JP2681470B2 - ２次元可変偏向回折素子 - Google Patents
２次元可変偏向回折素子Info
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- JP2681470B2 JP2681470B2 JP62294668A JP29466887A JP2681470B2 JP 2681470 B2 JP2681470 B2 JP 2681470B2 JP 62294668 A JP62294668 A JP 62294668A JP 29466887 A JP29466887 A JP 29466887A JP 2681470 B2 JP2681470 B2 JP 2681470B2
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、光の進行方向を超音波を利用して変える
光偏向装置に係り、特に固体表面上を伝搬する表面弾性
波を回折格子として利用し、その格子定数を変化させる
ことで光の回折の方向を調整可能とした２次元可変偏向
回折素子に関する。 〔従来の技術〕 ２次元平面に対して光を走査又は偏向する技術には回
転反射鏡や回転プリズムを２個以上組み合わせて行う方
法や圧電素子を２つ以上用いて２つの自由度をもつ反射
鏡を構成する方法があり、これらはいずれも機械的動作
によるものである。また、同一出願人・同一発明者によ
る「表面弾性波可変回折素子」（特願昭第62−73416
号）にあるような表面弾性波（SAW:Surface Acoustic
Wave）を利用した１次元の光偏向素子を２枚組み合わ
せ、光を２次元的に偏向する方法も考えられる。この構
成によると機械的動作を含まないため非常に偏向時間の
短い（最大偏角を得るに要する時間は数μｓ）、かつ、
任意方向への光偏向が可能な素子が実現できる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、反射鏡やプリズムを用いた機械的動作
による光偏向は構成体積の縮小化が困難であり、また非
周期的な動作を行なわせようとする制御系を含めた構成
自体が複雑になり、偏向速度も１桁以上遅くなってしま
う。 一方、後者の機械的動作を含まないSAWを利用した方
法は少なくとも２つの偏向素子を組み合わせなければ２
次元的な偏向は実現できない。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明では、ニオブ酸リチウム結晶のＹカット基板で
なる一枚の圧電性基板上に該圧電性基板のニオブ酸リチ
ウム結晶のＸ軸との成す角θが70゜から110゜である少
なくとも２方向へ同時に表面弾性波を発生できるよう
に、少なくとも２つの交差指形電極を設ける構造とし
た、こうすることで、２次元平面上での光の任意方向へ
の走査や静止が高い回折効率で大きな偏向角度で自由に
行えるようにした。 〔作用〕 固体表面上を伝搬するSAWは、交差指形電極の形状で
決定される共振周波数f0をもち、またSAWの伝搬速度は
圧電性基板の特性で決まってくる。いま、その伝搬速度
をvoとおくと、SAWにより形成される正弦波状格子の格
子間隔（SAWの空間的波長）ｄとの関係は、 ｄ＝vo/f0 ……（１） である。 このことから、格子間隔ｄは交差指形電極に入力する
周波数で制御できることがわかる。また、仮りにSAWの
発生強度が10％程度の減少してもよいとすると、SAWの
周波数は中心周波数の５〜10％変化させることが可能で
ある。光の回折角度は格子間隔ｄで決定されるため、上
述の関係は、入力周波数により回折角度（偏向角度）の
制御ができることを表わしている。 第２図にSAW素子へ入力する周波数の変化と回折輝点
の変動の関係を示す。 第２図（ａ）は、ｘ軸方向にSAWが伝搬している状態
での回折輝点の位置を表わしている。入射光の波長を
λ、レンズ３の焦点距離をＦ、中心周波数をfx0、SAWの
伝搬速度をｖ、焦点面４での回折輝点と光軸との距離を
