(57)【要約】【課題】    車両搭載のレーザーレーダー装置においては、機械的駆動を行うことなく、２次元平面内の走査を行い、前走車などの対象物の検出を行う。【解決手段】    レーザーレーダー装置は、それぞれ固有の出射方向特性を有する多数の個別出射領域を有する面発光レーザー装置であって、個別出射領域の各々は、フォトニック結晶構造を含むレーザー構造を有して、発光面の法線に対して対称な方向に２本のレーザー光線を出射可能であり、出射面の法線に対する角度が変化する複数の個別出射領域を含むレーザー装置と、レーザー装置の個別出射領域を、時間系列的に、選択駆動し、２次元平面内のモニター領域を走査できる駆動回路と、モニター領域からの反射光を検出して、対象物の方位と対象物までの距離を算出する信号処理部と、を含む。【選択図】  図３−２
2018155628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ固有の出射方向特性を有する多数の個別出射領域を有する面発光レーザー装置であって、個別出射領域の各々は、フォトニック結晶構造を含むレーザー構造を有して、発光面の法線に対して対称な方向に２本のレーザー光線を出射可能であり、出射面の法線に対する角度が変化する複数の個別出射領域を含むレーザー装置と、
前記レーザー装置の個別出射領域を、時間系列的に、選択駆動し、２次元平面内のモニター領域を走査できる駆動回路と、
モニター領域からの反射光を検出して、対象物の方位と対象物までの距離を算出する信号処理部と、
を含むレーザーレーダー装置。
【請求項２】
前記信号処理部が、異なる位置に配置された複数の受光素子を含み、反射光が２本の出射レーザー光のいずれが反射されたものであるかを判定できる、請求項１に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項３】
前記多数の個別出射領域が、２本の出射レーザー光線を含む出射面の発光面に対する射影の面内方向が同一方向である複数の個別出射領域を含む、請求項１または２に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項４】
前記多数の個別出射領域が、２本の出射レーザー光線を含む出射面の発光面に対する射影が出射面における面内方向を変化させる複数の個別出射領域をさらに含む請求項１または２に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項５】
前記フォトニック結晶構造が、２次元定在波を形成することにより波長λの光の共振状態を形成し、かつ光を外部に出射させない周期性を持つ格子点に異屈折率領域が配置された光共振状態形成用フォトニック結晶構造と、逆格子空間において波長λに対応する波数ベクトルとの和が所定範囲内の大きさになる逆格子ベクトルを有する格子点に異屈折率領域が配置された光出射用フォトニック結晶構造とを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項６】
前記光共振状態形成用フォトニック結晶構造は、正方格子、長方格子、三角格子のいずれかで構成され、光出射用フォトニック結晶構造は斜交格子、正方格子、長方格子、面心長方格子、三角格子のいずれかで構成されている請求項５に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項７】
前記光共振状態形成用フォトニック結晶構造は、正方格子で構成され、光出射用フォトニック結晶構造は斜交格子で構成されている請求項６に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項８】
前記正方格子がｘ軸、ｙ軸に沿う隣接格子点間の格子定数ａを有し、前記斜交格子がｙ軸方向に関して間隔ａの格子点列を含み、ｘ軸方向に関して隣接格子点列の格子点のｋ座標からｒ１ａ、ｒ２ａ離れており、係数対（ｒ１、ｒ２）が異なる複数の個別出射領域を含む請求項７に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項９】
前記正方格子がｘ軸、ｙ軸に沿う隣接格子点間の格子定数ａを有し、前記斜交格子がｙ軸方向に関して間隔ａの格子点列を含み、ｘ軸方向に関して隣接格子点列の格子点のｋ座標から同一距離離れており、
前記多数の個別出射領域が、出射レーザー光線を含む出射面の発光面に対する射影の面内方向が同一方向である複数の個別出射領域を含む複数の個別出射領域を含む請求項７に記載のレーザーレーダー装置。
【請求項１０】
