(57)【要約】【課題】電気光学材料のレンズ効果が駆動電圧の瞬時値に大きく依存することがない光偏向器を実現すること。【解決手段】本発明は、常誘電相にあって内部に電荷を蓄積するためのトラップを有する電気光学材料と、電気光学材料の対向面上に形成された電極対と、電気光学材料及び電極対を挟み込むように設けられた第１及び第２の導体保持部と、第１及び第２の導体保持部の少なくとも一方の温度を測定する温度センサと、測定温度に基づいて第１及び第２の導体保持部の温度を制御する温度制御部と、を備え、電界方向と直交するように電気光学材料への入射光の光軸が設定され、電極対間に直流バイアス電圧が重畳された交流電圧を印加して入射光を偏向させる光偏向器であって、電気光学材料内の電荷密度を略均一にする温度勾配を電気光学材料に与えるように第１及び第２の導体保持部の温度を制御することを特徴とする。【選択図】図６
2019215462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常誘電相にあって、かつ内部に電荷を蓄積するためのトラップを有する電気光学材料と、
前記電気光学材料の対向する面上に形成され、前記電気光学材料の内部に電界を発生させる陰極及び陽極からなる電極対と、
前記電気光学材料及び前記電極対を挟み込むように設けられた第１の導体保持部及び第２の導体保持部と、
前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の少なくとも一方の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサにおいて測定された温度に基づいて前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の温度をそれぞれ制御する温度制御部と、
を備え、前記電界の方向と直交するように前記電気光学材料への入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に直流バイアス電圧が重畳された交流電圧を印加することにより前記入射光を偏向させる光偏向器であって、
前記温度制御部は、前記電気光学材料内の電荷密度を略均一にするような温度勾配を前記電気光学材料に与えるように前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の温度を制御することを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
励起光を前記電気光学材料に照射する励起光源をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記電気光学材料は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１とすると、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）結晶、またはリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3）結晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記電気光学材料と前記第１の導体保持部との間、及び前記電気光学材料と前記第２の導体保持部との間に、それぞれカーボンシートが配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記温度センサは、前記第１の導体保持部の温度を測定する第１の温度センサと、前記第２の導体保持部の温度を測定する第２の温度センサと、を含み、
前記温度制御部は、前記第１の導体保持部に取り付けられた第１のペルチェ素子と、前記第１の温度センサにおいて測定された温度に基づいて前記第１のペルチェ素子に流す電流を調節する第１のペルチェコントローラと、前記第２の導体保持部に取り付けられた第２のペルチェ素子と、前記第２の温度センサにおいて測定された温度に基づいて前記第２のペルチェ素子に流す電流を調節する第２のペルチェコントローラと、を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光偏向器。
【請求項６】
前記温度センサは、前記第１の導体保持部の温度を測定し、
前記温度制御部は、前記第１の導体保持部に設けられたペルチェ素子と、前記温度センサにおいて測定された温度に基づいて前記ペルチェ素子に流す電流を調節するペルチェコントローラと、前記第２の導体保持部に取り付けられたヒータと、を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学材料を用いた光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
常誘電相にある誘電体（電気光学材料）に正弦波などの交流電圧を印加することにより光の進行方向を変える光偏向器は、レーザプリンタ、波長掃引光源など、様々な分野で用いられている。例えば、特許文献１では、光共振器内に常誘電相にある電気光学結晶（常誘電相の誘電体結晶）を配置し、電気光学結晶に高速偏向のためのＡＣ電圧を印加する際にトラップ充填用ＤＣ電圧をバイアス電圧として重畳する波長掃引光源が開示されている。これにより、特許文献１に記載の構成では、長期間にわたり光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長の変動を抑制することができ、長時間安定性に優れた波長掃引光源を実現している。
【０００３】
また、特許文献２には、光照射器から電気光学結晶に光を照射しつつ、ＤＣ電圧をバイアス電圧として重畳したＡＣ駆動電圧を印加することにより、トラップへの電子注入が定常状態に達するまでの時間を短縮させることができることが記載されている。
【０００４】
