(57)【要約】【課題】レーザー光によって視野内を走査し、物体からの反射光を受光または検出する技術を提供する。【解決手段】ある実施形態における光学装置は、レーザー光を出射する光源と、前記レーザー光の光路上に位置する光導波素子と、前記光路上に位置し、前記光導波素子に面する底面、および前記光路に対して回転対称である側面を有する透明部材と、制御回路と、を備える。前記光導波素子は、動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、入射した前記レーザー光の一部を前記光導波素子内の前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティング、及び前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、前記光導波素子から光を出射させる第２のグレーティング、を含む。【選択図】図１Ａ
2019120928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射する光源と、
前記レーザー光の光路上に位置する光導波素子と、
前記光路上に位置し、前記光導波素子に面する底面、および前記光路に沿った仮想的な軸を中心軸として回転対称である側面を有する透明部材と、
制御回路と、を備え、
前記光導波素子は、
前記レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、入射した前記レーザー光の一部を、伝搬光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティング、及び
前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、前記伝搬光の一部を、出射光として、前記光導波素子から出射させる第２のグレーティング、
を含み、
前記出射光は、前記底面または前記側面から前記透明部材に入射し、前記側面から出射する、
光学装置。
【請求項２】
前記第１のグレーティングは、前記点を中心とする同心円状の構造を有する、
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第２のグレーティングは、前記点を中心とする同心円状の構造を有する、
請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記透明部材は、円柱形状または円錐台形状を有する、
請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記透明部材の前記側面は、格子ベクトルが前記中心軸に平行である第３のグレーティングを含む、
請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記透明部材を囲み、前記中心軸と同軸である円筒形状の第２の透明部材をさらに備え、
前記第２の透明部材の内側面および外側面は、格子ベクトルが前記中心軸に平行である第４のグレーティングを含む、
請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記光導波素子は、前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティング上に、前記透明部材と接する透明層をさらに含み、
前記透明層は、１．８以上の屈折率を有する、
請求項４から６のいずれかに記載の光学装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記光源に、前記レーザー光の波長を変化させることにより、前記光導波素子から出射される前記レーザー光の方向を変化させる、
請求項１から７のいずれかに記載の光学装置。
【請求項９】
前記光導波素子は、第１の誘電体層、前記第１の誘電体層上の第２の誘電体層、および前記第２の誘電体層上の第３の誘電体層を含み、
前記第２の誘電体層の屈折率は、前記第１の誘電体層の屈折率および前記第３の誘電体層の屈折率よりも高く、
前記第２の誘電体層と前記第１の誘電体層との間である第１位置および前記第２の誘電体層と前記第３の誘電体層との間である第２位置からなる群から選択される少なくとも１つに、前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティングが配置され、
前記第２の誘電体層に入射した前記レーザー光の一部は、前記伝搬光として、前記第２の誘電体層内を前記動径方向に沿って伝搬し、前記出射光として、前記第２のグレーティングから出射する、
請求項１から８のいずれかに記載の光学装置。
【請求項１０】
前記光導波素子は、反射層をさらに含み、
前記第２の誘電体層と反射層との間に、前記第１の誘電体層が配置される、
請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記光導波素子は、第１の電極層、及び透明な第２の電極層をさらに含み、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層及び第３の誘電体層が配置され、
前記第２の電極は、前記第１の電極よりも前記第３の誘電体層に近く、
前記第３の誘電体層は、液晶を含む液晶層である、
請求項９または１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記液晶層に電圧が印加されていない状態において、前記液晶の配向方向は、前記第１のグレーティングの格子ベクトルまたは前記第２のグレーティングの格子ベクトルに垂直である、
請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記光導波素子は、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含む第５のグレーティングをさらに含み、
前記液晶層に電圧が印加されていない状態において、前記液晶の配向方向は、前記第５のグレーティングの格子ベクトルに垂直である、
請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層からなる群から選択される少なくとも１つの電極層は、前記第１のグレーティングに対向する第１の電極と、前記第２のグレーティングに対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の第３の電極とを含み、
前記第３の電極は、前記仮想的な円の周方向に沿って配置された、導電性の複数の分割領域を含み、
前記複数の分割領域は、互いに絶縁されている、
請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記制御回路は、前記第２の電極を介して前記液晶層に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御する、
請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記制御回路は、前記第１の電極を介して前記液晶層に印加する電圧を制御することにより、前記レーザー光が前記第１のグレーティングから前記伝搬光に結合する効率を制御する、
請求項１４または１５に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記制御回路は、前記複数の分割領域のうち、前記伝搬光が伝搬する前記第２の誘電体層内の部分に対向する分割領域に、電圧を順次印加する、
請求項１４から１６のいずれかに記載の光学装置。
【請求項１８】
偏光分光器と、
光検出器と、
偏光回転子と、をさらに備え、
前記偏光分光器および前記偏光回転子は、前記光源と前記透明部材との間の前記光路上に位置し、
前記制御回路は、前記偏光回転子に前記電圧を印加する電圧を制御することにより、前記偏光回転子を通過する前記レーザー光の偏光方向を変化させ、
前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子に入射した光の一部は、前記光導波素子、前記偏光回転子、及び前記偏光分光器を通過した後、検出光として、前記光検出器に入射し、
前記光検出器は、前記検出光の量に応じた電気信号を生成する、
請求項１４から１７のいずれかに記載の光学装置。
【請求項１９】
前記制御回路は、前記光源が前記レーザー光を出射している間に前記光検出器によって検出される前記検出光の量の極大値と極小値との時間間隔を取得し、前記時間間隔に基づき前記偏光回転子に印加する前記電圧を調整することにより、前記偏光回転子を通過した前記レーザー光の前記偏光方向の回転角を制御する、
請求項１８に記載の光学装置。
【請求項２０】
第１の偏光分光器と、
偏光変換器と、
分光器と、
光検出器と、をさらに備え、
前記光検出器は、第１の光検出器及び第２の光検出器を含み、
前記第１の偏光分光器、前記偏光変換器、および前記分光器は、前記光源と前記透明部材との間の前記光路上に位置し、
前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子を通過した後、前記分光器に入射した光の一部は、前記分光器及び前記偏光変換器を通過した後、第１の検出光として、前記第１の光検出器に入射し、
前記分光器に入射した前記光の他の一部は、前記分光器を通過した後、第２の検出光として、前記第２の光検出器に入射し、
前記第１の光検出器は、前記第１の検出光の量に応じた第１電気信号を生成する、
第２の光検出器は、前記第２の検出光の量に応じた第２電気信号を生成する、
請求項１４から１７のいずれかに記載の光学装置。
【請求項２１】
前記偏光変換器は、１／４波長板である、
請求項２０に記載の光学装置。
【請求項２２】
前記偏光変換器は、直線偏光の光を円接線方向の偏光の光に変換する、
請求項２０に記載の光学装置。
【請求項２３】
第２の偏光分光器をさらに備え、
前記光検出器は、第３の光検出器をさらに含み、
前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子及び前記分光器を通過した後、前記第２の偏光分光器に入射した光の一部は、
前記第２の偏光分光器を通過した後、第３の検出光として、前記第２の光検出器に入射し、
前記第２の偏光分光器に入射した前記光の他の一部は、前記第２の偏光分光器を通過した後、第４の検出光として、前記第３の光検出器に入射し、
前記第３の光検出器は、前記第４の検出光の量に応じた電気信号を生成する、
請求項２０から２２のいずれかに記載の光学装置。
【請求項２４】
前記制御回路は、
前記第１電気信号と、前記第２電気信号とを受け取り、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との和および比に応じた電気信号を生成する、
請求項２０または２１に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記制御回路は、前記光源が前記レーザー光を出射している間に前記光検出器によって検出される光の量の極大値が最小になるよう、前記第１の電極に印加する電圧を制御する、
請求項１８から２４いずれかに記載の光学装置。
【請求項２６】
前記光検出器はフィルター回路を含み、
前記制御回路は、
前記光源に、異なる周波数の強度変調信号が重畳された第１の光パルスと第２の光パルスとを順次出射させ、
前記光検出器に、前記光導波素子から出射され、前記物体によって反射され、前記光導波素子に入射した前記第１の光パルスの一部、および前記光導波素子から出射され、前記物体によって反射され、前記光導波素子に入射した前記第２の光パルスの一部を検出させ、前記第１の光パルスの前記一部の量に応じた信号と、前記第２の光パルスの前記一部に応じた信号とを分離して出力させる、
請求項１８から２５のいずれかに記載の光学装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの電極層において、前記複数の分割領域うち、隣り合う２つの分割領域の境界は、前記動径方向に沿ってジグザグ形状を有する、
請求項１４に記載の光学装置。
【請求項２８】
前記第１の電極層及び前記第２の電極層の各々において、前記複数の分割領域のうち、隣り合う２つの分割領域の境界は、前記動径方向に沿ってジグザグ形状を有し、
前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層及び前記第３の誘電体層のいずれかに垂直な方向から見たとき、前記第１の電極層における前記境界と、前記第２の電極層における前記境界とは、菱形が連なった形状を形成する、
請求項２７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、視野内に散在する物体の位置を把握するために、光源からの光パルスで物体を照射し、物体からの反射光の時間遅れを方向ごとに計測することにより、物体表面までの距離が計測される。例えば、特許文献１は、そのような技術を用いた光フェーズドアレイを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１８７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、レーザー光によって視野内に散在する物体を水平方向および／または垂直方向に走査し、物体からの反射光を選択的に受光または検出する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る光学装置は、レーザー光を出射する光源と、前記レーザー光の光路上に位置する光導波素子と、前記光路上に位置し、前記光導波素子に面する底面、および前記光路に沿った仮想的な軸を中心軸として回転対称である側面を有する透明部材と、制御回路と、を備える。前記光導波素子は、前記レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、入射した前記レーザー光の一部を、伝搬光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティング、及び前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、前記伝搬光の一部を、出射光として、前記光導波素子から出射させる第２のグレーティング、を含む。前記出射光は、前記底面または前記側面から前記透明部材に入射し、前記側面から出射する。
【０００６】
上記の包括的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の一態様によれば、機械的な構造を用いずに、レーザー光によって視野内に散在する物体を水平方向および／または垂直方向に走査し、物体からの反射光を選択的に受光または検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、光学装置における光源の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、光学装置における円柱体の別の形態を模式的に示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ベクトルダイアグラムを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ベクトルダイアグラムを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態における入射光の偏光方向と、入力の様子とを模式的に示す斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、入力グレーティングカプラを模式的に示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、入力結合し導波する光の様子を光強度によって示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、入力グレーティングカプラを模式的に示す平面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、偏光方向と入力伝搬方向の関係を光強度によって示す平面図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、偏光方向と入力伝搬方向の関係を光強度によって示す平面図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、偏光方向と入力伝搬方向の関係を光強度によって示す平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、反射層がない場合の、入力グレーティングカプラの入力結合効率の波長依存性を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、反射層がある場合の、入力グレーティングカプラを模式的に示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、反射層がある場合の、入力結合効率のバッファー層の層厚依存性を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、反射層がある場合の、入力結合効率の波長依存性を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、入射光の偏光方向と入力伝搬方向との関係を光強度によって示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、偏角φと伝搬する導波光の強度Ｉとの関係、および−φからφの偏角範囲に含まれる光エネルギーＥの偏角φに対する関係を示す図である。
