走査型光学装置
【課題】複数の電気光学素子を用いた場合でも、大きな偏角を得ることができるとともに、省電力化を図ることが可能な走査型光学装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光を射出する光源装置１１と、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、光源装置１１から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子２１及び該第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光を一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子２６を有する光走査部２０と、第１電気光学素子２１と第２電気光学素子２６との間の光路上に設けられ第１電気光学素子２１から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段２５とを備えることを特徴とする。
【解決手段】レーザ光を射出する光源装置１１と、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、光源装置１１から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子２１及び該第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光を一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子２６を有する光走査部２０と、第１電気光学素子２１と第２電気光学素子２６との間の光路上に設けられ第１電気光学素子２１から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段２５とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光などのビーム状の光を被投射面上でラスタースキャンして画像を表示する走査型画像表示装置が提案されている。この装置では、レーザ光の供給を停止することで完全な黒を表現できるため、例えば液晶ライトバルブを用いたプロジェクタ等に比べて高コントラストの表示が可能である。また、レーザ光を使用した画像表示装置は、レーザ光が単一波長であるために色純度が高い、コヒーレンスが高いためにビームを整形しやすい（絞りやすい）等の特性を持つことから、高解像度、高色再現性を実現する高画質ディスプレイとして期待されている。また、走査型画像表示装置は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどと異なり、固定された画素を持たないため、画素数という概念がなく、解像度を変換し易いという利点も持っている。
【０００３】
走査型画像表示装置で画像を生成するには、ポリゴンミラー、ガルバノミラーなどのスキャナを用いて光を２次元に走査する必要がある。１個のスキャナを水平方向、垂直方向の２方向に振りつつ光を２次元に走査する方法もあるが、その場合、走査系の構成や制御が複雑になるという問題がある。そこで、光を１次元に走査するスキャナを２組用意し、各々に水平走査と垂直走査を受け持たせるようにした走査型画像表示装置が提案されている。従来は、双方のスキャナともにポリゴンミラーやガルバノミラーを使用するのが普通であり、双方のスキャナに回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いた投写装置が下記の特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１−２４５７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１ではポリゴンミラーを用いた装置が紹介されているが画像フォーマットの高解像度化に伴い、スキャン周波数も高くなってきており、ポリゴンミラーやガルバノミラーでは限界を迎えつつある。そこで、近年、高速側のスキャナにＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用したシステムが発表されている。ＭＥＭＳ技術を利用したスキャナ（以下、単にＭＥＭＳスキャナという）とは、シリコン等の半導体材料の微細加工技術を用いて製作するものであり、トーションバネ等で支持したミラーを静電力等により駆動するものである。このスキャナは、静電力とバネの復元力との相互作用でミラーを往復運動させて、光を走査することができる。ＭＥＭＳスキャナを用いることにより、従来のスキャナに比べて高周波数、大偏角のスキャナを実現することができる。これにより、高解像度の画像を表示することが可能になる。
【０００５】
ところで、高速のＭＥＭＳスキャナを実現するには、ミラーを共振点で往復運動させなければならないため、光利用効率などを考えると、走査線が視聴者から見て左から右へスキャンした後に、次の走査線は右から左にスキャンする（両側スキャン）システムとなる。
一方、画像信号はＣＲＴ（Cathode Ray Tube）をベースに規格が決まっているため、左から右へスキャンした後は短い時間で左に戻り、再度右へスキャンする（片側スキャン）システムに合わせたフォーマットとなっている。したがって、ＭＥＭＳスキャナの場合、一部のデータは入力された信号の順番を反転して表示しなければならないため、信号の制御が複雑になる。
そこで、ＭＥＭＳスキャン以外の走査手段としては、電気光学（ＥＯ：Electro Optic）スキャナが考えられる。ＥＯスキャナとはＥＯ結晶に電圧を加えることにより、その結晶中を透過する光の進行方向を変える素子である。このようにＥＯスキャナでは、電圧によりスキャン角を制御できるので、ＣＲＴと同様に片側スキャンによる描画が可能となる。
【０００６】
ＥＯ結晶には、ポッケルス効果、あるいは、カー効果を有するものがあり、この効果は、入射する光の振動方向に対する依存性があり、特定の振動方向の光に対しては大きな偏角を得ることができるが、特定の振動方向と直交する振動方向の光に対してはそれほど大きな偏角を得ることはできない。したがって、複数のＥＯスキャナを用いて２次元走査を行う場合、後段に配置されたＥＯ素子に入射する光の振動方向（偏光面）を考慮せずに、前段のＥＯ素子から射出された光をそのまま入射させると、大きな偏角が得られないため、所望の形状（照射される領域のアスペクト比が４：３や１６：９など）に光をスキャンすることが困難である。このため、大きな偏角を得るために、ＥＯ素子に印加する電圧をＥＯ素子の特性以上に高くする必要が生じ、消費電力の増大を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数の電気光学素子を用いた場合でも、大きな偏角を得ることができるとともに、省電力化を図ることが可能な走査型光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の走査型光学装置は、レーザ光を射出する光源装置と、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、前記光源装置から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子及び該第１電気光学素子から射出されたレーザ光を前記一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子を有する光走査部と、前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子との間の光路上に設けられ前記第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
まず、電気光学素子の性質について説明する。
電気光学素子は、電圧が印加されることにより内部に電界が生じ、屈折率分布が電界方向に向かって連続的に増加あるいは減少する。このため、電気光学素子の内部に生じる電界と垂直な方向に進行する光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ、電気光学素子から射出される。本発明の走査型光学装置では、光源装置から射出され第１電気光学素子に入射した光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ一方向に走査される。第１電気光学素子から射出された光は、偏光方向回転手段により、偏光面が回転する。そして、偏光面が回転した光は、第２電気光学素子に入射し、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ他方向に走査される。
【００１０】
ここで、偏光方向を考慮しないで、第１電気光学素子から射出された光をそのまま第２電気光学素子に入射させると、第２電気光学素子は第１電気光学素子とは異なる方向に走査することから、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができる偏光方向から偏光面がずれてしまい、所望の偏角を得るために必要以上の電圧を印加させる必要が生じる。しかしながら、本発明では、偏光方向回転手段を備えているため、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができる偏光方向の光に近づけて、電気光学素子から射出された光を第２電気光学素子に入射させることができる。したがって、第２電気光学素子に同じ電圧を印加したとき、偏光方向を考慮しない場合に比べて大きな偏角を得ることができるため、第２電気光学素子から射出される光の照明領域を所望の形状となるように走査することが容易となる。すなわち、本発明の走査型光学装置は、従来のように大きな偏角を得ようと高い電圧を印加させる必要がないため、第２電気光学素子の印加電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。これにより、装置全体として低消費電力化を実現することが可能となる。
【００１１】
