JP2002515986A - 波長選択性光学―機械式走査装置及びその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、放射ビームを発生する放射源（２４）と、この放射ビームに第１の方向にΔθ₁の角度範囲にわたる走査移動を与えると共に第２の方向にΔθ₂の角度範囲にわたる走査移動を与える手段（２２，２６）とを具える光学式走査装置（２０）に関するものである。放射源（２４）は例えばダイオードレーザとすると共に波長同調性を有し、前記手段は回転反射素子及び回折格子を具える。

Description

【発明の詳細な説明】 波長選択性光学−機械式走査装置及びその用途 本発明は、放射ビームを発生する放射源と、前記放射ビームを、第１の方向に Δθ₁の角度範囲にわたって走査移動させると共に第２の方向にΔθ₂の角度範囲 にわたって走査移動させる手段とを具える光学式走査装置に関するものである。 本発明は、このような光学式走査装置が用いられる用途にも関するものである 。 冒頭部で述べた形式の走査装置は、例えば走査型光学式顕微鏡で用いられてい る。このような顕微鏡は、例えば文献「Signal detection and interpretation in scanning optical michroscopy」J．P．H．Benschop著に記載されている。こ の文献に記載されている顕微鏡において、点光源が対物レンズにより物体上に結 像されている。このビームの走査移動は２個のミラーの組合せにより行われてい る。これらのミラーは、各ミラーが入射した光をほぼ直角に反射するように配置 されている。ミラーの微小な傾きは、光ビームの伝搬方向の角度変化に変換され ている。望遠鏡すなわち２個のレンズの組が２個のミラー間に配置され、これら のミラーの像が他方のミラー上に結像され、一方の点から開始する２次元走査移 動が行われている。 このスキャナの欠点は、２個のミラーの機械的な回転に起因して走査速度が比 較的遅いことであり、システムの小型化に寄与しない望遠鏡が存在することであ る。 本発明の目的は、小型であると共に比較的速い走査速度を達成できる光学式走 査装置を提供することにある。 この目的を達成するため、本発明による光学式走査装置は、放射源を波長同調 性とし、前記手段が回折格子及び回転する反射素子を具えることを特徴とする。 一方の角度範囲にわたる走査移動は反射素子を回転することにより行われる。 他方の角度範囲にわたる走査移動はレーザの波長を変化させることにより行う。 実際に、回折格子における偏向は入射光の波長に依存する。このようにして、波 長スキャンが角度スキャンに変換される。 機械的な移動に基づく各走査移動において、走査速度は機械的な移動に起因し て制限される。この場合、２次元走査移動は１個の機械的な移動だけにより行わ れるので、２個の機械的な移動の場合よりも一層速い走査速度を実現することが できる。実際に、波長変調技術による走査速度の制限は機械的な移動による制限 よりも相当小さい。 本発明による光学式走査装置の好適実施例は、反射素子及び回折格子を互いに 一体化したことを特徴とする。 この実施例は、上述した従来技術において必要な２個の回転点、すなわち各反 射素子及び必要なレンズ毎のそれぞれについての２個の回転点の代わりに、本発 明によるこの実施例では１個の回転点だけが存在し、これらのレンズを省略する ことができる。これは、装置の形態を相当小型にすることができることを意味す る。 さらに、個別の素子の数も減少する。格子ラインと直交すると共に格子面内に 位置する軸の周りの素子の回転は、入射ビームに対する回折格子の作用にいかな る影響も与えることはない。回折格子は、入射ビームの波長が変化する際の走査 移動に対して作用するに過ぎない。従って、２個の走査移動は結合されることは ない。 本発明による光学式走査装置の好適実施例は、レーザをパルス発振ダイオード レーザとしたことを特徴とする。 パルス発振レーザビームを用いることにより、深さ情報を得ることができる。 レーザと物体との間の距離は、反射したレーザパルスエコーが検出される瞬時を 記録することにより任意の方向においても決定することができる。従って、１個 の走査角度、波長スキャン及び時間測定に基づいて２個の角度座標及び１個の位 置座標が走査される。