JP7031160B2

JP7031160B2 - 距離測定装置

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Publication number: JP7031160B2
Application number: JP2017148107A
Authority: JP
Inventors: 将樹古山
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: JP2019028293A

Description

本発明は、例えばレーザー光を用いた距離測定装置に関する。

ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離測定装置が知られている。ＬＩＤＡＲは、光学的に周囲の物体との距離を測定するセンサである。ＬＩＤＡＲは、対象物にパルス状のレーザー光を照射し、対象物で反射されたレーザー光が戻るまでの往復時間から距離を計測する。最近では、ＬＩＤＡＲは、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ：Advanced Driving Assistant System）や自動運転に使われている。

レーザー光の走査方式としては、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、又はガルバノミラーなどを用いる方式が知られている。しかし、これらの走査方式は、可動部が存在するため、車両などの振動により、長期信頼性に懸念がある。また、これらの走査方式は、光学部品を使用するため、ＬＩＤＡＲのコストが高くなるとともに、ＬＩＤＡＲが大型化してしまう。

米国特許第８，９８２，３１３号明細書

本発明は、簡単な電圧制御でレーザー光を偏向させることができるとともに、コストを低減することが可能な距離測定装置を提供する。

本発明の一態様に係る距離測定装置は、レーザー光を発光する光源と、前記レーザー光を偏向し、積層された複数の液晶パネルを有する光偏向素子と、前記光偏向素子が備える複数の電極に電圧を印加する制御部とを具備する。前記複数の液晶パネルの各々は、第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に充填された液晶層と、前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数の電極と、前記第２基板に設けられた共通電極とを含む。前記光偏向素子は、第１ピッチで配置された複数の電極を有する第１液晶パネルと、前記第１ピッチの２倍の第２ピッチで配置された複数の電極を有する第２及び第３液晶パネルとを含む。

本発明によれば、簡単な電圧制御でレーザー光を偏向させることができるとともに、コストを低減することが可能な距離測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る距離測定装置のブロック図。距離測定装置の基本動作を説明する概略図。距離測定装置によるレーザー光の波形を説明する図。光偏向素子の模式的な断面図。１つの液晶パネルの平面図。図５のＡ－Ａ´線に沿った液晶パネルの断面図。光偏向素子の動作を説明する模式的な断面図。比較例に係る光偏向素子の模式的な断面図。実施例及び比較例におけるパネル数とパターン数との関係を説明するグラフ。実施例及び比較例におけるパネル数とパターン数との関係を説明するグラフ。第１例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第１例に係る積層構造の基本単位を説明する断面図。第２例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図。第３例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図。第４例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図。第５例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第５例に係る積層構造の基本単位を説明する断面図。第６例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第７例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第８例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第９例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第１０例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第１１例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第１２例に係る光偏向素子の模式的な断面図。第１３例に係る光偏向素子の模式的な断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す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、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］距離測定装置の構成
図１は、本発明の実施形態に係る距離測定装置１０のブロック図である。

距離測定装置１０は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲは、レーザー光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲に存在する対象物によって反射されたレーザー光を検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、投光したレーザー光と受光したレーザー光とを用いて、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。

距離測定装置１０は、車両の前部（例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル）、車両の後部（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、及び／又は、車両の側部（例えば、フロントバンパーの側部）に配置される。また、距離測定装置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。

距離測定装置１０は、光源１１、光偏向素子１２、受光素子１３、パルスタイミング制御部１４、偏向角制御部１５、距離演算部１６、及び主制御部１７を備える。

光源１１は、光偏向素子１２に向けて、レーザー光を発光する。レーザー光としては、赤外線レーザー光（例えば波長λ＝９０５ｎｍ）が用いられる。また、光源１１は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザー光を発生する。

光偏向素子１２は、光源１１からのレーザー光を受け、レーザー光を走査、すなわちレーザー光の偏向角を時分割で変える。これにより、対象物２に対して複数点のレーザー光を照射することができる。光偏向素子１２は、積層された複数の液晶パネルを備える。光偏向素子１２の具体的な構成については後述する。

