CN111149027B - 圆偏光型极化分集元件、使用其的扫描元件以及激光雷达 - Google Patents

圆偏光型极化分集元件、使用其的扫描元件以及激光雷达 Download PDF

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Abstract

现有的自动驾驶车技术的激光雷达所用的扫描元件是通过微机电使镜子等连续地旋转而具有惯性，因此适用于一次性扫描场景的光栅扫描，无法从任意点至其他任意点非连续地移动，以任意的频率、任意的图案可编程地与光栅扫描同等地高速扫描。本发明制作一种由扫描元件构成的激光雷达，使用2枚偏光光栅，所述偏光光栅成为半波长板的厚度的双折射导向器以特定周期Λ进行旋转，将这些偏光光栅以成为所需的间隔的方式配置，采用对与圆偏光的旋转方向相依而分离射出的2个右旋、左旋的圆偏光的任一个插入半波长板的极化分集方式，实现转换成平行且相近的相同旋转方向的圆偏光，将其与偏光转向元件及偏光光栅作为1组，组合多段连接的结构而形成扫描元件。

Description

圆偏光型极化分集元件、使用其的扫描元件以及激光雷达
技术领域
本发明是有关于一种圆偏光型元件及光束数字扫描元件、以及使用其的激光雷达与扫描方法。
背景技术
图1为作为现有的偏光控制技术的极化分集的一实施例(专利文献1)。通过偏光束分离器102分离为2个正交的直线偏光后，在一个光路通过偏光旋转元件107使其旋转，使在2个光路传送的光的偏光相同(此处为在纵方向振动的直线偏光)。然而，本极化分集方式对于通过直线偏光运作的元件是有效的，通过圆偏光运作的元件无法使用。
另一方面，图2表示使用作为现有的扫描元件的微机电镜8的激光雷达的构成。由半导体激光1、透镜2、受光元件3、分束器4以及作为扫描元件的微机电镜8所构成。由半导体激光1发出的光束6通过透镜2转换成所需的光束尺寸且通过分束器4后，通过微机电镜8在一维(X轴、Y轴)或二维(X-Y面)扫描物体5。
来自物体5的反射光7的一部分返回至微机电镜8，通过分束器4反射，且通过透镜2转换成所需的光点尺寸后，由受光元件3接收。如此一来，激光雷达通过光束扫描外界，测定与外界的物体5相距的距离，亦称为扫描测距。
本构成称为同轴系统，从半导体激光1发出的光束6与从物体5反射而来的反射光7，从物体5经由微机电镜8至分束器4为止，在几乎相同的光路上传送，由受光元件3接收。因此，能够大致限定为照射所接收的光的光束6的反射光，具有难以受到太阳光等的外部光的影响的特征。然而，由于所接收的反射光7被微机电镜8的开口所限制，因此在微机电镜8的面积较小的情况下，难以获得较大的光功率。
图3表示现有的其他的激光雷达构成。此称为非同轴系统，从半导体激光1发出的光束6与从物体5反射的反射光7各自在不同的光路上传送。本方式的发送侧与接收侧的光学系统相异，因此不为微机电镜8的开口所限制，能够使受光元件3前面的透镜2的开口变大，且能够接收较大的光功率。然而，容易受到太阳光等的外部光的影响，在白天时S/N(信噪比)会劣化。
另外，图2、图3所示的现有的激光雷达构成、或接下来描述的激光雷达构成(专利文献2)中，在光轴调整等的安装中必须进行微调整，并不适合量产性。并且，通常半导体激光1或受光元件3在高温下其特性会劣化，且在半导体激光1的情况下，光功率变得极小。在将如此的激光雷达搭载至汽车的情况下，为了使光束照射至远方，期望的是激光雷达搭载在车子的上部，然而车子的上部的温度容易变成高温，激光雷达的搭载变得困难。
另一方面，为了在自动驾驶等使用激光雷达，如上所述必须在二维下通过光束扫描外界的物体。到此为止报告了各种光束扫描方法。专利文献2为其一例，且将在一维扫描的多边形镜与振镜組合，能够进行二维的扫瞄。其他则报告了使用专利文献3所示的微机电镜的二维扫描方式的激光雷达。
