JP2020046424A - 光電センサ及び光線の偏向方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層された切替可能なブレーズド回折格子の光線の偏向を改良する。【解決手段】受光器（３０）と、該受光器（３０）の前に配置された受光光学系（２６、２８）と、制御及び評価ユニット（３２）とを有する光電センサ（１０）を提供する。受光光学系（２６、２８）は、前後に並べて配置された格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子を有する光線偏向装置（２６）を備え、制御及び評価ユニット（３２）は光線偏向装置（２６）の所望の偏向角に応じてブレーズド回折格子のオン／オフを切り替えるように構成されている。そして、少なくとも２つのブレーズド回折格子が、格子定数は同じであるがブレーズ角が互いに異なっている。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１又は１４のプレアンブルに記載の光電センサ及び光線の偏向方法に関する。

光学的な走査が既に長い間レーザスキャナに用いられている。その場合、レーザにより生成された光線が偏向ユニットの助けを借りて周期的に監視領域を掃引し、その都度、検知された物体までの距離を光伝播時間法で測定する。パルス法ではそのために光パルスが送出され、発光時点と受光時点の間の時間が測定される。位相法では、周期的な振幅変調と、発光時点と受光時点の間の位相のずれの測定とが行われる。測定された距離情報の他、偏向ユニットの角度位置、ひいては物体の角度位置が特定され、１回の走査周期が完了すると距離値と角度値を持つ測定点が極座標で得られる。加えて仰角を変化させたり、仰角方向に複数の光線で走査を行ったりすれば空間領域から３次元的な測定点が生成される。この走査は、特に３次元検出の場合、カメラに比べてある程度の測定時間を要するが、その代わり測定が１点に集中するため、長い射程とより信頼性の高い測定値が得られる。

ほとんどのレーザスキャナでは回転ミラー又は複数の切り子面を有するミラーホイールを用いて走査運動が達成される。またその代わりに、例えば特許文献１に記載されているように一又は複数の発光器及び受光器を有する測定ヘッド全体を回転させることも知られている。更に他のシステムでは、偏向ユニットを正反方向に揺動させたり、例えば特許文献２のように曲げ機構により横方向の運動を作り出したりする。しかし、どの機械的な運動でも装置がある程度大きくなり、また衝撃に対して弱くなる。更に摩耗によりメンテナンスで引っかかりやすくなる。

それ故、機械的な運動をできる限り避けるために、回転式の偏向ユニットのない面走査型のシステムを作る努力が従来よりなされている。例えば特許文献３では、ＭＥＭＳミラーを有する光源が発するパルス化された光線が走査対象面に沿ってＸ方向とＹ方向に案内される。反射された光パルスはＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）のマトリックスにより受光されるが、そのうち現在発射光線により照らされている領域を観察するＳＰＡＤだけがその都度作動状態にされる。これにより、確かに回転系なしで済ませることに成功している。しかし、受光側を見るとそのシステムは実はカメラであってスキャナではない。なぜなら、狙いをつけて１つの測定点から光線を捕らえるものではなく、対物レンズを通じて前景全体を結像させてから個々の点を評価するに過ぎないからである。また、数千又は数百万の画素の一つ一つが特定の方向を担当しているため、このシステムは全体として高価で高コストであるにも関わらず、単独の画素はその総数に鑑みると必然的に低い品質に留まりがちである。

既に挙げたＭＥＭＳミラーの他にも、回転ミラー等を用いた巨視的な走査運動なしで発射光線を偏向させることが可能な方法がある。例えば特許文献４にあるように光学フェイズドアレイ、音響光学変調器、電気光学変調器又は液晶導波体が利用できる。しかしこれらはいずれも光線の直径が小さい場合にしか機能せず、そうなるのは典型的には発光側だけである。受光路が長い場合、この従来より知られている解決策は逆に適していない。

光線を偏向させる他のアプローチとして偏光格子をベースにしたものがある。これは右又は左に円偏光した光を２種類の１次回折のうち別の一方に偏向させる。また偏光格子を任意選択で実質的に機能しないようにする、つまり０次回折の入射光をそのまま通過させるという切替が可能な変形もできる。このような偏光格子を多重に配置することにより複数の偏向角を実現することもできる。ただ、無偏光の光に対する効率は機能の制約により常に５０％を下回る。それに何より偏光格子は構造が非常に複雑であり、そのため比較的高価である。なぜなら、偏光格子毎に２〜４層の液晶素子が必要だからである。偏光格子による光線の偏向に関する文献には、例えば特許文献５や特許文献６、あるいは非特許文献１や非特許文献２がある。

偏光格子の他にも、切替可能な格子、つまりその回折機能を電気的な制御で作動させる又は停止することができる格子はある。特許文献７では電子的に切替可能なブラッグ格子がＷＤＭ（波長分割多重化）システムに用いられている。特許文献８及びそれに対応する非特許文献３では、いわゆる切替可能なブレーズド回折格子（ブレーズド位相格子）が光線の偏向に用いられている。ブレーズド回折格子の積層体において格子定数がブレーズド回折格子毎に２倍ずつ精緻化される。接続するブレーズド回折格子の選択により、光の大部分を受け取る単一の回折次数が選択される。

