JP2010537241A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

光ビームを投射する光学装置を提供する。光学装置は、集束光ビームのパス内に配置され、第１の軸の回りを回転可能であり、入射光ビームを偏向する第１の平面反射鏡と、偏向光ビームのパス内に配置及び固定され、その軸の少なくとも１つに沿って広がる球面形状を有し、第１の平面反射鏡から、球面形状の半径に略等しい距離だけ離間して配置された凹反射面と、第１の軸を含む平面に略垂直な平面内の第２の軸の回りを回転可能であり、凹反射面によって反射された光ビームのパス内に、光ビームが、ターゲット平面上に略フラットフィールドの焦点で投射されるように配置された第２の平面反射鏡とを備える。

Description

本発明は、光ビームを走査又は偏向する光学装置に関し、特に、周期的に動く反射素子、例えば揺動ミラー（oscillating mirror）を備える光学装置に関する。

例えば、ウェーハ欠陥スキャナ（wafer defect scanner）、レーザプリンタ、文書スキャナ（document scanners）、プロジェクタ等の装置は、狭い平行レーザビーム（narrow collimated laser beam）を使用して、通常、平面全体を直線パスに沿って走査する。この目的のために、典型的な光学式走査装置は、回転平面ミラー又は揺動平面ミラーを用いて、レーザビームを偏向する。平行入力レーザビームは、走査ミラーの回転軸に直角に入射され、メインの偏向光線（main deflected ray）は、空間内の平面を走査する。レーザビームは、平面を点で照らし、点は直線パスに沿って走査する。ビームを平行にすることにより（Beam collimation）、スポットサイズが通常、平面の中心と端の両方において略同じになることを保証している。

幾つかの装置が、技術的に提案されている。これらの幾つかを以下に示す。

米国特許第５２９１２７３号には、光ビームで丸い物体の外周部を走査し、反射ビームの反射角の差分を測定することによって、静止している物体又は回転している物体の直径を測定する非接触直径測定装置（non-contact diameter measuring device）が記載されている。光ビームは、物体全体を繰り返し走査し、反射ビームの角度が検出される。光ビームが物体を横断する距離が信号に変換され、この信号は、直径に比例している。

英国特許第ＧＢ２２４７０９０号には、サーマルイメージングシステム（thermal imaging system）用のスキャナが開示されており、このスキャナは、揺動ミラーと、検出器と焦点面間で放射熱を伝搬する複光路モード（double-pass mode）で使用される動力光学装置（powered optical system）とを備える。第１のパスでは、検出器に直交する光線が、ミラーの表面に集束され、反射の後、第２のパスにおいて、再び平行にされる。検出器の実際の画像は、揺動ミラーの動きに応じて、テレセントリック瞳（telecentric pupil）でフラットフィールド（flat field）を走査することによって形成される。

米国特許第５１６８３８６号には、フラットフィールドテレセントリック走査装置（flat-field telecentric scan system）が記載されており、この走査装置は、光路内に配置され、走査軸の回りを動くように取り付けられた平面走査反射鏡（planar scanning reflector）と、光路内の位置に固定された凹球面鏡（concave spherical mirror）と、光路内に配置され、フラットフィールド走査を行うための球面（spherical surface）を有するレンズ又はミラーとを備える。

しかしながら、更に、優れた画質の画像が得られ、比較的小さな機器、例えば携帯型プロジェクタ（hand held projector）等にも適用できるより小型の装置が望まれている。

本発明の目的は、走査して、走査画像を、ミラー領域が限られたマイクロエレクトロメカニカルシステム（microelectromechanical systems：ＭＥＭＳ）によって投写（projecting）する光学装置を提供することである。

本発明の他の目的は、高画質の画像が得られ、特に携帯型プロジェクタで使用することができる光学装置を提供することである。

本発明の他の目的は、以下の詳細な説明によって明らかとなる。

本発明の第１の実施の形態では、光ビームを投射する光学装置を提供する。
光学装置は、集束光ビーム（focused light beam）のパス内に配置され、第１の軸の回りを回転可能であり、入射光ビームを偏向する第１の平面反射鏡と、偏向光ビームのパス内に配置及び固定され、軸の少なくとも１つに沿って広がる球面形状（spherical shape）を有し、第１の平面反射鏡から、球面形状の半径に略等しい距離だけ離間して配置された凹反射面と、第１の軸を含む平面に略垂直な平面内の第２の軸の回りを回転可能であり、凹反射面によって反射された光ビームのパス内に、光ビームが、ターゲット平面上に略フラットフィールドの焦点（flat field of focus）で投射されるように配置された第２の平面反射鏡とを備える。

本発明の好ましい実施の形態では、光学装置の凹反射面は、凹反射面の軸のうちの１つに沿って円形に広がる球面形状（spherical shape）と、凹反射面の軸のうちの他の１つに沿って広がる他の形状とによって形成される２次元曲率を有し、円形状、放物線形状及び楕円形状からなるグループから選択される。好ましくは、２次元曲率は、２つの球面形状から形成され、オプションとして、２つの球面形状（spherical shape）は、互いに異なる曲率半径を有する。