また、前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向になるような偏光方向に回転させることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段により、第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができるような偏光方向に回転される。したがって、所望の偏角を得るために第２電気光学素子に印加する電圧を大きくする必要がない。その結果、第２電気光学素子の性能を最大限に利用することができるため、第２電気光学素子の印加電圧に対するスキャン角度の効率をより向上させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の走査型光学装置は、前記偏光方向回転手段が、１／２波長板であることが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段が１／２波長板であるため、偏光方向を、例えば９０度回転させることにより、第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができるような偏光方向に回転させることが可能となる。したがって、偏光方向回転手段が１／２波長板であるため、簡易な構成で、精度良く第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を所望の偏光方向に変換することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の走査型光学装置は、前記偏光方向回転手段が１／２波長板である代わりに、前記偏光方向回転手段が旋光性を有する物質からなっていても良い。
本発明に係る走査型光学装置では、第１電気光学素子から射出した光は旋光性を有する物質からなる偏光方向回転手段を通過すると、偏光面が回転する。このように、旋光性を有する物質からなる偏光方向回転手段を用いることにより、安価に第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を所望の偏光方向に変換することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の走査型光学装置は、前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子の走査方向が互いに直交して配置されていることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る走査型光学装置では、第１電気光学素子及び第２電気光学素子が直交して配置されているため、第１電気光学素子及び第２電気光学素子のうちいずれか一方を水平走査に用い、他方を垂直走査に用いることができる。したがって、第１，第２電気光学素子から射出されるレーザ光のスキャン範囲をより大きくすることができる。
【００１７】
また、本発明の走査型光学装置は、前前記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の電気光学効果が結晶方位依存性を有し、前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な前記第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転させることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段により、第１電気光学素子から射出された光に、第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転される。したがって、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向と第２電気光学素子の結晶方位を一致させることで、第２電気光学素子から最大偏角のレーザ光を射出させることが可能となる。
【００１９】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電気光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子が、高い誘電率を有する誘電体材料であるＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3（タンタル酸ニオブ酸カリウム）の組成を有する結晶である（以下、ＫＴＮ結晶と称す）。ＫＴＮ結晶は、立方晶から正方晶さらに菱面体晶へと温度により結晶系を変える性質を有しており、立方晶においては、大きい２次の電気光学効果を有することが知られている。特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。したがって、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有する結晶は、他の結晶に比べて屈折率を変化させる際に必要になる印加電圧を低く抑えることが可能となる。これにより、省電力化を実現可能な走査型光学装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明に係る走査型光学装置の実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２２】
［第１実施形態］
走査型光学装置１は、図１に示すように、レーザ光を射出する光源装置（ＬＤ：レーザダイオード）１１と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査する光走査部２０とを備えている。
【００２３】
光走査部２０は、光源装置１１から射出されたレーザ光の光路上に配置された２つの電気光学素子２１，２６と電気光学素子２１，２６の間の光路上に配置された１／２波長板２５（偏光方向回転手段）とを備えている。ここで、光源装置１１に近い側に配置された電気光学素子２１を第１電気光学素子とし、光源装置１１から遠い側に配置された電気光学素子２６を第２電気光学素子とする。
なお、本実施形態で用いられる第１，第２電気光学素子２１，２６は、電圧の印加方向と入射光の偏光方向とが同じである場合、電気光学素子から最大偏角の光を射出させることが可能な素子である。
【００２４】
第１電気光学素子２１は、照明領域Ｋにおいて２方向（垂直方向ｖ、水平方向ｈ）の走査のうち、光源装置１１から射出される光を垂直方向（一方向）ｖに走査する垂直走査用スキャナであり、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１から射出される光を水平方向（一方向と異なる方向）ｈに走査する水平走査用スキャナである。
なお、ここで言う「水平走査用スキャナ」は、２方向の走査のうち、高速側の走査を担うスキャナであり、「垂直走査用スキャナ」は、低速側の走査を担うスキャナである。
【００２５】
まず、第１電気光学素子について説明する。
第１電気光学素子２１は、図１に示すように、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、光源装置１１から射出されるレーザ光を走査するものであり、図１に示すように、第１電極２２と、第２電極２３と、光学素子２４とを備えている。
光学素子２４は、電気光学効果を有する誘電体結晶（電気光学結晶）であり、本実施形態ではＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3）の組成を有する結晶材料で構成されている。また、ＫＴＮ結晶はカー効果（等方性材料に電場をかけると複屈折性が生じる現象であり、印加電圧により発生した電界の強さの二乗に比例する）を利用した結晶である。
また、光学素子２４は、直方体形状であり、光学素子２４の上面２４ａには第１電極２２が配置され、下面２４ｂには第２電極２３が配置されている。この第１電極２２及び第２電極２３には、電圧を印加する電源Ｅが接続されている。また、第１電極２２及び第２電極２３は、図１に示すように、光学素子２４内を進行するレーザ光Ｌの進行方向の寸法がほぼ同じである。これにより、第１電極２２と第２電極２３との間の光学素子２４に電界が生じるようになっている。例えば、第２電極２３より第１電極２２に高い電圧が印加されると、第１電極２２から第２電極２３に向かって（矢印Ａに示す方向）電界が生じる。その結果、電気光学結晶の屈折率は第１電極２２から第２電極２３に向かって高くなる。また、矢印Ａは、第１，第２電極２２，２３の配列方向、すなわち、電圧の印加方向である。
【００２６】
また、光学素子２４は、図１に示すように、第１電気光学素子２１の入射端面２１ａの第１電極２２に近い側からレーザ光を入射させるように配置されている。これにより、本実施形態の第１電気光学素子２１は、入射したレーザ光を基準に片側に走査する片側走査を行う。つまり、第１電気光学素子２１の屈折率分布により、光学素子２４に入射したレーザ光は第２電極２３側のみに曲げられるため、光学素子２４の第１電極２２側からレーザ光を入射させることにより、スキャン範囲を大きく取ることが可能となっている。
また、光源装置１１は、矢印で示すように、垂直方向ｖと平行な直線偏光（以降ｖ偏光とする）のレーザ光を射出するものである。すなわち、第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａと、光源装置１１から射出されるレーザ光の偏光方向（ｖ偏光）とを合わせることで、第１電気光学素子２１から最大偏角の光を射出させることが可能となる。
さらに、光源装置１１は、射出されたレーザ光Ｌが電気光学素子２１の入射端面２１ａに対して垂直に入射するように配置されている。
【００２７】
次に、第１電気光学素子の動作について説明する。
第１電極２２には、電源Ｅにより例えば＋１００Ｖの電圧が印加され、第２電極２３には、電源Ｅにより例えば０Ｖの電圧が印加される。第１，第２電極２２，２３に電圧を印加することで、光学素子２４には第１電極２２から第２電極２３に向かって電界が生じる。これにより、光学素子２４の屈折率は、第１電極２２側が低くなり、第２電極２３側に向かって屈折率が徐々に高くなる。これにより、光学素子２４の内部に生じる電界方向Ａと垂直な方向に進行するレーザ光は屈折する。具体的には、第１電気光学素子２１の入射端面２１ａから入射したレーザ光Ｌは、光学素子２４の屈折率が高い第２電極２３側に向かって曲げられる。
【００２８】
次に、光源装置から射出されるレーザ光の走査について説明する。
