JP2018156051A - レーザ走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高いレーザ走査装置を提供する。【解決手段】レーザ走査装置は、レーザ光を発光する光源１１と、光源１１から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、液晶素子を透過したレーザ光を屈折させる光学素子１３と、対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子とを含む。前記液晶素子は、透過状態及び遮光状態の一つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、前記光源から出射されたレーザ光のうち前記複数の領域の少なくとも1つに入射するレーザ光を透過させる。【選択図】図６

Description

本発明は、車両に搭載されるレーザ走査装置に係り、例えば、赤外線レーザを用いたレーザ走査装置に関する。

車両の自動運転、又は車両の運転支援を行う機器が盛んに開発されている。また、車両などに搭載されるＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）が知られている。ＬＩＤＡＲは、レーザ光（例えば、波長λ＝９０５ｎｍ）を用いて車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲にある対象物からの反射光を検出することによって、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。

ＬＩＤＡＲの走査方式には、例えば、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、又はガルバノミラーを用いる方式が用いられている。しかし、これらの方式では、レーザ走査装置が高コスト化、大型化する傾向にある。このため、レーザ走査装置の低コスト化、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、信頼性の高いレーザ走査装置を提供する。

本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光を発光する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、前記液晶素子を透過したレーザ光を屈折させる光学素子と、対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子とを具備する。

本発明の一態様に係るレーザ走査装置は、レーザ光を発光する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を放射する第１光学素子と、対象物によって反射されたレーザ光を集光する第２光学素子と、前記第２光学素子を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、前記液晶素子を透過したレーザ光を検知する受光素子とを具備する。

本発明によれば、信頼性の高いレーザ走査装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ走査装置のブロック図。 液晶素子及び輻射素子の平面図。 図２のＡ−Ａ´線に沿った液晶素子及び輻射素子の断面図。 レーザ走査装置の基本動作を説明する概略図。 レーザ走査装置によるレーザ光の波形を説明する図。 液晶素子の動作を説明する断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 輻射素子の一例を説明する概略断面図。 本発明の第２実施形態に係るレーザ走査装置のブロック図。 光源及び輻射素子の断面図。 液晶素子及び集光素子の平面図。 図１６のＡ−Ａ´線に沿った液晶素子及び集光素子の断面図。 液晶素子の動作を説明する断面図。

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。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。

［第１実施形態］
［１］ レーザ走査装置の構成
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ走査装置１０のブロック図である。

レーザ走査装置１０は、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。ＬＩＤＡＲは、レーザ光を用いて例えば車両前方のある範囲を走査し、この走査範囲にある対象物によって反射されたレーザ光を検出する。そして、ＬＩＤＡＲは、送信したレーザ光と受信したレーザ光とを用いて、対象物の検出、及び車両から対象物までの距離を測定する。

レーザ走査装置１０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）、車両の後ろ側（例えば、リアバンパー、又はリアグリル）、及び／又は、車両の側方（例えば、フロントバンパーの側方）に配置される。また、レーザ走査装置１０は、ルーフやボンネット等、車両の上部に配置されてもよい。

レーザ走査装置１０は、光源１１、液晶素子１２、輻射素子１３、受光素子１４、パルスタイミング制御部１５、出射角制御部１６、距離演算部１７、及び主制御部１８を備える。

光源１１は、液晶素子１２に向けて、レーザ光を発生（発光）する。レーザ光としては、例えば、赤外線レーザ光（例えば波長λ＝９０５ｎｍ）が用いられる。また、光源１１は、所定の周波数を有するパルス信号としてレーザ光を発生する。

液晶素子１２は、光源１１から出射されたレーザ光を受ける。液晶素子１２は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備える。液晶素子１２は、複数の領域の少なくとも１つに入射したレーザ光を透過させる。換言すると、液晶素子１２は、光源１１から出射されたレーザ光を部分的かつ選択的に透過させる。これにより、液晶素子１２は、後述する輻射素子１３と協同して、対象物２に向けて照射するレーザ光の方向を任意に設定できる。液晶素子１２の具体的な構成については後述する。

