JP6006693B2

JP6006693B2 - 光偏向装置

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Publication number: JP6006693B2
Application number: JP2013163638A
Authority: JP
Inventors: 雄三佐々木; 今井　欽之; 欽之今井; 豊田　誠治; 誠治豊田; 小林　潤也; 潤也小林
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Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-08-06
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Description

本発明は、光偏向装置に関し、より詳細には、電気光学効果を有する結晶に電圧を印加することにより、該結晶に入射された光を偏向することができる光偏向装置に関する。

電界を印加することにより光の向きを変えることができる光偏向器は、プロジェクタの表示素子、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の様々な分野において用いられている。光偏向器としては、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、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いたものが広く使用されている。これらの方式の光偏向器は、機械的にミラーを駆動するので、高速での光偏向には限界があった。そこで、電界を印加することにより光の偏向を行うことができる光デバイスとして、電気光学効果を有する材料を用いた光スイッチ、光偏向器が考案されている。

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内部の屈折率が変化し、電気光学結晶を透過する光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は、機械的な可動部分が無いために、高速な光偏向が可能である。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、大きな偏向角を得ることができない。

近年、特定の電気光学効果を示す結晶を透過する光の進路を屈曲させる現象が見いだされた。電気光学結晶に電圧を印加すると、結晶内に空間電荷分布が形成され、それによって一様でない電界分布が形成され、電界分布の変化に応じた屈折率分布が生じる。この一様でない屈折率分布の中を光が透過すると、光の進路が屈曲する。電気光学結晶に対してオーミック接触となるような電極を形成し、この電極に電圧を印加すると、電気光学結晶に電荷が注入され、空間電荷制御状態となり、一様でない屈折率分布が生ずる。具体的には、電極に挟まれた結晶内部に、電圧の印加方向に沿って電界の傾斜が生ずる。この電界の傾斜は、屈折率の傾斜を生じさせ、電圧の印加方向に直交する方向に透過する光のビームを偏向させることができる（例えば、特許文献２参照）。このような電気光学結晶においては、電極に挟まれた結晶内部の全ての領域で偏向作用を担うので、光の伝搬経路上の各所での偏向作用が累積されて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、上述した既存のプリズム形状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。

電荷の注入により空間電荷制限状態を実現する場合には、電荷の電気光学結晶内での移動速度が光偏向器の応答速度を制限する。光偏向器への印加電圧の駆動周期が短くなるにつれ、直流電圧印加時に実現されていた理想的な空間電荷制限状態を実現することができなくなり、光偏向器からの出射光の偏向角が減少してしまう。このような、電荷の移動度による制限を回避するために、光偏向を行う電圧印加に先立って、結晶内のトラップに電荷を捕獲させるための電圧を印加する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。電荷の注入と電界の傾斜とを同時に行っていた従来方法に比べて、電荷の移動速度によって影響を受けず、電界の応答で光が偏向されるので、電気光学効果の応答周波数（〜ＧＨｚ）に至るまでの非常に高速な光偏向が可能となる。

結晶内のトラップに電荷をあらかじめ捕獲させる方式において、結晶内のトラップ密度（Ｎ）が一様であり、電気光学結晶が２次の電気光学効果（カー効果）を持つ場合、屈折率の変化量Δｎ（ｘ）は、

ここで、Ｖは光偏向のための駆動電圧、ｄは電気光学結晶の結晶厚、ｘは結晶厚方向の位置、ｅは電気素量、εは誘電率、ｎは結晶の屈折率、ｇ_１１は電気光学定数である。結晶断面の屈折率変化Δｎは、ｘの二次関数となっている。式（１）の意味するところは、偏向現象は、電気光学結晶への電圧の印加により電界方向に沿って屈折率が変化し、屈折率の高い方向に光が曲がることである。屈折率分布（屈折率の傾斜の度合い）が線形であれば、ビームは発散したり、収束したりはしない。しかし、結晶中央付近で屈折率が高い二次関数の屈折率分布が生じると、電気光学結晶の中を透過する光は、屈折率のレンズ効果により収束する。すなわち、電気光学結晶は、屈折率分布型凸レンズとして働く。つまり、光偏向器を透過した光は偏向されると同時に集光され、焦点以降は発散する。

