JP2021196408A

JP2021196408A - 光線走査広角化システム

Info

Publication number: JP2021196408A
Application number: JP2020100700A
Authority: JP
Inventors: 盛嗣坂本; Moritsugu Sakamoto; 浩司小野; Koji Ono
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-27
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: JP7430906B2

Abstract

【課題】ビームステアリング素子の光線走査の振れ角の広角化と速度均一化の機能を有する光線走査広角化システムを提供する。【解決手段】光源２と、ビームステアリング素子４と、偏光回折素子５と、偏光制御素子３とを有する光線広角化システムであり、偏光回折素子は光学異方性材料を含み、偏光回折素子の回折特性とビームステアリング素子の特性に基づいて、偏光回折素子面内に規則性を有し形成された光学軸方位の空間分布を与える。【選択図】図７

Description

本発明は、ビームステアリング素子からの光線走査広角化システムに関する。

レーザービームの伝搬方向を１次元的ないし２次元的に走査することを可能とするビームステアリング装置は自動運転のＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）やプロジェクター等、これまでに様々な手法が報告されている。

ビームステアリング装置にはビームの伝搬方向を曲げる偏向素子が必要不可欠であり、ＬｉＤＡＲやプロジェクター用途においてはより高速動作が可能な偏向素子が求められる。この要求を満たす偏向素子の１つにＭＥＭＳミラーがある。ＭＥＭＳミラーは電磁誘導の原理で微小なミラーを高速で振ることができ、ビームでの伝搬方向を高速に制御できる。このような性質を利用して、ＭＥＭＳミラーはＬｉＤＡＲに搭載するビームステアリング装置の構成要素として積極的に利用されている。

しかし一方でＭＥＭＳミラーは光学的振れ角が他手法に比べて小さく、概ね１０ｄｅｇ未満に制約されるため、近距離で広範な領域を照明することができない。

ＭＥＭＳミラーの光学的振れ角を広角化するための技術として、いくつかの方法が提案されている。一つは、バルクレンズを用いる方法である（非特許文献１、２、３参照）。この従来技術によれば、例えば凹面レンズでビームの進行方向を屈折させ、ビームの振れ角を拡大することができる。振れ角の大きさはバルクレンズの凹面曲率に応じて設計することができる。

他にも、フレネルレンズやＤＯＥ(ＤｉｆｆｒｔａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ)などのフラットレンズを用いる方式もあり、バルクレンズに比べてより軽量で小型な光学系を構築できる。

他にも、等方性の体積ホログラムや偏光回折格子を利用して機械的可動部を有しないビームステアリングを実現する方法が提案されている（特許文献１および非特許文献４参照）。本方式では偏光回折格子による光線の偏向機能を多段に組み合わせ、大きな振れ角を実現している。

特許文献２には、偏光回折格子とＭＥＭＳアレイ上のＭＥＭＳミラーを組み合わせる技術が記載されている。この技術では、格子ベクトル方向と周期が異なる偏光回折格子がアレイ状ないし連続して分布した偏光回折素子を波面制御素子として用いている。この技術では、ＭＥＭＳミラーで偏光回折素子への入射エリアを変えることで、ＭＥＭＳミラーによる伝搬方向制御と偏光回折素子の伝搬方向制御の重ね合わせで光線の伝搬方向を平行ないしランダムに制御できるが、複数のＭＥＭＳミラーやそのアレイ装置を多段に組み合わせるためシステム構成が複雑であることから、既存のビームステアリング素子を利用した振れ角の広角化ができるシステムが望まれている。

また、ＭＥＭＳミラーは、共振現象を利用するためミラーの駆動が正弦波形に制限される。このため、ビームの走査速度が一定とはならず、光学的振れ角の最大値近傍で低速、振れ角の最小値近傍で高速となり、投影される２次元領域内での輝度ムラを生じることとなる。この輝度ムラの改善は加工・表示・計測用途等、いずれの応用法においても望まれており、投影される２次元領域内（照射面）においてビームの走査速度を均一化する技術が望まれている。

特開２０１１−２５７７６４号公報特開２０１９−４５５７４号公報

K. Iida, T. Morikawa, T. Hano, S. Shimizu, and K. Tezuka, "Development of 3D range sensor with super-wide angle detection to observe vehicle surrounding," 19th ITS World Congress, no. AP-00079, Austiam Oct. 2012. X. Lee, and C. Wang, "Optical design for uniform scanning in MEMS-based 3D imaging lidar," Appl. Opt. 54, 2219-2223 (2015). J. Zhou, and K. Qian, "Low-voltage wide-field-of-view lidar scanning system based on a MEMS mirror," Appl. Opt. 58, A283-A290 (2019). J. Kim, C. Oh, S. Serati, and M. J. Escuti, "Wide-angle, nonmechanical beam steering with high throughput utilizing polarization gratings," Appl. Opt. 2636-2639 (2011).

