(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響光学材料からなる光導波路層に、円弧状の電極指を組み合わせて全体形状を円形又は円環形としたインターディジタルトランスデューサを形成し、このインターディジタルトランスデューサに所定周波数の電圧を印加することにより、前記光導波路層に同心円状の音響的疎密波を生成する回折素子であって、
同心円状音響的疎密波の中心から外側に向かうにつれ弾性率が高くなるよう光導波路層の弾性率分布に勾配を持たせたことを特徴とする回折素子。
【請求項２】
インターディジタルトランスデューサの外側に同心円状の音響的疎密波を生成することを特徴とする請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
インターディジタルトランスデューサに囲まれた領域の内側に同心円状の音響的疎密波を生成することを特徴とする請求項１に記載の回折素子。
【請求項４】
周波数発生手段として発振周波数の異なる複数の発振装置を設け、これらの発振装置を切り替え使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折素子。
【請求項５】
周波数発生手段として発振周波数連続可変型発振装置を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響光学材料を用いた光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）等の音響光学材料を用いた光学素子が種々提案されている。例えば特開平８−２６２５６号公報には、ＬｉＮｂＯ3基板上にそれよりも光屈折率の高い光導波路層を形成し、この光導波路層に弾性表面波の一種であるレイリー波を励振させて光を偏向させるものが記載されている。また特開平３−１２７０２６号公報には、表面弾性波が伝播可能な材料から形成された光導波路を用いて光ビームを複数に分岐し、かつ、複数の光ビームの変調タイミングのずれをなくすようにした光変調装置が記載されている。
【０００３】
上記従来の光学素子は、光を偏向させるのにインターディジタルトランスデューサ（Inter Digital Transducer：以後「ＩＤＴ」の略称を用いる）を用いている。ＩＤＴの基本的構成を図８に示す。ＩＤＴ１０１は、複数の直線状の電極指１０３ａを有するくし歯状電極１０２ａと、同じく複数の直線状の電極指１０３ｂを有するくし歯状電極１０２ｂとを向かい合わせ、電極指１０３ａと１０３ｂとを互い違いに交叉させたものである。このくし歯状電極１０２ａ、１０２ｂに、発振装置１０４が所定周波数の電圧を印加する。
【０００４】
図７は光導波路層１０５の上にＩＤＴ１０１を形成した状況を示す。発振装置１０４によりＩＤＴ１０１に所定周波数の電圧が印加されると、光導波路層１０５に表面弾性波１０６が発生する。光導波路層１０５に光ビームが入射すると、図１０に模式的に示すように、表面弾性波１０６が光ビーム１０７を回折させる。回折角度は周波数と光導波路層１０５の弾性率によって定まる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光学素子は、一平面内で光を偏向させることができるのみであった。本発明は、音響光学材料を用いた光学素子において、レンズのような集光作用を有する回折素子を構成することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、音響光学材料からなる光導波路層に、円弧状の電極指を組み合わせて全体形状を円形又は円環形としたＩＤＴを形成し、このＩＤＴに所定周波数の電圧を印加することにより、前記光導波路層に同心円状の音響的疎密波を生成するものとし、同心円状音響的疎密波の中心から外側に向かうにつれ弾性率が高くなるよう光導波路層の弾性率分布に勾配を持たせた。
【０００７】
図９に、上記新機軸のＩＤＴの基本的構成を示す。ＩＤＴ１１はくし歯状電極１２ａ、１２ｂを有し、このくし歯状電極１２ａ、１２ｂはそれぞれ同数ずつ複数の電極指１３ａ、１３ｂを有する。電極指１３ａ、１３ｂは直線状ではなく、円弧状になっている。この場合、円弧と言っても円の一部を切り欠いた形であり、ほぼ円に近い。この円弧状電極指１３ａ、１３ｂを、その切り欠き部分の位置を角度的に揃える形で同心円状に配置する。そして切り欠き部分から１８０゜隔たった箇所に、円弧の直径方向に延びる直線状の電極基幹部１４ａ、１４ｂを設ける。電極基幹部１４ａ、１４ｂはそれぞれ複数の電極指１３ａ、１３ｂの中心を貫き、これらを電気的に接続する。
【０００８】
上記くし歯状電極１２ａ、１２ｂを、電極指１３ａと１３ｂとが互い違いの配置となるよう組み合わせる。電極基幹部１４ａ、１４ｂは、相手方の電極指１３ａ、１３ｂの切り欠きの部分を通ることになる。図９の場合、くし歯状電極１２ａ側の電極指１３ａの中で最も直径の小さいものが一番内側に来ているが、この電極指１３ａはもはや切り欠きを有さず、閉じた円の形状をしている。そして、くし歯状電極１２ｂ側の電極指１３ｂの中で最も直径の大きいものが全体を包み込む。このようにして、ＩＤＴ１１は全体として円形に構成される。
【０００９】
