JPWO2021043851A5

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Publication number: JPWO2021043851A5
Application number: JP2022514247A
Authority: JP
Publication date: 2023-09-11

Description

図１７ａおよび図１７ｂに、混合チャンバ１４０の実施形態の２つの例が概略的に示されている。主光軸Ｚに沿って延びる混合チャンバ１４０を、三次元中空体と理解すべきである。混合チャンバ１４０は、混合前のレーザ光を受光するための入口面１６０ａと、混合後のレーザ光を出射するための反対側の出口面１６０ｂと、中空体を形成するための周囲の側面１４０ａとを備える。混合チャンバの周囲の側面１４０ａを、混合チャンバの壁と理解すべきである。

いくつかの実施形態においては、例えば混合チャンバ１４０が図１７ｂに示されるような錐台の形状を有する場合など、反射壁１７０がＶＣＳＥＬアレイ１１０の平面に対して垂直でない。したがって、ミラーキャビティの反射壁１７０を、ビームの発散角度を小さくするように向けることができ、これは、例えば本プロジェクタをシーンを照明するために使用するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。ミラーキャビティは、プロジェクタの他の構成要素に加えてこの機能を果たすことができ、随意により、以下で説明される第２のＭＬＡ１２２の使用を置き換えることができる。

複数の第１のレーザビームからの光線を含む第２のレーザビーム２０の形成が、図７に概略的に示されている。この例示的な例において、マイクロレンズＭＬ［２］は、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃからの光線の一部を受光する。マイクロレンズＭＬ［２］は、焦点距離ｆを有し、マイクロレンズＭＬ［２］を透過した光線を焦点面ＦＰに集光することで、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃの光線部分からなる第２のレーザビーム２０を形成する。マイクロレンズＭＬ［２］の焦点面ＦＰにおいて、ビームスポット幅Ｗおよび発散θ_SPOTを有する合成された第２のレーザビーム２０に対応するスポットの像が観察される。図７に示されるように、焦点面ＦＰにおける第２のレーザビーム２０の幅Ｗを、以下の式ｔａｎ（θ_VCSEL）＝Ｗ／（２ｘｆ）で求めることができ、θ_VCSELは、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、１０ｃの発散角度である。第２のレーザビーム２０の発散角度θ_SPOTを、以下の式ｔａｎ（θ_SPOT）＝（（Ｗ＋Ｐ）／（２ｘｆ））で求めることができ、Ｐは、２つの隣接するマイクロレンズの中心間の距離である。図７には、複数の第１のレーザビームに基づいて第２のレーザビームを形成する原理の概略図のみが示されており、実際には、第２のレーザビームを形成するための重なり合う第１のレーザビームの数は、通常はもっと多い。

第２のＭＬＡのマイクロレンズがそれぞれのＶＣＳＥＬの光軸に整列し、これらの光軸は厳密に平面のＶＣＳＥＬアレイの場合には平行であってよいいくつかの実施形態において、第２のＭＬＡ１２２は、ビームを折ることなく、ＶＣＳＥＬアレイによって放射されるビームの発散を減少させる。これが図１５ａに概略的に示されている。結果として得られるレーザビームの発散の減少は、第１のＭＬＡ１２１に入射する第１のビームの放射照度を増加させ、したがってプロジェクタレンズシステム１３０が受光する第２のビームの放射照度も増加する。結果として、プロジェクタによってシーンへと投影されるビームの角度放射照度が低減され、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。

ブラッグ体積格子を有するプロジェクタ
本開示によるプロジェクタのさらなる実施形態が、図１４ｅに示されている。明確にするために、一般性を失うことなく、図示のこの実施形態は、図１４ｄの実施形態のすべての特性を保持し、ブラッグ体積格子１４７をさらに備える。これを、第２のＭＬＡ１２２および／またはディフューザ１４５および／またはサーキュレータ１４６を欠く実施形態を排除すると解釈すべきではない。

好ましくは、ブラッグ体積格子１４７は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０とディフューザ１４５との間に配置される。ブラッグ体積格子１４７は、例えばガラス製である。

他の実施形態において、ビームエキスパンダは、図１６ｂに示されるように、各々のタイルについて、タイル表面に平行に配置された１対の負レンズＬ－および正レンズＬ＋を備える。このようにして、レーザ光は最初に負レンズによって広がり、したがってタイル間領域に到達する。その後に、レーザ光は正レンズによって再び集光され、したがってレーザ光は再び主光軸Ｚに沿って伝搬する。