前記２次元平面内のモニター領域が複数の領域に区分され、前記駆動回路が区分に応じた異なる条件で前記多数の個別出射領域を駆動する請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザーレーダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーレーダー装置に関し、特にフォトニック結晶を備えたレーザーレーダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａを参照する。レーザーレーダー装置は、例えばレーザーダイオード１０７から発したレーザー光を、スキャナ駆動部１０５によって駆動されるスキャナ１０６を用いて走査することで、対象物を検知する範囲内で２次元走査し、フォトダイオード１０８で対象物からの反射光（反射信号）を受信して、どの方向に向けて出した光に対する反射なのかということで方位を検出し、レーザーダイオードを発してからフォトダイオードで受信するまでの時間から距離を検出する（例えば特許文献１）。レーザーダイオードの向きを機械的駆動により変化させて、レーザー光の走査を行う機械的駆動は、駆動機構を必要とし、故障の原因ともなり得る。
【０００３】
図１Ｂを参照する。活性層１１１と第１周期のフォトニック結晶層１２１と第２周期のフォトニック結晶層１２２とを備えるフォトニック結晶レーザー１１０は、フォトニック結晶層に垂直な方向に進行する主ビームと主ビームに対して傾斜した方向に進行する副ビームとを発することができる(例えば特許文献２)。２本のレーザービームを用いて検知範囲内の走査を行えば、走査を高速化できよう。
【０００４】
図２Ａを参照する。活性層１１５と、板状スラブ１４２中に、両対角線が互いに平行で、一方の対角線についてのみ長さが異なる第１の菱形状格子と第２の菱形状格子の各格子点上に空孔１４１が形成されたフォトニック結晶層１１４を備えたフォトニック結晶面発光レーザー１１０は、出射面法線に対して角度θをなす、対称な２方向に傾斜レーザー光を出射することができる。上記一方の対角線の長さが、該一方の対角線の延びる方向の位置により異なるようにし、電流注入の位置を該位置に沿って変更するようにすると、異なる出射角(最大４５度)で傾斜ビームが出射するようになる(例えば特許文献３)。ここで、光を生じさせる活性層に積層される２次元フォトニック結晶層を検討する。
【０００５】
図２Ｂを参照する。２次元フォトニック結晶層が、２次元定在波を形成することにより波長λの光の共振状態を形成し、かつ光を外部に出射させない周期性を持つ格子点に異屈折率領域が配置された光共振状態形成用フォトニック結晶構造ＰＣＡと、逆格子空間において波長λに対応する波数ベクトルとの和が所定範囲内の大きさになる逆格子ベクトルを有する格子点に異屈折率領域が配置された光出射用フォトニック結晶構造ＰＣＢとを備えることにより、面に垂直な方向から傾斜した対称的２方向にレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザーも提案されている。図示の構成においては、光共振状態形成用フォトニック結晶構造ＰＣＡはｘ方向、ｙ方向格子間距離(格子定数)ａの正方格子であり、光出射用フォトニック結晶構造ＰＣＢはｙ方向の格子間距離はａであり、ｘ方向の隣接する２格子点は、ｙ方向に隣接する行の格子点のｘ方向位置に対してｒ１＊ａ、及びｒ２＊ａ、ｘ方向に離れた位置にある、斜交格子である。(例えば特許文献４)。
【０００６】
光共振状態形成用フォトニック結晶構造は、正方格子、長方格子、三角格子のいずれかで構成され、光出射用フォトニック結晶構造は斜交格子、正方格子、長方格子、面心長方格子、三角格子のいずれかで構成されると開示されている。尚、ここに用いられた用語は、特許文献４の明細書に規定された意味を持つ。
【０００７】
光出射用フォトニック結晶構造の周期性を変化させることにより、出射するレーザー光の進行方向を変化させることができる。光出射用フォトニック結晶構造に、複数の領域を画定し、それぞれの領域で周期性を変化させ、電流を供給する領域を切り替えることにより、傾斜ビームの出射方向を変化させることができると教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２８７５３号(特許第３６５９２３９号)公報
【特許文献２】特開２００９−７６９００号(特許第５０７０１６１号)公報
【特許文献３】特開２０１３−４１９４８号(特許第５７９４６８７号)公報
【特許文献４】特開２０１３−２１１５４２号(特許第６０８３７０３号)公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、車両搭載のレーザーレーダー装置においては、機械的駆動を行うことなく、２次元平面内の走査を行い、前走車等の対象物の検出を行うことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施例によれば、
それぞれ固有の出射方向特性を有する多数の個別出射領域を有する面発光レーザー装置であって、個別出射領域の各々は、フォトニック結晶構造を含むレーザー構造を有して、発光面の法線に対して対称な方向に２本のレーザー光線を出射可能であり、出射面の法線に対する角度が変化する複数の個別出射領域を含むレーザー装置と、
