JP5222256B2 - 光偏向器 - Google Patents

Description

本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、電気光学結晶の電界を制御することにより結晶の屈折率を変化させ、光の進行方向を制御する光偏向器に関する。

従来、光の進行方向を制御する光偏向器として、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学効果を利用した光回折、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーと呼ばれるマイクロマシーンなどが提案されている。ポリゴンミラーおよびガルバノミラーは、機械的にミラーを駆動するので、慣性による束縛下にあり、偏向動作は、ｋＨｚ程度の規則的な繰返しに留まる。応答性の改善を目指し、軽量化したＭＥＭＳミラーにあっては、空気抵抗が影響し、依然として力学的な制限を免れない。音響光学効果を利用した光偏向器は、可動部がなく、力学的な制限がない。しかしながら、この種の素子では、音波と光波の間の位相整合（ブラグ条件）が関与するため、偏向角の波長依存性が著しく大きく、多波長の光を扱う用途には適用が難しい。

また、電気光学結晶を用いた様々な光機能部品が実用化されている。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し、ビームを偏向させることができる。電気光学結晶を用いた光偏向器も、力学的な制限を受けない。また、少なくとも結晶の透明領域では、偏向角の波長依存が屈折率分散と同程度に収まるので、音響光学効果の場合に比べて、波長依存性を数桁も小さくできる。電気光学結晶を用いた光偏向器として、プリズム形状を有する電気光学素子の屈折率変化を利用し、屈折の法則（スネルの法則）に従って、出射角を変化させる素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、偏向角が余りに小さいため、この種の素子の応用範囲は非常に限られていた。現実的に得られる屈折率変化は、０．０１％程度に過ぎず、進行角の変化が入射面と出射面の２箇所に限られている素子では、大きな偏向角の変化は期待できない。

近年、特定の電気光学効果を示す結晶において、電圧印加時に結晶内に空間電荷分布が形成され、それによる非一様な電界分布が屈折率の勾配を惹起し、この勾配に直交する光線の進路を屈曲させる現象が見いだされた。この現象が生じるのは、屈折率変化が電界の二乗に比例して生じる２次の電気光学効果が必要である。加えて、電気光学結晶が、大きい誘電率、小さい易動度を有して初めて、現実的な値の印加電圧、印加電流により、偏向現象の発現を見る。この種の結晶の代表的な例として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃：ＫＴＮ）が知られている。

このような電気光学結晶においては、結晶内の全箇所が偏向作用を担うので、光線の伝搬経路上の各所での作用が累積され、偏向された光が結晶から出射される。得られる偏向量は、結晶内の伝搬長におおむね比例する点において、上述した既存の光偏向器とその性質を全く異にしている。その結果、高速動作が可能で、かつ、偏向角の変化を大きく取れるという特長を有する。

図１に、従来の光偏向器の第１の例を示す。光偏向器は、方形の電気光学結晶６０１の対向する面に、電極６０２と接地電極６０３とが形成されている（例えば、特許文献２参照）。図１に示したように、電気光学結晶６０１に対してｘ，ｙ，ｚ軸を規定する。２つの電極の中間を通る中心光軸６０８（ｚ軸）に沿って、入射光６０５が伝搬する。ここで、駆動電源６０４により電極６０２に電圧をｘ軸方向に印加すると、光線は、接地電極６０３側に屈曲した偏向光路６０７を辿り、偏向した出射光６０６として電気光学結晶６０１から出射される。

入射光６０５は、電極６０２および接地電極６０３に挟まれた間隙を通過し、入射光６０５のビーム直径２ｗは、偏向作用を受けない電圧非印加状態で、２つの電極の間隙の幅ｄを超えられない。電圧を印加した状態で生ずる偏向は、光線をこの間隙内で斜行せしめる。偏向光路６０７に沿う光線が、間隙を通過するためには、ビーム直径２ｗは、さらに小さく抑えられることとなる。

ここで、有限のビーム径ｗには、回折現象によって、必ず有限の拡り角Δθが伴う。電圧印加による偏向角θが、拡り角Δθよりも小さい場合、偏向角θの変化は元々の拡り角Δθに埋もれてしまって、検知されない。このことから、全拡り角２Δθは、光偏向器の角度分解能を与え、さらに、偏向角の全可変範囲を全拡り角２Δθで除した数は、偏向器の角度分解点数に相当する。偏向角範囲または角度分解能は、偏向器に付加する光学系の角倍率によって、各々増減が可能であるが、それらの比の角度分解点数は、変えられることがない。

空間電荷効果による偏向現象の解析から、最大偏向角θｍａｘは、式１で表される。

ここで、ｄは２つの電極の間隔、すなわち電気光学結晶６０１の厚さである。Ｌは電気光学結晶６０１の長さ、ｎは屈折率、εは誘電率、ｇは２次電気光学係数である。Ｅｍａｘは、結晶に印加することができる最大の電界である。結晶内の空間電荷効果の支配下にあっては、電界は陽極直前で平均電界Ｖ／ｄの１．５倍となり、最大を示す。従って、結晶に印加いることができる電圧は、最大Ｖｍａｘ＝（２／３）Ｅｍａｘｄに制限される。

一方、光線のビーム径ｗに伴われる拡り角は、式２で表される。

ここで、λは光線の波長である。

式１および式２を用いれば、角度分解点数Ｎの具体的表現式として、式３を得る。

式３を参照すると、角度分解点数Ｎを向上するために調整可能な因子は、ビーム径ｗ、結晶厚ｄおよび結晶長Ｌである。他は、物理または物性定数であって、例えば、ＫＴＮの例では、屈折率ｎは、波長λ＝６３３ｎｍにおいて２．２９であり、２次電気光学係数はｇ＝０．１３６ｍ⁴Ｃ^-2である。従って、角度分解点数として

を得る。ここで、寸法ｗ、ｄおよびＬは、単位ｍｍで表す。また、ε_rは結晶の比誘電率である。印加電界の上限Ｅｍａｘは、６００Ｖｍｍ^-1とする。比誘電率ε_rが１５，０００ならば、角度分解点数はＮ＝２５．７（ｗ／ｄ）Ｌと算出される。