この光学式走査装置の実施例は、例えば物体が走査される 用途及び走査型光学式顕微鏡に極めて好適である。 本発明による光学式走査装置において、波長スキャンの速度は機械的回転によ り影響を受けることはない。機械的な移動により一方の方向において約１ｋＨｚ の走査速度が得られ、波長スキャンにより他方の方向において約１００ｋＨｚの 走査速度を行うことができる。 上述した光学式走査装置を用いることにより、以下において詳細に説明する複 数の用途において多大な利点を達成することができる。 以下に説明する実施例に基づき本発明のこれらの及び他の概念を明らかにする 。 図面として、 図１は本発明による走査装置を用いて２次元走査移動をいかにして行うかを示 す。 図２は回転反射素子及び波長選択性素子が単一の素子として一体化されている 本発明による光学式顕微鏡の実施例を示す。 図３は本発明による走査装置が用いられている表示装置を光学的にアドレスす る光学装置の実施例を示す。 図４（ａ）は三角測量法の原理を示す。 図４（ｂ）はこの方法を実施するための本発明による光学式走査装置が設けら れている装置の実施例を示す。 図５は本発明による光学式走査装置が設けられているレーザプリンタの実施例 を示す。 図６（ａ）及び６（ｂ）はヘッドアップ表示装置を有する自動車及び本発明に よる光学式走査装置が設けられている画像を投影する光学装置の実施例を示す。 図７は本発明による走査装置により情報が書き込まれるヘッドマウント表示装 置の実施例を示す。 図８は本発明による走査装置を用いて画像を網膜上に投影するヘッドマウント 表示装置の実施例を示す。 図９本発明による走査装置により１次元又は多次元図形コードを走査する装置 の実施例を示す。 図１は、結合された素子２２により２次元走査移動を行うための本発明による 光学式スキャナ２０を示す。例えばレーザダイオードのような放射源２４から放 出された放射ビームは波長選択性フィードバック素子２６を透過して素子２２に 入射する。波長選択性フィードバック素子２６によりレーザスペクトラムから所 定の波長が選択されレーザ２４に戻されるので、レーザは、その後この波長の放 射を発生する。その条件は、フィードバックされた光が適当な瞬時に十分なパワ ーでレーザに結合されることである。波長選択性層２６は、例えばエタロン又は 回折格子と組み合わせた切り換え可能なＬＣＤマスクとすることができるので、 フィードバック波長は可変にすることができる。このフィードバックに関する詳 細な説明については本願人の米国特許第５３３３１４４号を参照されたい。 角度Δθ₁にわたるビームの第１の走査移動は素子２２を軸２５のまわりで角 度Δαにわたって回転させることにより行う。この場合、例えばΔθ₁＝２Δα とする。例えば第１の走査方向と直交する方向の第２の走査移動は波長変調によ り行う。実際には、回折格子により種々の波長光を種々の角度で偏向する。波長 が変化するビームを回折格子に入射させることにより、角度範囲がΔθ₂で示さ れる走査ビームが得られる。 図２は本発明による走査装置が設けられている光学式顕微鏡１を線図的に示す 。この走査装置はレーザビームを発生させる光学系５を具える。このため、光学 系５は例えばダイオードレーザのようなレーザ７を具え、その放射は集光レンズ ９及びビームスプリッタ１１を介して波長選択性のフィードバック層１３まで透 過する。このようにして発生したレーザビームはビーム成形光学系１５により補 正され光ファイバを介して光学式走査装置を具える小型の測定ヘッドまで透過す る。 光学系１５で発生したビームは走査移動を受ける。この走査移動は、本発明に おいては以下のようにして行う。ビームはレンズを介して反射素子１９に入射し 、この反射素子によりビームは折り曲げられ回折格子２１に入射する。軸を中心 にして回転できる反射素子２３は回折格子２１と一体化する。このようにして、 レーザビームの走査移動が行われる。実際には、反射素子を回転することにより 、ビームは紙面に対して走査を開始する。この素子２１，２３が回転するにもか かわらず、回折格子はこの走査移動に対して影響を及ぼすことはない。第２の方 向の走査移動は、フィードバック素子１３によりレーザの波長を変化させること により行う。