JP2012163642A - 光偏向素子、レーザ装置及びセンシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易で、２方向において大きな偏向角を得ることができる光偏向素子を提供する。
【解決手段】 入射された光を、印加電圧に応じてＸＹ面内で偏向する周期分極反転構造体、及び周期分極反転構造体を通過した光を該光の進行方向を含みＸＹ面に直交する面内で偏向するグレーティングを有する光偏向ユニットが、ＸＹ面に直交する方向（Ｚ軸方向）に複数積み重ねられている。そして、該複数の光偏向ユニットにおける各グレーティングの溝周期は、互いに異なっている。この場合は、小型で、２方向において大きな偏向角で光を射出することができる。
【選択図】図１８

Description

本発明は、光偏向素子、レーザ装置及びセンシング装置に係り、さらに詳しくは、入射光を互いに交差する２つの面内で個別に偏向することができる光偏向素子、該光偏向素子を有するレーザ装置、該レーザ装置を備えるセンシング装置に関する。

従来、光を偏向する光偏向器として、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、音響光学素子及び電気光学素子などを使ったものが知られている。

ガルバノミラーを使った光偏向器は、高速での光走査が困難であるという不都合があった。

ポリゴンミラーを使った光偏向器は、高速での光走査が可能で、偏向角を大きくとれるという利点があるが、機械的な部分を有するため、振動や光学系の大型化が避けられなかった。

それに対し、音響光学素子及び電気光学素子を使った光偏向器は、機械的な部分を有していないため、振動や大型化の問題は生じない。

例えば、特許文献１には、基板上に形成された薄膜光導波路における音響光学効果と熱光学効果を利用して光の進行方向を２次元的に制御する２次元光偏向器が開示されている。

また、特許文献２には、基板上に形成された薄膜光導波路における音響光学効果、電気光学効果、及び熱光学効果を利用して光の進行方向を２次元的に制御する２次元光偏向器が開示されている。

また、特許文献３には、電気光学効果を有する光導波路と出射用プリズムとを有し、光ビームを第１の方向、及び第１の方向と交差する第２の方向に偏向する光偏向素子が開示されている。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示されている２次元光偏向器では、光導波路面内とは異なる方向への偏向角、すなわち射出角の変化量が極めて小さいという不都合があった。

また、特許文献３に開示されている光偏向素子では、高価なプリズムが必要となり、高コスト化を招くという不都合があった。また、プリズムの位置合わせを高精度に行う必要があるため、調整作業に時間がかかるという不都合があった。さらに、素子の集積化に適していないため、小型化が困難であるという不都合があった。

本発明はかかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、小型化が容易で、２方向において大きな偏向角を得ることができる光偏向素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高コスト化を招くことなく、小型でレーザ光の射出角を２次元的に大きく変化させることができるレーザ装置を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、高コスト化を招くことなく、小型で広い範囲をセンシングすることができるセンシング装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、光入射部と、該光入射部を介した光を印加電圧に応じて第１の面内で偏向する第１の偏向部と、前記第１の偏向部を通過した光を該光の進行方向を含み前記第１の面に直交する第２の面内で偏向するグレーティングを含む第２の偏向部とを有する光偏向ユニットが、前記第１の面に直交する方向に複数積み重ねられ、該複数の光偏向ユニットにおける各グレーティングの溝周期が互いに異なる光偏向素子である。

これによれば、小型化が容易で、２方向において大きな偏向角を得ることができる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明の光偏向素子と、前記光偏向素子の複数の光偏向ユニットにそれぞれ入射される光を射出する複数のレーザ光源と、前記複数の光偏向ユニットの各第１の偏向部に印加する電圧を制御する電圧制御装置と、を備えるレーザ装置である。

これによれば、本発明の光偏向素子を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型でレーザ光の射出角を２次元的に大きく変化させることができる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明のレーザ装置と、前記レーザ装置から射出され、物体で反射された光を受光する受光器と、前記レーザ装置からの光の射出方向及び前記受光器の出力信号に基づいて、前記物体の位置情報を求める信号処理装置と、を備えるセンシング装置である。

