JP2000250076A - レーザー偏向走査装置 - Google Patents
レーザー偏向走査装置Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザー偏向走査装置において、光量ロスや
波面歪みがなく、最大偏向角に制限が無く、高速で安定
的かつ信頼性ある走査を実現する。併せて安価で簡単な
構成とする。 【解決手段】 入射したレーザービームB0をレンズアレ
イ10により多数の微小領域に分割してこれらの間に第１
の位相変調素子アレイ20により所望の位相勾配を与え、
この位相勾配が与えられたレーザービームをフーリエ変
換レンズ30を通過させた上でさらにフーリエ変換レンズ
アレイ50により多数の微小領域に分割するとともに、そ
の分割された微小領域間でレーザービームの波面が、所
望とする偏向方向に連続して並ぶように、その分割され
たレーザービームをさらに第２の位相変調素子アレイ40
により位相変調する。
波面歪みがなく、最大偏向角に制限が無く、高速で安定
的かつ信頼性ある走査を実現する。併せて安価で簡単な
構成とする。 【解決手段】 入射したレーザービームB0をレンズアレ
イ10により多数の微小領域に分割してこれらの間に第１
の位相変調素子アレイ20により所望の位相勾配を与え、
この位相勾配が与えられたレーザービームをフーリエ変
換レンズ30を通過させた上でさらにフーリエ変換レンズ
アレイ50により多数の微小領域に分割するとともに、そ
の分割された微小領域間でレーザービームの波面が、所
望とする偏向方向に連続して並ぶように、その分割され
たレーザービームをさらに第２の位相変調素子アレイ40
により位相変調する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザー偏向走査装
置に関し、詳細には情報の記録、読取り、表示装置、レ
ーザーレーダー、衛星間通信装置等に適用可能のレーザ
ー偏向走査装置に関するものである。
置に関し、詳細には情報の記録、読取り、表示装置、レ
ーザーレーダー、衛星間通信装置等に適用可能のレーザ
ー偏向走査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりレーザーを偏向走査するレーザ
ー偏向走査装置として、以下に示すような種々のものが
考案されている。
ー偏向走査装置として、以下に示すような種々のものが
考案されている。
【０００３】（１）マイクロレンズアレイを用いたレー
ザビーム偏向走査装置（「Agile beamsteering using b
inary optics microlens arrays(W.Goltsos,and M.Hol
z,0pt.Eng・9,1392(1990))」、「Modeling and measure
ment of micro-optic beam deflector(T.D.Milster,and
J.N.Wong,Design,Modelng,and Control of Laser Beam
Optics vol.1625(1992)」） これは２枚のマイクロレンズアレイをテレスコープ配置
し、一方のマイクロレンズアレイを、光軸に直交する方
向に変位させることで、入射レーザビームの偏向を実現
するものである。
ザビーム偏向走査装置（「Agile beamsteering using b
inary optics microlens arrays(W.Goltsos,and M.Hol
z,0pt.Eng・9,1392(1990))」、「Modeling and measure
ment of micro-optic beam deflector(T.D.Milster,and
J.N.Wong,Design,Modelng,and Control of Laser Beam
Optics vol.1625(1992)」） これは２枚のマイクロレンズアレイをテレスコープ配置
し、一方のマイクロレンズアレイを、光軸に直交する方
向に変位させることで、入射レーザビームの偏向を実現
するものである。
【０００４】しかしこの方法では、次の問題点がある。
【０００５】i）偏向ビームに一定ピッチの振幅分布ム
ラ及び位相分布ムラが生じ、偏向ビームが単峰性のビー
ムにならない。所望の偏向方向以外に回折される成分は
光量ロスになると共に、ビーム品位の低下による機能低
下を生じさせる。
ラ及び位相分布ムラが生じ、偏向ビームが単峰性のビー
ムにならない。所望の偏向方向以外に回折される成分は
光量ロスになると共に、ビーム品位の低下による機能低
下を生じさせる。
【０００６】ii）マイクロレンズアレイのメカニカルな
変位によって走査を実現する方式であるため、高速で安
定的かつ信頼性ある走査が困難である。
変位によって走査を実現する方式であるため、高速で安
定的かつ信頼性ある走査が困難である。
【０００７】（２）液晶による位相変調素子アレイを用
いたレーザ偏向装置（「Blazed phaseliquid crystal b
eam steering(R.M.Matic,Proc.SPlE.2120, 194(199
4))」） これは、位相変調素子アレイにより入射したレーザビー
ムに位相変調分布を与え所望の方向に偏向するものであ
る。
いたレーザ偏向装置（「Blazed phaseliquid crystal b
eam steering(R.M.Matic,Proc.SPlE.2120, 194(199
4))」） これは、位相変調素子アレイにより入射したレーザビー
ムに位相変調分布を与え所望の方向に偏向するものであ
る。
【０００８】しかし、単一の変調素子を用いているため
に、次のような問題点がある。
に、次のような問題点がある。
【０００９】i）変調素子内のデッドスペースやストラ
イプ状電極領域により、光量ロス（光エネルギー損失）
や波面の歪みが生じる。
イプ状電極領域により、光量ロス（光エネルギー損失）
