走査型光学装置
【課題】簡易な構成で、高精度なレーザ光の走査を行う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被投射面に向かって走査する電気光学素子２１と、少なくとも電気光学素子２１から射出されたレーザ光を集光させるとともに、電気光学素子２１の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子２６を有しレーザ光のビーム径を可変させる径可変光学系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被投射面に向かって走査する電気光学素子２１と、少なくとも電気光学素子２１から射出されたレーザ光を集光させるとともに、電気光学素子２１の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子２６を有しレーザ光のビーム径を可変させる径可変光学系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）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、信号の制御が複雑となる。
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】
また、ＥＯスキャナとは、ＥＯ結晶に電圧を印加することにより電子が注入され電子分布に偏りが生じる。そのため、カー効果による屈折率変化にも分布が生じ、入射された光が屈折率の高い側に曲がっていくので、光の走査を可能にしている。また、ＥＯ結晶内部の屈折率分布の傾きが、電子注入量、つまり、印加電圧によるため、印加電圧を変化させることで、ＥＯ結晶から射出される光のスキャン角度を制御することができる。
【０００７】
しかしながら、ＥＯスキャナ１００は、光の屈折を利用したスキャナのため、図７に示すように、所定の電圧を印加した時のＥＯ結晶から射出される光は、屈折率の高い側の方が僅かに屈折率が大きいため、スキャン角が大きくなってしまう。その結果、電圧無印加時におけるＥＯ結晶１０１から射出される光のビーム径Ｃ１に比べて、電圧印加時におけるＥＯ結晶１０１から射出される光のビーム径Ｃ２の方が大きくなってしまう。しかも、印加電圧を上げるほど、ＥＯ結晶１０１から射出される光のスキャン角は大きくなり、ビーム径Ｃ３はビーム径Ｃ２に比べてさらに大きくなるという問題が生じる。このようなスキャナを表示装置に用いると、被投射面の端に行くほど画素が大きくなってしまう。
【０００８】
例えば、ＥＯ結晶としてカー効果を有する結晶を用いた場合、図８に示すように、ＥＯ結晶に所定の電圧を印加したときの光束について見てみると、ＥＯ結晶１０１の内部を進行する光の上端１０２の光線のスキャン角θ１は２．９５度であり、中央（光軸）１０３の光線のスキャン角θ２は５．９６度であり、下端１０４の光線のスキャン角θ３は８．９２度である。すなわち、屈折率が高い側（下端１０４）の光線に向かうに連れてスキャン角が大きくなってしまうため、ＥＯ結晶に電圧を印加したときに射出されるレーザ光のビーム径は大きくなってしまう。また、ＥＯ結晶としてポッケルス効果を有する結晶を用いた場合、カー効果を有するＥＯ結晶ほどではないが、屈折率が高い側の光のスキャン角が最も大きくなる。その結果、同様に、ＥＯ結晶に電圧を印加したときに射出されるレーザ光のビーム径は大きくなってしまう。
【０００９】
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、簡易な構成で、高精度なレーザ光の走査を行う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】
【００１０】
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被投射面に向かって走査する電気光学素子と、少なくとも前記電気光学素子から射出されたレーザ光を集光させるとともに、前記電気光学素子の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子を有し前記レーザ光のビーム径を可変させる径可変光学系とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子に電圧を印加することにより内部に電界が生じる。この電界により、電気光学素子の屈折率分布が一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レーザ光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ、電気光学素子の射出端面から射出される。そして、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系を通過する。
このとき、電圧無印加時の電気光学素子を通過し射出されるレーザ光のビーム径と、電圧印加時の電気光学素子を通過し射出されるレーザ光のビーム径とは異なる。また、電気光学素子に印加させる電圧を変化させた時も、印加電圧の値に応じて射出される光のビーム径は異なる。ここで、ビーム径可変光学系の集光素子により、電気光学素子から射出されるレーザ光のビーム径は集光される。すなわち、電気光学素子に電圧が印加され、電気光学素子から射出される光のビーム径が大きくなった場合でも、電気光学素子から射出される光は、電気光学素子の電界方向に沿って集光率の異なる集光素子により集光され、ビーム径が小さくなる。これにより、電気光学素子に電圧を印加しても同じ大きさ（一定の大きさ）のビーム径の光を走査することができるため、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系は、前記集光素子により、所定の距離での前記レーザ光のビーム径が一定になるようにレーザ光を集光することが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系の集光素子により、所定の距離、例えば、スクリーン上でのレーザ光のビーム径が一定になるように集光される。このように、集光素子の光学設計を行うことにより、所定の位置で同じ大きさのビーム径を走査することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系が前記集光素子により集光されたレーザ光を平行化する平行化手段を備えていることが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出され集光素子により集光された光は、平行化手段により平行光となる。すなわち、電気光学素子から射出されたレーザ光が投射される被投射面と電気光学素子との距離に関わらず、一定の大きさのビーム径の光を被投射面に向かって走査することができる。
