JP2022026416A - Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method - Google Patents
Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022026416A JP2022026416A JP2020129879A JP2020129879A JP2022026416A JP 2022026416 A JP2022026416 A JP 2022026416A JP 2020129879 A JP2020129879 A JP 2020129879A JP 2020129879 A JP2020129879 A JP 2020129879A JP 2022026416 A JP2022026416 A JP 2022026416A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase modulation
- spatial phase
- modulation
- spatial
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 135
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 10
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 53
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 44
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 14
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 2
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 2
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
この発明は、光に対して位相変調を実行する技術に関する。 The present invention relates to a technique for performing phase modulation on light.
特許文献1に記載の平面ライトバルブは、二次元的に配列された複数のアクチュエータを備える。各アクチュエータは、電極により駆動されることで変位する。かかる平面ライトバルブは、各アクチュエータの変位量を調整して凹凸を形成することで、入射してきた光に対して位相変調を実行することができる。
The planar light bulb described in
ところで、特許文献1に記載されているように、アクチュエータの変位は微小である。そのため、光の波長に対して凹凸が浅く、光の位相を変調する変調幅を十分に確保することが難しかった。特に長い波長の光を用いようとすると、変調幅の確保は極めて難しかった。そのため、例えば位相変調によって光を回折するような場合、位相の変調幅が不十分であると、ゼロ次光が多くなってしまい、必要な量の回折光が得られない。かかる事情は、グレーティングライトバルブ、エルコスあるいはデジタルミラーデバイスといった他の空間位相変調素子においても同様である。
By the way, as described in
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光の位相変調を広い変調幅で実行することを可能とする技術の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of performing phase modulation of light with a wide modulation width.
本発明に係る空間位相変調デバイスは、所定の配列方向に配列された複数の格子要素を有し、格子要素を入力信号に応じて駆動することで、入力信号に応じた第1変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第1位相変調を、格子要素に入射した光に実行する空間位相変調素子と、互いに異なる光路長を有する複数の領域が配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有し、周期領域部の複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、周期領域部に入射した光に実行する空間位相変調部材とを備え、第1位相変調と第2位相変調とが光に対して実行されることで、第1変調幅よりも広い合成変調幅で、光の位相が配列方向に周期的に変化される。 The spatial phase modulation device according to the present invention has a plurality of grid elements arranged in a predetermined arrangement direction, and by driving the grid elements in response to an input signal, the phase has a first modulation width corresponding to the input signal. A spatial phase modulation element that performs the first phase modulation that periodically changes in the arrangement direction on the light incident on the lattice element, and a periodic region portion in which a plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction. The second phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction with the second modulation width according to the difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion is executed on the light incident on the periodic region portion. The spatial phase modulation member is provided, and the first phase modulation and the second phase modulation are performed on the light, so that the phase of the light is periodic in the arrangement direction with a composite modulation width wider than the first modulation width. Will be changed.
本発明に係る空間位相変調方法は、所定の配列方向に配列された複数の格子要素を有する空間位相変調素子の格子要素を入力信号に応じて駆動することで、入力信号に応じた第1変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第1位相変調を、格子要素に入射した光に実行する工程と、互いに異なる光路長を有する複数の領域が配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有する空間位相変調部材の周期領域部の複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、周期領域部に入射した光に実行する工程とを備え、第1位相変調と第2位相変調とが光に対して実行されることで、第1変調幅よりも広い合成変調幅で、光の位相が配列方向に周期的に変調される。 The spatial phase modulation method according to the present invention is a first modulation according to an input signal by driving a lattice element of a spatial phase modulation element having a plurality of lattice elements arranged in a predetermined arrangement direction according to an input signal. The step of performing the first phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction by the width on the light incident on the lattice element, and the periodic region portion in which a plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction. A second phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction with a second modulation width corresponding to the difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion of the spatial phase modulation member having the above is incident on the periodic region portion. The process of executing the light is provided, and the first phase modulation and the second phase modulation are performed on the light, so that the phase of the light is periodic in the arrangement direction with a composite modulation width wider than the first modulation width. Is modulated.
このように構成された本発明(空間光変調デバイスおよび空間光変調方法)では、所定の配列方向に配列された複数の格子要素を有する空間位相変調素子によって位相変調が実行される。この空間位相変調素子は、格子要素を入力信号に応じて駆動することで、入力信号に応じた第1変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第1位相変調を、格子要素に入射した光に実行する。ただし、このような空間位相変調素子によって実行できる位相変調の変調幅(第1変調幅)を十分に確保することは、上述の通り困難であった。そこで、本発明では、空間位相変調素子とは別に、空間位相変調部材がさらに設けられている。この空間位相変調部材は、異なる光路長を有する複数の領域が配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有し、各領域が有する光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、周期領域部に入射した光に実行する。こうして、第1位相変調と第2位相変調とが光に対して実行されることで、第1変調幅よりも広い合成変調幅で、光の位相が配列方向に周期的に変調される。その結果、光の位相変調を広い変調幅で実行することが可能となっている。 In the present invention (spatial optical modulation device and spatial optical modulation method) configured in this way, phase modulation is performed by a spatial phase modulation element having a plurality of lattice elements arranged in a predetermined arrangement direction. This spatial phase modulation element drives the grid element according to the input signal, so that the first phase modulation that periodically changes the phase in the array direction with the first modulation width corresponding to the input signal is incident on the grid element. Run to the light. However, as described above, it has been difficult to sufficiently secure the modulation width (first modulation width) of the phase modulation that can be executed by such a spatial phase modulation element. Therefore, in the present invention, a spatial phase modulation member is further provided in addition to the spatial phase modulation element. This spatial phase modulation member has a periodic region portion in which a plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction, and the phase is arranged in the second modulation width according to the difference in the optical path length of each region. The second phase modulation, which is periodically changed to, is performed on the light incident on the periodic region portion. In this way, the first phase modulation and the second phase modulation are performed on the light, so that the phase of the light is periodically modulated in the arrangement direction with a combined modulation width wider than the first modulation width. As a result, it is possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
また、周期領域部の複数の領域は、互いに異なる形状を有し、それぞれの形状に応じた光路長を有するように、空間位相変調デバイスを構成してもよい。かかる構成では、周期領域部の複数の領域それぞれの形状の違いに応じた第2変調幅で、位相を配列方向に周期的に変化させることができる(第2位相変調)。その結果、光の位相変調を広い変調幅で実行することが可能となる。 Further, the spatial phase modulation device may be configured so that the plurality of regions of the periodic region portion have different shapes from each other and have optical path lengths corresponding to the respective shapes. In such a configuration, the phase can be periodically changed in the arrangement direction with the second modulation width corresponding to the difference in the shape of each of the plurality of regions of the periodic region portion (second phase modulation). As a result, it becomes possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
また、周期領域部の複数の領域は、互いに異なる屈折率を有し、それぞれの屈折率に応じた光路長を有するように、空間位相変調デバイスを構成してもよい。かかる構成では、周期領域部の複数の領域それぞれの屈折率の違いに応じた第2変調幅で、位相を配列方向に周期的に変化させることができる(第2位相変調)。その結果、光の位相変調を広い変調幅で実行することが可能となる。 Further, the spatial phase modulation device may be configured so that the plurality of regions of the periodic region portion have different refractive indexes from each other and have optical path lengths corresponding to the respective refractive indexes. In such a configuration, the phase can be periodically changed in the arrangement direction with a second modulation width corresponding to the difference in the refractive index of each of the plurality of regions of the periodic region portion (second phase modulation). As a result, it becomes possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
また、合成変調幅は、2π未満であるように、空間位相変調デバイスを構成してもよい。これによって、適切な変調幅で位相変調を実行することができる。 Further, the spatial phase modulation device may be configured so that the combined modulation width is less than 2π. This makes it possible to perform phase modulation with an appropriate modulation width.
また、第1位相変調によって変化する位相の周期は、第2位相変調によって変化する位相の周期の2以上の整数倍であるように、空間位相変調デバイスを構成してもよい。かかる構成では、第1位相変調による第1変調幅と第2位相変調による第2変調幅とを足し合わせた位相変調を光に対して実行できる。そのため、光の位相変調を広い変調幅で実行することが可能となる。 Further, the spatial phase modulation device may be configured so that the period of the phase changed by the first phase modulation is an integral multiple of two or more of the period of the phase changed by the second phase modulation. In such a configuration, it is possible to perform phase modulation on light by adding the first modulation width by the first phase modulation and the second modulation width by the second phase modulation. Therefore, it is possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
また、空間位相変調素子と空間位相変調部材とは互いに対向し、空間位相変調部材を通過した光が、空間位相変調部材で反射された後に、空間位相変調部材を再度通過し、空間位相変調素子は、当該空間位相変調素子で反射される光に対して第1位相変調を実行し、空間位相変調部材は、当該空間位相変調部材を通過する光に対して第2位相変調を実行し、合成変調幅は、第1変調幅と、第2変調幅に2を乗じた値との和となるように、空間位相変調デバイスを構成してもよい。かかる構成では、空間位相変調部材が光に対して2回の第2位相変調を実行する。したがって、第1変調幅と、第2変調幅に2を乗じた値との和に相当する合成変調幅で、光に対して位相変調が実行される。その結果、光の位相変調を広い変調幅で実行することが可能となっている。 Further, the space phase modulation element and the space phase modulation member face each other, and the light passing through the space phase modulation member is reflected by the space phase modulation member and then passes through the space phase modulation member again to pass through the space phase modulation member again. Performs the first phase modulation on the light reflected by the space phase modulation element, and the space phase modulation member performs the second phase modulation on the light passing through the space phase modulation member and synthesizes the light. The spatial phase modulation device may be configured such that the modulation width is the sum of the first modulation width and the value obtained by multiplying the second modulation width by 2. In such a configuration, the spatial phase modulation member performs two second phase modulations on the light. Therefore, phase modulation is performed on the light with a combined modulation width corresponding to the sum of the first modulation width and the value obtained by multiplying the second modulation width by 2. As a result, it is possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
なお、空間位相変調素子の具体的な構成は種々想定できる。例えば、空間位相変調素子は、グレーティングライトバルブ、平面ライトバルブ、エルコスあるいはデジタルミラーデバイスであってもよい。 Various specific configurations of the spatial phase modulation element can be assumed. For example, the spatial phase modulation element may be a grating light bulb, a planar light bulb, an Elkos or a digital mirror device.
