JP2900575B2 - Light beam scanner - Google Patents
Light beam scannerInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光ビームスキャナに関し、 機械的な走査部を必要とせず，かつ、簡易な構成の光
ビームスキャナを実現することを目的とし、 内面に透明電極と配向膜が積層形成された透明な２枚
の基板をくさび面とし、内部に液晶が注入封止された複
数のくさび型液晶セルを可変屈折率プリズムとして組み
合わせて光ビームスキャナを構成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] Regarding a light beam scanner, an object of the present invention is to realize a light beam scanner which does not require a mechanical scanning unit and has a simple configuration. A transparent electrode and an alignment film are provided on the inner surface. A light beam scanner is constructed by combining two transparent substrates formed as a wedge surface and combining a plurality of wedge-shaped liquid crystal cells into which liquid crystal is injected and sealed as a variable refractive index prism.
本発明は光ビームスキャナ，とくに、機械的可動部分
がなく，しかも、簡易な構成の光ビームスキャナの構成
に関する。The present invention relates to a light beam scanner, and more particularly to a light beam scanner having no mechanically movable parts and having a simple structure.
最近、バーコードリーダやレーザプリンタなどのレー
ザ光応用装置に用いられる光ビーム走査装置，すなわ
ち、光ビームスキャナが広く用いられるようになってき
た。これら光ビームスキャナの多くはその構成要素の一
部に機械的可動部分を用いているが，今後、これら光応
用装置が複雑化すると共に益々広く普及するのにともな
い、小型で安定，かつ、簡易で低価格の光ビームスキャ
ナの開発が求められている。Recently, a light beam scanning device used for a laser light application device such as a bar code reader and a laser printer, that is, a light beam scanner has been widely used. Many of these light beam scanners use mechanically movable parts as part of their components, but as these optical devices become more complex and more widely used in the future, they will be smaller, more stable and easier to use. There is a demand for the development of low-cost light beam scanners.
光を多くの位置にアクセスする方法には、代表的なも
のとして光ビーム走査方式と光アレイ方式がある。Representative methods for accessing light at many positions include a light beam scanning method and an optical array method.
光アレイ方式は多数の光源，たとえば、発光素子を配
列し、それぞれの発光素子を所要の光点，たとえば、印
字ドットに対応させる。この方式は高速・低騒音という
特徴があるが、素子不良は勿論のこと個々の素子性能が
揃っている必要があり，また、高解像度の用途に適さず
高価になるなどの問題があり、その応用範囲が限定され
ている。In the optical array system, a large number of light sources, for example, light emitting elements are arranged, and each light emitting element corresponds to a required light spot, for example, a printing dot. This method has the characteristics of high speed and low noise, but it is necessary to have the same element performance as well as defective elements, and it is not suitable for high resolution applications and is expensive. The range of application is limited.
一方、光ビーム走査方式では、回転多面鏡やホログラ
ムディスクなどの光偏向素子を回転し光ビームを走査す
るもので、光解像度・広角走査が容易であり現在最も多
く使用されている。その代表的な例として、回転多面鏡
を用いる構成のものについて以下に簡単に説明する。On the other hand, the light beam scanning method scans a light beam by rotating a light deflecting element such as a rotary polygon mirror or a hologram disk. The light resolution and wide-angle scanning are easy and are most frequently used at present. As a typical example, a configuration using a rotary polygon mirror will be briefly described below.
第４図は従来の光ビームスキャナの例を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing an example of a conventional light beam scanner.
すなわち、図示してない光源，たとえば、半導体レー
ザから出射した光ビームは、面内の一直線を軸として前
後に回動するミラー102で反射されて前後，すなわち、
Ｙ方向偏向を受ける。次に、ミラー102で反射された光
ビームは回転ドラム100のドラム面に貼り付けられた多
数のミラー101で反射されて左右，すなわち、Ｘ軸方向
の偏向を受ける。これにより光源から出射した一本の光
ビームは、こゝには図示してない被走査物体，たとえ
ば、バーコード面上を２次元的に走査するように構成さ
れている。なお、必要により図示してないレンズその他
の光学系を付加して光ビームの制御を行っている。That is, a light beam emitted from a light source (not shown), for example, a semiconductor laser, is reflected by a mirror 102 that rotates back and forth around a straight line in the plane as an axis, and
Subject to Y-direction deflection. Next, the light beam reflected by the mirror 102 is reflected by a large number of mirrors 101 attached to the drum surface of the rotating drum 100 and is deflected in the left and right directions, that is, in the X-axis direction. As a result, one light beam emitted from the light source is configured to two-dimensionally scan an object to be scanned (not shown), for example, a barcode surface. A light beam is controlled by adding a lens and other optical systems (not shown) as necessary.
