WO2021240978A1 - ビーム走査光学系およびレーザレーダ - Google Patents

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WO2021240978A1
WO2021240978A1 PCT/JP2021/012973 JP2021012973W WO2021240978A1 WO 2021240978 A1 WO2021240978 A1 WO 2021240978A1 JP 2021012973 W JP2021012973 W JP 2021012973W WO 2021240978 A1 WO2021240978 A1 WO 2021240978A1
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optical system
laser
lens
scanning
deflection angle
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PCT/JP2021/012973
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公博 村上
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the present invention relates to a beam scanning optical system that scans a beam in at least one direction, and a laser radar that detects an object using the beam scanning optical system.
  • laser radars that detect objects using laser light have been developed in various fields. For example, in an in-vehicle laser radar, laser light is projected from the front of the vehicle, and it is determined whether or not an object such as a vehicle exists in front of the vehicle based on the presence or absence of the reflected light. Further, the distance to the object is measured based on the projection timing of the laser beam and the light reception timing of the reflected light.
  • Patent Document 1 discloses a device for detecting an obstacle in front of a vehicle by scanning a linear beam.
  • the detection range of an object can be expanded by expanding the scanning range of the beam.
  • a configuration may be used in which an optical system such as a concave lens that widens the swing angle of the beam is arranged after the optical deflector for scanning the beam.
  • the beam itself is diffused by the optical system, which causes a decrease in the energy density per unit area of the object irradiation light, and as a result, the detection probability of the reflected light from the object decreases.
  • it is disadvantageous for distance measurement.
  • the first aspect of the present invention relates to a beam scanning optical system.
  • the beam scanning optical system includes a light source unit that emits laser light, a light deflector that scans the laser light in at least one direction, and at least the light deflector that emits the laser light emitted from the light source unit.
  • a condensing optical system that converges in the scanning direction of the above, and a magnifying optical system that expands the deflection angle of the laser light by the optical deflector, and the focal point of the laser light by the condensing optical system and the magnifying optical system. Aligns with the anterior focus of.
  • the swing angle of the laser beam can be expanded by the magnifying optical system. Further, since the focal point of the laser beam by the condensing optical system and the front focal point of the magnifying optical system match, the laser beam itself is parallelized in the scanning direction by the magnifying optical system at any deflection angle. Therefore, the deflection angle of the beam can be expanded while suppressing the diffusion of the beam itself.
  • the second aspect of the present invention relates to a laser radar.
  • the laser radar according to this aspect includes a beam scanning optical system according to the first aspect and a light receiving optical system that receives reflected light from an object of laser light projected from the beam scanning optical system.
  • the deflection angle of the beam can be expanded while suppressing the diffusion of the beam itself. Therefore, it is possible to increase the object detection distance and the detection accuracy at each scanning position while expanding the scanning range in which the object can be detected.
  • the present invention it is possible to provide a beam scanning optical system and a laser radar capable of expanding the deflection angle of the beam while suppressing the diffusion of the beam itself.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system and a circuit unit of a laser radar according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the line beam scanning optical system according to the embodiment.
  • 3A and 3B are perspective views showing the configuration of a laser light source according to an embodiment, respectively.
  • FIG. 3C is a perspective view showing the configuration of the light source array of the laser radar according to the embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the arrangement of the deflection angle magnifying lens according to the embodiment.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the optical action of the deflection angle magnifying lens according to the embodiment.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining that the laser beam emitted from the light source array according to the modified example of the embodiment is in a state of being slightly diffused from the parallel light in the fast axis direction.
  • 5 (a) and 5 (b) are schematic views showing a method of generating a line beam by a line beam scanning optical system according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the emission state of the laser beam of the laser radar and the state of the line beam in the target region according to the embodiment.
  • 7 (a) and 7 (b) show the optical paths of the laser beams emitted from the light source array in the fast axis direction in the line beam scanning optical system according to the embodiment and the comparative example, respectively, by optical simulation.
  • FIG. 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing simulation results obtained by optical simulation of a far-field image of a line beam projected by a line beam scanning optical system, respectively, according to an embodiment and a comparative example.
  • FIG. 9A is a graph showing a simulation result obtained by simulating the relationship between the deflection angle of the optical deflector (mirror) and the deflection angle of the line beam magnified by the deflection angle magnifying lens in the configuration of the embodiment.
  • Is. 9 (b) and 9 (c) are diagrams showing the drive waveform of the mirror (change in the swing angle of the mirror with the passage of time) applied to the optical deflector in the configuration of the embodiment.
  • FIG. 10A is a diagram showing a configuration of a line beam scanning optical system according to Modification 1.
  • FIG. 10B is a perspective view schematically showing the configuration of the diffusion optical element according to the first modification.
  • 11 (a) and 11 (b) are schematic views showing a method of generating a line beam by the line beam scanning optical system according to the second modification.
  • FIG. 12A is a diagram showing a configuration of a line beam scanning optical system when a convex lens is used as the deflection angle magnifying lens according to the third modification.
  • FIG. 12B is a schematic view showing the operation of the deflection angle magnifying lens according to the modified example 3.
  • FIG. 13A is a diagram showing the configuration of the beam scanning optical system according to the modified example 4.
  • FIG. 13B is a perspective view schematically showing the configuration of the deflection angle magnifying lens according to the modified example 4.
  • the present invention is applied to a scanning optical system (hereinafter referred to as "line beam scanning optical system") for scanning a long line beam in one direction in the short side direction and a laser radar including the scanning optical system.
  • line beam scanning optical system for scanning a long line beam in one direction in the short side direction
  • a laser radar including the scanning optical system.
  • the X, Y, and Z axes that are orthogonal to each other are added to each figure.
  • the X-axis direction and the Y-axis direction are the long-side direction and the short-side direction of the line beam that scans the detection target, respectively, and the Z-axis positive direction is the projection direction of the line beam.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system and a circuit unit of the laser radar 1.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the line beam scanning optical system 10.
  • the laser radar 1 includes a line beam scanning optical system 10 and a light receiving optical system 20 as an optical system configuration.
  • the line beam scanning optical system 10 generates a long line beam B10 in one direction (X-axis direction) and scans the line beam B10 in the short side direction (Y-axis direction) thereof.
  • the light receiving optical system 20 receives the reflected light from the object of the laser light projected from the line beam scanning optical system 10.
  • the line beam scanning optical system 10 includes a light source array 11, a fast-axis cylindrical lens 12, a slow-axis cylindrical lens 13, an optical deflector 14, and a deflection angle magnifying lens 15. Further, the light receiving optical system 20 includes a light receiving lens 21 and a light receiving element 22.
  • the light source array 11 is configured by integrating a plurality of laser light sources 11a.
  • the laser light source 11a emits a laser beam having a predetermined wavelength.
  • the laser light source 11a is an end face emission type laser diode.
  • the laser light source 11a may be a surface emitting type laser light source.
  • the emission wavelength of each laser light source 11a is set to the infrared wavelength band (for example, 905 nm).
  • the emission wavelength of the laser light source 11a can be appropriately changed depending on the usage mode of the laser radar 1.
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) are perspective views showing the configuration of the laser light source 11a, respectively, and FIG. 3 (c) is a perspective view showing the configuration of the light source array 11.
  • the laser light source 11a has a structure in which the active layer 111 is sandwiched between the N-type clad layer 112 and the P-type clad layer 113.
  • the N-type clad layer 112 is laminated on the N-type substrate 114.
  • the contact layer 115 is laminated on the P-type clad layer 113.
  • the axis in the short side direction of the light emitting region 117 that is, the axis in the direction perpendicular to the active layer 111 (Z-axis direction) is called the fast axis
  • the axis in the long side direction of the light emitting region 117 that is, the active layer 111.
  • An axis in the parallel direction (X-axis direction) is called a slow axis.
  • 118a indicates a fast axis
  • 118b indicates a slow axis.
  • the laser beam emitted from the light emitting region 117 has a larger spread angle in the fast axis direction than in the slow axis direction. Therefore, as shown in FIG. 3B, the shape of the beam B20 is an elliptical shape long in the fast axis direction.
  • a plurality of laser light sources 11a are installed on the base 120 so as to be arranged along the slow axis, and the light source array 11 is configured. Therefore, the light emitting regions 117 of each laser light source 11a are arranged in a row in the slow axis direction.
  • each laser light source 11a is arranged so that the fast axis 118a of the light emitting region 117 is parallel to the direction corresponding to the short side direction of the line beam B10 shown in FIG.
  • the plurality of laser light sources 11a constituting the light source array 11 all have emission characteristics that are distributed within a certain range indicated in the specifications.
  • the light source array 11 is configured by installing the plurality of laser light sources 11a adjacent to each other on the base 120, but the plurality of light emitting regions 117 are arranged in the slow axis direction.
  • One formed semiconductor light source may be installed on the base 120.
  • the structural portion that emits the laser light from each light emitting region 117 corresponds to the laser light source 11a, respectively.
  • the fast-axis cylindrical lens 12 converges the laser light emitted from each laser light source 11a of the light source array 11 in the fast-axis direction, and substantially spreads the laser light in the fast-axis direction. Adjust to a parallel state. That is, the fast-axis cylindrical lens 12 has an action of parallelizing the laser light emitted from each laser light source 11a of the light source array 11 only in the fast-axis direction.
  • the slow axis cylindrical lens 13 has an action of converging individual laser beams emitted from a plurality of laser light sources 11a of the light source array 11 in the slow axis direction and condensing the optical axes of the laser beams in the slow axis direction.
  • Each laser beam transmitted through the slow-axis cylindrical lens 13 heads toward the mirror 14a in a state of being converged in the slow-axis direction.
  • the laser beams approach each other as they approach the mirror 14a, and the optical axes of the laser beams all approach each other within the region of the reflection surface of the mirror 14a.
  • the slow axis cylindrical lens 13 has an action of converging the laser beam parallelized in the fast axis direction by the fast axis cylindrical lens 12 in the fast axis direction.
  • the fast-axis cylindrical lens 12 has a lens surface 12a that curves only in a direction parallel to the YZ plane.
  • the generatrix of the lens surface 12a is parallel to the X axis.
  • Fast Axis The fast axis of each laser beam incident on the cylindrical lens 12 is perpendicular to the generatrix of the lens surface 12a.
  • the laser beams are aligned in the X-axis direction and incident on the fast-axis cylindrical lens 12.
  • Each laser beam receives a convergence action in the fast axis direction (Z axis direction) on the lens surface 12a and is parallelized in the fast axis direction.
  • the slow axis cylindrical lens 13 has a lens surface 13a that is curved with different curvatures in a direction parallel to the XY plane and a direction parallel to the YY plane. That is, the slow axis cylindrical lens 13 is a toric lens having a lens surface 13a curved in two directions perpendicular to each other. Due to the curvature of the lens surface 13a in the direction parallel to the XY plane, the laser light emitted from the plurality of laser light sources 11a of the light source array 11 is converged in the slow axis direction, and the laser light of the plurality of laser light is converged. The optical axis is focused in the slow axis direction. Further, due to the curvature of the lens surface 13a in the direction parallel to the YZ plane, the laser beam parallelized in the fast axis direction by the fast axis cylindrical lens 12 is converged in the fast axis direction.
  • the slow axis cylindrical lens 13 has an anterior focal point and a posterior focal point in the slow axis direction, respectively, on the front stage side and the rear stage side.
  • the laser light source 11a of the light source array 11 is arranged at a position away from the slow axis cylindrical lens 13 from the front focal point on the front stage side.
  • the laser light emitted from each laser light source 11a passes through the slow-axis cylindrical lens 13 and becomes convergent light. In this way, as described above, each laser beam is directed toward the mirror 14a in a converged state.
  • the fast-axis cylindrical lens 12 and the slow-axis cylindrical lens 13 focus the laser light emitted from the plurality of laser light sources 11a onto the mirror 14a, and collect each laser light in the fast-axis direction (optical deflector).
  • a condensing optical system 40 that converges in the scanning direction of 14) is configured.
  • the configuration of the focusing optical system 40 is not limited to this, and for example, the convergence of each laser beam in the slow axis direction and the focusing on the mirror 14a, and the convergence of each laser beam in the fast axis direction, respectively. , May be realized by different lenses.
  • the optical deflector 14 is, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror using a piezoelectric actuator, an electrostatic actuator, or the like.
  • the reflectance of the mirror 14a is increased by a dielectric multilayer film, a metal film, or the like.
  • the mirror 14a is arranged at a position near the rear focal point on the positive side of the Y-axis of the slow-axis cylindrical lens 13.
  • the mirror 14a is driven so as to rotate about a rotation axis R1 parallel to the X axis.
  • the mirror 14a has, for example, a circular shape having a diameter of about 3 mm.
  • the runout angle magnifying lens 15 magnifies the runout angle of the laser beam scanned by the rotation of the mirror 14a.
  • the deflection angle magnifying lens 15 is a concave lens having a concave surface 15a having an incident surface and an emitting surface recessed inward, respectively.
  • the incident surface and the exit surface of the deflection angle magnifying lens 15 have a cylindrical surface shape that curves only in a direction parallel to the YY plane.
  • the bus lines of the entrance surface and the exit surface of the deflection angle magnifying lens 15 are parallel to the X-axis direction.
  • the deflection angle magnifying lens 15 uses parallel light incident in the Z-axis direction as a starting point of apparently a predetermined focal position on the incident side, that is, one virtual focus line (virtual image) parallel to the X-axis at the rear focal point. Converts to diverging rays. In the following, the position of the focused line will be treated as synonymous with the position of the focal point of the deflection angle magnifying lens 15 and will be described.
  • the magnifying optical system that magnifies the swing angle of the laser beam by the optical deflector 14 is configured by a single swing angle magnifying lens 15.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the arrangement of the deflection angle magnifying lens 15, and FIG. 4B is a diagram for explaining the optical action of the deflection angle magnifying lens 15.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a state in which the optical system from the light source array 11 to the deflection angle magnifying lens 15 is developed in one plane. Further, in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the light deflector 14 is not shown for convenience.
  • F0 is a focal point in which the laser beam emitted from the light source array 11 is converged in the fast axis direction by the lens surface 13a of the slow axis cylindrical lens 13.
  • the deflection angle magnifying lens 15 is arranged so that the focal point F0 and the front focal point on the rear stage side of the deflection angle magnifying lens 15 made of a concave lens coincide with each other.
  • the focal point located on the posterior stage side (emission side) of the concave lens is the anterior focal point
  • the focal point located on the anterior stage side (incident side) of the concave lens is the posterior focal point in the traveling direction of light.