作为扫描仪，报告有多边形镜、振镜、微机电镜及共振大镜等。多边形镜、振镜为使用马达来驱动镜子，共振大镜(resonance bulk mirror)为通过大镜的共振频率使其振动。另外，微机电镜为将利用微细加工形成的小镜子，通过静电、电磁、压电效果等使其驱动。此处，对现有技术的微机电镜的扫描进行说明。
微机电镜的驱动方式具有(a)共振模式、与(b)非共振模式。将通过(a)共振模式与(b)非共振模式驱动时的光栅扫描的光束轨迹的一例示于图4A与图4B。图4A所示的共振模式为通过共振频率使微机电镜驱动，因此能够有较大的位移角度与进行高速扫描，然而振动的折返点与中心点的旋转速度不同，且共振频率会因温度等而变化，因此其控制是必须的。另一方面，图4B所示的非共振模式中，将光束停止、移动的旋转亦是可能的，因此能够实现等间隔的扫描，然而位移角度变小，扫描亦成为低速。
另外，图4A所示的共振模式与图4B所示的非共振模式的扫描均为一次性扫描全面的光栅扫描，无法如图5所示的从任意点至任意点，以任意的频率、任意的图案可编程地进行扫描。该一次性的光栅扫描不仅是微机电镜，其他的多边形镜、振镜及共振大镜亦是同样的。其理由在于，因使具有惯性的镜子物理性旋转，为了有效率地(高速地)移动，对尽可能附近的位置进行扫描的光栅扫描的效率良好。
由于自动驾驶或驾驶员驾驶支援系统所用的激光雷达必须实时识别人的动作或物体，因此所用的光束的扫瞄期望以高速、高密度进行扫描。然而，为了实现这个，需要在高速下能够扫描光束的扫描元件或高速的光元件及高速的电子电路，通常会导致系统的成本上升。另一方面，为了使车子安全驾驶，在车子前方的场景并非全部重要，亦包含了较多的天空等背景等不重要的区域。因此，为了有效地活用在有限的速度下运作的光束，期望的是将光束的扫瞄在重要的区域与不重要的区域的加权不同的扫描方式。
图6表示自动驾驶或驾驶支援系统所用的激光雷达的光束的扫描方式的现有的一实施例。此处，由于在扫描元件中使用微机电镜，因此对来自车子的前方的场景进行一次性的光栅扫描。然而，天空等的背景(虚线包围的部分)并非用于控制车子的重要的部分，期望的是以高分辨率、高频率扫描信号机或对向车、人等(实线包围的部分)重要的部分。但是，于现有的上述扫描元件中，进行相同的扫描，无法以任意的频率、任意的图案可编程地对任意点进行高速扫描。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-60656号公报
专利文献2：美国专利第5006721号
专利文献3：US 2012/0236379 A1公开公报
发明内容
发明要解决的课题
因此，如上所述的现有技术应解决的问题点如下所示。
(1)作为现有的偏光控制技术的极化分集方式(专利文献1)对通过直线偏光运作的元件有效，但对通过圆偏光运作的元件则无法使用。
(2)于现有的激光雷达的构成中，在光轴调整等的安装中必须进行微调整，并不适合量产性。
(3)于现有的将激光源与激光雷达一体化的构成中，对高热没有耐性，因此难以将激光雷达搭载至车子的上部。
(4)现有的扫描元件基本上为使镜子等连续旋转，具有惯性，因此为一次性扫描场景的光栅扫描，无法从任意点至其他任意点进行非连续的移动，亦无法以任意的频率、任意的图案可编程地进行高速扫描。
用于解决课题的手段
