JP2019200258A - 光偏向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつレーザ光を走査できる光偏向装置を提供する。【解決手段】光偏向装置は、光源から発光されたレーザ光を受ける入射面を有し、レーザ光を偏向させる偏向素子と、光源と偏向素子との間に設けられ、入射面へのレーザ光の入射を制限する入射面制限部と、を含む。偏向素子は、積層された第１及び第２液晶パネルを含み、第１方向に並ぶ第１及び第２単位を含む。第１及び第２液晶パネルの各々は、第１及び第２基板と、第１及び第２基板間に充填された液晶層と、第１及び第２単位毎に第１基板上に設けられた第１電極と、第２基板上に設けられた第１共通電極と、を含む。入射面制限部は、入射面のうち、第１単位における第１液晶パネルの第１電極の第２端から第２単位における第２液晶パネルの第１電極の第２端までの範囲に含まれる第１範囲へのレーザ光の入射を制限する。【選択図】図２

Description

本発明は、液晶素子を用いた光偏向装置に関する。

近年、レーザダイオードの製造技術が急速に発展したことにより、レーザの応用分野が産業用途から民生用途に拡大しつつある。例えば、レーザを蛍光体に入射することで照明光を得るレーザ照明は、レーザヘッドランプとして一部の車種で採用され始めている。また、例えば、パルス状のレーザを対象物に反射させることで当該対象物までの距離を計測するＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）は、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driving Assistant System）や自動運転に使用されている。しかしながら、現状では、レーザダイオードの価格は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と比較して高価である。このため、上述のレーザ照明やＬＩＤＡＲといったレーザ装置のコストを抑えるには、使用するレーザダイオードは少数であることが望ましい。

少数のレーザ光源を効果的に利用するための手法として、レーザ光を走査又はスイッチングできる素子を用いる手法が提案されている。レーザ光の走査方式としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、ＡＯ（Acoustic Optics）素子、又はＥＯ（Electro Optics）素子等を用いる方式が知られている。しかしながら、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等の走査方式は、可動部が存在するため、車両等の振動により、長期信頼性に懸念がある。また、これらの走査方式は、高価な部品を使用するため、レーザ走査装置のコストが高くなる。更に、方式によっては、レーザ走査装置が大型化する問題があった。

米国特許第８，９８２，３１３号明細書 特開２０１１−１３４６１９号公報

本発明は、大型化を抑制しつつレーザ光を走査できる光偏向装置を提供する。

本発明の一態様に係る光偏向装置は、光源から発光されたレーザ光を受ける入射面を有し、前記レーザ光を偏向させる偏向素子と、前記光源と前記偏向素子との間に設けられ、前記入射面への前記レーザ光の入射を制限する入射面制限部と、を備える。前記偏向素子は、積層された第１液晶パネル及び第２液晶パネルを含み、前記入射面に沿う第１方向に並ぶ第１繰り返し単位及び第２繰り返し単位を含む。前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルの各々は、第１基板及び第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板間に充填された第１液晶層と、前記第１繰り返し単位及び前記第２繰り返し単位毎に前記第１基板上に設けられた第１電極と、前記第２基板上に設けられた第１共通電極と、を含む。同一の繰り返し単位における前記第１液晶パネルの前記第１電極と前記第２液晶パネルの前記第１電極とは、前記第１方向に沿って概略一致する位置に配置された第１端と、前記第１方向に沿って互いに異なる位置に配置された第２端と、を含む。前記入射面制限部は、前記入射面のうち、前記第１繰り返し単位における前記第１液晶パネルの前記第１電極の第２端に対応する第１位置から前記第２繰り返し単位における前記第２液晶パネルの前記第１電極の第２端に対応する第２位置までの範囲に含まれる第１範囲への前記レーザ光の入射を制限する。

本発明によれば、大型化を抑制しつつレーザ光を走査できる光偏向装置を提供することができる。

第１実施形態に係る光偏向装置の構成を説明するためのブロック図。 第１実施形態に係る入射面制限部及び光偏向素子の全体構成を説明するための模式的な断面図。 第１実施形態に係る液晶パネルの構成を説明するための平面図。 第１実施形態に係る液晶パネルの構成を説明するための断面図。 第１実施形態に係る液晶パネルの構成を説明するための回路図。 第１実施形態に係る光偏向素子内の液晶パネルに印加される電圧と屈折率との関係を説明するためのダイアグラム。 第１実施形態に係る光偏向素子内の屈折率の分布を説明するための模式的な断面図。 第１実施形態に係る光偏向装置におけるレーザ光の偏向動作を説明するための模式的な断面図。 第１実施形態の第１変形例に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第１変形例に係る光偏向素子内の電極の構成を説明するための回路図。 第１実施形態の第２変形例に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第２変形例に係る光偏向素子内の電極の構成を説明するための回路図。 第１実施形態の第３変形例に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第３変形例に係る光偏向素子内の電極の構成を説明するための回路図。 第１実施形態の第４変形例に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第４変形例に係る光偏向素子内の電極の構成を説明するための回路図。 第２実施形態に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための模式的な断面図。 第２実施形態に係る光偏向装置の集光光学系におけるレーザ光の集光動作を説明するための模式的な断面図。 第２実施形態の変形例に係る入射面制限部及び光偏向素子の構成を説明するための模式的な断面図。 第２実施形態の変形例に係る光偏向装置の集光光学系におけるレーザ光の集光動作を説明するための模式的な断面図。 本発明の第１実施例に係る照明装置の構成を説明するためのブロック図。 本発明の第１実施例に係る照明装置の構成を説明するための模式的な断面図。 本発明の第２実施例に係る距離測定装置の構成を説明するためのブロック図。 本発明の第２実施例に係る距離測定装置の基本動作を説明するための概略図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示すいくつかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置及び方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１実施形態］
［１］ 光偏向装置の構成
まず、第１実施形態に係る光偏向装置の構成について説明する。

［１−１］ 光偏向装置のブロック構成
図１は、第１実施形態に係る光偏向装置の構成を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、光偏向装置１は、レーザ光源１０、入射面制限部１１、光偏向素子１２、駆動回路１３、電圧発生回路１４、及び制御回路１５を備える。

レーザ光源１０は、例えば、レーザダイオードを含み、光偏向素子１２に向けてレーザ光を発光する。レーザ光源１０は単波長のレーザ光を発光するが、当該波長はその用途に応じて任意の値を適用可能である。

入射面制限部１１は、レーザ光源１０と光偏向素子１２との間、すなわち、レーザ光源１０から発光されたレーザ光の光偏向素子１２への入射経路上に設けられる。入射面制限部１１は、光偏向素子１２においてレーザ光が入射し得る面（以下、「入射面」とも言う。）のうちの一部から、レーザ光が入射することを制限するように構成される。

光偏向素子１２は、入射面制限部１１によって制限された入射面において、レーザ光源１０からのレーザ光を受け、当該レーザ光を透過する。光偏向素子１２は、レーザ光を透過させる過程において、当該レーザ光の出射方向を入射方向に対して偏向させるように構成される。光偏向素子１２は、各々が液晶層を備える複数の液晶パネルが積層されて構成され、各液晶パネルは、液晶層の配向を制御するための複数の電極を備える。入射面制限部１１及び光偏向素子１２の具体的な構成については後述する。

なお、レーザ光源１０から出射されるレーザ光は、或る偏光軸で振動する直線偏光である。光偏向素子１２の偏光方向（偏光軸）は、レーザ光の偏光方向と平行に設定される。光偏向素子１２の偏光軸とは、液晶層内の液晶分子の長軸（ダイレクタ）が電界に応じて動く面と平行な方向である。

駆動回路１３は、光偏向素子１２が備える複数の電極に電気的に接続される。駆動回路１３は、光偏向素子１２に複数の電圧を印加することで、光偏向素子１２を駆動する。

電圧発生回路１４は、図示しない外部電源を用いて、光偏向装置１の動作に必要な複数の電圧を発生させる。電圧発生回路１４により発生された電圧は、光偏向装置１内の各モジュール、特に駆動回路１３に供給される。

制御回路１５は、光偏向装置１の動作を統括的に制御する。制御回路１５は、光偏向装置１の外部からレーザ光を出力する旨を指示する入力信号を受けると、当該入力信号に基づいて、レーザ光源１０、駆動回路１３、及び電圧発生回路１４を制御することが可能である。

