本公开涉及光学装置。
背景技术：
以前，为了把握散布在视野内的物体的位置，用来自光源的光脉冲照射物体，通过测量每个方向的来自物体的反射光的时间延迟，测量到物体表面的距离。例如，专利文献1公开了使用这种技术的光相控阵。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-187649号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
本发明提供了一种技术，该技术通过激光在水平方向和/或垂直方向上扫描散布在视野内的物体，并选择性地接收或检测来自物体的反射光。
解决问题的方法
本公开的一个方式的光学装置具备：光源，所述光源出射激光；光波导元件，所述光波导元件位于所述激光的光路上；第一透明构件，所述第一透明构件位于所述光路上，具有面向所述光波导元件的底面、以及以沿着所述光路的假想轴为中心轴而旋转对称的侧面；以及控制电路，所述光波导元件包括：第一光栅，所述第一光栅包括沿以所述激光入射的点为中心的假想圆的径向配置的折射率互不相同的多个部分，将入射的所述激光的一部分作为传播光，在所述光波导元件内沿所述径向传播；以及第二光栅，所述第二光栅配置在所述第一光栅的外侧，包括沿着所述径向配置的折射率互不相同的多个部分，将所述传播光的一部分作为出射光，从所述光波导元件出射，所述出射光从所述底面或所述侧面入射到所述第一透明构件，并从所述侧面出射。
上述概括方式可通过系统、方法、集成电路、计算机程序、或记录介质来实现。或者，也可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序、和记录介质的任意组合来实现。
发明的效果
根据本发明的一个方式，可以通过激光在水平方向和/或垂直方向上扫描散布在视野内的物体，并且选择性地接收或检测来自物体的反射光，而不使用机械构造。
附图说明
图1a是示意性地示出光学装置的结构和光线的路径的立体图。
图1b是示意性地示出光学装置的结构和光线的路径的剖视图。
图1c是示意性地示出光学装置中的光源的结构的立体图。
图1d是示意性地示出光学装置中的圆柱体的另一形态的立体图。
图2a是示出向量图的图。
图2b是示出向量图的图。
图3a是示意性地示出第一实施方式中的入射光的偏振方向和输入状态的立体图。
图3b是示意性地示出输入光栅耦合器的剖视图。
图3c是通过光强度示出输入耦合波导的光的状态的剖视图。
图3d是示意性地示出输入光栅耦合器的俯视图。
图3e是通过光强度示出偏振方向和输入传播方向之间的关系的俯视图。
图3f是通过光强度示出偏振方向和输入传播方向之间的关系的俯视图。
图3g是通过光强度示出偏振方向和输入传播方向之间的关系的俯视图。
图4a是示出了当没有反射层时的输入光栅耦合器的输入耦合效率的波长依赖性的图。
图4b是示意性地示出当存在反射层时的输入光栅耦合器的剖视图。
图4c是示出了当存在反射层时的输入耦合效率的缓冲层的层厚依赖性的图。
图4d是示出了当存在反射层时的输入耦合效率的波长依赖性的图。
图5a是通过光强度示出了入射光的偏振方向与输入传播方向之间的关系的俯视图。
图5b是示出了偏角φ与传播的波导光的强度i之间的关系，以及包括在从-φ到φ的偏角范围中的光能e相对于偏角φ的关系的图。
图6是示意性地示出偏振光转子的结构例的立体图。
图7a是示意性地示出在没有像差校正的情况下的、输出光栅耦合器中的辐射光的传播路径的图。
图7b是示意性地示出当具有像差校正控制时的、输出光栅耦合器中的辐射光的传播路径的图。
图8a是示意性地示出来自输出光栅耦合器的辐射光在圆柱面折射并出射的图。
图8b是示意性地示出用于实现像差校正的透明电极层的图案的情况的图。
图9a是示出传播方向的偏角与用于实现像差校正的波导光的有效折射率变化量之间的关系的图。
图9b是示出以液晶折射率为参数的、波导层的层厚与有效折射率之间的关系的图。
图9c是示意性地示出缓冲层、波导层和液晶的配置的图。
图10a是说明透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系的图。
图10b是说明由透明电极层的图案和波导光的传播方向之间的关系而产生的相位面的图。
图10c是说明透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系的图。
图10d是说明由透明电极层的图案和波导光的传播方向之间的关系而产生的相位面的图。
图10e是示意性地示出校正向点f’的聚光中的像差的情况的图。
图11a是示出输出光栅耦合器的深度与辐射损耗系数之间的关系的图。
图11b是示出输出光栅耦合器的深度与辐射损耗系数之间的关系的图。
图11c是示出占空比与辐射损耗系数之间的关系的图。
图11d是示出占空比与辐射损耗系数之间的关系的图。
图11e是示出耦合长度与波导强度之间的关系以及耦合长度与辐射强度之间的关系的图。
图11f是示出耦合长度与波导强度之间的关系以及耦合长度与辐射强度之间的关系的图。
图12a是示出来自输出光栅耦合器的辐射光与圆柱体之间的位置关系的图。
图12b是示出来自输出光栅耦合器的辐射光与圆柱体之间的位置关系的图。
图13a是示出来自输出光栅耦合器的辐射光与来自圆柱面的折射光的光束宽度之间的关系的水平剖视图。
图13b是示出来自输出光栅耦合器的辐射光与来自圆柱面的折射光的光束宽度之间的关系的垂直剖视图。
图14a是示出透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系的图。
图14b是示出输入光的偏振旋转角、施加到透明电极的施加电压、以及水平方向和垂直方向的旋转角的时间经过的关系的图。
图14c是示出激光在水平方向和垂直方向上的扫描的情况的图。
图15a是示出输入光的偏振旋转角、光源波长、施加到透明电极的施加电压、以及水平方向和垂直方向的旋转角的时间经过的关系的图。
图15b是示出激光在水平方向和垂直方向上的扫描的情况的图。
图16a是示出偏振光转子的控制信号、光的偏振角、光源的输出光量、以及光检测器的检测光量的时间经过的关系的图。
图16b是示出偏振光转子的控制信号、光源的输出光量、以及光检测器的检测光量的时间经过的关系的图。
图16c是示出偏振光转子的控制信号、光源的输出光量、以及光检测器的检测光量的时间经过的关系的图。
图17a是示意性地示出透明电极层的图案的图。
图17b是示意性地示出透明电极层的图案的图。
图18是示意性地示出第三实施方式中的光学装置的结构和光线的路径的立体图。
图19a是示出第三实施方式中的电极9b的电压分布图案的旋转角、光源的输出光量、光检测器的检测光量、以及这些标准化差信号的时间经过之间的关系的图。
图19b是示出第三实施方式中的电极9b的分割区域和水平方向扫描光线的方位之间的关系的图。
图19c是说明第三实施方式中的对应于电极9b的分割区域的激光在水平方向和垂直方向上的扫描情况与扫描光线间的位置之间的关系的图。
图20a是示出第三实施方式中的相对于电极9b的分割区域b1的检测差信号与水平方向扫描方位角之间的关系的图。
图20b是说明第三实施方式中的相对于电极9b的分割区域b3的检测差信号与水平方向扫描方位角之间的关系的图。
图20c是说明第三实施方式中的相对于电极9b的分割区域b5的检测差信号与水平方向扫描方位角之间的关系的图。
图20d是说明第三实施方式中的相对于电极9b的分割区域b2的检测差信号与水平方向扫描方位角之间的关系的图。
图20e是说明第三实施方式中的相对于电极9b的分割区域b4的检测差信号与水平方向扫描方位角之间的关系的图。
图21a是示意性地示出第四实施方式中的光学装置的结构和光线路径的立体图。
图21b是示意性地示出第四实施方式中的光学装置的结构和光线的路径的剖视图。
图22是示意性地示出在具有像差校正控制的情况下的第四实施方式中的输出光栅耦合器中的辐射光的传播路径的图。
图23a是示出第四实施方式中的电极9b的电压分布图案的旋转角、光源的输出光量、光检测器的检测光量、以及检测光量的和与比的时间经过的关系的图。
图23b是示出第四实施方式中的电极9b的分割区域与水平方向扫描光线的方向之间的关系的图。
图23c是示出第四实施方式中的表示相对于扫描光线b1、扫描光线b2、扫描光线b3、扫描光线b4、以及扫描光线b5的检测光量比的信号与扫描角之间的关系的图。
图24a是示意性地示出在透明电极层侧的电极图案与施加电压之间的关系的图。
图24b是示意性地示出在反射层侧的电极图案与施加电压之间的关系的图。
图24c是示意性地示出在透明电极层侧的电极图案、以及在反射层侧的电极图案对齐重叠的结构与施加电压之间的关系的图。
图25a是说明第四实施方式中的在透明电极层侧的电极图案的图。
图25b是说明第四实施方式中的在反射层侧的电极图案的图。
图25c是示意性地示出第四实施方式中的在透明电极层侧的电极图案和在反射层侧的电极图案对齐重叠的结构的图。
图25d是示意性地示出第四实施方式中的图25c所示的电极图案的一部分与波导光的传播路径之间的关系的图。
图26a是示意性地示出在现有例中的从相控阵在垂直方向上出射的激光束的图。
图26b是示意性地示出现有例中的从相控阵在倾斜方向上出射的激光束的图。
具体实施方式
(本公开的基础知识)
在说明本公开的实施方式之前，将说明本公开的基础知识。在本说明书中，不仅是可视光，对于红外线也使用“光”一词。
有两种代表性的方法用于照射光，以把握散布在视野内的物体的位置。一种是用光脉冲均匀照射视野内全域的方法。另一种是通过具有指向性的激光束对视野内全域进行全面扫描的方法。与前者的方法相比，后者的方法能够减少发光光量，对于位于物体一侧的人来说也是安全的。
通常，在激光束扫描中，光源、光检测器和电流镜设置在旋转台上。从光源出射的光由电流镜反射。此时，通过上下转动电流镜，可以在垂直方向上进行光学扫描，通过旋转旋转台，可以在水平方向上进行光学扫描。但是，由于是机械结构构造，扫描速度慢，而且设备大，价格昂贵。
例如，列举在专利文献1中所示的相控阵(phasedarray)作为为了实现无机械化的配置。
以下，说明通过相控阵进行光学扫描的原理。
图26a和26b分别是示意性地示出现有例中从相控阵在垂直方向和倾斜方向上出射的激光束的图。在图26a和图26b所示的例子中，多个波源21在x轴上以节距λ的间隔均匀地排列。当来自多个波源21的相位一致的波长λ的光振荡时，如图26a所示，激励光形成并传播与x轴平行的波面21a。当振荡光以使得相邻的左右波源的相位差为λsinθ时，如图26b所示，激励光形成并传播与x轴成角度θ的波面21b。通过沿x轴和y轴均匀地排列波源21并调整其激励相位，可以在两个轴向上设置激励光的传播方向。
然而，在上述现有方法中，为了形成波面，波源21的节距λ必须在波长λ的几分之一以下。在电波的情况下，波长例如为10cm以上。因此，用作天线的多个波源21可以以波长的几分之一以下的间隔排列。但是，在光的情况下，波长例如为1μm左右。因此，以亚微米的间隔排列多个波源21并不容易。另外，在激光的情况下，光通过谐振器内的放大过程振荡。因此，与电波不同，控制激光的相位并不容易。
因此，本发明人想到了新的光学装置。
本公开包括以下项目所述的光学装置。
[项目1]
第一项目的光学装置具备：光源，所述光源出射激光；光波导元件，所述光波导元件位于所述激光的光路上；第一透明构件，所述第一透明构件位于所述光路上，具有面向所述光波导元件的底面、以及以沿着所述光路的假想轴为中心轴而旋转对称的侧面；以及控制电路，所述光波导元件包括：第一光栅，所述第一光栅包括沿以所述激光入射的点为中心的假想圆的径向配置的折射率互不相同的多个部分，将入射的所述激光的一部分作为传播光，在所述光波导元件内沿所述径向传播；以及第二光栅，所述第二光栅配置在所述第一光栅的外侧，包括沿着所述径向配置的折射率互不相同的多个部分，将所述传播光的一部分作为出射光，从所述光波导元件出射，所述出射光从所述底面或所述侧面入射到所述第一透明构件，并从所述侧面出射。
[项目2]
在第一项目的光学装置中，所述第一光栅也可以具有以所述点为中心的同心圆状构造。
[项目3]
在第一项目的光学装置中，所述第二光栅也可以具有以所述点为中心的同心圆状构造。
[项目4]
在第一项目的光学装置中，所述第一透明构件也可以具有圆柱形或圆台形状。
[项目5]
在第四项目的光学装置中，所述第一透明构件的所述侧面也可以包括第三光栅，所述第三光栅的晶格向量平行于中心轴。
[项目6]
第五项目的光学装置还可以具备圆筒形的第二透明构件，所述第二透明构件包围所述第一透明构件，并且与所述中心轴同轴，所述第二透明构件的内侧面和外侧面也可以包括第四光栅，所述第四光栅的晶格向量平行于中心轴。
[项目7]
在第四至第六项目中的任一项目的光学装置中，在所述第一光栅和所述第二光栅上还包括与所述第一透明构件接触的透明层，并且所述透明层也可以具有1.8以上的折射率。
[项目8]
在第一至第七项目中的任一项目的光学装置中，所述控制电路也可以通过使所述光源改变所述激光的波长来改变从所述光波导元件出射的所述激光的方向。
[项目9]
在第一至第八项目中的任一项目的光学装置中，所述光波导元件包括第一介电体层、所述第一介电体层上的第二介电体层、以及所述第二介电体层上的第三介电体层，所述第二介电体层的折射率高于所述第一介电体层的折射率和所述第三介电体层的折射率，所述第一光栅与所述第二光栅配置在从由第一位置和第二位置组成的组中选择的至少一个位置处，所述第一位置为所述第二介电体层和所述第一介电体层之间，所述第二位置为所述第二介电体层和所述第三介电体层之间，入射到所述第二介电体层的所述激光的一部分，作为所述传播光在所述第二介电体层沿所述径向传播，并作为所述出射光从所述第二光栅出射
[项目10]
在第九项目的光学装置中，所述光波导元件还可以包括反射层，并且所述第一介电体层也可以配置在所述第二介电体层和反射层之间。
[项目11]
在第九或第十项目的光学装置中，所述光波导元件还包括第一电极层和透明的第二电极层，并且所述第一介电体层、所述第二介电体层和第三介电体层配置在所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述第二电极层比所述第一电极层靠近所述第三介电体层，所述第三介电体层也可以是包含液晶的液晶层。
[项目12]
在第十一项目的光学装置中，在没有向所述液晶层施加电压的状态下，所述液晶的取向方向也可以垂直于所述第一光栅的晶格向量或所述第二光栅的晶格向量。
[项目13]
