JP5732007B2 - Ｋｔｎ結晶を用いたスキャナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学スキャナ装置に関する。より詳細には、ＫＴＮ結晶を使用したスキャナ装置の偏向角の線形性を向上させた、スキャナ装置に関する。

現在、プロジェクタ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。従来、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と呼ばれるマイクロマシーン技術が提案されている。

さらに近年では、電気光学結晶への電荷注入により空間電荷制御状態を実現して電界の傾斜を発生させ、電気光学効果により屈折率の傾斜を生じさせた結果、光偏向させる光偏向器が提案されている（特許文献１）。この電気光学結晶を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり可動部を持たないため、高速の光偏向が可能となる。上述の電気光学結晶としては、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：以下ＫＴＮ）結晶、またはＫＴＮと同様な効果を持つ材料として、他にさらにリチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）などが知られている。以下では、上述のような電気光学結晶として、ＫＴＮを用いた光偏向器を例に説明する。

図５は、ＫＴＮを用いた光偏向器の構成を示す図である。ＫＴＮ結晶１０１の上下面には、電極１０２、１０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源１０４から制御電圧が印加される。入射光１０５は、ＫＴＮ結晶１０１の図面左側端面からｚ方向に進み、ＫＴＮ結晶１０１内において偏向を受けて、ｘ軸方向に進行方向を変えた出射光１０６が得られる。制御電圧源１０４からの印加電圧の大きさに応じて、対応する偏向角θが得られる。

ＫＴＮの電気光学効果の詳細については、ＫＴＮの結晶構造および比屈折率の変化について、温度との関係が解析されている（非特許文献１）。さらに、ＫＴＮにおいて特有の空間電荷制御電気光学効果に基づいて、光偏向器としての動作も定量的に解析されている。ＫＴＮは、既存の材料と比べて、より小さい駆動電圧およびより小さな結晶で駆動できるという特徴を持っている。さらに、ＫＴＮは、光の方向を変えるという基本的なデバイスであるため、光通信に限らず、光を扱う様々な分野への応用が考えられている。分光器や医療機器への実用化は既に始まっており、さらに加工機や顕微鏡の分野にも応用が検討されている（非特許文献１）。

図５に示したように、ＫＴＮに偏向動作をさせるためには、ＫＴＮ結晶１０１に制御電圧を加える必要がある。制御電圧源１０４からその応用分野に適合した信号形式の駆動電圧をＫＴＮ結晶に印加する。例えば、一定の期間内で光をスキャンするような応用の場合には、交流信号が印加される。さらに、ＫＴＮ結晶において高速に偏向動作を行うためには、駆動電圧を印加する前に、バースト電圧を印加して、ＫＴＮ結晶中への電子の注入、およびトラップへの電子の捕獲を行うことが好ましい。

図６は、ＫＴＮ結晶の駆動方法の一例を説明する図である。図６において、バースト電圧は正の定電圧と負の定電圧とを一定時間ずつ印加し、その電圧の振幅２０１は、正負ともに同じＶ´＝４００Ｖとし、正と負の電圧印加時間２０２の合計ｔ´は例えば５ｍｓｅｃとした。駆動電圧の振幅２０３は、Ｖ＝４００Ｖのサイン波で継続時間を３０ｍｓｅｃとした場合、バースト電圧と駆動電圧を繰り返し印加することで、十分な偏向角の振れ幅を維持できる。

図６に示したように駆動電圧の前にバースト電圧を印加することによって、バースト電圧を印加中に結晶中への電子の注入、及びトラップへの電子の捕獲が行われる。駆動電圧印加期間２０４中には電子の注入無しでも、トラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生し、その結果電気光学効果による屈折率の傾斜が生じるため、駆動電圧を高速化しても広角な光偏向を実現することが可能となる。

国際公開第２００６／１３７４０８号パンフレット 特開２０１１−１８６２１８号公報

ＮＴＴ技術ジャーナル ２００９年１１月号、p.12-15

しかしながら、ＫＴＮ結晶への駆動電圧と実際に得られる偏向角の間には、線形性が十分でない問題があった。ＫＴＮ結晶に印加される駆動電圧と得られる偏向角との間に完全な線形性があれば、駆動電圧を生成するための制御電圧信号として、応用分野に応じた波形を持つ信号を準備することで、所望の偏向制御が可能となる。