前記レーザー装置の個別出射領域を、時間系列的に、選択駆動し、２次元平面内のモニター領域を走査できる駆動回路と、
モニター領域からの反射光を検出して、対象物の方位と対象物までの距離を算出する信号処理部と、
を含むレーザーレーダー装置。
が提供される。
【００１１】
フォトニック結晶の周期性を変化させると出射レーザー光の方向を変化させることができる。時系列的に選択される個別出射領域が擬似走査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａは従来技術によるレーザーレーダー装置の構成を概略的に示すブロック図、図１Ｂは従来技術によるフォトニック結晶レーザーの例の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２Ａは先行出願によるフォトニック結晶面発光レーザー装置の構成を概略的に示す斜視図、図２Ｂは該フォトニック結晶面発光レーザー装置の継続研究による光共振状態形成用フォトニック結晶構造と光出力用フォトニック結晶構造の例を示す平面図である。
【図３−１】、および
【図３−２】、および
【図３−３】図３Ａは実施例によるレーザーレーダー装置の構成を概略的に示すブロック図、図３Ｂは実施例におけるレーザー装置に含まれる多数の個別出射領域の分布を概略的に示す平面図、図３Ｃは個別出射領域の構成を概略的に示す断面図、図３Ｄはレーザー装置を構成するフォトニック結晶層の格子点の構成を概略的に示す模式図、図３Ｅはレーザー装置から発する２つのレーザービームを概略的に示す斜視図、図３Ｆは図３Ｃに示すフォトニック結晶の格子定数ａ、係数ｒ１、ｒ２と、図３Ｄに示すレーザービームの角度θ、φとの関係を示す式、図３Ｇはレーザー装置内の個別照射領域と視野内の区画の関係を示す概略上面図、図３Ｈ，３Ｉは２本のレーザービームの内の１本が対象物ＯＢで反射され、反射光が２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で受光される様子を示す上面図である。
【図４−１】、および
【図４−２】図４Ａはφ＝０である場合の、傾斜角θと係数ｒ１、ｒ２の関係を表す数式、図４Ｂは傾斜角θを変化させる時の係数ｒ１＝ｒ２の変化を示すグラフ、図４Ｃはレーザー装置上の個別出射領域の配列例を示す概略上面図、図４Ｄは軸回転を含む場合のフォトニック結晶の変化、出射レーザー光の変化、個別出射領域の配列例、複数の回転角を含む場合の出射レーザー光の分布を示す概略上面図である。
【図５】図５Ａは、検出領域を前方領域と側方領域とに分けた構成を示す概略上面図、図５Ｂは側方領域と前方領域とを連続的に走査する走査工程を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００１３】
１    レーザーレーダー装置、    ２    レーザー装置、    ４    駆動回路、
６    走査演算部、    １４    検出信号演算部、    １６    距離演算部、
２１    活性層、    ２３    フォトニック結晶層、    ２５    第１導電型領域、
２７    第２導電型領域、    ２８、２９    電極、
ＯＢ    (検出)物体、    ＰＤ    フォトダイオード、  ＬＢ    レーザー光、
ＩＥＲ    個別出射領域、    ａ    格子定数、    ｒ１、ｒ２    係数、
θ    傾斜角、    φ    方位角、    ｘ、ｙ    直交座標の軸、
ＦＶ    視野、    ＦＶＤ    視野内区画。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
安全走行のためには、道路上を走行する車両は、前方を走行する前走車、歩道等を歩行する歩行者等に注意する必要がある。不注意による衝突などを回避するため、検出機器を用いて道路上の物体を検出し、必要な場合は対策をとることが望まれる。このような要求に応える機器として、レーザーレーダー装置が知られている。レーザー光を用いて道路上の前方領域、側方領域の物体を検出するために、レーザー光を所定領域内で走査する。機械的振動、温度変化等を避けがたい車両内では、機械的駆動部を用いないことが望まれる。
【００１５】
フォトニック結晶レーザー装置の出射光は、フォトニック結晶層の周期構造に基づく方向に進行する。フォトニック結晶層に多数の領域を画定し、各領域の周期構造を変化させると、進行方向が変化するレーザー光を出射することが可能となる。２次元平面内の所定領域をレーザー光の集合でほぼ埋め尽くすことができれば、該所定領域を擬似走査することが可能と考えられる。このような進行方向の異なる多数のレーザー光を発することが可能な、多数の個別出射領域を備えたレーザー装置をフォトニック結晶構造を用いて形成し、所定領域内の物体からの反射光を複数の受光素子で検出することを検討する。
