JPH0668592B2 - 光偏向装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光を偏向させるための光偏向装置の改良に関
するものである。

従来技術およびその問題点 レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の装置に
は、光を所望の角度に偏向させるための光偏向装置が用
いられる。このような光偏向装置としては、ポリゴンミ
ラー、ホログラムスキャナ等が知られているが、いずれ
も回転機構およびその駆動装置等の機械的可動部分を備
えたものであるため、装置が複雑かつ大型となり、ま
た、必ずしも十分な耐久性が得られるわけではなかっ
た。

問題点を解決するための手段 本発明は、以上のような事情を背景として為されたもの
であり、その要旨とするところは、(1)光軸を含む平面
と平行な面を境として分割された複数の部分凸レンズ部
から成り、その部分凸レンズ部の焦点が上記光軸と直交
する一方向へ順次ずらされている非球面凸レンズと、
(2)光をその非球面凸レンズに入射させる光源装置と、
(3)その非球面凸レンズの部分凸レンズ部に光を択一的
に通過させる光シャッタ手段と、(4)前記非球面凸レン
ズに入射させる光の偏向角を音響光学効果あるいは電気
光学効果により予め変化させる固体光偏向素子とを、含
むことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、光シャッタ手段によって択一的に光
が通過させられる部分凸レンズ部の焦点は、光軸を含む
平面と平行な一方向へ順次ずらされているので、部分凸
レンズ部を透過した光は、その部分凸レンズ部に対応し
た異なる位置に集光させられる。この集光点は、部分凸
レンズ部のずれ寸法に対応したものであり、光シャッタ
手段によって光を透過させる部分凸レンズ部が選択され
ることにより、あたかも凸レンズがその光軸と直交する
方向へ移動させられた状態となり、その移動に伴って一
点を通って非球面凸レンズに照射される光が所望の角度
に偏向させられることになる。また、固体光偏向素子に
よって前記非球面凸レンズに入射される光が予め偏向さ
せられると、上記集光点が非球面凸レンズへの入射光の
偏向角によって更に広い範囲で変化させられる。したが
って、光を偏向させるための回転機構やその駆動装置等
の機械的可動部分が不要となるので、装置が小型となる
とともに、十分な耐久性が得られるのである。

前記非球面凸レンズは、好適には、一面が平らな平凸レ
ンズ状に形成されており、前記光シャッタ手段は、その
非球面凸レンズの平面状の片面において設けられる。光
シャッタ手段は、液晶セルであってもよいし、電気光学
効果を有する材料にて構成された固体光シャッタ素子等
であっても良い。

また、前記非球面凸レンズは、好適には、板ガラス片が
予め積層されることにより用意された素材を凸レンズ状
に球面研磨し、その後その板ガラス片を光軸と直角な一
方向へ順次ずらして互いに固着することにより構成され
る。あるいは、その非球面凸レンズは、一個のガラス素
材を凸レンズ状に研磨した後、その凸レンズの光軸を含
む平面に平行な平面を境として分割することにより、部
分凸レンズ部に相当する板ガラス片を複数作成し、その
板ガラス片を光軸に直角な方向へ順次ずらし互いに固着
することによっても構成される。

また、前記光源装置は、好適には、レーザ光を出力する
半導体レーザ素子を備えた単色光源と、その半導体レー
ザ素子から出力されたレーザ光を一点に集光させた後前
記非球面凸レンズへ送る集光レンズとを備えたものであ
り、また、この光源から非球面凸レンズに向かって照射
される光が通過する一点は、好適には、光軸方向におい
て非球面凸レンズからその焦点距離だけ離隔した点と焦
点距離の２倍だけ離隔した点との間に位置させられる。
このようにすれば、部分凸レンズを通過した光の集光点
間の距離が部分凸レンズ間のずれ量よりも拡大される利
点がある。

