WO2019065975A1 - 円偏光型偏波ダイバーシティ素子、これを用いたスキャニング素子及びLidar - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to circularly polarized elements and light beam digital scanning elements, as well as Lidar and scanning methods using them.
- FIG. 1 shows an example (patent document 1) of polarization diversity as a conventional polarization control technology. After being split into two orthogonal linear polarizations by the polarization beam splitter 102, it is rotated by the polarization rotation element 107 in one optical path, and the polarization of light propagating in the two optical paths is the same (here, linear polarization oscillating in the longitudinal direction) I have to.
- this polarization diversity scheme is effective for elements operating with linear polarization, it can not be used for elements operating with circular polarization.
- FIG. 2 shows the structure of Lidar using the MEMS mirror 8 which is a conventional scanning element.
- a semiconductor laser 1, a lens 2, a light receiving element 3, a beam splitter 4 and a MEMS mirror 8 which is a scanning element are included.
- the light beam 6 emitted from the semiconductor laser 1 is converted into a desired light beam size by the lens 2, and after passing through the beam splitter 4, is one element (X axis, Y axis) or two dimensions (X ⁇ ) by the MEMS mirror 8.
- the object 5 is scanned in the Y plane). Part of the reflected light 7 from the object 5 is returned to the MEMS mirror 8, reflected by the beam splitter 4, converted into a desired spot size by the lens 2, and then received by the light receiving element 3.
- Lidar scans the outside world with a light beam to measure the distance from the outside object 5 and is also called a Scanning Range Finder.
- This configuration is referred to as a coaxial system, and the light beam 6 emitted from the semiconductor laser 1 and the reflected light 7 reflected from the object 5 propagate along substantially the same optical path from the object 5 through the MEMS mirror 8 to the beam splitter 4 The light is received by the light receiving element 3.
- the reflected light of the light beam 6 for irradiating the light to be received can be substantially limited, it has a feature that it is difficult to be influenced by external light such as sunlight.
- the reflected light 7 to be received is limited by the opening of the MEMS mirror 8, it is difficult to obtain a large optical power when the area of the MEMS mirror 8 is small.
- FIG. 3 shows another conventional Lidar configuration. It is called a non-coaxial system, and the light beam 6 emitted from the semiconductor laser 1 and the reflected light 7 reflected from the object 5 propagate on different optical paths.
- the opening of the lens 2 in front of the light receiving element 3 can be enlarged without being limited to the opening of the MEMS mirror 8, and large light power can be received.
- it is susceptible to the influence of external light such as sunlight, and the S / N (signal-to-noise ratio) deteriorates in the daytime.
- Patent Document 2 is an example thereof, in which a two-dimensional scan is made possible by combining a polygon mirror for scanning in one dimension and a galvano mirror.
- a lidar of a two-dimensional scanning method using a MEMS mirror shown in Patent Document 3 has been reported.
- a polygon mirror, a galvano mirror, a MEMS mirror, a resonant bulk mirror, etc. are reported.
- a polygon mirror and a galvano mirror drive a mirror using a motor, and a resonant bulk mirror vibrates at the resonant frequency of a bulk mirror.
- the MEMS mirror drives a small mirror formed by fine processing by the electrostatic, electromagnetic, piezoelectric effect or the like.
- scanning of the MEMS mirror of the prior art will be described.
- the driving method of the MEMS mirror includes (a) resonant mode and (b) non-resonant mode.
- Examples of light beam trajectories of raster scan when driven in (a) resonant mode and (b) non-resonant mode are shown in FIGS. 4A and 4B.
- the resonance mode shown in FIG. 4A drives the MEMS mirror at a resonance frequency and enables a large displacement angle and high-speed scanning, but the rotation speed differs between the turning point and the center point of the vibration, and the resonance frequency differs depending on the temperature and the like. Will need to be controlled.
- the non-resonance mode shown in FIG. 4B since rotation such as stopping and moving the light beam is also possible, equidistant scanning can be realized, but the displacement angle becomes smaller and scanning becomes slower.
- both the resonant mode shown in FIG. 4A and the non-resonant mode shown in FIG. 4B are raster scans that scan the entire surface with a single writing, and as shown in FIG. It is not possible to scan programmatically with frequency and any pattern.
- the one-stroke raster scan is not limited to the MEMS mirror, but is similarly applied to the polygon mirror, the galvano mirror, and the resonant bulk mirror. The reason is that in order to move the mirror with inertia physically, in order to move it efficiently (high speed), raster scanning that scans a position as close as possible is efficient.
- Lidar used in automatic driving and driver driving support systems needs to recognize human movements and objects in real time, it is desirable to scan the light beam used at high speed and high density.
- a scanning element capable of scanning a light beam at high speed, a high-speed light element and a high-speed electronic circuit are required, and the cost of the system generally increases.
- not all scenes in front of the car are important, and many unimportant areas such as sky and the like are included. For this reason, in order to make effective use of the light beam operating at a finite speed, it is desirable to use a different weighted scanning scheme for scanning the light beam in important and non-critical areas.
- FIG. 6 shows a conventional example of a scanning method of a light beam of Lidar used in an automatic driving or driving support system.
- the MEMS mirror is used as the scanning element, the scene in front of the car is performed by one-stroke raster scan.
- the background such as the sky (the part surrounded by the broken line) is not an important part to control the car, but high resolution, high frequency of the important parts such as traffic lights, oncoming vehicles, people (parts surrounded by solid line) It is desirable to scan at
- the conventional scanning element described above is a uniform scan, and can not perform programmable high-speed scanning of any point with any frequency and any pattern.
- the problems to be solved by the prior art described above are as follows.
- the polarization diversity system (Patent Document 1) as a conventional polarization control technology is effective for an element operating with linear polarization, but can not be used for an element operating with circular polarization.
- Fine adjustment is necessary for assembly such as optical axis adjustment, which is not suitable for mass production.
- a conventional scanning element basically rotates a mirror or the like continuously, and since it has inertia, it is a raster scan that scans a scene with a single stroke, and any point from another point It is not possible to move up to non-consecutively or to perform high-speed scan programmable at any frequency with any pattern.
- a polarization diversity element for outputting light having a constant polarization state independently of the polarization state of the input light, and a birefringence director having a thickness to be a half-wave plate
- Two polarization gratings rotating at a certain period ⁇ , these polarization gratings are arranged so as to have a desired spacing, and one of them is circular polarization with an arbitrary polarization state (SOP: State of Polarization)
- SOP State of Polarization
- a polarization grating is bonded to a polarization switch element having blue phase liquid crystal and a transparent electrode and point-symmetrically arranged transparent wedge blocks of high refractive index on both sides of the polarization switch element comprising the blue phase liquid crystal and the transparent electrode using the circular polarization type polarization diversity element.
- a light beam digital scanning element characterized by digitally scanning using a light beam output by a combination of presence and absence of application of voltage to a polarization switching element, in a configuration in which these are arranged in multiple stages with the basic configuration. was produced.
- Lidar is composed of the light beam digital scanning element, the semiconductor laser and the light receiving element, and between them, the light beam digital scanning is connected with the single mode optical fiber and the single optical fiber coupler without introducing light into space.
