JP5742141B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の進行方向を偏向させる光走査装置に関し、特に電気光学効果による光偏向素子を用いた光走査装置に関する。

レーザプリンタやレーザ加工装置に用いられる光走査装置には、半導体レーザなどのレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光の進行方向を偏向する光偏向素子とが設けられている。

光偏向素子としては、ポリゴンミラーなどに代表される機械駆動のミラーがあるが、このようなミラーを用いた光偏向素子では、素子自体の小型化が困難であり、さらに動作速度が遅いという欠点がある。なお、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術により形成されたミラーを用いれば、素子の小型化は可能であるが、機械的な強度に不安が残り、また動作速度という点でも、ＭＨｚ以上の高速な駆動は難しいなどの問題がある。

機械的な駆動部を持たない方式として、音響光学効果を用いた光ビーム偏向素子があるが、これも大きな偏向角を得るためには、大出力な超音波発生源が必要となり、また動作速度を速くするためには大出力である必要があり、駆動システムが複雑になることが避けられない。

単純な電圧駆動により動作スピードを上げるためには、電気光学効果を用いた光スイッチ技術を応用する方式が考えられる。電気光学効果を用いた光偏向素子としては、電気光学結晶にプリズム形状などの分極反転領域をパターニングし、電圧印加による屈折率変化を起こすことで、光ビームを偏向させる方法がある。この屈折率変化は結晶内の電子の特性変化に依存するので、ＧＨｚオーダの極めて高速な屈折率変化が可能となる。また、電圧印加による屈折率制御であるので、駆動回路も比較的容易に構成することができる。しかしながら、屈折率の変化は小さく、小型のままで解像点数を大きくすることが課題となっている。

光走査装置の解像点数は、それを構成する光偏向素子の特性に大きく依存する。光偏向素子の解像点数は、一般的に、「（光の偏向角）と（光の回折による広がり幅）の比」から決定される。つまり、解像点数を増大させるには、
(１) 光の偏向角を広くすること、及び、
(２) 光の回折による広がり幅を小さくすること、
が必要である。

ここで、「（光の偏向角）は（屈折率変化部分の光路長）と（材料の屈折率変化）に比例」し、「（光の回折による広がり幅）は、（光のビーム幅）に反比例」することから、解像点数を増加させる方法としては、
(ア) 屈折率変化部分の光路長を長くすること、
(イ) 材料の屈折率変化を大きくすること、及び、
(ウ) 光のビーム幅を広くすること、
の３つ方法が考えられる。

ここで、上記(ア)に対応する屈折率変化部分の光路長を長くする方法として、屈折率変化部分を縦続接続することが提案されている（非特許文献１参照）。この方法では、材料の入手が比較的容易な光学結晶であるタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムなどを用いることができる。これらの材料はその屈折率変化が大きくても０.００１程度であるので、偏向角を得るためには進行方向に対して十分な長さが必要となる。光路長を十分に長く取ると、小さい屈折率変化でも偏向角を増大させることが可能であるので、解像点数を増加させることができる。

以下、上記(ア)について、図２３を用いて模式的に説明する。例えば、図２３（ａ）に示したものが基本となる光偏向素子であるとする。この光偏向素子１においては、逆三角形状を成す複数個の屈折率変化部２が一列に配列され、これら屈折率変化部２の周囲が長方形の電極３で囲まれている。そして、光線（光ビーム）は、光偏向素子１に対して左側から照射され、屈折率変化部２で偏向された後に、光偏向素子１の右側から出射する。このときの偏向角はθ１である。

図２３（ｂ）は３つの光偏向素子１を縦続接続させた例である。このように縦続接続することにより、左側の１つの光偏向素子１で偏向された光線を、さらに右側の２つの光偏向素子１で偏向させることができ、上記偏向角θ１に比べて２倍程度の大きな偏向角θ２が得られる。

また、上述(イ)に対応する材料の屈折率変化を大きくする方法としては、屈折率変化が大きい強誘電体材料を用いることが知られている（特許文献１）。

さらに、上述(ウ)の方法は、図２４に示すように、ビーム幅を広くする方法である。すなわち、図２４（ａ）においては、ビーム幅がｗ１で狭く設定されているが、図２４（ｂ）に示すように、ビーム幅をｗ２（＞ｗ１）と広く設定することである。

しかしながら、上記従来の技術のうち、屈折率変化部分の光路長を長くするために、図２３（ｂ）のように構成すると、同図を見てわかるように、駆動電圧を与える電極のサイズとして、基本的なサイズの電極の３倍程度広く取る必要がある。電気光学材料は結晶内の電子の作用による屈折率変化を利用しているために、極めて高速な屈折率変化が期待できるが、高速な信号を伝達するための消費電力は、回路全体の静電容量と印加電圧に大きく依存する。静電容量は電極の面積に比例するので、電極面積が大きくなると、消費電力が増大し動作スピードに制限を与えてしまうこととなる。

また、材料の屈折率変化が大きい材料はその誘電率も極めて大きい場合が多く、誘電率は回路の静電容量に比例するので、誘電率が大きくなると消費電力が増大し、動作スピードに制限を与えてしまうこととなる。また、材料自体も極めて特殊であり、低コストでの生産には課題が多いために、材料自体の利用が困難である。

さらに、光のビーム幅を広くする方法では、ビーム幅を広くした分だけ、光が伝搬する屈折率変化領域の面積が大きくなり、図２４（ｂ）に示すように、屈折率変化を与える電極部分の面積を大きく（具体的には、電極部分の高さをＤ１→Ｄ２に）する必要がある。そうなれば、前述と同様に静電容量の増加による消費電力増大と、動作スピードの制限がかかることとなる。さらには、半導体レーザからの平行光のビーム幅を十分な幅にするためには特殊な光学系と十分な光路長が必要となるために、装置が大型化する。また、大きなビーム幅をもつ光を偏向素子に入力する場合の入力位置ズレの許容誤差も小さくなるので、高い組み付け精度が必要となるといった課題もある。

