JP6953754B2 - レーザ走査装置 - Google Patents

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、積層された第１及び第２液晶パネルを含み、前記光源からのレーザ光を屈折させる偏向素子とを具備する。前記第１液晶パネルは、第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板にそれぞれ設けられかつ互いに対向する第１及び第２電極と、前記第１及び第２基板間に充填された第１液晶層とを含む。前記第２液晶パネルは、第３及び第４基板と、前記第３及び第４基板にそれぞれ設けられかつ互いに対向する第３及び第４電極と、前記第３及び第４基板間に充填された第２液晶層とを含む。前記レーザ光を走査する第１方向において、前記第１電極は、前記第３電極より長い。

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。

実施形態に係るレーザ走査装置のブロック図。 偏向素子に含まれる１つの液晶パネルの平面図。 図２のＡ−Ａ´線に沿った偏向素子の断面図。 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。 レーザ走査装置の走査領域ＡＲを説明する図。 第１例に係る偏向素子の動作を説明する断面図。 第２例に係る偏向素子の動作を説明する断面図。 第３例に係る偏向素子の動作を説明する断面図。 第４例に係る偏向素子の動作を説明する断面図。 第５例に係る偏向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。

［１］ レーザ走査装置の構成
図１は、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（例えば、波長λ＝９０５ｎｍ）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、偏向素子１２、受光素子１３、パルスタイミング制御部１４、偏向角制御部１５、距離演算部１６、及び主制御部１７を備える。

光源１１は、偏向素子１２に向けて、レーザ光を発生（発光）する。レーザ光としては、赤外線レーザ（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。

偏向素子１２は、光源１１からのレーザ光を受け、レーザ光を走査、すなわちレーザ光の出射角を時分割で変える。これにより、対象物２に対して複数点のレーザ光を照射することができる。偏向素子１２は、積層された複数の液晶パネルを備える。偏向素子１２の具体的な構成については後述する。

受光素子（検出回路）１３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１３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１３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１４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を発光する。パルスタイミング制御部１４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。

偏向角制御部１５は、偏向素子１２の動作を制御する。偏向角制御部１５は、偏向素子１２に含まれる複数の電極に複数の電圧を印加する。偏向素子１２に供給される電圧は、交流電圧である。偏向角制御部１５は、偏向素子１２の屈折率の勾配を制御することで、偏向素子１２から出射されるレーザ光の偏向角を制御する。

距離演算部１６は、パルスタイミング制御部１４からタイミング情報を受け、偏向角制御部１５から偏向角の情報を受け、受信し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１３から受ける。距離演算部１６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１６は、偏向角の情報を用いて、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１６は、偏向角の情報を用いて、対象物の相対座標を算出する。距離演算部１６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１７は、レーザ走査装置１０の全体動作を統括的に制御する。

［２］ 偏向素子１２の構成
次に、偏向素子１２の構成について説明する。図２は、偏向素子１２に含まれる１つの液晶パネル２０−１の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ´線に沿った偏向素子１２の断面図である。

偏向素子１２は、複数の液晶パネル２０を備える。本実施形態では、偏向素子１２が３個の液晶パネル２０−１〜２０−３を備える構成例について説明する。液晶パネル２０の数は、３個に限定されず、２個以上であればよい。

液晶パネル２０−１〜２０−３は、順に積層され、互いに透明な接着材（図示せず）によって接着される。なお、本実施形態の説明では、複数の液晶パネル２０−１〜２０−３を特に区別する必要がない場合は、枝番号を省略して記載し、この枝番号なしの参照符号に関する説明は、複数の液晶パネル２０−１〜２０−３の各々に共通する。他の枝番号付きの参照符号についても同様に扱われる。

液晶パネル２０−１は、透過型の液晶パネルである。液晶パネル２０−１は、対向配置された基板２１−１、２２−１と、基板２１−１、２２−１間に挟持された液晶層２３−１とを備える。基板２１−１、２２−１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２１−１は、光源１１に対向配置され、光源１１からのレーザ光は、基板２１−１側から液晶層２３−１に入射する。

液晶層２３−１は、基板２１−１、２２−１間に充填される。具体的には、液晶層２３−１は、基板２１−１、２２−１と、シール材２４−１とによって包囲された領域内に封入される。シール材２４−１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２１−１及び／又は基板２２−１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２３−１を構成する液晶材料は、基板２１−１、２２−１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。本実施形態の液晶パネル２０−１は、例えばホモジニアスモードである。すなわち、液晶層２３−１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、液晶分子は、電圧（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配向する。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（ダイレクタ）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。傾斜角の大きさは、印加される実効電圧に応じて変化する。液晶層の初期配向は、液晶層２３−１を挟むようにして基板２１−１、２２−１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、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、電界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、他の駆動方式を用いてもよく、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、かつ６０度〜１２０度にねじれ配向したＴＮ（Twisted Nematic）モードなどを用いてもよい。