ここで、結晶厚ｄに対するビーム径ｗの比ｗ／ｄは、必然的に１／２より小さい。すなわち、ビームが結晶を通過するためには、その直径２ｗが結晶厚ｄに等しいことが、最低の要件である。しかし、これではビームに偏向角を付与する余地が全然ない。簡単な幾何学的考察を行えば、角度分解点数Ｎについての最適なビーム径・結晶厚比は、ｗ／ｄ＝１／４であることがわかる。角度分解点数は、Ｎ＝６．４４Ｌとなり、例えば、Ｌ＝５ｍｍの結晶に期待できるＮは３２程度である。これ以上に角度分解点数を増すためには、更に長い結晶を用いることが必要となる。

他方、結晶の自由な長尺化を阻む事情が存する。第１に、図１の光偏向器の構成において、電極６０２および接地電極６０３が対向面に付与された電気光学結晶６０１は、平行平板キャパシターと同じ構成になる。このキャパシターの静電容量は、結晶長Ｌに比例して増す。これに伴い、電圧を印加する駆動電源６０４に要求される駆動電力が増し、光偏向器全体の大型化、高価格化を招くことになる。

第２に、長尺化は、電気光学結晶６０１自体の体積を増すので、有限の体積を有する単結晶ブールから採れる個数が限られてしまう。一方、電気光学結晶の長さは、結晶ブールの寸法に制限されるため、長尺化には自ずと限界がある。

第３に、結晶ブール内には組成の勾配があり、仮に、長寸の結晶が採れたとしても、誘電率が相対的に小さい部分が含まれてしまう。このような場合、式３中ε²Ｌは、積分

で置換されることになる。例えば、長さ方向に誘電率が一様に半減したならば、結晶の長さの５８％しか光の偏向に寄与しないことと等価になる。すならち、結晶の長さを２倍にしても、結晶の端から端にかけて誘電率が半減したならば、Ｎの改善は１６％とわずかに過ぎない。

以上の事情に鑑み、実際に長寸の結晶を用いる替わりに、内部反射による光路の折り返しを行って、結晶長Ｌを増したのと等価な効果を得ようとする方法が考えられる（例えば、特許文献２参照）。図２に、従来の光偏向器の第２の例を示す。光偏向器は、方形の電気光学結晶６０１の対向する面に、電極６０２と接地電極６０３とが形成されている。中心光軸６０８に沿って入射した入射光６０５は、電気光学結晶６０１内を３回行き来した後、出射光６０６として外部に出射される。これにより、３倍長い結晶を用いた時に相当する偏向角が得られ、角度分解点数Ｎも３倍となる。

ここで、電気光学結晶６０１内で光路を折り返すための構成を示す。図３は、光偏向器の第２の例において、偏向面に垂直な面内における配置を示す。入射光６０５は、電気光学結晶６０１に、その側面から見て斜めに入射し、出射端面に達すると、出射端面に付与された反射膜６２１ｂによって反射される。電気光学結晶６０１内を進行し、再び入射端面に戻る。そして、入射端面に付与された反射膜６２１ａによって反射され、電気光学結晶６０１内を進行し、出射端面上、反射膜６２０ｂの付与されていない箇所を透過して、出射光６０６として結晶から出射される。

一般に、かかる内部反射により、Ｍ−１回折り返した晶内光路６０７を辿った後に出射させる場合、結晶長をＭ倍したのと等価な効果が得られ、角度分解点数ＮをＭ倍に改善することができる。以上述べたように、高速性に優れ、かつ、大きな偏向角の変化が得られる光偏向器が実現されている。

特開平０９−００５７９７号公報 国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット

しかしながら、上述した従来の光偏向器は、偏向角範囲、角度分解点数において、以下の問題点を残している。上述の式３によれば、結晶長Ｌ、または積分

を増すことにより、角度分解点数Ｎを無制限に大きくできるように見える。しかしながら、式３の導出に用いる最大偏向角θｍａｘには、実のところ上限があるので、無制限に大きくはできない。出射光は、出射端面の角を越えては偏向され得ないという自明の幾何学的制限により、最大偏向角θｍａｘについて、さらに式４が成り立つ。

ここで、式１と式４とを連立し、結晶の厚さについて最適なビーム径の条件ｗ＝ｄ／４を用いると、式５を得る。

すなわち、結晶長Ｌは、無制限に大きくできるわけではなく、結晶厚ｄで決まる上限がある。ＫＴＮの場合には、Ｌ≦１４．９ｄとなり、これを角度分解点数の式３に代入して、Ｎ≦９５．６ｄを得る。角度分解点数Ｎを増すためには、結晶長Ｌと同時に結晶厚ｄを増す必要があり、結局、結晶厚ｄが制限要因となる。例えば、ＫＴＮの場合、結晶厚ｄ＝１ｍｍの結晶からは、Ｎ＝９６を超える角度分解点数は、得られない。

一方、結晶の厚さを増すと、それに比例して、必要な印加電圧Ｖｍａｘ＝（２／３）Ｅｍａｘｄも上昇する。駆動電源に要求される駆動電力は、結晶厚ｄの２乗に依存する。上述した内部反射による光路の折り返し構成を採用すると、折り返し回数Ｍを増すことにより、物理的な結晶長を増さずに、実効的な結晶長を増すことができる。この場合でも駆動電力は、結晶厚ｄの１乗に依存する。

従って、従来技術においては、角度分解点数Ｎの向上は、高い駆動電力を必要としていた。内部反射による光路の折り返し構成は、駆動電力の角度分解点数Ｎへの依存性を２乗から１乗に大幅に軽減はするものの、依然、駆動電源に要求される電力が、実用可能な角度分解点数を制限する。

以上述べたように、従来の光偏向器においては、角度分解点数を増そうとすると、結晶を厚くすることになり、駆動電源に要求される電圧・電力の増加を招くという問題点があった。