ＭＥＭＳミラーの振れ角を広角化する従来技術を数例上記に挙げたが、既存のビームステアリング素子を利用した振れ角の広角化及び照射面において光線（ビーム）の走査速度を均一化する技術が望まれている。

そこで上記課題に鑑み、本発明の目的は、光線走査の振れ角の広角化と光線照射面における走査速度均一化の機能を有した光線走査広角化システムを提供することにある。

本発明の一観点に係る光線広角化システムは、光源と、ビームステアリング素子と、光源とビームステアリング素子との間に配置された偏光制御素子と、光源から発せられる光線がビームステアリング素子を経由して入射可能に配置された偏光回折素子とを備え、該偏光回折素子は、局所的な格子周期を有し、且つ、光線の振れ角がビームステアリング素子が与える振れ角より増加させる機能を有し、且つ、該偏光回折素子の面と並行に離れた空間平面における光線の走査速度が一定となる機能を有するものである。

本観点において、偏光回折素子は光線がビームステアリング素子から直接入射可能な位置に配置されることが好ましい。

また、本観点において、偏光回折素子が有する局所的な格子周期は、偏光回折素子の面内において１次元的又は２次元的に規則性を有し形成された光学軸方位の分布であることが好ましい。

また、本観点において、偏光回折素子は、光学異方性材料を含んで構成されていることが好ましい。この場合において、偏光回折素子は、光反応性側鎖を有する液晶性高分子膜を含むものであり、更に、光反応性側鎖は、光架橋及び光異性化の少なくともいずれかの反応を生ずるものが好ましい。

また、本観点において、偏光回折素子は複数備えることが好ましい。

以上、本発明により、ビームステアリング素子からの光線走査の振れ角の広角化と光線照射面における走査速度均一化の機能を有する光線走査広角化システムを提供することができる。

実施形態１に係る光線走査広角化システムの概略図である。偏光回折素子を含まない構成で、ビームステアリング素子による光線走査の外略を示す図である。素子面内で一様な格子周期を有する偏光回折素子の偏向顕微鏡写真及び光学軸方位φの素子面内における分布（光学軸分布）を示す図である。光が図３の偏光回折素子を透過したときの回折光の状態の一例を示す図である。リタデーションΓがπ/２のときの±１次光の回折効率の入射光の楕円率依存性を示す図である。光の偏向角が光線の入射位置ごとに異なるように局所的な格子周期を分布させた偏光回折素子の光学軸分布の一例を示す図である。（ａ）１次元（ｘ軸）方向に分布させた場合。（ｂ）２次元（ｘ軸およびｙ軸）方向に分布させた場合。実施形態２に係る光線走査の広角化・速度均一化機能を有する偏光回折素子を含む光線走査広角化システムの外略を示す図である。実施形態２に係る光線走査広角化システム（１次元）における、（ａ）光線露光位置の時間変化と、（ｂ）偏光回折素子の局所格子周期の空間分布と、（ｃ）偏光回折素子の光学軸方位φの回転量を３００π毎にプロットした等高線で示した光学軸分布を示す図である。実施形態２に係る光線走査広角化システム（２次元）における、（ａ）光線露光位置の時間変化と、（ｂ）偏光回折素子の局所格子周期の空間分布と、（ｃ）偏光回折素子の光学軸方位φのｘ方向とｙ方向の位相分布の和を再現した光学軸分布を示す図である。実施例の偏光回折素子の偏光顕微鏡写真である。実施例の光線走査広角化システムを説明する図である。ＭＥＭＳミラーの１次元走査の振れ角θ₁を１．６１倍に広角化させた実施例を示す図である。振れ角θを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例に記載された具体的な例示にのみ限定されるわけではない。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１に係る光線走査広角化システム（以下「本システム」という。）１の概略を示すものである。本図で示すように、本システム１は、光源２と、ビームステアリング素子４と、偏光回折素子５と、光源２とビームステアリング素子４の間に配置された偏光制御素子３から成る。

＜光源２＞
本システム１において光源２は、文字通り光を発することができるものを指す。本システム１の光源２が発する光は、特に限定されるわけではないが、波長λが単一のレーザー光であることが望ましい。レーザー光を発する光源としては、例えば半導体レーザー、全固体レーザー、ＤＰＳＳ（ＤｉｏｄｅＰｕｍｐｅｄＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ）レーザー等を例示することができる。

