特許 7607265 光出射デバイス

(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】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】光出射デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/295 20060101AFI20241220BHJP

【ＦＩ】

G02F1/295

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021536837

(86)(22)【出願日】2020-06-24

(86)【国際出願番号】 JP2020024747

(87)【国際公開番号】W WO2021019971

(87)【国際公開日】2021-02-04

【審査請求日】2023-05-18

(31)【優先権主張番号】P 2019142103

(32)【優先日】2019-08-01

(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】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】中村 和樹

(72)【発明者】

【氏名】稲田 安寿

【審査官】奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０６１５１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１１８８２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１２１１７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２０９９０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００

Ｇ０２Ｂ ６／１２－ ６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光透過性を有する第１ミラー、前記第１ミラーに対向する第２ミラー、および前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置する光導波層を備え、前記光導波層は、前記光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させる導波部分を含み、前記導波部分を伝搬した光の一部を前記第１ミラーを介して外部に出射する、導波路素子と、
前記光導波層に入力される光の経路上、または前記経路から分岐した他の経路上に位置し、受光量に応じた第１信号を出力する第１光検出器と、
前記光導波層の前記導波部分内を前記第１の方向に沿って伝搬し前記導波部分を通過した光の経路上に位置し、受光量に応じた第２信号を出力する第２光検出器と、
前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の方向を制御する制御回路と、
を備える光出射デバイス。

【請求項2】

前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の強度をさらに制御する、請求項１に記載の光出射デバイス。

【請求項3】

前記光導波層は、印加される電圧に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記導波路素子は、前記光導波層の両側に一対の電極をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて前記一対の電極に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御する、
請求項１または２に記載の光出射デバイス。

【請求項4】

前記第１信号と前記第２信号との比と、前記出射光の出射角度との対応関係を規定するデータを格納する記憶装置をさらに備え、
前記制御回路は、前記データを参照して、前記電圧を決定する、
請求項３に記載の光出射デバイス。

【請求項5】

前記光導波層は、液晶材料によって構成され、
前記データは、前記液晶材料の光透過率が異なる複数の条件のそれぞれについて、前記比と前記出射角度との対応関係を規定し、
前記光出射デバイスは、前記液晶材料の光透過率を測定する測定装置をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号と、測定された前記液晶材料の光透過率と、前記データとに基づいて、前記電圧を決定する、
請求項４に記載の光出射デバイス。

【請求項6】

前記光導波層に入力される前記光を出射する光源をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記光源から出射される前記光の強度を制御することにより、前記出射光の強度を制御する、請求項１から５のいずれかに記載の光出射デバイス。

【請求項7】

前記光導波層に入力される前記光を出射する光源と前記光導波層とを接続する第１光導波路をさらに備え、
前記第１光検出器は、前記第１光導波路から分岐して伝搬する光を検出する、
請求項１から６のいずれかに記載の光出射デバイス。

【請求項8】

前記光導波層内を伝搬する光の進行方向の側で前記光導波層に接続された第２光導波路をさらに備え、
前記第２光検出器は、前記第２光導波路を伝搬した光を検出する、
請求項１から７のいずれかに記載の光出射デバイス。

【請求項9】

各々が、光透過性を有する第１ミラー、前記第１ミラーに対向する第２ミラー、および前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置する光導波層を備え、前記光導波層は、前記光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させる導波部分であって、前記導波部分を伝搬した光の一部を前記第１ミラーを介して外部に出射する、複数の導波路素子であって、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列された複数の導波路素子と、
前記複数の導波路素子における前記光導波層にそれぞれ接続された複数の第１光導波路と、
前記複数の第１光導波路に入力される光を出射する光源と、
前記光源から前記複数の導波路素子に至る経路のいずれかの点における光を受け、受光量に応じた第１信号を出力する第１光検出器と、
前記複数の導波路素子における前記光導波層の前記導波部分内を前記第１の方向に沿って伝搬し前記導波部分を通過した光の経路上に位置し、受光量に応じた第２信号を出力する第２光検出器と、
前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の方向を制御する制御回路と、
を備える光出射デバイス。

【請求項10】

前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の強度をさらに制御する、請求項９に記載の光出射デバイス。

【請求項11】

各導波路素子における前記光導波層は、印加される電圧に応じて屈折率が変化する材料を含み、
各導波路素子は、前記光導波層の両側に一対の電極をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、各導波路素子における前記一対の電極に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御する、
請求項９または１０に記載の光出射デバイス。

【請求項12】

前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記光源から出射される前記光の強度を制御することにより、前記出射光の強度を制御する、請求項９から１１のいずれかに記載の光出射デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光出射デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光の出射方向を変化させることが可能な種々のデバイスが提案されている。

【0003】

特許文献１は、光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。入射光の波長を変化させることにより、広い偏向角範囲にわたって光を変更させることができることが特許文献１に記載されている。

【0004】

特許文献２は、２つの多層反射膜と、２つの多層反射膜の間の光導波層とを備える導波路素子を開示している。光導波層の屈折率または厚さを変化させることにより、多層反射膜から出射する光の角度を変化させることができる。このような導波路は、「スローライト導波路」と呼ばれる。

【0005】

特許文献３は、全反射導波路と、全反射導波路に接続されたスローライト導波路とを備える光スキャンデバイスを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１３－１６５９１号公報

【文献】米国特許出願公開第２０１８／２２４７０９号

【文献】国際公開第２０１８／０６１５１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示は、光の出射方向を変化させることが可能な光出射デバイスの出射特性を改善するための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る光出射デバイスは、光透過性を有する第１ミラー、前記第１ミラーに対向する第２ミラー、および前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置する光導波層を備え、前記光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させ、前記第１ミラーを介して出射する、導波路素子と、前記光導波層に入力される光の経路上、または前記経路から分岐した他の経路上に位置し、受光量に応じた第１信号を出力する第１光検出器と、前記光導波層内を前記第１の方向に沿って伝搬し前記光導波層を通過した光の経路上に位置し、受光量に応じた第２信号を出力する第２光検出器とを備える。

【0009】

本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本開示の実施形態によれば、光の出射方向を変化させることが可能な光出射デバイスの出射特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】光出射デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。

【図2】単一の導波路素子によって１次元スキャンを実現する光出射デバイスの例を模式的に示す図である。

【図3】１つの導波路素子の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。

【図4A】導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。

【図4B】導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。

【図5】導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。

【図6】導波路アレイと位相シフタアレイとの接続の例を示す模式図である。

【図7】例示的な実施形態による光出射デバイスの概略的な構成を示す模式図である。

【図8】導波路素子の構造の一例を示すＸＺ面断面図である。

【図9】導波路素子の構造の他の例を示すＸＺ面断面図である。

【図10】駆動装置の概略的な構成を示すブロック図である。

【図11】導波路素子から出射される光の角度と、光導波層内の光の伝搬長Ｌとの関係の例を示す図である。

【図12】図１１に示すそれぞれの出射角度について、光導波層の内部の光の強度分布の近似計算値を表す図である。

【図13】比Ｉ２／Ｉ１を出射角度ごとにプロットした図である。

【図14】始端部での光強度Ｉ１と終端部での光強度Ｉ２との差（Ｉ１－Ｉ２）を出射角度ごとにプロットした図である。

【図15】調整された光強度Ｉ１の例を示す図である。

【図16】校正表のデータを生成する動作の一例を示すフローチャートである。

【図17】光出射デバイスがビームスキャン動作を行っているときの制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。

【図18】液晶層の消衰係数の変化に伴うＩ２／Ｉ１と出射角度との関係の変化の例を示す図である。

【図19】他の実施形態による光出射デバイスの構成を示すブロック図である。

【図20】他の実施形態による光出射デバイスの構成を示す断面図である。

【図21】他の実施形態における校正データの生成処理の例を示すフローチャートである。

【図22】他の実施形態における校正データの更新処理の例を示すフローチャートである。

【図23】光出射デバイスの他の構成例を示す図である。

【図24】光出射デバイスから遠方に光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。

【図25】光検出システムの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の例示的な実施形態による光出射デバイスは、特許文献２および３に開示されたデバイスと同様、スローライト導波路の構造を有する１つ以上の導波路素子を備える。導波路素子は、光透過性を有する第１ミラー、第１ミラーに対向する第２ミラー、および第１ミラーと第２ミラーとの間に位置する光導波層を備える。導波路素子は、光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させ、第１ミラーを介して出射する。出射する光の方向は、後述するように、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、光による１次元的なスキャンを実現できる。光出射デバイスは、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または伝搬する光の波長を変化させる駆動装置を備え得る。

