JPWO2018037700A1 - 検知光発生素子および検知光照射方法 - Google Patents

Abstract

検知光発生素子１は、光導波路４、光導波路４に周期的に形成された溝からなるグレーティング部５Ａ、および光導波路４に接し、光導波路４の材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなるクラッド部３を備える。光導波路４を伝搬する伝搬光をグレーティング部５Ａで回折させ、伝搬光を回折光Ａ１〜Ａ５として互いに異なる複数の方向へと向かって出射させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の相異なる方向へと検知光を出射して情報を得るための、検知光発生素子に関するものである。

マルチメディアやデジタルサイネージの進展により、高精細、高画質、大画面のディスプレイやプロジェクタの需要が高くなっており、レーザ光を広角に走査する光走査素子の開発が活発化している。最近では、光走査素子は、レーザレーダ、レーザスキャナ、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）として使用でき、自動車の自動運転制御用や、ロボット、ドローンの位置制御用の障害物検知システム、測距システムへの適用が検討されている。

これらの光走査（スキャニング）の機構は、ポリゴンミラー方式やＭＥＭＳミラー方式といった、メカニカルな方式が主流となっている。

特許文献１、２は、モーター駆動のミラーにレーザ光を走査するメカニカルな方式である。モーター駆動のミラーを回転させ、レーザ光を走査する。物体からの反射光を受光素子で検出し、時間遅れから物体との距離や位置を割り出している。ミラーとしては、平面ミラーや多角形形状のポリゴンミラーが使用されている。

特許文献３は、ＭＥＭＳミラーを使用したメカニカルな方式である。ＭＥＭＳの構造は、シリコン上に、半導体プロセスを利用して、２軸の自由度を持つ梁によって可動部を形成しており、可動部の表面に反射率の高い金属反射膜を形成して、ミラーとしている。稼働部の周囲に永久磁石を配置し、可動部のコイルに電流を流すことによりローレンツ力を発生させ、出射方向を制御する。

特許文献４に記載された受光素子分割方式では、稼働部を必要としない。これは、レーザ光をレンズで広げることで広角にし、その反射光を、分割した受光素子で検知することにより、被測定面体の検知を実現している。しかし、分割数を多くすると、１つの受光素子に入射する反射光量が小さくなるために、信号ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が悪くなってしまう。この場合、受光量を大きくするために光源のパワーを大きくするという考え方もあるが、光源のハイパワー化によって光源のコストが高くなるし、アイセーフの問題も生ずる。

一方、本発明者は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を利用し、基板に複数のプリズム状の分極反転部を形成し、さらに基板を薄片化し、電極形成することで、光スイッチング素子を提案した。しかし、これは電気光学効果による出射光の方向変位が１０°以下であり、広角にスキャンするための光走査素子ではない。

また、電気光学効果を利用した素子の場合、プリズムに電極を形成したものがよく知られている（非特許文献１）。

しかし、ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶を利用したプリズム偏向素子は、電気光学効果による屈折率変化が比較的に小さい。たとえば、ニオブ酸リチウムの場合、屈折率変化△ｎ＝0.001を得るためには、4.5kV／mm程度の大きな電界を結晶に印加する必要がある。

このため駆動電圧を低減するため、ニオブ酸リチウム基板の厚みを薄くする構造が特許文献６に開示されている。

特許文献７は、グレーティングを応用したスイッチング素子の例であり、スラブ型光導波路とグレーティング部とグレーティング部上部に形成した電極から構成される。この場合、１つのグレーティング部は長くスラブ導波路の進行側に沿って形成されており、スラブ導波路の進行方向と垂直の方向に周期的に構成される。スラブ導波路を伝搬する光は、電圧印加によりグレーティング部が周期的な屈折率構造となるために、回折格子として機能する。その回折効果によって光が偏向することを利用している。この場合、偏向角は２−３°である。

Scrymgeour, D.A.,"Large-angle electro-optic laserscanner on LiTaO3 fabricated by in situ monitoring of ferroelectric-domainmicropatterning, Appl. Opt., 40-34, (2001)

