(57)【要約】【課題】ビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置を提供する。【解決手段】透過光の屈折角度を調節し、ビームを所望のところにスキャニングすることができるビームスキャニング装置、及び外部の物体から反射された光を感知し、外部物体に係わる情報を抽出することができる光学装置に係り、該ビームスキャニング装置は、多数の微細な位相変換要素が配列された多数のメタ領域を有する回転型メタレンズ、回転型メタレンズを回転させる回転駆動装置と、を含み、多数のメタ領域は、透過光をスキャニング領域上の互いに異なる位置に進行させるようにも構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の微細な位相変換要素がそれぞれ配列されている多数のメタ領域を有する回転型メタレンズと、
前記回転型メタレンズを回転させる回転駆動装置と、を含み、
多数のメタ領域のうち第１メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置に進行させるように構成され、多数のメタ領域のうち第２メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置と異なる第２位置に進行させるように構成されたビームスキャニング装置。
【請求項２】
前記回転型メタレンズは、円盤形態を有する透明な基板を含み、前記多数のメタ領域は、前記基板の円周方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項１に記載のビームスキャニング装置。
【請求項３】
前記第１メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態は、前記第２メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態と異なることを特徴とする請求項２に記載のビームスキャニング装置。
【請求項４】
前記多数の位相変換要素は、前記基板上に配置された柱形態を有し、それぞれの位相変換要素は、前記基板の屈折率より高い屈折率を有することを特徴とする請求項３に記載のビームスキャニング装置。
【請求項５】
それぞれのメタ領域は、第１サブ領域及び第２サブ領域を含み、第１サブ領域及び第２サブ領域は、前記多数の位相変換要素の配列形態が互いに同一であることを特徴とする請求項３又は４に記載のビームスキャニング装置。
【請求項６】
それぞれのメタ領域に対して、前記第１サブ領域及び第２サブ領域の周期が異なることを特徴とする請求項５に記載のビームスキャニング装置。
【請求項７】
前記多数のメタ領域は、多数の内側メタ領域を有し、それぞれの内側メタ領域は、前記透明な基板の第１放射距離に配置され、前記回転型メタレンズは、多数の外側メタ領域をさらに含み、それぞれの外側メタ領域は、前記透明な基板の第１放射距離と異なる第２放射距離に配置されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項８】
前記多数のメタ領域を透過する透過光が、スキャニング領域内で均一に分布された多数のスキャニング位置に進むように、前記多数のメタ領域が構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項９】
前記多数のメタ領域を透過する透過光が、スキャニング領域内の多数のスキャニング位置に進行し、スキャニング領域の中心部分において、前記多数のスキャニング位置の分布密度は、スキャニング領域の周辺部分において、前記多数のスキャニング位置の分布密度より高いことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１０】
前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、
前記回転型メタレンズを透過した光を反射させ、一方向にスキャニングする多角形鏡と、
前記多角形鏡を回転させる第２回転駆動装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１１】
前記回転型メタレンズは、第１回転型メタレンズであり、前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、
前記第１回転型メタレンズを透過した光の進行方向を変更する第２回転型メタレンズと、
前記第２回転型メタレンズを回転させる第２回転駆動装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１２】
前記第２回転型メタレンズは、多数の微細な位相変換要素が配列された多数の第２メタ領域を有し、前記第２回転型メタレンズの多数の第２メタ領域は、透過光を、スキャニング領域上の互いに異なる位置に進行させるように構成されることを特徴とする請求項１１に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１３】
多数のメタ領域を透過した光を反射させる鏡をさらに含み、
前記鏡は、前記回転型メタレンズの回転軸に対して、４５°傾いた反射面を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１４】
光源と、
前記光源から放出された光をスキャニングするビームスキャニング装置と、
前記光源から放出され、外部の物体から反射された光を感知する光検出器と、を含み、
前記ビームスキャニング装置は、
多数の微細な位相変換要素が配列された多数のメタ領域を有する回転型メタレンズと、
前記回転型メタレンズを回転させる回転駆動装置と、を含み、
多数のメタ領域のうち第１メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置に進行させるように構成され、多数のメタ領域のうち第２メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置と異なる第２位置に進行させるように構成された光学装置。
【請求項１５】
前記回転型メタレンズは、円盤形態を有する透明な基板を含み、前記多数のメタ領域は、前記基板の円周方向に沿って、扇形状に配列されていることを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記第１メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態は、前記第２メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態と異なることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記多数の位相変換要素は、前記基板上に配置された柱形態を有し、それぞれの位相変換要素は、前記基板の屈折率より高い屈折率を有することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記多数のメタ領域は、前記基板の半径方向に沿って、追加的に配列されていることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１９】
