JP2010091855A - レーザビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できるレーザビーム照射装置の提供。
【解決手段】発光点２２とレンズ１０の間にプリズム２４を配置する。プリズム２４は、自身に対応する発光点２２から発光されたレーザビームを、発光点２２の配列の内側に向けて屈折させるように構成されている。プリズム２４を透過した後にレンズ１０に入射したレーザビームは、外側に向けて屈折する。そして、任意の広がり角でレンズ１０から出射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザビームを対象物に照射する装置に関する。

レーザビームを照射する複数の発光点が一列に配置されて構成されるレーザ・アレイを用いる、走査用レーザビーム照射装置が既に提案されている（特許文献１）。このような光学系によれば、ポリゴンミラーのような駆動系を必要としないので、光学系を小さく設計できるなどの利点がある。

尚、先述した走査用レーザビーム照射装置は、例えば、車両等に搭載されて、前方物体までの距離を測定するために用いられる。
特開２００７−２１４５６４号公報

先述した技術の課題は、光学系を小さく設計しようとすると、光学系の大出力化もしくは空間についての高分解能化ができないこと、又は球面収差によってビームパターンが歪んでしまうことである。まず、光学系を小さく設計しようとすると、光学系の大出力化または空間についての高分解能化ができないことについて説明する。

ここから図面を用いて説明する。図１４は、従来技術によるレーザビーム照射装置３００において、焦点距離ｆ、レーザ・アレイ３２０の各発光点３２２がなす列の長さの半分Ｘｄ、及び、水平方向の検知角度θの関係を表した図および式を示す。焦点距離ｆは、発光点３２２から、レーザビームが平行光線として抜ける凸レンズ３１０の所定位置までの距離である。これらの関係は、図に示すように、
ｆ＝Ｘｄ／ｔａｎθ …〈１〉
という式によって、近似的に表される。

図１５は、大出力化や高分解能化をすると、焦点距離ｆが長くなり、ひいては光学系が大きくなってしまう様子を表した図である。図１５（ａ）は、発光点３２２が５個、Ｘｄ＝Ｘｄ₁、θ＝θ₁の例である。それに対して、図１５（ｂ）は、θ＝θ₁を維持したまま、発光点３２２を１０個にすることで高分解能化を図った例である。この例では、発光点３２２の個数を、図１５（ａ）の例に対して二倍にしたため、Ｘｄが図１５（ａ）の場合に対して二倍の２Ｘｄ₁となっている。従って、図１５（ｂ）では、図１５（ａ）に対し、〈１〉式より理解できるように、ｆ値が二倍となり、光学系が大きくなってしまう。

また、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の各発光点３２２の幅を広げることで、大出力化を図った例である。この場合も、図１５（ｂ）と同じように、Ｘｄが図１５（ａ）の場合に対して二倍の２Ｘｄ₁となる。このため、焦点距離ｆが、図１５（ａ）に対して二倍となり、光学系が大きくなってしまう。

また、図１５（ｄ）は、図１５（ａ）に対して、水平方向の検知角度を狭めることで、高分解能化を図った場合である。この場合も、〈１〉式より、図１５（ａ）に対して、焦点距離ｆが大きくなり、光学系が大きくなってしまう。

ところで、この課題を解決するために、実際のＸｄに対して見かけ上のＸｄを小さくする方法が、既に知られている。図１６を用いて説明する。この方法は、図１６（ａ）に示すように、レーザ・アレイ３２０と凸レンズ３１０との間に、凹レンズ３１５を配置するものである。こうすることで〈１〉に代入されるＸｄの値は、実際のＸｄ値よりも短くなると考えられる。なぜなら、図１６（ｂ）に示すように、中央に配置された発光点３２２の位置から、仮想直線と配列直線との交点までの距離が、〈１〉式に代入されるＸｄの値と見ることができる。そうすれば、〈１〉式が近似的なものであるとしても、凹レンズ３１５が無いよりは有る方が、Ｘｄの値が小さくなるということは言える。