ここで、電気光学効果の大きい材料として、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）またはＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3）が知られている（以下、まとめてＫＴＮと記す）。更に、電極としてＴｉやＣｒ材料を用いると、ＫＴＮ内に電荷を注入することができる。注入された電荷によってＫＴＮ内に生じる内部電場を利用して、高速・広角な光偏向器を実現することができる。
【０００５】
図１は、光の入射方向から見た、ＫＴＮ結晶を用いた従来の光偏向器の構成を示す図である（例えば、特許文献３参照）。図１には、ＫＴＮ結晶１１と、ＫＴＮ結晶１１の両脇に形成されたアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）１２ａ及び１２ｂと、ＫＴＮ結晶１１、ＡｌＮ１２ａ及び１２ｂの上下面を挟み込んで保持するようにそれぞれ形成された金属ブロック１３ａ及び１３ｂと、ＫＴＮ結晶１１、ＡｌＮ１２ａ及び１２ｂの上下面と金属ブロック１３ａ及び１３ｂとの間にそれぞれ挿入されたグラファイトシート１４ａ及び１４ｂと、支持板１５と、金属ブロック１３ａと支持板１５との間に配置されたペルチェ素子１６と、金属ブロック１３ａ及び１３ｂの内部にそれぞれ埋め込まれたサーミスタ（温度検出器）１７ａ及び１７ｂと、温度制御装置１８と、電極対１９と、が示されている。
【０００６】
ＡｌＮ１２ａ及び１２ｂは、ＫＴＮ結晶１１の位置決めのため、及び２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材である。
【０００７】
ＫＴＮ結晶１１の対向する上下の面上には、制御電圧を印加するための陽極と陰極とからなる電極対１９が形成されている。電極対１９の陽極及び陰極は、それぞれに電気的に接触する金属ブロック１３ａ及び１３ｂを介して制御電圧源（不図示）に電気的に接続されている。制御電圧源からの電圧印加とＫＴＮ結晶１１への電子注入とによりＫＴＮ結晶１１の内部に電界を発生させ、ＫＴＮ結晶１１内部に屈折率分布を発生させることができる。電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、電極対１９の間に電圧を印加することにより、入射光を偏向させることができる。
【０００８】
グラファイトシート１４ａ及び１４ｂは、金属ブロック１３ａ及び１３ｂを介してＫＴＮ結晶１１に高周波制御電圧を印加する場合に振動によるＫＴＮ結晶の破壊を防止するために、ＫＴＮ結晶１１、ＡｌＮ１２ａ及び１２ｂの上下面と金属ブロック１３ａ及び１３ｂとの間にそれぞれ挿入されている。
【０００９】
温度制御装置１８は、サーミスタ１７ａ及び１７ｂによって金属ブロック１３ａ及び１３ｂの温度を検出して、ペルチェ素子１６により金属ブロック１３ａ及び１３ｂをそれぞれ加熱または冷却して、ＫＴＮ結晶１１を適切な設定温度（一定温度）に維持する。具体的には、温度制御装置１８は、直列に接続されたサーミスタ１７ａ及び１７ｂの抵抗値を測定することにより金属ブロック１３ａ及び１３ｂの温度を検出し、フェードバック制御を行ってＫＴＮ結晶１１の温度を一定に保つことにより、ＫＴＮ結晶１１の誘電率を一定に保つことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第６１９３７７３号公報
【特許文献２】特開２０１７−２１９７３２号公報
【特許文献３】特開２０１７−２０３８４７号公報
【特許文献４】特開２０１８−１３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献４に記載されているように、電気光学結晶にＤＣ電圧を印加し、結晶内に電荷を注入させ、電気光学結晶内に電荷をトラップさせた場合、トラップされた電荷によって生じる電荷密度は必ずしも空間的に一様になるとは限らない。電気光学結晶が持つレンズ効果の大きさは電荷密度に依存するため、電気光学結晶内で異なる場所を光が通過すると、その光が感じるレンズの大きさは一般に異なることになる。
【００１２】
一方で、光偏向現象が生じれば、光が電気光学結晶内で異なる場所を通過することになる。すなわち、光偏向器においては、光偏向を行うための駆動電圧の瞬時値によって焦点距離が異なることになる。これはすなわち、光偏向器において、レンズ効果の大きさは駆動電圧の瞬時値によって変化することを意味する。このため、レーザプリンタなどでは、感光体の面内において、ビームスポット径が一様ではなくなり、露光状態が変化してしまうという問題があった。また、光偏向器と直列にレンズを配置したとしても、偏向動作の一周期の中で、偏向した光を常に平行光に保つことができなかった。
【００１３】
特許文献１に記載されているように、レーザ共振器での波長選択性を良好にするためには、回折格子に平行光を入射することが望ましい。しかし、瞬時電圧によって平行光になったりならなかったりしてしまうため、発振波長全域に渡って良好な波長選択性を得ることができなかった。
【００１４】