実際に、回折格子２１により種々の波長光が種々の角度に偏向され る。このようにして、レーザビームは紙面内で走査を開始する。２個の走査移動 は、例えば互いに直交する方向とする。 ２方向に走査するレーザビームは、接眼レンズ２７、絞り２９及び対物レンズ ３１を経て走査すべき物体３３に入射する。 図面上、回折格子２１及び反射素子２３は単一の素子として一体化されている が、これらの素子は２個の個別の素子とすることができる。一体化された素子と しての利点は、個別の素子の数が少なくなることである。 深さ情報は、光ファイバにカップリッングすることにより空間フルタリングを 矢印３４の位置で行うコンフォーカル検出技術により得られる。 この走査装置の重要な利点は、波長走査速度が機械移動により制限を受けず、 数１００ｋＨｚの走査速度を得ることができることである。 本発明による光学式走査装置は、光学式の走査型の顕微鏡に加えて、後述する 種々の用途にも用いることができる。 第２の用途は、例えばＬＣＤのような光学的にアドレス可能な２次元表示装置 に関する。この表示パネルを用いることは、欧州特許出願第０５１７５１７号に 記載されている。高い光効率は、放射で書き込むことができる表示パネルを用い ることにより達成することができる。この理由は、電子スィッチのマトリックス 及び導電性の電極をパネル表面に形成する必要がないこと並びにこのパネルが放 射をほとんど吸収しないからである。 図３はこのような表示パネル３５を用いることができる画像投射装置３３を示 す。この画像投射装置には本発明による形態の照明ユニットを設ける。この照明 ユニット３７は、例えばダイオードレーザの放射源３８を具え、パネル３５を照 明する照明ビームｂを発生する。本例のパネルはユニット３７から放出された書 込ビームによりライン順次で走査する。例えばビデオ情報のような表示すべき情 報は、例えば受信機４５から供給され、レーザビームは本発明に基づいて強度変 調される。既知の装置において、レーザビームは高速回転するポリゴンミラーに 入射し、次に例えば振動ミラー又は第２のポリゴンミラーのような低速回転する 第２の走査素子に入射する。走査素子はビームをパネルに向けて反射する。ポリ ゴンミラーは、パネルの感光層上に形成される放射スポットがラインを形成する ように集束性ビームを反射する。第２の走査素子は、ライン方向と直交する第２ の方向にこの放射スポットを比較的低速で移動させる。パネルの感光層は２次元 的に走査され、画素の２次元マトリックスに情報が書き込まれる。ポリゴンミラ ーを用いて書込ビームにより表示パネルを走査することは日本国特許出願６２− ５６９３１号の英文の要約から既知である。パネルは、簡略するためランプ３９ により表示される照明光学系により他方の側から照明する。このランプから放出 した光はパネルにより反射し投影レンズ系（図示せず）を介して投影スクリーン （図示せず）上に結像する。 走査素子としてのポリゴンミラーの代わりに、本発明では、回折格子と回転反 射素子との組合せで構成される素子４３を設ける。波長スキャンを用いて水平方 向の走査を行う。ライン走査Δθ₁の期間中に所望のライン信号によりレーザを 変調し第２の走査角を用いて次のラインに情報を書き込むことにより、画素のラ スタに情報を書き込むことができる。波長スキャンと光学ラスタとを組み合わせ た単一の回転軸を用いだけで十分である。 第３の用途は、ＣＡＤ（Computer Aided Design）用の３次元物体の走査及び 記録（＝プロトタイプィング）又はプロトタイプィングの用途に関する。 プロトタイピングは、物体を走査してその形状及び寸法を決定するコンピュー タ画像処理のプロセスである。図４（ａ）及び４（ｂ）はこの用途に関する。図 ４（ａ）は既知の三角測量法を示す。例えば物体４７のような３次元構造体の表 面を光源４６から放出された走査レーザビームにより走査する。次に、レンズを 有するＣＣＤカメラのような２次元検出器４９により、レーザビームが物体に入 射する位置の検出器に対する方向を決定する。入射するレーザビームの所定の方 向（θ_SO，φ_SO）について、光源座標（Ｐ_S，θ_SO，φ_SO）及び検出器座標（Ｐ_D ，θ_DO，φ_DO）により物体の接片の位置Ｐ_oを再構成する。