JP7349655B2 - 投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、距離測定のための投射装置に関するものである。

従来より、距離測定方式として、光源の光に振幅変調を行い被測定物からの反射光と光源との位相差を測定する位相差検出方式や、極短パルスの光を照射して被測定物の反射光の到達時間を測定することで距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）方式が知られている。

ここで、測定可能な距離を長くするとともに測定精度を高めようとすると、小型高出力で、高周波の変調又は非常に短いパルス波形を得るために、光源として半導体レーザを使用する必要がある。

レーザ光源の使用については、人体や目に対する安全性の観点から、日本国内では、ＪＩＳ－Ｃ６８０２で規定されている。特に、人の目に光が入る可能性がある場合には、一般的に、クラス１の条件を満たす必要がある。

ここで、クラス１の条件を満たして、レーザ光源の出力を上げるためには、投射装置の射出面に配置された拡散板において、レーザ光のビーム径を大きくする必要がある。

具体的に、投射装置の射出面におけるビーム径が小さい場合には、人が投射装置を見たときに、目の網膜にできる光源像も小さくなって光集中が高くなり、目に損傷を与えやすい。これを防ぐためには、投射装置の射出面のビーム径を大きくすることで、網膜にできる光源像を大きくすればよい。これにより、目に損傷を与えることなく、レーザ光源の光出力の最大値を大きくすることができる。

ところで、従来のレーザ投射装置として、半導体レーザの射出部の窓に拡散板が配置された構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の発明では、レーザ光源からの射出光は、凹レンズで拡散拡大され、拡散板に光が投射される。拡散板では、光が等方向に拡散される。凹レンズを用いることで、拡散板でのビーム径が大きくなるようにしている。

ここで、レーザ光源のビーム径は、数μｍと非常に小さいが、凹レンズと拡散板を用いることで、拡散板上にレーザ光源の射出面でのビーム径より非常に大きなビーム径を形成することになる。

これにより、人がレーザをのぞいたときに、目の網膜に形成される光源の像が大きくなるので、目に損傷を与えることなく、レーザ出力の上限を大きくすることができる。

特開平９－３０７１７４号公報

ところで、従来の発明では、レーザ光源の射出光を凹レンズで広げて拡散板に照射しているため、レーザ光源の見掛けのビーム径を大きくするには、拡散板の拡散性を非常に高くする必要がある。

具体的に、拡散板の中央部分では、拡散板の入射面に略垂直に光が入射するが、周辺部では、拡散板の入射面に斜めに入射する。そのため、拡散板の中央部と周辺部で同様な拡散光を射出させるには、入射光の角度に依存しないぐらいに拡散性を強くしないといけない。

また、レーザ光源の拡散板上での見掛けのビーム径が小さいと、光源の輝度が高くなり、人が投射装置を見たときに、目に損傷を与えてしまうことになる。そのため、投射装置のレーザ安全性を確保するには、非常に拡散性の高い拡散板を用いて、拡散板の面での見掛けのビーム径を大きくする必要がある。

しかしながら、一般的なスリガラス状の拡散板では、光をスリガラス部分で多重反射させることで光拡散を行うため、光拡散性を高くすると拡散面からレーザ光源側へ戻る光の割合が大きくなり、光利用効率が大幅に低下してしまう。

また、拡散性の高い拡散板の拡散特性は、一般的にはランバート拡散となり、斜め方向への光が弱くなってしまう。さらに、平板の拡散面であるので、１８０°以上の光拡散が行えないという課題を有している。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡散板での光ロスが小さく、均一で広い放射角の光を射出できる投射装置を提供することにある。

第１の発明は、投射装置を対象とし、第１面、第２面、及び第３面を有する三角形状のプリズムと、前記プリズムの前記第１面に光を射出する光源と、前記プリズムの前記第２面及び前記第３面にそれぞれ対向して配置された２つの拡散板とを備え、前記プリズムの前記第２面及び前記第３面がなす頂角は、５°以上９０°以下であることを特徴とするものである。

