JP2014235075A - 投射光学系、物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照射光量の確保と構成の小型化とを両立する。
【解決手段】 光源部１と、光源部１から出射された光ビームの状態を変更する光学素子２，３を含む入射光学系と、入射光学系からの光ビームを検出対象である物体に照射する光偏向器６と、を有してなる物体検出装置に備えられる投射光学系であって、光源部１は、第１方向には第１発散角で光ビームを発散させて出射し、第１方向に直交する第２方向には第２発散角で光ビームを発散させて出射し、第２発散角は、第１発散角よりも小さい角度であり、光学素子２，３から光偏向器６の偏向面までの光路長をＬ、光源部１の発光部から光学素子２，３までの光路長をａ、第１発散角をθ１、第２発散角をθ２、第２方向の光源部１の発光領域の幅をｄ２、としたとき、Ｌ≦ａ^２（（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）／ｄ２）を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体検出装置の投射光学系と物体検出装置に関するものである。

光源と、光源からの光ビームの状態を変更する入射光学系と、入射光学系を介した光ビームを検出対象である物体に照射する光偏向器と、を有してなる投射光学系を備え、物体の有無や物体までの距離等を測定するための物体検出装置が知られている。

物体検出装置の一例として、例えば車載用のレーザーレーダーが知られている。車載用のレーザーレーダーは、走行中の車両前方の物体の有無や、その物体までの距離を検出する。

ここで、レーザーレーダーは、回転ミラーで走査するなどの方法で、光源から射出されたレーザー光を物体に照射する。そして、レーザーレーダーは、その物体から反射もしくは散乱された光を光検出器で検出することで、所望の範囲における物体の有無やその物体までの距離を検出する。

レーザーレーダーの例として、受光側の光も回転ミラーで反射させ、光検出器に導光しているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、レーザーレーダーの別の例として、回転ミラーのような偏向走査する手段を持たず、走査方向に並べた複数の光源を交互に点灯させることにより、所望の範囲の走査を可能としているものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１の技術では、光源からの光ビームを光偏向器としての回転ミラーに入射させている。

ここで、回転ミラーは、信頼性の観点やコストの観点から小型である方が有利である。そして、回転ミラーを小型化するためには、光束径を小さくすることが有効である。

しかしながら、光束径を小さくするために、光ビームを平行光に近づけるカップリングレンズなどの焦点距離を短くすると、光源との干渉が生じる。

また、光束径を小さくするために、光ビームを平行光に近づけるカップリングレンズなどの焦点距離を短くすると、例えば温度やカップリングレンズ作製時の精度の変動に対する特性のばらつきが大きくなる。

また、光束径を小さくするために、ビームエキスパンダーを逆方向に利用するなどして、光学素子を何枚も通過させる構成も考えられるが、この構成は部品点数の増加を招くため好ましくない。

また、光束径を維持したままポリゴンミラーを小型化すると、けられと言われる光ビームの損失が発生するため、光量の確保が難しくなる。

また、２次元の領域を検出する、もしくは照射光量を上げてより遠方の領域を検出するためには、光源数を増やすことが有効である。ここで、特許文献２では、複数の光源を用いてはいるものの、光偏向器を有しないため、２次元領域や遠方領域の物体を検出するのには限界がある。

本発明は、照射光量の確保と装置の小型化とを両立する物体検出装置の照射光学系を提供することを目的とする。

本発明は、光源部と、光源部から出射された光ビームの状態を変更する光学素子を含む入射光学系と、入射光学系からの光ビームを検出対象である物体に照射する光偏向器と、を有してなる物体検出装置に備えられる投射光学系であって、光源部は、第１方向には第１発散角で光ビームを発散させて出射し、第１方向に直交する第２方向には第２発散角で光ビームを発散させて出射し、第２発散角は、第１発散角よりも小さい角度であり、光学素子から光偏向器の偏向面までの光路長をＬ、光源部の発光部から光学素子までの光路長をａ、第１発散角をθ１、第２発散角をθ２、第２方向の光源部の発光領域の幅をｄ２、としたとき、Ｌ≦ａ^２（（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）／ｄ２）を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、照射光量の確保と装置の小型化とを両立することができる。

本発明に係る物体検出装置の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 上記物体検出装置のＺＸ平面図である。 発光領域が点である場合の光源からカップリングレンズに入射する光路を示す模式図である。 発光領域が面積を有する場合の光源からカップリングレンズに入射する光路を示す模式図である。 ＸＹ方向とＺＸ方向との光束径の相違を示す模式図である。 合成プリズムを用いない比較例の物体検出装置を示すＸＹ平面図である。 別の比較例の物体検出装置を示すＸＹ平面図である。 図１の物体検出装置のＸＹ方向における部分拡大図である。 図２の物体検出装置のＸＺ方向における部分拡大図である。 光源の配置間隔に関する比較例の物体検出装置のＸＹ方向における部分拡大図である。 光源の配置間隔に関する比較例の物体検出装置のＸＺ方向における部分拡大図である。 本発明に係る物体検出装置の別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 図１２の物体検出装置のＺＸ平面図である。 本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 図１４の物体検出装置のＺＸ平面図である。 本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 図１６の物体検出装置のＺＸ平面図である。

