JP7024212B2 - Distance measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を走査することによって物体の位置を測定する距離測定装置に関する。 The present invention relates to a distance measuring device that measures the position of an object by scanning a laser beam.

LIDAR(Light Detection and Ranging)と呼ばれる距離測定装置が知られている。LIDARは、光学的に周囲の物体との距離を測定するセンサである。LIDARは、対象物にパルス状のレーザ光を照射し、対象物で反射されたレーザ光が戻るまでの往復時間から距離を計測する。最近では、LIDARは、先進運転支援システム(ADAS:Advanced Driving Assistant System)や自動運転に使われている。 A distance measuring device called LIDAR (Light Detection and Ranging) is known. LIDAR is a sensor that optically measures the distance to a surrounding object. LIDAR irradiates an object with a pulsed laser beam and measures the distance from the round-trip time until the laser beam reflected by the object returns. Recently, LIDAR has been used for advanced driver assistance systems (ADAS) and autonomous driving.

LIDARには、同軸光学系方式、分離光学系方式、及びCCD/CMOSイメージセンサ方式などがある。 LIDAR includes a coaxial optical system system, a separation optical system system, a CCD / CMOS image sensor system, and the like.

同軸光学系方式に使われるポリゴンミラー(特許文献1)や、MEMSミラー(特許文献2)は、可動部が存在するため、車両の振動により、長期信頼性に懸念がある。また、ポリゴンミラーやMEMSミラーが光学部品であるため、コストが高くなってしまう。 Since the polygon mirror (Patent Document 1) and the MEMS mirror (Patent Document 2) used in the coaxial optical system system have moving parts, there is a concern about long-term reliability due to the vibration of the vehicle. Further, since the polygon mirror and the MEMS mirror are optical components, the cost is high.

分離光学系方式では、電気的に位相を変えることにより、光の出射角を変える方式が提案されている(特許文献3、特許文献4)。この構成は、可動部がなく、より安価に製造できる可能性があるが、測定距離に懸念がある。測定距離が短くなる要因として、フォトダイオードに入射する光のうち、信号であるレーザ光に対し、太陽光などの外乱光の強度が強くなってしまう、つまり、SN比(signal-to-noise ratio)の低下が挙げられる。SN比が低下すると、精度よく信号を受信及び検知することができない。 In the separation optical system method, a method of changing the emission angle of light by electrically changing the phase has been proposed (Patent Documents 3 and 4). This configuration has no moving parts and may be cheaper to manufacture, but there are concerns about measurement distance. One of the factors that shortens the measurement distance is that the intensity of ambient light such as sunlight becomes stronger than the laser light that is a signal among the light incident on the photodiode, that is, the signal-to-noise ratio (SN ratio). ) Decreased. When the signal-to-noise ratio decreases, it is not possible to receive and detect signals with high accuracy.

特開2010-38859号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-38859 特開2009-216789号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-216789 国際公開2014/110017号International Publication No. 2014/110017 国際公開2016/022220号International Release 2016/022220

本発明は、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供する。 The present invention provides a distance measuring device capable of improving reception intensity.

本発明の一態様に係る距離測定装置は、レーザ光を発光する発光素子と、複数の第1フェーズシフタを有し、前記発光素子により発光されたレーザ光を屈折させる第1偏向素子と、複数の第2フェーズシフタを有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる第2偏向素子と、前記第2偏向素子を透過したレーザ光を検知する受光素子とを具備する。前記第1フェーズシフタの第1ピッチは、前記第2フェーズシフタの第2ピッチと異なる。 The distance measuring device according to one aspect of the present invention includes a light emitting element that emits laser light, a first deflection element that has a plurality of first phase shifters and refracts the laser light emitted by the light emitting element, and a plurality of first phase shifters. The second phase shifter is provided with a second deflection element that refracts the laser light reflected by the object, and a light receiving element that detects the laser light transmitted through the second deflection element. The first pitch of the first phase shifter is different from the second pitch of the second phase shifter.

本発明によれば、受信強度を向上させることが可能な距離測定装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a distance measuring device capable of improving the reception intensity.

本発明に係る投光部の構成を説明する概略図。The schematic diagram explaining the structure of the light projection part which concerns on this invention. 比較例に係る受光部の構成を説明する概略図。The schematic diagram explaining the structure of the light receiving part which concerns on a comparative example. 本発明に係る受光部の構成を説明する概略図。The schematic diagram explaining the structure of the light receiving part which concerns on this invention. 本発明の実施形態に係る距離測定装置のブロック図。The block diagram of the distance measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 実施形態に係る投光部の構成を示す模式的な断面図。Schematic sectional view showing the structure of the light projection part which concerns on embodiment. 走査素子の平面図。Top view of the scanning element. 図6のA-A´線に沿った走査素子の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of the scanning element along the AA'line of FIG. 走査素子の他の構成例を説明する断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the scanning element. 実施形態に係る受光部の構成を示す模式的な断面図。Schematic sectional view showing the structure of the light receiving part which concerns on embodiment. 角度制限素子の平面図。Top view of the angle limiting element. 図10のB-B´線に沿った角度制限素子の断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view of the angle limiting element along the BB'line of FIG. 距離測定装置の基本動作を説明する概略図。The schematic diagram explaining the basic operation of a distance measuring device. 距離測定装置によるレーザ光の波形を説明する図。The figure explaining the waveform of the laser beam by the distance measuring device. 距離測定装置の動作を説明するフローチャート。A flowchart illustrating the operation of a distance measuring device. 走査素子の動作を説明する模式図。The schematic diagram explaining the operation of a scanning element. 実施例に係る投光部の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the light projection part which concerns on Example. 実施例に係る受光部の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the light receiving part which concerns on Example.

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and ratios of each drawing are not always the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented between the drawings, the relationship and ratio of the dimensions of each other may be represented differently. In particular, some embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and depending on the shape, structure, arrangement, etc. of the components, the technical idea of the present invention. Is not specified. In the following description, elements having the same function and configuration are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be given only when necessary.

[1] 本発明の概要
まず、本発明の概要について説明する。
[1] Outline of the present invention First, an outline of the present invention will be described.

本発明は、距離測定装置に関する。距離測定装置は、LIDAR(Light Detection and Ranging)とも呼ばれる。LIDARは、レーザ光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲に存在する対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、LIDARは、投光したレーザ光と受光したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。 The present invention relates to a distance measuring device. The distance measuring device is also called LIDAR (Light Detection and Ranging). LIDAR uses a laser beam to scan, for example, a range in front of the vehicle and detects the laser beam reflected by an object present in this scanning range. Then, LIDAR uses the projected laser beam and the received laser beam to detect the object and measure the distance from the vehicle to the object.

図1は、本発明に係る投光部11の構成を説明する概略図である。投光部11は、レーザ光を投光する機能を有する。投光部11は、発光素子(LD)12、及び偏向素子13を備える。 FIG. 1 is a schematic view illustrating the configuration of the light projecting unit 11 according to the present invention. The light projecting unit 11 has a function of projecting laser light. The light projecting unit 11 includes a light emitting element (LD) 12 and a deflection element 13.

偏向素子13は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタPS1を備える。図1の偏向素子13に示した階段状の複数の四角形は、複数のフェーズシフタPS1を模式的に示している。複数のフェーズシフタPS1は、配列ピッチd1ごとに配列される。フェーズシフタPS1を表す四角形の長さは、屈折率の大きさを表しており、四角形の縦方向の長さが長いほど屈折率が大きい。 The deflection element 13 is composed of an optical phased array. The optical phased array includes a plurality of phase shifters PS1 that change the phase of light. The plurality of stepped quadrangles shown in the deflection element 13 of FIG. 1 schematically show a plurality of phase shifters PS1. The plurality of phase shifters PS1 are arranged for each arrangement pitch d1. The length of the quadrangle representing the phase shifter PS1 represents the magnitude of the refractive index, and the longer the length of the quadrangle in the vertical direction, the larger the refractive index.

偏向素子13は、配列ピッチd1ごとに屈折率を変化させることが可能である。図1の例では、偏向素子13は、右側に向かって順に屈折率が低くなる屈折率分布(屈折率の勾配)を有する。発光素子LDから発光されたレーザ光は、偏向素子13によって屈折され、所望の出射角で偏向素子13から出射される。 The deflection element 13 can change the refractive index for each arrangement pitch d1. In the example of FIG. 1, the deflection element 13 has a refractive index distribution (refractive index gradient) in which the refractive index decreases in order toward the right side. The laser light emitted from the light emitting element LD is refracted by the deflection element 13 and emitted from the deflection element 13 at a desired emission angle.

