JPS6364766B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波偏向器を用いた光束偏向装置に
関する。

超音波偏向器（Ａ／Ｏ偏向器と称す）は従来の
ポリゴンミラー、ガルバノミラー等の機械的偏向
器に比べ高速走査が可能な為、高速レーザービー
ムプリンター、TVデイスプレイ等への適用が期
待されている。しかし、従来の方式のＡ／Ｏ偏向
器においては、その偏向角（走査可能な角度範
囲）が少さいという欠点があつた。

最初に従来用いられたＡ／Ｏ偏向器及びその問
題点に関し詳しく説明する。Ａ／Ｏ偏向器として
は第１図に示すような体積型の偏向器と、第２図
に示すような薄膜導波路型のもので２種類ある
が、本発明はこれら両種に適用可能である。まず
これらのＡ／Ｏ偏向器の構成作用を説明すると、
第１図示の偏向器において、１はPLZT等の圧電
物からなるトランデユーサーであり、この超音波
トランデユーサーはTeO₂等の超音波導波体２に
密着配置されている。このトランデユーサー１に
外部より50MHz〜1000MHz帯域の高周波電圧が印
加されると、超音波が導波体２中を疎密波の形で
進行し、導波体中に屈折率の変化による回折格子
構造が形成される。この導波体２にレーザービー
ム３を入射させると、そのビームは上記回折格子
構造によりブラツグ回折を受け回折光束４として
射出される。このとき零次回折光束５と回折光束
４とのなす回折角θはトランデユーサー１に付加
する高周波の周波数により変化し、それは次式で
与えられる。

θ＝sin^-1（λf／2vn） (1) ここで、Ｖは超音波の速度、ｆは付加周波数、
λは入射光束の空気中での波長、ｎは媒体２の屈
折率である。

上式より付加周波数ｆを変えることによりθを
変化させ射出光束４を偏向走査させ得ることが理
解される。この偏向角の最大振り角はブラツグ回
折の角度選択幅で決まり、ある周波数以上になる
と入射光束が超音波の場による回折格子構造のカ
ツプリング条件からはずれてしまい回折効率は低
下する。そのため、最大偏向角は限定されてしま
い、従来例ではせいぜい3゜程度である。

第２図は薄膜導波路型のＡ／Ｏ偏向器である。
LiNbO₃等の圧電性結晶基盤６の表面にTiを拡散
させて光導波路７が作られている。この導波路は
厚みが2μm程度で、屈折率は基盤のLiNbO₃の屈
折率2.2に対し、約0.01だけ高くなつて高屈折率
層を形成している。

この導波路に高屈折率のプリズム８を近接さ
せ、外部よりレーザー光束９を導波路７に導く。
導波路７の面上にはくしの歯状の超音波励起用の
電極１０が設けられている。この電極１０に高周
波を印加することにより、結晶６の表面に超音波
表面波が発生する。導波路中に入射した光束１１
はこの超音波表面波により偏向光束１２として回
折される。先の体積型Ａ／Ｏ偏向器の場合と同様
に電極１０に印加する高周波の周波数を変えるこ
とにより、光束１２は偏向される。偏向光束１２
は射出用プリズム１３により外部に射出され、偏
向光束として利用される。この導波路型Ａ／Ｏ偏
向器の場合もブラツグ回折のカツプリング条件に
より最大偏向は制限される。

導波路型Ａ／Ｏ偏向器において、偏向角を増大
させるいくつかの試みがなされている。その例は
文献IEEE Transactions on Circuits and
Systems vol.CAS―26 No.12.p1072.「Guided―
Wave Acousto―optic Bragg Modulators for
Wide―Band Integrated Optic
Communications and Signal Processing」by
C.S.TSAIに詳しく述べられている。その一例は
第３図に示すように、広周波数帯域を共振帯域の
異なる複数のトランデユーサ１４₁，１４₂…によ
り分担し、かつそれぞれのトランデユーサーを互
いにわずかずつ傾けることにより全帯域で入射光
束がカツプリングされるように工夫されている。
４個のトランデユーサーを用いた例では680MHz
の帯域が得られている。このときの偏向角は約4゜
である。