そして、前記固体光偏向素子は、好適には、上記光源装
置の単色光源と集光レンズとの間に設けられる。

実施例 第１図は、レーザプリンタ等に用いられる光偏向装置を
示すものであって、位置固定の基台１０上には非球面凸
レンズ１６および光シャッタ２０から成るレンズ型光偏
向素子１４が固定されている。第２図および第３図に示
すように、非球面凸レンズ１６は、光軸を含みかつ可動
台１２の移動方向に平行な平面、すなわち、第１図での
水平な平面を境として凸レンズが複数個分割された複数
の部分凸レンズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等から成り、
光シャッタ２０は、それ等部分凸レンズ部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ等に対応して配設されたシャッタセグメント
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ等から成る。上記非球面凸レン
ズ１６は、たとえば第４図に示すようにガラス素材から
球面研磨された平凸レンズが第５図に示すようにその光
軸を含む平面と平行な平面を境として分割され、このよ
うな分割により得られた部分凸レンズ部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ等を分割面の面方向であって光軸に直交する
一方向に向かって順次ずらした状態で互いに固着するこ
とにより得られる。また、非球面凸レンズ１６は、板ガ
ラス片２４を多数積層することにより用意された第６図
の状態で、平凸レンズ状に研磨することにより前記第５
図に示す状態とし、このようにして得られた部分凸レン
ズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等を第２図に示すように互
いに固着することによっても得られる。

前記光シャッタ２０のシャッタセグメント２２ａ、２２
ｂ、２２ｃ等は部分凸レンズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ
等の平面状の一面にそれぞれ固着されている。それ等シ
ャッタセグメント２２ａ、２２ｂ、２２ｃ等は、それぞ
れ電界に応じて異なる光学的異方性を示す電気光学材料
等から成り、光軸と平行な方向においてその材料を挟む
図示しない一対の透明電極を備えている。その一対の透
明電極に印加される電圧に従って電気光学材料の光学的
異方性が変化させられることにより、光シャッタ作用が
得られるようになっている。なお、本実施例の光シャッ
タ２０は上述のように多数のシャッタセグメント２２
ａ、２２ｂ、２２ｃ等から構成されているが、電気光学
効果を有する物質から成る一枚の基板の片面全体に透明
電極を設ける一方、他面に部分凸レンズ部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ等に対応した多数の縞状の透明電極を設けて
構成しても良いし、前記光シャッタ２０に替えて、所定
厚みに液晶が封入されかつその液晶を挟むガラス板の内
側に上記と同様の電極が形成された液晶セルを光シャッ
タとして用いても良いのである。

第１図に戻って、半導体レーザ素子等から成る位置固定
の単色光源３０から発射されたレーザビームは、固体光
偏向素子を構成する基板２８を通過した後、集光レンズ
３２によって集光点３４に収束させられ、その後再び拡
散して前記レンズ型光偏向素子１４の前面に入射される
ようになっている。集光点３４は、光軸方向において非
球面凸レンズ１６からその焦点だけ離隔した点と、その
焦点の２倍だけ離隔した点との間に位置させられてい
る。本実施例では、上記単色光源３０および集光レンズ
３２によって光源装置が構成されている。

レンズ型光偏向素子１４においては、光シャッタ２０に
より、その部分凸レンズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃのい
ずれかが択一的に開かれると、部分凸レンズ部１８ａ、
１８ｂ、１８ｃ等のうちのいずれかのひとつを通過した
光がレーザプリンタのマスタードラム等から成る画面３
６上に集光させられるようになっている。なお、図示は
しないが、単色光源３０とレンズ型光偏向素子１４との
間、およびレンズ型光偏向素子１４と画面３６との間に
は必要に応じて種々の光学素子が適宜用いられる。

前記固体光偏向素子を構成する基板２８は、たとえばＬ
ｉＮｂＯ_３結晶等の透光性および圧電効果を有する物質
からなる0.5mm厚程度のものであって、その一面には光
導波路が設けられている。この光導波路は、基板２８の
他の部分よりも屈折率が大きくされて厚み方向に光を閉
じ込める特性により光が好適に導かれるようになってお
り、たとえば基板２８の表面からＴｉ（チタン）を拡散
させることにより数μｍ程度の比較的薄い層状に形成さ
れている。そして、第７図に示すように、基板２８の入
射側の端面３８から入射したレーザビーム４０は上記光
導波路内を導かれる過程で、光収束部４２において平行
光に収束させられかつ光偏向部４４において音響光学効
果により偏向させられるとともに、他方の端面から射出
されるようになっている。

すなわち、光収束部４２は、基板２８の面方向かつ前記
レーザビーム４０の光軸Ｌ_０に直角な方向においてその
光軸Ｌ_０に近づく程拡散濃度が高くなるようにＴｉのよ
うな拡散材料が拡散させられることにより、光導波路に
おいて光軸Ｌ_０に近づく程屈折率が高くされて凸レンズ
機能が設けられたものである。光偏向部４４は、その一
端に設けられた一対の櫛型電極４６，４８によって励振
された弾性表面波（超音波）５０により、光導波路内に
おいて前記レーザビームの光軸Ｌ_０に交差する方向に周
期的な屈折率変化が形成され、ここを通過するレーザビ
ーム４０がブラッグ回折により光軸Ｌ_１へ回折されるよ
うになっている。すなわち、光の波長をλ、光導波路の
屈折率をｎ、弾性表面波５０の波長をΛとすると、ブラ
ッグ回折による回折角２θ_Ｂは次式(1)に従って得られ
る。

