(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】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、ビームスキャニング装置１００は、光を提供する光源１２０と、光源１２０から来る光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子１１０と、を含み、ビームスキャニング装置１００によれば、光源１２０から反射型位相配列素子１１０に入射する入射光の進行方向が、反射型位相配列素子１１０の反射面の法線に対して傾くように、光源１２０と反射型位相配列素子１１０とが配置される。【選択図】図１
2019168682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放出する光源と、
前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子と、を含み、
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されているビームスキャニング装置。
【請求項２】
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光と、前記反射型位相配列素子によって反射された反射光とが互いに重畳しないように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置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】
前記反射型位相配列素子は、独立して駆動される多数のアンテナ共振器を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のビームスキャニング装置。
【請求項４】
それぞれのアンテナ共振器は、
電極層と、
前記電極層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置されたアンテナ層と、を含む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】
前記電極層は、前記光源から放出された光に対して、反射性を有する導電性金属を含むことを特徴とする請求項４に記載のビームスキャニング装置。
【請求項６】
前記アンテナ層は、第１方向に延長された第１アンテナ部、及び第１方向に沿って配列されており、前記第１アンテナ部から第２方向に延長された多数の第２アンテナ部を含むフィッシュボーン形態を有することを特徴とする請求項４に記載のビームスキャニング装置。
【請求項７】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、
それぞれの第２アンテナ部の第１方向長は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように選択されることを特徴とする請求項６に記載のビームスキャニング装置。
【請求項８】
それぞれの第２アンテナ部の第１方向長は、入射光の入射角を基に決定されることを特徴とする請求項７に記載のビームスキャニング装置。
【請求項９】
前記アンテナ層は、多数のアンテナ層を含み、
それぞれのアンテナ層は、第１方向に延長されており、前記多数のアンテナ層は、第１方向に垂直の第２方向に沿い、一定間隔に配列されていることを特徴とする請求項４に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１０】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、
前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように選択され、
前記アンテナ周期は、第２方向に沿って、前記多数のアンテナ層が反復される長さであることを特徴とする請求項９に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１１】
前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期は、入射光の入射角を基に決定されることを特徴とする請求項１０に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１２】
前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期は、前記反射型位相配列素子に光が垂直に入射する場合について設計された多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期より小さいことを特徴とする請求項１０に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１３】
前記反射型位相配列素子に入射する入射光の入射角が大きくなるほど、前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期が小さいように選択されることを特徴とする請求項１０に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１４】
前記反射型位相配列素子に印加される電圧、及び前記反射型位相配列素子に入射する入射光の波長を考慮し、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように、前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期が選択されることを特徴とする請求項１０に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１５】
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記第１方向と平行になるように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されていることを特徴とする請求項９に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１６】
前記光源は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して、第１入射角で、前記反射型位相配列素子に入射する第１入射光を放出する第１光源、及び第１入射角とは異なる第２入射角で、前記反射型位相配列素子に入射する第２入射光を放出する第２光源を含むことを特徴とする請求項１５に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１７】
前記第１入射光が、前記反射型位相配列素子によって反射されて発生した第１反射光は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して、第１反射角で進み、前記第２入射光が、前記反射型位相配列素子によって反射されて発生した第２反射光は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して前記第１反射角と異なる第２反射角で進み、
前記ビームスキャニング装置は、第２反射光の進行方向を変更するように、前記第２反射光の光路上に配置された光学要素をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１８】
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記第２方向と平行になるように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されていることを特徴とする請求項９に記載のビームスキャニング装置。
【請求項１９】
