JP2023159092A - 光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置 - Google Patents

光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光偏向器の小型化を図りつつ光量を確保する。【解決手段】所定の角度で発散する光ビームを出射する光源部と、前記光源部からの前記光ビームを成形する投光光学素子と、前記投光光学素子からの前記光ビームを偏向走査する偏向面を有する光偏向器と、を有し、前記所定の角度の半角をθ、前記偏向面のサイズの半幅をａ、前記投光光学素子の焦点距離をｆ、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をαと定義したとき、次の条件式を満足し、前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、直交する第１、第２の方向が規定されており、前記第１、第２の方向における前記投光光学素子の焦点距離が異なっており、前記第１、第２の方向のうち前記投光光学素子の焦点距離が短い方向における前記投光光学素子としてのシリンドリカルレンズのレンズ面が非円弧形状である光走査装置。TIFF2023159092000017.tif1238【選択図】図２

Description

本発明は、光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置に関する。
従来、光ビームを照射領域に偏向走査する光走査装置、並びに、照射した光ビームを用いて物体の有無や物体までの距離等を検出する物体検出装置及びこれを用いたセンシング装置が知られている。このような装置は、特に、レーザレーダ及びＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれることがある。
ＬＩＤＡＲは、例えば、走行中の車両（移動体）の前方における物体の有無や物体までの距離等を検出する。ＬＩＤＡＲは、光源から出射したレーザ光を物体に照射・投光し、その物体から反射又は散乱された光を受光器で検出することで、所望の範囲における物体の有無や物体までの距離等を検出する。
特許文献１には、対象物に向けて出射されたレーザ光の戻り光を受光部が受光することにより対象物までの距離を計測する計測装置が開示されている。計測装置は、レーザ光を出射する出射部と、出射されたレーザ光を透過し、当該レーザ光の光路を含む所定領域を通過する戻り光を反射して受光部に受光させる光学素子とを有している。また計測装置は、出射部が出射するレーザ光を光走査部（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー）へ反射し、かつ、光走査部から入射した戻り光を光学素子へ集光させるように配置された凹面鏡を有している。
特許文献１では、レーザ光を光走査部（ＭＥＭＳミラー）で走査し、物体で反射又は散乱された光を、再度光走査部を介して受光部で受光することで、所望の範囲における物体の有無や物体までの距離等を検出する。このように、レーザ光と検出器で検出できる検出可能領域の両方を走査する走査型ＬＩＤＡＲは、検出が必要な部分のみにレーザ光を集中できるので、検出精度や検出距離の点で有利である。また、検出器による検出可能領域を最小限にすることができるため、検出器のサイズを小型にしやすく、コスト的にも有利である。
特許文献１では、所望の角度範囲（有効走査領域）で光ビームを走査する方式として、ＭＥＭＳミラーを用いている。ＭＥＭＳミラーの他にも、ポリゴンミラーなど種々の走査機構があるが、その偏向性能に鑑みると、ミラーのサイズは小さい方が好ましい。例えば、ＭＥＭＳミラーでいうと、ミラーのサイズは共振周波数や振幅とのトレードオフがあり、高い共振周波数や大きい振幅がシステムとしては望まれるが、これを達成するためにミラーのサイズを小さくすると、ミラーの大口径化との両立が困難となる。また、ポリゴンミラーでは、偏向面のサイズが小さいと、偏向面を含むロータの重量を軽減でき、モータの負荷トルクが下がるので、低消費電力化、風切り音の静音化、振動や衝撃などの外乱時の回転特性の安定化などを図ることができる。
特許文献１では、ＭＥＭＳミラーのサイズを規定するために、ＭＥＭＳミラーへの入射光束径を投光光学系のアパーチャなどの光学素子で規制している。また、ＭＥＭＳミラーのサイズを最大限に活かすために、他分野の装置においても、ＭＥＭＳミラーへ入射するビームの光束幅を規制するアパーチャを調整することにより、入射ビームの中心とＭＥＭＳミラーの中心を合わせることが提案されている（例えば特許文献２、３）。
