(57)【要約】【課題】光偏向デバイスが備える光をコリメートするレンズにおいて、製作及び位置合わせに高精度を不要とする。【解決手段】光偏向デバイスは、送信用光偏向器及び受信用光偏向器の２つの光偏向器と、送信用光偏向器から放射される光放射ビームを平行ビームとし、対象物からの反射光を受信用光偏向器に集光する１つのコリメートレンズとを備える。１つのコリメートレンズは、縦列配列された２つの光偏向器に対して、光が放射及び入射される側に、２つの光偏向器の縦列配列方向に沿って直線状に配置される。ライダー装置は、光偏向デバイスと、ビート信号を出力する混合器と、ビート信号の周波数スペクトルに基づいて、光偏向デバイスと対象物との距離を求める演算部とを備える。【選択図】図１
2018180116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路の導波路コアに長さ方向に沿って縦列に直線状に配列した２つの光偏向器と、
前記縦列配列された２つの光偏向器に対して、光が放射及び入射される側に、当該２つの光偏向器の縦列配列方向に沿って配置された１つのコリメートレンズとを備える、光偏向デバイス。
【請求項２】
前記各光偏向器は、
高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に配列される格子配列を備えるフォトニック結晶導波路、
及び、
前記フォトニック結晶上に設けられた回折機構を備える、請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項３】
前記回折機構は、
表面回折格子、
又は、
高屈折率部材の面内に低屈折率部位が二重周期で配列される格子配列を備えるスローライトフォトニック結晶導波路
である、請求項１又は２に記載の光偏向デバイス。
【請求項４】
前記各光偏向器のフォトニック結晶導波路は複数の導波路コアを備える、請求項１から３の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
前記コリメートレンズは、シリンドリカルレンズの単レンズ、複数のロッドレンズが並列配置されてなる一式の組レンズ、複数枚のレンズが積層配置されてなる一式の組レンズの何れか一つである、請求項１から４の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つの光偏向デバイスの一方の光偏向器を送信用光偏向器とし、他方の光偏向器を受信用光偏向器とし、
前記送信用光偏向器に入射するチャープ光信号と、前記受信信用光偏向器からの検出光とを入力しビート信号を出力する混合器と、
前記ビート信号の周波数スペクトルに基づいて、前記光偏向デバイスと対象物との距離を求める演算部とを備えるライダー装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記周波数スペクトルのビート周波数ｆbとチャープ光信号の周波数変位幅Ｂに基づいて、光速をｃ、前記チャープ光信号の１変調周期をＴとして、
（ｃ×ｆb×Ｔ）／（２×Ｂ）
の演算式により距離を演算する、請求項６に記載のライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の進行方向を制御する光偏向デバイス、及び光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲の物体までの距離を２次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））の技術分野は、車の自動運転や３次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。
【０００３】
この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを２次元的に走査することによって広角の３次元情報を取得する。
【０００４】
光ビーム走査には光偏向デバイスが必須である。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー（ポリゴンミラー）、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術（MEMS技術）による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などの問題があり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。
【０００５】
非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズド・アレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズド・アレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。一方、回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。