前記反射型位相配列素子によって異なる角度に反射される反射光を含むスキャニング平面が、第１方向に垂直に形成されることを特徴とする請求項１８に記載のビームスキャニング装置。
【請求項２０】
前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する入射光の入射角をθｉ、中心反射光の反射角をθｒとするとき、中心反射光を基準にした前記反射型位相配列素子の最大操向角θｓが、θｒ−θｓ＞−θｉを満足するように、前記反射型位相配列素子が構成されることを特徴とする請求項１８に記載のビームスキャニング装置。
【請求項２１】
前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期をｐ、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する入射光の入射角をθｉ、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する中心反射光の反射角をθｒとするとき、中心反射光を基準にした前記反射型位相配列素子の最大操向角θｓが、θｉ＞０．５θｓ＝０．５ｓｉｎ−１（λ／２ｐ）を満足するように、前記反射型位相配列素子が構成され、
前記アンテナ周期は、第２方向に沿って、前記多数のアンテナ層が反復される長さであることを特徴とする請求項１８に記載のビームスキャニング装置。
【請求項２２】
前記反射型位相配列素子は、多数のアンテナ層を含み、
前記多数のアンテナ層は、第１方向に沿って第１間隔、そして第１方向に垂直の第２方向に沿って第２間隔で、二次元配列されていることを特徴とする請求項４に記載のビームスキャニング装置。
【請求項２３】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、
前記多数のアンテナ層間の第１間隔及び第２間隔は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように選択されることを特徴とする請求項２２に記載のビームスキャニング装置。
【請求項２４】
光を放出する光源と、
前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子と、
前記反射型位相配列素子から照射され、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、
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されている光学装置。
【請求項２５】
前記外部の物体から反射された光の検出を基に、外部の物体に係わる位置情報を決める制御器をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記光学装置は、距離センサ、三次元センサまたは車両用ライダであることを特徴とする請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２７】
光を放出する光源と、
前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節し、多数のアンテナ層を含む反射型位相配列素子と、を含み、
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されており、
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、
前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期のうち少なくとも一つは、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように決定されるビームスキャニング装置。
【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、反射型位相配列（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ）を利用した非機械式ビームスキャニング装置（ｎｏｎ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｂｅａｍ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）、及びそれを含む光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、多様な機能の先進運転支援システム（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、車両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しなかったり、対応方式が適切ではなかったりする場合、自動的に制動を加えて衝突を防止する自動緊急ブレーキシステム（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、近い将来、自律走行（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  ｄｒｉｖｉｎｇ）が可能な自動車が商用化されるであろうと期待されている。
【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、車両用ライダ（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、相対速度及び方位角などについての情報を提供することができる。そのために、車両用ライダは、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。該ビームスキャニング装置は、また車両用ライダ以外にも、ロボット用ライダ、ドローン用ライダ、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ユーザ顔認識用センサ、拡大現実（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）などに活用することができる。
【０００４】
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とがある。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、または光を反射させ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、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、反射型位相配列を利用し、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】
【０００５】
【特許文献１】韓国登録特許第１６６９２１９号公報
【特許文献２】韓国公開特許２０１７−００６２０９６号公報
【特許文献３】米国特許出願公開２０１７／００９０２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、反射型位相配列を利用した非機械式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ことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態によるビームスキャニング装置は、光を放出する光源と、前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子と、を含み、前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されもする。
【０００８】