本发明中制造了一种圆偏光型极化分集元件，其用以在所输入的光的偏光状态下无相依地输出具有固定的偏光状态的光，使用2枚偏光光栅，所述偏光光栅成为半波长板的厚度，且其双折射导向器以特定周期Λ进行旋转，将这些偏光光栅以成为所需的间隔的方式配置，设为从其中一个具有任意的偏光状态(极化状态，State of Polarization(SOP))，且对与圆偏光的旋转方向相依而分离射出的2个右旋、左旋的圆偏光的任一个插入半波长板的构成，实现转换成平行且相近的相同旋转方向的圆偏光。
另外，制作一种光束数字扫描元件，其特征在于，使用该圆偏光型极化分集元件，对在由蓝相液晶与透明电极构成的偏光转向元件的两侧点对称地配置高折射率的透明的楔块而成者贴附偏光光栅，将此构造设为基本构成，在将这些配置成多段的构成中，使用通过对偏光转向元件施加电压的有、无的组合而输出的光束进行数字扫描。
进一步地，通过该光束数字扫描元件、半导体激光及受光元件构成激光雷达，以光未漏出空间的方式通过单一模式光纤及单一光纤耦合器连接其间，将光束数字扫描元件的部分与其他部分进行分割，通过1m以上的长度的单一模式光纤连接其间，使车载的安装具有灵活性，成为可降低温度影响的构成。
最后，在激光雷达系统将偏光转向元件与偏光光栅设为1组，构成将这些以所需的组数连接多段而成的构造的扫描元件，对光点11能够从任意点至其他任意点进行非连续的移动，能够以任意的频率、任意的图案，可编程地与光栅扫描进行同等的高速扫描。
发明的效果
通过上述构成能够完成下列事项。
(1)能够实现极化分集方式，其可应用于通过圆偏光进行运作的元件。
(2)光轴调整等的安装不需要微调整，能够实现量产性优异的激光雷达。
(3)激光雷达能够搭载至车子的上部。
(4)能够实现一种激光雷达，从任意的点至任意的点能够进行非连续的移动，且能够以任意的频率、任意的图案，可编程地进行高速扫描。
附图说明
图1为现有的极化分集的一实施例(专利文献1)。
图2表示使用作为现有的扫描元件的微机电镜8的激光雷达的构成。
图3表示现有的其他激光雷达的构成。
图4A为以共振模式驱动时的光栅扫描的光束轨迹的一例。
图4B为以非共振模式驱动时的光栅扫描的光束轨迹的一例。
图5为从任意的点至任意的点，以任意的频率、任意的图案进行扫描的理想的扫描的一例。
图6表示自动驾驶或驾驶支援系统所用的激光雷达的光束的扫描方式的现有的一实施例。
图7为本发明的圆偏光型极化分集元件71的一实施例。
图8为表示偏光光栅92的构造与功能的图。
图9A表示光束数字扫描元件的一例。
图9B为表示基本单元的一例的图。
图9C为放大表示偏光转向元件的一部构造的图。
图10表示作为自动驾驶的理想加权的数字扫描。
图11表示能够实施理想加权的数字扫描的飞行时间(Time of Flight)方式激光雷达的一实施例。
图12表示能够实施理想加权的数字扫描的光调频连续波(FMCW)方式激光雷达的实施例。
图13表示图11所示的飞行时间(Time of Flight，ToF)方式的另一个实施例。
图14是将图13所示的光调频连续波方式变形，通过将光封入单一模式光纤101的全光纤(All Fiber)而构成。
图15A为另一个实施例的光束数字扫描元件的立体图。
图15B为另一个实施例的光束数字扫描元件的平面图。
图15C为另一个实施例的光束数字扫描元件的侧面图。
图15D为将另一个实施例的光束数字扫描元件的偏光转向元件的一部分的构造放大表示的图。
图16表示与图7的圆偏光型极化分集元件71具有相同功能的另一个实施例的圆偏光转换器。
图17为表示另一个实施例的光束数字扫描元件的图。
图18A为另一个实施例的光束数字扫描元件的立体图。
图18B为另一个实施例的光束数字扫描元件的平面图。
图18C为另一个实施例的光束数字扫描元件的侧面图。
图19A为说明入射角度θy的图。
图19B为说明入射角度θy的图。
图19C为表示入射角度θy与发生的损失的关系的一例的图表。