第２の発明は、第１の発明において、前記拡散板の拡散面は、前記プリズムと対向する側に設けられ、前記拡散板における前記拡散面と反対側の面は、平面状に形成されていることを特徴とするものである。

第３の発明は、第２の発明において、前記拡散板の拡散面は、凹部と凸部とが隣接して複数配置された溝状に形成されていることを特徴とするものである。

第４の発明は、第３の発明において、前記プリズムは、断面形状が一定となった押し出し形状に形成され、前記拡散板の拡散面の溝部は、前記プリズムの押し出し方向と略平行に延びていることを特徴とするものである。

第５の発明は、第３又は第４の発明において、前記拡散板の溝方向に略平行な方向の光拡散角が、該拡散板の溝方向に略垂直な方向の光拡散角よりも小さいことを特徴とするものである。

第６の発明は、第１乃至第５の発明のうち何れか１つにおいて、前記２つの拡散板は、所定の隙間をあけて配置されていることを特徴とするものである。

第７の発明は、第１乃至第６の発明のうち何れか１つにおいて、前記２つの拡散板の光の広がり角は、それぞれ９０°以上であることを特徴とするものである。

第８の発明は、第１乃至第７の発明のうち何れか１つにおいて、前記光源、前記プリズム、及び前記２つの拡散板の外側に配置された透明カバーを備え、前記透明カバーは、前記拡散板の射出光が入射し且つ該拡散板と対向する略平行な面を有することを特徴とするものである。

第９の発明は、第１乃至第８の発明のうち何れか１つにおいて、前記光源は、レーザ光源であることを特徴とするものである。

本発明によれば、拡散板での光ロスが小さく、均一で広い放射角の光を射出することができる。

本実施形態に係るレーザ投射装置の構成を示す模式図である。 拡散板の構成を一部拡大して示す断面図である。 レーザ投射装置の光線を示す図である。 拡散板での屈折による光拡散を示す図である。 プリズムの斜面からの射出光の放射角分布を示す図である。 拡散板の射出光の放射角分布を示す図である。 拡散板の光束を重ね合わせたときの、レーザ投射装置としての放射角分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本実施形態に係るレーザ投射装置の模式図である。図１において、紙面右手方向をＸ軸、上方向をＹ軸、紙面奥行き方向をＺ軸とする。

図１に示すように、レーザ投射装置１００は、レーザ光源１０１と、プリズム１０２と、拡散板１０６及び拡散板１１１と、透明ケース１１２とを備えている。

レーザ光源１０１は、Ｘ軸正方向に光を射出する。射出する光の分布は、放射分布の中心がＸ軸と平行でガウシアン分布に近い放射分布を持つ。レーザ光源１０１の広がり角は、半値全角で５°以上で且つ、４０°以下が望ましい。できれば、３０°以下がよい。

レーザ光源１０１の波長は、近赤外の単色の波長であり、発光時には人の目に感知されない。レーザ光源１０１は、ＹＺ面内に複数のレーザ発光素子（図示省略）を近接して配列したものである。レーザ発光素子を複数配列して配置することで、空間的な干渉性を弱め、スペックルノイズを低減することができる。

また、光源にレーザを用いることで、ＬＥＤよりも応答性を高くすることができ、発光時間の短いパルス状の光を形成することができる。これにより、平均エネルギーが同じでも、ピーク光強度を高くすることで、距離計測等において、遠くの物体まで照射し計測することができる。

プリズム１０２は、ＸＹ面内で断面が三角形であり、Ｚ軸方向に断面形状が一定となった押し出し形状である。つまり、プリズム１０２の三角形の頂点を含む辺は、任意の頂角部のＺ軸方向と平行である。

プリズム１０２の底面１０３は、レーザ光源１０１と対向するように配置され、ＹＺ面と平行である。プリズム１０２の斜面１０４と斜面１０５からなる頂角θは、９０°以下で、レーザ光源１０１からの光を全反射する角度で設定される。なお、頂角θは、あまり小さくすると強度が不足して破損しやすくなるため、５°以上が望ましい。

