(57)【要約】【課題】レンズ効果を有する光偏向器においてレンズ効果の不均一性を補償する光偏向器を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の光偏向器は、電気光学効果を有する結晶と、結晶内に電界を与えるために前記結晶面を狭持する少なくとも１対の電極と、前記結晶内に光を入射するための入射面と、前記結晶内より前記光を出射するための出射面とを有し、電界方向に前記光を偏向し、前記結晶内の電荷密度の分布が電界方向に不均一に分布している光偏向器において、前記結晶のレンズ効果での焦点距離が一定となるように、前記入射面と前記出射面間との距離が、電界方向において、電荷密度の分布に応じて変化していことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する結晶と、
前記結晶内に電界を与えるために前記結晶を狭持する少なくとも１対の電極と、
前記結晶内に光を入射するための入射面と、
前記結晶内より前記光を出射するための出射面とを有し、
電界方向に前記光を偏向し、前記結晶内の電荷密度の分布が電界方向に不均一に分布している光偏向器において、
前記入射面と前記出射面との距離が、電界方向において、電荷密度の分布に応じて変化していることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記電荷密度の高い方で前記入射面と前記出射面との距離が短く、前記電荷密度の低い方で前記入射面と前記出射面との距離が長くなることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記出射面及び前記入射面のうち少なくとも一方が、前記電極の表面に対し、傾いていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記出射面及び前記入射面のうち少なくとも一方が、曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記電界と平行方向にあり、対向する反射面を有し、
前記入射面から入射した光が、前記対向する反射面において複数反射して、
前記出射面から出射していることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気光学効果を有する結晶に電圧を印加することにより、該結晶に入射された光を偏向することができる光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光偏向器はレーザプリンタ、顕微鏡、プロジェクタ等様々な分野において用いられている。光偏向器として、ポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させる機構を持つものや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いたものが広く使用されている。電気光学効果を有する結晶を用いた光偏向器は、駆動部分を持たない偏向が可能でありより高速に動作することが期待されている。ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）は電気光学効果が大きい物質として知られており、従来よりも低電圧で大きな屈折率変化を得ることができる。また、電極にＴｉ等を用いると結晶内に電荷を注入することができ、注入された電荷によって生じる内部電界を利用して高速・広角な光偏向を実現している。
【０００３】
図１に、ＫＴＮ光偏向器の基本構造を示す。ＫＴＮ光偏向器は、電極（陰極）１０１と電極（陽極）１０２に挟まれたＫＴＮ１０３を有する。ＫＴＮ光偏向器に入射された光、ＫＴＮ光偏向器から出射された光を、それぞれ、入射光１０４、出射光１０５とする。
【０００４】
ＫＴＮに注入された電荷及び外部から印加される電界により電界分布が形成されることで、結晶中に屈折率分布を生ずる。
【０００５】
陰極をx = 0とする位置xでの電界をE(x)、電子密度分布をN(x)、誘電率をε、電気素量をeとするとガウスの法則はx>0において次式で表される。
【０００６】
【数１】
2019066794.tif 000003
【０００７】
KTN中に電子が密度Nで一様に分布していると仮定し、結晶厚（x方向結晶長さ）をｄとし、電圧Vを印加すると、
【０００８】
【数２】
2019066794.tif 000004
【０００９】
となることからE(x)は次式のように求められる。
【００１０】
【数３】
2019066794.tif 000005
【００１１】
本式ではρ＝eNであり、ρは電荷密度を表す。
【００１２】
この電界分布とKerr効果の式より結晶中の屈折率変化Δnは次式で表される。
【００１３】
【数４】
2019066794.tif 000006
【００１４】
ｎは屈折率、g11は電気光学係数である。
【００１５】
この屈折率分布による偏向角は結晶内を伝搬するに伴い蓄積される。また、結晶出射端での屈折による偏向により位置ｘでの偏向角θ(ｘ)は次式で表される。
【００１６】
【数５】
2019066794.tif 000007
【００１７】
ｎは屈折率、g11は電気光学係数である。Ｌは光線方向の結晶長さである。
【００１８】
この屈折率分布が形成された結晶中を光が透過する際光は偏向されるだけでなく屈折率分布により集光する。
【００１９】
V = 0の時の屈折率分布を考える。このとき光軸からの距離dでの屈折率ndは
【００２０】
【数６】
2019066794.tif 000008
【００２１】
と表される。
【００２２】
ＧＲＩＮレンズの公式より、距離rでの屈折率nrを
【００２３】
【数７】
