JP5169136B2 - レーザビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置に関する。

レーザビーム照射装置及びこれを用いた物体認識システムや距離測定装置が、例えば、特開昭６２−８１１９号公報（特許文献１）、特開平１−１５２６８３号公報（特許文献２）及び特開平７−２５３４６０号公報（特許文献３）に開示されている。

図１５は、特許文献１に開示された物体認識システムを示す図である。

図１５に示す物体認識システムでは、レーザ光源４からのレーザ光５が、ビームエキスパンダ６により径が拡大されると共に、平行光とされる。ビームスプリッタ７を通過したレーザ光は、角度の異なる反射面を持ちモータ３によって回転されるポリゴンミラー１の各反射面２で反射される。このように、図１５の物体認識システムでは、１つのレーザ光源４から出射されたレーザビームが、ポリゴンミラー１で機械的に偏向される。ポリゴンミラー１の各反射面２で反射されたレーザ光は、紙面に垂直な方向と共に、５ａ乃至５ｃの方向に投射される。視野内に物体９が存在すると、レーザ光はこの物体９により５ｄのように反射され、続いてポリゴンミラー１の反射面２により反射され、更にビームスプリッタ７により反射され、受光素子８に至って信号として検知される。

図１６は、特許文献２に開示された半導体レーザビームスキャナを示す図である。

図１６に示す半導体レーザビームスキャナは、半導体レーザアレイ１０と１個の凸レンズ２０からなる。半導体レーザアレイは、多数の半導体レーザ構造が一列状に配列されたもので、図１６の半導体レーザアレイ１０は、一基板上に多数の半導体レーザ構造を集積して作製されたものである。半導体レーザアレイ１０において、個々のストライプ（発光点）はエッチング等により形成された溝で分離されており、各ストライプの電流を独立に制御できる。凸レンズ２０は、その口径（直径）が半導体レーザアレイ１０のすべての発光点を含むようにして、半導体レーザアレイ１０の前方に置かれている。図１６の半導体レーザビームスキャナにおいては、半導体レーザアレイ１０における発光点を順次動かすことにより、レーザビームのスポットも図のように順次方向を変えて動かすことができる。言い換えれば、図１６の半導体レーザビームスキャナは、半導体レーザアレイ１０の各発光点の位置とレンズの焦点距離によって決まる角度に各発光点のレーザビームを偏向させて、レーザビームスキャナとして機能させる。

図１７は、特許文献３に開示された自動車用の距離測定装置を示す図である。

図１７に示す距離測定装置では、パルス発生器２１が、パルス増幅器２２を介し、光源駆動用パルス信号Ｓ１を光源２３に送出する。光源２３は、光源駆動用パルス信号Ｓ１に応じて、パルス状のレーザ光を出射する。光源２３は、送信レンズ２６の焦点位置に配置され、送信レンズ２６は、光源２３からのレーザ光を平行光束に変換する。送信レンズ２６の前方には、分割光学素子を構成する送信プリズム２４が配置され、送信プリズム２４は、送信レンズ２６からの平行光束を三つの異なった方向の光束２８，２９，３０に分割する。これによって、３方向のレーザビームのスポットを得ることができ、これを障害物までの距離測定に利用することができる。すなわち、図１７の距離測定装置におけるレーザビーム照射方式は、１つの発光点（光源２３）からのレーザ光を、送信プリズム２４で複数に分割してレーザビームを偏向させる方法がとられている。
特開昭６２−８１１９号公報 特開平１−１５２６８３号公報 特開平７−２５３４６０号公報

図１５の物体認識システムにおけるレーザビーム照射方式では、１個のレーザ光源４と回転する１個のポリゴンミラー１のみで、二次元走査を行い、物体の有無を検知することが可能である。しかしながら、図１５のレーザビーム照射方式では、機械的にポリゴンミラー１を回転させる必要があるため、必然的に装置が大型化する。これに対して、図１６や図１７のレーザビーム照射方式では、機械的な動作を伴わずにレーザビームを走査するため、小型のレーザビーム照射装置とすることができる。

一方、図１６のレーザビームスキャナにおけるレーザビーム照射方式では、半導体レーザアレイ１０の発光点の数が、走査方向（図１６の水平方向）の分解能となる。図１６のレーザビーム照射方式では、走査範囲を広げると分解能が下がるため、同じ分解能を維持して走査範囲を広げるには、半導体レーザアレイ１０の発光点の数を増大する必要がある。また、図１６のレーザビーム照射方式では、レーザビームを特定範囲のみ高分解能で走査させるといったことが困難であり、レーザビーム走査設計の自由度が低い。

