JPWO2020022316A1 - Light radiation device and object information detection device - Google Patents
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Abstract
コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、コヒーレント光源から入射した光を変調し、変調光を所定の方向へ出射する空間光変調ユニットと、球面の少なくとも一部である反射面を有する反射体とを備え、反射体には、反射面を覆う透明層が積層され、透明層の表面が球面の少なくとも一部で構成され、空間光変調ユニットから透明層へ入射した光が反射面で反射されて外部へ放射される光放射装置は、コストを抑えた簡便な構成でありながら、高い信頼性を確保しつつ、広い角度範囲に精度良く光を放射することができる。It includes a coherent light source that emits coherent light, a spatial light modulation unit that modulates the light incident from the coherent light source and emits the modulated light in a predetermined direction, and a reflector having a reflecting surface that is at least a part of a spherical surface. , A transparent layer covering the reflective surface is laminated on the reflector, the surface of the transparent layer is composed of at least a part of a spherical surface, and the light incident on the transparent layer from the spatial light modulation unit is reflected by the reflective surface to the outside. The emitted light emitting device can emit light accurately over a wide angle range while ensuring high reliability while having a simple configuration at low cost.
Description
本発明は、対象物へ所定の光を放射させる光放射装置及び物体情報検知装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device and an object information detecting device that radiate a predetermined light to an object.
特許文献1に記載のLIDARシステムは、ベースと、ヘッドアセンブリと、ヘッドアセンブリを回転させる回転部材と、ヘッドアセンブリに支持されたマザーボードと、ヘッドアセンブリ上に配置されたレンズ及びミラーと、エミッタ回路基板に搭載されたフォトン送信器と、検出回路基板に搭載された検出器とを備える。このLIDARシステムにおいては、フォトン送信器からの光を回転する平面鏡で反射させ、特定の領域へ放射することができる。 The LIDAR system described in Patent Document 1 includes a base, a head assembly, a rotating member for rotating the head assembly, a motherboard supported by the head assembly, a lens and a mirror arranged on the head assembly, and an emitter circuit board. The photon transmitter mounted on the detection circuit board and the detector mounted on the detection circuit board are provided. In this lidar system, the light from the photon transmitter can be reflected by a rotating plane mirror and radiated to a specific area.
特許文献2に記載のレーザー装置は、レーザービームの光路上に少なくとも1面が非球面球状を有する一枚の非球面レンズを設け、この非球面レンズからのレーザービームを加工点へ導くよう設けられたビーム伝送光学系が、非球面レンズの収束性球面曲率成分に対応する焦点位置を加工点に転写するビーム伝送光学系であるレーザー装置である。このレーザー装置においては、特定の範囲へ、実施的に均一な強度分布でレーザービームを放射することができる。 The laser device described in Patent Document 2 is provided so as to provide one aspherical lens having at least one aspherical spherical surface on the optical path of the laser beam and to guide the laser beam from the aspherical lens to a processing point. The beam transmission optical system is a laser device that is a beam transmission optical system that transfers the focal position corresponding to the convergent spherical curvature component of the aspherical lens to the processing point. In this laser device, a laser beam can be emitted to a specific range with an practically uniform intensity distribution.
しかしながら、特許文献1に記載のLIDARシステムでは、回転部材によって、平面鏡が配置されたヘッドアセンブリを回転させるため、放射方向の精細な制御、耐久性などにおいて信頼性を十分確保することが難しい。 However, in the LIDAR system described in Patent Document 1, since the head assembly in which the plane mirror is arranged is rotated by the rotating member, it is difficult to sufficiently secure reliability in fine control of the radiation direction, durability, and the like.
また、特許文献2に記載のレーザー装置では、精度良くレーザービームを放射するために1面以上の非球面形状が必要であるため、製造コストが高くなるという問題がある。 Further, the laser apparatus described in Patent Document 2 has a problem that the manufacturing cost is high because an aspherical shape having one or more surfaces is required to radiate a laser beam with high accuracy.
そこで本発明は、コストを抑えた簡便な構成において、高い信頼性を確保しつつ、広い角度範囲に精度良く光を放射することができる光放射装置、及び、このような光放射装置を用いた物体情報検知装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention uses a light radiating device capable of radiating light accurately over a wide angle range while ensuring high reliability in a simple configuration at a low cost, and such a light radiating device. An object of the present invention is to provide an object information detection device.
上記課題を解決するために、本発明の光放射装置は、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源と、コヒーレント光源から入射した光を変調し、変調光を所定の方向へ出射する空間光変調ユニットと、球面の少なくとも一部である反射面を有する反射体とを備えた光放射装置であって、反射体には、反射面を覆う透明層が積層され、透明層の表面が球面の少なくとも一部で構成され、空間光変調ユニットから透明層へ入射した光が反射面で反射されて外部へ放射されることを特徴としている。
これにより、コストを抑えた簡便な構成において、高い信頼性を確保しつつ、広い角度範囲に精度良く光を放射することができる。In order to solve the above problems, the light emitting device of the present invention includes a coherent light source that emits coherent light, a spatial light modulation unit that modulates the light incident from the coherent light source, and emits the modulated light in a predetermined direction. A light emitting device including a reflector having a reflecting surface which is at least a part of a spherical surface. The reflecting body is laminated with a transparent layer covering the reflecting surface, and the surface of the transparent layer is at least a part of the spherical surface. It is characterized in that the light incident on the transparent layer from the spatial light modulation unit is reflected by the reflecting surface and radiated to the outside.
