JP2018180116A - Optical deflection device and lidar device - Google Patents
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Abstract
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 a light deflection device that controls the traveling direction of light, and a lidar device provided with the light 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 field of laser radar or lidar equipment (LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging)) using laser measurement that acquires the distance to surrounding objects as a two-dimensional image is the automatic driving of cars and three-dimensional It is used for map preparation etc., and the basic technology is applicable also to a laser printer, a laser display, etc.
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 from the object is detected, the distance information is obtained from the time difference and the frequency difference, and the light beam is two-dimensionally scanned. To acquire wide-angle three-dimensional 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 all been used, but large-sized mechanisms are used. There are problems such as high cost and instability in a vibrating moving body, and in recent years, research on non-mechanical light deflection devices has become active.
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 has been proposed which realizes light deflection by changing the wavelength of light or the refractive index of the device. 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 emitters arranged in an array and can not form a high quality sharp light beam. On the other hand, the diffraction grating type light deflection device is easy to 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 small light deflection angle, the inventor of the present invention proposes 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 is generated in photonic nanostructures such as photonic crystal waveguides, has a low group velocity, and changes the propagation constant significantly due to slight changes in wavelength and the refractive index of the waveguide. Have. When a diffractive mechanism is installed in or near the slow light waveguide, the slow light waveguide is coupled to the diffractive mechanism to form a leak waveguide, which emits light into free space. At this time, a large change in the propagation constant is reflected on the deflection angle of the emitted light, 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 diffractive mechanism is introduced into a photonic crystal waveguide for propagating light with a low group velocity (slow light), and an outline of a emitted light beam. The light deflection device 101 comprises a photonic crystal waveguide 102 having a double periodic structure in which circular holes of two different diameters are repeated along the waveguide in the plane of the photonic crystal. The doubly periodic structure constitutes a diffractive mechanism, which converts slow light propagation light into radiation conditions and radiates it into space.
光偏向デバイス１０１は、ＳｉＯ２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。 Light deflection device 101, photonic crystal waveguide 102 by the grating array 103 high refractive index member 110 circularly hole on the cladding 113 made of a low refractive index material such as SiO 2 (low refractive index portions) 111 are arranged is It is formed. The lattice arrangement 103 of the low refractive index portion 111 is, for example, a double periodic structure of a periodic structure in which a large diameter circular hole is repeated and a periodic structure in which a small diameter circular hole is repeated. In the lattice arrangement 103 of the photonic crystal waveguide 102, a portion where the circular hole 111 is not provided constitutes a waveguide core 112 which propagates 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 radiation beam forms a high quality beam in the longitudinal direction and spreads out in the lateral direction. Here, the vertical direction is a direction along the waveguide core, which is the traveling direction of the propagation light propagating through 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 propagation 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 emitted light beam, FIG. 6 (b) shows the beam intensity distribution in the longitudinal direction, and FIG. 6 (c) shows the beam intensity distribution in the lateral 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. 6 (b), the emitted light beam gradually leaks out along the waveguide core, so that the beam intensity distribution in the longitudinal direction becomes a uniform and sharp beam. In FIG. 6 (c), the beam intensity angular distribution in the lateral direction has a wide angular 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 radiation light beam, if there is a lateral spread and a complex beam intensity distribution shape in which the beam intensity has a plurality of peaks, this is a factor to reduce the conversion efficiency to a 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 emitted light beam, as shown in FIG. 6D, a collimating lens such as a cylindrical lens is placed above the light deflection device, and the emitted light beam from the waveguide core is A configuration is used to convert to parallel beams.
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 radiation beam using a cylindrical lens. Lateral deflection of the light radiation beam is achieved by placing a cylindrical lens 104 above the light deflection device 101 along the waveguide core 112, as shown in FIG. Here, the light emission beam is deflected in the lateral direction by switching the waveguide cores 112 which make incident light into 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 emitted light beam in the lateral direction, the waveguide core 112 that emits light is switched by switching light incident on the waveguide core 112 by an optical switch or the like, and the waveguide core 112 and the cylindrical lens 104 are switched. 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, longitudinal deflection of the light radiation beam is performed by changing the wavelength of incident light or changing the refractive index of the photonic crystal waveguide 102 by heating or the like. This causes the light deflection device to form a collimated light beam 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 for transmission and reception, emits a light radiation beam from the light deflection device for transmission, strikes an object (object) to be measured, and reflects it back from the object The reflected light is detected by a light deflection device for reception. The lidar device generates a frequency-chirped optical signal and divides it into a reference light and a signal light. The signal light is emitted from a light deflection device for transmission, strikes an object back and forth, 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） There is known a technique for detecting the distance to the target and the relative velocity by transmitting and receiving radar waves, for example, in a radar device. (Patent Document 2)
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 apparatus uses two light deflection devices, one for transmission and one for reception, to emit light to the object and to detect reflected light from the object. The two light deflection devices for transmission and reception perform lateral deflection as well as suppressing lateral light spread by providing a collimating lens such as a cylindrical lens in both light deflection devices.
