JP4094864B2 - 光偏向素子およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ビーム、特にレーザービームの光路を偏向する光偏向素子およびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術や本発明技術の理解を容易にする回折光学素子と液晶回折素子の原理や特徴については、筆者による先願（特開2001-33734）に詳細が記載されている。
【０００３】
現在の光ビームを偏向する最も一般的な装置は、機械的にミラーを振るスキャナーが最も一般的な構成である。また個体結晶内に超音波トランスデューサーを用いて定在波を走らせ、ブラッグ型位相格子を作成することで光ビームを偏向させる方法も提案されている。しかし、この機械的なスキャナでは機構が複雑になったり機械振動が取り付け部分を介して本体機器に振動を与えたりする問題があった。また超音波変調素子では超音波発生装置を用いる必要があり、装置全体が大きくなってしまう問題があった。
【０００４】
そこで、これら問題点を解決する手段として、液晶を用いて光を偏向させる技術が適用され始めている。現在具体的に提案されている手段として、液晶素子を回折格子の形状を持つ透明電極を介して液晶駆動し、矩形型の位相格子を作成することで光ビームを偏向する第１の方法、あるいは液晶に高抵抗の全面透明電極を形成し、その両端に電位差を与える事で連続勾配電位分布を液晶分子に与えて、プリズム効果により光ビームを偏向する第２の方法等が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１の方法における回折型の光偏向素子は、一般に回折効率は最大で４０％程度であり、光利用効率が良くなかった。またその回折格子にマルチレベルのバイナリ格子を用いれば、９９％程度の回折効率は得られるが、そのためには、格子ピッチを４分の１から８分の１程度に縮小して、偏向角を同じにしなければならない問題があった。また更には基本的にはその偏向角が固定となってしまうという問題もあった。
【０００６】
また、前記第２の方法における高抵抗電極を用いた屈折型の光偏向素子は、透明電極を高抵抗としなくてはならないので、その透明電極材料が制限され、結果として光偏向素子の光透過特性が悪くなる問題があった。特に液晶素子が薄膜構造を持つため、各膜の屈折率と膜厚を最適化して光透過率を向上させるが、このさいに材料を選ぶ自由度が減るのは問題である。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決し、電気的に簡単に偏向角が可変な光利用効率の高い光偏向素子とその駆動方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、基本的には、下記に記載されたような技術を採用するものである。
【０００９】
すなわち、本発明において上記課題を解決するための第１の手段は、上下の透明電極に挟まれた屈折率異方性媒質の方位を該透明電極を介して電界制御する光偏向素子において、少なくとも一方の透明電極の形状は、ストライプ状に複数の個別電極を配した少なくとも１つの群で構成され、その各群における複数の個別電極の重心間隔を不等間隔にするとともに、前記各個別電極間を高抵抗の配線で接続した構成としたことである。
【００１０】
また、第２の手段は、前記群の少なくとも両端に位置する個別電極に、少なくとも２つの外部引き出し電極線を配した構成としたことである。第３の手段は、前記群は少なくとも２つであり、その各群の基本格子形状が同じである構成としたことである。第４の手段は、前記群は少なくとも２つであり、その群の間が不透明パターンで区切られた構成としたことである。第５の手段は、屈折率異方性媒質が液晶素子である構成としたことである。第６の手段は、前記液晶素子の液晶層が、ホモジェニアス型液晶もしくはホメオトロピック型液晶である構成としたことである。
【００１１】
さらに、第７の手段は、前記手段５または６に記載の光偏向素子の駆動方法であって、対向側の透明電極に対し、前記屈折率異方性媒質の動作実効電圧よりも高い電圧を、前記群の両端に位置する各個別電極に与える駆動方法としたことである。第８の手段は、前記群の両端に位置する各個別電極の間に、電位差を生じさせる駆動方法としたことである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施形態の一例を示す。屈折率異方性媒質１０１が一対の透明基板１０２上にコートされた透明電極１０３を介して挟まれている。屈折率異方性媒質１０１は電界により方位が変化することで入射光に対する実効屈折率が変化する。また少なくとも片方の透明電極１０３のパターンは、図２に示された２次元のストライプ状の格子形状を持ち、もう一方の対向する透明電極１０３は全面ベタ電極でも構わない。
【００１３】
前記屈折率異方性媒質１０１は、例えば、強誘電性結晶や、電気光学セラミックスや、液晶素子等が挙げられる。以下、液晶光学素子を用いた光偏向素子について詳述する。
【００１４】