距離センサまたは三次元センサであることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２０】
前記光源と前記回転型メタレンズとの間に配置されたビームスプリッタをさらに含み、前記ビームスプリッタは、前記光源から放出された光を透過させ、前記回転型メタレンズに送り、外部の物体から反射された光を反射させ、前記光検出器に送ることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２１】
前記光検出器の測定結果を基に、外部の物体に係わる位置情報を計算する計算機をさらに含むことを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２２】
前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、
前記回転型メタレンズを透過した光を反射させ、一方向にスキャニングする多角形鏡と、
前記多角形鏡を回転させる第２回転駆動装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２３】
前記回転型メタレンズは、第１回転型メタレンズであり、前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、
前記第１回転型メタレンズを透過した光の進行方向を変更する第２回転型メタレンズと、
前記第２回転型メタレンズを回転させる第２回転駆動装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２４】
多数のメタ領域を透過した光を反射させる鏡をさらに含み、
前記鏡は、前記回転型メタレンズの回転軸に対して、４５°傾いた反射面を有することを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記回転型メタレンズの回転を感知する同期化装置をさらに含み、
前記回転型メタレンズの前記多数のメタ領域のうち一つは、前記光源から放出された光を、前記同期化装置に向けて進行させるように構成されたことを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置に係り、さらに詳細には、透過光の屈折角度を調節し、ビームを所望のところにスキャニングすることができるビームスキャニング装置、及び外部の物体から反射された光を感知し、外部物体に係わる情報を抽出することができる光学装置に関する。
【０００２】
最近、多様な機能の運転者補助システム（ＡＤＡＳ：ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ）が商用化されている。例えば、他車両の位置と速度とを認識し、衝突危険がある場合には、速度を落とし、衝突危険がない場合には、設定された速度範囲内で車を走行させる自動感応式巡航制御（ＡＣＣ：ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｒｕｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）や、前方車両を認識し、衝突危険があるが、運転手がそれに対する対応を行わないか、あるいは対応方式が適切ではない場合、自動的に制動を加えて衝突を防止する自律緊急制動システム（ＡＥＢ：ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）のような機能を装着した車両が増加している。また、近未来に、自律走行（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｄｒｉｖｉｎｇ）自在な自動車が商用化されると期待されている。
【０００３】
それにより、車両周辺の情報を提供することができる光学測定装置への関心が高まっている。例えば、車用ＬｉＤＡＲ（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）は、車両周辺の選択された領域にレーザを照射し、反射されたレーザを感知し、車両周辺にある物体との距離、相手速度及び方位角などに係わる情報を提供することができる。そのために、車両用ＬｉＤＡＲは、所望領域に光をスキャニングすることができるビームスキャニング装置を含む。
【０００４】
該ビームスキャニング装置は、また車用ＬｉＤＡＲ以外にも、ロボット用ＬｉＤＡＲ、ドローン用ＬｉＤＡＲ、保安用侵入者感知システム、地下鉄スクリーンドア障害物感知システム、深さセンサ、モバイルフォンでの使用者顔認識用センサ、拡張現実（Ａｒ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）、ＴＶ（ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）あるいは娯楽機器での動作認識及び物体形態検査（ｏｂｊｅｃｔ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）、または他の装置やシステムなどにも活用することができる。
【０００５】
該ビームスキャニング装置には、大きく見て、機械式ビームスキャニング装置と非機械式ビームスキャニング装置がある。例えば、該機械式スキャニング装置には、光源自体を回転させる方式、または光を反射する鏡を回転させる方式、球面レンズを、光軸に垂直方向に移動させる方式などがある。また、該非機械式スキャニング装置には、半導体素子を利用する方式と、多数のマイクロアンテナアレイを利用し、反射光の角度を電気的に制御する方式と、がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】中国特許第１０３３６７９３０号明細書
【特許文献２】特開２００２−７１８０１号公報
【特許文献３】韓国登録特許第１０−１４５０５７７号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１７／００４０７１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、透過光の屈折角度を調節し、ビームを所望のところにスキャニングすることができるビームスキャニング装置、及び外部の物体から反射された光を感知し、外部物体に係わる情報を抽出することができる光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態によれば、多数の微細な位相変換要素が配列された多数のメタ領域を有する回転型メタレンズ、及び前記回転型メタレンズを回転させる回転駆動装置を含むビームスキャニング装置が提供される。ここで、該多数のメタ領域のうち第１メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置に進行させるように構成され、該多数のメタ領域のうち第２メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置と異なる第２位置に進行させるようにも構成される。
