JP7352295B2

JP7352295B2 - プリズムレンズ、光偏向デバイス及びライダ装置

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Publication number: JP7352295B2
Application number: JP2020553770A
Authority: JP
Inventors: 俊彦馬場; 紘士阿部; 大地秋山
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2039-10-17
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Description

本発明はプリズムレンズ、光偏向デバイス及びライダ装置に関する。

周囲を３次元イメージングして周囲の物体までの距離を２次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダもしくはライダ装置（ＬｉＤＡＲ；Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）が開発されている。この技術分野は、車の自動運転や３次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタ、レーザディスプレイ、レーザ加工機等にも適用可能である。

この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを２次元的に走査することによって広角の３次元情報を取得する。

光ビーム走査には光偏向デバイスが用いられる。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー（ポリゴンミラー）、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術）による小型集積ミラーなどといった、機械式の機構が用いられている。しかしながら、このような機械式の機構には、大型、高価、振動する移動体での不安定性などの問題があるので、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。

非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現する、フェーズドアレイ型及び回折格子型が提案されている。ここで、フェーズドアレイ型の光偏向デバイスは、アレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することが困難であるという課題を有している。一方、回折格子型の光偏向デバイスは、鋭いビームの形成を容易に行うことができるが、光偏向角が小さいという課題を有している。

小さな光偏向角の課題に対して、本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している（特許文献１）。スローライト光は、フォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持ち、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映され、結果として大きな偏向角が実現される。そして、シリンドリカルレンズを用いて、フォトニック結晶導波路から放射された光の、導波路に沿った方向に対する左右方向の広がりを抑制している。

国際公開第２０１７／１２６３８６号

上述した特許文献１にかかる光偏向デバイスは、光を真上方向（放射角度θ＝０°）に放射することができない。回折機構付きフォトニック結晶導波路は、ブラッグ回折によって伝搬光を斜め上方に放射させる。ここで、導波路に対して垂直なθ＝０°の波は、伝搬光が前後に進行を往復させる定在波を形成するときに回折条件を満たす。このような定在波では、伝搬光の電界のプラスの位相とマイナスの位相とが同様に存在するため、放射させる光ビームの遠方界は原理的に打ち消されてしまう。実際には、放射角度θが０°に近づくと、放射ビームの強度が急激に弱くなる。したがって、このような角度で放射される光を利用することができない。そして、特許文献１にかかるシリンドリカルレンズは、フォトニック結晶導波路から放射された光の、導波路に沿った方向に対する左右方向の広がりを抑制するのみであって、導波路から放射された斜め方向の光を真上方向に偏向することは困難である。
また、特許文献１にかかるシリンドリカルレンズは、放射角度が変化すると、放射光から見たシリンドリカルレンズの曲率半径が変化するため、焦点距離が変化して、コリメート条件がずれてしまうという問題点もある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、導波路から放射された斜め方向の光を真上方向の近傍の方向に偏向することが可能なプリズムレンズ、光偏向デバイス及びライダ装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、放射角度が変化しても、コリメート条件がずれにくいプリズムレンズ、光偏向デバイス及びライダ装置を提供することにある。

本発明にかかるプリズムレンズは、一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面を有するプリズムレンズ本体と、前記１組の面の少なくとも一方の面に一体に形成された少なくとも１つのシリンドリカルレンズと、を有し、前記シリンドリカルレンズは、当該シリンドリカルレンズが形成された前記プリズムレンズ本体の面の、前記１組の面の他方の面に対する傾き方向に対して垂直な平面における断面形状が、前記シリンドリカルレンズが形成された面に対して凸となるような一定の曲線形状を有するように、形成されている。

好ましくは、前記プリズムレンズ本体の前記１組の面の傾き方向がそれぞれ対称となるように、前記シリンドリカルレンズが形成された２つの前記プリズムレンズ本体が結合するように形成されている。

好ましくは、前記シリンドリカルレンズは、前記１組の面の両方の面に形成されている。

好ましくは、高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配列されて形成された回折格子を有する導波路から放射される光が前記１組の面の一方の側から入射し、前記１組の面の他方の面の側から出射するように構成されている。

また、本発明にかかる光偏向デバイスは、プリズムレンズと、高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配列されて形成された回折格子を有する導波路と、を有する。

また、本発明にかかるライダ装置は、光偏向デバイスと、前記光偏向デバイスに光を入射させる光源と、前記光偏向デバイスで受光された光を検出する光検出部と、を有する。

本発明によれば、導波路から放射された斜め方向の光を真上方向の近傍の方向に偏向することが可能なプリズムレンズ、光偏向デバイス及びライダ装置を提供できる。

比較例にかかる光偏向デバイスを示す図である。比較例にかかる光偏向デバイスを側面方向から見た側面図である。比較例にかかる光偏向デバイスを正面方向から見た正面図である。図１に示した光偏向デバイスの第１の問題点を説明するための図である。図１に示した光偏向デバイスの第１の問題点を説明するための図である。図１に示した光偏向デバイスの第１の問題点を説明するための図である。図１に示した光偏向デバイスの第２の問題点を説明するための図である。図１に示した光偏向デバイスの第２の問題点を説明するための図である。一般的なプリズムレンズの例を示す図である。実施の形態１にかかる光偏向デバイスを示す斜視図である。実施の形態１にかかる光偏向デバイスを示す側面図である。実施の形態１にかかるプリズムレンズの作用を説明するための図である。実施の形態１にかかるプリズムレンズの作用を説明するための図である。実施の形態１にかかるプリズムレンズの作用を説明するための図である。実施の形態２にかかる光偏向デバイスを示す斜視図である。実施の形態２にかかる光偏向デバイスを示す側面図である。実施の形態２にかかるプリズムレンズにより放射光が偏向された状態を示す図である。実施の形態２にかかるプリズムレンズにより放射光がコリメートされた状態を示す正面図である。実施の形態２にかかるプリズムレンズの第１の設計例を示す図である。実施の形態２にかかるプリズムレンズの第２の設計例を示す図である。図２０に示したプリズムレンズの第２の設計例において、様々な角度で光を放射した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２０に示したプリズムレンズの第２の設計例において、様々な角度で光を放射した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２０に示したプリズムレンズの第２の設計例において、様々な角度で光を放射した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２０に示したプリズムレンズの第２の設計例において、様々な角度で光を放射した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２０に示したプリズムレンズの第２の設計例における、出射ビームの広がり角度の計算例を示す図である。実施の形態３にかかるプリズムレンズを示す図である。実施の形態４にかかるライダ装置を示す図である。

（本実施の形態の概要）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の概要について説明する。
図１は、比較例にかかる光偏向デバイス１Ａを示す図である。また、図２は、比較例にかかる光偏向デバイス１Ａを側面方向から見た側面図である。また、図３は、比較例にかかる光偏向デバイス１Ａを正面方向から見た正面図である。