【００１４】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系を当該ビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動させる移動機構が設けられていることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子と被投射面との距離が変化した場合、ビーム径可変光学系は移動機構によりビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動される。これにより、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系により、被投射面においてレーザ光のビーム径が同じになるように集光される。したがって、一定の大きさのビーム径のレーザ光を被投射面に向かって走査することができるため、例えば、本発明の走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、高画質な画像を被投射面に表示させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系が、前記電気光学素子から射出された光の単位時間あたりの前記被投射面における走査距離が前記電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角によらず一定となるようにレーザ光を集光させることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出された光は、ビーム径可変光学系により、単位時間あたりの被投射面における走査距離が同じになるようになるように走査される。これにより、電気光学素子から射出されたレーザ光は、被投射面上を等速で走査される。このため、本発明では、特に走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、非等速で走査されたときに生じる被投射面における画像の歪みが発生することがない。したがって、高画質な画像を被投射面に表示することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電気光学素子が水平走査を行うことを特徴とすることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子が水平走査を行い、垂直走査として例えば、安価なガルバノミラー等を用いることにより、安価かつ高性能な走査型光学装置を実現することができる。
なお、ここで言う「水平走査」とは、２方向の走査のうち、高速側の走査であり、垂直走査とは低速側の走査である。
【００２０】
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。
【００２１】
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】
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
光走査部２０は、図１に示すように、光源装置１１から射出されたレーザ光が入射する電気光学素子２１と、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出された光が入射されるビーム径可変光学系２５とを備えている。
まず、電気光学素子の構成について説明する。
電気光学素子２１は、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。
【００２５】
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Ｐ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。
【００２６】
また、光学素子２４は、図１に示すように、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、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。
さらに、電気光学素子２１は、光源装置１１から射出されたレーザ光Ｌが入射端面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、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、図１に示すように、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Ｐと垂直な方向に進行するレーザ光は、偏向する。具体的には、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Ｌ０は直進し電気光学素子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Ｌ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、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Ｐと同じ方向に走査される。
なお、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、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。
【００３０】
次に、ビーム径可変光学系について図１を参照して説明する。
なお、図１は、電気光学素子２１から射出されスクリーン（被投射面）１５に向かう光の光路図を分かり易く説明するために、電圧無印加時と、ある特定の電圧が印加されたときとの光の光路のみを示している。
ビーム径可変光学系２５は、図１に示すように、集光レンズ（集光素子）２６を備えている。また、集光レンズ２６は、電界方向Ａに沿って切ったときの断面形状が第１電極２２側から第２電極２３側に向かって漸次曲率半径が小さくなるレンズである。この集光レンズ２６は、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されたレーザ光を集光させるとともに、電界方向Ａに沿って集光率が異なるレンズであるため、レーザ光のビーム径を変化させることが可能となっている。具体的には、集光レンズ２６は、光学素子２４に電圧を印加したときのスクリーン１５上でレーザ光Ｌのスポット径が同一径になるように集光させるものである。
【００３１】
ところで、光学素子２４に所定の電圧を印加したときのレーザ光Ｌは、上端Ｌ１側（第１電極２２側）の光線に比べて下端Ｌ２側（第２電極２３側）の光線の方が僅かに屈折率が大きい。これにより、光学素子２４に電圧を印加していないときの電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌ０のビーム径Ａに比べて、電圧を印加したときのレーザ光Ｌのビーム径Ｂ１の方が大きくなる。
ここで、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されるレーザ光Ｌは集光レンズ２６を通過することにより集光されるため、スクリーン１５上でレーザ光Ｌのスポット径（ビーム径）Ｂ２が、ビーム径Ａと同一の大きさになる。
すなわち、電気光学素子２１から射出されるレーザ光は、射出端面２１ｂのどの位置から射出されても、集光レンズ２６により、スクリーン１５上でレーザ光のスポット径が同一になるように集光される。
なお、上記のレーザ光が進行する方向に直交する方向のレーザ光のスポット径と、スクリーン１５上のレーザ光（スクリーン１５の面方向のレーザ光）のスポット径とは厳密には異なる。しかしながら、レーザ光のビーム径は微小であるため、両者のスポット径は略同等と考えることができる。また、その微小な差を補正するように、進行する方向に直行する方向のレーザ光のスポット径をわずかに小さくするように集光してもよい。
【００３２】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、ビーム径可変光学系２５を備えることにより、電気光学素子２１に電圧が印加され、電気光学素子２１から射出される光のビーム径が大きくなった場合、電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌは集光されビーム径が小さくなる。したがって、スクリーン１５上のどの位置においてもレーザ光のスポット径は等しいものとなる。これにより、電気光学素子２１に電圧を印加しても、同じ大きさ（一定の大きさ）のビーム径のレーザ光を走査することができるため、本実施形態の走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、スクリーン１５上にボケの少ない高画質な画像を表示することができる。
