光走査装置
【課題】高い電界を印加する場合でも、歪みが生じていない偏向した光束を得ることができる光走査装置を提供すること。
【解決手段】入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、ことを特徴とする光走査装置により上記の課題が達成される。
【解決手段】入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、ことを特徴とする光走査装置により上記の課題が達成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子を用いた光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光束の進行方向を制御して光を走査させる装置として、ポリゴンミラー、ガルバノミラーあるいは電気光学素子を用いた光走査装置が知られている。
【０００３】
ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光走査装置では、光の偏向可能な角度（偏向角）が大きいが、光学系（ミラーなど）及び可動部を必要とするため、小型化が難しい場合がある。また、可動部の振動が問題になる場合がある。
【０００４】
一方、電気光学素子を用いた光走査装置では、偏向角は小さいが、電気光学効果（電気光学結晶の屈折率が電界強度に依存して変化する効果）を利用しているため、可動部がなく、高応答性を実現できる。また、小型化も比較的容易である。
【０００５】
特許文献１は、複数の三角形の分極反転ドメインを有する強誘電性基体を用いて、高速のランダムアクセスが可能であると共に、偏向可能な偏向角が大きく、高分解能の電気光学素子に関する技術を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
強誘電体（電気光学素子）を用いた光走査装置は、強誘電体に連続して一方向に電圧を印加することで強誘電体内の電気光学結晶の屈折率を変化させ、電気光学結晶を透過する光を偏向する。このとき、大きな偏向角を得るためには、電気光学結晶に高い電界を印加する必要がある。具体的には、電気光学結晶として用いられているニオブ酸リチウム結晶では、分極反転によるプリズム構造（プリズム幅Ｄ＝２ｍｍ、プリズム長Ｌ＝２０ｍｍ）により光を偏向させる場合において、偏向角度を５°以上とするために、ニオブ酸リチウム結晶に約１０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加する。
【０００７】
特許文献１に開示されている技術において、電気光学結晶に高い電界を印加する場合では、空間電荷効果により、結晶内に注入された電子によって陽極からの電界が影響を受け、電極間の電界（電荷分布）が不均一になる場合があった。これにより、電気光学結晶の屈折率が不均一となり、偏向して出射される出射光に歪みが生じ、出射光の品質が保たれない場合があった。
【０００８】
本発明は、高い電界を印加する場合でも、歪みが生じていない偏向した光束を得ることができる光走査装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、ことを特徴とする光走査装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光走査装置において、電気光学素子に印加する電界が高い場合でも、歪みが生じていない偏向した光束を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光偏向器及び光走査装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】光偏向器の要部の一例を示す概略側面図である。
【図３】光偏向器の動作の一例を説明する説明図である。
【図４】実施例１の光走査装置の偏向角を説明する説明図である。
【図５】変形例１の光走査の動作を説明する説明図である。
【図６】実施例２の光走査装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】実施例２の光走査装置のの偏向角を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電気光学効果により光束の進行方向を偏向する光偏向器を用いて、本発明を詳細に説明する。本発明は、光偏向器以外でも、プリンタ、スキャナ、車載用レーザレーダ、波長可変レーザ、及び、メディカル用レーザ等において用いられる入射光を電気光学効果を用いて偏向し、偏向した光束（入射光）を出射光として照射するものであれば、いずれのものにも用いることができる。
【００１３】
（光偏向器の構成）
図１に、本実施形態の光偏向器の概略構成図の例を示す。
【００１４】
図１において、光偏向器１０は、制御手段１１、入射光手段１２、第１の光導波路１３Ａ、第２の光導波路１３Ｂ、電極１４、及び、基板１５を含む。
【００１５】
光偏向器１０は、本実施形態では、入射光手段１２から入射された入射光を第１の光導波路１３Ａ等で偏向し、偏向後の光束（入射光）を出射光として出射する。また、光偏向器１０は、制御手段１１により、電極１４に印加する電圧を制御し、電気光学効果により、第１の光導波路１３Ａ等の屈折率を変化させ、光導波路内を透過する光束を偏向する。
【００１６】
ここで、電気光学効果とは、電気光学結晶の屈折率が電界強度に依存して変化する効果をいう。
【００１７】
制御手段１１は、光偏向器１０全体の制御を行う手段である。制御手段１１は、入射光手段１２等の動作を制御する。また、制御手段１１は、電極１４に印加する電圧を制御することにより、第１の光導波路１３Ａ等の屈折率を制御する。
【００１８】
入射光手段１２は、光を発し、その光を入射光として、第１の光導波路１３Ａ等に入射する手段である。入射光手段１２は、本実施形態では、光源及び光学系を含む。入射手段１２は、光源が射出する光束（半導体レーザなど）を光学系（レンズ及びミラーなど）により集光し、第１の光導波路１３Ａ等（後述する第１のコア層１３Ａｃ等）に入射する。
【００１９】
第１の光導波路１３Ａは、入射光手段１２により入射された入射光の進行方向を偏向し、偏向後の光束（入射光）を出射光として出射するものである。第１の光導波路１３Ａは、本実施形態では、第１のグレーティング１３Ａｇ及び第１のコア層１３Ａｃを含む。
【００２０】
第１のグレーティング１３Ａｇは、格子状パターンによる光の回折により、第１の光導波路１３Ａに入射された入射光の波長に応じて、入射光を偏向する回折格子である。第１のグレーティング１３Ａｇは、本実施形態では、入射光を入射する第１の光導波路１３Ａ（後述する第１のコア層１３Ａｃ）の表面を凹凸形状に加工して形成される。
【００２１】
第１のコア層１３Ａｃは、電気光学素子として、本実施形態では、強誘電性体により構成される。また、第１のコア層１３Ａｃは、強誘電性体の一部に自発分極の方向（電気光学結晶の分極軸の方向）が反転した領域（後述する分極反転領域１３Ａｃｒ）を有する。
【００２２】
第２の光導波路１３Ｂは、第１の光導波路１３Ａと構成が同様のため、説明を省略する。
【００２３】
電極１４は、第１のコア層１３Ａｃ等に電界を印加し、第１のコア層１３Ａｃ等の屈折率を変化させるものである。電極１４は、本実施形態では、第１の光導波路１３Ａ等の表面に、一対の電極（上部電極層及び下部電極層）として形成される。詳細は、後述の（光導波路及び電極の構成）で説明する。
【００２４】
基板１５は、第１の光導波路１３Ａ、第２の光導波路１３Ｂ及び電極１４を支持するものである。詳細は、後述の（光導波路及び電極の構成）で説明する。
【００２５】
（光導波路及び電極の構成）
光偏向器の第１の光導波路及び電極の構成を、図２を用いて、説明する。図２は、光偏向器の要部の一例を示す概略側面図である。なお、光偏向器の第２の光導波路等の構成は、第１の光導波路等の構成と同様のため、説明を省略する。
【００２６】
図２において、光偏向器は、第１の光導波路として、入射光ＢＡ１を偏向する回折格子である第１のグレーティング１３Ａｇと、光束ＢＡ２を透過する薄膜導波路である第１のコア層１３Ａｃと、第１のコア層１３Ａｃから漏れた光を反射するクラッド層（１３Ａｕｐ及び１３Ａｄｗ）と、を有する。
【００２７】
第１のグレーティング１３Ａｇは、第１の光導波路の外部から入射角α（図中のｚ軸に対する角度α）で入射する入射光ＢＡ１を第１のコア層１３Ａｃに伝搬（以下、カップリングという。）させるため、入射光ＢＡ１の位相整合を行う。ここで、位相整合条件は、次式より、得られる。