輻射素子１３は、基本的な機能として、自身に入射したレーザ光を所定の広がりを持って放射する。具体的には、輻射素子１３は、液晶素子１２を部分的に透過したレーザ光を屈折させ、レーザ光の出射角を大きくさせる。一例として、輻射素子１３は、平凹レンズで構成される。輻射素子１３の具体的な構成については後述する。

受光素子（検出回路）１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を検出する。受光素子１４は、例えば赤外線センサから構成される。赤外線センサは、フォトダイオードやＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）フォトセンサを含む。その他、受光素子１４として赤外線カメラを用いてもよい。

パルスタイミング制御部１５は、光源１１の動作を制御する。光源１１は、パルス信号としてレーザ光（すなわち、パルス状のレーザ光）を発光する。パルスタイミング制御部１５は、レーザ光に含まれるパルスのタイミングを制御する。パルスのタイミングには、パルス信号の周期、パルス信号の周波数、及びパルス幅が含まれる。

出射角制御部１６は、液晶素子１２に複数の電圧を印加し、液晶素子１２が備える複数の領域のうち、レーザ光を透過する領域（透過領域）と、レーザ光を遮光する領域（遮光領域）とを制御する。輻射素子１３の光学特性が決定された時点で、液晶素子１２の複数の領域にそれぞれ対応した輻射素子１３の複数の屈折角は、予め算出できる。よって、液晶素子１２の複数の領域をそれぞれ透過したレーザ光の出射角も予め算出できる。この情報は、例えばテーブルとして、主制御部１８に含まれるメモリに格納される。よって、出射角制御部１６は、液晶素子１２の透過領域を選択することで、輻射素子１３から出射されるレーザ光の出射角を設定及び認識できる。

距離演算部１７は、送信されたレーザ光のタイミング情報をパルスタイミング制御部１５から受け、出射角の情報を出射角制御部１６から受け、受信されたレーザ光のタイミング情報及び光強度の情報を受光素子１４から受ける。距離演算部１７は、これらの情報を用いて、車両から対象物までの距離を算出する。具体的には、距離演算部１７は、出射角の情報などを用いて、直線距離、水平距離、及び垂直距離を算出する。また、距離演算部１７は、出射角の情報などを用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部１７によって算出された距離及び／又は相対座標は、例えばデータＤＯＵＴとして外部に出力可能である。

主制御部１８は、レーザ走査装置１０の全体動作を統括的に制御する。

［２］ 液晶素子１２及び輻射素子１３の構成
次に、液晶素子１２及び輻射素子１３の構成について説明する。図２は、液晶素子１２及び輻射素子１３の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ´線に沿った液晶素子１２及び輻射素子１３の断面図である。

液晶素子１２は、透過型かつシャッター方式の液晶パネルである。液晶素子１２は、対向配置された基板２０、２１と、基板２０、２１間に挟持された液晶層２２とを備える。基板２０、２１の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。基板２０は、光源１１に対向配置され、光源１１からのレーザ光は、基板２０側から液晶層２２に入射する。

液晶層２２は、基板２０、２１間に充填される。具体的には、液晶層２２は、基板２０、２１と、シール材２３とによって包囲された領域内に封入される。シール材２３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２０及び／又は基板２１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。

液晶層２２を構成する液晶材料は、基板２０、２１間に印加された電圧（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。本実施形態の液晶素子１２は、例えば、ＴＮ（Twisted Nematic）モードである。すなわち、液晶層２２として正の誘電率異方性を有するポジ型（Ｐ型）のネマティック液晶が用いられ、電圧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、かつ厚さ方向に沿って（基板２０から基板２１に向かって）液晶分子の長軸が概略９０度（又は６０度〜１２０度の範囲で）ねじれて配向する。そして、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に向く。液晶層の初期配向は、液晶層２２を挟むようにして基板２０、２１にそれぞれ設けられた２つの配向膜（図示せず）によって制御される。

なお、ＴＮモード以外の液晶の駆動方式を用いてもよい。例えば、液晶の駆動方式として、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。ＶＡモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸が概略垂直方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が水平方向に向かって傾く。さらに、他の液晶の駆動方式として、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を用いてもよい。ホモジニアスモードでは、電圧を印加しない時に液晶分子の長軸が概略水平方向に配向し、電圧を印加した時に液晶分子の長軸が垂直方向に向かって傾く。