光偏向デバイス１Ａは、フォトニック結晶導波路２と、シリンドリカルレンズ１０とを有する。シリンドリカルレンズ１０は、フォトニック結晶導波路２の上方（フォトニック結晶導波路２から光が放射される側）に設けられている。フォトニック結晶導波路２の構成は、上述した特許文献１にかかるフォトニック結晶導波路の構成と実質的に同様であるので、概要のみ説明する。フォトニック結晶導波路２は、回折格子４と導波路６とを有する。回折格子４は、Ｓｉ等の半導体からなる高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配することで形成されている。導波路６は、光が入射方向（正面方向）から入射されることで光を伝搬する。

ここで、光の導波路６への入射方向をＸ軸方向とし、鉛直上方（真上方向）をＺ軸方向とする。また、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ軸方向（側面方向）とする。また、正面方向から見て左右方向に振れる角度をΦ（Φ方向）とする。つまり、Φ方向は、ＹＺ平面上の方向である。また、側面方向から見て左右方向に振れる角度をθ（θ方向）とする。つまり、θ方向は、ＺＸ平面上の方向である。フォトニック結晶導波路２は、θ方向には、光の波長やフォトニック結晶導波路２（回折格子４）の屈折率を変えることで光を偏向し、Φ方向には、導波路６を切り替えてシリンドリカルレンズ１０との相対位置を変えることで光を偏向する。

導波路６は、回折格子４が設けられていない部分により、Ｘ軸方向（正面方向から見て奥行方向）に沿って形成されている。導波路６に入射された光は、導波路６をＸ軸方向に伝搬しながら、導波路６の上方（Ｚ軸方向）に放射される。このとき、図２に示すように、導波路６の上方に放射される光（放射光Ｌｒ）は、Ｚ軸方向に対して、伝搬方向（Ｘ軸方向）に角度θだけ傾いて放射される。また、図３に示すように、導波路６の幅が狭いため、導波路６から放射される放射光Ｌｒは、光伝搬方向（Ｘ軸方向）から見たときに、横方向（Ｙ軸方向）に扇状に角度±Φａで広がるビームとなる。

シリンドリカルレンズ１０は、図２に示すように、導波路６に沿った方向（伝搬方向つまりＸ軸方向）には一様の形状に形成されている。言い換えると、シリンドリカルレンズ１０は、側面方向から見たＺＸ断面において略長方形となるように形成されている。さらに言い換えると、シリンドリカルレンズ１０をＹ軸に垂直な平面で切断したとき、上面１０ａは曲線とならない。一方、シリンドリカルレンズ１０は、図３に示すように、導波路６に沿った方向（伝搬方向つまりＸ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）には上面１０ａが上方に湾曲するように形成されている。言い換えると、シリンドリカルレンズ１０は、正面方向から見たＺＹ断面において上面１０ａが上に凸となるように形成されている。さらに言い換えると、シリンドリカルレンズ１０をＸ軸に垂直な平面で切断したとき、上面１０ａは上に凸の曲線となる。なお、シリンドリカルレンズ１０の形状は、上面１０ａが上に凸である必要はなく、下に凸又は両側に凸となるように形成されてもよい。

シリンドリカルレンズ１０がこのように形成されていることによって、放射光ＬｒのΦ方向の広がりが抑制される。言い換えると、シリンドリカルレンズ１０によって、放射光Ｌｒがコリメートされ、平行光（コリメートビーム）に変換される。これにより、Ｚ軸方向の遠方に平行光である放射光Ｌｒが照射される。ここで、導波路６からの放射光Ｌｒの放射角度θについて、ある特定のθ方向の放射角度（θａ）の放射（図２参照）に対して放射光Ｌｒがコリメートされるように、シリンドリカルレンズ１０の位置が調整されているとする。なお、本明細書において、用語「コリメート」は、放射光を厳密に平行にすることに限定されない。出射光の広がりが許容範囲内の角度（例えば０．０１°～０．１°程度）に抑制されていれば、光が「コリメート」されているといえる。

次に、図１に示した光偏向デバイス１Ａの問題点について説明する。
図４～図６は、図１に示した光偏向デバイス１Ａの第１の問題点を説明するための図である。上述したように、角度θａの放射に対して放射光Ｌｒがコリメートされるようにシリンドリカルレンズ１０の位置が調整されているとする。この場合において、放射角度θを図２における放射角度θａよりも大きいθｂに変更したとする。このとき、導波路６からシリンドリカルレンズ１０までの距離（光路長）が、ＬａからＬｂに長くなる。

一方、放射角度θを大きくすると、放射光Ｌｒは、シリンドリカルレンズ１０の上面１０ａに対して、斜めとなった方向で交差するので、放射光Ｌｒの進行方向に対する上面１０ａの曲率半径が小さくなる。なお、このことは、円柱をある平面で切断するときの切断面について、円柱の中心軸に垂直な平面で切断した切断面の曲率半径は底面の円の半径と等しいが、円柱の中心軸に垂直な平面から傾いた平面で切断した切断面の曲率半径は、底面の円の半径よりも小さくなることからも明らかである。

このように、曲率半径が小さくなると、焦点距離が短くなり、焦点がずれる。つまり、放射光Ｌｒをコリメートできる条件がずれてしまうので、図５に示すように、シリンドリカルレンズ１０を通過しても、放射光Ｌｒはコリメートされなくなる。さらに、焦点距離が短くなるにも関わらず、上述したように放射角度θａが大きくなると導波路６からシリンドリカルレンズ１０までの距離が長くなるので、焦点がさらにずれ、放射光Ｌｒをコリメートする条件はさらに悪化する。これにより、図５に示すように、鉛直上方（Ｚ軸方向）に対する、シリンドリカルレンズ１０から出射した放射光Ｌｒの広がり角度Φ’は、０°から離れてしまう。

図６は、導波路６からの光の放射角度θを偏向したときのΦ方向のコリメート状況を示す遠視野像を例示する図である。図６に示す例では、θ＝２３°のときにコリメートされるように条件を設定している。この場合、θが２３°から離れるに従って、広がり角度Φ’が０°から離れる。このように、図１に示した光偏向デバイス１Ａは、放射角度θを変更するとシリンドリカルレンズ１０の焦点がずれてしまうので、幅広い放射角度θに対して放射光Ｌｒをコリメートさせることが困難である。