As a result, it is possible to radiate light accurately over a wide angle range while ensuring high reliability in a simple configuration with reduced cost.
本発明の光放射装置において、反射面を構成する球面と、透明層の表面を構成する球面は、それぞれの中心位置が互いに実質的に同一であることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that the spherical surface forming the reflecting surface and the spherical surface forming the surface of the transparent layer have substantially the same center positions.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットと透明層を結ぶ光路上に、1枚以上の凹レンズ、1枚以上の凸レンズ、又は、これらの組み合わせからなる光学要素が配置され、凹レンズの凹面と凸レンズの凸面はそれぞれ球面であることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, one or more concave lenses, one or more convex lenses, or an optical element composed of a combination thereof is arranged on the optical path connecting the spatial light modulation unit and the transparent layer, and the concave surface of the concave lens is formed. It is preferable that the convex surfaces of the convex lenses are spherical surfaces.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットと透明層を結ぶ光路上に、1枚以上のメニスカスレンズが配置され、メニスカスレンズは、凸面と凹面の両方が球面であることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, one or more meniscus lenses are arranged on the optical path connecting the spatial light modulation unit and the transparent layer, and it is preferable that both the convex surface and the concave surface of the meniscus lens are spherical surfaces.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットと透明層を結ぶ光路上に、1枚以上の凹面鏡と1枚以上の凸面鏡の球面鏡との組み合わせからなる光学要素が配置されていることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that an optical element composed of a combination of one or more concave mirrors and one or more convex mirror spherical mirrors is arranged on the optical path connecting the spatial light modulation unit and the transparent layer.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットと透明層を結ぶ光路上に、球面レンズと球面鏡の組み合わせからなる光学要素が配置され、球面レンズと球面鏡の焦点距離の正負が互いに異なることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, it is preferable that an optical element composed of a combination of a spherical lens and a spherical mirror is arranged on an optical path connecting the spatial light modulation unit and the transparent layer, and the positive and negative focal lengths of the spherical lens and the spherical mirror are different from each other. ..
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットからの出射光を調整することによって、光放射装置からの放射光が等しい距離かつ異なる角度へ投映されたときの投影面積の差を低減させることが好ましい。 In the light emitting device of the present invention, by adjusting the light emitted from the spatial light modulation unit, it is possible to reduce the difference in the projected area when the synchrotron radiation from the light emitting device is projected at the same distance and at different angles. preferable.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットは、液晶層を有する、液晶パネル又はLCOSであることが好ましい。 In the light emission device of the present invention, the spatial light modulation unit is preferably a liquid crystal panel or LCOS having a liquid crystal layer.
本発明の光放射装置において、空間光変調ユニットは、複数の可動鏡を含む微小電気機械システムであることが好ましい。 In the light emission device of the present invention, the spatial light modulation unit is preferably a microelectromechanical system including a plurality of movable mirrors.
本発明の物体情報検知装置は、上述のいずれか1つの光放射装置を備え、反射面からの反射光が対象物に照射される物体情報検知装置であって、対象物からの反射光を受光する受光部と、受光部における受光結果に基づいて、対象物の物体情報を検知する物体情報検知部とを備えることを特徴としている。
これにより、コストを抑えた簡便な構成で、広い角度範囲において、高い精度で物体情報検知を実行することができる。The object information detection device of the present invention is an object information detection device including any one of the above-mentioned light emitting devices, in which the reflected light from the reflecting surface irradiates the object, and receives the reflected light from the object. It is characterized by including a light receiving unit for detecting an object and an object information detecting unit for detecting the object information of the object based on the light receiving result in the light receiving unit.
As a result, it is possible to execute object information detection with high accuracy in a wide angle range with a simple configuration at low cost.
本発明によると、コストを抑えた簡便な構成において、高い信頼性を確保しつつ、広い角度範囲に精度良く光を放射することができる光放射装置、及び、このような光放射装置を用いた物体情報検知装置を提供することができる。 According to the present invention, a light radiating device capable of radiating light accurately over a wide angle range while ensuring high reliability in a simple configuration at a low cost, and such a light radiating device are used. An object information detection device can be provided.
以下、本発明の実施形態に係る光放射装置及び物体情報検知装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る光放射装置及び物体情報検知装置の構成を概念的に示すブロック図である。図2は、第1実施形態に係る光放射装置の構成を示す図である。Hereinafter, the light emitting device and the object information detecting device according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram conceptually showing the configurations of the light emitting device and the object information detecting device according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a light emitting device according to the first embodiment.