プリズム１０２は、レーザ光源１０１の波長において透明であり、材質は、例えば、ポリカーボネートやアクリル等の樹脂や、あるいはガラスでもよい。

レーザ光源１０１の発光中心に対して、プリズム１０２の底面の中心位置とプリズム１０２の頂点を結ぶラインは、若干ずれて配置されている。

拡散板１０６は、薄い平板状の部材で構成されている。拡散板１０６は、プリズム１０２の斜面１０４と対向するように配置される。拡散板１０６の溝部１０８は、プリズム１０２側にあり、溝部１０８の反対面は、平面部１０７である。

拡散板１１１は、拡散板１０６と同様な拡散板であり、プリズム１０２の斜面１０５と対向するように配置され、拡散板１１１の溝部は、プリズム１０２側にある。

拡散板１０６及び拡散板１１１は、レーザ光源１０１の波長において、透明である。材質は、例えば、ポリカーボネートやアクリル等の樹脂や、あるいはガラスでもよい。

拡散板１０６と拡散板１１１とは、所定の隙間ｄをあけて配置される。隙間ｄの間隔は、少なくとも０．０５ｍｍ以上である。隙間ｄをあけることで、拡散板１０６及び拡散板１１１同士の接触によるゴミの発生や破損のリスクを低減できる。

光量中心１４０は、プリズム１０２を射出する光の放射分布の光量中心を示す。拡散板１０６の面法線１４１は、光量中心１４０に対して、Ｚ軸回りに時計回りに角度φをずらして配置される。角度φは、レーザ光源１０１の広がり角の１／２程度とする。

透明ケース１１２は、ＸＹ面内の断面形状が三角形状に形成されている。透明ケース１１２と拡散板１０６、及び透明ケース１１２と拡散板１１１とは、対向する面が略平行である。

図２は、図１に示す仮想円Ａで囲まれた部分を拡大した図である。図２に示すように、拡散板１０６の溝部１０８は、凹部１０９と凸部１１０が隣接して配置され、凹部１０９と凸部１１０の組み合わせが周期ｐで繰り返された形状となっている。

溝部１０８は、Ｚ軸方向に断面形状が一定となった押し出し形状である。つまり、三角形状の頂点を含む辺は、任意の頂角部の溝部１０８の溝方向と平行である。

凹部１０９と凸部１１０は、非球面形状であり、凹部１０９と凸部１１０とが接する部分の傾斜角は同じで、凹部１０９と凸部１１０とは、滑らかに接合されている。凹部１０９をＺ軸中心に１８０度回転させた形状は、凸部１１０と相似形である。ＸＹ面において、凹部１０９と凸部１１０との接続部を通るライン１４５は、溝部１０８の法線方向と垂直である。なお、拡散板１１１の溝形状は、拡散板１０６と同様である。

以下、レーザ投射装置１００の動作について説明する。図３に示すように、レーザ光源１０１の射出光１２０は、プリズム１０２の底面１０３より入射して屈折し、光線１２１となる。プリズム１０２の頂角θは９０°より小さく、斜面１０５で全反射するように設定されているので、光線１２１の大部分の光は、斜面１０５で全反射し、斜面１０５と対向する斜面１０４に入射する。

光線１２１は、斜面１０４の法線方向に近い角度で入射するため、大部分の光が斜面１０４を透過し、プリズム１０２から射出する。プリズム１０２の斜面１０４から射出した光線１２１は、拡散板１０６の溝部１０８に入射する。

図４は、図３に示す仮想円Ｂで囲まれた部分を拡大した図である。図４に示すように、溝部１０８は、凹部１０９と凸部１１０から構成されている。凹部１０９に入射した光線１２２は、凹レンズ効果によって拡散する。凸部１１０に入射した光線１２３は、一旦集光するが、その後、拡散する。

拡散板１０６の溝部１０８で拡散した光は、拡散板１０６の平面部１０７で屈折して射出する。拡散板１０６の屈折率は、空気より大きいので、拡散板１０６から射出する光は、さらに広がり角が広くなる。よって、凹部１０９と凸部１１０が配列された溝部１０８に入射した光線１２１は、屈折作用により光拡散させられる。なお、プリズム１０２の斜面１０４で全反射し、斜面１０５を透過し、拡散板１１１で拡散する光も同様である。

