走査型光学装置
【課題】簡易な構成で、所定の位置にレーザ光を射出させることができ、高精度に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、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走査手段２１と、該第１走査手段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走査手段２６とを備え、第１走査手段２１及び第２走査手段２６のうち少なくとも第２走査手段２６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レーザ光を走査し、電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、第１走査手段２１によるレーザ光の走査に伴って、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、該電気光学素子の電極に印加する電圧を光路長に応じて変化させる電圧制御部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、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走査手段２１と、該第１走査手段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走査手段２６とを備え、第１走査手段２１及び第２走査手段２６のうち少なくとも第２走査手段２６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レーザ光を走査し、電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、第１走査手段２１によるレーザ光の走査に伴って、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、該電気光学素子の電極に印加する電圧を光路長に応じて変化させる電圧制御部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】
ところで、図９に示すように、光源装置１０１から射出された光を走査する第１走査手段１０２と、第１走査手段１０２により走査された光をスクリーン１０５上で直交する方向に走査する第２走査手段１０３とを備えた走査装置１１０を考える。このような走査装置１１０の場合、第２走査手段１０３としてＥＯスキャナを用いると、第２走査手段１０３に入射する光の入射角の違いにより、第１走査手段１０２の電圧無印加時に第２走査手段１０３内を進行する光と、第１走査手段１０２の電圧印加時に第２走査手段１０３内を進行する光との光路差Ｋが生じる。これにより、第１走査手段１０２が光を走査している間、第２走査手段１０３への印加電圧を一定にしても、スクリーン１０５上を走査される光の軌跡は直線を保つことができない。
【０００８】
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、所定の位置にレーザ光を射出させることができ、高精度に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】
【０００９】
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。
レーザ光を射出する光源装置と、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走査手段と、該第１走査手段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走査手段とを備え、前記第１走査手段及び前記第２走査手段のうち少なくとも前記第２走査手段は、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レーザ光を走査し、前記電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、前記第１走査手段によるレーザ光の走査に伴って、前記電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、該電気光学素子の電極に印加する電圧を前記光路長に応じて変化させる電圧制御部を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る走査型光学装置では、光源装置から射出されたレーザ光は第１走査手段により一方向に走査される。そして、一方向に走査されたレーザ光は、電気光学素子である第２走査手段により一方向と異なる方向に走査される。この電気光学素子は、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。
このとき、第１走査手段により走査されているレーザ光が電気光学素子に入射すると、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長の差により、被投射面上を走査されるレーザ光の軌跡は湾曲してしまう。しかしながら、本発明では、電圧制御部により、電気光学素子の電極に印加する電圧を光路長に応じて変化させている。すなわち、例えば、光路長が長く電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角が大きくなる場合は、電気光学素子に小さい電位差が生じるように電圧を印加する。このように、電気光学素子の電極に光路長に応じた電圧を印加することにより、被投射面上を走査されるレーザ光の軌跡を直線にすることが可能となる。したがって、電気光学素子の電極に印加する電圧の制御のみでレーザ光の軌跡を直線にすることができるので、簡易な構成で、所定の位置にレーザ光を射出させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電圧制御部が、前記電気光学素子の電極に印加する電圧を前記第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から算出された前記光路長に応じて変調することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る走査型光学装置では、電圧制御部により、第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長を算出する。そして、算出された光路長に応じた電圧が、電圧制御部により、電気光学素子の電極に印加される。したがって、電気光学素子の電極に印加する電圧がより正確に求められるため、精度良くレーザ光の軌跡を直線に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、前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、該複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧が異なることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る走査型光学装置では、電極が、電気光学素子の内部に生じる電界方向に直交する方向に沿って複数に分割されている。これにより、各分割電極に異なる電圧を印加することで、光路長に応じた電圧を電気光学素子の電極に印加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、前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、該複数の分割電極間が抵抗で接続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、複数の分割電極間が抵抗で接続されているので、１つの電源を用いて１つの分割電極に電圧を印加することにより、複数の分割電極間で電圧降下が起こる。これにより、光路長に応じた電圧を電気光学素子に印加することが可能となる。すなわち、抵抗により電圧勾配が制御されるため、各分割電極を電圧制御が容易になる。