受光素子（検出回路）１３は、対象物２によって反射されたレーザー光を検出する。受光素子１３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１３として赤外線カメラを用いてもよい。

パルスタイミング制御部１４は、光源１１の動作を制御する。光源１１は、パルス信号としてレーザー光を発光する。パルスタイミング制御部１４は、レーザー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。

偏向角制御部１５は、光偏向素子１２の動作を制御する。偏向角制御部１５は、光偏向素子１２に含まれる複数の電極に複数の電圧を印加する。光偏向素子１２に供給される電圧は、交流電圧である。偏向角制御部１５は、光偏向素子１２の屈折率の勾配を制御することで、光偏向素子１２から出射されるレーザー光の偏向角を制御する。

距離演算部１６は、パルスタイミング制御部１４からタイミング情報を受け、偏向角制御部１５から偏向角の情報を受け、受信したレーザー光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１３から受ける。距離演算部１６は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部１６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１６は、偏向角の情報を用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部１６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１７は、距離測定装置１０の全体動作を統括的に制御する。主制御部１７は、データを記憶する記憶部なども備える。

［２］距離測定装置１０の基本動作
次に、距離測定装置１０の基本動作について説明する。図２は、距離測定装置１０の基本動作を説明する概略図である。なお、図２では、距離測定装置１０が車両１の前方を走査する態様を一例として示している。

距離測定装置１０に含まれる光偏向素子１２は、角度２αの走査範囲でレーザー光を投光する。受光素子１３は、対象物２によって反射されたレーザー光を受光する。想定する対象物２までの距離Ｌ、距離Ｌにおける走査範囲Ｒとする。例えば、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度２α＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度２α、距離Ｌ、及び走査範囲Ｒは、距離測定装置１０に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。

図３は、距離測定装置１０によるレーザー光の波形を説明する図である。図３の上側が投光の波形、下側が受光の波形である。図３の横軸が時間であり、図３の縦軸が強度（光強度）である。

光源１１は、パルス信号からなるレーザー光を発光する。すなわち、光源１１は、時分割でレーザー光を出射する。距離測定装置１０は、パルス信号としてレーザー光を投光する。パルス信号の周期Ｐ、パルス幅Ｗ_Ｐとする。１つのパルスを投光してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受光するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Ｃとする。遅れ量Δは、“Δ＝２Ｌ／Ｃ”で算出される。

例えば、パルス幅Ｗ_Ｐ＝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。

［３］光偏向素子１２の構成
次に、光偏向素子１２の構成について説明する。図４は、光偏向素子１２の模式的な断面図である。

光偏向素子１２は、複数の液晶パネル２１を備える。図４には、光偏向素子１２が１５個の液晶パネル２１－１～２１－１５を備える構成例を示している。図４に示したパネル番号は、液晶パネル２１－１～２１－１５の枝番号に対応する。液晶パネル２１－１～２１－１５は、例えば、透明な接着材を用いて積層される。

図５は、１つの液晶パネル２１の平面図である。図６は、図５のＡ－Ａ´線に沿った液晶パネル２１の断面図である。

液晶パネル２１は、透過型の液晶素子である。液晶パネル２１は、対向配置された基板２２、２３と、基板２２、２３間に挟持された液晶層２４とを備える。基板２２、２３の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。基板２２は、光源１１側に配置され、光源１１からのレーザー光は、基板２２側から液晶層２４に入射する。

液晶層２４は、基板２２、２３間に充填される。具体的には、液晶層２４は、基板２２、２３と、シール材２５とによって包囲された領域内に封入される。シール材２５は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板２２又は基板２３に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。

液晶層２４を構成する液晶材料は、基板２２、２３間に印加された電圧（電界）に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。本実施形態の液晶パネル２１は、例えばホモジニアスモードである。すなわち、液晶層２４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。液晶分子の傾斜角は、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層２４の初期配向は、液晶層２４を挟むようにして基板２２、２３にそれぞれ設けられた２つの配向膜によって制御される。

なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。ＶＡモードでは、電界を印加しない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。