- the part of the element was separated from the other parts, and between them was connected by a single mode optical fiber having a length of 1 m or more, so that the mounting in a vehicle had flexibility, and the influence of temperature could be reduced.
- one pair of polarization switches and polarization gratings in the Lidar system is used to construct a scanning element of a structure in which they are connected in multiple stages by the desired number of sets, and from the arbitrary point to another arbitrary point for the light spot 11 It is possible to move non-continuously, and it has made it possible to perform high-speed scanning equivalent to raster scanning in a programmable manner with arbitrary frequency and arbitrary pattern.
- the configuration described above has made it possible to: (1) A polarization diversity scheme applicable to elements operating with circular polarization can be realized. (2) It becomes unnecessary to make fine adjustments for assembly such as optical axis adjustment, and Lidar with excellent mass productivity can be realized. (3) Lidar can be mounted on the top of the car. (4) It is possible to move discontinuously from any point to any point, and realize Lidar that can be scanned at a programmable high speed with any frequency and any pattern.
- FIG. 6 is a view showing the structure and function of a polarization grating 92.
- 6 shows an example of a light beam digital scanning element. It is a figure which shows an example of a basic unit. It is a figure which expands and displays the structure of a part of polarization switching element. It shows an ideal weighted digital scan for automatic operation. It shows an example of a ToF (Time of Flight) system Lidar capable of performing ideal weighted digital scanning. It shows an example of an optical FMCW system Lidar capable of performing ideal weighted digital scanning.
- FIG. 12 illustrates another embodiment of the ToF (Time of Flight) scheme shown in FIG. This is a modification of the optical FMCW method shown in FIG.
- FIG. 7 is a perspective view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a plan view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a side view of a light beam digital scanning element in another embodiment. It is a figure which expands and displays the structure of a part of polarization switch element of the light beam digital scanning element in another Example.
- Fig. 8 shows a circular polarization converter which is another embodiment having the same function as the circular polarization polarization diversity 71 of Fig. 7;
- FIG. 7 shows a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a perspective view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a plan view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a side view of a light beam digital scanning element in another embodiment. It is a figure explaining incident angle (theta) y. It is a figure explaining incident angle (theta) y. It is a graph which shows an example of the relationship between incident angle (theta) y and the loss which generate
- FIG. 7 is a perspective view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a plan view of a light beam digital scanning element in another embodiment.
- FIG. 7 is a side view of a light beam digital scanning element in another embodiment. It is a figure which shows an example of the polarization grating in another Example. It is a figure which expands and displays a part of structure of the polarization grating in other examples.
- FIG. 7 shows an embodiment of the circular polarization type polarization diversity element 71 according to the present invention.
- the light beam 32 emitted from the single mode optical fiber 31 is collimated using the lens 2.
- the structure and function of the polarization grating 92 are shown in FIG.
- the polarization grating 92 is made of, for example, a liquid crystal polymer or the like, and its director rotates along the rotation axis A at a constant period ⁇ .
- the thickness is set such that the product of the difference in birefringence of each director is a half wave plate.
- the polarization grating 92 operates in a unique manner, and switches (deflects) the incident circularly polarized beam in the XZ plane to the right or left in the XZ plane according to the rotation direction.
- m is the order, and there are many orders of ⁇ 1, ⁇ 2 ... in the ordinary relief type grating, but in the present polarization grating 92, ⁇ 1 corresponding to the polarized light beam on the right and left There is only the next order. Therefore, the light beam can be switched (deflected) with high efficiency.
- the relation of the equation (1) is established between the incident angle ⁇ in and the emission angle ⁇ out .
- the switching (deflection) angle ⁇ out is proportional to the reciprocal of the period ⁇ , and a smaller ⁇ deflects at a larger angle.
- the light beam propagates in parallel with the Z axis.
- the clockwise circularly polarized light and the counterclockwise circularly polarized light become two light beams which are offset and translated. This offset is determined by twice the separation angle of the polarization grating 92 (2 ⁇ out ) and the distance between the two polarization gratings 92, and is preferably about the spot diameter (diameter) Wo.
- the half-wave plate 16 When the half-wave plate 16 is inserted into this one optical path, the two light beams are rotated in the same direction (here, clockwise circularly polarized light) and become circularly polarized polarization diversity element 71.
- the phase plate 17 may be inserted into another optical path to adjust the phases of the two light beams.
- FIGS. 9A to 9C An example of a light beam digital scanning element using this circular polarization type polarization diversity element 71 is shown in FIGS. 9A to 9C.
- FIG. 9A shows a light beam digital scanning element and FIG. 9B shows a basic unit.
- FIG. 9C is an enlarged view of the structure of a portion surrounded by an alternate long and short dash line A of the polarization switching element 91.
- a light beam digital scanning element 90 shown in FIG. 9A has a circularly polarized polarization diversity element 71 and a lens 2 arranged in a multistage connection of the basic units 94 shown in FIG. 9B by a desired number of sets. It is.
- the basic unit 94 is a polarization switching element 91 in which a polymer-stabilized blue phase liquid crystal 95 is sandwiched between two flat plate electrodes 96 on which a transparent electrode 97 is formed on a glass substrate. Also, it is point-symmetrically sandwiched by a wedge block 93 made of two high refractive index materials. In addition, a polarization grating 92 is disposed or attached to the light output surface of the basic unit 94.
- the polarization switching element 91 Since the polarization switching element 91 is an isotropic medium when no voltage is applied, the input polarization is output while maintaining the state. When a desired electric field is applied, it operates as a half-wave plate and reverses the rotational direction of circularly polarized light.
- the birefringence generated in the blue phase liquid crystal can be efficiently used.
- a wedge block 93 made of a high refractive index material according to Snell's law again, it becomes a light beam parallel to the Z-axis, and enters the polarization grating 92 perpendicularly.
- the light beam is deflected in the vertical direction by the voltage applied to the blue phase liquid crystal 95 (here, the rotation axis A of the director shown in FIG. 8 is disposed parallel to the Y axis).
- the light beam digital scanning element 90 shown in FIG. 9A has a configuration in which a circular polarization type polarization diversity element 71, a lens 2 and a basic unit 94 are connected in multiple stages.
- the lens 2 is for converting the spot size, and may be used several times or not even one.
- the light of any polarization state incident from the left side is turned into either one of clockwise or counterclockwise circularly polarized light by the circular polarization type polarization diversity element 71, and the lens 2 is turned into a light beam of any spot diameter. After conversion, the light is incident on a block in which basic units 94 are connected in multiple stages.
- N 1, 2, 3,
- the important point here is that the position of the light beam can be digitally controlled (programmed) by turning on (bit 1) and OFF (bit 0) the voltage applied to each blue phase liquid crystal 95.
- bit string of (111111) represents the light beam most upward, and (000000) represents the light beam most downward.
- These light beams like the MEMS mirror, have no inertia and move in and out of that position. That is, the top beam travels instantaneously to the bottom beam. Other light beams also move instantaneously.
- parts that are important for automatic driving such as traffic lights, leading cars, and oncoming cars, which are difficult in the prior art, are scanned at higher density and higher frequency, and automatic like empty
- weighted digital scanning such as sparse (low density) and low frequency scanning is possible.