●物体検出装置（１）●
以下、本発明に係る投射光学系と本発明に係る物体検出装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●物体検出装置の構成
以下、本発明に係る物体検出装置の構成について説明する。

図１は、本発明に係る物体検出装置の実施の形態を示すＸＹ平面図である。同図に示すように、本発明に係る物体検出装置１０は、光源部１と、カップリングレンズ２，３と、合成プリズム４と、反射ミラー５と、回転ミラー６とを有してなる本発明に係る投射光学系と、後述する受光光学系とを備える。

ここで、図１において回転ミラー６が光源部１から出射された光ビーム（光束）を走査する方向をＹ軸、回転ミラー６の回転軸方向をＺ軸、Ｙ軸とＺ軸の双方に直交する軸をＸ軸とする。

光源部１は、光源としてレーザーダイオードＬＤ１とレーザーダイオードＬＤ２とを備える。

ここで、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２から出射された光ビームは、合成プリズム４を通過した後、同一の光路を通過する。つまり、本発明に係る物体検出装置１０は、複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２によって同一領域を照射するため、検出対象の物体に照射される光量が増えて、遠方の物体であっても容易に検出することができる。

なお、光源部１は、図１に示すように光源として複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２を有するものには限定されず、単数の光源を有するものであってもよい。

カップリングレンズ２，３は、入射光学系の光学素子の一例である。カップリングレンズ２は、パルス光を発生させるレーザーダイオードＬＤ１からの光ビームをカップリングする。また、カップリングレンズ３は、パルス光を発生させるレーザーダイオードＬＤ２からの光ビームをカップリングする。

カップリングレンズ２，３は、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発光部の１点から放射された光ビームが平行光になるような位置に設置されている。

ここで、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発光点からカップリングレンズ２，３までの距離とカップリングレンズ２，３の焦点距離とが等しい位置であれば、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発光部の１点から放射された光ビームが平行光となる。また、カップリングレンズ２，３の位置は、カップリングレンズ２，３の主平面の位置である。

合成プリズム４は、入射光学系の合成手段の一例である。合成プリズム４は、カップリングレンズ２，３によりカップリングされたビームを合成して、合成したビームが共通の光路を通過させる。合成プリズム４で合成された複数のビームは、回転ミラー６上で交差する。

反射ミラー５は、反射手段の一例であり、合成プリズム４により合成されたビームに作用し、ビームを回転ミラー６に反射する。

回転ミラー６は、光偏向器の一例である。回転ミラー６は、反射ミラー５によって反射されたビームを偏光面により検出範囲に向けて反射することで、検出範囲を走査する。回転ミラー６の回転軸（Ｚ方向）は、光源部１における第２方向と一致させている。

図２は、物体検出装置１０のＺＸ平面図である。同図に示すように、物体検出装置１０は、上述の投射光学系に加えて、受光光学系として結像レンズ７とＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）８とを備える。

結像レンズ７は、回転ミラー６に入射した検出範囲内にある物体で反射もしくは散乱された光ビームを、反射ミラー５を介して受光し、ＡＰＤ８の受光面上で結像させる。

ＡＰＤ８は、光検出器であり、検出範囲内にある物体で反射もしくは散乱されて結像レンズ７により結像された光ビームを受光し、検出範囲内の物体を検出する。

なお、本発明における光検出器には、ＡＰＤ８に代えて通常のＰＤ（Pin Photo Diode）を用いることもできる。

本実施の形態において、回転ミラー６は、光ビームの検出範囲への投光と物体からの反射光の受光とを行うため、投光用と受光用のミラーを同時に回転させる場合と同様の効果を得ることができる。つまり、回転ミラー６は、光ビームの走査と反射光の走査とを行うことができる。

なお、受光側の光学系は、回転ミラー６を設けずに、結像レンズ７とＡＰＤ８のみで構成することもできる。

●光源と出射光の光束径との関係
次に、本発明に係る物体検出装置１０の光源と、光源からの出射光の光束径との関係について説明する。ここで、光束径とは、光源から所定の距離離れた位置における光源からの出射光のうち、最外部に出射した光同士の断面距離である。

なお、以下の説明では、１組の光源とカップリングレンズ２との関係に注目して光源からの出射光について説明する。また、以下の説明において、カップリングレンズの主平面２ａを、カップリングレンズ２の位置と仮定する。

図３は、発光領域が点である場合の光源からカップリングレンズの主平面２ａに入射する光路を示す模式図である。ここで、同図において、カップリングレンズ２の光軸Ａは、一点鎖線で示す。また、同図において、光源の発光領域が大きさを有しない発光点ＬＰ１であると仮定する。