本発明に係る光走査装置は、光を射出する光源と、光に対して位相変調を実行することで光が対象物に入射する位置を変更可能な空間位相変調デバイスと、対象物で反射された光をフォトディテクタによって検出する受光部とを備え、空間位相変調デバイスは、空間位相変調素子および空間位相変調部材を有し、空間位相変調素子は、所定の配列方向に配列された複数の格子要素を有し、格子要素を入力信号に応じて駆動することで、入力信号に応じた第1変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第1位相変調を、格子要素に入射した光に実行し、空間位相変調部材は、互いに異なる光路長を有する複数の領域が配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有し、周期領域部の複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、周期領域部に入射した光に実行し、第1位相変調と第2位相変調とが光に対して実行されることで、第1変調幅よりも広い合成変調幅で、光の位相が配列方向に周期的に変化される。したがって、光の位相変調を広い変調幅で実行することができ、延いては、ゼロ次光を抑えつつ回折光を確保して、光を対象物に照射することが可能となっている。 The optical scanning device according to the present invention includes a light source that emits light, a spatial phase modulation device that can change the position where light is incident on an object by performing phase modulation on the light, and a spatial phase modulation device that is reflected by the object. The space phase modulation device includes a space phase modulation element and a space phase modulation member, and the space phase modulation element includes a plurality of lattice elements arranged in a predetermined arrangement direction. By driving the grid element according to the input signal, the first phase modulation that periodically changes the phase in the array direction with the first modulation width corresponding to the input signal is applied to the light incident on the grid element. The spatial phase modulation member has a periodic region portion in which a plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction, and the spatial phase modulation member has a periodic region portion according to the difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion. 2 The second phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction with the modulation width is executed on the light incident on the periodic region portion, and the first phase modulation and the second phase modulation are executed on the light. Therefore, the phase of light is periodically changed in the arrangement direction with a combined modulation width wider than the first modulation width. Therefore, it is possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width, and by extension, it is possible to secure diffracted light while suppressing zero-order light and irradiate the object with light.
また、本発明の対象物認識装置は、上記の光走査装置と、光走査装置が備える複数のフォトディテクタによる検出結果に基づき対象物との位置関係を算出する制御部とを備える。したがって、十分に確保された回折光を対象物に照射して、対象物を適切に認識することができる。 Further, the object recognition device of the present invention includes the above-mentioned optical scanning device and a control unit that calculates the positional relationship with the object based on the detection results by a plurality of photodetectors included in the optical scanning device. Therefore, the object can be appropriately recognized by irradiating the object with sufficiently secured diffracted light.
以上のように、本発明によれば、光の位相変調を広い変調幅で実行することを可能とすることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to perform phase modulation of light with a wide modulation width.
図1は本発明に係る空間位相変調デバイスの一例を模式的に示す図である。本明細書では、互いに直交する方向Gx、方向Gyおよび方向Gzを適宜示す。空間位相変調デバイス3は、方向Gzにおいて間隔Iを空けて互いに対向する空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35とを備える。位相変調の対象となる光ビームLは、空間位相変調プレート31を通過した後に、空間位相変調素子35で反射されて、空間位相変調プレート31を再度通過する。このように、光ビームLは、空間位相変調プレート31に入射すると、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35との間を往復して、空間位相変調プレート31から射出される。空間位相変調プレート31および空間位相変調素子35はそれぞれに入射した光ビームLに対して位相変調を実行可能である。したがって、光ビームLに対しては、空間位相変調プレート31による2度の位相変調と、空間位相変調素子35による1度の位相変調とを実行できる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a spatial phase modulation device according to the present invention. In the present specification, the directions Gx, the direction Gy, and the direction Gz that are orthogonal to each other are appropriately shown. The spatial
図2は空間位相変調プレートの一例を模式的に示す斜視図である。空間位相変調プレート31は方向Gxに延設されており、図2では空間位相変調プレート31の一部が示されている。この空間位相変調プレート31は、方向Gxおよび方向Gyに平行な平板部32を有する。方向Gzからの平面視において、平板部32は方向Gxに長くて方向Gyに短い矩形状を有する。また、空間位相変調プレート31は、平板部32の表面321において方向Gxに一定の周期Tp1(換言すれば、配列ピッチ)で配列された複数の凸部33を有する。なお、平板部32と複数の凸部33とは、ガラスあるいは樹脂等の光が透過できる素材で構成されている。これらは一体的に形成されても良いし、別体で形成されてもよい。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of a spatial phase modulation plate. The spatial
凸部33は、方向Gxに短くて方向Gyに長い直方体であり、平板部32の表面321から方向Gzへ突出する。かかる凸部33の表面331は方向Gxおよび方向Gyに平行な平面である。また、凸部33の方向Gxへの幅Wkは周期Tp1の2分の1である。そのため、空間位相変調プレート31では、方向Gzにおいて異なる厚みHa、Hbを有するN個のブロックKa、Kbが方向Gxに周期Tp1(=N×Wk)で周期的に並ぶ。「N」は、周期Tp1内に存在するブロックKa、Kbの個数を示す2以上の整数であり、ここの例では「2」である。
The
ブロックKaおよびブロックKbは、方向Gxにおいて等しい幅Wkを有する。また、方向Gzにおいて、ブロックKaは厚みHaを有し、ブロックKbは厚みHaよりも厚い厚みHbを有する。ブロックKa、Kbの裏面は、方向Gxおよび方向Gyに平行な平面であり、面一に並んで平板部32の裏面322を構成する。一方、ブロックKa、Kbの表面321、331の位置は、ブロックKa、Kbの厚みHa、Hbの違いに応じて異なる。つまり、ブロックKbの表面331は、ブロックKaの表面321より方向Gzに突出する。
Block Ka and block Kb have equal widths Wk in the direction Gx. Further, in the direction Gz, the block Ka has a thickness Ha, and the block Kb has a thickness Hb thicker than the thickness Ha. The back surfaces of the blocks Ka and Kb are planes parallel to the direction Gx and the direction Gy, and are arranged flush with each other to form the
変調対象となる光ビームLは、空間位相変調プレート31を方向Gzに通過する。これに対して、空間位相変調プレート31では、厚みの異なるブロックKa、Kbが周期Tp1で周期的に配列されており、ブロックKa、Kbは、それぞれの厚みHa、Hbに応じた量で位相変調を光ビームLに実行する。その結果、厚みHbと厚みHaとの差に対応する変調幅Zpで光ビームLの位相が変調されて、光ビームLが回折される。
The light beam L to be modulated passes through the spatial
すなわち、ブロックKaは厚みHaに相当する光路長を有し、ブロックKbは厚みHbに相当する光路長を有する。つまり、方向Gxに周期Tp1で周期的に変化する光路長を持つ周期領域部がブロックKa、Kbにより構成されている。このように、複数のブロックKa、Kbは互いに異なる光路長(厚みHa、Hb)を有するため、ブロックKaを通過した光ビームLと、ブロックKbを通過した光ビームLとの間には、ブロックKa、Kbそれぞれの光路長の差に応じた位相差が発生する。その結果、複数のブロックKa、Kbそれぞれの光路長のうち、最大の光路長と最小の光路長との差に応じた変調幅Zp(位相差)で、光ビームLに位相変調が実行される。 That is, the block Ka has an optical path length corresponding to the thickness Ha, and the block Kb has an optical path length corresponding to the thickness Hb. That is, a periodic region portion having an optical path length that periodically changes in the period Tp1 in the direction Gx is composed of blocks Ka and Kb. As described above, since the plurality of blocks Ka and Kb have different optical path lengths (thickness Ha and Hb), there is a block between the light beam L passing through the block Ka and the light beam L passing through the block Kb. A phase difference is generated according to the difference in the optical path lengths of Ka and Kb. As a result, phase modulation is executed on the optical beam L with a modulation width Zp (phase difference) corresponding to the difference between the maximum optical path length and the minimum optical path length among the optical path lengths of each of the plurality of blocks Ka and Kb. ..
