JPH0616144B2

JPH0616144B2 - 光走査装置

Info

Publication number: JPH0616144B2
Application number: JP22805985A
Authority: JP
Inventors: 寛砂川; 千秋後藤
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1985-10-14
Publication date: 1994-03-02
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: JPS6287944A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の分野）本発明は光走査装置、特に詳細には電界印加により光屈
折率を変える電気光学材料を用いて光走査を行なう光走
査装置に関するものである。

（従来の技術）周知の通り従来より、光走査式の記録装置や、読取装置
が種々提供されている。このような装置において記録光
あるいは読取光を１次元的に走査する光走査装置として
従来より、例えばガルバノメータミラーやポリゴンミラー（回転
多面鏡）等の機械式光偏向器により光ビームを偏向走査
させるもの、ＥＯＤ（電気光学光偏向器）やＡＯＤ（音響光学光偏
向器）など固体光偏向素子を用いた光偏向器により光ビ
ームを偏向走査させるもの、液晶素子アレイやＰＬＺＴアレイ等のシャッタアレイ
と線光源とを組み合わせ、シャッタアレイの各シャッタ
素子に個別的に駆動回路を接続し、画像信号に応じて、
ＯＮ／ＯＦＦを選択して同時に開くことにより線順次走
査をさせるもの、さらにはＬＥＤ等の発光素子を多数一列に並設し、各発光素子
に個別的に駆動回路を接続し、画像信号に応じてＯＮ／
ＯＦＦを選択して同時に発光させることにより線順次走
査させるもの等が知られている。

ところが上記の機械式光偏向器は振動に対して弱く、
また機械的耐久性も低く、その上調整が面倒であるとい
う欠点を有している。さらに光ビームを振って偏向させ
るために光学系が大きくなり、記録装置や読取装置の大
型化を招くという問題もある。

またのＥＯＤやＡＯＤを用いる光走査装置にあって
も、上記と同様に光ビームを振って偏向させるために、
装置が大型になりやすいという問題がある。特に上記Ｅ
ＯＤやＡＯＤは光偏向角が大きくとれないので、の機
械式光偏向器を用いる場合よりもさらに光学系が大きく
なりがちである。

一方のシャッタアレイを用いる光走査装置にあって
は、偏向板を２枚使用する必要があることから、光源の
光利用効率が非常に低いという問題がある。

またの発光素子を多数並設して用いる光走査装置にあ
っては、各発光素子の発光強度にバラツキが生じるた
め、精密走査には不向きであるという問題がある。

上記のような事情に鑑み本出願人は、耐久性、耐振動性
に優れ、調整が容易で、光利用効率が高く、精密走査が
可能で、しかも小型に形成されうる光走査装置を提案し
た（特願昭６０−７４０６１号）。この光走査装置は、少なくとも一方がエネルギー付加により光屈折率を変え
る材料からなり、互いに密着された光導波層と通常は該
光導波層よりも小さい光屈折率を示してクラッド層とな
って隣接層との積層体と、上記光導波層および／または隣接層に、光導波層内を進
む導波光の光路に沿って設けられた複数のエネルギー付
加手段と、上記隣接層の上部の、少なくとも上記エネルギー付加手
段によるエネルギー付加箇所に対応する部分にそれぞれ
設けられた回折格子と、上記複数のエネルギー付加手段を順次択一的に所定のエ
ネルギー付加状態に設定し、そのエネルギー付加箇所に
おいて導波光が前記回折格子と相互作用する位置まで突
出してこの相互作用により前記積層体の外に出射するよ
うに光導波層および／または隣接層の光屈折率を変化さ
せる駆動回路とから構成され、光導波層の光屈折率（ｎ_２）および／または隣接層の光
屈折率（ｎ_１、通常状態すなわちエネルギーが付加され
ていない状態ではｎ_２＞ｎ_１の関係を持つ）を、その差
（ｎ_２−ｎ_１）が小さくなるように、あるいはｎ_２≦ｎ
_１となるように変化させて、光導波層中に閉じ込められ
た導波光の界分布を変化させ、回折格子との相互作用に
よって導波光を光導波層と隣接層との積層体から外部へ
取り出し、これを走査光として利用するようにしたもの
である。

