JP2024079346A

JP2024079346A - 光源、検出装置及び測定装置

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Publication number: JP2024079346A
Application number: JP2022192235A
Authority: JP
Inventors: 幸央小野田; Yukio Onoda; 義朗伊藤; Yoshiro Ito; 主時田; Tsukasa Tokita; 秀倫曽根; Hidemichi Sone
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-11
Also published as: WO2024116898A1

Abstract

【課題】光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図る新たな技術を提供する。【解決手段】光源３８は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部４０と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備える。発光部４０は、発光領域の中央を含む領域に配置された第１のレーザ素子が含まれる第１のグループＧ１と、第１のグループの外側に配置された第２のレーザ素子が含まれる第２のグループＧ２と、を有する。駆動部は、第１のグループが発する光の発光強度が第２のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように発光部を駆動する。【選択図】図６

Description

本発明は、光源に関し、例えば、車両周囲の状況を検出する装置に用いられる光源に関する。

車両の周囲の状況を検出する種々の検出装置が考案されている。このような検出装置の一つとして、LiDAR（Light Detection And Ranging）が知られている。LiDARは、レーザ光を照射し、物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し、物体までの距離や方向を測定する。また、LiDARの光源として、面発光レーザ（VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting LASER））を備えた物体検出装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２０２２－１２７０７６号公報

光源としてのVCSELには、アイセーフティーの確保や消費電力の削減を考慮したアドレッサブルVCSELがある。アドレッサブルVCSELは、マトリックス状に配置された複数のエミッタをチップの上の行から下の行に順次発光することで、垂直方向の走査が可能である。LiDARでは、長距離検知するときの赤外光の照射範囲は、短距離検知のときの赤外光の照射範囲よりも狭くてよい。一方で、長距離検知するときの赤外光の出力は、狭い照射範囲において高出力が求められる。そのため、長距離検知の際には、チップ内の一部の行だけ電流を増やすことで出力を高めることが一案である。

しかしながら、一般的なアドレッサブルVCSELは、チップ内のエミッタが全て同サイズ、同間隔で形成されている。そのため、部分的に高い電流で動作すると、その部分の劣化が早くなる懸念がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図る新たな技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光源は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備える。発光部は、発光領域の中央を含む領域に配置された第１のレーザ素子が含まれる第１のグループと、第１のグループの外側に配置された第２のレーザ素子が含まれる第２のグループと、を有する。駆動部は、第１のグループが発する光の発光強度が第２のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように発光部を駆動する。

この態様によると、第１のグループが発する光の発光強度が、第１のグループの外側に配置された第２のグループが発する光の発光強度よりも高いため、第１のグループが発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源を検出装置に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。

発光部は、第１のレーザ素子のエミッタサイズが第２のレーザ素子のエミッタサイズよりも大きい。これにより、第１のグループが発する光の出力を高めることができる。

発光部は、第１のグループにおける第１のレーザ素子の配置密度が第２のグループにおける第２のレーザ素子の配置密度よりも高い。これにより、第１のグループが発する光の出力を高めることができる。

複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザであってもよい。これにより、例えば、検出装置の受光部で可視光と干渉しにくくなる。

本発明の他の態様は検出装置である。この検出装置は、光源と、対象物で反射された光源が発した光を受光する受光部と、を備える。

また、本発明の更に別の態様は測定装置である。この測定装置は、検出装置と、光源が発した光が対象物で反射されて受光部で検出されるまでの時間に基づいて検出装置と対象物との距離を算出する演算部と、を備える。

以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を製造方法、灯具や照明などの装置、発光モジュール、光源などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、光源の一部の領域での高出力化と高信頼性の両立を図ることができる。

図１（ａ）は、横一列に並んだエミッタが一方向に順次発光が可能なアドレッサブルVCSELの模式図、図１（ｂ）は、各エミッタの発光を独立して制御可能なアドレッサブルVCSELの模式図である。光源として図１（ａ）に示すVCSELを用いたLiDARを説明するための模式図である。光源から照射されるレーザ光の照射範囲を説明するための模式図である。図４（ａ）は、参考例に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図４（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。本実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。図６（ａ）は、本実施の形態の実施例１に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図６（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。図７（ａ）は、本実施の形態の実施例２に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図７（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。図８（ａ）は、本実施の形態の実施例３に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図８（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。図９（ａ）は、本実施の形態の実施例４に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図９（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（アドレッサブルVCSEL）
図１（ａ）は、横一列に並んだエミッタが一方向に順次発光が可能なアドレッサブルVCSELの模式図、図１（ｂ）は、各エミッタの発光を独立して制御可能なアドレッサブルVCSELの模式図である。図１（ａ）や図１（ｂ）に示すアドレッサブルVCSEL（以下、VCSELと称する。）１００，２００は、半導体プロセスによってチップ１０にマトリックス状に配列された複数のエミッタ１２が形成されたものである。本実施の形態に係るVCSELは、波長が９００ｎｍ程度の赤外面発光レーザであるが、他の波長のレーザであってもよい。また、各エミッタの直径は、１０～２０μｍ程度であるが、この範囲に限られず、それ以上でもそれ以下の直径であってもよい。また、エミッタ同士のピッチは、５０～１００μｍ程度であるが、この範囲に限られず、それ以上でもそれ以下のピッチであってもよい。