本発明は、電気光学材料へ直流バイアス電圧が重畳された交流電圧を印加した際、その結果として生じるレンズ効果が駆動電圧瞬時値の依存性を有するという問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、そのようなレンズ効果の、駆動電圧の瞬時値依存性が抑制された光偏向器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様に係る光偏向器によると、常誘電相にあって、かつ内部に電荷を蓄積するためのトラップを有する電気光学材料と、前記電気光学材料の対向する面上に形成され、前記電気光学材料の内部に電界を発生させる陰極及び陽極からなる電極対と、前記電気光学材料及び前記電極対を挟み込むように設けられた第１の導体保持部及び第２の導体保持部と、前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の少なくとも一方の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにおいて測定された温度に基づいて前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の温度をそれぞれ制御する温度制御部と、を備え、前記電界の方向と直交するように前記電気光学材料への入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に直流バイアス電圧が重畳された交流電圧を印加することにより前記入射光を偏向させる光偏向器であって、前記温度制御部は、前記電気光学材料内の電荷密度を略均一にするような温度勾配を前記電気光学材料に与えるように前記第１の導体保持部及び前記第２の導体保持部の温度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様に係る光偏向器によれば、直流バイアス電圧が重畳された交流電圧が印加された電気光学材料からなる光偏向器であって、電気光学材料のレンズ効果が駆動電圧の瞬時値に大きく依存することがない光偏向器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、ＫＴＮ結晶を用いた従来の光偏向器の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、光がＫＴＮ結晶内を偏向する様子を示す図であり、図２（ｂ）は、ＫＴＮ結晶における電場Ｅの空間依存性を示す図である。
【図３】図３は、ＫＴＮ結晶の誘電率の温度依存性を示す図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は光偏向器の特性を評価するための測定系及びその印加電圧をそれぞれ示す図である。
【図５】図５は、従来の光偏向器における、偏向方向に関する光強度の位置依存性の評価結果を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００の構成を例示する図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の構成例及び印加電圧をそれぞれ示す図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の構成例及び印加電圧をそれぞれ示す図である。
【図９】図９は、交流電圧の振幅が大きい場合における、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の印加電圧を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、電気光学材料として常誘電相にあるＫＴＮ結晶を用いた時、陰極の温度を陽極の温度よりも高くしたときの、誘電率ε及び温度Ｔの空間依存性（ｘ依存性）をそれぞれ示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２の実施形態に係る光偏向器２００の構成を例示する図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３の実施形態に係る光偏向器３００の構成を例示する図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施例１に係る光偏向器における偏向方向についての光強度の位置依存性の評価結果を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例１に係る光偏向器に印加した駆動電圧について１０°ずつ位相を変えた場合の瞬時値におけるビーム径（半径）の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［本発明の一態様に係る光偏向器の動作原理］
まず最初に、電気光学材料内の電荷を均一にするために用いる、本発明の一態様に係る光偏向器の動作原理について述べる。特許文献１に記載があるように、光偏向現象と同時に発現するレンズ効果による焦点距離ｆは、電気光学材料内に一様に電荷がトラップされていると仮定すると、以下の（式１）のように表される。
【００１９】
【数１】
2019215462.tif 000003
【００２０】
ここで、上記（式１）中、Ａは下記の（式２）のように表される。
【００２１】
【数２】
2019215462.tif 000004
【００２２】
ここで、ｎ0は電圧を印加していない時の電気光学材料の屈折率、Ｌは入射光の光軸方向における電気光学材料の長さ、ｇ11は電気光学材料の電気光学係数、ρは電気光学材料内の電荷密度である。Ｌ、ｎ0、ｇ11は、既に形成された電気光学材料では不変であるので、ρが定数であれば（式２）よりＡも定数となり、（式１）より焦点距離ｆも瞬時電圧によらず一定となる。尚、焦点距離ｆの逆数はレンズパワーと呼ばれる。すなわち、焦点距離ｆが短い程、レンズパワーが大きくなる。
【００２３】
しかしながら、上述したように、ＤＣバイアスを重畳したＡＣ電圧を印加した場合、電気光学材料内の電荷分布は必ずしも均一にならない。特許文献４に記載されているように、陰極付近の電荷密度が陽極付近の電荷密度と異なることがレンズパワーの瞬時電圧依存性が生じる原因であると考えられる。
【００２４】
尚、電荷が電子の場合、電荷密度の符号は負となる。そのため、電荷密度の大小を議論する際、「電荷密度の絶対値」という用語を用いて議論した方が誤解は少ない。しかしながら、記述が煩雑になるため、以後、「電荷密度が大きい・小さい」という時、「電荷密度の絶対値が大きい・小さい」という意味で用いる。例えば、陰極付近における電荷密度が−７０Ｃ/ｍ3、陽極付近における電荷密度が−６０Ｃ/ｍ3の場合、陰極付近の電荷密度が大きいと記述することとする。尚、電荷密度の大きさではなく、電荷密度そのものを議論する時は、通常通りそのまま符号も含めて考えることにする。