また、偏光板でのエネルギー損失を抑えるために、液晶素子１２として、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）、又はポリマーネットワーク型液晶（ＰＮＬＣ：Polymer Network Liquid Crystal）を用いてもよい。ＰＤＬＣ又はＰＮＬＣは、偏光板が不要で、透過状態と散乱状態とを実現できる。

基板２０の液晶層２２側には、それぞれがＹ方向に延びる複数の電極２４が設けられる。図２には、５本の電極２４−１〜２４−５を一例として示している。電極２４の数は、２本以上であれば任意の数に設定可能である。電極２４−１〜２４−５は、互いに電気的に分離されており、個別に電圧制御が可能である。複数の電極２４の間隔は、液晶素子の小型化の観点からはより小さい方が望ましく、例えば、製造工程に起因する最小加工寸法に設定される。電極２４は、透明電極から構成され、透明電極としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。電極２４は、その一端がシール材２３より外側に引き出されており、この引き出された部分が出射角制御部１６に電気的に接続される。

基板２１の液晶層２２側には、それぞれがＸ方向に延びる複数の電極２５が設けられる。図２には、５本の電極２５−１〜２５−５を一例として示している。電極２５の数は、２本以上であれば任意の数に設定可能である。電極２５−１〜２５−５は、互いに電気的に分離されており、個別に電圧制御が可能である。電極２５は、透明電極から構成され、透明電極としては、例えばＩＴＯが用いられる。電極２５は、その一端がシール材２３より外側に引き出されており、この引き出された部分が出射角制御部１６に電気的に接続される。

図２から理解されるように、液晶素子１２は、パッシブマトリクス方式（単純マトリクス方式）であり、また、ドットマトリクス方式である。すなわち、液晶素子１２は、ドットマトリクスのパターンを有する。液晶素子１２は、１つの電極２４と１つの電極２５とが交差する１つのドット毎に、液晶配向を制御できる。電極２４と電極２５との１つの交差領域は、図２の例では概略正方形であり、この交差領域は、光の位相を制御する単位となる。

偏光板２６、２７は、基板２０、２１を挟むように配置される。偏光板（直線偏光子）２６、２７の各々は、光の進行方向に直交する平面内において、互いに直交する透過軸及び吸収軸を有する。偏光板２６、２７の各々は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、透過軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を透過し、吸収軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を吸収する。偏光板２６、２７は、互いの吸収軸が平行になるように、すなわち平行ニコル状態で配置される。

なお、前述した偏光板を規定する角度は、所望の動作を実現可能な誤差、及び製造工程に起因する誤差を含むものとする。例えば、前述した直交は、９０度±５度の範囲を含むものとし、平行は、±５度の範囲を含むものとする。

偏光板２７の基板２１と反対側には、輻射素子１３が設けられる。前述したように、輻射素子１３は、例えば平凹レンズで構成される。輻射素子１３の外形は、四角形に限定されず、円であってもよい。

輻射素子１３は、液晶素子１２と透過したレーザ光を屈折させるとともに、レーザ光をより広範囲に（所定の放射角で）出射する。輻射素子１３から放射されるレーザ光の拡がり（放射角、又は立体角）は、レーザ走査装置１０の走査範囲となる。放射角とは、１次元で見た場合における出射光の広がり角を意味する。３次元で見た場合、放射の様子は、立体角で表現される。

輻射素子１３は、レーザ光を所定の放射角で放射する機能を有していれば、様々な光学素子を用いることができる。輻射素子１３と液晶素子１２との固定方法は、任意に設計可能である。輻射素子１３が液晶素子１２と接する場合は、透明な接着材を用いて互いを接着してもよい。輻射素子１３と液晶素子１２とは、間隔を空けて配置してもよい。この場合は、例えば、輻射素子１３及び液晶素子１２は、これらを支持する部材（図示せず）によって所定の位置に固定される。

