光偏向器
【課題】ＫＴＮスキャナにおいて、偏向角の最大値は、コリメート光の直径ｄとＫＴＮ結晶チップの出射端の寸法によって制限される。偏向角を大きくするためＫＴＮ結晶チップの寸法を大きくすることはできるが、所要印加電圧が増加する。ＫＴＮスキャナの最大偏向角を、さらに増加させたい要請があった。また、スキャナで偏向した後の、偏向方向についての遠視野でのケラレや、収差によるビームプロファイルの崩れの問題もあった。
【解決手段】本発明は、上述の問題を解決するため、ＫＴＮチップの入力側に凸レンズを、ＫＴＮチップの出力側に凹レンズをそれぞれ挿入する。凸レンズの効果によりＫＴＮチップ内部で入射光をビーム径の細い状態で透過させる。結晶端部で、光ビームがチップの角に当たるまでの空間に生じる余裕により、偏向角にもマージンが生じる。印加電圧をさらに増大させ、より大きな偏向角を得られる。同時に、凹レンズを組み合わせて収差を減らし、偏向方向に関するビームプロファイルの崩れを改善できる。
【解決手段】本発明は、上述の問題を解決するため、ＫＴＮチップの入力側に凸レンズを、ＫＴＮチップの出力側に凹レンズをそれぞれ挿入する。凸レンズの効果によりＫＴＮチップ内部で入射光をビーム径の細い状態で透過させる。結晶端部で、光ビームがチップの角に当たるまでの空間に生じる余裕により、偏向角にもマージンが生じる。印加電圧をさらに増大させ、より大きな偏向角を得られる。同時に、凹レンズを組み合わせて収差を減らし、偏向方向に関するビームプロファイルの崩れを改善できる。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、透過型光偏向器に関する。より詳細には、電気光学結晶を用いた光ビームスキャナに関する。
【０００２】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。例えば、光ビームスキャナは、光の最も基本的な性質である光の進行方向を制御する素子である。プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信など、様々な分野で光ビームスキャナが使用されている。
【０００３】
光ビームスキャナに必須の光を偏向する技術としては、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術などが提案されている。
【０００４】
ポリゴンミラーを用いた方法は、機械的な回転を利用しているため、回転速度に制限がある。ポリゴンミラーの回転速度の制限は、プリンタの印刷速度の高速化においてボトルネックとなっており、プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められる。
【０００５】
ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザスキャナ等に利用されている。しかし、従来のガルバノミラーは、小型化することが難しい。従って、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニングシステム、およびこのシステムを用いるレーザ応用機器のより一層の小型化が難しい。
【０００６】
音響光学効果を利用した光回折型の光ビームスキャナも実用化されている。しかし、この光回折型の光偏向器を用いた方法は、消費電力が大きく、小型化が困難である。また、大きい偏向角を得たり、高速動作を行うことが難しいという欠点がある。また、ＭＥＭＳを用いた方法は、光偏向素子として微細なミラーを静電的に駆動するため、数十μｓｅｃの応答が限界である。
【０００７】
さらに、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品も実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。電気光学結晶を用いた方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、数百ＭＨｚにおよぶ応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、ＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮ結晶という）、ＰＬＺＴを用いた報告がある。しかしながら、ＬＮ結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、５ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加しても３ｍｒａｄ程度の偏向角しか得られないという欠点がある。更に、ＰＬＺＴを用いた素子においても、２０ｋＶ／ｍｍの印加電界に対して４５ｍｒａｄ程度の偏向角が限界である（非特許文献１）。
【０００８】
上述のように電気光学結晶では、電気光学定数が小さく、実用的な偏向角度を構成するために必要とされる電圧がｋＶオーダーになってしまう。ｋＶオーダーの電圧を高速に変調するためには、駆動回路に大きな負荷がかかり、装置の大型化が避けられないという問題があった。また、ｋＶオーダーの電圧を高速に変調すると、高周波ノイズが発生し、周辺機器へのノイズの混入という問題も生じた。
【０００９】
このような中で、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮと示す）結晶や、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた新しい動作原理に基づく、広角であって低電圧動作の偏向現象を利用した光ビームスキャナが新たに注目されている（特許文献１、非特許文献２）。ＫＴＮにおいては、二次の電気光学効果であるＫｅｒｒ効果の発現を利用している。また、ＫＴＮは、単純な矩形の結晶とその上下面に作成した平行平板電極とからなる構成によって動作させることができる点にも特徴がある。偏向方向は、ＫＴＮ結晶に印加する電界と同じ方向となる。非特許文献２によれば、わずか±５００Ｖ／ｍｍの印加電圧と５．０ｍｍの相互作用長で、±１２７ｍｒａｄ程度もの偏向角が得られている。ＫＴＮを使用した電子ビームスキャナは、低電圧動作で広角に偏向が可能であるという優れた利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開公報 ＷＯ ２００６／１３７４０８ Ａ１ 明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】菅間明夫、外5名、「ＥＯ導波路偏向型光スイッチの開発」、電子通信情報学会信学技報、社団法人電子通信学会、2004年10月、ＰＮ２００４−５９，ページ６１−６４
【非特許文献２】ＮＴＴ技術ジャーナル２００７年１２月号、ページ５６−５９
【非特許文献３】J. Miyazu, Y. Sasaki, K. Naganuma, T. Imai, S. Toyoda, T. Yanagawa, M. Sasaura, S. Yagi and K. Fujiura, “400 kHz Beam Scanning Using KTa1-xNbxO3 Crystals” Proc. of 2010 Conf. on Lasers and Electro-Optics, CTuG5, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、透過バルク型の偏向器の代表的な構成であるＫＴＮを用いた光ビームスキャナにも、さらに改善が望まれる問題があった。
【００１３】
図１は、ＫＴＮスキャナの基本的な動作を説明する図である。矩形のＫＴＮ結晶チップ１の上下面には、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている。図１には示されない電圧源が２つの電極間に接続されて、ＫＴＮ結晶に電圧が印加され、印加電圧に応じて偏向が生じる。ＫＴＮ結晶チップ１内へｚ軸方向にコリメートされた入射光３を透過させる場合を考える。電極２ａ、２ｂからＫＴＮ結晶へ電圧を印加すると、ＫＴＮチップの断面において電界をかけた方向（ｘ方向）に屈折率分布が生じる。このため、入射光３はｘ方向に偏向し、出射光４ａおよび出射光４ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。図１には、遠視野におけるビームプロファイルの様子も合わせて示してある。印加電圧とともに、ビームスポットがスキャンされる。
【００１４】