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 the light deflection devices for transmission and reception are shared by one light deflection device, but in this configuration, a two-input, two-output photo coupler (in order to guide received light to a mixer (mixing unit) 2 × 2 couplers are required. In such a configuration, a loss of 3 dB is always generated at each of transmission and reception, and a total of 6 dB loss is theoretically generated. In order to reduce the loss in the configuration with such one light deflection device, it is desirable to separate the transmission light deflection device and the reception light deflection device.
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 light deflection devices for transmission and reception are arranged in parallel in the lateral direction orthogonal to the length direction of the waveguide core. 8 (a) to 8 (c) show the arrangement configuration, in which the cylindrical lenses 104A and 104B are arranged in parallel to the parallel arrangement of the transmission light deflection device 101A and the reception light deflector 1B, FIGS. 8D and 8E 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 lateral direction, two cylindrical lenses are arranged above each light deflection device to make the light beam a parallel beam, and the arrangement of the light deflection devices and Similarly, they are arranged in parallel in the lateral 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。 With such a configuration in which the cylindrical lenses are arranged in parallel in the lateral direction, the positional relationship such as the distance or parallelism between the two cylindrical lenses is precisely arranged in order to prevent the occurrence of 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. 8 (a) shows a state in which the cylindrical lenses 104A and 104B are correctly arranged with respect to the light deflection device for transmission 101A and the light deflection device for reception 101B, and FIGS. 8 (b) and (c) show the light for transmission. A state in which the arrangement positions of the cylindrical lenses 104A and 104B are deviated with respect to the deflection device 101A and the light deflection device for reception 101B is shown, and FIGS. 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 misaligned in the lateral direction, as shown in FIGS. 8B and 8D, the scanning image formed by the light deflection device for reception 101B is the lateral misalignment of the cylindrical lens 104B. As a result, the position deviates from the scanning area 121 of the target 120. Further, even when the cylindrical lens 104B is shifted in rotational position, as shown in FIGS. 8 (c) and 8 (e), the scanned image formed by the receiving light deflection device 101B is a target due to the shift in rotational position of the cylindrical lens 104B. The position deviates 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 for collimating light included in a 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。 The light deflection device according to the present invention comprises two light deflectors, i.e., a transmitting light deflector and a receiving light deflector, and a light beam emitted from the transmitting light deflector as a collimated beam, reflected light from an object The lidar apparatus of the present invention relates to a lidar apparatus equipped with this light deflection device.
［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 light deflection device of the present invention comprises two light deflectors arranged in tandem along the longitudinal direction of the waveguide core of the waveguide and one collimating lens. In the present invention, two elements constituting the light deflection device are denoted by a light deflector. One collimating lens is linearly arranged along the direction of the tandem arrangement of the two light deflectors on the side on which light is emitted and incident for the two light deflectors arranged in tandem. Here, the longitudinal direction is the longitudinal direction of the waveguide core of the photonic crystal waveguide, and the tandem arrangement is an arrangement along the longitudinal 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 light deflection device of the present invention, the relative position of the two light deflectors constituting the light deflection device can be defined by the mask pattern when manufacturing the device of the deflection element by a chip, so It is easy to align and align, and it is possible to configure optical deflectors that are cascaded with high accuracy along the longitudinal direction of the waveguide core of the photonic crystal waveguide that configures 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 light deflection device of the present invention, the optical characteristics of the lenses for the two light deflectors are the same because the collimating lens disposed opposite to the two light deflectors arranged in tandem is one continuous optical element. Also, since the alignment of the lens can be performed in one step, the alignment operation 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。 Furthermore, in the case where the change of the longitudinal angle of the deflection of the light beam by the light deflector of the light deflection device is performed by heating the waveguide portion to change the refractive index, the two light deflectors are linearly aligned The arranged configuration allows the heating states of the two light deflectors to be easily made uniform.
