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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-28
(45)【発行日】2024-01-12
(54)【発明の名称】光学装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20240104BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20240104BHJP
G02F 1/13 20060101ALI20240104BHJP
G02F 1/295 20060101ALN20240104BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 Z
G01S7/481 A
G02F1/13 505
G02F1/295
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2021503477
(86)(22)【出願日】2020-02-05
(86)【国際出願番号】 JP2020004402
(87)【国際公開番号】W WO2020179342
(87)【国際公開日】2020-09-10
【審査請求日】2023-02-02
(31)【優先権主張番号】P 2019037401
(32)【優先日】2019-03-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100155000
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 修市
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100188813
【弁理士】
【氏名又は名称】川喜田 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100184985
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 悠
(74)【代理人】
【識別番号】100202197
【弁理士】
【氏名又は名称】村瀬 成康
(74)【代理人】
【識別番号】100218981
【弁理士】
【氏名又は名称】武田 寛之
(72)【発明者】
【氏名】西脇 青児
【審査官】仲野 一秀
(56)【参考文献】
【文献】特開平４－１６８４２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００７１３９４（ＫＲ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００２／００７６１２９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１２４２７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００１／０００６４２１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１
１７／００－１７／９５
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の波長の成分を含む光ビームを出射する少なくとも１つの光源と、前記光ビームの光路上に位置する光導波素子と、
光検出器と、
光学系と、
を備え、
前記光導波素子は、
前記光ビームが入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って屈折率が変化する第１のグレーティングであって、前記光ビームの一部を導波光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティングと、
前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って屈折率が変化する第２のグレーティングであって、前記導波光の一部を前記光導波素子から出射光ビームとして出射させる第２のグレーティングと、
を含み、
前記光学系は、
前記光ビームを前記第１のグレーティングに入射させ、
前記出射光ビームが物体で反射されることによって生じた反射光ビームを前記第２のグレーティングに入射させ、
前記第２のグレーティングに入射した前記反射光ビームの一部は、前記光導波素子内を伝搬して前記第１のグレーティングから戻り光ビームとして出射し、
前記光学系は、前記戻り光ビームの一部を、波長に応じて分離された複数の分離光ビームとして前記光検出器に入射させ、
前記光検出器は、前記複数の分離光ビームの光量をそれぞれ検出する、
光学装置。
【請求項2】
前記第１のグレーティングは、前記光ビームが入射する前記点を中心とする同心円状の構造を有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項3】
前記第２のグレーティングは、前記光ビームが入射する前記点を中心とする同心円状の構造を有する、請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項4】
前記少なくとも１つの光源は、前記複数の波長の成分を含む単一の光ビームを出射する単一の光源である、請求項１から３のいずれかに記載の光学装置。
【請求項5】
前記少なくとも１つの光源は、互いに異なる波長の複数の光ビームをそれぞれ出射する複数の光源を含み、前記光学系は、前記複数の光ビームを統合して前記第１のグレーティングに入射させる、
請求項１から３のいずれかに記載の光学装置。
【請求項6】
前記光学系は、前記複数の光ビームを統合するダイクロイックミラーを含む、請求項５に記載の光学装置。
【請求項7】
前記光学系は、前記戻り光ビームの一部を、波長に応じて分離して前記複数の分離光ビームを生じさせる直線回折格子を含む、請求項１から６のいずれかに記載の光学装置。
【請求項8】
前記直線回折格子は、反射型直線回折格子であり、前記反射型直線回折格子の格子表面の法線と前記反射型直線回折格子の格子ベクトルとを含む面内で、光の入射方向と回折方向とが実質的に一致する、
請求項７に記載の光学装置。
【請求項9】
前記光学系は、前記光ビームの波面を円錐波面に変換する光学素子を含み、
前記円錐波面を保った状態で前記第１のグレーティングに前記光ビームを入射させる、
請求項１から８のいずれかに記載の光学装置。
【請求項10】
前記光学系は、前記光導波素子に面する底面と、前記光路に沿った仮想的な軸を中心軸として回転対称体である側面とを有する透明部材を含み、前記出射光ビームは、前記底面または前記側面から前記透明部材に入射し、前記側面から出射する、
請求項１から９のいずれかに記載の光学装置。
【請求項11】
前記透明部材は、円錐台プリズムであり、前記円錐台プリズムの２つの対向する底面のうち、面積が小さい方の底面は、前記光導波素子の表面に接し、
前記出射光ビームは、前記円錐台プリズムの側面に入射する、
請求項１０に記載の光学装置。
【請求項12】
前記円錐台プリズムの前記側面は、格子線が前記円錐台プリズムの周方向に沿って延びるグレーティングを含む、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項13】
前記光導波素子は、前記軸を中心軸とする円錐台形状の空洞または窪みを有する中空基板を表面に含み、前記円錐台プリズムは、前記空洞または前記窪みに囲まれている、
請求項１１または１２に記載の光学装置。
【請求項14】
前記光導波素子は、透明電極層と、
液晶層と、
前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティングを表面に含み、前記液晶層よりも高い屈折率を有する導波層と、
前記導波層よりも低い屈折率を有する誘電体層と、
反射電極層と、
をこの順に含む、
請求項１から１３のいずれかに記載の光学装置。
【請求項15】
前記導波層は、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、前記液晶層における液晶分子の配向を制御するための第３のグレーティングを前記表面にさらに含み、前記透明電極層および前記反射電極層からなる群から選択される少なくとも一方は、前記第１のグレーティングに対面する第１の電極、前記第２のグレーティングに対面する第２の電極、及び前記第３のグレーティングに対面する第３の電極を含む、
請求項１４に記載の光学装置。
【請求項16】
前記第３の電極は、前記仮想的な円の周方向に沿って並ぶ複数の分割領域を含み、前記複数の分割領域は、互いに絶縁されている、
請求項１５に記載の光学装置。
【請求項17】
前記透明電極層と前記反射電極層との間に電圧を印加する制御回路をさらに備える、請求項１５または１６に記載の光学装置。
【請求項18】
前記制御回路は、前記第２の電極を介して前記液晶層に印加される電圧を制御することにより、前記出射光ビームの方向を制御する、請求項１７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、視野内に散在する物体の位置を把握するために様々な技術が開発されてきた。例えば、光パルスで物体を照射し、物体からの反射光の時間的な遅れを方向ごとに計測することにより、物体表面までの距離を計測する技術が存在する。特許文献１は、そのような技術を用いた光フェーズドアレイを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１８７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、視野中に存在する物体を光で照射し、物体からの反射光を選択的に検出する新規な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様に係る光学装置は、複数の波長の成分を含む光ビームを出射する少なくとも１つの光源と、前記光ビームの光路上に位置する光導波素子と、光検出器と、光学系と、を備える。前記光導波素子は、前記光ビームが入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って屈折率が変化する第１のグレーティングであって、前記光ビームの一部を導波光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティングと、前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って屈折率が変化する第２のグレーティングであって、前記導波光の一部を前記光導波素子から出射光ビームとして出射させる第２のグレーティングと、を含む。前記光学系は、前記光ビームを前記第１のグレーティングに入射させ、前記出射光ビームが物体で反射されることによって生じた反射光ビームを前記第２のグレーティングに入射させる。前記第２のグレーティングに入射した前記反射光ビームの一部は、前記光導波素子内を伝搬して前記第１のグレーティングから戻り光ビームとして出射する。前記光学系は、前記戻り光ビームの一部を、波長に応じて分離された複数の分離光ビームとして前記光検出器に入射させる。前記光検出器は、前記複数の分離光ビームの光量をそれぞれ検出する。
【0006】
本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、またはコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含み得る。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書及び特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
【発明の効果】
【0007】
本開示の一態様によれば、機械的な可動部品を用いることなく、視野内に存在する物体に向けて光を照射し、物体からの反射光を選択的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。本明細書では、可視光のみならず赤外線などの非可視光についても「光」の用語を用いる。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。本明細書では、可視光のみならず赤外線などの非可視光についても「光」の用語を用いる。