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光と、前記反射型位相配列素子によって反射された反射光とが互いに重畳しないように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されもする。
【０００９】
前記反射型位相配列素子は、独立して駆動される多数のアンテナ共振器を含んでもよい。
【００１０】
例えば、それぞれのアンテナ共振器は、電極層と、前記電極層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置された絶縁層と、前記絶縁層上に配置されたアンテナ層と、を含んでもよい。
【００１１】
前記電極層は、前記光源から放出された光に対して、反射性を有する導電性金属を含んでもよい。
【００１２】
例えば、前記アンテナ層は、第１方向に延長された第１アンテナ部、及び第１方向に沿って配列されており、前記第１アンテナ部から第２方向に延長された多数の第２アンテナ部を含むフィッシュボーン（ｆｉｓｈ  ｂｏｎｅ）形態を有することができる。
【００１３】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、それぞれの第２アンテナ部の第１方向長は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも選択される。
【００１４】
それぞれの第２アンテナ部の第１方向長は、入射光の入射角を基にも決定される。
【００１５】
前記アンテナ層は、多数のアンテナ層を含み、それぞれのアンテナ層は、第１方向に延長されており、前記多数のアンテナ層は、第１方向に垂直の第２方向に沿い、一定間隔にも配列される。
【００１６】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも選択され、前記アンテナ周期は、第２方向に沿って、前記多数のアンテナ層が反復される長さでもある。
【００１７】
前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期は、入射光の入射角を基にも決定される。
【００１８】
前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期は、前記反射型位相配列素子に光が垂直に入射する場合について設計された多数のアンテナ層間の間隔またはアンテナ周期よりも小さい。
【００１９】
前記反射型位相配列素子に入射する入射光の入射角が大きくなるほど、前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期が小さいようにも選択される。
【００２０】
前記反射型位相配列素子に印加される電圧、及び前記反射型位相配列素子に入射する入射光の波長を考慮し、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるように、前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期が選択される。
【００２１】
前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記第１方向と平行になるように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されもする。
【００２２】
前記光源は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して、第１入射角で、前記反射型位相配列素子に入射する第１入射光を放出する第１光源、及び第１入射角とは異なる第２入射角で、前記反射型位相配列素子に入射する第２入射光を放出する第２光源を含んでもよい。
【００２３】
前記第１入射光が、前記反射型位相配列素子によって反射されて発生した第１反射光は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して、第１反射角で進み、前記第２入射光が、前記反射型位相配列素子によって反射されて発生した第２反射光は、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して前記第１反射角と異なる第２反射角で進み、前記ビームスキャニング装置は、第２反射光の進行方向を変更するように、前記第２反射光の光路上に配置された光学要素をさらに含んでもよい。
【００２４】
一実施形態において、前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記第２方向と平行になるように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されもする。
【００２５】
その場合、前記反射型位相配列素子によって異なる角度に反射される反射光を含むスキャニング平面が、第１方向に垂直にも形成される。
【００２６】
その場合、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する入射光の入射角をθｉ、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する中心反射光の反射角をθｒとするとき、中心反射光を基準にした前記反射型位相配列素子の最大操向角θｓが、θｒ−θｓ＞−θｉを満足するように、前記反射型位相配列素子が構成されてもよい。
【００２７】
また、前記多数のアンテナ層間の第２方向の間隔、またはアンテナ周期をｐ、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する入射光の入射角をθｉ、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対する中心反射光の反射角をθｒとするとき、中心反射光を基準にした前記反射型位相配列素子の最大操向角θｓが、θｉ＞０．５θｓ＝０．５ｓｉｎ−１（λ／２ｐ）を満足するように、前記反射型位相配列素子が構成され、ここで前記アンテナ周期は、第２方向に沿って、前記多数のアンテナ層が反復される長さでもある。
【００２８】
他の実施形態において、前記反射型位相配列素子は、多数のアンテナ層を含み、前記多数のアンテナ層は、第１方向に沿って第１間隔、そして第１方向に垂直の第２方向に沿って第２間隔で、二次元配列されもする。
【００２９】
前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、前記多数のアンテナ層間の第１間隔及び第２間隔は、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも選択される。
【００３０】
一方、一実施形態による光学装置は、光を放出する光源と、前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子と、前記反射型位相配列素子から照射され、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、前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されもする。
【００３１】
前記光学装置は、前記外部の物体から反射された光の検出を基に、外部の物体に係わる位置情報を計算する制御器をさらに含んでもよい。
【００３２】
例えば、前記光学装置は、距離センサ、三次元センサまたは車両用ライダでもある。
【００３３】
また、さらに他の実施形態による光学装置は、光を放出する光源と、前記光源から放出されて入射する光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節し、多数のアンテナ層を含む反射型位相配列素子と、を含み、前記光源から前記反射型位相配列素子に入射する入射光の進行方向が、前記反射型位相配列素子の反射面の法線に対して傾くように、前記光源と前記反射型位相配列素子とが配置されており、前記反射光は、前記反射型位相配列素子において直接反射された光、及び前記反射型位相配列素子のそれぞれのアンテナ共振器での共振による共振散乱光を含み、前記多数のアンテナ層間の間隔、またはアンテナ周期のうち少なくとも一つは、直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図２】一実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【図３】図１に図示されたビームスキャニング装置の位相配列素子の概略的な構成を示す断面図である。