つまり、本実施形態の走査型光学装置１は、簡易な構成で、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能である。
なお、ビーム径可変光学系２５を構成するレンズの枚数及び形状は集光レンズ２６に示すものに限るものではない。
【００３３】
［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、ビーム径可変光学系３１の構成において第１実施形態と異なる。
【００３４】
ビーム径可変光学系３１は、集光レンズ（集光素子）３２と、平行化レンズ（平行化手段）３３とを備えている。集光レンズ３２は、第１実施形態の集光レンズ２６と同様に、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されたレーザ光を集光させ、レーザ光のビーム径を変化させるレンズである。
平行化レンズ３３は、集光レンズ３２の後段側に配置され、集光レンズ３２により集光されたレーザ光を平行光に変換するレンズである。また、平行化レンズ３３は、集光レンズ３２のどの位置において集光されたレーザ光でも、同一のビーム径の平行光として射出させるレンズである。
【００３５】
本実施形態に係る走査型光学装置３０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、本実施形態の走査型光学装置３０では、平行化レンズ３３により、電気光学素子２１から射出されるレーザ光を平行光、かつ、同一のビーム径に変換する。したがって、電気光学素子２１とスクリーン１５との距離に関わらず、一定の大きさのビーム径をスクリーン１５に向かって走査することができる。すなわち、スクリーン１５の位置が変化する、例えば、フロント型のプロジェクタに好適に用いることが可能となる。
【００３６】
［第２実施形態の変形例］
図３に示す第２実施形態では、スクリーン１５上におけるレーザ光のスポット径を同一にする手段として、平行化レンズ３３を用いたが、平行化レンズ３３に代えて集光レンズ３２に移動機構３６が設けられた走査型光学装置３５であっても良い。この移動機構３６は、集光レンズ３２をビーム径可変光学系の光軸Ｏ１に対して平行に移動させるものである。
例えば、図４に示すように、スクリーン１５ａが、電気光学素子２１から離れる方向のスクリーン１５ｂの位置に移動した場合、スクリーン１５ｂでは、電気光学素子２１から射出され集光レンズ３２ａにより集光されたレーザ光（破線）のスポット径は、光学素子２４に電圧を印加していないときの電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌ０のビーム径Ａに比べて小さくなってしまう。そこで、移動機構３６により、集光レンズ３２ａを電気光学素子２１から離れる方向の集光レンズ３２ｂの位置に移動させる。これにより、スクリーン１５ｂの位置において、電気光学素子２１から射出されたレーザ光のスポット径Ｂ３をビーム径Ａと同一の大きさにすることができる。
なお、本変形例の移動機構３６を第２実施形態の走査型光学装置３０に用い、ビーム径可変光学系３１の全体または一部を移動させても良い。この構成では、移動機構３６によりビーム径可変光学系３１の全体または一部を移動させることで、スクリーン１５におけるスポット径の大きさを均一に大きくしたり、均一に小さくしたりすることができる。
【００３７】
［第３実施形態］
ビーム径可変光学系４１は、図５に示すように、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３により構成されている。このビーム径可変光学系４１は、第２電極２３側から射出されるレーザ光ほど屈折角が大きくなるように偏向させるものである。これにより、単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するものである。
【００３８】
ビーム径可変光学系４１は、図５に示すように、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３により構成されている。このビーム径可変光学系４１は、ビーム径可変光学系４１は、第２電極２３側から射出されるレーザ光ほど屈折角が大きくなるように偏向させるものである。これにより、単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するものである。
【００３９】
ビーム径可変光学系４１について具体的に説明する。
電気光学素子２１から射出される光のうち、光学素子２４に電圧を印加する直前の時刻Ｔ１における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ１で示す。
そして、例えば、時刻Ｔ１から時間ｔ経過後の時刻Ｔ２における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ２で示す。さらに、時刻Ｔ２から時間ｔ経過後の時刻Ｔ３における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ３で示す。
ここで、スクリーン１５においてレーザ光ＬＴ１により照射される画素領域Ｐ１とレーザ光ＬＴ２により照射される画素領域Ｐ２との走査距離をＱ１とする。また、スクリーン１５においてレーザ光ＬＴ２により照射される画素領域Ｐ２とレーザ光ＬＴ３により照射される画素領域Ｐ３との走査距離をＱ２とする。
【００４０】
ところで、仮に、走査型光学装置４０においてビーム径可変光学系４１を備えていない場合、電気光学素子２１から射出されるレーザ光の偏角は、第２電極２３に近づくに連れて大きくなる。これにより、スクリーン１５上の一端部を走査するレーザ光の速度の方が速くなり、スクリーン１５に投射される画像が歪んでしまう。
そこで、本実施形態では、ビーム径可変光学系４１が単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するため、光学素子２４の内部の屈折率変化により射出端面２１ｂから射出されるレーザ光の偏角が異なっていても、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、走査距離Ｑ１と走査距離Ｑ２とが同じ距離になるように補正される。その結果、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、スクリーン１５上を等速走査される。
【００４１】
本実施形態に係る走査型光学装置４０は、第１実施形態の画像表示装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の走査型光学装置４０では、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、スクリーン１５上を等速で走査される。すなわち、第２電極２３に近い射出端面２１ｂから射出されるレーザ光ほど偏角が大きいため、スクリーン１５に照射されるレーザ光の走査速度が速くなるが、本実施形態のビーム径可変光学系４１を用いることにより、非等速で走査された場合に生じるスクリーン１５上での画像の歪みが発生することがない。したがって、高画質な画像を表示することが可能となる。
なお、ビーム径可変光学系４１を構成するレンズの枚数及び形状は、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３に示すものに限るものではない。
