JP6646515B2 - 光偏向器 - Google Patents

Description

本発明は、光偏向器に関し、より詳細には、光偏向器の安定動作に必要な温度制御機構をより安価にすることのできる光偏向器の構造に関する。

光偏向器は、プリンタ、ディスプレイ、ＯＣＴ等の検査用光学機器、生体観察用レーザ顕微鏡等幅広く用いられている。従来、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等を用いた光偏向器が提案されている。近年、高速な光偏向器として電気光学結晶であるタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）結晶を用いた光偏向器が報告されている。ＫＴＮ光偏向器は、いわゆる透過型の光偏向器である。ＫＴＮ結晶への電子注入および電圧印加によりＫＴＮ結晶内部に電界を発生させ、ＫＴＮ結晶内部に屈折率分布を発生させる。電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、電界の印加により、結晶内部を透過する光を偏向させる。ガルバノミラー等のように駆動部分を持たない機構により、従来の光偏向よりも高速な光偏向を実現している。

ＫＴＮ光偏向器における偏向角θは、次式で表される（例えば、非特許文献１参照）。

ｎはＫＴＮの屈折率、ｇ₁₁は電気光学定数、ｅは電気素量、Ｎは電子数、Ｌは結晶長、εは誘電率、Ｖは印加電圧、ｄは電極間距離である。ＫＴＮは、他の電気光学結晶よりも誘電率が大きいため広角な偏向が可能である。また、ＫＴＮの誘電率には温度依存性があり、正方晶と立方晶の相転移温度付近で極大となるため、広角及び安定な動作のためには、ＫＴＮ結晶の温度を相転移温度付近で一定に保つ必要がある。ＫＴＮは、その大きな誘電率のため発熱が大きく、ＫＴＮ結晶の温度を一定に保つには、ＫＴＮ結晶からの発熱を考慮した温度制御機構が必要になる。

特開２０１３−１９５９１６号公報

J. Miyazu, T. Imai, S. Toyoda, M Sasaura, S. Yagi, K. Kato, Y. Sasaki, and K. Fujiura, "New Beam Scanning Model for High-Speed Operation Using KTa1-xNbxO3 Crystals", Appl. Phys. Express, vol. 4, no. 11, 111501, November 2011.

ＫＴＮ結晶の温度を一定に保つ温度制御機構として、温度検出器としてサーミスタを、冷却加熱手段としてペルチェ素子を用いた機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の光偏向器の温度制御機構の第１例を示す。ＫＴＮ結晶１は、その上下面をグラファイトシート２ａ、２ｂで挟み込まれ、２つの金属ブロック３ａ、３ｂで保持されている。ＫＴＮ結晶１の上下面には、制御電圧を印加するための電極が形成され、金属ブロック３ａ、３ｂを介して制御電圧源に電気的に接続されている。グラファイトシート２ａ、２ｂは、ＫＴＮ結晶１に高周波制御電圧を印加する場合に、振動によるＫＴＮ結晶の破壊を防止するために挿入される。ＫＴＮ結晶１の両脇には、ＫＴＮ結晶１の位置決めと、２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材としてアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）４ａ，４ｂを挿入している。

金属ブロック３ａと支持板５との間にペルチェ素子６が配置され、金属ブロック３ａの内部には、サーミスタ７が埋め込まれている。温度制御装置８は、サーミスタ７によって温度を検出して、ペルチェ素子６により金属ブロック３ａを加熱して、ＫＴＮ結晶１を適切な設定温度に維持する。

図２に、第１例における環境温度に対するＫＴＮ結晶のキャパシタンスの変化を示す。ＫＴＮ結晶１の上下面に設けた電極間のキャパシタンスを、環境温度に応じて測定した結果である。ＫＴＮのキャパシタンスは以下の式で表される。

Ｓは、ＫＴＮ結晶１に設けた電極面積である。式（２）に示すように、キャパシタンスは誘電率に比例するため、キャパシタンスの変動をみることにより誘電率の変化を捉えることができる。ＫＴＮ光偏向器を用いるシステムに要求される誘電率の変動を、キャパシタンスに置き換えると、許容範囲は±０．０２ｎＦであるが、図２によれば、±０．２ｎＦの変動が見られる。

