JP6942333B2 - Light deflection device and rider device - Google Patents

Light deflection device and rider device Download PDF

Info

Publication number
JP6942333B2
JP6942333B2 JP2017076113A JP2017076113A JP6942333B2 JP 6942333 B2 JP6942333 B2 JP 6942333B2 JP 2017076113 A JP2017076113 A JP 2017076113A JP 2017076113 A JP2017076113 A JP 2017076113A JP 6942333 B2 JP6942333 B2 JP 6942333B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
waveguide
optical
deflection device
photonic crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017076113A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018180116A (en
Inventor
馬場 俊彦
俊彦 馬場
紘士 阿部
紘士 阿部
伊藤 寛之
寛之 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokohama National University NUC
Original Assignee
Yokohama National University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yokohama National University NUC filed Critical Yokohama National University NUC
Priority to JP2017076113A priority Critical patent/JP6942333B2/en
Publication of JP2018180116A publication Critical patent/JP2018180116A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6942333B2 publication Critical patent/JP6942333B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

本発明は、光の進行方向を制御する光偏向デバイス、及び光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。 The present invention relates to an optical deflection device that controls the traveling direction of light, and a lidar device including the optical deflection device.

周囲の物体までの距離を2次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置(LiDAR(Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging))の技術分野は、車の自動運転や3次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。 The technical fields of laser radar or lidar equipment (LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging)) that use laser measurement to acquire the distance to surrounding objects as a two-dimensional image are the automatic driving of cars and three-dimensional. It is used for map production, etc., and its basic technology can also be applied to laser printers, laser displays, and the like.

この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを2次元的に走査することによって広角の3次元情報を取得する。 In this technical field, a light beam is applied to an object, the reflected light reflected by the object is detected, distance information is obtained from the time difference and frequency difference, and the light beam is scanned two-dimensionally. Acquires wide-angle 3D information.

光ビーム走査には光偏向デバイスが必須である。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー(ポリゴンミラー)、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術(MEMS技術)による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などの問題があり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。 A light deflection device is essential for light beam scanning. Conventionally, mechanical mechanisms such as rotation of the entire device, mechanical mirrors such as polygon mirrors (polygon mirrors) and galvano mirrors, and small integrated mirrors using micromachine technology (MEMS technology) have been used, but they are large. In recent years, research on non-mechanical light deflection devices has been active due to problems such as high cost and instability in vibrating moving objects.

非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズド・アレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズド・アレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。一方、回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。 As a non-mechanical light deflection device, a phased array type or a diffraction grating type that realizes light deflection by changing the wavelength of light or the refractive index of the device has been proposed. However, the phased array type light deflection device has a problem that it is very difficult to adjust the phase of a large number of light radiators arranged in an array and it is not possible to form a high-quality sharp light beam. On the other hand, the diffraction grating type light deflection device can easily form a sharp beam, but has a problem that the light deflection angle is small.

小さな光偏向角の課題に対して、本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している(特許文献1)。スローライト光はフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持ち、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。 To solve the problem of a small light deflection angle, the inventor of the present invention has proposed a technique for increasing the light deflection angle by coupling a slow light waveguide to a diffraction mechanism such as a diffraction grating (Patent Document 1). .. Slow light light is generated in photonic nanostructures such as photonic crystal waveguides, has a low group velocity, and is characterized by a large change in propagation constant due to slight changes in wavelength and refractive index of the waveguide. Have. When a diffraction mechanism is installed inside or in the immediate vicinity of this slow light waveguide, the slow light waveguide is combined with the diffraction mechanism to form a leakage waveguide, which radiates light into free space. At this time, a large change in the propagation constant is reflected in the deflection angle of the synchrotron radiation, and as a result, a large deflection angle is realized.

図6は、低群速度をもつ光(スローライト)を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光ビームの概要を示している。光偏向デバイス101は、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って2種類の異なる直径の円孔を繰り返してなる二重周期構造を有するフォトニック結晶導波路102を備える。二重周期構造は回折機構を構成し、スローライト伝搬光を放射条件に変換して空間に放射する。 FIG. 6 shows an outline of a device structure in which a diffraction mechanism is introduced into a photonic crystal waveguide that propagates light (slow light) having a low group velocity, and a synchrotron radiation beam. The light deflection device 101 includes a photonic crystal waveguide 102 having a dual periodic structure in which two types of circular holes having different diameters are repeated in the plane of the photonic crystal along the waveguide. The double-period structure constitutes a diffraction mechanism, which converts slow light propagating light into radiation conditions and radiates it into space.

光偏向デバイス101は、SiO等の低屈折率材料からなるクラッド113上の高屈折率部材110に円孔(低屈折率部位)111が配列された格子配列103によってフォトニック結晶導波路102が形成される。低屈折率部位111の格子配列103は、例えば、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造の二重周期構造である。フォトニック結晶導波路102の格子配列103において、円孔111が設けられない部分は入射光を伝搬する導波路コア112を構成する。 In the light deflection device 101, the photonic crystal waveguide 102 is formed by a lattice array 103 in which circular holes (low refractive index portions) 111 are arranged in a high refractive index member 110 on a clad 113 made of a low refractive index material such as SiO 2. It is formed. The lattice arrangement 103 of the low refractive index portion 111 is, for example, a double periodic structure having a periodic structure in which large-diameter circular holes are repeated and a periodic structure in which small-diameter circular holes are repeated. In the lattice arrangement 103 of the photonic crystal waveguide 102, the portion where the circular hole 111 is not provided constitutes the waveguide core 112 that propagates the incident light.

放射光ビームは、縦方向には高品質なビームが形成され、横方向には広がって放射される。なお、ここで、縦方向は導波路コアに沿った方向であり、フォトニック結晶導波路102を伝搬する伝搬光の進行方向となる。一方、横方向は導波路コアに沿った方向と直交する方向であり、伝搬光が進行する方向と直交する方向である。 The synchrotron radiation beam is a high-quality beam formed in the vertical direction and spread in the horizontal direction. Here, the vertical direction is the direction along the waveguide core, and is the traveling direction of the propagating light propagating in the photonic crystal waveguide 102. On the other hand, the lateral direction is a direction orthogonal to the direction along the waveguide core and is a direction orthogonal to the direction in which the propagating light travels.

図6(b),(c)は放射光ビームのビーム強度分布を説明するための図であり、図6(b)は縦方向のビーム強度分布を示し、図6(c)は横方向のビーム強度角度分布を示している。 6 (b) and 6 (c) are diagrams for explaining the beam intensity distribution of the synchrotron radiation beam, FIG. 6 (b) shows the beam intensity distribution in the vertical direction, and FIG. 6 (c) shows the beam intensity distribution in the horizontal direction. The beam intensity angle distribution is shown.

図6(b)において、放射光ビームは導波路コアに沿って徐々に漏れ出すことで縦方向のビーム強度分布は揃った鋭いビームとなる。図6(c)において、横方向のビーム強度角度分布は広い角度分布を有する。 In FIG. 6B, the synchrotron radiation beam gradually leaks along the waveguide core to form a sharp beam with a uniform vertical beam intensity distribution. In FIG. 6C, the lateral beam intensity angle distribution has a wide angle distribution.

放射光ビームの横方向角度分布において、横方向の広がり、及びビームの強度が複数のピークを有した複雑なビーム強度の分布形状がある場合は、平行ビームヘの変換効率を低下させる要因となる。 In the lateral angular distribution of the synchrotron radiation beam, if there is a lateral spread and a complicated beam intensity distribution shape having a plurality of peaks of the beam intensity, it becomes a factor that lowers the conversion efficiency to the parallel beam.

放射光ビームの横方向への広がりを抑制するために、図6(d)に示すように、光偏向デバイスの上方にシリンドリカルレンズ等のコリメートレンズを設置し、導波路コアからの放射光ビームを平行ビームに変換する構成が用いられる。 In order to suppress the lateral spread of the synchrotron radiation beam, as shown in FIG. 6D, a collimated lens such as a cylindrical lens is installed above the light deflection device, and the synchrotron radiation beam from the waveguide core is emitted. A configuration that converts to a parallel beam is used.