2019066794.tif 000009
【００２４】
とした場合、（Aは正の定数、ｎ0は光軸上屈折率）有効焦点距離fは次式で表される。
【００２５】
【数８】
2019066794.tif 000010
【００２６】
ndと有効焦点距離の式から、ＫＴＮの焦点距離は次式で表される。 
【００２７】
【数９】
2019066794.tif 000011
【００２８】
本式で表される通り、焦点距離は電荷密度ρに依存し、ρがxによらず一定の場合には、ＫＴＮのx方向の位置に依らず集光位置は一定である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２０１５−３１９２９号公報
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】T. Imai, J. Miyazu, and J. Kobayashi, "Measurement of charge density distributions in KTa_1-xNb_xO_3 optical beam deflectors," Opt. Mater. Express 4, 976 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
非特許文献１には、ＫＴＮは電荷注入方法により電荷密度が均一にならないことが開示されている。電荷密度が均一でない場合、ＫＴＮ内の透過位置即ち偏向時の印加電圧により焦点距離が異なり一面で焦点を結ばなくなり、顕微鏡などで用いる際画質の劣化につながってしまうという課題があった。
【００３２】
これに対し、特許文献１では、光偏向のための電圧に同期して焦点距離が変化する可変焦点レンズをＫＴＮ結晶の出射側に配し、ＫＴＮ結晶への印加電圧に依存せずに集光特性を一定とする方法が開示されている。しかし、この手法では可変焦点レンズ及びこれに付随する装置の追加が必要になり、光偏向器の構成が複雑になってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の様態は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、レンズ効果を有する光偏向器においてレンズ効果の不均一性を補償する光偏向器を提供することにある。
【００３４】
この目的を達成するためには、電気光学結晶の光偏向器において内部の電荷密度の分布を補償するように結晶長が加工された光学素子であることを特徴とする。
【００３５】
上記の目的を達成するため、本発明の光偏向器の一様態は、
電気光学効果を有する結晶と、
前記結晶内に電界を与えるために前記結晶を狭持する少なくとも１対の電極と、
前記結晶内に光を入射するための入射面と、
前記結晶内より前記光を出射するための出射面とを有し、
電界方向に前記光を偏向し、前記結晶内の電荷密度の分布が電界方向に不均一に分布している光偏向器において、
前記入射面と前記出射面との距離が、電界方向において、電荷密度の分布に応じて変化していることを特徴とする。
【００３６】
前記電荷密度の高い方で前記入射面と前記出射面との距離が短く、前記電荷密度の低い方で前記入射面と前記出射面との距離が長くなることを特徴とする。
【００３７】
前記出射面及び前記入射面のうち少なくとも一方が、前記電極の表面に対し、傾いていることを特徴とする。
【００３８】
前記出射面及び前記入射面のうち少なくとも一方が、曲率半径を有することを特徴とする。
【００３９】
前記電界と平行方向にあり、対向する反射面を有し、
前記入射面から入射した光が、前記対向する反射面において複数反射して、
前記出射面から出射していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の様態により、光偏向器の結晶のレンズ効果での焦点距離が一定となるように、電荷密度に合わせて光偏向器の結晶長を加工することにより、レンズ効果の偏向方向における変化を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＫＴＮ光偏向器の基本構造を示す図である。
【図２】(ａ) 光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示す図である。 (b) 光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す図である。
【図３】(ａ) 実施例１にかかるＫＴＮ光偏向器の基本構造の一例を示す図である。(b) 実施例１にかかるＫＴＮ光偏向器の基本構造の他例を示す図である。
【図４】(ａ) 光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示す図である。 (b) 光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す図である。
【図５】(ａ) 光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示す図である。 (b) 光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す図である。
【図６】(ａ) 実施例２にかかるＫＴＮ光偏向器の基本構造の一例を示す図である。(b) 実施例２にかかるＫＴＮ光偏向器の基本構造の他例を示す図である。
【図７】(ａ) 実施例３にかかるＫＴＮ光偏向器の基本構造の一例を示す図である。(b) 図７(ａ)の基本構造の傾斜図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の光偏向器の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【００４３】