偏向素子13は、規則的に配列されたフェーズシフタPS1を備えているため、偏向素子13を透過する光には、回折が起こる。すなわち、偏向素子13は、0次光、+1次光、-1次光などの回折光を出射する。0次光は、投光部11が発光する所望のレーザ光である。+1次光、-1次光などは、走査動作に不要な回折光である。 Since the deflection element 13 includes regularly arranged phase shifters PS1, the light passing through the deflection element 13 is diffracted. That is, the deflection element 13 emits diffracted light such as 0th-order light, + 1st-order light, and -1st-order light. The 0th-order light is a desired laser beam emitted by the light projecting unit 11. The +1st order light, the -1st order light, and the like are diffracted light unnecessary for the scanning operation.

図2は、比較例に係る受光部14の構成を説明する概略図である。受光部14は、投光部11が投光したレーザ光が対象物によって反射されたレーザ光(反射光)を受光する機能を有する。受光部14は、偏向素子15´、及び受光素子(PD)16を備える。 FIG. 2 is a schematic view illustrating the configuration of the light receiving unit 14 according to the comparative example. The light receiving unit 14 has a function of receiving the laser light (reflected light) reflected by the object from the laser light projected by the light projecting unit 11. The light receiving unit 14 includes a deflection element 15'and a light receiving element (PD) 16.

受光部14の偏向素子15´は、投光部11の偏向素子13と同じ構成を有する。偏向素子15´における屈折率の勾配は、偏向素子13における屈折率の勾配と同じに設定される。これにより、投光部11の出射角と受光部14の入射角とを同じにできるので、受光素子16に入射する信号強度を大きくすることができる。 The deflection element 15'of the light receiving unit 14 has the same configuration as the deflection element 13 of the light projecting unit 11. The gradient of the refractive index in the deflection element 15'is set to be the same as the gradient of the refractive index in the deflection element 13. As a result, the emission angle of the light projecting unit 11 and the incident angle of the light receiving unit 14 can be made the same, so that the signal intensity incident on the light receiving element 16 can be increased.

比較例では、投光部11の偏向素子13における配列ピッチd1と、受光部14の偏向素子15における配列ピッチd1とを同じにしている。受光部14と投光部11とで配列ピッチを同じにした場合、0次光以外に、+1次光、-1次光などの回折光が対象物以外の意図しない物体で反射した反射光も受光素子PDに入射する。これにより、受光素子PDに入射する光のうち必要な信号の強度の割合が低下し、SN比が低下してしまう。 In the comparative example, the arrangement pitch d1 in the deflection element 13 of the light projecting unit 11 and the arrangement pitch d1 in the deflection element 15 of the light receiving unit 14 are the same. When the arrangement pitch is the same for the light receiving unit 14 and the light projecting unit 11, in addition to the 0th-order light, the diffracted light such as the +1st-order light and the -1st-order light is also reflected by an unintended object other than the object. It is incident on the light receiving element PD. As a result, the ratio of the intensity of the required signal to the light incident on the light receiving element PD decreases, and the SN ratio decreases.

そこで、本発明では、受光部の偏向素子における配列ピッチが、投光部の偏向素子における配列ピッチと異なるように設定する。 Therefore, in the present invention, the arrangement pitch in the deflection element of the light receiving unit is set to be different from the arrangement pitch in the deflection element of the light projecting unit.

図3は、本発明に係る受光部14の構成を説明する概略図である。偏向素子15は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、複数のフェーズシフタPS2を備える。偏向素子15は、配列ピッチd2を有する。受光側の配列ピッチd2は、投光側の配列ピッチd1と異なる。すなわち、“d1≠d2”の関係を有する。また、受光部14の偏向素子15における屈折率の勾配は、投光部11の偏向素子13における屈折率の勾配と同じに設定される。 FIG. 3 is a schematic view illustrating the configuration of the light receiving unit 14 according to the present invention. The deflection element 15 is composed of an optical phased array. The optical phased array includes a plurality of phase shifters PS2. The deflection element 15 has an array pitch d2. The arrangement pitch d2 on the light receiving side is different from the arrangement pitch d1 on the light emitting side. That is, it has a relationship of "d1 ≠ d2". Further, the gradient of the refractive index of the deflection element 15 of the light receiving unit 14 is set to be the same as the gradient of the refractive index of the deflection element 13 of the light projecting unit 11.

これにより、0次光以外に、+1次光、-1次光などの回折光が対象物以外の意図しない物体で反射した反射光は、受光素子16に入射されない。よって、ノイズとなる不要な光を削減できるので、SN比を向上させることができる。 As a result, in addition to the 0th-order light, the reflected light such as the +1st-order light and the -1st-order light reflected by an unintended object other than the object is not incident on the light receiving element 16. Therefore, unnecessary light that becomes noise can be reduced, and the SN ratio can be improved.

本発明では、投光部及び受光部のそれぞれに光フェーズドアレイを用い、互いの屈折率の勾配を同一とした上で、フェーズシフタの配列ピッチに異なる周期性を持たせる。そして、投光される主信号成分を効果的に取り込みつつ、ノイズとなる回折光が受光されるのを抑制する。 In the present invention, an optical phased array is used for each of the light projecting unit and the light receiving unit, the gradients of the refractive indexes of each are the same, and the arrangement pitch of the phase shifters has different periodicities. Then, while effectively taking in the main signal component to be projected, it suppresses the reception of diffracted light that becomes noise.

[2] 距離測定装置の構成
[2-1] 距離測定装置のブロック構成
図4は、本発明の実施形態に係る距離測定装置10のブロック図である。
[2] Configuration of Distance Measuring Device [2-1] Block Configuration of Distance Measuring Device FIG. 4 is a block diagram of a distance measuring device 10 according to an embodiment of the present invention.

距離測定装置10は、車両の前側(例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル)、車両の後ろ側(例えば、リアバンパー、又はリアグリル)、及び/又は、車両の側方(例えば、フロントバンパーの側方)に配置される。また、距離測定装置10は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。 The distance measuring device 10 is located on the front side of the vehicle (for example, the front bumper or the front grille), the rear side of the vehicle (for example, the rear bumper or the rear grille), and / or the side of the vehicle (for example, the side of the front bumper). Be placed. Further, the distance measuring device 10 may be arranged on the upper part of the vehicle such as a roof or a bonnet.

距離測定装置10は、投光部11、受光部14、パルスタイミング制御部17、距離演算部18、及び主制御部19を備える。 The distance measuring device 10 includes a light emitting unit 11, a light receiving unit 14, a pulse timing control unit 17, a distance calculation unit 18, and a main control unit 19.

投光部11は、レーザ光を発光するとともに、このレーザ光を走査(ステアリングともいう)する。投光部11は、発光素子12、及び走査素子(偏向素子)13を備える。 The light projecting unit 11 emits a laser beam and scans (also referred to as steering) the laser beam. The light projecting unit 11 includes a light emitting element 12 and a scanning element (deflection element) 13.

発光素子12は、走査素子13に向けて、レーザ光を発光する。発光素子12は、レーザーダイオードなどで構成される。レーザ光としては、例えば、赤外線レーザ光(例えば波長λ=905nm)が用いられる。また、発光素子12は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。 The light emitting element 12 emits laser light toward the scanning element 13. The light emitting element 12 is composed of a laser diode or the like. As the laser light, for example, infrared laser light (for example, wavelength λ = 905 nm) is used. Further, the light emitting element 12 generates laser light as a pulse signal having a predetermined frequency.

走査素子13は、発光素子12から出射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、走査素子13は、発光素子12からのレーザ光の出射角を制御することで、レーザ光を走査する。 The scanning element 13 receives the laser light emitted from the light emitting element 12 and transmits the laser light. Further, the scanning element 13 scans the laser beam by controlling the emission angle of the laser beam from the light emitting element 12.

受光部14は、対象物2によって反射されたレーザ光を検出する。この際、受光部14は、特定の方向から入射するレーザ光に制限して、レーザ光の検知動作を行う。受光部14は、角度制限素子(偏向素子)15、及び受光素子16を備える。 The light receiving unit 14 detects the laser beam reflected by the object 2. At this time, the light receiving unit 14 limits the laser light incident from a specific direction and performs a laser light detection operation. The light receiving unit 14 includes an angle limiting element (deflection element) 15 and a light receiving element 16.

