JPS63239425A - 表面弾性波可変回折格子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光の進行方向を１表面弾性波を使用して任
意に高速偏向する表面弾性波可変回析格子に関する。

（従来の技術〕 光の進行方向を偏向する方法として、最も簡単で、かつ
、直感的なものには、反射鏡やプリズムを使用して光の
反射角を機械的に制御する方法がある。この方法は、光
の性質９例えば、単色性やコヒーレンシーなどに影響さ
れることが少ないために、たとえば、偏向による走査の
速度（偏向の速度と呼ぶ）が比較的遅くても良い場合に
おいては、非常に有効で、レーザを用いた画像ディスプ
レイの分野を中心に広（応用されている。

しかし、偏向の速度を速くすると９機械的に動作を追随
させることが困難となり９回転プリズムやミラーのよう
な回転機構による周期的動作を用いた特殊な方式の場合
を除けば、はぼ数１０Ｋ１１ｚ（偏向動作時間では０．
１ｍｓ程度）で使用限界に達する。

しかしながら、今日の光応用機器においては、光の高速
性を十分活用するために、光偏向の高速動作と任意方向
あるいは任意位置への偏向制御が望まれている。特に、
レーザディスプレイやレーザプリンタ等の技術分野にお
けるレーザ光の偏向や、微細レーザ光線の掃引により測
定を行う光学的表面粗さ計や線径測定装置などの計量器
関係技術分野からの要望が強い。このような要望を満足
すべく一つの方法として、例えば、同一出願人・同一発
明者による発明「表面弾性波を利用した光の回折装置」
　（特願昭６０−２３４８１２号）がある、この発明で
は、電気信号によって発生させる固体表面上の表面弾性
波（ＳＡＷ：５ｕｒｆａｃｅ　　ＡｃｏｕｓｔｉｃＷａ
ｖｅ）を、光に対する空間的位相格子として使用し、該
ＳＡＷの空間周期を前記電気信号の周波数変調で変化さ
せ、結果的には、前記位相格子の格子定数を変化させる
ことを行っている。固体表面を伝搬するＳＡＷは、正弦
波に近い波形を有しているため、ＳＡＷによる位相格子
は正弦波形位相格子と見なすことができ、この格子を透
過した光は正弦波的な位相変調を受ける。

このため、この透過光は、正弦波格子の格子定数、すな
わち、ＳＡＷを発生させる電気信号の周波数に応じた回
折角を有する回折現象を呈し、特に、正弦波形格子特有
の性質である格子定数で定められた士１次の回折輝点位
置に強い輝点を生ずる。ＳＡＷについては、後に詳説す
るが、ＳＡＷ素子の構造によって素子固有の共振周波数
を中心に発生する。また、ＳＡＷの発生強度を一１０％
程度の変動値内に制限すると、ＳＡＷの周波数は中心周
波数の５〜１０％変化させることが可能である。このた
め、前記回折輝点の位置は、ＳＡＷの周波数が低くなる
と光軸側に、つまり９回折角が減少する方向に変化し、
逆にＳＡＷの周波数が高くなると回折角が増大する方向
に変化する。・この回折角の変化の大きさは、前記共振
周波数による光軸からの回折角、すなわち、±１次回折
光の回折角の５〜１０％程度となる。

よって、ＳＡＷによる位相格子で回折した±１次の回折
輝点による光の回折装置が実現でき、この光の回折装置
による回折光、すなわち、偏向した回折輝点の位置制御
は、ＳＡＷを発生させる電気信号の周波数を変調するこ
とで実現できる。

