(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の個別光源から成る発光器を備える検知用センサを改良する。【解決手段】該センサは、多数の個別光源１４ａ，ｂ及び該個別光源の個別光束３６ａ，ｂから成る発射光束を送出するために前方に配置された発光光学系を有する発光器１２と、監視領域内で反射された後に入射してくる発射光束を受けて該発射光束から受光信号を生成するための受光器と、前記受光信号から物体を検出するための評価ユニットとを備える。発光器１２と発光光学系の間に、個別光源に割り当てられたマイクロ光学系領域を備える特に非結像性の光学的な方向転換素子１８が配置されており、発光光学系の手前における虚像面内での個別光束の断面が全体として個別光源そのものよりも小さい面積を占有するようにマイクロ光学系領域３４ａ，ｂが個別光束を互いに向かって方向転換させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（２２）内の物体（２４）を検出するための光電センサ（１０）であって、多数の個別光源（１４）及び該個別光源（１４）の個別光束（３６）から成る発射光束（１６）を送出するために前方に配置された発光光学系（２０）を有する発光器（１２）と、前記監視領域（２２）内で反射された後に入射してくる発射光束（２６）を受けて該発射光束（２６）から受光信号を生成するための受光器（３０）と、前記受光信号から前記物体（２４）を検出するための評価ユニット（３２）とを備える光電センサ（１０）において、
前記発光器（１２）と前記発光光学系（２０）の間に、前記個別光源（１４）に割り当てられたマイクロ光学系領域（３４）を備える特に非結像性の光学的な方向転換素子（１８）が配置されており、前記発光光学系（２０）の手前における虚像面（４２）内での前記個別光束（３６）の断面が全体として前記個別光源（１４）そのものよりも小さい面積を占有するものとなるように、前記マイクロ光学系領域（３４）が前記個別光束（３６）を互いに向かって方向転換させることを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】
前記発光器（１２）が、前記個別光源（１４）として複数の発光面を有するＶＣＳＥＬを備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記個別光源（１４）の少なくとも一部が円上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記個別光源（１４）の前記一部が正ｎ角形を成していることを特徴とする請求項３に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記円上に配置されていない個別光源（１４ｇ）が該円の中心に配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記マイクロ光学系領域（３４）が光導波路を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記マイクロ光学系領域（３４）が、それに割り当てられた個別光源（１４）の光軸に対して傾いた平面を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記平面が角錐又は角錐台の側面であることを特徴とする請求項７に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記方向転換素子（１８）が中空円錐又は中空円錐台を備え、その側面が前記マイクロ光学系領域（３４）を成していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
前記評価ユニット（３２）が、送出されてから再度受光される発射光束（１６、２６）の光伝播時間から、又は三角測量により、反射している物体（２４）の距離を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
レーザスキャナとして構成されており、前記発射光束（１６）を前記監視領域（２２）内に周期的に偏向させるために可動式の偏向ユニットを備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
監視領域（２２）内の物体（２４）を検出するための方法であって、多数の個別光束（３６）から成る発射光束（１６）を発光光学系（２２）を通じて送出し、前記監視領域（２２）内で反射された発射光束（２６）から受光信号を生成し、該受光信号を評価することで前記物体（２４）を検出する方法において、