特開２０１８－１５１２７８号公報 特許第４９６５２８４号公報 国際公開第２０１５／３３４９４号パンフレット
しかしながら、上記のようなアパーチャにより入射光束の一部をカットすることで偏向器への入射位置を調整する技術は、多くの光量を必要とする物体検出装置（レーザレーダ、ＬＩＤＡＲ）に用いるには必ずしも適切とは言えない場合があり、この点で改良の余地があった。
本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、光偏向器の小型化を図りつつ光量を確保することができる光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置を提供することを目的とする。
本実施形態の光走査装置は、所定の角度で発散する光ビームを出射する光源部と、前記光源部からの前記光ビームを成形する投光光学素子と、前記投光光学素子からの前記光ビームを偏向走査する偏向面を有する光偏向器と、を有し、前記所定の角度の半角をθ、前記偏向面のサイズの半幅をａ、前記投光光学素子の焦点距離をｆ、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をαと定義したとき、次の条件式を満足し、前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向が規定されており、前記第１、第２の方向における前記投光光学素子の焦点距離が異なっており、前記第１、第２の方向のうち前記投光光学素子の焦点距離が短い方向における前記投光光学素子としてのシリンドリカルレンズのレンズ面の形状が非円弧形状であることを特徴とする。
Figure 2023159092000002
本実施形態の光走査装置は、所定の角度で発散する光ビームを出射する光源部と、前記光源部からの前記光ビームを成形する投光光学素子と、前記投光光学素子からの前記光ビームを偏向走査する偏向面を有する光偏向器と、を有し、前記所定の角度の半角をθ、前記偏向面のサイズの半幅をａ、前記投光光学素子の焦点距離をｆ、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をαと定義したとき、次の条件式を満足し、前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向が規定されており、前記第１、第２の方向における前記投光光学素子の焦点距離が異なっており、前記第１、第２の方向のうち前記投光光学素子の焦点距離が短い方向における前記投光光学素子が３面以上の構成であることを特徴とする。
Figure 2023159092000003
本発明によれば、光偏向器の小型化を図りつつ光量を確保することができる光走査装置、物体検出装置及びセンシング装置を提供することができる。
第１実施形態による光走査装置の構成の一例を示す図である。 第１実施形態による光走査装置における各種パラメータを示す図である。 投光光学素子からの光ビームのＺ方向の角度に対する角度強度分布を示すグラフである。 第１実施形態による物体検出装置の構成の一例を示す図である。 ＴＯＦ方式による距離計測を実現する物体検出装置の機能ブロック図である。 遮光部材を設けた走査光学装置の一例を示す図である。 第２実施形態による光走査装置の構成及び作用効果を示す第１の図である。 第２実施形態による光走査装置の構成及び作用効果を示す第２の図である。 第３実施形態による光走査装置の構成及び作用効果を示す図である。 第５実施形態において投光光学素子を複数面のレンズ面で構成した場合の一例を示す図である。 第６実施形態によるセンシング装置の構成の一例を示す図である。
≪第１実施形態≫
図１～図６を参照しながら、第１実施形態による光走査装置１について詳細に説明する。以下の説明におけるＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は、図中に示す矢線方向を基準とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は互いに直交する三次元空間を構成する。
図１は、第１実施形態による光走査装置１の構成の一例を示す図である。
光走査装置１は、光源部１０と、投光光学素子２０と、光偏向器（走査ミラー）３０とを有している。