【００２８】
ｎ（ａ）×ｓｉｎα=Ｎ−λ／Λ
ここで、ｎ（ａ）は、グレーティング周辺の屈折率である。Ｎは、コア層の実効屈折率である。λは、光束の波長である。Λは、グレーティングの周期である。第１のグレーティング１３Ａｇは、本実施形態では、グレーティングの周期Λを５００ｎｍとし、凹凸のデューティ比を１：１とする。このとき、入射光ＢＡ１の入射角αは６４°となる。
【００２９】
第１のコア層１３Ａｃは、自発分極の方向が図中のｚ軸の正方向である正領域１３Ａｃｐと、光を偏向させるために自発分極の方向を反転（ｚ軸の負方向に）した領域（以下、分極反転領域という。）１３Ａｃｒと、を有する。ここで、分極反転領域１３Ａｃｒの形状は、三角形の断面形状（以下、プリズム形状という。）である。プリズム形状は、後述する図３（ａ）〜（ｃ）に図示する。また、分極反転領域１３ｃｒは、光束ＢＡ２の進行方向（図中のｙ軸方向）に、複数、配置されている。
【００３０】
クラッド層は、上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗを有する。ここで、クラッド層とは、光束ＢＡ２の進行方向と交差する方向側の第１のコア層１３Ａｃの表面上に被覆され、第１のコア層１３Ａｃから漏れた光を反射する。なお、グレーティング１３Ａｇが形成される領域には、上部クラッド層１３Ａｕｐを被覆しない。
【００３１】
また、光偏向器は、光導波路（コア層）に電界を印加するための電極として、上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗの外側（第１のコア層１３Ａｃと接する側の反対側）に形成された上部電極層１４Ａｕｐ及び下部電極層１４Ａｄｗを有する。なお、グレーティング１３Ａｇが形成される領域には、上部電極層１４Ａｕｐを形成しない。
【００３２】
更に、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ及び上部電極層１４Ａｕｐ等を支持する支持基板１５Ａｓと、第１の光導波路１３Ａと支持基板１５Ａｓとを接着する接着層１５Ａｇと、を有する。
【００３３】
ここで、第１のコア層１３Ａｃの材質は、電気光学素子として、電気光学効果を有する強誘電体のニオブ酸リチウム材料（ＬｉＮｂＯ３）を用いることができる。また、支持基板１５Ａｓもニオブ酸リチウム材料を用いることができ、光偏向器の熱膨張による損傷を低減することができる。上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗは、膜厚約１μｍのＴａ２Ｏ５膜またはＳｉＯ２膜を用いることができる。上部電極層１４Ａｕｐ及び下部電極層１４Ａｄｗは、膜厚約２００ｎｍのＴｉ膜またはＣｒ膜を用いることができる。
【００３４】
第１のコア層１３Ａｃは、その一方の表面上に下部クラッド層１３Ａｄｗ及び下部電極層１４Ａｄｗを成膜後、第１のコア層１３Ａｃを上下反転（ｚ軸方向に反転）し、第１のコア層１３Ａｃの成膜されていない他方の表面を研磨することができる。これにより、第１のコア層１３Ａｃの膜厚を調整することができる。第１のコア層１３Ａｃの膜厚は、本実施形態では、約２０μｍとする。研磨後、第１のコア層１３Ａｃは、研磨した表面上に上部クラッド層１３Ａｕｐ等を成膜（形成）することができる。
【００３５】
（光束を偏向する動作）
光偏向器が光束の進行方向を偏向する動作を、図３を用いて、説明する。図３（ａ）は、光偏向器の入射光及び出射光を説明する概略斜視図である。図３（ｂ）は、その概略断面図である。図３（ｃ）は、その概略平面図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、電極の記載は省略している。
【００３６】
図３（ａ）において、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ（電極を含む。以下、同様とする。）を第２の光導波路１３Ｂ上に積層して構成される。このとき、第１の光導波路１３Ａの透過する光束ＢＡ２の光軸（印加する電圧が０Ｖのときの光軸）と第２の光導波路１３Ｂの光束ＢＢ２の光軸とは、同一の方向とする。また、第２の光導波路１３Ｂは、第１の光導波路１３Ａより、光軸方向（図中のｙ軸方向）において長い構成とする。このため、第２のグレーティング１３Ｂｇは、積層後もその表面が露出している。
【００３７】
図３（ｂ）において、光偏向器は、図示しない光源（入射光手段）から発せられた光を、図示しないレンズ等により集光し、入射光ＢＡ１及び入射光ＢＢ１として、第１の光導波路１３Ａ及び第２の光導波路１３Ｂに入射する。このとき、入射光ＢＡ１等は、第１のグレーティング１３Ａｇ及び第２のグレーティング１３Ｂｇにより偏向され、光束ＢＡ２及び光束ＢＢ２として、第１の光導波路１３Ａ等の正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒ等を伝搬する。その後、第１の光導波路１３Ａ等内で偏向され、出射光ＢＡ３及び出射光ＢＢ３として出射される。
【００３８】
第１の光導波路１３Ａと第２の光導波路１３Ｂとの積層において、各光導波路の高さ（図中のｚ軸方向の長さ）を数１００μｍとすることにより、出射光（ＢＡ３及びＢＢ３）の出射位置（図中のｚ軸方向の位置）の差分を数１００μｍにすることができる。
【００３９】
図３（ｃ）において、光束ＢＡ２が第１の光導波路１３Ａを伝搬しているときに、第１の光導波路１３Ａに電界を印加すると、第１の光導波路１３Ａの電気光学効果により、第１の光導波路１３Ａ内の正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒの屈折率が変化する。このとき、正領域１３Ａｃｐと分極反転領域１３Ａｃｒとは自発分極の方向が１８０度異なるため、屈折率の変化量が異なる。この結果、光束ＢＡ２は、正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒを透過する際に、正領域１３Ａｃｐと分極反転領域１３Ａｃｒとの界面（屈折率の異なる界面）で屈折し、図中のＸＹ平面内で進行方向を偏向する。
【００４０】
その後、偏向された光束ＢＡ２は、出射光ＢＡ３として、第１のコア層の端面から出射される。なお、第２の光導波路１３Ｂも、同様に、出射光ＢＢ３として、偏向された光束ＢＢ２を出射する。
【００４１】
ここで、正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒの屈折率差Δｎは、次式となる。
【００４２】
Δｎ＝−１／２×ｒ×ｎ３×Ｖ／ｄ
上記の式において、ｒは、電気光学定数（ポッケルス定数）である。ｎは、光導波路（コア層）の屈折率である。ｄは、光導波路（コア層）の厚さである。Ｖは、光導波路（コア層）に印加する電圧である。
【００４３】
以上より、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ等に印加する電圧を制御することによって、電気光学効果により第１の光導波路１３Ａ等（コア層）の屈折率を制御し、第１の光導波路１３Ａ等を透過する光束の進行方向を偏向することができる。
【００４４】
なお、電圧を印加する領域を分極反転領域のプリズム形状と同様の形状の領域とすることで、光導波路内に電圧が印加された領域と印加されていない領域とを形成し、局所的に屈折率を変化させることができる。その結果、電圧が印加された領域と印加されていない領域との界面（屈折率の異なる界面）を透過する光束を屈折させ、光束の進行方向を偏向することができる。
【００４５】
（実施例）
光走査装置の実施例を用いて、本発明を説明する。本発明は、光走査装置以外でも、プリンタ、スキャナ、車載用レーザレーダ、波長可変レーザ、及び、メディカル用レーザ等において、入射光を電気光学効果を用いて偏向し、偏向した光束（入射光）を出射光として対象物に照射するものであれば、いずれのものにも用いることができる。
【実施例１】
【００４６】
実施例１の光走査装置を用いて、本発明を説明する。ここで、光走査装置とは、本実施例では、光源からの入射光を光導波路に入射し、電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させ、光導波路内を透過する光束の進行方向を偏向し、偏向後の光束を出射光として出射（以下、光走査という。）する装置である。
【００４７】
（光走査装置の構成）
図１に、本実施例の光走査装置１００の構成を示す。
【００４８】
