JP2010531473A - レーザ走査投影装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのレーザ光源２と、前記レーザ源２から放射されるレーザビームで投影領域を走査するよう構成される走査ユニット７とを有する投影装置に関する。前記レーザビームは、少なくとも前記走査ユニット７を出るときに発散レーザビームであるよう適応され、前記発散レーザビームを集束させる又はコリメートするための再集束光学素子９、１３が、ビーム方向における前記走査ユニット７の後ろに配設される。提案投影装置では、投影ビームを見たときの目の損傷のリスクが減らされる。

Description

本発明は、少なくとも１つのレーザ光源と、前記レーザ光源から放射されるレーザビームで投影領域を走査するよう構成される走査ユニットとを有する投影装置に関する。このようなレーザ走査投影装置は、主に、画像投影のために用いられるが、例えば、表面の輪郭又は表面のパターンを光学的に検出するようにも設計され得る。

０次元ライトバルブ、即ち、１画素ずつの変調器を、レーザビームの２次元走査と一緒に利用する、レーザプロジェクタとも呼ばれるレーザ走査投影装置は、しばしば、フライングスポットシステムと呼ばれる。これらのシステムにおいては、一般に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の光を放射する３つのレーザ源が組み合わされて単一ビームにされ、前記単一ビームは、次いで、投影スクリーンの領域にわたって走査される。三原色（ＲＧＢ）のレーザのレーザビームは、通常、それらが、組み合わされて単一ビームにされ、１つ又は幾つかの走査ミラーを含む走査ユニットに向けられる前に、まず、コリメートされ、収束させられる。ビームの収束により、投影スクリーン上に小さな点が形成され、所望の画像解像度を可能にする。

アプリケーションのために必要とされるスクリーン上の光の量に応じて、高い出力レベルのレーザビームが利用される必要がある。例えば、スクリーン上の２５ルーメン（ＲＧＢ）につき、約１００ｍＷのレーザ出力（ＲＧＢ）が必要とされる。このような高レベルのレーザ出力は、投影システムの走査円錐に入り、偶然、ビームをじかに見る人の目に有害であり得る。投影画像の明るさは、スクリーンにわたって平均した全レーザ出力にしか依存しないが、目にとっての危険度は、レーザ出力及び露光期間などのシステム及びレーザのパラメータに複雑に依存する。

米国特許出願公開第US 2005/0035943 A1号は、投影装置と投影スクリーンとの間に侵入している物体の有無を検出するための検出手段を含むレーザ走査投影装置を開示している。検出手段によってこのような侵入が検出される場合、レーザビームの出力は、有害ではない出力レベルまで下げられる。

本発明の目的は、投影装置であり、人が、前記投影装置の走査円錐に入り、偶然、ビームをじかに見たときに、目を傷めるリスクを低下させる投影装置であって、如何なる検出システムも必要としない投影装置を提供することにある。

前記目的は、請求項１に記載の投影装置によって達成される。この投影装置の有利な実施例は、従属請求項の主題である、又は明細書の後続部に開示されている。

提案投影装置は、少なくとも１つのレーザ光源と、前記レーザ光源から放射されるレーザビームで投影領域を走査するよう構成される走査ユニットとを有する。この提案装置の前記レーザビームは、少なくとも前記走査ユニットを出るときに発散レーザビームであるよう適応され、前記発散ビームを、前記投影装置の外の投影スクリーンにおいて所望のビーム直径に集束させる又はコリメートする再集束光学素子が、ビーム方向における前記走査ユニットの後ろに配設される。

発散走査ビームと、前記走査ユニットの後ろの前記再集束光学素子とのこの組み合わせによって、前記走査ユニットにおけるレーザスポットは、前記走査ユニットの方向に前記ビームをじかに見る人間の目には拡大されたように見える。これは、以下で説明するように目の損傷のリスクを減らす。

人がレーザプロジェクタの走査ビームを見た場合、２つの状況が起こり得る。目が無限遠に適応する場合には、網膜上に極小のスポットが形成され、それは前記網膜を横切って走査され、線を形成する。それ故、前記ビームの出力は、走査する動きによって、前記線にわたって分散され、このことは、損傷のリスクを低下させる。ユーザにとって最も危険な状況においては、目は、走査素子の位置に適応される。この場合、目に入るビームは、網膜上の静止スポット上に結像される。前記スポットの大きさは、前記走査素子におけるビームスポットの大きさに依存する。このスポットは前記網膜において動かないことから、目は損傷を受け得る。