図１７の距離測定装置におけるレーザビーム照射方式では、１個の発光点（光源２３）で、３方向のレーザビームを得ることができる。しかしながら、光源２３から照射されるレーザ光の強度は、図中に示したようにガウス分布している。このため、送信プリズム２４で偏向された中央の光束２９と左右の光束２８，３０とでは、一般的にビーム強度が異なってしまう。３方向の光束２８，２９，３０の強度を一様にするためにはビーム幅を変える必要があり、この場合には、中央の光束２９と左右に偏向された光束２８，３０とで検出エリアの差異が生じる。また、図１７のレーザビーム照射方式では、ビーム数が数本に限られ、このままでは小さな物体の検知に利用することができない。走査方向の分解能を上げるために光源２３，送信レンズ２６および送信プリズム２４からなるユニットを複数ユニット並べると、装置が大型化してしまう。

そこで、本発明の目的は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置であって、レーザビーム走査設計の自由度が高く、小型で高い分解能を有するレーザビーム照射装置を提供することにある。

請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、複数の発光点が１列で一方向に並んで配置された半導体レーザアレイと、前記半導体レーザアレイの各発光点から出射されるレーザビームの出射方向の前方で、前記複数の発光点の並び方向と前記レーザビームの出射方向とで構成されるビーム出射面に交わるようにして配置されるレンズと、前記半導体レーザアレイと前記レンズの間で、前記各発光点に１対１で対応したプリズムが、前記ビーム出射面に交わるようにして一方向に並んで配置されてなるプリズムアレイと、を有してなるレーザビーム照射装置であって、前記プリズムが、それぞれ、前記ビーム出射面の上方にある上段プリズムと下方にある下段プリズムの２段で構成されてなり、前記各発光点から出射されるレーザビームが、前記ビーム出射面を挟んだ上下方向にガウス分布して、それぞれ、前記上段プリズムと下段プリズムにより、等しい強度の２つのレーザビームに分割され、異なる２方向に偏向されてなることを特徴としている。

上記レーザビーム照射装置においては、半導体レーザアレイの１列で一方向に並んで配置された各発光点を個々にスイッチングすることにより、レーザビームのスポットを順次方向を変えて動かすことができる。このように、上記レーザビーム照射装置は、機械的な動作を伴わずにレーザビームを走査するため、小型のレーザビーム照射装置とすることができる。

また、プリズムアレイの一方向に並んで配置された各プリズムを所定の偏向角を持つように適宜設定することによって、各発光点から出射されるレーザビームの出射方向を該プリズムで任意の方向に偏向させることができる。これによって、例えば、全体として広角範囲をレーザビームで走査し、特定範囲のみを高分解能で走査するといったレーザビーム走査設計も可能となり、設計した偏向角内で所望する物体の位置検出が可能となる。尚、上記プリズムアレイは、レーザビームが広げられる前の半導体レーザアレイとレンズの間に配置されるため、レンズの後方に配置する場合に較べて小型化が可能である。
さらに、上記レーザビーム照射装置においては、前記プリズムが、それぞれ、前記ビーム出射面の上方にある上段プリズムと下方にある下段プリズムの２段で構成されてなり、前記各発光点から出射されるレーザビームが、前記ビーム出射面を挟んだ上下方向にガウス分布して、それぞれ、前記上段プリズムと下段プリズムにより、等しい強度の２つのレーザビームに分割され、異なる２方向に偏向される構成となっている。
これによって、上記レーザビーム照射装置においては、分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

以上のようにして、上記レーザビーム照射装置は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置であって、レーザビーム走査設計の自由度が高く、小型で高い分解能を有するレーザビーム照射装置とすることができる。
上記レーザビーム照射装置は、請求項２に記載のように、前記ビーム出射面を挟んだ前記上段プリズムと下段プリズムからなるプリズムの上下方向の両端に、遮光部が形成されてなり、前記発光点から出射されるレーザビームの前記ビーム出射面を挟んだ上下方向のビーム径が、前記遮光部により制限されてなる構成とすることができる。
この場合には、半導体レーザアレイの１つの発光点から出射したレーザビームのビーム径を該遮光部により制限して、上下方向にガウス分布するビーム強度の端部の弱い強度部分をカットすることができる。これによって、例えば、該レーザビーム照射装置を距離測定等に利用した場合にはより高精度な測定が可能となる。

上記レーザビーム照射装置において、前記上段プリズムと下段プリズムによる等しい強度の２つのレーザビームの偏向方向は、例えば請求項３に記載のように、いずれも、前記ビーム出射面の面内にある構成とすることができる。

すなわち、半導体レーザアレイの１つの発光点から出射したビーム出射面（例えば水平面）内にあるレーザビームを、該水平面に対して入射面が直立した上段プリズムと下段プリズムによって、該水平面内で異なる偏向角の２つの等しい強度のレーザビームに分割する。このようにして、当該レーザビーム照射装置においては、ビーム出射面（例えば水平面）の面内にある任意の方向において、分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

この場合には請求項４に記載のように、前記レーザビーム照射装置が、前記各発光点に対して前記ビーム出射面の面内で２つの受光点が配置されてなる、前記発光点の２倍数の受光点を有する受光素子アレイと共に用いられることが好ましい。該受光素子アレイは、該レーザビーム照射装置の各発光点についての水平面内で異なる偏向角の２つのレーザビーム反射光を受光することができ、発光点数の２倍の分解能に対応できるとともに、小型化が可能である。