より詳細に説明するならば、例えば第１図に示すように
この光走査装置が、基板10上に光導波層11、回折格子Ｇ
をもつ隣接層12（一例として電気光学材料から形成され
ているものとする）を有し、基板10の光屈折率ｎ_３、光
導波層11の光屈折率ｎ_２、電界を印加していないときの
隣接層12の光屈折率ｎ_１の間にｎ_２＞ｎ_１、ｎ_３の関係
が成り立っているものとする。

第１図で示した構成の場合、その電界非印加時の分散曲
線は第２図（ａ）のように表わされる。第２図（ａ）に
おいて縦軸は光の実効屈折率を、また横軸は光導波層11
の厚みを表わし、光導波層11の厚みをＴとすると、光導
波層11の実効屈折率はｎ_effである。この時導波光14の
界分布（電界分布）は、例えばＴＥ_０モードを仮定する
と、第３図（ａ）のように表わされる。第３図（ａ）は
導波光が隣接層12や基板10にわずかに浸み出しているも
のの、回折格子Ｇと相互作用をするにはいたらず、導波
光がほとんど外部へ漏れずに光導波層11中を進行してい
る状態を示している。

次に、クラッド層となる隣接層12に直接あるいは中間層
を介して設けた電極対（この第１図においては図示せ
ず）の電極間に電界を印加して、電極間間隙Ｐの部分に
おける隣接層12の光屈折率をｎ_１からｎ_１＋Δｎへ増大
させる。この時、分散曲線は第２図（ｂ）の１点鎖線で
表わせられ、光導波層11の実効屈折率ｎ_effはｎ′_effに
増大する。この時の導波光の電界分布は第３図（ｂ）の
ように変化し、隣接層12への導波光の浸み出し光が、回
折格子Ｇと十分相互作用するように増加する。その結
果、図の斜線部の浸み出し光が図の上方（回折格子Ｇの
種類によっては下方又は上下双方）へ放射されながら進
行し、遂には、ほとんどの導波光が外部へ取り出され
る。

また、第１図で示した構成において、隣接層12の光屈折
率をｎ_１からｎ_１＋Δｎ″に変化させたとき、このｎ_１
＋Δｎ″の値が、隣接層12の光屈折率の変化に伴って変
化する光導波層11の実効屈折率ｎ″_effと等しくなるほ
どに大きくなると、その分散曲線は第２図（ｃ）の１点
鎖線のようになり、導波光は導波モードから放射モード
へ変換し、光は隣接層12へ移行する。このときの導波光
の電界分布は第３図（ｃ）のように変化し、導波光は隣
接層12へ多量に漏れ出し、回折格子Ｇと相互作用して図
の上方（および／または下方）へ放射されながら進行
し、速やかに外部に取り出される。また、隣接層12の光
屈折率ｎ_１を光導波層11の光屈折率ｎ_２と略等しいか又
はｎ_２よりも大きくなるように変化させることによっ
て、光導波層11内の導波光の全反射条件を変化させて導
波光を隣接層中に移動させ、更に回折格子Ｇとの相互作
用により、外部へ取り出すことができる。このようにし
て、電界を印加した場所で導波光を外部に取り出すこと
ができるから、上述の電極対を複数、上記間隙Ｐが隣接
層12に沿って１列に延びるように設けておき、各電極対
に順次択一的に電界を印加すれば、隣接層12からは出射
位置を変えながら光が出射するようになり、光走査がな
される。

なお前述のように隣接層12を電気光学材料から形成して
その光屈折率を変化させる他、反対に光導波層11を電気
光学材料から形成してそこに、電極対を設け、該光導波
層11の光屈折率を変化させる（低下させる）ようにして
もよいし、さらには光導波層11と隣接層12の双方を電気
光学材料から形成して双方に電極対を設け、双方の光屈
折率を変化させるようにしてもよい。