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, according to the light deflection device of the present invention, two light deflectors arranged in tandem in a straight line and one collimating lens form the direction of the light beam of the light deflector for transmission and reception. Matching is easy, and the efficiency of the light radar of the rider apparatus 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 provided in the optical deflection device of the present invention are a photonic crystal waveguide having a lattice arrangement in which low refractive index portions are periodically arranged in the plane of the high refractive index member, and on the photonic crystal It has a provided diffraction mechanism. Incident light incident on the transmission light deflector propagates through the waveguide core of the photonic crystal waveguide and is emitted to the outside by the diffractive mechanism provided on the photonic crystal. The emitted light radiation 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 included in the light deflector of the present invention is constituted by a periodic structure that expresses slow light. In the periodic structure of the slow light photonic crystal, low refractive index portions are arranged in a period a (/ 2 λ / 2 n) in the high refractive index member. Here, n is the equivalent refractive index of light propagating through 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ｎｇ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。 With 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 is increased, and the group velocity Produces a small slow light. The slow light propagates with the spread of the intensity distribution of the electromagnetic field (progression component) 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 largely changes due to a slight change in the wavelength λ of light and 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 light radiation beam changes. Therefore, the angle θ of the light radiation beam can be changed by changing the propagation constant β by changing the wavelength λ of light and the refractive index n of the waveguide.
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 slow diffraction photonic crystal waveguide having a grating arrangement in which low refractive index portions are arranged in a double period in the plane of a surface diffraction grating or 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 grating 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 laminating the slow light photonic crystal waveguide in the lattice arrangement 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 period of the rate part be a long period.
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 diffractive mechanism with the slow light photonic crystal waveguide, the periodic structure combines with the exudation component of the slow light of the waveguide to scatter and diffract, and gradually radiates upward or obliquely with respect to the traveling direction of the waveguide. Do. The light radiation beam is emitted from a wide range along the direction of travel of the waveguide, and the radiation is in phase, resulting in 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 aspect of the light deflection device of the present invention is a photonic crystal waveguide constituting a slow light waveguide, and a double periodic structure having two types of periodicity of the photonic crystal, a short periodicity and a long periodicity. The periodic structure of the short period has a large increment to form a slow light waveguide, and the periodic structure of a long period has a small increment to form a diffraction mechanism.
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 waveguides of the transmitting light deflector and the receiving light deflector included in the light deflection device of the present invention have a plurality of waveguide cores. The plurality of waveguide cores are arranged in parallel in the lateral direction orthogonal to the longitudinal direction of the waveguide cores. The respective waveguide cores arranged in parallel in the lateral direction have different positional relationships with the collimating lens. Depending on the optical characteristics of the collimating lens, light incident near the center of the collimating lens travels almost straight, and light incident on the end side of the collimating lens is refracted toward the center side of the collimating lens to form a parallel beam . Also, there is a correspondence between the waveguide core on which the incident light is incident and the light beam emitted. Thus, 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 to scan 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。 The collimating lens included in the light deflection device according to the present invention may be a single lens of a cylindrical lens having a width approximately equal to the lateral width of the light deflector and a length approximately equal to the length of the two light deflectors arranged in tandem. it can. In addition, the collimating lens provided in the light deflection device of the present invention is not limited to a single lens, and may be configured by a combined lens composed of a plurality of lenses. The collimating lens by a combination lens can be, for example, a complete set lens configured by arranging a plurality of rod lenses in parallel, or a complete set lens configured by laminating a plurality of lenses. The plurality of rod lenses are, for example, narrower than the lateral width of the light deflector, and have a length approximately equal to the length of the two light deflectors arranged in tandem.
［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 system]
The lidar device of the present invention includes the light deflection device of the present invention, a mixer that outputs a beat signal, and an operation unit that determines 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 light deflectors provided in the light deflection device, one of the light deflectors is a transmitting light deflector, and the other light deflector is a receiving light deflector. The mixer emits the reference light of the frequency-chirped optical signal branched just before entering the transmission light deflector, and the light emitted from the transmission light deflector, reciprocates the object and is received by the reception light deflector. The beat signal is output together with the signal light. The mixer can use, for example, a balanced photodiode, and detects a beat signal of a frequency difference corresponding to the delay time between the signal light and the reference light. The computing unit determines 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。 Assuming that the speed of light is c and one modulation period of the chirped optical signal is T, the computing unit is (c × fb × T) / (2) based on the beat frequency fb of the frequency spectrum and the frequency shift width B of the chirped optical signal. The distance is calculated by the calculation 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 fabrication and alignment in a lens for collimating light included in the light deflection device.