また、上記レーザビーム照射装置においては、請求項５に記載のように、前記上段プリズムと下段プリズムによる等しい強度の２つのレーザビームの偏向方向の少なくとも一方が、前記ビーム出射面の面外にある構成とすることもできる。

すなわち、半導体レーザアレイの１つの発光点から出射したビーム出射面（例えば水平面）内にあるレーザビームを、該水平面に対して入射面が傾いた上段プリズムと下段プリズムによって、該水平面の面外に偏向方向を持つ２つの等しい強度のレーザビームに分割する。以上のようにして、当該レーザビーム照射装置においては、半導体レーザアレイの各発光点について上下２段のレーザビームスポットを得ることができ、これによって分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

この場合には請求項６に記載のように、前記レーザビーム照射装置が、前記各発光点に対して前記複数の発光点の並び方向に交わる方向に上段と下段の２つの受光点が配置されてなる、前記発光点の２倍数の受光点を有する受光素子アレイと共に用いられることが好ましい。該受光素子アレイは、該レーザビーム照射装置の各発光点についての上下２段のレーザビーム反射光を受光することができ、発光点数の２倍の分解能に対応できるとともに、小型化が可能である。
上記レーザビーム照射装置においては、請求項７に記載のように、前記レーザビームの出射方向に対して、前記上段プリズムおよび下段プリズムの入射面が直交しないことが好ましい。すなわち、半導体レーザアレイの各発光点から出射されるレーザビームに対して、上段プリズムと下段プリズムからなる各プリズムの入射面を斜め（直交状態から傾いた配置）の状態に設定することで、各プリズムの入射面で反射した表面反射レーザ光の各発光点への戻りを防止することができる。従って、これによれば、戻りレーザ光による半導体レーザアレイのダメージをなくすことが可能である。

上記レーザビーム照射装置におけるプリズムアレイは、請求項８に記載のように、前記上段プリズムからなる上段プリズムアレイと前記下段プリズムからなる下段プリズムアレイとを貼り合わせて形成されることが好ましい。これによって、半導体レーザアレイの各発光点に対応した複数のプリズムを備え、該プリズムが上段プリズムと下段プリズムからなる上記プリズムアレイの製造が容易になると共に、上段プリズムと下段プリズムの位置決め精度等が向上して、安価で高精度のレーザビーム照射装置とすることができる。

また、この場合には請求項９に記載のように、前記上段プリズムと下段プリズムが、それぞれ、酸化シリコンからなり、前記上段プリズムアレイと前記下段プリズムアレイが、それぞれ、シリコン基板加工後に熱酸化して形成されることが好ましい。
上記レーザビーム照射装置におけるプリズムアレイは、半導体レーザアレイの各発光点に対応させるためにマイクロ光学素子とする必要がある。上記構成のように、シリコン基板を用いて一般的な半導体加工技術により上段プリズムと下段プリズムからなる各プリズムの素子形状を集積化して作りこみ、所定部分を熱酸化して酸化シリコンからなるプリズムとする。これによって、複雑形状のマイクロ光学素子からなるプリズムアレイを容易に製造することができ、安価なレーザビーム照射装置とすることができる。

また、請求項１０に記載のように、前記遮光部は、シリコンからなる構成とすることができる。これによれば、前述したように、一般的な半導体加工技術を利用することができ、該遮光部の形成に伴う製造コストの増加を防止することができる。

以上のように、上記レーザビーム照射装置は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置であって、レーザビーム走査設計の自由度が高く、小型で高い分解能を有する安価なレーザビーム照射装置となっている。

従って、上記レーザビーム照射装置は、請求項１１に記載のように、高精度であると共に小型かつ低コストが要求される、車載用のレーザビーム照射装置として好適である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明ではないが基礎とするレーザビーム照射装置１００の構成と図中に細い実線矢印で示したレーザビームの照射の様子を模式的に示した図で、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は側面図である。図２（ａ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素である半導体レーザアレイ１１を模式的に示した斜視図であり、図２（ｂ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素であるプリズムアレイ４０を模式的に示した斜視図である。また、図３は、半導体レーザアレイ１１とプリズムアレイ４０の周りにおいて、レーザビームの照射の様子を示した斜視図である。

図１に示すレーザビーム照射装置１００は、半導体レーザアレイ１１、レンズ２５およびプリズムアレイ４０で構成されている。

半導体レーザアレイ１１には、図２（ａ）に示すように、複数（例えば図のように５個）の発光点Ｌ１〜Ｌ５が、一方向（Ｘ方向）に並んで配置されている。レンズ２５は、図１に示すように、半導体レーザアレイ１１の各発光点から出射されるレーザビームの出射方向の前方で、複数の発光点の並び方向（Ｘ方向）とレーザビームの出射方向（Ｙ方向）とで構成されるビーム出射面（ＸＹ面）に交わるようにして配置されている。また、半導体レーザアレイ１１とレンズ２５の間に配置されたプリズムアレイ４０には、図２（ｂ）および図３に示すように、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５に対応したプリズムＰ１〜Ｐ５が、ビーム出射面（ＸＹ面）に交わるようにして一方向（Ｘ方向）に並んで配置されている。プリズムＰ１〜Ｐ５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。尚、プリズムアレイ４０における符号４０ａの部分は、シリコン（Ｓｉ）からなるベース部である。