これによれば、本発明のレーザ装置を備えているため、結果として、高コスト化を招くことなく、小型で広い範囲をセンシングすることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザレーダを搭載した車両の外観図である。 本発明の一実施形態に係る前方監視装置の構成を説明するためのブロック図である。 レーザレーダの構成を説明するためのブロック図である。 図３における光源装置の構成を説明するための図である。 図３における光偏向素子の構成を説明するための図（その１）である。 図３における光偏向素子の構成を説明するための図（その２）である。 光偏向ユニットの構成を説明するための図である。 コア層における周期分極反転構造体及びグレーティングを説明するための図である。 図９（Ａ）〜図９（Ｄ）は、それぞれ、光偏向ユニットの作成方法を説明するための図（その１）である。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、それぞれ、光偏向ユニットの作成方法を説明するための図（その２）である。 図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、それぞれ、光偏向ユニットの作成方法を説明するための図（その３）である。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、それぞれ、光偏向ユニットの作成方法を説明するための図（その４）である。 図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、それぞれ、光偏向ユニットの作成方法を説明するための図（その５）である。 ３つの光偏向ユニットの積み重ねを説明するための図である。 ３つの光偏向ユニットに入射する光束を説明するための図である。 電圧制御装置からの電圧の印加を説明するための図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれ、ＸＹ平面内での光束の偏向を説明するための図であり、図１７（Ｃ）は、ＸＹ平面内での光束の偏向角を説明するための図である。 各グレーティングによる偏向を説明するための図である。 センシング制御装置による各半導体レーザの駆動制御を説明するための図である。 光偏向素子から射出される各光束の偏向面を説明するための図である。 電圧が印加されていないときの、ＸＹ面内での各光束の光路を説明するための図である。 ３つの光偏向ユニットがＹ軸方向に配置されているときに、３つの光偏向ユニットから射出される各光束の光路を説明するための図である。 音声・警報発生装置の構成を説明するためのブロック図である。 光源装置の変形例を説明するための図である。 受光器の変形例１を説明するための図である。 受光器の変形例２を説明するための図である。 受光器の変形例３を説明するための図である。 コア層の入射側にもグレーティングが形成されている例を説明するための図である。 図２８に対応する光源装置の一例を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２３に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るセンシング装置としての車載用のレーザレーダ２０を搭載した車両１の外観が示されている。

レーザレーダ２０は、一例として、車両１の前方のナンバープレート近傍に取り付けられている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、重力方向をＺ軸方向、車両１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

車両１の車内には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、主制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などを備えている。これらは、バス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、レーザレーダ２０、表示装置３０、主制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０によって、前方監視装置１０が構成されている。

レーザレーダ２０は、一例として図３に示されるように、光源装置２２０、電圧制御装置２３０、光偏向素子２４０、センシング制御装置３００、及び受光器３５０などを有している。

ここでは、光源装置２２０は、一例として図４に示されるように、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）、３つのカップリングレンズ（２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ）、集光レンズ２２５、及びシリンドリカルレンズ２２７を有している。

各半導体レーザは、波長が６５０ｎｍのレーザ光を＋Ｘ方向に射出する。

カップリングレンズ２２３ａは、半導体レーザ２２１ａから射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光とする。

カップリングレンズ２２３ｂは、半導体レーザ２２１ｂから射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光とする。

カップリングレンズ２２３ｃは、半導体レーザ２２１ｃから射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光とする。

以下では、便宜上、半導体レーザ２２１ａから射出された光束を「光束ＬＢａ」、半導体レーザ２２１ｂから射出された光束を「光束ＬＢｂ」、半導体レーザ２２１ｃから射出された光束を「光束ＬＢｃ」という。

集光レンズ２２５は、カップリングレンズ２２３ａを介した光束ＬＢａ、カップリングレンズ２２３ｂを介した光束ＬＢｂ、カップリングレンズ２２３ｃを介した光束ＬＢｃの光路上に配置されている。

シリンドリカルレンズ２２７は、集光レンズ２２５の＋Ｘ側に配置され、Ｚ軸方向に関して、集光レンズ２２５を介した光束ＬＢａ、光束ＬＢｂ及び光束ＬＢｃを集束する。

図３に戻り、光偏向素子２４０は、光源装置２２０の＋Ｘ側に配置されている。

この光偏向素子２４０は、一例として図５及び図６に示されるように、３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）を有している。各光偏向ユニットは、Ｘ軸方向の寸法（長さ）が異なっている。ここでは、光偏向ユニット２４０ａの長さＬａ＞光偏向ユニット２４０ｂの長さＬｂ＞光偏向ユニット２４０ｃの長さＬｃとなるように設定されている。