基板２２の液晶層２４側には、それぞれがＹ方向に延びる複数の電極２６、及び複数の電極２７が設けられる。複数の電極２６と複数の電極２７とは、Ｙ方向に直交するＸ方向に沿って、交互に配置される。後述するように、複数の電極２６の数、及び複数の電極２７の数は、積層される液晶パネルの位置によって異なる。

図５及び図６は、２つの電極２６－１、２６－２と、２つの電極２７－１、２７－２とを一例として示している。例えば、図５及び図６に示した液晶パネル２１は、図４に示した最下層の液晶パネル２１－１５に対応する。複数の電極２６と複数の電極２７とは、互いの間隔が同じであり、例えば、この間隔は、電極を加工する際の製造工程に起因する最小加工寸法である。

基板２２、及び電極２６、２７上には、液晶層２４の初期配向を制御する配向膜２８が設けられる。

基板２３の液晶層２４側には、共通電極２９が設けられる。共通電極２９は、基板２３全面に平面状に設けられる。基板２３、及び共通電極２９上には、液晶層２４の初期配向を制御する配向膜３０が設けられる。なお、基板２２に共通電極２９を配置し、基板２３に電極２６、２７を配置してもよい。

電極２６、２７、及び共通電極２９はそれぞれ、透明電極から構成され、例えば、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。

図４の各液晶パネルにおいて、ハッチングがない部分（白い部分）は、電極２６が配置された領域を示し、ドットハッチングの部分は、電極２７が配置された領域を示している。図４に示すように、液晶パネル２１－１は、１６個の電極２６、及び１６個の電極２７を備える。液晶パネル２１－１の電極パターンをパターン“ａ”と表記する。

２個の液晶パネル２１－２、２１－３は、同じ構造を有する。液晶パネル２１－２、２１－３の各々は、８個の電極２６、及び８個の電極２７を備える。液晶パネル２１－２、２１－３の電極パターンをパターン“ｂ”と表記する。

４個の液晶パネル２１－４～２１－７は、同じ構造を有する。液晶パネル２１－４～２１－７の各々は、４個の電極２６、及び４個の電極２７を備える。液晶パネル２１－４～２１－７の電極パターンをパターン“ｃ”と表記する。

８個の液晶パネル２１－８～２１－１５は、同じ構造を有する。液晶パネル２１－８～２１－１５の各々は、２個の電極２６、及び２個の電極２７を備える。液晶パネル２１－８～２１－１５の電極パターンをパターン“ｄ”と表記する。

光偏向素子１２が１５個の液晶パネル２１－１～２１－１５を備える構成例である場合、パターン“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”の４種類の液晶パネルを用いて、光偏向素子１２を構成することができる。

最大の電極幅を有する液晶パネル２１－１５において、１つの電極２６と１つの電極２７との対が繰り返し単位であり、この繰り返し単位の幅は、屈折率変化の周期幅Ｗである。周期幅Ｗごとに、屈折率の勾配が繰り返される。

周期幅Ｗに対応する繰り返し単位は、積層方向に延びる１６個の領域を有し、この１６個の領域は、最小の電極幅を有する液晶パネル２１－１に存在する１６個の電極（８個の電極２６、及び８個の電極２７）に対応する。図４の周期幅Ｗを積層方向に見ると、電極２７の数（ドットハッチングの領域の数）が右に行くにつれて順に増えていくのが分かる。すなわち、上記１６個の領域のうち、一番左の領域は、電極２７の数がゼロ、左から２番目の領域は、電極２７の数が１個、左から３番目の領域は、電極２７の数が２個、一番右の領域は、電極２７の数が１５個である。

パターン“ａ”の電極ピッチが例えば５μｍであるものとする。電極ピッチとは、第１電極（電極２６、又は電極２７）の幅と、これに隣接する第２電極（電極２７、又は電極２６）との間隔とを合わせた長さである。パターン“ｂ”の電極ピッチは、１０μｍであり、パターン“ｃ”の電極ピッチは、２０μｍであり、パターン“ｄ”の電極ピッチは、４０μｍである。すなわち、パターン“ｂ”の電極ピッチＰ２は、パターン“ａ”の電極ピッチＰ１の２倍であり、パターン“ｃ”の電極ピッチＰ３は、パターン“ｂ”の電極ピッチＰ２の２倍であり、パターン“ｄ”の電極ピッチＰ４は、パターン“ｃ”の電極ピッチＰ３の２倍である。