图20A为另一个实施例的光束数字扫描元件的立体图。
图20B为另一个实施例的光束数字扫描元件的平面图。
图20C为另一个实施例的光束数字扫描元件的侧面图。
图21A为表示另一个实施例的偏光光栅的一例的图。
图21B为将另一个实施例的偏光光栅的一部分的构造放大表示的图。
具体实施方式
以下使用附图进行说明的实施例并未解释成限定本发明。实施例当然可以适当变更地实施。
实施例1
图7表示本发明的圆偏光型极化分集元件71的一实施例。从单一模式光纤31射出的光束32是使用透镜2进行准直。其偏光状态可分解成右旋的圆偏光(对应于m＝+1：实线)与左旋的圆偏光(对应于m＝-1：虚线)。若光束32之后射入至偏光光栅92，则右旋的圆偏光变成朝上(偏向)，左旋的圆偏光变成朝下(偏向)，分别变换成逆向旋转的圆偏光。
图8表示偏光光栅92的构造与功能。偏光光栅92例如由液晶聚合物等构成，其导向器以特定周期Λ沿着旋转轴A进行旋转。其厚度是以与各导向器的双折射率差的积成为半波长板的方式进行设定。本偏光光栅92进行单一的动作，将入射的圆偏光的光束依据其旋转方向，在X-Z平面内使光束的行进方向转向至右方向或左方向(偏向)。
例如，如(A)所示，右旋的圆偏光转向至右侧，成为左旋的圆偏光而输出。相反地，如(B)所示，左旋的圆偏光转向至左侧，成为右旋的圆偏光而输出。转向(偏向)的角度θout由(1)式获得。
m为级数，在通常的起伏型的光栅中，存在±1、±2…等多个级数，然而在本偏光光栅92中，在右、左仅存在与偏向光束对应的±1级的级数。因此，能够以高效率将光束转向(偏向)。
再来返回至图7进行说明。入射角度θin与射出角度θout成立(1)式的关系。转向(偏向)角度θout与周期Λ的倒数成比例，Λ愈小，则愈以大角度偏向。
[数1]
Sinθout＝Sinθin+mλ/Λ (1)
此处，以m＝±1表示右旋的圆偏光(与m＝1对应)与左旋的圆偏光(与m＝-1对应)。现在，在光束32与偏光光栅92垂直入射的情况下(θin＝0°)，成为[数2]
Sinθout＝mλ/Λ (2)
若该光束入射至后段的偏光光栅92，则θin＝θout，因此成为[数3]
Sinθout＝λ/Λ-λ/Λ＝0 (3)
最终成为与Z轴平行传送的光束。另外，如图7所示，右旋的圆偏光与左旋的圆偏光偏向，成为并进的2个光束。该偏向是由偏光光栅92的分离角的2倍(2θout)与2枚偏光光栅92的间隔决定，理想的是光点直径(直径)Wo左右。
若在一个光路插入半波长板16，则2个光束成为在相同(此处为右旋的圆偏光)方向旋转的光束，能够实现圆偏光型极化分集元件71。此外，亦可将相位板17插入另一个光路而调整2个光束的相位。
实施例2
图9A～图9C表示使用本圆偏光型极化分集元件71的光束数字扫描元件的一例。图9A表示光束数字扫描元件，图9B表示基本单元。另外，图9C为将由偏光转向元件91的一点链线A包围的部份的构造放大表示的图。图9A所示的光束数字扫描元件90是在将图9B所示的基本单元94以所需的组数连接多段而成者配置圆偏光型极化分集元件71与透镜2而成。
如针对图9B及图9C所说明的，基本单元94是通过由2枚高折射率的材料构成的楔块93以点对称的方式将偏光转向元件91包夹而成，该偏光转向元件91是通过玻璃基板上形成有透明电极97的2枚平板电极96夹层聚合物稳定化的蓝相液晶95而成。另外，在基本单元94的光的输出面配置或贴附偏光光栅92。
对本光束扫描元件的基本单元的运作进行说明。偏光转向元件91在未施加电压的情况下为均质的介质，因此输入的偏光在保持状态的情况下输出。在施加所需的电场的情况下，作为半波长板运作，使圆偏光的旋转方向逆转。
