JP7550221B2 - 光学モジュールおよび距離測定装置 - Google Patents

Description

本技術は、光学モジュールに関する。詳しくは、光ビームを対象物に照射する光学モジュール、および、その光学モジュールを利用した距離測定装置に関する。

光ビームを対象物に照射する光学モジュールは、光の空間伝搬時間計測（ＴｏＦ：Time of Flight）による距離の測定や、物体の形状認識などの用途に利用される。そのような光学モジュールとして、光ビームを走査して、それぞれの走査位置に対応する物体からの反射光を検出するものが知られている。例えば、走査光としてスリット光を用いた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２－０３９７１６号公報

上述の従来技術では、測定対象範囲全面に照射する場合と比べて、発光部の光出力を低減でき、外光によるノイズの発生を抑制することができる。しかしながら、この従来技術では、スリット光（線状の光ビーム）を生成するためにシリンドリカルレンズが用いられており、走査した光ビームを入射した際に、その入射角度が垂直入射からずれるに従って、線状の光ビームは直線から曲線に歪むという現象が生じる。光ビームが直線から歪んだ場合、２次元状に配列された受光部の１つの列で、ある走査位置に応じた物体からの反射光を検出することは難しくなる。具体的には、１列の受光部の端の方では、反射光の位置がずれ、検出できる光量が減少してしまい、距離精度の低下が生じる。これに対し、複数の列で検出するようにした場合、外光によるノイズの影響を受けやすくなる。また、線状の光ビームの幅を広げた場合、その分、発光部の光出力を上げる必要があり、消費電力が増加してしまう。しかも、目への安全規定により光出力を上げることができない場合もある。

本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、光ビームを対象物に照射してその反射光を検出する光学モジュールにおいて、走査した光ビームの入射角度によらずに、歪のない線状の光ビームを照射することを目的とする。

本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、所定の方向に配置された複数の発光素子を備える発光部と、上記複数の発光素子の各々から出射された光ビームを略平行光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにして所定の絞り中心点に集める集光部と、上記集光部を介した光ビームを光学面によって上記発光部の上記配置方向と略直交する線方向の線状光ビームに変換する光変換部と、上記線状光ビームに対する対象物からの反射光を検出する光検出部とを具備し、上記光変換部の光学面は、上記配置方向の曲率半径が上記線方向の位置によらず上記配置方向の仮想絞り中心点から上記光学面の中心点までの距離と略等しい光学モジュールおよび距離測定装置である。これにより、歪みのない線状の光ビームを出射させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記光変換部は、上記線方向の曲率半径により上記線状光ビームを生成するようにしてもよい。これにより、走査された光ビームと直交する線状光ビームを生成するという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記光変換部の光学面は、上記配置方向を示すＸ軸および上記線方向を示すＹ軸に直交するＺ軸に沿って上記光学面におけるＸ＝０の面上のＺ位置から上記配置方向の曲率半径だけ離れた位置を中心としてＹ軸に平行な軸で回転させた形状を備えてもよい。これにより、光学面に対して垂直方向に直交した角度で光ビームを入射させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記光学面は、以下の条件式を満足するようにしてもよい。光学面に対して垂直方向に直交した角度で光ビームを入射させて、歪みのない線状の光ビームを出射させるという作用をもたらす。
ｚ＝（ｙ^２／ｒｙ）／（１＋（１－（１+κ）・ｙ^２／ｒｙ^２）^１／２）
＋Ａ・ｙ^４＋Ｂ・ｙ^６＋Ｃ・ｙ^８＋…
＋（ｘ^２／ｒｘ）／（１＋（１－ｘ^２／ｒｘ^２）^１／２）
ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の座標であり、κはコーニック定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第４次、第６次、第８次の非球面係数であり、ｒｘは上記配置方向の曲率半径であり、ｒｙは上記線方向の曲率半径である。

また、この第１の側面において、上記光変換部は、光学レンズ、上記配置方向に対して鋸歯形状の格子を有する回折格子、または、上記配置方向に対して湾曲した拡散板の何れかであってもよい。

また、この第１の側面において、上記発光部は、上記複数の発光素子を２次元状に配置した面発光半導体レーザであってもよい。

また、この第１の側面において、上記光検出部は、複数の受光部を備え、上記複数の受光部のうち、上記発光部における配置位置に応じた物体からの反射光を検出するもののみを選択的に動作させるようにしてもよい。これにより、不要光の受光を抑止して、不要光に伴うノイズを低減させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記集光部は、コリメータレンズを備えてもよい。また、上記集光部は、シリンドリカルレンズを備えてもよく、この場合において、上記発光部の直近の上面に配置されたマイクロシリンドリカルレンズをさらに備えてもよい。

また、この第１の側面において、上記発光部は、上記複数の発光素子を上記配置方向に沿って１次元に配置したものであってもよい。また、上記発光部は、上記複数の発光素子を上記配置方向および上記線方向に沿って２次元状に配置したものであってもよい。この場合において、上記発光部は、上記２次元状の上記発光素子の配置を樽状に外側に膨らませたものであってもよい。

また、この第１の側面において、上記光変換部は、上記仮想絞り中心点より奥側に配置されてもよく、また、上記仮想絞り中心点より手前側に配置されてもよい。いずれの場合であっても、光変換部の光学面が、上記配置方向の曲率半径が上記線方向の位置によらず上記配置方向の仮想絞り中心点から上記光学面の中心点までの距離と略等しいものであればよい。

