(57)【要約】【課題】ビーム径が大きなレーザビームを偏向させることができ、また、このレーザビームを高速で走査することができる光偏向素子を提供する。【解決手段】電気光学結晶材１ａ〜１ｅがその板厚方向に配置され、各電気光学結晶材間に電極２ｂ〜２ｅが介装されていると共に、最上面に電極２ａ，最下面に電極２ｆが設けられている。各電気光学結晶材１ａ〜１ｅは、結晶光学軸が上方向を向く第１領域と、下方向を向く第２領域とが設けられており、上層の電気光学結晶材の第１領域の直下に、下層の電気光学結晶材の第２領域が配置されている。電極２ａ，２ｃ、２ｅに電位Ｅが印加され、電極２ｂ、２ｄ、２ｆに接地電位が印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の板厚方向に配置された板状の電気光学結晶材と、これらの電気光学結晶材の相互間並びに最上層の電気光学結晶材の上面及び最下層の電気光学結晶材の下面に設けられた複数個の電極と、各電極に電源を供給する電源装置とを有し、
前記各電気光学結晶材は、平面視で、結晶の光学軸方向が厚さ方向の第１方向を向いた第１領域と、結晶の光学軸方向が前記第１方向の逆方向の第２方向を向いた第２領域とが相互に接して設けられており、
前記各電気光学結晶材は、その上面の電極と、その下面の電極と共に、単位電気光学素子を構成し、
前記単位電気光学素子は、その電気光学結晶材が、上下で第１領域と第２領域とが交互に配置されるように相互に積層され、
上層の単位電気光学素子の下面の電極と、下層の単位電気光学素子の上面の電極とは共用されて、前記電源装置から同一の電位が印加され、
前記電極は、前記単位電気光学素子の積層方向に交互に異なる電圧を印加され、
前記単位電気光学素子の積層体の一側面がレーザ光の入射面となり、他の側面がレーザ光の出射面となることを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなす２個の部材から構成され、それらの張り合わせ面にて、レーザ光の屈折が生じることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなし、前記第１領域は２個の部材から構成され、前記第２領域は１個の部材から構成され、２個の前記第１の領域の間に前記第２の領域が張り合わされて、前記入射面から出射面にかけて２個の張り合わせ面にてレーザ光の屈折が生じることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなす複数個の部材から構成され、前記入射面から前記出射面に向かう方向に対して垂直の方向に、前記第１領域の部材と前記第２領域の部材とが交互に配置されるように、張り合わされ、前記入射面から前記出射面にかけて、１個おきの張り合わせ面にてレーザ光の屈折が生じることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを走査するために使用される光偏向素子に関し、特に、電気光学効果をもつ電気光学結晶材料を使用した光偏向素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ及びレーザ加工装置等においては、レーザビームを走査するために、レーザビーム走査装置が組み込まれている（特許文献１及び２）。そして、このレーザビーム走査装置には、レーザビームを走査するために、ガルバノミラー及びポリゴンミラーのように機械的な機構によりビーム方向を変化させるものと、電気光学素子及び音響光学素子のように電気的にビーム方向を変化させるものとが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４５８３８号公報
【特許文献２】特開２００７−１０２１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のガルバノミラー及びポリゴンミラーは、レーザビームのビーム径が大きい場合に、機構全体が大型化し、スキャン速度も高速化には限界がある。また、音響光学素子及び従来の電気光学素子の場合も、その大きさには限界があり、走査対象のレーザビームのビーム径が大きくなると、対応することができない。また、音響光学素子及び従来の電気光学素子においても、走査速度には限界があり、高速走査が困難である。
