(57)【要約】【課題】  光制御装置のオンオフ比を向上させる。【解決手段】  光制御装置１０は、基板３０と、平面電極３２と、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜３４と、光変調膜３４上に周期的に形成された複数の電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃと、を備える。電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃについては制御部４３から制御電圧を印加し、電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃおよび平面電極３２は接地電位とすることによって、光変調膜３４に生じさせる電界分布の周期を、電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの周期より大きく設定する。【選択図】  図１
2007065458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
前記光変調膜に周期的に形成された複数の電極片と、
前記複数の電極片の少なくとも一部の電極片に電圧を印加して、前記光変調膜に周期的な電界分布を生じさせる制御部と、
を備え、
前記光変調膜に生じさせる電界分布の周期を、前記複数の電極片の周期より大きく設定することを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、
前記光変調膜の第１面に周期的に形成された複数の第１面側電極片と、
前記光変調膜の第１面の反対の面である第２面に形成された第２面側電極と、
前記複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片に印加される電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
当該光制御装置がオン状態のときには、前記第２面側電極との電位差によって有意な電界が生じる電極片と、非有意な電界が生じる電極片とが交互に生じるよう、前記複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御し、
当該光制御装置がオフ状態のときには、前記第２面側電極との電位差によって前記複数の第１面側電極片の全ての電極片について非有意な電界が生じるよう、前記複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御することを特徴とする光制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、当該光制御装置がオフ状態のときには、前記複数の第１面側電極片の全ての電極片について前記第２面側電極との電位差がなくなるよう、前記複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御することを特徴とする請求項２に記載の光制御装置。
【請求項４】
前記光変調膜の第２面側に光反射層を有することを特徴とする請求項２または３に記載の光制御装置。
【請求項５】
前記第２面側電極が、光反射層として共用されることを特徴とする請求項４に記載の光制御装置。
【請求項６】
前記光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光制御装置。
【請求項７】
前記電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であることを特徴とする請求項６に記載の光制御装置。
【請求項８】
当該光制御装置は、半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光制御装置。
【請求項９】
当該光制御装置がオン状態のときに前記光変調膜からくる光を検出する受光部をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光制御装置と、
前記光制御装置に光を照射する発光部と、
を備えることを特徴とする光制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界の印加により屈折率が変化する電気光学材料を用いた光制御装置およびそれを用いた光制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（以下、ＰＬＺＴという）等の電気光学効果を有する材料を用いた光制御素子が提案されている。ＰＬＺＴは、（Ｐｂ1-yＬａy）（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3の組成を有する透明セラミックスである。電気光学効果とは、物質に電界を印加するとその物質に分極が生じ屈折率が変化する現象をいう。電気光学効果を利用すると、印加電圧をオン、オフすることにより光の位相を切り替えることができる。そのため、電気光学効果を有する光変調材料を光シャッター等の光制御素子に適用することができる。
