偏光回折格子を利用した
円偏光を広角照射可能なビームステアリング装置
長岡技術科学大学 電気電子情報工学専攻
助教 坂本盛嗣
教授 小野浩司
2021年6月17日

ビームステアリング
自動運転のLiDAR

ビームステアリング
・・・ビームを１次元的ないし２次元的に偏向走査させる技術（応用例：LiDAR、ディスプレイ、露光装置、センサー等）
一般的な反射方式のビームステアリング装置：ガルバノスキャナ、MEMSミラー
反射によって制御するため、光学系が大型化しやすい

https://response.jp/article/2019/01/07/317722.ht
ml

ガルバノミラーによるビームステアリング
スクリーン
ビームステアリング装置
レーザー光源

光軸上に配置できる透過型の偏向デバイスである事が好ましい

駆動式ミラー

走査されたレーザー光のトラジェクトリー

透過方式の従来法と問題点
・高効率（100%）
・重量が大きい・サイズが大きい

ウェッジプリズム

回折光学素子（回折格子）

・重量が軽い・効率が低い・ゴーストが発生

光源

光源
ウェッジプリズム対
C.M. DiMarzio, C.W.I.I. William, US Patent 7,471,450, 2002

等方性回折格子対
R.A. Hutchin, US Patent US9170162B2, 2012

回折光学素子でかつ不要な回折光を低減したい

本発明では複数の回転偏光回折格子を用いた透過型のビームステアリング方式を提案する

光源
偏光回折格子対・高効率（100%）
・ゴーストが発生しにくい・重量が軽い ⇒ 高速な光線走査が可能
・円偏光の光線走査が可能
・ラスタースキャンが可能２枚の偏光回折格子を用いた方式
光学系(ＰＧ２枚構成)
CP

1 2
RCP

LCP

Laser
PG1 PG2

RCP

CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子

C. Oh et al., Proc. SPIE 7466, 74660J (2009). M. Sakamoto et al., Appl. Opt. 60, 2062 (2021).

偏光回折格子とは偏光回折格子（Polarization grating: PG）
誘電率異方性の空間分布に基づく複合的機能を有する偏光制御素子

偏光回折格子の回折特性yx

RCPzx
exp  +i 2 RCP-1stLCP

LCP

液晶配向分布xexp  −i 2 

+1stPG

PG
Z. Bomzon et al., Opt. Lett. 27, 1141
(2002).

円偏光を100%の回折効率で偏向可能

光架橋性高分子液晶膜の光配向法により作製可能（薄膜、軽量、低コスト、耐熱性[0～120℃]、斜入射許容性）
H. Ono, et al., J. Appl. Phys. 94, 1298 (2003)
R. Momosaki et al., Opt. Lett. 44, 5929 (2019).

２枚の偏光回折格子を用いた方式
光学系(ＰＧ２枚構成)
CPy座標系

1 2

i = i t +  i

RCPLCPxLaserdRCPPG1 PG2

CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子 x cos 1 + y sin 1  exp  +i 2 1RCPLCP x cos 2 + y sin 2  exp  −i 2 2


LCPr

z
組み合わせの格子周期： =  x  y'

 2x +  2y ,

 cos 1 cos 2  sin 1 sin 2 
x = 1 −−, y = 1 
2 2  1 1

露光位置： r = (  cos  ,  sin  , d )PG1PG2

 i : 格子周期

C. Oh et al., Proc. SPIE 7466, 74660J (2009). M. Sakamoto et al., Appl. Opt. 60, 2062 (2021).

 = d tan , = sin −1 (   ' ) , = tan −1 (  x  y )２枚の偏光回折格子を用いた方式
光学系(ＰＧ２枚構成)
CP

1 2
RCP

LCPLaserPG1 PG2

RCP

CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子＃d = 1m

C. Oh et al., Proc. SPIE 7466, 74660J (2009). M. Sakamoto et al., Appl. Opt. 60, 2062 (2021).

４枚の偏光回折格子を用いた方式
光学系(ＰＧ４枚構成)
CPRCP

1 23 4

PG1

PG2+LCPPG3Laser

PG4+PG1 PG2 PG3 PG4CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子
500mm＃d = 1m(a)

(b)

(c)

(1 ,  2 ,  3 ,  4 ) = ( 0, 0, 0, 0 )(1 ,  2 ,  3 ,  4 ) = ( 0, 0, 0,  )(1 ,  2 ,  3 ,  4 ) =  0, 0,500mm(d)

M. Sakamoto et al., Appl. Opt. 60, 2062 (2021).

 3 2,

2 

(1 ,  2 ,  3 ,  4 ) = ( 0, 0,  , 0 )４枚の偏光回折格子を用いた方式
光学系(ＰＧ２枚構成)
CP

PG1RCP1 23 4

PG2+LCPPG3Laser

PG4+PG1 PG2 PG3 PG4CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子＃d = 1myx