本実施の形態では、図１（ａ）に示す一行ごとの順次発光が可能なVCSEL１００を光源に用いたLiDARを例に説明する。なお、図１（ｂ）に示すVCSEL２００を光源に用いてもよい。図２は、光源として図１（ａ）に示すVCSELを用いたLiDARを説明するための模式図である。

図２に示すLiDAR２０は、光源１４から照射されたライン状の光Ｌ１がターゲット１６で反射し、反射したライン状の光Ｌ２が受光部１８で受光する。受光部１８は、複数の受光素子が二次元配列したものである。

光源１４から照射された光Ｌ１は、上下方向に移動しながらターゲットの表面を走査する。一方、受光部１８には、ターゲット１６で反射されたライン状の光Ｌ２が上下方向に移動しながら入射する。これにより、光源１４の特定のエミッタから出射した光は、受光部１８の対応する受光素子に入射するため、その時間差に基づいてLiDAR２０からターゲット１６までの距離を算出することができる。

図３は、光源１４から照射されるレーザ光の照射範囲を説明するための模式図である。図３に示すイメージＵは、光源１４を上方から見た照射範囲の違いを示している。領域Ｒ１は、光源から１００ｍ程度前方までに必要な照射範囲（照射角度α＝１２０°）であり、領域Ｒ２は、光源から２００～３００ｍ程度前方までに必要な照射範囲（照射角度β＝３０°）である。また、図３に示すイメージＦは、光源から前方を見た照射範囲の違いを示している。領域Ｒ１’は、光源から１００ｍ程度前方の鉛直方向の仮想スクリーン上の照射範囲（照射角度１２０°）であり、領域Ｒ２’は、光源から２００～３００ｍ程度前方の鉛直方向の仮想スクリーン上の照射範囲（照射角度３０°）である。

図３に示すように、領域Ｒ２’は、狭い範囲であるものの遠方に位置するため、強い光で照射する必要がある。図４（ａ）は、参考例に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図４（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。なお、以下の説明では、各光源は、複数のエミッタがマトリックス状に配置されている例を示すが、レイアウトはこれに限られない。

参考例に係る光源２２は、図４（ａ）に示すように、各行のエミッタの発光領域は全て１ｍｍ^２／行である。また、光源２２の中央の行（上から４～６行）のエミッタ２２ａ２に印加する電流は２Ａ／行、光源２２の上部の行（上から１～３行）及び下部の行（上から７～９行）のエミッタ２２ａ１に印加する電流は１Ａ／行である。したがって、図４（ｃ）に示すように、光源２２の中央の行の電流密度は２Ａ／ｍｍ^２、光源２２の上の行及び下の行の電流密度は１Ａ／ｍｍ^２である。この場合、特定の行に高い電流を印加することで、遠方を照射する光の放射強度を高くすることは可能であるが、電流密度が高い光源２２の中央の領域のエミッタが優先的に劣化する可能性がある。

そこで、本実施の形態では、特定の行のエミッタの径や配置密度（レイアウト）を他の行のエミッタの径や配置密度（レイアウト）と異ならせることで、特定の行の高出力のエミッタの劣化を抑制できる光源を実現した。

図５は、本実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。測定装置２４は、検出装置２６と、演算部３１と、を備える。演算部３１は、光源２８が発した光Ｌ１が対象物３０で反射された光Ｌ２として受光部３２で検出されるまでの時間に基づいて検出装置２６と対象物３０との距離を算出する。検出装置２６は、光源２８と、受光部３２と、を備える。

光源２８は、光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部３４と、複数のグループに分けられた複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部３６と、を備える。本実施の形態に係る複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザが好ましい。これにより、例えば、検出装置２６の受光部３２で可視光（太陽光）と干渉しにくくなる。また、受光部３２は、CMOSやCCD等のイメージセンサが用いられる。

図６（ａ）は、本実施の形態の実施例１に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図６（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。

