JP2008065036A

JP2008065036A - 走査型光学装置

Info

Publication number: JP2008065036A
Application number: JP2006242637A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Uchikawa; 大介内川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】複数のレーザ光の走査長を同一にすることが可能な走査型光学装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を射出する複数の発光部を有する光源装置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走査する電気光学素子１２とを備え、複数の発光部１１ａ〜１１ｅが一方向に沿って配列され、複数の発光部１１ａ〜１１ｅの配列方向Ｃが、電気光学素子１２に生じる電界の方向Ａに直交していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査型光学装置に関する。

近年の投射型画像表示装置では、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的である。しかし、このような放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、色再現性範囲が狭い、ランプから放射された紫外線が液晶ライトバルブを劣化させてしまうことがある等の課題がある。そこで、このような放電ランプの代わりに、単色光を照射するレーザ光源を用いた投射型画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
このようなレーザ光を用いた投射型画像表示装置としては、走査手段（スキャナ）を利用したレーザスキャン型の画像表示装置がある。そして、レーザスキャン型の画像表示装置に用いられる走査手段には、高速走査と大きな偏角との両立が要求されている。特に、ＶＧＡ（Video Graphics Array）やＸＧＡ（Extended Graphics Array），ＨＤＴＶ（High Definition Television）等のフォーマットを持つ映像信号の表示には数十ｋＨｚの走査速度でレーザ光を走査する必要がある。そこで、１５°〜３０°の偏角が見込めるという理由で、走査手段として共振型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを用いた画像表示装置が一般的である。
特開２００３−７５７６７号公報

しかしながら、ＭＥＭＳスキャナには、以下のような課題が残されている。すなわち、１つ目の課題としては、ＭＥＭＳスキャナは共振スキャナであるため、正弦関数的な不等速な往復動作しかできない。２つ目の課題としては、ＭＥＭＳスキャナはＱ値が高いため、共振周波数を外れると実用的な偏角を得ることができない。これにより、ＭＥＭＳスキャナを含む系の共振周波数を正確に制御するか、あるいは系の共振周波数の変化に追従して駆動周波数を変化させる必要がある。前者は技術的難易度が高く、後者はＭＥＭＳスキャナの２軸目との同期を細かく取らなければならないという問題が生じる。

３つ目の課題としては、ＭＥＭＳスキャナは走査速度に限界があるため、ＤＣＩ（Digital Cinema Initiatives）仕様の４ｋ（４０９６×２１６０）等の解像度になると表示が難しい。そこで、このような課題を解決するために、ＭＥＭＳスキャナに代え、走査手段として電気光学素子を用いた装置が提案されている。
電気光学素子とは、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するものである。

ところで、レーザ光源としてレーザ出力強度が十分でない場合、レーザビームの本数を増やして（マルチビーム化）対応する方法が考えられる。レーザビームの本数を増やす方法としては、通常のシングルエミッタのレーザ光源を複数個並べたものや、アレイ化されたマルチエミッタのレーザ光源が用いられる。
このようなレーザ光源から射出される複数のレーザ光を電気光学素子に入射させる場合、電気光学素子には電界方向に屈折率勾配が生じているため、電界方向のどの位置にレーザ光を入射させるかにより、レーザ光の屈折の仕方が異なる。このため、複数のレーザ光の配置を考慮せずに電気光学素子にレーザ光を入射させると、それぞれのレーザ光の走査長が異なり、各レーザ光の走査範囲がばらつくため、適切なレーザ光の走査ができなくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数のレーザ光の走査長を同一にすることが可能な走査型光学装置を提供することを目的とする。

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複数の発光部を有する光源装置と、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走査する電気光学素子とを備え、前記複数の発光部が一方向に沿って配列され、前記複数の発光部の配列方向が、前記電気光学素子に生じる電界の方向に直交していることを特徴とする。

本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子の内部に生じる電界により、電気光学素子の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複数の発光部から射出されるレーザ光は、屈折率が低い側から高い側に向かって曲げられる。
このとき、複数の発光部が一方向に配列されており、複数の発光部の配列方向が、電気光学素子に生じる電界の方向に直交しているため、各発光部から射出されたレーザ光は、電気光学素子の内部の同じ屈折率勾配の作用を受けることになる。これにより、各発光部から射出されたそれぞれのレーザ光の走査長がすべて同一となる。すなわち、光源装置から射出され電気光学素子を通過し射出されるレーザ光の走査長がばらつくことがないため、レーザ光の適切な走査を行うことが可能となる。

