WO2017154910A1 - レーザー走査装置及びその駆動方法 - Google Patents

レーザー走査装置及びその駆動方法 Download PDF

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WO2017154910A1
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liquid crystal
scanning device
laser
laser scanning
electrode
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PCT/JP2017/009017
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French (fr)
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八寿彦 吉田
佐々木　誠
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凸版印刷株式会社
株式会社オルタステクノロジー
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

Definitions

  • the present invention relates to a laser scanning device mounted on a vehicle and a driving method thereof, and more particularly to a laser scanning device using an infrared laser and a driving method thereof.
  • Autonomous driving of vehicles includes (1) reducing traffic accidents, (2) reducing traffic congestion, (3) reducing environmental impact, (4) assisting the elderly and others, and (5) improving driving comfort. The effect is expected.
  • an inter-vehicle distance control device that irradiates a laser beam or radio wave in front of the vehicle, detects the distance to an object in front of the vehicle, and controls the inter-vehicle distance from the preceding vehicle is known. At this time, it is necessary to scan the laser beam toward the object.
  • Such laser scanning devices include a method of reflecting a laser beam by rotating a polygon mirror and a method of reflecting a laser by moving a mirror by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the present invention provides a laser scanning device capable of being miniaturized and a driving method thereof.
  • a laser scanning device is a laser scanning device that transmits a laser beam from a laser source and changes an emission angle of the laser beam, the first and second substrates disposed to face each other, A liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, a plurality of unit electrodes provided on the first substrate, each having a plurality of cell electrodes arranged in a first direction, and the second substrate And a drive circuit that applies a different voltage to each of the plurality of cell electrodes to generate a voltage gradient.
  • a laser scanning device is a laser scanning device that transmits a laser beam from a laser source and changes an emission angle of the laser beam, the first and second substrates disposed to face each other, A liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, first and second polarizing plates provided to sandwich the first and second substrates, and at least one provided on the first substrate.
  • a plurality of first unit electrodes each including a first cell electrode; and at least one second cell electrode provided on the first substrate and arranged alternately with the plurality of first unit electrodes along a first direction.
  • a plurality of second unit electrodes each including a common electrode provided on the second substrate, a first region including the first unit electrode being transmissive, and a second region including the second unit electrode being And a control circuit for shutting off.
  • the method for driving a laser scanning device transmits laser light from a laser source and changes the emission angle of the laser light.
  • the laser scanning device is provided on the first substrate and arranged in a first direction, the first and second substrates being opposed to each other, a liquid crystal layer sandwiched between the first and second substrates, and the first substrate.
  • a plurality of unit electrodes each having a plurality of cell electrodes; and a common electrode provided on the second substrate.
  • the driving method includes a step of applying different voltages to the plurality of cell electrodes to generate a voltage gradient.
  • FIG. 1 Schematic explaining the usage aspect of the laser scanning apparatus which concerns on 1st Embodiment.
  • the block diagram of a laser scanner. 1 is a cross-sectional view of a liquid crystal panel according to a first embodiment. The top view of a several unit electrode.
  • FIG. 6 illustrates an operation of a liquid crystal panel in an off state.
  • FIG. 6 illustrates an operation of a liquid crystal panel in an on state.
  • the graph which shows the relationship between the length of a unit electrode, and an output angle.
  • FIG. 6 illustrates an operation of a liquid crystal panel in an on state.
  • the graph which shows the relationship between an output angle and a grating
  • 4A and 4B illustrate an operation of a transmission region of a liquid crystal panel.
  • Sectional drawing which shows the principal part of the laser scanning apparatus which concerns on 4th Embodiment.
  • the graph which shows the relationship between the outgoing angle which concerns on 4th Embodiment, and a scanning range.
  • Sectional drawing which shows the principal part of the laser scanning apparatus which concerns on 5th Embodiment.
  • the graph which shows the relationship between the outgoing angle which concerns on 5th Embodiment, and a scanning range.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a usage mode of a laser scanning device 1 according to a first embodiment.
  • the laser scanning device 1 is disposed on the front side of the vehicle (for example, a front bumper or a front grill).
  • the vehicle may be arranged on the rear side (for example, rear bumper or rear grill) or on the side (for example, side of the front bumper).
  • it may be provided above the vehicle, such as a roof or a bonnet.
  • the laser scanning device 1 When scanning the front of the vehicle, the laser scanning device 1 emits an infrared laser so as to scan an angle range (scanning range) wider than the assumed detection range toward the front of the vehicle. Then, the laser scanning device 1 detects a front object including a preceding vehicle, a pedestrian, and the like from a time difference between light emission and light reception, light reception intensity, and the like, and further detects a distance and a relative speed between the object and the object. .
  • the laser emitted from the laser scanning device 1 is not limited to an infrared laser, and a laser having a wavelength longer than that of the infrared may be used.
  • the distance from the vehicle to the object to be detected is assumed to be about 100 m. However, the distance is not limited to this, and this distance can be arbitrarily designed.
  • the laser scanner 1 is also called LIDAR (Light Detection and Ranging).
  • LIDAR is a distance measuring device based on the round-trip time (TOF: Time of Flight) of light until the irradiated light is reflected by the object and returns to the sensor.
  • TOF Time of Flight
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the scanning operation of the laser scanning device 1.
  • the laser scanning device 1 includes a laser source 10 and a liquid crystal panel 11.
  • the laser source 10 emits an infrared laser (agreement with infrared laser light).
  • the liquid crystal panel 11 receives the infrared laser from the laser source 10, drives the liquid crystal in a time division manner, and scans the infrared laser. Thereby, multiple points of infrared lasers can be irradiated to the object.
  • FIG. 3 is a block diagram of the laser scanning device 1.
  • the laser scanning device 1 includes a drive circuit (driver) 12, a detection circuit 13, a power supply circuit 14, and a control circuit 15 in addition to the laser source 10 and the liquid crystal panel 11 described above.
  • the drive circuit 12 drives the liquid crystal panel 11. At this time, the drive circuit 12 supplies various voltages to the liquid crystal panel 11 so that the liquid crystal panel 11 can realize a desired operation.
  • the power supply circuit 14 receives power from outside and supplies various voltages to each circuit in the laser scanning device 1 using the external power supply.
  • the detection circuit 13 detects the infrared laser reflected by the object.
  • the detection circuit 13 is composed of, for example, an infrared sensor. In addition, an infrared camera may be used as the detection circuit 13.
  • the control circuit 15 controls the overall operation of the laser scanning device 1. In particular, the control circuit 15 controls the voltage generation operation of the drive circuit 12. Further, the control circuit 15 calculates the distance to the object based on the detection signal from the detection circuit 13.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the liquid crystal panel 11.
  • the liquid crystal panel 11 is a transmissive liquid crystal panel.
  • the liquid crystal panel 11 includes substrates 21 and 22 arranged opposite to each other, and a liquid crystal layer 23 sandwiched between the substrates 21 and 22.
  • Each of the substrates 21 and 22 is composed of a transparent substrate, for example, a glass substrate.
  • the substrate 21 is disposed to face the laser source 10, and the infrared laser from the laser source 10 enters the liquid crystal layer 23 from the substrate 21 side.
  • the substrate 22 may be disposed on the laser source 10 side.
  • the liquid crystal layer 23 is composed of a liquid crystal material sealed by a sealing material 24 that bonds the substrates 21 and 22 together.
  • the sealing material 24 is made of, for example, an ultraviolet curable resin, a thermosetting resin, or an ultraviolet / heat combination type curable resin, and is applied to the substrate 21 or the substrate 22 in the manufacturing process, and then cured by ultraviolet irradiation or heating. It is done.
  • the liquid crystal material has its optical characteristics changed by manipulating the orientation of the liquid crystal molecules according to the electric field applied between the substrates 21 and 22.
  • the liquid crystal mode for example, a homogeneous mode using a positive (P-type) nematic liquid crystal is used. That is, in the homogeneous mode, liquid crystal molecules are aligned in a substantially horizontal direction with respect to the substrate surface when no electric field is applied.
  • the alignment of the liquid crystal is controlled by an alignment film (not shown) provided so as to sandwich the liquid crystal layer 23.
  • the major axis (director) of the liquid crystal molecules is aligned in a substantially horizontal direction when no electric field is applied, and the director of the liquid crystal molecules is inclined in the vertical direction when an electric field is applied.
  • the homogeneous mode is used in the present embodiment.
  • a vertical alignment (VA) mode using negative (N-type) nematic liquid crystal may be used. That is, in the VA mode, liquid crystal molecules are aligned in a direction substantially perpendicular to the substrate surface when no electric field is applied. In the VA mode liquid crystal molecule arrangement, the major axis (director) of the liquid crystal molecules is aligned in a substantially vertical direction when no electric field is applied, and the director of the liquid crystal molecules is inclined in the horizontal direction when an electric field is applied.
  • the substrate 21 includes a plurality of cell electrodes 25A arranged in a matrix on the liquid crystal layer 23 side.
  • An arbitrary number of cell electrode groups is referred to as a unit electrode 25.
  • the size of the unit electrode 25 can be changed by changing the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25.
  • FIG. 4 the state of the plurality of cell electrodes 25 ⁇ / b> A included in one unit electrode 25 is extracted and shown by a broken-line square.
  • the cell electrode 25A is composed of a transparent electrode, and for example, ITO (indium tin oxide) is used.
  • the plurality of unit electrodes 25 are electrically separated from each other, and the plurality of cell electrodes 25A are electrically separated from each other. That is, voltage control can be individually performed on each cell electrode 25A, and voltage control can be performed on each unit electrode 25 individually.
