JPH02242233A

JPH02242233A - 光制御デバイス

Info

Publication number: JPH02242233A
Application number: JP6334689A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shibakuchi; 芝口　孝
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1990-09-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光晴報記録再生装置等の各種光情報処理機器
に適用可能な光制御デバイスに関する。

従来の技術一般に、光学装置においては、電気光学結晶は重要な素
材の一つである。ここに、従来、電気光学結晶を用いて
焦点距離を変える方式は、例えば１９８５年電気学会電
磁界理論研究会資料（ＥＭＴ−８５゜Ｎ１１Ｉ６−２０
．　Ｐ２５−３３）中の「画像処理用屈折率分布型平板
マイクロレンズのアクティブ伝送特性」に記載されてい
る。これは、ＬｉＮｂ０．結晶板に２５０μ鳳以下の微
小の屈折率分布型平板マイクロレンズをプロトン交換に
より作製し、さらに表面に電極を形成し、この電極に電
圧を印加し電気光学効果により屈折率を変化させて焦点
距離を変えるものであり、その理論解析がなされている
。

また、文献“ＡＰＰＬＩＥＤ　０ＰＴＩＣ５／Ｖｏｌ、
２４．　Ｎｏ、９／ｌ、　　閃ａｙ　　１９８５”　　
の　ｒＴｏｔａｌ　　１ｎｔｅｒｎａｌ　　ｒｅｆｌｅ
ｃｔｉｏｎｌｅｎｓＪには、電気光学結晶ＬｉＴａ０．
を用いた全反射型レンズが記載されている。これは、ま
ず、ＬｉＴａ０．結晶のＸ面又は２面に微細な電極列を
形成する。入射レーザビームは、Ｘ面又は２面に対して
微小角１．４６で約２０μ朧のビーム径に絞って入射さ
せる。電極に電圧を印加すると、電気光学効果により屈
折率が変化し、ビームウェストの位置が変ることになる
。

発明が解決しようとする課題前者のように電気光学結晶ＬｉＮｂ０．に微小の屈折率
分布型平板マイクロレンズをプロトン交換により作製し
たものでは、 ■　作製が容易でない。

■　入射ビームが２５０ｐｍ以下という制約を受ける。

よって、適用し得る光学装置も制約を受ける。

■　理論解析上、２００ｐｍＬ、か焦点位置を変えるこ
とができない。

■　現状では、計算結果のみであり、収束性能が不明で
ある。

■　偏向機能を持たない。

という欠点がある。

後者の電気光学結晶り、１Ｔａｏ、を用いた全反射型レ
ンズによる場合は、 ■　結晶面（反射面）にほぼ平行な角度（１゜４６）で
レーザ光を入射させなければならないという制約を受け
る。

■　反射面での入射ビーム径が例えば２０μｍ径に絞ら
れていなくてはならない。

■　偏向機能を持たない。

という欠点がある。

そこで、Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ等の電気光学媒体を挾むように
形成した電極対に電圧を印加することにより、電気光学
効果によって電気光学媒体中に屈折率分布を生じさせ、
レンズ機能を持たせるようにした電気光学レンズが考え
られている。このような電気光学レンズによれば、構造
が簡単で作製が容易であり、入射ビーム条件も厳しくな
いものとなる。

しかし、偏向機能を持たないものである。

即ち、従来にあっては、レンズ機能と偏向機能とを併せ
持つ光制御デバイスがないものである。

ここに、両機能を持たせるためには、従来技術を踏まえ
ると、前述した文献等に示された電気光学結晶を用いた
可変レンズに光偏向器を組合せることが考えられる。し
かし、各々別個のデバイスを用意しなければならず、一
体化構成できない。また、従来の電気光学レンズでは特
殊な光ビーム形状であるので、光偏向器との整合性の悪
いものでもある。

課題を解決するための手段直線偏光した光ビームの光路上に配置させた電気光学媒
体を設け、この電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿っ
て対向する両面に形成されて電圧印加により前記光ビー
ムを収束又は発散させるレンズ作用を付与する大きさ及
び形状とした少なくとも一対の第１電極対と、この第１
電極対に電圧を印加する第１電源手段とを設け、かつ、
前記電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿って対向する
両面に形成されて電圧印加により前記光ビームを偏向さ
せる偏向作用を付与する大きさ及び形状とした第２電極
対と、この第２電極対に電圧を印加する第２電源手段と
を設けた。