角度制限素子15は、対象物2によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。この際、角度制限素子15は、レーザ光を所定の角度で屈折させる。換言すると、角度制限素子15は、所定の角度で入射したレーザ光のみを受光素子16に向けて屈折させる。 The angle limiting element 15 receives the laser beam reflected by the object 2 and transmits the laser beam. At this time, the angle limiting element 15 refracts the laser beam at a predetermined angle. In other words, the angle limiting element 15 refracts only the laser beam incident at a predetermined angle toward the light receiving element 16.

受光素子16は、角度制限素子15を透過したレーザ光を検出する。受光素子16は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやCMOS(complementary metal oxide semiconductor)フォトセンサを含む。その他、受光素子16として赤外線カメラを用いてもよい。 The light receiving element 16 detects the laser light transmitted through the angle limiting element 15. The light receiving element 16 is composed of, for example, an infrared sensor. Infrared sensors include photodiodes and CMOS (complementary metal oxide semiconductor) photosensors. In addition, an infrared camera may be used as the light receiving element 16.

パルスタイミング制御部17は、発光素子12の動作を制御する。発光素子12は、パルス信号としてレーザ光(すなわち、パルス状のレーザ光)を発光する。パルスタイミング制御部17は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。 The pulse timing control unit 17 controls the operation of the light emitting element 12. The light emitting element 12 emits laser light (that is, pulsed laser light) as a pulse signal. The pulse timing control unit 17 controls the timing of the pulse included in the laser beam. The timing of the pulse includes the period of the pulse signal, the frequency of the pulse signal, and the pulse width.

距離演算部18は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部17から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部19から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子16から受ける。距離演算部18は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部18は、出射角及び発光から受光までの時間などの情報を用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部18は、出射角及び発光から受光までの時間などの情報を用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部18によって算出された距離及び/又は相対座標は、例えばデータDOUTとして外部に出力可能である。 The distance calculation unit 18 receives the timing information of the transmitted laser light from the pulse timing control unit 17, the information on the emission angle of the laser light from the main control unit 19, and the timing information and the light intensity of the received laser light. Information is received from the light receiving element 16. The distance calculation unit 18 uses this information to calculate the distance from the vehicle to the object. Specifically, the distance calculation unit 18 calculates a linear distance, a horizontal distance, and a vertical distance by using information such as an emission angle and a time from light emission to light reception. Further, the distance calculation unit 18 calculates the relative coordinates of the object by using information such as the emission angle and the time from light emission to light reception. The distance and / or relative coordinates calculated by the distance calculation unit 18 can be output to the outside as, for example, data DOUT.

主制御部19は、距離測定装置10の全体動作を統括的に制御する。主制御部19は、走査素子13に複数の電圧を印加することで、走査素子13の走査動作を制御する。主制御部19は、角度制限素子15に複数の電圧を印加することで、角度制限素子15の角度制限動作を制御する。 The main control unit 19 comprehensively controls the overall operation of the distance measuring device 10. The main control unit 19 controls the scanning operation of the scanning element 13 by applying a plurality of voltages to the scanning element 13. The main control unit 19 controls the angle limiting operation of the angle limiting element 15 by applying a plurality of voltages to the angle limiting element 15.

[2-2] 投光部11の構成
次に、投光部11の構成について説明する。図5は、投光部11の構成を示す模式的な断面図である。投光部11は、発光素子(LD)12、コリメータ20、及び走査素子13を備える。
[2-2] Configuration of the Floodlighting Unit 11 Next, the configuration of the floodlighting unit 11 will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the light projecting unit 11. The light projecting unit 11 includes a light emitting element (LD) 12, a collimator 20, and a scanning element 13.

発光素子12は、コリメータ20に向けて、レーザ光を発光する。コリメータ20は、レンズで構成され、平行な光線を生成する。コリメータ20から出射されるレーザ光は、高い指向性を有し、コヒーレントで幅の狭いレーザ光である。なお、発光素子12が指向性の高いレーザ光を出射する場合は、コリメータ20は不要である。コリメータ20からのレーザ光は、走査素子13の出射面に対して垂直方向に進む。 The light emitting element 12 emits a laser beam toward the collimator 20. The collimator 20 is composed of a lens and produces parallel rays. The laser beam emitted from the collimator 20 has high directivity, is coherent, and has a narrow width. When the light emitting element 12 emits a laser beam having high directivity, the collimator 20 is unnecessary. The laser beam from the collimator 20 travels in the direction perpendicular to the emission surface of the scanning element 13.

走査素子13は、角度2αの走査範囲でレーザ光を走査するものとする。角度αは、0度より大きく、90度より小さい。走査素子13は、出射角θでレーザ光を投光する。角度θは、角度α以下である。例えば、走査素子13の出射面に対して垂直方向に進むレーザ光の角度を0度、垂直方向に対して右側が角度“+θ”、垂直方向に対して左側が角度“-θ”とすると、出射角“+θ”、すなわち垂直方向に対して右側にレーザ光を出射することも可能であるし、出射角“-θ”、すなわち垂直方向に対して左側にレーザ光を出射することも可能である。走査素子13によるレーザ光の出射角は、主制御部19によって制御される。 It is assumed that the scanning element 13 scans the laser beam within a scanning range of an angle of 2α. The angle α is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The scanning element 13 projects laser light at an emission angle θ. The angle θ is equal to or less than the angle α. For example, assuming that the angle of the laser beam traveling in the direction perpendicular to the emission surface of the scanning element 13 is 0 degrees, the right side is the angle “+ θ” in the vertical direction, and the left side is the angle “−θ” in the vertical direction. It is possible to emit the laser beam to the right side with respect to the emission angle "+ θ", that is, the vertical direction, and it is also possible to emit the laser beam to the left side with respect to the emission angle "-θ", that is, the vertical direction. be. The emission angle of the laser beam from the scanning element 13 is controlled by the main control unit 19.

走査素子13は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタを備える。走査素子13は、例えば液晶素子から構成される。走査素子13は、一方向に沿って区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。 The scanning element 13 is composed of an optical phased array. The optical phased array includes a plurality of phase shifters that change the phase of light. The scanning element 13 is composed of, for example, a liquid crystal element. The scanning element 13 includes a plurality of regions divided along one direction, and it is possible to control the phase of light in each of the plurality of regions.

(走査素子13の構成)
次に、走査素子13の構成について説明する。図6は、走査素子13の平面図である。図7は、図6のA-A´線に沿った走査素子13の断面図である。
(Structure of scanning element 13)
Next, the configuration of the scanning element 13 will be described. FIG. 6 is a plan view of the scanning element 13. FIG. 7 is a cross-sectional view of the scanning element 13 along the AA'line of FIG.

走査素子13は、透過型の液晶素子である。走査素子13は、対向配置された基板30、31と、基板30、31間に挟持された液晶層32とを備える。基板30、31の各々は、透明基板(例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板)から構成される。基板30は、発光素子12に対向配置され、発光素子12からのレーザ光は、基板30側から液晶層32に入射する。 The scanning element 13 is a transmissive liquid crystal element. The scanning element 13 includes substrates 30 and 31 arranged opposite to each other and a liquid crystal layer 32 sandwiched between the substrates 30 and 31. Each of the substrates 30 and 31 is composed of a transparent substrate (for example, a glass substrate or a plastic substrate). The substrate 30 is arranged to face the light emitting element 12, and the laser light from the light emitting element 12 is incident on the liquid crystal layer 32 from the substrate 30 side.

液晶層32は、基板30、31間に充填される。具体的には、液晶層32は、基板30、31と、シール材33とによって包囲された領域内に封入される。図7の液晶層32に図示された楕円は、液晶分子を模式的に表している。シール材33は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板30又は基板31に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。 The liquid crystal layer 32 is filled between the substrates 30 and 31. Specifically, the liquid crystal layer 32 is enclosed in a region surrounded by the substrates 30 and 31 and the sealing material 33. The ellipse illustrated in the liquid crystal layer 32 of FIG. 7 schematically represents a liquid crystal molecule. The sealing material 33 is made of, for example, an ultraviolet curable resin, a thermosetting resin, an ultraviolet / heat combined type curable resin, or the like, and is applied to the substrate 30 or the substrate 31 in the manufacturing process and then cured by ultraviolet irradiation, heating, or the like. Be done.

