JP2000066251A - ２次元光偏向素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザービーム伝搬方向の素子の長さを短くす
る。 【解決手段】光透過媒質１２の側面には、加熱用電極１
５、１６が形成され、加熱用電極１５、１６には、パル
ス電流を印加するパルス電源１７、１８が接続されてい
る。光透過媒質１２の加熱用電極１５、１６が形成され
た側面と対向する側面にはヒートシンク１９、２０が形
成されている。光透過媒質１２の出射側には球面状反射
面が形成されている。反射面への入射レーザビームは偏
向角が大きくなるに従って、入射点における球面状反射
面の接線方向に近づき、入射角及び反射角が大きく変化
するので、球面状反射面で反射された反射レーザビーム
の偏向角の大きさが屈折率勾配のみならず球面状反射面
の曲率にも依存し、偏向角の大きさを大きくした２次元
走査を行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２次元光偏向素子
に係り、特に、加熱されることにより屈折率勾配が発生
する熱光学効果を備えた光透過媒質を用いて２次元走査
する２次元光偏向素子に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】特開昭
５８−９７０２７号公報には、弾性表面波によって導波
光を偏向する第１の偏向手段と、加熱によって導波光を
偏向する第２の偏向手段とを同一薄膜光導波路に導波光
の伝搬方向に沿って形成して２次元走査する薄膜型２次
元光偏向器が記載されている。

【０００３】また、特開昭５８−１４７７１５号公報に
は、アルカリハライド、Ａｌ₂ Ｏ₃またはＢｅＯの結晶
体の１つの面を加熱することによりレーザ光を偏向する
偏向手段を備え、加熱面に平行に入射したレーザ光を入
射方向と異なった方向に偏向する光偏向素子をレーザ光
の伝搬方向に２つ配置して２次元走査する光偏向器が記
載されている。

【０００４】しかしながら、上記従来の光偏向器は、い
ずれも光の伝搬方向に直列に光偏手段を配置しているた
め、光偏向器の光の伝搬方向の長さが長くなる、という
問題があった。なお、従来の光偏向素子を２つ配置する
技術では、素子の組み立てに光軸調整等が必要になり、
コストが高くなると共に入射効率が悪くなる、という問
題がある。

【０００５】また、従来の光偏向器では、バルク素子で
構成されているため、熱容量（体積）が大きく、加熱後
から温度勾配が発生するまでに数秒程度の時間が必要
で、動作速度が遅い、という問題があった。

【０００６】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、素子組み立て時の光軸調整等が不要で、か
つ光の伝搬方向の長さを短くすることができる２次元光
偏向素子を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、加熱されることにより屈折率勾配が発生
する光透過媒質と、前記光透過媒質の少なくとも一部分
を加熱して該光透過媒質内の第１の方向に屈折率勾配を
発生させる第１の加熱手段と、前記光透過媒質を加熱し
て該光透過媒質内の前記第１の加熱手段によって屈折率
勾配が発生される部位に前記第１の方向と交差する第２
の方向に屈折率勾配を発生させる第２の加熱手段と、を
含んで構成したものである。

【０００８】本発明によれば、光透過媒質の少なくとも
一部分を加熱すると光透過媒質の内部に温度勾配が発生
し、この温度勾配により屈折率勾配が発生し、光透過媒
質に入射された光ビームは屈折率勾配によって偏向され
る。本発明では、光透過媒質内の第１の方向に屈折率勾
配を発生させる第１の加熱手段と、光透過媒質内の第１
の方向と交差する第２の方向に屈折率勾配を発生させる
第２の加熱手段とが設けられているため、２次元走査を
行なうことができる。また、第１の加熱手段によって屈
折率勾配を発生させる部位と第２の加熱手段によって屈
折率勾配を発生させる部位とが同一部位であるため、２
次元光偏向素子の光伝搬方向の長さを短くすることがで
きる。

【０００９】本発明の２次元光偏向素子の光透過媒質の
光出射側には、光反射手段を設けることができる。これ
によって、光透過媒質内で偏向された光ビームは、光透
過媒質の光出射側に設けられた光反射手段によって反射
される。