在第十一项目的光学装置中，所述光波导元件还包括在所述第一光栅和所述第二光栅之间的第五光栅，所述第五光栅包括沿所述径向配置的折射率互不相同的多个部分，在没有向所述液晶层施加电压的状态下，所述液晶的取向方向也可以垂直于所述第五光栅的晶格向量。
[项目14]
在第十一项目的光学装置中，从由所述第一电极层以及所述第二电极层组成的组中选择的至少一个电极层包括：第一电极，所述第一电极与所述第一光栅相对；第二电极，所述第二电极与所述第二光栅相对；以及第三电极，所述第三电极在所述第一电极和所述第二电极之间，所述第三电极包括沿所述假想的圆的周向配置的、具有导电性的多个分割区域，所述多个分割区域也可以互相绝缘。
[项目15]
在第十四项目的光学装置中，所述控制电路也可以通过控制经由所述第二电极施加到液晶层的电压来控制所述出射光的方向。
[项目16]
在第十四或第十五项目的光学装置中，所述控制电路也可以通过控制经由所述第一电极施加到所述液晶层的电压，来控制所述激光从所述第一光栅耦合到所述传播光的效率。
[项目17]
在第十四至第十六项目中的任一项目的光学装置中，所述控制电路也可以将电压依次施加到所述多个分割区域中与传播所述传播光的所述第二介电体层内的部分相对应的分割区域。
[项目18]
第十四至第十七项目中的任一项目的光学装置还具备偏振光分光器、光检测器、以及偏振光转子，所述偏振光分光器以及所述偏振光转子位于所述光源与所述第一透明构件之间的所述光路上，所述控制电路通过控制施加到所述偏振光转子的电压来改变通过所述偏振光转子的所述激光的偏振方向，并从所述光波导元件出射，被物体反射，入射到所述光波导元件的光的一部分，在通过所述光波导元件、所述偏振光转子、以及所述偏振光分光器之后，作为检测光入射到所述光检测器，所述光检测器生成与所述检测光的量相应的电信号。
[项目19]
在第十八项目的光学装置中，所述控制电路取得在所述光源出射所述激光的期间由所述光检测器检测出的所述检测光的量的极大值和极小值之间的时间间隔，基于所述时间间隔调整施加到所述偏振光转子的所述电压，由此控制通过了所述偏振光转子的所述激光在所述偏振方向的旋转角。
[项目20]
第十四至十七项目中的任何一项目的光学装置还具备：第一偏振光分光器、偏振光转换器、分光器、以及光检测器，所述光检测器包括第一光检测器和第二光检测器，所述第一偏振光分光器、所述偏振光转换器、和所述分光器位于所述光源和所述第一透明构件之间的所述光路上，从所述光波导元件出射，被物体反射，并在通过所述光波导元件后，入射到所述分光器的光的一部分在通过了所述分光器和所述偏振光转换器后，作为第一检测光入射到所述第一光检测器，入射到所述分光器的所述光的另外的一部分在通过了所述分光器后，作为第二检测光入射到所述第二光检测器，所述第一光检测器生成与所述第一检测光的量相应的第一电信号，第二光检测器生成与所述第二检测光的量相应的第二电信号。
[项目21]
在第二十项目的光学装置中，所述偏振光转换器也可以是1/4波长板。
[项目22]
在第二十项目的光学装置中，所述偏振光转换器也可以将直线偏振的光转换为圆切线方向上的偏振光。
[项目23]
第二十至第二十二项目中的任一项目的光学装置还具备第二偏振光分光器，所述光检测器还包括第三光检测器，在从所述光波导元件出射，被物体反射，并通过所述光波导元件及所述分光器后，入射到所述第二偏振光分光器的光的一部分，在通过所述第二偏振光分光器后，作为第三检测光入射到所述第二光检测器，入射到所述第二偏振光分光器的所述光的另外的一部分，在通过所述第二偏振光分光器后，作为第四检测光入射到所述第三光检测器，所述第三光检测器生成与所述第四检测光的量相应的电信号。
[项目24]
在第二十或第二十一项目的光学装置中，所述控制电路也可以接收所述第一电信号与所述第二电信号，并生成与所述第一电信号和所述第二电信号之和以及所述第一电信号和所述第二电信号之比相应的电信号。
[项目25]
在涉及第十八至第二十四项目中的任一项目的光学装置中，所述控制电路控制施加到所述第一电极的电压，以便使在所述光源出射所述激光的期间由所述光检测器检测出的光的量的极大值最小。
[项目26]
在涉及第十八至第二十五项目中的任一项目的光学装置中，所述光检测器包括滤波器电路，所述控制电路使所述光源依次出射重叠了不同频率的强度调制信号的第一光脉冲和第二光脉冲，所述光检测器检测从所述光波导元件出射，被所述物体反射，并入射到所述光波导元件的所述第一光脉冲的一部分、以及从所述光波导元件出射，被所述物体反射，并入射到所述光波导元件的所述第二光脉冲的一部分，使与所述第一光脉冲的所述一部分的量相应的信号和与所述第二光脉冲的所述一部分相应的信号分离并输出。
[项目27]
在第十四项目的光学装置中，在所述至少一个电极层中，所述多个分割区域中相邻的两个分割区域的边界也可以沿所述径向呈锯齿形状。
[项目28]
在第二十七个项目的光学装置中，在所述第一电极层及所述第二电极层中的各个中，所述多个分割区域中相邻的两个分割区域的边界也可以沿所述径向方向具有锯齿形状，当从与所述第一介电体层、所述第二介电体层及所述第三介电体层中的任一个垂直的方向观察时，所述第一电极层的所述边界和所述第二电极层的所述边界也可以形成菱形连接的形状。
[项目29]
第二十九项目的光学装置具备：光源，所述光源出射激光；光检测器，所述光检测器生成与入射的光的量相应的电信号并包含滤波器电路；以及控制电路，所述控制电路控制所述光源和所述光检测器，所述控制电路使所述光源依次出射重叠了不同频率的强度调制信号的第一光脉冲和第二光脉冲，并使所述光检测器检测由物体反射的所述第一光脉冲的一部分和所述第二光脉冲的一部分，通过所述滤波器电路的处理将与所述第一光脉冲的所述一部分的量相应的信号和与所述第二光脉冲的所述一部分相应的信号分离并输出。
[项目30]
第三十项目的光波导元件具备：第一介电体层、所述第一介电体层上的第二介电体层、所述第二介电体层上的第三介电体层、以及夹着第一到第三介电体层的一对电极层，所述第二介电体层的折射率高于所述第一介电体层的折射率和所述第三介电体层的折射率，所述第三介电体层是液晶层，所述一对电极层中距所述第一介电体层近的一方的电极层为反射层，距所述第三介电体层近的一方的电极层为透明电极层，所述一对电极层的至少一个包括沿某方向排列的具有导电性的多个分割区域，所述多个分割区域彼此绝缘，所述多个分割区域中，任意相邻的两个分割区域的边界呈锯齿形状。
[项目31]
在第三十项目的光波导元件中，所述一对电极层中的各个包括所述多个分割区域，当从垂直于所述第一至第三介电体层中的任一个的方向观察时，所述一对电极中的一个的所述边界与另一个的所述边界可以形成菱形连接的形状。
在本公开中，电路、单元、设备、构件或部的全部或一部分、或框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体设备、半导体集成电路(ic)或lsi(largescaleintegration)的一个或多个电子电路执行。lsi或ic可以集成在一个芯片上，也可以由多个芯片组合构成。例如，除了存储元件之外的功能块可以集成在一个芯片上。在此，虽然称为lsi或ic，但根据集成度的不同，称呼也可以不同，也可以称为系统lsi、vlsi(verylargescaleintegration)或ulsi(ultralargescaleintegration)。在lsi制造之后编程的现场可编程门阵列(fpga)或能够重构lsi内部的连接关系或设置lsi内部的电路分区的可重构逻辑设备(reconfigurablelogicdevice)也被用于同样目的。
此外，电路、单元、设备、构件或部的全部或一部分功能或操作可以通过软件处理来执行。在这种情况下，软件被记录在一个或多个rom、光盘、硬盘驱动器等非临时记录介质中，当软件由处理设备(processor)执行时，由该软件确定的功能由处理设备(processor)及周边设备执行。系统或设备也可以具备记录软件的一个或多个非临时记录介质、处理设备(processor)和所需的硬件设备例如接口。
以下，说明本公开的更具体的实施方式。但是，有时会省略不必要的详细说明。例如，可省略已知事项的详细说明及实质上相同结构的重复说明。这是为了避免以下说明不必要地冗长，并使本领域技术人员容易理解。此外，本发明人提供附图和以下说明以使本领域的技术人员充分理解本发明，并且不意在通过这些来限制所要求保护的范围中描述的主题。在下面的说明中，具有相同或类似功能的构成要素被赋予相同的参考标记。
(第一实施方式)
图1a和图1b分别是示意性地示出第一实施方式中的光学装置的结构和光线路径的立体图和剖视图。图1c是示意性地示出光学装置中的光源的结构的立体图。图1d是示意性地示出光学装置中的圆柱体的另一形态的立体图。图2a是示出输入光栅耦合器中的入射光与波导光的关系以及输出光栅耦合器中的波导光与辐射光的关系的向量图的图。图2b是表示圆柱面上衍射关系的向量图的图。
说明第一实施方式中的光线的前进道路。
在图1a和图1b所示的示例中，光学装置包括光源1、准直透镜2a、反射镜3、偏振光分光器4、偏振光转子5、聚光透镜2b、圆柱体6、光波导元件7、控制电路30、控制电路31和控制电路32。控制电路30、控制电路31和控制电路32也可以集中为一个控制电路。在以下的说明中，为了方便起见，将轴l设为垂直方向，将与轴l正交的方向设为水平方向。偏振光转子5、聚光透镜2b、圆柱体6和光波导元件7以轴l为中心轴配置。
光源1通过来自控制激光振荡的控制电路30的振荡信号出射激光10a，该激光10a是波长λ的直线偏振光。光源1可以是法布里-珀罗的激光光源，也可以是例如图1c所示的结构。图1c所示的光源1是法布里-珀罗的激光光源1a与光纤布拉格光栅1b组合而成的结构。光纤布拉格光栅1b由光纤形状的芯36和围绕芯的包层37构成。芯36的折射率高于包层37的折射率。在芯36中，形成沿光纤的中心轴产生周期性折射率分布的光栅。从激光光源1a出射的光10a入射到施加有ar涂层的芯36的入射端36a并成为在芯中传播的波导光。通过光栅的布拉格反射衍射光返回到激光光源1a侧。通过该返回光，激光光源1a以与光栅的节距对应的波长振荡。结果，具有稳定波长的光10a从光纤布拉格光栅1b的出射端36b出射。在图1c所示的结构中，光纤布拉格光栅1b经由压电元件38被固定板39夹住。控制电路35通过施加电压使压电元件38变形来加压光纤布拉格光栅1b。通过该加压，光栅的反射衍射条件发生变化。由此，可以控制出射光10a的波长。压电元件38的位移响应性从几khz到几十khz。因此，可以改变与响应性对应的波长。
光10a通过准直透镜2a成为平行光10b，成为反射镜3反射并入射到偏振光分光器4的光10c，成为透过偏振光分光器4的光10d。偏振光分光器4位于从光源1到偏振光转子5的光路上。偏振光分光器4例如是偏振光分束器。也可以在准直透镜2a和反射镜3之间插入光束整形棱镜，所述光束整形棱镜将椭圆状扩展的激光10a的分布转换为圆形。透过偏振光分光器4的光10d在偏振方向11d的直线偏振光状态下沿中心轴l入射到偏振光转子5。偏振光转子5位于从光源1出射的光10a的光路上。电压通过来自控制偏振光的控制电路31的控制信号施加到偏振光转子5。由此，出射偏振光转子5的光10e的偏振方向11e相对于偏振方向11d旋转。光10e沿中心轴l通过聚光透镜2b并入射到圆柱体6，所述圆柱体6为折射率n0和半径r0的第一透明构件的一例。中心轴l位于通过偏振光转子5的光10e的光路上，可以说是沿着该光路的轴。
光波导元件7位于通过偏振光转子5的光10e的光路上。光波导元件7包括透明平面基板7f和平面基板7a。透明平面基板7f是折射率为n0’的透明基板。光波导元件7包括低折射率的缓冲层7c、缓冲层7c上的高折射率波导层7d和波导层7d上的液晶层7e。波导层7d的折射率高于缓冲层7c的折射率和液晶层7e的折射率。光波导元件7在缓冲层7c的与波导层7d相接的一侧相反的一侧上包括反射层7b。例如，在平面基板7a的上表面，al等反射层7b、sio2等透明缓冲层7c和ta2o5等透明波导层7d依次成膜。
光波导元件7包括作为第一光栅的一例的光栅8a、作为第五光栅的一例的光栅8b和作为第二光栅的一例的光栅8c。在图1a和图1b所示的例子中，光栅8a、光栅8b和光栅8c形成在波导层7d的表面上，所述光栅8a、光栅8b和光栅8c是具有以轴l为相同中心的同心圆构造的凹凸光栅。光栅8a和光栅8c用作光栅耦合器。光栅8b是用于液晶取向的光栅。根据用途，光栅8a、光栅8b、光栅8c和光波导元件7也可以具有从同心圆的形状中剪切一部分的扇形等形状。
光栅8a形成在以轴l为中心的半径为r1的圆形区域内。光栅8a的节距为λ0，并且深度为d0。光栅8c形成在半径r2至半径r3的范围的环形区域内。光栅8c的节距为λ1，并且深度为d1。光栅8b形成在半径r1至半径r2的范围的环形区域内。光栅8b的节距例如为0.8λ1以下，并且深度为d1。半径r1、半径r2和半径r3的典型尺寸为毫米级。通过将光栅8b的节距设置为0.8λ1以下，光栅8b的凹凸作用于液晶取向并且不用作耦合器。因此，光栅8b的凹凸不辐射波导光。
光栅8a、光栅8b和光栅8c如果凹凸形状出现在波导层7d的液晶侧表面上则可以形成在缓冲层7c的表面侧。通过在波导层7d的表面形成凹凸形状，光栅用作液晶的取向机构。即，液晶在光栅的方位取向。ito等透明电极层7g形成在透明平面基板7f的下表面侧，即波导层侧。透明电极层7g隔着液晶层7e面对波导层7d。透明电极层7g分为以轴l为相同中心的三个电极9a、电极9b和电极9c。电极9a、电极9b和电极9c分别面对光栅8a、光栅8b和光栅8c。在没有向液晶层7e施加电压的状态下，液晶层7e的液晶分子沿波导层7d表面的凹凸方向取向。换言之，液晶层7e中的液晶的取向方向平行于波导层7d的表面，并且垂直于光栅8a、光栅8b和光栅8c的晶格向量。反射层7b和透明电极层7g用作用于液晶取向控制的电极。电极9a、电极9b和电极9c分别是独立的电极。代替透明电极层7g，反射层7b可以分成三个电极，透明电极层7g和反射层7b中的每一个也可以分成三个电极。
此外，光栅8b可以形成在透明平面基板7f的下表面侧。另外，在透明平面基板7f的下表面侧的面对光栅8a和光栅8c的位置处，也可以形成以轴l为中心的同心圆状光栅。如果在下表面形成凹凸，则凹凸形状也转印到透明电极层7g的表面。由此，液晶层7e的液晶分子可以沿该凹凸方向取向。当然，也可以通过在波导层7d和透明电极层7g的表面形成聚酰亚胺等取向膜并在旋转方向上摩擦处理该取向膜，来取向液晶层7e的液晶分子。
经过圆柱体6的下表面的光10f沿中心轴l聚集到光栅耦合器即光栅8a。聚集在光栅8a的光10f在波导层7d内激发从同心圆的中心o向外周侧的波导光10g，该同心圆的中心o是波导层7d与轴l的交点。
