JP6172448B2 - 光学素子、投射光学系、物体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光ビームの状態を変更する入射光学系を構成する光学素子と、この光学素子を備える投射光学系と、この投射光学系を有してなる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して検出対象である物体に照射する入射光学系を有してなる投射光学系と、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レーダが知られている。車載用のレーザレーダは、走行中の車両の進行方向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、レーザレーダは、入射光学系を介して光源から出射されたレーザ光を物体に照射する。そして、レーザレーダは、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。

レーザレーダの例として、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１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、光学素子の作用によって、所望の強度分布（均一な強度分布を含む）で投射領域に光ビームを投射することは考慮されていなかった。

本発明は、所望の強度分布で投射領域に投射することができる光学素子を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、光源からの光ビームの強度分布を、１方向に拡散する光学素子であって、前記光ビームが入射する入射面と、該入射面から入射した前記光ビームが出射する出射面を備え、前記入射面は滑らかに連続した単一の凹面であり、前記出射面は、前記１方向に直交する稜線を有するように複数の平面が接合され、前記光ビームが出射する方向に凸面であり、前記入射面及び前記出射面は、前記稜線に直交する断面上の面形状が、前記稜線の方向に延伸した面形状を有し、前記１方向にのみ屈折力を有し、
前記入射面の形状は、前記入射面に入射する光の発散角と、前記出射面から出射する光の有効照射範囲とに基づいて設定されている。

本発明によれば、所望の強度分布で投射領域に投射することができる。

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。 本発明に係る投射光学系の実施の形態を示す斜視図である。 レーザダイオードを示す模式図である。 本発明に係る光学素子の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 上記光学素子の出射面の形状を説明する図である。 第２光学素子の形状の例を示すＸＹ平面図である。 上記投射光学系が投射する強度分布の一例を示す模式図である。 上記物体検出装置の受光光学系の受光エリアを示すＸＹ平面図である。 図９の受光光学系の受光エリアを示すＹＺ平面図である。 上記投射光学系が投射する強度分布とフォトダイオードの受光エリアとの関係を示す模式図である。 本発明に係る投射光学系の別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 図１２の投射光学系のＺＸ平面図である。 図１２の投射光学系の斜視図である。 本発明に係る光学素子の別の実施の形態を示すＸＹ平面図である。 図１２の投射光学系が備える第２光学素子を示すＸＹ平面図である。 上記投射光学系が備える第１光学素子に入射する光ビームの強度分布と第１光学素子に入射面に入射後の光ビームの強度分布との変化を示す模式図である。 上記投射光学系が備える第１光学素子から出射された光ビームの強度分布を示す模式図である。 比較例の光学素子を示すＸＹ平面図である。 図１９の光学素子から出射された光ビームの強度分布を示す模式図である。

以下、本発明に係る光学素子と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（１）●
まず、本発明に係る物体検出装置の実施の形態について説明する。

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。また、図２は、物体検出装置１０のＺＸ平面図である。図１，２に示すように、物体検出装置１０は、投射光学系１１と受光光学系１２とを備える。

ここで、図１においてレーザダイオードＬＤから光ビーム（光束）が出射される方向をＸ軸、Ｘ軸と互いに直交する軸をＹ軸とＺ軸とする。また、図１においてＹ軸方向は水平方向、Ｚ軸方向は垂直方向とする。

図３は、投射光学系１１の斜視図である。投射光学系１１は、本発明に係る投射光学系であり、レーザダイオードＬＤと第１光学素子Ｌ１１と第２光学素子Ｌ１２とを有してなる。

投射光学系１１は、レーザダイオードＬＤから出射された光ビームの状態を変更して検出対象である物体に照射する。

以下、図１を参照して、投射光学系１１の配置について説明する。投射光学系１１は、レーザダイオードＬＤの発光点から第１光学素子Ｌ１１の入射面までの距離ｄ１が１０ｍｍ、第１光学素子Ｌ１１の出射面から第２光学素子Ｌ１２の入射面までの距離ｄ２が１０ｍｍである。