図２に示すように、格子形状を構成する長方形状の複数の個別電極２０１をストライプ状に配した群によって構成され、その隣り合う個別電極２０１と高抵抗配線２０２で接続されている。従って、前記群の両端に位置する個別電極から引き出された一対の外部引き出し電極線２０３のａ，ｂ間に電位差Ｖ（ｂの電位がａより大とする）を与えると、図３に示される空間的な電位分布形状を持つ電界が屈折率異方性媒質に与えられる。このとき対向する透明電極は、基準電位（一般に接地電位）となっている。ここで屈折率異方性媒質が電界に対し線形に応答すると仮定すれば、発生する空間的な屈折率分布は図３と同型となる。
【００１５】
なお、前記個別電極は、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極で形成されており、前記高抵抗配線は、線幅を細くする、渦巻状にして配線長を長くする、前記個別電極２０１とは異なる高抵抗材料で形成する等の手段により構成されているとする。また、前記外部引き出し電極線２０３は、前記群の両端に配するだけでなく、その間に位置する個別電極２０１に追加しても構わない。この構成は、前記外部引き出し電極線２０３ａ，ｂだけでは前記群の中間に位置する個別電極２０１に中間電位が定まり難い場合に特に有効な形態である。
【００１６】
図４（ａ）及び（ｂ）は図３の形状で表される屈折率分布を図３の破線部から二つの領域にわけて表したものである。図４（ａ）は前記破線下部のプリズム形状であり図４（ｂ）は前記破線上部の鋸歯状格子の形状である。図４（ａ）でプリズム形状による両端の光路長（屈折率×長さ）の差、すなわち光路Ａと光路Ｂの光路差をＬとすると、幅Ｗの垂直入射光を平面波とするとその波面は、（１）式で示される角度θだけ傾く。すなわち角度θだけ光路は偏向される。
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｌ／Ｗ） （１）
【００１７】
図４（ａ）にこの様子を重ねて図示した。ここでは光路Ａより光路Ｂの方が長いとした。外部引出し電極間ａ，ｂに与える電位差を変調すれば、光路長差Ｌも変調され結果的に偏向角θを変調可能である。また、（１）式より偏向すべき入射光の幅Ｗが大きくなると同じ偏向角θを得るためには、より大きな光路差Ｌが必要になることがわかる。また、本来個別電極の隙間部分は電界が掛からないので、連続したプリズムにはならないが、各個別電極の隙間の間隔が屈折率異方性媒質の厚みより小さければ、横電界効果で電位分布はほぼ連続して繋げることができる。
【００１８】
一方、図４（ｂ）を見るとこれは鋸歯状の回折格子で、その空間周波数（格子の単位面積当たりの繰り返し）をＮとすると格子に垂直入射する平面波は（２）式で示される角度ψだけ回折される。
ψ＝Ａｒｃｓｉｎ（Ｎ×λ） （２）
ここでλは入射光の波長である。（２）式からわかるように前記外部引出し電極間ａ，ｂに与える電位差を変えても回折角は変わらない。ビーム偏向器として使用する場合は、この回折格子の成分はのノイズ光を生んでしまう。したがって、このノイズ光成分を小さくすることが必要である。そのためにはストライプ状に配した各個別電極の分割ピッチを細かくし、鋸歯状格子の振幅を小さくする必要がある。あるいは特定の各個別電極ピッチを選び、回折光を特定の方向にすることで、システムとしてノイズ光の影響をなくしてもよい。
【００１９】
図５に本発明における別の実施形態を示す。基本的には図１の場合とまったく同じで、屈折率異方性媒質としてホモジェニアス型（平行配向型）液晶５０１を用いたものである。ホモジェニアス型液晶５０１は、棒状の液晶分子５０２が透明基板５０３に平行に並んだものであり、電界を与えることで棒状分子の長軸方向が電界の方向に傾き、入射直線偏光に対する実効屈折率が変化する。あるいは液晶分子の長軸が透明基板に垂直にならんだホメオトロピック液晶を用いてもよい。このときは、液晶分子の短軸方向が電界の方向に傾き入射直線偏光に対する実効屈折率が変化する。
【００２０】
液晶分子の駆動は図２とまったく同じ形状を持つ一対の透明電極５０４で行う。ただし、一対の透明電極５０４のどちらか一方が図２と同じ形状であればよく、もう一方の対向する透明電極５０４は全面ベタパターンでもよい。このとき外部引き出し電極線２０３のａ，ｂ間に電位差を与える。液晶分子の一般的な動作特性を考えた場合、液晶分子は動作電圧を越えて急速に立ち上がる。この動作電圧は普通は１Ｖ程度でありこれ以下では液晶はほとんど動作しない。従って、外部引き出し電極線２０３には対向側の透明電極５０４に対し少なくとも液晶動作電圧より高い動作実効電圧を加えないと、図３や図４に示されるような直線的なプリズム形状を持った屈折率分布の成分を得ることができず、入射光の波面は歪んでしまう。したがって、たとえば光ディスクやレーザープリンターの光軸調整に本発明の光偏向素子を応用した場合は、集光レンズで光を絞るときにスポットが歪んでしまう。
【００２１】
実際に試作した素子は、各個別電極の格子のピッチを５０ミクロン、群を構成する各個別電極間のスペースを３ミクロン、入射光の幅を３２００ミクロンとした。また液晶層厚は１０ミクロンで液晶分子の屈折率異方性が０．２の材料を用いた。このときプリズム効果により偏向する光の割合は９９％に達し、実用上十分な光偏向素子として機能した。また最大偏向角は約１分３０秒が得られた。
【００２２】
