(57)【要約】【課題】光線走査技術に関して、走査角の拡大によって広角走査が可能であり、空間分解能を高くすることができる等の技術を提供する。【解決手段】光線走査システムは、例えば、レーザ光源と、空間光変調器と、レーザ光源からの出射光線のビームウエスト径を、空間光変調器の口径程度に拡大してコリメートして空間光変調器に投射するビーム径拡大光学系と、空間光変調器で反射方向が走査された光線のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系１７とを有する。ビーム径縮小光学系１７は、第１焦点距離（ｆ１）の第１レンズ１０１と、第２焦点距離（ｆ２）の第２レンズ１０２とを備え、同じ光軸上に配置され、レンズ間の距離（ｄ２）は、ｄ２＝ｆ１＋ｆ２として決定される距離である。【選択図】図２
2019152707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光変調器と、
前記空間光変調器の口径程度のビームが投射されて前記空間光変調器で反射方向が走査された光線のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、
を有する、光線走査システム。
【請求項２】
導波路アレイと、
前記導波路アレイの複数の各々の導波路を伝搬する光の位相を制御する位相シフタと、
前記導波路アレイから出射された光線の第１方向（ｙ）のビームをコリメートする光学系と、
前記導波路アレイで出射方向が走査された光線の第２方向（ｘ）のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、
を有する、光線走査システム。
【請求項３】
請求項１記載の光線走査システムにおいて、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの出射光線のビームウエスト径を、前記空間光変調器の口径程度に拡大してコリメートして前記空間光変調器に投射するビーム径拡大光学系と、
を有する、光線走査システム。
【請求項４】
請求項２記載の光線走査システムにおいて、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの出射光線を入力する入力導波路と、
前記入力導波路からの光線を前記導波路アレイの複数の各々の導波路へ分岐する分岐導波路と、
を有する、光線走査システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の光線走査システムにおいて、
前記ビーム径縮小光学系は、第１焦点距離（ｆ１）の第１レンズと、第２焦点距離（ｆ２）の第２レンズと、を備え、
前記第１レンズと前記第２レンズは、同じ光軸上に配置され、
前記第１レンズと前記第２レンズとのレンズ間の距離（ｄ２）は、ｄ２＝ｆ１＋ｆ２として決定される距離である、
光線走査システム。
【請求項６】
請求項１記載の光線走査システムにおいて、
前記空間光変調器は、液晶空間光変調器である、
光線走査システム。
【請求項７】
光線を出射して走査する光線走査システムと、
前記光線走査システムからの走査光線として出射されて対象物から反射、散乱された光を検出する光検出部と、
前記光検出部での検出に基づいて、前記対象物との距離を測定する距離測定部と、
を備え、
前記光線走査システムは、レーザ光源と、空間光変調器と、前記レーザ光源からの出射光線のビームウエスト径を、前記空間光変調器の口径程度に拡大してコリメートして前記空間光変調器に投射するビーム径拡大光学系と、前記空間光変調器で反射方向が走査された光線のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、を有する、
距離測定システム。
【請求項８】
光線を走査するように出射する光線走査システムと、
前記光線走査システムからの走査光線として出射されて対象物から反射、散乱された光を検出する光検出部と、
前記光検出部での検出に基づいて、前記対象物との距離を測定する距離測定部と、
を備え、
前記光線走査システムは、レーザ光源と、入力導波路と、分岐導波路と、導波路アレイと、前記導波路アレイの複数の各々の導波路を伝搬する光の位相を制御する位相シフタと、前記導波路アレイから出射された光線の第１方向（ｙ）のビームをコリメートする光学系と、前記導波路アレイで出射方向が走査された光線の第２方向（ｘ）のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、を有する、
距離測定システム。
【請求項９】
請求項７または８に記載の距離測定システムにおいて、
前記ビーム径縮小光学系は、第１焦点距離（ｆ１）の第１レンズと、第２焦点距離（ｆ２）の第２レンズと、を備え、
前記第１レンズと前記第２レンズは、同じ光軸上に配置され、
前記第１レンズと前記第２レンズとのレンズ間の距離（ｄ２）は、ｄ２＝ｆ１＋ｆ２として決定される距離である、