図７～図８は、図１に示した光偏向デバイス１Ａの第２の問題点を説明するための図である。図７に示すように、フォトニック結晶導波路２に対する光の入射方向を切り替えると、±θ方向に光が偏向される。具体的には、Ｘ軸の正方向へ光を入射すると、＋θ方向へ光が偏向される。一方、Ｘ軸の負方向へ光を入射すると、－θ方向へ光が偏向される。これにより、光の波長やフォトニック結晶導波路２の屈折率を変えてθを偏向させることに加え、光の入射方向を左右で切り替えれば，θ方向の光の偏向範囲を２倍に拡大できる。ここで、上述したように、フォトニック結晶導波路２は、光を真上方向（出射角度θ’＝０°）に放射することができない。

図８は、左右切り替えスイッチと熱光学効果によってθ方向に、導波路６の切り替えによってΦ方向に光偏向を行ったときのビームの遠視野像を例示する図である。ただし各スポットに対してレンズの焦点距離を微調整しているので、上述した第１の問題点は露わには見えない。ここで、図８で明らかなように、θ＝０°近傍のビームの遠視野像が観測されない。図８では、－５°＜θ＜５°の範囲のビームが観測されないが、実際に有効に使用できるのは、－１０°＜θ＜１０°の範囲を除くビームとなる。また、シリンドリカルレンズ１０は、フォトニック結晶導波路２から放射された光の、導波路６に沿った方向に対する左右方向（Φ方向）の広がりを抑制するのみであって、導波路６から放射された斜め方向の光を真上方向（θ’＝０°）に偏向することは困難である。このように、図１に示した光偏向デバイス１Ａは、導波路６から放射された斜め方向の光を真上方向（出射角度θ’＝０°）の近傍の方向の光に偏向することが困難である。

これに対し、本実施の形態にかかる光偏向デバイスは、以下に説明するように、上述した第１の問題点及び第２の問題点を解決することができる。具体的には、シリンドリカルレンズ１０の代わりに、互いに平行でない対向する１組の面の少なくとも一方に一体に形成されたシリンドリカルレンズを有するプリズムレンズを採用することで、上記の問題を解決できる。ここで、「互いに平行でない対向する１組の面」とは、一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面である。

図９は、一般的なプリズムレンズＰｒの例を示す図である。プリズムレンズは、厚みが傾斜するように形成されている。したがって、プリズムレンズは、互いに平行でない対向する１組の面Ｐ１，Ｐ２を有する。つまり、面Ｐ１及び面Ｐ２は、これらの一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面である。例えば、図９において、左端から右端に向かって、面Ｐ１と面Ｐ２との間隔は長くなる。逆に、図９において、右端から左端に向かって、面Ｐ１と面Ｐ２との間隔は短くなる。光がプリズムレンズＰｒを通過することにより、光の進行方向が屈折する。本実施の形態では、プリズムレンズのこの性質が利用されている。

（実施の形態１）
図１０は、実施の形態１にかかる光偏向デバイス１を示す斜視図である。また、図１１は、実施の形態１にかかる光偏向デバイス１を示す側面図である。実施の形態１にかかる光偏向デバイス１は、フォトニック結晶導波路２と、プリズムレンズ２０とを有する。フォトニック結晶導波路２は、高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配列されて形成された回折格子付きの導波路であって、図１に示したものと実質的に同様である。

プリズムレンズ２０は、プリズムレンズ本体２２と、シリンドリカルレンズ２４，２６とを有する。プリズムレンズ本体２２は、互いに平行でない対向する１組の面２２ａ，２２ｂ（第１の面）を有する。ここで、プリズムレンズ本体２２の下方（フォトニック結晶導波路２の側）の面が面２２ａであり、上方（フォトニック結晶導波路２の反対側）の面が面２２ｂである。したがって、面２２ａ，２２ｂは、これらの一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面である。例えば、図１１において、左端から右端（Ｘ軸の正方向）に向かって、面２２ａと面２２ｂとの間隔は短くなる。逆に、図９において、右端から左端（Ｘ軸の負方向）に向かって、面２２ａと面２２ｂとの間隔は長くなる。プリズムレンズ２０は、光の伝搬方向であるＸ軸方向について、面２２ａ，面２２ｂのＸ軸の正方向の側（光の入射方向の下流側）がフォトニック結晶導波路２に近づくように傾くように、設置されている。ここで、面２２ａ及び面２２ｂは、ＺＸ平面に垂直であるとする。したがって、プリズムレンズ本体２２は、側面方向（Ｙ軸方向）から見た面（図１０の矢印Ａで示す）を底面とする四角柱であるといえる。しかしながら、プリズムレンズ本体２２の形状は、四角柱であることに限定されない。また、プリズムレンズ本体２２は、面２２ａと面２２ｂとの距離が、Ｘ軸の正方向の側（光の入射方向の下流側）の方がＸ軸の負方向の側（光の入射方向の上流側）よりも近くなるように形成されている。

シリンドリカルレンズ２４は、面２２ａ（第１の面）に一体に形成されている。シリンドリカルレンズ２６は、面２２ｂ（第１の面）に一体に形成されている。したがって、プリズムレンズ２０は、互いに平行でない対向する１組の面２２ａ，２２ｂにシリンドリカルレンズ２４，２６が形成されるように構成されている。なお、シリンドリカルレンズ２４は面２２ａに一体に形成されているので、プリズムレンズ本体２２とシリンドリカルレンズ２４との境界は、プリズムレンズ２０の切断等により視覚的に確認できる必要はない。同様に、シリンドリカルレンズ２６は面２２ｂに一体に形成されているので、プリズムレンズ本体２２とシリンドリカルレンズ２６との境界は、プリズムレンズ２０の切断等により視覚的に確認できる必要はない。

ここで、シリンドリカルレンズ２４は、面２２ａの面２２ｂ（プリズムレンズ本体２２の１組の面のうちの他方の面）に対する傾き方向（図１１の矢印Ａで示す）に対して垂直な平面Ｐａにおける断面形状が、面２２ａに対して凸となるような一定の曲線形状を有するように、形成されている。つまり、シリンドリカルレンズ２４は、矢印Ａで示す傾き方向に、一様の形状に形成されている。したがって、シリンドリカルレンズ２４の稜線２４ａは、面２２ａと平行である。なお、矢印Ａで示す傾き方向は、ＺＸ平面に略平行である。また、矢印Ａで示す傾き方向は、面２２ａを含む平面と面２２ｂを含む平面とが交差して得られた交線に略垂直である。

また、シリンドリカルレンズ２６は、面２２ｂの面２２ａ（プリズムレンズ本体２２の１組の面のうちの他方の面）に対する傾き方向（図１１の矢印Ｂで示す）に対して垂直な平面Ｐｂにおける断面形状が、面２２ｂに対して凸となるような一定の曲線形状を有するように、形成されている。つまり、シリンドリカルレンズ２６は、矢印Ｂで示す傾き方向に、一様の形状に形成されている。したがって、シリンドリカルレンズ２６の稜線２６ａは、面２２ｂと平行である。なお、矢印Ｂで示す傾き方向は、ＺＸ平面に略平行である。また、矢印Ｂで示す傾き方向は、面２２ａを含む平面と面２２ｂを含む平面とが交差して得られた交線に略垂直である。