作用まず、第１ｉｓｔ源手段により第１電極対に所定の電圧
を印加すると、電気光学効果により電気光学媒体中に屈
折率分布が生じる。この時、第１電極対の大きさ及び形
状がこの結晶に光ビームを収束又は発散させるレンズ作
用を付与するものであり、直線偏光にて入射した光ビー
ムはこのレンズ作用を受けて収束又は発散する。よって
、使用する光ビームは直線偏光であればよく、他に特別
な制約を受けない。また、焦点位置は第１＠極対に印加
する電圧によって制御し得る。一方、第２電源手段によ
り第２電極対に所定の電圧を印加すると、電気光学効果
により電気光学媒体中に屈折率分布が生じる。この時、
この第２＠極対の大きさ及び形状がこの結晶に光ビーム
を偏向させる偏向作用を付与するものであり、光ビーム
はこの偏向作用を受けて射出される。この時、偏向角は
第２電極対に印加する電圧によって制御し得る。即ち、
第１、　２’ｉ！！源手段による印加電圧を調整するこ
とにより、焦点距離と偏向角とを各々独立に制御し得る
ものとなる。また、デバイスとしては、１個の電気光学
媒体に所定の第１．２電極対を形成すればよく、作製容
易にして一体化構造のものとすることができる。

実施例本発明の第一の実施例を第１図及び第２図に基づいて説
明する。

まず、矢印Ａで示すように直線偏光した入射光ビームｌ
の光路（Ｚ軸方向）上に本実施例の特徴とする光制御デ
バイス２が配置されている。この光制御デバイス２は矩
形状の電気光学媒体３、例えばＰＬＺＴ電気光学結晶を
ベースとして形成したものである。その組成は、９．Ｏ
／６５／３５が適当であるが、他の組成であってもよい
。ここに、電気光学媒体３の光ビームが入射及び出射す
る面は光学研磨されている。このような電気光学媒体３
の光路（光ビーム透過方向）に沿って対向するｙ軸方向
の両面には、入射側より順に、複数の電極対４，５．６
が形成されている。

ここに、電極対４は入射光ビームｌに対しｙ方向のレン
ズ作用を付与する第１′ＩｒＬ極対となるもので電極膜
４ａ、４ｂの対からなる。これらの電極膜４ａ、４ｂは
図示の如く、比較的細い電極幅にて形成された直線短冊
状形状のものであり、これらの電極膜４ａ、４ｂ間には
電圧Ｖ、なる第１１！！源手段となる電源７が接続され
、図示しない制御系、スイッチング手段により電圧Ｖ、
を選択的に印加し得るように構成されている。

また、電極対５もレンズ作用を付与する第１電極対とな
るものであるが、電極対４と異なり、Ｘ方向に収束させ
るレンズ作用を付与する。このため、電極対５は各々の
面においてＸ軸方向中央に間隙を持たせて両側に形成し
た直線短冊状の２つずつの電極膜５　ａ、、　５　ａ、
、　　５　ｂ、、　５　ｂ、からなり、電圧Ｖ、なる第
１電源手段としての電源８に接続されている。この電源
８も図示しない制御系、スイッチング手段により電圧■
３　を選択的に印加し得るように構成されている。

さらに、電極対６はＸ方向の偏向作用を付与する第２電
極対となるもので、電極膜６ａ、６ｂの対からなる。こ
れらの電極膜６ａ、６ｂは第１図（ａ）に示すように斜
辺が光軸と交差する状態の直角三角形状に形成されてい
る。これらの電極膜６ａ、６ｂ間には電圧Ｖ、なる第２
電源手段となる電源９が接続され、図示しない制御系、
スイッチング手段により電圧Ｖ、を選択的に印加し得る
ように構成されている。

これらの電極材料としては例えば金Ａｕが使用されるが
、他の導電性材料であってもよい。また、電極膜の形成
は真空蒸着法により行われる。

このような構成において、基本的には、直線偏光状態の
光ビーム１が電気光学媒体３の端面から入射し、電極膜
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ及び電極膜６ａ、６ｂの影響の
及ぶ領域内部を通り、他方の端面から出射光ビームｌＯ
として出射されるものとする。ここに、電極対４，５．
６に電圧が印加されていない状態では、電気光学媒体３
は単なる光学媒体として存在することになり、入射光ビ
ームｌは何んらの変化も受けずにそのまま出射光ビーム
１０として電気光学媒体３から出射される。

