(57)【要約】【課題】小型化が可能で、平行な走査やランダムな走査が可能な光線走査装置を提供する。【解決手段】光線走査装置は、レーザ光源１０１と、それぞれ方向が異なる複数の波面制御素子が配置されたビーム偏向素子１０６と、レーザ光源からの光ビームの伝搬方向を切り替えて、ビーム偏向素子１０６に配置された複数の波面制御素子から選択された波面制御素子に光ビームを照射するＭＥＭＳミラー１０４、１０５を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
それぞれ方向が異なる複数の波面制御素子が配置されたビーム偏向素子と、
前記レーザ光源からの光ビームの伝搬方向を切り替えて、前記ビーム偏向素子に配置された前記複数の波面制御素子から選択された波面制御素子に光ビームを照射する空間光スイッチと、
を備える光線走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光線走査装置において、
前記複数の波面制御素子は、偏光回折格子により構成されている、光線走査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光線走査装置において、
前記複数の波面制御素子は、プリズムにより構成されている、光線走査装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光線走査装置において、
前記レーザ光源は、複数のレーザ光源を備えている、光線走査装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光線走査装置において、
前記レーザ光源は、波長可変レーザ光源である、光線走査装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の光線走査装置において、
前記空間光スイッチは、前記複数の波面制御素子に対向する複数のマイクロミラーを備え、前記複数のマイクロミラーから選択されたマイクロミラーによって反射された光ビームが前記選択された波面制御素子に照射される、光線走査装置。
【請求項７】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の光線走査装置において、
前記空間光スイッチは、液晶空間光変調器を備える、光線走査装置。
【請求項８】
複数の光ビームを放射することが可能なレーザアレイ光源と、
それぞれ方向が異なり、前記複数の光ビームにおいて対応する光ビームが照射される複数の波面制御素子が配置されたビーム偏向素子と、
を備える、光線走査装置。
【請求項９】
請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の光線走査装置において、
前記ビーム偏向素子は、複数のビーム偏向素子を備え、前記複数のビーム偏向素子においては、波面制御素子が配置された面の方向が互いに異なる、光線走査装置。
【請求項１０】
請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の光線走査装置において、
前記光線走査装置は、前記ビーム偏向素子から射出された光ビームの径を拡大するビーム径拡大光学系を備える、光線走査装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の光線走査装置において、
前記光線走査装置は、ビーム走査微調用の液晶空間光変調素子を備える、光線走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの伝搬方向を掃引する、光線走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ビームを走査する技術としては、ガルバノミラーを用いることが知られている。この場合、モーターによってガルバノミラーを回転することにより、光ビームの伝搬方向が変更され、走査が行われる。また、別の技術として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により微小なミラー（以下、ＭＥＭＳミラーと称する）を製造し、微小なＭＥＭＳミラーで光ビームを走査する技術が知られている。例えば、特許文献１にはＭＥＭＳミラーを用いたレーザ測距装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１３６０９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モーターによってガルバノミラーを回転させる場合、光線走査装置を小型化することが困難であるという課題がある。また、微小なＭＥＭＳミラーを用いる場合には、ＭＥＭＳミラーの回転角が小さいため、別途レンズを設け、走査角を拡大することが必要となる。この場合、設けたレンズによる収差のため、並行に走査することが困難になると言う課題がある。さらに、これらの技術では、一方向に走査することしかできないと言う課題がある。特許文献１では、レンズの収差により生じる課題が認識されていない。
【０００５】
本発明の目的は、小型化が可能で、平行な走査やランダムな走査が可能な光線走査装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００８】
一実施の形態に係わる光線走査装置は、レーザ光源と、それぞれ方向が異なる複数の波面制御素子が配置されたビーム偏向素子と、レーザ光源からの光ビームの伝搬方向を切り替えて、ビーム偏向素子に配置された複数の波面制御素子から選択された波面制御素子に光ビームを照射する空間光スイッチを備える。
【０００９】
一実施の形態においては、空間光スイッチとして、ＭＥＭＳミラーあるいは液晶空間光変調素子が用いられる。ビーム偏向素子には、方向が異なる複数の波面制御素子が配置され、選択した波面制御素子に光ビームが照射される。これにより、選択した波面制御素子からは、その波面制御素子の方向に従った偏向方向に光ビームが出射されることになり、走査角の拡大を図ることが可能となる。ＭＥＭＳミラーあるいは液晶空間光変調素子によって、光ビームの伝搬方向が切り替えられるため、小型化を図ることが可能となる。また、ビーム偏向素子によって、走査角の拡大が行われるため、平行な走査が可能となる。
【００１０】
さらに、他の実施の形態においては、レーザ光源がレーザアレイによって構成される。レーザアレイから選択的に光ビームを出射することにより、ランダムな走査が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１２】
小型化が可能で、平行な走査やランダムな走査が可能な光線走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係わるビーム偏向素子の構成を説明するための説明図である。
【図３】実施の形態１に係わるビーム偏向素子の構成を説明するための説明図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１に係わる波面制御素子の機能を説明するための説明図である。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わる波面制御素子の機能を説明するための説明図である。
【図６】実施の形態１に係わる光線走査装置において、区画に対向していないＭＥＭＳミラーに光ビームを入射する場合を説明するための図である。
【図７】実施の形態１の変形例１に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図８】実施の形態１の変形例２に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図９】実施の形態１の変形例３に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図１０】実施の形態１の変形例４に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図１１】実施の形態２に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図１２】実施の形態２に係わる光線走査装置の側面図である。
