JP7170978B2

JP7170978B2 - 光偏向器

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Publication number: JP7170978B2
Application number: JP2019045820A
Authority: JP
Inventors: 洋介鈴木; 忠昭長尾; 明男渡辺
Original assignee: Denso Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: Denso Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN111694171A; US20200292910A1; CN111694171B; US11454858B2; JP2020148886A

Description

本発明は、透光性をもつイオン伝導性材料を用いた光偏向器に関する。

従来、レーザ光などの光の進行方向を制御する装置である光偏向器としては、例えば、特許文献１に記載の発明のように、ＥＯ効果、すなわち電気光学効果により屈折率が変化する材料（以下「電気光学材料」という）を用いるものが提案されている。なお、ＥＯ効果とは、ある物質に電界を印加することで、その物質の屈折率が変化する現象である。

特許文献１に記載の光偏向器は、電気光学材料で構成されたレーザ光などを透過させる部分と、電気光学材料を挟んで配置された一対の電極とを備え、電圧印加により電気光学材料の屈折率を変化させることで光の進行方向を制御する構成とされている。そのため、この種の光偏向器は、ガルバノミラーなどの鏡を可動させることで光の進行方向を制御する方式と異なり、鏡などの可動部分を有しないため、光の進行方向制御を高速化することができる。

特開２０１７－１７３３５０号公報

この種の光偏向器では、電気光学材料に入射した入射光は、当該電気光学材料を透過する際にその屈折率変化に伴って偏向させられた後に出射光として放射され、その進行方向が制御される。この入射光が屈折により偏向させられる角度、すなわち偏向角は、電気光学材料の屈折率の変化量が大きいほど大きくなり、光偏向器の性能向上の観点から、広範囲で制御可能とされることが好ましい。

ここで、特許文献１に記載の光偏向器は、電気光学材料としてＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）やＢＴ（チタン酸バリウム）が用いられている。

しかしながら、ＫＴＮは、例えば、温度６０℃かつ電界強度５００Ｖ／ｍｍの条件下にて、ＥＯ効果による屈折率変化が波長６３３ｎｍにおいて０．０１５程度と小さい。また、ＫＴＮに電界を印加したときの屈折率変化δ_ｎは、電界強度をＥ、ＫＴＮの屈折率をｎ_０、真空の誘電率をε_０、比誘電率をε_ｒとして、以下の（１）式で表される。

δ_ｎ＝－０．１３６／２×ｎ_０ ^３ε_０ ^２ε_ｒ ^２Ｅ^２・・・（１）
（１）式が示すように、電界を印加したときのＫＴＮの屈折率変化δ_ｎは、屈折率の３乗、真空の誘電率の２乗、比誘電率の２乗、および電界の２乗に比例している。そのため、ＫＴＮの屈折率変化量を増やす方法としては、電界強度Ｅもしくは比誘電率ε_ｒまたはその両方を大きくすることが考えられる。

しかしながら、電界強度Ｅを大きくすることは、高電圧化を意味するため、好ましくない。また、ＫＴＮの比誘電率ε_ｒには温度依存性があるため、比誘電率ε_ｒを大きくするためには、温度制御を行う必要がある。つまり、ＫＴＮを用いた光偏向器は、低い電圧での駆動が難しく、温度制御を必要とする。

なお、ＫＴＮ以外の電気光学材料としては、例えば、ＢＴ、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）やＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）などが挙げられるが、ＥＯ効果による屈折率変化がＫＴＮよりも小さい。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも低電圧駆動が可能、かつ温度制御が不要な光偏向器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の光偏向器は、光を透過する光透過部（１）と、光透過部を挟んで対向配置された一対の電極（２、３）とを備え、光透過部は、単結晶もしくは多結晶体からなる透明イオン伝導体であり、一対の電極により光透過部に所定の電圧を印加することで、透明イオン伝導体の内部におけるイオンの移動を生じさせ、光透過部の屈折率を変化させ、光透過部を透過する光の進行方向を変え、透明イオン伝導体は、Ｌｉ、ＬａおよびＺｒを含むガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導体である。