なお、液晶素子１２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、より小型の液晶素子１２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、電極のサイズ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、レーザ光を高速で走査することが可能となる。

［３］ レーザ走査装置１０の動作
［３−１］ レーザ走査装置１０の基本動作
まず、レーザ走査装置１０の基本動作について説明する。図４は、レーザ走査装置１０の基本動作を説明する概略図である。なお、図４では、レーザ走査装置１０は、車両１の前側に設けられ、レーザ走査装置１０が車両１の前方を水平方向に走査する態様を一例として示している。

レーザ走査装置１０に含まれる液晶素子１２及び輻射素子１３は、角度αの範囲でレーザ光を送信する。受光素子１４は、対象物２によって反射されたレーザ光を検出する。想定する対象物までの距離Ｌ、距離Ｌにおける走査範囲Ｒとする。例えば、角度α＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度α＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度α、距離Ｌ、及び走査範囲Ｒは、レーザ走査装置１０に求められる仕様に応じて任意に設計可能である。

図５は、レーザ走査装置１０によるレーザ光の波形を説明する図である。図５の上側が送信の波形、下側が受信の波形である。図５の横軸が時間であり、図５の縦軸が強度（光強度）である。

光源１１は、パルス信号からなるレーザ光を出射する。すなわち、光源１１は、時分割でレーザ光を出射する。パルスタイミング制御部１５は、光源１１の動作を制御し、レーザ光の周期、及びパルス幅を制御する。レーザ走査装置１０は、パルス信号としてレーザ光を送信する。

パルス信号の周期Ｐ、パルス幅Ｗとする。１つのパルスを送信してから、このパルスが対象物で反射されたパルスを受信するまでの時間である遅れ量Δ、光の速度Ｃとする。遅れ量Δは、“Δ＝２Ｌ／Ｃ”で算出される。距離演算部１７は、遅れ量Δを用いて、車両１から対象物２までの距離を算出する。

例えば、パルス幅Ｗ＝１０ｎｓｅｃ、周期Ｐ＝１０μｓｅｃ（すなわち、周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）であるものとする。遅れ量Δ＝６７ｎｓｅｃの場合、距離Ｌ＝１０ｍが算出される。このような動作により、対象物が検出でき、また、対象物までの距離が算出できる。

［３−２］ 液晶素子１２の動作
次に、液晶素子１２の動作について説明する。出射角制御部１６は、液晶素子１２を駆動するために、液晶素子１２に含まれる電極２４−１〜２４−５、及び電極２５−１〜２５−５に複数の電圧を印加する。

図６は、液晶素子１２の動作を説明する断面図である。光源１１は、液晶素子１２のうちシール材２３で囲まれた液晶領域にレーザ光を出射する。

出射角制御部１６は、液晶素子１２の複数の領域（ドット）のうち例えば１つのドットを透過状態にする。すなわち、出射角制御部１６は、透過状態にしたい１つのドットを形成する１本の電極２４と１本の電極２５との間に所定の実効電圧Ｖ１を印加する。実効電圧Ｖ１は、交流電圧である。実効電圧Ｖ１は、液晶分子を垂直に配向させることが可能な電圧であり、液晶の閾値電圧以上の電圧である。

図６の例では、出射角制御部１６は、電極２４−２と電極２５−３との間に実効電圧Ｖ１を印加する。これにより、電極２４−２と電極２５−３とが交差するドットでは、液晶層に電界が印加され、液晶層が概略垂直配向になる（オン状態となる）。よって、オン状態のドットは、透過状態となる。すなわち、偏光板２６を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が回転せず、偏光板２７を透過する。

一方で、出射角制御部１６は、電極２４−２、及び電極２５−３以外の電極、すなわち、電極２４−１、２４−３〜２４−５、及び電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５に０Ｖを印加する。或いは、出射角制御部１６は、電極２４−１、２４−３〜２４−５、及び電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５に所定の共通電圧を印加する。すなわち、液晶層を挟んで対向する２つの電極に印加される電圧が同じであればよい。