【００４２】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る第４実施形態について、図６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であったが、本実施形態に係る走査型光学装置５０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実施形態と同様の構成である。
【００４３】
本実施形態に係る画像表示装置５０は、図６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）５０Ｒと、緑色のレーザ光を射出する緑色光源装置（光源装置）５０Ｇと、青色のレーザ光を射出する青色光源装置（光源装置）５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５１と、クロスダイクロイックプリズム５１から射出されたレーザ光をスクリーン５５の水平方向に走査する電気光学素子２１と、電気光学素子２１から射出されたレーザ光をスクリーン５５の垂直方向に走査するガルバノミラー５２とを備えている。
【００４４】
すなわち、光走査部２０は、図１に示すように、スクリーン５５において２方向（垂直方向ｖ、水平方向ｈ）の走査のうち、各光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂから射出される光を水平方向ｈに走査する水平走査用スキャナであり、ガルバノミラー５２は、光走査部２０から射出される光を垂直方向ｖに走査する垂直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。
【００４５】
次に、以上の構成からなる本実施形態の画像表示装置５０を用いて、画像をスクリーン５５に投射する方法について説明する。
各光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂから射出されたレーザ光は、クロスダイクロイックプリズム５１で各色のレーザが照明光軸上で重なるように合成され電気光学素子２１に入射する。電気光学素子２１の入射端面２１ａから入射したレーザ光は、射出端面２１ｂからガルバノミラー５２に向かって射出される。このようにして、レーザ光は電気光学素子２１によりスクリーン５５の水平方向に走査され、ガルバノミラー５２により垂直方向に走査されてスクリーン５５に投影される。
【００４６】
本実施形態に係る画像表示装置５０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５０では、電気光学素子２１から射出されるレーザ光のスポット径がスクリーン５５上で同一であるため、スクリーン１５に投射される画像において、すべての画素を同じ大きさで表示させることができる。したがって、例えばボケを抑え、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５５に表示させることができる。
【００４７】
しかも、電気光学素子２１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、水平走査として電気光学スキャナを用い、走査自由度が高い垂直走査としてガルバノミラー５２（動くことにより光を反射させる可動型の走査手段）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。
なお、ガルバノミラー５２に代えて、可動型の走査手段の一つである安価なポリゴンミラーにより走査を行っても良い。安価なポリゴンミラーを使用することで、コストを抑えつつ高性能な画像表示を行うことが可能となる。
また、本実施形態の画像表示装置５０において、第１実施形態のビーム径可変光学系２５を用いて説明したが、第２，第３実施形態（変形例を含む）のビーム径可変光学系３１，４１を用いることも可能である。
また、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、第１〜第３実施形態（変形例を含む）の走査型光学装置をレーザプリンタに応用することも可能である。
【００４８】
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、上記各実施形態において、光学素子としてＫＴＮ結晶を例に挙げて説明したが、これに限ることはなく、屈折率が線形的に変化する素子であれば良い。例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）等の電気光学効果を有する誘電体結晶であっても良いが、ＬｉＮｂＯ3等の組成を有する結晶は、ＫＴＮ結晶に比べて走査偏角が小さく、また、駆動電圧が高いため、ＫＴＮ結晶を用いることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置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２実施形態に係る走査型光学装置の変形例を示す平面図である。
【図５】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。
【図６】本発明の第４実施形態に係る走査型光学装置を示す斜視図である。
【図７】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【図８】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，３０，３５，４０…走査型光学装置、１１…光源装置、１５…スクリーン（被投射面）、２１…電気光学素子、２５，３１，４１…ビーム径可変光学系、２６，３２…集光レンズ（集光素子）、３３…平行化レンズ（平行化手段）、３６…移動機構、５０…画像表示装置（走査型光学装置）、５０Ｒ…赤色光源装置（光源装置）、５０Ｇ…赤色光源装置（光源装置）、５０Ｂ…赤色光源装置（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）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、信号の制御が複雑となる。
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】
また、ＥＯスキャナとは、ＥＯ結晶に電圧を印加することにより電子が注入され電子分布に偏りが生じる。そのため、カー効果による屈折率変化にも分布が生じ、入射された光が屈折率の高い側に曲がっていくので、光の走査を可能にしている。また、ＥＯ結晶内部の屈折率分布の傾きが、電子注入量、つまり、印加電圧によるため、印加電圧を変化させることで、ＥＯ結晶から射出される光のスキャン角度を制御することができる。
【０００７】
しかしながら、ＥＯスキャナ１００は、光の屈折を利用したスキャナのため、図７に示すように、所定の電圧を印加した時のＥＯ結晶から射出される光は、屈折率の高い側の方が僅かに屈折率が大きいため、スキャン角が大きくなってしまう。その結果、電圧無印加時におけるＥＯ結晶１０１から射出される光のビーム径Ｃ１に比べて、電圧印加時におけるＥＯ結晶１０１から射出される光のビーム径Ｃ２の方が大きくなってしまう。しかも、印加電圧を上げるほど、ＥＯ結晶１０１から射出される光のスキャン角は大きくなり、ビーム径Ｃ３はビーム径Ｃ２に比べてさらに大きくなるという問題が生じる。このようなスキャナを表示装置に用いると、被投射面の端に行くほど画素が大きくなってしまう。
【０００８】