本発明の課題は、動作スピードを制限することなく、解像点数を増加させることのできる光走査装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光源と、前記光源からの光を複数の光ビームに分配する光スプリッタと、前記光スプリッタで分配された光ビームが入力される入力光学素子と、電圧信号を生成する駆動手段と、前記入力光学素子に入力された光ビームを取り込んで、該光ビームを、前記駆動手段による電気的作用により偏向させる偏向機能部を有する光偏向素子と、前記光偏向素子で偏向された光ビームを像面に向けて出力する出力光学素子とを備え、前記光偏向素子は、同一基板上に近接して形成された少なくとも２つの偏向機能部を有し、かつ前記駆動手段による電気的作用が前記偏向機能部の各々に個別に与えられるよう構成され、任意の位置に配置され、前記駆動手段によって最大電圧が印加されたときに光ビームスポットの一部を遮断する遮光光学素子と、該遮光光学素子によって生じる空間的な間隔を埋めるように入射光の光路を調整する光路調整光学素子とが設けられ、前記駆動手段からの電圧信号を調整することにより、前記像面に出力される光ビームを走査することを特徴としている。

上記構成によれば、光偏向素子の各光偏向機能部に対して、駆動手段による電気的作用を独立に動作させることにより、光ビームの偏向角を大きく走査させることができる。その結果、動作スピードを制限することなく、解像点数を増加させることが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記光路調整光学素子は、レンズを含んでいることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記光路調整光学素子は、ミラーを含んでいることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記光路調整光学素子は、レンズ及びミラーを含んでいることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記遮光光学素子は、前記駆動手段によって最大電圧が印加され光ビームが最も大きく偏向したときの２つのビームスポットのうち、１つのビームスポットを遮断することを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１において、前記偏向機能部は屈折率変化領域を有し、該屈折率変化領域は光ビームの進む方向に沿って互いに離れるように構成されていることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、請求項１において、前記光スプリッタの代わりに透過型光スイッチが設けられ、該透過型光スイッチは、前記光源からの光を透過したり遮断したりする機能を有することを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、請求項１において、前記光スプリッタの代わりに反射型光スイッチが設けられ、該反射型光スイッチは、前記光源からの光を反射したり反射を止めたりする機能を有することを特徴としている。

請求項９に記載の発明は、請求項１において、前記光スプリッタの代わりに前記光偏向素子内部に内蔵型光スイッチが設けられ、該内蔵型光スイッチは、前記光源からの光を前記偏向機能部に向けて導光したり、その導光を止めたりする機能を有することを特徴としている。

請求項１０に記載の発明は、請求項１，７〜９のいずれか一項において、前記駆動手段は、前記各偏向機能部に対して各々異なる周波数の電圧を印加することを特徴としている。

請求項１１に記載の発明は、請求項１，７〜１０のいずれか一項において、前記光源として高出力の半導体レーザを用い、該半導体レーザの出力幅が大きい方と、前記光偏向素子が同一平面状にあり、かつ前記半導体レーザと前記光偏向素子との間に偏光子を設けたことを特徴としている。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１において、前記駆動手段は、電圧を調整することにより、特定の距離に対して光ビームを集光するように電圧を調整する機構が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、動作スピードを制限することがなく、解像点数を増加させることが可能な光走査装置を実現することができる。

実施例１を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。 光スプリッタの他の例を示す図である。 光スプリッタの更に他の例を示す図である。 光偏向素子の他の例を示す図である。 光偏向素子の詳細構成を示しており、（ａ）はその側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。 （ａ）は駆動回路による電圧の駆動波形の一例を示す図、（ｂ）はそれに伴うビームスポット位置の時間的変化を表した図である。 実施例２を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。 光偏向素子から出力された光ビームの挙動を示しており、（ａ）は光路調整光学素子が無い場合の例を示す図、（ｂ）は光路調整光学素子が有る場合の例を示す図である。 実施例３を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。 （ａ）は駆動回路による電圧の駆動波形の一例を示す図、（ｂ）はそれに伴うビームスポット位置の時間的変化を表した図である。 実施例３の変形例を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。 遮光光学素子を２つのリレーレンズアレー間に挟んだ構成を示す図である。 実施例４の一つを示しており、透過型光スイッチを用いた場合の光走査装置の概略構成図である。 実施例４の一つを示しており、反射型光スイッチを用いた場合の光走査装置の概略構成図である。 実施例４の一つを示しており、光スイッチを光偏向素子に設けた場合の光走査装置の概略構成図である。 実施例５を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置等を表した図である。 駆動回路によって印加される電圧波形を示しており、（ａ）は電圧周波数が高い場合を示す図、（ｂ）は電圧周波数が低い場合を示す図である。 実施例６を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置等を表した図である。 実施例６の他の例を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置等を表した図である。 実施例７による光走査装置の概略構成図である。 光導波路型の光偏向素子における印加電圧と偏向角との関係を示すグラフである。 光偏向素子から出力された光ビームのスポットを示しており、（ａ）は電極に同じ電圧をかけたときの図、（ｂ）は電圧値を調整することによりスポット位置を中央よりとしたときの図である。 （ａ）は光偏向素子の基本形状を示す図、（ｂ）は３つの光偏向素子を縦続接続させた例を示す図である。 ビーム幅によって光偏向素子のサイズが影響を受けることを示しており、（ａ）はビーム幅が狭く設定されている場合の図、（ｂ）はビーム幅が広く設定されている場合の図である。

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

《実施例１》
図１は本発明の実施例１による光走査装置を示しており、（ａ）はその概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。

図１（ａ）において、１１は光源であり、半導体レーザとコリメートレンズ等で構成され、この光源１１はビーム幅が１ｍｍ程度で出力１０ｍW程度の平行光（レーザ光）１２を出射する。光源１１から出射される平行光１２としては、波長が可視光から近赤外光までのものを用いることができ、ここでは、６５０ｎｍ程度の波長を有する赤色光が用いられている。

