JP2005181927A - 光偏向装置およびそれを用いた画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 低駆動電力の大きな偏向角を得ることができる光偏向装置を提供する。
【解決手段】 コーナーキューブを有する。
【選択図】 図1
【解決手段】 コーナーキューブを有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、レーザービーム等の光を反射させて光偏向を行う光偏向装置に関するものである。
複写機やレーザービームプリンター、バーコードリーダー等の光学機器、あるいはレーザー光を走査して映像を投影する画像表示装置などでは光偏向器が用いられている。
一般に、機械的に光偏向を行う光偏向器としては、回転多面鏡からなるポリゴンミラーや揺動型反射鏡からなるガルバノミラーなどが知られている。特にガルバノミラータイプにおいては、マイクロメカニクス技術によってシリコン基板を用いたマイクロミラーが開発されており、小型化、軽量化、低コスト化が期待できる。
このようなガルバノミラーの駆動方式としては、静電引力を用いた静電駆動方式やコイルに電流を流して磁場を発生させる電磁駆動方式、圧電素子によって振動を与える圧電駆動方式などがある。いずれの方式でも光偏向角を大きくするためには大きな駆動電力を必要とする。また、そのガルバノミラーの機械的限界からミラー自体の偏向角が制限されるため、その限界以上の大きな光偏向角は得られない。さらに、機械的限界に近い偏向角で駆動を続けることは耐久性に問題がある。
そのため、例えば特許文献1には低駆動電力で大きな光偏向角を得る例が開示されている。図14はその代表的な構成例を示す図である。この例では、振動部15、17上に設けられた2つの反射ミラー19、20の間で光ビームを多重反射させることで光偏向角を拡大するものである。
特開2001−66529号公報
しかし、上記の光偏向器では光ビームを多重反射させているため反射ミラーの面積を大きくする必要がある。必然的に揺動させる振動部の面積も大きくなるので駆動電力が増大するという課題がある。
そこで、本発明では低駆動電力で大きな光偏向角が得られ、高周波数走査が可能で耐久性に優れた光偏向装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、反射面を備えた可動部を揺動軸を中心に揺動させることで前期可動部に入射する光ビームを偏向させる光偏向装置であって、集光作用を有する集光素子と互いに直交する複数の反射面を有するミラー群とを備え、揺動している可動部を反射した光ビームが再び可動部に戻るように前記集光素子および前記ミラー群が配置されていることを特徴としている。
より具体的には、前記集光素子および前記ミラー群によって共役関係にある2点が空間上で概略一致している、すなわち、ある一点からの光が前記集光素子を通り前記ミラー群で反射され再び前記集光素子を通ってもう一度最初の点に戻る、ように前記集光素子および前記ミラー群が配置されており、かつ、前記可動部の中心が前記共役関係にある点と概略一致するように前記可動部が配置されていることを特徴としている。
また、前記可動部の中心が前記集光素子の前側焦点位置にあり、前記ミラー群の各反射面が交わる点または線が前記集光素子の後側焦点位置にあることを特徴としている。具体的には、前記ミラー群が互いに直交する3つの反射面を有していたりする。また、前記ミラー群がコーナーキューブプリズムの直交する3つの反射面から構成されていたりする。また、前記ミラー群が直交する2つの反射面を有しており、前記2つの反射面が交わる線が前記可動部の揺動軸の方向と平行になるように前記ミラー群が配置されており、前記可動部の揺動軸の方向と垂直になるように可動部に入射する光ビームの入射方向が定められていたりする。また、前記集光素子が集光レンズ、あるいは凹面鏡からなることを特徴としている。
また、前記集光素子と前記ミラー群とが一体成形されていることを特徴としている。
さらに、ひとつの可動部に対して前記集光素子と前記ミラー群とで構成される光学系が複数配置されていることを特徴としている。
さらに、ひとつの可動部に対して前記集光素子と前記ミラー群とで構成される光学系が複数配置されていることを特徴としている。
さらに、反射面を備えた可動部を2つの揺動軸を中心に揺動させることが可能なジンバル構造を有することを特徴としている。
