JP4770693B2 - 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、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レンズおよび前記集光レンズにより集光されたレーザ光を平行化する平行化レンズ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、前記平行化レンズは、前記集光レンズから前記平行化レンズに入射する光が前記平行化レンズの端部側に入射するにつれて、光の射出方向を前記平行化レンズの中央側に変化させるレンズ面を備えていることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 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レンズおよび前記集光レンズにより集光されたレーザ光を平行化する平行化レンズ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、
前記平行化レンズは、前記集光レンズから前記平行化レンズに入射する光が前記平行化レンズの端部側に入射するにつれて、光の射出方向を前記平行化レンズの中央側に変化させるレンズ面を備えていることを特徴とする走査型光学装置。 - 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に記載の走査型光学装置。
- 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または2に記載の走査型光学装置。
- 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3のいずれか1項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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