特許5802659 特開2013-148446 特開2013-003253 特許5683629 特開2013-195687 特開2011-48067 特許5793308

しかし、従来の光走査素子は、可動部が必要であったり、あるいは受光素子での信号／雑音比が大きくなるという問題がある。また、プリズム形状の分極反転部を利用した光スイッチング素子は知られているが、これは伝搬光の向きを１０°以下程度偏向させるものであり、レーザスキャナとして適当なものではない。

本発明の課題は、可動部が不要で、光を走査せずに広角に検知光を発生させ、広範囲の角度に出射できる検知光発生素子を提供することである。

本発明は、
被測定面に対して検知光を照射するための検知光発生素子であって、
光導波路、
前記光導波路に周期的に形成された溝および突起からなるグレーティング部、および
前記光導波路に接し、前記光導波路の材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなるクラッド部を備えており、
前記光導波路を伝搬する伝搬光を前記グレーティング部で回折させ、前記グレーティング部から発生する回折光を前記検知光として互いに相異なる複数の方向へと向かって出射させることを特徴とする。

また、本発明は、前記検知光発生素子を用いて被測定面を照射する方法であって、
前記検知光発生素子から出射した前記検知光を前記被測定面に照射し、前記被測定面からの反射光を用いて前記被測定面に関するデータを得ることを特徴とする。

本発明によれば、光導波路中にグレーティング部からなる回折格子を設け、回折格子の周期によって決まる方向（光導波路面とは異なる方向）に向かって光を光導波路の外部へ出射させることができる。また、この出射方向は波長ごとに変わるので、全体として広い範囲の角度で光を拡散できる。

さらに、異なる周期の回折格子を設けることにより、それぞれの回折格子で照射する範囲を足し合わすことで、一層広い範囲の角度で出射する検知光発生素子を実現し、広い範囲の被測定面に関するデータを得ることができる。

例えば、光を広角に照射することにより、それぞれ物体に入射した光が反射して戻ってきた光を受光するまでの時間を測定することによって、３次元情報を得ることが可能となり、障害物を検知することができる。

本発明の実施形態に係る検知光発生素子１を示す模式図である。 他の実施形態に係る検知光発生素子１Ａを模式的に示す断面図である。 他の実施形態に係る検知光発生素子１Ａを模式的に示す斜視図である。 グレーティング部から出射する出射光のビームを示す模式図である。 ブラッググレーティングカプラにおける入射光と放射光との関係を示す模式図である。 グレーティング周期と出射光の放射角度との関係を示すグラフである。 グレーティング周期と出射光の放射角度との関係を示すグラフである。 検知光発生素子からの出射光を反射させ、分割された受光素子２５によって受光する状態を示す。 検知光発生素子をＸ方向およびＹ方向に向かって動かしながら被測定面を走査し、分割された受光素子で受光する状態を示す。 本発明の検知光発生素子を用いて対象面を走査する状態を示す。 本発明の検知光発生素子を用いて対象面を走査する状態を示す。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各検知光発生素子の断面構造を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各検知光発生素子の断面構造を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、各検知光発生素子の断面構造を模式的に示す横断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る検知光発生素子１を模式的に示す斜視図である。
本例では、支持基板２上にクラッド層３を介して光導波路４が形成されており、光導波路４がスラブ型光導波路を構成している。光導波路４の上面４ｃ上には、図示しない上側クラッド層を設けることができる。光導波路４には、光の入射面４ａと、入射面４ａに対向する対向面４ｂとが設けられている。また、光導波路４には、一定の周期のグレーティング溝によって形成される回折格子５Ａが設けられている。

動作時には、光導波路の入射面４ａから光を矢印Ｉのように入射させる。この光は、光導波路４内を伝搬し、光導波路がスラブ型光導波路として機能する。グレーティング部５Ａが、回折格子として作用する。この結果、後述するように、回折格子の作用によって回折光が素子外に放射される。本例では、グレーティング部５Ａから、一次回折光Ａ１、二次回折光Ａ２、三次回折光Ａ３、四次回折光Ａ４、五次回折光Ａ５が放射されている。各回折光は異なる方向に向かって放射されるので、同時に広範囲に検知光を発生させることができる。

