電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び走査型光学装置
【課題】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電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び走査型光学装置を提供すること。
【解決手段】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入射されたレーザ光を走査する光学素子１３，２３と、該光学素子１３，２３の対向する２つの面にそれぞれ配置された第１電極１１，２１及び第２電極１２，２２とを備え、光学素子１３，２３が射出端面２０ｂから入射端面１０ａに向かって第１電極１１，２１と前記第２電極１２，２２との間の電極間距離Ｑ，Ｐが連続的または段階的に小さくなることを特徴とする。
【解決手段】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入射されたレーザ光を走査する光学素子１３，２３と、該光学素子１３，２３の対向する２つの面にそれぞれ配置された第１電極１１，２１及び第２電極１２，２２とを備え、光学素子１３，２３が射出端面２０ｂから入射端面１０ａに向かって第１電極１１，２１と前記第２電極１２，２２との間の電極間距離Ｑ，Ｐが連続的または段階的に小さくな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、電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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結晶が一対の電極に挟持されており、この電極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】
このようなＥＯスキャナには、以下の課題が残されている。
ＥＯ結晶は、射出される光の偏角と、内部に生じる電界強度とには相関があるが、有効な偏角を得るために必要な電界強度は極めて高い。それ故に、大きな電界強度を効率良く得るためには電極間の距離を狭くする必要が生じる。しかしながら、ＥＯスキャナの構造上、電極間は走査される光の光路にもあたるため、あまり狭くすると内部を進行するレーザ光が電極に当たってしまい、ＥＯ結晶の射出端面から光が射出されないという問題が生じる。また、ＥＯ結晶の射出端面から射出されたとしても、電極間が狭い、すなわち、厚みの薄いＥＯ結晶では、大きな偏角を得ることができない。すなわち、構造上、電界強度の効率の向上と、偏角の増大との両立は困難である。
【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、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電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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。
本発明の電気光学素子は、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入射されたレーザ光を走査する光学素子と、該光学素子は、対向する第１電極及び第２電極とを備え、前記光学素子が射出端面から入射端面に向かって前記第１電極と前記第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る電気光学素子では、第１電極及び第２電極に電圧を印加することにより光学素子に電界が生じる。この電界により、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、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る。
本発明の電気光学素子においては、光学素子が射出端面から入射端面に向かって第１電極と第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなっている。すなわち、光学素子の入射端面側を進行するレーザ光は、射出端面側を進行するレーザ光に比べてそれほど偏向されていないため、入射端面側の第１電極と第２電極との間の電極間距離を射出端面側に比べて短くしても、第１電極及び第２電極がレーザ光の進路を妨げることはない。したがって、入射端面から射出端面に向かって、第１電極と第２電極との間の電極間距離が一定である光学素子に比べて、印加する電圧が小さくて良いため、同じ走査角（偏角）を得るのに必要な消費電力を抑制することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の電気光学素子は、前記光学素子が複数の素子部からなり、各該素子部の前記電極間距離は一定であるとともに、前記素子部同士の前記電極間距離は異なり、前記電極間距離が相対的に短い素子部を前記入射端面側から順に、接触させ配置したことが好ましい。
【００１２】
本発明に係る電気光学素子では、光学素子が複数の素子部からなるため、射出端面から射出されるレーザ光の偏角に応じた電極間距離となる光学素子を用いれば良い。したがって、適切な電極間距離となるような素子部を備えることで、より省電力化を図ることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部には、個々に電圧が印加されることが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部には、個々に電圧が印加されるため、個々に素子部の制御が可能となる。したがって、複数の素子部の内部の屈折率勾配を個々に調整することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部には、前記素子部同士の境界面と該境界面を通過するレーザ光の中心軸との交点を含む前記境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧が印加されることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部には、素子部同士の境界面と、該境界面を通過するレーザ光との交点を含む境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧を印加する。これにより、光学素子の内部を進行するレーザ光が隣接する素子部の境界面を通過する際、境界面において屈折することがない。したがって、レーザ光のビーム径が太くなることがないため、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ので、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。さらに、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、各画素の大きさが変わることがないので、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、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部は、前記第１電極が配置された面あるいは前記第２電極が配置された面が同一面上に配置されていることが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部は、第１電極が配置された面あるいは第２電極が配置された面が同一面上に配置すれば良いため、複数の素子部のアライメントが容易となる。
【００１７】
また、本発明の電気光学素子は、前記光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、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電気光学素子を提供することが可能となる。
【００１８】
上記の電気光学素子の製造方法であって、前記素子部を個別に形成し、前記素子部同士を接着することを特徴とする。
本発明に係る電気光学素子の製造方法では、素子部を個別に形成することにより、素子部として誘電体結晶を用いた場合、結晶から複数の素子部を切断する際、取り個数を多くすることができる。すなわち、第１電極と第２電極との間の電極間距離が段階的に大きくなる光学素子を一体に形成すると、切れ端が生じ結晶に無駄が出てしまう。しかしながら、本発明のように、素子部を個別に形成することにより、結晶には切れ端がなく素子部を製造することができる。これにより、素子部の無駄を省くことができるため、歩留まりの向上も期待できる。