ここで、特許文献８で認識されていない問題は、個々のブレーズド回折格子の偏向角は単純に加算されるのではなく、限られた入射角度範囲についてのみ最適化できるということである。従って、大きな視野にわたって偏向角を選択することは不可能であるか、大きな誤差が生じざるを得ない。というのも、この種の格子は許容される入射角の広い領域をカバーするために薄く作製されることがあるからである。しかしそうすると回折効率が悪くなる。逆に格子を厚く作製すれば回折効率が改善するが、その代わり許容される入射角が制限されてしまう。例えば非特許文献４によれば、８０％程度の効率が可能なのは約±１０度の入射角度範囲、つまりわずか２０度の視野でしかない。

ここまで論じてきた切替可能な格子は液晶の使用を基礎としている。更に、液晶を用いた切替可能な格子は他にもあるだけでなく、例えば非特許文献５に記載のように液晶を用いない別の動作原理もある。

DE 197 57 849 B4 US 2017/0307758 EP 2 708 914 A1 US 9 366 938 B1 US 8 982 313 B2 US 2012/0188467 A1 US 6 567 573 B1 US 6 587 180 B2

バック・ジェイ（Buck, J.）他、「ポラライゼーション・グレーティングス・フォー・ノンメカニカル・ビーム・ステアリング・アプリケーションズ（Polarization gratings for non-mechanical beam steering applications）」、アキジション・トラッキング・ポインティング・アンド・レーザ・システムズ・テクノロジーズ（Acquisition, Tracking, Pointing, and Laser Systems Technologies）、XXVI、Vol. 8395、インターナショナル・ソサエティ・フォー・オプティクス・アンド・フォトニクス（International Society for Optics and Photonics）、2012 キム・チハン（Kim, Jihwan）他、「ワイドアングル・ノンメカニカル・ビーム・ステアリング・ユージング・シン・リキッド・クリスタル・ポラライゼーション・グレーティングス（Wide-angle nonmechanical beam steering using thin liquid crystal polarization gratings）」、アドバンスド・ウェーブフロント・コントロール：メソッズ・デバイセズ・アンド・アプリケーションズ（Advanced Wavefront Control: Methods, Devices, and Applications）、VI、Vol. 7093、インターナショナル・ソサエティ・フォー・オプティクス・アンド・フォトニクス（International Society for Optics and Photonics）、2008 ワン・シュウ（Wang, Xu）他、「リキッドクリスタル・ブレーズドグレーティング・ビーム・デフレクタ（Liquid-crystal blazed-grating beam deflector）」、アプライド・オプティクス（Applied Optics）、39.35 (2000): 6545-6555 ポポビッチ、ミラン、ステファン・セーガン（Popovich, Milan, and Stephen Sagan）、「４５．１：アプリケーション・スペシフィク・インテグレーテッド・レンゼズ・フォー・ディスプレイズ（45.1: Application Specific Integrated Lenses for Displays）」、ＳＩＤシンポジウム・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペイパーズ（SID Symposium Digest of Technical Papers）、Vol. 31、No. 1、オックスフォード（英国）、ブラックウェル・パブリッシング・エルティーディ（Blackwell Publishing Ltd）、2000 リ・フートン（Li, Fudong）他、「ニアインフラレッド・ライトレスポンシブ・ダイナミク・リンクル・パターンズ（Near-infrared light-responsive dynamic wrinkle patterns）」、サイエンス・アドバンセズ（Science advances）、4.4 (2018): eaar5762

本発明の課題は、積層された切替可能なブレーズド回折格子の光線の偏向を改良することである。

この課題は、請求項１又は１４に記載の光電センサ及び光線の偏向方法により解決される。本センサは受光器とその前に置かれた受光光学系並びに制御及び評価ユニットを備えている。受光光学系は、光線の形成及び処理に用いられ得る通常の素子の他に光線偏向装置を含んでいる。これは従来のスキャン機構の電子的な等価物である。光線偏向装置には複数の切替可能なブレーズド回折格子（ブレーズド位相格子）が設けられている。これらは前後に並べて配置されており、故に「積層体」又は「スタック」とも呼ばれる。好ましくは全受信光が複数のブレーズド回折格子を通り抜ける。もっとも、これは透過型の配置のほか、反射型の光線偏向装置の配置を決して排除するものではない。反射型の場合も受信光は反射の間に複数のブレーズド回折格子により構成された異なる層を通過する。各ブレーズド回折格子は異なる格子定数を有する。制御及び評価ユニットは所望の偏向角に応じてそれぞれのブレーズド回折格子をオン又はオフ、つまり回折作用のある状態又はない状態に切り替える。オンになったブレーズド回折格子はその格子定数に応じて偏向角に寄与する。そのために制御及び評価ユニットは、オンにするブレーズド回折格子の選択により、全体として得られる偏向角を変化させることができる。

本発明の出発点となる基本思想は、同じ格子定数を持つ少なくとも２つのブレーズド回折格子を光線偏向装置内に設けるということである。即ち、積層体内の格子定数は異なっているが、その中に少なくとも２回現れる格子定数が少なくとも１つある。これは一見すると余計に思われる。なぜなら、この格子定数を持つブレーズド回折格子を１つだけオンにすれば、既に該格子定数に対応する粒度で偏向角を相応に変化させることが可能であり、達成可能な偏向角が追加されるわけではないからである。しかし、実際には１つのブレーズド回折格子が全ての入射角にわたって指定どおりの寄与をすることはできない。この問題を解決するため、本発明では２つ以上のブレーズド回折格子が互いに同じ格子定数でブレーズ角が異なることにより入射角度範囲を分け合うようにする。ここでブレーズ角とは、通常の概念と同じく、強度が最適化される出射角であり、この角度へブレーズド回折格子が入射光を偏向させる。これは特にブレーズド回折格子の鋸歯状構造の角度とすることができるが、同等の作用を持つ他の回折格子も同様にブレーズ角を持つブレーズド回折格子とみなされる。