光源部１０は、所定の角度で発散する光ビームを出射する。光源部１０は、例えば、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）から構成することができる。あるいは、光源部１０は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER））又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）等から構成することができる。このように、光源部１０をどのように構成するかには自由度があり、種々の設計変更（代用）が可能である。
投光光学素子２０は、光源部１０からの光ビームを成形する。具体的に、投光光学素子２０は、所定の角度で発散しながら入射する光ビームを略平行光に成形する。詳細は後述するが、投光光学素子２０は、例えば、発散光である光ビームをカップリングして略平行光に成形する共軸非球面レンズから構成することができる。なお、図１では、投光光学素子２０を１枚のレンズで描いているが、投光光学素子２０を複数枚のレンズから構成してもよい。
光偏向器３０は、投光光学素子２０からの光ビームを偏向走査する偏向面３１を有している。具体的に、光偏向器３０は、光源部１０と投光光学素子２０によりＸ軸方向に出射された光ビームをＸ軸方向とＺ軸方向を含むＸＺ平面の所定の走査範囲に偏向走査する。光偏向器３０による走査範囲は、例えば、偏向面３１の角度を振動や回転で変えることにより設定される。図１では、上記の走査範囲における光偏向器３０（偏向面３１）の基準位置を実線で描いており、光偏向器３０（偏向面３１）の走査位置（例えば走査両端位置）を破線で描いている。
図２は、第１実施形態による光走査装置１における各種パラメータを示す図である。図２は、図１の走査範囲のうちのある画角を走査している瞬間の状態を描いている。
図２において、θは、光源部１０からの光ビームの所定の角度（発散角）の半角を示している。光源部１０からの光ビームの所定の角度（発散角）とその半角θは、光源部１０からの光ビームのプロファイルにおいてピーク強度の１／ｅ２で表される強度となる角度（中心方向とピーク強度の１／ｅ２の強度となる方向がなす角度）で規定されている。光源部１０からの光ビームの強度がガウス型の角度分布である場合、θまたは２θの中には、光源部１０が出力する全光量の９５％の光量が含まれている。このため、光源部１０からの光量の損失を抑えるとともに、投光光学素子２０の小型化を図ることができる。
図２において、ａは、光偏向器３０の偏向面３１のサイズの半幅を示している。ここで、光偏向器３０の偏向面３１は、例えば、正方形、長方形、円形、楕円形とすることができる。光偏向器３０の偏向面３１が正方形の場合、偏向面３１のサイズは正方形の一辺の長さであり、その半分の長さが偏向面３１のサイズの半幅ａとなる。光偏向器３０の偏向面３１が長方形の場合、偏向面３１のサイズは長方形の長辺又は短辺の長さであり、その半分の長さが偏向面３１のサイズの半幅ａとなる。光偏向器３０の偏向面３１が円形の場合、偏向面３１のサイズは円形の直径であり、その半分の長さが偏向面３１のサイズの半幅ａとなる。光偏向器３０の偏向面３１が楕円形の場合、偏向面３１のサイズは楕円形の長径又は短径であり、その半分の長さが偏向面３１のサイズの半幅ａとなる。
図２において、ｆは、投光光学素子２０の焦点距離を示している。図２に示すように、光源部１０の発光点と投光光学素子２０の主平面の間隔は、投光光学素子２０の焦点距離ｆと等しくなるように配置されている。これにより、光源部１０からの光ビームが投光光学素子２０で略平行光になるように成形される。
図２において、αは、光偏向器３０の偏向面３１に対する光ビームの入射角を示している。αは、別言すると、光偏向器３０の偏向面３１の法線と、光偏向器３０の偏向面３１に入射する前の光ビームの中心光線（光軸）とのなす角度である。
図２において、投光光学素子２０で成形された光ビームの光束径ｈは、以下の数式で表される。
Figure 2023159092000004
上記の光ビームが光偏向器３０の偏向面３１に入射角αで入射しているが、このとき、光偏向器３０の偏向面３１における光ビームの光束径は、以下の数式で表される。
Figure 2023159092000005
上記の光ビームが光偏向器３０の偏向面３１でけられないように光偏向器３０の偏向面３１のサイズ２ａ（半幅ａ）を、以下の条件式で規定する。
Figure 2023159092000006
上記の数式を整理すると、第１実施形態の光走査装置１が満足するべき以下の条件式が導かれる。
Figure 2023159092000007