现在，如图9B所示，右旋的圆偏光从左侧入射至基本单元94。入射至由高折射率的材料构成的楔块93的光依据斯涅尔法则，在偏光转向元件91斜向传送。
藉此，能够有效地利用蓝相液晶所产生的双折射率。之后，再次依据斯涅尔法则，进入由高折射率的材料构成的楔块93，成为与Z轴平行的光线，垂直入射至偏光光栅92。此处，通过施加至蓝相液晶95的电压，光束在上下方向偏向(此处，图8所示的导向器的旋转轴A配置成与Y轴平行)。
图9A所示的光束数字扫描元件90成为将圆偏光型极化分集元件71、透镜2及基本单元94连接多段而成的构成。
此外，透镜2是转换光点尺寸的构件，有使用数枚的情况，亦有一枚都不使用的情况。从左侧入射的任意偏光状态的光通过圆偏光型极化分集元件71，成为右旋或左旋的任一者的圆偏光，通过透镜2转换成任意的光点直径的光束后，入射至将基本单元94连接多段而成的块。
自左开始，偏光光栅92的周期变化为Λ1～Λ6，依据这些角度，成为2N(N为段数，N＝1、2、3…)段具有数字偏向角度的光束。此处，重要的是，通过将施加至各蓝相液晶95的电压设为ON(比特1)、OFF(比特0)，能够控制(编程)数字化的光束的位置。
例如，(111111)的比特列表示最上面的光束，(000000)表示最下面的光束。这些光束如微机电镜般并无惯性，在该位置无规则地移动。亦即，最上面的光束瞬时移动至最下面的光束。其他光束亦同样地瞬时移动。
此动作通过将基本单元94正交而配置为多段，能够进行X-Y面的二维动作。通过使用该光束数字扫描元件90，即便在现有技术是困难的图5所示的无规则的动作，能够通过预先编程，从任意的点至任意的点，以任意的频率、任意的图案进行选择，而灵活地扫描光束。
另外，能够如图10所示进行如下现有技术为困难的经加权的数字扫描，在如信号机或先行车、对向车的对自动驾驶重要的部分以更高密度、更高频率进行扫描，在如天空的对自动驾驶不重要的部分以稀疏的(低密度)、低频率进行扫描。
图15A～图15D为表示光束数字扫描元件的另一个实施例的图。图15A为光束数字扫描元件90的立体图。图15B为从箭头(A)所示的方向观察图15A的光束数字扫描元件90的平面图。图15C为从箭头(B)所示的方向观察图15A的光束数字扫描元件90的侧面图。图15D为将偏光转向元件的构造的一部分放大表示的图。
基本单元101、102分别将光束转向(偏向)至Y方向、X方向。各基本单元是将偏光转向元件91及偏光光栅92贴合而成者作为1组，将偏光光栅92的不同的旋转周期Λ的导向器配置或贴合多段，在其两侧通过2枚由高折射材料构成的楔块93以点对称的方式包夹而成。
如图15D所示，偏光转向元件91是通过在玻璃基板上形成有透明电极97的2枚平板电极96夹层蓝相液晶95而成，在未施加电压的情况下，作为均质的介质进行运作，输入的偏光在保持状态的情况下输出。在施加所需的电场的情况下，作为半波长板运作，使圆偏光的旋转方向逆转。由此，能够实现与图9A～图9C所示的相同的功能。
实施例3
图11为表示能够实施上述扫描的激光雷达的一实施例。本激光雷达在构成上是与上述图2相同的同轴系统，在转向元件是使用透过型的光束数字扫描元件90来代替反射型的微机电镜8。
另一方面，作为激光雷达的调变方式，报告有各种方式。在本实施例中是使用飞行时间(Time of Flight，ToF)方式作为调变方式。本方式通过测定从光脉冲9的发送(由受光元件3接收所发送的光脉冲9)至光脉冲10的接收(由受光元件3接收)为止的时间差T，依据d＝cT/2(此处，c为光速)来测定至物体5为止的距离d。其中，T通过激光雷达构成的光路长来适当修正。
为了提高距离精度，需要能够发送、接收连续的光短脉冲的电子电路、光学元件。
实施例4