次に、図１，２を参照して、第１光学素子Ｌ１１の寸法について説明する。第１光学素子Ｌ１１は、中心肉厚ｔ１が３ｍｍ、コバ厚ｔ２が１．１ｍｍ、水平方向の外形寸法ｗ１が１２ｍｍ、垂直方向の外形寸法ｈ１が８ｍｍ、入射面の曲率半径が−１０ｍｍである。

次に、図１，２を参照して、第２光学素子Ｌ１２の寸法について説明する。第２光学素子Ｌ１２は、中心肉厚ｔ３が３ｍｍ、コバ厚ｔ４が２．３ｍｍ、水平方向の外形寸法ｗ２が２２ｍｍ、垂直方向の外形寸法ｈ２が１０ｍｍ、出射面の曲率半径が−１８ｍｍである。

受光光学系１２は、フォトダイオードＰＤと第３光学素子Ｌ１３とを有してなる。

●投射光学系（１）●
次に、投射光学系１１の構成について説明する。

レーザダイオードＬＤは、本発明における光源部の一例である。一般に、レーザダイオードＬＤは、ガウシアン分布の強度分布で出射される。また、レーザダイオードＬＤは、例えば９０５ｎｍの赤外領域など、物体検出に適した発光波長を有する。

図４は、レーザダイオードＬＤを示す模式図である。レーザダイオードＬＤは、水平方向（Ｙ軸方向）への拡散角と垂直方向（Ｚ軸方向）への拡散角とが異なる。同図に示すように、レーザダイオードＬＤは、水平方向（Ｙ軸方向）への拡散角が垂直方向（Ｚ軸方向）の拡散角より大きい。

なお、レーザダイオードＬＤは、水平方向（Ｙ軸方向）への拡散角が垂直方向（Ｚ軸方向）の拡散角より小さいものであってもよい。また、レーザダイオードＬＤは、複数の発光部を有するものであっても、単数の発光部を有するものであってもよい。

●第１光学素子（１）●
次に、第１光学素子Ｌ１１について説明する。第１光学素子Ｌ１１は、本発明に係る光学素子である。

投射光学系１１は、物体検出を行うにあたり、有効照射範囲において、レーザダイオードＬＤからの光ビームを、より水平方向に広くかつ均一な強度分布に拡散させて照射する必要がある。ここで、有効照射範囲とは、投射光学系１１による光ビームが所定距離の位置で所定の発光強度照射される範囲（領域）をいう。

また、均一な強度分布で照射するとは、有効照射範囲内で発光強度のピークを有することなく、発光強度のバラツキが所定の範囲内であることをいう。

つまり、均一な発光強度分布で光ビームを有効照射範囲に投射する場合に、第１光学素子Ｌ１１には、水平方向に光ビームを拡散しつつ、有効照射範囲のうち中心部からの角度を有する領域（有効照射範囲のうち外側の領域）での光量不足を補うことが求められる。

図５は、本発明に係る光学素子の実施の形態を示すＸＹ平面図である。第１光学素子Ｌ１１の形状は、レーザダイオードＬＤの照射範囲と、第１光学素子Ｌ１１に要求される有効物体検出範囲（有効照射範囲）との関係を考慮して定められる。

第１光学素子Ｌ１１は、入射面Ｓ１１と、出射面Ｓ１２とを備える。ここで、入射面Ｓ１１と出射面Ｓ１２とは、１方向（本実施の形態では水平方向）にのみ屈折力を有する。つまり、入射面Ｓ１１と出射面Ｓ１２とは、１方向（本実施の形態では垂直方向）に同一形状が延伸（スイープ）されている。

●入射面と出射面の形状
入射面Ｓ１１の形状は、入射面Ｓ１１に入射する光ビームの発散角と、出射面Ｓ１２から出射する光ビームの有効照射範囲とに基づいて、基本形状（凹面、凸面、平面）と曲率半径などのプロファイルとが適宜設定される。なお、入射面Ｓ１１の形状は、非球面のような曲面形状に設定してもよい。

入射面Ｓ１１は、レーザダイオードＬＤから照射される光ビームを発光中心方向に屈折させて有効照射範囲のうち外側の領域の光量不足を補うため、レーザダイオードＬＤに対して凹面に形成されている。