一般化すると、最小パターンであるパターン“ａ”の電極ピッチＰ１の２^{（ｎ－１）}倍の電極ピッチを有する液晶パネルの枚数は、２^{（ｎ－１）}である。“ｎ”は、１から連続する自然数である。また、“ｎ”は、最低で２まで増分（インクリメント）される。上記関係を満たすように、液晶パネルを積層することで、屈折率の勾配を形成できる。

具体的には、パターン“ｂ”の電極ピッチＰ２は、パターン“ａ”の電極ピッチＰ１の２倍であるため、パターン“ｂ”の液晶パネルの数は２個である。パターン“ｃ”の電極ピッチＰ３は、パターン“ａ”の電極ピッチＰ１の４倍であるため、パターン“ｃ”の液晶パネルの数は４個である。パターン“ｄ”の電極ピッチＰ４は、パターン“ａ”の電極ピッチＰ１の８倍であるため、パターン“ｄ”の液晶パネルの数は８個である。液晶パネル２１の積層数が３個以上であれば、上記関係が成り立つ。

なお、パターン“ａ”、“ｂ”、“ｃ”、“ｄ”それぞれの液晶パネルの枚数が規定した通りであればよく、積層順序は、図４と同じでなくてもよい。すなわち、同じパターンの液晶パネルを連続して積層しなくてもよい。

なお、液晶パネル２１として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶素子（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２１を実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（又は透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶素子として使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、セル電極がより小さい液晶素子を実現することができるため、液晶素子を小型化することが可能となる。

［４］光偏向素子１２の動作
次に、光偏向素子１２の動作について説明する。図７は、光偏向素子１２の動作を説明する模式的な断面図である。図７は、レーザー光を左側に偏向させる例を示している。

偏向角制御部１５は、全ての液晶パネル２１－１～２１－１５に対して、共通電極２９、及び複数の電極２６に０Ｖを印加し、複数の電極２７に正電圧Ｖ１を印加する。電圧Ｖ１は、液晶層のしきい値電圧に応じて設定される。液晶層の液晶分子を概略垂直方向に配向させる場合、電圧Ｖ１は、液晶層のしきい値電圧より若干大きい値に設定される。液晶層に電界を印加することで、液晶分子が垂直方向に傾くため、液晶層の屈折率が低くなる。

なお、液晶層は、交流駆動され、液晶層を挟む２つの電極に印加される電圧は、半周期ごとに、極性が反転される。例えば、共通電極２９に０Ｖが印加され、電極２７（又は電極２６）に絶対値がＶ１で極性が正と負との電圧が交互に印加される。以下の説明において、特に言及しない場合でも、液晶層は交流駆動される。

図７の各液晶パネルにおいて、ハッチングがない部分は、液晶層に電界が印加されず、屈折率が高い領域を示している。ドットハッチングの部分は、液晶層に電界が印加され、屈折率が低い領域を示している。

周期幅Ｗにおいて、左から右に行くにつれて、屈折率が高い領域が多くなる。すなわち、光偏向素子１２のうち周期幅Ｗに対応する領域には、屈折率の勾配が形成される。屈折率が最も高い領域は、光が進む速度が最も遅く、屈折率が最も低い領域は、光が進む速度が最も速い。すなわち、屈折率が最も高い領域を透過したレーザー光と、屈折率が最も低い領域を透過したレーザー光とは、所定の位相差を有する。これにより、周期幅Ｗの左端と右端とでレーザー光に位相差が生じるため、レーザー光は、左側に偏向する。

