(57)【要約】【課題】ＫＴＮ光偏向器のＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直方向のサイズを小さくし、消費電力の削減および電源負担を軽減した光偏向器を提供する。【解決手段】本発明は、ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第１のＫＴＮ光偏向器と、第１のＫＴＮ光偏向器からの偏向光を集光する少なくとも１つ以上のレンズから構成されるリレーレンズと、ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第２のＫＴＮ光偏向器であって、リレーレンズを透過した光を、第１のＫＴＮ光偏向器の偏向方向と９０°異なる方向に偏向する第２のＫＴＮ光偏向器とを備える光偏向器であって、リレーレンズの焦点位置が、第２のＫＴＮ光偏向器の内部に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第１のＫＴＮ光偏向器と、
前記第１のＫＴＮ光偏向器からの偏向光を集光する少なくとも１つ以上のレンズから構成されるリレーレンズと、
ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第２のＫＴＮ光偏向器であって、前記リレーレンズを透過した光を、前記第１のＫＴＮ光偏向器の偏向方向と９０°異なる方向に偏向する第２のＫＴＮ光偏向器と
を備える光偏向器であって、
前記リレーレンズの焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器の内部に配置されることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
前記焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器の前記ＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直な面の中心に配置され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】
前記第２のＫＴＮ光偏向器は、レーザ光の入射面及び出射面にそれぞれ光無反射コート部及び光高反射コート部が形成され、前記レーザ光は前記入射面の前記無反射コート部から入射し、前記入射面の前記光高反射コート部と前記出射面の前記光高反射コート部とにおいてそれぞれ１回または複数反射し、前記出射面の前記無反射コート部から出射し、
前記焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器のＫＴＮ結晶内の内部反射構造を展開した図の中心となる位置に配置され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、より詳細には前段の光偏向器で偏向したレーザ光を、後段の光偏向器において前段の光偏向器の偏向方向と９０度異なる方向に偏向する光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光偏向器は医療機器や顕微鏡などで広く用いられている。特に、レーザ光線を顕微鏡の光源として使用するレーザ顕微鏡においては、光偏向器の偏向速度は画像取得速度の律速要因の１つとなっており、光偏向器の偏向速度の高速化によりレーザ顕微鏡の時間分解能の向上が期待されている。レーザ顕微鏡により２次元情報を取得する場合、通常２つの光偏向器を用いることにより２次元スキャンを実現している。したがって、レーザ顕微鏡の時間分解能を向上させるためには、２つの光偏向器の双方とも高速化を行う必要がある。
【０００３】
光偏向器のうち、電気光学結晶（ＫＴＮ結晶）を用いた光偏向器はガルバノミラー及びＭＥＭＳミラーと異なり駆動部分を持たず、より高速な偏向動作が可能であることが期待されている。ＫＴＮ結晶は電気光学効果が大きい物質として知られており、例えば特許文献１にはＫＴＮ結晶の電気光学効果を用いた光強度変調器が開示されている。ＫＴＮ結晶を用いたＫＴＮ光偏向器は、ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した構造を持つ。ＫＴＮ結晶は、電極からの電子注入及び電圧印加により内部に屈折率分布が生じ、ＫＴＮ結晶内に入射した光は屈折率分布により結晶内部を透過するに伴い、連続的に偏向する（非特許文献１参照）。このようにＫＴＮ光偏向器は透過型の光偏向器であり、ＫＴＮ結晶を透過するにつれ偏向角が蓄積される。