これにより、電界の印加により結晶内でイオンの移動が生じる透明イオン伝導体で構成された光透過部を有する光偏向器となる。この透明イオン伝導体は、従来の電気光学材料と異なり、電界の印加によってイオンの移動が生じると共に、常温の環境下であっても、従来よりも低電圧での屈折率の変化が大きい光学結晶である。そのため、この透明イオン伝導体を光透過部とすることで、従来よりも低電圧駆動が可能、かつ温度制御が不要な光偏向器となる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の光偏向器と偏向の様子を示す図である。透明イオン伝導体としてのＬＬＺ焼結体を示す図である。ＬＬＺ焼結体の光学特性を測定するためのサンプルおよび分光エリプソメトリー法における光の照射の様子を示す図である。分光エリプソメトリー法による図３のサンプルの測定結果を示すグラフである。分光エリプソメトリー法による図３のサンプルの測定結果を示すグラフである。図４、図５で得られたデータを用いて算出したＬＬＺ焼結体の屈折率を示すグラフである。ＬＬＺ焼結体の印加電圧に対する屈折率の変化を示すグラフである。従来の電気光学材料ＫＴＮを用いた光偏向器における偏向の様子を示す図である。図１の光偏向器での偏向における光透過部内の推定変化を示す図である。他の実施形態における光偏向器と偏向の様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態の光偏向器について、図１を参照して述べる。本光偏向器は、例えば、レンズ、プリズム、ミラーや光センシングデバイスなどに採用されると好適であるが、勿論、他の用途に適用されてもよい。なお、図１は、構成を分かり易くするため、後述する光透過部１および一対の電極２、３の厚みなどを誇張したものである。

（光偏向器の構成）
本実施形態の光偏向器は、図１に示すように、光を透過する光透過部１と、光透過部１を挟んで対向配置された一対の電極２、３とを備える。この光偏向器は、一対の電極２、３により光透過部１を構成する電気光学材料に電圧を印加することで、その屈折率を変化させ、光透過部１に入射した光線の進行方向を制御する構成とされている。

光透過部１は、例えば図１に示すように、表裏の関係にある一面１ａおよび他面１ｂと、一面１ａと他面１ｂとの間の面である側面１ｃとを備える。光透過部１は、例えば、四角形板状などの板状の基板とされると共に、一面１ａ側に第１電極２が配置され、他面１ｂ側に第２電極３が配置される。光透過部１は、従来の電気光学材料よりも低電圧印加時の屈折率変化が大きい電気光学材料、具体的には透明イオン伝導体により構成される。この透明イオン伝導体については、後ほど詳しく説明する。

一対の電極２、３は、例えば図１に示すように、駆動電源Ｖに接続され、光透過部１に電界を印加するために用いられる。一対の電極２、３は、光透過部１に電界を印加した際におけるキャリアの移動を効率良く行う観点から、例えば、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＰｔのうち１つの材料を主成分として構成されることが好ましい。

なお、ここでいう主成分とは、第１電極２または第２電極３を構成する材料の全体における存在割合が最も大きい成分を意味する。また、一対の電極２、３は、上記した材料に限られず、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＺｎＯなどの透明導電性材料で構成されてもよく、他の材料で構成されてもよい。

以上が、本実施形態の光偏向器の基本的な構成である。なお、本実施形態の光偏向器は、電気光学材料におけるＥＯ効果を利用して光の進行方向の制御を行う方式であるため、他の方式の光偏向器と区別する際には、「ＥＯ光偏向器」とも称され得る。

（動作原理）
次に、本実施形態の光偏向器の動作原理について、図１を参照して説明する。図１では、入射光Ｌ１の光軸を一点鎖線で示している。

本光偏向器は、例えば図１に示すように、図示しない光源から側面１ｃに対する法線方向（以下「側面法線方向」という）に沿って、入射光Ｌ１が光透過部１に照射される構成とされている。また、本光偏向器は、一面１ａおよび他面１ｂに形成された一対の電極２、３に電圧を印加することで、側面法線方向、すなわち入射光Ｌ１の光軸に対して垂直な方向の電界が光透過部１に印加されるように構成される。