例えば、車載用レーザレーダ等のスキャニングに使用する図２（ａ）に示した半導体レーザアレイ１１の各発光点（エミッタ）Ｌ１〜Ｌ５のサイズは、数十μｍ〜数百μｍであり、図中に示したピッチＷＬも同程度のサイズになる。従って、対応する図２（ｂ）に示したプリズムアレイ４０のプリズムＰ１〜Ｐ５のサイズも、数十μｍ〜数百μｍ程度にする必要がある。
このため、プリズムＰ１〜Ｐ５は、後述するように、例えばシリコン（Ｓｉ）基板上にマイクロ光学素子を集積化して作り込む技術（例えば特開２００４−２７１７５６号公報に開示されている技術）を利用し、
計算により求めた所定角度のプリズムＰ１〜Ｐ５を酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成する。

図１に示すレーザビーム照射装置１００においては、半導体レーザアレイ１１の一方向（Ｘ方向）に並んで配置された各発光点Ｌ１〜Ｌ５を個々にスイッチングすることにより、レーザビームのスポットを順次方向を変えて動かすことができる。このように、レーザビーム照射装置１００は、機械的な動作を伴わずにレーザビームを走査するため、小型のレーザビーム照射装置とすることができる。

さらに、図１のレーザビーム照射装置１００においては、所定の偏向角を持つようにプリズムアレイ４０の各プリズムＰ１〜Ｐ５を適宜設定することによって、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５から出射されるレーザビームの出射方向を該プリズムＰ１〜Ｐ５で任意の方向に偏向させることができる。これによって、例えば、全体として広角範囲をレーザビームで走査し、特定範囲のみを高分解能で走査するといったレーザビーム走査設計も可能となり、設計した偏向角内で所望する物体の位置検出が可能となる。尚、プリズムアレイ４０は、レーザビームが広げられる前の半導体レーザアレイ１１とレンズ２５の間に配置されるため、レンズ２５の後方に配置する場合に較べて小型化が可能である。

以上のようにして、図１に示すレーザビーム照射装置１００は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置であって、レーザビーム走査設計の自由度が高く、小型で高い分解能を有するレーザビーム照射装置とすることができる。

次に、図１に示すレーザビーム照射装置１００の細部について、より好ましい設計例を説明する。

図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、半導体レーザアレイの発光点ＬとプリズムＰａ，Ｐｂの周りにおいて、レーザビームの照射の様子を模式的に示した上面図である。

図４（ａ），（ｂ）のプリズムＰａ，Ｐｂは、いずれも、発光点Ｌから出射されたレーザビームに対して、同じ偏向角φで偏向するプリズムとなっている。一方、レーザビームの出射方向（Ｙ方向）に対して、図４（ａ）のプリズムＰａは入射面Ｐａｉが直交しているのに対し、図４（ｂ）のプリズムＰｂは入射面Ｐｂｉが直交していない。このため、図中に矢印で示したように、図４（ａ）のプリズムＰａでは、入射面Ｐａｉで反射したレーザ光が発光点Ｌに戻ってしまうのに対し、図４（ｂ）のプリズムＰｂでは、入射面Ｐｂｉで反射した表面反射レーザ光を発光点Ｌに戻さないようにすることができる。

この図４（ｂ）のプリズムＰｂのように、図１に示すレーザビーム照射装置１００では、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５から出射されるレーザビームに対して、各プリズムＰ１〜Ｐ５の入射面を斜め（直交状態から傾いた配置）の状態に設定することで、各プリズムＰ１〜Ｐ５の入射面で反射した表面反射レーザ光の各発光点Ｌ１〜Ｌ５への戻りを防止することができる。従って、これによれば、戻りレーザ光による半導体レーザアレイ１１のダメージをなくすことが可能である。

図５（ａ）〜（ｃ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素であるプリズムアレイ４０の製造方法の一例を説明する図で、分かり易くするため図を簡略化して、１個のプリズムＰｃについての製造工程別の斜視図を示したものである。

上記レーザビーム照射装置１００におけるプリズムアレイ４０は、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５に対応させるために、マイクロ光学素子とする必要がある。そこで、シリコン（Ｓｉ）基板を準備し、一般的な半導体加工技術を用いて、該シリコン基板を以下のように加工して、プリズムアレイ４０を形成する。