本発明には、機械的に動く部分なしで調整できる偏向が受光側でも、つまり、光線の断面が発光側のように小さい場合だけでなく光束の口径が大きい場合でも可能になるという利点がある。これにより、効率が良く、スキャン角が大きいスキャン型システム（固体スキャナ）が得られる。可能な口径は受光路上のＭＥＭＳミラーのような従来の解決策を上回る。受光口径が大きくなることで性能が上がり、射程が長くなる。

構造は受光マトリックスに比べて簡単であり、基本的には１個の光検出器しか必要ないが、複数の光検出器を例えば複数のスキャン光線のために設けたり、一緒に接続された個別のＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）を備える小型のＳＰＡＤマトリックスに設けたりすることは従来どおり可能である。多数あるのが普通である画素に比べて複雑さが大幅に低減する。これは評価用電子機器にも該当する上、センサ内の発熱も減少させる。また、少数であってもまだ必要な光検出器は、それに属するアナログ電子機器まで含めれば、より優れた前段増幅器を持つＡＰＤやアナログデジタル変換器等の使用により、大きなマトリックスの単独の画素に比べてはるかにコストをかけてより良いものにすることができる。これはマトリックス内にある数千の画素に対しては具現化し得ない。従って、信号雑音比が改善され、それにより射程や外部光耐性といった測定に関する特徴量が改善する。波長１５５０ｎｍの受信光のためのＩｎＧａＡｓ検出器さえ考えられる。なぜなら、個別の検出器の場合はまだそのコストをかけ得るからである。一方、非常に多くの画素と大きな全面積を持つＩｎＧａＡｓマトリックスの場合はコスト面から実際上問題にならない。

最後に、ブレーズド回折格子からは偏光格子に比べて明らかに低価格の回折格子積層体を形成することができる。なぜなら、格子毎に液晶材料が１層あればもう十分である場合もあり、初めから２層又は４層も必要とされないからである。本発明により格子定数が同じでブレーズ角が異なる少なくとも２つのブレーズド回折格子を設けることにより、許容される入射角度範囲が制限されるというこれまでの問題も解決される。それ故、回折効率を損なうことなく、偏向角を大きくし、以て３０度以上という大きな視野（ＦＯＶ）を得ることができる。

制御及び評価ユニットは、所望の偏向角に依存してその都度、同じ格子定数を持つブレーズド回折格子のうち１つだけをオンにするように構成されていることが好ましい。同じ格子定数を持つ２つのブレーズド回折格子は原理的には偏向角に対して同じ寄与を行うようになっており、その限りでは理想的に見れば冗長である。しかし、実際には、ブレーズド回折格子が処理すべき具体的な入射角に対しては、異なるブレーズ角のうち１つだけが最適化されており、そのブレーズド回折格子が本実施形態ではオンにされる一方、同じ格子定数を持つ一又は複数の他のブレーズド回折格子はオフにされる。つまり、同じ格子定数を持つブレーズド回折格子は全体として対応すべき所望の偏向角の範囲を分け合っており、設定すべき光線偏向ユニットの偏向角がそれらのブレーズド回折格子のいずれかに対応する特定の部分角度領域内にあるとき、該当の回折格子が排他的に作動状態になることにより、その部分角度領域に対して最適化され、該領域を担当する。

各格子定数は基本格子定数の倍数であることが好ましい。即ち、光線偏向装置の全てのブレーズド回折格子が共通の基本格子定数に由来する。ここで格子定数の単位として長さ当たりの本数を前提とすると、基本格子定数の倍数を持つ格子はその分だけ微細になる。基本格子定数を通じて格子に関係性を与えることにより、基本格子定数に応じて離散的な角度ステップで偏向角を変化させることが可能になる。格子定数が互いに任意の比率にあるブレーズド回折格子の場合、様々な角度ステップを組み合わることができるが、それらは直接認識できる秩序と順序を持たない。

格子定数は互いに２＾ｎの比率になっていること（ここでｎは非負の整数）が好ましい。ゼロも許容される。比率ゼロのブレーズド回折格子は同じ格子定数を有するが、まさに本発明における少なくとも２つのブレーズド回折格子がそうなっている。それ以外は、任意の２つのブレーズド回折格子のうち一方が他方の２倍、４倍、８倍、又は一般に２＾ｎ倍だけ微細になっている。好ましい配置ではｎの各値が少なくとも１回現れ、その結果、２進数のようにブレーズド回折格子のオン／オフにより最小の偏向量の全ての倍数を最大の可能な偏向量まで偏向角として設定できる。

制御及び評価ユニットはある角度分解能で光線偏向装置の受光角度範囲にわたって偏向角を変化させるように構成されていることが好ましい。そのために、例えばブレーズド回折格子のオン／オフの全ての組合わせを一通り実行する。ただし、同じ格子定数のブレーズド回折格子の場合はそのときの偏向角により良く適応しているブレーズド回折格子だけをその都度常に作動状態にすることが好ましい。構成によって、特に既述のように格子定数が２進数によって２＾ｎの比率になっている場合には、受光角度範囲を少なくとも近似的に一定のステップで機械的なスキャナのように左から右へ動かすことができる。ただし、その都度の偏向角に測定値が正しく割り当てられさえすれば、偏向角の順序は基本的に重要ではない。ブレーズド回折格子の設計及び／又はその切替を均等な角度ステップから意図的に外すこともできる。ブレーズド回折格子の様々なオン／オフ構成と各偏向角との関係は制御及び評価ユニットにおいてアルゴリズムを用いて特定してもよいし、例えば参照テーブル（ルックアップテーブル、ＬＵＴ）に記憶しておいてもよい。