光源２が発する光の波長λは、後述する式（４）を満たす限りにおいて限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の波長とすれば、システムを自動車等に搭載するミリ波レーザー等に用いることができる。また、１μｍ以上１０μｍ以下とすれば、自動運転等に利用するＬｉＤＡＲ等に用いることができる。さらに、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下とすれば、レーザープロジェクター等に用いることができる。従って光源２が発する光の波長は、３００ｎｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましく、３００ｎｍ以上１０μｍ以下であることがより望ましい。

＜偏光制御素子３＞
本システム１において偏光制御素子３は、光源２が発する波長λの光の偏光状態を制御する素子である。具体的には、図１に例示するように、偏光制御素子３は、λ／４板３２を含むものであることが好ましく、より好ましくはその前段に偏光子３１を備えたものであることが好ましい。

偏光子３１によって無偏光を直線偏光に、λ／４板３２によって直線偏光を右円偏光又は左円偏光に変換することが可能となる。また、レーザーから射出され直線偏光とした光をその振動方向から０°，４５°，９０°，１３５°以外の角度にλ／４板３２を向けると楕円偏光に変換することが可能となる。さらに、円偏光を作る方式としては、電気光学変調器や液晶リターダなどのリタデーションΓが可変な位相子を用いても良い。

偏光子３１やλ／４板３２、その他の素子によって、偏光制御素子３によるビームステアリング素子４への入射前の円偏光の楕円率を制御することができる。また、偏光制御素子３により偏光回折素子５への入射前の円偏光の回転方向を制御することで、偏光回折素子５から射出するビームの光路方向を変更させることができる。

＜ビームステアリング素子４＞
本システム１においてビームステアリング素子４は、偏光回折素子５に入射する円偏光の入射位置と伝搬方向を偏向させることができるものである。

ビームステアリング素子４は様々な形態をとりうることができ、ＭＥＭＳミラーなどのミラー反射面を外部制御可能であり、入射光の伝搬方向をリサージュ波形状に制御できることが可能なものであることが好ましい。ただし、反射構造を有するビームステアリング素子に限定するものではなく、回転機構を有するウェッジプリズムや回折格子など、透過型のビームステアリング素子であっても良い。

図２は偏光回折素子５を配置しない場合に、ビームステアリング素子４による光線走査の外略を示す図である。ＭＥＭＳミラー等のビームステアリング素子４により偏向操作される光は、基準となる座標軸ｚに沿って距離ｄ₀離れた座標軸ｘ₂上で走査される。この時、ＭＥＭＳミラーが光学的に与える振れ角θ₁が時間に対して線形応答しない場合、光線が単位時間あたりにｘ₂上を移動する距離（走査速度）が一定では無くなる。すなわち、光線がｘ₂上を露光する位置間隔は不等間隔となる。光線密度が均一化されないことから輝度ムラが生じることとなる。

次に説明する偏光回折素子５は、この輝度ムラを補正しつつ、光線走査においてビームステアリング素子４が与える振れ角θ₁を広角化する機能を担う。

＜偏光回折素子５＞
偏光回折素子５は光学軸方位φが周期的に変調された構造を有し、より具体的には光学軸方位φが周期的に分布した構造を有し、更に偏光回折素子５は局所的な格子周期を有し、円偏光が偏光回折素子５の平面に対し入射する位置における局所的な格子周期Λ（ｘ）に応じた偏向角（回折角）で偏向する特性を有するものが良い。

ここで偏光回折素子が有する「局所的な格子周期」とは、πを、ある位置における単位長さあたりの回転角で除算したものであり、下記式で表される。

本システムに備える、偏光回折素子５は、所望の方向へと偏向させる効率が９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上、最も好ましくは１００％であるものが良い。また、偏光回折素子５は、所望の方向へと偏向させる光の楕円率が９５％以上、好ましくは９７％以上、より好ましくは９９％以上、最も好ましくは１００％であるものが良い。

偏光回折素子５における光学軸方位φの空間分布構造は限定するものではなく、ビームステアリング素子４の特性（駆動周波数・走査軌跡が描くリサージュ図形）に応じて適宜選択可能であるが、以下では、図３に示すような１次元方向に対して線形且つ連続的に光学軸方位が周期的に回転する異方性の空間分布を有する偏光回折素子をもとに、その機能について述べる。

ここで「１次元的に規則性を有し形成された光学軸方位」とは、偏光回折素子５対して垂直に入射される光線の光線軸を基準軸ｚとして、基準軸ｚに直交する平面内における任意の一軸の方向に沿って、光学軸方位φが任意の規則に基づき形成されている状態をいう。図３に示す１次元方向に対して線形且つ連続的に光学軸方位が周期的に回転する状態は最も代表的な規則性を示す一例である。