  • the unit electrode 25 is a drive unit of the liquid crystal panel 11.
  • the length of the unit electrode 25 in the X direction is expressed as W (the length in the Y direction is also W).
  • FIG. 5 is a plan view of the plurality of unit electrodes 25. As shown in FIG. 5, the plurality of unit electrodes 25 are arranged in a matrix in the X direction and the Y direction perpendicular to the X direction. A broken line in FIG. 5 indicates an irradiation region of the infrared laser.
  • One common electrode 26 is provided on the liquid crystal layer 23 side of the substrate 22.
  • the common electrode 26 is formed in a planar shape over the entire region where the liquid crystal layer 23 of the liquid crystal panel 11 is provided.
  • the common electrode 26 is composed of a transparent electrode, and for example, ITO is used.
  • a transmission type liquid crystal panel (transmission type LCOS) using an LCOS (Liquid Crystal on Silicon) method may be used.
  • the electrode can be finely processed, and a smaller liquid crystal panel 11 can be realized.
  • the transmissive LCOS a silicon substrate (or a silicon layer formed on a transparent substrate) is used. Since the silicon substrate transmits light (including infrared rays) having a wavelength greater than a specific wavelength in relation to the band gap, LCOS can be used as a transmissive liquid crystal panel.
  • LCOS a liquid crystal panel having a smaller cell electrode can be obtained, so that further downsizing can be achieved.
  • the laser can be scanned at a high speed.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of the drive circuit 12.
  • the drive circuit 12 includes switch elements 12A and 12B and a plurality of variable resistance elements 12C provided corresponding to the plurality of cell electrodes 25A.
  • switch elements 12A and 12B and a plurality of variable resistance elements 12C provided corresponding to the plurality of cell electrodes 25A.
  • four variable resistance elements 12C-1 to 12C-4 are shown as an example.
  • One end of the switch element 12A is connected to the power supply circuit 14.
  • the other end of the switch element 12A is connected to one end of a plurality of variable resistance elements 12C.
  • the other ends of the plurality of variable resistance elements 12C are connected to a plurality of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25, respectively.
  • One end of the switch element 12 ⁇ / b> B is connected to the power supply circuit 14, and the other end is connected to the common electrode 26.
  • the on / off operation of the switch elements 12A and 12B is controlled by the control circuit 15.
  • the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C are individually controlled by the control circuit 15.
  • the configuration of the drive circuit 12 shown in FIG. 6 is an example, and other configurations may be used as long as the voltage can be individually controlled for the cell electrode 25A.
  • inversion driving (AC driving) is performed to invert the polarity of the electric field between the unit electrode 25 and the common electrode 26 sandwiching the liquid crystal layer 23 at a predetermined period.
  • AC driving AC driving
  • the period of inversion driving can be arbitrarily set.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a voltage waveform in inversion driving.
  • the power supply circuit 14 supplies one of a predetermined positive voltage V1 and a negative voltage ⁇ V1 whose polarity is inverted to the unit electrode 25 (specifically, the variable resistance element 12C), The other is supplied to the common electrode 26.
  • the voltage V1 is set so that the liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the substrate when the voltage amplitude “V1 ⁇ 2” is applied to the liquid crystal layer.
  • the power supply circuit 14 supplies an AC voltage to the unit electrode 25 and the common electrode 26.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of the liquid crystal panel 11 in the off state.
  • the control circuit 15 turns off the switch elements 12A and 12B.
  • no electric field is applied to the liquid crystal layer 23, and the liquid crystal molecules are aligned in the horizontal direction with respect to the substrate in the entire region of the liquid crystal layer 23.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the liquid crystal panel 11 in the ON state.
  • the control circuit 15 turns on the switch elements 12A and 12B.
  • a predetermined voltage is applied from the power supply circuit 14 to the drive circuit 12 and the common electrode 26.
  • the control circuit 15 increases the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C included in the drive circuit 12 in order along the X direction in units of the unit electrode 25.
  • the drive circuit 12 applies voltages determined according to the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C to the plurality of cell electrodes 25A, respectively.
  • the drive circuit 12 applies a plurality of voltages to the plurality of cell electrodes 25 ⁇ / b> A so that the voltages sequentially decrease along the X direction.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the peak value of the voltage output from the drive circuit 12.
  • the vertical axis in FIG. 10 represents the peak value of the voltage (voltage on the positive side of the voltage amplitude), and the horizontal axis in FIG. 10 represents the number of the variable resistance element 12C.
  • voltages corresponding to the four variable resistance elements 12C-1 to 12C-4 shown as an example in FIG. 6 are illustrated, but the number of voltages is the cell electrode 25A included in the unit electrode 25. Depending on the number of
  • the drive circuit 12 can generate a plurality of voltages having gradients using the variable resistance elements 12C-1 to 12C-4.
  • a plurality of voltages having the gradient of FIG. 10 are respectively applied to the corresponding cell electrodes 25A.
  • the liquid crystal molecules are aligned in the substantially vertical direction, and in the region where the applied voltage is low (the electric field is low), The liquid crystal molecules are aligned in a substantially horizontal direction, and in an intermediate region between them, the liquid crystal molecules are aligned in an oblique direction with respect to the horizontal direction according to the magnitude of the applied voltage.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating the refractive index of liquid crystal molecules.
  • the relationship of the refractive index is “n e > n 0 ”.
  • the large ellipse is a top view when the liquid crystal molecules are aligned in the horizontal direction
  • the small ellipse is a top view when the liquid crystal molecules stand in the vertical direction.
  • the infrared laser can be refracted using the birefringence of the liquid crystal layer 23.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the length W of the unit electrode 25 and the emission angle ⁇ out .
  • the vertical axis in FIG. 12 is the emission angle ⁇ out (degrees), and the horizontal axis in FIG. 12 is the length W ( ⁇ m) of the unit electrode 25.
  • the emission angle ⁇ out can be arbitrarily set by changing the length W. That is, the laser scanning device 1 can scan the infrared laser within a predetermined range. In order to change the length W, the size of the unit electrode 25 may be changed, and the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25 may be changed.
  • the gradient of the refractive index can be changed in the liquid crystal region including the unit electrode 25 by changing the gradient of the voltage applied to the unit electrode 25. That is, the output angle ⁇ out can be changed by changing the gradient of the voltage applied to the unit electrode 25.
  • FIGS. 13 and 14 are diagrams for explaining how the size of the unit electrode 25 is changed.
  • the size of the unit electrode 25 is larger than that in FIG. That is, the number of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25 of FIG. 14 is larger than the number of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25 of FIG. Accordingly, the length W in FIG. 14 is larger than the length W in FIG.
  • the exit angle of FIG. 14 is smaller than the exit angle of FIG.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the gradient of the refractive index of the unit electrode 25 in two dimensions.
  • a plurality of different voltages are applied in the X direction and the Y direction to generate a voltage gradient in the unit electrode.
  • the infrared laser can be scanned two-dimensionally.
  • the laser scanning device 1 transmits the infrared laser from the laser source 10 and the infrared laser from the laser source 10.
  • the liquid crystal panel 11 that changes the emission angle of the infrared laser and the drive circuit 12 that applies a voltage to the liquid crystal panel 11 are provided.
  • the liquid crystal panel 11 includes substrates 21 and 22 arranged opposite to each other, a liquid crystal layer 23 sandwiched between the substrates 21 and 22, a plurality of unit electrodes 25 provided on the substrate 21, and a common electrode 26 provided on the substrate 22.
  • Each of the plurality of unit electrodes 25 includes a plurality of cell electrodes 25A arranged in the X direction.
  • the drive circuit 12 applies a plurality of different voltages to the plurality of cell electrodes 25A, respectively, to generate a voltage gradient. Further, the drive circuit 12 changes the emission angle of the infrared laser by changing the magnitude of the voltage gradient.
  • a gradient of refractive index can be formed in the liquid crystal region corresponding to one unit electrode 25 by utilizing the birefringence of the liquid crystal layer 23. Accordingly, the infrared laser incident on the liquid crystal panel 11 can be refracted at a desired emission angle using the refraction principle.
  • the length W in one direction of the unit electrode 25 can be changed by changing the number of the cell electrodes 25A included in the unit electrode 25.
  • the laser scanning device 1 capable of scanning a desired range with an infrared laser can be realized.
  • the laser scanning device 1 according to the present embodiment can be reduced in size, scanned at high speed, and reduced in cost.
  • the laser scanning device 1 since the laser scanning device 1 according to the present embodiment has no mechanical components and no mechanical movable parts, the reliability can be improved.
  • the emission angle of the infrared laser is changed using the diffraction principle.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the liquid crystal panel 11 according to the second embodiment.
  • the liquid crystal panel 11 is a transmissive liquid crystal panel.
  • the liquid crystal panel 11 includes substrates 21 and 22 arranged opposite to each other, and a liquid crystal layer 23 sandwiched between the substrates 21 and 22.
  • Each of the substrates 21 and 22 is composed of a transparent substrate, for example, a glass substrate.
  • the substrate 21 is disposed to face the laser source 10, and the infrared laser from the laser source 10 enters the liquid crystal layer 23 from the substrate 21 side.
  • the substrate 22 may be disposed on the laser source 10 side.
  • the liquid crystal layer 23 is composed of a liquid crystal material sealed by a sealing material 24 that bonds the substrates 21 and 22 together.
  • the liquid crystal material has its optical characteristics changed by manipulating the orientation of the liquid crystal molecules according to the electric field applied between the substrates 21 and 22.
  • the liquid crystal mode for example, a homogeneous mode using a positive (P-type) nematic liquid crystal is used.
  • a vertical alignment (VA) mode using a negative (N-type) nematic liquid crystal may be used as the liquid crystal mode.
  • the substrate 21 includes a plurality of cell electrodes 25A arranged in a matrix on the liquid crystal layer 23 side.
  • An arbitrary number of cell electrode groups is referred to as a unit electrode 25.