<光放射装置>
図1又は図2に示すように、第1実施形態に係る光放射装置は、光源11、空間光変調ユニットとしての空間光変調器20、及び、反射体30を備える。さらに、この光放射装置は変調光制御部12、及び、光学要素15を備えることが好ましい。ここで、後述する物体検知装置としては、上記光放射装置に加えて、受光部41と物体情報検知部42を備えることが好ましい。<Light radiation device>
As shown in FIG. 1 or 2, the light emitting device according to the first embodiment includes a
光源11は、コヒーレント光を出射する光源(コヒーレント光源)であって、例えば、ガウシアンビームを出射するレーザー光源である。また、図2に示すように、光源11からの出射光L10をコリメート光とし、空間光変調器20へ出射するコリメート光学系13を備え、コリメート光は平面ミラー14によって反射されて空間光変調器20へ入射する。
The
空間光変調器20は、入射光を変調して出射する。変調としては、例えば、出射光の位相及び強度の少なくとも一方の変更、出射方向の変更を含む。空間光変調器20としては、例えば、液晶パネル、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)、又は、微小電気機械システムを用いる。液晶パネルとLCOSは、液晶層を有しており、変調光を生成する領域(変調領域)としての画素を複数備える。微小電気機械システムは、変調領域として可動鏡を複数有する。
The
空間光変調器20は、変調光制御部12の制御により、光源11からの入射光に基づいて変調光を生成する。この変調光は、液晶パネルやLCOSにおいては、例えば液晶分子の配向方向を変えることによって出射方向が所定の方向、すなわち、反射体30側へ向かう角度に調整される。また、微小電気機械システムにおいては、可動鏡の角度又は位置を変えることによって出射方向が調整される。変調光制御部12には、光源11、空間光変調器20、及び反射体30の位置情報が予め入力されており、これらに基づいて、変調光制御部12は、空間光変調器20における出射方向を調整する。
The
図2に示すように、反射体30は、球面の一部又は全部で構成される反射面31と、反射面31を覆うように積層される透明層32とを備える。空間光変調器20から放射された変調光は、透明層32に入射する際に屈折し、その後反射面31で反射され、透明層32から出射する際にも屈折して外部へ放射される。このようにして、反射体30の反射面31からの反射光が対象物Sに照射される。
As shown in FIG. 2, the
透明層32は、反射面31に対して均一な厚さで形成することが好ましく、これにより、反射面31を構成する球面上を、これと中心位置が実質的に同一となる球面を構成する透明層32で覆うことができる。透明層32の形成は任意の方法によって行うことができ、その厚さは、光放射装置としての放射範囲などの仕様に応じて任意に設定することができる。
The
反射面31を構成する球面は、対象物S側に凸面を向けた凸面鏡の一部、又は、対象物S側に凹面を向けた凹面鏡の一部であるとよい。
なお、図2は、反射体30のうち、反射面31とこれを覆う透明層32を含む一部のみを示している。The spherical surface forming the reflecting
Note that FIG. 2 shows only a part of the
上述のように反射面31を覆うように透明層32を設けることによって、空間光変調器20からの出射光は、反射面31で反射されるだけでなく、透明層32への入射・出射の際に屈折される。このため、より広い角度範囲に対して反射体30から光が出射される。
By providing the
さらに、球面状の反射面31を覆うように、表面33が球面状の透明層32を形成しているため、反射体30からの出射光の広がり角度が出射角度によってばらつくのを抑えることができる。このような広がり角度のばらつきの抑制は、反射面を非球面形状等の複雑な形状とすることによっても実現可能である。これに対して、第1実施形態の反射体30においては、球面状の反射面31と、表面33が球面状の透明層32との組み合わせによって、製造及び設計のいずれにおいても安価に実現することを可能としている。さらに、透明層32の表面33及び反射面31を球面で構成しているため、反射体30の位置が既知であれば、その姿勢を検知する必要がないため、姿勢検知のためのセンサや検知回路等が不要となり、簡便な構成とすることができる。
Further, since the
反射体30は、例えば、一定以上の硬性を有するプラスチック製の球体の表面に金属めっきを施して反射面31を形成し、さらに、反射面31を覆うようにプラスチック材料で透明層32を形成することによって製造する。
In the
反射体30を構成するプラスチックとしては、例えば、ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネートその他のポリカーボネート、スチレン樹脂、ポリメチルメタクリレートその他のアクリル樹脂が挙げられる。透明層32を構成するプラスチックとしては、光放射装置の仕様に対応した透明性を備えた材料が好ましく、反射体30の球体を構成する材料と同一としてもよい。
Examples of the plastic constituting the
反射面31を形成する金属めっきとしては、例えば銀、アルミニウム、ニッケル、クロムが挙げられ、高い反射特性と製造の容易性から、銀が特に好ましい。なお、反射面31は金属めっき以外の薄膜形成方法によって形成してもよい。
Examples of the metal plating forming the
反射体30は、プラスチック以外で一定以上の硬性を有する材料、例えば、ガラスや金属で構成することもできる。金属で構成する場合、その表面の反射性を利用して表面を反射面31として用いてもよい。
The
<光学要素>
空間光変調器20と反射体30の透明層32とを結ぶ光路上には、例えば次の(1)、(2)のような、1枚以上のレンズを含む光学要素が配置されている。図1と図2に示す例では、1枚のメニスカスレンズからなる光学要素15が配置されている。<Optical element>