したがって、ＫＴＮ光偏向器は、原理上ＫＴＮ結晶内において光が曲がるための内部空間を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３７４０８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＮＴＴ技術ジャーナル2009年11月号「高分解能ＫＴＮ光ビームスキャナの実現」長沼和則著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザ顕微鏡等において使用される２次元スキャンの方式の１つに、前段の光偏向器で偏向したレーザ光を、後段の光偏向器において前段の光偏向器の偏向方向と９０度異なる方向に偏向する方式がある。図１は、前段及び後段にＫＴＮ光偏向器を用いた従来の光偏向器の構成を示す図である。図１の光偏向器１００は、レーザ光が入射する第１のＫＴＮ光偏向器１１１と、第１のＫＴＮ光偏向器１１１からの出射光が入射する第１のリレーレンズ１２１と、第１のリレーレンズ１２１からの出射光が入射する第２のリレーレンズ１２２と、第２のリレーレンズ１２２からの出射光が入射する第２のＫＴＮ光偏向器１１２とを備える。ここで、図１において、ｘ方向を第１のＫＴＮ光偏向器１１１の偏向方向、ｙ方向を第２のＫＴＮ光偏向器１１２、ｚ方向を光の進行方向とする。
【０００７】
図１の光偏向器１００において、前段の光偏向器となる第１のＫＴＮ光偏向器１１１により偏向されたレーザ光は、第１のリレーレンズ１２１においてｚ軸と平行な方向に進むレーザ光に変換され、後段の第２のリレーレンズ１２２により第２のリレーレンズ１２２の焦点位置に集光される。第２のリレーレンズ１２２の焦点位置は、第１のリレーレンズ１２１において偏向されたレーザ光が交差する位置となる。後段の光偏向器である第２のＫＴＮ光偏向器１１２に入射したレーザ光は第１のＫＴＮ光偏向器１１１の偏向方向（ｘ方向）と９０度異なった方向（ｙ方向）に偏向され出射される。ここで、第２ＫＴＮ光偏向器１１２は、第１のＫＴＮ光偏向器１１１により偏向されたレーザ光が入射することになるため、第１のＫＴＮ光偏向器１１１の偏向方向（ｘ方向）に角度を持ったレーザ光を、さらに第２のＫＴＮ光偏向器１１２の偏向方向（ｙ方向）に偏向させる必要がある。そのため、第２のＫＴＮ光偏向器１１２を、レーザ光の入射位置が第２のリレーレンズ１２２の焦点位置付近となるように配置した場合、偏向方向の他に、偏向方向と垂直方向にレーザ光が透過するための空間が必要となり、ＫＴＮ結晶サイズを偏向方向と垂直方向とに拡幅する必要がある。
【０００８】
ＫＴＮ光偏向器の静電容量は電極面積に比例するため、結晶の拡幅化はＫＴＮ光偏向器の静電容量増加につながる。しかし、ＫＴＮ光偏向器の静電容量が増加すれば駆動電源に負担となり、消費電力も増加することになる。したがって、できるだけＫＴＮ結晶の結晶サイズを小型化して電極面積を小さくすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第１のＫＴＮ光偏向器と、前記第１のＫＴＮ光偏向器からの偏向光を集光する少なくとも１つ以上のレンズから構成されるリレーレンズと、ＫＴＮ結晶の対向する面に電極を配置した第２のＫＴＮ光偏向器であって、前記リレーレンズを透過した光を、前記第１のＫＴＮ光偏向器の偏向方向と９０°異なる方向に偏向する第２のＫＴＮ光偏向器とを備える光偏向器であって、前記リレーレンズの焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器の内部に配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の態様は、前記焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器の前記ＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直な面の中心に配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様の光偏向器であって、前記第２のＫＴＮ光偏向器は、レーザ光の入射面及び出射面にそれぞれ光無反射コート部及び光高反射コート部が形成され、前記レーザ光は前記入射面の前記無反射コート部から入射し、前記入射面の前記光高反射コート部と前記出射面の前記光高反射コート部とにおいてそれぞれ１回または複数反射し、前記出射面の前記無反射コート部から出射し、前記焦点位置が、前記第２のＫＴＮ光偏向器のＫＴＮ結晶内の内部反射構造を展開した図の中心となる位置に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