【００１０】この光反射手段は、平面状の反射面、また
は光透過媒質の内側方向に凸の曲面を含む反射面で構成
することができる。平面状の反射面を用いる場合には、
偏向角の大きさが屈折率にのみ依存するので、偏向角の
大きさは高々数度程度であるが、偏向された光ビームが
反射面で反射されるため、光ビームの反射方向は光透過
媒質への入射方向から大きく変化させることができる。

【００１１】一方、曲面からなる反射面を用いる場合に
は、反射面への入射光ビームの方向が反射面の入射点に
おける接線方向に近づくに従ってまたは接線方向から遠
ざかるに従って、入射角及び反射角が大きく変化するの
で、反射面で反射された光ビームの偏向角の大きさが光
透過媒質の屈折率勾配のみならず反射面の形状にも依存
し、偏向方向だけでなく偏向角の大きさ自体を大きくす
ることができる。このような光透過媒質の内側方向に凸
の曲面を含む反射面は、球面、非球面のいずれでもよ
い。

【００１２】反射面への入射光ビームが臨界角以上の入
射角で入射するように平面状反射面の傾き、曲面状反射
面の形状を定めれば反射面で全反射させることができる
が、反射面に反射膜を蒸着すれば、反射面の傾き及び形
状は任意に定めることができる。

【００１３】また、第１の加熱手段および第２の加熱手
段の各々は、光透過媒質に形成された電極と、電極にパ
ルス電流を印加する印加手段と、を含んで構成すること
ができる。このようにパルス電流を印加することで、屈
折率勾配が急激に発生するので、光ビームを高速に偏向
させることができる。

【００１４】本発明では、第１の加熱手段によって加熱
される部分と対向する部分、及び第２の加熱手段によっ
て加熱される部分と対向する部分の少なくとも一方の部
分を冷却する冷却手段を更に設けることができる。この
冷却手段は、ペルチェ素子等の冷却作用を持った素子、
または放熱によって冷却する放熱板等のヒートシンクで
構成することができる。冷却手段を設けることにより、
温度勾配、従って屈折率勾配を大きくして偏向角を大き
くすることができる。冷却手段は、第１の加熱手段及び
第２の加熱手段の各々に対応させて設けてもよいが、２
次元走査のいずれか一方にのみ大きな偏向角が必要な場
合には、第１の加熱手段及び第２の加熱手段のいずれか
一方に対応させて冷却手段を設ければよい。

【００１５】本発明の２次元光偏向素子は、微小光学系
で構成するのが好ましい。微小光学系で構成することに
より、熱の伝導が高速になるため、動作速度を高速にす
ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１７】第１の実施の形態の２次元光偏向素子は、
図１及び図２に示すように、加熱されることにより屈折
率勾配が発生する光透過媒質１２を備えている。本実施
の形態の光透過媒質としては、従来検討されていた無機
材料（ソーダガラスや光学結晶）よりも温度係数が１桁
以上大きな高分子材料（例えば、ポリイミド）を使用し
ている。

【００１８】光透過媒質１２は、４角柱状の本体部分１
２Ａと本体部分１２Ａに連続する略くさび状の光出射部
分１２Ｂとで、傾斜面を備えた先鋭な角柱状に形成され
ている。光出射部分１２Ｂの傾斜面には、入射レーザビ
ームが透過する平面状の透過面１４Ａ、及び全反射によ
ってレーザビームを反射する光透過媒質の内側方向に凸
の球面状反射面１４Ｂが形成されている。この球面状反
射面１４Ｂに反射膜を蒸着してもよい。

【００１９】光透過媒質１２の本体部分１２Ａの隣り合
う側面、すなわち直交する側面の各々には、真空蒸着等
の方法によって加熱用電極１５、１６が形成されてい
る。この加熱用電極１５、１６の各々には、加熱用電極
１５、１６の各々にパルス電流を印加するパルス電源１
７、１８が接続されている。なお、加熱用電極１５とパ
ルス電源１７との組、及び加熱用電極１６とパルス電源
１８との組の一方の組が第１の加熱手段に相当し、他方
の組が第２の加熱手段に相当する。