- FIG. 15A-15D illustrate another embodiment of a light beam digital scanning element.
- FIG. 15A is a perspective view of the light beam digital scanning element 90.
- FIG. 15B is a plan view of the light beam digital scanning element 90 of FIG. 15A as viewed from the direction indicated by arrow (A).
- FIG. 15C is a side view of the light beam digital scanning element 90 of FIG. 15A as viewed from the direction indicated by arrow (B).
- FIG. 15D is an enlarged view of a part of the structure of the polarization switching element.
- the basic units 101 and 102 switch (deflect) the light beam in the Y direction and the X direction, respectively.
- a polarization switching element 91 and a polarization grating 92 bonded together form one set, and different ones of different periods of rotation of the director of the polarization grating 92 are arranged or bonded in multiple stages, and two high It is sandwiched point-symmetrically by a wedge block 93 made of a refractive material.
- the polarization switching element 91 is one in which the blue phase liquid crystal 95 is sandwiched between two flat plate electrodes 96 on which a transparent electrode 97 is formed on a glass substrate. It operates as a tropic medium, and the input polarization is output while maintaining the state. When a desired electric field is applied, it operates as a half-wave plate and reverses the rotational direction of circularly polarized light. Thereby, the same function as that shown in FIGS. 9A to 9C can be realized.
- FIG. 11 shows an example of Lidar that can carry out the above-described scan.
- This Lidar is the same coaxial system as that of FIG. 2 described above in the configuration, but uses a transmission type light beam digital scanning element 90 instead of the reflection type MEMS mirror 8 for the steering element.
- a ToF (Time of Flight) method is used as a modulation method.
- the distance d to the object 5 is measured by measuring a time difference T from transmission of the light pulse 9 (reception of the light pulse 9 transmitted by the light receiving element 3) to reception of the light pulse 10 (light reception by the light receiving element 3).
- d cT / 2 (where c is the speed of light).
- T shall be appropriately corrected according to the optical path length of the Lidar configuration.
- FIG. 12 shows another embodiment using the light beam digital scanning element 90.
- This modulation method is called an optical FMCW method, and uses as a light source a semiconductor laser 1 emitting at a single narrow frequency with good coherency.
- the light of the rectangular wave 24 (temporally rectangular) emitted from the semiconductor laser 1 is a rectangular wave 25 whose frequency is chirped using the optical frequency modulator 20 (the frequency temporally changes to Linear and increases almost linearly, Reduced).
- the optical frequency modulator 20 can be realized by a modulator using LiNbO 3 or the like, but can also be realized by changing the current directly injected into the semiconductor laser 1 without using the optical frequency modulator 20.
- the rectangular wave 25 whose frequency has been chirped passes through the two beam splitters 4, it is converted into collimated light of a desired light beam size using the lens 2.
- the light beam is incident on the light beam digital scanning element 90, and the light beam 6 is scanned in a desired scan pattern to illuminate the object 5.
- the reflected light 7 reflected from the object 5 passes through the light beam digital scanning element 90, is reflected by the beam splitter 4, and is incident on the beam splitter 41 for mixing.
- ⁇ f is the amount of change of the frequency chirp (peak to peak frequency displacement)
- fm is the repetitive modulation frequency of the frequency chirp.
- the optical FMCW method can obtain a high S / N (signal-to-noise ratio) although the optical element is a little more complex than the ToF (Time of Flight) method.
- the scanning element uses the light beam digital scanning element 90 which can programmably scan with any pattern from any point to any point. It is The present light beam digital scanning element does not have to move an inertial object such as a MEMS mirror, and jumps the irradiation position of the light beam from any point to any other point, as shown in FIG. It can be done.
- This movement can be freely controlled by means such as a program or hardware control, for example, and as shown in FIG. 10, automatic driving such as traffic lights, leading vehicles, and oncoming vehicles, which was difficult in the prior art.
- automatic driving such as traffic lights, leading vehicles, and oncoming vehicles, which was difficult in the prior art.
- the important part is scanning with higher density and high frequency, and the non-critical part such as empty enables sparse digital scanning with sparse and low frequency.
- FIG. 13 shows another embodiment of the ToF (Time of Flight) method shown in FIG.
- a single mode optical fiber cap 22 is used instead of the bulk type beam splitter 4 to construct an All Fiber in which light is confined in a single mode optical fiber 101.
- the area A such as the semiconductor laser 1 or the light receiving element 3 whose performance is deteriorated at high temperature and the area B which is the light beam digital scanning element 90 are connected by a single mode optical fiber 101 of about 1 m.
- the light beam digital scanning element 90 whose performance does not easily deteriorate at high temperature is disposed near the ceiling of the car, and the semiconductor laser 1 and the light receiving element 3 whose performance easily deteriorates at high temperature
- An area A such as a signal processing / control unit for processing an alternating current signal can be disposed at a low temperature in the vehicle, and a highly reliable Lidar can be realized by connecting between them by a single mode optical fiber 101 of about 1 m.
- FIG. 14 is a modification of the optical FMCW method shown in FIG. 13 and is configured by All Fiber in which light is confined in a single mode optical fiber 101. In FIG. This effect is also the same as described above.
- FIG. 16 shows a circular polarization converter which is another embodiment having the same function as the circular polarization type polarization diversity-71.
- the circular polarization converter 72 is composed of a polarization-maintaining optical fiber 51, a collimating lens 2, and a 1 ⁇ 4 wavelength plate 16.
- the linearly polarized light incident on the main axis (Fast axis or slow axis) of the polarization maintaining optical fiber 51 is emitted while maintaining the linearly polarized state (here, as linearly polarized light oscillating on the X axis), the lens 2 Is collimated by
- the 1 ⁇ 4 wavelength plate 16 has its birefringence axis inclined at an angle of 45 ° from the X axis, and the light passing through the 1 ⁇ 4 wavelength plate 16 becomes clockwise circularly polarized light as shown in the figure. .
- the circular polarization converter 72 may be disposed in front of the scanning element to realize the light beam digital scanning element 90.
- FIG. 17 shows another embodiment of the light beam digital scanning element.
- the light beam digital scanning element shown in FIG. 17 is vertically bonded to each other, using two sets of a basic unit in which a polarization switch 91 and a polarization grating 92 are bonded in multiple stages bonded in X and Y directions. , And it is point-symmetrically sandwiched by the wedge block 93. According to the configuration of the light beam digital scanning element illustrated in FIG. 17, the size can be further reduced.
- the crucible block 93 silicon or glass can be used as the crucible block 93.
- FIGS. 18A to 18C are diagrams for explaining a loss generating unit when the light beam digital scanning element shown in FIGS. 15A to 15D (or FIG. 17) is used.
- FIGS. 18A to 18C the case of using the light beam digital scanning element shown in FIGS. 15A to 15D is shown as an example.
- FIG. 18A is a perspective view of a light beam digital scanning element.
- 18B is a plan view of the light beam digital scanning element of FIG. 18A as viewed from the direction indicated by arrow (A).
- FIG. 18C is a side view of the light beam digital scanning element of FIG. 18A as viewed from the direction indicated by arrow (B).
- FIGS. 18B and 18C are diagrams for explaining the relationship between the incident angle ⁇ y and the loss when six polarization gratings 92 are measured in an overlapping manner.