x0とすると、 x0＝fx0・Ｆ・λ/v ……（２） の関係がある。 いま、許容変動周波数幅をΔfxとすると、回折輝点の
変動幅Δｘは、 Δｘ＝Δfx・Ｆ・λ/v ……（３） となる。 これより、回折輝点と光軸との距離x0の変動範囲は、 （fx0−Δfx/2）・Ｆ・λ/v≦x0≦（fx0＋Δfx/2）・Ｆ・λ/v ……（４） と表わされる。 第２図（ｂ）は、ｙ軸方向にSAWが伝搬しているとき
の回折輝点の位置を表わしている。第２図（ａ）のとき
と同様にして、回折輝点y0の変動範囲を求めると、 （fy0−Δfy/2）・Ｆ・λ/v≦y0≦（fy0＋Δfy/2）・Ｆ・λ/v ……（５） となる。 第２図（ｃ）は、SAWがｘ軸方向とｙ軸方向に対し同
時に伝搬しているとき、第２図（ａ）における焦点面４
に見られる回折輝点の位置を表わしている。圧電性基板
１上には、正弦波状の２次元回折格子が形成されるため
回折輝点のうち軸上以外の輝点ｐの変動範囲は２次元の
領域に拡がることになる。第２図（ａ）と第２図（ｂ）
の説明で述べたように、ｘ軸に対する変動範囲がΔｘ、
ｙ軸に対する変動範囲がΔｙであるとき、回折輝点ｐは
その範囲で切られる２次元平面上の四角形ABCDの領域内
において任意方向への移動や任意位置での静止が入力周
波数の制御で可能となる。 以上の説明は、xy平面の第１の象限についてのみ着目
したが、当然、第２〜４象限についても同様な回折輝点
が見られる。 〔実施例〕 第１図に本発明に係る２次元可変偏向回折素子の一実
施例を示す。圧電性基板１にはよく利用されるニオブ酸
リチウム結晶を使用した。この結晶は3m型の異方性結晶
であるため切り出し面によりSAWの伝搬速度が異なる。 ところで、入力電気信号によるSAW発生の難易度を示
す電気機械結合係数Ｋは、vsを表面を電気的に短絡した
場合のSAW伝搬速度、voを表面を電気的に開放した場合
のSAW伝搬速度とした場合、 K2＝2|vo−vs|/vo ……（６） の関係が与えられるが、この値も前記結晶のカット面と
SAW伝搬方向により様々な値を示す。 第１図（ａ）に一例として、Ｙカット基板のSAWの伝
搬方向（θ）と伝搬速度（m/s）の関係を示した。第１
図（ａ）において実線は表面を電気的に開放した場合の
SAW伝搬速度voを、破線は表面を電気的に短絡した場合
のSAW伝搬速度vsを示す。この図より、θ＝70゜からθ
＝110゜の範囲では、他の伝搬方向（θ）と比較して伝
搬速度が小さく、かつ、電気機械結合係数Ｋが大きな値
を示し、さらに、図中の曲線はθ＝90゜を中心として、
ほぼ左右対称の特性を示すことが分かる。ここで、伝搬
速度が小さい方が、前述の式（１）の関係より格子間隔
ｄの値が小さくなり、偏向角度は大きくなる。また、電
気機械結合係数Ｋが大きい方が回折効率は高いという関
係がある。 このことから、異なる２方向へSAW伝搬を行なわせよ
うとしたとき、この角度範囲（θ＝70゜〜110゜）で伝
播方向（θ）を選べば、他の伝播方向（θ）を選んだ場
合と比較して、偏向角度を大きく、かつ、回折効率を高
くできる。 また、前記角度範囲（θ＝70゜〜110゜）で対称な２
点、つまり電気機械結合係数Ｋが等しい伝播方向（θ）
を選べば、同一入力電力で同一な回折効率が期待でき
る。 第１図（ｂ）は、上記の理由より、圧電性基板１とし
てＹカット基板を使用し、SAWの伝搬方向をθ＝70゜と
θ＝110゜に選んで構成した光偏向素子である。この場
合、SAW伝搬方向は直交していないため、回折輝点Ｐの
変動範囲は平行四辺形ABCD内となる。この第１図（ｂ）
においても第１象限のみを示したが、他の３つの象限で
も同様に回折輝点を生じる。 〔発明の効果〕 以上、述べたように、本発明に係る２次元可変偏向回
折素子によれば、ニオブ酸リチウム結晶のＹカット基板
でなる一枚の圧電性基板上に該圧電性基板のニオブ酸リ
チウム結晶のＸ軸との成す角θが70゜から110゜である
相異なる方向へSAWを同時に発生させることで、正弦波
的な２次元回折素子を圧電性基板表面上に形成して、回