【0010】
視野内に散在する物体の位置を把握するために光を照射する方法として、２つの代表的な方法がある。１つは、光パルスで視野内全域を一様に照射する方法である。もう一つは、指向性のあるレーザービームによって視野内全域を網羅的に走査する方法である。前者の方法よりも後者の方法の方が、発光光量を小さく抑えることができる。
【0011】
一般に、レーザービームによる走査では、光源、光検出器、およびガルバノミラーが、回転ステージ上に配置される。光源から出射された光は、ガルバノミラーによって反射される。ガルバノミラーを上下に回動させることによって垂直方向に光走査を行うことができる。回転ステージを回転させることによって水平方向に光走査を行うことができる。しかし、メカニカルな構造をもつことから、ガルバノミラーを利用した装置は、走査速度が低いうえ、装置が大きく、高価である。
【0012】
メカニカルな機構を少なくするための取り組みとして、例えば、特許文献１に開示されているように、フェーズドアレイ（Phased Array）を用いて光走査を行う装置が知られている。
【0013】
以下に、フェーズドアレイによる光走査の原理を説明する。
【0014】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、それぞれ、フェーズドアレイから垂直方向および斜め方向に出射されるレーザービームを模式的に示す図である。図１５Ａおよび図１５Ｂに示す例では、垂直方向にｚ軸が設定されており、複数の波源２２が、ｘ軸上においてピッチΛの間隔で均一に配列されている。複数の波源２２から位相の揃った波長λの光を発振させると、図１５Ａに示すように、励振光は、ｘ軸に平行な波面２２ａを形成して伝搬する。隣り合う左右の波源の位相差がΛｓｉｎθになるように光を発振させると、図１５Ｂに示すように、励振光は、ｘ軸と角度θをなす波面２２ｂを形成して伝搬する。波源２２をｘ軸およびｙ軸に沿って２次元的に均一に配列し、それらの励振位相を調整すれば、励振光の伝搬方向を２軸で設定することができる。
【0015】
しかしながら、フェーズドアレイを用いた方法では、波面を形成するために、波源２２のピッチΛを波長λの数分の１以下にする必要がある。電波の場合、波長は例えば１０ｃｍ以上である。このため、電波を放射するアンテナとして機能する複数の波源２２を波長の数分の１以下の間隔で配列することは可能である。しかし、光の場合、波長は１μｍよりも短い。このため、複数の波源２２を波長の数分の１以下、つまりサブミクロンの間隔で配列することは容易ではない。また、レーザー光源が用いられる場合、光は共振器内の増幅過程を経て発振される。よって、電波と異なり、レーザー光の位相を制御することは容易ではない。
【0016】
本発明者は、以上の課題を見出し、新規な構成に想到した。
【0017】
本開示の一態様に係る光学装置は、複数の波長の成分を含む光ビームを出射する少なくとも１つの光源と、前記光ビームの光路上に位置する光導波素子と、光検出器と、光学系と、を備える。前記光導波素子は、前記光ビームが入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿って屈折率が変化する第１のグレーティングであって、前記光ビームの一部を導波光として、前記光導波素子内を前記動径方向に沿って伝搬させる第１のグレーティングと、前記第１のグレーティングの外側に配置され、前記動径方向に沿って屈折率が変化する第２のグレーティングであって、前記導波光の一部を前記光導波素子から出射光ビームとして出射させる第２のグレーティングと、を含む。前記光学系は、前記光ビームを前記第１のグレーティングに入射させ、前記出射光ビームが物体で反射されることによって生じた反射光ビームを前記第２のグレーティングに入射させる。前記第２のグレーティングに入射した前記反射光ビームの一部は、前記光導波素子内を伝搬して前記第１のグレーティングから戻り光ビームとして出射する。前記光学系は、前記戻り光ビームの一部を、波長に応じて分離された複数の分離光ビームとして前記光検出器に入射させる。前記光検出器は、前記複数の分離光ビームの光量をそれぞれ検出する。
【0018】
このような構成により、複数の波長の成分のそれぞれに対応する物体からの反射光を検出することができる。これにより、単一の波長の光ビームを用いる場合と比較して、検出範囲を拡大したり、解像度を向上させたりすることができる。
【0019】
前記第１のグレーティングは、前記光ビームが入射する前記点を中心とする同心円状の構造を有していてもよい。前記第２のグレーティングも同様に、前記光ビームが入射する前記点を中心とする同心円状の構造を有していてもよい。各グレーティングが同心円状の構造を有することにより、後述するように、光導波素子への電圧制御によって外部への出射光ビームの方向を容易に制御することができる。
【0020】
前記少なくとも１つの光源は、前記複数の波長の成分を含む単一の光ビームを出射する単一の光源であってもよい。光源は、例えばマルチモードのレーザービームを出射するレーザー光源であり得る。この場合、光導波素子の第２のグレーティングから出射される光ビームの方向は、波長によって異なる。複数の波長の成分の情報を検出することにより、単一の波長の光ビームを用いる場合と比較して、空間分解能を高めることができる。単一の光源を備えた光学装置の実施形態は、第１実施形態として後に詳しく説明する。
【0021】
前記少なくとも１つの光源は、互いに異なる波長の複数の光ビームをそれぞれ出射する複数の光源を含んでいてもよい。前記光学系は、前記複数の光ビームを統合して前記第１のグレーティングに入射させるように構成され得る。前記光学系は、前記複数の光ビームを統合するダイクロイックミラーを含んでいてもよい。前記光学系は、複数のダイクロイックミラーを含んでいてもよい。複数の光源の各々は、単一波長の光ビームを出射するように構成されていてもよいし、複数の波長成分の光が重畳された光ビームを出射するように構成されていてもよい。波長の異なる複数の光ビームを用いることにより、走査範囲を拡大させることができる。複数の光源を備えた光学装置の実施形態は、第２実施形態として後に詳しく説明する。
【0022】
前記光学系は、前記複数の光ビームを統合する１つ以上のダイクロイックミラーを含んでいてもよい。
【0023】
前記光学系は、前記戻り光ビームの一部を、波長に応じて分離して前記複数の分離光ビームを生じさせる直線回折格子を含んでいてもよい。前記直線回折格子は、反射型直線回折格子であってもよい。前記反射型直線回折格子の格子表面の法線と前記反射型直線回折格子の格子ベクトルとを含む面内で、光の入射方向と回折方向とが実質的に一致するように設計されたリトロー型の反射直線回折格子を用いることができる。
【0024】
前記光学系は、前記光源から出射された前記光ビームの波面を円錐波面に変換する光学素子を含み、前記円錐波面を保った状態で前記第１のグレーティングに前記光ビームを入射させてもよい。
【0025】
前記光学系は、前記光導波素子に面する底面と、前記光路に沿った仮想的な軸を中心軸として回転対称体である側面とを有する透明部材を含んでいてもよい。前記第２のグレーティングからの前記出射光ビームが、前記底面または前記側面から前記透明部材に入射し、前記側面から出射するように前記光学系は構成され得る。
【0026】
前記透明部材は、円錐台プリズムであってもよい。前記円錐台プリズムの２つの対向する底面のうち、面積が小さい方の底面は、前記光導波素子の表面に接していてもよい。前記出射光ビームは、前記円錐台プリズムの側面に入射してもよい。前記円錐台プリズムの前記側面は、格子線が前記円錐台プリズムの周方向に沿って延びるグレーティングを含んでいてもよい。
【0027】
前記光導波素子は、前記軸を中心軸とする円錐台形状の空洞または窪みを有する中空基板を表面に含んでいてもよい。前記円錐台プリズムは、前記空洞または窪みに囲まれていてもよい。
【0028】
前記光導波素子は、例えば、透明電極層と、液晶層と、導波層と、誘電体層と、反射電極層とをこの順に備え得る。前記導波層は、前記第１のグレーティングおよび前記第２のグレーティングを表面に含み、前記液晶層よりも高い屈折率を有する。前記誘電体層は、前記導波層よりも低い屈折率を有する。このような構造により、導波層は光導波路として機能する。透明電極層と反射電極層との間に電圧を印加することにより、液晶層の屈折率を変化させることができる。これにより、導波層によって規定される光導波路の実効屈折率を変化させ、第２のグレーティングから放射される光の出射角度を変化させることができる。
【0029】
前記導波層は、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとの間に、前記液晶層における液晶分子の配向を制御するための第３のグレーティングを前記表面にさらに含んでいてもよい。第３のグレーティングを設けることにより、電圧が印加されていない状態での液晶分子の配向方向を、第３のグレーティングの格子ベクトルに垂直な方向に揃えることができる。
【0030】
前記透明電極層および前記反射電極層からなる群から選択される少なくとも一方は、前記第１のグレーティングに対面する第１の電極、前記第２のグレーティングに対面する第２の電極、及び前記第３のグレーティングに対面する第３の電極を含んでいてもよい。これにより、第１から第３の電極に個別に電圧を印加することが可能になる。
【0031】
前記第３の電極は、前記仮想的な円の周方向に沿って並ぶ、互いに絶縁された複数の分割領域を含んでいてもよい。これにより、複数の分割領域に異なる電圧を印加することが可能になり、出射光ビームの方向をより細やかに制御することができる。
【0032】
光学装置は、前記透明電極層と前記反射電極層との間に電圧を印加する制御回路をさらに備えていてもよい。前記制御回路は、前記第２の電極を介して前記液晶層に印加する電圧を制御することにより、前記出射光ビームの方向を制御することができる。
【0033】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【0034】
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
【0035】
以下、本開示の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明される実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示の技術を限定することを意図するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一の構成要素に対しては同一または類似の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化されることがある。
【0036】
（第１実施形態）
図１Ａは、第１実施形態における光学装置の構成と光線の経路とを模式的に示す斜視図である。図１Ｂは、光学装置の構成の一部と光線の経路とを模式的に示す断面図である。この光学装置は、光源１と、光導波素子７と、光検出器１２ａおよび１２ｂと、検出回路３３ａおよび３３ｂと、主制御回路３４と、光源制御回路３０と、液晶制御回路３２と、光学系とを備える。光学系は、複数の光学素子の集合である。本実施形態における光学系は、コリメートレンズ２と、偏光分光器４と、１／４波長板４ａと、ハーフミラー４ｂと、集光レンズ３と、円錐台プリズム６と、波長分光器５ａおよび５ｂと、検出集光レンズ１３ａおよび１３ｂとを備える。波長分光器５ｂ、偏光分光器４、１／４波長板４ａ、ハーフミラー４ｂ、集光レンズ３、円錐台プリズム６、および光導波素子７は、それぞれの中心が軸Ｌ上に位置するように配置されている。以下の説明では、便宜上、軸Ｌに平行な方向を垂直方向と呼び、これに直交する方向を水平方向と呼ぶ。これらの呼称はあくまでも便宜上のものにすぎず、現実に使用されるときの光学装置の姿勢を限定するものではない。
