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技術 光アクティブマトリクス用光走査装置

出願人 日本板硝子株式会社
発明者 田中一郎楠田幸久森尾健二
出願日 1994年3月2日 (26年9ヶ月経過) 出願番号 1994-032157
公開日 1995年9月12日 (25年3ヶ月経過) 公開番号 1995-239421
状態 特許登録済
技術分野 光ファイバ束 機械的光走査系
主要キーワード 凸レンズ形 回転多面ミラー 光入射部分 凸凹レンズ マルチモ 凹レンズアレイ 埋めこみ 導波路径
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この項目の情報は公開日時点(1995年9月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

目的

アクティブマトリクス導波路内に光を入射させる光走査装置において、入射角度によるモード依存性が発生しない光走査装置を提供する。

構成

透明基板内に多数並列に形成した光導波路と、該導波路上に光感度を有するスイッチ素子アレイを設け、該導波路を伝搬する光が該スイッチ素子に入射し、該スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる光アクティブマトリクス用の光走査装置であって、光源と、回転多面体ミラーと、回転多面体ミラーからのその方向が制御された光ビーム反射するミラー、トーリックレンズ凸レンズアレイからなる光走査装置において、前記凸レンズアレイの各凸レンズと対をなす凹レンズを有する凹レンズアレイを、前記凸レンズアレイと前記光アクティブマトリクスの間に配置した光アクティブマトリクス用光走査装置である。

概要

背景

従来、光アクティブマトリクスとしては、図4に示すようなものがある。すなわち、透明基板10の面内に一方向に多数配列した光導波路21と、この導波路上に光に対して感度を有するスイッチ素子アレイ(図示せず)を設け、このスイッチ素子の一端が画像信号印加するソース電極線(図示せず)に接続され、その他端が液晶表示装置画素を形成する透明電極膜(図示せず)に接続されていて、導波路21を伝搬する光がスイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる。

また、導波路21は多数の配列の端面が透明基板10の側面に現れるように形成されており、光源20から出射された良く方向が制御された光ビーム40は回転多面ミラー22によって走査され、ミラー24および26によってその方向を変化させられた後、トーリックレンズ28に入射し、凸レンズアレイ32を通過して導波路21に端面から入射する。ここで、トーリックレンズ28は曲げられた光ビーム40の導波路端面への入射角を一定とするように構成される。

凸レンズアレイ32は光ビーム40を導波路21の形成された位置に集光するためで、個々の凸レンズはそれぞれの導波路に対応している。この凸レンズの効果は走査される光ビームを集光し、導波路の端面に絞り込むことにある。凸レンズの開口数が導波路のそれ以下であれば、凸レンズで集光された光ビームはすべて導波路内を伝搬するので光の利用効率が向上するだけでなく、光の走査位置が機械的振動等によって変動しても、常に一定の位置に光が集光されるため、光アクティブマトリクスの動作が安定するという利点もある。

概要

光アクティブマトリクスの導波路内に光を入射させる光走査装置において、入射角度によるモード依存性が発生しない光走査装置を提供する。

透明基板内に多数並列に形成した光導波路と、該導波路上に光感度を有するスイッチ素子アレイを設け、該導波路を伝搬する光が該スイッチ素子に入射し、該スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる光アクティブマトリクス用の光走査装置であって、光源と、回転多面体ミラーと、回転多面体ミラーからのその方向が制御された光ビームを反射するミラー、トーリックレンズ、凸レンズアレイからなる光走査装置において、前記凸レンズアレイの各凸レンズと対をなす凹レンズを有する凹レンズアレイを、前記凸レンズアレイと前記光アクティブマトリクスの間に配置した光アクティブマトリクス用光走査装置である。

目的

そこで本発明では、前記光アクティブマトリクスの導波路内に光を入射させる光走査装置において、入射角度によるモード依存性が発生しない光走査装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

透明基板内に多数並列に形成した光導波路と、該導波路上に光感度を有するスイッチ素子アレイを設け、該導波路を伝搬する光が該スイッチ素子入射し、該スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる光アクティブマトリクス用の光走査装置であって、光源と、回転多面体ミラーと、回転多面体ミラーからのその方向が制御された光ビーム反射するミラー、トーリックレンズ凸レンズアレイからなる光走査装置において、前記凸レンズアレイの各凸レンズと対をなす凹レンズを有する凹レンズアレイを、前記凸レンズアレイと前記光アクティブマトリクスの間に配置したことを特徴とする光アクティブマトリクス用光走査装置。

請求項2

請求項1において、前記凸レンズアレイと前記凹レンズアレイは、同一の基板一体形成されたレンズアレイである光アクティブマトリクス用光走査装置。

請求項3

請求項2において、前記レンズアレイは、凸レンズが基板中へのドーパント拡散により形成された凸レンズであり、かつ凹レンズが前記基板内の凸レンズの形成されていない面に、各凸レンズに対向する位置にエッチングにより形成された凹レンズである光アクティブマトリクス用光走査装置。