しかし、ＫＴＮ結晶チップ１にコリメート光を入射させ、電極２ａ、２ｂ間に印加する電圧を大きくしていくと、出射光４ａおよび出射光４の状態よりもさらに偏向角を大きくしようとしても、コリメート光の電極側が出射端Ａの結晶エッジに当たり、ビームの一部が欠落する、いわゆる「ケラレ」が生じてしまう。
【００１５】
図２は、ＫＴＮスキャナにおいて生じるケラレを説明する図である。ＫＴＮ結晶チップ１の電極２ｂの方にビームを偏向させたときを示している。入射ビームの振幅プロファイル２１は、出射面の端部Ａにおいてビームの一部が欠けてしまい、振幅プロファイル２２のように光強度レベル低下およびビーム歪みが生じる。すなわち光ビームスキャナの偏向角の最大値は、コリメート光の直径ｄとＫＴＮ結晶チップ１の出射端Ａの寸法によって制限されてしまう。
【００１６】
ここで、ＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに増加させたいという要請があった。偏向角を大きくするためには、ＫＴＮ結晶チップ１のチップの厚み寸法を大きくすることによって、より大きな偏向角を得ることができる。しかし、これは同時に所要印加電圧が増加を招いてしまうという問題を生じさせる。
【００１７】
また、偏向角をさらに拡大させる場合、ＫＴＮスキャナに無作為に電圧増加をさせても、上述の結晶エッジで生じるケラレだけではなく、遠視野におけるビームのプロファイルにおいて別のビーム崩れを生じさせてしまう。すなわち、球面収差やコマ収差に挙げられる収差の問題を発生させてしまうことがわかってきた。球面収差とは、レンズやミラーなどによって光を集めたときに、光軸上であっても光線が１点に集まらない現象を言う。また、コマ収差とは、ＫＴＮから出たビームが遠視野像面上で１点に集まらず、遠視野像面上のビーム形状に彗星のように尾を引いた非対称なボケを発生させる現象を言う。従来のＫＴＮスキャナでは、ビームプロファイルの崩れとして現れる上述の球面収差やコマ収差を最小限に抑えた状態、すなわちコリメート光を維持した状態で、偏向動作を実現したいという要求もあった。
【００１８】
以上述べたように、従来技術のＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに拡大し、また、遠視野におけるビームプロファイルの崩れも解消することが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の課題に鑑み、請求項１の発明は、少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と、前記電気光学結晶内から出射した出射光をコリメートする手段とを備えたことを特徴とする光ビームスキャナである。
【００２０】
請求項２に記載した発明は、少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、前記電気光学結晶内のへ入射光のビーム径を拡大する凹レンズと、前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段とを備えたことを特徴とする光ビームスキャナである。
【００２１】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料の屈折率分布によって形成される、前記偏向方向のレンズ効果によって実現されることを特徴とする。
請求項４に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記コリメートする手段は、前記電気光学材料のビーム出射側に配置され、前記偏向方向のレンズ効果を有する凹レンズまたは凹面鏡であることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料のビーム入射側に配置された、少なくとも前記偏向方向にレンズ機能を有する凸レンズであることを特徴とする。
請求項６に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段またはコリメートする手段の少なくとも１つは、前記電気光学材料のビーム入射端面またはビーム出射端面の形状を加工することで実現されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明は、ＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに拡大し、かつ、偏向方向に関して遠視野におけるビームプロファイルの崩れも解消する。ＫＴＮスキャナのさらなる小型化も実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ＫＴＮスキャナの基本的な動作を説明する図である。
【図２】図２は、ＫＴＮスキャナに生じるケラレを説明する図である
【図３】図３は、本発明の光ビームスキャナにおける偏向角の拡大効果を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の光ビームスキャナの基本的な構成を示す図である。
【図５】図５は、ＫＴＮ結晶内における屈折率分布を説明する図である。
【図６】図６は、実施例３の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図７】図７は、実施例４の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図８】図８は、実施例５の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図９】図９は、実施例６の本発明におけるＫＴＮ結晶の構成を説明する図である。
【図１０】図１０は、実施例７の本発明の２次元の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図１１】図１１は、実施例８の本発明の２次元の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明光ビームスキャナによる偏向角拡大の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、上述の問題を解決する１つの手段として、ＫＴＮチップの前段（入力側）に凸レンズを、ＫＴＮチップの後段（出力側）に凹レンズをそれぞれ挿入する。この構成によって、前段の凸レンズの効果によりＫＴＮチップ内部において入射光をビーム径の細い状態で透過させることができる。結晶端部において、光ビームがチップの角に当たるまでの空間に余裕が出るため、ビームが欠落するまでの偏向角にマージンが生じる。印加電圧をさらに増大させて、より大きな偏向角を得ることが可能となる。同時に、ケラレが生じないのでビームプロファイルの、偏向方向の崩れも改善できる。
【００２５】
図３は、本発明の光ビームスキャナにおける偏向角の拡大効果を説明する図である。従来技術では、ＫＴＮスキャナへは、コリメート光を入射させていた。ここで、ＫＴＮ結晶チップ１への入射光３ａが、コリメート光ではなく凸レンズによって集光された光であるとすると、ＫＴＮ結晶チップ１からの出射光４ａ、４ｂのビーム径は、コリメート光が入射したときと比べ、ビーム径は小さくなっている。従って、ＫＴＮ結晶チップ１の端面Ａを出射する段階で、コリメート光が入射した場合とくらべて、偏向角を拡大することができる。ＫＴＮ結晶チップ１の出力側に配置された凹レンズ５によって、再びコリメート光とされる段階で、偏向角はさらに拡大されて、出射光６ａと出射光６ｂとの間の範囲で偏向することができる。以下、さらに本発明の具体的な構成例について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図４は、本発明の実施例１の光ビームスキャナの基本的な構成を示す図である。ＫＴＮ結晶チップ１の上下面には、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている。電極２ａ、２ｂからＫＴＮ結晶へ電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶チップの断面において電界をかけた方向（ｘ方向）に屈折率分布が生じる。このため、入射光は、印加電圧により形成される電界に平行な偏光方向、すなわちｘ方向に偏向し、出射光４ａおよび出射光４ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。
【００２７】
