JP2005241938A

JP2005241938A - 光ビーム走査装置

Info

Publication number: JP2005241938A
Application number: JP2004051283A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Ishii; 雄三石井; Mitsuo Usui; 光男碓氷; Norihiko Maeda; 典彦前田; Etsu Hashimoto; 悦橋本; Takeshi Hayashi; 剛林; Yoshito Jin; 好人神; Junichi Kato; 順一加藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】小型で制御を容易にする。
【解決手段】光源ユニット１０１の面型半導体レーザ１０２から発した波長６３３ｎｍの赤色ビームを平行な光ビーム１０４に変換するコリメートレンズ１０３を設け、光ビーム１０４の伝搬軸上に円板状の透明ディスク１０５を直角に置き、透明ディスク１０５を回転させる回転駆動ユニット１０６を設け、回転駆動ユニット１０６と光源ユニット１０１との同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）を設け、透明ディスク１０５の表面に複数の微小プリズム１０７を同心円状に配置して形成し、複数の微小プリズム１０７それぞれの頂角を相違させる。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザプロジェクタを始めとする投影型ディスプレイ分野等にて使用される光ビーム走査装置に関するものである。

光ビームを二次元走査する光ビーム走査装置としては、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを用いた偏向装置がよく知られている。この偏向装置においては、光源から発したレーザ光ビームをレンズ等の光学系を用いて平行光ビームに変換したのち、ガルバノミラーに照射する。ガルバノミラーは一つの軸に対して回転往復運動を行ない、光ビームを一つの軸方向（Ｘ方向とする）に走査する。続いて、Ｘ方向に偏向された光ビームは、Ｘ軸と平行に回転軸をもつポリゴンミラーに照射され、Ｙ方向にも走査される。ガルバノミラーおよびポリゴンミラーの回転を正確に同期制御することで、スクリーン上に光ビームの二次元走査が実現される。この方式は走査方式が単純であるために、レーザーショーやレーザプリンタ、レーザスキャナなどにおいて広く実用化されている。

また、図７に示すように、従来ウェッジプリズムを２枚用いて光ビームを二次元に偏向する光ビーム走査装置（特許文献１）がある。この光ビーム走査装置は、光ファイバ７０５から発したレーザビームを平行な光ビームに変換するマイクロレンズ７０６が設けられ、ウェッジプリズム７０１、７０２とがそれぞれホルダー（図示せず）に保持され、マイクロモータ７０３、７０４によってウェッジプリズム７０１、７０２が独立して回転する構造となっている。これらのウェッジプリズム７０１、７０２を互いに別々の速度で回転させると、光ビーム７０７は図８に示すように、ウェッジプリズム７０１を回転させたときに生ずる円８０１上をウェッジプリズム７０２の回転により生ずる円８０２の中心が通るような軌跡を描き、円８０３の内部をくまなく走査することが可能である。

特開２００３−１２１７６４号公報

しかしながら、ガルバノミラーとポリゴンミラーとを用いた従来の光ビーム走査装置は、２つのミラーを駆動するために２つの駆動ユニットが必要であり、重量と消費電力が大きくなってしまっていた。また一般に、これら２つのミラーはいずれもサイズが大きいために慣性が大きく、ミラー面方向を瞬時に停止したり駆動させたりすることができない。したがって、光ビームの偏向角は連続的に変化されるよう制御されることが通常であり、一筆書き方式とも呼ばれるベクトル走査方式のみしか行なうことができない場合が多く、ベクトル走査方式では走査速度が画像データに依存するために、複雑で高解像度の画像データを表示する場合には表示速度が遅くなる。また、二次元画像の高速な走査方式として一般的に用いられるラスター走査を行なうためには、非常に高速にミラーを駆動しなければならず、ガルバノミラーの回転往復運動は正弦波状に、またポリゴンミラーの運動は等速回転運動に限定されて実現されることとなる。しかしながら、前述のように２つのミラーのサイズは大きいから、運動を高速化させることは容易ではない。さらに、２つのミラーの動作は高度に同期制御させる必要があり、制御が複雑化、高コスト化してしまっていた。すなわち、この従来の光ビーム走査装置で二次元画像を投影させるには、２つのミラーを高速かつ正確に駆動、同期制御させなければならない一方で、ミラーのサイズが大きいから駆動速度を高めることが難しいというジレンマを抱えていた。