これにより、電極２４−１、２４−３〜２４−５と、電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５とが交差する複数のドットでは、液晶層に電界が印加されず、液晶層がねじれ配向を維持する（オフ状態となる）。よって、オフ状態のドットは、遮光状態となる。すなわち、偏光板２６を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が９０度回転し、偏光板２７で遮蔽される。図６には、オン状態及びオフ状態において、液晶分子を上から見た様子を概略的に図示している。

液晶素子１２を透過したレーザ光は、輻射素子１３によって屈折され、所定の出射角θで輻射素子１３から出射する。このように、出射角制御部１６は、所定の方向に限定して、レーザ光を出射することができる。また、マトリクス状に配置された複数のドットのうち特定の１つのドットを選択、すなわち透過状態にすることで、対象物を２次元で走査することができる。

また、走査範囲（角度α）は、輻射素子１３の屈折率及び曲率半径（焦点距離）、すなわち屈折角を調整することで、任意に設定可能である。

［４］ 輻射素子１３の構成例
次に、輻射素子１３の構成例について説明する。輻射素子１３は、レーザ光を屈折させることができれば、前述した構成以外であってもよい。図７乃至図１３は、輻射素子１３の構成例を説明する概略断面図である。

図７では、輻射素子１３は、両凸レンズで構成される。輻射素子１３として両凸レンズを用いた場合、液晶素子１２を透過したレーザ光は、輻射素子１３によって両凸レンズの中央側に屈折するとともに、所定の出射角で輻射素子１３から出射する。換言すると、両凸レンズは、レーザ光を一旦焦点にて集光した後、放射するように機能する。

図８では、輻射素子１３は、平凸レンズで構成される。平凸レンズの平面は、液晶素子１２に向き合うように配置される。

図９では、輻射素子１３は、平凸レンズで構成される。平凸レンズの凸面は、液晶素子１２に向き合うように配置される。

図１０では、輻射素子１３は、両凹レンズで構成される。両凹レンズは、平凹レンズに比べて、走査範囲を大きくできる。

図１１では、輻射素子１３は、平凹レンズで構成される平凹レンズの平面は、液晶素子１２に向き合うように配置される。

図１２では、輻射素子１３は、平凹レンズで構成される平凹レンズの凹面は、液晶素子１２に向き合うように配置される。

図１３では、輻射素子１３は、回折格子（透過型回折格子）で構成される。図１３の構成例では、輻射素子１３としての回折格子は、光源１１と液晶素子１２との間に配置される。回折格子は、光源１１からのレーザ光を受け、このレーザ光を放射する。回折格子を透過したレーザ光は、液晶素子１２を部分的に透過する。

なお、輻射素子１３としては、上記説明した構成例以外に、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。

このように、輻射素子１３として様々が光学素子を用いることができ、また、使用する光学素子に応じて、走査角を調整することができる。

なお、液晶素子１２と輻射素子１３とを固定する構成は、特に限定されず、任意に設計可能である。

［５］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１本実施形態では、レーザ走査装置１０は、レーザ光を発光する光源１１と、光源１１から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子１２と、液晶素子１２を透過したレーザ光を屈折させる光学素子（輻射素子）１３と、対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子１４とを備えている。また、液晶素子１２は、透過状態及び遮光状態の１つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、光源１１から出射されたレーザ光のうち複数の領域の少なくとも１つに入射するレーザ光を透過させる。

従って第１実施形態によれば、所定の走査範囲のうち特定の方向に絞ってレーザ光を出射することができる。そして、特定の方向に送信したレーザ光が対象物によって反射されたか否かを検出することで、特定の方向に対象物が存在するか否かを判定でき、さらに、対象物が存在した場合に、対象物までの距離を算出することができる。

また、１種類の実効電圧を用意し、この実効電圧を液晶素子１２が備える電極に印加することで、レーザ光の出射角を制御することができる。ひいては、簡単な電圧制御で、レーザ光を走査させることができる。