入射レーザビームが 角度θ_SO及びφ_SOにわたって２次元的に走査され接片Ｐ_Oの関連する角度（θ_PO ，φ_PO）が各設定条件（θ_SO，φ_SO）毎に決定されると、物体４７の表面を表わ す３次元座標の組が得られる。各測定について座標Ｐ_S，Ｐ_D，θ_SO及びφ_SOは既 知の大きさであり、θ_DO及びφ_DOは検出器４７の測定値から得られる。 従って、物体の形状は角度θ_SD及びφ_SOの両方の走査により得ることができる 。これは、上述した光学式走査装置により行なうことができる。図４（ｂ）は、 上述した方法を実行することができるセットアップの実施例を線図的に示す。走 査光ビームは本発明による走査装置から発生する。走査装置４８は図１に示す走 査装置と同様に構成する。 第１の方向の走査は軸のまわりの回転により行ない、第２の方向の走査は回折 格子による偏向と関連するレーザ光の波長変調により行なう。このようにして、 大きさが最大波長変調により決定される視野を走査することができる。 点Ｐ_Oの位置に関する特別な情報は、パルスレーザ光を用いることにより得る ことができる。この特別な情報は距離Ｐ_S−Ｐ_OとＰ_D−Ｐ_Oとの和に関するもので あり、この距離の和はｄと称する。物体により反射したパルスが光源４６から検 出器４９に到るまでに必要な時間Ｔは距離ｄに直接関係し、Ｔ＝ｄ／ｃで与えら れる。ここで、ｃは光速である。この特別な情報を上述した三角法から得られた 結果と共に用いて点Ｐ_Oの一層正確な位置を規定することができる。 ４番目の用途はレーザプリンタに関するものである。その実施例を図５に示す 。本発明によるレーザプリンタ５１において、レーザビームは単一の素子５３と して結合された回転反射面と回折格子とにより走査される。素子５３は本発明に よる光スキャナの一部を構成し、このスキャナは図５においてはその全体が図示 されていない。素子５３に入射するレーザビームはプリントすべき情報に基づい て強度変調されている。ミラーの１回転中に１本のラインが書き込まれる。本発 明においては、第２の走査角すなわち波長スキャンを利用するので、ミラーが１ 回転する際１本以上のラインを同時に書き込むことができる。このようにして、 プリント速度は相当速くなる。矢印５５は記録紙５７が移送される方向を示す。 走査ビームは走査レンズ５４を経て記録紙５７に入射する。 極めて有益に本発明を用いることができる５番目のシステムは、自動車の用途 のヘッドアップディスプレイに関するものである。ドライバに情報を伝達するた め、情報をボンネットの上方に投影する。図６（ａ）は、画像をドライバに投影 すべき状態を線図的に示す。その視認方向は通常の視認方向とほとんど相違せず 、しかもその距離は例えば約３ｍであるので、眼を焦点方向に向かせる必要はな い。 図６（ｂ）は投影画像を発生させる光学系の実施例を示す。投影すべき画像は 、図１に示す本発明による光学式走査装置として設けられ投影すべき情報が供給 されるユニット６２から発生する。レンズ６５及び２個のミラー６７，６９を介 して、画像があたかも自動車のボンネットの上方に存在するかのように２次元画 像をドライバ７１に対して投影する。 本発明による光学式走査装置の６番目の用途は頭に装着するヘッドアップマウ ント表示装置に関するものである。この用途においても、画像情報をディスプレ イ上に発生させるためのレーザビームを用いる。図７は第１の実施例を示す。本 発明による光学式走査装置に投影すべき情報を供給し、この走査装置により２次 元画像を発生させる。発生したビームは供給された画像情報に応じた強度で２次 元的に走査される。発生した２次元画像は、交差する２個のハーフビームスプリ ッタ７７，７９により２個の画像部分に分割され、各画像部分はそれぞれ各眼に 対応する。これら画像部分の各々は凹面鏡８１に入射し、この凹面鏡で反射し画 像として結像する。反射した画像は、各側の平面ミラー８３，８５を介して接眼 レンズの組８７，８９に投影され、この結果画像はコリメートされ、出射瞳９１ ，９３の各眼に投影される。図８はヘッドアップマウント表示装置の第２の実施 例を示し、この実施例では、独立した放射源ユニット９５及び眼鏡９７によりビ デオ画像を使用者の網膜に投影することができる。