【図４Ａ】位相配列素子の反射光の反射位相変移が十分に大きい場合の位相変移分布を例示的に示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａの場合、反射光の操向角度分布を例示的に示すグラフである。
【図５Ａ】位相配列素子の反射光の反射位相変移が不足である場合の位相変移分布を例示的に示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ａの場合、反射光の操向角度分布を例示的に示すグラフである。
【図６】位相配列素子のアンテナ周期と、入射光の入射角とによる最小反射度の変化を示すグラフである。
【図７】位相配列素子のアンテナ間の間隔と、入射光の入射角とによる臨界結合条件の変化を示すグラフである。
【図８】位相配列素子のアンテナ周期と、アンテナ間の間隔とを示す例示的な断面図である。
【図９】入射光の入射角が０°であるとき、反射係数を複素平面上に示すグラフである。
【図１０】入射光の入射角が０°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。
【図１１】アンテナ補償設計を行っていない場合、入射光の入射角が４５°であるとき、反射係数を複素平面上に示すグラフである。
【図１２】アンテナ補償設計を行っていない場合、入射光の入射角が４５°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。
【図１３】アンテナ補償設計を行った場合、入射光の入射角が４５°であるとき、反射係数を複素平面上に示すグラフである。
【図１４】アンテナ補償設計を行った場合、入射光の入射角が４５°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。
【図１５】アンテナ補償設計を行った位相配列素子の構成を例示的に示す平面図である。
【図１６】他の実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【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の概略的な構成及び動作を示す断面図である。
【図１８】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【図１９】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【図２０】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【図２１】さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。
【図２２】一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２３】一実施形態による光学装置を車両用ライダ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】
【００３５】
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、説明の明瞭性と便宜性とのために、誇張されてもいる。また、以下で説明する実施形態は、ただ例示的なものに過ぎず、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、真上／真下／真左／真右にあるものだけではなく、非接触でもって、上下左右にあるものを含んでもよい。
【００３６】
図１は、一実施形態によるビームスキャニング装置の概略的な構成を示す断面図である。図１を参照すれば、一実施形態によるビームスキャニング装置１００は、光を提供する光源１２０、及び光源１２０から来る光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子１１０を含んでもよい。ここで、光源１２０は、例えば、約８００ｎｍ帯域乃至約１，５００ｎｍ帯域の近赤外線を放出するレーザダイオード（ＬＤ：ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ）または発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）でもある。
【００３７】
本実施形態によれば、光源１２０から反射型位相配列素子１１０に入射する入射光の進行方向が、反射型位相配列素子１１０の反射面の法線に対して傾くように、光源１２０と反射型位相配列素子１１０とが配置されてもよい。これには、例えば、図１に図示されているように、光源１２０は、その光軸が位相配列素子１１０の表面に対して傾くように配置してもよい。
【００３８】
また、図２は、一実施形態によるビームスキャニング装置１００の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。図２を参照すれば、位相配列素子１１０は、独立して駆動される多数のアンテナ共振器１０１を含んでもよい。それぞれのアンテナ共振器１０１は、第１方向に長く延長されたアンテナ層１１４を含んでもよい。そして、多数のアンテナ層１１４が第１方向に垂直の第２方向に沿い、一定間隔にも配列される。そのような構成において、多数のアンテナ共振器１０１に印加される電圧の組み合わせにより、入射光Ｌが反射される方向を調節することができる。
【００３９】
例えば、図３は、図１に図示されたビームスキャニング装置１００の位相配列素子１１０の１つのアンテナ共振器１０１の概略的な構成を例示的に示す断面図である。図３を参照すれば、それぞれのアンテナ共振器１０１は、電極層１１１、電極層１１１上に配置された活性層１１２、活性層１１２上に配置された絶縁層１１３、及び絶縁層１１３上に配置されたナノ規模のアンテナ層１１４を含んでもよい。図３には、便宜上、ただ１層のアンテナ層１１４だけが図示されたが、多数のアンテナ共振器１０１を含む位相配列素子１１０は、絶縁層１１３上に、一定間隔で離隔されて配列された多数のアンテナ層１１４を含んでもよい。
【００４０】
電極層１１１は、共通電極の役割を行い、導電性を有する材料からもなる。また、電極層１１１は、光源１２０から放出された光に対して、反射性を有する材料からもなる。例えば、電極層１１１は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、またはそれらの合金、金（Ａｕ）・銀（Ａｇ）などの金属ナノ粒子分散薄膜からもなる。また、電極層１１１は、金属以外にも、炭素ナノ構造体、伝導性高分子材料からもなる。
【００４１】
アンテナ層１１４は、光に対してアンテナの役割を行うものであり、特定波長の光に対して、局所表面プラズモン共振（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を起こし、そのエネルギーを捕獲して放出することができる。該表面プラズモン共振は、金属に光が入射される場合、金属内の自由電子が集団的に振動する現象により、金属表面において、局所的に非常に増大された電場が発生する現象である。該表面プラズモン共振は、一般的に、金属と非金属との界面で発生する。そのために、アンテナ層１１４は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）のような優秀な導電性を有する金属材料からもなる。アンテナ層１１４の大きさと形状は、入射光の波長によっても異なる。例えば、アンテナ層１１４の大きさは、光源１２０から放出された光の波長よりも小さい。例えば、光源１２０から放出された光の動作波長が、可視光または近赤外線光である場合、アンテナ層１１４の幅または長さは、約４００ｎｍまたはそれ以下でもある。また、アンテナ層１１４は、単純なロッド形態を有することもできるが、円形、楕円形、十字形のように、多様な形態のパターンを有することもできる。