また他の例では第４図に示すように、くしの歯
電極１５のピツチＰと傾きを順次変化させ低域
から高域になるにつれ超音波の進行方向が変化
し、広帯域で入射光束がカツプリングされるよう
に工夫されている。

これらの改良型の偏向器でも、ドライバー技
術、くしの歯電極のパターン加工技術等の制約に
より、その最大偏向角は4゜程度である。

しかしながらこのような偏向角を増大させる方
法は、偏向角の増大に伴なつて広い同波数帯域の
電圧印加用発振器を必要とするが、一般に広い周
波数帯域の発振器を得るのは困難である。周波数
帯域を広げないで偏向角を広角化する方法とし
て、同一周波数帯域のトランデユーサーを第５図
に示すように複数個配列し、それらの傾き角を変
え、かつ、入射光束の方向も、それら各トランデ
ユーサーの傾き角に対応して変えて、各入射光束
と各トランデユーサーの組合せを順次切替えて、
広い偏向角を得ることも考えられる。この場合に
は超音波トランデユーサー周波数が極端に高くな
らないという利点がある。しかしこの場合の問題
点はこの種の偏向器に存在する零次回折光の影響
である。

すなわち、第５図において第１のトランデユー
サー１６により励起された超音波１７に第１の光
束１８を入射させると、その一部は偏向光束とな
るが、一部の光束は回折されずに零次光１９とな
る。この第１のトランデユーサー１６により最大
回折角２０より最小回折角２４の間の斜線部２１
の角度範囲が走査される。この第１の偏向範囲２
１に接続して、時系列的に切り換えられた第２の
トランデユーサー２２と入射光束２３の組合せに
より最大回折角２４から最小回折角２６の間の斜
線部２５の偏向範囲が走査される。この偏向範囲
２５の中には先の第１の光束１８による零次光１
９が存在することになる。そのため、この偏向器
をレーザービーム記録、またはレーザーデイスプ
レイに用いた場合にはこの零次光束１９は偏向光
束に対し、静止光束となるため、その光量が多少
低い場合でも偏向範囲２１，２５中に輝線ノイズ
となつて記録又はデイスプレイに非常な有害とな
る。

本発明の目的は、トランデユーサーに印加する
周波数帯域を広げなくても、広い偏向角を実現で
き、かつ、その際ノイズズ光束が混入しない良好
な光束偏向装置を提供する事である。

以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第６図は、本発明の第１実施例の偏向装置を示
す。この実施例の偏向装置は、導波路型Ａ／Ｏ偏
向器を利用したものでLiNb₃等の圧電性結晶板２
０上にTi等の金属をdiffuseして導波路２１が形
成されており、この導波路２１の面上に２つの平
行くしの歯状電極２９，３０が互いに角度をもつ
て設けられている。本実施例の偏向装置において
は、このくしの歯状電極２９と３０に第８図Ａで
示されるような周波数f₁と周波数f₂間の周波数範
囲を往復変化する電圧信号が交互に印加される。
即ち、時刻t₀→t₁で周波数が連続的にf₁よりf₂ま
で変化する信号が第１の電極２９に、また次のt₁
→t₂の時刻に周波数がf₂よりf₁に変化する信号が
第２の電極３０に印加される。この高周波数信号
により導波路２１面上に超音波弾性表面波が発生
し、速度Ｖmm／秒で進行する。

