(57)【要約】【課題】対象領域における距離情報を取得可能な新規な撮像システムを提供する。【解決手段】撮像システムは、発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備える。前記発光デバイスは、光源と、前記光源からの光を全反射によって伝搬させる第１の導波路と、第２の導波路と、第１調整素子と、を備える。前記制御回路は、前記光源に、光パルスを繰り返し出射させる。また、前記制御回路は、前記光パルスの出射に同期して、複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させる。さらに、前記制御回路は、第１調整素子に、第２の導波路からの出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備え、
前記発光デバイスは、
光源と、
前記光源からの光を全反射によって伝搬させる第１の導波路と、
第２の導波路と、
第１調整素子と、
を備え、
前記第２の導波路は、
第１の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、
前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
を備え、
前記第１の光導波層は、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させ、
前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、出射光として前記第２の導波路の外部に出射し、
前記第１調整素子は、前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率を変化させることにより、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更し、
前記撮像素子は、前記第２の導波路からの前記出射光の少なくとも一部を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備え、
前記光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力し、
前記制御回路は、
前記光源に、前記光として光パルスを繰り返し出射させ、
前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに前記信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させ、
前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる、
撮像システム。
【請求項２】
発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備え、
前記発光デバイスは、
光源と、
前記光源からの光を全反射によって伝搬させる第１の導波路と、
第２の導波路と、
第３の導波路と、
第１調整素子と、
を備え、
前記第２の導波路は、
第１の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
を備え、
前記第３の導波路は、
第３の多層反射膜と、
前記第３の多層反射膜に対向する第４の多層反射膜と、
前記第３の多層反射膜と前記第４の多層反射膜の間に位置する第２の光導波層と、
を備え、
前記第２の光導波層は、前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させ、
前記第１の光導波層は、前記第２の光導波層に直接的に繋がり、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第２の光導波層を伝搬した前記光を伝搬させ、
前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、出射光として前記第２の導波路の外部に出射し、
前記第１調整素子は、前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率を変化させることにより、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更し、
前記撮像素子は、前記第２の導波路からの前記出射光の少なくとも一部を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備え、
前記光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力し、
前記制御回路は、
前記光源に、前記光として光パルスを繰り返し出射させ、
前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに前記信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させ、
前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる、
撮像システム。
【請求項３】
前記第１の時間は、前記第２の時間のｎ倍（ｎは２以上の整数）である、請求項１または２に記載の撮像システム。
【請求項４】
前記制御回路は、前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を前記第２の時間ごとに変更させることによって対象領域をスキャンし、
前記対象領域全体のスキャンに要する時間は、前記第１の時間以上である、請求項１から３のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項５】
前記対象領域全体のスキャンに要する時間は、前記第１の時間のｍ倍（ｍは１以上の整数）である、請求項４に記載の撮像システム。
【請求項６】
前記制御回路は、前記少なくとも１つの光検出セルにのみ前記信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには前記信号電荷を蓄積させない、請求項１から５のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項７】
前記制御回路は、前記複数の光検出セルのうち、前記発光デバイスによって形成される光スポットの位置および大きさに応じて決定される一部の光検出セルに信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させない、請求項１から６のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項８】
前記複数の光検出セルは、行方向および列方向に配列され、
前記発光デバイスは、前記行方向または前記列方向に対応する方向に延びた光スポットを対象領域内に形成し、
前記制御回路は、前記光スポットが延びる方向に垂直な方向に前記光スポットを前記第２の時間ごとに移動させ、前記複数の光検出セルに、行単位または列単位で前記信号電荷を蓄積させる、
請求項１から７のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項９】
前記撮像素子を含み、１次元または２次元に配列された複数の撮像素子を備え、
前記制御回路は、前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更させることにより、前記複数の撮像素子に前記光パルスを順次入射させ、前記複数の撮像素子に順にフレームを生成させる、
請求項１から８のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項１０】
前記発光デバイスは、０次光および±１次光を含む複数の回折光を出射し、
前記制御回路は、前記複数の光検出セルのうち、前記０次光および前記±１次光の少なくとも一部を受ける一部の光検出セルにのみ前記信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには前記信号電荷を蓄積させない、
請求項１から９のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項１１】
前記制御回路は、前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を前記第２の時間ごとに変更させることによって対象領域をスキャンし、
前記撮像素子によって生成された前記フレームに基づいて、前記対象領域における距離分布を示す画像信号を生成する信号処理回路をさらに備える、
請求項１から１０のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記第２の時間内に、前記光パルスの出射に同期して、前記少なくとも一部の光検出セルに、複数回にわたって前記信号電荷を繰り返し蓄積させ、前記第２の時間内に前記少なくとも一部の光検出セルに蓄積される前記信号電荷の量は、前記対象物までの距離に応じて異なり、
前記信号処理回路は、前記撮像素子によって生成された少なくとも１つのフレームに基づいて、前記対象領域における前記距離分布を示す画像信号を生成する、
請求項１１に記載の撮像システム。
【請求項１３】
前記信号処理回路は、前記発光デバイスが発光してから、前記少なくとも一部の光検出セルが受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を計測する、請求項１１に記載の撮像システム。
【請求項１４】
前記光は、特定の波長域の光であり、
前記複数の光検出セルに対向し、前記特定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタをさらに備える、
請求項１から１３のいずれかに記載の撮像システム。
【請求項１５】
発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備え、
前記発光デバイスは、
光源と、
第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、
第１調整素子と、
を備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
全反射によって光を伝搬させる第１の導波路と、
第２の導波路と、
を備え、
前記第２の導波路は、
第１の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、
前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
を備え、
前記第１の光導波層は、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第１の導波路を伝搬した前記光を、前記第１の方向に交差する第２の方向に伝搬させ、
前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、出射光として、前記第２の導波路の外部に出射し、
前記第１調整素子は、前記複数の導波路ユニットの各々において、前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率を変化させることにより、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更し、
前記撮像素子は、前記出射光の少なくとも一部を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備え、
前記光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力し、
前記制御回路は、
前記光源に、前記光として光パルスを繰り返し出射させ、
前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに前記信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させ、
前記第１調整素子に、各第２の導波路からの前記出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる、
撮像システム。
【請求項１６】
発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備え、
前記発光デバイスは、
光源と、
第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、
第１調整素子と、
を備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
全反射によって光を伝搬させる第１の導波路と、
第２の導波路と、
第３の導波路と、
を備え、
前記第２の導波路は、
第１の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、
前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
を備え、
前記第３の導波路は、
第３の多層反射膜と、
前記第３の多層反射膜に対向する第４の多層反射膜と、
前記第３の多層反射膜と前記第４の多層反射膜の間に位置する第２の光導波層と、
を備え、
前記第２の光導波層は、前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させ、
前記第１の光導波層は、前記第２の光導波層に直接的に繋がり、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第２の光導波層を伝搬した前記光を、前記第１の方向に交差する第２の方向に伝搬させ、
前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、出射光として、前記第２の導波路の外部に出射し、
前記第１調整素子は、前記複数の導波路ユニットの各々において、前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率を変化させることにより、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更し、
前記撮像素子は、前記出射光の少なくとも一部を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備え、
前記光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力し、
前記制御回路は、
前記光源に、前記光として光パルスを繰り返し出射させ、
前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに前記信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させ、
前記第１調整素子に、各第２の導波路からの前記出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる、
撮像システム。
【請求項１７】
前記複数の導波路ユニットに接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、対応する第１の導波路に直接的に繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタの各々において、前記対応する第１の導波路に伝搬する光の位相を変化させることにより、各第２の導波路からの前記出射光の方向を変更する第２調整素子と、
をさらに備える、請求項１５または１６に記載の撮像システム。
【請求項１８】
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第２調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路ユニットに伝搬する光の位相をそれぞれ変化させる、
請求項１７に記載の撮像システム。
【請求項１９】
前記出射光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、前記波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
請求項１７または１８に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光で空間を走査（すなわち、スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。
【０００３】
特許文献１は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。
【０００４】
特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができることが開示されている。
【０００５】
特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。光偏向素子に入力する光の波長を変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。
【０００６】
以上のような、光の出射方向を変化させることのできる発光デバイスを、本明細書では「光スキャンデバイス」または「ビームスキャンデバイス」と称することがある。
【０００７】
光スキャンデバイスと撮像素子（イメージセンサ）とを組み合わせることにより、対象領域における距離分布の情報を取得する撮像システムを構築することができる。そのような撮像システムは、ライダー（ＬｉＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）システムと呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６８２６６号
【特許文献２】特表２０１６−５０８２３５号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の一態様は、対象領域における距離分布の情報を、より効果的に取得し得る新規な撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様に係る撮像システムは、発光デバイスと、撮像素子と、前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、を備える。前記発光デバイスは、光源と、前記光源からの光を全反射によって伝搬させる第１の導波路と、第２の導波路と、第１調整素子と、を備える。前記第２の導波路は、第１の多層反射膜と、前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、を備える。前記第１の光導波層は、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させる。前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、出射光として前記第２の導波路の外部に出射する。前記第１調整素子は、前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率を変化させることにより、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を変更する。前記撮像素子は、前記第２の導波路からの前記出射光を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備える。前記光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力する。前記制御回路は、前記光源に、前記光として光パルスを繰り返し出射させる。また、前記制御回路は、前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに前記信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された前記信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させる。さらに、前記制御回路は、前記第１調整素子に、前記第２の導波路からの前記出射光の方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変更させる。
【００１１】
本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の一態様によれば、対象領域における距離分布の情報をより効果的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、対象領域における距離分布を求めることができる撮像システムの一例（比較例）を模式的に示す図である。
【図２】図２は、比較例における距離計測の方法を説明するための図である。
【図３】図３は、本開示の例示的な実施形態における撮像システム３００Ａの概略的な構成を示す模式図である。
【図４】図４は、撮像システム３００Ａの基本的な構成を示すブロック図である。
【図５Ａ】図５Ａは、撮像素子４００の構成例を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、光検出セルアレイのうち、隣接する４つの光検出セルを模式的に示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５ＢにおけるＸ−Ｘ’線断面を模式的に示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施形態における距離計測方法の一例を説明するための図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、直接ＴＯＦ法による距離計測の例を説明するための図である。
【図７】図７は、外光に起因するノイズの影響を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、撮像素子４００における複数の光検出セルをグループごとに駆動する例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、発光デバイス１００Ａが、撮像素子の列方向に対応する方向に延びた光スポットを対象領域内に形成する場合の例を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、一方向に延びた光スポットを形成するための他の例を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、一方向に延びた光スポットを形成するためのさらに他の例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、他の変形例を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、さらに他の変形例を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、さらに他の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、本開示の例示的な実施形態における撮像システムが備える光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１４】図１４は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。