図５Ａ～図５Ｃは、レーザ投射装置１００からの射出光の図１におけるＸＹ面での放射角分布を示す図である。角度は、図１においてＺ軸回りにＹ軸からＸ軸へ回転する方向を正としている。

図５Ａは、プリズム１０２の斜面１０４及び斜面１０５からの射出光の放射角分布を示す図である。図５Ａに示すように、レーザ光源１０１の射出光は、プリズム１０２により、斜面１０４と斜面１０５からの射出光に対応した２つの光束１３０及び光束１３１に分かれる。

図５Ｂは、拡散板１０６及び拡散板１１１の射出光の放射角分布を示す図である。プリズム１０２の斜面１０４及び斜面１０５から射出した光は、拡散板１０６及び拡散板１１１で拡散することで、光束１３２及び光束１３３となる。

拡散板１０６から拡散した光である光束１３２は、放射角分布の負方向に広がりを持つが、わずかに正方向に跨がるように拡散板１０６の広がり角を設定する。同様に、拡散板１１１から拡散した光である光束１３３は、放射角分布の正方向に広がりを持つが、わずかに負方向に跨がるように拡散板１１１の広がり角を設定する。

拡散板１０６からの射出光の光束１３４の放射角分布は、負方向側の光強度が高く、角度０°方向の光強度が低くなるようになっている（図５Ｃ参照）。これは、図２において、プリズム１０２の射出光の光量中心１４０が、拡散板１０６の溝部１０８の面法線１４１に対してＸＹ面内で、角度φで入射することで生じる。

プリズム１０２の射出光の光量中心１４０が、溝部１０８に対して角度φで入射することで、溝部１０８の斜面１４６に対しては、入射角が小さくなることで、屈折による光線角度変化が小さくなる。すなわち、拡散板１０６での拡散が小さくなる。溝部１０８の斜面１４６での屈折光は、放射角分布の負方向に拡散する光であるので、負方向の角度の広がりが小さくなる（図５Ｂの符号１５０参照）。

一方、斜面１４７に対しては、入射角が大きくなることで、屈折による光線角度変化が大きくなる。すなわち、拡散板１０６での拡散が大きくなる。溝部１０８の斜面１４７での屈折光は、放射角分布の正方向側に拡散する光であるので、正方向側の角度の広がりが大きくなる（図５Ｂの符号１５１参照）。

光量中心１４０が面法線１４１に対して角度φ傾斜していると、斜面１４６への光量は、斜面１４７より多くなり、かつ光拡散が小さくなるので、放射角度分布において、負方向の光強度は大きくなる。このため、拡散板１０６の射出光の放射角度分布は負方向の光強度が強くなる。なお、拡散板１１１からの射出光において、正方向側の光強度が強くなるのも同様である。

図５Ｃは、拡散板１０６の光束１３２と拡散板１１１の光束１３３を重ね合わせたときの、レーザ投射装置１００としての放射角分布である。拡散板１０６から拡散した光束１３２は、角度マイナス方向だけでなく、一部、正方向の角度まで広がるように設定される（図５Ｂ参照）。同様に、拡散板１１１からの拡散した光束１３３は、角度方向正方向だけでなく、一部、負方向の角度まで広がるように設定される（図５Ｂ参照）。

このため、図５Ｃに示すように、光束１３２と光束１３３とを重ね合わせることで、光束１３４のように、０°近傍の光量が少し低く、正方向と負方向で光強度の高い放射分布を得ることができる。

このような放射分布とすることで、０°方向、すなわち、レーザ投射装置１００の正面方向より正方向と負方向、すなわち、周辺部を観察したときに有利になる。拡散板１０６及び拡散板１１１の拡散による広がり角を、それぞれ９０°以上とすることで、合成される広がり角を１８０°以上とすることができる。