特許文献２によれば、偏向角θと駆動電圧Ｖとの関係は次式のように、駆動電圧Ｖに比例するものとなる。

ここで、ｎは結晶の屈折率、ｇ_ijは電気光学係数、Ｌは電極長さ、ｅは電子素量、εはＫＴＮの誘電率、ｄは電極間の距離である。バースト電圧はここでは正の定電圧と負の定電圧を一定時間ずつ印加しており、その電圧の振幅が、正負ともにＶ´、正と負の電圧印加時間の合計１０２は、ｔ´とする（図６を参照）。Ｎ（Ｖ´，ｔ´，ε）は、ＫＴＮ結晶中にトラップされる電子の捕獲量を示す。駆動電圧の前にバースト電圧を印加したとき、結晶中に電子が注入され、結晶中のトラップに電子が捕獲される。その捕獲量Ｎは、Ｖ´、ｔ´および結晶の誘電率εに依存し、この捕獲量ＮをＮ（Ｖ´，ｔ´，ε）とする。

図７は、光偏向器における駆動電圧と偏向角との関係を説明する図である。理想的なＫＴＮ結晶を考えた場合には、直線３０１で表されるように、駆動電圧と偏向角との間に完全な線形性があり、どのような応用分野の偏向動作にも利用できる。しかしながら、現実のＫＴＮ結晶を偏向させたときに得られる制御特性は、非常に低速の制御の場合であっても、曲線３０２に示すように完全な直線からは逸脱している。その逸脱量は、数％以上にも及ぶ場合がある。

偏向角と駆動電圧との間に非線形性があれば、偏向制御によって得られる結果は歪みを含んだものとなる。例えば、２つのＫＴＮ結晶を組み合わせて、ｘ軸およびｙ軸の２つの軸を含む２次元で光を偏向させる２次元スキャナの場合でも、偏向を受けた光で形成される面は歪んだものになることは容易に理解されるだろう。端的には、この非線形性は、２つの軸における最大偏向角のばらつきという形でも現れる。

ＫＴＮにおける上述の非線形性は、ＫＴＮ結晶の不均一性に伴う、電極面（図５のｙ−ｚ面）上での比誘電率の不均一、トラップの不均一、さらにこれに伴う電界分布の不均一などの、様々な原因が考えられている。しかし、結晶の生成方法も関連する問題を含み、未だ完全な解決には至っていない。

上述のように、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器における、駆動電圧と偏向角との間の線形性を向上させることが必要とされている。本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、駆動電圧と偏向角との間の線形性を向上させた、ＫＴＮ結晶を用いた光偏向器および光スキャナ装置を実現することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御信号に基づいた駆動信号を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記駆動電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させる電気光学結晶を用いた光偏向器と、偏向角を維持しながら、前記光偏向器から偏向を受けた出射光の一部を抽出する手段と、２つの隣接する検出面を有し、前記抽出された出射光を受光して、前記検出面の各々に対応する前記偏向角を反映した２つの検出電流を出力する位置検出器と、前記２つの検出面からの前記２つの検出電流の差異に基づいて、前記偏向角を表す差信号を生成する手段と、前記制御信号と、前記差信号との誤差を比較して、誤差信号を生成する手段と、前記制御信号および前記誤差信号に基づいて、前記駆動電圧と偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段とを備え、前記制御信号は、偏向動作を行う期間およびバースト電圧を印加する期間を含んでおり、前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする光スキャナ装置である。