与波导光10g的耦合条件是，如图2a所示，由大小为λ/λ0的箭头表示的晶格向量po等于有效折射率n。该耦合条件由公式(1)描述。
[数式1]
0＝n-λ/a0(1)
透过光栅8a的光10fa也被反射层7b反射并再次入射到光栅8a，以增强波导光10g的激发。波导光10g沿着同心圆的径向传播，并且从光栅耦合器即光栅8c以角度θ1辐射，形成朝向圆柱体6侧的辐射光10h。
与辐射光的耦合条件是，如图2a所示，向量op1’的垂足与由大小为λ/λ1的虚线箭头表示的晶格向量pp1的终点p1一致。该耦合条件由公式(2)描述。
[数式2]
-n0sinθ1＝n-λ/λ1(2)
辐射到反射层7b侧的光10ha也被反射层7b反射并与辐射光10h重叠。通过控制液晶取向的控制电路32的控制信号，经由反射层7b和透明电极层7g的一对电极层将电压施加到液晶层7e。由此，随着液晶取向的变化，液晶的折射率n1发生变化，波导光10g的有效折射率n发生变化。如果在光栅8c的区域中波导光10g的有效折射率变化，则从光栅8c出射到光波导元件7外部的光的方向发生变化。控制电路32可以独立地将信号发送到电极9a、电极9b和电极9c。此外，施加到液晶层的电压信号是交流波。根据交流波的振幅的大小，液晶的取向方向向波导层7d表面的法线方向侧倾斜，确定取向方向的倾斜角。在以下的说明中，施加到液晶层的电压意味着施加到液晶层的交流波的振幅的大小。
辐射光10h是折射光10j，该折射光10j经过圆柱体6的下表面，并且将作为圆柱体6的侧面的圆柱面6a从水平面以角度θ⊥’折射。折射的关系式由公式(3)描述。
[数式3]
n0cosθ1＝sinθ′⊥(3)
在圆柱面6a的表面也可以形成作为第三光栅的一例的节距λ2的闪耀光栅。在闪耀光栅中，沿与中心轴l正交的方向形成锯齿形状的槽。通过闪耀光栅，折射光10j在垂直面内衍射，并成为从水平面以θ⊥角度向外部出射的出射光10i。如图2b所示，衍射关系是通过向量op2’的垂足p2和向量op3’的垂足p3之间的距离等于晶格向量p3p2(大小λ/λ2的虚线箭头)来表示的。衍射关系式由公式(4)描述。
[数式4]
sinθ⊥＝sinθ′⊥-λ/λ2(4)
此外，如图1d所示，圆柱体6的周边可以由作为第二透明构件的一例的圆柱筒体6a围绕。圆筒体6a的中心轴与圆柱体6的中心轴相同。在圆筒体6a的内侧表面6b和外侧表面6c，分别形成作为第四光栅的一例的节距λ2b和节距λ2c的闪耀光栅。在图1d所示的例子中，辐射光10h通过节距λ2、节距λ2b和节距λ2c的闪耀光栅衍射三次以形成出射光10i。通过将衍射分散为3次，可以将各个闪耀光栅的节距设定得较大从而使加工变得容易。
圆柱体6位于透明平面基板7f上。通常，也可以使用透明构件来代替圆柱体6，该透明构件是以轴l为中心轴的旋转对称体。当光栅8c的节距发生变化时，旋转对称体的母线具有曲线的形状。当节距恒定时，旋转对称体的母线具有直线形状，旋转对称体为圆柱体或圆锥体。
通过光源1的波长变化或电极9c中的液晶层7e的折射率变化来实现出射光束10i的垂直方向的扫描。从公式(2)可以看出，有效折射率n对于辐射角θ1的微分是通过公式(5)来描述的，而辐射角θ1对于波长λ的微分是通过公式(6)来描述的。根据公式(3)到公式(6)，垂直方向上的出射角θ⊥对于波长λ的微分由公式(7)描述。
[数式5]
[数式6]
[数式7]
从光波导元件7出射并由外界物体反射的光返回到光波导元件7。入射到光波导元件7的光的一部分通过光栅8c在光波导元件7内向中心轴l传播，通过光栅8a从光波导元件7出射，并经由偏振光转子5和偏振光分光器4入射到光检测器12。光检测器12生成与入射的光的量相应的电信号。将更详细地说明这个过程。
由外界的物体的表面反射的光在出射光束10i的光路中逆行，在入射到圆柱面6a之后，在辐射光10h、波导光10g和输入侧的光10f、光10e和光10d的光路中逆行。在光栅8c中的输入中，仅与去路输出时具有相同波长和相同相位面的光选择性地耦合。因此，有效地去除波长和相位中至少一个不同的杂光。在偏振光转子5的控制下，逆行光10d的偏振方向与去路时的光10d的偏振方向相比旋转90度。因此，逆行光10d反射偏振光分光器4以形成光10d0，并且由光检测器12检测。光检测器12包括检测电路33。检测信号由检测电路33进行信号处理。在图1a和图1b所示的例子中，光学装置还可以具备控制电路34。控制电路34从检测电路33的检测信号生成例如用于控制光源或液晶的取向的控制信号。另外，控制电路30、控制电路31、控制电路32、控制电路34和控制电路35也可以集中为一个控制电路。
此外，偏振光分光器4也可以使用半透镜而不是偏振光分束器。此时，与偏振光转子5的控制无关，光10d的逆行光10d被半透镜反射并由光检测器12检测。在使用半透镜的情况下，光量在去路中变为一半，在回路中再减半。即，光量在往复路径中变为1/4。虽然可以简化偏振光控制，但检测光量变小。
图3a是示意性地示出第一实施方式的入射光的偏振方向和输入状态的立体图。图3b是示意性地示出输入光栅8a的剖视图。图3c是通过光强度示出输入耦合波导光的状态的剖视图。图3d是示意性地示出输入光栅耦合器的俯视图。图3e至图3g是通过光强度示出偏振方向和输入传播方向之间的关系的俯视图。在图3b及图3d所示的例子中，光栅8a的直径为2r1＝10μm，节距为λ0＝0.57μm，深度为d0＝0.10μm。波导层7d的材质是ta2o5，层厚为0.15μm。液晶层7e和缓冲层7c的折射率与sio2的折射率相同。此时，通过垂直入射激发te模式下的波导光。在图3c和图3e到图3g所示的例子中，示出了波长λ＝0.94μm的分析结果。
如图3c和图3e所示，当作为入射光的光10f的偏振方向11e与y轴方向平行时，激发的波导光在x轴方向上强烈传播。如图3f所示，在光10f的偏振方向11e与135度方向平行的情况下，激发的波导光在45度方向上强烈传播。如图3g所示，在光10f的偏振方向11e与x轴方向平行的情况下，激发的波导光在y轴方向上强烈传播。如图3c和图3e到图3g所示，光栅8a使光10f的一部分在光波导元件7中的波导层7d内以垂直于偏振方向11e的方向为中心扩展传播。例如，在激发的波导光是tm模式的情况下，传播方向旋转90度，并且与入射时的偏振方向一致。如果能够控制入射光的偏振方向，则可以改变波导光的传播方向。传播方向上变化的响应性由偏振方向上控制的响应性确定。
对于包括光源1、偏振光转子5和光波导元件7的光学装置，通过向偏振光转子5施加电压，可以将传播波导层7d的波导光的传播方向在与波导层7d平行的任意方向上改变。
图4a是示出第一实施方式的，在没有反射层的情况下作为输入光栅耦合器的光栅8a的输入耦合效率的波长依赖性的图。图4b是示意性地示出在第一实施方式中存在反射层的情况下光栅8a的剖视图。图4c是示出了在存在反射层的情况下，作为输入耦合效率的缓冲层的sio2层的层厚依赖性的图。图4d是示出了当存在反射层时的输入耦合效率的波长依赖性的图。
图4a所示的例子中的分析条件与图3a到图3g所示的例子中的分析条件相同。如图4a所示，在波长为0.94μm的情况下，可以获得最大20％的输入效率。图4b所示的例子中的形状条件与图3a到图3g所示的例子中的形状条件相同，只是设置了al的反射层7b。如图4c所示，由于缓冲层7c的层厚的变化，输入效率周期性地增减。在缓冲层7c的层厚1.06μm的情况下，输入效率最大化。在图4d所示的例子中，示出了当缓冲层7c的层厚固定为1.06μm时的波长依赖性。当波长为0.944μm时，输入效率最大，极大值为50％。如果在入射光中只有te模式成分输入耦合并进行波导，则通过导入反射层并最优化缓冲层的层厚，可以获得几乎100％的耦合效率。
图5a是通过光强度示出第一实施方式中的入射光的偏振方向与输入传播方向之间的关系的俯视图。如图3e到图3g中所示，在以垂直入射来激发te模式下的波导光的情况下，将偏振方向设为与y轴平行，并且定义相对于x轴的偏角φ。
图5b是示出了偏角φ与传播的波导光的强度i之间的关系，以及与包括在从-φ到φ的偏角范围中的光能e的相对于偏角φ的关系的图。从-φ到φ的偏角范围还包括沿对角方向传播的光。光强度由公式(8)描述，光能由公式(9)描述。在不包括沿对角方向传播的光的情况下，如果能够捕捉到-45度到45度的范围内的光，则可以利用41％的激发波导光。即，可以结合输入效率50％来利用入射光的21％。
[数式8]
i＝cos2φ(8)
[数式9]
另一方面，在入射光中，tm模式的成分等不能耦合的成分被光栅8a反射，经过圆柱体6、聚光透镜2b和偏振光转子5返回到偏振光分光镜4。通过在光源1的发光时间内往返于偏振光转子5，光的偏振方向旋转两倍于去路中的旋转角。因此，光检测器12可以检测与由偏振光转子5产生的旋转角φ相对应的反射光。详细情况将参考图16a所示的示例在后面进行描述。
另一方面，光源发光时的检测光量的极大值与入射光中的无法输入光栅8a的光的效率成比例。通过监测检测光量的极大值，可以用于控制输入效率。详细情况将参考图16a所示的示例在后面进行描述。
接着，说明偏振光转子的原理。
图6是示意性地示出第一实施方式的偏振光转子的结构例的立体图。在此，使用能够更快地响应的法拉第转子作为偏振光转子5进行说明。法拉第转子包括圆柱形磁性玻璃棒5a和围绕其缠绕的线圈5b。当通过来自控制偏振光的控制电路31的控制信号使电流流过线圈5b时，沿中心轴流过磁性玻璃棒5a内的磁场向量与电流量成比例地变化。结果，当通过法拉第效应沿中心轴传播光并从光10d变成光10e时，该偏振方向从偏振方向11d旋转到偏振方向11e。在法拉第转子的情况下，偏振光旋转的响应性达到ghz级，速度极快。此外，虽然响应性不如法拉第转子，但偏振光旋转也可以通过液晶元件进行。
图7a是示意性地示出在第一实施方式中，在没有像差校正的情况下，作为输出光栅耦合器的光栅8c中的辐射光的传播路径的图。图7b是示意性示出在第一实施方式中，在具有像差校正控制的情况下光栅8c中的辐射光的传播路径的图。在图7a和图7b所示的示例中，上段示出俯视图，中段示出斜视图，下段示出剖视图。
如图7a所示，在没有像差校正的情况下，在波导层7d中传播的波导光10g和波导光10g0从光栅8c出射，并且变为在圆柱体6中传播的光10h和光10h0，变为在圆柱体表面即侧面折射而向外部出射的光10i和光10i0。如图7a的中段所示，光10h和光10h0在中心轴l上相交。如图7a的上段所示，在俯视图中，光10i和光10i0在中心轴l上的点f处相交，成为在圆柱体6的表面出射后也不弯曲地沿着圆柱的动径前进的发散光。
如图7b所示，在存在像差校正的情况下，在波导层7d内传播的波导光10g和波导光10g0从光栅8c出射，并且形成在圆柱体6内传播的光10h和光10h0，并且形成在圆柱体表面即侧面折射并向外部出射的光10i和光10i0。如图7b的中段所示，光10h和光10h0沿x轴的正方向在远离中心轴l的轴l’上相交。如图7b的上段所示，在俯视图中，光10h和光10h0在轴l’上的点f’处相交，在圆柱体6的表面出射后，弯曲成平行光。
接着，说明估计像差校正量的方法。
图8a是示意性地示出在第一实施方式中，来自作为输出光栅耦合器的光栅8c的辐射光在圆柱面折射并出射的图。
图8a中所示的光线的路径如图7a和图7b中所述。在俯视图中，将光10h与圆柱体6的侧面的交点定义为q，将光10h0与圆柱体6的表面的交点定义为q’，将角qfq’定义为ψ，将角ff’q’定义为φ。由于光10i0与光10i平行，因此公式(10)成立。但是，角ψ’满足公式(11)的关系。
[数式10]
[数式11]
从公式(10)和公式(11)中，由公式(12)给出角ψ。另一方面，如果将点f和点f’的间隔定义为f0，则f0由公式(13)给出。光10h和光10h0是在点f处聚集的光，光10h和光10h0是在点f’处聚集的光。根据像差论，使聚集光的焦点位置从f向f’位移的像差，即纵向的焦点移动像差由公式(14)的左边给出。
[数式12]
[数式13]
[数式14]
n0f0(1-cosφ)＝(r2-r1)δn(14)
图8b是示意性地示出用于实现像差校正的透明电极层的图案的情况的图。电极9b位于面对光栅8b的位置处，并且形成在半径r1至半径r2的范围内。电极9b沿辐射方向分割。换言之，电极9b具有多个分割区域，所述多个分割区域沿着以光10f入射的点为中心的假想圆的周边排列并具有导电性。控制电路31通过改变施加到偏振光转子5的电压来每次以预定角度旋转光10e的偏振方向11e。由此，控制电路31顺次改变波导层7d中的波导光10g的传播方向。与该传播方向的变化同步，控制电路32独立地顺次将电压施加到电极9b的多个分割区域中的与波导光10g传播的波导层7d的部分相对的分割区域。由此，可以实现像差校正并旋转辐射光束。
在图8b所示的示例中，电极9b在旋转方向上以5度的刻度被等分，并且各自被分割成从电极9b1至电极9b72这72个分割区域。在图8b所示的示例中，仅显示了一部分。这些带状扇形的分割区域彼此电绝缘，并且可以独立地施加电压。当向各个分割区域施加不同的电压时，相邻液晶层7e的折射率改变。结果，在对应位置传播的波导光10g的有效折射率也改变。以这种方式，可以针对传播的每个偏角改变波导光的相位。如果将有效折射率的变化幅度设为δn，则在传播距离(r2―r1)之间产生的相位差由公式(14)的右边给出。因此，用于使辐射光在圆柱面折射而成为平行光的条件式由公式(14)描述。通过公式(15)从公式(13)和公式(14)给出像差校正中的δn。
[数式15]
图9a是示出在第一实施方式中，传播方向上的偏角φ与用于实现像差校正的波导光的有效折射率变化量之间的关系的图。在图9a所示的例子中，基于公式(15)，描绘了圆柱体6的折射率n0＝1.58，半径r0＝1.25mm，以及电极9b的宽度(r2-r1)＝4mm时的变化宽度δn。可知要捕捉从-45度到45度的偏角范围的光，将会出现δn＝0.056。
图9b是以液晶折射率n1为参数的作为波导层的ta2o5层的层厚与有效折射率之间的关系的图。图9c是示意性地示出缓冲层7c、波导层7d和液晶7e的配置的图。
向列液晶分子的折射率差较大时为0.20左右。考虑到其中的8成作为有效折射率差发挥作用，有效折射率差为0.15左右。在图9b所示的示例中，在光的波长为0.94μm、缓冲层7c的折射率为1.45的情况下，分别通过曲线13a和曲线13b来表示计算出的波导层7d的层厚和有效折射率n之间的关系，其中n1＝1.50和n1＝1.65。在图9c所示的例子中，在液晶的折射率差为0.15的情况下，如果将由ta2o5形成的波导层7d的层厚从0.10μm设为0.15μm左右，则可以期待从δn＝0.06到δn＝0.04的变化。