くし歯状電極１２ａ、１２ｂに、発振装置１５により所定周波数の電圧を印加すると、図１１に模式的に示すように、表面弾性により同心円状の疎密波が発生する。周波数は音響周波数（AF：Audio Frequency）のレベルを使用するため、この場合は音響的疎密波１６が発生する。ここに紙面と直角の方向から光が入射すると、紙面と直角の方向において回折現象が生じる。回折角度は周波数と基板の弾性率によって定まる。
【００１０】
このように同心円状の音響的疎密波を生成することにより、光導波路層に入射した光束を収束させる使い方が可能になり、アキシコンプリズムやフレネルゾーンプレートとしての機能を果たさせることができる。また、同心円状音響的疎密波の中心から外側に向かうにつれ弾性率が高くなるよう光導波路層の弾性率分布に勾配を持たせたことにより、音響的疎密波のピッチが外側ほど小さくなり、フレネルゾーンプレートと同様の使い方が可能になる。
【００１１】
また本発明では、ＩＤＴの外側に同心円状の音響的疎密波を生成するものとした。これにより、大面積の光束を収束させることができる。
【０００１２】
また本発明では、ＩＤＴに囲まれた領域の内側に同心円状の音響的疎密波を生成するものとした。これにより、光束をその中心部も含めて収束させることができる。
【００１５】
また本発明では、周波数発生手段として発振周波数の異なる複数の発振装置を設け、これらの発振装置を切り替え使用することとした。これにより、焦点距離を段階的に切り替えることができる。
【００１６】
また本発明では、周波数発生手段として発振周波数連続可変型発振装置を用いた。これにより、焦点距離を無段階に調整できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１の実施形態を示す。１ａは回折素子であり、正面形状円形の光導波路層１０ａを有する。光導波路層１０ａはＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）等を素材とし、薄い板状に形成されており、弾性率分布は全域にわたり均一である。光導波路層１０ａの中心部に、図９に示したものと同様の構成のＩＤＴ１１ａを形成する。ＩＤＴ１１ａには発振装置１５を接続する。
【００１８】
回折素子１ａは次のように機能する。発振装置１５からＩＤＴ１１ａに音波レベルの周波数の電圧が印加されると、ＩＤＴ１１ａの外側に同心円状の音響的疎密波１６が生成される。ここに紙面と直角の方向から光が入射すると、紙面と直角の方向において回折現象が生じる。回折素子１ａの使い方を模型的に示すのが図２である。光源１７から回折素子１に向け照射される光束１８は音響的疎密波１６の部分で回折し、収束する。その焦点１９の距離は発振装置１５の発振する周波数により変化する。図２の上段では発振装置１５の発振周波数はｆ1、下段では発振周波数がｆ2となっている。ｆ2の方がｆ1より周波数が高く、従って音響的疎密波１６のピッチが小さい。これは回折角を大きくする効果を生み、焦点１９の距離が上段の場合よりも短くなっている。
【００１９】
光導波路層１０ａの弾性率分布が均一であるため、音響的疎密波１６のピッチは一定となる。この場合、回折素子１ａは屈折型のアキシコンプリズム（円錐形状のプリズム）と同等の機能を生じることになり、ベッセルビーム（非回折ビーム）を発生させるのに使用することが可能となる。なおベッセルビームは伝播方向に進行しても分布が広がらないという特性を有する。すなわち光学系において焦点深度が極めて深くなる。印加する周波数を変えれば音響的疎密波１６のピッチが変わるが、これはアキシコンプリズムの頂角を変えることに相当する。
【００２０】
図３に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態の回折素子１ｂも、正面形状円形で弾性率分布均一の光導波路層１０ｂを有する。この光導波路層１０ｂの周縁に、円環状のＩＤＴ１１ｂを形成する。ＩＤＴ１１ｂに発振装置１５により音波レベルの周波数の電圧を印加すると、ＩＤＴ１１ｂで囲まれた領域の内側に同心円状の音響的疎密波１６が生成される。この回折素子１ｂの機能は第１の実施形態の回折素子１ａと同様であるが、中心部にＩＤＴがない分、中心部を光が通りやすい。
【００２１】
図４に本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態の回折素子１ｃも、正面形状円形で弾性率分布均一の光導波路層１０ｃを有する。そして第１の実施形態と同様、光導波路層１０ｃの中心部にＩＤＴ１１ｃを形成している。ＩＤＴ１１ｃに発振装置１５により音波レベルの周波数の電圧を印加すると、第１の実施形態の回折素子１ａと同様、ＩＤＴ１１ｃの外側に同心円状の音響的疎密波が生成される。この回折素子１ｃの光導波路層１０ｃは音響的疎密波の伝播方向に垂直な方向に厚みを有する、いわゆるバルク型になっている。このようにすることにより、パワー密度が分散され、光劣化が大幅に軽減される。
【００２２】
図５に本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態の回折素子１ｄも正面形状円形の光導波路層１０ｄを有し、第１の実施形態と同様、光導波路層１０ｄの中心部にＩＤＴ１１ｄを形成している。ただしこの場合、光導波路層１０ｄの弾性率分布は均一ではない。中心から外側に向かうにつれ弾性率が高くなるよう、光導波路層１０ｄの弾性率分布に勾配を持たせてある。このように弾性率分布を変化させるについては、例えば屈折率分布型レンズを製作するときのように、音響光学材料の母材に密度（比重）の大きな物質をドーピングするといった手法で実現できる。