なお、ここで言う仮想直線とは、凹レンズ３１５によって屈折したレーザビームの光路を当該レーザビームの進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。また、配列直線とは、各発光点３２２を近似した直線である。また、仮想直線と配列直線との交点を仮想発光点（特許請求の範囲の仮想発光素子に相当）と呼ぶ。

ところが、先述したように凹レンズを用いると、レンズの近軸から外れた部位を透過したレーザビームは、球面収差によってビームパターンが大きく歪んでしまうという課題が発生する。なお、ビームパターンが凸レンズの透過部位に依存して歪むと、例えば、距離の測定に悪影響を及ぼす。

図１７を用いて説明する。図１７（ａ）は、凸レンズ３１０の透過部位と、ビームパターンの歪みとの関係を示した図である。図に示すように、中央付近の発光点３２２から発光されたレーザビームは、凸レンズ３１０の近軸付近を透過するので、球面収差の影響をほとんど受けず、ビームパターンはほとんど歪まない。

なお、レンズの近軸とは、球面収差が小さい領域のことである。
それに対して、端に配置された発光点３２２から発光されたレーザビームは、凸レンズ３１０の近軸から外れた部位を透過するので、球面収差の影響を強く受けて、図に示すようにビームパターンが大きく歪んでしまう。

そして、図１７（ｂ）は、凹レンズ３１５を備える構成の場合を示している。図から分かるように、凹レンズ３１５によってレーザビームが屈折すると、図１７（ａ）で示した場合よりも、さらに端の方を透過することになり、球面収差の影響が大きく現れて、ビームパターンの歪みが更にひどくなってしまう。

つまり、見かけのＸｄを小さくしようとして凹レンズ３１５による屈折を大きくすればする程、ビームパターンの歪みがひどくなる、という板挟みに陥ることになる。
本発明は先述した課題を鑑み、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できるレーザビーム照射装置の提供を目的とする。

先述した課題を解決するためになされた請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、発光手段と、プリズムと、第一レンズと、第二レンズとを備える。
発光手段は、レーザビームを発光する複数の発光素子が一列に並ぶことで構成されるものである。プリズムは、複数の発光素子から発光されたレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。

第一レンズは、プリズムを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。第二レンズは、第一レンズを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる。

また、第一レンズは、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向に基づいて位置が定まる仮想発光素子によってできる列が、発光素子によってできる列よりも短くなるようにレーザビームを屈折させる。

そして、プリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第二レンズから出て行くときにレーザビームが通る第二レンズの境界面上の位置が第二レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。

ここで「レーザビームの進行方向」について説明する。レーザビームといえども広がり角を持っているので厳密な直線として捉えることはできず、単純には進行方向を定めることができない。そこで、レーザビームの断面を考える。この断面は、レーザビーム内の任意の点を通るものとする。断面の定め方は、レーザビームの断面積が最小になるようにする。そのときの断面の重心を通り、かつ、断面の法線方向に延びる直線を、レーザビームの進行方向とする。均質な媒質中を進行していれば、どの点を通る断面でも、進行方向は同じになる。

請求項１に記載のレーザビーム照射装置によれば、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または空間についての高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できる。光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または空間についての高分解能化できる理由は、仮想発光素子によってできる列の長さ（見かけ上の２Ｘｄ）が、実際の発光素子によってできる列の長さ（実際の２Ｘｄ）よりも短くなるからである。そして、ビームパターンの歪みが緩和される理由は、第二レンズの近軸近傍をレーザビームが透過するからである。

また、請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、請求項２に記載のように構成されてもよい。請求項２に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、仮想直線と配列直線とに接する最小の球の中心が、当該レーザビームを発光した発光素子の発光点の位置と比べて、配列直線上のある点に近くなるように、レーザビームを屈折させる。

そして、配列直線上のある点とは、一列の両端に並んだ発光素子の発光点の位置から配列直線上において等距離の位置にある中点である。
なお、第一レンズ及び第二レンズは、別体に構成されても、一体に構成されても構わない。

また、請求項１に記載のレーザビーム照射装置は、請求項３に記載のように構成されてもよい。請求項３に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、仮想直線と配列直線との交点が、当該レーザビームを発光した発光素子の発光点の位置と比べて、配列直線上のある点に近くなるように、レーザビームを屈折させる。

