JP6306981B2 - 光偏向装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学結晶を用いた光偏向装置に関する。

光の進行方向を変える光偏向器のうち、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶ないしＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）結晶（以降ＫＴＮ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、可動部を持たない固体素子である（特許文献１）。

ＫＴＮ結晶は、低い電圧で屈折率が大きく変わる電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、ＴｉやＣｒ電極を用いると結晶内に電荷を注入することができ、その電荷で生じる内部電界を利用して高速・広角な光偏向器を実現することができる。

したがって、ＫＴＮを用いると、レンズ、プリズム、ミラーといったごく一般的な部品を、それらが高速で動く必要がある用途において置き換えることができる（特許文献２）。その応用範囲は、レーザ加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、医療計測などと幅広い分野におよぶと期待されている。

特に医療計測応用として、ＫＴＮ高速光偏向器を用いたコヒーレンストモグラフィー（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）が近年注目されている。ＯＣＴとは赤外・近赤外を用いて、生体内部をｉｎ ｓｉｔｕで観察する可視化技術である。ＯＣＴはＸ線ＣＴ、ＭＲＩ、超音波断層と比較して、非侵襲・非接触・高分解能・高速に、生体情報を取得できその適用領域が急速に広がっている。

ＯＣＴの基本原理として、光源からの出射光を２経路に分け、一方を画像の取得対象に、もう一方を参照用にミラーで反射させ、これらの２つの干渉信号により対象物の情報を得る。中でも光源として広帯域な高速波長掃引光源を用いたＳＳ−ＯＣＴ方式は現在最も高速・高精細なＯＣＴ画像を得ることができる。この方式では、ＫＴＮ光偏向器を用いてリットマン型共振器を構成することで、世界最速となる周波数２００ｋＨｚにおいて、ＯＣＴシステムの要求条件を満たす波長掃引幅１００ｎｍ、コヒーレンス長７ｍｍ（１．３μｍ）の波長掃引光源が実現されている。さらにＯＣＴシステムを構築しヒト指の３次元ＯＣＴ像が明瞭に観察されている（非特許文献１）。

このようにＫＴＮ光偏向器のフィージビリティが確認され、その実用化が着実に進んでいる。

国際公開ＷＯ２００６／１３７４０８号公報 特開２０１２−０７４５９７号公報

岡部他: 「KTNスキャナを用いたOCT用200kHz波長掃引光源」, 信学総大D-7-17, p. 109, 2012 J. Miyazu et al.: "New beam scanning model for high-speed operation using KTa1-xNbxO3 Crystals", APEX, Vol. 4, Issue 11, pp. 115101-1-111501-3, 2011.

光偏向器の重要な性能指数の１つに解像点数が挙げられる。プリンタ、ディスプレイなど表示装置では他産業分野より大きな解像点数、例えば数百〜数千点を要求される。また、前述した波長掃引光源の重要な特性として、表面からどの内部深さまで観測できるかを決める光の深達度が挙げられるが、これも解像点数が支配的なパラメータである。

しかしながら、従来のＫＴＮ光偏向器の解像点数は百点程度にとどまっていた。光偏向器の解像点数は一般的に偏向角と出射ビーム径の積で決まる。従って、解像点数を増加させる１つの方策として光偏向器の偏向角を増加させることが考えられる。

ところで、ＫＴＮ光偏向器の高速動作原理としては、最初ＤＣ電圧を印加して注入された電荷が形成する残留屈折率分布に対しＡＣ電圧を印加することによってその偏向動作が実現されている（非特許文献２）。電界に平行な偏波を入射したときのＫＴＮ光偏向器の偏向角θは下式となる。

（ｎ₀：電圧印加前屈折率、Ｌ：光路長、ｇ₁₁：電気光学定数、ε：誘電率、ρ：残留電荷、Ｖ：印加電圧、ｄ：結晶厚）

数１に示すように、光偏向器から出射される光線を外部から見たときに色々な偏向角θで出射した光線が、光偏向器の内で交わる位置を偏向ピボット、もしくは、偏向原点とする。ＫＴＮ光偏向器の偏向角は印加電圧や光路長に比例するため、ＫＴＮ結晶のチップサイズを大きくして光路長Ｌを大きくすることが有効な手段と考えられる。