【００１９】
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、該光源装置から射出したレーザ光を被投射面に向けて走査する走査手段とを備え、該走査手段が、上記の電気光学素子を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る走査型光学装置では、光源装置から射出した光は、走査手段により被投射面に向けて走査される。このとき、上述したように、偏角の大きい電気光学素子を用いることにより、高解像度に対応可能な走査手段を用いた走査型光学装置となる。したがって、省電力化を図りつつ、画質の劣化を生じさせることなく画像をより鮮明に被投射面に表示できる走査型光学装置を得ることが可能となる。
【００２１】
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、電気光学素子が水平走査を行い、垂直走査として例えば、安価なポリゴン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。
【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、本発明に係る電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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］
電気光学素子１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、内部を進行するレーザ光を走査するものである。具体的には、電気光学素子１は、図１に示すように、レーザ光が入射する入射端面１０ａを有する第１電気光学素子１０と、レーザ光が射出する射出端面２０ｂを有する第２電気光学素子２０とを備えている。この第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０は、それぞれの中心軸１０ｃ，２０ｃが一致するように、第１電気光学素子１０の射出端面１０ｂと第２電気光学素子２０の入射端面２０ａとが接触して配置されている。
また、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とは、構成は同一であり、大きさ及び印加される電圧が異なるため、構成については第１電気光学素子１０についてのみ説明する。
【００２４】
第１電気光学素子１０は、第１電極１１と、第２電極１２と、光学素子（素子部）１３とを備えている。
光学素子１３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、光学素子１３は、立方体状であり光学素子１３の上面（一方の面）１３ａには第１電極１１が形成され、下面（反対の面）１３ｂには第２電極１２が形成されている。この第１電極１１及び第２電極１２には、電圧を印加する電源Ｅ１が接続されている。また、第１電極１１及び第２電極１２は、図１に示すように、光学素子１３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１１と第２電極１２との間の光学素子１３に電界が生じるようになっている。例えば、第１電極１１に−１００Ｖの電圧が印加され第２電極１２に０Ｖの電圧が印加されると、第２電極１２から第１電極１１に向かって（矢印Ａに示す方向）電界が生じ、第１電極１１に＋１００Ｖの電圧が印加され第２電極１２に０Ｖの電圧が印加されると、第１電極１１から第２電極１２に向かって（矢印Ｃに示す方向）電界が生じるようになっている。
また、第１電極１１と第２電極１２間との電極間距離、すなわち、光学素子１３の電界方向Ａ，Ｃの寸法をＰとする。
【００２５】
次に、第１電気光学素子に印加される電圧波形について説明する。
電源Ｅ１により第１電極１１に印加される電圧の波形は、例えば、図２の一点鎖線で示すように、鋸歯状の波形Ｗ１である。第１電極１１には、初期電圧値Ｓ１ａ（例えば、−１００Ｖ）から０Ｖまで徐々に下がる電圧を印加し、０Ｖから最大電圧値Ｓ２ａ（例えば、＋１００Ｖ）まで徐々に上がる電圧を印加する。また、第１電極１１に印加される電圧が最大電圧値Ｓ２ａになると、初期電圧値Ｓ１ａが印加される。また、第１電極１１に印加される電圧が０Ｖのときの光学素子１３から射出されるレーザ光の光路をＯとする。なお、第２電極１２に印加される電圧は０Ｖに固定されている。
【００２６】
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２０は、第１電気光学素子１０と同様の第１電極２１と、第２電極２２と、立方体状の光学素子（素子部）２３とを備えている。この第１電極２１は光学素子２３の上面２３ａに形成され、第２電極２２は光学素子２３の下面２３ｂに形成されている。また、この第１電極２１及び第２電極２２には、電圧を印加する電源Ｅ２が接続されており、第２電極２２に印加される電圧は０Ｖに固定されている。
さらに、第１電極２１と第２電極２２との間の電極間距離、すなわち、光学素子２３の電界方向Ａ，Ｃの寸法をＱとすると、光学素子１３の寸法Ｐは、光学素子２３の寸法Ｑの約半分となっている。
【００２７】
次に、第２電気光学素子に印加される電圧波形について説明する。
電源Ｅ２により第１電極２１に印加される電圧の波形は、例えば、図２の破線で示すように、鋸歯状の波形Ｗ２である。この波形Ｗ２は、波形Ｗ１と同一の位相であり、振幅（初期電圧値Ｓ１ｂ，最大電圧値Ｓ２ｂ）が異なる。
すなわち、第１電極２１には、初期電圧値Ｓ１ｂ（例えば、−２００Ｖ）から０Ｖまで徐々に下がる電圧を印加し、０Ｖから最大電圧値Ｓ２ｂ（例えば、＋２００Ｖ）まで徐々に上がる電圧を印加する。また、第１電極１１に印加される印加電圧が最大電圧値Ｓ２ｂになると、初期電圧値Ｓ１ｂが印加される。
【００２８】
電気光学素子の製造方法について説明する。
平板状のＫＴＮ結晶から第１電気光学素子１０の光学素子１３の大きさに対応する結晶を切り取る。また別の平板状のＫＴＮ結晶から第２電気光学素子２０の光学素子２３の大きさに対応する結晶を切り取る。そして、光学素子１３の上面１３ａ及び下面１３ｂに、蒸着あるいはスパッタ等により第１電極１１及び第２電極１２を形成する。同様に、光学素子２３の上面２３ａ及び下面２３ｂにも第１電極２１及び第２電極２２を形成する。その後、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とを光学接着剤により貼り合わせる。また、光学接着剤としては光学素子１３及び光学素子２３の屈折率に近いものが好ましい。これにより、第１電気光学素子１０から第２電気光学素子２０に向かうレーザ光が、光学接着剤で反射するのを防止することができるので、電気光学素子１の内部に迷光が発生するのを抑制することが可能となる。
なお、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との接合は接着剤を介さない直接接合であっても良い。
【００２９】
次に、電気光学素子１から射出されるレーザ光の走査について説明する。
この電源Ｅ１及び電源Ｅ２により、第１電極１１及び第１電極２１に印加する電圧を変化させることで、第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出されるレーザ光は、光路Ｏを基準にスキャン範囲（走査範囲）内を１次元方向に走査される。
具体的には、第１電気光学素子１０の第１電極１１に初期電圧値−１００Ｖの電圧が印加され、第２電気光学素子２０の第１電極２１に初期電圧値−２００Ｖの電圧が印加されると、図１に示すように、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０には、矢印Ａに示す方向に電界が生じる。これにより、光学素子１３を進行するレーザ光Ｌは、第１電極１１側に曲げられ、射出端面１０ｂより射出される。そして、レーザ光Ｌ１は、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との境界面Ｋにおいて屈折することなく、第２電気光学素子２０の入射端面２０ａより入射する。第２電気光学素子２０に入射したレーザ光Ｌ１は、光学素子２３に生じる電界により第１電極２１側に曲げられ射出端面２０ｂより射出される。