例えば、ＥＯ結晶としてカー効果を有する結晶を用いた場合、図８に示すように、ＥＯ結晶に所定の電圧を印加したときの光束について見てみると、ＥＯ結晶１０１の内部を進行する光の上端１０２の光線のスキャン角θ１は２．９５度であり、中央（光軸）１０３の光線のスキャン角θ２は５．９６度であり、下端１０４の光線のスキャン角θ３は８．９２度である。すなわち、屈折率が高い側（下端１０４）の光線に向かうに連れてスキャン角が大きくなってしまうため、ＥＯ結晶に電圧を印加したときに射出されるレーザ光のビーム径は大きくなってしまう。また、ＥＯ結晶としてポッケルス効果を有する結晶を用いた場合、カー効果を有するＥＯ結晶ほどではないが、屈折率が高い側の光のスキャン角が最も大きくなる。その結果、同様に、ＥＯ結晶に電圧を印加したときに射出されるレーザ光のビーム径は大きくなってしまう。
【０００９】
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、簡易な構成で、高精度なレーザ光の走査を行う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】
【００１０】
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被投射面に向かって走査する電気光学素子と、少なくとも前記電気光学素子から射出されたレーザ光を集光させるとともに、前記電気光学素子の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子を有し前記レーザ光のビーム径を可変させる径可変光学系とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子に電圧を印加することにより内部に電界が生じる。この電界により、電気光学素子の屈折率分布が一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レーザ光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられ、電気光学素子の射出端面から射出される。そして、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系を通過する。
このとき、電圧無印加時の電気光学素子を通過し射出されるレーザ光のビーム径と、電圧印加時の電気光学素子を通過し射出されるレーザ光のビーム径とは異なる。また、電気光学素子に印加させる電圧を変化させた時も、印加電圧の値に応じて射出される光のビーム径は異なる。ここで、ビーム径可変光学系の集光素子により、電気光学素子から射出されるレーザ光のビーム径は集光される。すなわち、電気光学素子に電圧が印加され、電気光学素子から射出される光のビーム径が大きくなった場合でも、電気光学素子から射出される光は、電気光学素子の電界方向に沿って集光率の異なる集光素子により集光され、ビーム径が小さくなる。これにより、電気光学素子に電圧を印加しても同じ大きさ（一定の大きさ）のビーム径の光を走査することができるため、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系は、前記集光素子により、所定の距離での前記レーザ光のビーム径が一定になるようにレーザ光を集光することが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系の集光素子により、所定の距離、例えば、スクリーン上でのレーザ光のビーム径が一定になるように集光される。このように、集光素子の光学設計を行うことにより、所定の位置で同じ大きさのビーム径を走査することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系が前記集光素子により集光されたレーザ光を平行化する平行化手段を備えていることが好ましい。
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出され集光素子により集光された光は、平行化手段により平行光となる。すなわち、電気光学素子から射出されたレーザ光が投射される被投射面と電気光学素子との距離に関わらず、一定の大きさのビーム径の光を被投射面に向かって走査することができる。
【００１４】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系を当該ビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動させる移動機構が設けられていることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子と被投射面との距離が変化した場合、ビーム径可変光学系は移動機構によりビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動される。これにより、電気光学素子から射出されたレーザ光は、ビーム径可変光学系により、被投射面においてレーザ光のビーム径が同じになるように集光される。したがって、一定の大きさのビーム径のレーザ光を被投射面に向かって走査することができるため、例えば、本発明の走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、高画質な画像を被投射面に表示させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の走査型光学装置は、前記ビーム径可変光学系が、前記電気光学素子から射出された光の単位時間あたりの前記被投射面における走査距離が前記電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角によらず一定となるようにレーザ光を集光させることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子から射出された光は、ビーム径可変光学系により、単位時間あたりの被投射面における走査距離が同じになるようになるように走査される。これにより、電気光学素子から射出されたレーザ光は、被投射面上を等速で走査される。このため、本発明では、特に走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、非等速で走査されたときに生じる被投射面における画像の歪みが発生することがない。したがって、高画質な画像を被投射面に表示することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電気光学素子が水平走査を行うことを特徴とすることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子が水平走査を行い、垂直走査として例えば、安価なガルバノミラー等を用いることにより、安価かつ高性能な走査型光学装置を実現することができる。
なお、ここで言う「水平走査」とは、２方向の走査のうち、高速側の走査であり、垂直走査とは低速側の走査である。
【００２０】
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。
【００２１】
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】
【００２２】
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。
【００２３】
［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。
【００２４】
光走査部２０は、図１に示すように、光源装置１１から射出されたレーザ光が入射する電気光学素子２１と、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出された光が入射されるビーム径可変光学系２５とを備えている。