【００２３】
発振装置１５からＩＤＴ１１ｄに音波レベルの周波数の電圧が印加されると、ＩＤＴ１１ｄの外側に同心円状の音響的疎密波１６が生成される。中心から外側に行くほど弾性率が高くなっているので、音響的疎密波１６のピッチは光導波路層１０ｄの周縁に近づくにつれ小さくなる。このため回折素子１ｄはいわゆるフレネルゾーンプレートとして機能し、レンズとして使用することができる。
【００２４】
図６に本発明の第５の実施形態を示す。図には第１の実施形態の回折素子１ａが描かれているが、これに限定される訳ではなく、第２の実施形態から第４の実施形態までの回折素子１ｂ、１ｃ、１ｄのいずれであっても良い。この実施形態は発信周波数の異なる発振装置を複数設けた点がポイントである。図６には４台の発振装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが用意されている。発振装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄはＩＤＴ１１ａに並列接続されており、いずれか１台を選択使用して、所望のピッチの音響的疎密波１６を得る。これにより、焦点距離を段階的に切り替えることができる。
【００２５】
図示しないが、第６の実施形態として次のようなものを構成することができる。すなわち第１から第４までの実施形態において、発振装置１５に発振周波数連続可変型のものを用いるのである。これにより、周波数を無段階で変化させ、焦点距離を無段階に調節することができる。
【００２６】
以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、更に種々の変更を加えることが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による効果は次のようなものである。
【００２８】
(1)  音響光学材料からなる光導波路層に、円弧状の電極指を組み合わせて全体形状を円形又は円環形としたＩＤＴを形成し、このＩＤＴに所定周波数の電圧を印加することにより、前記光導波路層に同心円状の音響的疎密波を生成するものとしたから、光導波路層に入射した光束を収束させる使い方が可能になり、アキシコンプリズムやフレネルゾーンプレートとしての機能を果たさせることができる。ＩＤＴに印加する周波数を変化させることにより音響的疎密波のピッチが変わり、焦点距離が変わるので、可動部を持たないオートフォーカス用の素子として利用することができる。また、同心円状音響的疎密波の中心から外側に向かうにつれ弾性率が高くなるよう光導波路層の弾性率分布に勾配を持たせたから、音響的疎密波のピッチが外側ほど小さくなり、フレネルゾーンプレートと同様の使い方が可能になる。
【００２９】
(2)  ＩＤＴの外側に同心円状の音響的疎密波を生成するものとしたから、大面積の光束を収束させることができる。
【００３０】
(3)  ＩＤＴに囲まれた領域の内側に同心円状の音響的疎密波を生成するものとしたから、光束をその中心部も含めて収束させることができる。
【００３１】
(4)  周波数発生手段として発振周波数の異なる複数の発振装置を設け、これらの発振装置を切り替え使用することとしたから、焦点距離を段階的に切り替えることができる。
【００３２】
(5)  周波数発生手段として発振周波数連続可変型発振装置を用いたから、焦点距離を無段階に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明回折素子の第１の実施形態を示す概略構成図
【図２】  回折素子の作用の模様を模型的に示す説明図
【図３】  本発明回折素子の第２の実施形態を示す概略構成図
【図４】  本発明回折素子の第３の実施形態を示す概略構成図
【図５】  本発明回折素子の第４の実施形態を示す概略構成図
【図６】  本発明回折素子の第５の実施形態を示す概略構成図
【図７】  従来の光学素子の概略構成図
【図８】  従来の光学素子におけるインターディジタルトランスデューサの基本的構成を示す説明図
【図９】  本発明回折素子におけるインターディジタルトランスデューサの基本的構成を示す説明図
【図１０】  従来の光学素子のインターディジタルトランスデューサが表面弾性波を発生する状況を示す説明図
【図１１】  本発明回折素子のインターディジタルトランスデューサが音響的疎密波を発生する状況を示す説明図
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  回折素子
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  光導波路層
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  インターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）
１２ａ、１２ｂ  くし歯状電極
１３ａ、１３ｂ  電極指
１４ａ、１４ｂ  電極基幹部
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  発振装置
１７  光源
１８  光束
１９  焦点
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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