WO2017191684A1 - 2次元光偏向器 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a two-dimensional light deflector that two-dimensionally deflects a light beam.
- One of the two-dimensional light deflectors for deflecting a light beam in a two-dimensional manner is a configuration in which two galvano deflectors each having a mirror are disposed in an orthogonal arrangement.
- the trajectory of the light beam is distorted on the image plane.
- FIGS. 18 and 19 show the two-dimensional light deflector disclosed in U.S. Pat. No. 4,838,632.
- FIG. 18 is a side view of the two-dimensional light deflector
- FIG. 19 is a front view of the two-dimensional light deflector.
- this two-dimensional light deflector 500 includes a first deflector 510 and a second deflector 520.
- the first deflector 510 includes a movable portion 512 having a reflecting surface, and a bracket 514 that swingably supported around the movable portion 512 of the first axis A 1.
- the second deflector 520 swings the first deflector 510 to the second about an axis A 2 that is orthogonal to the first axis A 1.
- the first deflector 510 as the reflection surface of the movable portion 512 of the undeflected is a 45 ° angle to the second axis A 2, which is fixed to the second deflector 520.
- Light beam LB 1 that is deflected is incident on the first deflector 510 in parallel to the second axis A 2.
- the light beam LB 2 reflected by the reflective surface of the movable portion 512 is incident on the image plane 534 through the lens 532.
- the two-dimensional light deflector 500 achieves a reduction in distortion of the trajectory of the light beam on the image plane while having a simple configuration and a very small size.
- the second deflector 520 integrally swings the first deflector 510 around a swing axis parallel to the incident light beam. Therefore, the size, mass and moment of inertia of the first deflector 510 are important elements for realizing a very compact two-dimensional light deflector with a simple configuration.
- U.S. Pat. No. 4,838,632 does not suggest or teach a specific configuration of the first deflector.
- the reflecting surface of the movable portion 512 of the undeflected also no teaching suggested a technique of such an angle of 45 ° with respect to the second axis A 2.
- the first deflector 510 is integrally formed with the second deflector 520, in view of the configuration necessary for the first deflector 510, it is difficult to imagine that the mass / inertia moment of the first deflector 510 is increased. Instead, it can be easily imagined that driving of the second deflector 520 requires a large driving power, and as a result, a large power consumption is required.
- the present invention has been made in view of such a current situation, and it is an object of the present invention to provide a low power consumption two-dimensional light deflector in which the distortion of the light beam trajectory on the image plane is reduced.
- the present invention is directed to a two-dimensional light deflector that deflects a collimated light beam two-dimensionally.
- the two-dimensional light deflector comprises a first deflector for deflecting a collimated light beam in one plane, a second deflector for deflecting a collimated light beam in another plane, and the first deflector. And a fixing member directly fixing the second deflectors together.
- the first deflector includes a light emitting unit that generates the collimated light beam from the light guided by the light guiding unit and emits the collimated light beam.
- the light emitting portion is swingably supported around a first axis extending through the light emitting portion.
- the light emitting unit emits a collimated light beam toward the first axis in a first plane perpendicular to the first axis. Accordingly, the swinging of the light emitting part causes the deflection of the collimated light beam in the first plane.
- the second deflector has a swingable reflective surface that reflects the collimated light beam emitted from the light emitting unit.
- the reflecting surface is inclined 45 degrees with respect to the first axis when not rocking, and further coincides with a chief ray of a collimated light beam emitted from the light emitting portion when rocking not It is also inclined 45 degrees with respect to two axes.
- the reflective surface converts the deflection of a collimated light beam in the first plane into a deflection of a collimated light beam in a second plane perpendicular to the second axis.
- the reflecting surface is pivotably supported about a third axis passing through the intersection of the first axis and the second axis and perpendicular to both the first axis and the second axis,
- the pivoting of the reflective surface about the third axis causes deflection of the collimated light beam in a third plane perpendicular to the third axis.
- FIG. 1 shows a perspective view of a two-dimensional light deflector according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 shows a side view of the two-dimensional light deflector of the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3 shows a top view of the two-dimensional light deflector of the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4 shows a configuration example of the light emitting portion and the clad fixing portion.
- FIG. 5 shows another configuration example of the light emitting part and the clad fixing part.
- FIG. 6 shows the deflection of the collimated light beam in the second plane due to the swinging of the light emitting part.
- FIG. 7 illustrates the deflection of the collimated light beam in the third plane due to the rocking of the reflective surface.
- FIG. 1 shows a perspective view of a two-dimensional light deflector according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 shows a side view of the two-dimensional light deflector of the first embodiment of the present
- FIG. 8 shows two-dimensional deflection of a collimated light beam by the combination of the swing of the light emitting part and the swing of the reflecting surface.
- FIG. 9 shows a perspective view of the movable part and the hinge part of the first deflector.
- FIG. 10 shows a side view of the movable part and the hinge part shown in FIG.
- FIG. 11 shows a perspective view of a two-dimensional light deflector of a modification of the first embodiment of the present invention.
- FIG. 12 shows a side view of the two-dimensional light deflector of the second embodiment of the present invention.
- FIG. 13 shows a top view of the two-dimensional light deflector of the second embodiment of the present invention.
- FIG. 14 shows a side view of the two-dimensional light deflector of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 15 shows a top view of the two-dimensional light deflector of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 16 shows a side view of a two-dimensional light deflector according to a modification of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 17 shows a top view of a two-dimensional light deflector of a modification of the third embodiment of the present invention.
- FIG. 18 shows a side view of a conventional two-dimensional light deflector disclosed in US Pat. No. 4,838,632.
- FIG. 19 shows a top view of a conventional two-dimensional light deflector disclosed in U.S. Pat. No. 4,838,632.
- FIGS. 1, 2 and 3 respectively show a perspective view, a side view and a top view of a two-dimensional light deflector 100 according to a first embodiment of the present invention.
- the positional relationship, the direction, and the like of each element will be described according to the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIG.
- the + Y direction is upward
- the ⁇ Y direction is downward
- the + X direction is forward
- the ⁇ X direction is backward.
- a plane parallel to the ZX plane is taken as a horizontal plane.
- the two-dimensional light deflector 100 is an optical device that two-dimensionally deflects a collimated light beam, and a first deflector 110 that deflects the collimated light beam in one plane, for example, along the YZ plane; A second deflector 150 deflects along another plane, eg, the XY plane, and a fixing member 180 directly fixing the first and second deflectors together.
- the fixing member 180 has two convex portions protruding upward from the base portion 182, a first deflector fixing base 184 and a second deflector fixing base 186.
- the first deflector fixing base 184 has a first deflector fixing surface 184a to which the first deflector 110 is fixed, and the first deflector fixing surface 184a is parallel to the ZX plane.
- the second deflector fixing base 186 has a second deflector fixing surface 186a to which the second deflector 150 is fixed, and the second deflector fixing surface 186a is the Z axis with respect to the ZX plane. It is inclined 45 degrees around.
- the expression of 45 degrees includes a range in which a functional difference does not substantially occur.
- the first deflector 110 generates a collimated light beam from the light guided by the optical fiber 130 which is a light guiding means and emits the collimated light beam, and the light deflector 120 extends through the outside of the light emitting unit 120. and a cantilever 112 that the light emitting portion 120 and swingably supported around a first axis a 1 which are.
- the first deflector 110 also includes a drive mechanism or drive for rocking the cantilever 112. Any known drive such as an electromagnetic drive, an electrostatic drive, a piezoelectric drive, etc. may be applied to drive the drive.
- the cantilever beam 112 is fixed to the first deflector fixing surface 184 a of the first deflector fixing base 184 of the fixing member 180 in a cantilever manner, and the first axis A 1 is fixed to the fixed end 112 a of the cantilever beam 112. It extends through.
- Cantilever 112 is in the vicinity of its free end 112b, has an extending portion 114 which extends in parallel to the first axis A 1, the light emitting portion 120 is provided at the distal end portion of the extending portion 114 ing.
- the light emitting portion 120 along the vertical YZ plane to the first axis A 1, emits a collimated light beam towards the first axis A 1.
- the swing of the light emitting portion 120 about the first axis A 1 causes the deflection of the collimated light beam along the YZ plane. Further, the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 always passes through the first axis A 1.