図7は、シリンドリカルレンズを用いて光放射ビームの横方向の偏向を説明するための図である。光放射ビームの横方向の偏向は、図7に示すように、シリンドリカルレンズ104を光偏向デバイス101の上方に、導波路コア112に沿って配置することで行う。ここで、光偏向デバイス101が備える複数の導波路コア112に対して、入射光を入射する導波路コア112を切り替えることによって、光放射ビームを横方向に偏向させる。 FIG. 7 is a diagram for explaining the lateral deflection of the light emitting beam using a cylindrical lens. The lateral deflection of the light emission beam is performed by arranging the cylindrical lens 104 above the light deflection device 101 along the waveguide core 112, as shown in FIG. Here, the light radiation beam is laterally deflected by switching the waveguide core 112 that incidents the incident light on the plurality of waveguide cores 112 included in the light deflection device 101.

放射光ビームを横方向に偏向させるには、導波路コア112への光入射光を光スイッチ等によって切り替えることで光を放射する導波路コア112を切り替えて、この導波路コア112とシリンドリカルレンズ104の入射位置との相対的な位置関係を変えることによって行う。 In order to deflect the synchrotron radiation beam in the lateral direction, the waveguide core 112 that emits light is switched by switching the light incident on the waveguide core 112 with an optical switch or the like, and the waveguide core 112 and the cylindrical lens 104 are switched. This is done by changing the relative positional relationship with the incident position of.

また、光放射ビームの縦方向の偏向は、入射光の波長を変えたり、フォトニック結晶導波路102の屈折率を加熱などで変えることによって行う。これにより、光偏向デバイスは、縦横の両方向共にコリメートされた光ビームを形成する。 Further, the vertical deflection of the light radiation beam is performed by changing the wavelength of the incident light or changing the refractive index of the photonic crystal waveguide 102 by heating or the like. As a result, the light deflection device forms a light beam that is collimated in both the vertical and horizontal directions.

ライダー装置は送信用と受信用の2つの光偏向デバイスを用い、送信用の光偏向デバイスから光放射ビームを放射して測定対象の物体(対象物)に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を受信用の光偏向デバイスで検出する。ライダー装置は、周波数チャープ光信号を生成し、これを参照光と信号光に分け、信号光は送信用の光偏向デバイスから出射、物体に当たって往復し、受信用の光偏向デバイスで受光する。これを参照光とミキシングして得たビート信号から対象物との距離を得る。 The lidar device uses two light deflection devices, one for transmission and one for reception, and emits a light emission beam from the light deflection device for transmission to hit the object to be measured (object), and the object reflects and returns. The reflected light is detected by a light deflecting device for reception. The lidar device generates a frequency chirp light signal, divides it into reference light and signal light, and the signal light is emitted from a light deflecting device for transmission, reciprocates by hitting an object, and is received by a light deflection device for reception. The distance to the object is obtained from the beat signal obtained by mixing this with the reference light.

目標との距離や相対速度の検出は、例えばレーダ装置において、レーダ波の送受信によって行う技術が知られている。(特許文献2) For example, in a radar device, a technique is known in which the distance to a target and the relative speed are detected by transmitting and receiving radar waves. (Patent Document 2)

特願2016−10844Japanese Patent Application No. 2016-10844 国際公開 WO2013/088938International release WO2013 / 088938

ライダー装置は、対象物への光の放射、及び対象物から反射光の検出を行うために、送信用と受信用の2つの光偏向デバイスを用いている。送信用と受信用の2つの光偏向デバイスは、両方の光偏向デバイスにシリンドリカルレンズ等のコリメートレンズを設けることによって、横方向の光の広がりを抑制すると共に、横方向の偏向を行う。 The lidar device uses two light deflection devices, one for transmission and one for reception, in order to emit light to the object and detect reflected light from the object. The two light deflection devices, one for transmission and the other for reception, are provided with a collimating lens such as a cylindrical lens in both light deflection devices to suppress the spread of light in the lateral direction and to perform lateral deflection.

なお、送信用と受信用の光偏向デバイスを一つの光偏向デバイスで兼用する構成もあるが、この構成では受信した光を混合器(ミキシング部)へ導くために2入力2出力のフォトカプラ(2×2カプラ)が必要である。このような構成では、送信時と受信時でそれぞれ3dBの損失が常時発生し、合計で6dB損失が原理的に生じる。このような1つの光偏向デバイスによる構成での損失を低減するためには、送信用光偏向デバイスと受信用光偏向デバイスとを分離した形態が望ましい。 There is also a configuration in which one optical deflection device is used for both transmission and reception, but in this configuration, a 2-input 2-output photocoupler (2 input / 2 output photocoupler) is used to guide the received light to the mixer (mixing unit). 2x2 coupler) is required. In such a configuration, a loss of 3 dB is always generated at the time of transmission and at the time of reception, and a total loss of 6 dB is generated in principle. In order to reduce the loss in the configuration of one such optical deflection device, it is desirable that the transmission optical deflection device and the reception optical deflection device are separated.

図8は送信用と受信用の2つの光偏向デバイスを、導波路コアの長さ方向と直交する横方向に並列配置した構成を示している。図8(a)〜図8(c)は配置構成を示し、送信用光偏向デバイス101A及び受信用光偏向器1Bの並列配置に対して、シリンドリカルレンズ104A,104Bを並列配置した構成を示し、図8(d),(e)は、2つの光偏向デバイス間における放射光と反射光の位置関係を示している。 FIG. 8 shows a configuration in which two optical deflection devices, one for transmission and the other for reception, are arranged in parallel in the horizontal direction orthogonal to the length direction of the waveguide core. 8 (a) to 8 (c) show the arrangement configuration, and show the configuration in which the cylindrical lenses 104A and 104B are arranged in parallel with respect to the parallel arrangement of the transmission optical deflection device 101A and the reception optical deflector 1B. 8 (d) and 8 (e) show the positional relationship between the emitted light and the reflected light between the two light deflection devices.

送信用と受信用の2つの光偏向デバイスを横方向に並列配置した構成では、光ビームを平行ビームとするために、各光偏向デバイスの上方に2つのシリンドリカルレンズが、光偏向デバイスの配置と同様に横方向に並列配置される。 In a configuration in which two light deflection devices for transmission and reception are arranged in parallel in the horizontal direction, two cylindrical lenses are arranged above each light deflection device in order to make the light beam a parallel beam. Similarly, they are arranged in parallel in the horizontal direction.

このようなシリンドリカルレンズを横方向の並列配置した構成では、送信光と受信光との位置関係のずれの発生を防ぐために、2つのシリンドリカルレンズ間に距離や平行度等の位置関係を精密に配置する必要がある。 In such a configuration in which the cylindrical lenses are arranged in parallel in the horizontal direction, the positional relationship such as distance and parallelism is precisely arranged between the two cylindrical lenses in order to prevent the occurrence of a deviation in the positional relationship between the transmitted light and the received light. There is a need to.

図8(a)は、送信用光偏向デバイス101A及び受信用光偏向デバイス101Bに対してシリンドリカルレンズ104A,104Bが正しく配置された状態を示し、図8(b)、(c)は送信用光偏向デバイス101A及び受信用光偏向デバイス101Bに対してシリンドリカルレンズ104A,104Bの配置位置にずれがある状態を示し、図8(d),(e)は位置ずれした際の走査像の位置を示している。 FIG. 8A shows a state in which the cylindrical lenses 104A and 104B are correctly arranged with respect to the transmission light deflection device 101A and the reception light deflection device 101B, and FIGS. 8B and 8C show transmission light. The positions of the cylindrical lenses 104A and 104B are displaced with respect to the deflection device 101A and the reception light deflection device 101B, and FIGS. 8 (d) and 8 (e) show the positions of the scanned images when the positions are displaced. ing.

シリンドリカルレンズ104Bが横方向に位置ずれした場合には、図8(b),(d)に示す様に、受信用光偏向デバイス101Bで形成される走査像はシリンドリカルレンズ104Bの横方向の位置ずれによって目標120の走査領域121からずれた位置となる。また、シリンドリカルレンズ104Bが回転位置ずれした場合においても、図8(c),(e)に示す様に、受信用光偏向デバイス101Bで形成される走査像はシリンドリカルレンズ104Bの回転位置ずれによって目標120の走査領域121からずれた位置となる。 When the cylindrical lens 104B is displaced in the lateral direction, as shown in FIGS. 8 (b) and 8 (d), the scanning image formed by the receiving light deflection device 101B is displaced in the lateral direction of the cylindrical lens 104B. The position deviates from the scanning area 121 of the target 120. Further, even when the cylindrical lens 104B is displaced in rotation position, as shown in FIGS. The position is deviated from the scanning area 121 of 120.

本発明は、上記の課題を解決して、光偏向デバイスが備える光をコリメートするレンズにおいて、製作及び位置合わせに高精度を不要とすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to eliminate the need for high precision in manufacturing and alignment in a lens that collimates the light included in the light deflection device.