本発明では、ＫＴＮ結晶チップ１に対してその入力側に配置した、偏向方向（ｘ軸方向）に関して凸となる凸レンズ７よって、コリメート光であった入射光３が集光された入射光３ａとなっている。凸レンズ７のレンズ効果によって、ＫＴＮ結晶チップ１内において、コリメート光と比べてビーム径が細い状態で入射光３ａを透過させることができる。ＫＴＮ結晶チップ１から出た出射光４ａ、４ｂは、ＫＴＮ結晶チップ１の出力側に配置したシリンドリカル凹レンズ５によって、コリメートされる。このとき、偏向角がさらに拡大されて、出射光６ａ、６ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。また、図４の構成による２次的効果として、入射させるビームを細くできるので、従来と同じ偏向角を得ようとする場合、従来技術のチップと比べてより小さいサイズの結晶チップを使って偏向動作が可能となる。ビームスキャナを、よりコンパクトにすることができる。
【００２８】
シリンドリカル凹レンズ７は、偏向方向についてレンズ機能を持っていれば、円柱レンズ、アモナルフィックレンズ（プリズム）やＫＴＮ可変焦点レンズなどでも良い。
【実施例２】
【００２９】
図４に示した実施例１の構成において、偏向方向（ｘ軸方向）に関して凸レンズの機能をＫＴＮ結晶に併せ持たせることによっても、同様に偏向角を拡大することができる。非特許文献３を参照すれば、ＫＴＮ結晶において凸レンズ機能を併せ持たせ得ることは、次のように説明ができる。
【００３０】
ＫＴＮチップの上下面を一様なチタン電極にすると、ＤＣ電圧を印加することにより結晶中に電子が注入される。ＫＴＮ結晶中には電子トラップが存在するため、ＤＣ電圧印加後も結晶中にトラップに捕獲された電子が存在する。ここではトラップの捕獲された電子は空間的に一様であると仮定し、その密度をＮとする。この状態でＫＴＮチップに対して変調電圧を印加すると、ガウスの法則により、電極からの距離をｘとした場合の電界分布Ｅ（ｘ）は以下の式で表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、ｅは電気素量、εは比誘電率、ｄはＫＴＮ結晶チップの厚み、Ｖは電極に印加する電圧をそれぞれ示す。
上述のＫＴＮ結晶チップの形状における屈折率分布Δｎ（ｘ)は、以下の式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、ｇｉｊは電気光学係数である。
【００３５】
図５は、ＫＴＮ結晶内における屈折率分布を説明する図である。式（１）および式（２）からわかるように、ＫＴＮ結晶チップに電圧を印加することによる電界分布Ｅ（ｘ）は、ｘの関数で線形である。しかし、屈折率Δｎはｘの二次関数となっている。従って、屈折率分布は、図５の破線ではなく実線の二次関数状のプロファイルを持つ。偏向現象はＫＴＮへの電圧の印加で屈折率に傾斜が生じ、屈折率の高い方向に光が曲がることに拠る。屈折率分布プロファイルが破線の線形プロファイルであれば、ビームは発散したり、収束したりはしない。しかし、屈折率分布プロファイルが実線のようにプラス側に山の状態で傾斜すると、レンズでいう凸状態の屈折率の傾斜となる。これによりＫＴＮ結晶内のビームは、この屈折率のレンズ効果で収束するようになる。このように、チップ断面において屈折率分布が空間的に凸となり、ＫＴＮ結晶チップ自体に凸レンズの機能を持たせることができる。
【００３６】
本実施例２では、ＫＴＮ結晶が偏向方向に凸レンズ機能を持っていれば、図４の実施例１の構成における入力側の凸レンズ７が不要となる。すなわち、図３に示した構成において、ＫＴＮ結晶チップ１が、偏向方向（ｘ軸方向）に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶で構成され、このとき入射光３ａとしてコリメート光を入射すれば良い。
【００３７】
ここで、出力側のシリンドリカル凹レンズ５は、凸レンズ機能を持たせたＫＴＮによって生じる収差の補正機能を担うこともできる。一般的に、１枚の凸レンズは球面収差を持つことが知られている。このような球面収差を少なくするには、凸凹レンズを組合せることによって、本来の光学系としての凸レンズとは別に凹を使用することが理想とされている。本発明は、偏向方向に凸レンズ機能をもたせることに加えて、凹レンズによって偏向角拡大を実現し、さらに収差補正機能を担う構造となっている。
【実施例３】
【００３８】
ＫＴＮ結晶が偏向方向に十分な凸レンズ機能を持っている場合、偏向角拡大という点からは実施例２の記載の光ビームスキャナの効果には有効ではないものの、球面収差の点で効果が発揮されるように、入力側に凹レンズを配置する構成とすることもできる。
【００３９】
図６は、実施例３の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。ＫＴＮ結晶チップは、偏向方向（ｘ軸方向）に凸レンズ機能を持ったＫＴＮチップ１ａであり、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている点は、これまでの実施例の構成と同じである。本実施例では、ＫＴＮ結晶チップ１の入力側に凹レンズ８を配置している。
【００４０】
本実施例では、凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１の入射ビーム３ａと出射ビーム６ａ、６ｂとは、ほぼ同一の径を持っている。入射ビーム３ａは、凹レンズ８のレンズ効果によって、一旦は広がったビームとなる。その後、ＫＴＮ結晶チップのレンズ効果によって、再び入射ビームと概ね同じ径の出射ビーム６ａ、６ｂとなってチップから出射する。凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１での球面収差を、実施例２の構成における凹レンズ５（図３を参照）を入力側に移しても抑えることができる。本実施例の構成によっても、実施例２と同様の収差補正効果が得られる。
【実施例４】
【００４１】
図７は、実施例４の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。本実施例のように、実施例２の構成における出射側の凹レンズ５の代わりに、凸面鏡９を利用することができる。ＫＴＮ結晶チップは、偏向方向に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１ａであり、平板電極２ａ、２ｂが接続されている。コリメートした入射光３は、ＫＴＮ結晶の凸レンズ機能によってビーム径が細くなり、ＫＴＮ結晶チップ１ａからの出射光４ａ、４ｂは、凸面鏡９に到達する。出射光４ａ、４ｂは、凸面鏡９によってコリメートされて、さらに出射光６ａ、６ｂが得られる。
【実施例５】
【００４２】
図８は、実施例５の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。実施例４の構成をさらに多重反射させる構成としている。偏向方向に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１ａの両側に、それぞれシリンドリカル凸面鏡１０、１１を配置している。図８の（ａ）は、偏向方向（ｘ軸）と光が往復する方向（ｚ軸）を含むｘ−ｚ面で光路を示している。図が複雑になるため、光ビームスキャナへ入射光と光ビームスキャナから出射光の経路などは、図に記載されていない。光スキャナへの光の入出力の全体経路は、（ｂ）のｙ−ｚ面によって示されている。図８の（ｂ）において、右方からＫＴＮ結晶チップ１ａへ入射するコリメート光３は、２つの凸面鏡１０、１１とＫＴＮ結晶チップを経由して、多重反射しながら往復して進む。最後に、ＫＴＮ結晶チップ１ａから出射光４が出射する。
【００４３】
入射光３は、偏向方向に凸レンズ機能を持つＫＴＮ結晶の内部を、ビーム径が細い状態で透過し、端面Ｂを出て凸面鏡１１へ入射する。凸面鏡１１でコリメート光として反射した後に、再び端面ＢからＫＴＮ結晶チップ１へ再入射する。端面Ａを出た光は、今度は、凸面鏡１０で反射され、ＫＴＮ結晶チップ１ａを透過して端面Ｂから出射光４が出る。
【００４４】
多重反射させることによって、ＫＴＮ結晶チップ内を１回だけ透過する構成の場合よりも、より大きな偏向角が得られる。
【実施例６】
【００４５】
図９は、実施例６の本発明におけるＫＴＮ結晶の構成を説明する図である。実施例３、４、５で説明したＫＴＮ結晶に持たせる凸レンズ機能は、ＫＴＮ結晶自体の屈折率分布だけでなく、光の入射面および出射面を加工することによっても同様に実現できる。すなわち、（ａ）に示したように、ＫＴＮ結晶チップ１の、端面Ａおよび端面Ｂをそれぞれレンズ機能を持つように加工することができる。
【００４６】