【図６】図６は、偏光回転子の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図７Ａ】図７Ａは、収差補正がない場合の、出力グレーティングカプラにおける放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、収差補正制御がある場合の、出力グレーティングカプラにおける放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、出力グレーティングカプラからの放射光が、円柱面において屈折して出射することを模式的に示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、収差補正を実現するための透明電極層のパターニングの様子を模式的に示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、伝搬方向の偏角と、収差補正を実現するための導波光の実効屈折率変化量との関係を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、液晶屈折率をパラメータにした、導波層の層厚と実効屈折率との関係を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、バッファー層、導波層、および液晶の配置を模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係を説明する図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係によって発生する位相面を説明する図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係を説明する図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係によって発生する位相面を説明する図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、点Ｆ’への集光における収差が補正される様子を模式的に示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、出力グレーティングカプラの深さと放射損失係数との関係を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、出力グレーティングカプラの深さと放射損失係数との関係を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、デューティーと放射損失係数との関係を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、デューティーと放射損失係数との関係を示す図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、結合長と導波強度との関係、および結合長と放射強度との関係を示す図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、結合長と導波強度との関係、および結合長と放射強度との関係を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、出力グレーティングカプラからの放射光と円柱体との位置関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、出力グレーティングカプラからの放射光と円柱体との位置関係を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、出力グレーティングカプラからの放射光と円柱面からの屈折光のビーム幅との関係を示す水平断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、出力グレーティングカプラからの放射光と円柱面からの屈折光のビーム幅との関係を示す垂直断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、入力光の偏光回転角、透明電極への印加電圧、ならびに、水平方向および垂直方向の回転角の時間経過の関係を示す図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、レーザー光による水平方向および垂直方向の走査の様子を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、入力光の偏光回転角、光源波長、透明電極への印加電圧、ならびに、水平方向および垂直方向の回転角の時間経過の関係を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、レーザー光の水平方向および垂直方向の走査の様子を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、偏光回転子の制御信号、光の偏光角、光源の出力光量、および光検出器での検出光量の時間経過の関係を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、偏光回転子の制御信号、光源の出力光量、および光検出器での検出光量の時間経過の関係を示す。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、偏光回転子の制御信号、光源の出力光量、および光検出器での検出光量の時間経過の関係を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、透明電極層のパターンを模式的に示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、透明電極層のパターンを模式的に示す図である。
【図１８】図１８は、第３実施形態における、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、第３実施形態における、電極９Ｂの電圧分布パターンの回転角、光源の出力光量、光検出器での検出光量、およびそれらの規格化差信号の時間経過の関係を示す図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域と、水平方向走査光線の方位との関係を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域に対応したレーザー光による水平方向および垂直方向の走査の様子と、走査光線間の位置との関係を説明する図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域Ｂ１に対する検出差信号と、水平方向走査方位角との関係を示す図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域Ｂ３に対する検出差信号と、水平方向走査方位角との関係を説明する図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域Ｂ５に対する検出差信号と、水平方向走査方位角との関係を説明する図である。
【図２０Ｄ】図２０Ｄは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域Ｂ２に対する検出差信号と、水平方向走査方位角との関係を説明する図である。
【図２０Ｅ】図２０Ｅは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域Ｂ４に対する検出差信号と、水平方向走査方位角との関係を説明する図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、第４実施形態における、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、第４実施形態における、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す断面図である。
【図２２】図２２は、収差補正制御がある場合の、第４実施形態における、出力グレーティングカプラにおける放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、第４実施形態における、電極９Ｂの電圧分布パターンの回転角、光源の出力光量、光検出器での検出光量、ならびに検出光量の和および比の時間経過の関係を示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、第４実施形態における、電極９Ｂの分割領域と水平方向走査光線の方向との関係を示す図である。
【図２３Ｃ】図２３Ｃは、第４実施形態における、走査光線ｂ１、走査光線ｂ２、走査光線ｂ３、走査光線ｂ４、および走査光線ｂ５を基準とする検出光量比を示す信号と、走査角との関係を示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、透明電極層側での電極パターンと、印加電圧との関係を模式的に示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、反射層側での電極パターンと、印加電圧との関係を模式的に示す図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、透明電極層側での電極パターン、およびお反射層側での電極パターンを揃えて重ねた構成と印加電圧との関係を模式的に示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、第４実施形態における、透明電極層側での電極のパターンを説明する図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、第４実施形態における、反射層側での電極のパターンを説明する図である。
【図２５Ｃ】図２５Ｃは、第４実施形態における、透明電極層側での電極パターン、および反射層側での電極パターンを揃えて重ねた構成を模式的に示す図である。
【図２５Ｄ】図２５Ｄは、第４実施形態における、図２５Ｃに示す電極パターンの一部と、導波光の伝搬経路との関係を模式的に示す図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、従来例におけるフェーズドアレイから垂直方向に出射されるレーザービームを模式的に示す図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、従来例におけるフェーズドアレイから斜め方向に出射されるレーザービームを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
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。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を用いる。
【００１０】
視野内に散在する物体の位置を把握するための光を照射するのに、２つの代表的な方法がある。１つは、光パルスで視野内全域を一様に照射する方法である。もう一つは、指向性のあるレーザービームによって視野内全域を網羅的に走査する方法である。前者の方法よりも後者の方法の方が、発光光量を小さく押さえることができ、物体側に位置する人間にも安全である。
【００１１】
一般に、レーザービームによる走査では、光源、光検出器、およびガルバノミラーが、回転ステージ上に配置される。光源から出射された光は、ガルバノミラーによって反射される。その際、ガルバノミラーを上下に回動させることによって垂直方向に光走査することができ、回転ステージを回転させることによって水平方向に光走査することができる。しかし、メカニカルな構造であることから、走査速度が遅いうえ、装置が大きく、高価である。
【００１２】
メカレスにするための取り組みとして、例えば、特許文献１に示されるフェーズドアレイ（Phased Array）が挙げられる。
【００１３】
以下に、フェーズドアレイによる光走査の原理を説明する。
【００１４】
図２６Ａおよび図２６Ｂは、それぞれ、従来例におけるフェーズドアレイから垂直方向および斜め方向に出射されるレーザービームを模式的に示す図である。図２６Ａおよび図２６Ｂに示す例では、複数の波源２１が、ｘ軸上においてピッチΛの間隔で均一に配列されている。複数の波源２１から位相の揃った波長λの光を発振させると、図２６Ａに示すように、励振光は、ｘ軸と平行な波面２１ａを形成して伝搬する。隣り合う左右の波源の位相差がΛｓｉｎθになるように光を発振させると、図２６Ｂに示すように、励振光は、ｘ軸と角度θをなす波面２１ｂを形成して伝搬する。波源２１をｘ軸およびｙ軸に沿って均一に配列し、それらの励振位相を調整すれば、励振光の伝搬方向を２軸方向に設定することができる。
【００１５】
しかしながら、上記の従来の方法では、波面を形成するために、波源２１のピッチΛは波長λの数分の１以下である必要がある。電波の場合、波長は例えば１０ｃｍ以上である。このため、アンテナとして機能する複数の波源２１を波長の数分の１以下の間隔で配列することは可能である。しかし、光の場合、波長は例えば１μｍ程度である。このため、複数の波源２１をサブミクロンの間隔で配列することは容易ではない。また、レーザーの場合、光は共振器内における増幅過程を経て発振する。よって、電波と異なり、レーザーの位相を制御することは容易ではない。
【００１６】
そこで本発明者は、新規な光学装置に想到した。
【００１７】
本開示は、以下の項目に記載の光学装置を含む。
【００１８】
［項目１］
第１の項目に係る光学装置は、レーザー光を出射する光源と、前記レーザー光の光路上に位置する光導波素子と、前記光路上に位置し、前記光導波素子に面する底面、および前記光路に沿った仮想的な軸を中心軸として回転対称である側面を有する透明部材と、制御回路と、を備える。前記光導波素子は、前記レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、入射した前記レーザー光の一部を、伝搬光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティング、及び前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含み、前記伝搬光の一部を、出射光として、前記光導波素子から出射させる第２のグレーティング、を含む。前記出射光は、前記底面または前記側面から前記透明部材に入射し、前記側面から出射する。
【００１９】
［項目２］
第１の項目に係る光学装置において、前記第１のグレーティングは、前記点を中心とする同心円状の構造を有していてもよい。
【００２０】
［項目３］
第１の項目に係る光学装置において、前記第２のグレーティングは、前記点を中心とする同心円状の構造を有していてもよい。
【００２１】
［項目４］
第１の項目に係る光学装置において、前記透明部材は、円柱形状または円錐台形状を有していてもよい。
【００２２】
［項目５］
第４の項目に係る光学装置において、前記透明部材の前記側面は、格子ベクトルが前記中心軸に平行である第３のグレーティングを含んでいてもよい。
【００２３】
［項目６］
第５の項目に係る光学装置は、前記透明部材を囲み、前記中心軸と同軸である円筒形状の第２の透明部材をさらに備え、前記第２の透明部材の内側面および外側面は、格子ベクトルが前記中心軸に平行である第４のグレーティングを含んでいてもよい。
【００２４】
［項目７］
第４から第６の項目のいずれかに係る光学装置において、前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティング上に、前記透明部材と接する透明層をさらに含み、前記透明層は、１．８以上の屈折率を有していてもよい。
【００２５】
［項目８］
第１から第７の項目のいずれかに係る光学装置において、前記制御回路は、前記光源に、前記レーザー光の波長を変化させることにより、前記光導波素子から出射される前記レーザー光の方向を変化させてもよい。
【００２６】
［項目９］
第１から第８の項目のいずれかに係る光学装置において、前記光導波素子は、第１の誘電体層、前記第１の誘電体層上の第２の誘電体層、および前記第２の誘電体層上の第３の誘電体層を含み、前記第２の誘電体層の屈折率は、前記第１の誘電体層の屈折率および前記第３の誘電体層の屈折率よりも高く、前記第２の誘電体層と前記第１の誘電体層との間である第１位置および前記第２の誘電体層と前記第３の誘電体層との間である第２位置からなる群から選択される少なくとも１つに、前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティングが配置され、前記第２の誘電体層に入射した前記レーザー光の一部は、前記伝搬光として、前記第２の誘電体層内を前記動径方向に沿って伝搬し、前記出射光として、前記第２のグレーティングから出射してもよい。
【００２７】
［項目１０］
第９の項目に係る光学装置において、前記光導波素子は、反射層をさらに含み、前記第２の誘電体層と反射層との間に、前記第１の誘電体層が配置されてもよい。
【００２８】
［項目１１］
第９または第１０の項目に係る光学装置において、前記光導波素子は、第１の電極層、及び透明な第２の電極層をさらに含み、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層及び第３の誘電体層が配置され、前記第２の電極は、前記第１の電極よりも前記第３の誘電体層に近く、前記第３の誘電体層は、液晶を含む液晶層であってもよい。
【００２９】
［項目１２］
第１１の項目に係る光学装置において、前記液晶層に電圧が印加されていない状態において、前記液晶の配向方向は、前記第１のグレーティングの格子ベクトルまたは前記第２のグレーティングの格子ベクトルに垂直であってもよい。
【００３０】
［項目１３］
第１１の項目に係る光学装置において、前記光導波素子は、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、前記動径方向に沿って配置され互いに屈折率が異なる複数の部分を含む第５のグレーティングをさらに含み、前記液晶層に電圧が印加されていない状態において、前記液晶の配向方向は、前記第５のグレーティングの格子ベクトルに垂直であってもよい。
【００３１】
［項目１４］
第１１の項目に係る光学装置において、前記第１の電極層及び前記第２の電極層からなる群から選択される少なくとも１つの電極層は、前記第１のグレーティングに対向する第１の電極と、前記第２のグレーティングに対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の第３の電極とを含み、前記第３の電極は、前記仮想的な円の周方向に沿って配置された、導電性の複数の分割領域を含み、前記複数の分割領域は、互いに絶縁されていてもよい。
【００３２】
［項目１５］
第１４の項目に係る光学装置において、前記制御回路は、前記第２の電極を介して前記液晶層に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御してもよい。
【００３３】
［項目１６］
第１４または第１５の項目に係る光学装置において、前記制御回路は、前記第１の電極を介して前記液晶層に印加する電圧を制御することにより、前記レーザー光が前記第１のグレーティングから前記伝搬光に結合する効率を制御してもよい。
【００３４】
［項目１７］
第１４から第１６の項目のいずれかに係る光学装置において、前記制御回路は、前記複数の分割領域のうち、前記伝搬光が伝搬する前記第２の誘電体層内の部分に対向する分割領域に、電圧を順次印加してもよい。
【００３５】
［項目１８］
第１４から第１７の項目のいずれかに係る光学装置は、偏光分光器と、光検出器と、偏光回転子と、をさらに備え、前記偏光分光器および前記偏光回転子は、前記光源と前記透明部材との間の前記光路上に位置し、前記制御回路は、前記偏光回転子に前記電圧を印加する電圧を制御することにより、前記偏光回転子を通過する前記レーザー光の偏光方向を変化させ、前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子に入射した光の一部は、前記光導波素子、前記偏光回転子、及び前記偏光分光器を通過した後、検出光として、前記光検出器に入射し、前記光検出器は、前記検出光の量に応じた電気信号を生成してもよい。
【００３６】
［項目１９］
第１８の項目に係る光学装置において、前記制御回路は、前記光源が前記レーザー光を出射している間に前記光検出器によって検出される前記検出光の量の極大値と極小値との時間間隔を取得し、前記時間間隔に基づき前記偏光回転子に印加する前記電圧を調整することにより、前記偏光回転子を通過した前記レーザー光の前記偏光方向の回転角を制御してもよい。
【００３７】
［項目２０］
第１４から第１７の項目のいずれかに係る光学装置は、第１の偏光分光器と、偏光変換器と、分光器と、光検出器と、をさらに備え、前記光検出器は、第１の光検出器及び第２の光検出器を含み、前記第１の偏光分光器、前記偏光変換器、および前記分光器は、前記光源と前記透明部材との間の前記光路上に位置し、前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子を通過した後、前記分光器に入射した光の一部は、前記分光器及び前記偏光変換器を通過した後、第１の検出光として、前記第１の光検出器に入射し、前記分光器に入射した前記光の他の一部は、前記分光器を通過した後、第２の検出光として、前記第２の光検出器に入射し、前記第１の光検出器は、前記第１の検出光の量に応じた第１電気信号を生成する、第２の光検出器は、前記第２の検出光の量に応じた第２電気信号を生成してもよい。