３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）は、＋Ｚ方向に、光偏向ユニット２４０ａ、光偏向ユニット２４０ｂ、光偏向ユニット２４０ｃの順で積層されている。そして、Ｘ軸方向に関して、各光偏向ユニットの−Ｘ側の端部の位置は、略一致している。

３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）は、それぞれ同様な構成を有している。そこで、３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）を区別する必要がないときは、それらを総称して光偏向ユニット２４０ｘという。

光偏向ユニット２４０ｘは、一例として図７に示されるように、基板２４１、接着剤２４２、下部電極２４３、下部クラッド層２４４、コア層２４５、上部クラッド層２４６、及び上部電極２４７などから構成されている。

コア層２４５は、ＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶の厚さが約１０μｍの板状部材である。

このコア層２４５は、一例として図８に示されるように、＋Ｘ側の端部近傍に、複数の溝が円弧状に形成されているグレーティング２６０を有している。該グレーティング２６０における凹部の幅と凸部の幅は同じである。また、凹部の深さは、５０ｎｍである。３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）では、グレーティング２６０の溝周期が互いに異なっている。ここでは、光偏向ユニット２４０ａでのグレーティング２６０の溝周期Λａ＞光偏向ユニット２４０ｂでのグレーティング２６０の溝周期Λｂ＞光偏向ユニット２４０ｃでのグレーティング２６０の溝周期Λｃとなるように設定されている。

また、コア層２４５は、Ｘ軸方向に関して、−Ｘ側端部からグレーティング２６０近傍にかけて周期分極反転構造体２５０を有している。

周期分極反転構造体２５０では、自発分極の方向が互いに反対である２つの領域（２５０ａ、２５０ｂ）が、ＸＹ断面において互いに反対形状のプリズム状に形成されている。

図７に戻り、上部クラッド層２４６は、厚さ１μｍのＴａＯ_５の層であり、コア層２４５における周期分極反転構造体２５０の＋Ｚ側に形成されている。

下部クラッド層２４４は、厚さ１μｍのＴａＯ_５の層であり、コア層２４５の−Ｚ側に形成されている。

上部電極２４７は、厚さ２００ｎｍのＴｉ（チタン）の層であり、上部クラッド層２４６の＋Ｚ側に形成されている。

下部電極２４３は、厚さ２００ｎｍのＴｉ（チタン）の層であり、下部クラッド層２４４の−Ｚ側に形成されている。

基板２４１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の基板である。この基板２４１は、接着剤２４２によって、下部電極２４３と接着されている。

ここでは、コア層２４５及び基板２４１に同じ材料を用いているため、熱膨張の影響（はく離）を低減させることができる。

次に、この光偏向ユニット２４０ｘの作成方法について、簡単に説明する。

（１）周期分極反転構造体２５０を有するコア層２４５を準備する（図９（Ａ）〜図９（Ｃ）参照）。なお、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

（２）コア層２４５の＋Ｚ側の面に、下部クラッド層２４４を成膜する（図９（Ｄ）参照）。

（３）下部クラッド層２４４の表面に、下部電極２４３を成膜する（図１０（Ａ）参照）。なお、ここで下部電極２４３が成膜されたものを、以下では、便宜上、「一次積層体」という。

（４）基板２４１を準備し、該基板２４１の表面に接着剤２４２を塗布する（図１０（Ｂ）参照）。

（５）該接着剤２４２の上に、上記一次積層体を上下反転し、その下部電極２４３を下にして載置する（図１０（Ｃ）参照）。なお、基板２４１と一次積層体とが接着剤２４２によって接合されたものを、以下では、便宜上、「二次積層体」という。