また、実施例１、実施例２で示したＫＴＮ結晶の出力側に配置する凹レンズの機能についても、ＫＴＮ結晶の出射面に加工を施すことによって、ＫＴＮ結晶自体にその機能を持たせることができる。すなわち、（ｂ）に示したように、ＫＴＮ結晶チップ１の端面Ａにおいて端面形状を加工して、凸レンズ機能を併せて持たせることもできる。
【実施例７】
【００４７】
図１０は、実施例７の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。上述の実施例は、１つの方向のみについて光を偏向する１次元のビームスキャナであったが、これを異なる方向で組み合わせることによって、２次元の光ビームスキャナも実現可能である。本実施例では、ＫＴＮ結晶が偏向方向にレンズ機能を有している場合を考え、入射光は、コリメート光で良い。本実施例は、実施例２の構成を２次元に組み合わせたものである。
【００４８】
図１０の実施例では、入射光３を２次元で偏向させるために、ｘ軸方向に偏向させる第１のＫＴＮ結晶チップ１ａと、ｙ軸方向に偏向させる第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂを備えている。第１のＫＴＮ結晶チップ１ａは、上下に平行平板電極２ａ、２ｂを有しており、同様に図には示していないが第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂも、電圧印加用に２つの電極を持っている。２つのＫＴＮ結晶チップの間には、偏光方向を回転させる１／２波長板１３が挿入される。
【００４９】
第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂの出力側に、ｘ軸方向にレンズ機能を持つ第１の凹レンズ１７および、ｙ軸方向にレンズ機能を持つ第２の凹レンズ１８が配置される。本構成により、従来技術よりも拡大した偏向角で、ｘ−ｙ面内で２次元に光ビームスキャンを実行できる。尚、本実施例では、凹レンズを別個の２つのレンズで構成したが、別個の２つの凹レンズを１つの凹レンズによって実現しても良い。このとき、その凹レンズはｘ軸方向とｙ軸方向とで、焦点距離が異なることになる。
【実施例８】
【００５０】
図１１は、実施例８の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。本実施例は、実施例７とは異なる構成の組み合わせで、２次元のビームスキャンを実現する。ＫＴＮ結晶が偏向方向にレンズ機能を有している場合を考え、入射光は、コリメート光で良い。本実施例は、実施例２の構成および実施例３の構成を組み合わせたものである。
【００５１】
図１１に示した実施例では、入射光３を２次元で偏向させるために、ｘ軸方向に偏向させる第１のＫＴＮ結晶チップ１ａと、ｙ軸方向に偏向させる第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂを備えている。第１のＫＴＮ結晶チップ１ａは、上下に平行平板電極２ａ、２ｂを有しており、同様に図には示していないが第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂも、電圧印加用に２つの電極を持っている。２つのＫＴＮ結晶チップの間には、偏光方向を回転させる１／２波長板１３が挿入される。
【００５２】
第１のＫＴＮ結晶チップ１ａの入力側に、ｘ軸方向にレンズ機能を持つ第１の凹レンズ１９が、第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂの出力側に、ｙ軸方向にレンズ機能を持つ第２の凹レンズ２０がそれぞれ配置される。本構成により、従来技術よりも拡大した偏向角で、ｘ−ｙ面内で２次元に光ビームスキャンを実行できる。
【実施例９】
【００５３】
最後に、具体的な構成例による偏向角の拡大例を示す。先に述べた実施例１の構成において、入力側の凸レンズの焦点距離をｆ１、出力側の凹レンズの焦点距離をｆ２として、後述する式（４）で与えられる距離ｄに焦点距離ｆ２のレンズを挿入することによって、ビーム偏向角の拡大が抑えられる。これによって、後述するように、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れも補正が可能となる。
【００５４】
２つのレンズによるレンズの結合公式は式（３）で与えられる。
【００５５】
【数３】
【００５６】
ここで、分母が０（ゼロ）となればｆは∞となり、すなわち、２つのレンズの構成がコリメータの性能を有することを意味する。したがって、分母を０（ゼロ）とする条件より、次式（４）を得ることができる。
ｆ１＋ｆ２＝ｄ 式（４）
このレンズ２つの組み合わせによって構成可能な、ｆ２の焦点距離を有する凹レンズを実施例の１の構成に組み合わせることによって、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れが補正が可能となる。
【００５７】
例えば、ＫＴＮ結晶チップ自体に入力側のシリンドリカル凸レンズの効果を持たせ、ＫＴＮチップの焦点距離をｆ１＝４０ｍｍ、シリンドリカル凹レンズの焦点距離をｆ２＝−２５ｍｍとし、ＫＴＮチップとレンズとの距離をｄ＝１５ｍｍとすると、図１２に示したようにビームはコリメート光となり、偏向角が９０ｍｒａｄ（約５．２°）から１４０ｍｒａｄ（約８．０°）に拡大した。
【００５８】
図１２の（ａ）は、従来のＫＴＮビームスキャナ単体で、最大にビームを偏向させたときの遠視野におけるビームスポットを一定電圧間隔（１００Ｖ毎）で、示したものである。（ｂ）は、本発明の上述のＫＴＮビームスキャナで、最大にビームを偏向させたときのビームスポットを一定電圧間隔（５０Ｖ毎）で、示したものである。
【００５９】
ここで、偏向方向についての各ビームスポットのプロファイルの崩れも、ＫＴＮ結晶チップの出力側に凹レンズを使用することで解消される効果がある点にも注目すべきである。すなわち、本発明は、偏向角の拡大と、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れの解消とを同時に実現できる優れた効果を持っている。
【００６０】
上述の説明では、電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）結晶を例として説明をしてきたが、偏向角の拡大は、他の電気光学結晶にも適用できる。例えば、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴがある。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、光学機器に利用することができる。特に、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信など、様々な分野の光ビームスキャナに利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ ＫＴＮ結晶チップ
２ａ、２ｂ 電極
３、３ａ 入射光
４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ 出射光
５、８、１７、１８ 凹レンズ
７ 凸レンズ
９、１０、１１ 凸面鏡
１３ １／２波長板
【背景技術】
【０００１】
本発明は、透過型光偏向器に関する。より詳細には、電気光学結晶を用いた光ビームスキャナに関する。
【０００２】
現在、プロジェクターをはじめとする映像機器、レーザプリンタ、高分解能な共焦点顕微鏡、バーコードリーダ等において、レーザ光を偏向するための光制御素子に対する要求が高まっている。例えば、光ビームスキャナは、光の最も基本的な性質である光の進行方向を制御する素子である。プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信など、様々な分野で光ビームスキャナが使用されている。
【０００３】
光ビームスキャナに必須の光を偏向する技術としては、ポリゴンミラーを回転させる技術、ガルバノミラーにより光の偏向方向を制御する技術、音響光学効果を利用した光回折技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロマシーン技術などが提案されている。
【０００４】
ポリゴンミラーを用いた方法は、機械的な回転を利用しているため、回転速度に制限がある。ポリゴンミラーの回転速度の制限は、プリンタの印刷速度の高速化においてボトルネックとなっており、プリンタの印刷速度をさらに向上させるためには、より高速な光偏向技術が求められる。
【０００５】