【００３８】
［項目２１］
第２０の項目に係る光学装置において、前記偏光変換器は、１／４波長板であってもよい。
【００３９】
［項目２２］
第２０の項目に係る光学装置において、前記偏光変換器は、直線偏光の光を円接線方向の偏光の光に変換してもよい。
【００４０】
［項目２３］
第２０から第２２の項目のいずれかに係る光学装置は、第２の偏光分光器をさらに備え、前記光検出器は、第３の光検出器をさらに含み、前記光導波素子から出射され、物体によって反射され、前記光導波素子及び前記分光器を通過した後、前記第２の偏光分光器に入射した光の一部は、前記第２の偏光分光器を通過した後、第３の検出光として、前記第２の光検出器に入射し、前記第２の偏光分光器に入射した前記光の他の一部は、前記第２の偏光分光器を通過した後、第４の検出光として、前記第３の光検出器に入射し、前記第３の光検出器は、前記第４の検出光の量に応じた電気信号を生成してもよい。
【００４１】
［項目２４］
第２０または第２１の項目に係る光学装置において、前記制御回路は、前記第１電気信号と、前記第２電気信号とを受け取り、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和および比に応じた電気信号を生成してもよい。
【００４２】
［項目２５］
第１８から第２４の項目のいずれかに係る光学装置において、前記制御回路は、前記光源が前記レーザー光を出射している間に前記光検出器によって検出される光の量の極大値が最小になるよう、前記第１の電極に印加する電圧を制御してもよい。
【００４３】
［項目２６］
第１８から第２５の項目のいずれかに係る光学装置において、前記光検出器はフィルター回路を含み、前記制御回路は、前記光源に、異なる周波数の強度変調信号が重畳された第１の光パルスと第２の光パルスとを順次出射させ、前記光検出器に、前記光導波素子から出射され、前記物体によって反射され、前記光導波素子に入射した前記第１の光パルスの一部、および前記光導波素子から出射され、前記物体によって反射され、前記光導波素子に入射した前記第２の光パルスの一部を検出させ、前記第１の光パルスの前記一部の量に応じた信号と、前記第２の光パルスの前記一部に応じた信号とを分離して出力させてもよい。
【００４４】
［項目２７］
第１４の項目に係る光学装置において、前記少なくとも１つの電極層において、前記複数の分割領域うち、隣り合う２つの分割領域の境界は、前記動径方向に沿ってジグザグ形状を有していてもよい。
【００４５】
［項目２８］
第２７の項目に係る光学装置において、前記第１の電極層及び前記第２の電極層の各々において、前記複数の分割領域のうち、隣り合う２つの分割領域の境界は、前記動径方向に沿ってジグザグ形状を有し、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層及び前記第３の誘電体層のいずれかに垂直な方向から見たとき、前記第１の電極層における前記境界と、前記第２の電極層における前記境界とは、菱形が連なった形状を形成してもよい。
【００４６】
［項目２９］
第２９の項目に係る光学装置は、レーザー光を出射する光源と、入射した光の量に応じた電気信号を生成する光検出器であって、フィルター回路を含む光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記光源に、異なる周波数の強度変調信号が重畳された第１の光パルスと第２の光パルスとを順次出射させ、前記光検出器に、物体によって反射された前記第１の光パルスの一部および前記第２の光パルスの一部を検出させ、前記フィルター回路の処理により、前記第１の光パルスの前記一部の量に応じた信号と、前記第２の光パルスの前記一部に応じた信号と、を分離して出力させる。
【００４７】
［項目３０］
第３０の項目に係る光導波素子は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上の第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層上の第３の誘電体層と、前記第１から第３の誘電体層を挟む一対の電極層と、を備え、前記第２の誘電体層の屈折率は、前記第１の誘電体層の屈折率および前記第３の誘電体層の屈折率よりも高く、前記第３の誘電体層は、液晶層であり、前記一対の電極層のうち、前記第１の誘電体層に近い方の電極層は反射層であり、前記第３の誘電体層に近い方の電極層は透明電極層であり、前記一対の電極層の少なくとも一方は、ある方向に沿って配列された導電性の複数の分割領域を含み、前記複数の分割領域は、互いに絶縁されており、前記複数の分割領域のうち、任意の隣り合う２つの分割領域の境界は、ジグザグ形状を有する。
【００４８】
［項目３１］
第３０の項目に係る光導波素子において、前記一対の電極層の各々は、前記複数の分割領域を含み、前記第１から第３の誘電体層のいずれかに垂直な方向から見たとき、前記一対の電極の一方における前記境界と、他方における前記境界とは、菱形が連なった形状を形成してもよい。
【００４９】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。  ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００５０】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００５１】
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説明を省略する場合がある。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、本発明者は、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機能を有する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００５２】
（第１実施形態）
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、第１実施形態のおける、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図および断面図である。図１Ｃは、光学装置における光源の構成を模式的に示す斜視図である。図１Ｄは、光学装置における円柱体の別の形態を模式的に示す斜視図である。図２Ａは、入力グレーティングカプラにおける入射光と導波光との関係、および出力グレーティングカプラにおける導波光と放射光との関係についてのベクトルダイアグラムを示す図である。図２Ｂは、円柱面での回折の関係についてのベクトルダイアグラムを示す図である。
【００５３】
第１実施形態における光線の進路を説明する。
【００５４】
図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、光学装置は、光源１と、コリメートレンズ２ａと、反射ミラー３と、偏光分光器４と、偏光回転子５と、集光レンズ２ｂと、円柱体６と、光導波素子７と、制御回路３０、制御回路３１、および制御回路３２とを備える。制御回路３０、制御回路３１、および制御回路３２をまとめて１つの制御回路としてもよい。以下の説明では、便宜上、軸Ｌを垂直方向とし、それに直交する方向を水平方向とする。偏光回転子５、集光レンズ２ｂ、円柱体６、および光導波素子７は、軸Ｌを中心軸として配置される。
【００５５】
レーザー発振を制御する制御回路３０からの発振信号により、光源１は、波長λの直線偏光であるレーザー光１０ａを出射する。光源１はファブリーペローのレーザー光源であってもよいが、例えば、図１Ｃに示す構成であってもよい。図１Ｃに示す光源１は、ファブリーペローのレーザー光源１ａにファイバーブラッググレーティング１ｂを組み合わせた構成である。ファイバーブラッググレーティング１ｂは、ファイバー形状のコア３６とコアの周りを取り巻くクラッド３７とによって構成される。コア３６の屈折率は、クラッド３７の屈折率より高い。コア３６には、ファイバーの中心軸に沿って周期的な屈折率分布を生むグレーティングが形成されている。レーザー光源１ａから出射された光１０Ａは、ＡＲコートが施されたコア３６の入射端３６ａに入射してコア内を伝搬する導波光になる。グレーティングによるブラッグ反射回折光がレーザー光源１ａ側に帰還する。この帰還光により、レーザー光源１ａはグレーティングのピッチに対応した波長で発振する。その結果、ファイバーブラッググレーティング１ｂの出射端３６ｂからは、安定した波長の光１０ａが出射される。図１Ｃに示す構成では、ファイバーブラッググレーティング１ｂは、圧電素子３８を介して固定板３９によって挟まれている。制御回路３５は、電圧を印加して圧電素子３８を変形させることにより、ファイバーブラッググレーティング１ｂを加圧する。この加圧により、グレーティングによる反射回折の条件が変化する。これにより、出射光１０ａの波長を制御することができる。圧電素子３８の変位応答性は数ＫＨｚから数十ＫＨｚである。したがって、その応答性に対応した波長可変が可能である。
【００５６】
光１０ａは、コリメートレンズ２ａにより平行光１０ｂになり、反射ミラー３を反射して偏光分光器４に入射する光１０ｃになり、偏光分光器４を透過する光１０ｄになる。偏光分光器４は、光源１から偏光回転子５までの光路上に位置する。偏光分光器４は、例えば偏光ビームスプリッタである。コリメートレンズ２ａと反射ミラー３との間に、楕円に広がるレーザー光１０ａの分布を円形に変換するビーム整形プリズムを挿入してもよい。偏光分光器４を透過する光１０ｄは、偏光方向１１ｄの直線偏光の状態で、中心軸Ｌに沿って偏光回転子５に入射する。偏光回転子５は、光源１から出射された光１０ａの光路上に位置する。偏光を制御する制御回路３１からの制御信号により、偏光回転子５に電圧が印加される。これにより、偏光回転子５を出射する光１０ｅの偏光方向１１ｅは、偏光方向１１ｄに比べて回転する。光１０ｅは、中心軸Ｌに沿って集光レンズ２ｂを通過し、屈折率ｎ０および半径ｒ０の透明部材の一例である円柱体６に入射する。中心軸Ｌは、偏光回転子５を通過した光１０ｅの光路上に位置し、当該光路に沿った軸であるといえる。
【００５７】
光導波素子７は、偏光回転子５を通過した光１０ｅの光路上に位置する。光導波素子７は、透明平面基板７ｆ、および平面基板７ａを含む。透明平面基板７ｆは、屈折率ｎ０’の透明基板である。光導波素子７は、低屈折率であるバッファー層７ｃ、バッファー層７ｃ上の高屈折率である導波層７ｄ、および導波層７ｄ上の液晶層７ｅを含む。導波層７ｄの屈折率は、バッファー層７ｃの屈折率、および液晶層７ｅの屈折率よりも高い。光導波素子７は、バッファー層７ｃの、導波層７ｄに接する側とは反対の側に反射層７ｂを含む。平面基板７ａの上表面には、Ａｌなどの反射層７ｂ、ＳｉＯ２などの透明なバッファー層７ｃ、およびＴａ２Ｏ５などの透明な導波層７ｄがこの順に成膜される。
【００５８】
光導波素子７は、第１のグレーティングの一例であるグレーティング８ａ、第５のグレーティングの一例であるグレーティング８ｂ、および第２のグレーティングの一例であるグレーティング８ｃを含む。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、導波層７ｄの表面に、軸Ｌを同じ中心とする同心円の構造を有する凹凸グレーティングであるグレーティング８ａ、グレーティング８ｂ、およびグレーティング８ｃが形成される。グレーティング８ａ、およびグレーティング８ｃは、グレーティングカプラとして作用する。グレーティング８ｂは、液晶配向用のグレーティングである。用途によっては、グレーティング８ａ、グレーティング８ｂ、グレーティング８ｃ、および光導波素子７は、同心円の形状から一部を切り取った、扇形などの形状を有してもよい。
【００５９】
グレーティング８ａは、軸Ｌを中心とする半径ｒ１の円形領域内に形成される。グレーティング８ａのピッチはΛ０であり、深さはｄ０である。グレーティング８ｃは、半径ｒ２から半径ｒ３の範囲の輪帯領域内に形成される。グレーティング８ｃのピッチはΛ１であり、深さｄ１である。グレーティング８ｂは、半径ｒ１から半径ｒ２の範囲の輪帯領域内に形成される。グレーティング８ｂのピッチは例えば０．８Λ１以下であり、深さｄ１である。半径ｒ１、半径ｒ２、および半径ｒ３の典型的なサイズは、ミリメートルのオーダーである。グレーティング８ｂのピッチを０．８Λ１以下とすることにより、グレーティング８ｂの凹凸は、液晶配向のために作用し、カプラとして機能しない。したがって、グレーティング８ｂの凹凸は、導波光を放射させない。
【００６０】
グレーティング８ａ、グレーティング８ｂ、およびグレーティング８ｃは、凹凸形状が導波層７ｄの表面に現れるのであれば、バッファー層７ｃの表面側に形成されてもよい。導波層７ｄの表面に凹凸形状を形成することにより、グレーティングが液晶の配向手段として作用する。すなわち、液晶がグレーティングの方位に配向する。透明平面基板７ｆの下表面側、すなわち導波層側には、ＩＴＯなどの透明電極層７ｇが形成される。透明電極層７ｇは、液晶層７ｅを介して、導波層７ｄに対面する。透明電極層７ｇは、軸Ｌを同じ中心とする３つの電極９Ａ、電極９Ｂ、および電極９Ｃに分けられる。電極９Ａ、電極９Ｂ、および電極９Ｃは、それぞれグレーティング８ａ、グレーティング８ｂ、およびグレーティング８ｃに対面する。液晶層７ｅに電圧が印加されていない状態において、液晶層７ｅの液晶分子は、導波層７ｄ表面の凹凸の方向に沿って配向する。言い換えれば、液晶層７ｅにおける液晶の配向方向は、導波層７ｄ表面に平行で、グレーティング８ａ、グレーティング８ｂ、およびグレーティング８ｃの格子ベクトルに垂直である。反射層７ｂおよび透明電極層７ｇは、液晶の配向制御用の電極として作用する。電極９Ａ、電極９Ｂ、および電極９Ｃは、それぞれ独立した電極である。透明電極層７ｇの代わりに、反射層７ｂを３つの電極に分けてもよいし、透明電極層７ｇおよび反射層７ｂの各々を３つの電極に分けてもよい。
【００６１】
なお、グレーティング８ｂは、透明平面基板７ｆの下表面側に形成されてもよい。また、透明平面基板７ｆの下表面側におけるグレーティング８ａおよびグレーティング８ｃに対面する位置にも、同心円状のグレーティングが形成されていてもよい。下表面に凹凸が形成されていれば、透明電極層７ｇの表面にも、凹凸形状が転写する。これにより、液晶層７ｅの液晶分子をこの凹凸の方向に沿って配向させることができる。当然、導波層７ｄおよび透明電極層７ｇの表面にポリイミドなどの配向膜を成膜し、これを回転方向にラビング処理することにより、液晶層７ｅの液晶分子を配向させることもできる。
【００６２】
円柱体６の下面を経た光１０ｆは、中心軸Ｌに沿ってグレーティングカプラであるグレーティング８ａに集束する。グレーティング８ａに集束した光１０ｆは、導波層７ｄ内において、導波層７ｄと軸Ｌとの交点である同心円の中心Ｏから外周側に向かう導波光１０ｇを励起する。
【００６３】
導波光１０ｇへの結合条件は、図２Ａに示すように、大きさλ／Λ０の矢印によって表された格子ベクトルＰＯが、実効屈折率Ｎに等しいことである。当該結合条件は式（１）によって記述される。
【数１】
2019120928.tif 000003
【００６４】
グレーティング８ａを透過する光１０ｆａも、反射層７ｂによって反射され、再びグレーティング８ａに入射し、導波光１０ｇの励起を強める。導波光１０ｇは、同心円の動径方向に沿って伝搬し、グレーティングカプラであるグレーティング８ｃから角度θ１で放射され、円柱体６側に向かう放射光１０ｈになる。
【００６５】
放射光への結合条件は、図２Ａに示すように、ベクトルＯＰ１’の垂線の足が、大きさλ／Λ１の破線矢印によって表された格子ベクトルＰＰ１の終点Ｐ１に一致することである。当該結合条件は、式（２）によって記述される。
【数２】
2019120928.tif 000004
【００６６】
反射層７ｂ側に放射される光１０ｈａも、反射層７ｂによって反射され、放射光１０ｈと重なる。液晶の配向を制御する制御回路３２の制御信号により、反射層７ｂおよび透明電極層７ｇの一対の電極層を介して液晶層７ｅに電圧を印加する。これによる液晶の配向の変化に伴い、液晶の屈折率ｎ１が変化し、導波光１０ｇの実効屈折率Ｎが変化する。グレーティング８ｃの領域において導波光１０ｇの実効屈折率が変化すれば、グレーティング８ｃから光導波素子７の外部に出射する光の方向が変化する。制御回路３２は、電極９Ａ、電極９Ｂ、および電極９Ｃに独立して信号を送ることができる。なお、液晶層に印加する電圧信号は交流波である。交流波の振幅の大きさによって液晶の配向方向が導波層７ｄ表面の法線方向側へ傾斜し、配向方向の傾斜角が決定される。以下の説明では、液晶層に印加する電圧とは、液晶層に印加する交流波の振幅の大きさを意味する。
【００６７】
放射光１０ｈは、円柱体６の下面を経て、円柱体６の側面である円柱面６ａを水平面からθ⊥’の角度で屈折する屈折光１０ｊになる。屈折の関係式は、式（３）によって記述される。
【数３】
2019120928.tif 000005
【００６８】
円柱面６ａの表面には、第３のグレーティングの一例である、ピッチΛ２のブレーズグレーティングが形成されてもよい。ブレーズグレーティングでは、中心軸Ｌに直交する方向に沿って鋸状の溝が形成されている。ブレーズグレーティングにより、屈折光１０ｊは、垂直面内において回折して、水平面からθ⊥の角度で外部に出射する出射光１０ｉになる。回折の関係は、図２Ｂに示すように、ベクトルＯＰ２’の垂線の足Ｐ２とベクトルＯＰ３’の垂線の足Ｐ３との距離が、格子ベクトルＰ３Ｐ２（大きさλ／Λ２の破線矢印）に等しいことによって表される。回折の関係式は、式（４）によって記述される。
【数４】
2019120928.tif 000006
【００６９】
なお、図１Ｄに示すように、円柱体６の周りを、第２の透明部材の一例である円筒体６Ａによって囲んでもよい。円筒体６Ａの中心軸は、円柱体６の中心軸と同じである。円筒体６Ａの内側表面６ｂ、および外側表面６ｃには、第４のグレーティングの一例である、それぞれピッチΛ２ｂ、およびピッチΛ２ｃのブレーズグレーティングが形成されている。図１Ｄに示す例では、放射光１０ｈはピッチΛ２、ピッチΛ２ｂ、およびピッチΛ２ｃのブレーズグレーティングによって３回回折して出射光１０ｉになる。回折を３回に分散することにより、それぞれのブレーズグレーティングのピッチを大きく設定でき、加工が容易になる。
【００７０】
円柱体６は、透明平面基板７ｆ上に位置する。一般には、円柱体６の代わりに、軸Ｌを中心軸とする回転対称体である透明部材を用いてもよい。グレーティング８ｃのピッチが線形的に変化する場合、回転対称体は円錐の形状を有する。ピッチが一定の場合、回転対称体は円柱の形状を有する。
【００７１】
出射ビーム１０ｉによる垂直方向の走査は、光源１の波長変化、または電極９Ｃにおける液晶層７ｅの屈折率変化によって実現される。式（２）から、実効屈折率Ｎの放射角θ１に対する微分は、式（５）によって記述され、放射角θ１の波長λに対する微分は、式（６）によって記述される。式（３）から式（６）により、垂直方向の出射角θ⊥の波長λに対する微分は式（７）によって記述される。
【数５】
2019120928.tif 000007
【数６】
2019120928.tif 000008
【数７】
2019120928.tif 000009
【００７２】