【００２５】
次に、陰極付近の電荷密度を減少させる方法について考察する。ガウスの法則より、以下の（式３）で示す関係が成り立つ。
【００２６】
ｄｉｖＤ＝ｄｉｖ（εＥ）＝ρ      （式３）
【００２７】
ここで、Ｄは電束密度ベクトル、Ｅは電場ベクトル、εは誘電率、ρは電荷密度である。Ｄ及びＥがｘ成分のみを持ち、かつｘ方向のみに依存するとすると、（式３）より以下の（式４）で示す関係が成り立つ。
【００２８】
【数３】
2019215462.tif 000005
【００２９】
（式４）において、誘電率がｘに依存しない、ないし、第一項が第二項に比べて小さく無視できるとすれば、（式４）より以下の（式５）で示す関係が成り立つ。
【００３０】
【数４】
2019215462.tif 000006
【００３１】
（式５）が意味するところは、仮に陰極付近の電荷密度が陽極付近の電荷密度に比べて大きい時、陰極付近の誘電率を陽極付近の誘電率に比べて小さくすることができれば、陰極付近の電荷密度を小さくすることができ、陽極付近の電荷密度に近づけることが可能になることを示唆している。
【００３２】
しかしながら、そのようにして誘電率に場所依存性を設けた場合、∂ε/∂ｘ≠０となる。そのため、上述の議論が正しい推論であるためには、陰極付近において、（式４）の第一項が第二項に比べて十分小さいことが必要である。その条件を満たしているかどうかを以下考察する。
【００３３】
電荷密度ρが空間的に一様である時、Ｖを駆動電圧の瞬時値、ｄを電気光学結晶の厚さ（電極間の距離）とすると、電気光学材料内の電場Ｅは、以下の（式６）で表される。
【００３４】
【数５】
2019215462.tif 000007
【００３５】
図２（ａ）に、光がＫＴＮ結晶内を偏向する様子を示す。また、図２（ｂ）は、ＫＴＮ結晶における電場Ｅの空間依存性を示す。図２（ａ）及び図２（ｂ）中、ｘ＝０が陰極の位置に対応し、ｘ＝ｄが陽極の位置に対応する。電荷密度ρが負の場合を考えているため、図２（ｂ）に示すように電場Ｅの傾きは負となっている。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、Ｖ＝０の時、光はＫＴＮ結晶中を直進する一方で、Ｖ＝ρｄ2/εの時、光は−ｘ方向に屈曲する。Ｖ＝０の時、電場Ｅは、上記（式６）より以下の（式７）で表される。
【００３７】
【数６】
2019215462.tif 000008
【００３８】
駆動電圧の瞬時値Ｖが以下の（式８）で表される時、上記（式６）より、図２（ｂ）に示すようにｘ＝０において電場Ｅ＝０となる。
【００３９】
【数７】
2019215462.tif 000009
【００４０】
ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器において、ＫＴＮ結晶の誘電率に場所依存性（勾配）を設け、陽極の誘電率を１７５００ε0、陰極の誘電率を１５５００ε0（ε0は真空の誘電率）に設定したとする。ＫＴＮ結晶の誘電率εとしてその平均値１６５００ε0を採用し、典型的な値ρ＝−７０Ｃ/ｍ3、ｄ＝１．２ｍｍを代入すると、上記（式８）においてＶ＝−３４５Ｖとなる。すなわち、例えば、ＤＣバイアスを−３４５Ｖと設定し、そこにＡＣ電圧を重畳すると、ＡＣ電圧が０の時の駆動電圧の瞬時値Ｖがこの電圧に対応する。ＡＣ電圧の振幅を３４５Ｖとすると、駆動電圧の瞬時値Ｖは、０Ｖ〜−６９０Ｖの値をとることになる。
【００４１】
入射ビームの直径として、典型値である０．８ｍｍ＝２ｄ/３を採用し、入射ビームの光軸をｘ＝ｄ/２に設定した場合、ビームの陰極側の端の位置は図２（ｂ）に示すように凡そｘ＝ｄ/６となる。Ｖ＝ρｄ2/εの場合、ｘ＝ｄ/６における電場は、図２（ｂ）に示すようにＥ＝２ρｄ/（３ε）となる。このとき、ｘ＝ｄ/６における誘電率をおおよそε＝１６０００ε0とすると、ｘ＝ｄ/６における電場の大きさは|Ｅ|＝|２ρｄ/（３ε）|＝３８３×１０3Ｖ/ｍとなる。
【００４２】
上述した通り、陽極の誘電率を１７５００ε0とし、陰極の誘電率を１５５００ε0とすると、誘電率εが位置ｘに関して線形に変化すると仮定すれば、|∂ε/∂ｘ|＝１．４８×１０-5Ｃ/（Ｖｍ2）となる。以上から、（式４）の第一項の絶対値は、|∂ε/∂ｘ||Ｅ|＝５．６７Ｃ/ｍ3となる。一方、（式４）の第二項の絶対値は、ε|∂Ｅ/∂ｘ|＝ε|ρ/ε|＝|ρ|＝７０Ｃ/ｍ3となる。
【００４３】
以上の評価より、（式４）において、陰極付近では、第一項に比べて第二項が十分に大きいことが示された。よって、（式５）がおおよそ成り立つと考えてよいことが示された。故に、仮に陰極付近の電荷密度が陽極付近の電荷密度に比べて大きい時、陰極付近の誘電率を陽極付近の誘電率に比べて小さくすることができれば、陰極付近の電荷密度を小さくすることができ、陽極付近の電荷密度に近づけることが可能になることが確かに示唆された。
【００４４】
次に、誘電率の傾斜を設ける方法について考察する。図３は、ＫＴＮ結晶の誘電率の温度依存性を示す図である。ＫＴＮ結晶は、相転移温度を境に構造相転移が生じ、低温で正方晶（強誘電体）、高温で立方晶（常誘電体）をとる。図３に示すように、立方晶（常誘電体）では、相転移温度Ｔcで誘電率がピーク値をとり、そこから高温になるにつれ、誘電率が小さくなる。故に、誘電率を小さくする（図３中のε2）ためには温度を高く（図３中のＴ2）し、誘電率を大きく（図３中のε1）するためには温度を低くすれば（図３中のＴ1）よい。すなわち、陰極側の温度を陽極側の温度に比べて高くすると、陰極側の誘電率を小さくすることができる。
【００４５】
［光偏向器の特性を評価するための測定系］