- FIG. 19C is a graph showing the loss measured when the incident angle ⁇ y shown in FIGS. 19A and 19B is changed from 0 ° to 30 °.
- the incident angle ⁇ y is about 10 °, almost no loss occurs, but as the angle is further increased, the loss increases.
- the polarization switch 91 made of blue phase liquid crystal at a low voltage it is necessary to make the light incident at a large angle, but there is a trade-off relationship with loss.
- FIGS. 20A to 20C are diagrams for explaining an example of the structure of a light beam digital scanning element capable of reducing the loss of the loss generating section in the latter stage.
- FIG. 20A is a perspective view of a light beam digital scanning element.
- FIG. 20B is a plan view of the light beam digital scanning element of FIG. 20A as viewed from the direction indicated by arrow (A).
- FIG. 20C is a side view of the light beam digital scanning element of FIG. 20A as viewed from the direction indicated by arrow (B).
- substantially uniform loss can be realized for each light beam because each light beam is parallel at the subsequent stage.
- FIGS. 21A and 21B show an example of a novel polarization grating that can suppress the loss when light beams are incident obliquely.
- FIG. 21A is a view showing the appearance of the polarization grating 92 of this example.
- FIG. 21B is an enlarged view of a portion surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 21A.
- FIG. 21B by orienting the liquid crystal director 98 constituting the polarization grating 92 obliquely ( ⁇ °), even if the light beam is obliquely incident, it is vertically incident on the liquid crystal director 98 As a result, the loss can be suppressed.
- the present invention can be applied to Lidar used for lane control and collision prevention of an autonomously driven car on a freeway and a general road, and an autonomously operated car system and a driver operation support system using the same.
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Abstract
従前、自動運転カー技術のLidarに用いられるスキャニング素子は、MEMSによりミラーなどを連続的に回転させるもので慣性があるため、一筆書きでシーンをスキャンするラスタースキャン向きであり、任意の点から別の任意の点まで非連続的に移動し、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに、かつラスタースキャンと同等に高速スキャンすることはできなかった。本発明では、半波長板となるような厚さの複屈折ダイレクターがある周期Λで回転している偏光グレーティングを2枚用い、これらの偏光グレーティングを所望の間隔となるように配置し、円偏光の回転方向に依存して分離出射された2つの右回り、左回りの円偏光のどちらか一方に半波長板を挿す偏波ダイバーシティ方式を採用して平行な近接する同じ回転方向の円偏光への変換を実現し、それと偏光スイッチと偏光グレーティングを1組として多段に接続した構造を組み合わせたスキャニング素子からなるLidarを作製した。
Description
本発明は、円偏光型素子および光ビームデジタルスキャニング素子、さらにはそれらを用いたLidarとスキャニング方法に関する。
図1は従来の偏光制御技術としての偏波ダイバーシティ―の一実施例(特許文献1)である。偏光ビームスプリッター102で2つの直交する直線偏光に分離した後、一方の光路に偏光回転素子107で回転させ、2つの光路を伝搬する光の偏光を同じ(ここでは縦方向に振動する直線偏光)にしている。しかし、本偏波ダイバーシティ―方式は、直線偏光で動作する素子には有効であるが、円偏光で動作する素子には使用できない。
一方、図2は、従来のスキャニング素子であるMEMSミラー8を用いたLidarの構成を示したものである。半導体レーザ1、レンズ2、受光素子3、ビームスプリッター4およびスキャニング素子であるMEMSミラー8から構成されている。半導体レーザ1から発した光ビーム6はレンズ2で所望の光ビームサイズに変換されたのち、ビームスプリッター4を通過後、MEMS ミラー8により1元(X軸、Y軸)あるいは2次元(X-Y面)に物体5をスキャンする。物体5からの反射光7の一部は、MEMSミラー8に戻り、ビームスプリッター4で反射され、レンズ2で所望のスポットサイズに変換された後受光素子3で受光される。このようにLidarは、外界を光ビームによってスキャンし、外界の物体5からの距離を測定するもので、Scanning Range Finderともいわれる。
本構成は同軸系と言われ、半導体レーザ1から発した光ビーム6と物体5から反射してきた反射光7は、物体5からMEMSミラー8を経てビームスプリッター4までは、ほぼ同じ光路上を伝搬し、受光素子3で受光される。このため、受光される光を照射する光ビーム6の反射光にほぼ限定できるため、太陽光などの外部光の影響を受けにくい特徴を持つ。しかし、受光される反射光7はMEMSミラー8の開口で制限されるため、MEMSミラー8の面積が小さい場合は大きな光パワーを得ることが難しい。
図3は従来の別のLidarの構成を示したものである。非同軸系と言われ、半導体レーザ1から発した光ビーム6と物体5からの反射した反射光7はそれぞれ別の光路上を伝搬する。本方式は、送信側と受光側の光学系が異なるため、MEMSミラー8の開口に制限されず、受光素子3の前のレンズ2の開口を大きくすることができ、大きな光パワーを受光できる。しかし、太陽光などの外部光の影響を受けやすく、昼間ではS/N(信号対雑音比)が劣化する。
また、図2、図3に示した従来のLidarの構成、あるいは次で述べるLidarの構成(特許文献2)では、光軸調整などの組立に微調整が必要であり、量産性に向いていない。また、一般に半導体レーザ1や受光素子3は高温では特性が劣化し、半導体レーザ1の場合は、光パワーが極めて小さくなる。このようなLidarを自動車に搭載する場合、遠方まで光ビームを照射させるため、Lidarは車の上部に搭載することが望ましいが、車の上部の温度は高温になりやすくLidarの搭載が困難になる。