光導波素子７から出射され、外界の物体によって反射された光は、光導波素子７に帰還する。光導波素子７に入射した光の一部は、グレーティング８ｃによって光導波素子７内を中心軸Ｌに向かって伝搬し、グレーティング８ａによって光導波素子７から出射され、偏光回転子５および偏光分光器４を経て、光検出器１２に入射する。光検出器１２は、入射した光の量に応じた電気信号を生成する。この過程をより詳細に説明する。
【００７３】
外界にある物体の表面によって反射された光は、出射ビーム１０ｉの光路を逆進し、円柱面６ａに入射した後、放射光１０ｈ、導波光１０ｇ、ならびに入力側の光１０ｆ、光１０ｅ、および光１０ｄの光路を逆進する。グレーティング８ｃにおける入力では、往路の出力時と同じ波長、および位相面、すなわち波面の光だけが、選択的に結合する。したがって、波長および位相の少なくとも一方が異なる迷光は、効果的に除去される。偏光回転子５の制御により、逆進光１０Ｄの偏光方向は、往路時の光１０ｄの偏光方向と比較して、９０度回転している。このため、逆進光１０Ｄは、偏光分光器４を反射して光１０Ｄ０になり、光検出器１２によって検出される。光検出器１２は、検出回路３３を含む。検出信号は、検出回路３３によって信号処理される。図１Ａおよび図１Ｂに示す例において、光学装置は、制御回路３４をさらに備えてもよい。制御回路３４は、検出回路３３の検出信号から、例えば光源または液晶の配向を制御する制御信号を生成する。また、制御回路３０、制御回路３１、制御回路３２、制御回路３４、および制御回路３５をまとめて１つの制御回路としてもよい。
【００７４】
なお、偏光分光器４は、偏光ビームスプリッタの代わりに、ハーフミラーを用いてもよい。このとき、偏光回転子５の制御に関係なく、光１０ｄの逆進光１０Ｄは、ハーフミラーによって反射され、光検出器１２によって検出される。ハーフミラーを用いる場合、光量は、往路において半分になり、復路においてさらに半分になる。すなわち、光量は、往復路において１／４になる。偏光制御の簡素化が図れるものの、検出光量は小さくなる。
【００７５】
図３Ａは、第１実施形態における入射光の偏光方向および入力の様子を模式的に示す斜視図である。図３Ｂは、入力グレーティング８ａを模式的に示す断面図である。図３Ｃは、入力結合し導波する光の様子を光強度によって示す断面図である。図３Ｄは、入力グレーティングカプラを模式的に示す平面図である。図３Ｅから図３Ｇは、偏光方向と入力伝搬方向との関係を光強度によって示す平面図である。図３Ｂおよび図３Ｄに示す例では、グレーティング８ａの直径は２ｒ１＝１０μｍであり、ピッチはΛ０＝０．５７μｍであり、深さはｄ０＝０．１０μｍである。導波層７ｄの材質はＴａ２Ｏ５であり、層厚は０．１５μｍである。液晶層層７ｅおよびバッファー層７ｃの屈折率はＳｉＯ２の屈折率と同じであるとした。このとき、垂直入射により、ＴＥモードの導波光が励起される。図３Ｃ、および図３Ｅから図３Ｇに示す例では、波長λ＝０．９４μｍの解析結果が示されている。
【００７６】
図３Ｃおよび図３Ｅに示すように、入射光である光１０ｆの偏光方向１１ｅがｙ軸方向に平行である場合には、励起される導波光は、ｘ軸方向に強く伝搬する。図３Ｆに示すように、光１０ｆの偏光方向１１ｅが１３５度方向に平行である場合には、励起される導波光は、４５度方向に強く伝搬する。図３Ｇに示すように、光１０ｆの偏光方向１１ｅがｘ軸方向に平行である場合には、励起される導波光は、ｙ軸方向に強く伝搬する。図３Ｃ、および図３Ｅから図３Ｇに示すように、グレーティング８ａは、光１０ｆの一部を、光導波素子７における導波層７ｄ内で、偏光方向１１ｅに垂直な方向を中心にした広がりで伝搬させる。例えば、励起される導波光がＴＭモードの場合には、伝搬方向は９０度回転し、入射時の偏光方向に揃う。入射光の偏光方向を制御できれば、導波光の伝搬方向を変化させることができる。伝搬方向の変化の応答性は、偏光方向の制御の応答性によって決定される。
【００７７】
光源１と、偏光回転子５と、光導波素子７とを備える光学装置であれば、偏光回転子５に電圧を印加することにより、導波層７ｄを伝搬する導波光の伝搬方向を、導波層７ｄに平行な任意の方向に変化させることができる。
【００７８】
図４Ａは、第１実施形態における、反射層がない場合の、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａの入力結合効率の波長依存性を示す図である。図４Ｂは、第１実施形態における、反射層がある場合の、グレーティング８ａを模式的に示す断面図である。図４Ｃは、反射層がある場合の、入力結合効率のバッファー層であるＳｉＯ２層の層厚依存性を示す図である。図４Ｄは、反射層がある場合の、入力結合効率の波長依存性を示す図である。
【００７９】
図４Ａに示す例における解析条件は、図３Ａから図３Ｇに示す例における解析条件と同じである。図４Ａに示すように、波長０．９４μｍの場合、最大２０％の入力効率が得られる。図４Ｂに示す例における形状条件は、Ａｌの反射層７ｂを設けた以外は、図３Ａから図３Ｇに示す例における形状条件と同じである。図４Ｃに示すように、バッファー層７ｃの層厚の変化により、入力効率が周期的に増減する。バッファー層７ｃの層厚１．０６μｍの場合、入力効率は極大になる。図４Ｄに示す例では、バッファー層７ｃの層厚を１．０６μｍに固定した場合の波長依存性が示されている。波長０．９４４μｍの場合、入力効率は極大になり、極大値は５０％である。入射光のうち、ＴＥモード成分だけが入力結合して導波するとすれば、反射層を導入し、バッファー層の層厚を最適化することにより、ほぼ１００％の結合効率が得られる。
【００８０】
図５Ａは、第１実施形態における、入射光の偏光方向と入力伝搬方向との関係を光強度によって示す平面図である。図３Ｅから図３Ｇに示したように、垂直入射でＴＥモードの導波光が励起される場合、偏光方向をｙ軸に平行として、ｘ軸に対する偏角φを定義する。
【００８１】
図５Ｂは、偏角φと伝搬する導波光の強度Ｉとの関係、および−φからφの偏角範囲に含まれる光エネルギーＥの偏角φに対する関係を示す図である。−φからφの偏角範囲は対角方向に伝搬する光も含む。光強度は式（８）によって記述され、光エネルギーは式（９）によって記述される。対角方向に伝搬する光を含まない場合、−４５度から４５度の範囲の光を捕捉できれば、４１％の励起導波光を利用することができる。すなわち、入力効率５０％と合わせて、入射光の２１％を利用することができる。
【数８】
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【数９】
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【００８２】
一方、入射光のうち、ＴＭモードの成分などの結合できなかった成分は、グレーティング８ａによって反射され、円柱体６、集光レンズ２ｂ、および偏光回転子５を経て偏光分光器４まで帰ってくる。光源１の発光時間内で偏光回転子５を往復することにより、光の偏光方向は、往路における回転角の２倍だけ回転する。したがって、光検出器１２は、偏光回転子５による回転角φに対応した反射光を検出できる。詳細には、図１６Ａに示す例を参照して後述する。
【００８３】
一方、光源発光時の検出光量の極大値は、入射光のうちのグレーティング８ａに入力できなかった光の効率に比例する。検出光量の極大値をモニターすることにより、入力効率の制御に利用することができる。詳細には、図１６Ａに示す例を参照して後述する。
【００８４】
次に、偏光回転子の原理を説明する。
【００８５】
図６は、第１実施形態における偏光回転子の構成例を模式的に示す斜視図である。ここでは、偏光回転子５として、より高速応答が可能なファラデー回転子を用いて説明する。ファラデー回転子は、円柱状の磁性ガラス棒５ａと、その周りに巻かれているコイル５ｂとを備える。偏光を制御する制御回路３１からの制御信号によって、コイル５ｂに電流を流すと、電流量に比例して磁性ガラス棒５ａ内を中心軸に沿って流れる磁界ベクトルが変化する。その結果、ファラデー効果により、光が中心軸に沿って伝搬して光１０ｄから光１０ｅになると、その偏光方向は、偏光方向１１ｄから偏光方向１１ｅに回転する。ファラデー回転子の場合、偏光回転の応答性はＧＨｚオーダーに達し、極めて高速である。なお、応答性はファラデー回転子には劣るが、偏光回転は液晶素子でもできる。
【００８６】
図７Ａは、第１実施形態における、収差補正がない場合の、出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃにおける放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。図７Ｂは、第１実施形態における、収差補正制御がある場合の、グレーティング８ｃにおける放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、上段は平面図を示し、中段は斜視図を示し、下段は断面図を示す。
【００８７】
図７Ａに示すように、収差補正がない場合、導波層７ｄ内を伝搬する導波光１０ｇ、および導波光１０ｇ０はグレーティング８ｃを出射し、円柱体６内を伝搬する光１０Ｈ、および光１０Ｈ０になり、円柱体表面、すなわち側面を屈折して外部に出射する光１０Ｉ、および光１０Ｉ０になる。図７Ａの中段に示すように、光１０Ｈ、および光１０Ｈ０は中心軸Ｌ上において交差する。図７Ａの上段に示すように、平面図では、光１０Ｉ、および光１０Ｉ０は、中心軸Ｌ上の点Ｆにおいて交差し、円柱体６の表面を出射した後も屈曲せず円柱の動径に沿って直進する発散光になる。
【００８８】
図７Ｂに示すように、収差補正がある場合、導波層７ｄ内を伝搬する導波光１０ｇ、および導波光１０ｇ０はグレーティング８ｃを出射し、円柱体６内を伝搬する光１０ｈ、および光１０ｈ０になり、円柱体表面、すなわち側面を屈折して外部に出射する光１０ｉ、および光１０ｉ０になる。図７Ｂの中段に示すように、光１０ｈ、および光１０ｈ０はｘ軸の正方向に沿って中心軸Ｌから離れた軸Ｌ’上において交差する。図７Ｂの上段に示すように、平面図では、光１０ｈ、および光１０ｈ０は、軸Ｌ’上の点Ｆ’において交差し、円柱体６の表面を出射した後、屈曲し平行光になる。
【００８９】
次に、収差補正量を見積もる方法を説明する。
【００９０】
図８Ａは、第１実施形態において、出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃからの放射光が、円柱面において屈折して出射することを模式的に示す図である。
【００９１】
図８Ａに示す光線の経路は、図７Ａおよび図７Ｂにおいて説明した通りである。平面図において、光１０ｈと円柱体６の側面との交点をＱとし、光１０ｈ０と円柱体６の表面との交点をＱ’とし、角ＱＦＱ’をψとし、角ＦＦ’Ｑ’をφと定義する。光１０ｉ０が光１０ｉに平行になることから、式（１０）が成り立つ。ただし、角ψ’は式（１１）の関係を満たす。
【数１０】
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【数１１】
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【００９２】
式（１０）および式（１１）から、角ψは式（１２）によって与えられる。一方、点Ｆと点Ｆ’との間隔をｆ０と定義すると、ｆ０は式（１３）によって与えられる。光１０Ｈ、および光１０Ｈ０は、点Ｆにおいて集束する光であり、光１０ｈ、および光１０ｈ０は点Ｆ’において集束する光である。収差論によると、集束光の焦点位置をＦからＦ’に変位させる収差、すなわち縦の焦点移動収差は、式（１４）の左辺によって与えられる。
【数１２】
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【数１３】
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【数１４】
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【００９３】
図８Ｂは、収差補正を実現するための透明電極層のパターニングの様子を模式的に示す図である。電極９Ｂは、グレーティング８ｂに対面した位置にあり、半径ｒ１から半径ｒ２の範囲に形成される。電極９Ｂは、放射方向に分割される。言い換えれば、電極９Ｂは、光１０ｆが入射する点を中心とする仮想的な円の周に沿って並ぶ、導電性の複数の分割領域を有している。制御回路３１は、偏光回転子５に印加する電圧を変化させることにより、光１０ｅの偏光方向１１ｅを所定の角度ずつ回転させる。これにより、制御回路３１は、導波層７ｄ内における導波光１０ｇの伝搬方向を順次変化させる。当該伝搬方向の変化に同期して、制御回路３２は、電極９Ｂにおける複数の分割領域のうち、導波光１０ｇが伝搬する導波層７ｄの部分に対向する分割領域に電圧を独立して順次印加する。これにより、収差補正を実現し、且つ放射ビームを回転させることができる。
【００９４】
図８Ｂに示す例では、電極９Ｂは、回転方向に５度刻みに等分され、各々が分割領域である７２個の電極９Ｂ１から電極９Ｂ７２に分割されている。図８Ｂに示す例では、一部だけが表示されている。これらの帯扇形の分割領域は、互いに電気的に絶縁されており、電圧を独立して印加することができる。各分割領域に異なった電圧を印加すると、隣接する液晶層７ｅの屈折率が変化する。その結果、対応する位置を伝搬する導波光１０ｇの実効屈折率も変化する。このようにして、導波光の位相を、伝搬の偏角ごとに変化させることができる。実効屈折率の変化幅をΔＮとすると、伝搬距離（ｒ２−ｒ１）の間において発生する位相差は式（１４）の右辺によって与えられる。したがって、放射光が円柱面において屈折して平行光になるための条件式は、式（１４）によって記述される。収差補正におけるΔＮは、式（１３）および式（１４）から、式（１５）によって与えられる。
【数１５】
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【００９５】
図９Ａは、第１実施形態において、伝搬方向の偏角φと、収差補正を実現するための導波光の実効屈折率変化量との関係を示す図である。図９Ａに示す例では、式（１５）に基づき、円柱体６の屈折率ｎ０＝１．５８、半径ｒ０＝１．２５ｍｍ、および電極９Ｂの幅（ｒ２−ｒ１）＝４ｍｍとした場合における変化幅ΔＮが、プロットされている。−４５度から４５度の偏角範囲の光を捕捉するには、ΔＮ＝０．０５６になることが分かる。
【００９６】
図９Ｂは、液晶屈折率ｎ１をパラメータにした、導波層であるＴａ２Ｏ５層の層厚と実効屈折率との関係を示す図である。図９Ｃは、バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶７ｅの配置を模式的に示す図である。
【００９７】
ネマティック液晶分子の屈折率差は、大きいもので０．２０程度ある。そのうちの８割が実効的な屈折率差として作用することを考えると、実効的な屈折率差は０．１５程度である。図９Ｂに示す例では、光の波長０．９４μｍ、バッファー層７ｃの屈折率１．４５の場合において、ｎ１＝１．５０、およびｎ１＝１．６５として計算した導波層７ｄの層厚と実効屈折率Ｎとの関係が、それぞれ曲線１３ａ、および曲線１３ｂによって表わされている。図９Ｃに示す例において、液晶の屈折率差０．１５の場合、Ｔａ２Ｏ５から形成された導波層７ｄの層厚を０．１０μｍから０．１５μｍ程度にすれば、ΔＮ＝０．０６からΔＮ＝０．０４の変化を期待できることが分かる。
【００９８】
図１０Ａから図１０Ｄは、第１実施形態における、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係を説明する図である。
【００９９】
図１０Ａに示す例において、点Ｏを中心とする帯扇形の電極９Ｂ１、電極９Ｂ２、および電極９Ｂ７２の位置に対応して、中心Ｏから外周側に向かって伝搬する導波光を、それぞれ導波光１０ｇ１、導波光１０ｇ２、および導波光１０ｇ７２とする。
【０１００】
図１０Ｂに示す例では、分かりやすいように帯扇形の電極を方形に置き換えて、光線の伝搬経路と電極との位置関係が示されている。電極に印加する電圧に応じて、伝搬経路の屈折率に高低差が発生する。仮に電極９Ｂ１に対応する位置の屈折率が最も高く、電極９Ｂ１から離れるにしたがって低くなるとすると、電極通過後の光の等位相面１４ａは階段形状になる。
【０１０１】
図１０Ｃに示す例では、帯扇形の形状は、稲妻形に変形されている。すなわち、電極９Ｂの領域は、円ｃ１ａ、円ｃ１ｂ、円ｃ２ａ、円ｃ２ｂ、および円ｃ３ａによって分割される。円ｃ１ｂ、および円ｃ２ｂは、それぞれ円ｃ１ａ、および円ｃ２ａより僅かに大きい円である。導波光１０ｇ７２と、円ｃ１ａ、円ｃ２ａ、および円ｃ３ａとの交点を、それぞれ交点Ｐ１ａ、交点Ｐ２ａ、および交点Ｐ３ａとする。導波光１０ｇ１と、円ｃ１ａ、円ｃ１ｂ、円ｃ２ａ、円ｃ２ｂ、および円ｃ３ａとの交点を、それぞれ交点Ｐ１Ａ、交点Ｐ１ｂ、交点Ｐ２Ａ、交点Ｐ２ｂ、および交点Ｐ３Ａとする。導波光１０ｇ２と、円ｃ１ｂ、および円ｃ２ｂとの交点を、それぞれ交点Ｐ１Ｂ、および交点Ｐ２Ｂとする。電極９Ｂ１の稲妻形は、点Ｏ、点Ｐ１ａ、点Ｐ１ｂ、点Ｐ２ａ、点Ｐ２ｂ、および点Ｐ３ａを結ぶ線と、点Ｏ、点Ｐ１Ａ、点Ｐ１Ｂ、点Ｐ２Ａ、点Ｐ２Ｂ、および点Ｐ３Ａを結ぶ線との間に挟まれた形状である。ただし、電極９Ａの領域は含まない。点Ｐ３ａと点Ｐ３Ａとの間は円ｃ３ａに沿う。他の電極は、電極９Ｂ１を分割角に応じて点Ｏの周りに回転した形状になる。７２分割の場合、分割角は５度である。
【０１０２】
図１０Ｄに示す例では、分かりやすいように円ｃ１ａ、および円ｃ２ｂの間の電極を菱形に置き換えて、光線の伝搬経路と電極との位置関係が示されている。電極を菱形に置き換えたので、図示された導波光１０ｇ１、導波光１０ｇ２、および導波光１０ｇ７２のそれぞれの伝搬方向は、偏角φの分だけ逆に回転され、平行に表されている。導波光１０ｇ１と導波光１０ｇ２との間、および、導波光１０ｇ１と導波光１０ｇ７２との間の伝搬方向に沿って伝搬する光線は、隣接する２つの電極を跨いで伝搬する。電極ごとの伝搬距離の比率は、光線の偏角φに比例して変化する。この関係は、円ｃ２ａと円ｃ３ａとの間でも成り立つ。したがって、電極に印加する電圧に応じて、伝搬経路の屈折率に高低差が発生する。例えば、電極９Ｂ１に対応する位置の屈折率が最も高く、電極９Ｂ１から離れるにしたがって低くなると、電極通過後の光の等位相面は、階段形状１４ａを線形補間した形状１４ｂになる。なお、図１０Ｃに示す例では、５つの分割円を用いたが、７つ、または９つなどの他の組み合わせであってもよい。
【０１０３】
図１０Ｅは、点Ｆ’への集光における収差が補正される様子を模式的に示す図である。縦軸は収差量を表し、横軸は偏角φを表している。補正前の、点Ｆ’への集光における収差は、曲線１５によって示される。電極に印加する電圧を最適にすると、図１０Ａに示す例における電極形状の場合、点Ｆ’への集光における収差は、曲線１５ａに表すように補正される。図１０Ｃに示す例における電極形状の場合、点Ｆ’への集光における収差は、曲線１５ｂに表すように補正される。曲線１５ｂは、曲線１５に対する屈曲線１５Ｂの差分に相当する。曲線１５ａでも収差は１／１０程度に圧縮され、曲線１５ｂでは、殆どの収差が補正されることが分かる。したがって、図１０Ｃに示す例における電極形状への電圧印加を制御することにより、グレーティング８ｃからの放射光を、円柱面から平行光として出射させることができる。なお、電極形状への電圧印加は導波光の伝搬方向、すなわち入射光の偏光回転角に同期している。その際、最も光強度が強い伝搬方向の位相が遅れるように、液晶屈折率を高くする電圧印加が行なわれる。
【０１０４】
以上から、電極９Ｂは以下の構成を備え、制御回路３１、および制御回路３２は以下の動作を行う。
【０１０５】