この場合に、発光点ＬＰ１から主平面２ａまでの光路長ａを、カップリングレンズ２の焦点距離の長さと一致させると、発光点ＬＰ１から出射された光Ｌ（図３における実線）は、平行光となる。ここで、図３では、Ｌのうち最外部に照射されたもののみを図示している。

図４は、発光領域が面積を有する場合の光源からカップリングレンズの主平面２ａに入射する光路を示す模式図である。

図４に示すように、発光部ＬＡ１が発光領域の直径（以下「発光領域径」という。）ｄである場合に、発光部ＬＡ１からの光は、発光部ＬＡ１から主平面２ａまでの光路長ａをカップリングレンズ２の焦点距離の長さと一致させても全てが平行光とはならない。つまり、カップリングレンズ２を透過した後の光ビームは、光源の発光領域が面積を有するため、平行光と発散光とを含む。

ここで、図４において発光部ＬＡ１の中央部から出射された光ＬＣを実線で示す。発光部ＬＡ１の中央部から出射された光ＬＣは、図３で示した発光点ＬＰ１から出射された光Ｌと同様にカップリングレンズ２を通過後に平行光となる。

一方、図４において発光部ＬＡ１の端部から出射された光ＬＢ１（図４における二点鎖線）と光ＬＢ２（図４における破線）のうち、カップリングレンズ２の光軸Ａを通過して出射するものは、カップリングレンズ２で屈折することなく出射される。

そのため、発光部ＬＡ１の端部からカップリングレンズ２の光軸Ａを通過して出射する光ＬＢ１，ＬＢ２は、発光部ＬＡ１の中央部から出射された光ＬＣ（光軸Ａと重なって出射される）を中心に角度θの広がりをもって出射する。

また、発光部ＬＡ１の端部から出射した光ＬＢ１，ＬＢ２のうち、カップリングレンズ２の光軸を通過しないで出射するものは、カップリングレンズ２によって屈折する。

そのため、カップリングレンズ２の光軸を通過しないで出射する光ＬＢ１，ＬＢ２は、発光部ＬＡ１の中央部から出射された光ＬＣを中心に角度θの広がりをもって出射する。ここで、図４において、最外部に照射されている光ＬＢ１と光ＬＢ２との距離が光束径である。

そして、光ＬＢ１，ＬＢ２の広がり角θは、発光部ＬＡ１の発光領域径ｄの大きさに比例して大きくなる。

ここで、広がり角θは、発光領域径をｄ、発光領域ＬＰ１からカップリングレンズ２の主平面２ａまでの距離をａとしたとき、

（１）

を満たす。

図５は、ＸＹ方向とＺＸ方向との光束径の相違を示す模式図である。

なお、一般に発光領域径ｄはマイクロメートル単位の寸法であるため、図５では発光領域径ｄを図示していない。

光源として用いるレーザーダイオードは、一般に活性層に水平な方向と垂直な方向で発光領域径ｄが異なる。

図５において、活性層に垂直な方向の発光領域径をｄ１とし、活性層に水平な方向の発光領域径をｄ２とする。また、レーザーダイオードは、活性層に垂直な方向の発光領域径ｄ１が水平な方向の発光領域径ｄ２より小さい場合に、発光領域径ｄ２の発散角（第２発散角）よりも発光領域径ｄ１の発散角（第１発散角）の方が大きい。

また、図５において、レーザーダイオードは、活性層に水平な方向（Ｚ方向）が第２方向となり、活性層に垂直な方向（Ｙ方向）が第１方向となるように配置されている。ここで、図５において、第１方向の光Ｌ１を実線で示し、第２方向の光Ｌ２を破線で示す。

図５に示すように、カップリングレンズ２を通過した後、発光点ＬＰ１に近い領域では、発散角が大きい第１方向の光Ｌ１の光束径が、第２方向の光Ｌ２よりも大きな光束径となる。

一方、カップリングレンズ２を通過した後、所定の光路長進むと発散角の相違により、第１方向の光Ｌ１の光束径の大きさと第２方向の光Ｌ２の光束径の大きさが逆転する。

ここで、回転ミラー６の回転軸方向を第２方向とする場合に、回転ミラー６は、第２方向の光Ｌ２の光束径の大きさが第１方向の光Ｌ１の光束径の大きさよりも大きくなる前に光ビームが入射するように配置される。

このように回転ミラー６を配置することによって、本発明に係る物体検出装置１０では、回転ミラー６の回転軸方向の寸法を第１方向の光Ｌ１の光束径より大きな寸法にする必要がない。このため、本発明に係る物体検出装置１０によれば、回転ミラー６の回転軸方向の寸法を小型化することができる。

ここで、光源の発光点ＬＰ１から回転ミラー６の反射面（偏向面）までの光路長をＬとし、第１方向の光Ｌ１の第１発散角（半角）をθ１、第２方向の光Ｌ２の第２発散角（半角）をθ２、第１方向の発光領域径をｄ１、第２方向の発光領域径をｄ２とする。このとき、回転ミラーの反射面における、それぞれの方向の光束径（半幅）は、式（２）、式（３）となる。