しかし、ＫＴＮ結晶のチップサイズを大きくすると容量がより大きくなり、結果としてＫＴＮ結晶からの発熱の影響が大きくなるという課題がある。また、そもそも大きなサイズのＫＴＮ結晶を作製することには、製造での歩留まり悪化や、動作中の高周波電圧印加に伴う結晶破壊などの課題がある。このように、ＫＴＮ光偏向器を高周波駆動させる場合、１チップのＫＴＮ結晶のサイズを大きくして大きな偏向角を得ることには限界がある。

また、２つのＫＴＮ光偏向器を、偏向方向が直交するように隣接して構成した２次元偏向器においても次のような課題がある。２つの偏向器を光軸方向に連結することにより２次元偏向器を構成すると、１段目の光偏向器からのビームは偏向されて出てくるので、ビームの軌跡が発散した状態となり、２段目の光偏向器の開口において、開口の大きさで偏向角が制限されてしまう。偏向角を大きくするためにはチップサイズを大きくする必要があるが、同じ方向に偏向駆動させる場合と同様、チップサイズを大きくして大きな偏向角を得ることには限界があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１チップのサイズが大きいＫＴＮ結晶を用いることなく、大きな偏向角が得られる光偏向器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、光偏向装置であって、電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、前記電気光学結晶に入射する入射光を偏向させる複数の光偏向器と、前記光偏向器間の光路上に配置されたリレーレンズと、を備え、隣接する一方の前記光偏向器の偏向ピボットが前記リレーレンズにより、隣接する他方の前記光偏向器の内部に結像され、一方の前記光偏向器に印加される電界の向きが前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器に印加される電界の向きに対して逆位相となるように、一方の前記光偏向器の制御電圧を、前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器の制御電圧に対して逆位相とすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光偏向装置において、隣接する一方の前記光偏向器の偏向ピボットが前記リレーレンズにより、隣接する他方の前記光偏向器の偏向ピボットの位置に結像されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光偏向装置において、前記光偏向器の制御電圧は、前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器の制御電圧に対して逆符号のＤＣ電圧をオフセットとして重畳されたものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光偏向装置において、前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはＫＴＮにリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂxＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））結晶のいずれかであることを特徴とする。

本発明の光偏向器は、チップを連結しても偏向特性を損なうことなく高効率な光偏向装置を実現することができ、光偏向器の適用領域を増大させるものである。

本発明の構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係るＫＴＮ光偏向装置の形態を示す図である。 典型的なリレーレンズの使用例を示す図である。 （ａ）は、ＫＴＮ光偏向器間の空間の屈折率がＫＴＮ結晶と同じ屈折率である場合の偏向ビームの軌跡を示す図であり、（ｂ）は、ＫＴＮ光偏向器間の空間が空気で満たされている場合の偏向ビームの軌跡を示す図であり、（ｃ）は、ＫＴＮ光偏向器間の空間にリレーレンズを配置した場合の偏向ビームの軌跡を示す図である。 ＫＴＮ光偏向器をＤＣバイアスモードで駆動する際の電圧パターンを示す図である。 ＫＴＮ光偏向器をＤＣバイアスモードで駆動した場合の偏向ビームの軌跡を示す図である。 隣接するＫＴＮ光偏向器に逆位相の電圧を印加するＫＴＮ光偏向装置の構造を示す図である。 本発明の実施形態２に係るＫＴＮ光偏向器をｎ段連結させたＫＴＮ光偏向装置の構造を示す図である。 本発明の実施形態３に係る隣接するＫＴＮ光偏向器を直交する向きに配置し、中間に半波長板を配置して２次元光偏向装置を構成した形態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の構成を示す。２つのＫＴＮ光偏向器の間にリレーレンズ４、５を配置している。ＫＴＮ光偏向器１−１にコリメート光を入射し、電圧を印加すると光は偏向し、実線と点線との間でビームは偏向される。このとき、このＫＴＮ光偏向器１−１の偏向ピボット６はリレーレンズ４、５によってＫＴＮ光偏向器１−２内部に結像され、偏向ピボット７と重なるため、より大きな偏向角が得られる。

図２に、本発明の実施形態１に係るＫＴＮ光偏向装置の形態を示す。２つのＫＴＮ光偏向器１−１、１−２を直列に配置し、各ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２の前後にシリンドリカル凹レンズ２−１、３−１、２−２、３−２をそれぞれ配置し、前段の光偏向器１−１と後段の光偏向器１−２の間にリレーレンズ４、５としてシリンドリカル凸レンズを配置した。