（６）接着剤２４２が硬化すると、上記二次積層体を上下反転させ、コア層２４５の他側の面を下にする（図１１（Ａ）参照）。

（７）二次積層体におけるコア層２４５の他側の面を研磨し、コア層２４５の厚さを約１０μｍとする（図１１（Ｂ）参照）。

（８）二次積層体を上下反転させ、コア層２４５の他側の面にフォトレジシトＰＲを塗布する（図１１（Ｃ）参照）。

（９）電子線描画装置を用いて、フォトレジシトＰＲ上にグレーティング用のパターンを描画する。このとき、光偏向ユニット２４０ａのときは溝周期がΛａとなるようにパターンが描画され、光偏向ユニット２４０ｂのときは溝周期がΛｂとなるようにパターンが描画され、光偏向ユニット２４０ｃのときは溝周期がΛｃとなるようにパターンが描画される。具体的には、Λａ＝５００ｎｍ、Λｂ＝４２０ｎｍ、Λｃ＝３５０ｎｍ、とした。なお、露光装置を用いて、グレーティング用のパターンをフォトレジシトＰＲ表面に転写しても良い。

（１０）フォトレジシトＰＲに対して所定の処理を行い、エッチングマスクとする（図１２（Ａ）参照）。なお、ここでは、レジストパターンをエッチングマスクとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、レジストパターンに金属を蒸着し、リフトオフによって金属パターンを形成し、該金属パターンをエッチングマスクとしても良い。

（１１）エッチングマスクを介して、コア層２４５の他側の面をドライエッチングする（図１２（Ｂ）参照）。

（１２）エッチングマスクを除去する（図１２（Ｃ）参照）。これにより、グレーティング２６０が形成される。

（１３）コア層２４５の他側の面におけるグレーティング２６０を除く部分に、上部クラッド層２４６を成膜する（図１３（Ａ）参照）。

（１４）上部クラッド層２４６の表面に、上部電極２４７を成膜する（図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）参照）。これにより、光偏向ユニット２４０ｘとなる。

そして、このようにして個別に作成された３つの光偏向ユニット（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）を、一例として図１４に示されるように接着剤で接着し、光偏向素子２４０とする。

光偏向素子２４０は、光源装置２２０から射出された光束ＬＢａが光偏向ユニット２４０ａのコア層２４５に入射され、光束ＬＢｂが光偏向ユニット２４０ｂのコア層２４５に入射され、光束ＬＢｃが光偏向ユニット２４０ｃのコア層２４５に入射されるように位置決めされている（図１５参照）。すなわち、各コア層２４５が光導波路である。

電圧制御装置２３０は、センシング制御装置３００の指示に基づいて、各光偏向ユニットの上部電極２４７に個別に電圧を印加する（図１６参照）。なお、各光偏向ユニットの下部電極２４３は、それぞれグラウンド接続されている。

各光偏向ユニットの上部電極２４７に電圧が印加されると、周期分極反転構造体２５０における領域２５０ａと領域２５０ｂとの間に屈折率差が生じる。この屈折率差Δｎは、次の（１）式で示される。ここで、ｒはポッケルス定数、ｎはコア層２４５の材料の屈折率、ｄはコア層２４５の厚さ、Ｖは印加電圧である。

Δｎ＝−１／２・ｒ・ｎ^３・Ｖ／ｄ ……（１）

そこで、コア層２４５に光源装置２２０からの光束が入射しているときに、電圧制御装置２３０から上部電極２４７に電圧が印加されると、光束は印加電圧に応じてＸＹ平面内で偏向される。

例えば、Ｖ＝＋１５０［Ｖ］のときは、一例として図１７（Ａ）に示されるように、光束は＋Ｙ側に偏向される。

また、Ｖ＝−１５０［Ｖ］のときは、一例として図１７（Ｂ）に示されるように、光束は−Ｙ側に偏向される。

このように、例えば、上部電極２４７に−１５０［Ｖ］〜＋１５０［Ｖ］の電圧を印加すると、ＸＹ平面内において、偏向角（ふれ角）θｘ＝１０°で光束を偏向することができる（図１７（Ｃ）参照）。なお、波長が異なることによるＸＹ平面内での偏向方向の違いは、本実施形態で使用する波長の差異ではほとんどない。