【0013】

さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することができる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。

【0014】

光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよいし、これらの３つのうちの任意の２つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。

【0015】

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。

【0016】

本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。

【0017】

本開示の実施形態による光出射デバイスは、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムに利用され得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（例えば、可視光、赤外線、または紫外線）を用いる。このため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。ＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。

【0018】

＜光出射デバイスの構成例＞
以下、一例として、２次元スキャンを行うことが可能な光出射デバイスの構成例およびその原理を説明する。以下の説明において、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。以下の説明では、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標を用いる。本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

【0019】

図１は、光出射デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。図１に示す光出射デバイス１００は、複数の導波路素子１０を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子１０の各々は、第１の方向（図１におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の導波路素子１０は、第１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列されている。複数の導波路素子１０は、第１の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面に交差する方向Ｄ３に光を出射させる。この例では、第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。図１の例では、複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。

【0020】

複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１ミラー３０および第２ミラー４０と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを備える。ミラー３０およびミラー４０の各々は、光導波層２０との界面に反射面を有する。ミラー３０および４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有する。

【0021】

図１の例では、複数の導波路素子１０が互いに分離されているが、これらの少なくとも一部が繋がっていてもよい。例えば、第１ミラー３０、第２ミラー４０、および光導波層２０の少なくとも１つが、導波路素子１０間で相互に繋がっていてもよい。

【0022】

第１ミラー３０の反射面と第２ミラー４０の反射面とは、ほぼ平行に対向している。これらのミラーのうち、少なくとも第１ミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１ミラー３０は、当該光について、第２ミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１ミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体多層膜によって形成され得る。

【0023】

図１に矢印で示されるように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１ミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。この例では、各導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つが同期して制御される。これにより、複数の導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１に示される方向１０１に沿って変化させることができる。

【0024】

さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。

【0025】

なお、２次元スキャンが不要な用途では、複数の導波路素子を設ける必要はない。光出射デバイスが１つの導波路素子を備えていれば、図１に示すＸ方向に沿った１次元的なスキャンが可能である。用途によっては、そのような１次元スキャンに特化した光出射デバイスも使用され得る。

【0026】

図２は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光出射デバイス１００の例を模式的に示す図である。この例では、Ｙ方向に広がりのある光が出射される。光導波層２０の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長を変化させることにより、光の出射方向をＸ方向に沿って移動させることができる。これにより、１次元スキャンが実現される。出射光がＹ方向に広がりをもつため、一軸方向のスキャンであっても、２次元的に拡がる比較的広いエリアをスキャンすることができる。２次元スキャンが不要な用途では、図２に示すような構成も採用され得る。

【0027】

図３は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図３では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、第１ミラー３０および第２ミラー４０によって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１ミラー３０の光透過率は第２ミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１ミラー３０から光の一部を出力することができる。

【0028】

一般的な光ファイバーなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。当該構成によれば、全反射の臨界角よりも小さい角度、すなわち、より垂直に近い角度で界面に入射する光も伝搬できる。光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて低い。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。このような導波路素子１０は、「スローライト導波路」とも称される。

【0029】

伝搬する光の空気中での波長をλ、光導波層２０の屈折率をｎ_ｗ、光導波層２０の厚さをｄとすると、導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。

【数1】

【0030】

式（１）からわかるように、波長λ、屈折率ｎ_ｗ、および厚さｄのいずれかを変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。

【0031】

例えば、ｎ_ｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎ_ｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変化させることにより、光の出射方向を大きく変化させることができる。

【0032】

そこで、本開示の実施形態では、光導波層２０に入力される光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄの少なくとも１つを制御することにより、光の出射方向が制御される。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。波長λは、特に限定されない。波長λは、例えば４００ｎｍから１１００ｎｍ（可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。この波長域は、シリコン（Ｓｉ）によって光を吸収することで光を検出する一般的なフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる波長域である。他の例では、波長λは、光ファイバーまたはＳｉ導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。

【0033】

出射光の方向を変化させるために、光出射デバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる駆動装置（「第１調整素子」とも称する。）を備え得る。

【0034】

光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料のように、電圧の印加によって屈折率が変化する材料を含み得る。光導波層２０は、一対の電極の間に配置され得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を変化させることができる。

【0035】

第１ミラー３０および第２ミラー４０の少なくとも一方にアクチュエータなどの、厚さを変化させる駆動装置が接続されてもよい。そのような装置によって第１ミラー３０と第２ミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が気体または液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さを容易に変化させることができる。

【0036】

次に、複数の導波路素子が一方向に配列された導波路アレイによる２次元スキャンの動作原理を説明する。

【0037】

導波路アレイにおいては、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向が変化する。各導波路素子１０に供給される光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。

【0038】

図４Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図４Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。図４Ａに示す導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子１０を含んでいる。図４Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図４Ａに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。

【0039】

図４Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図４Ｂに示す例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣接する２つの導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α_０は、以下の式（２）によって表される。

【数2】

【0040】

図３に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α_０＝０°である。図４Ａおよび図４Ｂに示す例では、光出射デバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光出射デバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα_０≠０°である。

【0041】

図５は、３次元空間における導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。図５に示す太い矢印は、光出射デバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α_０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α_０は式（２）を満たす。

【0042】

それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子１０の前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。光出射デバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する駆動装置（以下、「第２調整素子」とも称する。）とを備え得る。各位相シフタは、複数の導波路素子１０のうちの対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含み得る。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（図１に示される方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。

【0043】

図６は、導波路アレイ１０Ａと位相シフタアレイ８０Ａとの接続の例を示す模式図である。図６に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有する光導波路であり、全ての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は、同じ長さを有していてもよいし、異なる長さを有していてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることにより、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光出射デバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路１８０とをさらに備える。図６に示す直線の矢印は光の入力を表している。別々に設けられた第１駆動回路１１０と第２駆動回路１８０とをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路１１０は、第１調整素子すなわち駆動装置の１つの要素として機能し、第２駆動回路１８０は、第２調整素子すなわち駆動装置の１つの要素として機能する。

【0044】

第１駆動回路１１０は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路１８０は、各位相シフタ８０における導波路の屈折率を変化させることにより、当該導波路の内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様のスローライト導波路で構成してもよい。

【0045】

なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光の位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いてもよい。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路１８０による各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。

【0046】

上記の光出射デバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの構造、動作原理、および動作方法などの詳細は、例えば特許文献２および３に開示されている。これらの文献の開示内容の全体を本明細書に援用する。

【0047】

＜出射光の方向および強度の制御＞
上記のように、スローライト導波路の構造を備える光出射デバイスは、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を変化させることにより、出射光ビームの方向を変化させることができる。また、光導波層に入力される光の強度を制御することにより、出射光ビームの強度を制御することもできる。

【0048】

しかし、光出射デバイスの光出射特性は、温度もしくは湿度などの環境の変化、またはデバイスの経年劣化などの様々な要因により、変化し得る。例えば、光導波層が液晶材料などの、印加電圧に応じて屈折率が変化する材料で構成されている場合、当該材料の温度依存性または経年劣化に起因して、印加電圧に対する屈折率の応答特性が変化し得る。その結果、光導波層に同一の電圧を印加した場合であっても、環境または経年に依存して光の出射方向が変動し得る。同様の課題は、光導波層の厚さまたは導波光の波長を変化させることによって出射光の方向を変化させる構成においても生じ得る。また、出射光の強度が出射角度に依存することから、出射角度の変化に応じて出射光の強度を適切に調整することが望ましい。

【0049】

このような課題を解決するため、本開示の実施形態による光出射デバイスは、導波路素子の前段および後段のそれぞれに、光検出器を備える。駆動装置は、それらの光検出器によって検出された光の強度に基づいて、光源から出射される光の強度、および／または導波路素子から出射される光の方向を制御する。以下、このような実施形態の構成および動作をより詳細に説明する。

【0050】

図７は、例示的な実施形態による光出射デバイス１００Ａの概略的な構成を示す模式図である。この光出射デバイス１００Ａは、光源１３０と、光導波路１１と、導波路素子１０と、第１光検出器１７１と、第２光検出器１７２と、駆動装置１６０とを備える。光導波路１１は、光源１３０と導波路素子１０とを接続する。光導波路１１は、分岐部１１ｂを有する。分岐部１１ｂから、他の光導波路１３が延びている。光導波路１３の先端に第１光検出器１７１が配置されている。第１光検出器１７１は、光導波路１３を伝搬した光を検出する。第２光検出器１７２は、導波路素子１０の光導波層を伝搬した光を検出する位置に配置されている。図７の例では、第２光検出器１７２は導波路素子１０に接している。このような構成に限らず、第２光検出器１７２は、導波路素子１０に接続された不図示の他の光導波路を伝搬する光を検出するように構成されていてもよい。