図１の例では、グレーティング部を一つとし、一次回折光および高次回折光を放射させた。しかし、また、図２、図３の例においては、グレーティング部を複数とし、また、各グレーティング部から複数次数の回折光を放射させる。

本例では、支持基板２上にクラッド層３を介して光学材料層１４が形成されており、光学材料層１４の上面１４ａ側に細長いリッジ型光導波路６が設けられている。光学材料層１４の上面１４ａ上には、図示しない上側クラッド層を設けることができる。光導波路６には、光の入射面６ａと、入射面６ａに対向する対向面６ｂとが設けられている。また、光導波路６には、長手方向に向かってグレーティング部５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅが設けられている。

動作時には、光導波路６の入射面６ａから矢印Ｉのように光を入射させる。この光は、光導波路６内を伝搬する。ここで複数の異なる周期のグレーティング部５Ｂ〜５Ｅが形成されていると、各グレーティング部がそれぞれ回折格子として作用する。この結果、後述するように、各回折格子の作用によって各回折光が異なる方向へと向かって放射される。更に、各グレーティング部から、次数の異なる回折光はそれぞれ異なる方向に向かって放射されることになる。

すなわち、本例では、グレーティング部５Ｂから、一次回折光Ｂ１が放射されており、グレーティング部５Ｃから一次回折光Ｃ１、二次回折光Ｃ２が放射されており、グレーティング部５Ｄから一次回折光Ｄ１、二次回折光Ｄ２、三次回折光Ｄ３が放射されており、グレーティング部５Ｅから一次回折光Ｅ１、二次回折光Ｅ２、三次回折光Ｅ３が放射されている。各グレーティング部から放射される一次回折光の方向は互いに異なっており、また同じグレーティング部から放射される次数の異なる回折光の放射方向もそれぞれ異なる。これらを適宜選択することで、同時に広範囲を走査することができる。一方、グレーティング周期（ピッチ）が狭い場合には、一次回折光のみを出射させることができ、このピッチの設計によって使用する回折次数を決めることができる。

図４は、グレーティング部から放射される出射光ビームの広がり方を説明するための模式図である。
本例では、光学材料層１４にリッジ型光導波路６が形成されており、この中にグレーティング部５Ａが形成されているものとする。光導波路を伝搬する伝搬光は、グレーティング部によって回折され所定方向に向かって回折光として放射される。ここで、素子の長手方向をＬとし、グレーティング面と平行かつ光導波路６の上面６ｃに平行な方向をＷとする。放射光はほぼＷ方向に放射される。この結果、Ｅに示すように、グレーティング部からは広い範囲に向かって出射光が放射されることになる。一方、光導波路６の上面６ｃの法線Ｐに対する放射光の角度（放射角度）θａは、グレーティング部の周期によって異なる。これによって、複数のグレーティング部について放射角度θａを順次変化させることができる。

本発明では、光導波路に伝搬光を伝搬させ、各グレーティング素子を回折格子として機能させることによって、光導波路を伝搬する伝搬光の進行方向を変更し、光導波路から回折光を外部へと放射する。このグレーティングカプラの原理について説明する。

図５に示すように、光導波路４、６に入射した入射光Ｉは、例えば、長手方向Ｌに伝搬定数βｏで伝搬する。突起８と凹部７とが周期的に形成されており、ブラッググレーティングを形成している。ブラッググレーティングにおいて、周期構造のピッチをΛとした場合、下式（１）の位相条件を満足する伝搬定数の光が伝搬する。