最初に、図５（ａ）に示すシリコン基板４０ａ上に、図の右に示した露光マスクを用いてエッチングのためのレジストパターンを形成する。次に、エッチングにより、図５（ｂ）に示すプリズム形状Ｐｃｓと薄肉コラムＰｃｃの列を一括形成する。最後に全体を熱酸化すると、シリコン（Ｓｉ）からなる薄肉コラムＰｃｃが酸化シリコン（ＳｉＯ_２）に変わると共に体積膨張して、図５（ｃ）に示すように、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるプリズムＰｃが形成される。

このように、図１のレーザビーム照射装置１００においては、プリズムＰ１〜Ｐ５が、酸化シリコンからなり、プリズムアレイ４０が、シリコン基板加工後に所定部分を熱酸化して形成されることが好ましい。これによって、複雑形状のマイクロ光学素子からなるプリズムアレイ４０を容易に製造することができ、安価なレーザビーム照射装置とすることができる。

図６は、図１に示したレーザビーム照射装置１００の変形例で、本発明に係るレーザビーム照射装置を示す図である。図６（ａ）はレーザビーム照射装置１０１の上面図であり、図６（ｂ）は側面図である。図７は、レーザビーム照射装置１０１の構成要素であるプリズムアレイ４１を模式的に示した斜視図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、プリズムアレイ４１の製造方法の一例を説明する図で、製造工程別の斜視図を示したものである。また、図９は、半導体レーザアレイ１１とプリズムアレイ４１の周りにおいて、レーザビームの照射の様子を示した斜視図である。尚、図を見やすくするために、図９では、プリズムアレイ４１のベース部４１ａ，４１ｂの図示を省略している。

図６に示すレーザビーム照射装置１０１は、半導体レーザアレイ１１、レンズ２５およびプリズムアレイ４１で構成されている。図６のレーザビーム照射装置１０１においては、図１のレーザビーム照射装置１００と同じ半導体レーザアレイ１１とレンズ２が用いられており、プリズムアレイ４１のみが異なっている。

レーザビーム照射装置１０１におけるプリズムアレイ４１は、図７に示すように、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５に対応したプリズムが、それぞれ、ビーム出射面（ＸＹ面）の上方にある上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕと下方にある下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄの２段で構成されている。尚、図７において、符号４１ａ，４１ｂで示した部分は、それぞれ、上段プリズムアレイ４１ｕと下段プリズムアレイ４１ｄのベース部であり、上段プリズムアレイ４１ｕのベース部４１ａは点線で透過して示した。また、符号Ｃｕ，Ｃｄで示した部分は、後述する遮光部である。

図７に示すプリズムアレイ４１は、図８（ｃ）に示すように、上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕからなる上段プリズムアレイ４１ｕと下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄからなる下段プリズムアレイ４１ｄとを貼り合わせて形成したものである。図８（ａ）に示す上段プリズムアレイ４１ｕと図８（ｂ）に示す下段プリズムアレイ４１ｄは、それぞれ、図５（ａ）〜（ｃ）で説明した方法により準備することができる。上段プリズムアレイ４１ｕのベース部４１ａと下段プリズムアレイ４１ｄのベース部４１ｂには、それぞれ、嵌め合わせ部Ｋ１ｕ，Ｋ１ｄが形成されており、この嵌め合わせ部Ｋ１ｕ，Ｋ１ｄで位置決めして、上段プリズムアレイ４１ｕと下段プリズムアレイ４１ｄを貼り合わせる。

図８（ａ）〜（ｃ）に示す製造方法により、上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕと下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄからなる複雑構造のプリズムアレイ４１の製造が容易になると共に、上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕと下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄの位置決め精度等が向上して、安価で高精度のレーザビーム照射装置とすることができる。

図９に示すように、レーザビーム照射装置１０１においては、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５から出射されるレーザビームが、それぞれ、上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕと下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄにより２方向に偏向される構成となっている。このため、図６に示すように、レーザビーム照射装置１０１では、半導体レーザアレイ１１の１つの発光点Ｌｉ（ｉ＝１〜５）から出射したレーザビームを、上記上段プリズムＰｉｕ（ｉ＝１〜５）と下段プリズムＰｉｄ（ｉ＝１〜５）で等しい強度の２つのレーザビームに分割し、それぞれ異なる偏向角を持たせることが可能となる。従って、図６のレーザビーム照射装置１０１においては、後述するように、分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

尚、図４（ａ），（ｂ）において説明したように、表面反射レーザ光の発光点への戻りを防止するため、上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕおよび下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄの各入射面は、レーザビームの出射方向（Ｙ方向）に対して直交しないことが好ましい。

図１０（ａ），（ｂ）は、それぞれ、一つの発光点Ｌから出射したレーザビームが、上段プリズムＰａｕ，Ｐｂｕと下段プリズムＰａｄ，Ｐｂｄによって分割される様子を模式的に示した斜視図である。

図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上段プリズムＰａｕ，Ｐｂｕと下段プリズムＰａｄ，Ｐｂｄは、それぞれ、ビーム出射面（ＸＹ面）を挟んで上方と下方に位置している。このため、一つの発光点Ｌから出射した上下方向にガウス分布するレーザビームは、上段プリズムＰａｕ，Ｐｂｕと下段プリズムＰａｄ，Ｐｂｄで、強度が２分割される。

