JPS6287944A - 光走査装置 - 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】 （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
おるいは読取光を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、■液晶素子アレイヤＰ
ＬＺ丁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、０Ｎ１０ＦＦ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、ざら
には ＠ＬＥＤ等の発光素子を多数−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、
１０ＦＦ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必るとい
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おっても
、上記と同様に光ビームを（辰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ヤ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りては
、四光板を２枚使用する必要が必ることから、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段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、耐娠勤性
に優れ、調整が容易で、光利用効率が高（、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
たく特願昭６０−７４０６１＠）。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、互いに畜看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す隣接層との積層体
と、 上記光導波層および／または隣接層に、光導波層内を進
む導波光の光路に治って股【ノられだ複数のエネルギー
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【ブられた回折格子と、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（ｎｌ）および／または隣接層の光
屈折率＜ｎｔ、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ｎｌ〉ｎｌの関係を持つ）を、その差
（ｎｚ　　ｒ＋１）が小さくなるように、あるいはｎ２
≦ｎｌ　となるように変化させて、光導波層中に閉じ込
められた導波光の部分１５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（−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
ｎ３．光導波層１１の光屈折率ｎ２、電界を印加してい
ないときの隣接層１２の光屈折率ｎｌの間にｎｚ　＞ｎ
ｌ　、ｎ３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
を王とすると、光導波層１１の実効屈折率はｎ。ｆｆで
おる。この時導波光１４の界分布（電界分布）は、例え
ばＴＥｏ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ヤ基板１
０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、隣接層１２に直接お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、からｎ１＋△ｎ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。ｆｆは”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、は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１ｉｉ１２の
光屈折率をｎｌからｎ１＋△ｎ″に変化させたとき、こ
のｎｌ＋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”’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（７３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ｎ１を光導波層１１の光屈折
率ｎ２と略等しいか又はｎｌ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、反対に先導波＠１１を
電気光学材料から形成してそこに電極対を設り、該光導
波層１１の光屈折率を変化さぜる（低下させる）ように
してもよいし、ざらには光導波層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
めるから、前記り、ＥＤ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、ざらに光
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
Ｎ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図においては紙面の表裏方向に）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に数百
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ざに電極間間隙
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によって光走査を行
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おる。

（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の詳細な説
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 ｎ２　＞ｎｌ　Ｓｎ３ を満たす材料から形成されている。なお前述の通り、ｎ
２　ｓ　ｎ３はそれぞれ光導波層１１、基板１０の光屈
折率、ｎｌ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、（Ｎｂｚ０！　　：　Ｋ
３　Ｌ　！ｚ　Ｎｂ５０１５　ニガラス〕、（Ｎｂ２０
！ｌ　　：Ｌ！Ｎ１）０３　ニガラス〕等が挙げられる
。

なお先導波路については、例えばティー　タミール（Ｔ
、Ｔａｍ１　ｒ）編「インテグレイテッドオブティクス
（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　　０ｐｔｉＣ８）Ｊ　　（ト
ピックス　イン　アプライド　フィジックス（Ｔｏｐｌ
ｃｓ　　ｉｎ　　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ　ｉ　ｃｓ）
第７巻）スプリンガ−フエアラーグ（Ｓｔ）ｒ　ｉ　ｎ
ｇｅｒ−Ｖｅｒ　Ｉ　ａｃｔ）刊（１９７５）；西原、
春名、栖原共著［光集積回路１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、木板１０はそれぞれ一例として厚さ０．５〜１
０μｍ、１〜５０μｍ、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０１．Ｄ２、Ｄ
３〜□ｎ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
、Ｇ３〜Ｇ（ｎ−１＞が設けられている。なお電極Ｄ１
〜Ｄｎの大きさは例えば０．０５〜０．２調×３〜５馴
程度、また互いの間隔は０．２＃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。

−力光導波層１１には、電極Ｄ１〜□ｎ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１
７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〜［）ｎ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
でおる。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Ｍ１１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Ｄ１〜［）ｎ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つずつ増ヤしながら、電圧印加を行なう。

つまり最初は１番目の電極Ｄ１が電位■で２番目以下の
電極Ｄ２〜Ｄｎが電位Ｏ（ゼロ）、次は１．２番目の電
極Ｄ１、Ｄ２が電位■で３番目以下の電極Ｄ３〜Ｄｎｆ
ｆｉ電位Ｏ１次は１．２．３番目の電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ
３が電位Ｖで４番目以下の電極Ｄ４〜Ｄｎが電位Ｏ・・
・・・・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０１〜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＞　・−・−・−０１と変化するよ
うに、電極０１〜（）ｎ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１１Ｍ態様において、回折格子０１〜Ｇ（ｎ−
１＞は、光導波層１１内の導波光１４の進行方向に光１
４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０１〜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お
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１１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＠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〜［）ｎ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
の面積を十分大きくとることができる。このように各電
極０１〜［）ｎ間の距離を小ざく設定すれば、隣接層１
２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０１〜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次元方向に集束作用を有するレンズアレイ３
０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０１〜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ざ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０ＱＣ８３−８４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どの積層体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横わないし、ざらには光導
波層１１の両表面に隣接層１２を積層して、光導波層１
１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、前記型［！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（辰勤性に優れて調整も容易であり、ざらに光
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
置お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Ｎ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
能でのるから、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、先導波路の光損傷を防止すること
かできる。

【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ｔ＃、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必る。 １０・・・巣板　　　　　　　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〜□ｎ
・・・電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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す
   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つて、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。
2. （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。
3. （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。