【0051】

光源１３０は、導波路素子１０における光導波層に入力される光を出射するように構成される。光源１３０は、例えば半導体レーザー素子などの発光素子を含み得る。

【0052】

この例では、導波路素子１０は、一対のミラーと、一対のミラーの間に位置する光導波層と、光導波層に電圧を印加するための一対の電極を含む。光導波層は、電圧の印加によって屈折率が変化する材料、例えば液晶材料または電気光学材料を含み得る。

【0053】

駆動装置１６０は、導波路素子１０における一対の電極、光源１３０、第１光検出器１７１、および第２光検出器１７２に接続されている。駆動装置１６０は、動作中、第１光検出器１７１および第２光検出器１７２から、それぞれの検出光量を示す信号を取得し、それらの信号に基づいて、一対の電極に印加する電圧を制御する。これにより、駆動装置１６０は、導波路素子１０から出射される光の方向を制御する。駆動装置１６０はまた、第１光検出器１７１および第２光検出器１７２からそれぞれ出力される２つの信号に基づいて、光源１３０から出射される光の強度を制御する。駆動装置１６０による光源１３０および導波路素子１０の制御の具体例については後述する。

【0054】

図８は、導波路素子１０の構造の一例を示すＸＺ面断面図である。この導波路素子１０は、第１基板７０Ａ、第１電極６０Ａ、第１ミラー３０、光導波層２０、第２ミラー４０、第２電極６０Ｂ、および第２基板７０Ｂを、この順に備える。第１ミラー３０は、第１の方向（この例ではＸ方向）および第２の方向（この例ではＹ方向）に沿って拡がっており、第１の方向に延びた構造を有する。第１ミラー３０は、光透過性を有し、光導波層２０をＸ方向に沿って伝搬する光の一部を外部に出射する。第２ミラー４０は、第１ミラー３０と同様、第１の方向および第２の方向に沿って拡がっており、第１の方向に延びた構造を有する。この例における第２ミラー４０は、光透過性を有しない。

【0055】

光導波層２０は、第１ミラー３０と第２ミラー４０との間に位置し、第１の方向に沿って延びている。光導波層２０は、例えば液晶材料または電気光学材料によって構成され得る。基板７０Ａおよび７０Ｂは、例えばＳｉなどの半導体、あるいはＳｉＯ_２などの誘電体材料によって構成され得る。

【0056】

第１電極６０Ａは、第１ミラー３０と第１基板７０Ａとの間にあり、両者に接している。第２電極６０Ｂは、第２ミラー４０と第２基板７０Ｂとの間にあり、両者に接している。第１電極６０Ａは、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透光性を有する導電材料によって構成され得る。第２電極６０Ｂは、ＩＴＯなどの透光性を有する導電材料の他、任意の導電性材料によって構成され得る。図７に示すように、電極６０Ａおよび６０Ｂは、駆動装置１６０に接続されている。駆動装置１６０は、電極６０Ａおよび６０Ｂに電圧を印加する駆動回路を含む。駆動装置１６０は、第１電極６０Ａと第２電極６０Ｂとの間に印加する電圧を変化させることにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。これにより、第１ミラー３０、第１電極６０Ａ、および第１基板７０Ａを介して出射される光ビームの出射角度を変化させることができる。

【0057】

図８には、光導波層２０の両端部にそれぞれ接続された第１光導波路１１および第２光導波路１２も示されている。第１光導波路１１および第２光導波路１２の各々は、第２ミラー４０上の誘電体部材５０に支持されている。

【0058】

本実施形態における光導波路１１および１２のそれぞれの一端は、光導波層２０の内部にあり、グレーティング１５を含む。各グレーティング１５は、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の凹部を含む。図８の例では、各グレーティング１５が４つの凹部を含むが、さらに多数の凹部が設けられていてもよい。複数の凹部に代えて、複数の凸部が設けられていてもよい。各グレーティング１５におけるＸ方向に並ぶ凹部または凸部の個数は、例えば４以上６４以下であり得る。各グレーティング１５における凹部または凸部の個数は、各凹部または凸部の回折効率に応じて調整され得る。各凹部または凸部の回折効率は、その深さまたは高さ、および幅などの寸法条件に依存する。したがって、グレーティング１５全体として良好な特性が得られるように、各凹部または凸部の寸法に応じて、それらの個数は調整される。

【0059】

図８に示す例において、グレーティング１５が設けられた領域のＸ方向における寸法Ｌｇは、例えば、４μｍから５０μｍ程度の範囲内の値であり得る。そのような大きさの領域内に、例えば８周期から３２周期程度のグレーティング１５が形成され得る。本実施形態では、第１光導波路１１のうち、光導波層２０の内部に位置する部分のＸ方向における寸法Ｌ０は、グレーティング１５が設けられた領域のＸ方向における寸法Ｌｇよりも大きいが、Ｌ０とＬｇとが一致していてもよい。図８の例では、第１光導波路１１と第２光導波路１２とが対称的な構造を有するが、両者が非対称な構造を有していてもよい。光導波層２０のうち、第１光導波路１１と第２光導波路１２との間に位置する部分のＸ方向における寸法Ｌ１は、Ｌｇよりも大きく、例えば１００μｍから５ｍｍ程度の範囲内の値であり得る。ただし、このような寸法に限定されず、必要な特性に応じて各部材の寸法は決定される。

【0060】

第１光導波路１１および第２光導波路１２の各々は、誘電体部材５０および光導波層２０よりも高い屈折率の誘電体材料によって構成され得る。これらの光導波路１１および１２の各々は、全反射導波路であり、光をＸ方向に沿って伝搬させる。第１光導波路１１を伝搬する光は、グレーティング１５によって高い効率で光導波層２０を伝搬する光に変換される。同様に、光導波層２０を伝搬する光は、第２光導波路１２におけるグレーティング１５によって高い効率で第２光導波路１２を伝搬する光に変換される。

【0061】

なお、第１光導波路１１および第２光導波路１２の各々と光導波層２０との接続は、本実施形態の構造とは異なる構造によって実現されていてもよい。例えば、光導波路１１および１２の各々の先端部が光導波層２０の外部において光導波層２０に接していてもよい。第１光導波路１１と光導波層２０との間の光の結合、および光導波層２０と第２光導波路１２との間の光の結合が可能である限り、各導波路の構造は任意である。

【0062】

図８には示されていないが、図７に示すように、第１光導波路１１から分岐した他の光導波路１３を伝搬する光を検出する第１光検出器１７１が配置される。第１光検出器１７１は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を含み、受光量に応じた第１信号を出力する。光導波路１３を伝搬する光の強度は、第１光導波路１１を伝搬して光導波層２０に入力される光の強度にほぼ比例する。したがって、第１光検出器１７１から出力される第１信号は、光導波層２０に入力される光の強度を反映する。

【0063】

図８に示す例では、第２光検出器１７２は、第２光導波路１２を伝搬した光を検出する。第２光導波路１２は、光導波層２０を第１の方向に沿って伝搬して光導波層２０を通過した光を、第２光検出器１７２に導く。第２光検出器１７２は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を含み、受光量に応じた第２信号を出力する。第２信号は、光導波層２０に入力された光のうち、第１ミラー３０を介して外部に出射されなかった光の強度を反映する。

【0064】

第２光検出器１７２の配置は、図８に示すような配置に限定されず、例えば図９に示す配置であってもよい。図９に示す例では、第２光導波路１２は、光導波層２０の内部に位置する端部だけでなく、その反対側の端部にもグレーティング１５Ａを有する。第２光検出器１７２は、当該グレーティング１５Ａを介して出射された光を検出するように配置されている。このような配置であっても、光導波層２０を通過した光の量に応じた信号を取得することができる。

【0065】

なお、図７に示す光導波路１３内の伝搬光を第１光検出器１７１に入射させる方法については、図８または図９に示される第２光検出器１７２に光を入射させる方法と同様の方法を用いることができる。本実施形態では、第１光検出器１７１は、第１光導波路１１から分岐した他の導波路１３内を伝搬する光を検出するが、第１光導波路１１の伝搬光を直接検出するように構成されていてもよい。