【０００９】
前記回転型メタレンズは、円盤形態を有する透明な基板を含み、前記多数のメタ領域は、前記基板の円周方向に沿って、扇形状にも配列される。
【００１０】
前記第１メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態は、前記第２メタ領域の前記多数の位相変換要素の配列形態と異なっていてもよい。
【００１１】
前記多数の位相変換要素は、前記基板上に配置された柱形態を有することができる。
【００１２】
それぞれの位相変換要素は、前記基板の屈折率より高い屈折率を有することができる。
【００１３】
それぞれのメタ領域は、第１サブ領域及び第２サブ領域を含み、第１サブ領域及び第２サブ領域は、前記多数の位相変換要素の配列形態が互いに同一でもある。
【００１４】
それぞれのメタ領域に対して、前記第１サブ領域及び第２サブ領域の周期が異なっていてもよい。
【００１５】
前記多数のメタ領域は、多数の内側メタ領域を有し、それぞれの内側メタ領域は、前記透明な基板の第１放射距離に配置され、前記回転型メタレンズは、多数の外側メタ領域をさらに含み、それぞれの外側メタ領域は、前記透明な基板の第１放射距離と異なる第２放射距離にも配置される。
【００１６】
前記多数のメタ領域を透過する透過光が、スキャニング領域内で均一に分布された多数のスキャニング位置に進むように、前記多数のメタ領域が構成される。
【００１７】
前記多数のメタ領域を透過する透過光が、スキャニング領域内の多数のスキャニング位置に進行し、スキャニング領域の中心部分において、前記多数のスキャニング位置の分布密度は、スキャニング領域の周辺部分において、前記多数のスキャニング位置の分布密度よりも高い。
【００１８】
前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、前記ビームスキャニング装置は、前記回転型メタレンズを透過した光を反射させ、一方向にスキャニングする多角形鏡、及び前記多角形鏡を回転させる第２回転駆動装置をさらに含んでもよい。
【００１９】
また、前記回転型メタレンズは、第１回転型メタレンズであり、前記回転駆動装置は、第１回転駆動装置であり、前記ビームスキャニング装置は、前記第１回転型メタレンズを透過した光の進行方向を変更する第２回転型メタレンズ、及び前記第２回転型メタレンズを回転させる第２回転駆動装置をさらに含んでもよい。
【００２０】
前記第２回転型メタレンズは、多数の微細な位相変換要素が配列された多数の第２メタ領域を有し、前記第２回転型メタレンズの多数の第２メタ領域は、透過光をスキャニング領域上の互いに異なる位置に進行させるようにも構成される。
【００２１】
前記ビームスキャニング装置は、多数のメタ領域を透過した光を反射させる鏡をさらに含み、前記鏡は、前記回転型メタレンズの回転軸に対して、４５°傾いた反射面を有することができる。
【００２２】
他の実施形態によれば、光源、前記光源から放出された光をスキャニングするビームスキャニング装置、及び前記光源から放出され、外部の物体から反射された光を感知する光検出器を含む光学装置が提供され、ここで、前記ビームスキャニング装置は、多数の微細な位相変換要素が配列された多数のメタ領域を有する回転型メタレンズ、及び前記回転型メタレンズを回転させる回転駆動装置を含み、多数のメタ領域のうち第１メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置に進行させるように構成され、多数のメタ領域のうち第２メタ領域は、透過光を、スキャニング領域内の第１位置と異なる第２位置に進行させるようにも構成される。
【００２３】
前記光学装置は、前記光源と前記回転型メタレンズとの間に配置されたビームスプリッタをさらに含み、前記ビームスプリッタは、前記光源から放出された光を透過させ、前記回転型メタレンズに送り、外部の物体から反射された光を反射させ、前記光検出器に送るようにも構成される。
【００２４】
前記光学装置は、前記光検出器の測定結果を基に、外部の物体に係わる位置情報を計算する計算機をさらに含んでもよい。
【００２５】
前記光学装置は、前記回転型メタレンズの回転を感知する同期化装置をさらに含んでもよい。
【００２６】
前記回転型メタレンズの前記多数のメタ領域のうち一つは、前記光源から放出された光を前記同期化装置に向けて進行させるようにも構成される。
【００２７】
例えば、前記光学装置は、距離センサまたは三次元センサでもある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】一実施形態によるビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】一実施形態による回転型メタレンズの構成を例示的に示す平面図である。
【図３】図２に図示された回転型メタレンズを利用してビームをスキャニングする原理を概略的に示す図面である。
【図４】図２に図示された回転型メタレンズを利用してビームをスキャニングする原理を概略的に示す図面である。
【図５】回転型メタレンズのメタ領域内に配列された位相変換要素を例示的に示す斜視図である。
【図６】回転型メタレンズの位相変換要素の直径と、回転型メタレンズの透過度との関係を例示的に示すグラフである。
【図７】回転型メタレンズの１つの位相変換要素の直径と、透過光の位相変化との関係を例示的に示すグラフである。
【図８】回転型メタレンズの１つのメタ領域内に配列された位相変換要素を例示的に示す断面図である。
【図９Ａ】回転型メタレンズの多様なメタ領域と、それによる透過光のスキャニング分布と、を例示的に示す図面である。
【図９Ｂ】回転型メタレンズの多様なメタ領域と、それによる透過光のスキャニング分布と、を例示的に示す図面である。
【図１０Ａ】回転型メタレンズの回転による多様なスキャニング方向を例示的に示す図面である。
【図１０Ｂ】回転型メタレンズの回転による多様なスキャニング方向を例示的に示す図面である。
【図１０Ｃ】回転型メタレンズの回転による多様なスキャニング方向を例示的に示す図面である。
【図１１Ａ】回転型メタレンズによる多様なスキャン密度の例を示す図面である。
【図１１Ｂ】回転型メタレンズによる多様なスキャン密度の例を示す図面である。
【図１２Ａ】回転型メタレンズによる多様なスキャン密度の例を示す図面である。
【図１２Ｂ】回転型メタレンズによる多様なスキャン密度の例を示す図面である。
【図１３Ａ】他の実施形態による回転型メタレンズの構成を例示的に示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに図示された回転型メタレンズの活用例を示す図面である。
【図１４Ａ】他の実施形態によるビームスキャニング装置を示すブロック図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａによるビームスキャニング装置において、回転型メタレンズによる透過光のスキャニング分布を例示的に示す図面である。
【図１５】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置を示すブロック図である。