图12表示使用光束数字扫描元件90的另一个实施例。本调变方式称为光FMCW方式，将同调性良好、单一的狭窄频率发送的半导体激光1用于光源。
从半导体激光1发出的矩形波24(时间上为矩形)的光是使用光频率调变器20而转换成频率经连续变频(chirp)的矩形波25(时间上频率为线性变化，几乎是直线增加、减少)。光频率调变器20能够通过使用LiNbO3的调变器等而实现，然而即便不使用光频率调变器20，亦能够通过使直接注入至半导体激光1的电流变化而实现。频率经连续变频的矩形波25通过2个分束器4后，使用透镜2而转换成所需的光束尺寸的准直光。
之后，入射至光束数字扫描元件90，通过所需的扫描图案来扫描光束6，照射物体5。从物体5反射的反射光7在通过光束数字扫描元件90后，通过分束器4反射，入射至混合用的分束器41。
另一方面，从混合用的分束器41的左方向，从半导体激光1侧发出，经分束器4分光且通过全反射镜27反射的光入射。如此一来，在混合用的分束器41，通过时间差T彼此偏移的2个频率经连续变频的矩形波25、返回矩形波26经混合(加总)，由2个受光元件3接收。
通过调整这两个受光元件3的光量，能够有效率地接收在直流成分上所存在的微小的光交流信号。从2个受光元件3可获得由矩形波25、返回矩形波26的混合所产生的差拍信号的差拍频率(fb)，由此通过d＝C·fb/(4△f·fm)来算出至物体5为止的距离d。此处，△f为频率连续变频的变化量(波峰对波峰频率位移)，fm为频率连续变频的反复调变频率。光FMCW方式与ToF(Time of Flight)方式相比，光学元件变得稍微复杂，但可获得较高的S/N(信噪比)。
以上对2个激光雷达方式进行了说明，然而本发明重要的是，扫描元件是使用光束数字扫描元件90，能够从任意的点至任意的点，以任意的频率、任意的图案可编程地进行扫描。本光束数字扫描元件并不需要移动如微机电镜般的具有惯性的物体，如图5所示，能够使光束的照射位置从任意的点至其他任意的点为止无规则地跳跃。
由于这个动作能够通过例如编程或硬件控制手段自由控制，因此能够如图10所示进行如下现有技术为困难的经加权的数字扫描，在如信号机或先行车、对向车的对自动驾驶重要的部分以更高密度、更高频率进行扫描，在如天空的对自动驾驶不重要的部分以稀疏的、低频率进行扫描。
实施例5
图13表示图11所示的ToF(Time of Flight)方式的另一个实施例。在本激光雷达中，是由使用单一模式的光纤耦合器22来代替整体型的分束器4，将光封入单一模式光纤101而成的全光纤所构成。
另外，将高温而性能劣化的半导体激光1或受光元件3等的区域A与作为光束数字扫描元件90的区域B通过约1m的单一模式光纤101连接。
通常情况下，若考虑将激光雷达搭载至车子的情况，为了量测前方的场景至远处，理想的是将激光雷达配置于高处。然而，车子的顶板部分因太阳光的加热等而容易变成更高温。此处，在本实施例中，将难以因高温而性能劣化的光束数字扫描元件90配置于靠近车子顶部的地方，能够将容易因高温而性能劣化的半导体激光1或受光元件3、处理上述光交流信号的信号处理·控制部等的区域A配置于车内的温度较低的地方，能够通过约1m的单一模式光纤101连接其间而实现可靠性高的激光雷达。
另外，由于是封入至单一模式光纤101的方式，因此不需要复杂的光轴调整，仅通过光纤的连接能够进行安装，量产性优异。
实施例6
图14为将图13所示的光FMCW方式变形，通过将光封入单一模式光纤101的全光纤构成。其效果亦与上述相同。
实施例7