優れた偏向性能という観点からは、光偏向器３０の偏向面３１のサイズ２ａ（半幅ａ）は小さいことが望ましい。また光源部１０からの光ビームの所定の角度（発散角）とその半角θは制御することが難しいため、投光光学素子２０の焦点距離ｆを短く設計することによって、光偏向器３０（偏向面３１）の小型化を図りつつ光量を確保することができる。さらに、光走査装置１を物体検出装置２及びセンシング装置３に適用した場合には、より長距離の物体を精度よく検出することができる。その際、上述した特許文献２、３のようにアパーチャにより入射光束の一部をカットするのではなく、焦点距離が短い投光光学素子２０によるカップリング状態で光束径を設定するので、光偏向器３０（偏向面３１）を小さくしながら十分な光量を確保することができる。この作用効果は、光偏向器３０の任意の走査範囲（画角）において得ることができる。
ところで、投光光学素子２０の焦点距離ｆを短くした場合、投光光学素子２０のレンズ面の曲率が強くなり、収差の影響が大きくなってくる。このため、第１実施形態では、投光光学素子２０を共軸非球面レンズから構成することにより、球面収差を極力抑えた設計としている。
図３は、投光光学素子２０からの光ビームのＺ方向の角度に対する角度強度分布（走査方向角度と角度強度の関係性）を示すグラフである。図３において、実線は、投光光学素子２０を共軸非球面レンズから構成した第１実施形態（実施例）のプロファイルを示しており、破線は、投光光学素子を球面レンズから構成した比較例のプロファイルを示している。比較例では、収差によってビームプロファイルの裾野が大きく広がってしまっており、ガウス分布とは大きくかけ離れて、受光画角より外の角度に、全光量の２０％が含まれてしまっており、これがそのまま光量のロスとなってしまう。これに対して、第１実施形態（実施例）では、投光光学素子２０を共軸非球面レンズから構成することで収差を良好に補正し、所望の受光画角に略１００％の光量が入るように設計しており、受光素子上でのけられがない状態を実現できている。
図４は、第１実施形態による物体検出装置２の構成の一例を示す図である。物体検出装置２は、光走査装置１の光源部１０と投光光学素子２０と光偏向器３０に加えて、受光光学系４０と、受光光学素子５０と、駆動基板６０とを有している。
光偏向器３０によって光ビームを走査する領域内に物体がある場合、光ビームが物体によって反射又は散乱する。物体によって反射又は散乱した光ビームは、受光光学系４０を通って、受光光学素子５０で受光される。受光光学素子５０は、光源部１０からの光ビームが検出領域に存在する物体にて反射又は散乱された光を検知し、その物体検知タイミングを決定する「物体検知部」として機能する。駆動基板６０は、光源部１０及び受光光学素子５０を駆動制御する。
受光光学系４０は、例えば、レンズ系、ミラー系及びその他の受光光学素子５０に光を集められる種々の構成の１つを採用することができる（受光光学系４０の構成には自由度があり特定の構成に限定されない）。
受光光学素子５０は、例えば、ＰＤ（Photo Diode）、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）、ＴＯＦ（Time of Flight）演算機能を画素毎に有するＣＭＯＳ撮像素子（ＴＯＦセンサ）から構成することができる。
図５は、ＴＯＦ方式による距離計測を実現する物体検出装置２の機能ブロック図である。図５に示すように、光源部１０と受光光学素子５０とを接続する構成要素として、波形処理回路７０と、時間計測回路８０と、測定制御部９０と、光源駆動回路１００とが設けられている。
波形処理回路７０は、受光光学素子５０が受光した光ビームに所定の波形処理を施して検出信号を出力する。時間計測回路８０は、波形処理回路７０からの検出信号に基づいて、光源部１０の発光タイミングから受光光学素子５０の物体検知タイミングまでの時間を計測し、その時間計測結果を出力する。測定制御部９０は、時間計測回路８０から入力した光源部１０の発光タイミングから受光光学素子５０の物体検知タイミングまでの時間計測結果（光源部１０の発光タイミングと受光光学素子５０の物体検知タイミング）に基づいて、検出領域に存在する物体の情報を検出する。また、測定制御部９０は、検出した物体の情報に基づいて、光源駆動信号を出力する。光源駆動回路１００は、測定制御部９０からの光源駆動信号に基づいて、光源部１０の発光を制御する。
光源部１０をパルス発光させたタイミングから、物体を経由して返ってきた光ビームが受光光学素子５０に到達するまでの時間を波形処理回路７０、時間計測回路８０を介して測定し、その値を光速と掛け合わせると、光が物体検出装置２から物体まで往復する距離が算出される。投光系と受光系は物体に対してほとんど同距離にあり、光源部１０から物体までの距離と、物体から受光光学素子５０までの距離とが略同一とみなせることを利用して、求めた往復の距離の半分を、物体検出装置２から物体までの距離として算出する。