【００１７】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電極が一面にわたって形成され、相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る走査型光学装置では、電極の相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続することにより、電極面内において連続的に電圧降下が起こり、光路長に応じた電圧を電気光学素子に印加す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］
本実施形態に係る走査型光学装置１は、スクリーンに画像を投影させる画像表示装置である。
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から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子（第１走査手段）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（図示略）に向かって一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子（第２走査手段）２６とを備えている。
【００２４】
第１電気光学素子２１は、照明領域Ｓ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水平方向（一方向）ｈに走査する水平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垂直方向（一方向と異なる方向）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。
【００２５】
次に、第１，第２電気光学素子について説明する。なお、第１，第２電気光学素子２１，２６は同一構成であり、印加される電圧，素子の大きさ及び配置が異なるため、構成については、第１電気光学素子２１のみ説明する。
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。
【００２６】
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。この電源Ｅには、第１電極２２及び第２電極２３に印加する電圧を制御する電圧制御部（図示略）が設けられている。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Ｌ１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。
【００２７】
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。
さらに、光源装置１１は、射出されたレーザ光Ｌ１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。
【００２８】
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。この結果、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Ｌ１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。
【００２９】
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Ｌａ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。
【００３０】
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Ｌｂ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から射出されるレーザ光は、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。
【００３１】
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Ｌ１は、電気光学素子２１によりレーザ光Ｌａからレーザ光Ｌｂ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から射出されるレーザ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。
【００３２】
次に、第２電気光学素子の配置について説明する。
第１電極２７に例えば＋１００Ｖの電圧が印加されると、図１に示すように、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２７から第２電極２８に向かって高くなる。
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水平方向に走査し、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垂直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Ｌａ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から射出されるレーザ光は、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。
【００３３】
次に、第１電気光学素子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Ｌａは、図１に示すように、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌａ１からレーザ光Ｌａ２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Ｌｂも、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌｂ１からレーザ光Ｌｂ２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。
【００３４】
次に、第２電気光学素子の詳細について説明する。
第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１と同一の構成であり、印加される電圧，素子の大きさ及び配置の点で第１電気光学素子２１と異なる。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。なお、第２電極２８には、電源Ｅにより例えば０Ｖの電圧が印加される。
【００３５】
ここで、従来のように、第２電気光学素子２６の第１電極２７に一定の電圧を印加する場合の電圧の波形は、図３に示すように、第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が変化している間、第２電気光学素子２６の第１電極２７には一定の電圧となる波形である。また、第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が最大の電圧値Ｓ２から初期値Ｓ１に戻る間に、第１電極２７に印加される電圧が１ステップ高くなる波形となっている。
このような波形の電圧が第１電極２７に印加されると、図９に示したように、光路差Ｋが発生してしまい、スクリーン上を走査されるレーザ光の軌跡が直線を保つことができない。すなわち、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏角が大きい側では、小さい側に比べて長い距離第２電気光学素子２６の光学素子２９内を進行するので、曲がりすぎてしまう。