図４（ａ）及び図４（ｂ）は光偏向器の特性を評価するための測定系及びその印加電圧をそれぞれ示す。図４（ａ）に示すように、光偏向器から、ある一定の距離離れた位置にカメラを設置し、光偏向器にコリメート光を入力し、透過した光のビームプロファイルを観測する。図４（ａ）には、瞬時電圧がＶBOTTOMの時とＶTOPの時の光のビーム伝搬の様子を併せて示した。瞬時電圧がＶBOTTOMの時の電気光学材料の焦点距離をｆBOTTOM、瞬時電圧がＶBOTTOMの時のカメラ位置におけるビーム径をａBOTTOM、瞬時電圧がＶTOPの時の電気光学材料の焦点距離をｆTOP、瞬時電圧がＶTOPの時のカメラ位置におけるビーム径をａTOPとする。図４（ａ）には、ｆBOTTOM＜ｆTOPとなる場合を示した。
【００４６】
図４（ａ）からわかるように、焦点を結んだ後にカメラで受光すれば、ｆBOTTOM＜ｆTOPとなる場合にはａBOTTOM＞ａTOPとなり、ｆBOTTOM＝ｆTOPとなる場合にはａBOTTOM＝ａTOPとなり、ｆBOTTOM＞ｆTOPとなる場合にはａBOTTOM＜ａTOPとなる。
【００４７】
ここで、図５は、従来の光偏向器における偏向方向についての光強度の位置依存性の評価結果を示す。従来の光偏向器として、図１に示す光偏向器において、ＡｌＮ１２ｂの一部に穴が開いており、その穴を通じて、外部から、ピーク波長が４０５ｎｍのＬＥＤ光を照射できるものを用いた。電気光学材料として、直方体形状であり、サイズが４．０×３．２×２．０ｍｍ3であるＫＴＮ結晶を用いた。４．０×３．２ｍｍ2の面上に、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕからなる電極膜を蒸着した。立方晶（常誘電相）で電気光学材料の比誘電率が１７５００となるよう温度を決定した。
【００４８】
ピーク波長が４０５ｎｍのＬＥＤ光を照射しながら、ＤＣバイアス−３００Ｖ、振幅２２５Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波電圧を印加したところ、波長１．０６μｍの入射光の偏向角全角は１８．９ｍｒａｄであった。図５では、ＫＴＮ出射端面から１０７．５ｍｍ離れた位置にカメラを配置し、電圧の瞬時値そのものが最大となるＶTOPにおけるビームプロファイル５０１、電圧の瞬時値の絶対値が最大となる電圧ＶBOTTOMにおけるビームプロファイル５０２、その中間となる電圧ＶDCにおけるビームプロファイル５０３を測定した。
【００４９】
図５に示すように、従来の光偏向器では、光強度が最大値となるビームの重心部分の位置から、ビームの重心部分の光強度に対して光強度が１/ｅ2倍となる位置までの距離であるビーム径（半径）は、ＶTOPにて２３７μｍ、ＶBOTTOMにて３００μｍ、ＶDCにて２７０μｍであり、ビーム径が２５％程度ばらついていた。よって、従来の光偏向器では、ビーム径が駆動電圧の瞬時値に大きく依存することが理解される。
【００５０】
［温度勾配の決定方法］
図４（ａ）に示す評価系を用いて、様々な温度勾配を電気光学材料に与えた条件下で、駆動電圧の様々な瞬時値でビーム径を評価する。その評価結果の中から、ビーム径の瞬時電圧依存性が小さくなるような温度勾配条件を選択すればよい。
【００５１】
［第１の実施形態］
以上に考察した点を踏まえ、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器の構成の説明に移る。図６は、光の入射方向から見た、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００の構成を例示する図である。図６に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００では、電気光学材料１０１が、陰極側金属ブロック１０２と陽極側金属ブロック１０３とで挟まれるように、陰極側金属ブロック１０２と陽極側金属ブロック１０３との間に設けられている。電気光学材料１０１は、常誘電相にあって、かつ内部に電荷を蓄積するためのトラップを有する。電気光学材料１０１は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１とすると、ＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）結晶、またはリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3）結晶とすることができる。
【００５２】
電気光学材料１０１の対向する上下の面上には、制御電圧を印加するための陰極と陽極とからなる電極対１１３が形成されている。また、電気光学材料１０１及び電極対１１３を挟み込むように陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３が設けられている。電極対１１３の陰極及び陽極は、それぞれ陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３を介して電源１０８に電気的に接続されている。電源１０８は、陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３を介して交流電圧を電極対１１３に印加している間、直流バイアス電圧ＶDCを重畳する。
【００５３】
電極対１１３の陰極及び陽極にそれぞれ接触する陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３を介した制御電圧源からの電圧印加と電気光学材料１０１への電子注入とにより電気光学材料１０１の内部に電界を発生させ、電気光学材料１０１内部に屈折率分布を発生させることができる。電界の方向と直交するように電気光学材料１０１への入射光の光軸が設定され、電極対１１３の間に直流バイアス電圧が重畳された交流電圧を印加することにより、入射光を偏向させることができる。
【００５４】