しかし、上記従来の光ビームスキャナは回動するミラ
ー102や回転多面鏡を形成する回転ドラム100などの偏向
素子回転部を有するために、最近の高性能の光応用装置
においては、ますます高精度のモータと回転制御機構が
必要になり、装置の大型化，重量化と高価格化を招くと
いった問題が生じており、その解決が必要であった。However, the above-mentioned conventional light beam scanner has a deflecting element rotating unit such as a rotating mirror 102 and a rotating drum 100 forming a rotating polygon mirror, so that in recent high performance optical application devices, more and more high precision is applied. The motor and the rotation control mechanism are required, which causes problems such as an increase in the size, weight, and cost of the device, and a solution to the problem has been required.
上記の課題は、内面に透明電極11と配向膜12が積層形
成された透明な２枚の基板10をくさび面とし、内部に液
晶13が注入封止された複数のくさび型液晶セル１を可変
屈折率プリズムとして組み合わせて構成した光ビームス
キャナによって解決することができる。具体的には前記
くさび型液晶セル１の頂角の向きを逆にして組み合わせ
た２組の複合液晶プリズム2a,2bを直交配置した２次元
光ビームスキャナにより解決することができる。また、
前記くさび型液晶セル１内に封入された液晶分子の配向
が水平配向，垂直配向あるいはHAN型配向の何れかで構
成して効果的に解決することができる。The above-mentioned problem is that a plurality of wedge-type liquid crystal cells 1 in which a transparent electrode 11 and an alignment film 12 are laminated and formed on the inner surface are used as wedge surfaces, and a liquid crystal 13 is injected and sealed therein. The problem can be solved by a light beam scanner configured in combination as a refractive index prism. More specifically, the problem can be solved by a two-dimensional light beam scanner in which two sets of compound liquid crystal prisms 2a and 2b in which the apex angles of the wedge type liquid crystal cell 1 are reversed are combined. Also,
The liquid crystal molecules sealed in the wedge-shaped liquid crystal cell 1 can be effectively solved by configuring the liquid crystal molecules in one of a horizontal alignment, a vertical alignment and a HAN type alignment.
第３図はくさび型液晶セルの構造例を示す図であり、
同図（イ）は斜視図、同図（ロ）は断面図である。この
ようなくさび型液晶セル自体についてはすでに知られて
いる（Jap.J.Appl.Phys.vol.18,p677,1979参照）。FIG. 3 is a diagram showing a structural example of a wedge-shaped liquid crystal cell;
1A is a perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. Such a wedge-shaped liquid crystal cell itself is already known (see Jap. J. Appl. Phys. Vol. 18, p677, 1979).
図中、１はくさび型液晶セルで、２枚の透明な基板10
の上に透明電極11および配向膜12を順次積層形成し、配
向膜12を中にして頂角θで対面配置し、周縁部をシール
14で密封的に接着して空間を形成する。そして、その空
間に液晶13を注入封止して構成したものである。両基板
に形成された透明電極11に図示してない電源から電圧を
印加すると液晶13の液晶分子13′の配向が変わり透過す
る光の屈折率が変化し，いわば、可変屈折率液晶プリズ
ムが形成される。In the figure, 1 is a wedge type liquid crystal cell, and two transparent substrates 10
A transparent electrode 11 and an alignment film 12 are sequentially formed on the substrate, and are arranged facing each other at an apex angle θ with the alignment film 12 in the middle, and the peripheral edge is sealed.
At 14 sealably adhere to form a space. The liquid crystal 13 is injected and sealed in the space. When a voltage is applied from a power supply (not shown) to the transparent electrodes 11 formed on both substrates, the orientation of the liquid crystal molecules 13 'of the liquid crystal 13 changes and the refractive index of the transmitted light changes, so to speak, a variable refractive index liquid crystal prism is formed. Is done.