図１４ｇおよび図１４ｈに、混合チャンバが反射壁１７０を備えるプロジェクタ１００のさらなる実施形態が示されている。このようにして、ミラーキャビティが形成される。図１４ｇおよび図１４ｈに示される例において、プロジェクタ１００は、図１４ｆに示されるプロジェクタの構成要素を備えているが、他の実施形態において、プロジェクタは、図１４ａ～図１４ｆに示されるプロジェクタのいずれかの構成要素またはそれらの任意の組合せを備えることができる。

Claims

離散スポットパターン（１５０）でシーン（９９）を照明するためのプロジェクタ（１００）であって、
・発散する第１のレーザビーム（１０）を放射するように動作することができる複数の個別のソリッドステートレーザ光源（１１１）を備えるレーザアレイ（１１０）と、
・主光軸（Ｚ）に沿って延びており、前記第１のレーザビーム（１０）の各々を受光し、各々の第１のレーザビームについて、光線の少なくとも一部分が隣接する第１のレーザビームの光線と重なり合うまで前記第１のレーザビーム（１０）の各々が発散することを可能にするように構成され、内壁の少なくとも一部分がレーザ光を反射するための反射壁（１７０）であるか、または内壁の少なくとも一部分がミラー（１４１）を備えている混合チャンバ（１４０）と、
・ｉ）前記混合チャンバ（１４０）を出る前記第１のレーザビーム（１０）の前記重なり合う光線を受光し、
ｉｉ）各々が複数の第１のレーザビームから由来する光線を備える複数の個別の第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成され、
複数のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）を備える第１のマイクロレンズアレイ（１２１）を備えており、各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）は、前記複数の第２のレーザビームのうちの１つの前記第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成されている整形光学系（１２０）と、
・前記第２のレーザビーム（２０）を受光し、前記第２のレーザビームを前記シーン（９９）に向かって投影するように構成されたプロジェクタレンズシステム（１３０）とを備え、
前記投影された第２のレーザビームは、前記離散スポットパターン（１５０）を形成している、プロジェクタ（１００）。
前記混合チャンバ（１４０）は、使用時の前記プロジェクタの動作を検査するように構成された検査開口部（１８０）を備える、請求項１に記載のプロジェクタ。
前記整形光学系（１２０）は、前記整形光学系によって形成される第２のレーザビームの数が前記レーザアレイ（１１０）によって放射される第１のレーザビームの数よりも少なくなるように構成される、請求項１または請求項２に記載のプロジェクタ（１００）。
前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源は、複数のタイル（Ｔ_ｉ）へとグループ化され、前記タイルは、タイルの一次元または二次元アレイを形成するように配置され、各々のタイル（Ｔ_ｉ）に、前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源のうちの或る数（ＳＴ_ｉ）のソリッドステートレーザ光源が関連付けられている、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記タイル（Ｔ_ｉ）の各々は、ソリッドステートレーザ光源の一次元または二次元サブアレイを形成している、請求項４に記載のプロジェクタ。
前記主光軸（Ｚ）に沿って測定される前記混合チャンバの長さ（Ｈ）が、前記第１のレーザビームが前記混合チャンバを通って伝播した後に、各々のタイルについて、その光線の少なくとも一部が隣接するタイルの光線と重なり合うように定められている、請求項４または５に記載のプロジェクタ。
前記タイルは、長方形の形状を有し、前記タイルは、タイル間距離が前記レーザアレイ（１１０）の全体にわたって同じであるように、規則的なパターンを形成するように配置されている、請求項４～６のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記混合チャンバの前記長さは、