  • the size of the unit electrode 25 can be changed by changing the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25.
  • the unit electrode 25 includes a plurality of cell electrodes 25A arranged in one or a matrix. In FIG. 16, the state of the plurality of cell electrodes 25 ⁇ / b> A included in one unit electrode 25 is extracted with a dotted circle.
  • the cell electrode 25A is composed of a transparent electrode, and for example, ITO (indium tin oxide) is used.
  • the plurality of unit electrodes 25 are electrically separated from each other, and the plurality of cell electrodes 25A are electrically separated from each other. That is, voltage control can be individually performed on each cell electrode 25A, and voltage control can be performed on each unit electrode 25 individually.
  • FIG. 17 is a plan view of the plurality of unit electrodes 25. As shown in FIG. 17, the plurality of unit electrodes 25 are arranged in a matrix in the X direction and the Y direction orthogonal thereto. A broken line in FIG. 17 indicates an irradiation region of the infrared laser.
  • the emission angle of the infrared laser is changed using the principle of a diffraction grating.
  • the length of the unit electrode 25 in the X direction corresponds to the grating interval ⁇ in the diffraction grating. More precisely, the lattice interval ⁇ corresponds to the distance between two intermediate points of the gap between the unit electrode of interest and the two unit electrodes adjacent to both sides in the X direction. Similar to the X direction, the lattice spacing ⁇ is also defined in the Y direction.
  • One common electrode 26 is provided on the liquid crystal layer 23 side of the substrate 22.
  • the common electrode 26 is formed in a planar shape over the entire region where the liquid crystal layer 23 of the liquid crystal panel 11 is provided.
  • the common electrode 26 is composed of a transparent electrode, and for example, ITO is used.
  • FIG. 18 is a circuit diagram of the drive circuit 12.
  • the drive circuit 12 includes switch elements 12A and 12B and a plurality of variable resistance elements 12C provided corresponding to the plurality of cell electrodes 25A.
  • FIG. 18 shows eleven variable resistance elements 12C-1 to 12C-11 as an example.
  • One end of the switch element 12A is connected to the power supply circuit 14.
  • the other end of the switch element 12A is connected to one end of a plurality of variable resistance elements 12C.
  • the other ends of the plurality of variable resistance elements 12C are connected to a plurality of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25, respectively.
  • One end of the switch element 12 ⁇ / b> B is connected to the power supply circuit 14, and the other end is connected to the common electrode 26.
  • the on / off operation of the switch elements 12A and 12B is controlled by the control circuit 15.
  • the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C are individually controlled by the control circuit 15.
  • the configuration of the drive circuit 12 shown in FIG. 18 is an example, and other configurations may be used as long as the circuit can individually control the voltage of the cell electrode 25A.
  • FIG. 18 described above represents the operation of the liquid crystal panel 11 in the off state.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining the operation of the liquid crystal panel 11 in the ON state.
  • inversion driving is performed in which the polarity of the electric field between the unit electrode 25 and the common electrode 26 sandwiching the liquid crystal layer 23 is inverted at a predetermined period.
  • the power supply circuit 14 uses one of the predetermined positive voltage V1 and the negative voltage ⁇ V1 whose polarity is inverted as a unit electrode 25 (specifically, a variable resistance element). 12C) and the other to the common electrode 26.
  • the voltage V1 is set so that the liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the substrate when the voltage amplitude “V1 ⁇ 2” is applied to the liquid crystal layer.
  • the power supply circuit 14 supplies an AC voltage to the unit electrode 25 and the common electrode 26.
  • the control circuit 15 turns off the switch elements 12A and 12B. Thereby, no electric field is applied to the liquid crystal layer 23, and the liquid crystal molecules are aligned in the horizontal direction with respect to the substrate in the entire region of the liquid crystal layer 23. In this case, there is no refractive index gradient in the liquid crystal layer 23.
  • the control circuit 15 turns on the switch elements 12A and 12B. As a result, a predetermined voltage is applied from the power supply circuit 14 to the drive circuit 12 and the common electrode 26. In addition, the control circuit 15 increases the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C included in the drive circuit 12 in order along the X direction in units of the unit electrode 25.
  • the drive circuit 12 applies voltages determined according to the resistance values of the plurality of variable resistance elements 12C to the plurality of cell electrodes 25A, respectively.
  • the drive circuit 12 applies a plurality of voltages to the plurality of cell electrodes 25 ⁇ / b> A so that the voltages sequentially decrease along the X direction.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the peak value of the voltage output from the drive circuit 12.
  • the vertical axis of FIG. 20 represents the voltage peak value (positive voltage among the voltage amplitudes), and the horizontal axis of FIG. 20 represents the number of the variable resistance element 12C.
  • voltages corresponding to the variable resistance elements 12C-1 to 12C-11 shown as an example in FIG. 18 are illustrated, but the number of voltages is the number of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25. Will be changed according to
  • the drive circuit 12 can generate a plurality of voltages having gradients using the variable resistance elements 12C-1 to 12C-11.
  • a plurality of voltages having the gradient of FIG. 20 are applied to the corresponding cell electrodes 25A.
  • the liquid crystal molecules are aligned in the substantially vertical direction, and in the region where the applied voltage is low (the electric field is low), the liquid crystal The molecules are oriented in a substantially horizontal direction, and in an intermediate region between them, the molecules are oriented in an oblique direction with respect to the horizontal direction according to the magnitude of the applied voltage.
  • FIG. 21 is a schematic diagram illustrating the relationship between the refractive index of the liquid crystal panel 11 and the phase of the laser light.
  • a gradient of refractive index is generated in the liquid crystal layer 23.
  • the liquid crystal panel 11 functions equivalently as a blazed diffraction grating. Therefore, in the liquid crystal region including one unit electrode 25, the phase of the infrared laser changes according to the gradient of the refractive index.
  • the emission angle changes, and the infrared laser is emitted from the liquid crystal panel 11 at the emission angle ⁇ out .
  • ⁇ is the wavelength of the infrared laser.
  • the emission angle ⁇ out can be arbitrarily set by changing the lattice interval ⁇ .
  • the size of the unit electrode 25 may be changed, and the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25 may be changed.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the relationship between the emission angle ⁇ out and the lattice spacing ⁇ .
  • FIG. 23 is a graph showing the relationship between the emission angle ⁇ out and the lattice spacing ⁇ .
  • the vertical axis in FIG. 23 is the emission angle ⁇ out (degrees), and the horizontal axis in FIG. 23 is the lattice spacing ⁇ ( ⁇ m).
  • the emission angle ⁇ out of the infrared laser can be arbitrarily changed. That is, the laser scanning device 1 can scan the infrared laser within a predetermined range.
  • FIGS. 24 and 25 are diagrams for explaining how the size of the unit electrode 25 is changed.
  • the size of the unit electrode 25 is larger than that of FIG. That is, the number of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25 of FIG. 25 is larger than the number of cell electrodes 25A included in the unit electrode 25 of FIG. Accordingly, the lattice interval ⁇ in FIG. 25 is larger than the lattice interval ⁇ in FIG.
  • the exit angle in FIG. 25 is smaller than the exit angle in FIG.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining the gradient of the refractive index of the unit electrode 25 in two dimensions.
  • a plurality of different voltages are applied in the X direction and the Y direction, and a voltage gradient is generated in the unit electrode.
  • Infrared laser can be scanned.
  • the scanning direction may be only one direction.
  • a refractive index gradient may be formed only in one direction (X direction or Y direction).
  • the laser scanning device 1 transmits the infrared laser from the laser source 10 and the infrared laser from the laser source 10.
  • the liquid crystal panel 11 that changes the emission angle of the infrared laser and the drive circuit 12 that applies a voltage to the liquid crystal panel 11 are provided.
  • the liquid crystal panel 11 includes substrates 21 and 22 arranged opposite to each other, a liquid crystal layer 23 sandwiched between the substrates 21 and 22, a plurality of unit electrodes 25 provided on the substrate 21, and a common electrode 26 provided on the substrate 22.
  • Each of the plurality of unit electrodes 25 includes a plurality of cell electrodes 25A arranged in the X direction.
  • the drive circuit 12 applies a plurality of different voltages to the plurality of cell electrodes 25A, respectively, to generate a voltage gradient.
  • a gradient of refractive index can be formed in the liquid crystal region corresponding to one unit electrode 25. Therefore, the liquid crystal panel 11 can function as a blazed diffraction grating. Thereby, the infrared laser incident on the liquid crystal panel 11 can be emitted at a desired emission angle.
  • the lattice spacing ⁇ can be changed by changing the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25.
  • the laser scanning device 1 capable of scanning a desired range with an infrared laser can be realized.
  • Other effects are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of the liquid crystal panel 11 according to the third embodiment.
  • the liquid crystal mode according to the third embodiment is, for example, a TN (Twisted Nematic) mode.
  • the liquid crystal layer 23 is sandwiched between the substrates 21 and 22.
  • the liquid crystal layer 23 is composed of a TN liquid crystal using a positive (P-type) nematic liquid crystal. That is, the liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer 23 are twisted in the range of 60 to 120 degrees (approximately 90 degrees) above and below the liquid crystal layer 23 in the initial state (no electric field).
  • the alignment of the liquid crystal is controlled by an alignment film (not shown) provided so as to sandwich the liquid crystal layer 23.
  • As the liquid crystal mode a homogeneous mode, a VA mode, an IPS (In-Plane-Switching) mode, or the like may be used.
  • a plurality of cell electrodes 25A are arranged in a matrix on the liquid crystal layer 23 side of the substrate 21.
  • the plurality of cell electrodes 25A are electrically separated from each other. That is, voltage control can be individually performed for each cell electrode 25A.
  • the cell electrode 25A is composed of a transparent electrode, and for example, ITO is used.
  • One common electrode 26 is provided on the liquid crystal layer 23 side of the substrate 22.
  • the common electrode 26 is formed in a planar shape over the entire region where the liquid crystal layer 23 of the liquid crystal panel 11 is provided.
  • the common electrode 26 is composed of a transparent electrode, and for example, ITO is used.
  • a polarizing plate 30 is provided on the surface of the substrate 21 opposite to the liquid crystal layer 23.