液晶層32を構成する液晶材料は、基板30、31間に印加された電圧(電界)に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の走査素子13は、ホモジニアスモードある。すなわち、液晶層32として正の誘電率異方性を有するポジ型(P型)のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧(電界)を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸(ダイレクタ)が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。液晶分子の傾斜角は、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層32の初期配向は、液晶層32を挟むようにして基板30、31にそれぞれ設けられた2つの配向膜(図示せず)によって制御される。 The liquid crystal material constituting the liquid crystal layer 32 changes its optical characteristics by manipulating the orientation of the liquid crystal molecules according to the voltage (electric field) applied between the substrates 30 and 31. The scanning element 13 of the present embodiment has a homogeneous mode. That is, a positive (P-type) nematic liquid crystal having a positive dielectric anisotropy is used as the liquid crystal layer 32, and the liquid crystal molecules are oriented substantially horizontally with respect to the substrate surface when no voltage (electric field) is applied. do. In the homogenous mode, the long axis (director) of the liquid crystal molecule is substantially oriented in the horizontal direction when no voltage is applied, and the long axis of the liquid crystal molecule is tilted in the vertical direction when the voltage is applied. The tilt angle of the liquid crystal molecule changes depending on the effective voltage applied. The initial orientation of the liquid crystal layer 32 is controlled by two alignment films (not shown) provided on the substrates 30 and 31 so as to sandwich the liquid crystal layer 32.

なお、液晶モードとして、ネガ型(N型)のネマティック液晶を用いた垂直配向(VA:Vertical Alignment)モードを用いてもよい。VAモードでは、電界を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。 As the liquid crystal mode, a vertical alignment (VA: Vertical Alignment) mode using a negative type (N type) nematic liquid crystal may be used. In the VA mode, the major axis of the liquid crystal molecule is oriented substantially vertically when no electric field is applied, and the major axis of the liquid crystal molecule is tilted in the horizontal direction when a voltage is applied.

基板30の液晶層32側には、それぞれがY方向に延び、Y方向に直交するX方向に並ぶ複数の電極34が設けられる。図7には、5個の電極34-1~34-5を例示しているが、電極34の数は任意に設定可能である。複数の電極34は、互いに電気的に分離されており、複数の電極34に対して個別に電圧制御が可能である。電極34の電圧制御は、主制御部によって行われる。 On the liquid crystal layer 32 side of the substrate 30, a plurality of electrodes 34, each of which extends in the Y direction and is arranged in the X direction orthogonal to the Y direction, are provided. FIG. 7 illustrates five electrodes 34-1 to 34-5, but the number of electrodes 34 can be set arbitrarily. The plurality of electrodes 34 are electrically separated from each other, and voltage control can be performed individually for the plurality of electrodes 34. The voltage control of the electrode 34 is performed by the main control unit.

基板31の液晶層32側には、それぞれがY方向に延び、X方向に並ぶ複数の電極35が設けられる。図7には、5個の電極35-1~35-5を例示している。複数の電極35は、複数の電極34に対応して設けられる。すなわち、複数の電極35はそれぞれ、複数の電極34と同じ配線幅、及び同じ長さを有し、平面視において、互いに重なるように配置される。複数の電極35の間隔も、複数の電極34の間隔と同じである。複数の電極35は、互いに電気的に分離されており、複数の電極35に対して個別に電圧制御が可能である。電極35の電圧制御は、主制御部によって行われる。 On the liquid crystal layer 32 side of the substrate 31, a plurality of electrodes 35, each extending in the Y direction and lining up in the X direction, are provided. FIG. 7 illustrates five electrodes 35-1 to 35-5. The plurality of electrodes 35 are provided corresponding to the plurality of electrodes 34. That is, the plurality of electrodes 35 each have the same wiring width and the same length as the plurality of electrodes 34, and are arranged so as to overlap each other in a plan view. The distance between the plurality of electrodes 35 is the same as the distance between the plurality of electrodes 34. The plurality of electrodes 35 are electrically separated from each other, and voltage control can be performed individually for the plurality of electrodes 35. The voltage control of the electrode 35 is performed by the main control unit.

複数の電極34は、配列ピッチd1を有する。電極34-1を例に挙げると、配列ピッチは、電極34-1の幅と、電極34-1と電極34-2との間の間隔との合計である。同様に、複数の電極35は、配列ピッチd1を有する。 The plurality of electrodes 34 have an array pitch d1. Taking the electrode 34-1 as an example, the arrangement pitch is the sum of the width of the electrode 34-1 and the distance between the electrode 34-1 and the electrode 34-2. Similarly, the plurality of electrodes 35 have an array pitch d1.

対向する1対の電極34、35と、この1対の電極34、35間に設けられた液晶層とは、1つのフェーズシフタを構成する。よって、走査素子13は、1対の電極34、35ごとに、光の位相を制御できる。 The pair of electrodes 34 and 35 facing each other and the liquid crystal layer provided between the pair of electrodes 34 and 35 form one phase shifter. Therefore, the scanning element 13 can control the phase of light for each pair of electrodes 34 and 35.

図8に示すように、電極35は、複数の電極34を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。また、図示は省略するが、電極34は、複数の電極35を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。このような電極構造であっても、液晶層に対して同じ電圧制御を行うことが可能である。 As shown in FIG. 8, the electrode 35 may be composed of a planar electrode having a size covering a plurality of electrodes 34. Further, although not shown, the electrode 34 may be composed of a planar electrode having a size covering a plurality of electrodes 35. Even with such an electrode structure, it is possible to perform the same voltage control on the liquid crystal layer.

なお、走査素子13として、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)方式を用いた透過型液晶素子(透過型LCOS)を用いてもよい。透過型LCOSを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の走査素子13を実現できる。透過型LCOSでは、シリコン基板(又は透明基板上に形成されたシリコン層)が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光(赤外線を含む)を透過するため、LCOSを透過型液晶素子として使用することができる。LCOSを使用することにより、セル電極がより小さい液晶素子とすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザ光を高速で走査することが可能となる。 As the scanning element 13, a transmissive liquid crystal element (transmissive LCOS) using an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) method may be used. By using the transmissive LCOS, the electrodes can be finely processed, and a smaller scanning element 13 can be realized. In the transmissive LCOS, a silicon substrate (or a silicon layer formed on the transparent substrate) is used. Since the silicon substrate transmits light (including infrared rays) having a wavelength equal to or higher than a specific wavelength in relation to the band gap, LCOS can be used as a transmissive liquid crystal element. By using LCOS, the cell electrode can be made into a smaller liquid crystal element, so that the size can be further reduced. Further, since the mobility of the liquid crystal molecules is high, it is possible to scan the laser beam at high speed.

[2-3] 受光部14の構成
次に、受光部14の構成について説明する。図9は、受光部14の構成を示す模式的な断面図である。受光部14は、角度制限素子15、集光レンズ21、及び受光素子(PD)16を備える。
[2-3] Configuration of the light receiving unit 14 Next, the configuration of the light receiving unit 14 will be described. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the light receiving unit 14. The light receiving unit 14 includes an angle limiting element 15, a condenser lens 21, and a light receiving element (PD) 16.

角度制限素子15は、対象物によって反射されたレーザ光を受け、このレーザ光を透過する。また、角度制限素子15は、走査素子13によるレーザ光の出射角と同じ入射角で入射したレーザ光を、角度制限素子15の入射面に対して垂直になるように(屈折角が0度で)屈折させる。角度制限素子15によるレーザ光の入射角は、主制御部19によって制御される。 The angle limiting element 15 receives the laser beam reflected by the object and transmits the laser beam. Further, the angle limiting element 15 makes the laser light incident at the same incident angle as the emission angle of the laser light by the scanning element 13 perpendicular to the incident surface of the angle limiting element 15 (at a refraction angle of 0 degrees). ) Refract. The incident angle of the laser beam by the angle limiting element 15 is controlled by the main control unit 19.

走査素子13による出射角θである場合、角度制限素子15は、入射角θで入射するレーザ光を垂直方向に、すなわち屈折角が0度で屈折させる。走査素子13による出射角が0度である場合、角度制限素子15は、垂直方向に入射するレーザ光を屈折させずに透過する。 When the emission angle θ by the scanning element 13, the angle limiting element 15 refracts the laser beam incident at the incident angle θ in the vertical direction, that is, at a refraction angle of 0 degrees. When the emission angle by the scanning element 13 is 0 degrees, the angle limiting element 15 transmits the laser light incident in the vertical direction without refracting it.