【０００３】
こうした光シャッター等の光制御素子への適用においては、従来、バルクのＰＬＺＴが広く利用されてきた。しかし、バルクＰＬＺＴを用いた光シャッターは、微細化、集積化の要請や、動作電圧の低減、低コスト化などの要請に応えることは困難である。また、バルクのＰＬＺＴを製造するバルク法は、原料となる金属酸化物を混合した後、１０００℃以上の高温で処理する工程を含むため、素子形成プロセスに適用した場合、材料の選択や素子構造等に多くの制約が加わることとなる。
【０００４】
こうしたことから、バルクＰＬＺＴに代え、基材上に形成した薄膜のＰＬＺＴを光制御素子へ応用する試みが検討されている。特許文献１には、ガラス等の透明基板上にＰＬＺＴ膜を形成し、その上に櫛形電極を設けた表示装置が開示されている。この表示装置は、ＰＬＺＴ膜が形成された表示基板の両面に偏光板が設けられた構成を有する。ここで、各画素の電極端子部が外部の駆動回路と接続されることにより、所望の画素が駆動され、表示基板の一面側に設けられた光源からの透過光により所望の表示をすることができるようになっている。
【特許文献１】特開平７−１４６６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光のオンオフを制御する光制御装置においては、オン状態とオフ状態の光強度の比であるオンオフ比を高くすることが重要である。たとえば、レーザプリンタなどの画像形成装置では、光制御装置のオンオフ比の低下は、画像品質の低下につながる。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、オンオフ比を向上した光制御装置およびそれを用いた光制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光制御装置は、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜に周期的に形成された複数の電極片と、複数の電極片の少なくとも一部の電極片に電圧を印加して、光変調膜に周期的な電界分布を生じさせる制御部と、を備え、光変調膜に生じさせる電界分布の周期を、複数の電極片の周期より大きく設定する。
【０００８】
この態様によると、この光制御装置は、光変調膜に周期的な電界分布を生じさせない状態では、周期的に形成された複数の電極片によって構成された回折格子としての機能をもつ。複数の電極片の少なくとも一部の電極片に電圧を印加して、光変調膜に周期的な電界分布を生じさせると、光変調膜に周期的な屈折率分布が生じ、周期的に形成された複数の電極片によって構成された回折格子に加えて、光変調膜の周期的な屈折率分布に応じた回折格子が構成される。光変調膜に生じさせる電界分布の周期を、複数の電極片の周期より大きく設定することによって、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子の格子間隔は、周期的に形成された複数の電極片によって構成された回折格子の格子間隔よりも大きくなる。これにより、周期的に形成された複数の電極片によって構成された回折格子によって発生する回折光とは異なる方向に、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子によって発生する回折光を出射することができる。光変調膜に周期的な電界分布を生じさせない状態では、光変調膜の周期的な屈折率分布が生じた場合に構成される回折格子によって発生する回折光の方向にはほとんど光が回折されない。そのため、その方向における漏れ光を極めて少なくすることができ、オンオフ比を向上することができる。
【０００９】
本発明の別の態様も、光制御装置である。この光制御装置は、印加された電界に応じて屈折率が変化する光変調膜と、光変調膜の第１面に周期的に形成された複数の第１面側電極片と、光変調膜の第１面の反対の面である第２面に形成された第２面側電極と、複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片に印加される電圧を制御する制御部と、を備え、制御部は、当該光制御装置がオン状態のときには、第２面側電極との電位差によって有意な電界が生じる電極片と、非有意な電界が生じる電極片とが交互に生じるよう、複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御し、当該光制御装置がオフ状態のときには、第２面側電極との電位差によって複数の第１面側電極片の全ての電極片について非有意な電界が生じるよう、複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御する。
【００１０】
非有意な電界とは、光変調膜に屈折率変化が全く生じない程度の電界か、または屈折率変化が生じたとしても極めて微少な屈折率変化であり、光変調膜が回折格子として機能しない程度の電界を意味する。有意な電界とは、非有意な電界と交互に光変調膜に対して印加し、光変調膜に周期的な屈折率分布を生じさせた場合に、光変調膜が回折格子として有効に機能する程度の電界である。
【００１１】