周期分極反転構造体２５０を通過した光束は、グレーティング２６０によって、該光束の進行方向を含みＸＹ面に直交する面内で偏向される。このときのＺ軸方向に対する角度θｚは、次の（２）式で示される。ここで、ｎ（ａ）はグレーティング２６０の周辺（ここでは、空気）の屈折率、Ｎはコア層２４５の実効屈折率、ｑは回折の次数、λは光束の波長、Λはグレーティング２６０の溝周期である。

ｎ（ａ）・ｓｉｎθｚ＝Ｎ＋ｑ・λ／Λ ……（２）

例えば、λ＝６５０ｎｍ、Ｎ＝２．２、ｑ＝−１とすると、Λ＝５００ｎｍでは、θｚ＝６４°、Λ＝４２０ｎｍでは、θｚ＝４１°、Λ＝３５０ｎｍでは、θｚ＝２０°となる。

すなわち、Ｙ軸方向からみたとき、光偏向ユニット２４０ａに入射した光束ＬＢａは、ＹＺ面に対して＋Ｘ側に６４°（図１８におけるθａ）傾斜した方向に射出される。また、光偏向ユニット２４０ｂに入射した光束ＬＢｂは、ＹＺ面に対して＋Ｘ側に４１°（図１８におけるθｂ）傾斜した方向に射出される。さらに、光偏向ユニット２４０ｃに入射した光束ＬＢｃは、ＹＺ面に対して＋Ｘ側に２０°（図１８におけるθｃ）傾斜した方向に射出される。従って、ＸＺ平面内での偏向角（ふれ角）は４４°（＝６４°−２０°）である。

センシング制御装置３００は、光源装置２２０の３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）が順に点灯するように、それぞれの駆動信号を制御する（図１９参照）。同時に、センシング制御装置３００は、各半導体レーザの点灯タイミング及び消灯タイミングに関する情報（タイミング情報）を、電圧制御装置２３０に通知する。

電圧制御装置２３０は、上記タイミング情報に基づいて、印加電圧Ｖを制御する。ここでは、各半導体レーザについて、該半導体レーザが点灯している時間内に印加電圧Ｖを−１５０［Ｖ］→＋１５０［Ｖ］あるいは＋１５０［Ｖ］→−１５０［Ｖ］に変化させる。これにより、光偏向素子２４０から射出される光束を、ＸＹ平面内では偏向角（ふれ角）１０°で、ＸＺ平面内では偏向角（ふれ角）４４°で、２次元的に偏向することができる（図２０参照）。

そこで、光偏向素子２４０は、車両１の前方における広い領域に光束を射出することができる。

ところで、電圧制御装置２３０から上部電極２４７に電圧が印加されていないときに、図２１に示されるように、Ｚ軸方向からみたとき、各光偏向ユニットから射出された光束の光路が略一致するように、３つの光偏向ユニットを積層する際に調整されている。この場合、コア層２４５内での偏向の中心が各光偏向ユニット間で一致しているため、各上部電極２４７に印加される電圧を同じにすれば、各光偏向ユニットから射出される光束のＹ軸方向に関する位置を一致させることができる。

仮に、図２２に示されるように、３つの光偏向ユニットをＹ軸方向に沿って配置した場合には、光偏向ユニット間でＹ軸方向に関する射出位置が異なるため、各光偏向ユニットから射出される光束のＹ軸方向に関する位置合わせが難しくなり、また投射距離により調整が必要になる。

また、本実施形態では、３つの光偏向ユニットを重ね合わせているため、光偏向素子の占有面積を小さくすることができ、レーザレーダ２０の小型化に好適である。これは、光偏向素子における光偏向ユニットの数が増えるほど効果が高くなる。

受光器３５０は、光偏向素子２４０から射出され、車両１の前方にある物体（例えば、他の車両）で反射された光束を受光する。受光器３５０は、受光量に応じた信号（光電変換信号）を生成し、センシング制御装置３００に出力する。

センシング制御装置３００は、そのときに点灯している半導体レーザ及びそのときの印加電圧Ｖから光束の射出方向を求め、該射出方向と受光器３５０からの信号とに基づいて、物体の大きさ、車両１に対する物体の位置などを求める。ここで得られたデータは、時間情報とともに監視データとしてメモリ５０に格納される。