Optical elements including one or more lenses, such as the following (1) and (2), are arranged on the optical path connecting the spatial
空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に光学要素を配置することにより、空間光変調器20から透明層32へ向かう光束の広がりを調整することができる。このため、例えば、正の屈折力を有する光学要素を用いた場合には、空間光変調器20と反射体30の距離を短くすることができ、これによって光放射装置のサイズを小さく抑えることが可能となる。また、光学要素への入射面、光学要素からの出射面、及び、これらの間に存在する光学面について、曲率半径、凹凸の向きその他の光学特性を調整することによって、透明層32へ入射する光束の広がりを、入射角度に応じて調整することもできる。すなわち空間光変調器20からの出射光を調整することが可能となり、これによって、光放射装置からの放射光が等しい距離かつ異なる角度へ投映されたときの投影面積の差を低減させることができる。
By arranging the optical element on the optical path connecting the spatial
(1)空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に配置された、1枚以上の凹レンズ、1枚以上の凸レンズ、又は、これらの組み合わせからなる光学要素:
この光学要素においては、凹レンズの凹面と凸レンズの凸面がそれぞれ球面とされている。この光学要素の、1枚以上の凹レンズ、1枚以上の凸レンズ、又は、これらの組み合わせについては、それぞれの光軸が空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上にあることが好ましい。(1) An optical element composed of one or more concave lenses, one or more convex lenses, or a combination thereof arranged on an optical path connecting the spatial
In this optical element, the concave surface of the concave lens and the convex surface of the convex lens are spherical surfaces, respectively. For one or more concave lenses, one or more convex lenses, or a combination of these optical elements, it is preferable that their respective optical axes are on the optical path connecting the spatial
(2)空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に配置された、1枚以上のメニスカスレンズからなる光学要素:
この光学要素におけるメニスカスレンズは、凸面と凹面の両方が球面とされている。この光学要素の1枚以上のメニスカスレンズについては、それぞれの光軸が空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上にあることが好ましい。図2に示す例では、メニスカスレンズが1枚の場合の構成を示している。(2) An optical element composed of one or more meniscus lenses arranged on an optical path connecting the spatial
The meniscus lens in this optical element has both convex and concave surfaces as spherical surfaces. For one or more meniscus lenses of this optical element, it is preferable that each optical axis is on an optical path connecting the spatial
<物体情報検知装置>
第1実施形態に係る物体検知装置は、上述の光放射装置に加えて、受光部41と物体情報検知部42を備える。<Object information detection device>
The object detection device according to the first embodiment includes a
受光部41は、対象物Sで反射された変調光(反射光)を受光する。受光部41は、変調光の強度を検知できれば、各種の光センサを用いることができる。検知結果は、物体情報検知部42へ出力される。
物体情報検知部42は、受光部41における受光結果に基づいて、対象物Sの物体情報を検知する。対象物Sの物体情報としては、位置、向き、形状、色などが含まれる。The
The object
以下、上記第1実施形態の実施例について説明する。
(実施例1)
表1は、実施例1に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。Hereinafter, examples of the first embodiment will be described.
(Example 1)
Table 1 is a table showing the simulation results based on the configuration of the light emitting device according to the first embodiment.