［１−２］ 入射面制限部及び光偏向素子の構成
次に、入射面制限部１１及び光偏向素子１２の構成について説明する。以下の説明では、レーザ光の入射方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面とする。また、Ｘ方向及びＹ方向は、ＸＹ平面内で互いに交差する方向とし、Ｘ方向は、紙面左右方向と一致するものとして説明する。

［１−２−１］ 入射面制限部及び光偏向素子の全体構成
図２は、第１実施形態に係る光偏向装置の入射面制限部及び光偏向素子の全体構成を説明するための模式的な断面図である。

まず、光偏向素子１２の構成について説明する。

図２に示すように、光偏向素子１２は、複数の液晶パネル２０が積層されて構成される。図２の例では、一例として、Ｚ方向に沿って７個の液晶パネル２０＿１〜２０＿７がこの順に積層された場合が示される。すなわち、液晶パネル２０＿１は、最もレーザ光源１０側の液晶パネルであり、ＸＹ平面に沿ってレーザ光の入射面Ｓに対応する面を有する。液晶パネル２０＿７は、最もレーザ光源１０から離れた場所に配置された液晶パネルであり、ＸＹ平面に沿ってレーザ光の出射面に対応する面を有する。液晶パネル２０＿１〜２０＿７は、例えば、透明な接着剤を用いて積層される。

また、液晶パネル２０＿１〜２０＿７は、Ｘ方向に沿って、同一の構成（繰り返し単位Ｕ）が複数回繰り返されて構成される。繰り返し単位Ｕは、例えば、Ｘ方向に沿って幅Ｗｔを有する。図２の例では、幅Ｗｔは、例えば、５２０μｍ程度に設計される。なお、図２の例では、一例として、液晶パネル２０＿１〜２０＿７が２個の繰り返し単位Ｕ（１）及びＵ（２）を有する場合が示されるが、これに限らず、液晶パネル２０＿１〜２０＿７は、２個より多い任意の個数の繰り返し単位Ｕを有していてもよい。また、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の積層順序は、指向性の強いレーザ光を出射する観点では、電極２５ａの幅Ｗａが階段状に積層されることが望ましい。

なお、図２では、説明の便宜上、液晶パネル２０＿１〜２０＿７内に含まれる構成のうち、繰り返し単位Ｕ間で共有されることなく、繰り返し単位Ｕ毎に個別に設けられる構成が特に示される。具体的には、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、繰り返し単位Ｕ毎に、電極２５ａ及び２５ｂを含む。より具体的には、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、繰り返し単位Ｕ（１）において電極２５ａ（１）及び２５ｂ（１）を含み、繰り返し単位Ｕ（２）において電極２５ａ（２）及び２５ｂ（２）を含む。

繰り返し単位Ｕ内において、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々に１つずつ含まれる合計７個の電極２５ａは、Ｘ方向に沿って、左端が揃っており、右端の位置が異なるように配置される。また、当該７個の電極２５ａはそれぞれ、Ｘ方向に沿って幅Ｗａ（Ｗａ＿１〜Ｗａ＿７）を有し、当該幅Ｗａ＿１〜Ｗａ＿７は、この順に短い（Ｗａ＿１＞Ｗａ＿２＞…＞Ｗａ＿７）。換言すると、繰り返し単位Ｕ内において、７個の電極２５ａは、Ｚ方向に沿って階段状に形成される。Ｚ方向に並ぶ７個の電極２５ａのうち、隣り合う２個の幅Ｗａの差Ｐ（「ずらしピッチＰ」とも言う。）は、一定である。例えば、液晶パネル２０＿１の電極２５ａの幅Ｗａ＿１が１２３μｍ、液晶パネル２０＿７の電極２５ａの幅Ｗａ＿７が３μｍであり、ずらしピッチＰが２０μｍに設計される。

また、繰り返し単位Ｕ内において、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々に１つずつ含まれる合計７個の電極２５ｂは、Ｘ方向に沿って、電極２５ａの右側に配置される。また、当該７個の電極２５ｂは、Ｘ方向に沿って幅Ｗｂを有する。換言すると、７個の電極２５ｂの幅は、いずれも等しい。例えば、電極２５ｂの幅Ｗｂは、７μｍに設定される。

次に、入射面制限部１１の構成について、引き続き図２を用いて説明する。

上述の通り、入射面制限部１１は、レーザ光源１０と光偏向素子１２との間に設けられ、入射面Ｓの一部にレーザ光が入射することを制限するように構成される。入射面制限部１１は、液晶パネル２０＿１のレーザ光源１０側の面上に接するように設けられる。

図２の例では、入射面制限部１１は、光偏向素子１２の繰り返し単位Ｕ（１）及びＵ（２）に応じて、遮光マスク３０（３０（０）、３０（１）、及び３０（２））を含む。遮光マスク３０は、レーザ光源１０から入射されるレーザ光を透過しない任意の材料が適用可能であり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）を用いて成膜される。遮光マスク３０は、例えば、Ｚ方向に沿って厚さ１８０ｎｍを有する。或いは、遮光マスク３０として、黒色の染料を含む樹脂を用いてもよい。

遮光マスク３０（０）の両端は、Ｘ方向に沿って、繰り返し単位Ｕ（１）における液晶パネル２０＿７の電極２５ａの両端と一致する。すなわち、遮光マスク３０（０）は、Ｘ方向に沿って、幅Ｗａ＿７を有する。

遮光マスク３０（１）の左端は、繰り返し単位Ｕ（１）における液晶パネル２０＿１の電極２５ａの右端からずらしピッチＰだけＸ方向（右方向）にずれた位置に合わせられる。遮光マスク３０（１）の右端は、繰り返し単位Ｕ（２）における液晶パネル２０＿７の電極２５ａの右端と一致する。遮光マスク３０（１）は、Ｘ方向に沿って幅Ｗｍを有する。図２の例では、幅Ｗｍと幅Ｗｔとは、以下に示す式（１）の関係を有する。

Ｗｔ＝（Ｗａ＿１）＋（Ｐ）＋（Ｗｍ）−（Ｗａ＿７） （１）
すなわち、図２の例では、幅Ｗｔは、３８０μｍ程度に設計される。

遮光マスク３０（２）の左端は、繰り返し単位Ｕ（２）における液晶パネル２０＿１の電極２５ａの右端からずらしピッチＰだけＸ方向（右方向）にずれた位置に合わせられる。遮光マスク３０（１）は、例えば、幅Ｗｍを有する。なお、繰り返し単位Ｕ（２）が光偏向素子１２の最も右端に位置する場合、遮光マスク３０（２）の右端は、繰り返し単位Ｕ（２）の右端と一致してもよい。

以上のように構成されることにより、入射面制限部１１は、入射面Ｓのうち、遮光マスク３０（０）〜３０（２）が設けられる領域に入射するレーザ光を遮光する。

［１−２−２］ 液晶パネルの構成
次に、液晶パネル２０の具体的な構成について図３及び図４を用いて説明する。

図３は、第１実施形態に係る光偏向装置の液晶パネルの構成、及び入射面制限部の位置関係を説明するための平面図である。図３では、図２において説明された光偏向素子１２のうち、１つの液晶パネル２０＿１と、入射面制限部１１との平面図が示される。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った液晶パネル２０＿１及び入射面制限部１１の断面図である。なお、他の液晶パネル２０＿２〜２０＿７の構成は、電極２５ａの幅の違いを除いて液晶パネル２０＿１の構成と同等であるため、説明を省略する。

液晶パネル２０＿１は、透過型の液晶素子である。液晶パネル２０＿１は、対向配置された基板２１及び２２と、基板２１及び２２間に挟持された液晶層２３と、を備える。基板２１及び２２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。例えば、基板２１は、レーザ光源１０側に配置され、レーザ光源１０からのレーザ光は、基板２１側から液晶層２３に入射する。

液晶層２３は、基板２１及び２２間に充填される。具体的には、液晶層２３は、基板２１及び２２と、シール材２４とによって包囲された領域内に封入される。シール材２４は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板２１又は２２に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。