【００３６】
そこで、本実施形態では、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧の波形は、図２に示すように、１ラインＰごとの第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が大きくなるに連れて、第２電極２７に印加される電圧は徐々に小さくなる。この１ラインＰごとの第２電極２７に印加される電圧は、第２電気光学素子２６に電圧を印加していないときと、電圧を印加したときとの内部を進行するレーザ光の光路長に応じた電位差が生じる電圧が印加されるようになっている。
【００３７】
次に、レーザ光の光路長と第２電気光学素子の第１電極に印加する印加電圧との関係について説明する。なお、図４に示す第２電気光学素子２６は、レーザ光の光路を分り易くするために第１，第２電極２７，２８を省略した図となっている。
ここで、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂにおいて、図４に示すように、レーザ光が距離Ｄだけ走査される場合について考える。
まず、第１，第２電気光学素子２１，２６が電圧無印加状態のときの光学素子２９の内部を進行するレーザ光Ｌ１の光路長（ＫＴＮ結晶の長さ）をＬとした場合、第２電気光学素子２６に電圧を印加し、距離Ｄだけレーザ光が走査されるときのレーザ光Ｌ２のスキャン角（偏角）θは、
【００３８】
【数１】
【００３９】
となる。また、このときの第２電気光学素子２６の内部を進行するレーザ光Ｌ２の光路長ｌは、
【００４０】
【数２】
【００４１】
となる。
次に、第１電気光学素子２１に電圧を印加し、第２電気光学素子２６が電圧無印加状態のときの第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）をφとする。このとき、第２電気光学素子２６にはレーザ光Ｌ３が入射端面２６ａに対して斜めから（角度をなして）入射するため、内部を進行するレーザ光の光路長Ｌ’は光路長Ｌより長くなり、
【００４２】
【数３】
【００４３】
となる。したがって、第１電気光学素子２１に電圧を印加し、第２電気光学素子２６にも電圧を印加し、距離Ｄだけレーザ光Ｌ４が走査されるときの第２電気光学素子２６から射出されるレーザ光Ｌ４のスキャン角（偏角）θ’は、
【００４４】
【数４】
【００４５】
となる。また、このときの第２電気光学素子２６の内部を進行するレーザ光Ｌ４の光路長ｌ’は、
【００４６】
【数５】
【００４７】
となる。
また、第１電気光学素子２１が電圧無印加時に、第２電気光学素子２６のスキャン角がθとなるときの第１電極２７に印加される電圧をＶとする。また、第１電気光学素子２１に電圧を印加したときに、第２電気光学素子２６のスキャン角がθ’となる第１電極２７に印加される電圧をＶ’とする。ここで、ＫＴＮ結晶は、射出されるレーザ光のスキャン角と印加電圧とが比例し、スキャン角と光路長とも比例する。これにより、スキャン角の比と光路長の比とから、電圧Ｖ’は、
【００４８】
【数６】
【００４９】
となる。ここで、光路長（ＫＴＮの長さ）Ｌと距離Ｄとの比をＲとすると、
【００５０】
【数７】
【００５１】
となり、Ｖ’は、
【００５２】
【数８】
【００５３】
となり、既知であるＲ（Ｄ，Ｌ）、φで表現できる。これを詳細に図示すると、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧の波形は、図５に示すように、１ラインＰの中で第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が変化している間、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧は従来のように一定ではなく、徐々に小さくなる波形となる。
また、レーザ光が第２電極２８側に向かうに連れて、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧は、１つ前のラインＰを走査する電圧波形に比べて１ラインＰの電位差の勾配は徐々に大きくなる。
【００５４】
したがって、図５から分るように、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角φが大きくなる、言い換えると、第２電気光学素子２６の入射端面２６ａから入射するレーザ光の角度が大きくなるに伴い、［数５］より第２電気光学素子２６の内部を進行する光路長ｌ’の値も大きくなる。これにより、レーザ光Ｌ２の光路長ｌと、レーザ光Ｌ４の光路長ｌ’との光路差は次第に大きくなる。そして、この光路差に基づいて、第２電気光学素子２６の入射端面２６ａから入射するレーザ光がどのような角度であっても、射出端面２６ｂにおいて距離Ｄだけレーザ光が走査されるように第２電極２７への印加電圧Ｖ’を算出している。このため、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂから射出されるレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
【００５５】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、第２電気光学素子２６には、光路長に応じた電位差が生じるように電圧が印加されるため、スクリーン上の各ラインＰを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。したがって、画像が歪むことがないので、すべての画素を漏れなく表示できるため、高解像度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、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加させる電圧の制御のみでレーザ光の軌跡を直線にすることができるので、簡易な構成で、所定の位置にレーザ光を射出させることができ、高精度にレーザ光の走査を行うことが可能となる。
【００５６】
なお、光源装置から射出されたレーザ光を走査する第１走査手段として電気光学素子を用いたが、これに限るものではなく、可動型の走査手段であるガルバノミラーやポリゴンミラーを用いても良い。
【００５７】
［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６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。
第１実施形態では、第２電気光学素子２６に印加する電圧は第１電極２７の面内では（空間的には）一定であり、時間的に変化させることによりレーザ光が直線状に走査されるようにした。本実施形態の走査型光学装置では、第２電気光学素子３１の第１電極３２及び第２電極３３の構成により、走査されるレーザ光の距離Ｄを一定に保つ点において第１実施形態と異なる。
【００５８】
第２電気光学素子３１の第１電極３２及び第２電極３３が、第２電気光学素子３１の内部に生じる電界方向Ｂに対して直交する方向Ｑに沿って複数に帯状（ライン状）に分割された電極ライン（分割電極）を有する。本実施形態では、第１，第２電極３２，３３は、４つの電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄにより構成されている。この電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄは、射出端面３１ｂ側の間隔が、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）φが大きくなる方向に広がるように配置されている。