なお、レーザー光を右側に偏向させる場合は、電極２６の電圧と電極２７の電圧とを入れ替えればよい。

また、液晶パネル２１（具体的には、電極２６、又は電極２７）に印加する電圧Ｖ１のレベルを変えることで、液晶分子の傾きを変えることができる。電圧Ｖ１が大きくなるにつれて、液晶層に印加される電界が高くなり、液晶分子がより垂直方向に傾く。すなわち、電圧Ｖ１が大きくなるにつれて、液晶層の屈折率が低くなる。電圧Ｖ１の大きさを変えることで、偏向角が調整できる。最大の偏向角は、液晶層のしきい値電圧以上の電圧Ｖ１を電極２６又は電極２７に印加した場合に実現される。

［５］比較例
次に、比較例について説明する。図８は、比較例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。図８は、レーザー光を左側に偏向させる例を示している。比較例に係る光偏向素子１２は、例えば１５個の液晶パネル２１－１～２１－１５が積層されて構成される。

図８の各液晶パネルにおいて、ハッチングがない部分は、液晶層に電界が印加されず、屈折率が高い領域を示している。ドットハッチングの部分は、液晶層に電界が印加され、屈折率が低い領域を示している。すなわち、ハッチングがない部分は、電極２６が配置された領域を示し、ドットハッチングの部分は、電極２７が配置された領域を示している。

全ての液晶パネル２１－１～２１－１５に対して、共通電極２９、及び複数の電極２６に０Ｖが印加され、複数の電極２７に正電圧Ｖ１が印加される。これにより、比較例に係る光偏向素子１２には屈折率の勾配が形成されるので、偏向動作を実現できる。

液晶パネル２１－１～２１－１５にそれぞれ含まれる１５個の電極２６は、最小の電極幅ずつ大きくなるようして、順に長くなる。すなわち、１５個の電極２６は、階段状に形成される。

液晶パネル２１－１～２１－１５にそれぞれ含まれる１５個の電極２７は、最小の電極幅ずつ小さくなるようして、順に短くなる。すなわち、１５個の電極２７は、逆階段状に形成される。

液晶パネル２１－１～２１－１５の電極パターンをそれぞれパターン“Ａ”～“Ｏ”と表記する。比較例に係る光偏向素子１２は、パターン“Ａ”～“Ｏ”の１５種類の液晶パネルを用いて構成される。

比較例では、液晶パネルごとに電極パターンが異なるため、電極パターンを加工するためのマスクを液晶パネルの数だけ用意する必要がある。これにより、光偏向素子１２の製造コストが高くなる。積層される液晶パネルの数がさらに増えると、液晶パネルの種類が増えてしまう。よって、積層される液晶パネルの数が増えるにつれて、光偏向素子１２の製造コストが高くなる。

一方、本実施形態では、１５個の液晶パネル２１－１～２１－１５を積層して光偏向素子１２を構成した場合、４種類のパターン“ａ”～“ｄ”を有する４種類の液晶パネルを組み合わせて光偏向素子１２を形成できる。これにより、本実施形態は、比較例に比べて、光偏向素子１２の製造コストを低減できる。

［６］実施例
次に、実施例について説明する。図９及び図１０は、実施例及び比較例におけるパネル数（液晶パネルの数）と、パターン数（電極パターンの数）との関係を説明するグラフである。以下に、第１例～第１３例に係るパターン数について説明する。

（第１例）
図１１は、第１例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。図１１において、ハッチングがない部分（白い部分）は、電極２６が配置された領域を示し、ドットハッチングの部分は、電極２７が配置された領域を示している。また、図１１は、レーザー光を左側に偏向する例を示している。

第１例に係る光偏向素子１２は、３個の液晶パネル２１－１～２１－３を備える。光偏向素子１２は、２種類のパターン（パターン“ａ”、“ｂ”）を用いて構成される。

図１２は、第１例に係る積層構造の基本単位を説明する断面図である。図１２における周期幅Ｗに対応する繰り返し単位の数は、図１１における繰り返し単位の数より少ない。繰り返し単位の数は、任意に設定可能である。

（第２例）
図１３は、第２例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第２例に係る光偏向素子１２は、４個の液晶パネル２１－１～２１－４を備える。光偏向素子１２は、３種類のパターンを用いて構成される。図１３の太線で示した四角は、積層構造の基本単位であり、図１２の構成に対応する。図１３は、図１２の基本単位を一部に含む。