主制御装置４０は、メモリ５０に格納されている監視データに基づいて、車両１の前方に物体があるか否か、物体があるときにその物体が移動しているか否か、該物体が移動しているときにはその移動方向及び移動速度を求める。そして、その情報を表示装置３０に表示する。

また、主制御装置４０は、危険があると判断すると、音声・警報発生装置６０にアラーム情報を出力する。

音声・警報発生装置６０は、一例として図２３に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、主制御装置４０からアラーム情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。

警報信号生成装置６２は、主制御装置４０からアラーム情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る前方監視装置１０によって、本発明のセンシング装置が構成されている。そして、センシング制御装置３００によって、本発明のセンシング装置における信号処理装置が構成されている。また、主制御装置４０と音声・警報発生装置６０とによって、本発明のセンシング装置における監視制御装置が構成されている。

また、光源装置２２０、電圧制御装置２３０、光偏向素子２４０、及びセンシング制御装置３００によって、本発明のレーダ装置が構成されている。そして、センシング制御装置３００によって、本発明のレーダ装置における光源制御装置が構成されている。

以上説明したように、本実施形態に係る光偏向素子２４０によると、入射された光を、印加電圧に応じてＸＹ面内（第１の面内）で偏向する周期分極反転構造体２５０（第１の偏向部）、及び周期分極反転構造体２５０を通過した光を該光の進行方向を含みＸＹ面に直交する面内（第２の面内）で偏向するグレーティング２６０（第２の偏向部）を有する光偏向ユニットが、ＸＹ面に直交する方向（Ｚ軸方向）に複数積み重ねられている。そして、該複数の光偏向ユニットにおけるグレーティング２６０の溝周期は、互いに異なっている。

この場合は、小型で、２方向において大きな偏向角で光を射出することができる。また、ＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶の板状部材であるコア層２４５に周期分極反転構造体２５０とグレーティング２６０を設けることが容易にできる。すなわち、集積化が容易で、光導波路面に交差する面内で大きな偏向角を得ることができる。

また、周期分極反転構造体２５０を有するコア層２４５に、グレーティング２６０が形成されているため、周期分極反転構造体２５０とグレーティング２６０の位置合わせが不要である。

また、特許文献２（特開昭５８−１３０３２７号公報）と異なり、光をＸＺ面内で偏向させるのに、外部から電力を供給する必要はない。すなわち、低消費電力で光を２次元的に偏向することができる。

また、光偏向素子２４０からの射出角は、点灯させる光源を切り替えることにより変更することができるため、非常に高速で光偏向素子２４０からの射出角を制御することができる。

また、電圧制御装置２３０からの印加電圧と点灯させる光源を指定することにより、光偏向素子２４０から射出される光の射出方向を非常に高速で任意の方向に向けることができる。

また、電圧制御装置２３０からの印加電圧と点灯させる光源を制御することにより、指定された範囲内に光を射出することができる。

また、本実施形態に係る前方監視装置１０によると、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）を有する光源装置２２０と、該光源装置２２０からの光が入射される光偏向素子２４０と、該光偏向素子２４０の各上部電極２４７に印加する電圧を個別に制御する電圧制御装置２３０とを備えている。そこで、小型でレーザ光の射出角を２次元的に大きく変化させることができる。

また、本実施形態に係る前方監視装置１０によると、光偏向素子２４０から射出され、物体で反射された光を受光する受光器３５０と、光偏向素子２４０からの光の射出方向及び受光器３５０の出力信号に基づいて、物体の位置情報を求めるセンシング制御装置３００とを備えている。この場合は、高コスト化を招くことなく、小型で広い範囲をセンシングすることができる。

また、指定した方向及び指定した範囲に光偏向素子２４０から光を射出することができるため、危険が予想される範囲を重点的にセンシングすることが可能である。

なお、上記実施形態において、一例として図２４に示されるように、前記３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）に代えて、３つの発光部を有する半導体レーザ２２１を用いても良い。そして、３つのカップリングレンズ（２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ）に代えて、それらが一体化されたカップリングレンズ２２３を用いても良い。

また、上記実施形態では、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）から射出されるレーザ光の波長が同じ場合について説明したが、これに限定されるものではなく、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）から射出されるレーザ光の波長が互いに異なっていても良い。