第１図は本発明の原理を示す図である。図中、２は２
つのくさび型液晶セル1a,1b（直角プリズム）の斜辺を
接触させ、光ビームが入出射する両面が平行になるよう
に構成した複合液晶プリズムである。くさび型液晶セル
1a,1bには図示してないがそれぞれ前記第３図に示した
透明電極11が形成されており、そこに電圧を印加するこ
とによりプリズムの屈折率が変化する可変屈折率液晶プ
リズムを構成する。この図では一方のくさび型液晶セル
1aに電圧を印加し、他方のくさび型液晶セル1bには電圧
を印加しない場合について示してあり、電圧無印加時に
液晶分子13′が配向膜面に水平に配向している水平配向
の例である。この場合、液晶13層内に捩じれがなく配向
状態が安定で，かつ、よく知られているように高速応答
が可能，すなわち、高速光ビーム偏向ができる。FIG. 1 is a diagram showing the principle of the present invention. In the figure, 2 is 2
This is a composite liquid crystal prism configured such that the oblique sides of two wedge-shaped liquid crystal cells 1a and 1b (right angle prisms) are in contact with each other so that both surfaces on which light beams enter and exit are parallel. Wedge-shaped liquid crystal cell
Although not shown in FIGS. 1a and 1b, the transparent electrode 11 shown in FIG. 3 is formed, and a variable refractive index liquid crystal prism is formed in which the refractive index of the prism changes when a voltage is applied thereto. . In this figure, one wedge-shaped liquid crystal cell
The case where a voltage is applied to 1a and no voltage is applied to the other wedge-shaped liquid crystal cell 1b is shown, and in a horizontal alignment example where the liquid crystal molecules 13 'are horizontally aligned on the alignment film surface when no voltage is applied. is there. In this case, there is no twist in the liquid crystal 13 layer, the alignment state is stable, and high-speed response is possible as well known, that is, high-speed light beam deflection is possible.
同図（イ）は電圧無印加時，すなわち、Ｖ＝０、同図
（ロ）はＶ＝V1、同図（ハ）はＶ＝V2の場合でV2＞V1で
ある。この時、液晶分子13′は水平配向から斜め，すな
わち、HAN型配向へ，さらに、垂直配向へと変化する。
そして、それぞれに対応してくさび型液晶セル1aの屈折
率はn1からn1′,n1″へと変化する（一方、くさび型液
晶セル1bの屈折率はn2のまゝで変化しない）。したがっ
て、左側から垂直入斜した光ビームは無偏向から偏向角
θ＝θ1,さらに、θ＝θ２へと屈折率変化に対応して大
きく偏向されるのである。FIG. 4A shows the case where no voltage is applied, that is, V = 0, FIG. 4B shows that V = V 1 , and FIG. 4C shows that V 2 > V 1 when V = V 2 . At this time, the liquid crystal molecules 13 'change from horizontal alignment to oblique, that is, to HAN type alignment, and further to vertical alignment.
The refractive index of the wedge-shaped liquid crystal cell 1a changes from n 1 to n 1 ′, n 1 ″ correspondingly (the refractive index of the wedge-shaped liquid crystal cell 1b does not change up to n 2). Therefore, the light beam vertically obliquely incident from the left side is largely deflected from non-deflection to a deflection angle θ = θ 1 and further to θ = θ 2 according to the change in the refractive index.
すなわち、本発明によれば印加電圧を制御することに
より、機械的可動部分がなく，かつ、低騒音で容易に高
速偏向走査が可能となるのである。That is, according to the present invention, by controlling the applied voltage, there is no mechanically movable part, and high-speed deflection scanning can be easily performed with low noise.
第２図は本発明の実施例を示す図で、本実施例では２
組の複合液晶プリズム2a,2bを直交配置して２次元的に
光ビームを偏向走査できるように構成したものである。FIG. 2 is a view showing an embodiment of the present invention.
The composite liquid crystal prisms 2a and 2b of the set are arranged orthogonally so that the light beam can be deflected and scanned two-dimensionally.
複合液晶プリズム2aは直角プリズムを形成するくさび
型液晶セル1aaと1abとを図示したごとく頂角を逆にして
斜辺を接触あるいは接着させて構成されている。同様に
複合液晶プリズム2bは直角プリズムを形成するくさび型
液晶セル1baと1bbとを図示したごとく頂角を逆にして斜
辺を接触あるいは接着させて構成されている。Composite crystal prism 2a is configured as shown with the wedge-type liquid crystal cell 1a a and 1a b to form a rectangular prism with an apex angle in the opposite contacting or adhering the hypotenuse. Similarly the composite liquid crystal prism 2b is constructed by as shown and wedge-type liquid crystal cell 1b a and 1b b to form a rectangular prism with an apex angle in the opposite contacting or adhering the hypotenuse.