图10a至图10d是示出第一实施方式中的透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系的图。
在图10a所示的示例中，对应于以点o为中心的带状扇形电极9b1、电极9b2和电极9b72的位置，从中心o向外周侧传播的波导光分别是波导光10g1、波导光10g2和波导光10g72。
在图10b所示的例子中，为了便于理解，将带状扇形电极置换为方形，示出了光线的传播路径与电极的位置关系。根据施加到电极的电压，传播路径的折射率产生高低差。假设对应于电极9b1的位置的折射率最高，并且随着远离电极9b1而降低，则电极通过后的光的等相位面14a具有阶梯形状。
在图10c所示的示例中，带状扇形的形状变形为闪电形状。即，电极9b的区域由圆c1a、圆c1b、圆c2a、圆c2b和圆c3a分割。圆c1b和圆c2b分别是略大于圆c1a和圆c2a的圆。波导光10g72与圆c1a、圆c2a和圆c3a的交点分别是交点p1a、交点p2a和交点p3a。波导光10g1与圆c1a、圆c1b、圆c2a、圆c2b和圆c3a的交点分别是交点p1a、交点p1b、交点p2a、交点p2b和交点p3a。波导光10g2与圆c1b和圆c2b的交点分别是交点p1b和交点p2b。电极9b1的闪电形是夹在连接点o、点p1a、点p1b、点p2a、点p2b以及点p3a的线与连接点o、点p1a、点p1b、点p2a、点p2b以及点p3a的线之间。但是，不包括电极9a的区域。点p3a和点p3a之间沿圆c3a。另一个电极呈根据分割角围绕点o旋转电极9b1的形状。在72分割的情况下，分割角为5度。
在图10d所示的示例中，为了容易理解，将圆c1a和圆c2b之间的电极置换为菱形，示出了光线的传播路径和电极之间的位置关系。由于将电极置换为菱形，因此所图示的波导光10g1、波导光10g2和波导光10g72各自的传播方向以偏角φ的量被反向旋转并平行地表示。沿着波导光10g1和波导光10g2之间以及波导光10g1和波导光10g72之间的传播方向传播的光线跨两个相邻电极传播。每个电极的传播距离的比率与光线的偏角φ成比例变化。该关系在圆c2a和圆c3a之间也成立。因此，根据施加到电极的电压，传播路径的折射率产生高低差。例如，当对应于电极9b1的位置的折射率最高并且随着远离电极9b1而降低时，电极通过后的光的等相位面呈通过线性内插阶梯形状14a而获得的形状14b。此外，在图10c所示的例子中，使用了5个分割圆，但也可以是7个或9个等其他组合。
图10e是示意性地表示对点f’的聚光中的像差进行修正的情况的图。纵轴表示像差量，横轴表示偏角φ。校正前聚光到点f’的光中的像差由曲线15表示。如果对施加到电极的电压进行最佳化，则在图10a所示的例子中的电极形状的情况下，向点f’的聚光中的像差如曲线15a所示进行修正。在图10c所示的例子中的电极形状的情况下，向点f’的聚光中的像差如曲线15b所示进行修正。曲线15b相当于相对于曲线15的弯曲线15b的差。由此可知，即使在曲线15a中，像差也被压缩到1/10左右，在曲线15b中，几乎所有的像差都被修正。因此，通过控制向图10c所示的示例中的电极形状施加电压，可以使来自光栅8c的辐射光作为平行光从圆柱面出射。此外，向电极形状施加电压与波导光的传播方向，即入射光的偏振旋转角同步。此时，施加提高液晶折射率的电压，使得光强度最强的传播方向的相位延迟。
如上所述，电极9b具备以下结构，并且控制电路31和控制电路32执行以下操作。
电极9b具有多个分割区域，所述多个分割区域沿以光10f入射的点为中心的假想圆的周边排列。控制电路31通过改变施加到偏振光转子5的电压来每次以预定角度旋转光10e的偏振方向11e。由此，控制电路31依次改变波导层7d中的波导光10g的传播方向。与该传播方向的变化同步，控制电路32独立地顺次将电压施加到分割区域，所述分割区域为电极9b的多个分割区域中的与波导光10g传播的波导层7d的部分相对的分割区域。由此，可以实现像差校正并旋转辐射束。
图11a和图11b是示出第一实施方式中的将光栅的占空比ε固定为0.5的情况下，光栅8c的深度d与辐射损耗系数α之间的关系的图。在图11a所示的例子中，液晶折射率n1＝1.6，在图11b所示的例子中，液晶折射率n1＝1.45。图11c和图11d是示出在第一实施方式中的固定到深度d＝0.01μm的情况下的占空比ε与辐射损耗系数α之间的关系的图。在图11c所示的例子中，液晶折射率n1＝1.6，在图11d所示的例子中，液晶折射率n1＝1.45。图11a到图11d所示的示例中的其它分析条件与图4d所示的示例中的缓冲层7c的层厚为1.06μm的情况相同。
当光栅的深度d＝0.01μm时，在图11a所示的例子中，辐射损耗系数α＝2(1/mm)左右的大小，在图11b所示的例子中，辐射损耗系数α＝1(1/mm)左右的大小。如图11c和图11d所示，通过将占空比ε从0.5偏移，可以减小辐射损耗系数α。液晶折射率越高，辐射损耗系数α就越大，且波长越短，辐射损耗系数α就越大。但是，在本实施方式的设计例中，由于来自反射层7b的反射光的干扰效果，辐射损耗系数α仅在波长λ＝0.93μm的情况下进行不规则的动作。
图11e和图11f是示出了耦合长度w1与波导强度的关系，以及耦合长度w1与辐射强度的关系的图。在图11e所示的例子中，从w1＝0mm到1.5mm，α＝0.4到2.0呈线性比例增加，在w1＞1.5mm时固定为α＝2.0。在图11f所示的例子中，从w1＝0mm到1.5mm，α＝0.2到1.0呈线性比例增加，在w1＞1.5mm时固定为α＝1.0。如后述的图12a和12b所示，耦合长度w1是从耦合器的起点r2到辐射位置的距离。在此，相当于辐射光宽度的耦合长度由波导强度变为1/e2的位置定义。
图11e所示的示例相当于液晶折射率高或波长短的条件。此时，耦合长度为1.5mm。图11f所示的示例相当于液晶折射率低或波长长的条件。此时，耦合长度为2.5mm。
图12a和图12b是示出根据第一实施方式的来自光栅8c的辐射光与圆柱体之间的位置关系的图。在图12a所示的示例中，透明平面基板7f的折射率n0’与圆柱体的折射率n0相同，为1.58。在图12b所示的示例中，透明平面基板7f的折射率n0’为2.0。在图12a和图12b所示的示例中，来自光栅8c的辐射光10h、辐射光10h1和辐射光10h2相当于按此顺序增大波长的条件。此时，对应于辐射光10h、辐射光10h1和辐射光10h2，耦合长度w1也按该顺序增大。
在图12a所示的示例中，在透明平面基板7f中的辐射角度θ1较大。因此，在使辐射光10h入射到直径小的圆柱体6中的条件下，不能使其他辐射光10h1和辐射光10h2入射。在图12b所示的示例中，透明平面基板7f中的大折射率可以减小透明平面基板7f中的辐射角度θ1’。由此，所有辐射光10h、辐射光10h1和辐射光10h2都可以入射在圆柱体6中。此外，通过增加透明平面基板7f的折射率，在透明平面基板7f和液晶层7e之间的界面7fa以及透明平面基板7f和圆柱体6之间的界面7fb处产生大的反射损耗。为了抑制反射损耗，例如，对透明平面基板7f的上表面和下表面施加ar涂层处理。
这样，通过增大圆柱体6和光栅8c之间的介质的折射率，例如，折射率1.8以上，可以有效地将具有不同辐射角的辐射光引导到圆柱体6中。
图13a和图13b分别是示出根据第一实施方式的来自光栅8c的辐射光与来自圆柱面的折射光的光束宽度之间的关系的水平剖视图和垂直剖视图。在图13b所示的示例中，圆柱体6中的光束宽度w1’使用圆柱体6中的辐射角度θ1和耦合长度w1来满足公式(16)的关系。圆柱面上的折射光的光束宽度w⊥使用圆柱体6中的辐射角度θ1和光束宽度w1’来满足公式(17)的关系。因此，通过公式(18)给出光束宽度w⊥。另一方面，如图13a所示，在水平截面中，如果偏角-45度到45度的范围的光10h0被像差校正并且变为平行光10i0，则水平截面中的光束宽度w//接近圆柱体6的直径2r0。因此，来自圆柱面的折射光变为光束宽度w⊥和光束宽度w//的平行光。这些光在足够长的距离传播并进行富勒恩霍华德衍射。其广角α⊥和广角α∥分别由公式(19)和公式(20)给出。
[数式16]
w′1＝w1cosθ1(16)
[数式17]
w⊥＝w′1/sinθ1(17)
[数式18]
w⊥＝w1/tanθ1(18)
[数式19]
[数式20]
波长λ＝0.94μm、半径r0＝1.25mm、耦合长w1＝1.5mm、辐射角度θ1＝66度时，α⊥＝0.1度，α//＝0.02度，充分抑制了光束的扩展。当光束的扩展小时，可以抑制去路光的扩散。因此，可以增大检测光量。
图14a是示出第一实施方式中的透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系的图。图14b是示出在第一实施方式中仅利用液晶的折射率控制的激光扫描的情况下，输入光的偏振旋转角以及对透明电极施加电压的时间经过的关系的图。在此，将液晶的响应速度的界限设为开/关之间的1ms，并且将光束扫描的速度设为每帧30ms。
在图14a所示的示例中，施加到分割电极9b的电压在旋转方向上具有90度的周期。例如，对电极9b1、电极9b19、电极9b37和电极9b55施加相同的电压。对电极9b2、电极9b20、电极9b38和电极9b56也施加相同的电压。在作为一个周期的90度角度范围内，施加到电极的电压在校正像差的条件下表示具有高低差的电压分布图案。该电压分布图案在维持图案形状的状态下，与由偏振光转子产生的偏振光的旋转角φ同步旋转。偏振光的旋转可以比电压分布图案快得多地响应。因此，在某个电压分布图案的时段中，可以仅旋转偏振光并从多个方向检测反射光。
在图14b所示的示例中，输入光的偏振旋转角φ以t＝2ms为周期重复从0度到90度的范围。由实线表示的对电极9b1的施加电压作为2ms周期的矩形信号重复高低。该重复频率接近液晶的响应界限。因此，由虚线表示的液晶折射率的变化比施加电压的变化缓慢，为2ms周期的运动。如斜箭头所示，通过将施加电压的相位从电极9b2逐渐移向电极9b3，电极9b9中的施加电压的相位偏离半周期，电极9b18中的施加电压的相位偏离一个周期，即2ms。施加电压的相位偏移宽度由校正像差的规则确定。在整个电极9b中，电压分布图案与偏振光的旋转角φ同步旋转。电压分布图案的运动相当于通过出射光束进行的水平方向的扫描。
由实线表示的施加到电极9c的电压以30ms为周期线性增减。由虚线表示的液晶折射率的变化也显示出与施加电压相同的运动。但是，与施加电压的急剧下降相比，液晶的折射率的变化变得缓慢。电极9c中液晶的折射率变化对应于来自光栅8c的辐射光的角度变化。因此，出射光束的垂直方向的扫描表示以30ms为周期的线性振动。由公式(5)可知，如果n0＝1.58、θ1＝75度，δn＝0.045，则θ1的变化幅度为6.3度。从公式(3)和公式(4)中，若设λ2＝2.5μm，则垂直方向上的出射角θ⊥的变化为10度左右。因此，通过向电极9c施加电压，能够在以30ms为周期的出射角的变化10度下进行垂直方向的扫描。
图14c是示出激光在水平方向和垂直方向上的扫描的情况的图。
通过偏振光的控制和对电极9b的液晶取向的控制，在0度至90度的范围内的水平方向上执行扫描。在对电极9c的液晶取向的控制下，扫描位置在垂直方向上偏移30ms至10度。即，在垂直方向上一边移动一边在水平方向上从0度扫描到90度之后，保持垂直位置不变，水平位置返回到0度。该运动重复15次。在下一次扫描中，将扫描位置返回到作为原始位置的垂直位置0度和水平位置0度，并且重复与上述相同的运动。水平方向的分辨率是无限制的，并且垂直方向的分辨率是每帧30ms15条扫描线。
图15a是示出在第一实施方式中，在同时使用液晶折射率控制和光源波长的可变控制的激光扫描的情况下，输入光的偏振旋转角、光源波长、施加到透明电极的电压以及水平方向和垂直方向上的旋转角的时间经过的关系的图。图15b是示出激光在水平方向和垂直方向上的扫描的情况的图。透明电极层的图案与波导光的传播方向之间的关系如图14a所示的示例中所述。另外，将液晶的响应速度的界限设为开/关之间的1ms，并且将光束扫描的速度设为每帧30ms来进行说明。波长的可变控制原理在图1c所示的例子中进行了说明。除此之外，还有例如超周期结构衍射型dbr(distributedbraggreflector)。在超周期结构衍射型dbr中，作为波长的变化幅度，能够以20khz的周期高速扫描40nm的范围。
在图15a所示的示例中，输入光的偏振旋转角φ以t＝2ms为周期重复从0度到90度的范围。由实线表示的电极9b1的施加电压作为2ms周期的矩形信号重复高低。该重复频率接近液晶的响应界限。因此，由虚线表示的液晶折射率的变化比施加电压的变化缓慢，为2ms周期的运动。如斜箭头所示，通过逐渐将施加电压的相位从电极9b2移向电极9b3，在电极9b9中的施加电压的相位偏移半个周期，在电极9b18中的施加电压的相位偏移一个周期，即2ms。施加电压的相位偏移宽度由校正像差的规则确定。在整个电极9b中，电压分布图案与偏振光的旋转角φ同步旋转。电压分布图案的运动相当于出射光束的水平方向的扫描。
用实线表示的电极9a和施加到电极9c的电压以30ms为周期重复高低。用虚线表示的液晶折射率的变化也显示出与施加电压相同的运动。但是，与施加电压的急剧下降相比，液晶的折射率的变化变得缓慢。
光源1的波长在重复全振幅1.5nm的高频振动的同时，在30ms之间从0.93μm逐渐增加到0.95μm，该运动以30ms周期反复进行。当光源1的波长改变时，光栅8a中的输入条件改变。因此，为了应对输入条件的变化，向电极9a施加的电压也在30ms之间逐渐增加，该运动以30ms周期反复进行。全振幅1.5nm的高频波长变动对输入效率没有大的影响。因此，将施加到电极9a的电压设定为仅对应于低频的20nm宽度的变动。电极9c中液晶的折射率变化对应于来自光栅8c的辐射光的角度变化。因此，与波长变化相结合，出射光束的垂直方向扫描表示以30ms为周期的线性振动。
由公式(7)可知，当n0＝1.58、θ1＝75度、λ1＝0.29μm、λ2＝2.5μm时，由于20nm的波长变化、δn＝0.045的有效折射率变化，垂直方向上的出射角θ⊥的变化为30度左右。此外，通过全振幅1.5nm的高频波长振动，可以在垂直方向上获得全振幅2度的出射角振动。