第１電極３２及び第２電極３３には、電極ライン３２ａと電極ライン３３ａとの間に電圧を印加する電源Ｖ１が接続されている。同様に、電極ライン３２ｂと電極ライン３３ｂとの間、電極ライン３２ｃと電極ライン３３ｃとの間、電極ライン３２ｄと電極ライン３３ｄとの間には、電源Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４がそれぞれ接続されている。そして、この電源Ｖ１〜Ｖ４により、電極ライン３２ａ〜３２ｄには［数８］を満たす電圧が印加されるようになっている。すなわち、第２電気光学素子３１に印加される電圧は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４となるような電圧が印加される。
【００５９】
これにより、図４に示すように、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）φが変化するので、第２電気光学素子３１に入射したレーザ光は、入射端面３１ａの位置に応じて印加された電圧により生じる電界を受けて射出端面３１ｂから射出される。このようにして、第１実施形態の走査型光学装置１と同様に、スクリーン上の各ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
【００６０】
［第２実施形態の変形例１］
図６に示す第２実施形態では、複数の電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに電圧を印加する電源Ｖ１〜Ｖ４をそれぞれ設けたが、第１電極３２の隣接する電極ライン３２ａ〜３２ｄを抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により接続された構成の第２電気光学素子３５であっても良い。このような変形例１について、図７を参照して説明する。
第２電極３３の隣接する電極ライン３３ａ〜３３ｄも同様に抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６により接続されている。また、第１電極３２の電極ライン３２ａと第２電極３３の電極ライン３３ａとは電源３６により接続されており、第１電極３２の電極ライン３２ｄと第２電極３３の電極ライン３３ｄとは抵抗Ｒ７により接続されている。また、電極ライン３２ａには［数８］を満たす電圧が印加されるようになっている。
このように、抵抗Ｒ１〜Ｒ７により電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに印加される電圧が制御されている。このため、各電極ライン３２ａ〜３２ｄ間、各電極ライン３３ａ〜３３ｄ間には電圧降下（電圧勾配）が起こり、第２実施形態の走査型光学装置と同様に、スクリーン上の各走査ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
なお、本変形例１において、抵抗Ｒ１〜Ｒ７が可変抵抗であっても良い。この構成により、電圧勾配を調整することができるため、電気光学素子３５に印加される電圧の微調整を行うことが可能となる。
【００６１】
［第２実施形態の変形例２］
図６に示す第２実施形態では、第１，第２電極３２，３３を複数の電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに分割した。本変形例２では、図８に示すように、第１，第２電極４１，４２を分割せずに、面内において抵抗が大きくなるように、例えば抵抗の大きい材料として、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）により形成された第２電気光学素子４０であっても良い。これにより、第１，第２電極４１，４２の平面内において電圧勾配が生じるようになっている。また、電源４３は、相対的に大きい電圧を印加する側の第１電極４１の角部４１ａと対向した位置の第２電極４２の角部４２ａとの間に電圧が印加されるように接続されている。この電源４３からは、［数８］を満たす電圧が生じるようになっている。また、第１電極４１の角部４１ａと対角の角部４１ｂと、第２電極４２の角部４２ａと対角の角部４２ｂとは抵抗４４により接続されている。
このような構成により、第１，第２電極４１，４２の平面内において電圧降下が起こり、第２実施形態の走査型光学装置と同様に、スクリーン上の各ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
なお、第１，第２電極４１，４２は、面内において抵抗が大きくなるように形成されていれば良く、材料としてはＩＴＯに限らない。また、第１，第２電極４１，４２を薄膜等により形成して抵抗を大きくしても良い。
【００６２】
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、電気光学素子として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。
【００６３】
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１，第２実施形態（変形例を含む）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】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置を示す斜視図である。
【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】従来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４】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の内部を進行するレーザ光を示す光路図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の電極に印加する電圧の波形を詳細に示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の他の変形例を示す斜視図である。
【図９】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…走査型光学装置、１１…光源装置、２１…第１電気光学素子（第１走査手段）、２６，３１，３５，４０…第２電気光学素子（第２走査手段）、２７，３２，４１…第１電極、２８，３３，４２…第２電極、３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄ…電極ライン（分割電極）
【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】
ところで、図９に示すように、光源装置１０１から射出された光を走査する第１走査手段１０２と、第１走査手段１０２により走査された光をスクリーン１０５上で直交する方向に走査する第２走査手段１０３とを備えた走査装置１１０を考える。このような走査装置１１０の場合、第２走査手段１０３としてＥＯスキャナを用いると、第２走査手段１０３に入射する光の入射角の違いにより、第１走査手段１０２の電圧無印加時に第２走査手段１０３内を進行する光と、第１走査手段１０２の電圧印加時に第２走査手段１０３内を進行する光との光路差Ｋが生じる。これにより、第１走査手段１０２が光を走査している間、第２走査手段１０３への印加電圧を一定にしても、スクリーン１０５上を走査される光の軌跡は直線を保つことができない。
【０００８】
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、所定の位置にレーザ光を射出させることができ、高精度に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】
【０００９】
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。