実施例1においては、空間光変調器20(空間光変調ユニット)として、Liquid Crystal On Silicon(LCOS)素子を選択した。全体の位置関係を説明するために座標系を定義した。原点は、空間光変調器20のLCOS素子の平面中心、かつ、LCOS素子のカバーガラスと空気との界面とした。原点と反射体30の球の中心を結んだ直線の、空間光変調器20を設置した平面21への射影をx軸とした。z軸は、空間光変調器20を設置した平面21の法線ベクトルと平行とした。y軸は、x軸、z軸と垂直、かつ右手系で定義した。座標系の単位はmmとした。球面鏡である反射体30の材質はポリカーボネートとした。反射体30の表面である反射面31上には、透明層32として、ポリカーボネートで内面の直径10.2mm、外面の直径12mmの球殻を作製した。この球殻の内面(反射面31)に金属めっきを施した。なお、この球殻の内面の中心と外面の中心は実質的に同一とした。この球殻を、中心位置の座標が(12.9,0,80)となるように設置した。
In Example 1, a Liquid Crystal On Silicon (LCOS) element was selected as the spatial light modulator 20 (spatial light modulation unit). A coordinate system was defined to explain the overall positional relationship. The origin was the plane center of the LCOS element of the spatial
また、空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に、光学要素15として、ポリカーボネート製のメニスカスレンズを配置した。このメニスカスレンズの直径は6mm、各面の曲率半径は、凸面が19.5mm、凹面が40mmとした。メニスカスレンズの光軸上の厚みは2.5mmとした。メニスカスレンズの主軸(光軸)をz軸と平行にし、凹面を空間光変調器20側へ向け、主軸と凸面の交点が(2.6,0,14.5)となるよう設置した。
Further, a polycarbonate meniscus lens was arranged as the
光源11からの出射光L10の波長は905nmとした。この出射光L10は、コリメート光学系13によってコリメート光とされ、平面ミラー14によって反射されて空間光変調器20へ入射する。よって、空間光変調器20のLCOSへの入射時には実質的に平行であり、半径1.6mmのガウスビームとして入射する。光源11からの出射光L10が空間光変調器20へ入射するときのベクトルは、(0.174,0,−0.985)とした。空間光変調器20から出射される変調光(図2に例示する変調光L11、L12、L13)は、透明層32の表面33に入射する際に屈折し、反射面31で反射した後に表面33から出射する際にも屈折する。
The wavelength of the emitted light L10 from the
次に、表1に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
このシミュレーションは、光源11からの出射光L10を複数のビームレットに分割して、幾何光学的な作用で、空間光変調器20としてのLCOSによる光線の操作を表した。実施例1における空間光変調器20による光線の操作は、空間光変調器20上で周期的に位相に変調を与え、特定の位置における等位相面を操作することによって行う。これは、回折格子やレンズが光線に与える影響と同様である。この背景から、LCOSによる光線操作の結果は、回折格子と同様に平行な光線を全て実質的に同一の方向へ曲げる効果と、レンズによる集束又は発散の効果との和へ分解することができる。この回折格子に類似する効果を、ビームレットとLCOSの交点を通り、方向ベクトルを指定した直線を軸とした回転操作で表し、各交点における補正量を、主軸とレンズ面の交点が(0,0,0)にある、材質がBK7(光学ガラスの一般名称)相当である仮想レンズの曲率半径により表した。Next, the simulation conditions and results shown in Table 1 will be described.
In this simulation, the light L10 emitted from the
その代表として、以下に挙げた点へ入射したビームレットを抽出した。すなわち、前記点は、LCOS上にある(0.8,0,0)、(−0.4,0.693, 0)、(−0.4,−0.693,0)、(1.6,0,0)、(0.8,1.386,0)、(−0.8,1.386,0)、(−1.6,0,0)、(−0.8,−1.386,0)、(0.8,−1.386,0)の9点である。これらの点を通過し、かつ対象物へ放射されたたビームレットのベクトルを、(0,0,0)を通過したビームレットのそれと比較して広がり角度を計算した。 As a representative, beamlets incident on the points listed below were extracted. That is, the points are on the LCOS (0.8, 0, 0), (-0.4, 0.693, 0), (-0.4, -0.693, 0), (1. 6,0,0), (0.8,1.386,0), (-0.8,1.386,0), (-1.6,0,0), (-0.8,- There are 9 points (1.386,0) and (0.8, -1.386, 0). The spread angle was calculated by comparing the vector of the beamlet that passed through these points and radiated to the object with that of the beamlet that passed through (0,0,0).
これらの結果を表1にまとめた。実施例1の光学系においては、xy平面方向への放射角度範囲が最大約163°、xz平面方向への放射角度範囲が55°となった。放射されたビームの広がりは、各ビームレットへ同じ角度で回転操作を施した場合で最大1.9°であったものが、仮想レンズを介した場合で最大1°程度まで減少した。この角度の広がりは、100mの距離で約2mの直径の円内を照射することに相当する。さらにこの照射される円の直径を縮小するには、LCOSの原点に固定している仮想レンズの中心を、各ビームレットに対して最適化するよう動かした上で曲率半径の最適化を行えばよい。 These results are summarized in Table 1. In the optical system of the first embodiment, the maximum radiation angle range in the xy plane direction is about 163 °, and the radiation angle range in the xz plane direction is 55 °. The spread of the emitted beam was 1.9 ° at the maximum when each beamlet was rotated at the same angle, but decreased to about 1 ° at the maximum when the virtual lens was used. This spread of angle corresponds to irradiating a circle with a diameter of about 2 m at a distance of 100 m. To further reduce the diameter of this illuminated circle, the center of the virtual lens fixed to the origin of the LCOS should be moved to optimize for each beamlet, and then the radius of curvature should be optimized. good.
(実施例2)
表2と表3は、実施例2に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。(Example 2)
Tables 2 and 3 are tables showing simulation results according to the configuration of the light emitting device according to the second embodiment.