また、図１０（ｂ）に示す上段プリズムＰｂｕと下段プリズムＰｂｄの組み合わせでは、ビーム出射面（ＸＹ面）を挟んだプリズムの両端に遮光部Ｃｕ，Ｃｄが形成されている。この遮光部Ｃｕ，Ｃｄにより、発光点Ｌから出射されるレーザビームのビーム出射面（ＸＹ面）を挟んだ上下方向のビーム径が制限され、上段プリズムＰｂｕと下段プリズムＰｂｄの通過後には、上下方向にガウス分布するビーム強度の端部の弱い強度部分がカットされる。これによって、各プリズムに該遮光部Ｃｕ，Ｃｄが形成されてなるレーザビーム照射装置を例えば距離測定等に利用した場合には、より高精度な測定が可能となる。

尚、遮光部Ｃｕ，Ｃｄは、図７に示したように、ベース部４１ａ，４１ｂと同じシリコン（Ｓｉ）からなる構成とすることができる。これによって、前述したように、一般的な半導体加工技術を利用することができ、該遮光部Ｃｕ，Ｃｄの形成に伴う製造コストの増加を防止することができる。

図６（ａ），（ｂ）に示したように、レーザビーム照射装置１０１における上段プリズムＰ１ｕ〜Ｐ５ｕと下段プリズムＰ１ｄ〜Ｐ５ｄによる偏向方向は、いずれも、ビーム出射面（ＸＹ面）の面内にある。すなわち、レーザビーム照射装置１０１では、半導体レーザアレイ１１の１つの発光点Ｌｉ（ｉ＝１〜５）から出射したビーム出射面（例えば水平面）内にあるレーザビームを、該水平面に対して入射面が直立した上段プリズムＰｉｕ（ｉ＝１〜５）と下段プリズムＰｉｄ（ｉ＝１〜５）によって、該水平面内で異なる偏向角の２つのレーザビームに分割する。このようにして、レーザビーム照射装置１０１においては、ビーム出射面（例えば水平面）の面内にある任意の方向において、分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

図１１は、図６のレーザビーム照射装置１０１を距離測定に適用した場合の一例を示す図で、距離測定装置の全体構成を示した模式的な上面図である。

図１１に示す距離測定装置においては、上記したレーザビーム照射装置１０１が、受光素子アレイ（例えばフォトダイオード（ＰＤ）アレイ）１２および受光用のレンズ２７と共に用いられている。

図１１に示すフォトダイオードアレイ１２は、半導体レーザアレイ１１の発光点Ｌ１〜Ｌ５の２倍数の受光点を有しており、各発光点Ｌ１〜Ｌ５に対してビーム出射面（ＸＹ面）の面内で２つの受光点が配置されている。該フォトダイオードアレイ１２は、該レーザビーム照射装置１０１の各発光点についての水平面内で異なる偏向角の２つのレーザビーム反射光を受光することができ、発光点数の２倍の分解能に対応できるとともに、小型化が可能である。

具体的に、図１１では、半導体レーザアレイ１１の発光点Ｌ１から出射した１本のレーザビームが、上段プリズムＰ１ｕと下段プリズムＰ１ｄにより互いの偏向角差がθの２本のレーザビームに分割されて照射される様子を模式的に図示している。また、図１１では、図の右遠方にある物体で反射された上記２本のレーザビームが、同じ偏向角差θでレンズ２７に入射し、レンズ２７で集光されて、フォトダイオードアレイ１２の受光点Ｄ１ｕと受光点Ｄ１ｄで検出される様子を模式的に図示している。

図１２は、図１１におけるフォトダイオード（ＰＤ）アレイ１２と受光用のレンズ２７の設計指針を説明するための図である。偏向角差θとレンズの焦点距離ｆおよび集光位置差Ｘには、図中に示した式１）の関係があることが知られている。集光位置差Ｘは、アレイ状に配列されたフォトダイオード（ＰＤ）のピッチに対応しており、使用するＰＤのピッチにより偏向角差θとレンズの焦点距離ｆを調整する必要がある。例えば、焦点距離２０ｍｍのレンズで、ＰＤピッチが０．５ｍｍの場合、偏向角差θはおおよそ１．４４°以上必要となる。

図１３は、本発明に係る別のレーザビーム照射装置１０２を距離測定に適用した場合の一例を示す図で、距離測定装置の全体構成を示した模式的な側面図である。また、図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１３のレーザビーム照射装置１０２におけるプリズムアレイ４２の製造方法の一例を説明する図で、製造工程別の斜視図を示したものである。