プリズムレンズ２０は、上述のように形成されていることによって、側面方向から見ると、光を屈折させるプリズムとして機能し、正面方向から見ると、２つのシリンドリカルレンズ２４，２６を組み合わせたレンズとして機能する。したがって、上述のように形成されたプリズムレンズ２０を用いることによって、放射角度θが変更されても放射光Ｌｒをコリメートさせる（放射光Ｌｒの広がりを抑制させる）ことが可能となる（第１の問題点の解決）。さらに、上述のように形成されたプリズムレンズ２０を用いることによって、導波路６から放射された斜め方向の光を真上方向（出射角度θ’＝０°）の近傍の方向の光に偏向することが可能となる（第２の問題点の解決）。

図１２～図１４は、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０の作用を説明するための図である。図１２は、放射角度θが変更されても放射光Ｌｒをコリメートさせることができる原理を説明するための図である。図１２は、図１１に示したプリズムレンズ２０の右側を上側に回転させた図であり、説明の明確化のため、プリズムレンズ２０（プリズムレンズ本体２２）が左右対称となるような角度となるように描画されている。

図１２において、紙面の左方向から水平よりやや上向きに光線をプリズムレンズ２０に入射したとき、プリズムレンズ２０内で光線の方向が真横になり、右側から、左側の光線の方向と対称となるようなやや下向きの光線が出射する状況を考える。ここで、入射角をθ_０とすると、出射角は－θ_０となる。また、シリンドリカルレンズ２４の曲率をＲ_１ ^－１（曲率半径Ｒ_１）とし、シリンドリカルレンズ２６の曲率をＲ_２ ^－１（曲率半径Ｒ_２）とし、これらが等しいとする（Ｒ_１ ^－１＝Ｒ_２ ^－１）。また、光源からレンズまでの長さ（光路長に対応する長さ）をＬ_１とし、レンズ中の長さ（光路長に対応する長さ）をＬ_２とする。この場合、２つのレンズを組み合わせてΦ方向（紙面奥行き方向）に広がる光をコリメートする系が成立し得ることが理解される。つまり、入射角の絶対値と出射角の絶対値とが等しく、シリンドリカルレンズ２４の曲率とシリンドリカルレンズ２６の曲率とが等しいので、光線の入射した方向における曲率半径は、光線が出射した方向における曲率半径と等しい（この曲率半径をＲ’とする）。したがって、このときの光源の位置がプリズムレンズ２０のシリンドリカルレンズ２４の側の焦点に一致するように長さＬ_１を設定することで、シリンドリカルレンズ２６から出射する光線はコリメートされ得る。

次に、入射角がθ_０＋Δθとなる条件を考える。このとき、光源からレンズまでの長さＬ_１は、θ_０の場合と比較してやや長くなり、レンズ中の長さＬ_２は、θ_０の場合と比較してやや短くなるので、両者が相殺する方向に働く。また、シリンドリカルレンズ２４に入射する角度がやや大きくなるので、このシリンドリカルレンズ２４に入射する方向に対する曲率は、θ_０の場合と比較して大きくなる（曲率半径がＲ’よりも小さくなる）。逆に、シリンドリカルレンズ２６に入る角度はやや小さくなるので、シリンドリカルレンズ２６に入射する方向に対する曲率は小さくなる（曲率半径がＲ’よりも大きくなる）。したがって、曲率（曲率半径）についても両者が相殺する方向に働く。したがって、焦点のずれが抑制されるので、結果的に、θ_０のときのコリメート条件が維持される。同様のことはθ_０－Δθの場合にも当てはまるので、いずれの方向に入射角を変更したとしても、焦点のずれが抑制されるので、θ_０のときのコリメート条件が維持される。つまり、θ_０の場合の光源の位置を焦点と一致させておくと、θ_０±Δθの場合でも、光源の位置が焦点と略一致する。

ただし、このコリメート条件を満たすΔθには範囲がある。図１２でθ_０＋Δθのとき、シリンドリカルレンズ２６に入る光の角度は垂直に近くなる。この角度が垂直を超えると、再び曲率は大きくなり始めるので、上記の相殺が起こらなくなる。一方、θ_０－Δθでは、シリンドリカルレンズ２４に入る光の角度が垂直より下向きになると、相殺が起こらなくなる。よって、２Δθは、プリズムレンズ本体２２の二つの面２２ａ，２２ｂが成す角度よりも小さい必要がある。

図１３は、導波路６から光を放射する際の放射角度θが変更された場合の放射光Ｌｒを示す側面図である。また、図１４は、導波路６から光を放射する際の放射角度θが変更された場合の放射光Ｌｒを示す正面図である。図１３に示すように、θがθ_１～θ_２に変化するとする。そして、導波路６からの光の放射角度がθ_１の際の、プリズムレンズ２０からの光の出射角度をθ_１’とする。また、導波路６からの光の放射角度がθ_２の際の、プリズムレンズ２０からの光の出射角度をθ_２’とする。ここで、図１３に示すように、面２２ａがＸＹ平面（導波路６）と成す傾斜角をΘとし、面２２ｂがＸＹ平面（導波路６）と成す傾斜角をΘ’とする。このとき、傾斜角Θ及び傾斜角Θ’を調整することで、プリズムの作用により、放射角度θ_１の際に、θ_１’＝０とすることができる。したがって、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０は、上述した第２の問題点を解決することが可能となる。つまり、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０は、導波路６から放射された斜め方向の放射光を真上方向（出射角度θ’＝０°）の光に偏向することが可能となる。

また、図１４に示すように、導波路６からの放射角度θがθ_１～θ_２に変更されたとしても、図１２を用いて上述したように、焦点のずれが抑制されるので、放射光Ｌｒをコリメートすることが可能となる。具体的には、図１３から分かるように、放射角度θが小さいと放射光Ｌｒはシリンドリカルレンズ２４に略垂直に入射し、放射角度θが大きくなるにつれて、放射光Ｌｒがシリンドリカルレンズ２４に入射する角度は小さく（９０°から遠く）なっていく。したがって、放射角度θが大きくなるにつれて、シリンドリカルレンズ２４の放射光Ｌｒの入射方向に対する曲率半径は小さくなる。これに対し、放射角度θが大きいと放射光Ｌｒはシリンドリカルレンズ２６に略垂直に入射し、放射角度θが小さくなるにつれて、放射光Ｌｒがシリンドリカルレンズ２６に入射する角度は小さく（９０°から遠く）なっていく。したがって、放射角度θが大きくなるにつれて、シリンドリカルレンズ２６の放射光Ｌｒの入射方向に対する曲率半径は大きくなる。また、図１３から分かるように、放射角度θが大きくなるにつれて、導波路６からシリンドリカルレンズ２４までの光路長Ｌ_１は長くなるが、プリズムレンズ２０内における光路長Ｌ_２は短くなる。これにより、放射角度θが変更されても、焦点のずれが抑制される。