本発明は、供給源のより大きなサイズ、この場合には、前記走査素子における前記レーザビームの直径のサイズは、網膜において前記供給源のより大きな像をもたらすという事実に基づく。これは、加えられるレーザ出力を前記網膜のより大きな領域にわたって分散させ、斯くして、前記網膜における出力密度を低下させることによって危険度を下げる。露光時間と組み合わせた前記出力密度は、損傷を調節するための最も重要なパラメータである。一般に、前記走査素子、とりわけ、走査ミラーにおけるより大きなスポットは、走査ユニットに向けられるコリメートレーザビームの直径を大きくすることによって達成され得る。しかしながら、走査ミラーの実際的な大きさは、走査するために必要とされる（１０ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間の範囲内の）速い動きのために制限される。それ故、本発明は、前記走査素子及び前記供給源の有効サイズ、即ち、前記走査素子における前記ビームスポットを、光学手段によって大きくする。この光学手段により、前記ビームを見て、前記供給源の最も小さな像に焦点を合わせたときにユーザによって見られるような前記レーザ源の見かけ上の大きさは、拡大され、それ故、目に対する害は少なくなる。これは、前記投影装置の安全性を高める。他方で、本発明の適用は、安全性のレベルを変えずに、より高いレーザ出力及びより明るい画像を可能にする。

前記走査素子の方向に前記ビームを見る人にとっての前記走査素子の見かけ上の大きさの拡大は、前記ビームを、少なくとも前記走査ユニットを出るときに発散させ、前記ビームを前記投影スクリーン上に再び集束させる他の光学素子を挿入することによって達成される。

前記ビームの発散は、様々な手段によって達成され得る。一般に、レーザビームは、ある程度の発散性を有するレーザ光源によって放射される。本発明の或る実施例においては、この発散ビームは、前記走査ユニットに当たる前には光学素子によってコリメートされない又は収束されない。それ故、このレーザビームは、発散ビームとして前記走査ユニットを出る。

他の実施例においては、１つ又は幾つかの前記レーザ光源と前記走査ユニットとの間に、光学ビーム形成素子、とりわけ、１つ又は幾つかのレンズ又はカーブミラーが配設される。これらの光学ビーム形成素子は、前記走査ユニットに向けられる発散ビームを形成するよう適応させられる。これは、例えば、前記レーザ源によって放射された前記ビームを完全にはコリメートしないよう設計されるコリメート光学系によって達成され得る。これは、例えば、一般的なコリメート光学系と、コリメートされたレーザビームを、前記走査ユニットに向けられる前に発散させる付加的な光学素子とによっても達成され得る。

他の実施例においては、１つ又は幾つかの走査ミラーを含み得る前記走査ユニットの前記走査ミラーのうちの少なくとも１つ、好ましくは、ビーム方向の最後のものが、入って来るレーザビームを反射時に発散させる凸形状を有するよう設計される。前記入って来るレーザビーム、即ち、前記１つ又は幾つかのレーザ光源から来るレーザビームは、このミラーの凸状に依存して、コリメートレーザビーム、収束レーザビーム又は既にわずかに発散性のレーザビームであり得る。

提案投影装置の前記走査ユニットは、既知のように構成される１次元又は２次元走査ユニットであってもよく、１つ又は幾つかの走査ミラー又は他の走査素子を含んでもよい。この走査ユニットは、例えば、或る走査方向のための回転多面鏡ホイール及び他の走査方向のための連続的な傾斜可能な走査ミラー又は両方の走査方向に傾斜可能な走査ミラーを有し得る。

好ましい実施例のうちの１つにおいては、前記走査ユニットの後ろの、即ち、前記走査ユニットと前記投影装置の外の投影領域との間の前記再集束光学素子が、凹面鏡である。凹面鏡は、再集束レンズと比べて、色収差を生じない。

提案投影装置は、携帯用デバイスとして形成されてもよく、スマートフォン又はＰＤＡ（Personal Digital Assistant）のような他の携帯用デバイスに含まれてもよい。しかしながら、本発明は、携帯用デバイスに限定されない。前記装置は、画像投影用途のために、好ましくは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の光を放射する少なくとも３つのレーザ光源を有する。これらのレーザ光源から放射されたレーザビームは、次いで、既知のようにして組み合わされて単一レーザビームにされ、前記走査ユニットに向けられる。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を、説明し、明らかにする。

