(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部反射型空間変調器であって、
結晶基板と、
前記結晶基板の支持表面上に形成されたバッファ部を有するパターン化バッファ層と、
複数の電極を有する電極アレイと、
を備え、
前記電極アレイが前記パターン化バッファ層に基づいてパターン化され、前記電極アレイの各電極が前記パターン化バッファ層の各バッファ層の上に配置されることを特徴とする内部反射型空間変調器。
【請求項２】
前記内部反射型空間変調器が、高出力赤外線光源で得られた連続波光ビームを変調する電気光学的内部反射タイプの変調器であることを特徴とする請求項１記載の内部反射型空間変調器。
【請求項３】
前記結晶基板が、可視光線及びＩＲ波長にて透明で、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を含むことを特徴とする請求項１記載の内部反射型空間変調器。
【請求項４】
前記内部反射型空間変調器が、電気光学材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の内部反射型空間変調器。
【請求項５】
前記電極アレイが、前記結晶基板の軸に合わせて配向されていることを特徴とする請求項３記載の内部反射型空間変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力レーザビーム光を変調できる空間光変調器に関する。本発明の空間光変調器は、交互配置された格子電極構造を用いる全内反射空間光変調器である。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
高強度光ビームの空間光変調器には、多岐にわたる用途がある。特に商用印刷向けの用途では、出力２０Ｗ範囲のレーザ光バーが珍しくない。これらのレーザ光バーを高出力光源として連続波（ＣＷ）モードで用いる場合は、光の高強度ビームを非常に多数の分離したピクセルに変調する手段が必要である。これらの高強度レーザ光バーの波長範囲は０．８μｍ〜１μｍが普通である。
【０００３】
米国特許第４，２８１，９０４号には、全内反射（ＴＩＲ）を用いて可視Ｈｅ−Ｎｅレーザビームを変調することが開示されている。米国特許第４，２８１，９０４号では、絞りを主に出力光学系に用いて零次のビームを阻止し、一次回折光を媒体に結像して低い総括可視光レベルに対して１００対１の変調コントラストを得ている。米国特許第４，２８１，９０４号の装置に印加される電圧は、入射光を効率的に一次ビームへ回折する結晶に必要な屈折率変化の量に相当する。基本モードから一次モードへと変えるその回折によって、２０ｄＢという大きなコントラストが生じる。しかし残念なことにこの装置では、光（すなわち、無回折の光と高次回折の光）が浪費され、光像にヌル点（光が回折されない点）がある。他の特許、例えば、米国特許第４，６７３，９５３号では、「ヌル点がない」デバイスを製造するのに複雑なスキームを用いている。これらの複雑なスキームは、ヌル点を除くために余分な光学系を用いている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の内部反射型空間変調器は、結晶基板と、前記結晶基板の支持表面上に形成されたバッファ部を有するパターン化バッファ層と、複数の電極を有する電極アレイと、を備え、前記電極アレイが前記パターン化バッファ層に基づいてパターン化され、前記電極アレイの各電極が前記パターン化バッファ層の各バッファ層の上に配置されることを特徴とする。
【０００５】
本発明の第１の内部反射型空間変調器は、高出力赤外線光源で得られた連続波光ビームを変調する電気光学的内部反射タイプの変調器とすることができる。
【０００６】
本発明の第１の内部反射型空間変調器では、前記結晶基板が、可視光線及びＩＲ波長にて透明で、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を含むものとすることができる。この態様の内部反射型空間変調器では、前記電極アレイが、前記結晶基板の軸に合わせて配向されているものとすることができる。