第１電極２２に印加される電圧の波形は、例えば、図２に示すように、鋸歯状の波形である。この初期値Ｓ１（０Ｖ）の電圧を第１電極２２に印加すると、図１に示すように、光源装置１１から射出され光学素子２４を進行するレーザ光Ｌ１は直進し第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出される。
【００２９】
また、第１電極２２に印加する電圧値を、図２の電圧の波形に示すように徐々に上げると、光学素子２４の屈折率勾配が大きくなる。これにより、第１電極２２に印加する電圧を上げ徐々に最大の電圧値Ｓ２（＋１００Ｖ）まで上げると、図１に示すように、光源装置１１から射出され光学素子２４を進行するレーザ光Ｌ２は、光学素子２４内において印加電圧の上昇とともに徐々に大きく屈折する。これにより、第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出される光は、スキャン範囲において電界方向Ａと同じ方向に走査される。
【００３０】
このように、図２に示す波形の電圧を第１電極２２に印加することで、光源装置１１から射出されたレーザ光Ｌは、電気光学素子２１によりレーザ光Ｌ１からレーザ光Ｌ２までのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。すなわち、第１電極２２に印加する電圧を変化させることで、第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されるレーザ光は１次元方向に走査される。
なお、第１電気光学素子２１に印加される印加電圧の値である初期値０Ｖ，最大電圧値＋１００Ｖは一例に過ぎず、第１電気光学素子２１から射出される光の偏角の大きさや、光学素子２４の厚みによって適宜変更が可能である。
【００３１】
１／２波長板２５は、図１に示すように、当該１／２波長板２５の光学軸（常光と異常光に分かれない方向）Ｐが、入射するレーザ光の偏光方向（ｖ偏光）と４５度の角度をなすように配置されている。このように配置することで、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、１／２波長板２５を通過することで複屈折効果により偏光面が９０度回転する。したがって、１／２波長板２５を通過した後のレーザ光は、水平方向ｈと平行な直線偏光（以降ｈ偏光とする）の光となる。
【００３２】
次に、第２電気光学素子について説明する。
第２電気光学素子２６は第１電気光学素子２１と同様の構成であり、配置及び大きさのみ異なる。
すなわち、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１と同様に、第１電極２７と、第２電極２８と、光学素子２９とにより構成されている。なお、第２電気光学素子２６も第１電気光学素子２１と同様に、入射したレーザ光を基準に片側に走査する片側走査となっている。
また、光学素子２９の大きさは、第１電気光学素子２１から走査されたレーザ光を入射可能な入射端面２６ａを有する大きさとなっている。
また、第２電極２８より第１電極２７に高い電圧が印加されると、第１電極２７から第２電極２８に向かって（矢印Ｂに示す方向）電界が生じる。その結果、電気光学結晶の屈折率は第１電極２２から第２電極２３に向かって高くなる。また、矢印Ｂは、第１，第２電極２７，２８の配列方向、すなわち、電圧の印加方向である。
【００３３】
ＫＴＮ結晶は、電圧の印加方向Ａとスキャン方向とが略一致するため、第１電気光学素子２１が光源装置１１から射出されたレーザ光を垂直方向に走査し、第２電気光学素子２６が第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光を水平方向に走査するには、第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａと、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向Ｂとを略直交させて配置する。具体的には、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１の配置に対して、レーザ光Ｌ１の光路を中心に９０度回転させた状態で、光源装置１１から射出されたレーザ光の光路上に配置されている。これにより、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂから射出される光は、スキャン範囲において電界方向Ｂと同じ方向に走査される。
【００３４】
次に、光源装置１１から射出されたレーザ光の走査について説明する。
第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ１は、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌ１ａからレーザ光Ｌ１ｂまでのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。同様に、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ２も、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌ２ａからレーザ光Ｌ２ｂまでのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。
【００３５】
ここで、第１電気光学素子２１から射出され第２電気光学素子２６に向かうｖ偏光の光は、１／２波長板２５によりｈ偏光の光に変換される。このとき、第２電気光学素子２６は、光源装置１１から射出されたレーザ光を水平方向に走査させるため、第１電気光学素子２１の配置に対して、レーザ光Ｌ１の光路を中心に９０度回転させた状態で配置されている。これにより、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光方向は、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向Ｂと一致するため、第２電気光学素子２６から最大偏角の光を射出させることが可能である。
なお、第２電気光学素子２６から射出されるレーザ光の偏角の大きさは、照明領域Ｋの大きさに応じて、第１，第２電極２７，２８に印加する電圧や、光学素子２９の厚みを変えることで適宜変更が可能となる。
【００３６】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、１／２波長板２５を備えることにより、第１電気光学素子２１から射出される光の、偏光方向を回転させることができる。したがって、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子２６の電界方向Ｂに一致させることができるため、第２電気光学素子２６は最大偏角の光を第２電気光学素子２６から射出させることが可能である。したがって、第２電気光学素子２６に印加する電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。すなわち、装置全体として低消費電力化を実現することが可能となる。
さらに、第２電気光学素子２６の性能を最大限に利用することができるため、大きな偏角で光を射出させることが可能となる。これにより、第１，第２電気光学素子２１，２６に印加する電圧等を制御することで、照明領域Ｋを所望の形状にすることが容易になる。
また、第１電気光学素子２１においても、入射するレーザ光の偏光方向と第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａとが一致しているため、第１電気光学素子２１に印加する電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。
つまり、本実施形態の走査型光学装置１は、複数の電気光学素子を用いた場合でも、大きな偏角を得ることができるとともに、省電力化を図ることが可能である。
【００３７】
なお、本実施形態では、第１，第２電気光学素子２１,２６から射出されるレーザ光を片側のみ走査させたが、レーザ光を両側走査させても良い。この構成では、第１電極２２に印加する電圧を正の電圧から負の電圧に変化させることで、第１，第２電気光学素子２１，２６の入射端面２１ａ，２６ａの中央から入射したレーザ光を、当該レーザ光を中心に両側に走査することが可能となる。また、どちらか一方の電気光学素子から射出される光を片側走査にし、他方の電気光学素子から射出される光を両側走査させても良い。
さらに、１／２波長板２５の光学軸Ｐを第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏光方向と４５度の角度をなすように配置させたが、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向に応じて、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏光方向と光学軸Ｐとのなす角を設定すれば良い。
また、１／２波長板２５が光軸に垂直な面内で回転可能に配置されていても良い。この構成により、第１電気光学素子２１から射出されるレーザ光の偏光方向と第２電気光学素子２６の電圧印加方向Ｂとが９０度ずれていない場合でも１／２波長板２５を回転させることにより調整することが可能となる。
【００３８】
［第１実施形態の変形例］
図１に示す第１実施形態では、偏光方向回転手段として１／２波長板を用いたが、旋光性を有する物質からなっていても良い。具体的には、偏光方向回転手段としては、水晶等の旋光性結晶や液晶素子を用いても良い。また、旋光性は光学活性とも呼ばれており、光学活性な化学物質としては、砂糖、アミノ酸、コレステロール等の物質が挙げられる。この光学活性を有する水溶液に、第１電気光学素子２１から射出された光を入射させると、偏光面が回転する。したがって、このような水溶液を偏光方向回転手段として用い、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光面を第２電気光学素子２６の最大偏角を得ることが可能な偏光方向の光に変換することも可能である。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る走査型光学装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る走査型光学装置３０では、第１，第２電気光学素子３１，３６として、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を用いる点において第１実施形態と異なる。また、第１，第２電気光学素子３１，３６の構成及び機能は、第１実施形態の第１，第２電気光学素子２１，２６と同様である。