【００４２】
絶縁層１１３は、アンテナ層１１４を、活性層１１２及び電極層１１１から電気的に絶縁させる役割を行う。例えば、絶縁層１１３は、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯのような酸化膜、またはＳｉＮｘのような窒化膜からもなる。
【００４３】
活性層１１２は、電気的信号、例えば、電極層１１１とアンテナ層１１４との間に形成される電場により、活性層１１２内部の電荷密度が変わりながら、ナノアンテナ層１１４での共振特性を変化させる役割を行う。言い換えれば、電極層１１１とアンテナ層１１４との間に形成される電場により、活性層１１２内に電荷蓄積層または空乏層１１５が生成されて共振条件が変化し、反射光の位相が変化してしまう。そのような活性層１１２は、例えば、ＫＴＮ（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ  ｔａｎｔａｌｉｔｅ  ｎｉｏｂａｔｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＰＺＴ（ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）のような結晶質材料；ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（ｇａｌｌｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、ＧＩＺＯ（ｇａｌｌｉｕｍ  ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）のようなＺｎＯ系の酸化物；ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＮのような遷移金属窒化物（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ  ｎｉｔｒｉｃｅ）、またはＳｉ、ａ−Ｓｉ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のような半導体材料からもなる。
【００４４】
そのような構造を有するビームスキャニング装置１００において、活性層１１２内部の電荷密度は、電極層１１１とアンテナ層１１４との間の電場強度によっても異なる。電極層１１１には、共通電圧が印加されるので、特に、多数のアンテナ層１１４に印加される電圧分布により、活性層１１２内部の電荷密度分布が変化してしまう。活性層１１２内部の電荷密度変化は、アンテナ層１１４での共振特性を変化させ、変化された共振特性は、アンテナ層１１４で反射される光の位相変移を発生させ、反射される光の位相を変化させることができる。従って、隣接して配列された多数のアンテナ層１１４に印加される電圧の分布により、反射される光の位相変移分布が決定されるので、多数のアンテナ層１１４に印加される電圧を調節することにより、反射される光の進行方向を制御することができる。ビームスキャニング装置１００は、そのような方式で入射光を反射させ、反射光を、所望方向に電気的にスキャニングすることができる。
【００４５】
再び図２を参照すれば、光源１２０から放出された入射光Ｌは、位相配列素子１１０の表面法線に対して傾くように入射する。例えば、入射光Ｌは、それぞれのアンテナ層１１４が延長された第１方向に平行な方向に沿って進行しながら、位相配列素子１１０の表面に対して傾くように入射させることができる。それにより、位相配列素子１１０で反射される反射光は、位相配列素子１１０の表面法線を中心に、入射光Ｌの入射角に対称な反射角にも反射され得る。
【００４６】
もし、位相配列素子１１０に電圧が印加されなければ、入射光Ｌの進行方向が変わらず、第１方向に平行な方向に沿って進行する反射光Ｒ０が発生する。以下、そのような反射光Ｒ０を中心反射光と呼ぶ。
【００４７】
一方、位相配列素子１１０に電圧が印加されれば、入射光Ｌの進行方向が方位角方向に変わりながら、第１方向に対して傾いた方向に沿って進行する反射光Ｒ１〜Ｒ６が発生する。第１方向に対して傾いた程度、言い換えれば、方位角方向の角度は、位相配列素子１１０の多数のアンテナ共振器１０１に印加される電圧の組み合わせによって異なる。方位角方向に、入射光Ｌの進行方向が変わる場合にも、位相配列素子１１０の表面法線を基準にした反射角は、一定に維持される。従って、図１及び図２に図示された実施形態において、ビームスキャニング装置１００は、方位角方向にビームをスキャニングする。
【００４８】
そのような本実施形態によれば、光源１２０から位相配列素子１１０に入射する入射光Ｌと、位相配列素子１１０によって反射された反射光Ｒ０〜Ｒ６とが互いに重畳されて混じらなくなる。従って、ビームスキャニング装置１００でスキャニングすることができる領域に制限がない。また、入射光Ｌと反射光Ｒ０〜Ｒ６とを分離するために、別途のビームスプリッタを使用する必要がないために、光の損失なしに、ビームをスキャニングしたり、反射光Ｒ０〜Ｒ６を検出したりすることができる。従って、光利用効率が上昇し、探知距離を拡大させることができ、ビームスキャニング装置１００の消費電力を低減させることができる。
【００４９】
一方、ビームを正確にスキャニングするためには、入射光Ｌが傾くように入射する場合にも、位相配列素子１１０による反射光の位相変移幅が大きいほど有利である。言い換えれば、反射光の位相変移を０°から最大３６０°まで表現することが有利である。例えば、図４Ａは、位相配列素子１１０の反射光の反射位相変移が十分に大きい場合（例えば、０°から３６０°まで位相変移が可能である場合）の位相変移分布を例示的に示すグラフであり、図４Ｂは、その場合、反射光の操向角度分布を例示的に示すグラフである。そして、図５Ａは、位相配列素子１１０の反射光の反射位相変移が不足している場合（例えば、０°から１８０°まで位相変移が可能である場合）の位相変移分布を例示的に示すグラフであり、図５Ｂは、その場合、反射光の操向角度分布を例示的に示すグラフである。図４Ｂを参照すれば、位相配列素子１１０が、反射光の位相変移を０°から３６０°まで表現する場合には、意図された角度範囲内に、ほとんどのビームが集中するので、ビームを所望するところに正確に指向させることができる。一方、位相配列素子１１０が、反射光の位相変移を０°から１８０°まで表現すると、図５Ｂに図示されているように、意図された角度に指向されたビーム外に、測光比率が高くなって指向性が低下し、信号対ノイズ比が低下する性能劣化の原因になる。
【００５０】
位相配列素子１１０が反射光の位相変移を０°から３６０°まで表現するためには、入射光に対して、臨界結合条件（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を満足するように、位相配列素子１１０を設計することが有利である。臨界結合条件とは、位相配列素子１１０から放出される光のうち、位相配列素子１１０での直接反射成分（ｄｉｒｅｃｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）と共振散乱成分（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）との比率が同じである条件を意味する。直接反射成分がさらに大きい場合には、不足結合（ｕｎｄｅｒ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が起き、共振散乱成分がさらに大きい場合には、過結合（ｏｖｅｒ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が発生し、位相配列素子１１０の位相変調幅が狭くなる。