陰極側金属ブロック１０２には、温度センサ１０９及びペルチェ素子１１０が取り付けられている。ペルチェ素子１１０には、ヒートシンク１１１が取り付けられている。同様に、陽極側金属ブロック１０３には、温度センサ１０４及びペルチェ素子１０５が取り付けられている。ペルチェ素子１０５には、ヒートシンク１０６が取り付けられている。温度センサ１０４及びペルチェ素子１０５には、ペルチェコントローラ１０７が接続されている。同様に、温度センサ１０９及びペルチェ素子１１０には、ペルチェコントローラ１１２が接続されている。ペルチェ素子１０５及びペルチェ素子１１０並びにペルチェコントローラ１０７及びペルチェコントローラ１１２により、温度制御部が構成される。
【００５５】
陽極側金属ブロック１０３に取り付けられた温度センサ１０４は、陽極側金属ブロック１０３の温度を測定する。ペルチェコントローラ１０７は、温度センサ１０４において測定された温度に基づいて陽極側金属ブロック１０３の温度を所定の設定温度に保つ制御を行う。具体的には、ペルチェコントローラ１０７は、温度センサ１０４において測定された温度に基づいてペルチェ素子１０５に流す電流を調節して陽極側金属ブロック１０３の温度制御を行い、その結果として電気光学材料１０１の温度がその温度制御の影響を受ける。
【００５６】
同様に、陰極側金属ブロック１０２に取り付けられた温度センサ１０９は、陰極側金属ブロック１０２の温度を測定する。ペルチェコントローラ１１２は、温度センサ１０９において測定された温度に基づいて陰極側金属ブロック１０２の温度を所定の設定温度に保つ制御を行う。具体的には、ペルチェコントローラ１１２は、温度センサ１０９において測定された温度に基づいてペルチェ素子１１０に流す電流を調節して陰極側金属ブロック１０２の温度制御を行い、その結果として電気光学材料１０１の温度がその温度制御の影響を受ける。
【００５７】
ペルチェコントローラ１０７及び１１２は、ペルチェ素子１０５及びペルチェ素子１１０をそれぞれ介して、電気光学材料１０１内の電荷密度を略均一にするような温度勾配を電気光学材料１０１に与えるように陰極側金属ブロック１０２と陽極側金属ブロック１０３の温度を制御する。
【００５８】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、陽極側金属ブロック１０３がグランド接続されている場合における、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の構成例及び印加電圧をそれぞれ示す。図７（ａ）に示すように、陰極側金属ブロック１０２が交流電源に接続され、陽極側金属ブロック１０３がグランド接続されている。
【００５９】
陽極側金属ブロック１０３がグランド接続されている場合、陽極側金属ブロック１０３を陽極、陰極側金属ブロック１０２を陰極とするために、図７（ｂ）に示したように、電源１０８は直流バイアス電圧ＶDCが負となる電圧を印加する。
【００６０】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、陰極側金属ブロック１０２がグランド接続されている場合における、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の構成例及び印加電圧をそれぞれ示す。図８（ａ）に示すように、陰極側金属ブロック１０２がグランド接続され、陽極側金属ブロック１０３が交流電源に接続されている。
【００６１】
陰極側金属ブロック１０２がグランド接続されている場合、陽極側金属ブロック１０３を陽極、陰極側金属ブロック１０２を陰極とするために、図８（ｂ）に示したように、電源１０８は直流バイアス電圧ＶDCが正となる電圧を印加する。
【００６２】
陰極側金属ブロック１０２がグランド接続されている場合及び陽極側金属ブロック１０３がグランド接続されている場合のどちらの場合であっても以下の議論で差は生じないため、以下、例示の目的として、図７（ａ）に示すような、陽極側金属ブロック１０３がグランド接続されている構成の場合を考える。
【００６３】
尚、交流電圧の振幅が大きい場合、図９に示す状況となりうる。図９は、交流電圧の振幅が大きい場合における、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器１００における電源１０８の印加電圧を示す。瞬時電圧の絶対値が最も大きくなった時の瞬時電圧をＶBOTTOM、瞬時電圧の絶対値ではなく、瞬時電圧が最も大きくなった時の瞬時電圧をＶTOPとすると、図９に示すように、Ｖ＝ＶTOP付近において、瞬時電圧の符号が反転してプラスとなる時間帯が生じ、陰極側金属ブロック１０２が陽極、陽極側金属ブロック１０３が陰極となる時間帯が生じうる。しかしながら、そのようになる時間帯は短い時間に限られるため、そのような符号の反転の有無に関わらず、陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３と呼ぶ。
【００６４】
ここで、陰極側金属ブロック１０２と陽極側金属ブロック１０３とが異なる温度に設定された場合、電気光学材料１０１は図６中のｘ方向（電圧を印加した時に、発生した電場の向きに平行ないし反平行な方向）に温度分布（傾斜）を持つことになる。
【００６５】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、電気光学材料１０１として常誘電相にあるＫＴＮ結晶を用い、陰極側金属ブロック１０２の温度を陽極側金属ブロック１０３の温度よりも高く設定した場合における、ＫＴＮ結晶の誘電率ε及び温度Ｔの空間依存性（ｘ依存性）をそれぞれ示す。ＫＴＮ結晶中に図１０（ｂ）に示すような温度勾配を設けることにより、図１０（ａ）に示すようにＫＴＮ結晶の陰極付近の誘電率を陽極付近の誘電率に比べて小さくすることができる。
【００６６】