出射面Ｓ１２は、複数の平面（例えば２平面）を接合して形成される形状を有する。つまり、出射面Ｓ１２は、複数の平面を接合した部分を稜線として、いわゆる切妻屋根のような形状を有している。このような形状を有することで、出射面Ｓ１２は、レーザダイオードＬＤの発光中心付近の光を含めてレーザダイオードＬＤからの光を１方向（本実施の形態では水平方向）に発散させることができる。

図６は、出射面Ｓ１２の形状を説明する図である。同図に示すように、出射面Ｓ１２は、出射面Ｓ１２を形成する２平面の接合部に入射するレーザダイオードＬＤからの光ビームが、所定距離離れた位置にある有効照射範囲の端部まで照射されるように接合角が設定される。

出射面Ｓ１２の形状を式で表す。出射面を構成する各平面と入射面に入射した入射光の進行方向に直交する面とがなす角をα、発光中心から所定距離離れた位置にある有効照射範囲の端部までの照射角の半角をθ、第１光学素子の屈折率をｎ、第１光学素子外の媒質の屈折率をｎ´、としたとき、
ｎ・ｓｉｎα＝ｎ´・ｓｉｎ（α＋θ）
＝ｎ´（ｓｉｎα・ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ・ｃｏｓα） ・・・（１）
である。式（１）を変形すると、
｛（ｎ−ｎ´）・ｃｏｓθ｝・ｓｉｎα＝ｎ´（ｓｉｎθ・ｃｏｓα） ・・・（２）
となり、
ｔａｎα＝ｓｉｎα／ｃｏｓα＝ｎ´・ｓｉｎθ／（ｎ−ｎ´）・ｃｏｓθ ・・・（３）
である。

つまり、式（２）と式（３）より、出射面Ｓ１２の形状は、
α＝ｔａｎ^−１ ｛ｎ´・ｓｉｎθ／（ｎ−ｎ´）・ｃｏｓθ｝ ・・・（４）
で表すことができる。

なお、第１光学素子外の媒質が空気である場合には、屈折率ｎ´＝１であるため、式（４）は、
α＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ・ｃｏｓθ） ・・・（４−１）
である。

●入射面と出射面との形状の関係
以上説明した、入射面Ｓ１１と出射面Ｓ１２との形状について、表１に示す。

なお、表１において、「○」は入射面または出射面に到達した光ビームの進行方向を変化させる形状を有することを示し、「−」は入射面または出射面に到達した光ビームの進行方向を変化させる形状を有しないことを示す（後述の表２，３も同様）。

表１に示すように、第1光学素子Ｌ１１において、入射面Ｓ１１に入射した光ビームの進行方向を変化させる形状の組み合わせをＡ，Ｂ，Ｃとし、出射面Ｓ１２に入射した光ビームの進行方向を変化させる形状の組み合わせをＸ，Ｙ，Ｚとする。

入射面Ｓ１１と出射面Ｓ１２との屈折力の有無の組み合わせは、Ａ−Ｘ，Ａ−Ｙ，Ａ−Ｚ，Ｂ−Ｘ，Ｂ−Ｙ，Ｂ−Ｚ，Ｃ−Ｘ，Ｃ−Ｙ，Ｃ−Ｚ，Ｄ−Ｘ，Ｄ−Ｙ，Ｄ−Ｚの１２通りから選択することができる。

●第２光学素子
図７は、第２光学素子Ｌ１２の形状の例を示すＸＹ平面図である。第２光学素子Ｌ１２は、第１光学素子Ｌ１１から出射された光ビームが入射されて、光ビームを有効照射範囲に照射する。第２光学素子Ｌ１２は、例えば第１光学素子Ｌ１１が屈折力を有しない方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズである。

ここで、第２光学素子Ｌ１２は、光ビームを有効照射範囲に所望の強度分布で照射するために、第１光学素子Ｌ１１の屈折力を補い、発光強度分布を整形する。そのため、第２光学素子Ｌ１２は、水平方向と垂直方向との少なくとも一方に屈折力を有していればよい。図７において、第２光学素子Ｌ１２は、Ｙ方向に屈折力を有する例を示している。