距離測定システム。
【請求項１０】
請求項７記載の距離測定システムにおいて、
前記空間光変調器は、液晶空間光変調器である、
距離測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線の伝搬方向を掃引する走査を行う光線走査システム等の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、光線走査の方式（方法および装置等を含む）としては、（ａ）空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）を用いる方式、（ｂ）光導波路アレイを用いる方式、あるいは、（ｃ）マイクロミラーを用いる方式、等が利用されている。
【０００３】
（ａ）の方式は、例えば、ＬＣＯＳ（登録商標）（エルコス、Liquid Crystal on Silicon）−ＳＬＭ等のＳＬＭによって、光線の位相分布を変化させて光線を走査する方式である。ＬＣＯＳは、液晶を用いたマイクロ投射／表示技術である。ＬＣＯＳでは、シリコンチップ表面に液晶が搭載されており、その液晶を覆う層は高い反射率を持つ。
【０００４】
（ｂ）の方式は、例えば、石英やシリコンによる光導波路アレイで位相差をつけた光線を放射し、導波路の位相を制御して光線の伝搬方向を変化させる方式である。
【０００５】
（ｃ）の方式は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーのような微小なミラーを静電気力で駆動して光線を走査する方式である。
【０００６】
また、距離計測技術として、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging：光検出と測距、Laser Imaging Detection and Ranging：レーザ画像検出と測距）が挙げられる。ＬＩＤＡＲ等の距離計測に、光線走査方式を適用することが考えられる。ＬＩＤＡＲは、光を用いたリモートセンシング技術の１つであり、パルス状に発光するレーザ照射に対する散乱光を測定し、対象物との距離等を分析する技術である。ＬＩＤＡＲによる距離計測においては、距離分解能だけでなく、空間分解能も要求されている。空間分解能を高めるためには、光線の回折広がりを抑えるために、測定距離が長くなるにつれて、光ビームウエスト径（光線径）を大きくする必要がある。さらに、できるだけ広角に広い範囲を走査すること（広い走査角範囲）も要求されている。
【０００７】
光線走査に係わる先行技術例として、特開２０１６−６５９６４号公報（特許文献１）や特開２０１６−１３６０９０号公報（特許文献２）が挙げられる。特許文献１には、光学部品として、反射角度を広角化しつつ、小型化可能な旨や、以下の旨が記載されている。この光学部品は、入射光を所定の反射角度で反射する。この光学部品は、ＭＥＭＳミラーを備える。ＭＥＭＳミラーは、入射光を反射する反射面を有し、反射角度を走査する。パッケージにおける蓋部は、反射光を透過し、回折レンズ部を有する。回折レンズ部は、反射角度を広角化するように周期的な凹凸形状をなしている。
【０００８】
特許文献２には、レーザ測距装置等として、測距に用いることができない無駄な発光を防止する旨や、以下の旨が記載されている。このレーザ測距装置の投光部は、レーザ光源と、回転しながらレーザ光を反射して走査範囲を走査するミラーと、走査範囲を拡大するレンズとを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−６５９６４号公報
【特許文献２】特開２０１６−１３６０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
（ａ）の方式、例えば従来のＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いた光線走査では、大口径ビーム（比較的大きい光線径）が利用できるので、空間分解能を高くすることができるが、光線の走査角としては２〜３°の小さい角度にとどまっていた。すなわち、この方式では、実現できる走査角範囲が狭い。また、ＬＣＯＳは、面型素子であるので、二次元の光線走査が可能である。しかしながら、ＬＣＯＳでは、光線の走査角を広角にすると、回折損失が増大してしまい、利用できない。
【００１１】
（ｂ）の方式、例えば石英やシリコンによる光導波路アレイで位相差をつける方式は、大規模アレイにすれば、大口径ビームが利用でき、非機械的な走査を行うことができる。よって、高速動作可能で高耐久なシステムを期待できる。しかしながら、この方式では、アレイを構成する導波路の間隔が光の波長の５倍以上になるので、回折させることができる角度は非常に小さいものとなっている。すなわち、この方式でも、実現できる走査角範囲が狭い。
【００１２】