請求項２の発明は、請求項１の光スキャナ装置であって、記電極に前記駆動電圧を生成する手段は、前記誤差信号をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御部からの出力と、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された誤差信号および前記制御信号と加算する加算器とを含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に第１の制御信号に基づいた第１の駆動信号を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記第１の駆動電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を第１の偏向方向に偏向させる電気光学結晶を用いた第１の光偏向器と、第２の制御信号に基づく第２の駆動信号によって、前記第１の光偏向器からの出射光を、前記第１の偏向方向に直交する第２の偏向方向にさらに偏向する電気光学結晶を用いた第２の光偏向器と、偏向角を維持しながら、前記第１の光偏向器および前記第２の光偏向器からそれぞれ偏向を受けた出射光の一部を抽出する手段と、１つの検出面を直交する４つの検出面に分割した４分割位置検出器であって、前記４つの検出面から、前記第１の偏向方向および前記第２の偏向方向の各偏向角に対応する２組の検出電流を生成する４分割位置検出器と、前記２組の検出電流の内の一方の組の検出電流間の差異に基づいて、前記第１の偏向方向の前記偏向角を表す第１の差信号を生成する手段と、前記第１の制御信号と、前記第１の差信号との誤差を比較して、第１の誤差信号を生成する手段と、前記第１の制御信号および前記第１の誤差信号に基づいて、前記第１の駆動電圧と前記第１の偏向方向の偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段と、前記２組の検出電流の内の他方の組の検出電流間の差異に基づいて、前記第２の光偏向器に対応する第２の差信号を生成する手段と、前記第２制御信号と、前記第２の差信号との誤差を比較して、第２の誤差信号を生成する手段と、前記第２の制御信号および前記第２の誤差信号に基づいて、前記第２の駆動電圧と前記第２の偏向方向の偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段とを備え、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は、偏向動作を行う期間およびバースト電圧を印加する期間を含んでおり、
前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする光スキャナ装置である。

請求項４の発明は、請求項３の光スキャナ装置であって、前記駆動電圧を生成する手段は、前記第１の誤差信号または前記第２の誤差信号をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御部からの出力と、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された第１の誤差信号および前記第１の制御信号と加算し、または、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された第２の誤差信号および前記第２の制御信号と加算する加算器とを含むことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの光スキャナ装置であって、前記出射光の一部を抽出する手段は、前記出射光の光路を概ね進行方向に垂直な方向に曲げるミラーであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、駆動電圧と偏向角との間の線形性を向上させたＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナ装置を提供できる。

図１は、本発明の光スキャナ装置の構成を示す図である。 図２は、光位置検出器の出力と差分電流の関係を説明する図である。 図３は、本発明の別の構成の光スキャナ装置の構成を示す図である。 図４は、４分割位置検出器の場合の光位置検出器の出力と差分電流の関係を説明する図である。 図５は、ＫＴＮを用いた光偏向器の構成を示す図である。 図６は、ＫＴＮ結晶の駆動方法の一例を説明する図である。 図７は、光偏向器における駆動電圧と偏向角との関係を説明する図である。

本発明の光スキャナ装置では、ＫＴＮ結晶の光出射側に、光量の一部を抽出する例えばミラーを配置して、抽出した光を２分割位置検出器に導く。２分割位置検出器からの信号に基づいて、偏向角を反映させた信号を生成し、制御信号との誤差信号を求めて、ＫＴＮ結晶の駆動電圧にフィードバックする。４分割位置検出器を用いることで、２次元の光スキャナ装置にも拡大できる。

図１は、本発明の光スキャナ装置の構成を示す図である。ＫＴＮ結晶１は、その上下（ｙ−ｚ面）に２つの電極２、３を有しており、高電圧駆動電源４から駆動電圧が電極２および電極３の間に印加される。入射光５０は、ｚ軸に沿って図面の左側から入射して、ＫＴＮ結晶１によってｘ軸方向に偏向を受けて出射光６ａ、６ｂが得られる。２つの出射光６ａ、６ｂは、それぞれ最大偏向角の状態を示している。以上は、通常の光偏向器に含まれる構成である。

本発明の光スキャナ装置では、さらに、出射光の一部を取り出すミラー５を備え、ミラー５からの反射光を受ける２分割位置検出器（２Ｐ−ＰＳＤ：2 Positions - Position Sensitive Detector）８を有する。ＰＳＤ８は、光検出器を２つの検出面領域（１、２）に分割した構成を持っている。図１では、ＰＳＤ８の２つの領域は、ｘ−ｚ面を向いているかのように描かれているが、実際にはミラー５の反射面と対向する向きに配置されることに留意されたい。

ＰＳＤ８からの２つの光検出電流出力は、それぞれ、増幅器９、１０に接続され、後の処理に必要なレベルＩ_１、Ｉ_２にまで電流レベルを増幅される。増幅器９、１０の各出力は、電流差検出器１１に接続され、ＰＳＤ８からの出力電流に対応した２つの電流Ｉ_１、Ｉ_２の差分電流ΔＩに対応する出力が、検出器１１から得られる。この差分電流値ΔＩは、後述するように、ＫＴＮ結晶によって与えられる偏向角の大きさを反映している。

