JP2007512545A - 振動反射器を有する光学システム - Google Patents

Abstract

従来の光学システムにおいて振動反射器に発散ビームが入射されることにより生じていた、振動反射器後方での付加的なレンズ作用の必要性及び投影像の歪みなどの問題を解決し、例えば、一般のレーザ表示装置、そして小型のレーザ表示装置に使用可能な光学システムを提供する。
光学システムは振動反射器に入射する光を出力する光源を有する。光学システムは前記振動反射器の向きにかかわらず振動反射器に平行ビームで光を出力する少なくとも１つのレンズ素子を有する。

Description

本発明は振動反射器を有する光学システムに関し、特に、レーザ表示装置に応用可能な光学システムに関する。

光学ビームの走査には様々な応用がある。例えば、バーコードリーダは、しばしば、レーザあるいは発光ダイオードの出力光を用いてバーコードを走査する。これらの装置はまた、ミラーのような反射素子を有しており、反射素子は光源からの入射光を反射し、走査画像を投影する。さらに、ミラーは振動し、振動しているときのミラーの向きに応じて、光を異なる方向に反射する。周知の通り、これらの装置は、変調されたレーザビームを走査ミラー又は回転する多角形に入射して画像を生成するレーザ表示装置に用いることができる。また、これらの装置は、比較的小さい大きさで画像を投影する一般消費装置に用いてもよい。しばしば、可搬式の走査装置等の、光源からの光を反射する振動ミラーを小さなパッケージ内に備えた投影機を提供することが望まれている。これらの応用においては、望まれている比較的高い走査速度を提供するために、反射素子を比較的高い振動数で振動させることが有利である。

残念ながら、従来装置は比較的大きく、そして、ミラーのつり合いを非常に注意深くとらなければならないため、装置が非常に高価である。加えて、高速回転する装置は、その向きを変えることが非常に難しいため、可搬式の機器に結合させることが難しい。さらには、装置の雑音が本質的に大きく、家庭での利用には不向きである。

その上、従来の光学走査装置を用いると、走査角が狭くなり、レーザからの投影光を歪ませる原因となり得る。このために、従来装置が有するレーザは、その発散ビームが非常に小さな走査ミラー（例えば片持ち（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）反射器）に入射されるように位置決めされている。反射された発散ビームの焦点を合わせるために、正のレンズがミラーと投影面との間に配置されている。この構成の問題点は、正のレンズがビームの走査角を狭くするため、与えられた投影距離においてより小さな画像が生成される点である。さらには、走査ミラーの直径は比較的小さいために、ビームの直径もかなり小さくすべきである。そのような小さなビーム径は、発散ビームであることの証拠でもある回折効果を自ずと生じさせる。これは結局、投影面での画像歪みを助長することになる。さらに、ビームの直径がミラーの幅に近づくにつれて、回折効果は強められる。どちらの回折源も効率の低下、及びレーザからの投影像の歪みをもたらす。

本発明は、少なくとも上述の構造の問題点を解決した光学システムを提供することを目的とし、例えば、一般のレーザ表示装置、そして小型のレーザ表示装置に使用可能な光学システムを提供することを目的とする。

振動反射器に入射する光を出力する光源を有する。光学システムは前記振動反射器の向きにかかわらず該振動反射器に平行ビームで光を出力する少なくとも１つのレンズ素子を有する。

本発明の構成によれば、振動反射器に平行ビームが入射されることとなり、従来構造において振動反射器に発散ビームが入射されることにより生じていた問題が解決される。

以下の詳細な説明を対応する図面と併せて読むことにより、発明は最もよく理解される。ただし、様々な特徴部は必ずしも一定の倍率で描かれているわけではない。実際、議論を明瞭とするため、寸法は任意に拡大または縮小してもよい。