光透過部１を構成する透明イオン伝導体は、一対の電極２、３により光透過部１に所定の電界が印加されると、ＥＯ効果によりその屈折率が変化する。このとき、光透過部１内に入射した光線Ｌ２は、光透過部１の屈折率変化に伴って、例えば図１に示すように、光透過部１内における進行方向が変化する。光線Ｌ２は、光透過部１への電界印加により偏向した後、例えば側面１ｃの反対側の面から出射光Ｌ３として放射される。

図１に示すように、入射光Ｌ１の光軸と出射光Ｌ３とのなす角度を偏向角θとして、偏向角θは、光透過部１における屈折率の変化量に応じて変化する。また、ＥＯ効果による屈折率の変化量は、光透過部１の電界強度に応じて変化する。つまり、一対の電極２、３への電圧を制御することで、光透過部１における偏向角θの制御が可能となる。

以上が、本光偏向器における基本的な動作原理である。

なお、本光偏向器は、温度制御のない状況、すなわち室温で使用されることができ、例えば０Ｖより大きく８Ｖ以下の範囲などの低電圧駆動が可能な構成である。この理由については、後ほど詳しく説明する。また、本明細書でいう「低電圧駆動化」とは、従来のＥＯ光偏向器における屈折率変化に必要な電圧よりも１桁以上小さい電圧範囲、例えば２Ｖ～８Ｖなどで駆動できることを意味する。

（透明イオン伝導体）
次に、透明イオン伝導体について説明する。

透明イオン伝導体は、光透過性およびイオン伝導性を有する光学材料であり、単結晶または多結晶体とされる。光透過部１として用いられる透明イオン伝導体は、電界が印加された際に、その内部でイオンの移動が生じるように結晶中にイオンが移動できる隙間を有しており、高いイオン伝導率を有する材料が選択される。

例えば、透明イオン伝導体は、Ａ_３Ｂ_２Ｃ_３Ｏ_１２の組成式（Ａ、Ｂ、Ｃは任意の金属元素）で表されるガーネット型結晶構造とされた酸化物を主成分とする。このような酸化物としては、例えばＬｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２が挙げられる。本実施形態では、光透過部１は、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２を主成分とし、Ａｌ、ＮｂやＴａなどの不純物としての元素Ｍがドープされた立方晶系ガーネット型結晶構造の透明イオン伝導体で構成されている。

なお、以下においては、説明を簡略化して分かり易くするため、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２を主成分とし、Ａｌ、ＮｂおよびＴａからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素Ｍがドープされた透明なリチウムイオン伝導体を単に「ＬＬＺ」と称する。

ＬＬＺは、例えば２５℃程度の室温において２．７×１０^－４Ｓｃｍ^－１程度の高いＬｉイオン伝導率を有すると共に、大気中で安定な結晶である。光透過部１を構成する透明イオン伝導体は、必要に応じて、元素Ｍのドープ濃度を調整することでさらに、Ｌｉイオン伝導率が高くされてもよい。なお、ＬＬＺのＬｉイオン伝導率は１．０×１０^－３Ｓｃｍ^－１程度まで調整されたものが報告されている。光透過部１をイオン伝導率が高い光学材料で構成することは、ＥＯ効果による屈折率変化量を従来よりも高めることに寄与すると考えられる。この点については、後述する。

ＬＬＺを主成分として光透過部１を構成する場合、ＬＬＺのうち光が照射される部分、例えば図１に示す例では側面１ｃに相当する部分には、Ｌｉイオン伝導率が低下することを防ぐため、他の任意の透明体で覆われることが好ましい。