最初のf₁からf₂への周波数変化が通じるt₀，t₁
間には、この信号によつて第１の電極２９から発
生した導波路上の表面弾性波の超音波場には、幅
Ｗの第１光束２２が入射される。第１の電極２９
からｌの距離にあるこの光束の端Ｐ点には、表面
弾性波はτ＝ｌ／ｖ秒の間の時間の時間ずれをもつ て到達する。今時刻ｔでの電極２９に印加される
電圧の周波数をｆ（ｔ）とすれば、Ｐ点における
表面弾性間の回折格子定数（単位長さ当りの格子
本数、即ち弾性波の波長の逆数）Ｎ（ｔ）はＮ
（ｔ）＝ｆ（ｔ−τ）／ｖで与えられ第８図Ｂのように 変化する。従がつて時刻（t₀＋τ）→（t₂＋τ）
の間に第１の光束２２は第７図Ａで示す如く最小
回折角位置ａより最大回折位置ｂまで、零次光位
置ｅから遠ざかるように偏向されて、今第７図Ａ
に示した基準位置ｇより計つた回折角をθとすれ
ば、この時間区間（t₀＋τ）→（t₁＋τ）では、
第１の光束は回折角度より零度まで偏向され
る。

次に周波数がf₂となる時刻t₁に、光束切り換え
手段により（不図示）入射光束は第２の光束２３
に切り換わり、そのと同様にトランデユーサーも
切り換わつて、電極３０に信号が印加される。こ
の第２の光束２３の入射方向は、第７図に示した
ように第１の光束２２が格子線２７に対するのと
異なり、第２の格子線２８に対し弾性波の進行方
向と逆の方向成分を有する。この構成の為、第２
の光束は、次に説明するようにf₂からf₁への周波
数変化に対応して第１光束の零次光位置ｅより遠
ざかる方向に偏向され、第１及び第２の偏向角範
囲にそれぞれの零次光が含まれる事なく、第５図
で示したような零次光による輝線ノイズは除かれ
る。

第８図Ｂに示す如く、時刻（t₁＋τ）→（t₂＋
τ）の間は第２の電極に印加される信号はf₂から
f₁へと周波数が低下する。従つて第７図Ｂに示し
たような、表面弾性波の負の方向から入射する第
２の光束は、最大回折角位置から、零次光位置ｄ
に対し近ずくような偏向を受ける。本実施例で
は、周波数の変化点f₂において、第１の光束２２
の第１のトランデユーサーによる回折方向（即ち
第７図のｂ方向）と第２の光束２３の第２のトラ
ンデユーサーによる回折方向とが一致するように
入射方向が設定されている為、時刻t₁＋τにおい
て第１の偏向光束と第２の偏向光束がつながり、
時刻（t₁＋τ）→（t₂＋τ）の間は、第２の光束
は最大回折角位置ｂから最小回折角位置ｃまで偏
向される。従つて、時刻（t₀＋τ）より（t₂＋
τ）の間は光束はａからｃまでの従来の２倍の偏
向角が連続的に走査される。

更に時刻t₂において再び入射光束を第２の光束
より第１の光束に切り換えると、偏向光束は、光
束切り換え時間の間に瞬時に最初の走査起点ａに
フライバツクし、その後同様の周期的な切り換え
駆動によりａ→ｃ間のラスター走査が可能とな
る。

この実施例の走査光束のフライバツクタイムは
超音波トランデユーサーの駆動周波数が不連続に
変わることがないため、ほとんど二つの光束の切
替時間で与えられる。この時間は光導波路におけ
る通常の光束切替技術で約3nsecになる。（例えば
文献Appl.Phys.Lett.vol24、No.11（1974）by J.M
Hammer et al） 第８図Ｃ，Ｄはそれぞれ第１、第２の偏向光束
の強度変化を、第８図Ｅは基準位置ｇより計つた
偏向光束の回折角変化を示してある。

尚本実施例において入射光束の切り換えと相ま
つて印加信号をそれぞれのトランデユーサーに切
り換えたが、実際には第１の光束と第２の表面弾
性波、また第２の光束と第１の表面弾性波とはブ
ラツグの条件よりはるかにはずれている為カツプ
リングする恐れはなく、従がつて両方のトランデ
ユーサーに同じ信号を印加して同時駆動していて
も第７図に示したような偏向が行なわれる。

