JPWO2020084850A1 - 光検出システム - Google Patents

Abstract

光スキャンデバイスは、各々が第１の方向に沿って光を伝搬させる複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は前記第１の方向に交差する第２の方向に並び、光ビームを出射する光導波路アレイと、前記複数の光導波路にそれぞれ接続された複数の位相シフタを含む位相シフタアレイと、前記複数の位相シフタの各々の位相シフト量および／または前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの方向および形状を制御する制御回路と、対象物によって反射された前記光ビームを検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。

Description

本開示は、光検出システムに関する。

従来、光で空間を走査（スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。

特許文献１および特許文献４は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。

特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（すなわち、位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが光導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。

特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える光導波路と、光導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して光導波路内を導波する光を出射させるために光導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。

国際公開第２０１３／１６８２６６号 特表２０１６−５０８２３５号公報 特開２０１３−１６５９１号公報 米国特許出願公開２０１６／０２４５９０３号

本開示の他の一態様は、光ビームの方向および形状をアクティブに変化させながら距離測定を行う光検出システムを提供する。

本開示の一態様にかかる光検出システムは、各々が第１の方向に沿って光を伝搬させる複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は前記第１の方向に交差する第２の方向に並び、光ビームを出射する光導波路アレイと、前記複数の光導波路にそれぞれ接続された複数の位相シフタを含む位相シフタアレイと、前記複数の位相シフタの各々の位相シフト量および／または前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの方向および形状を制御する制御回路と、対象物により反射された前記光ビームを検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。

本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、光ビームの方向および形状をアクティブに変化させながら距離測定を行うことができる。

図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイスの構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、１つの光導波路素子の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。 図３Ａは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。 図３Ｂは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。 図４は、３次元空間における光導波路アレイを模式的に示す斜視図である。 図５は、光導波路アレイおよび位相シフタアレイを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。 図６Ａは、本実施形態における光スキャンデバイスの例と、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。 図６Ｂは、本実施形態における光スキャンデバイスの例と、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。 図７は、本実施形態における光スキャンデバイスの例と、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。 図８Ａは、図７に示す光スキャンデバイスの変形例を模式的に示す図である。 図８Ｂは、図７に示す光スキャンデバイスの変形例を模式的に示す図である。 図９は、本実施形態における光スキャンデバイスの例と、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。 図１０Ａは、図９に示す光スキャンデバイスの変形例を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、図９に示す光スキャンデバイスの変形例を模式的に示す図である。 図１０Ｃは、図９に示す光スキャンデバイスの変形例を模式的に示す図である。 図１１は、第２シフト量がゼロのときの、角度と、光強度分布との関係を示す図である。 図１２Ａは、第２シフト量がゼロでないときの、角度と、光強度分布との関係を示す図である。 図１２Ｂは、第２シフト量がゼロでないときの、角度と、光強度分布との関係を示す図である。 図１３は、第２シフト量がゼロでないときの、角度と、光強度分布との関係を示す図である。 図１４Ａは、本実施形態における光導波路を模式的に示す図である。 図１４Ｂは、光導波層の屈折率と、光導波路から出射される光の出射角度との関係を示す図である。 図１５Ａは、光スキャンデバイスの光導波路アレイから出射される光ビームの形状の例を模式的に示す図である。 図１５Ｂは、光スキャンデバイスの光導波路アレイから出射される光ビームの形状の例を模式的に示す図である。 図１５Ｃは、光スキャンデバイスの光導波路アレイから出射される光ビームの形状の例を模式的に示す図である。 図１６は、本実施形態における光スキャンデバイスから出射される光ビームの例と、距離画像の例とを模式的に示す図である。 図１７は、回路基板上に光分岐器、光導波路アレイ、位相シフタアレイ、および光源などの素子を集積した光スキャンデバイスの構成例を示す図である。 図１８は、光スキャンデバイスから遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。 図１９は、測距画像を生成することが可能なＬｉＤＡＲシステムの構成例を示すブロック図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

本発明者らは、従来の光スキャンデバイスには、装置の構成を複雑にすることなく、光で空間をスキャンすることが困難であるという課題があることを見出した。

例えば、特許文献１に開示されている技術では、ミラーを回転させる駆動装置が必要である。このため、装置の構成が複雑になり、振動に対してロバストでないという課題がある。

特許文献２に記載の光フェーズドアレイでは、光を分岐して複数の列導波路および複数の行導波路に導入し、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に光を誘導する必要がある。このため、光を誘導するための光導波路の配線が非常に複雑になる。また、２次元スキャンの範囲を大きくすることができない。さらに、遠視野における出射光の振幅分布を２次元的に変化させるためには、２次元的に配列された複数のアンテナ素子の各々に位相シフタを接続し、位相シフタに位相制御用の配線を取り付ける必要がある。これにより、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に入射する光の位相をそれぞれ異なる量変化させる。このため、素子の構成が非常に複雑になる。

本発明者らは、従来技術における上記の課題に着目し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者らは、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する光導波路素子を用いることにより、上記の課題を解決し得ることを見出した。光導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率、厚さ、または波長を変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。

さらに、複数の光導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の光導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の光導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率、厚さ、または光の波長を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。このように、本開示の実施形態によれば、比較的簡単な構成で、光による２次元スキャンを実現することができる。

本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される波長からなる群から選択される少なくとも１つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの３つのうちの任意の２つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。以下の各実施形態において、屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。

以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信できる光の方向を１次元的に変化させることができる。さらに、一方向に配列された複数の光導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を２次元的に変化させることができる。

本開示の実施形態による光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（可視光、赤外線、または紫外線）を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。本明細書において、光スキャンデバイスと光受信デバイスを「光デバイス」と総称することがある。また、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスに使用されるデバイスについても「光デバイス」と称することがある。

本明細書において、「光ビームの形状」とは、「光ビームの形状および／または広がり角」を意味する。

＜光スキャンデバイスの構成例＞
以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ〜約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。

本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。

本明細書において、２つの方向が「平行」とは、厳密に平行であることのみならず、両者のなす角度が１５度以下である形態を含む。本明細書において、２つの方向が「垂直」とは、厳密に垂直であることを意味せず、両者のなす角度が７５度以上１０５度以下である形態を含む。

図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、複数の光導波路素子１０を含む光導波路アレイを備える。複数の光導波路素子１０の各々は、第１の方向（図１におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の光導波路素子１０は、第１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列されている。複数の光導波路素子１０は、第１の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。本実施形態では、第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本実施形態では、複数の光導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。

なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

複数の光導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０およびミラー４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。

なお、複数の光導波路素子１０の複数の第１のミラー３０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の光導波路素子１０の複数の第２のミラー４０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の光導波路素子１０の複数の光導波層２０は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、（１）各第１のミラー３０が他の第１のミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２のミラー４０が他の第２のミラー４０と別体に構成されているか、（３）各光導波層２０が他の光導波層２０と別体に構成されていることにより、複数の光導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。

第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラー３０およびミラー４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。

それぞれの光導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの光導波路素子１０における光導波層２０の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長を同期して同時に変化させることで、光による２次元スキャンを実現することができる。

本発明者らは、そのような２次元スキャンを実現するために、光導波路素子１０の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の光導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。

図１に示すように、各光導波路素子１０に光を入力すると、各光導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１のミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本実施形態では、各光導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つが同期して制御される。これにより、複数の光導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１に示される方向１０１に沿って変化させることができる。

さらに、複数の光導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの光導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の光導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の光導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の光導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。

以下、光スキャンデバイス１００の動作原理を説明する。

＜光導波路素子の動作原理＞
図２は、１つの光導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、光導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。光導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０および下面（図２における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０によって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１のミラー３０の光透過率は第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０から光の一部を出力することができる。