βｑ＝βｏ＋ｑＫ （ｑ＝０、±１、±２、・・・）・・・・・・（１）

ここで、βｏはグレーティングがない場合の導波路中の導波モードの伝搬定数である。Ｋ＝２π／Λである。

｜βｑ｜＜ｎａ・ｋ、または
｜βｑ｜＜ｎｓ・ｋ
を満たす次数ｑがある場合、光導波路の上側と支持基板側との両方に放射する。
ここで、ｎａ、ｎｓはそれぞれ光導波路コアの上側クラッド２０、下側クラッド３の屈折率を示す。またｋは波数を示す。

このときの放射角度θａ、θｓは、下式（２）で決められる。

ｎａ・ｋ・ｓｉｎθａ＝ｎｓ・ｋ・ｓｉｎθｓ＝βｑ ・・・・（２）

（１）式は、更に（３）式で表すことができる。実際に成立する条件は、ｑ≦−１の場合である。そして、一次回折光はｑ＝−１のときに算出される放射角度θａ、θｓで導波路外部に放射されることになる。

上記から放射角度は波長により異なることがわかる。ゆえに、グレーティング部の周期を変化させることによって、各グレーティング部から放射される出射光の放射角度θａ、θｓを変化させることができる。

また、式（１）、（３）は、ｑ≦−１の場合に成立する。このため、伝搬光の一部は、高次回折光としても出射するので、高次回折光を利用することもできる。ここで、高次回折光とは、二次以上の回折光を意味する。

例えば、二次回折光はｑ＝−２のときに算出される放射角度θａ、θｓで導波路外部に放射され、三次回折光はｑ＝−３のときに算出される放射角度θａ、θｓで導波路外部に放射され、四次回折光はｑ＝−４のときに算出される放射角度θａ、θｓで導波路外部に放射される。そして、回折光の次数が変わると、放射角度が変化するので、少ないグレーティング部で広い放射角をカバーすることができるという利点がある。

ただし、回折光の次数が大きくなると、回折光の強度は弱くなるので、遠くまで光が伝搬できずに検出可能な距離が短くなる、または、近距離であっても被測定物からの反射光の強度が小さく信号／雑音比（ＳＮ比）が小さくなるという問題がおこる。この観点からは、回折光の次数は、八次以下が好ましく、四次以下が更に好ましい。

以下、本発明の構成要素について更に述べる。
光導波路および光学材料層を構成する光学材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム、ＫＴＰ（KTiOPO4）、ＫＴＮ（KTa(1-x)NbxO3）、ＫＬＮ（K３Ｌｉ２Ｎｂ５O１５）、酸化タンタル、酸化アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素、酸化珪素を含むガラスが好ましい。

好適な実施形態においては、伝搬光の波長をλ、光導波路の厚さをＴｓｕｂとしたときに、Ｔｓｕｂ／λを０．６以上、１０以下とする。この条件を満足すれば、伝搬光が光導波路伝搬するので、分解能の高い回折光を得ることができる。

支持基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、水晶、石英ガラスなどのガラスであってよい。しかし、光源の熱がグレーティング部に伝導することを抑制するために、放熱特性のよい支持基板を使用することができる。この場合には、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Ｓｉなどを例示することができる。

支持基板と光導波路とは接合層を介して接合してよく、あるいは常温直接接合してもよい。直接接合の場合には、支持基板がクラッド部として機能する。また、この場合、支持基板と光導波路との間に光導波路よりも屈折率の小さいクラッド層を設けることが好ましい。接合面はアモルファス層となり、光を散乱し伝搬損失が増大することから、光導波路の下部に低屈折率クラッド層を成膜したのち、この低屈折率クラッド層と支持基板が直接接合の貼り合わせ面になることが好ましい。

支持基板と光導波路とを接合する場合には、接合層の厚さは特に限定されないが、光導波路を薄板研磨するための接着強度を確保するために０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることが更に好ましい。また、接合層の応力を低減するために厚さを３μｍ以下とすることが好ましく、１．５μｍ以下とすることが更に好ましい。

