JP2005018040A

JP2005018040A - 走査装置、レーザプロジェクタ、及び光学装置

Info

Publication number: JP2005018040A
Application number: JP2004151863A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yonekubo; 政敏米窪
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-01-20
Also published as: US7295722B2; TWI252931B; CN100405125C; TW200523576A; CN1573412A; US20050024482A1; KR100593119B1; KR20040103792A

Abstract

【課題】簡便に大きな走査範囲を得ることができる走査装置、レーザプロジェクタ、及び光学装置を提供すること。
【解決手段】レーザ光を走査する走査部であるガルバノミラー１０２と、ガルバノミラー１０２からのレーザ光が入射する走査光学系１００とを有し、走査学系１００は、ガルバノミラー１０２側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２とからなり、ガルバノミラー１０２は、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が入射する側の焦点位置近傍に設けられ、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とは、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が射出する側の焦点位置と、第２レンズ群Ｇ２のレーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離を第２レンズ群Ｇ２の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査装置、特にビーム状のレーザ光を走査させる走査装置、レーザプロジェクタ、及び光学装置に関する。

従来、レーザ光源からのレーザ光を２次元方向に走査させる光学系として、ガルバノミラー等が知られている。ガルバノミラーは、静電アクチュエータ等の駆動部により平面ミラーを略直交する２方向に回動させて、レーザ光を２次元方向に走査する。また、マイクロマシン技術を用いることで、高速駆動可能なガルバノミラーの製造が容易となっている（例えば特許文献１参照）。

特開平７−９８８８４

しかしながら、従来のガルバノミラーは、回動する角度変化量が小さい。このため、スクリーン等の所定面内において２次元方向にレーザ光を走査する場合、ガルバノミラーとスクリーンとの間の距離を大きくする必要がある。例えば、従来の走査光学系を備えるレーザプロジェクタでは、スクリーンを近距離に設置して、大きな投写画面を得ることは困難であり問題である。この問題に対してガルバノミラーを回動させる角度量を大きくすることが考えられる。回動の角度量を大きくする場合、駆動部として静電アクチュエータを用いると駆動電圧が非常に大きくなってしまうこと、又はミラー部が非常に小さくなってしまうことが発生するため好ましくない。また、回動の角度量を大きくする場合で、駆動部として電磁アクチュエータを用いると駆動電流値が大きくなってしまうので好ましくない。このように、従来の走査光学系では、簡便に大きな走査範囲を得ることは困難である。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、簡便に大きな走査範囲を得ることができる走査装置、レーザプロジェクタ、及び光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ビーム状のレーザ光を走査する走査部と、前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、前記走査学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置近傍に設けられ、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とする走査装置を提供できる。これにより、走査光学系の第１レンズ群に入射した平行光は、第２レンズ群から平行光として射出する。このように走査光学系はアフォーカル系を構成する。また、前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値は、走査光学系の角倍率に比例する。このように、本走査装置は、１よりも大きな角倍率を有する。このため、走査光学系は、走査部からのレーザ光を入射角よりも大きな射出角を有する光に変換して射出する。この結果、簡便に大きな走査範囲を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とはそれぞれ正の屈折力を有することが望ましい。これにより、走査光学系は、いわゆるニュートン型光学系とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群は正の屈折力を有し、前記第２レンズ群は負の屈折力を有することが望ましい。これにより、走査光学系は、いわゆるガリレオ型光学系とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記走査部は、前記レーザ光を１次元又は２次元に走査することができる。