実施例2においては、空間光変調器20(空間光変調ユニット)として、Liquid Crystal On Silicon(LCOS)素子を選択した。座標系の定義は実施例1に準じた。内面の直径8mm、外面の直径10mmのポリカーボネート製の球殻の内面に金属めっきを施したものを準備した。なおこの球殻の内面の中心と外面の中心は実質的に同一とした。この球殻を、中心位置の座標が(10.6,0,60)となるように設置した。 In Example 2, a Liquid Crystal On Silicon (LCOS) element was selected as the spatial light modulator 20 (spatial light modulation unit). The definition of the coordinate system conforms to Example 1. A metal-plated inner surface of a polycarbonate spherical shell having an inner surface diameter of 8 mm and an outer surface diameter of 10 mm was prepared. The center of the inner surface and the center of the outer surface of this spherical shell were substantially the same. This spherical shell was installed so that the coordinates of the center position were (10.6, 0, 60).
空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に、光学要素15として、ポリカーボネート製のメニスカスレンズを配置した。このメニスカスレンズの直径は8mm、各面の曲率半径は、凸面が20mm、凹面が27mmとした。メニスカスレンズの光軸上の厚みは2.5mmとした。メニスカスレンズの主軸(光軸)をz軸と平行にし、凹面をLCOS側へ向け、主軸と凸面の交点が(3.2,0,16.5)となるよう設置した。
A polycarbonate meniscus lens was arranged as the
光源11からの出射光L10の波長は905nmとした。この出射光は、実施例1と同様に、LCOSへの入射時には実質的に平行である、半径1.6mmのガウスビームとした。光の入射時のベクトルは、(0.174,0,−0.985)とした。
The wavelength of the emitted light L10 from the
表2と表3に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
このシミュレーションにおいても、実施例1と同様に、光源11からの出射光L10を複数のビームレットに分割して、幾何光学的な作用でLCOSによる光線の操作を表した。シミュレーションの手順は実施例1に準じた。目標とするビーム形状とするために、各ビームレットに対して独立に付加する補正の量は、主軸とレンズ面の交点が(0,0,0)にある、材質がBK7相当である仮想レンズの曲率半径により表した。The simulation conditions and results shown in Tables 2 and 3 will be described.
In this simulation as well, as in the first embodiment, the light L10 emitted from the
その代表として以下に挙げた点へ入射したビームレットを抽出した。これらは、LCOS上にある(0.471,0,0)、(−0.235,0.408, 0)、(−0.235,−0.408,0)、(0.858,0,0)、(0.429,0.743,0)、(−0.429,0.743,0)、(−0.858, 0, 0)、(−0.429,−0.743,0)、(0.429,−0.743,0)の9点を通過するビームとした。本シミュレーションでは、空間へ放射されるビームを、20°の広がり角度で、かつ、照射範囲内の照度分布が均一に近くなるようにした。 As a representative example, beamlets incident on the points listed below were extracted. These are on the LCOS (0.471,0,0), (-0.235,0.408,0), (-0.235, -0.408,0), (0.858,0). , 0), (0.429, 0.743, 0), (-0.429, 0.743, 0), (-0.858, 0, 0), (-0.429, -0.743) , 0), (0.429, -0.743, 0) 9 points were used as the beam. In this simulation, the beam radiated into the space was set to have a spread angle of 20 ° and the illuminance distribution within the irradiation range was made close to uniform.
そのために、(0.471,0,0)、(−0.235,0.408, 0)、(−0.235,−0.408,0)の3点を通過したビームレットは、空間へ放射された時点で、(0, 0, 0)を通過したビームレットとなす角度が7.7°となるようにした(表2)。また、(0.858,0,0)、(0.429,0.743,0)、(−0.429,0.743,0)、(−0.858, 0, 0)、(−0.429,−0.743,0)、(0.429,−0.743,0)の6点を通過したビームレットは、空間へ放射された時点で、(0, 0, 0)を通過したビームレットとなす角度が9.8°となるようにした(表3)。 Therefore, the beamlet that has passed through the three points (0.471, 0, 0), (-0.235, 0.408, 0), and (-0.235, -0.408, 0) is a space. At the time of emission to, the angle formed by the beamlet that passed through (0, 0, 0) was set to 7.7 ° (Table 2). In addition, (0.858, 0, 0), (0.429, 0.743, 0), (-0.429, 0.743, 0), (-0.858, 0, 0), (-. The beamlet that has passed through the six points of 0.429, -0.743,0) and (0.429, -0.743,0) will have (0, 0, 0) when it is radiated into space. The angle formed with the passed beamlet was set to 9.8 ° (Table 3).
表2と表3に示すように、実施例2の光学系においては、xy平面方向への放射角度範囲が最大約112°、xz平面方向への放射角度範囲が33°となった。放射されたビームの目標値との誤差、補正に用いた仮想レンズの曲率半径を表2にまとめた。誤差は、仮想レンズを介した場合で最大0.3°程度まで減少した。この誤差を小さくするには、LCOSの原点に固定している仮想レンズの中心を、各ビームレットに対して最適化するよう動かした上で曲率半径の最適化を行えばよい。 As shown in Tables 2 and 3, in the optical system of Example 2, the radiation angle range in the xy plane direction was about 112 ° at the maximum, and the radiation angle range in the xz plane direction was 33 °. Table 2 summarizes the error from the target value of the emitted beam and the radius of curvature of the virtual lens used for correction. The error was reduced to a maximum of about 0.3 ° when using a virtual lens. In order to reduce this error, the center of the virtual lens fixed to the origin of the LCOS may be moved so as to be optimized for each beamlet, and then the radius of curvature may be optimized.