【０００７】
本発明の第１の内部反射型空間変調器では、変調器が、電気光学材料で形成されているものとすることができる。
【０００８】
本発明の目的は、上記の欠点を克服する全内反射変調器を提供することである。
【０００９】
本発明は、０．８３μｍのような赤外線波長で極めて高出力の光を取り扱うことができる全内反射光変調器の設計について記載する。本発明のデバイスは、高出力レーザビーム光を変調し、ピクセル化することができる。ここで、光とは、スペクトルの可視光、赤外線、近赤外線部分を称する。本発明の変調器としては、光学バッファ層で光レベルから保護された格子電極構造が用いられる。この変調器からの光は、スリットまたはアパチャ（フーリエ面の絞りの代わりに）と組み合わせたシュリーレン光学系で結像され、例えば、２５６ピクセルの場合４：１を超えるコントラスト比が得られる。また、この変調器は、出力された結像光バーにヌル点の問題を抱えていないので、ヌル点を抑制する工夫の必要がない。グラフィックアート領域に用いられるような妥当な閾値を有する印刷媒体は、そのような低コントラスト比を用いることができる。
【００１０】
本発明では、電子光学結晶の最も上の面から光が全内反射する時に光を回折する電極ピッチ（すなわち、交互配置された電極格子ピッチ）は、次の二つの制約条件：
ａ）ピッチは、十分な電界深さを維持し、光界と十分な相互作用が可能になるように十分な大きさにしなければならないという条件と、
ｂ）ピッチは、操作電圧（普通は半波長電圧）が１００ボルト以上となるような大きさであってはならないという条件と、
から決定される。
【００１１】
ピッチの決定は、中心間距離１０μｍ〜３０μｍのピッチを有する試験用変調器を用いて格子構造のデュティサイクル(duty cycle)を修正しながら行った。１０μｍ幅電極では、所要のコントラストが得られず、３０μｍパターンの方は良好なコントラストが得られたけれども操作電圧が極端に高かった。
【００１２】
同時に、電気光学結晶表面内の電界の突抜深さを、電極ピッチ、電極幅、印加電圧の関数として数式で表す解法も試みた。この検討の結果を、格子相内の光学相互作用の有限要素評価と組み合わせて、電極で誘起される電気光学格子構造のコントラスト、相互作用長さ、伝達、再構成性質を推算した。この結論として、十分に高い光学コントラストを得るには電極ピッチを１５μｍ超とする必要があるということが分かった。従って、１５〜２０μｍ範囲が好ましい電極ピッチである。
【００１３】
本発明は、結晶基板と、結晶基板表面にバッファ堆積部が形成されたパターン化バッファ層と、複数の電極から構成される電極アレイとを備えることを特徴とする内反射タイプの空間光変調器に関する。前記電極アレイは、パターン化バッファ層に基づいてパターン化され、電極アレイの各電極がパターン化バッファ層の各バッファ部の上に重ね合わせて配置される。
【００１４】
本発明は更に、角度をもって対向する端面を有する結晶基板と、前記結晶基板の表面上に堆積されたパターン化バッファ層と、前記パターン化バッファ層の上に重ね合わせて配置された電極アレイとを備える内反射タイプの変調器に関する。
【００１５】
本発明は、プリンタアセンブリにも関する。このプリンタアセンブリは光源と光源からの光を変調する内反射タイプ変調器とを更に備える。この変調器は結晶基板と結晶基板の上に堆積されたパターン化バッファ層とを備える。内反射タイプのこの変調器は、パターン化バッファ層のバッファ堆積部の上に正確に配置された電極を更に備え、各電極が各バッファ層の上に重ね合わされて配置されるようになっている。このプリンタは、変調器からの光をプリント媒体の上に結像する光学系アセンブリを更に備える。
【００１６】
本発明はまた、高光度赤外線光源で得られた連続波（ＣＷ）光ビームを変調する方法にも関する。この方法は、バッファ部を有するパターン化バッファ層を結晶基板の表面上に堆積するステップと、前記パターン化バッファ層の上に電極アレイを配置して電極アレイの各電極がパターン化バッファ層のバッファ部へ重ね合わせて配置するステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