特に記載は省略するが、２つのＫＴＮ光偏向器１−１、１−２は立方晶を保つように温度制御され所望の誘電率を保つようにしてある。これはこれから説明する図４のＫＴＮについても同様である。

リレーレンズ４、５は、物体が集光光学系よりも遠方にある場合、物体の大きさはそのままで焦点距離を移動することができるレンズ群であって、長焦点顕微鏡などでよく使用されている。

図３に、典型的なリレーレンズの使用例を示す。顕微鏡系２３だけで物体の像をＩに形成するためには、顕微鏡系２３の対物レンズの焦点位置Ｏ’に物体を置く必要があるが、リレーレンズ２１、２２を用いることにより、位置Ｏにある物体の像を顕微鏡系２３の対物レンズの焦点位置Ｏ’に作ることができる。焦点位置Ｏ’に物体を置く代わりに物体の像を作ることによってもＩに物体の像ができるので、位置Ｏに物体を置いていても、あたかも焦点位置Ｏ’に物体があるかのようにして観察ができる。このように使われるのがリレー光学である。このリレーレンズを用いれば一方の光偏向器の偏向ピボットＯをＯ’に結像させることが可能となる。

図３では焦点距離が同じ一対のレンズを用いているが、収差を小さくするために３枚以上の組み合わせレンズを使用してもよい。なおリレー光学では位置Ｏの物体の像が上下さかさまになってＯ’へと移されるが、像のサイズは物体の大きさと変わらない。

また、凹レンズ２−１、３−１、２−２、３−２は、ＫＴＮ結晶の凸レンズ効果を打ち消すためのもので、ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２を通過してもコリメート光を維持することができる。

図２に示すＫＴＮ光偏向装置を動作させたところ、光偏向器１−１、１−２の偏向角をほぼ足し合わせたものであり、ＫＴＮ結晶のチップを連結しても高効率な光偏向装置を実現することができる。

図４（ａ）〜（ｃ）を用いて、本発明のＫＴＮ光偏向装置の動作原理を簡単に説明する。

先ず、１チップの大きなサイズのＫＴＮ結晶を用いることなく、それと同等の偏向角を得るため、例えば同じサイズのＫＴＮ結晶１０−１、１０−２を用いた２つのＫＴＮ光偏向器１−１、１−２を、光路上に直列に配置することが考えられる（図４（ａ））。ＫＴＮ結晶１０−１、１０−２の上面と下面には、それぞれ電極１１−１、１２−１、１１−２、１２−２が形成されている。

もし、ＫＴＮ光偏向器１−１とＫＴＮ光偏向器１−２との間の空間の屈折率が、ＫＴＮ結晶１０−１、１０−２と同じ屈折率であれば、ＫＴＮ光偏向器１−２からの出力は、光偏向器１−１、１−２に対し２倍の長さのＫＴＮ結晶を備えた光偏向器と同じ偏向角が得られる。

しかし、実際には、両ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２の間の空間は空気（屈折率≒１）で満たされているため、スネルの法則に従い、ＫＴＮ光偏向器１−１の出射端面で出射角が屈折してしまう。ＫＴＮ光偏向器１−２の出射端面では、ＫＴＮ光偏向器１−１の出射端面直前に比べて約２倍の偏向角となってしまう（図４（ｂ））。その結果、偏向された光が光偏向器１−２の入射端面の広い領域に照射されるので、電極１１−２、１２−２に近い領域から入射した光はＫＴＮ結晶１０−２内部で電極形成面に衝突してしまい、結果として大きな偏向角を変えることができない。

そこで、本発明のようにＫＴＮ光偏向器１−１とＫＴＮ光偏向器１−２との間にリレーレンズ４、５を光路上に設置する場合を考える。ＫＴＮ光偏向器１−１から出射された光は、図４（ｃ）における実線の軌跡のように、ＫＴＮ光偏向器１−１のＫＴＮ結晶１０−１から空気に出射される直前の偏向角で、かつ、ＫＴＮ光偏向器１−２の入射端面に収束するように入射する。そして、ＫＴＮ光偏向器１−１の偏向ピボット６は、リレーレンズ４、５によりＫＴＮ光偏向器１−２の内部で結像される。そのため、ＫＴＮ光偏向器１−２のＫＴＮ結晶１０−２内部の電極形成面に衝突せずに、単一の大きなＫＴＮ結晶を用いた場合と同程度の大きな偏向角を得ることができる。