またこの場合、回折格子Ｇの構造を集光性回折格子にし
ておくと、取り出された光は一点へ集光し、散逸を防ぐ
ことができる。

上記構成の光走査装置は、単一の光源を使用するもので
あるから、前記ＬＥＤアレイ等にみられる光源の発光強
度バラツキの問題が無く、精密走査が可能となり、光源
の光利用効率も高められる。またこの光走査装置は、機
械的作動部分を備えないから耐久性、耐振動性に優れて
調整も容易であり、さらに光ビームを大きく振らずに走
査可能であるから、この装置によれば、光走査系の大型
化を回避し、光走査記録装置あるいは読取装置を小型に
形成することができる。

上記の光走査装置においては前述したように、エネルギ
ー付加により光屈折率を変える材料として電気光学材料
が好適に用いられ、したがってこの場合エネルギー付加
手段としては電極対が、また駆動回路としては複数の電
極対間に順次択一的に電界を印加する回路が用いられる
が、このような構成をとる装置として前記特願昭６０−
７４０６１号に具体的に開示されている装置は、１つの
電極対を構成する各電極を、積層体を水平に配置したと
きに間隙を間において互いに水平方向に対向するように
（つまり前記第１図において紙面の表裏方向に）配置し
たものである。ところがこの開示例のような構成をとる
場合、所望の光屈折率変化を得るために電極対を数百Ｖ
程度の高電圧を印加しなければならず、したがって強力
な駆動回路が必要になるという難点があった。つまり光
を積層体外に取り出すのに十分な大きさに電極間間隙を
設定すると、電極間距離が大きくなり、そのため上述の
ように高電圧を印加する必要が生じるのである。

また積層体からの光取出し効率を高めるためには、光導
波層の導波路幅を電極間間隙部分に収まるように設定す
ることが望ましいが、上記のように印加電圧の問題が有
るから、前記開示例の装置においては電極間間隙を大き
く設定することができず、したがって導波路幅は必然的
に小さなものとなってしまう。このように導波路幅が小
さいと導波光のエネルギー密度が高くなり、光導波層が
光損傷を受ける恐れが有る。

（発明の目的）そこで本発明は、前述の特願昭６０−７４０６１号に示
されるように電気光学材料からなる光導波層および／ま
たは隣接層の光屈折率を変えることよって光走査を行な
う光走査装置において、比較的低電圧で駆動可能で、し
かも上記光損傷の問題を生じることのない光走査装置を
提供することを目的とするものである。

（発明の構成）本発明の光走査装置は、先に述べたように少なくとも一
方がエネルギー付加により光屈折率を変える材料からな
る光導波層と隣接層との積層体と、複数のエネルギー付
加手段と、回折格子と、各エネルギー付加手段を順次択
一的に所定のエネルギー付加状態に設定する駆動回路と
からなる光走査装置において、上記材料として前述のような電気光学材料を用い、光導波層および／または隣接層に、該光導波層内を進む
導波光の光路に沿って、互いの間に間隙をおいて並ぶよ
うに複数の電極を設けてこれをエネルギー付加手段（電
界印加手段）とし、そして駆動回路は、上記複数の電極のうちの互いに隣り
合う２つの電極間に順次択一的に電界を印加するように
形成したことを特徴とするものである。