図３に、従来の光偏向器の温度制御機構の第２例を示す。誘電率の変動を抑制するために、２つのペルチェ素子６ａ，６ｂを、金属ブロック３ａと支持板５ａとの間、金属ブロック３ｂと支持板５ｂとの間にそれぞれ配置した。サーミスタ７ａ，７ｂも、金属ブロック３ａ，３ｂのそれぞれに２つ配置して、２つの温度制御装置８ａ，８ｂにより、ＫＴＮ結晶１の上下両方から温度制御を行う。このような構成により、ＫＴＮの温度を一定に保ち、誘電率の変動を抑制する。

しかしながら、第２例のＫＴＮ光偏向器では、ペルチェ素子を駆動させるための温度制御装置が２台必要になり、ＫＴＮ光偏向器のサイズが大型となり、製造コストも大きくなってしまうという課題があった。

本発明の目的は、１つの温度制御装置によりＫＴＮ結晶の温度を一定に保つことができる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、一実施態様は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成され前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる正極と負極とからなる電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器であって、前記正極と接触し第１のサーミスタを備えた第１の導体保持部と、前記負極と接触し第２のサーミスタを備えた第２の導体保持部とを備え、前記第１のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₁ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、前記第２のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₂ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、ａ℃での絶対温度をＴａ、２５℃での絶対温度をＴ ₂₅ 、およびＢ定数をＢとしたとき、直列に接続された前記第１および前記第２のサーミスタの抵抗値Ｒ ₁ ＋Ｒ ₂ から、式

により検出された温度に基づいて、温度制御手段により前記電気光学結晶を一定の温度に保持することを特徴とする。

本発明によれば、直列に接続された第１および第２の温度検出器により検出された温度に基づいて、電気光学結晶を一定の温度に保持するように制御するので、１つの温度制御手段によりＫＴＮ結晶の温度を一定に保つことができる。

従来の光偏向器の温度制御機構の第１例を示す図である。 第１例における環境温度に対するＫＴＮ結晶のキャパシタンスの変化を示す図である。 従来の光偏向器の温度制御機構の第２例を示す図である。 本発明の実施例１にかかる光偏向器を示す図である。 実施例１における環境温度に対するＫＴＮ結晶のキャパシタンスの変化を示す図である。 本発明の実施例２にかかる光偏向器を示す図である。 本発明の実施例３にかかる光偏向器を示す図である。

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４に、本発明の実施例１にかかる光偏向器を示す。図４は、光の入射方向から見たＫＴＮ光偏向器である。ＫＴＮ結晶１１は、その上下面をグラファイトシート１２ａ、１２ｂで挟み込まれ、２つの金属ブロック（導体保持部）１３ａ、１３ｂで保持されている。ＫＴＮ結晶１１の対向する上下の面には、制御電圧を印加するための正極と負極とからなる電極対が形成され、それぞれに接触する金属ブロック１３ａ、１３ｂを介して制御電圧源に電気的に接続されている。制御電圧源からの電圧印加と、ＫＴＮ結晶１１への電子注入によりＫＴＮ結晶１１内部に電界を発生させ、ＫＴＮ結晶１１内部に屈折率分布を発生させる。電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、電極対の間に電圧を印加して、入射光を偏向させる。

グラファイトシート１２ａ、１２ｂは、ＫＴＮ結晶１１に高周波制御電圧を印加する場合に、振動によるＫＴＮ結晶の破壊を防止するために挿入される。ＫＴＮ結晶１１の両脇には、ＫＴＮ結晶１１の位置決めと、２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材としてアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）１４ａ，１４ｂを挿入している。

金属ブロック１３ａと支持板１５との間にペルチェ素子１６が配置され、金属ブロック１３ａ，１３ｂの内部には、それぞれサーミスタ（温度検出器）１７ａ，１７ｂが埋め込まれている。温度制御装置１８は、サーミスタ１７ａ，１７ｂによって温度を検出して、ペルチェ素子１６により金属ブロック１３ａを加熱または冷却して、ＫＴＮ結晶１１を適切な設定温度（一定温度）に維持する。

ここで、温度制御装置１８は、直列に接続されたサーミスタ１７ａとサーミスタ１７ｂの抵抗値を測定することにより温度を検出する。すなわち、ＫＴＮ結晶１１の発熱による金属ブロック１３ａ、１３ｂの双方の温度上昇をフィードバックすることができる。また、ＫＴＮ結晶１１の発熱だけでなく、環境温度の変化による金属ブロック１３ａ、１３ｂの温度変化に対しても対応することができ、ＫＴＮ結晶１１の誘電率を一定に保つことができる。

さらに、このような構成により、温度制御装置１８およびペルチェ素子１６を１組だけ使用することにより温度制御が可能となる。従って、ＫＴＮ光偏向器の大型化を防ぎ、製造コストを抑制することができる。