  • the focal point located on the front stage side (incident side) of the convex lens is the front focal point
  • the focal point located on the rear stage side (exiting side) of the convex lens is the posterior focal point in the traveling direction of light.
  • the deflection angle magnifying lens 15 By arranging the deflection angle magnifying lens 15 as described above, as shown in FIG. 4B, the laser beam after passing through the deflection angle magnifying lens 15 is parallelized in the fast axis direction. As a result, the spread angle in the short side direction (fast axis direction) of the line beam B10 is converted into the line beam B10 that is close to parallel light.
  • the swing angle magnifying lens 15 when the laser beam is shaken by the optical deflector 14, parallel lighting in the fast axis direction is maintained substantially uniformly at all swing angles. Will be done. Further, due to the action of the swing angle magnifying lens 15, the swing angle of the laser beam by the optical deflector 14 is expanded, and the scanning range (swing angle) of the line beam B10 is expanded.
  • the laser beam is parallelized in the fast axis direction by the fast axis cylindrical lens 12, but the laser beam is non-parallel as long as the laser beam is focused on the focal point F0 in the fast axis direction. It may be incident on the slow axis cylindrical lens 13 in the state.
  • the deflection angle magnifying lens 15 is arranged so that the focal point F0 in the fast axis direction of the laser beam by the lens surface 13a and the front focal point on the rear stage side of the deflection angle magnifying lens 15 coincide with each other.
  • the optical action described with reference to 4 (b) is imparted to the laser beam.
  • the cylindrical lens 13 can be arranged without restrictions on the fast axis, and is also advantageous for miniaturization.
  • FIG. 5A and 5 (b) are schematic views showing a method of generating a line beam B10 by the line beam scanning optical system 10.
  • FIG. 5A is a view of the configuration of the front stage of the optical deflector 14 in the negative direction of the Z axis
  • FIG. 5B is a diagram of the configuration of the rear stage of the optical deflector 14 in the positive direction of the Y axis. It is a figure that I saw.
  • the plurality of laser beams LB10 converged in the slow axis direction by the slow axis cylindrical lens 13 are each converged on the mirror 14a.
  • the mirror 14a is arranged near the position where the plurality of laser beams LB10 are most focused in the slow axis direction.
  • the focal point F0 shown in FIG. 4A is further rearward than the deflection angle magnifying lens 15 arranged behind the mirror 14a.
  • the reflective surface of the mirror 14a is set to be slightly larger than the beam size at which the plurality of laser beams LB10 are focused.
  • each laser beam LB10 focused on the mirror 14a by the slow axis cylindrical lens 13 is reflected by the mirror 14a and then diffused in the slow axis direction to the deflection angle magnifying lens 15. Incident.
  • the optical axis of each laser beam LB10 incident on the deflection angle magnifying lens 15 is separated from the optical axis of the adjacent laser beam LB10 by a predetermined distance.
  • each laser beam LB10 is reflected by the mirror 14a and then diffuses in the slow axis direction, that is, in the long side direction of the line beam B10, each laser beam LB10 overlaps with the other laser beam LB10 due to diffusion. .. In this way, all the laser beams LB10 are diffused and overlapped with each other to generate a line beam B10 spreading in the X-axis direction. In order to improve the accuracy of object detection, it is preferable that the spread angle of the line beam B10 in the short side direction is set to 1 ° or less.
  • the optical deflector 14 drives the mirror 14a by the drive signal from the mirror drive circuit 33, and scans the beam reflected from the mirror 14a in the Y-axis direction.
  • the line beam B10 is scanned in the short side direction (Y-axis direction).
  • the mirror 14a in the state where the mirror 14a is in the neutral position, the mirror 14a is tilted by 45 ° with respect to the emission light axis of the laser light source 11a, but the tilt angle of the mirror 14a with respect to the emission light axis of the laser light source 11a. Is not limited to this.
  • the tilt angle of the mirror 14a can be appropriately changed according to the layout of the line beam scanning optical system 10.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the emission state of the laser beam of the laser radar 1 and the state of the line beam B10 in the target region.
  • the upper part of FIG. 6 schematically shows the cross-sectional shape of the line beam B10 when viewed in the projection direction (Z-axis positive direction).
  • the laser radar 1 is mounted on the front side of the vehicle 200, and the line beam B10 is projected in front of the vehicle 200.
  • the line beam B10 is scanned in the horizontal direction with the long side direction set to the vertical direction.
  • the scanning angle ⁇ 11 of the line beam B10 after the runout angle is magnified by the runout angle magnifying lens 15 is, for example, 90 °.
  • the upper limit of the distance D11 capable of detecting an object is, for example, about 250 m. In FIG. 6, for convenience, the scanning angle ⁇ 11 is expressed smaller than it actually is.
  • the reflected light of the line beam B10 reflected from the target region is collected by the light receiving lens 21 on the light receiving surface of the light receiving element 22.
  • the light receiving lens 21 is, for example, a camera lens unit for imaging, which is composed of a plurality of lenses
  • the light receiving element 22 is, for example, an image sensor or a sensor array in which pixels are arranged vertically and horizontally in a matrix.
  • an avalanche photodiode sensor may be arranged at the position of each pixel.
  • the avalanche photodiode is used, for example, in Geiger mode (Geiger multiplying mode).
  • the avalanche multiplier increases the charge collected on the cathode of the avalanche photodiode to the saturated charge amount. Therefore, the presence or absence of light incident on the pixel is detected with high sensitivity, and distance measurement at a longer distance becomes possible.
  • the light receiving element 22 has, for example, a rectangular light receiving surface, and is arranged so that the long side of the light receiving surface is parallel to the Y axis.
  • the long side direction of the light receiving surface of the light receiving element 22 corresponds to the scanning direction of the line beam B10 in the target region.
  • the reflected light of the line beam B10 is imaged on the light receiving surface of the light receiving element 22 by the light receiving lens 21 so as to extend along the short side direction of the light receiving surface.
  • the pixel position in the X-axis direction of the light receiving surface corresponds to the position in the X-axis direction in the target region.
  • the pixel position in the Y-axis direction of the light receiving surface corresponds to the position in the Y-axis direction in the target region.
  • a line sensor in which pixels are arranged in the X-axis direction may be used as the light receiving element 22.
  • the Y position of the object to be detected is specified in synchronization with the movement of the line beam B10.
  • the laser radar 1 includes a controller 31, a laser drive circuit 32, a mirror drive circuit 33, and a signal processing circuit 34 as a circuit unit configuration.
  • the controller 31 includes an arithmetic processing circuit such as a CPU (Central Processing Unit) and a storage medium such as a ROM (ReadOnlyMemory) and a RAM (RandomAccessMemory), and controls each unit according to a preset program.
  • the laser drive circuit 32 causes each laser light source 11a of the light source array 11 to emit pulse light according to the control from the controller 31.
  • the controller 31 repeatedly makes each laser light source 11a emit pulse light a plurality of times at the timing when the moving position of the reflected light of the line beam B10 is included in each pixel row of the light receiving element 22.
  • the laser drive circuit 32 causes each laser light source 11a to emit a pulse at the same time.
  • each laser light source 11a may be made to emit pulse light in order with a predetermined time difference.
  • the mirror drive circuit 33 drives the optical deflector 14 according to the control from the controller 31.
  • the optical deflector 14 rotates the mirror 14a with respect to the rotation axis R1 to scan the line beam B10 in the short side direction of the line beam B10.
  • the signal processing circuit 34 outputs the light receiving signal of each pixel of the light receiving element 22 to the controller 31.
  • the controller 31 can detect the position of the object in the X-axis direction of the target region based on the position of the pixel in which the received light signal is generated. Further, the controller 31 is based on the time difference between the timing at which the light source array 11 is made to emit light in a pulse and the timing at which the light receiving element 22 receives the reflected light from the target region, that is, the timing at which the light receiving signal is received from the light receiving element 22. , Get the distance to the object in the target area.
  • the controller 31 detects the presence or absence of an object in the target region by scanning the line beam B10 with the light deflector 14 while causing the light source array 11 to emit light in a pulsed manner, and further determines the position of the object and the distance to the object. measure. These measurement results are transmitted to the control unit on the vehicle side at any time.
  • 7 (a) and 7 (b) are optical simulations of the optical paths of the laser beams emitted from the light source array 11 arranged in the fast axis direction in the line beam scanning optical system 10 according to the embodiment and the comparative example, respectively. It is a figure which shows the simulation result which traced the ray by the light source.
  • the slow axis cylindrical lens 13 did not have a converging action in the direction parallel to the YY plane (fast axis direction). Therefore, in the comparative example, the laser beam is incident on the mirror 14a while being parallelized in the fast axis direction by the fast axis cylindrical lens 12, and then reflected by the mirror 14a and incident on the deflection angle magnifying lens 15. bottom.
  • the mirror 14a is placed at an angle of 45 ° with respect to the Z axis in the neutral position, and the mirror 14a is rotated in a direction parallel to the YZ plane within a range of ⁇ 8 ° around this neutral position.
  • rice field. 7 (a) and 7 (b) show the line beam B10a when the mirror 14a is in the neutral position and the line beams B10b and B10c when the mirror 14a is swung by + 8 ° and -8 ° with respect to the neutral position. And showed.
  • the magnification of the line beam scanning optical system 10 is set so that the deflection angle of the line beam B10 is expanded.
  • the laser beam incident on the deflection angle magnifying lens 15 in a state of being parallelized in the fast axis direction is emitted in the fast axis direction due to the optical action of the deflection angle magnifying lens 15. It was spread to.
  • the line beams B10a, B10b, and B10c diffuse in the fast axis direction, that is, in the short side direction, and this diffusion increases as the runout angle increases. Therefore, in the comparative example, it can be inferred that the resolution of object detection in the short side direction of the line beams B10a, B10b, and B10c, that is, in the scanning direction of the line beam B10 is lowered.
  • the laser beam incident on the deflection angle magnifying lens 15 in a state of being converged in the fast axis direction is in the fast axis direction due to the optical action of the deflection angle magnifying lens 15. It was made parallel light. Therefore, the line beams B10a, B10b, and B10c are collimated in the fast axis direction, that is, in the short side direction, and the collimated beam is substantially uniform even if the runout angle changes. Further, in the embodiment, the beam width in the fast axis direction of the line beams B10a, B10b, and B10c is significantly smaller than the beam width when parallel-lightened by the fast axis cylindrical lens 12.
  • the beam width in the short side direction of the line beams B10a, B10b, and B10c can be remarkably suppressed, and the beam width can be suppressed from expanding even if the beam width is far from the deflection angle magnifying lens 15. It could be confirmed. Therefore, in the embodiment, it was confirmed that the resolution of object detection in the scanning direction is remarkably improved.
  • 8 (a) and 8 (b) are diagrams showing simulation results obtained by optical simulation of a far-field image of the line beam B10 projected by the line beam scanning optical system 10 according to the embodiment and the comparative example, respectively. ..
  • the conditions of the line beam scanning optical system 10 according to the embodiment and the comparative example were the same as those in FIGS. 7 (a) and 7 (b).
  • a far-field image when the mirror 14a is in the neutral position and a far-field image when the mirror 14a is ⁇ 4 ° and ⁇ 8 ° with respect to the neutral position are obtained.
  • the swing angles of the line beam B10 when the mirror 14a was ⁇ 4 ° and ⁇ 8 ° with respect to the neutral position were ⁇ 15.0 ° and ⁇ 34 °, respectively.
  • FIGS. 8A and 8B On the right side of FIGS. 8A and 8B, the intensity distributions in the short side direction of the above five far-field images are shown, respectively. These intensity distributions were obtained at the center position in the long side direction of the above five far-field images.
  • the horizontal axis is the beam intensity and the vertical axis is the deflection angle in the short side direction of the line beam B10.
  • the far-field image of each deflection angle spreads in the short side direction.
  • the spread angle (beam width) of the line beam B10 of each far-field image in the short side direction was 4 ° to 5 °. Therefore, from this simulation result, as in FIG. 7B, in the comparative example, the line beam B10 is diffused in the fast axis direction, that is, in the short side direction, and therefore the resolution of object detection in the scanning direction is lowered. I was able to confirm that.
  • the far-field image of each deflection angle is remarkably compressed in the short side direction.
  • the spread angle (beam width) of the line beam B10 of each far-field image in the short side direction was suppressed to 0.3 °. Therefore, from this simulation result as well, as in FIG. 7A, in the embodiment, the line beam B10 is suppressed from being compressed in the fast axis direction, that is, in the short side direction, and diffused in the short side direction. Therefore, it was confirmed that the resolution of object detection in the scanning direction is remarkably improved.
  • FIG. 9A is a simulation obtained by simulation of the relationship between the deflection angle of the optical deflector 14 (mirror 14a) and the deflection angle of the line beam B10 magnified by the deflection angle magnifying lens 15 in the configuration of the embodiment. It is a graph which shows the result.
  • 9 (b) and 9 (c) are diagrams showing the drive waveform of the mirror 14a (change in the deflection angle of the mirror 14a with the passage of time) applied to the optical deflector 14 in the configuration of the embodiment. ..
  • the solid line shows the drive waveform when the runout angle of the mirror 14a changes linearly with the passage of time
  • the broken line shows the improved drive waveform.
  • FIG. 9 (c) is an extract of the broken line of FIG. 9 (b).
  • the deflection angle magnifying lens 15 has an optical action of connecting a single focused line as described above, the deflection angle of the line beam B10 is large with respect to the neutral position. As a result, it deviated from the proportional relationship with respect to the deflection angle of the optical deflector 14. Therefore, as shown by the solid line in FIG. 9B, when the optical deflector 14 is driven by a drive waveform in which the deflection angle changes linearly, the deflection angle of the line beam B10 can be changed linearly. However, it was found that it is difficult to easily and accurately monitor the scanning position of the line beam B10.
  • this problem can be improved by gently shaking the mirror 14a with the passage of time in the range where the swing angle of the mirror 14a with respect to the neutral position becomes large. That is, by swinging the mirror 14a in this way, the swing angle of the line beam B10 deviating from the proportional straight line in FIG. 9A can be brought closer to the proportional straight line, and as a result, the line beam B10 can be moved to the optical deflector 14. It can be changed linearly according to the runout angle.
  • the deflection angle of the laser beam (line beam B10) magnified by the deflection angle magnifying lens 15 is linear according to the deflection angle of the mirror 14a of the optical deflector 14.
  • the drive waveform of the optical deflector 14 is set so as to change. As a result, the deflection angle of the line beam B10 can be changed linearly, and the scanning position of the line beam B10 can be easily and accurately monitored.