さて、図を参照する。以下の図では、同じ参照数字は同じもの、あるいは対応する部品を示す。図１は、３個の「ホット」電極２０ａ〜２０ｃと４個の接地電極２３ａ〜２３ｄから構成される一個の回折ピクセルを概略的に示す。電極に電圧を印加した時に得られる近似的な位相シフトは、図２に示される。交互配置された格子電極構造内にピクセルを規定するために、交互配置された格子電極構造の領域を一枚の電気パッドに貼着する。適切な回折効率を得るには、電極パターンの完全な繰り返しが三つあるのが好ましい。従って、最初ピクセルサイズは１２０μｍとなる。すなわち、図１に示されるように、接地電極４個の間に電圧を印加する電極３個を配置したものとなる。単位ピクセル当たり電圧を印加する電極４個に接地電極５個（すなわち、１６０μｍのピクセル）も使用可能であるが、この場合２５６個のピクセルの変調器は結晶幅が３０．７２ｍｍから４０．９８ｍｍへと拡大してしまう。これは、電気光学結晶使用占有面積の顕著な増大となり、視野がそれだけ広い大きな光学系が必要となる。
【００１８】
前述の設計品の一つは、２５６個のピクセルを有するので、幅は２５６×１２０μｍ＝３０．７２ｍｍであった。この場合に用いた電気光学材料はニオブ酸リチウムであった。このような大きな電極構造品に電気接点を取り付けるには（接点パッドが幅約０．０２５ｍｍ（５ミル）、間隙約０．０２５ｍｍ（５ミル）が普通とすれば）、この構造品を貼り着ける結晶は、（電極構造に直角に）３３ｍｍで、長さが３８ｍｍでなければならない。これは、アクティブ電極／格子構造の長さが５ｍｍで、電極パッドが３〜５ｍｍの長さの電極幅の外側に配置されるということを仮定している。結晶の配向は、電極からの電界が主として結晶軸に沿って掛けられ、電気光学効果が最大になるようにされる。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムのような典型的電気光学結晶では、その軸はＣ−軸かＺ−軸なので、どのような結晶配向も、伝搬軸がＺ−軸でない限り、かつ電極を結晶表面に貼付してＣ−軸電気光学効果を利用できる限り、用いることができる。光ビームは、掛けられた電界と光相互作用距離として認識される限定域で相互作用があるので、パターン化された電極長さは、伝搬軸に沿って有効光相互作用距離を超えさせることができる。ＴＩＲ変調器の高輝度電界が主な原因で、電極長さは相互作用長さを決めるために特製する必要はない。むしろ、相互作用長さは光学設計の制約因子として考えることができる。長い電極を用いることが出来れば、デザインとプロセッシングが容易となるばかりでなく、電極端における電極間端部電界を光相互作用域から実質的に離すことが確実になる。
【００１９】
電極構造は、図３，図４，図５に詳細に示すことができる。図３は、全部で２５６個のアクティブピクセルと蛇状電極構造２５との概略を、光学結晶２７の側面と共に示す。電極構造２５は、交互配置された格子電極域２９を更に備える。図４は、図１の電極域２９の拡大詳細図である。図４に示されるように接地電極３１は、ピクセル４個毎に約２個所でアクセスされ、連続性が保たれる。２５６個のピクセルの各々が個別にアドレスされる一方、迂曲する接地結線が接地電極３１からの結線と連続し、中央の接地母線に出ていくのは、図３と４に見られる通りである。母線３３へ数多くの結線があるので、接地は電極全長に対して確実に連続となる。図５は、図１に示される格子構造の詳細を示すと共にピクセル１個を３本の格子「ホット」リード線と接地結線に接続する方法を更に図示する。図５の格子構造は、中央に破線の曲線を示しているが、これは該構造が図示よりも実際には大きいことを示す。能動ピクセル幅、プロファイル、位置は接地エレメントの固定位置で決定される。このアプローチはピクセル位置をラスタ処理することが出来なくなる一方で、マルチモードソースで用いる時、ピクセル間ヌル点は滅多に存在しない。従って、アドレスをラスタ処理する必要はなくなる。
【００２０】