【０００６】
小さな光偏向角の課題に対して、本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している（特許文献１）。スローライト光はフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持ち、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。
【０００７】
図６は、低群速度をもつ光（スローライト）を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光ビームの概要を示している。光偏向デバイス１０１は、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返してなる二重周期構造を有するフォトニック結晶導波路１０２を備える。二重周期構造は回折機構を構成し、スローライト伝搬光を放射条件に変換して空間に放射する。
【０００８】
光偏向デバイス１０１は、ＳｉＯ２等の低屈折率材料からなるクラッド１１３上の高屈折率部材１１０に円孔（低屈折率部位）１１１が配列された格子配列１０３によってフォトニック結晶導波路１０２が形成される。低屈折率部位１１１の格子配列１０３は、例えば、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造の二重周期構造である。フォトニック結晶導波路１０２の格子配列１０３において、円孔１１１が設けられない部分は入射光を伝搬する導波路コア１１２を構成する。
【０００９】
放射光ビームは、縦方向には高品質なビームが形成され、横方向には広がって放射される。なお、ここで、縦方向は導波路コアに沿った方向であり、フォトニック結晶導波路１０２を伝搬する伝搬光の進行方向となる。一方、横方向は導波路コアに沿った方向と直交する方向であり、伝搬光が進行する方向と直交する方向である。
【００１０】
図６（ｂ），（ｃ）は放射光ビームのビーム強度分布を説明するための図であり、図６（ｂ）は縦方向のビーム強度分布を示し、図６（ｃ）は横方向のビーム強度角度分布を示している。
【００１１】
図６（ｂ）において、放射光ビームは導波路コアに沿って徐々に漏れ出すことで縦方向のビーム強度分布は揃った鋭いビームとなる。図６（ｃ）において、横方向のビーム強度角度分布は広い角度分布を有する。
【００１２】
放射光ビームの横方向角度分布において、横方向の広がり、及びビームの強度が複数のピークを有した複雑なビーム強度の分布形状がある場合は、平行ビームヘの変換効率を低下させる要因となる。
【００１３】
放射光ビームの横方向への広がりを抑制するために、図６（ｄ）に示すように、光偏向デバイスの上方にシリンドリカルレンズ等のコリメートレンズを設置し、導波路コアからの放射光ビームを平行ビームに変換する構成が用いられる。
【００１４】
図７は、シリンドリカルレンズを用いて光放射ビームの横方向の偏向を説明するための図である。光放射ビームの横方向の偏向は、図７に示すように、シリンドリカルレンズ１０４を光偏向デバイス１０１の上方に、導波路コア１１２に沿って配置することで行う。ここで、光偏向デバイス１０１が備える複数の導波路コア１１２に対して、入射光を入射する導波路コア１１２を切り替えることによって、光放射ビームを横方向に偏向させる。
【００１５】
放射光ビームを横方向に偏向させるには、導波路コア１１２への光入射光を光スイッチ等によって切り替えることで光を放射する導波路コア１１２を切り替えて、この導波路コア１１２とシリンドリカルレンズ１０４の入射位置との相対的な位置関係を変えることによって行う。
【００１６】
また、光放射ビームの縦方向の偏向は、入射光の波長を変えたり、フォトニック結晶導波路１０２の屈折率を加熱などで変えることによって行う。これにより、光偏向デバイスは、縦横の両方向共にコリメートされた光ビームを形成する。
【００１７】
ライダー装置は送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを用い、送信用の光偏向デバイスから光放射ビームを放射して測定対象の物体（対象物）に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を受信用の光偏向デバイスで検出する。ライダー装置は、周波数チャープ光信号を生成し、これを参照光と信号光に分け、信号光は送信用の光偏向デバイスから出射、物体に当たって往復し、受信用の光偏向デバイスで受光する。これを参照光とミキシングして得たビート信号から対象物との距離を得る。
【００１８】