【００３０】
そして、第１電極１１に初期電圧値−２００Ｖから０Ｖまで徐々に電圧が印加され、第１電極２１に初期電圧値−１００Ｖから０Ｖまで徐々に電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３を進行するレーザ光は、スキャン範囲の中央に向かって照射し、徐々に小さな偏角で第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出される。その後、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１に印加される電圧が０Ｖとなると、第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出されたレーザ光Ｌ２は、光路Ｏ上を進行しスキャン範囲の中央部分を照射する。
【００３１】
次いで、第１電極１１に０Ｖから＋１００Ｖまで徐々に電圧が印加され、第１電極２１に０Ｖから＋２００Ｖまで徐々に電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３の内部に生じる電界方向は矢印Ｃとなり、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光は第２電極１２及び第２電極２２側に曲げられる。そして、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光は、徐々に大きな偏角で第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出される。
その後、第１電極１１に最大電圧値＋１００Ｖの電圧が印加され、第１電極２１に＋２００Ｖの電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光Ｌ３は、射出端面２０ｂから射出され、スキャン範囲の端部に到達する。
【００３２】
次に、従来の電気光学素子と本発明の電気光学素子とを比較する。
従来の電気光学素子１００は、図３に示すように、入射端面１００ａから射出端面１００ｂまでの幅が一定（第２電気光学素子と同じ寸法Ｑ）である光学素子１０３を有し、本実施形態の電気光学素子１と同様に、光学素子１０３には第１電極１０１及び第２電極１０２が形成されている。ここで、従来の電気光学素子１００の第１電極１０１に−２００Ｖから＋２００Ｖの電圧を印加し、本実施形態の電気光学素子１の第１電極１１及び第１電極２１にも−２００Ｖから＋２００Ｖの電圧を印加する。このとき、本実施形態の電気光学素子１から射出されるレーザ光（実線）のスキャン範囲は、同じ電圧が印加されていても寸法の小さい光学素子１３の方が屈折率変化が大きくなるので、従来の電気光学素子１００から射出されるレーザ光（破線）のスキャン範囲に比べて大きくなる。すなわち、本実施形態の電気光学素子１において、従来の電気光学素子１００と同じ偏角量にするためには、第１電極１１及び第２電極２１に印加する電圧を第１電極１０１に印加する電圧に比べて小さくて済むことになる。
【００３３】
本実施形態に係る電気光学素子１では、光学素子２３、光学素子１３の順に段階的に小さくなる構成、すなわち、光学素子２３と、この光学素子２３の寸法Ｑに比べて小さい寸法Ｐの光学素子１３とが接触して設けられた構成になっている。つまり、内部を進行するレーザ光の偏角量が小さい入射端面１０ａ側の光学素子１３の寸法Ｐを小さくても、第１，第２電極１１，１２がレーザ光の進路を妨げることがない。したがって、光学素子１３の寸法Ｐが小さくしても射出端面２０ｂよりレーザ光を射出させることができるので、従来の電気光学素子１００と同じ走査角（偏角）を得るには、第１電極１１及び第１電極２１に印加する電圧が小さくて済む。これにより、電気光学素子１の駆動に要する消費電力を抑制することが可能となる。
つまり、本実施形態の電気光学素子１は、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可能である。
【００３４】
なお、本実施形態では、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０を用い、電気光学素子１として２段構成にしたが、３つ以上の素子部を設け多段構成にしても良い。このように、素子部を３つ以上設けることにより、各素子部の電極に印加する電圧をさらに細かく制御することができる。したがって、入射端面側の素子部の寸法をさらに小さくすることができるため、電極に印加される電圧をより小さくすることが可能となる。したがって、電極に効率良く電圧を印加することができるため、電気光学素子全体として更なる消費電力の抑制が期待できる。
また、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１に同一の電圧を印加する場合は、電源Ｅ１及び電源Ｅ２を別々に設けず、共通の電源を備えても良い。これにより、本実施形態の電気光学素子１から射出されるレーザ光（実線）のスキャン範囲は、従来の電気光学素子と同じ電圧が印加されていても寸法の小さい光学素子１３の方が屈折率変化が大きくなるので、従来の電気光学素子１００から射出されるレーザ光（破線）のスキャン範囲に比べて大きくなる。
また、光学素子１３と光学素子２３とを一体となるように形成しても良い。
また、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とは接触された構成としたが、必ずしも接触していなくても良い。すなわち、後段のスキャナ（本実施形態では第２電気光学素子２０）の電極にレーザ光が妨げられない程度に、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とが離間して配置されていても良い。
【００３５】
［第１実施形態の変形例１］
図１に示す第１実施形態では、第１電気光学素子１０の中心軸１０ｃと第２電気光学素子２０の中心軸２０ｃとを一致させたが、光学素子１３の上面１３ａと光学素子２３の上面２３ａとが同一面上（面一）となる電気光学素子３０であっても良い。このような変形例１について、図４を参照して説明する。
この構成では、図４に示すように、レーザ光は第１電気光学素子１０の入射端面１０ａの第１電極１１に近い側から入射される。これにより、本変形例１の電気光学素子３０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，第２電気光学素子１０，２０の屈折率分布により、光学素子１３，２３に入射したレーザ光は第２電極１２，２２側のみに曲げられる。これにより、光学素子１３の第１電極１１に近い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。
このように、本変形例１の電気光学素子３０では、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０が、光学素子１３の上面１３ａと光学素子２３の上面２３ａとが同一面上になるように配置されているため、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とのアライメントが容易となる。
【００３６】
なお、光学素子１３の下面１３ｂと光学素子２３の下面２３ｂとがが同一面上になるように、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とを配置しても良い。この構成の場合、入射端面１０ａの第２電極１２に近い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る。
【００３７】
［第１実施形態の変形例２］
また、図１に示す第１実施形態では、入射端面１０ａ側の光学素子１３の寸法Ｐは、射出端面２０ｂ側の光学素子２３の寸法Ｑに比べて小さくなる構成、すなわち、段階的に小さくなる構成にしたが、連続的に小さくなる電気光学素子３５であっても良い。このような変形例２について、図５を参照して説明する。
すなわち、電気光学素子３５は、図５に示すように、射出端面３５ｂから入射端面３５ａに向かって、第１電極３６と第２電極３７との間の電極間距離が連続的に小さくなる光学素子３８を備えている。また、第１電極３６はレーザ光の進行方向に複数の電極部３６ａ，３６ｂ，３６ｃを有している。第２電極３７も同様に複数の電極部３７ａ，３７ｂ，３７ｃを有している。この構成により、第１電極３６には、電極部３６ａ，３６ｂ，３６ｃの順に大きな電圧が印加されるようになっている。