【図１３】実施の形態２に係わる光線走査装置の側面図である。
【図１４】実施の形態２に係わる光線走査装置の側面図である。
【図１５】実施の形態２の変形例１に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態３に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図１７】実施の形態４に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図１８】実施の形態５に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図１９】実施の形態６に係わる光線走査装置の構成を示す図である。
【図２０】実施の形態７に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図２１】実施の形態７に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図２２】実施の形態７に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。
【図２３】実施の形態７の変形例に係わる波面制御素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、原則として省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係わる光線走査装置の構成を示す図である。図１において、１００は、光線走査装置を示している。光線走査装置１００からは、光ビームが図示しない被測定物に向けて出射される。このとき、光線走査装置１００は、被測定物を走査するように、光ビームの伝搬方向を変更しながら出射する。
【００１６】
光線走査装置１００は、半導体レーザ１０１、レンズ１０２、１／４波長板１０３、ＭＥＭＳミラー１０４および１０５、ビーム偏向素子１０６を備えている。同図の左側下に示した矢印Ｘ、ＹおよびＺは、図１におけるＸＹＺ座標を表している。図１では、Ｘ軸の方向は紙面の上下方向に相当し、Ｚ軸の方向は紙面の左右方向に相当し、Ｙ軸の方向は紙面の奥行きまたは手前方向に相当する。
【００１７】
図１では、半導体レーザ１０１からＺ軸方向に光ビームが出射され、この光ビームは、レンズ１０２、１／４波長板１０３のＸＹ面の順に入射し、ＭＥＭＳミラー１０４に照射される。
【００１８】
ＭＥＭＳミラー１０４は、所定の位置におけるＹ軸およびＸ軸を中心として回転する。例えばＸ軸方向に延在するＭＥＭＳミラー１０４の側面における所定に位置（例えば中心点）において、Ｙ方向に延在する軸が、Ｙ軸とされ、このＹ軸を中心にして、ＭＥＭＳミラー１０４の面が回転する。同様に、Ｙ軸方向に延在するＭＥＭＳミラー１０４の側面における所定に位置（例えば中心点）において、Ｘ方向に延在する軸が、Ｘ軸とされ、このＸ軸を中心にして、ＭＥＭＳミラー１０４の面が回転する。これにより、Ｙ軸およびＸ軸を中心として、ＭＥＭＳミラー１０４の面は上下および左右に傾くことが可能となる。また、上下の傾きと左右の傾きを組み合わせることにより、ＭＥＭＳミラー１０４の面は、斜め方向へも傾くことが可能となっている。ＭＥＭＳミラー１０４を回転させる回転方向は、ＭＥＭＳミラー１０４に接続された制御ブロック（図示しない）によって制御される。これにより、ＭＥＭＳミラー１０４の面は、制御ブロックによって、所望の方向に傾けることが可能となっている。一例を述べると、ＭＥＭＳミラー１０４の面を最大で±５°程度傾けることができる。
【００１９】
ＭＥＭＳミラー１０４の面に照射された光ビームは反射し、ＭＥＭＳミラー１０５に照射される。ＭＥＭＳミラー１０５は、アレイ状に配置された複数の単位ＭＥＭＳミラー（以下、マイクロミラーとも称する）１０５＿ｓによって構成されている。各単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの面も、ＭＥＭＳミラー１０４と同様に、Ｙ軸およびＸ軸を中心として回転し、各単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓに接続された制御ブロック（図示しない）によって、各単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの面は、所望の方向に傾けることが可能となっている。この場合、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓのそれぞれは、制御ブロックによって別々に制御され、複数の単位ＭＥＭＳミラーから選択した単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの面のみを、所望の方向に傾けることが可能となっている。
【００２０】
光ビームを走査するとき、図示しない制御ブロックによって、ＭＥＭＳミラー１０４は、ＭＥＭＳミラー１０５を構成する複数の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから所望の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓを選択し、選択した単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの面に、ＭＥＭＳミラー１０４の反射光（反射光ビーム）が照射されるように制御される。また、選択された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓは、面に照射された反射光が、ビーム偏向素子１０６のＸＹ面における対向する区画に照射されるように、制御ブロックによって制御される。
【００２１】
ビーム偏向素子１０６は、ＭＥＭＳミラー１０４、１０５＿ｓと異なり、特に制限されないが、光線走査装置１００に固定されている。単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓからの反射光は、ビーム偏向素子１０６の区画に入射し、偏向されて出射される。次に、ビーム偏向素子１０６をより具体的に説明する。図２および図３は、実施の形態１に係わるビーム偏向素子１０６の構成を説明するための説明図である。図２および図３において、左側下に示した矢印Ｘ、ＹおよびＺは、図２および図３におけるＸＹＺ座標を示している。
【００２２】
図２において、１０６は、図１に示したビーム偏向素子を示している。ＸＹ面上で、ビーム偏向素子１０６を見ると、ビーム偏向素子１０６は、アレイ状に配置された多数の区画１０６＿ｓによって構成されている。区画１０６＿ｓは、ＸＹ面で見たとき、正方形をしており、それぞれの辺の長さＬｓは、例えば８００μｍとなっている。すなわち、１個の区画１０６＿ｓの寸法は、８００μｍ角となっている。また、ここでは、区画１０６＿ｓは、２５列×２５行（０，０〜２４，２４）に配置され、区画数は６２５となっている。なお、図２では、２５列×２５行に配置された区画のうち、９列×９行に配置された区画のみが描かれている。
【００２３】
各区画には、方向の異なる波面制御素子１０７が配置されている。波面制御素子１０７では、入射光の波面が変調され、出射する方向（出射方向）が偏向される。偏向する方向および偏向角は、波面制御素子１０７の構造と配置により変化する。ここでは、波面制御素子１０７として偏光回折素子を利用する場合を説明する。なお、回折素子を利用するため、実施の形態においては、偏向角は回折角として説明する。
【００２４】