- the second deflector 150 has a swingable reflective surface 152 that reflects the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120.
- the reflecting surface 152 at the time HiYurado is inclined 45 degrees to the ZX plane including the first axis A 1.
- Reflective surface 152 further is inclined 45 degrees with respect to the YZ plane including the second axis A 2 that matches the principal ray of the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 at the time HiYurado. Accordingly, the reflecting surface 152, the deflection of the collimated light beam in the YZ plane, into a second axis A 2 in the deflection of the collimated light beam along the vertical XY plane.
- the reflecting surface 152 can swing around with the first axis A 1 and the third axis A 3 that is perpendicular to both the second axis A 2 passing through the first axis A 1 and the second point of intersection of the axis A 2 It is supported by Accordingly, the swing around the third axis A 3 of the reflective surface 152 causes deflection of the collimated light beam along the vertical XY plane a third axis A 3.
- the collimated light beam is two-dimensionally along the YZ plane It is deflected.
- the second deflector 150 is configured of, for example, a MEMS deflector.
- the second deflector is constituted by a MEMS deflector 150 includes a movable portion 154 which has the reflecting surface 152 provided, the pair being swingably supported around the movable portion 154 of the third shaft A 3 hinge portion And a pair of supports 158 supporting the hinges 156.
- the support portion 158 is fixed to the second deflector fixing surface 186 a of the second deflector fixing base 186 via the spacer 160.
- the movable portion 154 is swingably supported at a distance from the second deflector fixing surface 186a.
- the second deflector 150 also includes a drive mechanism or drive for rocking the movable portion 154. Any known drive such as an electromagnetic drive, an electrostatic drive, a piezoelectric drive, etc. may be applied to drive the drive. Since the actual MEMS deflector is provided with a drive, it is easily assumed to be more complicated and larger than the illustrated configuration.
- the second deflector 150 configured by the MEMS deflector is used as a high speed scan side in raster scan. In high-speed scanning, power consumption can be reduced by adopting resonant drive that can utilize the Q value gain.
- a silicon substrate is often used as the main material.
- a silicon compound such as silicon nitride or an organic substance such as polyimide may be adopted for the hinge portion 156.
- the hinge part 156 is carrying out the straight shape in illustration, you may be comprised by the bending hinge etc. FIG.
- the height of the first deflector fixing surface 184 a of the first deflector fixing base 184 is the same height as the swing axis of the reflecting surface 152 of the second deflector 150. It is designed. Further, as shown in FIG. 3, when the center of the thickness of the cantilever 112 (Z-axis direction) is extended in the direction of the second deflector 150, the cantilever 112 has a center line of the thickness of the cantilever 112. Are arranged to intersect at the center of the reflecting surface 152 of the second deflector 150. This design is a desirable positional relationship from the viewpoint of reducing the inertia moment (speeding up) of the movable portion 154 of the second deflector 150.
- the length (dimension in the Y-axis direction) of the cantilever 112 is designed such that the height of the free end 112b of the cantilever 112 is higher than that of the second deflector fixing surface 186a. It is done.
- An extension 114 provided near the free end 112 b of the cantilever 112 extends in the forward or + X direction toward the second deflector 150.
- the light emitting portion 120 provided at the end of the extending portion 114 is located above the reflecting surface 152 of the second deflector 150, that is, in the + Y direction.
- the cantilever 112 in particular the extension 114, has a cladding fixing portion 116 fixing the cladding 134 of the optical fiber 130.
- the cladding fixing portion 116 has a cavity portion 116 a in which the cladding 134 of the optical fiber 130 is fitted and accommodated.
- the cavity 116a extends parallel to the first axis A 1.
- the hollow portion 116a is formed of, for example, a groove or a through hole.
- the cladding 134 of the optical fiber 130 is fixed to the groove or through hole by bonding.
- the portion of the optical fiber 130 inserted into the cavity portion 116 a of the cladding fixing portion 116 is a cladding 134 in which the jacket 138 and the coating portion 136 are stripped from the optical fiber 130. Since the diameters of the coating 136 and the jacket 138 of the optical fiber 130 have large tolerances, when the diameter of the cavity 116a is increased to match the diameters of the coating 136 and the jacket 138, the repeatability of the light emission direction from the optical fiber 130 It becomes difficult to fix the optical fiber 130 well. On the other hand, since the diameter of the cladding 134 is smaller in tolerance than the coating portion 136 and the jacket 138, the diameter of the cavity portion 116a can be designed appropriately, and the light emitting direction from the optical fiber 130 is high. Reproducibility is obtained.
- the light emitting unit 120 includes a collimating lens 122 that shapes the light emitted from the optical fiber 130 into a collimated light beam.
- the collimated light beam is emitted from the collimator lens 122 along the first axis A 1.
- Light emitting unit 120 further includes a prism 124 for deflecting toward the reflecting surface from the collimator lens 122 to the first axis A 1 collimated light beam emitted along the along the second axis A 2.
- the prism 124 is fixed to the extending portion 114 via the prism attachment portion 124 a.
- the collimator lens 122 is directly fixed to the optical fiber 130 as shown in FIG. 4, for example.
- the cladding fixing portion 116 has an optical fiber positioning portion 116b smaller in diameter than the hollow portion 116a at the front end of the hollow portion 116a, and the extension portion 114 further includes an optical fiber positioning portion.
- a collimating lens 122 is attached to the tip of the extending portion 114 which is the front end of the propagating portion 118 It may be.
- the optical fiber positioning portion 116 b and the propagation portion 118 are designed to have a diameter that does not affect the light emitted from the optical fiber 130.
- the outgoing light from the optical fiber 130 is converted into a collimated light beam by the collimating lens 122 while traveling in the + X axis direction, and thereafter The light is reflected by the prism 124 and deflected in the ⁇ Y-axis direction, and then reaches the reflection surface 152 of the second deflector 150.
- Cantilever 112 is swung about the first axis A 1 is parallel to the X axis passing through the upper first deflector fixed surface 184a. Since the first deflector fixing surface 184 a is at the same height as the swing axis of the reflecting surface 152 of the second deflector 150, the light is reflected by the prism 124 in response to the swing of the cantilever 112. although the traveling direction of the collimated light beam changes, the collimated light beam reflected by the prism 124 is always directed toward the intersection of the first axis a 1 and the third axis a 3.
- the collimated light beam is reflected in the forward or + X direction by the first axis A 1 and the third axis A reflective surface 152 disposed at an intersection of 3.
- the collimated light beam reflected by the reflecting surface 152 is deflected in the second plane by the swinging of the light emitting unit 120 and is deflected in the third plane by the swinging of the reflecting surface 152.
- Light emitting unit 120 in the first plane P 1, it is pivotably arranged on the first about the axis A 1. Light emitting unit 120, when swinging, moves back and forth a constant radius of the circumference above the first axis A 1 at a predetermined angle range. Light emitting unit 120, in the first plane P 1, for emitting collimated light beam towards the first axis A 1, the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 is always the first axis A 1 it reaches the first intersection of the plane P 1. It is disposed reflecting surface 152 to the first axis A 1 and the first on the intersection of the plane P 1. Reflective surface 152 is pivotably disposed about the third axis A 3.
- Third axis A 3 passes through the first axis A 1 and the first upper intersection of the plane P 1, and extends perpendicular to both the first axis A 1 and the second axis A 2.
- the reflecting surface 152, at the time HiYurado is inclined 45 degrees to the third about axis A 3 relative to the first plane P 1.
- Collimated light beam emitted from the light emitting portion 120 at HiYurado is incident on the reflecting surface 152 after traveling along the second axis A 2, the reflecting surface 152 at HiYurado, the first axis A It is reflected along 1 .
- the first deflector 110 is applied to slow scan
- the second deflector 150 is applied to fast scan.
- the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 and reflected by the reflecting surface 152 is scanned in the slow scan SL direction shown in FIG. 8 by the swinging of the light emitting unit 120.
- the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 and reflected by the reflecting surface 152 is scanned in the high speed scan SH direction shown in FIG. 8 by the swinging of the reflecting surface 152.
- the combination of the swinging of the light emitting portion 120 and the swinging of the reflecting surface 152 causes raster scanning of the collimated light beam.
- the oscillation frequency in this case is assumed to be, for example, 4 kHz or 8 kHz for high speed scanning and about 15 Hz to 60 Hz for low speed scanning.