そして、配列直線上のある点とは、請求項２で説明した中点と同じである。つまり本請求項は、請求項２において仮想直線と配列直線とが交点を持つ場合を記載したものである。

また、請求項４に記載のレーザビーム照射装置が備えるプリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第一レンズに入射するときにレーザビームが通る第一レンズの境界面上の位置が第一レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。このレーザビーム照射装置によれば、第一レンズによるビームパターンの歪みを緩和できる。

また、請求項５に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズ及び第二レンズは、一体のレンズとして構成されている。そして、プリズムを透過したレーザビームは、一体のレンズにおける第一レンズに相当する部位に入射してから、一体のレンズにおける第二レンズに相当する部位から出て行くまで、一体のレンズ内のみを進む。

請求項５に記載のレーザビーム照射装置によれば、一体のレンズにおける第二レンズに相当する部位から出て行くまで一体のレンズ内のみを進むので、第一レンズと第二レンズとの間において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。従って、第二レンズを小さくすることができる。

また、請求項６に記載のレーザビーム照射装置は、第三レンズを備える。この第三レンズは、プリズムを透過したレーザビームが第一レンズに入射する前に透過するように配置される。

そして、第三レンズは、ある平面において、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。ある平面とは、第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第三レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面である。

請求項６に記載のレーザビーム照射装置によれば、第二レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。なぜなら、第一レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができるからである。従って、第二レンズを小さくすることができる。

また、請求項７に記載のレーザビーム照射装置が備える第一レンズは、ある平面において、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。ある平面とは、第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面である。

請求項７に記載のレーザビーム照射装置によれば、第二レンズに入射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。従って、第二レンズを小さくすることができる。しかも、請求項６とは異なりレンズを増やすわけではないので、各構成要素の配置が簡単にできる。

また、請求項８に記載のレーザビーム照射装置が備える第二レンズは、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる。このレーザビーム照射装置によれば、対象物に照射する前において、レーザビームの広がり角を小さくすることができる。

また、請求項９に記載のレーザビーム照射装置が備えるプリズムは、発光素子の列の長さ方向における両端に遮光部を備える。このレーザビーム照射装置によれば、光学系を小さく出来る。

もともとビーム強度は、左右方向にガウス分布している。ガウス分布端部のビーム強度の弱い部分は、システム上の寄与が小さく、また広がり角が大きいため光学系が大きくなるデメリットがある。

そこで本請求項のように遮光部を備えれば、レーザビームの強度分布を理想的なものに近付けることができるため、外乱光の発生を抑えながら光学系を小さくすることができる。

［構成］
以下、図面と共に説明する。図１は、本発明が適用されたレーザビーム照射装置１の構成図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は上面図である。側面図は、水平方向から見た図であり、紙面における上下方向が鉛直方向に一致する。一方、上面図は、鉛直方向に見下ろした図であり、紙面が水平面に相当する。また、上面図において、紙面における上下方向を左右方向と定義する。

そして、レーザビーム照射装置１は、レンズ１０と照射ユニット２０とから構成される。このうち、レンズ１０は、第一レンズ部１１と、連結部１５と、第二レンズ部１２とから構成される。

照射ユニット２０は、図１（ｂ）の下方の拡大図に示されるように、レーザ・アレイ２１と、１３個のプリズム２４とを備える。そして、レーザ・アレイ２１は、１３個の発光点２２を備える。各発光点２２は、左右方向に伸びる直線である配列直線上に位置して、等間隔に配列している。また、各発光点２２が発光するレーザビームの光路は、互いに平行であり、水平面上を配列直線との直交方向に進む。

また、プリズム２４は、各発光点２２から発光されるレーザビームが透過する位置に、そして、配列直線に平行に配列されている。また、端に配置されたプリズム２４程、プリズム頂角が大きくなっている。また、中心よりも右に配置された発光点に対応するプリズム２４は、頂角が右を向くように配置されている。また「右」を「左」に読み替えても同じである。このような頂角が、本実施例の効果を得るための必要条件である。