理解を容易にするために、ビーム偏向素子１０６の区画（４，３）、（５，４）、（５，５）および（６，５）を例にして説明する。また、区画（４，３）、（５，４）、（５，５）および（６，５）は、便宜上、区画１０６＿ａ、１０６＿ｂ、１０６＿ｃおよび１０６＿ｄとする。この実施の形態においては、区画１０６＿ａ、１０６＿ｂ、１０６＿ｃおよび１０６＿ｄに配置されている波面制御素子１０７の方向ＰＤを異なるようにするために、それぞれの区画に配置されている複数の偏光回折素子の方向ＧＤが異なるようにされている。区画１０６＿ａ、１０６＿ｂ、１０６＿ｃおよび１０６＿ｄにおいて、隣接した白い線で挟まれた領域が１個の偏光回折素子に相当する。同一の区画においては、同じ構成の偏光回折素子が繰り返し配列されており、同図では、偏光回析素子の繰り返し周期が、符号Λで示されている。
【００２５】
区画１０６＿ａでは、偏光回折素子は、Ｙ方向に延在し、Ｘ方向に配列され、区画１０６＿ｂでは、偏光回折素子は、斜め方向に延在し、斜め方向に配列されている。また、区画１０６＿ｃおよび１０６＿ｄでは、偏光回折素子は、Ｘ方向に延在し、Ｙ方向に配列されている。このように偏光回折素子の配置は、例えば区画１０６＿ａ〜１０６＿ｃ間で異なっているが、白い線間が偏光回折素子を示していることは同じであり、偏光回折素子の繰り返し周期は、同じく符号Λで表す。また、区画１０６＿ｃと１０６＿ｄとを見たとき、偏光回折素子の配置は同じであるが、白い線間（偏光回折素子）の繰り返し周期Λが異なっている。
【００２６】
ここでは、偏光回折素子の延在方向を、波面制御素子１０７および偏光回折素子の方向ＰＤおよびＧＤとする。そのため、区画１０６＿ａには、Ｙ方向に沿った方向ＧＤの偏光回折素子が配置され、波面制御素子１０７の方向ＰＤもＹ方向に沿っている。また、区画１０６＿ｂには、斜め方向を方向ＧＤとした偏光回折素子が配置され、波面制御素子１０７の方向ＰＤも斜め方向となっている。さらに、区画１０６＿ｃおよび１０６＿ｄには、Ｘ方向に沿った方向ＧＤの偏光回折素子が配置され、波面制御素子１０７の方向ＰＤもＸ方向に沿っている。
【００２７】
次に、図３を用いて偏光回折格子をより詳しく説明する。ここでは、図２に示した区画１０６＿ｄにおける領域１０６＿ｄ＿ｐ（破線で囲んだ領域）を例にして説明する。領域１０６＿ｄ＿ｐには、図３の左下側に示したように、２個の偏光回折格子ＰＬＤが配置されている。偏光回折格子ＰＬＤには、ＸＹ面で見たとき、複数の１／２波長板ＨＷＰが配列されている。偏光回折格子ＰＬＤに配置されている１／２波長板ＨＷＰは、特に制限されないが隣接する１／２波長板ＨＷＰ間で異なるＸＹ面パターンとなるようにされている。しかしながら、区画１０６＿ｄに配置されている複数の偏光回折格子ＰＬＤが、互いに同じになるようにするために、偏光回折格子ＰＬＤ間では、１／２波長板ＨＷＰのＸＹ面パターンは、図３の中央部に示したように同じになっている。
【００２８】
図３において、符号ｕは、１個の偏光回折格子ＰＬＤにおいて配置されている１／２波長板ＨＷＰの座標を示している。ここでは、座標ｕは、方向ＰＤ、ＧＤに対して垂直方向の座標である。図３に示した例では、座標ｕは、偏光回折格子ＰＬＤの左側の端辺Λ＿ｓと右側の端辺Λ＿ｅとの間の中心点を原点としている。座標ｕは、この原点から左側の短辺Λ＿ｓおよび右側の短辺Λ＿ｅに向かって増加するものとする。図３の中央部の図において、破線で示した領域ＨＷＰ＿ｄ１＿ｐの拡大図が、図３の右下側に示されている。すなわち、領域ＨＷＰ＿ｄ１＿ｐに配置されている１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ１の部分的な拡大図が、図３の右下側に示されている。同様に、図３の中央部の図において、破線で示した領域ＨＷＰ＿ｄ２＿ｐの拡大斜視図が、図３の上側に示されている。すなわち、領域ＨＷＰ＿ｄ２＿ｐに配置されている１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ２の部分的な斜視図が、図３の上側に示されている。
【００２９】
このような微細な１／２波長板ＨＷＰに基づく偏光回折格子ＰＬＤは、自己クローニング法で作製されるフォトニック液晶１０８を用いて構成することができる。例えば、自己クローニング法では、図３の上側の図に示すように、基板の凸凹に対応してＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５の積層構造周期と方向を自由に構成することができる。これにより、構造複屈折が大きく、二次元面（ＸＹ面）内に自由に１／２波長板ＨＷＰを配置することが可能であり、複数の１／２波長板ＨＷＰを配置することにより偏光回折格子を構成することができる。
【００３０】
ここでは、偏光回折格子ＰＬＤを、フォトニック液晶１０８を用いて構成する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、Ｓｉ基板などの表面に微細構造を設けて構造複屈折を誘起して、偏光回折格子ＰＬＤを構成することもできる。あるいは、液晶分子の配向を局所的に制御して構造複屈折を誘起して、偏光回折格子ＰＬＤを構成することもできる。
【００３１】
図３の右下側に示した１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ１を例にして、１／２波長板ＨＷＰの角度Φ（ｕ）を説明する。この角度Φ（ｕ）は、偏光回折格子ＰＬＤの方向ＧＤと直交する方向（垂直方向）ＨＷＰ＿ｓ（Ｙ方向）に対する角度である。角度Φ（ｕ）は、式（１）によって算出することができる。ここで、Λは、この１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ１が配置されている区画１０６＿ｄにおける偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期を示し、ｕは、１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ１が配置されている偏光回折格子ＰＬＤにおける座標を示している。１／２波長板ＨＷＰ＿ｄ１は、光ビームの波長よりも微細な波長板であり、同じ幅の１／２波長板が、符号ｄで示す繰り返し周期で、偏光回析格子ＰＬＤに配置されている。
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【００３２】
区画１０６＿ｄに光ビームが入射したときに、区画１０６＿ｄから出射される回折光の法線に対する回折（偏向）角αは、後で説明するが、光ビームの波長λと区画１０６＿ｄに配置される偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λに基づいて定まる。すなわち、区画に配置される偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λまたは／および区画に入射される光ビームの波長を変更することにより、区画から出射される光ビームの回折角αを変更することができる。
【００３３】
この実施の形態１においては、複数の区画における回折角αが異なるように、区画に配置される偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λが、３〜８００μｍの範囲で変更されている。すなわち、区画１０６＿ｄに配置される偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λが、区画１０６＿ｄにおける回折角αを所望の値にするような周期となるように、区画１０６＿ｄに配置される１／２波長板ＨＷＰの角度Φ（ｕ）が、式（１）に基づいて算出される。算出により求めた角度Φ（ｕ）に整合するように、１／２波長板ＨＷＰの凸凹を作製する。他の区画（例えば、１０６＿ａ〜１０６＿ｃ）も同様にして、それぞれの区画における回折角αが、所望の値となるように、それぞれの区画に配置される１／２波長板ＨＷＰを作製する。これにより、区画毎に回折角αが異なるようにされている。
【００３４】
この実施の形態では、区画１０６＿ｄにおける偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λに対して、偏光回折格子ＰＬＤにおける１／２波長板ＨＷＰの繰り返し周期ｄは、１／８に設定されている。この実施の形態において、１／２波長板ＨＷＰが偏光回折格子として機能するためには、周期ｄは、周期Λに対して１／８以下にすることが望ましい。言い換えるならば、１個の偏光回折格子ＰＬＤが、複数個の１／２波長板ＨＷＰによって区分されていると見なした場合、区分数は８以上であることが望ましい。そのため、実施の形態では、区分数が８となっている。