光走査装置１００は、本実施例では、第１の光導波路１３Ａとして、ユニット１を有する。また、光走査装置１００は、第２の光導波路１３Ｂとして、ユニット２を有する。その他の構成は、光偏向器１０（図１）と同様のため、説明を省略する。
【００４９】
（光走査する動作）
光走査装置が、光走査する動作について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、ユニット１及び２の偏向角（θ１）を示す。図４（ｂ）及び（ｃ）は、ユニット１及び２に入射光（ＬＤ１及びＬＤ２）を点滅するタイミング及び印加する電圧を示す。図（ｄ）は、ユニット１及び２が出射する出射光の偏向角（θ１及び−θ１）を示す。
【００５０】
図４（ａ）において、ユニット１及び２は、グレーティング（１３Ａｇ及び１３Ｂｇ）の位置以外は同じ構成で形成される。ここで、光走査装置は、印加される電圧が０Ｖのときのユニット１及び２を透過する光束の光軸が同一の方向になるようにユニット１及び２を積層して構成される。また、偏向された光束ＢＡ及びＢＢの出射する位置（以下、光走査位置という。）のずれ量は、ユニット１及び２の合計厚さの１／２と同じ大きさとなる。
【００５１】
ここで、ユニット１及び２の厚さを略３００μｍとすることができる。このため、出射光（ＢＡ及びＢＢ）が照射する位置のずれ量は、略３００μｍとなる。
【００５２】
ユニット１及び２には、常時、所定の周波数で電圧が印加される。このため、入射光を常時点灯している場合では、所定の周波数に対応して出射光（ＢＡ及びＢＢ）の出射方向が変化する光走査の動作をすることができる。
【００５３】
また、所望の光走査位置（方向）に対応する電圧レベル時に入射光を点灯し、所望の光走査位置に対応しない電圧レベル時に入射光を消灯することによって、所望の光走査位置のみに出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００５４】
更に、ユニット１及び２に印加する電圧の波形の位相をずらすことで、一方のユニットの入射光が消灯しているときに、他方のユニットの入射光を点灯することができる。これにより、ユニット１及び２により、常時、所望の光走査位置に出射光を停止して照射する光走査の動作をすることができる。
【００５５】
ここで、所定の周波数とは、空間電荷効果により、光導波路内に注入された電子の分布（電荷分布）が不均一とならない周波数の値とすることができる。また、所定の周波数の値を、数値計算又は実験等により定められる光走査する対象物に対応する値とすることができる。
【００５６】
具体的には、所定の周波数は、膜厚２０μｍの光導波路の材料にマグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、１ｋＨｚ以上の波形で±２５０Ｖの電圧を印加することができる。このとき、ニオブ酸リチウム結晶内の電子が不必要な準位にトラップされる前に、逆向きの電圧が印加される。このため、不均一な電荷分布を結晶内に生じさせることがなく、偏向された出射光の形状に歪みが生じることを防止することができる。
【００５７】
一方、周波数を１ｋＨｚ未満にすると、偏向された出射光の形状に歪みが生じる。これは、周波数を小さくすると、電気光学結晶内の電子が滞留する時間が確保され、空間電荷効果が生じ易くなるためである。したがって、マグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、光導波路に印加する電圧の波形の周波数は１ｋＨｚ以上とすることが好ましい。
【００５８】
また、印加する電圧の中間の電圧レベルがゼロでない場合、電気光学結晶内で不均一な電荷分布が発生し、屈折率が不均一になり、出射光に歪みが生じる場合がある。これは、光導波路に電圧を印加することにより、電気光学結晶内に中間の電圧レベルに対応する電圧勾配が存在するため、電気光学結晶内に電子が不必要に滞留するためである。これにより、不均一な電荷分布が電気光学結晶内に形成され、屈折率が不均一になる。
【００５９】
光導波路の材料にマグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、印加する電圧の中間の電圧レベルがゼロでないとき、出射光の歪みが顕著となる。これは、マグネシウムの添加により、空間電荷効果が発生し易くなるからである。
【００６０】
したがって、光偏向器の印加する電圧の波形は、中間の電圧レベルがゼロとなる波形（電圧レベルの絶対値が同じであり、極性の異なる電圧レベルを一定周期で交互に印加する波形）が好ましい。
【００６１】
次に、図４（ｂ）〜（ｄ）を用いて、本実施例の光走査の動作を、具体的に説明する。
【００６２】
図４（ｂ）において、光走査装置は、先ず、ユニット１に周期２Ｔで電圧＋Ｖ１及び−Ｖ１を繰り返す矩形波形の電圧を印加する。このとき、ユニット１は、印加電圧＋Ｖ１で、θ１（図４（ａ））の偏向角の出射光を出射する。ここで、入射光を常時点灯している場合では、出射光は、偏向角θ１及び−θ１（θ１の反対方向の角度）で時間Ｔごとに交互に照射する光走査の動作となる。
【００６３】
光走査装置は、出射光を偏向角θ１のみで出射する場合では、ユニット１に入射する入射光ＬＤ１を、印加電圧が＋Ｖ１のとき（図中の横軸の０〜Ｔ、２Ｔ〜３Ｔ、４Ｔ〜５Ｔなど）で点灯することができる。また、光走査装置は、それ以外のとき（印加電圧が−Ｖ１のとき）には、入射光ＬＤ１を消灯することができる。
【００６４】
次に、図４（ｃ）において、光走査装置は、ユニット２に周期２Ｔで電圧＋Ｖ１でθ１（図４（ａ））の偏向角の出射光を出射することができる。ここで、光走査装置は、ユニット２に周期２Ｔで電圧を印加するときの位相をユニット１の位相と逆にし（半周期ずらして）、ユニット１が−Ｖ１となっているときに、ユニット２が＋Ｖ１となるように電圧を印加する動作をすることができる。
【００６５】
また、光走査装置は、ユニット１で入射光ＬＤ１を消灯しているとき（Ｔ〜２Ｔ、３Ｔ〜４Ｔ、５Ｔ〜６Ｔなど）、ユニット２の入射光ＬＤ２を点灯とすることができる。更に、光走査装置は、ユニット１で入射光ＬＤ１を点灯しているとき（０〜Ｔ、２Ｔ〜３Ｔ、４Ｔ〜５Ｔなど）、ユニット２の入射光ＬＤ２を消灯することができる。
【００６６】
次いで、図４（ｄ）において、光走査装置は、上記のユニット１及び２の動作により（図４（ｂ）及び（ｃ））、ユニット１及び２の入射光を点滅することで、常時、偏向角θ１の光走査位置で停止した出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００６７】
以上より、本実施例における光走査装置は、ユニット１及び２に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。また、光走査装置は、ユニット（光導波路）を複数有し、各ユニットに印加する電圧の波形の位相をずらすことで、入射光の点滅のタイミングを調整し、出射光を光走査位置に停止して、常時照射することができる。これにより、光走査装置は、常時、所定の周波数で電圧を印加しながら、任意の光走査位置に、出射光に歪みが発生することなく、出射光を光走査することができる。
（変形例１）
本変形例は、光走査位置を経過時間に対応して変化させる例である。
【００６８】
（光走査装置の構成）
本変形例の光走査装置の構成は、実施例１と同様のため、説明を省略する。
【００６９】
（光走査する動作）
本変形例の光走査装置が、光走査する動作について、図５を用いて説明する。ここで、図５（ａ）は、光走査を行う出射光の偏向角を示す。図５（ｂ）及び（ｃ）は、ユニット１及び２に印加する電圧及び入射光（ＬＤ１及びＬＤ２）を点滅するタイミングを示す。図５（ｄ）は、ユニット１及び２により出射される出射光の偏向角を示す。
【００７０】
図５（ａ）において、光走査装置は、出射光の偏向角をθ１からθ２に徐々に変化させ、その後、偏向角θ２で停止させる光走査の動作を行う。
【００７１】
図５（ｂ）において、光走査装置は、図５（ａ）の光走査を行うため、ユニット１に印加する電圧と入射光ＬＤ１を点滅するタイミングとを制御する。ここで、光走査装置は、空間電荷効果が発生するのを抑制するため、ユニット１に、常時、周期２Ｔの矩形波の電圧を印加する。また、光走査装置は、本変形例では、偏向角をθ１からθ２に変化させるために、ユニット１に印加する電圧の振幅（電圧レベル）を所望となる偏向角に対応する振幅となるように制御する。
【００７２】