よって、レンズ作用等は持たない。

そして、電極対４に電圧ｖ１、電極対５に電圧Ｖ１を印
加すると、各々の電極対４，５の影響の及ぶ領域におい
て電気光学媒体３に所定の屈折率分布が生じ、電極対４
によってＸ方向収束のレンズ作用が付与され、電極対５
によってＸ方向収束のレンズ作用が付与される。この場
合も、電極対６に電圧が印加されていなければ、電極対
６領域は偏向作用を示さない。よって、このような電圧
印加状況下に電気光学媒体３に入射された直線偏光の入
射光ビームｌは所定のレンズ作用を受けて出射ビーム１
０として８点に収束するよう出射されることになる。

しかるに、電極対６にも電圧Ｖ５を印加すると、電極対
６の影響の及ぶ領域において電気光学媒体３に所定の屈
折率変化が生じ、電極対６によってＸ方向に偏向作用が
付与される。よって、このような電圧印加状況下に電気
光学媒体３に入射された直線偏光の入射光ビーム１は所
定のレンズ作用を受けるとともに、偏向作用も受け、出
射ビームｌＯは偏向されたＢ′点に収束するよう出射さ
れることになる。

ここに、本実施例の光制御デバイス２におけるレンズ作
用を、さらに詳細に説明する。まず、電気光学媒体３は
電圧が印加されていない状態ではレンズ作用を持たない
。しかし、電極対４に電圧■、を印加すると、電気光学
媒体３１ＬＧこ電極部付近で強く電気光学媒体３の中心
部で弱くなる電界分布が生じる。これは、電極対５側で
も同様であり、電圧Ｖ８を印加すると、電気光学媒体３
中には電極部付近で強く電気光学媒体３の中心部で弱く
なる電界分布が生じる。但し、電極対４．５はその形状
、配置等が異なることにより、電界分布は異なる。何れ
にしても、このような電界分布に基づき、ＰＬＺＴ電気
光学結晶の電気光学効果（２次電気光学効果）により結
晶中に屈折率変化が生じる。いま、電界の方向及び直線
偏光方向をｙ軸方向、入射光ビームｌの方向をＺ軸方向
とし、電界中での屈折率のｙ軸成分をｎｙとすると。

ｎｙ＝ｎ、（１−±ｎ、″Ｒ８３Ｅｙ″）・・・・・・
・・・（１）となる。但し、ｎ、は電界Ｅ＝Ｏにおける
ＰＬＺＴ電気光学結晶の屈折率、Ｒｍ　ｓは２次電気光
学定数のマトリックス成分である。

（１）式より電界Ｅｙによる屈折率変化Δｎｙは、Δｎ
’／　　”　　　　ｎｏ”Ｒ＊ｓ　Ｅｙ″　　　　　・
・・・・・・・・（２）となり、電界強度の２乗に比例
する。そして、電界の強いところが屈折率が小さくなる
ため、ＰＬＺＴ電気光学結晶中の電極部付近では屈折率
が低く結晶中の中心付近で高くなる屈折率分布となる。

よって、レンズ作用が、電極対４部分ではＸ方向なる一
方向に中心に向かって生じ、電極対５部分ではＸ方向な
る一方向に中心に向かって生ずる。

そして、このようなレンズ作用は電極膜４ａ、４ｂ、５
ａ、５ｂが長いほど、その効果の大きいものとなる。

ここに、このようなレンズ作用による焦点距離について
検討する。いま、電界が印加された時に電気光学媒体３
内に生ずる屈折率分布を、２乗分布に近いものと仮定す
ると（実際、有限要素法を用いてポアソンの方程式を解
き、電界分布を求め、（１）式より屈折率分布を計算す
ると、２乗分布に近い値が得られる）、屈折率分布のｙ
成分は、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（３）で近似できる。ただし、αは光制御デバイス
２のＸ方向に収束作用を持つ電極対４の＋Ｒ造により決
まる定数である。

一方、光線の振舞は、微分方程式によって記述できる。ここに、近軸光線に対しては、（
３）式の２乗分布の場合は（４）式は容易に解けるので
、焦点距離ｆを求めることができる。この焦点距離ｆは
、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
５）となる。ただし、Ｑは？′ｌ！極膜４ａ、４ｂの長
さである。

この式は、Ｘ方向に収束作用を持つ電極対５を想定した
焦点圧ｌ１ｌｌｆＯ式であるが、Ｘ方向に収束作用を示
す電極対５を想定した焦点距離についても同様であり、
この焦点距離をｆ′とすると、・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（６）となる。ただし、α
′は光制御デバイス２の入力向に収束作用を持つ電極対
５の構造により決まる定数である。α′は電極膜５ａ、
５ｂの長さである。