液晶層２３を構成する液晶材料は、基板２１及び２２間に印加された電圧（電界）に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の液晶パネル２０＿１は、例えば、ホモジニアスモードである。すなわち、液晶層２３として正の誘電率異方性を有するポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧（電界）を印加しないときには基板面に対して概略水平方向（ＸＹ平面）に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しないときに液晶分子の長軸（ダイレクタ）がＸＹ平面内に配向し、電圧を印加したときに液晶分子の長軸が垂直方向（Ｚ方向）に向かって傾く。液晶分子の傾斜角は、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層２３の初期配向は、液晶層２３を挟むようにして基板２１及び２２にそれぞれ設けられた２つの配向膜によって制御される。液晶層２３の屈折率は、液晶分子がＸＹ平面に配向するか、Ｚ方向に配向するかに応じて変化する。具体的には、液晶層２３の屈折率は、液晶分子の長軸がＸＹ平面に配向している状態で最も大きくなり、Ｚ方向に向かって傾くほど小さくなる。

なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。ＶＡモードでは、電界を印加しないときに液晶分子の長軸がＺ方向に配向し、電圧を印加したときに液晶分子の長軸がＸＹ平面に向かって傾く。

基板２１の液晶層２３側には、それぞれがＹ方向に延びる電極２５ａ（１）及び２５ａ（２）、並びに２５ｂ（１）及び２５ｂ（２）が設けられる。電極２５ａ（１）と電極２５ｂ（１）との間、及び電極２５ａ（２）と電極２５ｂ（２）との間のＸ方向に沿う間隔Ｄ０は、電極を加工する際の製造工程に起因する最小加工寸法であり、例えば、３μｍである。電極２５ｂ（１）と遮光マスク３０（１）との間、及び電極２５ｂ（２）と遮光マスク３０（２）との間のＸ方向に沿う間隔Ｄ１は、例えば、１０μｍである。すなわち、間隔Ｄ０及びＤ１、幅Ｗｂ、並びにずらしピッチＰは、以下に示す式（２）の関係を有する。

Ｐ＝（Ｄ０）＋（Ｗｂ）＋（Ｄ１） （２）
なお、図４の例では、液晶パネル２０＿１の電極２５ａ、２５ｂ、及び遮光マスク３０の位置関係について説明したが、上述の式（２）は、隣り合う液晶パネルについても適用できる。

液晶パネル２０＿１及び２０＿２を例に説明すると、液晶パネル２０＿２の電極２５ａ及び２５ｂ間のＸ方向に沿う間隔がＤ０に設定される。また、液晶パネル２０＿２の電極２５ｂの右端と液晶パネル２０＿１の電極２５ａの右端との間のＸ方向に沿う間隔がＤ１に設定される。これにより、隣り合う液晶パネルについても、一方の電極２５ａ及び２５ｂ、並びに他方の電極２５ａの３つの電極間の位置関係について、上述の式（２）が成立する。

基板２１、並びに電極２５ａ及び２５ｂ上には、液晶層２３の初期配向を制御する配向膜２７が設けられる。

基板２２の液晶層２３側には、１つの共通電極２６が設けられる。共通電極２６は、基板２２全面に平面状に設けられる。基板２２、及び共通電極２６上には、液晶層２３の初期配向を制御する配向膜２８が設けられる。なお、基板２１に共通電極２６を配置し、基板２２に電極２５ａ及び２５ｂを配置してもよい。

電極２５ａ、２５ｂ、及び共通電極２６はそれぞれ、透明電極から構成され、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。

なお、以上のように構成された液晶パネル２０としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶素子（透過型ＬＣＯＳ）が用いられてもよい。透過型ＬＣＯＳを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の液晶パネル２０を実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（又は透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶素子として使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、セル電極がより小さい液晶素子を実現することができるため、液晶素子を小型化することが可能となる。

［１−２−３］ 液晶パネルの回路構成
次に、液晶パネル２０の回路構成について説明する。

図５は、第１実施形態に係る光偏向装置の液晶パネルの構成を説明するための回路図である。

図５に示すように、駆動回路１３は、電極２５ａ、２５ｂ、及び２６の各々へ異なる電圧を供給する機能を有する。駆動回路１３は、例えば、配線２９＿１に正電圧Ｖａ（“＋Ｖａ”とも表記する。）を供給し、配線２９＿２に共通電圧Ｖｃｏｍ（＜Ｖａ、例えばＶｃｏｍ＝０Ｖ）を供給する。

液晶パネル２０＿１〜２０＿７内の各々に含まれる複数の電極２５ａ及び２５ｂは、配線２９＿１に共通接続される。複数の電極２５ａの各々は、例えば、配線２９＿１に直接接続されることにより、電圧Ｖａが印加される。一方、複数の電極２５ｂの各々は、抵抗Ｒｂを介して配線２９＿１に接続される。より具体的には、電極２５ｂ（１）は抵抗Ｒｂ（１）を介して、電極２５ｂ（２）は抵抗Ｒｂ（２）を介して、配線２９＿１に接続される。抵抗Ｒｂ（１）及びＲｂ（２）は、同等の抵抗値が設定される。これにより、複数の電極２５ｂの各々には、電極２５ａに印加される電圧Ｖａより小さい電圧Ｖｂが印加される（Ｖｂ＜Ｖａ）。抵抗Ｒｂは、可変抵抗であり、例えば、電圧Ｖａに対する電圧Ｖｂの大きさを調整可能に構成される。

また、液晶パネル２０＿１〜２０＿７内の各々に含まれる複数の共通電極２６は、配線２９＿２に共通接続される。複数の共通電極２６の各々は、例えば、配線２９＿２に直接接続されることにより、電圧Ｖｃｏｍが印加される。

以上のように構成されることにより、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、電極２５ａと共通電極２６との間に電位差｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜を発生させ、電極２５ｂと共通電極２６との間に電位差｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜と異なる電位差｜Ｖｂ−Ｖｃｏｍ｜を発生させることができる。また、電圧Ｖａの大きさを変更することにより、電位差｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜の大きさを制御することができる。

なお、実際には、各液晶パネルは、交流駆動される。例えば、電圧Ｖｃｏｍは“０”Ｖに設定され、電圧Ｖａは、正電圧“＋Ｖａ”と負電圧“−Ｖａ”との間を周期的に繰り返す矩形波（交流電圧）に設定される。或いは、電圧Ｖａは、正電圧“＋Ｖａ”と“０”Ｖとの間を周期的に繰り返す矩形波（交流電圧）に設定され、電圧Ｖｃｏｍは、電圧Ｖａの位相を１８０度ずらした矩形波に設定される。このような電圧制御により、前述した電位差を液晶層に印加しつつ、各液晶パネルを交流駆動することができる。

［２］ 光偏向素子の動作
次に、第１実施形態に係る光偏向素子の動作について説明する。

［２−１］ 液晶パネルへ印加される電圧と屈折率との関係
まず、液晶パネル２０への電圧の印加動作と、その際の液晶層２３の屈折率分布との関係について説明する。

図６は、第１実施形態に係る液晶パネルに印加される電圧と屈折率との関係を説明するためのダイアグラムである。具体的には、図６（Ａ）では、液晶パネル２０＿ｋ（ｋは、１≦ｋ≦７の整数）において液晶層２３の上下端に発生する電位差（縦軸）が、Ｘ方向の位置（横軸）に応じて変化する様子が線Ｌ１として示される。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に対応し、液晶パネル２０＿ｋにおける液晶層２３の屈折率（縦軸）が、Ｘ方向の位置（横軸）に応じて変化する様子が線Ｌ４として示される。

なお、図６では、電極２５ａの左端のＸ方向の位置が位置ｘ０であるものとする。また、位置ｘｐから位置ｘｑまでの範囲は、範囲［ｘｐ、ｘｑ］と表記する。

図６（Ａ）に示すように、液晶パネル２０＿ｋの電極２５ａは、幅Ｗａ＿ｋを有する。これにより、範囲［ｘ０、ｘ１（＝ｘ０＋（Ｗａ＿ｋ））］において、液晶層２３の上下端に発生する電位差（以下、単に「液晶層２３の電位差」とも言う。）は、電圧｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜に実質的に固定され得る。

液晶パネル２０＿ｋの電極２５ｂは、幅Ｗｂを有する。これにより、範囲［ｘ２（＝ｘ１＋Ｄ０）、ｘ３（＝ｘ２＋Ｗｂ）］において、液晶層２３の電位差は、電圧｜Ｖｂ−Ｖｃｏｍ｜に実質的に固定され得る。

範囲［ｘ４（＝ｘ３＋Ｄ１）、ｘ５（＜ｘ６＝ｘ０＋Ｗｔ）］は、電極２５ａ及び２５ｂのいずれからも十分に離れている。このため、範囲［ｘ４、ｘ５］において、液晶層２３の電位差は、“０”に実質的に固定され得る。