本発明の光偏向デバイスは、送信用光偏向器及び受信用光偏向器の2つの光偏向器と、送信用光偏向器から放射される光放射ビームを平行ビームとし、対象物からの反射光を受信用光偏向器に集光するコリメートレンズとの配置構成に関し、本発明のライダー装置はこの光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。 In the light deflection device of the present invention, two light deflectors, a transmission light deflector and a reception light deflector, and a light emission beam emitted from the transmission light deflector are parallel beams, and the reflected light from the object is reflected. The lidar device of the present invention relates to a rider device provided with this light deflection device, with respect to an arrangement configuration with a collimating lens that condenses light on a receiving light deflector.

[光偏向デバイス]
本発明の光偏向デバイスは、導波路の導波路コアに長さ方向に沿って縦列に配列した2つの光偏向器と、1つのコリメートレンズとを備える。なお、本発明においては、光偏向デバイスを構成する2つの素子を光偏向器で表記する。1つのコリメートレンズは、縦列配列された2つの光偏向器に対して、光が放射及び入射される側に、2つの光偏向器の縦列配列方向に沿って直線状に配置される。ここで、縦方向はフォトニック結晶導波路の導波路コアの長さ方向であり、縦列配列は縦方向に沿った配列である。
[Light deflection device]
The optical deflection device of the present invention includes two optical deflectors arranged in tandem along the length direction in the waveguide core of the waveguide, and one collimating lens. In the present invention, the two elements constituting the optical deflection device are represented by an optical deflector. One collimating lens is linearly arranged along the direction of the parallel arrangement of the two light deflectors on the side where the light is emitted and incident with respect to the two light deflectors arranged in parallel. Here, the vertical direction is the length direction of the waveguide core of the photonic crystal waveguide, and the parallel arrangement is an arrangement along the vertical direction.

本発明の光偏向デバイスは、光偏向デバイスを構成する2つの光偏向器の相対位置は、偏向素子のデバイスをチップで製作する際のマスクパターンによって規定できるため、光偏向器を所定の方向に合わせて配列することが容易であり、光偏向デバイスを構成するフォトニック結晶導波路の導波路コアの長さ方向に沿って高い精度で縦列配列された光偏向器を構成することができる。 In the optical deflection device of the present invention, the relative positions of the two optical deflectors constituting the optical deflection device can be defined by a mask pattern when the device of the deflection element is manufactured by a chip, so that the optical deflector is set in a predetermined direction. It is easy to arrange them together, and it is possible to construct an optical deflector arranged in tandem with high accuracy along the length direction of the waveguide core of the photonic crystal waveguide constituting the optical deflection device.

本発明の光偏向デバイスは、縦列配列された2つの光偏向器に対して対向配置するコリメートレンズは連続した1つの光学素子であるため、2つの光偏向器に対するレンズの光学特性は同一であり、また、レンズの位置合わせも1回の工程で済むため、位置合わせ作業が容易である。 In the optical deflection device of the present invention, since the collimating lens arranged to face the two vertically arranged optical deflectors is one continuous optical element, the optical characteristics of the lenses for the two optical deflectors are the same. In addition, since the lens alignment can be performed in one step, the alignment work is easy.

さらに、光偏向デバイスの光偏向器による光ビームの偏向の縦方向角度の変化を、導波路部分を加熱して屈折率変化させることで行う場合には、2つの光偏向器が直線上に縦列配列された構成によって、2つの光偏向器の加熱状態を容易に均一化することができる。 Further, when the vertical angle of the deflection of the light beam by the optical deflector of the optical deflection device is changed by heating the waveguide portion to change the refractive index, the two optical deflectors are arranged in a straight line. Due to the arranged configuration, the heating states of the two light deflectors can be easily homogenized.

上記したように、本発明の光偏向デバイスは、直線状に縦列配列された2つの光偏向器、及び1つのコリメートレンズによる構成によって、送信用と受信用の光偏向器の光ビームの方向の一致が容易であり、本発明のライダー装置の光レーダの効率が向上する。 As described above, the light deflecting device of the present invention is configured by two light deflectors arranged in a linear column and one collimating lens in the direction of the light beam of the light deflector for transmission and reception. Matching is easy and the efficiency of the optical radar of the lidar device of the present invention is improved.

本発明の光偏向デバイスが備える2つの光偏向器は、高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に配列される格子配列を備えるフォトニック結晶導波路、及びフォトニック結晶上に設けられた回折機構を備える。送信用光偏向器に入射された入射光は、フォトニック結晶導波路の導波路コアによって伝搬すると共に、フォトニック結晶上に設けられた回折機構によって外部に放射される。放射された光放射ビームは対象物で反射され、当該反射光は受信用光偏向器の回折機構で集光され、フォトニック結晶導波路の導波路コアを介して検出される。 The two optical deflectors included in the optical deflection device of the present invention are on a photonic crystal waveguide having a lattice arrangement in which low refractive index portions are periodically arranged in the plane of a high refractive index member, and on a photonic crystal. It is equipped with a provided diffraction mechanism. The incident light incident on the transmission optical deflector is propagated by the waveguide core of the photonic crystal waveguide and radiated to the outside by a diffraction mechanism provided on the photonic crystal. The emitted light emission beam is reflected by the object, and the reflected light is collected by the diffraction mechanism of the receiving light deflector and detected through the waveguide core of the photonic crystal waveguide.

本発明の光偏向器が備えるフォトニック結晶導波路は、スローライトを発現する周期構造によって構成する。スローライトフォトニック結晶の周期構造は、高屈折率部材に低屈折率部位を周期a(≒λ/2n)で配列させている。なお、nは高屈折率部材の導波路を伝搬する光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長である。 The photonic crystal waveguide provided in the optical deflector of the present invention is configured by a periodic structure that expresses slow light. In the periodic structure of the slow light photonic crystal, low refractive index portions are arranged on a high refractive index member with a period a (≈λ / 2n). Note that n is the equivalent refractive index of light propagating in the waveguide of the high refractive index member, and λ is a wavelength near the Bragg wavelength.

この周期構造によって、フォトニック結晶導波路は、a=λ/2nを満たすブラッグ波長付近でフォトニックバンドギャップ(ストップバンド)が生じて、導波路内の群屈折率nが大きくなり、群速度が小さいスローライトが生じる。スローライトは周囲に電磁界の強度分布の拡がり(浸み出し成分)を持ちながら伝搬する。 Due to this periodic structure, in the photonic crystal waveguide, a photonic band gap (stop band) is generated near the Bragg wavelength satisfying a = λ / 2n, the group refractive index ng in the waveguide increases, and the group velocity Causes a small slow light. Slow light propagates while having a widening (exuding component) of the intensity distribution of the electromagnetic field around it.

スローライトは、光の波長λや導波路の屈折率nのわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。導波路の周期構造の伝搬定数βが変わると、回折機構の周期構造との結合条件が変わり、光放射ビームの角度θが変わる。したがって、光の波長λや導波路の屈折率nを変化させて伝搬定数βを変えることで、光放射ビームの角度θを変化させることができる。 In slow light, the propagation constant β changes significantly due to a slight change in the wavelength λ of light or the refractive index n of the waveguide. When the propagation constant β of the periodic structure of the waveguide changes, the coupling condition with the periodic structure of the diffraction mechanism changes, and the angle θ of the synchrotron radiation beam changes. Therefore, the angle θ of the synchrotron radiation beam can be changed by changing the wavelength λ of light and the refractive index n of the waveguide to change the propagation constant β.

本発明の光偏向デバイスは回折機構として、表面回折格子、又は高屈折率部材の面内に低屈折率部位が二重周期で配列される格子配列を備えるスローライトフォトニック結晶導波路を用いた構成とすることができる。 The light deflection device of the present invention uses a surface diffraction grating or a slow light photonic crystal waveguide having a lattice arrangement in which low refractive index portions are arranged in a double period in the plane of a high refractive index member as a diffraction mechanism. It can be configured.