また、本発明によれば、ビーム状のレーザ光を供給するレーザ光源と、前記レーザ光を２次元方向に走査させる走査部と、前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、前記走査光学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光源側の焦点位置近傍に設けられ、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とするレーザプロジェクタを提供できる。ここで、「走査部側から順に」とは、走査部の位置に関わらず、走査光学系にレーザ光が入射する順に、という意味である。これにより、走査光学系の第１レンズ群に入射した平行光は、第２レンズ群から平行光として射出する。このように走査光学系はアフォーカル系を構成する。また、前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値は、走査光学系の角倍率に比例する。このように、走査光学系は、１よりも大きな角倍率を有する。このため、走査光学系は、走査部からのレーザ光を入射角よりも大きな射出角を有する光に変換して射出する。この結果、走査光学系とスクリーンとの間の投写距離を短くした状態で、大きな投写画面を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とはそれぞれ正の屈折力を有することが望ましい。これにより、レーザプロジェクタの走査光学系をニュートン型光学系とすることができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群は正の屈折力を有し、前記第２レンズ群は負の屈折力を有することが望ましい。これにより、レーザプロジェクタの走査光学系をガリレオ型光学系とすることができる。

また、本発明によれば、ビーム状のレーザ光を供給するレーザ光源と、前記レーザ光を走査する走査部と、前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、前記走査学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光源側の焦点位置近傍に設けられ、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とする光学装置を提供できる。ここで、「走査部側から順に」とは、走査部の位置に関わらず、走査光学系にレーザ光が入射する順に、という意味である。また、本発明の好ましい態様によれば、前記走査部は、前記レーザ光を１次元又は２次元に走査することができる。これにより、例えば光学装置がプリンタの場合、感光ドラムと走査光学系との間の距離を短くすることができる。この結果、小型な光学装置を得ることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
[第１実施形態]

図１は、本発明の第１実施形態に係る走査装置の概略構成を示す図である。レーザ光源１０１からのビーム状のレーザ光は、走査部であるガルバノミラー１０２に入射する。ガルバノミラー１０２は、反射ミラーを略直交する２軸方向に回動させことにより、レーザ光源１０１からのレーザ光を２次元方向に走査させる。走査されたレーザ光は、走査光学系１００に入射する。走査光学系１００は、走査部１０２側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とからなる。第１レンズ群Ｇ１は焦点距離ｆ１を有する。第２レンズ群は焦点距離ｆ２を有する。

また、走査部であるガルバノミラー１０２は、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が入射する側の焦点位置近傍に設けられている。さらに、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とは、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が射出する側（像側、図１のスクリーン１０３側）の焦点位置と、第２レンズ群Ｇ２のレーザ光が入射する側（物体側、図１のガルバノミラー１０２側）の焦点位置とが略一致するように配置されている。走査光学系１００を射出したレーザ光は、スクリーン１０３に入射する。この配置により、走査光学系１００の第１レンズ群Ｇ１に入射した平行光は、第２レンズ群Ｇ２から平行光として射出する。このように走査光学系１００はアフォーカル系を構成する。

また、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１を第２レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ２で除した値の絶対値｜ｆ１／ｆ２｜は、走査光学系１００の角倍率γに比例する。
角倍率γは、走査光学系１００から射出するレーザ光と光軸ＡＸとのなす射出角θ２を、入射するレーザ光と光軸ＡＸとのなす入射角θ１とそれぞれしたとき、γ＝θ２／θ１で定義される。本実施形態では、角倍率γの絶対値が１よりも大きいことが望ましい。本実施形態では、角倍率の絶対値｜γ｜＝３としている。
これにより、走査光学系１００は、走査部であるガルバノミラー１０２からのレーザ光を入射角よりも大きな射出角を有する光に変換して射出する。この結果、スクリーン１０３上において、簡便に大きな走査範囲を得ることができる。