図５に、実施例１における環境温度に対するＫＴＮ結晶のキャパシタンスの変化を示す。ＫＴＮ結晶１１には、周波数２０ｋＨｚ、振幅６００Ｖｐｐの印加電圧を加える。環境温度を２０−４０℃の間で継時的に変化させ、金属ブロック１３ａ、１３ｂのＫＴＮ結晶のキャパシタンスを測定した。従来例の図２と比較すると、実施例１によれば、ＫＴＮ結晶のキャパシタンスの変化が、許容範囲の±０．０２ｎＦ以内に収まっており、環境温度が２０℃変化しても殆ど影響を受けていないことがわかる。

ＫＴＮ結晶は、電圧印加の際に電歪が生じ、ＫＴＮ結晶に加えられる圧力によって誘電率が変化する。このため、ＫＴＮ結晶の電歪を吸収し、ＫＴＮ結晶への圧力を一定に保つために、ばね等を利用したＫＴＮ結晶の保持機構が有効である（例えば、特許文献１参照）。例えば、２つの金属ブロック（導体保持部）１３ａ、１３ｂによって、正極が形成された面および負極が形成された面にそれぞれ垂直な方向に、ＫＴＮ結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段を備えることができる。このような保持機構の有無および形状・構成は、どのようなものでも構わない。また、上下の熱移動についても上下電極間の絶縁性が保持されていれば、どのような形状でも構わない。サーミスタの構成についても、上下電極それぞれの温度を検出できれば設置箇所・個数等を含めどのような構成になっていても構わない。

図６に、本発明の実施例２にかかる光偏向器を示す。実施例１の光偏向器がｙ軸方向の１軸の光偏向を行うのに対して、実施例２の光偏向器は、ｘ軸とｙ軸の２軸の光偏向を行う。ｙ軸方向の光偏向を行う前段の光偏向素子の構成は、実施例１の光偏向器と同じである。ＫＴＮ結晶２１は、その上下面をグラファイトシート２２ａ、２２ｂで挟み込まれ、２つの金属ブロック（導体保持部）２３ａ、２３ｂで保持されている。ＫＴＮ結晶２１の対向する上下の面には、制御電圧を印加するための正極と負極とからなる電極対が形成され、それぞれに接触する金属ブロック２３ａ、２３ｂを介して制御電圧源に電気的に接続されている。ＫＴＮ結晶２１の両脇には、ＫＴＮ結晶２１の位置決めと、２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材としてアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）２４ａ，２４ｂを挿入している。金属ブロック２３ａを伝熱板２５の上面に載置し、伝熱板２５の下面にペルチェ素子２６が配置される。金属ブロック２３ａ，２３ｂの内部には、それぞれサーミスタ２７ａ，２７ｂが埋め込まれている。

前段の光偏向素子と、ｘ軸方向の光偏向を行う後段の光偏向素子との間には、半波長板２９が挿入され、それぞれ同一の光軸上に配置され、前段の光偏向素子と後段の光偏向素子とは、光軸を中心軸として９０度の角度を成すように、設置されている。前段の光偏向素子からの出射光は、半波長板２９を透過して、後段の光偏向素子に入射される。

後段の光偏向素子の構成も、実施例１の光偏向器の構成と同じである。ＫＴＮ結晶３１は、その左右の面をグラファイトシート３２ａ、３２ｂで挟み込まれ、２つの金属ブロック（導体保持部）３３ａ、３３ｂで保持されている。ＫＴＮ結晶３１の対向する左右の面には、制御電圧を印加するための正極と負極とからなる電極対が形成され、それぞれに接触する金属ブロック３３ａ、３３ｂを介して制御電圧源に電気的に接続されている。ＫＴＮ結晶３１の上下には、ＫＴＮ結晶３１の位置決めと、２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材としてアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）３４ａ，３４ｂを挿入している。金属ブロック３３ａ，３３ｂの一方の側面を伝熱板２５の上面に載置する。金属ブロック３３ａ，３３ｂの内部には、それぞれサーミスタ３７ａ，３７ｂが埋め込まれている。

温度制御装置２８は、サーミスタ２７ａ，２７ｂによって前段の光偏向素子の温度を検出し、サーミスタ３７ａ，３７ｂによって後段の光偏向素子の温度を検出する。４つのサーミスタ２７ａ，２７ｂ，３７ａ，３７ｂは直列に接続され、温度制御装置１８は、これらの直列抵抗値を測定することにより、双方の光偏向素子の温度上昇をフィードバックすることができる。温度制御装置２８は、ペルチェ素子２６により金属ブロック２３ａ，３３ａ，３３ｂを加熱して、ＫＴＮ結晶２１，３１を適切な設定温度に維持する。