【図１６】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置を示すブロック図である。
【図１７】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置を示すブロック図である。
【図１８】他の実施形態による光学装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図１９】一実施形態による光学装置を車両用ＬｉＤＡＲとして活用した例を概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、添付された図面を参照し、ビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置について詳細に説明する。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さと便宜さとのために、誇張されてもいる。また、以下で説明される実施形態は、ただ例示的なことに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。また、以下で説明する層構造において、「上部」または「上」と記載された表現は、接触し、まさに上下左右にあるものだけではなく、非接触で、上下左右にあるものも含む。
【００３０】
図１は、一実施形態によるビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１を参照すれば、一実施形態による光学装置１００は、光を提供する光源１２１、光源１２１から放出された光をスキャニングするビームスキャニング装置１１０、光源１２１から放出され、外部の物体２００から反射された光を感知する光検出器１２２、及び光検出器１２２の測定結果を基に、外部物体２００に係わる情報を計算するコンピュータ１３０を含んでもよい。ここで、光源１２１は、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）でもある。また、コンピュータ１３０は、ビームスキャニング装置１１０、光源１２１及び光検出器１２２の動作を制御することができる。例えば、コンピュータ１３０は、光源１２１及び光検出器１２２のオン／オフを制御し、ビームスキャニング装置１１０のビームスキャニング動作を制御することができる。コンピュータ１３０は、非一時的記録媒体上に保存されたソフトウェア命令によっても動作し、またはその動作を制御する専用ハードウェアを含んでもよい。
【００３１】
そのような光学装置１００は、例えば、車両用ＬｉＤＡＲ（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）のような三次元センサ、または三次元カメラで使用される深さセンサでもある。光学装置１００は、それ以外にも、ロボット用ＬｉＤＡＲ、ドローン用ＬｉＤＡＲ、保安用侵入者感知システム、地下鉄スクリーンドア障害物感知システム、顔認識用センサ、動作認識及び物体形態検査装置、または他のシステムや装置でもある。光学装置１００が車両用ＬｉＤＡＲである場合、コンピュータ１３０は、車両の前方、後方または側方にある物体との距離、相手速度、方位角位置などに係わる情報を計算することができる。例えば、光源１２１から光が放出された時間と、光検出器１２２で光を感知した時間との差を利用し、物体２００の距離が分かり、ビームスキャニング装置１１０によって光がスキャニングされた位置を介して、物体２００の方位角位置を知ることができる。また、光源１２１から光が放出された時間と、光検出器１２２で光を感知した時間との差変化を介して、物体との相手速度を知ることができる。光学装置１００が三次元カメラの距離センサである場合、コンピュータ１３０は、カメラの視野内にある多様な被写体までの距離情報を計算することができる。
【００３２】
周辺の複数位置にある物体に係わる情報を得るために、光学装置１００は、ビームスキャニング装置１１０を利用し、周辺のさまざまな領域に対して、光を周期的に照射することができる。そのために、ビームスキャニング装置１１０は、回転型メタレンズ２０、及び回転型メタレンズ２０を回転させる回転駆動装置３０を含んでもよい。回転駆動装置３０は、例えば、モータ及び動力伝達装置を含んでもよい。光源１２１から放出された光は、回転型メタレンズ２０を通過しながら屈折し、その進行方向が変更される。回転型メタレンズ２０は、透過光の屈折角度が異なる多数の領域を有することができる。従って、回転型メタレンズ２０が回転する間、光が多数の異なる領域を透過しながら、さまざまな方向に照射される。
【００３３】
例えば、図２は、一実施形態による回転型メタレンズ２０の構成を例示的に示す平面図である。図２を参照すれば、回転型メタレンズ２０は、中心に、回転軸２１が形成されている円盤形態を有し、円盤の円周方向に沿って、扇形状に分割されている多数のメタ領域２０ａ，２０ｂを含んでもよい。図２には、便宜上、ただ２個のメタ領域２０ａ，２０ｂだけが図示されているが、回転型メタレンズ２０は、実際は、それよりはるかに多数のメタ領域を含んでもよい。例えば、回転型メタレンズ２０の半径が３ｃｍであり、それぞれのメタ領域２０ａ，２０ｂの円弧長が５０μｍである場合、回転型メタレンズ２０は、３，７６８個のメタ領域を含んでもよい。それぞれのメタ領域２０ａ，２０ｂには、多数の微細な位相変換要素２３（図５）が配列されており、そのような位相変換要素の配列形態により、メタ領域２０ａ，２０ｂを透過する透過光の屈折角度が異なりもする。従って、回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域２０ａ，２０ｂは、透過光を、スキャニング領域上の互いに異なる方向に進行させることができる。
【００３４】
例えば、図３及び図４は、図２に図示された回転型メタレンズ２０を利用してビームをスキャニングする原理を概略的に示す。まず、図３を参照すれば、光源１２１から放出された光は、回転型メタレンズ２０の第１メタ領域２０ａを透過することができる。第１メタ領域２０ａを透過した光は、第１角度に屈折されながら、物体Ａ２００に入射することができる。その後、回転駆動装置３０によって回転型メタレンズ２０が回転しながら、光源１２１から放出された光は、回転型メタレンズ２０の第２メタ領域２０ｂを透過することができる。第２メタ領域２０ｂを透過した光は、第２角度で屈折しながら、物体Ａ２００と異なる位置にある物体Ｂ２０１に入射することができる。そのような方式で、回転型メタレンズ２０が回転しながら、多数の異なる位置に光を進行させることができる。例えば、回転型メタレンズ２０の半径が３ｃｍであり、それぞれのメタ領域２０ａ，２０ｂの円弧長が５０μｍであるならば、３，７６８個の異なる位置をスキャニングすることが可能である。
【００３５】