また、図７に示したウェッジプリズムを用いた従来の光ビーム走査装置は、２枚のウェッジプリズム７０１、７０２を回転させるために２つの駆動ユニットが必要であり、重量や消費電力が大きくなってしまっていた。また、２枚のウェッジプリズム７０１、７０２を正確に同期させて回転駆動する必要があるために、高度な同期制御ユニットが必要であり、装置は大型化、高コスト化してしまっていた。さらに、本方式による光ビームの走査軌道は内トロコイド（スピログラフ）であるために、ラスター走査を前提とした一般的な画像データとの整合性が悪く、実用上不都合な場合が多かった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、小型で、制御が容易である光ビーム走査装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に直角に置かれた円板状の透明ディスクと、上記透明ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記回転駆動ユニットと上記光源ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記透明ディスクを回転させることで上記光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記透明ディスクの表面に複数の微小プリズムを同心円状に配置して形成し、複数の上記微小プリズムそれぞれの頂角を相違させる。

この場合、上記透明ディスクの表面の上記微小プリズムが形成されていない部分、上記微小プリズムの側壁部のいずれか一方に上記光ビームの波長に対して不透明な材料からなる遮光膜を設けてもよい。

これらの場合、上記透明ディスクの上記微小プリズムが形成された面側に、両面が平滑な透明カバーディスクをスペーサを介して積層してもよい。

本発明に係る光ビーム走査装置においては、ただ１つのディスクの回転運動だけで二次元走査を実現することができるから、回転駆動ユニットが１つだけですみ、装置を小型化できる。また、回転駆動ユニットが１つだけなので、同期に必要な高度な制御が不要となり、装置の小型化と低消費電力化を図ることができる。また、装置が小型化されるために、より高速な走査が可能となり、解像度を高めることができる。また、微小プリズムの頂角はすべて独立に設定できるために、ラスター走査のみならず、同心円走査、螺旋状走査などの様々な走査を高速かつ容易に実現できる。

また、透明ディスクの表面の微小プリズムが形成されていない部分、微小プリズムの側壁部のいずれか一方に光ビームの波長に対して不透明な材料からなる遮光膜を設けたときには、透明ディスクでの迷光を抑えることができるから、画質を良好にすることができる。

また、透明ディスクの上記微小プリズムが形成された面側に、両面が平滑な透明カバーディスクをスペーサを介して積層したときには、微小プリズムの汚れや破損を防止することができるから、信頼性を向上させることができる。

図１は本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。図に示すように、光源ユニット１０１は面型半導体レーザ１０２とコリメートレンズ１０３とから構成されており、コリメートレンズ１０３は面型半導体レーザ１０２から発した波長６３３ｎｍの赤色ビームを平行な光ビーム１０４に変換する。また、光ビーム１０４の伝搬軸上に円板状の透明ディスク１０５が直角に置かれている。すなわち、透明ディスク１０５はその回転軸が光ビーム１０４と平行になるように配置されている。また、透明ディスク１０５を回転させる回転駆動ユニット（モータ駆動ユニット）１０６が設けられ、回転駆動ユニット１０６と光源ユニット１０１との同期制御を行なう同期制御ユニット（図示せず）が設けられ、透明ディスク１０５の表面に複数の微小プリズム１０７が同心円状に配置して形成され、複数の微小プリズム１０７それぞれの頂角が相違している。

この光ビーム走査装置においては、面型半導体レーザ１０２から発した赤色ビームがコリメートレンズ１０３により平行な光１０４に変換され、光ビーム１０４が透明ディスク１０５の微小プリズム１０７ａに入射され、光ビーム１０４は微小プリズム１０７ａにより偏向され、偏向された光ビーム１０８がスクリーン１０９上の所望の画素１１０ａに向けて投影される。この状態から、透明ディスク１０５が図中の矢印方向に微小角だけ回転すると、隣りの微小プリズム１０７ｂが光ビーム１０４の光軸上に移動し、光ビーム１０４が微小プリズム１０７ｂにより偏向され、スクリーン１０９上の別の画素１１０ｂに投影される。このとき、面型半導体レーザ１０２の光強度情報は次の画素データに対応している。したがって、微小プリズム１０７を同心円状に配列しておくと、面型半導体レーザ１０２の光強度の変調と同期をとりながら透明ディスク１０５を連続して回転させることによって、透過する微小プリズム１０７の頂角に応じて光ビームを任意の方向に偏向させることが可能になるから、微小プリズム１０７の頂角を適切に設定しておくことによって、スクリーン１０９上をくまなく走査させることができる。