目標との距離や相対速度の検出は、例えばレーダ装置において、レーダ波の送受信によって行う技術が知られている。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特願２０１６−１０８４４
【特許文献２】国際公開  ＷＯ２０１３／０８８９３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ライダー装置は、対象物への光の放射、及び対象物から反射光の検出を行うために、送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを用いている。送信用と受信用の２つの光偏向デバイスは、両方の光偏向デバイスにシリンドリカルレンズ等のコリメートレンズを設けることによって、横方向の光の広がりを抑制すると共に、横方向の偏向を行う。
【００２１】
なお、送信用と受信用の光偏向デバイスを一つの光偏向デバイスで兼用する構成もあるが、この構成では受信した光を混合器（ミキシング部）へ導くために２入力２出力のフォトカプラ（２×２カプラ）が必要である。このような構成では、送信時と受信時でそれぞれ３ｄＢの損失が常時発生し、合計で６ｄＢ損失が原理的に生じる。このような１つの光偏向デバイスによる構成での損失を低減するためには、送信用光偏向デバイスと受信用光偏向デバイスとを分離した形態が望ましい。
【００２２】
図８は送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを、導波路コアの長さ方向と直交する横方向に並列配置した構成を示している。図８（ａ）〜図８（ｃ）は配置構成を示し、送信用光偏向デバイス１０１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂの並列配置に対して、シリンドリカルレンズ１０４Ａ，１０４Ｂを並列配置した構成を示し、図８（ｄ），（ｅ）は、２つの光偏向デバイス間における放射光と反射光の位置関係を示している。
【００２３】
送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを横方向に並列配置した構成では、光ビームを平行ビームとするために、各光偏向デバイスの上方に２つのシリンドリカルレンズが、光偏向デバイスの配置と同様に横方向に並列配置される。
【００２４】
このようなシリンドリカルレンズを横方向の並列配置した構成では、送信光と受信光との位置関係のずれの発生を防ぐために、２つのシリンドリカルレンズ間に距離や平行度等の位置関係を精密に配置する必要がある。
【００２５】
図８（ａ）は、送信用光偏向デバイス１０１Ａ及び受信用光偏向デバイス１０１Ｂに対してシリンドリカルレンズ１０４Ａ，１０４Ｂが正しく配置された状態を示し、図８（ｂ）、（ｃ）は送信用光偏向デバイス１０１Ａ及び受信用光偏向デバイス１０１Ｂに対してシリンドリカルレンズ１０４Ａ，１０４Ｂの配置位置にずれがある状態を示し、図８（ｄ），（ｅ）は位置ずれした際の走査像の位置を示している。
【００２６】
シリンドリカルレンズ１０４Ｂが横方向に位置ずれした場合には、図８（ｂ），（ｄ）に示す様に、受信用光偏向デバイス１０１Ｂで形成される走査像はシリンドリカルレンズ１０４Ｂの横方向の位置ずれによって目標１２０の走査領域１２１からずれた位置となる。また、シリンドリカルレンズ１０４Ｂが回転位置ずれした場合においても、図８（ｃ），（ｅ）に示す様に、受信用光偏向デバイス１０１Ｂで形成される走査像はシリンドリカルレンズ１０４Ｂの回転位置ずれによって目標１２０の走査領域１２１からずれた位置となる。
【００２７】
本発明は、上記の課題を解決して、光偏向デバイスが備える光をコリメートするレンズにおいて、製作及び位置合わせに高精度を不要とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の光偏向デバイスは、送信用光偏向器及び受信用光偏向器の２つの光偏向器と、送信用光偏向器から放射される光放射ビームを平行ビームとし、対象物からの反射光を受信用光偏向器に集光するコリメートレンズとの配置構成に関し、本発明のライダー装置はこの光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。
【００２９】
［光偏向デバイス］
本発明の光偏向デバイスは、導波路の導波路コアに長さ方向に沿って縦列に配列した２つの光偏向器と、１つのコリメートレンズとを備える。なお、本発明においては、光偏向デバイスを構成する２つの素子を光偏向器で表記する。１つのコリメートレンズは、縦列配列された２つの光偏向器に対して、光が放射及び入射される側に、２つの光偏向器の縦列配列方向に沿って直線状に配置される。ここで、縦方向はフォトニック結晶導波路の導波路コアの長さ方向であり、縦列配列は縦方向に沿った配列である。
【００３０】