さらに、前記集光素子が色収差補正構造を有していることを特徴としている。
本発明はまた、上記記載の光偏向装置を用いることを特徴とする画像表示装置を含む。
以上が本発明の構成要素であり、その詳細は以下に記載する。
以上のように、本発明によると、低駆動電力で大きな光偏向角が得られ、高周波数走査が可能で耐久性に優れた光偏向装置を提供することができる。
本発明による光偏向装置は、反射面を備えた可動部を揺動軸を中心に揺動させることで前期可動部に入射する光ビームを偏向させる光偏向装置であって、集光作用を有する集光素子と互いに直交する複数の反射面を有するミラー群とを備え、揺動している可動部を反射した光ビームが再び可動部に戻るように前記集光素子および前記ミラー群が配置されている。
図1、2を用いてその動作を説明する。図1は斜視図、図2は側面図である。図中101は光ビーム、103は反射面を備えた可動部を揺動軸を中心に揺動させることが可能なガルバノミラー、105は集光作用を有する集光素子として用いているガルバノミラー103からの反射光を集光させる集光レンズ、107は互いに直交する複数の反射面を有するミラー群として用いている互いに直交する3つの反射面109a、109b、109cからなるコーナーキューブミラーである。
コーナーキューブミラー107の3つの反射面が交わる交点が集光レンズ105の後側焦点(像側焦点)に位置するように配置しておく。この場合、集光レンズ105の前側焦点(物体側焦点)からの光は集光レンズ105を通過し、3つの反射面109a、109b、109cで反射し、再び集光レンズ105を通過して集光レンズ105の前側焦点に戻ることになる。すなわち、集光レンズ105の前側焦点は集光レンズ105、コーナーキューブミラー107通過後の同一点と共役な関係にある。この位置にガルバノミラー103の中心を配置する。
このような配置にすることで、ガルバノミラー103を揺動させた場合においてもその反射光は再びガルバノミラー103に戻る。その結果、ガルバノミラー103の機械的偏向角度をφとすると、第1段目の反射で光偏向角は2φ、第2段目の反射で光偏向角は4φとなる。
図1、2では模式的に光ビームを幅を持たない直線で示したが、実際はある幅を持っている。その場合の光ビームの進行の様子を図3に示す。ある幅を持った並行光で入射した光ビーム101はガルバノミラー103で反射され、集光レンズ105で集束光に変換される。その後3つの反射面109a、109b、109cで反射されるが、その途中で焦点を結び発散光となり、集光レンズ105によって平行光に変換されてガルバノミラー103に到達する。この関係はガルバノミラー103を揺動させた場合も成立する。
第1段目の反射も、第2段目の反射もガルバノミラー103の同じ面を用いているのでミラーの面積を大きくする必要はない。
本発明によれば、1回反射による偏向の場合と同じ駆動電力で光偏向角を2倍にできる。言い換えれば、所定の光偏向角を得るための駆動電力は1回反射による偏向の場合に比べ小さくできる。また、ガルバノミラー103の機械的偏向角は半分でよいので耐久性が向上する。
一般に、高周波数走査と大偏向角を両立することは駆動電力の問題とガルバノミラーの機械的強度の問題で制約が大きいが、本発明によれば、ガルバノミラーの機械的偏向角は小さくできるので高周波数走査にも有利である。
本発明において、集光作用を有する集光素子としては凹面鏡であってもよい。この場合、例えば、複数の波長の光を合波した光ビームを用いていることを想定すると、レンズでは色収差を考慮する必要があるが、凹面鏡を用いた場合は収差が発生しないので設計上有利である。もちろん、集光レンズを用いる場合でも、その色収差を考慮して複数のレンズ群で構成したり、回折型光学素子を含んだレンズ群を用いることで色収差補正を行ったりしてもよい。
また、互いに直交する複数の反射面を有するミラー群としては、2つの直交する反射面からなる直角ミラーを用いてもよい。
また、集光作用を有する集光素子と互いに直交する複数の反射面を有するミラー群を一体成形してもよい。
さらに、前記集光素子と前記ミラー群とで構成される光学系を複数配置しておいてもよい。この場合、ひとつのガルバノミラーを3回以上反射させることができるのでさらなる光偏向角の拡大が可能となる。
また、ガルバノミラーの駆動方式としては、静電駆動方式、電磁駆動方式、圧電駆動方式などいずれの方式を用いてもよい。