角度制限素子15は、光フェーズドアレイから構成される。光フェーズドアレイは、光の位相を変える複数のフェーズシフタを備える。角度制限素子15は、例えば液晶素子から構成される。角度制限素子15は、一方向に沿って区分けされた複数の領域を備え、複数の領域の各々において、光の位相を制御することが可能である。角度制限素子15の具体的な構成については後述する。 The angle limiting element 15 is composed of an optical phased array. The optical phased array includes a plurality of phase shifters that change the phase of light. The angle limiting element 15 is composed of, for example, a liquid crystal element. The angle limiting element 15 includes a plurality of regions divided along one direction, and it is possible to control the phase of light in each of the plurality of regions. The specific configuration of the angle limiting element 15 will be described later.

角度制限素子15を透過したレーザ光は、集光レンズ21を透過する。集光レンズ21は、例えば両凸レンズで構成される。集光レンズ21は、所定の屈折角でレーザ光を集光する。集光レンズ21を設けることで、受光素子16のサイズを小さくできる。集光レンズ21を透過したレーザ光は、受光素子16に入射する。 The laser beam transmitted through the angle limiting element 15 passes through the condenser lens 21. The condenser lens 21 is composed of, for example, a biconvex lens. The condenser lens 21 concentrates the laser beam at a predetermined refraction angle. By providing the condenser lens 21, the size of the light receiving element 16 can be reduced. The laser beam transmitted through the condenser lens 21 is incident on the light receiving element 16.

(角度制限素子15の構成)
次に、角度制限素子15の構成について説明する。図10は、角度制限素子15の平面図である。図11は、図10のB-B´線に沿った角度制限素子15の断面図である。
(Structure of angle limiting element 15)
Next, the configuration of the angle limiting element 15 will be described. FIG. 10 is a plan view of the angle limiting element 15. FIG. 11 is a cross-sectional view of the angle limiting element 15 along the BB'line of FIG.

角度制限素子15は、配列ピッチが異なる以外は、前述した走査素子13と同じ構成を有する。 The angle limiting element 15 has the same configuration as the scanning element 13 described above, except that the arrangement pitch is different.

角度制限素子15は、基板40、基板41、液晶層42、シール材43を備える。基板40には、複数の電極44が設けられる。図11には、5個の電極44-1~44-5を例示しているが、電極44の数は任意に設定可能である。基板41には、複数の電極45が設けられる。図11には、5個の電極45-1~45-5を例示している。 The angle limiting element 15 includes a substrate 40, a substrate 41, a liquid crystal layer 42, and a sealing material 43. The substrate 40 is provided with a plurality of electrodes 44. Although FIG. 11 illustrates five electrodes 44-1 to 44-5, the number of electrodes 44 can be set arbitrarily. A plurality of electrodes 45 are provided on the substrate 41. FIG. 11 illustrates five electrodes 45-1 to 45-5.

複数の電極45は、複数の電極44に対応して設けられる。すなわち、複数の電極45はそれぞれ、複数の電極44と同じ配線幅、及び同じ長さを有し、平面視において、互いに重なるように配置される。複数の電極45の間隔も、複数の電極44の間隔と同じである。 The plurality of electrodes 45 are provided corresponding to the plurality of electrodes 44. That is, the plurality of electrodes 45 each have the same wiring width and the same length as the plurality of electrodes 44, and are arranged so as to overlap each other in a plan view. The distance between the plurality of electrodes 45 is the same as the distance between the plurality of electrodes 44.

複数の電極44は、互いに電気的に分離されており、複数の電極44に対して個別に電圧制御が可能である。電極44の電圧制御は、主制御部によって行われる。同様に、複数の電極45は、互いに電気的に分離されており、複数の電極45に対して個別に電圧制御が可能である。電極45の電圧制御は、主制御部によって行われる。 The plurality of electrodes 44 are electrically separated from each other, and voltage control can be performed individually for the plurality of electrodes 44. The voltage control of the electrode 44 is performed by the main control unit. Similarly, the plurality of electrodes 45 are electrically separated from each other, and voltage control can be performed individually for the plurality of electrodes 45. The voltage control of the electrode 45 is performed by the main control unit.

複数の電極44は、配列ピッチd2を有する。同様に、複数の電極45は、配列ピッチd2を有する。 The plurality of electrodes 44 have an array pitch d2. Similarly, the plurality of electrodes 45 have an array pitch d2.

対向する1対の電極44、45と、この1対の電極44、45間に設けられた液晶層とは、1つのフェーズシフタを構成する。よって、角度制限素子15は、1対の電極44、45ごとに、光の位相を制御できる。 The pair of electrodes 44 and 45 facing each other and the liquid crystal layer provided between the pair of electrodes 44 and 45 form one phase shifter. Therefore, the angle limiting element 15 can control the phase of light for each pair of electrodes 44 and 45.

なお、走査素子13の場合と同様に、電極45は、複数の電極44を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。また、電極44は、複数の電極45を覆うサイズを有する平面状の電極で構成されていてもよい。 As in the case of the scanning element 13, the electrode 45 may be composed of a planar electrode having a size that covers the plurality of electrodes 44. Further, the electrode 44 may be composed of a planar electrode having a size covering a plurality of electrodes 45.

[2-4] 配列ピッチの条件
次に、走査素子13の配列ピッチd1と角度制限素子15の配列ピッチd2との関係について説明する。
[2-4] Arrangement Pitch Conditions Next, the relationship between the arrangement pitch d1 of the scanning element 13 and the arrangement pitch d2 of the angle limiting element 15 will be described.

本実施形態では、走査素子13から出射された回折光のうち、0次光以外の回折光(+1次光、-1次光など)が意図しない物体で反射された場合でも、0次光以外の回折光に関する反射光が受光素子PDに入射されるのを抑制する。このため、走査素子13の配列ピッチd1と角度制限素子15の配列ピッチd2とは、“d1≠d2”の関係を有する。 In the present embodiment, among the diffracted light emitted from the scanning element 13, even if the diffracted light other than the 0th-order light (+1st-order light, -1st-order light, etc.) is reflected by an unintended object, it is other than the 0th-order light. It suppresses the reflected light related to the diffracted light of the above from being incident on the light receiving element PD. Therefore, the arrangement pitch d1 of the scanning element 13 and the arrangement pitch d2 of the angle limiting element 15 have a relationship of “d1 ≠ d2”.

投光側(走査素子13)と受光側(角度制限素子15)とでは、0次光のみが重なり、それより高次の回折光は、重ならないことが望ましい。走査素子13の回折次数m、角度制限素子15の回折次数nとする。m、nは、自然数である。走査素子13の配列ピッチd1と角度制限素子15の配列ピッチd2とは、“m・d1≠n・d2”の関係を有する。 It is desirable that only the 0th-order light overlaps with the light-emitting side (scanning element 13) and the light-receiving side (angle limiting element 15), and the diffracted light of higher order does not overlap. The diffraction order m of the scanning element 13 and the diffraction order n of the angle limiting element 15 are set. m and n are natural numbers. The arrangement pitch d1 of the scanning element 13 and the arrangement pitch d2 of the angle limiting element 15 have a relationship of “m · d1 ≠ n · d2”.

投光性能を重視した場合、配列ピッチd1が実現可能な最小のフェーズシフタの幅となり、この値を基準に配列ピッチd2が設定される。配列ピッチd2が大きくなるほど、受光素子に取り込まれる光の角度が増加するため、配列ピッチd2は、出来るだけ小さいことが望ましい。“d2/d1”が整数pになるとき、d1の任意の次数qの回折と、d2の“p・q”次の回折とがほぼ一致する。よって、配列ピッチd2は配列ピッチd1より大きく、d1の次数倍とd2の次数倍とが一致する値にならない範囲に設定することが望ましい。よって、“d1<d2”の場合、以下の式(1)から適切な配列ピッチd2を求めることができる。

d2=d1・(1+1/(N+1)) ・・・(1)

Nは、ノイズ要因となりうる投光側の最大の回折次数の絶対値である。
When the light projection performance is emphasized, the arrangement pitch d1 is the minimum feasible phase shifter width, and the arrangement pitch d2 is set based on this value. As the arrangement pitch d2 increases, the angle of light taken into the light receiving element increases. Therefore, it is desirable that the arrangement pitch d2 be as small as possible. When "d2 / d1" becomes an integer p, the diffraction of any order q of d1 and the diffraction of the "p · q" order of d2 almost coincide with each other. Therefore, it is desirable that the array pitch d2 is larger than the array pitch d1 and is set in a range in which the order multiple of d1 and the order multiple of d2 do not match. Therefore, in the case of "d1 <d2", an appropriate arrangement pitch d2 can be obtained from the following equation (1).

d2 = d1 ・ (1 + 1 / (N + 1)) ・ ・ ・ (1)

N is the absolute value of the maximum diffraction order on the floodlight side that can be a noise factor.