本発明の目的は、光路の折り返しを、結晶外部に置いた凹反射面により行うことにより、電気光学結晶を厚くすることなく、角度分解点数を増すことが可能な光偏向器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、電気光学結晶に電圧を印加し、電界に直交するように入射された入射光を、前記電気光学結晶内部に生じる屈折率勾配により偏向し、前記電気光学結晶から出射光として出射させる光偏向器において、前記電界に直交する前記電気光学結晶の中心光軸上に、前記電気光学結晶を挟んで第１の凹反射面と第２の凹反射面とを備え、前記電気光学結晶への１回目の入射光が、前記電気光学結晶を透過して１回目の出射光となり、前記１回目の出射光が、前記第２の凹反射面において反射して１回目の反射光となり、前記１回目の反射光が、前記電気光学結晶を透過せずに、前記第１の凹反射面において反射して２回目の反射光となり、前記２回目の反射光が、前記電気光学結晶への２回目の入射光となり、前記電気光学結晶を透過して出射された２回目の出射光が、前記第２の凹反射面において３回目の反射光となり、前記３回目の反射光が、前記電気光学結晶を透過せずに、前記第１の凹反射面において反射して４回目の反射光となり、前記４回目の反射光が、前記電気光学結晶への３回目の入射光となり、前記第１および第２の凹反射面における反射を繰り返して、前記電気光学結晶をｎ（ｎ≧３）回透過してｎ回目の出射光が出射されることを特徴とする。

前記電界に直交する前記電気光学結晶の中心光軸上に、前記電気光学結晶を挟んで第１の凹反射面と第２の凹反射面とを備え、前記第１の凹反射面の曲率中心を反射面上に含む第１の平面鏡と、前記第２の凹反射面の曲率中心を反射面上に含む第２の平面鏡とをさらに備え、前記電気光学結晶への１回目の入射光が、前記電気光学結晶を透過して１回目の出射光となり、前記１回目の出射光が、前記第２の凹反射面において反射して１回目の反射光となり、前記１回目の反射光が、前記第２の平面鏡において反射して再度前記第２の凹反射面において反射して２回目の反射光となり、前記２回目の反射光が、前記電気光学結晶への２回目の入射光となり、前記電気光学結晶を透過して出射された２回目の出射光が、前記第１の凹反射面において反射して３回目の反射光となり、前記３回目の反射光が、前記第１の平面鏡において反射して再度前記第１の凹反射面において反射して４回目の反射光となり、前記４回目の反射光が、前記電気光学結晶への３回目の入射光となり、前記第１および第２の凹反射面と前記第１および第２の平面鏡とにおける反射を繰り返して、前記電気光学結晶をｎ（ｎ≧３）回透過してｎ回目の出射光が出射されるようにすることもできる。

本発明の光偏向器では、出射光に対して角倍率−１の光学系を介して、電気光学結晶に光を再入射させる。これにより、復路の伝搬に際して往路で付与された偏向が相殺されるのを防ぐ。

本発明の光偏向器では、前記凹反射面として、球面を用いることができる。

本発明の光偏向器では、前記凹反射面として、円筒面を用いることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、電機光学結晶の外部に設置した凹反射面により、結晶内の偏向中心の移動を伴わずに、光路の折り返しを行うので、駆動電源に高電圧・大電力を要求する厚い結晶を用いることなく、角度分解点数を増すことができる。

また、本発明によれば、従来の内部反射による折り返し構成と併用でき、角度分解点数を増した光偏向器を、大量・低価格に供給することもできるので、工業的に大きな効果が得られる。

従来の光偏向器の第１の例を示す図である。 従来の光偏向器の第２の例を示す図である。 従来の光偏向器の第２の例において、偏向面に垂直な面内における配置を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 図４の偏向中心付近の拡大図である。 第１の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す図である。 第１の実施形態にかかる光偏向器において円筒鏡を適用した場合の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 第２の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す図である。 図８の偏向中心付近の拡大図である。 本発明の第３の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 第３の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す図である。 実施例１-１にかかる光偏向器の構成を示す図である。 実施例１-２にかかる光偏向器の構成を示す図である。 実施例２-１にかかる光偏向器の構成を示す図である。 実施例２-２にかかる光偏向器の構成を示す図である。

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。

従来の光偏向器の課題を、回数Ｍ−１の折り返し構成を採った場合について考える。まず、上述した式をＭを用いて書き換える。最大偏向角θｍａｘは、

となる。これを拡り角で除して得る角度分解点数Ｎは、

となる。一方、最大偏向角θｍａｘについて、

となり、式６と式８を連立すれば、

を得る。すなわち、結晶厚ｄがＭＬの上限を与え、角度分解点数Ｎに対して、上限

を与える。上式にはＭが現れないことに、注目されたい。その結果、Ｎを増す手段は、ｄを増すしかなかった。

上式において、折り返し回数Ｍが消失する理由は、従来の折り返し構成は、光学的・幾何学的に結晶長をＭ倍するのと全く等価だからである。折り返し回数Ｍは、常に結晶長Ｌに伴われ、ＭＬの形でのみ、現れているからである。本発明者は、より自由度の高い折り返し構成について考究を進め、電気光学結晶から出射した出射光を、凹反射面により再び電気光学結晶に入射する折り返し構成に想到した。

このとき、凹反射面の曲率の中心は、出射光が偏向に伴い回転する際の回転中心、即ち射出中心に一致させる。図１を参照して説明すると、偏向中心６０９は、電気光学結晶の内部で光線が偏向に伴い回転する際に中心となる点である。一様な結晶においては、偏向が零の際に辿る光路である中心光軸上で、偏向中心６０９は結晶の中点にある。さらに、出射光が出射端面において屈折するので、これを考慮すると、偏向中心は出射端面の方向に変位する。この点を、射出中心６１０という。射出中心６１０は出射端面からＬ／（２ｎ）の距離にある。