本発明の光偏向デバイスは、光偏向デバイスを構成する２つの光偏向器の相対位置は、偏向素子のデバイスをチップで製作する際のマスクパターンによって規定できるため、光偏向器を所定の方向に合わせて配列することが容易であり、光偏向デバイスを構成するフォトニック結晶導波路の導波路コアの長さ方向に沿って高い精度で縦列配列された光偏向器を構成することができる。
【００３１】
本発明の光偏向デバイスは、縦列配列された２つの光偏向器に対して対向配置するコリメートレンズは連続した１つの光学素子であるため、２つの光偏向器に対するレンズの光学特性は同一であり、また、レンズの位置合わせも１回の工程で済むため、位置合わせ作業が容易である。
【００３２】
さらに、光偏向デバイスの光偏向器による光ビームの偏向の縦方向角度の変化を、導波路部分を加熱して屈折率変化させることで行う場合には、２つの光偏向器が直線上に縦列配列された構成によって、２つの光偏向器の加熱状態を容易に均一化することができる。
【００３３】
上記したように、本発明の光偏向デバイスは、直線状に縦列配列された２つの光偏向器、及び１つのコリメートレンズによる構成によって、送信用と受信用の光偏向器の光ビームの方向の一致が容易であり、本発明のライダー装置の光レーダの効率が向上する。
【００３４】
本発明の光偏向デバイスが備える２つの光偏向器は、高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に配列される格子配列を備えるフォトニック結晶導波路、及びフォトニック結晶上に設けられた回折機構を備える。送信用光偏向器に入射された入射光は、フォトニック結晶導波路の導波路コアによって伝搬すると共に、フォトニック結晶上に設けられた回折機構によって外部に放射される。放射された光放射ビームは対象物で反射され、当該反射光は受信用光偏向器の回折機構で集光され、フォトニック結晶導波路の導波路コアを介して検出される。
【００３５】
本発明の光偏向器が備えるフォトニック結晶導波路は、スローライトを発現する周期構造によって構成する。スローライトフォトニック結晶の周期構造は、高屈折率部材に低屈折率部位を周期ａ（≒λ／２ｎ）で配列させている。なお、ｎは高屈折率部材の導波路を伝搬する光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長である。
【００３６】
この周期構造によって、フォトニック結晶導波路は、ａ＝λ/２nを満たすブラッグ波長付近でフォトニックバンドギャップ（ストップバンド）が生じて、導波路内の群屈折率ｎｇが大きくなり、群速度が小さいスローライトが生じる。スローライトは周囲に電磁界の強度分布の拡がり（浸み出し成分）を持ちながら伝搬する。
【００３７】
スローライトは、光の波長λや導波路の屈折率ｎのわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。導波路の周期構造の伝搬定数βが変わると、回折機構の周期構造との結合条件が変わり、光放射ビームの角度θが変わる。したがって、光の波長λや導波路の屈折率ｎを変化させて伝搬定数βを変えることで、光放射ビームの角度θを変化させることができる。
【００３８】
本発明の光偏向デバイスは回折機構として、表面回折格子、又は高屈折率部材の面内に低屈折率部位が二重周期で配列される格子配列を備えるスローライトフォトニック結晶導波路を用いた構成とすることができる。
【００３９】
表面回折格子による回折機構は、フォトニック結晶導波路上に表面回折格子を隣接させて配置することで構成される。一方、スローライトフォトニック結晶導波路による回折機構は、フォトニック結晶導波路を構成する格子配列内に、スローライトフォトニック結晶導波路が積層されることで構成される。この回折機構を構成するスローライトフォトニック結晶と導波路を構成するスローライトフォトニック結晶とは、高屈折率部材に対する低屈折率部位の周期が異なり、例えば、回路機構は導波路よりも低屈折率部位の周期を長周期とする。
【００４０】
スローライトフォトニック結晶導波路による回折機構では、周期構造によって導波路のスローライトの浸み出し成分と結合して散乱及び回折させ、導波路の進行方向に対して上方あるいは斜め方向に徐々に放射する。光放射ビームは、導波路の進行方向に沿って広い範囲から放射され、かつ、その放射は位相が揃っているため、高品質な鋭い光ビームとなる。
【００４１】
したがって、本発明の光偏向デバイスの一形態は、スローライト導波路を構成するフォトニック結晶導波路を、フォトニック結晶の周期構造を短周期と長周期の２種類の周期を備える２重周期構造で構成し、短周期の周期構造は刻みを大きくしてスローライト導波路を構成し、長周期の周期構造は刻みを小さくして回折機構を構成する。
【００４２】