（２）

（３）

物体検出装置１０では、偏向走査する方向（主走査方向）であるＹ軸方向の角度分解能（第１角度分解能）を、回転ミラー６の回転軸方向であるＺ軸方向の角度分解能（第２角度分解能）より高くする。ここで、角度分解能とは、物体検出装置１０における識別可能な最小の角度範囲である。

この場合に、式（１）で表される広がり角θが小さい方が検出角度をより細かく分割することができる。このため、物体検出装置１０では、広がり角θ１が第２方向の広がり角θ２より小さい（高い角度分解能に対応する）第１方向が、主走査方向になるように構成している。

上述のように、物体検出装置１０では、第２方向の光Ｌ２の光束径が第１方向の光Ｌ１の光束径よりも小さい領域に、回転ミラー６の反射面を配置すると回転ミラー６の回転軸方向の寸法を小型にすることができる。その条件は、式（２）が式（３）より大きい場合であるため、この条件から式（４）を導くことができる。

（４）

物体検出装置１０において、カップリングレンズ２のＺ方向の端部と回転ミラー６のＺ方向の端部の位置とが揃うように配置すると、Ｚ軸方向のデッドスペースがなくなるため、物体検出装置１０全体を小型化することができる。

カップリングレンズ２は、ＹＺ断面（カップリングレンズ２の正面）から見て円形のものを用いている。カップリングレンズ２上では、発散角が大きい第１方向の光束径の方が、第２方向の光束径よりも大きい。このため、第１方向のカップリングレンズ２上の光束径によって、カップリングレンズ２の外径が決定する。

ここで、カップリングレンズ２上の光束径は、
ａ・ｔａｎθ_１ （５）
である。

また、図１，２のＺ方向において、回転ミラー６の有効範囲を、カップリングレンズ２の有効範囲と同じ位置まで設けるとき、式（４）が、第１方向のカップリングレンズ２上の光束径である式（５）の範囲内であればよい。

よって、物体検出装置１０において、式（４）と式（５）とから導き出せる式（６）を満たすと、回転ミラー６とカップリングレンズ２のＺ方向端部の位置を合わせることができるため、物体検出装置１０全体を小型化することができる。

（６）

●投射光学系の比較例
次に、本発明に係る物体検出装置について、合成プリズムを用いずに複数のレーザーダイオードの照射光を走査する投射光学系を有する比較例としての物体検出装置と対比して説明する。

図６は、合成プリズムを用いない比較例の物体検出装置１１を示すＸＹ平面図である。同図に示すように、物体検出装置１１では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２は、ＸＹ平面において角度差を有して配置されている。このように配置されることにより、図６に示す物体検出装置１１において、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの照射光は、反射ミラー５，５Ａ上で合成される。

図６に示す物体検出装置１１は、回転ミラー６のサイズを本発明に係る物体検出装置１０と同じサイズとしている。

ここで、図６に示す物体検出装置１１において、回転ミラー６のサイズを大きくしないためには、ＸＹ平面において、複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームを回転ミラー５Ａ上で交差させる必要がある。

しかし、物体検出装置１１では、反射ミラー５Ａ上における複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームそれぞれの入射位置が異なるため、反射ミラー５Ａが本発明に係る物体検出装置１０の反射ミラー５より大型化してしまう。

また、物体検出装置１１では、反射ミラー５Ａ上における複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームそれぞれの入射位置が異なるため、回転ミラー６で偏向された後に、光ビームが遮光されて（いわゆる「けられ」が発生して）しまう。

光ビームが遮光されないように投射光学系を構成するには、ＸＹ平面における光束径を小径化する、あるいは、走査する角度を狭くすることが考えられるものの、光量や検出範囲の減少の原因となるため好ましくない。

図７は、別の比較例の物体検出装置１２を示すＸＹ平面図である。同図に示すように、物体検出装置１２では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２をＸＹ平面において角度差を有して配置し、反射ミラー５のサイズを本発明に係る投射光学系と同サイズとしている。

ここで、図７に示す物体検出装置１２において、反射ミラー５を大きくしないためには、ＸＹ平面において、複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームを反射ミラー５上で交差させる必要がある。

しかし、物体検出装置１２では、回転ミラー６Ａ上における複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームそれぞれの入射位置が異なるため、回転ミラー６ＡはＸＹ平面において大型化してしまう。つまり、物体検出装置１２の構成では、物体検出装置全体の大型化を招いてしまう。

また、物体検出装置１２において、回転ミラー６Ａのサイズを大型化しない場合には、検出範囲に投射される光量の減少や検出範囲の減少が生じるため好ましくない。

なお、ＸＹ平面において、複数の光ビームが平行となるようにレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２を配置することが考えられるが、反射ミラーと回転ミラー双方のサイズが大型化してしまうため、物体検出装置全体が大型化してしまい好ましくない。

一方、物体検出装置１０は、複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームの合成に合成プリズムを用いるため、照射光量や検出範囲を確保しつつ、物体検出装置１０を小型化することができる。