つぎに、微小プリズム形状の設計方法を図２により説明する。まず、座標軸を光源ユニット１０１から発した光ビーム１０４の光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交した平面をＸＹ平面とする。光ビーム１０４が屈折される微小プリズム１０７の斜面上の位置を原点Ｏとし、スクリーン１０９の位置をＺ＝Ｚｓ（図示せず）とする。図２はＸＺ平面（Ｙ＝０）を示しており、図２(ａ)は９０°未満の頂角θ_ｐｘを有する微小プリズム１０７が光ビーム１０４の光軸上に位置した時の断面図であり、図２(ｂ)は９０°を越えた頂角θ_ｐｘを有する別の微小プリズム１０７が光ビーム１０４の光軸上に位置した時の断面図である。微小プリズム１０７の光入射面の大きさΔＬは、入射光ビームの直径Ｄより大きくなければならない。もし、光入射面の大きさΔＬが光ビーム１０４の直径Ｄより小さいと、光ビーム１０４が微小プリズム１０７の面でけられてしまい、隣接する微小プリズム１０７へ入射する漏れ光となってしまうからである。そのような漏れ光は所望の画素へ到達しないため、スクリーン１０９上でにじみやフレアなどを引き起こし、画質を劣化させてしまうことになる。ただし、高い解像度を実現するためには透明ディスク１０５上に数多くの微小プリズム１０７を形成する必要があり、微小プリズム１０７のサイズは小さい方が透明ディスク１０５のサイズの小型化の観点から望ましい。光ビーム１０４の断面強度分布がスポットサイズωのガウシアン分布であり、微小プリズム１０７の入射面が大きさ（直径）ΔＬの円形であると仮定すると、対象の微小プリズム１０７に入射されうる光量Ｐは、次式(１)で表される。

ここで、Ｐ_０は光ビーム１０４の全光量を示し、大きさΔＬがスポットサイズωの少なくとも３倍ないしは４倍あれば、ほぼ１００％の光量を受光でき、けられ光量を無視することができる。大きさΔＬをスポットサイズωの４倍以上としても、けられ光量低減の効果はほとんどなく、これ以上の大きさΔＬの拡大はあまり意味がない。したがって、微小プリズム１０７の大きさΔＬはけられ光量低減と画素数増大とのトレードオフの関係に鑑みて、ω＜ΔＬ＜４ωの範囲に設定することが望ましい。これにより、実用的な設計を行なうことができる。

また、微小プリズム１０７の傾斜面は次のように設計する。微小プリズム１０７にて偏向された光ビーム１０８がスクリーン１０９上の一点（Ｘ１，Ｙ１，Ｚｓ）に到達すると考えると、微小プリズム１０７の頂角のＸ方向成分θ_ｐｘは、次式(２)にて表される。

ここで、θ_ｉｘは微小プリズム１０７の傾斜面の法線方向に対する光ビーム１０４の入射角度のＸ方向成分であり、ｎは微小プリズム１０７の屈折率である。なお、ここでは微小プリズム１０７透過後の媒質は空気（屈折率＝１）とした。同様にして、微小プリズム１０７の頂角のＹ方向成分θ_ｐｙは次式(３)にて表される。

したがって、微小プリズム１０７の傾斜面は次式(４)の平面にて表される。

ここで、θ_ｉｙは微小プリズム１０７の傾斜面の法線方向に対する光ビーム１０４の入射角度のＹ方向成分である。

以上の式(２)〜(４)により、微小プリズム１０７の傾斜面が決定されるため、スクリーン１０９の面において求められる解像度と投影画角などの条件に応じて、おのおのの微小プリズム１０７の形状パラメータをすべて設計することができる。たとえば、Ｚｓ＝６００ｍｍで、投影面積１２００×１２００ｍｍ、すなわち画角４５°（半値）とすると、頂角θ_ｐｘと投影位置との関係は図３に示すようになる。ここで、θ_ｐｘ＞９０°とは図２(ｂ)に示すように微小プリズム１０７の図２紙面下部に頂角θ_ｐｘをもつことを意味しており、光ビーム１０８がスクリーン１０９のＸ＞０の領域に偏向されることを意味している。また、図３からわかるように、スクリーン１０９の両端に近い点へ投影させるためには、頂角θ_ｐｘをより正確に作製しなければならない。したがって、スクリーン１０９の幅を４００ｍｍ程度に限定し、頂角θ_ｐｘと投影位置との関係が線形で表される領域を用いると、頂角θ_ｐｘの設計と作製が容易になり、実用上特に便利である。