受光器は単独の検出器であることが好ましい。スキャン原理により、マトリックス配置の画素に比べて非常に高価な受光器又はコストのかかる電子回路をその制御又は処理に用いることができる。また、例えばＳＰＡＤの場合、外部光及び暗事象に対する頑強性を高めるための何らかの統計処理を行うために、少数の高価な又はコストをかけて配線された受光素子をまとめて単独の検出器にすることも可能である。

受光光学系は、前後に並べて配置された、互いに格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子を有する別の光線偏向装置であって、そのブレーズド回折格子の向きが前記光線偏向装置に対して交差しているものを備えていることが好ましい。言い換えれば、本発明に係る第２のブレーズド回折格子の積層体を別の光線偏向部として使用するのである。その際、両方の積層体について前述の全てのオプション及び形態の可能性が利用可能である。ブレーズド回折格子の二つの積層体を交差させることにより、３次元スキャンのために光線を２方向に偏向させることができる。

光線偏向装置は受信光の垂直な又は中間の入射方向に対して斜めになっていることが好ましい。機械的なスキャン機構の場合、０度付近の垂直な入射方向を中心として受光角度範囲を選ぶのが当然であり、その結果、受光角度範囲は例えば［−３０度、３０度］の区間になる。しかしこれはブレーズド回折格子の多くの構成形態にとって都合が悪い。ブレーズド回折格子は、よりフラットな偏向角をよりうまく処理してより良好な回折効率を示す。それ故、この実施形態では光線偏向装置を斜めに配置することで、受光角度範囲を偏心的にずらし、例えば４０度を中心とする［１０度、７０度］の区間になるようにする。光線偏向装置がそれに応じて４０度を中心として斜めになっているため、センサの実際の視野は０度を中心とした場合と同じである。

光線偏向装置は少なくとも１つの波長板を備えていることが好ましい。波長板は回折又は光の偏向のためのものではなく、従って偏向角に寄与するものではない。むしろそれは、特に半波長板又は１／４波長板の形で、入射光束に一定の位相シフトを導入するだけである。好ましくは波長板を光線偏向装置の最も上の層にする。好ましい実施形態では波長板が切替可能である。そうすれば波長板の効果がある測定とない測定を行うことができる。これは偏光に変化がある測定とない測定というのと同じである。

本センサは発光器と、発射光線を所望の偏向角で送出するための発光側の光線偏向装置を有する発光光学系とを備えていることが好ましい。発光側と受光側の光線偏向装置を同じように制御すれば能動型の固体スキャナが得られる。発光側の光線偏向装置は任意の一般的な技術で実現され、例えばＭＥＭＳミラー又は冒頭で既に挙げた他の手段のいずれかを用いる。また、発光器がＬＥＤやＶＣＳＥＬのような光源を多数備え、そのうち偏向角に対応する一又は複数の光源をその都度作動状態にすること、あるいは、発光器が既に全列又は全面を照らしていることも考えられる。

発光側の光線偏向装置は、前後に並べて配置された、互いに格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子を備えていることが好ましい。このようにすれば、受光側と同じ原理が発光側で用いられ、受光側について説明した全ての形態の可能性が発光側でも考えられる。

前記光線偏向装置が発光側の光線偏向装置として二重の役割を果たすようにすれば非常に好ましい。このようにすれば、発光側で受光側と同じ原理が用いられるだけでなく、同じブレーズド回折格子の積層体が用いられる。これにより構造と制御が簡単になり、しかも偏向角が自動的に発光側と受光側で適切に合わせられ、同時に設定される。

制御及び評価ユニットは、送出されて受光器により再び受光された発射光線の光伝播時間を測定するように構成されていることが好ましい。このようにすれば、本センサが古典的なレーザスキャナのように全く普通のやり方で距離測定を行うものになる。従って、少なくとも幾つかの応用領域においてレーザスキャナを固体スキャナ又は固体ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）で置き換えることができる。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的に記載されているが、それらに限られるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

積層型ブレーズド回折格子を用いた光線偏向部を有する光電センサの概略図。 格子定数は同じであるがブレーズ角が異なる少なくとも２つのブレーズド回折格子を含む積層型ブレーズド回折格子の概略図。 従来の積層型ブレーズド回折格子の場合の回折角とブレーズ角を回折次数に依存して比較した図。 図３と同様の図であるが、個々のブレーズド回折格子がそれぞれ実際に寄与する偏向角の中心値に対してブレーズ角を最適化した場合の図。 図３と同様の図であるが、同じ格子定数を持ちブレーズ角が異なる少なくとも２つのブレーズド回折格子を含む積層型ブレーズド回折格子を用いた場合の図。 積層型ブレーズド回折格子を発光側の光線偏向部にも用いた光電センサの概略図。 透過型ではなく反射型の配置になった積層型ブレーズド回折格子を有する光電センサの概略図。 偏向角度範囲を偏心的にずらすために斜めに配置された積層型ブレーズド回折格子の概略図。 波長板が追加された積層型ブレーズド回折格子の概略図。