また、この第１の側面において、上記仮想絞り中心点に配置される回折格子をさらに具備してもよい。これにより、出射角度領域を広げるという作用をもたらす。

本技術の第１の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における光学レンズ１６１の光学面（Ｓ１）の面形状の例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における光学レンズ１６１により形成される出射光ビーム１１の形状の比較例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における半導体レーザ１１０の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における光検出器１８０の構造の例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第１の例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第２の例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第３の例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における拡散板１６３の形状の例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態におけるマイクロシリンドリカルレンズ１３０の配置例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の上面図の一例を示す図である。 本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の変形例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の上面図の一例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の変形例を示す図である。 本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。 本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。 本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の他の例を示す図である。 本技術の実施の形態の第１の変形例における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。 本技術の実施の形態の第２の変形例における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。

以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（光変換部として光学レンズを用いた例）
２．第２の実施の形態（光変換部として回折格子を用いた例）
３．第３の実施の形態（光変換部として拡散板を用いた例）
４．第４の実施の形態（集光部としてマイクロシリンドリカルレンズおよびシリンドリカルレンズを用いた例）
５．第５の実施の形態（発光部として樽状に配置された発光素子を用いた例）
６．第６の実施の形態（光変換部を絞り中心点より手前に配置した例）
７．変形例（絞り中心点に回折格子を配置した例）

＜１．第１の実施の形態＞
［距離測定装置］
図１は、本技術の第１の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。

距離測定装置１００は、光ビームを対象物に照射してその反射光を検出する光学モジュールの一例であり、光の飛行時間を計測して対象物との距離を測定する装置である。この距離測定装置１００は、半導体レーザ１１０と、コリメータレンズ１２０と、光学レンズ１６１と、集光レンズ１７０と、光検出器１８０と、制御部１９０とを備える。

なお、以下の実施の形態では、光の飛行時間を計測して対象物との距離を測定する距離測定装置の例を示すが、本技術はこれに限定されるものではない。例えば、ストラクチャードライト（Structured Light：構造化光）の方式によって距離を測定する距離測定装置に用いることも可能である。

半導体レーザ１１０は、光ビームを出射するレーザ光源である。この半導体レーザ１１０は、１次元に配置された端面発光型の半導体レーザであってもよく、また、面発光型の半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diodes）であってもよい。また、半導体レーザ１１０は、個別に発光素子を切替えることが可能となっており、所定の方向に配置された発光素子の発光切替によって、光を走査することが可能となっていることが望ましい。また、順番に発光を切替えて走査するのではなく、ランダムに発光切替を行ってもよい。なお、半導体レーザ１１０は、特許請求の範囲に記載の発光部の一例である。

コリメータレンズ１２０は、半導体レーザ１１０から出射された光ビームを、略平行な光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにするレンズである。このコリメータレンズ１２０を通過した光ビームは、距離に応じて所定の角度幅のビームが広がる一方で、距離によらずにある１つのライン状の受光部が検出する範囲に相当する被対象物体のライン状の範囲全体に照射される状況となっていることが望ましい。すなわち、このコリメータレンズ１２０は、半導体レーザ１１０から出射された光ビームを、所定の絞り中心点に集めるものである。なお、コリメータレンズ１２０は、特許請求の範囲に記載の集光部または光照射部の一例である。

光学レンズ１６１は、半導体レーザ１１０の発光切り替えによって走査された光ビームを、出射光ビーム１１として出射するレンズである。この光学レンズ１６１は、光入射側の光学面（Ｓ０）は、光学平面となっている。光出射側の光学面（Ｓ１）は、垂直（Ｘ）方向、および、水平（Ｙ）方向にそれぞれ異なる曲率半径（ｒｘおよびｒｙ）を有する。水平（Ｙ）方向の曲率は、所望の水平方向ライン広がり（ＨＦＯＶ：Horizontal Field of View）を得るための光学面形状となっている。すなわち、線状光ビームが形成される線方向は、水平方向になる。この光学面は、球面に限定されず、自由曲面形状や非球面形状であってもよい。また、この光学面（Ｓ１）の面形状が、入射されたガウス形状の強度分布を、光強度が均一化されたトップフラット形状の強度分布をもつ光ビームに変換する機能を有してもよい。

垂直（Ｘ）方向の曲率半径ｒｘは、水平方向の位置によらず、同図に示す仮想走査中心点Ｏｘから出射側光学面（Ｓ１）までの長さと略等しく設定されていることが望ましい。なお、仮想走査中心点とは、被照射物体側からみた半導体レーザ１１０の発光切替えによって走査された出射光ビームを、それぞれ距離測定装置１００の奥行方向に延長したときに集まる点の位置であり、仮想回転中心点とも呼称される。また、光学的には、仮想発光点である。なお、仮想走査中心点は、特許請求の範囲に記載の仮想絞り中心点の一例である。

光学レンズ１６１による出射光ビーム１１は、測距の対象物に照射され、反射散乱される。出射光ビーム１１に対する対象物からの反射光は、反射光ビーム１２として距離測定装置１００に入射される。なお、光学レンズ１６１は、特許請求の範囲に記載の光変換部の一例である。