レーザ光を射出する光源装置と、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走査手段と、該第１走査手段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走査手段とを備え、前記第１走査手段及び前記第２走査手段のうち少なくとも前記第２走査手段は、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レーザ光を走査し、前記電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、前記第１走査手段によるレーザ光の走査に伴って、前記電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、該電気光学素子の電極に印加する電圧を前記光路長に応じて変化させる電圧制御部を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る走査型光学装置では、光源装置から射出されたレーザ光は第１走査手段により一方向に走査される。そして、一方向に走査されたレーザ光は、電気光学素子である第２走査手段により一方向と異なる方向に走査される。この電気光学素子は、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。
このとき、第１走査手段により走査されているレーザ光が電気光学素子に入射すると、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長の差により、被投射面上を走査されるレーザ光の軌跡は湾曲してしまう。しかしながら、本発明では、電圧制御部により、電気光学素子の電極に印加する電圧を光路長に応じて変化させている。すなわち、例えば、光路長が長く電気光学素子から射出されるレーザ光の偏角が大きくなる場合は、電気光学素子に小さい電位差が生じるように電圧を印加する。このように、電気光学素子の電極に光路長に応じた電圧を印加することにより、被投射面上を走査されるレーザ光の軌跡を直線にすることが可能となる。したがって、電気光学素子の電極に印加する電圧の制御のみでレーザ光の軌跡を直線にすることができるので、簡易な構成で、所定の位置にレーザ光を射出させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電圧制御部が、前記電気光学素子の電極に印加する電圧を前記第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から算出された前記光路長に応じて変調することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る走査型光学装置では、電圧制御部により、第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から、電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長を算出する。そして、算出された光路長に応じた電圧が、電圧制御部により、電気光学素子の電極に印加される。したがって、電気光学素子の電極に印加する電圧がより正確に求められるため、精度良くレーザ光の軌跡を直線に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、前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、該複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧が異なることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る走査型光学装置では、電極が、電気光学素子の内部に生じる電界方向に直交する方向に沿って複数に分割されている。これにより、各分割電極に異なる電圧を印加することで、光路長に応じた電圧を電気光学素子の電極に印加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、前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、該複数の分割電極間が抵抗で接続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、複数の分割電極間が抵抗で接続されているので、１つの電源を用いて１つの分割電極に電圧を印加することにより、複数の分割電極間で電圧降下が起こる。これにより、光路長に応じた電圧を電気光学素子に印加することが可能となる。すなわち、抵抗により電圧勾配が制御されるため、各分割電極を電圧制御が容易になる。
【００１７】
また、本発明の走査型光学装置は、前記電極が一面にわたって形成され、相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る走査型光学装置では、電極の相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続することにより、電極面内において連続的に電圧降下が起こり、光路長に応じた電圧を電気光学素子に印加す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］
本実施形態に係る走査型光学装置１は、スクリーンに画像を投影させる画像表示装置である。
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から射出されるレーザ光を一方向に走査する第１電気光学素子（第１走査手段）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（図示略）に向かって一方向と異なる方向に走査する第２電気光学素子（第２走査手段）２６とを備えている。
【００２４】
第１電気光学素子２１は、照明領域Ｓ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水平方向（一方向）ｈに走査する水平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垂直方向（一方向と異なる方向）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。
【００２５】
次に、第１，第２電気光学素子について説明する。なお、第１，第２電気光学素子２１，２６は同一構成であり、印加される電圧，素子の大きさ及び配置が異なるため、構成については、第１電気光学素子２１のみ説明する。
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。
【００２６】
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。この電源Ｅには、第１電極２２及び第２電極２３に印加する電圧を制御する電圧制御部（図示略）が設けられている。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Ｌ１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。
【００２７】
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。
さらに、光源装置１１は、射出されたレーザ光Ｌ１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。
【００２８】
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。この結果、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Ｌ１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。
