JPS59214826A - 光偏向装置 - Google Patents

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】 （イ）発明の分野 この発明は、光偏向装置、特に電気光学結晶の電気光学
効果を利用し、光ビームを偏向する光偏向装置に関する
。

（ロ）発明の背景 従来、光ビームをアナログ的に偏向させるのに。

外部信号（エネルギー）によシ結晶内部の屈折率を変化
させ、光ビームの場所によシ位相変化を発生させ、波面
を傾けるようにしていた。屈折率を外部エネルギーによ
り変化させる方法としては。

それぞれ電界、音圧、温度によシ屈折率変化を生じさせ
る電気光学効果、音−響光学効果、温度光学効果等があ
る。この中、音響光学効果を利用するものは、高周波を
発生する必要があるだめ装置が大がかシとなり、その上
結晶に音圧によシ歪を与えるため大きなパワーを必要と
する欠点があった。

また温度光学効果利用のものは、低電圧で駆動できると
いう利点はあるが、スキャニング速度が遅いという欠点
があった。さらに電気光学効果利用のものは、前二者に
比しスキャニング速度が最も速いが、アナログ偏向の場
合には結晶内部電界の非直線性によシ解像点数が大きく
取れないばかシか、無理に解像点数を得ようとすれば電
気光学結晶に高電圧を印加しなければならないという欠
点があった。

上記従来の電気光学効果利用の光偏向装置の一例とその
欠点についてさらに若干説明する。

第１図は、従来の電気光学効果を用いた光偏向装置の斜
視図である。同図において１は電気光学結晶であり、た
とえばＸカットのＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３を用いている。

電気光学結晶１の表面には、一定の距離をおいて１１対
の電極２，６が設けられている。

これらの電極２，６は、たとえばＣ０ＰＬＡＮＡＲ形の
Ａｆｉをリフトオフ法により真空蒸着することによシ形
成される。両電極２，３間には電圧Ｖを印加するように
電源４が接続されている。電源４より電圧■が印加され
ると、電気光学結晶１を経て両電極２，３間に電気力線
が生じるようになっている。

この光偏向装置の深さ方向（Ｘ方向）の内部電界の２方
向酸分（ＥＺ）の分布を示すと第２図に示すように、場
所によシ変化が大、きく、その勾配が一定（直線状）に
ならない。したがってビームの太さを大きくすると、ビ
ーム内の位置にょシミ界傾度が均一にならず、これらが
原因で解像点数が大きく取れない。つまり、第１図に示
すよう円形の光ビームＡ（偏波面Ｂ）を電気光学結晶１
の端面１ａの中央部に入射させると、結晶の表面付近の
電界ＥＺが大なので大きく偏向を受けるに対し。

結晶内部に入るにしたがい電界が弱いので余シ偏向を受
けず、出射光Ｃの端面が円形から縦長の楕円形に変化す
る。そのだめに解像点数を悪く（小さく）シていた。ま
た出射光Ｃの端面が長楕円形となるので、印加電圧を高
電圧（たとえば１０００Ｖ以上）として偏向角を大きく
しても、解像点数をそれほど大きく取れず、解像点数の
改善には限界があった。

（ハ）発明の目的 この発明の目的は上記に鑑み、結晶内に直線状の電界分
布が得られるようにし、高速スキャニング可能であり、
しかも高解像点数を得ることのできる光偏向装置を提供
するにある。

に）発明の構成と効果 上記目的を達成するために、この発明の光偏向装置は、
第６図に示すように偏向すべき光ビームが入射される（
図では手前から紙面に向って）電気光学結晶１１と、こ
の電気光学結晶１１に、電気光学結晶１１の中心０を基
準に相隣るものが互いに面対称に、配設され、かつ相対
向する方向に凸の弧状（双曲線状または円弧状）の４個
の電極１２＋　　１３ｔ　　１４＋　　１５と、これら
４個の電極のそれぞれ相隣る電極に異なる極性の電位を
供給する電源１６とで構成されている。

この発明の光偏向装置によれば、結晶内の電界分布を直
線状になし得るので、印加電圧の変化に対しまた光ビー
ムのいずれの場所でも、一定の偏向角が得られるので、
低電圧でかつ簡単な駆動回路で、高速ヌキャニングが可
能であるという電気光学結晶利用の光偏向装置の利点を
生がし、しかも解像点数の大きいアナログ式の光偏向装
置を得ることができる。