具体的には、光走査装置は、偏向角θ１に対応する電圧Ｖ１から偏向角θ２に対応する電圧Ｖ２に周期２Ｔで変化する矩形波の印加電圧の波形で、ユニット１及びユニット２に電圧を印加することができる。このとき、光走査装置は、印加する電圧を偏向角に対応する電圧とその逆極性の電圧とを繰り返す矩形波の電圧を印加することで、空間電荷効果が発生するのを抑制することができる。また、光走査装置は、偏向角に対応する電圧となったタイミングのみで、ユニット１の入射光ＬＤ１を点灯することができる。
【００７３】
次に、図５（ｃ）において、光走査装置は、ユニット１の位相から半周期ずらした波形でユニット２に電圧を印加することができる。このとき、光走査装置は、印加する電圧について、ユニット１と同様に、偏向角に対応する電圧とその逆極性の電圧とを繰り返す矩形波の電圧を印加することができる。ここで、ユニット１とユニット２とは、印加される電圧の矩形波の位相が半周期ずれている。
【００７４】
このため、ユニット１の入射光ＬＤ１が点灯しているときに、ユニット２の入射光ＬＤ２は消灯している。また、入射光ＬＤ１が消灯しているときに、ユニット２の入射光ＬＤ２は点灯している。
【００７５】
次いで、図５（ｄ）において、光走査装置は、上記のユニット１及び２の動作により（図５（ｂ）及び（ｃ））、ユニット１及び２の入射光を点滅することで、任意の光走査位置（図５（ａ））に光走査する動作をすることができる。また、光走査装置は、印加する電圧の周期を短くすることで、よりスムーズに光走査する動作をすることができる。
【００７６】
以上より、本変形例における光走査装置は、ユニット１及び２に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。このため、光走査装置は、出射光に歪みが発生することなく、出射光を光走査することができる。また、光走査装置は、印加する電圧の振幅を所望となる偏向角と対応するように変化させることで、任意の光走査位置に光走査する動作をすることができる。
【実施例２】
【００７７】
実施例２の光走査装置を用いて、本発明を説明する。
【００７８】
（光走査装置の構成）
本実施例の光走査装置２００の構成を図６に示す。
【００７９】
図６において、光走査装置２００は、第３の光導波路１３Ｃを含む。ここで、第３の光導波路１３Ｃの構成は、第１の光導波路１３Ａ等と同様のため、説明を省略する。また、光走査装置２００は、本実施例では、第３の光導波路１３Ｃとして、ユニット３を有する。
【００８０】
光走査装置２００のその他の構成は、実施例１の光走査装置１００（図１）と同様のため、説明を省略する。
【００８１】
（光走査する動作）
光走査装置が、光走査する動作について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、各ユニットの入射光及び出射光を示す。図７（ｂ）〜（ｄ）は、ユニット１〜３に入射する入射光ＬＤ１〜ＬＤ３の点滅のタイミング及び印加する電圧を示す。図７（ｅ）は、ユニット１〜３により出射される出射光の偏向角を示す。
【００８２】
図７（ａ）は、図３（ｂ）と同様のため、説明を省略する。
【００８３】
図７（ｂ）において、光走査装置は、ユニット１に、周期３Ｔで＋Ｖ１及び−Ｖ１を繰り返す矩形波の電圧を印加する。このとき、印加電圧＋Ｖ１と−Ｖ１とのデューティ比を１：１とし、それぞれの印加時間を（３／２）Ｔとする。ここで、ユニット１は、電圧＋Ｖが印加されると、透過する光束の偏向角は＋θとなる。
【００８４】
光走査装置は、本実施例では、ユニット１に電圧＋Ｖが印加されている期間０〜Ｔ（図中の横軸）に入射光ＬＤ１を点灯する。この期間０〜Ｔは、電圧＋Ｖを印加している期間（３／２）Ｔよりも短い。このため、＋Ｖ〜−Ｖ及び−Ｖ〜＋Ｖに印加する電圧の極性を切り替える時間を含まない。
【００８５】
次に、光走査装置は、ユニット１の入射光ＬＤ１をＴ〜３Ｔまで消灯する。その後、光走査装置は、ユニット１の入射光ＬＤ１を３Ｔ〜４Ｔまで点灯する。これにより、光走査装置は、プラス／マイナスの電圧の極性切り替え時に発生する「立上り／立下りに要する時間」及び「オーバーシュートが発生する時間」を除いて、出射光を照射することができる。このため、光走査装置は、出射光の偏向角の安定性を向上させることができる。
【００８６】
次に、図７（ｃ）及び（ｄ）において、光走査装置は、ユニット２及び３を、上記ユニット１（図７（ｂ））と同様に、ユニット１に印加する電圧の波形に対して、その位相を１／３周期ずらして制御する。また、光走査装置は、上記ユニット１（図７（ｂ））と同様に、ユニット２及び３の入射光ＬＤ２及びＬＤ３の点滅のタイミングを制御する。
【００８７】
次いで、図７（ｅ）において、光走査装置は、上記のユニット１〜３の動作により（図７（ｂ）〜（ｄ））、ユニット１〜３の入射光を点滅することで、常時、偏向角＋θの光走査位置で停止した出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００８８】
以上より、本実施例における光走査装置は、ユニット１〜３に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。
【００８９】
また、光走査装置は、ユニット（光導波路）を複数有し、各ユニットに印加する電圧の波形の位相をずらすことで、入射光の点滅のタイミングを調整し、印加電圧の極性切り替え時に発生する「立上り等に要する時間」及び「オーバーシュートが発生する時間」を除いて、出射光を光走査位置に停止して、常時照射させることができる。これにより、光走査装置は、常時、所定の周波数で電圧を印加しながら、任意の光走査位置に、出射光に歪みが発生することなく、偏向角の安定性の高い出射光を光走査することができる。
【００９０】
更に、光走査装置は、実施例１の変形例１と同様に、印加する電圧の振幅（電圧レベル）を所望となる偏向角と対応するように変化させることで、任意の光走査位置に光走査する動作をすることができる。
【００９１】
なお、光走査装置は、４つ以上の光導波路（ユニット）により、構成することも可能である。また、電圧を印加する波形は、三角波等を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ ： 光偏向器
１２ ： 入射光手段（光源）
１３Ａ： 第１の光導波路（光導波路）
１３Ｂ： 第２の光導波路（光導波路）
１３Ｃ： 第３の光導波路（光導波路）
１３Ａｃ：第１のコア層（電気光学素子）
１３Ｂｃ：第２のコア層（電気光学素子）
１３Ｃｃ：第３のコア層（電気光学素子）
１３Ａｇ：第１のグレーティング（グレーティング）
１３Ｂｇ：第２のグレーティング（グレーティング）
１３Ｃｇ：第３のグレーティング（グレーティング）
１００、２００：光走査装置
ＢＡ１、ＢＢ１：入射光
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開平９−１４６１２８
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子を用いた光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光束の進行方向を制御して光を走査させる装置として、ポリゴンミラー、ガルバノミラーあるいは電気光学素子を用いた光走査装置が知られている。
【０００３】
ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光走査装置では、光の偏向可能な角度（偏向角）が大きいが、光学系（ミラーなど）及び可動部を必要とするため、小型化が難しい場合がある。また、可動部の振動が問題になる場合がある。
【０００４】
一方、電気光学素子を用いた光走査装置では、偏向角は小さいが、電気光学効果（電気光学結晶の屈折率が電界強度に依存して変化する効果）を利用しているため、可動部がなく、高応答性を実現できる。また、小型化も比較的容易である。
【０００５】
特許文献１は、複数の三角形の分極反転ドメインを有する強誘電性基体を用いて、高速のランダムアクセスが可能であると共に、偏向可能な偏向角が大きく、高分解能の電気光学素子に関する技術を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
強誘電体（電気光学素子）を用いた光走査装置は、強誘電体に連続して一方向に電圧を印加することで強誘電体内の電気光学結晶の屈折率を変化させ、電気光学結晶を透過する光を偏向する。このとき、大きな偏向角を得るためには、電気光学結晶に高い電界を印加する必要がある。具体的には、電気光学結晶として用いられているニオブ酸リチウム結晶では、分極反転によるプリズム構造（プリズム幅Ｄ＝２ｍｍ、プリズム長Ｌ＝２０ｍｍ）により光を偏向させる場合において、偏向角度を５°以上とするために、ニオブ酸リチウム結晶に約１０ｋＶ／ｍｍ以上の電界を印加する。