【０００５】
なお、レーザアニーリング等に使用されるレーザ照明装置には、レーザ光の光軸に垂直な面内における強度を均一化するために、フライアイレンズが使用されている。即ち、フライアイレンズは、複数個の凸レンズが碁盤の目状に配置されて全体として略平板状に形成されたものであり、レーザ光をフライアイレンズに透過させることにより、各凸レンズに透過した光は、夫々、焦点に集光された後、拡散し、複数本に分割されたレーザ光が重畳的に次の光学系部材へと入射される。これにより、フライアイレンズへの入射光が例えば光軸に垂直な面内にて不均一な強度分布を有する場合においても、この強度分布を均一化することができる。例えば光源から出射されるレーザ光は、その強度が光軸に垂直な面内にてガウス分布を有していたり、例えば全反射ミラー等の光学部材に反射されることにより、照度ムラが発生する場合があるが、フライアイレンズを設置することにより、これらを解消することができる。
【０００６】
しかし、レーザ照明装置にフライアイレンズを使用した場合、レーザ光のコヒーレンシー（可干渉性）により、レーザ光の照射領域に干渉縞が生じ、これにより照明ムラが発生するという問題点がある。この場合に、電気光学素子により、レーザ光の偏向方向を変更させて、干渉縞を照射面上で連続的に移動させることができれば、干渉縞は視認することができなくなり、照射面上の照明ムラが解消されると考えられる。しかし、上述のように、従来の電気光学素子は、ビーム径が大きな場合及び高速走査の要求に、十分に応えているとはいえない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ビーム径が大きなレーザビームを偏向させることができ、また、このレーザビームを高速で走査することができる光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光偏向素子は、
複数個の板厚方向に配置された板状の電気光学結晶材と、これらの電気光学結晶材の相互間並びに最上層の電気光学結晶材の上面及び最下層の電気光学結晶材の下面に設けられた複数個の電極と、各電極に電源を供給する電源装置とを有し、
前記各電気光学結晶材は、平面視で、結晶の光学軸方向が厚さ方向の第１方向を向いた第１領域と、結晶の光学軸方向が前記第１方向の逆方向の第２方向を向いた第２領域とが相互に接して設けられており、
前記各電気光学結晶材は、その上面の電極と、その下面の電極と共に、単位電気光学素子を構成し、
前記単位電気光学素子は、その電気光学結晶材が、上下で第１領域と第２領域とが交互に配置されるように相互に積層され、
上層の単位電気光学素子の下面の電極と、下層の単位電気光学素子の上面の電極とは共用されて、前記電源装置から同一の電位が印加され、
前記電極は、前記単位電気光学素子の積層方向に交互に異なる電圧を印加され、
前記単位電気光学素子の積層体の一側面がレーザ光の入射面となり、他の側面がレーザ光の出射面となることを特徴とする。
【０００９】
この光偏向素子において、例えば、前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなす２個の部材から構成され、それらの張り合わせ面にて、レーザ光の屈折が生じるものである。
【００１０】
又は、本発明の光偏向素子において、例えば、前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなし、前記第１領域は２個の部材から構成され、前記第２領域は１個の部材から構成され、２個の前記第１の領域の間に前記第２の領域が張り合わされて、前記入射面から出射面にかけて２個の張り合わせ面にてレーザ光の屈折が生じるものである。
【００１１】