図１は光電センサ１０の概略断面図である。発光器１２が光線形成光学系１４を用いて発射光束１６を生成する。この光束は、矢印で示したように、発光側の光線偏向装置１８を通じて監視領域２０内へ様々な方向に送出することができる。光線形成光学系１４（図では単に代理として簡単なレンズで表されている）は発光側の光線偏向装置１８と一緒に発光光学系を構成している。発光器１２はＬＥＤ又はレーザ、特にＶＣＳＥＬレーザ又は端面発光型レーザダイオードとして実装することができる。

発射光束１６が監視領域２０内で物体２２に当たると、その光の一部が、反射された受信光束２４としてセンサ１０へ戻ってくる。受光側の光線偏向装置２６が、発光側の光線偏向装置１８に対応して予期される受光方向へ調整され、受信光束２４を適切な偏向角で光線形成光学系２８へと方向転換させる。そこでは受信光束２４が受光器３０上に収束される。光線形成光学系２８（図では単に代理として簡単なレンズで表されている）は受光側の光線偏向装置２６とともに受光光学系を構成している。受光器３０は例えばＰＩＮダイオード、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）若しくはシングルフォトンＡＰＤ（ＳＰＡＤ）又はそれらの多重配列である。受光器３０は、前段のアナログ増幅装置、フィルタ部、後段に接続されるアナログデジタル変換器等、図示せぬ電子機器と接続することができる。

受光側の光線偏向装置２６の構造並びにその可能な形態及び変形については後で図２〜９を参照して詳しく説明する。単に概略的に示した発光側の光線偏向装置１８は実施形態によっては同じ原理に基づかせることができ、受光側の光線偏向装置２６を共用することさえできる。あるいは、冒頭で模範例として挙げたように光線偏向のための別の技術を利用することもできる。なお、線照明あるいは面照明すら用いれば、発光路内にスキャン機構を設ける必要はなくなる。他方、線照明又は面照明でスキャンを行うこと、例えば光の線をその長軸に垂直な方向に動かすことも考えられる。専用の発光器がない受動型のシステムも考えられる。

制御及び評価ユニット３２は発光器１２並びに発光側及び受光側の光線偏向装置１８及び２６を制御し、受光器３０の受光信号を評価して物体２２を検出する。この評価はアナログ及び／又はデジタル的に実行することができ、例えば物体２２までの距離を測定するために光伝播時間法を含む。例えば、それ自体は公知である単独パルス法、多重パルス法又は位相法等である。制御及び評価ユニット３２は他にあり得るセンサ１０の電子的な構成部品も代理して表しているが、その詳細には立ち入らない。

センサ１０の構造は単なる模範例と理解すべきである。光線偏向装置１８及び２６を用いることで機械的に動く部分がないスキャナ（固体スキャナ）が実現できる。これは既に説明したように光伝播時間測定による距離測定と結びつけることができるが、単なる物体の有無など、他の検出を行うことも可能である。例えば発光器１２が点状の光線断面で用いられるのではなく、動くレーザ線を生成するものであれば、距離測定を三角測量法又は光切断法で実行することもできる。これらはいずれも光学スキャナにおいて考えられる測定法の単なる例である。

図２は受光側の光線偏向装置２６の拡大図である。この装置は複数のブレーズド回折格子３４ａ〜ｄ（ブレーズド位相格子）を備えている。これらの格子は前後に並べて配置されて積層体となり、順番に受信光束２４により貫通される。ブレーズド回折格子３４ａ〜ｃは格子定数が異なるが、２つのブレーズド回折格子３４ｃ〜ｄは格子定数が同じである。その代わり、２つのブレーズド回折格子３４ｃ〜ｄはブレーズ角が異なっている。図示したような好ましい実施形態では格子定数がそれぞれ基本格子定数ｇ０の倍数になっている。その単位は長さ当たりの本数である。即ち、格子定数ｋ＊ｇ０はｋ倍微細な格子を意味している。特に好ましい実施形態では格子定数が２＾ｎの順（ｎ＝０、１、２、３、…）、即ち、ｇ０、２ｇ０、４ｇ０、８ｇ０、…となるように選ばれている。

既に述べたように、最後のブレーズド回折格子３４ｄは最後から２番目のブレーズド回折格子３４ｃと格子定数が同じであるから例外である。ただし、格子定数が同じブレーズド回折格子３４ｃ〜ｄは最後の２つである必要はなく、また連続している必要もない。いずれにせよ、格子定数が同じであって互いに異なる独自のブレーズ角をそれぞれ持つブレーズド回折格子は３つ以上あってもよい。同様に、格子定数が同じ２つ以上のブレーズド回折格子と２つ以上のブレーズ角とを持つグループを２つ以上作ることも考えられる。

図２ではブレーズド回折格子３４ａ〜ｄの個々の特性がそのテクスチャにより単に記号的に示されている。ブレーズド回折格子３４ａ〜ｄはそれぞれ接続部３６を備えており、これを通じて制御及び評価ユニット３２により好ましくは個別にオン／オフに切り替えられる。オンになったブレーズド回折格子３４ａ〜ｄは回折特性を有するのに対し、オフになったブレーズド回折格子３４ａ〜ｄは偏向を生じさせず、受信光束２４をほぼ無変化で通過させる。