【0066】

第１光検出器１７１および第２光検出器１７２の各々は、単一の光電変換素子を備える光検出器に限らず、複数の光電変換素子を備える光検出器、例えばイメージセンサでもよい。特に、複数の導波路素子１０がＹ方向に沿って配列された構成においては、Ｙ方向に複数の光電変換素子が配列されたイメージセンサを光検出器１７１および１７２として用いてもよい。

【0067】

本実施形態では、光源１３０から離れた位置に第１光検出器１７１が配置されているが、第１光検出器１７１は光源１３０に内蔵されていてもよい。例えば、光源１３０として、光出力のフィードバック機能を備えたレーザダイオードが使用される場合、フィードバック機構から得られる出力信号を第１光検出器１７１の検出信号として用いてもよい。

【0068】

図１０は、本実施形態における駆動装置１６０の概略的な構成を示すブロック図である。駆動装置１６０は、インターフェース（ＩＦ）１６８と、制御回路１６２と、記憶装置１６６とを備える。インターフェース１６８は、光源１３０、第１光検出器１７１、および第２光検出器１７２に接続され、これらの機器との間で信号の伝送を行う。制御回路１６２は、光導波層２０の屈折率、および光源１３０の発光強度を制御する回路である。制御回路１６２は、１つ以上のプロセッサを含み得る。記憶装置１６６は、例えばＲＡＭおよびＲＯＭなどのメモリを含み、制御回路１６２によって実行されるコンピュータプログラム、および各種のデータを格納する。制御回路１６２は、第１光検出器１７１から出力された第１信号と、第２光検出器１７２から出力された第２信号とに基づいて、光源１３０の発光強度および光導波層２０に印加する電圧を制御する。これにより、導波路素子１０の第１ミラー３０を介して出射される光の強度および方向を制御する。

【0069】

本実施形態において、第１ミラー３０を介して出射される光の出射角度は、光導波層２０の内部を伝搬する光の伝搬角度に依存する。この伝搬角度は、光導波層２０の屈折率に依存する。したがって、印加される電圧に応じて屈折率を変調させることが可能な液晶などの材料で光導波層２０を構成することにより、印加電圧によって出射角度を制御することができる。

【0070】

ここで、光導波層２０の内部の光の強度は、Ｘ方向に沿って伝搬する過程で徐々に減衰する。これは、伝搬の過程で伝搬光の一部が第１ミラー３０を介して外部に放出されるからである。この減衰率は、第１ミラー３０および第２ミラー４０の反射率の角度依存性によって決定される。そのため、減衰率は、光導波層２０を伝搬する光の伝搬角度に依存する。本実施形態のように、光導波層２０を含む光の経路上の任意の２点において光強度を検出することにより、それらの検出結果から、減衰率および／または減衰量を算出することができる。これにより、光導波層２０の内部の伝搬角度または外部に出射される光の角度、および／または出射光の強度を推定することができる。

【0071】

図１１は、ある実施例における導波路素子１０から出射される光の角度と、光導波層２０内の光の伝搬長Ｌとの関係を示す図である。ここで伝搬長Ｌとは、光導波層２０内のある点を起点として、Ｘ方向に沿って光が伝搬した場合に、その光強度が起点における光強度の１／ｅ倍に減衰するまでの距離を指す。ここでｅは自然対数の底であり、ｅ≒２．７１８である。図１１に示す結果は、以下の構成を有する導波路素子１０について、数値計算を行うことによって得られた。第１ミラー３０として、高屈折率層と低屈折率層とが交互に１７層積層されたＤＢＲを用いた。各高屈折率層の屈折率を２．２８、各高屈折率層の厚さを１１１ｎｍ、各低屈折率層の屈折率を１．４７、各低屈折率層の厚さを１７３ｎｍとした。第２ミラー４０として、高屈折率層と低屈折率層とが交互に２１層積層されたＤＢＲを用いた。各高屈折率層の屈折率を２．３６、各高屈折率層の厚さを１０７ｎｍ、各低屈折率層の屈折率を１．４７、各低屈折率層の厚さを１７２ｎｍとした。第１ミラー３０および第２ミラー４０の各々について、最初と最後の層は、ともに高屈折率層である。光導波層２０の厚さは２．０２μｍとした。出射角度を変化させるために、光導波層２０の屈折率を１．６８～１．５５の範囲で変化させた。なお、出射角度は、屈折率がほぼ１である大気への出射角度を指し、導波路伝搬中の光の吸収損失はないものとした。数値計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＦｅｍＳｉｍを用いた。

【0072】

図１２は、図１１に示すそれぞれの出射角度について、光導波層２０の内部の光の強度分布の近似計算値を任意単位で表す図である。ここでは、光導波層２０の内部の光が、ｅｘｐ（－αｘ）に従って減衰すると仮定した。ここで、αは、伝搬長Ｌの逆数であり、出射角度θに依存する。ｘは、光導波層２０の始端部からの距離を表す。光導波層２０の始端部とは、図８に示す長さＬ１の領域のうち、第１光導波路１１の先端に接する部分を指す。逆に、図８に示す長さＬ１の領域のうち、第２光導波路１２の先端に接する部分を光導波層２０の終端部と称する。本実施例では、光導波層２０の始端部から終端部までの長さＬ１を１ｍｍとした。図１２に示すように、出射角度θが小さいほど、光の伝搬に伴って光強度が減衰し易い。

【0073】

図１３は、本実施例における光導波層２０の始端部の光強度Ｉ１に対する終端部の光強度Ｉ２の割合（Ｉ２／Ｉ１）を出射角度ごとにプロットした図である。図１３に示す関係は、光導波層２０の内部を伝搬する光の伝搬角度と、ミラー３０および４０の反射率の角度依存性によって決まる導波路固有の関係である。Ｉ２とＩ１の強度比を測定することにより、その時点での伝搬角度を求めることができる。

【0074】

図１４は、始端部での光強度Ｉ１と終端部での光強度Ｉ２との差（Ｉ１－Ｉ２）を出射角度ごとにプロットした図である。Ｉ１とＩ２との強度差は、光導波層２０を伝搬する過程で一部の光が外部に放出されることで生じる。例えば図１４の例においては、出射角度３６°において光導波層２０の終端部での光強度Ｉ２は、始端部での光強度Ｉ１の約２６％である。簡単のために、光導波層２０における光の損失分がすべて外部に出射されていると仮定する。その場合、例えば１Ｗの光が光導波層２０に入力されたとすると、約０．７４Ｗの光が外部に放出されることになる。これに対して、出射角度２５°では、終端部での光強度Ｉ２は始端部での光強度Ｉ１の約３％であり、約９７％の光が外部に放出される。この場合、入力される光を約０．７６Ｗにすることで、約０．７４Ｗの光出力を得ることができる。

【0075】

図１５は、この例における調整された光強度Ｉ１の例を示す図である。出射角度が大きいほど、入力される光の強度Ｉ１が大きくなるように制御される。図１５に示すようにＩ１の強度を調整することで、どの出射角度においても同程度の光強度を得ることができる。なお、実際のデバイスでは、出射角度に応じて出射光の吸収損失および散乱損失が変化する。このため、図１５に示すような角度に応じた入力光の強度の校正を行う場合、吸収損失および散乱損失の出射角度依存性を考慮することが望ましい。

【0076】

本実施形態では、図１０に示す駆動装置１６０における記憶装置１６６に、予め校正用のデータが格納されている。制御回路１６２は、当該データを参照することで、強度Ｉ１、Ｉ２のデータから、光導波層２０に印加する電圧Ｖｐｐと、光源１３０から出射される光の強度の補正値を決定する。

【0077】

校正用のデータは、例えば以下の表１に示すようなテーブル形式のデータであり得る。このようなテーブルのデータを、以下、「校正表」または「校正データ」と称する。

【0078】

【表1】

【0079】

表１は、５°から３５°の範囲で５°ずつ出射角度を変化させる場合に使用される校正表の例を示している。角度ごとに、比（Ｉ２／Ｉ１）、印加電圧Ｖｐｐ、強度差（Ｉ１－Ｉ２）、および光源１３０の入力補正値Ｉ１／（Ｉ１－Ｉ２）のデータが記録されている。表１に示す角度と比（Ｉ２／Ｉ１）との関係は、図１３に示す関係に対応している。

【0080】

図１６は、表１に示すような校正表のデータを生成する動作の一例を示すフローチャートである。図１６に示す動作は、例えば光出射デバイス１００Ａの製造時に行われ、校正表が予め記憶装置１６６に格納される。図１６の動作は、例えば駆動装置１６０の制御回路１６２によって実行され得る。