次に、本実施例の光制御デバイス２における偏向作用を
、第２図を参照して説明する。第２図は光制御デバイス
２中、電極対６部分を切り取り抽出して示すものである
。いま、電極膜６ａ、６ｂの頂角をδ、入射する光ビー
ムｌの電極膜Ｇａ。

６ｂ領域（斜辺）への入射角をαｉとする。電極対６に
電圧Ｖ、が印加されていなければ、電気光学媒体３は何
んら偏向作用を示さず、光ビームｌはそのまま直進する
。しかるに、電極対６に電圧ｖ１を印加すると、この場
合も電界の作用により、（１）式に従い電気光学媒体３
中に屈折率変化が生ずる。この屈折率変化は電極膜６ａ
、６ｂ領域で屈折率が小さくなるものであり、三角プリ
ズムと等価的となる。よって、光ビームｌは境界点０で
屈折して電気光学媒体３中の電極膜６ａ、６ｂ領域を進
む。そして、結晶端面からΔβＯなる角度だけ偏向され
て射出することになる。この微小偏向角Δβ０は、スネ
ルの法則及び微分演算により、近似的に、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
７）により求められる。よって、微小偏向角Δβ０は電
界Ｅｙ″に比例して増加することが判る。

しかして、本実施例の光制御デバイス２によれば、各電
極対４，５．６に対する印加電圧Ｖ　ｌ　ｌＶ、、Ｖ、
を適切に制御することにより、出射ビーム１０の焦点位
置及び偏向角を各々独立して可変し得ることになる。よ
って、光情報処理分野において多様な用途に適用し得る
ものとなる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第３図により説明す
る。前記実施例で示した部分と同一部分は同一符号を用
いて示す。本実施例は、電極対５に代えて、Ｚ方向に半
円状に切欠いて鼓形状とした電極膜１１ａ、ｌｌｂによ
る電極対１１を、電気光学媒体３のＸ方向両面に形成し
たものである。

この電極対１１には電源７によって電圧Ｖ、が印加され
得るものである。

このような構成において、電極対１１に電圧Ｖ、を印加
すると、電界の印加される領域（即ち、電極膜１１ａ、
ｌｌｂ対応部分）では屈折率が低くなり、電界の印加さ
れない領域（半円状切欠に対応する部分）では屈折率が
相対的に高くなる。

よって、一種のシリンドリカルレンズと等価的な作用を
持つことになり、Ｘ方向に収束させるレンズ作用を持つ
ことになる。この他は、前記実施例と同様である。

また、本発明の第三の実施例を第４図により説明する０
本実施例は、第一の実施例で示した光制御デバイス２の
出射側に、レンズ１２を組合せたものである。よって、
各電極対４，５．６に対する印加電圧Ｖ、、　Ｖ、、　
Ｖ、　を何れもＯとすると、光制御デバイス２はレンズ
作用、偏向作用を示さないため、光制御デバイス２を直
進透過した光ビーム１０は、レンズ１２の焦点位置Ｃに
収束する。

また、印加電圧Ｖ、≠Ｏ，Ｖオ≠Ｏ，Ｖ、＝Ｏとすると
、光制御デバイス２がレンズ作用を示すものとなシバ出
射ビームｌＯの収束位置は光軸上において０点からＤ点
に変化する。このＤ点の位置は、印加電圧Ｖ、、　Ｖ、
の値により連続的に変化させることができる。また、印
加電圧■、≠０　とすると、光制御デバイス２が偏向作
用も示すものとなり、出射ビーム１０の収束位置は光軸
上からずれＣ′点〜Ｄ′点に収束することになる。

さらに、本発明の第四の実施例を第５図により説明する
。本実施例は、まず、第一の実施例に示した光制御デバ
イス２中において、電極対４と電極対５との間を境とし
て、電気光学媒体３の電極対４側を切り離して電気光学
媒体３ａとした光制御デバイス２ａとし、残りの光制御
デバイス２とともに２方向光軸上に離間配置させてなる
。そして、Ｘ方向にレンズ作用を持つ光制御媒体２ａの
入・出射側に対してはＸ方向にレンズ作用を持つシリン
ドリカルレンズ１３．１４を設け、Ｘ方向にレンズ作用
を持つ光制御媒体２の入・出射側に対してはＸ方向にレ
ンズ作用を持つシリンドリカルレンズ１５．１６を設け
たものである。シリンドリカルレンズ１３．１４側から
みると光制御デバイス２ａはこれらの焦点位置に配置さ
れ、シリンドリカルレンズ１５．１６側からみると光制
御デバイス２はこれらの焦点位置に配置されている。