ブレーズド回折格子３４ａ〜ｄは例えば液晶から成るものとすることができる。一実施形態では、１枚の透明板毎に周期的なプリズム構造が形成され、その次に、冒頭に挙げた特許文献８に記載のように液晶の層がある。特許文献７と同じような液晶を用いた別の構成形態においては液晶材料の周期的な平面がポリマー内に直接作られている。

受光側の光線偏向装置２６の機能原理を理解するために、まず単独のブレーズド回折格子３４ａ〜ｄの作用についてごく一般的な説明を行った後、図３及び４を参照して全て格子定数が異なるブレーズド回折格子の積層体の作用について説明し、最後に図５を参照して互いに格子定数が同じでブレーズ角が異なる少なくとも２つのブレーズド回折格子３４ｃ〜ｄを有する本発明に係るブレーズド回折格子３４ａ〜ｄの積層体について説明する。

効率の良い回折格子は２つの角度条件を同時に制御しなければならない。第１に格子の周期性、つまりは格子定数によって可能な回折角が決まる。その際、回折格子の式が全ての可能な回折次数をその次数での光の強度を示さずに確定する。第２にこの回折格子の個々の要素の形態、つまりいわば個々の溝の形状を適応させることができる。例えば、この個々の要素が非常に効率良く光を可能な回折次数の１つに導き、他の回折次数には導かないように、該要素を適合させることができる。このように強度が最適化される出射角は格子のブレーズ角と呼ばれる。１つの可能な実装は、個々の溝内にプリズムを作り出す鋸歯状の構造を形成することである。この場合、プリズム角によりブレーズ角が決まる。

複数のブレーズド回折格子を積層すると、その組み合わせは簡略化して共通の格子とみなすことができる。即ち、積層体の全てのブレーズド回折格子が想像上で合体して共通の格子になる。積層体の個々のブレーズド回折格子が個別にオン／オフされることにより異なる共通の格子が作り出される。そして、本発明の目標は、各々の可能な又は各々の使用されるオン／オフ切替の組み合わせにより高い効率が得られること、つまりできるだけ多くの受信光２４を所望の方向へ導くことである。以下では思考の筋道を単純にするために、その都度オンになっている個々のブレーズド回折格子により形成される共通の格子が入射角ゼロで入射している受信光束２４に対応しているとみなし、簡単のため各々の個々の溝がプリズムから成り、それが回折及び偏向作用を累積してこの箇所に象徴的に統合するものとみなす。これは、特に簡単なモデルにおいては、個々のブレーズド回折格子において寄与しているプリズムの勾配の和に相当する共通のプリズムとすることができる。

回折格子の式により、個々のブレーズド回折格子の全ての可能な組み合わせに対し、達成可能な回折次数を表す共通の値が得られるようにするために、各々の格子定数が整数の比率で選ばれる。そこには最小の格子定数ｇ０と、段階的に大きくなる格子定数２ｇ０、４ｇ０、８ｇ０及び１６ｇ０がある。ここでも格子定数は長さ当たりの本数を単位として表すものとする。故に、格子定数が大きい格子ほど微細である。

図３は個々のブレーズド回折格子のプリズムの勾配を加算する簡単なモデルにおいてどのような回折角（小さな円）とブレーズ角（小さな十字）が様々な回折次数において生じるかを示している。数値はそれぞれｇ０に対する回折次数として示されている。個々の回折次数は、個々のブレーズド回折格子の異なる組み合わせを作動状態にすることによりそれぞれ選ばれる。５桁の２進数に対応して、前の段落で示した格子定数を持つ５つのブレーズド回折格子には２＾５＝３２通りの回折次数又は偏向角が生じる。

回折次数が高くなって偏向角が大きくなるほど回折角がブレーズ角から離れていくことが明らかに分かる。従って、最も小さい格子定数ｇ０を持つブレーズド回折格子を最適化して、その後は単に格子定数を大きくするためにそれを増倍して緻密化すると、高い回折次数については、共通の格子としての積層体により生じるブレーズ角がもはや回折角に合わなくなり、共通の格子の回折効率は大幅に低下する。なお、これは回折角が回折により生じる一方、ブレーズ角は屈折により生じるということに因る。複数のプリズムの作用を累積又は実質的に加算すると、これら２つの光現象は異なる段階的な変化を見せる。

図３から推論できるのは、全て格子定数が異なる切替可能なブレーズド回折格子の積層体は、偏向角が増大する側で光の効率が落ちるから、大きな偏向角、つまりセンサ１０のスキャン範囲又は視野を広くするのに適していない、ということである。このようなブレーズド回折格子の積層体は損失をまだ許容できるせいぜい２０度未満の狭い視野にしか適していない。

図４は第１の考えられる改良を図３に似た図で示している。ここまでは全てのブレーズド回折格子が同じように、つまり最小の格子定数ｇ０を持つブレーズド回折格子に合わせて設計されていた。しかし、それより格子定数が大きい、より微細なブレーズド回折格子が全ての回折次数に対して用いられるわけではない。それ故、より良い取り組み方の１つは、各ブレーズド回折格子が実際に作動状態に切り替えられる中間の偏向角への最適化である。これは例えば、最も微細なブレーズド回折格子の場合は偏向角のうちより大きい側の半分、つまり回折次数１６〜３１である。最も微細なブレーズド回折格子をこれらの本来の動作範囲に最適化すれば、図４に描いた結果が得られる。回折角とブレーズ角の間のずれは既に小さくなっているが、まだ最大で約６度になる。

