JP4710801B2 - 走査型光学装置 - Google Patents
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Description
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。
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、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、前記電圧が、前記第1走査手段によってレーザ光が走査される際に、1走査ライン毎にステップ状に上昇するとともに、各ステップの始点側に対して終点側が徐々に下降し、かつ、各ステップの始点側から終点側に向けての勾配が、ステップ状の電圧波形における低電圧側のステップから高電圧側のステップに向けて順次大きくなる波形とされていることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
このような波形の電圧が第1電極27に印加されると、図8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。
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、
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、
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、
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 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、
前記電圧が、前記第1走査手段によってレーザ光が走査される際に、1走査ライン毎にステップ状に上昇するとともに、各ステップの始点側に対して終点側が徐々に下降し、かつ、各ステップの始点側から終点側に向けての勾配が、ステップ状の電圧波形における低電圧側のステップから高電圧側のステップに向けて順次大きくなる波形とされていることを特徴とする走査型光学装置。 - 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前記波形で表される電圧に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。
- 前記電極が、前記電気光学素子の内部に生じる電界方向に対して直交し、かつ、前記第1走査手段によってレーザ光が走査される方向に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。 - 前記電極が、前記電気光学素子の内部に生じる電界方向に対して直交し、かつ、前記第1走査手段によってレーザ光が走査される方向に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それぞれ抵抗で接続されるとともに、前記第1走査手段による偏角が小さい側に配置された前記分割電極に電源が接続され、
各抵抗による電圧降下の作用によって偏角が小さい側に配置された前記分割電極から偏角が大きい側に配置された前記分割電極に向けて各分割電極への印加電圧が低く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。 - 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4のいずれか1項に記載の走査型光学装置。
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