集光レンズ１７０は、対象物からの反射光ビーム１２を集光するレンズである。この集光レンズ１７０により集光された反射光ビーム１２は、光検出器１８０に導かれる。

光検出器１８０は、対象物からの反射光ビーム１２を検出するものである。この光検出器１８０は、後述するように、集光レンズ１７０に対する面に複数のライン状の受光部を備えており、これらを順次有効にすることにより光を検出する。なお、光検出器１８０は、特許請求の範囲に記載の光検出部の一例である。

制御部１９０は、距離測定装置１００における測距動作を制御するものである。すなわち、この制御部１９０は、半導体レーザ１１０の発光タイミング、半導体レーザ１１０の発光切替えによる走査位置、光検出器１８０における受光部選択の同期制御、光検出タイミングの計測を行う。これにより、発光した光が被対象物で反射されて、反射光として検出されるまでに要した飛行時間が計測され、被対象物体までの距離が測定される。その際、反射波を観測する直接的な手法（ダイレクトＴｏＦ）や、矩形波の移相の変化による間接的な手法（インダイレクトＴｏＦ）などの様々な手法を用いることができる。なお、制御部１９０は、特許請求の範囲に記載の測定部の一例である。

なお、この例では、水平方向に広がったライン状の光ビームを半導体レーザ１１０の発光切替えによって垂直方向に走査する例を示した。ただし、垂直方向に広がったライン状の光ビームを半導体レーザ１１０の発光切替えによって水平方向に走査するようにしてもよい。

［光学レンズ］
図２は、本技術の第１の実施の形態における光学レンズ１６１の光学面（Ｓ１）の面形状の例を示す図である。

同図におけるａに示すように、Ｘ＝０のＹＺ平面において、Ｚ軸上を中心とする任意の曲率半径ｒｙで描かれる曲線がある。この曲線上の任意の点からＺ軸に平行にｒｘ離れた位置を中心に、ＸＺ平面と平行に（すなわち、Ｙ軸に平行な軸を中心に）回転することによって、曲面が描かれる。このようにして描かれた曲面が、同図におけるｂに示す光学面（Ｓ１）となる。すなわち、光学面（Ｓ１）は、走査方向を示すＸ軸および線方向を示すＹ軸に直交するＺ軸に沿って、仮想走査中心点Ｏｘから走査方向の曲率半径ｒｘだけ離れた位置を中心として、Ｙ軸に平行な軸で回転させた形状を有する。

同図におけるｂに示すように、ＹＺ平面に平行な面で切り取った断面から得られる曲線は、常に曲率半径ｒｙ０で作られる同一の曲線となる。また、ＸＺ平面に平行な面で切り取った断面から得られる曲線は、常に曲率半径ｒｘ０となる。なお、ＹＺ平面に平行な面で切り取った断面から得られる曲線は、上述のように、所望の水平方向ライン広がり（ＨＦＯＶ）を得るために必要な光学面形状であり、球面に限定されず、自由曲面形状や非球面形状であってもよい。

この光学面形状は、以下の条件式で表すことができる。
ｚ＝（ｙ^２／ｒｙ）／（１＋（１－（１+κ）・ｙ^２／ｒｙ^２）^１／２）
＋Ａ・ｙ^４＋Ｂ・ｙ^６＋Ｃ・ｙ^８＋…
＋（ｘ^２／ｒｘ）／（１＋（１－ｘ^２／ｒｘ^２）^１／２）
ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の座標であり、κはコーニック定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第４次、第６次、第８次の非球面係数であり、ｒｘは走査方向の曲率半径であり、ｒｙは線方向の曲率半径である。変数ｙで表される第１項およびその高次項までが、ライン状の光ビームを生成するためのｙ方向のレンズ面形状を表す項であり、変数ｘで表される最終項が、走査された光ビームと直交する面を作るためのｘ方向のレンズ形状を表す項となる。

図３は、本技術の第１の実施の形態における光学レンズ１６１により形成される出射光ビーム１１の形状の比較例を示す図である。

ここまで説明したように、光学レンズ１６１の光学面形状、および、垂直（Ｘ）方向の曲率半径ｒｘが光学面から仮想走査中心点Ｏｘまでの長さと略一致していることにより、走査された光ビームは、常に光学面に対して垂直方向に直交した角度で入射されることとなる。これにより、同図におけるａに示すように、Ｙ方向の曲率半径ｒｙによってのみ光ビームが広げられ（または、狭められ）、光学レンズを出射したライン状の光ビームは、その走査位置によらずに、歪むことなく直線状の光ビームとなる。

一方、同図におけるｂに示すように、例えばシリンドリカルレンズなどのＸＹトロイダル面の面形状を用いた場合には、上述の実施の形態とは異なり、歪みのない直線状の光ビームを得ることは困難である。このトロイダル面は、Ｙ方向の曲率半径ｒｙを有し、Ｙ軸と平行な、光学面のＺ軸上の位置から曲率半径ｒｘの位置を軸とする回転対称な面で形成されたものである。

なお、上述の実施の形態では、光学レンズの光入射側の光学面（Ｓ０）を光学平面としたが、これに限定されるものではない。例えば、この光入射側の光学面も上述の出射側の光学面（Ｓ１）と同様に形成して、入射側および出射側両方の光学面によって、歪みのない直線状の光ビームを生成することも可能である。