や波面の歪みが生じる。
【００１０】ii）偏向角は電極ピッチと位相変調素子の
可能な最大位相差で与えられる位相勾配によって規定さ
れる。ここで、最大偏向角を大きくするには、大きな位
相勾配を形成できることが必要であるが、この場合、電
極ピッチを小さくするか位相変調素子の最大位相差を大
きくしなければならない。
可能な最大位相差で与えられる位相勾配によって規定さ
れる。ここで、最大偏向角を大きくするには、大きな位
相勾配を形成できることが必要であるが、この場合、電
極ピッチを小さくするか位相変調素子の最大位相差を大
きくしなければならない。
【００１１】しかし、電極ピッチを小さくすると、変調
素子端部での位相歪みが無視できなくなり、良好な鋸歯
状の位相分布を形成するのが困難になるという問題点が
ある。また最大位相差を大きくするためには変調素子を
厚くする必要があるが、この場合、大きな駆動電圧が必
要であるとともに、応答速度が遅くなる等の問題点があ
る。
素子端部での位相歪みが無視できなくなり、良好な鋸歯
状の位相分布を形成するのが困難になるという問題点が
ある。また最大位相差を大きくするためには変調素子を
厚くする必要があるが、この場合、大きな駆動電圧が必
要であるとともに、応答速度が遅くなる等の問題点があ
る。
【００１２】従って、最大偏向角を大きくするのが困難
であるという問題点がある。
であるという問題点がある。
【００１３】（３）レーザ共振器によるレーザ走査発振
装置（USP.5600666 号） っこれには、レーザ共振器により走査発振を実現するレ
ーザ走査発振装置が公安されている。
装置（USP.5600666 号） っこれには、レーザ共振器により走査発振を実現するレ
ーザ走査発振装置が公安されている。
【００１４】しかし、走査発振を実現するためには共振
器ミラーが位相共役作用を有する必要があるが、ミラー
等の受動的な光学素子では、通常、擬似的な位相共役作
用しか実現できず光量ロスが発生する。また構造が複雑
になるという問題点がある。
器ミラーが位相共役作用を有する必要があるが、ミラー
等の受動的な光学素子では、通常、擬似的な位相共役作
用しか実現できず光量ロスが発生する。また構造が複雑
になるという問題点がある。
【００１５】また、非線形光学結晶等の能動的な素子は
高価であり、安定的な位相共役素子を実現するのが困難
である等の問題点がある。
高価であり、安定的な位相共役素子を実現するのが困難
である等の問題点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来技
術によれば、 i）光量ロスや波面歪みのない偏向を実現するのが困難
である。
術によれば、 i）光量ロスや波面歪みのない偏向を実現するのが困難
である。
【００１７】ii）メカニカルな変位によって走査を実現
する方式では、高速で安定的かつ信頼性ある走査が困難
である。
する方式では、高速で安定的かつ信頼性ある走査が困難
である。
【００１８】iii ）単一の位相変調素子を用いる方式で
は、最大偏向角を大きくするのが困難である。
は、最大偏向角を大きくするのが困難である。
【００１９】iv）レーザ共振器により走査発振を実現す
るレーザ走査発振装置では、共振器ミラーの構造が複雑
になり、また高価である等の問題がある。
るレーザ走査発振装置では、共振器ミラーの構造が複雑
になり、また高価である等の問題がある。
【００２０】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、光量ロスや波面歪みがなく、最大偏向角に制限が
無く、高速で安定的かつ信頼性ある走査を実現し、かつ
簡単な構成で、安価なレーザー偏向走査装置を提供する
ことを目的とするものである。
って、光量ロスや波面歪みがなく、最大偏向角に制限が
無く、高速で安定的かつ信頼性ある走査を実現し、かつ
簡単な構成で、安価なレーザー偏向走査装置を提供する
ことを目的とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザー偏向走
査装置は、入射したレーザービームを多数の微小領域に
分割してこれらの間に所望の位相勾配を与え、この位相
勾配が与えられたレーザービームをさらに多数の微小領
域に分割するとともに、その分割された微小領域間でレ
ーザービームの波面が、所望とする偏向方向または点に
対し同位相となるように、その分割されたレーザービー
ムをさらに位相変調するものである。
査装置は、入射したレーザービームを多数の微小領域に
分割してこれらの間に所望の位相勾配を与え、この位相
勾配が与えられたレーザービームをさらに多数の微小領
域に分割するとともに、その分割された微小領域間でレ
ーザービームの波面が、所望とする偏向方向または点に
対し同位相となるように、その分割されたレーザービー
ムをさらに位相変調するものである。
【００２２】すなわち、本発明の第１のレーザ偏向走査
装置は、入射するレーザービームの複素振幅分布を多数
の微小領域に分割してスポットアレイとして集光するレ
ンズアレイと、前記スポットアレイとして集光された多
数のレーザービームのそれぞれを各別に位相変調する、
多数の位相変調素子からなる第１の位相変調素子アレイ
と、前記第１の位相変調素子アレイにより位相変調され
た多数のレーザービームをフーリエ変換するフーリエ変
換レンズと、前記フーリエ変換された多数のレーザービ
ームがそれぞれ入射し、該入射した多数のレーザービー
ムのそれぞれの複素振幅分布を微小領域に分割するフー
リエ変換レンズアレイと、前記第１の位相変調素子アレ
イと前記フーリエ変換レンズアレイとの間であって該フ
ーリエ変換レンズアレイに近接して、該フーリエ変換レ
ンズアレイを構成する多数のフーリエ変換レンズにそれ
ぞれ対応して設けられた、多数の位相変調素子からなる
第２の位相変調素子アレイと、前記フーリエ変換レンズ
アレイによる各微小領域を通過する多数のレーザービー