表面回折格子による回折機構は、フォトニック結晶導波路上に表面回折格子を隣接させて配置することで構成される。一方、スローライトフォトニック結晶導波路による回折機構は、フォトニック結晶導波路を構成する格子配列内に、スローライトフォトニック結晶導波路が積層されることで構成される。この回折機構を構成するスローライトフォトニック結晶と導波路を構成するスローライトフォトニック結晶とは、高屈折率部材に対する低屈折率部位の周期が異なり、例えば、回路機構は導波路よりも低屈折率部位の周期を長周期とする。 The diffraction mechanism by the surface diffraction grating is configured by arranging the surface diffraction gratings adjacent to each other on the photonic crystal waveguide. On the other hand, the diffraction mechanism by the slow light photonic crystal waveguide is configured by stacking the slow light photonic crystal waveguide in the lattice array constituting the photonic crystal waveguide. The slow light photonic crystal constituting this diffraction mechanism and the slow light photonic crystal constituting the waveguide differ in the period of the low refractive index portion with respect to the high refractive index member. For example, the circuit mechanism has a lower refractive index than the waveguide. Let the cycle of the index part be a long cycle.

スローライトフォトニック結晶導波路による回折機構では、周期構造によって導波路のスローライトの浸み出し成分と結合して散乱及び回折させ、導波路の進行方向に対して上方あるいは斜め方向に徐々に放射する。光放射ビームは、導波路の進行方向に沿って広い範囲から放射され、かつ、その放射は位相が揃っているため、高品質な鋭い光ビームとなる。 In the diffraction mechanism using the slow light photonic crystal waveguide, the periodic structure combines with the slow light exudation component of the waveguide to scatter and diffract it, and gradually radiates upward or diagonally with respect to the traveling direction of the waveguide. do. The light emission beam is emitted from a wide range along the traveling direction of the waveguide, and the radiation is in phase with each other, so that the light emission beam is a high-quality sharp light beam.

したがって、本発明の光偏向デバイスの一形態は、スローライト導波路を構成するフォトニック結晶導波路を、フォトニック結晶の周期構造を短周期と長周期の2種類の周期を備える2重周期構造で構成し、短周期の周期構造は刻みを大きくしてスローライト導波路を構成し、長周期の周期構造は刻みを小さくして回折機構を構成する。 Therefore, one form of the optical deflection device of the present invention is a double-period structure having a photonic crystal waveguide constituting a slow light waveguide and a photonic crystal periodic structure having two types of periods, short period and long period. The short-period periodic structure constitutes a slow light waveguide with a large step, and the long-period periodic structure constitutes a diffraction mechanism with a small step.

本発明の光偏向デバイスが備える送信用光偏向器及び受信用光偏向器のフォトニック結晶導波路は複数の導波路コアを備える。この複数の導波路コアは、導波路コアの長さ方向に対して直交する横方向に並列配列される。横方向に並列配列される各導波路コアは、それぞれコリメートレンズとの位置関係が異なる。コリメートレンズの光学特性によって、コリメートレンズの中心付近に入射した光はほぼ直進し、コリメートレンズの端部側に入射した光はコリメートレンズの中央側に向かって屈折することで平行ビームが形成される。また、入射光が入射される導波路コアと放射される光ビームとは対応関係を有している。したがって、入射光を入射する導波路コアを切り替えることによって、対象物上の光放射ビームの照射位置を変え、対象物上を横方向に走査することができる。 The photonic crystal waveguide of the transmission optical deflector and the reception optical deflector included in the optical deflection device of the present invention includes a plurality of waveguide cores. The plurality of waveguide cores are arranged in parallel in the horizontal direction orthogonal to the length direction of the waveguide core. Each waveguide core arranged in parallel in the horizontal direction has a different positional relationship with the collimating lens. Due to the optical characteristics of the collimated lens, the light incident near the center of the collimated lens travels almost straight, and the light incident on the edge side of the collimated lens is refracted toward the center side of the collimated lens to form a parallel beam. .. Further, there is a correspondence relationship between the waveguide core into which the incident light is incident and the light beam emitted. Therefore, by switching the waveguide core on which the incident light is incident, the irradiation position of the light radiation beam on the object can be changed, and the light can be scanned laterally on the object.

本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは、光偏向器の横幅と同程度の幅で、2つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さのシリンドリカルレンズの単レンズを用いることができる。また、本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは単レンズに限らず複数のレンズからなる組レンズで構成してもよい。組レンズによるコリメートレンズは、例えば、複数のロッドレンズが並列配置されて構成される一式の組レンズ、又は複数枚のレンズが積層配置されて構成される一式の組レンズとすることができる。複数本のロッドレンズは、例えば、光偏向器の横幅よりも狭幅であって、2つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さとする。 As the collimating lens provided in the light deflection device of the present invention, it is possible to use a single lens of a cylindrical lens having a width similar to the width of the optical deflector and the same length as the vertically arranged length of the two optical deflectors. can. Further, the collimating lens included in the light deflection device of the present invention is not limited to a single lens, and may be composed of a group lens composed of a plurality of lenses. The collimating lens by the group lens can be, for example, a set of group lenses in which a plurality of rod lenses are arranged in parallel, or a set of group lenses in which a plurality of lenses are stacked and arranged. The plurality of rod lenses are, for example, narrower than the width of the light deflector and have a length comparable to the length of the two light deflectors arranged in a column.

[ライダー装置]
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、ビート信号を出力する混合器と、ビート信号の周波数スペクトルに基づいて、光偏向デバイスと対象物との距離を求める演算部とを備える。
[Rider device]
The lidar device of the present invention includes the light deflection device of the present invention, a mixer that outputs a beat signal, and a calculation unit that obtains the distance between the light deflection device and an object based on the frequency spectrum of the beat signal.

光偏向デバイスが備える2つの光偏向器の内、一方の光偏向器を送信用光偏向器とし、他方の光偏向器を受信用光偏向器とする。混合器は、送信用光偏向器に入射する直前で分岐された周波数チャープ光信号の参照光と、送信用光偏向器から出射され,物体を往復して受信用光偏向器にて受信された信号光とを合わせてビート信号を出力する。混合器は、例えばバランス型フォトダイオードを用いることができ、信号光と参照光の間の遅延時間に対応した周波数差のビート信号を検出する。演算部は、ビート信号の周波数スペクトルに基づいて対象物との距離を求める。 Of the two optical deflectors included in the optical deflector, one optical deflector is used as a transmitting optical deflector and the other optical deflector is used as a receiving optical deflector. The mixer was emitted from the reference light of the frequency chap optical signal branched immediately before entering the transmitting optical deflector and the transmitting optical deflector, reciprocated through the object, and received by the receiving optical deflector. The beat signal is output together with the signal light. The mixer can use, for example, a balanced photodiode, which detects a beat signal with a frequency difference corresponding to the delay time between the signal light and the reference light. The arithmetic unit obtains the distance to the object based on the frequency spectrum of the beat signal.

演算部は、光速をc、チャープ光信号の1変調周期をTとしたとき、周波数スペクトルのビート周波数fbとチャープ光信号の周波数変位幅Bに基づいて、(c×fb×T)/(2×B)の演算式により距離を演算する。 When the speed of light is c and one modulation period of the chirp optical signal is T, the arithmetic unit performs (c × fb × T) / (2) based on the beat frequency fb of the frequency spectrum and the frequency displacement width B of the chirp optical signal. The distance is calculated by the formula of × B).

以上説明したように、本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、光偏向デバイスが備える光をコリメートするレンズにおいて、製作及び位置合わせに高精度が不要である。 As described above, the light deflection device and the lidar device of the present invention do not require high precision in manufacturing and alignment in the lens that collimates the light included in the light deflection device.

本発明の光偏向デバイスの概略構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the schematic configuration example of the light deflection device of this invention. 本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the light deflection device of this invention. 本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the light deflection device of this invention. 本発明の光偏向デバイスの動作例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation example of the light deflection device of this invention. 本発明のライダー装置の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the schematic structure of the rider device of this invention. 低群速度をもつ光(スローライト)を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造、及び放射光ビームの概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the device structure which introduced the diffraction mechanism into the photonic crystal waveguide which propagates the light (slow light) having a low group velocity, and the synchrotron radiation beam. シリンドリカルレンズを用いて光放射ビームの横方向の偏向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the lateral deflection of a light emission beam using a cylindrical lens. 送信用と受信用の2つの光偏向デバイスを、導波路コアの長さ方向と直交する横方向に並列配置した構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the configuration in which two optical deflection devices for transmission and reception are arranged in parallel in the lateral direction orthogonal to the length direction of a waveguide core.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図1を用いて本発明の光偏向デバイスの概略構成例を説明し、図2〜4を用いて本発明の光偏向デバイスの動作を説明し、図5を用いて本発明のライダー装置の概略構成を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, a schematic configuration example of the light deflection device of the present invention will be described with reference to FIG. 1, the operation of the light deflection device of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4, and the lidar device of the present invention will be described with reference to FIG. The outline configuration of the above will be described.