実施例１に係る光源３８は、図６（ａ）に示すように、光源３８の中央の各行のエミッタ３８ａ２の発光領域が２ｍｍ^２／行である。また、光源３８の上部の各行及び下部の各行のエミッタ３８ａ１の発光領域が１ｍｍ^２／行である。また、図６（ｂ）に示すように、光源３８の中央の各行に印加する電流は２Ａ、光源２２の上部の行及び下部の各行に印加する電流は１Ａである。

したがって、図６（ｃ）に示すように、光源３８の中央の各行の電流密度は１Ａ／ｍｍ^２、光源３８の上部の各行及び下部の各行の電流密度も１Ａ／ｍｍ^２である。この場合、特定の中央の行のエミッタ３８ａ２に高い電流を印加しても、エミッタサイズも大きく発光領域も広いため、光源３８の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。なお、エミッタ３８ａ２のサイズ（直径）は、同じ行の全てで同じにしてもよいし、同じ行の中央部に形成されているエミッタ３８ａ２のサイズを同じ行の他のエミッタ３８ａ２のサイズよりも大きくしてもよい。

このように、実施例１に係る光源３８の発光部４０は、発光領域の中央を含む領域に配置されたエミッタ３８ａ２（第１のレーザ素子）が含まれる第１のグループＧ１（上から４～６行の中央の行）と、第１のグループの外側に配置されたエミッタ３８ａ１（第２のレーザ素子）が含まれる第２のグループＧ２（上から１～３行、７～９行）と、を有する。駆動部３６は、第１のグループＧ１が発する光の発光強度（２Ａに対応する相対強度）が第２のグループＧ２が発する光の発光強度（１Ａに対応する相対強度）よりも高くなるように発光部４０を駆動する。

これにより、エミッタ３８ａ２が発する光の発光強度が、第１のグループＧ１の上下方向外側に配置されたエミッタ３８ａ１が発する光の発光強度よりも高いため、第１のグループＧ１が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源３８を検出装置２６に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。

また、発光部４０は、エミッタ３８ａ２のエミッタサイズがエミッタ３８ａ１のエミッタサイズよりも大きい。これにより、第１のグループＧ１が発する光の出力を高めることができる。

図７（ａ）は、本実施の形態の実施例２に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図７（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。

実施例２に係る光源４２は、図７（ａ）に示すように、光源４２の中央の各行のエミッタ４２ａ２の発光領域が２ｍｍ^２／行である。また、光源４２の上部の各行及び下部の各行のエミッタ４２ａ１の発光領域が１ｍｍ^２／行である。また、図７（ｂ）に示すように、光源４２の中央の各行に印加する電流は２Ａ、光源４２の上部の各行及び下部の各行に印加する電流は１Ａである。一方、第１のグループＧ１の各行に形成されているエミッタ４２ａ２の数は、第２のグループＧ２の各行に形成されているエミッタ４２ａ１の数の２倍である。したがって、図６（ｃ）に示すように、光源３８の中央の各行の電流密度は１Ａ／ｍｍ^２、光源４２の上部の各行及び下部の各行の電流密度も１Ａ／ｍｍ^２である。この場合、特定の中央の行のエミッタ４２ａ２に高い電流を印加しても、各行のエミッタ４２ａ２の数が多く発光領域も広いため、光源４２の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。

これにより、エミッタ４２ａ２が多く形成されている中央で発する光の発光強度が、第１のグループＧ１の外側に配置されたエミッタ４２ａ１が少なく形成されている上部の行及び下部の行において発する光の発光強度よりも高いため、第１のグループＧ１が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源４２を検出装置２６に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。

また、発光部４４は、第１のグループＧ１におけるエミッタ４２ａ１の配置密度（１行あたりの数）が第２のグループＧ２におけるエミッタ４２ａ２の配置密度よりも高い。これにより、第１のグループＧ１が発する光の出力を高めることができる。

図８（ａ）は、本実施の形態の実施例３に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図８（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。

実施例３に係る光源４６は、図８（ａ）に示すように、光源４６の中央の各行のエミッタ４２ａ２の発光領域が１．３３ｍｍ^２／行である。また、光源４６の上部の各行及び下部の各行のエミッタ４６ａ１の発光領域が１ｍｍ^２／行である。また、図８（ｂ）に示すように、光源４２の中央の行に印加する電流は１．３３Ａ、光源２２の上部の行及び下部の行に印加する電流は１Ａである。一方、第１のグループＧ１の各行に形成されているエミッタ４６ａ２の数は、第２のグループＧ２の各行に形成されているエミッタ４２ａ１の数の１．５倍である。また、グループＧ１の各行に形成されているエミッタ４６ａ２は、左右端部ではグループＧ２の各行に形成されているエミッタ４６ａ１と同じ間隔であるが、中央部ではグループＧ２の各行に形成されているエミッタ４６ａ１の半分の間隔である。

