CN113614571A - 光设备、光检测系统及其制造方法 - Google Patents

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CN113614571A
CN113614571A CN202080023408.4A CN202080023408A CN113614571A CN 113614571 A CN113614571 A CN 113614571A CN 202080023408 A CN202080023408 A CN 202080023408A CN 113614571 A CN113614571 A CN 113614571A
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optical
light
waveguide
optical device
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CN202080023408.4A
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野村幸生
佃雅彦
稻田安寿
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

光设备具备：第1基板，具有第1表面；第2基板，具有与上述第1表面至少局部地对置的第2表面；至少1个光波导，在上述第1基板与上述第2基板之间沿着上述第1方向延伸；以及多个弹性间隔件，配置于上述第1表面及上述第2表面的至少一方，包括第1部分及第2部分。上述多个弹性间隔件的上述第1部分是位于上述第1基板与上述第2基板之间而且从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。上述多个弹性间隔件的上述第2部分是位于从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。

Description

光设备、光检测系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及光设备、光检测系统及其制造方法。
背景技术
以往，提出了能够用光来扫描(scan)空间的各种设备。
专利文献1公开了能够使用使镜旋转的驱动装置进行通过光的扫描的结构。
专利文献2公开了具有二维排列的多个纳米光子天线元件的光相控阵列。各个天线元件与可变光延迟线(即移相器)光学上耦合。在该光相控阵列中，相干光束通过波导被引导至各个天线元件，通过移相器，光束的相位发生移位。由此，能够使远场辐射图的振幅分布变化。
专利文献3公开了一种光偏转元件，具备：光波导，具有光在内部导波的光波导层和形成于光波导层的上表面及下表面的第1分布布拉格镜；光入射口，用来使光入射至光波导内；以及光射出口，为了射出从光入射口入射并在光波导内导波的光而形成于光波导的表面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/168266号
专利文献2：日本特表2016－508235号公报
专利文献3：日本特开2013－16591号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的是提供一种具备尺寸精度高的光波导的新的光设备。
用来解决课题的手段
有关本发明的一技术方案的光设备具备：第1基板，具有沿着第1方向及与上述第1方向交叉的第2方向扩展的第1表面；第2基板，具有与上述第1表面至少局部地对置的第2表面；至少1个光波导，在上述第1基板与上述第2基板之间沿着上述第1方向延伸；以及多个弹性间隔件，配置于上述第1表面及上述第2表面的至少一方，包括第1部分及第2部分。上述第2表面具有与上述第1表面不同的面积。上述多个弹性间隔件的上述第1部分是位于上述第1基板与上述第2基板之间而且从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。上述多个弹性间隔件的上述第2部分是位于在从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。
本发明的包含性或具体的形态也可以通过设备、系统、方法或它们的任意的组合实现。
发明效果
根据本发明的一技术方案，能够实现具备尺寸精度高的光波导的光设备。
附图说明
图1是示意地表示光扫描设备的结构的立体图。
图2是示意地表示一个波导元件的截面的构造及传播的光的例子的图。
图3A是表示向与波导阵列的射出面垂直的方向射出光的波导阵列的截面的图。
图3B是表示向与垂直于波导阵列的射出面的方向不同的方向射出光的波导阵列的截面的图。
图4是示意地表示三维空间中的波导阵列的立体图。
图5是从光射出面的法线方向(Z方向)观察波导阵列及移相器阵列的示意图。
图6是示意地表示从Z方向观察时的光设备的下部构造体的例子的图。
图7A是表示图6所示的A－A线截面的图。
图7B是表示图6所示的B－B线截面的图。
图7C是表示图6所示的C－C线截面的图。
图8A是示意地表示贴合了图7A所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图8B是示意地表示贴合了图7B所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图8C是示意地表示贴合了图7C所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图9是示意地表示从Z方向观察时的本实施方式的光设备的下部构造体的例子的图。
图10A是表示图9所示的A－A线截面的图。
图10B是表示图9所示的B－B线截面的图。
图10C是表示图9所示的C－C线截面的图。
图11A是示意地表示贴合了图10A所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图11B是示意地表示贴合了图10B所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图11C是示意地表示贴合了图10C所示的下部构造体及上部构造体时的光设备的例子的图。
图12A是示意地表示在贴合图11A所示的下部构造体及上部构造体后切断了不需要的部分时的光设备的例子的图。
图12B是示意地表示在贴合图11B所示的下部构造体及上部构造体后切断了不需要的部分时的光设备的例子的图。
图13是表示变形例的光扫描设备的结构的图。
图14是示意地表示从光设备的光的射出的图。
图15是表示光设备的制造工序的流程图。
图16是表示在电路基板上集成了分光器、波导阵列、移相器阵列及光源等元件的光扫描设备的结构例的图。
图17是表示从光扫描设备向远方照射激光等的光束而执行二维扫描的状况的示意图。
图18是表示能够生成测距图像的LiDAR系统的结构例的框图。
具体实施方式
在本说明书中，“折射率、厚度及波长中的至少一个”是指从由光波导层的折射率、光波导层的厚度及向光波导层输入的波长构成的组中选择的至少一个。为了使光的射出方向变化，可以单独地控制折射率、厚度及波长中的任一个。或者，也可以控制这3个中的任意的两个或全部而使光的射出方向变化。在以下各实施方式中，也可以代替折射率或厚度的控制或除此以外，对向光波导层输入的光的波长进行控制。
以上的基本原理不仅能够应用于射出光的用途，也同样能够应用于接收光信号的用途。通过使折射率、厚度及波长中的至少一个变化，能够使可接收的光的方向一维地变化。进而，如果由分别与沿一方向排列的多个波导元件连接的多个移相器使光的相位差变化，则能够使可接收的光的方向二维地变化。
本发明的实施方式的光扫描设备及光接收设备能够作为例如LiDAR(LightDetection and Ranging)系统等光检测系统的天线使用。LiDAR系统与使用毫米波等的电波的雷达系统相比，由于使用短波长的电磁波(可视光、红外线或紫外线)，所以能够以较高的解析力检测物体的距离分布。这样的LiDAR系统例如搭载于汽车、UAV(Unmanned AerialVehicle，所谓无人机)、AGV(Automated Guided Vehicle)等移动体，能够作为防碰撞技术之一使用。在本说明书中，有将光扫描设备和光接收设备统称为“光设备”的情况。此外，关于在光扫描设备或光接收设备中使用的设备，也有称作“光设备”的情况。