また、支持基板と光導波路との間には、クラッド層として機能する接合層を設けて良く、あるいは接合層に加えて更に光導波路に接するクラッド層を設けても良い。

好適な実施形態においては、光導波路と支持基板との間に、光導波路からの出射光を反射する反射膜を設ける。これによって、素子外に放射する出射光の光量を高くすることができる。こうした反射膜としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、あるいは、誘電体膜であってよい。反射膜が金属膜である場合は、金属膜は支持基板と下側クラッドの間に設け、光導波路を伝搬する光が金属膜に吸収されることを防ぐことができる。

反射膜として金属膜を使用する場合には、その上に形成するクラッド層がはがれないようにするために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。また、誘電体膜の材質は、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ、ＣａＦなどからなる単層膜、あるいは多層膜である

リッジ型光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。あるいは、リッジ型光導波路も、ドライエッチングによって形成することができる。

下側クラッド層、上側クラッド層の材質は、光導波路を構成する単結晶よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。上側クラッドは、空気であってもよい。また、各クラッド層の材質は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、弗化カルシウム、窒化珪素、アルミナ、五酸化タンタルを例示できる。

光源としては、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰを主たる混晶材料により構成される半導体レーザが好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードやＬＥＤ、半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。
上記のスーパールミネッセンスダイオードやＬＥＤなど多波長を含む光源の場合には、回折格子で回折される角度が波長ごとに異なるためにより広い角度でかつ抜けのない拡散光を得ることができるので、空間分解能の高い被測定面の三次元データを採取することができる。

ブラッググレーティングは物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、電子ビーム露光やステッパ露光によるフォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。

グレーティングの周期は、伝搬光の波長および目的とする放射角度によって適宜決定できる。好適な実施形態においては、伝搬光の波長が８００ｎｍ、１μｍのときに、周期グレーティング部の周期を０．１〜２μｍで変化させることができ、これによって放射角度を＋９０〜−９０°の範囲で適宜調節できる。
なお、放射角度は、図４に示すθａで光導波路の法線方向Ｐを基準に出射側の放射角度を正としている。

以上は、回折次数が一次の場合であるが、前述したように高次の回折光を利用できる。図６は、一次から四次までの回折光におけるグレーティング周期と放射角度の計算値を示す。図６から、二次以上の回折光を使用することにより、一次回折光を利用した場合に対して放射角度を変化させることができる。また、グレーティング周期を大きくしても、一次回折光を利用した場合と同じ放射角度が得られる。これによりグレーティングのパターニングプロセスにおいて、ステッパーや電子ビーム露光機などの高価な装置を使用せずとも、マスクアライナーでパターニングが可能となり安価な光スキャナー素子を実現することができる。

ここで、各グレーティング部では一次回折光以外に、二次回折光、三次回折光、四次回折光を利用することも可能であり、各放射光を足し合わせることにより、原理的にグレーティング形成面の半球面に放射させることが可能である。
この場合、入射光源の波長を多波長、ブロードな波長とすることにより、個々の回折格子からの放射角度を広げることができるので、より広角に光を拡散することが可能となる。

さらに、次数の異なる複数種類の回折光を組み合わせて使用することにより、広範囲の放射角度を実現することができる。例えば、図７に例示するように、グレーティング周期１μｍから２μｍのグレーティング部を形成するだけで、＋９０°から＋６０°は一次回折光、＋６０°から＋３０°は二次回折光、＋３０°から０°は三次回折光、０°から−９０°は四次回折光とすることにより、少ないグレーティング部で広角な可変検知光発生素子を構成することが可能となり、小型化、高角度分解能化、低コスト化を実現することが可能となる。

本発明の検知光発生素子を用いて被測定面を走査することができる。すなわち、検知光発生素子から出射した出射光を被測定面に照射し、被測定面からの反射光を用いて被測定面に関するデータを得ることができる。こうしたデータとしては、被測定面の位置が挙げられる。

