JP7385048B2 - 光学効率が改善された送信ユニットおよびｌｉｄａｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム束の形態でのビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を有し、このビーム源がＶＣＳＥＬまたはエミッタアレイとして形成されており、かつ少なくとも１つのレンズを備えた送信光学系を有する、コリメートされたビームを走査範囲に放出するための、とりわけＬＩＤＡＲ装置用の送信ユニットに関する。本発明はさらに、送信ユニットを備えたＬＩＤＡＲ装置に関する。

レーザビームのビーム伝播は、ビームパラメータ積によって表され得る。ビームパラメータ積は、ビーム品質に反比例するＭ^２値に依存している。
ビーム源のＭ^２値は、生成されるビームの発散が同じ場合、放出直径またはビームウエスト直径が大きくなるほど、より大きくなる。この関係性の結果として、例えばＶＣＳＥＬのような大きな放出直径をもつビーム源は、コンパクトな設置空間の場合に小さな発散ではコリメートされ得ない。したがって、比較的大きなＭ^２値をもつビーム源からのビームをコリメートし、これによってビームの小さな発散を獲得するには、比較的大きなレンズが必要である。

例えばＬＩＤＡＲ装置の送信ユニットのようなビーム成形光学システムは、通常は、できるだけ高い光学効率を有するように構想される。このために光学系の直径は、ビーム源のすべてのビームを合焦するために十分に大きく寸法決定されなければならない。

ＶＣＳＥＬによって実現可能な放射束は、ＶＣＳＥＬの放出面積に比例する。この理由から、しばしば放射束と提供可能な設置空間との間で妥協が生じる。
ＬＩＤＡＲ装置の通常の適用分野では、提供可能な設置空間が制限されており、それにより、力の強いＶＣＳＥＬの使用を困難にしている。

本発明の基礎となる課題は、力の強いＶＣＳＥＬの使用を、小さな必要設置空間で可能にする、送信ユニットおよびＬＩＤＡＲ装置を提案することに見いだされ得る。

この課題は独立請求項のそれぞれの対象によって解決される。本発明の有利な形態はそれぞれの従属請求項の対象である。

本発明の一態様に基づき、コリメートされたビームを走査範囲に放出するための、とりわけＬＩＤＡＲ装置用の送信ユニットが提供される。
この送信ユニットは、ビーム束の形態でビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を有する。このビーム源が、ＶＣＳＥＬまたはエミッタアレイとして形成され得ることが好ましい。送信ユニットはさらに、少なくとも１つのレンズを備えた送信光学系を有する。生成されたビームからなるビーム束の断面を、水平方向および／または垂直方向において制限するように構成されている、少なくとも１つの開口をもつ絞りが設けられている。送信光学系の少なくとも１つのレンズは、ビームの放出方向において絞りに後置されている。

これに関しビーム束は、一体的にまたは複数の部分に分かれて形成されていてもよい。例えば、レーザアレイが、複数の部分に分かれたビーム束を生成することができ、このビーム束は、遠視野では一体的なビーム束を形成し得る。この場合、ビーム束のこれらの生成されたビームは、互いに平行に走っていなくてよい。ビーム束のビームは、コリメートされた形態で初めて互いに実質的に平行にアライメントされていてもよい。

水平方向および垂直方向は、ビームの伝播方向に直交して方向づけられている。
絞りの使用により、ビーム源の生成されたビームの一部がブロックされまたは切り取られ得る。減少した放出直径またはビームウエスト直径を提供するために、生成されたビームのエッジ部分が低い放射束でブロックされ得ることが好ましい。

ビーム源によって生成された放射束の、中心に配置された主要部分が絞りを通過し得ることが好ましい。エッジ部分でのより力の弱いビームが、絞りによってブロックされ得る。

放出直径の減少は、より小さなＭ^２値およびより高いビーム品質をもたらす。より高いビーム品質および減少した放出直径により、小さな寸法の送信光学系が使用され得る。例えば、少なくとも１つのレンズが、ビーム源の初期放出直径より小さな直径を有し得る。