一方、第一レンズ部１１は、図１（ａ）に示すように側面から見ると凸形状をしている。それに対して、図１（ｂ）示すように上面から見ると凹形状をしている。この様子を斜視図で表したのが、図２である。図２に示すように、第一レンズ部１１は、鞍橋の居木（乗馬に使う鞍の一部）のような形状をしている。つまり、第一レンズ部１１は、凸面の曲率と凹面の曲率とが直交する、いわゆるトロイダルレンズである。

図１に戻る。第二レンズ部１２は、側面から見ても上面から見ても凸レンズである。ただし、第二レンズ部１２は、側面から見たときの曲率と上面から見た曲率とが異なる、いわゆるトロイダルレンズである。

また、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２は、一体のレンズとして作られている。なお、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２との間の部分を連結部１５と呼ぶ。そして、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸は一致している。

そして、中央に配置された発光点２２から発光されたレーザビームが第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸上に進むように、レンズ１０は照射ユニット２０に対して配置されている。従って、各発光点２２から発光されるレーザビームは、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の光軸と平行に進むことになる。

図３は、レーザビーム照射装置１の構成を模式的に表した斜視図である。レンズ１０は、簡略化された形状で表されている。また、各発光点２２としてのレーザ・アレイと各プリズム２４とは、一枚のＳｉ基板２６の上に設けられ、照射ユニット２０を形成している。そして、図３に示すように、各発光点２２から発光されたレーザビームは、プリズム２４及びレンズ１０の作用によって、それぞれ異なる向きに屈折する。次から、その作用を説明する。
［作用］
図４は、レーザビーム照射装置１から発光するレーザビームの光路を表した図である。図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は上面図である。ただし、最も端に配置された発光点２２のうちの一方から発光されたレーザビームだけが図示されている。また、ここで示されたレーザビームは、先述した進行方向を近似した直線ではなく、レーザビームの広がり範囲が示されている。

まず、左右方向について述べる。図４（ｂ）示すように、プリズム２４は、自身に対応する発光点２２から発光されたレーザビームを、発光点２２の配列の内側に向けて屈折させる。言い換えると、各プリズム２４は、仮想直線ａ（図示なし）と配列直線（破線で図示）との交点Ａが、自身に対応する発光点２２の位置と比べて、中央に配置された発光点２２から遠くなるように、レーザビームを屈折させる。

なお、仮想直線ａとは、プリズム２４によって屈折したレーザビームの光路を進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。また、配列直線とは、［発明が解決しようとする課題］と同じように、各発光点２２を結んだ直線である。

また、別の見方から言うと、各プリズム２４は、自身による屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、第一レンズ部１１に入射する位置が第一レンズ部１１の近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる。

このように屈折することで、第二レンズ部１２から出て行くときにレーザビームが通る第二レンズ部１２の境界面上の位置が第二レンズの近軸に近付くことになる。
そして、プリズム２４によって屈折したレーザビームは、第一レンズ部１１からレンズ１０に入射するときに屈折する。屈折する方向は、仮想直線ｂ（点線で図示）と配列直線との交点（仮想発光点）が、このレーザビームを発光した発光点２２の位置と比べて、発光点２２によってできる列の中央（中央に配置された発光点２２）に近付く方向である。つまり、プリズム２４による屈折の方向と逆である。

なお、仮想直線ｂとは、第一レンズ部１１によって屈折したレーザビームの光路を進行方向とは逆に延長することで引かれる直線である。
要するに、第一レンズ部１１は、［発明が解決しようとする課題］で説明した見かけ上のＸｄを短くすることを目的として、仮想発光点の位置を内側にずらすためのものである。

そして、レーザビームは、連結部１５中を進んだ後、第二レンズ部１２の作用によって設定された広がり角になるように屈折し、第二レンズ部１２の近軸近傍からレンズ１０の外に出て行く。