本実施形態では、図１から明らかなように、走査光学系はニュートン型光学系を構成している。図２（ａ）、（ｂ）を用いて、さらにビーム状のレーザ光の直径について説明する。図２（ａ）は、光軸ＡＸに沿った方向に直径ｄ１のレーザ光が入射する様子を示す。直径ｄ１の入射光は、走査光学系１００により直径ｄ２の射出光に変換される。直径ｄ１とｄ２との比は、焦点距離ｆ１とｆ２との比に等しい。このことから、走査光学系１００を射出したレーザ光の直径ｄ２を直径ｄ１より小さくすることができる。また、図２（ｂ）は、レーザ光が軸外から斜入射する場合の様子を示す。直径ｄ１のレーザ光が走査光学系１００に斜入射する場合も、図２（ａ）で示した場合と同様に、より小さい直径ｄ２のレーザ光として射出される。このように、本実施形態では、角倍率γの絶対値に反比例してビーム径は小さくなる。なお、本実施形態においては、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２ともに両凸形状の単レンズであるがこれに限られるものではない。各レンズ群を複数のレンズから構成しても良い。また、ガルバノミラー１０２は、レーザ光源１０１からのレーザ光を１次元方向に走査させても良い。
[第２実施形態]

図３は、本発明の第２実施形態に係る走査光学系３００の概略構成を示す図である。上記第１実施形態では第２レンズ群Ｇ２は正の屈折力を有している。これに対して、本実施形態では、第２レンズ群Ｇ２が負の屈折力を有している点が異なる。上記第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。走査光学系３００は、走査部１０２側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とからなる。第１レンズ群Ｇ１は焦点距離ｆ１を有する。第２レンズ群は焦点距離ｆ２（負の値）を有する。

また、走査部であるガルバノミラー１０２は、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が入射する側の焦点位置近傍に設けられている。さらに、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とは、第１レンズ群Ｇ１のレーザ光が射出する側（像側、図３のスクリーン１０３側）の焦点位置と、第２レンズ群Ｇ２のレーザ光が入射する側（物体側、図３のガルバノミラー１０２側）の焦点位置とが略一致するように配置されている。走査光学系３００を射出したレーザ光は、スクリーン１０３に入射する。この配置により、走査光学系３００の第１レンズ群Ｇ１に入射した平行光は、第２レンズ群Ｇ２から平行光として射出する。このように走査光学系３００はアフォーカル系を構成する。

また、射出角θ２と入射角θ１とで定義される角倍率の絶対値｜γ｜＝｜θ２／θ１｜が１よりも大きいことが望ましい。本実施形態では、角倍率の絶対値｜γ｜＝３としている。これにより、走査光学系３００は、走査部であるガルバノミラー１０２からのレーザ光を入射角θ１よりも大きな射出角θ２を有する光に変換して射出する。この結果、スクリーン１０３上において、簡便に大きな走査範囲を得ることができる。

本実施形態では、図３から明らかなように、走査光学系はガリレオ型光学系を構成している。ガリレオ型光学系の場合、上記第１実施形態で示したニュートン型光学系よりも、系の全長を短くできるという利点を有する。次に、図４（ａ）、（ｂ）を用いて、さらにレーザ光の直径について説明する。図４（ａ）は、光軸ＡＸに沿った方向に直径ｄ１のレーザ光が入射する様子を示す。直径ｄ１の入射光は、走査光学系３００により直径ｄ２の射出光に変換される。直径ｄ１とｄ２との比は、焦点距離ｆ１とｆ２との比に等しい。このことから、走査光学系３００を射出したレーザ光の直径ｄ２を直径ｄ１より小さくすることができる。また、図４（ｂ）は、レーザ光が軸外から斜入射する場合の様子を示す。直径ｄ１のレーザ光が走査光学系３００に斜入射する場合も、図４（ａ）で示した場合と同様に、直径ｄ１より小さい直径ｄ２のレーザ光として射出される。このように、本実施形態では、角倍率γの絶対値に反比例してビーム径は小さくなる。なお、本実施形態においては、第１レンズ群Ｇ１は両凸形状の単レンズ、第２レンズ群Ｇ２は両凹形状の単レンズであるがこれに限られるものではない。各レンズ群を複数のレンズから構成しても良い。また、上記第１実施形態と本実施形態において、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とは、アフォーカル系を構成するように配置されている。しかし、これに限られるものではなく、平行な入射光が、スクリーン１０３側へ若干収束光となるように両レンズ群Ｇ１、Ｇ２を配置しても良い。なお、上記第１実施形態及び第２実施形態を説明する図１から図４は、その構成、光路を容易に理解できるように図示されており、上述した焦点距離の比などを正確に図示するものではない。
[第３実施形態]