基板２１−１の液晶層２３−１側には、第１電極２５−１、及び第２電極２６−１が設けられる。第１電極２５−１のＸ方向の長さは、予め決められており、第２電極２６−１のＸ方向の長さは、予め決められている。第１電極２５−１及び第２電極２６−１のＹ方向の長さはそれぞれ、任意に設定可能である。第１電極２５−１と第２電極２６−１とのＸ方向における間隔は、液晶パネル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。

また、シール材２４−１で囲まれた液晶領域（第１電極２５−１及び第２電極２６−１を合計した領域に概略対応する）は、透過するレーザ光の幅に応じて最適に設定され、少なくともレーザ光の幅より大きく設定される。第１電極２５−１と第２電極２６−１とは、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。

基板２２−１の液晶層２３−１側には、第３電極２７−１、及び第４電極２８−１が設けられる。第３電極２７−１は、第１電極２５−１と対向し、第４電極２８−１は、第２電極２６−１と対向する。第３電極２７−１のサイズは、第１電極２５−１のサイズと概略同じであり、平面視において、第３電極２７−１は、第１電極２５−１に重なるように配置される。第４電極２８−１のサイズは、第２電極２６−１のサイズと概略同じであり、平面視において、第４電極２８−１は、第２電極２６−１に重なるように配置される。第３電極２７−１と第４電極２８−１とは、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。

第１電極２５−１、第２電極２６−１、第３電極２７−１、及び第４電極２８−１はそれぞれ、任意に位置において配線（図示せず）を用いて液晶パネル２０−１の外部に引き出され、偏向角制御部１５に電気的に接続される。第１電極２５−１、第２電極２６−１、第３電極２７−１、及び第４電極２８−１はそれぞれ、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。

液晶パネル２０−１と同様に、液晶パネル２０−２は、基板２１−２、２２−２、液晶層２３−２、シール材２４−２、第１電極２５−２、第２電極２６−２、第３電極２７−２、及び第４電極２８−２を備える。また、液晶パネル２０−３は、基板２１−３、２２−３、液晶層２３−３、シール材２４−３、第１電極２５−３、第２電極２６−３、第３電極２７−３、及び第４電極２８−３を備える。

第１電極２５−１、第１電極２５−２、及び第１電極２５−３は、互いにＸ方向の長さが異なる。第１電極２５−２の長さは、第１電極２５−１の長さより短く、第１電極２５−３の長さは、第１電極２５−２の長さより短い。換言すると、第１電極２５−１、第１電極２５−２、及び第１電極２５−３は、一端側（図３の右端）が揃った状態で、この順に短くなるように階段状に形成される。第３電極２７−１〜２７−３の関係は、第１電極２５−１〜２５−３の関係と同じである。

第２電極２６−１、第２電極２６−２、及び第２電極２６−３は、互いにＸ方向の長さが異なる。第２電極２６−２の長さは、第２電極２６−１の長さより長く、第２電極２６−３の長さは、第２電極２６−２の長さより長い。換言すると、第２電極２６−１、第２電極２６−２、及び第２電極２６−３は、一端側（図３の左端）が揃った状態で、この順に長くなるように逆階段状に形成される。第４電極２８−１〜２８−３の関係は、第２電極２６−１〜２５−３の関係と同じである。

図３に示すような電極構造にすることで、３つの液晶パネル２０−１〜２０−３が積層された偏向素子１２全体で見た場合に、屈折率の勾配を容易に形成することができる。

なお、第１電極２５−１〜２５−３及び第３電極２７−１〜２７−３を逆階段状に形成し、第２電極２６−１〜２６−３及び第４電極２８−１〜２８−３を階段状に形成してもよい。このような電極構造でも、図３と同じ動作が実現できる。

また、液晶パネル２０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２０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に含まれる光源１１及び偏向素子１２は、角度θの範囲でレーザ光を送信する。受光素子１３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θ＝１０度、距離Ｌ＝１０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝１．７ｍであり、角度θ＝１０度、距離Ｌ＝５０ｍである場合は、走査範囲Ｒ＝８．７ｍである。角度θ、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１４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１６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。