２sinθ_Ｂ＝λ／ｎΛ ・・・(1) そして、櫛型電極４６，４８に供給される電圧の周波数
が変更操作されるに伴って弾性表面波５０の周波数がΔ
だけ変化させられると、次式(2)にしたがってレーザ
ビーム４０が偏向角度Δθ_Ｂだけ変化させられるのであ
る。なお、弾性表面波５０は実際には目視出来ないが理
解を容易とするために図示されている。本実施例では基
板２８が圧電素子としての機能を有するＬｉＮｂＯ_３で
あるため、櫛型電極４６，４８間への電圧印加により弾
性表面波５０が発生させられるが、ＰＺＴやＺｎＯ等の
超音波トランジューサ等が基板２８の側面に取り付けら
れても良い。

２Δθ_Ｂ≒λ・Δ／ｖ ・・・・・(2) 但し、ｖは弾性表面波の伝播速度である。

以下、本実施例の作用効果を説明する。

レンズ型光偏向素子１４においては、前述のように、単
色光源３０から基板２８および集光レンズ３２を通過し
たレーザビーム４０が光シャッタ２０によって透過が許
容されたひとつの部分凸レンズ部を通して画面３６上の
一点に集光させられるが、第８図に示すように、このと
きの部分凸レンズ部をたとえば１８、画面３６上の集
光点をＳ とする。次に、他の部分凸レンズ部たとえば
１８ｇが光シャッタ２０によって開かれたとき、その部
分凸レンズ部１８ｇを通過したレーザビームが、画面３
６上のＳ_ｇ点に集光させられるとする。このような２つ
の集光点Ｓ およびＳ_ｇは、第８図の実線で示す部分凸
レンズ部１８が一点鎖線に示す部分凸レンズ部１８ｇ
の位置まで光軸と直角な方向に移動させられたのと同様
となり、レーザビームが偏向される。特に、集光点３４
が、非球面凸レンズ１６の光軸方向において、その焦点
Ｆと焦点距離の２倍に相当する点Ｆ_２との間に位置させ
られているため、集光点Ｓ とＳ_ｇとの間隔は部分凸レ
ンズ部１８と１８ｇとのずれ量よりも大きく、集光点
の移動距離が大きく増幅される。

以上の状態において、前記櫛型電極４６、４８に供給さ
れる電圧の周波数がたとえば２０段階程度に変化させら
れると、その周波数の変化段階に応じて、非球面凸レン
ズ１６の前面に入射する前のレーザビーム４０が基板２
８内において前記(2)式に従って偏向させられるので、
ビーム４０の集光点は、画面３６上において変化させら
れる。たとえば、上記櫛型電極１８が光シャッタ２０
によって開かれている場合においては、ビーム３２の集
光点は櫛型電極４６、４８に対する供給電圧の周波数に
応じて、前記集光点Ｓ 乃至Ｓ_ｇ点間の間隔内において
位置決めされるのである。そして、このような櫛型電極
４６、４８に対する供給電圧の周波数変化とシャッタセ
グメント２２ａ、２２ｂ、２２ｃ等に対する印加電圧を
制御することにより、画面３６上において破線で示され
る領域内のいずれかの位置にレーザビームが集光させら
れる一方、画面３６を上下方向へ送る制御を併せて行う
ことにより所望の文字等を描くことができるのである。

このように、本実施例によれば、レンズ型光偏向素子１
４が光軸と直交する一方向に順次ずらされた部分凸レン
ズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等から成る非球面凸レンズ
１６と、部分凸レンズ部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等を択
一的に開く光シャッタ２０とから構成されており、ま
た、上記非球面凸レンズ１６の入射光を予め偏向させる
固体光偏向素子は櫛型電極４６、４８を備えた基板２８
から構成されているので、レーザビーム４０の偏向に関
して、可動部分がなく小型となるとともに、極めて高い
信頼性が得られるのである。すなわち、ポリゴンミラー
やホログラムスキャナを用いる従来の場合に比較して、
回転機能および駆動装置等が不要となり、装置が小型か
つ簡単となるとともに耐久性が向上するのである。