図５は、本発明の第３実施形態に係るレーザプロジェクタ５００の概略構成を示す。第１色レーザ光源５０１Ｒは、画像信号に応じて変調された赤色（以下、「Ｒ光」という。）レーザ光を供給する。第２色レーザ光源５０１Ｇは、画像信号に応じて変調された緑色（以下、「Ｇ光」という。）レーザ光を供給する。第３色レーザ光源５０１Ｂは、画像信号に応じて変調された青色（以下、「Ｂ光」という。）レーザ光を供給する。各色レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂは、それぞれコントローラ５０３により、駆動、制御される。各色レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂと、コントローラ５０３とはレーザユニット５２０内に格納されている。各色レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂとしては、半導体レーザや固体レーザを用いることができる。

ダイクロイックミラー５０２Ｒは、Ｒ光を透過し、Ｇ光を反射する。また、ダイクロイックミラー５０２Ｂは、Ｒ光とＧ光とを透過し、Ｂ光を反射する。各色レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂからのレーザ光は、ダイクロイックミラー５０２Ｒ、５０２Ｂで合成されてシャッタ５０４を通過する。シャッタ５０４を通過したレーザ光は、開口部５０５から射出する。

開口部５０５を射出した各色レーザ光は、走査部であるガルバノミラー５０８に入射する。また、ガルバノミラー駆動部５０９は、ガルバノミラー５０８を略直交する２軸方向に回動させる。これにより、所定面内において各色レーザ光を走査させることができる。ガルバノミラー５０８で反射した各色レーザ光は、上記第１実施形態で示した走査光学系１００を透過してスクリーン５１０に入射する。スクリーン５１０は、一方の面がフレネルレンズ形状に表面加工されている。このため、スクリーン５１０に対して斜め方向から入射した各色レーザ光は、スクリーン５１０により所定方向へ屈折されて透過、射出する。不図示の観察者は、スクリーン５１０を透過した各色レーザ光を観察する。

本実施形態では、レーザユニット５２０からの各色レーザ光は、ガルバノミラー５０８により様々な角度に偏向されて反射される。そして、走査光学系１００とガルバノミラー５０８とは、上記各実施形態に示す配置と同様の位置に設けられている。従って、ガルバノミラー５０８で偏向されたレーザ光は、走査光学系１００により、入射角よりも大きな射出角度でスクリーン５１０側へ射出される。この結果、走査光学系１００とスクリーン５１０との間の投写距離を短くした状態で、大きな投写画面を得ることができる。走査光学系１００は、第２実施形態で示したガリレオ型光学系の走査光学系３００を用いても良い。
[第４実施形態]