ムの各波面が、該フーリエ変換レンズアレイを通過した
レーザービームの全体として所望の方向または点に対し
同位相となるように、前記第１の位相変調素子と前記第
２の位相変調素子アレイとをそれぞれ駆動する駆動手段
とを備えたことを特徴とするものである。
装置は、入射するレーザービームの複素振幅分布を多数
の微小領域に分割してスポットアレイとして集光するレ
ンズアレイと、前記スポットアレイとして集光された多
数のレーザービームのそれぞれを各別に位相変調する、
多数の位相変調素子からなる第１の位相変調素子アレイ
と、前記第１の位相変調素子アレイにより位相変調され
た多数のレーザービームをフーリエ変換するフーリエ変
換レンズと、前記フーリエ変換された多数のレーザービ
ームがそれぞれ入射し、該入射した多数のレーザービー
ムのそれぞれの複素振幅分布を微小領域に分割するフー
リエ変換レンズアレイと、前記第１の位相変調素子アレ
イと前記フーリエ変換レンズアレイとの間であって該フ
ーリエ変換レンズアレイに近接して、該フーリエ変換レ
ンズアレイを構成する多数のフーリエ変換レンズにそれ
ぞれ対応して設けられた、多数の位相変調素子からなる
第２の位相変調素子アレイと、前記フーリエ変換レンズ
アレイによる各微小領域を通過する多数のレーザービー
ムの各波面が、該フーリエ変換レンズアレイを通過した
レーザービームの全体として所望の方向または点に対し
同位相となるように、前記第１の位相変調素子と前記第
２の位相変調素子アレイとをそれぞれ駆動する駆動手段
とを備えたことを特徴とするものである。
【００２３】なお、レンズアレイ、フーリエ変換レンズ
およびフーリエ変換レンズアレイは、レーザービームの
進行方向に向かって、レンズアレイの後側焦点面とフー
リエ変換レンズの前側フーリエ変換面とが一致し、フー
リエ変換レンズの後側フーリエ変換面とフーリエ変換レ
ンズアレイの前側フーリエ変換面とが一致するように配
設され、また、第１の位相変調素子アレイはレンズアレ
イの後側焦点面に、第２の位相変調素子アレイはフーリ
エ変換レンズアレイの前側フーリエ変換面にそれぞれ配
設される。
およびフーリエ変換レンズアレイは、レーザービームの
進行方向に向かって、レンズアレイの後側焦点面とフー
リエ変換レンズの前側フーリエ変換面とが一致し、フー
リエ変換レンズの後側フーリエ変換面とフーリエ変換レ
ンズアレイの前側フーリエ変換面とが一致するように配
設され、また、第１の位相変調素子アレイはレンズアレ
イの後側焦点面に、第２の位相変調素子アレイはフーリ
エ変換レンズアレイの前側フーリエ変換面にそれぞれ配
設される。
【００２４】また、入射するレーザビームは特定のもの
に限定するものでなく、あらゆる種類のものを適用する
ことができ、位相変調素子としては液晶によるものの
他、あらゆる種類のものを適用することができる。
に限定するものでなく、あらゆる種類のものを適用する
ことができ、位相変調素子としては液晶によるものの
他、あらゆる種類のものを適用することができる。
【００２５】さらに、レンズアレイのピッチをp1、アレ
イを構成するレンズの数をN1、フーリエ変換レンズの焦
点距離をf 、フーリエ変換レンズアレイの焦点距離をf
2、ピッチをp2、レーザービームの波長をλとしたと
き、これらが下記式（１）および（２）を満たすことが
望ましい。
イを構成するレンズの数をN1、フーリエ変換レンズの焦
点距離をf 、フーリエ変換レンズアレイの焦点距離をf
2、ピッチをp2、レーザービームの波長をλとしたと
き、これらが下記式（１）および（２）を満たすことが
望ましい。
【００２６】f ×p2＝f2×p1×N1 （１） (p1×p2)/(λ×f)＝１ （２） また、本発明の第２のレーザ偏向走査装置は、上記本発
明の第１のレーザ偏向走査装置に対して、フーリエ変換
レンズを除外するとともに、フーリエ変換レンズアレイ
に代えて第２の（結像）レンズアレイを適用するもので
ある。
明の第１のレーザ偏向走査装置に対して、フーリエ変換
レンズを除外するとともに、フーリエ変換レンズアレイ
に代えて第２の（結像）レンズアレイを適用するもので
ある。
【００２７】すなわち、本発明の第２のレーザ偏向走査
装置は、入射するレーザービームの複素振幅分布を多数
の微小領域に分割してスポットアレイとして集光する第
１のレンズアレイと、前記スポットアレイとして集光さ
れた多数のレーザービームのそれぞれを各別に位相変調
する、多数の位相変調素子からなる第１の位相変調素子
アレイと、前記各別に位相変調された多数のレーザービ
ームがそれぞれ入射し、該入射した多数のレーザービー
ムのそれぞれの複素振幅分布を微小領域に分割する第２
のレンズアレイと、前記第１の位相変調素子アレイと前
記第２のレンズアレイとの間であって該第２のレンズア
レイに近接して、該第２のレンズアレイを構成する多数
のレンズにそれぞれ対応して設けられた、多数の位相変
調素子からなる第２の位相変調素子アレイと、前記第２
のレンズアレイによる各微小領域を通過する多数のレー
ザービームの各波面が、該第２のレンズアレイを通過し
たレーザービームの全体として所望の方向または点に対
し同位相となるように、前記第１の位相変調素子と前記
第２の位相変調素子アレイとをそれぞれ駆動する駆動手
段とを備えたことを特徴とするものである。
装置は、入射するレーザービームの複素振幅分布を多数
の微小領域に分割してスポットアレイとして集光する第
１のレンズアレイと、前記スポットアレイとして集光さ
れた多数のレーザービームのそれぞれを各別に位相変調
する、多数の位相変調素子からなる第１の位相変調素子
アレイと、前記各別に位相変調された多数のレーザービ
ームがそれぞれ入射し、該入射した多数のレーザービー
ムのそれぞれの複素振幅分布を微小領域に分割する第２
のレンズアレイと、前記第１の位相変調素子アレイと前
記第２のレンズアレイとの間であって該第２のレンズア
レイに近接して、該第２のレンズアレイを構成する多数