図６は、レーザ走査装置１０の走査領域ＡＲを説明する図である。光源１１及び偏向素子１２を含むレーザ走査装置１０は、所定距離（距離Ｌ）だけ離れた走査領域ＡＲを走査可能である。図６の丸は、レーザ走査装置１０が送信するレーザ光の走査点ＳＰ（図５の１つのパルスに相当する）を表している。図６に示すように、レーザ走査装置１０がレーザ光を送信する周期は、予め決まっている。１つの走査領域ＡＲに対応する１つのフレームは、所定数の走査点ＳＰによって走査される。走査方向は、例えば、垂直方向（図６の下側）である。すなわち、右から左に向かって、複数の列を垂直方向に順に走査する。そして、時分割で、複数のフレームが順次取得される。主制御部１７は、予め決められた動作モードに従って、走査領域ＡＲのサイズ、及び走査方向を設定する。

［３−２］ 偏向素子１２の動作
次に、偏向素子１２の動作について説明する。偏向角制御部１５は、偏向素子１２を駆動するために、液晶パネル２０−１〜２０−３に含まれる第１電極２５−１〜２５−３、第２電極２６−１〜２６−３、第３電極２７−１〜２７−３、及び第４電極２８−１〜２８−３に電圧を印加する。

図７は、第１例に係る偏向素子１２の動作を説明する断面図である。第１例は、レーザ光を屈折させない動作である。

偏向角制御部１５は、第１電極２５、第２電極２６、第３電極２７、及び第４電極２８に０Ｖを印加する。或いは、偏向角制御部１５は、第１電極２５、第２電極２６、第３電極２７、及び第４電極２８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。

偏向素子１２は、光源１１からレーザ光（赤外線レーザ）を受ける。液晶パネル２０−１〜２０−３の液晶層の各々において、液晶分子は、概略水平方向に配向している。よって、偏向素子１２に屈折率の勾配が生じず、偏向素子１２から出射するレーザ光は、ほとんど屈折しない。図７の小さい矢印の長さは、偏向素子１２の複数の部分領域におけるレーザ光の位相の様子を模式的に示している。

図８は、第２例に係る偏向素子１２の動作を説明する断面図である。第２例は、レーザ光を左側に出射角θ１（＞０）で屈折させる動作である。

偏向角制御部１５は、液晶パネル２０−１〜２０−３の各々において、第１電極２５と第３電極２７との間に実効電圧Ｖ１（＞０）を印加する。実効電圧Ｖ１は、液晶分子が垂直に配向する電圧（液晶の閾値電圧）より低い電圧である。実効電圧Ｖ１は、交流電圧である。これにより、第１電極２５と第３電極２７との間では、液晶分子は、斜め方向に配向する。実効電圧Ｖ１の大きさを変えることで、液晶分子の傾きを任意に変えることができる。

また、偏向角制御部１５は、第２電極２６、及び第４電極２８に０Ｖを印加する。これにより、第２電極２６と第４電極２８との間では、液晶分子は、概略水平方向に配向する。

ここで、第１電極２５−１〜２５−３は、階段状に形成され、第１電極２５−１〜２５−３に対向する第３電極２７−１〜２７−３も、階段状に形成される。よって、偏向素子１２を透過するレーザ光は、図８の左に行くにつれて、位相が遅れている。すなわち、レーザ光が、概略水平方向に配向した液晶分子を含む液晶層を多く透過するほど、その位相が遅れる。

図８では、位相を表す矢印が長くなるにつれて、レーザ光の位相が進んでいる様子を示している。換言すると、偏向素子１２には、図８の右から左に向かって屈折率が徐々に大きくなるように、屈折率の勾配が形成される。これにより、偏向素子１２から出射するレーザ光は、出射角θ１で左側に屈折する。出射角は、偏向素子１２の基板に垂直な方向に対する角度である。

図９は、第３例に係る偏向素子１２の動作を説明する断面図である。第３例は、レーザ光を左側に出射角θ２（＞θ１）で屈折させる動作である。

偏向角制御部１５は、液晶パネル２０−１〜２０−３の各々において、第１電極２５と第３電極２７との間に実効電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を印加する。実効電圧Ｖ２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。実効電圧Ｖ２は、交流電圧である。これにより、第１電極２５と第３電極２７との間では、液晶分子は、概略垂直方向に配向する。

また、偏向角制御部１５は、第２電極２６、及び第４電極２８に０Ｖを印加する。これにより、第２電極２６と第４電極２８との間では、液晶分子は、概略水平方向に配向する。

偏向素子１２を透過するレーザ光は、図９の左に行くにつれて、位相が遅れている。また、図９は、図８に比べて、屈折率の勾配が大きい。これにより、偏向素子１２から出射するレーザ光は、出射角θ２（＞θ１）で左側に屈折する。