  • a deflection angle magnifying lens 15 for expanding the deflection angle of the laser beam by the optical deflector 14 is arranged after the optical deflector 14. As a result, the deflection angle of the laser beam can be expanded. Further, as shown in FIG. 4A, the deflection angle magnifying lens 15 so that the focal point F0 of the laser beam obtained by the condensing optical system 40 and the front focal point of the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system) coincide with each other. Is placed.
  • the runout angle magnifying lens 15 By arranging the runout angle magnifying lens 15 in this way, as shown in FIGS. 7 (a) and 8 (a), the laser beam itself is generated by the runout angle magnifying lens 15 at any runout angle. The light is made substantially parallel in the scanning direction. Therefore, the deflection angle of the line beam B10 can be expanded while suppressing the diffusion in the short side direction of the line beam B10.
  • the light source array 11 (light source unit) has a plurality of laser light sources 11a (light sources) arranged in the slow axis direction (direction perpendicular to the scanning direction). This makes it possible to easily configure a long line beam B10 in a direction perpendicular to the scanning direction. Further, since a plurality of laser light sources 11a are used, the intensity of the line beam B10 can be increased, and the distance range in which the object can be detected can be expanded.
  • the magnifying optical system for enlarging the runout angle is configured by the runout angle magnifying lens 15 which is a concave lens.
  • the deflection angle magnifying lens 15 since the front focal point of the deflection angle magnifying lens 15 (concave lens) is on the rear stage side, the deflection angle magnifying lens 15 (concave lens) is focused by the front focal point on the rear stage side and the condensing optical system 40. It is arranged so as to coincide with the focal point F0 of the laser beam. Therefore, the deflection angle magnifying lens 15 (concave lens) can be arranged close to the condensing optical system 40, and as a result, the line beam scanning optical system 10 can be miniaturized.
  • the focal point F0 of the laser beam by the focusing optical system 40 and the front focal point of the deflection angle magnifying lens 15 coincide only in the fast axis direction (scanning direction).
  • the deflection angle magnifying lens 15 from the condenser optical system 40 is in a state of diffused light.
  • the laser beam LB10 is incident on (magnifying optical system).
  • the laser beam itself spreads in the slow axis direction (direction perpendicular to the scanning direction), so that a long line beam B10 can be formed in the slow axis direction (direction perpendicular to the scanning direction).
  • the light source array 11 (light source unit) has a plurality of laser light sources 11a (light sources) arranged in a direction perpendicular to the scanning direction, the laser light from each laser light source 11a is perpendicular to the slow axis direction (vertical to the scanning direction). By spreading in the direction) and overlapping, it is possible to form a line beam B10 having a substantially uniform intensity distribution.
  • the deflection angle of the laser beam magnified by the deflection angle magnifying lens 15 is the deflection angle of the optical deflector 14.
  • the drive waveform of the optical deflector 14 is set so as to change linearly according to the runout angle. As shown in FIG. 9A, when the drive waveform of the optical deflector 14 is a waveform that changes linearly with time, the deflection angle is large due to the action of the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system).
  • the relationship between the deflection angle of the laser beam magnified by the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system) and the deflection angle of the optical deflector 14 deviates from the proportional relationship.
  • the deflection angle of the laser beam magnified by the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system) can be linearly changed according to the deflection angle of the optical deflector 14. ..
  • the laser radar 1 includes the line beam scanning optical system 10 (beam scanning optical system) as described above.
  • the deflection angle of the beam can be expanded while suppressing the diffusion of the beam itself. Therefore, it is possible to increase the object detection distance and the detection accuracy at each scanning position while expanding the scanning range in which the object can be detected.
  • the laser beams emitted from the plurality of laser light sources 11a are diffused in the slow axis direction (direction perpendicular to the scanning direction) and overlapped with each other to form a long line beam B10 in one direction.
  • the width of the line beam B10 in the long side direction is determined by the diffusion angle of each laser beam in the slow axis direction.
  • a diffusion optical system for further expanding the diffusion angle in the long side direction of the line beam B10 is used.
  • the width of the line beam B10 in the long side direction can be widened and the scanning range can be expanded as compared with the above embodiment.
  • FIG. 10A is a diagram showing the configuration of the line beam scanning optical system 10 according to the modified example 1.
  • the configuration of the light receiving optical system 20 is the same as that of the above embodiment.
  • the diffusion optical element 16 is arranged after the deflection angle magnifying lens 15.
  • the diffusing optical element 16 constitutes a diffusing optical system.
  • the diffusion optical element 16 has a plate-like shape curved in an arc shape when viewed in the X-axis direction. That is, the diffusion optical element 16 has a shape in which a flat plate whose incident surface and exit surface are parallel to each other is curved in an arc shape.
  • the diffusion optical element 16 either the entrance surface or the emission surface is a diffusion surface for diffusing the laser beam.
  • the exit surface is the diffusion surface 16a.
  • the diffusion optical element 16 widens the diffusion angle in the long side direction of the incident line beam B10, and maintains the diffusion angle in the short side direction of the line beam B10 as it is.
  • the diffusion optical element 16 is formed in an arc shape so that the line beam B10 whose deflection angle is enlarged by the deflection angle magnifying lens 15 is incident on the incident surface substantially vertically.
  • FIG. 10B is a perspective view schematically showing the configuration of the diffusion optical element 16.
  • a large number of semi-cylindrical microlenses 16b are integrally formed adjacent to each other on the diffusion surface 16a of the diffusion optical element 16.
  • the microlens 16b is formed so as to extend along the arc shape of the diffusion surface 16a.
  • the microlens 16b is a convex lens, but the microlens 16b may be a concave lens.
  • the laser beam LB 10 from each of the laser light sources 11a shown in FIGS. 5A and 5B passes through the deflection angle magnifying lens 15 and then incidents on the diffusion optical element 16. After that, each laser beam LB10 is diffused in the slow axis direction, that is, in the long side direction of the line beam B10 by the microlens 16b formed on the diffusion surface 16a of the diffusion optical element 16. In this way, the plurality of laser beams LB10 having a wide diffusion angle are overlapped with each other to form the line beam B10. At this time, the diffusion angle in the long side direction of the line beam B10 is the diffusion angle after each laser beam LB10 is diffused by the diffusion optical element 16. Therefore, the diffusion angle of the line beam B10 is larger than the diffusion angle of the line beam B10 in the absence of the diffusion optical element 16.
  • This problem can be solved by changing the curvature of the arc of the diffusion optical element 16 according to the change in the runout angle.
  • at least one of the incident surface and the exit surface of the diffusion optical element 16 is set to a non-cylindrical surface shape instead of a cylindrical surface shape having a constant curvature, and the line beam B10 converges in the short side direction as the deflection angle increases.
  • the action of causing the line beam B10 is imparted. That is, the diffusion optical element 16 is for correcting that the width in the short side direction (scanning direction) of the line beam B10 after passing through the deflection angle magnifying lens 15 changes according to the scanning by the optical deflector 14. It is configured to have more optical action.
  • the diffusion optical element 16 By configuring the diffusion optical element 16 in this way, the width in the long side direction of the line beam B10 can be widened by the diffusion optical element 16, and further, the short side direction of the line beam B10 can be widened regardless of the swing angle.
  • the width of can be kept constant. Therefore, the line beam B10 can be scanned more stably, and the object detection accuracy of the laser radar 1 can be improved.
  • the line beam scanning optical system 10 diffuses the laser beam in the slow axis direction (direction perpendicular to the scanning direction) behind the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system).
  • a diffuser optical element 16 diffuse optical system
  • the length of the line beam B10 projected on the target region can be widened, and the range of object detection by the line beam B10 can be widened.
  • the intensity of the line beam B10 can be increased and the line beam B10 having a substantially uniform distribution can be formed.
  • the width of the laser beam in the fast axis direction (scanning direction) after passing through the deflection angle magnifying lens 15 (magnifying optical system) is an optical deflector. It further has an optical action for compensating for changes in response to scanning by 14. As a result, it is possible to suppress the change in the width of the line beam B10 according to the scanning position, and the light intensity (light density) of the line beam B10 can be made constant regardless of the scanning position. Therefore, the object can be detected in the same distance range at any scanning position.
  • the laser beam LB10 from each laser light source 11a is incident on the deflection angle magnifying lens 15 in a state of being diffused in the slow axis direction.
  • the laser beam LB 10 from each laser light source 11a is incident on the deflection angle magnifying lens 15 in a state of being parallelized in the slow axis direction. That is, in the second modification, the laser light emitted from each laser light source 11a is collimated by the slow axis cylindrical lens 13.
  • Such an optical action can be realized by adjusting the distance between the light source array 11 and the slow axis cylindrical lens 13.
  • the plurality of laser light sources 11a are arranged at positions farther from the slow axis cylindrical lens 13 than the front focal length on the front stage side. rice field. As a result, each laser beam becomes convergent light that converges in the slow axis direction by the slow axis cylindrical lens 13.
  • a plurality of laser light sources 11a are arranged at the position of the front focal length on the front stage side of the two focal lengths in the slow axis direction in the slow axis cylindrical lens 13. As a result, each laser beam is collimated in the slow axis direction by the slow axis cylindrical lens 13.
  • the configuration of the other line beam scanning optical system 10 of the second modification is the same as that of the above embodiment.
  • the second modification since each laser beam is incident on the deflection angle magnifying lens 15 in the state of parallel light, it is possible that the laser beams are separated from each other in the long side direction of the line beam B10. As a result, the intensity distribution of the line beam B10 may change in a wavy shape in the long side direction.
  • the diffusion optical element 16 after the deflection angle magnifying lens 15 as in the first modification.
  • FIGS. 11A and 11B are schematic views showing a method of generating a line beam B10 by the line beam scanning optical system 10 according to the second modification.
  • the number of laser light sources 11a is set to 5 for convenience.
  • the plurality of laser beams LB10 collimated in the slow axis direction by the slow axis cylindrical lens 13 are reflected by the mirror 14a and then transmitted through the deflection angle magnifying lens 15 while being collimated.
  • each laser beam LB10 incident on the diffusion optical element 16 is separated from the adjacent laser beam LB10 by a predetermined distance.
  • the pitch between the intensity centers of the adjacent incident regions of the laser beam LB10 in the diffuser optical element 16 is the pitch between the laser light sources 11a, the lens surface design (curvature) of the slow axis cylindrical lens 13, and the mirror 14a and the diffuser optical element 16. It depends on the distance between them.
  • Each laser beam LB10 is diffused in a direction parallel to the XZ plane by the microlens 16b of the diffusion surface 16a. At this time, each laser beam LB10 is incident on the diffusion surface 16a so as to pass through the plurality of microlenses 16b. As a result, each laser beam LB10 is diffused by a plurality of microlenses 16b at a predetermined spread angle. Each laser beam LB10 after diffusion overlaps with another laser beam LB10 due to diffusion. In this way, all the laser beams LB10 are diffused and overlapped with each other to generate a line beam B10 spreading in the slow direction.
  • the diffuser optical element 16 (diffuse optical system) is not arranged after the deflection angle magnifying lens 15. You may.
  • each laser beam is incident on the deflection angle magnifying lens 15 in the state of parallel light
  • the diffusing optical element 16 is arranged after the deflection angle magnifying lens 15, when the diffusing optical element 16 is arranged, it is on the diffusing surface 16a of the diffusing optical element 16.
  • the light emitting region of the line beam B10 serves as an appropriate light source for eye-safe determination.
  • the emission intensity (radiant energy) of the individual laser light sources 11a can be increased to near the eye-safe standard. As a result, the amount of light of the entire line beam B10 can be effectively increased.
  • the concave lens is used as the runout angle magnifying lens 15, but a convex lens may be used as the runout angle magnifying lens.
  • FIG. 12A is a diagram showing the configuration of the line beam scanning optical system 10 when a convex lens is used as the deflection angle magnifying lens 17. Similar to FIG. 4A, FIG. 12A shows a state in which the optical system from the light source array 11 to the deflection angle magnifying lens 17 is expanded on one plane for convenience, and the optical deflector 14 is illustrated. Is omitted.
  • the deflection angle magnifying lens 17 is a lens in which the entrance surface and the emission surface are curved convexly only in the fast axis direction.
  • the bus lines of the entrance surface and the exit surface are parallel to the slow axis direction.
  • the deflection angle magnifying lens 17 has an anterior focal point and a posterior focal point in the fast axis direction on the front stage side and the rear stage side, respectively. Of these, the deflection angle magnifying lens 17 is arranged so that the front focal point on the front stage side coincides with the focal point F0 of the laser beam generated by the condensing optical system 40.
  • FIG. 12B is a schematic diagram showing the operation of the deflection angle magnifying lens 17.
  • FIG. 12B shows the laser beam LB0 when the mirror 14a is in the neutral position and the laser beam LB1 when the mirror 14a is most swung in one direction from the neutral position. Further, the focal point F0 in FIG. 12A is shown on the optical axis when the mirror 14a is in the neutral position.
  • the laser beams LB0 and LB1 are converged in the fast-axis direction by the slow-axis cylindrical lens 13 so that they are incident on the deflection angle magnifying lens 17 in a diffused state.
  • the runout angle magnifying lens 17 is arranged so that the front focus in the fast axis direction on the front stage side coincides with the focal point F0 of the condensing optical system 40, so that the runout angle magnifying lens 17 swings in a diffused state.
  • the laser beam incident on the angle magnifying lens 17 is oscillated in the fast axis direction by the mirror 14a, it is collimated in the fast axis direction by the deflection angle magnifying lens 17 at any deflection angle. Therefore, as shown in FIG. 12B, the laser beams LB0 and LB1 both become substantially parallel light by passing through the deflection angle magnifying lens 17. This action is the same as that of the deflection angle magnifying lens 15 in the above embodiment.
  • the runout angle magnifying lens 17 is a convex lens
  • the laser beam incident on the runout angle magnifying lens 17 in the oblique direction is directed by the runout angle magnifying lens 17 in the optical axis direction of the runout angle magnifying lens 17. Be refracted. Therefore, as shown in FIG. 12B, the laser beam LB1 is refracted in the direction opposite to the runout direction by the mirror 14a.
  • the power of the deflection angle magnifying lens 17 is set so that the deflection angle of the laser beam LB1 at the time of emission is larger than the deflection angle of the laser beam LB1 at the time of incident. Therefore, although the deflection direction of the laser beam LB1 by the deflection angle magnifying lens 17 is opposite to the deflection direction of the mirror 14a, after passing through the deflection angle magnifying lens 17 rather than the deflection angle of the laser beam LB1 by the optical deflector 14. The deflection angle of the laser beam LB1 is larger. As a result, the deflection angle magnifying lens 17 expands the deflection angle of the laser beam by the optical deflector 14.