【００５１】
該臨界結合条件は、入射光の入射角によって異なるので、入射光の入射角を考慮し、位相配列素子１１０を設計することが有利である。例えば、図６は、位相配列素子１１０のアンテナ周期と、入射光の入射角とによる最小反射度の変化を示すグラフであり、図７は、位相配列素子１１０のアンテナ層１１４間の間隔と、入射光の入射角とによる臨界結合条件の変化を示すグラフである。また、図８は、位相配列素子１１０のアンテナ周期と、アンテナ間の間隔とを示す例示的な断面図である。位相配列素子１１０のアンテナ周期と、アンテナ層１１４間の間隔は、図８を介しても定義される。図８を参照すれば、位相配列素子１１０のアンテナ周期ｐは、アンテナ層１１４が反復される長さであり、アンテナ層１１４間の間隔ｇは、隣接した２個のアンテナ層１１４間の距離である。また、アンテナ層１１４の幅ｗは、第２方向に沿った１層のアンテナ層１１４の長さである。アンテナ周期ｐは、アンテナ層１１４の幅ｗと、アンテナ層１１４間の間隔ｇとの和と同じである。
【００５２】
再び図６を参照すれば、入射角が０°である場合、言い換えれば、入射光が位相配列素子１１０の反射面に垂直に入射する場合、位相配列素子１１０のアンテナ周期ｐが大体７８０ｎｍであるとき、共振が起きて反射度が最小になる。そして、位相配列素子１１０の表面法線に対する入射角が大きくなるほど、言い換えれば、入射光が位相配列素子１１０の反射面にさらに傾くように入射するほど、反射度が最小になるアンテナ周期ｐが小さくなる。例えば、入射角が４５°である場合、位相配列素子１１０のアンテナ周期ｐが大体５５０ｎｍであるとき、共振が起きて反射度が最小になる。また、図７を参照すれば、入射角が増加するにつれ、臨界結合が起きる位相配列素子１１０のアンテナ層１１４間の間隔ｇが狭くなるということが分かる。例えば、入射角が０°である場合には、アンテナ層１１４間の間隔ｇが約６００ｎｍ以上であるとき、臨界結合が発生するが、入射角が４５°である場合には、アンテナ層１１４間の間隔ｇが約４００ｎｍ以下であるとき、臨界結合が発生する。
【００５３】
従って、入射光が位相配列素子１１０に傾くように入射する構成としては、入射光の入射角を考慮し、入射光が位相配列素子１１０に垂直に入射する場合より、アンテナ周期ｐと、アンテナ層１１４間の間隔ｇとを小さく補償設計することができる。もしそのような補償設計をしなければ、図５Ｂに図示されているように、意図された角度に指向されたビーム外に、測光の比率が高くなって指向性が低下し、信号対ノイズ比が下がってしまう。
【００５４】
図９は、入射光の入射角が０°であるとき、反射係数（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を複素平面上に例示的に示すグラフであり、図１０は、入射光の入射角が０°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。図９及び図１０に図示されたグラフにおいて、アンテナ層１１４間の間隔ｇが１５０ｎｍであり、アンテナ層１１４の幅ｗが１６０ｎｍであると仮定した。
【００５５】
図９において、「−◆−」で表示された円は、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ＋４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたとき、入射光の波長変化による反射係数の軌跡であり、図形「◆」の位置は、入射光の波長が１．４μｍである場合の反射係数の位置である。また、「−■−」で表示された円は、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ−４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたとき、入射光の波長変化による反射係数の軌跡であり、図形「■」の位置は、入射光の波長が１．４μｍである場合の反射係数の位置である。また、「−▲−」で表示された円は、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ０Ｖ、０Ｖの電圧が印加されたとき、入射光の波長変化による反射係数の軌跡であり、図形「▲」の位置は、入射光の波長が１．４μｍである場合の反射係数の位置である。最後に、「−●−」で表示された円は、アンテナ層１１４と電極層１１１とにそれぞれ−４Ｖ、−４Ｖの電圧が印加されたとき、入射光の波長変化による反射係数の軌跡であり、図形「●」の位置は、入射光の波長が１．４μｍである場合の反射係数の位置である。
【００５６】
図１０を参照すれば、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ０Ｖ、０Ｖの電圧が印加されたとき、反射光の反射位相を０°と定義し、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ−４Ｖ、−４Ｖの電圧が印加されたときの反射光の反射位相、それぞれ−４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたときの反射光の反射位相、及びそれぞれ＋４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたときの反射光の反射位相が順に表示されている。例えば、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ＋４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたとき、反射光の反射位相は、約２７２°になる。従って、アンテナ層１１４間の間隔ｇが１５０ｎｍであり、アンテナ層１１４の幅ｗが１６０ｎｍである位相配列素子に、１．４μｍの波長を有する入射光が垂直に入射すれば、該位相配列素子は、反射光の位相変移を、０°から２７２°まで表現することができる。
【００５７】
図１１は、アンテナ補償設計を行っていない場合、入射光の入射角が４５°であるとき、反射係数を複素平面上に示すグラフであり、図１２は、アンテナ補償設計を行っていない場合、入射光の入射角が４５°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。言い換えれば、図１１及び図１２は、アンテナ層１１４間の間隔ｇと、アンテナ層１１４の幅ｗとを、それぞれ１５０ｎｍと１６０ｎｍとに維持し、１．４μｍの波長を有する入射光を、位相配列素子の表面法線に、４５°に入射させた結果である。図１２を参照すれば、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ＋４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたとき、反射光の反射位相は、約２５°になる。従って、アンテナ層１１４間の間隔ｇが１５０ｎｍであり、アンテナ層１１４の幅ｗが１６０ｎｍである位相配列素子に、１．４μｍの波長を有する入射光が４５°に傾くように入射すれば、位相配列素子は、反射光の位相変移を、０°から２５°まで表現することができる。
【００５８】
図１３は、アンテナ補償設計を行った場合、入射光の入射角が４５°であるとき、反射係数を複素平面上に示すグラフであり、図１４は、アンテナ補償設計を行った場合、入射光の入射角が４５°であるとき、位相配列素子において、反射光の反射位相を例示的に示すグラフである。図１３及び図１４は、アンテナ層１１４間の間隔ｇと、アンテナ層１１４の幅ｗとをそれぞれ６０ｎｍと１５２ｎｍとに低減させ、１．４μｍの波長を有する入射光を位相配列素子に４５°に入射させた結果である。図１４を参照すれば、アンテナ層１１４と電極層１１１とに、それぞれ＋４Ｖ、＋４Ｖの電圧が印加されたとき、反射光の反射位相は、約２６９°になる。従って、アンテナ層１１４間の間隔ｇが６０ｎｍであり、アンテナ層１１４の幅ｗが１５２ｎｍである位相配列素子に、１．４μｍの波長を有する入射光が４５°に傾くように入射すれば、位相配列素子は、反射光の位相変移を、０°から２６９°まで表現することができる。従って、アンテナ補償設計を行うことにより、アンテナ層１１４間の間隔ｇが１５０ｎｍであり、アンテナ層１１４の幅ｗが１６０ｎｍである位相配列素子に、１．４μｍの波長を有する入射光が垂直に入射する場合に類似した位相変移性能を維持することができる。