凹反射面によって反射され、電気光学結晶に戻された光線は、結晶内を進行する際、その偏向中心が以前と同一の偏向中心に保たれる。これに対し、従来の折り返し構成にあっては、図２に示したように、端面の内部反射によって光線を戻す度に、偏向中心はＬ／２ずつ入射端面の方向に移動していく。これは、反射の度に、長さＬだけ長い新たな結晶を等価的に加えたことになるからである。

本実施形態にかかる折り返し構成では、偏向中心が不動なため、幾何学上は結晶長が不変に見える。すなわち、最大偏向角θｍａｘに関する幾何学的束縛を表す式８は、

と置き換えられる。他方、最大偏向角θｍａｘについての式６と、角度分解点数Ｎについての式７は、変わらない。その結果、式６と式１０とを連立して、

を得る。すなわち、この場合、結晶厚ｄは

の上限を与える。式７に、この上限を代入し、角度分解点数Ｎの上限として、

を得る。ここで、角度分解点数Ｎの上限には、結晶厚ｄに加えて

が含まれ、その結果、結晶厚ｄを保ったまま、折り返し回数Ｍを増加することにより、角度分解点数Ｎを増すことができる。すなわち、本実施形態による折り返し構成によれば、駆動電源に高電圧・大電力を要求する厚い結晶を用いることなく、折り返し回数Ｍという外部に付加した光学系のパラメータをのみを介して、角度分解点数を増加させることが可能となる。

ここで、凹反射面によって出射光を反射し、電気光学結晶に戻しただけでは、反射された光線が結晶内を進行する際に、入射光に付与されたのと同じ量の逆向きの偏向が付与され、往復分の行程を経た後には偏向が完全に相殺されてしまう。これは、磁場の介在しない光学系において、逆向きに進む光は同一の作用を受けるという光の相反性による。このままでは、式６および式７に示したように、最大偏向角θｍａｘ、角度分解点数Ｎが、折り返し回数Ｍ分、累積されることにはならない。このような相反性に関る問題を回避する方法として、以下の２様が考えられる。

（第１の方法）第１の方法では、復路での光の偏光を、往路における偏光と直交させる。一般に、２次の電気光学効果の大きさは、印加電界および光の偏光方向に依存する。光が感じる屈折率変化は、その光が印加電界に平行に直線偏光している場合に最も大きい。従って、光偏向器では、印加電界に平行な偏光が用いられる。この場合、２次電気光学係数は、２次電気光学テンソルの成分ｇ_１１である。上述した計算式では、この成分を、簡単のためにｇと表してきた。印加電界と直交する偏光に対する屈折率変化は、２次電気光学テンソルの成分ｇ_１２が支配する。後者ｇ_１２は、前者ｇ_１１と逆の符号を持ち、その絶対値は前者に比較して小さく、無視できる程度の大きさである。従って、往路に対して直交する直線偏光により、復路を伝搬させれば、電気光学結晶による偏向作用は受けず、相反性による偏向の打ち消しは生じない。この場合、折り返し回数Ｍは、偏向作用を受ける往路だけを計数することとなる。

（第２の方法）第２の方法では、復路での伝搬に先立ち、中心光軸に垂直な面内で光線を反転する。すなわち、第１の方法の凹反射面に加えて、さらに角倍率−１の光学系を介して、出射光を結晶に戻す。このようにして、往路で得た偏向角の符号が逆転されて入射され、復路での偏向が加算的に累積される。この場合、折り返し回数Ｍは、復路の分も含めて計数すればよい。

（第１の実施形態）
次に、本実形態の基本構成を説明する。図４に、本発明の第１の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。光偏向器は、方形の電気光学結晶１０１の対向する面に、電極１０２と接地電極１０３とが形成されている。２つの電極の中間を通る中心光軸１０８（ｚ軸）に沿って、入射光１０５が伝搬する。入射光１０５は、入射レンズ１１６により、適切なビーム直径２ｗとして、電気光学結晶１０１に集束される。駆動電源１０４により電極１０２に電圧をｘ軸方向に印加すると、光線は、接地電極１０３側に屈曲した偏向光路１０７ａを辿り、電気光学結晶１０１から出射される。

図５に、図４の偏向中心付近の拡大図を示す。往路の偏向作用は、電気光学結晶１０１内の光線については、中心光軸１０８の結晶内での中点である偏向中心１０９の周りの回転で表される。電気光学結晶１０１からの出射光は、出射端面において屈折するので、これを考慮すると、偏向中心は出射端面の方向に変位して、射出中心１１０となる。すなわち、偏向作用を受けた出射光は、射出中心１１０の周りに回転を受けたように見える。この出射光は、射出中心１１０に曲率中心を持つ凹面鏡１１１に入射する。偏向面内で、凹面鏡１１１の入射点における接線は、光線に垂直であるから、凹面鏡１１１による反射は直反射となる。反射された光線は、射出中心１１０に向かって戻される。この戻り光線は、再入射時に結晶端面で屈折を受け、結晶内で偏向中心１０９に向けて復路を辿る。

ここで、相反性による偏向の打ち消しを回避するために、第１の実施形態では、上述した第１の方法を適用する。出射光は、電気光学結晶１０１に再入射する迄に、４分の１波長板１１７を２回通過する。偏向光路１０７ａを辿り出射された光線は、ｘｚ平面内に直線偏光している。これに対して、４分の１波長板１１７は、その主軸が、ｘｚ平面に４５°の仰角を持つように設置されている。４分の１波長板１１７を２回通過することにより、凹面鏡１１１により反射された光線は、ｙｚ平面内の直線偏光となる。

ｙｚ平面内の直線偏光に対しては、電気光学結晶１０１による偏向作用が小さく無視できるので、復路の光路は、図４，５に点線で示したように、偏向中心１０９を通る直線となる。偏向中心１０９を通り、電気光学結晶１０１の左端に達した光線は、電気光学結晶１０１から出射した後、凹面鏡１１３により再び電気光学結晶１０１に戻される。凹面鏡１１３の曲率中心は、射出中心１１２に置かれる。また、出射光は、４分の１波長板１１８を２回通過する。４分の１波長板１１８の軸方位は、４分の１波長板１１７の軸方位に平行であり、４分の１波長板１１８を２回通過して、電気光学結晶１０１に再入射した時の偏光は、ｘｚ平面内の直線偏光に戻る。