この態様によると、この光制御装置は、光制御装置がオフ状態のときには、周期的に形成された複数の第１面側電極片によって構成された回折格子としての機能をもつ。光制御装置がオン状態のときには、その他に、光変調膜に周期的な屈折率分布が生じることによって構成された回折格子も機能することができる。光制御装置のオン状態では、有意な電界が生じる電極片と、非有意な電界が生じる電極片とが交互に生じるよう、複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御しているので、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子の格子間隔は、周期的に形成された複数の第１面側電極片によって構成された回折格子の格子間隔よりも大きくなる。これにより、光制御装置がオン状態のときに、周期的に形成された複数の第１面側電極片によって構成された回折格子によって発生する回折光とは異なる方向に、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子によって発生する回折光を出射することができる。光制御装置がオフ状態のときには、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成される回折格子によって発生する回折光の方向にはほとんど光が回折されない。そのため、その方向における漏れ光を極めて少なくすることができ、オンオフ比を向上することができる。
【００１２】
制御部は、当該光制御装置がオフ状態のときには、複数の第１面側電極片の全ての電極片について第２面側電極との電位差がなくなるよう、複数の第１面側電極片の少なくとも一部の電極片の電圧の印加を制御してもよい。
【００１３】
光制御装置は、光変調膜の第２面側に光反射層を有してもよい。この場合、反射型の光制御装置を構成することができる。
【００１４】
第２面側電極が、光反射層として共用されてもよい。この場合、簡易な構造の反射型の光制御装置を構成することができる。
【００１５】
光変調膜は、印加した電界の２乗に比例して屈折率が変化する電気光学材料で形成されてもよい。また、電気光学材料は、チタン酸ジルコン酸鉛またはチタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。この場合、好適に光制御装置を構成することができる。
【００１６】
当該光制御装置は、半導体基板上に形成されてもよい。この場合、半導体基板に光制御装置の制御回路を集積化して形成することができるので、光制御装置とその制御回路の小型化を図ることができる。
【００１７】
当該光制御装置がオン状態のときに光変調膜からくる光を検出する受光部をさらに備えてもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の態様は、光変調システムである。この光変調システムは、上述の光制御装置と、光制御装置に光を照射する発光部と、を備える。この態様によると、たとえば画像形成装置や画像表示装置を実現することができる。
【００１９】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、オンオフ比を向上した光制御装置およびそれを用いた光制御システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１（ａ）は、本実施の形態に係る光制御装置の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す光制御装置のＡ−Ａ’線断面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、光制御装置１０は、基板３０と、平面電極３２と、光変調膜３４と、櫛形電極３６、４０と、制御部４３と、を備える。光制御装置１０は、２５μｍ×２５μｍ程度のサイズに構成される。
【００２２】
光制御装置１０は、基板３０上に形成される。この基板３０の材料としては、表面が平坦なガラス、シリコンなどを好適に用いることができる。たとえばシリコンなどの半導体基板からなる基板３０であれば、基板にスイッチング素子を設け、その上に光制御装置１０を形成してもよい。この場合、光制御装置１０とその制御回路の小型化を図ることができる。
【００２３】
基板３０上には、平面電極３２が形成される。平面電極３２の材料としては、たとえば白金（Ｐｔ）などの金属材料を好適に用いることができる。平面電極３２の厚みは、２００ｎｍ程度とする。本実施の形態において、平面電極３２は白金で形成され、この平面電極３２は、入射する光を反射する反射層としても機能する。平面電極３２を反射層として共用することで、簡易な構造とすることができる。平面電極３２を白金で形成した場合、平面電極３２の反射率は５０％から８０％程度となる。
【００２４】