このような光学素子３８として、例えば、スキャン範囲の端部に到達するレーザ光の軌跡に沿った形状にすることで、光学素子３８の大きさを最小限に抑えることが可能となる。なお、光学素子３８の形状としては、中心軸に対して垂直な断面形状が矩形に限らず円形状であっても良い。
【００３８】
［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実施形態に係る電気光学素子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。
本実施形態に係る電気光学素子４０では、第１電極１１及び第２電極２１に印加する電圧の点で第１実施形態と異なる。
【００３９】
まず、図６に示すように、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との境界面Ｋと、境界面Ｋを通過するレーザ光Ｌの中心軸Ｏ１との交点を含む境界面Ｋに直交する面をＭとする。
そして、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１には、面Ｍでの光学素子１３の屈折率と光学素子２３の屈折率とが略一致するような電圧が印加されるようになっている。
ここで、面Ｍにおいて光学素子１３と光学素子２３との屈折率が一致しない電圧が第１電極１１，２１に印加される場合、レーザ光は、図６の破線に示すように、光学素子１３と光学素子２３との屈折率の違いにより、第２電気光学素子２０を進行するレーザ光のビーム径Ｎ１は次第に大きくなる。すなわち、本実施形態のように屈折率が一致する場合のビーム径Ｎ２は一定であるのに対し、ビーム径Ｎ１は大きくなってしまうため、このような電気光学素子を例えば画像表示装置に用いると、画素ごとの大きさにバラツキが生じてしまう。
【００４０】
具体的には、第１電極１１に初期電圧値−１００Ｖの電圧が印加され、第１電極２１に初期電圧値−２００Ｖの電圧が印加されると、図６に示すように、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０には、矢印Ａに示す方向に電界が生じる。これにより、光学素子１３を進行するレーザ光Ｌは、第１電極１１側に曲げられ、射出端面１０ｂより射出される。そして、レーザ光Ｌは、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０の境界面Ｋにおいて屈折することなく、第２電気光学素子２０の入射端面２０ａより入射する。第２電気光学素子２０に入射したレーザ光は、光学素子２３に生じる電界により第１電極２１側に曲げられ射出端面２０ｂより射出される。
【００４１】
本実施形態に係る電気光学素子４０では、第１実施形態の電気光学素子１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の電気光学素子２０では、光学素子１３の内部を進行するレーザ光Ｌが、隣接する光学素子２３との境界面Ｋを通過する際、境界面Ｋにおいて屈折することがない。したがって、レーザ光のビーム径が太くなることがないため、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ので、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。さらに、例えば、本発明の電気光学素子４０を画像表示装置として用いた場合、画素ごとの大きさにバラツキが生じないため、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。
【００４２】
［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７を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１実施形態の電気光学素子１を走査手段として備える画像表示装置（走査型光学装置）５０について説明する。
【００４３】
本実施形態に係る画像表示装置５０は、図７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１と、電気光学素子１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、ガルバノミラー５２から走査されたレーザ光が投影されるスクリーン（被投射面）５５とを備えている。
【００４４】
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で合成され電気光学素子１に入射する。電気光学素子１に入射したレーザ光は、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。
【００４５】
本実施形態に係る画像表示装置５０では、走査手段として偏角の大きい電気光学素子１を用いているため、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、省電力化を図りつつ、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に表示させることができる。
しかも、電気光学素子１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。
【００４６】
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】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子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】本発明の電気光学素子と従来の電気光学素子とのスキャン範囲を比較した要部断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子の変形例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子の他の変形例を示す要部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る電気光学素子を示す要部断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る走査型光学装置を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
Ｋ…境界面、Ｍ…面、１，３０，３５，４０…電気光学素子、１０…第１電気光学素子（素子部）、１０ａ…入射端面、１１，２１…第１電極、１２，２２…第２電極、１３，２３，３８…光学素子、２０…第２電気光学素子（素子部）、２０ｂ…射出端面、５０…画像表示装置（走査型光学装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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結晶が一対の電極に挟持されており、この電極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】
このようなＥＯスキャナには、以下の課題が残されている。
ＥＯ結晶は、射出される光の偏角と、内部に生じる電界強度とには相関があるが、有効な偏角を得るために必要な電界強度は極めて高い。それ故に、大きな電界強度を効率良く得るためには電極間の距離を狭くする必要が生じる。しかしながら、ＥＯスキャナの構造上、電極間は走査される光の光路にもあたるため、あまり狭くすると内部を進行するレーザ光が電極に当たってしまい、ＥＯ結晶の射出端面から光が射出されないという問題が生じる。また、ＥＯ結晶の射出端面から射出されたとしても、電極間が狭い、すなわち、厚みの薄いＥＯ結晶では、大きな偏角を得ることができない。すなわち、構造上、電界強度の効率の向上と、偏角の増大との両立は困難である。
【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、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電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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。
