JP3891723B2 - レーザー偏向走査装置 - Google Patents
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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。
【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。
【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 beam steering using binary optics microlens arrays(W.Goltsos,and M.Holz,0pt.Eng・9,1392(1990))」、「Modeling and measurement 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。
【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。
【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 phase liquid crystal beam steering(R.M.Matic,Proc.SPlE.2120, 194(1994))」）
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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f2、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３８】
また、レンズアレイ10のレンズピッチをp1、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。
【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41，42，43，…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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００４９】
この複素振幅分布Ψ（ｖ）は、次の（６）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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20、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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 100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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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
【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
【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
【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
【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
【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
【符号の説明】
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
【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。
【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。
【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 beam steering using binary optics microlens arrays(W.Goltsos,and M.Holz,0pt.Eng・9,1392(1990))」、「Modeling and measurement 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。
【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。
【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 phase liquid crystal beam steering(R.M.Matic,Proc.SPlE.2120, 194(1994))」）
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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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f2、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３８】
また、レンズアレイ10のレンズピッチをp1、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。
【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41，42，43，…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。
【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。
【００４３】
【数１】
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。
【００４５】
【数２】
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。
【００４７】
【数３】
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。
【００４９】
この複素振幅分布Ψ（ｖ）は、次の（６）式で与えられる。
【００５０】
【数４】
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。
【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。
【００５３】
【数５】
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。
【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。
【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。
【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20、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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 100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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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
【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
【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
【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
【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
【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
【符号の説明】
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)
- 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。 - 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） - 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。
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