【図１７Ａ】図１７Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。
【図１８】図１８は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、ｐ〜λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図２０】図２０は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。
【図２１】図２１は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。
【図２２】図２２は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。
【図２３】図２３は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、第１調整素子６０の構成の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図２５】図２５は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。
【図２６】図２６は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。
【図２７】図２７は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０、４０を移動させる構成の一例を示す図である。
【図２８】図２８は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。
【図２９】図２９は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。
【図３０Ａ】図３０Ａは、図２９に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、図２９に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。
【図３２】図３２は、図３０Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。
【図３３Ａ】図３３Ａは、ユニモルフ型のアクチュエータで発生する先端の傾きを説明するための図である。
【図３３Ｂ】図３３Ｂは、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせた例を示す図である。
【図３４】図３４は、複数の第１のミラー３０を保持する支持部材（補助基板）５２をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。
【図３５】図３５は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。
【図３６】図３６は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。
【図３７】図３７は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。
【図３８】図３８は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。
【図３９】図３９は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。
【図４０】図４０は、２つの位相シフタアレイ８０Ａａ、８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。
【図４１Ａ】図４１Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。
【図４１Ｂ】図４１Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。
【図４２】図４２は、回路基板（チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。
【図４３】図４３は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。
【図４４】図４４は、ライダー（ＬｉＤＡＲ）システム３００の構成例を示すブロック図である。
【図４５】図４５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。
【図４６】図４６は、全反射導波路の概略構成を示す図である。
【図４７】図４７は、全反射導波路の電界強度分布を示す図である。
【図４８】図４８は、スローライト導波路の概略構成を示す図である。
【図４９】図４９は、スローライト導波路の電界強度分布を示す図である。
【図５０】図５０は、光スキャンデバイス１００の一部の構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図５１】図５１は、光スキャンデバイス１００の一部の構造の他の例を模式的に示す断面図である。
【図５２Ａ】図５２Ａは、ｎｗ１を２．２、ｄ１を０．７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ２依存性を示している。
【図５２Ｂ】図５２Ｂは、ｎｗ１を３．４８、ｄ１を０．４６μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ２依存性を示している。
【図５３】図５３は、他のモード次数の光の伝搬を示す計算で用いた計算モデルを示す図である。
【図５４】図５４は、他のモード次数の光の伝搬を示す計算結果を示す図である。
【図５５Ａ】図５５Ａは、導波路素子１０に光が入力される構成の例（比較例）を模式的に示す断面図である。
【図５５Ｂ】図５５Ｂは、導波路素子１０に光ファイバ７によって光を入射する構成の例を示す図である。
【図５６】図５６は、光の入射角θｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎｗを変化させることによって光の出射角θｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１５】
対象領域における距離分布の情報は、対象領域を光で照射し、その反射光（散乱光を含む）を検出するシステムによって取得することができる。光源が光パルスを出射してから撮像素子（例えば、イメージセンサ）の各光検出セル（すなわち、画素）がその光パルスを受けるまでの時間、すなわち飛行時間を計測することにより、画素ごとに距離情報を取得することができる。このような距離計測の方法は、直接ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）と呼ばれる。一方、撮像素子における複数の光検出セルの信号電荷の蓄積（以下、「露光」と称することがある。）のタイミングを光パルスの出射に同期して適切に制御することにより、各光検出セルにおける信号蓄積量を対象物までの距離に応じて変化させることができる。そのような制御により、各光検出セルの信号蓄積量に基づいて距離分布を求めることができる。このような距離計測方法は、間接ＴＯＦと呼ばれる。
【００１６】
図１は、対象領域における距離分布を求めることができる撮像システムの一例である比較例を模式的に示す図である。この撮像システム２００は、光源１３０と、撮像素子４００と、光学系４２０とを備えている。光源１３０および撮像素子４００は、不図示の制御回路によって制御される。制御回路は、光源１３０に光パルス１５０を出射させ、これに同期して撮像素子４００にその反射光を検出させる。この例における光源１３０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、光の出射角度範囲が比較的広い光源である。制御回路は、光源１３０の発光に同期して、撮像素子４００における全ての光検出セルにおける露光（すなわち信号電荷の蓄積）を一括して制御する。
【００１７】
撮像素子４００は、電子シャッタの機能を有する。電子シャッタは、各光検出セルにおける光電変換素子によって生成された信号電荷の蓄積および排出を制御する機構である。本明細書において、信号電荷を蓄積させることを「電子シャッタを開く」と表現し、信号電荷を排出することを「電子シャッタを閉じる」と表現することがある。以下の説明において、電子シャッタを単に「シャッタ」と称することがある。図１の例では、制御回路は、全ての光検出セルの電子シャッタの開閉を一括して制御する。このため、撮像システム２００は、各光検出セルのシャッタの開閉を個別に制御するための複雑な回路構成を備える必要はない。
【００１８】
この例における制御回路は、光検出セルに蓄積される信号電荷の量が対象物までの距離によって異なるように、シャッタタイミングを制御する。このような制御により、各光検出セルの信号量に基づいて、光検出セルごとに距離を求めることができる。
【００１９】
図２は、本比較例における距離計測の方法を説明するための図である。図２は、１つのフレーム期間において、光源１３０から出射される複数の光パルスの強度の時間変化、および各光検出セルに入射する光の強度の時間変化の例を模式的に示している。本比較例では、１つのフレーム期間内に、光源１３０から多数の光パルスが連続的に出射される。制御回路は、これらの光パルスの出射に同期して、全ての光検出セルの電子シャッタを同時に開閉する。図２に示す例では、シャッタ開放期間は、光パルスによって異なっている。例えば１回目のシャッタ開放期間は、１つの光パルスの発光期間(すなわち、パルス幅)よりも長い。一方、２回目のシャッタ開放期間は、パルス幅と同程度である。図２に示される第１〜第３の光検出セルは、１回目のシャッタ開放期間においては、光パルスの全体を受光し、２回目のシャッタ開放期間においては、光パルスの一部のみを受光する。いずれのシャッタ開放期間においても、対象物までの距離が長い光検出セルほど、信号電荷の蓄積量（Ｓ０およびＳ１）が小さくなる。
【００２０】
図２には２回の光パルスの出射のみが示されているが、実際には１フレームあたりに何度も光パルスの出射および受光が行われ得る。１つのフレーム期間に各光検出セルに蓄積される信号電荷の量の積算値から、その光検出セルに対応する位置における対象物までの距離を見積もることができる。対象物までの距離が長いほど、反射光の強度は小さくなり、かつ光検出セルに入射するまでの時間が長くなる。このため、電荷蓄積量の積算値が小さいほど、対象物までの距離が長くなる。各光検出セルに蓄積された信号電荷の量の積算値に基づいて生成されるフレームは、対象領域における距離分布を示す画像信号である。
【００２１】
電荷蓄積量の積算値と、対象物までの距離との関係は、シャッタを開放する期間と、光パルスの出射のタイミングとによって変化する。例えば、発光デバイスから所定の距離だけ離れた対象物からの反射光パルスの終端が光検出セルに到達するタイミングにシャッタの開放を開始するとする。この場合、当該所定の距離から、その距離よりもパルス幅に相当する距離だけ長い距離までの範囲では、所定の距離から遠くなるほど、各光検出セルにおける電荷蓄積量の積算値が大きくなる。
【００２２】
本比較例のように、対象領域全体を光パルス１５０で一度に照射する構成では、安全上の制約および光源の出力不足のため、各光検出セルに入射する光の強度を高めることができない。そのため、複数の光パルスを連続的に出射し、複数回の信号蓄積を繰り返すことにより、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を改善する構成が採用される。各光検出セルに蓄積された信号電荷を読み出すために要する時間を考慮すると、１フレームあたりの時間（フレーム期間）は、数十分の１秒程度になる。１つのフレーム期間内に、各光検出セルのシャッタの開閉が高速で行われ、蓄積された信号電荷の量の積算が行われ、対象領域全体の距離画像が生成される。
【００２３】
一方、外部からの制御に応じて出射光の方向を変化させることができる発光デバイス（すなわち、光スキャンデバイス）と、撮像素子とを組み合わせて、対象領域の距離分布を求める撮像システム（すなわち、ＬｉＤＡＲシステム）を構築することも可能である。そのようなシステムでは、光スキャンデバイスは、測定エリア（対象領域）内の一部の領域を光パルスで順次照射する。測定エリア内の対象物によって反射（または散乱）された光は、撮像レンズを介して撮像素子に入射する。撮像レンズを介することにより、特定の方向から入射する光は、特定の光検出セルに入射する。このシステムでは、照射される領域に光のエネルギーが集中する。このため、前述の比較例の構成と比較して、同じ出力の光源を用いた場合でも、照射領域の光強度を大きくすることができる。照射領域に対応する光検出セルまたは光検出セル群に入射する光の強度も大きくなるので、Ｓ／Ｎ比の向上のための信号蓄積の回数を減らすことができる。このようなシステムによれば、遠方の物体の距離を計測したり、昼間の太陽光下のような外乱が多い条件下で距離を計測したりすることも可能である。
【００２４】
このような撮像システムに、前述の比較例における動作、すなわち、全ての光検出セルの電子シャッタを同時に制御する動作を組み合わせる場合、光パルスの出射方向を切り替える度に、１つのフレームを割り当てることになる。この場合、対象領域全体の距離情報を得るためには、対象領域をビームスポットの大きさに応じて分割した場合の分割数に相当する数のフレームが必要となる。このため、対象領域全体の距離情報を取得するためには長い時間を要するという課題があった。
【００２５】
本発明者らは、上記の課題を見出し、この課題を解決するための構成を検討した。本発明者らは、１つのフレーム期間内に、発光デバイスから出射される光の方向を変化させながら、撮像素子における少なくとも一部の光検出セルに、信号電荷を繰り返し蓄積させることにより、上記課題を解決できることに想到し、本開示の技術を完成させるに至った。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。
【００２６】
本開示は、以下の項目に記載の撮像システムを含む。
【００２７】
[項目１]
出射光の方向を変化させることが可能な発光デバイスと、
前記発光デバイスから出射され、対象物によって反射された光を受ける撮像素子と、
前記発光デバイスおよび前記撮像素子を制御する制御回路と、
を備え、
前記撮像素子は、各々が受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力する複数の光検出セルを有し、
前記制御回路は、
前記発光デバイスに光パルスを繰り返し出射させ、
前記光パルスの出射に同期して、前記複数の光検出セルのうち、前記光パルスを受ける少なくとも一部の光検出セルに信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、前記複数の光検出セルに蓄積された信号電荷に基づくフレームを前記撮像素子に生成させ、
前記発光デバイスから出射される前記光パルスの方向を、前記第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変化させる、
撮像システム。
【００２８】
[項目２]
前記第１の時間は、前記第２の時間のｎ倍（ｎは２以上の整数）である、項目１に記載の撮像システム。
【００２９】
[項目３]
前記制御回路は、前記発光デバイスから出射される前記光パルスの方向を前記第２の時間ごとに変化させることによって対象領域をスキャンし、
前記対象領域全体のスキャンに要する時間は、前記第１の時間以上である、項目１または２に記載の撮像システム。
【００３０】
[項目４]
前記対象領域全体のスキャンに要する時間は、前記第１の時間のｍ倍（ｍは１以上の整数）である、項目３に記載の撮像システム。
【００３１】
[項目５]
前記制御回路は、前記光パルスの反射光を受ける少なくとも１つの光検出セルにのみ信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させない、項目１から４のいずれかに記載の撮像システム。
【００３２】
[項目６]
前記制御回路は、前記複数の光検出セルのうち、前記発光デバイスによって形成される光スポットの位置および大きさに応じて決定される一部の光検出セルに信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させない、項目１から５のいずれかに記載の撮像システム。
【００３３】
[項目７]
前記複数の光検出セルは、行方向および列方向に配列され、
前記発光デバイスは、前記行方向または前記列方向に対応する方向に延びた光スポットを対象領域内に形成し、
前記制御回路は、前記光スポットが延びる方向に垂直な方向に前記光スポットを前記第２の時間ごとに移動させ、前記複数の光検出セルに、行単位または列単位で信号電荷を蓄積させる、
項目１から６のいずれかに記載の撮像システム。
【００３４】
[項目８]
前記撮像素子を含み、１次元または２次元に配列された複数の撮像素子を備え、
前記制御回路は、前記発光デバイスから出射される前記光パルスの方向を変化させることにより、前記複数の撮像素子に前記光パルスを順次入射させ、前記複数の撮像素子に順にフレームを生成させる、
項目１から７のいずれかに記載の撮像システム。
【００３５】
[項目９]
前記発光デバイスは、０次光および±１次光を含む複数の回折光を出射し、
前記制御回路は、前記複数の光検出セルのうち、前記０次光および前記±１次光の少なくとも一部を受ける一部の光検出セルにのみ信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させない、
項目１から８のいずれかに記載の撮像システム。
【００３６】
[項目１０]
前記制御回路は、前記発光デバイスから出射される前記光パルスの方向を前記第２の時間ごとに変化させることによって対象領域をスキャンし、
前記撮像素子によって生成された前記フレームに基づいて、前記対象領域における距離分布を示す画像信号を生成する信号処理回路をさらに備える、
項目１から９のいずれかに記載の撮像システム。
【００３７】
[項目１１]
前記制御回路は、前記第２の時間内に、前記光パルスの出射に同期して、前記少なくとも一部の光検出セルに、複数回にわたって信号電荷を繰り返し蓄積させ、前記第２の時間内に前記少なくとも一部の光検出セルに蓄積される信号電荷の量は、前記対象物までの距離に応じて異なり、
前記信号処理回路は、前記撮像素子によって生成された少なくとも１つのフレームに基づいて、前記対象領域における前記距離分布を示す画像信号を生成する、
項目１０に記載の撮像システム。
【００３８】
[項目１２]
前記信号処理回路は、前記発光デバイスが発光してから、前記少なくとも一部の光検出セルが受光するまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を計測する、項目１０に記載の撮像システム。
【００３９】
[項目１３]
前記発光デバイスは、特定の波長域の光を出射し、
前記複数の光検出セルに対向し、前記特定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタをさらに備える、
項目１から１２のいずれかに記載の撮像システム。
【００４０】
[項目１４]
前記発光デバイスは、
第１の方向に配列され、各々が前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる複数の導波路素子を含む導波路アレイであって、前記複数の導波路素子から、前記第１および第２の方向によって形成される平面に交差する第３の方向に光を出射する、導波路アレイと、
前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第１調整素子と、
を備え、
前記複数の導波路素子のそれぞれは、
前記第３の方向に交差する反射面を有する第１のミラーであって、前記第２の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第２の方向に光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる、
項目１から１３のいずれかに記載の撮像システム。
【００４１】
[項目１５]
前記複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第２調整素子と、をさらに備える、項目１４に記載の撮像システム。
【００４２】
[項目１６]
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第２調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、
項目１５に記載の撮像システム。
【００４３】
[項目１７]
前記第３の方向に伝搬する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、前記波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目１５または１６に記載の撮像システム。
【００４４】
［項目１８］
第１の方向に配列され、各々が前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる複数の導波路素子を含む導波路アレイであって、前記複数の導波路素子から、前記第１および第２の方向によって形成される平面に交差する第３の方向に光を出射する、導波路アレイと、
前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第１調整素子と、
を備え、
前記複数の導波路素子のそれぞれは、
前記第３の方向に交差する反射面を有する第１のミラーであって、前記第２の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第２の方向に光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。
【００４５】
［項目１９］
前記第３の方向に出射する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の前記屈折率および前記厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記複数の導波路素子のうちの隣接する２つの導波路素子に供給される光の位相差が変化した場合に、前記波数ベクトルのＹ成分が変化する、
項目１８に記載の光スキャンデバイス。
【００４６】