空間位相変調素子35は、例えば図3Aおよび図3Bに示すグレーティングライトバルブである。ここで、図3Aはグレーティングライトバルブの構成を模式的に示す平面図であり、図3Bはグレーティングライトバルブの構成を模式的に示す側面図である。
The spatial
空間位相変調素子35は、方向Gxに周期Tgで配列された複数のリボン351を有する。「格子要素」であるリボン351は、図3Aの平面視に示すように、方向Gxに短くて方向Gyに長い矩形状を有する。方向Gxにおいて、リボン351の幅Wgは、リボン351が配列される周期Tgに等しいとともに、ブロックKa、Kbの幅Wkに等しい。リボン351が配列される周期Tgは、空間位相変調プレート31でN個のブロックKa、Kbが配列される周期Tp1のN分の1である。つまり、1周期Tp1のうちにN個のリボン351が配列されており、1周期Tp1内のN個のブロックKa、KbとN個のリボン351とは一対一で対応する。そして、後の図4Aおよび図4Bに示すように、互いに対応するリボン351とブロックKa(あるいはブロックKb)とは、方向Gzに対向する。
The spatial
リボン351は可撓性を有して、その表面は光ビームを正反射する反射面として機能する。図3Bには、撓んでいないリボン351と、撓んだリボン351(破線)とが併記されている。このように、リボン351は、撓むことで方向Gzに変位する。空間位相変調素子35は、外部からの入力信号Sigに応じた静電気力によってリボン351を撓ませることで、当該入力信号Sigが示す変位量だけリボン351を変位させる。これによって、後述するように、所望の態様で複数のリボン351を変位させることができる。
The
図4Aおよび図4Bは空間位相変調デバイスの動作を模式的に示す側面図である。図1を用いて説明した通り、空間位相変調プレート31に入射した光ビームLは、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35との間を往復してから、空間位相変調プレート31から射出される。つまり、光ビームLは、方向Gzにおいて空間位相変調素子35の逆側から空間位相変調素子35に向かって空間位相変調プレート31を通過する。空間位相変調素子35に到達した光ビームLは、空間位相変調素子35により反射されて、空間位相変調プレート31に向かう。そして、光ビームLは、空間位相変調素子35の逆側に向かって空間位相変調プレート31を通過する。
4A and 4B are side views schematically showing the operation of the spatial phase modulation device. As described with reference to FIG. 1, the light beam L incident on the spatial
なお、上述の通り、複数のブロックKa、Kbと複数のリボン351とは一対一で対応する。ブロックKaを通過した光ビームLは、当該ブロックKaに対応するリボン351に入射する。さらに、リボン351で反射された光ビームLは、当該リボン351に対応するブロックKaに入射する。ブロックKbについても同様である。
As described above, the plurality of blocks Ka and Kb and the plurality of
このように、空間位相変調プレート31は、空間位相変調素子35に向かって通過する光ビームLに対して1回目の位相変調を実行し、さらに空間位相変調素子35の逆側に向かって通過する光ビームLに対して2回目の位相変調を実行する。かかる空間位相変調プレート31の動作は、図4Aおよび図4Bのいずれの状態においても共通する。一方、空間位相変調素子35の動作は、図4Aと図4Bとで異なる。
In this way, the spatial
図4Aでは、空間位相変調素子35の複数のリボン351の変位量は一律にゼロである。そのため、空間位相変調素子35は鏡として機能して、位相変調を実行しない。したがって、空間位相変調デバイス3に入射した光ビームLに対しては、空間位相変調プレート31による2度の位相変調のみが実行される。
In FIG. 4A, the displacement amount of the plurality of
図4Bでは、空間位相変調素子35のリボン351の変位量は、方向Gxにおいて周期Tgmで周期的に変化する。周期Tgmは、ブロックKa、Kb(周期領域部)により構成される形状変化の周期Tp1のM倍である。「M」は、リボン351の変位量の周期Tgmと、ブロックKa、Kbによる形状変化の周期Tp1との比(Tgm/Tp1)を示す1以上の整数である。ここの例では「M」は「6」であり、リボン351が配列される周期Tgの12倍に相当する。
In FIG. 4B, the displacement amount of the
具体的には、周期Tgmの間で、方向Gxの一方側(図4Bの左側)から他方側(図4Bの右側)へ向かうにつれてリボン351と空間位相変調プレート31との方向Gzへの距離が短くなるように、リボン351の変位量がQ段階で制御されている。「Q」は、1周期Tgmの間でリボン351の変位量を変化させる段数を示す2以上の整数である。ここの例では、「Q」は「6」であり、「Tgm/Tp1」に一致する。ただし、「Q」が(Tgm/Tp1)に一致する必要は必ずしもない。その結果、周期Tgmにおいて、一方側の端に位置するリボン351の変位量(最大)と、他方側の端に位置するリボン351の変位量(最小=ゼロ)とは、変調幅Zgだけ異なる。
Specifically, during the period Tgm, the distance between the
また、隣接するN個のリボン351でグループが構成されており、同一のグループに属するN個のリボン351の変位量は等しい。これに対して、互いに隣接する2個のグループについては、一方側のグループのリボン351の変位量より、他方側のグループのリボン351の変位量が、1段階分(=Zg/(Tgm/Tp1))だけ小さい。つまり、空間位相変調素子35は、リボン351の変位量が等段階で変化する斜面が周期的に表れるように、複数のリボン351の変位量を制御する。こうして、複数のリボン351によって周期Tgmのブレーズド回折格子が構成されている。変調対象となる光ビームLはリボン351に入射し、リボン351はその変位量に応じた量で位相変調を光ビームLに実行する。その結果、光ビームLの位相が変調幅Zgで変調されて、光ビームLは回折される(ブレーズド回折)。
Further, a group is composed of N
すなわち、複数のリボン351のうち、変位量が最大のリボン351と、変位量が最小のリボン351との間には、それぞれの変位量の差に応じた光路長の差が発生する。したがって、変位量が最大のリボン351に入射した光ビームLと、変位量が最小のリボン351に入射した光ビームLとの間には、これらのリボン351の間の光路長の差に応じた位相差が発生する。その結果、複数のリボン351それぞれの変位量のうち、最大の変位量と最小の変位量との差(光路長の差)に応じた変調幅Zg(位相差)で、光ビームLに位相変調が実行される。
That is, among the plurality of
したがって、空間位相変調プレート31により位相変調が実行された光ビームLに対して、空間位相変調素子35が位相変調を実行する。さらに、空間位相変調素子35により位相変調が実行された光ビームLに対して、空間位相変調プレート31が位相変調を再度実行する。そのため、光ビームLに対しては、空間位相変調プレート31による2度の位相変調と、空間位相変調素子35による1度の位相変調とが実行される。
Therefore, the spatial
図5は図4Bに示す空間位相変調デバイスによる位相変調を模式的に示す図である。図5の各グラフは、変調される位相の量を縦軸に有し、方向Gxへの位置を横軸に有する。図5の「空間位相変調素子」の欄は、空間位相変調素子35による位相変調を示す。空間位相変調素子35による位相の変調量は、複数のリボン351によって構成されるブレーズド回折格子の形状を反映して、方向Gxに変化する。つまり、1周期Tgmの間において、位相の変調量は0から5π/6まで単調に変化する。このように、空間位相変調素子35での反射に伴って、光ビームLの位相が変調幅Zg(=5π/6)で変調される。
FIG. 5 is a diagram schematically showing phase modulation by the spatial phase modulation device shown in FIG. 4B. Each graph of FIG. 5 has the amount of phase to be modulated on the vertical axis and the position in the direction Gx on the horizontal axis. The column of "spatial phase modulation element" in FIG. 5 shows phase modulation by the spatial
図5の「空間位相変調プレート」の欄は、空間位相変調プレート31による位相変調を示す。空間位相変調素子35による位相の変調量は、ブロックKa、Kbにより構成される周期的形状を反映して、周期Tp1でゼロとπの間で2段階に変化する。このように、2回の空間位相変調プレート31の通過に伴って、光ビームLの位相が変調幅Zpの2倍(=π)で変調される。
The column of "spatial phase modulation plate" in FIG. 5 shows phase modulation by the spatial
図5の「空間位相変調デバイス」の欄は、空間位相変調デバイス3による位相変調を示す。空間位相変調デバイス3は、空間位相変調プレート31による位相変調と空間位相変調素子35による位相変調とを合成した位相変調を光ビームLに対して実行する。同欄に示すように、空間位相変調デバイス3は、0~πの間で位相を変調させるブレーズド回折格子E1と、π~2πの間で位相を変調させるブレーズド回折格子E2とを足し合わせた特性を有する。その結果、空間位相変調デバイス3は、変調幅Zt(=Zg+2×Zp)で光ビームLを変調する。
The column of "spatial phase modulation device" in FIG. 5 shows phase modulation by the spatial
以上のように本実施形態では、方向Gx(配列方向)に配列された複数のリボン351(格子要素)を有する空間位相変調素子35によって位相変調が実行される。この空間位相変調素子35は、リボン351を入力信号Sigに応じて駆動することで、入力信号Sigに応じた変調幅Zg(第1変調幅)で位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調(第1位相変調)を、リボン351に入射した光ビームLに実行する。ただし、このような空間位相変調素子35による位相変調の変調幅Zgを十分に確保することは、困難であった。そこで、本実施形態では、空間位相変調素子35とは別に、空間位相変調プレート31(空間位相変調部材)がさらに設けられている。この空間位相変調プレート31は、異なる光路長(厚みHa、Hb)を有する複数のブロックKa、Kb(領域)が方向Gxに周期的に並ぶ。そして、各ブロックKa、Kbの光路長の違いに応じた変調幅Zp(第2変調幅)で位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調(第2位相変調)を、ブロックKa、Kb(周期領域部)に入射した光ビームLに実行する。こうして、空間位相変調素子35による位相変調と空間位相変調プレート31による位相変調とが光ビームLに対して実行されることで、変調幅Zgよりも広い変調幅Zt(合成変調幅)で、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。
As described above, in the present embodiment, phase modulation is executed by the spatial
また、周期領域部を構成する複数のブロックKa、Kb(領域)は、互いに異なる厚みHa、Hb(形状)を有し、それぞれの厚みHa、Hbに応じた光路長を有する。かかる構成では、複数のブロックKa、Kbそれぞれの厚みHa、Hbの違いに応じた変調幅Zpで、位相を方向Gxに周期的に変化させることができる(第2位相変調)。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となる。 Further, the plurality of blocks Ka and Kb (regions) constituting the periodic region portion have different thicknesses Ha and Hb (shapes), and have optical path lengths corresponding to the respective thicknesses Ha and Hb. In such a configuration, the phase can be periodically changed in the direction Gx with a modulation width Zp corresponding to the difference in the thickness Ha and Hb of each of the plurality of blocks Ka and Kb (second phase modulation). As a result, it becomes possible to execute the phase modulation of the optical beam L with a wide modulation width Zt.