本実施例では、電荷密度が一方の電極（陽極）３０１ａ, ３０１ｂからもう一方の電極（陰極）３０２ａ, ３０２ｂに単調増加するように、すなわちx方向に単調増加な分布を持つ例を述べる。
【００４４】
KTNの焦点距離の式を変形すると、電荷密度ρがx方向に分布を持ちＫＴＮがある焦点距離fKTNを持つ時の結晶長は、
【００４５】
【数１０】
2019066794.tif 000012
【００４６】
と表すことができる。
【００４７】
x方向位置が1.2mmの結晶厚の結晶について考える。
【００４８】
図２(ａ), 図２(ｂ)に上式より算出したρ(x)が直線的に変化している場合に、焦点距離fKTNが一定となる結晶長Lを示す。なお、図２(ａ)は、光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示し、図２(ｂ)は、光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す。
【００４９】
図２(ａ), 図２(ｂ)のように電荷密度の増大に伴い結晶長を短くすることで、fKTNをｘ方向に一定に保つことができる。
【００５０】
図３(ａ), 図３(ｂ)に、電極（陽極）３０１ａ, ３０１ｂと電極（陰極）３０２ａ, ３０２ｂとの間に上述の電荷密度を持つ場合焦点距離を一定に保つよう加工した結晶を示す。点線は加工しない場合の結晶端面３０３ａ, ３０３ｂ及び出射光、実線は加工した場合の結晶端面及び出射光を表す。点線の場合ＫＴＮ内の透過位置により焦点距離が異なってしまうが、加工により焦点距離を均一化することができる。
【００５１】
このように光偏向器の結晶長を加工する場合、図３(ａ)のように出射側又は入射側の一方のみ斜め加工を施すことにより補償してもよいし、図３(ｂ)のように入出射両側に斜め加工を用いて補償しても良い。
【００５２】
また、ρ(x)が２次関数的に変化する場合は図４(ａ),４(ｂ)のようになる。図４(ａ)は、光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示し、図４(ｂ)は、光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す。
【００５３】
この場合、曲面状にＫＴＮ入出射面を加工する。曲面の場合、形状により生じるレンズ効果もあるため、この影響も加味して結晶長及び曲率を加工すればよい。
【実施例２】
【００５４】
本実施例では、電荷密度が一方の電極からもう一方の電極に単調増加でない分布を持つ例を述べる。
【００５５】
実施例１と同様に計算すると、ρ(x)が２次関数的に変化する場合fKTNが一定となる結晶長は図５(ａ), 図５(ｂ)のようになる。なお、図５(ａ)は、光偏向器のｘ方向位置と電流密度ρ(x)との関係を示し、図５(ｂ)は、光偏向器のｘ方向位置と結晶長Lとの関係を示す。
【００５６】
このように，電極（陽極）６０１ａ, ６０１ｂと電極（陰極）６０２ａ, ６０２ｂとの間の結晶の結晶長を加工する場合、実施例１と同様に図６(ａ)のように出射側又は入射側の一方のみ曲面加工を施すことにより補償してもよいし、図６(ｂ)のように入出射両側に曲面加工を用いて補償しても良い。
【００５７】
ｘ方向中心に対して分布が対称になる場合を計算したが、非対称になる場合も同様にρ(x)の分布に従い結晶長を加工すればよい。
【実施例３】
【００５８】
本実施例では、図７(ａ)、図７(ｂ)のように、一対の電極７０４に挟まれたＫＴＮ７０５の電界と平行方向の対向する平面の一部に反射コート７０１を配置し入射窓から入射した入射光７０２をＫＴＮ内で複数回折り返し多重反射させ出射窓から出射光７０３が出射する構造について述べる。
【００５９】
この場合も実施例１，２と同様の結晶長の加工を入射窓又は/かつ出射窓７０６に施すことによって同様の焦点距離を均一にする効果を得ることができる。（図７(ｂ)）
【００６０】
この場合、入出射面間の距離は折り返した光路長の全長にわたって電荷密度の分布を考慮し、折り返した回数に応じて入出射面間の距離を調整する。
【００６１】
窓のみに結晶長を電荷密度に合わせる加工を施しその他の面を平行に保つことにより、端面全体を加工する場合と比べ内部反射が容易となる。
【００６２】
なお、実施例１〜３においては、ＫＴＮを用いた光偏向器について説明したが、ＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3）やそれ以外の電気光学効果を有する結晶を用いた光偏向器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、レンズ効果を有する光偏向器においてレンズ効果の不均一性を補償する光偏向器を提供することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０１  電極（陰極）
１０２  電極（陽極）
１０３  ＫＴＮ
１０４  入射光
１０５  出射光
３０３ａ, ３０３ｂ  加工しない場合の結晶端面
３０１ａ, ３０１ｂ  電極（陽極）
３０２ａ, ３０２ｂ  電極（陰極）
６０１ａ, ６０１ｂ  電極（陽極）
６０２ａ, ６０２ｂ  電極（陰極）
７０１  反射コート
７０２  入射光
７０３  出射光
７０４  一対の電極
７０５  KTN
７０６  入射窓又は/及び出射窓
【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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