【0081】

制御回路１６２は、まず、ステップＳ１０１において、ビームスキャンに必要な角度範囲において、用途に応じた適切な出射角の一覧を示すデータを取得する。表１の例では、簡単のため、７つの出射角が設定されているが、さらに多くの出射角が設定されていてもよい。例えば、所定の角度範囲内において、１°または０．１°などの、比較的小さい角度間隔で多数の出射角が設定されていてもよい。

【0082】

制御回路１６２は、ステップＳ１０６において全ての出射角についてデータの記録が完了したと判断するまで、ステップＳ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４、およびＳ１０５の動作を繰り返す。

【0083】

ステップＳ１０２において、制御回路１６２は、出射角の一覧の中から、データがまだ取得されていない１つの角度を目標の出射角として選択する。

【0084】

ステップＳ１０３において、制御回路１６２は、光導波層２０に印加する電圧を徐々に変化させ、目標の出射角が得られる電圧の波高値を決定する。制御回路１６２は、その値を出射角と関連付けて校正表に記録する。なお、光の出射角は、図示されていない出射角度測定器によって測定される。ステップＳ１０４において、制御回路１６２は、目標の出射角が得られているときの第１光検出器１７１の検出強度Ｓ１と第２光検出器１７２の検出強度Ｓ２とを取得する。そして、Ｉ１＝ｋ１×Ｓ１およびＩ２＝ｋ２×Ｓ２の演算により、光導波層２０の始端部での推定される光強度Ｉ１、および終端部での推定される光強度Ｉ２を算出する。ここで、ｋ１およびｋ２は、予め設定された比例係数である。制御回路１６２は、比（Ｉ２／Ｉ１）、差（Ｉ１－Ｉ２）、および入力補正値Ｉ１／（Ｉ１－Ｉ２）を、出射角と関連付けて校正表に記録する。なお、表１に示す校正表では、比（Ｉ２／Ｉ１）の値が角度ごとに記録されるが、代わりにＳ１とＳ２との比が角度ごとに記録されてもよい。Ｉ１はＳ１に比例し、Ｉ２はＳ２に比例する。よって、いずれの場合も、第１光検出器１７１から出力される第１信号と第２光検出器１７２から出力される第２信号との比と、出射角度との対応関係を規定するデータが格納されるといえる。

【0085】

ステップＳ１０５において、制御回路１６２は、出射角の一覧に含まれる全ての角度についてデータを記録したか否かを判断する。全ての角度についてデータの記録が完了していない場合はステップＳ１０２に戻り、異なる角度について、ステップＳ１０３およびＳ１０４の動作が実行される。全ての角度についてデータの記録が完了した場合は、ステップＳ１０６に進む。

【0086】

ステップＳ１０６において、制御回路１６２は、生成した校正表のデータを出力し、記憶装置１６６に記録する。

【0087】

光出射デバイス１００Ａは、例えばＬｉＤＡＲシステムにおいて用いられ得る。制御回路１６２は、所定の走査範囲を光でスキャンするように、一対の電極６０Ａおよび６０Ｂへの印加電圧を調整する。このとき、光出射デバイス１００Ａが配置された環境の温度、または光出射デバイス１００Ａの経年劣化などの種々の要因により、印加電圧と出射角との対応関係が変化することがある。また、出射光の強度が所望の強度とは異なっている場合があり得る。

【0088】

この課題を解決するため、本実施形態では、例えば光出射デバイス１００Ａの起動時、またはスキャン動作中に、以下の動作が行われる。まず、制御回路１６２は、出射角を変化させる度に、第１光検出器１７１の出力信号に基づいて算出される光強度Ｉ１と、第２光検出器１７２の出力信号に基づいて算出される光強度Ｉ２との比（Ｉ２／Ｉ１）および差（Ｉ１－Ｉ２）を算出する。次に、制御回路１６２は、記憶装置１６６に予め記録された校正データを参照して、算出した比（Ｉ２／Ｉ１）に対応する出射角を特定する。このとき、本来の出射角と、校正データから特定された出射角との間に誤差がある場合、制御回路１６２は、印加電圧を変化させることにより、その誤差を補償する。また、制御回路１６２は、算出した差（Ｉ１－Ｉ２）から推定される出射光強度と、そのときに出射すべき光の強度との間に誤差が生じている場合、光源１３０の出射光強度を変化させることにより、その誤差を補償する。比（Ｉ２／Ｉ１）または差（Ｉ１－Ｉ２）に誤差が生じていた場合、制御回路１６２は、校正データを更新する。

【0089】

図１７は、光出射デバイス１００Ａによる校正データを更新する動作の一例を示すフローチャートである。

【0090】

この例では、ステップＳ２０１において、制御回路１６２は、予め記録された校正表のデータを取得する。

【0091】

続くステップＳ２０２において、制御回路１６２は、出射角を初期値に設定して光ビームを導波路素子から出射させる。このとき、制御回路１６２は、校正表における当該出射角に対応する入力補正値に基づいて光源１３０の出力を決定する。

【0092】

その後、制御回路１６２は、ステップＳ２１１において全ての出射角についてデータの取得が完了したと判断するまで、ステップＳ２０３からＳ２１２の動作を繰り返す。

【0093】

ステップＳ２０３において、制御回路１６２は、第１光検出器１７１の出力信号に基づく光強度Ｉ１と、第２光検出器１７２の出力信号に基づく光強度Ｉ２とに基づいて、比Ｉ２／Ｉ１を算出する。続くステップＳ２０４において、制御回路１６２は、算出した比Ｉ２／Ｉ１と、校正表における目標の比との間に差違があるかを判断する。差異があるか否かの判断は、算出した比と目標の比との差が所定の閾値を上回るか否かによって判断され得る。この判断がＹｅｓの場合、ステップＳ２０５に進み、Ｎｏの場合、ステップＳ２０７に進む。

【0094】

ステップＳ２０５において、制御回路１６２は、比Ｉ２／Ｉ１が目標値になるように、光導波層２０に印加される電圧の値を調整する。続くステップＳ２０６において、制御回路１６２は、調整後の電圧値を校正表に記録する。

【0095】

ステップＳ２０７において、制御回路１６２は、強度差（Ｉ１－Ｉ２）を算出する。続くステップＳ２０８において、制御回路１６２は、算出した強度差と校正表における目標の強度差との間に差違があるかを判断する。差異があるか否かの判断は、算出した強度差と目標の強度差との差が所定の閾値を上回るか否かによって判断され得る。この判断がＹｅｓの場合、ステップＳ２０９に進み、Ｎｏの場合、ステップＳ２１１に進む。

【0096】

ステップＳ２０９において、制御回路１６２は、強度差（Ｉ１－Ｉ２）が目標値になるように、光源１３０から出射される光の強度を調整する。このとき、例えば（Ｉ２－Ｉ１）／Ｉ２が全角度域で均一になるように光源１３０からの光の強度が調整される。続くステップＳ２１０において、制御回路１６２は、調整後の入力補正値を校正表に記録する。

【0097】

次に、ステップＳ２１１において、制御回路は、全ての出射角についてデータの取得が完了したか否かを判断する。この判断がＮｏの場合はステップＳ２１２に進み、Ｙｅｓの場合はステップＳ２２０に進む。

【0098】

ステップＳ２１１において、制御回路１６２は、出射角を変更して導波路素子から光ビームを出射させる。このとき、制御回路１６２は、校正表における当該出射角に対応する入力補正値に基づいて光源１３０の出力を決定する。以後、全出射角についてデータが取得されるまで、ステップＳ２０３からＳ２１２の動作が繰り返される。

【0099】

全出射角についてデータが取得されると、ステップＳ２２０において、制御回路１６２は、校正表を更新して記憶装置１６６に記録する。このとき、表１に示す項目のうち、印加電圧および入力補正値の項目が更新され、角度、比、および強度差の項目は変更されない。

【0100】

以上の動作により、光導波層２０に印加される電圧と出射角との関係、および光源１３０に入力される制御指令値と出射光の強度との関係が、環境その他の要因によって変化した場合であっても、出射光の方向および強度を適切に制御することができる。本実施形態によれば、出射光の一部をミラーまたはビームスプリッタなどの光学素子を用いて直接検出することなく、出射光の方向と強度とを推定することができる。このため、より簡単な構成で、光の出射を適正化することができる。

【0101】

本実施形態の光出射デバイス１００Ａは、単一の導波路素子１０を備えるが、複数の導波路素子１０のアレイを備えていてもよい。図１から図６を参照して説明したように、複数の導波路素子１０の光導波層２０に入力される光に適切な位相差を付与することにより、対象シーンを２次元的にスキャンすることが可能である。