好適な実施形態においては、検知光発生素子を検知光発生素子の長手方向に向かって移動させながら被測定面を走査する。この実施形態について更に述べる。

図４に示したように、素子からの出射光の拡がり角度は、導波路伝搬方向（素子の長手方向）Ｌに向かって狭く、グレーティング面に平行かつ光導波路の上面６ｃに平行な方向Ｗに向かって広くなる。素子の長手方向に見ると、各グレーティング部から、相異なる放射角度θａで出射光が放射される。

このため自動車の自動運転用３次元レーザスキャナとして使用する場合に、素子の長手方向Ｌを水平方向に合わせ、方向Ｗを垂直方向に合わせることによって、垂直方向のスキャニングをなくすことができるので、受光素子数を減らすことができ、安価な装置構成とすることができる。

例えば、図８に示すシステムは、受光素子分割方式を示す。
半導体レーザ４１からの出射光をレンズ２２で集光し、被測定面２３に投射する。そして、被測定面からの反射光をレンズ２４によって受光素子アレイ２５に投射する。ここで、受光素子アレイ２５は、被測定面の情報を高分解能に検知するために、水平方向Ｘおよび垂直方向Ｙに向かって多数配列されたフォトダイードからなる。この方式では、ポリゴンミラーやＭＥＭＳミラーなどの高精度ミラーや複数のレーザを使用する光走査素子を使用しないことから比較的安価なシステムとすることができる。受光素子アレイは光走査素子や複数のレーザを使用するシステムよりコストを低くすることができる。しかし、被測定面の水平方向Ｘと垂直方向Ｙとに合わせてそれぞれ多数のフォトダイオードを設置する必要がある。しかも、一カ所の素子から出射光を投射しているので、各受光素子に対応する光強度が低く、信号／雑音比が低くなるというデメリットもある。

図９は、レーザスキャナを利用した光走査システムを示す。
本例では、レーザ素子２１ＡをポリゴンミラーによってＸ、Ｙ方向に走査し、光をレンズ２２によって集光して被測定面２３に照射する。ここで、被測定面２３をＸ方向およびＹ方向に向かって順次走査する。そして、被測定面からの反射光をレンズ２４で集光し、受光素子２５Ａで受光する。しかし、この方法では、レーザ光によってＸ方向およびＹ方向の両方を走査する機構が必要である。

図１０においては、本発明の検知光発生素子１、１Ａを用いる。ここで、本発明の素子からの出射光は、素子の長手方向Ｌと垂直な方向Ｗに向かって広がる性質を持つ。このため、素子の長手方向Ｌを水平方向Ｘに一致させると、素子からの出射光は、水平方向Ｘと垂直方向Ｙにそれぞれ向かって広がることになる。この出射光をレンズ２２を通して被測定面２３に投射すると、被測定面２３のうち垂直方向に延びた領域２３ａに向かって投射される。この領域２３ａからの反射光をレンズ２４で集光し、受光素子アレイ２５Ｂによって受光する。

なお、本発明の検知光発生素子から発生するビームはＹ方向に広角に広がるので、図１１に示すように、検知光発生素子１（１Ａ）からの出射光を集光するレンズ２２を設けることなしに、被測定面を走査することが可能である。

ここで、本発明の素子を用いると、被測定面の全体を出射光が投射でき、反射光を２次元の受光素子アレイ２５Ｂによって測定できる。このため、素子１、１Ａを、素子の長手方向Ｌに向かって移動させることなく、被測定面の全体を一度に照射し、被測定面の全体の情報を得ることができる。この結果、従来よりも走査にかかる時間とコストを低減でき、かつ受光素子アレイのコストを著しく低減することができる。ただし、２次元配列した受光素子アレイは、フォトダイオード、あるいはＣＭＯＳカメラやＣＣＤであってもよい。

半導体レーザを利用した測距方法について更に補足する。
本方法では、レーザ光を照射して障害物からの反射光を受光素子にて検出して照射後の伝搬時間を計測することによって、障害物までの距離を測定する。一般的に、タイム・オフ・フライト（ＴＯＦ）法と呼ばれる。