（実施態様）以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明を詳細に説
明する。

第４図は本発明の一実施態様による光走査装置20を示す
ものであり、また第５図はその要部の断面形状を示して
いる。基板10の上には、光導波層11と該光導波層11に密
着した隣接層12とからなる積層体13が設けられている。
なお隣接層12は、前述した電気光学材料から形成されて
いる。そして前述のように光導波層11内を光が進行しう
るように光導波層11、隣接層12、基板10はそれぞれ、前
記関係ｎ_２＞ｎ_１、ｎ_３を満たす材料から形成されている。なお前述の通り、ｎ
_２、ｎ_３はそれぞれ光導波層11、基板10の光屈折率、ｎ
_１は隣接層12の電界非印加時の光屈折率である。このよ
うな光導波層11、隣接層12、基板10の材料の組合せとし
ては例えば、〔Ｎｂ_２Ｏ_５：Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５：
ガラス］〔Ｎｂ_２Ｏ_５：ＬｉＮｂＯ_３：ガラス〕等が挙
げられる。なお光導波路については、例えばティータ
ミール（Ｔ．Ｔａｍｉｒ）編「インテグレイテッドオ
プティクス（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ）」
（トピックスインアプライドフィジックス（Ｔｏ
ｐｉｃｓｉｎＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）第
７巻）スプリンガーフェアラーグ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
−Ｖｅｒｌａｇ）刊（１９７５）；西原、春名、栖原共
著「光集積回路」オーム社刊（１９８５）等の成著に詳
細な記述がある。また光導波層11、隣接層12、基板10は
それぞれ一例として厚さ０．５〜１０μｍ、１〜５０μ
ｍ、１μｍ以上に形成されるが、これに限られるもので
はない。

隣接層12の表面には複数の細長い電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３
〜Ｄｎが、互いの間に微小間隙をおいて１列に並設され
ている。またこれらの電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３〜Ｄｎの間
において隣接層12の表面には、回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ
３〜Ｇ（ｎ−１）が設けられている。なお電極Ｄ１〜Ｄ
ｎの大きさは例えば０．０５〜０．２mm×３〜５mm程
度、また互いの間隔は０．２mm程度に設定される。そし
て各電極Ｄ１〜Ｄｎは、基板10上に形成されたドライバ
15に接続されている。なおこのドライバ15は、基板10と
は独立して設けられてもよい。

一方光導波層11には、電極Ｄ１〜Ｄｎの並び方向の延長
上において、導波路レンズ16が形成されており、また基
板10には光導波層11内の上記導波路レンズ16に向けてレ
ーザビーム14′を射出する半導体レーザ17が取り付けら
れている。そして積層体13の上方、すなわち隣接層12に
対向する位置には被走査体25が配され、この被走査体25
と積層体13との間には、電極Ｄ１〜Ｄｎの並び方向と直
角な方向に光を集束させるシリンドリカルレンズ26が配
されている。

第６図は上記光走査装置20の駆動回路21を示すものであ
る。以下この第６図も参照して、光走査装置20の作動に
ついて説明する。まず前述の半導体レーザ17が駆動さ
れ、レーザビーム14′が光導波層11内に射出される。こ
のレーザビーム14′は導波路レンズ16によって平行光14
とされ、この光14は光導波層11内を電極Ｄ１〜Ｄｎの並
び方向に進行する（第４図参照）。そして複数の電極Ｄ
１〜Ｄｎのうちの選択された電極と、その他の電極との
間には、電圧発生回路22から発生された電圧Ｖが、前記
ドライバ15を介して印加される。ここでこのドライバ15
は、クロック信号ＣＬＫに同期して作動するシフトレジ
スタ23の出力を受けて作動し、上述の選択される電極を
電極Ｄ１の側から順次１つずつ増やしながら、電圧印加
を行なう。つまり最初は１番目の電極Ｄ１が電位Ｖで２
番目以下の電極Ｄ２〜Ｄｎが電位０（ゼロ）、次は１、
２番目の電極Ｄ１、Ｄ２が電位Ｖで３番目以下の電極Ｄ
３〜Ｄｎが電位０、次は１、２、３番目の電極Ｄ１、Ｄ
２、Ｄ３が電位Ｖで４番目以下の電極Ｄ４〜Ｄｎが電位
０……となるように電圧印加がなされる。このように電
圧印加がなされると、隣接層12の、電極間間隙に対応す
る部分Ｐ１〜Ｐ（ｎ−１）に順次択一的に電界が加えら
れ（第５図参照）、その部分の隣接層12の光屈折率が高
くなる。すると前述したように光（導波光）14は、上記
の部分Ｐ１〜Ｐ（ｎ−１）において、光導波層11から隣
接層12側に出射し、回折格子Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）の回折
作用により隣接層12外に出射する。つまり最初は回折格
子Ｇ１から、次は回折格子Ｇ２から、………回折格子Ｇ
（ｎ−１）の次は元に戻って回折格子Ｇ１から、と光14
の出射位置が順次変化するので、被走査体25はこの出射
した光14により、第４図の矢印Ｘ方向に走査されるよう
になる（なお光出射位置が、回折格子Ｇ１→Ｇ２→……
Ｇ（ｎ−１）→Ｇ（ｎ−２）……→Ｇ１と変化するよう
に、電極Ｄ１〜Ｄｎへの電圧印加を制御してもよい）。
そして上記のようにして主走査を行なうとともに、クロ
ック信号ＣＬＫによって該主走査と同期をとって被走査
体25を第４図の矢印Ｙ方向に移動させて副走査を行なえ
ば、この被走査体25は２次元的に走査されることにな
る。