- the third axis A 3 is a swinging axis of the reflecting surface 152 of the second deflector 150 is not strictly on the reflecting surface 152 of the second deflector 150, shown in FIGS. 9 and 10 as, in the middle of the cross section of the hinge portion 156, between the third axis a 3 and the reflection surface 152 are present offset d.
- the second deflector 150 fabricated by MEMS technology generally has a thin hinge portion 156, this offset d can be practically ignored. That is, in this specification, that the reflecting surface 152 that swings around a third axis A 3, in the range that does not cause trouble, swings about the third axis A 3 that deviate from the reflective surface 152 Shall be acceptable.
- the two-dimensional optical deflector 100 of this embodiment has a configuration in which another deflector is mounted on the deflector like the conventional two-dimensional optical deflector 500 disclosed in US Pat. No. 4,838,632.
- raster scanning can be realized, which is a substantially rectangular scanning surface, as in the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example.
- the elements mounted on the cantilever 112 are only the small and lightweight optical fiber 130, the collimator lens 122, and the prism 124, the cantilever is compared to the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example. The moment of inertia of 112 is greatly reduced.
- the driving force necessary for the same is significantly reduced, and the power consumption necessary for the oscillation is significantly reduced.
- the volume required for driving is also reduced, and significant downsizing can be achieved as compared with the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example.
- FIG. 11 shows a modification of the first embodiment.
- the cantilever 112 has the extension 114 on one side, there is a possibility that the extension 114 may move unexpectedly due to an impact due to an external force or the like. is there.
- Two-dimensional optical deflector 100A of this modification as shown in FIG. 11, the cantilever 112A has its near a free end, in a direction opposite to the extending portion 114 and parallel to the first axis A 1 It has the adjustment extending part 119 which is extending.
- the adjustment extension part 119 has the same mechanical characteristics as the extension part 114.
- the adjustment extension part 119 has the same length and the same mass as the extension part 114.
- the cantilever beam 112A has the adjustment extension part 119 similar to the extension part 114 on the opposite side of the extension part 114, the balance against vibration etc. is improved, and the impact from the outside is improved. Become stronger.
- Second Embodiment 12 and 13 show a side view and a front view, respectively, of a two-dimensional light deflector according to a second embodiment of the present invention.
- the members denoted by the same reference numerals as the members shown in FIGS. 1 to 3 are the same members, and the detailed description thereof will be omitted.
- the following description focuses on the differences. That is, parts not described in the following description are the same as in the first embodiment.
- the mechanism for swinging the light emitting unit 120 is configured using a cantilever, but in the present embodiment, it is configured using a movable plate.
- the two-dimensional light deflector 200 has a first deflector 210 for deflecting the collimated light beam in one plane, for example, the YZ plane, and a second deflector 210 for deflecting the collimated light beam in another plane, for example the XY plane.
- a deflector 150 is provided, and a fixing member 280 directly fixing the first and second deflectors together.
- the fixing member 280 has two convex portions protruding upward from the base portion 282, a support portion 284 and a second deflector fixing base 286.
- the second deflector fixing base 286 has the same configuration as the second deflector fixing base 186 of the first embodiment. That is, the second deflector fixing surface of the second deflector fixing base 286 is inclined 45 degrees around the Z axis with respect to the YZ plane.
- the second deflector 150 is as described in the first embodiment.
- the first deflector 210 is attached to the two torsion hinges 214 extending from the fixed member 280 along the first axis A 1 , the swinging member 212 supported by the torsion hinge 214, and the swinging member 212.
- the light emitting unit 120 is provided. The configuration of the light emitting unit 120 is as described in the first embodiment.
- the first deflector 210 also includes a drive mechanism or drive for rocking the rocking member 212. Any known drive such as an electromagnetic drive, an electrostatic drive, a piezoelectric drive, etc. may be applied to drive the drive.
- One of the torsion hinges 214, the struts 284 of the fixing member 280 extends along the first axis A 1, the other torsion hinges 214 along the second deflector fixed base 286 to the first axis A 1 It extends.
- the two torsion hinges 214 are coaxially arranged such that their central axes coincide with each other.
- Two torsion hinges 214 are swingably supported around a first axis A 1 of the swinging member 212 with respect to the fixed member 280.
- the swinging member 212 has an extending portion 216 extending in the front, ie, the + X direction parallel to the first axis A 1 at an end on the upper side, ie, the + Y direction, and the light emitting portion 120 is , And at the tip of the extension portion 216.
- the extension portion 216 has a clad fixing portion for fixing the clad of the optical fiber 130 which is an optical waveguide unit.
- the clad fixing part provided in the extending part 216 has the same structure as the clad fixing part 116 described in the first embodiment.
- Swinging member 212 further to the end on the side of its lower i.e. -Y direction, and the extending portion 216 and parallel to the first axis A 1 at the rear ie -X direction parallel to the first axis A 1 reverse
- the adjustment drawing portion 218 extends in the direction of.
- the adjustment extension 218 has the same mechanical properties as the extension 216. Extending portion 216 and the adjustment extending portion 218 is arranged symmetrically with respect to a point of the first axis A 1. That is, extending portion 216 and the adjustment extending portion 218, the first axis A 1 with respect to a position on the opposite side, and extend in opposite directions.
- the adjustment extending portion 218 is also formed on the end of the swinging member 212 on the opposite side to the side on which the light emitting unit 120 is provided, so that the swinging member 212 has the central axis of the torsion hinge 214. With the same moment of inertia on both sides.
- the pivot shaft of the first deflector 210 extends over the first axis A 1, the swing axis of the reflecting surface 152 of the second deflector 150 the third axis located on a 3, the third axis a 3 crosses through a point of the first axis a 1, and extends perpendicular to the first axis a 1.
- the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 is always the second.
- the light is incident on the reflecting surface 152 of the deflector 150 on its swing axis.
- Collimated light beam reflected by the reflecting surface 152 of the second deflector 150 is deflected along the YZ plane by the swinging of the first about the axis A 1 of the swinging member 212 of the first deflector 210, also, It is deflected along the XY plane by swinging about the third axis a 3 of the reflecting surface 152 of the second deflector 150.
- the two-dimensional light deflector 200 of the present embodiment has another deflector mounted on the deflector disclosed in US Pat. No. 4,838,632. Similar to the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example, raster scan having a substantially rectangular scan plane can be realized. On the other hand, since the elements mounted on the rocking member 212 are only the small and lightweight optical fiber 130, the collimator lens 122, and the prism 124, the rocking member is smaller than the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example. The moment of inertia of 212 is significantly reduced.
- the driving force necessary for the same is significantly reduced, and the power consumption necessary for the oscillation is significantly reduced.
- the volume required for driving is also reduced, and significant downsizing can be achieved as compared with the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example.
- the two-dimensional light deflector 200 of the present embodiment is configured to be more robust to external forces than the two-dimensional light deflector 100 of the first embodiment.
- the collimated light beam from the optical fiber 130 is unexpectedly shaken due to the strong vibration from the outside. It may happen.
- the rocking member 212 is balanced with the same moment of inertia on both sides of the torsion hinge 214, vibration from the outside causes unexpected vibration. It is difficult. Therefore, in the two-dimensional light deflector 200 of the present embodiment in which the first deflector 210 includes the swinging member 212, the first deflector 110 in the first embodiment includes the cantilever 112. As compared with the two-dimensional light deflector 100, the robustness against external force is higher.
- FIG. 14 and FIG. 15 respectively show a side view and a front view of a two-dimensional light deflector according to a third embodiment of the present invention.
- members given the same reference numerals as the members shown in FIGS. 1 to 3 are the same members, and the detailed description thereof will be omitted.
- the following description focuses on the differences. That is, parts not described in the following description are the same as in the first embodiment.
- the two-dimensional light deflector 300 of the present embodiment includes a galvano deflector 312 similar to the conventional two-dimensional light deflector 500 disclosed in US Pat. No. 4,838,632. However, the second deflector 150 is not mounted on the galvano deflector 312.
- the two-dimensional light deflector 300 comprises a first deflector 310 for deflecting the collimated light beam in one plane, for example in the YZ plane, and a second deflector for deflecting the collimated light beam in another plane, for example the XY plane.
- 150 and a fixing member 380 directly fixing the first and second deflectors together.