在图15b所示的示例中，示出了激光在水平方向和垂直方向上的扫描的情形。通过偏振光的控制和对电极9b的液晶取向的控制，在0度至90度的范围内的水平方向上执行扫描。通过对电极9c的液晶取向的控制和低频波长控制，扫描位置在垂直方向上偏移30ms。另外，通过高频波长控制，各扫描线在垂直方向上以2度的全振动宽度振动。即，一边在垂直方向上移动一边在水平方向上从0度扫描到90度之后，保持垂直位置不变，水平位置返回到0度。这项运动重复15次。在下一次扫描中，将扫描位置返回到原始位置即垂直位置0度和水平位置0度，并重复相同的运动。水平方向的分辨率无限制。垂直方向的分辨率即扫描线的数目为每帧30ms15条。扫描线间的间隔为30度/15＝2度。另一方面，扫描线振动以填充垂直方向之间。因此，垂直方向的分辨率也几乎不受限制。
施加到电极9a的电压用于输入耦合效率最大化的控制。控制电路32通过调节施加到电极9a的电压来控制光10f与在波导层7d传播的光10g的耦合效率，即输入耦合效率。施加到电极9c的电压用于控制辐射角度。控制电路32通过调节施加到电极9c的电压来控制从光栅8c出射到外部的光10h的方向。如上所述，光源1出射的光10a的一部分在光源1出射光10a期间通过偏振光转子5，由光波导元件7反射，再次通过偏振光转子5，并经由偏振光分光器4由光检测器12检测。因此，光源发光时光检测器12的检测光量的极大值与入射光中的无法输入光栅8a的光的效率成正比。因此，控制施加到电极9a的电压以使光源发光时检测光量的极大值最小化。控制电路32通过在光源1出射光10a时控制施加到电极9a的电压，来使由光检测器12检测的光的光量的极大值最小化。该操作通过按时间顺序记录极大值，在每次控制电路31施加到偏振光转子5的电压的控制周期时比较极大值的变化，并分析最小化的方向来执行。
图16a和图16b示出了第一实施方式中的偏振光转子5的控制信号、光源1的输出光量以及光检测器12中的检测光量的时间经过的关系。与图16a所示的示例相比，在图16b所示的示例中，频率信号在矩形脉冲重叠。
在图16a所示的示例中，来自控制光源1的振荡的控制电路30的振荡信号例如每隔δ＝250ns改变为10ns宽的矩形脉冲。信号波形16a、信号波形16a1和信号波形16a2相当于通过矩形脉冲的控制信号从光源1出射的光脉冲的输出光量。每250ns的脉冲振荡在30ms的一个帧中成为12万脉冲。这相当于如果在水平方向和垂直方向上对齐分辨率，则以600×200(＝12万)的像素分辨率扫描90度×30度的范围。
与作为脉冲信号的信号波形16a、信号波形16a1和信号波形16a2同步地切换来自控制偏振光的控制电路31的控制信号17a、控制信号17a1和控制信号17a2。例如，以如下方式控制偏振光旋转角。首先，假设信号波形16a的矩形脉冲的时间范围内的偏振光旋转角为φ，信号波形16a的矩形脉冲和信号波形16a1的矩形脉冲之间的时间范围内的偏振光旋转角为π/2-φ。信号波形16a的矩形脉冲和信号波形16a1的矩形脉冲之间的时间范围内的偏振光旋转角，即检测时的偏振光旋转角，一般设为π/2-φ nπ,n为整数。n被设定为使偏振光旋转角的绝对值最小。在信号波形16a1的矩形脉冲中，增加了与光束扫描对应的变化量δ(＝πδ/2t)，在信号波形16a1的矩形脉冲的时间范围内成为偏振光旋转角φ δ，在信号波形16a1的矩形脉冲与信号波形16a2的矩形脉冲之间的时间范围内成为偏振光旋转角π/2-φ-δ。在信号波形16a2的矩形脉冲中，增加了与光束扫描对应的变化量δ，并且在信号波形16a2的矩形脉冲的时间范围内偏振光旋转角为φ 2δ。在t＝2ms期间，绕轴l旋转1/4。从偏振光转子5到物体之间的去路光的偏振角在信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲中分别为φ、φ δ和φ 2δ。在信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲的时间范围内，从偏振光转子5到偏振光分光镜4之间的回路光的偏振角分别为2φ，2(φ δ)和2(φ 2δ)，并且在其它时间范围内为π/2。
在图1a所示的示例中，根据信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲出射的光发射圆柱体6作为平行光束10i。来自外界的反射光返回到矩形脉冲外部的时间范围。因此，该反射光的偏振方向经过偏振光转子5比发光时旋转90度。当偏振方向旋转90度的反射光，经由偏振光分光器4由光检测器12例如作为信号波形18a和信号波形18a1来检测。信号波形16a和信号波形18a之间的终端间的时间间隔19a，以及信号波形16a1和信号波形18a1之间的终端间的时间间隔19a1被称为tof信号(time-of-flight)信号。tof信号也可以是前端间的时间间隔。基于该时间差，可以计算到外部物体的距离。例如，当反射光的时间延迟为250ns时，到物体的距离为37.5m。在图16a所示的模型中，能够测量到37.5m以内。
另一方面，在信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲的光中，由光波导元件7反射的成分再次通过偏振光转子5，并且与发光时相比，偏振光角分别旋转2φ，2(φ δ)和2(φ 2δ)，并经由偏振光分光器4由光检测器12分别作为波形信号20a、信号波形20a1和信号波形20a2来检测。检测信号中，例如，信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲的时间范围中的，分别提取信号波形20a，信号波形20a1和信号波形20a2的信号为提取检测信号20，并且由实线表示。信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲的时间范围对应于光源的发光时间。作为参考，提取信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲在时间范围内的偏振光旋转角，并通过虚线重叠绘制。偏振光旋转的控制信号t＝2ms作为周期。偏振光旋转角每周期t从0度变化到90度。与此相对，提取检测信号20绘制周期为t的sin的平方曲线。信号波形20a、信号波形20a1和信号波形20a2分别对应于提取检测信号20上的提取检测信号20a、提取检测信号20a1和提取检测信号20a2。
在提取检测信号20上，最小点20r对应于偏振光旋转控制信号的周期的起点或终点。最大点20p对应于偏振光旋转控制信号的起点和终点之间的中点。即，最小点20r和最大点20p之间的间隔等于45度。换言之，偏振光旋转的控制信号和检测信号的旋转角是一致的。当偏振光转子5是法拉第转子时，在构成该法拉第转子的磁性玻璃棒5a中，物体值通过温度和/或波长的变化而改变，例如，给予法拉第效应的贝尔德常数。当偏振光转子5的特性被打乱时，偏振光不按控制信号旋转。例如，当偏振光相对于施加电压的旋转灵敏度减小时，提取检测信号20相对于时间轴延伸，如图16a所示的一点虚线所示。此时，在提取检测信号20上，最小点20r0偏离偏振光旋转的控制信号的起点或终点，并且最小点20r0和最大点20p0之间的间隔偏离45度。换言之，偏振光旋转的控制信号和检测信号的旋转角不一致。为了解决该问题，控制电路31从提取检测信号20检测各个周期中的最小点20r和最大点20p。最小点20r对应于偏振光旋转控制信号的周期的起点或终点。控制最小点20r和最大点20p之间的时间间隔，使得偏振光旋转角为45度。偏振光旋转角45度是90度的1/2，该90度是偏振光旋转的控制信号的周期。每次控制电路31施加到偏振光转子5的电压的控制周期(t)时，执行该操作。
信号波形16a的矩形脉冲、信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲的时间范围内的检测信号20的极大值20p与入射光中无法输入的效率成比例。因此，极大值20p的输出值用作控制施加到电极9a的电压以使输入耦合效率最大化时的控制信号。极大值20p越小，输入效率就越高。每当施加到偏振光转子5的电压的周期(t)时，控制电路32调节施加到电极9a的电压，使得极大值20p变小。因此，控制电路32控制光10f与在波导层7d传播的光10g的耦合效率，即输入效率。
由上可知，控制电路31、控制电路32和控制电路34执行以下动作。
控制电路31在光源1出射光10a时调节施加到偏振光转子5的电压。控制电路34通过偏振光转子5，被光波导元件7反射并再次通过偏振光转子5，并经由偏振光分光器4获取由光检测器12检测的光的极大值和极小值。控制电路34通过比较所述极大值和极小值的时间位置来控制通过偏振光转子5的光10e的偏振方向11e的旋转角。控制电路32通过比较所述极大值的变化来调节施加到电极9a的电压，并控制在波导层7d传播的光10g的输入效率。
此外，如图16a所示，当时间间隔19a变长并且时间间隔为19a0时，信号波形18a在信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲之间中断，成为信号波形18a0。结果，有时难以判别信号波形18a0和信号波形18a1。此时，如图16b所示，通过将高频信号叠加在光源1的振荡信号上并将高频强度调制信号搭载在输出光量上，来区分相邻脉冲波形16a和脉冲波形16a1之间的频率。作为频率差异化，例如，将高频信号叠加在脉冲波形16a和脉冲波形16a2上，将低频信号叠加在脉冲波形16a1上。
通过这种方式获得的检测信号18a和检测信号18a1中也残存叠加信号。当检测电路33包括滤波电路时，通过由滤波电路处理叠加信号，可以从叠加信号中分离检测信号18a和检测信号18a1。滤波电路作为高通滤波器(hpf)或低通滤波器(lpf)发挥功能。例如，如果将高通滤波器分别应用于检测信号18a和检测信号18a1，则将该信号转换为信号18h和信号18h0。如果将低通滤波器分别应用于检测信号18a和检测信号18a1，则将该信号转换为信号18l和信号8l0。从信号18h减去信号18l的两者之间的差值得到信号18e。从信号18h0减去信号18l0的两者之间的差值得到信号18e0。通过确定信号18e和信号18e0的正极性或负极性，可以识别检测信号18a对应于脉冲波形16a还是脉冲波形16a1。结果，可以可靠地测量时间间隔19a0和时间间隔19a1。在图16b所示的模型中，能够测量至75m。如果可以区分脉冲波形16a2的频率，则可以进一步延长测量距离。通过这样的滤波电路进行的叠加信号的处理也可以应用于测量物体距离的现有光学装置。
由上可知，控制电路30和控制电路34执行以下动作。
控制电路30使光源1依次发射具有不同频率的强度调制信号叠加的脉冲波形16a的光脉冲和脉冲波形16a1的光脉冲。
控制电路34使光检测器12检测从光波导元件7出射，被物体反射并入射到光波导元件7的脉冲波形16a的光脉冲的一部分和脉冲波形16a1的光脉冲的一部分，并将对应于脉冲波形16a的光脉冲的一部分量的检测信号18a和对应于脉冲波形16a1的光脉冲的一部分的检测信号18a1分离并输出。
此外，如图14a所示，施加到电极层的电压具有90度的周期。因此，通过一次旋转可以获得4个电压分布图案。该电压分布图案以液晶的响应速度表示旋转运动。光源1的发光响应速度和偏振光转子5的偏振光旋转速度远远超过液晶的响应速度。因此，可以在对应于电压分布图案的多个方向上独立地控制发光和偏振光的旋转。例如，可以一次在两个方向上出射光、扫描光束并检测来自两个方向的反射光。两个方向例如是-45到45度范围内的方向和45到135度范围内的方向。
图16c是示出在执行了重复扫描的情况下偏振光转子5的控制信号、光源1的输出光量以及光检测器12的检测光量的时间经过的关系的图。
在图16c所示的示例中，来自控制光源1的振荡的控制电路30的振荡信号例如每隔一个方向250ns改变为宽度为10ns的矩形脉冲。信号波形16a、信号波形16a1和信号波形16a2相当于通过矩形脉冲的控制信号从光源1出射的光脉冲的输出光量。与作为这些脉冲信号的信号波形16a、信号波形16a1和信号波形16a2同步地，来自控制偏振光的控制电路31的控制信号17a、控制信号17a1和控制信号17a2也分别被切换。例如，以如下方式控制偏振光旋转角。在信号波形16a的矩形脉冲中，在信号波形16a的矩形脉冲的时间范围内，偏振光旋转角变为φ，信号波形16a的矩形脉冲与信号波形16a1的矩形脉冲之间的时间范围内的偏振光旋转角变为π/2-φ。在信号波形16a1的矩形脉冲中，在信号波形16a1的矩形脉冲的时间范围内，偏振光旋转角变为φ π/2，并且在信号波形16a1的矩形脉冲和信号波形16a2的矩形脉冲之间的时间范围内，偏振光旋转角变为-φ π/2。在信号波形16a2的矩形脉冲中，增加对应于光束扫描的变化量δ，并且偏振光旋转角成为φ δ。信号波形16a和信号波形16a2对应于-45度到45度范围的视野内的发光，信号波形16a1对应于45度到135度范围的视野内的发光。
在图1a所示的示例中，在信号波形16a的矩形脉冲的时间范围内，光10i被像差校正并在-45度到45度的范围的视野内在圆柱体6发射。来自外界的反射光返回到信号波形16a的矩形脉冲的时间范围之外。该反射光的偏振方向经由偏振光转子5旋转90度。此后，该反射光由偏振光分光器4朝向光检测器12分离，并由光检测器12检测为信号波形18a。信号波形16a和信号波形18a的终端之间的时间间隔19a是tof信号。由此，可以检测出到-45度到45度范围的视野内的物体之间的距离。
同样地，在信号波形16a1的矩形脉冲的时间范围内，光10i被像差校正，并且在圆柱体6在45度到135度的范围的视野内出射。来自外界的反射光返回到信号波形16a1的矩形脉冲的时间范围之外。该反射光的偏振方向经由偏振光转子5旋转90度。此后，该反射光由偏振光分光器4朝向光检测器12分离，并由光检测器12检测为信号波形18a1。信号波形16a1和信号波形18a1的终端之间的时间间隔19a1是tof信号。由此，可以检测出到45度到135度范围的视野内的物体之间的距离。
例如，当反射光的时间延迟为250ns时，到物体的距离为37.5m。在图16c所示的模型中，能够在-45度到135度的范围内，即180度的角度范围内测量到37.5m。