また、この時の光の偏向速度は、前記電気信号の周波数
変調速度で定まり、最大偏角を得るに要する作動時間は
、数１！ａ程度と考えられる。

さらにまた、電気信号の周波数を所望の偏角が得られる
値に固定すれば、任意の偏向角で回折光を静止させてお
くことも可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなＳＡＷを利用した回析格子は
、ＳＡＷ棄子に入力する高周波電力に対して回折光の発
生強度が低く、実用的な回析格子として用いるには、数
Ｗ〜数１０Ｗの入力電力を必要とする。これらの電力の
大部分は、最終的には、熱に変換されて外気に放散して
ゆくものであるが、この熱がＳＡＷ伝搬基板の音速に強
く影響し２例えば、ＳＡＷ素子の基板としてしばしば用
いられるニオブ酸リチウムのＹカットＺ方向伝搬基板で
は、温度係数が−３４１）ｌ）Ｉｍ程度であるため２０
０℃の温度変化で約１．７％の音速変化を生ずる。この
ため、ＳＡＷによる回析格子の格子定数が変化し、偏向
角が変動してしまうという欠点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、前記入力電力のうち、ＳＡＷに変換された電力（
圧電基板の変換効率によるが、数１０％と推定）がＳＡ
Ｗの形で基板上を伝搬中に熱に変換されることは少なく
、不要反射防止用のアブソーバに吸収されて大部分が熱
に変換されるという実験結果に基づき、ＳＡＷ伝搬基板
のＳＡＷ伝搬方向長さを物理的制限内で可能な限り長（
し、その両端に熱伝導性の高い放熱用のアブソーバを配
置し、この２つのアブソーバよりできるだけ離れた場所
、すなわち、ＳＡＷ伝搬基板のほぼ中央部分に光透過領
域を設定した構造とし、さらに、前記放熱用アブソーバ
の部分には、各々のアブソーバに密着させて２つの放熱
器を配置した。

〔作用〕

これらの手段は、最終的に熱となって放散する電力エネ
ルギーを、ＳＡＷ伝搬基板の伝ｌ１ＩｔＪｉ失が小さい
ことを利用して、ＳＡＷの形で光透過領域より遠ざけ、
効果的に発熱・放散させてしまうものである。前記ニオ
ブ酸リチウム基板では、ＳＡＷの伝搬損失が０．３　ｄ
Ｂ　／ｃｓ程度であるため、現状で使用可能な基板の最
大形状をもってすれば、約１０１程度のＳＡＷ伝搬方向
長さを有するＳＡＷ素子が製作可能である。さらにまた
、ＳＡＷ伝搬基板の熱伝導率がガラス並みに低いことも
本方式の効果を高めている。

〔第１の実施例〕 第１図に、本発明の表面弾性波可変回析格子の一実施例
における構成図を示す。

本実施例に示す回折装置は、基板１上に、　ＳＡＷ素子
を構成する圧電性基板２を設け、さらに。

ＳＡＷエネルギーを熱に変換する放熱用アブソーバ３と
、発生した熱を放出するための放熱器４を圧電性基板上
に設けた構造である。

前記基板１の中央部には、光透過窓５が設けられており
、この窓を光が通過できるような配置にした０通過した
光は、前記圧電性基板２のほぼ中央を透過し、その際に
、圧電性基板２上を伝搬しているＳＡＷにより位相変調
を受ける。

該基板１には、熱伝導率が低く、かつ、熱膨張率が小さ
い材料を使用し、該圧電性基板２に対し熱による歪やＳ
ＡＷの音速の変化を生じさせないようにした。圧電性基
板２の保持は、ＰＦ圧電性基板２の両端の狭い面積で行
い、該圧電性基板２の中央部に熱が伝導することを防止
した。

一方、圧電性基板２上のほぼ中央部の光が透過しない部
分には、ＳＡＷを発生させるための交差指形電極６を 設けてＳＡＷ素子を形成した。これらＳＡＷ素子を形成
する圧電性基板２や交差指形電極６には、従来から使用
されている材料、す°なわち、ニオブ酸リチウム等の圧
電性材料と、アルミニウム、金などの電極材料が使用で
きる。また、前記交差指形電極の電極幅や交差間隔は、
数μｍ〜数ｌＯμｍ程度と微細であるが、これらの加工
はホトリソグラフィによる微細加工技術で実現すること
が可能である。

また、圧電性基板２の両端には、ＳＡＷエネルギーを熱
に変換する放熱用アブソーバ３と、熱を放出するための
放熱器４を設けた。放熱用アブソーバ３は、放熱器４を
圧電性基板２に固定する接着剤と、変換した熱を放熱器
４に伝える熱の伝導体の二つの役目を果たすものである
。

第２図は、電気信号の周波数ｒと圧電性基板２２のＳＡ
Ｗ伝搬速度Ｖ及びＳＡＷの空間周期ｄの関係を示してい
る。図に示すように、交差指形電極２６の電極間隔がｄ
の時、この電極にインパルス状の電気信号を加えると、
圧電性基板上に波長ｄのＳＡＷが発生する。このＳＡＷ
は、電極を中心として、その左右に速度Ｖで伝搬して行
く。