つまり、図１２を用いて上述した条件が成り立つので、正面方向から見た横方向の、放射光Ｌｒ（出射ビーム）の広がり角度Φ’を０°近傍に抑制することが可能となる。したがって、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０は、上述した第１の問題点を解決することが可能となる。言い換えると、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０は、幅広い放射角度θに対して放射光Ｌｒの広がり角度Φ’の増大を抑制することが可能となる。

ここで、焦点のずれが抑制されることについて、数式を用いて概略的に説明する。ある放射角度θ_０で出射ビームがコリメートされるように設定されているとする。また、ある放射角度θで光が放射されたときの、シリンドリカルレンズ２４に入射する方向に対するシリンドリカルレンズ２４における曲率半径をｒ_１（≦Ｒ_１）とし、シリンドリカルレンズ２６に入射する方向に対する曲率半径をｒ_２（≦Ｒ_２）とする。また、このときの光源からレンズまでの長さをＬ_１とし、レンズ中の長さをＬ_２とする。このとき、レンズメーカーの式は、以下の式（１）のように表される。但し、ｆは焦点距離であり、ｎはプリズムレンズ２０の屈折率である。

また、厚肉レンズの焦点距離の式から、Ｌ_１は、以下の式（２）のように表される。

式（１）及び式（２）から、ｒ_１＝ｒ_２＝ｒ_０としたとき、Ｌ_１は、以下の式（３），（４）のように表される。

ただし

式（３）、（４）を満たせば、光はコリメートされ得る。

放射角度θが大きくなると（図１３のθ_１→θ_２）、光源からプリズムレンズ２０までの長さＬ_１は長くなり、シリンドリカルレンズ２４におけるｒ_１は小さくなり、レンズ中を光が伝搬する長さＬ_２は短くなり、シリンドリカルレンズ２６におけるｒ_２は大きくなる。この状況を、ｒ_１、ｒ_２、Ｌ_１、Ｌ_２がそれぞれｒ_１－Δｒ_１、ｒ_２＋Δｒ_２、Ｌ_１＋ΔＬ_１、Ｌ_２－ΔＬ_２に変化したと考える。ここで、Δが付いたパラメータが微小であると仮定する。また、ここでもｒ_１＝ｒ_２＝ｒ_０とおき、ｒ_１≒ｒ_０－Δｒ、ｒ_２≒ｒ_０＋Δｒと近似する。以上のパラメータの変化を式（１）、（２）に代入し、さらにΔが付いたパラメータの二乗以上の高次の項は十分に小さいとして削除すると、最終的に以下の式（５）で示される近似式が得られる。

ここで、左辺のＬ_１が右辺の括弧内の第１項に対応することは式（３）より明らかである。これより以下の式（６）が導かれ、これを満たすようにΔＬ_１、ΔＬ_２、Δｒが振る舞えば、光の放射角度θが変化しても、コリメート状態が保たれる。なお、ΔＬ_１、ΔＬ_２、Δｒは全て正であるので、光の放射角度θが変化しても、式（６）を満たすようにΔＬ_１、ΔＬ_２、Δｒが振る舞うことは可能である。

ここでＬ_１、ΔＬ_１、Ｌ_２、ΔＬ_２、Δｒ、Ａは、いずれも図１３における光の放射角度θ、プリズムレンズ２０の上下の角度Θ、Θ’、プリズムレンズ２０の屈折率ｎ、プリズムレンズ２０のＺ軸方向の厚さ、光源からプリズムレンズ２０までの距離で表現することができる。したがって、それらを式（６）に代入すれば、これらの構造パラメータに対する条件を導くことができる。ここで、屈折率ｎ、ならびにフォトニック結晶導波路２からの光の放射角の範囲θ_１～θ_２を固定値とし、θ_１～θ_２の中の代表的な角度を図１２のような対称的な光線軌跡を示すθ_０と定めると、これに対して、第２の問題点を解決するためのΘとΘ’が定まる。これを上記の構造パラメータに対する条件に適用すれば、プリズムレンズ２０のＺ軸方向の厚さ、および光源からプリズムレンズ２０までの距離を、ｒ_０の定数倍として与えることができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。
図１５は、実施の形態２にかかる光偏向デバイス１を示す斜視図である。また、図１６は、実施の形態２にかかる光偏向デバイス１を示す側面図である。実施の形態１にかかる光偏向デバイス１は、フォトニック結晶導波路２と、プリズムレンズ３０とを有する。実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０は、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０を２つ組み合わせた（結合させた）ように形成されている。

具体的には、プリズムレンズ３０は、プリズムレンズ２０のＹＺ平面に略平行な２つの面のうち面積の広い方（面２２ａと面２２ｂとの間の距離が長い方）の面を互いに結合したように形成されている。これにより、プリズムレンズ３０は、Ｘ軸方向の中央近傍で屈曲したような形状を有している。つまり、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０は、プリズムレンズ本体２２の面２２ａ，２２ｂの傾斜方向がそれぞれ対称となるように、シリンドリカルレンズ２４，２６が形成されたプリズムレンズ本体２２が組み合わされるように形成されている。

プリズムレンズ３０は、プリズムレンズ２０Ａとプリズムレンズ２０Ｂとで形成されている。プリズムレンズ２０Ａ及びプリズムレンズ２０Ｂは、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０と実質的に同様の形状を有している。したがって、プリズムレンズ２０Ａは、プリズムレンズ本体２２Ａと、シリンドリカルレンズ２４Ａと、シリンドリカルレンズ２６Ａとを有する。プリズムレンズ２０Ｂは、プリズムレンズ本体２２Ｂと、シリンドリカルレンズ２４Ｂと、シリンドリカルレンズ２６Ｂとを有する。プリズムレンズ本体２２Ａ，２２Ｂは、プリズムレンズ本体２２に対応する。シリンドリカルレンズ２４Ａ，２４Ｂは、シリンドリカルレンズ２４に対応する。シリンドリカルレンズ２６Ａ，２６Ｂは、シリンドリカルレンズ２６に対応する。