本発明の電気光学素子は、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入射されたレーザ光を走査する光学素子と、該光学素子は、対向する第１電極及び第２電極とを備え、前記光学素子が射出端面から入射端面に向かって前記第１電極と前記第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る電気光学素子では、第１電極及び第２電極に電圧を印加することにより光学素子に電界が生じる。この電界により、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、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る。
本発明の電気光学素子においては、光学素子が射出端面から入射端面に向かって第１電極と第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなっている。すなわち、光学素子の入射端面側を進行するレーザ光は、射出端面側を進行するレーザ光に比べてそれほど偏向されていないため、入射端面側の第１電極と第２電極との間の電極間距離を射出端面側に比べて短くしても、第１電極及び第２電極がレーザ光の進路を妨げることはない。したがって、入射端面から射出端面に向かって、第１電極と第２電極との間の電極間距離が一定である光学素子に比べて、印加する電圧が小さくて良いため、同じ走査角（偏角）を得るのに必要な消費電力を抑制することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の電気光学素子は、前記光学素子が複数の素子部からなり、各該素子部の前記電極間距離は一定であるとともに、前記素子部同士の前記電極間距離は異なり、前記電極間距離が相対的に短い素子部を前記入射端面側から順に、接触させ配置したことが好ましい。
【００１２】
本発明に係る電気光学素子では、光学素子が複数の素子部からなるため、射出端面から射出されるレーザ光の偏角に応じた電極間距離となる光学素子を用いれば良い。したがって、適切な電極間距離となるような素子部を備えることで、より省電力化を図ることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部には、個々に電圧が印加されることが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部には、個々に電圧が印加されるため、個々に素子部の制御が可能となる。したがって、複数の素子部の内部の屈折率勾配を個々に調整することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部には、前記素子部同士の境界面と該境界面を通過するレーザ光の中心軸との交点を含む前記境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧が印加されることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部には、素子部同士の境界面と、該境界面を通過するレーザ光との交点を含む境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧を印加する。これにより、光学素子の内部を進行するレーザ光が隣接する素子部の境界面を通過する際、境界面において屈折することがない。したがって、レーザ光のビーム径が太くなることがないため、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ので、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。さらに、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、各画素の大きさが変わることがないので、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、本発明の電気光学素子において、前記複数の素子部は、前記第１電極が配置された面あるいは前記第２電極が配置された面が同一面上に配置されていることが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、複数の素子部は、第１電極が配置された面あるいは第２電極が配置された面が同一面上に配置すれば良いため、複数の素子部のアライメントが容易となる。
【００１７】
また、本発明の電気光学素子は、前記光学素子がＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ3の組成を有することが好ましい。
本発明に係る電気光学素子では、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電気光学素子を提供することが可能となる。
【００１８】
上記の電気光学素子の製造方法であって、前記素子部を個別に形成し、前記素子部同士を接着することを特徴とする。
本発明に係る電気光学素子の製造方法では、素子部を個別に形成することにより、素子部として誘電体結晶を用いた場合、結晶から複数の素子部を切断する際、取り個数を多くすることができる。すなわち、第１電極と第２電極との間の電極間距離が段階的に大きくなる光学素子を一体に形成すると、切れ端が生じ結晶に無駄が出てしまう。しかしながら、本発明のように、素子部を個別に形成することにより、結晶には切れ端がなく素子部を製造することができる。これにより、素子部の無駄を省くことができるため、歩留まりの向上も期待できる。
【００１９】
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、該光源装置から射出したレーザ光を被投射面に向けて走査する走査手段とを備え、該走査手段が、上記の電気光学素子を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る走査型光学装置では、光源装置から射出した光は、走査手段により被投射面に向けて走査される。このとき、上述したように、偏角の大きい電気光学素子を用いることにより、高解像度に対応可能な走査手段を用いた走査型光学装置となる。したがって、省電力化を図りつつ、画質の劣化を生じさせることなく画像をより鮮明に被投射面に表示できる走査型光学装置を得ることが可能となる。
【００２１】
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、電気光学素子が水平走査を行い、垂直走査として例えば、安価なポリゴン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。
【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、本発明に係る電気光学素子、電気光学素子の製造方法及び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］
電気光学素子１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、内部を進行するレーザ光を走査するものである。具体的には、電気光学素子１は、図１に示すように、レーザ光が入射する入射端面１０ａを有する第１電気光学素子１０と、レーザ光が射出する射出端面２０ｂを有する第２電気光学素子２０とを備えている。この第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０は、それぞれの中心軸１０ｃ，２０ｃが一致するように、第１電気光学素子１０の射出端面１０ｂと第２電気光学素子２０の入射端面２０ａとが接触して配置されている。
また、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とは、構成は同一であり、大きさ及び印加される電圧が異なるため、構成については第１電気光学素子１０についてのみ説明する。
【００２４】
第１電気光学素子１０は、第１電極１１と、第２電極１２と、光学素子（素子部）１３とを備えている。
光学素子１３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、光学素子１３は、立方体状であり光学素子１３の上面（一方の面）１３ａには第１電極１１が形成され、下面（反対の面）１３ｂには第２電極１２が形成されている。この第１電極１１及び第２電極１２には、電圧を印加する電源Ｅ１が接続されている。また、第１電極１１及び第２電極１２は、図１に示すように、光学素子１３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１１と第２電極１２との間の光学素子１３に電界が生じるようになっている。例えば、第１電極１１に−１００Ｖの電圧が印加され第２電極１２に０Ｖの電圧が印加されると、第２電極１２から第１電極１１に向かって（矢印Ａに示す方向）電界が生じ、第１電極１１に＋１００Ｖの電圧が印加され第２電極１２に０Ｖの電圧が印加されると、第１電極１１から第２電極１２に向かって（矢印Ｃに示す方向）電界が生じるようになっている。