なお、範囲［ｘ１、ｘ４］のうち電極２５ａ又は２５ｂが設けられていない部分では、液晶層２３の電位差は、電極から遠い位置ほど、電位差の変化率（の絶対値）が大きくなるように単調減少する。このため、範囲［ｘ１、ｘ４］に電極２５ｂが設けられていない場合、線Ｌ３に示すように、範囲［ｘ２、ｘ３］において、液晶層２３の電位差の変化率が最も大きくなる領域が発生し得る。しかしながら、本実施形態では、電極２５ｂが設けられることにより、範囲［ｘ２、ｘ３］における液晶層２３の電位差が実質的にＶｂに固定される。このため、範囲［ｘ１、ｘ４］において、線Ｌ１は、線Ｌ３よりも、液晶層２３の電位差の変化率が過剰に変動することが抑制される。換言すると、範囲［ｘ１、ｘ４］における線Ｌ１は、線Ｌ３よりも、位置ｘ１における電位差Ｖａと、位置ｘ４における電位差“０”とを結ぶ直線Ｌ２に近づく。

位置ｘ６（＝ｘ０＋Ｗｔ）以降は、新たな繰り返し単位Ｕが開始するため、範囲［ｘ６、ｘ７（＝ｘ６＋Ｗａ＿７）］において、液晶層２３の電位差は、電圧｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜に実質的に固定され得る。したがって、範囲［ｘ５、ｘ６］では、液晶層２３の電位差は、電極からの位置が遠い位置ほど電位差の変化率が大きくなるように、Ｘ方向に沿って単調増加する。

上述の通り、液晶層２３は、液晶層２３の上下端の電位差が大きくなるほど液晶分子の長軸がＺ方向に向かって傾き、屈折率が小さくなる。

このため、図６（Ｂ）に示すように、範囲［ｘ０、ｘ１］、［ｘ２、ｘ３］、及び［ｘ４、ｘ５］ではそれぞれ、液晶層２３の屈折率は、電位差｜Ｖａ−Ｖｃｏｍ｜に対応する屈折率ｎ＿ａ、電位差｜Ｖｂ−Ｖｃｏｍ｜に対応する屈折率ｎ＿ｂ（＞ｎ＿ａ）、電位差“０”に対応する屈折率ｎ＿ｃｏｍ（＞ｎ＿ｂ）に実質的に固定され得る。

そして、電極２５ｂに印加される電圧Ｖｂを適切な値に設定することにより、範囲［ｘ１、ｘ４］における屈折率の変化率が過剰に変動することが抑制される。換言すると、範囲［ｘ１、ｘ４］における線Ｌ４は、位置ｘ１における屈折率ｎ＿ａと、位置ｘ４における屈折率ｎ＿ｃｏｍとを結ぶ直線Ｌ５に近づく。

位置ｘ６以降は、新たな繰り返し単位Ｕが開始するため、範囲［ｘ６、ｘ７］において、液晶層２３の屈折率は、再びｎ＿ａに実質的に固定され得る。したがって、範囲［ｘ５、ｘ６］では、液晶層２３の屈折率は、電極からの位置が遠い位置ほど屈折率の変化率が大きくなるように、Ｘ方向に沿って単調減少する。

以降の説明では、屈折率がｎ＿ａで実質的に固定される領域を領域２３Ａ、屈折率がＸ方向に沿ってｎ＿ａからｎ＿ｃｏｍに単調増加する領域を領域２３Ｂ、屈折率がｎ＿ｃｏｍで実質的に固定される領域を領域２３Ｃと定義する。また、屈折率がＸ方向に沿ってｎ＿ｃｏｍからｎ＿ａに単調減少する領域を領域２３Ｒ（リセット領域）と定義する。

図７は、第１実施形態に係る光偏向素子内の全ての液晶パネルにおける屈折率の分布を説明するための模式的な断面図である。図７では、領域２３Ａが縦方向の破線によってハッチングされ、領域２３Ｂが右下がり方向の破線によってハッチングされ、領域２３Ｃが横方向の破線によってハッチングされる。また、図７では、リセット領域２３Ｒが右上がり方向の破線によってハッチングされる。

図７に示すように、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々には、電極２５ａ及び２５ｂが配置された位置に応じて、上述の領域２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、及び２３Ｒが形成される。より具体的には、光偏向素子１２は、Ｚ方向に沿って、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の全てが領域２３Ａ、２３Ｃ、又は２３Ｒとなる第１部分と、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の領域２３Ｂが占める第２部分と、に分類される。

入射面制限部１１は、入射面Ｓのうち、上述の第１部分にレーザ光の入射を制限するように配置される。換言すると、入射面制限部１１は、入射面Ｓのうち、上述の第１部分を除く第２部分からレーザ光が入射可能な開口部分を有するように配置される。

［２−２］ 偏向動作
次に、光偏向素子１２の偏向動作についてより詳細に説明する。

図８は、第１実施形態に係る光偏向装置における偏向動作を説明するための模式的な断面図である。図８では、光偏向素子１２に向けて出射されたレーザ光ＩＬ１〜ＩＬ５が模式的に示される。レーザ光ＩＬ１及びＩＬ４は、液晶パネル２０＿１における領域２３Ａ又は２３Ｂに入射するレーザ光である。レーザ光ＩＬ２及びＩＬ６は、液晶パネル２０＿１における領域２３Ｃに入射するレーザ光である。レーザ光ＩＬ３は、液晶パネル２０＿１における領域２３Ｒに入射するレーザ光である。

図８では、光偏向素子１２がレーザ光を右側に偏向角θで偏向させる例を示している。なお、図８では、図７と同様、領域２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、及び２３Ｒがそれぞれ、縦方向の破線、右下がり方向の破線、横方向の破線、及び右上がり方向の破線によってハッチングされている。

光偏向素子１２のうち、Ｚ方向に沿って少なくとも１つの領域２３Ｂを含む部分は、Ｘ方向に沿って順に高くなる屈折率の勾配を有する。また、当該部分において、最も左側の領域は、屈折率が低い領域が最も多く、最も右側の領域は、屈折率が高い領域が最も多い。屈折率が低い領域は、光が進む速度が速く、屈折率が高い領域は、光が進む速度が遅い。すなわち、屈折率が最も低い領域を透過レーザ光と、屈折率が最も高い領域を透過したレーザ光とは、所定の位相差を有する。よって、図８の例では、光偏向素子１２は、レーザ光を右側に偏向させることができる。

偏向角をθ、液晶パネル２０一枚あたりのリタデーションをＲ、液晶パネル２０一枚あたりの基板２１及び２２の合計の厚さをｔ、基板２１及び２２の屈折率をｎ、並びにずらしピッチをＰとする。液晶パネル２０の液晶分子は、ホモジニアス配向とし、レーザ光の偏光軸は液晶分子のダイレクタに平行になるように入射されるとする。この場合、偏向角θは、以下の式（３）で表される。

例えば、リタデーションＲが１７５０ｎｍ、厚さｔが１０００μｍ（＝５００μｍ×２）、ずらしピッチＰが２０μｍ、屈折率ｎが１．５であるとすると、式（３）から偏向角θは、約３．１５度（°）と計算される。

一方、光偏向素子１２のうち、Ｚ方向に沿って全ての液晶層２３が領域２３Ａ又は２３Ｃである部分は、Ｘ方向に沿って屈折率が変化しない。当該部分を透過したレーザ光は、Ｘ方向に沿って位相差が変化しないため、偏向しない。本実施形態では、当該部分に入射するレーザ光ＩＬ２及びＩＬ５が遮光マスク３０によって遮光される。このため、Ｘ方向に沿って偏向しないレーザ光が出射されることを抑制することができる。

また、光偏向素子１２のうち、Ｚ方向に沿って少なくとも１つの領域２３Ｒを含む部分は、Ｘ方向に沿って順に低くなる屈折率の勾配を有する。また、当該部分において、最も左側の領域は、屈折率が高い領域が最も多く、最も右側の領域は、屈折率が低い領域が最も多い。よって、図８の例では、光偏向素子１２は、領域２３Ｒに入射したレーザ光を左側に偏向させ得る。このような偏向は、レーザ光を右側に偏向させようとする場合における逆方向の偏向であり、レーザ光が散乱する要因ともなるため、好ましくない。本実施形態では、当該部分に入射するレーザ光ＩＬ３が遮光マスク３０によって遮光される。このため、レーザ光が散乱することを抑制することができる。