電極９Ｂは、光１０ｆが入射する点を中心とする仮想的な円の周に沿って並ぶ複数の分割領域を有している。制御回路３１は、偏光回転子５に印加する電圧を変化させることにより、光１０ｅの偏光方向１１ｅを所定の角度ずつ回転させる。これにより、制御回路３１は、導波層７ｄ内における導波光１０ｇの伝搬方向を順次変化させる。当該伝搬方向の変化に同期して、制御回路３２は、電極９Ｂにおける複数の分割領域のうち、導波光１０ｇが伝搬する導波層７ｄの部分に対向する分割領域に電圧を独立して順次印加する。これにより、収差補正を実現し、且つ放射ビームを回転させることができる。
【０１０６】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、第１実施形態における、グレーティングのデューティーεを０．５に固定した場合の、グレーティング８ｃの深さｄと放射損失係数αとの関係を示す図である。図１１Ａに示す例では、液晶屈折率ｎ１＝１．６であり、図１１Ｂに示す例では、液晶屈折率ｎ１＝１．４５である。図１１Ｃおよび図１１Ｄは、第１実施形態における、深さｄ＝０．０１μｍに固定された場合の、デューティーεと放射損失係数αとの関係を示す図である。図１１Ｃに示す例では、液晶屈折率ｎ１＝１．６であり、図１１Ｄに示す例では、液晶屈折率ｎ１＝１．４５である。図１１Ａから図１１Ｄに示す例におけるその他の解析条件は、図４Ｄに示す例においてバッファー層７ｃの層厚を１．０６μｍとした場合と同じである。
【０１０７】
グレーティングの深さｄ＝０．０１μｍの場合、図１１Ａに示す例では、放射損失係数α＝２（１／ｍｍ）程度の大きさであり、図１１Ｂに示す例では、放射損失係数α＝１（１／ｍｍ）程度の大きさである。図１１Ｃおよび図１１Ｄに示すように、デューティーεを０．５からずらすことにより、放射損失係数αを小さくできる。放射損失係数αは、液晶屈折率が高いほど大きくなり、また、波長が短いほど大きくなる。ただし、本実施形態の設計例では、反射層７ｂからの反射光の干渉効果により、放射損失係数αは、波長λ＝０．９３μｍの場合だけイレギュラーな振る舞いをする。
【０１０８】
図１１Ｅおよび図１１Ｆは、結合長ｗ１と導波強度との関係、および結合長ｗ１と放射強度との関係を示す図である。図１１Ｅに示す例では、ｗ１＝０ｍｍから１．５ｍｍにおいてα＝０．４から２．０は線形比例的に増加し、ｗ１＞１．５ｍｍにおいてα＝２．０に固定されている。図１１Ｆに示す例では、ｗ１＝０ｍｍから１．５ｍｍにおいてα＝０．２から１．０は線形比例的に増加し、ｗ１＞１．５ｍｍにおいてα＝１．０に固定されている。結合長ｗ１は、後述する図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、カプラの始点ｒ２から放射位置までの距離である。ここでは、放射光の幅に相当する結合長は、導波強度が１／ｅ２になる位置によって定義されている。
【０１０９】
図１１Ｅに示す例は、液晶屈折率が高い、または波長が短い条件に相当する。その際、結合長は１．５ｍｍになる。図１１Ｆに示す例は、液晶屈折率が低い、または波長が長い条件に相当する。その際、結合長は２．５ｍｍになる。
【０１１０】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、第１実施形態におけるグレーティング８ｃからの放射光と円柱体との位置関係を示す図である。図１２Ａに示す例では、透明平面基板７ｆの屈折率ｎ０’は、円柱体の屈折率ｎ０と同じ１．５８である。図１２Ｂに示す例では、透明平面基板７ｆの屈折率ｎ０’は、２．０である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す例において、グレーティング８ｃからの放射光１０ｈ、放射光１０ｈ１、および放射光１０ｈ２は、波長をこの順に大きくした条件に相当する。その際、放射光１０ｈ、放射光１０ｈ１、および放射光１０ｈ２に対応して、結合長ｗ１もこの順に大きくしている。
【０１１１】
図１２Ａに示す例では、透明平面基板７ｆ内での放射角度θ１は大きい。このため、放射光１０ｈを径の小さい円柱体６内に入射させる条件では、他の放射光１０ｈ１、および放射光１０ｈ２を入射させることができない。図１２Ｂに示す例では、透明平面基板７ｆの大きい屈折率により、透明平面基板７ｆ内での放射角度θ１’を小さくすることができる。これにより、全ての放射光１０ｈ、放射光１０ｈ１、および放射光１０ｈ２を円柱体６内に入射させることができる。なお、透明平面基板７ｆの屈折率を大きくすることにより、透明平面基板７ｆと液晶層７ｅとの界面７ｆａ、および透明平面基板７ｆと円柱体６との界面７ｆｂにおいて大きな反射損が発生する。反射損を抑制するために、透明平面基板７ｆの上下面には、例えば、ＡＲコート処理が施される。
【０１１２】
このように、円柱体６とグレーティング８ｃとの間の媒体の屈折率を、たとえば屈折率１．８以上のように大きくすることにより、放射角の異なる放射光を効率的に円柱体６内に導くことができる。
【０１１３】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、それぞれ、第１実施形態におけるグレーティング８ｃからの放射光と円柱面からの屈折光のビーム幅との関係を示す水平断面図および垂直断面図である。図１３Ｂに示す例では、円柱体６内のビーム幅ｗ１’は、円柱体６内での放射角度θ１と結合長ｗ１とを用いて、式（１６）の関係を満たす。円柱面での屈折光のビーム幅ｗ⊥は、円柱体６内での放射角度θ１とビーム幅ｗ１’とを用いて、式（１７）の関係を満たす。したがって、ビーム幅ｗ⊥は式（１８）によって与えられる。一方、図１３Ａに示すように、水平断面では偏角−４５度から４５度の範囲の光１０ｈ０が収差補正され平行光１０ｉ０になるとすると、水平断面でのビーム幅ｗ‖は円柱体６の直径２ｒ０に近い。したがって、円柱面からの屈折光は、ビーム幅ｗ⊥、およびビーム幅ｗ‖の平行光になる。これらの光は、十分長い距離の伝搬でフラウンホッファー回折する。その広がり角α⊥、および広がり角α‖は、それぞれ式（１９）、および式（２０）によって与えられる。
【数１６】
2019120928.tif 000018
【数１７】
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【数１８】
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【数１９】
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【数２０】
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【０１１４】
波長λ＝０．９４μｍ、半径ｒ０＝１．２５ｍｍ、結合長ｗ１＝１．５ｍｍ、放射角度θ１＝６６度の場合には、α⊥＝０．１度、およびα‖＝０．０２度になり、ビームの広がりを十分小さく抑えられている。ビームの広がりが小さいと、往路の光の拡散を抑えることができる。これにより、検出光量を大きくすることができる。
【０１１５】
図１４Ａは、第１実施形態における、透明電極層のパターンと導波光の伝搬方向との関係を示す図である。図１４Ｂは、第１実施形態における、液晶の屈折率の制御だけを利用したレーザー走査の場合の、入力光の偏光回転角、および透明電極への印加電圧の時間経過の関係を示す図である。なお、液晶の応答速度の限界をオンオフ間において１ｍｓとし、ビーム走査の速度を１フレームあたり３０ｍｓとして説明する。
【０１１６】
図１４Ａに示す例では、分割された電極９Ｂへの印加電圧は、回転方向に９０度の周期を有する。例えば、電極９Ｂ１、電極９Ｂ１９、電極９Ｂ３７、および電極９Ｂ５５には同じ電圧が印加される。電極９Ｂ２、電極９Ｂ２０、電極９Ｂ３８、および電極９Ｂ５６にも同じ電圧が印加される。１つの周期である９０度の角度範囲内において電極に印加される電圧は、収差を補正する条件で高低差のある電圧分布パターンを示す。この電圧分布パターンは、パターン形状を維持した状態で、偏光回転子による偏光の回転角φに同期して回転する。偏光の回転は、電圧分布パターンに比べ遥かに高速応答することができる。したがって、ある電圧分布パターンの期間において、偏光のみを回転させ、複数の方向から反射光を検出することも可能である。
【０１１７】
図１４Ｂに示す例では、入力光の偏光回転角φは、Ｔ＝２ｍｓを周期にして、０度から９０度の範囲を反復する。実線によって表された電極９Ｂ１への印加電圧は、２ｍｓ周期の矩形信号として高低を繰り返す。この繰り返しの周波数は、液晶の応答限界に近い。このため、破線によって表された液晶の屈折率の変化は、印加電圧の変化よりも緩やかになり、２ｍｓ周期の動きになる。斜め矢印によって表すように、印加電圧の位相を電極９Ｂ２から電極９Ｂ３へと次第にずらすことにより、電極９Ｂ９における印加電圧の位相は半周期ずれ、電極９Ｂ１８における印加電圧の位相は１周期、すなわち２ｍｓずれる。印加電圧の位相のずらし幅は、収差を補正するルールによって決定される。電極９Ｂ全体として、電圧分布パターンは、偏光の回転角φに同期して回転する。電圧分布パターンの動きは、出射ビームによる水平方向の走査に相当する。
【０１１８】
実線によって表された電極９Ｃへの印加電圧は、３０ｍｓを周期として線形的に増減する。破線によって表された液晶の屈折率の変化も、印加電圧と同じ動きを示す。ただし、急峻な印加電圧の立下りに比べ、液晶の屈折率の変化は緩やかになる。電極９Ｃでの液晶の屈折率変化は、グレーティング８ｃからの放射光の角度変化に対応する。したがって、出射ビームによる垂直方向の走査は、３０ｍｓを周期とする線形的な振動を示す。式（５）から、ｎ０＝１．５８、θ１＝７５度、ΔＮ＝０．０４５とすると、θ１の変化幅は６．３度になる。式（３）および式（４）から、Λ２＝２．５μｍとすると、垂直方向における出射角θ⊥の変化は、１０度程度になる。したがって、電極９Ｃへの電圧印加により、３０ｍｓを周期とする出射角の変化１０度での垂直方向の走査が可能である。
【０１１９】
図１４Ｃは、レーザー光による水平方向および垂直方向の走査の様子を示す図である。
【０１２０】
偏光の制御と、電極９Ｂに対する液晶配向の制御とにより、０度から９０度の範囲の水平方向に走査が行われる。電極９Ｃに対する液晶配向の制御により、３０ｍｓかけて垂直方向に走査位置が１０度までずらされる。すなわち、垂直方向にシフトしながら水平方向に０度から９０度まで走査したあと、垂直位置をそのままにして水平位置が０度に戻る。この運動が、１５回繰り返される。次の走査では、走査位置を元の位置である垂直位置０度および水平位置０度に戻し、上記と同じ運動が繰り返される。水平方向の解像度は無制限であり、垂直方向の解像度、すなわち、走査線数は、１フレーム３０ｍｓ当たり１５本である。
【０１２１】
図１５Ａは、第１実施形態における、液晶屈折率の制御と光源の波長の可変制御とを兼用したレーザー走査の場合の、入力光の偏光回転角、光源波長、透明電極への印加電圧、ならびに、水平方向および垂直方向の回転角の時間経過の関係を示す図である。図１５Ｂは、レーザー光の水平方向および垂直方向の走査の様子を示す図である。透明電極層のパターンと、導波光の伝搬方向との関係は、図１４Ａに示す例において説明した通りである。また、液晶の応答速度の限界をオンオフ間において１ｍｓとし、ビーム走査の速度を１フレームあたり３０ｍｓとして説明する。波長を可変制御する原理は、図１Ｃに示す例において説明した。それ以外にも、例えば超周期構造回折型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）がある。超周期構造回折型ＤＢＲでは、波長の変化幅として４０ｎｍの範囲を２０ＫＨｚの周期で高速にスイープすることができる。
【０１２２】
図１５Ａに示す例では、入力光の偏光回転角φは、Ｔ＝２ｍｓを周期として０度から９０度の範囲を反復する。実線によって表された電極９Ｂ１への印加電圧は、２ｍｓ周期の矩形信号として高低を繰り返す。この繰り返しの周波数は、液晶の応答限界に近い。このため、破線によって表された液晶の屈折率の変化は、印加電圧の変化よりも緩やかになり、２ｍｓ周期の動きになる。斜め矢印によって表すように、印加電圧の位相を電極９Ｂ２から電極９Ｂ３へと次第にずらすことにより、電極９Ｂ９において印加電圧の位相は半周期ずれ、電極９Ｂ１８において印加電圧の位相は１周期、すなわち２ｍｓずれる。印加電圧の位相のずらし幅は、収差を補正するルールによって決定される。電極９Ｂ全体として、電圧分布パターンは偏光の回転角φに同期して回転する。電圧分布パターンの動きは、出射ビームによる水平方向の走査に相当する。
【０１２３】
実線で表された電極９Ａ、および電極９Ｃへの印加電圧は、３０ｍｓを周期とする高低を繰り返す。破線で表された液晶の屈折率の変化も、印加電圧と同じ動きを示す。ただし、急峻な印加電圧の立下りに比べ、液晶の屈折率の変化は緩やかになる。
【０１２４】
光源１の波長は、全振幅１．５ｎｍの高周波振動を繰り返しながら３０ｍｓの間で０．９３μｍから０．９５μｍまで徐々に増加し、この動きが３０ｍｓ周期で繰り返される。光源１の波長が変化すると、グレーティング８ａでの入力条件が変化する。したがって、入力条件の変化に対応するために、電極９Ａへの印加電圧も３０ｍｓの間で徐々に増加し、この動きが３０ｍｓ周期で繰り返される。全振幅１．５ｎｍの高周波の波長変動は、入力効率に大きな影響を及ぼさない。このため、電極９Ａへの印加電圧は、低周波の２０ｎｍ幅の変動のみに対応するように設定される。電極９Ｃでの液晶の屈折率変化は、グレーティング８ｃからの放射光の角度変化に対応する。したがって、波長変化と合わさって、出射ビームによる垂直方向の走査は、３０ｍｓを周期とする線形的な振動を示す。
【０１２５】
式（７）から、ｎ０＝１．５８、θ１＝７５度、Λ１＝０．２９μｍ、Λ２＝２．５μｍとすると、２０ｎｍの波長変化、ΔＮ＝０．０４５の実効屈折率変化により、垂直方向における出射角θ⊥の変化は３０度程度になる。さらに、全振幅１．５ｎｍの高周波の波長振動により、垂直方向において全振幅２度の出射角振動が得られる。
【０１２６】
図１５Ｂに示す例では、レーザー光による水平方向および垂直方向の走査の様子を示す図である。偏光の制御と、電極９Ｂに対する液晶配向の制御とにより、０度から９０度の範囲の水平方向に走査が行われる。電極９Ｃに対する液晶配向の制御と低周波の波長制御とにより、３０ｍｓかけて垂直方向に走査位置が３０度までずらされる。また、高周波の波長制御により、各走査線は垂直方向において２度の全振れ幅で振動する。すなわち、垂直方向にシフトしながら水平方向に０度から９０度まで走査したあと、垂直位置をそのままにして水平位置が０度に戻る。この運動が１５回繰り返される。次の走査では、走査位置を元の位置である垂直位置０度および水平位置０度に戻し、同じ運動が繰り返される。水平方向の解像度は無制限である。垂直方向の解像度、すなわち、走査線数は、１フレーム３０ｍｓ当たり１５本である。走査線間の間隔は３０度／１５＝２度である。一方で、走査線は垂直方向の間を埋めるように振動している。したがって、垂直方向の解像度もほぼ無制限になる。
【０１２７】
電極９Ａへの印加電圧は、入力結合効率を最大化するための制御に用いられる。制御回路３２は、電極９Ａに印加する電圧を調整することにより、光１０ｆが導波層７ｄを伝搬する光１０ｇに結合する効率、すなわち、入力結合効率を制御する。電極９Ｃへの印加電圧は、放射角度の制御に用いられる。制御回路３２は、電極９Ｃに印加する電圧を調整することにより、グレーティング８ｃから外部に出射する光１０ｈの方向を制御する。前述したように、光源１が出射した光１０ａの一部は、光源１が光１０ａを出射している間に、偏光回転子５を通過し、光導波素子７によって反射され、偏光回転子５を再び通過し、偏光分光器４を介して光検出器１２によって検出される。よって、光源発光時の光検出器１２による検出光量の極大値は、入射光のうちのグレーティング８ａに入力できなかった光の効率に比例する。したがって、電極９Ａへの印加電圧は、光源発光時の検出光量の極大値を最小化するように制御される。制御回路３２は、光源１が光１０ａを出射している間に、電極９Ａに印加する電圧を制御することにより、光検出器１２によって検出される光の光量の極大値を最小にする。この操作は、極大値を時系列的に記録し、制御回路３１が偏光回転子５に印加する電圧の制御周期のたびに極大値の変化を比較し、最小化の方向を分析することによって行われる。
【０１２８】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、第１実施形態における、偏光回転子５の制御信号、光源１の出力光量、および光検出器１２での検出光量の時間経過の関係を示す。図１６Ａに示す例と比較して、図１６Ｂに示す例では、矩形パルスに周波数信号が重畳されている。
【０１２９】
図１６Ａに示す例において、光源１の発振を制御する制御回路３０からの発振信号は、例えばΔ＝２５０ｎｓおきに１０ｎｓの幅の矩形パルスとして変化する。信号波形１６ａ、信号波形１６ａ１、および信号波形１６ａ２は、矩形パルスの制御信号によって光源１から出射される光パルスの出力光量に相当する。２５０ｎｓ毎のパルス発振は、３０ｍｓの１フレーム内において１２万パルスになる。これは、水平方向および垂直方向において解像度を揃えれば、９０度×３０度の範囲を６００×２００（＝１２万）の画素解像度で走査することに相当する。
【０１３０】
このパルス信号である信号波形１６ａ、信号波形１６ａ１、および信号波形１６ａ２に同期して、偏光を制御する制御回路３１からの制御信号１７ａ、制御信号１７ａ１、および制御信号１７ａ２も切り替わる。例えば、偏光回転角は、以下のように制御される。まず、信号波形１６ａの矩形パルスの時間範囲において偏光回転角φとし、信号波形１６ａの矩形パルスと信号波形１６ａ１の矩形パルスとの間の時間範囲において偏光回転角π／２−φとする。信号波形１６ａの矩形パルスと信号波形１６ａ１の矩形パルスとの間の時間範囲における偏光回転角、すなわち検出時の偏光回転角は、一般には、ｎを整数としてπ／２−φ＋ｎπとする。ｎは、偏光回転角の絶対値を極小にするように定める。信号波形１６ａ１の矩形パルスでは、ビーム走査に対応した変化量δ（＝πΔ／２Ｔ）が加わり、信号波形１６ａ１の矩形パルスの時間範囲において偏光回転角φ＋δになり、信号波形１６ａ１の矩形パルスと信号波形１６ａ２の矩形パルスとの間の時間範囲において偏光回転角π／２−φ−δになる。信号波形１６ａ２の矩形パルスでは、ビーム走査に対応した変化量δが加わり、信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲において偏光回転角φ＋２δになる。Ｔ＝２ｍｓの間に、軸Ｌの周りを１／４回転する。偏光回転子５から物体までの間における往路光の偏光角は、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスにおいて、それぞれφ、φ＋δ、およびφ＋２δになる。偏光回転子５から偏光分光器４までの間における復路光の偏光角は、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲において、それぞれ２φ、２（φ＋δ）、および２（φ＋２δ）になり、それ以外の時間範囲でπ／２になる。
【０１３１】
図１Ａに示す例では、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスに応じて出射する光が、円柱体６を平行ビーム１０ｉとして出射する。外界からの反射光は、矩形パルス外の時間範囲に帰還する。したがって、当該反射光の偏光方向は、偏光回転子５を経て発光時に比べ９０度回転する。偏光方向が９０度回転した反射光は、偏光分光器４を介して光検出器１２により、例えば信号波形１８ａおよび信号波形１８ａ１として検出される。信号波形１６ａと信号波形１８ａとの終端間の時間間隔１９ａ、および、信号波形１６ａ１と信号波形１８ａ１との終端間の時間間隔１９ａ１は、ＴＯＦ信号（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）信号と呼ばれる。ＴＯＦ信号は、前端間の時間間隔であってもよい。この時間差に基づいて、外界にある物体までの距離を算出することができる。例えば、反射光の時間遅れが２５０ｎｓの場合、物体までの距離は３７．５ｍである。図１６Ａに示すモデルでは、３７．５ｍまでの測定が可能である。
