JP6988225B2 - レーザ走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を走査することによって物体の位置を測定するレーザ走査装置に関するものである。

車両の自動運転をはじめとした自動制御技術の開発が盛んになってきている。この開発の中で、対象物との相対距離を計測する装置としてＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）が知られている。ＬＩＤＡＲは、例えばレーザ光を走査し、その反射光から対象物までの距離を検出する。レーザ光の走査方法として、ポリゴンミラー（例えば、特許文献１）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、またはガルバノミラーを用いる方法が用いられている。

しかしながら、ポリゴンミラーは、レーザ光を２次元に走査させることには向かない。例えば、ポリゴンミラーのミラー面ごとに角度を変化させることで、垂直方向における複数の角度にレーザ光を走査させることも可能である。しかし、ミラー面の数が増えると水平方向の走査範囲が狭くなる場合がある。走査可能な角度も、もともと設計された値に限定され、状況に応じた角度の変更は行えない。また、ポリゴンミラーを多面化して、複数のレーザ光を同時に走査させ、ＣＭＯＳセンサアレイで受光する方式などが検討されている。しかし、この方式では、センサ１つ当たりの受光量が制限され、自動運転に期待される１００ｍの計測範囲を可能とするまでには至っていない。

特開２０１０−３８８５９号公報

本発明は、レーザ光を２次元に走査可能な信頼性の高いレーザ走査装置を提供する。

本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光を投光する投光素子と、前記レーザ光を第１方向に偏向する第１光偏向素子と、前記第１光偏向素子により偏向されたレーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に偏向し、液晶素子で構成される第２光偏向素子とを備え、前記第２光偏向素子は、第１液晶領域と第２液晶領域とを含み、前記第１液晶領域の屈折率は、前記第２液晶領域の屈折率と異なり、前記液晶素子は、第１液晶パネルと、前記第１液晶パネル上に配置された第２液晶パネルを含み、前記第１液晶パネルは、第１及び第２基板と、前記第１基板に配置された第１電極と、前記第２基板に配置され前記第１電極と対向する第２電極とを含み、前記第２液晶パネルは、第３及び第４基板と、前記第３基板に配置された第３電極と、前記第４基板に配置され前記第３電極と対向する第４電極とを含み、前記第２方向において、前記第３電極は前記第１電極より長い。

本発明によれば、レーザ光を２次元に走査可能な信頼性の高いレーザ走査装置を提供することができる。

第１実施形態のレーザ走査装置の構成を示すブロック図である。 レーザ走査装置における光学系の構成を示す図である。 レーザ走査装置の液晶光偏向素子が有する液晶パネルの構成を示す断面図である。 レーザ走査装置の液晶光偏向素子が有する液晶パネルの構成を示す断面図である。 液晶パネルに含まれる１つのパネルの平面図である。 図５のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 レーザ走査装置の基本動作を説明する概略図である。 レーザ走査装置のレーザ光の波形を示す図である。 レーザ走査装置のレーザ光の走査領域を示す図である。 レーザ走査装置の走査領域を対象物側から見た図である。 （ａ）は車両から前方を走査する例を示す図であり、（ｂ）はその走査領域の走査状態を表す図である。 （ａ）は車両から前方を走査する他の例を示す図であり、（ｂ）はその走査領域の走査状態を表す図である。 （ａ）は車両から前方を走査する他の例を示す図であり、（ｂ）はその走査領域の走査状態を表す図である。 第１変形例において第１光偏向素子にＭＥＭＳミラーを使用した光学系の構成を示す図である。 第１変形例において第１光偏向素子にガルバノスキャナを使用した光学系の構成を示す図である。 第１変形例において第１光偏向素子に光フェーズドアレイを使用した光学系の構成を示す図である。 第２変形例のレーザ走査装置における光学系の構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２実施形態のレーザ走査装置の第１例における光学系の構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２実施形態のレーザ走査装置の第２例における光学系の構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２実施形態のレーザ走査装置の第３例における光学系の構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２実施形態のレーザ走査装置の第４例における光学系の構成を示す図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。また、各機能ブロックは、ハードウェア（または、回路）、コンピュータソフトウェア（または、コード）のいずれかまたは両者を組み合わせたものとして実現することができる。各機能ブロックが以下の例のように区別されていることは必須ではない。例えば、一部の機能が例示の機能ブロックとは別の機能ブロックによって実行されてもよい。さらに、例示の機能ブロックがさらに細かい機能サブブロックに分割されていてもよい。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］第１実施形態
以下に、第１実施形態のレーザ走査装置について説明する。

［１−１］レーザ走査装置の構成
［１−１−１］ブロック構成
図１は、第１実施形態のレーザ走査装置の構成を示すブロック図である。レーザ走査装置１０は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲは、レーザ光（例えば、波長λ＝９０５ｎｍ）を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、その走査範囲にある対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、送信したレーザ光と受信したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。

レーザ走査装置１０は、車両の前側（例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル）、車両の後ろ側（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、及び／又は、車両の側方（例えば、フロントバンパーの側方）に配置される。また、レーザ走査装置１０は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。

レーザ走査装置１０は、投光素子１１、第１光偏向素子１２、第２光偏向素子１３、受光素子１４、パルスタイミング制御部１５、偏向角検出部１６、偏向角制御部１７、距離演算部１８、及び主制御部１９を備える。

投光素子１１は、第１光偏向素子１２に向けて、レーザ光を投光（または発光）する。レーザ光としては、例えば赤外線レーザ（例えば、波長λ＝９０５ｎｍ）が用いられる。また、投光素子１１は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。投光素子１１は、例えばレーザダイオードから構成される。

第１光偏向素子１２は、投光素子１１からのレーザ光を受け、レーザ光を路面に対して平行な方向（または水平方向、第１方向）に偏向（または走査）する。すなわち、第１光偏向素子１２は、投光素子１１から入射されたレーザ光の出射角を水平方向に時分割で変える。これにより、水平方向において第２光偏向素子１３の一端から他端まで複数点のレーザ光を出射する。第１光偏向素子１２は、第２光偏向素子１３よりも２倍以上高速でレーザ光を走査可能な素子である。言い換えれば、第１光偏向素子１２の走査周波数は、第２光偏向素子１３の走査周波数よりも２倍以上高い。例えば、ポリゴンミラー、またはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、ガルバノスキャナ、光フェーズドアレイを含む。ここでは、ポリゴンミラーを使用した例を示す。その他のＭＥＭＳミラー、またはガルバノスキャナ、光フェーズドアレイを使用した例については後述する。