なお、位相変調は2πを超えて実行する必要はない。これに対して、空間位相変調デバイス3による変調幅Zt(合成変調幅)は、2π未満である。これによって、過不足のない適切な変調幅Ztで位相変調を実行することができる。
It should be noted that the phase modulation does not need to be executed in excess of 2π. On the other hand, the modulation width Zt (composite modulation width) by the spatial
また、空間位相変調素子35による位相変調によって変化する位相の周期Tgmは、空間位相変調プレート31によって変化する位相の周期Tp1の2以上の整数倍である。かかる構成では、空間位相変調素子35による位相変調の変調幅Zgと、空間位相変調プレート31による位相変調の変調幅Zpとを足し合わせた位相変調を光ビームLに対して実行できる。そのため、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となる。
Further, the phase period Tgm changed by the phase modulation by the spatial
また、空間位相変調素子35と空間位相変調プレート31とは互いに対向する。そして、空間位相変調プレート31を通過した光ビームLが、空間位相変調素子35で反射された後に、空間位相変調プレート31を再度通過する。かかる構成では、空間位相変調プレート31が光ビームLに対して2回の位相変調を実行する。したがって、変調幅Zgと、変調幅Zpに2を乗じた値との和に相当する変調幅Ztで、光ビームLに対して位相変調が実行される。その結果、光ビームLを広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。
Further, the spatial
図6は本発明に係る対象物認識装置を示すブロック図である。図6の対象物認識装置1は、周囲を走査することで周囲に存在する対象物Jまでの距離を測定して、対象物Jの存在範囲を認識する。この対象物認識装置1は、対象物Jに測定光ビームLmを送信する送信ユニット2と、対象物Jで反射された測定光ビームLmを受信する受信ユニット6と、送信ユニット2および受信ユニット6を制御する制御部9とを備える。
FIG. 6 is a block diagram showing an object recognition device according to the present invention. The
送信ユニット2は、連続的に波長が変化する光ビームを射出する波長掃引光源21と、波長掃引光源21から射出された測定光ビームLmに対して位相変調を実行する空間位相変調デバイス3とを有する。対象物Jには、空間位相変調デバイス3によって位相変調が実行された測定光ビームLmが送信される。
The
受信ユニット6は、一列に配列された複数のフォトディテクタで構成されたフォトディテクタアレイ61を有し、対象物Jで反射された測定光ビームLmはフォトディテクタアレイ61によって検出される。より詳しくは、受信ユニット6は、送信ユニット2から受信した基準光ビームLrと、対象物Jで反射された測定光ビームLmとを重ね合わせて合成波を生成し、フォトディテクタアレイ61はこの合成波を検出する。この合成波は、測定光ビームLmと基準光ビームLrとの干渉によって生じるビートを含む。
The receiving
制御部9は、CPU(Central Processing Unit)といったプロセッサあるいはFPGA(Field
Programmable Gate Array)等で構成される。この制御部9は、波長掃引光源21からの測定光ビームLmおよび基準光ビームLrの射出を制御する。また、制御部9は、空間位相変調デバイス3の空間位相変調素子35に入力信号Sigを与えて、空間位相変調素子35による位相変調を制御する。さらに、制御部9は、フォトディテクタアレイ61が検出した測定光ビームLmと基準光ビームLrとの合成波に含まれるビートに基づき、対象物Jまでの距離を算出する。
The
Programmable Gate Array) etc. The
図7はグレーティングライトバルブの動作を模式的に示す図である。モードM1では、複数のリボン351の変位量は等しくゼロであり、空間位相変調素子35は鏡として機能する。モードM2、M3では、リボン351の変位量は方向Gxに周期的に変化して、空間位相変調素子35はブレーズド回折格子として機能する。つまり、空間位相変調素子35は、リボン351の変位量の周期に応じた角度へ測定光ビームLmを反射する。なお、モードM2とモードM3とでは、リボン351の変位の周期が異なり、空間位相変調素子35によって測定光ビームLm光が反射される角度は異なる。したがって、空間位相変調素子35は、複数のリボン351が変位する周期を変化させることで、測定光ビームLmを走査方向に走査することができる。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the operation of the grating light bulb. In the mode M1, the displacement amounts of the plurality of
特に、空間位相変調デバイス3は、空間位相変調素子35と空間位相変調プレート31とを備える。そのため、空間位相変調素子35による位相変調の変調幅Zgと、空間位相変調プレート31による位相変調の変調幅Zpとを合成した比較的広い変調幅Ztで測定光ビームLmに対して位相変調を実行できる。その結果、ゼロ次回折光の発生量を抑えて、走査方向に走査される測定光ビームLmの光量を確保することが可能となっている。
In particular, the spatial
図8は送信ユニットの構成を模式的に示す斜視図であり、図9Aは走査方向に直交する直交方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図であり、図9Bは走査方向における送信ユニットの光学的動作を模式的に示す光線図である。なお、図9Aでは受信ユニットの構成が併記されている。 FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of the transmission unit, FIG. 9A is a ray diagram schematically showing the optical operation of the transmission unit in the orthogonal direction orthogonal to the scanning direction, and FIG. 9B is a ray diagram schematically showing the optical operation of the transmission unit in the scanning direction. It is a ray diagram which shows the optical operation of a transmission unit schematically. In FIG. 9A, the configuration of the receiving unit is also shown.
先ずは、直交方向Drの動作について説明する。波長掃引光源21は、制御部9からの指令に応じて、波長が連続的に変化する波長掃引光ビームLoを射出する。図9Aに示す走査方向Dsからの視点において(換言すれば、直交方向Drにおいて)、波長掃引光源21から射出された波長掃引光ビームLoは、シリンドリカルレンズCによってコリメートされる。こうしてコリメートされた波長掃引光ビームLoは、ビームスプリッタS1によって、基準光ビームLrと測定光ビームLmとに分割される。これによって、測定光ビームLmと同様に波長が連続的に変化する基準光ビームLrが生成される。この基準光ビームLrは送信ユニット2から受信ユニット6に送信されて、後述するビートの生成に使用される。
First, the operation of the orthogonal direction Dr will be described. The wavelength
一方、測定光ビームLmは、図9Aに示す走査方向Dsからの視点において、レンズFa1によって空間位相変調デバイス3の空間位相変調素子35に結像される。ここの例では、走査方向Dsが方向Gxに対応し、直交方向Drが方向Gyに対応する(図3A、図3B、図9A、図9B)。したがって、測定光ビームLmは、方向Gyにおいて集光されて、各リボン351の中央に結像される。なお、上述の通り、空間位相変調デバイス3は、空間位相変調プレート31を備える。したがって、空間位相変調デバイス3に入射した測定光ビームLmは、空間位相変調プレート31を通過してから空間位相変調素子35に結像される。そして、空間位相変調素子35で反射された測定光ビームLmが、空間位相変調プレート31を再度通過して、空間位相変調デバイス3から射出される。
On the other hand, the measurement light beam Lm is imaged on the spatial
ちなみに、図8に示すように、レンズFa1と空間位相変調デバイス3との間には、偏光ビームスプリッタS2と1/4波長板Pとが配置されている。したがって、レンズFa1から射出された測定光ビームLmは、偏光ビームスプリッタS2によって反射されて、空間位相変調デバイス3に向けて直角に曲げられる。こうして偏光ビームスプリッタS2で反射された測定光ビームLmは、1/4波長板Pの通過に伴って1/4波長回転してから、空間位相変調デバイス3の空間位相変調素子35に入射する。
Incidentally, as shown in FIG. 8, a polarizing beam splitter S2 and a quarter wave plate P are arranged between the lens Fa1 and the spatial
空間位相変調素子35に入射した測定光ビームLmは、空間位相変調素子35によって、1/4波長板Pおよび偏光ビームスプリッタS2に向けて反射される。したがって、測定光ビームLmは、1/4波長板Pの通過に伴ってさらに1/4波長回転してから、偏光ビームスプリッタS2に入射する。測定光ビームLmは、2回の1/4波長板Pの通過によって1/2波長回転しているため、偏光ビームスプリッタS2に入射した測定光ビームLmは、偏光ビームスプリッタS2を通過して、レンズFa2、Fa3で構成される投影光学系Fa23に向かう。なお、図9Aおよび図9Bでは、説明を簡略化するために、反射型の空間位相変調素子35の光線の折り返しついては図示を省略している。
The measured light beam Lm incident on the spatial
図9Aに示す走査方向Dsからの視点において、空間位相変調素子35で反射された測定光ビームLmは、レンズFa2によってコリメートされた後に、レンズFa3によって結像される。レンズFa3によって測定光ビームLmが結像される結像点は、レンズFa3と対象物Jとの間に位置する。そのため、測定光ビームLmは、直交方向Drに広がりつつ対象物Jに入射する。このように投影光学系Fa23は、直交方向Drに広がる測定光ビームLmを成形して、対象物Jに照射する。
From the viewpoint from the scanning direction Ds shown in FIG. 9A, the measured light beam Lm reflected by the spatial
次に、走査方向Dsの動作について説明する。シリンドリカルレンズCは走査方向Dsにはパワーを有さず、図9Bに示す直交方向Drからの視点において(換言すれば、走査方向Dsにおいて)、波長掃引光源21から射出された波長掃引光ビームLoは、シリンドリカルレンズCにより屈折されることなく進行して、測定光ビームLmとしてレンズFa1に入射する。
Next, the operation of the scanning direction Ds will be described. The cylindrical lens C has no power in the scanning direction Ds, and the wavelength sweep light beam Lo emitted from the wavelength
直交方向Drからの視点において、レンズFa1に入射した測定光ビームLmは、レンズFa1によってコリメートされてから空間位相変調デバイス3の空間位相変調素子35に入射する。つまり、測定光ビームLmは、走査方向Dsにおいてコリメートされつつ上述の通り直交方向Drにおいて結像された状態で、空間位相変調素子35に入射する。したがって、方向Gxに平行に延びた測定光ビームLmが、空間位相変調素子35の方向Gyの中央に結像される。
From the viewpoint from the orthogonal direction Dr, the measured light beam Lm incident on the lens Fa1 is collimated by the lens Fa1 and then incident on the spatial
一方、空間位相変調素子35は、制御部9からの指令に応じた態様で複数のリボン351を変位させて、測定光ビームLmに対して位相変調を実行する。そのため、空間位相変調素子35に入射した測定光ビームLmは、複数のリボン351の変位態様に応じた角度で空間位相変調素子35によって反射される。図9Bでは、空間位相変調素子35によって4つの異なる角度へ反射された測定光ビームLmが併記されている。なお、空間位相変調デバイス3が空間位相変調プレート31を備えることから、ゼロ次回折光の発生量を抑えて、走査方向に走査される測定光ビームLmの光量を確保できる点は、上述の通りである。こうして、空間位相変調素子35によって反射された測定光ビームLmは、レンズFa2に入射する。
On the other hand, the spatial
ちなみに、上述のとおり、レンズFa1と空間位相変調デバイス3との間には、偏光ビームスプリッタS2と1/4波長板Pとが配置されている。したがって、測定光ビームLmは、偏光ビームスプリッタS2から1/4波長板Pを経由して空間位相変調素子35に入射する。さらに、測定光ビームLmは、空間位相変調素子35から1/4波長板Pを経由して偏光ビームスプリッタS2に入射する。これら偏光ビームスプリッタS2および1/4波長板Pの機能の詳細は上で説明した通りである。
Incidentally, as described above, a polarizing beam splitter S2 and a quarter wave plate P are arranged between the lens Fa1 and the spatial
図9Bに示す直交方向Drからの視点において、空間位相変調素子35で反射された測定光ビームLmは、レンズFa2によって結像された後に、レンズFa3によってコリメートされる。図9Bに示すように、レンズFa2、Fa3で構成される投影光学系Fa23は、空間位相変調デバイス3から射出された測定光ビームLmの幅を狭める。また、上述のように、投影光学系Fa23は、直交方向Drには測定光ビームLmを広げる。つまり、投影光学系Fa23は、直交方向Drに広くて走査方向Dsに狭い直線状に測定光ビームLmを成形して、対象物Jに照射する。
From the viewpoint from the orthogonal direction Dr shown in FIG. 9B, the measured light beam Lm reflected by the spatial
かかる構成では、空間位相変調素子35が測定光ビームLmを反射する角度を変更すると、直交方向Drに直線状に延びる測定光ビームLmが対象物Jに対して走査方向Dsに走査される。なお、図9Bに示すように、投影光学系Fa23は、空間位相変調素子35による測定光ビームLmの反射角を広げる。これによって、測定光ビームLmの走査範囲が広く確保されている。