本発明の光偏向デバイスが備える送信用光偏向器及び受信用光偏向器のフォトニック結晶導波路は複数の導波路コアを備える。この複数の導波路コアは、導波路コアの長さ方向に対して直交する横方向に並列配列される。横方向に並列配列される各導波路コアは、それぞれコリメートレンズとの位置関係が異なる。コリメートレンズの光学特性によって、コリメートレンズの中心付近に入射した光はほぼ直進し、コリメートレンズの端部側に入射した光はコリメートレンズの中央側に向かって屈折することで平行ビームが形成される。また、入射光が入射される導波路コアと放射される光ビームとは対応関係を有している。したがって、入射光を入射する導波路コアを切り替えることによって、対象物上の光放射ビームの照射位置を変え、対象物上を横方向に走査することができる。
【００４３】
本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは、光偏向器の横幅と同程度の幅で、２つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さのシリンドリカルレンズの単レンズを用いることができる。また、本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは単レンズに限らず複数のレンズからなる組レンズで構成してもよい。組レンズによるコリメートレンズは、例えば、複数のロッドレンズが並列配置されて構成される一式の組レンズ、又は複数枚のレンズが積層配置されて構成される一式の組レンズとすることができる。複数本のロッドレンズは、例えば、光偏向器の横幅よりも狭幅であって、２つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さとする。
【００４４】
［ライダー装置］
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、ビート信号を出力する混合器と、ビート信号の周波数スペクトルに基づいて、光偏向デバイスと対象物との距離を求める演算部とを備える。
【００４５】
光偏向デバイスが備える２つの光偏向器の内、一方の光偏向器を送信用光偏向器とし、他方の光偏向器を受信用光偏向器とする。混合器は、送信用光偏向器に入射する直前で分岐された周波数チャープ光信号の参照光と、送信用光偏向器から出射され，物体を往復して受信用光偏向器にて受信された信号光とを合わせてビート信号を出力する。混合器は、例えばバランス型フォトダイオードを用いることができ、信号光と参照光の間の遅延時間に対応した周波数差のビート信号を検出する。演算部は、ビート信号の周波数スペクトルに基づいて対象物との距離を求める。
【００４６】
演算部は、光速をｃ、チャープ光信号の１変調周期をＴとしたとき、周波数スペクトルのビート周波数ｆbとチャープ光信号の周波数変位幅Ｂに基づいて、（ｃ×ｆb×Ｔ）／（２×Ｂ）の演算式により距離を演算する。
【発明の効果】
【００４７】
以上説明したように、本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、光偏向デバイスが備える光をコリメートするレンズにおいて、製作及び位置合わせに高精度が不要である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の光偏向デバイスの概略構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。
【図３】本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。
【図４】本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。
【図５】本発明のライダー装置の概略構成を説明するための図である。
【図６】低群速度をもつ光（スローライト）を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光ビームの概要を説明するための図である。
【図７】シリンドリカルレンズを用いて光放射ビームの横方向の偏向を説明するための図である。
【図８】送信用と受信用の２つの光偏向デバイスを、導波路コアの長さ方向と直交する横方向に並列配置した構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本発明の光偏向デバイスの概略構成例を説明し、図２〜４を用いて本発明の光偏向デバイスの動作を説明し、図５を用いて本発明のライダー装置の概略構成を説明する。
【００５０】
（光偏向デバイスの概要）
図１は本発明の光偏向デバイスを説明するための図である。光偏向デバイス１は、送信用光偏向器１Ａと受信用光偏向器１Ｂの２つの光偏向器を備える。送信用光偏向器１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂはフォトニック結晶導波路２により構成される。フォトニック結晶導波路２は、Ｓｉ等の半導体からなる高屈折率部材１０に低屈折率部位を周期的に配した格子配列３により形成される。低屈折率部位は、例えば、高屈折率部材１０に設けた円孔１１とすることができる。また、フォトニック結晶導波路２はＳｉ等の半導体材からなるクラッド１３上に設けられる。