具体的には、ＬＬＺは、結晶中のＬｉとＨ_２Ｏ由来の水素との交換が生じると、ＬｉＯＨが生成し、大気中のＣＯ_２と反応してＬｉ_２ＣＯ_３の被膜が形成される。この被膜形成が進行すると、ＬＬＺの結晶中において移動可能なＬｉが減少し、Ｌｉイオン伝導率が低下してしまう。そのため、任意の透明体で覆い、これを保護膜とすることで上記のＬｉ－Ｈ交換を防ぐことが好ましい。

（ＬＬＺ焼結体の製造方法）
次に、光透過部１を構成するＬＬＺ焼結体の製造方法の一例について説明する。

ＬＬＺ焼結体を得るための原料は、ＬＬＺを母体として、Ａｌ、ＮｂおよびＴａからなる群から選択される少なくとも１つの元素Ｍが固溶した、立方晶系ガーネット型結晶構造を有する酸化物からなる粒子である。以下、説明の簡略化のため、ＬＬＺ焼結体を得るための原料となる上記の粒子を「ＬＬＺ粒子」と称する。

まず、Ｌｉを含有するＬｉ含有原料、Ｌａを含有するＬａ含有原料、Ｚｒを含有するＺｒ含有原料およびＭを含有するＭ含有原料を水またはアルコール等の溶媒中でオキシカルボン酸と反応させ、金属錯体を得る。以下、この工程を便宜的に「第１工程」と称する。なお、オキシカルボン酸は、金属錯体の配位子となり得る。

Ｌｉ含有原料は、例えば、Ｌｉの硝酸塩、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物およびアルコキシドからなる群から少なくとも１つ選択される原料である。Ｌｉ含有原料は、ＬＬＺの定比組成におけるＬｉに対して、０％よりも大きく１０％未満の範囲、好ましくは２％以上５％以下の範囲多いＬｉを含有するものが用いられる。

Ｌａ含有原料は、例えば、Ｌａの硝酸塩、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物およびアルコキシドからなる群から少なくとも１つ選択される原料である。

Ｚｒ含有原料は、例えば、Ｚｒのオキシ硝酸塩、オキシ塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物およびアルコキシドからなる群から少なくとも１つ選択される原料である。

Ｍ含有原料は、例えば、Ｍの硝酸塩、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、カルボン酸塩、ハロゲン化物およびアルコキシドからなる群から少なくとも１つ選択される原料である。

なお、上記したＬｉ含有原料、Ｌａ含有原料、Ｚｒ含有原料およびＭ含有原料は、いずれも水またはアルコールに可溶であり、錯体形成の促進に適している。

オキシカルボン酸は、例えば、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、タルトロン酸、グリセリン酸、オキシ酪酸、ヒドロアクリル酸、乳酸およびグリコール酸からなる群から選択される。特にクエン酸は、上述の原料との錯体形成を確実に促進できるため、好ましい。

続いて、第１工程により得られた金属錯体をポリオールと重合反応させ、金属錯体重合体を得る。以下、この工程を便宜的に「第２工程」と称する。第２工程は、例えば、４０℃以上３００℃以下の温度範囲において、溶媒のポリオールの蒸発とエステル化の重合反応とを逐次進めることで行われる。

ポリオールは、代表的にはグリコールである。具体的には、ポリオールは、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオールおよび１，６－ヘキサンジオールからなる群から選択される。特に、エチレングリコールは、安価かつ取り扱いが簡便であって、重合反応を促進するため、好ましい。

なお、第２工程は、溶媒の蒸発のための加熱と、エステル化を行うための加熱との２段階で行われてもよい。

次いで、第２工程で得られた金属錯体重合体を、例えば７００℃より高く８００℃以下の温度範囲で焼成する。以下、この工程を便宜的に「第３工程」と称する。第３工程は、金属錯体重合体を炭化させ、不要な有機物を除去した後、加熱分解を行う工程である。上記した温度範囲は、炭化、有機物の除去、加熱分解を順次行うことができるため、好ましい。また、第３工程は、酸素を含有する雰囲気中で行われることが好ましい。