In such a configuration, when the angle at which the spatial
以上が送信ユニット2の詳細である。続いては、受信ユニット6について説明を行う。対象物Jで反射された測定光ビームLmは、送信ユニット2に戻らずに、送信ユニット2とは別に設けられた受信ユニット6に入射する。この受信ユニット6は、フォトディテクタアレイ61、光合成素子アレイ63、マイクロレンズアレイ65およびカメラレンズ67を有する。対象物Jで反射された測定光ビームLmは、カメラレンズ67によってマイクロレンズアレイ65に導かれる。そして、マイクロレンズアレイ65を透過した測定光ビームLmは、光合成素子アレイ63を経由してフォトディテクタアレイ61に入射する。
The above is the details of the
フォトディテクタアレイ61は、アレイ方向Aに一列に配列された複数のフォトディテクタ611を有する。これに対して、光合成素子アレイ63は、複数のフォトディテクタ611に対応してアレイ方向Aに一列に配列された複数の光合成素子631を有し、マイクロレンズアレイ65は、複数のフォトディテクタ611に対応してアレイ方向Aに一列に配列された複数のマイクロレンズ651を有する。なお、フォトディテクタアレイ61の個数は、図9Aに示される個数に限られない点は言うまでもない。
The
アレイ方向Aは直交方向Drに対応しており、対象物Jで反射された直線状の測定光ビームLmは、アレイ方向Aに沿って複数のマイクロレンズ651に照射される。そして、複数のマイクロレンズ651を透過した測定光ビームLmは、複数の光合成素子631を経由して複数のフォトディテクタ611に到達する。
The array direction A corresponds to the orthogonal direction Dr, and the linear measurement light beam Lm reflected by the object J irradiates a plurality of
詳述すると、マイクロレンズ651は、入射してきた測定光ビームLmを対応するフォトディテクタアレイ61に向けて結像する。また、各光合成素子631には、ビームスプリッタS1で波長掃引光ビームLoから分割された基準光ビームLrが送信されており、光合成素子631は、対応するフォトディテクタ611に向けて結像される測定光ビームLmと基準光ビームLrとを重ね合わせて、フォトディテクタ611に向けて射出する。こうして、フォトディテクタ611は、測定光ビームLmと基準光ビームLrとの合成波を検出する。この合成波は、測定光ビームLmと基準光ビームLrとの干渉によって生じるビートを含み、制御部9はこのビートに基づき対象物Jまでの距離を算出する。
More specifically, the
ちなみに、上述の通り、測定光ビームLmおよび基準光ビームLrに対しては、波長を連続的に変化させる波長掃引が実行される。この波長掃引は、長波長から短波長へ波長を連続的に変化させる、あるいは短波長から長波長へ波長を連続的に変化させる動作である。波長掃引が実行されている間は、空間位相変調素子35は、測定光ビームLmを反射する角度(走査角)に応じた変位態様で複数のリボン351を静止させる。そして、走査角の変更は、この波長掃引が完了して次の波長掃引が開始される間に、複数のリボン351の変位態様を変化させることで実行される。
Incidentally, as described above, the wavelength sweep that continuously changes the wavelength is executed for the measurement light beam Lm and the reference light beam Lr. This wavelength sweep is an operation of continuously changing the wavelength from a long wavelength to a short wavelength or continuously changing the wavelength from a short wavelength to a long wavelength. While the wavelength sweep is being performed, the spatial
このように光走査装置(送信ユニット2および受信ユニット6)は、空間位相変調デバイス3の空間位相変調素子35へ入力信号Sigを変化させることで、空間位相変調素子35による位相変調によって測定光ビームLmが回折される角度を変更する。これによって、測定光ビームLmが対象物Jに走査される。また、空間位相変調デバイス3は、空間位相変調プレート31を備えている。そのため、上述の通り、ゼロ次回折光の発生量を抑えて、走査方向Dsに走査される測定光ビームLmの光量を確保することが可能となっている。さらに、対象物認識装置1においては、このように十分に確保された測定光ビームLmを対象物Jに走査して、対象物Jを適切に認識することが可能となっている。
In this way, the optical scanning device (transmitting
以上に説明した実施形態では、対象物認識装置1が本発明の「対象物認識装置」の一例に相当し、送信ユニット2および受信ユニット6が協働して本発明の「光走査装置」の一例として機能し、波長掃引光源21が本発明の「光源」の一例に相当し、空間位相変調デバイス3が本発明の「空間位相変調デバイス」の一例に相当し、空間位相変調プレート31が本発明の「空間位相変調部材」の一例に相当し、空間位相変調素子35が本発明の「空間位相変調素子」の一例に相当し、リボン351が本発明の「格子要素」の一例に相当し、受信ユニット6が本発明の「受光部」の一例に相当し、フォトディテクタ611が本発明の「フォトディテクタ」の一例に相当し、制御部9が本発明の「制御部」の一例に相当し、方向Gxが本発明の「配列方向」の一例に相当し、対象物Jが本発明の「対象物」の一例に相当し、ブロックKa、Kbが本発明の「周期領域部」の一例に相当し、ブロックKa、Kbのそれぞれが本発明の「領域」の一例に相当し、入力信号Sigが本発明の「入力信号」の一例に相当し、変調幅Zgが本発明の「第1変調幅」の一例に相当し、変調幅Zpが本発明の「第2変調幅」の一例に相当し、変調幅Ztが本発明の「合成変調幅」の一例に相当する。
In the embodiment described above, the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、空間位相変調プレート31の構成を変形してもよい。つまり、空間位相変調プレート31では、周期Tp1内における異なる厚みを有するブロックKa、Kbの数である「N」は、2個であった。しかしながら、例えば次に示すように、3個以上のブロックを周期Tp1内に有するように、空間位相変調デバイス3を変形してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made other than those described above as long as the present invention is not deviated from the gist thereof. For example, the configuration of the spatial
図10は変形例に係る空間位相変調デバイスの構成及び動作を模式的に示す図である。この空間位相変調デバイス3の空間位相変調プレート31では、方向Gzにおいて異なる厚みを有する3個のブロックKa、Kb、Kcが方向Gxに周期Tp1(=3×Wk)で周期的に並ぶ。これらブロックKa、ブロックKbおよびブロックKcは、方向Gxにおいて等しい幅Wkを有する。こうして、方向Gxに周期Tp1で周期的に変化する光路長を持つ周期領域部がブロックKa、Kb、Kcによって構成されている。
FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration and operation of the spatial phase modulation device according to the modified example. In the spatial
変調対象となる光ビームLは、空間位相変調プレート31を方向Gzに通過する。これに対して、空間位相変調プレート31では、厚みの異なるブロックKa、Kb、Kcが周期Tp1で周期的に配列されており、ブロックKa、Kb、Kcは、それぞれの厚みに応じた量で位相変調を光ビームLに実行する。その結果、最大であるブロックKaの厚みと最小であるブロックKcの厚みとの差に対応する変調幅Zpで光ビームLの位相が変調されて、光ビームLが回折される。すなわち、図2を示して上述したのと同様に、複数のブロックKa、Kb、Kcそれぞれの光路長のうち、最大の光路長と最小の光路長との差に応じた変調幅Zp(位相差)で、光ビームLに位相変調が実行される。
The light beam L to be modulated passes through the spatial
また、空間位相変調素子35のリボン351の変位量は、方向Gxにおいて周期Tgmで周期的に変化する。周期Tgmは、ブロックKa、Kb、Kc(周期領域部)により構成される形状変化の周期Tp1のM倍である(ここの例では、M=4)。具体的には、周期Tgmの間で、方向Gxの一方側(図10の左側)から他方側(図10の右側)へ向かうにつれてリボン351と空間位相変調プレート31との方向Gzへの距離が短くなるように、リボン351の変位量がQ段階で制御されている(ここの例では、Q=4)。その結果、周期Tgmにおいて、一方側の端に位置するリボン351の変位量(最大)と、他方側の端に位置するリボン351の変位量(最小=ゼロ)とは、変調幅Zgだけ異なる。このようにリボン351を変位させた空間位相変調素子35は、ブレーズド回折格子として機能する。すなわち、図4Bを示して上述したのと同様に、複数のリボン351それぞれの変位量のうち、最大の変位量と最小の変位量との差(光路長の差)に応じた変調幅Zg(位相差)で、光ビームLに位相変調が実行される。
Further, the displacement amount of the
図11は図10の変形例に係る空間位相変調デバイスによる位相変調を模式的に示す図である。図10の各グラフは、変調される位相の量を縦軸に有し、方向Gxへの位置を横軸に有する。図11の「空間位相変調素子」の欄は、空間位相変調素子35による位相変調を示す。空間位相変調素子35による位相の変調量は、複数のリボン351によって構成されるブレーズド回折格子の形状を反映して、方向Gxにおいて段階的に変化する。つまり、1周期Tgmの間において、位相の変調量は0からπ/2まで4段階で単調に変化する。このように、空間位相変調素子35での反射に伴って、光ビームLの位相が変調幅Zg(=π/2)で変調される。
FIG. 11 is a diagram schematically showing phase modulation by the spatial phase modulation device according to the modification of FIG. 10. Each graph of FIG. 10 has the amount of phase to be modulated on the vertical axis and the position in the direction Gx on the horizontal axis. The column of "spatial phase modulation element" in FIG. 11 shows phase modulation by the spatial
図11の「空間位相変調プレート」の欄は、空間位相変調プレート31による位相変調を示す。空間位相変調素子35による位相の変調量は、ブロックKa、Kb、Kcにより構成される周期的形状を反映して、周期Tp1でゼロと4π/3の間で3段階に変化する。このように、2回の空間位相変調プレート31の通過に伴って、光ビームLの位相が変調幅Zpの2倍(=4π/3)で変調される。
The column of "spatial phase modulation plate" in FIG. 11 shows the phase modulation by the spatial
図11の「空間位相変調デバイス」の欄は、空間位相変調デバイス3による位相変調を示す。空間位相変調デバイス3は、空間位相変調プレート31による位相変調と空間位相変調素子35による位相変調とを合成した位相変調を光ビームLに対して実行する。同欄に示すように、空間位相変調デバイス3は、それぞれ異なる範囲で位相を変調させるブレーズド回折格子E1、E2、E3を足し合わせた特性を有する。その結果、空間位相変調デバイス3は、変調幅Zt(=Zg+2×Zp)で光ビームLを変調する。
The column of "spatial phase modulation device" in FIG. 11 shows phase modulation by the spatial
かかる変形例においても、空間位相変調素子35とは別に、空間位相変調プレート31がさらに設けられている。この空間位相変調プレート31は、方向Gxに周期的に変化する光路長を持つ周期領域部がブロックKa、Kb、Kcによって構成され、この光路長の変化に応じた変調幅Zpで位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調を、ブロックKa、Kb、Kcに入射した光ビームLに実行する。こうして、空間位相変調素子35による位相変調と空間位相変調プレート31による位相変調とが光ビームLに対して実行されることで、変調幅Zgよりも広い変調幅Ztで、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。
Also in such a modification, a spatial
また、空間位相変調デバイス3の寸法関係を変形することが可能である。例えば、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35との間隔Iを次のように設計することで、リボン351で反射した光ビームLが当該リボン351に対向するブロックKa(Kb、Kc)に効率的に入射するように構成してもよい。
Further, it is possible to change the dimensional relationship of the spatial
つまり、空間位相変調素子35による回折角θは、次式
Λ・sinθ=m・Λ …式1
で与えられる。ここで、Λはブレーズ周期で、λは光ビームLの波長であり、mは回折の次数である。±1次の回折角は、m=1で発生する。そのため、間隔Iが次式
I=ΔΛ・Λ/Λ …式2
を満たすように設計することで、リボン351で反射された光ビームLを効率的にブロックKa(Kb、Kc)に入射させることができる。ここで、ΔΛは、リボン351とブロックKa(Kb、Kc)との方向Gxへのズレ量であり、間隔Iは、変位量がゼロのリボン351と空間位相変調プレート31までの方向Gzへの距離である。なお、式1から式2を得るにあたっては、tanθ=sinθ=θと近似した。式2によれば、例えば、λ=905nmで、Λ=102μmであり、5%にあたるΔΛ=5.1μmのギャップを許容すれば、間隔I(エアギャップ)は、575μmとなる。
That is, the diffraction angle θ by the spatial
Given in. Here, Λ is the blaze period, λ is the wavelength of the light beam L, and m is the order of diffraction. The ± 1st order diffraction angle is generated at m = 1. Therefore, the interval I is the following equation I = ΔΛ ・ Λ / Λ ...