また、本発明の走査型光学装置では、前記光源装置は、前記複数の発光部の各々を有する複数の発光素子が個別に設けられたレーザアレイであることが好ましい。

本発明に係る走査型光学装置では、発光部を有する発光素子が個別に設けられているため、不良の素子の選別を実装前に行うことができる。したがって、発光素子のそれぞれの特性を揃えることができるので、ばらつきのないレーザ光を射出することができる。その結果、正確に複数のレーザ光の走査長を同一にすることが可能となる。

また、本発明の走査型光学装置では、前記光源装置は、前記複数の発光部が一方向に配置されたレーザバーであることが好ましい。

本発明に係る走査型光学装置では、光源装置がレーザバーであるため、複数の発光部間の距離を小さくすることができる。したがって、光源装置を大きくせずに、光源装置から射出されるレーザ光の強度を強くすることができるため、小型、かつ、高出力な光源装置を得ることが可能となる。
また、複数の発光部間の位置精度がレーザバーの製造時に用いるフォトマスクで規定できるため、発光部を一方向に精度良く配置させることが可能となる。したがって、各発光部から射出されるレーザ光の射出方向を揃えることができるので、正確に複数のレーザ光の走査長を同一にすることが可能となる。

また、本発明の走査型光学装置では、前記光源装置は、前記複数の発光部が平面的に配列された面発光レーザアレイであることが好ましい。

本発明に係る走査型光学装置では、光源装置が面発光レーザアレイであるため、同一基板上に複数の発光部を集積（アレイ化）できる。これにより、各発光部からコヒーレントな光を並列的にウエハと垂直方向に出射させることができるので、発光部をアレイ化し易くなる。さらに、複数の発光部間の位置精度が面発光レーザの製造時に用いるフォトマスクで規定できるため、発光部を所定の位置に精度良く配置させることが可能となる。したがって、発光部のそれぞれの射出方向を揃えることができるので、正確に複数のレーザ光の走査長を同一にすることが可能となる。

また、本発明の走査型光学装置は、前記電気光学素子がＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ₃の組成を有することが好ましい。

本発明に係る走査型光学装置では、電気光学素子が、高い誘電率を有する誘電体材料であるＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ₃（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、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ₃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。

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。

［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１１と、光源装置１１から射出されたレーザ光を走査する電気光学素子１２とを備えている。

電気光学素子１２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一定の範囲内で走査するものである。具体的には、電気光学素子１２は、図１に示すように、第１電極１６と、第２電極１７と、光学素子１８とを備えている。
光学素子１８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、ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ₃）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１８は、図２に示すように、直方体形状であり、図１に示すように、光学素子１８の上面１８ａには第１電極１６が配置され、下面１８ｂには第２電極１７が配置されている。この第１電極１６及び第２電極１７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１６及び第２電極１７は、図１に示すように、光学素子１８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１６と第２電極１７との間の光学素子１８に電界が生じるようになっている。例えば、第１電極１６に＋２５０Ｖの電圧が印加され、第１電極１７に０Ｖの電圧が印加されると、第１電極１６から第２電極１７に向かって（矢印Ａに示す方向）電界が生じるようになっている。

光源装置１１は、図２に示すように、複数の発光部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ（図示例では５つ）が一方向（矢印Ｃに示す方向）に沿って並んで配列された半導体レーザバーである。また、光源装置１１の発光部１１ａ〜１１ｅの配列方向Ｃは、第１電極１６及び第１電極１７の配列方向と垂直である。すなわち、発光部１１ａ〜１１ｅの配列方向Ｃは、光学素子１８に生じる電界の方向Ａと直交している。また、光源装置１１の発光部１１ａ〜１１ｅは、各発光部１１ａ〜１１ｅから射出されたレーザ光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅが光学素子１８の入射端面１８ｃに対して垂直に入射するように配置されている。
さらに、５つの発光部１１ａ〜１１ｅから射出されたそれぞれのレーザ光Ｌａ〜Ｌｅは、図２の光学素子１８の入射端面１８ｃの黒点に示すように、光学素子１８の屈折率が同じ場所から入射される。これにより、各発光部１１ａ〜１１ｅから射出され電気光学素子１２に入射するすべてのレーザ光は、同一の屈折率勾配の作用を受けることになる。

また、本実施形態では、レーザ光を片側のみ走査させるため、光源装置１１は、図１及び図２に示すように、光学素子１８の入射端面１８ｃの第１電極１６側からレーザ光を入射させるように配置されている。つまり、本実施形態では、電気光学素子１２の屈折率分布により、光学素子１８に入射したレーザ光は第２電極１７側に曲げられるため、光学素子１８の第１電極１６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。