請求項4

請求項2において、前記凸レンズの焦点距離f1,前記凸レンズに入射する光線の幅をa,前記凹レンズの焦点距離f2,前記凹レンズから出射する光線の幅をbとしたとき、前記レンズアレイは、f1/a=f2/b なる関係を満たすレンズアレイである光アクティブマトリクス用光走査装置。

技術分野

0001

本発明は導波路を利用した光アクティブマトリクスにおいて、光を導波路に入力する光走査装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、光アクティブマトリクスとしては、図4に示すようなものがある。すなわち、透明基板10の面内に一方向に多数配列した光導波路21と、この導波路上に光に対して感度を有するスイッチ素子アレイ(図示せず)を設け、このスイッチ素子の一端が画像信号印加するソース電極線(図示せず)に接続され、その他端が液晶表示装置画素を形成する透明電極膜(図示せず)に接続されていて、導波路21を伝搬する光がスイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる。

0003

また、導波路21は多数の配列の端面が透明基板10の側面に現れるように形成されており、光源20から出射された良く方向が制御された光ビーム40は回転多面ミラー22によって走査され、ミラー24および26によってその方向を変化させられた後、トーリックレンズ28に入射し、凸レンズアレイ32を通過して導波路21に端面から入射する。ここで、トーリックレンズ28は曲げられた光ビーム40の導波路端面への入射角を一定とするように構成される。

0004

凸レンズアレイ32は光ビーム40を導波路21の形成された位置に集光するためで、個々の凸レンズはそれぞれの導波路に対応している。この凸レンズの効果は走査される光ビームを集光し、導波路の端面に絞り込むことにある。凸レンズの開口数が導波路のそれ以下であれば、凸レンズで集光された光ビームはすべて導波路内を伝搬するので光の利用効率が向上するだけでなく、光の走査位置が機械的振動等によって変動しても、常に一定の位置に光が集光されるため、光アクティブマトリクスの動作が安定するという利点もある。

発明が解決しようとする課題

0005

ところが、複数の並列に並んだ導波路に単一の光源からの光ビームを走査して、凸レンズアレイを介して入力させる場合には、マルチモード導波路では光ビームの入射角度によって励振されるモードが異なるため、導波路内を伝搬する光のモードが時間的に変化してしまう。

0006

すなわち、凸レンズの周辺部へ入力した光はレンズで曲げられてある入射角度をもって導波路端面に入射するため、導波路内では高次モードとなって伝搬する。いっぽう、凸レンズ中心部へ入力した光ビームは入射角度がほぼ垂直に導波路端面に入射するので基本モードとなって伝搬する。

0007

したがって、光の取り出し部における取り出し効率が、そのモード依存性のために変化して信号強度の変化を生じるという問題がある。

0008

そこで本発明では、前記光アクティブマトリクスの導波路内に光を入射させる光走査装置において、入射角度によるモード依存性が発生しない光走査装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明は、透明基板内に多数並列に形成した光導波路と、該導波路上に光感度を有するスイッチ素子アレイを設け、該導波路を伝搬する光が該スイッチ素子に入射し、該スイッチ素子をオフ状態からオン状態に変化させる光アクティブマトリクス用の光走査装置であって、光源と、回転多面体ミラーと、回転多面体ミラーからのその方向が制御された光ビームを反射するミラー、トーリックレンズ、凸レンズアレイからなる光走査装置において、前記凸レンズアレイの各凸レンズと対をなす凹レンズを有する凹レンズアレイを、前記凸レンズアレイと前記光アクティブマトリクスの間に配置した光アクティブマトリクス用光走査装置である。

0010

本発明においては、凸レンズアレイのある凸レンズのどの部分に入射した光ビームでも、導波路に入射する角度がほぼ垂直になるとともに、導波路中心近傍にのみ入射するので、マルチモード導波路においても基本モードしか励振されない。したがって、導波路を伝搬する光のモードが安定し、出力信号の変動がなくなる。

0011

以下に本発明を実施例について図1を参照して説明する。図1に本発明による光アクティブマトリクス用導波路への光入射部分を示す。まず、導波路としては、多成分ガラス導波路基板中にイオン交換法によって形成したマルチモードの埋めこみ導波路21を使用した。導波路径は100μm、ピッチは500μm、開口数は約0.2である。埋めこみは導波路中心深さが30μmとした。

0012

この光導波路を作製するイオン交換プロセスは、以下のようである。まず、アルミノボロシリケート多成分ガラス基板10の表面にスパッタ法Ti膜を形成し、それにフォトリソグラフィーによって、導波路形成用のストライプパターン(幅15μm、ピッチ500μm)を開け、第一段目のイオン交換プロセスでドーパント拡散させ、第二段目電界印加イオン交換プロセスで導波路を基板中に埋めこみ形成した。ドーパントはタリウムイオンとし、第一段目イオン交換では硝酸タリウム溶融塩を使用して420℃で行った。第二段目イオン交換は100V/mmの電界ガラス基板に印加しながら、硝酸カリウム塩を用いて380℃で行った。