図６は、本発明の第４実施形態に係るプリンタ６００の概略構成を示す図である。レーザ光源６２０は、ビーム状のレーザ光を供給する。走査部であるガルバノミラー６１０は、レーザ光を１次元方向又は２次元方向に走査させる。ガルバノミラー駆動部６０９は、不図示の制御部からの信号に基づいて、ガルバノミラー６１０の反射ミラー面を回動させる。ガルバノミラー６１０で反射、走査されたレーザ光は、感光ドラム６０３上に入射する。感光ドラム６０３の表面は、予め帯電ロール６０４の負電荷により均一な負の静電気を帯びている。そして、光が照射された感光ドラム６０３上の部分（画像に相当する部分）だけ負の電荷が弱まる。これにより、感光ドラム６０３上に静電潜像（プリントイメージ）が形成される。次に、負に帯電されたトナーは、感光ドラム６０３上の負の電荷が弱い部分に引きつけられて、感光ドラム６０３上にトナー像を形成する。感光ドラム６０３に密着した用紙Ｐの裏側から転写ロール６０５により正の電荷が与えられる。これにより、トナーは用紙Ｐに転写される。そして、用紙Ｐから正の電荷が奪われると用紙Ｐが感光ドラム６０３から剥離する。用紙Ｐの転写されたトナーは、定着部であるヒートロール６０６の熱で溶ける。同時に、プレッシャーロール６０７で圧力を受けて用紙Ｐに定着される。感光ドラム６０３表面に残った残留トナーは、クリーニングブレード６０８により掃き落とされる。そして、感光ドラム６０３は帯電ロール６０４により、電気的に均一に負に帯電される。この一連の手順を繰り返して用紙Ｐに印字することができる。これにより、走査光学系１００から感光ドラム６０３までの距離を短くすることができる。この結果、小型なプリンタを得られる。なお、上記各実施形態においては、レーザ光源を半導体レーザや固体レーザを用いているが、これに限られず、発光ダイオード等も用いることができる。

第１実施形態に係る走査光学系の概略構成を示す図。第１実施形態の走査光学系の光路を示す図。第２実施形態に係る走査光学系の概略構成を示す図。第２実施形態の走査光学系の光路を示す図。第３実施形態に係るレーザプロジェクタの概略構成を示す図。第４実施形態に係るプリンタの概略構成を示す図。

符号の説明

１００走査光学系、１０１レーザ光源、１０２ガルバノミラー、１０２ガルバノミラー、１０３スクリーン、１２０レーザユニット、３００走査光学系、５００レーザプロジェクタ、５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂ各色レーザ光源、５０２Ｒダイクロイックミラー、５０２Ｂダイクロイックミラー、５０３コントローラ、５０４シャッタ、５０５開口部、５０８ガルバノミラー、５０９ガルバノミラー駆動部、５１０スクリーン、５２０レーザユニット、６００プリンタ、６０３感光ドラム、６０４帯電ロール、６０５転写ロール、６０６ヒートロール、６０７プレッシャーロール、６０８クリーニングブレード、６０９、ガルバノミラー駆動部、６１０ガルバノミラー、６２０レーザ光源、ＡＸ光軸、ｄ１、ｄ２直径、ｆ１、ｆ２焦点距離、Ｇ１第１レンズ群、Ｇ２第２レンズ群、Ｐ用紙、θ１入射角、θ２射出角

Claims

ビーム状のレーザ光を走査する走査部と、
前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、
前記走査学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、
前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置近傍に設けられ、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、
前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とする走査装置。
前記第２レンズ群は正の屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
前記第２レンズ群は負の屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載の走査装置。
ビーム状のレーザ光を供給するレーザ光源と、
前記レーザ光を２次元方向に走査させる走査部と、
前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、
前記走査光学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、
前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光源側の焦点位置近傍に設けられ、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、
前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とするレーザプロジェクタ。
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とはそれぞれ正の屈折力を有することを特徴とする請求項４に記載のレーザプロジェクタ。
前記第１レンズ群は正の屈折力を有し、前記第２レンズ群は負の屈折力を有することを特徴とする請求項４に記載のレーザプロジェクタ。
ビーム状のレーザ光を供給するレーザ光源と、
前記レーザ光を走査する走査部と、
前記走査部からの前記レーザ光が入射する走査光学系とを有し、
前記走査学系は、前記走査部側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、第２レンズ群とからなり、
前記走査部は、前記第１レンズ群の前記レーザ光源側の焦点位置近傍に設けられ、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群とは、前記第１レンズ群の前記レーザ光が射出する側の焦点位置と、前記第２レンズ群の前記レーザ光が入射する側の焦点位置とが略一致するように配置され、
前記第１レンズ群の焦点距離を前記第２レンズ群の焦点距離で除した値の絶対値が１よりも大きいことを特徴とする光学装置。
前記光学装置はプリンタであることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。