放射源ユニット９５は、これ から発生するビームが投影すべき画像にしたがって強度変調されるように構成す る。さらに、このビームはその波長が変化する。その後、このビームは、例えば 各眼用の光ファイバ９９により使用者の顔の側面に向けて案内される。平行なレ ーザビームは、光ファイバ内に存在するコリメータにより眼鏡のガラス上に投影 される。素子１０１は使用者が見ることができるように部分的に反射性であり、 回折格子を具えると共に軸１０３の周りで回転可能である。回折格子は、好まし くは入射ビームの直径よりも大きくする。レーザビームの一部は１次回折光又は ２次回折光として眼の中に向けて反射し、網膜上に点を形成する。矢印１０５は 投影画像が網膜に送出される方向を示す。波長スキャン及び回折格子の分散によ り、この網膜上の点は水平方向移動を描く。この素子を直交する方向に振動させ ることにより、２次元画像を網膜上に投影することができる。 図９は、１次元図形コード又は２次元図形コードを１次元的に又は２次元的に 読み取る装置１０７の実施例を示す。これらのコードの例は１次元バーコード１ ０９及び２次元バーコード１１１とする。この目的に必要な２次元走査ビームは 放射による走査装置１１３から供給する。走査装置１１３と図形コード１０９又 は１１１との間の光路中に部分的透過性のミラー１１５を設ける。このミラー１ １５により、走査装置１１３からのビームは読み取るべきコードの方向に部分的 に透過することができ、図形コードにより反射したビームはその一部が検出器１ １７の方向に透過することができる。時間の関数として反射したビームを検出す ることにより、読み取られた図形コードに関する情報が発生する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射ビームを発生する放射源と、前記放射ビームを、第１の方向にΔθ₁の 角度範囲にわたって走査移動させると共に第２の方向にΔθ₂の角度範囲にわ たって走査移動させる手段とを具える光学式走査装置において、前記放射源を 波長同調性とし、前記手段が回折格子及び回転する反射素子を具えることを特 徴とする光学式走査装置。 ２．請求項１に記載の光学式走査装置において、前記反射素子及び回折格子が互 いに一体化されていることを特徴とする光学式走査装置。 ３．請求項１又は２に記載の光学式走査装置において、前記レーザをパルス発振 ダイオードレーザとしたことを特徴とする光学式走査装置。 ４．請求項１、２又は３に記載の光学式走査装置を具える光学式走査型顕微鏡。 ５．投影すべき情報に基づいて強度変調された走査ビームを発生する光学式走査 装置と、アドレスされるべき表示装置と、アドレスされた表示装置を照明する 照明光学系とを具える２次元表示装置をアドレスする光学装置において、前記 光学式走査装置を、請求項１、２又は３に記載の光学式走査装置として構成し たことを特徴とする光学装置。 ６．２次元走査ビームを発生する光学式走査装置と、検出器とを具える物体を走 査し記録する光学装置において、前記光学式走査装置を、請求項１、２又は３ に記載の光学式走査装置として構成したことを特徴とする光学装置。 ７．請求項１、２又は３に記載の光学式走査装置を具えるレーザプリンタ。 ８．投影すべき画像を発生する光学装置を具えるヘッドアップ表示装置において 、前記光学装置が請求項１、２又は３に記載に記載の光学式走査装置を具える ことを特徴とするヘッドアップ表示装置。 ９．頭に装着する表示装置において、請求項１、２又は３に記載の光学式走査装 置を具え、この光学式走査装置から発生した２次元走査ビームが投影すべき画 像にしたがって強度変調されていることを特徴とする頭に装着する表示装置。 10．眼鏡形式の頭に装着する表示装置において、各眼鏡レンズに、軸を中心にし て回転可能であると共に回折格子を具える部分的に反射性の素子が設けられ、 投影すべき情報にしたがって強度変調されたビームが光ファイバを介して前記 素子に入射することを特徴とする眼鏡形式の頭に装着する表示装置。 11．２次元走査ビームを発生する光学式走査装置と、検出器とを具え、１次元又 は多次元図形コードを１次元又は２次元的に読み取る光学装置において、前記 光学式走査装置を請求項１、２又は３に記載の光学式走査装置として構成した ことを特徴とする光学装置。