M. Sakamoto et al., Appl. Opt. 60, 2062 (2021).

yy+x=x

実証実験
実験光学系

＋１次光の割合：83%
d = 4.7m
CPLCP

CA8.3deg

Nd: YAGlaser
PG1 PG2 PG3 PG4(λ=532nm)
CP : 円偏光子、PG : 偏光回折格子、CA: 円検光子

Screen光架橋性高分子液晶のUV偏光ホログラム記録により４枚のPG（格子周期37μm,膜厚3.5μm ）を作製

回折効率

PG1PG2PG3

PG496%

96%

97%

98%

（測定波長：532nm）

独立したコアレスモーターに各々のＰＧを装着

実証実験（２枚の偏光回折格子を使用）
条件１

条件２

条件３

Experiment

Experiment

Experiment

100mm

Simulation

100mm

Simulation

100mm

Simulation

実証実験（４枚の偏光回折格子を使用）
偏光回折格子４枚の同時制御パターン中心座標の移動制御

200mm

ラスタースキャン

100mm

数値シミュレーションと同様の走査軌跡を得ることができた

新技術の特徴・従来技術との比較➢ 軽量且つ薄膜素子 ⇒ 回転制御の高速化により高速な光線走査が可能➢ １００％の回折効率 ⇒ 高い光利用効率、ゴーストが発生しにくく低ノイズ➢ 透過型の構成 ⇒ 光学系の設計自由度が高く、装置の小型化が容易➢ 回折を利用して偏向させる ⇒ 大きな触れ角➢ 楕円率の高い円偏光を光線走査可能
反射/透過

重量効率

振れ角

コスト

高速性

ガルバノミラー

反射方式

×〇〇

×

△

MEMSミラー反射方式

〇〇

×〇

〇

プリズム対透過方式

×〇

△〇×

回折格子対

透過方式

〇×〇〇

△

本発明技術

透過方式

〇〇〇〇△

偏光回折素子を用いた光線触れ角の広角化と等速化
通常のＭＥＭＳミラーによるビームステアリング

通常のＭＥＭＳミラーによるビームステアリング
I ( x2 )I ( x2 )zx2z

xx2y2x2x2

x1y2d2d0𝜃2 (𝑡)I ( x2 )𝜃1 (𝑡)d1d2
𝜃1

MEMSでの振れ角𝜃1 (𝑡)偏光回折素子により光線触れ角の広角化と等速化を同時に実現

振れ角広角化・等速化素子の設計

回折素子無時間𝑡[ms](a) 露光位置の時間依存性

偏光回折素子の位置𝑦1 [mm]

回折素子有局所格子周期Λ 𝑥1 [μm]露光位置𝑥2 [m]

時計回り( x1  0 ） 反時計回り(x1  0 )

偏光回折素子の位置𝑥1 [mm](b) 局所格子周期の空間分布

180-18-18018

偏光回折素子の位置𝑥1 [mm](c) 偏光回折素子の光学軸分布（等高線：300π毎にプロット）

ビームステアリングにおける光線触れ角の広角化と等速化を同時に実現

想定される用途• 自動運転用LiDARのための光照射装置
高い光利用効率（省電力）±30degを越える広角照射（広範な視野を持つ）
円偏光を投影（楕円率98%以上）

円偏光照射：散乱環境下で高い偏光度保持特性を示す⇒長距離の偏光投影に適する
J. D. Vander-Laan et al., Opt. Express 23, 31874 (2015).

• あらゆる光計測用の光源（偏光計測技術との親和性大）• レーザーディスプレイ
• アミューズメント用照明装置

実用化に向けた課題• 現在、波長532nmでのビームステアリングを実証済み。
• 今後、加工やLiDAR用途への展開を目指すために、紫外及び近・中赤外領域でのビームステアリングを実証していく予定（355nm,980nm1064nm,1550nmで機能する偏光回折格子の作製は実現済み）。

• ４つの偏光回折格子の回転を同期制御する機構が必要。
• 偏光回折格子に反射防止膜を付けてフレネル反射ロスを低減する必要がある。

企業への期待• モータの高速回転や同期制御に明るい企業との共同開発を希望しております。
• 生産工程における検査に偏光センシングを導入することに興味のある企業からの打診を希望しております。
• 円偏光レーザー照明装置に興味のある企業との共同研究を希望しております。

本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：ビームステアリング装置及びビームステアリング方法並びにビーム検出システム：特願2021-015345：長岡技術科学大学：坂本盛嗣、小野浩司• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：光線走査広角化システム：特願2020-100700：長岡技術科学大学：坂本盛嗣、小野浩司

産学連携の経歴• 2016-2021年度の期間にわたり、企業6社との産学連携（技術コンサルタント・共同研究・技術相談対応）を実施。

• 様々な形態での企業との産学連携を推進しております。
詳しくは下記のＨＰを参照下さい↓
https://whs.nagaokaut.ac.jp/optik/

お問い合わせ先

国立大学法人長岡技術科学大学
研究・地域連携課 知的財産係
TEL 0258-47-9279
FAX 0258-47-9040
E-mailpatent@jcom.nagaokaut.ac.jp