第２光偏向素子１３は、第１光偏向素子１２により１次偏向されたレーザ光を受け、このレーザ光を水平方向（第１方向）に対して垂直な方向（第２方向）に偏向（または走査）する。すなわち、第２光偏向素子１３は、第１光偏向素子１２から入射されたレーザ光の出射角を垂直方向に時分割で変える。これにより、水平方向に対してわずかに斜めな方向に複数点のレーザ光を照射する。第２光偏向素子１３は、液晶を利用した光位相シフト方式の液晶光偏向素子を備える。第２光偏向素子１３が備える液晶光偏向素子の具体的な構成については後述する。

受光素子（あるいは検出回路）１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を受光（あるいは検出）する。受光素子１４は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）フォトセンサを含む。その他、受光素子１４として、アバランシェフォトダイオード（avalanche photodiode）、またはＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）、赤外線カメラを用いてもよい。

パルスタイミング制御部１５は、投光素子１１の動作を制御する。投光素子１１は、パルス信号としてレーザ光を発光する。パルスタイミング制御部１５は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。

偏向角検出部１６は、第２光偏向素子１３から出射されるレーザ光の偏向角を検出する。偏向角検出部１６は、偏向角の検出により得られた情報を偏向角制御部１７および距離演算部１８に出力する。

偏向角制御部１７は、第１光偏向素子１２及び第２光偏向素子１３の動作を制御する。偏向角制御部１７は、第１光偏向素子１２としてのポリゴンミラーの回転軸の回転を制御する。ポリゴンミラーの回転軸を回転させることにより、レーザ光が当たるミラー面の角度を変え、レーザ光の偏向角を制御する。これにより、水平方向に偏向角が変わるレーザ光を第２光偏向素子１３に照射する。

偏向角制御部１７は、また第２光偏向素子１３の液晶光偏向素子に含まれる液晶パネル（液晶素子）の複数の電極に電圧を印加する。液晶パネルに供給される電圧は、交流電圧である。偏向角制御部１７は、第２光偏向素子１３の液晶光偏向素子に含まれる液晶パネルの屈折率の勾配を制御することで、第２光偏向素子１３から出射されるレーザ光の偏向角を制御する。

距離演算部１８は、パルスタイミング制御部１５からタイミング情報を受け、偏向角検出部１６または偏向角制御部１７から偏向角の情報を受け、さらに受信したレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１４から受ける。距離演算部１８は、これらの情報を用いて、車両から対象物２までの距離を算出する。具体的には、距離演算部１８は、偏向角の情報を用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部１８は、偏向角の情報を用いて、対象物２の相対座標を算出する。距離演算部１８によって算出された距離及び／又は相対座標は、例えばデータＤＯＵＴとして外部に出力可能である。

主制御部１９は、レーザ走査装置１０の全体動作を統括的に制御する。主制御部１９は、また距離演算部１８により算出された距離及び／又は相対座標に基づいて、走査領域内の垂直方向における所定範囲の走査密度（または走査間隔、測定密度）を変更する。なお、所定範囲に限るわけではなく、垂直方向の全範囲の走査密度を変更してもよい。

［１−１−２］光学系の構成
図２は、レーザ走査装置１０における光学系の構成を示す図である。第１実施形態のレーザ走査装置１０は同軸光学系方式を採用する。第１光偏向素子１２として、ここでは、ポリゴンミラー１２Ａを使用した例を示す。第２光偏向素子１３は、液晶パネルによってレーザ光を偏向する透過型の液晶光偏向素子１３Ａを含む。

投光側は以下のようになる。投光素子１１から投光されるレーザ光の光路上には、ビームスプリッタ２１と１／４波長板２２を順に介してポリゴンミラー１２Ａが配置される。さらに、ポリゴンミラー１２Ａにより反射されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ａが配置される。液晶光偏向素子１３Ａは、レーザ光に対してｐ偏光を行うｐ偏光用の第１液晶パネル１３Ａａと、レーザ光に対してｓ偏光を行うｓ偏光用の第２液晶パネル１３Ａｂを有する。ビームスプリッタ２１は、偏光状態によってレーザ光を透過光（ｐ偏光）と反射光（ｎ偏光）に分割する光学素子である。１／４波長板２２は、レーザ光の振動方向にπ／２(＝λ／４)の位相差を与える。

受光側は以下のようになる。対象物２で反射されたレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ａが配置される。液晶光偏向素子１３Ａにより偏向されるレーザ光の光路上には、ポリゴンミラー１２Ａが配置される。ポリゴンミラー１２Ａにより反射されるレーザ光の光路上には、１／４波長板２２を介してビームスプリッタ２１が配置される。さらに、ビームスプリッタ２１により分割されるレーザ光の光路上には、受光素子１４が配置される。

［１−１−３］液晶光偏向素子（第２光偏向素子）の構成
次に、第２光偏向素子１３が備える液晶光偏向素子１３Ａの構成について説明する。液晶光偏向素子１３Ａは、前述したようにｐ偏光を行う第１液晶パネル１３Ａａ及びｓ偏光を行う第２液晶パネル１３Ａｂを有する。ここでは、第１液晶パネル１３Ａａの構成を説明する。第２液晶パネル１３Ａｂの構成は、ｐ偏光用に代えてｓ偏光用であることを除いて、第１液晶パネル１３Ａａと同様である。

図３及び図４は、液晶光偏向素子１３Ａが有する第１液晶パネル１３Ａａの構成の概要を示す断面図である。図３は、レーザ光が第２方向（垂直方向）における一方の向きに偏向される様子を示す。図４は、レーザ光が第２方向における他方の向き（一方の向きの反対）に偏向される様子を示す。これらの図に示すレーザ光の偏向の機構については後述する。

第１液晶パネル１３Ａａは、積層された複数のパネルを含む。例えばここでは、図３及び４に示すように、第１液晶パネル１３Ａａとして、１０個のパネル１３Ａａ−１、１３Ａａ−２、…、１３Ａａ−１０が積層された例を示す。パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０は、順に積層され、透明な接着材（図示せず）によって互いに接着される。

図５は、第１液晶パネル１３Ａａに含まれる１つのパネル１３Ａａ−１の一部の平面図である。図６は、図５のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。

パネル１３Ａａ−１は、透過型の液晶パネルである。パネル１３Ａａ−１は、対向配置された基板３１、３２と、基板３１、３２間に挟持された液晶層３３とを備える。基板３１、３２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、またはプラスチック基板）から構成される。なお、ポリゴンミラー１２Ａのミラー面に反射されたレーザ光は、基板３１側から液晶層３３に入射する。