のレンズにそれぞれ対応して設けられた、多数の位相変
調素子からなる第２の位相変調素子アレイと、前記第２
のレンズアレイによる各微小領域を通過する多数のレー
ザービームの各波面が、該第２のレンズアレイを通過し
たレーザービームの全体として所望の方向または点に対
し同位相となるように、前記第１の位相変調素子と前記
第２の位相変調素子アレイとをそれぞれ駆動する駆動手
段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２８】なお、第１の位相変調素子アレイは第１の
レンズアレイの後側焦点面に、第２の位相変調素子アレ
イは第２のレンズアレイの前側焦点面にそれぞれ配設さ
れる。
レンズアレイの後側焦点面に、第２の位相変調素子アレ
イは第２のレンズアレイの前側焦点面にそれぞれ配設さ
れる。
【００２９】また、入射するレーザビームおよび位相変
調素子は、上述したように特定のものに限定するもので
なく、あらゆる種類のものを適用することができる。
調素子は、上述したように特定のものに限定するもので
なく、あらゆる種類のものを適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】本発明のレーザ偏向走査装置によれば、
入射したレーザービームを多数の微小領域に分割してこ
れらの間に所望の位相勾配を与え、この位相勾配が与え
られたレーザービームをさらに多数の微小領域に分割す
るとともに、その分割された微小領域間でレーザービー
ムの波面が、所望とする偏向方向に連続して並ぶよう
に、第１と第２の位柏変調素子アレイに最適な位相変調
分布を与えることにより、フーリエ変換レンズアレイ
（本発明の第２のレーザ偏向走査装置においては第２の
レンズアレイ；以下、同じ）の後方において、所望方向
に対して同位相となる位相分布を持った複素振幅分布を
形成することができる。このとき、フーリエ変換レンズ
アレイを出射するレーザビームは、前記所望方向に進行
するレーザ光となる。
入射したレーザービームを多数の微小領域に分割してこ
れらの間に所望の位相勾配を与え、この位相勾配が与え
られたレーザービームをさらに多数の微小領域に分割す
るとともに、その分割された微小領域間でレーザービー
ムの波面が、所望とする偏向方向に連続して並ぶよう
に、第１と第２の位柏変調素子アレイに最適な位相変調
分布を与えることにより、フーリエ変換レンズアレイ
（本発明の第２のレーザ偏向走査装置においては第２の
レンズアレイ；以下、同じ）の後方において、所望方向
に対して同位相となる位相分布を持った複素振幅分布を
形成することができる。このとき、フーリエ変換レンズ
アレイを出射するレーザビームは、前記所望方向に進行
するレーザ光となる。
【００３１】このように本発明のレーザ偏向走査装置に
よれば、位相変調素子アレイに最適な位相変調分布を与
えることで、レーザビームを所望方向に偏向走査するこ
とが可能となる。
よれば、位相変調素子アレイに最適な位相変調分布を与
えることで、レーザビームを所望方向に偏向走査するこ
とが可能となる。
【００３２】さらに入射するレーザビームのレーザ光強
度を変調することによって、偏向走査されるレーザビー
ムの強度を変調することも可能である。
度を変調することによって、偏向走査されるレーザビー
ムの強度を変調することも可能である。
【００３３】よって、本発明のレーザー偏向走査装置
は、位相変調素子アレイの電極領域やデッドスベースに
よる光量ロスや波面歪みのない偏向を実現し、メカニカ
ルな走査方式と比較して、高速で安定的かつ信頼性ある
走査が可能となり、最大位相差が、フーリエ変換レンズ
アレイ（本発明の第２のレーザ偏向走査装置においては
第２のレンズアレイ。以下、同じ）の開口数（ＮＡ）に
よって規定され、位相変調素子アレイおよびフーリエ変
換レンズアレイのピッチや位相変調素子の最大位相差に
依存しないため、最大偏向角を従来のものより大きく確
保することができ、さらに、位相共役作用を有する共振
器ミラーを用いるレーザ共振器を構成要素としないた
め、光学系の構成が簡単になり、低価格化を実現するこ
とができる。
は、位相変調素子アレイの電極領域やデッドスベースに
よる光量ロスや波面歪みのない偏向を実現し、メカニカ
ルな走査方式と比較して、高速で安定的かつ信頼性ある
走査が可能となり、最大位相差が、フーリエ変換レンズ
アレイ（本発明の第２のレーザ偏向走査装置においては
第２のレンズアレイ。以下、同じ）の開口数（ＮＡ）に
よって規定され、位相変調素子アレイおよびフーリエ変
換レンズアレイのピッチや位相変調素子の最大位相差に
依存しないため、最大偏向角を従来のものより大きく確
保することができ、さらに、位相共役作用を有する共振
器ミラーを用いるレーザ共振器を構成要素としないた
め、光学系の構成が簡単になり、低価格化を実現するこ
とができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザー偏向走査
装置の具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細
に説明する。
装置の具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細
に説明する。
【００３５】図１は本発明の第１のレーザー偏向走査装
置の基本的な実施形態の構成を示す図である。
置の基本的な実施形態の構成を示す図である。
【００３６】図示のレーザー偏向走査装置 100は、入射
するレーザービームB0の複素振幅分布を多数の微小領域
に分割してスポットアレイとして集光するレンズアレイ
10と、これらのスポットアレイとして集光された多数
（図示では、記載簡単化と理解容易のため４つのみの記
載）のレーザービームB1、B2、…のそれぞれを各別に位
相変調する、多数の位相変調素子からなる第１の位相変
調素子アレイ20と、第１の位相変調素子アレイ20により