次に、液晶パネル２０＿１の領域２３Ｂに入射するレーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅに着目する。上述の通り、領域２３Ｂの左端と右端とでは、屈折率がｎ＿ａからｎ＿ｃｏｍに変化している。このため、レーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅの左端と右端とでは、リタデーションＲだけ位相差が発生する。このため、液晶パネル２０＿１の領域２３Ｂを透過したレーザ光は、以下の式（４）で表される偏向角θｂで偏向される。

すなわち、液晶パネル２０＿１の領域２３Ｂを透過したレーザ光は、以下の式（５）で表される距離Ｘ＿ｄｅｆだけＸ方向に進む。

例えば、リタデーションＲが１７５０ｎｍ、厚さｔが１０００μｍ（＝５００μｍ×２）、屈折率ｎが１．５、液晶パネル２０のスタック数を７枚であるとすると、式（４）及び（５）から距離Ｘ＿ｄｅｆは、約３５１μｍと計算される。

レーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅは、液晶パネル２０＿２〜２０＿７の領域２３Ｃを透過する限りにおいては、偏向角θｂを保ち得る。しかしながら、仮にレーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅが領域２３Ｒを透過した場合、レーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅは、偏向角θｂを小さくする方向に偏向することにより、散乱され得る。この散乱光は、偏向角θとは異なる偏向角を有するため、光偏向素子１２から出射されるレーザ光に不要な光成分（偏向角θを有さない光成分）が含まれてしまい、望ましくない。したがって、レーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅの光路上には、領域２３Ｒとなる液晶層２３が含まれないことが望ましい。

本実施形態では、幅Ｗｍが５２０μｍ、幅Ｗａ＿１が１２３μｍ、幅Ｗａ＿７が３μｍ、ずらしピッチＰが２０μｍに設計されている。これにより、液晶パネル２０＿１の領域２３Ｃの右端から繰り返し単位Ｕの右端までの幅が３７７μｍとなる。このため、領域２３ＲがＸ方向に沿って２０μｍ程度存在すると仮定した場合においても、領域２３Ｃを距離Ｘ＿ｄｅｆより長い３５７μｍ程度確保することができる。したがって、レーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅが領域２３Ｒに入射することを抑制することができ、ひいては、予期しないレーザ光の散乱を抑制すると共に、指向性の強い（不要な光成分を含まない）レーザ光を得ることができる。

［３］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、積層された液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々について、繰り返し単位Ｕ毎に、電極２５ａ及び２５ｂが配置される。電極２５ａの幅Ｗａは、積層順にずらしピッチＰずつ階段状に変化するように設定される。電極２５ｂは、一定の幅Ｗｂを有し、電極２５ａの右端からずらしピッチＰの範囲内に配置される。これにより、電極２５ａ及び２５ｂにそれぞれ電圧Ｖａ及びＶｂを印加した際に、液晶パネル２０＿７の電極２５ａの右端から、液晶パネル２０＿１の電極２５ａの右端からずらしピッチＰだけ右側にずれた位置までの範囲において、Ｚ方向に沿う正味の屈折率がなだらかに変化する領域を形成することができる。このため、光偏向素子１２は、当該領域に入射したレーザ光を所定の偏向角θだけ偏向させたレーザ光を出射することができる。また、電極２５ａ及び２５ｂが繰り返し単位Ｕ毎に配置されることにより、屈折率がなだらかに変化する領域がフレネルレンズ状に形成される。このため、偏向されたレーザ光を実用的なスポット径で出射させることができる。したがって、大型化を抑制しつつ、レーザ光を走査できる光偏向装置を提供することができる。

また、液晶パネル２０＿１の入射面Ｓには、繰り返し単位Ｕ（１）における液晶パネル２０＿１の右端からずらしピッチＰ離れた位置から、繰り返し単位Ｕ（２）における液晶パネル２０＿７の右端までの範囲を遮光する遮光マスク３０（１）が設けられる。これにより、遮光マスク３０は、入射面Ｓに入射するレーザ光のうち、液晶パネル２０＿１のリセット領域２３Ｒに入射するレーザ光ＩＬ３を遮光することができる。このため、リセット領域２３Ｒに入射したレーザ光が散乱し、偏向角θの値が変動することを抑制することができる。また、遮光マスク３０は、Ｚ方向に沿って全て液晶パネル２０が領域２３Ａ又は２３Ｃとなる領域に入射するレーザ光ＩＬ２及びＩＬ５についても遮光することができる。このため、位相差が変化しないレーザ光が出射することを抑制することができる。

また、遮光マスク３０の左端から次の繰り返し単位Ｕにおける電極２５ａの左端までの間隔は、少なくとも距離Ｘ＿ｄｅｆよりも長くなるように設計される。これにより、遮光マスク３０の左端から入射し、偏向角θｂで偏向されたレーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅが、次の繰り返し単位Ｕにおける電極２５ａの左端付近に形成されるリセット領域２３Ｒに入射することを抑制することができる。このため、光偏向素子１２の外部から直接リセット領域２３Ｒに入射するレーザ光ＩＬ３に起因する散乱に加え、光偏向素子１２内を透過中にリセット領域２３Ｒに入射するレーザ光ＩＬ＿ｅｄｇｅに起因する散乱の発生も抑制することができる。したがって、光偏向素子１２は、より精度よく偏向角θのレーザ光を出射することができる。

［４］ 変形例
第１実施形態では、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々の基板２１上に２種類の電極２５ａ及び２５ｂが設けられる場合について説明したが、これに限られない。以下では、基板２１上に設けられる電極の種類に応じて、いくつかの変形例について説明する。なお、以下では、第１実施形態と異なる構成及び動作について主に説明し、第１実施形態と同等の構成及び動作についてその説明を省略する。

［４−１］ 第１変形例
第１変形例では、基板２１上に１種類の電極が設けられる場合について説明する。

図９及び図１０はそれぞれ、第１実施形態の第１変形例に係る液晶パネルに設けられる電極を説明するための断面図及び回路図である。図９及び図１０はそれぞれ、第１実施形態において説明された図４及び図５に対応する。なお、図１０では、説明の便宜上、液晶パネル２０＿１の回路構成のみが示される。

図９に示すように、基板２１の液晶層２３側には、電極２５ｂ（１）及び２５ｂ（２）が設けられることなく、電極２５ａ（１）及び２５ａ（２）が設けられてもよい。

この場合、図１０に示すように、電極２５ｂと配線２９＿１との間を接続する抵抗Ｒｂについても、電極２５ｂと同様に不要となる。

第１変形例によれば、電極２５ｂ及び抵抗Ｒｂが不要となることにより、光偏向素子１２の設計が容易となる。また、電極２５ｂを用いなくても、範囲［ｘ１、ｘ４］には、屈折率がＸ方向に沿ってｎ＿ａからｎ＿ｃｏｍへと単調増加する領域２３Ｂを形成することができるため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

［４−２］ 第２変形例
第２変形例では、基板２１上に３種類の電極が設けられる場合について説明する。

図１１及び図１２はそれぞれ、第１実施形態の第２変形例に係る液晶パネルに設けられる電極を説明するための断面図及び回路図である。図１１及び図１２はそれぞれ、第１実施形態において説明された図４及び図５に対応する。なお、図１２では、説明の便宜上、液晶パネル２０＿１の回路構成のみが示される。

図１１に示すように、基板２１の液晶層２３側には、電極２５ｂ（１）及び２５ｂ（２）、並びに２５ｂ（１）及び２５ｂ（２）に加えて、電極２５ｃ（１）及び２５ｃ（２）が更に設けられてよい。電極２５ｃは、領域２３Ｃにおける液晶パネル２０の上下端の電位差をより正確に“０”にする機能を有する。

電極２５ｃの左端は、例えば、遮光マスク３０の左端と一致するように配置される。また、例えば、電極２５ｃは、電極２５ｃの右端と、次の繰り返し単位Ｕにおける電極２５ａの左端との間の間隔が最小加工寸法となる幅を有している。

図１２に示すように、上述のように構成された複数の電極２５ｃは、配線２９＿２に共通接続される。複数の電極２５ｃの各々は、配線２９＿２に直接接続されることにより、電圧Ｖｃｏｍが印加される。

以上のように構成されることにより、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、電極２５ｃと共通電極２６との間の電位差をより正確に“０”にすることができる。