偏光回折素子に光を入射させると、その光学軸方位φに応じたＰａｎｃｈａｒａｔｎａｍＢｅｒｒｙ位相（ＰＢ位相）が周期的に付与されて回折が起こる（図４）。下記式（２）の左円偏光のＪｏｎｅｓベクトル｜Ｌ＞および下記式（３）の右円偏光のＪｏｎｅｓベクトル|Ｒ>を用いて、格子周期が一様に分布した偏光回折素子のＪｏｎｅｓ行列は、下記式（４）で定義される。

ここで、Ｔ^OCは上記偏光回折素子のＪｏｎｅｓ行列、Γ＝πΔｎｄ／λは偏光回折素子のリタデーション（Δｎ：偏光回折素子の複屈折、ｄ：偏光回折素子の厚さ）、Λは偏光回折素子の格子周期、ｔは時間、ｘは横軸の空間座標、ｙは縦軸の空間座標、φは格子ベクトルのｘ軸からの方位、ｉは虚数単位を、また、<Ｌ|および<Ｒ|はそれぞれ|Ｌ>および|Ｒ>の随伴行列を表す。

また、式（４）から、左円偏光及び右円偏光に対する透過光の複素振幅を求めると下記式（５）および（６）を得ることができる。ここで、式（５）および（６）それぞれの第２項目が＋１次光と−１次光の回折光成分に対応し、左円偏光に対する＋１次光の回折光強度Ｉ_L ⁺¹および右円偏光に対する−１次光の回折光強度Ｉ_R ^-1は下記式（７）および（８）でそれぞれ与えられる。これらの式から、偏光回折素子は、リタデーションΓがπ/２の時、円偏光の入射に対して１００％の回折効率を得ることができる。

回折光の伝搬方向は、図４に示すように偏光回折素子５への入射角をθ_inとするとき、下記式（９）で表される。この式から、偏光回折素子５へ入射する光は、偏光回折素子の格子周期Λと入射光の波長λに依存して角度θ_outだけ偏向されることがわかる（θ_outを偏向角又は回折角という）。回折光の伝搬方向は円偏光の回転方向に応じて±１次の方向で反転する。なお、任意の楕円偏光が入射する場合のＪｏｎｅｓベクトル|Ｅ_arb>は下記式（１０）のようにあらわされ、±１次光の回折光強度Ｉ_arb ^±は下記式（１１）で求められる。ここで、εとΨは入射偏光の楕円率角と方位角を表している。式（１１）より、偏光回折素子のリタデーションΓがπ/２の時の±１次光の回折効率は入射光の楕円率に応じて±１次光の間の強度比が変わるという特性を持ち、その楕円率角依存性は図５に示すようになる。

上述のとおり、偏光回折素子はリタデーションΓがπ/２の条件を満たすとき、円偏光の入射に対して±１次光のどちらか一方に１００％の回折効率で光を回折させる機能を示す。このため、不要な回折光の発生なくビームを特定方向に偏向させることが可能である。

偏光回折素子をビームステアリング素子の広角化に用いるにあたり、回折効率が高い偏光回折素子であるのがよい。偏光回折素子において、回折効率が最も高い理想的な位相差は上記式（７）および（８）から求められる。

具体的には、本システムに用いる偏光回折素子は、５％以上の回折効率、即ち位相差（δ＝２πΔｎｄ／λ）では０．４４８＋２πｍ〜５．８２＋２πｍ（ｍ：自然数）の範囲、好ましくは５０％以上の回折効率、即ち位相差（δ＝２πΔｎｄ／λ）では１．５７＋２πｍ〜４．７１＋２πｍ（ｍ：自然数）の範囲、理想的には１００％の回折効率、即ち位相差（δ＝２πΔｎｄ／λ）では３．１４＋２πｍ（ｍ：自然数）であるのがよい。

また、所望の回折次数にエネルギーを集中させるために、図５より偏光回折素子５に入射する円偏光の楕円率角の絶対値が２６ｄｅｇ以上、好ましくは３２ｄｅｇ以上、より好ましくは３７ｄｅｇ以上、最も好ましくは４５ｄｅｇであるのがよい。

なお、上記したように、偏光回折素子を透過する光線の偏向角θ_outは、偏光回折素子の格子周期Λに依存する。このため、偏光回折素子の格子周期に分布を持たせることで、偏光回折素子への光線の入射位置ごとに偏向角を制御することができる。

［実施形態２］
この考え方に基づけば、ビームステアリング素子４だけによる光線走査で、偏光回折素子５の面と並行に距離ｄ₂離れた空間平面におけるスクリーン６上での走査速度が不均一となる状態を、偏光回折素子５による偏向角θ_outの制御により光線が単位時間あたりにスクリーン上で移動する距離を補正することで、スクリーン上での光線の走査速度を等速化できるとともに、光線の振れ角θを広角化することができる。