- the fixing member 380 includes two convex portions protruding upward from the base portion 382, a first deflector fixing base 384 and a second deflector fixing base 386.
- the second deflector fixing base 386 has the same configuration as the second deflector fixing base 186 of the first embodiment. That is, the second deflector fixing surface of the second deflector holder 386 is inclined 45 degrees around the Z axis with respect to the YZ plane.
- the second deflector 150 is as described in the first embodiment.
- the first deflector 310 includes a galvano deflector 312 fixed to a first deflector fixing base 384.
- Galvano deflector 312 includes a pivotable rotating shaft 312a about the first axis A 1.
- the first deflector 310 further includes an optical fiber fixing jig 314 for fixing an optical fiber which is an optical waveguide means attached to the rotating shaft 312 a of the galvano deflector 312, and a light emission provided for the optical fiber fixing jig 314.
- a unit 120 is provided.
- Optical fiber fixing jig 314 has a stretched portion 316 that extends in parallel to the first axis A 1.
- the light emitting unit 120 is provided at the tip of the extending unit 316.
- the light emitting unit 120 has an optical fiber 130 inserted and fixed in a through hole formed at the tip of the extending portion 316 and a collimator lens 122 provided at the tip of the optical fiber 130.
- the extension portion 316 has a clad fixing portion 320 fixing the clad of the optical fiber 130.
- the cladding fixing portion 320 has a hollow portion in which the cladding of the optical fiber 130 is fitted and accommodated.
- the hollow portion is constituted, for example, by a groove or a through hole.
- the optical fiber 130 is fixed to the optical fiber fixing jig 314 by inserting and bonding a clad in a hollow portion formed in the extension portion 316. Cavity cladding of the optical fiber 130 is accommodated, through the distal end portion of the extending portion 316 extends toward the first axis A 1. Therefore, the collimated light beam emitted from the light emitting unit 120 always passes through the first axis A 1.
- Optical fiber fixing jig 314 further includes an adjustment extending portion 318 opposite the portion of the first axis A 1 extending section 316 with respect to the.
- the adjustment extension 318 has the same mechanical properties as, for example, the weight of the extension 316, and is designed to balance the moment of inertia around the swing axis.
- the adjustment extension 318 may have its moment of inertia adjusted by changing its thickness.
- the second deflector 150, the swing axis of the reflective surface 152 is disposed to cross through a point of the first axis A 1. Therefore, the collimated light beam emitted from the optical fiber 130 is configured to be incident on the intersection of the rocking axis of the galvano deflector 312 and the rocking axis of the second deflector 150.
- the swing of the galvano deflector 312 changes the direction in which the collimated light beam is incident on the reflecting surface 152 of the second deflector 150, but the position on the reflecting surface 152 of the second deflector 150 on which the collimated light beam is incident changes do not do.
- the collimated light beam reflected by the reflecting surface 152 of the second deflector 150 is deflected along the ZX plane by the first deflector 310, ie by the swinging of the fiber optic fixture 314, and the second deflector 150 , That is, by the swinging of the reflecting surface 152, it is deflected along the XY plane.
- the collimated light beam reflected by the reflecting surface 152 of the second deflector 150 can be scanned two-dimensionally.
- the Galvano deflector 312 is applied to the low speed scan
- the second deflector 150 is applied to the high speed scan, whereby a good raster scan is realized.
- the two-dimensional light deflector 500 of the prior art has another deflector mounted on the deflector disclosed in U.S. Pat. No. 4,838,632.
- raster scan can be realized which is a substantially rectangular scan plane.
- the elements mounted on the galvano deflector 312 are only the small and lightweight optical fiber fixing jig 314, the optical fiber 130, and the collimating lens 122, compared with the two-dimensional optical deflector 500 of the conventional example, The moment of inertia applied to the rotating shaft 312 a of the galvano deflector 312 is significantly reduced. For this reason, even when the response equivalent to that of the two-dimensional light deflector 500 of the conventional example is secured, the driving force necessary for the same is significantly reduced, and the power consumption necessary for the oscillation is significantly reduced. .
- the configuration of the two-dimensional light deflector 300 of the present embodiment is similar to the configuration of the conventional two-dimensional light deflector 500 in which the second deflector is disposed above the galvano deflector, and the galvano deflector 312 It is generally commercially available, and the conversion from the configuration in which the second deflector is disposed above the galvano deflector is also easy.
- ⁇ Modification> 16 and 17 show a side view and a front view, respectively, of a modification of the third embodiment of the present invention.
- members given the same reference numerals as the members shown in FIG. 14 and FIG. 15 are the same members, and the detailed description thereof will be omitted. The following description focuses on the differences.
- the two-dimensional light deflector 300A of this modification includes a first deflector 310A in place of the first deflector 310 shown in FIGS. 14 and 15.
- the first deflector 310A includes an optical fiber fixing jig 314A in place of the optical fiber fixing jig 314 shown in FIGS. 14 and 15.
- the optical fiber fixing jig 314A has an extended portion 316A that extends in parallel to the first axis A 1.
- the light emitting portion 120 is provided at the tip of the extending portion 316A.
- the extending portion 316A has a clad fixing portion 320A fixing the clad of the optical fiber 130.
- the cladding fixing portion 320A has a hollow portion in which the cladding of the optical fiber 130 is fitted and accommodated.
- the hollow portion is constituted, for example, by a groove or a through hole.
- the optical fiber 130 is fixed to the optical fiber fixing jig 314A by inserting and bonding a clad in a hollow portion formed in the extension portion 316A. Cavity cladding of the optical fiber 130 is accommodated, in the vicinity of at least the tip of the extending portion 316A extends parallel to the first axis A 1.
- Light emitting unit 120 includes a collimating lens 122 for shaping the light emitted from the optical fiber 130 to collimated light beam, a collimator lens 122 from a collimated light beam emitted along a first axis A 1 second axis A 2 And a prism for deflecting the light toward the reflecting surface.
- the light emitting unit 120 is configured in the same manner as in the first embodiment.
- a cavity 316a for installation of the optical fiber 130 is secured longer than the two-dimensional light deflector 300 shown in FIGS. Therefore, the repeatability of the direction of the collimated light beam emitted from the optical fiber 130 is improved, the optical fiber 130 can be easily fixed in the desired direction, and the assemblability is improved.