一方、鉛直方向について述べる。図４（ａ）の側面図に示すように、プリズム２４は、側面から見ると長方形であり、自身に対応する発光点２２から発光されたレーザビームをほとんど屈折させることなく透過させる。そして、第一レンズ部１１及び第二レンズ部１２の作用によって、設定された広がり角になるように屈折し、レンズ１０から出て行く。

なお、どの発光点２２から発光されたレーザビームについても、以上の説明と同様な屈折が起こるように、プリズム２４及び第一レンズ部１１は設計されている。
［効果］
作用で説明したように、第一レンズ部１１によって見かけのＸｄ小さくする効果を得ながら、第二レンズ部１２の近軸近傍を通って、レンズ１０から出て行くことになる。

詳述すると、第一レンズ部１１によって見かけのＸｄが小さくなるのは、図１６で説明した従来技術と同じである。本実施例では、第一レンズ部１１に入射する前にプリズム２４で予め屈折させることで、第二レンズ部１２の近軸近傍を透過させることができる。つまり、第一レンズ部１１による屈折後に起こる問題を、第一レンズ部１１による屈折前のプリズム２４による屈折によって解決した点に、本実施例の特徴がある。

従って、実際のＸｄ値を大きく、かつ、焦点距離ｆを小さく設計しても、ビームパターンの歪みを緩和できる。つまり、光学系を小さく設計しても、レーザビームの大出力化または高分解能化、及び、ビームパターンの歪みの緩和を両立できる。

また、図４（ａ）・（ｂ）で説明したように、第一レンズ部１１及び連結部１５によって、レーザビームの広がり角が小さくなる。従って、レンズ１０のレンズ口径、つまり光軸と直交する方向のレンズの体格を小さくできるので、光学系を小さく設計できる。
［実証］
先述した作用効果を光線追跡ソフトによる数値計算によって実証したので説明する。図５は、数値計算に用いたモデル１００を模式的に表した斜視図である。モデル１００は、レンズ１１０と、照射ユニット１２０とから構成される。モデル１００は、先述したレーザビーム照射装置１を想定したものであるので、以下のように境界条件を設定した。

図５（ａ）に示すように、走査角度が±３°になるように、レンズ１１０と照射ユニット１２０が備えるプリズム（図示なし）とから構成される光学系が設定されるものとする。

そして、各発光点１２２から発光されたレーザビームは、レンズ１１０を透過してから１００００ｍｍ進んだ位置において、高さ２００ｍｍ、幅８５ｍｍに収まるように光学系が設定されるものとする。

また、図５（ｂ）に示すように、照射ユニット１２０が備える各発光点１２２の幅は０．１ｍｍ、各発光点１２２の間隔は、等間隔の０．１５ｍｍに設定する。また、図５（ｃ）に示すように、発光点１２２は１３個とする。そして、各発光点１２２から発光されたレーザビームがレンズ１１０を透過した後において、進行角度が０．５°刻みで変化するように、光学系が設定されるものとする。

従って、最も外に配置された発光点１２２が、３°方向または−３°方向に進むレーザビームを、中央に配置された発光点１２２が、０°方向に進むレーザビームを発光することになる。なお、図示されていないプリズムは、照射ユニット２０と同じように、各発光点１２２に一つずつ設けられている。

図６は、発光点１２２から発光されたレーザビームの広がり角を示した図である。図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は側面図である。図に示すように、鉛直方向は±３５°、左右方向は±６°に設定する。

図７（ａ）はモデル１００の側面図、図７（ｂ）はモデル１００の上面図を表す。図に示されるように、レンズ１１０は、主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とから構成される。主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とによる光学系は、レーザビーム照射装置１のレンズ１０による光学系と同じ作用をする。つまり、レンズ１０単体による機能を、主レンズ１１３とシリンドリカルレンズ１１６とに分担させている。具体的には、第一レンズ部１１の機能を分担している。

さらに具体的には、プリズムを透過したレーザビームがシリンドリカルレンズ１１６を透過するように、シリンドリカルレンズ１１６は配置されている。そして、シリンドリカルレンズ１１６は、図に示すように、側面から見ると凸レンズをしているのに対して、上面から見ると長方形をしている。つまり、鉛直方向には広がり角を小さくする作用をするのに対して、左右方向の光路にはほとんど影響しない。