図１Ａは、第１実施形態における光学装置の構成と光線の経路とを模式的に示す斜視図である。図１Ｂは、光学装置の構成の一部と光線の経路とを模式的に示す断面図である。この光学装置は、光源１と、光導波素子７と、光検出器１２ａおよび１２ｂと、検出回路３３ａおよび３３ｂと、主制御回路３４と、光源制御回路３０と、液晶制御回路３２と、光学系とを備える。光学系は、複数の光学素子の集合である。本実施形態における光学系は、コリメートレンズ２と、偏光分光器４と、１／４波長板４ａと、ハーフミラー４ｂと、集光レンズ３と、円錐台プリズム６と、波長分光器５ａおよび５ｂと、検出集光レンズ１３ａおよび１３ｂとを備える。波長分光器５ｂ、偏光分光器４、１／４波長板４ａ、ハーフミラー４ｂ、集光レンズ３、円錐台プリズム６、および光導波素子７は、それぞれの中心が軸Ｌ上に位置するように配置されている。以下の説明では、便宜上、軸Ｌに平行な方向を垂直方向と呼び、これに直交する方向を水平方向と呼ぶ。これらの呼称はあくまでも便宜上のものにすぎず、現実に使用されるときの光学装置の姿勢を限定するものではない。
【0037】
光源制御回路３０は、光源１を制御する。液晶制御回路３２は、光導波素子７に含まれる液晶の配向を制御する。主制御回路３４は、検出回路３３ａおよび３３ｂから出力された信号に基づき、光源制御回路３０および液晶制御回路３２を制御する。主制御回路３４、光源制御回路３０、液晶制御回路３２、ならびに検出回路３３ａおよび３３ｂは、互いに分離された別々の回路であってもよいし、これらの一部または全体が単一の回路によって構成されていてもよい。
【0038】
本実施形態における光源１は、レーザー光源である。光源制御回路３０は、レーザー発振を制御するための制御信号を出力する。制御信号に応答して、光源１は、中心波長λの直線偏光であるレーザー光１０ａを出射する。光源１は、マルチモードで発振する。このマルチモードの光は、波長λの近傍で、例えば０．２ｎｍ程度の間隔をなすｎ個の波長λ１、λ２、・・・、λｎの光の重なりである。ｎは、２以上の整数である。一例として、ｎ＝１０の場合、λを中心とする±１ｎｍ程度の範囲に、１０波長分の光ビームが含まれる。
【0039】
光源１から出射したレーザー光１０ａは、コリメートレンズ２を通過することによって平行光１０ｃになる。平行光１０ｃは、偏光分光器４で反射されて光１０ｄになる。偏光分光器４は、例えば偏光ビームスプリッタなどの、偏光成分に応じて光を異なる方向に分離する光学素子である。コリメートレンズ２と偏光分光器４との間に、ビーム整形プリズムが挿入されていてもよい。平行光１０ｃが楕円状に広がる場合、ビーム整形プリズムを設けることにより、その分布を円形状に変換することができる。偏光分光器４で反射された光１０ｄは、軸Ｌに沿って１／４波長板４ａに入射し、円偏光の光１０ｄ０に変換される。光１０ｄ０は、軸Ｌに沿ってハーフミラー４ｂを透過して光１０ｅになる。光１０ｅは、集光レンズ３で集光され、円錐台プリズム６に入射する。円錐台プリズム６は、屈折率ｎ０の透明部材である。円錐台プリズム６を通過した光１０ｆは、光導波素子７の中心部に入射する。
【0040】
なお、図１Ａでは、説明の便宜上、円錐台プリズム６と光導波素子７とが離れた状態が示されている。実際には、円錐台プリズム６の２つの対向する底面のうち、面積が小さい方の底面は、光導波素子７に接している。また、図１Ａでは省略されているが、実際には、図１Ｂに示すように、光導波素子７の表面に中空基板７ｈが設けられている。
【0041】
図１Ｂに示すように、光導波素子７は、積層された複数の層を含む積層構造体である。光導波素子７は、平面基板７ａ、反射電極層７ｂ、誘電体層であるバッファー層７ｃ、導波層７ｄ、液晶層７ｅ、透明電極層７ｆ、平面基板７ｇ、および中空基板７ｈをこの順に含む。平面基板７ａおよび７ｇは、平面状の透明基板である。中空基板７ｈは、円錐台状の空洞または窪みを中央部に有する透明基板である。円錐台プリズム６は、中空基板７ｈの空洞または窪み内に配置される。円錐台プリズム６および中空基板７ｈは、軸Ｌを共通の軸として平面基板７ｇに密着している。本実施形態では、平面基板７ａおよび７ｇ、ならびに中空基板７ｈは、屈折率ｎ１’の透明材料によって形成されている。しかし、これらが異なる屈折率の材料によって形成されていてもよい。
【0042】
平面基板７ａと平面基板７ｇとの間に、反射電極層７ｂ、バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶層７ｅ、および透明電極層７ｆが位置している。導波層７ｄの屈折率は、その両側のバッファー層７ｃおよび液晶層７ｅのいずれの屈折率よりも高い。バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶層７ｅは、透明電極層７ｆと反射電極層７ｂとに挟まれている。反射電極層７ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料によって形成され得る。バッファー層７ｃは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの比較的低屈折率の透明材料によって形成される誘電体層である。導波層７ｄは、例えば五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などの比較的高屈折率の透明材料によって形成され得る。平面基板７ａの表面に、反射電極層７ｂ、バッファー層７ｃ、および導波層７ｄがこの順に成膜される。透明電極層７ｆは、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの、透光性を有する導電性材料によって形成され得る。
【0043】
光導波素子７は、グレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃを含む。導波層７ｄの表面に、軸Ｌを中心軸とする同心円状の凹凸構造を有するグレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃが設けられる。グレーティング８ａは、導波層７ｄの表面の中央に位置する円形状の領域に形成されている。グレーティング８ａは、中心から動径方向に沿って周期的に配列された複数の凹部および複数の凸部を含む。グレーティング８ａは、前述の「第１のグレーティング」に相当する。グレーティング８ｂは、導波層７ｄの表面の、グレーティング８ａが形成された領域の外側に位置するリング状の領域に形成されている。グレーティング８ｂは、前述の「第３のグレーティング」に相当する。グレーティング８ｃは、導波層７ｄの表面の、グレーティング８ｂが形成された領域の外側に位置するリング状の領域に形成されている。グレーティング８ｃは、前述の「第２のグレーティング」に相当する。グレーティング８ｂおよび８ｃも、動径方向に沿って周期的に配列された複数の凹部および複数の凸部を含む。グレーティング８ａおよびグレーティング８ｃは、グレーティングカプラとして作用する。グレーティング８ｂは、液晶配向用のグレーティングである。グレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃの各々は、円形状またはリング形状に限らず、それらの形状から一部が欠落した形状、例えば扇形の形状を有していてもよい。
【0044】
グレーティング８ａは、軸Ｌを中心とする半径ｒ１の円形状の領域内に形成されている。グレーティング８ａのピッチはΛ０であり、深さはｄ０である。グレーティング８ｂは、半径ｒ１から半径ｒ２の範囲のリング状の領域内に形成されている。グレーティング８ｂのピッチは例えば０．８Λ１以下であり、深さはｄ１である。グレーティング８ｃは、半径ｒ２から半径ｒ３の範囲のリング状の領域内に形成されている。グレーティング８ｃのピッチはΛ１であり、深さはｄ１である。グレーティング８ａのピッチΛ０および深さｄ０、ならびにグレーティング８ｃのピッチΛ１および深さｄ１は、後述する結合条件を満たす適切な値に設定される。本実施形態では、Λ０＞Λ１であり、ｄ０＞ｄ１である。半径ｒ１、ｒ２およびｒ３の典型的なサイズは、サブミリ、またはミリメートルのオーダーである。ピッチΛ０およびΛ１、ならびに深さｄ０およびｄ１の典型的なサイズは、サブミクロンのオーダーである。グレーティング８ｂのピッチを例えば０．８Λ１以下にした場合、グレーティング８ｂの凹凸構造は、液晶配向のためだけに作用し、グレーティングカプラとして機能しない。したがって、グレーティング８ｂの凹凸構造は、導波光を放射させない。これに対し、グレーティング８ｃの凹凸構造は、導波光を放射させる。
【0045】
導波層７ｄの液晶層７ｅ側の表面に凹凸構造が現れるのであれば、バッファー層７ｃの導波層７ｄ側の表面にも、グレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃと同様の凹凸構造が形成されていてもよい。導波層７ｄの液晶層７ｅ側の表面に凹凸構造が現れることにより、グレーティングが液晶の配向手段として作用する。液晶分子は、グレーティングの各凹部が延びる円周方向に沿った方向に配向する。
【0046】
平面基板７ｇの導波層７ｄ側の表面には、ＩＴＯなどの透明電極層７ｆが形成される。透明電極層７ｆは、液晶層７ｅを介して、導波層７ｄに対面する。透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂは、液晶層７ｅ内の液晶分子の配向制御用の電極として作用する。本実施形態における透明電極層７ｆは、軸Ｌを中心とする３つの領域９Ａ、９Ｂおよび９Ｃに分割されている。領域９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、グレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃにそれぞれ対面する。液晶層７ｅに電圧が印加されていない状態において、液晶層７ｅの液晶分子は、導波層７ｄの表面の凹部が延びる方向、すなわち軸Ｌを中心とする回転方向に沿って配向する。言い換えれば、液晶層７ｅにおける液晶の配向方向は、導波層７ｄの表面に平行で、グレーティング８ａ、８ｂおよび８ｃの格子ベクトルに垂直である。領域９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、それぞれ独立した電極として機能する。透明電極層７ｆの代わりに、反射電極層７ｂを３つの領域に分けてもよい。あるいは、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂの各々を３つの領域に分けてもよい。
【0047】
グレーティング８ｂと同様の、軸Ｌを中心とする同心円状のグレーティングが、平面基板７ｇの透明電極層７ｆ側の表面に形成されていてもよい。同様に、平面基板７ｇの透明電極層７ｆ側の表面の、グレーティング８ａおよび８ｃに対面する位置にも、軸Ｌを中心とする同心円状のグレーティングが形成されていてもよい。平面基板７ｇの当該表面に凹凸構造が形成されていれば、透明電極層７ｆの表面にも凹凸構造が転写される。これにより、液晶層７ｅの液晶分子を、凹部が延びる方向に沿って配向させることができる。当然、導波層７ｄおよび／または透明電極層７ｆの表面にポリイミドなどの配向膜を成膜し、これを円周方向にラビング処理することにより、液晶層７ｅ内の液晶分子を配向させることもできる。
【0048】
円錐台プリズム６の下面を経た光１０ｆは円偏光であり、軸Ｌに沿ってグレーティングカプラであるグレーティング８ａに集束する。グレーティング８ａに集束した光１０ｆは、導波層７ｄ内において、導波層７ｄと軸Ｌとの交点から外周側に向かう導波光１０ｇを励起する。グレーティング８ａには、円偏光の光が入射するので、導波光１０ｇは全偏角方向に均等に励起される。
【0049】
図２Ａは、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａの入射光と導波光との関係、および出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃの導波光と放射光との関係を示すベクトルダイアグラムである。グレーティング８ａにおける光の入射点をＯとする。図２Ａに示すように、半径Ｎの円と横軸との交点を点Ｐとすると、入射光の導波光への結合条件は、大きさλ／Λ０の矢印によって表される格子ベクトルＰＯの大きさが、導波層７ｄの実効屈折率Ｎに等しいことである。すなわち、当該結合条件は、数１によって記述される。