ＫＴＮ光偏向器１−１の偏向ピボット６が結像される位置は、隣接する他方のＫＴＮ光偏向器１−２内部で良いが、隣接する他方のＫＴＮ光偏向器１−２の偏向ピボット７に合わせることが望ましい。これにより、ビームに歪みがない、より品質の高い光偏向器を形成することができる。

次に、本発明のＫＴＮ光偏向装置の駆動方法について説明する。

ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２は、印加プロファイルとしてＤＣバイアスモード信号を印加することで駆動される。図５に、ＫＴＮ光偏向器をＤＣバイアスモードで駆動する際の電圧パターンを示す。横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧値を示している。最初に所定の時間（トラップ充填時間）でトラップ充填を行った後に、ＤＣバイアスを重畳したＡＣ電圧を印加して偏向器として動作さる。ＤＣバイアスを印加し続けると熱再放出される電子を補うように電子が負電極から供給されるため、長時間経過しても一定の電子が結晶内に残留することになる。従って、長時間経過しても偏向角が減少しないＫＴＮ偏向器を実現することができる。

しかし、ＫＴＮ光偏向器に入射した光は、ＤＣバイアスを印加して偏向させると、ＤＣバイアス分だけ偏向したオフセットを中心に重畳した交流電圧に応じて偏向される。図６に、ＫＴＮ光偏向器をＤＣバイアスモードで駆動した場合の偏向ビームの軌跡を示す。図６に示すように、ＤＣバイアスモードで駆動した場合、オフセットがあるために偏向ビームが偏り、内部で電極形成面に衝突し易くなるという欠点があった。

これを克服するため、ＫＴＮ光偏光器１−１、１−２に逆符号の直流電圧を印加し、さらに、ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２に逆相の交流電圧を重畳して印加することとした。

図７に、隣接するＫＴＮ光偏向器に逆位相の電圧を印加するＫＴＮ光偏向装置の構造を示す。まず入射光は、ＫＴＮ光偏向器１−１に印加したＤＣバイアスの負電極１２−１側を中心に偏向されることになる。ＫＴＮ光偏向器１−１から出射された光は、凹レンズ３−１、リレーレンズ４、５、凹レンズ２−２を介してＫＴＮ光偏向器１−２に入射すると、ＤＣバイアスの負電極１２−２側を中心に偏向される。ＫＴＮ光偏向器１−１、１−２が互いに逆方向にＤＣバイアスが印加されているため、ＫＴＮ光偏向器１−２ではＫＴＮ結晶１０−２の中央位置を中心に偏向することできる。これにより、理想的には出射端の結晶中央を中心に偏向するため、内部の電極に衝突し難くなり、最大限効率的な偏向器を実現することができる。

図７に示すような偏光器モジュールの出射ビームをＩＲカメラで測定したところ、図４（ｃ）に示すように出射端の中央部を中心として偏向することを確認し、本発明の効果が確認できた。また、長時間偏向動作させても偏向角が劣化することなく安定に動作することを確認した。

（実施形態２）
図８に、本発明の実施形態２に係るＫＴＮ光偏向器をｎ段連結させたＫＴＮ光偏向装置の構造を示す。このＫＴＮ光偏向装置は、凹レンズ２、３を備えた光偏向器１がリレーレンズ４、５を介してｎ段連結されたものである。偏向ビームが途中の光偏向器１の電極形成面にぶつからないまでは、連結する光偏向器１の数ｎを増やすことができる。

また、本実施形態は、図７に示すＫＴＮ光偏向装置のように、奇数番目と偶数番目の位相が逆位相になるよう、隣あう奇数番目の光偏向器の上面の電極と偶数番目の光偏向器の下面の電極、および隣あう奇数番目の光偏向器の下面の電極と偶数番目の光偏向器の上面の電極をそれぞれ接続して所望の交流電圧を印加することができる。これによりさらなる高効率な偏向器を実現することができる。

（実施形態３）
図９に、本発明の実施形態３に係る隣接するＫＴＮ光偏向器を直交する向きに配置し、中間に半波長板を配置して２次元光偏向装置を構成した形態を示す。ＫＴＮ光偏向器１−１にコリメート光を入射し、電圧を印加すると、印加された電圧の向きに光は偏向する。偏向されたビームはリレーレンズ４、５を介して半波長板８によって偏波が９０°回転され、ＫＴＮ光偏向器２−１に入射される。そして、ＫＴＮ光偏向器２−１から出射されたビームは２次元偏向され、２次元偏向されたビームの軌跡９をたどる。