【００３５】
実施の形態１においては、偏光回折格子ＰＬＤを８個の１／２波長板ＨＷＰで区分し、区分単位で、角度Φが変わるようにしている。このようにすることにより、区分単位で、１／２波長板ＨＷＰの構造を変更すれば済むため、設計の簡便化を図ることが可能となる。勿論、それぞれの偏光回折格子ＰＬＤにおいて、角度Φが連続的に変化するように、１／２波長板ＨＷＰを作製するようにしてもよい。
【００３６】
次に、区画に配置された波面制御素子１０７の機能を、図４および図５を用いて説明する。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態１に係わる波面制御素子１０７の機能を説明するための説明図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）には、ＸＹＺ座標は示されていないが、図１と同様になっている。また、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示した波面制御素子１０７は、１個の区画に配置された波面制御素子を示している。
【００３７】
図１に示したように、光ビームは、１／４波長板１０３を介してＭＥＭＳミラー１０４および１０５により反射され、ビーム偏向素子１０６における所望の区画に配置された波面制御素子１０７に入射する。波面制御素子１０７に入射される光ビーム、すなわち入射光は、１／４波長板１０３によって、偏光状態が変換されている。すなわち、入射光は、直線偏光から円偏光に変換されている。波面制御素子１０７は、１／２波長板ＨＷＰに基づいた偏光回折格子によって構成されているため、入射光の偏光状態が右回りの円偏光であるか、左回りの円偏光であるかに応じて、波面制御素子１０７からは、１次あるいは−１次の回折光のみが出射されることになる。このとき波面制御素子１０７のＸＹ面と接する法線１０６＿ｈから出射される回折光１０７＿ｒまでの回折角αは、真空中の場合、式（２）で表される。ここで、λは光ビームの波長を示している。
2019045574.tif 000004
【００３８】
図４（Ａ）は、入射光の偏光状態が右回りの円偏光の場合を示している。この場合、波面制御素子１０７から出射される回折光１０７＿ｒは、１次となり、左回りの円偏光となる。また、図４（Ｂ）は、入射光の偏光状態が左回りの円偏光の場合を示している。この場合、波面制御素子１０７から出射される回折光１０７＿ｒは、−１次となり、右回りの円偏光となる。図４（Ａ）および（Ｂ）において、法線１０６＿ｈから回折光１０７＿ｒまでの回折角αは、式（２）に示すように、光ビームの波長λと、区画に配置されている偏光回折格子の繰り返し周期Λによって定まる。
【００３９】
光ビームの波長λを１．５５μｍとすると、区画における偏光回折格子の繰り返し周期Λを、３〜８００μｍの範囲で変更することにより、式（２）により、回折角αを０．４７８〜０．００２ｒａｄの範囲で変更することができる。区画に偏光回折格子を設けない場合には、回折角αは０ｒａｄとなる。
【００４０】
また、区画の波面制御素子１０７に入射される光ビームが、法線１０６＿ｈに対して僅かな角度δαを持っていた場合、出射される回折光の回折角は、元々の回折角αに入射光の角度δαを加えた角度α＋δαとなる。図４（Ｃ）は、右回りの光ビームが、角度δαを持って入射した場合が示されている。
【００４１】
図５（Ａ）は、ビーム偏向素子１０６の構造を示す模式的な斜視図である。また、図５（Ｂ）は、ビーム偏向素子１０６の１個の区画１０６＿ｓに配置された偏光回折格子ＰＬＤの構造を示す図である。図５（Ａ）において、１０５＿ｒ１は、区画１０６＿ｒ１に対向するように配置された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから、Ｚ方向に照射された光ビームを示し、１０５＿ｒ２は、区画１０６＿ｒ２に対向するように配置された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから、Ｚ方向に照射された光ビームを示している。また、１０６＿ｈ１および１０６＿ｈ２は、区画１０６＿ｒ１および１０６＿ｒ２の法線を示しており、Ｚ方向に延在している。
【００４２】
区画１０６＿ｒ１に入射した光ビームは、この区画１０６＿ｒ１に配置されている偏向回折格子ＰＬＤの方向ＧＤ、すなわち波面制御素子１０７の方向ＰＤに従った方向へ偏向され、光ビーム１０７＿ｒ１として出射する。このときの法線１０６＿ｈ１と光ビーム１０７＿ｒ１との間の回折角α１が、この実施の形態においては、区画１０６＿ｒ１に配置されている偏光回折格子ＰＬＤの繰り返しの周期Λによって定まる。同様に、区画１０６＿ｒ２に入射した光ビームは、この区画１０６＿ｒ２に配置されている偏向回折格子ＰＬＤの方向ＧＤに従った方向へ偏向され、出射する光ビーム１０７＿ｒ２と法線１０６＿ｈ２との間の回折角α２が、区画１０６＿ｒ２に配置されている偏光回折格子ＰＬＤの繰り返しの周期Λによって定まる。この実施の形態においては、区画１０６＿ｒ１と１０６＿ｒ２に配置される偏光回折格子ＰＬＤの方向ＧＤが異なるため、出射する光ビーム１０７＿ｒ１と１０７＿ｒ２とは異なる方向に偏向されることになり、そのときの回折角α１およびα２が、周期Λによって定まることになる。
【００４３】
また、偏光回折格子ＰＬＤは１／２波長板ＨＷＰによって構成されており、入射する光ビームは円偏光となっているため、区画１０６＿ｒ１および１０６＿ｒ２から出射する光ビームは１個となる。
【００４４】
図５（Ｂ）において、左側の図は、ビーム偏向素子１０６の模式的な断面図を示し、右側の図は、ビーム偏向素子１０６の平面図（ＸＹ面）を示している。なお、同図には、１個の区画１０６＿ｓの構成のみが示されている。図５（Ｂ）に示した断面図では省略しているが、図３において斜視図で示したように凸凹のパターンとされた複数の１／２波長板ＨＷＰが配置されている。１個の偏光回折格子ＰＬＤをＸＹ面で見た場合、図５（Ｂ）の右側の図に示すように、凸凹のパターンによって概略的には複数の鱗状のパターンが形成されているように見える。
【００４５】
図５（Ｂ）の左側に示した断面図において、例えば光ビーム１０６＿ｒ１が、Ｚ方向に沿って区画１０６＿ｓの左側から入射し、右側から出射される。このとき、偏光回折格子ＰＬＤの方向ＧＤ（波面制御素子１０７の方向ＰＤ）に従った方向に、出射される光ビームは偏向される。図５（Ｂ）では、偏光回折格子ＰＬＤの方向ＧＤが、Ｘ方向に沿っているため、出射される光ビームは、法線１０６＿ｈを基準として、例えば方向ＧＤと直角なＹ方向に偏向される。このときの法線１０６＿ｈと光ビームとの間の回折角αが、周期Λによって定まる。
【００４６】
次に、図１等を参照して、光線走査装置１００の動作を説明する。半導体レーザ１０１から出射された光ビームは、レンズ１０２によってコリメートされ、スポット半径が例えば２００μｍの光ビームに変換される。変換された光ビームは、１／４波長板１０４によって、直線偏光から円偏光に変換される。ＭＥＭＳミラー１０４と１０５との間の距離は例えば１０ｃｍとされ、スポット位置がＭＥＭＳミラー１０４と１０５との間の中間の位置であるとすると、ＭＥＭＳミラー１０４、１０５における光ビームの半径（ビーム半径）は、約２５０μｍとなる。また、ＭＥＭＳミラー１０５とビーム偏向素子１０６との間の距離を１０ｃｍとすれば、ビーム偏向素子１０６におけるビーム半径は約３４０μｍとなり、ビーム偏向素子１０６に配置された１個の区画に光ビームが収まるようにできる。
【００４７】