（第３例）
図１４は、第３例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第３例に係る光偏向素子１２は、５個の液晶パネル２１－１～２１－５を備える。光偏向素子１２は、３種類のパターンを用いて構成される。図１４は、図１２の基本単位を一部に含む。

（第４例）
図１５は、第４例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第４例に係る光偏向素子１２は、６個の液晶パネル２１－１～２１－６を備える。光偏向素子１２は、４種類のパターンを用いて構成される。図１５は、図１２の基本単位を一部に含む。

（第５例）
図１６は、第５例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。図１６は、レーザー光を左側に偏向する例を示している。

第５例に係る光偏向素子１２は、７個の液晶パネル２１－１～２１－７を備える。光偏向素子１２は、３種類のパターン（パターン“ａ”～“ｃ”）を用いて構成される。

図１７は、第５例に係る積層構造の基本単位を説明する断面図である。図１７における周期幅Ｗに対応する繰り返し単位の数は、図１６における繰り返し単位の数より少ない。繰り返し単位の数は、任意に設定可能である。

（第６例）
図１８は、第６例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第６例に係る光偏向素子１２は、８個の液晶パネル２１－１～２１－８を備える。光偏向素子１２は、４種類のパターンを用いて構成される。図１８の太線で示した四角は、積層構造の基本単位であり、図１７の構成に対応する。図１８は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第７例）
図１９は、第７例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第７例に係る光偏向素子１２は、９個の液晶パネル２１－１～２１－９を備える。光偏向素子１２は、４種類のパターンを用いて構成される。図１９は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第８例）
図２０は、第８例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第８例に係る光偏向素子１２は、１０個の液晶パネル２１－１～２１－１０を備える。光偏向素子１２は、５種類のパターンを用いて構成される。図２０は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第９例）
図２１は、第９例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第９例に係る光偏向素子１２は、１１個の液晶パネル２１－１～２１－１１を備える。光偏向素子１２は、４種類のパターンを用いて構成される。図２１は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第１０例）
図２２は、第１０例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第１０例に係る光偏向素子１２は、１２個の液晶パネル２１－１～２１－１２を備える。光偏向素子１２は、５種類のパターンを用いて構成される。図２２は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第１１例）
図２３は、第１１例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第１１例に係る光偏向素子１２は、１３個の液晶パネル２１－１～２１－１３を備える。光偏向素子１２は、５種類のパターンを用いて構成される。図２３は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第１２例）
図２４は、第１２例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第１２例に係る光偏向素子１２は、１４個の液晶パネル２１－１～２１－１４を備える。光偏向素子１２は、５種類のパターンを用いて構成される。図２４は、図１７の基本単位を一部に含む。

（第１３例）
図２５は、第１３例に係る光偏向素子１２の模式的な断面図である。

第１３例に係る光偏向素子１２は、１５個の液晶パネル２１－１～２１－１５を備える。光偏向素子１２は、４種類のパターンを用いて構成される。図２５は、図１７の基本単位を一部に含む。

第１乃至第１３例のいずれにおいても、電極を階段状に形成する比較例と比べて、パターン数を低減できる。図９及び図１０に示すように、パネル数が増えると、パターンの削減効果が大きくなる。例えば、６３個の液晶パネルを用いて光偏向素子を構成した場合、６種類のパターンのみで光偏向素子を構成することができる。

［７］実施形態の効果
レーザー光を光偏向素子で偏向させる場合、大きな偏向角（屈折角）を得るには液晶層を厚くする必要がある。液晶層を厚くした場合、電圧印加による応答性が悪化する問題がある。さらに、効率の高い屈折を生じさせるためには、液晶パネル内の屈折率を一定の割合で変化させる必要があり、電極ごとに印加電圧レベルを正確に制御する必要がある。