此外，图8b、图10a和图10c所示的电极的图案形成可以形成在反射层7b侧，而不是透明电极层7g侧。此外，由光栅8a激发的波导光10g可以是tm模式。当液晶元件用于偏振光转子5时，不能像法拉第转子那样快速响应。因此，不能切换与图16a所示的与发光的开/关同步的高速偏振光角。然而，如果半透镜用于偏振光分光器4，则可以检测来自外界的反射光，而无需切换偏振光角。当使用1/4波长板代替偏振光转子5时，圆偏振光的光入射到光栅8a。因此，在全偏角方向上均匀地激发波导光10g。仅校正激发光中的部分方位的像差，并且光的利用效率降低到几分之一。在这种情况下，如果在偏振光分光器4中使用半透镜，则可以检测来自外界的反射光。
因此，根据本实施方式，可以向外部物体出射广角0.1度以下的集中激光束。此时，可以在水平方向90度和垂直方向30度的视野内以每秒30帧以上的运动速度扫描出射光束。此外，可以从来自物体的反射光中去除杂光，并且可以选择性地仅接收或检测具有相同波长和相位的光。另外，可以将检测到的光转换为视野内物体的精确的二维距离信息。从二维距离信息获得三维位置关系。
(第二实施方式)
图17a和图17b是示意性地示出第二实施方式的透明电极层的图案的图。
在图17a所示的示例中，施加到被分割的电极层的电压具有120度的周期。例如，对电极9b1、电极9b25和电极9b49施加相同的电压，并且对电极9b2、电极9b26和电极9b50也施加相同的电压。在120度的角度范围内施加到电极的电压表示在校正像差的条件下的高低电压分布图案。该电压分布图案在维持图案形状的状态下，与由偏振光转子产生的偏振光的旋转角φ同步旋转。在图17a所示的分割方法中，光源1的发光响应速度和偏振光转子5的偏振光旋转速度远远超过液晶的响应速度。因此，可以在对应于电压分布图案的三个方向中的每一个上独立地控制发光和偏振光的旋转。因此，使用图16c所示的方法，可以一次在三个方向上出射光，并检测来自三个方向的反射光。
在图17b所示的示例中，电极9b在旋转方向上以4度刻度在辐射方向上被等分，并且电极9b1被分成90个电极9b90。施加到被分割的电极层的电压具有72度的周期。例如，对电极9b1、电极9b19、电极9b37、电极9b55和电极9b73施加相同的电压。对电极9b2、电极9b20、电极9b38、电极9b56和电极9b74也施加相同的电压。72度角度范围内的施加到电极的电压在校正像差的条件下表示高低电压分布图案。该电压分布图案在维持图案形状的状态下，与由偏振光转子产生的偏振光的旋转角φ同步旋转。在图17b所示的分割方法中，可以在对应于电压分布图案的五个方向中的每一个上独立地控制发光和偏振光旋转。因此，使用图16c所示的方法，可以一次在五个方向上出射光，并检测来自五个方向的反射光。
从图1a和图1b可以看出，光10f以后的光线的行进路线也包括回路在内作用180度对称。在第一实施方式中，如图14a到图14c所示，以180度对称方式实现像差校正。其结果，作为来自外界的反射信号，来自相当于前方的-45度到45度的范围的视野内和相当于后方的135度到225度的范围的视野内的两种信号重叠返回。来自位于对角的两个方向的光从相同的发光获得。在这种情况下，两种信号可以通过例如与在其它成像系统中获得的图像进行比较并添加图像处理而被分离。与此相对，在图17a及图17b所示的分割方法中，位于180度相反侧的两个电压分布图案不同。由此，一方面进行像差修正，但在对角方向上留下较大的像差。因此，相位校正也不对称，并且检测信号不重叠。因此，与第一实施方式相比，可以简化立体图像的处理。
(第三实施方式)
图18是示意性地示出第三实施方式的光学装置的结构和光线的路径的立体图。光波导元件7的剖面构造与图1b所示的构造相同。在第三实施方式中，第一实施方式中的偏振光转子5被1/4波长板4a和半透镜4b替换，省略了控制电路31，并且添加了新的偏振光分光器4c、光检测器12a和光检测器12b。除此以外与第一实施方式相同，省略重复的说明。
图19a是示出第三实施方式的电极9b的电压分布图案的旋转角、光源1的输出光量、光检测器12a、光检测器12b和光检测器12中的检测光量p0、检测光量p90和检测光量p45、以及检测光量p0、检测光量p90和检测光量p45的标准化差信号的时间经过关系的图。
图19b是示出第三实施方式的电极9b的分割区域与水平方向扫描光线的方向之间的关系的图。图19c是示出通过与电极9b区域的分割区域对应的激光在水平方向和垂直方向上的扫描状态与扫描光线之间的位置之间的关系的图。
在第三实施方式中，光学装置具备光源1、准直透镜2a、反射镜3、偏振光分光器4、1/4波长板4a、半透镜4b、偏振光分光器4c、聚光透镜2b、圆柱体6、光波导元件7、控制电路30和控制电路32。偏振光分光器4、1/4波长板4a、半透镜4b、聚光透镜2b、圆柱体6和光波导元件7以轴l为中心轴配置。
在图18所示的示例中，光源1出射激光10a，该激光10a是波长λ的直线偏振光。光10a通过准直透镜2a成为平行光10b，成为在反射镜3反射并入射到偏振光分光器4的光10c，透过偏振光分光器4成为光10d。偏振光分光器4例如是偏振光分束器。也可以将光束整形棱镜插入准直透镜2a和反射镜3之间，所述光束整形棱镜将椭圆状扩展的激光10a的分布转换为圆形。光10d透过1/4波长板4a成为圆偏振光的光10d0，入射到半透镜4b，一半透过其中成为光10e。光10e沿着中心轴l通过聚光透镜2b并入射到圆柱体6，所述圆柱体6是折射率n0和半径r0的透明构件。中心轴l位于通过半透镜4b的光10e的光路上，可以说是沿着该光路的轴。圆偏振光的光入射到光栅8a。因此，在全偏角方向上均匀地激发波导光10g。
光10e以后的光线的路径的去路及回路都与第一实施方式相同。因此，省略说明。在位于外界的物体的表面反射之后，在回路中逆行至半透镜4b的位置的光10e，其一半在半透镜4b反射，成为光10e0，由偏振光分光器4c分支为反射光10e1和透射光10e2，分别由光检测器12a和光检测器12b检测。偏振光分光器4c例如是偏振光分束器。反射光10e1是光10e0的s偏振成分，透射光10e2是光10e0的p偏振光成分。
在光10e中，在半透镜4b透射的成分10d0在1/4波长板4a透射，一部分在偏振光分光器4反射，并且由光检测器12检测。光检测器12、光检测器12a和光检测器12b包括检测电路33。检测信号由检测电路33进行信号处理。半透镜4b的反射面的面法线与偏振光分光器4的反射面的面法线可以不平行，例如倾斜45度。例如，从光源1到1/4波长板4a的结构可以围绕轴l旋转45度。在这种情况下，在作为返回光的光10e中，由光检测器12a检测与相当于电场向量的偏振光正交的方向为0度的光，由光检测器12b检测与偏振光正交的方向为90度的光，并且由光检测器12检测与偏振光正交的方向为45度的光。
在图19a所示的示例中，来自控制光源1的振荡的控制电路30的振荡信号例如每隔δ＝250ns改变为10ns宽的矩形脉冲。相应地，信号波形16a的脉冲光和信号波形16a1的脉冲光发光。每250ns的脉冲振荡在30ms的一个帧内为12万脉冲。与该脉冲信号同步，在施加到电极9b的电压的旋转角上加上与光束扫描对应的变化量δ(＝2πδ/5t)，电极9b的电压分布图案在t＝2ms期间绕轴l旋转1/5。
在图19b所示的示例中，电极9b被分成五个扇形区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5。在各个区域中，传播用于光线扫描的波导光。区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5分别负责从φ＝-36度到36度、从36度到108度、从108度到180度、从180度到252度以及从252度到324度的水平扫描范围。
图19c是示意性地示出了在区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5中的每一个中激光在水平方向和垂直方向上的扫描状态的图。在以连接图19b所示的中心o和点b1、点b2、点b3、点b4以及点b5各自的方向为中心的±36度范围内，形成了用于像差校正的电压分布图案。像差校正的结果，成为平行光束的光扫描图19c所示的点b1、点b2、点b3、点b4以及点b5的位置。点b1、点b2、点b3、点b4和点b5分别一边维持72度的角度差，一边在各区域移动。即，图19c中所示的点b1扫描相当于从φ＝-36度到36度的范围的区域b1。同样地，点b2、点b3、点b4和点b5也分别同步地扫描区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的区域。图19c所示的水平方向的扫描也可以看作是360度范围的连续扫描。当点b1跨越区域b1和区域b2之间的边界时，点b1的扫描线切换到点b2的扫描线。即，点本身连续地扫描360度的区间，但根据区域的不同，图中的名称也发生变化。
由物体反射并逆行至半透镜4b的位置的光10e的偏振方向因区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5而异。区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5中的光分别具有以φ＝90度、162度、234度、306度和18度为中心的偏振。具体而言，光的偏振方向在图19b所示的xy平面内与区域b1内的方位ob1正交，在区域b2内与方位ob2正交，在区域b3内与方位ob3正交，在区域b4内与方位ob4正交，在区域b5内与方位ob5正交。
图19a示出了光检测器12a、光检测器12b和光检测器12中的检测光量p0、检测光量p90和检测光量p45的时间经过。此外，在图19a中，在脉冲光16a出射后250ns的时间范围内，同时检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光。信号波形20a、信号波形20a1、信号波形20b、信号波形20b1、信号波形20c和信号波形20c1是不能输入到光栅8a中而原样反射的返回光的检测信号。
例如，光检测器12a分别检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光作为信号波形18a1、信号波形18a2、信号波形18a3、信号波形18a4和信号波形18a5。光检测器12b分别检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光作为信号波形18b1、信号波形18b2、信号波形18b3、信号波形18b4和信号波形18b5。光检测器12分别检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光作为信号波形18c1、信号波形18c2、信号波形18c3、信号波形18c4和信号波形18c5。从该和信号18a1 18b1 18c1、和信号18a2 18b2 18c2、和信号18a3 18b3 18c3、和信号18a4 18b4 18c4和信号18a5 18b5 18c5分别检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光的tof信号。来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光的tof信号分别是信号19a1、信号19a2、信号19a3、信号19a4和信号19a5。和信号的光量使用到光10e的光量的3/4。
此外，从三个检测光量生成三个标准化差信号(p0-p90)/(p0 p45 p90)，标准化差信号(p0-p45)/(p0 p45 p90)和标准化差信号(p90-p45)/(p0 p45 p90)。信号18en、信号18fn和信号18gn分别从信号20an，、信号20bn和信号20cn产生，n为1至5的整数。
在250ns的时间范围内，检测对应于区域b1到区域b5中的每一个的五个信号。此时，判定哪个信号对应于哪个区域。五个信号中的每一个基于来自具有不同距离或反射率的对象的反射。因此，不能根据五个信号的大小关系来判定信号和区域之间的对应关系。与此相对，检测光量p0、检测光量p90和检测光量p45之间的大小关系基于相同的反射。因此，只要是该大小关系，就可以应用于判定。在本实施例中，使用三个标准化差信号进行判定。
图20a、图20b、图20c、图20d和图20e分别示出了当在-36度到324度的范围内扫描一条光线时，在电极9b的区域b1、区域b3、区域b5、区域b2和区域b4中以返回的光为基准的检测差信号的行为。例如，图20a示出了区域b1中的标准化差信号(p0-p90)/(p0 p45 p90)、标准化差信号(p0-p45)/(p0 p45 p90)和标准化差信号(p90-p45)/(p0 p45 p90)与水平方向扫描方位角φ的关系。由于差信号大小关系的不同，在180度周期范围内，可以分为区划a、区划b、区划c、区划d、区划e以及区划f六种区划。随着图20b、图20c、图20d和图20e的变化，差信号波形和六种区划范围的方位角以-36度的增量逐次移动。从图19b中所示的示例来看，区域b1的范围是φ＝-36度到φ＝36度。在图20a所示的例子中，如果光线在从φ＝-36度到φ＝36度的范围内，则该光线是点b1的扫描线。此时，光线b3、光线b5、光线b2和光线b4的扫描线分别描绘图20b、图20c、图20d和图20e所示的示例中的-36度到36度范围内的信号曲线。例如，从图19b中所示的示例来看，区域b2的范围是φ＝36度到φ＝108度。在图20d中所示的示例中，φ＝-36度到φ＝36度的范围对应于从点b1偏离72度的点b2的扫描线的移动。因此，如果光线是由扫描线b1引起的，则标准化差信号描绘在图20a所示的例子中从φ＝-36度到φ＝36度的范围的曲线。因此，公式(21)成立。
[数式21]
在图20c、图20d以及图20e所示的例子中，在从φ＝-36度到φ＝36度的范围内，任何差信号的大小关系都不满足公式(21)。因此，图20a所示的区域中的信号可以与图20c、图20d和图20e所示的区域中的信号分开。由此，可以将光线b1与光线b5、光线b2和光线b4分开。另一方面，在φ＝-22度至φ＝9度的范围内，图20b所示的区划a与图20a所示的区划a重叠。结果，无法通过公式(21)分开。然而，在该重叠区划中，图20a所示的标准化差信号(p0-p45)/(p0 p45 p90)大于图20b所示的标准化差信号(p0-p45)/(p0 p45 p90)。因此，图20b所示的信号可以与图20a所示的信号区别开来。由此，可以将光线b1与光线b3分开。因此，可以确定图19a所示的五个信号中的哪一个是与区域b1对应的信号。相同的关系在其他区域b2、区域b3、区域b4和区域b5中也成立。结果，可以区分所有五个检测信号是哪个区域或对应于哪个扫描线的信号。