なお本実施態様において、回折格子Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）
は、光導波層11内の導波光14の進行方向に光14を集束さ
せる集光回折格子として形成されており、また隣接層12
と被走査体25との間には光14を上記進行方向と直角な方
向に集束させるシリンドリカルレンズ26が配されている
ので、回折格子Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）から出射した光14
は、被走査体25上の一点に集束される。上記集光回折格
子は、光導波層11内の光14の進行方向に格子パターン
（グリッドパターン）を並設し、そして各パターンのピ
ッチを変化させてなるものであり、それにより上述のよ
うな集束作用を有するものとなっている。

また、半導体レーザ17を光導波層11に直接結合せずに、
レンズやカプラープリズム、グレーティングカプラ等を
介して光導波層11に光を入射させるようにしてもよい。
また半導体レーザ17は光導波層の形成時に、これと一体
に作られてもよい。走査光を発生する光源は上述の半導
体レーザ17に限らず、その他例えばガスレーザや固体レ
ーザ等が用いられてもよい。

以上述べた光走査装置20においては電極Ｄ１〜Ｄｎを、
光導波層11内の導波光14の進行方向に沿って配置してい
るから、各電極Ｄ１〜Ｄｎの長さを十分に長くすれば、
電極間距離を短く設定しても走査光取出し部分の面積を
十分に大きくとることができる。このように各電極Ｄ１
〜Ｄｎ間の距離を小さく設定すれば、隣接層12の光屈折
率を所定値変化させるために印加する電圧が低くて済
む。また上述のように各電極Ｄ１〜Ｄｎを長く形成する
ことができるから、導波光14のエネルギー密度を小さく
するために導波光14の導波路幅を広く設定しても、走査
光取出し効率を高く保つことができる。

なお隣接層12から出射した光14を１点に集束させるに
は、前述のように回折格子Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）を集光回
折格子とするとともにシリンドリカルレンズ26を配置す
る他、第７図に示すように光走査装置20と被走査体25と
の間に、例えばセルフォックレンズアレイ等からなり２
次元的方向に集束作用を有するレンズアレイ30を設ける
ようにしてもよい。また第８図に示すように隣接層12の
上に、各回折格子Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）に対向する位置に
レンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３〜Ｌ（ｎ−１）が設けられたレ
ンズアレイ層31を設けるようにしてもよい。この場合上
記レンズＬ１〜Ｌ（ｎ−１）は、第８図に示されるよう
に通常の凸レンズ状としてもよいし、またアレイ層材料
の屈折率に分布を与えてなる屈折率分布型レンズとして
もよい。さらには以上述べたような集光回折格子の格子
パターンにさらに曲りを与えることにより、２次元方向
に集束作用を有するようにした集光回折格子のみを用い
て光14を集束させるようにしてもよい。なおこのような
集光回折格子については、例えば電子通信学会技術研究
報告ＯＱＣ８３−８４の４７〜５４ページ等に詳しく記
載されている。また隣接層12から出射する光14を以上説
明のようにして集束させることは必ずしも必要では無
く、場合によっては平行光、あるいは拡散光によって被
走査体25を走査するようにしてもよい。