光源１１の側方には、光の進む方向に沿って、光スプリッタ１３、入力光学素子１４、光偏向素子１５、出力光学素子１６及び像面１７が配置されている。ここで、光スプリッタ１３、入力光学素子１４、光偏向素子１５及び出力光学素子１６等は、光源１１から出力される光の波長に対して、最適な材料を用いている構成されている。レーザ光は偏向しているので、偏光方向は紙面に対して垂直に電界が振動している偏光が利用されている。

光スプリッタ１３は、光源１１からのレーザ光を複数（ここでは２つ）の光ビーム１８，１９を分配する。光スプリッタ１３としては、光パワーをある一定量反射するミラーで構成したものが用いられている。図１においては、光スプリッタ１３は、５０％反射率のハーフミラー２０と、１００％反射率のミラー２１とを有し、これらハーフミラー２０及びミラー２１により光パワーを２系統の光ビーム１８，１９に分配する。勿論、３本以上の光ビームに分離することも可能である。この場合は、それぞれにパワーが最適になるような反射ミラーを用いることで、３本以上の光ビームに分離することができる。

なお、光スプリッタ１３として、図２に示すように、偏光ビームスプリッタ２２と、波長板２３との組合せによる光パワー分配方式のものを用いても良い。この場合は、光スプリッタ１３への入射光の偏光方向は紙面に対して４５度傾いた方向の偏光を入射させ、偏光ビームスプリッタ２２で、ｐ偏光（紙面に平行な偏光）とｓ偏光（紙面に垂直な偏光）とに分離する。この場合、ｓ偏光はそのまま進み、ｐ偏光は反射してミラー２１へ進む。そしてミラー２１で反射されたｐ偏光は、波長板２３によってｓ偏光に変換され、結局、２本の偏光が揃った光ビームとなる。

また、光スプリッタ１３として、図３に示すように、回折格子２４による回折次数に対応させて光パワーを分配する分配方法のものを用いても良い。光源１１からのレーザ光は、光スプリッタ１３内の回折格子２４によって０次回折光と１次回折光とに分けられて、２本の光ビームとして進んでいく。すなわち、０次回折光はそのまま直進するが、１次回折光は斜め上方向に向きを変えられた、その後、ミラー２１Ａで反射されて、０次回折光に平行に直進する。

これら２本に分離された光ビームは、入力光学素子１４及び出力光学素子１６により、光偏向素子１５と入出力結合させる。入力光学素子１４は光のビーム形状を整形するための素子であり、ここでは紙面に垂直方向の光を整形するために用いられるシリンドリカルレンズで形成されている。勿論、紙面に平行方向の光の整形を行うレンズ群で形成しても良い。

光偏向素子１５には、図１（ａ）に示すように、偏向機能部としての屈折率変化領域２５，２６が設けられている。これら屈折率変化領域２５，２６は三角プリズム型の連鎖形状に形成され、電圧が印加されると、三角形内の屈折率変化の極性は三角形外の屈折率変化の極性と反対の極性を持つように変化する。例えば、三角形内の屈折率変化が（−Δｎ）であれば、三角形外の屈折率変化は(＋Δｎ)となる。なお、図に示すような同形状の組合せだけではなく、出力側になるにつれて、三角プリズム形状の高さが大きくなるホーン型プリズムで屈折率変化領域を形成しても良い。

また、屈折率変化領域２５，２６の各々全体を覆うように電極２７，２８がそれぞれ設けられている。電極２７と電極２８は個別に形成され、互いに影響を与えないように電極２７，２８間は絶縁されている。

ここでは、屈折率変化領域が２つ並列配置された例を示しているが、３つ以上の屈折率変化領域が並列配置されていても良い。また、図１（ａ）では、屈折率変化領域２５，２６が平行に配置されているが、図４に示すように、光の進む方向に沿って互いに離れるように、屈折率変化領域２５，２６を斜めに配置しても良い。

屈折率変化領域２５，２６は、図１（ａ）に示したように、互いに近接して配置され、屈折率変化領域２５，２６内に入射した光ビームはそれぞれの領域内を伝搬する。そして、駆動手段としての駆動回路２９から電圧が印加されると、屈折率変化領域２５，２６内に入射した光ビームは偏向される。

次に、光偏向素子１５の詳細な構成について説明する。図５は光偏向素子１５を示しており、（ａ）はその側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。

一般に、光偏向素子１５は電気光学材料もしくは電気光学結晶によって形成される。本実施例では、素子本体としてニオブ酸リチウム基板３１が用いられている。そして、このニオブ酸リチウム基板３１の上に、フォトリソグラフィにより高さ３ｍｍ、幅１ｍｍ程度の三角形状が連なったレジストパターンを形成する。また、ニオブ酸リチウム基板３１を挟み込むように高電圧を印加すると、レジストがない部分に直接電界が印加されるので、その部分が分極反転し、レジストパターンに対応した三角形状の極性を変化させた分極反転部分３２を形成することができる。分極反転部分３２により極性が異なる屈折率変化領域２５，２６（図１参照）を形成することができる。

このとき、図５に示すように、同じ構造もしくは同類の構造を近接させてリソグラフィにより形成し、分極反転により同時に極性を反転させておく。フォトリソグラフィによるパターニングであるので、ニオブ酸リチウム基板３１上に一度に複数のパターンを近接させて配置させることは十分可能であり、それらを用いた分極反転基板を作成することも可能である。ここでは、複数の分極反転部分３２が連なった分極反転領域は上下２つであるが、光ビームの本数分だけ形成することも可能である。また、マスクパターンをあらかじめ設定しておけば、任意のパターンを同じ領域に、一つのパターンを形成する方法とほとんど変わらずに形成することができる。