平面電極３２の上面には光変調膜３４が設けられる。この光変調膜３４の材料としては、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料を選択する。このような電気光学材料としては、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡｓ−ＭＱＷ、ＳＢＮ（（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ２Ｏ６）等を用いることができるが、特にＰＬＺＴが好適に用いられる。
【００２５】
光変調膜３４の膜厚ｔは、入射するレーザ光の入射角および波長λに応じて決定される。たとえば波長λ＝６５０ｎｍ付近の赤色レーザを用いた場合、５００ｎｍから１５００ｎｍの範囲で形成するのが望ましい。後述のように、光変調膜３４に印加される電界は、膜厚方向に印加されるため、膜厚を１５００ｎｍ以下とすることで、十分な屈折率変化を得るための電界を印加することが容易となる。また、膜厚を５００ｎｍ以上とすることで、周期的な電界を印加した場合に回折格子として有効に機能させることができる。
【００２６】
光変調膜３４の上面には、櫛形電極３６、４０が設けられる。櫛形電極３６は、櫛の歯である３つの電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃを有し、それぞれの電極片は同電位に保たれる。また、櫛形電極４０は、櫛の歯である３つの電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃを有し、それぞれの電極片は同電位に保たれる。電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃは全て同じ幅に形成されている。櫛形電極３６の電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃと、櫛形電極４０の電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、一定の間隔で交互に配置される。すなわち、図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿って見ると、６つの電極片が光変調膜３４上に、電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの順で一定の周期ｄで形成されている。周期的に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃは、それぞれ平面電極３２と電極対を構成する。
【００２７】
電極片の周期ｄは、入射するレーザ光の波長λに応じて定められるが、波長λの１．５〜４倍程度にするのが好ましい。たとえば、波長λ＝６５０ｎｍの赤色レーザを用いた場合、電極片の周期ｄを０．９７５〜２．６μｍ程度とする。それぞれの電極片の幅は、電極片の周期ｄの半分程度に設定する。たとえば電極片の周期ｄを２μｍ程度に設定した場合には、電極片の幅を１μｍ程度とする。また、電極片の長さは、電極片の幅の５倍以上であることが好ましい。
【００２８】
櫛形電極３６、４０は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＩｒＯ２などにより形成し、透明電極とすることが好ましい。透明電極とした場合、光の利用効率を高めることができる。櫛形電極３６、４０をＩＴＯやＺｎＯで形成した場合、その厚みは１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とする。ＩｒＯ２で形成する場合には、膜厚をより薄く、例えば５０ｎｍ程度とすることが望ましい。また、透明電極とした場合、抵抗値と透過率がトレードオフの関係となるため、その厚みは実験的に定めてもよい。櫛形電極３６、４０は、スパッタ法により、ＩＴＯなどを堆積させた後に、フォトリソグラフィーによって櫛形電極３６、４０を焼き付け、エッチングを行うことによって形成することができる。
【００２９】
制御部４３は、櫛形電極３６に制御電圧Ｖｃｎｔを印加する。これにより、光変調膜３４上に形成された６つの電極片の一部である電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃに制御電圧Ｖｃｎｔが印加される状態となる。制御電圧Ｖｃｎｔは、ハイレベルＶＨまたはローレベルＶＬの２値をとる信号である。ハイレベルＶＨは、１５〜２０Ｖ程度であり、ローレベルＶＬは、接地電位と同電位である。一方、櫛形電極４０の電位は、接地電位に固定される。これにより、電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、接地電位に固定された状態となる。また、図１（ｂ）に示すように、平面電極３２の電位は、接地電位に固定される。
【００３０】
以上のように構成された光制御装置１０の動作について、図２および図３を用いて説明する。図２は、光制御装置１０のオフ状態を説明するための図である。同図において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００３１】