【００５９】
一方、該臨界結合条件は、入射光の波長、及び位相配列素子１１０に印加される電圧の大きさによっても影響を受ける。前述の例においては、印加電圧が−４Ｖ乃至＋４Ｖであり、入射光の波長が１．４μｍである場合について説明した。しかし、該印加電圧と、入射光の波長とが異なれば、それを考慮し、該臨界結合条件を満足するように、アンテナ層１１４間の間隔ｇ、及びアンテナ層１１４の幅ｗを選択することができる。
【００６０】
これまで、アンテナ層１１４間の間隔ｇと、アンテナ層１１４の幅ｗとを調節する方式により、アンテナ補償設計を行うと説明したが、アンテナ層１１４の形態を変更する方式により、アンテナ補償設計を行うこともできる。例えば、図１５は、アンテナ補償設計を行った位相配列素子１１０の構成を例示的に示す平面図である。図１５を参照すれば、アンテナ層１１４は、第１方向に延長された第１アンテナ部１１４ａ、及び第１方向に沿って配列されており、第１アンテナ部１１４ａから第２方向に延長された多数の第２アンテナ部１１４ｂを含むフィッシュボーン（ｆｉｓｈ  ｂｏｎｅ）形態を有することができる。その場合、第１方向に沿った第１アンテナ部１１４ａの幅、アンテナ層１１４間の間隔、または第２アンテナ部１１４ｂの長さｌを調節し、臨界結合条件を満足させることができる。例えば、第１方向に沿った第２アンテナ部１１４ｂの長さｌは、位相配列素子１１０の反射面の表面法線に対する入射光の入射角に対して、位相配列素子１１０による直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも選択される。
【００６１】
図１６は、他の実施形態によるビームスキャニング装置２００の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。図１６に図示されたビームスキャニング装置２００は、光を提供する多数の光源１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ、及び多数の光源１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃから来る光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子１１０を含んでもよい。また、多数の光源１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、位相配列素子１１０の反射面の表面法線に対して、第１入射角θ１で位相配列素子１１０に入射する光を提供する第１光源１２０ａ、第１入射角と異なる第２入射角θ２で位相配列素子１１０に入射する光を提供する第２光源１２０ｂ、及び第１入射角θ１及び第２入射角θ２と異なる第３入射角θ３で位相配列素子１１０に入射する光を提供する第３光源１２０ｃを含んでもよい。
【００６２】
第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃから放出された光は、いずれも位相配列素子１１０のアンテナ層１１４が延長された第１方向に平行な方向に沿って進行しながら、位相配列素子１１０の表面に傾くように入射し、ただ位相配列素子１１０に入射する入射角だけが異なる。位相配列素子１１０に入射する入射角が異なるために、第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃから放出された光は、位相配列素子１１０によって反射される反射角が互いに異なるが、方位角方向には、位相配列素子１１０によって同一にスキャニングされる。従って、図１に図示された実施形態においては、方位角方向への一次元ビームスキャニングだけが可能であるが、図１６に図示された実施形態においては、第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃを利用し、方位角方向と高度角方向とに、二次元ビームスキャニングが可能である。第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃは、いずれも同時に光を放出することもでき、または順次に光を放出することもできる。
【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２００ａの概略的な構成及び動作を示す断面図である。図１７を参照すれば、ビームスキャニング装置２００ａは、反射光の進行方向を高度角方向にさらに屈折させる光学要素１３０ａ，１３０ｂを含んでもよい。ビームスキャニング装置２００ａの残り構成は、図１６に図示されたビームスキャニング装置２００の構成と同一でもある。例えば、光学要素１３０ａ，１３０ｂは、第２光源１２０ｂから放出された入射光Ｌ’が、位相配列素子１１０によって反射されて発生した反射光Ｒ’の高度角方向を低減させるように、反射光Ｒ’の光路に配置された第１光学要素１３０ａ、及び第３光源１２０ｃから放出された入射光Ｌ”が、位相配列素子１１０によって反射されて発生した反射光Ｒ”の高度角方向を増大させるように、反射光Ｒ”の光路に配置された第２光学要素１３０ｂを含んでもよい。
【００６４】
第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃから放出された光がいずれも臨界結合条件を満足する狭い入射角範囲内にあるように、第１光源１２０ａ、第２光源１２０ｂ及び第３光源１２０ｃが配置される場合にも、第１光学要素１３０ａ及び第２光学要素１３０ｂを利用し、反射光の高度角方向を変えることにより、さらに広い高度角範囲で、二次元ビームスキャニングが可能である。例えば、第１光学要素１３０ａ及び第２光学要素１３０ｂは、プリズム、シリンダレンズ、ウェッジ型光学板、回折光学素子などを含んでもよい。
【００６５】
図１８及び図１９は、さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置３００の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。図１８及び図１９を参照すれば、ビームスキャニング装置３００の位相配列素子１１０は、二次元配列された多数のアンテナ共振器を含んでもよい。従って、位相配列素子１１０の反射面において、多数のアンテナ層１１４が二次元配列されもする。例えば、多数のアンテナ層１１４は、第１方向に沿って、第１間隔ｇ１、そして第１方向に垂直の第２方向に沿って、第２間隔ｇ２に配列されもする。ここで、多数のアンテナ層１１４間の第１間隔ｇ１及び第２間隔ｇ２は、それぞれ第１方向と第２方向とに対して臨界結合条件を満足するようにも選択される。言い換えれば、多数のアンテナ層１１４間の第１間隔ｇ１及び第２間隔ｇ２は、位相配列素子１１０による直接反射光の強度と、共振散乱光の強度とが同一になるようにも選択される。そのようなビームスキャニング装置３００は、二次元配列された多数のアンテナ共振器に印加される電圧の組み合わせを介して傾くように入射する１つの入射光に対して、二次元ビームスキャニングが可能である。
【００６６】