  • a polarizing plate 31 is provided on the surface of the substrate 22 opposite to the liquid crystal layer 23.
  • the polarizing plates 30 and 31 extract light having a vibration surface in one direction parallel to the transmission axis, that is, light having a polarization state of linearly polarized light, from light having a vibration surface in a random direction.
  • the polarizing plates 30 and 31 are arranged so that the absorption axis and the transmission axis are parallel in the plane.
  • the liquid crystal molecules on the polarizing plate 30 side are aligned in parallel with the transmission axis of the polarizing plate 30, and the liquid crystal molecules on the polarizing plate 31 side are orthogonal to the transmission axis of the polarizing plate 31.
  • the normally black liquid crystal panel 11 is illustrated, but of course, a normally white system can also be used.
  • the lattice interval ⁇ is defined by two unit electrodes, and corresponds to the length of a region defined by two cell electrodes 25A adjacent in the X direction, for example.
  • one of the two regions included in one lattice interval ⁇ is represented as a region AR1, and the other is represented as a region AR2.
  • AR1 and AR2 shown in FIG. 27 have the same structure.
  • the areas AR1 and AR2 are alternately arranged in the X direction and the Y direction.
  • liquid crystal panel 11 In the liquid crystal panel 11 in the off state, no voltage is applied to all the cell electrodes 25A and the common electrode 26. Thereby, the liquid crystal panel 11 blocks light in the entire region.
  • a diffraction grating is formed on the liquid crystal panel 11 using the region AR1 that blocks light and the region AR2 that transmits light.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the operation of the area AR1 which is the blocking area of the liquid crystal panel 11.
  • the drive circuit 12 includes a plurality of switch elements 12A and one switch element 12B.
  • the plurality of switch elements 12A are provided for each cell electrode 25A.
  • control circuit 15 turns off the corresponding switch element 12A.
  • the switch element 12B is on. This is the same as the operation in the off state, and the infrared laser incident on the area AR1 is blocked by the polarizing plates 30 and 31.
  • FIG. 29 is a diagram for explaining the operation of the area AR2 which is the transmission area of the liquid crystal panel 11.
  • the control circuit 15 turns on the corresponding switch element 12A.
  • the liquid crystal molecules are aligned in a direction substantially perpendicular to the substrate. Therefore, the infrared laser incident on the liquid crystal panel 11 passes through the area AR2. Note that the area AR1 remains in the cut-off state.
  • FIG. 30 is a plan view for explaining the operation of the liquid crystal panel 11 in two dimensions.
  • the blocking area (area AR1) and the transmission area (area AR2) form a checkered pattern.
  • the checkered pattern is a pattern in which transmission regions and blocking regions are alternately arranged in each of the X direction and the Y direction.
  • a diffraction grating can be formed on the liquid crystal panel 11. Accordingly, when the infrared laser from the laser source 10 is incident on the substantially perpendicular to the liquid crystal panel 11, the emission angle changes, infrared laser is emitted from the liquid crystal panel 11 at the exit angle theta out.
  • the emission angle ⁇ out can be arbitrarily set by changing the lattice interval ⁇ .
  • the number of cell electrodes 25A constituting the unit electrode 25 may be changed as in the second embodiment, in other words, the size of the unit electrode 25 may be changed.
  • FIG. 31 is a diagram for explaining how the size of the unit electrode 25 is changed.
  • the size of the unit electrode 25 in FIG. 30 is changed to the size of the unit electrode 25 in FIG.
  • the unit electrode 25 includes a plurality of cell electrodes 25A.
  • the unit electrode 25 of FIG. 31 includes four cell electrodes 25A.
  • a plurality of cell electrodes 25A included in one unit electrode 25 perform the same operation (one of a cut-off state and a transmission state).
  • the lattice spacing ⁇ is changed by changing the size of the unit electrode 25. Thereby, the liquid crystal panel 11 can scan an infrared laser.
  • the relationship between the emission angle ⁇ out and the lattice spacing ⁇ is the same as in FIGS. 22 and 23 shown in the second embodiment.
  • the emission angle of the infrared laser can be controlled using the principle of a normal diffraction grating.
  • Other effects are the same as those of the second embodiment.
  • the fourth embodiment is a configuration example for further widening the scanning range defined by the length of the unit electrode 25.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view showing the main part of the laser scanning device 1 according to the fourth embodiment.
  • the configuration of the liquid crystal panel 11 is the same as that of any of the first to third embodiments.
  • the laser scanning device 1 further includes a plano-convex lens 40.
  • a plano-convex lens 40 for example, a hemispherical lens or a spherical plano-convex lens is used. In the present embodiment, the hemispherical lens 40 will be described as an example.
  • the light exit surface of the liquid crystal panel 11 is disposed opposite to the plane of the hemispherical lens 40.
  • the center of the light emitting surface of the liquid crystal panel 11 is disposed on a center line C that passes through the center C of the hemispherical lens 40 and is perpendicular to the plane of the hemispherical lens 40.
  • the fixing method of the hemispherical lens 40 can be arbitrarily designed.
  • FIG. 33 is a schematic diagram for explaining the scanning range of the laser scanning device 1.
  • the scanning range above the center line C in the detection target object 42 is y.
  • ⁇ 0 is an emission angle of the infrared laser emitted from the liquid crystal panel 11 and corresponds to the aforementioned ⁇ out .
  • the refractive index n of the hemispherical lens 40 and the refractive index of air 1.
  • the angle ⁇ is an angle formed by a straight line passing through the center of the hemispherical lens 40 and the light emission point and the center line C.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are refraction angles.
  • FIG. 34 is a graph showing the relationship between the emission angle ⁇ 0 and the scanning range y according to the fourth embodiment.
  • the vertical axis in FIG. 34 represents the scanning range y (mm), and the horizontal axis in FIG. 34 represents the emission angle ⁇ 0 (degrees).
  • the distance d between the liquid crystal panel 11 and the hemispherical lens 40 is 5 mm
  • the radius R of the hemispherical lens 40 is 20 mm
  • the distance L between the hemispherical lens 40 and the object 42 is 100 m
  • the refractive index n of the hemispherical lens 40 is 1.6.
  • the scanning range y can be changed according to the emission angle ⁇ 0 .
  • the scanning range can be increased as compared with the case where the infrared laser is emitted by the liquid crystal panel 11 alone. Can be wide.
  • the fifth embodiment is another configuration example for further widening the scanning range defined by the length of the unit electrode 25.
  • FIG. 35 is a cross-sectional view showing the main part of the laser scanning device 1 according to the fifth embodiment.
  • the configuration of the liquid crystal panel 11 is the same as any one of the first to third embodiments.
  • the laser scanning device 1 further includes a convex mirror 41.
  • a convex mirror 41 for example, a spherical mirror or a hemispherical mirror is used.
  • the hemispherical mirror 41 will be described as an example.
  • the light exit surface of the liquid crystal panel 11 is disposed to face the mirror surface of the hemispherical mirror 41.
  • the center of the light emission surface of the liquid crystal panel 11 is arranged on a center line C passing through the center of the hemispherical mirror 41.
  • the fixing method of the hemispherical mirror 41 can be arbitrarily designed.
  • the infrared laser from the laser source 10 is reflected by the hemispherical mirror 41 after passing through the liquid crystal panel 11.
  • the infrared laser beam reflected by the hemispherical mirror 41 is applied to the object. That is, the infrared laser finally emitted from the laser scanning device 1 is emitted toward the back surface (the surface opposite to the light emission surface) of the liquid crystal panel 11.
  • FIG. 36 is a schematic diagram for explaining the scanning range of the laser scanning device 1.
  • the scanning range above the center line C in the detection target object 42 is y.
  • ⁇ 0 is an emission angle of the infrared laser emitted from the liquid crystal panel 11 and corresponds to the aforementioned ⁇ out .
  • the angle ⁇ is an angle formed between the center line C and a straight line passing through the center of the hemispherical mirror 41 and the light incident point.
  • “Y 0 ” is the distance between the light incident point of the hemispherical mirror 41 and the center line C.
  • FIG. 37 is a graph showing the relationship between the emission angle ⁇ 0 and the scanning range y according to the fifth embodiment.
  • the vertical axis in FIG. 37 represents the scanning range y (mm), and the horizontal axis in FIG. 37 represents the emission angle ⁇ 0 (degrees).
  • the distance d between the liquid crystal panel 11 and the hemispherical mirror 41 is 5 mm
  • the radius R of the hemispherical mirror 41 is 20 mm
  • the distance L between the liquid crystal panel 11 and the object 42 is 100 m.
  • the scanning range y can be changed according to the emission angle ⁇ 0 .
  • the infrared laser emitted from the liquid crystal panel 11 is reflected by the hemispherical mirror 41, and compared with the case where the infrared laser is emitted by the liquid crystal panel 11 alone, the scanning range. Can be widened.
  • the substrate 21 is formed with a plurality of lower electrodes each extending in the Y direction
  • the substrate 22 is formed with a plurality of upper electrodes each extending in the X direction.
  • the passive matrix system has a dot matrix pattern.
  • the liquid crystal panel can control the liquid crystal alignment for each dot where one lower electrode and one upper electrode intersect.
  • infrared laser light is used as the laser light handled by the laser scanning device 1.
  • the present embodiment is not limited to this, and the present embodiment can also be applied to light other than infrared light.
  • the laser scanning device 1 mounted on a vehicle is described.
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to various electronic devices having a function of scanning with laser light.
  • parallel is preferably completely parallel, but is not necessarily strictly parallel, and includes those that can be regarded as substantially parallel in view of the effects of the present invention. An error that may occur in the manufacturing process may be included.
  • vertical does not necessarily have to be strictly vertical, and includes what can be regarded as substantially vertical in view of the effects of the present invention, and may include errors that may occur in the manufacturing process. good.
  • a plate, a film, and the like are expressions illustrating the members, and are not limited to the configurations.
  • the polarizing plate is not limited to a plate-like member, and may be a film having other functions described in the specification or other members.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and are obtained by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in one embodiment or by appropriately combining constituent elements disclosed in different embodiments. Various inventions can be configured. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, the problems to be solved by the invention can be solved and the effects of the invention can be obtained. Embodiments made can be extracted as inventions.

