JP7209969B2 - 円偏光型偏波ダイバーシティ素子、これを用いたスキャニング素子及びＬｉｄａｒ - Google Patents

円偏光型偏波ダイバーシティ素子、これを用いたスキャニング素子及びＬｉｄａｒ Download PDF

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Description

本発明は、円偏光型素子および光ビームデジタルスキャニング素子、さらにはそれらを用いたLidarとスキャニング方法に関する。
図１は従来の偏光制御技術としての偏波ダイバーシティ―の一実施例（特許文献１）である。偏光ビームスプリッター102で２つの直交する直線偏光に分離した後、一方の光路に偏光回転素子107で回転させ、２つの光路を伝搬する光の偏光を同じ（ここでは縦方向に振動する直線偏光）にしている。しかし、本偏波ダイバーシティ―方式は、直線偏光で動作する素子には有効であるが、円偏光で動作する素子には使用できない。
一方、図２は、従来のスキャニング素子であるMEMSミラー８を用いたLidarの構成を示したものである。半導体レーザ１、レンズ２、受光素子３、ビームスプリッター４およびスキャニング素子であるMEMSミラー８から構成されている。半導体レーザ１から発した光ビーム６はレンズ２で所望の光ビームサイズに変換されたのち、ビームスプリッター４を通過後、MEMS ミラー８により１元（X軸、Y軸）あるいは２次元（X－Y面）に物体５をスキャンする。物体５からの反射光７の一部は、MEMSミラー８に戻り、ビームスプリッター４で反射され、レンズ２で所望のスポットサイズに変換された後受光素子３で受光される。このようにLidarは、外界を光ビームによってスキャンし、外界の物体５からの距離を測定するもので、Scanning Range Finderともいわれる。
本構成は同軸系と言われ、半導体レーザ１から発した光ビーム６と物体５から反射してきた反射光７は、物体５からMEMSミラー８を経てビームスプリッター４までは、ほぼ同じ光路上を伝搬し、受光素子３で受光される。このため、受光される光を照射する光ビーム６の反射光にほぼ限定できるため、太陽光などの外部光の影響を受けにくい特徴を持つ。しかし、受光される反射光７はMEMSミラー８の開口で制限されるため、MEMSミラー８の面積が小さい場合は大きな光パワーを得ることが難しい。
図３は従来の別のLidarの構成を示したものである。非同軸系と言われ、半導体レーザ１から発した光ビーム６と物体５からの反射した反射光７はそれぞれ別の光路上を伝搬する。本方式は、送信側と受光側の光学系が異なるため、MEMSミラー８の開口に制限されず、受光素子３の前のレンズ２の開口を大きくすることができ、大きな光パワーを受光できる。しかし、太陽光などの外部光の影響を受けやすく、昼間ではS/N（信号対雑音比）が劣化する。
また、図２、図３に示した従来のLidarの構成、あるいは次で述べるLidarの構成（特許文献２）では、光軸調整などの組立に微調整が必要であり、量産性に向いていない。また、一般に半導体レーザ１や受光素子３は高温では特性が劣化し、半導体レーザ１の場合は、光パワーが極めて小さくなる。このようなLidarを自動車に搭載する場合、遠方まで光ビームを照射させるため、Lidarは車の上部に搭載することが望ましいが、車の上部の温度は高温になりやすくLidarの搭載が困難になる。
一方、自動運転などにLidarを用いるためには、上記したように外界の物体を２次元的に光ビームでスキャニングする必要がある。これまで、種々の光ビームスキャン方法が報告されている。特許文献２は、その一例であり、１次元でスキャンするポリゴンミラーとガルバノミラーを組み合わせて２次元のスキャンを可能としている。この他にも特許文献３に示すMEMSミラーを用いた2次元スキャニング方式のLidarが報告されている。
スキャナーとしては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、MEMSミラー、共振バルクミラーなどが報告されている。ポリゴンミラー、ガルバノミラーは、モーターを用いてミラーを駆動するものであり、共振バルクミラーはバルクミラーの共振周波数で振動させるものである。また、MEMSミラーは微細加工により形成した小さなミラーをElectrostatic、Electromagnetic、Piezoelectric効果などにより駆動させるものである。ここでは従来技術のMEMSミラーのスキャンについて説明する。
MEMSミラーの駆動方式には、(a)共振モードと(b）非共振モードがある。(a)共振モードと(b）非共振モードで駆動した時のラスタースキャンの光ビーム軌跡の一例を図４Ａと図４Ｂに示す。図４Ａに示される共振モードはMEMSミラーを共振周波数で駆動させるもので大きな変位角度と高速スキャンが可能となるが、振動の折り返し点と中心点では回転速度が異なり、また、温度などにより共振周波数が変化するため、その制御が必要となる。一方、図４Ｂに示される非共振モードでは、光ビームを停止、移動といった回転も可能となるため、等間隔のスキャンを実現できるが、変位角度は小さくなり、スキャンも低速となる。