光偏向器を装置や機器内に実装して使用する際には、各用途に応じた光学系を光偏向器の後段に配置し、所望の面上での偏向幅やビームスポットを形成する。例えば、レーザビームプリンタにおいては、Ｆ・θレンズ等の光学系を経て感光体の面上に照射し、露光に応用する。また、非特許文献１では、光偏向器と回折格子間にシリンドリカル凹レンズを配置し、光偏向器による凸レンズ効果を打ち消すことにより、平行光とした後に、回折格子へ入射している。

特開平０９−００５７９７号公報国際公開第２００６／１３７４０８号特開２０１１−２２１３９６号公報特開平１１−０６４８１７号公報特開２０１０−２２４０４４号公報

Shogo Yagi, et. al., "Improvement of coherence length in a 200-kHz swept light source equipped with a KTN deflector," Proc. SPIE 8213, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVI, 821333, February 9, 2012 金子卓他、「可変焦点レンズを用いた長焦点深度視覚機構」、電気学会論文誌 E 巻、118-E 号、No.7/8、p.364-370、1998年07月

図１に、従来のレンズ効果を有する光偏向器の構成を示す。上述した特許文献３の偏向方式においては、結晶断面の屈折率変化Δｎは、トラップ密度Ｎの関数となっている。トラップ密度Ｎが一様でかつ時間変化しない場合には、光偏向器１０１の後段に配置する光学系（レンズ）１０５によって、光偏向器１０１の性能を超えない範囲において、所望のビーム走査面１０７上において、出射光１０３をビーム走査範囲１０６内で走査することができる。

しかしながら、電気光学結晶内にトラップされた電荷は、熱励起等によって減少する場合がある。トラップ密度が一様のまま電荷が減少する場合には、電気光学結晶のレンズとしての効果が減少し、焦点距離が長くなる。すなわち、図１に示したように、トラップ電荷が変化する前後において、出射光１０３が出射光１０４に変化する。偏向器１０１の後段に配置され、固定された光学系１０５では、環境温度変化に応じて、所望の偏向幅、ビームスポットを維持することができないという課題があった。

また、トラップ密度Ｎが空間的に一様ではなく、Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）のように結晶内の位置に依存するように分布している場合には、電気光学結晶内で偏向される光の透過位置によって、電気光学結晶のレンズとしての効果が異なる。つまり、光偏向の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。このため、例えば、レーザプリンタに上述したレンズ効果を有する光偏向器を用いた場合には、感光体の面内において、ビームスポット径が一様でなく、露光状態が変化してしまうという問題があった。

さらに、非特許文献１には、電気光学結晶からなる光偏向器と、回折格子とを備えた波長掃引光源が記載されており、電気光学結晶による光の偏向が、波長選択を行う役割を果たしている。波長掃引光源は、空間光学系で構成されているため、共振器内では、平行光のビームを周回させている。この波長掃引光源に上述したレンズ効果を有する光偏向器を用いた場合には、波長掃引光源内で周回するビームが、光偏向器での偏向角によっては、平行光ではなくなってしまう。これにより、レーザ発振条件（閾値など）が変わってしまい、安定したレーザ発振が得られにくいという問題があった。

本発明の目的は、レンズ効果を有する光偏向器において、出射光の焦点距離の時間的変化を補償した光偏向装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の実施態様は、電気光学結晶の対向する面に少なくとも２つの電極が形成された光偏向器であって、前記少なくとも２つの電極に電圧を印加すると、電気光学効果により前記電気光学結晶内に一様でない屈折率分布が生じることにより、前記電圧により形成された電界に直交する光の進路を屈曲させる光偏向器と、前記光偏向器の前記光の出射側に配置され、前記光偏向器のレンズ効果によって生じる焦点距離の変動を補償する可変焦点レンズであって、前記光偏向器の焦点距離の変動を予め測定し、前記予め測定した焦点距離の変動を補償するように前記可変焦点レンズの焦点距離が調整されていることとを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光偏向器の後段に焦点距離を可変することができるレンズを配置することにより、光偏向器の電気光学結晶のレンズ効果による焦点距離の変動を補償することができる。従って、光偏向器の出射光の焦点位置を、長時間に渡って一定に保つことができる。