【００１６】
図３Ａは、実施例によるレーザーレーダー装置の構成を概略的に示す。レーザーレーダー装置１は、多数の個別出射領域を備えたレーザー装置２、このレーザー装置２の駆動回路４、駆動回路４を制御する信号を発生する走査演算部６、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，これらのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの検出信号及び駆動回路から供給されるレーザー光出射のタイミングに基づく演算を行う検出信号演算部１４、その結果に基づいて反射光を生じた物体ＯＢまでの距離、物体の方向を演算する距離方向演算部１６を含む。レーザー装置２から発したレーザー光が物体ＯＢで反射し、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で検出される。
【００１７】
図３Ｂは、発光面内に多数の個別出射領域ＩＥＲを備えた半導体レーザー装置２の上面図を示す。図中垂直方向のｙ軸方向、水平方向のｘ軸方向に沿って、多数の個別出射領域ＩＥＲが配列されている。各個別出射領域ＩＥＲに電圧を供給するためには配線を形成する。半導体としては、近赤外の光を用いる場合、例えばＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ等ＧａＡｓを含む材質を用いることができる。
【００１８】
図３Ｃは、個別出射領域ＩＥＲの構造例を概略的に示す断面図である。第１導電型(例えばｐ型)層２５、第２導電型(例えばｎ型)層２７の間に活性層２１、フォトニック結晶層２３が配置されている。第２導電型層２７の表面に共通電極である第２導電型側電極２８が形成され、第１導電型層２５の表面に個別出射領域ＩＥＲに電流を供給する第１導電型側電極２９が形成されている。活性層２１は、例えばＩｎＧａＡｓをウェル層、ＧａＡｓをバリア層とする多重量子井戸構造で形成する。第１、第２導電型層２５，２７は、たとえば、ＡｌＧａＡｓで構成できる。フォトニック結晶層にもこれらの材料を用いることができる。電極は、例えばＡｕ等の金属、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明電極を用いて形成することができる。尚、電極の形状は、この形状に制限されない。単純クロス配線、共通配線とアクティブ配線の組み合わせ等、各個別出射領域に選択的に電圧を印加できるものであればよい。
【００１９】
図３Ｄは、公知文献４の教示に従ったフォトニック結晶の設計例を示す。正方格子を用いて光共振状態形成用格子を形成し、斜交格子を用いて光出射用格子を形成し、両者を重ねあわせて、フォトニック結晶２３を形成する場合を想定している。
【００２０】
図３Ｅはレーザー装置２の個別出射領域ＩＥＲから発する２本のレーザー光の領域表面の法線に対する傾斜角θ、領域表面内のｘ軸に対する方位角φを示す。
【００２１】
図３Ｆは、係数ｒ１、ｒ２と、傾斜角θ、方位角φとの関係を表す(式１)と、格子定数ａと(真空中の)波長λの関係を表す(式２)を示す。半導体活性層、フォトニック結晶層等の屈折率により有効屈折率が定まる。
【００２２】
光出射用格子における係数ｒ１、ｒ２によって、出射光の発光面法線からの傾斜角θ、発光面内の基準軸ｘからの方位角φが定まる。言い換えると、所望の傾斜画θ、方位角φが得られるように係数ｒ１、ｒ２を選定する。図３Ｅに示すように、出射平面内の原点から２本のレーザービームが対称的角度方向で出射される。一方のビームで第１象限を走査すると他方のビームは第３象限を走査する。視野内の所定領域を走査する場合、所定領域の中心を原点とし、一方のビームで例えば第１象限、第２象限を走査すれば、他方のビームが第３象限、第４象限を走査する。走査される領域として求められる傾斜角θ、方位角φを定め、これらを実現する係数ｒ１、ｒ２を求める。
【００２３】
図３Ｇは、固定されるレーザー装置２を用いて視野ＦＶを走査する場合の、視野ＦＶ内の区画ＦＶＤとレーザー装置２内の個別照射領域ＩＥＲとの関係を示す概略上面図である。レーザー装置２内の多数の個別照射領域ＩＥＲは視野内に定められる区画ＦＶＤと対応して設定される。
【００２４】
図３Ｈ、３Ｉは、レーザー装置２から発したレーザー光ＬＢが対象物ＯＢで反射され、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で検出される様子を示す概略上面図である。２つのフォトダイオードを用いることにより、例えば２本のレーザー光のどちらのレーザー光の反射光であるかを定めることができる。２つのフォトダイオードの受光面を互いに傾けることにより、受光した光の進行方向をさらに確認することもできる。発光タイミングから受光タイミングまでの時間差に基づき、レーザーレーダー装置から対象物までの距離を求めることができる。