(第四实施方式)
图21a和图21b分别是示意性地示出第四实施方式中的光学装置的结构和光线路径的立体图和剖视图。
在第四实施方式中，在第三实施方式中，反射镜3、偏振光分光器4c、光检测器12、光检测器12a和光检测器12b被省略，取而代之的是光检测器12a和光检测器12b被添加，圆柱体6被改变为圆台棱镜6t，并且在透明平面基板7f和圆台棱镜6t之间，插入含有圆台状的中空的基板7f，入射到偏振光分光器4的入射光10c相当于图21a所示的平行光10b,该偏振光呈s波。除此之外，与第三实施方式相同。因此，省略重复的说明。
第四实施方式中的光学装置具备光源1、准直透镜2a、偏振光分光器4、1/4波长板4a、半透镜4b、聚光透镜2b、圆台棱镜6t、包含圆台状中空的基板7f、光波导元件7、光检测器12a和光检测器12b、检测电路33a和检测电路33b、控制电路30、控制电路32以及控制电路34。偏振光分光器4、1/4波长板4a、半透镜4b、聚光透镜2b、圆台棱镜6t、包含圆台状中空的基板7f和光波导元件7以轴l为中心轴配置。
在图21a所示的示例中，光源1出射激光10a，所述激光10a是波长λ的直线偏振光。激光10a通过准直透镜2a成为s偏振光的平行光10b，并且在偏振光分光器4反射而成为光10d。偏振光分光器4例如是偏振光分束器。在准直透镜2a和偏振分光镜4之间插入光束整形棱镜，所述光束整形棱镜将椭圆状扩展的激光10a的分布转换为圆形。光10d透过1/4波长板4a成为圆偏振光的光10d0，入射到半透镜4b，一半透过其中成为光10e。光10e沿着中心轴l通过聚光透镜2b并入射到圆台棱镜6t，所述圆台棱镜6t是折射率n0的透明构件。中心轴l位于通过半透镜4b的光10e的光路上，可以说是沿着该光路的轴。圆偏振光入射到光栅8a。因此，在全偏角方向上均匀地激发波导光10g。圆台棱镜6t和包含圆台形中空的基板7f以轴l为同轴与透明平面基板7f紧密接触。
光10e以后的光线的路径与第一实施方式及第三实施方式基本相同。因此省略说明。然而，从光栅8c辐射的光经过透明平面基板7f和基板7f在基板7f的圆台状中空表面折射，进入圆台棱镜6t的侧面，成为折射的光10h，从相对侧的圆台侧面出射，成为折射的光10i。基板7f的圆台状中空表面和圆台棱镜6t的侧表面具有与轴l相同的轴。可以在这些表面上形成闪耀光栅。在闪耀光栅中，沿与中心轴l正交的方向形成锯齿形状的槽。通过闪耀光栅，通过的光在垂直面内衍射。由此，在圆台棱镜6t的侧面位置处，折射光10j成为从水平面以θ⊥的角度出射到外部的出射光10i。
在对象处反射之后的返回路径中，在去路的路径中逆行至半透镜4b的位置的光10e的一半在半透镜4b反射而成为光10e0，并且由光检测器12a检测。在光10e内，在半透镜4b透射的成分10d0在1/4波长板4a透射。透射光10d的一部分透过偏振光分光器4作为透射光10b由光检测器12b检测。光检测器12a包括检测电路33a，光检测器12b包括检测电路33b。检测信号由检测电路33a和检测电路33b进行信号处理。光学装置还可以包括控制电路34。控制电路34从检测电路33a和检测电路33b的检测信号生成例如控制光源或液晶的取向的控制信号。此外，控制电路30、控制电路32和控制电路34可以集中为一个控制电路。
图22是示意性地示出在第四实施方式中具有像差校正控制的情况下来自光栅8c的辐射光的传播路径的图。在图22所示的例子中，上段表示俯视图，中段表示立体图，下段表示剖视图。如图22所示，在波导层7d中传播的波导光10g和波导光10g0在光栅8c出射，并入射到圆台棱镜6t的侧面，进行折射并成为在其内部传播的光10h、光10h0、光10h1和光10h10，在相对侧的圆台侧面折射并成为出射到外部的光10i、光10i0、光10i1和光10i10。如图22的中段所示，光10h、光10h0、光10h1和光10h10沿x轴的正方向在远离中心轴l的轴l”上相交。轴l”相对于中心轴l倾斜。光10h和光10h0在轴l”上的点f’处相交，光10h1和10h10在轴l”上的点f”处相交。在图22的上段和下段所示的示例中，圆柱体6被圆台棱镜6t代替。由此，与轴l”的倾斜相对应，外周侧的光10h和光10h0的折射点的半径r0和内周侧的光10h1和光10h10的折射点的半径r0’发生变化。结果，在圆台棱镜6t的侧面出射之后的光线可以是平行光。
在第四实施方式中，光线两次通过形成了闪耀光栅的圆台棱镜6t的侧面。在光线通过侧面的方式中，与通过第一实施方式及第三实施方式中的圆柱体6的底面的方式相比，设计的自由度变广。此外，光线通过侧面，从而两次受到闪耀光栅衍射的影响。如果在基板7f的圆台状的中空表面上也形成闪耀光栅，则光线三次受到衍射的影响。通过这样的两次以上的衍射，即使光栅的节距比第一实施方式和第三实施方式大，也能够获得充分的衍射效率。由于光栅的节距较大，因此制作变得容易，衍射效率也提高。为了将从光栅8a辐射的光提取到空气中，一般配置基板7f。另一方面，如果能够取出光，则也能够省略基板7f。在基板7f上设置的圆台中空的结构，无论辐射角如何，都可以从光栅8a将辐射光提取到空气中。因此，设计的自由度变广。
图23a是示出第四实施方式中的电极9b的电压分布图案的旋转角、光源1的输出光量、光检测器12a与光检测器12b的检测光量pa、检测光量pb以及检测光量之和pa pb和比pb/pa的时间经过的关系的图。
图23b是示出第四实施方式中的电极9b的分割区域与水平方向扫描光线的方向之间的关系的图。点b1的第一扫描光线、点b2的第二扫描光线、点b3的第三扫描光线、点b4的第四扫描光线和点b5的第五扫描光线分别从电极9b的区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5辐射。这五条扫描光线彼此以72度的角度在中心o周围等角旋转。
与点bk的扫描光线对应的光10e0的偏振幅度由公式(22)表示，其中ak表示振幅系数，φ表示方位角或扫描角。但是，k＝1、2、3、4、5。
[数式22]
利用琼斯矩阵，光10e0的偏振幅度与透射光10b的偏振幅度之间的关系由公式(23)表示。
[数式23]
左边的第一项表示偏振光分光器4的矩阵，第二项表示1/4波长板4a的矩阵，第三项表示光10e0的偏振幅度，右边表示透射光10b的偏振幅度。
从公式(22)和公式(23)中，光检测器12a和光检测器12b中的检测光量pa和检测光量pb分别由公式(24)和公式(25)表示。
[数式24]
[数式25]
从公式(24)和公式(25)中，检测光量比pb/pa由公式(26)表示。
[数式26]
图23c是示出表示与点b1的第一扫描光线对应的检测光量比pb1/pa1、与点b2的第二扫描光线对应的检测光量比pb2/pa2、与点b3的第三扫描光线对应的检测光量比pb3/pa3、与点b4的第四扫描光线对应的检测光量比pb4/pa4、以及与点b5的第五扫描光线对应的检测光量比pb5/pa5的信号与液晶图案旋转角即扫描角φ之间的关系的图。该关系由公式(26)获得。在图23c所示的例子中，在从φ＝0度到φ＝18度的范围内，pb1/pa1<pb4/pa4<pb3/pa3<pb2/pa2<pb5/pa5的关系，在φ＝18度到φ＝36度的范围内，pb4/pa4<pb1/pa1<pb2/pa2<pb3/pa3<pb5/pa5的关系，在φ＝36度到φ＝54度的范围内，pb4/pa4<pb2/pa2<pb2/pa2<pb5/pa5<pb3/pa3的关系，在φ＝54度到φ＝72度的范围内，pb2/pa2<pb4/pa4<pb5/pa5<pb1/pa1<pb3/pa3的关系成立。在φ＝72度到φ＝90度的范围内，pb2/pa2<pb5/pa5<pb4/pa4<pb3/pa3<pb1/pa1的关系中，与在φ＝0度到φ＝18度的范围内的关系相比较，pb1/pa1提升到pb2/pa2、pb2/pa2提升到pb3/pa3、pb3/pa3提升到pb4/pa4、pb4/pa4提升到pb5/pa5、pb5/pa5提升到pb1/pa1。在那以后的角度范围内，提升的关系也成立。由此，可以知道360度以下的所有大小关系。因此，通过向电极9b的驱动信号来确定扫描角φ，并且如果确定扫描角φ，则确定五个检测光量比的大小关系。因此，检测信号可以指定扫描光线中的任何一个。
在图23a所示的示例中，来自控制光源1的振荡的控制电路30的振荡信号例如每隔δ＝250ns改变为10ns宽的矩形脉冲。相应地，信号波形16a的脉冲光和信号波形16a1的脉冲光发光。每250ns的脉冲振荡在30ms的一个帧中为12万脉冲。与该脉冲信号同步，在施加到电极9b的电压的旋转角上加上与光束扫描对应的变化量δ(＝2πδ/5t)，电极9b的电压分布图案在t＝2ms期间绕轴l旋转1/5。
图23a示出了光检测器12a和光检测器12b中的检测光量pa和检测光量pb的时间经过。在信号波形16a的脉冲光出射后250ns的时间范围内，同时检测来自区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光。信号波形20a、信号波形20a1、信号波形20b和信号波形20b1是不能输入到光栅8a而原样反射并返回的光的检测信号。
例如，在光检测器12a中，从区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5返回的光分别作为信号波形18a1、信号波形18a2、信号波形18a3、信号波形18a4和信号波形18a5被检测。在光检测器12b中，从区域b1、区域b2、区域b3、区域b4和区域b5的返回光分别作为信号波形18b1、信号波形18b2、信号波形18b3、信号波形18b4和信号波形18b5被检测。控制电路34接收对应于光检测器12a中的检测光量pa的电信号和对应于光检测器12b中的检测光量pb的电信号。控制电路34根据这两个电信号的和和比生成电信号。生成a1 b1、a2 b2、a3 b3、a4 b4和a5 b5作为表示光检测器12a和光检测器12b的检测光量之和的和信号pa pb。产生b1/a1、b2/a2、b3/a3、b4/a4和b5/a5作为表示光检测器12a和光检测器12b的检测光量之比的信号比pb/pa。
在和信号pa pb中，五个信号用作tof信号。另一方面，这些信号基于来自具有不同距离或反射率的对象的反射。因此，仅靠和信号不能确定哪个信号对应于区域b1到区域b5中的哪个区域。然而，通过增加信号比pb/pa，根据信号比的大小关系，能够确定五个信号可以对应于点b1的第一扫描光线、点b2的第二扫描光线、点b3的第三扫描光线、点b4的第四扫描光线、以及点b5的第五扫描光线中的哪一个，或者哪个信号对应于区域b1到区域b5中的哪个区域。例如，在图23a所示的信号比的例子中，可以判别为如果扫描角φ在0度到18度的范围内，则5个信号从左起按第一扫描光线、第二扫描光线、第三扫描光线、第四扫描光线、以及第五扫描光线的顺序，如果扫描角φ在18度到36度的范围内，则为第四扫描光线、第三扫描光线、第二扫描光线、第一扫描光线、以及第五扫描光线的顺序。
接下来，将说明电极9b中的波导光的传播方向的控制原理。
图24a和图24b分别是示意性地示出透明电极层7g侧和反射层7b侧各自的电极图案与施加电压之间的关系的图。图24a所示的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c、以及图24b所示的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c均由从左侧向右侧延伸的3个锯齿图案构成。每个锯齿图案绝缘。电压信号分别通过控制电路32a、控制电路32b和控制电路32c独立地施加到图24a所示的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c。同样地，电压信号分别通过控制电路32a、控制电路32b和控制电路32c独立地施加到图24b所示的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c。
图24c是示意性地示出透明电极层侧的电极图案以及反射层侧的电极图案重合的结构与施加电压之间的关系的图。如果将透明电极层7g设为上，将反射层7b设为下，则位于上下的锯齿图案具有通过连接锯齿一侧的顶点而形成的线在上下相互重叠的关系。反射层7b侧的锯齿图案的形状是通过上下反转透明电极层7g侧的锯齿图案而形成的形状。因此，如图24c所示，透明电极层7g侧的电极图案和反射层7b侧的电极图案重合的电极图案具有菱形连接的形状。
图24c所示的电极图案仅在单面上制作时，由于一个一个的菱形是孤立的，因此配线的布线并不容易。与此相对，在使图24a所示的电极图案以及图24b所示的电极图案重叠的方法中，图案本身成为配线，因此容易制作。交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c分别施加到透明电极层7g侧的锯齿形状电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c上。因此，振幅按交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c的顺序增大。若相对的电极接地，则通过该振幅梯度在与锯齿的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c对应的液晶层中产生折射率差。在夹在电极之间的波导层7d中从左向右传播的波导光10g在每次通过从光路倾斜的图案边界时向下折射。交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c施加到反射层7b侧的锯齿的电极图案40a、电极图案40b和电极图案40c上。由此，振幅按交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c的顺序增大。当相对的电极接地时，通过该振幅梯度，在夹在电极之间的波导层7d内从左向右传播的波导光10g也向下折射。
交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c分别与交流电压信号41a、交流电压信号41b和交流电压信号41c相比具有反极性。因此，如图24c所示，在透明电极层7g和反射层7b重叠的电极图案中，交流电压信号41a1和交流电压信号41a1形成信号对，交流电压信号41b1和交流电压信号41b1形成信号对，交流电压信号41c1和交流电压信号41c1形成信号对。由于这些相位是反转的，因此交流电压振幅倍增。由此，波导光10g可以大幅度地向下折射。此外，与图24a和图24b所示的电极图案相比，波导光10g跨越图案边界的频率增加。由此，波导光10g的弯曲进一步倍增，由于光路的不同，弯曲角的偏差也得到了改善。