［半導体レーザ］
図４は、本技術の第１の実施の形態における半導体レーザ１１０の一例を示す図である。

この第１の実施の形態における半導体レーザ１１０は、複数の発光素子１１１が１次元（１列）に配置されたものである。複数の発光素子１１１の各々は、例えば、シングルエミッタ型の半導体レーザを想定することができる。この１つの発光素子１１１から発光された光は、コリメータレンズ１２０によってコリメートされて、光学レンズ１６１を介して横方向の１本のラインを形成する。

複数の発光素子１１１の各々は個別に発光し、順次発光するものが切り替えられる。これにより、ラインの位置が切り替わって、走査が行われる。すなわち、複数の発光素子１１１の配置方向が走査方向となる。

［光検出器］
図５は、本技術の第１の実施の形態における光検出器１８０の構造の例を示す図である。

光検出器１８０は、垂直方向および水平方向に分割された複数の受光部１８１を備える。ある位置に走査された光ビームは、被対象物で反射散乱され、水平に並んだライン状の受光部１８１に導かれる。ここで得られるライン状の光ビームは、歪みがなく直線状であるため、その反射光の検出のために必要なラインの受光部１８２のみを選択的にオンにして、他のラインの受光部１８１をオフにすることが容易である。これによって、太陽光などの外光からの不要光の影響により発生するノイズを低減することが可能となる。

なお、この光検出器１８０において検出される反射光ビーム１２は、出射光ビーム１１とは上下関係が逆になる。したがって、半導体レーザ１１０の発光切替えによる走査が上から下に行われた場合には、光検出器１８０においては下から上に受光部１８１を有効にしていくよう制御する必要がある。

このように、本技術の第１の実施の形態では、光学レンズ１６１の光学面形状を利用して、半導体レーザ１１０の発光切替えによって走査された光ビームと直交させて、ライン状の光ビームを形成する。これにより、歪みのない直線状の出射光ビーム１１を生成することができる。

＜２．第２の実施の形態＞
［距離測定装置］
図６は、本技術の第２の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。

上述の第１の実施の形態では光学レンズ１６１を用いてライン状の光ビームを生成していたが、この第２の実施の形態では回折格子１６２を用いてライン状の光ビームを生成する。したがって、第１の実施の形態における光学レンズ１６１に代えて回折格子１６２を備える点以外は上述の第１の実施の形態と同様であるため、他の構成については詳細な説明を省略する。

回折格子１６２は、走査方向に対して鋸歯形状の格子を有する光学素子である。走査方向については、フレネルレンズが形成されている状態であり、その光学面形状は上述の第１の実施の形態の面形状に準ずるものとなる。この回折格子１６２の素材としては、ガラスまたは樹脂が想定される。なお、回折格子１６２は、特許請求の範囲に記載の光変換部の一例である。

また、走査方向に直交する方向の面形状は、光学平面に対して加工が可能である様々な形状を適用することができる。以下に、その具体例を示す。

［回折格子］
図７は、本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第１の例を示す図である。

この回折格子１６２の第１の例は、走査方向および走査方向に直交する方向の両者に、階段状（ステップ状）の格子を備えるフレネルレンズである。すなわち、上述の第１の実施の形態の光学面をフレネルレンズにより実現したものと等価である。鋸歯形状の作製においては、切削加工により、文字通り鋸歯の形状にしたものでもよく、また、半導体リソグラフィプロセスにより、階段状（ステップ状）の形状にしたものでもよい。同図では、鋸歯形状の一例として、階段状（８レベル）の形状の例を示している。これにより、所望の広がり角のライン状の光ビームを生成する。

図８は、本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第２の例を示す図である。

この回折格子１６２の第２の例は、走査方向に鋸歯形状の格子を備えるとともに、走査方向に直交する方向に矩形形状の格子を備えるフレネルレンズである。これにより、±１次光を利用して、所望の広がり角のライン状の光ビームを生成する。

図９は、本技術の第２の実施の形態における回折格子１６２の第３の例を示す図である。

この回折格子１６２の第３の例は、走査方向に鋸歯形状の格子を備えるフレネルレンズであるとともに、走査方向に直交する方向には線状の拡散板を設け、水平方向のみに所望の広がり角のライン状の光ビームを生成する。

なお、これら第１乃至第３の例における形状が曲面に対して加工可能である場合、レンズ面形状に適用することも可能であるが、加工の容易性やウエハレベルでの加工によるバッチ生産を考慮すると、光学平面への加工の方がより望ましい。

このように、本技術の第２の実施の形態によれば、回折格子１６２を利用して、走査された光ビームと直交させて、ライン状の光ビームを形成することにより、歪みのない直線状の出射光ビーム１１を生成することができる。

＜３．第３の実施の形態＞
［距離測定装置］
図１０は、本技術の第３の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。

上述の第１の実施の形態では光学レンズ１６１を用いてライン状の光ビームを生成していたが、この第３の実施の形態では拡散板１６３を用いてライン状の光ビームを生成する。したがって、第１の実施の形態における光学レンズ１６１に代えて拡散板１６３を備える点以外は上述の第１の実施の形態と同様であるため、他の構成については詳細な説明を省略する。