【００５１】
フォトニック結晶導波路２において、格子配列３の一部に低屈折率部位の円孔１１を設けない部分は光を伝搬する導波路コア１２を構成する。導波路コア１２は、円孔１１の配列により構成される格子配列３において、格子配列３の一部に円孔１１を配置しない部分によって形成される。導波路コア１２に入射された入射光は、導波路コア１２を長さ方向に伝搬しながら、導波路コア１２から外部に放射される。
【００５２】
光偏向デバイス１は、送信用光偏向器１Ａと受信用光偏向器１Ｂの２つの光偏向器を備える。送信用光偏向器１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂは、高屈折率部材１０に低屈折率部位の円孔１１を周期配列した格子配列３によってフォトニック結晶導波路２が形成される。フォトニック結晶導波路２は、円孔１１を長短の２種類の周期で配列する二重周期構造とすることにより、光を伝搬する導波路と、導波路と外部との間で光回折を放射する回折構造を構成する。
【００５３】
送信用光偏向器１Ａは、フォトニック結晶導波路２に複数の導波路コア１２Ａａ〜１２Ａｃが並列して配列され、受信用光偏向器１Ｂは、フォトニック結晶導波路２に複数の導波路コア１２Ｂａ〜１２Ｂｃが並列して配列される。なお、並列配列される導波路コアの本数は任意の本数とすることができる。
【００５４】
送信用光偏向器１Ａと受信用光偏向器１Ｂとは、導波路コア１２の長さ方向に沿って直線状に縦列配列される。縦列配列において、入射光が入射される側に送信用光偏向器１Ａが配置され、出射光が出射される側に受信用光偏向器１Ｂが配置される。
【００５５】
光偏向デバイス１は、上記した送信用光偏向器１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂの他に、平行光に変換するコリメートレンズとして１つのシリンドリカルレンズ４を備える。シリンドリカルレンズ４は、縦列配列された２つの光偏向器（１Ａ，１Ｂ）に対して、光放射ビームを放射する面及び反射光を入射する面の側に、光偏向器の縦列配列方向に沿って重ねて配置される。
【００５６】
シリンドリカルレンズ４のサイズは、例えば、幅を光偏向器（１Ａ，１Ｂ）の幅と同程度とし、長さを縦列配列された２つの光偏向器（１Ａ，１Ｂ）の長さと同程度とすることができる。なお、シリンドリカルレンズ４のサイズは、送信用光偏向器１Ａから放射された光放射ビームを平行ビームに変換して対象物（図示していない）に照射し、対象物で反射された反射光を受信用光偏向器１Ｂに集光するに十分なサイズであれば、前記の縦列配列と同程度のサイズに限らず任意のサイズとしても良い。
【００５７】
本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは複数のレンズ形態とすることができる。図１（ａ）に示すコリメートレンズとして単レンズのシリンドリカルレンズ４を用いる形態を示している。シリンドリカルレンズ４は、光偏向器１Ａ，１Ｂの横幅と同程度に幅で、２つの光偏向器１Ａ，１Ｂを縦列配列した長さと同程度の長さの単レンズを用いることができる。
【００５８】
本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは単レンズに限らず、図１（ｂ）に示すように複数のレンズからなる組レンズで構成してもよい。組レンズによるコリメートレンズは、例えば、複数のロッドレンズ４ａ１，４ａ２〜４ａｎが並列配置されて構成される一式の組レンズ４ａ、又は複数枚のレンズ４ｂ１、４ｂ２が積層配置されて構成される一式の組レンズ４ｂとすることができる。複数本のロッドレンズ４ａ１，４ａ２〜４ａｎは、例えば、光偏向器の横幅よりも狭幅であって、２つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さとする。
【００５９】
次に、図２〜図４を用いて本発明の光偏向デバイスの動作例を説明する。図２〜４に示す入射光及び放射光ビームは模式的に示している。なお、実際には、対象物２０は、２つの光偏向器１Ａ，１Ｂ間の距離と比較して、放射光と反射光とが略平行となり、ほぼ同角度と見なせる程十分に遠方にあるが、図２〜図４では説明の関係から対象物２０と光偏向デバイス１との距離が実際よりもかなりの近くに配置した状態で示されている。
【００６０】
図２〜図４において、対象物２０は、光偏向デバイス１のシリンドリカルレンズ４の上方に、その対象物２０の測定面を光偏向デバイス１側に向けて配置する。この配置において、送信用光偏向器１Ａから放射された光放射ビームＡはシリンドリカルレンズ４で平行ビームに変換された後、ビーム状に伝搬して対象物２０の測定面に照射される。対象物２０では全方向に散乱し、この散乱光の一部が反射ビームとして受信用光偏向器１Ｂで受信される。反射ビームＢはシリンドリカルレンズ４によって受信用光偏向器１Ｂに集光され、受信用光偏向器１Ｂの導波路コアを介して検出される。