以下においては、例として、請求項によって規定されるような保護の範囲を限定しない添付図に関連して、提案投影装置を説明する。

提案投影装置の例の概略図である。 提案投影装置の例の光線軌跡を示す概略図である。 提案投影装置の例の光学的な詳細を示す概略図である。 走査ミラーを出る発散レーザビームを形成するための３つの例示的な実施例を示す。

図１は、本発明による投影装置１の例の概略図である。この装置１には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のレーザ光ビームを放射する３つのレーザ光源２が含まれる。レーザ光源２は、例えば、レーザダイオードであり得る。これらのレーザ光源２によって放射された発散レーザビームは、コリメート光学系３によってコリメートされ、１つの単一レーザビーム１０を形成するよう組み合わされる。組み合わせは、誘電体ミラー４、５、６によってなされる。誘電体ミラー４は、赤色波長領域の光を反射するよう設計される。誘電体ミラー５は、緑色波長領域において反射し、赤色波長領域において透明であり、誘電体ミラー６は、青色波長領域において反射し、赤色及び緑色波長領域において透明である。組み合わされた単一のレーザビーム１０は、少なくとも１つの走査ミラー８を含む２次元走査ユニット７に向けられる。図１においては、説明のためだけに、１つの走査ミラー８が示されている。走査ミラー８は、矢印の方向に傾斜可能である。走査ミラー８は、走査ユニット７を出るレーザビーム１１によって、装置１の外の投影スクリーン１２を走査する。ビーム方向における走査ユニット７の後ろには、再集束光学素子９が配設され、再集束光学素子９は、走査ユニット７を出る発散レーザビームを集束させる、又はコリメートする。

このような投影装置１では、走査ユニット７の走査ミラーの走査する動きに応じてレーザ光源２の赤色、緑色及び青色の放射線の強度を適切に制御することによって、２次元のカラー画像が投影スクリーン１２に投影され得る。

図２に示されている実施例においては、コリメートビームが、凸状の走査ミラー８によって発散させられる。ビーム１１は、走査ミラー８による方向変更の後、凹面鏡１３によって、反射され、投影スクリーン１２上に集束させられる。この実施例の投影装置の他の構成要素は示されていない。それらは、図１の概略図と同じように配設され得る。

走査ミラー８に当たった単一のコリメートレーザビームは、凹面鏡１３に向けられ、凹面鏡１３は、走査光ビーム１１をスクリーンの方へ反射する。説明のためだけに、走査ミラーの４つの異なる走査位置による４つの異なる光路が示されている。この図からも分かるように、走査レーザビーム１１は、この凹面鏡１３の集束させる特性のため、投影スクリーン１２のところより、凹面鏡１３のところで、より大きいビーム直径を持つ。

図３は、図２の４つの異なる走査位置を有するこの実施例の詳細を示している。走査ミラー８は、凸形状をしている。それ故、入って来るコリメートレーザビーム１０は、図に示されているように走査ミラー８によって発散させられる。発散させられたレーザビーム１１は、凹面鏡１３に向けられ、凹面鏡１３は、この光線を、投影スクリーン１２の方へ反射し、再び集束させる。

凹面鏡１３の方向に走査レーザビーム１１を見る人は、後方へ延長された仮想の光ビーム１６によって概略的に示されているように、走査ミラー８上のビームスポットに対して拡大されている拡大ビームスポット１４を見る。例えば、あり得る寸法について印象を与えると、走査ミラー８の約６０ｍｍの曲率半径及び凹面鏡１３の約１２０ｍｍの平均半径及び走査ミラー８と凹面鏡１３との間の約２５ｍｍの距離では、このビームスポットの約２倍の拡大率が達成され得る。このような拡大は、ビームを見たときに目を傷めるリスクを著しく低下させる。

走査レーザビームを見て、走査ミラー又は凹面鏡の像に焦点を合わせた人は、レーザ源の拡大された像を見る。これは、網膜における出力密度の減少をもたらす。見かけ上の光源は、観察者から更に奥まった所に置かれる。光源から目までの距離の増加も安全性を高める。投影装置の出口におけるレーザビームの走査円錐の領域は、付加的な凹面鏡１３のない場合と比べてずっと大きい。この拡大走査領域は、目によって集められ得るレーザ出力の量を減らす。

図２及び３の実施例においては、凹面鏡１３及び走査ミラー８は、入って来るレーザビーム１０が凹面鏡１３を通過することを可能にするために、図の面に対して垂直な方向において、互いに応じて位置をずらされる。しかし、他の構成、例えば、小さな穴であって、入って来るレーザビーム１０が前記穴を通して走査ミラー８に進み得る穴を凹面鏡１３に備える構成も設けられ得る。