液晶層３３は、基板３１と基板３２間に充填される。具体的には、液晶層３３は、基板３１、３２と、シール材３４とによって包囲された領域内に封入される。シール材３４は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、または紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板３１及び／又は基板３２に塗布された後、紫外線照射、または加熱等により硬化される。

液晶層３３を構成する液晶材料は、基板３１、３２間に印加された電圧（電界）に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態のパネル１３Ａａ−１は、例えばホモジニアスモードである。すなわち、液晶層３３として、正の誘電率異方性を有するポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶が用いられ、液晶分子は、電圧（電界）を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に配向する。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸（ダイレクタ）が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。液晶分子の傾斜角の大きさは、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層３３の初期配向は、液晶層３３を挟むようにして基板３１、３２にそれぞれ設けられた２つの配向膜（図示せず）によって制御される。

なお、液晶の駆動方式として、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。ＶＡモードでは、電界を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。さらに、他の駆動方式を用いてもよく、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸が概略水平方向に配向し、かつ６０度〜１２０度にねじれ配向したＴＮ（Twisted Nematic）モードなどを用いてもよい。

基板３１の液晶層３３側には、第１電極３５、及び第２電極３６が設けられる。第１電極３５と第２電極３６とは組を成しており、この組が基板３１上に複数配列されている。説明を簡素化するために、図５及び図６には、第１電極３５と第２電極３６との組が３個配列された例を示す。図３及び図４には、第１電極３５と第２電極３６との組が５個配列された例を示す。また、基板３２の液晶層３３側には、第３電極（共通電極）３７が設けられる。第３電極３７は、第１電極３５と第２電極３６との組（３個の組）と対向する。第３電極３７のサイズは、第１電極３５と第２電極３６との組の３個を合計したサイズと概略同じであり、平面視において、第３電極３７は、前記３個の組に重なるように配置される。

図３及び図４を用いて、第１電極３５と第２電極３６について説明する。第１電極３５の第２方向の長さは、パネル１３Ａａ−１から１３Ａａ−１０へ移行するのに従って、徐々に長くなる。逆に、第２電極３６の第２方向の長さは、パネル１３Ａａ−１から１３Ａａ−１０へ移行するのに従って、徐々に短くなる。第１電極３５及び第２電極３６の第１方向の長さは、第１光偏向素子１２により偏向されたレーザ光が液晶光偏向素子１３Ａに入射されるように、レーザ光の広がり（または、最大偏向角）に応じて設定される。

電極３５、３６の組と隣接する他の電極３５、３６の組との第２方向における間隔（電極３６と電極３５との間隔）は、液晶パネルの小型化の観点からはより小さい方が望ましく、例えば、製造工程に起因する最小加工寸法に設定される。同様に、第１電極３５と第２電極３６との第２方向における間隔も、例えば、製造工程に起因する最小加工寸法に設定される。第１電極３５と第２電極３６とは、互いに電気的に分離されており、個別に電圧制御が可能である。

第１電極３５、第２電極３６、及び第３電極３７は、それぞれ任意の位置において配線（図示せず）を用いてパネル１３Ａａ−１の外部に引き出され、偏向角制御部１７に電気的に接続される。第１電極３５、第２電極３６、及び第３電極３７は、それぞれ透明電極から構成される。透明電極としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。

前述したように、パネル１３Ａａ−２〜１３Ａａ−１０のそれぞれは、パネル１３Ａａ−１に対して、第１電極３５の第２方向の長さが徐々に長くなり、逆に、第２電極３６の第２方向の長さが徐々に短くなるが、その他の構成はパネル１３Ａａ−１と同様である。言い換えると、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の第１電極３５の長さは、一端側が揃った状態で、パネル１３Ａａ−１から１３Ａａ−１０への順に長くなるように、逆階段状に形成される。パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の第２電極３６の長さは、一端側が揃った状態で、パネル１３Ａａ−１から１３Ａａ−１０への順に短くなるように、階段状に形成される。このような電極構造にすることで、１０個のパネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０が積層された第１液晶パネル１３Ａａ全体で見た場合に、屈折率の勾配を容易に形成することができる。

なお、第１電極３５を階段状に形成し、第２電極３６を逆階段状に形成してもよい。このような電極構造でも、図３及び図４の電極構造と同じ動作が実現できる。

また、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶パネル（透過型ＬＣＯＳ）を用いてもよい。透過型ＬＣＯＳを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の液晶パネルを実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（または透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶パネルとして使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、電極のサイズが小さい液晶パネルを形成することができるため、小型化することが可能となる。

［１−２］レーザ走査装置の動作
［１−２−１］レーザ走査装置１０の基本動作
まず、レーザ走査装置１０の基本動作について説明する。図７は、レーザ走査装置１０の基本動作を説明する概略図である。なお、図７では、レーザ走査装置１０は、車両１の前側に設けられ、レーザ走査装置１０が車両１の前方を水平方向に走査する態様を一例として示している。

レーザ走査装置１０に含まれる投光素子１１及び光偏向素子１２、１３は、角度θの範囲でレーザ光を送信する。受光素子１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を検出する。想定する対象物までの距離をＬとし、距離Ｌにおける走査の範囲をＲとする。例えば、角度θ＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度θ＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度θ、距離Ｌ、及び範囲Ｒは、レーザ走査装置１０に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。

図８は、レーザ走査装置１０によるレーザ光の波形を示す図である。図８の上側が送信の波形、下側が受信の波形である。図８の横軸が時間であり、図８の縦軸が強度（光強度）である。

投光素子１１は、パルス信号からなるレーザ光を出射する。すなわち、投光素子１１は、時分割でレーザ光を出射する。パルスタイミング制御部１５は、投光素子１１の動作を制御し、レーザ光の周期、及びパルス幅を制御する。レーザ走査装置１０は、パルス信号としてレーザ光を送信する。

パルス信号の周期をＰ、パルス幅をＷとする。１つのパルスを送信してから、このパルスが対象物２で反射され、反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量をΔとし、光の速度をＣとする。遅れ量Δは、“Δ＝２Ｌ／Ｃ”で算出される。距離演算部１８は、遅れ量Δを用いて、車両１から対象物２までの距離を算出する。

例えば、パルス幅Ｗ＝１０ｎｓｅｃ、周期Ｐ＝１０μｓｅｃ（すなわち、周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）であるものとする。遅れ量Δ＝６７ｎｓｅｃの場合、距離Ｌ＝１０ｍが算出される。このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。