次に、分極反転領域を覆うように電極３３を形成する。電極３３の面積は、分極反転領域を過不足なく覆う程度でよい。さらに、ニオブ酸リチウム基板３１を挟み込むように電極３４を形成する。一般にニオブ酸リチウム基板３１の厚みは５００ミクロンから３００ミクロン程度であるが、図５のようにニオブ酸リチウム基板３１の表裏面に電極３３，３４を形成し、電圧印加による屈折率変化を起こすことを考慮に入れると、低電圧動作を実現するためには電圧が印加される幅が狭いほうがより好ましい。そこで本実施例では、光が伝搬し、かつ電極３３，３４により挟み込まれたニオブ酸リチウム基板３１の厚みを薄くし、機械的な強度を保つ構成とした。

分極反転領域が形成されたニオブ酸リチウム基板３１は接着層３５を介して支持基板３６に貼り付けられている。このような構成は、例えば分極反転領域と電極３４が形成されたニオブ酸リチウム基板３１を、支持基板３６に接着剤により接着し、電極３４が形成されている面とは反対の面を研磨加工により薄膜化することで製作することができる。より薄い構造であれば、低電圧動作が可能となるが、高精度な加工技術が必要となるので、本実施例では、ニオブ酸リチウム基板３１の厚みは１０ミクロンから２０ミクロン程度としてある。

支持基板３６として、熱膨張係数が同じであるニオブ酸リチウム基板３１を用いるのが好ましいが、シリコンや石英、ガラス基板でも良い。また、支持基板３６の厚みは５００ミクロン程度あれば十分である。

図１（ａ）に示したように、電極２７，２８は屈折率変化領域２５，２６をそれぞれ独立に覆うように形成されている。つまり、屈折率変化領域２５は電極２７で、屈折率変化領域２６は電極２８でそれぞれ覆われ、屈折率変化領域２５と屈折率変化領域２６は互いに導通しないよう独立に配置されている。そして、これら電極２７，２８は、電圧発生装置である駆動回路２９によって、独立に駆動させることができるよう結線されている。この駆動回路２９から電極２７，２８に正負電圧を印加することで、ニオブ酸リチウムのポッケルス効果により光ビームは偏向する。図１（ａ）において、光ビームは最大電圧を印加させたときの偏向角θを示しており、電圧の大きさによって、光ビームは偏向角θ間を連続的に偏向動作する。

図１（ａ）のように適切な位置に像面１７を配置すると、像面１７にビームスポット３０を適正に到達させることができる。ここで、電極２７に印加する電圧をＶ１、電極２８に印加する電圧をＶ２としたとき、図６に示すように、電圧を調整することにより、ビームスポットを上下に移動させることができる。

先ず、図６（ａ）のようにＶ１＝−Ｖｍ、Ｖ２＝＋Ｖｍとすると、ビームスポットは図６（ｂ）のように最大間隔に離れる。ここで、黒点は光強度Ｉが０を超えた部分（つまり光が強かった部分）であり、白点は光強度Ｉが０の部分（つまり光が無かった部分）である。

次に、Ｖ２＝＋Ｖｍを維持しながら、Ｖ１を−Ｖｍから＋Ｖｍまで変化させることで、ビームスポットは図６（ｂ）のように移動して、Ｖ１が＋Ｖｍとなった時点で、Ｖ２＝−Ｖｍ、Ｖ１＝−Ｖｍとすることで、偏向するビームをスイッチさせる。その後、Ｖ１＝−Ｖｍを維持しながら、Ｖ２を−Ｖｍから＋Ｖｍまで変化させることで、ビームスポットは同図のように移動する。

さらに、上記動作と逆の電圧印加を行うことで、光を反対方向に偏向させることができる。

このように、本実施例によれば、複数の屈折率変化領域２５からなる分極反転領域，及び複数の屈折率変化領域２６から成る分極反転領域を同じサイズとし、かつ、電極２７に印加する電圧Ｖ１と、電極２８に印加する電圧Ｖ２とをそれぞれ独立に動作させることにより、等価的に２倍の偏向角を走査させることが可能となり、２倍の解像点数をもつビーム偏向素子として動作させることができる。電圧を印加する電極の面積は、ひとつの偏向素子を駆動させる電極サイズと同じであるから、解像点数を増大させることによる電気的な制約が厳しくなることを回避できる。

《実施例２》
図７は実施例２を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。また、図８は光偏向素子１５から出力された光ビームの挙動を示しており、図８において、実線は屈折率変化領域２６によって偏向された光ビームを、点線は屈折率変化領域２５によって偏向された光ビームをそれぞれ示している。

本実施例では、出力光学素子１６と像面１７との間に光路調整光学素子４１が配置されている。この光路調整光学素子４１は、近接配置されたレンズ４２，４３により形成されている。他の構成は実施例１の場合と同様である。

図８（ａ）のように、像面までの距離が十分にある場合には、光偏向素子１５から出力された光ビームは、その進行方向が傾いているために、光ビームがクロスする可能性がある。このため、十分に距離がある地点で光走査を行うと、偏向角の増大効果がキャンセルされてしまう。

そこで、出力光学素子１６と像面１７との間に光路調整光学素子４１を配置すると、光路調整光学素子４１に設けられたレンズ４２，４３によって、図８（ｂ）に示すように、光偏向素子１５から出力された光ビームは光路が変化し、光ビーム同士がクロスせずに像面に向かう。

ここでは、レンズを２つ配置する構成を示したが、これがレンズ群により形成されている光路調整光学素子でもよい。さらに、図７（ａ）では、光路調整光学素子４１によって、ほぼ平行光４４，４５に調整する構成を示したが、像面１７までの位置が固定されている場合は、屈折率変化領域２５によって偏向された光ビームの光路と、屈折率変化領域２６によって偏向された光ビームの光路との角度を調整することにより、連続的なビーム偏向が可能となる。また、図７（ａ）では出力光学素子１６と像面１７との間に光路調整光学素子４１を配置したが、光偏向素子１５と出力光学素子１６との間に光路調整光学素子４１を配置しても良い。