光制御装置１０がオフ状態のとき、平面電極３２との電位差によって光変調膜３４上に形成された全ての電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃについて非有意な電界が生じるよう、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃの制御電圧Ｖｃｎｔの印加を制御する。非有意な電界とは、光変調膜３４に屈折率変化が全く生じない程度の電界か、または屈折率変化が生じたとしても極めて微少な屈折率変化であり、回折格子として機能しない程度の電界を意味する。
【００３２】
本実施の形態に係る光制御装置１０では、オフ状態のとき、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃに印加する制御電圧ＶｃｎｔをローレベルＶＬに設定する。このとき、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃと平面電極３２とは同電位であるからこれらの電極間に電界は発生しない。また、上述したように、電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃは接地電位に固定されているので、平面電極３２と同電位であり、これらの電極間にも電界は発生しない。すなわち、光変調膜３４上に形成された全ての電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃについて電界が発生していない状態となる。
【００３３】
ここで、光変調膜３４の上面の屈折率分布に着目すると、空気の屈折率をｎａｉｒ、電極片の屈折率をｎｅｌと表したとき、ｎａｉｒ、ｎｅｌ、ｎａｉｒ、ｎｅｌ、ｎａｉｒ…と周期的な屈折率分布となっている。すなわち、周期的に形成された複数の電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃが、回折格子を構成している。この回折格子の格子間隔は、電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの形成された周期ｄと等しい。
【００３４】
この状態で、光制御装置１０の鉛直方向から波長λのレーザ光Ｌｉｎが入射されると、平面電極３２で反射した光が回折し、鉛直方向に反射する０次光Ｌ０の他に、±１次光Ｌ±１などの回折光が発生する。なお、図２では、±２次以上の回折光の図示を省略している。電極片の周期をｄ、レーザ光Ｌｉｎの波長をλとした場合、±１次光Ｌ±１の回折角θ１は、
θ１＝ａｒｃｓｉｎ（λ／ｄ）  …（１）
と表される。たとえば、波長λ＝６５０ｎｍ、周期ｄ＝２μｍの場合、回折角θ１は、約１８．９°となる。
【００３５】
図３は、光制御装置１０のオン状態を説明するための図である。光制御装置１０がオン状態のとき、制御部４３は、平面電極３２との電位差によって有意な電界が生じる電極片と、非有意な電界が生じる電極片とが交互に生じるよう、光変調膜３４上に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃのうち、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃの制御電圧Ｖｃｎｔの印加を制御する。
【００３６】
ここで、有意な電界とは、非有意な電界と交互に光変調膜３４に対して印加し、光変調膜３４に周期的な屈折率分布を生じさせた場合に、光変調膜３４が回折格子として有効に機能する程度の電界である。
【００３７】
本実施の形態に係る光制御装置１０では、オン状態のとき、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃに印加する電極片をハイレベルＶＨに設定する。電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、接地電位に固定されたままであるから、配列された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃに対して１つおきにハイレベルにＶＨに設定された制御電圧Ｖｃｎｔを印加している状態となる。
【００３８】
ハイレベルＶＨの制御電圧Ｖｃｎｔが印加された電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃと、接地電位に固定された平面電極３２との間には電位差が生じるので、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃと、平面電極３２との間の領域の光変調膜３４に電界Ｅが印加される。電界Ｅは、
Ｅ＝Ｖｃｎｔ／ｔ  …（２）
のように表すことができる。ｔは光変調膜３４の膜厚である。電界Ｅの向きは、図３に矢印で図示したように、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃから平面電極３２に向かう方向である。
【００３９】
上述したように、光変調膜３４の屈折率ｎは、光変調膜３４に印加される電界Ｅに依存する。光変調膜３４としてＰＬＺＴを用いた場合、光変調膜３４の屈折率ｎの変化量Δｎと、印加される電界Ｅとの間には、
Δｎ＝１／２×（ｎ）３×Ｒ×Ｅ２  …（３）