シリンドリカルレンズ２４Ａは、プリズムレンズ本体２２Ａの面２２ａに一体に形成されている。シリンドリカルレンズ２６Ａは、プリズムレンズ本体２２Ａの面２２ｂに一体に形成されている。シリンドリカルレンズ２４Ｂは、プリズムレンズ本体２２Ｂの面２２ａに一体に形成されている。シリンドリカルレンズ２６Ｂは、プリズムレンズ本体２２Ｂの面２２ｂに一体に形成されている。ここで、プリズムレンズ本体２２Ａの面２２ａの傾斜方向とプリズムレンズ本体２２Ｂの面２２ａの傾斜方向とが、プリズムレンズ２０Ａとプリズムレンズ２０Ｂとの境界面Ｐｃについて対称となっている。同様に、プリズムレンズ本体２２Ａの面２２ｂの傾斜方向とプリズムレンズ本体２２Ｂの面２２ｂの傾斜方向とが、プリズムレンズ２０Ａとプリズムレンズ２０Ｂとの境界面Ｐｃについて対称となっている。

図１７は、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０により放射光Ｌｒが偏向された状態を示す図である。矢印Ａで示す方向から光を入射すると、導波路６から＋θ方向に光が放射される。そして、上述したように、放射光Ｌｒは、ある放射角度θのときに、出射角度θ’＝０で出射される。そして、矢印Ａとは逆方向の矢印Ｂで示す方向から光を入射すると、導波路６から、＋θ方向とは逆方向（負方向）の－θ方向に光が放射される。そして、上述したように、放射光Ｌｒは、ある放射角度θのときに、出射角度θ’＝０で出射される。したがって、放射角度θを－θ_２～＋θ_２とした場合（図１３参照）に、放射光Ｌｒを、－θ_２～０°～＋θ_２に連続的に偏向することができる。つまり、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０を採用することにより、出射角度θ’が０°近傍の正負方向となるように、放射光Ｌｒを偏向することが可能となる。

図１８は、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０により放射光Ｌｒがコリメートされた状態を示す正面図である。上述したように、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０は、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０を組み合わせたものであるので、実施の形態１にかかるプリズムレンズ２０と同様に、放射光Ｌｒをコリメートすることが可能となる。つまり、正面方向から見た横方向の、放射光Ｌｒ（出射ビーム）の広がり角度Φ’を０°近傍に抑制することが可能となる。そして、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０は、放射角度θが正方向（＋θ）及び負方向（－θ）のいずれの場合であっても、放射光Ｌｒをコリメートすることが可能となる。

図１９は、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０の第１の設計例を示す図である。図１９の左図はプリズムレンズ３０の正面図であり、図１９の右図はプリズムレンズ３０の側面図である。なお、図１９においては、プリズムレンズ本体２２Ａとプリズムレンズ本体２２Ｂとを区別しない。したがって、プリズムレンズ３０のプリズムレンズ本体２２Ａ，２２Ｂをプリズムレンズ本体２２と表記し、シリンドリカルレンズ２４Ａ，２４Ｂをシリンドリカルレンズ２４と表記し、シリンドリカルレンズ２６Ａ，２６Ｂをシリンドリカルレンズ２６と表記する。

プリズムレンズ３０の屈折率をｎ＝１．５とする。また、面２２ａの傾斜角をΘ＝５．５°とし、面２２ｂの傾斜角をΘ’＝２４．６°とする。また、シリンドリカルレンズ２４の曲率半径をＲ_１＝１０．２ｍｍとし、シリンドリカルレンズ２６の曲率半径をＲ_２＝１０．２ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の焦点距離をｆ＝１１．３８ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の全体の長さ（Ｘ軸方向の長さ）をＤ_１＝１６ｍｍとし、中央における高さをＨ_１＝１２．８８ｍｍとする。また、導波路６からプリズムレンズ３０の中央までの距離をＬ_０＝６．８６ｍｍとする。また、導波路６の放射開口幅をＷ_０＝１．０ｍｍとし、Ｘ＝０を中心として±０．５ｍｍとする。また、放射角度θを１０，２０，３０°とする。また、放射広がり角をδΦ＝±１５°（＝３０°）とする。上記の条件において、シミュレーションを行った。

このとき、出射光のビーム幅はＷｂ＝６．１ｍｍとなる。θ＝１０°の場合の放射開口幅の負側端部における出射角度θ’は０°となる。また、θ＝３０°の場合の放射開口幅の正側端部における出射角度θ’は２０°となる。また、広がり角Φの分布の半値全幅（半値幅）をδΦ’とすると、θ＝１０，２０，３０°の場合の放射開口幅の負側端部における半値全幅は、それぞれ、δΦ’＝０．１０，０．０１，０．１０°となる。同様に、θ＝１０，２０，３０°の場合の放射開口幅の正側端部における半値全幅は、それぞれ、δΦ’＝０．０４，０．１１，０．０４°となる。ここで、図１に示したシリンドリカルレンズ１０を用いた場合、δΦ’＝０．８°程度となるので、本実施の形態にかかるプリズムレンズを用いることで、出射ビームが良好にコリメートされていることが分かる。

なお、本実施の形態におけるプリズムレンズは、光の伝搬方向（Ｘ軸方向）に沿った方向で形状が変化するように形成されている。一方、図１９に示すように、導波路６の放射開口幅（導波路長）が１．０ｍｍ程度であるとすると、光源の位置がこの放射開口幅の範囲のいずれかとなる。したがって、光源の位置によっては、コリメート条件が満たされない可能性はある（上述したように、図１９において、放射開口幅の正側端部からの放射光と負側端部からの放射光とで、出射ビームの広がり角度Φ’（半値全幅δΦ’）が異なることからも明らかである）。このことは、プリズムレンズのサイズが導波路長に近い場合に顕著となり得る。一方、導波路長と比較してプリズムレンズのサイズを十分大きくし、光源とプリズムレンズとの距離を長くすることで、光源を１点と近似することができる。これにより、放射角度θによらないでコリメート条件が満たされる可能性はより高くなる。

図２０は、実施の形態２にかかるプリズムレンズ３０の第２の設計例を示す図である。図２０の左図はプリズムレンズ３０の正面図であり、図２０の右図はプリズムレンズ３０の側面図である。なお、図１９の例と同様に、図２０においては、プリズムレンズ本体２２Ａとプリズムレンズ本体２２Ｂとを区別しない。さらに、図２０においては、プリズムレンズ本体２２の面２２ａ，２２ｂは明示されていない。