まず、電気光学素子の構成について説明する。
電気光学素子２１は、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。
【００２５】
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Ｐ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。
【００２６】
また、光学素子２４は、図１に示すように、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、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。
さらに、電気光学素子２１は、光源装置１１から射出されたレーザ光Ｌが入射端面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、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、図１に示すように、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Ｐと垂直な方向に進行するレーザ光は、偏向する。具体的には、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Ｌ０は直進し電気光学素子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Ｌ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、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Ｐと同じ方向に走査される。
なお、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、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。
【００３０】
次に、ビーム径可変光学系について図１を参照して説明する。
なお、図１は、電気光学素子２１から射出されスクリーン（被投射面）１５に向かう光の光路図を分かり易く説明するために、電圧無印加時と、ある特定の電圧が印加されたときとの光の光路のみを示している。
ビーム径可変光学系２５は、図１に示すように、集光レンズ（集光素子）２６を備えている。また、集光レンズ２６は、電界方向Ａに沿って切ったときの断面形状が第１電極２２側から第２電極２３側に向かって漸次曲率半径が小さくなるレンズである。この集光レンズ２６は、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されたレーザ光を集光させるとともに、電界方向Ａに沿って集光率が異なるレンズであるため、レーザ光のビーム径を変化させることが可能となっている。具体的には、集光レンズ２６は、光学素子２４に電圧を印加したときのスクリーン１５上でレーザ光Ｌのスポット径が同一径になるように集光させるものである。
【００３１】
ところで、光学素子２４に所定の電圧を印加したときのレーザ光Ｌは、上端Ｌ１側（第１電極２２側）の光線に比べて下端Ｌ２側（第２電極２３側）の光線の方が僅かに屈折率が大きい。これにより、光学素子２４に電圧を印加していないときの電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌ０のビーム径Ａに比べて、電圧を印加したときのレーザ光Ｌのビーム径Ｂ１の方が大きくなる。
ここで、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されるレーザ光Ｌは集光レンズ２６を通過することにより集光されるため、スクリーン１５上でレーザ光Ｌのスポット径（ビーム径）Ｂ２が、ビーム径Ａと同一の大きさになる。
すなわち、電気光学素子２１から射出されるレーザ光は、射出端面２１ｂのどの位置から射出されても、集光レンズ２６により、スクリーン１５上でレーザ光のスポット径が同一になるように集光される。
なお、上記のレーザ光が進行する方向に直交する方向のレーザ光のスポット径と、スクリーン１５上のレーザ光（スクリーン１５の面方向のレーザ光）のスポット径とは厳密には異なる。しかしながら、レーザ光のビーム径は微小であるため、両者のスポット径は略同等と考えることができる。また、その微小な差を補正するように、進行する方向に直行する方向のレーザ光のスポット径をわずかに小さくするように集光してもよい。
【００３２】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、ビーム径可変光学系２５を備えることにより、電気光学素子２１に電圧が印加され、電気光学素子２１から射出される光のビーム径が大きくなった場合、電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌは集光されビーム径が小さくなる。したがって、スクリーン１５上のどの位置においてもレーザ光のスポット径は等しいものとなる。これにより、電気光学素子２１に電圧を印加しても、同じ大きさ（一定の大きさ）のビーム径のレーザ光を走査することができるため、本実施形態の走査型光学装置を画像表示装置として用いた場合、スクリーン１５上にボケの少ない高画質な画像を表示することができる。
つまり、本実施形態の走査型光学装置１は、簡易な構成で、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能である。
なお、ビーム径可変光学系２５を構成するレンズの枚数及び形状は集光レンズ２６に示すものに限るものではない。
【００３３】
［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、ビーム径可変光学系３１の構成において第１実施形態と異なる。
【００３４】
ビーム径可変光学系３１は、集光レンズ（集光素子）３２と、平行化レンズ（平行化手段）３３とを備えている。集光レンズ３２は、第１実施形態の集光レンズ２６と同様に、電気光学素子２１の射出端面２１ｂから射出されたレーザ光を集光させ、レーザ光のビーム径を変化させるレンズである。
平行化レンズ３３は、集光レンズ３２の後段側に配置され、集光レンズ３２により集光されたレーザ光を平行光に変換するレンズである。また、平行化レンズ３３は、集光レンズ３２のどの位置において集光されたレーザ光でも、同一のビーム径の平行光として射出させるレンズである。
【００３５】
本実施形態に係る走査型光学装置３０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、本実施形態の走査型光学装置３０では、平行化レンズ３３により、電気光学素子２１から射出されるレーザ光を平行光、かつ、同一のビーム径に変換する。したがって、電気光学素子２１とスクリーン１５との距離に関わらず、一定の大きさのビーム径をスクリーン１５に向かって走査することができる。すなわち、スクリーン１５の位置が変化する、例えば、フロント型のプロジェクタに好適に用いることが可能となる。
【００３６】
［第２実施形態の変形例］
図３に示す第２実施形態では、スクリーン１５上におけるレーザ光のスポット径を同一にする手段として、平行化レンズ３３を用いたが、平行化レンズ３３に代えて集光レンズ３２に移動機構３６が設けられた走査型光学装置３５であっても良い。この移動機構３６は、集光レンズ３２をビーム径可変光学系の光軸Ｏ１に対して平行に移動させるものである。