なお、第３工程は、複数回の焼成、具体的には、炭化のための第１焼成、有機物除去のための第２焼成、および加熱分解のための第３焼成が段階的に実施されてもよい。この場合、各焼成における温度範囲は、例えば、第１焼成では３００℃以上５００℃以下、第２焼成では５００℃以上７００℃以下、第３焼成では７００℃より高く８００℃以下とされる。また、第３焼成は、酸素を含有する雰囲気で行われることが好ましい。

上記の第１工程ないし第３工程を経て、ＬＬＺを母体として、元素Ｍが固溶した、立方晶系ガーネット型結晶構造を有する酸化物からなるＬＬＺ粒子が得られる。このＬＬＺ粒子は、例えば、０．３μｍ以上３μｍ以下の範囲の粒径を有し、均一かつ細かい。このような均一かつ細かい粒子を用いることで、光透過部１を構成するＬＬＺ焼結体を製造することができる。

そして、ＬＬＺ粒子を原料として用いて第１の焼結を行う。以下、この工程を便宜的に「第４工程」と称する。第４工程は、例えば、１１００℃以上１２００℃以下の温度範囲において、０．５時間以上５０時間以下の時間で、冷間水圧加圧形成法や一軸加圧成形法などにより行われる。また、第４工程は、酸素フローしながら等の酸素を含有する雰囲気中で行われることが好ましい。第４工程における第１焼結では、接触するＬＬＺ粒子同士は、互いに各面拡散反応を起こし、粒成長すると共に、気孔が減少する。これにより、全体が収縮した成形体が得られる。

なお、第４工程は、光透過率を確保する観点から、限定するものではないが、次の工程により得られるＬＬＺ焼結体の気孔体積比率を例えば０．５％以下にするため、成形体の気孔体積比率が５％以下となるまで行われることが好ましい。また、気孔体積比率は、例えば、成形体の断面を研磨した後にＳＥＭ観察を行い、得られた断面のＳＥＭ写真における気孔の体積比率を計算することにより得られる。

続けて、熱間等方圧加圧法により、第４工程で得られた成形体について、酸素を含有する雰囲気中で第２の焼成を行う。以下、この工程を便宜的に「第５工程」と称する。第５工程は、例えば、１０００℃以上１２００℃以下の温度範囲で、９．８×１０^－５Ｐａ／ｃｍ^２以上の酸素分圧を有する酸素を含有する雰囲気において行われる。また、第５工程は、例えば９．８ＭＰａ／ｃｍ^２以上１９６ＭＰａ／ｃｍ^２以下の圧力範囲に維持し、０．５時間以上１０時間以下の時間で行われる。

なお、第５工程は、光透過率を確保する観点から、限定するものではないが、ＬＬＺ焼結体の気孔体積比率が例えば０．５％以下になるまで行われることが好ましい。これにより、第４工程で得られた成形体に含まれる気孔がさらに除去され、緻密なＬＬＺ焼結体を製造することができる。

上記した製造方法により、図２に示すように、光透過性を有する光学結晶としてのＬＬＺ焼結体が得られる。なお、図２に示すＬＬＺ焼結体は、Ａｌを所定の濃度でドープしたＡｌ－ＬＬＺであり、その相対密度がほぼ１００％であった。

（ＬＬＺの電界印加時の屈折率変化）
次に、上記の製造方法により得られたＬＬＺ焼結体のＥＯ効果による屈折率変化について、図３～図７を参照して説明する。

図３は、後述する測定サンプルおよび分光エリプソメトリー法での測定を分かり易くするため、ＬＬＺ焼結体１０およびＩＴＯ電極１１の厚みを誇張したものである。図４～図６では、ＬＬＺ焼結体１０への印加電圧が０Ｖの場合を実線で、２Ｖの場合を破線で、４Ｖの場合を一点鎖線で、６Ｖの場合を二点鎖線で、それぞれ示している。