●光源の配置間隔
次に、本発明に係る投射光学系における、光源の配置間隔について説明する。

図８は、物体検出装置１０のＸＹ方向における部分拡大図である。また、図９は、物体検出装置１０のＸＺ方向における部分拡大図である。

図８，９に示すように、物体検出装置１０では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２とカップリングレンズ２，３は、相互の干渉などを避けるために所定の間隔をもって配置されている。

ここで、物体検出装置１０では、合成プリズム４によって光ビームが合成される方向を、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発散角の大きい第１方向にしている。このように配置するのは、複数の光ビームが入射する合成プリズム４は、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発光領域の配置間隔を上回るサイズが必要となるためである。

図１０は、光源の配置間隔に関する比較例の物体検出装置１３のＸＹ方向における部分拡大図である。また、図１１は、光源の配置間隔に関する比較例の物体検出装置１３のＸＺ方向における部分拡大図である。

物体検出装置１３に示すように、合成プリズム４によって複数の光ビームを合成する方向を、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発散角が小さい第２方向にした場合には、合成プリズム上の光束径は小さくなる。

しかし、この場合には、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２とカップリングレンズ２，３との干渉などを避けるために、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２を所定の間隔だけ離して配置する必要がある。つまり、この場合には、複数の光ビームが入射する合成プリズム４は、上記所定の間隔以上のサイズにする必要がある。

よって、発散角が小さい第２方向を複数の光ビームを合成する方向にした場合には、構成を小型化することができない。

また、合成プリズム４によって複数の光ビームが合成される方向を第２方向にした場合には、第１方向がＺ軸方向となるため、合成プリズム４の厚みが大きくなってしまう。

つまり、合成プリズム４によって複数の光ビームが合成される方向を第２方向にした場合には、Ｙ軸方向とＺ軸方向との小型化することができない。

一方、物体検出装置１０では、合成プリズム４によって光ビームが合成される方向を、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の発散角の大きい第１方向にすることで、装置構成の小型化を図ることができる。

また、物体検出装置１０では、合成プリズム４を通過後の複数の光ビームの光路を、第２方向に直交する断面（ＸＹ断面）からみたときに、共通の光路となるようにしている。このように配置することにより、物体検出装置１０では、ＸＹ断面でみたときの回転ミラー６のサイズを小さく抑えることができる。

●合成プリズム
次に、合成プリズム４について説明する。

物体検出装置１０において、使用する環境の温度変化の範囲が広いと、光源部１の温度変化による波長遷移も大きくなる。

ここで、合成プリズム４の構成としては、複数のレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の波長を異ならせた上でダイクロイックミラーなどを用いることもできる。

しかし、この場合には、上述の温度変化による波長遷移を考慮に入れて広い波長範囲で透過率・反射率を高く保つ必要があるため、信頼性の確保が困難となる。

そこで、物体検出装置１０では、合成プリズム４に偏光ビームスプリッターを用いる。

合成プリズム４に偏光ビームスプリッターを用いることにより、本発明に係る投射光学系では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の波長遷移に依らず、複数の光ビームを安定的に合成することができる。

なお、合成プリズム４に偏光ビームスプリッターを用いる場合には、合成手段に入射するそれぞれの光の偏光状態を異ならせる必要がある。つまり、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の活性層の方向により偏光方向が決定するため、一方の光源と他方の光源との活性層の方向を異ならせる（例えば光ビームの射出方向まわりに９０°回転させる）ことが考えられる。

しかし、このようにすると、出射する方向からみて第１の方向とそれと垂直な第２の方向とで光ビームが異なるプロファイルを持つ場合に、それぞれの光ビームの検出できる領域や角度分解能を均一にすることができなくなってしまう。

そこで、物体検出装置１０では、複数の光ビームが合成プリズム４に入射する前に、例えば１／２波長板のような不図示の偏光方向を変更する手段を用いる。

このようにすることで、物体検出装置１０では、光ビームのプロファイルを変えることなく、偏光方向のみを変化させることができる。

これにより、物体検出装置１０では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の活性層の方向を同一としながら、つまり、照射領域における複数の光ビームのプロファイルを同一にしながら、複数の光ビームを合成することができる。

以上説明したように、物体検出装置１０によれば、複数の光ビームにより検出できる領域や角度分解能を均一にすることができる。

●物体検出装置（２）●
次に、本発明に係る物体検出装置の別の実施の形態について、先に説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１２は、本発明に係る物体検出装置の別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。また、図１３は、本発明に係る物体検出装置の別の実施の形態を示すＺＸ平面図である。図１３において、矢印は偏光方向を示す。

図１２，１３に示すように、物体検出装置２０では、光源部１の第１方向（活性層に垂直な方向）がＺ方向であり、合成プリズム４によりレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光を合成する方向も同じくＺ方向である。また、本実施の形態での物体検出装置２０は、光源部１の第２方向（活性層に水平な方向）がＸ方向である。