ＫＴＮ光偏向器のＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直方向のサイズを小さくし、消費電力の削減および電源負担の軽減が可能となる。また、同じサイズのＫＴＮ結晶により、より大きな入射トレランスを持たせることも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】前段及び後段にＫＴＮ光偏向器を用いた従来のＫＴＮ光偏向器の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＫＴＮ光偏向器の構成を示す図である。
【図３】図１の従来の光偏向器の焦点位置と、図２の本実施形態の光偏向器の焦点位置とを比較した図で、（ａ）は従来の光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置を示し、（ｂ）は本実施形態の光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置を示している。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＫＴＮ光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器の構成を示す図である。
【図５】図４のＫＴＮ光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器の内部反射構造を展開した図であり、（ａ）はＫＴＮ光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置が第２のＫＴＮ光偏向器の入射面にある場合を示し、（ｂ）はＫＴＮ光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置が第２のＫＴＮ光偏向器の中心にある場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光偏向器の構成を示す図である。図２の光偏向器２００は、レーザ光が入射する第１のＫＴＮ光偏向器２１１と、第１のＫＴＮ光偏向器２１１からの出射光が入射する第１のリレーレンズ２２１と、第１のリレーレンズ２２１からの出射光が入射する第２のリレーレンズ２２２と、第２のリレーレンズ２２２からの出射光が入射する第２のＫＴＮ光偏向器２１２とを備える。ここで、図２において、ｘ方向を第１のＫＴＮ光偏向器２１１の偏向方向、ｙ方向を第２のＫＴＮ光偏向器２１２、ｚ方向をレーザ光の進行方向とする。
【００１６】
図２の光偏向器２００において、前段の光偏向器となる第１のＫＴＮ光偏向器２１１により偏向されたレーザ光は、第１のリレーレンズ２２１においてｚ軸と平行な方向に進むレーザ光に変換され、後段の第２のリレーレンズ２２２により第２のリレーレンズ２２２の焦点位置に集光される。第２のリレーレンズ２２２の焦点位置は、第１のリレーレンズ２２１において偏向されたレーザ光が交差する位置となる。後段の光偏向器となる第２のＫＴＮ光偏向器に入射したレーザ光は第１のＫＴＮ光偏向器２１１の偏向方向（ｘ方向）と９０度異なった方向（ｙ方向）に偏向され出射される。
【００１７】
ここで、本実施形態において、第２のリレーレンズ２２２の焦点位置が、第２のＫＴＮ光偏向器２１２のＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直な面の中心（結晶内のｚ軸方向及びｘ軸方向中心）に位置されるようにする。つまり、第２のＫＴＮ光偏向器２１２の結晶の偏向方向と垂直な面の中心から第２のリレーレンズの焦点距離ｆだけ離れた位置に、第２のリレーレンズを配置する。なお、第１のリレーレンズ２２１と第２のリレーレンズ２２２との間の距離は、２ｆとするのがよい。
【００１８】
なお、ＫＴＮ結晶に入射したレーザ光は、実際はスネルの法則に従って、入射前後で角度が変化するが、図２においては簡略化して直線として記載している。
【００１９】
図３は、図１の従来の光偏向器１００の焦点位置と、図２の本実施形態の光偏向器２００の焦点位置とを比較した図で、図３（ａ）は従来の光偏向器１００の第２のリレーレンズ１２２の焦点位置を示し、図３（ｂ）は本実施形態の光偏向器２００の第２のリレーレンズ２２２の焦点位置を示している。なお、図３においては、図２において簡略化したＫＴＮ結晶に入射したレーザ光の入射角の変化を考慮して記載している。第２のＫＴＮ光偏向器は、第１のＫＴＮ光偏向器により偏向されたレーザ光が入射することになるため、第１のＫＴＮ光偏向器の偏向方向（ｘ方向）に角度を持ったレーザ光を、さらに第２のＫＴＮ光偏向器の偏向方向（ｙ方向）に偏向させる必要がある。従来、図３（ａ）のように、レーザ光の入射位置が第２のリレーレンズ１２２の焦点位置付近となるように第２のＫＴＮ光偏向器１１２を配置していた。この場合、偏向方向の他に、偏向方向と垂直方向にレーザ光が透過するための空間が必要となり、ＫＴＮ結晶のサイズを偏向方向と垂直方向とに拡幅する必要があった。