信号発生器１３によって制御電圧（制御信号）が生成され、加算器１５を経由して、高電圧駆動電源４に与えられる。高電圧駆動電源４によって、数百Ｖ程度まで増幅した駆動電圧が、ＫＴＮ結晶１に対して印加される。

本発明では、電流差検出器１１の出力および信号発生器１３からの制御信号が反転誤差アンプ１２へ入力されて、制御信号と、実際に生じた偏向角との間の誤差を反映した偏向角誤差信号を生じる。偏向角誤差信号は、ＰＩＤ制御部１４を経て、加算器１５に加えられる。すなわち、信号発生器１３から直接与えられる制御信号と、偏向角誤差信号を加算することによって、ＫＴＮ結晶による実際の偏向特性で生じる非線形成分が補償される。

ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御部１４は、一般に良く知られたフィードバック制御の１つである。

上述の構成では、誤差アンプ１２に対して、反転端子に電流差検出器１１の出力を、非反転端子に制御信号をそれぞれ入力する構成で示したが、これに限られず、上述のＰＳＤ８から高電圧駆動電源４に至るフィードバック系内の具体的な構成によっては、逆にもなる得ることに留意されたい。ＰＳＤ８を使用して、偏向角を反映させた差分電流ΔＩを利用している限り、具体的なフィードバック系の構成は、様々なものを利用できる。また、ＫＴＮ結晶からの出射光の一部を抽出してＰＳＤ８に導く手段としてミラー５を用いているが、これに限られず、光束分割器を用いても良い。次に、出射光を受けるＰＳＤ８において、偏向角を反映した差分電流が得られることを説明する。

図２は、光位置検出器の出力と差分電流の関係を説明する図である。図２では、２分割検出器（ＰＳＤ）８の２つの検出面８ａ、８ｂとミラー５からの反射光７のビームスポットとの関係によって、（ａ）ｘ軸の上方へビームが偏向された状態、（ｂ）ビームがｚ軸に平行で検出器の中央に当たっている状態、（ｃ）ｘ軸の下方へビームが偏向された状態に分けている。ここで、ＰＳＤ８は、円形の形状を持ち、中央部によって半分に分割された半円状の第１の検出面８ａおよび残り半分の第２の検出面８ｂを持つものとして説明する。しかし、円形の形状であることに限定されない。後に述べるように、受光面上におけるビームの最大スキャン幅が、２つの受光面の最大距離よりも小さい限り、ＰＳＤはどのような形状であっても良い。

（ａ）の状態では、図１の出射光６ａの状態に対応し、ｘ軸の上方へ偏向されており、反射光７ａのビームスポットは第１の検出面８ａの方により大きい面積が当たっている。したがって、第２の検出面８ｂから出力される電流Ｉ２よりも、第１の検出面８ａから出力される検出電流Ｉ_１がほとんどを占める。したがって、差分電流ΔＩ＝Ｉ_１−Ｉ_２は、正の値を持つ。このときは、ビームスポットは、受光面上でビームのスキャン範囲の一方の端にあり、検出面中央の分割線からＬ１の距離までビームが当たっている。

（ｂ）の状態では、図１において出射光はｚ軸と平行で偏向を受けていない状態にある。反射光のビームスポットはＰＳＤの中央部であって２つの検出面のちょうど中央に当たっている。このときは、差分電流ΔＩ＝Ｉ_１−Ｉ_２はほぼ０となる。

（ｃ）の状態では、図１の出射光６ｂの状態に対応し、ｘ軸の下方へ偏向されており、反射光７ｂのビームスポットは第２の検出面８ｂの方により大きい面積が当たっている。したがって、第１の検出面８ａから出力される電流Ｉ_１よりも、第２の検出面８ｂから出力される検出電流Ｉ_２がほとんどを占める。したがって、差分電流ΔＩ＝Ｉ_１−Ｉ_２は、負の値を持つ。このときは、ビームスポットは、受光面上でビームのスキャン範囲のもう一方の端にあり、Ｌ１とは反対側で、検出面中央の分割線からＬ２の距離までビームが当たっている。