従って、第１の実施形態に係る光偏向器１００によると、電気光学材料のレンズ効果が駆動電圧の瞬時値に大きく依存することがない光偏向器を実現することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態では、陰極側金属ブロック１０２及び陽極側金属ブロック１０３を用いた例を示したが、その材料は金属に限定されず、電気光学材料１０１を保持するように構成された導体（導体保持部）であればよい。以下の実施形態でも同様である。
【００６８】
（第２の実施形態）
図１１は、光の入射方向から見た、本発明の第２の実施形態に係る光偏向器２００を示す。
【００６９】
第２の実施形態に係る光偏向器２００は、第１の実施形態に係る光偏向器１００に対して下記の２点で異なる。１点目は、図１１に示すように、電気光学材料２０１と陰極側金属ブロック２０２との間と、電気光学材料２０１と陽極側金属ブロック２０３との間に、それぞれカーボンシート２２１及び２２２を配置したことである。電気光学材料２０１に電圧を印加すると、電歪効果によって電気光学材料２０１に変形（振動）が生じる。その変形（振動）によって電気光学材料２０１の破壊が生じないよう、カーボンシート２２１及び２２２を配置した。カーボンシートは、適度の弾性を有しているために、電気光学材料２０１の変形（振動）を吸収できるためである。
【００７０】
２点目は、図１１に示すように、電気光学材料２０１に励起光を照射する励起光源２２３を設けたことである。内部に電荷（電子）がトラップされていない電気光学材料に電圧の印加を開始すると、陰極から電気光学材料２０１内へ電子の注入が開始される。すると、電子は陰極近傍の電気光学材料２０１内のトラップに捕獲されやすい。この時、同時に励起光源２２３から励起光を電気光学材料２０１に照射しておくことにより、電気光学材料２０１において、陰極側でトラップされた電子が励起され、陽極側のトラップへ再配置される。逆に、励起光を照射しないと、励起は熱によってのみ起こるため、再配置にかかる時間が長くなり好ましくない。
【００７１】
第２の実施形態に係る光偏向器２００によると、電気光学材料２０１の変形（振動）を吸収でき、内部に電荷（電子）がトラップされていない電気光学材料に電圧印加を開始した場合であっても陰極側でトラップされた電子を陽極側のトラップへすばやく再配置することが可能になる。
【００７２】
（第３の実施形態）
図１２は、光の入射方向から見た、本発明の第３の実施形態に係る光偏向器３００を示す。
【００７３】
第３の実施形態に係る光偏向器３００は、第１及び第２の実施形態に係る光偏向器１００及び２００に対して下記の点で異なる。すなわち、第１及び第２の実施形態においては、温度制御部として、陽極側金属ブロックと陰極側金属ブロックにそれぞれ接続したペルチェ素子とペルチェ素子コントローラを用いていた。しかしながら、陽極側金属ブロックと陰極側金属ブロックとの間に適切な温度勾配を設けることができれば、その温度制御を実現する手段は問わない。
【００７４】
第３の実施形態に係る光偏向器３００では、図１２に示すように、陽極側金属ブロック３０３にペルチェ素子３０５及びペルチェコントローラ３０７を設ける一方で、陰極側金属ブロック３０２にペルチェ素子とペルチェコントローラを設けずに、陰極側金属ブロック３０２にヒータ３３１を取り付け、ヒータ３３１をヒータ駆動電源３３２に接続することにより、電気光学材料３０１に適切な温度勾配を設けるための温度制御部を構成した。また、電気光学材料３０１を囲むように、陰極側金属ブロック３０２と陽極側金属ブロック３０３との間に絶縁体３０９ａ及び３０９ｂを設けた。
【００７５】
ヒータ３３１の熱流をＱ[Ｗ]、陰極側金属ブロック３０２の温度をＴh、陽極側金属ブロック３０３の温度をＴc、電気光学材料３０１の熱抵抗をＲp、絶縁体３０９ａ及び３０９ｂの熱抵抗をＲiとすると、オームの法則より以下の（式９）が成り立つ。
【００７６】
【数８】
2019215462.tif 000010
【００７７】
熱抵抗Ｒp及びＲiは一定と考えることができる。また、温度センサ３０４の測定温度に基づいてペルチェコントローラ３０７によりペルチェ素子３０５に流す電流を調節することにより、陽極側金属ブロック３０３の温度Ｔcを一定にすることができる。故に、熱流Ｑを適切に設定することにより、陰極側金属ブロック３０２の温度Ｔhを最適値に設定することができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、陰極側金属ブロック３０２にヒータ３３１を取り付けた構成としたが、陽極側金属ブロック３０３にヒータ３３１を取り付けた構成としてもよい。ただし、その場合、陰極の温度を陽極の温度よりも高く設定することができなくなる。電気光学結晶の温度が均一な時、陰極の電荷密度が陽極の電荷密度より大きくなることが多いと考えられるが、なんらかの理由によって陰極の電荷密度が陽極の電荷密度より小さくなった場合には、このような構成をとることによって電荷密度を均一に近づけることが可能になる。
【００７９】
本発明の第３の実施形態に係る光偏向器３００によると、陰極側金属ブロック３０２及び陽極側金属ブロック３０３の両方に温度センサ、ペルチェ素子及びペルチェコントローラを用いた制御機構を設ける必要がなく、一方の金属ブロックにヒータを設けた簡易な構成を用いるため、より低コストに、電気光学材料のレンズ効果の駆動電圧の瞬時値への依存が抑制された光偏向器を実現することが可能となる。
【００８０】
なお、第１及び第２の実施形態に係る光偏光器１００及び２００においても、絶縁体３０９ａ及び３０９ｂを用いてもよい。
【００８１】
（実施例１）