また、図４Ａで示される共振モードと図４Ｂで示される非共振モードともスキャンは全面を一筆書きでスキャンするラスタースキャンであり、図５に示すような、任意の点から任意の点まで任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルにスキャンすることはできない。この一筆書きのラスタースキャンは、MEMSミラーのみならず、その他の、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、共振バルクミラーも同様である。その理由は、慣性のあるミラーを物理的に回転させるため、効率的（高速）に動かすためには、なるべく近くの位置をスキャンするラスタースキャンは効率が良いためである。
自動運転やドライバー運転支援システムに用いるLidarは、リアルタイムで人の動きや物体を認識する必要があるため、用いる光ビームのスキャンは、高速、高密度にスキャンすることが望まれる。しかし、これを実現するためには、高速で光ビームをスキャンできるスキャニング素子や高速な光素子および高速な電子回路が必要となり、一般にシステムのコストが上昇する。一方、車を安全に運転するためには、車前方のシーン全てが重要であるわけではなく、空などの背景など重要でないエリアも多く含まれる。このため、有限の速度で動作する光ビームを有効に活用するためには、光ビームのスキャンを重要なエリアと重要でないエリアに異なった重みづけしたスキャン方式が望ましい。
図６は自動運転あるいは運転支援システムに用いるLidarの光ビームのスキャン方式の従来の一実施例を示したものである。ここでは、スキャニング素子にMEMSミラーを用いているため、車からの前方のシーンを一筆書きのラスタースキャンで行っている。しかし、空などの背景（破線で囲った部分）は、車を制御するために重要な部分ではなく、信号機や対向車、人など（実線で囲った部分）重要な部分を高解像度、高頻度でスキャンすることが望ましい。しかし、従来の前記しスキャニング素子では、一様なスキャンであり、任意の点を任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンすることはできなかった。
特開2010-60656号公報 US Patent 5,006,721 US 2012/0236379A1公開公報
よって上に述べた従来技術の解決すべき問題点は次のようになる。
（１）従前の偏光制御技術としての偏波ダイバーシティ―方式（特許文献１）は、直線偏光で動作する素子には有効であるが、円偏光で動作する素子には使用できない。
（２）従来のLidarの構成では、光軸調整などの組立に微調整が必要であり、量産性に向いていない。
（３）従来のレーザ源とLidarを一体化する構成では高熱に耐性がないため、Lidarを車の上部へ搭載することが困難である。
（４）従来のスキャニング素子は、基本的にミラーなどを連続的に回転させるものであり、慣性があるため、一筆書きでシーンをスキャンするラスタースキャンであり、任意の点から別の任意の点まで非連続的に移動したり、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンしたりすることはできない。
本発明では、入力された光の偏光状態に無依存に一定の偏光状態を有する光を出力するための偏波ダイバーシティ素子であって、半波長板となるような厚さの複屈折ダイレクターがある周期Λで回転している偏光グレーティングを２枚用い、これらの偏光グレーティングを所望の間隔となるように配置し、その一方から任意の偏光状態（SOP：State of Polarization）を持つ、円偏光の回転方向に依存して分離出射された２つの右回り、左回りの円偏光のどちらか一方に半波長板を挿す構成とし、平行な近接する同じ回転方向の円偏光への変換を実現する円偏光型偏波ダイバーシティ素子を作製した。
また、その円偏光型偏波ダイバーシティ素子を用いてブルー相液晶と透明電極からなる偏光スイッチ素子の両側に高屈折率の透明な楔ブロックを点対称に配置したものに偏光グレーティングを貼り付けた構造を基本構成としてこれらを多段に配置した構成において、偏光スイッチ素子に対する電圧の印加の有、無の組み合わせにより出力される光ビームを用いてデジタル的にスキャニングすることを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子を作製した。
さらに、その光ビームデジタルスキャニング素子と、半導体レーザおよび受光素子でLidarを構成し、その間を、光を空間に出すことなく単一モード光ファイバおよび単一光ファイバカプラで接続し、光ビームデジタルスキャニング素子の部分をその他の部分と分割し、その間を１ｍ以上の長さの単一モード光ファイバで繋ぎ、車載における実装に柔軟性を持たせて、温度の影響を低減し得る構成とした。