（ｃ）の方式、例えばＭＥＭＳミラーを用いて機械的に光線を走査する方式は、ミラーを共振させて高速に走査させる代わりに走査角が小さくなるか、あるいは、走査角を大きくする代わりに低速な走査を行うか、の選択になる。また、この方式では、ミラーのサイズ以上の口径のビームを反射させることができない。この方式では、大口径に対応させてミラーを大きくしようとする場合、重量や耐久性の点から、共振周波数を上げることが難しくなり、構造上、走査角度も小さくなる。すなわち、実現できる走査角範囲が狭くなる。広角の光線走査を実現する場合、ガルバノミラーやＭＥＭＳミラー等の、機械的なミラー駆動によって行われていた。しかし、走査速度が遅い、駆動部分があるために信頼性が低い、小型化が困難、等の課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、光線走査技術に関して、走査角の拡大によって広角走査が可能であり、空間分解能を高くすることができる等の技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のうち代表的な実施の形態は、光線走査システムであって、以下に示す構成を有することを特徴とする。一実施の形態の光線走査システムは、空間光変調器と、前記空間光変調器の口径程度のビームが投射されて前記空間光変調器で反射方向が走査された光線のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、を有する。
【００１５】
また、一実施の形態の光線走査システムは、導波路アレイと、前記導波路アレイの複数の各々の導波路を伝搬する光の位相を制御する位相シフタと、前記導波路アレイから出射された光線の第１方向（ｙ）のビームをコリメートする光学系と、前記導波路アレイで出射方向が走査された光線の第２方向（ｘ）のビームウエスト径を縮小するビーム径縮小光学系と、を有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、光線走査技術に関して、走査角の拡大によって広角走査が可能であり、空間分解能を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１の光線走査システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の光線走査システムのビーム径縮小拡大光学系の構成の説明図である。
【図３】実施の形態１の光線走査システムの実装構成例を示す図である。
【図４】実施の形態１の光線走査システムの液晶空間光変調器の構成に関する説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２の光線走査システムの実装構成例の上面図である。
【図６】実施の形態２の光線走査システムの実装構成例の側面図である。
【図７】実施の形態２の光線走査システムの導波路アレイの構成に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
本発明の実施の形態の光線走査システムでは、大口径ビーム、すなわちビームウエスト径が比較的大きい光線（ビームとも記載する）を走査することができる走査機能を有する空間光変調器または導波路アレイを用いる。空間光変調器または導波路アレイによって基本的な光線走査が可能である。そして、この光線走査システムでは、その空間光変調器または導波路アレイに、ビーム径縮小光学系を含む光学系を付加、接続した構成とする。これにより、この光線走査システムでは、従来構成（例えば空間光変調器のみの構成や導波路アレイのみの構成）よりも、光線の走査角を拡大し（言い換えると広角にし）、広い走査角範囲を実現している。したがって、この光線走査システムでは、空間分解能が高く、かつ、広角走査可能であり、ＬＩＤＡＲシステム等に好適に適用可能となっている。
【００２０】
（実施の形態１）
図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態１の光線走査システム等について説明する。実施の形態１は、前述の（ａ）のＳＬＭを用いる方式に対応する形態を示す。また、実施の形態１の距離測定システムは、実施の形態１の光線走査システムを要素として含む。
【００２１】
［光線走査システム］
図１は、実施の形態１の光線走査システム１の全体概要構成を示す。実施の形態１の光線走査システム１は、ＬＩＤＡＲシステム１０に適用された場合を示す。ＬＩＤＡＲシステム１０は、実施の形態１の距離測定システムであって、実施の形態１の光線走査システム１と、光走査部２１と、光検出部２２と、距離測定部２３とを含む。実施の形態１の光線走査システム１は、制御装置１１、入出力装置１２、レーザ光源１３、ビーム径縮小拡大光学系１５、液晶空間光変調器１８を含む。ビーム径縮小拡大光学系１５は、ビーム径拡大光学系１６と、ビーム径縮小光学系１７とを含む。ビーム径縮小拡大光学系１５は、ビーム径を拡大および縮小する光学系である。なお、光線走査システム１は、制御装置１１や入出力装置１２等の具備は必須ではなく、ＬＩＤＡＲシステム１０に制御装置や入出力装置等を具備してもよい。