【０００７】
特許文献１に開示されている技術において、電気光学結晶に高い電界を印加する場合では、空間電荷効果により、結晶内に注入された電子によって陽極からの電界が影響を受け、電極間の電界（電荷分布）が不均一になる場合があった。これにより、電気光学結晶の屈折率が不均一となり、偏向して出射される出射光に歪みが生じ、出射光の品質が保たれない場合があった。
【０００８】
本発明は、高い電界を印加する場合でも、歪みが生じていない偏向した光束を得ることができる光走査装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、ことを特徴とする光走査装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光走査装置において、電気光学素子に印加する電界が高い場合でも、歪みが生じていない偏向した光束を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光偏向器及び光走査装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】光偏向器の要部の一例を示す概略側面図である。
【図３】光偏向器の動作の一例を説明する説明図である。
【図４】実施例１の光走査装置の偏向角を説明する説明図である。
【図５】変形例１の光走査の動作を説明する説明図である。
【図６】実施例２の光走査装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】実施例２の光走査装置のの偏向角を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電気光学効果により光束の進行方向を偏向する光偏向器を用いて、本発明を詳細に説明する。本発明は、光偏向器以外でも、プリンタ、スキャナ、車載用レーザレーダ、波長可変レーザ、及び、メディカル用レーザ等において用いられる入射光を電気光学効果を用いて偏向し、偏向した光束（入射光）を出射光として照射するものであれば、いずれのものにも用いることができる。
【００１３】
（光偏向器の構成）
図１に、本実施形態の光偏向器の概略構成図の例を示す。
【００１４】
図１において、光偏向器１０は、制御手段１１、入射光手段１２、第１の光導波路１３Ａ、第２の光導波路１３Ｂ、電極１４、及び、基板１５を含む。
【００１５】
光偏向器１０は、本実施形態では、入射光手段１２から入射された入射光を第１の光導波路１３Ａ等で偏向し、偏向後の光束（入射光）を出射光として出射する。また、光偏向器１０は、制御手段１１により、電極１４に印加する電圧を制御し、電気光学効果により、第１の光導波路１３Ａ等の屈折率を変化させ、光導波路内を透過する光束を偏向する。
【００１６】
ここで、電気光学効果とは、電気光学結晶の屈折率が電界強度に依存して変化する効果をいう。
【００１７】
制御手段１１は、光偏向器１０全体の制御を行う手段である。制御手段１１は、入射光手段１２等の動作を制御する。また、制御手段１１は、電極１４に印加する電圧を制御することにより、第１の光導波路１３Ａ等の屈折率を制御する。
【００１８】
入射光手段１２は、光を発し、その光を入射光として、第１の光導波路１３Ａ等に入射する手段である。入射光手段１２は、本実施形態では、光源及び光学系を含む。入射手段１２は、光源が射出する光束（半導体レーザなど）を光学系（レンズ及びミラーなど）により集光し、第１の光導波路１３Ａ等（後述する第１のコア層１３Ａｃ等）に入射する。
【００１９】
第１の光導波路１３Ａは、入射光手段１２により入射された入射光の進行方向を偏向し、偏向後の光束（入射光）を出射光として出射するものである。第１の光導波路１３Ａは、本実施形態では、第１のグレーティング１３Ａｇ及び第１のコア層１３Ａｃを含む。
【００２０】
第１のグレーティング１３Ａｇは、格子状パターンによる光の回折により、第１の光導波路１３Ａに入射された入射光の波長に応じて、入射光を偏向する回折格子である。第１のグレーティング１３Ａｇは、本実施形態では、入射光を入射する第１の光導波路１３Ａ（後述する第１のコア層１３Ａｃ）の表面を凹凸形状に加工して形成される。
【００２１】
第１のコア層１３Ａｃは、電気光学素子として、本実施形態では、強誘電性体により構成される。また、第１のコア層１３Ａｃは、強誘電性体の一部に自発分極の方向（電気光学結晶の分極軸の方向）が反転した領域（後述する分極反転領域１３Ａｃｒ）を有する。
【００２２】
第２の光導波路１３Ｂは、第１の光導波路１３Ａと構成が同様のため、説明を省略する。
【００２３】
電極１４は、第１のコア層１３Ａｃ等に電界を印加し、第１のコア層１３Ａｃ等の屈折率を変化させるものである。電極１４は、本実施形態では、第１の光導波路１３Ａ等の表面に、一対の電極（上部電極層及び下部電極層）として形成される。詳細は、後述の（光導波路及び電極の構成）で説明する。
【００２４】
基板１５は、第１の光導波路１３Ａ、第２の光導波路１３Ｂ及び電極１４を支持するものである。詳細は、後述の（光導波路及び電極の構成）で説明する。
【００２５】
（光導波路及び電極の構成）
光偏向器の第１の光導波路及び電極の構成を、図２を用いて、説明する。図２は、光偏向器の要部の一例を示す概略側面図である。なお、光偏向器の第２の光導波路等の構成は、第１の光導波路等の構成と同様のため、説明を省略する。
【００２６】
図２において、光偏向器は、第１の光導波路として、入射光ＢＡ１を偏向する回折格子である第１のグレーティング１３Ａｇと、光束ＢＡ２を透過する薄膜導波路である第１のコア層１３Ａｃと、第１のコア層１３Ａｃから漏れた光を反射するクラッド層（１３Ａｕｐ及び１３Ａｄｗ）と、を有する。
【００２７】
第１のグレーティング１３Ａｇは、第１の光導波路の外部から入射角α（図中のｚ軸に対する角度α）で入射する入射光ＢＡ１を第１のコア層１３Ａｃに伝搬（以下、カップリングという。）させるため、入射光ＢＡ１の位相整合を行う。ここで、位相整合条件は、次式より、得られる。
【００２８】
ｎ（ａ）×ｓｉｎα=Ｎ−λ／Λ
ここで、ｎ（ａ）は、グレーティング周辺の屈折率である。Ｎは、コア層の実効屈折率である。λは、光束の波長である。Λは、グレーティングの周期である。第１のグレーティング１３Ａｇは、本実施形態では、グレーティングの周期Λを５００ｎｍとし、凹凸のデューティ比を１：１とする。このとき、入射光ＢＡ１の入射角αは６４°となる。
【００２９】
第１のコア層１３Ａｃは、自発分極の方向が図中のｚ軸の正方向である正領域１３Ａｃｐと、光を偏向させるために自発分極の方向を反転（ｚ軸の負方向に）した領域（以下、分極反転領域という。）１３Ａｃｒと、を有する。ここで、分極反転領域１３Ａｃｒの形状は、三角形の断面形状（以下、プリズム形状という。）である。プリズム形状は、後述する図３（ａ）〜（ｃ）に図示する。また、分極反転領域１３ｃｒは、光束ＢＡ２の進行方向（図中のｙ軸方向）に、複数、配置されている。
【００３０】
クラッド層は、上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗを有する。ここで、クラッド層とは、光束ＢＡ２の進行方向と交差する方向側の第１のコア層１３Ａｃの表面上に被覆され、第１のコア層１３Ａｃから漏れた光を反射する。なお、グレーティング１３Ａｇが形成される領域には、上部クラッド層１３Ａｕｐを被覆しない。
【００３１】
また、光偏向器は、光導波路（コア層）に電界を印加するための電極として、上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗの外側（第１のコア層１３Ａｃと接する側の反対側）に形成された上部電極層１４Ａｕｐ及び下部電極層１４Ａｄｗを有する。なお、グレーティング１３Ａｇが形成される領域には、上部電極層１４Ａｕｐを形成しない。
【００３２】
更に、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ及び上部電極層１４Ａｕｐ等を支持する支持基板１５Ａｓと、第１の光導波路１３Ａと支持基板１５Ａｓとを接着する接着層１５Ａｇと、を有する。
【００３３】