ガルバノミラーは、レーザ光を偏向走査するレーザスキャナ等に利用されている。しかし、従来のガルバノミラーは、小型化することが難しい。従って、ガルバノミラーを用いたレーザスキャニングシステム、およびこのシステムを用いるレーザ応用機器のより一層の小型化が難しい。
【０００６】
音響光学効果を利用した光回折型の光ビームスキャナも実用化されている。しかし、この光回折型の光偏向器を用いた方法は、消費電力が大きく、小型化が困難である。また、大きい偏向角を得たり、高速動作を行うことが難しいという欠点がある。また、ＭＥＭＳを用いた方法は、光偏向素子として微細なミラーを静電的に駆動するため、数十μｓｅｃの応答が限界である。
【０００７】
さらに、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品も実用化されている。これら光機能部品は、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学効果により結晶の屈折率が変化することを利用している。電気光学結晶を用いた方法は、電気光学効果の速度限界まで応答可能であり、数百ＭＨｚにおよぶ応答が可能となる。これまでに、電気光学結晶を用いた光偏向素子として、ＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮ結晶という）、ＰＬＺＴを用いた報告がある。しかしながら、ＬＮ結晶を用いた素子では、電気光学効果が小さいため、５ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加しても３ｍｒａｄ程度の偏向角しか得られないという欠点がある。更に、ＰＬＺＴを用いた素子においても、２０ｋＶ／ｍｍの印加電界に対して４５ｍｒａｄ程度の偏向角が限界である（非特許文献１）。
【０００８】
上述のように電気光学結晶では、電気光学定数が小さく、実用的な偏向角度を構成するために必要とされる電圧がｋＶオーダーになってしまう。ｋＶオーダーの電圧を高速に変調するためには、駆動回路に大きな負荷がかかり、装置の大型化が避けられないという問題があった。また、ｋＶオーダーの電圧を高速に変調すると、高周波ノイズが発生し、周辺機器へのノイズの混入という問題も生じた。
【０００９】
このような中で、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮと示す）結晶や、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いた新しい動作原理に基づく、広角であって低電圧動作の偏向現象を利用した光ビームスキャナが新たに注目されている（特許文献１、非特許文献２）。ＫＴＮにおいては、二次の電気光学効果であるＫｅｒｒ効果の発現を利用している。また、ＫＴＮは、単純な矩形の結晶とその上下面に作成した平行平板電極とからなる構成によって動作させることができる点にも特徴がある。偏向方向は、ＫＴＮ結晶に印加する電界と同じ方向となる。非特許文献２によれば、わずか±５００Ｖ／ｍｍの印加電圧と５．０ｍｍの相互作用長で、±１２７ｍｒａｄ程度もの偏向角が得られている。ＫＴＮを使用した電子ビームスキャナは、低電圧動作で広角に偏向が可能であるという優れた利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開公報 ＷＯ ２００６／１３７４０８ Ａ１ 明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】菅間明夫、外5名、「ＥＯ導波路偏向型光スイッチの開発」、電子通信情報学会信学技報、社団法人電子通信学会、2004年10月、ＰＮ２００４−５９，ページ６１−６４
【非特許文献２】ＮＴＴ技術ジャーナル２００７年１２月号、ページ５６−５９
【非特許文献３】J. Miyazu, Y. Sasaki, K. Naganuma, T. Imai, S. Toyoda, T. Yanagawa, M. Sasaura, S. Yagi and K. Fujiura, “400 kHz Beam Scanning Using KTa1-xNbxO3 Crystals” Proc. of 2010 Conf. on Lasers and Electro-Optics, CTuG5, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、透過バルク型の偏向器の代表的な構成であるＫＴＮを用いた光ビームスキャナにも、さらに改善が望まれる問題があった。
【００１３】
図１は、ＫＴＮスキャナの基本的な動作を説明する図である。矩形のＫＴＮ結晶チップ１の上下面には、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている。図１には示されない電圧源が２つの電極間に接続されて、ＫＴＮ結晶に電圧が印加され、印加電圧に応じて偏向が生じる。ＫＴＮ結晶チップ１内へｚ軸方向にコリメートされた入射光３を透過させる場合を考える。電極２ａ、２ｂからＫＴＮ結晶へ電圧を印加すると、ＫＴＮチップの断面において電界をかけた方向（ｘ方向）に屈折率分布が生じる。このため、入射光３はｘ方向に偏向し、出射光４ａおよび出射光４ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。図１には、遠視野におけるビームプロファイルの様子も合わせて示してある。印加電圧とともに、ビームスポットがスキャンされる。
【００１４】
しかし、ＫＴＮ結晶チップ１にコリメート光を入射させ、電極２ａ、２ｂ間に印加する電圧を大きくしていくと、出射光４ａおよび出射光４の状態よりもさらに偏向角を大きくしようとしても、コリメート光の電極側が出射端Ａの結晶エッジに当たり、ビームの一部が欠落する、いわゆる「ケラレ」が生じてしまう。
【００１５】
図２は、ＫＴＮスキャナにおいて生じるケラレを説明する図である。ＫＴＮ結晶チップ１の電極２ｂの方にビームを偏向させたときを示している。入射ビームの振幅プロファイル２１は、出射面の端部Ａにおいてビームの一部が欠けてしまい、振幅プロファイル２２のように光強度レベル低下およびビーム歪みが生じる。すなわち光ビームスキャナの偏向角の最大値は、コリメート光の直径ｄとＫＴＮ結晶チップ１の出射端Ａの寸法によって制限されてしまう。
【００１６】
ここで、ＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに増加させたいという要請があった。偏向角を大きくするためには、ＫＴＮ結晶チップ１のチップの厚み寸法を大きくすることによって、より大きな偏向角を得ることができる。しかし、これは同時に所要印加電圧が増加を招いてしまうという問題を生じさせる。
【００１７】
また、偏向角をさらに拡大させる場合、ＫＴＮスキャナに無作為に電圧増加をさせても、上述の結晶エッジで生じるケラレだけではなく、遠視野におけるビームのプロファイルにおいて別のビーム崩れを生じさせてしまう。すなわち、球面収差やコマ収差に挙げられる収差の問題を発生させてしまうことがわかってきた。球面収差とは、レンズやミラーなどによって光を集めたときに、光軸上であっても光線が１点に集まらない現象を言う。また、コマ収差とは、ＫＴＮから出たビームが遠視野像面上で１点に集まらず、遠視野像面上のビーム形状に彗星のように尾を引いた非対称なボケを発生させる現象を言う。従来のＫＴＮスキャナでは、ビームプロファイルの崩れとして現れる上述の球面収差やコマ収差を最小限に抑えた状態、すなわちコリメート光を維持した状態で、偏向動作を実現したいという要求もあった。
【００１８】
以上述べたように、従来技術のＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに拡大し、また、遠視野におけるビームプロファイルの崩れも解消することが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の課題に鑑み、請求項１の発明は、少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と、前記電気光学結晶内から出射した出射光をコリメートする手段とを備えたことを特徴とする光ビームスキャナである。
【００２０】
請求項２に記載した発明は、少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、前記電気光学結晶内のへ入射光のビーム径を拡大する凹レンズと、前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段とを備えたことを特徴とする光ビームスキャナである。