電気光学結晶１０１の左端は、入射光１０５の導入箇所であり、入射光１０５も、４分の１波長板１１８を通過する。従って、入射光１０５がｘｚ平面内の直線偏光になるように、前段の４分の１波長板１１９によって、予め偏光を調節しておく。

凹面鏡１１３により再び電気光学結晶１０１に戻された光線は、２回目の往路、すなわち接地電極１０３側に屈曲した偏向光路１０７ｂを辿り、電気光学結晶１０１から出射される。ここで累積される偏向作用も、偏向中心１０９の周りの回転で表され、電気光学結晶１０１から出射された光線は、射出中心１１０から発するように見える。出射光は、再び凹面鏡１１１に達し、この段階で折り返し回数はＭ＝２となる。以降、復路・往路から成る一連の行程を所望の回数だけ繰り返し、折り返し回数Ｍを経た後、出射光１０６として、電気光学結晶１０１から出射される。図４，５に示したのは、Ｍ＝３の場合である。

第１の実施形態の構成には、電気光学結晶１０１に対して、光線を入出射する手段として、２つの凹面鏡１１１、１１３が必要である。凹面鏡１１１、１１３は、偏向面（ｘｚ平面）内で円周の一部を形成すれば良く、偏向面に垂直な面（ｙｚ平面）内での形状は自由である。このような凹面鏡として、入手が容易な選択として、少なくとも球面鏡と円筒鏡とがある。

図６に、第１の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す。２つの凹面鏡１１１、１１３には、入射光および出射光を通すための開口部が設けられている。入射光１０５は、凹面鏡１１３の開口部を通って、電気光学結晶１０１に斜めに入射する。入射光が、凹面鏡１１１、１１３の対の間で反射を繰り返すに従って、電気光学結晶１０１内での晶内光路は、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃと逐次、時計方向に回転される。図６に示した光路の回転は、偏向作用によるものではなく、対になった球面鏡への入出射による回転である。３回目に至って、出射光１０６は、凹面鏡１１１の開口部を通過して出射される。

図７に、第１の実施形態にかかる光偏向器において円筒鏡を適用した場合の構成を示す。入射光１０５は、凹面鏡１１３の開口部を通って、電気光学結晶１０１に斜めに入射する。入射光が、凹面鏡１１１、１１３の対の間で反射を繰り返すに従って、電気光学結晶１０１内での晶内光路は、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃと逐次、上方に平行移動される。３回目に至って、出射光１０６は、凹面鏡１１１の開口部を通過して出射される。

（第２の実施形態）
図８に、本発明の第２の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。光偏向器は、方形の電気光学結晶２０１の対向面に、電極２０２と接地電極２０３とが形成されている。２つの電極の中間を通る中心光軸２０８（ｚ軸）に沿って、入射光２０５が伝搬する。入射光は、入射レンズ２１６により、適切なビーム直径２ｗとして、電気光学結晶２０１に集束される。駆動電源２０４により電極２０２に電圧をｘ軸方向に印加すると、光線は、接地電極２０３側に屈曲した偏向光路２０７ａを辿り、偏向した出射光として電気光学結晶２０１から出射され、球面鏡２１１に入射される。

ここで、相反性による偏向の打ち消しを回避するために、第２の実施形態では、上述した第２の方法を適用する。一般に、球面鏡による曲率中心から曲率中心への結像は、角倍率−１の光学系を与える。この性質に立脚して、球面鏡による結像を１回余分に行わせた後、すなわち出射光を球面鏡で２回反射させた後に、電気光学結晶に光を再入射させる。

図９に、第２の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す。球面鏡２１１で反射された光線は、電気光学結晶２０１を透過せず、球面鏡２１３に直接入射する。球面鏡２１３で反射された光線は、電気光学結晶２０１の端面で屈折を受け、偏向中心２０９に向けて往路を辿り、折り返しＭ＝２回目の行程が開始される。以降、結晶外部の復路・結晶内部の往路から成る一連の行程を所望の回数だけ繰り返し、折り返し回数Ｍを経た後、出射光２０６として、電気光学結晶２０１から出射される。図８，９に示したのは、Ｍ＝３の場合である。

図１０に、図８の偏向中心付近の拡大図を示す。球面鏡２１１の曲率中心は、ｘｚ平面（偏向面）内では、上述した第１の実施形態の射出中心よりも若干結晶の中央よりに曲率中心２１０を有する。ｙｚ平面（偏向面に垂直な面）内では、図９に示すように、中心光軸２０８上ではなく結晶外部の点であって、偏向中心からｙ軸方向に変位した点に結像させる。その結果、球面鏡２１１で反射された光線は、必ず結晶外部に変位した点を通過する。

他方、電気光学結晶２０１を挟んで球面鏡２１１に対向して設置されている球面鏡２１３は、ｘｚ平面内では、第１の実施形態の射出中心よりも若干結晶の中央よりに曲率中心２１２を有する。ｙｚ平面内では、図９に示すように、中心光軸２０８上ではなく結晶外部の点であって、偏向中心からｙ軸方向に変位した点に結像させる。その結果、球面鏡２１３で反射された光線は、必ず結晶外部に変位した点に向かって反射される。

２つの凹面鏡２１１、２１３には、入射光および出射光を通すための開口部が設けられている。入射光２０５は、凹面鏡２１３の開口部を通って、電気光学結晶２０１に斜めに入射する。入射光が、凹面鏡２１１、２１３の対の間で反射を繰り返すに従って、電気光学結晶２０１内での晶内光路は、逐次時計方向に回転される。３回目に至って、晶内光路２０７ｃを辿り、出射光２０６は、凹面鏡２１１の開口部を通過して出射される。