<光扫描设备的结构例>
以下，作为一例而说明进行二维扫描的光扫描设备的结构。但是，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有省略已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长、使本领域技术人员的理解变得容易。另外，发明者们为了使本领域技术人员充分地理解本发明而提供附图及以下的说明，并不是要由它们来限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对于相同或类似的构成要素赋予相同的标号。
在本发明中，“光”是指不仅包括可视光(波长是约400nm～约700nm)，还包括紫外线(波长是约10nm～约400nm)及红外线(波长是约700nm～约1mm)的电磁波。在本说明书中，有将紫外线称作“紫外光”、将红外线称作“红外光”的情况。
在本发明中，基于光的“扫描”是指使光的方向变化。“一维扫描”是指使光的方向沿着与该方向交叉的方向而直线性地变化。“二维扫描”是指使光的方向沿着与该方向交叉的平面而二维地变化。
图1是示意地表示实施方式的光扫描设备100的结构的立体图。光扫描设备100具备包括多个波导元件10的波导阵列。多个波导元件10分别具有在第1方向(图1中的X方向)上延伸的形状。多个波导元件10在与第1方向交叉的第2方向(图1中的Y方向)上规则地排列。多个波导元件10一边使光在第1方向上传播，一边使光向与平行于第1及第2方向的假想的平面交叉的第3方向D3射出。第1方向(X方向)与第2方向(Y方向)正交，但两者也可以不正交。多个波导元件10在Y方向以等间隔排列，但并不一定需要以等间隔排列。
另外，在本申请的附图中表示的构造物的朝向是考虑说明的容易理解而设定的，完全不是限制现实的实施中的构造物的朝向。此外，在图中表示的构造物的整体或一部分的形状及大小也不限制现实的形状及大小。
多个波导元件10分别具有相互对置的第1镜30及第2镜40(以下，有将各自简单称作“镜”的情况)和位于镜30与镜40之间的光波导层20。镜30及镜40分别在与光波导层20的界面具有与第3方向D3交叉的反射面。镜30及镜40、以及光波导层20具有沿第1方向(X方向)延伸的形状。
另外，如后述那样，多个波导元件10的多个第1镜30也可以是一体地构成的镜的多个部分。此外，多个波导元件10的多个第2镜40也可以是一体地构成的镜的多个部分。进而，多个波导元件10的多个光波导层20也可以是一体地构成的光波导层的多个部分。通过至少(1)各第1镜30与其他第1镜30分开构成，或(2)各第2镜40与其他第2镜40分开构成，或(3)各光波导层20与其他光波导层20分开构成，能够形成多个波导。“分开构成”不仅包括在物理上设置空间，还包括中间夹着折射率不同的材料而分离。
第1镜30的反射面和第2镜40的反射面大致平行地对置。两个镜30及镜40中，至少第1镜30具有使在光波导层20中传播的光的一部分透射的特性。换言之，第1镜30对于该光，具有比第2镜40高的光透射率。因此，在光波导层20中传播的光的一部分从第1镜30向外部射出。这样的镜30及40例如可以是由基于电介质的多层膜(也有称作“多层反射膜”的情况)形成的多层膜镜。
通过控制向各个波导元件10输入的光的相位，进而使这些波导元件10的光波导层20的折射率或厚度、或者向光波导层20输入的光的波长同步地同时变化，能够实现基于光的二维扫描。
本发明的发明人为了实现这样的二维扫描，对波导元件10的动作原理进行了分析。基于其结果，通过将多个波导元件10同步驱动，成功地实现了基于光的二维扫描。
如图1所示，如果向各波导元件10输入光，则光从各波导元件10的射出面射出。射出面位于第1镜30的反射面的相反一侧。该射出光的方向D3依赖于光波导层的折射率、厚度及光的波长。将各光波导层的折射率、厚度及波长中的至少一个同步地控制，以使从各波导元件10射出的光大致成为相同的方向。由此，能够使从多个波导元件10射出的光的波数矢量的X方向的分量变化。换言之，能够使射出光的方向D3沿着图1所示的方向101变化。
进而，由于从多个波导元件10射出的光朝向相同的方向，所以射出光相互干涉。通过控制从各个波导元件10射出的光的相位，能够使通过干涉而光相互加强的方向变化。例如，在相同尺寸的多个波导元件10在Y方向上以等间隔排列的情况下，对于多个波导元件10，输入使相位各相差一定量的光。通过使该相位差变化，能够使射出光的波数矢量的Y方向的分量变化。换言之，通过使向多个波导元件10导入的光的相位差分别变化，能够使通过干涉而射出光相互加强的方向D3沿着图1所示的方向102变化。由此，能够实现基于光的二维扫描。
以下，说明光扫描设备100的动作原理。
<波导元件的动作原理>
图2是示意地表示一个波导元件10的截面的构造及传播的光的例子的图。在图2中，将与图1所示的X方向及Y方向垂直的方向设为Z方向，示意地表示波导元件10的与XZ面平行的截面。在波导元件10中，一对镜30和镜40以夹着光波导层20的方式配置。从光波导层20的X方向上的一端导入的光22一边被设置于光波导层20的上表面(图2中的上侧的表面)的第1镜30及设置于下表面(图2中的下侧的表面)的第2镜40反复反射，一边在光波导层20内传播。第1镜30的光透射率比第2镜40的光透射率高。因此，能够主要从第1镜30输出光的一部分。
在通常的光纤等波导中，光一边反复全反射一边沿着波导传播。相对于此，在本发明的波导元件10中，光一边通过配置在光波导层20的上下的镜30及40反复反射一边传播。因此，对于光的传播角度没有制约。这里，光的传播角度是指向镜30或镜40与光波导层20的界面的入射角度。对于镜30或镜40以更接近于垂直的角度入射的光也能够传播。即，以比全反射的临界角小的角度向界面入射的光也能够传播。因此，光的传播方向上的光的群速度与自由空间中的光速相比大幅下降。由此，波导元件10具有以下性质：相对于光的波长、光波导层20的厚度及光波导层20的折射率的变化，光的传播条件大幅变化。将这样的波导称作“反射型波导”或“慢光波导”。
从波导元件10向空气中射出的光的射出角度θ由以下的式(1)表示。
[数式1]
Figure BDA0003273843050000071
根据式(1)可知，通过改变空气中的光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的任一个，能够改变光的射出方向。
例如，在nw＝2，d＝387nm，λ＝1550nm，m＝1的情况下，射出角度是0°。如果从该状态使折射率变化为nw＝2.2，则射出角度变化为约66°。另一方面，如果不改变折射率而使厚度变化为d＝420nm，则射出角度变化为约51°。如果折射率及厚度都不变化而使波长变化为λ＝1500nm，则射出角度变化为约30°。这样，通过使光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的某一个变化，能够使光的射出方向大幅变化。
所以，光扫描设备100通过控制向光波导层20输入的光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的至少一个，来控制光的射出方向。光的波长λ也可以在动作中不变化而维持为一定。在此情况下，能够以更简单的结构实现光的扫描。波长λ没有被特别限定。例如，波长λ可以包含于能由通常的通过用硅(Si)吸收光来检测光的光检测器或图像传感器得到高检测灵敏度的400nm至1100nm(从可视光到近红外光)的波长域中。在另一例中，波长λ可以包含于在光纤或Si波导中传送损失比较小的1260nm至1625nm的近红外光的波长域中。另外，这些波长范围是一例。所使用的光的波长域并不限定于可视光或红外光的波长域，例如也可以是紫外光的波长域。
为了使射出光的方向变化，光扫描设备100可以具备使各波导元件10中的光波导层20的折射率、厚度及波长中的至少一个变化的第1调整元件。