  • the laser radar 1 of the above embodiment includes a line beam scanning optical system 10 for scanning a long line beam B10 in one direction in the short side direction thereof.
  • the laser radar 1 of the modified example 4 includes a beam scanning optical system 50 that scans a spot-shaped beam in two-dimensional directions (X-axis direction and Y-axis direction).
  • FIG. 13A is a diagram showing the configuration of the beam scanning optical system 50 according to the modified example 4.
  • the configuration of the light receiving optical system 20 is the same as that of the above embodiment.
  • the beam scanning optical system 50 has a light source array 11, a fast axis cylindrical lens 12, a slow axis cylindrical lens 13, and a runout angle as compared with the line beam scanning optical system 10 of the embodiment.
  • a laser light source 101, a collimator lens 102, a condenser lens 103, and a runout angle magnifying lens 104 are provided, respectively.
  • the laser light source 101 is a laser light source having a single light emitting point.
  • the collimator lens 102 converts the laser light emitted from the laser light source 101 into parallel light.
  • the condenser lens 103 converges the laser beam parallelized by the collimator lens 102.
  • the collimator lens 102 and the condenser lens 103 have an effect of equally condensing light over the entire circumference.
  • the optical deflector 14 is configured such that the mirror 14a rotates with respect to the rotation axes R1 and R2.
  • the rotation shaft R2 is a rotation shaft perpendicular to the rotation shaft R1.
  • FIG. 13B is a perspective view schematically showing the configuration of the deflection angle magnifying lens 104.
  • concave surfaces 104a are formed on the Z-axis positive side and the Z-axis negative side surfaces of the deflection angle magnifying lens 104, respectively.
  • the concave surface 104a has an effect of equally emitting light over the entire circumference.
  • the laser light emitted from the laser light source 101 is converted into parallel light by the collimator lens 102 and converged by the condenser lens 103.
  • the deflection angle magnifying lens 104 is arranged so that the focal point F0 converged over the entire circumference by the condenser lens 103 and the front focal point on the rear stage side of the deflection angle magnifying lens 104 coincide with each other.
  • the laser beam transmitted through the deflection angle magnifying lens 15 is collimated in the fast axis direction in the above embodiment, in the present modification 4, the laser beam transmitted through the deflection angle magnifying lens 104 is X-axis. It is collimated in both the direction and the Y-axis direction.
  • the laser light reflected by the mirror 14a is oscillated about the two axes.
  • the incident position of the laser beam on the deflection angle magnifying lens 104 moves in both the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the laser beam incident on a position deviating from the center position of the swing angle magnifying lens 104 has a swing angle expanded by the swing angle magnifying lens 104 and travels in a direction away from the center position of the swing angle magnifying lens 104.
  • the spot-shaped laser light is scanned in the two-dimensional directions (X-axis direction and Y-axis direction) with respect to the target area, and the reflected light from the target area is received according to the scanning position of the laser light. It moves in the X-axis direction and the Y-axis direction on the light receiving surface of the element 22 (see FIG. 1).
  • the controller 31 can detect the position of the object in the X-axis direction and the Y-axis direction of the target region based on the position of the pixel in which the received light signal is generated.
  • the laser light transmitted through the deflection angle magnifying lens 104 is parallel light in both the X-axis direction and the Y-axis direction, the laser light is suppressed while suppressing the decrease in the energy density per unit area. Can be irradiated up to a long distance.
  • one deflection angle magnifying lens 15 (concave lens) is arranged as a diffusion optical system for expanding the deflection angle after the optical deflector 14, but a plurality of concave lenses may be arranged.
  • the plurality of concave lenses have a plurality of concave lenses so that the focal point of the laser beam converged in the fast axis direction by the lens surface 13a of the slow axis cylindrical lens 13 and the combined focal point (front focal point) on the rear stage side of the plurality of concave lenses coincide with each other. Be placed.
  • the runout angle can be further expanded.
  • one deflection angle magnifying lens 17 (convex lens) is arranged as a diffusion optical system for expanding the deflection angle in the subsequent stage of the optical deflector 14, but a plurality of convex lenses may be arranged. ..
  • the plurality of convex lenses have a plurality of convex lenses so that the focal point of the laser beam converged in the fast axis direction by the lens surface 13a of the slow axis cylindrical lens 13 and the combined focal point (frontal focal point) on the front stage side of the plurality of convex lenses coincide with each other. Be placed.
  • the runout angle can be further expanded.
  • the deflection angle magnifying lens 15 has a concave surface 15a formed on both the incident surface and the exit surface.
  • the incident surface and the exit surface The concave surface 15a may be formed on only one of the exit surfaces.
  • the end face light emitting type laser diode is used as the laser light source 11a, but the light source array 11 in which the surface light emitting type laser light sources such as VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) are arranged in a linear or matrix shape is used. May be done.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • the line beam B10 long in the vertical direction is scanned in the horizontal direction, but the line beam long in the horizontal direction may be scanned in the vertical direction.
  • the vertical swing angle of the line beam B10 can be small, but the horizontal spread angle of the line beam B10 needs to be large.
  • the MEMS mirror is used as the light deflector 14, but another light deflector such as a magnetically movable mirror or a galvano mirror may be used as the light deflector 14.
  • the line beam scanning optical system 10 is configured such that the light source array 11, the fast axis cylindrical lens 12, the slow axis cylindrical lens 13, and the optical deflector 14 are arranged in one direction.
  • the line beam scanning optical system is configured.
  • the layout of the system 10 is not limited to this.
  • the line beam scanning optical system 10 may be configured so as to arrange a mirror in the middle of the optical path and bend the optical path.
  • the fast axis cylindrical lens 12 may be arranged on the rear side of the slow axis cylindrical lens 13.
  • the slow axis cylindrical lens 13 is arranged in order to converge the laser light in the slow axis direction and the fast axis direction, but instead of the slow axis cylindrical lens 13, the laser light is emitted in the slow axis direction.
  • a cylindrical lens for converging and a cylindrical lens for converging the laser beam in the fast axis direction may be arranged.
  • the slow axis cylindrical lens 13 is configured such that the lens surface 13a is curved in a direction parallel to the XY plane and a direction parallel to the YY plane with different curvatures.
  • 13a may be configured to be curved with a curvature equal to the direction parallel to the XY plane and the direction parallel to the YY plane.
  • the focal point of the laser beam in the fast axis direction transmitted through the slow axis cylindrical lens 13 is closer to the mirror 14a than in the above embodiment. Therefore, it is difficult to arrange the deflection angle magnifying lens 15 of the concave lens so that the focal point of the laser beam in the fast axis direction coincides with the front focal point on the rear stage side. Therefore, in such a case, the deflection angle magnifying lens 17 of the convex lens may be arranged so that the front focal point on the front stage side coincides with the focal point of the laser beam in the fast axis direction.