図６は従来の連続接地格子電極構造を示す。この構造では、電極は電気光学結晶３８上に堆積された連続バッファ層３９上に取り付けられる。ニオブ酸リチウムのような電気光学的結晶が抱える問題の一つは、電極バッファ／結晶界面３６（例えば、堆積ＳｉＯ2から生じ得る）下の電荷トラップによって引き起こされるドリフトである。この問題は、図７の不連続バッファ構造に示されるように、電極構造の直下だけに堆積されたバッファ材料で電極構造を製作することによって克服された。より具体的に言えば、図６に示されるように、電荷４５は、連続面であるバッファ／結晶界面３６に沿って移動する。図７に示されるように、バッファ部４１ａ，４１ｂ，４１ｃが不連続に形成されるパターンの形でバッファ層が結晶基板４７の上に堆積される。電極４０ａ，４０ｂ，４０ｃを含むようにパターン化された電極アレイを、パターン化されたバッファ層の上に堆積し、電極４０ａがバッファ部４１ａに重なるように配置され、電極４０ｂがバッファ部４１ｂに重なるように配置され、電極４０ｃがバッファ部４１ｃに重なるように配置される。ここで注記するのは、図７は構造の一部を示しているにすぎないので、残りの構造の電極とバッファ部も図７に示されるように配置されるということである。図７の構造を取ると、バッファ／結晶界面４９は連続でないので、界面４９に沿って電荷は移動できない。また、図７の構造では、電荷はバッファ／結晶界面４９ａ，４９ｂ，４９ｃの個所で生じ、オーバーレイする結晶界面では生じない。従って、この電荷は反対符号へ荷電された電極へ動いて印加電圧をオフセットすることはできない。図８は、単一電極４０ａが結晶基板４７の上に堆積されたバッファ部４１ａ上に取り付けられた状態の詳細図である。実施形態では、電極４０ａを０．５ｍｍ厚さとし、図８に示されるようにバッファ部４１ａと電極４０ａとの間に接着層６０を設けることができる。
【００２１】
更なる機能では、注記するのは、電極の間に極めて高い電界が存在するので、ある材料を電極の上にオーバーコートして、それがなければ空中で起こる電界破壊を防止する必要があることである。この表面コーティングは図９に示される。より具体的に記載すれば、図９は電極４０ａ〜４０ｇ、バッファ部４１ａ〜４１ｇ、結晶基板４７を備える電極構造の断面を示す。アクリル型のオーバーコートのようなオーバーコート５０を塗膜して空中の電界破壊を防止する。オーバーコート５０は透明で、光学的にクリアにできる。注記するのは、オーバーコート５０はアクリル型のオーバーコートに限定されないということである。オーバーコート５０としては、非吸収性で、比較的屈折率が小さく（＜＜２．２）、電気絶縁材である限り、エレクトロニクス域で用いられる標準被覆材料を用いることができる。更に、空気中の電界破壊を防止するのにオーバーコートを用いることに限定しない。更なるオプションとして、電界破壊を防止するのに脱気法も用いることが可能である。
【００２２】
光の強度を最大から最小まで変調するのに用いる電圧は、米国特許第４，２８１，９０４号に開示の変調器構成の場合のように必ずしもπ（パイ）位相シフトにする必要はない。この特許では、回折された光はピークが一次回折のところに来るように設計され、絞り空間フィルタ構成で用いられている。むしろ、正弦波位相格子の回折を支配するベッセル関数の高次（一次より高い次数）に適する電圧を使用するのがユーザにとっては有利である。また、スリットまたはアパチャが用いられ、光を高次に回折することによって光がゼロ次から除去される。媒体に結像されるのは大部分ゼロ次である。選択された次数は、ゼロ次からの最大の回折効率を必ずしも提供するものではない一方、回折効率は最適化することができる（同時係属出願弁理士書類第７９１６２号を参照）。こうすると、フルプリントシステムのスリットまたはアパチャ空間フィルタ構造が大幅に簡略化される。回折された光を用いないので、光を高次回折した状態でも入出力光学系のサイズ、複雑性、コストが増大しない。スリットまたはアパチャは極めて有用である。プリントへの用途は、媒体の所で高光度レベルを必要とするので絞り空間フィルタ構成のように光の強度を捨ててしまう余裕はないからである。
【００２３】