【００６１】
この光放射ビームＡの対象物２０への照射において、対象物２０上の照射位置を変えることによって走査領域２１を走査する。走査領域２１の走査は、導波路コア１２の長さ方向に沿って行う縦方向走査、及び導波路コア１２の長さ方向に直交する方向で行う横方向走査とする他、縦方向及び横方向とを組み合わせて任意の方向で走査を行ってもよい。
【００６２】
図２及び図３は、縦方向走査の一例を示している。図２（ａ）は、送信用光偏向器１Ａの一方の側部側の導波路コア１２Ａａに入射光を入射して、対象物２０の走査領域２１ａを縦方向に走査する状態を示している。縦方向の走査は、図２（ｂ）に示したように、スローライトが導波路コア１２Ａａを伝搬するのに従って行われる。
【００６３】
図３（ａ）は、送信用光偏向器１Ａの他方の側部側の導波路コア１２Ａｃに入射光を入射して、対象物２０の走査領域２１ｃを縦方向に走査する状態を示している。縦方向の走査は、図３（ｂ）に示しように、スローライトが導波路コア１２Ａｃを伝搬するのに従って行われる。なお、対象物２０の中央部分を走査領域とする場合には、送信用光偏向器１Ａの中央の導波路コアに入射光を入射して縦方向に走査することができる。この中央部分の走査は図示していない。また、このときの光放射ビームの放射角度は、入射光の波長やフォトニック結晶導波路の屈折率によって変えることができる。
【００６４】
なお、図２〜図４では、導波路コアとして３本の例を示しているが、導波路コアの本数はこの本数に限らず任意の本数とすることができる。
【００６５】
図４は、横方向走査の一例を示している。図４（ａ）は、送信用光偏向器１Ａの導波路コア１２Ａａ、導波路コア１２Ａｂ，及び導波路コア１２Ａｃに対して、入射光を順次切り替えて入射することによって、送信用光偏向器１Ａから放射される光放射ビームを導波路コアの長さ方向と直交する横方向に移動させ、これによって、対象物２０の走査領域２１ｄを横方向に走査する状態を示している。横方向の走査は、図４（ｂ）に示しように、スローライトが導波路コア１２Ａａを伝搬するのに従って縦方向で行われる。
【００６６】
なお、図４において、走査領域２１ｄの横方向走査が、各導波路コア１２Ａａ〜１２Ａｃから同時に光放射ビームが放射されるように記載されているが、各導波路コア１２Ａａ〜１２Ａｃからの光放射ビームの放射は入射光の切り替えによって行われるため、実際には時間差を有して行われる。
【００６７】
また、複数の導波路コア１２Ａａ〜１２Ａｃの各導波路コアへの入射光の入射において、入射光を同時に入射させるといった場合には、ライダー装置における検出光と参照光とのビート周波数の抽出の際に、各導波路コアに入射した入射光や検出光が干渉するとことで正確な距離測定ができなくなる場合があるため、入射光の干渉を避けるために時間差を有して入射させるといった入射形態が必要である。
【００６８】
上記では、光偏向デバイスとして、回折機構としてフォトニック結晶導波路スローライトによる構成例を用いて説明しているが、直線状に縦列配列した２つの光偏向器と、１つのコリメートレンズとから構成される光偏向デバイスにおいて、フォトニック結晶導波路スローライトに代えて表面回折格子を用いた構成としてもよい。
【００６９】
（ライダー装置の概要）
次に、図５を用いて本発明のライダー装置の概略構成について説明する。
ライダー装置５は、本発明の光偏向デバイス１を用い、対象物２０に光を照射すると共に対象物２０で反射して戻ってくる反射光を検出することによって対象物２０の走査を行い、対象物２０との間の距離を求める。また、ライダー装置５と対象物２０との相対速度を求めることもできる。
【００７０】
ライダー装置５が備える光偏向デバイス１は、前記したように、直線状に縦列配列された送信用光偏向器１Ａと受信用光偏向器１Ｂ、及びその上方に配置されたコリメートレンズ（シリンドリカルレンズ４）を備える。
【００７１】
光偏向デバイス１が備える２つの光偏向器の内で送信用光偏向器１Ａには信号光が入射される。送信用光偏向器１Ａに入射された信号光は、フォトニック結晶導波路の導波路コアをスローライトによって伝搬する。スローライトは、導波路コアを伝搬する間に外部に漏れ出し、対象物２０に向けて光放射ビームＡを放射する。光放射ビームＡは対象物２０で反射する。受信用光偏向器１Ｂは反射光Ｂを受光し、導波路コアの端部から検出光を出射する。
【００７２】
送信用光偏向器１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂの偏向角は、入射光の波長あるいはフォトニック結晶導波路の屈折率によって変えることができる。フォトニック結晶導波路の屈折率を可変とする屈折率可変器５６は、例えば、送信用光偏向器１Ａ及び受信用光偏向器１Ｂを構成するフォトニック結晶導波路の温度を可変とする装置で構成することができる。