このため、本実施の形態によれば、先に説明した実施の形態と同様に、合成プリズム４のＸ方向のサイズを小型化することができるため、物体検出装置２０のＸ方向の寸法を小型化することができる。

また、本実施の形態においても、先に説明した実施の形態と同様に、合成プリズム４を通過後の複数の光ビームの光路が、第２方向（Ｘ方向）に直交する断面（ＹＺ断面）からみたときに、同一の光路となる。

このように構成することにより、本実施の形態によれば、ＸＹ断面における回転ミラー６のサイズを小さく抑えることができる。

なお、先に説明した実施の形態と同様に、本実施の形態においても合成プリズム４として偏光ビームスプリッターを用いる場合には、レーザーダイオードＬＤ２の直後に不図示のλ／２板を配置する。

λ／２板を配置することで、本実施の形態においても、レーザーダイオードＬＤ２の偏光方向を９０°回転させて、レーザーダイオードＬＤ１の偏光方向と異なる方向にすることができる。ここで、偏光ビームスプリッターの面で反射する偏光は、Ｓ偏光の光である。

また、レーザーダイオードＬＤ２の偏光方向は、その活性層の方向となるため、発散角の小さい第２方向が偏光方向となる。このため、偏光ビームスプリッターを用いてレーザーダイオードＬＤ１からの光が反射し、レーザーダイオードＬＤ２からの光が透過するためには、レーザーダイオードＬＤ２の偏光方向を９０°回転させる必要がある。

また、複数の光ビームの光量の安定化や検出精度の均一化を図るため、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の異なる偏光方向の光ビームが合成プリズム４により合成した後の位置に、複数の光ビームを円偏光とするための不図示の１／４波長板を配置してもよい。

ここで、偏光状態が異なる複数の光ビームでは、例えば回転ミラー６の反射率などがそれぞれ異なる。また、偏光状態が異なる複数の光ビームは、物体からの反射や拡散の状態も異なる。

このため、物体検出装置２０では、例えば異なる偏光方向の直線偏光であるそれぞれの光ビームを円偏光とする波長板など、それぞれの光ビームの偏光状態を変更する手段を合成プリズム４の後に配置する。偏光状態を変更する手段を合成プリズム４の後に配置することにより、物体検出装置２０では、複数の光ビームの光量の安定化や検知精度の均一化を図ることができる。

また、物体検出装置２０では、回転ミラー６の回転軸（Ｚ方向）は、光源部１における第１方向と一致させている。

また、物体検出装置２０では、先に説明した物体検出装置と同様に物体検出領域における第１方向はＹ方向であり、物体検出領域における第２方向はＺ方向である。つまり、物体検出装置２０では、先に説明した物体検出装置と同様に、主走査方向の角度分解能が高く設定されている。

物体検出装置２０では、活性層に水平な方向はＸ方向である。つまり、物体検出装置２０では、活性層に水平な方向が偏光方向となるため、レーザーダイオードＬＤ２からの光ビームの偏光方向は、Ｘ方向となっている。

また、物体検出装置２０では、レーザーダイオードＬＤ２からの光ビームは、レーザーダイオードＬＤ２から照射された直後に配置されるλ／２板（図示せず）により、図１３に示すように、偏光方向が９０°回転してＺ方向に変換される。

これにより、物体検出装置２０では、偏光ビームスプリッター面の偏向角度に対し、レーザーダイオードＬＤ２からの光ビームがＰ偏光となり透過される。また、物体検出装置２０では、偏光ビームスプリッター面の偏向角度に対し、レーザーダイオードＬＤ１からのビームがＳ偏光となり反射される。

ここで、物体検出装置２０では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームは、合成プリズム４で合成された後に反射ミラー５によって第２方向と略平行となるように折り返す。

このようにすることで、物体検出装置２０は、回転ミラー６の回転軸方向の光束径が、走査方向の光束径よりも小さくなるため、回転ミラー６の回転軸方向のサイズを小さくすることができる。

●物体検出装置（３）●
次に、本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態について、先に説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１４は、物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。また、図１５は、物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＺＸ平面図である。図１５において、矢印は偏光方向を示す。

図１４，１５に示すように、物体検出装置３０では、光源部１の第１方向がＹ方向であり、合成プリズム４により光ビームを合成する方向も同じくＹ方向である。

このため、本実施の形態によれば、これまで説明した実施の形態と同様に、合成プリズム４のＸ方向のサイズを小型化することができるため、物体検出装置３０全体のＸ方向の寸法を小型化することができる。

また、本実施の形態においても、これまで説明した実施の形態と同様に、合成プリズム４を通過後の複数の光ビームの光路が、第２方向（Ｘ方向）に直交する断面（ＹＺ断面）からみたときに、同一の光路となる。

このように配置することにより、本実施の形態によれば、ＸＹ断面における回転ミラー６のサイズを小さく抑えることができる。

なお、これまで説明した実施の形態と同様に、本実施の形態においても合成プリズム４として偏光ビームスプリッターを用いる場合には、レーザーダイオードＬＤ１の直後に不図示のλ／２板を配置する。