【数1】
【0050】
図１Ｂに示すように、グレーティング８ａを透過する光１０ｆａは、反射電極層７ｂによって反射され、再びグレーティング８ａに入射し、導波光１０ｇの励起を増強させる。導波光１０ｇは、同心円の動径方向に沿って伝搬し、その一部は、グレーティング８ｃから角度θ１で液晶層７ｅに放射され、中空基板７ｈ内で角度θ１’となり、円錐台プリズム６に向かう放射光１０ｈになる。ここで、簡単のため、屈折率ｎ１’の中空基板７ｈの内部での光線の方向（角度θ１’）と、屈折率ｎ０の円錐台プリズム６の内部での光線の方向（角度θ０）との間に、ｎ１’×ｓｉｎθ１’＝ｎ０×ｓｉｎθ０の関係が成り立つものとする。
【0051】
放射光への結合条件は、図２Ａに示すように、縦軸に対して角度θ１をなす大きさｎ１のベクトルＯＰ１’の横軸への垂線の足が、大きさλ／Λ１の破線矢印によって表された格子ベクトルＰＰ１の終点Ｐ１に一致することである。当該結合条件は、－ｎ１ｓｉｎθ１＝Ｎ－λ／Λ１と表される。スネルの法則（ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ１’×ｓｉｎθ１’）と、ｎ１’×ｓｉｎθ１’＝ｎ０×ｓｉｎθ０の関係から、当該結合条件は、数２によって記述される。
【数2】
【0052】
図１Ｂに示すように、グレーティング８ｃから反射電極層７ｂ側に放射される光１０ｈａも、反射電極層７ｂによって反射され、放射光１０ｈと重なる。液晶制御回路３２からの制御信号により、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂを介して液晶層７ｅに電圧が印加される。この電圧の印加によって液晶の配向が変化する。これに伴い、液晶層７ｅの導波光１０ｇに対する屈折率ｎ１が変化し、導波層７ｄの導波光１０ｇに対する実効屈折率Ｎが変化する。グレーティング８ｃの領域において実効屈折率Ｎが変化すると、グレーティング８ｃから光導波素子７の外部に出射される光の方向θ１が変化する。液晶制御回路３２は、透明電極層７ｆの領域９Ａ、９Ｂおよび９Ｃに独立して信号を送ることができる。
【0053】
なお、液晶層７ｅに印加される電圧信号は交流波である。交流波の振幅の大きさによって液晶分子の傾斜角が決定される。交流波の振幅が大きいほど、液晶の配向方向が導波層７ｄの法線方向に近づく。以下の説明では、液晶層７ｅに印加される電圧は、液晶層７ｅに印加される交流波の振幅の大きさを意味する。
【0054】
グレーティング８ｃから放射された光は、平面基板７ｇおよび中空基板７ｈを経て、円錐台プリズム６の側面に入射する。この際、中空基板７ｈと空気との界面、および空気と円錐台プリズム６との界面で屈折が生じる。円錐台プリズム６の側面に入射した光は、その反対側の側面で屈折され、図１Ｂにおいて点線矢印で示すように、水平面から角度θ⊥’の方位に出射する光１０ｊになる。前述のように円錐台プリズム６の内部での光線の鉛直方向に対する角度をθ0とすると、円錐台プリズム６の側面と鉛直方向とのなす角がθ２の場合、屈折の関係式は、数３によって記述される。
【数3】
【0055】
中空基板７ｈおよび円錐台プリズム６は、軸Ｌを共通の中心軸として配置されている。中空基板７ｈの円錐台状の内表面および円錐台プリズム６の側面には、図１Ａにおいて円形の点線枠内に示すように、ブレーズグレーティングが形成されてもよい。適切に設計されたブレーズグレーティングを設けることにより、出射光の方向を水平方向に近づけることができる。ブレーズグレーティングは、断面形状が鋸状の複数の溝を含む。各溝は、円錐台プリズム６の側面または中空基板７ｈの内表面の周方向すなわち軸Ｌを中心とする回転方向に沿って延びた構造を有する。言い換えれば、ブレーズグレーティングの格子線は、円錐台プリズム６の側面または中空基板７ｈの内表面の周方向に沿って延びる。ブレーズグレーティングが設けられた円錐台プリズム６の側面を通過する光は、軸Ｌを含む平面内で回折される。これにより、円錐台プリズム６の側面では、図１Ｂに示すように、回折光１０ｉが水平面からθ⊥の角度で外部に出射する。光線は円錐台プリズム６の側面を２回通過するので、ブレーズグレーティングによる回折の影響を２回受ける。１回のみ回折される場合と比較して、回折による変化角が大きいため、各ブレーズグレーティングのピッチΛ２を大きくでき、加工しやすくなる。
【0056】
図２Ｂは、円錐台プリズム６の側面で生じる回折の関係を示すベクトルダイアグラムである。ブレーズグレーティングが円錐台プリズム６の側面のみに形成されている場合、回折の関係は、図２Ｂで表される。すなわち、縦軸に対して角度θ⊥＋θ２をなす大きさ１のベクトルＯＰ２’の垂線の足Ｐ２と、縦軸に対して角度θ⊥’＋θ２をなす大きさ１のベクトルＯＰ３’の垂線の足Ｐ３との距離が、格子ベクトルの２倍の大きさ２λ／Λ２に等しいという関係で表される。つまり、回折の関係式は、数４によって記述される。
【数4】
【0057】
円錐台プリズム６は、平面基板７ｇ上に位置する。一般には、円錐台プリズム６の代わりに、光導波素子に面する底面と、軸Ｌを中心軸とする回転対称体である側面とを有する透明部材を用いてもよい。グレーティング８ｃからの出射光ビームは、底面または側面から透明部材に入射し、側面から出射する。グレーティング８ｃのピッチが導波方向に沿って一定ではない場合、母線が曲線の形状を有する回転対称体のプリズムが用いられ得る。一方、グレーティング８ｃのピッチが一定の場合には、母線が直線の形状を有する回転対称体、すなわち円柱または円錐台の形状の回転対称体のプリズムが用いられ得る。
【0058】
数２から、波長λまたは実効屈折率Ｎが変化すると、出射ビーム１０ｉの角度θ１が変化する。すなわち、光源１からの光の波長、または領域９Ｃと反射電極層７ｂとの間の液晶層７ｅの屈折率が変化すると、出射ビーム１０ｉの方向が図１Ｂの上下方向（以下、「垂直方向」と表現する。）に沿って変化する。したがって、光源１からの光の波長または液晶層７ｅの屈折率を制御することにより、出射ビーム１０ｉによる垂直方向の走査が実現される。
【0059】
結合条件－ｎ１ｓｉｎθ１＝Ｎ－λ／Λ１より、実効屈折率Ｎの放射角θ１に対する微分は、数５によって記述される。
【数5】
【0060】
また、結合条件－ｎ１ｓｉｎθ１＝Ｎ－λ／Λ１より、放射角θ１の波長λに対する微分は、数６によって記述される。
【数6】
【0061】
ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ０×ｓｉｎθ０の関係を利用すると、数３から数６より、回折光の水平方向に対する出射角θ⊥の波長λに対する微分は、数７によって記述される。
【数7】
【0062】
物体で反射された後の復路では、光は出射ビーム１０ｉの光路を逆進し、円錐台プリズム６の側面６ａに入射する。当該光は、放射光１０ｈ、導波光１０ｇ、ならびに入力側の光１０ｆおよび１０ｅの光路を逆進する。特に、グレーティング８ｃへの入力に関しては、往路の放射光１０ｈの出射時と同一の波長および位相面をもつ光だけが選択的に結合される。したがって、波長および位相の少なくとも一方が出射光と異なる迷光は効果的に除去される。往路と同じ経路をハーフミラー４ｂまで逆進した光１０Ｅは、その約半分がハーフミラー４ｂで反射されて光１０Ｅ０になり、残りはハーフミラー４ｂを透過して光１０Ｄ０になる。
【0063】
ハーフミラー４ｂで反射された光１０Ｅ０は、波長分光器５ａによって反射および回折されて波長毎に分光される。分光された光１０Ｅ１は、検出集光レンズ１３ａによって集光され、複数の集光スポット１７ａ１、１７ａ２、・・・、１７ａｎを光検出器１２ａの受光面に形成する。光検出器１２ａは、短冊状に分割された複数の受光素子を含む。各受光素子は、光を受けると、受光量に応じた電気信号を生成する。これにより、光検出器１２ａは、複数の集光スポット１７ａ１、１７ａ２、・・・を分別して検出できる。
【0064】
ハーフミラー４ｂを透過した光１０Ｄ０は、１／４波長板４ａを透過することにより、直線偏光を含む透過光１０Ｄに変換される。透過光１０Ｄの一部は、偏光分光器４を透過し、透過光１０Ｃとして波長分光器５ｂに向かう。透過光１０Ｃは、波長分光器５ｂで反射・回折されて波長毎に分光される。分光された光１０Ｂは、検出集光レンズ１３ｂによって集光され、複数の集光スポット１７ｂ１、１７ｂ２、・・・、１７ｂｎを光検出器１２ｂの受光面に形成する。光検出器１２ｂは、短冊状に分割された複数の受光素子を含む。各受光素子は、光を受けると、受光量に応じた電気信号を生成する。これにより、光検出器１２ｂは、複数の集光スポット１７ｂ１、１７ｂ２、・・・を分別して検出できる。
【0065】
光検出器１２ａは、検出回路３３ａに接続されている。光検出器１２ｂは、検出回路３３ｂに接続されている。検出回路３３ａは、光検出器１２ａから出力された検出信号を処理する。検出回路３３ｂは、光検出器１２ｂから出力された検出信号を処理する。
【0066】
本実施形態の光学装置は、検出回路３３ａおよび３３ｂに接続された主制御回路３４をさらに備える。主制御回路３４は、検出回路３３ａおよび３３ｂから出力された信号に基づき、光源制御回路３０および液晶制御回路３２を制御するための制御信号を生成する。光源制御回路３０は、主制御回路３４から入力された制御信号に応答して光源１から出射されるレーザー光の強度を調整する。液晶制御回路３２は、主制御回路３４から入力された制御信号に応答して、透明電極層７ｆと反射電極層７ｂとの間の電圧を調整することにより、液晶層７ｅの屈折率を調整する。なお、光源制御回路３０、液晶制御回路３２、および主制御回路３４は、異なるハードウェアによって実現されている必要はなく、単一の回路によって実現されていてもよい。
【0067】
本実施形態では、グレーティング８ｃから出射した光線は、円錐台プリズム６の側面を通過する。このような構成により、設計の自由度を高くすることができる。このような形態に限らず、例えば、放射光１０ｈがプリズムの底面から入射する構成であってもよい。本実施形態では、光線は、円錐台プリズム６の側面を２回通過するため、ブレーズグレーティングによる回折の影響を２回受ける。このため、ブレーズグレーティングのピッチを大きくでき、作製が容易になる。さらに、中空基板７ｈの円錐台状の内表面にもブレーズグレーティングを形成してもよい。その場合、光線は、回折の影響を３回受ける。回折回数が多いほど、ブレーズグレーティングのピッチを大きくでき、作製が容易になり、全体の回折効率も高くなる。
【0068】
本実施形態では、グレーティング８ｃから放射される光を容易に空気中に取り出すために、中空基板７ｈが配置されている。光を外部に取り出せる構造であれば、中空基板７ｈが省略されていてもよい。しかし、本実施形態のように、円錐台状の空洞を有する中空基板７ｈが設けられることにより、グレーティング８ｃからの放射光を、その放射角とは無関係に、すなわち全反射の影響を受けることなく空気中に取り出すことができる。したがって、設計の自由度を高くすることができる。
【0069】
図３Ａは、入射光である光１０ｆの偏光方向および入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａへの入力の様子を模式的に示す斜視図である。図３Ｂは、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａの例を模式的に示す断面図である。図３Ｃは、入力結合し導波する光の様子を光強度分布によって示す断面図である。図３Ｄは、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａの例を模式的に示す平面図である。図３Ｅから図３Ｇは、偏光方向と光の伝搬方向との関係を光強度分布によって示す平面図である。図３Ｂおよび図３Ｄに示す例では、グレーティング８ａの半径はｒ１＝５μｍであり、ピッチはΛ０＝０．５７μｍであり、深さはｄ０＝０．１０μｍであり、導波層７ｄの材料はＴａ２Ｏ５であり、導波層７ｄの厚さは０．１５μｍであり、液晶層７ｅおよびバッファー層７ｃの各々の屈折率はＳｉＯ２の屈折率と同一である。図３Ｃ、および図３Ｅから図３Ｇに示す例では、波長λ＝０．９４μｍの解析結果が示されている。この場合、グレーティング８ａに垂直に光が入射することにより、ＴＥモードの導波光が励起される。以下の説明では、図示されている互いに直交するＸＹＺ座標系を用いる。グレーティング８ａの中心を原点Ｏとし、各グレーティングが拡がる面に平行な互いに直交する２方向にＸ軸およびＹ軸を設定し、Ｘ軸およびＹ軸の両方に垂直な方向にＺ軸を設定する。Ｚ軸に関しては、入射光が到来する方向を正方向とする。