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Abstract

レーザー走査装置は、レーザー源（１０）からのレーザー光を透過し、レーザー光の出射角を変化させる。レーザー走査装置は、対向配置された基板（２１）、（２２）と、基板（２１）、（２２）間に挟持された液晶層（２３）と、基板（２１）に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数のセル電極を各々が有する複数の単位電極（２５）と、基板（２２）に設けられた共通電極（２６）と、複数のセル電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる駆動回路（１２）とを含む。

Description

レーザー走査装置及びその駆動方法
　本発明は、車両に搭載されるレーザー走査装置及びその駆動方法に係り、特に、赤外線レーザーを用いたレーザー走査装置及びその駆動方法に関する。
　車両の自動運転、又は車両の走行支援を行う機器が盛んに開発されている。車両の自動運転化には、（１）交通事故低減、（２）交通渋滞の緩和、（３）環境負荷の低減、（４）高齢者等の移動支援、（５）運転の快適性向上などの効果が期待される。
　例えば、車両前方にレーザー光や電波を照射して、車両前方の対象物までの距離を検出し、先行車両との車間距離を制御する車間距離制御装置が知られている。この際、レーザー光を対象物に向けて走査する必要がある。このようなレーザー走査装置には、ポリゴンミラーを回転させてレーザー光を反射する方式や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）でミラーを動かしてレーザーを反射する方式などがある。しかし、これらの方式では、レーザー走査装置が大型化する傾向にあり、レーザー走査装置の小型化が望まれている。
米国特許第８，９８２，３１３号明細書
　本発明は、小型化が可能なレーザー走査装置及びその駆動方法を提供する。
　本発明の一態様に係るレーザー走査装置は、レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させるレーザー走査装置であって、対向配置された第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数のセル電極を各々が有する複数の単位電極と、前記第２基板に設けられた共通電極と、前記複数のセル電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる駆動回路とを具備する。
　本発明の一態様に係るレーザー走査装置は、レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させるレーザー走査装置であって、対向配置された第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、前記第１及び第２基板を挟むように設けられた第１及び第２偏光板と、前記第１基板に設けられ、少なくとも１つの第１セル電極を各々が含む複数の第１単位電極と、前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って前記複数の第１単位電極と交互に配置され、少なくとも１つの第２セル電極を各々が含む複数の第２単位電極と、前記第２基板に設けられた共通電極と、前記第１単位電極を含む第１領域を透過状態にし、前記第２単位電極を含む第２領域を遮断状態にする制御回路とを具備する。
　本発明の一態様に係るレーザー走査装置の駆動方法は、レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させる。前記レーザー走査装置は、対向配置された第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数のセル電極を各々が有する複数の単位電極と、前記第２基板に設けられた共通電極とを具備する。前記駆動方法は、前記複数のセル電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる工程を具備する。
　本発明によれば、小型化が可能なレーザー走査装置及びその駆動方法を提供することができる。
第１実施形態に係るレーザー走査装置の使用態様を説明する概略図。 レーザー走査装置の走査動作を説明する模式図。 レーザー走査装置のブロック図。 第１実施形態に係る液晶パネルの断面図。 複数の単位電極の平面図。 駆動回路の回路図。 反転駆動における電圧波形の一例を説明する図。 オフ状態における液晶パネルの動作を説明する図。 オン状態における液晶パネルの動作を説明する図。 駆動回路が出力する電圧の波高値を説明する図。 液晶分子の屈折率を説明する概念図。 単位電極の長さと出射角との関係を示すグラフ。 単位電極のサイズを変化させる様子を説明する図。 単位電極のサイズを変化させる様子を説明する図。 二次元における単位電極の屈折率の勾配を説明する図。 第２実施形態に係る液晶パネルの断面図。 複数の単位電極の平面図。 駆動回路の回路図。 オン状態における液晶パネルの動作を説明する図。 駆動回路が出力する電圧の波高値を説明する図。 液晶パネルの屈折率と赤外線レーザーの位相との関係を説明する模式図。 出射角と格子間隔との関係を示す図。 出射角と格子間隔との関係を示すグラフ。 単位電極のサイズを変化させる様子を説明する図。 単位電極のサイズを変化させる様子を説明する図。 二次元における単位電極の屈折率の勾配を説明する図。 第３実施形態に係る液晶パネルの断面図。 液晶パネルの遮断領域の動作を説明する図。 液晶パネルの透過領域の動作を説明する図。 二次元における液晶パネルの動作を説明する平面図。 単位電極のサイズを変化させる様子を説明する図。 第４実施形態に係るレーザー走査装置の主要部を示す断面図。 第４実施形態に係るレーザー走査装置の走査範囲を説明する模式図。 第４実施形態に係る出射角と走査範囲との関係を示すグラフ。 第５実施形態に係るレーザー走査装置の主要部を示す断面図。 第５実施形態に係るレーザー走査装置の走査範囲を説明する模式図。 第５実施形態に係る出射角と走査範囲との関係を示すグラフ。
実施形態
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
　［１］　第１実施形態
　［１－１］　レーザー走査装置の構成
　図１は、第１実施形態に係るレーザー走査装置１の使用態様を説明する概略図である。
　レーザー走査装置１は、車両の前側（例えば、フロントバンパー、又はフロントグリル）に配置される。前側に加えて又は前側に代えて、車両の後ろ側（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、又は側方（例えば、フロントバンパーの側方）に配置してもよい。さらに、ルーフやボンネット等、車両の上方に備えられていてもよい。
　車両の前方を走査する場合、レーザー走査装置１は、車両の前方へ向けて、想定する検知範囲よりも広い角度範囲（走査範囲）を走査するように赤外線レーザーを出射する。そして、レーザー走査装置１は、発光と受光との時間差や受光強度などから、先行車両や歩行者等を含む前方対象物を検知し、さらに、対象物との間の距離や相対速度を検出する。なお、レーザー走査装置１が出射するレーザーは、赤外線レーザーに限定されず、赤外線以上の波長を有するレーザーを用いてもよい。例えば、車両から検知対象である対象物までの距離は、１００ｍ程度を想定している。しかし、これに限定されるものではなく、この距離は任意に設計可能である。
　レーザー走査装置１は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲとは、照射光が対象物で反射してセンサーに戻るまでの光の往復時間（ＴＯＦ：Time of Flight）に基づく距離計測装置である。
　図２は、レーザー走査装置１の走査動作を説明する模式図である。レーザー走査装置１は、レーザー源１０、及び液晶パネル１１を備える。レーザー源１０は、赤外線レーザー（赤外線レーザー光と同意）を出射する。液晶パネル１１は、レーザー源１０からの赤外線レーザーを受け、時分割で液晶を駆動し、赤外線レーザーを走査する。これにより、対象物に対して複数点の赤外線レーザーを照射することができる。
　図３は、レーザー走査装置１のブロック図である。レーザー走査装置１は、前述したレーザー源１０、及び液晶パネル１１に加えて、駆動回路（ドライバ）１２、検知回路１３、電源回路１４、及び制御回路１５を備える。
　駆動回路１２は、液晶パネル１１を駆動する。この際、駆動回路１２は、液晶パネル１１が所望の動作を実現できるように、各種電圧を液晶パネル１１に供給する。電源回路１４は、外部から電源を受け、この外部電源を用いてレーザー走査装置１内の各回路に各種電圧を供給する。
　検知回路１３は、対象物によって反射された赤外線レーザーを検知する。検知回路１３は、例えば赤外線センサーから構成される。その他、検知回路１３として赤外線カメラを用いてもよい。
　制御回路１５は、レーザー走査装置１の全体動作を制御する。特に、制御回路１５は、駆動回路１２の電圧生成動作を制御する。また、制御回路１５は、検知回路１３からの検知信号に基づいて、対象物までの距離を算出する。
　［１－１－１］　液晶パネル１１の構成
　次に、液晶パネル１１の構成について説明する。図４は、液晶パネル１１の断面図である。液晶パネル１１は、透過型の液晶パネルである。
　液晶パネル１１は、対向配置された基板２１、２２と、基板２１、２２間に挟持された液晶層２３とを備える。基板２１、２２の各々は、透明基板から構成され、例えば、ガラス基板から構成される。基板２１は、レーザー源１０に対向配置され、レーザー源１０からの赤外線レーザーは、基板２１側から液晶層２３に入射する。なお、レーザー源１０側に基板２２を配置してもよい。
　液晶層２３は、基板２１、２２間を貼り合わせるシール材２４によって封入された液晶材料により構成される。シール材２４は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいて基板２１又は基板２２に塗布された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。
　液晶材料は、基板２１、２２間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、例えば、ポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶を用いたホモジニアスモードが用いられる。すなわち、ホモジニアスモードでは、電界を印加しない時には基板面に対して概略水平方向に液晶分子を配向させる。液晶の配向は、液晶層２３を挟むように設けられた配向膜（図示せず）によって制御される。ホモジニアスモードの液晶分子配列は、電界を印加しない時に液晶分子の長軸（ダイレクタ）が概略水平方向に配向し、電界を印加した時に液晶分子のダイレクタが垂直方向に向かって傾く。本実施形態では、ホモジニアスモードを用いた場合について説明する。
　なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）モードを用いてもよい。すなわち、ＶＡモードでは、電界を印加しない時には基板面に対して概略垂直方向に液晶分子を配向させる。ＶＡモードの液晶分子配列は、電界を印加しない時に液晶分子の長軸（ダイレクタ）が概略垂直方向に配向し、電界を印加した時に液晶分子のダイレクタが水平方向に向かって傾く。
　基板２１の液晶層２３側には、マトリクス状に配置された複数のセル電極２５Ａを備える。任意の数のセル電極群を単位電極２５と呼称する。単位電極２５のサイズは、これを構成するセル電極２５Ａの数を変更することで変えることができる。図４には、１つの単位電極２５に含まれる複数のセル電極２５Ａの様子を、破線の四角で抽出して示している。セル電極２５Ａは、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。
　複数の単位電極２５は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極２５Ａは、互いに電気的に分離されている。すなわち、各セル電極２５Ａに対して個別に電圧制御が可能であり、また、各単位電極２５に対して個別に電圧制御が可能である。単位電極２５は、液晶パネル１１の駆動単位である。単位電極２５のＸ方向の長さをＷ（Ｙ方向の長さも同様にＷ）と表記する。
　図５は、複数の単位電極２５の平面図である。図５に示すように、複数の単位電極２５は、Ｘ方向及びこれに直交するＹ方向にマトリクス状に配置される。図５の破線は、赤外線レーザーの照射領域を示している。
　基板２２の液晶層２３側には、１つの共通電極２６が設けられる。共通電極２６は、液晶パネル１１の液晶層２３が設けられる領域全体に平面状に形成される。共通電極２６は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯが用いられる。
　なお、液晶パネル１１として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）方式を用いた透過型液晶パネル（透過型ＬＣＯＳ）を用いてもよい。透過型ＬＣＯＳを用いることで、電極を微細加工することが可能となり、より小型の液晶パネル１１を実現できる。透過型ＬＣＯＳでは、シリコン基板（又は透明基板上に形成されたシリコン層）が用いられる。シリコン基板は、バンドギャップとの関係で、特定の波長以上の波長を有する光（赤外線を含む）を透過するため、ＬＣＯＳを透過型液晶パネルとして使用することができる。ＬＣＯＳを使用することにより、セル電極がより小さい液晶パネルとすることができるため、さらに小型化することが可能となる。また、液晶分子の移動度が高いため、レーザーを高速で走査することが可能となる。
　［１－１－２］　駆動回路１２の構成
　次に、駆動回路１２の構成について説明する。図６は、駆動回路１２の回路図である。駆動回路１２は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂと、複数のセル電極２５Ａに対応して設けられた複数の可変抵抗素子１２Ｃとを備える。図６では、一例として４つの可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－４を示している。
　スイッチ素子１２Ａの一端は、電源回路１４に接続される。スイッチ素子１２Ａの他端は、複数の可変抵抗素子１２Ｃの一端に接続される。複数の可変抵抗素子１２Ｃの他端はそれぞれ、単位電極２５に含まれる複数のセル電極２５Ａに接続される。スイッチ素子１２Ｂの一端は、電源回路１４に接続され、その他端は、共通電極２６に接続される。
　スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂのオン／オフ動作は、制御回路１５によって制御される。また、複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値は、制御回路１５によって個別に制御される。
　なお、図６に示した駆動回路１２の構成は一例であり、セル電極２５Ａを個別に電圧制御できる回路であれば他の構成でもよい。
　［１－２］　動作
　次に、上記のように構成されたレーザー走査装置１の動作について説明する。
　本実施形態では、例えば、液晶層２３を挟む単位電極２５及び共通電極２６間の電界の極性を所定周期で反転させる反転駆動（交流駆動）が行われる。反転駆動を行うことで、液晶の劣化などを防止することができる。反転駆動の周期は任意に設定可能である。図７は、反転駆動における電圧波形の一例を説明する図である。
　図７に示すように、電源回路１４は、所定の正電圧Ｖ１と、これと極性反転された負電圧－Ｖ１との一方を単位電極２５（具体的には可変抵抗素子１２Ｃ）に供給し、他方を共通電極２６に供給する。電圧Ｖ１は、液晶層に電圧振幅“Ｖ１×２”を印加した場合に、液晶分子が基板に概略垂直に配向するように設定される。さらに、電源回路１４は、単位電極２５及び共通電極２６に交流電圧を供給する。
　まず、オフ状態における液晶パネル１１の動作を説明する。図８は、オフ状態における液晶パネル１１の動作を説明する図である。オフ状態において、制御回路１５は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂをオフさせる。これにより、液晶層２３に電界が印加されず、液晶層２３の全領域において、液晶分子は、基板に対して水平方向に配向している。この場合、液晶層２３に屈折率の勾配は生じていない。よって、レーザー源１０からの赤外線レーザーは、液晶パネル１１に垂直に入射し、そのまま屈折せずに液晶パネル１１から出射する。
　次に、液晶パネル１１のオン状態における動作を説明する。以下では、Ｘ方向に沿って１次元に走査する動作を例に挙げて説明する。図９は、オン状態における液晶パネル１１の動作を説明する図である。オン状態において、制御回路１５は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂをオンさせる。これにより、電源回路１４から駆動回路１２及び共通電極２６に所定の電圧が印加される。また、制御回路１５は、単位電極２５を単位として、駆動回路１２に含まれる複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値をＸ方向に沿って順に大きくする。
　駆動回路１２は、複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値に応じて決まる電圧を、それぞれ複数のセル電極２５Ａに印加する。図９の例では、駆動回路１２は、Ｘ方向に沿って順に電圧が順に低くなるように、複数のセル電極２５Ａにそれぞれ複数の電圧を印加する。
　図１０は、駆動回路１２が出力する電圧の波高値を説明する図である。図１０の縦軸が電圧の波高値（電圧振幅のうち正側の電圧）、図１０の横軸が可変抵抗素子１２Ｃの番号を表している。なお、図１０では、図６に一例として示した４つの可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－４に対応する電圧を図示しているが、電圧の数は、単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数に応じて変更される。
　図１０に示すように、駆動回路１２は、可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－４を用いて、勾配を有する複数の電圧を生成することができる。図１０の勾配を有する複数の電圧がそれぞれ対応するセル電極２５Ａに印加される。
　オン状態では、図９に示すように、液晶層２３では、印加電圧が高い（電界が高い）領域では、液晶分子が概略垂直方向に配向し、印加電圧が低い（電界が低い）領域では、液晶分子が概略水平方向に配向し、これらの中間の領域では、印加電圧の大きさに応じて水平方向に対して斜め方向に配向する。
　これにより、長さＷ内で赤外線レーザーの進行方向に対し垂直の方向の屈折率に勾配が生じる。また、隣り合う単位電極２５には同じ勾配となるように電圧が印加される。レーザー源１０からの赤外線レーザーが液晶パネル１１に対して概略垂直方向に入射すると、屈折が起こり、出射角θｏｕｔで液晶パネル１１から赤外線レーザーが出射する。図９の距離Δは、単位電極２５（すなわち、長さＷ）内で発生する最大光路差である。赤外線レーザーの入射角θｉｎ＝０°とすると、赤外線レーザーの出射角θｏｕｔでは、以下の式（１）で表される。