０９実施例の説明 以下、実施例によシ、この発明をさらに詳細に説明する
。

第４図は、この発明の一実施例を示す電気光学偏向装置
の斜視図である。同図において２１は電気光学結晶でア
シ、ここでは２カツトのＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａが用いら
れている。この電気光学結晶２１は、破線で示す方形の
ものから、四隅を精密切削加工し。

ＸＺ面の切断面が双曲線状となる４個の曲面を形成して
いる。この曲面は、中心０を基準に相隣るものが面対称
にａ設され、しかも双曲線面が中心０に対し、すなわち
相対向する方向に凸となるように形成されている。そし
てこれら曲面の表面全面に、４個の電極２２，２３，２
４．２５が配設されている。これらの電極は真空蒸着法
により。

たとえば膜厚２００人のＴｉを蒸着後、膜厚３．０００
へのＡｌを蒸着して形成される。

２６は直流電源であって、この直流電源２６の（ト）電
極は、電極２３１２５に接続され、直流電源２６の←）
電極は電極２２．２４に接続され、各電極２２１　２３
．２４１　２５にはそれぞれ相隣る電極と異なる極性の
電圧が印加されるようになっている。このよ負な極性の
電圧を印加することによシ、電極２′５と２２．２．４
間及び電極２５と２２゜２４間には電気力線Ｅで示す電
界が生じる。この電界の分布は後述するが直線状となる
。

以上のように構成される光偏向装置の電気光学結晶２１
の端面２１ａに２軸方向に偏波（矢符Ｆ）された、Ｘ軸
方向に幅広の板状の光ビームＧを入射すると上記したよ
うに、電気光学結晶２１の２軸方向の電界ＥＺが、Ｘ軸
方向に直線状に大きさが変化しつつ分布しているので、
電気光学結晶２１内で光はＸ軸方向の電界勾配によシ、
一定度合の偏向を受ける。そのため、出射光Ｈは左（ま
だは右）方向に偏向を受ける。この光ビームを図示はし
ていないが、シリンドリカルレンズと凸レンズを用いて
、集光し、スポット状にすると偏向位置にかかわらず、
一定幅の偏向がなされるので、高解像点数のアナログ光
偏向をなすことができる。

次に、上記実施例光偏向装置の偏向原理及び電界分布が
直線状となる理由を説明する。

電気光学結晶２１としてのＬｉＮｂ０ａの電界Ｅｚによ
る屈折率変化△ｎは次式で表わせる。

△ｎ　＝　−−ｎｃ３・γ３ａ　Ｔ　ＥＺ　　　　　　
　　−・…（１）ま ただし　ｎｃ：　ＬｉＮｂＯ３の２方向の屈折率γ３３
ニー次の電気光学定数。

また、Ｘ軸方向の屈折率勾配をａ△ｎ４とすると。

偏向角０は θ＝ａ△Ｔんａ８・Ｌ　　　　　　・・・・・・（２）
ただし　Ｌ　：　ＬｉＮｂＯ３の長さ。

である。（１）式の△ｎを（２）式に入れると偏向角０
はとなる。もしここで電界ＥＺの分布が直線状であるな
ら）電界傾度ａＥｚ／ａｘは、どの場所でも一定となる
ため、入射され、ＬｉＮｂ０ａを伝搬する光ビームもど
の部分においても偏向角θを一定とすることができる。

また解像点数Ｎｒは ただし　μ：係数 （９） Ｗ：光ビーム幅 ス：光の波長 で表わせる。それゆえ、係数μ、波長λを一定とすると
、解像点数を大にするには偏向角θ、光ビーム幅Ｗを大
にすればよい。しかし光ビーム幅Ｗをよシ大きくするに
は、場所にょシミ界傾度が一定であるという条件が必要
である。

第１図に示したような従来の光偏向装置では。

ａ　Ｅ　Ｚ／ａ　ｘが場所によって、大きく変化し偏向
角θが結晶の表面付近と深部で差が生じるため、光ビー
ム径あるいは光ビーム幅Ｗをできるだけ小さくして場所
による不均一性の影響を小さくする必要がある。しかし
光ビーム幅Ｗを小さくすると、上記したように解像点数
、Ｎｒは偏向角θとビーム幅Ｗの積に比例して大きくで
きるものであるから。