そして、シリンドリカルレンズ１１６を透過したレーザビームが主レンズ１１３に入射するように、主レンズ１１３は配置されている。そして、主レンズ１１３のレーザビームが入射する面は、図に示すように、側面から見ると直線であるのに対して、上面から見ると凹形状をしている。このような形状によれば、レンズ１０と同じ作用をすることができる。なお、主レンズ１１３及びシリンドリカルレンズ１１６の屈折率ｎは、ＰＭＭＡ(polymethylmethacrylate)相当の１．４９２に設定する。

また、第二レンズ部１２に相当する部分は、第二レンズ部１２と同じようにトロイダル形状に構成されている。また、主レンズ１１３の鉛直方向の高さは１２ｍｍ、左右方向の幅は８ｍｍに設定する。また、レンズ距離を０．１９ｍｍに設定する。このレンズ距離とは、シリンドリカルレンズ１１６のレーザビームが出て行く面から、主レンズ１１３のレーザビームが入射する面の最も凹んだ位置までの距離である。

以上に述べた境界条件下で、光学系長さＸ及び主レンズ長さＹが最短になるように光学系の各値（各レンズの曲率など）を設定したときの、Ｘ及びＹの値を求めるのが、この数値計算の目的である。なお、光学系長さＸは、シリンドリカルレンズ１１６のレーザビームが入射面から、主レンズ１１３のレーザビームが出て行く面までの距離である。また、主レンズ長さＹは、主レンズ１１３の凹面形状が最も凹んだ位置から、レーザビームが出て行く面までの距離である。

先述したモデル１００の結果を述べる前に、比較対象として説明する、従来技術に相当するモデル２００の説明をする。図８は、モデル２００を表した図である。図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は上面図である。モデル２００は、レンズ２１０と照射ユニット２２０とから構成される。照射ユニット２２０は、照射ユニット１２０に対して、プリズムを備えない構成になっている。

また、レンズ２１０は、図に示すように、レーザビームが入射する面は、平面になっていると共に、出て行く面は凸の曲率によるトロイダル形状に構成されている。モデル２００においては、光学系長さとして、レンズ２１０の長さＺが最短になったときの、その値を求めることを目的とする。なお、他の境界条件は、モデル１００と同じとする。

図９（ａ）はモデル１００、図９（ｂ）はモデル２００による数値計算の結果を表す図である。図９（ｂ）に示すように、モデル２００の場合、Ｚ＝２５ｍｍである。また、０°方向のビームパターンはほとんど歪んでいないものの、３°方向のビームパターンは大きく歪んでいる。それに比べてモデル１００の場合は、図９（ａ）に示すように、Ｘ＝１８ｍｍ、Ｙ＝１５ｍｍとモデル２００に比べて短い。さらに、ビームパターンも０°方向、３°方向共にほとんど歪んでいない。

図１０は、光学系長さＸと発光点の幅との関係を示したグラフである。先述したモデル１００・２００それぞれについて、光学系の長さが最短になった条件を用いて、発光点１２２の発光点の幅およびピッチを変化させたときに、Ｘがどのように変化するかを調べた結果である。なお、発光点１２２のピッチも、発光点の幅の広がり幅と同じだけ広げる。

結果は、グラフに示すように、両者とも直線で近似することができる。そして、どのような発光点の幅でも、本発明が適用されたモデル１００の方がＸを小さく設計できることが、グラフから読み取れる。

図１１は、光学系長さＸとレンズ距離との関係を示したグラフである。モデル１００においては、レンズ距離＝０．１９ｍｍに設定されていた。それを変数としたときに、Ｘがどのように変化するのかを調べた結果である。なお、発光点の幅を変化させたときと同じように、光学系の長さが最短になった条件を用いる。

結果は、グラフに示すように、１０ｍｍまでは単調に短くなるのに対して、１０ｍｍを越えるとほとんど変化が無くなる。そして、レンズ距離＝０．１９ｍｍのときに比べてレンズ距離＝１０ｍｍのときは、Ｘが最大４ｍｍくらい短くなる。