レーザ源２と走査ユニット７との間の光学素子は、好ましくは、装置の信頼性の高い動作のために、レーザビームの発散特性とは無関係に走査ユニット７においてレーザビームの可能な限り大きな直径を達成するよう設計され、配設される。

図４は、走査ユニット７を出る発散レーザビーム１１を得るための３つの異なる可能な手段を示している。或る可能な手段は、レーザ源２によって放射されたレーザビームが、完全にはコリメートされず、発散性のままであるようにコリメート光学系３を適応させるものである。この発散ビームは、次いで、走査ユニット７に向けられる。他の可能な手段は、レーザ源２によって放射されたレーザビームをコリメートし、走査ユニット７に向けられる発散レーザビームを形成するために、発散性光学素子１５、とりわけ発散レンズ又は凹面鏡を加えるものである。図４に示されている第３の可能な手段として、走査ユニット７の走査ミラーは、凸形状をしている。レーザ源２によって放射されたレーザビームは、コリメート光学系３によってコリメートされ、コリメート又は収束レーザビームは、走査ユニット７に向けられる。走査ユニット７は、走査ミラーの凸形状により、このレーザビームを望ましいように発散させる。

図面及び上記において本発明を詳細に図示及び記載しているが、このような図及び記載は、説明的なもの又は例示的なものであるとみなされるべきであり、限定するものとはみなされるべきではなく、本発明は、開示されている実施例に限定されない。また、上記及び請求項に記載の様々な実施例は組み合わされ得る。請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。例えば、これらの実施例においては、赤色、緑色及び青色の光を放射する３つのレーザ源を備える提案投影装置が記載されているが、前記投影装置は、３つより多くの又は３つ未満のレーザ源を含んでもよい。前記投影装置は、例えば、１つだけのレーザ源で形成されてもよく、その場合、前記投影装置は、スクリーン上にモノクロの画像を生成する。

請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、手段が、互いに異なる従属請求項において挙げられているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利には用いられることができないことを示すものではない。請求項における如何なる参照符号も、これらの請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 投影装置
２ レーザ光源
３ コリメート光学系
４ 誘電体ミラー
５ 誘電体ミラー
６ 誘電体ミラー
７ 走査ユニット
８ 走査ミラー
９ 再集束光学素子
１０ 入って来る単一レーザビーム
１１ 走査レーザビーム
１２ 投影スクリーン
１３ 凹面鏡
１４ 拡大有効スポット
１５ 発散性光学素子
１６ 後方へ延長された仮想の光ビーム

Claims (7)

1. 少なくとも１つのレーザ光源と、前記レーザ源から放射されるレーザビームで投影領域を走査するよう構成される走査ユニットとを有する投影装置であって、
   前記レーザビームが、少なくとも前記走査ユニットを出るときに発散レーザビームであるよう適応され、前記発散レーザビームを集束させる又はコリメートするための再集束光学素子が、ビーム方向における前記走査ユニットの後ろに配設される投影装置。
2. 前記再集束光学素子が凹面鏡である請求項１に記載の投影装置。
3. 前記走査ユニットが、凸形状をしている走査ミラーを有する請求項１又は２に記載の投影装置。
4. 前記レーザ源と前記走査ユニットとの間に光学ビーム形成素子が配設され、前記光学ビーム形成素子が、前記走査ユニットに向けられる発散レーザビームを形成するよう設計され、配設される請求項１又は２に記載の投影装置。
5. 異なる波長の３つのレーザビームを放射する３つのレーザ源が、前記装置に含まれ、前記３つのレーザビームが組み合わされて前記走査ユニットに向けられる単一レーザビームにされる請求項１又は２に記載の投影装置。
6. 前記走査ユニットを出る前記レーザビームの発散及び前記再集束光学素子が、前記走査ユニットの走査ミラーにおける前記レーザビームのビームスポットが、前記再集束光学素子の方向に前記ビームを見る人に少なくとも１．３倍拡大されたように見えるように適応される請求項１又は２に記載の投影装置。
7. 前記走査ユニットを出る前記レーザビームの発散及び前記再集束光学素子が、前記走査ユニットの走査ミラーにおける前記レーザビームのビームスポットが、前記再集束光学素子の方向に前記ビームを見る人に少なくとも１．５倍拡大されたように見えるように適応される請求項６に記載の投影装置。

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