例えば、図４に示すように、スクリーン１５ａが、電気光学素子２１から離れる方向のスクリーン１５ｂの位置に移動した場合、スクリーン１５ｂでは、電気光学素子２１から射出され集光レンズ３２ａにより集光されたレーザ光（破線）のスポット径は、光学素子２４に電圧を印加していないときの電気光学素子２１から射出されるレーザ光Ｌ０のビーム径Ａに比べて小さくなってしまう。そこで、移動機構３６により、集光レンズ３２ａを電気光学素子２１から離れる方向の集光レンズ３２ｂの位置に移動させる。これにより、スクリーン１５ｂの位置において、電気光学素子２１から射出されたレーザ光のスポット径Ｂ３をビーム径Ａと同一の大きさにすることができる。
なお、本変形例の移動機構３６を第２実施形態の走査型光学装置３０に用い、ビーム径可変光学系３１の全体または一部を移動させても良い。この構成では、移動機構３６によりビーム径可変光学系３１の全体または一部を移動させることで、スクリーン１５におけるスポット径の大きさを均一に大きくしたり、均一に小さくしたりすることができる。
【００３７】
［第３実施形態］
ビーム径可変光学系４１は、図５に示すように、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３により構成されている。このビーム径可変光学系４１は、第２電極２３側から射出されるレーザ光ほど屈折角が大きくなるように偏向させるものである。これにより、単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するものである。
【００３８】
ビーム径可変光学系４１は、図５に示すように、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３により構成されている。このビーム径可変光学系４１は、ビーム径可変光学系４１は、第２電極２３側から射出されるレーザ光ほど屈折角が大きくなるように偏向させるものである。これにより、単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するものである。
【００３９】
ビーム径可変光学系４１について具体的に説明する。
電気光学素子２１から射出される光のうち、光学素子２４に電圧を印加する直前の時刻Ｔ１における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ１で示す。
そして、例えば、時刻Ｔ１から時間ｔ経過後の時刻Ｔ２における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ２で示す。さらに、時刻Ｔ２から時間ｔ経過後の時刻Ｔ３における電気光学素子２１から射出されるレーザ光を符号ＬＴ３で示す。
ここで、スクリーン１５においてレーザ光ＬＴ１により照射される画素領域Ｐ１とレーザ光ＬＴ２により照射される画素領域Ｐ２との走査距離をＱ１とする。また、スクリーン１５においてレーザ光ＬＴ２により照射される画素領域Ｐ２とレーザ光ＬＴ３により照射される画素領域Ｐ３との走査距離をＱ２とする。
【００４０】
ところで、仮に、走査型光学装置４０においてビーム径可変光学系４１を備えていない場合、電気光学素子２１から射出されるレーザ光の偏角は、第２電極２３に近づくに連れて大きくなる。これにより、スクリーン１５上の一端部を走査するレーザ光の速度の方が速くなり、スクリーン１５に投射される画像が歪んでしまう。
そこで、本実施形態では、ビーム径可変光学系４１が単位時間あたりのスクリーン１５におけるレーザ光の走査距離が同じになるように補正するため、光学素子２４の内部の屈折率変化により射出端面２１ｂから射出されるレーザ光の偏角が異なっていても、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、走査距離Ｑ１と走査距離Ｑ２とが同じ距離になるように補正される。その結果、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、スクリーン１５上を等速走査される。
【００４１】
本実施形態に係る走査型光学装置４０は、第１実施形態の画像表示装置１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の走査型光学装置４０では、電気光学素子２１から射出されたレーザ光は、スクリーン１５上を等速で走査される。すなわち、第２電極２３に近い射出端面２１ｂから射出されるレーザ光ほど偏角が大きいため、スクリーン１５に照射されるレーザ光の走査速度が速くなるが、本実施形態のビーム径可変光学系４１を用いることにより、非等速で走査された場合に生じるスクリーン１５上での画像の歪みが発生することがない。したがって、高画質な画像を表示することが可能となる。
なお、ビーム径可変光学系４１を構成するレンズの枚数及び形状は、集光レンズ４２及び平行化レンズ４３に示すものに限るものではない。
【００４２】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る第４実施形態について、図６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であったが、本実施形態に係る走査型光学装置５０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実施形態と同様の構成である。
【００４３】
本実施形態に係る画像表示装置５０は、図６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）５０Ｒと、緑色のレーザ光を射出する緑色光源装置（光源装置）５０Ｇと、青色のレーザ光を射出する青色光源装置（光源装置）５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５１と、クロスダイクロイックプリズム５１から射出されたレーザ光をスクリーン５５の水平方向に走査する電気光学素子２１と、電気光学素子２１から射出されたレーザ光をスクリーン５５の垂直方向に走査するガルバノミラー５２とを備えている。
【００４４】
すなわち、光走査部２０は、図１に示すように、スクリーン５５において２方向（垂直方向ｖ、水平方向ｈ）の走査のうち、各光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂから射出される光を水平方向ｈに走査する水平走査用スキャナであり、ガルバノミラー５２は、光走査部２０から射出される光を垂直方向ｖに走査する垂直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。
【００４５】
次に、以上の構成からなる本実施形態の画像表示装置５０を用いて、画像をスクリーン５５に投射する方法について説明する。
各光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂから射出されたレーザ光は、クロスダイクロイックプリズム５１で各色のレーザが照明光軸上で重なるように合成され電気光学素子２１に入射する。電気光学素子２１の入射端面２１ａから入射したレーザ光は、射出端面２１ｂからガルバノミラー５２に向かって射出される。このようにして、レーザ光は電気光学素子２１によりスクリーン５５の水平方向に走査され、ガルバノミラー５２により垂直方向に走査されてスクリーン５５に投影される。
【００４６】
本実施形態に係る画像表示装置５０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５０では、電気光学素子２１から射出されるレーザ光のスポット径がスクリーン５５上で同一であるため、スクリーン１５に投射される画像において、すべての画素を同じ大きさで表示させることができる。したがって、例えばボケを抑え、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５５に表示させることができる。