通常の光ファイバーなどの光導波路では、全反射を繰り返しながら光が光導波路に沿って伝搬する。これに対して、本実施形態における光導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、光導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。このような光導波路を、「反射型光導波路」または「スローライト光導波路」と称する。

光導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。

式（１）からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。

例えば、ｎ_ｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎ_ｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。

そこで、本開示の実施形態における光スキャンデバイス１００は、光導波層２０に入力される光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄの少なくとも１つを制御することで、光の出射方向を制御する。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン（Ｓｉ）により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる４００ｎｍから１１００ｎｍ（可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバーまたはＳｉ光導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。

出射光の方向を変化させるために、光スキャンデバイス１００は、各光導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる第１調整素子を備え得る。

以上のように、光導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、厚さｄ、および波長λの少なくとも１つを変化させることで、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー３０から出射される光の出射角度を、光導波路素子１０に沿った方向に変化させることができる。少なくとも１つの光導波路素子１０を用いることにより、このような１次元のスキャンを実現することができる。

光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。

光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。

＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の光導波路素子１０が一方向に配列された光導波路アレイにおいて、それぞれの光導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各光導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。

図３Ａは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。図３Ａには、各光導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の光導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本実施形態における光導波路アレイは、等間隔に配列された複数の光導波路素子１０を含んでいる。図３Ａにおいて、破線の円弧は、各光導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、光導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図３Ａの例では、各光導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は光導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。

図３Ｂは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂに示す例では、複数の光導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣接する２つの光導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α_０は、以下の式（２）によって表される。

光導波路素子１０の本数がＮのとき、光の出射角度の広がり角Δαは、以下の式（３）によって表される。

したがって、光導波路素子１０の本数が多いほど、広がり角Δαを小さくすることができ、遠方においても高精細な光スキャンを実現することができる。

図２に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α_０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα_０≠０°である。

図４は、３次元空間における光導波路アレイを模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α_０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α_０は式（２）を満たす。

＜光導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの光導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、光導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本実施形態における光スキャンデバイス１００は、複数の光導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の光導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の光導波路を介して繋がる光導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の光導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の光導波路素子１０から出射される光の方向（すなわち、第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、光導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。

図５は、光導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図５に示す例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての光導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの光導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることで、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各光導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備える。図５における直線の矢印は光の入力を示している。別々に設けられた第１駆動回路１１０と第２駆動回路２１０とをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路１１０は、第１調整素子の１つの要素として機能し、第２駆動回路２１０は、第２調整素子の１つの要素として機能する。

第１駆動回路１１０は、各光導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、各位相シフタ８０における光導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、光導波路２０ａの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する光導波路で構成してもよいし、光導波路素子１０と同様の反射型光導波路で構成してもよい。

なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの光導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いても良い。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路２１０による各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。

上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。

＜光スキャンデバイスから出射される光ビームの方向および形状の制御＞
光スキャンデバイス１００では、光の出射方向を変化させることにより、対象物がスキャンされる。対象物が近距離に存在する場合、対象物は、大きいスポットサイズの光ビームで照射されてもよい。一方、対象物が遠距離に存在する場合、対象物は、小さいスポットサイズの光ビームで照射される。遠距離の対象物で反射して戻ってくる光ビームの強度は、散乱または減衰によって低下する可能性がある。このため、遠距離の対象物を照射する場合、反射して戻ってくる光ビームの強度を高めるために、小さいスポットサイズの光ビームが出射される。このように、光スキャンデバイス１００では、光ビームの方向、および形状の両方を変化させて、対象物がスキャンされ得る。

フラッシュＬｉＤＡＲと呼ばれる光検出装置では、レーザー光を拡散して出射し、対象物で反射され戻ってきた光が、イメージセンサによって検出される。これにより、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いて、対象物の距離画像を一度に取得することができる。しかし、フラッシュＬｉＤＡＲでは、レーザー光の拡散により、光強度が低下する。このため、前述した理由により、遠距離の対象物までの距離を精度よく測定することは容易ではない。

スポットサイズが異なる複数のレーザー光源を備える光デバイスであれば、近距離および遠距離の対象物までの距離を精度よく測定することができる。当該光デバイスでは、近距離の対象物は、スポットサイズが大きい光ビームで照射され、遠距離の対象物は、スポットサイズが小さい光ビームで照射される。当該光デバイスでは、近距離および遠距離の対象物までの距離を精度よく測定するために、多くのレーザー光源が用いられる。このため、コストがかかる。また、各レーザー光源から出射される光の方向は、固定されている。このため、対象物のスキャンの範囲は狭い。

米国特許出願公開第２０１６／０２４５９０３号は、光ビームの出射方向、および光ビームのスポットサイズの両方を機械的に変化させる光ビームスキャンデバイスを開示している。当該デバイスでは、光源から出射された光ビームを機械的に可動なミラーで反射することにより、光ビームの出射方向が変化する。さらに、当該デバイスでは、光源の前に、２つのレンズが、光の出射方向に並んで配置されている。アクチュエータによって２つのレンズの間隔を変化することにより、光ビームのスポットサイズが変化する。当該デバイスのような機械的な変調は、変調速度があまり速くない。また、機械的に可動な部品は消耗しやすく、デバイスの故障率が増加する可能性がある。

本発明者らは、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の光スキャンデバイスに想到した。

第１の項目に係る光検出システムは、各々が第１の方向に沿って光を伝搬させる複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は前記第１の方向に交差する第２の方向に並び、光ビームを出射する光導波路アレイと、前記複数の光導波路にそれぞれ接続された複数の位相シフタを含む位相シフタアレイと、前記複数の位相シフタの各々の位相シフト量および／または前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの方向および形状を制御する制御回路と、対象物によって反射された前記光ビームを検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。

この光検出システムでは、複数の位相シフタの各々の位相シフト量および／または複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、光導波路アレイから出射される光ビームの方向のおよび形状を変化させることができる。これにより、近距離、中距離、および遠距離に存在する対象物の距離分布データを生成することができる。

第２の項目に係る光検出システムは、第１の項目に係る光検出システムにおいて、前記制御回路が、前記光ビームの前記方向を制御する第１の制御パラメータと、前記光ビームの前記形状を制御する第２の制御パラメータとを独立して変化させることが可能である。

この光検出システムでは、第１の制御パラメータおよび第２の制御パラメータを独立して変化させることにより、光ビームの方向および形状を制御する制御信号の数を少なくすることができる。

第３の項目に係る光検出システムは、第２の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の位相シフタの各々の前記位相シフト量が、第１シフト量と、第２シフト量との和である。前記制御回路は、前記複数の位相シフタの各々の前記第１シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する。

この光検出システムでは、第２の項目に係る光検出システムと同じ効果を得ることができる。

第４の項目に係る光検出システムは、第３の項目に係る光検出システムにおいて、前記第２の方向が、前記第１の方向に垂直であり、前記複数の光導波路が、前記第２の方向に等間隔に並ぶ。前記複数の位相シフタが、前記第２の方向に等間隔に並び、前記複数の光導波路に直接的に接続されている。前記制御回路は、前記第２の方向における前記複数の位相シフタの配列の順に、前記第１シフト量が一定量ずつ異なるように、前記複数の位相シフタの各々の前記第１シフト量を決定する。

この光検出システムでは、制御回路の上記の動作により、光ビームの方向の第２の方向に平行な成分を変化させることができる。

第５の項目に係る光検出システムは、第３または第４の項目に係る光検出システムにおいて、前記制御回路が、前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を調整することにより、前記光導波路アレイに、所定の広がり角の光ビームを出射させる。