《実施例３》
図９は実施例３を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面におけるビームスポットの位置を表した図である。

本実施例では、光偏向素子１５と出力光学素子１６との間に遮光光学素子５１が配置されている。遮光光学素子５１は、光偏向素子１５で偏向された光ビームのうち、最大電圧を印加したときの光ビームを遮断するよう構成されている。遮光光学素子５１には、光ビームを遮断する部分（光遮断部分）として、光吸収膜５２，５３が形成され、これら光吸収膜５２，５３は光ビームが入射したときにその光ビームのパワーを吸収する機能を有する。

このような光吸収膜５２，５３はフォトダイオードで形成することができる。フォトダイオードで形成しておけば、光を電気信号に変換することが可能で、光ビームが当たっているかどうかを常に確認でき、その結果に基づいて、フィードバック制御を行うことができる。

なお、光遮断部分に光反射構造を形成して、像面１７に照射しない方向に光ビームを反射するような構成にしても、同様な効果を得ることができる。

ここで、遮光光学素子５１の製造方法について説明する。基板となるガラス基板上に、スパッタリングにより吸収材料を成膜し、フォトリソグラフィとエッチングにより光遮断部分となる領域だけを残す。光遮断部分の領域は光ビームのサイズ（ビーム幅）とほぼ同じサイズである。また、フォトダイオードをガラス基板上に高精度にアライメントすることにより配置して形成しても良い。

この遮光光学素子５１により、２本の光ビームを独立に変更させることにより、迷光として生じる余分なビームスポットを発生させることなく、光ビームを偏向することが可能となる。

図１０（ａ）は駆動回路２９による電圧Ｖ１，Ｖ２の駆動波形の一例を、同図（ｂ）はそれに伴うビームスポット位置の時間的変化をそれぞれ表している。ここでは、Ｖ１＝−Ｖｍ、Ｖ２＝＋Ｖｍの光ビームを遮断するような遮光光学素子が形成されている。ｔ＝０で、Ｖ１＝−Ｖｍ、Ｖ２＝＋Ｖｍの電圧を与えると、光ビームは遮光光学素子５１の光吸収膜５２，５３に当たっているので、像面１７にはビームスポットが現れない。すなわち、図１０（ｂ）においては、ビームスポットは破線で示してある。

ｔ＞０では、Ｖ１は−Ｖｍから＋Ｖｍまで変化させ、Ｖ２は＋Ｖｍで電圧を与えたままにすることにより、像面１７でのビームスポットは、図１０（ｂ）のように一つのスポット（黒点）のみの位置が移動していく。

ｔ＝ｔ１で、Ｖ１＝−Ｖｍと一定電圧を与えて光遮断部分に光ビームを当ててスポットを消しつつ、Ｖ２を−Ｖｍから＋Ｖｍまで変化させていく。これより、ビームスポットはそれまでと同様に一つのスポットのみで位置が移動していき、さらにＶ２を＋Ｖｍから−Ｖｍまで変化させることで、光ビームの位置は逆方向に移動していく。ｔ＝ｔ２では、逆にＶ２に一定電圧＋Ｖｍを与え、Ｖ１に＋Ｖｍから−Ｖｍまでの電圧を変化させながら与えていく。ことにより、図１０（ｂ）のような光ビームの走査が可能となる。

以上のような一連の電圧印加によって、一つのスポットのみを走査させることが可能となる。このような動作はポリゴンミラーのようなミラー素子では実現することが困難であるが、電圧を与えることで任意の位置へ光ビームを走査させることができる光偏向素子１５を用いることによって、容易に実現することができる。

光遮断部分の位置は任意に決定することができ、例えば図１１のように、光吸収膜５２，５３を同じ方向へ偏向された光ビームを遮断するように配置することも可能である。さらに、図９や図１１では、２つに光ビームを分割したもののみ記載してあるが、３つ以上の光ビームに分割したものでも同様の動作をさせることにより、１ビームのみを走査させることが可能である。

光ビームの光量は、現在の半導体レーザの出力が１００ｍＷクラスの出力を実現できていることから、光ビームを分割することによる光量の低減がボトルネックな課題とはならない。むしろ、低出力の半導体レーザを複数用意するよりも安定した光走査を実現することが可能となる。

本実施例によれば、遮光光学素子５１を用いることで、静電容量の増加を抑えながら、大きな偏向角と解像点数を実現する光走査装置を構成することができる。

図１２は遮光光学素子５５をリレーレンズアレー５６，５７間に挟んだ構成を示している。光偏向素子１５に形成されている屈折率変化領域２５，２６の幅と、偏向される光の幅との差がほとんど同じ場合、十分に離した位置に遮光光学素子５５を配置しないと、十分な機能を実現することができない。図１２における一例は、このような課題を解決する方法を示している。

光偏向素子１５から出力された光をリレーレンズアレー５６で集光させることにより、スポットを分離させる。その分離させたスポットの一部を、遮光光学素子５５上の光遮断部分５８，５９で遮ることにより、余分なスポットの出現を抑えることが可能となる。このような構成によって、ビーム幅と屈折率偏向部分の幅の差がほとんどない光偏向素子に対しても、装置を大型化せずに余分なスポットの出現を抑えた光走査を実現できる。

《実施例４》
図１３〜図１５は実施例４を示している。本実施例では、余分な光スポットを除去する方法として、入力部分に光スイッチが設けられている。

図１３においては、光源１１と入力光学素子１４との間に透過型光スイッチ６１が配置されている。透過型光スイッチ６１には、光透過率が変化する透過率変化領域６２，６３が設けられている。光源１１からの光は透過型光スイッチ６１の片面に照射され、このとき、外部信号により透過率変化領域６２，６３の光透過率を変化させることで、透過率変化領域６２，６３を透過する光をＯＮまたはＯＦＦさせることができる。透過率変化領域６２，６３を透過した光は、光ビームとして入力光学素子１４に照射される。