次に、電気光学素子１２の動作について説明する。
第１電極１６には、電源Ｅにより例えば＋２５０Ｖの電圧が印加され、第２電極１７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１６，１７に電圧を印加することで、光学素子１８には第１電極１６から第２電極１７に向かって電界が生じる。これにより、光学素子１８は、図１に示すように、第１電極１６側が低く、第２電極１７側に向かって屈折率が徐々に高くなる。したがって、光学素子１８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、屈折率の変化に応じて偏向する。具体的には、光学素子１８の入射端面１８ｃから入射したレーザ光Ｌは、光学素子１８の屈折率が高い第２電極１７側に向かって曲げられ、射出端面１８ｄより射出される。

また、第１電極１６に印加される電圧の波形は、例えば、図３に示すように、鋸歯状の波形である。なお、第２電極１７は０Ｖに固定されている。
第１電極１６に印加される初期値Ｓ１の電圧を第１電極１６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１８を進行するレーザ光Ｌ１は、光学素子１８の屈折率分布により第２電極１７側に曲げられる。また、第１電極１６に印加する電圧値を、図３の電圧の波形に示すように徐々に上げると光学素子の屈折率勾配が大きくなる。これにより、第１電極１６に最大の電圧値Ｓ２を印加すると、光源装置１１から射出され光学素子１８を進行するレーザ光Ｌ２は、図１に示すように、レーザ光Ｌ１に比べて光学素子１８内において大きく偏向する。そして、光学素子１８の射出端面１８ｄにおいて、レーザ光Ｌ２はレーザ光Ｌ１に比べて大きな偏角で射出される。

このように、図３に示す波形の電圧を第１電極１６に印加することで、光源装置１１から射出されたレーザ光Ｌは、図１に示すように、電気光学素子１２によりレーザ光Ｌ１からレーザ光Ｌ２までのスキャン範囲（走査範囲）内を走査されるようになっている。すなわち、第１電極１６に印加する電圧を変化させることで、光学素子１８の入射端面１８ｃから入射し射出端面１８ｄから射出される光は１次元方向に走査される。

すなわち、すべてのレーザ光Ｌａ〜Ｌｅは、図２に示すように、同じ屈折率勾配の作用を受けるため、光学素子１８内において同一の軌跡を描いて射出される。これにより、各発光部１１ａ〜１１ｅから射出され電気光学素子１２に入射した後電気光学素子１２から射出されるすべてのレーザ光Ｌａ〜Ｌｅの走査長及び偏角量は同一となる。

本実施形態に係る走査型光学装置１では、光源装置１１の各発光部１１ａから射出され電気光学素子１２を通過し射出されるレーザ光の走査長がばらつくことはないため、レーザ光の適切な走査を行うことが可能となる。また、従来のように走査長が異なる場合、光源装置１１の各発光部１１ａから射出されるレーザ光の走査長を合わせる必要が生じるので各発光部１１ａの制御が複雑になるが、本実施形態の走査型光学装置１では、すべての発光部１１ａの制御が同じで良いため簡易な制御となる。
つまり、本実施形態の走査型光学装置１は、複数のレーザ光Ｌａ〜Ｌｅの走査長を同一にすることが可能となる。

なお、本実施形態では、レーザ光を片側のみ走査させたが、レーザ光を両側走査させても良い。この構成では、第１電極１６に印加する電圧を正の電圧から負の電圧に変化させることで、光学素子１８の入射端面１８ｃの中央から入射したレーザ光を、当該レーザ光を中心に両側に走査することが可能となる。

［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４を参照して説明する。
第１実施形態では、単色の光源装置を用いた走査型光学装置の例を説明したが、本実施形態に係る走査型光学装置３０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電気光学素子１２は第１実施形態と同様のものである。

本実施形態に係る画像表示装置３０は、図４に示すように、赤色のレーザ光を射出する赤色光源装置（光源装置）３０Ｒと、緑色のレーザ光を射出する緑色光源装置（光源装置）３０Ｇと、青色のレーザ光を射出する青色光源装置（光源装置）３０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３６と、クロスダイクロイックプリズム３６から射出されたレーザ光をスクリーン３５の水平方向に走査する電気光学素子１２と、電気光学素子１２から射出されたレーザ光をスクリーン３５の垂直方向に走査するガルバノミラー３２とを備えている。
また、各光源装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂは、各発光部３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの配列方向Ｃと電界の方向Ａとが垂直になるように配置されている。