の関係が成り立つ。（３）式から分かるように、光変調膜３４は、印加される電界の２乗に比例して屈折率が変化する。ここでＲは電気光学定数（カー定数）である。
【００４０】
よって、電界Ｅが印加された電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃと平面電極３２との間の領域の光変調膜３４は、屈折率がｎ＋Δｎとなる。一方、電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃの電位は接地電位に固定されているので、同じく接地電位に固定されている平面電極３２との間に電界は発生せず、電極片４１ａ、４１ｂ、４１ｃと光変調膜３４との間の光変調膜３４の屈折率はｎのままである。この結果、光変調膜３４の屈折率分布がｎ、ｎ＋Δｎ、ｎ、ｎ＋Δｎ…と周期的に変化する状態となっている。すなわち、周期的な屈折率分布を有する光変調膜３４が、回折格子として構成されている。この回折格子の格子間隔は、図３に示すように、電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの周期ｄの２倍となっている。
【００４１】
光変調膜３４の周期的な屈折率分布によって構成される回折格子の±１次光を、周期的に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃによって構成される回折格子の±１次光Ｌ±１と区別するために、±１’次光Ｌ±１’とよぶ。この±１’次光Ｌ±１’の回折角θ２は、
θ２＝ａｒｃｓｉｎ（λ／２ｄ）  …（４）
と表すことができる。（４）式から分かるように、±１’次光Ｌ±１’の回折角θ２は、（１）式で定まる±１次光Ｌ±１の回折角θ１とは異なる回折角となる。たとえば、波長λ＝６５０ｎｍ、周期ｄ＝２μｍの場合、回折角θ２は、約９．３°となる。
【００４２】
このように、光制御装置１０は、オフ状態のときには、周期的に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃによって構成された回折格子のみが機能し、０次光Ｌ０や、±１次光Ｌ±１などの回折光が生じる。光制御装置１０がオン状態のときには、その他に、光変調膜３４の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子も機能させることができるようになる。
【００４３】
周期的に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの全てに対して制御電圧Ｖｃｎｔを印加した場合は、光変調膜３４の屈折率分布の周期と電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃの周期ｄが同じになる。この場合、周期的に形成された電極片によって構成された回折格子の格子間隔と、周期的な屈折率分布によって構成された回折格子の格子間隔は等しいので、回折角が同じになってしまい、光を取り出すことができない。
【００４４】
本実施の形態に係る光制御装置１０では、周期的に形成された電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃのうち、電極片３７ａ、３７ｂ、３７ｃにのみ制御電圧Ｖｃｎｔを印加することによって、周期的に形成された電極片によって構成された回折格子の格子間隔よりも、光変調膜３４の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子の格子間隔を大きく設定することができる。これにより、周期的に形成された電極片によって構成された回折格子によって発生する±１次光Ｌ±１の回折角θ１とは異なる回折角θ２の方向に、光変調膜の周期的な屈折率分布によって構成された回折格子によって発生する±１’次光Ｌ±１’を出射することができる。
【００４５】
この±１’次光Ｌ±１’を取り出すことによって、光のオンオフを制御する光制御装置を構成することができる。光制御装置１０がオフ状態のときには、回折角θ２の方向には光が回折されないので、オフ状態での漏れ光はほとんど存在せず、光制御装置１０のオンオフ比を向上することができる。
【００４６】
本実施の形態に係る光制御装置１０では、６つの電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃを周期的に形成したが、電極片の数は６つに限定されず、より多くの電極片を形成してもよい。この場合、より効果的にＬ±１’次光を発生させることができる。
【００４７】
また、本実施の形態では、電極片４１ａ、３７ａ、４１ｂ、３７ｂ、４１ｃ、３７ｃに対して１つおきに制御電圧Ｖｃｎｔを印加し、光変調膜３４の屈折率分布の周期が、電極片の形成された周期ｄの２倍となるように設定した。しかし、光変調膜３４の屈折率分布の周期は、電極片の形成された周期ｄの２倍に限定されるものではなく、電極片の形成された周期ｄよりも大きい周期であればよい。
【００４８】
±１’次光Ｌ±１’を取り出す方法としては、＋１’次光Ｌ＋１’または−１’次光Ｌ−１’のみを受光するように角度を調整してレンズや受光素子などを配置してもよいし、±１’次光Ｌ±１’のみを透過させるたとえばシュリーレンフィルタなどのフィルタを使用してもよい。