さらに、ジンバル構造のガルバノミラーを用いてもよい。この場合でもガルバノミラーの同じ反射面を2回以上反射させることが可能であり本発明の効果は十分発揮される。
本発明の光偏向装置はいろいろな光学機器に用いることが可能である。例えば、光ビームを2次元上に走査して画像を形成する画像表示装置に応用した場合、形成される画像の解像度は光偏向角に比例するので高解像度の画像形成が可能な画像表示装置を実現することができる。
以上が本発明の実施形態であり、その詳細は以下の実施例で説明する。
以下、本発明の第1の実施例について図面を用いて説明する。
図1、2は、本発明の第1の実施例における光偏向装置の模式的な構成図であり、図1は斜視図、図2は側面図である。
図中101は光ビーム、103は反射面を備えた可動部を揺動軸を中心に揺動させることが可能なガルバノミラー、105は集光作用を有する集光素子として用いているガルバノミラー103からの反射光を集光させる集光レンズ、107は互いに直交する複数の反射面を有するミラー群として用いている互いに直交する3つの反射面109a、109b、109cからなるコーナーキューブミラーである。
ガルバノミラー103はシリコン基板をマイクロメカニクス技術によって加工することで形成されたものであり、その大きさは軸方向に1.0mm、その垂直方向に1.5mm、厚さ0.25mmと小型形状となっている。反射面にはAlとSiO2からなる高反射膜が形成されている。また、図示していないが、ミラーの近傍には駆動のための磁場を与えるコイルが設けられており、マイクロミラーの裏面には磁石が装着されている。コイルに正弦波形状の電流を注入することでガルバノミラー103は揺動駆動される。
集光レンズ105は焦点距離30mmの単レンズを用いている。コーナーキューブミラー107は表面にAlとSiO2からなる高反射膜を形成した3枚のミラーを互いに直角になるように組み合わせたもので中空となっている。
コーナーキューブミラー107は、その3つの反射面が交わる交点が集光レンズ105の後側焦点(像側焦点)に位置するように配置されており、ガルバノミラー103は、その中心が集光レンズ105の前側焦点(物体側焦点)に位置するように配置されている。
このような配置にすることで、ガルバノミラー103を揺動させた場合においてもその反射光は再びガルバノミラー103に戻る。その結果、ガルバノミラー103の機械的偏向角度を±φとすると、第1段目の反射で光偏向角は±2φ、第2段目の反射で光偏向角は±4φとなる。
コーナーキューブミラーを用いた場合、角度ずれに強いという利点がある。3つの反射面が交わる交点が集光レンズ105の後側焦点に位置するという条件を満たしていれば、集光レンズ105の主軸に対して角度ずれがあったり主軸を中心に回転していたりしてもよい。
図1、2では模式的に光ビーム101を幅を持たない直線で示したが、実際はある幅を持っている。その場合の光ビーム101の進行の様子を図3に示す。ある幅を持った並行光で入射した光ビーム101はガルバノミラー103で反射され、集光レンズ105で集束光に変換される。その後3つの反射面109a、109b、109cで反射されるが、その途中で焦点を結び発散光となり、集光レンズ105によって平行光に変換されてガルバノミラー103に到達する。この関係はガルバノミラー103を揺動させた場合も成立する。本実施例では、約0.8mmのビーム幅を持った平行光を入射している。
第1段目の反射も、第2段目の反射もガルバノミラー103の同じ面を用いているのでミラーの面積を大きくする必要はない。
入射した光ビームと2段反射後の走査光ビームの位置関係を示すために、入射した光ビームに垂直な仮想的な面で切り出した各光ビームの位置を図4に示す。111が入射した光ビームに対応する位置であり、113が走査光ビームに対応する位置である。本実施例では、揺動軸の方向と垂直になるようにガルバノミラー103に入射する光ビーム101の入射方向を定めているため、入射した光ビームに対応する位置111と走査光ビームに対応する位置113が一直線上に並んでいる。
以上のように構成された本実施例の光偏向装置を、駆動周波数15kHz、機械的偏向角±2.5°で駆動したところ、±10°の光偏向角が得られた。そのときの駆動電力は0.5Wであった。比較のため、1回反射による光偏向装置の場合(図1の集光レンズ105とコーナーキューブミラー107を除去した状態)で同様の光偏向角を得るためには1W必要であった。よって低駆動電力化を確認できた。