図９は、レーザ走査装置１０のレーザ光による走査領域ＡＲを示す図である。レーザ走査装置１０は、所定距離だけ離れた走査領域ＡＲを走査可能である。図９に示す走査線４１は、レーザ走査装置１０が送信するレーザ光の走査点（図８の１つのパルスに相当する）の軌跡を表している。図９に示すように、レーザ走査装置１０がレーザ光を送信する周期は、予め決まっている。１つの走査領域ＡＲに対応する１つのフレームは、所定数の走査点（または走査線）によって走査される。走査線４１の方向は、例えばポリゴンミラー１２Ａによる水平走査と、液晶光偏向素子１３Ａによる垂直走査とが合成された右下がりのラインとなる。すなわち、上から下に向かって、複数のラインを概略水平方向に順に走査する。そして、時分割で、複数のフレームが順次取得される。主制御部１９は、予め決められた動作モードに従って、走査領域ＡＲのサイズ、走査線４１の角度、垂直方向の走査線４１の密度（液晶光偏向素子１３Ａの偏向角の変化速度）、及び垂直方向の走査範囲（液晶光偏向素子１３Ａの最大偏向角）等を設定する。

前述のように、ポリゴンミラー１２Ａに対して、液晶光偏向素子１３Ａの動作速度は遅い。これを利用して、ポリゴンミラー１２Ａで水平方向の高速な走査を行い、同時に液晶光偏向素子１３Ａで垂直方向に偏向させることにより、ラスタースキャンが実現される。ポリゴンミラー１２Ａによる走査では方向が固定されるが、液晶光偏向素子１３Ａによる走査では走査方向は上下いずれにも変更でき、必ずしも偏向角は上下の最大値で折り返す必要はない。偏向角の変更速度も変えることができる。

なお、図９では、走査線４１で示すように、レーザ光は直線的に走査されているが、角錐形状のポリゴンミラー１２Ａを用いる場合、実際には走査線４１は弓なりとなる。また、ポリゴンミラー１２Ａによる走査と、液晶光偏向素子１３Ａによる偏向角の角速度は必ずしも等速になるわけではないため、直線的なラスタースキャンにはならない。しかし、これらは、計測及び予測が可能であり、本発明を成立させる上では問題にはならない。

図１０は、レーザ走査装置１０による走査領域ＡＲを対象物側から見た図である。図１０中の走査線４２は、走査領域ＡＲにおけるレーザ光の走査点の軌跡を表している。

［１−２−２］ポリゴンミラー１２Ａ（第１光偏向素子）の動作
次に、ポリゴンミラー１２Ａによるレーザ光の偏向について説明する。

図２に示したように、ポリゴンミラー１２Ａは、例えば、複数のミラー面を有する角錐形状からなる。ポリゴンミラー１２Ａは複数のミラー面を回転する回転軸を持つ。偏向角制御部１７は、ポリゴンミラー１２Ａの回転軸の回転を制御する。ポリゴンミラー１２Ａのミラー面の回転速度は、主制御部１９からの指令により偏向角制御部１７により設定される。

投光素子１１から投光されたレーザ光は、ビームスプリッタ２１を透過し、さらに１／４波長板２２を透過してポリゴンミラー１２Ａのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、回転するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ａに入射する。

［１−２−３］液晶光偏向素子１３Ａ（第２光偏向素子）の動作
次に、液晶光偏向素子１３Ａによるレーザ光の偏向について説明する。液晶光偏向素子１３Ａは、液晶パネル１３Ａａ及び液晶パネル１３Ａｂを有する。ここでは、液晶パネル１３Ａａの動作を述べる。

図３及び図４に示すように、液晶パネル１３Ａａは、１０個のパネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０が積層されて構成される。偏向角制御部１７は、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の各々の第１電極３５、第２電極３６、及び共通電極３７に電圧を印加する。これにより、偏向角制御部１７は、液晶層３３に含まれる液晶分子の配向（または傾き）を制御し、液晶パネル１３Ａａに入射したレーザ光の偏向角を設定する。

図３に示すように、第２方向における一方の向きにレーザ光を偏向する場合を述べる。偏向角制御部１７は、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の各々において、第１電極３５と共通電極３７との間に実効電圧Ｖ１（＞０）を印加する。なお、図３及び図４では共通電極３７は図示していないが、共通電極３７は全ての第１電極３５及び第２電極３６に対向するように配置されている。

偏向角を最大にする場合には、実効電圧Ｖ１は、第１電極３５と共通電極３７との間の液晶分子が垂直に配向する電圧、すなわち液晶の閾値電圧以上に設定される。偏向角を最大より小さい角度に制御する場合には、実効電圧Ｖ１は、閾値電圧より小さい電圧に設定される。実効電圧Ｖ１は、交流電圧である。実効電圧Ｖ１の大きさを変えることで、液晶分子の傾きを任意に変えることができる。このように、第１電極３５と共通電極３７との間の液晶分子が斜めにあるいは垂直に配向することにより、液晶領域３３Ａの屈折率が低下する。

また、偏向角制御部１７は、第２電極３６と共通電極３７との間に０Ｖを印加する。これにより、第２電極３６と共通電極３７との間の液晶分子は概略水平方向に配向し、液晶領域３３Ｂの屈折率は高くなる。

パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０では、第１電極３５の端部の位置が一定長ずつ逆階段状にずれており、及び第２電極３６の端部の位置も一定長ずつ階段状にずれている。このため、液晶領域３３Ａ、３３Ｂも電極３５、３６と同様に一定量ずつずれる。これにより、液晶領域３３Ａの重なりが多い領域では屈折率が低くなり、逆に、液晶領域３３Ａの重なりが少ない領域では屈折率が高くなって、ほぼ直線的な屈折率の分布が生じる。

屈折率が低い場合、液晶を透過するレーザ光の位相の遅れが小さくなり、屈折率が高い場合、液晶を透過するレーザ光の位相の遅れが大きくなる。図３に示す例では、第１電極３５の左端部分がレーザ光の位相の遅れが最も小さくなり、左端部分から右側に移行するに従って（液晶領域３３Ａの重なりが少なくなるに従って）、位相の遅れが徐々に大きくなる。図３及び図４における矢印５１は、レーザ光の位相の進行状況を模式的に示している。

このように、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の第１電極３５に対応する液晶領域３３Ａは可変のフェーズシフタとして機能する。この結果、液晶光偏向素子１３Ａに入射したレーザ光は、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０を通過することによって、第２方向における一方の向きに偏向される。