【００２９】
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Ｌａ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。
【００３０】
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Ｌｂ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から射出されるレーザ光は、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。
【００３１】
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Ｌ１は、電気光学素子２１によりレーザ光Ｌａからレーザ光Ｌｂ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から射出されるレーザ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。
【００３２】
次に、第２電気光学素子の配置について説明する。
第１電極２７に例えば＋１００Ｖの電圧が印加されると、図１に示すように、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２７から第２電極２８に向かって高くなる。
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水平方向に走査し、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垂直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Ｌａ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から射出されるレーザ光は、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。
【００３３】
次に、第１電気光学素子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Ｌａは、図１に示すように、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌａ１からレーザ光Ｌａ２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Ｌｂも、第２電気光学素子２６によりレーザ光Ｌｂ１からレーザ光Ｌｂ２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。
【００３４】
次に、第２電気光学素子の詳細について説明する。
第２電気光学素子２６は、第１電気光学素子２１と同一の構成であり、印加される電圧，素子の大きさ及び配置の点で第１電気光学素子２１と異なる。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。なお、第２電極２８には、電源Ｅにより例えば０Ｖの電圧が印加される。
【００３５】
ここで、従来のように、第２電気光学素子２６の第１電極２７に一定の電圧を印加する場合の電圧の波形は、図３に示すように、第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が変化している間、第２電気光学素子２６の第１電極２７には一定の電圧となる波形である。また、第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が最大の電圧値Ｓ２から初期値Ｓ１に戻る間に、第１電極２７に印加される電圧が１ステップ高くなる波形となっている。
このような波形の電圧が第１電極２７に印加されると、図９に示したように、光路差Ｋが発生してしまい、スクリーン上を走査されるレーザ光の軌跡が直線を保つことができない。すなわち、第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光の偏角が大きい側では、小さい側に比べて長い距離第２電気光学素子２６の光学素子２９内を進行するので、曲がりすぎてしまう。
【００３６】
そこで、本実施形態では、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧の波形は、図２に示すように、１ラインＰごとの第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が大きくなるに連れて、第２電極２７に印加される電圧は徐々に小さくなる。この１ラインＰごとの第２電極２７に印加される電圧は、第２電気光学素子２６に電圧を印加していないときと、電圧を印加したときとの内部を進行するレーザ光の光路長に応じた電位差が生じる電圧が印加されるようになっている。
【００３７】
次に、レーザ光の光路長と第２電気光学素子の第１電極に印加する印加電圧との関係について説明する。なお、図４に示す第２電気光学素子２６は、レーザ光の光路を分り易くするために第１，第２電極２７，２８を省略した図となっている。
ここで、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂにおいて、図４に示すように、レーザ光が距離Ｄだけ走査される場合について考える。
まず、第１，第２電気光学素子２１，２６が電圧無印加状態のときの光学素子２９の内部を進行するレーザ光Ｌ１の光路長（ＫＴＮ結晶の長さ）をＬとした場合、第２電気光学素子２６に電圧を印加し、距離Ｄだけレーザ光が走査されるときのレーザ光Ｌ２のスキャン角（偏角）θは、
【００３８】
【数１】
【００３９】
となる。また、このときの第２電気光学素子２６の内部を進行するレーザ光Ｌ２の光路長ｌは、
【００４０】
【数２】
【００４１】
となる。
次に、第１電気光学素子２１に電圧を印加し、第２電気光学素子２６が電圧無印加状態のときの第１電気光学素子２１から射出されたレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）をφとする。このとき、第２電気光学素子２６にはレーザ光Ｌ３が入射端面２６ａに対して斜めから（角度をなして）入射するため、内部を進行するレーザ光の光路長Ｌ’は光路長Ｌより長くなり、
【００４２】
【数３】
【００４３】
となる。したがって、第１電気光学素子２１に電圧を印加し、第２電気光学素子２６にも電圧を印加し、距離Ｄだけレーザ光Ｌ４が走査されるときの第２電気光学素子２６から射出されるレーザ光Ｌ４のスキャン角（偏角）θ’は、
【００４４】
【数４】
【００４５】
となる。また、このときの第２電気光学素子２６の内部を進行するレーザ光Ｌ４の光路長ｌ’は、
【００４６】
【数５】
【００４７】
となる。
また、第１電気光学素子２１が電圧無印加時に、第２電気光学素子２６のスキャン角がθとなるときの第１電極２７に印加される電圧をＶとする。また、第１電気光学素子２１に電圧を印加したときに、第２電気光学素子２６のスキャン角がθ’となる第１電極２７に印加される電圧をＶ’とする。ここで、ＫＴＮ結晶は、射出されるレーザ光のスキャン角と印加電圧とが比例し、スキャン角と光路長とも比例する。これにより、スキャン角の比と光路長の比とから、電圧Ｖ’は、
【００４８】
【数６】
【００４９】
となる。ここで、光路長（ＫＴＮの長さ）Ｌと距離Ｄとの比をＲとすると、
【００５０】
【数７】
【００５１】
となり、Ｖ’は、
【００５２】
【数８】
【００５３】
となり、既知であるＲ（Ｄ，Ｌ）、φで表現できる。これを詳細に図示すると、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧の波形は、図５に示すように、１ラインＰの中で第１電気光学素子２１の第１電極２２に印加される電圧が変化している間、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧は従来のように一定ではなく、徐々に小さくなる波形となる。