一方、自動運転などにLidarを用いるためには、上記したように外界の物体を2次元的に光ビームでスキャニングする必要がある。これまで、種々の光ビームスキャン方法が報告されている。特許文献2は、その一例であり、1次元でスキャンするポリゴンミラーとガルバノミラーを組み合わせて2次元のスキャンを可能としている。この他にも特許文献3に示すMEMSミラーを用いた2次元スキャニング方式のLidarが報告されている。
スキャナーとしては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、MEMSミラー、共振バルクミラーなどが報告されている。ポリゴンミラー、ガルバノミラーは、モーターを用いてミラーを駆動するものであり、共振バルクミラーはバルクミラーの共振周波数で振動させるものである。また、MEMSミラーは微細加工により形成した小さなミラーをElectrostatic、Electromagnetic、Piezoelectric効果などにより駆動させるものである。ここでは従来技術のMEMSミラーのスキャンについて説明する。
MEMSミラーの駆動方式には、(a)共振モードと(b)非共振モードがある。(a)共振モードと(b)非共振モードで駆動した時のラスタースキャンの光ビーム軌跡の一例を図4Aと図4Bに示す。図4Aに示される共振モードはMEMSミラーを共振周波数で駆動させるもので大きな変位角度と高速スキャンが可能となるが、振動の折り返し点と中心点では回転速度が異なり、また、温度などにより共振周波数が変化するため、その制御が必要となる。一方、図4Bに示される非共振モードでは、光ビームを停止、移動といった回転も可能となるため、等間隔のスキャンを実現できるが、変位角度は小さくなり、スキャンも低速となる。
また、図4Aで示される共振モードと図4Bで示される非共振モードともスキャンは全面を一筆書きでスキャンするラスタースキャンであり、図5に示すような、任意の点から任意の点まで任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルにスキャンすることはできない。この一筆書きのラスタースキャンは、MEMSミラーのみならず、その他の、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、共振バルクミラーも同様である。その理由は、慣性のあるミラーを物理的に回転させるため、効率的(高速)に動かすためには、なるべく近くの位置をスキャンするラスタースキャンは効率が良いためである。
自動運転やドライバー運転支援システムに用いるLidarは、リアルタイムで人の動きや物体を認識する必要があるため、用いる光ビームのスキャンは、高速、高密度にスキャンすることが望まれる。しかし、これを実現するためには、高速で光ビームをスキャンできるスキャニング素子や高速な光素子および高速な電子回路が必要となり、一般にシステムのコストが上昇する。一方、車を安全に運転するためには、車前方のシーン全てが重要であるわけではなく、空などの背景など重要でないエリアも多く含まれる。このため、有限の速度で動作する光ビームを有効に活用するためには、光ビームのスキャンを重要なエリアと重要でないエリアに異なった重みづけしたスキャン方式が望ましい。
図6は自動運転あるいは運転支援システムに用いるLidarの光ビームのスキャン方式の従来の一実施例を示したものである。ここでは、スキャニング素子にMEMSミラーを用いているため、車からの前方のシーンを一筆書きのラスタースキャンで行っている。しかし、空などの背景(破線で囲った部分)は、車を制御するために重要な部分ではなく、信号機や対向車、人など(実線で囲った部分)重要な部分を高解像度、高頻度でスキャンすることが望ましい。しかし、従来の前記しスキャニング素子では、一様なスキャンであり、任意の点を任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンすることはできなかった。
よって上に述べた従来技術の解決すべき問題点は次のようになる。
(1)従前の偏光制御技術としての偏波ダイバーシティ―方式(特許文献1)は、直線偏光で動作する素子には有効であるが、円偏光で動作する素子には使用できない。
(2)従来のLidarの構成では、光軸調整などの組立に微調整が必要であり、量産性に向いていない。
(3)従来のレーザ源とLidarを一体化する構成では高熱に耐性がないため、Lidarを車の上部へ搭載することが困難である。
(4)従来のスキャニング素子は、基本的にミラーなどを連続的に回転させるものであり、慣性があるため、一筆書きでシーンをスキャンするラスタースキャンであり、任意の点から別の任意の点まで非連続的に移動したり、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンしたりすることはできない。
(1)従前の偏光制御技術としての偏波ダイバーシティ―方式(特許文献1)は、直線偏光で動作する素子には有効であるが、円偏光で動作する素子には使用できない。
(2)従来のLidarの構成では、光軸調整などの組立に微調整が必要であり、量産性に向いていない。
(3)従来のレーザ源とLidarを一体化する構成では高熱に耐性がないため、Lidarを車の上部へ搭載することが困難である。
(4)従来のスキャニング素子は、基本的にミラーなどを連続的に回転させるものであり、慣性があるため、一筆書きでシーンをスキャンするラスタースキャンであり、任意の点から別の任意の点まで非連続的に移動したり、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンしたりすることはできない。
本発明では、入力された光の偏光状態に無依存に一定の偏光状態を有する光を出力するための偏波ダイバーシティ素子であって、半波長板となるような厚さの複屈折ダイレクターがある周期Λで回転している偏光グレーティングを2枚用い、これらの偏光グレーティングを所望の間隔となるように配置し、その一方から任意の偏光状態(SOP:State of Polarization)を持つ、円偏光の回転方向に依存して分離出射された2つの右回り、左回りの円偏光のどちらか一方に半波長板を挿す構成とし、平行な近接する同じ回転方向の円偏光への変換を実現する円偏光型偏波ダイバーシティ素子を作製した。
また、その円偏光型偏波ダイバーシティ素子を用いてブルー相液晶と透明電極からなる偏光スイッチ素子の両側に高屈折率の透明な楔ブロックを点対称に配置したものに偏光グレーティングを貼り付けた構造を基本構成としてこれらを多段に配置した構成において、偏光スイッチ素子に対する電圧の印加の有、無の組み合わせにより出力される光ビームを用いてデジタル的にスキャニングすることを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子を作製した。
さらに、その光ビームデジタルスキャニング素子と、半導体レーザおよび受光素子でLidarを構成し、その間を、光を空間に出すことなく単一モード光ファイバおよび単一光ファイバカプラで接続し、光ビームデジタルスキャニング素子の部分をその他の部分と分割し、その間を1m以上の長さの単一モード光ファイバで繋ぎ、車載における実装に柔軟性を持たせて、温度の影響を低減し得る構成とした。
最後に、Lidarシステムに偏光スイッチと偏光グレーティングを1組として、それらを所望のセット数だけ多段に接続した構造のスキャニング素子を構成し、光スポット11について任意の点から別の任意の点までを非連続的に移動することができ、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに、ラスタースキャンと同等の高速スキャンを可能とした。
上に述べた構成により次の事項が可能となった。
(1)円偏光で動作する素子へ適用できる偏波ダイバーシティ―方式を実現できる。
(2)光軸調整などの組立に微調整が不要となり、量産性に優れたLidarを実現できる。
(3)Lidarが車の上部への搭載が可能となる。
(4)任意の点からの任意の点まで非連続的に移動することができ、また、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンできるLidarを実現できる。