図１０は、第４例に係る偏向素子１２の動作を説明する断面図である。第４例は、レーザ光を右側に出射角θ１（＞０）で屈折させる動作である。

偏向角制御部１５は、液晶パネル２０−１〜２０−３の各々において、第２電極２６と第４電極２８との間に実効電圧Ｖ１（＞０）を印加する。実効電圧Ｖ１は、液晶分子が垂直に配向する電圧より低い電圧である。これにより、第２電極２６と第４電極２８との間では、液晶分子は、斜め方向に配向する。

また、偏向角制御部１５は、第１電極２５、及び第３電極２７に０Ｖを印加する。これにより、第１電極２５と第３電極２７との間では、液晶分子は、概略水平方向に配向する。

ここで、第２電極２６−１〜２６−３は、逆階段状に形成され、第２電極２６−１〜２６−３に対向する第４電極２８−１〜２８−３も、逆階段状に形成される。よって、偏向素子１２を透過するレーザ光は、図１０の右に行くにつれて、位相が遅れている。換言すると、偏向素子１２には、図１０の左から右に向かって屈折率が徐々に大きくなるように、屈折率の勾配が形成される。これにより、偏向素子１２から出射するレーザ光は、出射角θ１で右側に屈折する。

図１１は、第５例に係る偏向素子１２の動作を説明する断面図である。第５例は、レーザ光を右側に出射角θ２（＞θ１）で屈折させる動作である。

偏向角制御部１５は、液晶パネル２０−１〜２０−３の各々において、第２電極２６と第４電極２８との間に実効電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を印加する。実効電圧Ｖ２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。これにより、第２電極２６と第４電極２８との間では、液晶分子は、概略垂直方向に配向する。

また、偏向角制御部１５は、第１電極２５、及び第３電極２７に０Ｖを印加する。これにより、第１電極２５と第３電極２７との間では、液晶分子は、概略水平方向に配向する。

偏向素子１２を透過するレーザ光は、図１１の右に行くにつれて、位相が遅れている。また、図１１は、図１０に比べて、屈折率の勾配が大きい。これにより、偏向素子１２から出射するレーザ光は、出射角θ２（＞θ１）で左側に屈折する。

なお、液晶パネル２０に印加する実効電圧を、０Ｖ以上かつ実効電圧Ｖ２以下の範囲で変化させることで、出射角を、０度（基板に垂直な方向）以上かつ角度θ２以下の範囲で変化させることができる。すなわち、偏向素子１２は、出射角θ２の２倍の走査角で、レーザ光を走査することができる。

基板に垂直な方向から一方側、例えば左側のみに走査する場合は、第１電極２５−１〜２５−３、及び第３電極２７−１〜２７−３のみ備えていればよく、第３電極２６−１〜２６−３、及び第４電極２８−１〜２８−３は特に設ける必要はない。同様に、垂直方向に対して右側のみに走査する場合は、第３電極２６−１〜２６−３、及び第４電極２８−１〜２８−３のみ備えていればよく、第１電極２５−１〜２５−３、及び第３電極２７−１〜２７−３は特に設ける必要はない。

図７乃至図１１は、レーザ光を１次元（Ｘ方向）に走査する構成及び動作を示している。レーザ光を２次元（Ｘ方向及びＹ方向）に走査する場合は、Ｘ方向に走査する第１偏向素子に加えて、Ｙ方向に沿って階段状及び逆階段状に形成された複数の電極を備えた第２偏向素子をもう一セット用意し、第１偏向素子と第２偏向素子と積層する。すなわち、第２偏向素子は、第１偏向素子を９０度回転させた構成を有する。そして、レーザ光をＸ方向に屈折させる場合には、第１偏向素子を使用し、レーザ光をＹ方向に屈折させる場合は、第２偏向素子を使用し、Ｘ方向に対して斜め方向に屈折させる場合は、第１偏向素子及び第２偏向素子を使用する。このような偏向素子を用いることで、レーザ光を２次元に走査することができる。

［４］ 効果
以上詳述したように本実施形態では、レーザ走査装置１０は、レーザ光を発光する光源１１と、積層された液晶パネル２０−１、２０−２を含み、光源１１からのレーザ光を屈折させる偏向素子１２とを備える。液晶パネル２０−１は、基板２１−１、２２−１と、基板２１−１、２２−１にそれぞれ設けられかつ互いに対向する電極２５−１、２７−１と、基板２１−１、２２−１間に充填された液晶層２３−１とを含む。液晶パネル２０−２は、基板２１−２、２２−２と、基板２１−２、２２−２にそれぞれ設けられかつ互いに対向する電極２５−２、２７−２と、基板２１−２、２２−２間に充填された液晶層２３−２とを含む。レーザ光を走査する第１方向において、電極２５−１は、電極２５−２より長い。そして、レーザ光を屈折させる場合に、偏向角制御部１５は、電極２５−１、及び電極２５−２に同じ実効電圧を印加するようにしている。