また、レーザ光が第２電極２８側に向かうに連れて、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加される電圧は、１つ前のラインＰを走査する電圧波形に比べて１ラインＰの電位差の勾配は徐々に大きくなる。
【００５４】
したがって、図５から分るように、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角φが大きくなる、言い換えると、第２電気光学素子２６の入射端面２６ａから入射するレーザ光の角度が大きくなるに伴い、［数５］より第２電気光学素子２６の内部を進行する光路長ｌ’の値も大きくなる。これにより、レーザ光Ｌ２の光路長ｌと、レーザ光Ｌ４の光路長ｌ’との光路差は次第に大きくなる。そして、この光路差に基づいて、第２電気光学素子２６の入射端面２６ａから入射するレーザ光がどのような角度であっても、射出端面２６ｂにおいて距離Ｄだけレーザ光が走査されるように第２電極２７への印加電圧Ｖ’を算出している。このため、第２電気光学素子２６の射出端面２６ｂから射出されるレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
【００５５】
本実施形態に係る走査型光学装置１では、第２電気光学素子２６には、光路長に応じた電位差が生じるように電圧が印加されるため、スクリーン上の各ラインＰを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。したがって、画像が歪むことがないので、すべての画素を漏れなく表示できるため、高解像度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、第２電気光学素子２６の第１電極２７に印加させる電圧の制御のみでレーザ光の軌跡を直線にすることができるので、簡易な構成で、所定の位置にレーザ光を射出させることができ、高精度にレーザ光の走査を行うことが可能となる。
【００５６】
なお、光源装置から射出されたレーザ光を走査する第１走査手段として電気光学素子を用いたが、これに限るものではなく、可動型の走査手段であるガルバノミラーやポリゴンミラーを用いても良い。
【００５７】
［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６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。
第１実施形態では、第２電気光学素子２６に印加する電圧は第１電極２７の面内では（空間的には）一定であり、時間的に変化させることによりレーザ光が直線状に走査されるようにした。本実施形態の走査型光学装置では、第２電気光学素子３１の第１電極３２及び第２電極３３の構成により、走査されるレーザ光の距離Ｄを一定に保つ点において第１実施形態と異なる。
【００５８】
第２電気光学素子３１の第１電極３２及び第２電極３３が、第２電気光学素子３１の内部に生じる電界方向Ｂに対して直交する方向Ｑに沿って複数に帯状（ライン状）に分割された電極ライン（分割電極）を有する。本実施形態では、第１，第２電極３２，３３は、４つの電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄにより構成されている。この電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄは、射出端面３１ｂ側の間隔が、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）φが大きくなる方向に広がるように配置されている。
第１電極３２及び第２電極３３には、電極ライン３２ａと電極ライン３３ａとの間に電圧を印加する電源Ｖ１が接続されている。同様に、電極ライン３２ｂと電極ライン３３ｂとの間、電極ライン３２ｃと電極ライン３３ｃとの間、電極ライン３２ｄと電極ライン３３ｄとの間には、電源Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４がそれぞれ接続されている。そして、この電源Ｖ１〜Ｖ４により、電極ライン３２ａ〜３２ｄには［数８］を満たす電圧が印加されるようになっている。すなわち、第２電気光学素子３１に印加される電圧は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４となるような電圧が印加される。
【００５９】
これにより、図４に示すように、第１電気光学素子２１のレーザ光Ｌ３のスキャン角（偏角）φが変化するので、第２電気光学素子３１に入射したレーザ光は、入射端面３１ａの位置に応じて印加された電圧により生じる電界を受けて射出端面３１ｂから射出される。このようにして、第１実施形態の走査型光学装置１と同様に、スクリーン上の各ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
【００６０】
［第２実施形態の変形例１］
図６に示す第２実施形態では、複数の電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに電圧を印加する電源Ｖ１〜Ｖ４をそれぞれ設けたが、第１電極３２の隣接する電極ライン３２ａ〜３２ｄを抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により接続された構成の第２電気光学素子３５であっても良い。このような変形例１について、図７を参照して説明する。
第２電極３３の隣接する電極ライン３３ａ〜３３ｄも同様に抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６により接続されている。また、第１電極３２の電極ライン３２ａと第２電極３３の電極ライン３３ａとは電源３６により接続されており、第１電極３２の電極ライン３２ｄと第２電極３３の電極ライン３３ｄとは抵抗Ｒ７により接続されている。また、電極ライン３２ａには［数８］を満たす電圧が印加されるようになっている。
このように、抵抗Ｒ１〜Ｒ７により電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに印加される電圧が制御されている。このため、各電極ライン３２ａ〜３２ｄ間、各電極ライン３３ａ〜３３ｄ間には電圧降下（電圧勾配）が起こり、第２実施形態の走査型光学装置と同様に、スクリーン上の各走査ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
なお、本変形例１において、抵抗Ｒ１〜Ｒ７が可変抵抗であっても良い。この構成により、電圧勾配を調整することができるため、電気光学素子３５に印加される電圧の微調整を行うことが可能となる。
【００６１】
［第２実施形態の変形例２］
図６に示す第２実施形態では、第１，第２電極３２，３３を複数の電極ライン３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄに分割した。本変形例２では、図８に示すように、第１，第２電極４１，４２を分割せずに、面内において抵抗が大きくなるように、例えば抵抗の大きい材料として、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）により形成された第２電気光学素子４０であっても良い。これにより、第１，第２電極４１，４２の平面内において電圧勾配が生じるようになっている。また、電源４３は、相対的に大きい電圧を印加する側の第１電極４１の角部４１ａと対向した位置の第２電極４２の角部４２ａとの間に電圧が印加されるように接続されている。この電源４３からは、［数８］を満たす電圧が生じるようになっている。また、第１電極４１の角部４１ａと対角の角部４１ｂと、第２電極４２の角部４２ａと対角の角部４２ｂとは抵抗４４により接続されている。