本発明の素子を用いて３次元的な空間での測距を行う場合、素子からの出射光の拡がり角度は、導波路の形状や導波路のコアとクラッドの材料選定により導波路幅Ｗ方向で５°から４０°に拡大することができ、素子の長手方向Ｌに向かって原理的に１８０°の放射角で全体を照射させることができる。この特性を利用し、図１０、１１に示すように、水平方向Ｘ，垂直方向Ｙの２次元フォトダイオードアレイを使用する測距システムを構築することが可能となる。これによって、従来の分割型受光方式と同等の測定距離を長くすることが可能であり、同時に低コストのシステムを実現できる。

なお、本発明の検知光発生素子から発生するビームはＹ方向に広角に広がるので、図１１に示すように、検知光発生素子１（１Ａ）からの出射光を集光するレンズ２２を設けることなしに、被測定面を走査することが可能である。

好適な実施形態においては、図１２（ａ）に示すように、支持基板２上に下側バッファ層３を介して光学材料層１４が形成されている。光学材料層１４には例えば一対のリッジ溝３０が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路６が形成されている。グレーティング部は、光導波路の支持基板側に設けることができ、あるいは支持基板とは反対側に設けることができる。３１は薄肉部であり、３２は延在部である。本例では上側クラッド層がなく、光学材料層１４上が空気に面している。クラッド層３と支持基板２との間に接着層を設けることもできる。

また、図１２（ｂ）に示す素子では、光学材料層１４上に更に上側クラッド層５０が形成されている。

また、図１２（ｃ）に示すように、支持基板２上に下側クラッド層３を介して光学材料層１４が形成されている。光学材料層１４には例えば一対のリッジ溝３０が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路６が形成されている。本例ではリッジ溝が支持基板側に設けられている。３１は薄肉部であり、３２は延在部である。

好適な実施形態においては、光導波路が、光学材料からなるコアからなり、コアの周りをクラッドが包囲している。このコアの横断面（光の伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は凸図形となるようにする。

凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。凸図形は、一般的な幾何学用語である。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。

たとえば図１３（ａ）に示すように、支持基板２上に下側クラッド層３を介して、光導波路コア３７が形成されている。コア３７の横断面形状は台形であり、上面３７ａが下面３７ｂよりも狭い。そして、コア３７を被覆するようにクラッド層３６が形成されている。なお、クラッド層３６と支持基板２との間に接着層を形成することもできる。

図１３（ｂ）に示す素子では、支持基板２上にクラッド層３９が設けられており、クラッド層３９内に光導波路コア３７が埋設されている。クラッド層３９は、光導波路コアの上面を被覆する上面被覆部３９ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部３９ｃおよび光導波路と支持基板との間に位置する底面被覆部３９ａを有する。

図１３（ｃ）に示す素子では、支持基板２上にクラッド層３９が設けられており、クラッド層３９内に光導波路コア３７Ａが埋設されている。クラッド層３９は、光導波路コアの上面を被覆する上面被覆部３９ｂ、コアの側面を被覆する側面被覆部３９ｃおよびコアと支持基板との間にある底面被覆部３９ａを有する。

また、図１４（ａ）に示す素子では、支持基板２上に下側クラッド層３を介して光導波路コア３７が形成されている。光導波路コア３７の側面および上面３７ａには、上側クラッド層３６が形成され、光導波路コア３７を被覆している。上側クラッド層３６は、光導波路コア３７の側面を被覆する側面被覆部３６ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３６ａを有する。

また、図１４（ｂ）に示す素子では、光導波路コア３７Ａが形成されている。光導波路３７Ａの横断面形状は台形であり、下面が上面よりも狭い。上側クラッド層３６は、光導波路コア３７Ａの側面を被覆する側面被覆部３６ｂおよび上面を被覆する上面被覆部３６ａを有する。