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Abstract
2次元光偏向器(100)は、光ビームを偏向する第1偏向器(110)と第2偏向器(150)と、第1偏向器と第2偏向器を共に直接固定している固定部材(180)を備えている。第1偏向器は、光導波手段によって導光された光から光ビームを生成して出射する光出射部(120)を備えている。光出射部は第1軸(A1)の周りに揺動可能に支持されている。光出射部は、第1軸に垂直な第1平面内において、第1軸に向けて光ビームを出射する。第2偏向器は、光ビームを反射する揺動可能な反射面(152)を有している。反射面は、非揺動時において、第1軸に対して45度傾斜しており、さらに、非揺動時の光出射部から出射される光ビームの主光線に一致する第2軸(A2)に対しても45度傾斜している。反射面は、第1軸と第2軸の交点を通り第1軸と第2軸の両方に垂直な第3軸の周りに揺動可能に支持されている。
Description
本発明は、光ビームを2次元的に偏向する2次元光偏向器に関する。
光ビームを2次元的に偏向する2次元光偏向器のひとつに、それぞれがミラーを有する二個のガルバノ偏向器を直交配置した構成のものがある。このような2次元光偏向器では、実際に光ビームを2次元的に偏向すると、像面上で光ビームの軌跡が歪む。
米国特許第4838632号明細書は、このような歪みを低減した2次元光偏向器を開示している。図18と図19は、米国特許第4838632号明細書に開示されている2次元光偏向器を示している。図18は、その2次元光偏向器の側面図であり、図19は、その2次元光偏向器の正面図である。図18と図19に示されるように、この2次元光偏向器500は、第1偏向器510と第2偏向器520とを備えている。第1偏向器510は、反射面を有する可動部512と、可動部512を第1軸A1の周りに揺動可能に支持するブラケット514とを有している。第2偏向器520は、第1偏向器510を第1軸A1に直交する第2軸A2の周りに揺動させる。第1偏向器510は、非偏向時の可動部512の反射面が第2軸A2に対して45°の角度となるように、第2偏向器520に固定されている。偏向される光ビームLB1は、第2軸A2に平行に第1偏向器510に入射する。可動部512の反射面で反射された光ビームLB2は、レンズ532を介して、像面534に入射する。
2次元光偏向器500は、単純な構成で非常に小型でありながら、像面上の光ビームの軌跡の歪みの低減を実現している。
2次元光偏向器500においては、第2偏向器520は、第1偏向器510を一体的に入射光ビームに平行な揺動軸の周りに揺動させている。そのため、第1偏向器510のサイズ・質量・慣性モーメントは、単純な構成で非常に小型の2次元光偏向器の実現には重要な要素である。しかし、米国特許第4838632号明細書は、第1偏向器の具体的な構成については示唆も教示もない。また、非偏向時の可動部512の反射面が第2軸A2に対して45°の角度となるようにする手法についても示唆も教示もない。
第1偏向器510を第2偏向器520と一体的に構成した場合、第1偏向器510に必要な構成を鑑みれば、第1偏向器510の質量・慣性モーメントが大きくなることは想像に難くなく、第2偏向器520の駆動には大きな駆動力が必要となり、結果として大きな消費電力が必要になると容易に想像できる。
本発明はこのような現状を踏まえてなされたものであり、その目的は、像面上の光ビームの軌跡の歪みが低減された消費電力の少ない2次元光偏向器を提供することである。
本発明は、コリメート光ビームを2次元的に偏向する2次元光偏向器に向けられている。その2次元光偏向器は、コリメート光ビームを一つの平面内において偏向する第1偏向器と、コリメート光ビームを別の一つの平面内において偏向する第2偏向器と、前記第1偏向器と前記第2偏向器を共に直接固定している固定部材を備えている。前記第1偏向器は、光導波手段によって導光された光から前記コリメート光ビームを生成して出射する光出射部を備えている。前記光出射部は、前記光出射部の外を通って延びている第1軸の周りに揺動可能に支持されている。前記光出射部は、前記第1軸に垂直な第1平面内において、前記第1軸に向けてコリメート光ビームを出射する。したがって、前記光出射部の揺動は、前記第1平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす。前記第2偏向器は、前記光出射部から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面を有している。前記反射面は、非揺動時において、前記第1軸に対して45度傾斜しており、さらに、非揺動時の前記光出射部から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第2軸に対しても45度傾斜している。したがって、前記反射面は、前記第1平面内のコリメート光ビームの偏向を、前記第2軸に垂直な第2平面内のコリメート光ビームの偏向に変換する。さらに、前記反射面は、前記第1軸と前記第2軸の交点を通るとともに前記第1軸と前記第2軸の両方に垂直な第3軸の周りに揺動可能に支持されており、したがって、前記反射面の前記第3軸の周りの揺動は、前記第3軸に垂直な第3平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす。
本発明によれば、像面上の光ビームの軌跡の歪みが低減された消費電力の少ない2次元光偏向器が提供される。
<第1実施形態>
図1と図2と図3は、それぞれ、本発明の第1実施形態の2次元光偏向器100の斜視図と側面図と上面図を示している。続く説明において、各要素の位置関係や方向等は、図1に示されたXYZ直交座標系にしたがって説明する。また、図1にしたがって、便宜上、+Y方向を上方、-Y方向を下方とし、また、+X方向を前方、-X方向を後方とする。また、ZX平面に平行な平面を水平面とする。
図1と図2と図3は、それぞれ、本発明の第1実施形態の2次元光偏向器100の斜視図と側面図と上面図を示している。続く説明において、各要素の位置関係や方向等は、図1に示されたXYZ直交座標系にしたがって説明する。また、図1にしたがって、便宜上、+Y方向を上方、-Y方向を下方とし、また、+X方向を前方、-X方向を後方とする。また、ZX平面に平行な平面を水平面とする。
2次元光偏向器100は、コリメート光ビームを2次元的に偏向する光学デバイスであり、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばYZ平面に沿って偏向する第1偏向器110と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばXY平面に沿って偏向する第2偏向器150と、第1偏向器と第2偏向器を共に直接固定している固定部材180を備えている。
固定部材180は、ベース部182から上方向に突出した二つの凸部、第1偏向器固定台184と第2偏向器固定台186を有している。第1偏向器固定台184は、第1偏向器110が固定される第1偏向器固定面184aを有しており、この第1偏向器固定面184aは、ZX平面に平行である。一方、第2偏向器固定台186は、第2偏向器150が固定される第2偏向器固定面186aを有しており、この第2偏向器固定面186aは、ZX平面に対してZ軸の周りに45度傾斜している。ここにおいて、45度との表記は、機能的に相違が実質的に生じない範囲を含むものとする。
第1偏向器110は、光導波手段であるところの光ファイバ130によって導光された光からコリメート光ビームを生成して出射する光出射部120と、光出射部120の外を通って延びている第1軸A1の周りに光出射部120を揺動可能に支持している片持ち梁112を備えている。図示されていないが、第1偏向器110はまた、片持ち梁112を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。
片持ち梁112は、固定部材180の第1偏向器固定台184の第1偏向器固定面184aに片持ちに固定されており、第1軸A1は、片持ち梁112の固定端112aを通って延びている。片持ち梁112は、その自由端112bの近傍に、第1軸A1に平行して延伸している延伸部114を有しており、延伸部114の先端部に光出射部120が設けられている。光出射部120は、第1軸A1に垂直なYZ平面に沿って、第1軸A1に向けてコリメート光ビームを出射する。したがって、第1軸A1の周りの光出射部120の揺動は、YZ平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こす。さらに、光出射部120から出射されたコリメート光ビームは常に第1軸A1を通過する。
第2偏向器150は、光出射部120から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面152を有している。反射面152は、非揺動時において、第1軸A1を含むZX平面に対して45度傾斜している。反射面152はさらに、非揺動時の光出射部120から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第2軸A2を含むYZ平面に対しても45度傾斜している。したがって、反射面152は、YZ平面内のコリメート光ビームの偏向を、第2軸A2に垂直なXY平面に沿ったコリメート光ビームの偏向に変換する。
さらに、反射面152は、第1軸A1と第2軸A2の交点を通るとともに第1軸A1と第2軸A2の両方に垂直な第3軸A3の周りに揺動可能に支持されている。したがって、反射面152の第3軸A3の周りの揺動は、第3軸A3に垂直なXY平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こす。
したがって、第1軸A1の周りの光出射部120の揺動と第3軸A3の周りの反射面152の揺動の組み合わせによって、コリメート光ビームは、YZ平面に沿って2次元的に偏向される。
第2偏向器150は、たとえばMEMS偏向器によって構成されている。MEMS偏向器によって構成された第2偏向器150は、反射面152が設けられた可動部154と、可動部154を第3軸A3の周りに揺動可能に支持している一対のヒンジ部156と、ヒンジ部156を支持している一対の支持部158を備えている。支持部158は、スペーサ160を介して、第2偏向器固定台186の第2偏向器固定面186aに固定されている。これによって、可動部154は、第2偏向器固定面186aから間隔を置いて揺動可能に支持されている。図示されていないが、第2偏向器150はまた、可動部154を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。実際のMEMS偏向器は、ドライブが設けられるため、図示した構成よりも複雑かつ大型化されることは容易に想定される。