又は、本件発明の光偏向素子において、例えば、前記第１領域及び前記第２領域は、夫々三角形状をなす複数個の部材から構成され、前記入射面から前記出射面に向かう方向に対して垂直の方向に、前記第１領域の部材と前記第２領域の部材とが交互に配置されるように、張り合わされ、前記入射面から前記出射面にかけて、１個おきの張り合わせ面にてレーザ光の屈折が生じるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、単位電気光学素子の電気光学結晶材に対し、上部電極（例えば、正電圧）と下部電極（例えば、アース）との間に電圧を印加して電界を付与すると、この電気光学結晶材は、第１領域で結晶の光学軸が第１方向（例えば、上方向）を向き、第２領域で結晶の光学軸が第２方向（例えば、下方向）を向いているので、第１領域と第２領域とでは、結晶の光学軸に平行の電界の向きが、相互に異なり、例えば、第１領域では、光学軸と電界の方向が逆になり、第２領域では、光学軸と電界の方向が同一になる。このため、電界の印加による屈折率の増分が、例えば、第１領域では＋Δｎ、第２領域では−Δｎとなり、単位電気光学素子の電気光学結晶において、第１領域の結晶と、第２領域の結晶との間の屈折率差が、２Δｎとなり、大きな屈折率差を得ることができる。よって、この屈折率差により、第１領域と第２領域との境界（張り合わせ面）にて、レーザ光が屈折する。
【００１３】
そして、本件発明においては、前記電極に対し、交互に、第１電位（例えば、＋Ｅ（Ｖ））と第２電位（例えば、アース）とを印加するので、電気光学結晶材には、その積層方向について交互に、上向きの電界と、下向きの電界とが印加される。電気光学結晶材は、その積層方向について交互に、光学軸方向が第１方向の第１領域と光学軸方向が第２方向の第２領域とが配置されるように積層されているので、全ての単位電気光学素子において、第１領域と第２領域との境界で、レーザ光は同一方向に屈折する。
【００１４】
よって、本発明によれば、ビーム径が大きな大断面のレーザ光を偏向させることができる。また、本発明においては、単位電気光学素子を積層して１個の光偏向素子を構成しているので、レーザ光のビーム径が大きい場合には、単位電気光学素子の積層数を大きくすれば、光偏向素子のレーザ光の入射面を大きくすることができ、種々のビーム径に容易に対応することができる。また、本発明は、単位電気光学素子の積層体であるので、単位電気光学素子の電気光学結晶材の厚さを薄くすることができるため、レーザビームを走査するために電極間に印加する電圧を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光偏向素子を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は最上層の単位電気光学素子の電気光学結晶材を示す斜視図、（ｂ）はその直下に位置する単位電気光学素子の電気光学結晶材を示す斜視図である。
【図３】単位電気光学素子の電気光学結晶材の変形例を示す斜視図である。
【図４】同じく、単位電気光学素子の電気光学結晶材の他の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る光偏向素子について、説明する。図１及び図２は、本発明の実施形態に係る光偏向素子を示す斜視図である。本実施形態においては、５個の矩形の板状の電気光学結晶材１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが板厚方向に配置されており、各電気光学結晶材１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの層間に、矩形板状の電極２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅが介装され、最上層の電気光学結晶材１ａの上面に矩形板状の電極２ａが設けられ、最下層の電気光学結晶材１ｅの下面に矩形板状の電極２ｆが設けられている。各電気光学結晶材１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅは、その上面の電極と、下面の電極と共に、単位電気光学素子を構成している。但し、上層の単位電気光学素子の下面の電極と、下層の単位電気光学素子の上面の電極とは共用されており、この上層の単位電気光学素子の下面の電極と、その直下の単位電気光学素子の上面の電極には、相互に同一の電位が印加される。即ち、電極２ａ、２ｃ、２ｅは、電源装置の電源端子３ａに接続され、電極２ｂ、２ｄ、２ｆは、電源装置の電源端子３ｂに接続される。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、電気光学結晶材１ａは、矩形の板をその対角線で半割りした三角形状をなす２個の結晶部材を、その平面視の斜面で張り合わせて形成されている。一方の結晶部材は第１の領域１ａ１となり、他方の結晶部材は第２の領域１ａ２となる。この第１の領域１ａ１は、その結晶の光学軸（ｚ軸）が電気光学結晶材１ａの厚さ方向の上方（第１方向）を向いており、第２の領域１ａ２は、その結晶の光学軸（ｚ軸）が電気光学結晶材１ａの厚さ方向の下方（第２方向）を向いている。