図１３の距離測定装置におけるレーザビーム照射装置１０２は、半導体レーザアレイ１１、プリズムアレイ４２およびレンズ３１で構成されている。

図１３のプリズムアレイ４２は、図１４（ｃ）に示すように、上段プリズムＰ１ｖ〜Ｐ５ｖからなる入射面が傾いた上段プリズムアレイ４２ｖと下段プリズムＰ１ｅ〜Ｐ５ｅからなる入射面が傾いた下段プリズムアレイ４２ｅとを貼り合わせて形成したものである。図１４（ａ）に示す上段プリズムアレイ４２ｖと図１４（ｂ）に示す下段プリズムアレイ４２ｅも、それぞれ、図５（ａ）〜（ｃ）で説明した方法により準備することができる。下段プリズムアレイ４２ｅのベース部４２ｂには、嵌め合わせ部Ｋ１ｅが形成されており、この嵌め合わせ部Ｋ１ｅを上段プリズムアレイ４２ｖのベース部４２ａにおける嵌め合わせ部Ｋ１ｖに嵌め合わせて、上段プリズムアレイ４２ｖと下段プリズムアレイ４２ｅを貼り合わせる。

図１３に示すように、レーザビーム照射装置１０２における上段プリズムＰ１ｖ〜Ｐ５ｖと下段プリズムＰ１ｅ〜Ｐ５ｅによる偏向方向は、いずれも、ビーム出射面（ＸＹ面）の面外にある。すなわち、レーザビーム照射装置１０２では、半導体レーザアレイ１１の１つの発光点Ｌｉ（ｉ＝１〜５）から出射したビーム出射面（例えば水平面）内にあるレーザビームを、該水平面に対して入射面が傾いた上段プリズムＰｉｖ（ｉ＝１〜５）と下段プリズムＰｉｅ（ｉ＝１〜５）によって、該水平面の面外に偏向方向を持つ２つのレーザビームに分割する。以上のようにして、当該レーザビーム照射装置１０２においては、半導体レーザアレイ１１の各発光点Ｌ１〜Ｌ５について上下２段のレーザビームスポットを得ることができ、これによって分解能を発光点数の２倍に高めることができる。

また、図１３に示す距離測定装置においては、上記したレーザビーム照射装置１０２が、フォトダイオード（ＰＤ）アレイ１３および受光用のレンズ３２と共に用いられている。

図１３に示すフォトダイオードアレイ１３は、半導体レーザアレイ１１の発光点Ｌ１〜Ｌ５の２倍数の受光点を有しており、発光点Ｌ１〜Ｌ５の並び方向（Ｘ方向）に交わる方向（Ｚ方向）に上段と下段の２つの受光点が配置されている。該フォトダイオードアレイ１３は、該レーザビーム照射装置１０２の各発光点Ｌ１〜Ｌ５についての上下２段のレーザビーム反射光を受光することができ、発光点数の２倍の分解能に対応できるとともに、小型化が可能である。

具体的に、図１３では、半導体レーザアレイ１１の発光点Ｌ１から出射した１本のレーザビームが、上段プリズムＰ１ｖと下段プリズムＰ１ｅにより互いの偏向角差がΔの２本のレーザビームに分割されて照射される様子を模式的に図示している。また、図１３では、図の右遠方にある物体で反射された上記２本のレーザビームが、同じ偏向角差Δでレンズ３２に入射し、レンズ３２で集光されて、フォトダイオードアレイ１３の受光点Ｄ１ｖと受光点Ｄ１ｅで検出される様子を模式的に図示している。

尚、図１３におけるフォトダイオード（ＰＤ）アレイ１３と受光用のレンズ３２についても、偏向角差Δに関する図１２で説明した設計指針を考慮する必要がある。

以上のレーザビーム照射装置１０１〜１０２で例示した本発明のレーザビーム照射装置は、距離測定等に利用可能な半導体レーザを用いたレーザビーム照射装置であって、レーザビーム走査設計の自由度が高く、小型で高い分解能を有する安価なレーザビーム照射装置となっている。従って、本発明のレーザビーム照射装置は、高精度であると共に小型かつ低コストが要求される、車載用のレーザビーム照射装置として特に好適である。