この光検出システムでは、制御回路の上記の動作により、光ビームの第２の方向における広がり角を制御することができる。

第６の項目に係る光検出システムは、第５の項目に係る光検出システムにおいて、前記制御回路が、前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を、乱数に基づいて決定する。

この光検出システムでは、光ビームの第２の方向における形状を十分に広げることができる。

第６の項目に係る光検出システムは、第１の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の位相シフタが、前記第２の方向に並ぶ複数の位相シフタ群によって構成され、前記複数の位相シフタ群の各々が１つ以上の位相シフタを含む。隣り合う位相シフタ群の境界における２つの位相シフタ間の位相シフト量の差は、１つの位相シフタ群における隣り合う２つの位相シフタ間の位相シフト量の差とは異なる。

この光検出システムでは、光導波路アレイから、光が複数の方向に出射される。当該複数の方向の数は、位相シフタ群の数と同じである。

第８の項目に係る光検出システムは、第２の項目に係る光検出システムにおいて、前記制御回路が、前記複数の位相シフタの各々の前記位相シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する。

この光検出システムでは、制御回路の上記の動作により、光ビームの方向の第２の方向に平行な成分と、光ビームの第２の方向における形状とを独立して制御することができる。位相シフタの各々への光の入力の制御は、例えば、複数の位相シフタに接続された光分岐器の分岐点に光スイッチを設けることによって実現することができる。

第９の項目に係る光検出システムは、第１から第８の項目のいずれかに係る光検出システムにおいて、前記複数の位相シフタの各々が、前記複数の光導波路のうちの対応する１つに接続された光導波路を含む。前記光導波路は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成されている。前記制御回路は、前記複数の位相シフタの各々における前記光導波路に前記電圧を印加して前記屈折率を変化させることにより、前記位相シフト量を変化させる。

この光検出システムでは、複数の位相シフタの各々に電圧を印加することによって、位相シフト量を変化させることができる。

第１０の項目に係る光検出システムは、第９の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の位相シフタの各々の前記光導波路を直接的または間接的に挟む一対の電極をさらに備える。前記複数の位相シフタの各々の前記光導波路は、液晶材料、または電気光学材料を含む。前記制御回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波路の前記屈折率を変化させる。

この光検出システムでは、第９の項目に係る光検出システムと同じ効果を実現することができる。

第１１の項目に係る光検出システムは、第１から第１０の項目のいずれかに係る光検出システムにおいて、前記複数の光導波路の各々が、前記第１の方向に延びる第１のミラーと、前記第１のミラーに対向し、前記第１の方向に延びる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、を備える。前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、前記複数の光導波路から前記第１のミラーを介して前記光ビームが出射される。

この光検出システムでは、複数の光導波路の各々が、反射型導波路である。これにより、光導波路アレイの配置面に交差する方向に光ビームが出射される。

第１２の項目に係る光検出システムは、第１１の項目に係る光検出システムにおいて、前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極をさらに備える。前記複数の光導波路の各々の前記光導波層は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成されている。前記第１電極は、前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含む。前記制御回路は、前記第１電極の前記複数の電極部と、前記第２電極との間に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの前記方向および前記形状を変化させる。

この光検出システムでは、複数の電極部にそれぞれ重なる光導波層の複数の部分の各々から光ビームが出射される。これにより、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の第１の方向に平行な成分、および光ビームの第１の方向における形状を変化させることができる。

第１３の項目に係る光検出システムは、第１２の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の電極部に印加される前記電圧が、第１電圧および第２電圧の和である。前記制御回路は、前記第１電圧を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、前記第２電圧を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する。

この光検出システムでは、光導波路アレイから出射される光ビームの方向の第１の方向に平行な成分、および光ビームの第１の方向における形状を独立して変化させることができる。

第１４の項目に係る光検出システムは、第１２または第１３の項目に係る光検出システムにおいて、電圧が印加されたときに屈折率が変化する前記材料が、液晶材料、または電気光学材料である。

この光検出システムでは、第１２または第１３の項目に係る光検出システムと同じ効果を得ることができる。

第１５の項目に係る光検出システムは、第１１から第１３の項目のいずれかに係る光検出システムにおいて、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの前記第１の方向および前記第２の方向の一方における広がり角が、前記第１の方向および前記第２の方向の他方における広がり角よりも大きい。前記制御回路は、前記第１の方向および前記第２の方向の内、広がり角が小さい方向に前記光ビームをスキャンするように、前記光ビームの前記方向を制御する。

この光検出システムでは、光導波路アレイから出射されたラインビームを１次元方向にシフトさせることにより、所定の領域の全体をスキャンすることができる。

第１６の項目に係る光検出システムは、光ビームの方向および形状を制御可能な光スキャンデバイスと、複数の画素を有し、対象物により反射された前記光ビームを検出するイメージセンサと、前記イメージセンサの出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。前記光スキャンデバイスは、前記イメージセンサが撮像するシーンにおける第１領域を、第１広がり角を有する前記光ビームで照射し、前記シーンにおける前記第１領域よりも近距離の第２領域を、前記第１広がり角よりも大きい第２広がり角を有する前記光ビームで照射する。

この光検出システムでは、異なる距離に存在する対象物の距離分布データを生成することができる。

（実施形態）
図６Ａおよび図６Ｂは、本実施形態における光スキャンデバイス１００の例と、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。垂直の破線より左側の図は、ＸＹ平面における光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。垂直の破線より右側の図は、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームのＹＺ平面内での方向の例を模式的に示す図である。以下の図についても同様である。以下では、光導波路素子１０を、単に「光導波路１０」と称することがある。

図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００は、光導波路アレイ１０Ａと、位相シフタアレイ８０Ａと、光分岐器９０と、制御回路５００とを備える。

光導波路アレイ１０Ａは、各々がＸ方向に沿って光を伝搬させる複数の光導波路１０を含む。複数の光導波路１０はＹ方向に並び、ＸＹ平面に交差する方向に光ビームを出射する。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、複数の光導波路１０は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に等間隔に並ぶ。

位相シフタアレイ８０Ａは、複数の光導波路１０にそれぞれ接続された複数の位相シフタ８０を含む。複数の位相シフタ８０Ａは、Ｘ方向に垂直なＹ方向に等間隔に並び、複数の光導波路１０に直接的に接続されている。複数の位相シフタ８０Ａの各々は、複数の光導波路１０のうちの対応する１つに接続された光導波路を含む。当該光導波路は、例えば、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成されている。複数の位相シフタ８０の各々の光導波路が、液晶材料、または電気光学材料を含む場合、光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０の各々の光導波路を直接的または間接的に挟む一対の電極をさらに備える。

液晶材料は、例えばネマチック液晶であり得る。ネマチック液晶の分子構造は、以下のとおりである。

Ｒ１−Ｐｈ１−Ｒ２−Ｐｈ２−Ｒ３
ここで、Ｒ１は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つを表す。Ｒ３は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つを表す。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択される何れか一つを表す。

液晶は、ネマチック液晶に限定されない。例えば、スメクチック液晶を用いてもよい。液晶は、スメクチック液晶の中でも、例えばスメクチックＣ相（ＳｍＣ相）であってもよい。スメクチック液晶は、スメクチックＣ相（ＳｍＣ相）の中でも、例えば液晶分子内に、不斉炭素などのキラル中心を有し強誘電性液晶であるカイラルスメクチック相（ＳｍＣ＊相）あってもよい。

ＳｍＣ＊相の分子構造は、以下のように表される。

Ｒ１、Ｒ４は、それぞれ独立して、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つである。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択される何れか一つである。Ｃｈ＊はキラル中心を表す。キラル中心は典型的には炭素（Ｃ＊）である。Ｒ３は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つである。Ｒ５は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つである。Ｒ３、Ｒ４、およびＲ５は、互いに異なる官能基である。