また、本実施例では入射する光ビームと走査光ビームがガルバノミラーに対して同じ側に位置している。そのため、本装置を筐体に実装する場合、筐体の隅にコーナーキューブミラーを配置させることが可能であり、筐体の体積を有効利用することができる。
加えて、本実施例において、コーナーキューブミラー(中空)のかわりにガラスで構成されたコーナーキューブプリズムを用いてもよい。その場合、直交する3面への入射角が全反射条件となるように光学系を構成しておくか、もしくは、直交する3面にAl膜などの反射膜を形成しておいてもよい。コーナーキューブプリズムを用いる場合はガラスでの屈折によって集光レンズの後側焦点の位置が変わることに配慮して配置を決めておけばよい。
以下、本発明の第2の実施例について図面を用いて説明する。
図5、6は、本発明の第2の実施例における光偏向装置の模式的な構成図であり、図5は斜視図、図6は側面図である。第1の実施例との違いは、コーナーキューブミラー107の代わりに直交する2つの反射面209a、209bからなる直角ミラー207を配置したことである。その他の構成は第1の実施例とほとんど同様であり詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付加する。
本実施例においては、2つの反射面209a、209bが交わる線が集光レンズ105の後側焦点(像側焦点)に位置するように、かつ、ガルバノミラー103の揺動軸の方向と平行になるように直角ミラー207が配置されており、揺動軸の方向と垂直になるようにガルバノミラー103に入射する光ビーム101の入射方向を定めておく。
光ビーム101の進行の様子を図7に示す。第1の実施例と同様、ある幅を持った並行光で入射した光ビーム101はガルバノミラー103で反射され、集光レンズ105で集束光に変換される。その後2つの反射面209a、209bで反射されるが、その途中で焦点を結び発散光となり、集光レンズ105によって平行光に変換されてガルバノミラー103に到達する。
本実施例では、コーナーキューブミラーに比べて直角ミラーのほうが製造が簡単であるため低コスト化の上で有利である。
以下、本発明の第3の実施例について図面を用いて説明する。
図8は、本発明の第3の実施例における光偏向装置の模式的な構成図(斜視図)である。第1の実施例との違いは、集光レンズ105、コーナーキューブミラー107の代わりに一体成形したレンズ体301を配置していることである。ここではこのレンズ体をコーナーキューブレンズと呼ぶ。その他の構成は第1の実施例とほとんど同様であり詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付加する。
コーナーキューブレンズ301は3角錐形状のコーナーキューブプリズムの直交する3つの面以外の1面に所定の曲率を有する曲面303を形成したものである。
本実施例においては、第1の実施例と比べ、構成部材が少なくなっているため小型化することができる。
以下、本発明の第4の実施例について図面を用いて説明する。
図9、10は、本発明の第4の実施例における光偏向装置の模式的な構成図であり、図9は側面図、図10は上面図である。第1の実施例との違いは、ガルバノミラー103に入射する光ビームの角度を変えたことである。その他の構成は第1の実施例とほとんど同様であり詳細の説明は省略する。同一構成部材には同一番号を付加する。
本実施例では、ガルバノミラー103に入射する光ビーム401を、図10の上面図において、ガルバノミラー103の揺動軸の垂直方向に対して角度αだけ傾けて入射している。
この場合でもガルバノミラー103で反射された光ビームは集光レンズ105およびコーナーキューブミラー107を通過して再びガルバノミラー103に戻って2段目の反射を受けることになる。このことは、入射する光ビームの角度が所定角度からずれてガルバノミラー103に入射した場合でも光偏向装置として機能することを意味する。
本実施例において、ガルバノミラー103の機械的偏向角度を±φとすると、第2段目の反射後の光偏向角は±4φ・cosαとなる。