本実施形態では、距離測定装置１０は、積層された例えば７個の液晶パネル２１を備える光偏向素子１２を含む。７個の液晶パネル２１の各々は、基板２２、２３と、基板２２、２３間に充填された液晶層２４と、基板２２に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数の電極２６と、基板２３に設けられた共通電極２９とを含む。光偏向素子１２は、第１ピッチＰ１で配置された複数の電極２６を有する第１液晶パネル２１－１と、第１ピッチＰ１の２倍の第２ピッチＰ２で配置された複数の電極２６を有する第２及び第３液晶パネル２１－２、２１－３と、第２ピッチＰ２の２倍の第３ピッチＰ３で配置された複数の電極２６を有する第４乃至第７液晶パネル２１－４～２１－７とを含む。

従って、本実施形態によれば、光偏向素子１２の電極２６に同じ電圧を印加することで、光偏向素子１２に屈折率の勾配を形成できる。これにより、簡単な電圧制御でレーザー光を偏向させることができる。

また、例えば７個の液晶パネルを積層する場合、３種類の電極パターンを有する３種類の液晶パネルを組み合わせて、光偏向素子１２を構成できる。これにより、電極パターンを形成するマスクの数を低減できるため、光偏向素子１２の製造コストを低減できる。積層される液晶パネルの数が多くなるほど、液晶パネルの種類の削減効果が大きい。

また、複数の液晶パネルを積層することで、光偏向素子１２全体の液晶層の厚さを厚くできる。これにより、偏向角を大きくすることができる。

また、積層する液晶パネルの数が少ない場合、マスク数、及びパネル数を低減できるため、コストを削減することができる。また、液晶パネルによるレーザー光の減衰が少なくなるため、光偏向素子１２の透過率が向上する。

なお、上記実施形態では、光偏向素子１２が左右両側にレーザー光を偏向させる構成例を示している。片側のみに偏向させる場合は、各液晶パネル２１は、電極２６及び電極２７の一方のみを備えていればよい。この場合の電極ピッチは、１つの電極と、これに隣接するもう１つの電極との間隔とを合わせた長さである。

上記実施形態では、距離測定装置が扱うレーザー光として赤外線レーザー光を用いている。しかし、これに限定されず、距離測定装置は、赤外線以外の光線にも適用可能である。

上記実施形態では、車両に搭載される距離測定装置について説明している。しかし、これに限定されず、距離測定装置は、レーザー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…距離測定装置、１１…光源、１２…光偏向素子、１３…受光素子、１４…パルスタイミング制御部、１５…偏向角制御部、１６…距離演算部、１７…主制御部、２１…液晶パネル、２２，２３…基板、２４…液晶層、２５…シール材、２６，２７…電極、２８，３０…配向膜、２９…共通電極

Claims

レーザー光を発光する光源と、
前記レーザー光を偏向し、積層された複数の液晶パネルを有する光偏向素子と、
前記光偏向素子が備える複数の電極に電圧を印加する制御部と、
前記光偏向素子から投光されたレーザー光が対象物によって反射されたレーザー光を受光する受光素子と
を具備し、
前記複数の液晶パネルの各々は、
第１及び第２基板と、
前記第１及び第２基板間に充填された液晶層と、
前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数の電極と、
前記第２基板に設けられた共通電極と
を含み、
前記光偏向素子は、
それぞれが第１幅を有する複数の電極を有する第１液晶パネルと、
それぞれが前記第１幅の２倍の第２幅を有する複数の電極を有する第２及び第３液晶パネルと
を含む
距離測定装置。
前記光偏向素子は、それぞれが前記第２幅の２倍の第３幅を有する複数の電極を有する第４乃至第７液晶パネルをさらに含む
請求項１に記載の距離測定装置。
前記光偏向素子は、それぞれが前記第３幅の２倍の第４幅を有する複数の電極を有する第８乃至第１５液晶パネルをさらに含む
請求項２に記載の距離測定装置。
前記複数の電極は、交互に配置された複数の第１電極及び複数の第２電極を含み、
前記制御部は、前記共通電極、及び前記複数の第１電極に第１電圧を印加し、前記複数の第２電極に第２電圧を印加する
請求項１乃至３のいずれかに記載の距離測定装置。