By designing to satisfy the above conditions, the light beam L reflected by the
また、上記の実施例では、ブロックKa、Kb等の光路長の違いを、ブロックKa、Kbの形状(厚みHa、Hb)によって設けていた。しかしながら、図12に示すように、ブロックKa、Kbそれぞれの屈折率の違いによって光路長の違いを設けてもよい。 Further, in the above embodiment, the difference in the optical path lengths of the blocks Ka, Kb and the like is provided depending on the shapes (thickness Ha, Hb) of the blocks Ka and Kb. However, as shown in FIG. 12, the optical path length may be different depending on the difference in the refractive index of each of the blocks Ka and Kb.
図12は空間位相変調プレートの変形例を模式的に示す斜視図である。ここでは、上記の例との差異部分を中心に説明を行い、共通部分については相当符号を付して、適宜説明を省略する。図12に示す空間位相変調プレート31は、方向Gxに長くて方向Gyに短い矩形状を有する平板である。空間位相変調プレート31では、互いに同じ厚みHを有する複数のブロックKa、Kbが方向Gxに並ぶ。ブロックKaおよびブロックKbは、方向Gxにおいて等しい幅Wkを有する。ブロックKaの屈折率naとブロックKbの屈折率nbとは互いに異なり、例えば、ブロックKaの屈折率naより、ブロックKbの屈折率nbが大きい。
FIG. 12 is a perspective view schematically showing a modified example of the spatial phase modulation plate. Here, the description will be centered on the differences from the above example, the common parts will be designated by corresponding reference numerals, and the description will be omitted as appropriate. The spatial
変調対象となる光ビームLは、空間位相変調プレート31を方向Gzに通過する。これに対して、空間位相変調プレート31では、屈折率na、nbの異なるブロックKa、Kbが周期Tp1で周期的に配列されており、ブロックKa、Kbは、それぞれの屈折率na、nbに応じた量で位相変調を光ビームLに実行する。その結果、ブロックKa、Kbそれぞれの屈折率na、nbの差に対応する変調幅Zpで光ビームLの位相が変調されて、光ビームLが回折される。
The light beam L to be modulated passes through the spatial
すなわち、ブロックKaは厚みHと屈折率naとの積(H×na)に相当する光路長を有し、ブロックKbは厚みHと屈折率nbとの積(H×nb)に相当する光路長を有する。このように、複数のブロックKa、Kbは互いに異なる光路長(H×na、H×nb)を有する。その結果、ブロックKaを通過した光ビームLと、ブロックKbを通過した光ビームLとの間には、ブロックKa、Kbそれぞれの光路長の差に応じた位相差が発生する。その結果、複数のブロックKa、Kbそれぞれの光路長のうち、最大の光路長と最小の光路長との差に応じた変調幅Zp(位相差)で、光ビームLに位相変調が実行される。 That is, the block Ka has an optical path length corresponding to the product of the thickness H and the refractive index na (H × na), and the block Kb has an optical path length corresponding to the product of the thickness H and the refractive index nb (H × nb). Has. As described above, the plurality of blocks Ka and Kb have different optical path lengths (H × na, H × nb). As a result, a phase difference is generated between the light beam L that has passed through the block Ka and the light beam L that has passed through the block Kb, depending on the difference in the optical path lengths of the blocks Ka and Kb. As a result, phase modulation is executed on the optical beam L with a modulation width Zp (phase difference) corresponding to the difference between the maximum optical path length and the minimum optical path length among the optical path lengths of each of the plurality of blocks Ka and Kb. ..
この変形例では、空間位相変調プレート31は、異なる光路長(H×na、H×nb)を有する複数のブロックKa、Kb(領域)が方向Gxに周期的に並ぶ。そして、各ブロックKa、Kbの光路長(H×na、H×nb)の違いに応じた変調幅Zp(第2変調幅)で位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調(第2位相変調)が、ブロックKa、Kb(周期領域部)に入射した光ビームLに実行される。こうして、空間位相変調素子35による位相変調と空間位相変調プレート31による位相変調とが光ビームLに対して実行されることで、変調幅Zgよりも広い変調幅Zt(合成変調幅)で、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。
In this modification, in the spatial
また、この変形例では、周期領域部を構成する複数のブロックKa、Kbは、互いに異なる屈折率na、nbを有し、それぞれの屈折率na、nbに応じた光路長を有する。かかる構成では、複数のブロックKa、Kbそれぞれの屈折率na、nbの違いに応じた変調幅(第2変調幅)で、位相を方向Gxに周期的に変化させることができる(第2位相変調)。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となる。 Further, in this modification, the plurality of blocks Ka and Kb constituting the periodic region portion have different refractive indexes na and nb, and have optical path lengths corresponding to the respective refractive indexes na and nb. In such a configuration, the phase can be periodically changed in the direction Gx with a modulation width (second modulation width) corresponding to the difference in the refractive index na and nb of each of the plurality of blocks Ka and Kb (second phase modulation). ). As a result, it becomes possible to execute the phase modulation of the optical beam L with a wide modulation width Zt.