プリズムレンズ３０の屈折率をｎ＝１．５とする。また、面２２ａの傾斜角（シリンドリカルレンズ２４の稜線の傾斜角）をΘ＝５．５°とし、面２２ｂの傾斜角（シリンドリカルレンズ２６の稜線の傾斜角）をΘ’＝２４．６°とする。また、シリンドリカルレンズ２４の曲率半径をＲ_１＝１２．７５ｍｍとし、シリンドリカルレンズ２６の曲率半径をＲ_２＝１２．７５ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の焦点距離をｆ＝１２．９３ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の全体の長さ（Ｘ軸方向の長さ）をＤ_１＝２３ｍｍとし、中央における高さをＨ_１＝１７．６３ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の幅方向の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＤ_２＝２４ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の最底部と導波路６との高低差をＨ_０＝７．７２ｍｍとする。また、プリズムレンズ３０の最高部と最底部との高低差をＨ_２＝１８．７３ｍｍとする。また、導波路６からプリズムレンズ３０の中央までの距離をＬ_０＝８．８２ｍｍとする。また、導波路６の放射開口幅をＷ_０＝１．０ｍｍとし、Ｘ＝０を中心として±０．５ｍｍとする。また、放射角度θを１０，２０，３０°とする。また、放射広がり角をδΦ＝±１５°（＝３０°）とする。上記の条件において、シミュレーションを行った。この場合、図２０に示すように、放射角度がθ＝１０°のときに、出射角度θ’＝０を実現できていることが分かる。

図２１～図２４は、図２０に示したプリズムレンズ３０の第２の設計例において、様々な角度で光を放射した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２１及び図２２は、導波路６の単一の放射位置から、様々な角度で、両方向（放射角度θの正方向（＋θ）及び負方向（－θ））へ光を放射した場合のシミュレーション結果を示す。図２１はプリズムレンズ３０の斜視図であり、図２２はプリズムレンズ３０の側面図である。図２１に示すように、様々な角度で光を放射した場合であっても、第２の設計例にかかるプリズムレンズ３０を用いることで、出射ビームがコリメートされていることが分かる。また、図２２で示すように、第２の設計例にかかるプリズムレンズ３０を用いることで、矢印Ｂｅ１で示す出射ビームが、真上方向（θ’＝０）に出射されていることが分かる。

図２３及び図２４は、導波路６の複数の放射位置から、様々な角度で、片方向（放射角度θの負方向（－θ））へ光を放射した場合のシミュレーション結果を示す。図２３はプリズムレンズ３０の斜視図であり、図２４はプリズムレンズ３０の側面図である。図２３に示すように、様々な角度で光を放射した場合であっても、第２の設計例にかかるプリズムレンズ３０を用いることで、出射ビームがコリメートされていることが分かる。また、図２４で示すように、第２の設計例にかかるプリズムレンズ３０を用いることで、矢印Ｂｅ２で示す出射ビームが、真上方向（θ’＝０）に出射されていることが分かる。

図２５は、図２０に示したプリズムレンズ３０の第２の設計例における、出射ビームの広がり角度Φ’の計算例を示す図である。図２５は、放射位置Ｘ＝－０．５，０，＋０．５ｍｍから、放射角度θ＝１０，１６，２４，３０°で光を放射した場合の、出射ビームの広がり角度Φ’を示す。いずれの図においても、広がり角度Φ’の分布の中心を０°として描かれているが、半値全幅は±０．０１～０．０８°の範囲である。したがって、図２０に示したプリズムレンズ３０の第２の設計例では、放射角度θ＝１０，１６，２４，３０°で光を放射した場合に、良好に出射ビームがコリメートされていることが分かる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１等では、プリズムレンズ本体の互いに平行でない対向する１組の面の両側の面に、シリンドリカルレンズが形成されている。これに対し、実施の形態３においては、プリズムレンズ本体の互いに平行でない対向する１組の面の片方の面にシリンドリカルレンズが形成されている点で、実施の形態１等とは異なる。

図２６は、実施の形態３にかかるプリズムレンズ５０を示す図である。図２６の左図はプリズムレンズ５０の正面図であり、図２６の右図はプリズムレンズ５０の側面図である。実施の形態３にかかるプリズムレンズ５０は、プリズムレンズ本体５２と、シリンドリカルレンズ５６とを有する。プリズムレンズ本体５２は、互いに平行でない対向する１組の面５２ａ，５２ｂ（第１の面）を有する。ここで、プリズムレンズ本体５２の下方（フォトニック結晶導波路２の側）の面が面５２ａであり、上方（フォトニック結晶導波路２の反対側）の面が面５２ｂである。したがって、面５２ａ，５２ｂは、これらの一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面である。例えば、図２６の右図において、左端から右端（Ｘ軸の正方向）に向かって、面５２ａと面５２ｂとの間隔は、一旦長くなった後、短くなる。プリズムレンズ５０は、光の伝搬方向であるＸ軸方向について、面５２ａが中央から離れるにつれてフォトニック結晶導波路２から離れるように傾くように、設置されている。ここで、面５２ａ及び面５２ｂは、ＺＸ平面に略垂直であるとする。したがって、プリズムレンズ本体５２は、側面方向から見た面を底面とする三角柱であるといえる。

シリンドリカルレンズ５６は、面５２ｂ（第１の面）に一体に形成されている。したがって、プリズムレンズ５０は、互いに平行でない対向する１組の面の片方（面５２ｂ）に、シリンドリカルレンズ５６が形成されている。なお、シリンドリカルレンズ５６は面５２ｂに一体に形成されているので、プリズムレンズ本体５２とシリンドリカルレンズ５６との境界は、プリズムレンズ５０の切断等により視覚的に確認できる必要はない。

ここで、シリンドリカルレンズ５６は、面５２ｂの面５２ａ（プリズムレンズ本体２２の１組の面のうちの他方の面）に対する傾き方向（図２６の矢印Ｃで示す）に対して垂直な平面Ｐｄにおける断面形状が、面５２ｂに対して凸となるような一定の曲線形状を有するように、形成されている。つまり、シリンドリカルレンズ５６は、矢印Ｃで示す傾き方向に、一様の形状に形成されている。したがって、シリンドリカルレンズ５６の稜線５６ａは、面５２ｂと平行である。なお、矢印Ｃで示す傾き方向は、ＺＸ平面に略平行である。また、矢印Ｃで示す傾き方向は、面５２ａと面５２ｂとが交差して得られた交線に略垂直である。

プリズムレンズ５０は、上述のように形成されていることによって、側面方向から見ると、光を屈折させるプリズムとして機能する。したがって、上述のように形成されたプリズムレンズ５０を用いることによって、導波路６から放射された斜め方向の光を真上方向（出射角度θ’＝０°）の近傍の方向に偏向することが可能となる（第２の問題点の解決）。また、プリズムレンズ５０は、正面方向から見ると、シリンドリカルレンズ５６を有するレンズとして機能する。したがって、図１に示したシリンドリカルレンズ１０と同様に、ある放射角度θにおいて、出射光をコリメートすることができる。