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 using FIG. 1, the operation of the light deflection device of the present invention will be described using FIGS. 2 to 4, and the lidar device of the present invention will be described using FIG. The schematic configuration of 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 light deflection device)
FIG. 1 is a view for explaining the light deflection device of the present invention. The light deflection device 1 includes two light deflectors, a transmission light deflector 1A and a reception light deflector 1B. The transmitting light deflector 1A and the receiving light deflector 1B are constituted by the photonic crystal waveguide 2. The photonic crystal waveguide 2 is formed by a lattice arrangement 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. The photonic crystal waveguide 2 is provided on a cladding 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, a portion where the circular hole 11 of the low refractive index portion is not provided in part of the grating array 3 constitutes a waveguide core 12 which propagates light. The waveguide core 12 is formed by a portion in which the circular hole 11 is not disposed in a part of the lattice array 3 in the lattice array 3 configured by the arrangement of the circular holes 11. Incident light incident on the waveguide core 12 is radiated from the waveguide core 12 to the outside while propagating in the longitudinal 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 light deflection device 1 includes two light deflectors, a transmission light deflector 1A and a reception light deflector 1B. In the transmitting light deflector 1A and the receiving light deflector 1B, the photonic crystal waveguide 2 is formed by the lattice arrangement 3 in which circular holes 11 of low refractive index portions are periodically arranged in the high refractive index member 10. The photonic crystal waveguide 2 has a double periodic structure in which the circular holes 11 are arranged with two long and short periods, thereby emitting light diffraction between the waveguide for propagating light and the waveguide and the outside. Constitute 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 light deflector 1A has a plurality of waveguide cores 12Aa to 12Ac arranged in parallel in the photonic crystal waveguide 2, and the reception light deflector 1B has a plurality of waveguide cores in 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 light deflector 1A and the receiving light deflector 1B are linearly arranged in tandem along the longitudinal direction of the waveguide core 12. In the tandem arrangement, the transmission light deflector 1A is disposed on the side on which the incident light is incident, and the reception light deflector 1B is disposed on the side on which the emission 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。 The light deflection device 1 includes, in addition to the transmission light deflector 1A and the reception light deflector 1B, one cylindrical lens 4 as a collimating lens for converting into parallel light. The cylindrical lens 4 is arranged in the direction of the tandem array of light deflectors on the side of the plane emitting the light radiation beam and the plane on which the reflected light is incident, with respect to two light deflectors (1A, 1B) arranged in tandem. It is arranged in piles.
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 width as the width of the light deflectors (1A, 1B) and the same length as the length of two light deflectors (1A, 1B) arranged in tandem. be able to. The size of the cylindrical lens 4 converts the light radiation beam emitted from the transmission light deflector 1A into a parallel beam and irradiates the object (not shown) with the reflected light reflected by the object The size is not limited to the same size as that of the above-described tandem array as long as the size is sufficient for focusing 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 provided in the light deflection device of the present invention can be in the form of a plurality of lenses. The form which uses the cylindrical lens 4 of a single lens as a collimating lens shown to Fig.1 (a) is shown. The cylindrical lens 4 may be a single lens having a length approximately equal to the length obtained by arranging two light deflectors 1A and 1B in tandem, having a width substantially the same as the horizontal width of the light deflectors 1A and 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 a combined lens composed of a plurality of lenses as shown in FIG. 1 (b). The collimating lens by the combination lens is, for example, a set of combination lens 4a constituted by arranging a plurality of rod lenses 4a1, 4a2 to 4an in parallel, or a set of lamination of a plurality of lenses 4b1 and 4b2 It can be set as the combined lens 4b. The plurality of rod lenses 4a1 and 4a2 to 4an, for example, are narrower than the lateral width of the light deflector, and have a length approximately equal to the length of the two light deflectors arranged in tandem.