ここで、「光線の振れ角」θとは、ビームステアリング素子４によって走査される光線が、偏光回折素子面及び空間平面ｘｙに対して垂直に入射される光線軸を基準軸ｚとして、偏光回折素子５での出射点Ｐ_PGと空間平面ｘｙにて露光される点Ｐ_exとを通る線が、基準軸ｚに対してなす角度である（図１３）。偏光回折素子５を配置しない場合には、基準軸ｚに対してビームステアリング素子４が与える振れ角θ₁はθに等しくなる。

ＭＥＭＳミラーなどの場合、光線走査速度は露光エリアの外周部程低速化するため、例えば、１次元的な光線走査に対しては、図６（ａ）に示すように偏光回折素子の外部（この場合は偏光回折素子のｘ軸における両端側）の局所的な格子周期を素子中央部（ｙ軸から）から外部に向かって連続的または離散的に短くすることで、走査速度の変化の補正が可能となる。

また、図６（ｂ）は２次元的に規則性を有し形成された光学軸方位の一例であり、偏光回折素子の格子ベクトル方向をｘｙ平面に分布させることで、２次元的な光線走査に対しても広角化及び走査速度の均一化、すなわち走査速度の等速化が可能となる。

＜偏光回折素子を用いたビームステアリング素子の光線走査の広角化および等速化＞
上述の偏光回折素子の機能をもとに、ビームステアリング素子で走査される光線の振れ角θの広角化および走査速度の等速化の原理について具体的に述べる。

図７は本実施形態２に係る本システム１’の概略を示す図である。本システム１’は、空間中に光線走査する本システム１に対し、光線を照射するスクリーン６を備えた形態であり、１枚の偏光回折素子５を用いた構成例である。本システム１’は、光源２（レーザー光源）、偏光制御素子３、ビームステアリング素子４（ＭＥＭＳミラー）、偏光回折素子５および偏光回折素子５の面と並行に距離ｄ₂離れた空間平面に配置されたスクリーン６で構成される。

スクリーン６は、例えば本システムをプロジェクター用途で使用する場合には映像を映し出すスクリーンを用いることができ、露光装置用途で使用する場合には露光対象物を用いることができる。他にもセンシング用途で使用する場合には被測定対象物を用いることができる。

レーザー光源から射出されたビームは、最初の偏光制御素子３により左円偏光又は右円偏光に変換されたのちにビームステアリング素子４（ＭＥＭＳミラー）により基準とする座標軸ｚから偏角θ₁（ｔ）［ｄｅｇ］だけ伝搬方向を曲げられる。ここで、tは時刻を表しており、θ₁（ｔ）は振れ角の時間応答を示す。

ＭＥＭＳミラーの高速軸の時間応答は一般に正弦波形となっており、下記式（１２）で表される。ここで、θ₀［ｄｅｇ］はＭＥＭＳが光線走査可能なｚ軸に対する最大振れ角、ｆは駆動周波数[Ｈｚ]とする。

θ₁(t)を用いて、ＭＥＭＳミラーの機械的動作軸中心点から基準軸ｚに沿って距離ｄ₁離れたｘｙ面におけるｘ軸に対する光線の入射位置ｘ₁は下記式（１３）で表される。距離ｄ₁の位置に配置した偏光回折素子５の位置ｘ₁における局所的な格子周期をΛ(ｘ₁)とすると、該当位置を透過する光線はθ₁(ｔ)から更に回折し、その回折角θ₂(ｔ)は下記式（１４）で表される。この時、偏光回折素子５の位置ｘ₁を通って且つｚ軸に平行な軸からの光線伝搬方向の偏角（振れ角）θはＭＥＭＳの偏向角θ₁と偏光回折素子の回折角θ₂の和となり、θ₁＋θ₂となる。このため、偏光回折素子５の面と並行に座標軸ｚに沿って距離ｄ₂離れたｘｙ平面に配置されたスクリーン６の面におけるｘ軸に対する露光位置ｘ₂は下記式（１５）で表される。

ＭＥＭＳの光線走査による振れ角θ₁をβ倍に広角化することを考える。この際、ＭＥＭＳの振れ角の最大値をθ₁ ^maxとすると（式（１２）の場合は、θ₁ ^max=θ₀）、偏光回折素子で必要な最大回折角θ₂ ^maxは下記式（１６）で表される。

ＭＥＭＳが最大振れ角となる時刻での偏光回折素子への入射位置ｘ₁ ^maxにおける局所的な格子周期は式（１６）を用いて下記式（１７）の形で表される。即ち、ＭＥＭＳミラーが与える振れ角θ₁をβ倍に広角化するのに必要な偏光回折素子の特定位置における局所的な格子周期が定まる。