なお、第２光学素子Ｌ１２の形状は、第１光学素子Ｌ１１の屈折力を補い、発光強度分布を整形する形状であれば、いかなる形状であってもよい。

第２光学素子Ｌ１２の形状は、入射面Ｓ１３が平面であり、出射面Ｓ１４が凸面であり、１方向（Ｙ軸方向）に同一形状が延伸（スイープ）されている。

なお、第２光学素子Ｌ１２の形状は、上述の入射面Ｓ１３と出射面Ｓ１４の形状には限定されず、例えば入射面Ｓ１３が凹面であってもよい。

●第１光学素子の形状と第２光学素子の形状との関係
次に、第１光学素子Ｌ１１の形状と第２光学素子Ｌ１２の形状との関係について、表２に示す。

表２に示すように、投射光学系１１において、第１光学素子Ｌ１１の水平方向と垂直方向の集光パワーを有する形状の組み合わせをＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓとし、第２光学素子Ｌ１２の水平方向と垂直方向の集光パワーを有する形状の組み合わせをＴ，Ｕ，Ｖとする。

そして、第１光学素子Ｌ１１の集光パワーを有する形状と第２光学素子Ｌ１２の集光パワーを有する形状の組み合わせは、Ｐ−Ｔ，Ｐ−Ｕ，Ｐ−Ｖ，Ｑ−Ｔ，Ｑ−Ｕ，Ｑ−Ｖ，Ｒ−Ｔ，Ｒ−Ｕ，Ｒ−Ｖ，Ｓ−Ｔ，Ｓ−Ｕ，Ｓ−Ｖの１２通りから選択することができる。

図８は、投射光学系１１が投射する強度分布の一例を示す模式図である。同図において、縦軸が有効照射範囲における発光中心からの角度、横軸が発光強度を示す。

図８に示すように、投射光学系１１では、（ａ）のように有効照射範囲内で均一な発光強度分布を実現することができる。また、投射光学系１１では、（ｂ）のように有効照射範囲の端部の発光強度を強めることも、（ｃ）のように有効照射範囲の中心部の発光強度を強めることもできる。つまり、投射光学系１１では、要求される仕様に応じて、図８（ｂ）や（ｃ）のように所望の強度分布にすることができる。

したがって、投射光学系１１によれば、有効照射範囲において、均一な強度分布を含む所望の強度分布を生成することができる。

●受光光学系の構成
第３光学素子Ｌ１３は、有効照射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受光し、フォトダイオードＰＤの受光面上に結像させる。

フォトダイオードＰＤは、光検出器であり、有効照射範囲内にある物体で反射もしくは散乱されて第３光学素子Ｌ１３により結像された光ビームを受光し、有効照射範囲内の物体を検出する。

なお、フォトダイオードＰＤには、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）や通常のＰＤ（Pin Photo Diode）を用いることができる。

図９は、受光光学系１２の受光エリアを示すＸＹ平面図である。また、図１０は、受光光学系１２の受光エリアを示すＹＺ平面図である。図９，１０において、フォトダイオードＰＤは、複数のフォトダイオードがアレイ状に配置されて構成される。図９，１０に示すように、フォトダイオードＰＤは、水平方向のセンサ幅が垂直方向のセンサ幅より広いため、水平方向からの受光角（受光エリア）が広い。

図１１は、投射光学系１１が投射する強度分布とフォトダイオードＰＤの受光エリアとの関係を示す模式図である。同図に示すように、フォトダイオードＰＤは、アレイごとに受光エリアを区分することで、有効照射範囲からの反射光の反射位置を特定することができる。

●投射光学系（２）●
次に、本発明に係る投射光学系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、投射光学系の本実施の形態を示すＸＹ平面図である。図１３は、図１２の投射光学系２１のＺＸ平面図である。図１４は、図１２の投射光学系２１の斜視図である。図１２，１３，１４に示すように、投射光学系２１では、第１光学素子Ｌ２１と第２光学素子Ｌ２２との配置が、先に説明した投射光学系１１と異なっている。

つまり、投射光学系２１では、レーザダイオードＬＤからの光ビームを第２光学素子Ｌ２２で整形する。そして、投射光学系２１によれば、第２光学素子Ｌ２２から出射された光ビームを第１光学素子Ｌ２１で整形して、有効照射範囲において、均一な強度分布を含む所望の強度分布を生成することができる。