拡散板１６３は、仮想走査中心点から見て曲率半径ｒｘとなるように湾曲した拡散板である。この湾曲した拡散板１６３の垂直（Ｘ）方向の曲率半径ｒｘは、水平方向の位置によらず仮想走査中心点から出射側光学面までの長さと略等しく設定されていることが望ましい。これにより、走査された光ビームは、常に光学面に対して垂直方向に直交した角度で入射されることになり、拡散板１６３の線状の部分によって走査方向に対して垂直な方向のみに光ビームが広げられる。したがって、拡散板１６３を出射したライン状の光ビームは、その走査位置によらずに、歪むことなく直線状の光ビームとなる。この例においては、仮想走査中心点は、各発光素子から発せられた光ビームが集光される絞り中心点と一致している。なお、拡散板１６３は、特許請求の範囲に記載の光変換部の一例である。

図１１は、本技術の第３の実施の形態における拡散板１６３の形状の例を示す図である。

この例では、拡散板１６３は、垂直方向に湾曲している一方で、垂直方向に直交した方向は直線状の形状を備える。したがって、シリンドリカルレンズなどのＸＹトロイダル面の面形状と異なり、歪むことなく直線状の光ビームを生成することができる。

このように、本技術の第３の実施の形態によれば、拡散板１６３を利用して、走査された光ビームと直交させて、ライン状の光ビームを形成することにより、歪みのない直線状の出射光ビーム１１を生成することができる。

＜４．第４の実施の形態＞
［距離測定装置］
図１２は、本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。

上述の実施の形態では１次元に配置された発光素子により形成された半導体レーザ１１０を想定したが、以下の実施の形態では発光素子を２次元状に配置した半導体レーザ１１０を想定する。この場合、半導体レーザ１１０は、列ごとに発光を切替えることが可能となっており、配置された発光素子の発光切替えによって、物体面２０１において線状ビーム２０３を走査することが可能となっていることを想定する。

この第４の実施の形態では、半導体レーザ１１０の直近の上面にマイクロシリンドリカルレンズ１３０を備える。また、半導体レーザ１１０と拡散板１６３の間にシリンドリカルレンズ１４０を備える。

マイクロシリンドリカルレンズ１３０は、走査方向に対して略直行する線方向にのみ曲率を持つレンズである。このマイクロシリンドリカルレンズ１３０は、半導体レーザ１１０の発光素子の各々から発光された光ビームを各々平行光にしつつ、互いの光ビームも平行に出射する。なお、同図には棒状のマイクロシリンドリカルレンズが個別に配置されている例を記載したが、一つの平面平板上にマイクロシリンドリカルレンズが複数形成されたマイクロシリンドリカルレンズアレイを配置することも可能である。

シリンドリカルレンズ１４０は、マイクロシリンドリカルレンズ１３０とは曲率方向が直交するレンズである。これにより、仮想走査中心点（仮想絞り中心点）に入射される光ビームは、上述の第１乃至３の実施の形態のような１次元に配置された発光素子から入射された光ビームと同様なものとなる。

図１３は、本技術の第４の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を示す図である。

この第４の実施の形態における半導体レーザ１１０では、発光素子１１１が２次元状に配置される。この図において、横方向が線方向（Ｙ方向）であり、縦方向が走査方向（Ｘ方向）である。このうち、横方向に配置された発光素子１１１が列１１２毎にまとめて発光する。この列１１２毎の発光を切替えていくことにより走査が行われる。なお、この第４の実施の形態では、発光素子１１１が２次元状に一つの半導体レーザ１１０内に構成された例を示したが、一つであることに限定されるものではなく、例えば列状に配列した半導体レーザを並べた構成であってもよい。

また、縦方向に配置された発光素子１１１のグループ１１３の上面には、それぞれマイクロシリンドリカルレンズ１３０が配置される。

図１４は、本技術の第４の実施の形態におけるマイクロシリンドリカルレンズ１３０の配置例を示す図である。

同図に示すように、マイクロシリンドリカルレンズ１３０は、蒲鉾状に連なる形状を有している。マイクロシリンドリカルレンズ１３０は、縦方向のグループ１１３に対して１つずつ配置される。これにより、マイクロシリンドリカルレンズ１３０は、横方向にのみ曲率を持つことになる。

図１５は、本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。図１６は、本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の上面図の一例を示す図である。

この第４の実施の形態では、マイクロシリンドリカルレンズ１３０の曲率に従って半導体レーザ１１０の発光素子１１１からの光がコリメートされて、その方向に関しては平行に光が出射される。

一方、マイクロシリンドリカルレンズ１３０が作用せずにコリメートされなかった光については、シリンドリカルレンズ１４０に至るまでは発散し、シリンドリカルレンズ１４０において平行光になる。

なお、この第４の実施の形態においては、マイクロシリンドリカルレンズ１３０は、面発光の半導体レーザ１１０の直近に別部品として配置することを想定したが、両者は一体形成されてもよい。この場合、半導体レーザ１１０として、特に裏面出射型の面発光レーザが用いられることがより望ましい。

このように、本技術の第４の実施の形態では、発光素子１１１を２次元状に配置した半導体レーザ１１０からの光を、マイクロシリンドリカルレンズ１３０およびシリンドリカルレンズ１４０を用いて平行光にする。これにより、１本の線に対して複数の発光素子１１１からの光を反映させることができ、出力される光のパワーを向上させることができる。