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 according to the present invention will be described with reference to FIGS. The incident light and the emitted light beam shown in FIGS. 2 to 4 are schematically shown. In fact, although the object 20 is substantially parallel to the emitted light and the reflected light as compared with the distance between the two light deflectors 1A and 1B, the object 20 is far enough to be regarded as substantially the same angle. FIGS. 2 to 4 show that the distance between the object 20 and the light deflection device 1 is disposed nearer than the actual distance because of the relationship of the 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 disposed 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 side. In this arrangement, the light radiation beam A emitted from the transmission light deflector 1 A is converted into a parallel beam by the cylindrical lens 4, and then propagates in the form of a beam and is irradiated onto the measurement surface of the object 20. The object 20 scatters in all directions, and a part of this scattered light is received by the receiving light deflector 1B as a reflected beam. The reflected beam B is condensed on the receiving light deflector 1B by the cylindrical lens 4 and detected through 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 area 21 is scanned by changing the irradiation position on the object 20. The scanning of the scanning region 21 is longitudinal scanning performed along the longitudinal direction of the waveguide core 12 and lateral scanning performed in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the waveguide core 12, and also longitudinal and lateral directions And 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 longitudinal scanning. FIG. 2A shows a state in which the incident light is made incident on the waveguide core 12Aa on one side of the transmission light deflector 1A to scan the scanning region 21a of the object 20 in the longitudinal direction. . Longitudinal scanning 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 the incident light is made incident on the waveguide core 12Ac on the other side of the transmission light deflector 1A to scan the scanning region 21c of the object 20 in the longitudinal direction. . Longitudinal scanning 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 a scanning region, incident light can be incident on the central waveguide core of the transmission light deflector 1A and can be scanned in the vertical direction. The scan of this central part 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 or 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。 In addition, although the example of three is shown as a waveguide core in FIGS. 2-4, the number of waveguide cores can be made into arbitrary numbers not only in this 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 the lateral scanning. FIG. 4A shows the transmission light deflector 1A by sequentially switching incident light on the waveguide core 12Aa, the waveguide core 12Ab, and the waveguide core 12Ac of the transmission light deflector 1A. It is shown that the light radiation beam emitted from the light source is moved in the lateral direction orthogonal to the longitudinal direction of the waveguide core, thereby laterally scanning the scanning region 21d of the object 20. The horizontal scanning is performed in the vertical direction as the slow light propagates in 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 21 d is described such that the light emission beams are simultaneously emitted from the respective waveguide cores 12Aa to 12Ac, but the light emission from the respective waveguide cores 12Aa to 12Ac Since the radiation of the beam is performed by switching the incident light, it is actually performed with a time difference.
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。 In addition, when incident light is simultaneously incident on the waveguide cores of the plurality of waveguide cores 12Aa to 12Ac, the extraction of the beat frequency of the detection light and the reference light in the lidar device is performed. In this case, accurate measurement of distance may not be possible due to interference between incident light and detection light incident on each waveguide core, so that the incident form is such that light is incident with a time difference to avoid interference of incident light. 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 light deflection device is described using a configuration example using a photonic crystal waveguide slow light as a diffraction mechanism, but it is configured of two light deflectors arranged in tandem in a straight line and one collimator lens. In the optical deflection device, 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 the rider equipment)
Next, a schematic configuration of the rider apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
The lidar device 5 scans the object 20 by irradiating the light to the object 20 and detecting the reflected light that is reflected back from the object 20 using the light deflection device 1 of the present invention. The distance between the object 20 is determined. The relative velocity between the rider device 5 and the target 20 can also be determined.
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。 The light deflection device 1 included in the lidar device 5 includes, as described above, the transmission light deflector 1A and the reception light deflector 1B linearly arranged in tandem, and a collimating lens (cylindrical lens 4 disposed above the light deflector 1A). ).
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 provided in the light deflection device 1, the signal light is incident on the transmission light deflector 1A. The signal light incident on the transmission light deflector 1A propagates through the waveguide core of the photonic crystal waveguide by the slow light. The slow light leaks out while propagating through the waveguide core and emits a light radiation beam A towards the object 20. The light radiation beam A is reflected by the object 20. The receiving light deflector 1B receives the reflected light B and emits detection 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 according to the wavelength of incident light or the refractive index of the photonic crystal waveguide. The refractive index variable device 56 for changing the refractive index of the photonic crystal waveguide is, for example, a device for changing the temperature of the photonic crystal waveguide constituting the transmitting light deflector 1A and the receiving light deflector 1B. It 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 signal light to be input to the transmission light deflector 1A, one of light obtained by separating a frequency-chirped optical signal whose frequency is sequentially changed by the separator 52 is used. This light may be amplified by a semiconductor amplifier (SOA) 53 and used. The other light separated by the separator 52 is introduced into the mixer 54 as a 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 at a constant period T to generate a frequency chirped optical signal. Since the signal light and the reference light are lights obtained by separating the frequency-chirped optical signal, the frequency and the phase are the same.