であるように選択され、
Ｈは、前記混合チャンバの前記長さであり、Δは、２つの隣接するタイルの中心間の距離であり、θは、前記ソリッドステートレーザ光源のビーム発散角度であり、Ｌは、前記長方形のタイルの辺の長さである、請求項７に記載のプロジェクタ（１００）。
前記第１のマイクロレンズアレイに入射する配光の均質性を高めるために、タイル間領域の照明を増加させるように構成されたビームエキスパンダ（１４８）をさらに備える、請求項４～８のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、前記第１のマイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）が、平面（ＦＰ）または曲面（ＣＦＰ）上に位置する焦点（ＲＦＰ［ｉ］）を備えるように構成され、前記平面（ＦＰ）または前記曲面（ＣＦＰ）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬ［ｉ］）と前記プロジェクタレンズシステム（１３０）との間に位置する、請求項１～請求項９のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）が曲面（ＣＦＰ）上に位置する焦点（ＲＦＰ［ｉ］）を備えるように構成され、前記曲面（ＣＦＰ）は、前記プロジェクタレンズシステム（１３０）の湾曲した焦点面に対応する、請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記マイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）の各々は、前記主光軸（Ｚ）に平行な光軸（Ｚ_ｉ）を備える、請求項１０または１１に記載のプロジェクタ（１００）。
前記マイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）の少なくとも一部は、前記主光軸（Ｚ）に平行でない光軸（Ｚ_ｉ）を備える、請求項１０または１１に記載のプロジェクタ（１００）。
前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）の各々のマイクロレンズが、前記レーザアレイ（１１０）の複数のソリッドステートレーザ光源の光路内にあるように配置される、請求項１～請求項１３のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、第１の数のマイクロレンズを備え、前記レーザアレイ（１１０）は、第２の数の個別のソリッドステートレーザ光源を備え、前記第１の数は、前記第２の数以下である、請求項１～請求項１４のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記ソリッドステートレーザ光源（１１１）によって放射された前記第１のレーザビームの発散角度を減少させるように構成された第２のマイクロレンズアレイ（１２２）をさらに備え、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）は、前記レーザアレイ（１１０）と前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）との間に配置される、請求項１～請求項１５のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記混合チャンバ内の前記第１のレーザビームの重なり合いを増加させるように構成されたディフューザ（１４５）および／またはサーキュレータ（１４６）をさらに備える、請求項１～請求項１６のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記混合チャンバ内の前記第１のレーザビームの重なり合いを増加させるように構成されたディフューザ（１４５）をさらに備え、前記ディフューザ（１４５）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）と前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）との間に配置される、請求項１６に記載のプロジェクタ。
ディフューザ（１４５）およびサーキュレータ（１４６）をさらに備え、前記サーキュレータ（１４６）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）と前記ディフューザ（１４５）との間に配置される、請求項１６に記載のプロジェクタ。
前記レーザアレイ（１１０）は、いくつかのＶＣＳＥＬチップで構成され、各々のＶＣＳＥＬチップは、複数のレーザエミッタを備え、各々のレーザエミッタは、前記個別のソリッドステートレーザ光源のうちの１つに相当し、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）内のマイクロレンズの数が、前記レーザアレイのエミッタの総数以下である、請求項１６に記載のプロジェクタ。
前記第１のレーザビームの波長の広がりを低減するように構成されたブラッグ体積格子（１４７）をさらに備える、請求項１～請求項２０のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記レーザアレイの各々のレーザ光源は、放射面（Ｘ－Ｙ）内に位置する発光面（１１１ａ）を有し、前記第１のレーザビーム（１０）は、前記放射面（Ｘ－Ｙ）に垂直な前記主光軸（Ｚ）に平行な方向に伝播する、請求項１～請求項２１のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記混合チャンバ（１４０）は、三次元中空体を形成する周囲の側面（１４０ａ）を備える、請求項１～請求項２２のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記レーザアレイ（１１０）は、一次元または二次元レーザアレイ（１１０）である、請求項１～請求項２３のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記レーザアレイ（１１０）の前記ソリッドステート光源の各々は、半導体レーザ、好ましくは垂直共振器型面発光レーザである、請求項１～請求項２４のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記レーザアレイ（１１０）は、フロントエンドＶＣＳＥＬアレイである、請求項１～請求項２５のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記レーザアレイ（１１０）は、バックエンドＶＣＳＥＬアレイであり、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイは、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイの基板（７０）を通ってレーザ光を放射するように構成された複数の垂直共振器型面発光レーザを備える、請求項１～２５のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