如以上这样，如果使用波导元件10，则通过使光波导层20的折射率nw、厚度d及波长λ中的至少一个变化，能够大幅改变光的射出方向。由此，能够使从镜30射出的光的射出角度在沿着波导元件10的方向上变化。通过使用至少一个波导元件10，能够实现这样的一维扫描。
为了调整光波导层20的至少一部分的折射率，光波导层20也可以包含液晶材料或电光学材料。光波导层20能够被一对电极夹着。通过向一对电极施加电压，能够使光波导层20的折射率变化。
为了调整光波导层20的厚度，例如也可以在第1镜30及第2镜40的至少一方连接至少一个致动器。通过由至少一个致动器使第1镜30与第2镜40之间的距离变化，能够使光波导层20的厚度变化。如果光波导层20由液体形成，则光波导层20的厚度能够容易地变化。
<二维扫描的动作原理>
在多个波导元件10在一方向上排列而成的波导阵列中，通过从各个波导元件10射出的光的干涉，光的射出方向变化。通过调整向各波导元件10供给的光的相位，能够使光的射出方向变化。以下，说明其原理。
图3A是表示向与波导阵列的射出面垂直的方向射出光的波导阵列的截面的图。在图3A中，也记载了在各波导元件10中传播的光的移相量。这里，移相量是以在左端的波导元件10中传播的光的相位为基准的值。波导阵列包括以等间隔排列的多个波导元件10。在图3A中，虚线的圆弧表示从各波导元件10射出的光的波面。直线表示通过光的干涉而形成的波面。箭头表示从波导阵列射出的光的方向(即，波数矢量的方向)。在图3A的例子中，在各波导元件10中的光波导层20中传播的光的相位都相同。在此情况下，光向与波导元件10的排列方向(Y方向)及光波导层20所延伸的方向(X方向)两者垂直的方向(Z方向)射出。
图3B是表示向与垂直于波导阵列的射出面的方向不同的方向射出光的波导阵列的截面的图。在图3B所示的例子中，在多个波导元件10中的光波导层20中传播的光的相位在排列方向上各相差一定量
Figure BDA0003273843050000092
在此情况下，光向与Z方向不同的方向射出。通过使该
Figure BDA0003273843050000093
变化，能够使光的波数矢量的Y方向的分量变化。如果设相邻的两个波导元件10之间的中心间距离为p，则光的射出角度α0由以下的式(2)表示。
[数式2]
Figure BDA0003273843050000091
在图2所示的例子中，光的射出方向与XZ平面平行。即，α0＝0°。在图3A及图3B所示的例子中，从光扫描设备100射出的光的方向与YZ平面平行。即，θ＝0°。但是，通常从光扫描设备100射出的光的方向既不与XZ平面平行也不与YZ平面平行。即，θ≠0°及α0≠0°。
图4是示意地表示三维空间中的波导阵列的立体图。图4所示的粗箭头表示从光扫描设备100射出的光的方向。θ是光的射出方向与YZ平面所成的角度。θ满足式(1)。α0是光的射出方向与XZ平面所成的角度。α0满足式(2)。
<向波导阵列导入的光的相位控制>
为了控制从各个波导元件10射出的光的相位，例如可以在向波导元件10导入光的前段设置使光的相位变化的移相器。光扫描设备100具备与多个波导元件10各自连接的多个移相器、和调整在各移相器中传播的光的相位的第2调整元件。各移相器包括与多个波导元件10中的对应的一个中的光波导层20直接或经由其他波导相连的波导。第2调整元件通过使从多个移相器向多个波导元件10传播的光的相位的差分别变化，使从多个波导元件10射出的光的方向(即，第3方向D3)变化。在以下的说明中，与波导阵列同样，有将排列的多个移相器称作“移相器阵列”的情况。
图5是从光射出面的法线方向(Z方向)观察波导阵列10A及移相器阵列80A的示意图。在图5所示的例子中，全部的移相器80具有相同的传播特性，全部的波导元件10具有相同的传播特性。各个移相器80及各个波导元件10也可以是相同的长度，长度也可以不同。在各个移相器80的长度相等的情况下，例如，可以通过驱动电压来调整各自的移相量。此外，通过做成使各个移相器80的长度以等步长变化的构造，能够以相同的驱动电压赋予等步长的移相。进而，该光扫描设备100还具备将光分支而向多个移相器80供给的分光器90、驱动各波导元件10的第1驱动电路110和驱动各移相器80的第2驱动电路210。图5中的直线箭头表示光的输入。通过将分别设置的第1驱动电路110和第2驱动电路210分别独立地控制，能够实现二维扫描。在该例中，第1驱动电路110作为第1调整元件的一个要素发挥功能，第2驱动电路210作为第2调整元件的一个要素发挥功能。
第1驱动电路110通过使各波导元件10中的光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化，使从光波导层20射出的光的角度变化。第2驱动电路210通过使各移相器80中的光波导20a的折射率变化，使在光波导20a的内部传播的光的相位变化。分光器90既可以由光通过全反射而传播的波导构成，也可以由与波导元件10同样的反射型波导构成。
另外，也可以在对由分光器90分支的各个光的相位进行控制后，将各个光导入至移相器80。在该相位控制中，例如可以使用通过调整到移相器80为止的波导的长度来实现的简单的相位控制构造。或者，也可以使用具有与移相器80同样的功能的能够通过电信号进行控制的移相器。通过这样的方法，例如也可以在被导入至移相器80之前调整相位，以向全部的移相器80供给等相位的光。通过这样的调整，能够使第2驱动电路210对各移相器80的控制变得简单。
具有与上述的光扫描设备100同样的结构的光设备也能够作为光接收设备利用。关于光设备的动作原理及动作方法等的详细情况，在美国专利申请公开第2018/0224709号中公开。在本说明书中引用该文献的全部公开内容。
<通过贴合进行的光设备的制作>
光设备100例如可以通过将具备第1镜的上部构造体及具备第2镜的下部构造体贴合来制作。在贴合中，例如可以使用紫外线固化树脂或热固化树脂等的密封部件。为了基于电压施加进行的光扫描，光导波层20例如可以包含液晶材料。为了将液晶材料注入到光设备100中，例如可以利用真空封入。如果将液晶材料注入到由上述的密封部件包围的空间中，则在注入液晶材料时能够防止真空泄漏。
图6是示意地表示从Z方向观察时的光设备100的下部构造体100a的例子的图。图7A至图7C分别是表示图6所示的A－A线截面、B－B线截面及C－C线截面的图。图7A至图7C示意地表示光设备100的下部构造体100a及上部构造体100b的例子。图7A至图7C所示的朝下的箭头表示贴合的方向。
在贴合下部构造体100a及上部构造体100b之后，从图6所示的封入口79o注入液晶材料。然后，将封入口79o通过与密封部件79相同的部件封闭。下部构造体100a具备基板50a、电极62a、镜40、电介质层51、多个光波导11、多个隔墙73及密封部件79。上部构造体100b具备基板50b、电极62b及镜30。关于它们的详细情况在后面叙述。
图8A至图8C分别是表示贴合了图7A至图7C所示的下部构造体100a及上部构造体100b时的光设备100的例子的图。如图8A至图8C所示，即使下部构造体100a和上部构造体100b以平行的方式贴合，实际上也有基板50a和基板50b不平行的情况。这是因为，在将上部构造体100b与下部构造体100a贴合时，上部构造体100b与下部构造体100a最初接触的部位成为支点。例如，密封部件79与电极62b接触的部位、或者多个隔墙73中的1个隔墙与镜30接触的部位会成为支点。如果在贴合时作用于上部构造体100b的力不均匀，则在距支点较近的部位和距支点较远的部位中，基板50a与基板50b的间隔会不同。例如，在距支点较远的部位，与距支点较近的部位相比，基板50a与基板50b的间隔会变大。因此，有基板50a和基板50b不平行的情况。在此情况下，从光设备100射出的光的强度及光的射出角度有可能偏离设计值。
本发明的发明人基于以上的研究，想到了以下项目中记载的光设备。
有关第1项目的光设备具备：第1基板，具有沿着第1方向及与上述第1方向交叉的第2方向扩展的第1表面；第2基板，具有与上述第1表面至少局部地对置的第2表面；至少1个光波导，在上述第1基板与上述第2基板之间沿着上述第1方向延伸；以及多个弹性间隔件，配置于上述第1表面及上述第2表面的至少一方，包括第1部分及第2部分。上述第2表面具有与上述第1表面不同的面积。上述多个弹性间隔件的上述第1部分是位于上述第1基板与上述第2基板之间而且从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。上述多个弹性间隔件的上述第2部分是位于在从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。