［項目２０］
前記第１の方向および前記第２の方向は直交する、項目１８または１９に記載の光スキャンデバイス。
【００４７】
［項目２１］
前記複数の導波路素子は、前記第１の方向に等間隔に配列されている、項目１８から２０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００４８】
［項目２２］
前記複数の導波路素子のうちの隣接する２つの導波路素子の前記第１の方向における中心間距離をｐとし、
各導波路素子における前記光導波層を伝搬する光の自由空間における中心波長をλとするとき、
λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０ｏ
の関係を満たす、項目１８から２１のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００４９】
［項目２３］
前記第１および第２のミラーの少なくとも一方は、誘電体多層膜を含む、項目１８から２２のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５０】
［項目２４］
前記複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第２調整素子と、
をさらに備える、項目１８から２３のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５１】
［項目２５］
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第２調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、
項目２４に記載の光スキャンデバイス。
【００５２】
［項目２６］
前記第３の方向に伝搬する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、前記波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目２４または２５に記載の光スキャンデバイス。
【００５３】
［項目２７］
前記複数の位相シフタは、前記第２の方向に関して、前記複数の導波路素子の両側に位置している、項目２４から２６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５４】
［項目２８］
自由空間における波長がλの光を出射する光源と、
前記光源からの前記光を分岐して前記複数の位相シフタにおける前記導波路に導入する光分岐器と、
をさらに備える、項目２４から２７のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５５】
［項目２９］
前記複数の位相シフタの各々は、
前記第３の方向に交差する反射面を有する第３のミラーであって、前記第２の方向に延び、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記第１のミラーに接続された第３のミラーと、
前記第３のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延び、前記複数の導波路素子の対応する前記１つにおける前記第２のミラーに接続された第４のミラーと、
を有し、
各位相シフタにおける前記導波路は、前記複数の導波路素子の対応する前記１つにおける前記光導波路に直接的に繋がり、
前記第３および第４のミラーの光透過率は、前記第１のミラーの光透過率よりも低い、項目２４から２８のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５６】
［項目３０］
各導波路素子における前記光導波層は、電圧が印加された場合に、前記光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層を挟む一対の電極を有し、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目１８から２９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００５７】
［項目３１］
各導波路素子における前記光導波層は、半導体材料を含み、
前記一対の電極の一方、または前記電極の前記一方と前記光導波層との間には、ｐ型半導体が含まれ、
前記一対の電極の他方、または前記電極の前記他方と前記光導波層との間には、ｎ型半導体が含まれ、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記半導体材料にキャリアを注入し、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目３０に記載の光スキャンデバイス。
【００５８】
［項目３２］
各導波路素子における前記光導波層は、電気光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記電気光学材料の屈折率を変化させる、
項目３０に記載の光スキャンデバイス。
【００５９】
［項目３３］
各導波路素子における前記光導波層は、液晶材料を含み、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記液晶材料の屈折率異方性を変化させ、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目３０に記載の光スキャンデバイス。
【００６０】
［項目３４］
各導波路素子における前記光導波層は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層を挟む一対の電極を有し、前記一対の電極に電圧を印加して前記熱光学材料を加熱することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目１８から２９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００６１】
［項目３５］
各導波路素子における前記光導波層は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層に接触してまたは前記光導波層の近傍に配置されたヒーターを有し、
前記ヒーターによって前記熱光学材料を加熱することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目１８から２９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００６２】
［項目３６］
各導波路素子における前記光導波層は、気体または液体の材料を含み、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータを有し、
前記アクチュエータは、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させることにより、前記光導波層の厚さを変化させる、
項目１８から２９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００６３】
［項目３７］
前記アクチュエータは、一対の電極を有し、
前記一対の電極の一方は前記第１のミラーに固定され、
前記一対の電極の他方は前記第２のミラーに固定され、
前記一対の電極に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、
項目３６に記載の光スキャンデバイス。
【００６４】
［項目３８］
前記アクチュエータは、圧電材料を含み、前記圧電材料を変形させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、
項目３６に記載の光スキャンデバイス。
【００６５】
［項目３９］
前記アクチュエータは、各導波路素子における前記第１のミラーまたは前記第２のミラーを支持する支持部材を有し、前記支持部材を移動させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、項目３６に記載の光スキャンデバイス。
【００６６】
［項目４０］
各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方は、１つのプレート状のミラーの部分であり、
前記アクチュエータは、前記プレート状のミラーを移動させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、項目３６に記載の光スキャンデバイス。
【００６７】
［項目４１］
各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方は、１つのプレート状のミラーの部分である、項目１８から３９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。
【００６８】
［項目４２］
第１の方向に配列され、各々が前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる複数の導波路素子を含み、前記第１および第２の方向の両方に交差する第３の方向から前記複数の導波路素子に入射した光を、前記第２の方向に伝搬させる導波路アレイと、
受信可能な光の方向を調整する第１調整素子と、
を備える光受信デバイスであって、
前記複数の導波路素子のそれぞれは、
前記第３の方向に交差する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第２の方向に光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させる、
光受信デバイス。
【００６９】
［項目４３］
前記複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の導波路素子から前記複数の位相シフタを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させる第２調整素子と、
をさらに備える、項目４２に記載の光受信デバイス。
【００７０】
［項目４４］
前記複数の導波路素子に入射する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、受信可能な光の波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、受信可能な光の波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目４２または４３に記載の光受信デバイス。
【００７１】
［項目４５］
項目１８から４１のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャンデバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
を備えるライダー（ＬｉＤＡＲ）システム。
【００７２】
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００７３】
（実施形態）
図３は、本開示の例示的な実施形態における撮像システム３００Ａの概略的な構成を示す模式図である。本実施形態における撮像システム３００Ａは、対象領域における距離分布を示す画像データの信号（画像信号）を生成するＬｉＤＡＲシステムである。撮像システム３００Ａは、発光デバイス（以下、光スキャンデバイスと呼ぶ場合もある）１００Ａと、撮像素子４００と、光学系４２０とを備える。発光デバイス１００Ａは、不図示の制御回路からの制御信号に応答して、出射光の方向を変化させる機構を備える。本実施形態における発光デバイス１００Ａは、レーザなどの光源１３０および少なくとも１つの可動ミラー（例えばＭＥＭＳミラー）を有している。光源１３０から出射された光は、可動ミラーによって反射され、対象領域内の所定の領域に向かう。制御回路は、可動ミラーを駆動することにより、発光デバイス１００Ａからの出射光の方向を変化させる。これにより、図３において点線矢印で示すように、対象領域を光でスキャンする。
【００７４】
なお、可動ミラーを有する発光デバイス１００Ａの代わりに、光の出射方向を変化させることが可能な任意の発光デバイスを用いることができる。例えば、後述するような反射型導波路を利用した発光デバイスを用いてもよい。そのような発光デバイスを用いた場合、可動ミラーのような機械的な機構が不要であるため、装置の簡素化につながる。
【００７５】
図３は、発光デバイス１００Ａから遠方に光ビーム（例えばレーザ光）を照射して２次元スキャンを実行している様子を模式的に示している。２次元スキャンは、光スポット（ビームスポット）３１０を水平方向および垂直方向に移動させることによって実行され得る。前述したＴＯＦ法と組み合わせることにより、２次元の距離分布を示す画像信号または画像データ（以下、「距離画像」と称することがある）を生成することができる。なお、用途によっては２次元ではなく１次元の距離画像を生成してもよい。その場合、撮像素子４００は、１次元の画像信号を生成する構造を備えていることが望ましい。
【００７６】
撮像素子４００は、発光デバイス１００Ａから出射される光の波長域に感度を有する複数の光検出セルを有する。本実施形態では、複数の光検出セルは、撮像素子４００の撮像面に２次元的に配列されている。各光検出セルは、光スキャンデバイス１００から出射され、対象領域内の対象物から反射された光を受けて受光量に応じた信号電荷を蓄積する。そして、各光検出セルは、蓄積した信号電荷の量に応じた電気信号を出力する。より具体的には、各光検出セルは、光電変換によって信号電荷を発生させる光電変換素子と、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、信号電荷を排出する電荷排出部とを有する。制御回路は、各光検出セルにおける信号電荷の蓄積と排出とを制御することにより、電子シャッタ動作を実現する。
【００７７】
光学系４２０は、少なくとも１つのレンズを含み、発光デバイス１００Ａから出射され、対象物によって反射された光を集束して撮像素子４００の撮像面に結像する。光学系４２０は、レンズ以外にも、プリズムまたは反射鏡などの他の光学素子を含んでいてもよい。
【００７８】
図４は、撮像システム３００Ａの基本的な構成を示すブロック図である。撮像システム３００Ａは、発光デバイス１００Ａおよび撮像素子４００に加えて、制御回路５００と、信号処理回路６００とを備えている。制御回路５００は、発光デバイス１００Ａおよび撮像素子４００に接続され、これらを制御する。信号処理回路６００は、撮像素子４００および制御回路５００に接続され、制御回路５００からの指示に応じて撮像素子４００から出力された信号（フレーム）を処理する。信号処理回路６００は、撮像素子４００によって生成された少なくとも１つのフレームに基づいて、対象領域における距離分布を示す画像信号を生成して出力する。
【００７９】
制御回路５００は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびメモリを含むマイクロコントローラユニット（ＭＰＵ）などの回路によって実現され得る。メモリには、本実施形態における動作が規定されたコンピュータプログラムが格納され得る。制御回路５００は、本実施形態における制御を実行可能に構成された専用の回路によって実現されていてもよい。
【００８０】
信号処理回路６００は、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、またはＣＰＵと画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。そのようなコンピュータプログラムは、例えばメモリなどの記録媒体に格納される。ＣＰＵなどのプロセッサがそのプログラムを実行することにより、距離画像の生成を行うことができる。信号処理回路６００は、撮像システム３００Ａの外部の要素であってもよい。撮像システム３００Ａに電気的に接続されたコンピュータ（例えば、車両に搭載されたコンピュータまたはインターネット上のクラウドサーバ）が、信号処理回路６００を有していてもよい。
【００８１】
本実施形態における制御回路５００は、発光デバイス１００Ａに複数の光パルスを繰り返し出射させる。制御回路５００は、複数の光パルスの出射に同期して、撮像素子４００における複数の光検出セルの少なくとも一部に信号電荷を蓄積させる。撮像素子４００は、制御回路５００からの指示を受けて、第１の時間ごとに、複数の光検出セルに蓄積された信号電荷に基づくフレーム（すなわち画像信号）を生成して出力する。第１の時間は、例えば１／１０００秒〜１／１０秒程度であり得るが、この範囲に限定されない。この第１の時間内に、制御回路５００は、発光デバイス１００Ａに、複数の光パルスを繰り返し出射させ、かつ、光パルスの出射方向を、第１の時間よりも短い第２の時間ごとに変化させる。第２の時間は、典型的には、第１の時間の半分以下であり、例えば第１の時間の１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）に設定され得る。各光パルスのパルス幅は短く、例えば５ナノ秒（ｎｓ）〜３０ナノ秒程度であり得る。このため、第１の時間または第２の時間内に、多数の光パルスが出射され得る。なお、第２の時間内に出射される光パルスが１個であっても原理上は距離情報を取得できる。しかし、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、本実施形態では、第２の時間内に、複数の光パルスが連続的に出射され、同一の光検出セルにおいて、複数回にわたって信号電荷が蓄積される。
【００８２】
第２の時間を第１の時間の半分以下に設定した場合、１つのフレームが生成される間に、対象領域内の複数の箇所が光スポット３１０によって順次照射される。このため、光の出射方向を変化させるレート（第２の時間）とフレームレート（第１の時間）とを等しくした場合と比較して、対象領域全体の距離情報を取得するために要する時間を短縮することができる。
【００８３】
発光デバイス１００Ａから出射された光は、光学系４２０を介して、撮像素子４００における特定の１つ以上の光検出セルに入射する。制御回路５００は、撮像素子４００における全てまたは一部の光検出セルを駆動し、光スポット３１０の位置に対応する位置にある少なくとも１つの光検出セルに信号電荷を蓄積させる。これにより、撮像素子４００は、第１の時間ごとに、各光検出セルの信号電荷の量に基づくフレーム（画像信号）を生成する。
【００８４】
本実施形態のように、発光デバイス１００Ａとして光スキャンデバイスを用いた場合、対象領域内の一部の箇所に光の出力が集まる。このため、対象領域全体を照射する比較例の構成と比べて、光源の出力が同じであっても、対象領域の一部の箇所に照射される光の強度を増加させることができる。したがって、当該箇所からの光を受ける光検出セルに入射する光の強度も増加するため、Ｓ／Ｎ比の向上のための信号蓄積の回数を減らすことができる。本実施形態によれば、遠方の物体を検出したり、昼間の太陽光下のような外乱が多い条件下で計測したりすることも可能である。
【００８５】
次に、本実施形態における撮像素子４００の構成および動作をより詳細に説明する。
【００８６】
図５Ａは、撮像素子４００の構成例を模式的に示す図である。この例における撮像素子４００は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）の構造を備える。図５Ａに示す撮像素子４００は、２次元的に配列された複数の光検出セル４０１（光検出セルアレイ）と、画素駆動回路６０１と、水平ＣＣＤ６０２と、出力回路６０３とを備える。図５Ａには、簡単のため、１つの行に含まれる２つの光検出セル４０１のみが図示されている。
【００８７】
図５Ｂは、光検出セルアレイのうち、隣接する４つの光検出セルを模式的に示す図である。１つの光検出セル４０１は、光電変換素子であるフォトダイオード４０３を含む。垂直方向（図における縦方向）に並んだ複数のフォトダイオード４０３に隣接して、垂直ＣＣＤ６０４が配置されている。垂直ＣＣＤ６０４は、信号電荷の蓄積および転送を行う要素（すなわち、電荷蓄積部）である。
【００８８】
図５Ｃは、図５ＢにおけるＸ−Ｘ’線断面を模式的に示す図である。図５Ｃに示すように、各垂直ＣＣＤ６０４の上部（正面側）には、電極６０６と、電極６０６を覆う遮光部材６０５が設けられている。電極６０６と垂直ＣＣＤ６０４との間には、酸化膜が存在する。光検出セルの背面側（図５Ｃにおける下側）には、電荷排出部であるドレイン４０２（この例ではＮ型半導体基板）が配置されている。垂直ＣＣＤ６０４には電圧Ｖｖが印加される。ドレイン４０２には、電圧Ｖｓｕｂが印加される。垂直ＣＣＤ６０４への信号電荷の蓄積、および信号電荷の排出は、電圧Ｖｖと、電圧Ｖｓｕｂとの大小関係によって決まる。制御回路５００は、画素駆動回路６０１を介して、例えば電圧Ｖｖを一定にし、電圧Ｖｓｕｂを調整することにより、各光検出セルにおける信号電荷の蓄積および排出を制御する。
【００８９】
光電変換素子であるフォトダイオード４０３に光が入射すると、光電変換によって信号電荷が発生し、電荷蓄積部である垂直ＣＣＤ６０４に転送される。各列に配置された垂直ＣＣＤ６０４は、信号電荷を垂直方向（図５Ｂにおける下方向）に転送する。垂直ＣＣＤ６０４は、画素駆動回路６０１から供給される制御信号（電圧Ｖｖ）によって制御される。各列の垂直ＣＣＤ６０４から転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ６０２によって水平方向（図５Ａにおける右方向）に順次転送される。転送された信号電荷は、最終的に出力回路６０３によって電圧に変換、増幅され、出力される。以上の過程により、撮像素子４００は、１つのフレームを生成する。
【００９０】
なお、図５Ａから図５Ｃに示す撮像素子４００の構造は一例に過ぎない。撮像素子４００は、図示される構造とは異なる構造を備えていてもよい。例えば、ＣＭＯＳまたはＮＭＯＳの構造を備えていてもよいし、逆電圧を印加することで光電流を増幅するアバランシェ増幅などを行う内部増幅回路を含んでいてもよい。各光検出セルは、複数の電荷蓄積部を有していてもよい。距離（レンジ）に応じて使用する電荷蓄積部を変えることにより、より広いレンジの距離計測が可能である。
【００９１】
次に、本実施形態における距離計測方法の例を説明する。
【００９２】
図６Ａは、本実施形態における距離計測方法の一例を説明するための図である。図６Ａに示す例は、間接ＴＯＦ法による例である。図６Ａは、発光デバイス１００における光源１３０から出射される複数の光パルスの強度の時間変化、および複数の光検出セルに入射する光の強度の時間変化の例を模式的に示している。この例では、制御回路５００は、全ての光検出セルにおける電子シャッタを同時に制御する。制御回路５００は、第２の時間内に、光パルスの出射に同期して、各光検出セルの電子シャッタの開閉を制御する。図６Ａに示す例では、簡単のため、ある方向に光パルスが出射している期間においては、１つの光検出セルにのみ当該光パルスの反射光が入射するものとする。典型的には、近接する複数の光検出セルに当該光パルスの反射光が入射し得る。