  • the number of laser light sources 11a arranged in the light source array 11 is not limited to the number exemplified in the above embodiment. Further, the plurality of laser light sources 11a do not necessarily have to be unitized, and the plurality of laser light sources may be individually arranged.
  • the plurality of laser light sources 11a of the light source array 11 are arranged so that the slow axis direction is the arrangement direction (X-axis direction).
  • the fast axis direction is the arrangement direction (X axis direction).
  • a slow-axis cylindrical lens that parallelizes the laser beam in the slow-axis direction (Z-axis direction) is arranged, and instead of the slow-axis cylindrical lens 13, a fast-axis direction (X).
  • a fast-axis cylindrical lens is arranged that collects the laser light in the axial direction) and also collects the laser light in the slow axis direction (Z-axis direction) and converges it on the focal point F0.
  • the laser radar 1 is mounted on the vehicle 200, but the laser radar 1 may be mounted on another moving body. Further, the laser radar 1 may be mounted on a device or equipment other than a mobile body. Further, the laser radar 1 may have only the function of object detection.
  • the fast axis cylindrical lens 12 and the slow axis cylindrical lens 13 may be integrated into a toroidal lens having different aspherical surfaces for the slow axis and the fast axis.
  • the toroidal lens is configured to converge the laser beam to the front focal point of the magnifying optical system (swing angle magnifying lenses 15 and 17) in the fast axis direction as in the above embodiment, and in the slow axis direction, the above. It may have the same function as the slow axis cylindrical lens 13.
  • the configuration of the line beam scanning optical system 10 can be variously changed.
  • Laser radar 10 Line beam scanning optical system (beam scanning optical system) 11 Light source array (light source unit) 11a Laser light source (light source) 14 Optical deflector 15 Swing angle magnifying lens (magnifying optical system, concave lens) 16 Diffusing optical element (diffusing optical system) 17 Runout angle magnifying lens (magnifying optical system, convex lens) 20 Light receiving optical system 33 Mirror drive circuit (drive unit) 40 Condensing optical system 50 Beam scanning optical system 104 Swing angle magnifying lens (magnifying optical system, concave lens)

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Abstract

ラインビーム走査光学系（１０）は、レーザ光を出射する光源アレイ（１１）と、レーザ光を少なくとも一方向に走査させる光偏向器（１４）と、光源アレイ（１１）から出射されたレーザ光を少なくとも光偏向器（１４）の走査方向に収束させる集光光学系（４０）と、光偏向器（１４）によるレーザ光の振れ角を拡大させる振れ角拡大レンズ（１５）と、を備える。集光光学系（４０）によるレーザ光の焦点と振れ角拡大レンズ（１５）の前側焦点とが一致する。

Description

ビーム走査光学系およびレーザレーダ
　本発明は、少なくとも一方向にビームを走査させるビーム走査光学系、および、当該ビーム走査光学系を用いて物体を検出するレーザレーダに関する。
　従来、レーザ光を用いて物体を検出するレーザレーダが種々の分野で開発されている。たとえば、車載用のレーザレーダでは、車両前方からレーザ光が投射され、その反射光の有無に基づいて、車両前方に車両等の物体が存在するか否かが判別される。また、レーザ光の投射タイミングと反射光の受光タイミングとに基づいて、物体までの距離が計測される。
　以下の特許文献１には、ライン状のビームをスキャンさせて車両前方の障害物を検出する装置が開示されている。
特開平５－２０５１９９号公報
　上記構成のレーザレーダでは、ビームの走査範囲を広げることにより、物体の検知範囲を広げることができる。この場合、たとえば、ビームを走査させるための光偏向器の後段に、凹レンズ等のビームの振れ角を広げる光学系を配置する構成が用いられ得る。しかし、この構成では、光学系によってビーム自体が拡散し、物体照射光の単位面積当たりのエネルギー密度の低下を招き、その結果、物体からの反射光の検出確率が低下することから、遠距離の測距に不利になるとの問題が生じる。
　かかる課題に鑑み、本発明は、ビーム自体の拡散を抑制しつつ、ビームの振れ角を拡大することが可能なビーム走査光学系およびレーザレーダを提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様は、ビーム走査光学系に関する。この態様に係るビーム走査光学系は、レーザ光を出射する光源部と、前記レーザ光を少なくとも一方向に走査させる光偏向器と、前記光源部から出射された前記レーザ光を少なくとも前記光偏向器の走査方向に収束させる集光光学系と、前記光偏向器による前記レーザ光の振れ角を拡大させる拡大光学系と、を備え、前記集光光学系による前記レーザ光の焦点と前記拡大光学系の前側焦点とが一致する。
　本態様に係るビーム走査光学系によれば、拡大光学系によってレーザ光の振れ角を拡大できる。また、集光光学系によるレーザ光の焦点と拡大光学系の前側焦点とが一致するため、レーザ光自体は、どの振れ角においても、拡大光学系によって、走査方向に平行光化される。よって、ビーム自体の拡散を抑制しつつ、ビームの振れ角を拡大できる。
　本発明の第２の態様は、レーザレーダに関する。この態様に係るレーザレーダは、上記第１の態様に係るビーム走査光学系と、前記ビーム走査光学系から投射されたレーザ光の物体からの反射光を受光する受光光学系と、を備える。
　本態様に係るレーザレーダによれば、第１の態様に係るビーム走査光学系を備えるため、ビーム自体の拡散を抑制しつつ、ビームの振れ角を拡大できる。よって、物体検出が可能な走査範囲を広げつつ、各走査位置における物体検出距離、および検出精度を高めることができる。
　以上のとおり、本発明によれば、ビーム自体の拡散を抑制しつつ、ビームの振れ角を拡大することが可能なビーム走査光学系およびレーザレーダを提供することができる。
　本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
図１は、実施形態に係る、レーザレーダの光学系および回路部の構成を示す図である。 図２は、実施形態に係る、ラインビーム走査光学系の構成を示す斜視図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態に係る、レーザ光源の構成を示す斜視図である。図３（ｃ）は、実施形態に係る、レーザレーダの光源アレイの構成を示す斜視図である。 図４（ａ）は、実施形態に係る、振れ角拡大レンズの配置を説明するための図である。図４（ｂ）は、実施形態に係る、振れ角拡大レンズの光学作用を説明するための図である。図４（ｃ）は、実施形態の変更例に係る、光源アレイから出射されたレーザ光が、平行光からややファスト軸方向に拡散した状態となることを説明するための図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る、ラインビーム走査光学系によるラインビームの生成方法を示す模式図である。 図６は、実施形態に係る、レーザレーダのレーザ光の出射状態と、目標領域におけるラインビームの状態とを模式的に示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態および比較例に係る、ラインビーム走査光学系において、光源アレイから出射されたレーザ光のうちファスト軸方向に並ぶ光線の光路を光学シミュレーションにより光線追跡したシミュレーション結果を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態および比較例に係る、ラインビーム走査光学系により投射されるラインビームの遠視野像を光学シミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示す図である。 図９（ａ）は、実施形態の構成において、光偏向器（ミラー）の振れ角と、振れ角拡大レンズによって拡大されるラインビームの振れ角との関係をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示すグラフである。図９（ｂ）、（ｃ）は、実施形態の構成において、光偏向器に適用されるミラーの駆動波形（時間の経過に伴うミラーの振れ角の変化）を示す図である。 図１０（ａ）は、変更例１に係る、ラインビーム走査光学系の構成を示す図である。図１０（ｂ）は、変更例１に係る、拡散光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、変更例２に係る、ラインビーム走査光学系によるラインビームの生成方法を示す模式図である。 図１２（ａ）は、変更例３に係る、振れ角拡大レンズとして凸レンズを用いた場合のラインビーム走査光学系の構成を示す図である。図１２（ｂ）は、変更例３に係る、振れ角拡大レンズの作用を示す模式図である。 図１３（ａ）は、変更例４に係る、ビーム走査光学系の構成を示す図である。図１３（ｂ）は、変更例４に係る、振れ角拡大レンズの構成を模式的に示す斜視図である。
　ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
　以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。本実施形態では、一方向に長いラインビームをその短辺方向に走査させる走査光学系（以下、「ラインビーム走査光学系」という）および当該走査光学系を備えるレーザレーダに、本発明が適用されている。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、それぞれ、検出対象を走査するラインビームの長辺方向および短辺方向であり、Ｚ軸正方向は、ラインビームの投射方向である。
　図１は、レーザレーダ１の光学系および回路部の構成を示す図である。図２は、ラインビーム走査光学系１０の構成を示す斜視図である。
　図１に示すように、レーザレーダ１は、光学系の構成として、ラインビーム走査光学系１０と、受光光学系２０と、を備える。ラインビーム走査光学系１０は、一方向（Ｘ軸方向）に長いラインビームＢ１０を生成してその短辺方向（Ｙ軸方向）にラインビームＢ１０を走査させる。受光光学系２０は、ラインビーム走査光学系１０から投射されたレーザ光の物体からの反射光を受光する。
　ラインビーム走査光学系１０は、光源アレイ１１と、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２と、スロー軸シリンドリカルレンズ１３と、光偏向器１４と、振れ角拡大レンズ１５と、を備える。また、受光光学系２０は、受光レンズ２１と、受光素子２２と、を備える。
　光源アレイ１１は、複数のレーザ光源１１ａが集積されて構成される。レーザ光源１１ａは、所定波長のレーザ光を出射する。レーザ光源１１ａは、端面発光型のレーザダイオードである。レーザ光源１１ａが、面発光型のレーザ光源であってもよい。本実施形態では、レーザレーダ１が車両に搭載されることが想定されている。このため、各レーザ光源１１ａの出射波長は、赤外の波長帯域（たとえば９０５ｎｍ）に設定される。レーザレーダ１の使用態様に応じて、レーザ光源１１ａの出射波長は、適宜変更され得る。
　図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、レーザ光源１１ａの構成を示す斜視図、図３（ｃ）は、光源アレイ１１の構成を示す斜視図である。
　図３（ａ）に示すように、レーザ光源１１ａは、活性層１１１がＮ型クラッド層１１２とＰ型クラッド層１１３に挟まれた構造となっている。Ｎ型クラッド層１１２は、Ｎ型基板１１４に積層される。また、Ｐ型クラッド層１１３にコンタクト層１１５が積層される。電極１１６に電流が印加されることにより、発光領域１１７からレーザ光がＹ軸正方向に出射される。一般に、発光領域１１７は、活性層１１１に並行な方向の幅Ｗ１が、活性層１１１に垂直な方向の幅Ｗ２よりも広くなっている。
　発光領域１１７の短辺方向の軸、すなわち、活性層１１１に垂直な方向（Ｚ軸方向）の軸は、ファスト軸と称され、発光領域１１７の長辺方向の軸、すなわち、活性層１１１に平行な方向（Ｘ軸方向）の軸は、スロー軸と称される。図３（ｂ）において、１１８ａはファスト軸を示し、１１８ｂはスロー軸を示している。発光領域１１７から出射されたレーザ光は、スロー軸方向よりもファスト軸方向の広がり角が大きい。このため、ビームＢ２０の形状は、図３（ｂ）に示すように、ファスト軸方向に長い楕円形状となる。
　図３（ｃ）に示すように、複数のレーザ光源１１ａがスロー軸に沿って並ぶようにベース１２０に設置されて、光源アレイ１１が構成されている。したがって、各レーザ光源１１ａの発光領域１１７は、スロー軸方向に１列に並んでいる。ここで、各レーザ光源１１ａは、発光領域１１７のファスト軸１１８ａが、図２に示したラインビームＢ１０の短辺方向に対応する方向に平行となるように配置されている。光源アレイ１１を構成する複数のレーザ光源１１ａは、個体差はあるものの、全てが仕様書で示される一定範囲内に分布する出射特性を有する。
　なお、図３（ｃ）では、複数のレーザ光源１１ａが互いに隣接してベース１２０に設置されることにより光源アレイ１１が構成されているが、複数の発光領域１１７がスロー軸方向に並ぶように形成された１つの半導体発光素子がベース１２０に設置されてもよい。この場合、当該半導体発光素子のうち、各発光領域１１７からレーザ光を出射させる構造部分が、それぞれ、レーザ光源１１ａに対応する。
　図１および図２を参照して、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２は、光源アレイ１１の各レーザ光源１１ａから出射されたレーザ光をファスト軸方向に収束させて、ファスト軸方向のレーザ光の広がりを略平行な状態に調整する。すなわち、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２は、光源アレイ１１の各レーザ光源１１ａから出射されたレーザ光を、ファスト軸方向のみに平行光化する作用を有する。
　スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、光源アレイ１１の複数のレーザ光源１１ａから出射された個々のレーザ光をそれぞれスロー軸方向に収束させるとともに、それら各レーザ光の光軸をスロー軸方向に集光させる作用を有する。スロー軸シリンドリカルレンズ１３を透過した各レーザ光は、スロー軸方向に収束された状態でミラー１４ａに向かう。このとき、各レーザ光は、ミラー１４ａに近づくにつれて互いに接近し、それら各レーザ光の光軸は全てミラー１４ａの反射面の領域内に近接して入射する。
　さらに、スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２によってファスト軸方向に平行光化されたレーザ光を、ファスト軸方向に収束させる作用を有する。