図２０及び図２１は、さらに他の実施形態によるビームスキャニング装置４００の概略的な構成及び動作を示す斜視図である。図２０及び図２１に図示されたビームスキャニング装置４００の構成は、図１に図示されたビームスキャニング装置１００の構成とほぼ同じであるが、ビームスキャニング装置４００の光源１２０は、図１に図示されたビームスキャニング装置１００の光源１２０の配置方向に垂直に配置される。従って、光源１２０から放出された入射光は、それぞれのアンテナ層１１４が延長された第１方向に垂直の第２方向に沿って進行しながら、位相配列素子１１０の表面に傾くように入射することができる。言い換えれば、光源１２０から位相配列素子１１０に入射する入射光の進行方向、が第２方向と平行になるように、光源１２０と位相配列素子１１０が配置される。
【００６７】
その場合、位相配列素子１１０の表面に垂直平面上において、ビームスキャニングがなされる。言い換えれば、反射光の進行方向が、高度角方向にも制御される。従って、位相配列素子１１０によって異なる角度に反射される反射光を含むスキャニング平面が、第１方向に垂直に形成される。本実施形態によれば、ビームスキャニング領域と入射光とが１つの平面内に置かれるために、位相配列素子１１０の集積が容易でもある。
【００６８】
一方、反射光の反射角が過度に大きくなり、入射光と重畳して混ざれば、正確な探知が困難にもなる。従って、位相配列素子１１０による反射光の反射角が過度に大きくならないように調節することができる。例えば、位相配列素子１１０の反射面の法線に対する入射光の入射角をθｉとし、位相配列素子１１０に電圧が印加されていないときの中心反射光の反射角をθｒとするとき、中心反射光を基準にした位相配列素子１１０の最大操向角θｓが、θｒ−θｓ＞−θｉを満足するように、位相配列素子１１０を構成したり制御したりすることができる。
【００６９】
ここで、最大操向角θｓは、位相配列素子１１０で配列された多数のアンテナ層１１４による反射光の位相変移が、０°と１８０°とを反復するときに達成される。例えば、最初アンテナ層による反射光の位相変移が０°であり、２番目アンテナ層による反射光の位相変移が１８０°であり、さらに３番目アンテナ層による反射光の位相変移が０°であり、４番目アンテナ層による反射光の位相変移が１８０°になる方式で、位相配列素子１１０を駆動すれば、位相配列素子１１０による反射光の反射角が最大になる。従って、位相変移パターンの周期は、位相配列素子１１０のアンテナ周期ｐの２倍になる。その場合、位相配列素子１１０による一次回折角度、すなわち、最大操向角θｓは、θｓ＝ｓｉｎ−１（λ／２ｐ）とも表現される。また、中心反射光の反射角θｒは、入射光の入射角θｉと同一であるので、θｒ＝θｉ、θｉ−θｓ＞−θｉになり、θｉ＞０．５θｓ＝０．５ｓｉｎ−１（λ／２ｐ）が成立する。
【００７０】
前述のビームスキャニング装置１００，２００，３００，４００は、例えば、車両用ライダ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のような光学装置に採用され、光学装置の精度を向上させることができる。例えば、図２２は、一実施形態による光学装置１０００の構成を概略的に示すブロック図である。
【００７１】
図２２を参照すれば、一実施形態による光学装置１０００は、光を提供する光源１２０、光源１２０から来る光を反射させ、反射光の反射角度を電気的に調節する反射型位相配列素子１１０、光源１２０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１４０、及び光検出器１４０の測定結果を基に、外部物体に係わる情報を計算する制御器１５０を含んでもよい。制御器１５０は、位相配列素子１１０、光源１２０、及び光検出器１４０の動作を制御することができる。例えば、制御器１５０は、光源１２０及び光検出器１４０のオン／オフ動作、位相配列素子１１０のビームスキャニング動作を制御することができる。そのような光学装置１０００は、周辺の複数位置にある物体に係わる情報を得るために、ビームスキャニング装置１００，２００，３００，４００を利用し、周辺の多くの領域に対して、光を周期的に照射することができる。本実施形態によるビームスキャニング装置１００，２００，３００，４００の場合、位相配列素子１１０において、入射光と反射光とが重畳しないために、光学装置１０００は、外部物体について、さらに正確な情報を抽出することができる。
【００７２】
また、図２２に図示された光学装置１０００は、三次元センサや深みセンサ以外にも、ロボット用ライダ、ドローン用ライダ、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などにも使用される。
【００７３】
例えば、図２３は、一実施形態による光学装置１０００を、車両用ライダとして活用した例を概略的に示す。図２３を参照すれば、光学装置１０００は、車両Ｖに搭載され、車両Ｖが進行する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ＯＢＪ１，ＯＢＪ２を探知することができる。光学装置１０００が車両用ライダである場合、制御器１５０は、車両の前方または後方にある物体ＯＢＪ１，ＯＢＪ２との距離、相対速度、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、制御器１５０は、光源１２０から光が放出された時間と、光検出器１４０で光を感知した時間との差を利用し、物体ＯＢＪ１，ＯＢＪ２の距離を知り、ビームスキャニング装置１００，２００，３００，４００により、光が照射された位置を基に、物体ＯＢＪ１，ＯＢＪ２の方位角位置を知ることができる。また、光源１２０から光が放出された時間と、光検出器１４０で光を感知した時間との差の変化を介して、物体ＯＢＪ１，ＯＢＪ２との相対速度を知ることができる。また、光学装置１０００が三次元カメラの距離センサである場合、制御器１５０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。
【００７４】
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】
【００７５】
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、光学測定関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１００，２００，３００，４００  ビームスキャニング装置
１０１  アンテナ共振器
１１０  位相配列素子
１１１  電極層
１１２  活性層
１１３  絶縁層
１１４  アンテナ層
１１５  空乏層
１２０  光源
１３０ａ，１３０ｂ  光学要素
１４０  光検出器
１５０  制御器
１０００  光学装置
【図１】
2019168682.tif 000003
【図２】
2019168682.tif 000004
【図３】
2019168682.tif 000005
【図４Ａ】
2019168682.tif 000006
【図４Ｂ】
2019168682.tif 000007
【図５Ａ】
2019168682.tif 000008
【図５Ｂ】
2019168682.tif 000009
【図６】
2019168682.tif 000010
【図７】
2019168682.tif 000011
【図８】
2019168682.tif 000012
【図９】
2019168682.tif 000013
【図１０】
2019168682.tif 000014
【図１１】
2019168682.tif 000015
【図１２】
2019168682.tif 000016
【図１３】
2019168682.tif 000017
【図１４】
2019168682.tif 000018
【図１５】
2019168682.tif 000019
【図１６】
2019168682.tif 000020
【図１７】
2019168682.tif 000021
【図１８】
2019168682.tif 000022
【図１９】
2019168682.tif 000023
【図２０】
2019168682.tif 000024
【図２１】
2019168682.tif 000025
【図２２】
2019168682.tif 000026
【図２３】
2019168682.tif 000027