【００２１】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料の屈折率分布によって形成される、前記偏向方向のレンズ効果によって実現されることを特徴とする。
請求項４に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記コリメートする手段は、前記電気光学材料のビーム出射側に配置され、前記偏向方向のレンズ効果を有する凹レンズまたは凹面鏡であることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料のビーム入射側に配置された、少なくとも前記偏向方向にレンズ機能を有する凸レンズであることを特徴とする。
請求項６に記載した発明は、請求項１の光ビームスキャナであって、前記ビーム径縮小手段またはコリメートする手段の少なくとも１つは、前記電気光学材料のビーム入射端面またはビーム出射端面の形状を加工することで実現されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明は、ＫＴＮスキャナの最大偏向角をさらに拡大し、かつ、偏向方向に関して遠視野におけるビームプロファイルの崩れも解消する。ＫＴＮスキャナのさらなる小型化も実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ＫＴＮスキャナの基本的な動作を説明する図である。
【図２】図２は、ＫＴＮスキャナに生じるケラレを説明する図である
【図３】図３は、本発明の光ビームスキャナにおける偏向角の拡大効果を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の光ビームスキャナの基本的な構成を示す図である。
【図５】図５は、ＫＴＮ結晶内における屈折率分布を説明する図である。
【図６】図６は、実施例３の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図７】図７は、実施例４の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図８】図８は、実施例５の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図９】図９は、実施例６の本発明におけるＫＴＮ結晶の構成を説明する図である。
【図１０】図１０は、実施例７の本発明の２次元の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図１１】図１１は、実施例８の本発明の２次元の光ビームスキャナの構成を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明光ビームスキャナによる偏向角拡大の効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、上述の問題を解決する１つの手段として、ＫＴＮチップの前段（入力側）に凸レンズを、ＫＴＮチップの後段（出力側）に凹レンズをそれぞれ挿入する。この構成によって、前段の凸レンズの効果によりＫＴＮチップ内部において入射光をビーム径の細い状態で透過させることができる。結晶端部において、光ビームがチップの角に当たるまでの空間に余裕が出るため、ビームが欠落するまでの偏向角にマージンが生じる。印加電圧をさらに増大させて、より大きな偏向角を得ることが可能となる。同時に、ケラレが生じないのでビームプロファイルの、偏向方向の崩れも改善できる。
【００２５】
図３は、本発明の光ビームスキャナにおける偏向角の拡大効果を説明する図である。従来技術では、ＫＴＮスキャナへは、コリメート光を入射させていた。ここで、ＫＴＮ結晶チップ１への入射光３ａが、コリメート光ではなく凸レンズによって集光された光であるとすると、ＫＴＮ結晶チップ１からの出射光４ａ、４ｂのビーム径は、コリメート光が入射したときと比べ、ビーム径は小さくなっている。従って、ＫＴＮ結晶チップ１の端面Ａを出射する段階で、コリメート光が入射した場合とくらべて、偏向角を拡大することができる。ＫＴＮ結晶チップ１の出力側に配置された凹レンズ５によって、再びコリメート光とされる段階で、偏向角はさらに拡大されて、出射光６ａと出射光６ｂとの間の範囲で偏向することができる。以下、さらに本発明の具体的な構成例について説明する。
【実施例１】
【００２６】
図４は、本発明の実施例１の光ビームスキャナの基本的な構成を示す図である。ＫＴＮ結晶チップ１の上下面には、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている。電極２ａ、２ｂからＫＴＮ結晶へ電圧を印加すると、ＫＴＮ結晶チップの断面において電界をかけた方向（ｘ方向）に屈折率分布が生じる。このため、入射光は、印加電圧により形成される電界に平行な偏光方向、すなわちｘ方向に偏向し、出射光４ａおよび出射光４ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。
【００２７】
本発明では、ＫＴＮ結晶チップ１に対してその入力側に配置した、偏向方向（ｘ軸方向）に関して凸となる凸レンズ７よって、コリメート光であった入射光３が集光された入射光３ａとなっている。凸レンズ７のレンズ効果によって、ＫＴＮ結晶チップ１内において、コリメート光と比べてビーム径が細い状態で入射光３ａを透過させることができる。ＫＴＮ結晶チップ１から出た出射光４ａ、４ｂは、ＫＴＮ結晶チップ１の出力側に配置したシリンドリカル凹レンズ５によって、コリメートされる。このとき、偏向角がさらに拡大されて、出射光６ａ、６ｂの範囲でビームスキャン動作が行なわれる。また、図４の構成による２次的効果として、入射させるビームを細くできるので、従来と同じ偏向角を得ようとする場合、従来技術のチップと比べてより小さいサイズの結晶チップを使って偏向動作が可能となる。ビームスキャナを、よりコンパクトにすることができる。
【００２８】
シリンドリカル凹レンズ７は、偏向方向についてレンズ機能を持っていれば、円柱レンズ、アモナルフィックレンズ（プリズム）やＫＴＮ可変焦点レンズなどでも良い。
【実施例２】
【００２９】
図４に示した実施例１の構成において、偏向方向（ｘ軸方向）に関して凸レンズの機能をＫＴＮ結晶に併せ持たせることによっても、同様に偏向角を拡大することができる。非特許文献３を参照すれば、ＫＴＮ結晶において凸レンズ機能を併せ持たせ得ることは、次のように説明ができる。
【００３０】
ＫＴＮチップの上下面を一様なチタン電極にすると、ＤＣ電圧を印加することにより結晶中に電子が注入される。ＫＴＮ結晶中には電子トラップが存在するため、ＤＣ電圧印加後も結晶中にトラップに捕獲された電子が存在する。ここではトラップの捕獲された電子は空間的に一様であると仮定し、その密度をＮとする。この状態でＫＴＮチップに対して変調電圧を印加すると、ガウスの法則により、電極からの距離をｘとした場合の電界分布Ｅ（ｘ）は以下の式で表される。
【００３１】
【数１】
【００３２】
ここで、ｅは電気素量、εは比誘電率、ｄはＫＴＮ結晶チップの厚み、Ｖは電極に印加する電圧をそれぞれ示す。
上述のＫＴＮ結晶チップの形状における屈折率分布Δｎ（ｘ)は、以下の式で表すことができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここで、ｇｉｊは電気光学係数である。
【００３５】
図５は、ＫＴＮ結晶内における屈折率分布を説明する図である。式（１）および式（２）からわかるように、ＫＴＮ結晶チップに電圧を印加することによる電界分布Ｅ（ｘ）は、ｘの関数で線形である。しかし、屈折率Δｎはｘの二次関数となっている。従って、屈折率分布は、図５の破線ではなく実線の二次関数状のプロファイルを持つ。偏向現象はＫＴＮへの電圧の印加で屈折率に傾斜が生じ、屈折率の高い方向に光が曲がることに拠る。屈折率分布プロファイルが破線の線形プロファイルであれば、ビームは発散したり、収束したりはしない。しかし、屈折率分布プロファイルが実線のようにプラス側に山の状態で傾斜すると、レンズでいう凸状態の屈折率の傾斜となる。これによりＫＴＮ結晶内のビームは、この屈折率のレンズ効果で収束するようになる。このように、チップ断面において屈折率分布が空間的に凸となり、ＫＴＮ結晶チップ自体に凸レンズの機能を持たせることができる。
【００３６】