以上説明した実施態様においては、光導波層11と隣接層
12との積層体13は基板10上に設けられているが、特にこ
のような基板10を用いず、光導波層11が直接空気に接す
るようにしても構わないし、さらには光導波層11の両表
面に隣接層12を積層して、光導波層11の上下両側に走査
光を出射させ、２つの被走査面を同時に走査することも
可能である。

また、本発明の光走査装置は、前記電極Ｄ１〜Ｄｎを複
数列並べて、複数の走査光を同時に取出し可能に形成す
ることもできる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り本発明の光走査装置は、単一の
光源を使用するものであるから、前記ＬＥＤアレイ等に
みられる光源の発光強度バラツキの問題が無く、精密走
査が可能となり、光源の光利用効率も高められる。また
本発明の光走査装置は機械的作動部分を備えないから耐
久性、耐振動性に優れて調整も容易であり、さらに光ビ
ームを大きく振らずに走査可能であるから、本発明装置
によれば、光走査系の大型化を回避し、光走査記録装置
あるいは読取装置を小型に形成することができる。

しかも本発明の光走査装置は、走査光取出し部分の面積
は十分大きくした上で電極間距離を小さくすることがで
きるから、低電圧で駆動可能であり、したがって強力な
駆動回路が不要で安価に形成され、しかも消費電力も低
減される。そして走査光取出し部分である電極間間隙部
分は、導波光進行方向と直角な方向に自由に長く形成可
能であるから、導波路幅を広くして導波光のエネルギー
密度を小さく設定し、光導波路の光損傷を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の光走査の仕組みを説明する説明
図、第２図は第１図の構成の分散曲線を示すグラフ、第３図は第１図の構成における導波光の電界分布を示す
概念図、第４図は本発明の一実施態様による光走査装置を示す斜
視図、第５図は上記実施態様装置の要部を示す側断面図、第６図は上記光走査装置の電気回路を示すブロック図、第７図、第８図はそれぞれ、本発明の第２実施態様、第
３実施態様による光走査装置を示す側面図である。 10……基板、11……光導波層、12……隣接層、13……積
層体、14……光、15……ドライバ、16……導波路レン
ズ、17……半導体レーザ、20……光走査装置、21……駆
動回路、22……電圧発生回路、23……シフトレジスタ、
25……被走査体、26……シリンドリカルレンズ、Ｄ１〜
Ｄｎ……電極、Ｇ１〜Ｇ（ｎ−１）……回折格子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−32029（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−187912（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−9844（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が電界印加により光屈折率
を変える電気光学材料からなり、互いに密着された光導
波層と電界非印加時は該光導波層よりも小さい光屈折率
を示してクラッド層となる隣接層との積層体と、前記光導波層および／または隣接層に、該光導波層内を
進む導波光の光路に沿って、互いの間に間隙をおいて設
けられた複数の電極と、前記隣接層の表面の、前記間隙に対応する部分にそれぞ
れ設けられた回折格子と、前記複数の電極のうちの互いに隣り合う２つの電極間に
順次択一的に電界を印加し、その電界の印加箇所におい
て前記導波光が前記回折格子と相互作用する位置まで浸
み出してこの相互作用により前記積層体の外に出射する
ように前記光導波層および／または隣接層の光屈折率を
変化させる駆動回路とからなる光走査装置。
【請求項２】前記回折格子が、前記光導波層から前記隣
接層内に入射した光を、集束するように出射させる集光
回折格子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の光走査装置。
【請求項３】前記積層体の外側に、出射した光を集束さ
せる集束光学系が設けられていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項から第２項いずれか１項記載の光走査
装置。