第２変形例によれば、電極２５ｃを更に配置することにより、図６に示された範囲［ｘ４、ｘ５］における屈折率を、より正確に屈折率ｎ＿ｃｏｍとすることができる。

また、電極２５ｃの右端を次の繰り返し単位Ｕにおける電極２５ａの左端に極力近づける設計とすることにより、範囲［ｘ５、ｘ６］を最小加工寸法程度に低減することができる。これにより、領域２３Ｒの幅を低減することができる。したがって、遮光マスク３０によって遮光されるレーザ光の割合を減らすことができ、ひいては、光偏向装置１におけるレーザ光の透過率の低下を抑制することができる。

また、電極２５ａと２５ｃとに印加される電圧を逆転させることにより、偏向させる方向を左方向に反転させることができる。したがって、より広範なレーザ光の走査が可能となる。

［４−３］ 第３変形例
第３変形例では、基板２１上に４種類の電極が設けられる場合について説明する。

図１３及び図１４はそれぞれ、第１実施形態の第３変形例に係る液晶パネルに設けられる電極を説明するための断面図及び回路図である。図１３及び図１４はそれぞれ、第１実施形態において説明された図４及び図５に対応する。なお、図１４では、説明の便宜上、液晶パネル２０＿１の回路構成のみが示される。

図１３に示すように、基板２１の液晶層２３側には、電極２５ａ（１）及び２５ａ（２）、２５ｂ（１）及び２５ｂ（２）、並びに２５ｃ（１）及び２５ｃ（２）に加えて、電極２５ｄ（１）及び２５ｄ（２）が更に設けられてよい。電極２５ｄは、例えば、幅Ｗｄを有し、領域２３Ｂにおける液晶パネル２０の上下端の電位差の変化率をより一定に近づける機能を有する。

電極２５ｂ及び２５ｄは、例えば、電極２５ａと電極２５ｃとの間に均等に配置される。より具体的には、例えば、電極２５ｂと電極２５ｃとの間のＸ方向に沿う間隔Ｄ２、及び電極２５ｃと電極２５ｄとの間のＸ方向に沿う間隔Ｄ３は、電極を加工する際の製造工程に起因する最小加工寸法であり、例えば、３μｍである。これに伴い、電極２５ｂの幅Ｗｂ及び２５ｄの幅Ｗｄは、例えば、５．５μｍとなる。

図１４に示すように、上述のように構成された複数の電極２５ｄの各々は、抵抗Ｒｄを介して配線２９＿１に共通接続される。抵抗Ｒｄは、抵抗Ｒｂと同様に可変抵抗であり、例えば、抵抗Ｒｂよりも小さい値に調整される（Ｒｄ＜Ｒｂ）。

以上のように構成されることにより、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、電極２５ｄに電圧Ｖｂよりも小さい電圧Ｖｄを印加することができ、ひいては、電極２５ｄと共通電極２６との間の電位差｜Ｖｄ−Ｖｃｏｍ｜を、電極２５ｂと共通電極２６との間の電位差｜Ｖｂ−Ｖｃｏｍ｜よりも小さい値にすることができる。

第３変形例によれば、電極２５ｄを更に配置することにより、図６に示された範囲［ｘ１、ｘ４］における屈折率の変化率がより一定値に近づくように制御することができる。したがって、より正確に偏向角θを制御することができる。

［４−４］ 第４変形例
第４変形例では、基板２１上に３種類以上の電極を設けることなく、２電極間の電位差の変化率を一定に保ち得る構成について説明する。

図１５及び図１６はそれぞれ、第１実施形態の第４変形例に係る液晶パネルに設けられる電極を説明するための断面図及び回路図である。図１５及び図１６はそれぞれ、第１実施形態において説明された図４及び図５に対応する。なお、図１６では、説明の便宜上、液晶パネル２０＿１の回路構成のみが示される。

図１５に示すように、基板２１の液晶層２３側には、電極２５ａ（１）及び２５ａ（２）、並びに２５ｃ（１）及び２５ｃ（２）に加えて、高抵抗膜２５ｅ（１）及び２５ｅ（２）が更に設けられてよい。高抵抗膜２５ｅは、例えば、電極２５ａと電極２５ｃとの間を埋めるように設けられ、電極２５ａ及び電極２５ｃのいずれにも接する。高抵抗膜２５ｅは、領域２３Ｂにおける液晶パネル２０の上下端の電位差の変化率をより一定に近づける機能を有する。高抵抗膜２５ｅは、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む。

図１６に示すように、上述のように構成された複数の高抵抗膜２５ｅの各々は、電極２５ａと電極２５ｃとの間を電気的に接続する抵抗Ｒｅとして機能する。

以上のように構成されることにより、液晶パネル２０＿１〜２０＿７の各々は、電極２５ａと電極２５ｃとの間において、電圧Ｖａが印加された電極２５ａから電圧Ｖｃｏｍが印加された電極２５ｃに向けて、一定の変化率で降下するように電圧を印加することができる。

第４変形例によれば、高抵抗膜２５ｅを更に配置することにより、図６に示された範囲［ｘ１、ｘ４］における屈折率の変化率がより一定値に近づくように制御することができる。したがって、より正確に偏向角θを制御することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る光偏向装置について説明する。第２実施形態では、光偏向素子１２に入射させるレーザ光を遮光マスク３０によって遮光させる前に、当該遮光マスク３０に遮光され得るレーザ光を光偏向素子１２へ入射可能な領域に集光する点において、第１実施形態と異なる。以下では、第１実施形態と異なる構成及び動作について主に説明し、第１実施形態と同等の構成及び動作についてその説明を省略する。

［１］ 入射面制限部の構成
図１７は、第２実施形態に係る光偏向装置の入射面制限部及び光偏向素子の全体構成を説明するための模式的な断面図である。図１７は、第１実施形態において説明された図２に対応する。

図１７に示すように、入射面制限部１１は、遮光マスク３０に加え、集光光学系３１を更に含む。集光光学系３１は、例えば、遮光マスク３０のレーザ光の入射側の面上に、接着剤を用いて貼り付けられる。

図１７の例では、集光光学系３１は、光偏向素子１２の繰り返し単位Ｕ（１）及び（２）に応じて、集光光学系３１（１）及び３１（２）を含む。より具体的には、集光光学系３１（１）は、例えば、凸レンズ３１ｃｏｎｖ（１）及び凹レンズ３１ｃｏｎｃ（１）を含み、集光光学系３１（２）は、例えば、凸レンズ３１ｃｏｎｖ（２）及び凹レンズ３１ｃｏｎｃ（２）を含む。

凸レンズ３１ｃｏｎｖ及び凹レンズ３１ｃｏｎｃはそれぞれ、ＸＺ平面に沿った断面が凸レンズ及び凹レンズとなる形状を有し、Ｙ方向に沿って延びる。すなわち、凸レンズ３１ｃｏｎｖ及び凹レンズ３１ｃｏｎｃは、Ｙ方向に沿って楕円筒形状を有する。以下では、ＸＺ平面に沿った断面形状について説明する。

凸レンズ３１ｃｏｎｖの径は、凹レンズ３１ｃｏｎｃの径よりも大きい。凸レンズ３１ｃｏｎｖ及び凹レンズ３１ｃｏｎｃの組は、レンズ間の距離が各々のレンズの焦点距離の和となるように配置される。これにより、凸レンズ３１ｃｏｎｖ及び凹レンズ３１ｃｏｎｃの組は、ガリレオ式ビームエキスパンダを構成することができる。すなわち、凸レンズ３１ｃｏｎｖ及び凹レンズ３１ｃｏｎｃの組は、凸レンズ３１ｃｏｎｖ側から入射したレーザ光を凹レンズ３１ｃｏｎｃの径に集光しつつ、入射側のレーザ光と平行な方向に出射させることができる。

なお、集光光学系３１は、２つのレンズの焦点を結ぶ直線が、遮光マスク３０の開口部分の中央を通過するように配置される。また、隣り合う集光光学系３１は、連続して配置される。以上のように構成することにより、集光光学系３１は、光偏向素子１２に入射する全てのレーザ光をいずれかの凸レンズ３１ｃｏｎｖに入射させると共に、当該凸レンズ３１ｃｏｎｖに対応する凹レンズ３１ｃｏｎｃから出射させることができる。