【０１３２】
一方、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの光の内、光導波素子７によって反射される成分は、偏光回転子５を再び通過し、偏光角が発光時に比べてそれぞれ２φ、２(φ＋δ)、および２(φ＋２δ)だけ回転し、偏光分光器４を介して光検出器１２により、それぞれ信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、および信号波形２０ａ２として検出される。検出信号のうち、例えば、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲における、それぞれ信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、および信号波形２０ａ２を抽出してできる信号が、抽出検出信号２０であり、実線によって表されている。信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲は、光源の発光時間に対応する。参考として、信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲での偏光回転角が抽出され、破線によって重ね描きされている。偏光回転の制御信号のＴ＝２ｍｓを周期とする。偏光回転角は、周期Ｔごとに０度から９０度まで変化する。これに対し、抽出検出信号２０は、周期をＴとするｓｉｎの２乗のカーブを描く。信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、および信号波形２０ａ２は、抽出検出信号２０上では、それぞれ抽出検出信号２０Ａ、抽出検出信号２０Ａ１、および抽出検出信号２０Ａ２に対応する。
【０１３３】
抽出検出信号２０上で極小点２０Ｒは、偏光回転の制御信号の周期の始点または終点に対応する。極大点２０Ｐは、偏光回転の制御信号の始点と終点との中間点に対応する。すなわち、極小点２０Ｒと極大点２０Ｐとの間隔は４５度に等しい。言い換えれば、偏光回転の制御信号と検出信号との回転角が一致する。偏光回転子５がファラデー回転子の場合、それを構成する磁性ガラス棒５ａでは、温度および／または波長の変化によってファラデー効果に与えるベルデ定数などの物性値が変化する。偏光回転子５の特性が狂ったとき、制御信号通りに偏光は回転しない。例えば、印加電圧に対する偏光の回転感度が小さくなると、図１６Ａに示す一点破線で表すように、抽出検出信号２０は時間軸に対して伸びる。このとき、抽出検出信号２０上で極小点２０Ｒ０は偏光回転の制御信号の始点または終点からずれ、極小点２０Ｒ０と極大点２０Ｐ０との間隔は４５度からずれる。言い換えれば、偏光回転の制御信号と検出信号との回転角が一致しない。この問題を解消するため、制御回路３１は、抽出検出信号２０から各周期における極小点２０Ｒと極大点２０Ｐとを検出する。極小点２０Ｒは、偏光回転の制御信号の周期の始点または終点に対応する。極小点２０Ｒと極大点２０Ｐの間の時間間隔は、偏光回転角が４５度となる時間になるように制御される。偏光回転角４５度は、偏光回転の制御信号の周期である９０度の１／２である。この操作は、制御回路３１が、偏光回転子５に印加する電圧の制御周期（Ｔ）のたびに行われる。
【０１３４】
信号波形１６ａの矩形パルス、信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの時間範囲での検出信号２０の極大値２０Ｐは、入射光のうちの入力できなかった効率に比例する。したがって、極大値２０Ｐの出力値は、入力結合効率を最大化するために電極９Ａへの印加電圧を制御する際の、制御信号として用いられる。極大値２０Ｐが小さいほど入力効率は高くなる。制御回路３２は、偏光回転子５に印加する電圧の周期（Ｔ）のたびに、極大値２０Ｐが小さくなるように電極９Ａに印加する電圧を調整する。これにより、制御回路３２は、光１０ｆが導波層７ｄを伝搬する光１０ｇとの結合効率、すなわち、入力効率を制御する。
【０１３５】
以上から、制御回路３１、制御回路３２、および制御回路３４は以下の動作を行う。
【０１３６】
制御回路３１は、光源１が光１０ａを出射している間に、偏光回転子５に印加する電圧を調整する。制御回路３４は、偏光回転子５を通過し、光導波素子７によって反射され、偏光回転子５を再び通過し、偏光分光器４を介して光検出器１２によって検出される光の光量の極大値と極小値とを取得する。制御回路３４は、上記の極大値および極小値の時間位置を比較することにより、偏光回転子５を通過した光１０ｅの偏光方向１１ｅの回転角を制御する。制御回路３２は、上記の極大値の変化を比較することにより、電極９Ａに印加する電圧を調整し、導波層７ｄを伝搬する光１０ｇの入力効率を制御する。
【０１３７】
なお、図１６Ａに示す例のように、時間間隔１９ａが長くなり時間間隔１９ａ０になると、信号波形１８ａが信号波形１６ａ１の矩形パルス、および信号波形１６ａ２の矩形パルスの間に割り込み、信号波形１８ａ０になる。その結果、信号波形１８ａ０と信号波形１８ａ１との判別が困難な場合がある。このとき、図１６Ｂに示すように、光源１の発振信号に高周波信号を重畳して、出力光量に高周波の強度変調信号を乗せることによって、隣り合うパルス波形１６Ａとパルス波形１６Ａ１との周波数が差別化される。周波数の差別化として、例えば、パルス波形１６Ａ、およびパルス波形１６Ａ２に高周波の信号が重畳され、パルス波形１６Ａ１に低周波の信号が重畳される。
【０１３８】
このようにして得られた検出信号１８Ａ、および検出信号１８Ａ１にも重畳信号は残存する。検出回路３３がフィルター回路を含む場合、フィルター回路によって重畳信号を処理することにより、重畳信号から検出信号１８Ａ、および検出信号１８Ａ１を分離することができる。フィルター回路は、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）またはローパスフィルター（ＬＰＦ）として機能する。例えば、検出信号１８Ａ、および検出信号１８Ａ１に、それぞれハイパスフィルターを掛ければ信号１８Ｈ、および信号１８Ｈ０に変換される。検出信号１８Ａ、および検出信号１８Ａ１に、それぞれローパスフィルターを掛ければ信号１８Ｌ、および信号８Ｌ０に変換される。信号１８Ｈから信号１８Ｌを引いた両者の差分から、信号１８Ｅが得られる。信号１８Ｈ０から信号１８Ｌ０を引いた両者の差分から、信号１８Ｅ０が得られる。信号１８Ｅおよび信号１８Ｅ０の正または負の極性を判定することにより、検出信号１８Ａがパルス波形１６Ａおよびパルス波形１６Ａ１のどちらに対応するかを識別することができる。その結果、時間間隔１９ａ０および時間間隔１９ａ１を確実に測定することができる。図１６Ｂに示すモデルでは、７５ｍまでの測定が可能である。パルス波形１６Ａ２の周波数も差別化できれば、さらに測定距離を伸ばすことができる。このようなフィルター回路による重畳信号の処理は、物体の距離を測定する従来の光学装置にも適用することができる。
【０１３９】
以上から、制御回路３０、および制御回路３４は以下の動作を行う。
【０１４０】
制御回路３０は、光源１に、異なる周波数の強度変調信号が重畳された、パルス波形１６Ａの光パルスとパルス波形１６Ａ１の光パルスとを順次出射させる。
【０１４１】
制御回路３４は、光検出器１２に、光導波素子７から出射され、物体によって反射され、光導波素子７に入射したパルス波形１６Ａの光パルスの一部およびパルス波形１６Ａ１の光パルスの一部を検出させ、パルス波形１６Ａの光パルスの一部の量に応じた検出信号１８Ａと、パルス波形１６Ａ１の光パルスの一部に応じた検出信号１８Ａ１とを分離して出力させる。
【０１４２】
なお、図１４Ａに示したように、電極層への印加電圧は９０度の周期を有する。したがって、一回転で４つの電圧分布パターンが得られる。この電圧分布パターンが、液晶の応答速度で回転運動を示す。光源１による発光の応答速度および偏光回転子５による偏光の回転速度は、液晶の応答速度を遥かに超える。したがって、電圧分布パターンに対応した複数の方向のそれぞれにおいて、独立して発光および偏光の回転を制御することができる。例えば、一度に２つの方向に光を出射して、ビームを走査させ、２つの方向からの反射光を検出することができる。２つの方向とは、例えば、−４５から４５度の範囲における方向、および４５から１３５度の範囲における方向である。
【０１４３】
図１６Ｃは、重複走査をした場合の、偏光回転子５の制御信号、光源１の出力光量、および光検出器１２の検出光量の時間経過の関係を示す図である。
【０１４４】
図１６Ｃに示す例において、光源１の発振を制御する制御回路３０からの発振信号は、例えば単一方向２５０ｎｓおきに１０ｎｓの幅の矩形パルスとして変化する。信号波形１６ａ、信号波形１６ａ１、および信号波形１６ａ２は、矩形パルスの制御信号によって光源１から出射された光パルスの出力光量に相当する。これらのパルス信号である信号波形１６ａ、信号波形１６ａ１、および信号波形１６ａ２に同期して、偏光を制御する制御回路３１からの制御信号１７ａ、制御信号１７ａ１、および制御信号１７ａ２もそれぞれ切り替わる。例えば、偏光回転角は、以下のように制御される。信号波形１６ａの矩形パルスでは、信号波形１６ａの矩形パルスの時間範囲において偏光回転角φになり、信号波形１６ａの矩形パルスと信号波形１６ａ１の矩形パルスとの間の時間範囲において偏光回転角π／２−φになる。信号波形１６ａ１の矩形パルスでは、信号波形１６ａ１の矩形パルスの時間範囲において偏光回転角φ＋π／２になり、信号波形１６ａ１の矩形パルスと信号波形１６ａ２の矩形パルスとの間の時間範囲において偏光回転角−φ＋πになる。信号波形１６ａ２の矩形パルスでは、ビーム走査に対応した変化量δが加わり、偏光回転角φ＋δになる。信号波形１６ａ、および信号波形１６ａ２は−４５度から４５度の範囲の視野内での発光に対応し、信号波形１６ａ１は４５度から１３５度の範囲の視野内での発光に対応する。
【０１４５】
図１Ａに示す例では、信号波形１６ａの矩形パルスの時間範囲において、光１０ｉは、収差補正されて円柱体６を−４５度から４５度の範囲の視野内において出射する。外界からの反射光は、信号波形１６ａの矩形パルスの時間範囲外に帰還する。当該反射光の偏光方向は、偏光回転子５を経て９０度回転する。その後、当該反射光は、偏光分光器４によって光検出器１２に向けて分離され、光検出器１２によって信号波形１８ａとして検出される。信号波形１６ａと信号波形１８ａとの終端間の時間間隔１９ａは、ＴＯＦ信号である。これにより、−４５度から４５度の範囲の視野内にある物体までの距離を検出することができる。
【０１４６】
同様に、信号波形１６ａ１の矩形パルスの時間範囲でも、光１０ｉは収差補正されて円柱体６を４５度から１３５度の範囲の視野内において出射する。外界からの反射光は、信号波形１６ａ１の矩形パルスの時間範囲外に帰還する。当該反射光の偏光方向は、偏光回転子５を経て９０度回転する。その後、当該反射光は、偏光分光器４によって光検出器１２に向けて分離され、光検出器１２によって信号波形１８ａ１として検出される。信号波形１６ａ１および信号波形１８ａ１の終端間の時間間隔１９ａ１はＴＯＦ信号である。これにより、４５度から１３５度の範囲の視野内にある物体までの距離を検出することができる。
【０１４７】
例えば、反射光の時間遅れが２５０ｎｓの場合、物体までの距離は３７．５ｍである。図１６Ｃに示すモデルでは、３７．５ｍまでの測定が、−４５度から１３５度の範囲、すなわち１８０度の角度範囲において可能である。
【０１４８】
なお、図８Ｂ、図１０Ａ、および図１０Ｃに示す電極のパターニングは、透明電極層７ｇ側ではなく反射層７ｂ側に形成されてもよい。さらに、グレーティング８ａによって励起される導波光１０ｇは、ＴＭモードであってもよい。偏光回転子５に液晶素子を使う場合は、ファラデー回転子のように高速応答できない。このため、図１６Ａに示したような発光のオンオフに同期した高速な偏光角の切り替えはできない。しかし、偏光分光器４にハーフミラーを用いれば、偏光角を切り替えなくとも、外界からの反射光を検出することができる。偏光回転子５の代わりに１／４波長板を使う場合、グレーティング８ａには円偏光の光が入射する。したがって、全偏角方向に均等に導波光１０ｇが励起される。励起光の内の一部の方位しか収差補正されず、光の利用効率は数分の１に落ちる。この場合も、偏光分光器４にハーフミラーを用いれば、外界からの反射光を検出することができる。
【０１４９】
したがって、本実施形態により、広がり角０．１度以下の絞れたレーザー光を外部の物体に向かって出射することができる。その際、水平方向９０度および垂直方向３０度の視野内において出射ビームを１秒あたり３０フレーム以上の動画速度で走査することができる。さらに、物体からの反射光のうち、迷光を除去して波長および位相が揃った光のみを選択的に受光または検出することができる。また、検出した光を視野内における物体の正確な２次元距離情報に変換することができる。２次元距離情報から、３次元的位置関係が得られる。
【０１５０】
（第２実施形態）
図１７Ａおよび図１７Ｂは、第２実施形態における透明電極層のパターンを模式的に示す図である。
【０１５１】
図１７Ａに示す例では、分割された電極層への印加電圧は、１２０度の周期を有する。例えば、電極９Ｂ１、電極９Ｂ２５、および電極９Ｂ４９には同じ電圧が印加され、電極９Ｂ２、電極９Ｂ２６、および電極９Ｂ５０にも同じ電圧が印加される。１２０度の角度範囲内において電極に印加される電圧は、収差を補正する条件で高低の電圧分布パターンを示す。この電圧分布パターンは、パターン形状を維持した状態で、偏光回転子による偏光の回転角φに同期して回転する。図１７Ａに示す分割方法では、光源１による発光の応答速度、および偏光回転子５による偏光の回転速度は、液晶の応答速度を遥かに超える。このため、電圧分布パターンに対応した３つの方向のそれぞれにおいて、独立して発光および偏光の回転を制御することができる。したがって、図１６Ｃに示した方法を用いて、一度に３つの方向に光を出射し、３つの方向からの反射光を検出することができる。
【０１５２】
図１７Ｂに示す例では、電極９Ｂは、回転方向に４度刻みで放射方向に等分され、電極９Ｂ１から電極９Ｂ９０の９０個に分割されている。分割された電極層への印加電圧は、７２度の周期を有する。例えば、電極９Ｂ１、電極９Ｂ１９、電極９Ｂ３７、電極９Ｂ５５、および電極９Ｂ７３には同じ電圧が印加される。電極９Ｂ２、電極９Ｂ２０、電極９Ｂ３８、電極９Ｂ５６、および電極９Ｂ７４にも同じ電圧が印加される。７２度の角度範囲内において電極に印加される電圧は、収差を補正する条件で高低の電圧分布パターンを示す。この電圧分布パターンは、パターン形状を維持した状態で、偏光回転子による偏光の回転角φに同期して回転する。図１７Ｂに示す分割方法では、電圧分布パターンに対応した５つの方向のそれぞれにおいて、独立して発光および偏光回転を制御することができる。したがって、図１６Ｃに示した方法を用いて、一度に５つの方向に光を出射し、５つの方向からの反射光を検出することができる。
【０１５３】
図１Ａおよび図１Ｂから分かるように、光１０ｆ以降の光線の進路は、復路も含めて１８０度対称に作用する。第１実施形態では、図１４Ａから図１４Ｃに示したように、収差補正も１８０度対称に実現される。その結果、外界からの反射信号として、前方に相当する−４５度から４５度の範囲の視野内と、後方に相当する１３５度から２２５度の範囲の視野内とからの２種類の信号が重なって帰ってくる。対角に位置する２つの方向からの光は、同じ発光から得られる。この場合、２種類の信号は、例えば、他の撮像系において得られた画像と比較し、画像処理を加えることによって分離され得る。これに対し、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す分割方法では、１８０度反対側に位置する２つの電圧分布パターンが異なる。これにより、一方では収差補正が行われるが、対角方向では大きな収差が残る。このため、位相補正も非対称になり、検出信号が重なることはない。したがって、第１実施形態に比べ、遠近画像の処理を簡素化することができる。
【０１５４】
（第３実施形態）
図１８は、第３実施形態における、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図である。光導波素子７の断面構造は、図１Ｂに示した構造と同様である。第３実施形態では、第１実施形態における偏光回転子５が、１／４波長板４ａおよびハーフミラー４ｂに置き換えられ、制御回路３１が省かれ、偏光分光器４ｃならびに光検出器１２Ａおよび光検出器１２Ｂが新たに追加されている。それ以外は第１実施形態と同じであり、重複する説明は省略する。
【０１５５】
図１９Ａは、第３実施形態における、電極９Ｂの電圧分布パターンの回転角、光源１の出力光量、光検出器１２Ａ、光検出器１２Ｂ、および光検出器１２での検出光量Ｐ０、検出光量Ｐ９０、および検出光量Ｐ４５、ならびに検出光量Ｐ０、検出光量Ｐ９０、および検出光量Ｐ４５の規格化差信号の時間経過の関係を示す図である。
【０１５６】
図１９Ｂは、第３実施形態における、電極９Ｂの分割領域と、水平方向走査光線の方向との関係を示す図である。図１９Ｃは、電極９Ｂ領域の分割領域に対応したレーザー光による水平方向および垂直方向の走査の様子と、走査光線間の位置との関係を示す図である。
【０１５７】
第３実施形態における光学装置は、光源１と、コリメートレンズ２ａと、反射ミラー３と、偏光分光器４と、１／４波長板４ａと、ハーフミラー４ｂと、偏光分光器４ｃと、集光レンズ２ｂと、円柱体６と、光導波素子７と、制御回路３０、および制御回路３２とを備える。偏光分光器４、１／４波長板４ａ、ハーフミラー４ｂ、集光レンズ２ｂ、円柱体６、および光導波素子７は、軸Ｌを中心軸として配置される。
【０１５８】
図１８に示す例では、光源１は、波長λの直線偏光であるレーザー光１０ａを出射する。光１０ａは、コリメートレンズ２ａによって平行光１０ｂになり、反射ミラー３を反射して偏光分光器４に入射する光１０ｃになり、偏光分光器４を透過して光１０ｄになる。偏光分光器４は、例えば偏光ビームスプリッタである。コリメートレンズ２ａと反射ミラー３との間に、楕円に広がるレーザー光１０ａの分布を円形に変換するビーム整形プリズムを挿入してもよい。光１０ｄは、１／４波長板４ａを透過して円偏光の光１０ｄ０になり、ハーフミラー４ｂに入射し、半分がこれを透過して光１０ｅになる。光１０ｅは、中心軸Ｌに沿って集光レンズ２ｂを通過し、屈折率ｎ０および半径ｒ０の透明部材である円柱体６に入射する。中心軸Ｌは、ハーフミラー４ｂを通過した光１０ｅの光路上に位置し、当該光路に沿った軸であるといえる。グレーティング８ａには円偏光の光が入射する。したがって、全偏角方向に均等に導波光１０ｇが励起される。
【０１５９】
光１０ｅ以降の光線の経路は往路および復路とも第１実施形態と同じである。したがって、説明を省略する。外界にある物体の表面を反射した後、復路においてハーフミラー４ｂの位置まで逆進した光１０Ｅは、その半分がハーフミラー４ｂを反射して、光１０Ｅ０になり、偏光分光器４ｃによって反射光１０Ｅ１と透過光１０Ｅ２とに分岐し、それぞれ光検出器１２Ａと光検出器１２Ｂとによって検出される。偏光分光器４ｃは、例えば偏光ビームスプリッタである。反射光１０Ｅ１は、光１０Ｅ０のＳ偏光成分であり、透過光１０Ｅ２は、光１０Ｅ０のＰ偏光成分である。