MEMS偏向器によって構成された第2偏向器150は、ラスタースキャンにおいて、高速スキャン側として用いられる。高速スキャンでは、Q値の利得を活用できる共振駆動を採用した方が消費電力を低減することができる。また、第2偏向器150の主材はMEMS技術によって作製されるため、シリコン基板を主材として用いられる場合が多い。ただし、ヒンジ部156についてはシリコンのみならず、シリコン窒化物等のシリコン化合物やポリイミドなどの有機物が採用されることもある。また、図示では、ヒンジ部156は、ストレート形状をしているが、屈曲ヒンジなどで構成されていてもよい。
図2に示されるように、第1偏向器固定台184の第1偏向器固定面184aの高さは、第2偏向器150の反射面152の揺動軸とちょうど同じ高さになるように設計されている。また、片持ち梁112は、図3に示されるように、片持ち梁112の厚みの中心(Z軸方向)を第2偏向器150の方向に延長すると、片持ち梁112の厚みの中心線が第2偏向器150の反射面152の中心で交差するように配置されている。この設計が第2偏向器150の可動部154の慣性モーメント低減(高速化)の観点から望ましい位置関係となる。
図2に示されるように、片持ち梁112の長さ(Y軸方向の寸法)は、片持ち梁112の自由端112bの高さが第2偏向器固定面186aよりも高くなる様に設計されている。片持ち梁112の自由端112bの近傍に設けられた延伸部114は、第2偏向器150に向かって前方すなわち+X方向に延びている。延伸部114の端部に設けられた光出射部120は、第2偏向器150の反射面152の上方すなわち+Y方向に位置している。
図4に示されるように、片持ち梁112は、特に延伸部114は、光ファイバ130のクラッド134を固定しているクラッド固定部116を有している。クラッド固定部116は、光ファイバ130のクラッド134がフィットして収容される空洞部116aを有している。この空洞部116aは、第1軸A1に平行して延びている。空洞部116aは、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ130のクラッド134は、接着によって溝または貫通孔に固定されている。
クラッド固定部116の空洞部116aに挿入される光ファイバ130の部分は、光ファイバ130からジャケット138とコーティング部136が剥ぎ取られたクラッド134となっている。光ファイバ130のコーティング部136やジャケット138の直径は公差が大きいため、コーティング部136やジャケット138の直径に合わせて空洞部116aの直径を大きくすると、光ファイバ130からの光の出射方向の再現性良く光ファイバ130を固定することが難しくなる。これに対して、クラッド134の直径は、コーティング部136やジャケット138に比べて公差が小さいので、空洞部116aの直径を適切に設計することができ、光ファイバ130からの光の出射方向の高い再現性が得られる。
図4と図5に示されるように、光出射部120は、光ファイバ130から出射される光をコリメート光ビームに成形するコリメートレンズ122を備えている。したがって、コリメート光ビームは、コリメートレンズ122から第1軸A1に沿って出射される。光出射部120はさらに、コリメートレンズ122から第1軸A1に沿って出射されたコリメート光ビームを第2軸A2に沿って反射面に向けて偏向させるプリズム124を備えている。プリズム124は、プリズム取付部124aを介して、延伸部114に固定されている。
コリメートレンズ122は、たとえば図4に示されるように、光ファイバ130に直に固定されている。また、図5に示されるように、クラッド固定部116が、空洞部116aの前方端に、空洞部116aよりも小径の光ファイバ位置決め部116bを有し、延伸部114がさらに、光ファイバ位置決め部116bの前方に、光ファイバ130からの出射光に影響を与えない径の伝播部118を有し、伝播部118の前方端である延伸部114の先端にコリメートレンズ122が取付けられている構成であってもよい。この場合、光ファイバ位置決め部116bと伝播部118は、光ファイバ130からの出射光に影響を与えない直径を有するように設計されている。
図1~図3において、このように構成された2次元光偏向器100において、光ファイバ130からの出射光は、+X軸方向に進行する間にコリメートレンズ122によってコリメート光ビームに変えられ、その後、プリズム124によって反射されて-Y軸方向に偏向された後、第2偏向器150の反射面152に到達する。
片持ち梁112は、第1偏向器固定面184a上を通るX軸に平行な第1軸A1の周りに揺動する。第1偏向器固定面184aが第2偏向器150の反射面152の揺動軸と同じ高さになっているため、片持ち梁112が揺動することに応じて、プリズム124によって反射されたコリメート光ビームの進行方向は変化するものの、プリズム124によって反射されたコリメート光ビームは常に第1軸A1と第3軸A3の交点に向かう。その後、コリメート光ビームは、第1軸A1と第3軸A3の交点に配置された反射面152によって前方すなわち+X方向に反射される。反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、光出射部120の揺動によって第2平面内において偏向され、また、反射面152の揺動によって第3平面内において偏向される。
以下、2次元光偏向器100におけるコリメート光ビームの偏向動作について図6~図8を参照しながら詳しく説明する。続く説明では、第1軸A1に垂直な平面を第1平面P1、第2軸A2に垂直な平面を第2平面P2、第3軸A3に垂直な平面を第3平面P3とする。
光出射部120は、第1平面P1上において、第1軸A1の周りに揺動可能に配置されている。光出射部120は、揺動時、第1軸A1から一定の半径の円周上を所定の角度範囲で往復移動する。光出射部120は、第1平面P1上において、第1軸A1に向けてコリメート光ビームを出射するため、光出射部120から出射されたコリメート光ビームは常に、第1軸A1と第1平面P1の交点に到達する。第1軸A1と第1平面P1の交点上には反射面152が配置されている。反射面152は、第3軸A3の周りに揺動可能に配置されている。第3軸A3は、第1軸A1と第1平面P1の交点上を通り、第1軸A1と第2軸A2の両方に垂直に延びている。反射面152は、非揺動時において、第1平面P1に対して第3軸A3の周りに45度傾斜している。
非揺動時の光出射部120から出射されたコリメート光ビームは、第2軸A2に沿って進行した後に反射面152に入射し、非揺動時の反射面152によって、第1軸A1に沿って反射される。
図6に示されるように、光出射部120が第1軸A1の周りに揺動されると、非揺動時の反射面152によって反射されたコリメート光ビームは第2平面P2内において偏向される。
また図7に示されるように、反射面152が第3軸A3の周りに揺動されると、非揺動時の光出射部120から出射され反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、第3平面P3内において偏向される。
したがって、第1軸A1の周りの光出射部120の揺動と、第3軸A3の周りの反射面152の揺動が組み合わされることによって、図8に示されるように、反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、2次元的に走査され得る。
次にこの2次元光偏向器100を用いてラスタースキャンを行った場合について説明する。ここで、第1偏向器110は低速スキャンに適用され、第2偏向器150は高速スキャンに適用される。光出射部120から出射され反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、光出射部120の揺動によって、図8に示される低速スキャンSL方向にスキャンされる。また光出射部120から出射され反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、反射面152の揺動によって、図8に示される高速スキャンSH方向にスキャンされる。これらの光出射部120の揺動と反射面152の揺動が組み合わされることによって、コリメート光ビームがラスタースキャンされる。この場合の揺動周波数は、高速スキャンに対しては例えば4kHzや8kHz、低速スキャンに対しては15Hz~60Hz程度が想定される。
ここで、第2偏向器150の反射面152の揺動軸である第3軸A3は、厳密には第2偏向器150の反射面152上にはなく、図9と図10に示されるように、ヒンジ部156の断面の中央にあり、第3軸A3と反射面152の間にはオフセットdが存在している。ただし、MEMS技術によって作製された第2偏向器150は一般的にヒンジ部156の厚みが薄いため、このオフセットdは現実的には無視しても差し支えない。つまり、本明細書において、反射面152が第3軸A3の周りに揺動するとは、不具合が生じない範囲内において、反射面152から外れた第3軸A3の周りに揺動することを許容するものとする。
本実施形態の2次元光偏向器100は、米国特許第4838632号明細書に開示された従来例の2次元光偏向器500のように偏向器の上に別の偏向器が搭載された構成ではないが、従来例の2次元光偏向器500と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、片持ち梁112に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ130とコリメートレンズ122とプリズム124だけであるので、従来例の2次元光偏向器500に比べて、片持ち梁112の慣性モーメントは大幅に低減されている。このため、従来例の2次元光偏向器500と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。また、駆動力の低減に伴い、駆動に必要な容積も低減され、従来例の2次元光偏向器500と比べて大幅な小型化も達成することができる。
<変形例>
図11は第1実施形態の変形例を示している。図1に示された2次元光偏向器100では、片持ち梁112は、延伸部114を片側に有しているため、外力による衝撃等によって延伸部114が予期せぬ動きをする可能性がある。本変形例の2次元光偏向器100Aは、図11に示されるように、片持ち梁112Aは、その自由端近傍に、第1軸A1に平行して延伸部114とは逆の方向に延伸している調整用延伸部119を有している。この調整用延伸部119は、延伸部114と同様の機械的特性を有している。例えば、調整用延伸部119は延伸部114と同じ長さ同じ質量を有している。このように、片持ち梁112Aが、延伸部114と同様の調整用延伸部119を延伸部114の反対側に有しているため、振動等に対するバランスが向上し、外部からの衝撃に対して強くなる。