最後に、Lidarシステムに偏光スイッチと偏光グレーティングを１組として、それらを所望のセット数だけ多段に接続した構造のスキャニング素子を構成し、光スポット１１について任意の点から別の任意の点までを非連続的に移動することができ、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに、ラスタースキャンと同等の高速スキャンを可能とした。
上に述べた構成により次の事項が可能となった。
（１）円偏光で動作する素子へ適用できる偏波ダイバーシティ―方式を実現できる。
（２）光軸調整などの組立に微調整が不要となり、量産性に優れたLidarを実現できる。（３）Lidarが車の上部への搭載が可能となる。
（４）任意の点からの任意の点まで非連続的に移動することができ、また、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンできるLidarを実現できる。
従来の偏波ダイバーシティ―の一実施例（特許文献１）である。 従来のスキャニング素子であるMEMS Mirror８を用いたLidarの構成を示したものである。 従来の別のLidarの構成を示したものである。 共振モードで駆動した時のラスタースキャンの光ビーム軌跡の一例である。 非共振モードで駆動した時のラスタースキャンの光ビーム軌跡の一例である。 任意の点から任意の点まで任意の頻度、任意のパターンでスキャンする理想的なスキャンの一例である。 自動運転あるいは運転支援システムに用いるLidarの光ビームのスキャン方式の従来の一実施例を示したものである。 本発明である円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１の一実施例である。 偏光グレーティング９２の構造と機能を示した図である。 光ビームデジタルスキャニング素子の一例を示したものである。 基本ユニットの一例を示す図である。 偏光スイッチ素子の一部の構造を拡大表示する図である。 自動運転として理想的な重みづけしたデジタルスキャンを示したものである。 理想的な重みづけしたデジタルスキャンを実施できるToF（Time of Flight）方式Lidarの一実施例を示したものである。 理想的な重みづけしたデジタルスキャンを実施できる光FMCW方式Lidarの実施例を示したものである。 図１１で示したToF（Time of Flight）方式の別の実施例を示したものである。 図１３で示した光FMCW方式を変形し、光を単一モード光ファイバ１０１に閉じ込めたAll Fiberで構成したものである。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の平面図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の側面図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の偏光スイッチ素子の一部の構造を拡大表示する図である。 図７の円偏波型偏波ダイバーシティ―７１と同じ機能を持つ別の実施例である円偏光変換器を示す。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子を示す図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の平面図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の側面図である。 入射角度θyを説明する図である。 入射角度θyを説明する図である。 入射角度θyと発生する損失との関係の一例を示すグラフである。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の平面図である。 他の実施例における光ビームデジタルスキャニング素子の側面図である。 他の実施例における偏光グレーティングの一例を示す図である。 他の実施例における偏光グレーティングの一部の構造を拡大表示する図である。
以下に図を用いて説明する実施例は、本発明を限定するものと解釈してはならない。実施例は、適宜変更実施することができることは言うまでもない。
図７に本発明である円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１の一実施例を示す。単一モード光ファイバ３１から出射した光ビーム３２は、レンズ２を用いてコリメートされる。その偏光状態は右回りの円偏光（ｍ=＋1に対応：実線）と左回りの円偏光（ｍ=-1に対応：破線）に分解することができる。光ビーム３２はその後、偏光グレーティング９２に入射すると、右回りの円偏光は上方へ、左回りの円偏光は下方へ向きを変え（偏向し）、それぞれ逆に回転する円偏光に変換される。