折光の偏向を高い回折効率で大きな偏向角度で２次元的
に行う素子を実現できた。 また、回折素子構成も反射鏡を使ったものに比べ小型
化でき、偏向の掃引時間も大幅に短い２次元の可変偏向
回折素子が実現できた。
光偏向装置に係り、特に固体表面上を伝搬する表面弾性
波を回折格子として利用し、その格子定数を変化させる
ことで光の回折の方向を調整可能とした２次元可変偏向
回折素子に関する。 〔従来の技術〕 ２次元平面に対して光を走査又は偏向する技術には回
転反射鏡や回転プリズムを２個以上組み合わせて行う方
法や圧電素子を２つ以上用いて２つの自由度をもつ反射
鏡を構成する方法があり、これらはいずれも機械的動作
によるものである。また、同一出願人・同一発明者によ
る「表面弾性波可変回折素子」（特願昭第62−73416
号）にあるような表面弾性波（SAW:Surface Acoustic
Wave）を利用した１次元の光偏向素子を２枚組み合わ
せ、光を２次元的に偏向する方法も考えられる。この構
成によると機械的動作を含まないため非常に偏向時間の
短い（最大偏角を得るに要する時間は数μｓ）、かつ、
任意方向への光偏向が可能な素子が実現できる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、反射鏡やプリズムを用いた機械的動作
による光偏向は構成体積の縮小化が困難であり、また非
周期的な動作を行なわせようとする制御系を含めた構成
自体が複雑になり、偏向速度も１桁以上遅くなってしま
う。 一方、後者の機械的動作を含まないSAWを利用した方
法は少なくとも２つの偏向素子を組み合わせなければ２
次元的な偏向は実現できない。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明では、ニオブ酸リチウム結晶のＹカット基板で
なる一枚の圧電性基板上に該圧電性基板のニオブ酸リチ
ウム結晶のＸ軸との成す角θが70゜から110゜である少
なくとも２方向へ同時に表面弾性波を発生できるよう
に、少なくとも２つの交差指形電極を設ける構造とし
た、こうすることで、２次元平面上での光の任意方向へ
の走査や静止が高い回折効率で大きな偏向角度で自由に
行えるようにした。 〔作用〕 固体表面上を伝搬するSAWは、交差指形電極の形状で
決定される共振周波数f0をもち、またSAWの伝搬速度は
圧電性基板の特性で決まってくる。いま、その伝搬速度
をvoとおくと、SAWにより形成される正弦波状格子の格
子間隔（SAWの空間的波長）ｄとの関係は、 ｄ＝vo/f0 ……（１） である。 このことから、格子間隔ｄは交差指形電極に入力する
周波数で制御できることがわかる。また、仮りにSAWの
発生強度が10％程度の減少してもよいとすると、SAWの
周波数は中心周波数の５〜10％変化させることが可能で
ある。光の回折角度は格子間隔ｄで決定されるため、上
述の関係は、入力周波数により回折角度（偏向角度）の
制御ができることを表わしている。 第２図にSAW素子へ入力する周波数の変化と回折輝点
の変動の関係を示す。 第２図（ａ）は、ｘ軸方向にSAWが伝搬している状態
での回折輝点の位置を表わしている。入射光の波長を
λ、レンズ３の焦点距離をＦ、中心周波数をfx0、SAWの
伝搬速度をｖ、焦点面４での回折輝点と光軸との距離を
x0とすると、 x0＝fx0・Ｆ・λ/v ……（２） の関係がある。 いま、許容変動周波数幅をΔfxとすると、回折輝点の
変動幅Δｘは、 Δｘ＝Δfx・Ｆ・λ/v ……（３） となる。 これより、回折輝点と光軸との距離x0の変動範囲は、 （fx0−Δfx/2）・Ｆ・λ/v≦x0≦（fx0＋Δfx/2）・Ｆ・λ/v ……（４） と表わされる。 第２図（ｂ）は、ｙ軸方向にSAWが伝搬しているとき
の回折輝点の位置を表わしている。第２図（ａ）のとき
と同様にして、回折輝点y0の変動範囲を求めると、 （fy0−Δfy/2）・Ｆ・λ/v≦y0≦（fy0＋Δfy/2）・Ｆ・λ/v ……（５） となる。 第２図（ｃ）は、SAWがｘ軸方向とｙ軸方向に対し同