図２６に示したプリズムレンズ５０の設計条件を以下に示す。プリズムレンズ３０の屈折率をｎ＝１．５とする。シリンドリカルレンズ５６の曲率半径をＲ_２＝７．４ｍｍとする。また、プリズムレンズ５０の全体の長さ（Ｘ軸方向の長さ）をＤ_１＝１９．２ｍｍとする。また、中央におけるプリズムレンズ本体５２の高さをＨ_３＝３．２ｍｍとし、シリンドリカルレンズ５６の高さをＨ_４＝２．５ｍｍとする。プリズムレンズ５０の幅方向の長さをＤ_２＝１１．０ｍｍとする。また、導波路６からプリズムレンズ５０の中央までの距離をＬ_０＝１４．３ｍｍとする。また、放射角度θを１０，３０°とする。また、放射広がり角をδΦ＝±１５°（＝３０°）とする。上記の条件において、シミュレーションを行った。この場合、図２６に示すように、放射角度θ＝１０°のときに、出射角度θ’＝０°を実現できていることが分かる。なお、広がり角度Φ’について、放射角度θ＝１０°のときに半値全幅δΦ’＝０．３８°であり、放射角度θ＝３０°のときに半値全幅δΦ’＝１．０４°である。したがって、上述した実施の形態１及び実施の形態２にかかるプリズムレンズを採用した方が、放射角度θによらないで出射ビームを良好にコリメートすることができる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４では、実施の形態１～４にかかるプリズムレンズを有する光偏向デバイス１を用いた装置の例について説明する。以下の説明では、光偏向デバイス１をライダ装置に適用した例について述べる。しかしながら、実施の形態１～４にかかるプリズムレンズは、ライダ装置以外にも適用可能である。

図２７は、実施の形態４にかかるライダ装置１００を示す図である。ライダ装置１００は、レーザ光源１１０と、光偏向デバイス１と、光検出部１２０とを有する。レーザ光源１１０は、測距に用いられるパルス光や周波数チャープ連続光を光偏向デバイス１に入射させる。光偏向デバイス１は、入射された光パルスによる出射ビームを、測距対象物９０に対して放射する。

出射ビームが測距対象物９０で反射して戻ってきた光が光偏向デバイス１で受光されると、受光された反射光は、光検出部１２０に入力される。これにより、光検出部１２０は、反射光を検出する。そして、ライダ装置１００は、出射ビームが出射された時間と反射光が受光された時間との時間差や、周波数チャープ光の時間経過に伴う周波数ずれから、測距対象物９０までの距離を算出する。

なお、光検出部１２０は、レーザ光源１１０と光偏向デバイス１との間の入射導波路を分岐した分岐路の一旦に設けられてもよい。また、光偏向デバイス１と光検出部１２０との間に光フィルタを設けてもよい。この場合、光偏向デバイス１によって受光された反射光は、光フィルタを通過した後で、光検出部１２０に伝搬されてもよい。また、レーザ光源１１０が、光検出部１２０の機能を有してもよい。その場合、光検出部１２０を別個に設けることは不要となる。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述した実施の形態においては、シリンドリカルレンズは、その断面の曲線形状が円弧であるような形状であるとした。しかしながら、シリンドリカルレンズは、このような形状に限られない。シリンドリカルレンズがレンズの機能を有していれば、その断面の曲線形状は円弧である必要はない。言い換えると、シリンドリカルレンズの曲面形状は、円柱の側面の一部のような形状である必要はない。

また、実施の形態１，２では、プリズムレンズ本体２２の下側の面２２ａの傾斜角Θが上側の面２２ｂの傾斜角Θ’よりも小さいとしたが、このような構成に限られない。Θ＞Θ’であってもよい。また、プリズムレンズは、図１０に示したプリズムレンズ２０を上下逆とした形状であってもよい。同様に、プリズムレンズは、図１５に示したプリズムレンズ３０を上下逆にした形状であってもよい。また、実施の形態３では、図２６に示すように、シリンドリカルレンズがプリズムレンズ本体５２の上側の面５２ｂに形成されているが、このよう構成に限られない。実施の形態３のようにシリンドリカルレンズがプリズムレンズ本体の互いに平行でない対向する１組の面の片側に形成される場合、シリンドリカルレンズは、プリズムレンズ本体５２の下側の面５２ａに形成されてもよい。

この出願は、２０１８年１０月３０日に出願された日本出願特願２０１８－２０３７１４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１光偏向デバイス
２フォトニック結晶導波路
４回折格子
６導波路
２０プリズムレンズ
２２プリズムレンズ本体
２２ａ，２２ｂ面
２４シリンドリカルレンズ
２６シリンドリカルレンズ
３０プリズムレンズ
５０プリズムレンズ
５２プリズムレンズ本体
５２ａ，５２ｂ面
５６シリンドリカルレンズ
１００ライダ装置
１１０レーザ光源
１２０光検出部

Claims

一端から他端に向かって互いの間隔が短く又は長くなる、対向する１組の面を有するプリズムレンズ本体と、
前記１組の面の両方の面に一体に形成された２つのシリンドリカルレンズと、
を有し、
高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配列されて形成された回折格子を有する導波路から放射される光が前記１組の面の一方の面の側から入射し、前記１組の面の他方の面の側から出射するように構成されており、
前記プリズムレンズ本体は、前記１組の面の間隔が、前記導波路への光の入射方向の下流側に向かうにつれて短くなるように、形成されており、
前記シリンドリカルレンズは、当該シリンドリカルレンズが形成された前記プリズムレンズ本体の面の、前記１組の面の他方の面に対する傾き方向に対して垂直な平面における断面形状が、前記シリンドリカルレンズ全体にわたって、前記シリンドリカルレンズが形成された面に対して凸となるような円弧形状となっており、前記シリンドリカルレンズの稜線が、当該シリンドリカルレンズが形成された面と平行となるように、形成されている、
プリズムレンズ。
前記プリズムレンズ本体の前記１組の面の傾き方向がそれぞれ対称となるように、前記シリンドリカルレンズが形成された２つの前記プリズムレンズ本体が一体化するように形成されている、
請求項１に記載のプリズムレンズ。
前記プリズムレンズ本体は、前記一方の面の前記導波路に対する傾斜角が、前記他方の面の前記導波路に対する傾斜角よりも小さくなるように、形成されている、
請求項１又は２に記載のプリズムレンズ。
請求項１に記載のプリズムレンズと、
高屈折率部材に低屈折率部位を周期的に配列されて形成された回折格子を有する導波路と、
を有する光偏向デバイス。
請求項４に記載の光偏向デバイスと、
前記光偏向デバイスに光を入射させる光源と、
前記光偏向デバイスで受光された光を検出する光検出部と、
を有するライダ装置。