【００４９】
また、本実施の形態に係る光制御装置１０では、光変調膜３４上に形成した複数の電極片を櫛形電極の櫛の歯として構成したが、電極の構成は櫛形電極に限定されない。たとえば、複数の板状の電極片を光変調膜３４上に構成し、基板３０内部の配線によってそれぞれの電極片に電圧を印加する構成としてもよい。
【００５０】
また、図２および図３では、光制御装置１０の鉛直方向から光を入射する場合について説明したが、鉛直方向から傾けて入射させてもよい。
【００５１】
また、図２および図３では、平面電極３２を反射層としても機能させ、反射型の光制御装置を構成したが、平面電極３２を透明電極とし、基板３０としてサファイヤなどの透明基板を用いることによって、透過型の光制御装置としてもよい。
【００５２】
図４は、制御電圧Ｖｃｎｔと±１’次光の光強度の関係を示す図である。図４の横軸は、制御部４３から櫛形電極３６に印加する制御電圧Ｖｃｎｔの電圧値［Ｖ］を示し、縦軸は、１’次光の光強度［ｍＷ］を示す。本実施の形態に係る光制御装置１０では、Ｖｃｎｔ＝０Ｖのとき、光強度は０．０１ｍＷであった。また、Ｖｃｎｔ＝２０Ｖのとき、光強度は、２．９７ｍＷであった。オンオフ比は、約３００であり、高いオンオフ比を実現できていることが分かる。
【００５３】
図５は、光制御装置の変形例の断面図である。図１で説明した光制御装置１０が反射型の光制御装置として機能したのに対して、光制御装置６０は、透過型の光制御装置として機能する。光制御装置６０は、図５に示すように、基板６２と、光変調膜６４と、電極片５０ａ、５２ａ、５２ｂ、５０ｂ、５０ｃ、５２ｃと、を備える。
【００５４】
基板６２は、絶縁性の透明基板であり、たとえばガラス基板や、サファイヤ基板であってよい。基板６２上には、光変調膜６４を成膜する。光変調膜６４は、印加した電界に応じて屈折率が変化する固体の電気光学材料であり、ＰＬＺＴや、ＰＺＴであってよい。その後、フォトリソグラフィーによって電極片が形成される部分以外をマスクし、エッチングを行う。エッチングによって削られた部分にスパッタリング法により金（Ａｕ）を埋め込み、電極片５０ａ、５２ａ、５２ｂ、５０ｂ、５０ｃ、５２ｃを形成する。これらの電極片は、一定の周期ｄで形成される。光制御装置６０では、電極片５０ａ、５０ｂ、５０ｃの電位は、制御部４３からの制御電圧Ｖｃｎｔによって制御される。また、電極片５２ａ、５２ｂ、５２ｃの電位は、接地電位に固定される。
【００５５】
図６は、光制御装置の変形例のオフ状態を説明するための図である。光制御装置６０がオフ状態のとき、電極片５０ａ、５０ｂ、５０ｃに印加される制御電圧Ｖｃｎｔは、ローレベルＶＬに設定される。
【００５６】
この状態で、光制御装置６０の基板６２側から波長λのレーザ光Ｌｉｎが入射されるとする。光制御装置６０は、光変調膜６４に、電極片５０ａ、５２ａ、５２ｂ、５０ｂ、５０ｃ、５２ｃが周期的に形成されているから、透過型の回折格子を構成し、レーザ光Ｌｉｎの光軸方向に透過する０次光Ｌ０の他に、±１次光Ｌ±１などの回折光が発生する。±１次光Ｌ±１の回折角θ１は、上述した（１）式を用いて表すことができる。
【００５７】
図７は、光制御装置の変形例のオン状態を説明するための図である。光制御装置６０がオン状態のとき、電極片５０ａ、５０ｂ、５０ｃに印加される制御電圧Ｖｃｎｔは、ハイレベルＶＨに設定される。この場合、電極片５０ａと電極片５２ａ間、電極片５２ｂと電極片５０ｂ間、および電極片５０ｃと電極片５２ｃ間に電界が生じる。この電界によって、電極片５０ａと電極片５２ａ間の領域、電極片５２ｂと電極片５０ｂ間の領域、および電極片５０ｃと電極片５２ｃ間の領域において、光変調膜６４の屈折率がｎからｎ＋Δｎに変化する。一方、電極片５２ａと電極片５２ｂは共に接地電位で、同電位なので両電極片間に電界は発生せず、光変調膜６４の屈折率はｎのままである。また、電極片５０ｂと電極片５０ｃはともにハイレベルＶＨで、同電位なので両電極片間に電界は発生せず、光変調膜６４の屈折率はｎのままである。
【００５８】
このオン状態のとき、光変調膜６４には、屈折率がｎである領域と、屈折率がｎ＋Δｎである領域が交互に発生することになる。この屈折率が変化する周期は、図７に示すように、電極片の形成された周期ｄの２倍となっているので、図１〜図３で説明した光制御装置１０と同じように、（４）式で定まる回折角θ２の方向に、±１’次光Ｌ±１’が生じる。±１’次光Ｌ±１’を取り出すことによって、光制御装置を構成することができる。
【００５９】
本実施の形態に係る光制御装置を用いてさまざまな光制御システムを構成することができる。そのような光制御システムの１例を示す。図８は、本実施の形態に係る光制御装置を用いたレーザ走査システムを示す図である。レーザ走査システム１００は、たとえばレーザプリンタなどの画像形成装置に用いられる。
【００６０】