【０１６０】
光１０Ｅの内、ハーフミラー４ｂを透過する成分１０Ｄ０は、１／４波長板４ａを透過し、一部が偏光分光器４を反射して、光検出器１２によって検出される。光検出器１２、光検出器１２Ａ、および光検出器１２Ｂは、検出回路３３を含む。検出信号は、検出回路３３によって信号処理される。ハーフミラー４ｂの反射面の面法線と、偏光分光器４の反射面の面法線とは、平行でなくてよく、例えば４５度傾いている。例えば、光源１から１／４波長板４ａまでの構成だけ、軸Ｌの周りに４５度回転していてもよい。この場合、戻り光である光１０Ｅの内、電界ベクトルに相当する偏光に直交する方向０度の光は、光検出器１２Ａによって検出され、偏光に直交する方向９０度の光は、光検出器１２Ｂによって検出され、偏光に直交する方向４５度の光は、光検出器１２によって検出される。
【０１６１】
図１９Ａに示す例において、光源１の発振を制御する制御回路３０からの発振信号は、例えばΔ＝２５０ｎｓおきに１０ｎｓの幅の矩形パルスとして変化する。それに対応して、信号波形１６ａのパルス光、および信号波形１６ａ１のパルス光が発光する。２５０ｎｓ毎のパルス発振は３０ｍｓの１フレーム内において１２万パルスになる。このパルス信号に同期して、電極９Ｂへの印加電圧の回転角には、ビーム走査に対応した変化量δ（＝２πΔ/５Ｔ）が加わり、電極９Ｂの電圧分布パターンは、Ｔ＝２ｍｓの間に、軸Ｌの周りを１／５回転する。
【０１６２】
図１９Ｂに示す例では、電極９Ｂは、５つの扇状の領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５に分けられる。それぞれの領域において、光線走査のための導波光が伝搬する。領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５は、それぞれφ＝−３６度から３６度、３６度から１０８度、１０８度から１８０度、１８０度から２５２度、および２５２度から３２４度の範囲の水平走査範囲を受け持つ。
【０１６３】
図１９Ｃは、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５の各々における、レーザー光の水平方向および垂直方向の走査の様子を模式的に示す図である。図１９Ｂに示す中心Ｏと点ｂ１、点ｂ２、点ｂ３、点ｂ４、および点ｂ５の各々とを結ぶ方向を中心とした±３６度の範囲に、収差補正のための電圧分布パターンが形成される。収差補正の結果、平行ビームになった光が、図１９Ｃに示す点ｂ１、点ｂ２、点ｂ３、点ｂ４、および点ｂ５の位置を走査する。点ｂ１、点ｂ２、点ｂ３、点ｂ４、および点ｂ５はそれぞれ７２度の角度差を維持しながら各領域を移動する。すなわち、図１９Ｃに示す点ｂ１は、φ＝−３６度から３６度の範囲に相当する領域Ｂ１を走査する。同様に、点ｂ２、点ｂ３、点ｂ４、および点ｂ５も、それぞれ領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４，および領域Ｂ５の領域を同期して走査する。図１９Ｃに示す水平方向の走査は、３６０度の範囲が連続して走査されていると見ることもできる。点ｂ１が領域Ｂ１と領域Ｂ２との境界を跨ぐと、点ｂ１による走査線は、点ｂ２による走査線に切り替わる。すなわち、点そのものは連続して３６０度の区間を走査するが、領域に応じて、図中での名称が変わる。
【０１６４】
物体で反射され、ハーフミラー４ｂの位置まで逆進した光１０Ｅの偏光方向は、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５ごとに異なる。領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５での光は、それぞれφ＝９０度、１６２度、２３４度、３０６度、および１８度を中心とする偏光を有する。具体的には、光の偏光方向は、図１９Ｂに示すｘｙ面内において、領域Ｂ１内では方位Ｏｂ１に直交し、領域Ｂ２内では方位Ｏｂ２に直交し、領域Ｂ３内では方位Ｏｂ３に直交し、領域Ｂ４内では方位Ｏｂ４に直交し、領域Ｂ５内では方位Ｏｂ５に直交する。
【０１６５】
図１９Ａには、光検出器１２Ａ、光検出器１２Ｂ、および光検出器１２での検出光量Ｐ０、検出光量Ｐ９０、および検出光量Ｐ４５の時間経過が示されている。さらに、図１９Ａには、パルス光１６ａの出射後２５０ｎｓの時間範囲で、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が同時に検出される。信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、信号波形２０ｂ、信号波形２０ｂ１、信号波形２０ｃ、および信号波形２０ｃ１は、グレーティング８ａに入力できず、そのまま反射して帰還した光の検出信号である。
【０１６６】
例えば、光検出器１２Ａにより、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が、それぞれ信号波形１８ａ１、信号波形１８ａ２、信号波形１８ａ３、信号波形１８ａ４、および信号波形１８ａ５として検出される。光検出器１２Ｂにより、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が、それぞれ信号波形１８ｂ１、信号波形１８ｂ２、信号波形１８ｂ３，信号波形１８ｂ４、および信号波形１８ｂ５として検出される。光検出器１２により、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が、それぞれ信号波形１８ｃ１、信号波形１８ｃ２、信号波形１８ｃ３、信号波形１８ｃ４、および信号波形１８ｃ５として検出される。それらの和信号１８ａ１＋１８ｂ１＋１８ｃ１、和信号１８ａ２＋１８ｂ２＋１８ｃ２、和信号１８ａ３＋１８ｂ３＋１８ｃ３、和信号１８ａ４＋１８ｂ４＋１８ｃ４、および和信号１８ａ５＋１８ｂ５＋１８ｃ５から、それぞれ領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光のＴＯＦ信号が検出される。領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光のＴＯＦ信号は、それぞれ信号１９ａ１、信号１９ａ２、信号１９ａ３、信号１９ａ４、および信号１９ａ５である。和信号の光量は、光１０Ｅの光量の３／４まで利用している。
【０１６７】
なお、３つの検出光量から、３つの規格化差信号（Ｐ０−Ｐ９０）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）、規格化差信号（Ｐ０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）、および規格化差信号（Ｐ９０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）が生成される。ｎを１から５の整数として、信号１８ｅｎ、信号１８ｆｎ、および信号１８ｇｎは、それぞれ信号２０ａｎ、信号２０ｂｎ、および信号２０ｃｎから生成される。
【０１６８】
２５０ｎｓの時間範囲では、領域Ｂ１から領域Ｂ５のそれぞれに対応する５つの信号が検出される。その際、どの信号がどの領域に対応するのかが判定される。５つの信号のそれぞれは、距離または反射率が異なる被写体からの反射に基づいている。したがって、５つの信号の大小関係から、信号と領域との対応は判定できない。これに対し、検出光量Ｐ０と、検出光量Ｐ９０と、検出光量Ｐ４５との間の大小関係は、同じ反射に基づいている。したがって、当該大小関係であれば、判定に応用することができる。本実施形態では、判定に３つの規格化差信号が利用される。
【０１６９】
図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃ、図２０Ｄ、および図２０Ｅは、それぞれ、１つの光線を−３６度から３２４度の範囲で走査させた場合、電極９Ｂの領域Ｂ１、領域Ｂ３、領域Ｂ５、領域Ｂ２、および領域Ｂ４における、戻ってきた光を基準とした検出差信号の振る舞いを示す図である。例えば、図２０Ａは、領域Ｂ１における規格化差信号（Ｐ０−Ｐ９０）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）、規格化差信号（Ｐ０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）、および規格化差信号（Ｐ９０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）と、水平方向走査方位角φとの関係を示している。差信号の大小関係の違いから、１８０度周期の範囲において、区画Ａ、区画Ｂ、区画Ｃ、区画Ｄ、区画Ｅ、および区画Ｆの６種類の区画に分類することができる。図２０Ｂ、図２０Ｃ、図２０Ｄ、および図２０Ｅに変化するに従って、差信号波形、および６種類の区画範囲は、−３６度ずつ方位角が移動する。図１９Ｂに示す例から、領域Ｂ１は、φ＝−３６度からφ＝３６度の範囲である。図２０Ａに示す例において、光線がφ＝−３６度からφ＝３６度の範囲にあれば、その光線は点ｂ１による走査線である。そのとき、光線ｂ３、光線ｂ５、光線ｂ２、および光線ｂ４による走査線は、それぞれ図２０Ｂ、図２０Ｃ、図２０Ｄ、および図２０Ｅに示す例における−３６度から３６度の範囲の信号カーブを描く。例えば、図１９Ｂに示す例から、領域Ｂ２は、φ＝３６度からφ＝１０８度の範囲である。図２０Ｄに示す例では、φ＝−３６度からφ＝３６度の範囲は、点ｂ１から７２度だけ離れた点ｂ２の走査線の動きに対応する。したがって、光線が走査線ｂ１に起因するのであれば、規格化差信号は図２０Ａに示す例におけるφ＝−３６度からφ＝３６度の範囲のカーブを描く。したがって、式（２１）が成り立つ。
【数２１】
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【０１７０】
図２０Ｃ、図２０Ｄ、および図２０Ｅに示す例では、φ＝−３６度からφ＝３６度の範囲内で、いずれの差信号の大小関係も、式（２１）を満たさない。したがって、図２０Ａに示す領域での信号を、図２０Ｃ、図２０Ｄ、および図２０Ｅに示す領域における信号と分別することができる。これにより、光線ｂ１を、光線ｂ５、光線ｂ２、および光線ｂ４と分別することができる。一方、φ＝−２２度からφ＝９度の範囲において、図２０Ｂに示す区画Ａが、図２０Ａに示す区画Ａに重なる。その結果、式（２１）では分別することができない。しかし、この重なる区画では、図２０Ａに示す規格化差信号（Ｐ０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）は、図２０Ｂに示す規格化差信号（Ｐ０−Ｐ４５）／（Ｐ０＋Ｐ４５＋Ｐ９０）よりも大きい。したがって、図２０Ｂに示す信号を、図２０Ａに示す信号と区別することができる。これにより、光線ｂ１を、光線ｂ３と分別することができる。したがって、図１９Ａに示す５つの信号の内、どれが領域Ｂ１に対応した信号であるかを特定することができる。同じ関係が、他の領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５でも成り立つ。結局、５つの検出信号が、どの領域、またはどの走査線に対応した信号なのかを全て分別することができる。
【０１７１】
（第４実施形態）
図２１Ａおよび図２１Ｂは、それぞれ、第４実施形態における、光学装置の構成と、光線の経路とを模式的に示す斜視図および断面図である。
【０１７２】
第４実施形態では、第３実施形態における反射ミラー３、偏光分光器４ｃ、光検出器１２、光検出器１２Ａ、および光検出器１２Ｂが省かれ、代わりに光検出器１２ａ、および光検出器１２ｂが追加され、円柱体６が円錐台プリズム６Ｔに変更され、透明平面基板７ｆと円錐台プリズム６Ｔとの間に、円錐台状の中空を含む基板７Ｆが挿入され、偏光分光器４への入射光１０ｃが図２１Ａに示す平行光１０ｂに相当し、その偏光がＳ波とされている。それ以外は、第３実施形態と同じである。したがって、重複する説明は省略する。
【０１７３】
第４実施形態における光学装置は、光源１と、コリメートレンズ２ａと、偏光分光器４と、１／４波長板４ａと、ハーフミラー４ｂと、集光レンズ２ｂと、円錐台プリズム６Ｔと、円錐台状の中空を含む基板７Ｆと、光導波素子７と、光検出器１２ａ、および光検出器１２ｂと、検出回路３３ａ、および検出回路３３ｂと、制御回路３０、制御回路３２、および制御回路３４とを備える。偏光分光器４、１／４波長板４ａ、ハーフミラー４ｂ、集光レンズ２ｂ、円錐台プリズム６Ｔ、円錐台状の中空を含む基板７Ｆ、および光導波素子７は、軸Ｌを中心軸として配置される。
【０１７４】
図２１Ａに示す例において、光源１は、波長λの直線偏光であるレーザー光１０ａを出射する。レーザー光１０ａは、コリメートレンズ２ａによりＳ偏光の平行光１０ｂになり、偏光分光器４を反射して光１０ｄになる。偏光分光器４は、例えば偏光ビームスプリッタである。コリメートレンズ２ａと偏光分光器４との間に、楕円に広がるレーザー光１０ａの分布を円形に変換するビーム整形プリズムを挿入してもよい。光１０ｄは、１／４波長板４ａを透過して円偏光の光１０ｄ０になり、ハーフミラー４ｂに入射し、半分がこれを透過して光１０ｅになる。光１０ｅは、中心軸Ｌに沿って集光レンズ２ｂを通過し、屈折率ｎ０の透明部材である円錐台プリズム６Ｔに入射する。中心軸Ｌは、ハーフミラー４ｂを通過した光１０ｅの光路上に位置し、当該光路に沿った軸であるといえる。グレーティング８ａには、円偏光の光が入射する。したがって、全偏角方向に均等に導波光１０ｇが励起される。円錐台プリズム６Ｔと円錐台状の中空を含む基板７Ｆとは、軸Ｌを同じ軸として透明平面基板７ｆに密着している。
【０１７５】
光１０ｅ以降の光線の経路は、第１および第３実施形態とほとんど同じである。したがって、説明は省略する。ただし、グレーティング８ｃから放射された光は、透明平面基板７ｆ、および基板７Ｆを経て、基板７Ｆの円錐台状の中空表面を屈折し、円錐台プリズム６Ｔの側面に入射し、屈折する光１０ｈになり、対向する側の円錐台側面から出射し、屈折する光１０ｉになる。基板７Ｆの円錐台状の中空表面および円錐台プリズム６Ｔの側面は、軸Ｌを同じ軸としている。これらの表面には、ブレーズグレーティングが形成されてもよい。ブレーズグレーティングでは、中心軸Ｌに直交する方向に沿って鋸状の溝が形成されている。ブレーズグレーティングにより、通過光は、垂直面内で回折する。これにより、円錐台プリズム６Ｔの側面位置では、屈折光１０ｊが水平面からθ⊥の角度で外部に出射する出射光１０ｉになる。
【０１７６】
被写体を反射した後の復路では、往路の経路をハーフミラー４ｂの位置まで逆進した光１０Ｅは、その半分がハーフミラー４ｂを反射して光１０Ｅ０になり、光検出器１２ａによって検出される。光１０Ｅの内、ハーフミラー４ｂを透過する成分１０Ｄ０は、１／４波長板４ａを透過する。透過光１０Ｄの一部は、偏光分光器４を透過し、透過光１０Ｂとして光検出器１２ｂによって検出される。光検出器１２ａは、検出回路３３ａを含み、光検出器１２ｂは検出回路３３ｂを含む。検出信号は、検出回路３３ａ、および検出回路３３ｂによって信号処理される。光学装置は、制御回路３４をさらに備えてもよい。制御回路３４は、検出回路３３ａおよび検出回路３３ｂの検出信号から、例えば光源または液晶の配向を制御する制御信号を生成する。また、制御回路３０、制御回路３２、および制御回路３４をまとめて１つの制御回路としてもよい。
【０１７７】
図２２は、第４実施形態における、収差補正制御がある場合の、グレーティング８ｃからの放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。図２２に示す例では、上段は平面図を示し、中段は斜視図を示し、下段は断面図を示す。図２２に示すように、導波層７ｄ内を伝搬する導波光１０ｇ、および導波光１０ｇ０は、グレーティング８ｃを出射し、円錐台プリズム６Ｔの側面に入射し、屈折してその内部を伝搬する光１０ｈ、光１０ｈ０、光１０ｈ１、および光１０ｈ１０になり、対向する側の円錐台側面を屈折して外部に出射する光１０ｉ，光１０ｉ０、光１０ｉ１、および光１０ｉ１０になる。図２２の中段に示すように、光１０ｈ、光１０ｈ０、光１０ｈ１、および光１０ｈ１０は、ｘ軸の正方向に沿って中心軸Ｌから離れた軸Ｌ”上で交差する。軸Ｌ”は、中心軸Ｌに比べ傾斜する。光１０ｈ、および光１０ｈ０は、軸Ｌ”上の点Ｆ’において交差し、光１０ｈ１、および１０ｈ１０は、軸Ｌ”上の点Ｆ”において交差する。図２２の上段、および下段に示す例では、円柱体６が、円錐台プリズム６Ｔに置き換えられている。これにより、軸Ｌ”の傾斜に対応して、外周側の光１０ｈ、および光１０ｈ０の屈折点の半径ｒ０と、内周側の光１０ｈ１、および光１０ｈ１０の屈折点の半径ｒ０’とが変化する。その結果、円錐台プリズム６Ｔの側面を出射した後の光線を平行光にすることができる。
【０１７８】
第４実施形態では、光線が、ブレーズグレーティングの形成された円錐台プリズム６Ｔの側面を２回通過する。光線が側面を通過する形態では、第１および第３実施形態における円柱体６の底面を通過する形態に比べ、設計の自由度が広くなる。また、光線は、側面を通過することにより、ブレーズグレーティングによる回折の影響を２回受ける。基板７Ｆの円錐台状の中空表面にもブレーズグレーティングを形成すれば、光線は、回折の影響を３回受ける。このような２回以上の回折により、第１および第３実施形態に比べてグレーティングのピッチが大きくても、十分な回折効率が得られる。グレーティングのピッチが大きいことから、作製が容易になり、回折効率も高くなる。グレーティング８ａから放射する光を空気中に取り出すために、一般に基板７Ｆが配置される。一方で、光が取り出せるのであれば、基板７Ｆを省くこともできる。基板７Ｆに円錐台状の中空を設けた構成は、グレーティング８ａから放射光を、その放射角に関係なく空気中に取り出すことができる。したがって、設計の自由度が広くなる。
【０１７９】
図２３Ａは、第４実施形態における、電極９Ｂの電圧分布パターンの回転角、光源１の出力光量、光検出器１２ａ、光検出器１２ｂでの検出光量Ｐａ、検出光量Ｐｂ、ならびに検出光量の和Ｐａ＋Ｐｂおよび比Ｐｂ／Ｐａの時間経過の関係を示す図である。
【０１８０】
図２３Ｂは、第４実施形態における、電極９Ｂの分割領域と、水平方向走査光線の方向との関係を示す図である。電極９Ｂの領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５から、点ｂ１による第１走査光線、点ｂ２による第２走査光線、点ｂ３による第３走査光線、点ｂ４による第４走査光線、および点ｂ５による第５走査光線がそれぞれ放射される。これら５つの走査光線は、互いに７２度の角度をなして中心Ｏの周りを等角回転する。
【０１８１】
点ｂｋによる走査光線に対応する光１０Ｅ０の偏光振幅は、ａｋを振幅係数、φを方位角または走査角として、式（２２）によって表される。ただしｋ＝１、２、３、４、５である。
【数２２】
2019120928.tif 000024
【０１８２】
ジョーンズ行列を利用すると、光１０Ｅ０の偏光振幅と、透過光１０Ｂの偏光振幅との関係が、式（２３）によって表される。
【数２３】
2019120928.tif 000025
【０１８３】
左辺の第１項は偏光分光器４の行列を表し、第２項は１／４波長板４ａの行列を表し、第３項は光１０Ｅ０の偏光振幅を表し、右辺は透過光１０Ｂの偏光振幅を表す。
【０１８４】
式（２２）および式（２３）から、光検出器１２ａおよび光検出器１２ｂでの検出光量Ｐａおよび検出光量Ｐｂが、それぞれ式（２４）、および式（２５）によって表される。
【数２４】
2019120928.tif 000026
【数２５】
2019120928.tif 000027