（第３の実施形態）
図１１に、本発明の第３の実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。光偏向器は、方形の電気光学結晶３０１の対向面に、電極３０２と接地電極３０３とが形成されている。２つの電極の中間を通る中心光軸３０８（ｚ軸）に沿って、入射光３０５が伝搬する。入射光は、入射レンズ３１６により、適切なビーム直径２ｗとして、電気光学結晶３０１に集束される。駆動電源３０４により電極３０２に電圧をｘ軸方向に印加すると、光線は、接地電極３０３側に屈曲した偏向光路３０７ａを辿り、偏向した出射光として電気光学結晶３０１から出射され、球面鏡３１１に入射される。

ここで、相反性による偏向の打ち消しを回避するために、第３の実施形態では、上述した第２の方法を適用する。第３の実施形態では、第２の実施形態と同様に、球面鏡による結像を１回余分に行わせることにより、角倍率−１の光学系を与える。

図１２に、第３の実施形態にかかる光偏向器において球面鏡を適用した場合の構成を示す。球面鏡３１１の曲率中心は、ｙｚ平面（偏向面に垂直な面）内では、上述した第１の実施形態の射出中心のように中心光軸３０８上ではなく、結晶外部の点であって、射出中心３１０からｙ軸方向に変位した点に結像させる。結晶外部に変位した点は、平面鏡３１４の反射面上にあるので、球面鏡３１１で反射された光線は、平面鏡３１４により、球面鏡３１１上の中心光軸を跨いだ反対側の点に、反射される。球面鏡３１１により反射された光線は、偏向角の符号が逆転された上で、電気光学結晶３０１に再入射することになる。

このようにして、復路では、本来打ち消す方向に蓄積される偏向が、反転された偏向に対しては加算的に累積され、折り返しＭ＝２回目の行程を形成する。電気光学結晶３０１の左端に面して置かれた球面鏡３１３は、ｙｚ平面内では、中心光軸２０８上ではなく、結晶外部の点であって、射出中心３１２からｙ軸方向に変位した点に結像させる。結晶外部の点は、平面鏡３１５の反射面上にあるので、球面鏡３１３で反射された光線は、平面鏡３１５により、球面鏡３１３上の中心光軸を跨いだ反対側の点に、反射される。球面鏡３１３により反射された光線は、偏向角の符号が再び逆転され、すなわち最初の偏向角の符号に戻った上で、電気光学結晶３０１に再入射することになる。以降、復路・往路から成る一連の行程を所望の回数だけ繰り返し、折り返し回数Ｍを経た後、出射光３０６として、電気光学結晶３０１から出射される。図１１，１２に示したのは、Ｍ＝３の場合である。

２つの球面鏡３１１、３１３には、入射光および出射光を通すための開口部が設けられている。入射光３０５は、球面鏡３１３の開口部を通って、電気光学結晶３０１に斜めに入射する。入射光が、平面鏡３１４、３１５で反射し、球面鏡３１１、３１３の対の間で反射を重ねるに従って、電気光学結晶３０１内での晶内光路は、逐次時計方向に回転される。３回目に至って、出射光２０６は、晶内光路３０７ｃを辿り、凹面鏡３１１の開口部を通過して出射される。

第１から第３の実施形態の電気光学結晶は、ＫＴＮからなり、結晶厚ｄ＝１ｍｍ、比誘電率ε_r＝１５，０００であり、上限までの電圧Ｖｍａｘ＝４００Ｖを印加する。第１から第３の実施形態の何れの構成によっても、結晶長Ｌ＝８．５ｍｍの下で、角度分解点数Ｎ＝１６０が得られる。さらに、何れの構成によっても、それぞれ折り返し回数をＭ＝５に増すと同時に、結晶長をＬ＝６．５ｍｍにまで縮めたところ、角度分解点数はＮ＝２１０に達する。

ここまで、本発明の基本構成とその動作を詳らかにしたので、以下に、実施例として、若干の応用例について述べる。何れも、本実施形態の構成を、従来からの光路の折り返し構成と併用した例である。

（実施例１-１）本実施形態における一対の凹面鏡からなる光学系は、共中心配置に相当しており、凹面鏡の精密な調整を要する。これに対し、従来の結晶内部の反射による光路の折り返しは、端面の平行度の良い結晶を用いれば、別段の調整を要さずに実施できる。そこで、凹面鏡により大きい折り返し回数Ｍを得ようとするときの調整の困難を緩和するために、結晶内部の反射による折り返しを併用する構成を考える。このように併用する場合には、偏向角が蓄積され大きくなる後段に、本実施形態の折り返し構成を採用し、前段に内部反射による折り返し構成を採用する。

図１３に、実施例１-１にかかる光偏向器の構成を示す。前段に内部反射による折り返しを行う電気光学結晶４０１ａ、後段に本実施形態の折り返し構成を行う電気光学結晶４０１ｂを配置している。入射光４０５は、入射レンズ４１６により、適切なビーム直径２ｗとして、前段の電気光学結晶４０１ａに集束される。入射光は、電気光学結晶４０１ａ中で、両端面に付与された反射膜４２１ａ，４２１ｂにより、第１の折り返し回数Ｍ１−１回の反射を経た後、電気光学結晶４０１ａから出射される。

リレーレンズ４２０は、前段の電気光学結晶４０１ａの出射端からＭ１Ｌ１／（２ｎ）の距離にある射出中心（Ｌ１は電気光学結晶４０１ａの結晶長）を、後段の電気光学結晶４０１ｂの入射端面側の射出中心に結像する。電気光学結晶４０１ｂの両側に配置した球面鏡４１１、４１３により、前段から出射された光線は、第２の折り返し回数Ｍ２を経た後、出射光４０６として光偏向器から出射される。