【００９３】
制御回路５００は、第２の時間内に、光パルスの反射光を受ける少なくとも１つの光検出セルに、複数回にわたって信号電荷を繰り返し蓄積させる。第２の時間内に光検出セルに蓄積される信号電荷の量は、その画素に対応する位置にある対象物までの距離に応じて異なる。より具体的には、対象物までの距離が長いほど、信号電荷の蓄積量は少ない。
【００９４】
制御回路５００は、第２の時間ごとに、光の出射方向を変化させる。例えば、図３に示すように、まず水平方向（撮像素子４００における行方向に相当）に沿って所定の角度ずつ出射方向を変化させる。この角度の変化量は、必要な解像度に応じて決定される。１つの行のスキャンが終わると、制御回路５００は、次の行に光スポット３１０を移動させ、その行についてスキャンを同様の方法で行う。このような動作を繰り返すことにより、対象領域全体のスキャンを完了させる。
【００９５】
図６Ａに示す例では、１つのフレーム期間（第１の時間）内に光の出射方向が２回変化している。つまり、１つのフレームが生成される間に、対象領域内の隣接する３つの箇所が順に照射される。このため、当該３つの箇所に対応する位置にある第１〜第３の光検出セルに光パルスが順次入射し、信号電荷が蓄積される。撮像素子４００は、各光検出セルに蓄積された信号電荷の量に応じた画素値をもつフレームを生成して出力する。
【００９６】
信号処理回路６００は、１つのフレームが生成されるごとに、そのフレームの各画素の値に基づいて、対象物までの距離を画素単位または画素群単位で決定する。距離は、例えば、各画素の値と、距離との対応関係を規定したテーブルまたは数式などの相関データに基づいて決定され得る。そのような相関データは、メモリなどの記録媒体に予め格納される。
【００９７】
信号処理回路６００は、各画素の信号を処理する際に、必要に応じて補正を行ってもよい。光源１３０と撮像素子４００とを同じ場所に設置することはできないため、光の出射方向が同じでも、光が入射する画素は対象物までの距離によって異なり得る。このずれの影響は、対象物が遠い場合は無視することができるが、対象物が近い場合は無視することができない場合がある。そのような場合には、信号処理回路６００は、必要な補正を行い、上記のずれの影響を小さくしてもよい。
【００９８】
制御回路５００および信号処理回路６００は、以上の動作を、対象領域全体のスキャンが完了するまで繰り返す。最終的に、信号処理回路６００は、対象領域全体における距離分布を示す距離画像データを生成して出力する。１つの距離画像データは、例えば１／３０秒から１秒程度の時間間隔で生成され得る。その後、制御回路５００および信号処理回路６００は、上記の動作を繰り返して、所定の時間間隔で、距離画像データを繰り返し生成する。
【００９９】
図６Ａに示す例では、全ての光検出セルの電子シャッタが同時に駆動される。このため、各光検出セルを個別に制御可能な構成に比べて、配線および回路素子の構造を簡単にでき、回路規模を小さくすることができる。なお、距離に応じて各光検出セルに蓄積される信号電荷の量が異なるようにする電子シャッタの制御方法には多様な方法が考えられる。本実施形態においては、そのいずれの方法を採用してもよい。
【０１００】
上記の例では、間接ＴＯＦ法が用いられているが、直接ＴＯＦ法を用いて距離を求めてもよい。
【０１０１】
図６Ｂは、直接ＴＯＦ法による距離計測の例を説明するための図である。この例では、光パルスが発光デバイス１００Ａから出射されてから、撮像素子４００の各光検出セルがその光パルスを受光するまでの時間に基づいて、対象物までの距離が計測される。図６Ｂは、光源１３０から出射される複数の光パルスの強度の時間変化、および複数の光検出セルに入射する光の強度の時間変化を模式的に示している。ここで、光パルスの立ち上がり時刻（すなわち出射開始時刻）をカウント開始時刻Ｔｏとし、光検出セルによって検出された光の強度の立ち上がり時刻をＴ１とする。信号処理回路６００は、対象物までの距離Ｌを、Ｌ＝ｃ（Ｔ１−Ｔ０）／２（ただし、ｃは光速）の演算によって算出できる。
【０１０２】
本実施形態では、対象領域全体のスキャンに要する時間は、１つのフレーム期間（第１の時間）よりも長い。この場合、１つのフレーム期間においては、対象領域の一部しかスキャンされない。対象領域全体の距離分布を取得するためには、複数のフレームのデータを用いる必要がある。一方で、撮像素子４００の光検出セルに入射する光の強度を高めることができるため、感度が向上するという利点がある。
【０１０３】
対象領域全体のスキャンに要する時間が第１の時間のｍ倍（ｍは１以上の整数）である場合、対象領域全体のスキャンが完了するタイミングと、距離画像が生成されるタイミングとを一致させることができるため、信号処理が簡便になる。特に、対象領域全体のスキャンに要する時間が第１の時間に一致している場合、１つのフレームのデータのみを用いて対象領域全体の距離画像データを生成することができる。
【０１０４】
次に、本実施形態の変形例を説明する。
【０１０５】
距離計測の精度を高くするためには、受光におけるノイズを低減することが重要である。本実施形態のように、光パルスの反射光が一部の光検出セルにのみ入射する構成であっても、実際には、他の光検出セルにも外光（例えば、太陽光または外部照明の光）が入射し得る。そのような外光は、ノイズを生じさせる。
【０１０６】
図７は、外光に起因するノイズの影響を説明するための図である。ここでは、図６Ａと同様の間接ＴＯＦ方式による距離計測が行われる場合を想定する。図７に示されるように、光パルスの反射光を受光しない光検出セルにも、外光がノイズ（図７におけるジグザグ線）として検出され得る。このようなノイズは、光パルスを検出する光検出セルからの信号にも同様に含まれ得るが、図７では簡単のため、そのノイズ成分は無視している。このノイズの問題は、直接ＴＯＦ方式が用いられる場合も同様に生じ得る。
【０１０７】
外光によるノイズを低減させるためには、光ビームを照射していない方向に対応する複数の光検出セルの電子シャッタを閉じることが望ましい。言い換えれば、制御回路５００が、光パルスの反射光を受ける少なくとも１つの光検出セルにのみ信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させないように撮像素子４００を制御することが望ましい。このような制御により、ノイズの影響が低減するため、距離計測の精度を高めることができる。例えば、より遠方の対象物を昼間でも検出できるようになる。
【０１０８】
上記の方法でノイズを除去または低減するためには、各光検出セルの電子シャッタを個別に制御する必要がある。そのような制御を実現するためには、各光検出セルにおける信号電荷の蓄積および排出を個別に制御できる機構が必要になるため、回路の複雑化を招き得る。そこで、回路規模の増大を緩和するために、以下に説明する構成を採用してもよい。
【０１０９】
図８Ａは、撮像素子４００における複数の光検出セルをグループごとに駆動する例を示す図である。この例では、発光デバイス１００Ａから出射される光（この例では円形の光スポット）は、対象物で反射され、一部の光検出セル（例えば図８Ａに示す３行３列の光検出セル）に入射する。この場合、３行３列に配列された９個の光検出セルのグループごとに信号電荷の蓄積および排出を制御できる機構が設けられていることが望ましい。制御回路５００は、複数の光検出セルのうち、発光デバイス１００Ａによって形成される光スポットの位置および大きさに応じて決定される一部の光検出セルにのみ信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させないように撮像素子４００を制御することが望ましい。あるいは、撮像素子の全ての光検出セルの蓄積電荷を排出しリセットする回路を設け、所定のグループの読み出しを行った後に、全ての光検出セルの蓄積電荷のリセットを行ってもよい。これにより、不要な外乱光による蓄積光への影響を除くことができる。
【０１１０】
光スポットのサイズは、光源１３０から出射される光の広がり角に依存する。発光デバイス１００Ａに供給される電力が一定の場合、光スポットのサイズが大きいほど、単位面積当たりの光の強度が低下し、検出感度が低下する。一方で、光スポットのサイズが大きいほど、対象領域全体をスキャンする時間を短くできる。よって、同時にシャッタを制御する光検出セルの数および光の広がり角は、必要な感度とスキャン速度とのバランスに応じて決定される。図８Ａの例のように複数の光検出セルに同時に光を入射する構成であっても、対象領域全体を一度に照射する比較例と比べて、感度を向上させることができる。
【０１１１】
上記の例では、光スポットの形状は円形であるが、他の形状であってもよい。
【０１１２】
図８Ｂは、発光デバイス１００Ａが、撮像素子の列方向に対応する方向に延びた光スポットを対象領域内に形成する場合の例を示す図である。光スポットは、例えば回折格子などの光学素子を用いることによって一方向に延びた形に変形できる。図８Ｂの例では、複数の光検出セルのうち、列方向に並ぶ１列の光検出セルに発光デバイス１００Ａからの光が入射する。この場合、制御回路５００は、光スポットが延びる方向（列方向）に垂直な方向（行方向）に光スポットを第２の時間ごとに移動させ、複数の光検出セルに列単位で信号電荷を蓄積させる。このような構成によれば、撮像素子４００は、列単位で電子シャッタの制御が可能な構造を有していることが望ましい。なお、列単位ではなく、行単位で複数の光検出セルを駆動してもよい。その場合には、発光デバイス１００Ａは、行方向に対応する方向に延びた光スポットを対象領域内に形成することが望ましい。制御回路５００は、行方向に延びた光スポットを列方向にスキャンすることにより、同様の動作が実現される。
【０１１３】
図９Ａは、一方向に延びた光スポットを形成するための他の例を示す模式図である。発光デバイス１００Ａと組合せて利用される光学系４２０として、シリンドリカルレンズを用いることにより、一方向に延びた光スポットを形成することができる。
【０１１４】
図９Ｂは、一方向に延びた光スポットを形成するためのさらに他の例を示す模式図である。この例では、これまでに説明した発光デバイス１００Ａとは異なる原理によって光を出射する発光デバイス１００Ｂが用いられる。この発光デバイス１００Ｂは、後に詳しく説明する光スキャンデバイスにおける導波路素子と同様の構造を備えている。導波路素子は、対向する２つのミラーと、それらの間の光導波層とを有する。一方のミラーは、他方のミラーよりも高い光透過性をもち、光導波層内を伝搬する光の一部を外部に出射する。光導波層の屈折率または厚さを変化させることにより、出射光の方向を変化させることができる。このような発光デバイス１００Ｂから出射される光は、導波路素子が延びる方向に垂直な方向に広がりをもつ。よって、このような発光デバイス１００Ｂを用いることにより、一方向に延びた光スポットを形成することができる。
【０１１５】
図１０は、他の変形例を模式的に示す図である。この例における撮像システムは、２次元的に配列された複数の撮像素子４００を用いて、１つの距離画像を生成する。なお、図１０では、簡単のため、各撮像素子４００が極端に少ない（９個の）光検出セルを有しているように描かれているが、実際には、各撮像素子４００は多数の（例えば数千から数千万の）光検出セルを有し得る。この例における制御回路５００は、各撮像素子４００における全ての光検出セルの電子シャッタを一括して制御する。制御回路５００は、発光デバイスから出射される光パルスの方向を変化させることにより、複数の撮像素子４００に光パルスを順次入射させ、複数の撮像素子４００に順にフレームを生成させる。信号処理回路６００は、複数の撮像素子４００から出力されるフレームを合成して、対象領域における距離分布を示す画像データを生成する。このような構成によれば、各撮像素子４００に、各光検出セルの電子シャッタを個別に制御可能な機構を設ける必要はない。なお、２次元的に配列された複数の撮像素子４００の代わりに、１次元的に配列された複数の撮像素子４００を用いもよい。発光デバイスが１次元的なスキャンを行う場合には、そのような構成を用いることができる。
【０１１６】
図１１は、さらに他の変形例を模式的に示す図である。この例では、発光デバイスは、０次光および±１次光を含む複数の回折光を出射する回折構造を有する。このような回折構造は、例えば光源の前に配置された回折素子、または後述する光スキャンデバイスにおける導波路素子のアレイのような構造によって実現され得る。図１１において円で示される領域３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃは、それぞれ、０次光、＋１次光、−１次光によって撮像面に形成される光スポットを表している。出射光の方向を変化させるとき、０次光の光スポットだけでなく、±１次回折光の光スポットも連動して移動する。これらの光スポットに重なる光検出セルのグループごとに電子シャッタが制御される。この例における制御回路５００は、複数の光検出セルのうち、０次光および±１次光の少なくとも一部を受ける一部の光検出セルのグループにのみ信号電荷を蓄積させ、残りの光検出セルには信号電荷を蓄積させない。発光デバイスからの出射光の方向を変化させる度に、制御対象の光検出セルのグループを変更する。このような構成によれば、各光検出セルを個別に制御する構成と比較して、より簡単な回路構成で実現可能である。
【０１１７】
図１２は、さらに他の変形例を示す図である。この例では、発光デバイス１００Ａは、比較的狭い特定の波長域の光のみを出射する。撮像システム３００Ａは、撮像素子４００における複数の光検出セルに対向し、当該波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタ４３０をさらに備える。光学フィルタ４３０は、撮像素子４００の内部に組み込まれていてもよい。狭帯域の光を出射する発光デバイス１００Ａと、光学フィルタ４３０とを組み合わせることにより、外光（または背景光）の影響を抑え、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【０１１８】
以上の各態様において、撮像素子４００は、電子シャッタ機構に加えて、機械式シャッタ機構を併用してもよい。その場合、撮像素子４００は、光検出セルごと、または光検出セル群ごとに露光を調整する機械式シャッタを有する。撮像素子４００は、例えば、発光デバイスからの光が入射する光検出セルには電子シャッタによる制御を適用し、それ以外の光検出セルには機械式シャッタによる制御を適用してもよい。すなわち、撮像素子４００は距離測定に用いられる高速なシャッタ動作を電子シャッタ機構で行い、外光の抑制に用いられるシャッタ動作を機械式シャッタ機構で行ってもよい。これにより、不要な外乱光による信号電荷の蓄積を防ぐことができる。
【０１１９】
（発光デバイスの他の例）
次に、本開示の実施形態における撮像システムにおいて用いられ得る発光デバイス（光スキャンデバイス）の他の例を具体的に説明する。
【０１２０】
本開示において、発光デバイスは特定の構成に限定されないが、以下に説明する構成を採用することにより、従来よりも簡単な構成で、光による１次元スキャンまたは２次元スキャンを実現することができる。
【０１２１】
本発明者らは、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する導波路素子を用いることにより、より簡単な構成で、光によるスキャンが可能になることを見出した。各導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率および／または厚さを変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ  ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。
【０１２２】
さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。このように、上記の構成によれば、比較的簡単な構成で、光による２次元スキャンを実現することができる。
【０１２３】
以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。各光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信できる光の方向を１次元的に変化させることができる。さらに、複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を２次元的に変化させることができる。
【０１２４】
このような光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、本開示の実施形態における撮像システムの一例であるＬｉＤＡＲシステムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（可視光、赤外線、または紫外線）を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を求めることができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ  Ａｅｒｉａｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。
【０１２５】
本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ〜約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
【０１２６】
本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。
【０１２７】
以下、本開示の実施形態における撮像システムにおいて用いられ得る光スキャンデバイスの例をより詳細に説明する。
【０１２８】
図１３は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、第１の方向（図１３におけるＹ方向）に規則的に配列された複数の導波路素子１０を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子１０は、複数の第２の導波路の一例である。複数の導波路素子１０の各々は、第１の方向に交差する第２の方向（図１３におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の導波路素子１０は、第２の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向によって形成される平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。第１および第２の方向によって形成される平面とは、すなわち、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面である。本実施形態では、第１の方向（Ｙ方向）と第２の方向（Ｘ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本実施形態では、複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。
【０１２９】
なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【０１３０】
複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、単にミラーと呼ぶ場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０および４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０および４０、ならびに光導波層２０は、第２の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。なお、後述するように、複数の導波路素子１０の複数の第１のミラー３０は、一体に構成された第３のミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の導波路素子１０の複数の第２のミラー４０は、一体に構成された第４のミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の導波路素子１０の複数の光導波層２０は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、（１）各第１のミラー３０が他の第１のミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２のミラー４０が他の第２のミラー４０と別体に構成されているか、（３）各光導波層２０が他の光導波層２０と別体に構成されていることにより、複数の導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラー３０および４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体多層膜（「多層反射膜」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。
【０１３１】
それぞれの導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を同期して（同時に）変化させることで、光による２次元スキャンを実現することができる。
【０１３２】
本発明者らは、そのような２次元スキャンを実現するために、導波路素子１０の動作原理について詳しく分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。
【０１３３】
図１３に示されるように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１のミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本実施形態では、各導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方が同期して制御される。これにより、複数の導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１３に示される方向１０１に沿って変化させることができる。
【０１３４】
さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１３に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。
【０１３５】
以下、本実施形態における光スキャンデバイス１００の構成および動作原理をより詳細に説明する。
【０１３６】
＜導波路素子の動作原理＞