【００４０】
第１電気光学素子３１は、図３に示すように、第１電気光学素子２１と同様に、第１電極３２と、第２電極３３と、光学素子３４とにより構成されており、第２電気光学素子３６は、第１電極３７と、第２電極３８と、光学素子３９とにより構成されている。
また、光学素子３４，３９は、電気光学効果を有する誘電体結晶（電気光学結晶）であり、本実施形態ではＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：以下、ＬＮと称す）の組成を有する結晶材料で構成されている。
【００４１】
第１電気光学素子３１は、ＬＮ結晶からなるため、第１電気光学素子３１の最大偏角を得ることが可能な結晶方位Ｃ１が存在する。同様に、第２電気光学素子３６も、ＬＮ結晶からなるため、第２電気光学素子３６の最大偏角を得ることが可能な結晶方位Ｃ２が存在する。
ここで、本実施形態で用いられる第１，第２電気光学素子３１，３６は、電圧の印加方向と光源装置１１から射出された光の偏光方向と第１，第２電気光学素子３１，３６の結晶方位とが同じである場合、第１，第２電気光学素子３１，３６から最大偏角の光を射出させることが可能な素子である。
したがって、第１電気光学素子３１の第１，第２電極３２，３３は、結晶方位Ｃ１に電圧が印加されるように結晶方位Ｃ１に沿って配置されており、第２電気光学素子３６の第１，第２電極３７，３８も同様に、結晶方位Ｃ２に電圧が印加されるように結晶方位Ｃ２に沿って配置されている。
【００４２】
また、ＬＮ結晶は、結晶方位Ｃ１，Ｃ２とスキャン方向とが略一致するため、第１電気光学素子３１が光源装置１１から射出された光を垂直方向に走査し、第２電気光学素子３６が第１電気光学素子３１から射出された光を水平方向に走査するには、第１電気光学素子３１の結晶方位Ｃ１と、第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２とを略直交させて配置する。
また、第１電気光学素子３１から射出され第２電気光学素子３６に向かうｖ偏光の光は、１／２波長板２５によりｈ偏光の光に変換される。これにより、第２電気光学素子３６に入射する光は、第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２と一致するため、第２電気光学素子３６から最大偏角の光を射出させることが可能となる。
【００４３】
以上より、第１実施形態では、光学素子として等方性であるＫＴＮ結晶を用いているため、結晶方位を考慮する必要はなかったが、本実施形態で用いたＬＮ結晶のように、電気光学効果が結晶方位依存性を有する場合、結晶方位を考慮する必要が生じる。そこで、本実施形態のように、第１電気光学素子３１から射出された光の偏光方向を変換し、第２電気光学素子３６に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２に一致させる。これにより、第２電気光学素子３６の印加電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。
【００４４】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図４を参照して説明する。
第１実施形態では、単色の光源装置を用いた走査型光学装置の例を説明したが、本実施形態に係る走査型光学装置４０は、３色の光源装置を用いて、スクリーンに画像を投影させる画像表示装置である。また、本実施形態に用いられる光走査部２０は第１，第２実施形態と同様のものである。
【００４５】
本実施形態に係る画像表示装置４０は、図４に示すように、赤色のレーザ光を射出する赤色光源装置（光源装置）４０Ｒと、緑色のレーザ光を射出する緑色光源装置（光源装置）４０Ｇと、青色のレーザ光を射出する青色光源装置（光源装置）４０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム４６と、クロスダイクロイックプリズム４６から射出されたレーザ光をスクリーン４５の垂直方向に走査する第１電気光学素子２１と、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光をスクリーン４５の水平方向に走査する第２電気光学素子２６とを備えている。
また、第１電気光学素子２１と第２電気光学素子２６の間の光路上には１／２波長板２５が設けられている。
【００４６】
次に、以上の構成からなる本実施形態の画像表示装置４０を用いて、画像をスクリーン４５に投射する方法について説明する。
各光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂから射出された複数のレーザ光は、クロスダイクロイックプリズム４６で合成され電気光学素子２１に入射する。第１電気光学素子２１に入射したレーザ光は、スクリーン４５の垂直方向に走査され、第２電気光学素子２６により水平方向に走査されてスクリーン４５に投影される。
【００４７】
本実施形態に係る画像表示装置４０では、第１実施形態の走査型光学装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の画像表示装置４０では、第１，第２電気光学素子２１，２６から射出されるレーザ光の偏角が大きいため、ＤＣＩ（Digital Cinema Initiatives）仕様の４ｋ等の解像度に対応可能となる。したがって、画質の劣化を生じさせることなく、画像をより鮮明にスクリーン４５に表示させることができる。また、本実施形態の画像表示装置４０では、第２電気光学素子２６の印加電圧に対するスキャン角度の効率を向上させることができるため、装置全体の低消費電力化を図ることが可能となる。
【００４８】
しかも、第１，第２電気光学素子２１，２６からなる走査手段は、ＭＥＭＳスキャナより高速に走査することができるため、本実施形態のように、水平走査及び垂直走査ともに電気光学素子からなる走査手段を用いることにより、高性能な画像表示装置の実現が期待できる。
【００４９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、光源装置としてｖ偏光のレーザ光を射出するものを用いたが、ｈ偏光のレーザ光を射出するものを用いても良い。この構成の場合、上記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の配置をレーザ光の光路を中心に９０度回転させた状態で配置すれば良い。
また、第１，第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向が、電圧の印加方向と垂直な方向に振動する方向である場合も、上記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の配置をレーザ光の光路を中心に９０度回転させた状態で配置すれば良い。
さらに、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子の電圧の印加方向に一致させたが、電圧の印加方向に近づけるだけでも、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向と第２電気光学素子の電圧の印加方向とが９０度ずれている場合に比べて大きな偏角を得ることができる。
【００５０】
また、垂直走査を行う電気光学素子をレーザ光の光路上の前段に配置したが、水平走査を行う電気光学素子を前段に配置しても良い。
さらに、電気光学素子を２つ用いて説明したが、個数はこれに限るものではない。例えば、第２電気光学素子から射出される光の偏角を大きくしたり、歪みを補正するために、第２電気光学素子の後段側に電気光学素子を設けても良い。
また、第３実施形態では、走査型光学装置として画像表示装置について説明したが、これに限らず、レーザ光を２方向に走査する装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１の電気光学素子の電極に印加する電圧の波形を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｃ１，Ｃ２…結晶方位、１，３０，４０…走査型光学装置、１１…光源装置、２０…光走査部、２１，３１…第１電気光学素子、２６，３６…第２電気光学素子、２５…１／２波長板（偏光方向回転手段）、４０Ｒ…赤色光源装置（光源装置）、４０Ｇ…緑色光源装置（光源装置）、４０Ｂ…青色光源装置（光源装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光などのビーム状の光を被投射面上でラスタースキャンして画像を表示する走査型画像表示装置が提案されている。この装置では、レーザ光の供給を停止することで完全な黒を表現できるため、例えば液晶ライトバルブを用いたプロジェクタ等に比べて高コントラストの表示が可能である。また、レーザ光を使用した画像表示装置は、レーザ光が単一波長であるために色純度が高い、コヒーレンスが高いためにビームを整形しやすい（絞りやすい）等の特性を持つことから、高解像度、高色再現性を実現する高画質ディスプレイとして期待されている。また、走査型画像表示装置は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどと異なり、固定された画素を持たないため、画素数という概念がなく、解像度を変換し易いという利点も持っている。
【０００３】