いずれも基板10としては，たとえば、厚さ1mm,大きさ
10mm□程度のガラス板を用い、その上に透明電極11,た
とえば、厚さ200nmのITO（In2O3−SnO2）と配向膜12,た
とえば、厚さ50nmのポリイミド樹脂膜をスピンコートし
たあとラビングして配向処理を行った配向膜を順次形成
した。In any case, as the substrate 10, for example, a thickness of 1 mm and a size of
Using 10 mm □ degree of the glass plate, a transparent electrode 11 thereon, for example, a thickness of 200nm ITO (In 2 O 3 -SnO 2) and the alignment layer 12, for example, by spin coating a polyimide resin film having a thickness of 50nm Thereafter, an alignment film subjected to an alignment treatment by rubbing was sequentially formed.
それら基板10の２枚を前記配向膜12面を中にして頂角
θ＝10〜15゜になるように、基板10の周縁部をシール1
4,たとえば、エポキシ樹脂層で封止し、内部の空間に液
晶13,たとえば、誘電率異方性が正の，すなわち、水平
配向（電圧無印加時）性を有する液晶を注入封止してく
さび型液晶セル１を作製した。Seal the peripheral edge of the substrate 10 so that two of the substrates 10 have an apex angle θ = 10 to 15 ° with the alignment film 12 as the center.
4, for example, sealing with an epoxy resin layer, and injecting and sealing liquid crystal 13, for example, a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy, that is, a liquid crystal having a horizontal alignment (when no voltage is applied), into an internal space. A wedge-shaped liquid crystal cell 1 was produced.
以上のくさび型液晶セル１を前記のごとく２個づゝ組
み合わせ、斜辺を，たとえばエポキシ樹脂系光学接着材
で接着して複合液晶プリズム2a,2bを形成し、それら２
組の複合液晶プリズム2a,2bを互いに直交させ，かつ、
光ビームに対して直列に配置した。The wedge-type liquid crystal cells 1 described above are combined two by two as described above, and the oblique sides are bonded with, for example, an epoxy resin-based optical adhesive to form composite liquid crystal prisms 2a and 2b.
Set the composite liquid crystal prisms 2a and 2b to be orthogonal to each other, and
It was arranged in series with the light beam.
以上の構成で図示してない光源，たとえば、半導体レ
ーザから光ビームを入射させ、複合液晶プリズム2aのく
さび型液晶セル1aaと複合液晶プリズム2bのくさび型液
晶セル1baとに同じく図示してない可変電源制御回路か
らDC5v程度以下の駆動電圧を印加して、Ｙ方向偏向（偏
向角θ）とＸ方向偏向（偏向角φ）の２次元高速偏向を
行った結果、大きさ，重量とも従来の回転多面鏡型の光
ビームスキャナの1/10以下で，しかも、動作が安定で低
騒音の光ビームスキャナが得られた。A light source not shown in the above configuration, for example, applying light beam from the semiconductor laser, also shown in the wedge-type liquid crystal cell 1b a wedge-type liquid crystal cell 1a a composite liquid crystal prism 2b of the composite liquid crystal prism 2a As a result of applying two-dimensional high-speed deflection of Y-direction deflection (deflection angle θ) and X-direction deflection (deflection angle φ) by applying a drive voltage of about 5 VDC or less from a variable power supply control circuit, A light beam scanner that is less than 1/10 of the rotating polygon mirror type light beam scanner, has stable operation and low noise is obtained.
上記実施例では液晶13として水平配向のものを用いた
が、垂直配向およびHAN型配向のものであっても、同様
に安定，かつ、高速偏向に適している。すなわち、一般
に液晶の状態としては光の散乱のないことが重要で、そ
のためには液晶分子を一方向に揃えなくてはならない。
液晶を一方向に揃える配向としては水平配向，垂直配向
およびHAN型配向がそれぞれ可能で，かつ、いずれも電
圧印加による制御が容易であることが判明し、それぞれ
本発明の液晶13として用いることができる。In the above embodiment, the liquid crystal 13 has a horizontal orientation, but the liquid crystal 13 having a vertical orientation and a HAN type orientation is similarly stable and suitable for high-speed deflection. That is, in general, it is important that there is no light scattering as the state of the liquid crystal, and for that purpose, the liquid crystal molecules must be aligned in one direction.
