JPH05281482A - 光偏向装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型かつ安価でしかも無騒音，長寿命の光偏
向装置を提供とすることを目的とする。 【構成】 プリズム１の全反射面１ａには、電歪アクチ
ュエータ２が取り付けられている。この電歪アクチュエ
ータ２は、全反射面１ａにおける反射パターンを、ドッ
トマトリクス単位で制御する。これによって、プリズム
１からの反射光の１次光を、任意の３次元空間位置に集
中させることができ、その位置において高強度の光点が
形成される。この光点は、電歪素子２による各電歪素子
のオンオフパターンを制御することにより、３次元方向
に走査することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光偏向装置に関し、
より特定的には、プリズムの全反射を利用して光を偏向
する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光偏向装置は、光源から入射した
光を反射するミラー（たとえばポリゴンミラー）を回動
もしくは回転させることにより、光を偏向するようにし
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、従来の
光偏向装置は、ミラーを回動もしくは回転させるための
駆動装置（たとえばモータ）を必要とするため、装置が
大型化するとともに高価になるという問題点があった。
また、このような駆動装置は、磨耗部を含むため、騒音
が大きくまた寿命が短いという問題点もあった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光偏向装
置は、プリズムの全反射を利用して光を偏向するための
装置であって、少なくとも１つの全反射面を有するプリ
ズム、プリズムの全反射面に規則的に配置され、印加さ
れる電界に応じてその形状が変化する複数の電歪素子、
与えられる座標データに応じて複数の電歪素子のオンオ
フパターンを演算する演算手段、および演算手段の演算
結果に応じて、各電歪素子に印加する電界を個別的に制
御し、それによってプリズムの全反射面と各電歪素子と
の間隔を個別的に変化させる電歪素子駆動手段を備え、
各電歪素子のオンオフパターンに従ってプリズムの全反
射面での反射光のパターンを制御することにより、座標
データに対応する空間位置に１次光の集中点を形成する
ことを特徴とする。

【０００５】

【作用】この発明においては、プリズムの全反射面に配
置された複数の電歪素子のオンオフを個別的に制御する
ことにより、プリズムの全反射面での反射光のパターン
が制御される。これによって、プリズムがいわゆる回折
格子と同等の機能を果たし、空間上の任意の位置に１次
光の集中点を形成することができる。

【０００６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例が備えている光
反射器の構成を示す外観図である。図において、この光
反射器１０は、入射光の光軸に対してほぼ４５°傾けら
れた全反射面１ａを有するプリズム１と、この全反射面
１ａに取り付けられた電歪アクチュエータ２とを含む。

【０００７】図３または図４に断面として示されている
ように、電歪アクチュエータ２は、基板２０と、この基
板の上に規則的に配列された複数の電歪素子２１とを含
む。各電歪素子２１は、図２に示すように、たとえばマ
トリクス状に配列されている。各電歪素子２１の相互の
隙間には、絶縁スペーサ２２が設けられる。各絶縁スペ
ーサ２２は、樹脂等の可撓性材料から構成されている。
これら絶縁スペーサ２２によって各電歪素子２１が相互
に絶縁されるとともに、各電歪素子２１が個別的に変位
可能に連結される。

【０００８】各電歪素子２１は、印加される電界に応じ
てその形状が変化する素子であり、たとえばチタン酸バ
リウム系セラミックスやチタン酸鉛系セラミックスやチ
タン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の圧電材料から成
る。

【０００９】なお、図３および図４には示されていない
が、基板２０の上には、各電歪素子２１ごとに配線が施
されている。各電歪素子２１は、これら配線を通じて与
えられるオンオフ信号に応じて、個別的にその駆動が制
御される。

【００１０】図５は、この発明の一実施例に係る光偏向
装置の全体構成を示すブロック図である。図示のごと
く、本実施例の光偏向装置は、プリズム１および電歪ア
クチュエータ２を含む光反射器１０と、コンピュータ等
によって構成される演算装置３と、駆動回路４と、光源
の一例の半導体レーザ６と、コリメートレンズ等を含む
光学系７とを備えている。

【００１１】次に、図５に示す実施例の動作を説明す
る。演算装置３には、外部から３次元座標データが与え
られる。この３次元座標データは、プリズム１の反射光
を偏向することにより形成される１次光の集中点の３次
元座標位置を示している。演算装置３は、与えられた３
次元座標データに基づいて、電歪アクチュエータ２にお
ける各電歪素子２１のオンオフパターンを演算する。演
算装置３の演算データは、駆動回路４に与えられる。駆
動回路４は、与えられた演算データに基づいて、各電歪
素子２１のオンオフ信号を出力する。このオンオフ信号
は、電歪アクチュエータに与えられる。

【００１２】電歪アクチュエータ２においては、駆動回
路４からオン信号から与えられた電歪素子２１がオンさ
れ、その形状が変化する。これによって、プリズム１の
全反射面１ａでは、オンされた電歪素子２１に対応する
部分の反射が阻止される。このときの様子を、図３およ
び図４を参照してより詳細に説明する。