ビームのサイドをブロックすることにより、これに加えてより均質な強度分布が生じる。人間の目の瞳孔は例えば７ｍｍの直径を有する。アイセーフティのため、それぞれ、直径７ｍｍの円形平面に当たる最高エネルギーが制限されている。送信されたレーザビームが（絞りの通過後に）７ｍｍより明らかに大きな直径を有する場合、強度における強い変動が欠点であり、なぜなら強度最大値では比較的高いエネルギーを目の中に放射し得るからである。

送信光学系の少なくとも１つのレンズが、絞りを通過するビームをコリメートするために用いられ得ることが好ましい。
ビーム源によって生成されたビームの７０～９５％が絞りを透過または通過し得ることが好ましい。コンパクトに形成された送信ユニットを実現するために、ビーム源の効率が、絞りの使用によって僅かに低下し得る。

本発明のさらなる態様に基づき、ビームで走査範囲を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。このＬＩＤＡＲ装置は、本発明による送信ユニットと、走査範囲から反射および／または後方散乱されたビームを受信するための受信ユニットとを有する。

少なくとも１つのビーム源が、例えば、生成されたビームによる、ライン状の、丸い、または長方形の照明を可能にする。とりわけ、例えばＶＣＳＥＬのような拡大された放出面をもつビーム源の使用が、コンパクトな寸法のＬＩＤＡＲ装置の場合に可能にされ得る。生成されて絞りを透過したビームをコリメートするために、送信光学系の少なくとも１つのレンズが、３０ｍｍ超の相対的に大きな焦点距離を有し得る。この措置により、ビームが小さな発散で走査範囲に放出される。

大きな放出角で放射している生成されたビームが、絞りによってブロックされ得ることが好ましい。この大きな放出角は、例えば最大放出角の範囲にあり得る。

ＬＩＤＡＲ装置の必要設置空間に決定的に影響を及ぼす、放出されるビームの放出直径または少なくとも１つの水平および／もしくは垂直な広がりが、絞りによって縮小され得る。

ＬＩＤＡＲ装置の形態に応じて複数の絞りを使用してもよい。その代わりにまたはそれに加えて絞りが１つまたは複数の開口を有することができ、この開口を通ってビームが絞りを通過し得る。この場合、少なくとも１つの開口の形状および大きさが、最適なビーム成形および発散を獲得するために任意に調整され得る。

少なくとも１つの開口の形状が、ビーム源の放出特性に適合され得ることが好ましい。
送信ユニットは、１つのビーム源には限定されない。例えば複数の並列または直列に動作するビーム源が用いられ得る。それぞれのビーム源が、絞りのそれぞれ別々の開口を利用することができる。その代わりに、複数のビーム源が絞りの１つの開口を共同で露光することができる。

ビーム源は、例えばＬＥＤまたはレーザであり得る。生成されるビームは、ビーム源により、赤外、紫外、または可視の波長領域で生成され得る。

１つの例示的実施形態によれば、送信光学系のレンズが、絞りから放出されたビームをコリメートするように構成されている焦点距離を有する。送信光学系は、生成されて絞りを透過したビームを小さな発散をもつビームへとコリメートし得る１つまたは複数のレンズを有し得る。レンズの焦点距離が、ビーム源の配置および絞りの開口の大きさに適合され得ることが好ましい。

これに関し、絞りは送信光学系に組み込まれ得る。その代わりに、絞りを通過した生成されたビームを、走査範囲への放出用に成形するために、偏向ミラーまたはミラー素子の後に送信光学系が配置され得る。

送信光学系はそれだけでなく、散乱光または妨害光を最小限に抑えるため、フィルタおよび反射防止加工を有し得る。

さらなる一実施形態によれば、送信光学系の少なくとも１つのレンズが少なくとも４０ｍｍの焦点距離を有する。この措置により、ビーム源によって生成されたビームの放出角が大きくても、コリメートされ得る。送信光学系のレンズまたは実施形態が、走査範囲に放出されるビームの最小限の発散を獲得するために、ビーム源に適合され得ることが好ましい。