図１０は、本実施形態の変調器で行うことができるプリンタアセンブリと、それを用いて得られる光路の例の概略図である。図１０に示されるように、高光度レーザダイオードのような光源からレーザ光が発光され、レーザ照射線７０の形で変調器７３へ入射される。変調器７３は前述のような電極／バッファ構造を有する。変調器７３を通過した後、レーザ光７５はフーリエレンズ７７へ入り、スリット７６を通過する。撮像レンズ７８はレーザ光をプリント面７９に結像する。
【００２４】
図１１と図１２とは、結晶基板に関して更なる機能を示す。本実施形態の変調器は極めて高出力の光を変調するので、光ビームの反射が問題となる。更なる機能では、光学的結晶４７’の対向する光通過端面４７ａ，４７ｂが約７度の角度（これは、使用する光の波長の関数であることは勿論のこと、電気光学結晶を入出射する時に光が遭遇する物質の屈折率の関数）で傾けられ、回折されたビームは、交互配置された格子電極構造２５（図１１参照）に向けられ、光８０（図１２参照）は、結晶基板４７’の中を一直線の光路で、出力ビームと平行かつ一致して進む。一方では、結晶内で光は、電極が配置されている電気光学結晶表面８５から全内反射している。結晶４７’は、普通、ニオブ酸リチウムのような高屈折率材料であるから、各光学的表面からの反射は光強度の相当なサイズの比率になることがある。その時には、反射防止コーティング９０を単層または多層フォーマットで端面４７ａ，４７ｂに使用して、優れたレーザビーム透過効率を達成する必要もある。端面４７ａ，４７ｂに反射防止コーティングとして二酸化シリコンの１４０ｎｍ単層を用いさえすれば、各界面からの反射を１４％から数％の比率へ減少させることができる。多層の反射防止コーティングを用いれば、この比率を更に下げることができ、従ってこの装置が高い光学的透過能力を有するようにでき、迷走する高強度反射光が結晶または電極構造を確実に損傷しないようにできる。
【００２５】
従って、高出力の赤外線（ＩＲ）光源から発せられる連続波光ビームを変調する電気光学的全内反射タイプの変調器を提供する。また、可視光線およびＩＲ波長で透明な結晶（４７，４７’）は、図１３と図１４に示されるように配置される軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有し、ＩＲ波長（０．８μｍ〜１μｍ）で電気光学材料で成形される。図１３は入射光の偏光が結晶面内で、かつＺ−軸に平行である好ましい態様を示し、一方、図１４は偏光が結晶表面に垂直である場合の別の態様を示す。本実施形態の変調器は、結晶表面の一つに設けらた複数のバッファ部を備えるパターン化バッファ層を備える。これらのバッファ部は電気的に絶縁性の、非吸収性で、該当する波長のところで結晶基板よりも小さい屈折率を有する有機材料から成形される。この変調器は、更に電極アレイを備えるが、電極がパターン化されたバッファ層の各バッファ部の直上だけにパターン化されるようにこの電極アレイが組まれる。バッファ層の厚さの選択は、結晶内で発生し電極と相互作用するＩＲ光線のエバネッセント波の効果を最小限にするように行われる。すなわち、バッファの厚さは、内反射に当たって、エバネッセント波の電極への吸収を最小限に抑え、電極の溶発損傷が起こらないように、注意深く選択される。電極パターンの結晶軸への配向は、最大の電気光学効果またはテンソルを用いることができるように行われる。これは、ニオブ酸リチウムのような標準電気光学結晶の電気光学係数ｒ33である。
【００２６】
本実施形態では、周期幅１０μｍ、周期間隔１０μｍ、格子周期３個の交互配置電極格子を作ることによって、変調されたビームのコントラストが４対１を超えるように設計された１２０μｍのピクセル１個が製作される。電極の周期はデューティサイクルが５０％でよいが、これに限定はされない。
【００２７】
更なる機能では、格子周期は１０μｍ〜３０μｍでよく、電圧は、望ましくない光を系のスリットから散乱させるために普通１００Ｖ未満が印加される。
【００２８】