　ファスト軸シリンドリカルレンズ１２は、Ｙ－Ｚ平面に平行な方向のみに湾曲するレンズ面１２ａを有する。レンズ面１２ａの母線は、Ｘ軸に平行である。ファスト軸シリンドリカルレンズ１２に入射する各レーザ光のファスト軸は、レンズ面１２ａの母線に垂直である。各レーザ光は、Ｘ軸方向に並んでファスト軸シリンドリカルレンズ１２に入射する。各レーザ光は、レンズ面１２ａでファスト軸方向（Ｚ軸方向）に収束作用を受けて、ファスト軸方向に平行光化される。
　スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向とＹ－Ｚ平面に平行な方向にそれぞれ異なる曲率で湾曲するレンズ面１３ａを有する。すなわち、スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、互いに垂直な２方向に湾曲したレンズ面１３ａを有するトーリックレンズである。Ｘ－Ｙ平面に平行な方向のレンズ面１３ａの湾曲により、光源アレイ１１の複数のレーザ光源１１ａから出射されたレーザ光が、それぞれ、スロー軸方向に収束されるとともに、これら複数のレーザ光の光軸がスロー軸方向に集光される。また、Ｙ－Ｚ平面に平行な方向のレンズ面１３ａの湾曲により、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２によってファスト軸方向に平行光化されたレーザ光が、ファスト軸方向に収束される。
　本実施形態では、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向のレンズ面１３ａの湾曲により、スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、前段側と後段側に、それぞれ、スロー軸方向の前側焦点および後側焦点を持つ。このうち、前段側の前側焦点よりもスロー軸シリンドリカルレンズ１３から離れた位置に、光源アレイ１１のレーザ光源１１ａが配置される。これにより、各レーザ光源１１ａから出射されたレーザ光は、スロー軸シリンドリカルレンズ１３を透過することにより、収束光となる。こうして、上記のように、各レーザ光が、収束状態で、ミラー１４ａへと向かうようになる。
　本実施形態では、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２およびスロー軸シリンドリカルレンズ１３によって、複数のレーザ光源１１ａから出射されるレーザ光をそれぞれミラー１４ａに集光するとともに、各レーザ光をファスト軸方向（光偏向器１４の走査方向）に収束させる集光光学系４０が構成される。ただし、集光光学系４０の構成はこれに限られるものではなく、たとえば、スロー軸方向の各レーザ光の収束およびミラー１４ａに対する集光と、ファスト軸方向の各レーザ光の収束とが、それぞれ、異なるレンズによって実現されてもよい。
　光偏向器１４は、たとえば、圧電アクチュエータや静電アクチュエータ等を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。ミラー１４ａは、誘電体多層膜や金属膜等によって反射率が高められている。ミラー１４ａは、スロー軸シリンドリカルレンズ１３のＹ軸正側の後側焦点付近の位置に配置されている。ミラー１４ａは、Ｘ軸に平行な回動軸Ｒ１について回動するように駆動される。ミラー１４ａは、たとえば、直径３ｍｍ程度の円形の形状を有する。
　振れ角拡大レンズ１５は、ミラー１４ａの回動によって走査されるレーザ光の振れ角を拡大させる。振れ角拡大レンズ１５は、入射面および出射面がそれぞれ内方に凹んだ凹面１５ａを備える凹レンズである。振れ角拡大レンズ１５の入射面および出射面は、Ｙ－Ｚ平面に平行な方向のみに湾曲する円筒面形状である。振れ角拡大レンズ１５の入射面および出射面の母線は、Ｘ軸方向に平行である。振れ角拡大レンズ１５は、Ｚ軸方向に入射した平行光を、見かけ上、入射側の所定の焦点位置、つまり後側焦点におけるＸ軸に平行な１つの仮想の焦線（虚像）を起点に発散する光線に変換する。以下では、焦線の位置を振れ角拡大レンズ１５の焦点の位置と同義として扱い、説明が行われる。
　本実施形態では、光偏向器１４によるレーザ光の振れ角を拡大させる拡大光学系が、単一の振れ角拡大レンズ１５によって構成される。
　図４（ａ）は、振れ角拡大レンズ１５の配置を説明するための図、図４（ｂ）は、振れ角拡大レンズ１５の光学作用を説明するための図である。便宜上、図４（ａ）および図４（ｂ）では、光源アレイ１１から振れ角拡大レンズ１５までの光学系が１平面に展開された状態が示されている。また、図４（ａ）および図４（ｂ）では、便宜上、光偏向器１４の図示が省略されている。
　図４（ａ）において、Ｆ０は、光源アレイ１１から出射されたレーザ光がスロー軸シリンドリカルレンズ１３のレンズ面１３ａによってファスト軸方向に収束される焦点である。この焦点Ｆ０と、凹レンズからなる振れ角拡大レンズ１５の後段側の前側焦点とが一致するように、振れ角拡大レンズ１５が配置される。
　ここで、凹レンズの場合、光の進行方向において、凹レンズの後段側（出射側）に位置する焦点が前側焦点であり、凹レンズの前段側（入射側）に位置する焦点が後側焦点である。なお、凸レンズの場合、光の進行方向において、凸レンズの前段側（入射側）に位置する焦点が前側焦点であり、凸レンズの後段側（出射側）に位置する焦点が後側焦点である。
　上記のように振れ角拡大レンズ１５が配置されることにより、図４（ｂ）に示すように、振れ角拡大レンズ１５を透過した後のレーザ光は、ファスト軸方向に平行光化される。これにより、ラインビームＢ１０の短辺方向（ファスト軸方向）の拡がり角は、平行光に近いラインビームＢ１０に変換される。
　また、上記のように振れ角拡大レンズ１５が配置されると、光偏向器１４によってレーザ光が振られた場合に、全ての振り角において略一様に、ファスト軸方向の平行光化が維持される。また、振れ角拡大レンズ１５の作用により、光偏向器１４によるレーザ光の振り角が拡大され、ラインビームＢ１０の走査範囲（振れ角）が拡大される。これらのレンズ作用については、追って、発明者が行ったシミュレーション結果を参照して、詳細に説明する。
　なお、本実施形態では、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２によってレーザ光がファスト軸方向に平行光化されたが、レーザ光がファスト軸方向において焦点Ｆ０に収束される限りにおいて、レーザ光は、非平行の状態でスロー軸シリンドリカルレンズ１３に入射してもよい。
　たとえば、図４（ｃ）に示すように、光源アレイ１１から出射されたレーザ光が、平行光からややファスト軸方向に拡散した状態となるように、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２’が構成されてもよい。この場合も、レンズ面１３ａによるレーザ光のファスト軸方向の焦点Ｆ０と、振れ角拡大レンズ１５の後段側の前側焦点とが一致するように、振れ角拡大レンズ１５が配置されることにより、図４（ｂ）を参照して説明した光学作用が、レーザ光に付与される。
　但し、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２によってレーザ光がファスト軸方向に平行光化された方が、スロー軸シリンドリカルレンズ１３に入射するレーザ光のファスト軸方向のビームサイズを考慮する必要が無いため、スロー軸シリンドリカルレンズ１３をファスト軸の制約なく配置できると共に、小型化に対しても有利である。
　図５（ａ）、（ｂ）は、ラインビーム走査光学系１０によるラインビームＢ１０の生成方法を示す模式図である。図５（ａ）は、光偏向器１４の前段の構成を、Ｚ軸負方向に見た図であり、図５（ｂ）は、光偏向器１４の後段の構成を、Ｙ軸正方向に見た図である。
　図５（ａ）に示すように、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によりスロー軸方向に収束された複数のレーザ光ＬＢ１０は、それぞれ、ミラー１４ａに収束される。ミラー１４ａは、複数のレーザ光ＬＢ１０がスロー軸方向に最も集光される位置付近に配置される。図４（ａ）に示した焦点Ｆ０は、ミラー１４ａの後段に配置された振れ角拡大レンズ１５よりもさらに後段側にある。ミラー１４ａの反射面は、これら複数のレーザ光ＬＢ１０が集光されるビームサイズよりもやや大きく設定される。
　図５（ｂ）に示すように、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によってミラー１４ａに集光された各レーザ光ＬＢ１０は、ミラー１４ａで反射された後、スロー軸方向に拡散されて振れ角拡大レンズ１５に入射する。このとき、振れ角拡大レンズ１５に入射する各レーザ光ＬＢ１０の光軸は、所定距離だけ、隣のレーザ光ＬＢ１０の光軸から離れる。
　しかし、各レーザ光ＬＢ１０は、ミラー１４ａで反射された後、スロー軸方向、すなわち、ラインビームＢ１０の長辺方向に拡散するため、各レーザ光ＬＢ１０は、拡散により他のレーザ光ＬＢ１０と互いに重なり合う。こうして、全てのレーザ光ＬＢ１０が拡散しつつ互いに重なり合うことで、Ｘ軸方向に広がるラインビームＢ１０が生成される。物体検出の精度を高めるため、ラインビームＢ１０の短辺方向の広がり角は、１°以下に設定されることが好ましい。
　図１に戻り、光偏向器１４は、ミラー駆動回路３３からの駆動信号によりミラー１４ａを駆動して、ミラー１４ａから反射したビームをＹ軸方向に走査させる。これにより、ラインビームＢ１０が短辺方向（Ｙ軸方向）に走査される。図１の構成では、ミラー１４ａが中立位置にある状態において、ミラー１４ａが、レーザ光源１１ａの出射光軸に対して４５°傾いているが、レーザ光源１１ａの出射光軸に対するミラー１４ａの傾き角は、これに限られるものではない。ミラー１４ａの傾き角は、ラインビーム走査光学系１０のレイアウトに応じて適宜変更され得る。
　図６は、レーザレーダ１のレーザ光の出射状態と、目標領域におけるラインビームＢ１０の状態とを模式的に示す図である。図６の上段には、投射方向（Ｚ軸正方向）に見たときのラインビームＢ１０の断面形状が模式的に示されている。
　図６に示すように、本実施形態では、レーザレーダ１が車両２００の前側に搭載され、車両２００の前方にラインビームＢ１０が投射される。ラインビームＢ１０は、長辺方向が鉛直方向に設定されて、水平方向に走査される。振れ角拡大レンズ１５で振れ角が拡大された後のラインビームＢ１０の走査角θ１１は、たとえば９０°である。また、物体検出が可能な距離Ｄ１１の上限は、たとえば、２５０ｍ程度である。図６では、便宜上、走査角θ１１が実際よりも小さく表現されている。
　図１に戻り、目標領域から反射したラインビームＢ１０の反射光は、受光レンズ２１によって、受光素子２２の受光面に集光される。受光レンズ２１は、たとえば、複数のレンズから構成される撮像用のカメラレンズユニットであり、受光素子２２は、たとえば、縦横に画素がマトリクス状に配置されたイメージセンサやセンサアレイである。この内、センサアレイの例では、各画素の位置に、アバランシェフォトダイオードセンサが配置されてもよい。この場合、アバランシェフォトダイオードは、たとえば、ガイガーモード（ガイガー増倍モード）で使用される。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードに光子が入射すると、アバランシェ増倍により、アバランシェフォトダイオードのカソードに集電される電荷が飽和電荷量まで増倍される。したがって、画素に対する光の入射の有無が高感度で検出され、より遠距離の測距が可能となる。
　受光素子２２は、たとえば、長方形の受光面を有し、受光面の長辺がＹ軸に平行となるように配置される。受光素子２２の受光面の長辺方向は、目標領域におけるラインビームＢ１０の走査方向に対応する。ラインビームＢ１０の反射光は、受光面の短辺方向に沿って延びるように、受光レンズ２１によって、受光素子２２の受光面に結像される。
　ここで、受光面のＸ軸方向の画素位置は、目標領域におけるＸ軸方向の位置に対応する。また、受光面のＹ軸方向の画素位置は、目標領域におけるＹ軸方向の位置に対応する。ラインビームＢ１０がＹ軸方向に走査されると、ラインビームＢ１０の反射光は、受光素子２２の受光面上をＹ軸方向に移動する。したがって、受光信号が生じた画素の位置により、目標領域のＸ軸方向およびＹ軸方向のどの位置に物体が存在するかを検出できる。
　受光素子２２としてＸ軸方向に画素が並ぶラインセンサが用いられてもよい。この場合は、ラインビームＢ１０の動きに同期して、検出対象となる物体のＹ位置が特定される。
　レーザレーダ１は、回路部の構成として、コントローラ３１と、レーザ駆動回路３２と、ミラー駆動回路３３と、信号処理回路３４と、を備える。
　コントローラ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理回路や、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶媒体を備え、予め設定されたプログラムに従って各部を制御する。レーザ駆動回路３２は、コントローラ３１からの制御に応じて光源アレイ１１の各レーザ光源１１ａをパルス発光させる。コントローラ３１は、ラインビームＢ１０の反射光の移動位置が受光素子２２の各画素行に含まれるタイミングで、各レーザ光源１１ａを複数回繰り返しパルス発光させる。パルス発光時、レーザ駆動回路３２は、各レーザ光源１１ａを同時にパルス発光させる。あるいは、所定の時間差をもって順番に各レーザ光源１１ａをパルス発光させてもよい。
　ミラー駆動回路３３は、コントローラ３１からの制御に応じて光偏向器１４を駆動する。光偏向器１４は、ミラー１４ａを回動軸Ｒ１について回動させて、ラインビームＢ１０の短辺方向にラインビームＢ１０を走査させる。
　信号処理回路３４は、受光素子２２の各画素の受光信号をコントローラ３１に出力する。上記のように、コントローラ３１は、受光信号が生じた画素の位置により、目標領域のＸ軸方向のどの位置に物体が存在するかを検出できる。また、コントローラ３１は、光源アレイ１１をパルス発光させたタイミングと、受光素子２２が目標領域からの反射光を受光したタイミング、すなわち、受光素子２２から受光信号を受信したタイミングとの時間差に基づいて、目標領域に存在する物体までの距離を取得する。
　こうして、コントローラ３１は、光源アレイ１１をパルス発光させつつ、光偏向器１４によりラインビームＢ１０を走査させることにより、目標領域における物体の有無を検出し、さらに、物体の位置および物体までの距離を計測する。これらの測定結果は、随時、車両側の制御部に送信される。
　次に、本実施形態に係るラインビーム走査光学系１０のラインビームＢ１０の状態を、比較例に係るラインビーム走査光学系１０のラインビームＢ１０の状態と対比して説明する。
　図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態および比較例に係るラインビーム走査光学系１０において、光源アレイ１１から出射されたレーザ光のうちファスト軸方向に並ぶ光線の光路を光学シミュレーションにより光線追跡したシミュレーション結果を示す図である。
　図７（ｂ）の比較例では、スロー軸シリンドリカルレンズ１３にＹ－Ｚ平面に平行な方向（ファスト軸方向）の収束作用を持たせなかった。したがって、比較例では、レーザ光は、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２でファスト軸方向に平行光化された状態のまま、ミラー１４ａに入射し、その後、ミラー１４ａで反射されて振れ角拡大レンズ１５に入射した。
　シミュレーションでは、ミラー１４ａを中立位置においてＺ軸に対し４５°傾けて配置し、この中立位置を中心に、ミラー１４ａを、±８°の範囲で、Ｙ－Ｚ平面に平行な方向に回動させた。図７（ａ）、（ｂ）には、ミラー１４ａが中立位置にあるときのラインビームＢ１０ａと、ミラー１４ａが中立位置に対して＋８°および－８°振られたときのラインビームＢ１０ｂ、Ｂ１０ｃとを示した。
　ミラー１４ａが±８°振られることにより、ミラー１４ａで反射されたレーザ光は±１６°振られ、さらに、この振れ角が、振れ角拡大レンズ１５により±３４°に拡大された。このように、ラインビームＢ１０の振れ角が拡大されるように、ラインビーム走査光学系１０の倍率を設定した。
　図７（ｂ）に示すように、比較例では、ファスト軸方向に平行光化された状態で振れ角拡大レンズ１５に入射したレーザ光は、振れ角拡大レンズ１５の光学作用により、ファスト軸方向に拡散された。これにより、ラインビームＢ１０ａ、Ｂ１０ｂ、Ｂ１０ｃは、ファスト軸方向、すなわち、短辺方向に拡散し、この拡散は、振れ角が大きくなるに伴い大きくなった。このため、比較例では、ラインビームＢ１０ａ、Ｂ１０ｂ、Ｂ１０ｃの短辺方向、すなわちラインビームＢ１０の走査方向における物体検出の分解能が低下することが推測できた。
　他方、図７（ａ）に示すように、実施形態では、ファスト軸方向に収束された状態で振れ角拡大レンズ１５に入射したレーザ光は、振れ角拡大レンズ１５の光学作用により、ファスト軸方向に平行光化された。このため、ラインビームＢ１０ａ、Ｂ１０ｂ、Ｂ１０ｃは、ファスト軸方向、すなわち、短辺方向に平行光化され、この平行光化は、振れ角が変化しても略一様であった。また、実施形態では、ラインビームＢ１０ａ、Ｂ１０ｂ、Ｂ１０ｃのファスト軸方向のビーム幅が、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２で平行光化されたときのビーム幅よりも顕著に小さくなった。これにより、実施形態では、ラインビームＢ１０ａ、Ｂ１０ｂ、Ｂ１０ｃの短辺方向のビーム幅を顕著に抑制でき、且つ、振れ角拡大レンズ１５から遠方へと離れてもビーム幅が広がることを抑制できることが確認できた。従い、実施形態では、走査方向における物体検出の分解能が顕著に高められることが確認できた。
　図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施形態および比較例に係るラインビーム走査光学系１０により投射されるラインビームＢ１０の遠視野像を光学シミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示す図である。
　本シミュレーションにおいて、実施形態および比較例に係るラインビーム走査光学系１０の条件は、図７（ａ）、（ｂ）と同様であった。ここでは、ミラー１４ａが中立位置にあるときの遠視野像と、ミラー１４ａが中立位置に対して±４°および±８°あるときの遠視野像を求めた。ミラー１４ａが中立位置に対して±４°および±８°あるときのラインビームＢ１０の振れ角は、それぞれ、±１５．０°、±３４°であった。