また、第１電極１１と第２電極１２間との電極間距離、すなわち、光学素子１３の電界方向Ａ，Ｃの寸法をＰとする。
【００２５】
次に、第１電気光学素子に印加される電圧波形について説明する。
電源Ｅ１により第１電極１１に印加される電圧の波形は、例えば、図２の一点鎖線で示すように、鋸歯状の波形Ｗ１である。第１電極１１には、初期電圧値Ｓ１ａ（例えば、−１００Ｖ）から０Ｖまで徐々に下がる電圧を印加し、０Ｖから最大電圧値Ｓ２ａ（例えば、＋１００Ｖ）まで徐々に上がる電圧を印加する。また、第１電極１１に印加される電圧が最大電圧値Ｓ２ａになると、初期電圧値Ｓ１ａが印加される。また、第１電極１１に印加される電圧が０Ｖのときの光学素子１３から射出されるレーザ光の光路をＯとする。なお、第２電極１２に印加される電圧は０Ｖに固定されている。
【００２６】
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２０は、第１電気光学素子１０と同様の第１電極２１と、第２電極２２と、立方体状の光学素子（素子部）２３とを備えている。この第１電極２１は光学素子２３の上面２３ａに形成され、第２電極２２は光学素子２３の下面２３ｂに形成されている。また、この第１電極２１及び第２電極２２には、電圧を印加する電源Ｅ２が接続されており、第２電極２２に印加される電圧は０Ｖに固定されている。
さらに、第１電極２１と第２電極２２との間の電極間距離、すなわち、光学素子２３の電界方向Ａ，Ｃの寸法をＱとすると、光学素子１３の寸法Ｐは、光学素子２３の寸法Ｑの約半分となっている。
【００２７】
次に、第２電気光学素子に印加される電圧波形について説明する。
電源Ｅ２により第１電極２１に印加される電圧の波形は、例えば、図２の破線で示すように、鋸歯状の波形Ｗ２である。この波形Ｗ２は、波形Ｗ１と同一の位相であり、振幅（初期電圧値Ｓ１ｂ，最大電圧値Ｓ２ｂ）が異なる。
すなわち、第１電極２１には、初期電圧値Ｓ１ｂ（例えば、−２００Ｖ）から０Ｖまで徐々に下がる電圧を印加し、０Ｖから最大電圧値Ｓ２ｂ（例えば、＋２００Ｖ）まで徐々に上がる電圧を印加する。また、第１電極１１に印加される印加電圧が最大電圧値Ｓ２ｂになると、初期電圧値Ｓ１ｂが印加される。
【００２８】
電気光学素子の製造方法について説明する。
平板状のＫＴＮ結晶から第１電気光学素子１０の光学素子１３の大きさに対応する結晶を切り取る。また別の平板状のＫＴＮ結晶から第２電気光学素子２０の光学素子２３の大きさに対応する結晶を切り取る。そして、光学素子１３の上面１３ａ及び下面１３ｂに、蒸着あるいはスパッタ等により第１電極１１及び第２電極１２を形成する。同様に、光学素子２３の上面２３ａ及び下面２３ｂにも第１電極２１及び第２電極２２を形成する。その後、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とを光学接着剤により貼り合わせる。また、光学接着剤としては光学素子１３及び光学素子２３の屈折率に近いものが好ましい。これにより、第１電気光学素子１０から第２電気光学素子２０に向かうレーザ光が、光学接着剤で反射するのを防止することができるので、電気光学素子１の内部に迷光が発生するのを抑制することが可能となる。
なお、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との接合は接着剤を介さない直接接合であっても良い。
【００２９】
次に、電気光学素子１から射出されるレーザ光の走査について説明する。
この電源Ｅ１及び電源Ｅ２により、第１電極１１及び第１電極２１に印加する電圧を変化させることで、第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出されるレーザ光は、光路Ｏを基準にスキャン範囲（走査範囲）内を１次元方向に走査される。
具体的には、第１電気光学素子１０の第１電極１１に初期電圧値−１００Ｖの電圧が印加され、第２電気光学素子２０の第１電極２１に初期電圧値−２００Ｖの電圧が印加されると、図１に示すように、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０には、矢印Ａに示す方向に電界が生じる。これにより、光学素子１３を進行するレーザ光Ｌは、第１電極１１側に曲げられ、射出端面１０ｂより射出される。そして、レーザ光Ｌ１は、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との境界面Ｋにおいて屈折することなく、第２電気光学素子２０の入射端面２０ａより入射する。第２電気光学素子２０に入射したレーザ光Ｌ１は、光学素子２３に生じる電界により第１電極２１側に曲げられ射出端面２０ｂより射出される。
【００３０】
そして、第１電極１１に初期電圧値−２００Ｖから０Ｖまで徐々に電圧が印加され、第１電極２１に初期電圧値−１００Ｖから０Ｖまで徐々に電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３を進行するレーザ光は、スキャン範囲の中央に向かって照射し、徐々に小さな偏角で第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出される。その後、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１に印加される電圧が０Ｖとなると、第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出されたレーザ光Ｌ２は、光路Ｏ上を進行しスキャン範囲の中央部分を照射する。
【００３１】
次いで、第１電極１１に０Ｖから＋１００Ｖまで徐々に電圧が印加され、第１電極２１に０Ｖから＋２００Ｖまで徐々に電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３の内部に生じる電界方向は矢印Ｃとなり、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光は第２電極１２及び第２電極２２側に曲げられる。そして、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光は、徐々に大きな偏角で第２電気光学素子２０の射出端面２０ｂから射出される。
その後、第１電極１１に最大電圧値＋１００Ｖの電圧が印加され、第１電極２１に＋２００Ｖの電圧が印加される。これにより、光学素子１３及び光学素子２３の内部を進行するレーザ光Ｌ３は、射出端面２０ｂから射出され、スキャン範囲の端部に到達する。
【００３２】
次に、従来の電気光学素子と本発明の電気光学素子とを比較する。
従来の電気光学素子１００は、図３に示すように、入射端面１００ａから射出端面１００ｂまでの幅が一定（第２電気光学素子と同じ寸法Ｑ）である光学素子１０３を有し、本実施形態の電気光学素子１と同様に、光学素子１０３には第１電極１０１及び第２電極１０２が形成されている。ここで、従来の電気光学素子１００の第１電極１０１に−２００Ｖから＋２００Ｖの電圧を印加し、本実施形態の電気光学素子１の第１電極１１及び第１電極２１にも−２００Ｖから＋２００Ｖの電圧を印加する。このとき、本実施形態の電気光学素子１から射出されるレーザ光（実線）のスキャン範囲は、同じ電圧が印加されていても寸法の小さい光学素子１３の方が屈折率変化が大きくなるので、従来の電気光学素子１００から射出されるレーザ光（破線）のスキャン範囲に比べて大きくなる。すなわち、本実施形態の電気光学素子１において、従来の電気光学素子１００と同じ偏角量にするためには、第１電極１１及び第２電極２１に印加する電圧を第１電極１０１に印加する電圧に比べて小さくて済むことになる。
【００３３】
本実施形態に係る電気光学素子１では、光学素子２３、光学素子１３の順に段階的に小さくなる構成、すなわち、光学素子２３と、この光学素子２３の寸法Ｑに比べて小さい寸法Ｐの光学素子１３とが接触して設けられた構成になっている。つまり、内部を進行するレーザ光の偏角量が小さい入射端面１０ａ側の光学素子１３の寸法Ｐを小さくても、第１，第２電極１１，１２がレーザ光の進路を妨げることがない。したがって、光学素子１３の寸法Ｐが小さくしても射出端面２０ｂよりレーザ光を射出させることができるので、従来の電気光学素子１００と同じ走査角（偏角）を得るには、第１電極１１及び第１電極２１に印加する電圧が小さくて済む。これにより、電気光学素子１の駆動に要する消費電力を抑制することが可能となる。