【0070】
図３Ｃおよび図３Ｅは、入射光である光１０ｆの偏光方向１１ｆがＹ軸方向に平行である場合に励起される導波光の強度分布の例を示している。この場合、励起される導波光は、Ｘ軸方向に強く伝搬する。図３Ｆに示すように、入射光である光１０ｆの偏光方向１１ｆがＸ軸から１３５度の方向に平行である場合には、励起される導波光は、Ｘ軸から４５度の方向に強く伝搬する。図３Ｇに示すように、入射光である光１０ｆの偏光方向１１ｆがＸ軸方向に平行である場合には、励起される導波光は、Ｙ軸方向に強く伝搬する。このように、グレーティング８ａは、入射光である光１０ｆの一部を、導波層７ｄ内で、偏光方向１１ｆに垂直な方向を中心とする広がりを伴って伝搬させる。従って、本実施形態のように、入射光である光１０ｆの偏光が円偏光の場合には、励起される導波光は、全方位に均等に伝搬する。
【0071】
図４Ａは、反射電極層７ｂがない場合の、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａの入力結合効率の波長依存性を示す図である。図４Ｂは、反射電極層７ｂがある場合の、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａを模式的に示す断面図である。図４Ｃは、反射電極層がある場合の、バッファー層７ｃであるＳｉＯ２層の厚さに対する入力結合効率の依存性を示す図である。図４Ｄは、反射電極層がある場合の、入力結合効率の波長依存性を示す図である。
【0072】
図４Ａに示す例における解析条件は、図３Ａから図３Ｇに示す例における解析条件と同じである。図４Ａに示すように、波長０．９４μｍの場合、最大２０％の入力効率が得られる。図４Ｂに示す例における形状の条件は、Ａｌの反射電極層７ｂが設けられている点以外は、図３Ａから図３Ｇに示す例における形状の条件と同じである。図４Ｃに示すように、バッファー層７ｃの厚さに依存して、入力効率が周期的に増減する。バッファー層７ｃの厚さが１．０６μｍの場合、入力効率は極大になる。図４Ｄは、バッファー層７ｃの厚さを１．０６μｍに固定した場合の入力効率の波長依存性が示されている。波長が０．９４４μｍの場合、入力効率は極大になり、極大値は約５０％である。従って、入射光の偏光方向が円接線方向に揃ったいわゆるアジマス偏光である場合、ほぼ１００％の結合効率が得られる。一方、入射光が円偏光の場合はほぼ５０％の結合効率が得られる。
【0073】
次に、本実施形態における収差補正について説明する。
【0074】
図５Ａは、収差補正がない場合の、出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃからの放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。図５Ｂは、収差補正がある場合の、出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃからの放射光の伝搬経路を模式的に示す図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、部分（ａ）は平面図であり、部分（ｂ）は斜視図であり、部分（ｃ）は断面図である。なお、図５Ａおよび図５Ｂの構成では、円錐台プリズム６の側面での２回の屈折のうち、光が入射する側での屈折の影響は小さく無視できる。以下の説明では、屈折効果の殆どを占める光出射側での屈折のみを議論する。
【0075】
図５Ａの部分（ｂ）には、導波層７ｄ内を異なる方向に伝搬する導波光１０ｇおよび１０ｇ０が例示されている。収差補正がない場合、導波光１０ｇおよび１０ｇ０は、それぞれ、グレーティング８ｃから出射され、円錐台プリズム６内を伝搬する光１０Ｈおよび１０Ｈ０になり、円錐台プリズム６の側面で屈折されて外部に出射する光１０Ｉおよび１０Ｉ０になる。図５Ａの部分（ｂ）に示すように、光１０Ｈおよび１０Ｈ０は、中心軸Ｌ上で交差する。図５Ａの部分（ａ）に示すように、平面視では、光１０Ｉおよび１０Ｉ０は、中心軸Ｌ上の点Ｆで交差し、円錐台プリズム６の側面から出射する。このとき、光１０Ｉおよび１０Ｉ０は、水平面に平行な平面内においては屈曲されず、円錐台プリズム６の断面の動径方向に沿って直進する発散光になる。
【0076】
一方、図５Ｂに示すように、収差補正がある場合、導波光の経路は以下のようになる。導波層７ｄ内を伝搬する導波光１０ｇおよび１０ｇ０は、グレーティング８ｃから出射され、円錐台プリズム６の側面に入射し、屈折されてその内部を伝搬する光１０ｈ、１０ｈ０、１０ｈ１、および１０ｈ１０になる。光１０ｈおよび１０ｈ０は、グレーティング８ｃの外側の部分から放射された光であり、光１０ｈ１および１０ｈ１０は、グレーティング８ｃの内側の部分から放射された光である。光１０ｈおよび１０ｈ１は、導波光１０ｇに起因する放射光であり、光１０ｈ０および１０ｈ１０は、導波光１０ｇ０に起因する放射光である。光１０ｈ、１０ｈ０、１０ｈ１、および１０ｈ１０は、円錐台プリズム６の対向する側の側面で屈折されて外部に出射される光１０ｉ、１０ｉ０、１０ｉ１および１０ｉ１０になる。図５Ｂの部分（ｂ）に示すように、光１０ｈ、１０ｈ０、１０ｈ１および１０ｈ１０は、Ｘ軸の正方向に沿って中心軸Ｌから離れた軸Ｌ１上で交差する。軸Ｌ１は、中心軸Ｌに対して傾斜している。グレーティング８ｃの外周側からの光１０ｈおよび１０ｈ０は、軸Ｌ１上の点Ｆ１で交差する。グレーティング８ｃの内周側からの光１０ｈ１および１０ｈ１０は、軸Ｌ１上の点Ｆ２で交差する。図５Ｂの部分（ａ）および部分（ｃ）に示すように、軸Ｌ１の傾斜に対応して円錐台プリズム６の母線も傾斜し、外周側の光１０ｈおよび１０ｈ０の屈折点である点Ｆ１を含む円の半径ｒ０と、内周側の光１０ｈ１および１０ｈ１０の屈折点である点Ｆ２を含む円の半径ｒ０’とが異なる。その結果、円錐台プリズム６の側面を出射した後の光を平行光にすることができる。このように、放射光の交点を軸Ｌ上から軸Ｌ１上に移動させることにより、収差を補正することができる。この収差補正は、後述するように、透明電極層７ｇと反射電極層７ｂとの間の電圧を、グレーティング８ｂの領域で偏角位置に応じて異なる値にすることによって実現され得る。
【0077】
次に、光線を平行光にするための収差補正量を見積もる方法を説明する。
【0078】
図６Ａは、出力グレーティングカプラであるグレーティング８ｃからの放射光が、円錐台プリズム６の側面で屈折され出射される様子を模式的に示す図である。放射光の屈折は、円錐台プリズム６の側面の入射側と出射側とで２回発生するが、前述のように、ここでは屈折効果の殆どを占める出射側での屈折のみを議論する。
【0079】
図６Ａに示す光線の経路は、図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明したとおりである。図６Ａの部分（ａ）に示すように、光１０ｈと円錐台プリズム６の側面との交点をＱとし、光１０ｈ０と円錐台プリズム６の側面との交点をＱ１とする。角ＱＦＱ１をψとし、角ＦＦ１Ｑ１をφとし、角ＦＱ１Ｆ１をψ’とする。光１０ｉ０が光１０ｉに平行になる場合、数８が成立する。
【数8】
【0080】
ここで、角φ、ψ、ψ’は、数９の関係を満たす。
【数9】
【0081】
数８および数９から、角ψは数１０によって与えられる。
【数10】
【0082】
一方、点Ｆと点Ｆ１との間隔をｆ０と定義すると、ｆ０は数１１によって与えられる。
【数11】
【0083】
光１０Ｈおよび１０Ｈ０は、点Ｆに集束し、光１０ｈおよび１０ｈ０は点Ｆ１に集束する。収差論によれば、集束光の焦点位置をＦからＦ１に変位させる収差、すなわち縦の焦点移動収差は、数１２の左辺によって与えられる。ここでΔＮは、実効屈折率の変化量を表す。
【数12】
【0084】
図６Ｂは、収差補正を実現するための透明電極層７ｇのパターンの例を模式的に示す図である。領域９Ｂは、グレーティング８ｂに対面する位置にあり、半径ｒ１から半径ｒ２の範囲に形成されている。図６Ｂの例における領域９Ｂは、光１０ｆが入射する点を中心とする仮想的な円の周方向に沿って並ぶ導電性の複数の分割領域を含む。各分割領域は、当該円の動径方向に沿ってジグザグに延びている。制御回路３２は、領域９Ｂにおける複数の分割領域のうち、導波光１０ｇが伝搬する導波層７ｄの部分に対面する分割領域に電圧を独立して順次印加することができる。これにより、収差補正を実現しながら、放射ビームの方向を軸Ｌのまわりに回転させることができる。図６Ｂにおいて、薄いジグザグの線で表された領域は、ある瞬間において、この領域から周りの領域、すなわち濃いジグザグの線で表された領域に導波光が逸れて導波強度が次第に小さくなるように電圧の値が設定される分割領域である。
【0085】
図６Ｂに示す例では、領域９Ｂは、円周方向に６度刻みに等分され、６０個のジグザグな帯扇形の分割領域９Ｂ１から９Ｂ６０に分割されている。これらの分割領域９Ｂ１から９Ｂ６０は、互いに電気的に絶縁されており、電圧を独立して印加することができる。複数の分割領域９Ｂ１から９Ｂ６０に異なる電圧を印加すると、液晶層７ｅの屈折率が、偏角位置によって変化する。その結果、導波光１０ｇの実効屈折率も偏角位置によって変化する。このようにして、導波光の位相を、伝搬の偏角ごとに変化させることができる。実効屈折率の変化幅をΔＮとすると、伝搬距離（ｒ２－ｒ１）の間において発生する位相差の範囲は数１２の右辺によって与えられる。したがって、放射光が円錐台側面で屈折されて平行光になるための条件は、数１２によって記述される。収差補正におけるΔＮは、数１２から、数１３によって与えられる。
【数13】
【0086】
図７Ａは、伝搬方向の偏角φと、収差補正を実現するための導波光の実効屈折率の変化量ΔＮとの関係を示す図である。図７Ａには、数１３に基づき、変化幅ΔＮが偏角φの関数としてプロットされている。この例では、円錐台プリズム６の屈折率をｎ０＝１．５８、半径をｒ０＝１．２５ｍｍ、領域９Ｂの幅を（ｒ２－ｒ１）＝８ｍｍとした。例えば－３６度から３６度の偏角範囲で必要な位相差を確保するには、ΔＮ＝０．０４１になることがわかる。
【0087】
図７Ｂは、液晶層７ｅの屈折率ｎ１をパラメータとした、導波層７ｄであるＴａ２Ｏ５層の厚さと実効屈折率Ｎとの関係の例を示す図である。図７Ｃは、バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶層７ｅの配置を模式的に示す図である。この例では、バッファー層７ｃはＳｉＯ２で形成され、導波層７ｄはＴａ２Ｏ５で形成されている。
【0088】
ネマティック液晶分子の屈折率差は、大きいもので０．２０程度である。そのうちの８割が実効的な屈折率差として作用することを考えると、実効的な屈折率差は０．１５程度である。図７Ｂに示す例では、光の波長を０．９４μｍ、バッファー層７ｃの屈折率を１．４５とした。図７Ｂの例では、ｎ１＝１．５０およびｎ１＝１．６５として計算した導波層７ｄの厚さと実効屈折率Ｎとの関係が、それぞれ曲線２３ａ、および曲線２３ｂによって表わされている。
【0089】
図７Ｃのモデルで液晶の屈折率差を０．１５とすると、図７Ｂより、Ｔａ２Ｏ５から形成された導波層７ｄの厚さを０．１０μｍから０．１５μｍ程度にすれば、ΔＮ＝０．０４からΔＮ＝０．０６の変化が期待できることがわかる。
【0090】
次に、液晶層７ｅへの電圧の印加による導波光の伝搬方向の制御原理を説明する。以下では、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂの両方が、分割された複数のジグザグの電極パターンを有する例を説明する。
【0091】