この場合には、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）が同時に点灯されても良い。但し、この場合には、前記受光器３５０に代えて、一例として図２５に示されるように、波長毎に受光素子を備えた受光器３５０Ａが用いられる。この受光器３５０Ａは、３つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１、ＢＰＦ２、ＢＰＦ３）及び３つの受光素子（ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３）を有している。

バンドパスフィルタＢＰＦ１は、半導体レーザ２２１ａから射出されるレーザ光の波長λ１と中心波長が同じ狭帯域のバンドパスフィルタであり、バンドパスフィルタＢＰＦ２は、半導体レーザ２２１ｂから射出されるレーザ光の波長λ２と中心波長が同じ狭帯域のバンドパスフィルタであり、バンドパスフィルタＢＰＦ３は、半導体レーザ２２１ｃから射出されるレーザ光の波長λ３と中心波長が同じ狭帯域のバンドパスフィルタである。

受光素子ＰＤ１は、バンドパスフィルタＢＰＦ１を透過した光束を受光し、受光素子ＰＤ２は、バンドパスフィルタＢＰＦ２を透過した光束を受光し、受光素子ＰＤ３は、バンドパスフィルタＢＰＦ３を透過した光束を受光する。

この場合は、センシング制御装置３００での前記監視データの取得の高速化を図ることができる。

さらに、この場合に、前記３つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１、ＢＰＦ２、ＢＰＦ３）に代えて、一例として図２６に示されるように、回折格子３５１を用いても良いし、一例として図２７に示されるように、プリズム３５２を用いても良い。

また、この場合に、３つの半導体レーザ（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）に代えて、射出される光束の波長を変化させることができる波長可変レーザを用いても良い。波長可変レーザとしては、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ、Ｌｉｔｔｒｏｗ構成の波長可変レーザなどが使用可能であるが、電流制御及び温度制御が可能なＤＦＢレーザあるいはＤＢＲレーザが好ましい。このとき、波長可変レーザから射出される波長λ１の光を光偏向ユニット２４０ａに導光し、波長λ２の光を光偏向ユニット２４０ｂに導光し、波長λ３の光を光偏向ユニット２４０ｃに導光する光学系を有することとなる。

また、上記実施形態では、光偏向素子２４０がＺ軸方向に積み重ねられた３つの光偏向ユニットを有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光偏向素子２４０がＺ軸方向に積み重ねられた４つ以上の光偏向ユニットを有し、各光偏向ユニットにおけるグレーティングの溝周期が互いに異なっていれば、さらに広い範囲をセンシングすることができる。

また、上記実施形態では、周期分極反転構造体２５０における自発分極の方向が互いに反対である２つの領域（２５０ａ、２５０ｂ）がプリズム状の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、印加電圧に応じて光を光導波路面内で偏向することができれば良い。

また、上記実施形態では、上部電極２４７への印加電圧が、−１５０［Ｖ］〜＋１５０［Ｖ］の場合について説明したが、これに限定されるものではない。周期分極反転構造体２５０の特性、及び必要な偏向角に応じて、上部電極２４７への印加電圧を設定すれば良い。

また、上記実施形態では、Λ１＝５００ｎｍ、Λ２＝４２０ｎｍ、Λ３＝３５０ｎｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。ＸＺ平面内での必要な偏向角（ふれ角）に応じて設定することができる。

また、上記実施形態において、一例として図２８に示されるように、各光偏向ユニットのコア層２４５における＋Ｚ側の面の−Ｙ側端部に、前記グレーティング２６０とは別にグレーティング２６１が設けられても良い。

この場合は、一例として図２９に示されるように、３つの光源（２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ）から射出された光は、対応するカップリングレンズ（２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ）及び集光レンズ（２２５ａ、２２５ｂ、２２５ｃ）を介して、対応する光偏向ユニットのグレーティング２６１に入射され、光導波路にカップリングされる。

また、上記実施形態では、前方監視装置１０が１つのレーザレーダ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。車両の大きさ、監視領域などに応じて、複数のレーザレーダ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、レーザレーダ２０が車両の進行方向（前方）を監視する前方監視装置１０に用いられた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、車両の後方を監視する装置に用いられても良い。