このとき、ＫＴＮ光偏向器１−１の偏向ピボットはリレーレンズ４、５によってＫＴＮ光偏向器１−２の偏向ピボットへ重ねることが可能となる。これにより、後段のＫＴＮ光偏向器の電極形成面に衝突させることなく、２次元偏向器を構成できる他、水平と垂直方向の偏向ピボットを一致させておくことが可能となる。

（実施例）
図７に示す構造のＫＴＮ光偏向装置の実施例について説明する。本実施例では、入射波長は１．３μｍ（ビーム径０．８ｍｍ）、入射光進行方向の物理長は４ｍｍ、結晶厚は光偏向器１−１、光偏向器１−２ともに１．２ｍｍとした。また、ＫＴＮが立方晶で、誘電率が１７５００になるようにペルチェ素子を用いて、両ＫＴＮ結晶を温度コントロールした。

ＫＴＮ結晶の凸レンズ効果を打ち消すために、光偏向器１−１と光偏向器１−２の前後に凹レンズ２−１、３−１、２−２、３−２を配置し、各々の光偏向器を通過してもコリメート光が維持するようにした。ここでは、用いた凹レンズ２−１、３−１、２−２、３−２のｆ値は、全て−１９ｍｍとした。

また、リレーレンズ４、５としてシリンドリカル凸レンズを用い、ｆ値（焦点距離）はどちらも７．７ｍｍとした。また、光偏向器１−１の上面の電極と光偏向器１−２電極の下面電極、光偏向器１−１の下面の電極と光偏向器１−２の上面の電極を、外部ラインを用いてそれぞれ接続して両結晶に逆位相の電圧を印加するようにした。

実際は、ここでは２００ｋＨｚまでの周波数において、ＤＣで±３００Ｖでプレチャージ後、ＡＣ電圧をＶｐｐ＝７２０Ｖを印加した。これにより、約２５０ｍｒａｄの偏向特性が得られた。これはほぼ光偏向器１−１と光偏向器１−２の偏向角を足し合わせたものであることが確認でき、ＫＴＮ結晶チップを連結しても高効率な光偏向装置を実現することができた。さらに、数日連続動作させても偏向角は劣化せず安定な光偏向器として動作しＤＣバイアス印加の効果を確認した。

なお、ＫＴＮ結晶の物理サイズ、印加電圧、凹レンズのｆ値、リレーレンズのｆ値、入射波長、ビーム径はここに記載された数値に限定されたものではなく、適用先に応じて変更しても同様にその効果を奏する。また、ＫＴＮ結晶は、ＫＬＴＮ結晶に置き換え可能である。

１ ＫＴＮ光偏向器
２、３ 凹レンズ
４、５、２１、２２ リレーレンズ
６、７ 偏向ピボット
８ 半波長板
９ ２次元で偏向されたビームの軌跡
１０ ＫＴＮ結晶
１１、１２ 電極
２３ 顕微鏡系

Claims (4)

1. 電気光学結晶の対向する面に形成した少なくとも２つの電極に制御電圧を印加して、前記電気光学結晶に入射する入射光を偏向させる複数の光偏向器と、
   前記光偏向器間の光路上に配置されたリレーレンズと、
   を備え、隣接する一方の前記光偏向器の偏向ピボットが前記リレーレンズにより、隣接する他方の前記光偏向器の内部に結像され、一方の前記光偏向器に印加される電界の向きが前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器に印加される電界の向きに対して逆位相となるように、一方の前記光偏向器の制御電圧を、前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器の制御電圧に対して逆位相とすることを特徴とする光偏向装置。
2. 隣接する一方の前記光偏向器の偏向ピボットが前記リレーレンズにより、隣接する他方の前記光偏向器の偏向ピボットの位置に結像されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
3. 前記光偏向器の制御電圧は、前記リレーレンズを介して隣接する他の前記光偏向器の制御電圧に対して逆符号のＤＣ電圧をオフセットとして重畳されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向装置。
4. 前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはＫＴＮにリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂxＯ₃（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乃至３のいずれかに記載の光偏向装置。

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