一方、ＸＺ面内の放射分布は、レーザ光源１０１の広がり角のままである。自動車等にレーザ投射装置１００を搭載する場合、ＸＺ面を垂直方向に、ＸＹ面を水平方向とすることで、垂直方向にはあまり光を広げずに、水平面内に広げることで、光を効率良く照射することができる。

ところで、レーザ光源１０１のレーザクラスを算出する際には、投射光学系の拡散板でのビーム径が、レーザクラス計算に関与してくる。本実施形態では、プリズム１０２で光を２分割して、それぞれを拡散させる構成としているので、見かけ上、レーザ光源１０１を２つに分けたことになり、レーザクラス計算においてレーザクラス１となるレーザ光源出力の上限を向上させることができる。

拡散板１０６及び拡散板１１１は、金型を用いた射出成型により製作することができる。本実施形態では、拡散板１０６及び拡散板１１１の溝部１０８は、滑らかな曲線で、押し出し形状をしているので、例えば、シェーパー加工で容易に短時間での機械加工で金型を製作し、射出成型により安価に拡散板を製作することができる。また、拡散板１０６及び拡散板１１１の製造工程での摩耗、成形の転写不良による変形の影響を受けにくい。

また、拡散板１０６及び拡散板１１１の溝部１０８は、滑らかな曲線で形成されているので、例えば、エッジなどで局所的に傾斜角が大きくなって、エッジ付近での不要な反射や迷光となることがない。また、エッジ部分の摩耗により予期しない拡散の広がりができ、拡散板の光効率が低下しやすくなることもない。

拡散板１０６と拡散板１１１とは、隙間ｄをあけて配置されるが、レーザ光源１０１からの光は、プリズム１０２で２つに分けられて角度を持った光となるため、プリズム１０２からの射出光は、０°方向への光はほとんど生じない（図５Ａ参照）。このため、拡散板１０６と拡散板１１１との隙間ｄからの漏れ光はほとんど生じない。

ところで、一般的に、組み立て時に誤差が生じてしまうと、レーザ光源１０１の放射分布中心とプリズム１０２の対称軸とを一致させることが難しい。

これに対し、本実施形態では、レーザ光源１０１の放射分布がガウシアン分布で少なくとも半値全角で５°以上の広がりを持ち、拡散板１０６と拡散板１１１の放射分布が角度０°において、重なっている。

そのため、レーザ光源１０１の放射分布中心と、プリズム１０２の対称軸とがずれても、角度０°方向の光強度が０となりにくい構成となっている。ここで、レーザ光源１０１の放射分布の広がり角を大きくするほど、レーザ光源１０１の放射分布中心と、プリズム１０２の対称軸のずれの許容値を大きくとることができる。

このような構成によれば、レーザ光源１０１の射出光を、プリズム１０２で２つに分け、２つの屈折を用いる拡散板１０６及び拡散板１１１で拡散させ、拡散光を重ね合わせることで、拡散板１０６及び拡散板１１１での光ロスが小さく、１８０°以上の広がり角の光を射出することができる。

また、レーザ光源１０１の光源像を２つに分けることで、見掛けの光源発光サイズを大きくし、レーザクラス１となるレーザ出力を高くすることができるので、明るい照明が可能なレーザ投射装置を提供することができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、レーザ光源１０１は、レーザ発光素子を複数配列し、空間的な干渉性を下げたものを用いたが、マルチモードタイプの半導体レーザなどの空間的な干渉性の低いものを用いてもよい。また、発光ダイオードや発光径の小さな発光ダイオード（ＳＬＤ）を用いてもよい。

なお、スペックルノイズが増えても構わなければ、シングルモードタイプの半導体レーザでもよい。また、装置が大型化してもよければ、ＨｅＮｅ、アルゴンガスレーザなどを用いてもよい。

また、本実施形態では、レーザ光源１０１の波長を近赤外としたが、測定光が見えても構わないときは、可視光を用いてもよい。あるいは、紫外光を用いても構わない。なお、光源をレーザ光源１０１としたが、応答特性が悪くなるが、ＬＥＤを用いてもよい。