図８Ａは、透明電極層７ｆにおける電極パターンと、印加電圧との関係を模式的に示す図である。図８Ｂは、反射電極層７ｂにおける電極パターンと、印加電圧との関係を模式的に示す図である。図８Ａには、透明電極層７ｆにおける３本のジグザグの電極パターン４０ａ、４０ｂおよび４０ｃが例示されている。同様に、図８Ｂには、反射電極層７ｂにおける３本のジグザグの電極パターン４０Ａ、４０Ｂおよび４０Ｃが例示されている。これらの電極パターンは互いに絶縁されている。図８Ａに示す電極パターン４０ａ、４０ｂおよび４０ｃには、それぞれ独立して制御回路３２ａ、３２ｂおよび３２ｃから電圧信号が印加される。同様に、図８Ｂに示す電極パターン４０Ａ、４０Ｂおよび４０Ｃには、それぞれ独立して制御回路３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃから電圧信号が印加される。
【0092】
図８Ｃは、透明電極層７ｆにおける電極パターン、および反射電極層７ｂにおける電極パターンを揃えて重ねた構成と、印加電圧との関係を模式的に示す図である。透明電極層７ｆの側を上とし、反射電極層７ｂの側を下とすると、上下に位置するジグザグパターンは、ジグザグの一方の側の頂点を結んで形成される線が、上下で互いに重なる関係にある。反射電極層７ｂ側のジグザグパターンの形状は、透明電極層７ｆ側のジグザグパターンを上下に反転した形状である。したがって、図８Ｃに示すように、透明電極層７ｆ側での電極パターンと、反射電極層７ｂ側での電極パターンとを揃えて重ねたパターンは、菱形が連なった形状を有する。
【0093】
図８Ｃに示す電極パターンを片面のみに作製してもよい。しかし、１つ１つの菱形が孤立していることから、配線の引き回しが容易ではない可能性がある。図８Ａに示す電極パターンと、図８Ｂに示す電極パターンとを重ね合わせた構成にすることにより、パターンそのものが配線として機能することから、作製をより容易にすることができる。
【0094】
透明電極層７ｆでのジグザグの電極パターン４０ａ、４０ｂおよび４０ｃには、交流電圧信号４１ａ、４１ｂおよび４１ｃがそれぞれ印加される。振幅は、信号４１ａ、４１ｂおよび４１ｃの順に大きくなる。対面する電極が接地されているとすると、この振幅勾配により、ジグザグの電極パターン４０ａ、４０ｂおよび４０ｃに対応する液晶層の位置で、屈折率差が発生する。電極間に挟まれる導波層７ｄ内を図の左から右に伝搬する導波光１０ｇは、光路に対して傾斜したパターン間の境界を通過する度に、図８Ｃの下側に屈折する。反射電極層７ｂでのジグザグの電極パターン４０Ａ、４０Ｂおよび４０Ｃには、交流電圧信号４１Ａ、４１Ｂおよび４１Ｃがそれぞれ印加される。振幅は、信号４１Ａ、４１Ｂおよび４１Ｃの順に大きくなる。対面する電極が接地されているとすると、この振幅勾配により、電極間に挟まれる導波層７ｄ内を図の左から右に伝搬する導波光１０ｇは下側に屈折する。
【0095】
交流電圧信号４１Ａ、４１Ｂおよび４１Ｃは、それぞれ、交流電圧信号４１ａ、４１ｂおよび４１ｃの逆極性を有する。したがって、図８Ｃに示すように、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂを揃えて重ねた電極パターンでは、図８Ｃに示す電圧が印加される。図８Ｃの例では、交流電圧信号４１ａ１と交流電圧信号４１Ａ１とが対を形成し、交流電圧信号４１ｂ１と交流電圧信号４１Ｂ１とが対を形成し、交流電圧信号４１ｃ１と交流電圧信号４１Ｃ１とが対を形成する。各対を形成する２つの交流電圧信号の位相は反転していることから、交流電圧振幅が倍増する。これにより、導波光１０ｇは大きく下側に屈折する。さらに、図８Ａおよび図８Ｂに示す電極パターンに比べて、導波光１０ｇがパターン間の境界を跨ぐ頻度が増える。これにより、導波光１０ｇの曲がりはさらに倍増し、光路の違いによる曲がり角のバラツキも改善する。
【0096】
【0097】
図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂでの領域９Ｂにおける電極のパターンの例を模式的に示す図である。図９Ａに示す電極パターン、および図９Ｂに示す電極パターンのいずれも、各々が内周側から外周側に延びる６０本のジグザグパターンによって構成されている。このようなジグザグパターンの電極は、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂの一方にのみ設けられていてもよい。領域９Ｂにおける複数の分割領域のうち、任意の隣り合う２つの分割領域の境界は、レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿ってジグザグ形状を有する。各ジグザグパターンは互いに絶縁されており、各々に独立して電圧信号が印加される。図９Ａおよび図９Ｂに示す例では、隣接するジグザグパターンは、ジグザグの一方の側の頂点を結んで形成される線が動径方向に一致し、これらが隣同士で互いに重なる関係にある。この例において、反射電極層７ｂ側のジグザグパターンの形状は、透明電極層７ｆ側のジグザグパターンを回転方向に反転した形状である。
【0098】
図９Ｃは、透明電極層７ｆでの電極パターン、および反射電極層７ｂでの電極パターンを揃えて重ねた構成を模式的に示す図である。図９Ｄは、図９Ｃに示す電極パターンの一部と、導波光１０ｇの伝搬経路との関係を模式的に示す図である。図９Ｃに示すように、透明電極層７ｆおよび反射電極層７ｂを揃えて重ねた領域９Ｂにおける電極のパターンは、菱形が連なった形状を有する。反射電極層７ｂおよび透明電極層７ｆの各々において、領域９Ｂにおける複数の分割領域のうち、任意の隣り合う２つの分割領域の境界は、レーザー光が入射する点を中心とする仮想的な円の動径方向に沿ってジグザグ形状を有する。バッファー層７ｃ、導波層７ｄ、および液晶層７ｅのいずれかに垂直な方向から見たとき、一対の電極層の一方における境界と、他方における境界は、菱形が連なった形状を形成する。
【0099】
図９Ｄに示すように、ジグザグパターンに印加される交流電圧の振幅の大きさが円周方向に沿って勾配を有すると、矢印４２の方向に沿って液晶の屈折率が大きくなる。これにより、導波層７ｄ内を内周側から外周側に伝搬する導波光１０ｇの伝搬経路を、矢印４２の方向に曲げることができる。これにより、グレーティング８ｃから出射される光を、図５Ｂに示す軸Ｌ１上に集光し、円錐台プリズム６の側面から平行光として出射させるように調整することができる。このように、図９Ｃに示す構造を有する電極への印加電圧を制御することにより、グレーティング８ｃからの放射光を、円錐台プリズム６の側面から平行光として出射させることができる。
【0100】
次に、本実施形態における光検出器１２ａおよび１２ｂの構成例を説明する。
【0101】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、複数の集光スポットと光検出器１２ａおよび１２ｂとの位置関係の例を示す図である。これらの例において、光検出器１２ａおよび１２ｂの各々は、一列に並んだ複数の受光素子を含む。各受光素子は、短冊状の形状を有する。光検出器１２ａは、ｎ個の受光領域１２ａ１、１２ａ２、・・・、１２ａｎに分割されており、ｎ個の集光スポット１７ａ１、１７ａ２、・・・、１７ａｎを分別して検出できる。同様に、光検出器１２ｂは、ｎ個の受光領域１２ｂ１、１２ｂ２、・・・、１２ｂｎに分割されており、ｎ個の集光スポット１７ｂ１、１７ｂ２、・・・、１７ｂｎを分別して検出できる。この例では、簡単のため、ｎ＝５としている。ｎは、光源１から出射されるマルチモードのレーザー光のモード数に一致する。モード数が例えば１０の場合は、検出器１２ａおよび１２ｂの各々は、１０個の受光領域を含む。図示される例において、各受光領域は、５つの短冊状の受光素子を含む。すなわち、１つの集光スポットに対して５つの受光素子が割り当てられている。しかしこれは一例にすぎない。各受光領域に含まれる受光素子の数は、任意に決定してよい。
【0102】
ここで、隣り合う任意の２つの集光スポットの中心間の間隔をｄ１、各受光素子の幅をｄ２、各集光スポットの直径をｄ０とする。図１０Ａに示す例では、ｄ２＝ｄ１／５であり、２ｄ２＜ｄ０＜３ｄ２である。スポットの間隔ｄ１は、波長分光器５ａおよび５ｂの設計に依存する。間隔ｄ１は、集光スポットの直径ｄ０の例えば２倍程度の大きさに設定され得る。図１０Ａに示す例では、各集光スポットの中心が、隣り合う２つの短冊状の受光素子の境界付近に位置している。この場合、各集光スポットは、連続する４つの受光素子に跨って形成される。一方、図１０Ｂに示す例では、各集光スポットの中心が、いずれかの受光素子の中央付近に位置している。この場合、各スポットは、連続する３つの受光素子に跨って形成される。複数の集光スポットと光検出器１２ａおよび１２ｂとの位置関係は、図１０Ａおよび図１０Ｂのいずれかのパターンになる。
【0103】
図１０Ａの例では、各集光スポットによる光は、連続する４つの受光素子に入射する。隣り合う２つの集光スポットの間に、集光スポットによる光が入射しない受光素子が１つ存在する。そのような受光素子は、図１０Ａにおいて、点パターンで示されている。連続する５つの受光素子の中で極端に検出光量の小さい受光素子が１つあれば、それが図１０Ａにおいて点パターンで示される受光素子に相当する。
【0104】
図１０Ｂの例では、各集光スポットによる光は、連続する３つの受光素子に入射する。隣り合う２つの集光スポットの間に、集光スポットによる光が入射しない受光素子が２つ存在する。そのような受光素子は、図１０Ｂにおいて、点パターンで示されている。連続する５つの受光素子の中で極端に検出光量の小さい受光素子が２つあれば、それらが図１０Ｂにおいて点パターンで示される２つの受光素子に相当する。
【0105】
図１０Ａおよび図１０Ｂのいずれの場合も、検出光量の小さい１つ以上の受光素子を目印にして、分離した複数の集光スポットのそれぞれの光量を分別して検出できる。検出光量の小さい受光素子での検出光量は、最も近い集光スポットの光量に補間して繰り込んでもよい。例えば、検出光量の小さい受光素子が１つの場合、その光量を１／２にしてそれぞれ上下の集光スポットの検出光量に加えてもよい。検出光量の小さい受光素子が２つの場合、それぞれの光量を分けて、それぞれに近い側の集光スポットの検出光量に加えてもよい。
【0106】
次に、波長分光器５ａおよび５ｂの構成の例を説明する。
【0107】
図１０Ｃおよび図１０Ｄは、波長分光器５ａおよび５ｂの各々の断面形状の例を模式的に示す図である。本実施形態における波長分光器５ａおよび５ｂの各々は、直線回折格子である。より具体的には、波長分光器５ａおよび５ｂの各々は、ピッチΛ３のリトロー型の反射直線回折格子である。波長分光器５ａおよび５ｂの各々は、格子表面の法線と格子ベクトルとを含む面内で、光の入射方向と回折方向とが実質的に一致するように設計されている。ここで、波長分光器５ａおよび５ｂの各々について、格子ベクトルの方向をｘ軸方向とし、格子線が延びる方向をｙ軸方向とし、ｘ軸およびｙ軸に垂直でかつ光が到来する側の方向をｚ軸方向とする。図１０Ｃは、波長分光器５ａおよび５ｂの、ｘｚ面に平行な断面を示している。図１０Ｄは、波長分光器５ａおよび５ｂの、ｙｚ面に平行な断面を示している。
【0108】
図１０Ｃに示すように、波長分光器５ａおよび５ｂの、ｘｚ面に平行な断面は、頂角が垂直な三角形状を有する。回折格子の溝を構成する２つの斜面の一方は、面法線に対してθｐの角度をなす。ｘｚ面内での波長分光器５ａおよび５ｂへの入射光１０Ｅ０および１０Ｃの方位は、面法線に対してθｐの角度をなす。反射・回折光１０Ｅ１および１０Ｂも同様に、面法線に対して同じ側にほぼθｐの角度をなす。
【0109】
一方、図１０Ｄに示すように、ｙｚ面内での波長分光器５ａおよび５ｂへのそれぞれの入射光１０Ｅ０および１０Ｃの方位は、面法線に対してθｓの角度をなす。反射・回折光１０Ｅ１および１０Ｂは、面法線に対して反対側にθｓの角度をなす。
【0110】
図１０Ｅは、ｘｚ面内での波長分光器５ａおよび５ｂへの入射光と反射光との関係を示すベクトルダイアグラムである。θｓ＝０の場合における入射光の入射角および０次反射光の反射角をθi、反射・回折光すなわち１次反射回折光の反射角をθｒとする。入射光１０Ｅ０および１０Ｃと、反射・回折光１０Ｅ１および１０Ｂとが満たすべき条件は、数１４によって記述される。
【数14】
【0111】