【０１８５】
式（２４）および式（２５）から、検出光量比Ｐｂ／Ｐａが、式（２６）によって表される。
【数２６】
2019120928.tif 000028
【０１８６】
図２３Ｃは、点ｂ１による第１走査光線に対応する検出光量比Ｐｂ１／Ｐａ１、点ｂ２による第２走査光線に対応する検出光量比Ｐｂ２／Ｐａ２、点ｂ３による第３走査光線に対応する検出光量比Ｐｂ３／Ｐａ３、点ｂ４による第４走査光線に対応する検出光量比Ｐｂ４／Ｐａ４、および点ｂ５による第５走査光線に対応する検出光量比Ｐｂ５／Ｐａ５を示す信号と、液晶パターン回転角である走査角φとの関係を示す図である。当該関係は、式（２６）から得られる。図２３Ｃに示す例では、φ＝０度からφ＝１８度の範囲では、Ｐｂ１／Ｐａ１＜Ｐｂ４／Ｐａ４＜Ｐｂ３／Ｐａ３＜Ｐｂ２／Ｐａ２＜Ｐｂ５／Ｐａ５の関係が、φ＝１８度からφ＝３６度の範囲ではＰｂ４／Ｐａ４＜Ｐｂ１／Ｐａ１＜Ｐｂ２／Ｐａ２＜Ｐｂ３／Ｐａ３＜Ｐｂ５／Ｐａ５の関係が、φ＝３６度からφ＝５４度の範囲ではＰｂ４／Ｐａ４＜Ｐｂ２／Ｐａ２＜Ｐｂ１／Ｐａ１＜Ｐｂ５／Ｐａ５＜Ｐｂ３／Ｐａ３の関係が、φ＝５４度からφ＝７２度の範囲ではＰｂ２／Ｐａ２＜Ｐｂ４／Ｐａ４＜Ｐｂ５／Ｐａ５＜Ｐｂ１／Ｐａ１＜Ｐｂ３／Ｐａ３の関係が成り立つ。φ＝７２度からφ＝９０度の範囲でのＰｂ２／Ｐａ２＜Ｐｂ５／Ｐａ５＜Ｐｂ４／Ｐａ４＜Ｐｂ３／Ｐａ３＜Ｐｂ１／Ｐａ１の関係において、φ＝０度からφ＝１８度の範囲での関係と比較して、Ｐｂ１／Ｐａ１がＰｂ２／Ｐａ２に、Ｐｂ２／Ｐａ２がＰｂ３／Ｐａ３に、Ｐｂ３／Ｐａ３がＰｂ４／Ｐａ４に、Ｐｂ４／Ｐａ４がＰｂ５／Ｐａ５に、Ｐｂ５／Ｐａ５がＰｂ１／Ｐａ１に繰り上がっている。それ以降の角度範囲でも、繰り上がりの関係が成り立つ。これにより、３６０度までの大小関係が全て分かる。したがって、電極９Ｂへの駆動信号によって走査角φが決定され、走査角φが決定されれば、５つの検出光量比の大小関係が決定される。これにより、検出信号が、走査光線の内のどれかを特定することができる。
【０１８７】
図２３Ａに示す例において、光源１の発振を制御する制御回路３０からの発振信号は、例えばΔ＝２５０ｎｓおきに１０ｎｓの幅の矩形パルスとして変化する。それに対応して、信号波形１６ａのパルス光、および信号波形１６ａ１のパルス光が発光する。２５０ｎｓ毎のパルス発振は、３０ｍｓの１フレーム内において１２万パルスになる。このパルス信号に同期して、電極９Ｂへの印加電圧の回転角には、ビーム走査に対応した変化量δ（＝２πΔ/５Ｔ）が加わり、電極９Ｂの電圧分布パターンは、Ｔ＝２ｍｓの間に、軸Ｌの周りを１／５回転する。
【０１８８】
図２３Ａには、光検出器１２ａおよび光検出器１２ｂでの検出光量Ｐａおよび検出光量Ｐｂの時間経過が示されている。信号波形１６ａのパルス光の出射後２５０ｎｓの時間範囲で、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が同時に検出される。信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、信号波形２０ｂ、および信号波形２０ｂ１は、グレーティング８ａに入力できず、そのまま反射して帰還した光の検出信号である。
【０１８９】
例えば、光検出器１２ａには、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が、それぞれ信号波形１８ａ１、信号波形１８ａ２、信号波形１８ａ３，信号波形１８ａ４、および信号波形１８ａ５として検出される。光検出器１２ｂには、領域Ｂ１、領域Ｂ２、領域Ｂ３、領域Ｂ４、および領域Ｂ５からの戻り光が、それぞれ信号波形１８ｂ１、信号波形１８ｂ２、信号波形１８ｂ３，信号波形１８ｂ４、および信号波形１８ｂ５として検出される。制御回路３４は、光検出器１２ａでの検出光量Ｐａに応じた電気信号と、光検出器１２ｂでの検出光量Ｐｂに応じた電気信号とを受け取る。制御回路３４は、これら２つの電気信号の和および比に応じた電気信号を生成する。光検出器１２ａおよび光検出器１２ｂの検出光量の和を示す和信号Ｐａ＋Ｐｂとして、ａ１＋ｂ１、ａ２＋ｂ２、ａ３＋ｂ３、ａ４＋ｂ４、およびａ５＋ｂ５が生成される。光検出器１２ａおよび光検出器１２ｂの検出光量の比を示す信号比Ｐｂ／Ｐａとして、ｂ１／ａ１、ｂ２／ａ２、ｂ３／ａ３、ｂ４／ａ４、およびｂ５／ａ５が生成される。
【０１９０】
和信号Ｐａ＋Ｐｂでは、５つの信号がＴＯＦ信号として用いられる。一方、それらの信号は、距離または反射率が異なる被写体からの反射に基づいている。したがって、和信号だけでは、どの信号が領域Ｂ１から領域Ｂ５の内のどの領域に対応するのかを特定することができない。しかし、信号比Ｐｂ／Ｐａを加えることにより、信号比の大小関係から、５つの信号が点ｂ１による第１走査光線、点ｂ２による第２走査光線、点ｂ３による第３走査光線、点ｂ４による第４走査光線、および点ｂ５による第５走査光線の内のどれか、または、どの信号が領域Ｂ１から領域Ｂ５の内のどの領域に対応するのかを特定することができる。例えば、図２３Ａに示す信号比の例では、走査角φが０度から１８度の範囲であれば、５つの信号が左から第１走査光線、第２走査光線、第３走査光線、第４走査光線、および第５走査光線の順であり、走査角φが１８度から３６度の範囲であれば第４走査光線、第３走査光線、第２走査光線、第１走査光線、および第５走査光線の順と判別することができる。
【０１９１】
次に、電極９Ｂにおける導波光の伝搬方向の制御原理を説明する。
【０１９２】
図２４Ａおよび図２４Ｂは、それぞれ透明電極層７ｇ側および反射層７ｂ側での電極パターンと、印加電圧との関係を模式的に示す図である。図２４Ａに示す電極パターン４０ａ、電極パターン４０ｂ、および電極パターン４０ｃ、ならびに図２４Ｂに示す電極パターン４０Ａ、電極パターン４０Ｂ、および電極パターン４０Ｃのいずれも、左側から右側に延びる３本のジグザグパターンによって構成されている。各ジグザグパターンは絶縁されている。図２４Ａに示す電極パターン４０ａ、電極パターン４０ｂ、および電極パターン４０ｃには、それぞれ独立して制御回路３２ａ、制御回路３２ｂ、および制御回路３２ｃによって電圧信号が印加される。同様に、図２４Ｂに示す電極パターン４０Ａ、電極パターン４０Ｂ、および電極パターン４０Ｃには、それぞれ独立して制御回路３２Ａ、制御回路３２Ｂ、および制御回路３２Ｃによって電圧信号が印加される。
【０１９３】
図２４Ｃは、透明電極層側での電極パターン、および反射層側での電極パターンを揃えて重ねた構成と、印加電圧との関係を模式的に示す図である。透明電極層７ｇを上として、反射層７ｂを下とすると、上下に位置するジグザグパターンは、ジグザグの一方の側の頂点を結んで形成される線が、上下で互いに重なる関係にある。反射層７ｂ側のジグザグパターンの形状は、透明電極層７ｇ側のジグザグパターンを上下に反転した形状である。したがって、図２４Ｃに示すように、透明電極層７ｇ側での電極パターン、および反射層７ｂ側での電極パターンを揃えて重ねた電極パターンは、菱形が連なった形状を有する。
【０１９４】
図２４Ｃに示す電極パターンを片面のみにおいて作製する場合、１つ１つの菱形が孤立していることから、配線の引き回しが容易ではない。これに対し、図２４Ａに示す電極パターン、および図２４Ｂに示す電極パターンを重ね合わせる方法では、パターンそのものが配線になっていることから、作製が容易である。透明電極層７ｇ側でのジグザグの電極パターン４０ａ、電極パターン４０ｂ、および電極パターン４０ｃには、それぞれ交流電圧信号４１ａ、交流電圧信号４１ｂ、および交流電圧信号４１ｃが印加される。これにより、振幅は、交流電圧信号４１ａ、交流電圧信号４１ｂ、および交流電圧信号４１ｃの順に大きくなる。この振幅勾配により、ジグザグの電極パターン４０ａ、電極パターン４０ｂ、および電極パターン４０ｃに対応した液晶層に、屈折率差が発生する。電極間に挟まれる導波層７ｄ内を左から右に伝搬する導波光１０ｇは、光路から傾斜したパターン境界を通過する度に、下側に屈折する。反射層７ｂ側でのジグザグの電極パターン４０Ａ、電極パターン４０Ｂ、および電極パターン４０Ｃには、交流電圧信号４１Ａ、交流電圧信号４１Ｂ、および交流電圧信号４１Ｃが印加される。これにより、振幅は交流電圧信号４１Ａ、交流電圧信号４１Ｂ、および交流電圧信号４１Ｃの順に大きくなる。この振幅勾配により、電極間に挟まれる導波層７ｄ内を左から右に伝搬する導波光１０ｇも下側に屈折する。
【０１９５】
交流電圧信号４１Ａ、交流電圧信号４１Ｂ、および交流電圧信号４１Ｃは、それぞれ交流電圧信号４１ａ、交流電圧信号４１ｂ、および交流電圧信号４１ｃに比べて逆極性を有する。したがって、図２４Ｃに示すように、透明電極層７ｇおよび反射層７ｂを揃えて重ねた電極パターンでは、交流電圧信号４１ａ１と交流電圧信号４１Ａ１とが信号対を形成し、交流電圧信号４１ｂ１と交流電圧信号４１Ｂ１とが信号対を形成し、交流電圧信号４１ｃ１と交流電圧信号４１Ｃ１とが信号対を形成する。それらの位相は反転していることから、交流電圧振幅が倍増する。これにより、導波光１０ｇは大きく下側に屈折することができる。さらに、図２４Ａおよび図２４Ｂに示す電極パターンに比べて、導波光１０ｇがパターン境界を跨ぐ頻度が増える。これにより、導波光１０ｇの曲がりはさらに倍増する。その結果、光路の違いによる曲がり角のバラツキも改善する。
【０１９６】
図２４Ａから図２４Ｃに示す例を参照して説明した原理を踏まえて、第４実施形態における導波光の伝搬方向の制御を説明する。
【０１９７】
図２５Ａおよび図２５Ｂは、第４実施形態における、それぞれ透明電極層７ｇ側および反射層７ｂ側での電極９Ｂのパターンを模式的に示す図である。図２５Ａに示す電極パターン、および図２５Ｂに示す電極パターンのいずれも、内周側から外周側に延びる７２本のジグザグパターンによって構成されている。このように、反射層７ｂおよび透明電極層７ｇの少なくとも一方において、電極９Ｂにおける複数の分割領域うち、任意の隣り合う２つの分割領域の境界は、レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿ってジグザグ形状を有する。各ジグザグパターンは絶縁されており、独立して電圧信号が印加される。図２５Ａおよび図２５Ｂに示す例では、隣接するジグザグパターンは、ジグザグの一方の側の頂点を結んで形成される線が隣同士で互いに重なる関係にある。反射層７ｂ側のジグザグパターンの形状は、透明電極層７ｇ側のジグザグパターンを回転方向に反転した形状である。
【０１９８】
図２５Ｃは、透明電極層側での電極パターン、および反射層側での電極パターンを揃えて重ねた構成を模式的に示す図である。図２５Ｄは、図２５Ｃに示す電極パターンの一部と、導波光１０ｇの伝搬経路との関係を模式的に示す図である。図２５Ｃに示すように、透明電極層７ｇおよび反射層７ｂを揃えて重ねた電極９Ｂのパターンは、菱形が連なった形状を有する。反射層７ｂおよび透明電極層７ｇの各々において、領域９Ｂにおける複数の分割領域のうち、任意の隣り合う２つの分割領域の境界は、レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿ってジグザグ形状を有する。バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶層７ｅのいずれかに垂直な方向から見たとき、一対の電極層の一方における上記の境界と、他方における上記の境界とは、菱形が連なった形状を形成する。
【０１９９】
したがって、図２５Ｄに示すように、ジグザグパターンに印加する交流電圧振幅の大きさが回転方向に沿った勾配を有すると、矢印４２方向に沿って液晶屈折率が大きくなる。これにより、導波層７ｄ内を内周側から外周側に伝搬する導波光１０ｇの伝搬経路を、矢印４２側に曲げることができる。したがって、図２５Ｃに示す形状を有する電極への印加電圧を制御することにより、グレーティング８ｃからの放射光を、円錐台側面から平行光として出射させることができる。
【０２００】
なお、いずれかの実施形態に用いた手法を、他の実施形態に応用することができる。例えば、実施形態１において図１６Ａに示す例を参照して説明した手法を、第３および第４の実施形態に応用することができる。すなわち、実施形態１と同様に、例えば和信号である信号波形２０ａ、信号波形２０ａ１、および信号波形２０ａ２を抽出してできる抽出検出信号の極大値２０Ｐは、入射光のうちの入力できなかった効率に比例する。したがって、極大値２０Ｐの出力値は、入力結合効率を最大化するために電極９Ａへの印加電圧を制御する際の、制御信号として用いられる。極大値２０Ｐが小さいほど入力効率は高くなる。
【０２０１】
また、実施形態１において図１６Ｂに示す例を参照して説明した手法を、第３および第４の実施形態に応用することもできる。この場合、光源１の発振信号に高周波信号を重畳して、出力光量に高周波の強度変調信号を乗せることにより、例えば信号波形１８ａ１が信号波形１６ａ１の矩形パルスの時間域を超えても、これが信号波形１６ａの矩形パルスに対応する検出信号であることを識別することができる。これにより、測定距離を伸ばすことができる。
【０２０２】
なお、第３および第４の実施形態において、１／４波長板４ａは、直線偏光を円接線方向の偏光、または円接線に直交する方向の偏光に変換させる偏光変換素子であってもよい。一般に、直線方向に配向処理された基板と、回転方向に配向処理された基板との間にネマティックツイスト液晶を挟むと、直線偏光を円接線方向の偏光に変換することができる。このような偏光変換素子を用いることにより、グレーティング８ａへの入力効率を２倍にすることができる。これにより、全偏角方向に均等にＴＥモードの導波光１０ｇを励起することができる。
【０２０３】
第３および第４の実施形態では、往路経路間にハーフミラー４ｂが介在する。このため、実施形態１に比べて、入力における光利用効率は半減する。一方で、全偏角方位に光を入力することができ、かつ全方位からの戻り光を検出し、方位ごとに検出信号を分別することができる。したがって、同じフレームレートにおいて水平方向の走査範囲および検出範囲を３６０度まで広げることができる。
【０２０４】
なお、光学配置において、偏光分光器４またはハーフミラー４ｂへの光の透過および反射の関係は、入れ替わってもよい。
【０２０５】
以上において説明した実施形態により、広がり角０．１度以下の絞れたレーザー光を外部の物体に向かって出射することができる。その際、水平方向３６０度および垂直方向１０度の視野内において出射ビームを１秒あたり３０フレーム以上の動画速度で走査することができる。波長可変を加えると垂直方向の視野は３０度まで広がる。さらに、物体からの反射光のうち、迷光が除去され、かつ波長および位相が揃った光のみを選択的に受光または検出することができる。また、検出した光を、視野内での物体の正確な２次元距離情報に変換することができる。２次元距離情報から、３次元的位置関係が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０２０６】
本開示は、レーザー光を、視野内に散在する物体に向かって水平方向および垂直方向に走査し、物体からの反射光を選択的に受光または検出し、物体の３次元的位置関係を測定する技術を提供する。
【符号の説明】
【０２０７】
１        光源
２ａ      コリメートレンズ
２ｂ      集光レンズ
３        反射ミラー
４        偏光分光器
５        偏光回転子
６        円柱体
７        光導波素子
７ａ      平面基板
７ｂ      反射層
７ｃ      バッファー層
７ｄ      導波層
７ｅ      液晶層
７ｆ      透明平面基板
７ｇ      透明電極層
８ａ，８ｂ,  ８ｃ    グレーティング
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ    電極
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｈ、１０ｉ    光
１０ｇ    導波光
１０Ｄ    逆進光
１１ｄ、１１ｅ    偏光方向
３０、３１、３２、３４  制御回路
３３      検出回路
【図１Ａ】
2019120928.tif 000029
【図１Ｂ】
2019120928.tif 000030
【図１Ｃ】
2019120928.tif 000031
【図１Ｄ】
2019120928.tif 000032
【図２Ａ】
2019120928.tif 000033
【図２Ｂ】
2019120928.tif 000034
【図３Ａ】
2019120928.tif 000035
【図３Ｂ】
2019120928.tif 000036
【図３Ｃ】
2019120928.tif 000037
【図３Ｄ】
2019120928.tif 000038
【図３Ｅ】
2019120928.tif 000039
【図３Ｆ】
2019120928.tif 000040
【図３Ｇ】
2019120928.tif 000041
【図４Ａ】
2019120928.tif 000042
【図４Ｂ】
2019120928.tif 000043
【図４Ｃ】
2019120928.tif 000044
【図４Ｄ】
2019120928.tif 000045
【図５Ａ】
2019120928.tif 000046
【図５Ｂ】
2019120928.tif 000047
【図６】
2019120928.tif 000048
【図７Ａ】
2019120928.tif 000049
【図７Ｂ】
2019120928.tif 000050
【図８Ａ】
2019120928.tif 000051
【図８Ｂ】
2019120928.tif 000052
【図９Ａ】
2019120928.tif 000053
【図９Ｂ】
2019120928.tif 000054
【図９Ｃ】
2019120928.tif 000055
【図１０Ａ】
2019120928.tif 000056
【図１０Ｂ】
2019120928.tif 000057
【図１０Ｃ】
2019120928.tif 000058
【図１０Ｄ】
2019120928.tif 000059
【図１０Ｅ】
2019120928.tif 000060
【図１１Ａ】
2019120928.tif 000061
【図１１Ｂ】
2019120928.tif 000062
【図１１Ｃ】
2019120928.tif 000063
【図１１Ｄ】
2019120928.tif 000064
【図１１Ｅ】
2019120928.tif 000065
【図１１Ｆ】
2019120928.tif 000066
【図１２Ａ】
2019120928.tif 000067
【図１２Ｂ】
2019120928.tif 000068
【図１３Ａ】
2019120928.tif 000069
【図１３Ｂ】
2019120928.tif 000070
【図１４Ａ】
2019120928.tif 000071
【図１４Ｂ】
2019120928.tif 000072
【図１４Ｃ】
2019120928.tif 000073
【図１５Ａ】
2019120928.tif 000074
【図１５Ｂ】
2019120928.tif 000075
【図１６Ａ】
2019120928.tif 000076
【図１６Ｂ】
2019120928.tif 000077
【図１６Ｃ】
2019120928.tif 000078
【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２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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