前記個別光束（３６）の前記発光光学系（２２）への入射前に、該発光光学系（２０）の手前における虚像面（４２）内での前記個別光束（３６）の断面が全体として該光束の生成時よりも小さい面積を占有するものとなるように、特に非結像性であるマイクロ光学系領域（３４）を用いて前記個別光束（３６）を互いに向かって方向転換させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１又は１２のプレアンブルに記載の光電センサ及び監視領域内の物体検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの光電センサは、監視領域内へ光線を送出し、物体により反射された光線を再び受光して、受光信号を電子的に評価する、という検知原理により作動する。その際、公知の位相法又はパルス法で光伝播時間（飛行時間）を測定することで、検知された物体の距離を測定することがよくある。例えば、特許文献１から知られているパルス平均法では、測定のために多数の個別パルスが送出され、その受信パルスが統計的に評価される。また、距離を測定するための別の方法として三角測量がある。この場合、発光器と空間分解能を有する受光器とが並べて配置され、物体距離に応じて変わる受光スポットの位置が評価される。
【０００３】
測定領域を広げるために、例えばレーザスキャナで行われるように走査光線を動かすことが可能である。この場合、レーザから発せられた光線が偏向ユニットを介して周期的に監視領域を掃引する。測定された距離情報に加えて、偏向ユニットの角度位置から監視領域内での物体の位置が推定され、以て監視領域内での物体の位置が２次元極座標で検出される。多くのレーザスキャナでは走査運動が回転鏡によって達成される。もっとも、例えば特許文献２に記載されているように、発光器と受光器を有する測定ヘッド全体を回転させるという方法も知られている。
【０００４】
光電センサの光源としてはＬＥＤやレーザダイオードが用いられる。光検知器の場合、本来は１本の光線があればよいため光源も１つしか必要ないが、複数の光源を有するアレイから出力される光束を用いることも知られている。考えられる理由の１つは光の出力エネルギーを高めたいということである。
【０００５】
まさに垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers; VCSEL）には単一の発光面（メサ）ではなく近接して配置された複数の発光面を備えるものが多い。その理由は、小さな発光面からの発光の角度をメーカー側でより良く制御できるからである。
【０００６】
その場合、個々の発光面は確かに小さくなるが、全ての発光面を含む外接円は大きくなる。このようなＶＣＳＥＬの光が単独の発光レンズで結像されると、監視領域内に生じる光スポット、そして最終的にセンサの受光素子上に生じる光スポットが大きくなり、不利である。
【０００７】
単純な補助レンズではこの問題は解決できない。図１２は２個の個別光源１０２ａ〜ｂ及びそれらに割り当てられた共通の発光光学系１０４を備える模範的な発光器１００を示している。追加の単独レンズ１０６が発光器１００と発光光学系１０４の間に配置されている。このレンズは個別光源１０２ａ〜ｂの縮小された中間的な実像１０８ａ〜ｂを生成する。これにより、個別光源１０２ａ〜ｂを囲む外接円がまず所望の大きさに縮小される。しかし、エタンデュ（Ｅｔｅｎｄｕｅ）は保存量であるため、縮小された中間像１０８ａ〜ｂは必然的にその放射角が大きくなる（α２＞α１）。故に全体としては利点がない。何故なら、もはや全ての光が発光光学系１０４全体に当たるわけではないからである。
【０００８】
別のアプローチとして、各発光面に対して少なくとも部分的に分割された光路を有するマイクロレンズフィールドをＶＣＳＥＬに対して割り当てることが考えられる。特に、各マイクロレンズを用いて、該レンズに割り当てられた発光面の中間的な実像を生成する。
【０００９】
図１３に第１の例を示す。この例では発光器１００の２個の個別光源１０２ａ〜ｂにそれぞれマイクロレンズ１０６ａ〜ｂが割り当てられている。その後段に配置された共通の発光光学系１０４は図示していない。各個別光源１０２ａ〜ｂは割り当てられたマイクロレンズ１０６ａ〜ｂによって同じ中間像１０８ａ〜ｂに結像される。この重畳は完全ではありえず、また共通の中間像１０８ａ〜ｂは場合によっては個別光源１０２ａ〜ｂより大きい。この場合、個別光源の発散角は同じであるが各個別光束の主光線が傾いているため光束全体の発散角が更に大きくなる、という状態になる可能性がある。また、中間的な実像を用いるアプローチには、マイクロレンズの屈折力を大きくなければならないため、レンズの表面が大きく湾曲しており、その結果、結像誤差が生じ、中間的な実像が拡大されて不鮮明になる可能性があるという欠点もある。