(光偏向デバイスの概要)
図1は本発明の光偏向デバイスを説明するための図である。光偏向デバイス1は、送信用光偏向器1Aと受信用光偏向器1Bの2つの光偏向器を備える。送信用光偏向器1A及び受信用光偏向器1Bはフォトニック結晶導波路2により構成される。フォトニック結晶導波路2は、Si等の半導体からなる高屈折率部材10に低屈折率部位を周期的に配した格子配列3により形成される。低屈折率部位は、例えば、高屈折率部材10に設けた円孔11とすることができる。また、フォトニック結晶導波路2はSi等の半導体材からなるクラッド13上に設けられる。
(Overview of optical deflection device)
FIG. 1 is a diagram for explaining the light deflection device of the present invention. The optical deflection device 1 includes two optical deflectors, a transmission optical deflector 1A and a reception optical deflector 1B. The transmitting optical deflector 1A and the receiving optical deflector 1B are composed of a photonic crystal waveguide 2. The photonic crystal waveguide 2 is formed by a lattice array 3 in which low refractive index portions are periodically arranged on a high refractive index member 10 made of a semiconductor such as Si. The low refractive index portion can be, for example, a circular hole 11 provided in the high refractive index member 10. Further, the photonic crystal waveguide 2 is provided on the clad 13 made of a semiconductor material such as Si.

フォトニック結晶導波路2において、格子配列3の一部に低屈折率部位の円孔11を設けない部分は光を伝搬する導波路コア12を構成する。導波路コア12は、円孔11の配列により構成される格子配列3において、格子配列3の一部に円孔11を配置しない部分によって形成される。導波路コア12に入射された入射光は、導波路コア12を長さ方向に伝搬しながら、導波路コア12から外部に放射される。 In the photonic crystal waveguide 2, the portion of the lattice arrangement 3 in which the circular hole 11 of the low refractive index portion is not provided constitutes the waveguide core 12 for propagating light. The waveguide core 12 is formed by a portion of the lattice arrangement 3 composed of the arrangement of the circular holes 11 in which the circular holes 11 are not arranged in a part of the lattice arrangement 3. The incident light incident on the waveguide core 12 is radiated to the outside from the waveguide core 12 while propagating in the length direction of the waveguide core 12.

光偏向デバイス1は、送信用光偏向器1Aと受信用光偏向器1Bの2つの光偏向器を備える。送信用光偏向器1A及び受信用光偏向器1Bは、高屈折率部材10に低屈折率部位の円孔11を周期配列した格子配列3によってフォトニック結晶導波路2が形成される。フォトニック結晶導波路2は、円孔11を長短の2種類の周期で配列する二重周期構造とすることにより、光を伝搬する導波路と、導波路と外部との間で光回折を放射する回折構造を構成する。 The optical deflection device 1 includes two optical deflectors, a transmission optical deflector 1A and a reception optical deflector 1B. In the transmitting optical deflector 1A and the receiving optical deflector 1B, the photonic crystal waveguide 2 is formed by the lattice arrangement 3 in which the circular holes 11 of the low refractive index portion are periodically arranged in the high refractive index member 10. The photonic crystal waveguide 2 has a double-period structure in which the circular holes 11 are arranged in two types of periods, long and short, to radiate light diffraction between the waveguide that propagates light and the waveguide and the outside. Consists of a diffractive structure.

送信用光偏向器1Aは、フォトニック結晶導波路2に複数の導波路コア12Aa〜12Acが並列して配列され、受信用光偏向器1Bは、フォトニック結晶導波路2に複数の導波路コア12Ba〜12Bcが並列して配列される。なお、並列配列される導波路コアの本数は任意の本数とすることができる。 The transmission optical deflector 1A has a plurality of waveguide cores 12Aa to 12Ac arranged in parallel on the photonic crystal waveguide 2, and the reception optical deflector 1B has a plurality of waveguide cores on the photonic crystal waveguide 2. 12Ba to 12Bc are arranged in parallel. The number of waveguide cores arranged in parallel can be any number.

送信用光偏向器1Aと受信用光偏向器1Bとは、導波路コア12の長さ方向に沿って直線状に縦列配列される。縦列配列において、入射光が入射される側に送信用光偏向器1Aが配置され、出射光が出射される側に受信用光偏向器1Bが配置される。 The transmitting optical deflector 1A and the receiving optical deflector 1B are arranged in parallel in a straight line along the length direction of the waveguide core 12. In the parallel arrangement, the transmission light deflector 1A is arranged on the side where the incident light is incident, and the reception light deflector 1B is arranged on the side where the emitted light is emitted.

光偏向デバイス1は、上記した送信用光偏向器1A及び受信用光偏向器1Bの他に、平行光に変換するコリメートレンズとして1つのシリンドリカルレンズ4を備える。シリンドリカルレンズ4は、縦列配列された2つの光偏向器(1A,1B)に対して、光放射ビームを放射する面及び反射光を入射する面の側に、光偏向器の縦列配列方向に沿って重ねて配置される。 In addition to the transmission light deflector 1A and the reception light deflector 1B described above, the light deflection device 1 includes one cylindrical lens 4 as a collimating lens that converts light into parallel light. The cylindrical lens 4 is provided along the direction of the columnar arrangement of the light deflectors on the side of the surface that emits the light emission beam and the surface that receives the reflected light with respect to the two light deflectors (1A, 1B) arranged in a column. It is placed on top of each other.

シリンドリカルレンズ4のサイズは、例えば、幅を光偏向器(1A,1B)の幅と同程度とし、長さを縦列配列された2つの光偏向器(1A,1B)の長さと同程度とすることができる。なお、シリンドリカルレンズ4のサイズは、送信用光偏向器1Aから放射された光放射ビームを平行ビームに変換して対象物(図示していない)に照射し、対象物で反射された反射光を受信用光偏向器1Bに集光するに十分なサイズであれば、前記の縦列配列と同程度のサイズに限らず任意のサイズとしても良い。 The size of the cylindrical lens 4 is, for example, the same as the width of the optical deflectors (1A, 1B) and the length of the two vertically arranged optical deflectors (1A, 1B). be able to. The size of the cylindrical lens 4 is such that the light radiation beam emitted from the transmission light deflector 1A is converted into a parallel beam and irradiated to an object (not shown), and the reflected light reflected by the object is emitted. The size is not limited to the same size as the above-mentioned columnar arrangement, and may be any size as long as the size is sufficient for condensing the light on the receiving light deflector 1B.

本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは複数のレンズ形態とすることができる。図1(a)に示すコリメートレンズとして単レンズのシリンドリカルレンズ4を用いる形態を示している。シリンドリカルレンズ4は、光偏向器1A,1Bの横幅と同程度に幅で、2つの光偏向器1A,1Bを縦列配列した長さと同程度の長さの単レンズを用いることができる。 The collimating lens included in the light deflection device of the present invention can be in a plurality of lens forms. A mode in which a single-lens cylindrical lens 4 is used as the collimating lens shown in FIG. 1A is shown. As the cylindrical lens 4, a single lens having a width similar to the lateral width of the optical deflectors 1A and 1B and a length similar to the length in which the two optical deflectors 1A and 1B are arranged in a column can be used.

本発明の光偏向デバイスが備えるコリメートレンズは単レンズに限らず、図1(b)に示すように複数のレンズからなる組レンズで構成してもよい。組レンズによるコリメートレンズは、例えば、複数のロッドレンズ4a1,4a2〜4anが並列配置されて構成される一式の組レンズ4a、又は複数枚のレンズ4b1、4b2が積層配置されて構成される一式の組レンズ4bとすることができる。複数本のロッドレンズ4a1,4a2〜4anは、例えば、光偏向器の横幅よりも狭幅であって、2つの光偏向器の縦列配列した長さと同程度の長さとする。 The collimating lens included in the light deflection device of the present invention is not limited to a single lens, and may be composed of a group lens composed of a plurality of lenses as shown in FIG. 1 (b). The collimating lens by the group lens is, for example, a set of group lenses 4a in which a plurality of rod lenses 4a1, 4a2 to 4an are arranged in parallel, or a set of a set of lenses 4b1 and 4b2 in which a plurality of lenses 4b1 and 4b2 are laminated. It can be a set lens 4b. The plurality of rod lenses 4a1, 4a2 to 4an are, for example, narrower than the width of the light deflector and have a length similar to the length of the two light deflectors arranged in a column.