結局、図２の右側に示したグラフのように、横軸の受光面上のビームスキャン範囲Ｌ１〜Ｌ２で、差分電流ΔＩとして直線的な出力が得られる。ΔＩは偏向角を反映した値となる。このような差分電流ΔＩは、受光面に当たるビームの最大スキャン幅よりも、受光面の径または長さが大きければ良い。また、ＫＴＮ結晶１によって偏向を受けていない状態（ｂ）のときに、ΔＩが０となるようにＰＳＤ８の位置を微調整することができる。

したがって、上述の（ａ）〜（ｃ）の３つの状態の関係がそれぞれ成り立つように、ＫＴＮの出射面からＰＳＤまでの距離を設定する。ミラー５の位置を含めて、ＰＳＤ８とＫＴＮ結晶１の位置関係を適切に配置する必要がある。ＫＴＮ結晶１、ミラー５、ＰＳＤ８のそれぞれの間に何らかの光学機器を挿入し、ビームスポットと受光面に当たるビームの最大スキャン幅の関係を調整しても良い。

上述のように、２分割されたＰＳＤ８を利用してＫＴＮ結晶による偏向角θを反映した差分電流ΔＩ＝Ｉ_１−Ｉ_２を得ることができる。図１に示した光スキャン装置を動作させる場合には、フィードバックループ内の各要素で飽和などが生じないように、アンプのゲインなどのパラメータを適切に設定する必要がある。また、本スキャン装置によってＫＴＮにより高周波で高速偏向するためには、ループ帯域をその偏向周波数に対応するように十分に広くする必要がある。例えば、ループの帯域は、偏向周波数×スキャン装置の解像点数×２以上とする必要がある。

図１の構成は、ｘ軸方向にのみ偏向を行う１次元のスキャナ装置であったが、図１と同様の仕組みを２次元のスキャナ装置に適応することもできる。すなわち、ｘ軸方向とｙ方向の２つの方向で偏向する場合は、ｘ軸およびｙ軸にそれぞれにおいて独立にＰＳＤを用いて偏向角を検出して、駆動電圧に対してフィードバックを掛ければ良い。

図３は、本発明の別の構成の２次元の光スキャナ装置の構成を示す図である。図３の構成では、図１の構成と同様にｘ軸方向の偏向のほかに、ｙ軸方向の偏向機能も持っており、ｙ軸方向に対する偏向角の検出と、フィードバック系を持っている。したがって、基本的な動作は図１の場合と同様であるので、ｘ軸方向について構成は図１と多くが共通している。図１の構成と異なる点に絞って、以下説明する。

２次元の光スキャナ装置では、第１のＫＴＮ結晶１に加えて、ｙ軸方向について偏向する第２のＫＴＮ結晶２０をさらに備える。第２のＫＴＮ結晶は、その上下面（ｘ−ｚ面）に２つの電極２１ａ、２１ｂ（２１ｂは図示せず）を有しており、第２の高電圧駆動電源３６から駆動電圧が２つの電極２１ａ、２１ｂの間に印加される。入射光５０は、図３に明示的に示はされていないが、ｘ軸方向に加えて、図面の手前から奥に向かってｙ軸方向にも偏向を受ける。すなわち、まずＸ方向に偏波面のある入射光５０が第１のＫＴＮ結晶においてＸ方向に偏向される。第１の偏向器と第２の偏向器との間には、１/２波長板１９が偏波面を９０°回転するために挿入される。引き続き入射光は、第２のＫＴＮ結晶において、Ｙ方向に偏向される。

ミラー５で抽出された反射光は、４分割位置検出器１８によって検出される。４分割ＰＳＤ１８は、光検出器を４つの検出領域（１、２、３、４）に分割した構成を持っている。図３では概念的にＰＳＤ１８を示しており、ＰＳＤ１８の４つの検出領域は、ｘ−ｚ面を向いているように描かれているが、実際にはミラー５の反射面と対向する向きに配置されることに留意されたい。

４つの領域からの光検出電流出力は、それぞれ、増幅器２２、２３、２４、２５に接続され、後の処理に必要なレベルＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４にまで電流レベルを増幅される。増幅器２２、２３、２４、２５の各出力に基づいて、４つの加算器２６、２７、２８、２９によって、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれについて、検出面が２分割されたのと同等の２つの電流が得られる。すなわち、ｘ軸方向については、加算器２６からＩ_１＋Ｉ_４、加算器２７からＩ_２＋Ｉ_３、ｙ軸方向については、加算器２８からＩ_１＋Ｉ_２、加算器２９からＩ_３＋Ｉ_４が得られる。