一方で、受光側(角度制限素子15)の配列ピッチd2を最小にしたい場合は、“d1>d2”となる。また、以下の式(2)から適切なピッチd1を求めることができる。

d1=d2・(1+1/(M+1)) ・・・(2)

Mは、ノイズ要因となりうる受光側の最大の回折次数の絶対値である。
On the other hand, when it is desired to minimize the arrangement pitch d2 on the light receiving side (angle limiting element 15), “d1> d2”. Further, an appropriate pitch d1 can be obtained from the following equation (2).

d1 = d2 ・ (1 + 1 / (M + 1)) ・ ・ ・ (2)

M is an absolute value of the maximum diffraction order on the light receiving side that can cause noise.

[3] 距離測定装置10の動作
[3-1] 距離測定装置10の基本動作
まず、距離測定装置10の基本動作について説明する。図12は、距離測定装置10の基本動作を説明する概略図である。なお、図12では、距離測定装置10が車両1の前方を走査する態様を一例として示している。
[3] Operation of the distance measuring device 10 [3-1] Basic operation of the distance measuring device 10 First, the basic operation of the distance measuring device 10 will be described. FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the basic operation of the distance measuring device 10. Note that FIG. 12 shows, as an example, a mode in which the distance measuring device 10 scans the front of the vehicle 1.

距離測定装置10に含まれる投光部11は、角度2αの走査範囲でレーザ光を投光する。受光部14は、対象物2によって反射されたレーザ光を受光する。想定する対象物2までの距離L、距離Lにおける走査範囲Rとする。例えば、角度2α=10度、距離L=10mである場合は、走査範囲R=1.7mであり、角度2α=10度、距離L=50mである場合は、走査範囲R=8.7mである。角度2α、距離L、及び走査範囲Rは、距離測定装置10に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。 The light projecting unit 11 included in the distance measuring device 10 projects laser light in a scanning range of an angle of 2α. The light receiving unit 14 receives the laser light reflected by the object 2. It is assumed that the distance L to the assumed object 2 and the scanning range R at the distance L. For example, when the angle is 2α = 10 degrees and the distance L = 10 m, the scanning range R = 1.7 m, and when the angle 2α = 10 degrees and the distance L = 50 m, the scanning range R = 8.7 m. be. The angle 2α, the distance L, and the scanning range R can be arbitrarily designed according to the specifications required for the distance measuring device 10.

図13は、距離測定装置10によるレーザ光の波形を説明する図である。図13の上側が投光の波形、下側が受光の波形である。図13の横軸が時間であり、図13の縦軸が強度(光強度)である。 FIG. 13 is a diagram illustrating a waveform of a laser beam generated by the distance measuring device 10. The upper side of FIG. 13 is the waveform of the projected light, and the lower side is the waveform of the received light. The horizontal axis of FIG. 13 is time, and the vertical axis of FIG. 13 is intensity (light intensity).

発光素子12は、パルス信号からなるレーザ光を発光する。すなわち、発光素子12は、時分割でレーザ光を出射する。距離測定装置10は、パルス信号としてレーザ光を投光する。パルス信号の周期P、パルス幅Wとする。1つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Cとする。遅れ量Δは、“Δ=2L/C”で算出される。 The light emitting element 12 emits a laser beam composed of a pulse signal. That is, the light emitting element 12 emits laser light in a time division manner. The distance measuring device 10 projects a laser beam as a pulse signal. Let the period P of the pulse signal and the pulse width W. Let the delay amount Δ, which is the time from the transmission of one pulse to the reception of the pulse reflected by the object, and the speed of light C. The delay amount Δ is calculated by “Δ = 2L / C”.

例えば、パルス幅W=10nsec、周期P=10μsec(すなわち、周波数f=100kHz)であるものとする。遅れ量Δ=67nsecの場合、距離L=10mが算出される。 For example, it is assumed that the pulse width W = 10 nsec and the period P = 10 μsec (that is, the frequency f = 100 kHz). When the delay amount Δ = 67 nsec, the distance L = 10 m is calculated.

このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。 By such an operation, the object can be detected and the distance to the object can be calculated.

[3-2] 距離測定装置10の走査動作
信号強度を向上させるためには、外乱となる太陽光などの外乱光をカットする必要がある。外乱光は、あらゆる角度から入射する一方で、信号は、距離測定装置10から発した角度からしか返ってこない。そこで、信号が返ってくる角度に制限してレーザ光を受信することで、信号強度を向上させるようにしている。
[3-2] Scanning operation of the distance measuring device 10 In order to improve the signal strength, it is necessary to cut the disturbance light such as sunlight which becomes a disturbance. While the ambient light is incident from all angles, the signal is returned only from the angle emitted from the distance measuring device 10. Therefore, the signal strength is improved by receiving the laser beam by limiting the angle at which the signal is returned.

図14は、距離測定装置10の動作を説明するフローチャートである。主制御部19は、走査素子13の出射角を角度θに設定し、角度制限素子15の入射角を角度θに設定する(ステップS100)。すなわち、主制御部19は、走査素子13と角度制限素子15とを同期して動作させる。同期とは、走査素子13の屈折角と、角度制限素子15の屈折角とを同じにすることを意味する。 FIG. 14 is a flowchart illustrating the operation of the distance measuring device 10. The main control unit 19 sets the emission angle of the scanning element 13 to the angle θ, and sets the incident angle of the angle limiting element 15 to the angle θ (step S100). That is, the main control unit 19 operates the scanning element 13 and the angle limiting element 15 in synchronization with each other. Synchronization means that the refraction angle of the scanning element 13 and the refraction angle of the angle limiting element 15 are made the same.

図15は、走査素子13の動作を説明する模式図である。例えば、主制御部19は、電極34-1~34-5に、この順に高くなる実効電圧を印加する。電極34と電極35との間に印加される電圧は、交流電圧である。これにより、走査素子13には、屈折率の勾配が生じる。 FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the operation of the scanning element 13. For example, the main control unit 19 applies an effective voltage that increases in this order to the electrodes 34-1 to 34-5. The voltage applied between the electrode 34 and the electrode 35 is an AC voltage. As a result, a gradient of the refractive index is generated in the scanning element 13.

同様に、主制御部19は、角度制限素子15の電極44-1~44-5に、この順に高くなる実効電圧を印加する。電極44と電極45との間に印加される電圧は、交流電圧である。これにより、角度制限素子15には、走査素子13と同じ屈折率の勾配が生じる。 Similarly, the main control unit 19 applies an effective voltage that increases in this order to the electrodes 44-1 to 44-5 of the angle limiting element 15. The voltage applied between the electrode 44 and the electrode 45 is an AC voltage. As a result, the angle limiting element 15 has the same refractive index gradient as the scanning element 13.

続いて、主制御部19は、投光部11から出射角θでレーザ光を投光する(ステップS101)。具体的には、パルスタイミング制御部17は、パルス状のレーザ光を発光素子12から発光させる。発光素子12からのレーザ光は、走査素子13を透過するとともに、角度θだけ屈折する。図15の例では、走査素子13は、右側に向かって屈折率が小さくなる。よって、基板30側から入射したレーザ光は、左側に屈折するようにして、走査素子13から出射される。 Subsequently, the main control unit 19 projects laser light from the light projecting unit 11 at an emission angle θ (step S101). Specifically, the pulse timing control unit 17 emits a pulsed laser beam from the light emitting element 12. The laser beam from the light emitting element 12 passes through the scanning element 13 and is refracted by an angle θ. In the example of FIG. 15, the refractive index of the scanning element 13 decreases toward the right side. Therefore, the laser beam incident from the substrate 30 side is refracted to the left side and emitted from the scanning element 13.