【0102】

本実施形態では、図１３に例示される比Ｉ２／Ｉ１と出射角度との関係が変化しないことを前提としている。しかし、環境の変化または経年劣化などの種々の要因により、この関係が変化することがある。例えば、光導波層２０が液晶材料によって構成されている場合、経年劣化に伴って液晶の光吸収率が増加、すなわち消衰係数が増加することにより、比Ｉ２／Ｉ１が減少することがある。

【0103】

図１８は、液晶の消衰係数ｋが変化した場合のＩ２／Ｉ１の変化の例を示す図である。図１８に示すように、液晶の消衰係数ｋが変化すると、出射角度とＩ２／Ｉ１との関係が変化する。消衰係数ｋが増加するほど、吸収損失が増加し、Ｉ２／Ｉ１は減少する。光導波層２０の吸収損失が増加すると、所望のビーム性能（例えば広がり角０．１７°等）が得られなくなる可能性もある。

【0104】

この課題を解決するために、液晶の劣化の程度に応じた複数の校正表を予め用意し、動作時にそれらの校正表から最適な校正表を選択して使用してもよい。そのような実施形態では、光出射デバイスは、動作時に光導波層２０の光透過率を測定する測定装置を備える。以下、そのような実施形態の一例を説明する。

【0105】

図１９は、光導波層２０の光透過率を測定する測定装置１９０を備える光出射デバイスの構成例を示すブロック図である。図１９に示す光出射デバイスにおける測定装置１９０を除く構成要素は、図１０に示す構成要素と同じである。なお、光源１３０は、ここでは「第１光源１３０」と呼ぶ。測定装置１９０は、第２光源１３２と、第３光検出器１７３とを備える。

【0106】

図２０は、本実施形態における光出射デバイスのＹＺ面に平行な断面を示す図である。この光出射デバイスでは、互いに対向する第１基板７０Ａと第２基板７０Ｂとの間に、第１電極６０Ａ、第１ミラー３０、複数のスペーサ１５０、第２ミラー４０、第２電極６０Ｂがこの順に配置されている。第１電極６０Ａは第１基板７０Ａの一部に接し、第１ミラー３０は第１電極６０Ａに接している。第２電極６０Ｂは第２基板７０Ｂの一部に接し、第２ミラー４０は第２電極６０Ｂに接している。複数のスペーサ１５０は、第２ミラー４０に接し、Ｙ方向に間隔を空けて並び、各々がＸ方向に延びている。第１ミラー３０とスペーサ１５０との間には間隙がある。第１ミラー３０と第２ミラー４０との間を含む、第１基板７０Ａと第２基板７０Ｂとの間の空間が、液晶材料で満たされている。この液晶材料で満たされた層を液晶層１４０と称する。本実施形態における光導波層２０は、液晶層１４０の一部である。第１ミラー３０、第２ミラー４０、およびＹ方向に隣り合う２つのスペーサ１５０で区画される領域に、光導波層２０が形成される。図２０に示す構造は、Ｙ方向に複数（図２０の例では２つ）の導波路素子１０が並んだ構造であるといえる。各導波路素子１０は、第１電極３０と、第１ミラー３０と、光導波層２０と、第２ミラー４０と、第２電極６０Ｂとがこの順に積層された構造を備える。第１電極３０、第１ミラー３０、第２ミラー４０、および第２電極４０の各々は、これらの導波路素子１０に共有されている。スペーサ１５０は、Ｙ方向に隣り合う２つの光導波層２０を隔てる隔壁として機能する誘電体部材である。スペーサ１５０は、第１ミラー３０に接していてもよい。

【0107】

本実施形態における光出射デバイスは、さらに、第２光源１３２と、第３光検出器１７３とを備える。第２光源１３２および第３光検出器１７３は、第１基板７０Ａ、液晶層１４０、第２基板７０Ｂを間に挟んで互いに対向する位置にある。第２光源１３２は、液晶層１４０の方向に向けて光を発する発光素子を含む。第３光検出器１７３は、第２光源１３２から出射された光を検出する受光素子を含む。

【0108】

本実施形態では、液晶層１４０の劣化に起因する光吸収率の増加による影響を補償するために、複数の消衰係数にそれぞれ対応する複数種類の校正データが記憶装置１６６に予め記録される。校正データは、例えば出荷時の校正データを基に、計算機上で消衰係数を変化させて計算することによって取得することができる。光導波層２０に連続する液晶層１４０の部分の光透過率が、第２光源１３２と第３光検出器１７３とを用いて測定される。なお、光導波層２０と同等の劣化条件が満足されていれば、光透過率が測定される液晶層１４０の部分と光導波層２０とが分離されていてもよい。

【0109】

図２１は、本実施形態における校正データの生成処理の一例を示すフローチャートである。図２１に示すフローチャートは、ステップＳ１０１とステップＳ１０２の後にステップＳ１１１が追加されている点を除き、図１６に示すフローチャートと基本的に同じである。ステップＳ１１１において、制御回路１６２は、第２光源１３２と第３光検出器１７３を利用して、液晶層１４０の透過率を測定し、測定した透過率を記憶装置１６６に記録する。より具体的には、制御回路１６２は、第２光源１３２に強度Ｐ１の光を出射させ、第３光検出器１７３にその光を検出させる。第３光検出器によって検出された光の強度Ｐ２と、第２光源１３２に指示した強度Ｐ１との比に基づいて、液晶層１４０の透過率を求めることができる。なお、ステップＳ１１１は、ステップＳ１０１の前に行われてもよい。

【0110】

ステップＳ１０２からＳ１０５の動作は、図１６に示す対応する動作と同じである。本実施形態では、ステップＳ１０６において、ステップＳ１１１で記録された透過率と、表１に示すような校正データとが関連付けられて記録される。また、この校正データを基に、計算機上で消衰係数を複数通りに変化させて計算することにより、複数の透過率または消衰係数と、表１に示すような校正データとが関連付けられて記録される。このようにして、制御回路１６２は、複数の透過率または消衰係数のそれぞれに対応する校正データを生成し、記憶装置１６６に記録する。

【0111】

図２２は、本実施形態における校正データの更新動作の一例を示すフローチャートである。図２２に示すフローチャートは、ステップＳ２００およびＳ２３０が追加されている点を除き、図１７に示すフローチャートと基本的に同じである。この例では、まずステップＳ２００において、制御回路１６２は、液晶層１４０の光透過率を測定し、その値が予め設定された範囲内にあるか否かを判定する。この判定がＮｏの場合、ステップＳ２３０に進み、エラーを出力して終了する。ステップＳ２００の判定がＹｅｓの場合、図１７の例と同様、ステップＳ２０１からＳ２２０に示す動作が実行される。なお、ステップＳ２０１においては、予め記録された複数の校正表のデータから、測定された透過率に最も近い透過率に対応する校正表のデータが取得される。

【0112】

図２２の例では、光ビームの広がり角への影響を考慮して、ステップＳ２３０のエラー出力処理が追加されている。一例として、図１３に示す関係を求める計算に用いた構造では、液晶層１４０の透過率が０．１４％低下した場合（２μｍの液晶層で消衰係数ｋ＝０．００００５に相当）、ビームの広がり角０．１７°を維持できる走査範囲は約１０度まで低下する。そのような顕著な透過率の低下を検出した場合には、動作を停止し、液晶層１４０の異常をシステムまたはユーザに伝えることが望ましい。そこで、図２２の例では、最初に液晶層１４０の透過率が測定され、予め設定された範囲よりも液晶の透過率が低下していた場合には校正動作が中止され、エラーが出力される。これにより、より信頼性の高い光出射デバイスが実現される。

【0113】

以上の各実施形態では、第１光検出器１７１から出力される第１信号と、第２光検出器１７２から出力される第２信号に基づいて、出射光の方向と強度の両方が調整される。しかし、本開示はこのような実施形態に限定されるものではない。出射光の方向および強度の一方のみが第１信号および第２信号に基づいて調整されてもよい。また、出射光の方向の制御は、光導波層２０の屈折率を制御する方法とは異なる方法によって実現されてもよい。例えば、光導波層２０の厚さを変化させることによって出射光の方向を制御してもよい。あるいは、光源１３０から出射される光の波長を変化させることによって出射光の方向を制御してもよい。