電気光学結晶４０１ａ，４０１ｂは、ＫＴＮからなり、結晶厚ｄ＝１ｍｍ、比誘電率ε_r＝１５，０００であり、上限までの電圧Ｖｍａｘ＝４００Ｖを印加する。電気光学結晶４０１ａの結晶長をＬ１＝５．０ｍｍとし、折り返し回数Ｍ１＝３で用い、電気光学結晶４０１ｂの結晶長をＬ２＝６．５ｍｍとし、折り返し回数Ｍ２＝３で用いると、角度分解点数Ｎ＝２１０が得られる。これを、上述の基本構成の動作と対照するに、実施例１−１の場合、前段の構成を付加することにわり、後段の折り返し回数をＭ２＝５からＭ２＝３に削減しても、同等の角度分解点数を得ることができる。一方、折り返し回数をＭ＝５の本実施形態の折り返し構成のみと比較して、光学調整は遥かに容易となる。

（実施例１-２）大きな角度分解点数を必ずしも望まないものの、動作電圧を低減したい場合がある。このような場合、本実施形態の折り返し構成を用いて、内部反射による折り返し構成の射出中心を復旧する構成が考えられる。

図１４に、実施例１-２にかかる光偏向器の構成を示す。入射光４０５は、入射レンズ４１６により、適切なビーム直径２ｗとして、電気光学結晶４０１に集束される。電気光学結晶４０１の両端面に付与された反射膜４２１ａ，４２１ｂにより第１の折り返し回数Ｍ−１回の反射を経た後、電気光学結晶４０１から出射される。ここで、電気光学結晶４０１を囲む２つの球面鏡４１１、４１３をリレー光学系として、電気光学結晶４０１から出射された光線を、再び電気光学結晶４０１に入射する。

リレー光学系は、Ｍ回の折り返し後の射出中心（電気光学結晶４０１の右端からＭＬ／（２ｎ）の距離にある）を、電気光学結晶４０１の左端に対する射出中心（電気光学結晶４０１の左端からＬ／（２ｎ）距離にある）に結像する。これにより、前半の折り返し動作に伴う射出中心の後退が解消され、後半の折り返し動作が新たに開始される。到達可能な角度分解点数は、Ｍ回の内部反射に伴われる値に過ぎないが、２Ｍ回の偏向が累積されている分、電気光学結晶４０１に印加する電圧を低くできる。

電気光学結晶４０１は、ＫＴＮからなり、結晶厚ｄ＝１ｍｍ、比誘電率ε_r＝１５，０００であり、結晶長Ｌ＝５．０ｍｍとし、折り返し回数Ｍ＝３で用いる。角度分解点数として得られたのはＮ＝９５に過ぎなかったが、印加電圧Ｖｍａｘ＝２８０Ｖとすることができる。内部反射による折り返し構成によれば、折り返し回数Ｍ＝３のとき、上限電圧Ｖｍａｘ＝４００Ｖが必要となる。一方、仮に同じ長さ結晶で折り返し回数Ｍ＝６とした場合、分解点数はＮ＝４８で限界に達してしまう。

（実施例２-１）実施例１では、前段に内部反射による折り返し構成を別個に配置することにより、後段の本実施形態の折り返し構成による折り返し回数を削減し、構成全体としての光学調整を容易にした。実施例１では、前後各段の結晶長を個別に設定でき、高い自由度が得られるものの、２つの結晶を要する点で、経済化には改善の余地が残っている。そこで、実施例２では、内部反射による折り返し構成と本実施形態の折り返し構成とを一体化して組込み、単一の結晶のみで実現する。

図１５に、実施例２-１にかかる光偏向器の構成を示す。入射光５０５は、入射レンズ５１６により、適切なビーム直径２ｗとして、球面鏡５１３の開口部を通って、電気光学結晶５０１の側面に斜めに集束される。入射光は、電気光学結晶５０１中で、両端面に付与された反射膜５２１ａ，５２１ｂにより、第１の折り返し回数Ｍ１−１回の反射を経た後、電気光学結晶５０１から出射される。続いて、球面鏡５１１、５１３および平面鏡５１４、５１５からなる第３の実施形態の構成により、第２の折り返し回数Ｍ２を経た後、出射光５０６として光偏向器から出射される。

ここで、後段の折り返し回数をＭ２＝２としたとき、球面鏡５１１および平面鏡５１４は、前段と後段の間のリレー光学系としてのみ作用する。すなわち、前段の内部反射による折り返し構成の射出中心（電気光学結晶５０１の右端からＭ１Ｌ／（２ｎ）の距離にある）を、電気光学結晶５０１に再入射する端面側の射出中心（電気光学結晶５０１の右端からＬ／（２ｎ）距離にある）に結像する。他方、球面鏡５１３および平面鏡５１５は、本実施形態の折り返し構成として作用し、電気光学結晶５０１の左端側の射出中心のそれ自体への結像を行う。これら左右の光学系は、互いに独立して調整可能であり、極めて容易に調整することができる。

電気光学結晶５０１は、ＫＴＮからなり、結晶厚ｄ＝１ｍｍ、比誘電率ε_r＝１５，０００であり、結晶長Ｌ＝５．０ｍｍとし、折り返し回数Ｍ１＝３の内部反射の後、折り返し回数Ｍ２＝２の反射を付加したところ、角度分解点数としてＮ＝１６０が得られる。上述の実施形態と比較すると、前段を付加することにより後段の折り返し回数を、Ｍ２＝３から、Ｍ２＝２に削減しても、同等の角度分解点数を得ることができる。一方、構成全体としての光学調整は極めて容易となる。光学調整に精密を要さなくなった結果、電気光学結晶５０１を囲む２つの球面鏡５１１、５１３、および２つの平面鏡５１４、５１５の保持・調整具に、安価な機器を用いることができる。同時に、必要な結晶長も、Ｌ＝８．５ｍｍからＬ＝５．０ｍｍにまで短縮され、低価格化を図ることもできる。

（実施例２-２）実施例２−１において、後段の折り返し回数をＭ２＝２に留めことにより、電気光学結晶５０１を囲む光学系に対する精度要求が、著しく低減された。そこで、光学系を個別部品を組み立てて構築するのではなく、無調整の一体成形品を充てることにより、さらに生産性の向上と大幅な経済化を図る。