また、直列に配設された二つの偏向素子による光の偏向
作用によって光の集光位置が変化され得るので、より広
い範囲での光の集光点の移動が可能となるのである。

なお、上記固体光偏向素子は、第９図および第１０図に
示す基板６４から構成されたものであっても良い。すな
わち、基板６４は電気光学効果を有する材料から構成さ
れたものであって、その端面において固定された半導体
レーザ素子６６から発射されたレーザビームは光収束部
６８において平行光線とされた後、光偏向部７０におい
て偏向させて他方の端面から射出されるようになってい
る。上記光収束部６８は前記光収束部４２と同様のもの
であって拡散により凸レンズ機能を有する屈折率分布が
形成されている。上記光偏向部７０は光軸Ｌ_２を挟んで
位置する一対の電極７２、７４とそれら電極７２、７４
間において光軸Ｌ_２と斜交する電極７６とから構成され
ており、その偏向作用は光導波路７８を構成する材料が
電界に応じて屈折率を変化させる作用を利用するもので
ある。電極７２、７４と電極７６との間に電圧を印加す
ると光偏向部７０のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ線上におけ
る光導波路７８内の電界Ｅおよび屈折率変化Δｎはそれ
ぞれ第１１図、第１２図、および第１３図に示す如くと
なる。したがって、上記光軸Ｌ_２に沿って進むレーザビ
ームは光束の各部で経験する屈折率が異なって上記屈折
率変化Δｎの大きさに従って偏向させられるので、電極
７２、７４と電極７６との間に印加する電圧を時間的に
変化させることによりレーザビームの偏向角が変化させ
られるのである。なお、８０はＳｉＯ_２等の薄膜であっ
て、光が光導波路７８内を効率良く伝播するように設け
られた緩衝層である。

また、第１４図および第１５図に示すように、前記非球
面凸レンズ１６はガラス素材に研磨加工することにより
一体に形成されてもよい。また、第１６図に示すよう
に、レンズ型光偏向素子１４は非球面凸レンズ８２から
構成されても良い。この非球面凸レンズ８２は、前述の
ように、光軸と直交する一方向に互いに順次ずらされた
部分凸レンズ部８４ａ、８４ｂ、８４ｃ等から成るが、
部分凸レンズ部８４ａ、８４ｂ、８４ｃ等自体が電気光
学効果を有する物質から構成されるとともに、その両面
に図示しない透明電極が個々に設けられており、部分凸
レンズ部８４ａ、８４ｂ、８４ｃ等自体がシャッタセグ
メントを兼ねている。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であ
り、本発明はその精神を逸脱しない範囲において種々変
更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光偏向装置を説明する斜視
図である。第２図は第１図の装置内に設けられたレンズ
型光偏向素子の一部を構成する非球面凸レンズの正面図
である。第３図は第１図のレンズ型光偏向素子の側面図
である。第４図、第５図および第６図は、第２図の非球
面凸レンズの製造工程をそれぞれ説明する図である。第
７図は第１図の装置内に設けられた固体光偏向素子を説
明する図である。第８図は第１図のレンズ型光偏向素子
の光偏向作用を説明する図である。第９図および第１０
図は本発明の他の実施例における固体光偏向素子を示す
平面図および側面図である。第１１図、第１２図、およ
び第１３図は、第９図の光偏向部のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ
−Ｃ線上における電界および屈折率変化をそれぞれ示す
図である。第１４図および第１５図は本発明の他の実施
例におけるレンズ型光偏向素子を示す第２図および第３
図に相当する図である。第１６図は本発明の他の実施例
におけるレンズ型光偏向素子を示す側面図である。 １６，８２：非球面凸レンズ ２０：光シャッタ（シャッタ手段） ２８，６４：基板（固体光偏向手段） ３０：単色光源（光源装置） ３２：集光レンズ（光源装置）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸を含む平面に平行な面を境として分割
   された複数の部分凸レンズ部から成り、該部分凸レンズ
   部の焦点が上記平面と平行な一方向へ順次ずらされてい
   る非球面凸レンズと、 光をその非球面凸レンズに入射させる光源装置と、 前記非球面凸レンズの部分凸レンズ部に光を択一的に通
   過させる光シャッタ手段と、 前記非球面凸レンズに入射させる光の偏向角を音響光学
   効果あるいは電気光学効果により予め変化させる固体光
   偏向素子と を、含むことを特徴とする光偏向装置。