従って本実施形態によれば、偏向素子１２に屈折率の勾配を形成することができる。これにより、偏向素子１２に入射したレーザ光を所望の出射角で出射させることができる。

また、複数の実効電圧を用意し、このうちの１つの実効電圧を複数の液晶パネルに同時に印加することで、レーザ光を所望の出射角で出射させることができる。ひいては、簡単な電圧制御で、レーザ光を屈折させることができる。

また、最適な数の液晶パネルを積層して偏向素子１２を構成することで、偏向素子１２に形成される屈折率の勾配をより大きくすることができる。これにより、大きな出射角（屈折角）でレーザ光を屈折させることが可能なレーザ走査装置を実現できる。

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ため、信頼性を向上できる。さらに、レーザ走査装置１０は、小型化が可能である。

なお、積層する液晶パネル２０の数は、２個以上であればよいが、偏向素子１２に形成される屈折率の勾配をより滑らかにするという観点からは、液晶パネル２０の数は、３個以上が望ましい。一方で、液晶パネル２０の数が多くなると、偏向素子１２の厚さが厚くなる。よって、偏向素子１２を構成する液晶パネル２０の数は、屈折率の勾配の滑らかさと、偏向素子１２の厚さとを勘案しつつ、求められる仕様に応じて最適に設定される。

上記実施形態では、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、本実施形態にかか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…偏向素子、１３…受光素子、１４…パルスタイミング制御部、１５…偏向角制御部、１６…距離演算部、１７…主制御部、２０…液晶パネル、２１，２２…基板、２３…液晶層、２４…シール材、２５〜２８…電極

Claims (8)

1. レーザ光を発光する光源と、
   積層された第１及び第２液晶パネルを含み、前記光源からのレーザ光を屈折させる偏向素子と
   を具備し、
   前記第１液晶パネルは、
   第１及び第２基板と、
   前記第１基板に設けられ、第１方向に延びる第１電極と、
   前記第２基板に設けられ、前記第１電極に対向し、前記第１電極と同じサイズを有する第２電極と、
   前記第１及び第２基板間に充填された第１液晶層とを含み、
   前記第２液晶パネルは、
   第３及び第４基板と、
   前記第３基板に設けられ、前記第１方向に延びる第３電極と、
   前記第４基板に設けられ、前記第３電極に対向し、前記第３電極と同じサイズを有する第４電極と、
   前記第３及び第４基板間に充填された第２液晶層とを含み、
   前記第３電極は、平面視において前記第１電極に重なり、
   前記第１方向に直交する第２方向において、前記第１電極は、前記第３電極より長い
   レーザ走査装置。
2. 前記第１電極及び前記第３電極は、階段状に形成される
   請求項１に記載のレーザ走査装置。
3. 前記第１電極及び前記第３電極にそれぞれ第１電圧を印加する制御部をさらに具備する
   請求項１又は２に記載のレーザ走査装置。
4. 前記第１液晶パネルは、
   前記第１基板に設けられ、前記第１方向に延びる第５電極と、
   前記第２基板に設けられ、前記第５電極に対向し、前記第５電極と同じサイズを有する第６電極とをさらに含み、
   前記第２液晶パネルは、
   前記第３基板に設けられ、前記第１方向に延びる第７電極と、
   前記第４基板に設けられ、前記第７電極に対向し、前記第７電極と同じサイズを有する第８電極とをさらに含み、
   前記第７電極は、平面視において前記第５電極に重なり、
   前記第２方向において、前記第５電極は、前記第７電極より短い
   請求項１又は２に記載のレーザ走査装置。
5. 前記第５電極及び前記第７電極は、逆階段状に形成される
   請求項４に記載のレーザ走査装置。
6. 第１動作において、前記第１電極及び前記第３電極にそれぞれ第１電圧を印加し、前記第５電極及び前記第７電極にそれぞれ第２電圧を印加し、
   第２動作において、前記第１電極及び前記第３電極にそれぞれ前記第２電圧を印加し、前記第５電極及び前記第７電極にそれぞれ前記第１電圧を印加する
   制御部をさらに具備する
   請求項４又は５に記載のレーザ走査装置。
7. 前記偏向素子から出射されたレーザ光が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をさらに具備する
   請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ走査装置。
8. 前記第１及び第２液晶パネルの各々は、ホモジニアスモード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、又はＴＮ（Twisted Nematic）モードで構成される
   請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ走査装置。

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