以下、図１２を参照して、投射光学系２１の配置について説明する。投射光学系２１は、レーザダイオードＬＤの発光点から第２光学素子Ｌ２２の入射面までの距離ｄ３が３ｍｍ、第２光学素子Ｌ２２の出射面から第１光学素子Ｌ２１の入射面までの距離ｄ４が１１．５ｍｍである。

次に、図１２，１３を参照して、第１光学素子Ｌ２１の寸法について説明する。第１光学素子Ｌ２１は、中心肉厚ｔ６が４ｍｍ、コバ厚ｔ７が２．１ｍｍ、水平方向の外形寸法ｗ４が１４ｍｍ、垂直方向の外形寸法ｈ４が６ｍｍ、入射面の曲率半径が−９ｍｍである。

次に、図１２，１３を参照して、第２光学素子Ｌ２２の寸法について説明する。第２光学素子Ｌ２２は、中心肉厚ｔ５が３．５ｍｍ、コバ厚ｔ８が２．１ｍｍ、水平方向の外形寸法ｗ３が６ｍｍ、垂直方向の外形寸法ｈ３が４ｍｍ、出射面の曲率半径が水平面で−７．５ｍｍであり垂直面で−３．５ｍｍである。

●第１光学素子（２）●
次に、本発明に係る光学素子の別の実施の形態である第１光学素子Ｌ２１について説明する。

図１５は、第１光学素子Ｌ２１の本実施の形態を示すＸＹ平面図である。第１光学素子Ｌ２１の形状は、第２光学素子Ｌ２２で整形された光ビーム、第１光学素子Ｌ２１に要求される有効物体検出範囲（有効照射範囲）との関係を考慮して定められる。

ここで、第１光学素子Ｌ２１は、先に説明した第１光学素子Ｌ１１と同様に、水平方向に光ビームを拡散しつつ、有効照射範囲のうち中心部からの角度を有する領域（有効照射範囲のうち外側の領域）での光量不足を補うことが求められる。

第１光学素子Ｌ２１は、入射面Ｓ２１と、出射面Ｓ２２とを備える。ここで、入射面Ｓ２１と出射面Ｓ２２とは、１方向（本実施の形態では水平方向）にのみ光ビームの進行方向を変化させる形状を有する。つまり、入射面Ｓ２１と出射面Ｓ２２とは、１方向（本実施の形態では垂直方向）に同一形状が延伸（スイープ）されている。

●入射面と出射面の形状
入射面Ｓ２１の形状は、先に説明した第１光学素子Ｌ１１と同様に、入射面Ｓ２１に入射する光ビームの発散角と、出射面Ｓ２２から出射する光ビームの有効照射範囲とに基づいて、基本形状と曲率半径などのプロファイルとが適宜設定される。なお、入射面Ｓ２１の形状は、非球面のような曲面形状に設定してもよい。

入射面Ｓ２１は、第２光学素子Ｌ２２から入射する光ビームを発光中心方向に屈折させて有効照射範囲のうち外側の領域の光量不足を補うため、第２光学素子Ｌ２２に対して凹面に形成されている。

出射面Ｓ２２は、先に説明した第１光学素子Ｌ１１と同様に、複数の平面（例えば２平面）を接合して形成される形状を有する。このような形状を有することで、出射面Ｓ２２は、第２光学素子Ｌ２２からの光ビームを１方向（本実施の形態では水平方向）に発散させることができる。

また、出射面Ｓ２２の形状は、先に説明した第１光学素子Ｌ１１と同様に、
α＝ｔａｎ^−１（ｎ´・ｓｉｎθ／ｎ−ｎ´・ｃｏｓθ） ・・・（４）
で表すことができる。

●入射面と出射面との形状の関係
入射面Ｓ２１と出射面Ｓ２２との形状について、先に説明した第１光学素子Ｌ１１と同様に、表１に示すＡ−Ｘ，Ａ−Ｙ，Ａ−Ｚ，Ｂ−Ｘ，Ｂ−Ｙ，Ｂ−Ｚ，Ｃ−Ｘ，Ｃ−Ｙ，Ｃ−Ｚ，Ｄ−Ｘ，Ｄ−Ｙ，Ｄ−Ｚの１２通りの組み合わせから選択することができる。