位相変調された多数のレーザービームB1、B2、…をフー
リエ変換するフーリエ変換レンズ30と、フーリエ変換さ
れた多数のレーザービームB1、B2、…がそれぞれ入射
し、この入射した多数のレーザービームB1、B2、…のそ
れぞれの複素振幅分布をさらに微小領域に分割するフー
リエ変換レンズアレイ50と、第１の位相変調素子アレイ
20とフーリエ変換レンズアレイ50との間であってフーリ
エ変換レンズアレイ50に近接して、フーリエ変換レンズ
アレイ50を構成する多数のレンズにそれぞれ対応して設
けられた、多数の位相変調素子からなる第２の位相変調
素子アレイ40と、第１の位相変調素子20と第２の位相変
調素子アレイ40とをそれぞれ駆動する駆動手段60とを備
えた構成である。
するレーザービームB0の複素振幅分布を多数の微小領域
に分割してスポットアレイとして集光するレンズアレイ
10と、これらのスポットアレイとして集光された多数
（図示では、記載簡単化と理解容易のため４つのみの記
載）のレーザービームB1、B2、…のそれぞれを各別に位
相変調する、多数の位相変調素子からなる第１の位相変
調素子アレイ20と、第１の位相変調素子アレイ20により
位相変調された多数のレーザービームB1、B2、…をフー
リエ変換するフーリエ変換レンズ30と、フーリエ変換さ
れた多数のレーザービームB1、B2、…がそれぞれ入射
し、この入射した多数のレーザービームB1、B2、…のそ
れぞれの複素振幅分布をさらに微小領域に分割するフー
リエ変換レンズアレイ50と、第１の位相変調素子アレイ
20とフーリエ変換レンズアレイ50との間であってフーリ
エ変換レンズアレイ50に近接して、フーリエ変換レンズ
アレイ50を構成する多数のレンズにそれぞれ対応して設
けられた、多数の位相変調素子からなる第２の位相変調
素子アレイ40と、第１の位相変調素子20と第２の位相変
調素子アレイ40とをそれぞれ駆動する駆動手段60とを備
えた構成である。
【００３７】ここで、レンズアレイ10、フーリエ変換レ
ンズ30およびフーリエ変換レンズアレイ50は、図２に示
すように、レーザービームB0の進行方向に向かって、レ
ンズアレイ10の後側焦点面ｔとフーリエ変換レンズ30の
前側フーリエ変換面とが一致し、フーリエ変換レンズ30
の後側フーリエ変換面ｕとフーリエ変換レンズアレイ50
の前側フーリエ変換面とが一致するように配設され、ま
た、第１の位相変調素子アレイ20はレンズアレイ10の後
側焦点面ｔに、第２の位相変調素子アレイ40はフーリエ
変換レンズアレイ50の前側フーリエ変換面ｕにそれぞれ
配設される。
ンズ30およびフーリエ変換レンズアレイ50は、図２に示
すように、レーザービームB0の進行方向に向かって、レ
ンズアレイ10の後側焦点面ｔとフーリエ変換レンズ30の
前側フーリエ変換面とが一致し、フーリエ変換レンズ30
の後側フーリエ変換面ｕとフーリエ変換レンズアレイ50
の前側フーリエ変換面とが一致するように配設され、ま
た、第１の位相変調素子アレイ20はレンズアレイ10の後
側焦点面ｔに、第２の位相変調素子アレイ40はフーリエ
変換レンズアレイ50の前側フーリエ変換面ｕにそれぞれ
配設される。
【００３８】また、レンズアレイ10のレンズピッチをp
1、アレイ10を構成するレンズの数をN1、フーリエ変換
レンズ30の焦点距離をf 、フーリエ変換レンズアレイ50
の焦点距離をf2、レンズピッチをp2、レーザービームB0
の波長をλとしたとき、これらが下記式（１）および
（２）を満たしている。
1、アレイ10を構成するレンズの数をN1、フーリエ変換
レンズ30の焦点距離をf 、フーリエ変換レンズアレイ50
の焦点距離をf2、レンズピッチをp2、レーザービームB0
の波長をλとしたとき、これらが下記式（１）および
（２）を満たしている。
【００３９】f ×p2＝f2×p1×N1 （１） (p1×p2)/(λ×f)＝１ （２） なお、上記各レンズアレイ、位相変調素子アレイは、図
面上は一次元方向にのみ配列されているように記載され
ているが、これは説明および理解の容易のための便宜的
な表現に過ぎず、上記および以下の各実施形態において
は、１次元配列の如く説明するが、実際には紙面の奥行
き方向をも含む面内で２次元状に配列されているもので
ある。
面上は一次元方向にのみ配列されているように記載され
ているが、これは説明および理解の容易のための便宜的
な表現に過ぎず、上記および以下の各実施形態において
は、１次元配列の如く説明するが、実際には紙面の奥行
き方向をも含む面内で２次元状に配列されているもので
ある。
【００４０】上記駆動手段60は、第１の位相変調素子ア
レイ20を構成する多数の位相変調素子21，22，23，…を
通過した、レンズアレイ10により各微小領域に分割され
たレーザービームB1，B2，B3，…の各波面が、図３
（Ａ）に示すような一定の位相勾配を有するように、第
１の位相変調素子アレイ20を駆動し、かつ、第２の位相
変調素子アレイ40を構成する多数の位相変調素子41，4
2，43，…を通過してフーリエ変換レンズアレイ50によ
りさらに微小領域に分割されたレーザービームB1，B2，
B3，…の各波面が、図３（Ｂ）に示すように、レーザー
ビームＢ全体として所望方向に対し同位相となるよう
に、第２の位相変調素子アレイ40を駆動する作用をな
す。なお、この場合、第２の位相変調素子アレイ40に対
する駆動は具体的には、隣接する位相変調素子間で２π
×Ｎ（Ｎ：整数）の位相差を付与する駆動をなす。
レイ20を構成する多数の位相変調素子21，22，23，…を
通過した、レンズアレイ10により各微小領域に分割され
たレーザービームB1，B2，B3，…の各波面が、図３
（Ａ）に示すような一定の位相勾配を有するように、第
１の位相変調素子アレイ20を駆動し、かつ、第２の位相
変調素子アレイ40を構成する多数の位相変調素子41，4
2，43，…を通過してフーリエ変換レンズアレイ50によ
りさらに微小領域に分割されたレーザービームB1，B2，
