、測距精度を高めることができるので、対象物１０５の表面の凹凸部を精度よく測定できる。

以上、説明した通り、第２実施形態に係る光学システム２１０は、分光素子１０３よりもレーザー光４１～４６の進行方向下流側に配置され、光学状態に応じてレーザー光４１～４６の進行方向を切り替える光学素子２０４を備える。

これにより、光学素子２０４の光学状態を制御することで、分光されたレーザー光４１～４６の進行方向を変更することができる。よって、対象物１０５に対してレーザー光４１～４６を２次元的に照射することができる。

また、レーザー光４１～４６の進行方向を光学的に変更できるので、機械的な走査系を使用してレーザー光４１～４６を走査する場合と比べて、走査系の部品の摩耗等による走査誤差が生じない。

光学システム２１０は、光学素子２０４の光学状態を変化させる信号を光学素子２０４に出力する制御部２０５を備える。光学素子２０４は、音響光学素子である。

これにより、電気信号により光学素子２０４の光学状態を自在に制御することができる。

分光素子１０３及び光学素子２０４には、それぞれ回折溝Ｍ１、Ｍ２が形成されており、光学素子２０４は、分光素子１０３の回折溝Ｍ１の延在方向に対して光学素子２０４の回折溝Ｍ１の延在方向が垂直となるように配置されている。

よって、分光されたレーザー光４１～４６の進行方向を、レーザー光４１～４６の光軸が含まれる平面Ｆ１に対して、回折溝Ｍ２の溝間隔及び波長に応じた角度、変更することができる。よって、対象物１０５に対してレーザー光４１～４６をより広範囲に照射することができる。

（変形例）
実施形態では、光学システム１１０は、複数のエミッターが形成されているＬＤバーを１つのみ備えていてもよい。また、光学システム１１０は、ＬＤバーに替えて、１つのエミッターが形成されているレーザーダイオード（ＬＤ）を複数個備えていてもよい。これらのいずれの場合であっても、光学システム１１０は、広範囲にレーザー光を照射させることができる。

上記各実施形態及び各変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示は、多数のレーザー光を対象物に照射して、物体までの距離及び対象物の凹凸・形状を測定する光学システム、及び、ＬｉＤＡＲシステムに好適に適用できる。

１～３ ＬＤバー
３０１～３ｉ ＬＤバー
１１、１２、２１、２２、３１、３２ エミッター
２０ 合成レーザー光
４１～４６ レーザー光
５１～５６ 反射光
１００ ＬｉＤＡＲシステム
１０１ 回折格子
１０２ 外部共振ミラー
１０３ 分光素子
１０４ 受光装置
１０５ 対象物
１１０ 光学システム
１１３ 合成レーザー光
１２０ 合成部
２００ ＬｉＤＡＲシステム
２０３ 分光素子
２０４ 光学素子
２０５ 制御部
２１０ 光学システム
３００ ＷＢＣシステム
３０１ ＬＤバー
３１１ 回折格子
３１２ 外部共振ミラー
３１３ 合成レーザー光
４００ ＷＢＣシステム
５００ ＬＤバー
５０１～５３０ エミッター
５４１～５４２ レーザー光
６００ 平面
Ｆ１ 平面
Ｍ１ 回折溝
Ｍ２ 回折溝

Claims (9)

1. 第１レーザー光を出射する複数のエミッターと、
   前記複数の第１レーザー光に基づいて、互いに異なる波長を有する複数の第２レーザー光が合成された合成レーザー光を生成する合成部と、
   前記合成レーザー光を受光し、前記複数の第２レーザー光を互いに異なる方向に出射させる分光素子と、
   を備える光学システム。
2. 前記複数の第２レーザー光に基づく複数の反射光を受光する受光装置をさらに備える、
   請求項１に記載の光学システム。
3. 前記受光装置は、前記複数の反射光を波長毎に検出する、
   請求項２に記載の光学システム。
4. 前記分光素子よりも前記第２レーザー光の進行方向下流側に配置され、光学状態に応じて前記複数の第２レーザー光の進行方向を切り替える光学素子をさらに備える、
   請求項１から３のいずれかに記載の光学システム。
5. 前記光学状態を変化させる信号を前記光学素子に出力する制御部をさらに備え、
   前記光学素子は、音響光学素子である、
   請求項４に記載の光学システム。
6. 前記分光素子及び前記光学素子には、回折溝が形成されており、
   前記光学素子は、前記分光素子の回折溝の延在方向に対して前記光学素子の回折溝の延在方向が垂直となるように配置されている、
   請求項４または５に記載の光学システム。
7. 前記合成部は、回折格子を備えている、
   請求項１から６のいずれかに記載の光学システム。
8. 前記エミッターが複数配置されたレーザーダイオードバーを複数備える、
   請求項１から７のいずれかに記載の光学システム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の光学システムを備えるＬｉＤＡＲシステム。
   

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