本実施例２では、ＫＴＮ結晶が偏向方向に凸レンズ機能を持っていれば、図４の実施例１の構成における入力側の凸レンズ７が不要となる。すなわち、図３に示した構成において、ＫＴＮ結晶チップ１が、偏向方向（ｘ軸方向）に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶で構成され、このとき入射光３ａとしてコリメート光を入射すれば良い。
【００３７】
ここで、出力側のシリンドリカル凹レンズ５は、凸レンズ機能を持たせたＫＴＮによって生じる収差の補正機能を担うこともできる。一般的に、１枚の凸レンズは球面収差を持つことが知られている。このような球面収差を少なくするには、凸凹レンズを組合せることによって、本来の光学系としての凸レンズとは別に凹を使用することが理想とされている。本発明は、偏向方向に凸レンズ機能をもたせることに加えて、凹レンズによって偏向角拡大を実現し、さらに収差補正機能を担う構造となっている。
【実施例３】
【００３８】
ＫＴＮ結晶が偏向方向に十分な凸レンズ機能を持っている場合、偏向角拡大という点からは実施例２の記載の光ビームスキャナの効果には有効ではないものの、球面収差の点で効果が発揮されるように、入力側に凹レンズを配置する構成とすることもできる。
【００３９】
図６は、実施例３の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。ＫＴＮ結晶チップは、偏向方向（ｘ軸方向）に凸レンズ機能を持ったＫＴＮチップ１ａであり、平行平板電極２ａ、２ｂが接続されている点は、これまでの実施例の構成と同じである。本実施例では、ＫＴＮ結晶チップ１の入力側に凹レンズ８を配置している。
【００４０】
本実施例では、凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１の入射ビーム３ａと出射ビーム６ａ、６ｂとは、ほぼ同一の径を持っている。入射ビーム３ａは、凹レンズ８のレンズ効果によって、一旦は広がったビームとなる。その後、ＫＴＮ結晶チップのレンズ効果によって、再び入射ビームと概ね同じ径の出射ビーム６ａ、６ｂとなってチップから出射する。凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１での球面収差を、実施例２の構成における凹レンズ５（図３を参照）を入力側に移しても抑えることができる。本実施例の構成によっても、実施例２と同様の収差補正効果が得られる。
【実施例４】
【００４１】
図７は、実施例４の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。本実施例のように、実施例２の構成における出射側の凹レンズ５の代わりに、凸面鏡９を利用することができる。ＫＴＮ結晶チップは、偏向方向に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１ａであり、平板電極２ａ、２ｂが接続されている。コリメートした入射光３は、ＫＴＮ結晶の凸レンズ機能によってビーム径が細くなり、ＫＴＮ結晶チップ１ａからの出射光４ａ、４ｂは、凸面鏡９に到達する。出射光４ａ、４ｂは、凸面鏡９によってコリメートされて、さらに出射光６ａ、６ｂが得られる。
【実施例５】
【００４２】
図８は、実施例５の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。実施例４の構成をさらに多重反射させる構成としている。偏向方向に凸レンズ機能を持ったＫＴＮ結晶チップ１ａの両側に、それぞれシリンドリカル凸面鏡１０、１１を配置している。図８の（ａ）は、偏向方向（ｘ軸）と光が往復する方向（ｚ軸）を含むｘ−ｚ面で光路を示している。図が複雑になるため、光ビームスキャナへ入射光と光ビームスキャナから出射光の経路などは、図に記載されていない。光スキャナへの光の入出力の全体経路は、（ｂ）のｙ−ｚ面によって示されている。図８の（ｂ）において、右方からＫＴＮ結晶チップ１ａへ入射するコリメート光３は、２つの凸面鏡１０、１１とＫＴＮ結晶チップを経由して、多重反射しながら往復して進む。最後に、ＫＴＮ結晶チップ１ａから出射光４が出射する。
【００４３】
入射光３は、偏向方向に凸レンズ機能を持つＫＴＮ結晶の内部を、ビーム径が細い状態で透過し、端面Ｂを出て凸面鏡１１へ入射する。凸面鏡１１でコリメート光として反射した後に、再び端面ＢからＫＴＮ結晶チップ１へ再入射する。端面Ａを出た光は、今度は、凸面鏡１０で反射され、ＫＴＮ結晶チップ１ａを透過して端面Ｂから出射光４が出る。
【００４４】
多重反射させることによって、ＫＴＮ結晶チップ内を１回だけ透過する構成の場合よりも、より大きな偏向角が得られる。
【実施例６】
【００４５】
図９は、実施例６の本発明におけるＫＴＮ結晶の構成を説明する図である。実施例３、４、５で説明したＫＴＮ結晶に持たせる凸レンズ機能は、ＫＴＮ結晶自体の屈折率分布だけでなく、光の入射面および出射面を加工することによっても同様に実現できる。すなわち、（ａ）に示したように、ＫＴＮ結晶チップ１の、端面Ａおよび端面Ｂをそれぞれレンズ機能を持つように加工することができる。
【００４６】
また、実施例１、実施例２で示したＫＴＮ結晶の出力側に配置する凹レンズの機能についても、ＫＴＮ結晶の出射面に加工を施すことによって、ＫＴＮ結晶自体にその機能を持たせることができる。すなわち、（ｂ）に示したように、ＫＴＮ結晶チップ１の端面Ａにおいて端面形状を加工して、凸レンズ機能を併せて持たせることもできる。
【実施例７】
【００４７】
図１０は、実施例７の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。上述の実施例は、１つの方向のみについて光を偏向する１次元のビームスキャナであったが、これを異なる方向で組み合わせることによって、２次元の光ビームスキャナも実現可能である。本実施例では、ＫＴＮ結晶が偏向方向にレンズ機能を有している場合を考え、入射光は、コリメート光で良い。本実施例は、実施例２の構成を２次元に組み合わせたものである。
【００４８】
図１０の実施例では、入射光３を２次元で偏向させるために、ｘ軸方向に偏向させる第１のＫＴＮ結晶チップ１ａと、ｙ軸方向に偏向させる第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂを備えている。第１のＫＴＮ結晶チップ１ａは、上下に平行平板電極２ａ、２ｂを有しており、同様に図には示していないが第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂも、電圧印加用に２つの電極を持っている。２つのＫＴＮ結晶チップの間には、偏光方向を回転させる１／２波長板１３が挿入される。
【００４９】
第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂの出力側に、ｘ軸方向にレンズ機能を持つ第１の凹レンズ１７および、ｙ軸方向にレンズ機能を持つ第２の凹レンズ１８が配置される。本構成により、従来技術よりも拡大した偏向角で、ｘ−ｙ面内で２次元に光ビームスキャンを実行できる。尚、本実施例では、凹レンズを別個の２つのレンズで構成したが、別個の２つの凹レンズを１つの凹レンズによって実現しても良い。このとき、その凹レンズはｘ軸方向とｙ軸方向とで、焦点距離が異なることになる。
【実施例８】
【００５０】
図１１は、実施例８の本発明の光ビームスキャナの構成を示した図である。本実施例は、実施例７とは異なる構成の組み合わせで、２次元のビームスキャンを実現する。ＫＴＮ結晶が偏向方向にレンズ機能を有している場合を考え、入射光は、コリメート光で良い。本実施例は、実施例２の構成および実施例３の構成を組み合わせたものである。
【００５１】
図１１に示した実施例では、入射光３を２次元で偏向させるために、ｘ軸方向に偏向させる第１のＫＴＮ結晶チップ１ａと、ｙ軸方向に偏向させる第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂを備えている。第１のＫＴＮ結晶チップ１ａは、上下に平行平板電極２ａ、２ｂを有しており、同様に図には示していないが第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂも、電圧印加用に２つの電極を持っている。２つのＫＴＮ結晶チップの間には、偏光方向を回転させる１／２波長板１３が挿入される。
【００５２】
第１のＫＴＮ結晶チップ１ａの入力側に、ｘ軸方向にレンズ機能を持つ第１の凹レンズ１９が、第２のＫＴＮ結晶チップ１ｂの出力側に、ｙ軸方向にレンズ機能を持つ第２の凹レンズ２０がそれぞれ配置される。本構成により、従来技術よりも拡大した偏向角で、ｘ−ｙ面内で２次元に光ビームスキャンを実行できる。
【実施例９】
【００５３】