B3，…の各波面が、図３（Ｂ）に示すように、レーザー
ビームＢ全体として所望方向に対し同位相となるよう
に、第２の位相変調素子アレイ40を駆動する作用をな
す。なお、この場合、第２の位相変調素子アレイ40に対
する駆動は具体的には、隣接する位相変調素子間で２π
×Ｎ（Ｎ：整数）の位相差を付与する駆動をなす。
【００４１】次にこのレーザー偏向走査装置 100の作用
について説明する。
について説明する。
【００４２】まず、平面波レーザビームB0が図示左側か
ら光軸Ｘに沿って、レンズアレイ10に入射する。入射し
た平面波レーザビームB0は、レンズアレイ10を構成する
各レンズによってその後側焦点面ｔにおいてスポットに
集光される。このとき集光スポットはSinc関数で近似さ
れ、後側焦点面ｔにおける振幅分布Φ（ｔ）は、次式
（３）で示すものとなる。
ら光軸Ｘに沿って、レンズアレイ10に入射する。入射し
た平面波レーザビームB0は、レンズアレイ10を構成する
各レンズによってその後側焦点面ｔにおいてスポットに
集光される。このとき集光スポットはSinc関数で近似さ
れ、後側焦点面ｔにおける振幅分布Φ（ｔ）は、次式
（３）で示すものとなる。
【００４３】
【数１】
【００４４】次に、式（３）で与えられる振幅分布Φ
（ｔ）は第１の位相変調素子アレイ20を通過し、その複
素振幅分布Φ（ｔ）は次式（４）で与えられる。
（ｔ）は第１の位相変調素子アレイ20を通過し、その複
素振幅分布Φ（ｔ）は次式（４）で与えられる。
【００４５】
【数２】
【００４６】式（４）で与えられる複素振幅分布Φ
（ｔ）はフーリエ変換レンズ30を通過し、フーリエ変換
された振幅分布が、フーリエ変換レンズ30の後側フーリ
エ変換面ｕに形成される。ｕ面での振幅分布Θ（ｕ）
は、式（５）で与えられる。
（ｔ）はフーリエ変換レンズ30を通過し、フーリエ変換
された振幅分布が、フーリエ変換レンズ30の後側フーリ
エ変換面ｕに形成される。ｕ面での振幅分布Θ（ｕ）
は、式（５）で与えられる。
【００４７】
【数３】
【００４８】式（５）で与えられる複素振幅分布Θ
（ｕ）は、フーリエ変換レンズアレイ50および第２の位
相変調素子アレイ40を通過し、フーリエ変換レンズアレ
イ50を構成する各フーリエ変換レンズによってフーリエ
変換され、第２の位相変調素子アレイ40によって位相変
調された振幅分布Ψ（ｖ）が、フーリエ変換レンズアレ
イ50の後側フーリエ変換面ｖに形成される。
（ｕ）は、フーリエ変換レンズアレイ50および第２の位
相変調素子アレイ40を通過し、フーリエ変換レンズアレ
イ50を構成する各フーリエ変換レンズによってフーリエ
変換され、第２の位相変調素子アレイ40によって位相変
調された振幅分布Ψ（ｖ）が、フーリエ変換レンズアレ
イ50の後側フーリエ変換面ｖに形成される。
【００４９】この複素振幅分布Ψ（ｖ）は、次の（６）
式で与えられる。
式で与えられる。
【００５０】
【数４】
【００５１】ここで、前記条件式（２）を満たすことか
ら、式（６）の位相項第１項は消失し、フーリエ変換レ
ンズアレイを通過したレーザービームは全体として第１
の位相変調素子アレイ20によって与えられた位相分布が
フーリエ変換レンズアレイ50のピッチで配列された位相
分布を持つ。
ら、式（６）の位相項第１項は消失し、フーリエ変換レ
ンズアレイを通過したレーザービームは全体として第１
の位相変調素子アレイ20によって与えられた位相分布が
フーリエ変換レンズアレイ50のピッチで配列された位相
分布を持つ。
【００５２】さらに、条件式（１）を満たすことによ
り、式（６）は次式（７）のようになる。
り、式（６）は次式（７）のようになる。
【００５３】
【数５】
【００５４】このとき式（７）より明らかなように、フ
ーリエ変換レンズアレイ50を通過したレーザービーム
は、Sinc関数で表される分布が全体として等間隔で配列
されており、かつ、第１の位相変調素子アレイ20よって
与えられた位相分布が、フーリエ変換レンズアレイ50の
ピッチで配列された位相分布を持っている。
ーリエ変換レンズアレイ50を通過したレーザービーム
は、Sinc関数で表される分布が全体として等間隔で配列
されており、かつ、第１の位相変調素子アレイ20よって
与えられた位相分布が、フーリエ変換レンズアレイ50の
ピッチで配列された位相分布を持っている。
【００５５】したがって、所定の方向に対し同位相とな
る位相分布φl1およびψl2を与えるように、駆動手段60
を調整することにより、略所定の方向に進行する平面波
レーザービームＢを形成することができる。
る位相分布φl1およびψl2を与えるように、駆動手段60
を調整することにより、略所定の方向に進行する平面波
レーザービームＢを形成することができる。
【００５６】よって、上記実施形態の走査光学系が、式
（１）で表される等ピッチ条件、および式（２）で表さ
れる位相保存条件を満たす場合、第１の位相変調素子ア
レイ20および第２の位相変調素子アレイ40に、駆動手段
60により、所望とする位相変調分布を与えることによっ
て、レンズアレイ10に入射した平面波レーザービームB0
が、フーリエ変換レンズアレイ50から所望の方向に進行
する平面波レーザービームＢとして出射されることがで
きる。
（１）で表される等ピッチ条件、および式（２）で表さ
れる位相保存条件を満たす場合、第１の位相変調素子ア
レイ20および第２の位相変調素子アレイ40に、駆動手段
60により、所望とする位相変調分布を与えることによっ
て、レンズアレイ10に入射した平面波レーザービームB0
が、フーリエ変換レンズアレイ50から所望の方向に進行
する平面波レーザービームＢとして出射されることがで
きる。
【００５７】なお、上記式（１）、（２）を正確に満た
していなくてもよい。この場合、位相変調素子アレイ2
0、40による位相変調量を最適に補正することにより、
フーリエ変換レンズアレイ50から出射されるレーザービ