解像点数Ｎｒを大きくできない。この点からも電界分布
が直線状すなわち電界傾度が一定であることが必要とな
る。

上記実施例光偏向装置は、直線状の電界分布を得ること
ができる。この点につき、第５図を参照して説明する。

第５図に示すように、第４図の電気光学結晶２１の中心
０を座標原点とし、それぞれ電［２２，２３゜２４．２
５が第１象限、第２象限、第３象限、−第４象限に位置
するものとすると、電極２２．’２４は Ｘ−２＝＋αＤ２　　　　　　　　　　　　　・・・・
・・（５）まだ電極２３．２５については Ｘ−２−−αＤ２　　　　　　　　　　・・・・・・（
６）の関数で表わせる。

また電極２６と２２．電極２ろと２４．電極２５と２２
．電極２５と２４間にそれぞれ電圧Ｖが印加され、電極
２３．２５が（ト）電位、電極２２．２４が←）電位で
あるから、電極２６と２５には＋乙。

電極２２と２４には−／２の電位が与えられていること
になる。そしてこれらの電位は、電極２２゜・・・・・
・２５の形状に沼って双曲線状に分布していることにな
る。

原点ＯからＰ点までの距離をＤとし、Ｐ点よシＸ軸及び
Ｚ軸におろした垂線と、Ｙ軸、Ｙ軸と交わる点をＸ　＝
ａ−Ｄ、　　Ｚ＝ｂ　−Ｄ　　とするとＸ−Ｚ　＝ａ−
ＤＸｂ−Ｄ＝ａ　−ｂ−Ｄ２・、−＜７＞（５）＋　（
７）式より α＝　ａ　ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　−（８
）となる。

Ｘ、Ｚ座標上の任意の点Ｐ′の電位をＶとすると。

双曲線Ｘ−Ｚ−±α・Ｄ２で囲まれた領域は各電極２２
、・・・２５の電位がＩ′Ｊ／２．！であるから２等電
位線Ｊも同様に双曲線状となる。したがって、上記電位
Ｖは ｖ　＝　Ｋ　−Ｘ　−Ｚ　　　　　　　　　　　　・・
・（９）と表わせる。

Ｐ点においては　Ｘ＝ａ−Ｄ　ｚ−ｂ−Ｄで　ｙ−Ｖ７
．であるから、これらＸ、Ｚ、ｖを（９）式に入れると ”／２−’Ｋ　（ａ　、Ｄ　）　、（ｂ　−’Ｄ　）よ
って。

Ｋ−（１／ａｂＤすＸ　（−Ｖ／２）　　　　　　　・
・・・・−ＨこのＫを（９）式に入れると任意の点の電
位Ｖはｖ＝に−Ｘ−Ｚ＝　　（１／２ａ）Ｘ（′ｖ／Ｄ
＋）・Ｘ−Ｚ・”αυで表わされる。

一般的に２方向の電界の強さＥＺは であるから（２）式に、上記αυ式を入れると、電気光
学結晶２１内の２方向の電界の強さＥＺとしてか得られ
る。このａ′３式より明かなように、２方向の電界の強
さＥＺは、Ｘ方向の距離に比例すること、すなわち直線
的に大きさが変化することが理解できる（第６図参照）
。

第６図に示す直線の勾配は電界傾度を示し、この電界傾
度ａＥｚ／ａｘは となり、この０４式よシ場所に関係なく一定の値となる
ことがわかる。

また（３）式にａ→式のａ　Ｅ　ｚ／Ｂ　Ｘを入れると
偏向角０は となる。この６０式よシ、偏向角θは印加電圧Ｖに比例
するものであることが理解できる。したがって印加電圧
Ｖを変化することによシ、アナログ的に偏向角θを変え
ることができる。