在该光设备中，通过多个弹性间隔件的第1部分，能够使第1基板与第2基板的间隔均匀。结果，能够大幅地改善射出的光的强度及射出角度的精度。进而，通过多个弹性间隔件的第2部分，能够保护设置于第1基板与第2基板不重叠的区域中的构成要素免受外部的接触。
有关第2项目的光设备在有关第1项目的光设备中，还具备分别沿着上述第1方向延伸的多个隔墙。多个隔墙在上述第1基板与上述第2基板之间在上述第2方向上排列。上述多个弹性间隔件各自的弹性模量比上述多个隔墙各自的弹性模量小。
在该光设备中，通过如弹簧那样作用而压缩的弹性间隔件，第1基板与第2基板的间隔整体上变得均匀。
有关第3项目的光设备在有关第2项目的光设备中，上述多个隔墙被上述第1基板和上述第2基板直接或间接地夹持。通过上述第1基板和上述第2基板的夹持，与上述第1表面垂直的方向上的上述多个弹性间隔件各自的变形率比上述垂直的方向上的上述多个隔墙各自的变形率大。
在该光设备中，通过比各隔墙的变形率大的各间隔件的变形率，第1基板与第2基板的间隔整体上变得均匀。
有关第4项目的光设备在有关第1至第3项目的任一项的光设备中，上述多个弹性间隔件分别具有柱状的形状。
在该光设备中，能够得到与有关第1至第3项目的光设备相同的效果。
有关第5项目的光设备在有关第1至第4项目的任一项的光设备中，上述至少1个光波导分别具备：第1部分，配置在上述第1基板与上述第2基板之间而且上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中；以及第2部分，配置在上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中。
在该光设备中，能够使光从第2部分向第1部分输入。
有关第6项目的光设备在有关第5项目的光设备中，上述至少一个光波导是多个光波导。上述多个弹性间隔件的上述第2部分的至少一部分位于上述多个光波导各自的上述第2部分的周围。
在该光设备中，通过多个弹性间隔件的第2部分的至少一部分，能够保护多个光波导的第2部分免受外部的接触。
有关第7项目的光设备在有关第5或第6项目的光设备中，上述至少一个光波导分别包括位于相邻的两个隔墙之间的部分，在上述部分具备第1光栅。
在该光设备中，在光波导中传播的光能够经由第1光栅以高效率耦合。
有关第8项目的光设备在有关第5至第7项目的任一项的光设备中，上述至少一个光波导分别在上述第2部分具备第2光栅。
在该光设备中，能够经由第2光栅将光从外部向光波导以高效率输入。
有关第9项目的光设备在有关第1至第8项目的任一项的光设备中，还具备固定上述第1基板与上述第2基板之间的间隔的密封部件。上述至少1个光波导具有1个以上的第1光波导与1个以上的第2光波导分别连接的构造。当从与上述第1表面垂直的方向观察时，上述密封部件包围上述1个以上的第1光波导。
在该光设备中，能够将1个以上的第1光波导用第1基板、第2基板和密封部件密闭。
有关第10项目的光设备在有关第9项目的光设备中，上述1个以上的第1光波导分别包括沿着上述第1方向延伸的1个以上的电介质部件。上述第1基板与上述第2基板之间且由上述密封部件包围的区域被与上述1个以上的电介质部件相同的部件充满。
在该光设备中，通过将被第1基板、第2基板和密封部件密闭的空间用与1个以上的电介质部件相同的部件充满，能够容易地制作1个以上的第1光波导。
有关第11项目的光设备在有关第1至第10项目的任一项的光设备中，上述1个以上的第1光波导分别包括沿着上述第1方向延伸的1个以上的电介质部件。上述光设备还具备2个镜，该2个镜分别位于上述第1基板与上述1个以上的电介质部件之间、以及上述第2基板与上述1个以上的电介质部件之间。
在该光设备中，通过2个镜，各第1光波导作为反射型波导发挥功能。由此，能够使在各第1光波导中传播的光向外部射出。
有关第12项目的光设备在有关第11项目的光设备中，上述多个弹性间隔件的上述第1部分的至少一部分位于由上述2个镜夹着的区域的外侧。
在该光设备中，即使在由2个镜夹着的区域的外侧混入微粒，由于该区域中的与第1表面垂直的方向上的第1基板与第2基板的间隔大，所以也能够使贴合后的第1基板与第2基板的间隔均匀。
有关第13项目的光设备在有关第10至第12项目的任一项的光设备中，上述1个以上的第1光波导具备能够调整上述1个以上的电介质部件的折射率的构造。通过调整上述1个以上的电介质部件的折射率，从上述1个以上的第1光波导经由上述第1基板或上述第2基板射出的光的方向，或者经由上述第1基板或上述第2基板被取入到上述1个以上的第1光波导内的光的入射方向变化。
在该光设备中，能够实现能够使光的射出方向变化的光扫描设备或能够使光的接收方向变化的光接收设备。
有关第14项目的光设备在有关第13项目的光设备中，还具备夹着上述1个以上的电介质部件的一对电极。上述1个以上的电介质部件包含液晶材料或电光学材料。通过对上述一对电极施加电压，调整上述1个以上的电介质部件的上述折射率。
在该光设备中，通过电压施加，能够实现有关第13项目的光设备。
有关第15项目的光设备在有关第14项目的光设备中，还具备与上述1个以上的第1光波导分别直接相连或经由其他波导相连的1个以上的移相器。通过使穿过上述1个以上的移相器的光的相位的差变化，从上述1个以上的第1光波导经由上述第1基板或上述第2基板射出的上述光的方向，或者经由上述第1基板或上述第2基板被取入到上述1个以上的第1光波导的上述光的入射方向变化。
在该光设备中，能够实现通过1个以上的移相器能够使光的射出方向在2个方向上独立地变化的光扫描设备、或能够使光的接收方向在2个方向上独立地变化的光接收设备。
有关第16项目的光检测系统具备：有关第1至第15项目的任一项的光设备；光检测器，检测从上述光设备射出并从对象物反射的光；以及信号处理电路，基于上述光检测器的输出，生成距离分布数据。
在该光检测系统中，通过计测从对象物反射的光返回来的时间，能够得到对象物的距离分布数据。
有关第17项目的光设备的制造方法包括：准备具有第1表面的第1基板和具有第2表面的第2基板的工序；在上述第1基板的上述第1表面上形成沿着一方向延伸的至少1个光波导的工序；在上述第1基板的上述第1表面上或上述第2基板的上述第2表面上形成多个弹性间隔件的工序；以上述多个弹性间隔件位于上述至少1个光波导的周围的方式使上述第1基板的上述第1表面与上述第2基板的上述第2表面对置，固定上述第1基板和上述第2基板的工序；以及将上述第1基板或上述第2基板中的没有设置上述多个弹性间隔件的基板的一部分切断而去除，使上述多个弹性间隔件的一部分露出的工序。
通过该光设备的制造方法，能够制造有关第1项目的光设备。
有关第18项目的光设备的制造方法在有关第17项目的光设备的制造方法中，还包括形成多个隔墙的工序。形成上述至少1个光波导的工序包括在上述多个隔墙之间设置1个以上的电介质部件的工序，该设置1个以上的电介质部件的工序比形成上述多个隔墙的工序靠后。
在该光设备的制造方法中，能够在多个隔墙之间形成分别具有1个以上的电介质部件的1个以上的光波导。
有关第19项目的光设备的制造方法在有关第17项目的光设备的制造方法中，还包括形成多个隔墙的工序。形成上述至少1个光波导的工序还包括向上述多个隔墙之间注入包含液晶材料的1个以上的电介质部件的工序，该注入包含液晶材料的1个以上的电介质部件的工序比固定上述第1基板和上述第2基板的工序靠后。
在该光设备的制造方法中，能够在多个隔墙之间形成分别具有包含液晶材料的1个以上的电介质部件的1个以上的光波导。
以下，说明本发明的例示性的实施方式的光设备。
(实施方式)
图9是示意地表示本实施方式的光设备100的下部构造体100a的例子的平面图。图10A至图10C分别是表示图9所示的A－A线截面、B－B线截面及C－C线截面的图。
