JP7445872B2 - 光検出システム - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・KDP(KH2PO4)型結晶・・・例えば、KDP、ADP(NH4H2PO4)、KDA(KH2AsO4)、RDA(RbH2PO4)、またはADA(NH4H2AsO4)
・立方晶系材料・・・例えば、KTN、BaTiO3、SrTiO3Pb3、MgNb2O9、GaAs、CdTe、またはInAs
・正方晶系材料・・・例えば、LiNbO3またはLiTaO3
・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・・・KLiNbO3、SrBaNb2O6、KSrNbO、BaNaNbO、Ca2Nb2O7
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。
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。
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
Claims (20)
- 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、
複数の受光素子を有し、シーンによって反射された前記光ビームを検出する光検出器と、
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、
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異なるタイミングで出射させ、
前記光検出器は、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し、
前記信号処理回路は、前記光検出器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、
光検出システム。 - 前記光スキャンデバイスは、前記光検出器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1に記載の光検出システム。 - 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1に記載の光検出システム。 - 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1に記載の光検出システム。 - 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1に記載の光検出システム。 - 前記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、前記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、
を備え、
前記制御回路は、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前記方向および前記形状を制御する、
請求項1に記載の光検出システム。 - 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6に記載の光検出システム。 - 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7に記載の光検出システム。 - 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8に記載の光検出システム。 - 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8または9に記載の光検出システム。 - 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10に記載の光検出システム。 - 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6に記載の光検出システム。 - 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7に記載の光検出システム。 - 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6から13のいずれかに記載の光検出システム。 - 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14に記載の光検出システム。 - 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6から15のいずれかに記載の光検出システム。 - 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16に記載の光検出システム。 - 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17に記載の光検出システム。 - 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17または18に記載の光検出システム。
- 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16から18のいずれかに記載の光検出システム。
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