ＭＥＭＳミラー１０４は、上記したように、Ｙ軸およびＸ軸を中心として、面が上下および左右に回転する１枚のミラーである。また、ＭＥＭＳミラー１０５も、Ｙ軸およびＸ軸を中心として、面が上下および左右に回転する複数の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓによって構成されている。図１には、Ｘ方向に配列された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓのみが示されているが、Ｙ方向にも、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓは配置されており、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓはアレイ状に配置されている。
【００４８】
最も基本的な構成では、ビーム偏向素子１０６における区画数と、ＭＥＭＳミラー１０５を構成する単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの個数は同数である。そのため、この実施の形態においては、ＭＥＭＳミラー１０５は、２５列×２５行のアレイ状に配置された６２５個の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓによって構成されている。ＭＥＭＳミラー１０５における単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓとビーム偏向素子１０６における区画とは、対向するように配置されている。この実施の形態１においては、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの大きさは、半径が例えば３５０μｍであり、隣接して配置されている単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓの中心間の間隔は、８００μｍとなっている。
【００４９】
ＭＥＭＳミラー１０４による光ビームの反射によって、光ビームが照射される単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓが、アレイ状に配置された複数の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから選択される。すなわち、図示しない制御ブロックによって、選択された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓに反射の光ビーム（太い実線）が照射されるように、ＭＥＭＳミラー１０４が、上下および左右に回転させられる。選択された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓは、ＭＥＭＳミラー１０４からの光ビーム（太い実線）を、ビーム偏向素子１０６における複数の区画のうち対向する区画に，入射するように、図示しない制御ブロックによって回転させられる。
【００５０】
例えば、ビーム偏向素子１０６の中央の列に配置された各区画における偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λを変えることで、法線１０６＿ｈからの回折角αを２．５°ステップで、±３０°の角度で変えることができる。
【００５１】
なお、図１において、太い破線は、ＭＥＭＳミラー１０４および１０５によって、別の区画を選択した場合の光学経路を示している。また、細い破線は、さらに異なる区画を選択した場合に、ビーム偏向素子１０６から出射される光ビームを示している。
【００５２】
図１は、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから対向する区画へ、光ビームを照射する例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、区画に対向していない単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓから光ビームを入射するようにしてもよい。図６は、実施の形態１に係わる光線走査装置１００において、区画に対向していない単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓに光ビームを入射する場合を説明するための図である。図６は、図１と類似しているので、相異点のみを説明する。
【００５３】
図６において、１０５＿ｓ＿ｔは、ビーム偏向素子１０６に配置された所定の区画に対向した単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓを示している。言い換えるならば、所定の区画における法線１０６＿ｓ上に配置された単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓである。これに対して、１０５＿ｓ＿ｅは、上記した所定の区画に対向していない単位ＭＥＭＳミラーを示している。ＭＥＭＳミラー１０４は、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓ＿ｅを選択し、この単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓ＿ｅに、反射した光ビームが破線で示すように入射するように回転する。この場合、法線１０６＿ｈに対して、角度βで所定の区画に入射することになる。これにより、図４（Ｃ）で説明したように、所定の区画からは、法線１０６＿ｈに対して元々の回折角αと入射角βとの和の回折角で、回折光は出射することになる。すなわち、所定の区画における偏光回折格子ＰＬＤの繰り返し周期Λにより定まる元々の回折角αに対して、入射角βを加えることが可能となり、回折角を微調整することが可能である。
【００５４】
図６においても、図１と同様に、ＭＥＭＳミラー１０５とビーム偏向素子１０６との間の間隔は１０ｃｍであり、隣接する単位ＭＥＭＳミラー１０５＿Ｓの間隔は、８００μｍであるため、対向していない隣接の単位ＭＥＭＳミラーからの光ビームを、区画に入射するようにすれば、±０．４５°の微調整を行う制御が可能となる。また、近傍の２４個の単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓを利用して微調整を行えば、２４×６２５程度の異なる方向に光ビームを投射することが可能となり、光線走査装置１００をレーザーレーダー用の投射光学系に適用することも可能である。
【００５５】
また、光ビームの偏光方向は、適当な方向に順次走査することも可能であるし、ランダムに走査することも、あるいは特定の範囲のみ走査することなども可能である。
【００５６】
＜変形例１＞
図７は、実施の形態１の変形例１に係わるビーム偏向素子１０６の構成を示す図である。この変形例１においては、ビーム偏向素子１０６に配置されている区画１０６＿ｓが等しい大きさに設定され、各区画１０６＿ｓから出射される回折光が、共通の中心点ＩＭＣから放射状に投射されるように、各区画１０６＿ｓの回折角αが設定されている。このように、共通の中心点ＩＭＣから放射されるため、投射光学系の設計が容易になるという特徴がある。
【００５７】
＜変形例２＞
図８は、実施の形態１の変形例２に係わるビーム偏向素子１０６の構成を示す図である。この変形例２では、隣り合う区画１０６＿ｓから投射される回折光間の回折角αの差である角度差が、ビーム偏向素子１０６において等しくなるように、各区画１０６＿ｓの大きさが設定されている。すなわち、変形例１と異なり、角度差が等しくなるように各区画１０６＿ｓの大きさが異なっている。変形例２の構成は、レーザーレーダーなどで等角度でのビーム投射が必要な場合に有効である。
【００５８】
＜変形例３＞
図９は、実施の形態１の変形例３に係わるビーム偏向素子１０６の構成を示す図である。この変形例３においては、各区画１０６＿ｓから投射される投射ビーム１０６＿０、１０６＿１＿ｕ〜１０６＿４＿ｕおよび１０６＿１＿ｄ〜１０６＿４＿ｄと、中央の光軸との交点が、ＩＭ１〜ＩＭ４のように変化するように、各区画１０６＿ｓにおける回折角αを設定した場合を示している。これにより、投射光学系の球面収差を補償することが可能である。
【００５９】
＜変形例４＞
図１０は、実施の形態１の変形例４に係わるビーム偏向素子１０６の構成を示す図である。この変形例４においては、ビーム偏向素子１０６における各区画１０６＿ｓの回折角αが任意に設定されている。このようにすることにより、区画毎に任意な方向に偏向することが可能となる。