(1)円偏光で動作する素子へ適用できる偏波ダイバーシティ―方式を実現できる。
(2)光軸調整などの組立に微調整が不要となり、量産性に優れたLidarを実現できる。
(3)Lidarが車の上部への搭載が可能となる。
(4)任意の点からの任意の点まで非連続的に移動することができ、また、任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルに高速スキャンできるLidarを実現できる。
以下に図を用いて説明する実施例は、本発明を限定するものと解釈してはならない。実施例は、適宜変更実施することができることは言うまでもない。
図7に本発明である円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71の一実施例を示す。単一モード光ファイバ31から出射した光ビーム32は、レンズ2を用いてコリメートされる。その偏光状態は右回りの円偏光(m=+1に対応:実線)と左回りの円偏光(m=-1に対応:破線)に分解することができる。光ビーム32はその後、偏光グレーティング92に入射すると、右回りの円偏光は上方へ、左回りの円偏光は下方へ向きを変え(偏向し)、それぞれ逆に回転する円偏光に変換される。
図8に偏光グレーティング92の構造と機能を示す。偏光グレーティング92は、例えば液晶ポリマーなどから構成されており、そのダイレクターが一定の周期Λで回転軸Aに沿って回転しているものである。その厚さは、各ダイレクターの複屈折率差との積が半波長板となるように設定されている。本偏光グレーティング92はユニークな動作をし、入射した円偏光のビームをその回転方向に従って、X-Z平面内で光ビームの進行方向を右あるいは左方向にスイッチさせる(偏向させる)。
例えば、(A)に示すように右周りの円偏光は、右側にスイッチし、左回りの円偏光となって出力される。逆に(B)に示すように左周りの円偏光は、左側にスイッチし、右周りの円偏光となって出力される。スイッチ(偏向)する角度θoutは、(1)式によって与えられる。
mは、次数であり、通常のレリーフ型のグレーティングでは、±1、±2・・・と多くの次数が存在するが、本偏光グレーティング92では、右、左に偏向光ビームに対応した±1次の次数しか存在しない。このため、高効率で光ビームをスイッチ(偏向)できる。
となり、最終的にはZ軸と平行に伝搬する光ビームとなる。また、図7に示すように、右回りの円偏光と左回りの円偏光がオフセットし並進する2つの光ビームとなる。このオフセットは、偏光グレーティング92の分離角の2倍(2θout)と2枚の偏光グレーティング92の間隔で決定され、スポット径(直径)Wo程度であることが望ましい。
この一方の光路に半波長板16を挿入すると、2つの光ビームは同じ(ここでは右回りの円偏光)方向に回転する光ビームとなり円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71を実現できる。なお、位相板17を別の光路に挿入して、2つの光ビームの位相を調整してもよい。
本円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71を用いた光ビームデジタルスキャニング素子の一例を図9A~図9Cに示す。図9Aは光ビームデジタルスキャニング素子を、図9Bは基本ユニットを示す。また、図9Cは偏光スイッチ素子91の一点鎖線Aで囲まれた部分の構造を拡大表示した図である。図9Aに示される光ビームデジタルスキャニング素子90は、図9Bに示される基本ユニット94を所望のセット数だけ多段に接続したものに円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71とレンズ2を配置したものである。
図9Bおよび図9Cに説明されるように、基本ユニット94は、ポリマー安定化したブルー相液晶95をガラス基板上に透明電極97が形成された2枚の平板電極96でサンドイッチした偏光スイッチ素子91と、それを2枚の高屈折率の材料からなる楔ブロック93で点対称に挟んだものである。また基本ユニット94の光の出力面には、偏光グレーティング92を配置あるいは張り付けている。
本光ビームスキャニング素子の基本ユニットの動作を説明する。偏光スイッチ素子91は、電圧を印加しない場合は、アイソトロピックな媒体であるため、入力された偏光は状態を保ったまま出力される。所望の電界を印加した場合は、半波長板として動作し、円偏光の回転方向を逆転させる。
今、図9Bに示すように、左側より右周りの円偏光を基本ユニット94に入射したとする。高屈折率の材料からなる楔ブロック93に入射した光はスネルの法則に従って、偏光スイッチ素子91を斜めに伝搬する。
これによりブルー相液晶に生じた複屈折率を効率的に利用できる。その後、再びスネルの法則に従って高屈折率の材料からなる楔ブロック93に入るとZ軸に平行な光線となり、偏光グレーティング92に垂直に入射する。ここで、ブルー相液晶95に印可する電圧により、上下方向に光ビームが偏向する(ここでは図8で示したダイレクターの回転軸AはY軸と平行に配置されている)。
図9Aに示す光ビームデジタルスキャニング素子90は円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71とレンズ2および基本ユニット94を多段に接続した構成となっている。
なお、レンズ2はスポットサイズを変換するものであり、数枚用いる場合もあれば、1枚も用いない場合もある。左側から入射された任意の偏光状態の光は、円偏波型偏波ダイバーシティ―素子71により、右回りあるいは左周りのどちらか一方の円偏光となり、レンズ2により任意のスポット径の光ビームに変換された後、基本ユニット94を多段に接続したブロックに入射する。
左から偏光グレーティング92の周期がΛ1~Λ6まで変化しており、これら角度に応じて、2N(Nは段数、N=1,2,3,・・・)のデジタル的な偏向角度を持つ光ビームとなる。ここで重要なことは、各ブルー相液晶95に印可する電圧をON(ビット1)、OFF(ビット0)にすることで、デジタル的に光ビームの位置を制御(プログラム)できる点にある。
例えば、(111111)のビット列は、一番上向きの光ビームを表し、(000000)は一番下向きの光ビームを表す。これらの光ビームは、MEMSミラーのように慣性が無く、その位置を飛び飛びに移動する。すなわち、1番上のビームは一番下のビームに瞬時に移動する。他の光ビームも同様に瞬時に移動する。
この動作は、基本ユニット94を直交して多段に配置することで、X-Y面の二次元動作が可能となる。この光ビームデジタルスキャニング素子90を用いることで、従来技術では困難であった、図5に示したアトランダムな動きであってもあらかじめプログラムすることで、任意の点から任意の点まで、任意の頻度で、任意のパターンで選択して光ビームを柔軟にスキャンできるようになる。
また、図10に示したような、従来技術では困難であった、信号機や先行車、対向車のような自動運転に重要な部分はより高密度・高頻度でスキャンし、空のような自動運転に重要でない部分はスパース的(低密度)・低頻度でスキャンというような重みづけしたデジタルスキャンが可能となる。
図15A~図15Dは光ビームデジタルスキャニング素子の他の実施例を示す図である。図15Aは光ビームデジタルスキャニング素子90の斜視図である。図15Bは図15Aの光ビームデジタルスキャニング素子90を矢印(A)で示される方向から見た平面図である。図15Cは図15Aの光ビームデジタルスキャニング素子90を矢印(B)で示される方向から見た側面図である。図15Dは偏光スイッチ素子の構造の一部を拡大表示した図である。
基本ユニット101、102は、それぞれ光ビームをY方向、X方向にスイッチ(偏向)するものである。各基本ユニットは偏光スイッチ素子91と偏光グレーティング92を張り合わせたものを1組として、偏光グレーティング92のダイレクターの回転の周期Λの異なったものを多段に配置あるいは張り合わせ、その両側に2枚の高屈折材料からなる楔ブロック93で点対称に挟んだものである。
図15Dに示されるように、偏光スイッチ素子91はブルー相液晶95をガラス基板上に透明電極97が形成された2枚の平板電極96でサンドイッチしたものであり、電圧を印加しない場合は、アイソトロピックな媒体として動作し、入力された偏光は状態を保ったまま出力される。所望の電界を印加した場合は、半波長板として動作し、円偏光の回転方向を逆転させる。これにより、図9A~図9Cに示されたものと同様の機能を実現できる