図１０Ｃからθi＝θｒとなるので、図１０Ｅにおいて、Ｐ４’とＰ６’、およびＰ４とＰ６が一致し、大きさλ／Λ３の矢印によって表された格子ベクトルＰ５Ｐ６が、反射ベクトルの垂線の足がなすベクトルＯＰ４の２倍に等しくなる。
【0112】
リトロー型の条件に従い、θi＝θｒ＝θｐ＝６０度となる条件で計算すると、λ＝０.９４０μｍではΛ３＝０.５４２７μｍとなる。この条件で光の波長をマルチモードの間隔０．２ｎｍだけずらしてλ＝０.９４０２μｍとすると、θｒ＝６０.０４２度となる。この場合、角度変化は、Δθｒ＝０.０４２度となる。検出集光レンズ１３ａおよび１３ｂの焦点距離をｆＤ＝４０ｍｍとすると、集光スポットの間隔ｄ１は、ｄ１＝ｆＤ×tanΔθｒ＝３０μｍとなる。従ってこの場合、短冊状の受光素子の幅は、ｄ２＝ｄ１／５＝６μｍに設定される。入射光１０Ｅ０および１０Ｃのスポットの直径を１．５ｍｍとすると、焦点距離ｆＤ＝４０ｍｍのレンズのＮＡは０．０１８８となり、集光スポットの直径ｄ０すなわちエアリー円盤径は、１５μｍ（＝ｄ１／２）になる。この場合、図１０Ａおよび図１０Ｂに示された条件を満たす。
【0113】
なお、図１０Ｃでは入射光と反射・回折光の方向が同一であるように示され、検出器が配置できないように見える。しかし、実際には、図１０Ｄに示すように、格子ベクトルに直交するｙｚ面内では入射光が面法線に対して傾斜しているので、入射光と反射・回折光の方位が分離し、検出器の配置が可能である。
【0114】
次に、本実施形態における信号処理の例を説明する。
【0115】
図１１Ａは、本実施形態における信号処理を説明するための図である。図１１Ａは、領域９Ｂの電圧分布パターンの回転角、光源１の出力光量、光検出器１２ａの受光領域１２ａｋでの検出光量Ｐａ、光検出器１２ｂの受光領域１２ｂｋでの検出光量Ｐｂ、検出光量の和Ｐａ＋Ｐｂ、および検出光量の比Ｐｂ／Ｐａの時間経過の例を示している。ここで、受光領域１２ａｋおよび１２ｂｋは、それぞれ、図１０Ａに示されるｎ個の集光スポットのうちのｋ番目の集光スポット１７ａｋおよび１７ｂｋが形成される受光領域を指す。
【0116】
図１１Ｂは、電極である領域９Ｂの分割領域と、水平方向走査光線の移動方向との関係の例を示す図である。図１１Ｂの例では、領域９Ｂは、５つの扇状の分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５に分割されている。それぞれの領域において、光線走査のための導波光が伝搬する。分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５は、それぞれ偏角φが－３６度から３６度、３６度から１０８度、１０８度から１８０度、１８０度から２５２度、および２５２度から３２４度の範囲の水平走査範囲を受け持つ。ある瞬間において、分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５から、走査光線ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５がそれぞれ放射される。これら５つの走査光線は、互いに７２度の角度をなし、中心Ｏの周りを等角回転する。点ｂｋによる走査光線に対応する光１０Ｅ０の偏光振幅は、ａｋを振幅係数、φを方位角または走査角として、数１５によって表される。ただしｋ＝１、２、３、４、５である。
【数15】
【0117】
ジョーンズ行列を利用すると、光１０Ｅ０の偏光振幅と、透過光１０Ｃの偏光振幅との関係が、数１６によって表される。
【数16】
【0118】
左辺について、第１項は偏光分光器４の行列を表し、第２項は１／４波長板４ａの行列を表し、第３項は光１０Ｅ０の偏光振幅を表す。右辺は透過光１０Ｃの偏光振幅を表す。
【0119】
数１５および数１６から、光検出器１２ａおよび１２ｂでのそれぞれの検出光量ＰａおよびＰｂは、それぞれ数１７および数１８によって表される。
【数17】
【数18】
【0120】
数１７および数１８から、検出光量比Ｐｂ／Ｐａが、数１９によって表される。
【数19】
【0121】
図１１Ｃは、走査光線ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５に対する検出光量比を示す信号と、走査角φとの関係を示す図である。この関係は、数１９から得られる。図１１Ｃに示す例では、以下の関係が成り立つ。
・φ＝０度から１８度の範囲： ｂ１＜ｂ４＜ｂ３＜ｂ２＜ｂ５
・φ＝１８度から３６度の範囲： ｂ４＜ｂ１＜ｂ２＜ｂ３＜ｂ５
・φ＝３６度から５４度の範囲： ｂ４＜ｂ２＜ｂ１＜ｂ５＜ｂ３
・φ＝５４度から７２度の範囲： ｂ２＜ｂ４＜ｂ５＜ｂ１＜ｂ３
・φ＝７２度から９０度の範囲： ｂ２＜ｂ５＜ｂ４＜ｂ３＜ｂ１
・φ＝０度から１８度の範囲： ｂ１＜ｂ４＜ｂ３＜ｂ２＜ｂ５
・φ＝１８度から３６度の範囲： ｂ４＜ｂ１＜ｂ２＜ｂ３＜ｂ５
・φ＝３６度から５４度の範囲： ｂ４＜ｂ２＜ｂ１＜ｂ５＜ｂ３
・φ＝５４度から７２度の範囲： ｂ２＜ｂ４＜ｂ５＜ｂ１＜ｂ３
・φ＝７２度から９０度の範囲： ｂ２＜ｂ５＜ｂ４＜ｂ３＜ｂ１
【0122】
φ＝７２度から９０度の範囲においては、φ＝０度からφ＝１８度の範囲と比較して、ｂ１がｂ２に、ｂ２がｂ３に、ｂ３がｂ４に、ｂ４がｂ５に、ｂ５がｂ１に繰り上がっている。それ以降の角度範囲でも、同様の繰り上がりの関係が成り立つ。これにより、３６０度までの全ての角度範囲について、走査光線の検出光量比の大小関係が全てわかる。したがって、領域９Ｂへの駆動信号によって走査角φが決定されれば、５つの検出光量比の大小関係が決定される。これにより、検出信号が、走査光線のうちのどれかを特定することができる。
【0123】
図１１Ａに示す例において、光源１の発振を制御する光源制御回路３０からの信号は、例えばΔ＝２５０ｎｓおきに１０ｎｓの幅の矩形パルスとして変化する。それに対応して、パルス光２１ａおよび２１ａ１が発光する。２５０ｎｓ毎のパルス発振は、１フレームを３０ｍｓとすると、１フレームあたり１２万パルスに相当する。このパルス信号に同期して、領域９Ｂへの印加電圧の回転角に、ビーム走査に対応した変化量δ（＝２πΔ/５Ｔ）が加算される。領域９Ｂの電圧分布パターンは、Ｔ＝２ｍｓの間に、軸Ｌの周りを１／５回転する。
【0124】
図１１Ａには、受光領域１２ａｋおよび１２ｂｋでのそれぞれの検出光量ＰａおよびＰｂの時間経過の例が示されている。パルス光２１ａの出射後２５０ｎｓの時間範囲で、分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５からの戻り光が、それぞれの方向に存在する物体の距離に応じた異なる時間差１９ａ１、１９ａ２、１９ａ３、１９ａ４および１９ａ５の遅れを伴って検出される。なお、信号波形２０ａ、２０ａ１、２０ｂおよび２０ｂ１は、入力グレーティングカプラであるグレーティング８ａに入力できず、そのまま反射されて帰還した光の検出信号である。
【0125】
光検出器１２ａの受光領域１２ａｋでは、分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５からの戻り光が、波形１８ａ１、１８ａ２、１８ａ３、１８ａ４および１８ａ５として検出される。受光領域１２ｂｋでは、分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５からの戻り光が、波形１８ｂ１、１８ｂ２、１８ｂ３、１８ｂ４および１８ｂ５として検出される。主制御回路３４は、光検出器１２ａの各受光領域での検出光量Ｐａに応じた電気信号と、光検出器１２ｂの各受光領域での検出光量Ｐｂに応じた電気信号とを受ける。主制御回路３４は、これら２つの電気信号の和および比に応じた電気信号を生成する。光検出器１２ａおよび１２ｂの検出光量の和を示す和信号Ｐａ＋Ｐｂとして、ａ１＋ｂ１、ａ２＋ｂ２、ａ３＋ｂ３、ａ４＋ｂ４、およびａ５＋ｂ５が生成される。光検出器１２ａおよび１２ｂの検出光量の比を示す信号比Ｐｂ／Ｐａとして、ｂ１／ａ１、ｂ２／ａ２、ｂ３／ａ３、ｂ４／ａ４、およびｂ５／ａ５が生成される。
【0126】
和信号Ｐａ＋Ｐｂに関しては、上記５つの信号がＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）信号として用いられる。一方、それらの信号は、距離または反射率が異なる物体からの反射に基づいている。したがって、和信号だけでは、どの信号が分割領域Ｂ１からＢ５のいずれに対応するのかを特定することができない。しかし、信号比Ｐｂ／Ｐａを加えることにより、信号比の大小関係から、５つの信号の各々が分割領域Ｂ１からＢ５のいずれに対応するか、すなわち走査光線ｂ１からｂ５のいずれに対応するかを特定することができる。例えば、図１１Ａに示す信号比の例では、ｂ１／ａ１＜ｂ４／ａ４＜ｂ３／ａ３＜ｂ２／ａ２＜ｂ５／ａ５である。したがって、走査角φが０度から１８度の範囲であれば、これらの５つの信号は、左から順に、走査光線ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５による信号であることがわかる。あるいは、走査角φが１８度から３６度の範囲であれば、これらの５つの信号は、左から順に、走査光線ｂ４、ｂ３、ｂ２、ｂ１およびｂ５による信号であることがわかる。
【0127】
図１２Ａは、分割領域Ｂ１における、シングルモード発振のレーザー光の水平方向および垂直方向の走査の様子を模式的に示す図である。この例では、図１１Ｂに示す中心Ｏと点ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５の各々とを結ぶ方向を中心として、±３６度の角度範囲の領域９Ｂに、収差補正のための分布をなす電圧が加えられる。点ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５からの光は、収差補正の結果、平行ビームとなり、それぞれ７２度の角度差を維持しながら、それぞれに割り当てられた領域内を走査する。図１２Ａに示す点ｂ１および矢印は、φ＝－３６度から３６度の範囲に相当する分割領域Ｂ１内で光線が走査する様子を示す。同様に、点ｂ２、ｂ３、ｂ４およびｂ５からの光線も、それぞれに割り当てられた領域内を同期して走査する。領域９Ｂの電圧分布の周期をＴ＝２ｍｓとすると、１秒あたり３３フレームすなわち周期３０ｍｓの描画速度で走査させるには、垂直方向の走査線数は３０／２＝１５本になる。液晶の屈折率変化を０．１５とすると、図７Ｂより、ΔＮ＝０．０４程度の実効屈折率の変化で上記走査線数を実現できる。数５から、この実効屈折率変化の幅はグレーティング８ｃからの放射光の角度差として１０度程度に相当する。このため、１０度の垂直角範囲を１５等分する間隔で、垂直方向走査が行われ得る。この場合、各走査線の隔てる角度は１０／１５＝０．６７度程度である。
【0128】
図１２Ｂは、分割領域Ｂ１における、マルチモード発振のレーザー光の水平方向および垂直方向の走査の様子を模式的に示す図である。図１Ａの点線枠内に示すように、光源１はマルチモードでレーザー光を発振する。このマルチモード光は、例えば波長λの近傍で０．２ｎｍ程度の間隔をなす波長λ１、λ２、・・・λｎのシングルモード光の重なりである。数７から、０．２ｎｍの波長差はグレーティング８ｃからの放射光の角度差として０．１度程度に相当する。従って、７本のマルチモード発振光があれば、図１２Ｂに示すように、図１２Ａにおける走査線の間を隙間無く埋めることができる。図１２Ｂの各走査線に対応する戻り光は、光検出器の受光領域１２ａｋおよび１２ｂｋによって独立して検出される。この場合、信号検出における空間解像度は、図１２Ａの場合の７倍になる。言い換えれば、１００本以上の垂直走査線数を実現できる。なお、マルチモード発振では各モードの発振光の強度が時間的に安定していることが望ましい。このような発振はレーザー光源の駆動電流に数百ＭＨｚの交流信号を重畳させることで実現できる。
【0129】
以上のように、本実施形態の構成によれば、広がり角の小さい平行なレーザー光を外部の物体に向かって出射することができる。その際、例えば、水平方向３６０度および垂直方向１０度の視野内において、出射ビームを垂直走査線数で１００本以上、１秒あたり３０フレーム以上の描画速度で走査することができる。
【0130】
（第２実施形態）