次に、図2〜図4を用いて本発明の光偏向デバイスの動作例を説明する。図2〜4に示す入射光及び放射光ビームは模式的に示している。なお、実際には、対象物20は、2つの光偏向器1A,1B間の距離と比較して、放射光と反射光とが略平行となり、ほぼ同角度と見なせる程十分に遠方にあるが、図2〜図4では説明の関係から対象物20と光偏向デバイス1との距離が実際よりもかなりの近くに配置した状態で示されている。 Next, an operation example of the light deflection device of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4. The incident light and the synchrotron radiation beam shown in FIGS. 2 to 4 are schematically shown. In reality, the object 20 is sufficiently far away that the synchrotron radiation and the reflected light are substantially parallel to each other and can be regarded as having substantially the same angle as compared with the distance between the two light deflectors 1A and 1B. In FIGS. 2 to 4, the distance between the object 20 and the light deflection device 1 is shown in a state where the object 20 and the light deflection device 1 are arranged much closer than they actually are, for the sake of explanation.

図2〜図4において、対象物20は、光偏向デバイス1のシリンドリカルレンズ4の上方に、その対象物20の測定面を光偏向デバイス1側に向けて配置する。この配置において、送信用光偏向器1Aから放射された光放射ビームAはシリンドリカルレンズ4で平行ビームに変換された後、ビーム状に伝搬して対象物20の測定面に照射される。対象物20では全方向に散乱し、この散乱光の一部が反射ビームとして受信用光偏向器1Bで受信される。反射ビームBはシリンドリカルレンズ4によって受信用光偏向器1Bに集光され、受信用光偏向器1Bの導波路コアを介して検出される。 In FIGS. 2 to 4, the object 20 is arranged above the cylindrical lens 4 of the light deflection device 1 with the measurement surface of the object 20 facing the light deflection device 1. In this arrangement, the light emission beam A emitted from the transmission light deflector 1A is converted into a parallel beam by the cylindrical lens 4, and then propagates in a beam shape to irradiate the measurement surface of the object 20. The object 20 scatters in all directions, and a part of the scattered light is received as a reflected beam by the receiving light deflector 1B. The reflected beam B is focused on the receiving light deflector 1B by the cylindrical lens 4, and is detected via the waveguide core of the receiving light deflector 1B.

この光放射ビームAの対象物20への照射において、対象物20上の照射位置を変えることによって走査領域21を走査する。走査領域21の走査は、導波路コア12の長さ方向に沿って行う縦方向走査、及び導波路コア12の長さ方向に直交する方向で行う横方向走査とする他、縦方向及び横方向とを組み合わせて任意の方向で走査を行ってもよい。 In irradiating the object 20 with the light radiation beam A, the scanning region 21 is scanned by changing the irradiation position on the object 20. The scanning region 21 is scanned in the vertical direction along the length direction of the waveguide core 12 and in the horizontal direction orthogonal to the length direction of the waveguide core 12, as well as in the vertical and horizontal directions. And may be combined to perform scanning in any direction.

図2及び図3は、縦方向走査の一例を示している。図2(a)は、送信用光偏向器1Aの一方の側部側の導波路コア12Aaに入射光を入射して、対象物20の走査領域21aを縦方向に走査する状態を示している。縦方向の走査は、図2(b)に示したように、スローライトが導波路コア12Aaを伝搬するのに従って行われる。 2 and 3 show an example of vertical scanning. FIG. 2A shows a state in which incident light is incident on the waveguide core 12Aa on one side of the transmission optical deflector 1A and the scanning region 21a of the object 20 is scanned in the vertical direction. .. The longitudinal scan is performed as the slow light propagates through the waveguide core 12Aa, as shown in FIG. 2 (b).

図3(a)は、送信用光偏向器1Aの他方の側部側の導波路コア12Acに入射光を入射して、対象物20の走査領域21cを縦方向に走査する状態を示している。縦方向の走査は、図3(b)に示しように、スローライトが導波路コア12Acを伝搬するのに従って行われる。なお、対象物20の中央部分を走査領域とする場合には、送信用光偏向器1Aの中央の導波路コアに入射光を入射して縦方向に走査することができる。この中央部分の走査は図示していない。また、このときの光放射ビームの放射角度は、入射光の波長やフォトニック結晶導波路の屈折率によって変えることができる。 FIG. 3A shows a state in which incident light is incident on the waveguide core 12Ac on the other side of the transmission optical deflector 1A and the scanning region 21c of the object 20 is scanned in the vertical direction. .. The longitudinal scan is performed as the slow light propagates through the waveguide core 12Ac, as shown in FIG. 3 (b). When the central portion of the object 20 is used as the scanning region, the incident light can be incident on the central waveguide core of the transmission optical deflector 1A and scanned in the vertical direction. The scan of this central portion is not shown. Further, the radiation angle of the light radiation beam at this time can be changed by the wavelength of the incident light and the refractive index of the photonic crystal waveguide.

なお、図2〜図4では、導波路コアとして3本の例を示しているが、導波路コアの本数はこの本数に限らず任意の本数とすることができる。 Although 3 examples of the waveguide cores are shown in FIGS. 2 to 4, the number of waveguide cores is not limited to this number and can be any number.

図4は、横方向走査の一例を示している。図4(a)は、送信用光偏向器1Aの導波路コア12Aa、導波路コア12Ab,及び導波路コア12Acに対して、入射光を順次切り替えて入射することによって、送信用光偏向器1Aから放射される光放射ビームを導波路コアの長さ方向と直交する横方向に移動させ、これによって、対象物20の走査領域21dを横方向に走査する状態を示している。横方向の走査は、図4(b)に示しように、スローライトが導波路コア12Aaを伝搬するのに従って縦方向で行われる。 FIG. 4 shows an example of lateral scanning. FIG. 4A shows the transmission optical deflector 1A by sequentially switching the incident light and incident light on the waveguide core 12Aa, the waveguide core 12Ab, and the waveguide core 12Ac of the transmission optical deflector 1A. The light emitting beam emitted from the object 20 is moved in the lateral direction orthogonal to the length direction of the waveguide core, thereby indicating a state in which the scanning region 21d of the object 20 is scanned in the lateral direction. The horizontal scan is performed in the vertical direction as the slow light propagates through the waveguide core 12Aa, as shown in FIG. 4 (b).

なお、図4において、走査領域21dの横方向走査が、各導波路コア12Aa〜12Acから同時に光放射ビームが放射されるように記載されているが、各導波路コア12Aa〜12Acからの光放射ビームの放射は入射光の切り替えによって行われるため、実際には時間差を有して行われる。 In FIG. 4, the lateral scanning of the scanning region 21d is described so that the light emission beam is emitted from each of the waveguide cores 12Aa to 12Ac at the same time, but the light emission from each of the waveguide cores 12Aa to 12Ac is described. Since the beam is emitted by switching the incident light, it is actually performed with a time lag.

また、複数の導波路コア12Aa〜12Acの各導波路コアへの入射光の入射において、入射光を同時に入射させるといった場合には、ライダー装置における検出光と参照光とのビート周波数の抽出の際に、各導波路コアに入射した入射光や検出光が干渉するとことで正確な距離測定ができなくなる場合があるため、入射光の干渉を避けるために時間差を有して入射させるといった入射形態が必要である。 Further, in the case where the incident light is incident on each of the waveguide cores 12Aa to 12Ac of the plurality of waveguide cores at the same time, the beat frequency of the detection light and the reference light in the lidar device is extracted. In addition, accurate distance measurement may not be possible due to interference between incident light and detection light incident on each waveguide core. is necessary.

上記では、光偏向デバイスとして、回折機構としてフォトニック結晶導波路スローライトによる構成例を用いて説明しているが、直線状に縦列配列した2つの光偏向器と、1つのコリメートレンズとから構成される光偏向デバイスにおいて、フォトニック結晶導波路スローライトに代えて表面回折格子を用いた構成としてもよい。 In the above, the optical deflection device is described by using a configuration example using a photonic crystal waveguide slow light as a diffraction mechanism, but it is composed of two optical deflectors arranged in a linear column and one collimating lens. In the light deflection device to be used, a surface diffraction grating may be used instead of the photonic crystal waveguide slow light.

(ライダー装置の概要)
次に、図5を用いて本発明のライダー装置の概略構成について説明する。
ライダー装置5は、本発明の光偏向デバイス1を用い、対象物20に光を照射すると共に対象物20で反射して戻ってくる反射光を検出することによって対象物20の走査を行い、対象物20との間の距離を求める。また、ライダー装置5と対象物20との相対速度を求めることもできる。
(Overview of rider device)
Next, a schematic configuration of the rider device of the present invention will be described with reference to FIG.
The lidar device 5 uses the light deflection device 1 of the present invention to scan the object 20 by irradiating the object 20 with light and detecting the reflected light reflected and returned by the object 20 to scan the object 20. Find the distance to the object 20. It is also possible to obtain the relative speed between the rider device 5 and the object 20.