なお、上述の集光光学系３１は、例えば、２枚の樹脂シートを貼り合わせることによって作成可能である。より具体的には、集光光学系３１の凸レンズ３１ｃｏｎｖ側の形状に加工された第１面を有する樹脂シートと、凹レンズ３１ｃｏｎｃ側の形状に加工された第１面を有する樹脂シートと、を作成する。そして、樹脂シートの各々の第２面同士を貼り合わせることによって、集光光学系３１が得られる。なお、凸レンズ３１ｃｏｎｖ形状を有する樹脂シートとしては、例えば、レンチキュラーレンズが適用可能である。

［２］ 集光動作
図１８は、第２実施形態に係る集光光学系におけるレーザ光の集光動作を説明するための模式的な断面図である。図１８では、図１７において説明された集光光学系３１にレーザ光ＩＬ１〜ＩＬ５が入射した際に、当該レーザ光ＩＬ１〜ＩＬ５の集光光学系３１内における光路が模式的に示される。レーザ光ＩＬ１〜ＩＬ５は、図８において説明した場合と同様である。すなわち、レーザ光ＩＬ１及びＩＬ４は、領域２３Ａ又は２３Ｂに入射しようとするレーザ光である。レーザ光ＩＬ２及びＩＬ５は、領域２３Ｃに入射しようとするレーザ光である。レーザ光ＩＬ３は、領域２３Ｒに入射しようとするレーザ光である。以下では特に、レーザ光ＩＬ２及びＩＬ３の光路について説明する。

図１８に示すように、レーザ光ＩＬ２は、集光光学系３１（１）に入射するレーザ光ＩＬ２＿１と、集光光学系３１（２）に入射するレーザ光ＩＬ２＿２に分類される。レーザ光ＩＬ２＿１は、集光光学系３１（１）の凸レンズ３１ｃｏｎｖ（１）に入射するため、凸レンズ３１ｃｏｎｖ（１）の焦点に向かって屈折する。これにより、集光光学系３１（１）は、レーザ光ＩＬ２＿１を繰り返し単位Ｕ（１）において遮光マスク３０の開口部分に向けて出射することができる。一方、レーザ光ＩＬ２＿２は、集光光学系３１（２）の凸レンズ３１ｃｏｎｖ（２）に入射するため、凸レンズ３１ｃｏｎｖ（２）の焦点に向かって屈折する。これにより、集光光学系３１（２）は、レーザ光ＩＬ２＿２を繰り返し単位Ｕ（２）において遮光マスク３０の開口部分に向けて出射することができる。

また、レーザ光ＩＬ３は、レーザ光ＩＬ＿２と同様、集光光学系３１（２）の凸レンズ３１ｃｏｎｖ（２）に入射するため、凸レンズ３１ｃｏｎｖ（２）の焦点に向かって屈折する。これにより、集光光学系３１（２）は、レーザ光ＩＬ３についても繰り返し単位Ｕ（２）において遮光マスク３０の開口部分に向けて出射することができる。

［３］ 第２実施形態の効果
第２実施形態によれば、入射面制限部１１は、集光光学系３１を含む。集光光学系３１は、遮光マスク３０の開口部分と同等の径を有する凹レンズ３１ｃｏｎｃと、当該凹レンズ３１ｃｏｎｃよりも大きい径を有する凸レンズ３１ｃｏｎｖと、を含み、ガリレオ式ビームエキスパンダとして機能する。これにより、集光光学系３１は、遮光マスク３０に入射しようとするレーザ光ＩＬ２、ＩＬ３、及びＩＬ５を、遮光マスク３０の開口部分に集光させることができる。このため、遮光マスク３０によって遮光されるレーザ光の割合を低減させることができ、ひいては、光偏向素子１２の透過率の低減を抑制することができる。

なお、集光光学系３１の集光率が高い場合、遮光マスク３０によって遮光されるレーザ光の割合は小さくなる。この場合、集光光学系３１による集光動作によって、光偏向素子１２に入射したレーザ光の散乱を抑制することも可能である。したがって、集光光学系３１の集光率が高いと判断される場合は、遮光マスク３０を省略することも可能である。

［４］ 変形例
第２実施形態では、集光光学系３１に凹レンズと凸レンズとを組み合わせてビーム径を変化させるガリレオ式ビームエキスパンダが適用される場合について説明したが、これに限られない。例えば、集光光学系３１には、２つの凸レンズを組み合わせてビーム径を変化させるケプラー式ビームエキスパンダが適用されてもよい。以下の説明では、以下では、第２実施形態と異なる構成及び動作について主に説明し、第２実施形態と同等の構成及び動作についてその説明を省略する。

［４−１］ 入射面制限部の構成
図１９は、第２実施形態の変形例に係る光偏向装置の入射面制限部及び光偏向素子の全体構成を説明するための模式的な断面図である。図１９は、第２実施形態において説明された図１７に対応する。

図１９に示すように、入射面制限部１１は、集光光学系３１に代えて、集光光学系３１Ａを含む。集光光学系３１Ａは、例えば、図示しない領域において遮光マスク３０に対して固定される。

図１９の例では、集光光学系３１Ａは、光偏向素子１２の繰り返し単位Ｕ（１）及び（２）に応じて、集光光学系３１Ａ（１）及び３１Ａ（２）を含む。より具体的には、集光光学系３１Ａ（１）は、例えば、２つの凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ（１）及び３１ｃｏｎｖ＿ｂ（１）を含み、集光光学系３１Ａ（２）は、例えば、２つの凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ（２）及び３１ｃｏｎｖ＿ｂ（２）を含む。

凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂは、ＸＺ平面に沿った断面が凸レンズとなる形状を有し、Ｙ方向に沿って延びる。すなわち、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂは、Ｙ方向に沿って楕円筒形状を有する。以下では、ＸＺ平面に沿った断面形状について説明する。

凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａの径は、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ｂの径よりも大きい。凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂの組は、レンズ間の距離が各々のレンズの焦点距離の和となるように配置される。これにより、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂの組は、ケプラー式ビームエキスパンダを構成することができる。すなわち、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂの組は、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ側から入射したレーザ光を凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ｂの径に集光しつつ、入射側のレーザ光と平行な方向に出射させることができる。

なお、上述の集光光学系３１Ａは、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａが連続するレンチキュラーレンズ状に加工されたガラスシートと、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ｂが連続するレンチキュラーレンズ状に加工されたガラスシートと、貼り合わせることによって作成可能である。

［４−２］ 集光動作
図２０は、第２実施形態の変形例に係る集光光学系におけるレーザ光の集光動作を説明するための模式的な断面図である。図２０では、第２実施形態において説明された図１８に対応し、その集光動作は、集光光学系３１Ａ内の光路を除いて同様である。

すなわち、図２０に示すように、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａ及び３１ｃｏｎｖ＿ｂは、いずれも正の焦点距離を有する。これにより、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ａから入射したレーザ光は、集光光学系３１Ａ内の一点（焦点）に収束した後、凸レンズ３１ｃｏｎｖ＿ｂの径に沿ったビーム径のレーザ光として光偏向素子１２に出射される。

以上のように動作することにより、集光光学系３１Ａは、遮光マスク３０に入射しようとするレーザ光ＩＬ２、ＩＬ３、及びＩＬ５を、遮光マスク３０の開口部分に集光させることができる。このため、遮光マスク３０によって遮光されるレーザ光の割合を低減させることができ、ひいては、光偏向素子１２の透過率の低減を抑制することができる。

［実施例］
上述した第１実施形態及び第２実施形態に係る光偏向装置１は、種々の装置に組み込んで実施可能である。以下では、その一例について説明する。

［１］ 第１実施例
光偏向装置１は、例えば、照明装置に適用可能である。

図２１及び図２２はそれぞれ、第１実施例に係る照明装置の構成を説明するためのブロック図及び模式的な断面図である。

図２１に示すように、照明装置１Ａは、上述した光偏向装置１の各構成に加えて、出力光学系１６を更に備える。

出力光学系１６は、光偏向素子１２によって偏向されたレーザ光を所望の色を有する出力光に変換して出力する機能を有する。

図２２に示すように、出力光学系１６は、例えば、蛍光体ユニット４１、反射部材４２及び４３、及び透過フィルタ４４を含む。

蛍光体ユニット４１は、互いに色温度の異なる複数の蛍光体（図２２の例では、５個の蛍光体）を含む。各蛍光体は、レーザ光を波長変換して、所望の色の照明光（可視光）を放射する。具体的には、蛍光体は、レーザ光を吸収して励起状態となった後、もとの基底状態に戻る過程で光（蛍光）を放射する。蛍光体ユニット４１は、例えば、反射部材４２に固定される。