図５は、回転型メタレンズ２０のメタ領域内に配列された多数の位相変換要素２３を例示的に示す斜視図である。図５を参照すれば、回転型メタレンズ２０は、円盤形態を有する透明な基板２２、及び基板２２上に配列された多数の位相変換要素２３を含んでもよい。位相変換要素２３は、基板２２の表面上にも配置される。また、位相変換要素２３は、規則的な間隔に配列されてもよく、不規則な間隔に配列されてもよい。図５に図示されているように、位相変換要素２３は、例えば、円柱形態を有することができる。しかし、位相変換要素２３の形態は、必ずしも円柱である必要はなく、四角柱または六角柱のような放射対称形多角柱形態を有することもできる。そのような位相変換要素２３は、一般的な半導体パターニング工程を利用し、容易に形成される。例えば、基板２２の表面上に、位相変換要素２３の材料層を積層した後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を利用し、位相変換要素材料層をパターニングすることにより、簡単に位相変換要素２３を形成することができる。
【００３６】
基板２２は、平板状の透明なガラスや、透明なプラスチック材料からもなる。位相変換要素２３は、基板２２より高い屈折率を有する材料からもなる。例えば、位相変換要素２３は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＯ３、ＧａＰ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２のような高屈折率材料からもなる。位相変換要素２３の屈折率は、例えば、可視光波長において、３．５よりも大きくなる。
【００３７】
入射光がそのような高屈折率の位相変換要素２３を透過することになれば、位相変換要素２３によって位相が遅延しながら、位相変換要素２３を透過した透過光の位相が入射光の位相と異なることになる。位相変化程度は、位相変換要素２３の大きさ及び厚みによっても決定される。位相変換要素２３が、例えば、円柱または多角柱である場合、位相変換要素２３の直径及び厚みにより、位相変換要素２３を透過した透過光の位相が異なることになる。
【００３８】
例えば、図６は、回転型メタレンズ２０の位相変換要素２３の直径と、回転型メタレンズ２０の透過度との関係を例示的に示すグラフであり、図７は、回転型メタレンズ２０の１つの位相変換要素２３の直径と、透過光の位相変化との関係を例示的に示すグラフである。図６及び図７のグラフにおいて、それぞれの位相変換要素２３は、非晶質シリコンからなる円柱であり、６５０ｎｍの周期で六角格子の形態に配列され、７１５ｎｍの厚みを有すると仮定した。また、図６及び図７のグラフにおいて、入射光の波長は９５０ｎｍであると仮定した。図６を参照すれば、それぞれの位相変換要素２３の直径が、大体３５０ｎｍ以下であるならば、回転型メタレンズ２０が約０．９５に近接する非常に高い透過度を有する。従って、回転型メタレンズ２０による光損失が非常に少ないということが分かる。また、図７を参照すれば、位相変換要素２３の直径と位相変化は、線形的な関係ではなく、非線形的な関係を有するが、概して、位相変換要素２３の直径が大きくなるほど、位相変化が増大するということが分かる。
【００３９】
従って、多数の位相変換要素２３が互いに異なる大きさ、または互いに異なる厚みを有すれば、回転型メタレンズ２０を透過した透過光は、回転型メタレンズ２０上での局所的な位置により、互いに異なる位相を有することになる。すなわち、回転型メタレンズ２０上での位置により、透過光の位相が局所的に変化する。そのような異なる大きさ、または異なる厚みを有する多数の位相変換要素２３を適切に配列すれば、回転型メタレンズ２０を透過した透過光の波面を、思いのままに制御できることになる。例えば、位相変換要素２３の配列により、回転型メタレンズ２０がプリズムのような光屈折素子の役割を担うことができる。また、回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域ごとに、位相変換要素２３の配列を異ならせれば、多数のメタ領域において、光が屈折する方向が異なることになる。
【００４０】
例えば、図８は、回転型メタレンズ２０の１つのメタ領域２０ａ内に配列された位相変換要素２３を、例示的に示す断面図である。図８を参照すれば、それぞれのメタ領域２０ａは、多数の位相変換要素２３の配列形態が互いに同一である少なくとも２個のサブ領域Ａ１，Ａ２を含んでもよい。図８には、便宜上、例示的にただ２個のサブ領域Ａ１，Ａ２だけが図示されているが、それぞれのメタ領域２０ａは、それよりさらに多数のサブ領域を含んでもよい。
【００４１】
それぞれのサブ領域Ａ１，Ａ２内において、位相変換要素２３は、規則的な間隔に配列されてもよく、不規則な間隔に配列されてもよい。位相変換要素２３が、規則的に二次元配列される場合、例えば、四角格子または六角格子の形態で、一定間隔に配列される。また、隣接した位相変換要素２３同士の間隔は、入射光の波長よりも狭い。かように隣接した位相変換要素２３同士の間隔を狭めることにより、高次回折成分の発生を抑制することができる。
【００４２】
１つのメタ領域２０ａ内において、多数のサブ領域Ａ１，Ａ２は、一定周期でも配列される。その結果、透過光の位相が、局所的な空間によって異なることになる。多数のサブ領域Ａ１，Ａ２と、その中に配列された位相変換要素２３は、透過光の位相が同一である地点を結んだ同位相面Ｐが、回転型メタレンズ２０に対して一定角度を有するように設計される。それにより、透過光の光路が、入射光に対して一定角度に変更される。例えば、サブ領域Ａ１，Ａ２の周期をΛとするとき、透過光Ｌの屈折角θは、ｓｉｎθ＝λ／Λの関係を有することができる。従って、多数のメタ領域に対して、サブ領域Ａ１，Ａ２の周期が異なるように位相変換要素２３を配列すれば、多数のメタ領域において光が屈折する角度を異ならせることができる。
【００４３】
図９Ａ及び図９Ｂは、回転型メタレンズ２０の多様なメタ領域２０ａ〜２０ｌと、それによる透過光のスキャニング分布とを例示的に示す。図９Ａを参照すれば、回転型メタレンズ２０が、円周方向に沿って配列された１２個のメタ領域２０ａ〜２０ｌを含むように図示されているが、実際では、それよりさらに多数のメタ領域を有することができる。また、図９Ａには、メタ領域２０ａ〜２０ｌの円弧長が、いずれも同一であるように図示されているが、必要によっては、特定メタ領域の円弧長を、他のメタ領域の円弧長より長く形成する（異ならせる）こともできる。
【００４４】
図９Ｂは、回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌに対応する透過光のスキャニング分布を示す。回転型メタレンズ２０の横方向をθｘ、縦方向をθｙとするとき、透過光の光路は、横方向θｘにおける角度と、縦方向θｙにおける角度とで示すことができる。図９Ａに図示されているように、回転型メタレンズ２０が、１２個のメタ領域２０ａ〜２０ｌを含む場合、横方向θｘと縦方向θｙの位置が図９Ｂに示すように互いに異なる１２個の位置２４ａ〜２４ｌに対して、透過光をスキャニングすることができる。例えば、回転型メタレンズ２０が回転することにより、光が第１メタ領域２０ａをまず透過し、その後、第１２メタ領域２０ｌまで順次に透過すれば、透過光は、第１位置２４ａから第１２位置２４ｌまで、順にスキャニングされる。前述のように、横方向θｘと縦方向θｙの角度の大きさは、サブ領域Ａ１，Ａ２の周期Λによって決定され、横方向θｘ，縦方向θｙは、サブ領域Ａ１，Ａ２内に配列された位相変換要素２３の配列形態によっても決定される。従って、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌにおいて、サブ領域Ａ１，Ａ２の周期、または位相変換要素２３の配列形態を、異ならせるように設計することができる。