【００６０】
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係わる光線走査装置の構成を示す図である。光線走査装置１００は、半導体レーザ１０１、レンズ１０９および１１３、反射型液晶空間光変調器１１０および１１２、シリンドリカルレンズ１１１および１１４、１／４波長板１１５およびビーム偏向素子１０６を備えている。図１１の左下に示した矢印Ｘ、ＹおよびＺは、図１と同様に図１１におけるＸＹＺ座標を示している。
【００６１】
図１１において、Ａの部分、Ｂの部分およびＣの部分は、Ｙ軸方向から見た側面図が、図１２〜図１４に示されている。以下、図１１〜図１４を用いて、この実施の形態に係わる光線走査装置１００を説明する。
【００６２】
半導体レーザ１０１から射出される光ビームの波長は、１．５５μｍであるとする。また、反射型液晶空間光変調器１１０および１１２は、ピクセルサイズが、５×５μｍであり、２０００×２０００（列×行）のピクセルが配置されているものとする。この反射型液晶空間光変調器１１０および１１２は、約０．５ｄＢの回折損失で±２．５°の範囲で光ビームの反射方向を制御可能であるものとする。
【００６３】
レンズ１０９の焦点距離ｆ１（図１２）は、５ｍｍ程度であり、半導体レーザ１０１から出射された光ビームは、レンズ１０９によってコリメートされ、スポット半径が例えば３ｍｍの光ビームに変換される。コリメートされた光ビームは、反射型液晶空間光変調器１１０に入射され、反射型液晶空間光変調器１１０において±２．５°の範囲で、Ｙ方向に偏向されて反射する。この反射型液晶空間光変調器１１０上における光分布が、図１１〜１３の右側に示されている。
【００６４】
シリンドリカルレンズ１１１の焦点距離ｆ２（図１３）は、例えば１１０ｍｍである。シリンドリカルレンズ１１１から反射型液晶空間光変調器１１２に光ビームが照射され、反射型液晶空間光変調器１１２上での光ビームのスポット半径は、約３ｍｍ×１８μｍとなる。反射型液晶空間光変調器１１２においては、照射された光ビームは、Ｚ軸に対して±２．５°の範囲でＸＺ面内で偏向され、反射される。反射型液晶空間光変調器１１２によって反射された光ビームは、１／４波長板１１５によって直線偏光から円偏光に変換される。ここで、レンズ１１３およびシリンドリカルレンズ１１４の焦点距離ｆ３（図１４）は、１１０ｍｍであるとする。これにより、ビーム偏向素子１０６のＸＹ面上では、光ビームのスポット半径が約１８μｍとなり、１ｃｍ×１ｃｍの範囲で、光ビームのスポット位置を変えることができるようになる。
【００６５】
図１１および図１３において、左側に示した光分布は、反射型液晶空間光変調器１１０によって、照射された光ビームを、Ｙ方向に偏向した場合における反射型液晶空間光変調器１１２上での光分布を示している。この光分布は、反射型液晶空間光変調器１１０が、照射された光ビームを、図１３に示した光ビームｆａｃ１のように反射した場合と、偏向して光ビームｆａｃ２のように反射した場合の光分布である。光ビームｆａｃ１、ｆａｃ２は、シリンドリカルレンズ１１１によって、円形の光分布から楕円形の光ビームｆａｃ１＿ａ、ｆａｃ２＿ａに変形され、反射型液晶空間光変調器１１２に照射される。これにより、反射型液晶空間光変調器１１２上では、図１１および図１３の左側に示したような光分布の光ビームｆａｃ１＿ｂ、ｆａｃ２＿ｂとなる。光ビームｆａｃ１＿ｂ、ｆａｃ２＿ｂは、反射型液晶空間光変調器１１２によって、偏向されて反射され、図１４に示すように光ビームｆａｃ１＿ｃ、ｆａｃ２＿ｃとなり、レンズ１１３、シリンドリカルレンズ１１４および１／４波長板１１５を通して、光ビームｆａｃ１＿ｄ、ｆａｃ２＿ｄとして、ビーム偏向素子１０６に入射する。実施の形態１と同様に、ビーム偏向素子１０６によって、光ビームｆａｃ１＿ｄ、ｆａｃ２＿ｄは偏向され、光ビームｆａｃ１＿ｅ、ｆａｃ２＿ｅとして出射される。
【００６６】
この場合、ビーム偏向素子１０６に配置される各区画１０６＿ｓの寸法を、５０μｍ×５０μｍとして、ビーム偏向素子１０６のＸＹ面に、区画１０６＿ｓを２００列×２００行に配置することが可能である。すなわち、２００×２００の方向に光ビームを投射することが可能であり、レーザーレーダー用の投射光学系に適用可能となる。
【００６７】
＜変形例１＞
図１５は、実施の形態２の変形例１に係わる光線走査装置の構成を示す図である。この変形例においては、図１１に示したビーム偏向素子１０６からの光ビーム（例えばｆａｃ２＿ｅ）がビーム径拡大光学系に入射される。図１５において、１０６は図１１に示したビーム偏向素子を示している。また、１１６は凹レンズを示し、１１７は凸レンズを示している。凹レンズ１１６と凸レンズ１１７によって、ビーム径拡大光学系が構成され、ビーム偏向素子１０６から出射された光ビームのビーム径が広げられる。これにより、遠方へ光ビームを投影することが可能となる。
【００６８】
＜変形例２＞
変形例２においては、図１１に示したビーム偏向素子１０６から出射された光ビームが、ビーム走査微調用の反射型液晶空間光変調素子に照射される。このビーム走査微調用の反射型液晶空間光変調素子によって回折角が微調整される。また、変形例１で説明したビーム拡大光学系から出射された光ビームが、ビーム走査微調用の反射型液晶空間光変調素子に照射されるようにしてもよい。この変形例２によれば、回折角を微調整することが可能である。
【００６９】
（実施の形態３）
図１６は、実施の形態３に係わる光線走査装置の構成を示す図である。図１６は、図１と類似しているので、主に相異点を説明する。
【００７０】
この実施の形態においては、半導体レーザが２台設けられている。すなわち、半導体レーザ１０１−ａと１０１−ｂが、光線走査装置１００に設置されている。半導体レーザ１０１−ａから出射された光ビーム１０１−ａ１はレンズ１０２−ａに照射され、半導体レーザ１０１−ｂから出射された光ビーム１０１−ｂ１はレンズ１０２−ｂに照射されている。レンズ１０２−ａとレンズ１０２−ｂからの光ビームは、偏向ビームスプリッタ１１８に照射される。この場合、偏向ビームスプリッタ１１８は、レンズ１０２−ａとレンズ１０２−ｂからの直交する直線偏光を多重して、多重された光ビームを出射する。１／４波長板１０３によって、多重された光ビームは、右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換されて、ＭＥＭＳミラー１０４に照射される。すなわち、この実施の形態においては、右回りおよび左回りの両方の円偏光が利用されることになる。その結果、ビーム偏向素子１０６の１個の区画から出射される光ビームが、右周りの円偏光に対応した光ビームと左回りの円偏光に対応した光ビームとなり、出射される光ビームの数を、実施の形態１に比べて増やすことが可能となる。すなわち、ビーム偏向素子１０６から出射される光ビームの数を、実施の形態１に比べて２倍にすることが可能となり、走査の際の走査点を増やすことが可能となる。
【００７１】
なお、図１６において、細い実線および細い破線は、ＭＥＭＳミラー１０４、１０５によって、別の区画に光ビームを照射した場合に出射される光ビームを示している。
【００７２】
（実施の形態４）
図１７は、実施の形態４に係わる光線走査装置の構成を示す図である。図１７も、図１と類似しているので、主に相異点を説明する。この実施の形態４においては、光ビームを出射する半導体レーザが、波長可変半導体レーザ１１９によって構成されている。式（２）に示したように、ビーム偏向素子１０６から出射される光ビームの回折角αは、光ビームの波長λによっても変化する。波長可変半導体レーザ１１９により出射される光ビームの波長変化の最大量をδλとすると、ビーム偏向素子１０６から出射される光ビームの回折角αを、δλ／Λ程度の制御範囲で調整することが可能である。
【００７３】
（実施の形態５）
図１８は、実施の形態５に係わる光線走査装置の構成を示す図である。実施の形態１等では、光ビームを発生するレーザ光源として、半導体レーザ１０１を用いていた。これに対して、この実施の形態においては、レーザ光源として、面発光レーザアレイ（以下、レーザアレイ光源とも称する）が用いられる。