このような構成により、第１，第２電極４１，４２の平面内において電圧降下が起こり、第２実施形態の走査型光学装置と同様に、スクリーン上の各ラインを走査するレーザ光の軌跡は直線を描くことになる。
なお、第１，第２電極４１，４２は、面内において抵抗が大きくなるように形成されていれば良く、材料としてはＩＴＯに限らない。また、第１，第２電極４１，４２を薄膜等により形成して抵抗を大きくしても良い。
【００６２】
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、電気光学素子として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。
【００６３】
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１，第２実施形態（変形例を含む）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】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置を示す斜視図である。
【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】従来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４】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の内部を進行するレーザ光を示す光路図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の電極に印加する電圧の波形を詳細に示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る走査型光学装置の第２電気光学素子の他の変形例を示す斜視図である。
【図９】従来の走査型光学装置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…走査型光学装置、１１…光源装置、２１…第１電気光学素子（第１走査手段）、２６，３１，３５，４０…第２電気光学素子（第２走査手段）、２７，３２，４１…第１電極、２８，３３，４２…第２電極、３２ａ〜３２ｄ，３３ａ〜３３ｄ…電極ライン（分割電極）
【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、
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走査手段と、
該第１走査手段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走査手段とを備え、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段のうち少なくとも前記第２走査手段は、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レーザ光を走査し、前記電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、
前記第１走査手段によるレーザ光の走査に伴って、前記電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、
該電気光学素子の電極に印加する電圧を前記光路長に応じて変化させる電圧制御部を備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記電圧制御部が、前記電気光学素子の電極に印加する電圧を前記第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から算出された前記光路長に応じて変調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】
前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、
該複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧が異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４】
前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、
該複数の分割電極間が抵抗で接続さ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】
前記電極が一面にわたって形成され、相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続す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６】
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、
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走査手段と、
該第１走査手段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走査手段とを備え、
前記第１走査手段及び前記第２走査手段のうち少なくとも前記第２走査手段は、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レーザ光を走査し、前記電界を発生させる電極を有する電気光学素子であり、
前記第１走査手段によるレーザ光の走査に伴って、前記電気光学素子の内部を進行するレーザ光の光路長が変化する構成とされ、
該電気光学素子の電極に印加する電圧を前記光路長に応じて変化させる電圧制御部を備えることを特徴とする走査型光学装置。
【請求項２】
前記電圧制御部が、前記電気光学素子の電極に印加する電圧を前記第１走査手段から射出されるレーザ光の偏角から算出された前記光路長に応じて変調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】
前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、
該複数の分割電極のそれぞれに印加される電圧が異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４】
前記電極が、前記電気光学素子内のレーザ光の進行方向に沿って複数に分割された分割電極を有し、
該複数の分割電極間が抵抗で接続さ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】
前記電極が一面にわたって形成され、相対的に大きい電圧を印加する側に電源の高電位側端子を接続す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６】
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９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１２２５７３（Ｐ２００８−１２２５７３Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０５１２３（Ｐ２００６−３０５１２３）
【出願日】平成１８年１１月１０日（２００６．１１．１０）
【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２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１０日（２００６．１１．１０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]