【００４５】
一方、図１０Ａないし図１０Ｃは、回転型メタレンズ２０の回転による多様なスキャニング方向を例示的に示す。図１０Ａないし図１０Ｃにおいて、矢印は、順次的なスキャニング方向を示す。まず、図１０Ａは、図９Ｂに図示されているように、最も上側から始まり、正の横方向（＋θｘ方向）にまずスキャンした後、縦方向（−θｙ方向）に降り、負の横方向（−θｘ方向）にスキャンする横優先ラスタースキャン方式を示す。しかし、回転型メタレンズ２０内において、メタ領域２０ａ〜２０ｌの配列により、多様な他のスキャン方式も可能である。例えば、図１０Ｂは、最も右側から始まり、負の縦方向（−θｙ方向）にまずスキャンした後、負の横方向（−θｘ方向）に移動し、正の縦方向（＋θｙ方向）にスキャンする縦優先ラスタースキャン方式を示す。また、図１０Ｃに図示されているように、時計方向の螺旋形スキャン（ｓｐｉｒａｌ ｓｃａｎ）方式も可能である。本実施形態による回転型メタレンズ２０は、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌによる透過光の屈折角度を、設計によって自由に選択することができるために、そのように多様な形態のスキャンが可能である。従って、ビームスキャニング装置１１０の用途により、適切なスキャン方式を遂行することができるように、回転型メタレンズ２０を設計することができる。
【００４６】
また、図１１Ａないし図１２Ｂは、回転型メタレンズ２０による多様なスキャン密度の例を示す。前述のように、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌによる透過光の屈折角度を、設計により、任意に選択することができるため、スキャン方式だけではなく、スキャン密度も用途に合うように自由に選択することができる。例えば、図１１Ａに図示されているように、ビームスキャニング装置１１０の全体スキャン領域に対して、均一なスキャン密度を有するように、回転型メタレンズ２０を設計することもできる。言い換えれば、横方向θｘ及び縦方向θｙにおいて、いずれも同一間隔でスキャニングするように、回転型メタレンズ２０を設計することができる。そのため、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌをそれぞれ透過する透過光のスキャニング位置が、全体スキャン領域内において、均一に分布するように、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌを構成することができる。
【００４７】
また、図１１Ｂに図示されているように、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌをそれぞれ透過する透過光のスキャニング位置の密度分布において、横方向θｘの中心部分及び縦方向θｙの中心部分においては、スキャン密度が高く、エッジ（端部又は周辺）に行くほど、スキャン密度が低くなるように、回転型メタレンズ２０を設計することもできる。すなわち、スキャニング領域内の中心部分が、スキャニング領域の周辺部分よりスキャン密度が高い。例えば、ビームスキャニング装置１１０が、車両用ＬｉＤＡＲとして使用される場合、車両の前方中心領域が重要な要素であるので、重要な領域に対するスキャン密度を高め、相対的に重要度が低い領域については、スキャン密度を低くすることができる。
【００４８】
また、図１２Ａに図示されているように、横方向θｘにおいては、スキャン密度と解像度とが高く、縦方向θｙにおいては、スキャン密度と解像度とが低いように、回転型メタレンズ２０を設計することもできる。また、図１２Ｂに図示されているように、概して均一なスキャン密度を有しながら、横方向へのスキャン範囲がさらに広く、縦方向へのスキャン範囲がさらに狭いように、回転型メタレンズ２０を設計することもできる。図１２Ｂに図示された方式は、例えば、主に、平面上で運用する自律走行自動車の障害物探知のための車両用ＬｉＤＡＲとして有用に使用される。
【００４９】
前述のように、本実施形態によるビームスキャニング装置１１０は、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌを有する回転型メタレンズ２０を回転させ、多様な位置にビームをスキャニングすることができる。それぞれのメタ領域２０ａ〜２０ｌが、透過光を屈折させる角度は、多数の位相変換要素２３の配列形態によって決定されるために、光がスキャニングされる位置分布を、必要により、思いのままに設計することが可能である。例えば、車両用ＬｉＤＡＲの場合、前方注視型ＬｉＤＡＲにおいては、正面衝突を防止するために、全体スキャン範囲内において、中心部をさらに稠密にスキャンし、周辺部については、粗めにスキャンをするようにし、後方注視型ＬｉＤＡＲにおいては、車線変更時、衝突防止のために、中心部と周辺部とのスキャン密度を同一にすることができる。また、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌにおいて、光の屈折角度に制約がないために、非機械式ビームスキャニング装置に比べ、本実施形態によるビームスキャニング装置１１０の視野角が向上する。
【００５０】
また、本実施形態によるビームスキャニング装置１１０は、位相変換要素２３の配列形態により、多様な波長の光に対して適用が可能である。例えば、位相変換要素２３の設計により、ビームスキャニング装置１１０は、可視光、近赤外線、赤外線のうちいずれか１つの波長領域で使用され、または全波長領域でも使用される。
【００５１】
また、本実施形態によるビームスキャニング装置１１０の場合、回転型メタレンズ２０の透過度が、約０．９５と非常に高いために、光損失が少なく、光吸収による回転型メタレンズ２０の損傷可能性も低い。従って、光源１２１として、高出力光源を使用することが可能であり、その結果、光学装置１００のセンシング距離が延長される。
【００５２】
また、回転型メタレンズ２０は、リソグラフィ技術とエッチング技術とを利用したパターニングを介して簡単に製作することができるために、ビームスキャニング装置１１０の製造コストを低減させることができる。
【００５３】
また、本実施形態による回転型メタレンズ２０は、軽く製作が可能であり、対称的な形態を有するために、回転型メタレンズ２０を、高速度で回転させることができるために、高速スキャニングが可能である。また、回転型メタレンズ２０に、多数のメタ領域２０ａ〜２０ｌを形成することができ、単位時間当たり非常に多くの領域をスキャンすることができる。例えば、回転型メタレンズ２０が、３，７６８個のメタ領域を有し、秒当たり６０回転を行うならば、１秒当たり、２２６，０８０個の点（ｐｏｉｎｔ）をスキャンすることができる。