光设备100具备第1基板50a、第2基板50b、多个隔墙73、多个第1光波导10、多个弹性间隔件77、密封部件79和多个第2光波导11。关于第1光波导10的个数，没有限定，也可以是1个。关于第2光波导11及弹性间隔件77也是同样的。在以下的说明中，将“第1基板50a”及“第2基板50b”分别称作“基板50a”及“基板50b”，将“第1光波导10”及“第2光波导11”分别称作“光波导10”及“光波导11”。
本实施方式的光设备100具备下部构造体100a和上部构造体100b。
下部构造体100a具备基板50a、电极62a、镜40、电介质层51、多个隔墙73、多个弹性间隔件77、密封部件79和光波导11。如图10A所示，基板50a具有沿着X方向及Y方向扩展的第1表面50as。在基板50a上设有电极62a。在电极62a上设有镜40。在镜40上设有电介质层51。在电介质层51上设有隔墙73、弹性间隔件77、密封部件79和光波导11。
上部构造体100b具备具有第2表面50bs的基板50b、电极62b和镜40。第2表面50bs与基板50a的第1表面50as对置。第2表面50bs具有与第1表面50as大致相同的面积。在基板50b上设有电极62b。在电极62b上设有镜30。
基板50a及基板50b中的射出光的一侧的基板具有透光性。也可以是基板50a及基板50b双方具有透光性。同样，电极62a及电极62b中的、射出光的一侧的电极具有透光性。也可以是电极62a及电极62b双方具有透光性。电极62a及电极62b的至少一方例如可以由透明电极形成。在图9及图10A至图10C所示的例子中，光经由上部构造体100b的电极62b及基板50b从光波导10射出。
如图9所示，多个隔墙73位于基板50a与基板50b之间，在Y方向上排列。各隔墙73沿着X方向延伸。
多个光波导10被规定在多个隔墙73之间。各光波导10包括沿着X方向延伸的电介质部件21。另外，图10A至10C表示构成电介质部件21的材料被注入之前的状态。电介质部件21例如包含液晶材料或电光学材料。光波导10具备镜30、镜40和电介质部件21。电介质部件21设置于由镜30、40及相邻的2个隔墙73包围的区域中。光波导10作为上述的慢光波导发挥功能。镜40位于基板50a与电介质部件21之间。镜30位于基板50b与电介质部件21之间。电介质部件21构成图2所示的光导波层20。在图9及图10A至图10C所示的例子中，光导波层20内的电介质层51的一部分被除去，镜40的一部分露出。光导波层20形成于被镜30和镜40夹着的区域中。
电介质部件21的折射率比隔墙73及电介质层51的折射率高。由此，在光导波层20内传播的光不会泄漏到隔墙73及其正下方的电介质层51。在光导波层20内传播的光在光导波层20与各隔墙73的界面、及光导波层20与电介质层51的界面被全反射。
一对电极62a及电极62b直接或间接地夹着电介质部件21。“直接夹着”是指不经由其他部件夹着。“间接地夹着”是指经由其他部件夹着。通过向一对电极62a及电极62b施加电压，调整电介质部件21的折射率。结果，从光波导10向外部射出的光的射出角度变化。
另外，光波导10不需要是慢光波导。光波导10例如也可以是通过全反射使光传播的波导。在该波导中，光不经由基板50a或基板50b而从光波导10的端部向外部射出。
多个弹性间隔件77位于多个光波导10的周围。在图9所示的例子中，多个柱状的弹性间隔件77二维地配置。该配置既可以是规则性或周期性的，也可以是不规则性的。XY平面内的弹性间隔件77的直径例如可以是10μm以上100μm以下。在图9所示的例子中，弹性间隔件77位于由密封部件79包围的区域的内侧及外侧双方。弹性间隔件77也可以仅设置于该区域的内侧及外侧的一方。这样，弹性间隔件77位于该区域的内侧及外侧的至少一方。一部分弹性间隔件77也可以设置于光导波层20内。弹性间隔件77也可以具有在由密封部件79包围的区域的内侧及/或外侧相连为1个的形状。该形状例如在从Z方向观察的情况下，可以是直线状、曲线状、波线状或锯齿线状的形状。
在贴合下部构造体100a及上部构造体100b前的状态下，Z方向上的弹性间隔件77的尺寸比Z方向上的隔墙73及镜30的尺寸的合计大。此外，在此状态下，Z方向上的弹性间隔件77的尺寸比Z方向上的密封部件79的尺寸大。因而，在粘贴下部构造体100a及上部构造体100b时，上部构造体100b的电极62b最先与下部构造体100a的弹性间隔件77接触。因此，密封部件79与电极62b接触的部位、或隔墙73与镜30接触的部位不会成为支点。
在弹性间隔件77中，发生弹性变形。在弹性体上施加有力而发生了应变的情况下，弹性模量通过将所施加的力除以所产生的应变来定义。弹性间隔件77的弹性模量比隔墙73及镜30的弹性模量小。即，弹性间隔件77比隔墙73及镜30更容易变形。在贴合了下部构造体100a及上部构造体100b时，弹性间隔件77如弹簧那样作用而压缩。由此，隔墙73的上表面与镜30的反射面均匀地接触，基板50a与基板50b的间隔整体上变得均匀。结果，基板50a和基板50b大致成为平行。此时，通过基板50a和基板50b的夹持，Z方向上的各弹性间隔件的变形率比Z方向上的各隔墙的变形率大。
密封部件79固定基板50a与基板50b之间的间隔。如图9所示，当从Z方向观察时密封部件79包围多个光波导10及多个隔墙73。密封部件79在Y方向上以跨光波导11的方式设置。密封部件79的上表面与XY平面平行。电介质层51上的Z方向上的密封部件79的尺寸等于Z方向上的隔墙73的尺寸及镜30的尺寸的合计或大于该合计。密封部件79例如可以由紫外线固化树脂或热固化树脂形成。只要是能够长期间维持基板50a与基板50b之间的间隔的部件，密封部件79的材料不需要是紫外线固化树脂或热固化树脂。
光波导11与光波导10连接。从光波导11向光波导10供给光。在图9及图10A至图10C所示的例子中，光波导11位于电介质层51上。电介质层51位于基板50a与光波导11之间。通过调整Z方向上的电介质层51的尺寸，能够使在光波导11中传播的光以高效率与光波导10耦合。Z方向上的电介质层51的尺寸例如可以被调整为，光波导11位于Z方向上的光导波层20的中央附近。光波导11是通过全反射使光传播的波导。因此，光波导11的折射率比电介质层51的折射率高。另外，光波导11也可以是慢光波导。
多个光波导11分别具备位于多个隔墙73中的相邻的2个隔墙之间的部分。如图9至图10C所示，多个光波导11分别在该部分具备光栅15。光波导11的传播常数与光波导10的传播常数不同。通过光栅15，光波导11的传播常数移位逆点阵的量。当移位了逆点阵的量的光波导11的传播常数与光波导10的传播常数一致时，在光波导11中传播的光以高效率与光波导10耦合。
图11A至图11C分别是示意地表示贴合了图10A至图10C所示的下部构造体100a及上部构造体100b的状态下的光设备100的例子的图。如图11A至图11C所示，如果贴合基板50a与基板50b，则经由弹性间隔件77，在对置的第1表面50as及第2表面50bs上均匀地施加力。由此，基板50a和基板50b实质上成为平行。弹性间隔件77被基板50a和基板50b直接或间接地夹持。在图11A至图11C所示的例子中，弹性间隔件77被下部构造体100a的电介质层51和上部构造体100b的电极62b直接夹持。Z方向上的弹性间隔件77的尺寸比Z方向上的隔墙73的尺寸大。
图12A及图12B分别是示意地表示将图11A及图11B所示的基板50b及电极62b的一部分切断的例子的图。通过切断，由密封部件79包围的区域的周边的一部分被去除。结果，第2表面50bs具有与第1表面50as不同的面积。如图12A及图12B所示，光波导11在从Z方向观察时具有与基板50a重叠但不与基板50b重叠的部分。光波导11也可以在该不重叠的部分具备光栅13。因为与上述的理由同样的理由，在经由光栅13输入了光的情况下，被输入的光能够以更高的效率与光波导11耦合。光波导11既可以包括与基板50b重叠、而不与基板50a重叠的部分，也可以包括不与基板50a及基板50b双方重叠的部分。这样，光波导11在从与各基板的表面垂直的方向观察的情况下，可以具备不与基板50a及基板50b的至少一方重叠的部分。在此情况下，一部分弹性间隔件77不被基板50a及基板50b夹持而残留在电介质层51上。该一部分弹性间隔件77的Z方向上的尺寸比残留的弹性间隔件77的Z方向上的尺寸大。通过该一部分的弹性间隔件77残留，能够保护电极62a或电极62b、光栅13及光波导11免受外部的接触。