ＭＥＭＳミラーが与える振れ角θ₁の広角化と同時に光線走査速度を均一化させるためには、下記式（１８）で表される光線の一定時間毎の露光位置ｘ₂(ｔ)間の変位量Δｘが一定になればよい。

すなわち、変位量Δｘが一定値となるよう偏光回折素子の格子周期Λ（ｘ₁）のｘ軸に沿った１次元的空間分布を決めれば良く、この際にΛ（ｘ₁ ^max）の境界条件を課すことで、β倍の広角化と光線走査速度の均一化を同時に満足する偏光回折素子の局所格子周期の空間分布が求められる。なお、局所格子周期Λと偏光回折素子の光学軸方位φとの間には下記式（１９）の関係が成り立ち、これにより偏光回折素子のｘ軸に沿った光学軸方位φ（ｘ₁）の１次元的空間分布が設計できる。

図８は式（１２）−（１９）に基づいて算出したＭＥＭＳミラーの１次元走査における広角化と走査速度均一化の両機能を満たす偏光回折素子５１の例である。

偏光回折素子５１は、ビームステアリング素子４であるＭＥＭＳミラーが描く走査軌跡とその時間応答に対応して、走査範囲が広角化されると同時に、走査速度が均一化されるよう格子周期の１次元的空間分布を有している。

ここで、ＭＥＭＳミラーの光線走査の基礎特性は、最大振れ角θ₀＝１０［ｄｅｇ］、駆動周波数f＝１００[Ｈｚ]とした。また、ｄ₁＝０．１[ｍ]、ｄ₂＝１．０[ｍ]、λ＝５３２[ｎｍ]、β＝５とした。偏光回折素子５１のリタデーションΓはπ/２であり、回折効率は１００％である。

図８（ａ）はＭＥＭＳミラーによりｘ軸に沿って光線走査した時のスクリーン６上での露光位置ｘ₂の時間変化、図８（ｂ）は偏光回折素子５の面内におけるｘ軸の位置ｘ₁における局所格子周期Λの分布をそれぞれ表している。図８（ｃ）は局所格子周期Λから偏光回折素子の光学軸分布の等高線を光学軸方位φの回転量を３００π毎にプロットしたものである。ＭＥＭＳミラーの走査波形はｘ₂の正負の領域間で対称性を有するため、１／４周期分のみプロットした。

図８（ａ）において、破線は偏光回折素子５１を配置しない場合、実線は偏光回折素子５１を配置した場合のスクリーン上での露光位置ｘ₂の時間変化をそれぞれプロットしたものである。偏光回折素子５１を配置しない場合、スクリーン上での露光位置ｘ₂の時間ｔ軸に対する変化は非線形となっており、走査速度が一定ではないことが分かる。

一方で、偏光回折素子５１を配置した場合、スクリーン上での露光位置ｘ₂の時間ｔ軸に対する変化が線形となっており、走査速度が均一化していることが分かる。さらに、図８（ａ）のグラフから偏光回折素子５１を配置することで露光位置ｘ₂が偏光回折素子５１を配置しない場合よりも増加、すなわち露光範囲が拡大されており、振れ角θが広角化していることが分かる。

この光線走査の広角化と速度均一化を達成する偏光回折素子の格子周期ないし、光学軸方位φの素子面内における分布（光学軸分布）は図８（ｂ）（ｃ）に示す通りであり、素子中央部から外部に行くにしたがって周期が短くなる。これは、光線走査の特性が式（１２）に従うＭＥＭＳミラーの場合、露光エリアの外部に行くほど走査速度が遅くなるので、外部程回折角を大きくすることで走査速度を加速させて補正している為である。

図９はＭＥＭＳミラーの２次元走査における広角化と走査速度均一化の両機能を満たす偏光回折素子５２の例である。一般的なＭＥＭＳミラーは低速軸と高速軸の２軸駆動であることから、ｙ軸方向(低速軸)に対してＭＥＭＳの光線走査の振れ角θ₁は線形変化とし、ｙ軸方向（低速軸）の最大振れ角はθ₀＝１０［ｄｅｇ］、駆動周波数fは１０［Ｈｚ］とした。ｘ軸方向（高速軸）のＭＥＭＳの光線走査の最大振れ角θ₀及び駆動周波数ｆは、１次元走査における広角化と走査速度均一化の両機能を満たす偏光回折素子５１と同じである。光線走査の振れ角θの拡大と速度等速化をｘ軸とｙ軸それぞれの変位に対して行った。