入射した光ビームと2段反射後の走査光ビームの位置関係を示すために、入射した光ビームに垂直な仮想的な面で切り出した各光ビームの位置を図11に示す。403が入射した光ビームに対応する位置であり、405が走査光ビームに対応する位置である。
走査光ビームに対応する位置405は入射した光ビームに対応する位置403と異なった領域に存在しており、入射光ビームと走査光ビームが干渉することはない。したがって、第1の実施例と比べ、光偏向角を大きくできる、光源などの光学系を構成する要素(光源など)を配置する上での制約が小さい、といった利点がある。
以上のように構成された本実施例の光偏向装置を、α=15°、駆動周波数15kHz、機械的偏向角±2.5°で駆動したところ、±9.65°の光偏向角が得られた。そのときの駆動電力は0.5Wであった。
以下、本発明の第5の実施例について図面を用いて説明する。
図12は、本発明の第5の実施例における光偏向装置の模式的な構成図(上面図)である。
本実施例においては、ひとつのガルバノミラー103に対して、集光レンズ(505、511)とコーナーキューブミラー(507、513)とで構成される光学系を複数配置している。ガルバノミラー103と集光レンズ(505、511)、コーナーキューブミラー(507、513)の配置は第1の実施例で述べたものと同様であり、コーナーキューブミラー(507、513)の3つの反射面が交わる交点が集光レンズ(505、511)の後側焦点に位置するように配置し、集光レンズ(505、511)の前側焦点位置にガルバノミラー103の中心が位置するように配置しておく。
ガルバノミラー103に入射した光ビーム501は、1段目の反射を受け、集光レンズ505を通過し、コーナーキューブミラー507の3つの反射面509a、509b、509cで反射され、集光レンズ505を通過し、再びガルバノミラー103に戻る。その後、ガルバノミラー103で1段目の反射を受け、集光レンズ511を通過し、コーナーキューブミラー513の3つの反射面515a、515b、515cで反射され、集光レンズ513を通過し、再びガルバノミラー103に戻る。その後、3段目の反射を受けて、走査光ビームが形成される。
その結果、ガルバノミラー103の機械的偏向角度をφとすると、第3段目の反射で光偏向角は、入射光ビームの入射角度や光学系の配置も依存するが、6φ〜8φとすることができる。
以上のように構成された本実施例の光偏向装置を、駆動周波数15kHz、機械的偏向角±2.5°で駆動したところ、±17.5°の光偏向角が得られた。そのときの駆動電力は0.5Wであった。よって、第1の実施例と比べ、同じ駆動電力で光偏向角を拡大することが可能となった。
本発明の光偏向装置はいろいろな光学機器に用いることが可能あり、画像表示装置に応用した例を以下に示す。
図13は、本発明の第6の実施例における画像表示装置の模式的な構成図である。
図中、601はレーザー光源、603はレーザー光源から発せられた光ビーム、605は光変調器である。607は第1の実施例で述べたような光偏向装置であり、609はガルバノミラー、611は集光レンズ、613はコーナーキューブミラーである。615は第2の光偏向装置であり、617はスクリーンである。光偏向装置607は画像形成において水平走査を行っており、第2の光偏向装置615は垂直走査を行っている。第2の光偏向装置615は画像のフレームレート(例えば60Hz)で駆動できればよく、図中ではガルバノミラー型の光偏向装置を表しているが、ポリゴンミラー型のものであってもよい。また、光偏向装置607と同様の構成としてもよい。
光ビーム603は光変調器605によって画像信号に対応して強度変調される。その後、光偏向装置607、615によって水平、垂直走査されスクリーン617上に投影される。本実施例中で用いている光偏向装置607は大きな光偏向角での駆動が可能である。形成される画像の解像度は光偏向角に比例するので、本実施例の画像表示装置においては、
高解像度の画像形成が可能となる。
高解像度の画像形成が可能となる。
101、401、501、603 光ビーム
103、609 ガルバノミラー
105、505、511、611 集光レンズ
107、507、513、613 コーナーキューブミラー
109a、109b、109c、209a、209b、305a、305b、305c、509a、509b、509c、515a、515b、515c 反射面
111、403 入射光ビームに対応する位置
113、405 走査光ビームに対応する位置