【００２２】
ＬＩＤＡＲシステム１０の光走査部２１は、光線走査システム１を用いて、測距の対象物２（それを含む走査角範囲）に対して光線を走査する。ＬＩＤＡＲシステム１０の光検出部２２は、走査光線の対象物２からの反射・散乱光を入射して信号として検出する。距離測定部２３は、その検出に基づいて、対象物２との距離を測定する。距離を含む測定結果情報は、入出力装置１２を介して出力される。
【００２３】
光線走査システム１は、実施の形態１では、液晶空間光変調器１８（特に図３のＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５）を用いる方式（前述の（ａ）の方式）で、光線を走査するシステムであり、走査光線を出射する。制御装置１１は、光線走査システム１の全体および各部を制御することで、光線走査を実現する。制御装置１１は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む集積回路等の公知の要素で実現できる。入出力装置１２は、ユーザ等に対する入力および出力や、外部との通信等を処理する。
【００２４】
制御に基づいて、レーザ光源１３から、レーザ光による光線が出射される。出射された光線が、ビーム径拡大光学系１６に入射される。ビーム径拡大光学系１６は、その光線のビームウエスト径（言い換えると光線径）を、液晶空間光変調器１８の口径程度に拡大してコリメートして、その拡大・コリメート光を、液晶空間光変調器１８に投射する。液晶空間光変調器１８は、ビーム径拡大光学系１６からの拡大・コリメート光を入射して反射することで走査を行う。液晶空間光変調器１８で反射方向が走査された光線が、ビーム径縮小光学系１７に入射される。ビーム径縮小光学系１７は、反射光線のビームウエスト径を縮小することで走査角を拡大して、走査光線として出射する。
【００２５】
光走査部２１は、ビーム径縮小光学系１７からの走査光線に基づいて、対象物２に対して走査を行う。走査光線は、例えば、周期的なパルス状の光線である。なお、光走査部２１は、ミラー等の部品を備えてもよい。この走査光線に対する対象物２からの反射・散乱光が、光検出部２２で信号として検出される。距離測定部２３は、例えば、出射された走査光線と入射された検出光線とのパルスの時間差等に基づいて、公知の原理を用いて、対象物２との距離等を計算する。
【００２６】
［ビーム径縮小拡大光学系］
図２は、実施の形態１の光線走査システム１における、特にビーム径縮小光学系１７の構成、原理等を示す説明図である。ビーム径縮小光学系１７は、入射側に第１レンズ１０１、出射側に第２レンズ１０２を有する。第１レンズ１０１、第２レンズ１０２は、それぞれ、焦点距離ｆ１，ｆ２を持つとする。第１レンズ１０１、第２レンズ１０２は、互いの光軸が一致するように同じ光軸Ｊ１上に配置されている。図２では、第１レンズ１０１としては凸レンズ、第２レンズ１０２としては凹レンズを用いている。なお、焦点距離は、凹レンズでは負の値となる。
【００２７】
第１レンズ１０１の図示左側から光線が入射すると仮定する。第１レンズ１０１と第２レンズ１０２とを薄肉レンズとする場合、近軸近似の下で、光線の軌道を行列で表現すると、下記の式１の通りになる。ｄ１は第１レンズ１０１中心から光線入射位置までの距離、ｄ２は第１レンズ１０１中心から第２レンズ１０２中心までの距離である。上記光線入射位置は、後述する図３ではＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の中心位置となる。これらの位置関係、レンズ焦点距離の値は、薄肉レンズと近軸光線の近似の下の値であり正確ではない。実際には、光線追跡や光波伝搬計算によって光ビーム伝搬解析を行い、位置関係を明らかにし、レンズ選定を行うことは言うまでもない。
【数１】
2019152707.tif 000003
【００２８】
図２および式１で、ｒinは、入射光線（例：光線Ｌ１）の、光軸（一点鎖線で示す光軸Ｊ１）からの距離（「入射側距離」とする）である。この距離は、光軸に対する垂直方向（径方向およびレンズ面内方向）での位置（入射位置）を表す距離である。ｒoutは、出射光線（例：光線Ｌ２）の、光軸Ｊ１からの距離（「出射側距離」とする）である。ｒin2は、入射光線の、光軸Ｊ１に対する角度（「入射側角度」とする）である。ｒout2は、出射光線の、光軸Ｊ１に対する角度（「出射側角度」とする）である。式１の行列式を展開すると、式２が得られる。
【数２】
2019152707.tif 000004
【００２９】
ビーム（光線）の直進性の条件は、式２より、下記の式３である。この条件は、同一の角度（入射側角度ｒin2）で入射された光の出射角度（出射側角度ｒout2）が入射位置（入射側距離ｒin）に依らずに等しくなるという条件である。