［変形例］
図１７は、本技術の第４の実施の形態における距離測定装置１００の変形例を示す図である。

上述の第４の実施の形態では、マイクロシリンドリカルレンズ１３０およびシリンドリカルレンズ１４０を用いていたが、マイクロシリンドリカルレンズ１３０を用いることなくシリンドリカルレンズ１４０のみを用いるようにしてもよい。この場合、シリンドリカルレンズ１４０によって走査方向にのみコリメートすることになる。

＜５．第５の実施の形態＞
［距離測定装置］
図１８は、本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。

この第５の実施の形態においても、発光素子１１１を２次元状に配置した半導体レーザ１１０を想定する。一方、マイクロシリンドリカルレンズ１３０およびシリンドリカルレンズ１４０を用いずに、第１乃至３の実施の形態と同様にコリメータレンズ１２０を用いるものとする。

この場合において、コリメータレンズ１２０を通過して、仮想走査中心点（仮想絞り中心点）に入射される光ビームの、Ｘ（走査方向）－Ｚ断面の角度をＹ（線方向）によらず一定にすることにより、歪みの発生しない線状光ビームを生成することが可能となる。そのため、この第５の実施の形態では、半導体レーザ１１０において発光素子１１１を以下のように配置する。

図１９は、本技術の第５の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を示す図である。

この第５の実施の形態における半導体レーザ１１０では、Ｙ（線方向）によらず光ビームの入射方向を一定にするために、２次元状の発光素子１１１の配置を樽状に外側に膨らませたものとする。すなわち、Ｙ方向の位置に応じてＸ方向の高さを外側に変更した配置とする。

図２０は、本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。図２１は、本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の上面図の一例を示す図である。

このように、本技術の第５の実施の形態によれば、距離測定装置１００における２次元状の発光素子１１１の配置を樽状することにより、歪みの発生しない線状光ビームを生成することができる。

［変形例］
図２２は、本技術の第５の実施の形態における距離測定装置１００の変形例を示す図である。

上述の第５の実施の形態では、歪みのない線状光ビームを生成する技術について説明した。これに対し、さらに線方向の領域に対して発光素子１１１の切替を行って、２次元状の発光切替を行うことにより、２次元の分割領域２０２をゾーン駆動方式によって歪ませずに走査することができる。これにより、歪みのない２次元領域光ビームを生成することが可能になる。なお、同図では、９つの領域に分割した例を示しているが、分割数や分割方向、分割形状は、これに限定されるものではない。

＜６．第６の実施の形態＞
［距離測定装置］
図２３は、本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の構成例を示す図である。図２４は、本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。

上述の実施の形態では、光学レンズ１６１、回析格子１６２または拡散板１６３を仮想走査中心点（仮想絞り中心点）の奥側に配置していた。これに対し、この例では、上述の第４の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を基本として、拡散板１６３を仮想走査中心点（仮想絞り中心点）の手前側に配置している。この場合においても、拡散板１６３の光学面は、走査方向の曲率半径が線方向の位置によらず走査方向の仮想絞り中心点から拡散板１６３の光学面の中心点までの距離と略等しい。これにより、第４の実施の形態と同様に、歪みの発生しない線状光ビームを生成することができる。

ここでは、第４の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を基本とした例について説明したが、他の第１乃至３および５の実施の形態の構成例を基本としてよい。すなわち、光学レンズ１６１や回折格子１６２の配置を仮想走査中心点（仮想絞り中心点）の手前にしてもよい。これにより、第１乃至３および５の実施の形態と同様に、歪みの発生しない線状光ビームを生成することができる。

図２５は、本技術の第６の実施の形態における距離測定装置１００の他の例を示す図である。

この例では、上述の第６の実施の形態における半導体レーザ１１０の変形例を基本として、拡散板１６３を仮想走査中心点（仮想絞り中心点）の手前側に配置している。この場合においても、同様に、歪みの発生しない線状光ビームを生成することができる。

このように、本技術の第６の実施の形態によれば、光学レンズ１６１、回析格子１６２または拡散板１６３を仮想走査中心点（仮想絞り中心点）の手前側に配置することにより、光学系の全長を短くすることができる。

＜７．変形例＞
［第１の変形例］
図２６は、本技術の実施の形態の第１の変形例における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。

この第１の変形例は、上述の第１の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を基本として、光路中の絞り中心点に回折格子１５０を設けて、複製パターンを生成するものである。これにより、出射角度領域を広げることができる。この場合、回折格子１５０を通過した線状の回析光の光ビームは若干歪むことになるが、入射される０次光の線状光ビームが歪んでいないため、従来技術に比べて、回析光の歪みを抑制することができる。

［第２の変形例］
図２７は、本技術の実施の形態の第２の変形例における距離測定装置１００の断面図の一例を示す図である。

この第２の変形例は、上述の第６の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を基本として、光路中において、線状光ビームに変換する拡散板１６３の先の絞り中心点にに回折格子１５０を設けて、複製パターンを生成するものである。この場合においても、出射角度領域を広げることができ、また、入射される線状光ビームが歪んでいないため、従来技術に比べて、歪みを抑制することができる。