【００２０】光透過媒質１２の加熱用電極１５が形成さ
れた側面と対向する側面には冷却用のヒートシンク１９
が形成され、光透過媒質１２の加熱用電極１６が形成さ
れた側面と対向する側面には冷却用のヒートシンク２０
が形成されている。

【００２１】光透過媒質１２の本体部分１２Ａの底面の
サイズは、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度であり、長手方
向のサイズは１０ｍｍ程度であり、このようなサイズに
形成することによって微小光学系が構成されている。

【００２２】本実施の形態の２次元光偏向素子が上記の
ように微小光学系で構成されているため、２次元光偏向
素子に入射するレーザビームは、直径が１００μｍ程度
の極めて細い平行光が使用される。

【００２３】本実施の形態の２次元光偏向素子では、レ
ーザビームを光透過媒質１２の底面から入射し、加熱用
電極１６にパルス電流を印加すると、電極が発熱する。
この熱により光透過媒質１２中の第１の方向（加熱用電
極１６からヒートシンク２０に向かう方向）に温度勾配
が発生し、この温度勾配に対応した屈折率勾配が生じ
る。入射されたレーザビームは、光透過媒質１２を伝搬
する間に第１の方向に偏向され、パルス電流印加前のレ
ーザビームの入射方向に対して偏向角θ偏向した方向に
伝搬する。そして、球面状反射面１４Ｂでヒートシンク
２０が形成された側面方向に反射される。

【００２４】図３に示すように、球面状反射面１４Ｂ
は、点Ｏを中心とする球面で形成されているため、球面
状反射面１４Ｂへの入射レーザビームＬＩは、偏向角θ
が大きくなるに従って入射点における球面状反射面の接
線方向に近づき、入射角及び反射角が大きくなる。この
ように、球面状反射面１４Ｂで反射された反射レーザビ
ームの偏向角の大きさが、光透過媒質の屈折率勾配のみ
ならず球面状反射面１４Ｂの曲率にも依存するため、偏
向方向が光透過媒質への入射方向に対して大きく変化す
るだけでなく、偏向角の大きさ自体が出射角φで示すよ
うに大きくなる。この偏向によって、Ｘ方向の走査を行
なうことができる。

【００２５】また、加熱電極１５にパルス電流を印加す
ると、上記で説明したのと同様に、加熱電源１６によっ
て屈折率勾配が発生された部位と同一部位に上記第１の
方向と直交する第２の方向に屈折率勾配が発生するの
で、光透過媒質１２を伝搬するレーザビームは第２の方
向に偏向され、Ｙ方向の走査を行なうことができる。

【００２６】光透過媒質中に発生する温度勾配は、時間
によって変化するため、Ｘ方向及びＹ方向の出射角φは
時間の関数となる。このため、反射面の形状はその出射
角の時間変化を調節するように設計されている。

【００２７】なお、上記の実施の形態では、冷却手段と
してヒートシンクを用いた例について説明したが、ペル
チェ素子等の冷却作用を持った素子を光透過媒質の側面
に形成して冷却するようにしても良く、この場合更に温
度制御を行なうようにしてもよい。また、冷却手段は設
けないようにしてもよい。

【００２８】上記では、反射面を球面状に形成した例に
ついて説明したが、非球面状または平面状に形成するよ
うにしてもよい。

【００２９】次に、本発明の第２の実施の形態につて説
明する。この実施の形態は、図４に示すように、４角柱
状の光透過媒質２４を用い、直交する２つの側面の各々
に、加熱用電極２５、２６を形成し、加熱用電極２５、
２６の各々にパルス電流を印加するパルス電源２７、２
８を接続したものである。本実施の形態においても、上
記の反射面を備えた実施の形態と同様にＸ方向及びＹ方
向の２次元走査を行なうことができる。なお、本実施の
形態では反射面を設けていないので、偏向角は高々数度
程度で反射面を備えた第１の実施の形態より小さくな
る。また、本実施の形態では、冷却手段を設けない例に
ついて説明したが、第１の実施の形態と同様に、冷却手
段を設けてもよい。