【００１０】
図１４に別の例を示す。図１３とは異なり、この例では中間像１０８ａ〜ｂが重ならずに分かれている。ただし、両者は非常に近接していることが好ましい。この例でも発散角が広がるという問題は残っている。
【００１１】
マイクロレンズを用いるアプローチがある程度うまくいくには、個別光源１０２ａ〜ｂが比較的小さく且つ互いに大きく離れている必要がある。しかし、ＶＣＳＥＬでは発光面の大きさが発光面同士の間隔に比べて比較的大きい場合が多い。そうすると、マイクロレンズ１０６ａ〜ｂを各発光面に大きく近付けて、その発光面の光だけで選択的に照らされるようにする必要がある。しかし、このような近距離から見た発光面は空間的に大きな角度で広がっている。故にマイクロレンズ１０６ａ〜ｂはそれぞれ広い視野をカバーせざるを得ない。単独のレンズは視野の一部にしか適合していないため、結像はかなり不鮮明になる。よってこの場合も縮小による所望の効果は失われてしまう。
【００１２】
特許文献３に、光源としてレーザマトリックスを用いたレーザスキャナが開示されている。しかし、該スキャナは、レーザマトリックスに含まれる各個別レーザからそれぞれ走査光線を送出することで、該個別レーザの個数と同数の個別の距離点を持つ距離画像を得るものである。
【００１３】
特許文献４に、プリズムとレンズの形をしたマイクロ光学系をそれぞれ有する多数の個別発光器を備える照明ユニットを有する３次元カメラが開示されている。これを用いると構造化された照明パターンが生成される。該パターンでは各個別発光器がそれぞれ１個の光点を作り出す。各光点はそれに対応するマイクロ光学系で特定の場所に投射され、全体として疑似的なランダムパターンが得られる。しかしその目的は小さな光スポットで物体を検知することではなく、逆に検出領域全体をくまなく照らすことである。
【００１４】
特許文献５から、構造化された光パターンを生成する別の光学系が知られている。この光学系でもマイクロプリズムとマイクロレンズの組み合わせを用いることができる。
【００１５】
特許文献６に、多光線型のＶＣＳＥＬアレイ用のマイクロレンズが開示されている。しかし、図１３及び１４に基づいて論じた問題は該文献では論じられていないか、全く解決されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】EP 2 469 296 B1
【特許文献２】DE 197 57 849 B4
【特許文献３】DE 101 56 282 A2
【特許文献４】DE 10 2011 052 802 A1
【特許文献５】WO 2014/102341 A1
【特許文献６】US 2013/0266326 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
故に、本発明の課題は、複数の個別光源から成る発光器を備える前述した種類の検知用センサを改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題は、請求項１又は１２に記載の光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法により解決される。多数の個別光源を備える発光器を用いて、それら個別光源の個別光束から成る発射光束が送出される。監視領域内で反射された光が再び受光され、その光から受光信号が生成され、該受光信号が評価される。
【００１９】
本発明の出発点となる基本的な考え方は、個別光源の間隔を詰める又はその密度を高めるために、非結像性のマイクロ光学系を用いるということにある。そのために、個別光源に割り当てられた非結像性のマイクロ光学系領域を備える光学的な方向転換素子が設けられている。マイクロ光学系領域は各個別光束を互いに向かって内側へ方向転換させる。このマイクロ光学系領域は像を結ばないため、中間的な実像は生成されないが、冒頭で述べたように、追加の単独レンズやマイクロレンズでは所望の結果は得られないから、虚像があれば十分である。マイクロ光学系領域は、マイクロ光学系と発光レンズの間の発散角が大きくなるという不都合を生じさせることなく、個別光束を方向転換させる。そうすると、個別光束は発光器上にある本来の物理的な面よりも小さな面から発しているかのように見える。つまり、この発光器は、虚像面内では、よりコンパクトに個別光源が配置された発光器のように振る舞う。この縮小された面は例えば個別光束乃至は個別光源を囲む外接円で判定される。個別光束そのものは単に方向が変わるだけだから、その断面積は小さくならないが、縮小等、ある程度の形状の歪みを排除するものではない。