走査型画像表示装置で画像を生成するには、ポリゴンミラー、ガルバノミラーなどのスキャナを用いて光を２次元に走査する必要がある。１個のスキャナを水平方向、垂直方向の２方向に振りつつ光を２次元に走査する方法もあるが、その場合、走査系の構成や制御が複雑になるという問題がある。そこで、光を１次元に走査するスキャナを２組用意し、各々に水平走査と垂直走査を受け持たせるようにした走査型画像表示装置が提案されている。従来は、双方のスキャナともにポリゴンミラーやガルバノミラーを使用するのが普通であり、双方のスキャナに回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いた投写装置が下記の特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１−２４５７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１ではポリゴンミラーを用いた装置が紹介されているが画像フォーマットの高解像度化に伴い、スキャン周波数も高くなってきており、ポリゴンミラーやガルバノミラーでは限界を迎えつつある。そこで、近年、高速側のスキャナにＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用したシステムが発表されている。ＭＥＭＳ技術を利用したスキャナ（以下、単にＭＥＭＳスキャナという）とは、シリコン等の半導体材料の微細加工技術を用いて製作するものであり、トーションバネ等で支持したミラーを静電力等により駆動するものである。このスキャナは、静電力とバネの復元力との相互作用でミラーを往復運動させて、光を走査することができる。ＭＥＭＳスキャナを用いることにより、従来のスキャナに比べて高周波数、大偏角のスキャナを実現することができる。これにより、高解像度の画像を表示することが可能になる。
【０００５】
ところで、高速のＭＥＭＳスキャナを実現するには、ミラーを共振点で往復運動させなければならないため、光利用効率などを考えると、走査線が視聴者から見て左から右へスキャンした後に、次の走査線は右から左にスキャンする（両側スキャン）システムとなる。
一方、画像信号はＣＲＴ（Cathode Ray Tube）をベースに規格が決まっているため、左から右へスキャンした後は短い時間で左に戻り、再度右へスキャンする（片側スキャン）システムに合わせたフォーマットとなっている。したがって、ＭＥＭＳスキャナの場合、一部のデータは入力された信号の順番を反転して表示しなければならないため、信号の制御が複雑になる。
そこで、ＭＥＭＳスキャン以外の走査手段としては、電気光学（ＥＯ：Electro Optic）スキャナが考えられる。ＥＯスキャナとはＥＯ結晶に電圧を加えることにより、その結晶中を透過する光の進行方向を変える素子である。このようにＥＯスキャナでは、電圧によりスキャン角を制御できるので、ＣＲＴと同様に片側スキャンによる描画が可能となる。
【０００６】
ＥＯ結晶には、ポッケルス効果、あるいは、カー効果を有するものがあり、この効果は、入射する光の振動方向に対する依存性があり、特定の振動方向の光に対しては大きな偏角を得ることができるが、特定の振動方向と直交する振動方向の光に対してはそれほど大きな偏角を得ることはできない。したがって、複数のＥＯスキャナを用いて２次元走査を行う場合、後段に配置されたＥＯ素子に入射する光の振動方向（偏光面）を考慮せずに、前段のＥＯ素子から射出された光をそのまま入射させると、大きな偏角が得られないため、所望の形状（照射される領域のアスペクト比が４：３や１６：９など）に光をスキャンすることが困難である。このため、大きな偏角を得るために、ＥＯ素子に印加する電圧をＥＯ素子の特性以上に高くする必要が生じ、消費電力の増大を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数の電気光学素子を用いた場合でも、大きな偏角を得ることができるとともに、省電力化を図ることが可能な走査型光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の走査型光学装置は、レーザ光を射出する光源装置と、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、前記光源装置から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子及び該第１電気光学素子から射出されたレーザ光を前記一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子を有する光走査部と、前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子との間の光路上に設けられ前記第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
まず、電気光学素子の性質について説明する。
電気光学素子は、電圧が印加されることにより内部に電界が生じ、屈折率分布が電界方向に向かって連続的に増加あるいは減少する。このため、電気光学素子の内部に生じる電界と垂直な方向に進行する光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ、電気光学素子から射出される。本発明の走査型光学装置では、光源装置から射出され第１電気光学素子に入射した光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ一方向に走査される。第１電気光学素子から射出された光は、偏光方向回転手段により、偏光面が回転する。そして、偏光面が回転した光は、第２電気光学素子に入射し、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ他方向に走査される。
【００１０】
ここで、偏光方向を考慮しないで、第１電気光学素子から射出された光をそのまま第２電気光学素子に入射させると、第２電気光学素子は第１電気光学素子とは異なる方向に走査することから、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができる偏光方向から偏光面がずれてしまい、所望の偏角を得るために必要以上の電圧を印加させる必要が生じる。しかしながら、本発明では、偏光方向回転手段を備えているため、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができる偏光方向の光に近づけて、電気光学素子から射出された光を第２電気光学素子に入射させることができる。したがって、第２電気光学素子に同じ電圧を印加したとき、偏光方向を考慮しない場合に比べて大きな偏角を得ることができるため、第２電気光学素子から射出される光の照明領域を所望の形状となるように走査することが容易となる。すなわち、本発明の走査型光学装置は、従来のように大きな偏角を得ようと高い電圧を印加させる必要がないため、第２電気光学素子の印加電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。これにより、装置全体として低消費電力化を実現することが可能となる。
【００１１】
また、前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向になるような偏光方向に回転させることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段により、第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができるような偏光方向に回転される。したがって、所望の偏角を得るために第２電気光学素子に印加する電圧を大きくする必要がない。その結果、第２電気光学素子の性能を最大限に利用することができるため、第２電気光学素子の印加電圧に対するスキャン角度の効率をより向上させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の走査型光学装置は、前記偏光方向回転手段が、１／２波長板であることが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段が１／２波長板であるため、偏光方向を、例えば９０度回転させることにより、第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を、第２電気光学素子の最大偏角を得ることができるような偏光方向に回転させることが可能となる。したがって、偏光方向回転手段が１／２波長板であるため、簡易な構成で、精度良く第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を所望の偏光方向に変換することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の走査型光学装置は、前記偏光方向回転手段が１／２波長板である代わりに、前記偏光方向回転手段が旋光性を有する物質からなっていても良い。
本発明に係る走査型光学装置では、第１電気光学素子から射出した光は旋光性を有する物質からなる偏光方向回転手段を通過すると、偏光面が回転する。このように、旋光性を有する物質からなる偏光方向回転手段を用いることにより、安価に第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を所望の偏光方向に変換することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の走査型光学装置は、前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子の走査方向が互いに直交して配置されていることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る走査型光学装置では、第１電気光学素子及び第２電気光学素子が直交して配置されているため、第１電気光学素子及び第２電気光学素子のうちいずれか一方を水平走査に用い、他方を垂直走査に用いることができる。したがって、第１，第２電気光学素子から射出されるレーザ光のスキャン範囲をより大きくすることができる。
【００１７】
また、本発明の走査型光学装置は、前前記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の電気光学効果が結晶方位依存性を有し、前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な前記第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転させることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る走査型光学装置では、偏光方向回転手段により、第１電気光学素子から射出された光に、第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転される。したがって、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向と第２電気光学素子の結晶方位を一致させることで、第２電気光学素子から最大偏角のレーザ光を射出させることが可能となる。