このような構成において、入射する光ビーム１は最初に
シリンドリカルレンズ１３によりＸ方向に扁平なビーム
に変換されてがら、光制御デバイス２ａに入射する。こ
の時、印加電圧Ｖ、≠０であれば、Ｘ方向にレンズ作用
を受ける。ここに、光制御デバイス２ａにあっては、光
ビーム１がそのレンズ作用を示すＸ方向に扁平化させる
ことにより、収束特性の優れた領域、即ち、球面収差の
小さい領域を使用することになり、収差の少ない良好な
るレンズ作用が発揮される。この光制御デバイス２ａか
らの出射光はシリンドリカルレンズ１４により平行化さ
れた後、シリンドリカルレンズ１５によりＸ方向に扁平
なビームに変換されてから、光制御デバイス２に入射す
る。そして、この光制御デバイス２からの出射光はシリ
ンドリカルレンズ１４によりビーム変換される。この時
、印加電圧■、≠Ｏ，Ｖ、≠Ｏであれば、光制御デバイ
ス２によってＸ方向にレンズ作用及び偏向作用を受ける
。この光制御デバイス２においても、光制御デバイス２
ａの場合と同様に、レンズ作用を示すＸ方向に扁平なビ
ームとされているので、収差の少ない良好なるレンズ作
用が発揮される。このようにして、印加電圧Ｖ、、　Ｖ
、、　Ｖ、の値に応じて、出射ビームｌＯは可変的にＦ
−Ｆ’点に収束する。もちろん、印加電圧ｖ、　＝ｖ、
＝ｖ、＝　。

の場合には、光制御デバイス２ａ、２がレンズ作用や偏
向作用を示さないため、最終的な出射ビームｌＯはシリ
ンドリカルレンズ１３〜１６を通り変換を受けるだけで
平行ビームのままとなり、焦点を結ばないことになる。

発明の効果本発明は、上述したように、直線偏光した光ビームの光
路上に配置させた電気光学媒体を設け、この電気光学媒
体の光ビーム透過方向に沿って対向する両面に形成され
て電圧印加により１）１ｉ記光ビームを収束又は発散さ
せるレンズ作用を付与する大きさ及び形状とした少なく
とも一対の第１電極対と、この第１電極対に電圧を印加
する第１電源手段とを設け、かつ、前記電気光学媒体の
光ビーム透過方向に沿って対向する両面に形成されて電
圧印加により前記光ビームを偏向させる偏向作用を付与
する大きさ及び形状とした第２電極対と、この第２ｆｆ
ｉ極対に電圧を印加する第２電源手段とを設けたので、
一体化構成のデバイスにして、しンズ作用と偏向作用と
を併せ持つことができ、各種光情報処理分野に適用し得
るものとなり、かつ、第１．２電源手段による印加電圧
を調整することにより、焦点距離と偏向角とを各々独立
的に制御し得るものであり、また、デバイスとしては、
同一の電気光学媒体に所定の第１．２電極対を形成すれ
ばよく、作製容易なものとなる。

平面図である。

ｌ・・・光ビーム、３・・・電気光学媒体、４，５・・
・第１電極対、６・・・第２電極対、７，８・・・第１
電源手段、９・・・第２７＄！源手段、１１・・・第１
電極対出　　願　　人株式会社リ　　　コ　　　−

【図面の簡単な説明】

Claims

【特許請求の範囲】

直線偏光した光ビームの光路上に配置させた電気光学媒
体と、この電気光学媒体の光ビーム透過方向に沿って対
向する両面に形成されて電圧印加により前記光ビームを
収束又は発散させるレンズ作用を付与する大きさ及び形
状とした少なくとも一対の第１電極対と、この第１電極
対に電圧を印加する第１電源手段と、前記電気光学媒体
の光ビーム透過方向に沿って対向する両面に形成されて
電圧印加により前記光ビームを偏向させる偏向作用を付
与する大きさ及び形状とした第２電極対と、この第２電
極対に電圧を印加する第２電源手段とからなることを特
徴とする光制御デバイス。