図８に示すように、レーザ走査システム１００は、半導体レーザ１２と、レンズ１４と、光制御装置１６と、コリメータレンズ８８と、ポリゴンミラー２０と、ｆ・θレンズ２２と、平面鏡７６と、を備える。半導体レーザ１２と、レンズ１４と、で光制御装置１６に光を照射する発光部を構成し、コリメータレンズ８８と、ポリゴンミラー２０と、ｆ・θレンズ２２と、平面鏡７６と、で光制御装置１６から出射される光を受ける受光部を構成する。
【００６１】
半導体レーザ１２は、連続発振するレーザビームを出射する。連続発振するとは、半導体レーザ１２から出射された直後のレーザビームは変調されていないことを意味する。半導体レーザ１２の出射するレーザビームの強度は、半導体レーザ１２に内蔵されたフォトダイオード（図示せず）によってモニタされ、ＡＰＣ制御を行うことによって一定に保たれる。
【００６２】
レンズ１４は、半導体レーザ１２から出射される連続発振するレーザビームを平行光にして光制御装置１６に入射させる機能を有する。半導体レーザ１２から出射されるレーザビームが拡散光である場合であっても、レンズ１４を用いることによって平行光束として光制御装置１６に入射させることができる。レンズ１４は、ビームエキスパンダであってもよい。この場合、半導体レーザ１２の出射するレーザビームのビーム径が小さい場合であってもビーム径を拡大して光制御装置１６に入射させることができる。
【００６３】
光制御装置１６は、図１〜図３において説明した光制御装置１０を１つの画素４６とし、その画素４６を１次元方向に４つ配置した構成となっている。光制御装置１６の４つの画素４６にそれぞれ独立して制御部４３から制御電圧Ｖｃｎｔを与えることによって、画素４６ごとに±１’次光のオンオフを制御し、４本のレーザビーム８２を出射することができる。光制御装置１６からは、±１’次光の他に、図示しない０次光や±１次光も発生するが、＋１’次光または−１’次光の回折方向にコリメータレンズ８８を配置することによって＋１’次光または−１’次光のみを取り出す。光制御装置１６とコリメータレンズ８８の間には、±１’次の回折光のみを透過させるたとえばシュリーレンフィルタなどのフィルタを使用してもよい。
【００６４】
光制御装置１６から出射された４本のレーザビーム８２は、コリメータレンズ８８によって平行光に補正された後、ポリゴンミラー２０に入射する。ポリゴンミラー２０は、複数の反射面を備えており、レーザビーム８２を偏向し、感光体ドラム２４の感光面上を走査させる偏向器としての機能する。
【００６５】
ポリゴンミラー２０で、反射・偏向されたレーザビーム８２は、ビームの歪曲収差を補正するｆ・θレンズ２２と、平面鏡７６とを介して感光体ドラム２４上に結像される。ポリゴンミラー２０が回転することによって、レーザビーム８２は感光体ドラム２４の感光面上を走査する。感光体ドラム２４に対する１回の主走査方向の走査が完了すると、感光体ドラム２４は、所定量だけ回転し、再び主走査方向への走査が行われる。この動作を繰り返すことにより、感光体ドラム２４上に２次元的な静電画像が形成されていく。図８ではレーザ走査システム１００によってレーザビームを感光体ドラム２４に照射する例について説明したが、レーザビームをスクリーンに投射し、画像表示装置を構成してもよい。
【００６６】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）は、本実施の形態に係る光制御装置の平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す光制御装置のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】光制御装置のオフ状態を説明するための図である。
【図３】光制御装置のオン状態を説明するための図である。
【図４】制御電圧Ｖｃｎｔと±１’次光の光強度の関係を示す図である。
【図５】光制御装置の変形例の断面図である。
【図６】光制御装置の変形例のオフ状態を説明するための図である。
【図７】光制御装置の変形例のオン状態を説明するための図である。
【図８】本実施の形態に係る光制御装置を用いたレーザ走査システムを示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０、１６、６０  光制御装置、  １２  半導体レーザ、  １４  レンズ、  ２０  ポリゴンミラー、  ２２  ｆ・θレンズ、  ２４  感光体ドラム、  ３０、６２  基板、  ３２  平面電極、  ３４、６４  光変調膜、  ３６、４０  櫛形電極、  ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ  電極片、  ４３  制御部、  ４６  画素、  ８２  レーザビーム、  ８８  コリメータレンズ、  １００  レーザ走査システム。
【図１】
2007065458.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007065458.tif 000008
【図７】
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【図８】
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