図４に示すように、第２方向における他方の向きにレーザ光を偏向する場合を述べる。偏向角制御部１７は、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の各々において、第２電極３６と共通電極３７との間に実効電圧Ｖ１（＞０）を印加する。

偏向角を最大にする場合には、実効電圧Ｖ１は、第２電極３６と共通電極３７との間の液晶分子が垂直に配向する電圧、すなわち液晶の閾値電圧以上に設定される。偏向角を最大より小さい角度に制御する場合には、実効電圧Ｖ１は、閾値電圧より小さい電圧に設定される。実効電圧Ｖ１の大きさを変えることで、液晶分子の傾きを任意に変えることができる。このように、第２電極３６と共通電極３７との間の液晶分子が斜めにあるいは垂直に配向することにより、液晶領域３３Ｂの屈折率が低下する。

また、偏向角制御部１７は、第１電極３５と共通電極３７との間に０Ｖを印加する。これにより、第１電極３５と共通電極３７との間の液晶分子は概略水平方向に配向し、液晶領域３３Ａの屈折率は高くなる。

前述したように、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０では、第１電極３５及び第２電極３６の端部の位置が逆階段状及び階段状にずれているため、液晶領域３３Ａ、３３Ｂも電極３５、３６と同様に一定量ずつずれる。これにより、液晶領域３３Ｂの重なりが多い領域では屈折率が低くなり、逆に、液晶領域３３Ｂの重なりが少ない領域では屈折率が高くなって、ほぼ直線的な屈折率の分布が生じる。

屈折率が低い場合、液晶を透過するレーザ光の位相の遅れが小さくなり、屈折率が高い場合、液晶を透過するレーザ光の位相の遅れが大きくなる。図４に示す例では、第２電極３６の右端部分がレーザ光の位相の遅れが最も小さくなり、右端部分から左側に移行するに従って（液晶領域３３Ｂの重なりが少なくなるに従って）、位相の遅れが徐々に大きくなる。

このように、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の第２電極３６に対応する液晶領域３３Ｂは可変のフェーズシフタとして機能する。この結果、液晶光偏向素子１３Ａに入射したレーザ光は、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０を通過することによって、第２方向における他方の向きに偏向される。

本実施形態の液晶光偏向素子１３Ａにおける最大偏向角の例を以下に示す。パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の各々のセルギャップが例えば１０μｍであるとき、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の合計セルギャップｄ_ＬＣは１００μｍである。また、屈折率変化の周期幅（位相変化ピッチ）Ｌが例えば５０μｍである。さらに、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０の各々のリタデーションが２μｍであるとき、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０を合わせたリタデーション(Δｎ・ｄ_ＬＣ)は２０μｍである。なお、パネル１３Ａａ−１〜１３Ａａ−１０を合わせた屈折率異方性Δｎは０．２である。これらより、“θ＝ｓｉｎ^−１{(Δｎ・ｄ_ＬＣ)／Ｌ}＝ｓｉｎ^−１(２０／５０)”の式から、片側の最大偏向角は、約２３．６度と算出される
［１−２−４］レーザ走査装置１０の動作例
投光素子１１から投光されたレーザ光は、ビームスプリッタ２１を透過することでｐ偏光（直線偏光）のレーザ光となり、さらに１／４波長板２２を透過して円偏光のレーザ光となって、ポリゴンミラー１２Ａのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、回転するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ａに入射する。液晶光偏向素子１３Ａに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ａにより偏向されて垂直方向に走査される。そして、液晶光偏向素子１３Ａにより走査されたレーザ光は、レーザ走査装置１０から走査領域ＡＲに投射される。

レーザ走査装置１０によって投射されたレーザ光は、対象物２で反射され、その反射されたレーザ光（反射光）の一部が投光時と同じ経路を逆にたどり、ビームスプリッタ２１により分割されて受光素子１４に入射される。具体的には、対象物２からのレーザ光（反射光）は、液晶光偏向素子１３Ａ及びポリゴンミラー１２Ａにより偏向され、１／４波長板２２を透過することで円偏光からｎ偏光に変えられる。ｎ偏光のレーザ光は、ビームスプリッタ２１により反射されて受光素子１４に入射される。すなわち、投光時に１／４波長板２２を透過させ(１／４)λの位相変化を与えることで、ｐ偏光のレーザ光を一旦、円偏光のレーザ光にし、受光時に再び１／４波長板２２を透過させ(１／４)λの位相変化を与えることで、円偏光のレーザ光をｎ偏光のレーザ光にしている。これにより、ｎ偏光のレーザ光（反射光）だけをビームスプリッタ２１によって反射させ、受光素子１４に入射させることができる。

レーザ光の投光時と受光時の時間差から対象物２までの距離が検出され、さらに偏向角制御部１７が有する液晶光偏向素子１３Ａ及びポリゴンミラー１２Ａによる偏向角の情報から対象物の３次元の座標が検出される。このような対象物２の検出を高速かつ連続して行うことにより、車両前方の３次元の障害物の情報が取得され、これらの情報が車両１の自動運転や運転支援などに利用される。

また、偏向角制御部１７は、前述した対象物２の検出情報、または他のセンサあるいはカメラ、例えば傾斜センサ、可視光カメラなどの情報に基づいて、液晶光偏向素子１３Ａによる垂直方向の走査密度（走査間隔）及び／又は走査範囲を選択あるいは変更することができる。以下に、一般的な路面における使用を想定し、レーザ走査装置１０を搭載した車両１と、被計測対象となる人物２Ａや対向車２Ｂなどの障害物の例を用いて説明する。

図１１（ａ）、図１２（ａ）及び図１３（ａ）は、車両１から前方を走査する例を示す図である。図１１（ｂ）、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）は、それら図のそれぞれにおける走査領域ＡＲの走査状態及び垂直方向の走査密度を表す図である。

図１１（ａ）に示すように、多くの場合、車両１がある路面と前方の路面は平坦であるため、車両１がある路面と平行で障害物の高さを考慮した±α度の走査範囲の情報が障害物を把握する上で重要となる。この場合、図１１（ｂ）に示すように、走査領域ＡＲの垂直方向における中央部４３が走査密度の高い範囲となる。

例えば、車両１がある路面と平行な方向を０度として垂直方向に±２０度の走査が可能なレーザ走査装置１０では、１００ｍ以上先まで平坦な路面を走行している場合、＋２０度から＋１０度、及び−１０度から−２０度の範囲は１度の間隔で走査を行い、被計測対象となる人物２Ａや対向車２Ｂなどの障害物が存在する＋１０度から−１０度の範囲は０．２５度の間隔で走査を行う。あるいは、５フレームのうち１フレームで垂直方向に±２０度の走査を行い、残りの４フレームで±１０度の範囲に限定して走査を行うなど、フレームごとに走査範囲を設定してもよい。