続いて、受光部14は、入射角θで入射したレーザ光を受光する(ステップS102)。具体的には、図9に示すように、角度制限素子15は、入射角θで入射したレーザ光を、入射面に対して垂直方向に(屈折角が0度で)屈折させる。角度制限素子15を透過したレーザ光は、受光素子16に入射する。これにより、角度制限素子15は、受光素子16に入射するレーザ光を、入射角θで入射するレーザ光に制限することができる。 Subsequently, the light receiving unit 14 receives the laser light incident at the incident angle θ (step S102). Specifically, as shown in FIG. 9, the angle limiting element 15 refracts the laser beam incident at the incident angle θ in the direction perpendicular to the incident surface (at a refraction angle of 0 degrees). The laser beam transmitted through the angle limiting element 15 is incident on the light receiving element 16. As a result, the angle limiting element 15 can limit the laser light incident on the light receiving element 16 to the laser light incident on the incident angle θ.

ここで、走査素子13から出射されるレーザ光には、所望のレーザ光(0次光)に加えて、+1次光、-1次光などの回折光が含まれる。+1次光、及び-1次光の出射角は、0次光の出射角と異なる。例えば、走査素子13から出射された+1次光は、意図しない物体によって反射され、この反射光が角度制限素子15に入射するかもしれない。しかし、本実施形態では、走査素子13の配列ピッチd1と角度制限素子15の配列ピッチd2とが異なるため、+1次光の反射光は、角度制限素子15において屈折角が0度で屈折しない。すなわち、+1次光の反射光は、受光素子16に入射されない。その他の高次回折光についても同様に、受光素子16に入射されない。 Here, the laser light emitted from the scanning element 13 includes diffracted light such as +1st order light and -1st order light in addition to the desired laser light (0th order light). The emission angles of the +1st order light and the -1st order light are different from the emission angles of the 0th order light. For example, the +1st order light emitted from the scanning element 13 may be reflected by an unintended object, and this reflected light may be incident on the angle limiting element 15. However, in the present embodiment, since the arrangement pitch d1 of the scanning element 13 and the arrangement pitch d2 of the angle limiting element 15 are different, the reflected light of the +1st order light is not refracted by the angle limiting element 15 at a refraction angle of 0 degrees. That is, the reflected light of the +1st order light is not incident on the light receiving element 16. Similarly, other high-order diffracted light is not incident on the light receiving element 16.

また、0次光以外の望ましくない外乱光(太陽光を含む)が角度制限素子15に入射した場合でも、この外乱光が受光素子16に入射されるのを抑制できる。図9では、望ましい反射光(信号として使用される光)を実線の矢印で示し、望ましくない外乱光を破線の矢印で示している。 Further, even when unwanted disturbance light (including sunlight) other than the 0th-order light is incident on the angle limiting element 15, it is possible to suppress the disturbance light from being incident on the light receiving element 16. In FIG. 9, desirable reflected light (light used as a signal) is indicated by a solid arrow, and unwanted disturbance light is indicated by a dashed arrow.

続いて、距離演算部18は、対象物までの距離を算出する(ステップS103)。具体的には、距離演算部18は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部17から受け、レーザ光の出射角の情報を主制御部19から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子16から受ける。距離演算部18は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。 Subsequently, the distance calculation unit 18 calculates the distance to the object (step S103). Specifically, the distance calculation unit 18 receives the timing information of the transmitted laser light from the pulse timing control unit 17, the information on the emission angle of the laser light from the main control unit 19, and the timing of the received laser light. Information and light intensity information are received from the light receiving element 16. The distance calculation unit 18 uses this information to calculate the distance from the vehicle to the object.

[4] 実施例
次に、投光部11の実施例について説明する。図16は、実施例に係る投光部11の構成を示す模式図である。なお、図16では、コリメータ20の図示を省略している。
[4] Example Next, an embodiment of the light projecting unit 11 will be described. FIG. 16 is a schematic view showing the configuration of the light projecting unit 11 according to the embodiment. In FIG. 16, the collimator 20 is not shown.

走査素子13の出射面側には、平凹レンズ22が設けられる。平凹レンズ22は、その平面が走査素子13に向き合うように配置される。平凹レンズ22は、レーザ光を拡散する。すなわち、平凹レンズ22は、入射角θより大きい出射角(屈折角)θ´でレーザ光を放射する。実施例によれば、レーザ光の走査範囲を広くすることができる。 A plano-concave lens 22 is provided on the exit surface side of the scanning element 13. The plano-concave lens 22 is arranged so that its plane faces the scanning element 13. The plano-concave lens 22 diffuses the laser beam. That is, the plano-concave lens 22 emits laser light at an emission angle (refraction angle) θ'that is larger than the incident angle θ. According to the embodiment, the scanning range of the laser beam can be widened.

次に、受光部14の実施例について説明する。図17は、実施例に係る受光部14の構成を示す模式図である。 Next, an embodiment of the light receiving unit 14 will be described. FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of the light receiving unit 14 according to the embodiment.

角度制限素子15の入射面側には、平凹レンズ23が設けられる。平凹レンズ23は、その平面が角度制限素子15に向き合うように配置される。平凹レンズ23は、入射角θ´で凹面側に入射したレーザ光を屈折角θで屈折させる。実施例によれば、レーザ光の受光範囲を広くすることができるとともに、投光部11の出射角θ´と、受光部14の入射角θ´とを同じにすることができる。 A plano-concave lens 23 is provided on the incident surface side of the angle limiting element 15. The plano-concave lens 23 is arranged so that its plane faces the angle limiting element 15. The plano-concave lens 23 refracts the laser beam incident on the concave surface side at the incident angle θ'at the refraction angle θ. According to the embodiment, the light receiving range of the laser beam can be widened, and the emission angle θ'of the light projecting unit 11 and the incident angle θ'of the light receiving unit 14 can be made the same.

[5] 実施形態の効果
以上詳述したように本実施形態では、距離測定装置10は、レーザ光を発光する発光素子12と、複数の第1フェーズシフタPS1を有し、発光素子12により発光されたレーザ光を屈折させる走査素子(第1偏向素子)13と、複数の第2フェーズシフタPS2を有し、対象物により反射されたレーザ光を屈折させる角度制限素子(第2偏向素子)15と、角度制限素子15を透過したレーザ光を検知する受光素子16とを備える。そして、第1フェーズシフタPS1の配列ピッチd1は、第2フェーズシフタPS2の配列ピッチd2と異なるように設定される。また、走査素子13は、角度θの出射角でレーザ光を投光し、角度制限素子15は、角度θの入射角で入射するレーザ光を受光素子16に入射させる。
[5] Effects of the Embodiment As described in detail above, in the present embodiment, the distance measuring device 10 has a light emitting element 12 that emits laser light and a plurality of first phase shifters PS1, and the light emitting element 12 emits light. An angle limiting element (second deflection element) 15 having a scanning element (first deflection element) 13 for refracting the laser beam and a plurality of second phase shifters PS2 and refracting the laser beam reflected by the object. And a light receiving element 16 for detecting the laser beam transmitted through the angle limiting element 15. Then, the arrangement pitch d1 of the first phase shifter PS1 is set to be different from the arrangement pitch d2 of the second phase shifter PS2. Further, the scanning element 13 projects the laser light at the emission angle of the angle θ, and the angle limiting element 15 causes the laser light incident at the incident angle of the angle θ to be incident on the light receiving element 16.

走査素子13の複数のフェーズシフタPS1の配列には周期性があるため、走査素子13から出射されるレーザ光には、0次光、+1次光、及び-1次光を含む回折光が含まれる。しかし、角度制限素子15の配列ピッチd2が走査素子13の配列ピッチd1と異なるため、+1次光に起因する反射光は、角度制限素子15を透過する際、受光素子16に向けて屈折しない。他の高次回折光についても同様に、受光素子16に向けて屈折しない。 Since the arrangement of the plurality of phase shifters PS1 of the scanning element 13 has periodicity, the laser light emitted from the scanning element 13 includes diffracted light including 0th-order light, +1st-order light, and -1st-order light. Is done. However, since the arrangement pitch d2 of the angle limiting element 15 is different from the arrangement pitch d1 of the scanning element 13, the reflected light caused by the +1st order light is not refracted toward the light receiving element 16 when passing through the angle limiting element 15. Similarly, other high-order diffracted light is not refracted toward the light receiving element 16.