図１３では、透過率変化領域６２がＯＦＦで、透過率変化領域６３がＯＮの場合で、屈折率変化領域２６のみに光ビームが入射し、像面にスポットを形成される。このように構成すれば、屈折率変化領域２５に入射した光ビームが偏向されているときには、屈折率変化領域２６への光ビームはカットされ、屈折率変化領域２６に入射した光ビームが偏向されているときには、屈折率変化領域２５への光ビームはカットされるので、余分な光ビームによる迷光を除外することができる。

透過型光スイッチの一例として、液晶による空間変調器を用いることができる。これは、２枚の偏光板に挟まれた液晶偏光素子に電圧を印加することにより、光のＯＮ−ＯＦＦを制御することができる機器であり、液晶ディスプレーの表示装置に用いられるような技術が応用されている。液晶空間変調器のスイッチングスピードを５００μｓ、光偏向素子の走査点数を５０点とすると、点から点への走査スピードは１０μｓであり、電気的なタイミング制御も問題なく、十分に実現できるスピードである。

図１４においては、光源１１と入力光学素子１４との間に反射型光スイッチ６５が配置されている。この反射型光スイッチ６５には反射率制御部分６６，６７が設けられ、光源１１からの光を光ビームとして入力光学素子１４へ導光（ＯＮ）したり、その導光を止めたり（ＯＦＦ）する制御を、反射率制御部分６６，６７の反射率を調整することによって行う。

反射型光スイッチ６５としては、ＭＥＭＳミラーにより形成された光スイッチを用いることができる。このような光スイッチもディスプレーなどに広く用いられている技術を応用することで実現できる。ＭＥＭＳミラーのスイッチングスピードは１００μｓ程度であるので、光偏向素子との組合せで１０μｓ程度のスイッチングスピードでの光走査は十分可能となる。

図１５においては、光偏向素子１５に内蔵型光スイッチ７１が一体に形成されている。この内蔵型光スイッチ７１は、光偏向素子１５の屈折率変化領域２５，２６と同様に、分極反転を形成することにより製作可能である。分極反転パターンは前述のようにリソグラフィのマスクパターンにより任意パターンを形成することができるので、比較的容易に一体形成は可能である。

内蔵型光スイッチ７１は、分極反転パターンによる全反射プリズム構造や、多層膜構造を分極反転パターンで形成することで実現できる。

屈折率差によって全反射が起こるような角度のプリズムを形成することで、全反射プリズムを形成することができ、電圧を印加すると屈折率が変化することで全反射を起こし、光は反射して進行方向を変化させる。電圧印加を停止すると光は反射せずに通過していくという現象を応用する。また、屈折率差が生じる部分を多層膜のように多数配置することによってもスイッチ作用を起こすことができる。レーザ光は波長の単一性が高いので、このような多層膜構造により高い反射率を得ることができる。電圧を印加したときには、屈折率差が生じるために多層膜効果が発現して光を反射し、電圧印加をやめるとそのまま透過するというように光スイッチとして作用させることができ、この作用を応用している。

《実施例５》
図１６は実施例５を示しており、（ａ）は光走査装置の概略構成図、（ｂ）は像面にお
けるビームスポットの位置等を表した図である。

本実施例では、電極２７への電圧Ｖ１と、電極２８への電圧Ｖ２とがそれぞれ独立に印加されるよう構成され、かつ電圧Ｖ１，Ｖ２の印加周波数が互いに大きく異なっている。この場合、高周波をかけても安定動作するように、電極２７，２８はその材料と厚みが調整されている。

駆動回路２９によって印加される電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の周波数が、図１７のように大きく異なっていると、屈折率変化領域２５，２６に同じ光量を透過させても、像面１７では、図１６（ｂ）に示すように、電圧Ｖ１による光強度はある程度の大きさを持つが、電圧Ｖ２による光強度は偏向角全体で一定化してしまい検出光強度は小さくなる。これは、光量の検出はある時間間隔での積分値で検出されているために、高周波で光を走査すると光量が平均化されてしまうという現象を利用している。つまり、解像点数が５０点である領域を、５０倍以上の周波数差で動作させると、高周波数動作させた像面で検出される光量は低周波数動作させた像面で検出される光量の１／５０程度となる。ここでは、フォトダイオードなどの検出器のダイナミックレンジを低周波数側に調整しておく必要がある。この差を利用することによって、等価的に１スポットを走査させることが可能となる。さらに検出器のオフセットを調整する方法や、出力直前に光強度を抑制するフィルタを挿入するなどの方法をとることで、コントラストがより取れた信号を検出することができる。以上のことから、余分な光ビームによる迷光を除外することができる。このときのスピードは光偏向素子のスピードと同程度あり、電気光学効果であるとスイッチングスピードを変化させることは印加電圧によって容易に実現することができるので、タイミングを合わせた光走査は十分に可能である。

《実施例６》
図１８及び図１９は実施例６を示している。実施例２に示した光路調整光学素子によって、十分離れた位置でも偏向された光ビームをそれぞれ分離してスポットを形成させることができるが、光偏向素子１５の屈折率変化領域２５，２６間に間隔が開いているために、それぞれを偏向させたときの最大振れ角に対応するビームスポットにも間隔が開いてしまうという問題がある。適切な距離に像面を設置すれば、偏向された光ビームの連続性を保つことも可能であるが、その距離以外へのビームの投射を目的とすると、スポットの連続性を保つことは難しい。