図６に本発明における別の実施形態を示す。基本は図１に示す光偏向素子と同じだが図７に示すように格子形状が異なる。すなわち格子を形成する長方形の個別電極７０１の重心間隔は不等間隔となっている。従って、ストライプ状に配した複数の個別電極に繰り返し周期性を持たないため、（２）式で示される特定方向に回折する成分を持たずノイズ光が集中しない利点がある。
【００２３】
図８に本発明における別の実施形態を示す。基本は図１に示す実施形態と同じだが、図９に示すようにストライプ状に配した複数の個別電極の格子形状が異なる。すなわち、基本的な格子形状が複数回（図９では２回）繰り返されている。これは（１）式に示されるように偏向角は入射光のビーム幅Ｗに反比例する。したがって、ビーム幅が２倍になると同じ偏向角を得るには光路長差を２倍にする必要が生じる。そのためには通常は屈折率異方性媒質の厚みを倍にする必要があるが、一般に応答時間が２乗倍に遅くなってしまい不都合が生じる。
【００２４】
従って、液晶素子の複数の個別電極からなる群を分割して機能領域を複数に分割すれば、入射光の幅を分割したことになり、屈折率異方性媒質の厚みを厚くしなくても大きな偏向角を得る事ができる。さらに図９の格子形状は、２個の基本格子で構成された群の間は不透明領域９０３で光学的に分割されている。また４本の外部引き出し電極線９０４ａ，ｂ，ｃ，ｄが形成されているが、同じ偏向角を得るにはａとｃ及びｂとｃを共通にしても構わない。
【００２５】
図９の様に、２つの群の境界領域に不透明な領域を形成することで、その不透明領域９０３で入射光が完全に分断され、各群が電気的だけでなく光学的にも独立に作用するという利点がある。
【００２６】
なお、図８の構成による個別電極２０１の形状を図７に示す格子形状としても構わない。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明による光偏向素子を用いれば、簡単な構造で、光利用効率がほぼ１００％の電気的に偏向角を制御できる光偏向素子を実現可能である。また本発明による光偏向素子の透明電極は、高抵抗の材料に制限されないので、高い光透過特性を容易に得ることができる。
【００２８】
本素子の応用としてはレーザープリンタや光ピックアップの光軸調整、レーザースキャナ等が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光偏向素子の実施例である。
【図２】本発明による光偏向素子を構成する透明電極形状を表した図である。
【図３】本発明による光偏向素子の内部に発生する空間的な電界分布あるいは空間的な屈折率分布を表した図である。
【図４】図３における屈折率分布をプリズム成分と鋸歯状格子の成分に分けて表した図である。
【図５】本発明における別の実施形態である。
【図６】本実施例における別の実施形態である。
【図７】本発明による光偏向素子を構成する透明電極形状を表した図である。
【図８】本発明における別の実施形態である。
【図９】本発明による光偏向素子を構成する透明電極形状を表した図である。
【符号の説明】
１０１、６０１、８０１、屈折率異方性媒質
１０２、５０３、６０２、８０２、透明基板
１０３、２０１、５０４、６０３、７０１、８０３、９０１、透明電極
２０２、７０２、９０２、高抵抗配線
２０３、９０４、引き出し電極線
５０１、ホモジェニアス型液晶
５０２、液晶分子
９０３、不透明領域

Claims (8)

1. 上下の透明電極に挟まれた屈折率異方性媒質の方位を該透明電極を介して電界制御する光偏向素子において、 少なくとも一方の透明電極の形状は、ストライプ状に複数の個別電極を配した少なくとも１つの群で構成され、該群の両端に位置する個別電極から引き出された一対の外部引き出し電極線を備え、前記群における複数の個別電極の重心間隔を不等間隔にするとともに、前記各個別電極間を高抵抗の配線で接続したことを特徴とする光偏向素子。
2. 前記群の両端の中間に位置する個別電極から引き出された外部引き出し電極線を有することを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記群は少なくとも２つであり、その各群の基本格子形状が同じであることを特徴とした請求項１または２に記載の光偏向素子。
4. 前記群は少なくとも２つであり、その群の間が不透明パターンで区切られたことを特徴とした請求項１から３のいずれか１に記載の光偏向素子。
5. 屈折率異方性媒質が、液晶素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の光偏向素子。
6. 前記液晶素子の液晶層が、ホモジェニアス型液晶もしくはホメオトロピック型液晶であることを特徴とする請求項５に記載の光偏向素子。
7. 請求項５または６に記載の光偏向素子の駆動方法であって、 対向側の透明電極に対し、前記屈折率異方性媒質の動作実効電圧よりも高い電圧を、前記群の両端に位置する各個別電極に与えることを特徴とする光偏向素子の駆動方法。
8. 前記群の両端に位置する各個別電極の間に、電位差を生じさせることを特徴とする請求項７に記載の光偏向素子の駆動方法。

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