さらなる１つの例示的実施形態によれば、絞りの開口が水平方向および／または垂直方向の広がりを有し、この絞りにより、生成されたビームからなるビーム束のエッジ部分がブロックされる。生成されたビームおよびとりわけ生成されたビームからなるビーム束は、放出直径の最外側のエッジ部分で絞りによって吸収され、したがって通過を阻止される。絞りの使用により、その後の送信光学系用にビームの放出直径を最適化するために、ビーム源の生成されたビームのうちエネルギー的に少ない割合がフィルタリングされ得る。この措置により、送信光学系およびとりわけ送信光学系の少なくとも１つのレンズが、より小さな寸法を有し得る。

送信光学系の比較的コンパクトな成形が可能であることにより、送信ユニット全体が、比較的小さな必要設置空間で製造され得る。

さらなる一実施形態によれば、生成されたビームからなるビーム束の、絞りによってブロックされるエッジ部分が、生成されたビームの全放射エネルギーの少なくとも１０％の割合を有する。これにより、生成されたビームの放出直径の明らかな減少が達成され得る。全放射エネルギーのうち絞りによってブロックされるビームの割合が５～３０％であり得ることが好ましい。この措置により、エッジ部分で、全放射エネルギーに僅かにしか寄与しないビームがフィルタリングされる。したがって、放射源によって提供される放射束は最小限しか低減しない。しかしながら、ビームの減少した放出直径により、送信ユニットのよりコンパクトな設置形状が可能にされ得る。

その代わりにまたはそれに加えて、ビーム源によって生成されたビームを最初に成形するために、１つまたは複数の光学素子が設けられていてもよい。

さらなる一実施形態では、アイセーフティ限界値を高めるため、絞りによる、生成されたビームの少なくとも部分的なサイドのブロックが行われている。ビームのサイドをブロックすることは、ビームの伝播方向を横切るビーム断面の縮小に結びつく。ビームのサイドをブロックすることにより、より高いアイセーフティ限界値をもたらすより均質な強度分布が実現され得る。

さらなる１つの例示的な実施形態によれば、生成されたビームが、ライン状または長方形の断面を有し、この場合、生成されたビームは、水平方向より垂直方向に大きな広がりを有する。したがってビーム源は、生成されるビームを任意の形状で放出し得る１つまたは複数の放出面を有し得る。

さらなる一実施形態によれば、絞りの少なくとも１つの開口が、丸い、オーバル形の、長方形の、正方形の、またはライン状の断面を有する。これにより、生成されたビームをその放出直径において最適に適合するために、絞りの少なくとも１つの開口が任意の形状を有し得る。エッジ部分のビームを除くすべての生成されたビームが開口を通過し得ることが好ましい。

さらなる１つの例示的な実施形態によれば、送信ユニットが、送信光学系のレンズまたは絞りに後置された回転可能または旋回可能なミラー素子を有する。その代わりに、送信ユニットが回転可能または旋回可能に形成されている。したがって送信ユニットは、絞りに後置されたミラー素子を有することができ、このミラー素子がビームを、絞りの通過後またはレンズによる成形後に、様々な水平および／または垂直な偏向角度に偏向し得る。ミラー素子は、放出されたビームで走査範囲を走査するために、例えば垂直および／または水平にスキャンする動きを実行し得る。

代替的な一形態では、放出されたビームで走査範囲の水平の広がりを走査するために、送信ユニット全体が、回転可能または旋回可能な回転ディスク上に配置されていてもよい。その際、走査範囲の垂直の広がりは、追加的なミラー素子によって、または放出されたビームの垂直に扇状に広がった形状によって生じ得る。例えば生成されたビームが、垂直方向に延びるライン形状であり得る。

その際、生成されるビームを垂直に扇状に広げることは、ライン状のビームを放出する１つまたは複数のビーム源によって行われ得る。その代わりにまたはそれに加えて、生成されるビームを垂直および／または水平に扇状に広げることを実行するために、マイクロレンズアレイ、マクロレンズアレイ、円柱レンズ、およびその類似物が用いられ得る。
以下に、非常に簡略化した概略図に基づいて本発明の好ましい例示的実施形態をより詳しく解説する。

１つの例示的実施形態に基づくＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 図１からのＬＩＤＡＲ装置の送信ユニットの上面図である。 図１からのＬＩＤＡＲ装置の送信ユニットの側面図である。

図１は、１つの例示的実施形態に基づくＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。ＬＩＤＡＲ装置１は、走査範囲Ａの走査に用いられ、かつ送信ユニット２および受信ユニット４を有する。

送信ユニット２は、電磁ビーム６を生成し、かつ電磁ビーム６を可変の走査角ａで走査範囲Ａに放出するように構成されている。

このために、送信ユニット２は、電磁ビーム６を生成するためのビーム源８を有する。この例示的な実施形態によれば、ビーム源８は半導体レーザとして形成されている。ビーム源８は、任意のレーザまたはＬＥＤであり得る。さらにビーム源８は、多数のレーザおよび／またはＬＥＤからなるアレイとして形成されていてもよい。例えばビーム源８がＶＣＳＥＬとして形成されていてもよい。

ビーム源８は、垂直方向Ｖに広がった放出面を有し、この放出面により、生成されたビーム６はライン状に生成される。これは図３で明瞭化される。水平方向Ｈでは、ビーム源８の放出面は実質的に点状の広がりを有する。

生成されたビーム６は、例えば、人間の目に可視または不可視の波長領域、例えば赤外領域またはＵＶ領域にあり得る。生成されたビーム６は、一体的なまたは複数の部分に分かれたビーム束の形態で、ビーム源８によって生成される。

生成されたビーム６からなるビーム束は、絞り１０により、ビーム束の断面を減少させる。絞り１０は開口１２を有し、この開口１２を通って、生成されたビーム６が絞り１０を通過し得る。ビーム束のエッジ部分７のビームは絞り１０によってブロックされる。

絞り１０の後ろに送信光学系１６のレンズ１４が接続されている。レンズ１４は、例えば生成されたビーム６をコリメートするために使用可能な凸レンズである。開口１２を通過したビーム９は、ビーム束のエッジ部分７が絞り１０によってブロックされるので、僅かにより低い放射束を有する。

コリメートされたまたは少なくともレンズ１４によって予め成形されたビームは、続いてミラー素子１８により、回転軸Ｒに沿って偏向され得る。

ミラー素子１８は、例示的にキューブプリズム、ミラー、ＭＥＭＳミラー、およびその類似物として形成されていてもよい。

ミラー素子１８によって偏向されたビームは、送信光学系１６のさらなるレンズ２０によって成形され、続いて走査範囲Ａに放出され得る。

生成されたビーム６は、送信光学系１６の第１のレンズ１４によって、第２のレンズ２０によって、または両方のレンズ１４、２０の組合せによってコリメートされ得る。

走査範囲Ａで後方散乱または反射されたビーム２２は、受信ユニット４によって受信および検出される。このために受信ユニット４は、例示的に受信光学系２４および検出器２６を有する。

受信ユニット４の検出器２６によって検出されたビーム２２は、続いて評価され得る。
図２は、図１からのＬＩＤＡＲ装置１の送信ユニット２の上面図を示す。とりわけ、生成されたビーム６の水平方向Ｈの広がりを図解する。絞り１０は、生成されたビーム６からなるビーム束を水平方向Ｈにおいて制限し、かつエッジ部分７のビームをブロックする。

絞りの効果を明瞭化するために、絞り１０の前のビームプロファイル２８および絞り１０の後のビームプロファイル３０を図示している。ビームプロファイル２８、３０は、生成されたビーム６および絞り１０の通過後のビーム９の、断面に沿った放射エネルギーを表す。