さらに（４）式にαυ式の偏向角θを入れると解像点数
Ｎｒは となる８このＱＱ式よシ解像点数Ｎｒを犬にするにはビ
ーム幅Ｗ、結晶長さり、印加電圧Ｖを大にし。

α及びＤを小さくすれば良いことが理解できる。

それゆえビーム幅Ｗが大でＤが小さいと、この条件を充
足することになるが、それには投射ビームを板状にする
のが最適である。

なおαとａ−ｂの関係は、α−ａｂであるから。

（ａ−Ｄ）２＋（ｂ−Ｄ）２＝Ｄ２　　よりａ２　＋ｂ
２＝　１ となる。ゆえに ａ２＋（“４）２−１ これを変形すると ａ４−ａ２＋α２−０　　となる。

これを解くと 同様にして −ゞ ただしαは　０≦α≦１／２ ここでσ−１／２のとき　ａ＝ｂ＝１／２となる。

第７図は、この発明の他の実施例を示す光偏向装置の斜
視図である。この光偏向装置は平板状の電気光学結晶（
たとえばＬｉＮｂ０３）　３１の表面に。

４個のＡｄ電極３２１　３３＋　　３４＋　　３５をリ
フトオフ法によシ蒸着形成したものである。これらの電
極３２，３３．’３４．５５は、互に相対向し。

相Ｉ舞る端辺が面対称（厚は非常に小さい）の双曲線状
をなすように形成されており、光ビームの入射位置から
みた電極形状は第６図に示すものと同じであり、しだが
って偏向原理も変わシないが。

第６図に示すものが電気光学結晶自体が双曲線形状を呈
するように切削され、その双曲線曲面に電極を蒸着形成
しているに対し、この光偏向装置は。

電気光学結晶自体は平板状のままであり、この平板状の
電気光学結晶の表面上に相対向する端辺の形状を双曲線
状に形成した電極を設ける点で相違する。

この実施例光偏向装置によれば、平面状の電気光学結晶
３１の表面上に電、極３２，３３，３４゜３５を形成す
るものであるから、電極間隔を非常に小さくたとえば１
０μ程度まで縮め得るので。

比較的小さい電圧で光ビームを偏向することができる。

なおこの実施例の光偏向装置は、Ｙ方向に対する厚さが
小さいので、電気光学結晶６１の表面よりＹ方向への２
方向の電界成分ＥＺの分布を示すと第８図に示すものと
なる。

第９図は、この発明のさらに他の実施例を示す光偏向装
置の斜視図である。この光偏向装置はガラス基板４０上
に、中心０を基準に互いに対称にかつ中心０に対し、凸
の双曲線状の４個の外端辺を持つ冗気光学結晶層４１を
積層し、この電気光学結晶４１０４個の外端辺の側壁に
４個の電極４２゜４３．４４．４５を設けている。

これら電極４２，４３，４４．４５は次のようにして形
成される。すなわちガラス基板４１上にスパッタ法でＺ
ｎＯ膜を蒸着し、フ第１・エツチングで上記双曲線状の
外端辺で囲まれるパターン領域［７オトエツチングでエ
ピタキシャル層を作シ。

さらにＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。

次に、上記パターン領域及びその他の領域にＡｄを蒸着
し、その後上記パターン領域の側面壁を残し２表面４１
＆のみを研磨し、Ａ４を除去する。

そして互いに電気的に絶縁された電極４２，４３゜４４
．４５を形成する。

′直源４６による印加電圧の極性及び偏向原理は第６図
、第７図に示したものと同様である。

ただ、この実施例の光偏向装置によれば、双曲線状の電
気光学結晶４１はフォトリゾグラフィ技術と基礎成長技
術を用いて結晶成長させ、かつこの双曲線状の側面壁に
電極を蒸着形成するものであるから、結晶加工は不要で
あシ、容易に装置の製作ができ、電極間隔も１０μ程度
まで小さくできるので印加電圧の低電圧化を図ることが
できる。

また結晶成長層を厚くしてもその側面壁に電極を形成し
ているので第１０図に示すようにＹ方向に列しても一定
の電界分布が得られ、低電圧偏向が可能となる。

第１１図は、この発明のさらに他の実施例を示す光偏向
装置の斜視図である。この光偏向装置は電気光学結晶で
あるＬｉＮｂＯ３の平面状基板５１の片側表面に、双曲
線状の溝５２．５３，５４．５５を穿設し、この溝５２
，５３．５４．５５で囲まれるパターン領域５．１＆を
除いて、電気的に絶縁される４個の電極５６，５７，５
８．５９が設けている。