上述の例では第１および第６の実施の形態における半導体レーザ１１０の構成例を基本としたが、他の第２乃至５の実施の形態において絞り中心点に回折格子１５０を設けて出射角度領域を広げることができる。

このように、本技術の実施の形態によれば、生成された線状の光ビームが歪みをもたないため、その光ビームの走査位置に相当する物体からの反射光を検出するラインの受光部１８１で検出される光強度が高く維持される。また、受光部１８１の位置に寄らない検出効率とすることができる。光の受光部１８１での検出効率が高められることから、発光部である半導体レーザ１１０の光出力を抑制することができる。これは、半導体レーザ１１０の信頼性向上や、距離測定装置１００としての低消費電力化につながる。また、目に対する安全性の向上にもつながる。線状の光ビーム生成のための光学素子に加えて、そこで発生する歪みを補正する光学素子を付加する必要がなく、距離測定装置１００の小型化および低コスト化を図ることできる。また、歪み補正光学素子の追加により発生する光学調整の手間や、その環境によるずれの課題も発生しない。

なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）所定の方向に配置された複数の発光素子を備える発光部と、
前記複数の発光素子の各々から出射された光ビームを略平行光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにして所定の絞り中心点に集める集光部と、
前記集光部を介した光ビームを光学面によって前記発光部の前記配置方向と略直交する線方向の線状光ビームに変換する光変換部と、
前記線状光ビームに対する対象物からの反射光を検出する光検出部と
を具備し、
前記光変換部の光学面は、前記配置方向の曲率半径が前記線方向の位置によらず前記配置方向の仮想絞り中心点から前記光学面の中心点までの距離と略等しい
光学モジュール。
（２）前記光変換部は、前記線方向の曲率半径により前記線状光ビームを生成する
前記（１）に記載の光学モジュール。
（３）前記光変換部の光学面は、前記配置方向を示すＸ軸および前記線方向を示すＹ軸に直交するＺ軸に沿って前記光学面におけるＸ＝０の面上のＺ位置から前記配置方向の曲率半径だけ離れた位置を中心としてＹ軸に平行な軸で回転させた形状を備える
前記（２）に記載の光学モジュール。
（４）前記光学面は、以下の条件式を満足する請求項３記載の光学モジュール。
ｚ＝（ｙ^２／ｒｙ）／（１＋（１－（１+κ）・ｙ^２／ｒｙ^２）^１／２）
＋Ａ・ｙ^４＋Ｂ・ｙ^６＋Ｃ・ｙ^８＋…
＋（ｘ^２／ｒｘ）／（１＋（１－ｘ^２／ｒｘ^２）^１／２）
ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の座標であり、κはコーニック定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第４次、第６次、第８次の非球面係数であり、ｒｘは前記配置方向の曲率半径であり、ｒｙは前記線方向の曲率半径である。
（５）前記光変換部は、光学レンズである
前記（１）から（４）のいずれかに記載の光学モジュール。
（６）前記光変換部は、前記配置方向に対して鋸歯形状の格子を有する回折格子である
前記（１）から（４）のいずれかに記載の光学モジュール。
（７）前記光変換部は、前記配置方向に対して湾曲した拡散板である
前記（１）から（４）のいずれかに記載の光学モジュール。
（８）前記発光部は、前記複数の発光素子を２次元状に配置した面発光半導体レーザである
前記（１）から（７）のいずれかに記載の光学モジュール。
（９）前記光検出部は、複数の受光部を備え、
前記複数の受光部のうち、前記発光部における配置位置に応じた物体からの反射光を検出するもののみを選択的に動作させる
前記（１）から（８）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１０）前記集光部は、コリメータレンズを備える
前記（１）から（９）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１１）前記集光部は、シリンドリカルレンズを備える
前記（１）から（９）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１２）前記集光部は、前記発光部の直近の上面に配置されたマイクロシリンドリカルレンズをさらに備える前記（１１）に記載の光学モジュール。
（１３）前記発光部は、前記複数の発光素子を前記配置方向に沿って１次元に配置したものである
前記（１）から（１２）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１４）前記発光部は、前記複数の発光素子を前記配置方向および前記線方向に沿って２次元状に配置したものである
前記（１）から（１２）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１５）前記発光部は、前記２次元状の前記発光素子の配置を樽状に外側に膨らませたものである
前記（１４）に記載の光学モジュール。
（１６）前記光変換部は、前記仮想絞り中心点より奥側に配置される
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１７）前記光変換部は、前記仮想絞り中心点より手前側に配置される
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１８）前記仮想絞り中心点に配置される回折格子をさらに具備する
前記（１）から（１７）のいずれかに記載の光学モジュール。
（１９）所定の方向に配置された複数の発光素子を備える発光部と、
前記複数の発光素子の各々から出射された光を所定の角度幅の光ビームとして照射する光照射部と、
前記照射された光ビームを略平行光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにして所定の絞り中心点に集める集光部と、
前記集光部を介した光ビームを光学面によって前記発光部の前記配置方向と略直交する線方向の線状光ビームに変換する光変換部と、
前記線状光ビームに対する対象物からの反射光を検出する光検出部と、
前記光照射部が光を照射してから前記光検出部が前記反射光を検出するまでの時間である飛行時間を計測して前記対象物との距離を測定する測定部と
を具備し、
前記光変換部は、前記配置方向の曲率半径が前記線方向の位置によらず前記配置方向の仮想絞り中心点から前記光学面の中心点までの距離と略等しい光学面を有する
距離測定装置。