【００１３】図３に示されるように、各電歪素子２１
は、オフ状態のとき、プリズム１の全反射面１ａから所
定の間隔を隔てて配置されている。この状態では、全反
射面１ａに入射した光は、一点鎖線で示すように反射さ
れてプリズム１から外部へ出射する。

【００１４】一方、図４に斜線で示すように、オン状態
とされた電歪素子２１は、その形状が変化し、プリズム
１の全反射面１ａに密着する。これによって、電歪素子
２１が密着した部分の全反射面１ａの全反射条件が崩
れ、光の反射が阻止される。

【００１５】半導体レーザ６から出た光は、光学系７に
よって平行光とされた後、プリズム１に入射する。この
入射光は、プリズム１の全反射面１ａにおいて、オフ状
態の電歪素子２１に対応する部分では反射されるが、上
述のようにオン状態の電歪素子２１に対応する部分では
反射が阻止される。したがって、プリズム１の全反射面
１ａにおける反射パターンがドットマトリクス単位で制
御される。このとき、電歪アクチュエータ２における各
電歪素子２１のオンオフパターンを適当に制御すること
により、プリズム１の反射光を偏向させることができ
る。この理由を、以下に詳細に説明する。

【００１６】図６は、ある行に属する複数の電歪素子２
１のオンオフ状態を示している。図６では、黒く塗りつ
ぶされた電歪素子２１がオン状態を示しており、それ以
外の電歪素子２１がオフ状態を示している。図示のごと
く、オン状態の電歪素子２１に対応する部分では、プリ
ズム１の全反射面１ａからの反射が阻止される。したが
って、プリズム１の全反射面１ａからは、オフ状態の電
歪素子２１に対応する部分のみから反射光が得られる。

【００１７】図６に示すような反射体は、図７に示すよ
うな等価モデルに置き換えることができる。図７では、
図６の反射部分すなわちオフ状態の電歪素子２１に対応
する部分が、点光源２１０に置き換えられている。この
ような等価モデルにおいて、任意の点Ｐでの光の強度を
考えると、点Ｐと各点光源２１０との間の距離の差によ
って、各点光源２１０からの光が互いに強め合ったり弱
め合ったりする。これは、光が波である性質により生ず
る光の干渉作用によるものである。

【００１８】ここで、理解を容易にするために、図８に
示すような簡素化された等価モデルにおける光の干渉作
用について考えてみる。この図８に示す等価モデルは、
２つの点光源Ｅ１およびＥ２を備えており、入射光の入
射角度は０°であるものとする。まず、点Ｐ０における
光の強度を考えると、点Ｐ０から点光源Ｅ１までの距離
Ｄ０１と、点Ｐ０から点光源Ｅ２までの距離Ｄ０２とが
等しいので、各点光源Ｅ１およびＥ２からの光は強め合
う。次に、点Ｐ１については、Ｄ１１＝Ｄ１２−（光の
波の１８０°の位相差に対応する距離）であるので、点
Ｐ１は光が弱め合って暗くなる。なお、Ｄ１１は点Ｐ１
と点光源Ｅ１との間の距離を示し、Ｄ１２は点Ｐ１と点
光源Ｅ２との間の距離を示している。一方、点Ｐ２につ
いては、Ｄ２１＝Ｄ２２−（光の波の３６０°の位相差
に対応する距離）であるので、光が強め合って点Ｐ２は
明るくなる。なお、Ｄ２１は点Ｐ２と点光源Ｅ１との間
の距離を示し、Ｄ２２は点Ｐ２と点光源Ｅ２との間の距
離を示している。上記のような点Ｐ０，Ｐ２の光は、そ
れぞれ、０次光，１次光と呼ばれている。

【００１９】次に、多数の点光源を集めて、それぞれの
１次光を１点に集中させることを考えてみる。１次光が
生じる点は、各光源間の距離が大きければ０次光に近く
なり、小さければ０次光から離れる。したがって、図９
に示すように、各点光源Ｅの間隔を変化させて配置する
ことにより、各点光源の１次光が１点に集中する。

【００２０】つまり、本実施例では、電歪アクチュエー
タ２を用いてプリズム１の全反射面１ａにおける反射パ
ターンをドットマトリクス単位で制御することにより、
各ドットマトリクスからの１次光を１点に集中させるよ
うにしている。その結果、図１に示すように３次元空間
に高強度の光点Ｐ０が出現する。そして、電歪アクチュ
エータ２における各電歪素子２１のオンオフパターンを
変化すれば、この光点Ｐ０を３次元空間内で移動させる
ことができ、任意の点Ｐｎに高強度の光点を形成するこ
とができる。したがって、本実施例は、プリズム１から
の反射光を偏向でき、しかもその偏向により形成された
光点を３次元方向に走査することが可能となる。

【００２１】図１０は、この発明の光偏向装置に用いら
れるプリズムの他の例を示す斜視図である。図１０に示
すプリズムは、コーナキューブと呼ばれるものであり、
再帰特性を有している。図において、コーナキューブ１
１は、互いに直交する３つの全反射面１１ａ〜１１ｃを
有する。このようなコーナキューブ１１は、円筒状の透
明樹脂またはガラスの側面を３つの方向から中心軸に対
して４５°の角度でカットし、それぞれのカット面で互
いに直交する全反射面１１ａ〜１１ｃを形成することに
より構成される。