As the alignment for aligning the liquid crystal in one direction, horizontal alignment, vertical alignment, and HAN type alignment are possible, and it has been found that all of them can be easily controlled by applying a voltage. it can.
また、上記実施例では一方向の偏向に複合液晶プリズ
ム２を１個使用したが、より大きい偏向角を得るために
２個以上を直列に配置して用いてもよいことは言うまで
もない。Further, in the above embodiment, one composite liquid crystal prism 2 is used for one-way deflection, but it goes without saying that two or more prisms may be used in series to obtain a larger deflection angle.
なお、上記の実施例は例を示したものであり、本発明
の趣旨に添うものであれば、使用する素材やそれらの組
み合わせ，あるいは、各部分の構成などは適宜最適なも
のを選択使用してよいことは言うまでもない。The above embodiments are merely examples, and the materials used, the combinations thereof, and the configurations of the respective parts may be appropriately selected and used as long as they are within the spirit of the present invention. Needless to say,
以上説明したように、本発明によれば機械的可動部分
を必要とすることがなく，かつ、低騒音で印加電圧を制
御することによって高速偏向走査が可能となるので、光
ビームスキャナの性能・品質の向上と小形，軽量，低価
格化に寄与するところが極めて大きい。As described above, according to the present invention, a mechanically movable part is not required, and high-speed deflection scanning can be performed by controlling the applied voltage with low noise. It greatly contributes to quality improvement and small size, light weight and low price.
第１図は本発明の原理を示す図、 第２図は本発明の実施例を示す図、 第３図はくさび型液晶セルの構造例を示す図、 第４図は従来の光ビームスキャナの例を示す図である。 図において、 １（1a,1aa,1ab,1b,1ba,1bb）はくさび型液晶セル、 ２（2a,2b）は複合液晶プリズム、 10は基板、 11は透明電極、 12は配向膜、 13は液晶、 13′は液晶分子、 14はシールである。FIG. 1 is a diagram showing the principle of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing a structural example of a wedge type liquid crystal cell, and FIG. It is a figure showing an example. In FIG, 1 (1a, 1a a, 1a b, 1b, 1b a, 1b b) is wedge-shaped liquid crystal cell, 2 (2a, 2b) is a composite liquid crystal prism, the substrate 10, 11 a transparent electrode, 12 is oriented 13 is a liquid crystal, 13 'is a liquid crystal molecule, and 14 is a seal.
フロントページの続き (72)発明者 大橋 誠 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 岡部 正博 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/29 G02F 1/13 505 Continued on the front page (72) Inventor Makoto Ohashi 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Inventor Masahiro Okaka 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Nakazaki-ku Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Fujitsu Limited (58) Survey Field (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 1/29 G02F 1/13 505
Claims (3)
層形成された透明な２枚の基板（10）をくさび面とし、
内部に液晶（13）が注入封止された複数のくさび型液晶
セル（１）を可変屈折率プリズムとして組み合わせて構
成することを特徴とした光ビームスキャナ。1. A wedge surface comprising two transparent substrates (10) each having a transparent electrode (11) and an alignment film (12) laminated on the inner surface thereof.
A light beam scanner comprising a plurality of wedge-shaped liquid crystal cells (1) in which a liquid crystal (13) is injected and sealed therein as a variable refractive index prism.
を逆にして組み合わせた２組の複合液晶プリズム（2a,2
b）を直交配置して、２次元的に光ビームを走査するこ
とを特徴とした請求項（１）記載の光ビームスキャナ。2. A composite liquid crystal prism (2a, 2a) comprising two wedge-shaped liquid crystal cells (1), each having an apex angle in a direction opposite to each other.
2. The light beam scanner according to claim 1, wherein b) is arranged orthogonally to scan the light beam two-dimensionally.
た液晶（13）分子の配向が水平配向，垂直配向あるいは
HAN型配向の何れかであることを特徴とした請求項
（１）または（２）記載の光ビームスキャナ。3. The liquid crystal (13) molecules enclosed in the wedge-shaped liquid crystal cell (1) have horizontal or vertical alignment.
The light beam scanner according to claim 1, wherein the light beam scanner is any one of a HAN type orientation.
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|---|---|---|---|
| JP26715790A JP2900575B2 (en) | 1990-10-03 | 1990-10-03 | Light beam scanner |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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- 1990-10-03 JP JP26715790A patent/JP2900575B2/en not_active Expired - Fee Related
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