そこで、図１８又は図１９のように、光路調整光学素子を複数用いることで、光ビームを合成し、連続的な光ビーム走査を実現するようにする。

図１８では、遮光光学素子７５の後方に光路調整光学素子７６，７７が従属に配置されている。光路調整光学素子７６，７７にはレンズ７６Ａ，７７Ａがそれぞれ設けられている。屈折率変化領域２５，２６を通過した光ビームは光路調整光学素子７６及び光路調整光学素子７７によって光路をそれぞれ調整される。ここでは、光路はほぼ平行光に調整される。像面でのスポットの移動が１点のみとするために、遮光光学素子７５によってスポットの一部をカットしている。そのため、平行光にした場合、屈折率変化領域２５，２６を通過した光ビームのスポットの間には空間的な間隔が生じる。ここで、光路調整光学素子７６，７７は適切な距離で配置するようにする。すなわち、遮光光学素子７５の後方に光路調整光学素子７６を配置したとき、屈折率変化領域２５で偏向された光ビームは角度を持って進行するため、屈折率変化領域２６を通って進行する光のうち、遮光光学素子７５の光遮断部分７８で遮られた光ビームが平行光になって進行する位置に重ねることができるような位置に、光路調整光学素子７７を配置する。そして、そこの位置で光ビームを平行光にすることで、像面にできる光ビームのスポットを連続的に走査することができるようになる。

図１９は光路調整光学素子の一つをレンズに、もう一つをミラーとして、光ビームの走査位置を調整するようにしたものである。図１９においては、レンズ８１Ａ，８１Ｂを有する光路調整光学素子８１と、光路調整光学素子８１の後方にミラー８２，８３が配置されている。

レンズ８１Ａ，８１Ｂによって平行光にされた光ビームは、反射位置がそれぞれ異なるミラー８２，８３で反射することによって、遮光光学素子７５によって消去されているスポットの位置を埋めるように像面にスポットを形成する。このようにすることで、像面にできる光ビームのスポットを連続的に走査することが可能となる。

《実施例７》
上述した各実施例においては、光源１１から高出力のレーザ光が、電気光学結晶によって形成された光偏向素子１５を通過すると、屈折率変化領域２５，２６において誘起キャリアによる屈折率変化がランダムに起こり、光損傷という現象を引き起こす場合がある。このような現象が引き起こされると、光ビームの品質が劣化し、解像点数が減少する。

本実施例では、光損傷による解像点数の減少を抑制するために、光走査装置を以下のように構成してる。すなわち、レーザ光をコリメート後にそのレーザ光のビーム幅を拡げるミラーと、同一基板上に複数の屈折率変化領域が並列に配置された光偏向素子とが設けられ、光源からのレーザ光の光強度を分散させながら光偏向素子に入射させることにより、光損傷を低減させるよう構成されている。

具体的には、本実施例による光走査装置は、図２０に示すように、高出力レーザ光を出力する光源１０１、コリメータレンズ１０２、ビーム幅調整ミラー１０３、偏光子１０４、入力光学素子（シリンドリカルレンズ）１０５、光偏向素子１０６、出力光学素子（シリンドリカルレンズ）１０７、及び像面１０８を備えている。光偏向素子１０６には、分極反転部分である屈折率変化領域１１１，１１２，１１３が並列に配置され、屈折率変化領域１１１，１１２，１１３は周囲が電極１１４，１１５，１１６で各々囲まれている。

光源１０１は、波長が０.８μｍ〜１.３μｍの間の近赤外光を出力する半導体レーザである。この半導体レーザの活性層幅を２００μｍ程度にすることにより、ピークパワーで数１０Wを出力できるように設計されている。光源１０１からのレーザ光は直線偏光であり、偏光方向は図２０において紙面に平行な方向である。光偏向素子１０６には紙面と垂直方向に電圧を印加する必要があり、偏光方向が紙面と垂直方向のときに電気光学効果が最大になる。そのため、偏光子１０４により偏光方向を９０度回転している。この偏光子１０４としてはλ／２板が用いられている。そして、入力光学素子１０５によって紙面垂直方向のみに光ビームが集光された後、その光ビームは光偏向素子１０６に入射する。

光偏向素子１０６は電気光学効果を利用した偏向素子である。具体的には、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの強誘電性結晶に分極反転技術を用いてプリズム型の分極ドメインを形成し、結晶軸に沿って電界がかかるようにバッファ層と電極を形成する。ここで、結晶軸は光レーザからのビームの偏光方向と平行であり、強誘電性結晶の厚みは３００μｍから１０μｍであればよい。ただし、結晶厚が厚いと電界を十分に与えるためには印加電圧が大きくなるので、低消費電力動作のためには、薄いほうが好ましい。ここでは、ニオブ酸リチウム基板に幅２ｍｍの三角形プリズム型分極ドメインを、３本並列に形成し、五酸化二タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）による無機材料からなるバッファ層と、チタン金属による電極層を薄膜形成技術で形成し、この基板と支持基板を接着剤により張り合わせた後、研磨などの薄膜化技術によりニオブ酸リチウムを２０μｍまで薄くした光導波路形状が用いられてる。

光源１０１から出力されるレーザ光の幅はコリメート後、１ｍｍ程度であるため、ビーム幅調整ミラー１０３によってビーム幅を６ｍｍまで拡げる。ここでは、ビーム幅調整ミラー１０３を用いてビーム形状を調整したが、プリズムの組合せで調整することも可能である。接着剤と薄膜化されたニオブ酸リチウムに挟まれた電極は共通電極とし、図に示している電極１１４，１１５，１１６の反対側がプリズムでカバーするようにパターニングされている。それらの電極間隔は０.１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。図には示してないが、電極１１４，１１５，１１６には駆動回路１１７から各々電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が個別に印加される。

図２１は、実際に製作した光導波路型の光偏向素子における印加電圧と偏向角との関係を示している。図２１より、電圧が大きくなるにつれて線形に偏向角も大きくなることが分かる。さらに、１０μｍまで薄膜化された結晶膜を用いているために、最大偏向角を得るための電圧も１５０Ｖ程度と低電圧で駆動させることができる。

本実施例における光走査装置の特徴は、電圧と偏向角が一対一対応している点であり、任意電圧を印加することで、任意偏向角を実現できる点である。つまり、偏向角と偏向周波数を電圧源によってのみ決定させることができることが特徴となる。このような駆動は、ポリゴンミラーなどの機械的な光走査素子では不可能であり、本実施例の効果を実現するためには、この電気光学効果を用いた光偏向素子１０６を用いる必要がある。