図１４は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図１４では、図１３に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図１４における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０および下面（図１４における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０によって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１のミラー３０の光透過率は第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０から光の一部を出力することができる。
【０１３７】
通常の光ファイバなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、本実施形態における導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度（ミラー３０または４０と光導波層２０との界面への入射角度）に制約がなく、ミラー３０または４０に、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度（すなわち、より垂直に近い角度）で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の進行速度（群速度）は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。
【０１３８】
導波路素子１０の光の伝搬について、より詳しく説明する。光導波層２０の屈折率をｎｗ、光導波層２０の厚さをｄとする。ここで、光導波層２０の厚さｄは、ミラー３０または４０の反射面の法線方向における光導波層２０のサイズである。光の干渉条件を考慮すると、波長λの光の伝搬角度θｗは、以下の式（１）を満たす。
【数１】
2018124271.tif 000003
ｍはモード次数である。式（１）は、光導波層２０内の光が厚さ方向に定在波を形成する条件に相当する。光導波層２０内の波長λｇがλ／ｎｗのとき、光導波層２０の厚さ方向における波長λｇ’はλ／（ｎｗｃｏｓθｗ）であると考えることができる。光導波層２０の厚さｄが、光導波層２０の厚さ方向における波長λｇ’の半分λ／（２ｎｗｃｏｓθｗ）の整数倍と等しいとき、定在波が形成される。この条件から式（１）が得られる。なお、式（１）におけるｍは定在波の腹（ａｎｔｉ−ｎｏｄｅ）の数を表す。
【０１３９】
ミラー３０および４０が多層膜ミラーである場合、反射時にミラー内部にも光が侵入する。このため、厳密には、光が侵入した分の光路長に対応する項を式（１）の左辺に付け加える必要がある。しかし、ミラー内部への光の侵入の影響よりも光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄの影響の方が遥かに大きいため、式（１）によって基本的な動作を説明できる。
【０１４０】
光導波層２０内を伝搬する光が、第１のミラー３０を通じて外部（典型的には空気）に出射されるときの出射角度θは、スネルの法則にしたがって以下の式（２）のように記述できる。
【数２】
2018124271.tif 000004
式（２）は、光の出射面において、空気側の光の面方向における波長λ／ｓｉｎθと、導波路素子１０側の光の伝搬方向の波長λ／（ｎｗｓｉｎθｗ）とが等しいという条件から得られる。
【０１４１】
式（１）および式（２）より、出射角度θは、以下の式（３）のように記述できる。
【数３】
2018124271.tif 000005
【０１４２】
式（３）からわかるように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。
【０１４３】
例えば、ｎｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。
【０１４４】
この原理を利用して、光導波層２０内を伝搬する光の波長を変化させる波長可変手段を設けることによって光の出射方向を制御することが考えられる。しかしながら、波長可変手段をレーザなどの光源に組み込むと、光源の構成が複雑になる。
【０１４５】
そこで、本実施形態における光スキャンデバイス１００は、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄの一方または両方を制御することで、光の出射方向を制御する。本実施形態では、光の波長λは、動作中に変化せず、一定に維持される。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン（Ｓｉ）により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる４００ｎｍ〜１１００ｎｍ（可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバまたはＳｉ導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。本実施形態では波長の制御は行われないが、屈折率および／または厚さの制御に加えて、波長を変化させる制御を行ってもよい。
【０１４６】
本発明者らは、上記のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いた計算によって行った。これは、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいたシミュレーションであり、波動光学の効果を正確に計算することができる。  
【０１４７】
図１５は、本シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。この計算モデルでは、基板５０上に、第２のミラー４０と、光導波層２０と、第１のミラー３０とが、この順に積層されている。第１のミラー３０および第２のミラー４０は、いずれも誘電体多層膜を含む多層膜ミラーである。第２のミラー４０は、相対的に屈折率の低い低屈折率層４２および相対的に屈折率の高い高屈折率層４４を交互に６層ずつ（計１２層）積層した構造を有する。第１のミラー３０は、低屈折率層４２および高屈折率層４４を交互に２層ずつ（計４層）積層した構造を有する。ミラー３０とミラー４０の間に光導波層２０が配置されている。導波路素子１０および基板５０以外の媒質は空気である。
【０１４８】
このモデルを用いて、光の入射角度を変化させながら入射光に対する光学応答を調べた。これは、空気からの入射光と光導波層２０とが、どの程度結合するかを調べることに対応している。入射光が光導波層２０と結合する条件では、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射されるという逆の過程も起きる。よって、入射光が光導波層２０と結合する場合の入射角度を求めることは、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射する際の出射角度を求めることに相当する。入射光が光導波層２０と結合すると、光導波層２０内において光の吸収および散乱によるロスが生じる。つまり、大きなロスが生じる条件では、入射光が光導波層２０に強く結合しているということになる。吸収などによる光のロスがなければ、光の透過率および反射率の合計が１になるが、ロスがあれば、透過率および反射率の合計は１よりも小さくなる。本計算では、光の吸収の影響を取り入れるために、光導波層２０の屈折率に虚部を導入し、１から透過率および反射率の合計を引いた値をロスの大きさとして計算した。
【０１４９】
本シミュレーションでは、基板５０はＳｉ、低屈折率層４２はＳｉＯ２（厚さ２６７ｎｍ）、高屈折率層４４はＳｉ（厚さ１０８ｎｍ）であるものとした。波長λ＝１．５５μｍの光を、角度を様々に変えて入射したときのロスの大きさを計算した。
【０１５０】
図１６Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。白い線はロスが大きいことを表している。図１６Ａに示されているように、ｎｗ＝２．２付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎｗ＝２．２に近い屈折率をもつ物質には、例えばニオブ酸リチウムがある。
【０１５１】
図１６Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。図１６Ｂに示されているように、ｎｗ＝３．４５付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎｗ＝３．４５に近い屈折率をもつ物質には、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。
【０１５２】
このように、光導波層２０の厚さｄを調整することにより、特定の光導波層２０の屈折率ｎｗに対して、特定のモード次数（例えばｍ＝１）の光の出射角度θが０°となるように設計できる。
【０１５３】
図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、屈折率の変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、屈折率は、例えばキャリア注入、電気光学効果、および熱光学効果などの様々な方法によって変化させることができる。そのような方法による屈折率の変化は０．１程度とあまり大きくない。そのため、これまでは、そのような小さな屈折率の変化では出射角度はそれほど大きく変化しないと考えられていた。しかし、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、出射角度がθ＝０°となる屈折率付近では、屈折率が０．１増加すると出射角度θが０°から約３０°にまで変化することがわかった。このように、本実施形態における導波路素子１０では、小さい屈折率変化であっても、出射角度を大きく調整することが可能である。
【０１５４】
同様に、図１６Ａおよび図１６Ｂの比較からわかるように、光導波層２０の厚さｄの変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、厚さｄは、例えば２つのミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータによって変化させることができる。厚さｄの変化が小さくても、出射角度を大きく調整することができる。
【０１５５】
このように、導波路素子１０から出射される光の方向を変えるためには、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび／または厚さｄを変化させることが望ましい。これを実現するために、本実施形態における光スキャンデバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させる第１調整素子を備える。第１調整素子の構成例については、後述する。
【０１５６】
以上のように、導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄの少なくとも一方を変化させることで、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー３０から出射される光の出射角度を、導波路素子１０に沿った方向に変化させることができる。このような１次元のスキャンを実現するためには、導波路素子１０のアレイを用いる必要はなく、少なくとも１つの導波路素子１０を用いることが望ましい。
【０１５７】
図４５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。この例では、Ｙ方向に広がりのあるビームスポットが形成される。光導波層２０の屈折率を変化させることにより、ビームスポットをＸ方向に沿って移動させることができる。これにより、１次元スキャンが実現される。ビームスポットがＹ方向に広がりをもつため、一軸方向のスキャンであっても、２次元的に拡がる比較的広いエリアをスキャンすることができる。２次元スキャンが不要な用途では、図４５に示すような構成も採用し得る。
【０１５８】
２次元スキャンを実現する場合には、図１３に示すように、複数の導波路素子１０が配列された導波路アレイが用いられる。複数の導波路素子１０内を伝搬する光の位相が特定の条件を満たすとき、光は特定の方向に出射する。その位相の条件が変化すると、光の出射方向が導波路アレイの配列方向にも変化する。すなわち、導波路アレイを用いることにより、２次元スキャンを実現することできる。２次元スキャンを実現するためのより具体的な構成の例については後述する。
【０１５９】
以上のように、少なくとも１つの導波路素子１０を用いて、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。しかし、導波路素子１０に光を効率的に導入する構成については、改善の余地があった。本開示の実施形態における導波路素子１０は、光の全反射を利用する一般的な導波路（以下、「全反射導波路」と称することがある。）とは異なり、光導波層が一対のミラー（例えば多層反射膜）に挟まれた導波路構造（以下、「反射型導波路」と称することがある。）を備える。このような反射型導波路への光の結合については、これまでに十分に検討されてこなかった。本発明者らは、光導波層２０に光を効率的に導入するための新規な構造に想到した。
【０１６０】
図５５Ａは、空気およびミラー３０を介して間接的に光が光導波層２０に入力される構成の例である比較例を模式的に示す断面図である。本比較例では、反射型導波路である導波路素子１０の光導波層２０対して外部から空気およびミラー３０を介して間接的に伝播光が導入される。光導波層２０に光を導入するためには、光導波層２０の内部における導波光の反射角θｗに対して、スネルの法則（ｎｉｎｓｉｎθｉｎ＝ｎｗｓｉｎθｗ）を満たす必要がある。ここで、ｎｉｎは外部媒質の屈折率、θｉｎは伝播光の入射角、ｎｗは光導波層２０の屈折率である。この条件を考慮して入射角θｉｎを調整することにより、光の結合効率を最大化することができる。さらに、この例では、第１のミラー３０の一部に多層反射膜の膜数を減らした部分が設けられている。その部分から光が入力されることで結合効率を高めることができる。しかし、このような構成では、光導波層２０の伝搬定数の変化（θｗａｖの変化）に応じて、光導波層２０への光の入射角θｉｎを変化させる必要が生じる。
【０１６１】
光導波層２０の伝搬定数の変化が生じても、光が常に導波路に結合できる状態を保つために、多層反射膜の膜数を減らした部分へ角度広がりのあるビームを入射する方法がある。そのような方法の一例として、図５５Ｂに示すように、導波路素子１０に、ミラー３０の法線方向に対して角度θｉｎだけ傾けて配置された光ファイバ７によって、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に光を入射した場合の結合効率について検討する。簡単のため光を光線として考える。通常のシングルモードファイバの開口数（ＮＡ）は０．１４程度である。これは角度に換算すると約±８度である。導波路に結合する光の入射角度の範囲は、導波路から出射される光の広がり角と同程度である。出射光の広がり角θｄｉｖは、以下の式（４）で表される。
【数４】
2018124271.tif 000006
【０１６２】
ここでＬは伝搬長、λは光の波長、θｏｕｔは光の出射角である。Ｌを１０μｍ以上とすると、θｄｉｖは大きくても１度以下である。したがって、光ファイバ７からの光の結合効率は、１／１６×１００〜６．３％以下である。さらに、光の入射角θｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎｗを変化させることによって光の出射角θｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を計算した結果を図５６に示す。結合効率は、入射光のエネルギーに対する導波光のエネルギーの比を表す。図５６に示す結果は、入射角θｉｎを３０°、導波路膜厚を１．１２５μｍ、波長を１．５５μｍとして、結合効率を計算することによって得られた。この計算では、屈折率ｎｗを１．４４〜１．７８の範囲で変化させることにより、出射角θｏｕｔを１０°〜６５°の範囲で変化させた。図５６に示すように、このような構成では、結合効率は最大でも７％に満たない。また、出射角θｏｕｔを、結合効率がピークになる出射角から２０°以上変化させると、結合効率はさらに半分以下に低下する。
【０１６３】
このように、光スキャンのために導波路の屈折率等を変化させることによって伝搬定数を変化させると、結合効率はさらに低下する。結合効率を維持するためには、伝搬定数の変化に応じて光の入射角θｉｎを変化させる必要がある。しかし、光の入射角θｉｎを変化させる機構を導入することは、装置構成の複雑化を招く。本発明者らは、屈折率または厚さを変化させる導波路を有する領域の前段に、屈折率および厚さが一定に維持される導波路を有する領域を設けることにより、光入射角を固定する事ができることに想到した。
【０１６４】
また、異なる２つの導波路における導波光の結合を考える際に重要な要因が２点ある。１つ目は、伝搬光の伝搬定数であり、２つ目はモードの電界強度分布である。これらが２つの導波路において近いほど結合効率は高くなる。導波路における伝搬光の伝搬定数βは、簡単のため幾何光学的に考えると、β＝ｋ・ｓｉｎθｗ＝（２πｎｗｓｉｎθｗ）／λで表される。波数をｋ、導波角度をθｗ、導波層屈折率をｎｗとする。全反射型の導波路では、全反射を用いて導波光を導波層に閉じ込めているため、全反射条件であるｎｗｓｉｎθｗ＞１を満たす。一方、スローライト導波路では、導波路の上下に存在する多層反射膜により光を導波路に閉じ込め、導波光の一部を多層反射膜越しに射出するため、ｎｗｓｉｎθｗ＜１となる。全反射導波路と、導波光の一部を射出するスローライト導波路では、伝搬定数は等しくなり得ない。電界強度分布について、図４６に示すような全反射導波路の電界強度分布は、図４７のような、ピークを導波路内に持ち、導波路外では単調減少する。しかし、図４８に示すようなスローライト導波路においては、電界強度分布は図４９に示すようになる。導波路内にピークを持つ事は変わらないが、導波光が誘電多層膜内において光の干渉により反射するため、図４９に示すように電界強度は誘電多層膜に深く染み出し、また振動的に変化する。以上のように、全反射導波路とスローライト導波路では、導波光の伝搬定数、電界強度分布共に大きく異なる。よって、全反射導波路とスローライト導波路を直接的に繋げることは考えられていなかった。本発明者らは、可変の屈折率および／または可変の厚さを有する光導波層に、直接的に全反射導波路を繋げることができることを発見した。
【０１６５】
図５０は、光スキャンデバイス１００の一部の構造の一例を模式的に示す断面図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、光源１３０からの光を全反射によって伝搬させる導波路１と、導波路素子１０と、を備えている。導波路素子１０は、第１のミラー３０と、第１のミラー３０に対向する第２のミラー４０と、導波路１に直接的に繋がり、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する光導波層２０と、を備えている。光導波層２０は、可変の厚さ及び／又は光に対する可変の屈折率を有し、導波路１を伝搬した光を伝搬させる。前記第１のミラーは、第２のミラーよりも高い光透過率を有し、光導波層２０内を伝搬する光の一部を、出射光として導波路素子１０の外部に出射する。本開示で、ＡがＢに「直接的に繋がる」とは、ＡとＢの間で光の授受が可能なように、Ａの何れかの部分とＢの何れかの部分とがギャップなしに接触することをいう。
【０１６６】
導波路１は、全反射によって光を伝搬させる。導波路１は、表面の一部にグレーティング５を有している。グレーティング５を介して光が入力される。この例では、グレーティング５が設けられている箇所が、光入力部として機能する。グレーティング５を設けることにより、光を導波路１内に導入することが容易になる。ここで、導波角度θｗ１は全反射条件を満たすように設計される。導波路１の屈折率は、変化しない又は光導波層２０と異なる量変化する。また、導波路１の厚さ、すなわち、光導波層２の厚さは、変化しない又は光導波層２０の厚さと異なる量変化する。また、光導波層２０は、導波路１の導波方向と同じ方向に光を伝搬させる。
【０１６７】
導波路１は、例えば、後述する位相シフタ８０または他の導波路８５である。
【０１６８】
図５１は、光スキャンデバイス１００の一部の構造の他の例を模式的に示す断面図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、光源１３０からの光を全反射によって伝搬させる導波路１’と、導波路素子１０と、導波路１と、を備えている。導波路素子１０は、第１のミラー３０と、第１のミラー３０に対向する第２のミラー４０と、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する光導波層２０と、を備えている。導波路１は、第３のミラー３０ａと、第３のミラー３０ａに対向する第４のミラー４０ａと、第３のミラー３０ａと第４のミラー４０ａの間に位置する光導波層２０ａと、を備えている。光導波層２０ａは、導波路１’に直接的に繋がり、導波路１’を伝搬した光を伝搬させる。光導波層２０は、光導波層２０ａに直接的に繋がり、可変の厚さ及び／又は光に対する可変の屈折率を有し、光導波層２０ａを伝搬した光を伝搬させる。第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有し、光導波層２０内を伝搬する光の一部を、出射光として導波路素子１０の外部に出射する。
【０１６９】
この例では、導波路１は、反射型導波路であり、対向する２つの多層反射膜３０ａ、４０ａと、その間の光導波層２０ａとを有する。導波路１’は、全反射によって光を伝搬させる全反射導波路である。導波路１’の屈折率は、変化しない又は光導波層２０と異なる量変化する。また、導波路１’の厚さ、すなわち、光導波層２’の厚さは、変化しない又は光導波層２０の厚さと異なる量変化する。光導波層２０は、導波路１’の導波方向と同じ方向に光を伝搬させる。導波路１’は、図５０の例における導波路１と同様、表面の一部にグレーティング５’を有している。グレーティング５’を介して光源１３０からの光が導波路１’内に入力される。この例では、グレーティング５’が設けられている箇所が光入力部として機能する。導波路素子１０における光導波層２０は、後述する第１調整素子によって屈折率または厚さが変調される。一方、導波路１については、そのような変調機能はない。導波路１からの光の出射を抑えるために、導波路１の反射ミラー（多層反射膜３０ａ、４０ａ）の反射率は、導波路素子１０の第１のミラー３０の反射率よりも高く設定されている。導波路素子１０における第１のミラー３０の反射率は、第２のミラー４０の反射率よりも低く設定されている。このような構成により、導波路１’に入力された光は、導波路１’および導波路１を伝搬して導波路素子１０に入力される。当該光は、導波路素子１０の光導波層２０をさらに伝搬しながら、第１のミラー３０を介して外部に出射される。