さらに、レーザレーダ２０は、車載用以外のセンシング装置にも用いることができる。この場合には、主制御装置４０は、センシングの目的に応じたアラーム情報を出力する。

また、レーザレーダ２０は、センシング装置以外の用途（例えば、計測装置）にも用いることができる。

また、光偏向素子２４０は、レーザレーダ以外の用途（例えば、医療用装置）にも用いることができる。

以上説明したように、本発明の光偏向素子によれば、小型化が容易で、２方向において大きな偏向角を得るのに適している。また、本発明のレーザ装置によれば、小型でレーザ光の射出角を２次元的に大きく変化させるのに適している。また、本発明のセンシング装置によれば、高コスト化を招くことなく、小型で広い範囲をセンシングするのに適している。

１…車両、１０…前方監視装置（センシング装置）、２０…レーザレーダ、４０…主制御装置（監視制御装置の一部）、５０…メモリ、６０…音声・警報発生装置（監視制御装置の一部）、２２１ａ〜２２１ｃ…半導体レーザ（レーザ光源）、２３０…電圧制御装置、２４０…光偏向素子、２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ…光偏向ユニット、２５０…周期分極反転構造体（第１の偏向部）、２６０…グレーティング（第２の偏向部）、３００…センシング制御装置（光源制御装置、信号処理装置）。

特開昭５８−１２５０２３号公報 特開昭５８−１３０３２７号公報 特開２０００−３３０１４３号公報

図７に戻り、上部クラッド層２４６は、厚さ１μｍのＴａ _２ Ｏ_５の層であり、コア層２４５における周期分極反転構造体２５０の＋Ｚ側に形成されている。

下部クラッド層２４４は、厚さ１μｍのＴａ _２ Ｏ_５の層であり、コア層２４５の−Ｚ側に形成されている。

Claims (15)

1. 光入射部と、該光入射部を介した光を印加電圧に応じて第１の面内で偏向する第１の偏向部と、前記第１の偏向部を通過した光を該光の進行方向を含み前記第１の面に直交する第２の面内で偏向するグレーティングを含む第２の偏向部とを有する光偏向ユニットが、前記第１の面に直交する方向に複数積み重ねられ、該複数の光偏向ユニットにおける各グレーティングの溝周期が互いに異なる光偏向素子。
2. 前記複数の光偏向ユニットにおいて、各第１の偏向部に電圧が印加されていないとき、あるいは同一の電圧が印加されているとき、
   前記複数の光偏向ユニットにおいて、各第１の偏向部を通過する光の光路は、前記第１の面に直交する方向からみたとき、互いに略一致していることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記各光偏向ユニットにおいて、前記第１の偏向部と前記第２の偏向部は、同一基板上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向素子。
4. 前記第１の偏向部は、周期分極反転構造を有する構造体、及び該構造体に電圧を印加するための電極を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光偏向素子。
5. 前記各光偏向ユニットにおいて、前記光入射部の表面に前記第２の偏向部のグレーティングとは別のグレーティングが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光偏向素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光偏向素子と、
   前記光偏向素子の複数の光偏向ユニットにそれぞれ入射される光を射出する複数のレーザ光源と、
   前記複数の光偏向ユニットの各第１の偏向部に印加する電圧を制御する電圧制御装置と、を備えるレーザ装置。
7. 前記複数のレーザ光源から射出された複数の光を、対応する光偏向ユニットの光入射部に導く光学系を備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記複数のレーザ光源は、互いに同じ波長の光を射出することを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ装置。
9. 前記複数のレーザ光源を１つずつ順次点灯させる光源制御装置を備えることを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記複数のレーザ光源は、互いに波長が異なる光を射出することを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ装置。
11. 前記複数のレーザ光源を同時に点灯させる光源制御装置を備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
12. 請求項６〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から射出され、物体で反射された光を受光する受光器と、
    前記レーザ装置からの光の射出方向及び前記受光器の出力信号に基づいて、前記物体の位置情報を求める信号処理装置と、を備えるセンシング装置。
13. 前記物体の位置情報を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１２に記載のセンシング装置。
14. 前記物体の位置情報を保存するメモリを備えることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のセンシング装置。
15. 車両に搭載され、
    前記物体の位置情報に基づいて危険があると判断すると、アラーム情報を出力する監視制御装置を備えることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のセンシング装置。