実施例２によれば、前後段の光偏向素子を含む光偏向器全体を、１つの温度制御装置により制御することができる。なお、伝熱板の構成については、各金属ブロックと接することができ、ペルチェ素子を熱的に結合できる構成であればどのような形状でもよい。

複数のサーミスタを直列に接続した時の温度制御装置の設定について述べる。サーミスタによって検出される温度は以下の式から算出される。

Ｔａはａ℃での絶対温度、Ｒａはａ℃でのゼロ負荷抵抗値、Ｔ₂₅は２５℃での絶対温度、Ｒ₂₅は２５℃でのサーミスタの抵抗値、ＢはＢ定数である。実施例１のようにサーミスタを２つ直列に接続したとき、それぞれの抵抗をＲ₁、Ｒ₂としたとき、検出される温度は、

と近似した場合、次式となる。

式（３）と比較すると、サーミスタの抵抗値Ｒ₂₅を２倍にすることにより、ＲaとＲ₁＋Ｒ₂とを同等に扱うことができる。すなわち、サーミスタの抵抗値Ｒ₂₅を２倍に設定変更するだけにより、従来の単一のサーミスタを接続した場合と同様に、直複数のサーミスタを直列に接続した場合でも、ペルチェ素子を駆動させることができる。

図７に、本発明の実施例３にかかる光偏向器を示す。ＫＴＮ結晶４１は、その上下面をグラファイトシート４２ａ、４２ｂで挟み込まれ、２つの金属ブロック（導体保持部）４３ａ、４３ｂで保持されている。ＫＴＮ結晶４１の対向する上下の面には、制御電圧を印加するための正極と負極とからなる電極対が形成され、それぞれに接触する金属ブロック４３ａ、４３ｂを介して制御電圧源に電気的に接続されている。ＫＴＮ結晶４１の両脇には、ＫＴＮ結晶４１の位置決めと、２つの金属ブロックの温度を均一に保つための伝熱材としてアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）４４ａ，４４ｂを挿入している。金属ブロック４３ａと支持板４５との間にペルチェ素子４６が配置され、金属ブロック４３ａの内部には、複数のサーミスタ（複数の温度検出素子）４７ａ，４７ｃが、金属ブロック４３ｂの内部には、複数のサーミスタ（複数の温度検出素子）４７ｂ，４７ｄが、それぞれ埋め込まれている。

サーミスタ４７ａ（抵抗値Ｒ₁）とサーミスタ４７ｂ（抵抗値Ｒ₂）とが直列に接続され、サーミスタ４７ｃ（抵抗値Ｒ₁）とサーミスタ４７ｄ（抵抗値Ｒ₂）とが直列に接続され、前者のサーミスタの組と後者のサーミスタの組とが並列に接続され、温度制御装置４８に接続されている。この場合、４つの合成抵抗は、

となる。

また、４か所の平均温度は、

となる。

このとき、温度制御装置４８によって検出される温度は式（３）と同じになる。従って、温度制御装置４８は、実施例２の温度制御装置３８の設定を変更せずに、そのまま適用することができる。

（電気光学材料）
本実施形態においては、電気光学結晶としてＫＴＮ結晶を例に説明したが、反転対称性を有するペロブスカイト型の結晶構造を有する単結晶材料を用いることもできる。ＫＴＮに関連する単結晶材料として、結晶の主成分が、周期律表Ｉａ族とＶａ族から構成されており、Ｉａ族はカリウムであり、Ｖａ族はニオブ、タンタルの少なくとも１つを含む材料を用いることができる。また、添加不純物としてカリウムを除く周期律表Ｉａ族、例えばリチウム、またはＩＩａ族の１または複数種を含むこともできる。例えば、立方晶相のＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）結晶を用いることもできる。

その他に、ＰｂＴｉ_1-xＺｒ_xＯ₃（ＰＺＴ）や、これにＬａを添加したＰＬＺＴも、ペロブスカイト型結晶であり、組成と使用温度の選択により、反転対称性を持たせることができる。これらは、単結晶でなくても、多結晶の焼結体としても用いることができる。