【００３０】上記各実施の形態では、４角柱状の光透過
媒質を用いた例につて説明したが、光透過媒質は、直交
する２つの平面、または任意の角度で交差する２つの平
面を備えた立体であれば５角柱等種々の形状の光透過媒
質を用いることができる。

【００３１】なお、偏向動作に伴うビーム形状の歪みを
整えるために、２次元光偏向素子の出射側に出射光ビー
ム形整用のレンズを設けてもよい。また、レンズ効果を
有する構造を２次元光偏向素子に一体化させたものでも
よい。

【００３２】上記各実施の形態の２次元光偏向素子は、
図５に示すように、集積化することができる。図５
（１）は、第１の実施の形態の２次元光偏向素子を集積
化した例を示すものであり、基板３０上には先鋭でかつ
断面形状が略５角形状の光透過媒質３２が反射面を上方
に向けて形成されており、頂角に対応する部分を挟む直
交する平面の各々には加熱用電極３４、３６が蒸着され
ている。図５（２）は、第２の実施の形態の２次元光偏
向素子を集積化した例を示すものであり、図５（１）と
対応する部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００３３】本発明の２次元光偏向素子は、レーザレー
ダの走査光学系、ＰＯＳのスキャナ（１次元、２次元バ
ーコードリーダ）、レーザビームプリンタの光学系等に
利用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一の光透過媒質を用い、光透過媒質の同一部位を第１
の加熱手段と第２の加熱手段とで屈折率勾配を発生させ
て２次元走査しているため、素子の組み立て時の光軸調
整等が不要になると共に２次元光偏向素子の光伝搬方向
の長さを短くすることができる、という効果が得られ
る。

【００３５】光透過媒質の光出射側に反射手段を設ける
ことにより、光反射手段によって偏向された光が反射さ
れるため、偏向方向を入射方向から大きく変化させるこ
とができる、という効果が得られる。

【００３６】また、反射手段を光透過媒質の内側方向に
凸の曲面を含む反射面で形成することにより、小型の素
子で大きな偏向角を得ることができる、という効果が得
られる。

【００３７】パルス電流を印加することによって加熱す
れば、屈折率勾配が急激に発生するので、光ビームを高
速に偏向させることができる、という効果が得られる。

【００３８】加熱手段によって加熱される部分と対向す
る部分を冷却する冷却手段を設ければ、温度勾配、従っ
て屈折率勾配を大きくして偏向角を大きくすることがで
きる、という効果が得られる。

【００３９】２次元光偏向素子を微小光学系で構成すれ
ば、熱の伝導が高速になるため、動作速度を高速にする
ことができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の側面図である。

【図３】本発明の実施の形態の２次元光偏向素子の球面
状反射面での反射状態を説明するための球面状反射面の
拡大図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の斜視図である。

【図５】（１）は上記第１の実施の形態の２次元光偏向
素子を集積化した例を示す斜視図、（２）は上記第２の
実施の形態の２次元光偏向素子を集積化した例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１２ 光透過媒質 １５、１６ 加熱電極 １７、１８ パルス電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2K002 AB06 AB08 BA13 CA06 EA02 EB09 EB11 GA10 HA11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱されることにより屈折率勾配が発生す
   る光透過媒質と、 前記光透過媒質の少なくとも一部分を加熱して該光透過
   媒質内の第１の方向に屈折率勾配を発生させる第１の加
   熱手段と、 前記光透過媒質を加熱して該光透過媒質内の前記第１の
   加熱手段によって屈折率勾配が発生される部位に前記第
   １の方向と交差する第２の方向に屈折率勾配を発生させ
   る第２の加熱手段と、 を含む２次元光偏向素子。
2. 【請求項２】前記光透過媒質の光出射側に光反射手段を
   設けた請求項１の２次元光偏向素子。