　ｔａｎθｏｕｔ＝｛（ｎｅ－ｎｏ）／ｎｅ ２｝（Ｄ／Ｗ）　　　・・・（１）
　液晶層２３の厚さＤ、単位電極２５の長さＷ、液晶分子の長軸に沿った屈折率（異常光の屈折率）ｎｅ、液晶分子の短軸に沿った屈折率（常光の屈折率）ｎ０である。図１１は、液晶分子の屈折率を説明する概念図である。屈折率の関係は、“ｎｅ＞ｎ０”である。図１１において、大きい楕円は、液晶分子が水平方向に配向している場合の上面図であり、小さい楕円は、液晶分子が垂直方向に立っている場合の上面図である。進行方向が液晶分子の短軸と平行な光（振動方向が液晶分子の長軸に平行な光）は、相対的に遅く進み、一方、進行方向が液晶分子の長軸と平行な光（振動方向が液晶分子の短軸に平行な光）は、相対的に速く進む。このように、本実施形態では、液晶層２３の複屈折性を利用して、赤外線レーザーを屈折させることができる。
　例えば、ｎｅ＝１．３、ｎ０＝１．１、Ｄ＝１０μｍ、Ｗ＝２０μｍとすると、θｏｕｔ＝３.４°となる。図１２は、単位電極２５の長さＷと出射角θｏｕｔとの関係を示すグラフである。図１２の縦軸が出射角θｏｕｔ（度）、図１２の横軸が単位電極２５の長さＷ（μｍ）である。
　図１２から理解できるように、長さＷを変えることで、出射角θｏｕｔを任意に設定することができる。すなわち、レーザー走査装置１は、赤外線レーザーを所定範囲で走査することができる。長さＷを変えるには、単位電極２５のサイズを変えればよく、単位電極２５を構成するセル電極２５Ａの数を変えればよい。
　換言すると、単位電極２５に印加される電圧の勾配を変化させることで、単位電極２５を含む液晶領域で屈折率の勾配を変化させることができる。すなわち、単位電極２５に印加される電圧の勾配を変化させることで、出射角θｏｕｔを変化させることができる。１つの単位電極に印加されかつ勾配を有する複数の電圧のうち、最大電圧（＝Ｖ１）と最小電圧（＝０Ｖ）は常に同じである。そして、駆動回路１２は、単位電極２５の長さＷを変えることで、最大電圧から最小電圧までの勾配を変化させる。
　図１３及び図１４は、単位電極２５のサイズを変化させる様子を説明する図である。図１４は、図１３に比べて、単位電極２５のサイズが大きい。すなわち、図１４の単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数は、図１３の単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数より多い。これに応じて、図１４の長さＷは、図１３の長さＷよりも大きくなっている。図１２から理解できるように、図１４の出射角は、図１３の出射角よりも小さい。
　なお、Ｘ方向に沿った一次元で走査する場合は、図５に示す１つの単位電極２５においてＹ方向に並んだセル電極列には、同じ電圧が印加される。一方、二次元で走査する場合は、１つの単位電極２５においてＹ方向に並んだセル電極列には、複数の異なる電圧を印加し、単位電極内で電圧の勾配を生じさせる。他の単位電極２５についても同じである。
　図１５は、二次元における単位電極２５の屈折率の勾配を説明する図である。二次元で走査する場合は、Ｘ方向及びＹ方向において、複数の異なる電圧を印加し、単位電極内で電圧の勾配を生じさせる。このように、単位電極２５の電圧を制御することで、二次元的に赤外線レーザーを走査させることができる。
　［１－３］　第１実施形態の効果
　以上詳述したように第１実施形態では、レーザー走査装置１は、赤外線レーザーを出射するレーザー源１０と、レーザー源１０からの赤外線レーザーを透過するとともに、赤外線レーザーの出射角を変化させる液晶パネル１１と、液晶パネル１１に電圧を印加する駆動回路１２とを備える。液晶パネル１１は、対向配置された基板２１、２２と、基板２１、２２に挟持された液晶層２３と、基板２１に設けられた複数の単位電極２５と、基板２２に設けられた共通電極２６とを備える。複数の単位電極２５の各々は、Ｘ方向に並んだ複数のセル電極２５Ａを備える。そして、駆動回路１２は、複数のセル電極２５Ａにそれぞれ複数の異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる。さらに、駆動回路１２は、電圧の勾配の大きさを変化させることで、赤外線レーザーの出射角を変化させるようにしている。
　従って第１実施形態によれば、液晶層２３の複屈折性を利用することで、１つの単位電極２５に対応する液晶領域において、屈折率の勾配を形成することができる。これにより、屈折原理を用いて、液晶パネル１１に入射した赤外線レーザーを所望の出射角で屈折させることができる。
　また、単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数を変えることで、単位電極２５の一方向の長さＷを変化させることができる。これにより、赤外線レーザーによって所望の範囲を走査可能なレーザー走査装置１を実現できる。
　また、本実施形態に係るレーザー走査装置１は、小型化、高速走査、及び低コスト化が可能となる。
　また、本実施形態に係るレーザー走査装置１は、機械的な構成部品がなく、かつ機械的な可動部がないため、信頼性を向上できる。
　［２］　第２実施形態
　第２実施形態は、回折原理を利用して、赤外線レーザーの出射角を変化させるようにしている。
　［２－１］　液晶パネル１１の構成
　液晶パネル１１の構成について説明する。液晶パネル１１は、第１実施形態と同じものを用いることができる。図１６は、第２実施形態に係る液晶パネル１１の断面図である。液晶パネル１１は、透過型の液晶パネルである。
　液晶パネル１１は、対向配置された基板２１、２２と、基板２１、２２間に挟持された液晶層２３とを備える。基板２１、２２の各々は、透明基板から構成され、例えば、ガラス基板から構成される。基板２１は、レーザー源１０に対向配置され、レーザー源１０からの赤外線レーザーは、基板２１側から液晶層２３に入射する。なお、レーザー源１０側に基板２２を配置してもよい。
　液晶層２３は、基板２１、２２間を貼り合わせるシール材２４によって封入された液晶材料により構成される。
　液晶材料は、基板２１、２２間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、例えば、ポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶を用いたホモジニアスモードが用いられる。なお、液晶モードとして、ネガ型（Ｎ型）のネマティック液晶を用いた垂直配向（ＶＡ）モードを用いてもよい。
　基板２１の液晶層２３側には、マトリクス状に配置された複数のセル電極２５Ａを備える。任意の数のセル電極群を単位電極２５と呼称する。単位電極２５のサイズは、これを構成するセル電極２５Ａの数を変更することで変えることができる。単位電極２５は、１つ又はマトリクス状に配置された複数のセル電極２５Ａを備える。図１６には、１つの単位電極２５に含まれる複数のセル電極２５Ａの様子を、破線の丸で抽出して示している。セル電極２５Ａは、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。
　複数の単位電極２５は、互いに電気的に分離されており、また、複数のセル電極２５Ａは、互いに電気的に分離されている。すなわち、各セル電極２５Ａに対して個別に電圧制御が可能であり、また、各単位電極２５に対して個別に電圧制御が可能である。
　図１７は、複数の単位電極２５の平面図である。図１７に示すように、複数の単位電極２５は、Ｘ方向及びこれに直交するＹ方向にマトリクス状に配置される。図１７の破線は、赤外線レーザーの照射領域を示している。
　本実施形態では、回折格子の原理を用いて赤外線レーザーの出射角を変化させる。単位電極２５のＸ方向の長さは、回折格子における格子間隔Λに対応する。より正確には、格子間隔Λは、着目する単位電極とこれのＸ方向両側にそれぞれ隣接する２つの単位電極との隙間の２つの中間点間の距離に対応する。Ｘ方向と同様に、Ｙ方向においても格子間隔Λが定義される。
　基板２２の液晶層２３側には、１つの共通電極２６が設けられる。共通電極２６は、液晶パネル１１の液晶層２３が設けられる領域全体に平面状に形成される。共通電極２６は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯが用いられる。
　［２－２］　駆動回路１２の構成
　次に、駆動回路１２の構成について説明する。図１８は、駆動回路１２の回路図である。駆動回路１２は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂと、複数のセル電極２５Ａに対応して設けられた複数の可変抵抗素子１２Ｃとを備える。図１８では、一例として１１個の可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－１１を示している。
　スイッチ素子１２Ａの一端は、電源回路１４に接続される。スイッチ素子１２Ａの他端は、複数の可変抵抗素子１２Ｃの一端に接続される。複数の可変抵抗素子１２Ｃの他端はそれぞれ、単位電極２５に含まれる複数のセル電極２５Ａに接続される。スイッチ素子１２Ｂの一端は、電源回路１４に接続され、その他端は、共通電極２６に接続される。
　スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂのオン／オフ動作は、制御回路１５によって制御される。また、複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値は、制御回路１５によって個別に制御される。
　なお、図１８に示した駆動回路１２の構成は一例であり、セル電極２５Ａを個別に電圧制御できる回路であれば他の構成でもよい。
　［２－３］　動作
　次に、上記のように構成されたレーザー走査装置１の動作について説明する。
　前述した図１８は、オフ状態における液晶パネル１１の動作を表している。図１９は、オン状態における液晶パネル１１の動作を説明する図である。
　第２実施形態においても、液晶層２３を挟む単位電極２５及び共通電極２６間の電界の極性を所定周期で反転させる反転駆動（交流駆動）が行われる。第１実施形態で説明した図７と同様に、電源回路１４は、所定の正電圧Ｖ１と、これと極性反転された負電圧－Ｖ１との一方を単位電極２５（具体的には可変抵抗素子１２Ｃ）に供給し、他方を共通電極２６に供給する。電圧Ｖ１は、液晶層に電圧振幅“Ｖ１×２”を印加した場合に、液晶分子が基板に概略垂直に配向するように設定される。さらに、電源回路１４は、単位電極２５及び共通電極２６に交流電圧を供給する。
　まず、オフ状態における液晶パネル１１の動作を説明する。図１８に示すように、オフ状態において、制御回路１５は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂをオフさせる。これにより、液晶層２３に電界が印加されず、液晶層２３の全領域において、液晶分子は、基板に対して水平方向に配向している。この場合、液晶層２３に屈折率の勾配は生じていない。
　次に、オン状態における液晶パネル１１の動作を説明する。以下では、Ｘ方向に沿って１次元に走査する動作を例に挙げて説明する。図１９に示すように、オン状態において、制御回路１５は、スイッチ素子１２Ａ、１２Ｂをオンさせる。これにより、電源回路１４から駆動回路１２及び共通電極２６に所定の電圧が印加される。また、制御回路１５は、単位電極２５を単位として、駆動回路１２に含まれる複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値をＸ方向に沿って順に大きくする。
　駆動回路１２は、複数の可変抵抗素子１２Ｃの抵抗値に応じて決まる電圧を、それぞれ複数のセル電極２５Ａに印加する。図１９の例では、駆動回路１２は、Ｘ方向に沿って電圧が順に低くなるように、複数のセル電極２５Ａにそれぞれ複数の電圧を印加する。
　図２０は、駆動回路１２が出力する電圧の波高値を説明する図である。図２０の縦軸が電圧の波高値（電圧振幅のうち正側の電圧）、図２０の横軸が可変抵抗素子１２Ｃの番号を表している。なお、図２０では、図１８に一例として示した可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－１１に対応する電圧を図示しているが、電圧の数は、単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数に応じて変更される。
　図２０に示すように、駆動回路１２は、可変抵抗素子１２Ｃ－１～１２Ｃ－１１を用いて、勾配を有する複数の電圧を生成することができる。図２０の勾配を有する複数の電圧がそれぞれ対応するセル電極２５Ａに印加される。
　これにより、図１９に示すように、液晶層２３では、印加電圧が高い（電界が高い）領域では、液晶分子が概略垂直方向に配向し、印加電圧が低い（電界が低い）領域では、液晶分子が概略水平方向に配向し、これらの中間の領域では、印加電圧の大きさに応じて水平方向に対して斜め方向に配向する。
　図２１は、液晶パネル１１の屈折率とレーザー光の位相との関係を説明する模式図である。液晶パネル１１の単位電極２５に勾配を有する複数の電圧を印加すると、液晶層２３に屈折率の勾配が生じる。この時、液晶パネル１１は、等価的にブレーズド（blazed）回折格子として機能する。よって、１つの単位電極２５を含む液晶領域において、屈折率の勾配に応じて赤外線レーザーの位相が変化する。これにより、レーザー源１０からの赤外線レーザーが液晶パネル１１に対して概略垂直方向に入射すると、出射角が変化し、出射角θｏｕｔで液晶パネル１１から赤外線レーザーが出射する。赤外線レーザーの入射角θｉｎ＝０°とすると、赤外線レーザーの出射角θｏｕｔでは、以下の式（２）で表される。