なお、この変形例では、互いに屈折率の異なる2個のブロックKa、Kbを有する空間位相変調プレート31を示した。しかしながら、3個以上のブロック(ブロックKa、Kb、Kc等)を有するように空間位相変調プレート31を構成した場合でも、同様に屈折率の違いによって光路長の差を設けることができる。また、各ブロックKa、Kb等の厚みHが互いに等しい必要は必ずしもなく、互いに異なっていてもよい。
In this modification, a spatial
あるいは、図13に示すように、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35との配置関係を変更して、光ビームLが空間位相変調プレート31を1回だけ通過するように構成してもよい。図13は空間位相変調プレートと空間位相変調素子との配置の変形例を示す図である。同図の例では、レンズFa1を通過した測定光ビームLmは、空間位相変調プレート31を通過してから空間位相変調素子35に入射する。そして、空間位相変調素子35で反射された測定光ビームLmは、空間位相変調プレート31に戻らずに、レンズFa2に向かう。
Alternatively, as shown in FIG. 13, the arrangement relationship between the spatial
つまり、光ビームLに対しては、空間位相変調プレート31による位相変調と、空間位相変調素子35による位相変調とが1回ずつ実行される。そのため、変調幅Zgよりも広い変調幅Ztで、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。なお、光ビームLの入射順序は図13の例に限られず、図13の例とは逆に、光ビームLが空間位相変調素子35に入射してから空間位相変調プレート31に入射するように構成してもよい。
That is, for the optical beam L, phase modulation by the spatial
また、空間位相変調素子35の具体的な構成は、上記のグレーディングライトバルブに限られない。例えば、平面ライトバルブ、エルコスあるいはデジタルミラーデバイスを空間位相変調素子35として使用できる。図14Aおよび図14Bは平面ライトバルブを空間位相変調素子に用いた空間位相変調デバイスの各部品を模式的に示す斜視図であり、図14Aは空間位相変調素子を示し、図14Bは空間位相変調プレートを示す。ここでは、平面ライトバルブで構成された空間位相変調素子35を、対象物認識装置1で用いる場合を例に挙げて説明する。
Further, the specific configuration of the spatial
図14Aの空間位相変調素子35では、複数の反射素子353が方向Gxおよび方向Gyにマトリックス状に配列されている。なお、反射素子353の個数は、図14Aの例に限られないのは言うまでもない。各反射素子353の表面は、光ビームLを正反射する反射面として機能する。各反射素子353は、固定部材354と可動部材355とを備える。
In the spatial
固定部材354は、基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口が設けられる。可動部材355は、固定部材354の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材354の上面(すなわち、図14Aにおいて方向Gzの上側の面)には固定反射面が設けられる。可動部材355の上面には可動反射面が設けられる。可動部材355は、方向Gzに移動可能である。
The fixing
反射素子353では、固定部材354と可動部材355との相対位置が、制御部9からの信号Sigが示す変位量だけ変位する。制御部9は、各反射素子353の可動部材355を個別に変位させることができ、換言すれば、空間位相変調素子35の複数の可動部材355はそれぞれ独立して変位できる。
In the reflecting
空間位相変調素子35では、方向Gxに1列に並ぶ複数の反射素子353によって反射素子列Rpが構成され、複数の反射素子列Rpが方向Gyに配列されている。そして、図7で説明したリボン351の動作と同様に、反射素子列Rpにおいて方向Gxに1列に並ぶ複数の反射素子353の可動部材355は、モードに応じて周期的に変位してブレーズド回折格子を構成する。
In the spatial
また、図14Bに示すように、空間位相変調プレート31では、複数のブロックKが方向Gxおよび方向Gyにマトリックス状に配列されている。なお、ブロックKの個数は、図14Bの例に限られないのは言うまでもない。複数のブロックKは、複数の反射素子353に一対一で対応する。そして、上述と同様に、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35とが間隔Iを空けて方向Gzに対向すると、互いに対応するブロックKと反射素子353とが方向Gzに対向する。
Further, as shown in FIG. 14B, in the spatial
そして、ブロックKを通過した光ビームLは、当該ブロックKに対応する反射素子353に入射する。さらに、当該反射素子353により反射された光ビームLは、当該ブロックKを再度通過する。こうして、空間位相変調プレート31による1度の位相変調と、空間位相変調プレート31による2度の位相変調とが光ビームLに実行される。
Then, the light beam L that has passed through the block K is incident on the reflecting
この点について、上述した空間位相変調素子35の列構成に対応して説明する。空間位相変調プレート31では、方向Gxに1列に並ぶ複数のブロックKによってブロック列Rkが構成され、複数のブロック列Rkが方向Gyに配列されている。そして、空間位相変調プレート31の複数のブロック列Rkは、空間位相変調素子35の複数の反射素子列Rpに一対一で対応する。したがって、ブロック列Rkを通過した光ビームLは、当該ブロック列Rkに対応する反射素子列Rpに入射する。そして、当該反射素子列Rpでブレーズド回折された光ビームLは、当該ブロック列Rkを再度通過する。
This point will be described corresponding to the column configuration of the spatial
かかる空間位相変調素子35および空間位相変調プレート31を備えた空間位相変調デバイス3に対しては、投影光学系が設けられる。この投影光学系は、空間位相変調プレート31が有する複数のブロックKのマトリックスに相当するサイズの矩形状の光ビームL(コリメート光)を形成して、これら複数のブロックKに投影する。そして、この光ビームLは、上述のように、ブロックKを通過した後に、反射素子353で反射されて、ブロックKを再度通過する。
A projection optical system is provided for the spatial
かかる変形例においても、空間位相変調素子35とは別に、空間位相変調プレート31がさらに設けられている。この空間位相変調プレート31は、方向Gxに周期的に変化する光路長を持つ周期領域部がブロックKによって構成され、この光路長の変化に応じた変調幅Zpで位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調を、ブロックKに入射した光ビームLに実行する。こうして、空間位相変調素子35による位相変調と空間位相変調プレート31による位相変調とが光ビームLに対して実行されることで、変調幅Zgよりも広い変調幅Ztで、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。なお、空間位相変調プレート31の各ブロックKの光路長の変化は、ブロックKの厚みに依らず、ブロックKの屈折率によって設けてもよいのは、図12を用いて上述した通りである。
Also in such a modification, a spatial
図15Aおよび図15Bはリニア平面ライトバルブを空間位相変調素子に用いた空間位相変調デバイスの各部品を模式的に示す斜視図であり、図15Aは空間位相変調素子を示し、図15Bは空間位相変調プレートを示す。ここでは、リニア平面ライトバルブで構成された空間位相変調素子35を、対象物認識装置1で用いる場合を例に挙げて説明する。また、上記の実施例との差異を主に説明することとし、共通部分は相当符号を付して適宜説明を省略する。
15A and 15B are perspective views schematically showing each component of a space phase modulation device using a linear plane light valve as a space phase modulation element, FIG. 15A shows a space phase modulation element, and FIG. 15B shows a space phase. The modulation plate is shown. Here, a case where the spatial
図15Aの空間位相変調素子35では、複数の反射素子353が方向Gxおよび方向Gyにマトリックス状に配列されている。ただし、リニア平面ライトバルブによって構成された空間位相変調素子35では、方向Gyに一列に並ぶ反射素子353の可動部材355の変位量は同一である。つまり、空間位相変調素子35では、方向Gyに1列に並ぶ複数の反射素子353によって反射素子列Upが構成され、複数の反射素子列Upが方向Gxに配列されている。そして、反射素子列Upの単位で反射素子353の可動部材355の変位量が制御される。かかる制御によって、例えば図7で説明したリボン351の動作と同様に、方向Gxに1列に並ぶ複数の反射素子353の可動部材355は、モードに応じて周期的に変位してブレーズド回折格子を構成する。この際、方向Gyに隣り合う各可動部材355の変位量は同一であるため、空間位相変調素子35は、全体として1つのブレーズド回折格子を構成する。
In the spatial
また、図15Bに示すように、空間位相変調プレート31では、それぞれ方向Gyに延設された直方体形状を有する複数のブロックKが方向Gxに配列されている。複数のブロックKは、複数の反射素子列Upに一対一で対応する。そして、上述と同様に、空間位相変調プレート31と空間位相変調素子35とが間隔Iを空けて方向Gzに対向すると、互いに対応するブロックKと反射素子列Upとが方向Gzに対向する。換言すれば、ブロックKは対応する反射素子列Upに属する各反射素子353に方向Gzから対向する。
Further, as shown in FIG. 15B, in the spatial
そして、ブロックKを通過した光ビームLは、当該ブロックKに対応する反射素子353に入射する。さらに、当該反射素子353により反射された光ビームLは、当該ブロックKを再度通過する。こうして、空間位相変調プレート31による1度の位相変調と、空間位相変調プレート31による2度の位相変調とが光ビームLに実行される。
Then, the light beam L that has passed through the block K is incident on the reflecting
また、上述と同様に投影光学系が設けられており、この投影光学系は、空間位相変調プレート31が有する複数のブロックKの全体に相当するサイズの矩形状の光ビームLを形成して、これら複数のブロックKに投影する。さらに、空間位相変調デバイス3に対しては、結像光学系が設けられる。この結像光学系は、反射素子列Upから射出された光ビームLを方向Gyにおいて1か所に集光することで、方向Gxに延びるライン上に光ビームLを成形する。これによって、空間位相変調デバイス3から射出される光ビームLの光量を多く確保することができる。
Further, a projection optical system is provided as described above, and the projection optical system forms a rectangular light beam L having a size corresponding to the entire plurality of blocks K included in the spatial
かかる変形例においても、空間位相変調素子35とは別に、空間位相変調プレート31がさらに設けられている。この空間位相変調プレート31は、方向Gxに周期的に変化する光路長を持つ周期領域部がブロックKによって構成され、この光路長の変化に応じた変調幅Zpで位相を方向Gxに周期的に変化させる位相変調を、ブロックKに入射した光ビームLに実行する。こうして、空間位相変調素子35による位相変調と空間位相変調プレート31による位相変調とが光ビームLに対して実行されることで、変調幅Zgよりも広い変調幅Ztで、光ビームLの位相が方向Gxに周期的に変調される。その結果、光ビームLの位相変調を広い変調幅Ztで実行することが可能となっている。なお、空間位相変調プレート31の各ブロックKの光路長の変化は、ブロックKの厚みに依らず、ブロックKの屈折率によって設けてもよいのは、図12を用いて上述した通りである。
Also in such a modification, a spatial
また、これらの変形例とは異なる変更を加えることもできる。例えば上述した各実施例では、空間位相変調デバイス3による変調幅Zt(合成変調幅)は、2π未満である。しかしながら、2π以上の変調幅Zt(合成変調幅)を有するように、空間位相変調デバイス3を構成してもよい。
It is also possible to make changes different from these modifications. For example, in each of the above-described embodiments, the modulation width Zt (composite modulation width) by the spatial
また、上述した各実施例では、空間位相変調プレート31は、それを通過する光ビームLに対して位相変調を行う透過型である。しかしながら、空間位相変調プレート31は、それにより反射される光ビームLに対して位相変調を行う反射型であってもよい。
Further, in each of the above-described embodiments, the spatial
また、上記の投影光学系Fa23は測定光ビームLmを対象物Jより前で結像することで、測定光ビームLmの走査角を広げていた。しかしながら、図16のように投影光学系を構成してもよい。ここで、図16は投影光学系の変形例の光学的動作を模式的に示す光線図である。同図では、4個の異なる走査角に投影された測定光ビームLmがそれぞれ併記されている。この投影光学系Fb14は、測定光ビームLmの角度をそれぞれ広げる4個のレンズFb1~Fb4で構成される。 Further, the projection optical system Fa23 has widened the scanning angle of the measurement light beam Lm by forming an image of the measurement light beam Lm in front of the object J. However, the projection optical system may be configured as shown in FIG. Here, FIG. 16 is a ray diagram schematically showing the optical operation of a modified example of the projection optical system. In the figure, the measurement light beams Lm projected on four different scanning angles are also shown. The projection optical system Fb14 is composed of four lenses Fb1 to Fb4 that widen the angle of the measurement light beam Lm.
また、偏光ビームスプリッタS2および1/4波長板Pは必須の構成ではない。したがって、偏光ビームスプリッタS2および1/4波長板Pを設けずに送信ユニット2を構成してもよい。
Further, the polarization beam splitter S2 and the 1/4 wave plate P are not essential configurations. Therefore, the
また、基準光ビームLrの生成方法は上記の例に限られない。例えば、図9Bに示す直交方向Drからの視点において、測定光ビームLmから基準光ビームLrを分割するビームスプリッタによって基準光ビームLrを生成してもよい。 Further, the method of generating the reference light beam Lr is not limited to the above example. For example, the reference light beam Lr may be generated by a beam splitter that splits the reference light beam Lr from the measurement light beam Lm from the viewpoint from the orthogonal direction Dr shown in FIG. 9B.