従って本実施形態によれば、投光される主信号成分を効果的に取り込みつつ、ノイズとなる回折光を受光するのを抑制することができる。これにより、受信強度を向上させることができ、また、SN比を向上させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to effectively capture the main signal component to be projected and suppress the reception of diffracted light that becomes noise. Thereby , the reception strength can be improved and the SN ratio can be improved.

また、距離測定装置10は、距離測定装置10に入射する光(太陽光などの外乱光を含む)のうち、送信したレーザ光が対象物によって反射されたレーザ光に制限して受信することができる。これにより、受信強度を向上させることができる。また、遠距離の信号を検出することが可能となるため、測定可能な距離を向上させることができる。 Further, the distance measuring device 10 may receive the transmitted laser light limited to the laser light reflected by the object among the light incident on the distance measuring device 10 (including ambient light such as sunlight). can. Thereby, the reception strength can be improved. Further, since it is possible to detect a signal at a long distance, it is possible to improve the measurable distance.

なお、上記実施形態では、一次元にレーザ光を走査する走査素子13を例に挙げて説明している。しかし、複数の下側電極と複数の上側電極とが交差するように配置されたパッシブマトリクス方式を走査素子13に適用してもよい。パッシブマトリクス方式を走査素子13に適用することで、2次元に走査することが可能である。角度制限素子15についても、走査素子13と同様に構成可能である。 In the above embodiment, the scanning element 13 that scans the laser beam one-dimensionally is described as an example. However, a passive matrix method arranged so that the plurality of lower electrodes and the plurality of upper electrodes intersect may be applied to the scanning element 13. By applying the passive matrix method to the scanning element 13, it is possible to scan in two dimensions. The angle limiting element 15 can be configured in the same manner as the scanning element 13.

また、走査素子13及び角度制限素子15の他の構成例として、第1基板に複数のドットに対応しかつ互いに電気的に分離された複数の第1電極を形成し、第1基板に対向する第2基板に平面状の1つの共通電極を形成する。そして、TFT(Thin Film Transistor)などで構成される複数のスイッチング素子を用いて複数の第1電極を駆動するようにしてもよい。 Further, as another configuration example of the scanning element 13 and the angle limiting element 15, a plurality of first electrodes corresponding to a plurality of dots and electrically separated from each other are formed on the first substrate and face the first substrate. One planar common electrode is formed on the second substrate. Then, a plurality of first electrodes may be driven by using a plurality of switching elements composed of a TFT (Thin Film Transistor) or the like.

上記実施形態では、距離測定装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、上記実施形態にかかる距離測定装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。 In the above embodiment, an infrared laser is used as the laser light handled by the distance measuring device. However, the distance measuring device according to the above embodiment is not limited to this, and can be applied to light other than infrared rays.

上記実施形態では、車両に搭載される距離測定装置について説明している。しかし、これに限定されず、距離測定装置は、レーザ光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。 In the above embodiment, a distance measuring device mounted on a vehicle is described. However, the distance measuring device is not limited to this, and can be applied to various electronic devices having a function of scanning a laser beam.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、1つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and the constituent elements can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. Further, the above-described embodiments include inventions at various stages, and by an appropriate combination of a plurality of components disclosed in one embodiment or by an appropriate combination of components disclosed in different embodiments. Various inventions can be constructed. For example, even if some components are deleted from all the components disclosed in the embodiment, if the problem to be solved by the invention can be solved and the effect of the invention is obtained, these components are deleted. The embodiment described above can be extracted as an invention.

10…距離測定装置、11…投光部、12…発光素子、13…走査素子、14…受光部、15…角度制限素子、16…受光素子、17…パルスタイミング制御部、18…距離演算部、19…主制御部、20…コリメータ、21…集光レンズ、22,23…平凹レンズ、30,31…基板、32…液晶層、33…シール材、34,35…電極、40,41…基板、42…液晶層、43…シール材、44,45…電極 10 ... distance measuring device, 11 ... light emitting unit, 12 ... light emitting element, 13 ... scanning element, 14 ... light receiving unit, 15 ... angle limiting element, 16 ... light receiving element, 17 ... pulse timing control unit, 18 ... distance calculation unit , 19 ... Main control unit, 20 ... Collimeter, 21 ... Condensing lens, 22, 23 ... Plano-concave lens, 30, 31 ... Substrate, 32 ... Liquid crystal layer, 33 ... Sealing material, 34, 35 ... Electrodes, 40, 41 ... Substrate, 42 ... Liquid crystal layer, 43 ... Sealing material, 44, 45 ... Electrodes

Claims (4)

レーザ光を発光する発光素子と、
前記発光素子により発光されたレーザ光を屈折させる第1偏向素子と、
対象物により反射されたレーザ光を屈折させる第2偏向素子と、
前記第2偏向素子を透過したレーザ光を検知する受光素子と
を具備し、
前記第1偏向素子は、
第1及び第2基板と、
前記第1及び第2基板間に充填された第1液晶層と、
前記第1基板に設けられ、それぞれが第1方向に延びる複数の第1電極と、
前記第2基板に設けられ、前記複数の第1電極を覆うサイズを有する第2電極とを含み、
前記第2偏向素子は、
第3及び第4基板と、
前記第3及び第4基板間に充填された第2液晶層と、
前記第3基板に設けられ、それぞれが前記第1方向に延びる複数の第3電極と、
前記第4基板に設けられ、前記複数の第3電極を覆うサイズを有する第4電極とを含み、
前記複数の第1電極は、同じ幅を有し、同じ間隔で配置され、
前記複数の第3電極は、同じ幅を有し、同じ間隔で配置され、
前記複数の第1電極の第1ピッチは、前記複数の第3電極の第2ピッチと異なる
距離測定装置。
A light emitting element that emits laser light and
A first deflection element that refracts the laser beam emitted by the light emitting element, and
A second deflection element that refracts the laser beam reflected by the object,
A light receiving element for detecting a laser beam transmitted through the second deflection element is provided.
The first deflection element is
1st and 2nd boards,
The first liquid crystal layer filled between the first and second substrates,
A plurality of first electrodes provided on the first substrate, each extending in the first direction,
A second electrode provided on the second substrate and having a size covering the plurality of first electrodes is included.
The second deflection element is
With the 3rd and 4th boards
The second liquid crystal layer filled between the third and fourth substrates, and
A plurality of third electrodes provided on the third substrate, each extending in the first direction,
A fourth electrode provided on the fourth substrate and having a size covering the plurality of third electrodes is included.
The plurality of first electrodes have the same width and are arranged at the same interval.
The plurality of third electrodes have the same width and are arranged at the same interval.
A distance measuring device in which the first pitch of the plurality of first electrodes is different from the second pitch of the plurality of third electrodes.
前記第2電極は、平面視において前記複数の第1電極とそれぞれ重なるように構成された複数の電極部分を含み、
前記第4電極は、平面視において前記複数の第3電極とそれぞれ重なるように構成された複数の電極部分を含む
請求項1に記載の距離測定装置。
The second electrode includes a plurality of electrode portions configured to overlap each of the plurality of first electrodes in a plan view.
The distance measuring device according to claim 1, wherein the fourth electrode includes a plurality of electrode portions configured to overlap each of the plurality of third electrodes in a plan view.
前記第1偏向素子は、第1角度の出射角でレーザ光を投光し、
前記第2偏向素子は、前記第1角度の入射角で入射するレーザ光を前記受光素子に入射させる
請求項1又は2に記載の距離測定装置。
The first deflection element projects a laser beam at an emission angle of the first angle.
The distance measuring device according to claim 1 or 2, wherein the second deflection element causes a laser beam incident at an incident angle of the first angle to be incident on the light receiving element.
前記第1ピッチd1、前記第2ピッチd2、前記第1偏向素子の回折次数m(mは自然数)、及び前記第2偏向素子の回折次数n(nは自然数)とすると、前記第1ピッチd1、及び前記第2ピッチd2は、
m・d1≠n・d2
の関係を有する
請求項1乃至3のいずれかに記載の距離測定装置。
Assuming that the first pitch d1, the second pitch d2, the diffraction order m (m is a natural number) of the first deflection element, and the diffraction order n (n is a natural number) of the second deflection element, the first pitch d1 , And the second pitch d2
m ・ d1 ≠ n ・ d2
The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3, which has the relationship of.
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