JP7355171B2 - 光学装置、これを用いた距離計測装置、及び移動体 - Google Patents
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Description
dθ=2×tan-1[(a/2)/f]
と表される。
W=2f×tan(φ/2)
で計算される。高い角度分解能を確保するためにレンズの焦点距離fを長くすると、ビームウエスト径Wが大きくなり、ミラー面積の大きい可動ミラーが必要となるが、LiDARシステムにおいて、可動ミラーは小型であることが望ましい。MEMSミラーの場合、ミラー面積が小さいほど、高速かつ広範囲の走査を実現することができる。ポリゴンミラーについては、小型であるほど高速走査が可能になるのに加えて、システムをコンパクトにすることができる。
前記光学系は、前記光源から出射された前記レーザ光の発散を抑制する第1光学素子と、前記第1光学素子を通過した前記レーザ光を前記走査部の走査面に集光する第2光学素子と、を含み、
前記光源と前記第1光学素子との間の距離は、前記第1光学素子の焦点距離未満である。
dθ=2×tan-1[(a/2)/f] (2)
図6は、投光光学系16の光路図である。投光レンズ(第2光学素子13)と通ったレーザ光は、投光レンズの焦点位置でビーム径が最も小さくなる。ビーム径が最も小さくなる箇所は「ビームウエスト」と呼ばれる。ビームウエスト径Wは、レーザ光源から発振されるレーザ光の発散角φと、投光レンズの焦点距離fによって、式(3)で表される。
式(3)からわかるように、レーザ光源の発散角φを小さくすることで、ビームウエスト径Wを小さくすることができ、ミラー面積の小さい可動ミラーに集光することができる。
<VCSEL発光素子とレンズ素子の配置関係>
図15Aと図15Bは、発光素子112nから出射されたレーザ光が対応するレンズ素子121nだけでなく、隣接するマイクロレンズ121(n+1)に入射した場合におけるレーザ光の強度分布を示す図である。
<VCSEL-MAL間距離とMLAの焦点距離>
MLA12Aまたは12C、回折素子アレイ12Bなどの第1光学素子12を用いることで、VCSELアレイ11Aの各発光素子121から出力されるレーザ光の発散を抑制することができる。ただし、高出力を得るために発光素子の発光面積を大きくすると、結像系で第1光学素子12による発散角の抑制効果が低下する場合があり得る。
Deff=D×cosθMEMS
で表される。
投光レンズの焦点距離fは、30mmである。
2 受光部
3 制御・信号処理部
11 レーザ光源(光源)
11A VCSELアレイ
111 レイヤー(レーザ素子グループ)
112 発光素子(面発光レーザ素子)
12 第1光学素子
12A MLA(光学素子アレイ)
12B 回折素子アレイ(光学素子アレイ)
121 レンズ素子(光学素子)
13 第2光学素子
14 可動ミラー(走査部)
100 LiDAR装置(距離計測装置)
501 自動車(移動体)
Claims (15)
- 複数の面発光レーザ素子を有する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
前記光源と前記走査部の間の光路に配置されて前記レーザ光を前記走査部に導く光学系と、
を有し、
前記光学系は、前記光源から出射された前記レーザ光の発散を抑制する第1光学素子と、
前記第1光学素子を通過した前記レーザ光を前記走査部の走査面に集光する第2光学素子と、を含み、
前記光源と前記第1光学素子との間の距離は、前記第1光学素子の焦点距離未満であり、
前記光源は、前記複数の面発光レーザ素子で形成されるレーザ素子グループを1以上有する面発光レーザアレイであり、
1以上の前記レーザ素子グループの発光は互いに独立して制御され、
各レーザ素子グループに含まれる複数の前記面発光レーザ素子は、同時に発光することを特徴とする光学装置。 - 前記第1光学素子は、前記複数の面発光レーザ素子に対応する複数の光学素子を有する光学素子アレイである
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記光学素子アレイは、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ、または複数の回折レンズを有する回折素子アレイである
ことを特徴とする請求項2に記載の光学装置。 - 前記光源は、複数の前記面発光レーザ素子が同一面内に配列された面発光レーザアレイである
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記第1光学素子は、片面に複数の凸形状のレンズ素子が形成された平凸のレンズ素子アレイであり、
前記レンズ素子アレイの凸面が前記光源に対向して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記第1光学素子は、片面に複数の凸形状のレンズ素子が形成された平凸のレンズ素子アレイであり、
前記レンズ素子アレイの平面が前記光源に対向して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記第1光学素子は、複数の凸形状のレンズ素子が両面に形成された両凸型のレンズ素子アレイであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
- 前記光源は、1つの前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ光を1軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記光源は、1つまたは2以上の前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ光を2軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記2以上の前記レーザ素子グループは、前記光源から出射される前記レーザ光の光軸と交差する方向に間隔を空けて配置される、
請求項9に記載の光学装置。 - 前記走査部は、前記2軸方向において、前記配置に対応して分割された領域に前記レーザ光を走査する、
請求項10に記載の光学装置。 - 前記光源は、2以上の前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ素子グループの各々から出射される前記レーザ光を1軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記光源は、2以上の前記レーザ素子グループで形成されており、
前記走査部は、前記レーザ素子グループの各々から出射される前記レーザ光を2軸方向に走査する可動ミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 請求項1から13のいずれか1項に記載の光学装置を用いて対象物までの距離を測定する距離計測装置。
- 請求項14に記載の距離計測装置を搭載した移動体。
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