（電極材料）
電気光学結晶に高い電圧を印加すると、電極から電荷が注入され、結晶内に空間電荷が発生しうる。この空間電荷により電圧の印加方向に電界の大きさの傾斜が生じるために、屈折率の変調にも傾斜が生じる。従って、電気光学材料を本実施形態の光偏向器として機能させるため、所望の屈折率分布を得るためには、電気光学結晶に電圧を印加した際に、電気光学結晶の内部に高密度の空間電荷が形成されるのがよい。

空間電荷の量は、キャリアの注入効率に依存する量である。電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが電子の場合には、電極材料の仕事関数が小さくなるにつれて、電極と基板との間はオーミック接合に近づき、キャリアの注入効率は増加する。従って、本実施形態のＫＴＮ結晶の対向する面に形成された電極は、ＫＴＮ結晶とオーミック接合が形成される材料であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ未満の電極材料として、Ｔｉ（３．８４）等を用いることができる。（）内は仕事関数を示し、単位はｅＶである。なお、Ｔｉの単層電極は、酸化して高抵抗になるので、一般的には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極を用いて、Ｔｉの層と電気光学結晶とを接合させる。さらに、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。

一方、電気光学結晶において電気伝導に寄与するキャリアが正孔の場合には、正孔を効率よく注入するために、電極材料の仕事関数は、５．０ｅＶ以上であることが好ましい。例えば、仕事関数が５．０ｅＶ以上の電極材料として、Ｃｏ（５．０）、Ｇｅ（５．０）、Ａｕ（５．１）、Ｐｄ（５．１２）、Ｎｉ（５．１５）、Ｉｒ（５．２７）、Ｐｔ（５．６５）、Ｓｅ（５．９）を用いることができる。

１，１１，２１，３１，４１ ＫＴＮ結晶
２，１２，２２，３２，４２ グラファイトシート
３，１３，２３，３３，４３ 金属ブロック
４，１４，２４，３４，４４ アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）
５，１５，４５ 支持板
６，１６，２６，４６ ペルチェ素子
７，１７，２７，３７，４７ サーミスタ
８，１８，２８，４８ 温度制御装置
２５ 伝熱板

Claims (6)

1. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成され前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる正極と負極とからなる電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器であって、
   前記正極と接触し第１のサーミスタを備えた第１の導体保持部と、
   前記負極と接触し第２のサーミスタを備えた第２の導体保持部とを備え、
   前記第１のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₁ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、前記第２のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₂ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、ａ℃での絶対温度をＴａ、２５℃での絶対温度をＴ ₂₅ 、およびＢ定数をＢとしたとき、直列に接続された前記第１および前記第２のサーミスタの抵抗値Ｒ ₁ ＋Ｒ ₂ から、式
   により検出された温度に基づいて、温度制御手段により前記電気光学結晶を一定の温度に保持することを特徴とする光偏向器。
2. 電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成され前記電気光学結晶の内部に電界を発生させる正極と負極とからなる電極対とを備え、前記電界の方向と直交するように入射光の光軸が設定され、前記電極対の間に電圧を印加して、前記入射光を偏向させる光偏向器であって、
   前記正極と接触し第１の温度検出器を備えた第１の導体保持部と、
   前記負極と接触し第２の温度検出器を備えた第２の導体保持部とを備え、
   前記第１の温度検出器は、第１および第３のサーミスタを含み、前記第２の温度検出器は、第２および第４のサーミスタを含み、前記第１のサーミスタと前記第２のサーミスタとが直列に接続された組と、前記第３のサーミスタと前記第４のサーミスタとが直列に接続された組とが並列に接続され、
   前記第１および前記第３のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₁ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、前記第２および前記第４のサーミスタのａ℃におけるゼロ負荷抵抗値をＲ ₂ 、２５℃における抵抗値をＲ ₂₅ 、ａ℃での絶対温度をＴａ、２５℃での絶対温度をＴ ₂₅ 、およびＢ定数をＢとしたとき、前記第１および前記第２の温度検出器の合成抵抗、
   から、式
   により検出された温度に基づいて、温度制御手段により前記電気光学結晶を一定の温度に保持することを特徴とする光偏向器。
3. 前記第１の導体保持部および前記第２の導体保持部によって、前記正極が形成された面および前記負極が形成された面にそれぞれ垂直な方向に、前記電気光学結晶に対して所定の圧力を与える圧力付与手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光偏向器。
4. 前記電気光学結晶は、ペロブスカイト型単結晶材料であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光偏向器。
5. 前記電気光学結晶は、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項４に記載の光偏向器。
6. 前記正極および前記負極とは、前記電気光学結晶とオーミック接合が形成される材料からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光偏向器。