以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解のために詳細を開示する実施例について述べるが、これは説明を目的とするものであり、何ら限定を加えるものではない。また、当該技術分野の通常の知識を有する者でこの開示の恩恵を受けた者にとって、本発明がここで開示された詳細事項を逸れて異なる実施形態においても実施されうることは明らかである。さらに、周知の装置、方法、物質の記載は、本発明の記載を不明瞭としないために省略する。

実施例に従って、光学システムは片持ち走査器に狙いを定めた１つの光源を備えており、その光学システムは無限遠に焦点を結ぶ。第１の実施例である光学システム１００を図１に示す。光学システム１００は光源１０１を有し、この光源は例示的にはレーザダイオードなどの半導体レーザである。光源１０１から放射された光１０２は、光源１０１からある既知の角度広がりをもって放出され、第１のレンズ素子１０３に入射される。この第１のレンズ素子１０３は正レンズ素子であり、光１０４をある有限な像点に集光する。この第１のレンズ素子１０３は、例示的には、通常の技術知識の範囲内である公知の正倍率レンズ素子である。例えば、第１のレンズ素子１０３は幾何学レンズ、ホログラフィ光学素子又は傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとすることができる。

第１のレンズ素子１０３の後方で、第１のレンズ素子１０３の像点の前方には、第２のレンズ素子１０５が配置される。第２のレンズ素子１０５は負のレンズであり、その焦点位置が第１のレンズによる像点にあるように位置決めされ、そして、光を無限遠に焦点を結ばせる。光１０６は、このように、第２のレンズ素子１０５から平行ビームとして出射され、反射素子１０７の入射光となる。

反射素子１０７は、例示的には光グレードミラー（ｏｐｔｉｃａｌ ｇｒａｄｅ ｍｉｒｒｏｒ）であるが、光学における通常の技術知識の範囲内にある他のタイプの反射素子とすることもできる。反射素子１０７は軸１０８について、回転するように、そして所定の弧長にわたり振動している。例示的な回転を１０９に示した。反射素子は光学システム１００の走査能力をもたらすものであり、光１０２の走査光学画像を提供するために用いることができる。走査光学画像は、システム１００から反射光１１０として発せられる。例示的には、このような反射素子装置はビームを高い繰り返し率で走査する。

上述のように、走査装置は、バーコードリーダ、照明システム及びレーザプリンター等の多様な応用に用いられる。これらの応用は約１ｋＨｚから約１０ｋＨｚまでの領域で作動する走査器とともに用いてもよいが、ますます増大しつつあるより高速な応用への要求には、従来の走査器では不足となっている。例えば、レーザ表示装置、特にＶＧＡ規格を超える解像度で用いられる場合には、約１６ｋＨｚまたはそれ以上の振動数で動作可能な走査器が必要である。

光学システム１００は従来の光学走査装置と比較して確かな効果をもたらす。第１に、光１０６は平行にされているために、実質的に平行のまま反射される。対照的に、従来の光学システムでは振動ミラーから反射された光は本来発散するものである。残念ながら、この発散するビームは解像度の低下をもたらす結果となる。従って、光学システム１００の１つの明らかな効果は、ビームの解像度が改善されることである。

図１に示した実施例は１つの正のレンズと１つの負のレンズを有している。この配列は単に例示であり、振動反射器に入射され、それにより反射される平行ビームを生成するために、他の実施例に関連して記載されたもの（これらに限られないが）を有する他の光学システムを用いてもよい。例えば、２つの正のレンズを光源１０１と振動反射器１０７との間に配置することができる。この場合、第１の正のレンズ（光源１０１に最も近い正のレンズ）による像点と、第２の正のレンズ（反射器１０７に最も近い正のレンズ）の背面焦点は一致するようにする。これは、光のコリメーション、すなわち、反射器への入射光が平行ビームとして反射されるという望ましい結果となる。

第２の実施例である光学システム２００を図２に示す。光学システム２００は図１の光学システム１００と機能的には実質的に同じである。しかし、明らかなように、光学システム２００は、光源２０２と振動反射器２０３との間に唯一の光学素子２０１を有する。光学素子２０１は本質的に、光源２０２から発散する光２０４から、振動反射器２０３の入射光となる平行ビーム２０５が出力されるように、正のレンズと負のレンズとを一体化した１つのレンズ素子である。上述のように、反射器からの出力も平行となり、このことは画像面において明らかに利点となる。