時に伝搬しているとき、第２図（ａ）における焦点面４
に見られる回折輝点の位置を表わしている。圧電性基板
１上には、正弦波状の２次元回折格子が形成されるため
回折輝点のうち軸上以外の輝点ｐの変動範囲は２次元の
領域に拡がることになる。第２図（ａ）と第２図（ｂ）
の説明で述べたように、ｘ軸に対する変動範囲がΔｘ、
ｙ軸に対する変動範囲がΔｙであるとき、回折輝点ｐは
その範囲で切られる２次元平面上の四角形ABCDの領域内
において任意方向への移動や任意位置での静止が入力周
波数の制御で可能となる。 以上の説明は、xy平面の第１の象限についてのみ着目
したが、当然、第２〜４象限についても同様な回折輝点
が見られる。 〔実施例〕 第１図に本発明に係る２次元可変偏向回折素子の一実
施例を示す。圧電性基板１にはよく利用されるニオブ酸
リチウム結晶を使用した。この結晶は3m型の異方性結晶
であるため切り出し面によりSAWの伝搬速度が異なる。 ところで、入力電気信号によるSAW発生の難易度を示
す電気機械結合係数Ｋは、vsを表面を電気的に短絡した
場合のSAW伝搬速度、voを表面を電気的に開放した場合
のSAW伝搬速度とした場合、 K2＝2|vo−vs|/vo ……（６） の関係が与えられるが、この値も前記結晶のカット面と
SAW伝搬方向により様々な値を示す。 第１図（ａ）に一例として、Ｙカット基板のSAWの伝
搬方向（θ）と伝搬速度（m/s）の関係を示した。第１
図（ａ）において実線は表面を電気的に開放した場合の
SAW伝搬速度voを、破線は表面を電気的に短絡した場合
のSAW伝搬速度vsを示す。この図より、θ＝70゜からθ
＝110゜の範囲では、他の伝搬方向（θ）と比較して伝
搬速度が小さく、かつ、電気機械結合係数Ｋが大きな値
を示し、さらに、図中の曲線はθ＝90゜を中心として、
ほぼ左右対称の特性を示すことが分かる。ここで、伝搬
速度が小さい方が、前述の式（１）の関係より格子間隔
ｄの値が小さくなり、偏向角度は大きくなる。また、電
気機械結合係数Ｋが大きい方が回折効率は高いという関
係がある。 このことから、異なる２方向へSAW伝搬を行なわせよ
うとしたとき、この角度範囲（θ＝70゜〜110゜）で伝
播方向（θ）を選べば、他の伝播方向（θ）を選んだ場
合と比較して、偏向角度を大きく、かつ、回折効率を高
くできる。 また、前記角度範囲（θ＝70゜〜110゜）で対称な２
点、つまり電気機械結合係数Ｋが等しい伝播方向（θ）
を選べば、同一入力電力で同一な回折効率が期待でき
る。 第１図（ｂ）は、上記の理由より、圧電性基板１とし
てＹカット基板を使用し、SAWの伝搬方向をθ＝70゜と
θ＝110゜に選んで構成した光偏向素子である。この場
合、SAW伝搬方向は直交していないため、回折輝点Ｐの
変動範囲は平行四辺形ABCD内となる。この第１図（ｂ）
においても第１象限のみを示したが、他の３つの象限で
も同様に回折輝点を生じる。 〔発明の効果〕 以上、述べたように、本発明に係る２次元可変偏向回
折素子によれば、ニオブ酸リチウム結晶のＹカット基板
でなる一枚の圧電性基板上に該圧電性基板のニオブ酸リ
チウム結晶のＸ軸との成す角θが70゜から110゜である
相異なる方向へSAWを同時に発生させることで、正弦波
的な２次元回折素子を圧電性基板表面上に形成して、回
折光の偏向を高い回折効率で大きな偏向角度で２次元的
に行う素子を実現できた。 また、回折素子構成も反射鏡を使ったものに比べ小型
化でき、偏向の掃引時間も大幅に短い２次元の可変偏向
回折素子が実現できた。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）（ｂ）は本発明に係る２次元可変偏向回折
素子による光の偏向回折素子の一実施例を示しており、
特に第１図（ａ）はニオブ酸リチウム結晶のＹカット基
板におけるSAW伝搬方向と伝搬速度の関係を示す。第２
図は本発明に係る２次元可変偏向回折素子のSAW素子へ
入力する電気信号の周波数ｆの変化と回折光の回折輝点