まず、屈折率変化のために作製した測定サンプルについて説明する。

例えば、図３に示すように、板状のＬＬＺ焼結体１０の上下面にＩＴＯ電極１１が形成された測定サンプルを用意した。測定サンプルにおけるＬＬＺ焼結体１０およびＩＴＯ電極１１は、厚みがそれぞれ２．１１ｍｍ、０．５μｍ、平面サイズが１．９８ｍｍ×１．１４ｍｍであった。また、このＬＬＺ焼結体１０は、光学研磨により測定面における算術平均粗さＲａが１００ｎｍ未満とされている。測定サンプルは、ＩＴＯ電極１１のそれぞれに図示しない電圧印加用の端子が接続され、電圧の印加が可能とされている。

続いて、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率の算出について説明する。

上記した測定サンプルについて、２５℃の温度環境下において、分光エリプソメトリー法による測定を行った。具体的には、分光エリプソメトリー法では、図３に示すように、ＩＴＯ電極１１に入射光を照射し、ＩＴＯ電極１１およびＬＬＺ焼結体１０を介した入射光と反射光との偏向の変化を測定した。

より具体的には、０．１ｍｍ程度の微小範囲に光を集光させ、ＩＴＯ電極１１の表面に対する法線方向を表面法線方向として、表面法線方向に対して２０°の入出射角となるように光を照射した。そして、ＩＴＯ電極１１への印加電圧を０Ｖ、２Ｖ、４Ｖ、６Ｖと変えて、図４、図５に示すように、それぞれの電圧における偏向の位相差Δおよび反射振幅比角ψを測定した。また、ガラス基板にＩＴＯ膜が成膜されたサンプルを別途用意し、同様に分光エリプソメトリー法による測定を行い、ＩＴＯ膜単体のデータを得た。これは、後述するＬＬＺ焼結体１０の屈折率の算出において、ＩＴＯ電極１１による影響を差し引くには、ＩＴＯ膜単体のデータが必要なためである。

次いで、上記の測定によりΔ、ψのデータについて、ＩＴＯ／ＬＬＺ／ＩＴＯの三層モデルを用いてフィッティングを行い、図６に示すように、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率を算出した。

具体的には、上記の三層モデルでのフィッティングに必要なＩＴＯの誘電率については、導電性材料の表現に適したDrude Lorentzモデルでフィッティングすることにより算出した。また、ＬＬＺの誘電率については、ＬＬＺが導電性を有しない材料であるため、誘電体として適切なTauc Lorentzモデルを用いてフィティングすることにより算出した。このようにして算出したＩＴＯおよびＬＬＺの誘電率を膜厚データと共に、上記した３層モデルでのフィッティングに用いることで、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率を算出した。

次に、算出したＬＬＺ焼結体１０の屈折率について、図６、図７を参照して説明する。

図６に示すように、電圧を印加していない状態、すなわち０Ｖの状態においては、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、例えば、５００ｎｍでは１．９０であり、６３３ｎｍでは１．７０、１０００ｎｍでは１．５５であった。

２Ｖの電圧を印加した状態においては、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、５００ｎｍでは１．９４、６３３ｎｍでは１．７１、１０００ｎｍでは１．５９であり、０Ｖの場合に比べて、全体的に大きかった。

４Ｖの電圧を印加した状態においては、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、５００ｎｍでは１．９５、６３３ｎｍでは１．７７、１０００ｎｍでは１．６２であり、２Ｖの場合よりも全体的に大きかった。

６Ｖの電圧を印加した状態においては、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、５００ｎｍでは１．９９、６３３ｎｍでは１．７８、１０００ｎｍでは１．６５であり、６００ｎｍより大きく１０００ｎｍ以下の範囲においては４Ｖの場合よりも全体的に大きかった。また、この場合、ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、５００ｎｍ～６００ｎｍの範囲では、２Ｖの場合よりも大きく、４Ｖの場合よりも小さかった。