図９（ａ）はｙ₂軸に対する露光位置の時間依存性を偏光回折素子５２の有無で比較した結果である。ｙ軸方向については線形走査である為、光線走査速度の非線形性の緩和の程度は顕著にみられないが、振れ角θは広角化されているのが明確に確認できる。

図９（ｂ）は、ｘ軸（高速軸）方向とｙ軸（低速軸）方向に対してそれぞれ偏光回折素子５２の局所格子周期Λの２次元的空間分布をプロットしたものである。図９（ｃ）は式（１９）に従ってｘ方向とｙ方向の位相分布の和を再現するように光学軸方位φをプロットしたものである。放物状に光学軸方位φの素子面内における分布（光学軸分布）が得られていることが分かる。

図７の形態では、単一の偏光回折素子を用いる例を示したが、偏光回折素子は同一または異なる光学軸分布を有する複数の偏光回折素子を光線の進行方向に対し多段に配列させて用いても良い。

＜偏光回折素子５の作製方法＞
偏光回折素子５は、光学異方性材料を含んで構成されていることが好ましい。光学異方性材料は、高い光学異方性を確保できる限りにおいて限定されるわけではないが、光学異方性材料は光架橋及び光異性化の少なくともいずれかの反応を生ずる光反応性側鎖を有する光反応性高分子であることが好ましく、液晶性を示す光反応性高分子液晶がより好ましい。

光学異方性材料を含む偏光回折素子５は、公知の方法、例えばＷＯ２０１６／０７２４３６、特願２０１９−１６４４０５、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４，１２９８（２００３）等に記載された方法に従うことで、光学軸方位φが周期的に変調された構造を有する偏光回折素子５を作製することができる。

他にも偏光回折素子５は、光源２が発する光の波長λよりも短い周期構造を有するサブ波長構造に基づく構造性複屈折を利用した光学異方性材料によって作製されたものでもよい。

＜本システムの特徴＞
本システムは、既存のビームステアリング素子の後段に上記の手法で作製される光学軸方位φが素子面内で周期的に変調された構造を有する偏光回折素子を配置するだけのシンプルな構成であるため、装置全体の小型化が容易である。光線走査の広角化には従来、屈折性のバルクレンズを用いる方法が利用されているが、本システムは、この従来の方式と比べ重量面やシステムのサイズ面で有利である。また、本システムでは偏光回折素子として厚さ数μｍ程度の異方性フィルムを単層用意するのみでビーム振れ角の広角化が可能であり、システムの軽量化・小型化の面で優位である。また、液晶の光配向法などの製造自由度の高いプロセスで作製できることから作製コストの面で優位である。

ここで、上記実施形態２に係る本システム１’に関しその効果を確認した。以下、実施例を用いて具体的に説明するが、該実施例によってのみ限定されるものではない。

＜偏光回折素子の作製＞
偏光感受性を有する液晶高分子への偏光ホログラム記録により偏光回折素子を作製した。記録材料として、光架橋性の側鎖を有する厚さ３．５μｍの高分子液晶膜がＴＡＣ（Ｔｒｉ−ＡｃｅｔｙｌｅＣｅｌｌｕｌｏｓｅ）フィルム上に製膜されたものを用いた。光学異方性を誘起するために、互いに逆回りの円偏光の３６０ｎｍレーザー光をコヒーレントに異なる曲率の球面位相を与えて記録材料上で同軸で重ね合わせて偏光ホログラムを記録した。記録後、１３０℃で５分間熱処理を施し、次いで冷却することにより、偏光回折素子の光学異方性を誘起した。本実施例では、焦点距離が１５５［ｍｍ］に相当する曲率位相差を与えて偏光ホログラム記録して形成された偏光回折素子を用いた。

＜偏光回折素子の特性＞
作製した偏光回折素子の偏光顕微鏡写真を図１０に示す。偏光回折素子を直交する偏光子で挟んで撮影したものであり、明暗に対応して光学軸が分布していることを示す。本図によると作製した偏光回折素子は、光学軸方位φが素子中心から外周部に向かって局所的な格子周期が連続的に短くなるような分布となる光学軸分布を有しており、素子外周部程入射光を大きく偏向させる機能を有することが分かる。

＜ＭＥＭＳミラー反射光の光線走査の広角化＞
作製した偏光回折素子を図１１の光学系の形態で配置し、別途配置した図示されていないイメージングカメラでスクリーン６上に投影された光線走査の軌跡を長時間露光で撮像した。光源２にはＹＡＧレーザー（Ｑｕａｎｔｕｍ社製、Ｔｏｒｕｓ５３２−１００ｓ）を使用した。ＹＡＧレーザーから射出された波長５３２ｎｍのビームを偏光子及び１／４波長板から成る偏光制御素子３へと透過させ、円偏光に変換した。その後、ビームステアリング素子４として使用した２軸のＭＥＭＳミラー（ＭｉｒｒｏｃｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）で反射させ、ｘ軸（高速軸）方向に対して周波数ｆ＝１００[Ｈｚ]の正弦信号で１次元走査した。ＭＥＭＳミラーから距離ｄ₁＝０．０９８[ｍ]離れた位置に上記の偏光回折素子を配置し、偏光回折素子から距離ｄ₂＝０．５５９[ｍ]の位置に配置したスクリーンへの光線を投影した。イメージングカメラの長時間露光により、スクリーンに投影された光線走査の軌跡を観察した。