液晶材料は、組成の異なる複数の液晶分子の混合物であってもよい。例えば、ネマチック液晶分子と、スメクチック液晶分子との混合物を光導波層２０の材料として用いてもよい。

電気光学材料は、以下の化合物のいずれかであってもよい。
・ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）型結晶・・・例えば、ＫＤＰ、ＡＤＰ（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）、ＫＤＡ（ＫＨ_２ＡｓＯ_４）、ＲＤＡ（ＲｂＨ_２ＰＯ_４）、またはＡＤＡ（ＮＨ_４Ｈ_２ＡｓＯ_４）
・立方晶系材料・・・例えば、ＫＴＮ、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３Ｐｂ_３、ＭｇＮｂ_２Ｏ_９、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、またはＩｎＡｓ
・正方晶系材料・・・例えば、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３
・せん亜鉛鉱型材料・・・例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、またはＣｕＣｌ
・タングステンブロンズ型材料・・・ＫＬｉＮｂＯ_３、ＳｒＢａＮｂ_２Ｏ_６、ＫＳｒＮｂＯ、ＢａＮａＮｂＯ、Ｃａ_２Ｎｂ_２Ｏ_７

光分岐器９０は、１つ以上の光分岐点に、１つ以上の光スイッチ９０Ｓを備える。光分岐器９０は、すべての光分岐点に光スイッチ９０Ｓを備える必要はない。光スイッチ９０Ｓにより、複数の位相シフタ８０の各々への光の入力および遮断を切り替えることができる。

制御回路５００は、第１の制御信号５００ａにより、複数の位相シフタの各々の位相シフト量φ_ｉを制御する。位相シフト量φ_ｉは、下からｉ番目の位相シフタの位相シフト量を表す。制御回路５００は、各位相シフタ８０における光導波路に電圧を印加して屈折率を変化させることにより、位相シフト量を変化させる。複数の位相シフタ８０の各々の光導波路が、液晶材料、または電気光学材料を含む場合、制御回路５００は、一対の電極に電圧を印加することにより、位相シフタ８０の各々の光導波路の屈折率を変化させることができる。制御回路５００は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、位相シフタ８０の配列の順に位相シフト量φ_ｉ＝（ｉ−１）Δφが一定量Δφずつ異なるように、位相シフト量を決定する。これにより、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向のＹ方向の成分を制御することができる。

制御回路５００は、第２の制御信号５００ｂにより、光スイッチ９０Ｓの切り替えを制御する。これにより、制御回路５００は、図６Ａに示す例では、下部４つの位相シフタ８０に光を入力し、図６Ｂに示す例では、下部２つの位相シフタ８０に光を入力する。光ビームの広がり角は、前述した式（３）によって表される。すなわち、光導波路１０の本数Ｎが多いほど、光ビームの広がり角は小さくなる。したがって、図６Ａに示す例での光ビームの広がり角は、図６Ｂに示す例での光ビームの広がり角よりも小さい。このように、制御回路５００は、光スイッチ９０Ｓにより、複数の位相シフタ８０の各々への光の入力を制御する。これにより、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの形状を制御することができる。

図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、光スイッチ９０Ｓが、新たな構成要素として用いられる。光スイッチ９０Ｓには、例えば、マッハツェンダー干渉計が用いられ得る。高い加工精度で製造されたマッハツェンダー干渉計であれば、２つの分岐のうち、一方の光伝搬の割合を１００％とし、他方の光伝搬の割合を０％としたり、分岐による光ロスを小さくしたりすることが可能である。しかし、そのようなマッハツェンダー干渉計を安定的に製造することは容易ではない。

以下に、光スイッチ９０Ｓを用いない光スキャンデバイス１００を説明する。

図７は、本実施形態における光スキャンデバイス１００の例と、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。

図７に示す例では、光スキャンデバイス１００は、光導波路アレイ１０Ａと、位相シフタアレイ８０Ａと、光分岐器９０と、制御回路５００とを備える。図７に示す例での光導波路アレイ１０Ａ、および位相シフタアレイ８０Ａは、図６Ａおよび図６Ｂに示す例での光導波路アレイ１０Ａ、および位相シフタアレイ８０Ａと同じである。

図７に示す例では、制御回路５００は、複数の位相シフタ８０の各々の位相シフト量を制御することにより、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向および形状の両方を制御する。図７に示す例では、下からｉ番目の位相シフタ８０の位相シフト量は、第１シフト量φ_ｉと、第２シフト量Ｖ_ｉとの和である。

制御回路５００は、第１の制御信号５００ａによって位相シフタ８０の第１シフト量φ_ｉを制御することにより、光ビームの方向を制御する。具体的には、制御回路５００は、図７に示すように、位相シフタ８０の配列の順に第１シフト量φ_ｉ＝（ｉ−１）Δφが一定量Δφずつ異なるように、位相シフト量を決定する。これにより、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向のＹ方向の成分を制御することができる。

制御回路５００は、第２の制御信号５００ｂによって位相シフタ８０の第２シフト量Ｖ_ｉを制御することにより、光ビームの形状を制御する。遠方での光ビームの形状は、光導波路アレイ１０Ａから出射された直後の光ビームの強度および位相の空間パターンをフーリエ変換することによって得られる。制御回路５００は、この原理に基づいて、遠方での光ビームの所望の形状に応じて、位相シフタ８０の第２シフト量Ｖ_ｉを決定することができる。例えば、光ビームの形状を十分に広げる場合、制御回路５００は、複数の位相シフタ８０の各々の第２シフト量Ｖ_ｉを、乱数に基づいて決定する。これにより、第２シフト量Ｖ_ｉは、ランダムになる。

図７に示すように、第１シフト量φ_ｉおよび第２シフト量Ｖ_ｉを、それぞれ第１の制御信号５００ａおよび第２の制御信号５００ｂによって独立して制御することには、以下の利点がある。光ビームの方向および形状を１つの制御信号によって制御する場合、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号の数は、所望の出射方向の数、および所望の形状の数の積である。一方、光ビームの方向および形状を２つの制御信号によって独立して制御する場合、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号の数は、所望の出射方向の数、および所望の形状の数の和である。したがって、独立して制御することにより、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号を示すデータの数を大幅に減らすことができる。

図８Ａおよび図８Ｂは、図７に示す光スキャンデバイス１００の変形例を模式的に示す図である。

図８Ａに示す例では、複数の位相シフタ８０の各々は、第１位相シフタ部８０φと、第２位相シフタ部８０Ｖとに空間的に分かれている。第１位相シフタ部８０φおよび第２位相シフタ部８０Ｖは、直列的に接続されている。第２位相シフタ部８０Ｖは、各光導波路１０に直列的に接続されている。第１位相シフタ部８０φおよび第２位相シフタ部８０Ｖの配置は、逆であってもよい。

図８Ｂに示す例では、位相シフタ８０のうち、第１位相シフタ部８０φは、光分岐器９０中をカスケード状に並んでいる。第２位相シフタ部８０Ｖは、各光導波路１０に直列的に接続されている。

図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、制御回路５００は、第１位相シフタ８０φにおいて第１シフト量φ_ｉを制御し、第２位相シフタ部８０Ｖにおいて第２シフト量Ｖ_ｉを制御する。これにより、図７に示す例と同様に、下からｉ番目の光導波路１０には、光分岐器９０に入力された光の位相が（ｉ−１）Δφ＋Ｖ_ｉだけシフトした光が入力される。