总结弹性间隔件77的作用如下。弹性间隔件77在制造光设备100时，起到使基板50a及基板50b平行的作用。弹性间隔件77在使用光设备100时，起到保护一部分构成要素免受外部的接触的作用。
在电介质部件21由液晶材料构成的情况下，在贴合下部构造体100a及上部构造体100b之后，从封入口79o注入液晶材料。也可以在将这些贴合后的构造体的至少一方的一部分切断后，从封入口79o注入液晶材料。在注入液晶材料后，将封入口79o用与密封部件79相同的部件封闭。这样被密闭的区域整体上被液晶材料充满。该区域是位于基板50a与基板50b之间，被密封部件79包围的区域。该区域被与电介质部件21相同的部件充满。
以下，说明在光设备100的制作中使用的构成要素的材料及尺寸的详细情况的例子。以下，有将Z方向上的尺寸称作“厚度”的情况。
首先，说明下部构造体100a的构成要素的材料及尺寸的例子。
基板50a例如可以由SiO2层形成。X方向及Y方向上的基板50a的尺寸例如可以两者都是15mm。基板50a的厚度例如可以是0.7mm。
电极62a例如可以由ITO溅镀层形成。电极62a的厚度例如可以是50nm。
镜40可以是多层反射膜。多层反射膜例如可以通过将Nb2O5层和SiO2层交替地蒸镀并层叠而形成。Nb2O5层具有折射率n＝2.282。Nb2O5层的厚度例如可以是100nm左右。SiO2层具有折射率n＝1.468。SiO2层的厚度例如可以是200nm左右。镜40例如具有31层的Nb2O5层及30层的SiO2层的合计61层。镜40的厚度例如可以是9.1μm。
电介质层51例如可以由SiO2蒸镀层形成。SiO2蒸镀层具有折射率n＝1.468。SiO2蒸镀层的厚度例如可以是1.0μm左右。
光波导11例如可以由Nb2O5蒸镀层形成。Nb2O5蒸镀层具有折射率n＝2.282。Nb2O5蒸镀层的厚度例如可以是300nm左右。在光波导11中可以形成光栅15及光栅13。光栅15例如具有占空比1:1及间距640nm。光栅13例如具有占空比1:1及间距680nm。光栅15及光栅13可以通过基于光刻法的构图来形成。Y方向上的光波导11的尺寸例如可以是10μm。
隔墙73可以由SiO2蒸镀层形成。SiO2蒸镀层具有折射率n＝1.468。SiO2蒸镀层的厚度例如可以是1.0μm。Y方向上的隔墙73的尺寸例如可以是50μm。
在光导波层20内，电介质层51的一部分例如可以通过基于光刻法的构图来除去。光导波层20的厚度例如可以是2.0μm。Y方向上的光导波层20的尺寸例如可以是10μm。
接着，说明上部构造体100b的构成要素的材料及尺寸的详细情况。
基板50b例如可以由SiO2层形成。X方向及Y方向上的基板50a的尺寸例如分别是8mm及20mm，基板50a的厚度例如可以是0.7mm。
电极62b例如可以由ITO溅镀层形成。电极62b的厚度例如可以是50nm。
镜30可以是多层反射膜。多层反射膜可以通过将Nb2O5层和SiO2层交替地蒸镀并层叠而形成。Nb2O5层具有折射率n＝2.282。Nb2O5层的厚度例如可以是100nm左右。SiO2层具有折射率n＝1.468。SiO2层的厚度例如可以是200nm左右。镜30例如具有7层的Nb2O5层及6层的SiO2层的合计13层。镜30的厚度例如可以是1.9μm。
接着，说明弹性间隔件77及密封部件79的材料及尺寸的详细的例子。
对于弹性间隔件77，例如可以使用积水化学制的Micropearl EX－003。在贴合下部构造体100a及上部构造体100b前的状态下，Z方向上的弹性间隔件77的尺寸例如是3.0μm。弹性间隔件77的该尺寸比隔墙73的厚度及镜30的厚度的合计大。隔墙73的厚度例如可以是1μm，镜30的厚度例如可以是1.9μm。
对于电介质部件21，例如可以使用5CB液晶。
在密封部件79中，例如可以使用三键(ThreeBond)制的紫外线固化粘接剂3026E。例如，通过波长365nm及能量密度100mJ/cm2的紫外线照射将密封部件79固化，由此能够贴合下部构造体100a及上部构造体100b。由此，能得到本实施方式的光设备100。
另外，基板50a及基板50b也可以不由SiO2形成。基板50a及基板50b例如也可以是玻璃或蓝宝石等的无机基板、或者丙烯酸或聚碳酸酯等的树脂基板。这些无机基板及树脂基板具有透光性。
射出光的镜30的透射率例如是99.9％，不射出光的镜40的透射率例如是99.99％。该条件可以通过多层反射膜的层数的调整来实现。作为多层反射膜内的2个层的组合，例如一方的层的折射率是2以上，另一方的层的折射率小于2。如果2个折射率的差较大，则能够得到高反射率。折射率为2以上的层例如可以由从SiNx、AlNx、TiOx、ZrOx、NbOx及TaOx构成的组中选择的至少1个形成。折射率小于2的层例如可以由从由SiOx或AlOx构成的组中选择的至少1个形成。
电介质层51的折射率例如小于2，光波导11的折射率例如是2以上。如果2个折射率的差较大，则能够减少从光波导11向电介质层51渗透出的瞬逝光。
接着，说明测量图9所示的a至i部位及α至δ部位处的间隔的结果。该间隔通过相位差(retardation)测量来调查。在该测量中使用75个光波导10。a、b及c部位或g、h及i部位是多个隔墙73中的端部的隔墙的3个部位。d、e及f部位是多个隔墙73中的中央的隔墙的3个部位。α至δ部位是被密封部件79包围的区域的4个角的部位。
a至i部位处的间隔是Z方向上的隔墙73与镜30的间隔，该间隔的理论值是0nm。α至δ部位处的间隔是Z方向上的电介质层51与电极62b的间隔，该间隔的理论值是2.9μm。
表1表示不存在弹性间隔件77的情况下的a至i部位及α至δ部位处的间隔。
[表1]
Figure BDA0003273843050000221
Figure BDA0003273843050000231
在不存在弹性间隔件77的情况下，a至i部位处的间隔的平均值是0.146nm，其标准偏差是0.128nm。α至δ部位处的间隔的平均值是3.10μm，其标准偏差是0.154μm。因而，间隔的平均值较大地偏离上述的理论值，间隔的离差也较大，间隔不均匀。
[表2]
场所 缝隙(μm) 场所 缝隙(μm)
a 0.003 α 2.94
b 0.007 β 2.94
c 0.005 γ 2.94
d 0.004 δ 2.94
e 0.009 平均值 2.94
f 0.007 标准偏差 0.000
g 0.003
h 0.006
i 0.006
平均值 0.006
标准偏差 0.002
表2表示存在弹性间隔件77的情况下的a至i部位及α至δ部位处的间隔。在存在弹性间隔件77的情况下，a至i部位处的间隔的平均值是0.006nm，其标准偏差是0.002nm。α至δ部位处的间隔的平均值是2.94μm，其标准偏差是0.000μm。因而，间隔的平均值接近于上述的理论值，间隔的离差充分小，可以说间隔是均匀的。即，在本实施方式的光设备100中，通过弹性间隔件77，能够大幅地改善基板50a与基板50b的间隔的均匀性。
在本实施方式中，如图12A及图12B所示，上部构造体100b的一部分被切断而去除。在图12A及图12B所示的例子中，上部构造体100b的XY方向上的尺寸比下部构造体100a的XY方向上的尺寸小。在此情况下，也可以通过仅在图9所示的由密封部件79包围的区域内和其周边设置弹性间隔件77，而且将图12A及图12B所示的下部构造体100a及上部构造体100b经由弹性间隔件77贴合，来制作光设备。本发明的发明人调查的结果是，在此情况下，a至i部位处的间隔的平均值是0.01nm，其标准偏差是0.004nm。α至δ部位处的间隔的平均值是2.94μm，其标准偏差是0.007μm。确实在此情况下也能够大幅地改善基板50a与基板50b之间的间隔的均匀性。相对于此，在本实施方式的光设备100中，如上述那样，a至i部位处的间隔的平均值是0.006nm，其标准偏差是0.002nm。α至δ部位处的间隔的平均值是2.94μm，其标准偏差是0.000μm。因而，通过使用本发明的技术，能够进一步改善基板50a与基板50b之间的间隔的均匀性。