第２の実施形態に係る光偏向器２００において、電気光学材料２０１として、電極間隔が２ｍｍのＫＴＮ結晶を用いた。ＫＴＮ結晶は直方体形状であり、サイズは４．０×３．２×２．０ｍｍ3である。４．０×３．２ｍｍ2の面上に、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ペルチェコントローラ２０７は、ペルチェ素子２０５に流す電流を調節して陽極側金属ブロック２０３の温度制御を行い、陽極側金属ブロック２０３の温度が３７．５８℃となるように設定した。仮に陰極側金属ブロック２０２の温度を同じく３７．５８℃となるように設定した時、電気光学材料２０１であるＫＴＮ結晶の比誘電率は１７５００であった。電気光学材料２０１に温度勾配を設けるために、陰極側金属ブロック２０２の温度を３９．０８℃とした。すなわち、陽極側金属ブロック２０３の温度に比べて１．５℃高く設定した。
【００８２】
ピーク波長が４０５ｎｍのＬＥＤ光を照射しながら、ＤＣバイアス−３７５Ｖ、振幅２９０Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波電圧を印加したところ、波長１．０６μｍの入射光の偏向角全角は２２．５ｍｒａｄであった。ＫＴＮ結晶出射端面から１５７．５ｍｍ離れた位置にカメラを配置し、電圧の瞬時値そのものが最大となるＶTOPにおけるビームプロファイル１３０１、電圧の瞬時値の絶対値が最大となる電圧ＶBOTTOMにおけるビームプロファイル１３０２、その中間となる電圧ＶDCにおけるビームプロファイル１３０３を測定した。
【００８３】
図１３は、実施例１に係る光偏向器における偏向方向についての光強度の位置依存性の評価結果を示す。図１３に示すように、ビーム径（半径）は、ＶTOPにて３６２μｍ、ＶBOTTOMにて３４０μｍ、ＶDCにて３５１μｍであり、ビーム径のばらつきが６％程度に収まっていた。従って、駆動電圧の瞬時値に対するビーム径の依存性を抑制できていることが確認できた。
【００８４】
実施例１に係る光偏向器において、より詳細にビーム径の駆動電圧の瞬時値依存性を調べるために、ＶTOP、ＶBOTTOM、ＶDC以外の駆動電圧の瞬時値での評価を行うため、駆動電圧について１０°ずつ位相を変えた場合の瞬時値におけるビーム径を評価した。その結果を図１４に示す。図１４に示すように、ビーム径は、最大３７４．４μｍ、最小３３９．６μｍ、平均３４０．０μｍであり、（最大−最小）／平均で評価したばらつきは９．８％に収まっていた。したがって、駆動電圧の位相を１０℃ずつ変えてビーム径を評価した場合であっても、ビーム径のばらつきを抑制できていることが確認できた。
【００８５】
（実施例２）
第２の実施形態に係る光偏向器２００において、電気光学材料２０１として、電極間隔が１．２ｍｍのＫＴＮ結晶を用いた。ＫＴＮ結晶は直方体の形であり、サイズは４．０×３．２×１．２ｍｍ3である。４．０×３．２ｍｍ2の面上に、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ペルチェコントローラ２０７は、ペルチェ素子２０５に流す電流を調節して陽極側金属ブロック２０３の温度制御を行い、陽極側金属ブロック２０３の温度が４０．２８℃となるように設定した。仮に陰極側金属ブロック２０２の温度を同じく４０．２８℃となるように設定した時、電気光学材料２０１であるＫＴＮ結晶の比誘電率は１５４００であった。電気光学材料２０１に温度勾配を設けるために、陰極側金属ブロック２０２の温度を４０．７８℃とした。すなわち、陰極側金属ブロック２０２の温度を陽極側金属ブロック２０３の温度に比べて０．５℃高く設定した。
【００８６】
ピーク波長が４０５ｎｍのＬＥＤ光を照射しながら、ＤＣバイアス−２８０Ｖ、振幅２９０Ｖ、周波数５ｋＨｚの正弦波電圧を印加したところ、波長１．０６μｍの入射光の偏向角全角は３９ｍｒａｄであった。ＫＴＮ結晶出射端面から１３７．５ｍｍ離れた位置にカメラを配置し、電圧の瞬時値の絶対値が最大となる電圧ＶBOTTOM、電圧の瞬時値そのものが最大となるＶTOP、その中間となる電圧ＶDCにおけるビームプロファイルを測定し、偏向方向のビームプロファイルを解析した。その結果、ビーム径（半径）は、ＶTOPにて４２６μｍ、ＶBOTTOMにて４３１μｍ、ＶDCにて４０４μｍであり、ビーム径のばらつきは６％程度に収まっていた。
【符号の説明】
【００８７】
１１  ＫＴＮ結晶
１２ａ、１２ｂ  アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）
１３ａ、１３ｂ  金属ブロック
１４ａ、１４ｂ  グラファイトシート
１５  支持板
１６、１０５、１１０、２０５、２１０、３０５  ペルチェ素子
１７ａ、１７ｂ  サーミスタ（温度検出器）
１８  温度制御装置
１９、１１３、２１３、３１３  電極対
１００、２００、３００  光偏向器
１０１、２０１、３０１  電気光学材料
１０２、２０２、３０２  陰極側金属ブロック
１０３、２０３、３０３  陽極側金属ブロック
１０４、１０９、２０４、２０９、３０４  温度センサ
１０６、１１１、２０６、２１１、３０６  ヒートシンク
１０７、１１２、２０７、２１２、３０７  ペルチェコントローラ
１０８、２０８、３０８  電源
２２１、２２２  カーボンシート
２２３  励起光源
３０９ａ、３０９ｂ  絶縁体
３３１  ヒータ
３３２  ヒータ駆動電源
【図１】
2019215462.tif 000011
【図２】
2019215462.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019215462.tif 000015
【図６】
2019215462.tif 000016
【図７】
2019215462.tif 000017
【図８】
2019215462.tif 000018
【図９】
2019215462.tif 000019
【図１０】
2019215462.tif 000020
【図１１】
2019215462.tif 000021
【図１２】
2019215462.tif 000022
【図１３】
2019215462.tif 000023
【図１４】
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