つまり、本実施形態の電気光学素子１は、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可能である。
【００３４】
なお、本実施形態では、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０を用い、電気光学素子１として２段構成にしたが、３つ以上の素子部を設け多段構成にしても良い。このように、素子部を３つ以上設けることにより、各素子部の電極に印加する電圧をさらに細かく制御することができる。したがって、入射端面側の素子部の寸法をさらに小さくすることができるため、電極に印加される電圧をより小さくすることが可能となる。したがって、電極に効率良く電圧を印加することができるため、電気光学素子全体として更なる消費電力の抑制が期待できる。
また、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１に同一の電圧を印加する場合は、電源Ｅ１及び電源Ｅ２を別々に設けず、共通の電源を備えても良い。これにより、本実施形態の電気光学素子１から射出されるレーザ光（実線）のスキャン範囲は、従来の電気光学素子と同じ電圧が印加されていても寸法の小さい光学素子１３の方が屈折率変化が大きくなるので、従来の電気光学素子１００から射出されるレーザ光（破線）のスキャン範囲に比べて大きくなる。
また、光学素子１３と光学素子２３とを一体となるように形成しても良い。
また、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とは接触された構成としたが、必ずしも接触していなくても良い。すなわち、後段のスキャナ（本実施形態では第２電気光学素子２０）の電極にレーザ光が妨げられない程度に、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とが離間して配置されていても良い。
【００３５】
［第１実施形態の変形例１］
図１に示す第１実施形態では、第１電気光学素子１０の中心軸１０ｃと第２電気光学素子２０の中心軸２０ｃとを一致させたが、光学素子１３の上面１３ａと光学素子２３の上面２３ａとが同一面上（面一）となる電気光学素子３０であっても良い。このような変形例１について、図４を参照して説明する。
この構成では、図４に示すように、レーザ光は第１電気光学素子１０の入射端面１０ａの第１電極１１に近い側から入射される。これにより、本変形例１の電気光学素子３０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，第２電気光学素子１０，２０の屈折率分布により、光学素子１３，２３に入射したレーザ光は第２電極１２，２２側のみに曲げられる。これにより、光学素子１３の第１電極１１に近い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。
このように、本変形例１の電気光学素子３０では、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０が、光学素子１３の上面１３ａと光学素子２３の上面２３ａとが同一面上になるように配置されているため、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とのアライメントが容易となる。
【００３６】
なお、光学素子１３の下面１３ｂと光学素子２３の下面２３ｂとがが同一面上になるように、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０とを配置しても良い。この構成の場合、入射端面１０ａの第２電極１２に近い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る。
【００３７】
［第１実施形態の変形例２］
また、図１に示す第１実施形態では、入射端面１０ａ側の光学素子１３の寸法Ｐは、射出端面２０ｂ側の光学素子２３の寸法Ｑに比べて小さくなる構成、すなわち、段階的に小さくなる構成にしたが、連続的に小さくなる電気光学素子３５であっても良い。このような変形例２について、図５を参照して説明する。
すなわち、電気光学素子３５は、図５に示すように、射出端面３５ｂから入射端面３５ａに向かって、第１電極３６と第２電極３７との間の電極間距離が連続的に小さくなる光学素子３８を備えている。また、第１電極３６はレーザ光の進行方向に複数の電極部３６ａ，３６ｂ，３６ｃを有している。第２電極３７も同様に複数の電極部３７ａ，３７ｂ，３７ｃを有している。この構成により、第１電極３６には、電極部３６ａ，３６ｂ，３６ｃの順に大きな電圧が印加されるようになっている。
このような光学素子３８として、例えば、スキャン範囲の端部に到達するレーザ光の軌跡に沿った形状にすることで、光学素子３８の大きさを最小限に抑えることが可能となる。なお、光学素子３８の形状としては、中心軸に対して垂直な断面形状が矩形に限らず円形状であっても良い。
【００３８】
［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実施形態に係る電気光学素子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。
本実施形態に係る電気光学素子４０では、第１電極１１及び第２電極２１に印加する電圧の点で第１実施形態と異なる。
【００３９】
まず、図６に示すように、第１電気光学素子１０と第２電気光学素子２０との境界面Ｋと、境界面Ｋを通過するレーザ光Ｌの中心軸Ｏ１との交点を含む境界面Ｋに直交する面をＭとする。
そして、第１電気光学素子１０の第１電極１１及び第２電気光学素子２０の第１電極２１には、面Ｍでの光学素子１３の屈折率と光学素子２３の屈折率とが略一致するような電圧が印加されるようになっている。
ここで、面Ｍにおいて光学素子１３と光学素子２３との屈折率が一致しない電圧が第１電極１１，２１に印加される場合、レーザ光は、図６の破線に示すように、光学素子１３と光学素子２３との屈折率の違いにより、第２電気光学素子２０を進行するレーザ光のビーム径Ｎ１は次第に大きくなる。すなわち、本実施形態のように屈折率が一致する場合のビーム径Ｎ２は一定であるのに対し、ビーム径Ｎ１は大きくなってしまうため、このような電気光学素子を例えば画像表示装置に用いると、画素ごとの大きさにバラツキが生じてしまう。
【００４０】
具体的には、第１電極１１に初期電圧値−１００Ｖの電圧が印加され、第１電極２１に初期電圧値−２００Ｖの電圧が印加されると、図６に示すように、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０には、矢印Ａに示す方向に電界が生じる。これにより、光学素子１３を進行するレーザ光Ｌは、第１電極１１側に曲げられ、射出端面１０ｂより射出される。そして、レーザ光Ｌは、第１電気光学素子１０及び第２電気光学素子２０の境界面Ｋにおいて屈折することなく、第２電気光学素子２０の入射端面２０ａより入射する。第２電気光学素子２０に入射したレーザ光は、光学素子２３に生じる電界により第１電極２１側に曲げられ射出端面２０ｂより射出される。
【００４１】
本実施形態に係る電気光学素子４０では、第１実施形態の電気光学素子１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の電気光学素子２０では、光学素子１３の内部を進行するレーザ光Ｌが、隣接する光学素子２３との境界面Ｋを通過する際、境界面Ｋにおいて屈折することがない。したがって、レーザ光のビーム径が太くなることがないため、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ので、高精度なレーザ光の走査を行うことが可能となる。さらに、例えば、本発明の電気光学素子４０を画像表示装置として用いた場合、画素ごとの大きさにバラツキが生じないため、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。
【００４２】
［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７を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１実施形態の電気光学素子１を走査手段として備える画像表示装置（走査型光学装置）５０について説明する。