ライダー装置5が備える光偏向デバイス1は、前記したように、直線状に縦列配列された送信用光偏向器1Aと受信用光偏向器1B、及びその上方に配置されたコリメートレンズ(シリンドリカルレンズ4)を備える。 As described above, the light deflection device 1 included in the lidar device 5 includes a transmission light deflector 1A and a reception light deflector 1B arranged in a straight line, and a collimating lens (cylindrical lens 4) arranged above the transmission light deflector 1A and a reception light deflector 1B. ) Is provided.

光偏向デバイス1が備える2つの光偏向器の内で送信用光偏向器1Aには信号光が入射される。送信用光偏向器1Aに入射された信号光は、フォトニック結晶導波路の導波路コアをスローライトによって伝搬する。スローライトは、導波路コアを伝搬する間に外部に漏れ出し、対象物20に向けて光放射ビームAを放射する。光放射ビームAは対象物20で反射する。受信用光偏向器1Bは反射光Bを受光し、導波路コアの端部から検出光を出射する。 Of the two light deflectors included in the light deflection device 1, the signal light is incident on the transmission light deflector 1A. The signal light incident on the transmission optical deflector 1A propagates through the waveguide core of the photonic crystal waveguide by slow light. The slow light leaks to the outside while propagating through the waveguide core and emits a light emission beam A toward the object 20. The light emission beam A is reflected by the object 20. The receiving light deflector 1B receives the reflected light B and emits the detected light from the end of the waveguide core.

送信用光偏向器1A及び受信用光偏向器1Bの偏向角は、入射光の波長あるいはフォトニック結晶導波路の屈折率によって変えることができる。フォトニック結晶導波路の屈折率を可変とする屈折率可変器56は、例えば、送信用光偏向器1A及び受信用光偏向器1Bを構成するフォトニック結晶導波路の温度を可変とする装置で構成することができる。 The deflection angles of the transmitting light deflector 1A and the receiving light deflector 1B can be changed by the wavelength of the incident light or the refractive index of the photonic crystal waveguide. The refractive index variable device 56 that changes the refractive index of the photonic crystal waveguide is, for example, a device that changes the temperature of the photonic crystal waveguide that constitutes the transmitting optical deflector 1A and the receiving optical deflector 1B. Can be configured.

送信用光偏向器1Aに入射される信号光は、周波数が順次変化する周波数チャープ光信号を分離器52で分離した一方の光を用いる。この光は、半導体増幅器(SOA)53で増幅して用いてもよい。分離器52で分離した他方の光は、参照光として混合器54に導入される。 As the signal light incident on the transmission optical deflector 1A, one of the light obtained by separating the frequency chirp optical signal whose frequency changes sequentially by the separator 52 is used. This light may be amplified by the semiconductor amplifier (SOA) 53 and used. The other light separated by the separator 52 is introduced into the mixer 54 as reference light.

周波数変調器(Modulator)は、レーザ光源50で発生したレーザ光の周波数を一定周期Tで線形変調して周波数チャープ光信号を発生する。信号光と参照光は、周波数チャープ光信号を分離した光であるため周波数及び位相は同一である。 The frequency modulator (Modulator) linearly modulates the frequency of the laser light generated by the laser light source 50 with a fixed period T to generate a frequency chirp light signal. Since the signal light and the reference light are light obtained by separating the frequency chirp light signal, they have the same frequency and phase.

混合器(Mixer)54には、参照光と共に、光偏向デバイス1の受信用光偏向器1Bから得られた検出光が導入され、参照光と検出光とをミキシングしたビート信号を発生する。 The detection light obtained from the reception light deflector 1B of the light deflection device 1 is introduced into the mixer 54 together with the reference light, and a beat signal in which the reference light and the detection light are mixed is generated.

光偏向デバイス1と対象物20との間で行われる往復によって信号光には遅延が生じ、その間に参照光は周波数チャープによって徐々に周波数が変わる。混合器(Mixer)54では、往復した後に受光される信号光と参照光をミキシングし、検出する。このことによって、信号光と検出光との周波数差に応じたビート信号が検出される。混合器(Mixer)54は、例えば、バランス型フォトダイオード54aを用いて、検出光と参照光の間の遅延時間に対応した周波数差のビート信号を検出する。 The round trip between the light deflection device 1 and the object 20 causes a delay in the signal light, during which the reference light gradually changes in frequency depending on the frequency chirp. The mixer 54 mixes and detects the signal light and the reference light that are received after reciprocating. As a result, a beat signal corresponding to the frequency difference between the signal light and the detection light is detected. The mixer 54 uses, for example, a balanced photodiode 54a to detect a beat signal with a frequency difference corresponding to the delay time between the detection light and the reference light.

演算部55は、混合器54で得たビート信号の周波数スペクトルに基づいて対象物20との距離を求める。演算部55は、例えば、バランス型フォトダイオード54aの出力信号をA/D変換するA/D変換器、及び得られたデジタル信号を演算処理するプロセッサによって構成することができる。 The calculation unit 55 obtains the distance from the object 20 based on the frequency spectrum of the beat signal obtained by the mixer 54. The arithmetic unit 55 can be configured by, for example, an A / D converter that A / D-converts the output signal of the balanced photodiode 54a, and a processor that arithmetically processes the obtained digital signal.

ビート信号のビート周波数をfb、信号光の周波数変位幅をB、光速をc、チャープ光信号の1周期の変調に要する1変調周期をTとすると、目標との距離Rは以下の式(1)で表される。
R=(c×fb×T)/(2×B) …(1)
Assuming that the beat frequency of the beat signal is fb, the frequency displacement width of the signal light is B, the speed of light is c, and one modulation cycle required for modulation of one cycle of the chirp light signal is T, the distance R from the target is the following equation (1). ).
R = (c × fb × T) / (2 × B)… (1)

なお、本発明のライダー装置によって対象物との相対速度を得る場合には、周波数が増加するアップチャープ光信号を用いて得られるビート周波数fuと、周波数が減少するダウンチャープ光信号を用いて得られるビート周波数fdとを用いて、相対速度vは以下の式(2)で表される。なお、foはチャープ光信号の中心周波数である。
v=(c/4fo)×(fu−fd) …(2)
When the relative speed with respect to the object is obtained by the lidar device of the present invention, it is obtained by using the beat frequency fu obtained by using the up-chirp optical signal whose frequency increases and the down-chirp optical signal obtained by using the down-chirp optical signal whose frequency decreases. The relative velocity v is expressed by the following equation (2) using the beat frequency fd to be obtained. Note that fo is the center frequency of the chirp optical signal.
v = (c / 4fo) × (fu−fd)… (2)

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to each of the above embodiments. Various modifications can be made based on the gist of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の光偏向デバイスは、自動車,ドローン,ロボットなどに搭載することができ、パソコンやスマートフォンに搭載して周囲環境を手軽に取り込む3Dスキャナ、監視システム、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどに適用することができる。 The optical deflection device of the present invention can be mounted on automobiles, drones, robots, etc., and can be mounted on a personal computer or smartphone to easily capture the surrounding environment. 3D scanner, surveillance system, spatial matrix light for optical exchange and data center. It can be applied to switches and the like.

上記した実施例では、光偏向デバイスのフォトニック結晶導波路を構成する高屈折率部材としてSiを想定して近赤外光の波長域の光を用いているが、光偏向デバイスを構成する高屈折率部材として可視光材料へ適用することにより、さらにプロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、2D/3Dプリンタ、POSやカード読み取り等への適用が期待される。 In the above-described embodiment, Si is assumed as the high refractive index member constituting the photonic crystal waveguide of the light deflection device, and light in the wavelength range of near infrared light is used. By applying it to visible light materials as a refractive index member, it is expected to be further applied to projectors, laser displays, retinal displays, 2D / 3D printers, POS, card readers, and the like.