0013

次に、導波路端面に光を集光させるためのレンズアレイ3は、凸レンズと凹レンズがそれぞれ一次元に配列された凸レンズアレイと凹レンズアレイとが、同一基板内に一体に形成されたレンズアレイとなっている。まず、凸レンズ32として、直径400μmピッチが500μmで開口数が0.2の平板マイクロレンズアレイ32(以下PMLと略記する)を使用した。これは、導波路と同様のイオン交換法によるドーパント拡散を利用して、多成分ガラス基板31中に作製したものである。また、必要に応じて、凸レンズ形成部分以外の部分に遮光層34を設けることができる。

0014

なお図1では、作図の便宜上光線が、前記平板マイクロレンズのほぼその断面が半円状のイオン拡散領域の境界線屈折したように描かれているが、もちろん光線屈折率の差によって徐々に屈折している。

0015

さらに、凹レンズアレイ33としては、PML基板31の同レンズが形成されていない方の表面にエッチングで形成したものを使用した。PMLに入射する光ビーム径は、最大でも100μm程度であるから、導波路端面では直径数μmのスポットに集光される。

0016

凹レンズに要求される焦点距離は、以下のようにして計算される(図3参照)。まず、凸レンズを通る光線の光軸からの距離をa、凸レンズの焦点距離をf1、凹レンズを通ったあとの光線の光軸からの距離をb、凹レンズの焦点距離直径をf2とすると、
f1/a=f2/b
である。ここでガラス中では、f1=1490μm、またa≦200μmであり、導波路の中心近傍に光を入射させるためには、b≦5μmが望ましい。したがって、f2=37.3μmと算出される。また、レンズの焦点距離fと曲率半径Rの間には、ガラスの屈折率をnとして、f=R/(n−1)の関係があり、n=1.52なのでR=19.4μmである。したがって、PML基板のPMLが形成されていない側にそれぞれのマイクロレンズに対応して、R=19.4μmの半球状のくぼみを形成すれば所望の凹レンズが得られる。

0017

なお、多成分ガラス基板31の厚みTは、以下のようにして求められる。まず、凹レンズアレイ表面からPMLの凸レンズ主面までの距離tは、
t=f1−f2+R
で表される。この実施例では、
t=1490−37.3+19.4=1472.1μm
となる。さらに、このPMLの主面は基板表面から、50μmのところにあるので、
T=t+50=1472.1+50=1522.1≒1520μm
となる。

0018

凹レンズアレイの作製プロセスは、以下のとおりである。ガラス基板12のPMLの形成されていない面に真空蒸着法Cr膜を形成し、フォトリソグラフィーによって、PMLの各マイクロレンズの光軸上とその中心が一致するように、直径3μmの円形パターンを開けた。次に保護のためにPMLの形成されている側の表面にもCr膜を形成したのち、エッチングを行った。

0019

エッチャントとしてはフッ酸10%、硫酸3%、酢酸0.5%の水溶液を用い、室温でエッチングをおこなった。エッチングレートは毎分2μmであった。したがって、9分42秒間のエッチングにより、深さ19.4μm、直径41.8μm(=19.4×2+3)のほぼ半球状のくぼみを形成することができた。

0020

以上のようにして作製したレンズアレイ3は、凸レンズアレイのある凸レンズのどの部分に入射した光ビームでも、導波路に入射する角度がほぼ垂直にすることができる。図2に光アクティブマトリクス装置の全体の構成図を示す。

0021

以上の例では、凸レンズアレイと凹レンズアレイとを一体に形成したレンズアレイについて説明したが、もちろんそれぞれのレンズアレイを別途製作し、貼り合わせるなどして、光走査装置を構成できることは言うまでもない。

発明の効果

0022

本発明により、光アクティブマトリクス用マルチモード導波路に、効率良く光を入力し、かつ基本モードのみを励振することができるようになった。

0023

また、凸レンズアレイと凹レンズアレイとを、一体に形成しているので、光軸を合わせる調整が不要であり、精度よくコストの安い凸凹レンズ一体型のレンズアレイを得ることができる。

0024

さらに、凸レンズの開口数が導波路の開口数より大きい場合でも、凹レンズにより入射角度を小さくして導波路に結合させることが可能である。すなわち、開口数の大きな凸レンズを使用して、凸レンズアレイと導波路端面の間隔を小さくできる効果もある。

図面の簡単な説明

0025

図1本発明による光アクティブマトリクス用光走査装置の入力部分を示す図面。
図2本発明による光アクティブマトリクス装置の全体の構成図。
図3凹レンズ設計のための概念図。
図4従来の、光アクティブマトリクス用光走査装置を示す図面。
図5従来の、光アクティブマトリクス用光走査装置の入力部分を示す図面。

--

0026

10 透明基板
20光源
21 光アクティブマトリクス用導波路
22回転多面体ミラー
24、26 ミラー
28トーリックレンズ
3 (凸凹レンズ一体型)レンズアレイ
30凸レンズアレイ
31多成分ガラス基板
32 PML
33凹レンズアレイ
34遮光層
40光ビーム
51凸レンズ
52 凹レンズ

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