【００１９】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電気光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子が、高い誘電率を有する誘電体材料であるＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3（タンタル酸ニオブ酸カリウム）の組成を有する結晶である（以下、ＫＴＮ結晶と称す）。ＫＴＮ結晶は、立方晶から正方晶さらに菱面体晶へと温度により結晶系を変える性質を有しており、立方晶においては、大きい２次の電気光学効果を有することが知られている。特に、立方晶から正方晶への相転移温度に近い領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、比誘電率の自乗に比例する２次の電気光学効果はきわめて大きい値となる。したがって、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有する結晶は、他の結晶に比べて屈折率を変化させる際に必要になる印加電圧を低く抑えることが可能となる。これにより、省電力化を実現可能な走査型光学装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明に係る走査型光学装置の実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２２】
［第１実施形態］
走査型光学装置１は、図１に示すように、レーザ光を射出する光源装置（ＬＤ：レーザダイオード）１１と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査する光走査部２０とを備えている。
【００２３】
光走査部２０は、光源装置１１から射出されたレーザ光の光路上に配置された２つの電気光学素子２１，２６と電気光学素子２１，２６の間の光路上に配置された１／２波長板２５（偏光方向回転手段）とを備えている。ここで、光源装置１１に近い側に配置された電気光学素子２１を第１電気光学素子とし、光源装置１１から遠い側に配置された電気光学素子２６を第２電気光学素子とする。
なお、本実施形態で用いられる第１，第２電気光学素子２１，２６は、電圧の印加方向と入射光の偏光方向とが同じである場合、電気光学素子から最大偏角の光を射出させることが可能な素子である。
【００２４】
第１電気光学素子２１は、照明領域Ｋにおいて２方向（垂直方向ｖ、水平方向ｈ）の走査のうち、光源装置１１から射出される光を垂直方向（一方向）ｖに走査する垂直走査用スキャナであり、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１から射出される光を水平方向（一方向と異なる方向）ｈに走査する水平走査用スキャナである。
なお、ここで言う「水平走査用スキャナ」は、２方向の走査のうち、高速側の走査を担うスキャナであり、「垂直走査用スキャナ」は、低速側の走査を担うスキャナである。
【００２５】
まず、第１電気光学素子について説明する。
第１電気光学素子２１は、図１に示すように、内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、光源装置１１から射出されるレーザ光を走査するものであり、図１に示すように、第１電極２２と、第２電極２３と、光学素子２４とを備えている。
光学素子２４は、電気光学効果を有する誘電体結晶（電気光学結晶）であり、本実施形態ではＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3）の組成を有する結晶材料で構成されている。また、ＫＴＮ結晶はカー効果（等方性材料に電場をかけると複屈折性が生じる現象であり、印加電圧により発生した電界の強さの二乗に比例する）を利用した結晶である。
また、光学素子２４は、直方体形状であり、光学素子２４の上面２４ａには第１電極２２が配置され、下面２４ｂには第２電極２３が配置されている。この第１電極２２及び第２電極２３には、電圧を印加する電源Ｅが接続されている。また、第１電極２２及び第２電極２３は、図１に示すように、光学素子２４内を進行するレーザ光Ｌの進行方向の寸法がほぼ同じである。これにより、第１電極２２と第２電極２３との間の光学素子２４に電界が生じるようになっている。例えば、第２電極２３より第１電極２２に高い電圧が印加されると、第１電極２２から第２電極２３に向かって（矢印Ａに示す方向）電界が生じる。その結果、電気光学結晶の屈折率は第１電極２２から第２電極２３に向かって高くなる。また、矢印Ａは、第１，第２電極２２，２３の配列方向、すなわち、電圧の印加方向である。
【００２６】
また、光学素子２４は、図１に示すように、第１電気光学素子２１の入射端面２１ａの第１電極２２に近い側からレーザ光を入射させるように配置されている。これにより、本実施形態の第１電気光学素子２１は、入射したレーザ光を基準に片側に走査する片側走査を行う。つまり、第１電気光学素子２１の屈折率分布により、光学素子２４に入射したレーザ光は第２電極２３側のみに曲げられるため、光学素子２４の第１電極２２側からレーザ光を入射させることにより、スキャン範囲を大きく取ることが可能となっている。
また、光源装置１１は、矢印で示すように、垂直方向ｖと平行な直線偏光（以降ｖ偏光とする）のレーザ光を射出するものである。すなわち、第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａと、光源装置１１から射出されるレーザ光の偏光方向（ｖ偏光）とを合わせることで、第１電気光学素子２１から最大偏角の光を射出させることが可能となる。
さらに、光源装置１１は、射出されたレーザ光Ｌが電気光学素子２１の入射端面２１ａに対して垂直に入射するように配置されている。
【００２７】
次に、第１電気光学素子の動作について説明する。
第１電極２２には、電源Ｅにより例えば＋１００Ｖの電圧が印加され、第２電極２３には、電源Ｅにより例えば０Ｖの電圧が印加される。第１，第２電極２２，２３に電圧を印加することで、光学素子２４には第１電極２２から第２電極２３に向かって電界が生じる。これにより、光学素子２４の屈折率は、第１電極２２側が低くなり、第２電極２３側に向かって屈折率が徐々に高くなる。これにより、光学素子２４の内部に生じる電界方向Ａと垂直な方向に進行するレーザ光は屈折する。具体的には、第１電気光学素子２１の入射端面２１ａから入射したレーザ光Ｌは、光学素子２４の屈折率が高い第２電極２３側に向かって曲げられる。
【００２８】
次に、光源装置から射出されるレーザ光の走査について説明する。
第１電極２２に印加される電圧の波形は、例えば、図２に示すように、鋸歯状の波形である。この初期値Ｓ１（０Ｖ）の電圧を第１電極２２に印加すると、図１に示すように、光源装置１１から射出され光学素子２４を進行するレーザ光Ｌ１は直進し第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出される。
【００２９】
また、第１電極２２に印加する電圧値を、図２の電圧の波形に示すように徐々に上げると、光学素子２４の屈折率勾配が大きくなる。これにより、第１電極２２に印加する電圧を上げ徐々に最大の電圧値Ｓ２（＋１００Ｖ）まで上げると、図１に示すように、光源装置１１から射出され光学素子２４を進行するレーザ光Ｌ２は、光学素子２４内において印加電圧の上昇とともに徐々に大きく屈折する。これにより、第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出される光は、スキャン範囲において電界方向Ａと同じ方向に走査される。
【００３０】
このように、図２に示す波形の電圧を第１電極２２に印加することで、光源装置１１から射出されたレーザ光Ｌは、電気光学素子２１によりレーザ光Ｌ１からレーザ光Ｌ２までのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。すなわち、第１電極２２に印加する電圧を変化させることで、第１電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されるレーザ光は１次元方向に走査される。
なお、第１電気光学素子２１に印加される印加電圧の値である初期値０Ｖ，最大電圧値＋１００Ｖは一例に過ぎず、第１電気光学素子２１から射出される光の偏角の大きさや、光学素子２４の厚みによって適宜変更が可能である。
【００３１】
１／２波長板２５は、図１に示すように、当該１／２波長板２５の光学軸（常光と異常光に分かれない方向）Ｐが、入射するレーザ光の偏光方向（ｖ偏光）と４５度の角度をなすように配置されている。このように配置することで、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、１／２波長板２５を通過することで複屈折効果により偏光面が９０度回転する。したがって、１／２波長板２５を通過した後のレーザ光は、水平方向ｈと平行な直線偏光（以降ｈ偏光とする）の光となる。
【００３２】
次に、第２電気光学素子について説明する。
第２電気光学素子２６は第１電気光学素子２１と同様の構成であり、配置及び大きさのみ異なる。
すなわち、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１と同様に、第１電極２７と、第２電極２８と、光学素子２９とにより構成されている。なお、第２電気光学素子２６も第１電気光学素子２１と同様に、入射したレーザ光を基準に片側に走査する片側走査となっている。
また、光学素子２９の大きさは、第１電気光学素子２１から走査されたレーザ光を入射可能な入射端面２６ａを有する大きさとなっている。
また、第２電極２８より第１電極２７に高い電圧が印加されると、第１電極２７から第２電極２８に向かって（矢印Ｂに示す方向）電界が生じる。その結果、電気光学結晶の屈折率は第１電極２２から第２電極２３に向かって高くなる。また、矢印Ｂは、第１，第２電極２７，２８の配列方向、すなわち、電圧の印加方向である。
【００３３】