従来のレンズ効果を有する光偏向器の構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる光偏向装置の構成を示す図である。実施例１にかかる光偏向装置の構成を示す図である。実施例１における光偏向器への印加電圧とレンズ効果の時間経過に伴う変化とを示す図である。実施例１におけるＫＴＮ可変焦点レンズの焦点変化を示す図である。実施例１におけるＫＴＮ光偏向器のレンズ効果を補償する際に必要なＫＴＮ可変焦点レンズの焦点距離を示す図である。実施例２にかかる光偏向装置の構成を示す図である。実施例２における光偏向器への印加電圧とレンズ効果の時間経過に伴う変化を示す図である。実施例２における光偏向器のレンズ効果と可変焦点レンズによるレンズ効果の補償を示す図である。

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。

図２に、本発明の一実施形態にかかる光偏向装置の構成を示す。電気光学効果を利用した光偏向器２０１は、電気光学結晶の対向する面に、金属電極対２０５ａ，２０５ｂが形成されている。この電極を介して、電気光学結晶内への電荷の注入、または光の偏向のための電圧を印加する。

電気光学結晶として、特許文献２に開示されている電気光学結晶を用いる。特許文献２に記載されているタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）：以下、ＫＴＮという）、またはリチウムをドープした結晶（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）：以下、ＫＬＴＮという）は、電圧印加による電界に伴って、結晶に電荷の注入が行なわれる。その結果、結晶内に、注入電荷により形成される空間電荷分布、または、注入電荷がさらに電気光学結晶中に捕捉されて生成されるトラップ電荷分布が生じる。この電荷分布によって一様でない電界分布が形成され、電界分布の変化に応じた屈折率分布が生じる。この一様でない屈折率分布の中を光が透過すると、光の進路が屈曲する。このとき、結晶の中央付近では、屈折率が高い二次関数の屈折率分布となるので、光偏向器２０１を透過した出射光２０３は、偏向されると同時に集光され、焦点以降は発散する（以下、レンズ効果という）。

ＫＴＮを用いた光偏向器のレンズ効果による焦点距離は、結晶内に一様に電荷がトラップされているとすると、

と表される。ここで、ｎ_０は結晶の屈折率、Ｌは結晶長であり、Ａは、

である。結晶長Ｌ、屈折率ｎ_０、電気光学定数ｇ_１１は、既に形成されたＫＴＮ光偏向器では不変であるので、焦点距離は、結晶内のトラップ密度Ｎによってのみ決定されることになる。

レンズ効果を有する光偏向器２０１の後段には、焦点距離を調整することのできるレンズ、いわゆる可変焦点レンズ２０４が配置される。可変焦点レンズ２０４としては、特許文献４に記載されているような、光学レンズとして液晶を利用した可変焦点レンズが提案されている。または、非特許文献２に記載されているように、レンズ材料として、液体を用いてその形状を変化させる可変焦点レンズがある。さらに、特許文献５に記載されている電気光学効果を利用して、高速に動作する可変焦点レンズがある。

本実施形態においては、光偏向器２０１に用いられる電気光学結晶内のトラップへの電荷充填は、前述の電圧印加によって行われる。トラップに捕獲された電荷は、熱励起や光励起によって時間経過とともに減少する。トラップ電荷密度Ｎが減少すると、光偏向器のレンズ効果が減少し、焦点距離が変化する。この場合は、出射光２０３が出射光２０６に変化して、焦点距離が長くなり、偏向角も減少する。光偏向器２０１による偏向角は、光偏向のための駆動電圧を大きくすることにより一定に保つことができる。しかし、偏向された光の発散角を決めるレンズ効果は、前述の通り、トラップ電荷密度によって決まるので、本質的にはトラップへの電荷充填を再度行わなければならない。

本実施形態では、光偏向器２０１の後段に配置された可変焦点レンズ２０４の焦点距離を、光偏向器２０１の焦点距離変化に追随して変化させる。これにより、偏向後の焦点距離または焦点位置を、長時間に渡って一定に保つことができる。具体的には、光偏向器２０１のレンズ効果が減少し、焦点距離が長くなり、偏向光の集光状態が出射光２０６のようになる。これに応じて、偏向後の焦点距離が一定となるように、可変焦点レンズ２０４の焦点距離を調整し、偏向光の集光状態を常に出射光２０３に一致させる。

ここで、レンズ効果を有する光偏向器２０１単体の焦点距離をｆｋ、可変焦点レンズ２０４の焦点距離をｆｖ、光偏向器と可変焦点レンズの双方のレンズ効果による焦点距離をｆとすると、