このように形成された光偏向素子１０６の解像点数は、入力されるビーム径になどにも依存するが、現実的な値として１００〜３００点程度であり、駆動周波数は電圧に依存するが１００ｋＨz程度である。例えばレーザレーダとして使用するための解像点数と偏向周波数は十分に満足させることができる。

駆動回路１１７は電圧を発生させ、その電圧の周波数を変化させることができる電子部品で構成されている。上述のように光偏向素子１０６は任意の周波数に対して複雑な偏向をさせることが可能となるので、１００ｋＨz程度までであれば、柔軟な偏向が可能となる。例えば、１００Ｈzで電圧を変化させていたところを局所的に１０ｋＨzで電圧を変化させることも可能である。さらに、光導波路型を採用しているために比較的低電圧での駆動が可能であるので、柔軟な電子回路設計でこの駆動回路１１７を形成することができる。光ビームが３本の分極反転プリズムを透過することにより、それぞれを透過するビームの光強度は小さくなるために、光損傷の影響を受けにくくなる。

図２２には光偏向素子１０６から出力された光ビームのスポットを示している。出力された光スポットは回折の影響により広がりながら、十分遠方ではほぼ一つのスポットとして物体に照射される。同図（ａ）は電極に同じ電圧をかけたときのビーム形状である。それぞれのスポット（破線）が重なり合い実際のスポット（実線）で表されるスポットを形成している。このレーザはマルチモード発振しているので、コヒーレンシーは悪く、干渉による効果は少ない。ここで、各スポットの電圧値を調整することによりスポットの位置を同図（ｂ）のように中央に寄せることができる。例えば、同じ電圧を印加したときには平行ビームとして出力されるが、Ｖ１＝Ｖ−δＶ、Ｖ３＝Ｖ＋δＶ （δＶは調整電圧値）とすることにより、光ビームの傾きをわずかに調整することができ、目標距離近傍では光ビームの幅を狭めることが可能となる。こうすることで、全体のスポット幅を狭めることができ、解像点数の劣化を防ぐことができる。

１１ 光源
１３ 光スプリッタ
１４ 入力光学素子
１５ 光偏向素子
１６ 出力光学素子
１７ 像面
２５，２６ 屈折率変化領域（偏向機能部）
２７，２８ 電極
２９ 駆動回路（駆動手段）
４１ 光路調整光学素子
５１ 遮光光学素子
６１ 透過型光スイッチ
６５ 反射型光スイッチ
７１ 内蔵型光スイッチ
７５ 遮光光学素子
７６，７７ 光路調整光学素子
８１ 光路調整光学素子
８２，８３ ミラー
１０１ 光源
１０３ ビーム幅調整ミラー
１０４ 偏光子
１０５ 入力光学素子
１０６ 光偏向素子
１０７ 出力光学素子
１１１〜１１３ 屈折率変化領域
１１４〜１１６ 電極
１１７ 駆動回路

特許第３１４４２７０号公報

Applied Physics Letters vol.81,no.17,p.3140

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源からの光を複数の光ビームに分配する光スプリッタと、
   前記光スプリッタで分配された光ビームが入力される入力光学素子と、
   電圧信号を生成する駆動手段と、
   前記入力光学素子に入力された光ビームを取り込んで、該光ビームを、前記駆動手段による電気的作用により偏向させる偏向機能部を有する光偏向素子と、
   前記光偏向素子で偏向された光ビームを像面に向けて出力する出力光学素子とを備え、
   前記光偏向素子は、同一基板上に近接して形成された少なくとも２つの偏向機能部を有し、かつ前記駆動手段による電気的作用が前記偏向機能部の各々に個別に与えられるよう構成され、
   任意の位置に配置され、前記駆動手段によって最大電圧が印加されたときに光ビームスポットの一部を遮断する遮光光学素子と、該遮光光学素子によって生じる空間的な間隔を埋めるように入射光の光路を調整する光路調整光学素子とが設けられ、
   前記駆動手段からの電圧信号を調整することにより、前記像面に出力される光ビームを走査することを特徴とする光走査装置。
2. 前記光路調整光学素子は、レンズを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光路調整光学素子は、ミラーを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記光路調整光学素子は、レンズ及びミラーを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
5. 前記遮光光学素子は、前記駆動手段によって最大電圧が印加され光ビームが最も大きく偏向したときの２つのビームスポットのうち、１つのビームスポットを遮断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光走査装置。
6. 前記偏向機能部は屈折率変化領域を有し、該屈折率変化領域は光ビームの進む方向に沿って互いに離れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
7. 前記光スプリッタの代わりに透過型光スイッチが設けられ、
   該透過型光スイッチは、前記光源からの光を透過したり遮断したりする機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
8. 前記光スプリッタの代わりに反射型光スイッチが設けられ、
   該反射型光スイッチは、前記光源からの光を反射したり反射を止めたりする機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
9. 前記光スプリッタの代わりに前記光偏向素子内部に内蔵型光スイッチが設けられ、
   該内蔵型光スイッチは、前記光源からの光を前記偏向機能部に向けて導光したり、その導光を止めたりする機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
10. 前記駆動手段は、前記各偏向機能部に対して各々異なる周波数の電圧を印加することを特徴とする請求項１，７〜９のいずれか一項に記載の光走査装置。
11. 前記光源として高出力の半導体レーザを用い、該半導体レーザの出力幅が大きい方と、前記光偏向素子が同一平面状にあり、かつ前記半導体レーザと前記光偏向素子との間に偏光子を設けたことを特徴とする請求項１，７〜１０のいずれか一項に記載の光走査装置。
12. 前記駆動手段は、電圧を調整することにより、特定の距離に対して光ビームを集光するように電圧を調整する機構が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の光走査装置。