【０１７０】
導波路１’は、例えば、後述する位相シフタ８０であり、導波路１は、例えば、後述する他の導波路８５である。あるいは、導波路１’および１が、他の導波路８５であってもよい。
【０１７１】
図５０または５１に示した構成において、後述する第１調整素子は、光導波層１０の厚さ及び／又は光に対する屈折率を変化させることにより、導波路素子１０からの出射光の方向を変化させる。撮像素子４００は、導波路素子１０からの出射光を反射する対象物からの反射光を受ける複数の光検出セルを備えている。光検出セルの各々は、受光量に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した前記信号電荷の量に応じた電気信号を出力する。制御回路５００は、光源１３０に、光パルスを繰り返し出射させる。また、制御回路５００は、光パルスの出射に同期して、複数の光検出セルのうち、少なくとも一部の光検出セルに信号電荷を蓄積させることにより、第１の時間ごとに、蓄積された信号電荷に基づくフレームを撮像素子４００に生成させる。さらに、制御回路５００は、第１調整素子に、導波路素子１０からの出射光の方向を、第１の時間の半分以下の第２の時間ごとに変化させる。
【０１７２】
図５０に示した例では、導波路１にグレーティング５が設けられていたが、グレーティング５を設けず、導波路１の端面から導波路１内に光を入射させてもよい。また、グレーティング５を設けず、導波路１の表面にレーザ光源を設け、このレーザ光源から導波路１内に光を入射させてもよい。図５１に示した例でも同様に、グレーティング５’を設けず、導波路１’の端面から導波路１’内に光を入射させてもよい。また、グレーティング５’を設けず、導波路１’の表面にレーザ光源を設け、このレーザ光源から導波路１’内に光を入射させてもよい。
【０１７３】
図５０に示すように、導波路１の光導波層２の屈折率をｎｗ１、導波路素子１０の光導波層２０の屈折率をｎｗ２、導波路素子１０からの光の出射角をθ、導波路１における導波光の反射角をθｗ１、導波路素子１０における導波光の反射角をθｗ２とする。また、図５１に示すように、導波路１’における光導波層２’の屈折率をｎｗ３、導波路１’における導波光の反射角をθｗ３とする。本実施形態では、導波路素子１０から光を外部（例えば、屈折率１の空気層）に取り出すために、ｎｗ２ｓｉｎθｗ２＝ｓｉｎθ＜１が満足される。
【０１７４】
＜導波光結合の原理＞
以下、図５０を参照しながら、導波路１、１０間の導波光の結合の原理を説明する。簡単のため、導波路１、１０内を伝搬する光を近似的に光線であると考える。導波路素子１０の上下の多層反射膜と光導波層２０との界面、および光導波層２と外部媒質との界面で、光が完全に反射されると仮定する。導波路１における光導波層２の厚さをｄ１、導波路素子１０における光導波層２０の厚さをｄ２とする。導波路１、１０のそれぞれにおいて、伝播光が存在する条件は、以下の式（５）、（６）で表される。
２ｄ１ｎｗ１ｃｏｓθｗ１＝ｍλ          （５）
２ｄ２ｎｗ２ｃｏｓθｗ２＝ｍλ          （６）
ここで、λは光の波長、ｍは１以上の整数である。
【０１７５】
導波路１、１０の界面について、スネルの法則を考慮すると、式（７）が成立する。
ｎｗ１ｓｉｎ（９０°−θｗ１）＝ｎｗ２ｓｉｎ（９０°−θｗ２）    （７）
【０１７６】
式（７）を変形すると、次の式（８）が得られる。
ｎｗ１ｃｏｓθｗ１＝ｎｗ２ｃｏｓθｗ２      （８）
【０１７７】
式（５）および（８）が成立するとき、ｄ１とｄ２とが等しい場合には、ｎｗ２が変化した場合においても式（６）は成立する。つまり、光導波層２０の屈折率が変化した場合においても、光導波層２から光導波層２０に光が効率よく伝搬するということとなる。
【０１７８】
上式の導出に際しては簡単のため光を光線として考えたが、実際には厚さｄ１、ｄ２が波長λと同程度（長くとも波長の１０倍以下）であるため、導波光は波動性を有する。したがって、厳密には、上記の屈折率ｎｗ１、ｎｗ２として、光導波層２、２０の材料の屈折率ではなく、有効屈折率を考慮する必要がある。また、光導波層２の厚さｄ１と光導波層２０の厚さｄ２とが同一ではない場合、または厳密に式（８）を満たしていない場合においても光は光導波層２から光導波層２０へ導波され得る。これは、光導波層２から光導波層２０への光の伝達が近接場を通じて行われるからである。すなわち、光導波層２の電場分布と光導波層２０における電場分布の重なりがあれば、光導波層２から光導波層２０へ光が伝達される。
【０１７９】
以上の議論は、図５１に示す例における導波路１’と導波路１との間の導波光についても同様に成立する。
【０１８０】
＜計算結果＞
本実施形態の効果を確認するため、本発明者らは、条件を様々に変えて、光の結合効率を計算した。計算には、Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｓｉｇｎ社のＦＩＭＭＷＡＶＥを用いた。
【０１８１】
図５０に示すように、導波路１が全反射によって光を導波する構成について、導波路１、１０を伝搬する導波光は互いに結合し得る。図５０に示す構成について、導波路１から導波路素子１０への導波光の結合効率のｄ２依存性を計算によって求めた。図５２Ａは、ｎｗ１を２．２、ｄ１を０．７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ２依存性を示している。図５２Ｂは、ｎｗ１を３．４８、ｄ１を０．４６μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ２依存性を示している。この場合、以下の式が満たされれば、結合効率が７％以上になる。
０．９５×ｄｃｕｔｏｆｆ＜ｄ２＜１．５×ｄｃｕｔｏｆｆ        （９）
（すなわち、０．９５×ｍλ／（２ｎｗ２）＜ｄ２＜１．５×ｍλ／（２ｎｗ２））
【０１８２】
また、以下の式が満たされれば、結合効率が５０％以上となる。
１．２×ｄｃｕｔｏｆｆ＜ｄ２＜１．５×ｄｃｕｔｏｆｆ        （１０）
（すなわち、１．２×ｍλ／（２ｎｗ２）＜ｄ２＜１．５×ｍλ／（２ｎｗ２））
【０１８３】
ｎｗ１＞ｎｗ２でもよいし、ｎｗ１≦ｎｗ２でもよい。
【０１８４】
導波路１から導波路素子１０に伝搬する光のモードの次数はｍ＝２に限定されない。例えば、ｎｗ１＝１．８８３、ｄ１＝０．３μｍ、ｎｗ２＝１．６、ｄ２＝０．５５μｍの条件で、図５３に示すモデルを用いて計算すると、図５４に示すように、光が導波路に結合することがわかる。
【０１８５】
＜２次元スキャンの動作原理＞
導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。本実施形態では、各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
【０１８６】
図１７Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図１７Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本実施形態における導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子１０を含んでいる。図１７Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図１７Ａの例では、各導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。
【０１８７】
図１７Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図１７Ｂの例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。
【０１８８】
導波路アレイから外部（ここでは空気とする。）へ出射される光の方向は、以下のように定量的に議論できる。
【０１８９】
図１８は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。互いに直交するＸ、ＹおよびＺ方向で定義される３次元空間において、光が空気に出射される領域と、導波路アレイとの境界面をＺ＝ｚ０とする。この境界面は、複数の導波路素子１０のそれぞれの出射面を含む。Ｚ＜ｚ０では、Ｙ方向に複数の導波路素子１０が等間隔に配列され、複数の導波路素子１０のそれぞれはＸ方向に延びている。Ｚ＞ｚ０において、空気へ出射される光の電界ベクトルＥ（ｘ、ｙ、ｚ）は、以下の式で表される。
【数５】
2018124271.tif 000007
ただしＥ０は電界の振幅ベクトルであり、ｋｘ、ｋｙおよびｋｚはそれぞれＸ、ＹおよびＺ方向における波数（ｗａｖｅ  ｎｕｍｂｅｒ）であり、ｊは虚数単位である。この場合、空気へ出射される光の方向は、図１８において太い矢印で表される波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）に平行となる。波数ベクトルの大きさは、以下の式で表される。
【数６】
2018124271.tif 000008
【０１９０】
Ｚ＝ｚ０における電界の境界条件から、境界面に平行な波数ベクトル成分ｋｘおよびｋｙは、それぞれ導波路アレイにおける光のＸ方向およびＹ方向における波数に一致する。これは、式（２）のスネルの法則と同様に、境界面において、空気側の光が有する面方向の波長と、導波路アレイ側の光が有する面方向の波長とが一致する条件に相当する。
【０１９１】
ｋｘは、Ｘ方向に延びた導波路素子１０の光導波層２０を伝搬する光の波数に等しい。上述した図１４に示される導波路素子１０では、ｋｘは、式（２）および式（３）を用いて、以下の式で表される。
【数７】
2018124271.tif 000009
【０１９２】
ｋｙは、隣接する２つの導波路素子１０の間の光の位相差から導出される。Ｙ方向に等間隔に配列されたＮ本の導波路素子１０のそれぞれのＹ方向の中心をｙｑ（ｑ＝０、１、２、・・・、Ｎ−１）とし、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離（中心間距離）をｐとする。そのとき、空気へ出射される光の電界ベクトル（式（１１））は、境界面内（Ｚ＝ｚ０）のｙｑおよびｙｑ＋１において、以下の式の関係を満たす。
【数８】
2018124271.tif 000010
任意の隣接する２つの導波路素子１０の位相差がΔφ＝ｋｙｐ（一定）となるように設定すれば、ｋｙは、以下の式で表される。
【数９】
2018124271.tif 000011
この場合、ｙｑにおける光の位相はφｑ＝φ０＋ｑΔφとなる（φｑ＋１−φｑ＝Δφ）。つまり、位相φｑは、Ｙ方向に沿って、一定（Δφ＝０）か、比例して増加（Δφ＞０）または減少（Δφ＜０）する。Ｙ方向に配列された導波路素子１０が等間隔でない場合は、所望のｋｙに対して、ｙｑおよびｙｑ＋１での位相差がΔφｑ＝φｑ＋１−φｑ＝ｋｙ（ｙｑ＋１−ｙｑ）となるように設定する。この場合、ｙｑにおける光の位相はφｑ＝φ０＋ｋｙ（ｙｑ−ｙ０）となる。式（１４）および式（１５）からそれぞれ得られるｋｘおよびｋｙを用いれば、式（１２）からｋｚが導出される。これにより、光の出射方向（波数ベクトルの方向）が得られる。
【０１９３】
例えば、図１８に示すように、出射光の波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）と、その波数ベクトルをＹＺ平面に射影したベクトル（０、ｋｙ、ｋｚ）とがなす角度をθとする。θは、波数ベクトルとＹＺ平面とがなす角度である。θは、式（１２）および式（１３）を用いて、以下の式で表される。
【数１０】
2018124271.tif 000012
式（１６）は、出射光がＸＺ平面に平行な場合に限定したときの式（３）と全く同じである。式（１６）からわかるように、波数ベクトルのＸ成分は、光の波長、光導波層２０の屈折率、および光導波層２０の厚さに依存して変化する。
【０１９４】
同様に、図１８に示すように、出射光（０次光）の波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）と、その波数ベクトルをＸＺ平面に射影したベクトル（ｋｘ、０、ｋｚ）とがなす角度をα０とする。α０は、波数ベクトルとＸＺ平面とがなす角度である。α０は、式（１２）および式（１３）を用いて、以下の式で表される。
【数１１】
2018124271.tif 000013
式（１７）からわかるように、光の波数ベクトルのＹ成分は、光の位相差Δφによって変化する。
【０１９５】
このように、波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）の代わりに、式（１６）および式（１７）からそれぞれ得られるθおよびα０を用いて光の出射方向を特定することもできる。その場合、光の出射方向を表す単位ベクトルは、（ｓｉｎθ、ｓｉｎα０、（１−ｓｉｎ２α０−ｓｉｎ２θ）１／２）と表すことができる。光出射においてこれらのベクトル成分はすべて実数でなければならないので、ｓｉｎ２α０＋ｓｉｎ２θ≦１が満たされる。ｓｉｎ２α０≦１−ｓｉｎ２θ＝ｃｏｓ２θから、出射光は−ｃｏｓθ≦ｓｉｎα０≦ｃｏｓθを満たす角度範囲で変化することがわかる。−１≦ｓｉｎα０≦１から、θ＝０ｏでは、出射光は−９０ｏ≦α０≦９０ｏの角度範囲で変化する。しかし、θが増加するとｃｏｓθは小さくなるので、α０の角度範囲は狭くなる。θ＝９０ｏ（ｃｏｓθ＝０）では、α０＝０ｏのときのみしか光は出射されない。
【０１９６】
本実施形態における光による２次元スキャンは、導波路素子１０が少なくとも２本以上あれば実現できる。しかし、導波路素子１０の本数が少ない場合、上記のα０の広がり角度Δαが大きくなる。導波路素子１０の本数が増加するとΔαは小さくなる。このことは、以下のようにして説明できる。簡単のために、図１８においてθ＝０ｏの場合を考える。つまり、光の出射方向がＹＺ平面に平行な場合を考える。
【０１９７】
Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導波路素子１０のそれぞれから、同じ出射強度および上述した位相φｑを有する光が出射されるとする。そのとき、Ｎ本の導波路素子１０から出射される合計の光（電界）の振幅分布の絶対値は、遠視野において、以下の式で表されるＦ（ｕ）に比例する。
【数１２】
2018124271.tif 000014
ただし、ｕは以下の式で表される。
【数１３】
2018124271.tif 000015
αは、ＹＺ平面において、観測点および原点を結ぶ直線と、Ｚ軸とがなす角度である。α０は、式（１７）を満たす。式（１８）のＦ（ｕ）は、ｕ＝０（α＝α０）でＮ（最大）となり、ｕ＝±２π／Ｎで０となる。ｕ＝−２π／Ｎおよび２π／Ｎを満たす角度をそれぞれα１およびα２とすると（α１＜α０＜α２）、α０の広がり角度はΔα＝α２−α１となる。−２π／Ｎ＜ｕ＜２π／Ｎ（α１＜α＜α２）の範囲のピークは、一般にメインローブと呼ばれる。メインローブの両側にはサイドローブと呼ばれる複数の小さいピークが存在する。メインローブの幅Δｕ＝４π／Ｎと、式（１９）から得られるΔｕ＝２πｐΔ（ｓｉｎα）／λとを比較すると、Δ（ｓｉｎα）＝２λ／（Ｎｐ）となる。Δαが小さければ、Δ（ｓｉｎα）＝ｓｉｎα２−ｓｉｎα１＝［（ｓｉｎα２−ｓｉｎα１）／（α２−α１）］Δα〜［ｄ（ｓｉｎα）／ｄα］α＝α０Δα＝ｃｏｓα０Δαとなる。このため、広がり角度は、以下の式で表される。
【数１４】
2018124271.tif 000016
したがって、導波路素子１０の本数が多いほど、広がり角度Δαを小さくすることができ、遠方においても高精細な光スキャンが実現できる。同様の議論は、図１８においてθ≠０ｏの場合にも適用できる。
【０１９８】
＜導波路アレイから出射される回折光＞
導波路アレイからは０次光のほかに高次の回折光も出射され得る。簡単のために、図１８においてθ＝０ｏの場合を考える。つまり、回折光の出射方向はＹＺ平面に平行である。
【０１９９】
図１９Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α０＝０ｏ）、図１９Ａに示す実線矢印の方向に０次光および±１次光が出射される（ｐの大きさによっては、さらに高次の回折光も出射され得る）。この状態から位相シフトを与えると（α０≠０ｏ）、図１９Ａに示す破線矢印のように、０次光および±１次光の出射角度が同じ回転方向に変化する。±１次光のような高次光を用いてビームスキャンを行うことも可能であるが、よりシンプルにデバイスを構成する場合、０次光のみが用いられる。０次光の利得が低減することを回避するために、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離ｐをλよりも小さくすることによって高次光の出射を抑制してもよい。ｐ＞λであっても、高次光を物理的に遮断することによって０次光のみを用いることも可能である。
【０２００】
図１９Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α０＝０ｏ）、高次の回折光は、回折角度が９０度を超えるため存在せず、前方には０次光だけが出射する。ただし、ｐがλに近い値の場合、位相シフトを与えると（α０≠０ｏ）、出射角度の変化に伴って±１次光が出射される場合がある。
【０２０１】
図１９Ｃは、ｐ〜λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトを与えても（α０≠０ｏ）±１次光は出射しない、あるいは出射したとしてもかなり大きな角度で出射する。ｐ＜λ／２の場合は、位相シフトを与えても高次の光が出射することはない。しかし、ｐをこれ以上小さくすることによるメリットも特にない。よって、ｐは、例えばλ／２以上に設定され得る。
【０２０２】
図１９Ａから図１９Ｃにおける空気へ出射される０次光および±１次光の関係は、以下のように定量的に説明できる。式（１８）のＦ（ｕ）は、Ｆ（ｕ）＝Ｆ（ｕ＋２π）であることから、２πの周期関数である。ｕ＝±２ｍπのとき、Ｆ（ｕ）＝Ｎ（最大）となる。そのとき、ｕ＝±２ｍπを満たす出射角度αで±ｍ次光が出射される。ｕ＝±２ｍπ（ｍ≠０）付近のピーク（ピーク幅はΔｕ＝４π／Ｎ）をグレーティングローブと呼ぶ。
【０２０３】
高次光のうち、±１次光のみを考えると（ｕ＝±２π）、±１次光の出射角度α±は、以下の式を満たす。
【数１５】
2018124271.tif 000017
＋１次光が出射されない条件ｓｉｎα＋＞１から、ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα０）が得られる。同様に、−１次光が出射されない条件ｓｉｎα−＜−１から、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）が得られる。
【０２０４】
出射角度α０（＞０）の０次光に対して±１次光が出射されるか否かの条件は、以下のように分類される。ｐ≧λ／（１―ｓｉｎα０）の場合、±１次光の両方が出射される。λ／（１＋ｓｉｎα０）≦ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα０）の場合、＋１次光は出射されないが−１次光は出射される。ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）の場合、±１次光はいずれも出射されない。特に、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）を満たせば、図１８においてθ≠０ｏの場合でも±１次光は出射されない。例えば、±１次光が出射されない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するには、α０＝１０°として、ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）〜０．８５λの関係を満たしていれることが望ましい。ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、λ／２≦ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）が満足されていることが望ましい。
【０２０５】
しかし、±１次光が出射されない条件を満たすためには、ｐを非常に小さくする必要がある。これは、導波路アレイの作製を困難にする。そこで、±１次光の有無に関わらず、０次光を０°＜α０＜αｍａｘの角度範囲でスキャンすることを考える。ただし、±１次光はこの角度範囲には存在しないとする。この条件を満たすためには、α０＝０°において、＋１次光の出射角度はα＋≧αｍａｘでなければならず（すなわち、ｓｉｎα＋＝（λ／ｐ）≧ｓｉｎαｍａｘ）、α０＝αｍａｘにおいて、−１次光の出射角度はα−≦０でなければならない（すなわち、ｓｉｎα−＝ｓｉｎαｍａｘ−（λ／ｐ）≦０）。これらの制限から、ｐ≦λ／ｓｉｎαｍａｘが得られる。
【０２０６】
上記の議論から、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合における０次光の出射角度α０の最大値αｍａｘは、以下の式を満たす。
【数１６】
2018124271.tif 000018
例えば、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するには、αｍａｘ＝１０°として、ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°〜５．７６λの関係を満たしていれることが望ましい。ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°が満足され得る。このｐの上限（ｐ〜５．７６λ）は±１次光が出射されない場合における上限（ｐ〜０．８５λ）と比べて十分大きいので、導波路アレイの作製は比較的容易である。ここで、使用される光が単一波長の光ではない場合、使用される光の中心波長をλとする。
【０２０７】
以上のことから、より広い角度範囲をスキャンするためには、導波路間の距離ｐを小さくする必要がある。一方、ｐが小さい場合に式（２０）における出射光の広がり角度Δαを小さくするためには、導波路アレイの本数を増やす必要がある。導波路アレイの本数は、用途および要求される性能に応じて適宜決定される。導波路アレイの本数は、例えば１６本以上、用途によっては１００本以上であり得る。
【０２０８】
＜導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するためには、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタを導入することが望ましい。本実施形態における光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と呼ぶことがある。
【０２０９】
図２０は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。図２０において、破線枠で囲まれた部分が位相シフタ８０に該当する。この位相シフタ８０は、対向する一対のミラー（第５のミラー３０ａおよび第６のミラー４０ａ、以下、単にミラーと呼ぶことがある。）と、ミラー３０ａとミラー４０ａの間に設けられた導波路２０ａとを有する。この例における導波路２０ａは、導波路素子１０における光導波層２０と共通の部材で構成され、光導波層２０に直接的に繋がっている。同様に、ミラー４０ａも、導波路素子１０におけるミラー４０と共通の部材で構成され、ミラー４０に接続されている。ミラー３０ａは、導波路素子１０におけるミラー３０よりも低い透過率（高い反射率）を有する。ミラー３０ａは、ミラー３０に接続されている。位相シフタ８０では、光を放射しないようにするために、ミラー３０ａの透過率はミラー４０、４０ａと同様の低い値に設計されている。すなわち、第５のミラー３０ａと第６のミラー４０ａの光透過率は、第１のミラー３０の光透過率よりも低い。上述した導波路１または１’は、位相シフタとして機能してもよい。
【０２１０】
図２１は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図２１に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていても良い。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、駆動電圧によりそれぞれの位相シフト量を調整することが望ましい。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることで、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備えている。図２１における直線の矢印は光の入力を示している。別々に設けられた第１駆動回路１１０と第２駆動回路２１０とをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路１１０は、第１調整素子の１つの要素として機能し、第２駆動回路２１０は、第２調整素子の１つの要素として機能する。
【０２１１】
第１駆動回路１１０は、後述するように、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率または厚さを変化（変調）させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、後述するように、各位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、導波路２０ａの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する誘電体導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様の反射型導波路で構成してもよい。
【０２１２】
なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いても良い。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路２１０による各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。
【０２１３】
図２２は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。他の導波路８５は、図５０に示した導波路１であってもよい。また、他の導波路８５は、図５１に示した導波路１および１’であってもよい。各位相シフタ８０は、図２０に示す位相シフタ８０と同じ構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。図２２では、位相シフタ８０を、位相シフト量を表す記号φ０〜φ５を用いて、簡易的に表現している。以降の図でも同様の表現を用いることがある。位相シフタ８０には、全反射を利用して光を伝搬させる誘電体導波路を利用することができる。その場合、図２０に示されているようなミラー３０ａおよび４０ａは不要である。
【０２１４】
図２３は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。この例では、光分岐器９０の経路の途中に、複数の位相シフタ８０が接続されている。各位相シフタ８０は、伝搬する光に一定の位相シフト量φを与える。それぞれの位相シフタ８０が伝搬光に与える位相シフト量を一定にすることで、隣接する２つの導波路素子１０の間の位相差が等しくなる。したがって、第２調整素子は、全ての位相シフタ８０に共通の位相制御信号を送ることができる。このため、構成が容易になるという利点がある。
【０２１５】
光分岐器９０、位相シフタ８０および導波路素子１０などの間で、光を効率的に伝搬させるために、誘電体導波路を利用することができる。誘電体導波路には、周囲の材料よりも高い屈折率を有する、光の吸収が少ない光学材料を用いることができる。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの材料が用いられ得る。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、図５０に示した導波路１を用いてもよい。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、図５１に示した導波路１および１’を用いてもよい。
【０２１６】
位相シフタ８０では、光に位相差を与えるために光路長を変える機構が必要である。光路長を変えるために、本実施形態では、位相シフタ８０における導波路の屈折率が変調される。これにより、隣接する２つの位相シフタ８０から導波路素子１０に供給される光の位相差を調整することができる。より具体的には、位相シフタ８０が有する導波路内の位相シフト材料の屈折率変調を行うことで、位相シフトを与えることができる。屈折率変調を行う構成の具体例については、後述する。
【０２１７】
＜第１調整素子の例＞
次に、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率または厚さを調整する第１調整素子の構成例を説明する。まず、屈折率を調整する場合の構成例を説明する。
【０２１８】
図２４Ａは、第１調整素子６０（以下、単に調整素子と呼ぶことがある）の構成の一例を模式的に示す斜視図である。図２４Ａに示される例では、一対の電極６２を有する調整素子６０が導波路素子１０に組み込まれている。光導波層２０は、一対の電極６２に挟まれている。光導波層２０および一対の電極６２は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間に設けられている。光導波層２０の側面（ＸＺ面に平行な表面）の全体が、電極６２に接触している。光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する屈折率変調材料を含む。調整素子６０は、一対の電極６２から引き出された配線６４と、配線６４に接続された電源６６とをさらに有している。電源６６をオンにして配線６４を通じて一対の電極６２に電圧を印加することで、光導波層２０の屈折率を変調することができる。このため、調整素子６０を屈折率変調素子と呼ぶこともできる。
【０２１９】
図２４Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、光導波層２０の側面の一部のみが電極６２に接触している。それ以外の点は、図２４Ａに示す構成と同じである。このように、光導波層２０の屈折率を部分的に変化させる構成であっても、出射光の方向を変化させることができる。
【０２２０】
図２４Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、一対の電極６２は、ミラー３０および４０の反射面に略平行な層状の形状を有する。一方の電極６２は、第１のミラー３０と光導波層２０との間に挟まれている。他方の電極６２は、第２のミラー４０と光導波層２０との間に挟まれている。このような構成を採用する場合、電極６２には、透明電極が用いられ得る。このような構成によれば、製造が比較的容易であるという利点がある。
【０２２１】
図２４Ａから図２４Ｃに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有し、一対の電極６２に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０によって行われ得る。
【０２２２】
ここで、各構成要素に用いられ得る材料の例を説明する。
【０２２３】
ミラー３０、４０、３０ａ、および４０ａの材料には、例えば誘電体による多層膜を用いることができる。多層膜を用いたミラーは、例えば、各々が１／４波長の光学厚さを有する、屈折率の異なる複数の膜を周期的に形成することによって作製できる。このような多層膜ミラーによれば、高い反射率を得ることができる。膜の材料として、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ、ＳｉＮなどを用いることができる。各ミラーは、多層膜ミラーに限らず、Ａｇ、Ａｌなどの金属で形成されていてもよい。
【０２２４】
電極６２および配線６４には、導電性を有する様々な材料を利用することができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属材料、またはＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ＳＲＯなどの無機化合物、またはＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子などの導電性材料を用いることができる。
【０２２５】
光導波層２０の材料には、誘電体、半導体、電気光学材料、液晶分子などの様々な透光性の材料を利用することができる。誘電体としては、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＡｌＮが挙げられる。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系の材料が挙げられる。電気光学材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などが挙げられる。
【０２２６】
光導波層２０の屈折率を変調する方法には、例えば、キャリア注入効果、電気光学効果、複屈折効果、または熱光学効果を利用した方法がある。以下、各方法の例を説明する。
【０２２７】
キャリア注入効果を利用した方法は、半導体のｐｉｎ接合を利用した構成によって実現され得る。この方法では、ドープ濃度の低い半導体をｐ型半導体およびｎ型半導体で挟み込んだ構造が用いられ、半導体にキャリアを注入することによって屈折率が変調される。この構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、半導体材料を含む。一対の電極６２の一方はｐ型半導体を含み、他方はｎ型半導体を含み得る。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、半導体材料にキャリアを注入し、光導波層２０の屈折率を変化させる。光導波層２０をノンドープまたは低ドープ濃度の半導体で作製し、これに接するようにｐ型半導体およびｎ型半導体を設ければ良い。低ドープ濃度の半導体にｐ型半導体およびｎ型半導体が接するように配置し、さらにｐ型半導体およびｎ型半導体に導電性材料が接するような複合的な構成にしてもよい。例えば、Ｓｉに１０２０ｃｍ−３程度のキャリアを注入すると、Ｓｉの屈折率が０．１程度変化する（例えば、“Free charge carrier induced refractive index modulation of crystalline Silicon” 7th IEEE International Conference on Group IV Photonics, P102 - 104, 1-3 Sept. 2010を参照）。この方法を採用する場合、図２４Ａから図２４Ｃにおける一対の電極６２の材料として、ｐ型半導体およびｎ型半導体が用いられ得る。あるいは、一対の電極６２は金属で構成し、電極６２と光導波層２０との間の層、または、光導波層２０自体にｐ型またはｎ型半導体を含ませてもよい。
【０２２８】
電気光学効果を利用した方法は、電気光学材料を含む光導波層２０に電界をかけることで実現され得る。特に、電気光学材料としてＫＴＮを用いれば、大きな電気光学効果を得ることができる。ＫＴＮは正方晶から立方晶への相転移温度よりも少し高い温度で比誘電率が著しく上昇するため、この効果を利用することができる。例えば、“Low-Driving-Voltage Electro-Optic Modulator With Novel KTa1-xNbxO3 Crystal Waveguides” Jpn. J. Appl. Phys., Vol.43, No. 8B (2004) によれば、波長１．５５μｍの光に対して電気光学定数ｇ＝４．８×１０−１５ｍ２／Ｖ２が得られる。よって、例えば２ｋＶ／ｍｍの電界をかけると、屈折率が０．１（＝ｇｎ３Ｅ３／２）程度変化する。このように、電気光学効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、ＫＴＮなどの電気光学材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させる。
【０２２９】
液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１〜０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電界で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２３０】
熱光学効果は、材料の温度変化に伴って屈折率が変化する効果である。熱光学効果による駆動を行うために、熱光学材料を含む光導波層２０を加熱することで屈折率を変調してもよい。
【０２３１】
図２５は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。ヒーター６８は、光導波層２０の近傍に配置され得る。電源６６をオンにして導電性材料を含む配線６４を通じてヒーター６８に電圧をかけることにより、加熱することができる。ヒーター６８を光導波層２０に接触させてもよい。本構成例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０に接触してまたは光導波層２０の近傍に配置されたヒーター６８を有する。第１調整素子６０は、ヒーター６８によって熱光学材料を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２３２】
光導波層２０自体を高電気抵抗材料で作製し、光導波層２０を直接一対の電極６２で挟み電圧を印加することで加熱してもよい。その場合、第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有する。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加して光導波層２０における熱光学材料（例えば、高電気抵抗材料）を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２３３】
ヒーター６８または光導波層２０に用いられる高電気抵抗として、半導体または抵抗率の大きい金属材料を用いることができる。半導体としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、またはＧａＮなどを用いることができる。また、抵抗率の高い金属としては、鉄、ニッケル、銅、マンガン、クロム、アルミニウム、銀、金、プラチナ、またはこれら複数の材料を組み合わせた合金などが用いられ得る。例えば、波長１５００ｎｍの光に対するＳｉの屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴは１．８７×１０−４（Ｋ−１）である（“Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium”, Proc. SPIE 6273, Optomechanical Technologies for Astronomy, 62732Jを参照）。したがって、温度を５００°変えると屈折率を０．１程度変化させることができる。光導波層２０の近傍にヒーター６８を設け局所的に加熱すれば、５００°という大きい温度変化でも比較的高速に行うことができる。
【０２３４】
キャリア注入による屈折率変化の応答速度は、キャリアの寿命によって決まる。一般に、キャリア寿命はナノ秒（ｎｓ）のオーダーであるため１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度の応答速度が得られる。
【０２３５】
電気光学材料を用いた場合、電場をかけて電子の分極を誘起することで屈折率変化が生じる。分極を誘起する速度は一般的に極めて高速で、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの材料では応答時間はフェムト秒（ｆｓ）オーダーであるため、１ＧＨｚを越えた高速駆動が可能である。
【０２３６】
熱光学材料を用いた場合、温度昇降の速度で屈折率変化の応答速度が決まる。局所的に導波路近傍のみ加熱することで急激な温度上昇が得られる。また、局所的に温度が上がった状態でヒーターを切ると周辺に放熱することで急激に温度を下げることができる。速いものでは１００ＫＨｚ程度の応答速度が得られる。
【０２３７】
以上の例では、第１調整素子６０は、各光導波層２０の屈折率を同時に一定の値だけ変化させることにより、出射光の波数ベクトルのＸ成分を変化させる。屈折率変調において、その変調量は材料の特性に依存し、大きな変調量を得るためには、高い電界を印加したり、液晶を配向させたりする必要がある。一方、導波路素子１０から出射される光の方向は、ミラー３０とミラー４０の間の距離にも依存する。したがって、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることによって光導波層２０の厚さを変化させてもよい。以下、光導波層２０の厚さを変化させる構成の例を説明する。
【０２３８】
光導波層２０の厚さを変えるためには、光導波層２０は、例えば気体または液体などの容易に変形する材料で構成され得る。光導波層２０を挟むミラー３０および４０の少なくとも一方を移動させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。この際、上下のミラー３０とミラー４０の間の平行度を保つために、ミラー３０または４０の変形を最小限にするような構成が採用され得る。
【０２３９】
図２６は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。支持部材７０は、ミラー３０よりも相対的に変形しやすい厚さの薄い部材または細いフレームを含み得る。この例では、第１調整素子は、各導波路素子１０における第１のミラー３０に接続されたアクチュエータを有する。アクチュエータは、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させる。なお、アクチュエータは、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。ミラー３０を駆動するアクチュエータとして、例えば、静電気力、電磁誘導、圧電材料、形状記憶合金、または熱を利用した種々のアクチュエータを用いることができる。
【０２４０】
静電気力を利用した構成では、第１調整素子におけるアクチュエータは、静電気力によって発生する電極間の引力または斥力を用いてミラー３０および／または４０を移動させる。以下、そのような構成のいくつかの例を説明する。
【０２４１】
図２７は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０および／または４０を移動させる構成の一例を示す図である。この例では、ミラー３０と光導波層２０との間、およびミラー４０と光導波層２０との間に、透光性を有する電極６２（例えば透明電極）が設けられている。ミラー３０の両側に配置された支持部材７０の各々は、一端がミラー３０に固定され、他端が不図示の筐体に固定されている。一対の電極６２に正負の電圧を印加することで、引力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が縮小する。電圧の印加を止めると、ミラーを保持する支持部材７０の復元力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が元の長さに戻る。このような引力を生じさせる電極６２は、ミラー全面に設けられている必要はない。この例におけるアクチュエータは、一対の電極６２を有し、一対の電極６２の一方は第１のミラー３０に固定され、一対の電極６２の他方は第２のミラー４０に固定されている。アクチュエータは、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させる。なお、電極６２への電圧の印加は、前述の駆動回路１１０（例えば図２１）によって行われる。
【０２４２】
図２８は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。この例では、電極６２を透明にする必要はない。図示されているように、ミラー３０および４０のそれぞれに固定された電極６２は単一である必要はなく、分割されていてもよい。分割された電極の一部の静電容量を計測することで、ミラー３０とミラー４０の間の距離を計測し、ミラー３０とミラー４０の平行度を調整するなどのフィードバック制御を行うことができる。
【０２４３】
電極間の静電気力を利用する代わりに、コイル内の磁性体に引力または斥力を生じさせる電磁誘導を利用してミラー３０および／または４０を駆動してもよい。
【０２４４】
圧電材料、形状記憶合金、または熱による変形を利用したアクチュエータでは、外部から加えられたエネルギーによって材料が変形する現象が利用される。例えば、代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電界を分極方向に印加することによって伸縮する。この圧電材料によってミラー３０とミラー４０の間の距離を直接変化させることができる。しかし、ＰＺＴの圧電定数は１００ｐｍ／Ｖ程度であるため、例えば１Ｖ／μｍの電界を印加しても変位量は０．０１％程度と微小である。このため、このような圧電材料を用いた場合には、十分なミラーの移動距離を得ることができない。そこで、ユニモルフまたはバイモルフと呼ばれる構成を用いて、変化量を増加させることができる。
【０２４５】
図２９は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。矢印は、圧電素子７２の変位方向を示し、その矢印の大きさは変位量を示す。図２９に示すように、圧電素子７２の変位量は材料の長さに依存するため、面方向の変位量は厚さ方向の変位量よりも大きい。
【０２４６】
図３０Ａは、図２９に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。この支持部材７４ａは、１層の圧電素子７２と、１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ａをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。
【０２４７】
図３０Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。圧電素子７２に電圧が印加されると、圧電素子７２のみが面方向に伸びるため、支持部材７４ａ全体がたわむ。このため、非圧電素子７１が無い場合と比較して、変位量を増加させることができる。
【０２４８】
図３１Ａは、図２９に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。この支持部材７４ｂは、２層の圧電素子７２と、その間の１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ｂをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。
【０２４９】
図３１Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。バイモルフでは、上下の圧電材料７２において変位方向が反対になる。そのため、バイモルフの構成を用いた場合、ユニモルフの構成よりもさらに変位量を増加させることができる。
【０２５０】
図３２は、図３０Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。このような圧電アクチュエータによって梁をたわませるように支持部材７４ａを変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。図３０Ａに示す支持部材７４ａに代えて、図３１Ａに示す支持部材７４ｂを用いてもよい。
【０２５１】
なお、ユニモルフ型のアクチュエータは、円弧状に変形するため、図３３Ａに示すように、固定されていない側の先端には傾きが生じる。そのため、ミラー３０の剛性が低いと、ミラー３０とミラー４０を平行に保持することが困難である。そこで、図３３Ｂに示すように、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせてもよい。図３３Ｂの例では、支持部材７４ａにおいて、伸縮する領域と伸展する領域とで、たわむ方向が反対になる。その結果、固定されていない側の先端に傾きを生じさせないようにすることができる。このような支持部材７４ａを用いることにより、ミラー３０および４０が傾くことを抑制することができる。
【０２５２】
上記と同様に、熱膨張係数の異なる材料を貼り合わせることによっても、たわみ変形する梁構造を実現することができる。さらに、梁構造を形状記憶合金で実現することもできる。いずれも、ミラー３０とミラー４０の距離の調整に利用され得る。
【０２５３】
また、光導波層２０を密閉空間とし、内部の空気または液体を小型ポンプなどで出し入れして光導波層２０の体積を変化させることによってミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることも可能である。
【０２５４】
以上のように、第１調整素子におけるアクチュエータは、多様な構造によって光導波層２０の厚さを変化させることができる。このような厚さの変化は、複数の導波路素子１０のそれぞれについて個別に行ってもよいし、全ての導波路素子１０について一律に行ってもよい。特に、複数の導波路素子１０の構造が全て同じである場合、各導波路素子１０におけるミラー３０とミラー４０の間の距離が一定に制御される。このため、１つのアクチュエータが、全ての導波路素子１０を一括して駆動することができる。
【０２５５】
図３４は、複数の第１のミラー３０を保持する支持部材（すなわち、補助基板）５２をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。図３４では、第２のミラー４０は１つのプレート状のミラーである。ミラー４０は、前述の実施形態のように、複数のミラーに分割されていてもよい。支持部材５２は、透光性を有する材料で構成され、両側にユニモルフ型の圧電アクチュエータが設けられている。
【０２５６】
図３５は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。この例では、第２のミラー４０は、導波路素子１０ごとに分割されている。図３７および図３８の例のように、各導波路素子１０におけるミラー３０および４０の少なくとも一方が、１つのプレート状のミラーの部分であってもよい。アクチュエータは、当該プレート状のミラーを移動させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させてもよい。
【０２５７】
＜位相シフトのための屈折率変調＞
次に、第２調整素子による複数の位相シフタ８０における位相の調整のための構成を説明する。複数の位相シフタ８０における位相の調整は、位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることによって実現され得る。この屈折率の調整は、既に説明した、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率を調整する方法と全く同じ方法によって実現することができる。例えば、図２４Ａから図２５を参照しながら説明した屈折率変調の構成および方法をそのまま適用することができる。図２４Ａから図２５に関する説明において、導波路素子１０を位相シフタ８０と読み替え、第１調整素子６０を第２調整素子と読み替え、光導波層２０を導波路２０ａと読み替え、第１駆動回路１１０を第２駆動回路２１０と読み替えることが望ましい。このため、位相シフタ８０における屈折率変調についての詳細な説明は省略する。
【０２５８】
各位相シフタ８０における導波路２０ａは、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含む。第２調整素子は、各位相シフタ８０における導波路２０ａに電圧を印加する、または導波路２０ａの温度を変化させることにより、導波路２０ａ内の屈折率を変化させる。これにより、第２調整素子は、複数の位相シフタ８０から複数の導波路素子１０に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることができる。
【０２５９】
各位相シフタ８０は、光が通過するまでの間に、少なくとも２πの位相シフトが可能なように構成され得る。位相シフタ８０における導波路２０ａの単位長さあたりの屈折率の変化量が小さい場合には、導波路２０ａの長さを大きくしてもよい。例えば、位相シフタ８０の大きさは、数百マイクロメートル（μｍ）から数ミリメートル（ｍｍ）、場合によってはそれ以上であってもよい。これに対し、各導波路素子１０の長さは、例えば数十μｍから数十ｍｍ程度の値であり得る。
【０２６０】
＜同期駆動のための構成＞
本実施形態では、第１調整素子は、複数の導波路素子１０から出射される光の方向が揃うように、各導波路素子１０を駆動する。複数の導波路素子１０から出射される光の方向を揃えるためには、例えば各導波路素子１０に個別に駆動部を設け、同期駆動することが望ましい。
【０２６１】
図３６は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。図３７は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。図３８は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。図３６〜図３８において、直線の矢印は光の入力を示している。これらの図に示すような構成にすることで、導波路アレイ１０Ａを駆動するための配線をシンプルにすることができる。
【０２６２】
本実施形態の構成によれば、シンプルなデバイス構成で２次元的に光をスキャンすることが可能である。例えば、Ｎ本の導波路素子１０で構成された導波路アレイを同期駆動する場合、それぞれ独立の駆動回路を設けると、Ｎ個の駆動回路が必要である。しかし、上記のように電極または配線を共通にする工夫を行えば１つの駆動回路で動作させることができる。
【０２６３】
導波路アレイ１０Ａの前段に位相シフタアレイ８０Ａを設けた場合、それぞれの位相シフタ８０を独立に動かすためには、さらにＮ個の駆動回路が必要である。しかし、図２３の例のように位相シフタ８０をカスケード状に配置することにより、１つの駆動回路でも動作させることができる。すなわち、本開示の構成では、２個ないし２Ｎ個の駆動回路で、２次元的に光をスキャンさせる動作を実現できる。また、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａをそれぞれ独立して動作させてもよいため、互いの配線が干渉することなく容易に引き出すことができる。
【０２６４】
＜製造方法＞
導波路アレイ、位相シフタアレイ８０Ａ、およびこれらをつなぐ誘電体導波路は、半導体プロセス、３Ｄプリンター、自己組織化、ナノインプリントなど、高精度の微細加工が可能なプロセスによって製造することができる。これらのプロセスにより、小さい領域に必要な要素を集積することが可能である。
【０２６５】
特に、半導体プロセスを利用すれば、加工精度が極めて高く、量産性も高いという利点がある。半導体プロセスを利用する場合、基板上に蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、塗布などによって様々な材料を成膜することができる。さらに、フォトリソグラフィーとエッチングプロセスにより、微細加工が可能である。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ２、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを用いることができる。
【０２６６】
＜変形例＞
続いて、光スキャンデバイスの変形例を説明する。
【０２６７】
図３９は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。このような構成によれば、位相シフタ８０の導波路を構成する材料において小さな屈折率変化しか生じない場合でも、十分な位相シフト量を確保することができる。また、位相シフタ８０を熱で駆動する場合、間隔を広く取れるため、隣の位相シフタ８０に与える影響を小さくすることができる。
【０２６８】
図４０は、２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、２つの光分岐器９０ａおよび９０ｂならびに２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂを、導波路アレイ１０Ａの両側に有している。図４０において点線で示されている直線の矢印は、光分岐器９０ａおよび９０ｂ、ならびに位相シフタ８０ａおよび８０ｂを伝搬する光を示している。位相シフタアレイ８０Ａａおよび光分岐器９０ａは、導波路アレイ１０Ａの一方の側に接続され、位相シフタアレイ８０Ａｂおよび光分岐器９０ｂは、導波路アレイ１０Ａの他方の側に設けられている。光スキャンデバイス１００は、さらに、光分岐器９０ａへの光の供給と光分岐器９０ｂへの光の供給を切り替える光スイッチ９２を備えている。光スイッチ９２を切り替えることにより、図４０における左側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態と、図４０における右側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態とを切り替えることができる。
【０２６９】
本変形例の構成によれば、導波路アレイ１０Ａから出射される光のＸ方向についてのスキャン範囲を拡大できるという利点がある。導波路アレイ１０Ａに片側から光を入力する構成においては、各導波路素子１０の駆動によって、光の方向を、正面方向（＋Ｚ方向）から、＋Ｘ方向または−Ｘ方向のいずれかの方向に沿ってスキャンすることができる。これに対して、本変形例では、図４０における左側の光分岐器９０ａから光を入力した場合、正面方向から＋Ｘ方向に沿って光をスキャンすることができる。一方、右側の光分岐器９０ｂから光を入力した場合、正面方向から−Ｘ方向に光をスキャンすることができる。つまり、図４０の構成では、正面から見て図４０における左右両方向に光をスキャンすることができる。このため、片側から光を入力する構成に比べて、スキャンの角度範囲を広くすることができる。光スイッチ９２は、不図示の制御回路（例えば、マイクロコントローラユニット）から電気信号で制御される。本構成例によれば、全ての素子の駆動を電気信号によって制御することができる。
【０２７０】
以上の説明では、導波路素子１０の配列方向および導波路素子１０が延びる方向が直交している導波路アレイのみを扱ってきた。しかし、これらの方向が直交している必要はない。例えば、図４１Ａに示すような構成を用いてもよい。図４１Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。この例において、各導波路素子１０の光出射面は、同一平面内になくてもよい。このような構成であっても、各導波路素子１０および各位相シフタを適切に制御することにより、光の出射方向ｄ３を２次元的に変化させることができる。
【０２７１】
図４１Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。このような構成を採用する場合であっても、各位相シフタによる位相シフト量を適切に設定することにより、２次元スキャンを行うことができる。図４１Ｂの構成においても、導波路アレイの配列方向ｄ１と、各導波路素子１０の延びる方向ｄ２とが直交していなくてもよい。
【０２７２】
＜応用例＞
図４２は、回路基板（すなわち、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図４２の構成例において、チップ上には電極６２ａと、複数の電極６２ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２ａ、６２ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図４２に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。
【０２７３】
図４２に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図４２に示される全てのコンポーネントを集積することができる。
【０２７４】
図４３は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法と組み合わせることで、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、レーザを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。
【０２７５】
図４４は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるライダー（ＬｉＤＡＲ）システム３００の構成例を示すブロック図である。ライダーシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、撮像素子４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備えている。撮像素子４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。撮像素子４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサであり得る。フォトダイオードなどの受光素子が一次元的に配列されたフォトディテクタを撮像素子として利用してもよい撮像素子４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、撮像素子４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、撮像素子４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび撮像素子４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。
【０２７６】
２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは車が、約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。
【０２７７】
１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光スキャンデバイス１００による光ビームの出射、および撮像素子４００による信号蓄積・読出しを制御する。
【０２７８】
＜光受信デバイスへの応用例＞
本開示における光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、上述した何れかの光スキャンデバイスと同一の構成を有する導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子６０とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子６０が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、上述した何れかの光スキャンデバイスと同一の構成を有する複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備えている場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。
【０２７９】
例えば図４２に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図１８において、波数ベクトル（太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、導波路素子１０が延びる方向（Ｘ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、導波路アレイに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄから、θおよびα０（式（１６）および式（１７））がわかる。このため、光の入射方向を特定することができる。上述した実施形態および変形例は、適宜、組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２８０】
本開示の実施形態における撮像システムは、例えば自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるＬｉＤＡＲシステムなどの用途に利用できる。
【符号の説明】
【０２８１】
１０      導波路素子
２０      光導波層
３０      第１のミラー
４０      第２のミラー
４２      低屈折率層
４４      高屈折率層
５０      基板
５２      支持部材（補助基板）
６０      調整素子
６２      電極
６４      配線
６６      電源
６８      ヒーター
７０      支持部材
７１      非圧電素子
７２      圧電素子
７４ａ、７４ｂ    支持部材
８０、８０ａ、８０ｂ    位相シフタ
９０、９０ａ、９０ｂ    光分岐器
９２      光スイッチ
１００、１００Ａ、１００Ｂ    光スキャンデバイス
１１０    導波路アレイの駆動回路
１３０    光源
１５０    光パルス
２００    撮像システム
２１０    位相シフタアレイの駆動回路
３００、３００Ａ    撮像システム（ＬｉＤＡＲシステム）
３１０    ビームスポット（光スポット）
４００    撮像素子
４２０    光学系
４３０    光学フィルタ
５００    制御回路
６００    信号処理回路
【図１】
2018124271.tif 000019
【図２】
2018124271.tif 000020
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2018124271.tif 000023
【図５Ｂ】
2018124271.tif 000024
【図５Ｃ】
2018124271.tif 000025
【図６Ａ】
2018124271.tif 000026
【図６Ｂ】
2018124271.tif 000027
【図７】
2018124271.tif 000028
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2018124271.tif 000030
【図９Ａ】
2018124271.tif 000031
【図９Ｂ】
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【図１０】
2018124271.tif 000033
【図１１】
2018124271.tif 000034
【図１２】
2018124271.tif 000035
【図１３】
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【図１４】
2018124271.tif 000037
【図１５】
2018124271.tif 000038
【図１６Ａ】
2018124271.tif 000039
【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
2018124271.tif 000047
【図２１】
2018124271.tif 000048
【図２２】
2018124271.tif 000049
【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
2018124271.tif 000053
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２Ａ】
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【図５２Ｂ】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５Ａ】
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【図５５Ｂ】
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【図５６】
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