【００１８】
結晶の光学軸方向と平行の方向に電場を印加すると、ポッケルス効果（ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）結晶を除く）により屈折率は、ｒ６３を電気光学係数として、Δｎ＝±（１／２）ｎ３ｒ６３Ｅにて示すように変化する。但し、ＰＬＺＴはカー効果により、屈折率が電場の強さの２乗に比例する。
【００１９】
ポッケルス効果の場合を例にとり、図２（ａ）の１個の電気光学結晶材１ａについて考えると、上面側の電極２ａに＋Ｅ（Ｖ）、下面側の電極２ｂにアース（接地）を印加した場合、電気光学結晶材１ａのレーザビームの入射側（白抜き矢印にて示す）の第１領域１ａ１と、レーザビームの出射側の第２領域１ａ２との結晶光学軸の方向が逆向きであるため、第１領域１ａ１については、電界方向が下向き、結晶光学軸の方向が上向き（第１方向）、第２領域１ａ２については、電界方向が下向き、結晶光学軸の方向が下向き（第２方向）であり、第１領域１ａ１の結晶光学軸方向と電界方向とが逆方向、第２領域１ａ２の結晶光学軸方向と電界方向とは同一方向である。このため、電界の印加により、第１領域１ａ１では屈折率の増分が、例えば、Δｎ＝（１／２）ｎ３ｒ６３Ｅとすると、第２領域１ａ２では屈折率の増分が、Δｎ＝−（１／２）ｎ３ｒ６３Ｅであり、第１領域１ａ１と第２領域１ａ２との屈折率の増分の差は、ｎ３ｒ６３Ｅとなる。これにより、第１領域１ａ１と第２領域１ａ２との境界で、大きな屈折率差を得ることができる。
【００２０】
そして、電極については、１個おきに、同一の電源端子に接続されて、同一電位が印加される。例えば、電極２ａ、２ｃ、２ｅに＋Ｅ（Ｖ）、電極２ｂ、２ｄ、２ｆにアース電位が印加される。そうすると、前述のごとく、電気光学結晶材１ａについては、下方に向けて電界が印加されるが、電気光学結晶材１ｂについては、上方に向けて電界が印加される。このとき、電気光学結晶材１ｂについて、結晶光学軸方向が上向き（第１方向）の第１領域１ｂ２と、結晶光学軸方向が下向き（第２方向）の第２領域１ｂ１とは、夫々、電気光学結晶材１ａの第２領域１ａ２と、第１領域１ａ１との下方に位置する。そして、電極２ｂと電極２ｃとの間に上向きの電界が印加されるから、第１領域１ｂ２では、電界方向と光学軸方向とが同一、第２領域１ｂ１では、電界方向と光学軸方向とが逆向きとなる。つまり、電気光学結晶材１ｂは、レーザビームの入射側に配置された第２領域１ｂ１が、同じくレーザビームの入射側に配置された第１領域１ａ１と同様に、電界方向と光学軸方向とが逆向きであり、レーザビームの出射側に配置された第１領域１ｂ２が、同じくレーザビームの出射側に配置された第２領域１ａ２と同様に、電界方向と光学軸方向とが同一方向になる。従って、電界の印加による屈折率の増分の差は、電気光学結晶材１ａの場合に、レーザビームの入射側から出射側に見てｎ３ｒ６３Ｅであるとすると、電気光学結晶材１ｂの場合も、レーザ光の入射側から出射側に見てｎ３ｒ６３Ｅである。よって、図１に示す本実施形態の光偏向素子にレーザ光が入射すると、各層の電気光学結晶材１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅにおいては、第１領域と第２領域との境界で、いずれの層も、同一方向にレーザ光が屈折する。
【００２１】
次に、上述のごとく構成された本実施形態の光偏向素子の動作について説明する。本実施形態の光偏向素子は、複数の（図示例は、５枚の）電気光学結晶材１ａ〜１ｅの積層体に対し、その側面をレーザ光の入射面とし、対向する側面をレーザ光の出射面とする。即ち、図１に示す白抜き矢印方向にレーザ光を入射させると、この入射面の反対側の側面を出射面として、全ての電気光学結晶材１ａ〜１ｅにおいて同一方向に屈折して、レーザ光が出射する。よって、本実施形態においては、電気光学結晶材１ａ〜１ｅの積層体の側面の全体が入射面となるので、ビーム径が大きな大断面のレーザ光を偏向させることができる。また、本実施形態においては、電気光学結晶材を上面及び下面の電極で挟んだ構造の単位電気光学素子を積層して１個の光偏向素子を構成しているので、レーザ光のビーム径が大きい場合には、単位電気光学素子の積層数を大きくすれば、光偏向素子のレーザ光の入射面を大きくすることができ、種々のビーム径に容易に対応することができる。