の関係が成り立つため、（４）式のｆが常に一定となるように、ｆｋの変動に応じてｆｖを調整すればよい。なお、ｄは各レンズの主点間の距離を表す。

また、光偏向器２０１として用いる電気光学結晶の組成分布、電荷充填のための印加電圧によっては、トラップ密度Ｎが常に空間的に一様とは限らない。この場合には、結晶内で偏向される光の透過位置によって、電気光学結晶のレンズ効果が異なる。つまり、光偏向器である電気光学結晶への印加電圧の瞬時値によって、電気光学結晶によって形成される焦点位置が異なることになる。この焦点距離の変動についても、可変焦点レンズ２０４の焦点距離を調整することによって補償することにより、光偏向器への印加電圧の瞬時値に関わらず、一定の焦点距離を有する光偏向装置を実現することができる。

本実施形態においては、電気光学結晶への印加電圧に関わらず、熱励起等で電荷密度が減少し、レンズ効果が減少する場合と、光偏向の一掃引内でレンズ効果が変化する場合とを区別して記載したが、本発明の意図するところは、レンズ効果の変化を補償することであり、両変化が同時に起こるような場合でも有効である。

次に、上述した本実施形態の光偏向装置に関して、より具体的な実施例を述べる。

図３に、実施例１にかかる光偏向装置の構成を示す。ＫＴＮ、ＫＬＴＮなどの電気光学結晶を備えるＫＴＮ光偏向器３０１は、電気光学結晶の対向する面に、金属電極対３０５ａ，３０５ｂが形成されている。ＫＴＮ光偏向器３０１に入射される入射光３０２は、シリンドリカル凹レンズ３０８を透過した後に、ＫＴＮ光偏向器３０１に入射される。平行光である入射光３０２は、このシリンドリカル凹レンズ３０８によって、ＫＴＮ光偏向器３０１へ拡散しながら入射される。入射光３０２は、ＫＴＮ光偏向器３０１のレンズ効果によって、集光光として出射される。

ＫＴＮ光偏向器３０１は、厚さ１．２ｍｍの電気光学結晶を用い（電極間隔も１．２ｍｍとなる）、ビーム直径１．０ｍｍの光線を、電界に平行な直線偏光で入射した。ＫＴＮ光偏向器３０１は、電気光学結晶の長さは４ｍｍである。ＫＴＮ光偏向器３０１の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方が形成されており、折り返し光路により入射光が偏向される距離は１２ｍｍとなっている。

ＫＴＮ光偏向器３０１の後段には、焦点が可変であるＫＴＮ可変焦点レンズ３０４が配置されている。ＫＴＮ光偏向器３０１とＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の各々の主点間の距離ｄは５ｍｍである。

図４に、実施例１における光偏向器への印加電圧とレンズ効果の時間経過に伴う変化とを示す。ＫＴＮ光偏向器３０１に一軸性の凸レンズの機能を持たせるために、金属電極対３０５ａ、３０５ｂの間に、図４（ａ）に示した電圧を印加する。

最初に、正のＤＣ電圧と負のＤＣ電圧を一定時間ずつ印加する。電圧値は、正負ともに同じ３５０Ｖとした。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からなる電気光学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、結晶中のトラップに捕獲された電子が存在する。トラップされた電子の分布による非一様な電界分布が、中央付近で屈折率が高い非線形な屈折率分布を誘起し、凸レンズ効果を発生させる。正負３５０ＶのＤＣ電圧を印加した直後のＫＴＮ光偏向器３０１によるレンズの焦点距離ｆｋは３０ｍｍである。

次に、ＫＴＮ光偏向器３０１に振幅±４００Ｖ、周波数２００ｋＨｚの正弦波状の駆動用信号電圧（ＡＣ電圧）を印加すると、±５０ｍｒａｄ（＝±２．８６°）の範囲の偏向が生じる。焦点距離ｆｋは、駆動用信号電圧の一周期内において、瞬時電圧値に拠らず一定である。このＫＴＮ光偏向器３０１による動作を数時間にわたって継続したところ、ＫＴＮ光偏向器３０１のレンズ効果が減少し、焦点距離ｆｋが３０ｍｍ（点Ａ）から３０．９ｍｍ（点Ｂ）に変化した（図４（ｂ））。このとき、ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４は動作させず、焦点距離ｆｖが無限大の状態としたままである。

ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４のサイズは、６．６ｍｍ×７ｍｍ×４ｍｍである。６．６ｍｍ×７ｍｍの面のうち、ＫＴＮ光偏向器３０１からの出射光を受ける面に、光の光路を挟んで対向する２つの白金電極３０７ａ，３０７ｂを形成し、この面と対向する面の対向する位置に２つの白金電極３０７ｃ，３０７ｄを、真空蒸着により形成してある。白金電極３０７ａと３０７ｃの間隔、および白金電極３０７ｂと３０７ｄの間隔はいずれも４ｍｍとなる。白金電極３０７ａと３０７ｂは同じ電圧である第１の電圧を、白金電極３０７ｃと３０７ｄは同じ電圧である第２の電圧を印加する。ＫＴＮ光偏向器３０１からの出射光は、白金電極３０７ａと３０７ｂの間と、白金電極３０７ｃと３０７ｄの間とを透過させるように配置する。白金電極３０７ａ〜３０７ｄに印加する第１の電圧と第２の電圧とを異ならせることにより、透過した光の焦点距離を変動させることができる。

図５に、実施例１におけるＫＴＮ可変焦点レンズの焦点変化を示す。横軸は、印加電圧である第１の電圧と第２の電圧との差であり、縦軸は、焦点距離ｆｖの逆数である。印加電圧である第１の電圧と第２の電圧との差が０Ｖの際には焦点距離ｆｖは無限遠（１／ｆｖ＝０）である。印加電圧を大きくしていくに従って焦点距離は小さくなり、印加電圧１２００Ｖでは、焦点距離ｆｖ＝７２０ｍｍとなる。このように、ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４は、焦点距離ｆｖを大きく変化させることが可能である。

ＫＴＮ光偏向器３０１の焦点距離が変動する時に、ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４に電極を介して電圧を印加することによって、ＫＴＮ光偏向器３０１とＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の合成された焦点距離ｆを一定に保つことができる。実施例１において、ＫＴＮ光偏向器３０１の焦点距離ｆｋが最も変化したとき、焦点距離ｆｋ＝３０．９ｍｍである。この焦点距離の変化は、式（４）によると、ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の焦点距離ｆｖ＝７２０ｍｍによって補償することができる。

図６に、実施例１におけるＫＴＮ光偏向器のレンズ効果を補償する際に必要なＫＴＮ可変焦点レンズの焦点距離を示す。横軸は、実施例１におけるＫＴＮ光偏向器３０１の焦点距離ｆｋを示し、縦軸は、合成された焦点距離ｆを一定に保つことができるＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の焦点距離ｆｖの逆数である。ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の焦点距離ｆｖを無限遠から７２０ｍｍまで、式（４）を満たすように、ＫＴＮ光偏向器３０１の焦点距離変化に追随して変化させることによって、偏向後の焦点位置を長時間に渡って一定に保つことができる。

なお、ＫＴＮ可変焦点レンズ３０４は、印加電圧の極性に関わらず、第１の電圧と第２の電圧の差の２乗に比例して、集光作用が強くなる（焦点距離が短くなる）。従って、上述のＫＴＮ光偏向器３０１によるレンズの焦点距離変動を補償する場合には、焦点距離が長くなった状態を短い状態へと補償すればよい。

ＫＴＮ光偏向器３０１の焦点距離変化に追随するようにＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の焦点距離を調整するためには、例えば、以下のようにすればよい。事前に、ＫＴＮ光偏向器３０１へのＡＣ電圧の印加時間に対する、ＫＴＮ光偏向器３０１単体の焦点距離の変化を測定しておく。すなわち、ＫＴＮ光偏向器３０１への電圧の印加時間に対する焦点距離の変動特性を取得しておく。この事前測定の値と式（４）とを用いて、ＫＴＮ光偏向器３０１とＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の複合の焦点距離が常に一定となるよう、ＡＣ電圧印加時間に対するＫＴＮ可変焦点レンズ３０４の焦点距離を導出する。そして、ＫＴＮ光偏向器３０１へのＡＣ電圧印加の経過時間に応じて、先に導出した焦点距離となるようＫＴＮ可変焦点レンズ３０４に適切な電圧を印加するようにすればよい。