図１２は撮像した光線走査の軌跡の例である。図の上部は偏光回折素子５の偏向作用を受けて振れ角θが広角化した光線走査の軌跡で、下部は偏光回折素子５を透過していない元々のＭＥＭＳミラーだけによる振れ角θ_１の光線走査の軌跡である。

スクリーン上に投影された元々の光線走査の幅は２５[ｍｍ]で、最大振れ角θ₁（＝θ₀）に換算すると±１．０９［ｄｅｇ］である。一方で、偏光回折素子の偏向作用を受けた後の光線走査の幅は、３８[ｍｍ]で、最大振れ角θに換算すると±１．７６［ｄｅｇ］である。

従って、およそＭＥＭＳで与えられる光線の最大振れ角θ₀が１．６１倍に広角化出来ており、本システムが既存ビームステアリング素子により走査される光線の振れ角θ₁を広角化出来ることが実証できた。また、厚み３．５μｍの薄膜フィルムの偏光回折素子により光線走査の振れ角θを広角化出来たことから、従来技術でのバルクレンズと比べてシステムの小型化が可能であることも併せて実証できた。

以上、本実施例によって、本発明の効果の内、光線走査の広角化を確認することができた。なお、この実施例以外にも、光線走査の速度均一化等、偏光回折素子の光学軸方位φの空間分布の設計に応じて様々な効果を得ることができる。

本発明は、既存のＭＥＭＳミラーを代表とするビームステアリング素子を利用した振れ角の広角化が可能となる。さらにビームの走査速度の不均一さを改善することが可能となる。このような特徴を鑑みるに、光線走査システムとして産業上の利用可能性がある。より具体的に説明すると以下のとおりである。

自動運転の普及に向けて、車外の環境情報を逐次取得するためのライダー（レーザー光を２次元的にスキャンする光源付帯システム）の開発が勢力的に行われている。本発明は、小型システムで高速かつ均一な輝度で広範囲なビームステアリングを可能とすることから、ライダーへの適用の可能性が高いと期待される。

また、プロジェクター用途も期待される。一般的な映像の表示周波数である６０Ｈｚ程度を超える回転駆動と半導体レーザー光源の出力時間制御を組み合わせれば、任意の画像を被写体上に投影することができる。

発明について自動運転技術分野や表示分野などを例に挙げたが、ビームステアリング方式の用途展開は医療分野、セキュリティー分野、加工分野なども想定でき、これらに限定されない。

１，１’・・・・・・光線走査広角化システム
２・・・・・・・・・光源
３・・・・・・・・・偏光制御素子
４・・・・・・・・・ビームステアリング素子
５，５１，５２・・・偏光回折素子
６・・・・・・・・・スクリーン

Claims

光源と、
ビームステアリング素子と、
前記光源と前記ビームステアリング素子との間に配置された偏光制御素子と
前記光源から発せられる光線が前記ビームステアリング素子を経由して入射可能に配置された偏光回折素子とを備え、
前記偏光回折素子は、局所的な格子周期を有し、且つ、
前記光線の振れ角が前記ビームステアリング素子が与える振れ角より増加させる機能を有し、且つ、
前記偏光回折素子の面と並行に離れた空間平面における前記光線の走査速度が一定となる機能を有する
ことを特徴とした光線走査広角化システム。
前記光線が前記ビームステアリング素子から直接入射可能に配置された前記偏光回折素子を備える
請求項１に記載の光線走査広角化システム。
前記局所的な格子周期は、前記偏光回折素子の面内において１次元的又は２次元的に規則性を有し形成された光学軸方位の分布である
請求項１に記載の光線走査広角化システム。
前記偏光回折素子を複数備える
請求項１に記載の光線走査広角化システム。
前記偏光回折素子は、光学異方性材料を含んで構成されている
請求項１に記載の光線走査広角化システム。
前記偏光回折素子は、光反応性側鎖を有する液晶性高分子膜を含む
請求項５に記載の光線走査広角化システム。
前記光反応性側鎖は、光架橋及び光異性化の少なくともいずれかの反応を生ずるものである
請求項６に記載の光線走査広角化システム。