ームは所望の点に対し発散光又は収束光となる。したが
って、所望の点に対し発散光または収束光を偏向走査す
ることが可能になる。
していなくてもよい。この場合、位相変調素子アレイ2
0、40による位相変調量を最適に補正することにより、
フーリエ変換レンズアレイ50から出射されるレーザービ
ームは所望の点に対し発散光又は収束光となる。したが
って、所望の点に対し発散光または収束光を偏向走査す
ることが可能になる。
【００５８】また上記実施形態においては、入射する平
面波レーザービームB0を特定していないが、図４（Ａ）
に示すように、半導体レーザー（ＬＤ）81から出射され
た拡がり角を有するレーザービームを、レンズ83を用い
てコリメートすることによって得られる平行ビームB0を
適用してもよいし、同図（Ｂ）に示すように、光ファイ
バー82から出射したファンビームを、レンズ83を用いて
コリメートすることによって得られる平行ビームB0を適
用してもよい。
面波レーザービームB0を特定していないが、図４（Ａ）
に示すように、半導体レーザー（ＬＤ）81から出射され
た拡がり角を有するレーザービームを、レンズ83を用い
てコリメートすることによって得られる平行ビームB0を
適用してもよいし、同図（Ｂ）に示すように、光ファイ
バー82から出射したファンビームを、レンズ83を用いて
コリメートすることによって得られる平行ビームB0を適
用してもよい。
【００５９】図５は、本発明の第２のレーザー偏向走査
装置の一実施形態の構成を示す図である。
装置の一実施形態の構成を示す図である。
【００６０】図示のレーザー偏向走査装置 100′は、図
１に示した実施形態のレーザー偏向走査装置 100の実施
形態に対して、フーリエ変換レンズ30を除外するととも
に、フーリエ変換レンズアレイ50に代えて第２の（結
像）レンズアレイ50′を適用するものである。
１に示した実施形態のレーザー偏向走査装置 100の実施
形態に対して、フーリエ変換レンズ30を除外するととも
に、フーリエ変換レンズアレイ50に代えて第２の（結
像）レンズアレイ50′を適用するものである。
【００６１】前述した第１の実施形態においては、入射
レーザービームを、フーリエ変換レンズ30およびフーリ
エ変換レンズアレイ50という２つのフーリエ変換レンズ
を通過させてフーリエ変換と逆フーリエ変換とを施して
いるが、本実施形態のレーザー偏向走査装置 100′では
フーリエ変換を行うことなく、レンズアレイ10（前述の
実施形態 100におけるレンズアレイ10に相当）の焦点面
に形成されたスポットアレイを第２のレンズアレイ50′
によって結像する。結像されたスポットアレイは、駆動
手段60によって駆動される第１および第２の位相変調器
20、40により、適当な位相変調が施され、出射レーザー
ビーム全体として所望点または所望方向に対して同位相
の複素振幅分布となる。したがって、所望点または所望
方向に偏向走査することができる。
レーザービームを、フーリエ変換レンズ30およびフーリ
エ変換レンズアレイ50という２つのフーリエ変換レンズ
を通過させてフーリエ変換と逆フーリエ変換とを施して
いるが、本実施形態のレーザー偏向走査装置 100′では
フーリエ変換を行うことなく、レンズアレイ10（前述の
実施形態 100におけるレンズアレイ10に相当）の焦点面
に形成されたスポットアレイを第２のレンズアレイ50′
によって結像する。結像されたスポットアレイは、駆動
手段60によって駆動される第１および第２の位相変調器
20、40により、適当な位相変調が施され、出射レーザー
ビーム全体として所望点または所望方向に対して同位相
の複素振幅分布となる。したがって、所望点または所望
方向に偏向走査することができる。
【００６２】なお、この実施形態の基本的な作用は、前
述した実施形態の場合と同様であるので、説明を省略す
る。
述した実施形態の場合と同様であるので、説明を省略す
る。
【００６３】図６は、本発明の第１のレーザー偏向走査
装置を２次元高解像度画像表示装置として適用した実施
形態を示す図である。
装置を２次元高解像度画像表示装置として適用した実施
形態を示す図である。
【００６４】図示の画像表示装置は、入射したレーザー
ビームを所定の方向に偏向走査する、図１に示したレー
ザー偏向走査装置 100と、この偏向走査装置 100に入射
せしめるレーザービームを出射するレーザー光源84と、
この光源84を駆動するドライバー85と、偏向走査装置 1
00から出射した、所望方向に出射されるレーザービーム
をスポットとして集光するレンズ90と、このスポットが
集光される面に配されたスクリーン95とを備えており、
ドライバー85により画像に応じた変調がなされたレーザ
ービームのスポットを、スクリーン95上を走査させるこ
とによって、スクリーン95上にその画像を観察すること
ができる。
ビームを所定の方向に偏向走査する、図１に示したレー
ザー偏向走査装置 100と、この偏向走査装置 100に入射
せしめるレーザービームを出射するレーザー光源84と、
この光源84を駆動するドライバー85と、偏向走査装置 1
00から出射した、所望方向に出射されるレーザービーム
をスポットとして集光するレンズ90と、このスポットが
集光される面に配されたスクリーン95とを備えており、
ドライバー85により画像に応じた変調がなされたレーザ
ービームのスポットを、スクリーン95上を走査させるこ
とによって、スクリーン95上にその画像を観察すること
ができる。
【００６５】なお、図示では上述したように本発明の第
１のレーザー偏向走査装置を適用しているが、本発明の
第２のレーザー偏向走査装置を適用することもできる。
以下に示す３次元の画像表示装置についても同様であ
る。
１のレーザー偏向走査装置を適用しているが、本発明の
第２のレーザー偏向走査装置を適用することもできる。
以下に示す３次元の画像表示装置についても同様であ
る。
【００６６】図７は、本発明の第１のレーザー偏向走査