【００２５】
上述の例においては、視野を多数の区画(例えば行列状の区画)に分割し、それぞれの区画にレーザー光を照射できる共通軸方位を用いたフォトニック結晶層を備えた個別照射領域を形成したレーザー装置を用いる場合を説明した。この場合、係数ｒ１、ｒ２は夫々種々に変化するであろう。
【００２６】
一軸方向の走査を検討する。ｘ軸と平行な一軸方向の走査の場合、方位角φ＝０となる。傾斜角θを０度、１０度、２０度、３０度に変化させるとする。方位角φ＝０の場合、ｓｉｎθ＊ｓｉｎφ＝０であり、図３Ｆの(式１)からｒ１＝ｒ２となる。
【００２７】
図４Ａは、このφ＝０場合を示す。ｒ１、ｒ２は最下段に示す式によってあらわされる。
【００２８】
図４Ｂは、傾斜角θを変化させる時の係数ｒ１、ｒ２の変化を示す。フォトニック結晶において、傾斜角θを０度から３０度まで変化させるには、ｒ１＝ｒ２を１から約１．２程度まで増加させればよいことが判る。尚、傾斜角は最大４５度と教示されている。
【００２９】
図４Ｃは、レーザー装置２内の４つの個別照射領域に、角度対(θ、φ)として、(０，０)、(１０，０)、(２０，０)、（３０，０）を順次設定する場合を示す。これらの個別照射領域を形成すれば、レーザー光の発光面に対する射影がｘ軸に平行であり、傾斜角が０度、１０度、２０度、３０度のレーザー光を出射することができる。ここでは、一例として４電極としたが、これは一例であり、より制御性を高めるためには角度に対し分割電極数を増やすことが望ましい。
【００３０】
以上の設定では、レーザー光の発光面に対する射影がｘ軸と平行であるレーザー光しか得られない。ｘ軸、ｙ軸を含む２次元平面の所定領域を走査することはできないことになる。ところで、この結論はｘ軸、ｙ軸が１種類のみであることを前提としている。軸を回転することも可能であり、原点の周囲でｘ軸を回転させれば、平面をカバーすることができる。
【００３１】
図４Ｄは軸回転を行う場合を示す。（ＤＡ）は９０度回転を行う場合を示す。回転前のｘ軸方向が、回転後のｙ軸方向に相当し、回転前のｙ軸方向が回転後のｘ軸方向に相当する。
【００３２】
（ＤＢ）は、回転後のフォトニック結晶によって傾斜角がｙ軸方向に沿って変化する出射光を示す。回転前の構造を有する個別出射領域からｘ軸方向の変化が得られるので、併せれば、ｘ軸方向とｙ軸方向に沿う傾斜角が得られる。
【００３３】
（ＤＣ）は、レーザー装置２の出射面内ｘ軸方向、ｙ軸方向に沿って、ｘ軸方向の傾斜角変化、ｙ軸方向の傾斜角変化を提供する個別出射領域を形成した場合を示している。
【００３４】
(ＤＤ)は、９０度回転以外の回転も用いる場合を示す。図示された構成では、ｘ軸、ｙ軸の間に２つの回転軸を形成し、かつｘ軸近傍の軸間角度は狭く、ｙ軸に近づくと軸間角度が大きくなっている。対象物の検出は路面付近ほど精度高くする要求を考慮している。尚、係数対（ｒ１、ｒ２）を任意に選択する個別照射領域と、ｒ１＝ｒ２を前提とする個別照射領域を混在させることもできる。
【００３５】
車両用の対象物検出を前方領域と側方領域とに対して行う場合、要求される条件は前方領域と側方領域とでは異なる。レーザー装置を前方用と両側方用とに３セット備えることも考えられるが、１セットで行えればコスト抑制に有効であろう。前方のモニター対象物は例えば１００ｍ程度を中心としたモニター光でモニターし、側方のモニター対象物は例えば５０ｍ程度を中心としたモニター光でモニターできる。前方は距離が長いのでレーザー光の強度も高くする必要があり、レーザー光が往復する時間も長い、これに対し、側方は距離が短いので出射光の強度も低くでき、反射光が到達するまでの時間も短い。
【００３６】
図５Ａは、レーザーレーダー装置１のモニター空間を前方領域と両側方領域に分けた状態を示す概略的上面図であり、図５Ｂは、時間分割して側方領域のモニターと前方領域のモニターを行う場合のタイミングチャートを示す。側方領域のモニターにおいては、発光周波数が相対的に高く、発光強度は相対的に低く設定され、前方モニターにおいては発光周波数を相対的に低く、発光強度を相対的に高く設定されている。
【００３７】
以上、実施例に沿って説明したが、必要に応じて、特開２０１３−４１９４８号(特許第５７９４６８７号)公報、特開２０１３−２１１５４２号(特許第６０８３７０３号)公報の実施例の欄に記載された事項を取込むこともできる。上述の記載中の材料数値などは例示であり、制限的なものではない。実施例に沿って説明したが、公知の均等物などを用いることも可能である。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは当業者に自明であろう。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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