【００７４】
図１８において、１０１−ｃは面発光レーザアレイであり、ＸＹ面上にアレイ状に配置された複数の発光レーザを備えており、それぞれの発光レーザは結晶軸に揃った直線偏光を放射する。１２０はマイクロレンズアレイであり、ＸＹ面上にアレイ状に配置された複数のマイクロレンズを備えている。また、１２１は１／４波長板である。
【００７５】
この実施の形態においては、面発光レーザアレイ１０１−ｃにおける発光レーザと、マイクロレンズアレイ１２０におけるマイクロレンズと、ビーム偏向素子１０６における区画とが互いに対向するように配置されている。例えば、面発光レーザアレイ１０１−ｃにおける発光レーザは、発光半径が３μｍの光ビームを発光する。隣接して配置されている発光レーザが発光する光ビームの中心点間の間隔が、８００μｍ間隔となるようにして、発光レーザは、２５列×２５行に配置されている。マイクロレンズアレイ１２０は、２５列×２５行に配置されたマイクロレンズを備えており、それぞれのマイクロレンズの焦点距離は２ｍｍで、半径が４００μｍとなっている。マイクロレンズアレイ１２０におけるマイクロレンズには、対向して配置された発光レーザからの光ビームが入射し、光ビームを１／４波長板１２１へ出射する。１／４波長板１２１に入射した光ビームは、円偏光に変換され、ビーム偏向素子１０６において対向する区画に照射される。このとき、区画に照射される光ビームは、ビーム偏向素子１０６においてスポット半径が約３００μｍとなるようにする。
【００７６】
ビーム偏向素子１０６は、実施の形態１と同様な構成にされている。すなわち、ビーム偏向素子１０６は、２５列×２５行の区画を備えており、各区画は、例えば８００μｍ角となっている。入射した光ビームは、実施の形態１で述べたように、区画からは偏光回折格子ＰＬＤの方向ＰＬＤおよび周期Λによって定まった方向および回折角αで光ビームが出射される。区画毎に、偏向回折格子ＰＬＤの方向ＧＤおよび周期Λを変えることにより、照射する区画の位置に応じて異なる方向および回折角αで、光ビームを偏向することが可能となる。すなわち、アレイ状に配置された複数の発光レーザから、光ビームを発光させる発光レーザを選択することにより、任意の方向に光ビームを偏向させることが可能となる。
【００７７】
また、ビーム偏向素子１０６から出射される光ビームの本数を増やしたい場合には、面発光レーザアレイ１０１−ｃを構成する発光レーザを増やせばよい。例えば、中心点の間隔が１２５μｍ間隔で、８０列×８０行に配置された発光レーザによって面発光レーザアレイ１０１−ｃを構成すればよい。この場合、発光レーザと対向するように、マイクロレンズアレイ１２０を構成するマイクロレンズも小型化し、個数を増やすことになる。この場合、簡便に光線走査装置１００を作製するためには、マイクロレンズアレイ１２０を単一レンズとしてもよい。この場合、単一レンズによって、面発光レーザアレイ１０１−ｃの像がビーム偏向素子１０６上に結ばれるようにすればよい。
【００７８】
実施の形態１〜４においては、ビーム偏向素子に配置された複数の波面制御素子から波面制御素子を選択し、選択した波面制御素子に光ビームが入射されるように光ビームの伝搬方向を切り替える空間光スイッチとして、ＭＥＭＳミラー１０４、１０５あるいは反射型液晶空間光変調器１１０、１１２を用いていた。これに対して、実施の形態５に係わる光線走査装置１００においては、空間光スイッチが必要とされない。そのため、光線走査装置１００を構成する部品点数を低減し、容易に小型化を図ることができる。また、光ビームを発光する発光レーザを、発光レーザアレイから任意に選択することができるため、ランダムな走査が可能である。
【００７９】
（実施の形態６）
図１９は、実施の形態６に係わる光線走査装置の構成を示す図である。図１９は、図１に類似しているので、主に相異点を説明する。この実施の形態に係わる光線走査装置１００は、複数のビーム偏向素子を備えている。ここでは、光線走査装置１００が２個のビーム偏向素子を備えている場合を例として説明する。図１９において、符号１０６−１は、図１に示したビーム偏向素子１０６に相当し、符号１０６−２が、この実施の形態で追加されたビーム偏向素子を示している。また、この実施の形態においては、ＭＥＭＳミラー１０５からの光ビームの方向を変更するＭＥＭＳミラー１２２が追加されている。
【００８０】
ビーム偏向素子（第１ビーム偏向素子）１０６−１は、図１に示したビーム偏向素子１０６と同様に、ビーム偏向素子１０６−１における所望の区画に、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓからの光ビームが照射される。ビーム偏向素子１０６−１は、図１で説明したビーム偏向素子１０６と同様に、区画に配置された波面制御素子の方向に従った方向に光ビームを出射する。また、このとき、出射される光ビームと区画の法線との間の回折角αが、波面制御素子を構成する偏光回折格子の繰り返し周期Λと光ビームの波長λによって定まる。図１９では、ビーム偏向素子１０６−１の面は、図１の場合と同様に、ＸＹ面に沿って配置されている。そのため、区画の法線、すなわちビーム偏向素子１０６−１の法線は、Ｚ軸に沿ったＺ方向である。
【００８１】
一方、ＭＥＭＳミラー１２２は、単位ＭＥＭＳミラー１０５＿ｓからの光ビームの方向を、Ｘ軸方向に変更する。また、ビーム偏向素子（第２ビーム偏向素子）１０６−２の面は、ＹＺ面に沿って配置されている。このビーム偏向素子１０６−２は、図１で説明したビーム偏向素子１０６と同じ構成になっており、ＭＥＭＳミラー１２２によって方向の変更された光ビームは、ビーム偏向素子１０６−２における所望の区画に入射される。これにより、ビーム偏向素子１０６−２は、所望の区画に配置された波面制御素子の方向に従って方向に光ビームを出射する。このとき、ビーム偏向素子１０６−２から出射される光ビームと区画の法線との間の回折角αは、繰り返し周期Λと波長λによって定まるが、この場合の法線はＸ軸に沿ったＸ方向である。
【００８２】
ビーム偏向素子１０６−１、１０６−２による回折角αは、±４５°程度が最大であるが、この実施の形態によれば、光線走査装置１００は、Ｚ軸に沿った法線を基準とした回折角の光ビームとＸ軸に沿った法線を基準とした回折角の光ビームを出射することが可能となる。すなわち、光ビーム投射方向を広げることが可能となる。
【００８３】
波面制御素子が配置された面が互いに異なる方向になるように配置したビーム偏向素子１０６−１および１０６−２を用いる例を、図１９で説明したが、これに限定されるものではない。例えば、それぞれの面が、異なる方向になるように配置された複数のビーム偏向素子を設け、それぞれに光ビームが照射されるようにすることで、例えば全方位走査が可能な光線操作装置１００を提供することが可能である。
【００８４】
（実施の形態７）
実施の形態７においては、実施の形態１〜６で説明したビーム偏向素子１０６、１０６−１、１０６−２を構成する波面制御素子１０７が、プリズムによって構成される。図２０〜図２２は、実施の形態７に係わるビーム偏向素子の構成を示す図である。ここでは、ビーム偏向素子１０６を構成する波面制御素子１０７がプリズムによって構成される場合を説明するが、実施の形態６を適用する場合には、ビーム偏向素子１０６−１および１０６−２がプリズムによって構成されることになる。実施の形態１〜６では、ビーム偏向素子として回折格子を用いていたため、回折角を用いて説明したが、この実施の形態では、プリズムを用いる。そのため、ビーム偏向素子によって偏向する角度は、回折角の上位概念である偏向角を用いて説明する。
【００８５】
図２０に示したビーム偏向素子１０６は、図２で説明したビーム偏向素子と同様に、ＸＹ面においてアレイ状に配置された複数の区画１０６＿ｐｓによって構成されている。各区画１０６＿ｐｓには、方向が異なる波面制御素子１０７が配置されている。図２０においても、図２と同様に、区画（４，３）、（５，４）、（５，５）および（６，５）が、区画１０６＿ｐａ〜１０６＿ｐｄとして詳しく示されている。各区画１０６＿ｐａ〜１０６＿ｐｄに配置されている波面制御素子１０７の方向は、矢印ＰＤで示された方向になっている。同図では、色の濃い領域から薄い領域に向かう方向が、波面制御素子１０７の方向ＰＤである。