の変動の関係を示す。 図において、１は圧電性基板、２は交差指形電極、３は
レンズ、４は焦点面をそれぞれ示す。
素子による光の偏向回折素子の一実施例を示しており、
特に第１図（ａ）はニオブ酸リチウム結晶のＹカット基
板におけるSAW伝搬方向と伝搬速度の関係を示す。第２
図は本発明に係る２次元可変偏向回折素子のSAW素子へ
入力する電気信号の周波数ｆの変化と回折光の回折輝点
の変動の関係を示す。 図において、１は圧電性基板、２は交差指形電極、３は
レンズ、４は焦点面をそれぞれ示す。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．光透過性を有し、かつ、光学平面をもつ、ニオブ酸
リチウム結晶のＹカット基板でなる圧電性基板（１）
と、 該圧電性基板の面に、該圧電性基板のニオブ酸リチウム
結晶のＸ軸との成す角θが70゜から110゜である少なく
とも２つの相異なる方向へ表面弾性波を発生させ、入射
する光に対して回折格子を形成するように設けられた少
なくとも２つの交差指形電極（２）とを備え、回折作用
による光偏向を２次元的に行わせる２次元可変偏向回折
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62294668A JP2681470B2 (ja) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | ２次元可変偏向回折素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62294668A JP2681470B2 (ja) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | ２次元可変偏向回折素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01134432A JPH01134432A (ja) | 1989-05-26 |
| JP2681470B2 true JP2681470B2 (ja) | 1997-11-26 |
Family
ID=17810759
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62294668A Expired - Fee Related JP2681470B2 (ja) | 1987-11-20 | 1987-11-20 | ２次元可変偏向回折素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2681470B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112526777B (zh) * | 2020-12-04 | 2022-06-03 | 西安交通大学 | 一种基于声表面波折射率场虚拟雕刻的声光透镜芯片 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2132374A (en) * | 1982-11-26 | 1984-07-04 | Standard Telephones Cables Ltd | A two-dimensional acousto-optic deflection arrangement |
| JPS6294831A (ja) * | 1985-10-21 | 1987-05-01 | Anritsu Corp | 表面弾性波を利用した光の回折装置 |
-
1987
- 1987-11-20 JP JP62294668A patent/JP2681470B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01134432A (ja) | 1989-05-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |