JP2002244166A

JP2002244166A - ビーム集光装置およびスキャニング装置

Info

Publication number: JP2002244166A
Application number: JP2001038058A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Nakanishi; 淑人中西; Atsushi Omote; 篤志表; Hiroshi Yamashita; 博山下; Hiroyuki Yabuki; 博幸矢吹
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-08-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ビーム発生源から照射されるビームの波面形
状、ビーム本数、集光位置を空間的時間的に任意に変化
させることが可能なビーム集光装置およびビームスキャ
ン装置を提供する。【解決手段】屈折率が２次元的に可変な基板１、２を
用いて、ビーム発生源３からのビームが基板１、２を透
過する際のビームの位相を時間的、空間的に任意に変化
させる。基板に液晶材料を用いることにより、屈折率制
御は印加する電圧により制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーダ装置等のビー
ム集光装置およびビームスキャン装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーダ装置としてたとえば特開平
０７−２０９４１４号公報に記載されたものが知られて
いる。

【０００３】図１１において、Ｍ２は回転装置、Ｍ１は
レーダ装置を示している。レーダ装置Ｍ１から照射され
るビームを所望の発射方向にするために、回転装置Ｍ２
によりレーダ装置本体の角度を回転させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、機械的
な動作でビーム発射方向を変化させる従来の構成では装
置が大型になり、また機械的磨耗等による性能劣化を起
こすことがある。さらに２次元的にビームをスキャニン
グするためには複数のモータが必要となり、装置が複雑
となる。本発明は、ビームを機械的スキャニングをする
のではなく、基板上の屈折率を局所的に任意に変化でき
る基板を光学レンズの様に用いることで、発生源から照
射されるビームの波面形状、ビーム本数、集光位置を空
間的時間的に任意に変化させることが可能なビーム集光
装置およびビームスキャン装置を提供することを目的と
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によるビーム集光
装置およびビームスキャン装置は、第１の手段として基
板の屈折率を変化できる材料からなる１枚以上の基板
と、前記基板の上下面の少なくともどちらか一方にアレ
イ上に配置された電極からなるセルと、前記電極に対し
て物理的変化を与える制御信号を発生する屈折率制御機
構と、ビーム発生源とで構成されたものである。

【０００６】また、第２の手段として、基板の屈折率を
変化できる材料からなる１枚以上の基板と、前記基板内
部に形成された電極と、前記基板の上下面に形成された
導体と、前記電極に対して物理的変化を与える制御信号
を発生する屈折率制御機構と、ビーム発生源とで構成さ
れたものである。

【０００７】また、第３の手段として、前記第1の手段
および第２の手段で用いた屈折率が局所的に変化できる
基板がビーム発生源を覆うに曲面形状を有する形状から
なる基板で構成されたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基板の屈折率を変化できる材料からなる１枚以上の
基板と、前記基板の上下面の少なくとも一方にアレイ状
に配置された電極からなるセルと、前記電極に対して物
理的変化を与える制御信号を発生する屈折率制御機構
と、ビーム発生源とで構成され、前記屈折率制御機構か
らの信号に基づき、任意のセルの屈折率を変化させ、前
記ビーム発生源から照射されたビームの入射位相と出射
位相の関係を任意に制御してビームの集光位置を可変す
ることを特徴とするビーム集光装置である。

【０００９】この構成により、発射されるビームの波面
形状、ビーム本数、集光位置などのビーム特性を空間的
時間的に可変とする作用を有する。

【００１０】本発明の請求項２に記載の発明は、各セル
から出射されたビームを空間上の同一点で同位相となる
ように位相差を設けてビームを集光することを特徴とす
る請求項１に記載のビーム集光装置である。

【００１１】この構成により各セルから出射されたビー
ムを空間上の一点に集光させることが出来る。

【００１２】本発明の請求項３に記載の発明は、各セル
から出射されたビームが所望の複数の集光位置で同位相
となるように位相差を設けて複数のビームを集光するこ
とを特徴とする請求項１に記載のビーム集光装置であ
る。

【００１３】この構成により各セルから出射されたビー
ムを空間上の異なる複数の点で同時に集光させることが
出来る。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、基板の
屈折率を変化できる材料からなる１枚以上の基板と、前
記基板内部に形成された電極と、前記基板の上下面に形
成された導体と、前記電極に対して物理的変化を与える
制御信号を発生する屈折率制御機構と、ビーム発生源と
で構成され、前記屈折率制御機構からの信号に基づき、
前記基板内の屈折率を３次元的に変化させ、前記ビーム
発生源から照射されたビームの入射位相と出射位相の関
係を制御してビームの集光位置を可変したことを特徴と
するビーム集光装置である。この構成により、発射され
るビームの集光位置などのビーム特性を時間的に空間的
に可変とする作用を有する。

【００１５】本発明の請求項５に記載の発明は、基板内
部に複数の電極を設け、各電極領域から出射されるビー
ムの位相分布を空間上の異なる点に集光し、複数点にビ
ームを集光したことを特徴とする請求項４に記載のビー
ム集光装置である。

【００１６】この構成により、請求項４の作用に加え
て、各電極領域から出射されたビームを空間上の異なる
複数の点で同時に集光させることが出来る。

【００１７】本発明の請求項６に記載の発明は、基板を
曲面形状としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれ
かに記載のビーム集光装置である。

【００１８】この構成により請求項１〜５の作用に加え
て、集光効率を向上させることが出来る。

【００１９】本発明の請求項７に記載の発明は、ビーム
発生源を曲面基板で覆ったことを特徴とする請求項６に
記載のビーム集光装置である。この構成により請求項６
の作用に加えて、ビームの集光効率をさらに改善する作
用を有する。

【００２０】本発明の請求項８に記載の発明は、基板材
料が液晶材料であることを特徴とする請求項１〜７のい
ずれかに記載のビーム集光装置である。

【００２１】この構成により、基板を印加する電圧によ
り屈折率可変とする作用を有する。

【００２２】本発明の請求項１１に記載の発明は、基板
の屈折率を変化できる材料からなる１枚以上の基板と、
前記基板の上下面の少なくとも一方にアレイ状に配置さ
れた電極からなるセルと、前記電極に対して物理的変化
を与える制御信号を発生する屈折率制御機構と、ビーム
発生源とで構成され、前記屈折率制御機構からの信号に
基づき、前記セル領域の屈折率を時間的に変化し、基板
からの出射ビームの位相分布を時間的に変化させてビー
ムをスキャニングすることを特徴とするビームスキャニ
ング装置である。

【００２３】この構成により、この構成により、発射さ
れるビームの波面形状、ビーム本数、集光位置などのビ
ーム特性を空間的時間的に可変としてスキャニングする
作用を有する。

【００２４】本発明の請求項１２に記載の発明は、基板
の屈折率を変化できる材料からなる１枚以上の基板と、
前記基板内部に形成された電極と、前記基板の上下面に
形成された導体と、前記電極に対して物理的変化を与え
る制御信号を発生する屈折率制御機構と、ビーム発生源
とで構成され、前記屈折率制御機構からの信号に基づ
き、前記基板の屈折率を３次元的に変化させるととも
に、前記基板の屈折率を時間的に変化し、基板からの出
射ビームの位相分布を時間的に変化させてビームをスキ
ャニングすることを特徴とするビームスキャニング装置
である。この構成により、発射されるビームの集光位置
などのビーム特性を時間的に空間的に可変としてスキャ
ニングする作用を有する。

【００２５】本発明の請求項１３に記載の発明は、基板
を曲面形状としたことを特徴とする請求項１１または１
２に記載のビームスキャニング装置である。

【００２６】この構成により、請求項１１または１２の
作用に加えて、集光効率を向上させることが出来る。

【００２７】本発明の請求項１４に記載の発明は、ビー
ム発生源を曲面基板で覆ったことを特徴とする請求項１
３に記載のビームスキャニング装置である。この構成に
より、この構成により請求項１３の作用に加えて、ビー
ムの集光効率をさらに改善する作用を有する。

【００２８】本発明の請求項１５に記載の発明は、基板
材料が液晶材料であることを特徴とする請求項１１〜１
４記載のビームスキャニング装置である。

【００２９】この構成により、基板を印加する電圧によ
り屈折率可変とする作用を有する。

【００３０】本発明の請求項１６に記載の発明は、ビー
ム発生源に可視光源を用いることを特徴とする請求項１
１〜１５のいずれかに記載のビームスキャニング装置で
ある。

【００３１】本発明の請求項１７に記載の発明は、ビー
ム発生源にミリ波発生源を用いることを特徴とする請求
項１１〜１５のいずれかに記載のビームスキャニング装
置である。

【００３２】本発明の請求項１８に記載の発明は、請求
項１１〜１７のいずれかに記載のビームスキャニング装
置を用いたレーダ装置である。

【００３３】この構成により、ビームの波面形状、ビー
ム本数、集光位置を空間的時間的に任意に変化させるこ
とが可能なレーダ装置を提供することが出来る。

【００３４】本発明の請求項１９に記載の発明は、請求
項１１〜１７のいずれかに記載のビームスキャニング装
置を用いた車載用レーダ装置である。

【００３５】この構成により、この構成により、ビーム
の波面形状、ビーム本数、集光位置を空間的時間的に任
意に変化させることが可能な車載用レーダ装置を提供す
ることが出来る。

【００３６】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図１０を用いて説明する。

【００３７】（実施の形態１）図１から図７を参照しな
がら本発明の実施形態１について説明する。図１に本発
明の概略構成図を示す。図１において、１、２は基板内
の屈折率を２次元的に変化できる第１、第２の基板、３
はビーム発生源、４、５は第一の基板の上側および下側
電極アレイ、６、７は第二の基板の上側および下側電極
アレイで、各電極によりセルが構成されている。

【００３８】８、９は第１の基板１上に、設置された各
電極アレイ４、５に対して独立に信号を与える屈折率制
御機構、１０、１１は第２の基板２上に設置された各電
極アレイ６、７に対して独立に信号を与える屈折率制御
機構である。各電極アレイ４、５、６、７を独立に制御
することで、基板１、２内の所望の領域において屈折率
を任意に変化できる構造を有している。

【００３９】ビーム発生源３（例えば、ビーム発生源に
可視光源、ミリ波発生源を用いる）から照出されたビー
ムは第１の基板１と第２の基板２をそれぞれ透過する。
その際ビームは入射した各基板１、２のそれぞれの領域
の屈折率に応じて、ビームの位相が変化する。

【００４０】基板の構造例として、図２に第１の基板１
の拡大断面図、図３に第１の基板１の上面図をそれぞれ
示す。屈折率が可変な基板１にそれぞれ上側電極４、下
側電極５が形成される。各電極４、５は小さなセル構造
となっており、各セルは絶縁体２１で電気的に絶縁され
ている。

【００４１】屈折率可変な基板材料としては例えば液晶
材料などがある。液晶材料を用いる際は、各セル間に絶
縁体２１を設ける。また、各電極との間に配向膜２２、
２３を設ける必要がある。ただし、基板材料によっては
絶縁体２１は必ずしも必要ではない。例えば、液晶材料
を基板材料として用いた場合、屈折率制御機構４、５か
ら印加される電圧により、基板の屈折率は図４に示すよ
うに変化する。このため、各電極４、５に印加する電圧
を所望の値にすれば、２次元的に基板１内の屈折率を任
意に変化させることができる。また基板１の片側の電極
の電位が一定状態で動作させる方法を用いれば、基板１
両側に電極アレイを設ける必要はなく、片側が電極アレ
イ、もう片側は導体基板だけでもよい。

【００４２】次に真空中の波長がλ₀であるビームの、
屈折率がnの基板内での管内波長λ_nは（数１）で表され
る。

【００４３】

【数１】

【００４４】基板１、２内の管内波長λ_nは屈折率ｎに
より決まり、本発明では基板１、２上の任意の位置の屈
折率を任意に変化させることが可能なため、基板１、２
にビームが入射する際の位相と出射する際の位相関係を
任意に制御でき、出射ビームの位相を所望の分布にする
ことが可能になる。

【００４５】図５を用いて集光動作について説明する。
ただし、説明を簡単にするために、セルを３ヶ所に限定
している。一般的に基板を透過したビームは図５のよう
に球面波となり出射される。図５に示した同心円は各ビ
ームの同一位相面を表している。このとき、集光点Pで
は、３点から出射した３本のビームが重畳され、各ビー
ムの位相が一致する場合、ビームの振幅は最大となる。

【００４６】このように、集光位置Pでビームを集光す
るためには、全てのセルから出射されたビームが点Pで
同位相である必要がある。これは、基板の全セルの屈折
率を変化させ、各セルを透過したビームの位相が点Pで
同位相となるように位相差を設ければよい。これを逆に
考えると、全出射ビームに対して位相分布を空間上の点
Pを通過する球面波で形成すればよく、従来の光学レン
ズ設計と同じ手法が適用でき設計は容易に行え、光学設
計と同様に、ビーム集光系は複数枚の基板を用いて収差
を補正することも可能である。

【００４７】また、基板の屈折率を時間的および２次元
的に変化できるため、集光点を時間的、空間的に変化さ
せることが可能となる。図６のように、基板を二つの領
域Ａ、Ｂに分け、Ａからの出射ビームの位相分布を空間
上の点P1に集光する球面波を形成するようにし、Ｂから
の出射ビームをP2に集光する球面波を形成するようにす
れば、出射ビームを２点P1、 P2に同時に集光させるこ
とが可能となる。

【００４８】また領域Ａ、Ｂを構成するセルは必ずしも
ある領域でまとまっている必要はなく、基板内の任意の
セルで構成することが可能である。また当然ビーム本数
は２本である必要はなく、セルの個数に応じて複数本の
ビーム形成することができる。

【００４９】さらに、セルの屈折率を時間的に変化さ
せ、基板からの出射ビームの位相分布を時間的に変化さ
せることで、図７のようにビームをスキャニングするこ
ともできる。出射ビームの位相分布を常に空間上のある
一点に集光する球面波を形成するようにし、焦点がP1か
らP2まで移動するように、出射ビームの位相分布を滑ら
かに変化させればよい。

【００５０】（実施の形態２）つぎに、図８、９を参照
しながら本発明の実施の形態２について説明する。図８
−１は概略構成を示す断面図で、図８−２は基板内の屈
折率分布を示す。６１は屈折率可変の基板、６２は電
極、６３は導体である。電極６２および導体６３は図示
しない屈折率制御機構と接続されている。

【００５１】いま、導体６３を直流的に接地とし、電極
６２に屈折率制御機構から電圧が印加されると、基板内
には図８−１に示す電気力線が生じる。このとき屈折率
可変の基板材料に液晶材料を用いれば、屈折率は電界に
より変化する。例えば図９−１のように電界に応じて屈
折率が変化する液晶材料を用いれば、基板内の屈折率は
図８−２の様に３次元的に変化する。これは凸型の光学
レンズと同様な特性を持ち、基板に入射したビームを屈
折し集光させることができる。印加する電圧により屈折
率が変化し、屈折率の分布も任意に変化するため、出射
ビームの集光位置も任意変化させることができる。

【００５２】また、時間的に屈折率を変化させることが
できるので、ビームをスキャニングすることや、集光さ
せる機能のON／ OFFの切り替えなどのビーム制御を行う
ことができる。また基板は１枚である必要なく、複数枚
組み合わせても良い。また図９−２に示すような液晶材
材料を用いれば、屈折率は空間的に反転した特性となる
ため、凹型の光学レンズと同様な特性を得ることができ
る。

【００５３】（実施の形態３）つぎに、図１０を参照し
ながら本発明の実施の形態３について説明する。図１０
は概略構成を示す断面図である。実施の形態１、２と同
様な屈折率可変の基板を用いるが、図１０に示すように
基板は平面でなく、湾曲構造としている。本実施例の基
板は薄いため湾曲させても、支障なく動作することがで
きる。このため、例えばビーム発生源の周囲を本基板で
覆い、実施例１、２と同様な作用により集光させること
ができる。ビーム発生源を立体的に覆うことで、ビーム
源から当方的に照射されるビームを効率的に利用するこ
とが可能となるため、より照射強度の高いビームを形成
することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ビーム発
生源から照射されたビームが屈折率可変基板を透過する
際のビームの位相を時間的、空間的に任意に変化させる
ことで、ビームの集光位置、ビーム本数などのビーム特
性を時間的空間的に任意に変化させることができるとい
う有利な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の概略を示す概略構成図

【図２】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の第１の基板部の詳細な構成を示す断面図

【図３】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の基板の上面図

【図４】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の動作をを説明するための基板材料の誘電率変化特性
図

【図５】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の動作をを説明するための集光動作概念図

【図６】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の動作をを説明するための２ビーム集光概念図

【図７】本発明の実施の形態１によるビームスキャン装
置の動作をを説明するためのビームスキャニング例を示
す概念図

【図８】本発明の実施の形態２によるビームスキャン装
置の概略を示す概略構成図

【図９】本発明の実施の形態２によるビームスキャン装
置の動作を説明するための基板材料の誘電率変化特性を
示す図

【図１０】本発明の実施例の形態３によるビームスキャ
ン装置の概略を示す概略構成図

【図１１】従来のレーダ装置の構成を示す概念図

【符号の説明】

１、２第１、第２の基板３ビーム発生源４、５、６、７電極アレイ８、９、１０、１１屈折率制御機構１２集光位置

フロントページの続き (72)発明者山下博大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者矢吹博幸神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA03 CA02 CA24 DA08 EA13 EB15 EB17 GA01 GA05 KA01 2K002 AA07 AB08 CA14 EB09 HA05 5J070 AB24 AD01 AE01 AF03 5J084 AB01 AC02 BA03 BA11 BA32 BB02 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の屈折率を変化できる材料からなる
１枚以上の基板と、前記基板の上下面の少なくとも一方
にアレイ状に配置された電極からなるセルと、前記電極
に対して物理的変化を与える制御信号を発生する屈折率
制御機構と、ビーム発生源とで構成され、前記屈折率制
御機構からの信号に基づき、任意のセルの屈折率を変化
させ、前記ビーム発生源から照射されたビームの入射位
相と出射位相の関係を任意に制御してビームの集光位置
を可変することを特徴とするビーム集光装置。
【請求項２】各セルから出射されたビームを空間上の
同一点で同位相となるように位相差を設けてビームを集
光することを特徴とする請求項１に記載のビーム集光装
置。
【請求項３】各セルから出射されたビームが所望の複
数の集光位置で同位相となるように位相差を設けて複数
のビームを集光することを特徴とする請求項１に記載の
ビーム集光装置。
【請求項４】基板の屈折率を変化できる材料からなる
１枚以上の基板と、前記基板内部に形成された電極と、
前記基板の上下面に形成された導体と、前記電極に対し
て物理的変化を与える制御信号を発生する屈折率制御機
構と、ビーム発生源とで構成され、前記屈折率制御機構
からの信号に基づき、前記基板内の屈折率を３次元的に
変化させ、前記ビーム発生源から照射されたビームの入
射位相と出射位相の関係を制御してビームの集光位置を
可変したことを特徴とするビーム集光装置。
【請求項５】基板内部に複数の電極を設け、各電極領
域から出射されるビームの位相分布を空間上の異なる点
に集光し、複数点にビームを集光したことを特徴とする
請求項４に記載のビーム集光装置。
【請求項６】基板を曲面形状としたことを特徴とする
請求項１〜５のいずれかに記載のビーム集光装置。
【請求項７】ビーム発生源を曲面基板で覆ったことを
特徴とする請求項６に記載のビーム集光装置。
【請求項８】基板材料が液晶材料であることを特徴と
する請求項１〜７のいずれかに記載のビーム集光装置。
【請求項９】ビーム発生源に可視光源を用いることを
特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のビーム集光
装置。
【請求項１０】ビーム発生源にミリ波発生源を用いる
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のビー
ム集光装置。
【請求項１１】基板の屈折率を変化できる材料からな
る１枚以上の基板と、前記基板の上下面の少なくとも一
方にアレイ状に配置された電極からなるセルと、前記電
極に対して物理的変化を与える制御信号を発生する屈折
率制御機構と、ビーム発生源とで構成され、前記屈折率
制御機構からの信号に基づき、前記セル領域の屈折率を
時間的に変化し、基板からの出射ビームの位相分布を時
間的に変化させてビームをスキャニングすることを特徴
とするビームスキャニング装置。
【請求項１２】基板の屈折率を変化できる材料からな
る１枚以上の基板と、前記基板内部に形成された電極
と、前記基板の上下面に形成された導体と、前記電極に
対して物理的変化を与える制御信号を発生する屈折率制
御機構と、ビーム発生源とで構成され、前記屈折率制御
機構からの信号に基づき、前記基板の屈折率を３次元的
に変化させるとともに、前記基板の屈折率を時間的に変
化し、基板からの出射ビームの位相分布を時間的に変化
させてビームをスキャニングすることを特徴とするビー
ムスキャニング装置。
【請求項１３】基板を曲面形状としたことを特徴とす
る請求項１１または１２に記載のビームスキャニング装
置。
【請求項１４】ビーム発生源を曲面基板で覆ったこと
を特徴とする請求項１３に記載のビームスキャニング装
置。
【請求項１５】基板材料が液晶材料であることを特徴
とする請求項１１〜１４記載のビームスキャニング装
置。
【請求項１６】ビーム発生源に可視光源を用いること
を特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載のビー
ムスキャニング装置。
【請求項１７】ビーム発生源にミリ波発生源を用いる
ことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の
ビームスキャニング装置。
【請求項１８】請求項１１〜１７のいずれかに記載の
ビームスキャニング装置を用いたレーダ装置。
【請求項１９】請求項１１〜１７のいずれかに記載の
ビームスキャニング装置を用いた車載用レーダ装置。