最後に、具体的な構成例による偏向角の拡大例を示す。先に述べた実施例１の構成において、入力側の凸レンズの焦点距離をｆ１、出力側の凹レンズの焦点距離をｆ２として、後述する式（４）で与えられる距離ｄに焦点距離ｆ２のレンズを挿入することによって、ビーム偏向角の拡大が抑えられる。これによって、後述するように、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れも補正が可能となる。
【００５４】
２つのレンズによるレンズの結合公式は式（３）で与えられる。
【００５５】
【数３】
【００５６】
ここで、分母が０（ゼロ）となればｆは∞となり、すなわち、２つのレンズの構成がコリメータの性能を有することを意味する。したがって、分母を０（ゼロ）とする条件より、次式（４）を得ることができる。
ｆ１＋ｆ２＝ｄ 式（４）
このレンズ２つの組み合わせによって構成可能な、ｆ２の焦点距離を有する凹レンズを実施例の１の構成に組み合わせることによって、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れが補正が可能となる。
【００５７】
例えば、ＫＴＮ結晶チップ自体に入力側のシリンドリカル凸レンズの効果を持たせ、ＫＴＮチップの焦点距離をｆ１＝４０ｍｍ、シリンドリカル凹レンズの焦点距離をｆ２＝−２５ｍｍとし、ＫＴＮチップとレンズとの距離をｄ＝１５ｍｍとすると、図１２に示したようにビームはコリメート光となり、偏向角が９０ｍｒａｄ（約５．２°）から１４０ｍｒａｄ（約８．０°）に拡大した。
【００５８】
図１２の（ａ）は、従来のＫＴＮビームスキャナ単体で、最大にビームを偏向させたときの遠視野におけるビームスポットを一定電圧間隔（１００Ｖ毎）で、示したものである。（ｂ）は、本発明の上述のＫＴＮビームスキャナで、最大にビームを偏向させたときのビームスポットを一定電圧間隔（５０Ｖ毎）で、示したものである。
【００５９】
ここで、偏向方向についての各ビームスポットのプロファイルの崩れも、ＫＴＮ結晶チップの出力側に凹レンズを使用することで解消される効果がある点にも注目すべきである。すなわち、本発明は、偏向角の拡大と、偏向方向に生じる球面収差によるビームプロファイルの崩れの解消とを同時に実現できる優れた効果を持っている。
【００６０】
上述の説明では、電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３：ＫＴＮ）結晶を例として説明をしてきたが、偏向角の拡大は、他の電気光学結晶にも適用できる。例えば、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴがある。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、光学機器に利用することができる。特に、プリンティング、ディスプレイ、イメージング、センシング、光通信など、様々な分野の光ビームスキャナに利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ ＫＴＮ結晶チップ
２ａ、２ｂ 電極
３、３ａ 入射光
４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ 出射光
５、８、１７、１８ 凹レンズ
７ 凸レンズ
９、１０、１１ 凸面鏡
１３ １／２波長板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、
前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と、
前記電気光学結晶内から出射した出射光をコリメートする手段と
を備えたことを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項２】
少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、
前記電気光学結晶内のへ入射光のビーム径を拡大する凹レンズと、
前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と
を備えたことを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項３】
前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料の屈折率分布によって形成される、前記偏向方向のレンズ効果によって実現されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビームスキャナ。
【請求項４】
前記コリメートする手段は、前記電気光学材料のビーム出射側に配置され、前記偏向方向のレンズ効果を有する凹レンズまたは凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項５】
前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料のビーム入射側に配置された、少なくとも前記偏向方向にレンズ機能を有する凸レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項６】
前記ビーム径縮小手段またはコリメートする手段の少なくとも１つは、前記電気光学材料のビーム入射端面またはビーム出射端面の形状を加工することで実現されることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項１】
少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、
前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と、
前記電気光学結晶内から出射した出射光をコリメートする手段と
を備えたことを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項２】
少なくともＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）、Ｋ１−ｙＬｉｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、チタン酸バリウム、ＬＮ結晶、ＰＬＺＴのいずれかから成る電気光学材料の、対向する２つの平行な面に電極を構成して、前記対向する電極間に印加した電圧に依存して、前記電圧により形成される電界に平行な偏向方向に、前記電気光学材料へ前記偏向方向に概ね垂直に入射する光の光路を、偏向させる光ビームスキャナにおいて、
前記電気光学結晶内のへ入射光のビーム径を拡大する凹レンズと、
前記電気光学材料内を透過する光のビーム径を、光の伝搬ともに小さくするビーム径縮小手段と
を備えたことを特徴とする光ビームスキャナ。
【請求項３】
前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料の屈折率分布によって形成される、前記偏向方向のレンズ効果によって実現されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビームスキャナ。
【請求項４】
前記コリメートする手段は、前記電気光学材料のビーム出射側に配置され、前記偏向方向のレンズ効果を有する凹レンズまたは凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項５】
前記ビーム径縮小手段は、前記電気光学材料のビーム入射側に配置された、少なくとも前記偏向方向にレンズ機能を有する凸レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【請求項６】
前記ビーム径縮小手段またはコリメートする手段の少なくとも１つは、前記電気光学材料のビーム入射端面またはビーム出射端面の形状を加工することで実現されることを特徴とする請求項１に記載の光ビームスキャナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１５０４０９（Ｐ２０１２−１５０４０９Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９６２（Ｐ２０１１−１０９６２）
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
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