●第２光学素子
図１６は、投射光学系２１が備える第２光学素子Ｌ２２を示すＸＹ平面図である。第２光学素子Ｌ２２は、レーザダイオードＬＤから出射された光ビームが入射されて、整形後の光ビームを第１光学素子Ｌ２１に入射させる。第２光学素子Ｌ２２は、例えば複数方向に屈折力を有するトロイダルレンズである。なお、第２光学素子Ｌ２２の形状は、トロイダル形状に限定されず、レーザダイオードＬＤからの光を第１光学素子Ｌ２１に効率よく到達させることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。

ここで、第２光学素子Ｌ２２は、光ビームを有効照射範囲に所望の強度分布で照射するために、第１光学素子Ｌ２１の屈折力を補い、発光強度分布を整形する。そのため、第２光学素子Ｌ２２は、水平方向と垂直方向との双方に屈折力を有しているのが望ましい。

第２光学素子Ｌ２２の形状は、例えば、入射面Ｓ２３が平面であり、出射面Ｓ２４が水平方向と垂直方向との曲率が異なる凸面である。

なお、第２光学素子Ｌ２２の形状は、上述の入射面Ｓ２３と出射面Ｓ２４の形状には限定されず、例えば入射面Ｓ２３が凹面であってもよい。

●第１光学素子の形状と第２光学素子の形状との関係
次に、第１光学素子Ｌ２１の形状と第２光学素子Ｌ２２の形状との関係について、表３に示す。

表３に示すように、投射光学系２１において、第１光学素子Ｌ２１の水平方向と垂直方向の集光パワーを有する形状の組み合わせをＰ，Ｑ，Ｒ，Ｓとし、第２光学素子Ｌ２２の水平方向と垂直方向の集光パワーを有する形状の組み合わせをＴ，Ｕ，Ｖとする。

そして、第１光学素子Ｌ１１の集光パワーを有する形状と第２光学素子Ｌ１２の集光パワーを有する形状の組み合わせは、Ｐ−Ｔ，Ｐ−Ｕ，Ｐ−Ｖ，Ｑ−Ｔ，Ｑ−Ｕ，Ｑ−Ｖ，Ｒ−Ｔ，Ｒ−Ｕ，Ｒ−Ｖ，Ｓ−Ｔ，Ｓ−Ｕ，Ｓ−Ｖの１２通りから選択することができる。

投射光学系２１では、先に説明した投射光学系１１と同様に、図８（ａ）のように有効照射範囲内で均一な発光強度分布を実現することができる。また、投射光学系２１では、同図（ｂ）のように有効照射範囲の端部の発光強度を強めることも、同図（ｃ）のように有効照射範囲の中心部の発光強度を強めることもできる。つまり、投射光学系１１では、要求される仕様に応じて、図８（ｂ）や（ｃ）に示したように所望の強度分布にすることができる。

このように、投射光学系２１によれば、有効照射範囲において、均一な強度分布を含む所望の強度分布を生成することができる。

●第１光学素子の入射面の形状による強度分布の変化
次に、第１光学素子Ｌ１１の入射面の形状による強度分布の変化について説明する。

図１７は、第１光学素子Ｌ１１に入射する光ビームの強度分布と入射面Ｓ１１に入射後の光ビームの強度分布との変化を示す模式図である。同図に示すように、第１光学素子Ｌ１１に入射する前の光ビームの強度分布ａと入射面Ｓ１１に入射後の光ビームの強度分布ｂとを比較すると、強度分布ａに比べて強度分布ｂの方がより広い角度範囲に発光強度が分布している。

図１８は、第１光学素子Ｌ１１から出射された光ビームの強度分布を示す模式図である。同図に示すように、第１光学素子Ｌ１１から出射された光ビームは、広い角度範囲に発光強度の分布を広げることができる。つまり、第１光学素子Ｌ１１によれば、入射面Ｓ１１の集光パワーを変化させることで、発光中心付近の光量を変化させて所望の強度分布を生成することができる。