ＫＴＮ結晶は、電圧の印加方向Ａとスキャン方向とが略一致するため、第１電気光学素子２１が光源装置１１から射出されたレーザ光を垂直方向に走査し、第２電気光学素子２６が第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光を水平方向に走査するには、第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａと、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向Ｂとを略直交させて配置する。具体的には、第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１の配置に対して、レーザ光Ｌ１の光路を中心に９０度回転させた状態で、光源装置１１から射出されたレーザ光の光路上に配置されている。これにより、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂから射出される光は、スキャン範囲において電界方向Ｂと同じ方向に走査される。
【００３４】
次に、光源装置１１から射出されたレーザ光の走査について説明する。
第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ１は、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌ１ａからレーザ光Ｌ１ｂまでのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。同様に、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ２も、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌ２ａからレーザ光Ｌ２ｂまでのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。
【００３５】
ここで、第１電気光学素子２１から射出され第２電気光学素子２６に向かうｖ偏光の光は、１／２波長板２５によりｈ偏光の光に変換される。このとき、第２電気光学素子２６は、光源装置１１から射出されたレーザ光を水平方向に走査させるため、第１電気光学素子２１の配置に対して、レーザ光Ｌ１の光路を中心に９０度回転させた状態で配置されている。これにより、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光方向は、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向Ｂと一致するため、第２電気光学素子２６から最大偏角の光を射出させることが可能である。
なお、第２電気光学素子２６から射出されるレーザ光の偏角の大きさは、照明領域Ｋの大きさに応じて、第１，第２電極２７，２８に印加する電圧や、光学素子２９の厚みを変えることで適宜変更が可能となる。
【００３６】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、１／２波長板２５を備えることにより、第１電気光学素子２１から射出される光の、偏光方向を回転させることができる。したがって、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子２６の電界方向Ｂに一致させることができるため、第２電気光学素子２６は最大偏角の光を第２電気光学素子２６から射出させることが可能である。したがって、第２電気光学素子２６に印加する電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。すなわち、装置全体として低消費電力化を実現することが可能となる。
さらに、第２電気光学素子２６の性能を最大限に利用することができるため、大きな偏角で光を射出させることが可能となる。これにより、第１，第２電気光学素子２１，２６に印加する電圧等を制御することで、照明領域Ｋを所望の形状にすることが容易になる。
また、第１電気光学素子２１においても、入射するレーザ光の偏光方向と第１電気光学素子２１の電圧の印加方向Ａとが一致しているため、第１電気光学素子２１に印加する電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。
つまり、本実施形態の走査型光学装置１は、複数の電気光学素子を用いた場合でも、大きな偏角を得ることができるとともに、省電力化を図ることが可能である。
【００３７】
なお、本実施形態では、第１，第２電気光学素子２１,２６から射出されるレーザ光を片側のみ走査させたが、レーザ光を両側走査させても良い。この構成では、第１電極２２に印加する電圧を正の電圧から負の電圧に変化させることで、第１，第２電気光学素子２１，２６の入射端面２１ａ，２６ａの中央から入射したレーザ光を、当該レーザ光を中心に両側に走査することが可能となる。また、どちらか一方の電気光学素子から射出される光を片側走査にし、他方の電気光学素子から射出される光を両側走査させても良い。
さらに、１／２波長板２５の光学軸Ｐを第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏光方向と４５度の角度をなすように配置させたが、第２電気光学素子２６の電圧の印加方向に応じて、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏光方向と光学軸Ｐとのなす角を設定すれば良い。
また、１／２波長板２５が光軸に垂直な面内で回転可能に配置されていても良い。この構成により、第１電気光学素子２１から射出されるレーザ光の偏光方向と第２電気光学素子２６の電圧印加方向Ｂとが９０度ずれていない場合でも１／２波長板２５を回転させることにより調整することが可能となる。
【００３８】
［第１実施形態の変形例］
図１に示す第１実施形態では、偏光方向回転手段として１／２波長板を用いたが、旋光性を有する物質からなっていても良い。具体的には、偏光方向回転手段としては、水晶等の旋光性結晶や液晶素子を用いても良い。また、旋光性は光学活性とも呼ばれており、光学活性な化学物質としては、砂糖、アミノ酸、コレステロール等の物質が挙げられる。この光学活性を有する水溶液に、第１電気光学素子２１から射出された光を入射させると、偏光面が回転する。したがって、このような水溶液を偏光方向回転手段として用い、第２電気光学素子２６に入射する光の偏光面を第２電気光学素子２６の最大偏角を得ることが可能な偏光方向の光に変換することも可能である。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係る走査型光学装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係る走査型光学装置３０では、第１，第２電気光学素子３１，３６として、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を用いる点において第１実施形態と異なる。また、第１，第２電気光学素子３１，３６の構成及び機能は、第１実施形態の第１，第２電気光学素子２１，２６と同様である。
【００４０】
第１電気光学素子３１は、図３に示すように、第１電気光学素子２１と同様に、第１電極３２と、第２電極３３と、光学素子３４とにより構成されており、第２電気光学素子３６は、第１電極３７と、第２電極３８と、光学素子３９とにより構成されている。
また、光学素子３４，３９は、電気光学効果を有する誘電体結晶（電気光学結晶）であり、本実施形態ではＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：以下、ＬＮと称す）の組成を有する結晶材料で構成されている。
【００４１】
第１電気光学素子３１は、ＬＮ結晶からなるため、第１電気光学素子３１の最大偏角を得ることが可能な結晶方位Ｃ１が存在する。同様に、第２電気光学素子３６も、ＬＮ結晶からなるため、第２電気光学素子３６の最大偏角を得ることが可能な結晶方位Ｃ２が存在する。
ここで、本実施形態で用いられる第１，第２電気光学素子３１，３６は、電圧の印加方向と光源装置１１から射出された光の偏光方向と第１，第２電気光学素子３１，３６の結晶方位とが同じである場合、第１，第２電気光学素子３１，３６から最大偏角の光を射出させることが可能な素子である。
したがって、第１電気光学素子３１の第１，第２電極３２，３３は、結晶方位Ｃ１に電圧が印加されるように結晶方位Ｃ１に沿って配置されており、第２電気光学素子３６の第１，第２電極３７，３８も同様に、結晶方位Ｃ２に電圧が印加されるように結晶方位Ｃ２に沿って配置されている。
【００４２】
また、ＬＮ結晶は、結晶方位Ｃ１，Ｃ２とスキャン方向とが略一致するため、第１電気光学素子３１が光源装置１１から射出された光を垂直方向に走査し、第２電気光学素子３６が第１電気光学素子３１から射出された光を水平方向に走査するには、第１電気光学素子３１の結晶方位Ｃ１と、第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２とを略直交させて配置する。
また、第１電気光学素子３１から射出され第２電気光学素子３６に向かうｖ偏光の光は、１／２波長板２５によりｈ偏光の光に変換される。これにより、第２電気光学素子３６に入射する光は、第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２と一致するため、第２電気光学素子３６から最大偏角の光を射出させることが可能となる。
【００４３】
以上より、第１実施形態では、光学素子として等方性であるＫＴＮ結晶を用いているため、結晶方位を考慮する必要はなかったが、本実施形態で用いたＬＮ結晶のように、電気光学効果が結晶方位依存性を有する場合、結晶方位を考慮する必要が生じる。そこで、本実施形態のように、第１電気光学素子３１から射出された光の偏光方向を変換し、第２電気光学素子３６に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子３６の結晶方位Ｃ２に一致させる。これにより、第２電気光学素子３６の印加電圧に対するスキャン角度（走査角度）の効率を向上させることが可能となる。
【００４４】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図４を参照して説明する。