ＬＬＺ焼結体１０の屈折率は、図７に示すように、例えば６３３ｎｍおよび１０００ｎｍにおいては、印加電圧に比例して大きくなる傾向であった。また、印加電圧に対するＬＬＺ焼結体１０の屈折率の上昇度合いは、６３３ｎｍと１０００ｎｍとではほぼ同じであった。厚み２．１１ｍｍのＬＬＺ焼結体１０に印加した電圧に対する上記の屈折率変化は、３Ｖ／ｍｍの電界強度で換算すると、６３３ｎｍでは０．０８２であり、１０００ｎｍでは０．０９８であった。

ここで、従来の電気光学材料のＫＴＮは、温度６０℃の温度環境下、かつ電界強度５００Ｖ／ｍｍの条件下において、波長６３３ｎｍでの屈折率変化が０．０１５である。

つまり、上記した結果は、ＬＬＺ焼結体１０のＥＯ効果による屈折率変化が、従来の電気光学材料よりも小さい電界強度３Ｖ／ｍｍ、すなわち低電圧であっても大きいことを示している。また、ＬＬＺ焼結体１０は、ＥＯ効果による屈折率変化が２５℃の温度環境下においてＫＴＮよりも大きく、屈折率変化量を向上させるための温度制御が不要となる。すなわち、上記の例では、２５℃の温度条件下について記載したが、本光偏向器は、２５℃の温度条件に限られず、温度制御のない状況でなり得る温度条件下においても使用されることができる。

さて、本発明者らは、ＥＯ光偏向器における低電圧駆動化について鋭意検討した結果、上記したＬＬＺのような透明イオン伝導体において、低い電界強度での屈折率変化が大きく、温度制御も不要であることを見出した。ただ、上記したＬＬＺの屈折率変化量については、カー効果やポッケルス効果によるものに比べて大きく、これらの現象だけでは説明できない。このメカニズムについてはまだ明らかとなっていないが、本発明者らは、イオン伝導率に起因して、ＬＬＺでの屈折率変化が従来の電気光学材料よりも大きくなっていると推定している。

具体的には、図８に示すように、例えばＫＴＮのような従来の電気光学材料は、電界が印加された際に結晶内で電子移動が生じ、これに伴って屈折率の変化が起きる。これに対して、ＬＬＺのような透明イオン伝導体では、図９に示すように、電界が印加された際に結晶内でイオンの移動が生じ、これに伴って屈折率の変化が起きると考えられる。

より具体的には、ＬＬＺは、空間的に余裕のある立方晶系ガーネット型結晶構造であって、電界が印加された場合に、Ｌｉイオンが結晶内において移動可能な光学結晶である。おそらく、ＬＬＺは、電界が印加されるとＬｉイオンの移動が生じ、結晶内において部分的に結晶構造が変化する。この結晶構造の変化が、ＫＴＮ、ＢＴ、ＬＮやＰＬＺＴなどの従来の電気光学材料よりも屈折率変化が大きくなる要因であると考えられる。

つまり、透明イオン伝導体では、電子や正孔よりも大きいイオンが結晶内で移動し、結晶構造の部分的な変化が起きるため、従来の電気光学材料に比べて、低い電界強度であっても屈折率の変化が生じ、その変化量も大きいと推測される。

本実施形態によれば、光透過部１が透明イオン伝導体により構成されているため、従来の電気光学材料を用いた場合よりも、低電圧駆動化が可能、かつ温度制御が不要な光偏向器となる。また、透明イオン伝導体の屈折率変化量が従来の電気光学材料よりも大きいため、偏向角が従来のＥＯ光偏向器よりも向上した光偏向器となる。

（他の実施形態）
本発明は、実施形態に準拠して記述されたが、本発明は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本発明の範疇や思想範囲に入るものである。