【００４３】
本実施形態に係る画像表示装置５０は、図７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１と、電気光学素子１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、ガルバノミラー５２から走査されたレーザ光が投影されるスクリーン（被投射面）５５とを備えている。
【００４４】
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で合成され電気光学素子１に入射する。電気光学素子１に入射したレーザ光は、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。
【００４５】
本実施形態に係る画像表示装置５０では、走査手段として偏角の大きい電気光学素子１を用いているため、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、省電力化を図りつつ、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に表示させることができる。
しかも、電気光学素子１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。
【００４６】
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】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子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】本発明の電気光学素子と従来の電気光学素子とのスキャン範囲を比較した要部断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子の変形例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る電気光学素子の他の変形例を示す要部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る電気光学素子を示す要部断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る走査型光学装置を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
Ｋ…境界面、Ｍ…面、１，３０，３５，４０…電気光学素子、１０…第１電気光学素子（素子部）、１０ａ…入射端面、１１，２１…第１電極、１２，２２…第２電極、１３，２３，３８…光学素子、２０…第２電気光学素子（素子部）、２０ｂ…射出端面、５０…画像表示装置（走査型光学装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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入射されたレーザ光を走査する光学素子と、
該光学素子は、対向する第１電極及び第２電極とを備え、
前記光学素子が射出端面から入射端面に向かって前記第１電極と前記第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
前記光学素子が複数の素子部からなり、
各該素子部の前記電極間距離は一定であるとともに、前記素子部同士の前記電極間距離は異なり、
前記電極間距離が相対的に短い素子部を前記入射端面側から順に、接触させ配置したことを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項３】
前記複数の素子部には、個々に電圧が印加されることを特徴とする請求項２に記載の電気光学素子。
【請求項４】
前記複数の素子部には、前記素子部同士の境界面と該境界面を通過するレーザ光の中心軸との交点を含む前記境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧が印加されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電気光学素子。
【請求項５】
前記複数の素子部は、前記第１電極が配置された面あるいは前記第２電極が配置された面が同一面上に配置されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項６】
前記光学素子が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項に記載の電気光学素子。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子の製造方法であって、
前記素子部を個別に形成し、前記素子部同士を接着することを特徴とする電気光学素子の製造方法。
【請求項８】
レーザ光を射出する光源装置と、
該光源装置から射出したレーザ光を被投射面に向けて走査する走査手段とを備え、
該走査手段が、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子を有することを特徴とする走査型光学装置。
【請求項９】
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８に記載の走査型光学装置。
【請求項１】
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入射されたレーザ光を走査する光学素子と、
該光学素子は、対向する第１電極及び第２電極とを備え、
前記光学素子が射出端面から入射端面に向かって前記第１電極と前記第２電極との間の電極間距離が連続的または段階的に小さくなることを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
前記光学素子が複数の素子部からなり、
各該素子部の前記電極間距離は一定であるとともに、前記素子部同士の前記電極間距離は異なり、
前記電極間距離が相対的に短い素子部を前記入射端面側から順に、接触させ配置したことを特徴とする請求項１に記載の電気光学素子。
【請求項３】
前記複数の素子部には、個々に電圧が印加されることを特徴とする請求項２に記載の電気光学素子。
【請求項４】
前記複数の素子部には、前記素子部同士の境界面と該境界面を通過するレーザ光の中心軸との交点を含む前記境界面に直交する面内の屈折率を略一致させるような電圧が印加されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電気光学素子。
【請求項５】
前記複数の素子部は、前記第１電極が配置された面あるいは前記第２電極が配置された面が同一面上に配置されていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の電気光学素子。
【請求項６】
前記光学素子が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項に記載の電気光学素子。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子の製造方法であって、
前記素子部を個別に形成し、前記素子部同士を接着することを特徴とする電気光学素子の製造方法。
【請求項８】
レーザ光を射出する光源装置と、
該光源装置から射出したレーザ光を被投射面に向けて走査する走査手段とを備え、
該走査手段が、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気光学素子を有することを特徴とする走査型光学装置。
【請求項９】
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８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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１２２５７２（Ｐ２００８−１２２５７２Ａ）
【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２００６−３０５１２２（Ｐ２００６−３０５１２２）
【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）】
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