【００７３】
送信用光偏向器１Ａに入射される信号光は、周波数が順次変化する周波数チャープ光信号を分離器５２で分離した一方の光を用いる。この光は、半導体増幅器（ＳＯＡ）５３で増幅して用いてもよい。分離器５２で分離した他方の光は、参照光として混合器５４に導入される。
【００７４】
周波数変調器（Modulator）は、レーザ光源５０で発生したレーザ光の周波数を一定周期Ｔで線形変調して周波数チャープ光信号を発生する。信号光と参照光は、周波数チャープ光信号を分離した光であるため周波数及び位相は同一である。
【００７５】
混合器（Mixer）５４には、参照光と共に、光偏向デバイス１の受信用光偏向器１Ｂから得られた検出光が導入され、参照光と検出光とをミキシングしたビート信号を発生する。
【００７６】
光偏向デバイス１と対象物２０との間で行われる往復によって信号光には遅延が生じ、その間に参照光は周波数チャープによって徐々に周波数が変わる。混合器（Mixer）５４では、往復した後に受光される信号光と参照光をミキシングし、検出する。このことによって、信号光と検出光との周波数差に応じたビート信号が検出される。混合器（Mixer）５４は、例えば、バランス型フォトダイオード５４ａを用いて、検出光と参照光の間の遅延時間に対応した周波数差のビート信号を検出する。
【００７７】
演算部５５は、混合器５４で得たビート信号の周波数スペクトルに基づいて対象物２０との距離を求める。演算部５５は、例えば、バランス型フォトダイオード５４ａの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、及び得られたデジタル信号を演算処理するプロセッサによって構成することができる。
【００７８】
ビート信号のビート周波数をｆb、信号光の周波数変位幅をＢ、光速をｃ、チャープ光信号の１周期の変調に要する１変調周期をＴとすると、目標との距離Ｒは以下の式（１）で表される。
Ｒ＝（ｃ×ｆb×Ｔ）／（２×Ｂ）    …（１）
【００７９】
なお、本発明のライダー装置によって対象物との相対速度を得る場合には、周波数が増加するアップチャープ光信号を用いて得られるビート周波数ｆuと、周波数が減少するダウンチャープ光信号を用いて得られるビート周波数ｆdとを用いて、相対速度ｖは以下の式（２）で表される。なお、ｆoはチャープ光信号の中心周波数である。
ｖ＝（ｃ／４fo）×（ｆu−ｆd）      …（２）
【００８０】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の光偏向デバイスは、自動車，ドローン，ロボットなどに搭載することができ、パソコンやスマートフォンに搭載して周囲環境を手軽に取り込む３Ｄスキャナ、監視システム、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどに適用することができる。
【００８２】
上記した実施例では、光偏向デバイスのフォトニック結晶導波路を構成する高屈折率部材としてＳｉを想定して近赤外光の波長域の光を用いているが、光偏向デバイスを構成する高屈折率部材として可視光材料へ適用することにより、さらにプロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、２Ｄ／３Ｄプリンタ、ＰＯＳやカード読み取り等への適用が期待される。
【符号の説明】
【００８３】
１    光偏向デバイス
１Ａ    送信用光偏向器
１Ｂ    受信用光偏向器
２    フォトニック結晶導波路
３    格子配列
４    シリンドリカルレンズ
５    ライダー装置
１０    高屈折率部材
１１    円孔
１２    導波路コア
１２Ａａ-１２Ａｃ    導波路コア
１２Ｂａ-１２Ｂｃ    導波路コア
１３    クラッド
２０    対象物
２１、２１ａ，２１ｃ，２１ｄ    走査領域
５０    レーザ光源
５２    分離器
５４    混合器
５４ａ    バランス型フォトダイオード
５５    演算部
５６    屈折率可変器
１０１    光偏向デバイス
１０１Ａ    送信用光偏向デバイス
１０１Ｂ    受信用光偏向デバイス
１０２    フォトニック結晶導波路
１０３    格子配列
１０４，１０４Ａ，１０４Ｂ    シリンドリカルレンズ
１１０    高屈折率部材
１１１    円孔（低屈折率部位）
１１２    導波路コア
１１３    クラッド
１２０    目標
１２１    走査領域
Ａ    光放射ビーム
Ｂ    反射ビーム
【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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