此外，在本实施方式的光设备100中，在形成弹性间隔件77的区域不形成上部构造体100b的镜30。通过这样的构成，在形成弹性间隔件77及密封部件79的区域能够将Z方向的间隔取得较大。由此，固化前的液态的密封部件79不会扩散到所需以上。此外，在贴合下部构造体100a及上部构造体100b时，如果下部构造体100a和上部构造体100b夹着较大的微粒，则贴合后的间隔有可能变得不均匀。在此情况下，也由于在本实施方式中特别是容易混入微粒的周围部的Z方向的间隔较大，所以能够使贴合后的间隔变得均匀。
在形成弹性间隔件77的区域中，也可以不形成镜30及镜40的至少一方。在上述的例子中，没有形成镜30。相反，也可以不形成镜40。或者，也可以不形成镜30及镜40双方。
接着，说明光设备100的变形例。图13是示意地表示变形例的光设备100M的结构的剖视图。图13所示的光设备100M的截面与图9所示的C－C线截面对应。图13的上方的图表示贴合下部构造体101a及上部构造体101b前的状态。图13的下方的图表示贴合下部构造体101a及上部构造体101b后的状态。在上述的实施方式中，在上部构造体100b中的形成弹性间隔件77的区域中没有形成镜30。相对于此，在本变形例中，在形成弹性间隔件77的区域中也形成有镜31。在本变形例中，能够大幅地减少相邻的波导10彼此的干涉即串扰。
接着，说明测量从本实施方式的光设备100射出的光的结果。
图14是示意地表示从光设备100的光的射出的图。在图14所示的例子中，从光设备100射出的光由被固定为射出角度θ＝60°的方向的未图示的光检测器测量。在该测量中，589nm的激光经由光栅13输入到各光波导11中。可知在存在弹性间隔件77的情况下，与不存在弹性间隔件77的情况相比，测量的光的强度高到约100倍到约1000倍。即，在本实施方式的光设备100中，通过弹性间隔件77，能够大幅地改善射出的光的强度及射出角度的精度。
<制造方法>
以下，说明上述的光设备100的制造方法的一例。
图15是表示光设备100的制造工序的一例的流程图。该例的光设备100的制造方法包括以下的步骤S101至步骤S106。
在步骤S101中，准备具有第1表面50as的基板50a和具有第2表面50bs的基板50b。在步骤S102中，在第1表面50as上形成多个隔墙73。在步骤S103中，在第1表面50as或第2表面50bs上而且在完成状态下位于多个隔墙73的周围的部位，形成弹性间隔件77。在步骤S104中，对第1表面50as或第2表面50bs而且在完成状态下将多个隔墙73包围且不存在弹性间隔件77的部位，涂敷密封部件79。在步骤S105中，在密封部件79与第1表面50as及第2表面50bs密接的状态下，使密封部件79固化，由此使基板50a与基板50b粘接。在步骤S106中，将基板50a或基板50b中的没有设置弹性间隔件77的基板的一部分切断并去除，使弹性间隔件77的一部分露出。
也可以比步骤S102靠后而包括在多个隔墙73之间设置多个电介质部件21的步骤。在电介质部件21包含液晶材料的情况下，也可以比步骤S105靠后而包括向多个隔墙73之间注入多个电介质部件21的步骤。
通过以上的方法，能够制作光设备100。
<应用例>
图16是表示在电路基板(例如芯片)上集成了分光器90、波导阵列10A、移相器阵列80A及光源130等元件的光扫描设备100的结构例的图。光源130例如可以是半导体激光器等发光元件。该例中的光源130射出自由空间中的波长是λ的单一波长的光。分光器90将来自光源130的光分支并向多个移相器的波导导入。在图11所示的例子中，在芯片上设有电极62A和多个电极62B。对于波导阵列10A，从电极62A供给控制信号。对于移相器阵列80A中的多个移相器80，从多个电极62B分别传送控制信号。电极62A及多个电极62B能够连接于生成上述控制信号的未图示的控制电路。控制电路既可以设在图11所示的芯片上，也可以设在光扫描设备100的其他芯片上。
如图16所示，通过将全部的组件集成到芯片上，能够用小型的设备实现大范围的光扫描。例如能够在2mm×1mm左右的芯片上集成图11所示的全部的组件。
图17是表示从光扫描设备100向远方照射激光等光束而执行二维扫描的状况的示意图。二维扫描通过使光束点310在水平及垂直方向上移动来执行。例如，通过与周知的TOF(Time Of Flight：飞行时间)法组合，能够取得二维的测距图像。TOF法是通过照射激光并观测来自对象物的反射光来计算光的飞行时间并求出距离的方法。
图18是表示作为能够生成这样的测距图像的光检测系统的一例的LiDAR系统300的结构例的框图。LiDAR系统300具备光扫描设备100、光检测器400、信号处理电路600和控制电路500。光检测器400检测从光扫描设备100射出并从对象物反射的光。光检测器400例如可以是对于从光扫描设备100射出的光的波长λ具有灵敏度的图像传感器、或包括光电二极管等受光元件的光检测器。光检测器400输出与接受到的光的量对应的电信号。信号处理电路600基于从光检测器400输出的电信号，计算到对象物的距离，生成距离分布数据。距离分布数据是表示距离的二维分布的数据(即测距图像)。控制电路500是对光扫描设备100、光检测器400及信号处理电路600进行控制的处理器。控制电路500对从光扫描设备100照射光束的定时、以及光检测器400的曝光及信号读出的定时进行控制，向信号处理电路600指示测距图像的生成。
在二维扫描中，作为取得测距图像的帧速率，例如可以从通常在运动图像中经常使用的60fps、50fps、30fps、25fps、24fps等中选择。此外，如果考虑向车载系统的应用，则帧速率越大则取得测距图像的频度越提高，能够精度越好地检测障碍物。例如，在60km/h下的行驶时，在60fps的帧速率下，每当车移动约28cm就能够取得图像。在120fps的帧速率下，每当车移动约14cm就能够取得图像。在180fps的帧速率下，每当车移动约9.3cm就能够取得图像。
为了取得一个测距图像所需要的时间依赖于光束扫描的速度。例如，为了以60fps取得分辨点数为100×100的图像，需要每1点以1.67μs以下进行光束扫描。在此情况下，控制电路500以600kHz的动作速度控制由光扫描设备100进行的光束的射出、以及由光检测器400进行的信号积蓄及读出。
<对光接收设备的应用例>
本发明的上述实施方式中的光扫描设备能够以大致相同的结构还被用作光接收设备。光接收设备具备与光扫描设备相同的波导阵列10A、和调整可接收的光的方向的第1调整元件。波导阵列10A的各第1镜30使从第3方向向第1反射面的相反一侧入射的光透射。波导阵列10A的各光波导层20使透射了第1镜30的光在第2方向上传播。第1调整元件通过使各波导元件10中的上述光波导层20的折射率及厚度、以及光的波长中的至少一个变化，能够使可接收的光的方向变化。进而，在光接收设备具备与光扫描设备相同的多个移相器80、或80a及80b、和使从多个波导元件10经过多个移相器80、或80a及80b而输出的光的相位的差分别变化的第2调整元件的情况下，能够使可接收的光的方向二维地变化。
例如能够构成将图16所示的光扫描设备100中的光源130替换为接收电路的光接收设备。如果波长λ的光入射到波导阵列10A，则该光经过移相器阵列80A被传送至分光器90，最终被集中到一个部位，被传送至接收电路。被集中在该一个部位的光的强度可以说表示光接收设备的灵敏度。光接收设备的灵敏度可以由分别组装到波导阵列及移相器阵列80A的调整元件来调整。在光接收设备中，例如在图4中，波数矢量(图中的粗箭头)的方向成为相反。入射光具有波导元件10延伸的方向(图中的X方向)的光分量和波导元件10的排列方向(图中的Y方向)的光分量。X方向的光分量的灵敏度可以由组装到波导阵列10A的调整元件来调整。另一方面，波导元件10的排列方向的光分量的灵敏度可以由组装到移相器阵列80A的调整元件来调整。根据光接收设备的灵敏度成为最大时的光的相位差
Figure BDA0003273843050000271
光波导层20的折射率nw及厚度d，能知道图4所示的θ及α0。因此，能够确定光的入射方向。
根据以上，参照图12A及图12B所示的例子总结本实施方式的光设备100的作为光扫描设备或光接收设备的结构及动作如下。