一方、路面の傾斜が変化するような状況では、例えば図１２（ａ）に示すように、車両前方の路面が登り坂であるような場合、車両１がある路面と平行な位置に被計測対象が存在しない。このため、図１２（ｂ）に示すように、垂直方向における中央部４３を高い走査密度で走査した場合、人物２Ａや対向車２Ｂの情報が少なくなり、障害物の情報を得るのに十分なデータが計測できない。

車両１がある路面と平行な位置に被計測対象が存在しない場合、対策として、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、走査領域ＡＲの垂直方向における上部４４を走査密度の高い範囲に設定する。これにより、被計測対象となる人物２Ａや対向車２Ｂなどの障害物に関する情報を十分に取得することができる。

［１−３］第１変形例
次に、第１変形例のレーザ走査装置について説明する。前述した第１実施形態では、第１光偏向素子１２にポリゴンミラー１２Ａを使用したが、ポリゴンミラーに代えて様々な光偏向素子を使用することが可能である。ここでは、第１光偏向素子１２として、ＭＥＭＳミラー、またはガルバノスキャナ、光フェーズドアレイを使用した例を示す。

図１４は、第１光偏向素子１２にＭＥＭＳミラー１２Ｂを使用した光学系の構成を示す図である。投光素子１１から投光されたレーザ光は、ビームスプリッタ２１を透過し、さらに１／４波長板２２を透過してＭＥＭＳミラー１２Ｂのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、角度が変化するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ａに入射する。

図１５は、第１光偏向素子１２にガルバノスキャナ１２Ｃを使用した光学系の構成を示す図である。投光素子１１から投光されたレーザ光は、ビームスプリッタ２１を透過し、さらに１／４波長板２２を透過してガルバノスキャナ１２Ｃのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、角度が変化するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ａに入射する。

図１６は、第１光偏向素子１２に光フェーズドアレイ１２Ｄを使用した光学系の構成を示す図である。光フェーズドアレイ１２Ｄは、水平方向へのレーザ光の走査及び受光能力を有する。光フェーズドアレイ１２Ｄから投光されたレーザ光は、水平方向に走査されて液晶光偏向素子１３Ｂに入射する。この光フェーズドアレイ１２Ｄを使用した例では、ビームスプリッタ２１及び１／４波長板２２を必要としない。対象物２からの反射光は、液晶光偏向素子１３Ｂにより偏向され、光フェーズドアレイ１２Ｄに入射される。液晶光偏向素子１３Ｂは、偏向を行う液晶パネルを備え、液晶光偏向素子１３Ａａと概略同様の構成を有する。

図１４−１６に示した第１変形例のその他の構成及び動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［１−４］第２変形例
次に、第２変形例のレーザ走査装置について説明する。前述した第１実施形態では、投光素子１１からのレーザ光に対し、先にポリゴンミラー１２Ａ（第１光偏向素子１２）にて水平方向の走査を行い、次に液晶光偏向素子１３Ａ（第２光偏向素子１３）にて垂直方向の走査を行ったが、ポリゴンミラー１２Ａと液晶光偏向素子１３Ａとを入れ換え、先に液晶光偏向素子１３Ａにて垂直方向の走査を行い、次にポリゴンミラー１２Ａにて水平方向の走査を行ってもよい。

［１−４−１］光学系の構成
図１７は、第２変形例のレーザ走査装置における光学系の構成を示す図である。

投光側は以下のようになる。投光素子１１から投光されるレーザ光の光路上には、ビームスプリッタ２１と１／４波長板２２を順に介して液晶光偏向素子１３Ａが配置される。さらに、液晶光偏向素子１３Ａにより偏向されるレーザ光の光路上には、ポリゴンミラー１２Ａが配置される。

受光側は以下のようになる。対象物２で反射されたレーザ光の光路上には、ポリゴンミラー１２Ａが配置される。ポリゴンミラー１２Ａに反射されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ａが配置される。液晶光偏向素子１３Ａにより偏向されるレーザ光の光路上には、１／４波長板２２を介してビームスプリッタ２１が配置される。さらに、ビームスプリッタ２１により分割されるレーザ光の光路上には、受光素子１４が配置される。

図１７に示した第２変形例のその他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。

［１−４−２］第２変形例の動作
投光素子１１から投光されたレーザ光は、ビームスプリッタ２１を透過することでｐ偏光（直線偏光）のレーザ光となり、さらに１／４波長板２２を透過して円偏光のレーザ光となって、液晶光偏向素子１３Ａに入射する。液晶光偏向素子１３Ａに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ａにより垂直方向に偏向される。液晶光偏向素子１３Ａにより偏向されたレーザ光は、ポリゴンミラー１２Ａのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、回転するミラー面により反射されて水平方向に走査される。そして、ポリゴンミラー１２Ａにより走査されたレーザ光は、レーザ走査装置から走査領域ＡＲに投射される。

レーザ走査装置によって投射されたレーザ光は、対象物２で反射され、その反射されたレーザ光（反射光）の一部が投光時と同じ経路を逆にたどり、ビームスプリッタ２１により分割されて受光素子１４に入射される。具体的には、対象物２からのレーザ光（反射光）は、ポリゴンミラー１２Ａ及び液晶光偏向素子１３Ａにより偏向され、１／４波長板２２を透過することで円偏光からｎ偏光に変えられる。ｎ偏光のレーザ光は、ビームスプリッタ２１により反射されて受光素子１４に入射される。すなわち、投光時に１／４波長板２２を透過させ(１／４)λの位相変化を与えることで、ｐ偏光のレーザ光を一旦、円偏光のレーザ光にし、受光時に再び１／４波長板２２を透過させ(１／４)λの位相変化を与えることで、円偏光のレーザ光をｎ偏光のレーザ光にしている。これにより、ｎ偏光のレーザ光（反射光）だけをビームスプリッタ２１によって反射させ、受光素子１４に入射させることができる。

第２変形例のその他の動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［１−５］効果
本実施形態によれば、レーザ光を２次元に走査可能な信頼性の高いレーザ走査装置を提供することができる。