図１３Ａは、第２実施形態における光学装置の構成と光線の経路とを模式的に示す斜視図である。
図１３Ａは、第２実施形態における光学装置の構成と光線の経路とを模式的に示す斜視図である。
【0131】
本実施形態では、第１実施形態における波長分光器５ａおよび５ｂ、ならびに検出集光レンズ１３ａおよび１３ｂが、それぞれ波長分光器５Ａおよび５Ｂ、ならびに検出集光レンズ１３Ａおよび１３Ｂに置き換わり、光源１ａおよび１ｂと、コリメートレンズ２ａおよび２ｂと、光源制御回路３０ａおよび３０ｂと、円錐レンズ１６と、波長フィルター１５ａおよび１５ｂとが追加されている。それ以外の構成は、第１実施形態と同じである。以下、第１実施形態と異なる点を説明し、重複する説明は省略する。
【0132】
レーザー発振を制御する光源制御回路３０、３０ａおよび３０ｂからの制御信号に応答して、光源１、１ａおよび１ｂは、それぞれ、波長λ０、λ０－Δλおよびλ０＋Δλの直線偏光であるレーザー光１０ａ、１４ａおよび１４Ａを出射する。レーザー光１０ａ、１４ａおよび１４Ａの各々は、シングルモードであってもマルチモードであってもよい。Δλは、例えば２０ｎｍ程度の値に設定され得る。レーザー光１０ａ、１４ａおよび１４Ａは、それぞれ、コリメートレンズ２、２ａおよび２ｂによって平行光１０ｂ、１４ｂおよび１４Ｂに変換される。波長フィルター１５ｂは、波長λ０－Δλの光を反射し、波長λ０＋Δλの光を透過させるように設計されたダイクロイックミラーである。平行光１４ｂは、波長フィルター１５ｂで反射されて反射光１４ｃになる。平行光１４Ｂは、波長フィルター１５ｂを透過して透過光１４Ｃになる。反射光１４ｃおよび透過光１４Ｃは、円錐レンズ１６に入射し、円錐波面をなす光１４ｄおよび１４Ｄとしてそれぞれ透過する。波長フィルター１５ａは、波長λ０－Δλおよびλ０＋Δλの光を反射し、波長λ０の光を透過させるように設計されたダイクロイックミラーである。平行光１０ｂは、波長フィルター１５ａを透過して光１０ｃになる。透過光１４ｄおよび１４Ｄは、波長フィルター１５ａで反射されて光１０ｃに重なる。
【0133】
その後の往路および復路における光の経路は、第１実施形態における経路と概ね同じである。復路において、往路と同じ経路をハーフミラー４ｂの位置まで逆進した光１０Ｅは、その約半分がハーフミラー４ｂで反射されて光１０Ｅ０になり、波長分光器５Ａを透過する際に回折され、波長毎に分光された光１０Ｅ１が生じる。光１０Ｅ１は、検出集光レンズ１３Ａによって集光され、集光スポット１７Ａ０、１７Ａ１および１７Ａ２を光検出器１２Ａの受光面に形成する。集光スポット１７Ａ０、１７Ａ１および１７Ａ２は、光検出器１２Ａによって検出される。光検出器１２Ａは、集光スポット１７Ａ０、１７Ａ１および１７Ａ２を分別して検出できるように、短冊状の検出器１２Ａ０、１２Ａ１および１２Ａ２に分割されている。光１０Ｅのうち、ハーフミラー４ｂを透過する成分１０Ｄ０は、１／４波長板４ａを透過し、透過光１０Ｄになる。透過光１０Ｄの一部は、偏光分光器４を透過し、透過光１０Ｃとして波長分光器５Ｂを透過する際に回折され、波長毎に分光された光１０Ｂが生じる。光１０Ｂは、検出集光レンズ１３Ｂによって集光され、集光スポット１７Ｂ０、１７Ｂ１および１７Ｂ２を光検出器１２Ｂの受光面に生じさせる。集光スポット１７Ｂ０、１７Ｂ１および１７Ｂ２は、光検出器１２Ｂによって検出される。光検出器１２Ｂは、集光スポット１７Ｂ０、１７Ｂ１および１７Ｂ２を分別して検出できるように、短冊状の光検出器１２Ｂ０、１２Ｂ１および１２Ｂ２に分割されている。
【0134】
集光スポット１７Ａ０および１７Ｂ０は、波長λ０の光に対応する。集光スポット１７Ａ１および１７Ｂ１は、波長λ０－Δλの光に対応する。集光スポット１７Ａ２および１７Ｂ２は、波長λ０＋Δλの光に対応する。光検出器１２Ａは、検出回路３３Ａに接続されている。光検出器１２Ｂは、検出回路３３Ｂに接続されている。光検出器１２Ａおよび１２Ｂから出力された検出信号は、それぞれ、検出回路３３Ａおよび検出回路３３Ｂによって処理される。主制御回路３４は、検出回路３３Ａおよび３３Ｂから出力された検出信号に基づき、光源１、１ａおよび１ｂを制御するための光源制御信号、および液晶の配向を制御するための液晶制御信号を生成する。主制御回路３４は、光源制御信号を光源制御回路３０、３０ａおよび３０ｂに出力し、液晶制御信号を液晶制御回路３２に出力する。なお、光源制御回路３０、３０Ａおよび３０Ｂ、液晶制御回路３２、および主制御回路３４の一部または全体をまとめて１つの制御回路としてもよい。
【0135】
図１３Ｂは、円錐レンズ１６の断面を模式的に示す図である。円錐レンズ１６は、軸１６Ｌを中心軸とする２つの円錐面を裏返して重ねた形状を有する。入射側の頂角α１は透過側の頂角α２よりも大きい。円錐レンズ１６に代えて、図１３Ｃの下段に示す円錐フレネルレンズ１６ａを用いてもよい。図１３Ｃは、円錐フレネルレンズ１６ａの断面形状を模式的に示す図である。円錐フレネルレンズ１６ａは、円錐レンズ１６の上下の屈折面を、中心軸１６Ｌに直交する間隔λ０／（ｎ３－１）の複数の切断面でスライスし、中心軸１６Ｌに沿って単一面上に押し畳んだ形状を有する。ここで、λ０は透過光の中心波長、ｎ３はレンズを構成する材料の屈折率である。円錐フレネルレンズ１６ａを用いた場合でも、円錐レンズ１６を用いた場合と同様の効果が得られる。
【0136】
図１３Ｄは、円錐レンズ１６を透過するか否かによってグレーティングカプラであるグレーティング８ａに入射する光の行路にどのような差が生じるかを示す断面図である。波長λ０の光１０ｂは、グレーティング８ａにややデフォーカスして垂直に入射する。グレーティング８ａは、波長λ０の光１０ｂについて数１を満たすように設計されている。したがって、光１０ｂは、ほぼ最適な条件でグレーティング８ａの全方位に中心から外周側に向かう導波光１０ｇを励起する。波長λ０－Δλの光１４ｃおよび波長λ０＋Δλの光１４Ｃは、いずれも円錐レンズ１６を透過後、それぞれ、リング状の強度分布をもつ円錐波面の光１４ｄおよび１４Ｄになる。円錐レンズ１６の頂角α１が頂角α２よりも大きいので、円錐波面は、リング状の強度分布が軸１６Ｌに収束するように形成される。光１４ｄおよび１４Ｄの各々の、グレーティング８ａへの最適な入射角は、数２におけるΛ１をΛ０に置き換え、ｎ０を１に置き換えた関係式から計算できる。一例として、λ０＝９４０ｎｍ、Δλ＝２０ｎｍとすると、光１４ｄの最適な入射角は－４度程度であり、光１４Ｄの最適な入射角は４度程度である。円錐状の波面をもつ光１４ｄおよび１４Ｄの各々の２つの波面は、円錐レンズ１６の中心軸１６Ｌを間に挟んで４度ずつ傾斜している。この傾斜は集光レンズ３を透過したあとも維持される。それらの光がグレーティング８ａにややデフォーカスして入射する。このとき、光１４ｄについては、２つの波面が中心軸Ｌを境に交差して導波する形で２方向とも最適入射角の条件を満たす。光１４Ｄについては、２つの波面が中心軸Ｌを境に折り返る形で導波することで２方向とも最適入射角の条件を満たす。従って、グレーティング８ａへの結合条件を、３つの波長λ０、λ０－Δλおよびλ０＋Δλの各々のレーザー光について同時に満たすことができる。
【0137】
図１３Ｅは、本実施形態における検出集光レンズ１３Ａおよび１３Ｂによる集光の様子を示す断面図である。波長分光器５Ａを透過・回折する光１０Ｅ１、または波長分光器５Ｂを透過・回折する光１０Ｂのうち、波長λ０の光は、グレーティング８ａから垂直に放射されるので検出集光レンズ１３Ａまたは１３Ｂの中心領域を通過する光１９ａになる。一方、波長λ０－Δλおよびλ０＋Δλの光の各々は、グレーティング８ａの中心軸Ｌから４度程度の角度をなして放射されるので、検出集光レンズ１３Ａまたは１３Ｂの外縁領域を通過する光１９ｂになる。光１９ａおよび１９ｂは、検出集光レンズ１３ａまたは１３ｂの別々の領域を通過するので、それぞれの光が無収差で集光できるように検出集光レンズが設計され得る。
【0138】
図１４は、図１１Ｂに示す分割領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４およびＢ５における、シングルモード発振のレーザー光の水平方向および垂直方向の走査の例を模式的に示す図である。この例では、角度０から１０度が波長λ０－Δλの光が走査する範囲、角度１０から２０度が波長λ０の光が走査する範囲、角度２０から３０度がλ０＋Δλの光が走査する範囲である。本実施形態によれば、図１２Ａの例と比較して、垂直方向の走査範囲および走査線数が３倍に増加している。
【0139】
このように、本実施形態の構成によれば、広がり角の狭いレーザー光を外部の物体に向かって出射することができる。その際、例えば、水平方向３６０度の視野内において、垂直方向の走査範囲および垂直走査線数を３倍にして走査することができる。
【0140】
本実施形態では、３つの光源１、１ａおよび１ｂが用いられるが、これらのうちの２つの光源のみを用いてもよい。その場合でも、図１２Ａの例と比較して、垂直方向の走査範囲および走査線数を２倍に増加させることができる。さらに、互いに異なる波長の光ビームを出射する４つ以上の光源を用いてもよい。
【0141】
上記のいずれかの実施形態で用いた方法を、他の実施形態に応用することができる。例えば、第２実施形態において光源１、１ａおよび１ｂにマルチモード発振のレーザー光源を用いてもよい。その場合、波長分光器５Ａおよび５Ｂは、図１０Ｃおよび図１０Ｄに示す反射型の分光器に変更され、検出器１２Ａ０、１２Ａ１および１２Ａ２、ならびに検出器１２Ｂ０、１２Ｂ１および１２Ｂ２のそれぞれは、図１０Ａに示すように短冊状に細かく分割された検出器が用いられ得る。そのような変形を行うことにより、マルチモード発振による各モードの発振光を個別に検出できるため、第２実施形態の効果に第１実施形態の効果が掛け合わされる。すなわち、垂直方向の走査範囲と垂直走査線数を３倍にした上に、垂直走査線の密度を７倍に高めることができる。
【0142】
以上のように、前述の実施形態によれば、広がり角の狭い平行なレーザー光を外部の物体に向かって出射することができる。その際、例えば水平方向３６０度および垂直方向３０度の視野内において出射ビームを１秒あたり３０フレーム以上の描画速度で走査することができる。さらに、物体からの反射光のうち、迷光を除去して波長および位相が揃った光のみを選択的に検出することができる。検出した光の情報を視野内における物体の正確な２次元距離情報に変換することもできる。２次元距離情報から、３次元的位置関係を得てもよい。
【産業上の利用可能性】
【0143】
本開示の技術は、例えば、光ビームで空間を走査し、物体からの反射光を選択的に検出することにより、物体の３次元的位置情報を取得する用途に使用され得る。
【符号の説明】
【0144】
１、１ａ、１ｂ 光源
２、２ａ、２ｂ コリメートレンズ
３ 集光レンズ
４ 偏光分光器
５ａ、５ｂ 波長分光器
６ 円錐台プリズム
７ 光導波素子
７ａ 平面基板
７ｂ 反射電極層
７ｃ バッファー層
７ｄ 導波層
７ｅ 液晶層
７ｆ 透明電極層
７ｇ 平面基板
７ｈ 中空基板
８ａ、８ｂ、８ｃ グレーティング
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 領域
１２ａ、１２ｂ、１２Ａ、１２Ｂ 光検出器
１３ａ、１３ｂ、１３Ａ、１３Ｂ 検出集光レンズ
３０ 光源制御回路
３２ 液晶制御回路
３４ 主制御回路
３３ａ、３３ｂ、３３Ａ、３３Ｂ 検出回路
２、２ａ、２ｂ コリメートレンズ
３ 集光レンズ
４ 偏光分光器
５ａ、５ｂ 波長分光器
６ 円錐台プリズム
７ 光導波素子
７ａ 平面基板
７ｂ 反射電極層
７ｃ バッファー層
７ｄ 導波層
７ｅ 液晶層
７ｆ 透明電極層
７ｇ 平面基板
７ｈ 中空基板
８ａ、８ｂ、８ｃ グレーティング
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 領域
１２ａ、１２ｂ、１２Ａ、１２Ｂ 光検出器
１３ａ、１３ｂ、１３Ａ、１３Ｂ 検出集光レンズ
３０ 光源制御回路
３２ 液晶制御回路
３４ 主制御回路
３３ａ、３３ｂ、３３Ａ、３３Ｂ 検出回路
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図14】
【図15A】
【図15B】