これら電極５６．５’７，５８．５９は次のようにして
作成される。先ず、ＬｉＮｂＯ３の平面基板５１の表面
に、炭酸ガスレーザで、上記溝５２，５３，５４゜５５
を穿設する。次に、Ａｄを表面全面蒸着し。

その後、溝５２，５５，５４．５５で囲まれるパターン
領域のみｈ（ｊを除去する。これで互いに電気的に絶縁
された電極５６，５７＋、５８＋　　５９が形成される
。なお電源６０による各電極５６．５７゜５８．５９へ
の印加電圧の極性及び偏向原理は他の実施例装置と同様
である。

この実施例の光偏向装置は、平面板状の電気光学結晶の
表面に双曲線状の溝をレーザで穿設し。

この溝の側面壁等に電極を蒸着形成するものなので、製
作が比較的容易であり、また電極間隔も２０μ程度まで
小さくでき、その上溝を深くしてもその側面壁に電極を
形成するので第１２図に示すようにＹ方向に対して一定
の電界分布が得られ、低電圧偏向が可能となる。

なお上記各実施例において入射させる光ビー゛ムは幅広
の板状のものを用いているが、この発明ではこれに限る
ことなく９円形や楕円形の光ビームを入射させてもよい
。

また、入射させる光ビームの光源は、何を使用してもよ
く、たとえば半導体レーザであってもよい。

また、電気光学結晶として上記実施例では。

Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　ＯａやＺｎＯを例にとシ説明したが、
他の電気光学材料たとえばＰＬＺＴ、ＢＳＯ等を用いて
もよい。

さらにまた、各実施例の電極形状は双曲線状に形成して
いるが、これに代えて円弧等他の弧状に形成しても略同
程度の′電界分布の直線性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気光学効果利用の光偏向装置を示す斜
視図、第２図は同光偏向装置の内部電界分布を示す図、
第６図はこの発明の構成を示す光偏向装置の概略図、第
４図はこＯ発明の一実施例を示す光偏向装置の斜視図、
第５図は同光偏向装置の偏向原理を説明するだめの図、
第６図は同党偏向装置の電界分布を示す図、第７図、第
９図。 第１１図はそれぞれこの発明の他の実施例を示す光偏向
装置の斜視図、第８図、第１０図及び第１２図はそれぞ
れ第７図、第９図及び第１１図に示す光偏向装置の電界
分布を示す図である。 １１幇゛、電気光学結晶。 １２・１６・１４・１５：電極う １６：電源。 特許出願人　　　　　立石電機株式会社代理人　　弁理
士　　中　村　茂　信 第１図 第２図 →× 第３図 第４図 り 第５図 第８図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）偏向すべき光ビームが入射される電気光学結晶と
   、この電気光学結晶に、相隣るものが互いに面対称に配
   設され、かつ交叉相対向する方向に凸の弧状に形成され
   る４個の電極と、とれら４個の電極のそれぞれ相隣る電
   極に異なる極性の電位を付与する手段とよシなる光偏向
   装置。
2. （２）前記電気光学結晶は、相隣るものが互いに面対称
   であシ、かつ相対向する方向に凸の４個の弧状曲面を有
   し、この４個の弧状曲面の表面に。 前記４個の電極全形成してなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の光偏向装置。
3. （３）前記電気光学結晶は、平面状基板であり、この平
   面状基板の一方の表面に前記４個の電極が配設され、こ
   れらの電極の相隣る端辺面が互いに面対称であシ、かつ
   交叉相対向する方向に凸の弧状に形成されるものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光偏向装
   置。
4. （４）前記電気光学結晶は、平面状基板上に、相隣るも
   のが互いに面対称であシ、かつ相対向する方向に凸の４
   個の弧状曲面壁を持つ突出部を設け、少なくともこの突
   出部の４個の弧状側面壁に、前記４個の電極を蒸着形成
   してなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光偏向装置。
5. （５）前記電気光学結晶は、平面状基板であり、この平
   面状基板の表面に、相隣るものが互いに面対称でア）、
   かつ相対向する方向に凸の４個の弧状曲面壁を持つ穿設
   部を設け、少なくともとの穿設部の４個の弧状側面壁に
   、前記４個の電極を蒸着形成してなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の光偏向装置。