また、輻射素子１３の屈折率及び曲率半径（焦点距離）を変えることで、走査範囲を変えることができる。

また、液晶素子１２及び輻射素子１３を用いて、レーザ光の出射角を制御できる。これにより、レーザ走査装置１０を小型化及び低コスト化することが可能である。

また、本実施形態のレーザ走査装置１０は、機械的な構成部品がなく、かつ機械的な可動部がない。これにより、レーザ走査装置１０の信頼性を向上できる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、送信側において、レーザ光を広範囲に放射させ、受信側において、マトリクス状に配置された複数の領域のうち少なくとも１つを透過状態にしてレーザ光を受信するようにしている。そして、透過状態にした領域に応じて、対象物によって反射されたレーザ光の入射角を検知するようにしている。

［１］ レーザ走査装置の構成
図１４は、本発明の第２実施形態に係るレーザ走査装置１０のブロック図である。レーザ走査装置１０は、光源１１、輻射素子１３、集光素子３０、液晶素子１２、受光素子１４、パルスタイミング制御部１５、入射角制御部３１、距離演算部１７、及び主制御部１８を備える。

輻射素子１３は、光源１１からのレーザ光を屈折させるとともに、レーザ光をより広範囲に（所定の放射角で）放射する。一例として、輻射素子１３は、平凹レンズで構成される。

図１５は、光源１１及び輻射素子１３の断面図である。輻射素子１３は、平凹レンズで構成され、平凹レンズの平面側が光源１１と向き合っている。輻射素子１３は、光源１１からのレーザ光をより広範囲に放射する。輻射素子１３から放射されたレーザ光の拡がり（放射角、又は立体角）は、レーザ走査装置１０の走査範囲となる。輻射素子１３は、レーザ光を放射する機能を有していれば、様々な光学素子を用いることができる。輻射素子１３は、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、回折格子、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。すなわち、輻射素子１３は、第１実施形態で説明した輻射素子と同じ構成例が適用される。

集光素子３０は、対象物によって反射されたレーザ光を屈折させるとともに、液晶素子１２に向けてレーザ光を集光する。また、集光素子３０は、液晶素子１２に概略垂直にレーザ光が入射するように、その屈折角が設定される。

液晶素子１２は、集光素子３０によって屈折されたレーザ光を受ける。液晶素子１２の配置される位置は第１実施形態と異なるが、液晶素子１２の構成は、第１実施形態と同じである。すなわち、液晶素子１２は、マトリクス状に区分けされた複数の領域を備える。液晶素子１２は、複数の領域の少なくとも１つを透過状態にし、この透過状態の領域にレーザ光が入射した場合に、このレーザ光を透過させる。換言すると、液晶素子１２は、集光素子３０からのレーザ光を部分的かつ選択的に透過させる。透過状態である領域に応じて、レーザ光の入射角が特定できるため、対象物が存在する方向を特定できる。液晶素子１２の具体的な構成については後述する。

受光素子１４は、液晶素子１２を透過したレーザ光を検出する。

入射角制御部３１は、液晶素子１２に複数の電圧を印加し、液晶素子１２が備える複数の領域のうち、レーザ光を透過する領域（透過領域）と、レーザ光を遮光する領域（遮光領域）とを制御する。入射角制御部３１は、集光素子３０の光学特性に応じて、集光素子３０による屈折角を予め認識できる。また、入射角制御部３１は、集光素子３０による屈折角に応じて、液晶素子１２の複数の領域をそれぞれ透過したレーザ光の入射角を予め認識できる。この情報は、例えばテーブルとして、主制御部１８に含まれるメモリに格納される。よって、入射角制御部３１は、液晶素子１２の透過領域を選択することで、対象物によって反射されたレーザ光の入射角を認識できる。

その他の構成は、第１実施形態と同じである。

［２］ 液晶素子１２及び集光素子３０の構成
次に、液晶素子１２及び集光素子３０の構成について説明する。図１６は、液晶素子１２及び集光素子３０の平面図である。図１７は、図１６のＡ−Ａ´線に沿った液晶素子１２及び集光素子３０の断面図である。

液晶素子１２は、第１実施形態と同様に、基板２０、２１、液晶層２２、シール材２３、複数の電極２４（電極２４−１〜２４−５）、複数の電極２５（電極２５−１〜２５−５）、及び偏光板２６、２７を備える。