以上説明したように、本実施例の偏向装置は超
音波場に二光束を入射させそれぞれがトランデユ
ーサーに与えた周波数の変化に対し、互いに逆方
向に偏角する配置とし、上記二光束の偏向光束が
互いに異なる角度範囲を偏角するようにトランデ
ユーサーに与える周波数帯域を設定し、上記二光
束を交互に切替えて偏向する事により零次光が混
入する事なく広い角度範囲を偏向する事が可能で
ある。

第９図に第１実施例の偏向装置の全体図を示
す。導波路２１の入射端面には２つの半導体レー
ザーが配置されており、それぞれからの光束は薄
膜レンズを介して超音波の場に進行し回折され
る。これらの２つの方向からの入射光束を回折す
る為、二つの光束をカツプリングさせるように２
組の電極２９，３０が所定の角度だけ傾けられ、
かつ、パターンが互いに対称になるように工夫さ
れ配列されている。この第１の電極２９に対応し
て第１の半導体レーザー２６からの第１の光束２
２を入射させると第１の超音波回折格子によりカ
ツプリングされ、偏向光束３１が得られる。回折
されない一部の光束は零次光束３４となる。同様
に、第２の電極３０に対応して第２のレーザー２
５からの第２の光束２３を入射させるとカツプリ
ングされ偏向光束３３が得られ、回折されない光
束は零次光束３２となる。また所定の周波数範囲
を往復変化する信号をトランデユーサーに与え、
この信号の周波数往復に対応して２つの入射光束
を切り換える事により広い走査範囲を実質的にフ
ライバツクタイムなしに光束偏向走査が可能であ
る。更に本実施例では２つの入射光束の入射角
を、周波数の変化地点でそれぞれの最大及び最小
回折方向が一致するように設定されている為、そ
れぞれの偏向範囲が連続的につながつた偏向角の
倍化された偏向装置が得られる。

第１０図に、第４図で示したような広帯域化さ
れたTilted fingen chirpad tranducerを用いて
更に広い偏向角を実現する本発明の第２の実施例
を示す。

第１のトランデユーサーにより励起された超音
波弾性表面波５２の回折格子ベクトル５３の方向
に対し、第１の入射光束５５は順方向から入射し
ている、これに対し、第２のトランデユーサー５
１により励起された超音波弾性表面波５６の回折
格子ベクトル５７の方向に対し、第２の入射光束
５８は逆方向から入射している。また、この両光
束３１，３２の入射角θ₁、とθ₂はそれぞれのトラ
ンデユーサー５０，５１の最大偏向角θ₁′（f₂），
θ₂′（f₂）に等しく設定されている。

このような配置により先の第１の実施例の第８
図で示したと同様に周波数f₁とf₂の間を繰返し往
復するチヤープト信号により二つのトランデユー
サー５０，５１を駆動する。その際に、同時に二
つのトランデユーサーを駆動するが、それぞれの
トランデユーサーを交互に切換えて駆動してもど
ちらでも良い。但し、フライバツク時間を自質的
に零にするためには、同時駆動する必要がある。
同時駆動の際には二つの超音波表面弾性波が存在
することになるが、それぞれは所定の傾き角をも
つているため、第１の光束が選択されているとき
には第１のトランデユーサーによる超音波表面波
にだけカツプリングされ、他の第２の超音波表面
波は第１の光束に影響を与えない。逆も同様であ
る。

従つて、第８図に示したと全く同様に、二つの
光束を時刻t₀＋τ、t₁＋τ、t₂＋τ…で交互に切
換えることにより倍角の走査が行え、かつ、フラ
イバツク時間を光束の切換時間に短縮できる。