（１）例えば、上記第１実施形態では、透明イオン伝導体としてＬＬＺ焼結体を用いた例について説明したが、結晶学的に空間的な余裕があり、結晶内でイオンが移動可能な光学結晶であればＬＬＺと同様の結果が得られると予想される。そのため、透明イオン伝導体は、上記組成のＬＬＺに限定されるものではなく、例えば、Ｌｉ_５Ｌａ_３Ｎｂ_２－ｘＴａ_ｘＯ_１２（０≦ｘ≦２）やＬｉ_{（５＋２ｘ）}Ｌａ_３Ｔａ_{（２－ｘ）}Ｙ_ｘＯ_１２（０．０５≦ｘ≦０．７５）などが主成分であってもよい。なお、Ｌｉ_５Ｌａ_３Ｎｂ_２－ｘＴａ_ｘＯ_１２やＬｉ_{（５＋２ｘ）}Ｌａ_３Ｔａ_{（２－ｘ）}Ｙ_ｘＯ_１２は、上記したＬＬＺ焼結体の製造方法と同様の方法で製造され得る。

（２）上記第１実施形態では、光透過部１のうち一対の電極２、３が形成されていない部分である側面１ｃに入射光Ｌ１が照射される例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光偏向器は、一対の電極２、３が形成された一面１ａまた他面１ｂのうち電極２、３から露出した部分に入射光Ｌ１が照射されてもよい。また、光偏向器は、一対の電極２、３の一方または両方がＩＴＯなどの透明電極により構成された場合には、この透明電極に入射光Ｌ１が照射されてもよい。

また、光偏向器を可変焦点レンズとして構成する場合には、２組の一対の電極２、３が並列して形成された光透過部１の一面１ａまたは他面１ｂのうち電極２、３から露出する部分に入射光Ｌ１が照射され得る。例えば、一面１ａのうち２つの電極２から露出する部分に照射された入射光Ｌ１は、光透過部１のうちある一対の電極２、３と他の一対の電極２、３との間の部分、すなわち電極間外の部分を透過して他面１ｂから外部へ放射される。このとき、２組の一対の電極２、３それぞれに電界を印加すると、光透過部１のうち電極間外の部分にも電界が生じ、電極間外の部分の屈折率が変化する。この作用により、一面１ａのうち２つの電極２から露出する部分に照射された入射光Ｌ１は、他面１ｂ側で集光されて放射される。上記した光偏向器は、このような用途にも採用されてもよい。

（３）上記第１実施形態では、光透過部１と一対の電極２、３とを有してなる構成とされた光偏向器の例について説明したが、光透過部１が透明イオン伝導体により構成されていればよく、この例に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、光透過部１のうち一対の電極２、３が形成されていない側面１ｃに対向配置された高反射膜４、５を設け、当該側面１ｃのうち高反射膜４、５から露出した部分に入射光Ｌ１が照射される構成とされてもよい。また、光偏向器は、電極２、３を二対設け、さらに偏向角を増大させる構成とされてもよい。このように、透明イオン伝導体により構成された光透過部１を有する光偏向器は、上記第１実施形態の例に限られず、任意のＥＯ光偏向器の構造が採用されてもよい。

１光透過部
２、３一対の電極
１０ＬＬＺ焼結体
１１ＩＴＯ電極

Claims

光を透過する光透過部（１）と、
前記光透過部を挟んで対向配置された一対の電極（２、３）とを備え、
前記光透過部は、単結晶もしくは多結晶体からなる透明イオン伝導体であり、
前記一対の電極により前記光透過部に所定の電圧を印加することで、前記透明イオン伝導体の内部におけるイオンの移動を生じさせ、前記光透過部の屈折率を変化させ、前記光透過部を透過する前記光の進行方向を変え、
前記透明イオン伝導体は、Ｌｉ、ＬａおよびＺｒを含むガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導体である、光偏向器。
前記透明イオン伝導体は、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２を主成分とする酸化物である、請求項１に記載の光偏向器。
前記一対の電極は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＰｔからなる群から選ばれる少なくとも１つの材料を主成分とする、請求項１または２に記載の光偏向器。
前記光透過部のうち外部からの光が照射される面は、前記光透過部とは異なる透明体で覆われている、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光偏向器。