図11は第1実施形態の変形例を示している。図1に示された2次元光偏向器100では、片持ち梁112は、延伸部114を片側に有しているため、外力による衝撃等によって延伸部114が予期せぬ動きをする可能性がある。本変形例の2次元光偏向器100Aは、図11に示されるように、片持ち梁112Aは、その自由端近傍に、第1軸A1に平行して延伸部114とは逆の方向に延伸している調整用延伸部119を有している。この調整用延伸部119は、延伸部114と同様の機械的特性を有している。例えば、調整用延伸部119は延伸部114と同じ長さ同じ質量を有している。このように、片持ち梁112Aが、延伸部114と同様の調整用延伸部119を延伸部114の反対側に有しているため、振動等に対するバランスが向上し、外部からの衝撃に対して強くなる。
<第2実施形態>
図12と図13は、それぞれ、本発明の第2実施形態の2次元光偏向器の側面図と正面図を示している。図12と図13において、図1~図3に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第1実施形態と同様である。
図12と図13は、それぞれ、本発明の第2実施形態の2次元光偏向器の側面図と正面図を示している。図12と図13において、図1~図3に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第1実施形態と同様である。
第1実施形態では、光出射部120を揺動する機構が、片持ち梁を利用して構成されていたが、本実施形態では、可動板を利用して構成されている。
2次元光偏向器200は、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばYZ平面に沿って偏向する第1偏向器210と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばXY平面に沿って偏向する第2偏向器150と、第1偏向器と第2偏向器を共に直接固定している固定部材280を備えている。
固定部材280は、ベース部282から上方向に突出した二つの凸部、支柱部284と第2偏向器固定台286を有している。第2偏向器固定台286は、第1実施形態の第2偏向器固定台186と同様の構成をしている。つまり、第2偏向器固定台286の第2偏向器固定面は、YZ平面に対してZ軸の周りに45度傾斜している。第2偏向器150は、第1実施形態で説明した通りである。
第1偏向器210は、固定部材280から第1軸A1に沿って延びている2本のトーションヒンジ214と、トーションヒンジ214によって支持された揺動部材212と、揺動部材212に取り付けられた光出射部120を備えている。光出射部120の構成は、第1実施形態において説明された通りである。図示されていないが、第1偏向器210はまた、揺動部材212を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。
一方のトーションヒンジ214は、固定部材280の支柱部284から第1軸A1に沿って延びており、もう一方のトーションヒンジ214は、第2偏向器固定台286から第1軸A1に沿って延びている。2本のトーションヒンジ214は、互いの中心軸が一致するように同軸上に配置されている。2本のトーションヒンジ214は、揺動部材212を固定部材280に対して第1軸A1の周りに揺動可能に支持している。
揺動部材212は、その上方すなわち+Y方向の側の端部に、第1軸A1に平行して前方すなわち+X方向に延伸している延伸部216を有しており、光出射部120は、延伸部216の先端部に設けられている。延伸部216は、第1実施形態と同様に、光導波手段であるところの光ファイバ130のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している。延伸部216に設けられたクラッド固定部は、図示されていないが、第1実施形態において説明されたクラッド固定部116と同様の構成をしている。
揺動部材212はさらに、その下方すなわち-Y方向の側の端部に、第1軸A1に平行して後方すなわち-X方向に第1軸A1に平行して延伸部216とは逆の方向に延伸している調整用延伸部218を有している。調整用延伸部218は、延伸部216と同様の機械的特性を有している。延伸部216と調整用延伸部218は、第1軸A1上の一点に対して対称に配置されている。つまり、延伸部216と調整用延伸部218は、第1軸A1を基準にして反対側に位置し、互いに逆方向に延びている。
このように光出射部120が設けられた側の反対側の揺動部材212の端部にも調整用延伸部218が形成されていることによって、揺動部材212は、トーションヒンジ214の中心軸を中心として、その両側で同じ慣性モーメントになるように構成されている。
本実施形態の2次元光偏向器200において、第1偏向器210の揺動軸は第1軸A1上に延びており、第2偏向器150の反射面152の揺動軸は第3軸A3上に位置し、第3軸A3は、第1軸A1上の一点を通って横切り、第1軸A1に垂直に延びている。
このような構成のため、本実施形態の2次元光偏向器200においても、第1実施形態の2次元光偏向器100と同様に、光出射部120から出射されるコリメート光ビームは常に第2偏向器150の反射面152に、その揺動軸上に入射する。第2偏向器150の反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、第1偏向器210の揺動部材212の第1軸A1の周りの揺動によってYZ平面に沿って偏向され、また、第2偏向器150の反射面152の第3軸A3の周りの揺動によってXY平面に沿って偏向される。
本実施形態の2次元光偏向器200も、第1実施形態の2次元光偏向器100と同様に、米国特許第4838632号明細書に開示された偏向器の上に別の偏向器が搭載された従来例の2次元光偏向器500と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、揺動部材212に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ130とコリメートレンズ122とプリズム124だけであるので、従来例の2次元光偏向器500に比べて、揺動部材212の慣性モーメントは大幅に低減されている。このため、従来例の2次元光偏向器500と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。また、駆動力の低減に伴い、駆動に必要な容積も低減され、従来例の2次元光偏向器500と比べて大幅な小型化も達成することができる。
さらに、本実施形態の2次元光偏向器200は、第1実施形態の2次元光偏向器100に比べて、外力に対するロバスト性がさらに高い構成となっている。第1実施形態の様に第1偏向器110が片持ち梁112を有している場合には、外部からの強い振動によよって、光ファイバ130からのコリメート光ビームが想定外の揺動を起こす可能性がある。これに対して、本実施形態では、揺動部材212がトーションヒンジ214を中心としてその両側に同じ慣性モーメントを持ってバランスされているため、外部からの振動により、想定外の揺動が発生しづらい。このため、第1偏向器210が揺動部材212を有している本実施形態の2次元光偏向器200は、第1偏向器110が片持ち梁112を有している第1実施形態の2次元光偏向器100に比べて、外力に対するロバスト性がさらに高い構成となっている。
<第3実施形態>
図14と図15は、それぞれ、本発明の第3実施形態の2次元光偏向器の側面図と正面図を示す。図14と図15において、図1~図3に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第1実施形態と同様である。
図14と図15は、それぞれ、本発明の第3実施形態の2次元光偏向器の側面図と正面図を示す。図14と図15において、図1~図3に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第1実施形態と同様である。
本実施形態の2次元光偏向器300は、米国特許第4838632号明細書に開示された従来例の2次元光偏向器500と同じく、ガルバノ偏向器312を備えている。ただし、ガルバノ偏向器312に第2偏向器150は搭載されていない。
2次元光偏向器300は、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばYZ平面内において偏向する第1偏向器310と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばXY平面内において偏向する第2偏向器150と、第1偏向器と第2偏向器を共に直接固定している固定部材380を備えている。
固定部材380は、ベース部382から上方向に突出した二つ凸部、第1偏向器固定台384と第2偏向器固定台386を有している。第2偏向器固定台386は、第1実施形態の第2偏向器固定台186と同様の構成をしている。つまり、第2偏向器固定台386の第2偏向器固定面は、YZ平面に対してZ軸の周りに45度傾斜している。第2偏向器150は、第1実施形態で説明した通りである。
第1偏向器310は、第1偏向器固定台384に固定されたガルバノ偏向器312を備えている。ガルバノ偏向器312は、第1軸A1の周りに揺動可能な回転シャフト312aを有している。第1偏向器310はさらに、ガルバノ偏向器312の回転シャフト312aに取り付けられた光導波手段であるところの光ファイバを固定する光ファイバ固定冶具314と、光ファイバ固定冶具314に設けられた光出射部120を備えている。
光ファイバ固定冶具314は、第1軸A1に平行して延伸している延伸部316を有している。光出射部120は、延伸部316の先端部に設けられている。光出射部120は、延伸部316の先端部に形成された貫通孔に挿入され固定された光ファイバ130と、光ファイバ130の先端に設けられたコリメートレンズ122を有している。
図14と図15には詳しく示されていないが、延伸部316は、光ファイバ130のクラッドを固定しているクラッド固定部320を有している。クラッド固定部320は、第1実施形態と同様に、光ファイバ130のクラッドがフィットして収容される空洞部を有している。空洞部は、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ130は、延伸部316に形成された空洞部にクラッドが挿入されて接着されることによって、光ファイバ固定冶具314に固定されている。光ファイバ130のクラッドが収容される空洞部は、延伸部316の先端部を貫通し、第1軸A1に向かって延びている。このため、光出射部120から出射されるコリメート光ビームは常に第1軸A1を通過する。
光ファイバ固定冶具314はさらに、第1軸A1を基準にして延伸部316の反対側の部分に調整用延伸部318を有している。調整用延伸部318は、延伸部316と同様の機械的特性たとえば重量を有しており、揺動軸を中心として慣性モーメントのバランスが取れるように配慮された設計となっている。当然のことながら、調整用延伸部318は、厚みを変えることによって慣性モーメントが調整されてもよい。