ｘ軸方向については、加算器２６、２７の出力が電流差検出器３０に接続され、ＰＳＤ１８からのｘ軸方向についての出力電流に対応した２つの電流の差分電流ΔＩｘに対応する出力が、検出器３０から得られる。この差分電流値ΔＩｘは、ＫＴＮ結晶１によって与えられるｘ軸方向の偏向角の大きさを反映している。

図１と同様に、信号発生器１３によって制御電圧Ｘ_０が生成され、加算器１５を経由して、高電圧駆動電源４に与えられる。高電圧駆動電源４によって、数百Ｖ程度まで増幅した駆動電圧が、ＫＴＮ結晶１に対して印加される。

電流差検出器３０の出力および信号発生器１３からの制御信号が反転誤差アンプ１２へ入力されて、制御信号と、実際に生じたｘ軸方向の偏向角との間の誤差を反映したｘ軸の偏向角誤差信号を生じる。ｘ軸の偏向角誤差信号は、ＰＩＤ制御部１４を経て、加算器１５に加えられる。すなわち、信号発生器１３から直接与えられる制御信号Ｘ_０と、ｘ軸の偏向角誤差信号を加算することによって、ＫＴＮ結晶１によるｘ軸の実際の偏向特性で生じる非線形成分が補償される。

ｙ軸方向についても、ｘ軸に関するフィードバックループと同様の構成が備えられる。ｙ軸方向については、加算器２８、２９の出力が電流差検出器３１に接続され、ＰＳＤ１８からのｙ軸方向についての出力電流に対応した２つの電流の差分電流ΔＩｙに対応する出力が、検出器３１から得られる。この差分電流値ΔＩｙは、第２のＫＴＮ結晶２０によって与えられるｙ軸方向の偏向角の大きさを反映している。

ｙ軸方向に関する信号発生器３２によって制御電圧Ｙ_０が生成され、加算器３５を経由して、第２の高電圧駆動電源３６に与えられる。第２の高電圧駆動電源３６によって、数百Ｖ程度まで増幅した駆動電圧が、第２のＫＴＮ結晶２０に対して印加される。

電流差検出器３１の出力および信号発生器３２からの制御信号Ｙ_０が反転誤差アンプ３３へ入力されて、制御信号Ｙ_０と、実際に生じたｙ軸方向の偏向角との間の誤差を反映したｙ軸の偏向角誤差信号を生じる。ｙ軸の偏向角誤差信号は、ＰＩＤ制御部３４を経て、加算器３５に加えられる。すなわち、信号発生器３２から直接与えられる制御信号Ｙ_０と、ｙ軸の偏向角誤差信号を加算することによって、第２のＫＴＮ結晶２０によるｙ軸の実際の偏向特性で生じる非線形成分が補償される。

上述の構成では、反転誤差アンプ３３に対して、反転端子にｙ軸の偏向角誤差信号を、非反転端子に制御信号Ｙ_０をそれぞれ入力する構成で示したが、これに限られず、上述のフィードバック系内の具体的な構成によっては、逆にもなり得る。

図４は、４分割位置検出器の場合の光位置検出器の出力と差分電流の関係を説明する一例である。図４では、４分割検出器（ＰＳＤ）１８の４つの検出面１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄとミラー５からの反射光７のビームスポットとの位置関係によって、（ａ）ｘ軸の上方およびｙ軸の手前へビームが偏向された状態、（ｂ）ビームがｚ軸に平行で検出器の中央部に当たっている状態、（ｃ）ｘ軸の下方およびｙ軸の奥へビームが偏向された状態に分けている。ここで、ＰＳＤ１８は、円形の形状を持ち、中央部によって４つに分割された扇状の第１の検出面８ａから第４の検出面８ｄを持つものとして説明する。しかし、円形の形状であることに限定されない。後に述べるように、受光面上におけるビームのｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれの最大スキャン幅が、４つの受光面のｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれの最大距離よりも小さい限り、ＰＳＤ１８はどのような形状であっても良い。