したがって、図８（ｃ）に示すように、光源４６の中央の各行の電流密度は１Ａ／ｍｍ^２、光源４６の上部の各行及び下部の各行の電流密度も１Ａ／ｍｍ^２である。この場合、特定の中央の行のエミッタ４６ａ２に高い電流を印加しても、各行のエミッタ４６ａ２の数が多く発光領域も広いため、光源４６の全域の各行の電流密度は一様であり、中央の領域のエミッタが優先的に劣化することを抑制できる。このように、実施例３に係る光源４６は、実施例２に係る光源４２と比較して、同じ行でもエミッタの配置密度が異なる（中央の密度が高い）。

これにより、エミッタ４６ａ２が多く形成されている光源４６の中央（領域Ｓ）で発する光の発光強度が、第１のグループＧ１の外側に配置されたエミッタ４６ａ１が少なく形成されている上部の行及び下部の行において発する光の発光強度よりも高いため、第１のグループＧ１が発する光がより遠方まで届く。そのため、この光源４６を検出装置２６に用いた場合、より遠方の物体を検知しやすくなる。

図９（ａ）は、本実施の形態の実施例４に係る光源におけるVCSELの各行のエミッタの発光面積を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すように配置されているエミッタの特定行に高い電流を印加した状態を示す図、図９（ｃ）は、各行の発光面積に対する電流密度を示す図である。

実施例４に係る光源４８は、図９（ａ）に示すように、光源４８の中央の各行のエミッタ４８ａ２の発光領域が１ｍｍ^２／行である。また、光源４８の上部の各行及び下部の各行のエミッタ４８ａ１の発光領域も１ｍｍ^２／行である。また、図９（ｂ）に示すように、光源４８の中央の行に印加する電流は２Ａ、光源４８の上部の行及び下部の行に印加する電流は１Ａである。一方、第１のグループＧ１の各行に形成されているエミッタ４８ａ２の数は、第２のグループＧ２の各行に形成されているエミッタ４８ａ１の数と同数である。したがって、図９（ｃ）に示すように、光源３８の中央の行の電流密度は２Ａ／ｍｍ^２、光源４８の上部の行及び下部の行の電流密度は１Ａ／ｍｍ^２である。このように、特定の中央の行のエミッタ４８ａ２に高い電流を印加すると、図４の参考例に係る光源２２と同様に、優先的に劣化する可能性がある。そこで、実施例４に係る光源４８では、中央の行間を、上部の行間及び下部の行間より広げることで、中央の行のエミッタ４８ａ２の温度Ｔｊの上昇を抑えることができる。

なお、上述の各光源では、各行のエミッタの発光が隣接する一行毎に順次行われるが、例えば、奇数行を順次発光した後に偶数行を順次発光するように駆動部が発光部を駆動してもよい。これにより、光源の発熱箇所が分散され、光源の放熱性が向上する。

以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態や各実施例に限定されるものではなく、実施の形態や各実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や各実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態や各実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０チップ、１２エミッタ、１４光源、１６ターゲット、１８受光部、２０ LiDAR、２４測定装置、２６検出装置、２８光源、３０対象物、３１演算部、３２受光部、３４発光部、３６駆動部、３８光源、３８ａエミッタ、４０発光部、Ｇ１第１のグループ、Ｇ２第２のグループ。

Claims

光を発する複数のレーザ素子をマトリックス状に配置した発光部と、
複数のグループに分けられた前記複数のレーザ素子をグループ毎に駆動する駆動部と、を備え、
前記発光部は、発光領域の中央を含む領域に配置された第１のレーザ素子が含まれる第１のグループと、前記第１のグループの外側に配置された第２のレーザ素子が含まれる第２のグループと、を有し、
前記駆動部は、前記第１のグループが発する光の発光強度が前記第２のグループが発する光の発光強度よりも高くなるように前記発光部を駆動することを特徴とする光源。
前記発光部は、前記第１のレーザ素子のエミッタサイズが前記第２のレーザ素子のエミッタサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光源。
前記発光部は、前記第１のグループにおける前記第１のレーザ素子の配置密度が前記第２のグループにおける前記第２のレーザ素子の配置密度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の光源。
前記複数のレーザ素子は、赤外面発光レーザであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源と、
対象物で反射された前記光源が発した光を受光する受光部と、
を備える検出装置。
請求項５に記載の検出装置と、
前記光源が発した光が対象物で反射されて前記受光部で検出されるまでの時間に基づいて前記検出装置と前記対象物との距離を算出する演算部と、
を備える測定装置。