よって、時刻ｔｏ（＝ｄ／ｖ）後には、再びＳＡＷの位
相と交差指形電極の位置とが、前記インパルス信号を加
えた時刻と同じ位置関係になる。

ここで、また、インパルス状の電気信号を加えれば、こ
のＳＡＷは、さらに振幅を増大させて伝搬して行く、シ
たがって、周期ｔｏ、すなわち、周波数ｆ　ｏ　（＝　
１／　ｔ　ｏ−ｖ／ｄ）のインパルス信号を連続的に交
差指形電極に加えると、ＳＡＷは同位相で振幅を増大さ
せられ９強い進行波となって圧電性基板２２上に放射さ
れる。かかる状態を共振状態と言い、ｆｏを共振周波数
と呼ぶ。

また、インパルス状の電気信号の代りに周波数ｆｏの正
弦波信号を使用しても、同様の効果があり、通常は発生
し易い正弦波信号が用いられる。

電気信号の周波数がｆｏより変化して行くと、共振状態
が崩れ、ＳＡＷの強度が低下する。

現状のＳＡＷ素子では、ＳＡＷの強度が一１０％となる
範囲の周波数帯域幅は、共振周波数ｆ。

の５〜１０％程度である。

第３図は、ＳＡＷを位相格子として使用した場合おける
光の偏向が行われる様子を示す。

周波数ｆＯの正弦波の電気信号によって圧電性基板３２
０表面に発生したＳＡＷは、格子定数にあたる空間周期
ｄを有し、速度Ｖで矢印の方向に進行する。前記圧電性
基板は光に対し透過性を育するものであって、同図左の
方向から入射光が。

この圧電性基板を透過すると、該入射光はＳＡＷによる
圧電性基板の表面の正弦波状の凹凸と圧電性基板の表面
直下の密度の変化、すなわち、屈折率の変化によって位
相変調を受ける。この位相変調は、空間周期ｄの繰返し
による周期的なものであるから、これらの光は通常の位
相格子を透過したものと同じく、レンズ３７によりレン
ズの焦点面３８に結像させると回折像を生ずる。ここで
、入射光が波長λの単色光であれば２回折像には、格子
定数ｄによつて定まる±１次の回折輝点が生ずる。この
回折輝点の発生位置は、焦点面３８上の光軸より距離α
だけ離れた位置となり、方向は５ＡＷＯ伝搬方向と等し
い、αの値はレンズ３７の焦点距離をＦとすれば α−Ｆλ／ｄ＝ｆｏＦλ／Ｖ　・・・・・・・・・・・
・（１）で表わされる。

ここで、正弦波電気信号の周波数が、ｒｏを中心に±Δ
ｒ／２変化するものとすれば、焦点９上での±１次の回
折輝点の変位量Δαは ゛　　Δα冒Δ「Ｆλ／Ｖ　　　　・・・・・・・・・
・−（２）となる、（２）式で明らかなように、ＳＡＷ
の伝搬速度が遅（、レンズ３７の焦点距離が長く、光の
波長λが長いほど、変位量Δαは大きな値を取る。

次に第４図で本発明による光の回折装置の駆動方法の一
実施例を説明する。

ＳＡＷ素子は、既に述べたように、共振周波数と動作帯
域（ＳＡＷが効率良く発生する周波数帯域）を有する。

一般的なＳＡＷ素子の動作特性図は、第４図（ａ）の実
線で示したようになる。また、この特性を存するＳＡＷ
素子により回折した光の±１次の回折輝点の光量は、同
図に点線で示したような変化を示す、また、同図におけ
る横軸は、周波数を示しており周波数Δｆの変化は前記
第３図で示したように回折輝点の変位量Δαと等価であ
る。よって、この特性のＳＡＷ素子をこのままの状態で
回折装置に使用すると、偏向角によって偏向輝点の強度
が非常に変化し、実用的でない場合も生ずる。故に第４
図（ｂ）に示す実施例では、圧電性基板４２上に設けら
れ、伝搬したＳＡＷを七二りする第２の一対の交差指形
電極の出力によって、ＳＡＷを発生させるための正弦波
の電気信号の振幅値を国整し、ＳＡＷ素子の動作周波数
帯域内におけるＳＡＷの振幅値を一定に保ち、結果とし
て偏向した回折輝点の光量を偏向角とは無関係に一定と
している。具体的な方法としては、同図に示したように
、モニタ用の第２の交差指形ｍ極の出力を検波整流回路
で検波整流して、ＳＡＷ発生用の第１の交差指形電極に
電力を供給する自動利得１整能（ＡＧＣ）を有する駆動
用増＠器に加え、ＳＡＷの振幅を一定値に制御する。