【００５４】
図１３Ａは、他の実施形態による回転型メタレンズ２０の構成を例示的に示す平面図である。図１３Ａを参照すれば、回転型メタレンズ２０は、基板２２の半径方向に沿って、追加して分割されて配列された多数のメタ領域を含んでもよい。例えば、回転型メタレンズ２０は、最も外側外周面から中心部に向け、第１半径領域Ｒ１（外側メタ領域、第２放射距離）、第２半径領域Ｒ２及び第３半径領域Ｒ３（内側メタ領域、第１放射距離）に分割される。そして、それぞれの半径領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、円周方向に沿って分割されて配列された多数のメタ領域を有することができる。全てのメタ領域の円弧長が同一であるとするとき、回転型メタレンズ２０の最も外側にある第１半径領域Ｒ１内に配列されたメタ領域の個数は、相対的に内側にある第２半径領域Ｒ２内及び第３半径領域Ｒ３内にあるメタ領域の個数より多い。従って、第１半径領域Ｒ１には、最も使用頻度が高いメタ領域を配置させ、第２半径領域Ｒ２と第３半径領域Ｒ３とには、相対的に使用頻度が低いメタ領域を配置させることができる。
【００５５】
かように、回転型メタレンズ２０の半径方向にもメタ領域が配列された場合、光源１２１が、回転型メタレンズ２０の半径方向に移動自在に構成される。例えば、第１半径領域Ｒ１を利用して、ビームをスキャニングする間には、光源１２１が、第１半径領域Ｒ１に対向するように配置される。その後、第２半径領域Ｒ２を利用して、ビームをスキャニングする必要が生じれば、第２半径領域Ｒ２に対向するように、光源１２１を移動させることができる。
【００５６】
代案として、光学装置１００は、それぞれの半径領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに配置された別途の光源を含んでもよい。例えば、図１３Ｂは、図１３Ａに図示された回転型メタレンズ２０の他の活用例を示す。図１３Ｂを参照すれば、光学装置１００は、第１半径領域Ｒ１に対向して配置された第１光源１２１ａ、第２半径領域Ｒ２に対向して配置された第２光源１２１ｂ、及び第３半径領域Ｒ３に対向して配置された第３光源１２１ｃを含んでもよい。第１光源１２１ａ、第２光源１２１ｂ及び第３光源１２１ｃは、いずれも同一波長の光を放出することもできるが、用途によっては、第１光源１２１ａ、第２光源１２１ｂ及び第３光源１２１ｃが、互いに異なる波長の光を放出することもできる。例えば、晴れの日である場合には、第１半径領域Ｒ１を利用してスキャニングを行い、第１半径領域Ｒ１に光を提供する第１光源１２１ａは、晴れの日に有利な第１波長λ１の光を放出することができる。そして、曇った日の場合には、第２半径領域Ｒ２を利用してスキャニングを行い、第２半径領域Ｒ２に光を提供する第２光源１２１ｂは、曇りの日に有利な第２波長λ２の光を放出することができる。また、霧がかかったり、雨が降ったりする日には、第３半径領域Ｒ３を利用してスキャニングを行い、第３半径領域Ｒ３に光を提供する第３光源１２１ｃは、霧または雨に有利な第３波長λ３の光を放出することができる。それ以外にも、昼、夜間、室外、トンネル、地下などの周辺状態に適するように、半径領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と光源１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとを適切に選択することもできる。
【００５７】
図１４Ａは、他の実施形態によるビームスキャニング装置１１０を示すブロック図である。図１４Ａを参照すれば、ビームスキャニング装置１１０は、回転型メタレンズ２０の回転を正確に感知するための同期化装置１５０をさらに含んでもよい。回転型メタレンズ２０が高速で回転するために、それぞれの時点でスキャンする地点を、コンピュータ１３０が正確に把握することが重要である。そうでなければ、例えば、識別された物体と、その物体までの距離情報とが一致しなくなる。
【００５８】
そのために、回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域のうち１つのメタ領域２０ｍは、透過光を同期化装置１５０に伝達する。例えば、図１４Ｂは、図１４Ａによるビームスキャニング装置１１０において、回転型メタレンズ２０による透過光のスキャニング分布を例示的に示す。図１４Ｂに図示されているように、ほとんどの透過光のスキャニング位置がスキャニング領域内に位置するが、メタ領域２０ｍを透過した透過光は、スキャニング領域を外れ、同期化装置１５０の位置２４ｍに伝達される。同期化装置１５０は、メタ領域２０ｍを透過した透過光を感知する別途の光検出器を含んでもよい。代案として、同期化装置１５０は、別途の光検出器を含まず、メタ領域２０ｍを透過した透過光を、光検出器１２２に向けて反射させる鏡を含んでもよい。それにより、メタ領域２０ｍが光路を過ぎるたびに、同期化装置１５０が光を感知することができる。同期化装置１５０での光感知信号は、光学装置１００のコンピュータ１３０に伝達され、コンピュータ１３０は、それを基に、回転型メタレンズ２０の回転速度、及びメタ領域２０ｍを基準にした回転型メタレンズ２０の現在の相対的回転角度を正確に計算することができる。
【００５９】
図１５は、さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置１１０を示すブロック図である。図１５を参照すれば、光学装置１００は、回転する多角形鏡４０、及び多角形鏡４０を回転させるための追加的な回転駆動装置５０をさらに含んでもよい。多角形鏡４０は、回転型メタレンズ２０を透過した光を反射させ、一方向にスキャニングすることができる。回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域により、光が異なる方向に進むために、回転型メタレンズ２０を透過した光が、多角形鏡４０にいずれも入射されるように、回転型メタレンズ２０と多角形鏡４０は、十分に近い距離に位置することができる。
【００６０】
回転型メタレンズ２０のみを使用する場合には、スキャニング領域内において、透過光が離散されて分布することになる。すなわち、多数のスキャン地点が、互いに離れている。しかし、回転型メタレンズ２０と多角形鏡４０とを共に使用すれば、１つの方向においては、連続的にスキャンを行うことができる。すなわち、多角形鏡４０により、スキャン地点が連続的に存在することになり、一方向には、非常に高い解像度を有することができる。例えば、高い解像度が必要な第１方向においては、多角形鏡４０がスキャンを行い、第１方向に垂直な第２方向においては、回転型メタレンズ２０がスキャンを行うことができる。従って、いかなる線形（ｌｉｎｅａｒ）動作なしに、２個の回転動作だけで、二次元（２Ｄ：ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）スキャニングが可能になる。例えば、車両用ＬｉＤＡＲにおいて、ビームスキャニング装置１１０を使用する場合、横方向θｘのスキャン解像度が、縦方向θｙのスキャン解像度に比べて高いことが有利であるので、多角形鏡４０は、横方向に回転し、回転型メタレンズ２０は、縦方向スキャンを行うように、ビームスキャニング装置１１０を構成することができる。