本実施例によれば、光学システム２００のような光学システムは約０．４の開口率を有する。このようなシステムでは、光学システムの光源からの光（例えば、発散ビーム２０４）のうち開口角２３．５°以内にあるものが光学システムに捕らえられる。図３はレーザダイオード光源の出力光の例を示したものである。レーザダイオードの遠視野像が、相対強度を縦軸に、角度を横軸にとってグラフ化されている。容易に認識できるように、出力光の大部分が特定の開口角の範囲内にある。

第３の実施例を図４に示す。本実施例に係る光学システムは光源４０１を有し、光源４０１は発散ビーム４０２を出力する。このビームはパッケージ化された光源の窓４０５及びレンズ素子４０３の入射光となる。レンズ素子４０３の光出力４０４は平行ビームとなる。実施例において、光源からの光の波長は０．６６μｍであり、システムの総長は３．１２ｍｍである。走査システムの振動片持ち反射器（図示せず）に向けられた光出力４０４の直径は１００μｍである。この実施例も既に述べた実施例と同様の方式で機能する。

第４の実施例を図５に示す。本実施例に係る光学システム５００は２つのレンズ素子を含む。このシステムの総長は４．４３ｍｍである。レンズ表面の曲率がより小さいため、反射防止膜設計の難易度がより低下する。図５のシステムは図４のシステムと同様の特徴及び要素を多く有しているが、共通点は明瞭性のために省略する。

図６は第５の実施例である光学システム６００を示している。本実施例においては、図６に示すようにシュヴァルツシルト（Ｓｃｈｗａｒｚｓｈｉｌｄ）ミラーを用いることにより、光学システム６００の開口率が改善され得る。光学システム６００は、光源６０３の出力発散光６０４の焦点を結ばせるために、第１のミラー６０１と第２のミラー６０２を有する。光源６０３は例示的にはレーザダイオードである。光学システム６００の開口率は主として第１のミラー６０１の大きさで決定される。本実施例の光学システムは、第２のミラー６０２で遮られる光が比較的少なく、光出力６０４を比較的小さな直径まで絞ることが可能となるため有益である。振動反射器６０５への入射光のスポットサイズを小さくすることは、スポットサイズを反射器６０５の面積及び／又は大きさより実質的に小さくして、実際に反射される光の量を最適化できるので、回折効果を抑制することと同様に有益である。例えば、図３を再度検討すると、スポットサイズが大きいとガウシアンビームのテール部分がミラーの捕獲角度の外側にきて強度低下をもたらし得る。この強度低下は、反射器６０５での回折のための損失と合わせると、画像平面及び／又はスクリーンでの出力光強度を許容できない程度まで低下させ得る。

回折効果を例示するために、強度を半径ｒの関数として考えると：
Ｉ＝Ｉｏ ｅｘｐ（−２ｒ^２／Ｗｏ^２）
ここで、Ｗｏはビームの直径である。

周知の通り、ビームは回折効果、特に、例示した光学システムの振動反射器での反射における回折効果のために広がる。さらに、比較的小さな片持ち振動反射器が望まれているので、反射器に入射するビームのスポットサイズが反射器とほぼ同じ大きさとなる可能性がある。このことは、ガウシアンの光分布のテール部分が反射器の幅より外側となり、反射ビームの強度損失をもたらす結果となる。このように、反射器への入射光のスポットサイズを反射器の大きさと比較して小さくすること、及び、回折効果を抑制することは有益である。