【数３】
2019152707.tif 000005
【００３０】
式３を満たす場合、ｄ２＝ｆ１＋ｆ２である。その場合、式２は、下記の式４に変形できる。
【数４】
2019152707.tif 000006
【００３１】
式４の場合に、光軸に平行なビームのビーム径の拡大倍率（ｒout／ｒin）は、下記の式５となる。すなわち、その拡大倍率は、−ｆ２／ｆ１である。また、ビームの角度倍率（ｒout2／ｒin2）は、下記の式６となる。すなわち、その角度倍率は、−ｆ１／ｆ２である。なお、ここでは、ビームとは、径方向の各位置（距離）の複数の光線の束から成る。
【数５】
2019152707.tif 000007
【数６】
2019152707.tif 000008
【００３２】
すなわち、ビーム径縮小光学系１７の２つのレンズ（第１レンズ１０１、第２レンズ１０２）は、図示のように、それらの焦点距離（ｆ１，ｆ２）の和（ｄ２＝ｆ１＋ｆ２）の距離に等しい位置に配置される。これによって、焦点距離（ｆ１，ｆ２）の比率（ｆ１／ｆ２、ｆ２／ｆ１）に応じて、ビームウエスト径を拡大して回折広がり角を小さくしたり、ビームウエスト径を縮小して回折広がり角を大きくしたりすることができる。これらは、互いに反比例の関係にある。ｆ２／ｆ１を大きく、ｆ１／ｆ２を小さくすると、ビーム径の拡大倍率が大きくなり、ビームの角度倍率が小さくなる。ｆ２／ｆ１を小さく、ｆ１／ｆ２を大きくすると、ビーム径の拡大倍率が小さくなり、ビームの角度倍率が大きくなる。
【００３３】
上記のように、液晶空間光変調器１８に加え、２つのレンズ（第１レンズ１０１、第２レンズ１０２）を含むビーム径縮小光学系１７を有する構成で、出射側の光線の角度を変更する光線走査が実現できる。なお、図２の光学系（ビーム径縮小光学系１７）に光線を入射する向きを変えることで（例えば図示の右側が入射側となる）、変更前のビーム径縮小光学系が変更後のビーム径拡大光学系として機能し、変更前のビーム径拡大光学系が変更後のビーム径縮小光学系として機能することは明白である。
【００３４】
［実装構成例（１）］
図３は、図１の実施の形態１の光線走査システム１に係わる、より詳しい実装構成例を示す。この光線走査システム１は、半導体レーザ１０３、コリメート用レンズ１０４、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５、第１レンズ１０１、第２レンズ１０２等を有し、それらが図示のように所定の配置関係を有する。半導体レーザ１０３の光軸（一点鎖線、第１光軸Ｊ１１）上に、コリメート用レンズ１０４、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５が配置されている。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の反射の光軸（一点鎖線、第２光軸Ｊ１２）上に、第１レンズ１０１、第２レンズ１０２が配置されている。この構成では、レーザ光源１３として半導体レーザ１０３を有する。ビーム径拡大光学系１６としてコリメート用レンズ１０４を有する。液晶空間光変調器１８としてＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５を有する。ビーム径縮小光学系１７として、第１レンズ１０１、第２レンズ１０２を有する。
【００３５】
半導体レーザ１０３から出射されたレーザ光は、コリメート用レンズ１０４によってコリメートされる。コリメート用レンズ１０４は、単一の凸レンズの場合を示す。半導体レーザ１０３は開口数が大きいので、コリメート用レンズ１０４は複数のレンズから成る光学系としてもよい。ここでは、コリメートされた光線のビームウエスト径（半径）（Ｗ１とする）を、例えば3.47mmであると仮定する。このビームウエスト径Ｗ１は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の口径の大きさに合わせられている。
【００３６】
半導体レーザ１０３から出射された光は、コリメート用レンズ１０４によって平行光にコリメートされる。コリメート用レンズ１０４は、多数のレンズから構成される場合もある。コリメート用レンズ１０４を透過した光ビームは、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５上にビームウエストを持つ。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５は、例えば画素寸法が６μｍであり、2000×2000の画素数を有する。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５は、画素の電圧を制御することによって、反射光の位相を２５６階調で変更することが可能である。そのため、図４に示すように、画素に鋸状の屈折率変化を与え、伝搬光の位相を鋸状に変えることで、反射光の伝搬方向を制御できる。すなわち、偏向による走査ができる。しかしながら、この偏向角を増やしていくと、高次回折光成分が増えて、回折損失が増大するので、この偏向角には上限がある。例えば、波長が1550nmの光を３°偏向させると、0.7dBの回折損失が生じる。