次に、第２シフト量Ｖ_Ｉの制御の他の例を説明する。

図９は、本実施形態における光スキャンデバイス１００の例と、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向の例とを模式的に示す図である。図９に示す例では、複数の位相シフタ８０は、２つの位相シフタ群８０ｇを含む。一方の位相シフタ群８０ｇは、下部４つの位相シフタを含み、他方の位相シフタ群８０ｇは、上部４つの位相シフタを含む。制御回路５００は、前述したように、第１の制御信号５００ａにより、第１シフト量φ_ｉを決定する。制御回路５００は、第２の制御信号５００ｂにより、上記一方の位相シフタ群８０ｇでは第２位相シフト量Ｖ_１からＶ_４をＶ_ａに決定し、上記他方の位相シフタ群８０ｇでは第２位相シフト量Ｖ_５からＶ_８をＶ_ｂに決定する。Ｖ_ａおよびＶ_ｂは異なる。上記一方の位相シフタ群８０ｇを介して下部４つの光導波路１０から出射された光は、上記他方の位相シフタ群８０ｇを介して上部４つの光導波路１０から出射された光と干渉する。その結果、光導波路アレイ１０Ａから出力された光ビームは２つに分裂する。

各位相シフタ群８０ｇ内では、光の位相シフト量は、位相シフタの配列の順にΔφごとに異なる。一方、ある位相シフタ群８０ｇから隣り合う他の位相シフタ群８０ｇに移ると、光の位相シフト量は、Δφとは異なる量で変化する。図９に示す例では、Δφとは異なる量は、Δφ＋Ｖ_ｂ−Ｖ_ａである。言い換えると、隣り合う位相シフタ群の境界における２つの位相シフタ間の位相シフト量Δφ＋Ｖ_ｂ−Ｖ_ａは、１つの位相シフタ群における隣り合う２つの位相シフタ間の位相シフト量Δφとは異なる。

以上をまとめると、複数の位相シフタ８０は、Ｙ方向に並ぶ複数の位相シフタ群８０ｇによって構成される。複数の位相シフタ群の各々は、１つ以上の位相シフタ８０を含む。制御回路５００は、位相シフタ群８０ｇごとに異なるように、第２シフト量Ｖ_ｉを決定する。

図１０Ａから図１０Ｃは、図９に示す光スキャンデバイス１００の変形例を模式的に示す図である。

図１０Ａに示す例では、位相シフタアレイ８０Ａは、８つの第１位相シフタ部８０φと、４つの第２位相シフタ部８０Ｖとに空間的に分かれている。光分岐器９０において、第１位相シフタ部８０φと、第２位相シフタ部８０Ｖとの間には１つ以上の分岐点が存在する。図１０Ａに示す例では、制御回路５００は、下部２つの第２位相シフタ部８０Ｖでの第２シフト量をＶ_ａに決定し、上部２つの第２位相シフタ部８０Ｖでの第２シフト量をＶ_ｂに決定する。これにより、光導波路アレイ１０Ａに入力する光の位相は、図９に示す例と同じになる。

図１０Ｂに示す例では、位相シフタアレイ８０Ａは、８つの第１位相シフタ部８０φと、２つの第２位相シフタ部８０Ｖとに空間的に分かれている。８つの第１位相シフタ部８０φ、および２つの第２位相シフタ部８０Ｖの配置は逆であってもよい。下部４つの第１位相シフタ部８０φに、下部の共通の第２位相シフタ部８０Ｖが接続されている。上部４つの第１位相シフタ部８０φに、上部の共通の第２位相シフタ部８０Ｖが接続されている。図１０Ｂに示す例では、制御回路５００は、下部の共通の第２位相シフタ部８０Ｖでの第２シフト量をＶ_ａに決定し、上部の共通の第２位相シフタ部８０Ｖでの第２シフト量をＶ_ｂに決定する。これにより、光導波路アレイ１０Ａに入力する光の位相は、図９に示す例と同じになる。

図１０Ｃに示す例では、複数の位相シフタ８０は、光分岐器９０中をカスケード状に並んでいる。制御回路５００は、最も下の位相シフタ８０の位相シフト量をＶ_ａに決定し、下から５番目の位相シフタ８０の位相シフト量をΔφ＋Ｖ_ｂ−Ｖ_ａに決定し、それ以外の位相シフタ８０の位相シフト量をΔφに決定する。これにより、光導波路アレイ１０Ａに入力する光の位相は、図９に示す例と同じになる。

次に、第１シフト量φ_ｉおよび第２シフト量Ｖ_ｉと、遠方での光ビームの形状との関係を、図７に示す例を参照して説明する。

図７に示す例では、最も下の光導波路１０の中心が原点に位置する。原点と遠方での位置との距離がｒとして表される場合、下からｉ番目の光導波路１０の中心と、遠方での位置との距離ｒ_ｉは、ｒ_ｉ≒ｒ−（ｉ−１）（ｐ・ｓｉｎα_０）として近似される。図３Ｂに示すように、ｐは、光導波路１０のアレイ周期であり、α_０は光の出射角度である。（ｉ−１）（ｐ・ｓｉｎα_０）は、原点とｉ番目の光導波路１０の中心との距離（ｉ−１）ｐを、原点と遠方での位置とを結ぶ距離ｒの線に正射影した距離である。すなわち、ｒ_ｉは、原点と遠方での位置との距離ｒから上記の正射影した距離（ｉ−１）（ｐ・ｓｉｎα_０）を減算することによって近似される。

以上により、下からｉ番目の光導波路１０に入力する光の位相にΔφ（ｉ−１）＋Ｖ_ｉが加算される場合、下からｉ番目の光導波路１０から出射される光の電界は、遠方において、以下の式（４）によって表される。

ただし、

である。ｋは、波数２π／λである。ｗは、光導波路１０のＹ方向における幅である。遠方での電界は、アレイ数Ｎの光導波路１０から出射される光の電界の合計に相当する。したがって、遠方での電界は、以下の式（７）によって表される。

遠方での光強度分布は、Ｅ_{ｔｏｔａｌ}の絶対値の２乗によって得られる。したがって、遠方での光強度分布Ｉ（α_０）は、以下の式（８）によって表される。

Ｖ_ｉ＝０のとき、光強度分布Ｉ（α_０）は、以下の式（９）によって表される。

光強度分布Ｉ（α_０）は、ａ＝Δφ／２のとき最大になる。この条件は、前述した式（２）と同じである。

図１１は、第２シフト量Ｖ_ｉがゼロのときの、角度α_０と、光強度分布Ｉ（α_０）との関係を示す図である。波長λ＝１．５５μｍ、アレイ周期ｐ＝３μｍ、光導波路幅ｗ＝１μｍ、Ｎ＝３２である。実線、点線、および破線は、それぞれ、α_０＝０°、α_０＝１０°、およびα_０＝２０°になるように第１シフト量φ_ｉでのΔφを決定したときの結果を表す。図１１に示すように、光強度分布Ｉ（α_０）は、α_０＝０°、α_０＝１０°、およびα_０＝２０°の各々においてピークを示す。図１１に示すピークの幅は、光ビームの広がり角に相当する。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、第２シフト量Ｖ_ｉがゼロでないときの、角度α_０と、光強度分布Ｉ（α_０）との関係を示す図である。第２シフト量Ｖ_ｉ以外は、図１１に示す例と同じ条件である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す例では、アレイ数Ｎ＝３２の位相シフタアレイ８０Ａが、２つの位相シフタ群８０ｇを含む。２つの位相シフタ群８０ｇの各々は、アレイ数Ｎ／２＝１６の位相シフタ８０を含む。