图16表示具有与圆偏光型极化分集71相同的功能的另一个实施例的圆偏光转换器。本圆偏光转换器72由偏波面保存光纤51、准直用的透镜2、1/4波长板16构成。入射至偏波面保存光纤51的主轴(快轴或慢轴)的直线偏光在保存直线偏向的状态下射出(此处为在X轴上振动的直线偏光)，通过透镜2进行准直。1/4波长板16的双折射轴从X轴倾斜至45°的方位，通过1/4波长板16的光成为如图中所示的右旋的圆偏光。亦可将该圆偏光转换器72配置于扫描元件的前段，而实现光束数字扫描元件90。
图17为光束数字扫描元件的另一个实施例。图17所示的光束数字扫描元件使用2组将偏光转向元件91与偏光光栅92贴合而成的基本单元贴合多段而成者作为X方向、Y方向用，以彼此垂直的方式贴合，通过楔块93以点对称的方式将其包夹。根据图17所例示的光束数字扫描元件的构成，能够更加小型化。作为楔块93，能够使用硅或玻璃。
图18A～图18C为说明使用图15A～图15D(或图17)所示的光束数字扫描元件的情况的损失发生部的图。于图18A～图18C的例子中，表示使用图15A～图15D所示的光束数字扫描元件的情况作为一例。图18A为光束数字扫描元件的立体图。图18B为从箭头(A)所示的方向观察图18A的光束数字扫描元件的平面图。图18C为从箭头(B)所示的方向观察图18A的光束数字扫描元件的侧面图。若光束斜向入射至偏光光栅92，则在图18B及图18C的一点链线所围住的损失发生部发生损失。图19A～图19C为说明将偏光光栅92重迭6枚进行测定时的入射角度θy与损失的关系的图。图19C为将图19A及图19B所示的入射角度θy从0°变化至30°时所测定的损失的图表。入射角度θy为10°左右时，损失几乎不会发生，但是随着角度变大，损失会增加。为了以低电压驱动由蓝相液晶构成的偏光转向元件91，需要以较大的角度入射，因此与损失成为取舍的关系。
图20A～图20C为说明能够降低后段的损失发生部的损失的光束数字扫描元件的构造的一例的图。图20A为光束数字扫描元件的立体图。图20B为从箭头(A)所示的方向观察图20A的光束数字扫描元件的平面图。图20C为从箭头(B)所示的方向观察图20A的光束数字扫描元件的侧面图。由于图20A～图20C所例示的光束数字扫描元件在后段时各光束为平行，因此能够实现各光束几乎为相同的损失。
图21A及图21B表示能够抑制斜向入射光束时的损失的新颖的偏光光栅的一例。图21A为表示本例的偏光光栅92的外观的图。图21B为将图21A的一点链线包围的部分放大表示的图。如图21B所示，通过使构成偏光光栅92的液晶导向器98斜向(α°)配向，即便光束斜向入射，亦垂直入射至液晶导向器98，能够抑制损失。
产业上的可利用性
本发明可用于高速道路及一般道路中的自动驾驶车的车道控制与用以防止冲撞的激光雷达、及使用其的自动驾驶车系统及驾驶员驾驶支援系统。
符號说明
1：半导体激光
2：透镜
3：受光元件
4：分束器
5：物体
6：光束
7：反射光
8：微机电镜
9：光脉冲
10：光脉冲
11：光点
12：信号机
13：背景(天空)
14：先行车
15：对向车
16：半波长板
17：相位板
20：光频率调变器
24：矩形波
25：频率经连续变频的矩形波(时间上频率为线性变化)
26：25的返回矩形波
31：单一模式光纤
32：光束
41：混合用的分束器
71：圆偏光型极化分集元件
90：光束数字扫描元件(区域B)
91：偏光转向元件
92：偏光光栅
93：楔块
94：基本单元
95：蓝相液晶
96：平板电极
97：透明电极
98：液晶导向器
100：区域A
101：单一模式光纤
102：偏光分束器
107：偏光旋转元件
201：基本单元(Y方向)
202：基本单元(X方向)

Claims (13)