【００３７】
図４は、実施の形態１のＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の構成に関する説明図である。図４の（Ａ）は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の面での反射等を示す。図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）のＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の面内の画素の位置に対応させた、反射光位相変化を示す。図４の（Ａ）で、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の面に対し、光軸に沿って光線（ビーム）が入射している。入射光線の両側（光線Ｌ１１，Ｌ１２）を実線で示す。入射光線がＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の面で反射される。偏向（位相変化、屈折率変化に対応する）が無い場合の反射光線を点線で示す。偏向がある場合の反射光線を破線で示す。偏向を矢印で示す。偏向がある反射光線では、高次回折光を有する。図４の（Ｂ）で、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５の面内における２次元の一方の方向に並んでいる複数の画素の範囲において、その方向の各画素の位置に応じた鋸状（複数の階段状）の反射光位相変化を有する。この鋸状は、所定の画素領域毎に位相が所定量毎に増分してゆき０から２πの範囲で循環的に繰り返す形状である。
【００３８】
ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５は、反射角度を±５°偏向させることができる。第１レンズ１０１の焦点距離ｆ１は例えば75mmであり、第２レンズ１０２の焦点距離ｆ２は例えば-7.5mmである。これらのレンズは、所定の間隔（ｄ２＝ｆ１＋ｆ２）として例えば67.5mmとなるように設置されている。
【００３９】
これにより、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５からの反射光に基づいて、第１レンズ１０１および第２レンズ１０２を通過したビームは、ビームウエスト径（Ｗ２とする）が例えば0.347mmとなるように縮小されている。これにより、第２光軸Ｊ１２を中心として、所定の角度（走査角）として±41.1°の範囲（走査角範囲α１とする）で光線走査が可能である。２つの焦点距離ｆ１，ｆ２の組み合わせを変える設計によって、様々なビームウエスト径と走査角範囲が得られる。これらは、概ね反比例の関係にある。ビームウエスト径を大きくすると走査角範囲が狭くなり、ビームウエスト径を小さくすると走査角範囲が広くなる。
【００４０】
ＬＣＯＳ−ＳＬＭのみの構成では、高々±５°の狭い走査角範囲しか得られない。それに対し、実施の形態１では、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５にビーム径縮小光学系１７を接続した構成で、走査角範囲α１として±40°以上（大きさとして80°以上）の広角走査が可能となる。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１０５として、面積が広い、画素数が多いものを利用することで、ビームウエスト径を大きくして、ＬＩＤＡＲシステム１０では、光線走査システム１から遠く離れた位置にある対象物２についても、高い空間分解能で、かつ広角の走査によって距離測定が可能である。
【００４１】
（実施の形態２）
図５〜図７を用いて、本発明の実施の形態２の光線走査システム等について説明する。実施の形態２は、前述の（ｂ）の光導波路アレイを用いる方式に対応する形態を示す。
【００４２】
［実装構成例（２）］
図５，図６は、実施の形態２の光線走査システム１の実装構成例を示す。図５は、実装構成例の上面図（ｙ方向で平面視したｘ−ｚ平面図）を示す。図６は、図５に対応する側面図（ｘ方向で平面視したｙ−ｚ平面図）を示す。なお、説明上の方向として、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を有する。ｚ方向は主な光軸に対応する方向である。ｘ方向、ｙ方向は、ｚ方向に対する垂直面を構成する２つの方向である。
【００４３】