図11は、この上記したスキャンを実施できるLidarの一実施例を示したものである。本Lidarは、構成としては前述した図2と同じ同軸系であるが、ステアリング素子に反射型のMEMSミラー8の代わりに、透過型の光ビームデジタルスキャニング素子90を用いている。
一方、Lidarの変調方式としては種々の方式が報告されている。本実施例では変調方式としてToF(Time of Flight)方式を用いている。本方式は光パルス9の送信(受光素子3による送信する光パルス9の受光)から光パルス10の受信(受光素子3による受光)までの時間差Tを測定することで、物体5までの距離dを、d=cT/2(ここで、cは光速)に従って、測定するものである。ただしTはLidar構成の光路長により適宜補正するものとする。
距離精度を上げるためには、連続した光短パルスを送信・受信できる電子回路、光学素子が必要となる。
図12は、光ビームデジタルスキャニング素子90を用いた別の実施例を示したものである。本変調方式は、光FMCW方式と呼ばれるもので、コヒーレンシーの良い、単一の狭い周波数で発信する半導体レーザ1を光源に用いる。
半導体レーザ1から発した矩形波24(時間的に矩形)の光は、光周波数変調器20を用いて周波数がチャープした矩形波25(時間的に周波数がLinearに変化しほぼ直線的に増加、減少する)に変換される。光周波数変調器20は、LiNbO3を用いた変調器などにより実現できるが、光周波数変調器20を用いなくても、半導体レーザ1に直接注入する電流を変化させることでも実現できる。周波数がチャープした矩形波25は2つのビームスプリッター4を通過した後、レンズ2を用いて所望の光ビームサイズのコリメート光に変換される。
その後、光ビームデジタルスキャニング素子90に入射し、所望のスキャンパターンで光ビーム6を走査し、物体5を照射する。物体5から反射した反射光7は、光ビームデジタルスキャニング素子90を通過後、ビームスプリッター4で反射し、ミキシング用のビームスプリッター41に入射する。
一方、ミキシング用のビームスプリッター41の左方向からは半導体レーザ1側から発し、ビームスプリッター4で分光され全反射ミラー27で反射した光が入射する。このように、ミキシング用のビームスプリッター41には、時間差Tで互いにシフトした2つの周波数チャープした矩形波25、戻り矩形波26がミキシング(足し合わせる)され、2つの受光素子3で受光される。
この2つの受光素子3の光量を調整することで、直流成分上にある微小な光交流信号を効率的に受信できる。2つの受光素子3からは、矩形波25、戻り矩形波26のミキシングにより発生するビート信号のビート周波数(fb)が得られ、これより物体5までの距離dが、d=C・fb /(4Δf・fm)より算出できる。ここで、Δfは、周波数チャープの変化量(Peak to Peak 周波数変位)であり、fmは周波数チャープの繰り返し変調周波数である。光FMCW方式は、ToF(Time of Flight)方式に比べ、光学素子が少し複雑になるが、高いS/N(信号対雑音比)を得ることができる。
以上、2つのLidar方式を説明したが、本発明で重要なことは、スキャニング素子に任意の点から任意の点まで任意の頻度、任意のパターンでプログラマブルにスキャンできる光ビームデジタルスキャニング素子90を用いていることである。本光ビームデジタルスキャニング素子は、MEMSミラーのような慣性ある物体を動かす必要がなく、図5に示したように、光ビームの照射位置を任意の点から別の任意の点まで、とびとびにジャンプさせることができる。
この動きは、例えばプログラム、あるいはハードウェア制御のような手段で自由に制御できるため、図10に示したように、従来技術では困難であった、信号機や先行車、対向車のような自動運転に重要な部分はより高密度・高頻度でスキャンし、空のような自動運転に重要でない部分はスパース的・低頻度でスキャンというような重みづけしたデジタルスキャンが可能となる。
図13は、図11で示したToF(Time of Flight)方式の別の実施例を示したものである。本Lidarでは、バルク型のビームスプリッター4の代わりに単一モードの光ファイバカプ22を用いて光を単一モード光ファイバ101に閉じ込めたAll Fiberで構成したものである。
また、高温で性能が劣化する半導体レーザ1や受光素子3などのエリアAと光ビームデジタルスキャニング素子90であるエリアBを約1mの単一モード光ファイバ101で繋いでいる。
一般に、Lidarを車に搭載する場合を考えると、前方のシーンを遠くまで計測するには、Lidarを高いところに配置することが望ましい。しかし、車の天井部分は太陽光の加熱などにより高温になりやすい。そこで、本実施例では、高温で性能が劣化しにくい光ビームデジタルスキャニング素子90を車の天井部に近いところに配置し、高温で性能が劣化しやすい半導体レーザ1や受光素子3、上述の光交流信号を処理する信号処理・制御部などのエリアAを車内の温度の低いところに配置でき、その間を約1mの単一モード光ファイバ101で繋ぐことで信頼性の高いLidarを実現できる。
また、単一モード光ファイバ101に閉じ込めた方式であるため、複雑な光軸調整が必要でなく、組立は光ファイバの接続のみで可能となり量産性に優れている。
図14は、図13で示した光FMCW方式を変形し、光を単一モード光ファイバ101に閉じ込めたAll Fiberで構成したものである。この効果についても、上記したものと同じである。
図16は、円偏波型偏波ダイバーシティ―71と同じ機能を持つ別の実施例である円偏光変換器を示す。本円偏光変換器72は、偏波面保存光ファイバ51、コリメート用のレンズ2、1/4波長板16より構成される。偏波面保存光ファイバ51の主軸(Fast軸 あるいは slow軸)に入射された直線偏光は、直線偏向状態を保存したまま出射し(ここでは、X軸上で振動する直線偏光としている)、レンズ2によってコリメートされる。1/4波長板16は、その複屈折軸がX軸から45°の方位に傾けてあり、1/4波長板16を通過した光は、図中に示すような右回りの円偏光となる。この円偏光変換器72を、スキャニング素子の前段に配置し、光ビームデジタルスキャニング素子90を実現してもよい。
図17は光ビームデジタルスキャニング素子の他の実施例である。図17に示される光ビームデジタルスキャニング素子は、偏光スイッチ91と偏光グレーティング92を張り合わせた基本ユニットを多段に張り合たせたものをX方向、Y方向用として2セット用いて、それぞれ互いに垂直に張り合わせ、それを楔ブロック93で点対称に挟んだものである。図17に例示される光ビームデジタルスキャニング素子の構成によれば、より小型化できる。楔ブロック93としては、シリコンやガラスを用いることができる。
図18A~図18Cは図15A~図15D(あるいは図17)に示される光ビームデジタルスキャニング素子を用いた場合の損失発生部を説明する図である。図18A~図18Cの例においては、一例として、図15A~図15Dに示される光ビームデジタルスキャニング素子を用いた場合を示している。図18Aは光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。図18Bは図18Aの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印(A)で示される方向から見た平面図である。図18Cは図18Aの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印(B)で示される方向から見た側面図である。偏光グレーティング92に光ビームが斜めに入射すると、図18Bおよび図18Cの一点鎖線で囲まれた損失発生部で損失が発生する。図19A~図19Cは偏光グレーティング92を6枚重ねて測定したときの入射角度θyと損失の関係を説明する図である。図19Cは、図19Aおよび図19Bに図示される入射角度θyを0°から30°まで変化させた際に測定された損失を示すグラフである。入射角度θyが10°程度では損失はほとんど発生しないが、角度をさらに大きくするとともに損失が増加する。ブルー相液晶からなる偏光スイッチ91を低電圧で駆動させるためには、大きな角度で入射する必要があるが、損失とトレードオフの関係となる。