物体検出装置２は、物体による反射光又は散乱光の一部を受光するので、遠距離であるほど、物体から返ってくる光量は小さくなる。よって、遠距離の物体まで検出するためには、より大きな光量を投光することが必要となるが、前述の投光光学系（条件式を満足するように投光光学素子２０の焦点距離ｆを短く設定したもの）を用いることで、光偏向器３０を小型に保ちつつ、遠距離の物体の情報を高精度に検出することができる。
ところで、第１実施形態では投光光学系にアパーチャなどを設けていないため、投光光学素子２０でカップリングされずに発散する角度が大きい光が、光源部１０と投光光学素子２０の間から漏れる場合がある。この漏れ光が受光光学系４０に入射すると、検出領域に物体がなくても受光信号が発生するため、誤検知が起こるおそれがある。
そこで、第１実施形態では、図６に示すように、光源部１０と投光光学素子２０の間を鏡筒部材１１０で囲って漏れ光が受光光学素子５０に導光されないようにしている。すなわち、鏡筒部材１１０は、光源部１０からの光ビームのうち投光光学素子２０に入射しない光を遮光する「遮光部材」として機能する。なお、ここでは鏡筒部材１１０を「遮光部材」とした場合を例示したが、「遮光部材」を実現するための構成はこれに限定されない。例えば、光源部１０と投光光学素子２０の位置関係を調整する構成とするために、単純に投光光学系と受光光学系の間に遮光壁を立てるなど、種々の構成が考えられる。
≪第２実施形態≫
図７、図８を参照して、第２実施形態による光走査装置１について詳細に説明する。図７、図８は、第２実施形態による光走査装置１の構成及び作用効果を示す第１、第２の図である。
第１実施形態は、光源部１０の発光領域のサイズを考慮することなく条件式を規定している。これに対して、第２実施形態は、光源部１０の発光領域のサイズを考慮して条件式をより最適化している。
図７Ａに示すように、光源部を点光源として捉えた場合、光源部の発光点から投光光学素子の主平面までの光路長を投光光学素子の焦点距離ｆとすると、光源部から出力されて投光光学素子で成形される光ビームは略平行光となる。
これに対して、より遠距離の物体を検出するためにより高出力な光源部を用いる場合、光源部の発光領域の面積を大きくして出力を上げることが一般的に行われる。このとき、図７Ｂに示すように、光源部の発光領域から投光光学素子の主平面までの光路長を投光光学素子の焦点距離ｆに配置しても、光源部の発光領域の面積の影響を受けて、光源部から出力されて投光光学素子で成形される光ビームは平行光とはならない。
図７Ｂでは、光源部の発光領域の中心部から出る光ビームを実線で描き、光源部の発光領域の一端部（図中の上端部）から出る光ビームを破線で描き、光源部の発光領域の他端部（図中の下端部）から出る光ビームを二点鎖線で描いている。図７Ｂに示すように、光源部の発光領域の中心部から出る光ビーム（実線）は、図７Ａと同じ挙動（振る舞い）で、投光光学素子で略平行光に成形される。一方、光源部の発光領域の一端部と他端部から出る光ビームは、投光光学素子を出た後に光束径が広がる成分を持つ。光源部の発光領域の一端部と他端部から出る光線（破線、二点鎖線）の一成分は、投光光学素子の主平面でその光軸を通過すると直進する。この光ビームは、投光光学素子のカップリングで略平行光となるので、投光光学素子の端部に入射した光線も同様の角度で出射する。このため、光ビームは、図７Ｂにφ又はφ／２で示す角度で広がることになる。以上の性質上、光源部の発光領域のサイズ（面積）が大きいほど、光ビームの広がり角度φ又はφ／２が大きくなる（無視できなくなってくる）。
図８において、ｄは、光源部１０の発光領域のサイズの半幅を示している。ここで、光源部１０の発光領域は、例えば、正方形、長方形、円形、楕円形とすることができる。光源部１０の発光領域が正方形の場合、光源部１０の発光領域のサイズは正方形の一辺の長さであり、その半分の長さが光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄとなる。光源部１０の発光領域が長方形の場合、光源部１０の発光領域のサイズは長方形の長辺又は短辺の長さであり、その半分の長さが光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄとなる。光源部１０の発光領域が円形の場合、光源部１０の発光領域のサイズは円形の直径であり、その半分の長さが光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄとなる。光源部１０の発光領域が楕円形の場合、光源部１０の発光領域のサイズは楕円形の長径又は短径であり、その半分の長さが光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄとなる。