なお、実施の形態２の光線走査システム１の概要構成としては、図１の実施の形態１の構成での液晶空間光変調器１８は無く、ビーム径縮小拡大光学系１５の構成が異なる。実施の形態２では、液晶空間光変調器１８の代わりに、図５等のように、導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１等が設けられている。そして、導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１に、ビーム径縮小光学系１７が接続されている。導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１は、基本的な走査機能を有する。ビーム径拡大光学系１６としては、光分岐回路１０９が相当する。この構成では、導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１等を経由して位相シフトされて出射方向が走査された光線が、ビーム径縮小光学系１７に入射される。
【００４４】
図５で、実施の形態２の光線走査システム１は、半導体レーザ１０６、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０７、入力シリコン導波路１０８、光分岐回路１０９、導波路アレイ１１０、位相シフタ１１１、シリンドリカルレンズ１１２、第１レンズ１１３、第２レンズ１１４等を有する。ｚ方向に延在する主な光軸（一点鎖線、第１光軸Ｊ２１）上に、半導体レーザ１０６、ＳＯＩ基板１０７、シリンドリカルレンズ１１２、第１レンズ１１３、第２レンズ１１４が配置されている。ｚ方向の所定の位置ｚ２にシリンドリカルレンズ１１２、位置ｚ３に第１レンズ１１３、位置ｚ４に第２レンズ１１４が配置されている。
【００４５】
半導体レーザ１０６の出射光軸にはＳＯＩ基板１０７が接続されている。ＳＯＩ基板１０７には、入力シリコン導波路１０８、光分岐回路１０９、導波路アレイ１１０、位相シフタ１１１等が実装されている。ＳＯＩ基板１０７は、平板形状を有する導波路基板である。入力シリコン導波路１０８は、半導体レーザ１０６からのレーザ光を入力する入力導波路である。光分岐回路１０９は、入力シリコン導波路１０８からの光線を、導波路アレイ１１０への複数の光線に分岐する分岐導波路である。導波路アレイ１１０は、複数の導波路（光導波路）が配列されている。導波路アレイ１１０を構成する各導波路の光路長は全て等しい、あるいは、隣接する導波路の光路長がｄＬだけ異なり、徐々に長くなる。例えば、１番目の導波路の光路長をＬとすれば、２番目は、Ｌ＋ｄＬ、３番目はＬ＋２ｄＬ、Ｎ番目は、Ｌ＋（Ｎ−１）ｄＬとする。ＮｄＬは波長よりも短い。位相シフタ１１１は、複数の位相シフタが配列されている。導波路アレイ１１０における複数の各々の導波路の途中に、位相シフタ１１１の各々の位相シフタが挿入（言い換えると組として設置）されている。ＳＯＩ基板１０７の導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１の後に、第１光軸Ｊ２１上、シリンドリカルレンズ１１２等が互いの光軸を一致させて順に配置されている。
【００４６】
位相シフタ１１１は、導波路アレイ１１０の各導波路を伝搬する光の位相を制御する。位相シフタ１１１は、例えば、導波路上に設けられたＴｉＮヒータ（窒化チタンヒータ）である。ＴｉＮヒータの温度制御によって、導波路を伝播する光の位相の可変制御が可能である。
【００４７】
シリンドリカルレンズ１１２は、ＳＯＩ基板１０７の導波路アレイ１１０等から出射された、ｙ方向に広がるビーム（複数の光線から成るビーム）をコリメートする。シリンドリカルレンズ１１２は、柱面を持つレンズである。ｙ方向は、導波路基板面垂直方向（ＳＯＩ基板１０７の基板面に対する垂直方向）である。
【００４８】
実施の形態２の実装構成例では、図示のように、第１レンズ１１３と第２レンズ１１４との２つのレンズでビーム径縮小光学系１７が構成されている。この構成では、ｘ方向のみビームウエスト径を縮小する。すなわち、ｘ方向を走査方向とする。そのために、各々のレンズ（第１レンズ１１３、第２レンズ１１４）は、シリンドリカルレンズ（ｘ方向断面での曲面を含む柱面を持つレンズ）を用いている。ｘ方向は、導波路基板面水平方向（ＳＯＩ基板１０７の基板面内における光軸とは直交する水平方向）である。
【００４９】
光線走査システム１は、導波路アレイ１１０の位相シフタ１１１を制御することで、出射光ビームを、ｘ方向に走査することができる。例えば、制御装置１１は、位相シフタ１１１の各々のＴｉＮヒータへ、位相制御信号に対応する温度制御信号を与えることで、複数の各々の導波路の光の位相をシフトする。光の位相のシフトによって、光線出射方向としての走査角を変更できる。
【００５０】