このように数時間にわたる焦点距離変化を補償する場合には、補償用のレンズは必ずしもＫＴＮ可変焦点レンズである必要はなく、ＫＴＮ以外の電気光学効果を有する結晶を用いた可変焦点レンズや、さらには機械的にレンズを可動させるもの、液晶を用いた可変焦点レンズであっても構わない。

図７に、実施例２にかかる光偏向装置の構成を示す。実施例２においては、ＫＴＮ光偏向器８０１は、ＫＴＮからなる電気光学結晶の組成分布により、結晶内のトラップ密度が空間的に一様でない場合を考える。その他の構成は、実施例１と同じである。結晶内でのトラップ密度が一定でないために、結晶内で偏向される光の透過位置によって、電気光学結晶のレンズとしての効果が異なる。

図８に、実施例２における光偏向器への印加電圧とレンズ効果の時間経過に伴う変化を示す。金属電極対８０５ａ、８０５ｂの間に、図８（ａ）に示した電圧を印加する。最初に、正のＤＣ電圧および負のＤＣ電圧を交互に印加した後、振幅±４００Ｖ、周波数２００ｋＨｚの正弦波状のＡＣ電圧を印加する。このような電圧を印加した時のＫＴＮ光偏向器８０１の焦点距離ｆｋの変化を図８（ｂ）に示す。ＫＴＮ光偏向器８０１によるレンズの焦点距離ｆｋは、ＡＣ電圧の瞬時値の変化に同期して、ｆｋ＝３０ｍｍを中心に±０．５ｍｍの範囲で周期的に変動している。この周期的な変動を補償するように可変焦点レンズ８０４の焦点距離ｆｖを調整することによって、ＫＴＮ光偏向器８０１へのＡＣ電圧の瞬時値に関わらず、一定の焦点距離ｆを有する光偏向装置を実現することができる。

実施例２の可変焦点レンズ８０４は、実施例１のＫＴＮ可変焦点レンズ３０４と同じである。上述したように、ＫＴＮ可変焦点レンズは、印加電圧の極性に関わらず、集光作用が印加電圧の２乗に比例して強くなる。従って、ＫＴＮ光偏向器８０１によるレンズの焦点距離変動を補償する場合には、焦点距離が長くなった状態を短い状態へと補償することになる。

図９に、実施例２における光偏向器のレンズ効果と可変焦点レンズによるレンズ効果の補償を示す。図９（ａ）は、図８（ｂ）と同じグラフであり、ＫＴＮ光偏向器８０１の焦点距離ｆｋの変化を示している。この波形に同期して、すなわちＫＴＮ光偏向器８０１に印加する電圧に同期して、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４に、振幅範囲０Ｖから１２００Ｖ、２００ｋＨｚのＡＣ電圧を印加する。

ＫＴＮ光偏向器８０１のレンズ効果が最も強く、焦点距離がｆｋ＝２９．５ｍｍとなるときに、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４への印加電圧値が０Ｖとなるようにする。このとき、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４は、レンズ効果を有しておらず、焦点距離ｆｖは無限遠である（すなわち、１／ｆｖ＝０）。光偏向装置からは、レンズ効果が最も強い瞬間の出射光８０３が出射される。

一方、ＫＴＮ光偏向器８０１のレンズ効果が最も弱く、焦点距離が３０．５ｍｍとなるときに、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４への印加電圧値が１２００Ｖとなるようにする。光偏向器からは、レンズ効果が最も強い瞬間の出射光８０８が出射される。このとき、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４のレンズ効果が最も強くなり、ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４のみの焦点距離ｆｖ＝７２０ｍｍである。これによって、光偏向装置からは、レンズ効果が補償された出射光８０６が出射される。

ＫＴＮ可変焦点レンズ８０４に印加する電圧は、ＫＴＮ光偏向器８０１に印加するＡＣ電圧に同期させ、同じ周期のＡＣ電圧とすればよい。その振幅は、あらかじめＫＴＮ光偏向器８０１を単独で駆動し、駆動電圧の瞬時値が最も大きい場合と最も小さい場合での焦点距離を測定しておく。すなわち、ＫＴＮ光偏向器８０１への印加電圧の振幅値に対する焦点距離の変動特性を取得しておく。この事前測定の値と式（４）とを用いて、レンズ効果を補償するような焦点距離を生み出すＫＴＮ可変焦点レンズ８０４の印加電圧（すなわち、印加ＡＣ電圧の振幅）をあらかじめ導出しておけばよい。