1 光偏向デバイス
1A 送信用光偏向器
1B 受信用光偏向器
2 フォトニック結晶導波路
3 格子配列
4 シリンドリカルレンズ
5 ライダー装置
10 高屈折率部材
11 円孔
12 導波路コア
12Aa-12Ac 導波路コア
12Ba-12Bc 導波路コア
13 クラッド
20 対象物
21、21a,21c,21d 走査領域
50 レーザ光源
52 分離器
54 混合器
54a バランス型フォトダイオード
55 演算部
56 屈折率可変器
101 光偏向デバイス
101A 送信用光偏向デバイス
101B 受信用光偏向デバイス
102 フォトニック結晶導波路
103 格子配列
104,104A,104B シリンドリカルレンズ
110 高屈折率部材
111 円孔(低屈折率部位)
112 導波路コア
113 クラッド
120 目標
121 走査領域
A 光放射ビーム
B 反射ビーム
1 Optical deflection device 1A Optical deflector for transmission 1B Optical deflector for reception 2 Photonic crystal waveguide 3 Lattice arrangement 4 Cylindrical lens 5 Rider device 10 High refractive index member 11 Circular hole 12 waveguide core 12Aa-12Ac waveguide core 12Ba -12Bc waveguide core 13 clad 20 object 21, 21a, 21c, 21d scanning area 50 laser light source 52 separator 54 mixer 54a balanced photonic crystal 55 arithmetic unit 56 refractive index variable 101 optical deflection device 101A optical deflection for transmission Device 101B Optical deflection device for reception 102 Photonic crystal waveguide 103 Lattice arrangement 104, 104A, 104B Cylindrical lens 110 High refractive index member 111 Circular hole (low refractive index part)
112 Waveguide core 113 Clad 120 Target 121 Scanning area A Light emission beam B Reflection beam

Claims (7)

導波路の導波路コアが直線状に形成された、光が放射及び入射される側である主面、を有する2つの光偏向器であって、互いの前記導波路の導波路コア長さ方向に沿って直線状に連なるように縦列に配された2つの光偏向器と、
記2つの光偏向器のそれぞれの、前記導波路の導波路コアが形成された前記主面、に対向するように、且つ、当該2つの光偏向器の縦列配列方向に沿って配置された1つのコリメートレンズとを備える、光偏向デバイス。
Waveguides of the waveguide core is formed in a linear shape, the main surface light is the side that is emitted and incident, a two optical deflector having a length the waveguide of the waveguide core of each other two optical deflector is sequence in tandem so as to be continuous in a straight line along the direction,
Each pre-SL two light deflectors, the main surface of the waveguide core is formed of the waveguide so as to face the, and, arranged along the column direction of arrangement of the two light deflectors A light deflection device , comprising one collimating lens.
前記各光偏向器は、
高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に配列される格子配列を備えるフォトニック結晶導波路、
及び、
前記フォトニック結晶上に設けられた回折機構を備える、請求項1に記載の光偏向デバイス。
Each of the light deflectors is
A photonic crystal waveguide having a lattice arrangement in which low refractive index portions are periodically arranged in the plane of a high refractive index member.
as well as,
The light deflection device according to claim 1, further comprising a diffraction mechanism provided on the photonic crystal.
前記回折機構は、
表面回折格子、
又は、
高屈折率部材の面内に低屈折率部位が二重周期で配列される格子配列を備えるスローライトフォトニック結晶導波路
である、請求項2に記載の光偏向デバイス。
The diffraction mechanism is
Surface diffraction grating,
Or
The light deflection device according to claim 2 , which is a slow light photonic crystal waveguide having a lattice array in which low refractive index portions are arranged in a plane of a high refractive index member in a double cycle.
前記各光偏向器のフォトニック結晶導波路は複数の導波路コアを備える、請求項2又は3に記載の光偏向デバイス。 The optical deflection device according to claim 2 or 3 , wherein the photonic crystal waveguide of each optical deflector includes a plurality of waveguide cores. 前記コリメートレンズは、シリンドリカルレンズの単レンズ、複数のロッドレンズが並列配置されてなる一式の組レンズ、複数枚のレンズが積層配置されてなる一式の組レンズの何れか一つである、請求項1から4の何れか一つに記載の光偏向デバイス。 The collimating lens is any one of a single lens of a cylindrical lens, a set of a set of lenses in which a plurality of rod lenses are arranged in parallel, and a set of a set of lenses in which a plurality of lenses are arranged in a laminated manner. The light deflection device according to any one of 1 to 4. 請求項1から5の何れか一つの光偏向デバイスの一方の光偏向器を送信用光偏向器とし、他方の光偏向器を受信用光偏向器とし、
前記送信用光偏向器に入射するチャープ光信号と、前記受信用光偏向器からの検出光とを入力しビート信号を出力する混合器と、
前記ビート信号の周波数スペクトルに基づいて、前記光偏向デバイスと対象物との距離を求める演算部とを備えるライダー装置。
One of the optical deflectors of any one of the optical deflecting devices of claims 1 to 5 is used as a transmitting optical deflector, and the other optical deflector is used as a receiving optical deflector.
A chirped light signal incident to the transmission optical deflector, a mixer for outputting the input beat signal and detecting light from said receiving credit optical deflector,
A rider device including a calculation unit for obtaining a distance between the light deflection device and an object based on the frequency spectrum of the beat signal.
前記演算部は、前記周波数スペクトルのビート周波数fbとチャープ光信号の周波数変位幅Bに基づいて、光速をc、前記チャープ光信号の1変調周期をTとして、
(c×fb×T)/(2×B)
の演算式により距離を演算する、請求項6に記載のライダー装置。
Based on the beat frequency fb of the frequency spectrum and the frequency displacement width B of the chirp optical signal, the arithmetic unit sets the speed of light to c and one modulation period of the chirp optical signal to T.
(C × fb × T) / (2 × B)
The rider device according to claim 6, wherein the distance is calculated by the calculation formula of.
JP2017076113A 2017-04-06 2017-04-06 Light deflection device and rider device Active JP6942333B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017076113A JP6942333B2 (en) 2017-04-06 2017-04-06 Light deflection device and rider device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017076113A JP6942333B2 (en) 2017-04-06 2017-04-06 Light deflection device and rider device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018180116A JP2018180116A (en) 2018-11-15
JP6942333B2 true JP6942333B2 (en) 2021-09-29

Family

ID=64276569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017076113A Active JP6942333B2 (en) 2017-04-06 2017-04-06 Light deflection device and rider device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6942333B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110678793B (en) * 2017-05-30 2020-11-03 国立大学法人横浜国立大学 Optical receiver array and optical radar apparatus
DE102019107226A1 (en) 2018-03-29 2019-10-02 Shimano Inc. Control device of a human powered vehicle
JP7136071B2 (en) * 2019-12-02 2022-09-13 株式会社豊田中央研究所 Light emitting/receiving optical system and optical device
WO2023062957A1 (en) * 2021-10-13 2023-04-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Optical deflection device and range measuring device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010175623A (en) * 2009-01-27 2010-08-12 Nikon Corp Variable filter device and confocal microscope
US9823351B2 (en) * 2012-12-18 2017-11-21 Uber Technologies, Inc. Multi-clad fiber based optical apparatus and methods for light detection and ranging sensors
JP5981903B2 (en) * 2013-11-08 2016-08-31 日本電信電話株式会社 Light switch

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018180116A (en) 2018-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11448729B2 (en) Optical deflection device and LIDAR apparatus
US11209546B1 (en) Solid state optical phased array lidar and method of using same
JP6743761B2 (en) Ranging sensor
JP7076822B2 (en) Optical receiver array and rider device
JP6942333B2 (en) Light deflection device and rider device
WO2017223299A1 (en) Methods and systems for optical beam steering
CN106575017A (en) Planar beam forming and steering optical phased array chip and method of using same
CN108375762B (en) Laser radar and working method thereof
JP2021510814A (en) Laser radar and its operation method
US20220121080A1 (en) Optical beam scanning based on waveguide switching and position-to-angle conversion of a lens and applications
WO2020121452A1 (en) Lidar device
CN112219161A (en) Optical device and optical detection system
JP7429908B2 (en) optical device
US7692837B2 (en) Deflection device and imaging apparatus
KR20200094789A (en) Devices for deflection of the laser beam
JP2019152707A (en) Beam scanning system and distance measurement system
US20230350216A1 (en) Optical device
Hu et al. Advances in Silicon-Based Integrated Lidar
US7869130B2 (en) Line beam illumination optical system
RU2528109C1 (en) Pulsed laser location system
WO2021235185A1 (en) Optical scanner, object recognition device, and optical scanning method
CN113039462B (en) Prism lens, light deflection device and LiDAR device
Baba Development of non-mechanical beam steering and LiDAR based on photonic crystal and Si photonics
US20230176214A1 (en) Device for Scanning Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR Range Measurement
JP6945816B2 (en) Light deflection device

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20180119

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20180123

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200304

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210209

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210405

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210831

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210901

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6942333

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150