ただし、プリズムによる偏向では、全反射条件を考慮しなければならない。すなわち、以下の式（５）を満たす場合にのみ、上記のビーム偏向は実現される。

したがって、たとえばｎ＝１．５とすると、θ_ｉｘ＜４１．８°すなわち４８．２°＜θ_ｐｘ＜１３８．２°である。これは先に示した図３において曲線が漸近する値として示されている。

なお、図３はＸ方向に関するものであるが、これはＹ方向に関してもまったく同様に成り立つ。また、微小プリズム１０７の頂角はその配置位置と全く独立して設定できるので、ラスター走査のみならず、他の様々な走査に対応することが可能である。たとえば、ラスター走査であれば、微小プリズム１０７群の頂角（θ_ｐｘ，θ_ｐｙ）は、Ｙ方向成分θ_ｐｙを同一に保ったまま、Ｘ方向成分θ_ｐｘを連続的に変化させるよう、（θ_ｐｘ１，θ_ｐｙ１），（θ_ｐｘ２，θ_ｐｙ１），（θ_ｐｘ３，θ_ｐｙ１），……，（θ_ｐｘＮ，θ_ｐｙ１）と順に配列する。頂角θ_ｐｘが最大値θ_ｐｘＮにまで達したら、その次の微小プリズム１０７の頂角は（θ_ｐｘ１，θ_ｐｙ２）となり、θ_ｐｙがインクリメントされる。このようにして、微小プリズム１０７群を円周方向に配置すれば、透明ディスク１０５を一周回転するだけで、二次元スクリーン上をラスター走査することができる。同様にして、微小プリズム１０７群の頂角（θ_ｐｘ、θ_ｐｙ）を、Ｘ方向成分θ_ｐｘ、Ｙ方向成分θ_ｐｙがともにわずかずつインクリメントされるように配置すれば、同心円状もしくは螺旋状の走査を行なうことも可能である。あるいは、中心部ほど画素ピッチを細かく、周縁部ほど画素ピッチを粗くさせて走査させることも可能である。そのような画素配置は、人間は視野の中心部ほど分解能が高いという視特性と整合するため、走査点数をそれほど多くせずに、高い解像度の画像を投影できるという特徴を発現させることができる。

なお、図１の構成では、ただ１つの面型半導体レーザ１０２の出射光を直接コリメートレンズ１０３に入射して光ビーム走査機構へ投射しているが、構成はこれに限定されるものではない。たとえば図４に示すように、画像信号入力部２０９に入力した画像信号を信号処理部２０７で処理し、信号処理部２０７からの信号に基づいてＬＤ駆動ユニット２０４を制御し、赤色半導体レーザ２０１、緑色半導体レーザ２０２、青色半導体レーザ２０３をＬＤ駆動ユニット２０４により同期制御し、赤色半導体レーザ２０１、緑色半導体レーザ２０２、青色半導体レーザ２０３の出射光を光導波路型の合波素子２０５により色合成し、一つの光ファイバ２０６に結合させてもよい。三色の半導体レーザ２０１〜２０３を用いながらも、半導体レーザ２０１〜２０３の出射光を１つの光ファイバ２０６にまとめることで、コリメートレンズ１０３、透明ディスク１０５を有する光ビーム走査部２１１を変えることなく、フルカラー画像の投影が可能になる。また、合波素子２０５とコリメートレンズ１０３とを光ファイバ２０６でつなぐことによって、光源部２１０と光ビーム走査部２１１とを分離して配置させることが可能となるため、放熱設計の容易化やデザインの多様化といった利点が生まれる。なお、信号処理部２０７からの信号に基づいて、半導体レーザ２０１〜２０３、合波素子２０５、光ファイバ２０６、コリメートレンズ１０３からなる光源ユニットと回転駆動ユニット１０６との同期制御を行なう同期制御ユニット２０８が制御され、回転駆動ユニット１０６は同期制御ユニット２０８により同期制御される。

また、図５に示すように、透明ディスク１０５の表面の微小プリズム１０７が形成されていない部分に光ビーム１０４の波長に対して不透明な材料たとえば金属からなる遮光膜５０１を設けることで、不要な透過光を低減させることができる。これはスクリーン１０９上におけるフレアやにじみなどの画像劣化要因を抑えることにつながるために、画像のＳ／Ｎ比を高め、画質を良好にすることができるという効果をもつ。さらに、微小プリズム１０７の側壁部に光ビーム１０４の波長に対して不透明な材料からなる遮光膜を設けたときにも、透明ディスク１０５での迷光を抑えることができるから、一層の画質改善を図ることができる。すなわち、透明ディスク１０５の表面の微小プリズム１０７が形成されていない部分、微小プリズム１０７の側壁部のいずれか一方に光ビーム１０４の波長に対して不透明な材料からなる遮光膜を設ければ、透明ディスク１０５での迷光を抑えることができるから、画質を良好にすることができる。