次に、以上の構成からなる本実施形態の画像表示装置３０を用いて、画像をスクリーン３５に投射する方法について説明する。
各光源装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂから射出された複数のレーザ光は、クロスダイクロイックプリズム３６で合成され電気光学素子１２に入射する。電気光学素子１２に入射したレーザ光は、スクリーン３５の水平方向に走査され、ガルバノミラー３２により垂直方向に走査されてスクリーン３５に投影される。

本実施形態に係る画像表示装置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、本実施形態の画像表示装置３０では、電気光学素子１２から射出されるレーザ光の偏角が大きいため、ＤＣＩ（Digital Cinema Initiatives）仕様の４ｋ等の解像度に対応可能となる。したがって、画質の劣化を生じさせることなく、画像をより鮮明にスクリーン３５に表示させることができる。また、本実施形態の画像表示装置３０では、光源装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの各発光部３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂから射出され電気光学素子１２を通過し射出されるレーザ光の走査長がばらつくことがないため、すべてのレーザ光のスキャン範囲が同じになる。したがって、スクリーンに鮮明な画像を投射することが可能となる。

しかも、電気光学素子１２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、高速走査が必要とされる水平走査側に電気光学スキャナを用い、垂直走査側に走査自由度が高いガルバノミラー３２（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３２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。すなわち、電気光学素子１２の走査の精度が良いため、画像表示装置としては、ガルバノミラーほど精度の良いミラーを用いなくても、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。

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。
なお、例えば、第１実施形態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。
また、上記各実施形態では、光源装置としてレーザバーを用いて説明したが、一方向に沿って複数の発光部が配置されたものであれば良い。このような光源としては、例えば、図５（ａ）に示すように、複数の発光部４０ｂの各々を有する複数の発光素子４０ａが基台４０ｃ上に個別に設けられたレーザアレイ４０であっても良い。このレーザアレイ４０の場合、発光部４０ｂを有する発光素子４０ａが個別に設けられているため、不良の素子の選別を実装前に行うことができる。したがって、発光素子４０ａのそれぞれの特性を揃えることができるので、ばらつきのないレーザ光を射出することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、複数の発光部５０ａが平面的に配列された面発光レーザアレイ５０を用いても良い。このレーザアレイ５０の場合、同一基板５０ｂ上に複数の発光部５０ａを集積（アレイ化）でき、各発光部５０ａからコヒーレントな光を並列的にウエハと垂直方向に出射させることができる。したがって、発光部５０ａのそれぞれの射出方向を揃えることができる。
さらに、レーザ光源は、複数の発光部から射出されたレーザ光を光ファイバに入射させた後一つにまとめたものであっても良い。

また、発光部から射出されるレーザ光は可視光であったが、図６に示すように、赤外光を射出する発光部を有するレーザ光源６０であっても良い。このレーザ光源６０の場合、レーザ光源６０の後段に、例えば、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）のような波長変換素子６１を配置することにより、発光部から射出されたレーザ光は可視光の所定の波長に変換される。さらには、より波長変換効率を上げるために、波長変換素子６１の後段に外部共振器を設けた構成であっても良い。

また、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、ＬｉＮｂＯ_３（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。

本発明の第１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。本発明の第１実施形態に係る走査型光学装置を斜視図である。図１の電気光学素子の電極に印加する電圧の波形を示す図である。本発明の第２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。各実施形態におけるレーザ光源の変形例を示す斜視図である。各実施形態におけるレーザ光源の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１，３０…走査型光学装置、１１…光源装置、１１ａ〜１１ｅ…発光部、１２…電気光学素子

Claims

レーザ光を射出する複数の発光部を有する光源装置と、
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走査する電気光学素子とを備え、
前記複数の発光部が一方向に沿って配列され、前記複数の発光部の配列方向が、前記電気光学素子に生じる電界の方向に直交していることを特徴とする走査型光学装置。
前記光源装置は、前記複数の発光部の各々を有する複数の発光素子が個別に設けられたレーザアレイであることを特徴とする請求項１に記載の走査型光学装置。
前記光源装置は、前記複数の発光部が一方向に配置されたレーザバーであることを特徴とする請求項１に記載の走査型光学装置。
前記光源装置は、前記複数の発光部が平面的に配列された面発光レーザアレイであることを特徴とする請求項１に記載の走査型光学装置。
前記電気光学素子がＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ₃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。