例えば、波長（λ）が０．６μｍ、ビームの直径Ｗｏが１００μｍの光の場合、角度の広がりは約４ｍｒａｄである。このとき、画像平面及び／又はスクリーンが０．５ｍの距離にあるとすると、スポットサイズは回折のために２ｍｍまで大きくなる。ビームの直径を２００μｍまで大きくすると、スポットサイズは約１ｍｍまで大きくなるが、これは可搬式の光学走査器に十分受け入れられる値である。好ましくは、実施例はビーム広がりを回折から予測し得る値に制限する。

実施例に従って、内部の走査器が振動片持ち反射器に基づく、レーザ投影機で使用されるように適合された光学システムが開示された。光学システムは、高い振動数と大きな走査角を実現する走査器を有してよい。しかし、反射表面は非常に小さく、典型的に１００μｍ×１００μｍである。光学システムは光源からの出力光を無限遠に焦点を結ばせる、すなわち、平行ビームとする。このことは、ビームの焦点を結ばせるためには、これら上述以外の付加的な素子を必要としないことを意味する。例示した光学システムは、振動片持ち反射器上の断面が約１００μｍの平行ビームを生成することができ、また、片持ち反射器の後方ではレンズの作用を必要としない。結果として、実施例で示した光学システムは走査角を狭めない。実際には、直径１００μｍのミラーでは回折による大きな角度の広がりを有するビームとなる。故に、直径約２００μｍのミラーがより有効である。

模範的な実施形態に関する議論を通して実施例が詳細に記載されたが、当該技術分野の通常の知識を有する者でこの開示の恩恵を受けた者にとって、発明の変更が明白であることは明確である。そのような変更や変形は添付された請求項の範囲に含まれる。

本発明の一実施例に従った光学システムの透視図である。 本発明の他の実施例に従った光学システムの透視図である。 本発明の実施例に従ったレーザの相対強度と遠視野角との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施例に従った光学システムの透視図である。 本発明の他の実施例に従った光学システムの透視図である。 本発明の他の実施例に従った光学システムの透視図である。

Claims (14)

1. 光学システムであって：
   振動反射器に入射する光を出力する光源、及び
   前記振動反射器の向きにかかわらず該振動反射器に平行ビームで光を出力する少なくとも１つのレンズ素子、
   を有する光学システム。
2. 請求項１記載の光学システムであって、前記光源がレーザであることを特徴とする光学システム。
3. 請求項１記載の光学システムであって、１つの正のレンズと１つの負のレンズとを有することを特徴とする光学システム。
4. 請求項１記載の光学システムであって、前記振動反射器が片持ちミラーであることを特徴とする光学システム。
5. 請求項１記載の光学システムであって、前記振動反射器は１６ｋＨｚ以上の振動数で振動することを特徴とする光学システム。
6. 請求項１記載の光学システムであって、前記少なくとも一つのレンズ素子は１つの正のレンズと１つの負のレンズを有する１つの一体化されたレンズ素子であることを特徴とする光学システム。
7. 請求項１記載の光学システムであって、２つの正のレンズを有し、第１のレンズの像点が第２のレンズの焦点にあることを特徴とする光学システム。
8. 請求項１記載の光学システムであって、レーザ表示装置に組み込まれたことを特徴とする光学システム。
9. 光学システムであって：
   振動反射器に入射する光を出力する光源、
   第１のミラーと第２のミラー、
   を有し、
   前記第１のミラーと前記第２のミラーとが結合して前記振動反射器の向きにかかわらず該振動反射器に平行ビームで光を出力する、
   ことを特徴とする光学システム。
10. 請求項９記載の光学システムであって、前記光源がレーザであることを特徴とする光学システム。
11. 請求項９記載の光学システムであって、レーザ表示装置に含まれることを特徴とする光学システム。
12. 請求項１１記載の光学システムであって、前記振動反射器が片持ちミラーであることを特徴とする光学システム。
13. 請求項９記載の光学システムであって、前記振動反射器は１６ｋＨｚ以上の振動数で振動することを特徴とする光学システム。
14. 請求項９記載の光学システムであって、前記第１のミラーと前記第２のミラーがシュヴァルツシルトミラーであることを特徴とする光学システム。

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