また、対象物認識装置1の構成を図17のように変形してもよい。図17は対象物認識装置の変形例の一例を示すブロック図である。図17の対象物認識装置1が上記と異なるのは、送信ユニット2が有する光源22は、波長の掃引を行わず、一定の波長の光ビームLを射出する点である。
Further, the configuration of the
空間位相変調デバイス3は、光源22から射出された光ビームLに対して位相変調を実行することで、対象物J上の目標位置に光ビームLを照射する(ビームステアリング)。一方、受信ユニット6が有するフォトディテクタ62は、対象物J上の目標位置で反射された光を検出する。そして、制御部9は、いわゆるToF(タイム・オブ・フライト)法による測定を行う。つまり、制御部9は、光ビームLが光源22から射出されてからフォトディテクタ62で検出されるまでの時間(検出結果)に基づき、対象物J上の目標位置までの距離を算出する。かかる対象物認識装置1では、空間位相変調デバイス3によって目標位置を変更しつつ当該目標位置までの距離を算出することで、対象物認識装置1と対象物Jとの位置関係を求めることができる。
The spatial
本発明は光に位相変調を実行する位相変調技術の全般に適用可能である。 The present invention is applicable to all phase modulation techniques for performing phase modulation on light.
1…対象物認識装置
2…送信ユニット(光走査装置)
21…波長掃引光源(光源)
3…空間位相変調デバイス
31…空間位相変調プレート(空間位相変調部材)
35…空間位相変調素子
351…リボン(格子要素)
6…受信ユニット(受光部、光走査装置)
611…フォトディテクタ
9…制御部
Gx…方向(配列方向)
J…対象物
Ka、Kb。Kc…ブロック(周期領域部、領域)
Lm…測定光ビーム(測定光)
Lr…基準光ビーム(基準光)
Sig…入力信号
Zg…変調幅(第1変調幅)
Zp…調幅(第2変調幅)
Zt…変調幅(合成変調幅)
1 ...
21 ... Wavelength sweep light source (light source)
3 ... Spatial
35 ... Spatial
6 ... Receiver unit (light receiving unit, optical scanning device)
611 ...
J ... Objects Ka, Kb. Kc ... Block (periodic area, area)
Lm ... Measurement light beam (measurement light)
Lr ... Reference light beam (reference light)
Sig ... Input signal Zg ... Modulation width (first modulation width)
Zp ... Adjusting width (second modulation width)
Zt ... Modulation width (composite modulation width)
Claims (10)
互いに異なる光路長を有する複数の領域が前記配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有し、前記周期領域部の前記複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を前記配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、前記周期領域部に入射した前記光に実行する空間位相変調部材と
を備え、
前記第1位相変調と前記第2位相変調とが前記光に対して実行されることで、前記第1変調幅よりも広い合成変調幅で、前記光の位相が前記配列方向に周期的に変化される空間位相変調デバイス。 It has a plurality of lattice elements arranged in a predetermined arrangement direction, and by driving the lattice elements in response to an input signal, the phase is periodically set in the arrangement direction with a first modulation width corresponding to the input signal. A spatial phase modulation element that performs the first phase modulation to be changed on the light incident on the lattice element, and
A plurality of regions having different optical path lengths have a periodic region portion that is periodically arranged in the arrangement direction, and the phase is set by a second modulation width according to the difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion. A spatial phase modulation member that performs a second phase modulation periodically changing in the arrangement direction on the light incident on the periodic region portion is provided.
By performing the first phase modulation and the second phase modulation on the light, the phase of the light changes periodically in the arrangement direction with a combined modulation width wider than the first modulation width. Spatial phase modulation device to be.
前記空間位相変調部材を通過した前記光が、前記空間位相変調部材で反射された後に、前記空間位相変調部材を再度通過し、
前記空間位相変調素子は、当該空間位相変調素子で反射される前記光に対して前記第1位相変調を実行し、
前記空間位相変調部材は、当該空間位相変調部材を通過する前記光に対して前記第2位相変調を実行し、
前記合成変調幅は、前記第1変調幅と、前記第2変調幅に2を乗じた値との和となる請求項1ないし5のいずれか一項に記載の空間位相変調デバイス。 The spatial phase modulation element and the spatial phase modulation member face each other and
The light that has passed through the spatial phase modulation member is reflected by the spatial phase modulation member, and then passes through the spatial phase modulation member again.
The spatial phase modulation element performs the first phase modulation on the light reflected by the spatial phase modulation element.
The spatial phase modulation member performs the second phase modulation on the light passing through the spatial phase modulation member.
The spatial phase modulation device according to any one of claims 1 to 5, wherein the combined modulation width is the sum of the first modulation width and a value obtained by multiplying the second modulation width by 2.
前記光に対して位相変調を実行することで前記光が対象物に入射する位置を変更可能な空間位相変調デバイスと、
前記対象物で反射された前記光をフォトディテクタによって検出する受光部と
を備え、
前記空間位相変調デバイスは、空間位相変調素子および空間位相変調部材を有し、
前記空間位相変調素子は、所定の配列方向に配列された複数の格子要素を有し、前記格子要素を入力信号に応じて駆動することで、前記入力信号に応じた第1変調幅で位相を前記配列方向に周期的に変化させる第1位相変調を、前記格子要素に入射した光に実行し、
前記空間位相変調部材は、互いに異なる光路長を有する複数の領域が前記配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有し、前記周期領域部の前記複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を前記配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、前記周期領域部に入射した前記光に実行し、
前記第1位相変調と前記第2位相変調とが前記光に対して実行されることで、前記第1変調幅よりも広い合成変調幅で、前記光の位相が前記配列方向に周期的に変化される光走査装置。 A light source that emits light and
A spatial phase modulation device capable of changing the position where the light is incident on an object by performing phase modulation on the light.
A light receiving unit for detecting the light reflected by the object by a photodetector is provided.
The spatial phase modulation device includes a spatial phase modulation element and a spatial phase modulation member.
The spatial phase modulation element has a plurality of lattice elements arranged in a predetermined arrangement direction, and by driving the lattice elements in response to an input signal, the phase is adjusted with a first modulation width corresponding to the input signal. The first phase modulation that periodically changes in the arrangement direction is performed on the light incident on the lattice element, and the light is subjected to the first phase modulation.
The spatial phase modulation member has a periodic region portion in which a plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction, and corresponds to a difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion. A second phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction with the second modulation width is performed on the light incident on the periodic region portion.
By performing the first phase modulation and the second phase modulation on the light, the phase of the light changes periodically in the arrangement direction with a combined modulation width wider than the first modulation width. Optical scanning device.
前記光走査装置が備える複数のフォトディテクタによる検出結果に基づき対象物との位置関係を算出する制御部と
を備えた対象物認識装置。 The optical scanning apparatus according to claim 8,
An object recognition device including a control unit that calculates a positional relationship with an object based on detection results by a plurality of photodetectors included in the optical scanning device.
互いに異なる光路長を有する複数の領域が前記配列方向に周期的に並ぶ周期領域部を有する空間位相変調部材の前記周期領域部の前記複数の領域それぞれの光路長の違いに応じた第2変調幅で位相を前記配列方向に周期的に変化させる第2位相変調を、前記周期領域部に入射した前記光に実行する工程と
を備え、
前記第1位相変調と前記第2位相変調とが前記光に対して実行されることで、前記第1変調幅よりも広い合成変調幅で、前記光の位相が前記配列方向に周期的に変調される空間位相変調方法。
By driving the grid element of the spatial phase modulation element having a plurality of grid elements arranged in a predetermined arrangement direction according to the input signal, the phase is shifted in the arrangement direction with the first modulation width corresponding to the input signal. A step of performing a first phase modulation that is periodically changed on the light incident on the lattice element, and
The second modulation width according to the difference in the optical path length of each of the plurality of regions of the periodic region portion of the spatial phase modulation member having the periodic region portion in which the plurality of regions having different optical path lengths are periodically arranged in the arrangement direction. The present invention comprises a step of performing a second phase modulation that periodically changes the phase in the arrangement direction on the light incident on the periodic region portion.
By performing the first phase modulation and the second phase modulation on the light, the phase of the light is periodically modulated in the arrangement direction with a combined modulation width wider than the first modulation width. Spatial phase modulation method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020129879A JP2022026416A (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020129879A JP2022026416A (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022026416A true JP2022026416A (en) | 2022-02-10 |
Family
ID=80263593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020129879A Pending JP2022026416A (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2022026416A (en) |
-
2020
- 2020-07-31 JP JP2020129879A patent/JP2022026416A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6942333B2 (en) | Light deflection device and rider device | |
JP5394317B2 (en) | Rotationally symmetric aspherical shape measuring device | |
US20120242960A1 (en) | Illumination device and display apparatus | |
JP2011247886A (en) | Optical position measuring apparatus | |
US20110090317A1 (en) | Stereovision system and method for calcualting distance between object and diffractive optical element | |
JP2021152683A (en) | Lithography apparatus comprising multiple individually controllable write heads | |
US8947674B2 (en) | Surface profile measuring apparatus and method | |
WO2020121452A1 (en) | Lidar device | |
KR20170085827A (en) | Display employing directional backlight and method for assembling the same | |
CN111708175A (en) | Structured light projection device | |
CN101452116A (en) | Optical modulator, optical modulator module and scanning display apparatus including the same | |
US10705269B2 (en) | Fabrication method of a diffractive optic for hybrid coherent and spectral beam combination | |
TWI804861B (en) | Optical scanning apparatus, object recognition apparatus and optical scanning method | |
JP2022026416A (en) | Spatial phase modulation device, optical scanner, object recognition device and spatial phase modulation method | |
EP4109041B1 (en) | Line pattern projector for use in three-dimensional distance measurement system | |
KR100881909B1 (en) | Line beam illumination optical system | |
JP7024212B2 (en) | Distance measuring device | |
JP7509578B2 (en) | Optical scanning device, object recognition device, and optical scanning method | |
US10921582B2 (en) | Apparatus for deflecting and/or modulating laser radiation | |
CN111492304B (en) | Light pattern generating device | |
WO2009033122A1 (en) | Device and method for reducing etendue in a diode laser | |
US20090323169A1 (en) | Scanned, one-dimensional, phased-array display system | |
KR102654876B1 (en) | Telecentric ftheta transmit/receive optical system through doe design | |
JP2023162680A (en) | Detection device and detection method | |
US20220244557A1 (en) | Light pattern generation device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230620 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231227 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240314 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240416 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240613 |