図８に偏光グレーティング９２の構造と機能を示す。偏光グレーティング９２は、例えば液晶ポリマーなどから構成されており、そのダイレクターが一定の周期Λで回転軸Aに沿って回転しているものである。その厚さは、各ダイレクターの複屈折率差との積が半波長板となるように設定されている。本偏光グレーティング９２はユニークな動作をし、入射した円偏光のビームをその回転方向に従って、X－Z平面内で光ビームの進行方向を右あるいは左方向にスイッチさせる（偏向させる）。
例えば、（A）に示すように右周りの円偏光は、右側にスイッチし、左回りの円偏光となって出力される。逆に（B）に示すように左周りの円偏光は、左側にスイッチし、右周りの円偏光となって出力される。スイッチ（偏向）する角度θoutは、（１）式によって与えられる。
ｍは、次数であり、通常のレリーフ型のグレーティングでは、±１、±２・・・と多くの次数が存在するが、本偏光グレーティング９２では、右、左に偏向光ビームに対応した±１次の次数しか存在しない。このため、高効率で光ビームをスイッチ（偏向）できる。
再び、図７に戻って説明する。入射角度θinと出射角度θoutとには（１）式の関係が成り立つ。スイッチ（偏向）する角度θoutは、周期Λの逆数に比例し、小さいΛほど大きな角度で偏向する。
Figure 0007209969000001
ここで、ｍ＝±１で右回りの円偏光（ｍ=１に対応）と左回りの円偏光（ｍ=－１に対応）を表す。いま、光ビーム３２が偏光グレーティング９２に垂直に入射した場合（θin =０°）、
Figure 0007209969000002
となる。この光ビームが後段の偏光グレーティング９２へ入射すると、θin=θoutとなるため、
Figure 0007209969000003
となり、最終的にはZ軸と平行に伝搬する光ビームとなる。また、図７に示すように、右回りの円偏光と左回りの円偏光がオフセットし並進する２つの光ビームとなる。このオフセットは、偏光グレーティング９２の分離角の２倍（２θout）と２枚の偏光グレーティング９２の間隔で決定され、スポット径（直径）Wo程度であることが望ましい。
この一方の光路に半波長板１６を挿入すると、２つの光ビームは同じ（ここでは右回りの円偏光）方向に回転する光ビームとなり円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１を実現できる。なお、位相板１７を別の光路に挿入して、２つの光ビームの位相を調整してもよい。
本円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１を用いた光ビームデジタルスキャニング素子の一例を図９Ａ～図９Ｃに示す。図９Ａは光ビームデジタルスキャニング素子を、図９Ｂは基本ユニットを示す。また、図９Ｃは偏光スイッチ素子９１の一点鎖線Ａで囲まれた部分の構造を拡大表示した図である。図９Ａに示される光ビームデジタルスキャニング素子９０は、図９Ｂに示される基本ユニット９４を所望のセット数だけ多段に接続したものに円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１とレンズ２を配置したものである。
図９Ｂおよび図９Ｃに説明されるように、基本ユニット９４は、ポリマー安定化したブルー相液晶９５をガラス基板上に透明電極９７が形成された２枚の平板電極９６でサンドイッチした偏光スイッチ素子９１と、それを２枚の高屈折率の材料からなる楔ブロック９３で点対称に挟んだものである。また基本ユニット９４の光の出力面には、偏光グレーティング９２を配置あるいは張り付けている。
本光ビームスキャニング素子の基本ユニットの動作を説明する。偏光スイッチ素子９１は、電圧を印加しない場合は、アイソトロピックな媒体であるため、入力された偏光は状態を保ったまま出力される。所望の電界を印加した場合は、半波長板として動作し、円偏光の回転方向を逆転させる。
今、図９Ｂに示すように、左側より右周りの円偏光を基本ユニット９４に入射したとする。高屈折率の材料からなる楔ブロック９３に入射した光はスネルの法則に従って、偏光スイッチ素子９１を斜めに伝搬する。
これによりブルー相液晶に生じた複屈折率を効率的に利用できる。その後、再びスネルの法則に従って高屈折率の材料からなる楔ブロック９３に入るとZ軸に平行な光線となり、偏光グレーティング９２に垂直に入射する。ここで、ブルー相液晶９５に印可する電圧により、上下方向に光ビームが偏向する（ここでは図８で示したダイレクターの回転軸AはY軸と平行に配置されている）。
図９Ａに示す光ビームデジタルスキャニング素子９０は円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１とレンズ２および基本ユニット９４を多段に接続した構成となっている。
なお、レンズ２はスポットサイズを変換するものであり、数枚用いる場合もあれば、１枚も用いない場合もある。左側から入射された任意の偏光状態の光は、円偏波型偏波ダイバーシティ―素子７１により、右回りあるいは左周りのどちらか一方の円偏光となり、レンズ２により任意のスポット径の光ビームに変換された後、基本ユニット９４を多段に接続したブロックに入射する。