図８において、Ｌは、投光光学素子２０の主平面から光偏向器３０の偏向面３１までの光路長を示している。
図８におけるθとｆは、図２で説明した通りである。すなわち、θは、光源部１０からの光ビームの所定の角度（発散角）の半角を示している。ｆは、投光光学素子２０の焦点距離を示している。
図８において、光偏向器３０の偏向面３１における光束幅（半幅）は、以下の数式で表される。
Figure 2023159092000008
そして、光偏向器３０の偏向面３１への光ビームの入射角を考慮して、光偏向器３０の偏向面３１のサイズ２ａ（半幅ａ）を、以下の条件式で規定する。この条件式が、第２実施形態の光走査装置１が満足するべき条件式となる。
Figure 2023159092000009
あるいは、光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄが他のパラメータのスケールオーダに比べてはるかに小さいことから、ｄを削除した次の条件式を適用してもよい。
Figure 2023159092000010
≪第３実施形態≫
図９を参照して、第３実施形態による光走査装置１について詳細に説明する。図９は、第３実施形態による光走査装置１の構成及び作用効果を示す図である。
第３実施形態では、光源部１０からの光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向を規定している。ここでは、第１の方向をＺ軸方向とＸ軸方向を含むＺＸ平面における方向とし、第２の方向をＸ軸方向とＹ軸方向を含むＸＹ平面における方向とした場合を例示して説明する。第１の方向（ＺＸ平面）と第２の方向（ＸＹ平面）では、光源１０の発光領域のサイズや光ビームの発散角度が異なり、それに応じて、投光光学素子２０を第１、第２の方向に対応した異なる焦点距離のシリンドリカルレンズとして構成することができる。
図９では、第１の方向（ＺＸ平面）における光線の様子を実線で描き、第２の方向（ＸＹ平面）における光線の様子を破線で描いている。また、投光光学素子２０のシリンドリカルレンズのうち、第１の方向にパワーを持つものを「投光光学素子１」として説明し、第２の方向にパワーを持つものを「投光光学素子２」として説明している。また、図９では、作図の便宜上の理由により、第１、第２の方向における光源部１０の発光領域径は図示していない（後述する条件式では光源部１０の発光領域径を考慮している）。また、図９では、理解の容易化を図るために、第１、第２の方向にかかる異なる平面における光線の振る舞いを重ねて描画している。
光源部１０は、活性層に水平な方向と垂直な方向で発光領域径が異なり、発光領域径が小さい方向が、発光領域径が大きい方向よりも発散する角度が大きい。第１の方向（ＺＸ平面）は、光偏向器３０による走査平面である。第２の方向（ＸＹ平面）は、光偏向器３０による非走査平面である。図９の例では、第１の方向が、第２の方向に比べて、光源部１０の発光領域径が小さく、このため発散する角度が大きい。また、第１の方向は、投光光学素子１でのカップリング後、光線の広がる角度が小さくなりやすい。
特に、投光光学素子群（投光光学素子１、２）から光偏向器３０の偏向面３１までの間隔Ｌ１、Ｌ２は、実際にはその他の光学素子などが入ることで、図９に示すよりも長くなることが多い。この場合、光偏向器３０の偏向面３１での光束幅は、第１の方向のものの方が小さくなりやすい。光偏向器３０の偏向面３１の角度が変わり、特に、光源部１０と反対側の画角端では、光偏向器３０の偏向面３１への入射ビームの入射角が大きくなり、図２に示したｃｏｓαの影響で、光偏向器３０の偏向面３１での光束径が大きくなる要素が入ってくる。そこで、光偏向器３０の偏向面３１で光ビームがけられないようにするため、光源部１０の発光領域が小さい方を第１の方向とすることが望ましい。
図９において、θ１、θ２は、第１、第２の方向における光源部１０からの光ビームの所定の角度（発散角）の半角を示している。
図９には図示していないが、後述の条件式で登場するａ１、ａ２は、第１、第２の方向における光偏向器３０の偏向面３１のサイズの半幅を示している。
図９において、ｆ１、ｆ２は、第１、第２の方向における投光光学素子２０の焦点距離を示している。
図９には図示していないが、後述の条件式で登場するα１、α２は、第１、第２の方向における光偏向器３０の偏向面３１に対する光ビームの入射角を示している。
図９において、ｄ１、ｄ２は、第１、第２の方向における光源部１０の発光領域のサイズの半幅を示している。
図９において、Ｌ１、Ｌ２は、第１、第２の方向における投光光学素子２０の主平面から光偏向器３０の偏向面３１までの光路長を示している。