【００２２】図１０に示すようなコーナキューブ１１
は、円形の入射面１１ｄから入射した光を、３つの全反
射面１１ａ〜１１ｃで反射した後、再び入射面１１ｄか
ら出射する。このとき、コーナキューブ１１の出射光
は、入射光の入射角度にかかわらず、入射光と平行でか
つ逆の経路をたどる。したがって、ある光源からコーナ
キューブ１１に光を照射した場合、その反射光は元の場
所すなわち光源に戻ってくる。

【００２３】図１１は、コーナキューブを用いた光反射
器の構成を示す断面図である。図において、電歪アクチ
ュエータ２は、コーナキューブ１１における３つの反射
面のうち、１つの反射面１１ａに取り付けられる。コー
ナキューブ１１は、入射した光を３つの全反射面１１ａ
〜１１ｃで反射した後、外部へ出射するので、電歪アク
チュエータ２は１つの全反射面に取り付ければ反射パタ
ーンのドットマトリクス単位での制御が可能となる。図
１１に示すような光反射器を用いて構成されたこの発明
の他の実施例の光偏向装置では、コーナキューブ１１に
より反射される光の１次光を、光源とコーナキューブ１
１との間に存在する任意の点（たとえば点Ｐａまたは点
Ｐｂ）に集中させることができる。したがって、光源と
プリズムとの位置関係が、図１に示す実施例のように配
置できない場合において、図１１に示す実施例は有効な
ものとなる。

【００２４】図１２は、コーナキューブを用いて構成さ
れたこの発明の他の実施例における光反射器の構成を示
す断面図である。図において、光源とコーナキューブ１
１との間には、光分岐手段の一例としてのハーフミラー
８が配置されている。このハーフミラー８を介してコー
ナキューブ１１に入射した光は、点Ｐｃで１次光が集中
するように電歪アクチュエータ２によって反射パターン
が制御される。しかしながら、コーナキューブ１１から
出た光は、ハーフミラー８によって反射されるため、１
次光は点Ｐｃ’において集中する。このような図１２の
実施例も、図１１と同様に、図１とは異なる態様の光源
と光反射器との位置関係を提供する。

【００２５】

【発明の効果】以上にように、この発明によれば、可動
部分を設けることなく反射光を偏向することができるの
で、小型かつ安価でしかも無騒音，長寿命の光偏向装置
を得ることができる。さらに、偏向により形成された光
点の位置を３次元空間内で自由に走査することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に用いられる光反射器の構
成を示す断面図である。

【図２】図１に示す電歪アクチュエータに含まれる電歪
素子の配列状態を示す部分拡大図である。

【図３】図１に示すプリズムおよび電歪アクチュエータ
の部分断面図であり、特に各電歪素子がオフ状態の場合
を示している。

【図４】図１に示すプリズムおよび電歪アクチュエータ
の部分断面図であり、特に所定の電歪素子がオン状態と
されている場合を示している。

【図５】この発明の一実施例に係る光偏向装置の全体構
成を示すブロック図である。

【図６】任意の行の電歪素子のオンオフ状態を示す図で
ある。

【図７】図６に示すような光反射体の光学的等価モデル
を示す図解図である。

【図８】点光源による光の干渉作用を説明するための図
解図である。

【図９】複数の点光源からの１次光の集中を説明するた
めの図解図である。

【図１０】この発明に用いられるプリズムの他の例を示
す斜視図である。

【図１１】図１０に示すコーナキューブを用いた光反射
器の他の例を示す断面図である。

【図１２】図１０に示すコーナキューブを用いた光反射
器のさらに他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１： プリズム １ａ： 全反射面 ２： 電歪アクチュエータ １０： 光反射器 ２０： 基板 ２１： 電歪素子 ２２： 絶縁スペーサ ３： 演算装置 ４： 駆動回路 ２１０： 点光源 ６： 半導体レーザ ７： 光学系 １１： コーナキューブ １１ａ〜１１ｃ： 全反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 信雄 大阪市東住吉区公園南矢田４丁目22番13号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリズムの全反射を利用して光を偏向す
   るための装置であって、 少なくとも１つの全反射面を有するプリズム、 前記プリズムの全反射面に規則的に配置され、印加され
   る電界に応じてその形状が変化する複数の電歪素子、 与えられる座標データに応じて前記複数の電歪素子のオ
   ンオフパターンを演算する演算手段、および前記演算手
   段の演算結果に応じて、各前記電歪素子に印加する電界
   を個別的に制御し、それによって前記プリズムの全反射
   面と各前記電歪素子との間隔を個別的に変化させる電歪
   素子駆動手段を備え、 各前記電歪素子のオンオフパターンに従って前記プリズ
   ムの全反射面での反射光のパターンを制御することによ
   り、前記座標データに対応する空間位置に１次光の集中
   点を形成することを特徴とする、光偏向装置。