【００２２】
更に、本実施形態の光偏向素子を、レーザ光の走査に使用した場合、電源端子３ａ、３ｂに印加する電位を、例えば、Ｅ（Ｖ）と接地電位（０Ｖ）との間で切り替えればよい。即ち、電源端子３ａが電源電位（Ｅ（Ｖ））、電源端子３ｂが接地電位の場合、図２に示すように、レーザ光が、第１領域と第２領域との境界で、図示のように左方に屈折したとすると、電源端子３ａが接地電位（０Ｖ）、電源端子３ｂが電源電位（Ｅ（Ｖ））の場合は、レーザ光は、第１領域と第２領域との境界で、右方に屈折する。よって、電源端子３ａ、３ｂに印加する電位を交互に切り替えることにより、レーザビームの出射方向を、光偏向素子の平面視で、左右に交互に移動させて、走査することができる。この場合に、本実施形態の光偏向素子は、単位電気光学素子の積層体であるので、その単位電気光学素子の電気光学結晶材１ａ〜１ｅの厚さを薄くすることができるため、レーザビームを走査するために電極間に印加する電圧（Ｅ（Ｖ））を小さくすることができる。このため、本実施形態の光偏向素子を、レーザ光の走査に使用した場合、１個の電気光学結晶材に電圧を印加する場合と異なり、印加電圧が小さくて済むので、切換速度を高速化して、高速のビーム走査が可能となる。
【００２３】
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の光偏向素子の電気光学結晶材の変形例を示す図である。図３（ａ）は、１枚の矩形の板状の電気光学結晶材４を、２枚の直角三角形と、１枚の２等辺三角形の形に、領域を分割し、結晶の光学軸が上方を向く第１領域４ａ１，４ａ３と、結晶の光学軸が下方を向く第２領域４ａ２とを、レーザ光の入射方向について、第１領域４ａ１，第２領域４ａ２，第１領域４ａ３が配置されるように交互に貼り合わせたものである。本実施形態においては、第１領域４ａ１と第２領域４ａ２との境界と、第２領域４ａ２と第１領域４ａ３との境界との２カ所で、レーザ光が屈折を受ける。このため、本変形例の電気光学結晶材４を積層した光偏向素子は、より大きな偏向を受け、偏向角度を大きくすることができる。
【００２４】
図３（ｂ）に示す電気光学結晶材７は、図２に示す電気光学結晶材１ａを、レーザ光の入射方向に垂直の方向であって、電気光学結晶材１ａの面に平行の方向に、複数個（図示例は４個）併置した構造を有する。即ち、電気光学結晶材７は、結晶光学軸が上方を向く第１領域７ａ１，７ａ３，７ａ５，７ａ７と、結晶光学軸が下方を向く第２領域７ａ２，７ａ４，７ａ６，７ａ８とが、レーザ光の入射方向に対して直交する方向に交互に配置されて、その側面斜面同士を貼り合わせて構成されている。従って、この各第１領域と第２領域との貼り合わせ面においては、第１領域の結晶光学軸の方向と第２領域の結晶光学軸の方向とが異なるので、レーザ光の屈折が生じ、各第１領域７ａ１，７ａ３，７ａ５，７ａ７に入射したレーザ光は、第２領域７ａ２，７ａ４，７ａ６，７ａ８から、同一方向に屈折して、出射する。従って、本変形例においては、図１に示す光偏向素子に対して、更に、大型化することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ：電気光学結晶材
１ａ１，１ｂ２：第１領域
１ａ２，１ｂ１：第２領域
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ：電極
４，７：電気光学結晶材
４ａ１，４ａ３，７ａ１，７ａ３，７ａ５，７ａ７：第１領域
４ａ２，７ａ２，７ａ４，７ａ６，７ａ８：第２領域
【図１】
2013171081.tif 000003
【図２】
2013171081.tif 000004
【図３】
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【図４】
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