　ｓｉｎθｏｕｔ＝λ／Λ　　　・・・（２）
　λは赤外線レーザーの波長である。Λは格子間隔である。例えば、λ＝１５５０ｎｍ、Λ＝２９.６μｍである場合、θｏｕｔ＝３°となる。
　なお、Ｘ方向に沿った一次元で走査する場合は、図１７に示す１つの単位電極２５においてＹ方向に並んだセル電極列には、同じ電圧が印加される。一方、二次元で走査する場合は、１つの単位電極２５においてＹ方向に並んだセル電極列には、複数の異なる電圧を印加し、単位電極内で電圧の勾配を生じさせる。他の単位電極２５についても同じである。
　さらに、格子間隔Λを変えることで、出射角θｏｕｔを任意に設定することができる。格子間隔Λを変えるには、単位電極２５のサイズを変えればよく、単位電極２５を構成するセル電極２５Ａの数を変えればよい。図２２は、出射角θｏｕｔと格子間隔Λとの関係を示す図である。図２３は、出射角θｏｕｔと格子間隔Λとの関係を示すグラフである。図２３の縦軸が出射角θｏｕｔ（度）、図２３の横軸が格子間隔Λ（μｍ）である。図２２及び図２３も同様に、赤外線レーザーの波長λ＝１５５０ｎｍである。
　図２２及び図２３から理解できるように、赤外線レーザーの出射角θｏｕｔを任意に変えることができる。すなわち、レーザー走査装置１は、赤外線レーザーを所定範囲で走査することができる。
　図２４及び図２５は、単位電極２５のサイズを変化させる様子を説明する図である。図２５は、図２４に比べて、単位電極２５のサイズが大きい。すなわち、図２５の単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数は、図２４の単位電極２５に含まれるセル電極２５Ａの数より多い。これに応じて、図２５の格子間隔Λは、図２４の格子間隔Λよりも大きくなっている。図２２及び図２３から理解できるように、図２５の出射角は、図２４の出射角よりも小さい。
　図２６は、二次元における単位電極２５の屈折率の勾配を説明する図である。二次元で走査する場合は、Ｘ方向及びＹ方向において、複数の異なる電圧を印加し、単位電極内で電圧の勾配を生じさせるこのように、単位電極２５の電圧を制御することで、二次元的に赤外線レーザーを走査させることができる。
　なお、走査方向は、１方向のみであってもよい。この場合は、１方向（Ｘ方向又はＹ方向）のみに屈折率の勾配を形成すればよい。
　［２－４］　第２実施形態の効果
　以上詳述したように第２実施形態では、レーザー走査装置１は、赤外線レーザーを出射するレーザー源１０と、レーザー源１０からの赤外線レーザーを透過するとともに、赤外線レーザーの出射角を変化させる液晶パネル１１と、液晶パネル１１に電圧を印加する駆動回路１２とを備える。液晶パネル１１は、対向配置された基板２１、２２と、基板２１、２２に挟持された液晶層２３と、基板２１に設けられた複数の単位電極２５と、基板２２に設けられた共通電極２６とを備える。複数の単位電極２５の各々は、Ｘ方向に並んだ複数のセル電極２５Ａを備える。そして、駆動回路１２は、複数のセル電極２５Ａにそれぞれ複数の異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせるようにしている。
　従って第２実施形態によれば、１つの単位電極２５に対応する液晶領域において、屈折率の勾配を形成することができる。よって、液晶パネル１１をブレーズド回折格子として機能させることができる。これにより、液晶パネル１１に入射した赤外線レーザーを所望の出射角で出射させることができる。
　また、単位電極２５を構成するセル電極２５Ａの数を変えることで、格子間隔Λを変化させることができる。これにより、赤外線レーザーによって所望の範囲を走査可能なレーザー走査装置１を実現できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。
　［３］　第３実施形態
　第３実施形態は、第２実施形態と異なる回折原理を用いて、赤外線レーザーを走査するようにしている。
　［３－１］　液晶パネル１１の構成
　図２７は、第３実施形態に係る液晶パネル１１の断面図である。第３実施形態に係る液晶モードは、例えば、ＴＮ（Twisted Nematic）モードである。
　液晶層２３は、基板２１、２２に挟持される。液晶層２３は、ポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶を用いたＴＮ液晶から構成される。すなわち、液晶層２３に含まれる液晶分子は、初期状態（無電界時）において、液晶層２３の上下で６０度～１２０度の範囲（概略９０度）でねじれている。液晶の配向は、液晶層２３を挟むように設けられた配向膜（図示せず）によって制御される。なお、液晶モードとして、ホモジニアスモード、ＶＡモード、又はＩＰＳ（In Plane Switching）モードなどを用いてもよい。
　基板２１の液晶層２３側には、複数のセル電極２５Ａがマトリクス状に配置される。複数のセル電極２５Ａは、互いに電気的に分離されている。すなわち、各セル電極２５Ａに対して個別に電圧制御が可能である。セル電極２５Ａは、透明電極から構成され、例えばＩＴＯが用いられる。
　基板２２の液晶層２３側には、１つの共通電極２６が設けられる。共通電極２６は、液晶パネル１１の液晶層２３が設けられる領域全体に平面状に形成される。共通電極２６は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯが用いられる。
　基板２１の液晶層２３と反対面には、偏光板３０が設けられる。基板２２の液晶層２３と反対面には、偏光板３１が設けられる。偏光板３０、３１は、ランダムな方向の振動面を有する光から、透過軸と平行な一方向の振動面を有する光、すなわち直線偏光の偏光状態を有する光を取り出すものである。偏光板３０、３１は、面内において吸収軸及び透過軸がそれぞれ平行になるように配置される。
　無電界時の液晶層２３では、偏光板３０側の液晶分子は、偏光板３０の透過軸と平行に配列され、偏光板３１側の液晶分子は、偏光板３１の透過軸と直交するように配列される。なお、本実施形態では、ノーマリーブラック方式の液晶パネル１１を例示しているが、勿論、ノーマリーホワイト方式を用いることも可能である。
　本実施形態では、格子間隔Λは、２つの単位電極によって規定され、例えばＸ方向に隣接する２つのセル電極２５Ａで規定される領域の長さに対応する。図２７に示すように、１つの格子間隔Λに含まれる２つの領域のうち一方を領域ＡＲ１、他方を領域ＡＲ２と表記する。図２７において示したＡＲ１、ＡＲ２はそれぞれ同じ構造を有する。領域ＡＲ１、ＡＲ２は、Ｘ方向及びＹ方向に交互に配置される。
　［３－２］　動作
　上記のように構成されたレーザー走査装置１の動作について説明する。
　オフ状態における液晶パネル１１では、全てのセル電極２５Ａ及び共通電極２６に電圧が印加されない。これにより、液晶パネル１１は、全領域において光を遮断する。
　以下に、オン状態における液晶パネル１１の動作を説明する。オン状態では、光を遮断する領域ＡＲ１と、光を透過する領域ＡＲ２とを用いて、液晶パネル１１に回折格子を形成する。
　図２８は、液晶パネル１１の遮断領域である領域ＡＲ１の動作を説明する図である。駆動回路１２は、複数のスイッチ素子１２Ａと、１つのスイッチ素子１２Ｂとを備える。複数のスイッチ素子１２Ａは、セル電極２５Ａごとに設けられる。
　領域ＡＲ１を遮断状態にする場合、制御回路１５は、対応するスイッチ素子１２Ａをオフさせる。なお、スイッチ素子１２Ｂはオンしている。これはオフ状態の動作と同じであり、領域ＡＲ１に入射した赤外線レーザーは、偏光板３０、３１によって遮断される。
　図２９は、液晶パネル１１の透過領域である領域ＡＲ２の動作を説明する図である。領域ＡＲ２を透過状態にする場合、制御回路１５は、対応するスイッチ素子１２Ａをオンさせる。
　この場合、領域ＡＲ２では、液晶分子が基板に概略垂直方向に配向する。よって、液晶パネル１１に入射した赤外線レーザーは、領域ＡＲ２を透過する。なお、領域ＡＲ１は、遮断状態のままである。
　図３０は、二次元における液晶パネル１１の動作を説明する平面図である。オン状態における液晶パネル１１は、遮断領域（領域ＡＲ１）と透過領域（領域ＡＲ２）とが市松模様を構成する。市松模様とは、Ｘ方向及びＹ方向の各々において、透過領域と遮断領域とを交互に配置した模様である。
　このように、液晶パネル１１に回折格子を形成することができる。これにより、レーザー源１０からの赤外線レーザーが液晶パネル１１に概略垂直に入射すると、出射角が変化し、出射角θｏｕｔで液晶パネル１１から赤外線レーザーが出射する。
　さらに、格子間隔Λを変えることで、出射角θｏｕｔを任意に設定することができる。格子間隔Λを変えるには、第２実施形態と同様に、単位電極２５を構成するセル電極２５Ａの数を変えればよく、換言すると、単位電極２５のサイズを変えればよい。
　図３１は、単位電極２５のサイズを変化させる様子を説明する図である。図３０の単位電極２５のサイズを図３１の単位電極２５のサイズに変化させる。図３１に示すように、単位電極２５は、複数のセル電極２５Ａを備える。説明を簡略化するために、図３０の単位電極２５が１つのセル電極２５Ａを備えた構成とすると、図３１の単位電極２５は、４個のセル電極２５Ａを備える。１つの単位電極２５に含まれる複数のセル電極２５Ａは同じ動作（遮断状態及び透過状態の一方）を行う。
　このように、単位電極２５のサイズを変えることで、格子間隔Λが変化する。これにより、液晶パネル１１は、赤外線レーザーを走査することができる。出射角θｏｕｔと格子間隔Λとの関係は、第２実施形態で示した図２２及び図２３と同じである。
　［３－３］　第３実施形態の効果
　第３実施形態によれば、通常の回折格子の原理を用いて、赤外線レーザーの出射角を制御することができる。その他の効果は、第２実施形態と同じである。
　［４］　第４実施形態
　レンズを用いることで、走査範囲を広くすることができる。第４実施形態は、単位電極２５の長さによって規定された走査範囲をさらに広くするための構成例である。
　図３２は、第４実施形態に係るレーザー走査装置１の主要部を示す断面図である。液晶パネル１１の構成は、第１乃至第３実施形態のいずれかと同じである。
　レーザー走査装置１は、平凸レンズ４０をさらに備える。平凸レンズ４０としては、例えば半球レンズ、又は球面平凸レンズが用いられる。本実施形態では、半球レンズ４０を例に挙げて説明する。
　液晶パネル１１の光出射面は、半球レンズ４０の平面に対向配置される。液晶パネル１１の光出射面の中心は、半球レンズ４０の中心Ｃを通りかつ半球レンズ４０の平面に垂直な中心線Ｃ上に配置される。半球レンズ４０の固定方法は任意に設計可能である。
　図３３は、レーザー走査装置１の走査範囲を説明する模式図である。　
　検知対象物４２における中心線Ｃから上側の走査範囲をｙとする。液晶パネル１１と半球レンズ４０との距離ｄ、半球レンズ４０の半径Ｒ、半球レンズ４０と対象物４２との距離Ｌである。θ０は、液晶パネル１１から出射される赤外線レーザーの出射角であり、前述したθｏｕｔに対応する。半球レンズ４０の屈折率ｎ、空気の屈折率＝１とする。角度φは、半球レンズ４０の中心と光出射点とを通る直線と、中心線Ｃとの成す角である。θ１、θ２は、屈折角である。
　走査範囲ｙは、以下の式（３）で表される。　