偏光板２７の基板２１と反対側には、集光素子３０が設けられる。前述したように、集光素子３０は、例えば平凹レンズで構成される。集光素子３０の外形は、四角形に限定されず、円であってもよい。

集光素子３０の入射角は、輻射素子１３の出射角と概略同じであることが望ましい。集光素子３０の屈折率及び曲率半径は、上記条件を満たすように設定され、屈折率及び曲率半径の組み合わせは任意に設計可能である。例えば、集光素子３０は、輻射素子１３と同じ光学素子で構成される。検出感度を高めるためには、集光素子３０の面積は、なるべく大きいことが望ましい。液晶素子１２のサイズは、集光素子３０のサイズと概略同じに設定される。

なお、集光素子３０の入射角は、輻射素子１３の出射角と完全に同じでなくてもよく、多少の差は許容される。集光素子３０の入射角と輻射素子１３の出射角とが異なる場合は、液晶素子１２を透過するレーザ光が液晶素子１２（液晶素子１２の基板面）に対して垂直にならない。しかし、液晶素子１２を透過するレーザ光が液晶素子１２に対して垂直でなくても、透過状態のドットを透過できる範囲でレーザ光が傾いているのであれば、本実施形態の機能を実現できる。

集光素子３０としては、平凹レンズ、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、回折格子、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、又は屈折率分布レンズなどを用いてもよい。例えば、集光素子３０として平凹レンズを用いた場合、液晶素子１２と向き合う面は、平面側であってもよいし、凹面側であってもよい。その他の光学素子についても、同様である。

［３］ 液晶素子１２の動作
次に、液晶素子１２の動作について説明する。入射角制御部３１は、液晶素子１２を駆動するために、液晶素子１２に含まれる電極２４−１〜２４−５、及び電極２５−１〜２５−５に複数の電圧を印加する。

図１８は、液晶素子１２の動作を説明する断面図である。集光素子３０は、対象物によって反射されたレーザ光を屈折させ、レーザ光が液晶素子１２に対して概略垂直に入射するように、液晶素子１２に集光する。

入射角制御部３１は、液晶素子１２の複数の領域（ドット）のうち例えば１つのドットを透過状態にする。すなわち、入射角制御部３１は、透過状態にしたい１つのドットを形成する１本の電極２４と１本の電極２５との間に所定の実効電圧Ｖ１を印加する。

図１８の例では、入射角制御部３１は、電極２４−２と電極２５−３との間に実効電圧Ｖ１を印加する。これにより、電極２４−２と電極２５−３とが交差するドットでは、液晶層に電界が印加され、液晶層が概略垂直配向になる（オン状態となる）。よって、オン状態のドットは、透過状態となる。すなわち、偏光板２７を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が回転せず、偏光板２６を透過する。

一方で、入射角制御部３１は、電極２４−２、及び電極２５−３以外の電極、すなわち、電極２４−１、２４−３〜２４−５、及び電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５に０Ｖを印加する。或いは、入射角制御部３１は、電極２４−１、２４−３〜２４−５、及び電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５に所定の共通電圧を印加する。

これにより、電極２４−１、２４−３〜２４−５と、電極２５−１、２５−２、２５−４、２５−５とが交差する複数のドットでは、液晶層に電界が印加されず、液晶層がねじれ配向を維持する（オフ状態となる）。よって、オフ状態のドットは、遮光状態となる。すなわち、偏光板２７を透過したレーザ光は、液晶層で振動方向が９０度回転し、偏光板２６で遮蔽される。

入射角制御部３１は、透過状態にしたドットに対応する入射角θを算出できる。よって、受光素子１４がレーザ光を検知した場合、主制御部１８は、透過状態のドットに対応する入射角の方向に対象物が存在することを認識できる。一方で、受光素子１４がレーザ光を検知しなかった場合、主制御部１８は、透過状態のドットに対応する入射角の方向に対象物が存在しないことを認識できる。

また、入射角制御部３１は、透過状態のドットを順次変更することで、実質的に、対象物を２次元で走査することができる。走査範囲（角度α）は、輻射素子１３及び集光素子３０の屈折率及び曲率半径（焦点距離）、すなわち屈折角を調整することで、任意に設定可能である。