（実験１）
図２、図３、図１２（ｂ）に示すような検知光発生素子１Ａを作製した。
具体的には、石英からなる支持基板２にスパッタ装置にて、ＳｉＯ２をクラッド層として０．５μｍ成膜し、その上にＴａ２Ｏ５を２μｍ成膜して光学材料層１４を形成した。次に、光学材料層１４上にＴｉを成膜して、電子ビーム露光によるフォトリソグラフィー技術によりグレーティングパターンを作製した。その後、Ｔｉパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、９個のグレーティング部を形成した。グレーティング部の溝深さは３００μｍとし、各グレーティング部の長さは１００μｍとし、グレーティング周期は、１．２μｍから２μｍまでの０．１μｍ間隔で９個形成した。

次に、光導波路６を形成するために、上記と同様な方法で反応性イオンエッチングにより、幅３μｍ、深さ１μｍの溝加工を実施した。

シリコン基板上に波長９００ｎｍの半導体レーザをＡｕＳｎはんだにて固定した後に、検知光発生素子チップを、レーザ光の光軸が光導波路の光軸とあうように調芯してＡｕＳｎはんだに固定し、レーザモジュールを作製した。

実装後、レーザを駆動させ、光導波路６に光を伝搬させ、各グレーティング部から放射する価値回折光の放射角度を測定した。
この結果、周期の短いグレーティング部から順に１６Ａ、１６B、１６C、１６D、１６E、１６F、１６G、１６H、１６Iとしたとき、以下のような回折光が放射された。

グレーティング部 回折光 放射角度
１６B 一次回折光 ８０°
１６A 一次回折光 ７１°
１６Ｉ 二次回折光 ５７．５°
１６Ｈ 二次回折光 ５４．２°
１６Ｇ 二次回折光 ５０°
１６Ｆ 二次回折光 ４７°
１６Ｅ 二次回折光 ４３．６°
１６Ｄ 二次回折光 ３９．７°
１６Ｃ 二次回折光 ３５．５°
１６Ｂ 二次回折光 ３１°
１６Ｈ 三次次回折光 ２９．３°
１６Ｇ 三次回折光 ２５．８°
１６Ｆ 三次回折光 ２２°
１６E 三次回折光 １８°
１６Ｄ 三次回折光 １３．３°
１６Ｃ 三次回折光 ８．２°
１６Ｂ 三次回折光 ２．５°
１６Ｆ 四次回折光 ０．８°
１６Ｅ 四次回折光 −４．３°
１６Ｄ 四次回折光 −１０．２°
１６Ｃ 四次回折光 −１７°
１６Ｂ 四次回折光 −２５．３°
１６Ａ 四次回折光 −３５．８°

これにより、＋８０°から−３５°の角度範囲で光が放射できることを確認した。また、素子外部に放射するレーザ光の拡がり角度は、光導波路の幅方向には４０°、素子の長手方向には１１５°の広い角度領域で光を導波路外部に取り出すことを実証した。

Claims (8)

1. 被測定面に対して検知光を照射するための検知光発生素子であって、
   光導波路、
   前記光導波路に周期的に形成された溝および突起からなるグレーティング部、および
   前記光導波路に接し、前記光導波路の材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなるクラッド部を備えており、
   前記光導波路を伝搬する伝搬光を前記グレーティング部で回折させ、前記グレーティング部から発生する回折光を前記検知光として複数の方向へと向かって出射させることを特徴とする、検知光発生素子。
2. 複数の前記グレーティング部を備えており、複数の前記グレーティング部が互いに異なる周期を有していることを特徴とする、請求項１記載の素子。
3. 前記回折光が一次回折光であることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
4. 前記回折光が高次回折光であることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
5. 前記回折光として、複数の相異なる次数の回折光を放射させることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
6. 前記光導波路がリッジ型光導波路であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の検知光発生素子を用いて被測定面に前記検知光を照射する方法であって、
   前記検知光発生素子から出射した前記検知光を前記被測定面に照射し、前記被測定面からの反射光を用いて前記被測定面に関するデータを得ることを特徴とする、検知光照射方法。
8. 前記検知光発生素子を前記検知光発生素子の長手方向に向かって移動させながら前記被測定面を走査することを特徴とする、請求項７記載の方法。
   
   

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