第１実施形態では、単色の光源装置を用いた走査型光学装置の例を説明したが、本実施形態に係る走査型光学装置４０は、３色の光源装置を用いて、スクリーンに画像を投影させる画像表示装置である。また、本実施形態に用いられる光走査部２０は第１，第２実施形態と同様のものである。
【００４５】
本実施形態に係る画像表示装置４０は、図４に示すように、赤色のレーザ光を射出する赤色光源装置（光源装置）４０Ｒと、緑色のレーザ光を射出する緑色光源装置（光源装置）４０Ｇと、青色のレーザ光を射出する青色光源装置（光源装置）４０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム４６と、クロスダイクロイックプリズム４６から射出されたレーザ光をスクリーン４５の垂直方向に走査する第１電気光学素子２１と、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光をスクリーン４５の水平方向に走査する第２電気光学素子２６とを備えている。
また、第１電気光学素子２１と第２電気光学素子２６の間の光路上には１／２波長板２５が設けられている。
【００４６】
次に、以上の構成からなる本実施形態の画像表示装置４０を用いて、画像をスクリーン４５に投射する方法について説明する。
各光源装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂから射出された複数のレーザ光は、クロスダイクロイックプリズム４６で合成され電気光学素子２１に入射する。第１電気光学素子２１に入射したレーザ光は、スクリーン４５の垂直方向に走査され、第２電気光学素子２６により水平方向に走査されてスクリーン４５に投影される。
【００４７】
本実施形態に係る画像表示装置４０では、第１実施形態の走査型光学装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の画像表示装置４０では、第１，第２電気光学素子２１，２６から射出されるレーザ光の偏角が大きいため、ＤＣＩ（Digital Cinema Initiatives）仕様の４ｋ等の解像度に対応可能となる。したがって、画質の劣化を生じさせることなく、画像をより鮮明にスクリーン４５に表示させることができる。また、本実施形態の画像表示装置４０では、第２電気光学素子２６の印加電圧に対するスキャン角度の効率を向上させることができるため、装置全体の低消費電力化を図ることが可能となる。
【００４８】
しかも、第１，第２電気光学素子２１，２６からなる走査手段は、ＭＥＭＳスキャナより高速に走査することができるため、本実施形態のように、水平走査及び垂直走査ともに電気光学素子からなる走査手段を用いることにより、高性能な画像表示装置の実現が期待できる。
【００４９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、光源装置としてｖ偏光のレーザ光を射出するものを用いたが、ｈ偏光のレーザ光を射出するものを用いても良い。この構成の場合、上記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の配置をレーザ光の光路を中心に９０度回転させた状態で配置すれば良い。
また、第１，第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向が、電圧の印加方向と垂直な方向に振動する方向である場合も、上記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の配置をレーザ光の光路を中心に９０度回転させた状態で配置すれば良い。
さらに、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向を第２電気光学素子の電圧の印加方向に一致させたが、電圧の印加方向に近づけるだけでも、第２電気光学素子に入射する光の偏光方向と第２電気光学素子の電圧の印加方向とが９０度ずれている場合に比べて大きな偏角を得ることができる。
【００５０】
また、垂直走査を行う電気光学素子をレーザ光の光路上の前段に配置したが、水平走査を行う電気光学素子を前段に配置しても良い。
さらに、電気光学素子を２つ用いて説明したが、個数はこれに限るものではない。例えば、第２電気光学素子から射出される光の偏角を大きくしたり、歪みを補正するために、第２電気光学素子の後段側に電気光学素子を設けても良い。
また、第３実施形態では、走査型光学装置として画像表示装置について説明したが、これに限らず、レーザ光を２方向に走査する装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１の電気光学素子の電極に印加する電圧の波形を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る走査型光学装置の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｃ１，Ｃ２…結晶方位、１，３０，４０…走査型光学装置、１１…光源装置、２０…光走査部、２１，３１…第１電気光学素子、２６，３６…第２電気光学素子、２５…１／２波長板（偏光方向回転手段）、４０Ｒ…赤色光源装置（光源装置）、４０Ｇ…緑色光源装置（光源装置）、４０Ｂ…青色光源装置（光源装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を射出する光源装置と、
内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、前記光源装置から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子及び該第１電気光学素子から射出されたレーザ光を前記一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子を有する光走査部と、
前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子との間の光路上に設けられ前記第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段とを備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向になるような偏光方向に回転させることを特徴とする請求項１に記載の走査型光学装置。
【請求項３】
前記偏光方向回転手段が、１／２波長板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型光学装置。
【請求項４】
前記偏光方向回転手段が、旋光性を有する物質からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型光学装置。
【請求項５】
前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子の走査方向が互いに直交して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項６】
前記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の電気光学効果が結晶方位依存性を有し、
前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な前記第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項７】
前記第１電気光学素子及び前記第２電気光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項１】
レーザ光を射出する光源装置と、
内部に生じる電界の大きさに応じて屈折率分布が変化することによって、前記光源装置から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子及び該第１電気光学素子から射出されたレーザ光を前記一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子を有する光走査部と、
前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子との間の光路上に設けられ前記第１電気光学素子から射出された光の偏光方向を回転させる偏光方向回転手段とを備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な偏光方向になるような偏光方向に回転させることを特徴とする請求項１に記載の走査型光学装置。
【請求項３】
前記偏光方向回転手段が、１／２波長板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型光学装置。
【請求項４】
前記偏光方向回転手段が、旋光性を有する物質からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型光学装置。
【請求項５】
前記第１電気光学素子と前記第２電気光学素子の走査方向が互いに直交して配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項６】
前記第１電気光学素子及び第２電気光学素子の電気光学効果が結晶方位依存性を有し、
前記偏光方向回転手段が、前記第１電気光学素子から射出された光に、前記第１電気光学素子から射出されたレーザ光の偏光方向が前記第２電気光学素子の最大偏角を得ることが可能な前記第２電気光学素子の結晶方位に一致するような偏光方向に回転させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項７】
前記第１電気光学素子及び前記第２電気光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１０２１９０（Ｐ２００８−１０２１９０Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８２６０３（Ｐ２００６−２８２６０３）
【出願日】平成１８年１０月１７日（２００６．１０．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１７日（２００６．１０．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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