1.一种圆偏光型极化分集元件，其用以输出具有固定的偏光状态的光而与输入光的偏光状态无关，其特征在于，使用2枚偏光光栅，所述偏光光栅成为半波长板的厚度，且其双折射导向器以特定周期Λ进行旋转，将这些偏光光栅以成为所需的间隔的方式配置，从其中一个入射具有任意的偏光状态的光点直径Wo的光束，对取决于圆偏光的旋转方向而分离射出的右旋、左旋的圆偏光的任一个插入半波长板，转换成平行且相近的相同旋转方向的圆偏光而输出。
2.一种光束数字扫描元件，其特征在于，配置有扫描元件，所述扫描元件是在如权利要求1所记载的圆偏光型极化分集元件的后段，将对所述圆偏光的偏光状态转向的元件与所述偏光光栅重叠的构造作为基本构成，将适当变更所述基本构成的所述偏光光栅的周期Λ的构成以所需的组数重叠多段而成。
3.如权利要求2所记载的光束数字扫描元件，其特征在于，在对所述圆偏光的偏光状态进行转向的元件使用通过形成有2枚透明电极的基板包夹聚合物稳定化的蓝相液晶而成的结构的偏光转向元件。
4.如权利要求3所记载的光束数字扫描元件，其特征在于，对在所述偏光转向元件的两侧点对称地配置高折射率的透明的楔块而成者贴附所述偏光光栅，将所形成的结构设为所述基本构成，在将这些配置多段的构成中，使用通过对所述偏光转向元件施加电压的有、无的组合而输出的光束来进行数字扫描。
5.如权利要求3所记载的光束数字扫描元件，其特征在于，将所述偏光转向元件与所述偏光光栅贴附而成者设为基本构成，在将这些贴合多段并且于其两侧点对称地配置高折射率的透明楔块的构成中，使用通过对所述偏光转向元件施加电压的有、无的组合而输出的光束来进行数字扫描。
6.一种激光雷达，其特征在于，由半导体激光、受光元件、透镜、分束器、信号处理控制部及如权利要求3至5中任一项所记载的光束数字扫描元件所构成，根据由所述受光元件接收而输入至所述光束数字扫描元件的所述光束的分光、以及通过从所述光束数字扫描元件输出的所述光束扫描物体而反射的返回光，在所述信号处理控制部中算出从所述光束数字扫描元件至所述物体为止的距离。
7.如权利要求6所记载的激光雷达，其特征在于，输入至所述圆偏光型极化分集元件的所述光束由连续的光短脉冲组成，且根据从所述光束的分光的接收至所述返回光的接收为止的时间差，算出至所述物体为止的距离。
8.如权利要求6所记载的激光雷达，其特征在于，所述光束为其光频率在所需的反复时间线性增加、减少的矩形波，且根据通过将来自所述物体的所述返回光与所述输出的所述光束混合而产生的差拍信号的差拍频率，算出至所述物体为止的距离。
9.如权利要求7所记载的激光雷达，其特征在于，在所述半导体激光、所述受光元件、所述光束数字扫描元件之间，以所述光束未漏出空间的方式通过单一模式光纤及单一光纤耦合器连接。
10.如权利要求8所记载的激光雷达，其特征在于，在所述半导体激光、所述受光元件、所述光束数字扫描元件之间，以所述光束未漏出空间的方式通过单一模式光纤及单一光纤耦合器连接。
11.如权利要求9所记载的激光雷达，其特征在于，分割成：
区域A，其包含所述半导体激光、所述受光元件、所述信号处理控制部；及区域B，其包含所述光束数字扫描元件；并且通过1m以上的长度的单一模式光纤连接其间。
12.如权利要求10所记载的激光雷达，其特征在于，分割成：
区域A，其包含所述半导体激光、所述受光元件、所述信号处理控制部；及区域B，其包含所述光束数字扫描元件；并且通过1m以上的长度的单一模式光纤连接其间。
13.如权利要求6至12中任一项所记载的激光雷达，其特征在于，还具备以任意的加权不规则地选择所述光束的照射位置的装置，在所述照射位置中，重要的部分以高密度、高频率进行扫描，不重要的部分以低密度、低频率进行扫描。
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