（ａ）の状態では、図３の出射光６ａの状態に対応し、ｘ軸の上方およびｙ軸の手前へ偏向されており、反射光７ｂのビームスポットは他の３つの検出面１８ａ、１８ｃ、１８ｄに比べて第２の検出面１８ｂにより大きい面積が当たっている。したがって、他の３つの検出面１８ａ、１８ｃ、１８ｄから出力される電流Ｉ_１、Ｉ_３、Ｉ_４よりも、第２の検出面１８ｂから出力される検出電流Ｉ_２がほとんどを占める。したがって、差分電流ΔＩｙ＝Ｉ_１＋Ｉ_２−Ｉ_３−Ｉ_４は、正の値を持つ。一方、差分電流ΔＩｘ＝Ｉ_１＋Ｉ_４−Ｉ_２−Ｉ_３は、負の値を持つ。このときは、ビームスポットは、受光面上でビームのスキャン範囲の一方の端にあり、検出面中央の各分割線からｘ軸はＸｒの距離まで、ｙ軸はＹｕの距離までビームが当たっている。

（ｂ）の状態では、図１において出射光はｚ軸と平行で偏向を受けていない状態である。反射光のビームスポットはＰＳＤ１８のｘ軸、ｙ軸のいずれについても中央部であって２つの検出面のちょうど中心に当たっている。このときは、差分電流ΔＩｘおよびΔＩｘは、いずれもほぼ０となる。

（ｃ）図３の出射光６ｂの状態に対応し、ｘ軸の下方およびｙ軸の奥へ偏向されており、反射光７ａのビームスポットは他の３つの検出面１８ａ、１８ｂ、１８ｃに比べて第４の検出面１８ｄにより大きい面積が当たっている。したがって、他の３つの検出面１８ａ、１８ｂ、１８ｃから出力される電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３よりも、第４の検出面１８ｄから出力される検出電流Ｉ_４がほとんどを占める。したがって、差分電流ΔＩｙ＝Ｉ_１＋Ｉ_２−Ｉ_３−Ｉ_４は、負の値を持つ。一方、差分電流ΔＩｘ＝Ｉ_１＋Ｉ_４−Ｉ_２−Ｉ_３は、正の値を持つ。このときは、ビームスポットは、受光面上でビームのスキャン範囲のもう一方の端にあり、検出面中央の各分割線からｘ軸はＸｌの距離まで、ｙ軸はＹｄの距離までビームが当たっている。

結局、図４の右側に示した１組のグラフのＸのグラフで示したように、横軸の受光面上のｘ軸についてのビームスキャン範囲Ｘｒ〜Ｘｌで、差分電流ΔＩｘとして直線的な出力が得られる。また、１組のグラフのＹのグラフで示したように、横軸の受光面上のｙ軸についてのビームスキャン範囲Ｙｕ〜Ｙｄで、差分電流ΔＩｙとして直線的な出力が得られる。ΔＩｘおよびΔＩｙはそれぞれ、ｘ軸の偏向角およびｙ軸の偏向角を反映した値となる。このような差分電流ΔＩｘおよびΔＩｙは、受光面に当たるビームのｘ軸およびｙ軸の各最大スキャン幅よりも、受光面の各方向の径または長さが大きければ良い。また、ＫＴＮ結晶１および第２のＫＴＮ結晶２０によって偏向を受けていない状態（ｂ）のときに、ΔＩｘおよびΔＩｙがそれぞれ０となるようにＰＳＤ１８の位置を微調整するのは、図１の構成の場合と同じである。

図３に示した構成の光スキャナ装置では、ｘ軸方向およびｙ軸方向の最大偏向角を調整する機構を備えることもできる。このような較正を行う機構は、種々のものが可能である。一例を挙げれば、同一の信号電圧をｘ軸の信号発生器１３およびｙ軸の信号発生器３２に印加して、そのときの、ＰＳＤ１８におけるＸＹ２つの方向のスポットのＰＳＤ中心からの移動距離が同じになるように、誤差アンプ３０、３１のアンプゲインをそれぞれ微調整すれば良い。