【0114】

以上の各実施形態では、表１に示す校正データが用いられるが、校正データは、必ずしも表１と同じ形式のデータである必要はない。例えば、第１信号と第２信号との比と、出射角度との対応関係のみを規定する校正データが使用されてもよい。その場合、光源１３０から出力される光の強度の調整は行われず、光導波層２０に印加される電圧の調整のみが行われる。

【0115】

＜材料の例＞
次に、本開示の実施形態における各構成要素に用いられ得る材料の例を説明する。

【0116】

各ミラー３０および４０の材料には、例えば誘電体による多層膜を用いることができる。多層膜を用いたミラーは、例えば、各々が１／４波長の光学厚さを有する、屈折率の異なる複数の膜を周期的に形成することによって作製できる。このような多層膜ミラーによれば、高い反射率を得ることができる。膜の材料として、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＳｉＮなどを用いることができる。各ミラーは、多層膜ミラーに限らず、Ａｇ、Ａｌなどの金属で形成されていてもよい。

【0117】

電極および配線には、導電性を有する様々な材料を利用することができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属材料、またはＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ：登録商標)、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）などの無機化合物、またはＰＥＤＯＴ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）、ポリアニリンなどの導電性高分子などの導電性材料を用いることができる。透光性が必要な電極には、透明導電材料が使用され得る。

【0118】

光導波層の材料には、誘電体、半導体、電気光学材料、液晶分子などの様々な透光性の材料を利用することができる。誘電体としては、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮが挙げられる。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系の材料が挙げられる。電気光学材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などが挙げられる。

【0119】

光導波層の屈折率を変調する方法には、例えば、キャリア注入効果、電気光学効果、複屈折効果、または熱光学効果を利用した種々の方法がある。

【0120】

キャリア注入効果を利用した方法は、半導体のｐｉｎ接合を利用した構成によって実現され得る。この方法では、ドープ濃度の低い半導体をｐ型半導体およびｎ型半導体で挟み込んだ構造が用いられ、半導体にキャリアを注入することによって屈折率が変調される。この構成では、各導波路素子１０における光導波層は、半導体材料を含む。一対の電極の一方はｐ型半導体を含み、他方はｎ型半導体を含み得る。駆動装置は、一対の電極に電圧を印加することにより、半導体材料にキャリアを注入し、光導波層の屈折率を変化させる。光導波層をノンドープまたは低ドープ濃度の半導体で作製し、これに接するようにｐ型半導体およびｎ型半導体を設けてもよい。低ドープ濃度の半導体にｐ型半導体およびｎ型半導体が接するように配置し、さらにｐ型半導体およびｎ型半導体に導電性材料が接するような複合的な構成にしてもよい。例えば、Ｓｉに１０^２０ｃｍ^－３程度のキャリアを注入すると、Ｓｉの屈折率が０．１程度変化する（例えば、“Ｆｒｅｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ” ７^ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｏｕｐ ＩＶ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， Ｐ１０２ ‐ １０４， １－３ Ｓｅｐｔ． ２０１０を参照）。この方法を採用する場合、一対の電極の材料として、ｐ型半導体およびｎ型半導体が用いられ得る。あるいは、電極は金属で構成し、電極と光導波層との間の層、または、光導波層自体にｐ型またはｎ型半導体を含ませてもよい。

【0121】

電気光学効果を利用した方法は、電気光学材料を含む光導波層に電界をかけることで実現され得る。特に、電気光学材料としてＫＴＮを用いれば、大きな電気光学効果を得ることができる。ＫＴＮは正方晶から立方晶への相転移温度よりも少し高い温度で比誘電率が著しく上昇するため、この効果を利用することができる。例えば、“Ｌｏｗ－Ｄｒｉｖｉｎｇ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｎｏｖｅｌ ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ” Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ．４３， Ｎｏ． ８Ｂ （２００４）によれば、波長１．５５μｍの光に対して電気光学定数ｇ＝４．８×１０^－１５ｍ^２／Ｖ^２が得られる。よって、例えば２ｋＶ／ｍｍの電界をかけると、屈折率が０．１（＝ｇｎ^３Ｅ^３／２）程度変化する。このように、電気光学効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層は、ＫＴＮなどの電気光学材料を含む。駆動装置は、一対の電極に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させることができる。

【0122】

液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層を一対の電極で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１～０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電界で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層は、液晶材料を含む。駆動装置は、一対の電極に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層の屈折率を変化させることができる。

【0123】

熱光学効果は、材料の温度変化に伴って屈折率が変化する効果である。熱光学効果による駆動を行うために、熱光学材料を含む光導波層を加熱することで屈折率を変調してもよい。

【0124】

光導波層の屈折率を変化させる代わりに、光導波層の厚さを変化させてもよい。例えば、一対のミラーの少なくとも一方にアクチュエータが接続されていてもよい。アクチュエータとして、例えば、静電気力、電磁誘導、圧電材料、形状記憶合金、または熱を利用した種々のアクチュエータを用いることができる。静電気力を利用した構成では、アクチュエータは、静電気力によって発生する電極間の引力または斥力を用いてミラーを移動させる。コイル内の磁性体に引力または斥力を生じさせる電磁誘導を利用してミラーを駆動してもよい。圧電材料、形状記憶合金、または熱による変形を利用したアクチュエータでは、外部から加えられたエネルギーによって材料が変形する現象が利用される。例えば、代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電界を分極方向に印加することによって伸縮する。圧電材料によって一対のミラーの間の距離を直接変化させることができる。十分なミラーの移動距離を得るために、ユニモルフまたはバイモルフと呼ばれる構成を用いて、変化量を増加させてもよい。

【0125】

＜応用例＞
次に、前述の光出射デバイスの応用例を説明する。

【0126】

図２３は、回路基板（例えばチップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子が集積された光出射デバイス１００Ｂの構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザー素子などの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図２３に示す例において、チップ上には１つの電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａおよび電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図２３に示すチップ上に設けられていてもよいし、光出射デバイス１００Ｂにおける他のチップに設けられていてもよい。制御回路はまた、光源１３０に接続され、光源１３０から出射される光の波長または強度を制御してもよい。

【0127】

導波路アレイ１０Ａは、各導波路素子１０が延びる方向に交差する方向に並ぶ複数の導波路素子１０の集合体である。各導波路素子１０は、前述の実施形態における導波路素子１０と同様の構造を備える。すなわち、各導波路素子１０は、光透過性を有する第１ミラー、第１ミラーに対向する第２ミラー、および第１ミラーと第２ミラーとの間に位置する光導波層を備える。各導波路素子１０は、光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させ、第１ミラーを介して出射する。この光出射デバイス１００Ｂは、複数の導波路素子１０における光導波層にそれぞれ接続された複数の第１光導波路１１を備える。複数の第１光導波路１１は、位相シフタアレイ８０Ａに接続されている。光源１３０は、複数の第１光導波路１１に入力される光を出射する。

【0128】

図２３に示す光出射デバイス１００Ｂは、さらに、第１光検出器１７１および第２光検出器１７２を備えている。第１光検出器１７１は、光源１３０の近傍に配置され、光源１３０から出射された光の強度を示す第１信号を出力する。第２光検出器１７２は、導波路アレイ１０Ａにおける各光導波層の終端部に近接して配置されている。この例では、複数の導波路素子１０に対して、第１光検出器１７１および第２光検出器１７２がそれぞれ１つずつ配置されている。第２光検出器１７２は、複数の導波路素子１０を通過した光を一括して検出できるように、イメージセンサの構成を有していてもよい。このような構成によれば、多数の光検出器を設けることなく、各導波路素子１０に上記の制御を行うことができる。なお、第１光検出器１７１および第２光検出器１７２の配置は、この例のような配置に限定されない。第１光検出器１７１は、光源１３０から複数の導波路素子１０に至る経路のいずれかの点における光を検出するように配置されている限り、その位置は任意である。同様に、第２光検出器１７２は、複数の導波路素子１０における光導波層を通過した光を検出するように配置されている限り、その位置は任意である。また、複数の導波路素子１０の前段に複数の第１光検出器を、後段に複数の第２光検出器をそれぞれ設けてもよい。

【0129】

図２３に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図２３に示される全てのコンポーネントを集積することができる。

【0130】

図２４は、光出射デバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法と組み合わせることで、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、光ビームを照射して物体からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。