左から偏光グレーティング９２の周期がΛ１～Λ６まで変化しており、これら角度に応じて、２N（Nは段数、N=1,2,3,・・・）のデジタル的な偏向角度を持つ光ビームとなる。ここで重要なことは、各ブルー相液晶９５に印可する電圧をON（ビット１）、OFF（ビット０）にすることで、デジタル的に光ビームの位置を制御（プログラム）できる点にある。
例えば、（１１１１１１）のビット列は、一番上向きの光ビームを表し、（００００００）は一番下向きの光ビームを表す。これらの光ビームは、MEMSミラーのように慣性が無く、その位置を飛び飛びに移動する。すなわち、１番上のビームは一番下のビームに瞬時に移動する。他の光ビームも同様に瞬時に移動する。
この動作は、基本ユニット９４を直交して多段に配置することで、X－Y面の二次元動作が可能となる。この光ビームデジタルスキャニング素子９０を用いることで、従来技術では困難であった、図５に示したアトランダムな動きであってもあらかじめプログラムすることで、任意の点から任意の点まで、任意の頻度で、任意のパターンで選択して光ビームを柔軟にスキャンできるようになる。
また、図１０に示したような、従来技術では困難であった、信号機や先行車、対向車のような自動運転に重要な部分はより高密度・高頻度でスキャンし、空のような自動運転に重要でない部分はスパース的（低密度）・低頻度でスキャンというような重みづけしたデジタルスキャンが可能となる。
図１５Ａ～図１５Ｄは光ビームデジタルスキャニング素子の他の実施例を示す図である。図１５Ａは光ビームデジタルスキャニング素子９０の斜視図である。図１５Ｂは図１５Ａの光ビームデジタルスキャニング素子９０を矢印（Ａ）で示される方向から見た平面図である。図１５Ｃは図１５Ａの光ビームデジタルスキャニング素子９０を矢印（Ｂ）で示される方向から見た側面図である。図１５Ｄは偏光スイッチ素子の構造の一部を拡大表示した図である。
基本ユニット１０１、１０２は、それぞれ光ビームをY方向、X方向にスイッチ（偏向）するものである。各基本ユニットは偏光スイッチ素子９１と偏光グレーティング９２を張り合わせたものを１組として、偏光グレーティング９２のダイレクターの回転の周期Λの異なったものを多段に配置あるいは張り合わせ、その両側に２枚の高屈折材料からなる楔ブロック９３で点対称に挟んだものである。
図１５Ｄに示されるように、偏光スイッチ素子９１はブルー相液晶９５をガラス基板上に透明電極９７が形成された２枚の平板電極９６でサンドイッチしたものであり、電圧を印加しない場合は、アイソトロピックな媒体として動作し、入力された偏光は状態を保ったまま出力される。所望の電界を印加した場合は、半波長板として動作し、円偏光の回転方向を逆転させる。これにより、図９Ａ～図９Ｃに示されたものと同様の機能を実現できる
図１１は、この上記したスキャンを実施できるLidarの一実施例を示したものである。本Lidarは、構成としては前述した図２と同じ同軸系であるが、ステアリング素子に反射型のMEMSミラー８の代わりに、透過型の光ビームデジタルスキャニング素子９０を用いている。
一方、Lidarの変調方式としては種々の方式が報告されている。本実施例では変調方式としてToF（Time of Flight）方式を用いている。本方式は光パルス９の送信（受光素子３による送信する光パルス９の受光）から光パルス１０の受信（受光素子３による受光）までの時間差Tを測定することで、物体５までの距離ｄを、ｄ＝ｃT／２（ここで、ｃは光速）に従って、測定するものである。ただしTはLidar構成の光路長により適宜補正するものとする。
距離精度を上げるためには、連続した光短パルスを送信・受信できる電子回路、光学素子が必要となる。
図１２は、光ビームデジタルスキャニング素子９０を用いた別の実施例を示したものである。本変調方式は、光FMCW方式と呼ばれるもので、コヒーレンシーの良い、単一の狭い周波数で発信する半導体レーザ１を光源に用いる。
半導体レーザ１から発した矩形波２４（時間的に矩形）の光は、光周波数変調器２０を用いて周波数がチャープした矩形波２５（時間的に周波数がLinearに変化しほぼ直線的に増加、減少する）に変換される。光周波数変調器２０は、LiNbO3を用いた変調器などにより実現できるが、光周波数変調器２０を用いなくても、半導体レーザ１に直接注入する電流を変化させることでも実現できる。周波数がチャープした矩形波２５は２つのビームスプリッター４を通過した後、レンズ２を用いて所望の光ビームサイズのコリメート光に変換される。
その後、光ビームデジタルスキャニング素子９０に入射し、所望のスキャンパターンで光ビーム６を走査し、物体５を照射する。物体５から反射した反射光７は、光ビームデジタルスキャニング素子９０を通過後、ビームスプリッター４で反射し、ミキシング用のビームスプリッター４１に入射する。
一方、ミキシング用のビームスプリッター４１の左方向からは半導体レーザ１側から発し、ビームスプリッター４で分光され全反射ミラー２７で反射した光が入射する。このように、ミキシング用のビームスプリッター４１には、時間差Tで互いにシフトした２つの周波数チャープした矩形波２５、戻り矩形波２６がミキシング（足し合わせる）され、２つの受光素子３で受光される。
この２つの受光素子３の光量を調整することで、直流成分上にある微小な光交流信号を効率的に受信できる。２つの受光素子３からは、矩形波２５、戻り矩形波２６のミキシングにより発生するビート信号のビート周波数（fb）が得られ、これより物体５までの距離ｄが、ｄ＝C・fb ／(4Δf・fm)より算出できる。ここで、Δfは、周波数チャープの変化量（Peak to Peak 周波数変位）であり、fmは周波数チャープの繰り返し変調周波数である。光FMCW方式は、ToF（Time of Flight）方式に比べ、光学素子が少し複雑になるが、高いS/N（信号対雑音比）を得ることができる。
以上、２つのLidar方式を説明したが、本発明で重要なことは、スキャニング素子に任意の点から任意の点まで任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルにスキャンできる光ビームデジタルスキャニング素子９０を用いていることである。本光ビームデジタルスキャニング素子は、MEMSミラーのような慣性ある物体を動かす必要がなく、図５に示したように、光ビームの照射位置を任意の点から別の任意の点まで、とびとびにジャンプさせることができる。
この動きは、例えばプログラム、あるいはハードウェア制御のような手段で自由に制御できるため、図１０に示したように、従来技術では困難であった、信号機や先行車、対向車のような自動運転に重要な部分はより高密度・高頻度でスキャンし、空のような自動運転に重要でない部分はスパース的・低頻度でスキャンというような重みづけしたデジタルスキャンが可能となる。
図１３は、図１１で示したToF（Time of Flight）方式の別の実施例を示したものである。本Lidarでは、バルク型のビームスプリッター４の代わりに単一モードの光ファイバカプ２２を用いて光を単一モード光ファイバ１０１に閉じ込めたAll Fiberで構成したものである。
また、高温で性能が劣化する半導体レーザ１や受光素子３などのエリアAと光ビームデジタルスキャニング素子９０であるエリアBを約１ｍの単一モード光ファイバ１０１で繋いでいる。
一般に、Lidarを車に搭載する場合を考えると、前方のシーンを遠くまで計測するには、Lidarを高いところに配置することが望ましい。しかし、車の天井部分は太陽光の加熱などにより高温になりやすい。そこで、本実施例では、高温で性能が劣化しにくい光ビームデジタルスキャニング素子９０を車の天井部に近いところに配置し、高温で性能が劣化しやすい半導体レーザ１や受光素子３、上述の光交流信号を処理する信号処理・制御部などのエリアAを車内の温度の低いところに配置でき、その間を約１ｍの単一モード光ファイバ１０１で繋ぐことで信頼性の高いLidarを実現できる。
また、単一モード光ファイバ１０１に閉じ込めた方式であるため、複雑な光軸調整が必要でなく、組立は光ファイバの接続のみで可能となり量産性に優れている。
図１４は、図１３で示した光FMCW方式を変形し、光を単一モード光ファイバ１０１に閉じ込めたAll Fiberで構成したものである。この効果についても、上記したものと同じである。
図１６は、円偏波型偏波ダイバーシティ―７１と同じ機能を持つ別の実施例である円偏光変換器を示す。本円偏光変換器７２は、偏波面保存光ファイバ５１、コリメート用のレンズ２、１/４波長板１６より構成される。偏波面保存光ファイバ５１の主軸（Fast軸 あるいは slow軸）に入射された直線偏光は、直線偏向状態を保存したまま出射し（ここでは、X軸上で振動する直線偏光としている）、レンズ２によってコリメートされる。１/４波長板１６は、その複屈折軸がX軸から４５°の方位に傾けてあり、１/４波長板１６を通過した光は、図中に示すような右回りの円偏光となる。この円偏光変換器７２を、スキャニング素子の前段に配置し、光ビームデジタルスキャニング素子９０を実現してもよい。
図１７は光ビームデジタルスキャニング素子の他の実施例である。図１７に示される光ビームデジタルスキャニング素子は、偏光スイッチ９１と偏光グレーティング９２を張り合わせた基本ユニットを多段に張り合たせたものをX方向、Y方向用として２セット用いて、それぞれ互いに垂直に張り合わせ、それを楔ブロック９３で点対称に挟んだものである。図１７に例示される光ビームデジタルスキャニング素子の構成によれば、より小型化できる。楔ブロック９３としては、シリコンやガラスを用いることができる。
図１８Ａ～図１８Ｃは図１５Ａ～図１５Ｄ（あるいは図１７）に示される光ビームデジタルスキャニング素子を用いた場合の損失発生部を説明する図である。図１８Ａ～図１８Ｃの例においては、一例として、図１５Ａ～図１５Ｄに示される光ビームデジタルスキャニング素子を用いた場合を示している。図１８Ａは光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。図１８Ｂは図１８Ａの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印（Ａ）で示される方向から見た平面図である。図１８Ｃは図１８Ａの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印（Ｂ）で示される方向から見た側面図である。偏光グレーティング９２に光ビームが斜めに入射すると、図１８Ｂおよび図１８Ｃの一点鎖線で囲まれた損失発生部で損失が発生する。図１９Ａ～図１９Ｃは偏光グレーティング９２を６枚重ねて測定したときの入射角度θyと損失の関係を説明する図である。図１９Ｃは、図１９Ａおよび図１９Ｂに図示される入射角度θyを０°から３０°まで変化させた際に測定された損失を示すグラフである。入射角度θyが１０°程度では損失はほとんど発生しないが、角度をさらに大きくするとともに損失が増加する。ブルー相液晶からなる偏光スイッチ９１を低電圧で駆動させるためには、大きな角度で入射する必要があるが、損失とトレードオフの関係となる。
図２０Ａ～図２０Ｃは後段の損失発生部の損失を低減可能な光ビームデジタルスキャニング素子の構造の一例を説明する図である。図２０Ａは光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。図２０Ｂは図２０Ａの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印（Ａ）で示される方向から見た平面図である。図２０Ｃは図２０Ａの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印（Ｂ）で示される方向から見た側面図である。図２０Ａ～図２０Ｃに例示される光ビームデジタルスキャニング素子は、後段では、各光ビームが平行となるため、各光ビームでほぼ均一な損失を実現できる。
図２１Ａおよび図２１Ｂは、斜めに光ビームを入射する際の損失を抑制することが可能な、新規な偏光グレーティングの一例を示したものである。図２１Ａは、本例の偏光グレーティング９２の外観を示す図である。図２１Ｂは、図２１Ａの一点鎖線で囲まれた部分を拡大表示する図である。図２１Ｂに示されるように、偏光グレーティング９２を構成する液晶ダイレクター９８を斜め（α°）に配向させることで、光ビームが斜めに入射されても、液晶ダイレクター９８には垂直に入射されることになり、損失を抑制することができる。
本発明は、高速道路および一般道における自動運転カーのレーン制御と衝突防止のために用いられるLidarおよびそれを用いた自動運転カーシステムおよびドライバー運転支援システムに利用することができる。
１：半導体レーザ
２：レンズ
３：受光素子
４：ビームスプリッター
５：物体
６：光ビーム
７：反射光
８：MEMSミラー
９：光パルス
１０：光パルス
１１：光スポット
１２：信号機
１３：背景（空）
１４：先行車
１５：対向車
１６：半波長板
１７：位相板
２０：光周波数変調器
２４：矩形波
２５：周波数がチャープした矩形波（時間的に周波数がLinearに変化している）
２６：２５の戻り矩形波
３１：単一モード光ファイバ
３２：光ビーム
４１：ミキシング用のビームスプリッター
７１：円偏波型偏波ダイバーシティ―素子
９０：光ビームデジタルスキャニング素子（エリアB）
９１：偏光スイッチ素子
９２：偏光グレーティング
９３：楔ブロック
９４：基本ユニット
９５：ブルー相液晶
９６：平板電極
９７：透明電極
９８：液晶ダイレクター
１００：エリアA
１０１：単一モード光ファイバ
１０２：偏光ビームスプリッター
１０７：偏光回転素子
２０１：基本ユニット（Y方向）
２０２：基本ユニット（X方向

Claims (11)

  1. 光源から照射される所定のスポット径を有する光ビームを一定の偏光状態に変換して出力する偏光出力装置であって、
    複屈折のダイレクターを有し、照射された光ビームの円偏光の回転方向を逆転させるように形成された２枚の板状の偏光グレーティングと、
    照射された光ビームの円偏光の回転方向を逆転させる半波長板とを備え、
    前記ダイレクターは、板状の前記偏光グレーティングの平面と平行な一方向に延びる回転軸を中心に所定の周期で回転するものであり、
    ２枚の前記偏光グレーティングは、前記光ビームの照射方向と交差する方向に向けられて、前記照射方向に所定の間隔を空けて、前記回転軸の方向が一致するよう配置され、前記光ビームが照射された際に、前記照射方向の上流側に位置する前記偏光グレーティングが前記光ビームを右回りの円偏光と左回りの円偏光の２本の円偏光ビームに分離し、前記照射方向の下流側に位置する前記偏光グレーティングが２本の前記円偏光ビームを２本の平行な平行ビームとし、
    前記半波長板は、一方の前記平行ビームの軌道に交差する方向に配置され、照射された一方の前記平行ビームの円偏光の方向を他方の前記平行ビームの円偏光の方向と同一の方向に変換することを特徴とする偏光出力装置。
  2. 請求項１に記載の偏光出力装置を用いて、光ビームによるスキャンを行うスキャナ装置であって、
    前記偏光出力装置と、
    前記偏光出力装置に対して前記照射方向の下流側に配置され、入射される光ビームの偏光状態をスイッチする板状のスイッチング素子と、１枚の前記偏光グレーティングとを組み合わせた基本構成を前記照射方向に沿って複数接合したものとを備え、
    前記照射方向の下流側に向けて、複数の前記基本構成における前記偏光グレーティングの回転する周期を変更してなることを特徴とするスキャナ装置。
  3. 請求項２に記載のスキャナ装置であって、
    前記スイッチング素子が、ポリマー安定化したブルー相液晶を２枚の透明電極が形成された基板で挟んだ構造であり、
    前記透明電極に対する電圧の印加の有無の組合せにより、出力される光ビームの方向を変更可能としたことを特徴とするスキャナ装置。
  4. 請求項３に記載のスキャナ装置であって、
    前記基本構成は、板状の前記スイッチング素子の両面に、斜面を有する透明な楔ブロックの前記斜面を接触させ、光ビームの入力面と出力面が平行となるように点対称に装着し、前記出力面に前記偏光グレーティングを設けたことを特徴とするスキャナ装置。
  5. 請求項３に記載のスキャナ装置であって、
    前記基本構成は、板状の前記スイッチング素子の出力面に前記偏光グレーティングを設けたものであり、
    前記基本構成を多段に貼り合わせたものの両面に、斜面を有する透明な楔ブロックの前記斜面を接触させ、光ビームの入力面と出力面が平行となるように点対称に装着したことを特徴とするスキャナ装置。
  6. 請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のスキャナ装置を用いたＬｉＤＡＲであって、
    光源である半導体レーザと、前記半導体レーザから照射される光ビームをコリメート光に変換するレンズと、前記レンズからの光ビームを分光するビームスプリッターと、前記ビームスプリッターから分光された一方の光ビームを処理する前記スキャナ装置と、前記ビームスプリッターから分光された他方の光ビームを受光する受光素子と、前記スキャナ装置の信号処理及び制御を行う信号処理・制御部とを備え、
    前記スキャナ装置は、前記半導体レーザ、前記レンズ、及び前記ビームスプリッターを通った光ビームを受光して、内部で処理を行って出力光を出力すると共に、外部の物体からの反射光を受光し、
    前記信号処理・制御部は、前記受光素子により受光された光ビームと、前記スキャナ装置によって受光された反射光を用いて前記スキャナ装置から前記物体っまでの距離を算出することを特徴とするＬｉＤＡＲ。
  7. 請求項６に記載のＬｉＤＡＲにおいて、
    前記半導体レーザによる光ビームが連続した光短パルスであり、
    前記信号処理・制御部は、前記受光素子による光ビームの受光と、前記反射光の受光との時間差に基づいて前記物体までの距離を算出することを特徴とするＬｉＤＡＲ。
  8. 請求項６に記載のＬｉＤＡＲにおいて、
    前記半導体レーザと前記ビームスプリッターとの間に光周波数変調器をさらに備え、
    前記光周波数変調器により前記半導体レーザによる光ビームの光周波数を直線的に増加及び減少させて周波数がチャープする矩形波とし、
    前記信号処理・制御部は、前記受光素子に前記ビームスプリッターからの光ビームと、前記反射光とをミキシングして発生するビート信号のビート周波数に基づいて前記物体までの距離を算出することを特徴とするＬｉＤＡＲ。
  9. 請求項７あるいは請求項８に記載のＬｉＤＡＲであって、
    前記半導体レーザ、前記受光素子、及び前記スキャナ装置の間を、単一モード光ファイバ及び単一モード光ファイバカプラで接続したことを特徴とするＬｉＤＡＲ。
  10. 請求項９に記載のＬｉＤＡＲであって、
    前記半導体レーザ、前記受光素子、及び前記信号処理・制御部を設けるエリアと、前記スキャナ装置を設けるエリアを分割し、両エリアを前記単一モード光ファイバで接続したことを特徴とするＬｉＤＡＲ。
  11. 請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載のＬｉＤＡＲにおいて、
    前記信号処理・制御部は、前記スキャナ装置における前記スイッチング素子に設けられた前記透明電極に対する電圧の印加の有無の組合せにより、出力される光ビームの方向を変更し、前記スキャナ装置から出力される光ビームの照射位置を、任意の重み付けでランダムに選択可能としたことを特徴とするＬｉＤＡＲ。
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