〔第２実施例〕 第１図の実施例では、基板１に形成された光透過窓５を
通過した光が、さらに透明な圧電性基板２をも通過し、
その表面で回折して図面の上方へ通過する場合を記述し
た。しかし、ｉ３明な圧電性基板のＳＡＷ伝搬面に、た
とえば、アルミニウム薄膜のような５ＡＷＯ伝搬に影響
を与えることが少なく、シかも光を完全に反射するよう
な部材を置き、光透過窓５を通過し、ＳＡＷによる回析
格子により回折した光が反射して再び光透過窓５を通過
して出射する構成を採ることもできる。

この構成を採ると、光の入射方向と出射方向とをＳＡＷ
伝搬面に対し、同じ下側の象限にすることができるので
、装置を全体的に小形にすることができる。

〔効果〕

以上述べたように、本発明では、圧電性基板のＳＡＷ発
生面の両端にＳＡＷを吸収し、熱に変換する放熱用アブ
ソーバを配置し、さらに放熱用アブソーバで発生した熱
を効果的に放散するための放熱器を放熱用アブソーバに
密着させてＳＡＷ伝酸基板上に備えているため、ＳＡＷ
伝搬基板の光の透過部分に蓄積される熱量が大幅に減少
した。

これにより温度変化によるＳＡＷ伝搬基板の音速変化を
低減させることが可能となり、ＳＡＷによる回析格子の
格子定数（ＳＡＷの空間周期ｄ）を安定化することが可
能となった。このため、偏向角の変動が少なくなり回折
光強度の強い実用的な表面弾性波可変回析格子が実現可
能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の表面弾性波可変回析格子の一実施例
における構成を示す。 第２図は、電気信号の周波数ｆと圧電性基板のＳＡＷ伝
搬速度Ｖ及びＳＡＷの空間周期ｄの関係を示す。 第３図は、ＳＡＷを位相格子として使用した場合におけ
る光の偏向が行われる様子を示す。 第４図は、本発明による表面弾性波可変回析格子におけ
る駆動方法の一実施例を示す。 図において、１は基板、２は圧電性基板、３は放熱用ア
ブソーバ、４は放熱器、５は光透過窓、６は交差指形電
極、２２と３２と４２は圧電性基板、２Ｇと４９８及び
４９ｂは交差指形電極、３７はレンズ、３８はレンズに
よる焦点面をそれぞれ示す。 特許出願人　　　　　アンリツ株式会社代理人　　弁理
士　　小　池　龍　太゛　部第１図 （Ａ−Ａ’）断面図 １・・・基板 ２・・・圧電性基板 ３・・・放熱用アブソーバ ４・・・放熱器 ５・・・光透過窓 ６・・・交差指形電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光透過窓（５）を備えた熱の不良導体で成る基板（１）
   と；該基板（１）上に載せられ、前記光透過窓（５）に
   その表面の一部を露出した圧電性基板（２）と；該圧電
   性基板（２）上に形成され、該圧電性基板（２）の表面
   に表面弾性波を生ぜしめて前記光透過窓（５）から入射
   する光に対する回析格子を形成するための少なくとも一
   つの交差指形電極（６）と；該圧電性基板（２）の前記
   表面弾性波発生面の両端にあって、該交差指形電極（６
   ）で発生し該圧電性基板（２）の表面を伝搬してきた表
   面弾性波を吸収し、かつ、これを熱に変換する放熱用ア
   ブソーバ（３）と；該放熱用アブソーバ（３）にその一
   部を密接し該放熱用アブソーバ（３）内に生じた熱を外
   気に放散するための熱の良導体で成る放熱器（４）とか
   ら成ることを特徴とした表面弾性波可変回析格子。