(比較例)
表4は、比較例に係る光放射装置の構成によるシミュレーション結果を示す表である。(Comparison example)
Table 4 is a table showing the simulation results according to the configuration of the light emitting device according to the comparative example.
比較例においても、空間光変調器20(空間光変調ユニット)として、Liquid Crystal On Silicon(LOCS)素子を選択した。座標系の定義は実施例1に準じた。直径12mmの球の表面に金属めっきを施したものを準備した。球の表面上に透明層32(球殻)を設けていない点で実施例1・実施例2と異なる。そして、この球を、中心位置の座標が(13.2,0,81)となるように設置した。 Also in the comparative example, the Liquid Crystal On Silicon (LOCS) element was selected as the spatial light modulator 20 (spatial light modulation unit). The definition of the coordinate system conforms to Example 1. A sphere having a diameter of 12 mm with metal plating on the surface was prepared. It differs from Example 1 and Example 2 in that the transparent layer 32 (spherical shell) is not provided on the surface of the sphere. Then, this sphere was installed so that the coordinates of the center position were (13,2,0,81).
実施例1・実施例2と同様に、空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に、光学要素15として、ポリカーボネート製のメニスカスレンズを配置した。メニスカスレンズの直径は6mm、各面の曲率半径は、凸面が19mm、凹面が41mmとした。メニスカスレンズの光軸上の厚みは2.5mmとした。メニスカスレンズの主軸(光軸)をz軸と平行に、レンズの凹面をLCOS側へ向け、レンズの主軸と凸面の交点が(3.2,0,18)となるよう設置した。
Similar to the first and second embodiments, a polycarbonate meniscus lens was arranged as the
光源11からの出射光L10の波長は905nmとした。光は、LCOSへの入射時には実質的に平行である、半径1.6mmのガウスビームとした。光の入射時のベクトルは、(0.174,0,−0.985)とした。
The wavelength of the emitted light L10 from the
表4に示すシミュレーションの条件及び結果について説明する。
シミュレーション及び補正の方法は実施例1に準じた。代表として以下に挙げた点へ入射したビームレットを抽出した。これらは、LCOS上にある(0.8,0,0)、(−0.4,0.693,0)、(−0.4,−0.693,0)、(1.6,0,0)、(0.8,1.386,0)、(−0.8,1.386,0)、(−1.6,0,0)、(−0.8,−1.386,0)、(0.8,−1.386,0)の9点を通過するビームとした。これらの点を通過し、かつ対象物へ放射されたたビームレットのベクトルを、(0,0,0)を通過したビームレットのそれと比較して広がり角度を計算した。The simulation conditions and results shown in Table 4 will be described.
The method of simulation and correction was in accordance with Example 1. As a representative, beamlets incident on the points listed below were extracted. These are on the LCOS (0.8,0,0), (-0.4,0.693,0), (-0.4, -0.693,0), (1.6,0). , 0), (0.8, 1.386, 0), (-0.8, 1.386, 0), (-1.6, 0, 0), (-0.8, -1.386) , 0), (0.8, -1.386, 0) 9 points were used as the beam. The spread angle was calculated by comparing the vector of the beamlet that passed through these points and radiated to the object with that of the beamlet that passed through (0,0,0).
表4に示すように、比較例の光学系においては、xy平面方向への放射角度範囲が最大約159°、xz平面方向への放射角度範囲が50°と、実施例1よりわずかに狭い範囲となった。放射されたビームの広がりは、各ビームレットへ同じ角度で回転操作を施した場合で最大3.4°と実施例1より大きくなった。仮想レンズを介して、実施例1と同じ角度分解能で補正を施した場合でも最大1.8°程度までしか広がり角度は減少しなかった。 As shown in Table 4, in the optical system of the comparative example, the radiation angle range in the xy plane direction is about 159 ° at the maximum, and the radiation angle range in the xz plane direction is 50 °, which is slightly narrower than that in the first embodiment. It became. The spread of the emitted beam was 3.4 ° at maximum when each beamlet was rotated at the same angle, which was larger than that of Example 1. Even when the correction was performed with the same angular resolution as in Example 1 through the virtual lens, the spreading angle decreased only up to about 1.8 °.