図１６に、実施例２-２にかかる光偏向器の構成を示す。実施例２−１における光学系を、一体成形部品（光ガイド５２２，５２３）に置換した。２つの光ガイド５２２、５２３は、反射膜５２４ａ，５２５ａが施された球面鏡を有し、対向する面には、反射膜５２４ｂ，５２５ｂが施された平面鏡と、電気光学結晶５０１を嵌め込む切り欠けが設けられている。

入射光５０５は、入射レンズ５１６により、適切なビーム直径２ｗとして、電気光学結晶５０１の側面に斜めに集束される。入射光は、電気光学結晶５０１中で、両端面に付与された反射膜５２１ａ，５２１ｂにより、第１の折り返し回数Ｍ１−１回の反射を経た後、電気光学結晶５０１から出射され、光ガイド５２２中に入射する。光ガイド５２２は、リレー光学系として作用し、前段の内部反射による折り返し構成の射出中心（電気光学結晶５０１の右端からＭ１Ｌ／（２ｎ）の距離にある）を、電気光学結晶５０１に再入射する端面側の射出中心（電気光学結晶５０１の右端からＬ／（２ｎ）距離にある）に結像する。

電気光学結晶５０１から出射された光線は、光ガイド５２３に入射する。光ガイド５２３は、本実施形態の折り返し構成として作用し、電気光学結晶５０１の左端側の射出中心のそれ自体への結像を行う。これにより、電気光学結晶５０１に戻された光線は、折り返し回数Ｍ２＝２を経た後、出射光５０６として光偏向器から出射される。

電気光学結晶５０１は、ＫＴＮからなり、結晶厚ｄ＝１ｍｍ、結晶長Ｌ＝５．０ｍｍ、比誘電率ε_r＝１５，０００とし、前段の内部反射による折り返し回数Ｍ１＝３に対して、角度分解点数としてＮ＝１６０が得られる。

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１ 電気光学結晶
１０２，２０２，３０２，６０２ 電極
１０３，２０３，３０３，６０３ 接地電極
１０４，２０４，３０４，６０４ 駆動電源
１０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５ 入射光
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６，６０６ 出射光
１０７，２０７，３０７，６０７ 偏向光路
１０８，２０８，３０８，６０８ 中心光軸
１０９，２０９，３０９，６０９ 偏向中心
１１０，１１２，６１０ 射出中心
１１１，１１３ 凹面鏡
１１６，２１６，３１６，４１６，５１６ 入射レンズ
１１７〜１１９ ４分の１波長板
２１０，３１０，２１２，３１２ 曲率中心
２１１，３１１，４１１，５１１，２１３，３１３，４１３，５１３ 球面鏡
３１４，５１４，３１５，５１５ 平面鏡
４２０ リレーレンズ
４２１，５２１，５２４，５２５，６２１ 反射膜
５２２，５２３ 光ガイド

Claims (4)

1. 電気光学結晶に電圧を印加し、電界に直交するように入射された入射光を、前記電気光学結晶内部に生じる屈折率勾配により偏向し、前記電気光学結晶から出射光として出射させる光偏向器において、
   前記電界に直交する前記電気光学結晶の中心光軸上に、前記電気光学結晶を挟んで第１の凹反射面と第２の凹反射面とを備え、
   前記電気光学結晶への１回目の入射光が、前記電気光学結晶を透過して１回目の出射光となり、前記１回目の出射光が、前記第２の凹反射面において反射して１回目の反射光となり、前記１回目の反射光が、前記電気光学結晶を透過せずに、前記第１の凹反射面において反射して２回目の反射光となり、前記２回目の反射光が、前記電気光学結晶への２回目の入射光となり、
   前記電気光学結晶を透過して出射された２回目の出射光が、前記第２の凹反射面において３回目の反射光となり、前記３回目の反射光が、前記電気光学結晶を透過せずに、前記第１の凹反射面において反射して４回目の反射光となり、前記４回目の反射光が、前記電気光学結晶への３回目の入射光となり、
   前記第１および第２の凹反射面における反射を繰り返して、前記電気光学結晶をｎ（ｎ≧３）回透過してｎ回目の出射光が出射されることを特徴とする光偏向器。
2. 電気光学結晶に電圧を印加し、電界に直交するように入射された入射光を、前記電気光学結晶内部に生じる屈折率勾配により偏向し、前記電気光学結晶から出射光として出射させる光偏向器において、
   前記電界に直交する前記電気光学結晶の中心光軸上に、前記電気光学結晶を挟んで第１の凹反射面と第２の凹反射面とを備え、
   前記第１の凹反射面の曲率中心を反射面上に含む第１の平面鏡と、前記第２の凹反射面の曲率中心を反射面上に含む第２の平面鏡とをさらに備え、
   前記電気光学結晶への１回目の入射光が、前記電気光学結晶を透過して１回目の出射光となり、前記１回目の出射光が、前記第２の凹反射面において反射して１回目の反射光となり、前記１回目の反射光が、前記第２の平面鏡において反射して再度前記第２の凹反射面において反射して２回目の反射光となり、前記２回目の反射光が、前記電気光学結晶への２回目の入射光となり、
   前記電気光学結晶を透過して出射された２回目の出射光が、前記第１の凹反射面において反射して３回目の反射光となり、前記３回目の反射光が、前記第１の平面鏡において反射して再度前記第１の凹反射面において反射して４回目の反射光となり、前記４回目の反射光が、前記電気光学結晶への３回目の入射光となり、
   前記第１および第２の凹反射面と前記第１および第２の平面鏡とにおける反射を繰り返して、前記電気光学結晶をｎ（ｎ≧３）回透過してｎ回目の出射光が出射されることを特徴とする光偏向器。
3. 前記第１の凹反射面および前期第２の凹反射面は、球面であることを特徴とする請求項１および２に記載の光偏向器。
4. 前記第１の凹反射面および前期第２の凹反射面は、円筒面であることを特徴とする請求項１および２に記載の光偏向器。

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