ここで、第１のコア層１３Ａｃの材質は、電気光学素子として、電気光学効果を有する強誘電体のニオブ酸リチウム材料（ＬｉＮｂＯ３）を用いることができる。また、支持基板１５Ａｓもニオブ酸リチウム材料を用いることができ、光偏向器の熱膨張による損傷を低減することができる。上部クラッド層１３Ａｕｐ及び下部クラッド層１３Ａｄｗは、膜厚約１μｍのＴａ２Ｏ５膜またはＳｉＯ２膜を用いることができる。上部電極層１４Ａｕｐ及び下部電極層１４Ａｄｗは、膜厚約２００ｎｍのＴｉ膜またはＣｒ膜を用いることができる。
【００３４】
第１のコア層１３Ａｃは、その一方の表面上に下部クラッド層１３Ａｄｗ及び下部電極層１４Ａｄｗを成膜後、第１のコア層１３Ａｃを上下反転（ｚ軸方向に反転）し、第１のコア層１３Ａｃの成膜されていない他方の表面を研磨することができる。これにより、第１のコア層１３Ａｃの膜厚を調整することができる。第１のコア層１３Ａｃの膜厚は、本実施形態では、約２０μｍとする。研磨後、第１のコア層１３Ａｃは、研磨した表面上に上部クラッド層１３Ａｕｐ等を成膜（形成）することができる。
【００３５】
（光束を偏向する動作）
光偏向器が光束の進行方向を偏向する動作を、図３を用いて、説明する。図３（ａ）は、光偏向器の入射光及び出射光を説明する概略斜視図である。図３（ｂ）は、その概略断面図である。図３（ｃ）は、その概略平面図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、電極の記載は省略している。
【００３６】
図３（ａ）において、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ（電極を含む。以下、同様とする。）を第２の光導波路１３Ｂ上に積層して構成される。このとき、第１の光導波路１３Ａの透過する光束ＢＡ２の光軸（印加する電圧が０Ｖのときの光軸）と第２の光導波路１３Ｂの光束ＢＢ２の光軸とは、同一の方向とする。また、第２の光導波路１３Ｂは、第１の光導波路１３Ａより、光軸方向（図中のｙ軸方向）において長い構成とする。このため、第２のグレーティング１３Ｂｇは、積層後もその表面が露出している。
【００３７】
図３（ｂ）において、光偏向器は、図示しない光源（入射光手段）から発せられた光を、図示しないレンズ等により集光し、入射光ＢＡ１及び入射光ＢＢ１として、第１の光導波路１３Ａ及び第２の光導波路１３Ｂに入射する。このとき、入射光ＢＡ１等は、第１のグレーティング１３Ａｇ及び第２のグレーティング１３Ｂｇにより偏向され、光束ＢＡ２及び光束ＢＢ２として、第１の光導波路１３Ａ等の正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒ等を伝搬する。その後、第１の光導波路１３Ａ等内で偏向され、出射光ＢＡ３及び出射光ＢＢ３として出射される。
【００３８】
第１の光導波路１３Ａと第２の光導波路１３Ｂとの積層において、各光導波路の高さ（図中のｚ軸方向の長さ）を数１００μｍとすることにより、出射光（ＢＡ３及びＢＢ３）の出射位置（図中のｚ軸方向の位置）の差分を数１００μｍにすることができる。
【００３９】
図３（ｃ）において、光束ＢＡ２が第１の光導波路１３Ａを伝搬しているときに、第１の光導波路１３Ａに電界を印加すると、第１の光導波路１３Ａの電気光学効果により、第１の光導波路１３Ａ内の正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒの屈折率が変化する。このとき、正領域１３Ａｃｐと分極反転領域１３Ａｃｒとは自発分極の方向が１８０度異なるため、屈折率の変化量が異なる。この結果、光束ＢＡ２は、正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒを透過する際に、正領域１３Ａｃｐと分極反転領域１３Ａｃｒとの界面（屈折率の異なる界面）で屈折し、図中のＸＹ平面内で進行方向を偏向する。
【００４０】
その後、偏向された光束ＢＡ２は、出射光ＢＡ３として、第１のコア層の端面から出射される。なお、第２の光導波路１３Ｂも、同様に、出射光ＢＢ３として、偏向された光束ＢＢ２を出射する。
【００４１】
ここで、正領域１３Ａｃｐ及び分極反転領域１３Ａｃｒの屈折率差Δｎは、次式となる。
【００４２】
Δｎ＝−１／２×ｒ×ｎ３×Ｖ／ｄ
上記の式において、ｒは、電気光学定数（ポッケルス定数）である。ｎは、光導波路（コア層）の屈折率である。ｄは、光導波路（コア層）の厚さである。Ｖは、光導波路（コア層）に印加する電圧である。
【００４３】
以上より、光偏向器は、第１の光導波路１３Ａ等に印加する電圧を制御することによって、電気光学効果により第１の光導波路１３Ａ等（コア層）の屈折率を制御し、第１の光導波路１３Ａ等を透過する光束の進行方向を偏向することができる。
【００４４】
なお、電圧を印加する領域を分極反転領域のプリズム形状と同様の形状の領域とすることで、光導波路内に電圧が印加された領域と印加されていない領域とを形成し、局所的に屈折率を変化させることができる。その結果、電圧が印加された領域と印加されていない領域との界面（屈折率の異なる界面）を透過する光束を屈折させ、光束の進行方向を偏向することができる。
【００４５】
（実施例）
光走査装置の実施例を用いて、本発明を説明する。本発明は、光走査装置以外でも、プリンタ、スキャナ、車載用レーザレーダ、波長可変レーザ、及び、メディカル用レーザ等において、入射光を電気光学効果を用いて偏向し、偏向した光束（入射光）を出射光として対象物に照射するものであれば、いずれのものにも用いることができる。
【実施例１】
【００４６】
実施例１の光走査装置を用いて、本発明を説明する。ここで、光走査装置とは、本実施例では、光源からの入射光を光導波路に入射し、電気光学効果により光導波路の屈折率を変化させ、光導波路内を透過する光束の進行方向を偏向し、偏向後の光束を出射光として出射（以下、光走査という。）する装置である。
【００４７】
（光走査装置の構成）
図１に、本実施例の光走査装置１００の構成を示す。
【００４８】
光走査装置１００は、本実施例では、第１の光導波路１３Ａとして、ユニット１を有する。また、光走査装置１００は、第２の光導波路１３Ｂとして、ユニット２を有する。その他の構成は、光偏向器１０（図１）と同様のため、説明を省略する。
【００４９】
（光走査する動作）
光走査装置が、光走査する動作について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、ユニット１及び２の偏向角（θ１）を示す。図４（ｂ）及び（ｃ）は、ユニット１及び２に入射光（ＬＤ１及びＬＤ２）を点滅するタイミング及び印加する電圧を示す。図（ｄ）は、ユニット１及び２が出射する出射光の偏向角（θ１及び−θ１）を示す。
【００５０】
図４（ａ）において、ユニット１及び２は、グレーティング（１３Ａｇ及び１３Ｂｇ）の位置以外は同じ構成で形成される。ここで、光走査装置は、印加される電圧が０Ｖのときのユニット１及び２を透過する光束の光軸が同一の方向になるようにユニット１及び２を積層して構成される。また、偏向された光束ＢＡ及びＢＢの出射する位置（以下、光走査位置という。）のずれ量は、ユニット１及び２の合計厚さの１／２と同じ大きさとなる。
【００５１】
ここで、ユニット１及び２の厚さを略３００μｍとすることができる。このため、出射光（ＢＡ及びＢＢ）が照射する位置のずれ量は、略３００μｍとなる。
【００５２】
ユニット１及び２には、常時、所定の周波数で電圧が印加される。このため、入射光を常時点灯している場合では、所定の周波数に対応して出射光（ＢＡ及びＢＢ）の出射方向が変化する光走査の動作をすることができる。
【００５３】
また、所望の光走査位置（方向）に対応する電圧レベル時に入射光を点灯し、所望の光走査位置に対応しない電圧レベル時に入射光を消灯することによって、所望の光走査位置のみに出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００５４】
更に、ユニット１及び２に印加する電圧の波形の位相をずらすことで、一方のユニットの入射光が消灯しているときに、他方のユニットの入射光を点灯することができる。これにより、ユニット１及び２により、常時、所望の光走査位置に出射光を停止して照射する光走査の動作をすることができる。
【００５５】
ここで、所定の周波数とは、空間電荷効果により、光導波路内に注入された電子の分布（電荷分布）が不均一とならない周波数の値とすることができる。また、所定の周波数の値を、数値計算又は実験等により定められる光走査する対象物に対応する値とすることができる。
【００５６】