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 to the mixer 54 together with the reference light, and a beat signal is generated by mixing the reference light and the detection light.
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 reciprocation between the light deflection device 1 and the object 20 causes a delay in the signal light, during which the frequency of the reference light gradually changes due to the frequency chirp. A mixer (Mixer) 54 mixes and detects the signal light and the reference light which are received after being reciprocated. By this, the beat signal according to the frequency difference between the signal light and the detection light is detected. The mixer (Mixer) 54 detects, for example, a beat signal of a frequency difference corresponding to the delay time between the detection light and the reference light using the balanced photodiode 54 a.
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 computing unit 55 obtains the distance to the object 20 based on the frequency spectrum of the beat signal obtained by the mixer 54. The calculation unit 55 can be configured by, for example, an A / D converter that A / D converts an output signal of the balanced photodiode 54a, and a processor that performs arithmetic processing on 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 light velocity is c, and one modulation cycle required for modulating one cycle of the chirped optical signal is T, the distance R to the target is It is represented by).
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 lidar device of the present invention obtains relative velocity with the object, it is obtained using the beat frequency fu obtained using the up-chirped optical signal whose frequency is increased and the down-chirped optical signal whose frequency is decreased. The relative velocity v is expressed by the following equation (2) using the beat frequency fd Here, fo is the center frequency of the chirped optical signal.
v = (c / 4fo) x (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 the above embodiments. Various modifications can be made based on the spirit 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 light deflection device of the present invention can be mounted on a car, a drone, a robot, etc., and is mounted on a personal computer or a smartphone to easily capture the surrounding environment, a 3D scanner, a monitoring system, space matrix light for light 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, light in the wavelength range of near-infrared light is used assuming that Si is used as the high refractive index member constituting the photonic crystal waveguide of the light deflection device. Application to a visible light material as a refractive index member is expected to be applied to projectors, laser displays, retina displays, 2D / 3D printers, POS, card reading 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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 light deflection device 1A transmission light deflector 1B reception light deflector 2 photonic crystal waveguide 3 lattice arrangement 4 cylindrical lens 5 lidar device 10 high refractive index member 11 circular hole 12 waveguide core 12Aa-12Ac waveguide core 12Ba -12 Bc Waveguide core 13 Clad 20 Target 21, 21a, 21c, 21d Scanning area 50 Laser light source 52 Separator 54 Mixer 54a Balanced photodiode 55 Arithmetic unit 56 Refractive index modifier 101 Optical deflection device 101A Transmission optical deflection 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 portion)
112 waveguide core 113 cladding 120 target 121 scanning area A light radiation beam B reflected beam
Claims (7)
前記縦列配列された２つの光偏向器に対して、光が放射及び入射される側に、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。 Two light deflectors linearly arranged in tandem along the length direction of the waveguide core of the waveguide;
A light deflecting device comprising: one collimating lens disposed along the direction in which the two light deflectors are arranged on the side on which light is emitted and incident to the two light deflectors arranged in tandem; device.
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
A photonic crystal waveguide comprising a grating arrangement in which low refractive index portions are periodically arranged in the plane of a high refractive index member,
as well as,
The light deflecting device according to claim 1, comprising a diffractive feature provided on the photonic crystal.
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１又は２に記載の光偏向デバイス。 The diffraction mechanism is
Surface grating,
Or
The light deflection device according to claim 1 or 2, which is a slow light photonic crystal waveguide provided with a lattice arrangement in which low refractive index portions are arranged in a double cycle in the plane of the high refractive index member.
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。 6. One of the light deflectors of any one of the light deflection devices according to claims 1 to 5 is a transmission light deflector, and the other light deflector is a reception light deflector.
A mixer for inputting a chirped light signal incident on the transmission light deflector and the detection light from the reception credit light deflector and outputting a beat signal;
A lidar apparatus comprising: an operation unit for obtaining a distance between the light deflection device and an object based on a frequency spectrum of the beat signal.
（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。 The operation unit sets the light velocity to c and the modulation period of the chirped optical signal to T based on the beat frequency fb of the frequency spectrum and the frequency displacement width B of the chirped optical signal.
(C × fb × T) / (2 × B)
The rider device according to claim 6, wherein the distance is calculated by the following equation.
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