【００２０】
本発明には、送出された発射光束の断面積、監視領域内の発光スポット、そして受光器上の受光スポットの断面積が小さくなるという利点がある。これにより分解能が向上する他、温度や公差等による受光器上での光の損失が少なくなる。複数の個別光束から成る発射光束が、実際よりも小さな空間領域から発せられているかのような形に変換される。その際、角度分布が不所望に広がることはない。結像を行わないため、レンズの湾曲を大きくする必要はなく、冒頭で述べたような結像誤差は回避されるか、そうでなくても大幅に縮小される。光学的な方向転換素子は、ガラス製のプレス加工品や樹脂製の射出成形部品として、又はマイクロ光学系のための他の公知の製造法を用いて、安価に製造することができる。
【００２１】
前記発光器は個別光源として複数の発光面（メサ）を有するＶＣＳＥＬを備えていることが好ましい。冒頭で述べたように、ＶＣＳＥＬは単一ではなく複数の発光面を持つ構成にすることが製造技術上有利である。そのようにしつつも効果的に小さな光スポットを維持するには本発明の光学的な方向転換素子がとりわけ必要である。そうすれば、複数の小さな発光面による小さな放射角が製造上確保された安価なＶＣＳＥＬを、細い走査光線を用いるセンサ（特に光検知器及びレーザスキャナ）に利用することができる。あるいは、複数の他のレーザ又はＬＥＤを一つに統合してマトリックス状に配置したものを発光器又は分離した個別光源として用いることも可能である。
【００２２】
前記個別光源の少なくとも一部は円上に配置されていることが好ましい。これは、若干数（例えばせいぜい１０個）の発光面を有するＶＣＳＥＬでよく用いられる簡単な配置である。この場合、光学的な方向転換素子の作用により前記円はすぼまり、従ってその半径は虚像面内でより小さくなる。また、複数の同心円も考えられるが、その場合、光学的な方向転換素子の形成コストがやや高くなる。
【００２３】
前記個別光源の前記一部は正ｎ角形を成していることが好ましい。この場合、前記個別光源は円上にあるだけでなく、等間隔で並んでもいる。このような規則的な配置は、扱いが容易であり、また発射光束内での光分布がより規則的になるため、特に有利である。
【００２４】
円上に配置されていない個別光源は円の中心に配置されていることが好ましい。個別光源の一部が正ｎ角形状に配置されている場合、前記中心はその正ｎ角形の重心にも相当する。このようにすれば、表面を最大限に利用した規則的な個別光源の配置となる。好ましくは、円上及び中心に配置されたもの以外の個別光源がないようにする。
【００２５】
前記マイクロ光学系領域は光導波路を備えていることが好ましい。この場合、光学的な方向転換素子をやや複雑な方法で製造する必要がある。導光路を用いれば、個別光束の出射位置及び出射角度をそれぞれほぼ任意に選択し、仮想的な個別光源の適切な配置を全体で見出すことができる。
【００２６】
前記マイクロ光学系領域は、それに割り当てられた個別光源の光軸に対して傾いた平面を備えていることが好ましい。このようにすれば、マイクロ光学系領域が、それに割り当てられた個別光源の光を所望のやり方で内側へずらすプリズムとして作用する。
【００２７】
前記平面は角錐又は角錐台の側面であることが好ましい。角錐の底面は個別光源の配置、特に正ｎ角形に対応する。ただしこの場合、個別光源は底面の角には位置していないことが好ましい。側面を底面へ投射して見たときに個別光源がそれに対して少なくともある程度中心寄りに位置するようにすることで、全ての個別光束が側面に当たり、稜線には当たらないようにする。つまり、個別光源のｎ角形は底面に対して、特に３６０°／２ｎだけ回転されており、しかも縮小されている。角錐の中心は、ｎ角形に加えて少なくとも１個の別の個別光源が中心にある場合にのみ光学的に意味がある。この個別光源の個別光束は既に発射光束の中心にあるため、その方向を変えてはならない。そこで、角錐を単純に平面で切り取って角錐台にすればよい。中心に個別光源がない場合、角錐の頂点は製造技術的な観点のみから形成されるものであるから、前述のように切り取ってもよいし、丸めたりする等してもよい。
【００２８】
前記方向転換素子が中空円錐又は中空円錐台を備え、その側面が前記マイクロ光学系領域を成していることが好ましい。これはいわば前記角錐を連続的にしたものであり、単なる幾つかの決まった角度だけではなく全ての角度で回転対称である。光学的にはそれは凹凸状のアキシコンとみなすことができる。中空円錐は材料と製造方法によってはコスト的により有利であり、また周方向の調整が不要である。中空円錐内において各個別光源は角錐においてと同様に事実上１つの側面に割り当てられる。この側面の周方向の湾曲は特に大きくはない。なぜなら、個別光束の断面は中空円錐の小さな角度範囲にしか対応していないからである。その結果生じる非点収差は多くの場合許容可能である。角錐の頂点に関する先の説明は中空円錐にも実質的に当てはまる。つまり、その中空円錐を特に中空円錐台にしたり頂点を丸めたりしてもよい。
【００２９】
評価ユニットは、送出されてから再度受光される発射光束の光伝播時間から、又は三角測量により、反射している物体又は検知された物体の距離を測定するように構成されていることが好ましい。このようにすれば距離測定型のセンサ乃至は検知器が得られる。光伝播時間法そのものは公知であり、例えばパルス法、位相法又はパルス平均法が利用できる。同様に三角測量そのものも公知である。特殊なケースとしていわゆる背景隠蔽型の検知器がある。その検出信号は物体の有無を単に二値的に確定するものであるが、三角測量による評価を利用して特定の距離範囲内でのみその信号が出力される。
【００３０】
本センサは、レーザスキャナとして構成され、発射光束を監視領域内に周期的に偏向させるために可動式の偏向ユニットを備えていることが好ましい。このようにすれば、単一光線式のセンサ又は検知器とは違って、監視領域が平面に拡大される。偏向ユニットが２本の軸で動く場合、それは更に３次元空間領域にまで拡大される。偏向ユニットは揺動鏡又は回転鏡でもよいが、回転式又は揺動式の走査ヘッドでもよく、その場合、より広い監視領域から複数の測定値を同時に得るために、複数の測定モジュールを同一の及び／又はずれた角度に配置することができる。
【００３１】
本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。
【００３２】
以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】光電センサの概略断面図。
【図２】光学的な方向転換素子を備える発光器とその後段に配置された発光光学系の実施形態の断面図。
【図３】図２に示した方向転換素子と光路の拡大図。
【図４】２個の個別光源の間隔を仮想的に詰める又はその密度を高める光学的な方向転換素子の平面図。
【図５】別の光学的な方向転換素子を用いて３個の個別光源の間隔を仮想的に詰める又はその密度を高める場合を示す概略図。
【図６】３個の個別光源用の光学的な方向転換素子の平面図。
【図７】３個の個別光源用の光学的な方向転換素子の実施形態の３次元図。
【図８】４個の個別光源用の光学的な方向転換素子の平面図。
【図９】７個の個別光源用の光学的な方向転換素子の平面図。
【図１０】導光路を有する別の光学的な方向転換素子の３次元図。
【図１１】導光路乃至は全反射を利用した光学的な方向転換素子の断面図。
【図１２】単独の補助レンズが適していない理由を説明するための断面図。
【図１３】複数の個別光源を共通の中間的な実像に結像させるマイクロレンズを有する発光器の断面図。
【図１４】図１３と同様の断面図であって、中間的な実像が分かれているものを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は光電センサ１０の概略断面図である。発光器１２は複数の個別光源１４ａ〜ｂ（図示した例では２個の個別光源１４ａ〜ｂ）を備えている。その個別光束は共通の発射光束１６を形成する。この光束の断面はまず光学的な方向転換素子１８によって縮小され、その後、共通の発光光学系２０（好ましくは単独レンズ）を通じて監視領域２２へ送出される。
【００３５】
発光器１２はＶＣＳＥＬであることが好ましい。その場合、その発光面（メサ）が個別光源１４ａ〜ｂとなる。あるいは、それ以外のレーザ光源又はＬＥＤも考えられる。図１に示したように発光器１２と光学的な方向転換素子１８を共通の部品としてまとめることが有利であるが、本発明はそれに限定されない。光学的な方向転換素子１８の光学的な作用及び可能な実施形態については後で図２〜１１を参照して詳述する。
【００３６】
発射光束１６が監視領域２２内で物体２４に当たると、その光の一部が反射光束２６となってセンサ１０へ戻り、該センサ内で受光光学系２８により束ねられて受光器３０に入射する。受光器は、例えばフォトダイオード、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）、ＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェフォトダイオード）、又はそのような受光素子を多重的に配置したものとして構成される。
【００３７】
評価ユニット３２が発光器１２を制御するとともに受光器３０の受光信号を評価することで、発射光束１６が物体２４を捕らえたかどうかを確定する。好ましい実施形態では物体２４までの距離も測定される。その場合に利用される光伝播時間法は個別パルス法又は複数パルス法でも、あるいは位相法でもよく、それ自体は公知である。三角測量法も考えられる。
【００３８】
図１は模範例として２軸の構成のセンサ１０を示しているが、本発明はそれに限定されず、検知用のあらゆる光電センサを含む。例えば、特に発光器１２を受光器の手前に配置したり、ビームスプリッタを用いたりして発光器１２と受光器３０を同軸に配置することも考えられる。また、センサ１０は単一光線の検知器ではなくレーザスキャナでもよい。その場合、発射光束を可動鏡により周期的に偏向させたり、可動式の光学ヘッドを設けて発光器１２及び／又は受光器３０をそれと一緒に動かしたりする。
【００３９】
冒頭で述べたように、複数の個別光源１４ａ〜ｂを発光光学系２０だけで結像させたとすると、発射光束１６の断面積、そして物体２４上の光スポット及び受光器３０上の受光スポットの大きさが単一の光源に比べてはるかに大きくなってしまう。光学的な方向転換素子１８を用いることで、複数の個別光源１４ａ〜ｂを有する発光器１２でも断面の小さな細い発射光束１６と小さな光スポットが得られる。光学的な方向転換素子１８のこの効果についてこれから一連の実施例に基づいて詳しく考察する。
【００４０】
図２は図１の発光器１２を光学的な方向転換素子１８も含めて拡大図で示している。光学的な方向転換素子１８は、全体を大まかに見れば平らな板であるが、その両面でマイクロ光学系３４ａ〜ｂが個別光源１４ａ〜ｂ毎に刻印されている。本例では各マイクロ光学系が互いに平行で発光器１２の光軸に対して傾いた平面の形をしている。マイクロ光学系３４ａ〜ｂは個別光源１４ａ〜ｂの個別光束３６ａ〜ｂに対して複プリズムのように作用する。それによる方向転換の結果、個別光束３６ａ〜ｂは、実際よりも間隔を詰めた個別光源１４ａ〜ｂから出たかのように、つまり全体としてより小さな発光器１２の面から発したように見える。図中、具体的な説明のために個別光束３６ａ〜ｂの主光線３８ａ〜ｂが描かれている。光学的な方向転換素子１８があるため、それらの主光線が成す角度は、比較のために描かれた光学的な方向転換素子１８がない場合の主光線４０ａ〜ｂの角度より小さくなる。
【００４１】
図３は光学的な方向転換素子１８付近の光路を拡大図で改めて示している。個別光束３６ａ〜ｂはマイクロ光学系３４ａ〜ｂにより内側へ方向を変えられる。これにより、間隔を詰めた個別光源１４ａ〜ｂの２個の虚像４２ａ〜ｂが生じる。この虚像は個別光源１４ａ〜ｂ自体よりも間隔が狭く、占有面積が小さい。また、個別光源１４ａ〜ｂとその虚像４２ａ〜ｂの半径はほぼ等しい。なぜなら、マイクロ光学系３４ａ〜ｂは単に光の方向を変えるだけであり、結像はしないからである。一方、個別光源１４ａ〜ｂを囲む外接円の半径は虚像４２ａ〜ｂを囲む外接円の半径よりもはるかに大きい。
【００４２】
図４は間隔を詰めた虚像４２ａ〜ｂを光学的な方向転換素子１８の平面図で再度示している。既に述べたように、個別光源１４ａ〜ｂとその各々の虚像４２ａ〜ｂの大きさはほぼ等しいが、ある程度の形状及び大きさの歪みは考えられる。しかし、虚像４２ａ〜ｂは互いに非常に近接しているため、全体としてはより小さな面積しか占有しない、つまりより小さな外接円内に収まる。
【００４３】
ここまでの例では発光器１２の個別光源１４ａ〜ｂは２個だけである。しかし、本発明は個別光源１４ａ〜ｂが２個だけの場合に限られない。まず、各断面図は円形に配置された３個以上の個別光源１４ａ〜ｂの図と解釈することもできる。更に、図５〜７は３個の個別光源１４ａ〜ｃの実施例、図８は４個の個別光源１４ａ〜ｄの実施例、そして図９は７個の個別光源１４ａ〜ｇの実施例を示している。他の個数の個別光源を有する発光器１２に対しても光学的な方向転換素子１８を適宜形成することができる。
【００４４】
図５は３個の個別光源１４ａ〜ｃの間隔を詰めて３個の虚像４２ａ〜ｃにする場合を示している。既に図４に関して論じたように、虚像４２ａ〜ｃそのものは個別光源１４ａ〜ｃそのものと実質的にほぼ同じ大きさであるが、より小さな外接円の内側で明らかに狭い面の上にある。
【００４５】
図６はそれに対して考え得る光学的な方向転換素子１８の構成を平面図で示している。マイクロ光学系領域３４ａ〜ｃは三角錐の側面を成している。この角錐は中空である。なぜなら各マイクロ光学系領域３４ａ〜ｃは図２〜４と同様の平面だからである。角錐の頂点は光学的には意味がないため、ここでは製造技術上の理由により切り取られている。
【００４６】
図７は対応する光学的な方向転換素子１８の３次元図である。マイクロ光学系領域を有するこの角錐又は角錐台は、扱いやすくするために両面で平面４４内に刻印されている。同じ図を、角錐の頂点を上から見た図と解釈することも、角錐の内部の中空空間を下から覗き込んだ図と解釈することもできる。
【００４７】
このように構成された光学的な方向転換素子１８では外接円を大幅に、例えば６０％まで縮小することができる。光の損失が１０〜１５％低減され、しかもそれは主としてフレネル反射による損失であるため、反射防止膜によって更に低減することができる。
【００４８】
図８は図６に対応する図であって、４個の個別光源１４ａ〜ｄの場合を示している。また図９は別の例として７個の個別光源１４ａ〜ｇの場合を示している。そのうち１個の個別光源１４ｇは中心に配置されており、それに対応する光学的な方向転換素子１８の中心領域は開口又は垂直な平面である。これは、中心から出る光は方向を変えないことが好ましいからである。光の分布と方向の変化を均一にするため、角錐の底面を正ｎ角形にすることが有利である。以上の例から他のｎに一般化できることは明白である。また、個別光源を複数の同心のリング状に構成することもできる。その場合、光学的な方向転換素子１８は、それぞれ異なる角度で傾斜した側面を持つ複数段の角錐で構成することが好ましい。他にも個別光源の配置は考えられる。その場合、好ましくは適切に傾けられた平面を各光源に割り当てる。そうすると他の幾何形状を持つ立体ができる。
【００４９】
多少の光学的な歪みは生じるものの、傾いた平面の代わりに曲面の使用を認めることも考えられる。その一例として、角錐の代わりに中空円錐を有する光学的な方向転換素子１８という構成がある。その断面図又は一部断面図を描けば図１〜４と同様になる。ただし、本例の光学的な方向転換素子１８は回転対称である。周方向の湾曲により若干の非点収差が生じるものの、それは無視又は少なくとも許容することができる。これに対応する形状の光学的な方向転換素子１８は凹凸状のアキシコンとみなすことができる。これには、製造方法によってはその内側及び外側の円錐側面が簡単且つ精密に低コストで仕上がるという利点がある。しかも、円錐は特定の個数の個別光源に限定されず、リング状に配置された任意の数の個別光源を囲むことができる。円錐台を用いれば更に少なくとも１個の光源を中心に配置することも考えられる。複数の同心リングの場合も同様に円錐で光の方向転換が可能であり、傾きが異なる複数段の円錐台を用いれば更に良い。
【００５０】
図１０は光学的な方向転換素子１８の別の実施例を示している。この例ではマイクロ光学系領域３４ａ〜ｃが適切な傾きの入射面及び出射面を持つ導光路として構成されている。３個の個別光源に対する３本の導光路という数は単なる例に過ぎない。図１〜９に示した実施例ではプリズムの両面で屈折が生じるが、いずれもその一方又は両方を鏡面反射又は全反射で置き換えることができる。従って前記導光路は透明な材料から成る中実体に限らず、中空又は内側が鏡面加工された導光路であってもよい。
【００５１】
図１１は、全反射を利用して光路を折り曲げるという考え方を示す、光学的な方向転換素子１８の別の実施例の断面図である。ここではこれも導光路と呼ぶ。なぜならその光学的な原理は同じだからである。
【００５２】
前述の各実施例は、複数の個別光源により生成された光スポットが光学的な方向転換素子１８により縮小されるような発光器１２に関するものであるが、例えば、空間分解能を有する受光器３０、特にフォトダイオードアレイ、ＡＰＤアレイ又はＳＰＡＤアレイのように複数の受光素子を有する受光器の場合、光学的な方向転換素子を受光側に入れることもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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