根据参考图24a到图24c所示的示例所说明的原理，对第四实施方式中的波导光的传播方向的控制进行说明。
图25a和图25b是示意性地示出第四实施方式中的透明电极层7g侧和反射层7b侧各自的电极9b的图案的图。图25a所示的电极图案以及图25b所示的电极图案均由从内周侧向外周侧延伸的60条锯齿图案构成。以这种方式，在反射层7b和透明电极层7g中的至少一个中，电极9b的多个分割区域中的任意两个相邻分割区域的边界沿以激光入射点为中心的假想圆的径向方向具有锯齿形状。每个锯齿图案绝缘并独立施加电压信号。在图25a和图25b所示的示例中，相邻的锯齿图案具有连接锯齿的一侧的顶点而形成的线彼此重叠的关系。反射层7b侧的锯齿图案的形状是透明电极层7g侧的锯齿图案在旋转方向上反转而成的形状。
图25c是示意性地示出透明电极层侧的电极图案和反射层侧的电极图案重合的结构的图。图25d是示意性地示出图25c中所示的电极图案的一部分与波导光10g的传播路径之间的关系的图。如图25c所示，透明电极层7g和反射层7b对齐的电极9b的图案具有菱形连接的形状。在反射层7b和透明电极层7g中的每一个中，区域9b中的多个分割区域中的任意两个相邻分割区域的边界沿以激光入射点为中心的假想圆的径向方向具有锯齿形状。当从垂直于缓冲层7c、波导层7d和液晶层7e中的任一个的方向观察时，一对电极层中的一个的上述边界和另一个的上述边界形成菱形连接的形状。
因此，如图25d所示，当施加到锯齿图案的交流电压振幅的大小具有沿旋转方向的梯度时，液晶折射率沿箭头42的方向增大。由此，在波导层7d内从内周侧向外周侧传播的波导光10g的传播路径可以弯曲到箭头42侧。因此，通过控制施加到具有图25c所示形状的电极的电压，可以使来自光栅8c的辐射光作为平行光从圆台侧面出射。
此外，任何一个实施方式中使用的方法都可以应用于其他实施方式。例如，在实施方式1中参考图16a所示的示例说明的方法可以应用于第三和第四实施方式。即，与实施方式1相同，例如能够提取作为和信号的信号波形20a、信号波形20a1以及信号波形20a2的提取检测信号的极大值20p与入射光中无法输入的效率成比例。因此，极大值20p的输出值用作控制施加到电极9a的电压以使输入耦合效率最大化时的控制信号。极大值20p越小，输入效率就越高。
另外，在实施方式1中参照图16b所示的例子所说明的方法也可以应用于第三实施方式和第四实施方式。在这种情况下，通过将高频信号叠加在光源1的振荡信号上并将高频强度调制信号叠加在输出光量上，例如，即使信号波形18a1超过信号波形16a1的矩形脉冲的时域，也可以识别该检测信号是对应于信号波形16a的矩形脉冲的检测信号。由此，可以延长测量距离。
此外，在第三和第四实施方式中，1/4波长板4a可以是偏振光转换元件，其将直线偏振光转换为在圆切线方向上的偏振光或在与圆切线正交的方向上的偏振光。一般地，当向列扭曲液晶夹在沿直线方向取向处理的基板和沿旋转方向取向处理的基板之间时，可以将直线偏振光转换为沿圆切线方向的偏振光。通过使用这种偏振光转换元件，可以将向光栅8a的输入效率提高一倍。因此，可以在全偏角方向上均匀地激发te模式下的波导光10g。
在第三和第四实施方式中，半透镜4b介于去路路径之间。因此，与实施方式1相比，输入中的光利用效率减半。另一方面，可以在全偏角方向上输入光，并且可以检测来自全方位的返回光，并且可以根据每个方向区分检测信号。因此，可以以相同的帧速率将水平方向扫描范围和检测范围扩展到360度。
此外，在光学配置中，也可以替换光向偏振光分光器4或半透镜4b的透射和反射的关系。
根据以上说明的实施方式，能够将广角0.1度以下的聚焦激光束向外部物体出射。此时，可以在水平方向360度和垂直方向10度的视野内以每秒30帧以上的运动速度扫描出射光束。若加上波长可变，则垂直方向的视野扩展到30度。此外，可以选择性地仅接收或检测来自物体的反射光中除去杂光的具有相同波长和相位的光。另外，可以将检测到的光转换为视野中物体的精确二维距离信息。从二维距离信息获得三维位置关系。
工业可用性
本发明提供一种激光在水平方向和垂直方向上扫描沿散布在视野内的物体，选择性地接收或检测来自物体的反射光，并测量物体的三维位置关系的技术。
符号说明
1光源
2a准直透镜
2b聚光透镜
3反射镜
4偏振光分光器
5偏振光转子
6圆柱体
7光波导元件
7a平面基板
7b反射层
7c缓冲层
7d导波层
7e液晶层
7f透明平面基板
7g透明电极层
8a，8b，8c光栅
9a，9b，9c电极
10a，10b，10c，10d，10e，10f，10h，10i光
10g波导光
10d逆行光
11d，11e偏振方向
30，31，32，34控制电路
33检测电路
1.一种光学装置，其中，具备：
光源，所述光源出射激光；
光波导元件，所述光波导元件位于所述激光的光路上；
第一透明构件，所述第一透明构件位于所述光路上，具有面向所述光波导元件的底面、以及以沿着所述光路的假想轴为中心轴而旋转对称的侧面；以及
控制电路，
所述光波导元件包括：
第一光栅，所述第一光栅包括沿以所述激光入射的点为中心的假想圆的径向配置的折射率互不相同的多个部分，将入射的所述激光的一部分作为传播光，在所述光波导元件内沿所述径向传播；以及
第二光栅，所述第二光栅配置在所述第一光栅的外侧，包括沿着所述径向配置的折射率互不相同的多个部分，将所述传播光的一部分作为出射光，从所述光波导元件出射，
所述出射光从所述底面或所述侧面入射到所述第一透明构件，并从所述侧面出射。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第一光栅具有以所述点为中心的同心圆状构造。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第二光栅具有以所述点为中心的同心圆状构造。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，
所述第一透明构件具有圆柱形状或圆台形状。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，
所述第一透明构件的所述侧面包括晶格向量与所述中心轴平行的第三光栅。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其中，
还具备圆筒形状的第二透明构件，所述圆筒形状的第二透明构件包围所述第一透明构件，并与所述中心轴同轴，
所述第二透明构件的内侧面和外侧面包括晶格向量平行于所述中心轴的第四光栅。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的光学装置，其中，
所述光波导元件在所述第一光栅及所述第二光栅上还包括与所述第一透明构件相接的透明层，
所述透明层具有1.8以上的折射率。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学装置，其中，
所述控制电路通过使所述光源改变所述激光的波长，使从所述光波导元件出射的所述激光的方向改变。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学装置，其中，
所述光波导元件包括第一介电体层、所述第一介电体层上的第二介电体层、以及所述第二介电体层上的第三介电体层，
所述第二介电体层的折射率高于所述第一介电体层的折射率和所述第三介电体层的折射率，
在从由第一位置以及第二位置组成的组中选择的至少一个位置处，配置所述第一光栅和所述第二光栅，所述第一位置是所述第二介电体层和所述第一介电体层之间的位置，所述第二位置是所述第二介电体层和所述第三介电体层之间的位置，
入射到所述第二介电体层的所述激光的一部分，作为所述传播光在所述第二介电体层内沿着所述径向传播，并作为所述出射光从所述第二光栅出射。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，
所述光波导元件还包括反射层，
所述第一介电体层配置在所述第二介电体层和反射层之间。
11.根据权利要求9或10所述的光学装置，其中，
所述光波导元件还包括第一电极层和透明的第二电极层，
在所述第一电极层和所述第二电极层之间，配置所述第一介电体层、所述第二介电体层以及第三介电体层，
所述第二电极层比所述第一电极层接近所述第三介电体层，
所述第三介电体层是包含液晶的液晶层。
12.根据权利要求11所述的光学装置，其中，
在没有对所述液晶层施加电压的状态下，所述液晶的取向方向垂直于所述第一光栅的晶格向量或所述第二光栅的晶格向量。
13.根据权利要求11所述的光学装置，其中，
所述光波导元件在所述第一光栅和所述第二光栅之间还包括第五光栅，所述第五光栅包括沿所述径向配置且折射率互不相同的多个部分，
在没有对所述液晶层施加电压的状态下，所述液晶的取向方向垂直于所述第五光栅的晶格向量。
14.根据权利要求11所述的光学装置，其中，
从由所述第一电极层和所述第二电极层组成的组中选择的至少一个电极层包括与所述第一光栅相对的第一电极、与所述第二光栅相对的第二电极、以及所述第一电极和所述第二电极之间的第三电极，
所述第三电极包括沿着所述假想圆的周向配置的、具有导电性的多个分割区域，
所述多个分割区域相互绝缘。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，
所述控制电路通过控制经由所述第二电极施加到所述液晶层的电压，由此来控制所述出射光的方向。
16.根据权利要求14或15所述的光学装置，其中，
所述控制电路通过控制经由所述第一电极施加到所述液晶层的电压，由此来控制所述激光从所述第一光栅与所述传播光耦合的效率。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的光学装置，其中，
所述控制电路依次向所述多个分割区域中、与所述传播光传播的所述第二介电体层内的部分相对的分割区域施加电压。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的光学装置，其中，还具备：
偏振光分光器；
光检测器；以及
偏振光转子，
所述偏振光分光器及所述偏振光转子位于所述光源与所述第一透明构件之间的所述光路上，
所述控制电路通过控制施加到所述偏振光转子的电压，使通过所述偏振光转子的所述激光的偏振方向改变，
从所述光波导元件出射，被物体反射，并入射到所述光波导元件的光的一部分，在通过所述光波导元件、所述偏振光转子以及所述偏振光分光器后，作为检测光，入射到所述光检测器，
所述光检测器生成与所述检测光的量相应的电信号。
19.根据权利要求18所述的光学装置，其中，
所述控制电路取得在所述光源出射所述激光的期间由所述光检测器检测出的所述检测光的量的极大值和极小值之间的时间间隔，基于所述时间间隔调整施加到所述偏振光转子的所述电压，由此控制通过了所述偏振光转子的所述激光在所述偏振方向的旋转角。
20.根据权利要求14至17中任一项所述的光学装置，其中，还具备：
第一偏振光分光器；
偏振光转换器；
分光器；以及
光检测器，
所述光检测器包括第一光检测器和第二光检测器，
所述第一偏振光分光器、所述偏振光转换器以及所述分光器位于所述光源与所述第一透明构件之间的所述光路上，
在从所述光波导元件出射，被物体反射，并通过所述光波导元件后，入射到所述分光器的光的一部分在通过所述分光器及所述偏振光转换器后，作为第一检测光入射到所述第一光检测器，
入射到所述分光器的所述光的另外的一部分，在通过所述分光器后，作为第二检测光入射到所述第二光检测器，
所述第一光检测器生成与所述第一检测光的量相应的第一电信号，
第二光检测器生成与所述第二检测光的量相应的第二电信号。
21.根据权利要求20所述的光学装置，其中，
所述偏振光转换器为1/4波长板。
22.根据权利要求20所述的光学装置，其中，
所述偏振光转换器将直线偏振的光转换为圆切线方向的偏振光。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的光学装置，其中，
还具备第二偏振光分光器，
所述光检测器还包括第三光检测器，
在从所述光波导元件出射，被物体反射，并通过所述光波导元件及所述分光器后，入射到所述第二偏振光分光器的光的一部分，在通过所述第二偏振光分光器后，作为第三检测光入射到所述第二光检测器，
入射到所述第二偏振光分光器的所述光的另外的一部分，在通过所述第二偏振光分光器后，作为第四检测光入射到所述第三光检测器，
所述第三光检测器生成与所述第四检测光的量相应的电信号。
24.根据权利要求20或21所述的光学装置，其中，
所述控制电路，
接收所述第一电信号和所述第二电信号，
生成与所述第一电信号和所述第二电信号之和以及所述第一电信号和所述第二电信号之比相应的电信号。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的光学装置，其中，
所述控制电路控制施加到所述第一电极的电压，以便使在所述光源出射所述激光的期间由所述光检测器检测出的光的量的极大值最小。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的光学装置，其中，
所述光检测器包括滤波器电路，
所述控制电路，
使所述光源依次出射重叠了不同频率的强度调制信号的第一光脉冲和第二光脉冲，
所述光检测器检测从所述光波导元件出射，被所述物体反射，并入射到所述光波导元件的所述第一光脉冲的一部分、以及从所述光波导元件出射，被所述物体反射，并入射到所述光波导元件的所述第二光脉冲的一部分，使与所述第一光脉冲的所述一部分的量相应的信号和与所述第二光脉冲的所述一部分相应的信号分离并输出。
27.根据权利要求14所述的光学装置，其中，
在所述至少一个电极层中，所述多个分割区域中相邻的两个分割区域的边界沿所述径向具有锯齿形状。
28.根据权利要求27所述的光学装置，其中，
在所述第一电极层及所述第二电极层的各个中，所述多个分割区域中相邻的两个分割区域的边界沿所述径向具有锯齿形状，
在从与所述第一介电体层、所述第二介电体层以及所述第三介电体层中的任一个垂直的方向观察时，所述第一电极层的所述边界和所述第二电极层的所述边界形成菱形连接的形状。
技术总结