在本实施方式的光设备100中，多个电介质部件21包含液晶材料或电光学材料。多个电介质部件21为了施加电压而被一对电极62a及电极62b夹着。即，多个光波导10具备能够调整多个电介质部件21的折射率的构造。
在使用本实施方式的光设备100作为光扫描设备的情况下，通过调整多个电介质部件21的折射率，从多个光波导10经由基板50a或基板50b射出的光的方向变化。更具体地讲，该光的波数矢量的X方向的分量变化。
在使用本实施方式的光设备100作为光接收设备的情况下，通过调整多个电介质部件21的折射率，经由基板50a或基板50b被取入到多个光波导10中的光的入射方向变化。更具体地讲，该光的波数矢量的X方向的分量变化。
本实施方式的光设备100也可以在多个光波导10还具备分别直接或经由其他波导相连的多个移相器80。当光波导10的个数为1个时，移相器80的个数也为1个。
在使用本实施方式的光设备100作为光扫描设备的情况下，通过使穿过多个移相器80的光的相位的差变化，从多个光波导10经由基板50a或基板50b射出的光的方向变化。更具体地讲，该光的波数矢量的Y方向的分量变化。
在使用本实施方式的光设备100作为光接收设备的情况下，通过使穿过多个移相器80的光的相位的差变化，经由基板50a或基板50b被取入到多个光波导10中的入射方向变化。更具体地讲，该光的波数矢量的Y方向的分量变化。
上述的实施方式可以适当组合。
产业上的可利用性
本发明的实施方式的光扫描设备及光接收设备可以利用于在例如汽车、UAV、AGV等的车辆上搭载的激光雷达系统等的用途。
标号说明
10 波导元件、光波导
11 光波导
10A 波导阵列
13 光栅
15 光栅
20 光波导层
21 电介质部件
30 第1镜
40 第2镜
50a、50b 基板
51 电介质层
62a、62b、62A、62B 电极
73 多个隔墙
80 移相器
80A 移相器阵列
90 分光器
100、100A 光扫描设备
110 波导阵列的驱动电路
130 光源
210 移相器阵列的驱动电路
310 光束点
400 光检测器
500 控制电路
600 信号处理电路。

Claims (19)

1.一种光设备，其中，具备：
第1基板，具有沿着第1方向及与上述第1方向交叉的第2方向扩展的第1表面；
第2基板，具有与上述第1表面至少局部地对置的第2表面，上述第2表面具有与上述第1表面不同的面积；
至少1个光波导，在上述第1基板与上述第2基板之间沿着上述第1方向延伸；以及
多个弹性间隔件，配置于上述第1表面及上述第2表面的至少一方，包括第1部分及第2部分；
上述多个弹性间隔件的上述第1部分是位于上述第1基板与上述第2基板之间而且从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中的至少1个弹性间隔件；
上述多个弹性间隔件的上述第2部分是位于从与上述第1表面垂直的方向观察时上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中的至少1个弹性间隔件。
2.如权利要求1所述的光设备，其中，
还具备多个隔墙，该多个隔墙是在上述第1基板与上述第2基板之间在上述第2方向上排列的多个隔墙，各个隔墙沿着上述第1方向延伸；
上述多个弹性间隔件各自的弹性模量比上述多个隔墙各自的弹性模量小。
3.如权利要求2所述的光设备，其中，
上述多个隔墙被上述第1基板和上述第2基板直接或间接地夹持；
通过上述第1基板和上述第2基板的夹持，与上述第1表面垂直的方向上的上述多个弹性间隔件各自的变形率比上述垂直的方向上的上述多个隔墙各自的变形率大。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光设备，其中，
上述多个弹性间隔件分别具有柱状的形状。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光设备，其中，
上述至少1个光波导分别具备：第1部分，配置在上述第1基板与上述第2基板之间而且上述第1基板与上述第2基板重叠的区域中；以及第2部分，配置在上述第1基板与上述第2基板不重叠的区域中。
6.如权利要求5所述的光设备，其中，
上述至少一个光波导是多个光波导；
上述多个弹性间隔件的上述第2部分的至少一部分位于上述多个光波导各自的上述第2部分的周围。
7.如权利要求5或6所述的光设备，其中，
上述至少一个光波导分别包括位于相邻的两个隔墙之间的部分，在上述部分具备第1光栅。
8.如权利要求5～7中任一项所述的光设备，其中，
上述至少一个光波导分别在上述第2部分具备第2光栅。
9.如权利要求1～8中任一项所述的光设备，其中，
还具备固定上述第1基板与上述第2基板之间的间隔的密封部件；
上述至少1个光波导具有1个以上的第1光波导与1个以上的第2光波导分别连接的构造；
当从与上述第1表面垂直的方向观察时，上述密封部件包围上述1个以上的第1光波导。
10.如权利要求9所述的光设备，其中，
上述1个以上的第1光波导分别包括沿着上述第1方向延伸的1个以上的电介质部件各自；
上述第1基板与上述第2基板之间且由上述密封部件包围的区域被与上述1个以上的电介质部件相同的部件充满。
11.如权利要求1～10中任一项所述的光设备，其中，
上述1个以上的第1光波导分别包括沿着上述第1方向延伸的1个以上的电介质部件各自；
上述光设备还具备2个镜，该2个镜分别位于上述第1基板与上述1个以上的电介质部件之间、以及上述第2基板与上述1个以上的电介质部件之间。
12.如权利要求11所述的光设备，其中，
上述多个弹性间隔件的上述第1部分的至少一部分位于被上述2个镜夹着的区域的外侧。
13.如权利要求10～12中任一项所述的光设备，其中，
上述1个以上的第1光波导具备能够调整上述1个以上的电介质部件的折射率的构造；
通过调整上述1个以上的电介质部件的折射率，从上述1个以上的第1光波导经由上述第1基板或上述第2基板射出的光的方向、或者经由上述第1基板或上述第2基板被取入到上述1个以上的第1光波导内的光的入射方向变化。
14.如权利要求13所述的光设备，其中，
还具备夹着上述1个以上的电介质部件的一对电极；
上述1个以上的电介质部件包含液晶材料或电光学材料；
通过对上述一对电极施加电压，调整上述1个以上的电介质部件的上述折射率。
15.如权利要求14所述的光设备，其中，
还具备与上述1个以上的第1光波导分别直接相连或经由其他波导相连的1个以上的移相器；
通过使穿过上述1个以上的移相器的光的相位的差变化，从上述1个以上的第1光波导经由上述第1基板或上述第2基板射出的上述光的方向、或者经由上述第1基板或上述第2基板被取入到上述1个以上的第1光波导的上述光的入射方向变化。
16.一种光检测系统，其中，具备：
权利要求1～15中任一项所述的光设备；
光检测器，检测从上述光设备射出并从对象物反射的光；以及
信号处理电路，基于上述光检测器的输出，生成距离分布数据。
17.一种光设备的制造方法，其中，包括：
准备具有第1表面的第1基板和具有第2表面的第2基板的工序；
在上述第1基板的上述第1表面上形成沿着一方向延伸的至少1个光波导的工序；
在上述第1基板的上述第1表面上或上述第2基板的上述第2表面上形成多个弹性间隔件的工序；
以上述多个弹性间隔件位于上述至少1个光波导的周围的方式使上述第1基板的上述第1表面与上述第2基板的上述第2表面对置，固定上述第1基板和上述第2基板的工序；以及
将上述第1基板或上述第2基板中的没有设置上述多个弹性间隔件的基板的一部分切断而去除，使上述多个弹性间隔件的一部分露出的工序。
18.如权利要求17所述的光设备的制造方法，其中，
还包括形成多个隔墙的工序；
形成上述至少1个光波导的工序包括在上述多个隔墙之间设置1个以上的电介质部件的工序，该设置1个以上的电介质部件的工序比形成上述多个隔墙的工序靠后。
19.如权利要求17所述的光设备的制造方法，其中，
还包括形成多个隔墙的工序；
形成上述至少1个光波导的工序还包括向上述多个隔墙之间注入包含液晶材料的1个以上的电介质部件的工序，该注入包含液晶材料的1个以上的电介质部件的工序比固定上述第1基板和上述第2基板的工序靠后。
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