更なる機能として、電極パターンアレイの多様の電極に、図１５に図示するように電圧を印加、結晶に電界を発生する手段が含まれる。電界は、これら電圧を変調することによって、電子構造の下と電気光学効果で光学的に透明な結晶内を通過する光ビーム部分を変えるものである。電圧を変えるこの手段は電子駆動回路７００の形で行うことができる。
【００２９】
上記のオーバーコートは、光学的に透明で（ＩＲ波長域を含めて）で、電気絶縁性のオーバーコート層でよく、電極の上へと、それらの間のパターン化された開いた部分へ被覆することができる。
【００３０】
結晶基板の形成の仕方は、対向する高出力レーザ光通過表面を傾けて、つまり角度をもって形成して、結晶に入る高光度光が回折される場合に電極の下の結晶表面に入射し、この結晶表面で内部へ全反射するように行われる。次に、このビーム光が回折されて結晶を出て、高出力ゼロ次ビーム出力が結晶に入力する光ビームと平行かつ一致した方向に射出される。
【００３１】
結晶基板の傘状または斜角状の高光度入出力面または端面は、反射防止コーティング膜（多層を含む）で被覆され、入出力面から反射する望ましくない光は最小限に抑えられる。
【００３２】
本実施形態の変調器は、２５６個のピクセルを備えることができるが、これらのピクセルは、通常１２８個のピクセルパッドが光ビームに平行な結晶の各端部に配置されるように結線される。各ピクセルの周りを蛇が走るように迂曲する接地結線が光伝搬方向に平行な結晶各側部上の共通母線に無数に結ばれる。別法としては、個別の接地結線を各ピクセルに結ぶこともできる。
【００３３】
更なる機能では、媒体面に各ピクセルで投射される光量は、ラインプリント時間の間に各個別ピクセルに印加される電圧のパルス幅を調節することによって、制御し、従って平衡させることができる。各ピクセルのパルス幅を決定するには、印刷の前にピクセルを較正する必要がある。このように、ピクセルの全てのアレイを用いることによって、より均一なプリントが得られる。こうすれば、照射光、電極、コーティング膜、結晶などに存在する穏当な不均一性を補正する手段が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態の電極構造の断面図である。
【図２】  図１の電極の下に伝達された光ビームの位相シフトを示す図で、電極を生かした時に得られる図である。
【図３】  蛇状配置の接地電極構造を有する全部で２５６個のアクティブピクセルの概略図で、光学結晶の側面図も示している図である。
【図４】  図３の電極構造のコネクタ領域の拡大図である。
【図５】  図４の生リード線と接地結線を示す詳細図である。
【図６】  従来の電極／バッファ配列を示す図である。
【図７】  本実施形態の電極／バッファ配列を示す図である。
【図８】  本実施形態の電極／バッファ部の一つの詳細図である。
【図９】  本実施形態の電極／バッファ／結晶基板配列の別図で、電気絶縁性オーバーコート膜を含む図である。
【図１０】  プリンタアセンブリ内に設けられた本発明の変調器の概略図である。
【図１１】  結晶基板の側面図である。
【図１２】  結晶基板の別の側面図である。
【図１３】  結晶基板のＸ，Ｙ，Ｚ軸を示す図である。
【図１４】  結晶基板のＸ，Ｙ，Ｚ軸の他の例を示す図である。
【図１５】  結晶基板の電子駆動回路の配置個所を示す図である。
【符号の説明】
２５  電極構造、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇ電極、２５  格子交互配置電極構造、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ，４１ｇ  バッファ部、４７，４７’  結晶基板、４７ａ，４７ｂ  端面、５０  オーバーコート、６０  接着層、７０  レーザ照射光、７３  変調器、７５  レーザ光、７６  スリット、７７  フーリェレンズ、７８  撮像レンズ、７９  印刷面、８０  光、９０  反射防止コーティング。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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