また、本実施形態において、拡散板１０６及び拡散板１１１の平面部１０７に反射防止膜を形成し、表面反射を低減させてもよい。

また、本実施形態において、拡散板１０６と拡散板１１１とは、同じ広がり角でもよいし、溝部１０８の凹部１０９と凸部１１０の形状を変更して、異なる広がり角としてもよい。

また、本実施形態において、プリズム１０２の断面形状は、二等辺三角形でもよいし、不等辺三角形でもよい。

また、本実施形態では、透明ケース１１２の断面を三角形状としたが、この形態に限定するものではない。例えば、レンズ効果で放射角分布が若干変化するが、図１のＸＹ面内において半円となる円筒形状でもよい。

また、本実施形態において、ＸＺ面方向に光を広げるために、レーザ光源１０１の直後にＸＺ面内で光を拡散させる拡散板を配置してもよい。

本発明の投射装置は、拡散板での光ロスが小さく、広い放射角の光を射出でき、投射装置の射出面における見かけのビームを分けて、レーザクラス１の範囲内でレーザ光源出力を高くすることができるので、屋外での車載センサや防犯センサ、屋内でのエアコンや照明等の家電の距離センサ用光源にも適用できる。

１００ レーザ投射装置
１０１ レーザ光源
１０２ プリズム
１０３ 底面（第１面）
１０４ 斜面（第２面）
１０５ 斜面（第３面）
１０６ 拡散板
１０８ 溝部
１０９ 凹部
１１０ 凸部
１１１ 拡散板
１１２ 透明ケース

Claims (9)

1. 所定のＸ軸方向に光を射出する光源と、
   前記Ｘ軸方向に直交する２つの方向をそれぞれＹ軸方向及びＺ軸方向としたときに、ＸＹ面内で断面が三角形状のプリズムと、を備え、
   前記プリズムのＹＺ面に平行で前記光源からの光が入射する面を第１面とし、前記第１面とは異なる２つの斜面をそれぞれ第２面及び第３面とし、
   前記プリズムの前記第２面及び前記第３面にそれぞれ対向して配置された２つの拡散板を備え、
   前記プリズムの前記第２面及び前記第３面がなす頂角は、５°以上９０°以下であり、
   前記第２面で全反射した光を前記第３面に入射させる一方、前記第３面で全反射した光を前記第２面に入射させることで、前記光源からの光が２つに分かれるようにし、
   前記第２面及び前記第３面にそれぞれ対向する２つの前記拡散板に光を入射させて拡散透過させ、拡散した２つの光を重ね合わせる
   ことを特徴とする投射装置。
2. 請求項１において、
   前記拡散板の拡散面は、前記プリズムと対向する側に設けられ、
   前記拡散板における前記拡散面と反対側の面は、平面状に形成されていることを特徴とする投射装置。
3. 請求項２において、
   前記拡散板の拡散面は、凹部と凸部とが隣接して複数配置された溝状に形成されていることを特徴とする投射装置。
4. 請求項３において、
   前記プリズムは、断面形状が一定となった押し出し形状に形成され、
   前記拡散板の拡散面の溝部は、前記プリズムの押し出し方向と略平行に延びていることを特徴とする投射装置。
5. 請求項３又は４において、
   前記拡散板の溝方向に略平行な方向の光拡散角が、該拡散板の溝方向に略垂直な方向の光拡散角よりも小さいことを特徴とする投射装置。
6. 請求項１乃至５のうち何れか１つにおいて、
   前記２つの拡散板は、所定の隙間をあけて配置されていることを特徴とする投射装置。
7. 請求項１乃至６のうち何れか１つにおいて、
   前記２つの拡散板の光の広がり角は、それぞれ９０°以上であることを特徴とする投射装置。
8. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記光源、前記プリズム、及び前記２つの拡散板の外側に配置された透明カバーを備え、
   前記透明カバーは、前記拡散板の射出光が入射し且つ該拡散板と対向する略平行な面を有することを特徴とする投射装置。
9. 請求項１乃至８のうち何れか１つにおいて、
   前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする投射装置。

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