図１２は、光学系長さＸとレンズ距離との関係が、屈折率ｎによってどのように変わるかを示したグラフである。モデル１００においてはｎ＝１．４９２に設定されていた。そこで、ガラス相当のｎ＝１．５８に設定したものを計算し、両者を比較した。なお、発光点の幅を変化させたときと同じように、光学系の長さが最短になった条件を用いる。結果は、レンズ距離に関わらず、ｎ＝１．５８の方がｎ＝１．４９２に比べて、Ｘが２ｍｍくらい短くなる。

以上に説明した実証によって、従来技術に対する本実施例の優位さが明らかになった。
なお、照射ユニット２０の製造方法は、既知の方法（例えば特開２００４−２７１７５６参照）を用いればよい。特開２００４−２７１７５６では小さいレンズをＳｉ基板の上に作っている。そのレンズを、モデル１００を用いて求めた形状のプリズムに置き換えればよい。その後、Ｓｉ基板上に発光点２２（レーザ・ダイオード）を配列させれば、照射ユニット２０が完成する。
［変形例］
図１３は、照射ユニット２０の変形例としての照射ユニット２２０を表した図である。図１３（ａ）は全体図、図１３（ｂ）は一つのプリズム２２４周辺の拡大図である。照射ユニット２２０は、発光点（図示せず）、プリズム２２４、及びＳｉ基板２２６から構成される。図１３（ｂ）に示すように、プリズム２２４が、底面に加えて側面でもＳｉ基板に接触するようになっている。この構造は、もともとは、先述した製造方法の過程におけるレンズやプリズムの変形を抑えるために作られるものである。

しかし、照射ユニット２２０では、ガウス分布端部のビーム強度の弱い部分のレーザビームを遮断する目的で用いるために、この構造を設計する。こうすることで、レーザビームの強度分布を理想的なものに近付けることができるため、外乱光の発生を抑えながら光学系を小さくすることができるという効果が得られる。

他の変形例を述べる。レーザビーム照射装置１においては、レンズ１０として、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２とを一体に構成した。しかし、第一レンズ部１１と第二レンズ部１２とを分けて構成してもよい。但し、レーザビームが、第一レンズ部１１を出てから第二レンズ部１２に入射するまでに屈折率が低い空気中などを進むと広がり角が大きいままなので、光学系が大きくなりがちである。

また、実施例で説明したレーザビーム照射装置１においては、第一レンズ部１１を、凸面の曲率と凹面の曲率とが直交するレンズとして構成した。それを、モデル１００のように、シリンドリカルレンズを用いるなどして二つのレンズに分けてもよい。この方が、各レンズの構成が簡単になる。しかし、そのシリンドリカルレンズのアライメント調整が必要になるという欠点もある。逆に言えば、レーザビーム照射装置１のように一体に構成すれば、アライメント調整が要らないので、特に量産に向く。

また、発光点２２は、厳密に配列直線上に配置されなくても、概ね直線で近似できるような配置であればよい。この場合、配列直線は、各発光点２２を近似した直線で定義される。このように近似直線を用いる場合は、一般的に、仮想直線ａ・ｂと配列直線とは交点を持たない。その場合は、両者に接する最小の球を、交点の替わりとする。

また、プリズムは、必ずしも発光点２２に対して一つずつ設けなくてもよい。例えば、二個の発光点２２に対して一個のプリズムを設けてもよい。
［その他］
以上に述べたレーザビーム照射装置１は、必要なスペックを保ちつつ小型化できる利点を活かして、車両やロボットなどの移動体に搭載されて用いられるとよい。