【0131】

図２５は、光検出システム３００の構成例を示すブロック図である。光検出システム３００は、例えば距離画像を生成するＬｉＤＡＲシステムとして利用され得る。この光検出システム３００は、光出射デバイス１００と、光検出デバイス２００と、制御回路５００と、信号処理回路６００とを備える。光検出デバイス２００は、光出射デバイス１００から出射され、対象シーン内の物体によって反射された光を検出する。光検出デバイス２００は、例えば光出射デバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサによって実現され得る。光検出デバイス２００は、受光面に沿って配列された複数の受光素子を備える。各受光素子は、受けた光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出デバイス２００の各受光素子から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、例えば距離の２次元分布を示すデータである。制御回路５００は、光出射デバイス１００、光検出デバイス２００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光出射デバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出デバイス２００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。

【0132】

２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。

【0133】

１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光出射デバイス１００による光ビームの出射、および光検出デバイス２００による信号蓄積・読出しを制御する。

【0134】

以上のように、本開示の実施形態による光出射デバイスは、導波路素子と、第１光検出器と、第２光検出器とを備える。前記導波路素子は、光透過性を有する第１ミラー、前記第１ミラーに対向する第２ミラー、および前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置する光導波層を備え、前記光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させ、前記第１ミラーを介して出射する。前記第１光検出器は、前記光導波層に入力される光の経路上、または前記経路から分岐した他の経路上に位置し、受光量に応じた第１信号を出力する。第２光検出器は、前記光導波層内を前記第１の方向に沿って伝搬し前記光導波層を通過した光の経路上に位置し、受光量に応じた第２信号を出力する。

【0135】

上記構成によれば、第１信号と第２信号とに基づいて、前記導波路素子から出射される光の方向および／または強度を推定することができる。このため、第１信号と第２信号とに基づいて、出射光の方向および／または強度が適正であるか否かを判定し、必要に応じて補正処理またはエラー出力などの動作を行うことができる。これにより、より信頼性の高い光出射デバイスを実現することができる。

【0136】

前記光出射デバイスは、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の強度および方向の少なくとも一方を制御する制御回路をさらに備えていてもよい。

【0137】

上記構成によれば、出射光の強度および方向の少なくとも一方が所望の強度または方向とは異なっている場合に、出射光の強度および方向の少なくとも一方を補正することができる。なお、制御回路は、光出射デバイスとは独立した外部の要素であってもよい。その場合、制御回路は、光出射デバイスに接続されて使用される。

【0138】

前記光導波層は、印加される電圧に応じて屈折率が変化する材料を含み得る。前記導波路素子は、前記光導波層の両側に一対の電極をさらに備え得る。前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて前記一対の電極に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御してもよい。

【0139】

上記構成によれば、第１信号と第２信号とに基づいて推定される出射光の方向が所望の方向とは異なる場合に、一対の電極に印加する電圧を制御することにより、出射光の方向を適正化することができる。

【0140】

前記光出射デバイスは、前記第１信号と前記第２信号との比と、前記出射光の出射角度との対応関係を規定するデータを格納する記憶装置をさらに備えていてもよい。前記制御回路は、前記データを参照して、前記電圧を決定してもよい。

【0141】

上記構成によれば、制御回路は、予め記録されたデータを参照することにより、取得された第１信号と第２信号との比から、光の出射角度を推定することができる。これにより、推定された出射角度が所望の出射角度からずれている場合に、電圧を調整することで、出射角度のずれを補償することができる。

【0142】

前記光導波層は、液晶材料によって構成され得る。前記データは、前記液晶材料の光透過率が異なる複数の条件のそれぞれについて、前記比と前記出射角度との対応関係を規定していてもよい。前記光出射デバイスは、前記液晶材料の光透過率を測定する測定装置をさらに備えていてもよい。前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号と、測定された前記液晶材料の光透過率と、前記データとに基づいて、前記電圧を決定してもよい。

【0143】

上記構成によれば、液晶材料によって構成される光導波層の光透過率が、例えば経年劣化のために初期の値から変化した場合でも、光の出射方向を適切に調整することができる。

【0144】

前記光出射デバイスは、前記光導波層に入力される前記光を出射する光源をさらに備えていてもよい。前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記光源から出射される前記光の強度を制御することにより、前記出射光の強度を制御してもよい。

【0145】

上記構成によれば、出射光の強度が所望の強度とは異なる場合に、光源から出射される光の強度を調整することにより、出射光の強度を適正化できる。

【0146】

前記光出射デバイスは、前記光導波層に入力される前記光を出射する光源と前記光導波層とを接続する第１光導波路をさらに備えていてもよい。前記第１光検出器は、前記第１光導波路から分岐して伝搬する光を検出してもよい。

【0147】

上記構成によれば、光導波層に入力される光の強度を、簡単な構成で検出または推定することができる。なお、上記構成では、第１光検出器によって検出される光の強度は、光導波層に入力される光の強度とは異なるが、両者は概ね比例関係にある。したがって、第１光検出器によって検出される光の強度から、光導波層に入力される光の強度を推定することができる。

【0148】

前記光出射デバイスは、前記光導波層内を伝搬する光の進行方向の側で前記光導波層に接続された第２光導波路をさらに備えていてもよい。前記第２光検出器は、前記第２光導波路を伝搬した光を検出してもよい。

【0149】

上記構成によれば、光導波層を通過した光の強度を、簡単な構成で検出または推定することができる。

【0150】

本開示の他の実施形態による光出射デバイスは、複数の導波路素子と、複数の第１光導波路と、光源と、第１光検出器と、第２光検出器とを備える。各導波路素子は、光透過性を有する第１ミラー、前記第１ミラーに対向する第２ミラー、および前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に位置する光導波層を備え、前記光導波層に入力された光を第１の方向に沿って伝搬させ、前記第１ミラーを介して出射する。前記複数の導波路素子は、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列される。前記複数の第１光導波路は、前記複数の導波路素子における前記光導波層にそれぞれ接続される。前記光源は、前記複数の第１光導波路に入力される光を出射する。前記第１光検出器は、前記光源から前記複数の導波路素子に至る経路のいずれかの点における光を受け、受光量に応じた第１信号を出力する。前記第２光検出器は、前記複数の導波路素子における前記光導波層内を前記第１の方向に沿って伝搬し前記光導波層を通過した光を受け、受光量に応じた第２信号を出力する。

【0151】

上記構成によれば、前述の効果に加え、複数の導波路素子を備えることにより、２次元的な光スキャンが可能である。

【0152】

前記光出射デバイスは、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記第１ミラーから出射される出射光の強度および方向の少なくとも一方を制御する制御回路をさらに備えていてもよい。

【0153】

上記構成によれば、出射光の強度および方向の少なくとも一方が所望の強度または方向とは異なっている場合に、出射光の強度および方向の少なくとも一方を補正することができる。

【0154】

各導波路素子における前記光導波層は、印加される電圧に応じて屈折率が変化する材料を含んでいてもよい。各導波路素子は、前記光導波層の両側に一対の電極をさらに備えていてもよい。前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、各導波路素子における前記一対の電極に印加する電圧を制御することにより、前記出射光の方向を制御してもよい。

【0155】

上記構成によれば、第１信号と第２信号とに基づいて推定される出射光の方向が所望の方向とは異なる場合に、一対の電極に印加する電圧を制御することにより、出射光の方向を適正化することができる。

【0156】

前記制御回路は、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記光源から出射される前記光の強度を制御することにより、前記出射光の強度を制御してもよい。

【0157】

上記構成によれば、出射光の強度が所望の強度とは異なる場合に、光源から出射される光の強度を調整することにより、出射光の強度を適正化できる。

【産業上の利用可能性】

【0158】

本開示における光出射デバイスは、光ビームを出射する用途に広く利用することができる。例えば、自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。

【符号の説明】

【0159】

１０ 導波路素子
１０Ａ 導波路アレイ
１１ 第１光導波路
１２ 第２光導波路
１５ グレーティング
２０ 光導波層
２２ 光
３０ 第１ミラー
４０ 第２ミラー
５０ 誘電体部材
６０Ａ、６０Ｂ 電極
６２Ａ、６２Ｂ 電極
７０Ａ、７０Ｂ 基板
８０ 位相シフタ
８０Ａ 位相シフタアレイ
９０ 光分岐器
１００、１００Ａ 光出射デバイス
１１０ 光導波路アレイの駆動回路
１３０、１３２ 光源
１４０ 液晶層
１５０ スペーサ
１６０ 駆動装置
１７１ 第１光検出器
１７２ 第２光検出器
１７３ 第３光検出器
１８０ 位相シフタアレイの駆動回路
１９０ 液晶透過率測定装置
２００ 光検出デバイス
３００ ＬｉＤＡＲシステム
３１０ ビームスポット
５００ 制御回路
６００ 信号処理回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】