第2偏向器150は、反射面152の揺動軸が第1軸A1上の一点を通って横切るように配置されている。したがって、光ファイバ130から出射されたコリメート光ビームは、ガルバノ偏向器312の揺動軸と第2偏向器150の揺動軸の交点に入射するように構成されている。ガルバノ偏向器312の揺動によってコリメート光ビームの第2偏向器150の反射面152に入射する方向は変化するが、コリメート光ビームが入射する第2偏向器150の反射面152上の位置は変化しない。第2偏向器150の反射面152によって反射されたコリメート光ビームは、第1偏向器310によって、すなわち光ファイバ固定冶具314の揺動によってZX平面に沿って偏向され、また、第2偏向器150によって、すなわち反射面152の揺動によって、XY平面に沿って偏向される。したがって、これらの揺動を組み合わせることによって、第2偏向器150の反射面152によって反射されたコリメート光ビームは2次元的にスキャンすることができる。このとき、ガルバノ偏向器312が低速スキャンに適用され、第2偏向器150が高速スキャンに適用されることによって、良好なラスタースキャンが実現される。
以上の構成において、第1および第2実施形態と同様に、米国特許第4838632号明細書に開示された偏向器の上に別の偏向器が搭載された従来例の2次元光偏向器500と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、ガルバノ偏向器312に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ固定冶具314と光ファイバ130とコリメートレンズ122だけであるので、従来例の2次元光偏向器500に比べて、ガルバノ偏向器312の回転シャフト312aにかかる慣性モーメントが大幅に低減されている。このため、従来例の2次元光偏向器500と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。
また、本実施形態の2次元光偏向器300の構成は、ガルバノ偏向器の上に第2偏向器が配置された従来例の2次元光偏向器500の構成に近く、またガルバノ偏向器312は一般的に市販されており、ガルバノ偏向器の上に第2偏向器が配置された構成からの転換も容易である。
<変形例>
図16と図17は、それぞれ、本発明の第3実施形態の変形例の側面図と正面図を示している。図16と図17において、図14と図15に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。
図16と図17は、それぞれ、本発明の第3実施形態の変形例の側面図と正面図を示している。図16と図17において、図14と図15に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。
本変形例の2次元光偏向器300Aは、図14と図15に示された第1偏向器310に代えて、第1偏向器310Aを備えている。第1偏向器310Aは、図14と図15に示された光ファイバ固定冶具314に代えて、光ファイバ固定冶具314Aを備えている。
本変形例の2次元光偏向器300Aでは、光ファイバ固定冶具314Aは、第1軸A1に平行して延伸している延伸部316Aを有している。光出射部120は、延伸部316Aの先端部に設けられている。
図16と図17には詳しく示されていないが、延伸部316Aは、光ファイバ130のクラッドを固定しているクラッド固定部320Aを有している。クラッド固定部320Aは、第1実施形態と同様に、光ファイバ130のクラッドがフィットして収容される空洞部を有している。空洞部は、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ130は、延伸部316Aに形成された空洞部にクラッドが挿入されて接着されることによって、光ファイバ固定冶具314Aに固定されている。光ファイバ130のクラッドが収容される空洞部は、延伸部316Aの少なくとも先端の近くにおいては、第1軸A1に平行して延びている。
光出射部120は、光ファイバ130から出射される光をコリメート光ビームに成形するコリメートレンズ122と、コリメートレンズ122から第1軸A1に沿って出射されたコリメート光ビームを第2軸A2に沿って反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている。光出射部120は、第1実施形態と同様に構成されている。
本変形例の2次元光偏向器300Aでは、図14と図15に示された2次元光偏向器300に比べて、光ファイバ130の設置用の空洞部316aが長く確保されている。このため、光ファイバ130から出射されるコリメート光ビームの方向の再現性が向上されており、光ファイバ130を所望の方向に向けて容易に固定することができ、組み立て性が改善されている。
Claims (11)
- コリメート光ビームを2次元的に偏向する2次元光偏向器であって、
コリメート光ビームを一つの平面内において偏向する第1偏向器と、
コリメート光ビームを別の一つの平面内において偏向する第2偏向器と、
前記第1偏向器と前記第2偏向器を共に直接固定している固定部材を備えており、
前記第1偏向器は、光導波手段によって導光された光から前記コリメート光ビームを生成して出射する光出射部を備えており、前記光出射部は、前記光出射部の外を通って延びている第1軸の周りに揺動可能に支持されており、前記光出射部は、前記第1軸に垂直な第1平面に沿って、前記第1軸に向けてコリメート光ビームを出射し、したがって、前記光出射部の揺動は、前記第1平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こし、
前記第2偏向器は、前記光出射部から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面を有し、前記反射面は、非揺動時において、前記第1軸を含む平面に対して45度傾斜しており、さらに、非揺動時の前記光出射部から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第2軸を含む平面に対しても45度傾斜しており、したがって、前記反射面は、前記第1平面内のコリメート光ビームの偏向を、前記第2軸に垂直な第2平面に沿ったコリメート光ビームの偏向に変換し、さらに、前記反射面は、前記第1軸と前記第2軸の交点を通るとともに前記第1軸と前記第2軸の両方に垂直な第3軸の周りに揺動可能に支持されており、したがって、前記反射面の前記第3軸の周りの揺動は、前記第3軸に垂直な第3平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす2次元光偏向器。 - 請求項1に記載の2次元光偏向器において、前記第2偏向器はMEMS偏向器によって構成されており、前記MEMS偏向器は、前記反射面が設けられた可動部と、前記可動部を前記第2軸の周りに揺動可能に支持しているヒンジ部を備えている請求項1に記載の2次元光偏向器。
- 請求項1または2に記載の2次元光偏向器において、前記第1偏向器は、前記光出射部を前記第1軸の周りに揺動可能に支持している片持ち梁を備えており、前記片持ち梁は、前記固定部材に片持ちに固定されており、前記第1軸は、前記片持ち梁の固定端を通って延びており、前記片持ち梁は、前記第1軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している2次元光偏向器。
- 請求項3に記載の2次元光偏向器において、前記片持ち梁は、前記第1軸に平行して前記延伸部とは逆の方向に延伸している調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している2次元光偏向器。
- 請求項3または4に記載の2次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第1軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第1軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第2軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている2次元光偏向器。 - 請求項1または2に記載の2次元光偏向器において、前記第1偏向器は、前記固定部材から前記第1軸に沿って延びている2本のトーションヒンジと、前記トーションヒンジによって前記固定部材に対して前記第1軸の周りに揺動可能に支持された揺動部材を備えており、前記揺動部材は、前記第1軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している2次元光偏向器。
- 請求項6に記載の2次元光偏向器において、前記揺動部材は、前記第1軸に平行して、前記延伸部とは逆の方向に延伸している調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している2次元光偏向器。
- 請求項3または4に記載の2次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第1軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第1軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第2軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている2次元光偏向器。 - 請求項1または2に記載の2次元光偏向器において、
前記第1偏向器は、前記第1軸の周りに揺動可能な回転シャフトを有しているガルバノ偏向器と、前記ガルバノ偏向器の前記回転シャフトに取り付けられた光導波手段固定冶具を有しており、
前記光導波手段固定冶具は、前記第1軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している2次元光偏向器。 - 請求項9に記載の2次元光偏向器において、前記光導波手段固定冶具は、前記回転シャフトを基準にして前記延伸部の反対側に調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している2次元光偏向器。
- 請求項9または10に記載の2次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第1軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第1軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第2軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている2次元光偏向器。
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