【００４７】
しかも、電気光学素子２１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、水平走査として電気光学スキャナを用い、走査自由度が高い垂直走査としてガルバノミラー５２（動くことにより光を反射させる可動型の走査手段）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。
なお、ガルバノミラー５２に代えて、可動型の走査手段の一つである安価なポリゴンミラーにより走査を行っても良い。安価なポリゴンミラーを使用することで、コストを抑えつつ高性能な画像表示を行うことが可能となる。
また、本実施形態の画像表示装置５０において、第１実施形態のビーム径可変光学系２５を用いて説明したが、第２，第３実施形態（変形例を含む）のビーム径可変光学系３１，４１を用いることも可能である。
また、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、第１〜第３実施形態（変形例を含む）の走査型光学装置をレーザプリンタに応用することも可能である。
【００４８】
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、上記各実施形態において、光学素子としてＫＴＮ結晶を例に挙げて説明したが、これに限ることはなく、屈折率が線形的に変化する素子であれば良い。例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）等の電気光学効果を有する誘電体結晶であっても良いが、ＬｉＮｂＯ3等の組成を有する結晶は、ＫＴＮ結晶に比べて走査偏角が小さく、また、駆動電圧が高いため、ＫＴＮ結晶を用いることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置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２実施形態に係る走査型光学装置の変形例を示す平面図である。
【図５】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。
【図６】本発明の第４実施形態に係る走査型光学装置を示す斜視図である。
【図７】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【図８】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，３０，３５，４０…走査型光学装置、１１…光源装置、１５…スクリーン（被投射面）、２１…電気光学素子、２５，３１，４１…ビーム径可変光学系、２６，３２…集光レンズ（集光素子）、３３…平行化レンズ（平行化手段）、３６…移動機構、５０…画像表示装置（走査型光学装置）、５０Ｒ…赤色光源装置（光源装置）、５０Ｇ…赤色光源装置（光源装置）、５０Ｂ…赤色光源装置（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被投射面に向かって走査する電気光学素子と、
少なくとも前記電気光学素子から射出されたレーザ光を集光させるとともに、前記電気光学素子の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子を有し前記レーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変光学系とを備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記ビーム径可変光学系は、前記集光素子により、所定の距離での前記レーザ光のビーム径が一定になるようにレーザ光を集光す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】
前記ビーム径可変光学系が、前記集光素子により集光されたレーザ光を平行化する平行化手段を備え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４】
前記ビーム径可変光学系を当該ビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動させる移動機構が設けられてい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】
前記ビーム径可変光学系が、前記電気光学素子から射出された光の単位時間あたりの前記被投射面における走査距離が前記電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角によらず一定となるようにレーザ光を集光させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項６】
前記電気光学素子が水平走査を行う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７】
前記電気光学素子が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被投射面に向かって走査する電気光学素子と、
少なくとも前記電気光学素子から射出されたレーザ光を集光させるとともに、前記電気光学素子の電界方向に沿って集光率が異なる集光素子を有し前記レーザ光のビーム径を可変させるビーム径可変光学系とを備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記ビーム径可変光学系は、前記集光素子により、所定の距離での前記レーザ光のビーム径が一定になるようにレーザ光を集光す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】
前記ビーム径可変光学系が、前記集光素子により集光されたレーザ光を平行化する平行化手段を備え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４】
前記ビーム径可変光学系を当該ビーム径可変光学系の光軸に対して平行に移動させる移動機構が設けられてい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】
前記ビーム径可変光学系が、前記電気光学素子から射出された光の単位時間あたりの前記被投射面における走査距離が前記電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角によらず一定となるようにレーザ光を集光させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走査型光学装置。
【請求項６】
前記電気光学素子が水平走査を行う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７】
前記電気光学素子が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５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１０２１９１（Ｐ２００８−１０２１９１Ａ）
【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２００６−２８２６０４（Ｐ２００６−２８２６０４）
【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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