第３実施形態では、第１の方向（ＺＸ平面）と第２の方向（ＸＹ平面）で、光源１０の発光領域のサイズや光ビームの発散角度が異なることを考慮して、第２実施形態の条件式をさらに最適化している。具体的には、第１、第２の方向における光偏向器３０の偏向面３１のサイズの半幅ａ１、ａ２を以下の条件式で規定する。この条件式が、第３実施形態の光走査装置１が満足するべき条件式となる。
Figure 2023159092000011
あるいは、光源部１０の発光領域のサイズの半幅ｄ１、ｄ２が他のパラメータのスケールオーダに比べてはるかに小さいことから、ｄ１、ｄ２を削除した次の条件式を適用してもよい。
Figure 2023159092000012
≪第４実施形態≫
第３実施形態では、投光光学素子１の焦点距離ｆ１が、投光光学素子２の焦点距離ｆ２より短く、より収差の影響が出やすい構成となっている。このため、第４実施形態では、少なくとも、投光光学素子１の第１の方向にパワーを持つシリンドリカルレンズを非円弧形状で構成する。あるいは、これを一般化して、第１、第２の方向における投光光学素子１、２の焦点距離が異なっている場合に、第１、第２の方向のうち投光光学素子１、２の焦点距離が短い方向における投光光学素子１、２の形状を非円弧形状とする。これにより、狙った広がり角に光ビームの光量を束ねる（光量の散りを抑える）ことができ、光量を確保し、より遠距離の物体も検知できるようになる。一方、焦点距離が長い方の投光光学素子（投光光学素子２）の形状には自由度があるが、例えば、光量の確保を優先する場合は非円弧形状とし、成形性と組付性とコストを優先する場合は円弧形状とすることができる。なお、第４実施形態では、光偏向器３０として一軸走査ミラーを想定しているが、二軸走査ミラーなどとしてもよく、種々の変形が可能である。
≪第５実施形態≫
第３実施形態では、投光光学素子１の焦点距離ｆ１が、投光光学素子２の焦点距離ｆ２より短く、より収差の影響が出やすい構成となっている。このため、第５実施形態では、少なくとも、投光光学素子１の第１の方向にパワーを持つシリンドリカルレンズを３面以上の構成とする。あるいは、これを一般化して、第１、第２の方向における投光光学素子１、２の焦点距離が異なっている場合に、第１、第２の方向のうち投光光学素子１、２の焦点距離が短い方向における投光光学素子１、２の形状を３面以上の構成とする。これにより、狙った広がり角に光ビームの光量を束ねる（光量の散りを抑える）ことができ、光量を確保し、より遠距離の物体も検知できるようになる。一方、焦点距離が長い方の投光光学素子（投光光学素子２）の形状には自由度があるが、例えば、光量の確保を優先する場合は非円弧形状とし、成形性と組付性とコストを優先する場合は円弧形状とすることができる。図１０は、投光光学素子（非円弧形状シリンドリカルレンズ）をダブレット等の複数面のレンズ面で構成することによって収差を補正する場合の一例を示す図である。
≪第６実施形態≫
図１１は、第６実施形態によるセンシング装置３の構成の一例を示す図である。センシング装置３は、上述した物体検出装置２と、監視制御装置４とを有している。物体検出装置２と監視制御装置４は、電気的に接続されている。
センシング装置３は、例えば、車両に搭載される（車両のバンパー付近やバックミラー近傍に取り付けられる）。なお、図１１では、監視制御装置４がセンシング装置３の内部に設けられているように描いているが、監視制御装置４をセンシング装置３とは別に車両に設けることも可能である。
監視制御装置４は、物体検出装置２の出力に基づいて、物体の有無、物体の移動方向及び物体の移動速度の少なくとも１つを含む情報を取得する。また、監視制御装置４は、物体検出装置２の出力に基づいて、物体の形状や大きさの決定、物体の位置情報の算出、移動情報の算出、物体の種類の認識等の処理を行う。そして、監視制御装置４は、物体の位置情報と移動情報の少なくとも１つに基づいて、車両の走行に関する制御を行う。例えば、車両の前方に障害物があると判断された場合には、自動運転技術によって自動ブレーキを掛けるほか、アラームを出したり、ハンドルを切ったり、ブレーキを踏んだりするための指令を出す。
１ 光走査装置
２ 物体検出装置
３ センシング装置
４ 監視制御装置
１０ 光源部
２０ 投光光学素子
３０ 光偏向器（走査ミラー）
３１ 偏向面
４０ 受光光学系
５０ 受光光学素子（物体検知部）
６０ 駆動基板
７０ 波形処理回路
８０ 時間計測回路
９０ 測定制御部
１００ 光源駆動回路
１１０ 鏡筒部材（遮光部材）

Claims (9)

  1. 所定の角度で発散する光ビームを出射する光源部と、