半導体レーザ１０６から出射された光は、入力シリコン導波路１０８に入射される。半導体レーザ１０６と入力シリコン導波路１０８との接続では、結合効率を高めるために、レンズを利用したり、入力シリコン導波路１０８にビームスポット拡大構造が設けられたりしてもよい。入力シリコン導波路１０８を伝搬した光は、光分岐回路１０９に入射して、導波路アレイ１１０の各導波路に分岐される。光分岐回路１０９は、レンズ機能を有するスラブ導波路を用いることができる。あるいは、光分岐回路１０９は、マルチモード干渉導波路型分岐導波路を用いることもできる。位相シフタ１１１は、導波路アレイ１１０の各導波路を伝搬する光の位相を２π以上制御することが可能である。図７に示すように、導波路アレイ１１０の各導波路を伝搬する光の位相を鋸状に制御して、出射ビームの方向を制御できる。
【００５１】
図７は、実施の形態２の導波路アレイ１１０および位相シフタ１１１の構成に関する説明図を示す。図７では、ｘ−ｚ平面で、ＳＯＩ基板１０７の出射側の面における導波路アレイ１１０の一部（位相シフタ１１１で位相シフト後の部分）から出射する光線に関して、出射光位相変化を重ねて図示している。この出射光は、ｘ方向における高次回折光を有する。出射側の面におけるｘ方向に並んでいる複数の導波路の範囲において、ｘ方向の各位置の導波路に応じた、鋸状（複数の階段状）の出射光位相変化を有する。なお、この構成では、導波路アレイ１１０の出射側の端がテーパ状に広がっている。これによって、高次回折光成分を減らすことができる。
【００５２】
一般に、導波路アレイの導波路の間隔は波長の５倍程度となる。このことから、導波路アレイのみの構成（従来構成）の場合では、高々±10°の狭い走査角範囲しか得られない。
【００５３】
導波路アレイ１１０等からの出射光は、ｙ方向（導波路基板面垂直方向）への広がりをシリンドリカルレンズ１１２で抑えてコリメートされる。その後、その光線は、ビーム径縮小光学系１７（第１レンズ１１３、第２レンズ１１４）を経て、ｘ方向のビームウエスト径が縮小され、偏向角度が増大される。ビームウエスト径を１／５に縮小することで、導波路アレイのみの構成（従来構成）に対し、走査角、走査角範囲を５倍に広げることが可能である。このことから、実施の形態２の構成では、±50°程度（大きさとして100°程度）の走査角範囲α２を持つ広角走査が可能となる。
【００５４】
［効果等］
以上説明したように、実施の形態１や実施の形態２の光線走査システム１によれば、光線の走査角の拡大によって広角走査が可能であり、空間分解能を高くすることができる。この光線走査システム１は、ＬＩＤＡＲシステム１０等に好適に適用でき、広角での距離測定等が可能である。光線走査システム１によれば、空間光変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ等）または導波路アレイの走査機能における、走査角の拡大、言い換えると広い走査角範囲の実現が可能である。そのため、光線走査システム１を例えばＬＩＤＡＲシステム１０に適用する場合、広角の光線走査が可能であるから、１台の装置で広い視野角での距離測定が可能になる。従来、広角の光線走査を実現する場合で、前述の（ｃ）の方式のようにマイクロミラーの機械的な駆動によって行う場合、走査速度が遅い、信頼性が低い、小型化が困難、等の課題があった。それに対し、実施の形態１や実施の形態２の光線走査システム１によれば、広角走査の実現と共に、機械的駆動部分が無くなり、または少なくとも低減でき、高速走査や、装置小型化も可能となる。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、位相同期したレーザアレイを用いた光偏向器、電気光学効果を利用した光偏向器、可変プリズムによる光偏光器の出力にビーム縮小光学系を付加して、走査角を広角化することが可能である。実施の形態の光線走査システムは、ＬＩＤＡＲシステムに限らず、光線走査を用いる、光スイッチ、光ポインタ、描画装置、リソグラフィ装置、プロジェクタ、空中ディスプレイ、レーザ照明装置等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…光線走査システム、２…対象物、１０１…第１レンズ、１０２…第２レンズ、１０３…半導体レーザ、１０４…コリメート用レンズ、１０５…ＬＣＯＳ−ＳＬＭ、１０６…半導体レーザ、１０７…ＳＯＩ基板、１０８…入力シリコン導波路、１０９…光分岐回路、１１０…導波路アレイ、１１１…位相シフタ、１１２…シリンドリカルレンズ、１１３…第１レンズ（シリンドリカルレンズ）、１１４…第２レンズ（シリンドリカルレンズ）。
【図１】
2019152707.tif 000009
【図２】
2019152707.tif 000010
【図３】
2019152707.tif 000011
【図４】
2019152707.tif 000012
【図５】
2019152707.tif 000013
【図６】
2019152707.tif 000014
【図７】
2019152707.tif 000015