図５は、格子定数が同じでブレーズ角が異なる複数のブレーズド回折格子を用いた場合に該ブレーズド回折格子により構成される共通の格子の特性を図３に似た別の図で示している。この具体例では最も微細なブレーズド回折格子が二重化されている。これにより、格子定数が同じブレーズド回折格子毎に１回、計２箇所で最適化が生じることができる。これにより、図４では１本だった小さい十字の線が２本の明らかにより良く適応化された線に分けられる。どの偏向角が必要かに応じて、制御及び評価ユニット３２は、ずれがより小さい一方又は他方のブレーズド回折格子を作動状態にする。従って、回折角とブレーズ角の間の最大のずれがここでも明らかに小さくなる。図の場合は最大でもわずか約２．５度である。これにより例えば、冒頭に挙げた非特許文献４に記載のような半値全幅２０度での回折効率が明らかに向上する。即ち、図２ａに記載のピーク効率が約８０％から約９５％まで向上する。

図５に描いたものは以下の数値例に基づいている。これは既に挙げた図３及び４の具体的な数値の元でもある。各回折格子は発射光束１６及びそれに応じた受信光束２４の波長１５５０ｎｍのために設計されている。最小の格子定数ｇ０は９８．６８μｍ毎に一対の線が存在するような値であり、これは最小の偏向角又は回折次数間の距離にして０．９度に相当する。最も大きい格子定数１６ｇ０を持つ最も微細な格子が二重に設けられているが、そのブレーズ角はそれぞれ個別に最適化されている。個々の溝内の想像上簡略化されたプリズムの指数の跳びはΔｎ＝０．１５である。

そこには以下の５＋１種類のブレーズド回折格子がある。それぞれの格子定数ｇは以下の通りである。
ｇ＝ｇ０ 偏向角への寄与 １＊０．９度 幾何学的なプリズム角：６度
ｇ＝２＊ｇ０ 偏向角への寄与 ２＊０．９度＝１．８度 幾何学的なプリズム角：１２度
ｇ＝４＊ｇ０ 偏向角への寄与 ４＊０．９度＝３．６度 幾何学的なプリズム角：２３度
ｇ＝８＊ｇ０ 偏向角への寄与 ８＊０．９度＝７．２度 幾何学的なプリズム角：４４度
ｇ＝１６＊ｇ０ 偏向角への寄与 １６＊０．９度＝１４．４度 幾何学的なプリズム角：７４度 ２５次までの回折次数に使用
ｇ＝１６＊ｇ０ 偏向角への寄与 １６＊０．９度＝１４．４度 幾何学的なプリズム角：８６度 ２６〜３１次の回折次数に使用

図６はセンサ１０の別の実施形態の図である。ここでは受光路の光線偏向装置２６が同時に発光側の光線偏向装置１８として機能する。これは部品と制御の節減になるだけでなく、このようにすれば発光側の偏向角が自動的に受光側の偏向角に較正される。図６から離れて、発光側にも受光側の光線偏向装置２６と同じように構成された別の光線偏向装置１８、即ち切替可能なブレーズド回折格子の積層体を有する光線偏向装置を設け、そのうち少なくとも２つの格子を格子定数が同じでブレーズ角が異なるようにすることも考えられる。

図７はセンサ１０の別の実施形態を示している。ここでは光線偏向装置２６が透過型ではなく反射型として実装されている。即ち、ここまでの図及び実施形態のような透過回折格子ではなく反射回折格子である。その機能の仕方と形態の可能性はそれに応じている。反射回折格子は構成の仕方によっては様々な偏光をより効率良く扱うことができる。

図８はセンサ１０の別の実施形態を示している。この実施形態では光線偏向装置２６とそのブレーズド回折格子３４ａ〜ｄが斜めに配置されている。これを図７の配置と取り違えてはならない。図８では光線偏向装置２６が透過回折格子をベースにしている。斜めに配置されているとは、受信光束２４が斜め方向から受光されるといった意味ではない。なにしろスキャンの間は偏向角が絶えず変化するから、これはほぼ常に該当する。むしろそれは、光線偏向装置２６が偏向角により形成される受光角度範囲に対して斜めになっているという意味である。この受光角度範囲は最小の偏向角と最大の偏向角での受信光束２４ａ〜ｂにより特定される。その中の中心にある受信光束２４ｃは、光線偏向装置２６が斜めになっていない場合は入射角０度で垂直に入射する。光線偏向装置２６を斜めにするとこの中心がずれる。数値例を挙げると、スキャン角が−３０度と＋３０度の間で０度付近を中心として変化するのではなく、斜めになった光線偏向装置２６により中心が４０度付近にずらされて１０度から７０度まで変化する。これはブレーズド回折格子の特定の構成形態にとって高い回折効率を達成する上で有利である。センサ１０の機能に対してそれが全体として外部へ影響を及ぼすことはない。なぜなら、センサ１０のケーシング等に関する偏向角度範囲は０度を中心とする対称的な範囲に定義し直すことができるからである。

図９は光線偏向装置２６の形態の可能性を示している。発光側の光線偏向装置１８がブレーズド回折格子の積層体により偏向を生じさせる場合はその形態の可能性でもある。図９の実施形態は提示した全てのセンサ１０の変形例に用いることができる。