図１２Ａに示す例では、２つの位相シフタ群８０ｇのうち、一方の位相シフタ群８０ｇでは、第２シフト量Ｖ_ｉ＝０．０５πであり、他方の位相シフタ群８０ｇでは、第２シフト量Ｖ_ｉ＝−０．０５πである。図１２Ａに示すように、光強度分布Ｉ（α_０）は、α_０＝０°、α_０＝１０°、およびα_０＝２０°の各々においてピークを示す。図１２Ａに示すピークの幅は、図１１に示すピークの幅よりも広い。一方、図１２Ａに示すピークの中心角度は、図１１に示すピークの中心角度とほとんど同じである。

図１２Ｂに示す例では、２つの位相シフタ群８０ｇのうち、一方の位相シフタ群８０ｇでは、第２シフト量Ｖ_ｉ＝０．１πであり、他方の位相シフタ群８０ｇでは、第２シフト量Ｖ_ｉ＝−０．１πである。図１２Ｂに示すように、光強度分布Ｉ（α_０）は、α_０＝０°、α_０＝１０°、およびα_０＝２０°の各々においてピークを示す。当該ピークは、２つの位相シフタ群８０ｇの位相差が大きいことから、２つに分裂したサブピークを含む。ここでは、当該ピークの幅は、２つのサブピークの幅の合計である。図１２Ｂに示すピークの幅は、図１２Ａに示すピークの幅よりも広い。一方、図１２Ｂに示すピークの中心角度は、図１２Ａに示すピークの中心角度とほとんど同じである。

図１２Ａおよび図１２Ｂに示す結果から、光ビームの方向は、第１シフト量φ_ｉによって決定され、光ビームの広がり角は、第２シフト量Ｖ_ｉによって決定されることがわかる。このように、制御回路５００は、各位相シフタ８０の第２シフト量Ｖ_ｉを調整することにより、光導波路アレイ１０Ａに、所定の広がり角の光ビームを出射させることができる。

図１３は、第２シフト量Ｖ_ｉがゼロでなく、α_０＝１０°になるように第１シフト量φ_ｉでのΔφを決定したときの、角度α_０と、光強度分布Ｉ（α_０）との関係を示す図である。図１３に示す例では、アレイ数Ｎ＝６４の位相シフタアレイ８０Ａが、８つの位相シフタ群８０ｇを含む。８つの位相シフタ群８０ｇの各々は、アレイ数Ｎ／８＝８の位相シフタ８０を含む。８つの位相シフタ群８０ｇでは、それぞれ第２シフト量Ｖ_ｉ＝−０．０９π、０．１２π、０．０６π、０π、０．０３π、−０．１π、０．０６π、０．０９πである。図１３に示すように、光強度分布Ｉ（α_０）は、α_０＝１０°においてピークを示す。図１２Ｂに示す例と異なり、当該ピークは、２つのサブピークに分裂しない。このように、位相シフタ群８０ｇごとにばらばらの第２シフト量Ｖ_ｉを設定することにより、ピークを分裂させることなく、広げることができる。位相シフタ群８０ｇごとに決定される第２シフト量Ｖ_ｉは、例えば乱数に基づいて決定されてもよい。これにより、位相シフタ群８０ｇ間での光の干渉の影響を抑えることができる。その結果、ピークが現れにくくなり、光ビームの強度分布を均一にすることができる。

以上のように、制御回路５００は、光ビームの方向を制御する第１の制御パラメータと、光ビームの形状を制御する第２の制御パラメータとを独立して変化させることが可能である。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、第１の制御パラメータは、位相シフト量φ_ｉであり、第２の制御パラメータは、光スイッチによる光入力の切り替えに相当する。図７、図９、ならびに図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例では、第１の制御パラメータは、第１シフト量φ_ｉであり、第２の制御パラメータは、第２シフト量Ｖ_ｉである。

なお、図６Ａから図１３の例における光導波路１０は、反射型光導波路に限定されない。例えば、全反射によって光が伝搬する光導波路であってもよい。光導波路１０として当該光導波路を用いる場合、図６Ａおよび図６Ｂ、図７、図９、ならびに図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、光導波路アレイ１０Ａの上面からではなく、光導波路アレイ１０Ａの端部から、光がＸＹ平面に平行な方向に出射される。

前述した例では、光スキャンデバイス１００から出射された光ビームの方向のＹ方向の成分、および光ビームのＹ方向における形状の制御を説明した。次に、光スキャンデバイス１００から出射された光ビームの方向のＸ方向の成分、および光ビームのＸ方向における形状の制御を説明する。

図１４Ａは、本実施形態における光導波路１０を模式的に示す図である。光導波路１０は、第１のミラー３０と、第２のミラー４０と、光導波層２０と、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂと、を備える。第１のミラー３０は、Ｘ方向に延びる。第２のミラー４０は、第１のミラー３０に対向し、Ｘ方向に延びる。光導波層２０は、第１のミラー３０と第２のミラー４０間に位置し、光をＸ方向に沿って伝搬させる。第１のミラー３０の透過率は、第２のミラー４０の透過率よりも高い。複数の光導波路１０の各々の光導波層２０から第１のミラー３０を介して出射される光が干渉する。これにより、光導波路アレイ１０Ａから、光ビームが出射される。

図１４Ａに示す例では、光導波層２０は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成されている。光導波層２０は、例えば、液晶材料、または電気光学材料を含む。一対の電極６２ａおよび電極６２ｂは、光導波層２０を、直接的または間接的に挟む。図１４Ａに示すように、光導波層２０と上部電極６２ｂとの間に、第１のミラー３０が位置していてもよく、光導波層２０と下部電極６２ａとの間に、第２のミラー４０が位置していてもよい。図１４Ａに示す例では、下部電極６２ａは、Ｘ方向に並ぶ複数の電極部を含むパターン電極である。下部電極６２ａの代わりに、上部電極６２ｂがパターン電極であってもよい。または、下部電極６２ａに加えて、上部電極６２ｂがパターン電極であってもよい。

制御回路５００は、下部電極６２ａの複数の電極部と、上部電極６２との間に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、Ｚ方向から見たとき、光導波層２０のうち、複数の電極部と重なる部分の屈折率をそれぞれ調整することができる。これにより、光導波層２０のうち、複数の電極部と重なる当該部分から、第１のミラー３０を介して出射される光の方向をそれぞれ変化させることができる。その結果、光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビームの方向のＸ方向の成分、および光ビームのＸ方向における形状を変化させることができる。以下では、Ｚ方向から見たとき、光導波層２０のうち、複数の電極部と重なる部分を、単に「複数の電極部と重なる部分」と称する。

図１４Ａに示す例では、下部電極６２ａは、５つの電極部を含むパターン電極である。５つの電極部に電圧をそれぞれ印加すると、複数の電極部と重なる部分の屈折率ｎ_ｗ１からｎ_ｗ５が変化する。これにより、複数の電極部と重なる部分から第１のミラー３０を介して出射される光の出射角度θ_１からθ_５も変化する。

図１４Ｂは、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、光導波路１０から出射される光の出射角度θとの関係を示す図である。式（１）において、ｄ＝０．６２μｍ、λ＝１．５５μｍ、ｍ＝１が用いられた。図１４Ｂに示すように、屈折率ｎ_ｗ＝１．５から−０．０３５５だけ変化させると、出射角度θは、−６．３°だけ減少する。

制御回路５００は、第３の制御信号５００ｃにより、光ビームの方向を制御し、第４の制御信号５００ｄにより、光ビームの形状を制御してもよい。光ビームの方向は、例えば、複数の電極部と重なる部分から出射される光の出射角度の平均によって決定される。光ビームの形状は、例えば、複数の電極部と重なる部分から出射される光の出射角度のうちの最大値と最小値との差によって決定される。