【００２０】
一方で、本願発明においては、図３（ｂ）のように、リレーレンズ２２２の焦点位置が第２のＫＴＮ光偏向器２１２のＫＴＮ結晶の偏光方向と垂直な面の中心となるように、第２のＫＴＮ光偏向器２１２を配置している。この場合、異なる入射角のレーザ光の交差位置がＫＴＮ結晶の内部となる。入射角の異なるレーザ光をＫＴＮ結晶に入射し偏向させる場合、図３（ａ）のように、入射面でレーザ光を交差させるよりも、図３（ｂ）のように、ＫＴＮ結晶の内部で交差させる方が、同じ入射トレランス（直進レーザ光の入射角α±偏向入射角β）を持つレーザ光を偏向させる際に、より小さいＫＴＮ結晶で偏向させることができる。したがって、本実施形態においては、ＫＴＮ結晶の偏向方向と垂直方向のサイズを小さくすることができる。このことで、消費電力の削減および電源負担の軽減が可能となる。また、同じサイズのＫＴＮ結晶により、より大きな入射トレランスを持たせることも出来る。
【００２１】
ここで、ＫＴＮ結晶の結晶長をＬ、入射光の振れ角をθとすると、図３（ａ）の場合、ＫＴＮ結晶の結晶幅ｗは２Ｌｔａｎθとなるが、本実施形態の図３（ｂ）の場合のようにＫＴＮ結晶の中心に入射角の交点がくる場合、ｗはＬｔａｎθとなり、図３（ａ）の場合と比較し半分となる。
【００２２】
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器の構成を示す図である。図４のＫＴＮ光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器４００は、光高反射（ＨＲ：High Reflection）コート部４１１及び４１２と、ＫＴＮ結晶の入出射面に光無反射（ＡＲ：Anti Reflection）コート部４２１及び４２２とを持ち、内部反射構造を持つ。
【００２３】
図５は、図４の光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器４００の内部反射構造を展開した図であり、図５（ａ）は光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置が第２のＫＴＮ光偏向器の入射面にある場合を示し、図５（ｂ）は光偏向器の第２のリレーレンズの焦点位置が第２のＫＴＮ光偏向器の中心にある場合を示している。
【００２４】
図５（ａ）のように、第２のリレーレンズの焦点が第２のＫＴＮ光偏向器のＡＲコート部４２１付近となるように第２のＫＴＮ光偏向器４００を配置すると、ＡＲコート部４２２のｘ軸方向の幅を拡幅する必要がある。一方で、本実施形態においては、図５（ｂ）のように、第２のリレーレンズの焦点位置が、第２のＫＴＮ光偏向器４００のＫＴＮ結晶内の内部反射構造を展開した図の中心となるように配置している。内部反射構造を持つＫＴＮ光偏向器においても、図５（ａ）のように、入射面でレーザ光を交差させるよりも、図５（ｂ）のように、ＫＴＮ結晶の内部で交差させる方が、ＫＴＮ結晶の偏向方向及び垂直方向のサイズを小さくすることができる。
【００２５】
光偏向器の第２のＫＴＮ光偏向器４００において、ＡＲコート部４２１から入射したレーザ光が内部反射するためには、図５の展開図において、ＫＴＮ結晶に入射したレーザ光がＨＲコート部４１１及び４１２を通る必要がある。ここで、入射トレランスを２００ｍｒａｄ、つまりＫＴＮ結晶へのレーザ光の入射角をα±（β＝）１００ｍｒａｄとする。このとき、結晶長Ｌ＝４ｍｍのＫＴＮ結晶に０．８ｍｍのビームを入射させると、図５（ａ）の場合、ＫＴＮ結晶の結晶幅ｗは９．１ｍｍ（α＝４６．９°として計算）必要となるのに対し、本実施形態の図５（ｂ）の場合は５．６ｍｍ（α＝２４．５°として計算）となり、図５（ａ）の場合よりもＫＴＮ結晶の小型化が可能となる。
【００２６】
なお、本実施形態においては、ＡＲコート部４２１から入射したレーザ光がＫＴＮ結晶内部で４回反射する構造としているが、必要に応じ反射回数は４回でなくともよい。
【符号の説明】
【００２７】
１００、２００  光偏向器
１１１、１１２、２１１、２１２、４００  ＫＴＮ光偏向
１２１、１２２、２２１、２２２  リレーレンズ
４１１、４１２  光高反射コート部
４２１、４２２  光無反射コート部
【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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