ブレーズド回折格子３４ａ〜ｄに加えて、ここでは光線偏向装置２６が少なくとも１つの波長板３８、特に半波長板を備えているが、１／４波長板でもよい。これは例えば液晶材料から成る平行平面層で実装することができる。波長板３８は受信光束２４が最初に当たる層であることが好ましいが、ブレーズド回折格子３４ａ〜ｄの積層体内でのこの配置は変えてもよい。波長板３８もブレーズド回折格子３４ａ〜ｄのように制御及び評価ユニット３２の制御によって電気的に切替可能であることが好ましい。波長板３８はとりわけ受信光束２４の偏光方向を変化させる。これにより特に、まず受信光束２４の１つの偏光方向だけを検出し、その後の第２の測定工程では波長板３８を切り替えた後で他方の偏光方向を検出する、という測定プロセスが考えられる。

ここまでの実施形態では光線偏向装置２６が受信光束２４を１つの方向のみに偏向させる。受光路中で光線偏向装置２６の前又は後ろに、同様にブレーズド回折格子の積層体から成る別の光線偏向装置を前述の全ての形態の可能性とともに設け、その格子構造を交差又は捻転させて配置することも考えられる。このようにすると２つの光線偏向装置の各々が１つの方向を担当する。即ち、例えば光線偏向装置２６がＸ方向、別の光線偏向装置がＹ方向を担当するようになる。このような交差した配置にするにはブレーズ角の概念を更に理解しなければならない。なぜなら、今や入射角度範囲が空間の２方向に揺動可能なものとなり、そうなると各々のブレーズド回折格子をより幅広い入射角度範囲のために適応化しなければならないからである。つまり、ブレーズド回折格子の各積層体は単に１つの空間方向に偏向を行うだけであるが、今はブレーズ角を２次元的にモデル化し、最適化しなければならない。それには、２次元における最適化のために十分な自由度を提供するために、同じ格子定数の複数のブレーズド回折格子を利用可能にすることが非常に有用である。

また、光の点ではなく光の線の運動により３次元スキャンを行うセンサ１０を構成することもできる。この場合、光の線はその長手方向に垂直な方向に動かされる。別の変形例では、複数のスキャン光線を用いた並列な動作ができるようにして全体のスキャンにかかる時間を短くするために、複数の発光器１２と受光器３０が設けられる。この場合、個々のスキャン光線は相互に影響を及ぼし合うことを避けるために適切な変調により符号化することが好ましい。

Claims (15)

1. 受光器（３０）と、該受光器（３０）の前に配置された受光光学系（２６、２８）と、制御及び評価ユニット（３２）とを有し、前記受光光学系（２６、２８）が、前後に並べて配置された格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子（３４ａ〜ｄ）を有する光線偏向装置（２６）を備え、前記制御及び評価ユニット（３２）が前記光線偏向装置（２６）の所望の偏向角に応じてブレーズド回折格子（３４ａ〜ｄ）のオン／オフを切り替えるように構成されている光電センサ（１０）において、
   少なくとも２つのブレーズド回折格子（３４ｃ〜ｄ）が、格子定数は同じであるがブレーズ角が互いに異なっていることを特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記制御及び評価ユニット（３２）が、所望の偏向角に依存してその都度、同じ格子定数を持つブレーズド回折格子（３４ｃ〜ｄ）のうち１つだけをオンにするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 各格子定数が基本格子定数の倍数であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記格子定数が互いに２＾ｎの比率になっていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ（１０）。
5. 前記制御及び評価ユニット（３２）がある角度分解能で前記光線偏向装置（２６）の受光角度範囲にわたって偏向角を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ（１０）。
6. 前記受光器（３０）が単独の検出器であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
7. 前記受光光学系（２６、２８）が、前後に並べて配置された、互いに格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子を有する別の光線偏向装置であって、そのブレーズド回折格子の向きが前記光線偏向装置（２６）に対して交差しているものを備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ（１０）。
8. 前記光線偏向装置（２６）が受信光（２４）の中間の入射方向に対して斜めになっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
9. 前記光線偏向装置（２６）が少なくとも１つの波長板（３８）を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ（１０）。
10. 発光器（１２）と、発射光線（１６）を所望の偏向角で送出するための発光側の光線偏向装置（１８）を有する発光光学系（１４、１８）とを備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ（１０）。
11. 前記発光側の光線偏向装置（１８）が、前後に並べて配置された、互いに格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ（１０）。
12. 前記光線偏向装置（２６）が前記発光側の光線偏向装置（１８、２６）として二重の役割を果たしていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ（１０）。
13. 前記制御及び評価ユニット（３２）が、送出されて前記受光器（３０）により再び受光された発射光線（１６、２４）の光伝播時間を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１２に記載のセンサ（１０）。
14. 格子定数が異なる複数の切替可能なブレーズド回折格子（３４ａ〜ｄ）を前後に並べて配置したものを用いて光線（２４）を偏向させる方法であって、前記光線（２４）が前記複数のブレーズド回折格子（３４ａ〜ｄ）に順番に当たり、その際、前記光線（２４）を偏向させる所望の偏向角に応じて特定のブレーズド回折格子（３４ａ〜ｄ）のオン／オフを切り替える方法において、
    前記偏向角に応じてその都度、格子定数は同じであるがブレーズ角が互いに異なる少なくとも２つのブレーズド回折格子（３４ｃ〜ｄ）のうち一方のみをオンに切り替える方法。
15. 監視領域（２０）を光学的に走査する方法であって、受信光（２４）を様々な偏向角から順次受光し、その際に該偏向角を請求項１４に記載の方法で変化させることを特徴とする方法。

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