以上、詳細に述べたように、本発明によれば、駆動電圧と偏向角との間の非線形性を向上させたＫＴＮ結晶を用いた光偏向器、光スキャナ装置を提供できる。

本発明は、光学機器に利用することができる。特にＫＴＮ結晶を用いた光スキャナ装置に利用できる。

１、２０、１０１ ＫＴＮ結晶
２、３、２１ａ、１１ａ、１１ｂ、１０２、１０３ 電極
４、３６、１０４ 高電圧駆動電源
５ ミラー
６ａ、６ｂ 出射光
７ａ、７ｂ 抽出された出射光
８、１８ ＰＳＤ
９、１０、２２〜２５ 増幅器
１２、３３ 誤差アンプ
１３、３２ 信号発生器
１４、３４ ＰＩＤ制御部
１５、３５ 加算器

Claims (5)

1. 対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に制御信号に基づいた駆動信号を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記駆動電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を偏向させる電気光学結晶を用いた光偏向器と、
   偏向角を維持しながら、前記光偏向器から偏向を受けた出射光の一部を抽出する手段と、
   ２つの隣接する検出面を有し、前記抽出された出射光を受光して、前記検出面の各々に対応する前記偏向角を反映した２つの検出電流を出力する位置検出器と、
   前記２つの検出面からの前記２つの検出電流の差異に基づいて、前記偏向角を表す差信号を生成する手段と、
   前記制御信号と、前記差信号との誤差を比較して、誤差信号を生成する手段と、
   前記制御信号および前記誤差信号に基づいて、前記駆動電圧と偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段と
   を備え、
   前記制御信号は、偏向動作を行う期間およびバースト電圧を印加する期間を含んでおり、
   前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする光スキャナ装置。
2. 前記駆動電圧を生成する手段は、
   前記誤差信号をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部と、
   前記ＰＩＤ制御部からの出力と、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された誤差信号および前記制御信号と加算する加算器と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ装置。
3. 対向する面に少なくとも２つの電極を形成した電気光学結晶であって、前記電極に第１の制御信号に基づいた第１の駆動信号を印加して、電気光学効果により内部の屈折率分布の傾斜を生成することによって、前記第１の駆動電圧により形成される電界に概ね垂直に入射する入射光を第１の偏向方向に偏向させる電気光学結晶を用いた第１の光偏向器と、
   第２の制御信号に基づく第２の駆動信号によって、前記第１の光偏向器からの出射光を、前記第１の偏向方向に直交する第２の偏向方向にさらに偏向する電気光学結晶を用いた第２の光偏向器と、
   偏向角を維持しながら、前記第１の光偏向器および前記第２の光偏向器からそれぞれ偏向を受けた出射光の一部を抽出する手段と、
   １つの検出面を直交する４つの検出面に分割した４分割位置検出器であって、前記４つの検出面から、前記第１の偏向方向および前記第２の偏向方向の各偏向角に対応する２組の検出電流を生成する４分割位置検出器と、
   前記２組の検出電流の内の一方の組の検出電流間の差異に基づいて、前記第１の偏向方向の前記偏向角を表す第１の差信号を生成する手段と、
   前記第１の制御信号と、前記第１の差信号との誤差を比較して、第１の誤差信号を生成する手段と、
   前記第１の制御信号および前記第１の誤差信号に基づいて、前記第１の駆動電圧と前記第１の偏向方向の偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段と、
   前記２組の検出電流の内の他方の組の検出電流間の差異に基づいて、前記第２の光偏向器に対応する第２の差信号を生成する手段と、
   前記第２制御信号と、前記第２の差信号との誤差を比較して、第２の誤差信号を生成する手段と、
   前記第２の制御信号および前記第２の誤差信号に基づいて、前記第２の駆動電圧と前記第２の偏向方向の偏向角との間の非線形性を補償した駆動電圧を生成する手段と
   を備え、
   前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は、偏向動作を行う期間およびバースト電圧を印加する期間を含んでおり、
   前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ _1-y Ｌｉ _y Ｔａ _1-x Ｎｂ _x Ｏ ₃ （０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする光スキャナ装置。
4. 前記駆動電圧を生成する手段は、
   前記第１の誤差信号または前記第２の誤差信号をＰＩＤ制御するＰＩＤ制御部と、
   前記ＰＩＤ制御部からの出力と、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された第１の誤差信号および前記第１の制御信号と加算し、または、前記ＰＩＤ制御部によってＰＩＤ制御された第２の誤差信号および前記第２の制御信号と加算する加算器と
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の光スキャナ装置。
5. 前記出射光の一部を抽出する手段は、前記出射光の光路を概ね進行方向に垂直な方向に曲げるミラーであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スキャナ装置。

Images