λ／２板を配置することで、本実施の形態においても、レーザーダイオードＬＤ１の偏光方向を９０°回転させて、レーザーダイオードＬＤ２の偏光方向と異なる方向にすることができる。ここで、偏光ビームスプリッターの面で反射する偏光は、Ｓ偏光の光である。

また、レーザーダイオードＬＤ１の偏光方向は、その活性層の方向となるため、発散角の小さい第２方向が偏光方向となる。このため、偏光ビームスプリッターを用いてレーザーダイオードＬＤ１からの光が反射し、レーザーダイオードＬＤ２からの光が透過するためには、レーザーダイオードＬＤ１の偏光方向を９０°回転させる必要がある。

また、複数の光ビームの光量の安定化や検出精度の均一化を図るため、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２の異なる偏光方向の光ビームが合成プリズム４により合成した後の位置に、複数の光ビームを円偏光とするための不図示の１／４波長板を配置してもよい。

ここで、偏光状態が異なる複数の光ビームでは、例えば回転ミラー６の反射率などがそれぞれ異なる。また、偏光状態が異なる複数の光ビームは、物体からの反射や拡散の状態も異なる。

このため、物体検出装置３０では、例えば異なる偏光方向の直線偏光であるそれぞれの光ビームを円偏光とする波長板など、それぞれの光ビームの偏光状態を変更する手段を合成プリズム４の後に配置する。偏光状態を変更する手段を合成プリズム４の後に配置することにより、物体検出装置３０では、複数の光ビームの光量の安定化や検知精度の均一化を図ることができる。

また、物体検出装置３０では、回転ミラー６の回転軸（Ｚ方向）は、光源部１における第１方向（Ｙ方向）と光源部１における第２方向（Ｘ方向）を含む面に直交する方向と一致させている。

また、物体検出装置３０では、先に説明した物体検出装置と同様に物体検出領域における第１方向はＹ方向であり、物体検出領域における第２方向はＺ方向である。つまり、物体検出装置３０では、先に説明した物体検出装置と同様に、主走査方向の角度分解能が高く設定されている。

物体検出装置３０では、活性層に水平な方向はＸ方向である。つまり、物体検出装置３０では、活性層に水平な方向が偏光方向となるため、図１５に示すように、レーザーダイオードＬＤ２からの光ビームの偏光方向は、Ｘ方向となっている。

また、物体検出装置３０では、レーザーダイオードＬＤ１からの光ビームは、レーザーダイオードＬＤ１から照射された直後に配置されるλ／２板により、偏光方向が９０°回転してＹ方向に変換される。

これにより、物体検出装置３０では、偏光ビームスプリッター面の偏向角度に対し、レーザーダイオードＬＤ１からの光ビームがＰ偏光となり透過される。また、物体検出装置３０では、偏光ビームスプリッター面の偏向角度に対し、レーザーダイオードＬＤ２からのビームがＳ偏光となり反射される。

ここで、本実施の形態では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光ビームについて、合成プリズム４で合成した後に反射ミラー５によって第２方向と略平行となるように折り返す。

このようにすることで、物体検出装置３０では、回転ミラー６の回転軸方向の光束径が、走査方向の光束径よりも小さくなるため、回転ミラー６の回転軸方向のサイズを小さくすることができる。

●物体検出装置（４）●
次に、本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態について、先に説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１６は、本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。また、図１７は、本発明に係る物体検出装置のさらに別の実施の形態を示すＺＸ平面図である。

図１６，１７は、物体検出装置４０について、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの光が回転ミラー６に入射するまでの構成のみを示している。

図１７に示すように、物体検出装置４０とこれまで説明した実施の形態に係る物体検出装置とで異なる点は、ＺＸ平面において、レーザーダイオードＬＤ１とレーザーダイオードＬＤ２とが角度差を有して配置されている点である。

この構成により、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２は、検出範囲のＺ方向において互いに異なる領域を走査する。つまり、物体検出装置４０では、Ｚ方向の検出範囲を２層に分割して物体を検出することができるため、Ｚ方向の検出分解能を付与することができる。

図１７に示すように、物体検出装置４０では、レーザーダイオードＬＤ１とレーザーダイオードＬＤ２は、Ｚ方向において異なる位置に配置される。

また、図１７に示すように、物体検出装置４０では、カップリングレンズ２とカップリングレンズ３は、Ｚ方向において異なる位置に配置される。

以上説明したようにレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２とカップリングレンズ２，３とを配置することによって、物体検出装置４０では、照射領域の角度分解能、重なり具合を任意に設計することができる。

また、図１７に示すように、物体検出装置４０では、レーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの複数の光ビームの光路が、回転ミラー６上で交差するように設定することによって、回転ミラー６の回転軸方向のサイズを小さくすることができる。