以下に、本効果について詳述する。本実施形態のレーザ走査装置１０は、レーザ光を投光する投光素子１１と、レーザ光を第１方向に偏向（走査）する第１光偏向素子１２と、第１光偏向素子１２により偏向されたレーザ光を第１方向と異なる第２方向に偏向（走査）する液晶光偏向素子１３Ａ（第２光偏向素子１３）とを備える。さらに、第１光偏向素子１２が走査するレーザ光の走査周波数は、液晶光偏向素子１３Ａが走査するレーザ光の走査周波数より高く、例えば２倍以上である。言い換えると、第１光偏向素子１２がレーザ光を走査する速度は、液晶光偏向素子１３Ａがレーザ光を走査する速度より速く、例えば２倍以上速い。

これにより本実施形態によれば、第１方向（水平方向）において第１光偏向素子１２によるレーザ光の高速な走査が可能であり、第２方向（垂直方向）において液晶光偏向素子１３Ａによる微細な偏向角の変更が可能である。これによって、レーザ光を２次元に容易に走査することが可能である。さらに、第１情報に基づいて偏向角制御部１７により、第２方向において液晶光偏向素子１３Ａにおける偏向角の変更速度を制御することができる。これにより、第２方向におけるレーザ光の走査線の間隔または密度、及び／又は第２方向における走査領域の範囲を設定することが可能である。

また、液晶光偏向素子１３Ａは、液晶を利用した光位相シフト方式、言い換えると、液晶の複屈折の性質を用いている。この液晶光偏向素子１３Ａは、機械的な構成部品がなくかつ機械的な可動部がないため、信頼性を向上できる。液晶光偏向素子１３Ａは、広い面積でレーザ光を受光することができ、また透過方式でレーザ光を偏向させることが可能であり、さらに偏向角を制御することが容易である。

また、本実施形態のレーザ走査装置１０は同軸光学系方式の構成を備える。よって、投光時と受光時でレーザ光が同じ光路を通るため、環境などからノイズの影響を受けにくい。

［２］第２実施形態
次に、第２実施形態のレーザ走査装置について説明する。前述した第１実施形態では、対象物２からの反射光を受光する受光側は投光側と同じ光路を用いたが、投光側と受光側とを分離してもよい。すなわち、第２実施形態では、分離光学系方式を採用した例を説明する。以下に、第１実施形態と異なる点について主に述べる。

［２−１］第１例
第２実施形態のレーザ走査装置の第１例として、第１光偏向素子１２にポリゴンミラー１２Ａを使用した例を説明する。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第２実施形態のレーザ走査装置の第１例における光学系の構成を示す図である。図１８（ａ）は光学系の投光側を示し、図１８（ｂ）は受光側を示す。

投光側は以下のようになる。投光素子１１から投光されるレーザ光の光路上には、ポリゴンミラー１２Ａが配置される。さらに、ポリゴンミラー１２Ａにより反射されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ｂが配置される。液晶光偏向素子１３Ｂは、偏向を行う液晶パネルを備え、液晶光偏向素子１３Ａａと概略同様の構成を有する。

投光素子１１から投光されたレーザ光は、ポリゴンミラー１２Ａのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、回転するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ｂに入射する。液晶光偏向素子１３Ｂに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ｂにより偏向されて垂直方向に走査され、対象物に投射される。

受光側は以下のようになる。対象物２で反射されたレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ｃが配置される。液晶光偏向素子１３Ｃにより偏向されるレーザ光の光路上には、受光レンズ２３を介して受光素子１４が配置される。液晶光偏向素子１３Ｃは、偏向を行う液晶パネルを備え、液晶光偏向素子１３Ａａと概略同様の構成を有する。

対象物２からのレーザ光（反射光）は、液晶光偏向素子１３Ｃに入射する。液晶光偏向素子１３Ｃに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ｃにより偏向されて受光レンズ２３に入射する。受光レンズ２３に入射したレーザ光は、受光レンズ２３により集光されて受光素子１４に入射される。

第１例のその他の構成及び動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［２−２］第２例
第２実施形態のレーザ走査装置の第２例として、第１光偏向素子１２にＭＥＭＳミラー１２Ｂを使用した例を説明する。

図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、第２実施形態のレーザ走査装置の第２例における光学系の構成を示す図である。図１９（ａ）は光学系の投光側を示し、図１９（ｂ）は受光側を示す。

投光側は以下のようになる。投光素子１１から投光されるレーザ光の光路上には、ＭＥＭＳミラー１２Ｂが配置される。さらに、ＭＥＭＳミラー１２Ｂにより反射されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ｂが配置される。

投光素子１１から投光されたレーザ光は、ＭＥＭＳミラー１２Ｂのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、角度が変化するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ｂに入射する。液晶光偏向素子１３Ｂに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ｂにより偏向されて垂直方向に走査され、対象物に投射される。

受光側は、前述した第１例と同様である。さらに、第２例のその他の構成及び動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［２−３］第３例
第２実施形態のレーザ走査装置の第３例として、第１光偏向素子１２にガルバノスキャナ１２Ｃを使用した例を説明する。

図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第２実施形態のレーザ走査装置の第３例における光学系の構成を示す図である。図２０（ａ）は光学系の投光側を示し、図２０（ｂ）は受光側を示す。

投光側は以下のようになる。投光素子１１から投光されるレーザ光の光路上には、ガルバノスキャナ１２Ｃが配置される。さらに、ガルバノスキャナ１２Ｃにより反射されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ｂが配置される。

投光素子１１から投光されたレーザ光は、ガルバノスキャナ１２Ｃのミラー面に入射する。ミラー面に入射したレーザ光は、角度が変化するミラー面により反射されて水平方向に走査され、液晶光偏向素子１３Ｂに入射する。液晶光偏向素子１３Ｂに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ｂにより偏向されて垂直方向に走査され、対象物に投射される。

受光側は、前述した第１例と同様である。さらに、第３例のその他の構成及び動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［２−４］第４例
第２実施形態のレーザ走査装置の第４例として、第１光偏向素子１２に光フェーズドアレイ１２Ｄを使用した例を説明する。

図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、第２実施形態のレーザ走査装置の第４例における光学系の構成を示す概念図である。図２１（ａ）は光学系の投光側を示し、図２１（ｂ）は受光側を示す。

投光側は以下のようになる。光フェーズドアレイ１２Ｄから投光されるレーザ光の光路上には、液晶光偏向素子１３Ｂが配置される。すなわち、光フェーズドアレイ１２Ｄから投光されたレーザ光は、水平方向に走査されて液晶光偏向素子１３Ｂに入射する。液晶光偏向素子１３Ｂに入射したレーザ光は、液晶光偏向素子１３Ｂにより偏向されて垂直方向に走査され、対象物に投射される。