前記レーザアレイ（１１０）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）を備えるバックエンドＶＣＳＥＬアレイであり、前記第２のマイクロレンズアレイは、前記ＶＣＳＥＬアレイの前記垂直共振器型面発光レーザの各々の発散角度θ_VCSELを減少させるように構成されたマイクロレンズ（ＭＬ_{ＶＣＳＥＬ}［ｉ］）を備え、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）は、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイ１１０の前記基板７０にエッチングされている、請求項１６に記載のプロジェクタ（１００）。
前記整形光学系（１２０）は、前記重なり合う光線を再び集光するようにさらに構成されている、請求項１～請求項２８のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源（１１１）は、発散するパルス状の第１のレーザビーム（１０）を同時に放射するように動作可能であり、
前記パルス状の第１のレーザビームの各々は、時間パルス幅（ＰＷ）を有する第１のパルスの時間的シーケンスを備え、
前記整形光学系（１２０）は、ｉ）前記混合チャンバ（１４０）を出る前記パルス状の第１のレーザビーム（１０）の前記重なり合う光線を受光し、ｉｉ）複数の個別のパルス状の第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成され、各々の第２のレーザビームは、複数の第１のレーザビームから由来する光線を備え、前記パルス状の第２のレーザビームの各々は、前記時間パルス幅（ＰＷ）を有する第２のパルスの時間的シーケンスを備え、
前記プロジェクタレンズシステム（１３０）は、前記パルス状の第２のレーザビーム（２０）を受光し、前記パルス状の第２のレーザビームを前記シーン（９９）に向かって投影するように構成され、前記投影されたパルス状の第２のレーザビームは、前記離散スポットパターン（１５０）を形成する、請求項１～請求項２９のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
シーン（９９）の１つ以上の物体までの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステム（１）であって、
・前記シーン（９９）を離散スポットパターンで照明するための請求項１～請求項３０のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）と、
・前記シーンの前記１つ以上の物体によって反射された前記離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備える受光装置（３００）と、
・前記シーンの前記照明に同期して前記反射レーザ光を検出および蓄積するように前記プロジェクタ（１００）および前記受光装置（３００）を制御するためのコントローラ（２００）と、
・前記蓄積された反射レーザ光に基づいて前記シーンの１つ以上の物体までの距離を計算するように構成された処理手段（４００）とを備えるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
シーン（９９）の１つ以上の物体までの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムであって、
・前記シーン（９９）を離散スポットパターンで照明するための請求項３０に記載のプロジェクタ（１００）と、
・前記シーンの前記１つ以上の物体によって反射された前記離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備えており、前記マルチピクセル検出器は、連続する検出時間ウインドウにおいて反射レーザ光を検出するように構成された距離ゲーティングマルチピクセル検出器である、受光装置（３００）と、
・前記シーンの前記照明に同期して前記反射レーザ光を検出および蓄積するように前記プロジェクタ（１００）および前記受光装置（３００）を制御するためのコントローラ（２００）と、
・前記蓄積された反射レーザ光に基づいて前記シーンの１つ以上の物体までの距離を計算するように構成された処理手段（４００）とを備えるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
前記距離ゲーティングマルチピクセル検出器は、少なくとも２つの連続する検出時間ウインドウにおいて反射レーザ光を検出するように構成され、前記処理手段（４００）は、前記２つの連続する検出時間ウインドウにおいて検出されたレーザ光に基づいて前記物体までの前記距離を計算するように構成されている、請求項３２に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
前記コントローラ（２００）は、前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源の各々が前記第１のパルスを
Ｆ_Ｐ≦１／（ＴＯＦ_ｍａｘ＋ＰＷ）であるようなパルス周波数（Ｆ_Ｐ）で放射するように、前記レーザアレイ（１１０）を制御するように構成され、Ｆ_Ｐは、前記パルス周波数であり、ＰＷは、前記時間パルス幅であり、ＴＯＦ_ｍａｘは、決定すべき所定の最大距離（Ｄ_ｍａｘ）における最大飛行時間である、請求項３２または３３に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
前記マルチピクセル検出器は、直接飛行時間マルチピクセル検出器であり、前記処理手段は、直接飛行時間方式によって前記物体までの前記距離を計算するように構成されている、請求項３１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
請求項３１～３５のいずれか１項に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステムを備える車両であって、
前記ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、前記車両の周囲の領域の少なくとも一部をカバーする視野を有し、前記領域の前記少なくとも一部は、前記シーンに相当する、車両。
請求項１～３０のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）のテレメトリシステム用への使用。