　図８（ａ）、（ｂ）の右側には、それぞれ、上記５つの遠視野像の短辺方向の強度分布を示した。これらの強度分布は、上記５つの遠視野像の長辺方向の中央位置において求めた。右側のグラフにおいて、横軸はビーム強度であり、縦軸はラインビームＢ１０の短辺方向の振れ角である。
　図８（ｂ）の画像に示すように、比較例では、各振れ角の遠視野像が短辺方向に広がった。また、図８（ｂ）の右側のグラフに示すように、各遠視野像のラインビームＢ１０の短辺方向におけるビームの広がり角（ビーム幅）は、４°～５°であった。したがって、このシミュレーション結果からも、図７（ｂ）と同様、比較例では、ラインビームＢ１０が、ファスト軸方向、すなわち、短辺方向に拡散し、このため、走査方向における物体検出の分解能が低下することが確認できた。
　他方、図８（ａ）の画像に示すように、実施形態では、各振れ角の遠視野像が短辺方向に顕著に圧縮された。また、図８（ａ）の右側のグラフに示すように、各遠視野像のラインビームＢ１０の短辺方向におけるビームの広がり角（ビーム幅）は、０．３°までに抑制された。したがって、このシミュレーション結果からも、図７（ａ）と同様、実施形態では、ラインビームＢ１０が、ファスト軸方向、すなわち、短辺方向に圧縮され、且つ、短辺方向に拡散することが抑制され、このため、走査方向における物体検出の分解能が顕著に向上することが確認できた。
　図９（ａ）は、実施形態の構成において、光偏向器１４（ミラー１４ａ）の振れ角と、振れ角拡大レンズ１５によって拡大されるラインビームＢ１０の振れ角との関係をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果を示すグラフである。また、図９（ｂ）、（ｃ）は、実施形態の構成において光偏向器１４に適用されるミラー１４ａの駆動波形（時間の経過に伴うミラー１４ａの振れ角の変化）を示す図である。図９（ｂ）において、実線は、ミラー１４ａの振れ角が時間の経過に伴いリニアに変化する場合の駆動波形を示し、破線は、改良された駆動波形を示している。また、図９（ｃ）は、図９（ｂ）の破線を抜き出したものである。
　図９（ａ）に示すように、振れ角拡大レンズ１５が上記のように単一の焦線を結ぶ光学作用を有する場合、ラインビームＢ１０の振れ角は、振れ角が中立位置に対して大きくなるに伴い、光偏向器１４の振れ角に対して、比例関係から乖離した。このため、図９（ｂ）の実線に示すように、直線状に振れ角が変化する駆動波形で光偏向器１４が駆動されると、ラインビームＢ１０の振れ角をリニアに変化させることができず、ラインビームＢ１０の走査位置を簡易かつ正確に監視することが困難になることが分かった。
　この問題は、図９（ｂ）の破線で示すように、中立位置に対するミラー１４ａの振れ角が大きくなる範囲において、ミラー１４ａを時間の経過に伴い緩やかに振ることにより、改善できる。すなわち、このようにミラー１４ａを振ることにより、図９（ａ）において比例直線から乖離するラインビームＢ１０の振れ角を、比例直線に近づけることができ、結果、ラインビームＢ１０を光偏向器１４の振れ角に応じてリニアに変化させることができる。
　具体的には、図１のミラー駆動回路３３は、振れ角拡大レンズ１５により拡大されたレーザ光（ラインビームＢ１０）の振れ角が、光偏向器１４のミラー１４ａの振れ角に応じてリニアに変化するよう、光偏向器１４の駆動波形を設定する。これにより、ラインビームＢ１０の振れ角をリニアに変化させることができ、ラインビームＢ１０の走査位置を簡易かつ正確に監視することができる。
　＜実施形態の効果＞
　本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
　図１に示したように、光偏向器１４の後段に、光偏向器１４によるレーザ光の振れ角を拡大させる振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）が配置される。これにより、レーザ光の振れ角を拡大できる。また、図４（ａ）に示したように、集光光学系４０によるレーザ光の焦点Ｆ０と振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の前側焦点とが一致するように、振れ角拡大レンズ１５が配置される。このように振れ角拡大レンズ１５が配置されることにより、図７（ａ）および図８（ａ）に示したように、レーザ光自体は、どの振れ角においても、振れ角拡大レンズ１５によって、走査方向に略平行光化される。よって、ラインビームＢ１０の短辺方向の拡散を抑制しつつ、ラインビームＢ１０の振れ角を拡大できる。
　図２および図３（ｃ）に示したように、光源アレイ１１（光源部）は、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）に並ぶ複数のレーザ光源１１ａ（光源）を有する。これにより、走査方向に垂直な方向に長いラインビームＢ１０を容易に構成できる。また、複数のレーザ光源１１ａが用いられるため、ラインビームＢ１０の強度を高めることができ、物体検出が可能な距離範囲を拡張できる。
　図４（ａ）に示したように、振れ角を拡大するための拡大光学系が、凹レンズである振れ角拡大レンズ１５によって構成されている。この構成によれば、振れ角拡大レンズ１５（凹レンズ）の前側焦点は後段側にあるため、振れ角拡大レンズ１５（凹レンズ）は、後段側の前側焦点と、集光光学系４０によって集光されるレーザ光の焦点Ｆ０とが一致するように配置される。このため、振れ角拡大レンズ１５（凹レンズ）を集光光学系４０に接近して配置でき、結果、ラインビーム走査光学系１０を小型化できる。
　図４（ａ）に示したように、ファスト軸方向（走査方向）においてのみ、集光光学系４０によるレーザ光の焦点Ｆ０と振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の前側焦点とが一致する条件を充足し、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）は、拡散光の状態で、集光光学系４０から振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）にレーザ光ＬＢ１０が入射する。これにより、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）はレーザ光自体が広がるため、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）に長いラインビームＢ１０を形成できる。また、光源アレイ１１（光源部）が、走査方向に垂直な方向に並ぶ複数のレーザ光源１１ａ（光源）を有するため、各レーザ光源１１ａからのレーザ光がそれぞれスロー軸方向（走査方向に垂直な方向）に広がって重なり合うことにより、強度分布が略一様のラインビームＢ１０を形成できる。
　図９（ａ）～（ｃ）を参照して説明したように、ミラー駆動回路３３は、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）により拡大されたレーザ光の振れ角が、光偏向器１４の振れ角に応じてリニアに変化するよう、光偏向器１４の駆動波形を設定する。図９（ａ）に示したように、光偏向器１４の駆動波形が時間に応じてリニアに変化する波形である場合、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の作用により、振れ角が大きくなるに伴い、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）により拡大されたレーザ光の振れ角と光偏向器１４の振れ角との関係が、比例関係から乖離する。上記のように駆動波形を設定することにより、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）により拡大されたレーザ光の振れ角を、光偏向器１４の振れ角に応じてリニアに変化させることができる。これにより、振れ角が拡大されたレーザ光を安定的に走査させることができ、物体の検出精度を高めることができる。
　レーザレーダ１は、上記のようなラインビーム走査光学系１０（ビーム走査光学系）を備える。これにより、ビーム自体の拡散を抑制しつつ、ビームの振れ角を拡大できる。よって、物体検出が可能な走査範囲を広げつつ、各走査位置における物体検出距離、および検出精度を高めることができる。
　＜変更例１＞
　上記実施形態では、複数のレーザ光源１１ａから出射されたレーザ光がスロー軸方向（走査方向に垂直な方向）に拡散して重なり合うことにより、一方向に長いラインビームＢ１０が形成された。この構成では、ラインビームＢ１０の長辺方向の幅は、各レーザ光のスロー軸方向の拡散角によって決まる。
　これに対し、本変更例１では、ラインビームＢ１０の長辺方向の拡散角をさらに拡大するための拡散光学系が用いられる。これにより、上記実施形態に比べて、ラインビームＢ１０の長辺方向の幅を広げることができ、走査範囲を拡張できる。
　図１０（ａ）は、変更例１に係るラインビーム走査光学系１０の構成を示す図である。受光光学系２０の構成は、上記実施形態と同様である。
　図１０（ａ）に示すように、変更例１では、振れ角拡大レンズ１５の後段に、拡散光学素子１６が配置される。この構成では、拡散光学素子１６が、拡散光学系を構成する。拡散光学素子１６は、Ｘ軸方向に見て円弧状に湾曲した板状の形状を有する。すなわち、拡散光学素子１６は、入射面と出射面とが互いに平行な平板を円弧状に湾曲させた形状である。拡散光学素子１６は、入射面および出射面の何れか一方が、レーザ光を拡散させる拡散面となっている。ここでは、出射面が拡散面１６ａとなっている。
　拡散光学素子１６は、入射したラインビームＢ１０の長辺方向の拡散角を広げ、ラインビームＢ１０の短辺方向の拡散角はそのまま維持させる。拡散光学素子１６は、振れ角拡大レンズ１５によって振れ角が拡大されたラインビームＢ１０が略垂直に入射面に入射するように、円弧状に形成されている。
　図１０（ｂ）は、拡散光学素子１６の構成を模式的に示す斜視図である。
　図１０（ｂ）に示すように、拡散光学素子１６の拡散面１６ａには、半円筒形状の多数のマイクロレンズ１６ｂが互いに隣接して一体形成されている。マイクロレンズ１６ｂは、拡散面１６ａの円弧形状に沿って延びるように形成されている。図１０（ｂ）の構成では、マイクロレンズ１６ｂが凸レンズであるが、マイクロレンズ１６ｂが凹レンズであってもよい。
　図５（ａ）、（ｂ）に示した各レーザ光源１１ａからのレーザ光ＬＢ１０は、振れ角拡大レンズ１５を透過した後、拡散光学素子１６に入射する。その後、各レーザ光ＬＢ１０は、拡散光学素子１６の拡散面１６ａに形成されたマイクロレンズ１６ｂによってスロー軸方向、すなわち、ラインビームＢ１０の長辺方向に拡散される。こうして、拡散角が広げられた複数のレーザ光ＬＢ１０が重なり合って、ラインビームＢ１０が形成される。このとき、ラインビームＢ１０の長辺方向の拡散角は、各レーザ光ＬＢ１０が拡散光学素子１６で拡散された後の拡散角となる。したがって、ラインビームＢ１０の拡散角は、拡散光学素子１６が無い場合のラインビームＢ１０の拡散角よりも拡大される。
　なお、図８（ａ）のシミュレーション結果では、５つの遠視野像の短辺方向の幅が略同じように見える。しかし、実際は、振れ角拡大レンズ１５に対するレーザ光の入射角との関係から、中立位置に対して振れ角が大きくなるほど、遠視野像の幅、すなわち、短辺方向のビームの拡散が大きくなっている。
　この問題は、拡散光学素子１６の円弧の曲率を、振れ角の変化に応じて変化させることにより、解消できる。たとえば、拡散光学素子１６の入射面および出射面の少なくとも一方を、曲率一定の円筒面形状ではなく非円筒面形状に設定し、振れ角が大きくなるに伴い、ラインビームＢ１０を短辺方向に収束させる作用をラインビームＢ１０に付与する。すなわち、拡散光学素子１６は、振れ角拡大レンズ１５を経由した後のラインビームＢ１０の短辺方向（走査方向）の幅が、光偏向器１４による走査に応じて変化することを補正するための光学作用を、さらに有するように構成される。
　このように、拡散光学素子１６を構成することにより、拡散光学素子１６によってラインビームＢ１０の長辺方向の幅を広げることができるとともに、さらに、振り角に拘わらず、ラインビームＢ１０の短辺方向の幅を一定に維持できる。よって、より安定的にラインビームＢ１０を走査でき、レーザレーダ１の物体検出精度を高めることができる。
　＜変更例１の効果＞
　図１０（ａ）に示したように、ラインビーム走査光学系１０は、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の後段に、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）にレーザ光を拡散させる拡散光学素子１６（拡散光学系）をさらに備える。これにより、目標領域に投射されるラインビームＢ１０の長さを広げることができ、ラインビームＢ１０による物体検出の範囲を広げることができる。また、この場合も、拡散後の各レーザ光が互いに重なり合ってラインビームＢ１０が構成されるため、ラインビームＢ１０の強度を高めるとともに、分布が略一様のラインビームＢ１０を形成できる。
　また、上記のように、拡散光学素子１６（拡散光学系）は、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）を経由した後のレーザ光のファスト軸方向（走査方向）の幅が、光偏向器１４による走査に応じて変化することを補正するための光学作用をさらに有する。これにより、走査位置に応じてラインビームＢ１０の幅が変化することを抑制でき、走査位置に拘わらずラインビームＢ１０の光強度（光密度）を一定にできる。よって、どの走査位置においても同じ距離範囲で物体検出を行い得る。
　＜変更例２＞
　図５（ａ）、（ｂ）に示したように、上記実施形態では、各レーザ光源１１ａからのレーザ光ＬＢ１０が、スロー軸方向に拡散した状態で、振れ角拡大レンズ１５に入射した。これに対して、変更例２では、各レーザ光源１１ａからのレーザ光ＬＢ１０が、スロー軸方向に平行光化された状態で、振れ角拡大レンズ１５に入射する。すなわち、変更例２では、各レーザ光源１１ａから出射されたレーザ光が、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によって平行光化される。このような光学作用は、光源アレイ１１とスロー軸シリンドリカルレンズ１３との間の距離を調整することにより、実現され得る。
　すなわち、上記実施形態では、スロー軸シリンドリカルレンズ１３におけるスロー軸方向の２つの焦点距離のうち、前段側の前側焦点よりもスロー軸シリンドリカルレンズ１３から離れた位置に、複数のレーザ光源１１ａが配置された。これにより、各レーザ光は、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によって、スロー軸方向に収束する収束光となった。
　これに対し、変更例２では、スロー軸シリンドリカルレンズ１３におけるスロー軸方向の２つの焦点距離のうち、前段側の前側焦点の位置に、複数のレーザ光源１１ａが配置される。これにより、各レーザ光は、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によって、スロー軸方向に平行光化される。
　変更例２のその他のラインビーム走査光学系１０の構成は、上記実施形態と同様である。但し、変更例２では、平行光の状態で振れ角拡大レンズ１５に各レーザ光が入射するため、ラインビームＢ１０の長辺方向に各レーザ光が互いに分離することが起こり得る。これにより、ラインビームＢ１０の強度分布が長辺方向に波状に変化することが起こり得る。
　この問題を解消するため、変更例２では、上記変更例１と同様、振れ角拡大レンズ１５の後段に、拡散光学素子１６を配置することが好ましい。
　図１１（ａ）、（ｂ）は、変更例２に係るラインビーム走査光学系１０によるラインビームＢ１０の生成方法を示す模式図である。図１１（ａ）、（ｂ）では、便宜上、レーザ光源１１ａの数が５つとされている。
　スロー軸シリンドリカルレンズ１３によりスロー軸方向に平行光化された複数のレーザ光ＬＢ１０は、それぞれ、ミラー１４ａで反射された後、平行光化された状態のまま、振れ角拡大レンズ１５を透過して、Ｚ軸正方向に拡散光学素子１６に入射する。このとき、拡散光学素子１６に入射する各レーザ光ＬＢ１０は、所定距離だけ、隣のレーザ光ＬＢ１０から離れる。拡散光学素子１６におけるレーザ光ＬＢ１０の隣り合う入射領域の強度中心間ピッチは、レーザ光源１１ａ間のピッチ、スロー軸シリンドリカルレンズ１３のレンズ面設計（曲率）、およびミラー１４ａと拡散光学素子１６との間の距離により決まる。
　各レーザ光ＬＢ１０は、それぞれ、拡散面１６ａのマイクロレンズ１６ｂによってＸ－Ｚ平面に平行な方向に拡散される。このとき、各レーザ光ＬＢ１０は、複数のマイクロレンズ１６ｂを透過するように拡散面１６ａに入射する。これにより、各レーザ光ＬＢ１０は、複数のマイクロレンズ１６ｂにより、所定の広がり角で拡散される。拡散後の各レーザ光ＬＢ１０は、拡散により他のレーザ光ＬＢ１０と互いに重なり合う。こうして、全てのレーザ光ＬＢ１０が拡散しつつ互いに重なり合うことで、スロー方向に広がるラインビームＢ１０が生成される。
　＜変更例２の効果＞
　上記のように、ラインビーム走査光学系１０は、ファスト軸方向（走査方向）においてのみ、集光光学系４０によるレーザ光の焦点Ｆ０と振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の前側焦点とが一致する条件を充足し、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）において、平行光の状態で、集光光学系４０から振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）にレーザ光が入射する。この構成によれば、図１０（ａ）、（ｂ）と同様に、振れ角拡大レンズ１５（拡大光学系）の後段に、スロー軸方向（走査方向に垂直な方向）に光を拡散させる拡散光学素子１６（拡散光学系）を配置することにより、各光源からのレーザ光をそれぞれ走査方向に垂直な方向に重なり合わせて、ラインビームを形成できる。
　なお、各レーザ光源１１ａからのレーザ光が、ラインビームＢ１０の長辺方向に分離しても問題ない場合は、振れ角拡大レンズ１５の後段に拡散光学素子１６（拡散光学系）が配置されなくてもよい。
　また、各レーザ光が、平行光の状態で振れ角拡大レンズ１５に入射するため、振れ角拡大レンズ１５の後段に拡散光学素子１６が配置される場合、拡散光学素子１６の拡散面１６ａ上のラインビームＢ１０の発光領域が、アイセーフ判定対象のアパーレント光源となる。この場合、拡散光学素子１６に入射する個々のレーザ光がアイセーフの基準を満たせばよいため、個々のレーザ光源１１ａの発光強度（放射エネルギー）をアイセーフ基準近くまで高めることができる。これにより、ラインビームＢ１０全体の光量を効果的に高めることができる。