第１０図の実施例では、２つの電極５０，５１
は光軸５９に対して同じ側であつたが、第１１図
の第３実施例に示すように互いに反対側にあつて
も実施可能である。この場合第１１図に示したl₁
とl₂は等しい事が望ましい。この実施例において
も各入射光束は対応するそれぞれの超音波場に対
し正負の互いに異なる方向から入射するように設
定されている為、印加電圧の周波数変化に対して
それぞれの光束は互いに異なる方向へ偏向運動す
る。従がつて第８図示の如き同波数変化信号をト
ランデユーサーに与え、同波数の変化に対応して
入射光束を切り換える事により偏向角がつながつ
て倍化され、かつその為に零次光が混入しない広
角偏向装置が得られる。

次に本発明の倍角化されたＡ／Ｏ偏向器に薄膜
結像レンズを加え、輝点走査器とし、この素子を
ビデオ信号の記録用ヘツドとして応用する実施例
につき、第１２図を用いて説明する。

TiをLiNbO₃の基板１４２に拡散して作成した
導波路１４３に半導体レーザー１４４を直接接触
させ導波路中にレーザー光束をカツプリングさせ
る。カツプリングされた光束１４５は導波路中を
伝播するが、その光束１４５を薄膜レンズ１４６
により平行光束１４７とする。この光束は薄膜導
波路１４３の表面に設けられたくしの歯電極１４
８部を通過する。この通過光束１５０はSAW電
極１４９により励起された超音波弾性表面波によ
り偏向され結像レンズ１５１の作用で基板１４２
の端面５２に点像１５３として集光する。この場
合にレンズ１５１は導波路と垂直な方向には結像
作用を持たないのでこの方向のスポツトサイズは
導波路の厚みにほゞ等しくなる。

本実施例ではこの厚みは約2μm程度にしてあ
る。超音波弾性表面波により回折を受けなかつた
零次回折光は点像１５４として集光する。この集
光点附近には遮光材１５５が設けられている。

超音波トランデユーサー１４９の駆動周波数を
低周波f₁より最高周波数f₂まで連続的に掃引し、
輝点１５３を光軸１５６の位置まで走査する。そ
の状態で光束切替用くしの歯電極１４８に一定電
圧を印加し入射光束１４７の方向を変化させる。
この切替られた光束１５７はその方向が変化した
ことにより超音波トランデユーサー１５８により
励起されている弾性表面波にカツプリングされ、
その方向が変えられ点像１５９として結晶端面１
５２に集光する。非回折光は点像１６０として結
像するが、これは遮光部材１５５により吸収され
る。

超音波トランデユーサー１５８に付加している
周波数をf₂よりf₁まで掃引することにより光軸上
１５６まで走査されていた点像は点像１５９の位
置まで移動する。

次に光束切替電極１４８の電圧をカツトするこ
とにより、入射光束１４７は電極４８を通過し、
超音波トランデユーサー１４９により励起される
表面波にカツプリングされる。先の給像点１５３
に復帰する。以下同様に繰返すことにより輝点走
査が行われる。この結晶端面１５２に光磁気記録
体等の記録テープ１６１を矢印方向に移動させな
がら接触させ半導体レーザーの電流を画像信号で
変調することにより高速走査記録が行える。例え
ばNTSC等のビデオ信号を半導体レーザーに入力
し、一走査時にTVフイールドの1Hを対応させ
輝点走査の繰返し周波数を15.7KHzにとることに
よりTV画像のフイールド記録も可能である。

本実施例においてはくしの歯電極４８により光
束の切替を行つたが、第１７図に点線像で示され
る第２の半導体レーザー１６２を設けて、第１の
半導体レーザー１４４と交互に切替えることによ
り弾性表面波の回折格子部に二方向より光束を入
射できる。この場合にはくしの歯電極１４８は不
要になる。本実施例においては、連続的な広角記
録ができる為、TV信号等を記録した場合は、
TV画面と同一パターンで記録される為、直接記
録画面を観察できる利点を有する。