受光側は、前述した第１例と同様である。さらに、第４例のその他の構成及び動作は、前述した第１実施形態と同様である。

［２−５］効果
本実施形態によれば、レーザ光を２次元に走査可能な信頼性の高いレーザ走査装置を提供することができる。

さらにここでは、第１実施形態と異なる効果について説明する。本実施形態で採用する分離光学系方式では、対象物２で反射されたレーザ光を受ける液晶光偏向素子１３Ｃ及び受光レンズの受光面積を大きくすることができるため、受光素子にて受光するレーザ光の光量を増やすことができる。これにより、対象物の検出精度を高めることが可能である。

また、受光側にも液晶光偏向素子を設けることにより、レーザ光（反射光）における第２方向（垂直方向）のノイズ成分を除去することができる。さらに、ビームスプリッタ及び１／４波長板を設ける必要がないため、光学系の構成を簡素化でき、部品コストを抑えることが可能である。

［３］その他
前記実施形態では、レーザ走査装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、本実施形態にかかるレーザ走査装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。

前記実施形態では、車両に搭載されるレーザ走査装置について説明している。しかし、これに限定されず、レーザ光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。

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

１０…レーザ走査装置、１１…投光素子、１２…第１光偏向素子、１２Ａ…ポリゴンミラー、１２Ｂ…ＭＥＭＳミラー、１２Ｃ…ガルバノスキャナ、１２Ｄ…光フェーズドアレイ、１３…第２光偏向素子、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…液晶光偏向素子、１３Ａａ…第１液晶パネル、１３Ａｂ…第２液晶パネル、１４…受光素子、１５…パルスタイミング制御部、１６…偏向角検出部、１７…偏向角制御部、１８…距離演算部、１９…主制御部、２１…ビームスプリッタ、２２…１／４波長板、３１，３２…基板、３３…液晶層、３４…シール材、３５…第１電極、３６…第２電極、３７…第３電極（共通電極）、２３…受光レンズ。

Claims (11)

1. レーザ光を投光する投光素子と、
   前記レーザ光を第１方向に偏向する第１光偏向素子と、
   前記第１光偏向素子により偏向されたレーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に偏向し、液晶素子で構成される第２光偏向素子と、
   を具備し、
   前記第２光偏向素子は、第１液晶領域と第２液晶領域とを含み、
   前記第１液晶領域の屈折率は、前記第２液晶領域の屈折率と異なり、
   前記液晶素子は、第１液晶パネルと、前記第１液晶パネル上に配置された第２液晶パネルを含み、
   前記第１液晶パネルは、第１及び第２基板と、前記第１基板に配置された第１電極と、前記第２基板に配置され前記第１電極と対向する第２電極とを含み、
   前記第２液晶パネルは、第３及び第４基板と、前記第３基板に配置された第３電極と、前記第４基板に配置され前記第３電極と対向する第４電極とを含み、
   前記第２方向において、前記第３電極は前記第１電極より長い、
   レーザ走査装置。
2. 前記第１光偏向素子は前記レーザ光を前記第１方向に走査し、前記第２光偏向素子は前記レーザ光を前記第２方向に走査し、
   前記第１光偏向素子が走査する前記レーザ光の走査周波数は、前記第２光偏向素子が走査する前記レーザ光の走査周波数より高い請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. 前記第１電極及び第３電極に第１電圧を印加する制御部をさらに具備する請求項１又は２に記載のレーザ走査装置。
4. 第１情報に基づいて前記第２光偏向素子の前記走査周波数を変更する制御部をさらに具備する請求項２に記載のレーザ走査装置。
5. 前記第１液晶パネルは、前記第１基板に配置され、前記第２電極と対向する第５電極を含み、
   前記第２液晶パネルは、前記第３基板に配置され、前記第４電極と対向する第６電極を含み、
   前記第２方向において、前記第６電極は前記第５電極より短い請求項１又は２に記載のレーザ走査装置。
6. レーザ光を投光する投光素子と、
   前記レーザ光を第１方向に偏向する第１光偏向素子と、
   前記第１光偏向素子により偏向されたレーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に偏向し、液晶素子で構成される第２光偏向素子と、
   前記投光素子と前記第１光偏向素子間の光路上に配置されたビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタと前記第１光偏向素子間の光路上に配置された波長板と、
   を具備するレーザ走査装置。
7. 受光素子をさらに具備し、
   前記第２光偏向素子から出射され対象物により反射されたレーザ光は、前記第２光偏向素子、前記第１光偏向素子、前記波長板、及び前記ビームスプリッタを経由して前記受光素子に受光される請求項６に記載のレーザ走査装置。
8. 前記第２光偏向素子から出射され対象物により反射されたレーザ光を偏向し、液晶素子で構成される第３光偏向素子と、
   前記第３光偏向素子により偏向されたレーザ光を受光する受光素子と、
   をさらに具備する請求項６に記載のレーザ走査装置。
9. 前記第１光偏向素子は、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、ガルバノスキャナ、及び光フェーズドアレイのいずれかである請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ走査装置。
10. レーザ光を投光する投光素子と、
    前記レーザ光を第１方向に偏向し、液晶素子で構成される第１光偏向素子と、
    前記第１光偏向素子により偏向されたレーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に偏向する第２光偏向素子と、
    を具備し、
    前記第２光偏向素子は、第１液晶領域と第２液晶領域とを含み、
    前記第１液晶領域の屈折率は、前記第２液晶領域の屈折率と異なり、
    前記液晶素子は、第１液晶パネルと、前記第１液晶パネル上に配置された第２液晶パネルを含み、
    前記第１液晶パネルは、第１及び第２基板と、前記第１基板に配置された第１電極と、前記第２基板に配置され前記第１電極と対向する第２電極とを含み、
    前記第２液晶パネルは、第３及び第４基板と、前記第３基板に配置された第３電極と、前記第４基板に配置され前記第３電極と対向する第４電極とを含み、
    前記第２方向において、前記第３電極は前記第１電極より長い、
    レーザ走査装置。
11. レーザ光を投光する投光素子と、
    前記レーザ光を第１方向に偏向し、液晶素子で構成される第１光偏向素子と、
    前記第１光偏向素子により偏向されたレーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に偏向する第２光偏向素子と、
    前記投光素子と前記第１光偏向素子間の光路上に配置されたビームスプリッタと、
    前記ビームスプリッタと前記第１光偏向素子間の光路上に配置された波長板と、
    を具備するレーザ走査装置。

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