【００６１】
図１６は、さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置１１０を示すブロック図である。図１６を参照すれば、ビームスキャニング装置１１０は、２個の回転型メタレンズ２０，６０、及び前記２個の回転型メタレンズ２０，６０をそれぞれ回転させるための２個の回転駆動装置３０，７０を含んでもよい。第１回転型メタレンズ２０は、光を互いに異なる方向に屈折させる多数のメタ領域を含み、第２回転型メタレンズ６０も、同様に光を互いに異なる方向に屈折させる多数のメタ領域を含んでもよい。第１回転型メタレンズ２０及び第２回転型メタレンズ６０のそれぞれのメタ領域は、前述のように、多数の位相変換要素の配列からもなる。
【００６２】
光は、第１回転型メタレンズ２０をまず透過した後、第２回転型メタレンズ６０を透過する。第１回転型メタレンズ２０の多数のメタ領域により、光が異なる方向に進むために、第１回転型メタレンズ２０を透過した光が、第２回転型メタレンズ６０にいずれも入射されるように、第１回転型メタレンズ２０と第２回転型メタレンズ６０は、十分に近い距離に位置することができる。その後、光は、第２回転型メタレンズ６０のメタ領域により、さらに異なる方向に進むことになる。かように、２個の回転型メタレンズ２０，６０を使用すれば、スキャンすることができる地点の個数を増加させることができる。例えば、スキャンすることができる地点の全体個数は、第１回転型メタレンズ２０でスキャンすることができる地点の個数と、第２回転型メタレンズ６０でスキャンすることができる地点の個数との掛け合わせた数でもある。スキャンする地点の個数が非常に多くなる場合、１つの回転型メタレンズだけでそれを具現するためには、回転型メタレンズの直径が大きくならなければならない。２個の回転型メタレンズ２０，６０を使用する場合には、それぞれの回転型メタレンズ２０，６０の直径を増大させず、スキャンすることができる地点の個数を増加させることができる。
【００６３】
図１７は、さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置１１０を示すブロック図である。図１７を参照すれば、ビームスキャニング装置１１０は、地面に垂直に配置された回転軸を有する回転型メタレンズ２０、及び回転型メタレンズ２０を透過した光を水平方向に反射させる鏡８０を含んでもよい。例えば、回転型メタレンズ２０の回転軸は、縦方向θｙに平行であり、鏡８０は、横方向θｘに光を反射させるように配置される。そのために、回転型メタレンズ２０の円盤面は、横方向θｘに平行になるように配置され、鏡８０は、回転型メタレンズ２０の回転軸に対して、４５°傾いた反射面を有することができる。
【００６４】
例えば、車両用ＬｉＤＡＲにおいて、ビームスキャニング装置１１０を使用する場合、車の振動が、主に縦方向θｙで発生するために、ビームスキャニング装置１１０も、やはり縦方向θｙに振動することになる。もし回転型メタレンズ２０の回転軸が、横方向θｘに平行である場合、縦方向θｙに振動する力が、回転型メタレンズ２０に加えられるようになれば、回転型メタレンズ２０の側面方向に力が発生し、回転型メタレンズ２０の動作が不安定になる。従って、回転型メタレンズ２０の回転軸を、振動方向と一致させれば、回転型メタレンズ２０が安定して動作することができる。
【００６５】
図１８は、他の実施形態による光学装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１８を参照すれば、光学装置１００ａは、光軸一体型（ｃｏ−ａｘｉａｌ）構造を有する。光軸一体型とは、光をスキャンする部分と、検出する部分とが光路を共有するということを意味する。そのために、光学装置１００ａは、ビームスプリッタ１４０を含み、光検出器１２２と光源１２１は、ビームスプリッタ１４０に、互いに異なる面に対向して配置される。例えば、ビームスプリッタ１４０は、光源１２１と回転型メタレンズ２０との間に配置され、光源１２１から放出された光を透過させ、回転型メタレンズ２０に送ることができる。また、ビームスプリッタ１４０は、外部の物体から反射された光を反射させ、光検出器１２２に送ることができる。そのために、ビームスプリッタ１４０は、ハーフミラーでもあり、または光の偏光成分によって透過または反射を行う偏光ビームスプリッタでもある。そのような構造により、光源１２１から放出された光は、ビームスプリッタ１４０と回転型メタレンズ２０とを経て、物体２００に入射される。そして、物体２００で散乱して反射した光の一部が、さらに回転型メタレンズ２０を経て、ビームスプリッタ１４０で反射されて光検出器１２２で検出される。そのような光軸一体型構造は、光源１２１と光検出器１２２との視野が一致するために、比較的小サイズの光検出器１２２でも、正確な測定が可能である。
【００６６】
前述のように、本実施形態による光学装置１００，１００ａは、車両用ＬｉＤＡＲ、ロボット用ＬｉＤＡＲ、ドローン用ＬｉＤＡＲ、深さセンサ、保安用侵入者感知システム、地下鉄スクリーンドア障害物感知システム、顔認識用センサ、動作認識及び物体形態検査装置のような多様な分野で活用される。図１９は、一実施形態による光学装置１００，１００ａを、車両用ＬｉＤＡＲとして活用した例を概略的に示している。図１９を参照すれば、光学装置１００，１００ａは、車両Ｖに搭載され、車両Ｖが進む前方に対してビームをスキャンし、前方にある多様な物体２００，２０１を探知することができる。
【００６７】
前述のビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置は、図面に図示された実施形態を参照して説明したが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。権利範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、権利範囲に含まれたものであると解釈されなければならないのである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の、ビームスキャニング装置、及びそれを含む光学装置は、例えば、自立走行関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
２０，６０  回転型メタレンズ
２１  回転軸
２２  基板
２３  位相変換要素
３０，７０  （第１）回転駆動装置
５０  （第２）回転駆動装置
４０  多角形鏡
８０  鏡
１００  光学装置
１１０  ビームスキャニング装置
１２１  光源
１２２  光検出器
１３０  コンピュータ
１４０  ビームスプリッタ
１５０  同期化装置
２００  物体Ａ
２０１  物体Ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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