以上の実施例の偏向装置に対して第１３図Ａに
示したチヤープト信号を用いる事も可能である。
このチヤープト信号を第６図示の実施例に適用し
た場合、最初の（t₀＋τ）→（t₁＋τ）時には、
前実施例と同様に第７図Ａのａ位置からｂ位置へ
と偏向されるが、t₁時に切り換わつた第２の光束
は、印加周波数が再びf₁からf₂へと変化する為、
偏向光束はｃ位置からｂ位置へと偏向される。回
折角変化を第１３図Ｃに示す。従つてこのチヤー
プト信号を第１２図示の記録用偏向装置に適用し
た場合は、第１４図の如き記録テープ１６１上の
走査線となる。

以上述べた実施例において第１、第２のトラン
デユーサーはそれぞれを第３図で示した複数個の
電極で構成されるトランデユーサーに置き換える
事も可能である。例えば第３図示の４個の電極か
らなるトランデユーサーは第１又は第２のトラン
デユーサーとして第８図のf₁からf₂までの周波数
領域を４個の電極で分担する。従がつて本発明の
実施例に用いれば、その２倍の広角偏向領域を得
る事ができる。

以上の説明で明らかなように本発明の偏向装置
は１組又は１対のトランデユーサーからなるトラ
ンデユーサー部が発生する超音波場に対し周波数
変化に対応して入射光束を切り換える事によりト
ランデユーサー部に印加する信号の帯域を倍化せ
ずとも広い角度範囲の偏向角を有する偏向装置が
得られる。

かつ、その際零次光によるノイズ光が偏向角巾
に混入しない、非常に優れた偏向装置を得る事が
できる。

次にTV画像記録の場合の実施例データーを示
す。

１ テープ幅：1/4インチ ２ 記録材：ａ―GdC。

３ 半導体レーザー：820mm波長 シングルモー
ド発振 ４ レンズ46および51の焦点距離：28.6mm ５ 光束47の直径：4.5mm ６ 導波路厚み：2μm ７ 点像サイズ：2μm／（タテ）×3μm／（ヨコ） ８ １ケのtransducer 走査角：3゜ （２ケのtransducerによる全走
査角：6゜） ９ 全走査幅：３mm 10 transducerの駆動：500MHz〜1000MHz 周
波数帯域 11 薄膜レンズ：Geodesic Lens 12 吸収材55：カルコーゲン材orTe等の金属薄
膜 13 入射光束50、57の光軸に対する入射角：
6.11゜

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来のＡ／Ｏ偏向器を示す
図、第３図、第４図は、広帯域トランデユーサー
を示す図、第５図は偏向方法の例を説明する図、
第６図は本発明の第１実施例の偏向装置の１部を
示す図、第７図は、第６図示の偏向装置の偏向過
程を示す図、第８図は、第７図の偏向装置の周波
数信号を示す図、第９図は第１実施例の偏向装置
の全体図、第１０図は第２実施例を示す図、第１
１図は第３実施例を示す図、第１２図は記録装置
に適用した本発明の第４実施例を示す図、第１３
図は本発明の実施例に用いる別の周波数信号を示
す図、第１４図は、第１３図示の信号を用いて偏
向走査した場合の軌跡を示す図である。 図中 １…トランデユーサー、２９，３０…電
極、２１…導波路、２２…第１の入射光束、２３
…第２の入射光束、２７…薄膜レンズ、２５，２
６…半導体レーザー、１６１…記録テープ、３
２，３４…零次折光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 互いに異なる方向に進行する第１及び第２の
   超音波を励起するトランスデユーサ部と、該トラ
   ンスデユーサ部に所定の範囲で周波数が変化する
   信号を印加する手段と、前記第１及び第２の超音
   波に夫々第１及び第２の光束を互いに異なる方向
   から切り換えて入射せしめる手段とから成り、前
   記２本の光束の入射方向を、これらの光束が前記
   超音波によつて互いに逆方向に偏向され、且つ、
   最大角に偏向された夫々の光束の出射方向が一致
   するように配置することによつて、これらの光束
   が同一直線上で連続した異なる領域をそれぞれ走
   査するように構成した広角偏向装置。