207 直角ミラー
301 コーナーキューブレンズ
303 曲面
601 レーザー光源
605 光変調器
607、615 光偏向装置
617 スクリーン
103、609 ガルバノミラー
105、505、511、611 集光レンズ
107、507、513、613 コーナーキューブミラー
109a、109b、109c、209a、209b、305a、305b、305c、509a、509b、509c、515a、515b、515c 反射面
111、403 入射光ビームに対応する位置
113、405 走査光ビームに対応する位置
207 直角ミラー
301 コーナーキューブレンズ
303 曲面
601 レーザー光源
605 光変調器
607、615 光偏向装置
617 スクリーン
Claims (13)
- 反射面を備えた可動部を揺動軸を中心に揺動させることで前期可動部に入射する光ビームを偏向させる光偏向装置であって、集光作用を有する集光素子と互いに直交する複数の反射面を有するミラー群とを備え、揺動している可動部を反射した光ビームが再び可動部に戻るように前記集光素子および前記ミラー群が配置されていることを特徴とする光偏向装置。
- 前記集光素子および前記ミラー群によって共役関係にある2点が空間上で概略一致している、すなわち、ある一点からの光が前記集光素子を通り前記ミラー群で反射され再び前記集光素子を通ってもう一度最初の点に戻る、ように前記集光素子および前記ミラー群が配置されており、かつ、前記可動部の中心が前記共役関係にある点と概略一致するように前記可動部が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光偏向装置。
- 前記可動部の中心が前記集光素子の前側焦点位置にあり、前記ミラー群の各反射面が交わる点または線が前記集光素子の後側焦点位置にあることを特徴とする請求項2に記載の光偏向装置。
- 前記ミラー群が互いに直交する3つの反射面を有していることを特徴とする請求項3に記載の光偏向装置。
- 前記ミラー群がコーナーキューブプリズムの直交する3つの反射面からなることを特徴とする請求項4に記載の光偏向装置。
- 前記ミラー群が直交する2つの反射面を有しており、前記2つの反射面が交わる線が前記可動部の揺動軸の方向と平行になるように前記ミラー群が配置されており、前記可動部の揺動軸の方向と垂直になるように可動部に入射する光ビームの入射方向が定められていることを特徴とする請求項3に記載の光偏向装置。
- 前記集光素子が集光レンズからなることを特徴とする請求項2から6の何れかに記載の光偏向装置。
- 前記集光素子が凹面鏡からなることを特徴とする請求項2から6の何れかに記載の光偏向装置。
- 前記集光素子と前記ミラー群とが一体成形されていることを特徴とする請求項2から7の何れかに記載の光偏向装置。
- ひとつの可動部に対して前記集光素子と前記ミラー群とで構成される光学系が複数配置されていることを特徴とする請求項1から9の何れかに記載の光偏向装置。
- 反射面を備えた可動部を2つの揺動軸を中心に揺動させることが可能なジンバル構造を有することを特徴とする請求項1から10の何れかに記載の光偏向装置。
- 前記光ビームは複数の波長の光を合波して形成されており、前記集光素子は色収差補正構造を有していることを特徴とする請求項1から11の何れかに記載の光偏向装置。
- 請求項1から12の何れかに記載の光偏向装置を用いることを特徴とする画像表示装置。
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---|---|---|---|
JP2003426309A JP2005181927A (ja) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | 光偏向装置およびそれを用いた画像表示装置 |
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JP2003426309A JP2005181927A (ja) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | 光偏向装置およびそれを用いた画像表示装置 |
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