●比較例
次に、本発明に係る光学素子の比較例について説明する。

図１９は、比較例の光学素子を示すＸＹ平面図である。同図に示すように、比較例の光学素子Ｌ３１は、第１光学素子Ｌ１１の出射面Ｓ１２と同一の形状の面をレーザダイオードＬＤ側に配置したものである。

つまり、光学素子Ｌ３１の入射面Ｓ３１は、第１光学素子Ｌ１１の出射面Ｓ１２の形状と同一の形状を有する。また、光学素子Ｌ３１の出射面Ｓ３２は、第１光学素子Ｌ１１の入射面Ｓ１１と同一の形状を有する。

また、図１９には、光学素子Ｌ３１に入射する前の光ビームの強度分布ｃと、入射面Ｓ３１に入射後の光ビームの強度分布ｄと、出射面Ｓ３２から出射後の光ビームの強度分布ｅを示す。強度分布ｃ，ｄ，ｅを比較すると、出射面Ｓ３２から出射後の光ビームの強度分布ｃでは、有効照射範囲の周辺部において強度分布が増加してしまう。

図２０は、光学素子Ｌ３１から出射された光ビームの強度分布を示す模式図である。同図に示すように、光学素子Ｌ３１では、有効照射範囲において均一な強度分布を生成することができず、所望の強度分布を得ることができない。

１０ ：物体検出装置
１１ ：投射光学系
ＬＤ ：レーザダイオード
Ｌ１１ ：第１光学素子
Ｓ１１ ：入射面
Ｓ１２ ：出射面
Ｌ１２ ：第２光学素子
Ｓ１３ ：入射面
Ｓ１４ ：出射面
１２ ：受光光学系
ＰＤ ：フォトダイオード
Ｌ１３ ：第３光学素子
２０ ：物体検出装置
２１ ：投射光学系
Ｌ２１ ：第１光学素子
Ｌ２２ ：第２光学素子
Ｌ２３ ：第３光学素子
２２ ：受光光学系

特開２００９−１０３５２９号公報

Claims (8)

1. 光源からの光ビームの強度分布を、１方向に拡散する光学素子であって、
   前記光ビームが入射する入射面と、該入射面から入射した前記光ビームが出射する出射面を備え、
   前記入射面は滑らかに連続した単一の凹面であり、
   前記出射面は、前記１方向に直交する稜線を有するように複数の平面が接合され、前記光ビームが出射する方向に凸面であり、
   前記入射面及び前記出射面は、前記稜線に直交する断面上の面形状が、前記稜線の方向に延伸した面形状を有し、前記１方向にのみ屈折力を有し、
   前記入射面の形状は、前記入射面に入射する光の発散角と、前記出射面から出射する光の有効照射範囲とに基づいて設定されている、
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記出射面を構成する各平面と前記入射面に入射した入射光の進行方向に直交する面とがなす角をα、前記有効照射範囲の半角をθ、光学素子の屈折率をｎ、光学素子外の媒質の屈折率をｎ´、としたとき、
   α＝ｔａｎ^−１ ［ｎ´・ｓｉｎθ／｛（ｎ−ｎ´）・ｃｏｓθ｝］
   を満たす、
   請求項１記載の光学素子。
3. 光源から出射された光ビームが入射する光学素子を備えた投射光学系であって、
   前記光学素子は、請求項１または２に記載の光学素子である、
   ことを特徴とする投射光学系。
4. 前記光学素子から出射された光が入射する第２光学素子を備え、
   前記第２光学素子は、前記光学素子が屈折力を有しない方向に屈折力を有する、
   請求項３記載の投射光学系。
5. 前記第２光学素子は、シリンドリカルレンズである、
   請求項４記載の投射光学系。
6. 前記光源から出射された光が入射する第２光学素子を備え、
   前記第２光学素子は、前記光学素子における屈折力を持つ方向およびこれに直交する方向と、に屈折力を有する、
   請求項３記載の投射光学系。
7. 前記第２光学素子は、トロイダルレンズである、
   請求項６記載の投射光学系。
8. 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し検出対象である物体に照射する光学素子を含む投射光学系を有してなる物体検出装置であって、
   前記投射光学系は、請求項３乃至７のいずれかに記載の投射光学系である、
   ことを特徴とする物体検出装置。

Images