装置を３次元の画像表示装置として適用した実施形態を
示す図である。
装置を３次元の画像表示装置として適用した実施形態を
示す図である。
【００６７】図示の画像表示装置は、入射したレーザー
ビームを所定の方向に偏向走査する、図１に示したレー
ザー偏向走査装置 100と、この偏向走査装置 100に入射
せしめるレーザービームを出射するレーザー光源84と、
この光源84を駆動するドライバー85とを備えており、レ
ーザー光源84のドライバー85により右目と左目にそれぞ
れ入射するレーザビームの強度を変化させるとともに、
レーザービームを右目から左目に、また左目から右目
に、高速に偏向させることによって、容易に視差を与え
ることができる。これにより３次元表示装置を作ること
ができる。
ビームを所定の方向に偏向走査する、図１に示したレー
ザー偏向走査装置 100と、この偏向走査装置 100に入射
せしめるレーザービームを出射するレーザー光源84と、
この光源84を駆動するドライバー85とを備えており、レ
ーザー光源84のドライバー85により右目と左目にそれぞ
れ入射するレーザビームの強度を変化させるとともに、
レーザービームを右目から左目に、また左目から右目
に、高速に偏向させることによって、容易に視差を与え
ることができる。これにより３次元表示装置を作ること
ができる。
【図１】本発明の第１のレーザー偏向走査装置の基本的
な実施形態の構成を示す図
な実施形態の構成を示す図
【図２】図１に示した実施形態のレーザー偏向走査装置
の、レンズアレイ、フーリエ変換レンズ、フーリエ変換
レンズアレイ、第１の位相変調素子アレイ、および第２
の位相変調素子アレイの具体的配置を示す図
の、レンズアレイ、フーリエ変換レンズ、フーリエ変換
レンズアレイ、第１の位相変調素子アレイ、および第２
の位相変調素子アレイの具体的配置を示す図
【図３】図１に示した実施形態のレーザー偏向走査装置
の作用を説明するための図
の作用を説明するための図
【図４】入射レーザービームの態様を示す図
【図５】本発明の第２のレーザー偏向走査装置の基本的
な実施形態の構成を示す図
な実施形態の構成を示す図
【図６】本発明のレーザー偏向走査装置を２次元高解像
度画像表示装置として適用した実施形態を示す図
度画像表示装置として適用した実施形態を示す図
【図７】本発明のレーザー偏向走査装置を３次元の画像
表示装置として適用した実施形態を示す図
表示装置として適用した実施形態を示す図
10 レンズアレイ 20,40 位相変調素子アレイ 30 フーリエ変換レンズ 50 フーリエ変換レンズアレイ 60 駆動手段 B0 入射レーザービーム Ｂ 出射レーザービーム 100 レーザー偏向走査装置
Claims (3)
- 【請求項１】 入射するレーザービームの複素振幅分布
を多数の微小領域に分割してスポットアレイとして集光
するレンズアレイと、 前記スポットアレイとして集光された多数のレーザービ
ームのそれぞれを各別に位相変調する、多数の位相変調
素子からなる第１の位相変調素子アレイと、 前記第１の位相変調素子アレイにより位相変調された多
数のレーザービームをフーリエ変換するフーリエ変換レ
ンズと、 前記フーリエ変換された多数のレーザービームがそれぞ
れ入射し、該入射した多数のレーザービームのそれぞれ
の複素振幅分布を微小領域に分割するフーリエ変換レン
ズアレイと、 前記第１の位相変調素子アレイと前記フーリエ変換レン
ズアレイとの間であって該フーリエ変換レンズアレイに
近接して、該フーリエ変換レンズアレイを構成する多数
のフーリエ変換レンズにそれぞれ対応して設けられた、
多数の位相変調素子からなる第２の位相変調素子アレイ
と、 前記フーリエ変換レンズアレイによる各微小領域を通過
する多数のレーザービームの各波面が、該フーリエ変換
レンズアレイを通過したレーザービームの全体として所
望の方向または点に対し同位相となるように、前記第１
の位相変調素子と前記第２の位相変調素子アレイとをそ
れぞれ駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とするレ
ーザー偏向走査装置。 - 【請求項２】 前記レンズアレイのピッチp1、アレイを
構成するレンズの数N1、前記フーリエ変換レンズの焦点
距離f 、前記フーリエ変換レンズアレイの焦点距離f2、
ピッチp2、前記レーザービームの波長λが、下記式
（１）および（２）を満たすことを特徴とする請求項１
記載のレーザー偏向走査装置。 f ×p2＝f2×p1×N1 （１） (p1×p2)/(λ×f)＝１ （２） - 【請求項３】 入射するレーザービームの複素振幅分布
を多数の微小領域に分割してスポットアレイとして集光
する第１のレンズアレイと、 前記スポットアレイとして集光された多数のレーザービ
ームのそれぞれを各別に位相変調する、多数の位相変調
素子からなる第１の位相変調素子アレイと、 前記各別に位相変調された多数のレーザービームがそれ
ぞれ入射し、該入射した多数のレーザービームのそれぞ
れの複素振幅分布を微小領域に分割する第２のレンズア
レイと、 前記第１の位相変調素子アレイと前記第２のレンズアレ
イとの間であって該第２のレンズアレイに近接して、該
第２のレンズアレイを構成する多数のレンズにそれぞれ
対応して設けられた、多数の位相変調素子からなる第２
の位相変調素子アレイと、 前記第２のレンズアレイによる各微小領域を通過する多
数のレーザービームの各波面が、該第２のレンズアレイ
を通過したレーザービームの全体として所望の方向また
は点に対し同位相となるように、前記第１の位相変調素
子と前記第２の位相変調素子アレイとをそれぞれ駆動す
る駆動手段とを備えたことを特徴とするレーザー偏向走
査装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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