１１ 出射光ビーム
１２ 反射光ビーム
１００ 距離測定装置
１１０ 半導体レーザ
１１１ 発光素子
１２０ コリメータレンズ
１３０ マイクロシリンドリカルレンズ
１４０ シリンドリカルレンズ
１５０ 回折格子
１６１ 光学レンズ
１６２ 回折格子
１６３ 拡散板
１７０ 集光レンズ
１８０ 光検出器
１８１、 １８２ 受光部
１９０ 制御部
２０１ 物体面
２０２ 分割領域
２０３ 線状ビーム

Claims (19)

1. 所定の方向に配置された複数の発光素子を備える発光部と、
   前記複数の発光素子の各々から出射された光ビームを略平行光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにして所定の絞り中心点に集める集光部と、
   前記集光部を介した光ビームを光学面によって前記発光部の前記配置方向と略直交する線方向の線状光ビームに変換する光変換部と、
   前記線状光ビームに対する対象物からの反射光を検出する光検出部と
   を具備し、
   前記光変換部の光学面は、前記配置方向の曲率半径が前記線方向の位置によらず前記配置方向の仮想絞り中心点から前記光学面の中心点までの距離と略等しい
   光学モジュール。
2. 前記光変換部は、前記線方向の曲率半径により前記線状光ビームを生成する
   請求項１記載の光学モジュール。
3. 前記光変換部の光学面は、前記配置方向を示すＸ軸および前記線方向を示すＹ軸に直交するＺ軸に沿って前記光学面におけるＸ＝０の面上のＺ位置から前記配置方向の曲率半径だけ離れた位置を中心としてＹ軸に平行な軸で回転させた形状を備える
   請求項２記載の光学モジュール。
4. 前記光学面は、以下の条件式を満足する請求項３記載の光学モジュール。
   ｚ＝（ｙ^２／ｒｙ）／（１＋（１－（１+κ）・ｙ^２／ｒｙ^２）^１／２）
   ＋Ａ・ｙ^４＋Ｂ・ｙ^６＋Ｃ・ｙ^８＋…
   ＋（ｘ^２／ｒｘ）／（１＋（１－ｘ^２／ｒｘ^２）^１／２）
   ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上の座標であり、κはコーニック定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第４次、第６次、第８次の非球面係数であり、ｒｘは前記配置方向の曲率半径であり、ｒｙは前記線方向の曲率半径である。
5. 前記光変換部は、光学レンズである
   請求項１記載の光学モジュール。
6. 前記光変換部は、前記配置方向に対して鋸歯形状の格子を有する回折格子である
   請求項１記載の光学モジュール。
7. 前記光変換部は、前記配置方向に対して湾曲した拡散板である
   請求項１記載の光学モジュール。
8. 前記発光部は、前記複数の発光素子を２次元状に配置した面発光半導体レーザである
   請求項１記載の光学モジュール。
9. 前記光検出部は、複数の受光部を備え、
   前記複数の受光部のうち、前記発光部における配置位置に応じた物体からの反射光を検出するもののみを選択的に動作させる
   請求項１記載の光学モジュール。
10. 前記集光部は、コリメータレンズを備える
    請求項１記載の光学モジュール。
11. 前記集光部は、シリンドリカルレンズを備える
    請求項１記載の光学モジュール。
12. 前記集光部は、前記発光部の直近の上面に配置されたマイクロシリンドリカルレンズをさらに備える請求項１１記載の光学モジュール。
13. 前記発光部は、前記複数の発光素子を前記配置方向に沿って１次元に配置したものである
    請求項１記載の光学モジュール。
14. 前記発光部は、前記複数の発光素子を前記配置方向および前記線方向に沿って２次元状に配置したものである
    請求項１記載の光学モジュール。
15. 前記発光部は、前記２次元状の前記発光素子の配置を樽状に外側に膨らませたものである
    請求項１４記載の光学モジュール。
16. 前記光変換部は、前記仮想絞り中心点より奥側に配置される
    請求項１記載の光学モジュール。
17. 前記光変換部は、前記仮想絞り中心点より手前側に配置される
    請求項１記載の光学モジュール。
18. 前記仮想絞り中心点に配置される回折格子をさらに具備する
    請求項１記載の光学モジュール。
19. 所定の方向に配置された複数の発光素子を備える発光部と、
    前記複数の発光素子の各々から出射された光を所定の角度幅の光ビームとして照射する光照射部と、
    前記照射された光ビームを略平行光ビームまたは所定の角度幅の光ビームにして所定の絞り中心点に集める集光部と、
    前記集光部を介した光ビームを光学面によって前記発光部の前記配置方向と略直交する線方向の線状光ビームに変換する光変換部と、
    前記線状光ビームに対する対象物からの反射光を検出する光検出部と、
    前記光照射部が光を照射してから前記光検出部が前記反射光を検出するまでの時間である飛行時間を計測して前記対象物との距離を測定する測定部と
    を具備し、
    前記光変換部は、前記配置方向の曲率半径が前記線方向の位置によらず前記配置方向の仮想絞り中心点から前記光学面の中心点までの距離と略等しい光学面を有する
    距離測定装置。

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