下部電極６２ａがＭ個の電極部を含む場合、複数の電極部と重なる部分から第１のミラー３０を介して出射される光の出射角度は、それぞれθ_１からθ_Ｍとして表される。光ビームの出射方向がθとして表され、広がり角がΔθとして表される場合、Ｍ個の電極部のうち、Ｘ方向においてｊ番目の電極部と重なる部分の屈折率ｎ_ｗｊは、例えばθ_ｊ＝θ−（Δθ／２）＋Δθ［（ｊ−１）／（Ｍ−１）］になるように調整される。この場合、出射角度の最大値は、θ_Ｍ＝θ＋Δθ／２であり、最小値はθ_１＝θ−Δθ／２である。θ_１からθ_Ｍの組み合わせはこれに限られない。広がり角がΔθであれば、θ_１からθ_Ｍの組み合わせは任意である。θ_１からθ_Ｍは、例えば乱数に基づいて決定されてもよい。例えば、光導波層２０の複数の部分の屈折率がｎ_ｗ１＝１．４６４５からｎ_ｗＭ＝１．５０の範囲であれば、出射光のスポットの広がり角はΔθ＝６．３°になる。

式（１）から、光ビームの所望の出射角度θを満たす屈折率ｎ_ｗ＝ｎ_０が決定される。複数の電極部の各々に印加される電圧は、第１電圧および第２電圧の和である。制御回路５００は、第３の制御信号５００ｃにより、複数の電極部と重なる部分の屈折率がｎ_０になる第１電圧を、複数の電極部にそれぞれ印加する。制御回路５００は、第４の制御信号５００ｄにより、複数の電極部と重なる部分の屈折率がｎ_０からｎ_ｗｊになるように補正する第２電圧を、複数の電極部にそれぞれ印加する。このように、制御回路５００は、第１電圧を制御することにより、光ビームの方向を制御し、第２電圧を制御することにより光ビームの形状を制御する。前述した理由と同様に、光ビームの方向および形状を２つの制御信号によって独立して制御することにより、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号を示すデータの数を大幅に減らすことができる。

以上のように、本実施形態における光スキャンデバイス１００では、光ビームの方向のＸ方向およびＹ方向の成分、ならびに、光ビームのＸ方向およびＹ方向における形状を任意に変化させることができる。

図１５Ａから図１５Ｃは、光スキャンデバイス１００の光導波路アレイ１０Ａから出射される光ビーム３０５の形状の例を模式的に示す図である。図１５Ａから図１５Ｃに示す例では、基板上に、光スキャンデバイス１００と光検出器４００とが配置されている。光検出器４００は、例えばイメージセンサである。光導波路アレイ１０Ａから出射され、対象物で反射されて戻ってきた光は、光検出器４００によって検出される。

図１５Ａに示す例では、光ビーム３０５は、拡散ビームである。拡散ビームは、対象領域を１ビームでカバーする広がり角を有する。これにより、光ビームをスキャンせずとも、広範囲に照射することが可能である。一方、拡散ビームの到達距離は比較的短い。このため、拡散ビームは、比較的近距離の物体を測定するために用いられ得る。

図１５Ｂに示す例では、光ビーム３０５はラインビーム（本開示のラインスキャンビームの一例）である。ラインビームのＹ方向における広がり角は、Ｘ方向における広がり角よりも大きい。ラインビームは、対象領域のＹ方向における範囲を１ビームでカバーする広がり角を有する一方、対象領域のＸ方向における範囲を１ビームでカバーすることはできない。したがって、光ビームは、Ｘ方向にスキャンされる。当該ラインビームのＸ方向およびＹ方向における広がり角の大きさの関係は逆であってもよい。ラインビームは、拡散ビームとは異なり、１次元方向にスキャンされる。一方、ラインビームでは、拡散ビームに比べて、到達距離が長い。これにより、より遠距離の対象物を測定することができる。ラインビームの場合、制御回路５００は、Ｘ方向およびＹ方向のうち、広がり角が小さい方向に光ビームをスキャンするように、光ビームの方向を制御する。

図１５Ｃに示す例では、光ビーム３０５は、スポットビーム（本開示の２次元スキャンビームの一例）である。スポットビームは対象領域のＸ方向およびＹ方向の両方における範囲を１ビームではカバーできない。このため、光ビームは、Ｘ方向、およびＹ方向共にスキャンされる。スポットビームは、ラインビームとは異なり、２次元方向にスキャンされる。一方、スポットビームでは、ラインビームに比べて、さらに到達距離が長い。これにより、さらに遠距離の対象物を測定することができる。

光スキャンデバイス１００は、光検出器４００が撮像するシーンにおける第１領域を、第１広がり角を有する光ビームで照射し、当該シーンにおける第１領域よりも近距離にある第２領域を、第１広がり角よりも大きい第２広がり角を有する光ビームで照射してもよい。このように、光ビーム３０５の形状を任意に変化させることにより、近距離および遠距離の対象物の距離を精度よく測定することができる。

本実施形態の光スキャンデバイス１００によって、以下の効果を得ることもできる。

従来、複数の光源から異なる方向に光を出射して、対象物で反射され戻ってきた光をイメージセンサによって検出することにより、対象物までの距離を測定する方法が知られている。当該方法では、対象物は、複数の光源から異なる方向に出射された光で照射される。このため、視差が異なることから、検出される対象物の影の位置が異なる。その結果、複数の光源からそれぞれ取得された対象物の距離画像を統合して１つの距離画像に再構築することは容易ではない。

一方、本実施形態における光スキャンデバイス１００では、１つのデバイスから、任意の形状の光ビームが、任意の方向に出射される。したがって、視差が異なることはない。

図１６は、本実施形態における光スキャンデバイス１００から出射される光ビーム３０５の例と、距離画像の例とを模式的に示す図である。

図１６の左図の上から１番目、２番目、および３番目の図は、それぞれ、光スキャンデバイス１００から出射される、大きいビームスポット３１０、中間のビームスポット３１０、および小さいビームスポット３１０を有する光ビーム３０５を表す。

図１６の右図の上から１番目、２番目、および３番目の図は、それぞれ、大きいビームスポット３１０、中間のビームスポット３１０、および小さいビームスポット３１０によって得られた距離画像を表す。図１６の右図の一番下の図は、上の３つの距離画像を統合した距離画像を表す。

図１６に示すように、光スキャンデバイス１００では、方向および形状がそれぞれ異なる複数の光ビームにより、近距離、中距離および遠距離の対象物までの複数の距離画像が取得される。図１６の右図の一番下の図に示すように、当該複数の距離画像を合算して１つに統合することにより、対象物の距離画像を容易に再構築することができる。

＜応用例＞
図１７は、回路基板（たとえば、チップ）上に光分岐器９０、光導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける光導波路に導入する。図１７に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。光導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１７に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。

図１７に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図１７に示される全てのコンポーネントを集積することができる。

図１８は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ法と組み合わせることにより、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、レーザーを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。

図１９は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるＬｉＤＡＲシステム３００の構成例を示すブロック図である。ＬｉＤＡＲシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、光検出器４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備える。光検出器４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出器４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、光検出器４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。

２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは車が、約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。

１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光スキャンデバイス１００による光ビームの出射、および光検出器４００による信号蓄積・読出しを制御する。

＜光受信デバイスへの応用例＞
本開示の前述の各実施形態における光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の光導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子とを備える。光導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。光導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各光導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の光導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。

例えば図１７に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。光導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、光導波路アレイおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、光導波路素子１０が延びる方向（図中のＸ方向）の光成分と、光導波路素子１０の配列方向（図中のＹ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、光導波路アレイ１０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、光導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄから、図４に示すθおよびα_０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。