具体的には、所定の周波数は、膜厚２０μｍの光導波路の材料にマグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、１ｋＨｚ以上の波形で±２５０Ｖの電圧を印加することができる。このとき、ニオブ酸リチウム結晶内の電子が不必要な準位にトラップされる前に、逆向きの電圧が印加される。このため、不均一な電荷分布を結晶内に生じさせることがなく、偏向された出射光の形状に歪みが生じることを防止することができる。
【００５７】
一方、周波数を１ｋＨｚ未満にすると、偏向された出射光の形状に歪みが生じる。これは、周波数を小さくすると、電気光学結晶内の電子が滞留する時間が確保され、空間電荷効果が生じ易くなるためである。したがって、マグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、光導波路に印加する電圧の波形の周波数は１ｋＨｚ以上とすることが好ましい。
【００５８】
また、印加する電圧の中間の電圧レベルがゼロでない場合、電気光学結晶内で不均一な電荷分布が発生し、屈折率が不均一になり、出射光に歪みが生じる場合がある。これは、光導波路に電圧を印加することにより、電気光学結晶内に中間の電圧レベルに対応する電圧勾配が存在するため、電気光学結晶内に電子が不必要に滞留するためである。これにより、不均一な電荷分布が電気光学結晶内に形成され、屈折率が不均一になる。
【００５９】
光導波路の材料にマグネシウムが添加されたニオブ酸リチウム結晶を用いる場合、印加する電圧の中間の電圧レベルがゼロでないとき、出射光の歪みが顕著となる。これは、マグネシウムの添加により、空間電荷効果が発生し易くなるからである。
【００６０】
したがって、光偏向器の印加する電圧の波形は、中間の電圧レベルがゼロとなる波形（電圧レベルの絶対値が同じであり、極性の異なる電圧レベルを一定周期で交互に印加する波形）が好ましい。
【００６１】
次に、図４（ｂ）〜（ｄ）を用いて、本実施例の光走査の動作を、具体的に説明する。
【００６２】
図４（ｂ）において、光走査装置は、先ず、ユニット１に周期２Ｔで電圧＋Ｖ１及び−Ｖ１を繰り返す矩形波形の電圧を印加する。このとき、ユニット１は、印加電圧＋Ｖ１で、θ１（図４（ａ））の偏向角の出射光を出射する。ここで、入射光を常時点灯している場合では、出射光は、偏向角θ１及び−θ１（θ１の反対方向の角度）で時間Ｔごとに交互に照射する光走査の動作となる。
【００６３】
光走査装置は、出射光を偏向角θ１のみで出射する場合では、ユニット１に入射する入射光ＬＤ１を、印加電圧が＋Ｖ１のとき（図中の横軸の０〜Ｔ、２Ｔ〜３Ｔ、４Ｔ〜５Ｔなど）で点灯することができる。また、光走査装置は、それ以外のとき（印加電圧が−Ｖ１のとき）には、入射光ＬＤ１を消灯することができる。
【００６４】
次に、図４（ｃ）において、光走査装置は、ユニット２に周期２Ｔで電圧＋Ｖ１でθ１（図４（ａ））の偏向角の出射光を出射することができる。ここで、光走査装置は、ユニット２に周期２Ｔで電圧を印加するときの位相をユニット１の位相と逆にし（半周期ずらして）、ユニット１が−Ｖ１となっているときに、ユニット２が＋Ｖ１となるように電圧を印加する動作をすることができる。
【００６５】
また、光走査装置は、ユニット１で入射光ＬＤ１を消灯しているとき（Ｔ〜２Ｔ、３Ｔ〜４Ｔ、５Ｔ〜６Ｔなど）、ユニット２の入射光ＬＤ２を点灯とすることができる。更に、光走査装置は、ユニット１で入射光ＬＤ１を点灯しているとき（０〜Ｔ、２Ｔ〜３Ｔ、４Ｔ〜５Ｔなど）、ユニット２の入射光ＬＤ２を消灯することができる。
【００６６】
次いで、図４（ｄ）において、光走査装置は、上記のユニット１及び２の動作により（図４（ｂ）及び（ｃ））、ユニット１及び２の入射光を点滅することで、常時、偏向角θ１の光走査位置で停止した出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００６７】
以上より、本実施例における光走査装置は、ユニット１及び２に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。また、光走査装置は、ユニット（光導波路）を複数有し、各ユニットに印加する電圧の波形の位相をずらすことで、入射光の点滅のタイミングを調整し、出射光を光走査位置に停止して、常時照射することができる。これにより、光走査装置は、常時、所定の周波数で電圧を印加しながら、任意の光走査位置に、出射光に歪みが発生することなく、出射光を光走査することができる。
（変形例１）
本変形例は、光走査位置を経過時間に対応して変化させる例である。
【００６８】
（光走査装置の構成）
本変形例の光走査装置の構成は、実施例１と同様のため、説明を省略する。
【００６９】
（光走査する動作）
本変形例の光走査装置が、光走査する動作について、図５を用いて説明する。ここで、図５（ａ）は、光走査を行う出射光の偏向角を示す。図５（ｂ）及び（ｃ）は、ユニット１及び２に印加する電圧及び入射光（ＬＤ１及びＬＤ２）を点滅するタイミングを示す。図５（ｄ）は、ユニット１及び２により出射される出射光の偏向角を示す。
【００７０】
図５（ａ）において、光走査装置は、出射光の偏向角をθ１からθ２に徐々に変化させ、その後、偏向角θ２で停止させる光走査の動作を行う。
【００７１】
図５（ｂ）において、光走査装置は、図５（ａ）の光走査を行うため、ユニット１に印加する電圧と入射光ＬＤ１を点滅するタイミングとを制御する。ここで、光走査装置は、空間電荷効果が発生するのを抑制するため、ユニット１に、常時、周期２Ｔの矩形波の電圧を印加する。また、光走査装置は、本変形例では、偏向角をθ１からθ２に変化させるために、ユニット１に印加する電圧の振幅（電圧レベル）を所望となる偏向角に対応する振幅となるように制御する。
【００７２】
具体的には、光走査装置は、偏向角θ１に対応する電圧Ｖ１から偏向角θ２に対応する電圧Ｖ２に周期２Ｔで変化する矩形波の印加電圧の波形で、ユニット１及びユニット２に電圧を印加することができる。このとき、光走査装置は、印加する電圧を偏向角に対応する電圧とその逆極性の電圧とを繰り返す矩形波の電圧を印加することで、空間電荷効果が発生するのを抑制することができる。また、光走査装置は、偏向角に対応する電圧となったタイミングのみで、ユニット１の入射光ＬＤ１を点灯することができる。
【００７３】
次に、図５（ｃ）において、光走査装置は、ユニット１の位相から半周期ずらした波形でユニット２に電圧を印加することができる。このとき、光走査装置は、印加する電圧について、ユニット１と同様に、偏向角に対応する電圧とその逆極性の電圧とを繰り返す矩形波の電圧を印加することができる。ここで、ユニット１とユニット２とは、印加される電圧の矩形波の位相が半周期ずれている。
【００７４】
このため、ユニット１の入射光ＬＤ１が点灯しているときに、ユニット２の入射光ＬＤ２は消灯している。また、入射光ＬＤ１が消灯しているときに、ユニット２の入射光ＬＤ２は点灯している。
【００７５】
次いで、図５（ｄ）において、光走査装置は、上記のユニット１及び２の動作により（図５（ｂ）及び（ｃ））、ユニット１及び２の入射光を点滅することで、任意の光走査位置（図５（ａ））に光走査する動作をすることができる。また、光走査装置は、印加する電圧の周期を短くすることで、よりスムーズに光走査する動作をすることができる。
【００７６】
以上より、本変形例における光走査装置は、ユニット１及び２に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。このため、光走査装置は、出射光に歪みが発生することなく、出射光を光走査することができる。また、光走査装置は、印加する電圧の振幅を所望となる偏向角と対応するように変化させることで、任意の光走査位置に光走査する動作をすることができる。
【実施例２】
【００７７】
実施例２の光走査装置を用いて、本発明を説明する。
【００７８】
（光走査装置の構成）
本実施例の光走査装置２００の構成を図６に示す。
【００７９】
図６において、光走査装置２００は、第３の光導波路１３Ｃを含む。ここで、第３の光導波路１３Ｃの構成は、第１の光導波路１３Ａ等と同様のため、説明を省略する。また、光走査装置２００は、本実施例では、第３の光導波路１３Ｃとして、ユニット３を有する。
【００８０】
光走査装置２００のその他の構成は、実施例１の光走査装置１００（図１）と同様のため、説明を省略する。
【００８１】
（光走査する動作）