以上、詳細に述べたように、ＫＴＮ可変焦点レンズを高速に動作させることによって、光偏向器の一掃引内での光の焦点距離を一定に保つことができる。このような光偏向装置を、例えば、非特許文献１に記載された波長掃引光源において利用すれば、掃引波長全体にわたって、平行光を回折格子に入射することが可能となる。これにより、波長選択性の波長依存性をなくし、掃引波長全体にわたって狭線化された良好なレーザ発振を得ることができる。

実施例１は、熱励起等で電気光学結晶の電荷密度が減少し、レンズ効果が減少する場合の、可変焦点レンズを用いた焦点距離の調整方法について述べた。実施例２は、電気光学結晶内のトラップ密度が空間的に一様でないことに起因する、光偏向の一掃引内でのレンズ効果が変化する場合の、可変焦点レンズを用いた焦点距離の調整方法について述べた。実施例１および２の双方の調整方法を同時に実施することも可能である。

また、実施例１および２においては、可変焦点レンズによる焦点距離の調整方法について、事前にＫＴＮ光偏向器の焦点距離変動特性を計測しておき、その計測結果に基づき、焦点距離変動を打ち消すように可変焦点レンズで焦点距離を調整したが、そのような調整方法に限定されるものではない。例えば、ＫＴＮ可変焦点レンズからの出射光の一部をモニタして焦点距離の変動を検知する手段と、検知した焦点距離の変動を打ち消すようにＫＴＮ可変焦点レンズに印加する電圧に、負帰還制御を与える手段とを設けてもよい。焦点距離の変動は、ある面に照射されたビームの径が広がる（ビームがぼける）ことにつながるため、このビーム径広がりを、例えば面的に分布した光検出素子を用いて検出するようにしてもよい。

さらに、実施例１および２においては、ＫＴＮまたはＫＬＴＮを用いた光偏向器について説明したが、それ以外の電気光学効果を有する結晶を用いた光偏向器であってもよい。

１０１、２０１、３０１、８０１光偏向器
１０２、２０２、３０２、８０２入射光
１０３、２０３、３０３トラップ電荷変化前の出射光
１０４、２０６、３０６トラップ電荷減少後の出射光
１０５光学系（レンズ）
１０６ビーム走査範囲
１０７ビーム走査面
２０４、３０４、８０４可変焦点レンズ
２０５、３０５、８０５金属電極
３０７、８０７白金電極
３０８、８０９シリンドリカル凹レンズ
８０３レンズ効果が最も強い瞬間の出射光
８０６レンズ効果が最も弱い瞬間の出射光
８０８レンズ効果を補償した後の出射光

Claims

電気光学結晶の対向する面に少なくとも２つの電極が形成された光偏向器であって、前記少なくとも２つの電極に電圧を印加すると、電気光学効果により前記電気光学結晶内に一様でない屈折率分布が生じることにより、前記電圧により形成された電界に直交する光の進路を屈曲させる光偏向器と、
前記光偏向器の前記光の出射側に配置され、前記光偏向器のレンズ効果によって生じる焦点距離の変動を補償する可変焦点レンズであって、前記光偏向器の焦点距離の変動を予め測定し、前記予め測定した焦点距離の変動を補償するように前記可変焦点レンズの焦点距離が調整されていることと
を備えたことを特徴とする光偏向装置。
前記焦点距離の変動は、前記光偏向器に印加する前記電圧の印加時間に対する焦点距離の変動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
前記焦点距離の変動は、前記光偏向器に印加する前記電圧の振幅値に対する焦点距離の変動であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
前記光偏向器は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１））結晶、リチウムを添加したＫ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光偏向装置。
前記可変焦点レンズは、電気光学結晶からなり、前記光偏向器からの光が入射する面に形成され、前記光の光路を挟んで対向する第１の電極対と、前記入射する面と対向する面に、前記第１の電極対と対向する位置に形成された第２の電極対と含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光偏向装置。
前記可変焦点レンズからの出射光の焦点距離の変動を検知する手段と、
検知した焦点距離の変動を打ち消すように前記可変焦点レンズの前記第１および第２の電極対に印加する電圧を負帰還制御する手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の光偏向装置。