前述した実施形態は、適宜、組み合わせることができる。

本開示の実施形態における光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。

１０ 光導波路素子、光導波路
１０Ａ 光導波路アレイ
２０ 光導波層
３０ 第１のミラー
４０ 第２のミラー
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ 電極
８０ 位相シフタ
８０Ａ 位相シフタアレイ
９０ 光分岐器
１００ 光スキャンデバイス
１１０ 光導波路アレイの駆動回路
１３０ 光源
２１０ 位相シフタアレイの駆動回路
３１０ ビームスポット
４００ 光検出器
５００ 制御回路
６００ 信号処理回路

本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される光の波長からなる群から選択される少なくとも１つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの３つのうちの任意の２つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。以下の各実施形態において、屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。

第７の項目に係る光検出システムは、第１の項目に係る光検出システムにおいて、前記複数の位相シフタが、前記第２の方向に並ぶ複数の位相シフタ群によって構成され、前記複数の位相シフタ群の各々が１つ以上の位相シフタを含む。隣り合う位相シフタ群の境界における２つの位相シフタ間の位相シフト量の差は、１つの位相シフタ群における隣り合う２つの位相シフタ間の位相シフト量の差とは異なる。

Ｒ１−Ｐｈ１−Ｒ２−Ｐｈ２−Ｒ３
ここで、Ｒ１は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つを表す。Ｒ３は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択される何れか一つを表す。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択される何れか一つを表す。

次に、第２シフト量Ｖ _ｉ の制御の他の例を説明する。

Claims (21)

1. 各々が第１の方向に沿って光を伝搬させる複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は前記第１の方向に交差する第２の方向に並び、光ビームを出射する光導波路アレイと、
   前記複数の光導波路にそれぞれ接続された複数の位相シフタを含む位相シフタアレイと、
   前記複数の位相シフタの各々の位相シフト量および／または前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの方向および形状を制御する制御回路と、
   対象物によって反射された前記光ビームを検出する光検出器と、
   前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える、光検出システム。
2. 前記制御回路は、前記光ビームの前記方向を制御する第１の制御パラメータと、前記光ビームの前記形状を制御する第２の制御パラメータとを独立して変化させることが可能である、請求項１に記載の光検出システム。
3. 前記複数の位相シフタの各々の前記位相シフト量は、第１シフト量と、第２シフト量との和であり、
   前記制御回路は、
   前記複数の位相シフタの各々の前記第１シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、
   前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する、請求項２に記載の光検出システム。
4. 前記第２の方向は、前記第１の方向に垂直であり、
   前記複数の光導波路は、前記第２の方向に等間隔に並び、
   前記複数の位相シフタは、前記第２の方向に等間隔に並び、前記複数の光導波路に直接的に接続され、
   前記制御回路は、前記第２の方向における前記複数の位相シフタの配列の順に、前記第１シフト量が一定量ずつ異なるように、前記複数の位相シフタの各々の前記第１シフト量を決定する、請求項３に記載の光検出システム。
5. 前記制御回路は、前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を調整することにより、前記光導波路アレイに、所定の広がり角の光ビームを出射させる、請求項３または４に記載の光検出システム。
6. 前記制御回路は、前記複数の位相シフタの各々の前記第２シフト量を、乱数に基づいて決定する、請求項５に記載の光検出システム。
7. 前記複数の位相シフタは、前記第２の方向に並ぶ複数の位相シフタ群によって構成され、前記複数の位相シフタ群の各々が１つ以上の位相シフタを含み、
   隣り合う位相シフタ群の境界における２つの位相シフタ間の位相シフト量の差は、１つの位相シフタ群における隣り合う２つの位相シフタ間の位相シフト量の差とは異なる、請求項１に記載の光検出システム。
8. 前記制御回路は、
   前記複数の位相シフタの各々の前記位相シフト量を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、
   前記複数の位相シフタの各々への光の入力を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する、請求項２に記載の光検出システム。
9. 前記複数の位相シフタの各々は、前記複数の光導波路のうちの対応する１つに接続された光導波路を含み、前記光導波路は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成され、
   前記制御回路は、前記複数の位相シフタの各々における前記光導波路に前記電圧を印加して前記屈折率を変化させることにより、前記位相シフト量を変化させる、請求項１から８のいずれかに記載の光検出システム。
10. 前記複数の位相シフタの各々の前記光導波路は、液晶材料、または電気光学材料を含み、
    前記複数の位相シフタの各々の前記光導波路を直接的または間接的に挟む一対の電極をさらに備え、
    前記制御回路は、前記一対の電極に前記電圧を印加することにより、前記光導波路の前記屈折率を変化させる、請求項９に記載の光検出システム。
11. 前記複数の光導波路の各々は、
    前記第１の方向に延びる第１のミラーと、
    前記第１のミラーに対向し、前記第１の方向に延びる第２のミラーと、
    前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、を備え、
    前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、
    前記複数の光導波路から前記第１のミラーを介して前記光ビームが出射される、請求項１から１０のいずれかに記載の光検出システム。
12. 前記複数の光導波路の各々の前記光導波層は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料によって構成され、
    前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極をさらに備え、
    前記第１電極は、前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含み、
    前記制御回路は、前記第１電極の前記複数の電極部と、前記第２電極との間に印加する電圧をそれぞれ制御することにより、前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの前記方向および前記形状を変化させる、請求項１１に記載の光検出システム。
13. 前記複数の電極部に印加される前記電圧は、第１電圧および第２電圧の和であり、
    前記制御回路は、
    前記第１電圧を制御することにより、前記光ビームの前記方向を制御し、
    前記第２電圧を制御することにより、前記光ビームの前記形状を制御する、請求項１２に記載の光検出システム。
14. 電圧が印加されたときに屈折率が変化する前記材料は、液晶材料、または電気光学材料である、請求項１２または１３に記載の光検出システム。
15. 前記光導波路アレイから出射される前記光ビームの前記第１の方向および前記第２の方向の一方における広がり角は、前記第１の方向および前記第２の方向の他方における広がり角よりも大きく、
    前記制御回路は、前記第１の方向および前記第２の方向の内、広がり角が小さい方向に前記光ビームをスキャンするように、前記光ビームの前記方向を制御する、請求項１１から１３のいずれかに記載の光検出システム。
16. 光ビームの方向および形状を制御可能な光スキャンデバイスと、
    複数の画素を有し、シーンによって反射された前記光ビームを検出するイメージセンサと、
    前記光スキャンデバイスから出射される前記光ビームの前記方向および前記形状を制御する制御回路と、
    前記イメージセンサの出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記光スキャンデバイスに、互いに出射方向と広がり角とが異なる複数の光ビームを出射させ、
    前記イメージセンサは、前記シーンによって反射された前記複数の光ビームを検出する、
    光検出システム。
17. 前記光スキャンデバイスは、前記イメージセンサが撮像する前記シーンにおける第１領域を、第１広がり角を有する前記光ビームで照射し、前記シーンにおける前記第１領域よりも近距離の第２領域を、前記第１広がり角よりも大きい第２広がり角を有する前記光ビームで照射する、
    請求項１６に記載の光検出システム。
18. 前記信号処理回路は、前記イメージセンサが前記複数の光ビームを検出することにより得られた前記距離分布データを統合する、
    請求項１６に記載の光検出システム。
19. 前記複数の光ビームは、拡散ビームと、ラインスキャンビームとを含む、
    請求項１６に記載の光検出システム。
20. 前記複数の光ビームは、拡散ビームと、２次元スキャンビームとを含む、
    請求項１６に記載の光検出システム。
21. 前記複数の光ビームは、ラインスキャンビームと、２次元スキャンビームとを含む、
    請求項１６に記載の光検出システム。

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