また、物体検出装置４０では、合成プリズム４と回転ミラー６との中間の位置でレーザーダイオードＬＤ１，ＬＤ２からの複数の光ビームを交差するようにしてもよい。この場合には、合成プリズム４と回転ミラー６との双方のサイズのバランスを図りつつ物体検出装置４０全体のサイズを小型化することができる。

１ ：光源部
２ ：カップリングレンズ
２ａ ：主平面
３ ：カップリングレンズ
４ ：合成プリズム
５ ：反射ミラー
６ ：回転ミラー
７ ：結像レンズ
８ ：ＡＰＤ
１０ ：物体検出装置
２０ ：物体検出装置
３０ ：物体検出装置
４０ ：物体検出装置
ＬＤ１ ：レーザーダイオード
ＬＤ２ ：レーザーダイオード
ＬＰ１ ：発光点
ＬＡ１ ：発光部

特開平０６−１０２３４３開号公報 特開２００９−１０３５２９号公報 特開平０９−２７４０７６号公報

Claims (10)

1. 光源部と、
   前記光源部から出射された光ビームの状態を変更する光学素子を含む入射光学系と、
   前記入射光学系からの光ビームを検出対象である物体に照射する光偏向器と、
   を有してなる物体検出装置に備えられる投射光学系であって、
   前記光源部は、第１方向には第１発散角で前記光ビームを発散させて出射し、前記第１方向に直交する第２方向には第２発散角で前記光ビームを発散させて出射し、
   前記第２発散角は、前記第１発散角よりも小さい角度であり、
   前記光学素子から前記光偏向器の偏向面までの光路長をＬ、前記光源部の発光部から前記光学素子までの光路長をａ、前記第１発散角をθ１、前記第２発散角をθ２、前記第２方向の前記光源部の発光領域の幅をｄ２、としたとき、
   Ｌ≦ａ^２（（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）／ｄ２）
   を満たす、
   ことを特徴とする投射光学系。
2. 前記物体検出装置における識別可能な最小の角度範囲を角度分解能とするとき、前記第１方向における第１角度分解能と前記第２方向における第２角度分解能のうち、高い角度分解能に対応する方向と前記第１方向とが一致するように、前記光源部が配置される、
   請求項１記載の投射光学系。
3. 前記光源部は、前記第１方向に並んで配置された複数の発光部を備え、
   前記光偏向器の回転軸の方向は、前記第２方向と一致し、
   前記入射光学系は、前記複数の発光部からの複数の光ビームを合成する合成手段を有する、
   請求項１または２記載の投射光学系。
4. 前記光源部は、前記第１方向に並んで配置された複数の発光部を備え、
   前記光偏向器の回転軸の方向は、前記第１方向と一致し、
   前記入射光学系は、前記複数の発光部からの複数の光ビームが共通の光路を通過するように合成する合成手段と、前記合成手段で合成された光ビームを、前記第２方向に略平行となるように折り返す反射手段とを有する、
   請求項１または２記載の投射光学系。
5. 前記光源部は、前記第１方向に並んで配置された複数の発光部を備え、
   前記光偏向器の回転軸の方向は、前記第１方向と前記第２方向とを含む面に直交する方向と一致し、
   前記入射光学系は、前記複数の発光部からの複数の光ビームが共通の光路を通過するように合成する合成手段と、前記合成手段で合成された光ビームを、前記第２方向に略平行となるように折り返す反射手段とを有する、
   請求項１または２記載の投射光学系。
6. 前記複数の光ビームは、前記第２方向と直交する断面からみたときに同一の光路となる、
   請求項３乃至５のいずれかに記載の投射光学系。
7. 前記合成手段で合成された光ビームは、前記第１方向と直交する断面からみたときに、前記複数の発光部からの複数の光ビームがそれぞれ異なる角度の光路を通過する、
   請求項３乃至６のいずれかに記載の投射光学系。
8. 前記合成手段で合成された光ビームの偏光状態を変更する波長板を有する、
   請求項３乃至８のいずれかに記載の投射光学系。
9. 前記複数の光ビームが、前記光偏向器の反射面上で交差する、
   請求項８記載の投射光学系。
10. 光源部と、
    前記光源部から出射された光ビームの状態を変更する光学素子を含む入射光学系と、
    前記入射光学系からの光ビームを検出対象である物体に照射する光偏向器と、
    を有してなる物体検出装置であって、
    前記光源部は、第１方向には第１発散角で前記光ビームを発散させて出射し、前記第１方向に直交する第２方向には第２発散角で前記光ビームを発散させて出射し、
    前記第２発散角は、前記第１発散角よりも小さい角度であり、
    前記光学素子から前記光偏向器の偏向面までの光路長をＬ、前記光源部の発光部から前記光学素子までの光路長をａ、前記第１発散角をθ１、前記第２発散角をθ２、前記第２方向の前記光源部の発光領域の幅をｄ２、としたとき、
    Ｌ≦ａ^２（（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２）／ｄ２）
    を満たす、
    ことを特徴とする物体検出装置。

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