レーザビーム照射装置の概略構成を示す図。 第一レンズ部の斜視図。 レーザビーム照射装置の斜視図。 レーザビーム照射装置によるレーザビームの光路を模式的に表した図。 本発明が適用された数値計算モデルを模式的に表した斜視図。 レーザビームが広がる角度を示した図。 本発明が適用された光学系の数値計算モデルを表した図。 従来技術による光学系の数値計算モデルを表した図。 数値計算の結果を示す図。 光学系長さと発光点の幅との関係を示したグラフ。 光学系長さとレンズ距離との関係を示したグラフ。 光学系長さとレンズ距離との関係が、屈折率によってどのように変わるかを示したグラフ。 変形例の照射ユニットを表した図。 焦点距離、レーザ・アレイの並び方向の長さ、及び、水平方向の検知角度の関係を示した図および式。 焦点距離、レーザ・アレイの並び方向の長さ、及び、水平方向の検知角度の関係を示した図および式。 凹レンズによる好影響を示した図。 凹レンズによる悪影響を示した図。

符号の説明

１、３００…レーザビーム照射装置、１０、１１０、２１０…レンズ、１１…第一レンズ部、１２…第二レンズ部、１５…連結部、２０、１２０、２２０…照射ユニット、２１、３２０…レーザ・アレイ、２２、１２２、３２２…発光点、２４、２２４…プリズム、２６、２２６…Ｓｉ基板、１００、２００…モデル、１１３…主レンズ、１１６…シリンドリカルレンズ、３１０…凸レンズ、３１５…凹レンズ

Claims (9)

1. レーザビームを発光する複数の発光素子が一列に並んだ発光手段と、
   前記複数の発光素子から発光されたレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させるプリズムと、
   前記プリズムを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる第一レンズと、
   前記第一レンズを透過したレーザビームが透過する位置に設けられ、当該レーザビームを屈折させる第二レンズとを備え、
   前記第一レンズは、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向に基づいて位置が定まる仮想発光素子によってできる列が、前記発光素子によってできる列よりも短くなるようにレーザビームを屈折させ、
   前記プリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、前記第二レンズから出て行くときにレーザビームが通る前記第二レンズの境界面上の位置が前記第二レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる
   ことを特徴とするレーザビーム照射装置。
2. 前記第一レンズは、当該第一レンズによって屈折したレーザビームの光路を当該レーザビームの進行方向とは逆に延長することで引かれる仮想直線と前記複数の発光素子の発光点を近似した配列直線とに接する最小の球の中心が、当該レーザビームを発光した前記発光素子の発光点の位置と比べて、前記一列の両端に並んだ前記発光素子の発光点の位置から前記配列直線上において等距離の位置にある中点に近くなるように、レーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム照射装置。
3. 前記第一レンズは、当該第一レンズによって屈折したレーザビームの光路を当該レーザビームの進行方向とは逆に延長することで引かれる仮想直線と前記複数の発光素子の発光点を近似した配列直線との交点が、当該レーザビームを発光した前記発光素子の発光点の位置と比べて、前記一列の両端に並んだ前記発光素子の発光点の位置から前記配列直線上において等距離の位置にある中点に近くなるように、レーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム照射装置。
4. 前記プリズムは、当該プリズムによる屈折が起こらないと仮定した場合に比べて、前記第一レンズに入射するときにレーザビームが通る前記第一レンズの境界面上の位置が前記第一レンズの近軸に近付くように、レーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のレーザビーム照射装置。
5. 前記第一レンズ及び前記第二レンズは、一体のレンズとして構成されており、
   前記プリズムを透過したレーザビームは、前記一体のレンズにおける前記第一レンズに相当する部位に入射してから、前記一体のレンズにおける前記第二レンズに相当する部位から出て行くまで、前記一体のレンズ内のみを進む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のレーザビーム照射装置。
6. 前記プリズムを透過したレーザビームが前記第一レンズに入射する前に透過するように配置された第三レンズを備え、
   前記第三レンズは、前記第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第三レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面においては、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のレーザビーム照射装置。
7. 前記第一レンズは、当該第一レンズによる屈折前後のレーザビームの進行方向を含む平面と直交する平面であって、当該第一レンズによる屈折後のレーザビームの進行方向を含む平面においては、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のレーザビーム照射装置。
8. 前記第二レンズは、広がり角を小さくするようにレーザビームを屈折させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載のレーザビーム照射装置。
9. 前記プリズムは、前記発光素子の列の長さ方向における両端に遮光部を備える
   ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れかに記載のレーザビーム照射装置。