［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、レーザ走査装置１０は、レーザ光を発光する光源１１と、光源１１から出射されたレーザ光を放射する第１光学素子（輻射素子）１３と、対象物によって反射されたレーザ光を集光する第２光学素子（集光素子）３０と、集光素子３０を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子１２と、液晶素子１２を透過したレーザ光を検知する受光素子１４とを備えている。また、液晶素子１２は、透過状態及び遮光状態の１つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、集光素子３０を透過したレーザ光のうち複数の領域の少なくとも１つに入射するレーザ光を透過させる。

従って第２実施形態によれば、所定の走査範囲のうち特定の方向に絞ってレーザ光を入射させる（透過させる）ことができる。そして、特定の方向においてレーザ光が対象物によって反射されたか否かを検出することで、特定の方向に対象物が存在するか否かを判定でき、さらに、対象物が存在した場合に、対象物までの距離を算出することができる。

また、輻射素子１３及び集光素子３０の屈折率及び曲率半径（焦点距離）を変えることで、走査範囲を変えることができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

なお、上記各実施形態では、２次元で走査する構成例を示したが、１次元で走査するようにしてもよい。この場合は、Ｘ方向に並んだ複数を領域を持つように液晶素子１２を構成することで実現できる。

上記各実施形態では、液晶素子１２は、単純マトリクス方式で構成されているが、他の構造（電極構造）を適用してもよい。液晶素子１２は、マトリスク状に配置されて複数の領域のうち１つを透過状態、他を遮光状態に設定可能である液晶素子、すなわち、任意の光シャッター方式を有する液晶素子を用いることができる。例えば、複数の領域の各々に対応する矩形の電極をスイッチング素子（例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor））で駆動する液晶素子を用いてもよい。

上記各実施形態では、レーザ走査装置が扱うレーザ光として赤外線レーザを用いている。しかし、これに限定されず、本実施形態に係るレーザ走査装置は、赤外線以外の光にも適用可能である。

上記実施形態では、車両に搭載されるレーザ走査装置について説明している。しかし、これに限定されず、レーザ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よい。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よい。

本明細書において、板やフィルムは、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よい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１０…レーザ走査装置、１１…光源、１２…液晶素子、１３…輻射素子、１４…受光素子、１５…パルスタイミング制御部、１６…出射角制御部、１７…距離演算部、１８…主制御部、２０，２１…基板、２２…液晶層、２３…シール材、２４，２５…電極、２６，２７…偏光板、３０…集光素子、３１…入射角制御部

Claims (6)

1. レーザ光を発光する光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、
   前記液晶素子を透過したレーザ光を屈折させる光学素子と、
   対象物によって反射されたレーザ光を検知する受光素子と
   を具備するレーザ走査装置。
2. 前記液晶素子は、透過状態及び遮光状態の１つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、前記光源から出射されたレーザ光のうち前記複数の領域の少なくとも１つに入射するレーザ光を透過させる
   請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. レーザ光を発光する光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光を放射する第１光学素子と、
   対象物によって反射されたレーザ光を集光する第２光学素子と、
   前記第２光学素子を透過したレーザ光を部分的に透過させる液晶素子と、
   前記液晶素子を透過したレーザ光を検知する受光素子と
   を具備するレーザ走査装置。
4. 前記液晶素子は、透過状態及び遮光状態の１つにそれぞれが設定可能な複数の領域を有し、前記第２光学素子を透過したレーザ光のうち前記複数の領域の少なくとも１つに入射するレーザ光を透過させる
   請求項３に記載のレーザ走査装置。
5. 前記液晶素子は、パッシブマトリクス方式を有する
   請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ走査装置。
6. 前記液晶素子は、
   第１及び第２基板と、
   前記第１及び第２基板間に充填された液晶層と、
   前記第１基板上に設けられ、それぞれが第１方向に延在する複数の第１電極と、
   前記第２基板上に設けられ、それぞれが前記第１方向と交差する第２方向に延在する複数の第２電極と、
   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
   を含む
   請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ走査装置。