    前記光源部からの前記光ビームを成形する投光光学素子と、
    前記投光光学素子からの前記光ビームを偏向走査する偏向面を有する光偏向器と、
    を有し、
    前記所定の角度の半角をθ、前記偏向面のサイズの半幅をａ、前記投光光学素子の焦点距離をｆ、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をαと定義したとき、次の条件式を満足し、
    Figure 2023159092000013
    前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向が規定されており、
    前記第１、第２の方向における前記投光光学素子の焦点距離が異なっており、
    前記第１、第２の方向のうち前記投光光学素子の焦点距離が短い方向における前記投光光学素子としてのシリンドリカルレンズのレンズ面の形状が非円弧形状であることを特徴とする光走査装置。
  2. 所定の角度で発散する光ビームを出射する光源部と、
    前記光源部からの前記光ビームを成形する投光光学素子と、
    前記投光光学素子からの前記光ビームを偏向走査する偏向面を有する光偏向器と、
    を有し、
    前記所定の角度の半角をθ、前記偏向面のサイズの半幅をａ、前記投光光学素子の焦点距離をｆ、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をαと定義したとき、次の条件式を満足し、
    Figure 2023159092000014
    前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向が規定されており、
    前記第１、第２の方向における前記投光光学素子の焦点距離が異なっており、
    前記第１、第２の方向のうち前記投光光学素子の焦点距離が短い方向における前記投光光学素子が３面以上の構成であることを特徴とする光走査装置。
  3. 前記光源部の発光領域のサイズの半幅をｄ、前記投光光学素子の主平面から前記偏向面までの光路長をＬと定義したとき、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査装置。
    Figure 2023159092000015
  4. 前記光源部からの前記光ビームの中心光線の進行方向と直交する面内において、互いに直交する第１、第２の方向が規定されており、
    前記第１、第２の方向において、前記所定の角度の半角をθ１、θ２、前記偏向面のサイズの半幅をａ１、ａ２、前記投光光学素子の焦点距離をｆ１、ｆ２、前記偏向面に対する前記光ビームの入射角をα１、α２、前記光源部の発光領域のサイズの半幅をｄ１、ｄ２、前記投光光学素子の主平面から前記偏向面までの光路長をＬ１、Ｌ２と定義したとき、次の条件式を満足することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
    Figure 2023159092000016
  5. 前記所定の角度は、前記光源部からの前記光ビームのプロファイルにおいてピーク強度の１／ｅ２で表される強度となる角度で規定されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査装置。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光走査装置と、
    前記光源部からの前記光ビームが検出領域に存在する物体にて反射又は散乱された光を検知し、その物体検知タイミングを決定する物体検知部と、
    を有し、
    前記光源部の発光タイミングと前記物体検知タイミングに基づいて、前記物体の情報を検出することを特徴とする物体検出装置。
  7. 前記光源部からの前記光ビームのうち前記投光光学素子に入射しない光を遮光する遮光部材を有することを特徴とする請求項６に記載の物体検出装置。
  8. 請求項６又は請求項７に記載の物体検出装置と、
    前記物体検出装置の出力に基づいて、前記物体の有無、前記物体の移動方向及び前記物体の移動速度の少なくとも１つを含む情報を取得する監視制御装置と、
    を有することを特徴とするセンシング装置。
  9. 前記センシング装置は、車両に搭載されており、
    前記監視制御装置は、前記物体の位置情報と移動情報の少なくとも１つに基づいて、前記車両の走行に関する制御を行うことを特徴とする請求項８に記載のセンシング装置。
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