図６は本発明に係る他の光ビーム走査装置の透明ディスク部を示す断面図である。図に示すように、透明ディスク１０５の出射側面すなわち微小プリズム１０７が形成された面には支持体（スペーサ）６０２を介して透明カバーディスク６０１が積層されている。そして、透明カバーディスク６０１、支持体６０２は透明ディスク１０５と同程度の外形とされており、外部から微小プリズム１０７に触れることはできない。

このような透明ディスク部を有する光ビーム走査装置においては、透明ディスク１０５の表面には微小な凹凸が存在していたとしても、透明カバーディスク６０１により透明ディスク１０５の表面には微小な凹凸を保護することができ、また微小プリズム１０７の汚れや破損を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

なお、透明カバーディスク６０１の両面は平滑な平行面であるために、透明カバーディスク６０１を光ビーム１０４が透過する際にその偏向角が変わることはない。ただし、透明カバーディスク６０１の厚みｄに応じて光軸がシフトするため、その影響は設計時に考慮する必要がある。

なお、上述実施の形態においては、光源として面型半導体レーザ１０２を用いたが、光源としては端面出射型半導体レーザ、ガスレーザ、固体レーザなど、平行光に整形できる光ビームを発生するものが全て含まれることはいうまでもない。また、上述実施の形態においては、二次元走査について説明したが、一次元走査についても本発明を適用することができる。また、微小プリズム１０７を有する透明ディスク１０５は、ＮＣ加工機を用いて精密に作製することが可能である。さらに、凹凸を逆転させたディスクをＮＣ加工機によって作製し、それを金型として用いて透明ディスクを成型することで、低コストに量産することが可能である。また、微小プリズム１０７の材料として屈折率の低い材料を用いることで、偏向角を大きくできるため、広画角の投影を行なう際に有利となる。さらには、空気界面での反射が低減されるために、不要な多重反射光を抑えることができ、光ビームを効率的に利用することができる。また、透明ディスクは少なくとも微小プリズムが設けられた部分が透明であればよい。

本発明に係る光ビーム走査装置を示す概略斜視図である。図１に示した光ビーム走査装置の微小プリズムの頂角の説明図である。微小プリズムの頂角と投影位置との関係を示すグラフである。本発明に係る他の光ビーム走査装置の一部を示す概略図である。本発明に係る他の光ビーム走査装置の透明ディスク部を示す図である。本発明に係る他の光ビーム走査装置の透明ディスク部を示す図である。従来の光ビーム走査装置を示す斜視図である。図７に示した光ビーム走査装置の動作説明図である。

符号の説明

１０１…光源ユニット
１０２…面型半導体レーザ
１０３…コリメートレンズ
１０４…光ビーム
１０５…透明ディスク
１０６…回転駆動ユニット
１０７…微小プリズム
２０１…赤色半導体レーザ
２０２…緑色半導体レーザ
２０３…青色半導体レーザ
２０５…合波素子
２０６…光ファイバ
２０８…同期制御ユニット
５０１…遮光膜
６０１…透明カバーディスク
６０２…支持体

Claims

光ビームを発生する光源ユニットと、上記光ビームの伝搬軸上に直角に置かれた円板状の透明ディスクと、上記透明ディスクを回転させる回転駆動ユニットと、上記回転駆動ユニットと上記光源ユニットとの同期制御を行なう同期制御ユニットとを備え、上記回転駆動ユニットにより上記透明ディスクを回転させることで上記光ビームを偏向し、ビーム走査を行なう光ビーム走査装置であって、上記透明ディスクの表面に複数の微小プリズムを同心円状に配置して形成し、複数の上記微小プリズムそれぞれの頂角を相違させたことを特徴とする光ビーム走査装置。
上記透明ディスクの表面の上記微小プリズムが形成されていない部分、上記微小プリズムの側壁部のいずれか一方に上記光ビームの波長に対して不透明な材料からなる遮光膜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ビーム走査装置。
上記透明ディスクの上記微小プリズムが形成された面側に、両面が平滑な透明カバーディスクをスペーサを介して積層したことを特徴とする請求項１または２に記載の光ビーム走査装置。