図示した例示的な実施形態では、ビーム６は水平方向Ｈに沿ってのみ、絞り１０によってエッジ側を制限される。垂直方向Ｖには、例示的に、絞り６によるビーム６のブロックは行われない。

絞り１０および相応の開口１２は、ビーム６が垂直方向Ｖでも水平方向Ｈでもエッジ側をブロックされるように形成されていてもよい。

図３は、図１からのＬＩＤＡＲ装置１の送信ユニット２の側面図を示し、放出方向Ｚでのおよび垂直方向Ｖに沿ったビーム６の伝播を図解する。これに関し、送信光学系１６の第１のレンズ１４が円柱レンズとして成形されており、かつ生成されたビーム６が垂直方向Ｖでは絞りによる影響を受けずに通過し得ることが明瞭化される。

図３によってさらに、ビーム源８がライン状の照明を可能にし、かつビーム６を放出するための垂直方向Ｖに広がった放出面を有することが図解される。

Claims (7)

1. ビーム束の形態でのビーム（６）を生成するための少なくとも１つのビーム源（８）を有し、前記ビーム源（８）がＶＣＳＥＬまたはエミッタアレイとして形成されており、かつ少なくとも１つのレンズ（１４、２０）を備えた送信光学系（１６）を有する、コリメートされたビームを走査範囲（Ａ）に放出するための、ＬＩＤＡＲ装置（１）用の送信ユニット（２）において、前記生成されたビーム（６）からなる前記ビーム束の断面を、水平方向（Ｈ）および／または垂直方向（Ｖ）において制限するように構成されている、少なくとも１つの開口（１２）をもつ絞り（１０）を有し、前記送信光学系（１６）の前記少なくとも１つのレンズ（１４、２０）が、前記ビーム（６）の放出方向（Ｚ）において前記絞り（１０）に後置されており、
   前記絞り（１０）の前記開口（１２）が水平方向（Ｈ）および／または垂直方向（Ｖ）の広がりを有し、前記絞り（１０）により、前記生成されたビーム（６）からなる前記ビーム束のエッジ部分（７）がブロックされ、
   前記生成されたビーム（６）からなる前記ビーム束の、前記絞り（１０）によってブロックされる前記エッジ部分（７）が、前記生成されたビーム（６）の全放射エネルギーの少なくとも１０％の割合を有し、
   前記全放射エネルギーのうち前記絞り（１０）によってブロックされる前記ビーム（６）の割合が５～３０％である、ことを特徴とする送信ユニット。
2. 前記送信光学系（１６）の前記レンズ（１４、２０）が、前記絞り（１０）から出てくる前記ビーム（９）をコリメートするように構成されている焦点距離を有する、請求項１に記載の送信ユニット。
3. 前記送信光学系（１６）の前記少なくとも１つのレンズ（１４、２０）が少なくとも４０ｍｍの焦点距離を有する、請求項２に記載の送信ユニット。
4. 前記生成されたビーム（６）が、ライン状または長方形の断面を有し、この場合、前記生成されたビーム（６）が、水平方向（Ｈ）より垂直方向（Ｖ）に大きな広がりを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の送信ユニット。
5. 前記絞り（１０）の前記少なくとも１つの開口（１２）が、丸い、オーバル形の、長方形の、正方形の、またはライン状の断面を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の送信ユニット。
6. 前記送信光学系（１６）の前記レンズ（１４、２０）もしくは前記絞り（１０）に後置された回転可能もしくは旋回可能なミラー素子（１８）を有し、または回転可能もしくは旋回可能に形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の送信ユニット。
7. ビーム（６）で前記走査範囲（Ａ）を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、請求項１から６のいずれか１項に記載の送信ユニット（２）を有し、かつ走査範囲（Ａ）から反射および／または後方散乱されたビーム（２２）を受信するための受信ユニット（４）を有する、ＬＩＤＡＲ装置（１）。

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