　ｙ＝ｄ・ｔａｎθ０＋Ｒ・ｓｉｎφ＋｛Ｒ（１－ｃｏｓφ）＋Ｌ｝ｔａｎ（φ－θ２）　　　・・・（３）
　　　ｓｉｎθ０＝ｎ・ｓｉｎθ１
　　　ｎ・ｓｉｎ（φ－θ１）＝ｓｉｎθ２
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図３４は、第４実施形態に係る出射角θ０と走査範囲ｙとの関係を示すグラフである。図３４の縦軸が走査範囲ｙ（ｍｍ）を表し、図３４の横軸が出射角θ０（度）を表している。液晶パネル１１と半球レンズ４０との距離ｄ＝５ｍｍ、半球レンズ４０の半径Ｒ＝２０ｍｍ、半球レンズ４０と対象物４２との距離Ｌ＝１００ｍ、半球レンズ４０の屈折率ｎ＝１．６とする。図３４から理解できるように、出射角θ０に応じて、走査範囲ｙを変化させることができる。
　以上詳述したように第４実施形態によれば、液晶パネル１１から出射された赤外線レーザーを半球レンズ４０に通すことで、液晶パネル１１単体で赤外線レーザーを出射する場合に比べて、走査範囲を広くすることができる。
　［５］　第５実施形態
　反射鏡を用いることで、走査範囲を広くすることができる。第５実施形態は、単位電極２５の長さによって規定された走査範囲をさらに広くするための他の構成例である。
　図３５は、第５実施形態に係るレーザー走査装置１の主要部を示す断面図である。液晶パネル１１の構成は、第１乃至３実施形態のいずれかと同じである。
　レーザー走査装置１は、凸面鏡４１をさらに備える。凸面鏡４１としては、例えば球面鏡、又は半球面鏡が用いられる。本実施形態では、半球面鏡４１を例に挙げて説明する。
　液晶パネル１１の光出射面は、半球面鏡４１の鏡面に対向して配置される。液晶パネル１１の光出射面の中心は、半球面鏡４１の中心を通る中心線Ｃ上に配置される。半球面鏡４１の固定方法は任意に設計可能である。
　レーザー源１０からの赤外線レーザーは、液晶パネル１１を透過した後に、半球面鏡４１によって反射される。半球面鏡４１によって反射された赤外線レーザーは、対象物に照射される。すなわち、レーザー走査装置１から最終的に出射される赤外線レーザーは、液晶パネル１１の裏面（光出射面と反対面）に向けて出射される。
　図３６は、レーザー走査装置１の走査範囲を説明する模式図である。　
　検知対象物４２における中心線Ｃから上側の走査範囲をｙとする。液晶パネル１１の光出射面と半球面鏡４１との距離ｄ、半球面鏡４１の半径Ｒ、液晶パネル１１の光出射面と対象物４２との距離Ｌである。θ０は、液晶パネル１１から出射される赤外線レーザーの出射角であり、前述したθｏｕｔに対応する。角度φは、半球面鏡４１の中心と光入射点とを通る直線と、中心線Ｃとの成す角である。“ｙ０”は、半球面鏡４１の光入射点と中心線Ｃとの距離である。
　走査範囲ｙは、以下の式（４）で表される。　

　ｙ＝ｙ０＋（Ｌ＋ｙ０・ｃｏｔθ０）ｔａｎ（θ０＋２φ）　　　・・・（４）

Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図３７は、第５実施形態に係る出射角θ０と走査範囲ｙとの関係を示すグラフである。図３７の縦軸が走査範囲ｙ（ｍｍ）を表し、図３７の横軸が出射角θ０（度）を表している。液晶パネル１１と半球面鏡４１との距離ｄ＝５ｍｍ、半球面鏡４１の半径Ｒ＝２０ｍｍ、液晶パネル１１と対象物４２との距離Ｌ＝１００ｍとする。図３７から理解できるように、出射角θ０に応じて、走査範囲ｙを変化させることができる。
　以上詳述したように第５実施形態によれば、液晶パネル１１から出射された赤外線レーザーを半球面鏡４１によって反射させることで、液晶パネル１１単体で赤外線レーザーを出射する場合に比べて、走査範囲を広くすることができる。
　なお、上記各実施形態で説明した液晶層の配向制御が実施可能であれば、基板２１、２２にそれぞれ形成される電極の構造は、他の構造を用いてもよい。例えば、単純マトリクス方式（パッシブマトリクス方式）を用いることが可能である。具体的には、基板２１には、それぞれがＹ方向に延在する複数の下側電極が形成され、基板２２は、それぞれがＸ方向に延在する複数の上側電極が形成される。パッシブマトリクス方式は、ドットマトリクスのパターンを有する。液晶パネルは、１つの下側電極と１つの上側電極とが交差する１つのドット毎に、液晶配向を制御できる。
　上記各実施形態では、レーザー走査装置１が扱うレーザー光として赤外線レーザー光を用いている。しかし、これに限定されず、本実施形態は、赤外線以外の光にも適用可能である。
　上記各実施形態では、車両に搭載されるレーザー走査装置１について説明している。しかし、これに限定されず、レーザー光を走査する機能を有する様々な電子機器に適用できる。
　本明細書において、「平行」とは、完全に平行であることが好ましいが、必ずしも厳密に平行である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に平行と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいても良い。また、「垂直」とは、必ずしも厳密に垂直である必要はなく、本発明の効果に鑑みて実質的に垂直と同視できるものを含み、また、製造プロセス上発生しうる誤差を含んでいても良い。
　本明細書において、板、フィルムなどは、その部材を例示した表現であり、その構成に限定されるものではない。例えば、偏光板は、板状の部材に限定されるものではなく、明細書で記載した機能を有するフィルムやその他の部材であっても良い。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

Claims (12)

  1. 　レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させるレーザー走査装置であって、
    　対向配置された第１及び第２基板と、
    　前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、
    　前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数のセル電極を各々が有する複数の単位電極と、
    　前記第２基板に設けられた共通電極と、
    　前記複数のセル電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる駆動回路と
    　を具備するレーザー走査装置。
  2. 　前記駆動回路は、前記勾配の大きさを変化させることにより、前記出射角を変化させる
    　請求項１に記載のレーザー走査装置。
  3. 　前記単位電極を構成するセル電極の数を変化させることにより、前記勾配の大きさを変化させる制御回路をさらに具備する
    　請求項２に記載のレーザー走査装置。
  4. 　前記駆動回路は、前記単位電極内で前記勾配を生じさせる
    　請求項１に記載のレーザー走査装置。
  5. 　前記駆動回路は、前記勾配の大きさを変化させることにより、前記出射角を変化させる
    　請求項４に記載のレーザー走査装置。
  6. 　前記単位電極を構成するセル電極の数を変化させることにより、前記勾配の大きさを変化させる制御回路をさらに具備する
    　請求項４に記載のレーザー走査装置。
  7. 　前記単位電極は、前記第１方向と前記第１方向に交差する第２方向とに沿ってマトリクス状に配置された複数のセル電極を含む
    　請求項１に記載のレーザー走査装置。
  8. 　レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させるレーザー走査装置であって、
    　対向配置された第１及び第２基板と、
    　前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、
    　前記第１基板に設けられ、少なくとも１つの第１セル電極を各々が含む複数の第１単位電極と、
    　前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って前記複数の第１単位電極と交互に配置され、少なくとも１つの第２セル電極を各々が含む複数の第２単位電極と、
    　前記第２基板に設けられた共通電極と、
    　前記第１単位電極を含む第１領域を透過状態にし、前記第２単位電極を含む第２領域を遮断状態にする制御回路と
    　を具備するレーザー走査装置。
  9. 　前記第１及び第２基板を挟むように設けられた第１及び第２偏光板をさらに具備する
    　請求項８に記載のレーザー走査装置。
  10. 　前記制御回路は、前記第１単位電極に含まれる第１セル電極の数を変化させ、前記第２単位電極に含まれる第２セル電極の数を変化させる
    　請求項８に記載のレーザー走査装置。
  11. 　前記第１単位電極は、前記第１方向と前記第１方向に交差する第２方向とに沿ってマトリクス状に配置された複数の第１セル電極を含み、
    　前記第２単位電極は、前記第１方向と前記第２方向とに沿ってマトリクス状に配置された複数の第２セル電極を含む
    　請求項８に記載のレーザー走査装置。
  12. 　レーザー源からのレーザー光を透過し、前記レーザー光の出射角を変化させるレーザー走査装置の駆動方法であって、
    　前記レーザー走査装置は、
    　対向配置された第１及び第２基板と、
    　前記第１及び第２基板間に挟持された液晶層と、
    　前記第１基板に設けられ、第１方向に沿って並んだ複数のセル電極を各々が有する複数の単位電極と、
    　前記第２基板に設けられた共通電極とを具備し、
    　前記駆動方法は、
    　前記複数のセル電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、電圧の勾配を生じさせる工程を具備する
    　レーザー走査装置の駆動方法。
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