反射部材４２は、蛍光体ユニット４１のレーザ光源１０と反対側の面に設けられる。反射部材４２は、例えば平面鏡により構成される。反射部材４２は、蛍光体ユニット４１を透過した照明光を反射する。

反射部材４３は、例えば、凹面鏡により構成され、反射部材４２によって反射された照明光を、レーザ光源１０からのレーザ光の進行方向と同じ方向に反射する。また、反射部材４３は、反射部材４２によって反射された照明光を略平行な交線として放射する。上述した蛍光体ユニット４１は、反射部材４３の焦点付近に配置される。また、反射部材４３は、立体的にみると放物曲面からなる反射面４３Ａと、当該反射面４３Ａ内において光偏向素子１２から出射されたレーザ光を通すための開口部４３Ｂと、を有する。

透過フィルタ４４は、励起光に紫外波長を用いた場合、蛍光体ユニット４１で波長変換された光を透過し、紫外線を透過しない性質を有する。透過フィルタ４４は、人体への悪影響や部材の劣化を招く紫外光がランプ外に漏れるのを防ぐ役割を担う。

上述のように構成された照明装置１Ａによれば、光偏向素子１２におけるレーザ光の偏向角を制御することにより、蛍光体ユニット４１内の任意の蛍光体にレーザ光を吸収させることができる。これにより、１つのレーザ光源１０から互いに異なる色を有する複数の出力光を出射させることができる。

［２］ 第２実施例
また、光偏向装置１は、例えば、距離測定装置に適用可能である。

図２３は、第２実施例に係る距離測定装置の構成を説明するためのブロック図及び模式的な断面図である。

図２３に示すように、距離測定装置１Ｂは、対象物２に対してレーザ光を出力することにより、対象物２までの距離を測定する機能を有する。距離測定装置１Ｂは、上述した光偏向装置１の各構成に加えて、受光素子１７、パルスタイミング制御部１８、及び距離演算部１９を更に備える。

受光素子１７は、対象物２に出力したレーザ光の反射光を検出する。受光素子１７は、例えば、フォトダイオードやＣＭＯＳ（Complementary metal oxide semiconductor）フォトセンサから構成される光センサ（例えば赤外線センサ）を含む。

パルスタイミング制御部１８は、レーザ光源１０の動作を制御する。第２実施例に係るレーザ光源１０は、パルス信号としてレーザ光（すなわち、パルス状のレーザ光）を発光する。パルスタイミング制御部１８は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、周波数、及びパルス幅が含まれる。

距離演算部１９は、レーザ光源１０のパルスに関するタイミング情報をパルスタイミング制御部１８から受け、レーザ光の偏向角の情報を制御回路１５から受け、受信した反射光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１７から受ける。距離演算部１９は、これらの情報を用いて、距離測定装置１Ｂから対象物２までの距離を算出し、出力信号として距離測定装置１Ｂの外部に出力する。

図２４は、第２実施例に係る距離測定装置における基本動作を説明するための概略図である。図２４では、一例として、距離測定装置１Ｂが車両３に搭載された場合が示され、距離測定装置１Ｂが車両３の前方を走査する態様が示される。

図２４に示すように、距離測定装置１Ｂに含まれる光偏向素子１２は、偏向角が制御されることによって角度２αの走査範囲でレーザ光を走査する。受光素子１７は、対象物２によって反射されたレーザ光を受光する。想定する対象物２までの距離をＬ、距離Ｌにおける走査範囲をＲとする。例えば、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、距離測定装置１Ｂは、車両３の前方において走査範囲Ｒ＝８．７ｍに存在する対象物２を検出することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１…光偏向装置、１Ａ…照明装置、１Ｂ…距離測定装置、２…対象物、３…車両、１０…レーザ光源、１１…入射面制限部、１２…光偏向素子、１３…駆動回路、１４…電圧発生回路、１５…制御回路、１６…出力光学系、１７…受光素子、１８…パルスタイミング制御部、１９…距離演算部、２０…液晶パネル、２１、２２…基板、２３…液晶層、２４…シール材、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２６…電極、２５ｅ…高抵抗膜、２７、２８…配向膜、２９…配線、３０…遮光マスク、３１、３１Ａ…集光光学系、３１ｃｏｎｖ、３１ｃｏｎｖ＿ａ、３１ｃｏｎｖ＿ｂ…凸レンズ、３１ｃｏｎｃ…凹レンズ、４１…蛍光体ユニット、４２、４３…反射部材、４４…透過フィルタ。

Claims (10)

1. 光源から発光されたレーザ光を受ける入射面を有し、前記レーザ光を偏向させる偏向素子と、
   前記光源と前記偏向素子との間に設けられ、前記入射面への前記レーザ光の入射を制限する入射面制限部と、
   を備え、
   前記偏向素子は、積層された第１液晶パネル及び第２液晶パネルを含み、前記入射面に沿う第１方向に並ぶ第１繰り返し単位及び第２繰り返し単位を含み、
   前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルの各々は、第１基板及び第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板間に充填された第１液晶層と、前記第１繰り返し単位及び前記第２繰り返し単位毎に前記第１基板上に設けられた第１電極と、前記第２基板上に設けられた第１共通電極と、を含み、
   同一の繰り返し単位における前記第１液晶パネルの前記第１電極と前記第２液晶パネルの前記第１電極とは、前記第１方向に沿って概略一致する位置に配置された第１端と、前記第１方向に沿って互いに異なる位置に配置された第２端と、を含み、
   前記入射面制限部は、前記入射面のうち、前記第１繰り返し単位における前記第１液晶パネルの前記第１電極の第２端に対応する第１位置から前記第２繰り返し単位における前記第２液晶パネルの前記第１電極の第２端に対応する第２位置までの範囲に含まれる第１範囲へのレーザ光の入射を制限する、
   光偏向装置。
2. 前記入射面制限部は、前記第１範囲に入射するレーザ光を遮光する遮光マスクを含む、請求項１記載の光偏向装置。
3. 前記入射面制限部は、前記第１範囲に入射するレーザ光を、前記入射面のうち前記第１範囲以外の第２範囲に集光する集光光学系を含む、請求項１記載の光偏向装置。
4. 前記第１範囲は、前記第２繰り返し単位における前記第１電極の第１端に対応する第３位置を少なくとも含む、請求項１記載の光偏向装置。
5. 前記偏向素子は、前記第１液晶パネルと前記第２液晶パネルとの間に積層された複数の第３液晶パネルを更に含み、
   複数の前記第３液晶パネルの各々は、第３基板及び第４基板と、前記第３基板及び前記第４基板間に充填された第２液晶層と、前記第１繰り返し単位及び前記第２繰り返し単位毎に前記第３基板上に設けられた第２電極と、前記第４基板上に設けられた第２共通電極と、を含み、
   同一の繰り返し単位における複数の前記第３液晶パネルの複数の前記第２電極、前記第１液晶パネルの前記第１電極、及び前記第２液晶パネルの前記第１電極は、
   前記第１方向に沿って概略一致する位置に配置された第１端を含み、
   積層順に第１ピッチずつ異なる幅を有する、
   請求項４記載の光偏向装置。
6. 前記第１範囲の第１端は、前記第１位置から前記第１方向に沿って前記第１ピッチ離れた第４位置に配置される、請求項５記載の光偏向装置。
7. 前記第１範囲の第２端は、前記第２位置に配置される、請求項６記載の光偏向装置。
8. 前記４位置から前記第３位置までの長さは、前記４位置から前記偏向素子に入射したレーザ光が前記第１液晶パネルの第１液晶層を透過してから前記第２液晶パネルの前記第１液晶層を透過するまでに前記第１方向に進む距離よりも長い、請求項７記載の光偏向装置。
9. 前記第１電極、及び前記第２電極に第１電圧を印加しつつ、前記第１共通電極及び前記第２共通電極に前記第１電圧と異なる第２電圧を印加可能に構成された駆動回路を更に備えた、請求項８記載の光偏向装置。
10. 前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルの各々は、前記第１繰り返し単位及び前記第２繰り返し単位毎に前記第１基板上に設けられ、前記第２電極に隣接する第３電極を更に備え、
    前記第２電極には、前記第３電極に印加されるより低い電圧が印加される、請求項５乃至９のいずれかに記載の光偏向装置。