<第2実施形態>
図3は、第2実施形態に係る光放射装置の構成を示す図である。第2実施形態においては、第1実施形態における光学要素15に代えて、1枚以上の鏡を含む光学要素を用いている。その他の構成は第1実施形態と同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用する。<Second Embodiment>
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a light emitting device according to a second embodiment. In the second embodiment, instead of the
第2実施形態に係る光放射装置においても、第1実施形態と同様に、光源11からの出射光L20はコリメート光学系13でコリメート光とされ、平面ミラー14で反射されて空間光変調器20へ入射する。さらに、空間光変調器20から出射される変調光(図3に例示する変調光L21、L22、L23)は、光学要素としての凸面鏡16と凹面鏡17でそれぞれ反射されて透明層32へ入射する。この変調光は、透明層32の表面33に入射する際に屈折し、反射面31で反射した後に表面33から出射する際にも屈折する。
In the light emitting device according to the second embodiment, as in the first embodiment, the light L20 emitted from the
空間光変調器20と反射体30の透明層32とを結ぶ光路上には、例えば次の(A)、(B)のような、1枚以上の鏡を含む光学要素が配置されている。この光学要素による作用・効果は第1実施形態における光学要素と同様である。
(A)空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に配置された、1枚以上の凹面鏡と1枚以上の凸面鏡の球面鏡との組み合わせからなる光学要素:
この光学要素における、1枚以の凹面鏡と1枚以上の凸面鏡の球面鏡については、それぞれの光軸が空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上にあることが好ましい。図3に示す例では、反射体30側に配置された1枚の凹面鏡17と、空間光変調器20側に配置された1枚の凸面鏡16とを組み合わせた場合の構成を示している。この構成によれば、空間光変調器20から透明層32までの光路長を変えることなく、空間光変調器20と反射体30の距離を短くすることができるため、光放射装置のサイズを小さく抑えることが可能となる。Optical elements including one or more mirrors, such as the following (A) and (B), are arranged on the optical path connecting the spatial
(A) An optical element composed of a combination of one or more concave mirrors and one or more convex mirror spherical mirrors arranged on an optical path connecting the spatial
For the spherical mirrors of one or more concave mirrors and one or more convex mirrors in this optical element, it is preferable that their respective optical axes are on the optical path connecting the spatial
(B)空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上に配置された、球面レンズと球面鏡の組み合わせからなる光学要素:
この光学要素における球面レンズと球面鏡は、その焦点距離の正負が互いに異なるような形状とされている。この光学要素の、球面レンズと球面鏡の組み合わせについては、それぞれの光軸が空間光変調器20と透明層32を結ぶ光路上にあることが好ましい。
なお、その他の作用、効果、変形例は第1実施形態と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。(B) An optical element composed of a combination of a spherical lens and a spherical mirror arranged on an optical path connecting the spatial
The spherical lens and the spherical mirror in this optical element are shaped so that the positive and negative of the focal lengths are different from each other. Regarding the combination of the spherical lens and the spherical mirror of this optical element, it is preferable that each optical axis is on the optical path connecting the spatial
The other actions, effects, and modifications are the same as those in the first embodiment.
Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be improved or modified within the purpose of improvement or the idea of the present invention.
以上のように、本発明に係る光放射装置は、コストを抑えた簡便な構成において、高い信頼性を確保しつつ、広い角度範囲に精度良く光を放射することができる点で有用である。 As described above, the light emitting device according to the present invention is useful in that it can emit light accurately over a wide angle range while ensuring high reliability in a simple configuration with reduced cost.
11 光源
12 変調光制御部
13 コリメート光学系
14 平面ミラー
15 光学要素
16 凸面鏡(光学要素)
17 凹面鏡(光学要素)
20 空間光変調器(空間光変調ユニット)
21 平面
30 反射体
31 反射面
32 透明層
33 表面
41 受光部
42 物体情報検知部
L10、L20 出射光
L11、L12、L13、L21、L22、L23 変調光
S 対象物11
17 Concave mirror (optical element)
20 Spatial Light Modulator (Spatial Light Modulation Unit)
21
Claims (10)
前記コヒーレント光源から入射した光を変調し、変調光を所定の方向へ出射する空間光変調ユニットと、
球面の少なくとも一部である反射面を有する反射体と
を備えた光放射装置であって、
前記反射体には、前記反射面を覆う透明層が積層され、
前記透明層の表面が球面の少なくとも一部で構成され、
前記空間光変調ユニットから前記透明層へ入射した光が前記反射面で反射されて外部へ放射されることを特徴とする光放射装置。A coherent light source that emits coherent light,
A spatial light modulation unit that modulates the light incident from the coherent light source and emits the modulated light in a predetermined direction.
A light emitting device including a reflector having a reflecting surface that is at least a part of a spherical surface.
A transparent layer covering the reflective surface is laminated on the reflector.
The surface of the transparent layer is composed of at least a part of a spherical surface.
A light emitting device, characterized in that light incident on the transparent layer from the spatial light modulation unit is reflected by the reflecting surface and radiated to the outside.
前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記受光部における受光結果に基づいて、前記対象物の物体情報を検知する物体情報検知部とを備えることを特徴とする物体情報検知装置。An object information detection device comprising the light emitting device according to any one of claims 1 to 9, wherein the object is irradiated with the reflected light from the reflecting surface.
A light receiving unit that receives the reflected light from the object and
An object information detection device including an object information detection unit that detects object information of the object based on a light reception result in the light receiving unit.
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