本発明ではないが基礎とするレーザビーム照射装置１００の構成と図中に細い実線矢印で示したレーザビームの照射の様子を模式的に示した図で、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素である半導体レーザアレイ１１を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素であるプリズムアレイ４０を模式的に示した斜視図である。 半導体レーザアレイ１１とプリズムアレイ４０の周りにおいて、レーザビームの照射の様子を示した斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ、半導体レーザアレイの発光点ＬとプリズムＰａ，Ｐｂの周りにおいて、レーザビームの照射の様子を模式的に示した上面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、レーザビーム照射装置１００の構成要素であるプリズムアレイ４０の製造方法の一例を説明する図で、分かり易くするため図を簡略化して、１個のプリズムＰｃについての製造工程別の斜視図を示したものである。 図１に示したレーザビーム照射装置１００の変形例で、本発明に係るレーザビーム照射装置を示す図である。（ａ）はレーザビーム照射装置１０１の上面図であり、（ｂ）は側面図である。 レーザビーム照射装置１０１の構成要素であるプリズムアレイ４１を模式的に示した斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、プリズムアレイ４１の製造方法の一例を説明する図で、製造工程別の斜視図を示したものである。 半導体レーザアレイ１１とプリズムアレイ４１の周りにおいて、レーザビームの照射の様子を示した斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ、一つの発光点Ｌから出射したレーザビームが、上段プリズムＰａｕ，Ｐｂｕと下段プリズムＰａｄ，Ｐｂｄによって分割される様子を模式的に示した斜視図である。 図６のレーザビーム照射装置１０１を距離測定に適用した場合の一例を示す図で、距離測定装置の全体構成を示した模式的な上面図である。 図１１におけるフォトダイオード（ＰＤ）アレイ１２と受光用のレンズ２７の設計指針を説明するための図である。 本発明に係る別のレーザビーム照射装置１０２を距離測定に適用した場合の一例を示す図で、距離測定装置の全体構成を示した模式的な側面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１３のレーザビーム照射装置１０２におけるプリズムアレイ４２の製造方法の一例を説明する図で、製造工程別の斜視図を示したものである。 特許文献１に開示された物体認識システムを示す図である。 特許文献２に開示された半導体レーザビームスキャナを示す図である。 特許文献３に開示された自動車用の距離測定装置を示す図である。

符号の説明

１００〜１０２ レーザビーム照射装置
１１ 半導体レーザアレイ
Ｌ１〜Ｌ５ 発光点
４０〜４２ プリズムアレイ
Ｐ１〜Ｐ５ プリズム
Ｐ１ｕ〜Ｐ５ｕ，Ｐ１ｖ〜Ｐ５ｖ 上段プリズム
Ｐ１ｄ〜Ｐ５ｄ，Ｐ１ｅ〜Ｐ５ｅ 下段プリズム
２５，２７，３１，３２ レンズ

Claims (11)

1. 複数の発光点が１列で一方向に並んで配置された半導体レーザアレイと、
   前記半導体レーザアレイの各発光点から出射されるレーザビームの出射方向の前方で、前記複数の発光点の並び方向と前記レーザビームの出射方向とで構成されるビーム出射面に交わるようにして配置されるレンズと、
   前記半導体レーザアレイと前記レンズの間で、前記各発光点に１対１で対応したプリズムが、前記ビーム出射面に交わるようにして一方向に並んで配置されてなるプリズムアレイと、を有してなるレーザビーム照射装置であって、
   前記プリズムが、それぞれ、前記ビーム出射面の上方にある上段プリズムと下方にある下段プリズムの２段で構成されてなり、
   前記各発光点から出射されるレーザビームが、前記ビーム出射面を挟んだ上下方向にガウス分布して、それぞれ、前記上段プリズムと下段プリズムにより、等しい強度の２つのレーザビームに分割され、異なる２方向に偏向されてなることを特徴とするレーザビーム照射装置。
2. 前記ビーム出射面を挟んだ前記上段プリズムと下段プリズムからなるプリズムの上下方向の両端に、遮光部が形成されてなり、
   前記発光点から出射されるレーザビームの前記ビーム出射面を挟んだ上下方向のビーム径が、前記遮光部により制限されてなることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム照射装置。
3. 前記上段プリズムと下段プリズムによる等しい強度の２つのレーザビームの偏向方向が、いずれも、前記ビーム出射面の面内にあることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザビーム照射装置。
4. 前記レーザビーム照射装置が、
   前記各発光点に対して前記ビーム出射面の面内で２つの受光点が配置されてなる、前記発光点の２倍数の受光点を有する受光素子アレイと共に用いられることを特徴とする請求項３に記載のレーザビーム照射装置。
5. 前記上段プリズムと下段プリズムによる等しい強度の２つのレーザビームの偏向方向の少なくとも一方が、前記ビーム出射面の面外にあることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザビーム照射装置。
6. 前記レーザビーム照射装置が、
   前記各発光点に対して前記複数の発光点の並び方向に交わる方向に上段と下段の２つの受光点が配置されてなる、前記発光点の２倍数の受光点を有する受光素子アレイと共に用いられることを特徴とする請求項５に記載のレーザビーム照射装置。
7. 前記半導体レーザアレイの各発光点から出射される前記レーザビームの出射方向に対して、前記上段プリズムおよび下段プリズムの入射面が直交しないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザビーム照射装置。
8. 前記プリズムアレイが、
   前記上段プリズムからなる上段プリズムアレイと前記下段プリズムからなる下段プリズムアレイとを貼り合わせて形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザビーム照射装置。
9. 前記上段プリズムと下段プリズムが、それぞれ、酸化シリコンからなり、
   前記上段プリズムアレイと前記下段プリズムアレイが、それぞれ、シリコン基板加工後に熱酸化して形成されることを特徴とする請求項８に記載のレーザビーム照射装置。
10. 前記遮光部が、シリコンからなることを特徴とする請求項２に記載のレーザビーム照射装置。
11. 前記レーザビーム照射装置が、車載用であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザビーム照射装置。

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