図20A~図20Cは後段の損失発生部の損失を低減可能な光ビームデジタルスキャニング素子の構造の一例を説明する図である。図20Aは光ビームデジタルスキャニング素子の斜視図である。図20Bは図20Aの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印(A)で示される方向から見た平面図である。図20Cは図20Aの光ビームデジタルスキャニング素子を矢印(B)で示される方向から見た側面図である。図20A~図20Cに例示される光ビームデジタルスキャニング素子は、後段では、各光ビームが平行となるため、各光ビームでほぼ均一な損失を実現できる。
図21Aおよび図21Bは、斜めに光ビームを入射する際の損失を抑制することが可能な、新規な偏光グレーティングの一例を示したものである。図21Aは、本例の偏光グレーティング92の外観を示す図である。図21Bは、図21Aの一点鎖線で囲まれた部分を拡大表示する図である。図21Bに示されるように、偏光グレーティング92を構成する液晶ダイレクター98を斜め(α°)に配向させることで、光ビームが斜めに入射されても、液晶ダイレクター98には垂直に入射されることになり、損失を抑制することができる。
本発明は、高速道路および一般道における自動運転カーのレーン制御と衝突防止のために用いられるLidarおよびそれを用いた自動運転カーシステムおよびドライバー運転支援システムに利用することができる。
1:半導体レーザ
2:レンズ
3:受光素子
4:ビームスプリッター
5:物体
6:光ビーム
7:反射光
8:MEMSミラー
9:光パルス
10:光パルス
11:光スポット
12:信号機
13:背景(空)
14:先行車
15:対向車
16:半波長板
17:位相板
20:光周波数変調器
24:矩形波
25:周波数がチャープした矩形波(時間的に周波数がLinearに変化している)
26:25の戻り矩形波
31:単一モード光ファイバ
32:光ビーム
41:ミキシング用のビームスプリッター
71:円偏波型偏波ダイバーシティ―素子
90:光ビームデジタルスキャニング素子(エリアB)
91:偏光スイッチ素子
92:偏光グレーティング
93:楔ブロック
94:基本ユニット
95:ブルー相液晶
96:平板電極
97:透明電極
98:液晶ダイレクター
100:エリアA
101:単一モード光ファイバ
102:偏光ビームスプリッター
107:偏光回転素子
201:基本ユニット(Y方向)
202:基本ユニット(X方向
2:レンズ
3:受光素子
4:ビームスプリッター
5:物体
6:光ビーム
7:反射光
8:MEMSミラー
9:光パルス
10:光パルス
11:光スポット
12:信号機
13:背景(空)
14:先行車
15:対向車
16:半波長板
17:位相板
20:光周波数変調器
24:矩形波
25:周波数がチャープした矩形波(時間的に周波数がLinearに変化している)
26:25の戻り矩形波
31:単一モード光ファイバ
32:光ビーム
41:ミキシング用のビームスプリッター
71:円偏波型偏波ダイバーシティ―素子
90:光ビームデジタルスキャニング素子(エリアB)
91:偏光スイッチ素子
92:偏光グレーティング
93:楔ブロック
94:基本ユニット
95:ブルー相液晶
96:平板電極
97:透明電極
98:液晶ダイレクター
100:エリアA
101:単一モード光ファイバ
102:偏光ビームスプリッター
107:偏光回転素子
201:基本ユニット(Y方向)
202:基本ユニット(X方向
Claims (11)
- 入力された光の偏光状態に無依存に一定の偏光状態を有する光を出力するための偏波ダイバーシティ素子であって、半波長板となるような厚さであり、その複屈折のダイレクターがある周期Λで回転している偏光グレーティングを2枚用い、これらの偏光グレーティングを所望の間隔となるように配置し、その一方から任意の偏光状態(SOP:State of Polarization)を持つ、スポット径(直径)Woの光ビームを入射し、円偏光の回転方向に依存して分離出射された2つの右回り、左回りの円偏光のどちらか一方に、半波長板を挿入し、平行な近接する同じ回転方向の円偏光に変換して出力したことを特徴とする円偏光型偏波ダイバーシティ素子。
- 請求項1に記載の円偏光型偏波ダイバーシティ素子の後段に、前記円偏光の偏光状態をスイッチする素子と前記偏光グレーティングを重ねた構造を基本構成とし、その基本構成の前記偏光グレーティングの周期Λを適宜変えた構成を所望のセット数だけ多段に重ねたスキャニング素子を配置したことを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子。
- 請求項2に記載の光ビームデジタルスキャニング素子において、前記円偏光の偏光状態をスイッチする素子にポリマー安定化したブルー相液晶を2枚の透明電極が形成された基板で挟んだ構造の偏光スイッチ素子を用いたことを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子。
- 請求項3に記載の光ビームデジタルスキャニング素子において、前記偏光スイッチ素子の両側に高屈折率の透明な楔ブロックを点対称に配置したものに前記偏光グレーティングを貼り付けた構造を前記基本構成としてこれらを多段に配置した構成において、前記偏光スイッチ素子に対する電圧の印加の有、無の組み合わせにより出力される光ビームを用いてデジタル的にスキャニングすることを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子。
- 請求項3に記載の光ビームデジタルスキャニング素子において、前記偏光スイッチ素子と前記偏光グレーティングを貼り付けたものを基本構成として、これらを多段に張り合わせ、さらにその両側に高屈折率の透明な楔ブロックを点対称に配置した構成において、前記偏光スイッチ素子に対する電圧の印加の有、無の組み合わせにより出力される光ビームを用いてデジタル的にスキャニングすることを特徴とする光ビームデジタルスキャニング素子。
- 請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の光ビームデジタルスキャニング素子とさらに半導体レーザ、受光素子、レンズ、ビームスプリッターおよび信号処理・制御部から構成され、前記受光素子で受光する、前記光ビームデジタルスキャニング素子へ入力する前記光ビームの分光と、および、前記光ビームデジタルスキャニング素子から出力された前記光ビームで物体をスキャンして反射したその戻り光に基づいて、前記信号処理・制御部において前記光ビームデジタルスキャニング素子から前記物体までの距離を算出することを特徴とするLidar。
- 請求項6に記載のLidarにおいて、前記円偏光型偏波ダイバーシティ素子に入力される前記光ビームは連続した光短パルスからなり、かつ、前記光ビームの分光の受光から前記戻り光の受光までの時間差に基づいて前記物体までの距離を前記算出することを特徴とするLidar。
- 請求項6に記載のLidarにおいて、前記光ビームは、その光周波数が所望の繰り返し時間で、ほぼ直線的に増加、減少する矩形波であり、かつ、前記物体からの戻り光と前記出力する前記光ビームをミキシング(足し合わせる)することで発生するビート信号のビート周波数に基づいて、前記物体までの距離を前記算出することを特徴とするLidar。
- 請求項7あるいは請求項8のいずれか1項に記載のLidarにおいて、前記半導体レーザ、前記受光素子、前記光ビームデジタルスキャニング素子の間を、前記光ビームを空間に出すことなく単一モード光ファイバおよび単一光ファイバカプラで接続しことを特徴とするLidar。
- 請求項9に記載のLidarにおいて、前記半導体レーザ、前記受光素子、前記信号処理・制御部(エリアA)と、前記光ビームデジタルスキャニング素子(エリアB)を分割し、その間を1m以上の長さの単一モード光ファイバで繋いだことを特徴とするLidar。
- 請求項6乃至請求項10のいずれか1項に記載のLidarにおいて、さらに前記光ビームの照射位置を任意の重み付けでランダムに選択する手段を備え、前記照射位置のうちで重要な部分は高密度、高頻度でスキャンし、重要でない部分は低密度、低頻度でスキャンすることを特徴とするLidar。
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