光走査装置が、光走査する動作について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、各ユニットの入射光及び出射光を示す。図７（ｂ）〜（ｄ）は、ユニット１〜３に入射する入射光ＬＤ１〜ＬＤ３の点滅のタイミング及び印加する電圧を示す。図７（ｅ）は、ユニット１〜３により出射される出射光の偏向角を示す。
【００８２】
図７（ａ）は、図３（ｂ）と同様のため、説明を省略する。
【００８３】
図７（ｂ）において、光走査装置は、ユニット１に、周期３Ｔで＋Ｖ１及び−Ｖ１を繰り返す矩形波の電圧を印加する。このとき、印加電圧＋Ｖ１と−Ｖ１とのデューティ比を１：１とし、それぞれの印加時間を（３／２）Ｔとする。ここで、ユニット１は、電圧＋Ｖが印加されると、透過する光束の偏向角は＋θとなる。
【００８４】
光走査装置は、本実施例では、ユニット１に電圧＋Ｖが印加されている期間０〜Ｔ（図中の横軸）に入射光ＬＤ１を点灯する。この期間０〜Ｔは、電圧＋Ｖを印加している期間（３／２）Ｔよりも短い。このため、＋Ｖ〜−Ｖ及び−Ｖ〜＋Ｖに印加する電圧の極性を切り替える時間を含まない。
【００８５】
次に、光走査装置は、ユニット１の入射光ＬＤ１をＴ〜３Ｔまで消灯する。その後、光走査装置は、ユニット１の入射光ＬＤ１を３Ｔ〜４Ｔまで点灯する。これにより、光走査装置は、プラス／マイナスの電圧の極性切り替え時に発生する「立上り／立下りに要する時間」及び「オーバーシュートが発生する時間」を除いて、出射光を照射することができる。このため、光走査装置は、出射光の偏向角の安定性を向上させることができる。
【００８６】
次に、図７（ｃ）及び（ｄ）において、光走査装置は、ユニット２及び３を、上記ユニット１（図７（ｂ））と同様に、ユニット１に印加する電圧の波形に対して、その位相を１／３周期ずらして制御する。また、光走査装置は、上記ユニット１（図７（ｂ））と同様に、ユニット２及び３の入射光ＬＤ２及びＬＤ３の点滅のタイミングを制御する。
【００８７】
次いで、図７（ｅ）において、光走査装置は、上記のユニット１〜３の動作により（図７（ｂ）〜（ｄ））、ユニット１〜３の入射光を点滅することで、常時、偏向角＋θの光走査位置で停止した出射光を照射する光走査の動作をすることができる。
【００８８】
以上より、本実施例における光走査装置は、ユニット１〜３に、常時、所定の周波数で電圧を印加し、電気光学結晶内（光導波路のコア層内）に不均一な電荷分布が形成されるのを防止することができる。
【００８９】
また、光走査装置は、ユニット（光導波路）を複数有し、各ユニットに印加する電圧の波形の位相をずらすことで、入射光の点滅のタイミングを調整し、印加電圧の極性切り替え時に発生する「立上り等に要する時間」及び「オーバーシュートが発生する時間」を除いて、出射光を光走査位置に停止して、常時照射させることができる。これにより、光走査装置は、常時、所定の周波数で電圧を印加しながら、任意の光走査位置に、出射光に歪みが発生することなく、偏向角の安定性の高い出射光を光走査することができる。
【００９０】
更に、光走査装置は、実施例１の変形例１と同様に、印加する電圧の振幅（電圧レベル）を所望となる偏向角と対応するように変化させることで、任意の光走査位置に光走査する動作をすることができる。
【００９１】
なお、光走査装置は、４つ以上の光導波路（ユニット）により、構成することも可能である。また、電圧を印加する波形は、三角波等を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ ： 光偏向器
１２ ： 入射光手段（光源）
１３Ａ： 第１の光導波路（光導波路）
１３Ｂ： 第２の光導波路（光導波路）
１３Ｃ： 第３の光導波路（光導波路）
１３Ａｃ：第１のコア層（電気光学素子）
１３Ｂｃ：第２のコア層（電気光学素子）
１３Ｃｃ：第３のコア層（電気光学素子）
１３Ａｇ：第１のグレーティング（グレーティング）
１３Ｂｇ：第２のグレーティング（グレーティング）
１３Ｃｇ：第３のグレーティング（グレーティング）
１００、２００：光走査装置
ＢＡ１、ＢＢ１：入射光
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開平９−１４６１２８
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、
前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、
前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、
前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記入射光を発する光源を複数有し、
前記光源は前記入射光を点滅することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記複数の光導波路を透過する前記入射光が所望の光走査位置に照射するときの前記屈折率に変化したタイミングで、前記光源は前記入射光を点灯することを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記複数の光導波路を積層し、
前記複数の光導波路を透過する前記入射光の光軸は同一の方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記複数の光導波路は、該複数の光導波路に入射する入射光の波長に応じて、前記入射する入射光を偏向するグレーティングをそれぞれ含み、
前記入射する入射光は、前記グレーティングにより、前記複数の光導波路をそれぞれ透過することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記電圧は、該電圧の中間の電圧レベルがゼロであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記所定の周波数は、１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項１】
入射光が透過する複数の光導波路を有する光走査装置であって、
前記複数の光導波路は、印加される電界に基づいて屈折率を変化する電気光学素子をそれぞれ含み、
前記各電気光学素子に所定の周波数の電圧を位相をずらして印加することにより、該電気光学素子の屈折率を位相をずらして変化させ、
前記変化した屈折率に対応させて、前記複数の光導波路に入射する前記入射光をそれぞれ点滅する、
ことを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記入射光を発する光源を複数有し、
前記光源は前記入射光を点滅することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記複数の光導波路を透過する前記入射光が所望の光走査位置に照射するときの前記屈折率に変化したタイミングで、前記光源は前記入射光を点灯することを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記複数の光導波路を積層し、
前記複数の光導波路を透過する前記入射光の光軸は同一の方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記複数の光導波路は、該複数の光導波路に入射する入射光の波長に応じて、前記入射する入射光を偏向するグレーティングをそれぞれ含み、
前記入射する入射光は、前記グレーティングにより、前記複数の光導波路をそれぞれ透過することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記電圧は、該電圧の中間の電圧レベルがゼロであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記所定の周波数は、１ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光走査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６１４８９（Ｐ２０１３−６１４８９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９９１９（Ｐ２０１１−１９９９１９）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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