　＜変更例３＞
　上記実施形態では、振れ角拡大レンズ１５として凹レンズが用いられたが、振れ角拡大レンズとして凸レンズが用いられてもよい。
　図１２（ａ）は、振れ角拡大レンズ１７として凸レンズを用いた場合のラインビーム走査光学系１０の構成を示す図である。図４（ａ）と同様、図１２（ａ）では、便宜上、光源アレイ１１から振れ角拡大レンズ１７までの光学系が１平面に展開された状態が示され、また、光偏向器１４の図示が省略されている。
　振れ角拡大レンズ１７は、入射面および出射面がファスト軸方向のみに凸状に湾曲したレンズである。入射面および出射面の母線はスロー軸方向に平行である。振れ角拡大レンズ１７は、前段側および後段側に、それぞれファスト軸方向の前側焦点および後側焦点を有する。このうち、前段側の前側焦点が、集光光学系４０によるレーザ光の焦点Ｆ０に一致するように、振れ角拡大レンズ１７が配置される。
　図１２（ｂ）は、振れ角拡大レンズ１７の作用を示す模式図である。
　図１２（ｂ）には、ミラー１４ａが中立位置にあるときのレーザ光ＬＢ０と、ミラー１４ａが中立位置から一方向に最も振られたときのレーザ光ＬＢ１とが示されている。また、ミラー１４ａが中立位置にあるときの光軸上に、図１２（ａ）の焦点Ｆ０が示されている。
　レーザ光ＬＢ０、ＬＢ１は、スロー軸シリンドリカルレンズ１３によってファスト軸方向に収束されることにより、拡散状態で振れ角拡大レンズ１７に入射する。振れ角拡大レンズ１７は、図１２（ａ）に示したように、前段側のファスト軸方向の前側焦点が集光光学系４０の焦点Ｆ０に一致するように配置されるため、拡散状態で振れ角拡大レンズ１７に入射したレーザ光は、ミラー１４ａによってファスト軸方向に振られた場合に、どの振れ角においても、振れ角拡大レンズ１７によってファスト軸方向に平行光化される。したがって、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢ０、ＬＢ１は、何れも、振れ角拡大レンズ１７を透過することにより、略平行光となる。この作用は、上記実施形態における振れ角拡大レンズ１５と同様である。
　但し、変更例３では、振れ角拡大レンズ１７が凸レンズであるため、振れ角拡大レンズ１７に斜め方向に入射するレーザ光は、振れ角拡大レンズ１７によって、振れ角拡大レンズ１７の光軸方向に屈折される。このため、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢ１は、ミラー１４ａによる振れ方向と反対方向に屈折される。
　ここで、振れ角拡大レンズ１７は、入射時におけるレーザ光ＬＢ１の振れ角よりも、出射時におけるレーザ光ＬＢ１の振れ角が大きくなるように、パワーが設定されている。このため、振れ角拡大レンズ１７によるレーザ光ＬＢ１の振れ方向はミラー１４ａの振れ方向と反対になるものの、光偏向器１４によるレーザ光ＬＢ１の振れ角よりも、振れ角拡大レンズ１７を透過した後のレーザ光ＬＢ１の振れ角の方が大きくなる。これにより、振れ角拡大レンズ１７によって、光偏向器１４によるレーザ光の振れ角が拡大される。
　＜変更例３の効果＞
　上記のように、変更例３によっても、振れ角拡大レンズ１７によってレーザ光の振れ角を拡大できる。これにより、ラインビームＢ１０の走査範囲を拡大できる。
　また、変更例３では、図１２（ｂ）に示すように、振れ角拡大レンズ１７を透過したレーザ光が光軸に近づく方向に向けられるため、振れ角拡大レンズ１７の後段側に、全ての振れ角においてラインビームＢ１０が通る狭小範囲Ａ１が生じる。したがって、この狭小範囲Ａ１に、上記変更例２、３に示した拡散光学素子１６や出射窓を配置することにより、拡散光学素子１６や出射窓を小型化できる。
　＜変更例４＞
　上記実施形態のレーザレーダ１は、一方向に長いラインビームＢ１０をその短辺方向に走査させるラインビーム走査光学系１０を備えた。これに対し、変更例４のレーザレーダ１は、スポット状のビームを２次元方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に走査させるビーム走査光学系５０を備える。
　図１３（ａ）は、変更例４に係るビーム走査光学系５０の構成を示す図である。受光光学系２０の構成は、上記実施形態と同様である。
　図１３（ａ）に示すように、ビーム走査光学系５０は、実施形態のラインビーム走査光学系１０と比較して、光源アレイ１１、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２、スロー軸シリンドリカルレンズ１３、および振れ角拡大レンズ１５に代えて、それぞれ、レーザ光源１０１、コリメータレンズ１０２、集光レンズ１０３、および振れ角拡大レンズ１０４を備える。
　レーザ光源１０１は、単一の発光点を備えるレーザ光源である。コリメータレンズ１０２は、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。集光レンズ１０３は、コリメータレンズ１０２によって平行光化されたレーザ光を収束させる。コリメータレンズ１０２と集光レンズ１０３は、全周に亘って等しく光を集光させる作用を有する。光偏向器１４は、ミラー１４ａが回動軸Ｒ１、Ｒ２に対して回動するよう構成されている。回動軸Ｒ２は、回動軸Ｒ１に垂直な回動軸である。
　図１３（ｂ）は、振れ角拡大レンズ１０４の構成を模式的に示す斜視図である。
　図１３（ｂ）に示すように、振れ角拡大レンズ１０４のＺ軸正側およびＺ軸負側の面には、それぞれ凹面１０４ａが形成されている。凹面１０４ａは、全周に亘って等しく光を発散させる作用を有する。
　図１３（ａ）に戻り、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１０２により平行光に変換され、集光レンズ１０３により収束される。このとき、集光レンズ１０３によって全周に亘って収束される焦点Ｆ０と、振れ角拡大レンズ１０４の後段側の前側焦点とが一致するように、振れ角拡大レンズ１０４が配置される。これにより、上記実施形態において振れ角拡大レンズ１５を透過したレーザ光がファスト軸方向に平行光化されたのと同様、本変更例４では、振れ角拡大レンズ１０４を透過したレーザ光がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方について平行光化される。
　また、ミラー１４ａが回動軸Ｒ１、Ｒ２に対して回動されることにより、ミラー１４ａで反射されたレーザ光が、２つの軸について振られる。これにより、振れ角拡大レンズ１０４へのレーザ光の入射位置がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方に移動する。振れ角拡大レンズ１０４の中心位置から外れた位置に入射するレーザ光は、振れ角拡大レンズ１０４によって振れ角が拡大され、振れ角拡大レンズ１０４の中心位置から離れる方向へと進む。
　変更例４では、目標領域に対してスポット状のレーザ光が２次元方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に走査され、目標領域からの反射光は、レーザ光の走査位置に応じて、受光素子２２（図１参照）の受光面においてＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。これにより、コントローラ３１（図１参照）は、受光信号が生じた画素の位置により、目標領域のＸ軸方向およびＹ軸方向のどの位置に物体が存在するかを検出できる。
　＜変更例４の効果＞
　上記のように、変更例４においても、振れ角拡大レンズ１０４によってレーザ光の振れ角を拡大できる。これにより、振れ角拡大レンズ１０４を透過したレーザ光の走査範囲を拡大できる。
　また、変更例３では、振れ角拡大レンズ１０４を透過したレーザ光は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方において平行光であるため、単位面積当たりのエネルギー密度の低下を抑制しながら、レーザ光を遠距離まで照射できる。
　＜他の変更例＞
　上記実施形態では、光偏向器１４の後段に、振れ角を拡大させる拡散光学系として１つの振れ角拡大レンズ１５（凹レンズ）が配置されたが、複数の凹レンズが配置されてもよい。この場合、スロー軸シリンドリカルレンズ１３のレンズ面１３ａによってファスト軸方向に収束されるレーザ光の焦点と、複数の凹レンズの後段側の合成焦点（前側焦点）とが一致するように、複数の凹レンズが配置される。複数の凹レンズを用いることにより、さらに振れ角を拡大させることができる。
　また、上記変更例３では、光偏向器１４の後段に、振れ角を拡大させる拡散光学系として１つの振れ角拡大レンズ１７（凸レンズ）が配置されたが、複数の凸レンズが配置されてもよい。この場合、スロー軸シリンドリカルレンズ１３のレンズ面１３ａによってファスト軸方向に収束されるレーザ光の焦点と、複数の凸レンズの前段側の合成焦点（前側焦点）とが一致するように、複数の凸レンズが配置される。複数の凸レンズを用いることにより、さらに振れ角を拡大させることができる。
　また、上記実施形態では、振れ角拡大レンズ１５には入射面および出射面の両方に凹面１５ａが形成されたが、振れ角拡大レンズ１５を透過するレーザ光の振り角を拡大できれば、入射面および出射面の何れか一方にのみ凹面１５ａが形成されてもよい。
　上記実施形態では、レーザ光源１１ａとして端面発光型のレーザダイオードが用いられたが、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光型のレーザ光源が直線状またはマトリクス状に並ぶ光源アレイ１１が用いられてもよい。
　また、上記実施形態では、図６に示したように、鉛直方向に長いラインビームＢ１０が水平方向に走査されたが、水平方向に長いラインビームが鉛直方向に走査されてもよい。この構成では、ラインビームＢ１０の鉛直方向の振り角が小さくて済むが、ラインビームＢ１０の水平方向の広がり角を大きくする必要がある。
　また、上記実施形態では、光偏向器１４としてＭＥＭＳミラーを用いたが、光偏向器１４として磁気可動ミラーやガルバノミラー等の他の光偏向器を用いてもよい。
　また、上記実施形態では、光源アレイ１１、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２、スロー軸シリンドリカルレンズ１３および光偏向器１４が一方向に並ぶようにラインビーム走査光学系１０が構成されたが、ラインビーム走査光学系１０のレイアウトはこれに限られるものではない。たとえば、光路の途中にミラーを配置して光路を折り曲げるようにラインビーム走査光学系１０が構成されてもよい。また、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２が、スロー軸シリンドリカルレンズ１３の後段側に配置されてもよい。
　また、上記実施形態では、スロー軸方向およびファスト軸方向にレーザ光を収束させるために、スロー軸シリンドリカルレンズ１３が配置されたが、スロー軸シリンドリカルレンズ１３に代えて、スロー軸方向にレーザ光を収束させるシリンドリカルレンズと、ファスト軸方向にレーザ光を収束させるシリンドリカルレンズとが配置されてもよい。
　また、上記実施形態では、スロー軸シリンドリカルレンズ１３は、レンズ面１３ａがＸ－Ｙ平面に平行な方向とＹ－Ｚ平面に平行な方向にそれぞれ異なる曲率で湾曲するよう構成されたが、レンズ面１３ａがＸ－Ｙ平面に平行な方向とＹ－Ｚ平面に平行な方向に等しい曲率で湾曲するよう構成されてもよい。この場合、たとえば、スロー軸シリンドリカルレンズ１３を透過したファスト軸方向のレーザ光の焦点は、上記実施形態に比べてミラー１４ａに近付けられる。このため、ファスト軸方向のレーザ光の焦点に後段側の前側焦点が一致するよう、凹レンズの振れ角拡大レンズ１５を配置することは困難になる。したがって、このような場合には、ファスト軸方向のレーザ光の焦点に前段側の前側焦点が一致するよう、凸レンズの振れ角拡大レンズ１７が配置されればよい。
　また、光源アレイ１１に配置されるレーザ光源１１ａの数は、上記実施形態に例示した数に限られるものではない。また、必ずしも複数のレーザ光源１１ａがユニット化されなくてもよく、複数のレーザ光源が個別に配置されてもよい。
　また、上記実施形態では、図３（ａ）～（ｃ）に示したように、光源アレイ１１の複数のレーザ光源１１ａは、スロー軸方向が配列方向（Ｘ軸方向）となるように配置されたが、ファスト軸方向が配列方向（Ｘ軸方向）となるように配置されてもよい。この場合、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２に代えて、スロー軸方向（Ｚ軸方向）にレーザ光を平行光化するスロー軸シリンドリカルレンズが配置され、スロー軸シリンドリカルレンズ１３に代えて、ファスト軸方向（Ｘ軸方向）にレーザ光を集光するとともに、スロー軸方向（Ｚ軸方向）においてレーザ光を集光し焦点Ｆ０に収束させるファスト軸シリンドリカルレンズが配置される。
　また、上記実施形態では、レーザレーダ１が車両２００に搭載されたが、他の移動体にレーザレーダ１が搭載されてもよい。また、レーザレーダ１が移動体以外の器機や設備に搭載されてもよい。また、レーザレーダ１が物体検出の機能のみを備えていてもよい。
　また、ファスト軸シリンドリカルレンズ１２とスロー軸シリンドリカルレンズ１３を一体とし、スロー軸とファスト軸にそれぞれ異なる非球面のトロイダルレンズとして構成してもよい。この場合、トロイダルレンズは、上記実施形態と同様、ファスト軸方向において、レーザ光を拡大光学系（振れ角拡大レンズ１５、１７）の前側焦点に収束させるよう構成され、スロー軸方向には、上記スロー軸シリンドリカルレンズ１３と同様の作用を持てばよい。ラインビーム走査光学系１０の構成は、種々変更可能である。
　この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
　１　レーザレーダ
　１０　ラインビーム走査光学系（ビーム走査光学系）
　１１　光源アレイ（光源部）
　１１ａ　レーザ光源（光源）
　１４　光偏向器
　１５　振れ角拡大レンズ（拡大光学系、凹レンズ）
　１６　拡散光学素子（拡散光学系）
　１７　振れ角拡大レンズ（拡大光学系、凸レンズ）
　２０　受光光学系
　３３　ミラー駆動回路（駆動部）
　４０　集光光学系
　５０　ビーム走査光学系
　１０４　振れ角拡大レンズ（拡大光学系、凹レンズ）

Claims (10)

  1. 　レーザ光を出射する光源部と、
    　前記レーザ光を少なくとも一方向に走査させる光偏向器と、
    　前記光源部から出射された前記レーザ光を少なくとも前記光偏向器の走査方向に収束させる集光光学系と、
    　前記光偏向器による前記レーザ光の振れ角を拡大させる拡大光学系と、を備え、
    　前記集光光学系による前記レーザ光の焦点と前記拡大光学系の前側焦点とが一致する、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  2. 　請求項１に記載のビーム走査光学系において、
    　前記光源部は、前記走査方向に垂直な方向に並ぶ複数の光源を有する、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  3. 　請求項１または２に記載のビーム走査光学系において、
    　前記拡大光学系は、１つ以上の凹レンズにより構成される、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  4. 　請求項１または２に記載のビーム走査光学系において、
    　前記拡大光学系は、１つ以上の凸レンズにより構成される、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  5. 　請求項１ないし４の何れか一項に記載のビーム走査光学系において、
    　前記走査方向においてのみ、前記集光光学系による前記レーザ光の焦点と前記拡大光学系の前側焦点とが一致する条件を充足し、
    　前記走査方向に垂直な方向は、拡散光の状態で、前記集光光学系から前記拡大光学系に前記レーザ光が入射する、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  6. 　請求項１ないし４の何れか一項に記載のビーム走査光学系において、
    　前記走査方向においてのみ、前記集光光学系による前記レーザ光の焦点と前記拡大光学系の前側焦点とが一致する条件を充足し、
    　前記走査方向に垂直な方向は、平行光の状態で、前記集光光学系から前記拡大光学系に前記レーザ光が入射する、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  7. 　請求項１ないし６の何れか一項に記載のビーム走査光学系において、
    　前記拡大光学系の後段に、前記走査方向に垂直な方向に前記レーザ光を拡散させる拡散光学系をさらに備える、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  8. 　請求項７に記載のビーム走査光学系において、
    　前記拡散光学系は、前記拡大光学系を経由した後の前記レーザ光の前記走査方向の幅が、前記光偏向器による走査に応じて変化することを補正するための光学作用をさらに有する、
    ことを特徴とするビーム走査光学系。
     
  9. 　請求項１ないし８の何れか一項に記載のビーム走査光学系と、
    　前記ビーム走査光学系から投射されたレーザ光の物体からの反射光を受光する受光光学系と、を備える、
    ことを特徴とするレーザレーダ。
     
  10. 　請求項９に記載のレーザレーダにおいて、
    　前記光偏向器を駆動する駆動部を備え、
    　前記駆動部は、前記拡大光学系により拡大された前記レーザ光の振れ角が、前記光偏向器の振れ角に応じてリニアに変化するよう、前記光偏向器の駆動波形を設定する、
    ことを特徴とするレーザレーダ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3054313A1 (en) * 2015-02-06 2016-08-10 Conti Temic microelectronic GmbH Transmitter lens for a lidar based sensor
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