【００８６】
区画１０６＿ｐｄにおいて，破線で囲んだ領域１０６＿ｐｄ＿ｐの平面図および断面図が、図２１に示されている。この実施の形態においては、各区画に配置された波面制御素子１０７は、１個のプリズム１２３によって構成されている。プリズム１２３の面は、波面制御素子の方向ＰＤに沿って、図２１の上側に示すように、第１基板面ＳＵＦ１から第２基板面ＳＵＦ２に向かって高さが低くなる。すなわち、プリズム１２３の面は、波面制御素子の方向ＰＤに向かって、高さが低くなり、第２基板面ＳＵＦ２に到達する構造を備えている。このとき、第１基板面ＳＵＦ１に対するプリズム１２３の面の傾きが、θで表され、プリズム１２３の高さがｈで表されている。波面制御素子１０７の方向ＰＤは、プリズム１２３の高さが、Ｚ軸において低くなる方向を表すところのプリズム１２３の方向とも見なすことができる。
【００８７】
図２１に示した各波面制御素子１０７における濃淡は、その位置におけるプリズムの面の高さを表しており、色が濃いほど、プリズム１２３において高い位置、すなわち第１基板面ＳＵＦ１に近い位置を示しており、色が薄いほど、プリズム１２３において第２基板面ＳＵＦ２に近い低い位置を示している。
【００８８】
例えば、区画１０６＿ｐａに配置されているプリズム１２３においては、Ｘ軸の値が大きくなるほど（方向ＰＤの矢印方向）、プリズム１２３の面の高さが低くなり、区画１０６＿ｐｂに配置されているプリズム１２３においては、右上になるほど（方向ＰＤの矢印方向）、プリズム１２３の面の高さが低くなる。また、区画１０６＿ｐｃおよび１０６＿ｐｄにおいては、Ｙ軸の値が大きくなるほど、プリズム１２３の面の高さが低くなる。区画１０６＿ｐｃと１０６＿ｐｄにおいては、方向ＰＤは同じ方向になっているが、色の濃さが異なっている。すなわち、区画１０６＿ｐｃに比べて、区画１０６＿ｐｄにおいて濃い領域の色が薄くなっている。これにより、区画１０６＿ｐｄに配置されているプリズム１２３の面の高さが、区画１０６＿ｐｃの高さｈよりも低いことが示されている。プリズム１２３の高さが低いため、区画１０６＿ｐｄに配置されているプリズム１２３の角度θは、区画１０６＿ｐｃのプリズム１２３の角度θと異なっていることになる。
【００８９】
このように、この実施の形態においては、ビーム偏向素子１０６に配置される波面制御素子１０７の方向ＰＤが異なるようにするために、波面制御素子１０７を構成するプリズム１２３の面の高さが変化する方向が異なるようにされている。また、プリズム１２３の角度θも、各波面制御素子１０７によって異なるように設定されている。すなわち、この実施の形態においては、ビーム偏向素子１０６において区画毎に、異なる方向で異なる傾き（角度）θのプリズム１２３が配置されていることになる。
【００９０】
図２２は、プリズム１２３に光ビームが入射したときの状態を示す図である。入射した光ビームは、プリズム１２３によって偏向され、出射される。この場合、出射される光ビームの偏向角γは、式（３）によって表される。ここで、ｎｓは、プリズム１２３を形成する材料の屈折率である。
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【００９１】
また、角度θは、式（４）を満たすことが必要であり、角度θの最大値が、式（４）によって決定される。例えば、プリズム１２３の屈折率ｎｓを１．５にすれば、偏向角γの最大値は、０．８４１ｒａｄとなる。
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【００９２】
＜変形例＞
図２０〜図２２では、波面制御素子１０７を１個のプリズム１２３で構成する場合を説明した。これに対して、変形例においては、波面制御素子１０７が、複数のプリズムによって構成される。図２３は、実施の形態７の変形例に係わる波面制御素子１０７の構成を示す図である。
【００９３】
この変形例においては、それぞれの波面制御素子１０７が、ＸＹ面上に配列された複数のプリズム１２３＿ｓによって構成される。この場合、長さｌのプリズム１２３＿ｓが、区画に複数の配置されることになる。
【００９４】
この変形例においては、それぞれのプリズム１２３＿ｓの高さｈ’を、式（５）で求まる値にすることにより、複数のプリズム１２３＿ｓの高さｈ’を等しくすることが可能である。
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【００９５】
この実施の形態７においても、ビーム偏向素子１０６において選択した区画に、光ビームを照射することにより、選択した区画は、そこに配置されている波面制御素子（プリズム）の方向ＰＤに従った方向に光ビームを偏向して出射する。また、このとき出射される光ビームの法線に対する偏向角γは、プリズム１２３の角度θによって定まる。そのため、例えば各区画に、方向ＰＤおよび角度θの異なるプリズムを配置することにより、任意の方向に任意の偏向角で光ビームを投射することが可能となる。
【００９６】
なお、ここでは、プリズム１２３の面の高さが低くなる方向を，プリズム１２３および波面制御素子１０７の方向ＰＤとしたが、これに限定されるものではない。例えば，プリズム１２３の面の高さが高くなる方向を、プリズム１２３および波面制御素子１０７の方向としてもよい。
【００９７】
上記した実施の形態によれば、光ビームを走査するエンジンとして、空間光スイッチまたは面発光レーザアレイが用いられる。空間光スイッチは、ＭＥＭＳミラーまたは液晶空間光変調器によって構成される。そのため、光線走査装置１００は、モーター等の大型の機械部品を不要とすることが可能となり、小型化を図ることが可能となる。また、モーター等の機械部品を不要とすることにより、信頼性の向上を図ることが可能である。さらに、光ビームは一方向に走査するだけでなく、ランダムに走査したり、特定の走査パターンに合わせて走査することも可能である。そのため、レーザーレーダー等で特定の箇所を集中的に走査するなどの適応的な光ビーム照射が可能となる。
【００９８】
さらに、ビーム偏向素子によって走査角の拡大が行われるため、ビームスポット径、ビーム配置など設計の自由度が高く、投射光学系に適合させることが容易である。例えば、レンズ系の収差を低減するためにビーム配置と偏向方向を設定することなどが可能であり、平行な走査が可能となる。さらに、複数のビーム偏向素子を利用することも可能であり、この場合には全方位へのビーム投射光学系を構築することも容易である。
【００９９】
実施の形態１〜６では、偏光回折格子ＰＬＤの延在する方向を、波面制御素子１０７の方向ＰＤおよび偏光回折格子ＰＬＤの方向ＧＤとし、実施の形態７では、プリズムの高さが低くなる方向を波面制御素子１０７の方向ＰＤとしたが、これに限定されるものではなく、全ての区画１０６＿ｓに対して、方向の定義が統一していればよい。例えば、実施の形態１等では、偏光回折格子ＰＬＤの周期ｄに沿った方向を、波面制御素子１０７の方向と定義して、統一してもよい。
【０１００】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、変形例を含めて、実施の形態１〜７を相互に組み合わせて、光線走査装置を構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１００  光線走査装置
１０１、１０１−ａ、１０１−ｂ  半導体レーザ
１０１−ｃ  面発光レーザアレイ
１０４、１０５、１２２  ＭＥＭＳミラー
１０６  ビーム偏向素子
１０７  波面制御素子
１１９  波長可変半導体レーザ
１２３  プリズム
ＰＤ  波面制御素子の方向
ＰＬＤ  偏光回折格子
ＧＤ  偏光回折格子の方向
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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