他の本発明の好ましい実施の形態では、反射鏡の少なくとも１つ、すなわち第１の平面反射鏡、凹反射面及び第２の平面反射鏡からなるグループのうちの少なくとも１つは、反射型マイクロエレクトロメカニカルシステム（reflective microelectromechanical systems：ＭＥＭＳ）からなる。

レーザビームをターゲット表面に投射する、本発明の実施の形態に基づいて構成された光学装置の概略図である。 図１に示した光学装置の他の概略図である。 図１及び図２に示す光学装置から出射され、ターゲットスクリーン上に表示されるビームの概略図である。 固定凹面鏡で反射され、垂直ミラーに向かうビームの概略図である。 固定凹面鏡で反射され、垂直ミラーに向かうビームの概略図である。 固定凹面鏡で反射され、垂直ミラーに向かうビームの概略図である。 略水平の平面反射鏡で反射され、固定凹面鏡に向かうビームの概略図である。 略水平の平面反射鏡で反射され、固定凹面鏡に向かうビームの概略図である。 略水平の平面反射鏡で反射され、固定凹面鏡に向かうビームの概略図である。 集束レンズで屈折され、略水平の平面反射鏡に向かうビームの概略図である。 対称軸におけるビーム集束の概略図である。 数学解析のモデルとして用いられる光学装置を示す図である。 ビームをｚ軸に直交する点に集束することによって、モデルを単純化して示す図である。 軸の原点が２つの極の中央になるように設定された光学装置を示す図である。 提案するモデルに一組のパラメータを代入した数学的解を示す図である。 ここに示すモデルを満足させる放物線群の解（parabola-family solution）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の非限定的な詳細な具体例を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に基づく光投射装置（optical projecting device）２（以下、光学装置ともいう。）の視野（view）「Ａ」を示している。光投射装置２は、
略水平の平面走査反射鏡４と、
固定凹面鏡６と、
略垂直の平面反射鏡８とを備え、これらは、全て、ターゲット表面１０上の走査動作において、光束からなる入射レーザビームを偏向するためのパス内に直列に配置されている。この実施の形態は、円筒対称（cylindrical symmetry）を有し、ここでは、円筒座標（cylindrical coordinates）を用いて実施の形態を説明する。

ここでは、図面を明瞭にするために、レーザビームの光束の中心にある１つの光線だけを示している。略水平の平面反射鏡４は、その回転軸がｚ軸に沿って配置され、レーザビーム１２の光線は、図１に示す角度αで平面反射鏡４に入射され、レーザビーム１２は、平面反射鏡４によって同じ角度αで偏向され、固定凹面鏡６に向かう。平面反射鏡４は、反射ビーム１２’が空間内で円錐又は平面を描くことができるように、走査軸ｚに対して可動である。

固定凹面鏡６は、所定の位置に固定されている。固定凹面鏡６は、ｚ軸に対して円筒対称に配置されており、固定凹面鏡６の漸近線が、ガウスビームの中心が固定凹面鏡６に入射する点において、β＝α／２の角度でｚ軸に交わるように設計されている。したがって、固定凹面鏡６は、レーザビーム１２を遮り、固定凹面鏡６からの光を、対称軸ｚに直交するビーム１２”として、平面走査反射鏡８に向かわせる。この具体例の固定凹面鏡６は、曲率半径によって特徴付けられる球状の反射面を有する。ターゲット表面（例えばスクリーン）１０に画像を投写するために、レーザビーム１２の平面反射鏡４との交点と、固定凹面鏡６との間の間隔は、固定凹面鏡６の球面半径に等しくする必要がある。略水平の平面反射鏡４が軸ｚの回りを回転すると、固定凹面鏡６で反射するビーム１２”は、平面走査反射鏡８に到着するときに、ｚ軸に直交する平面を形成する。平面走査反射鏡８は、平坦であるので、平面走査反射鏡８で反射されたビームは、他の反射平面を形成する。「ｚ」軸から見ると、図２に示すように、固定凹面鏡６に入射するビームと固定凹面鏡６で反射されるビームは一致し、したがって、略水平の平面反射鏡４の回転運動は、略垂直の平面反射鏡８に伝えられる（translated）。

ここで、構成を明瞭にするために、上述した構成の動作を、スクリーンから出射レーザに向かって逆向きに説明する。

平面走査反射鏡８（図３）から出射されるビーム１４は、約１．６ｍｍの直径を有し、この具体例に基づいて配置され、光学装置２から約５０ｃｍ離れたスクリーン１０に集束される（focused）。

図４Ａ〜図４Ｃは、平面走査反射鏡８から固定凹面鏡６に反射されたビームを示している。これらの図からも分かるように、主に、平面走査反射鏡８が略平坦であるので、ビームは、光学装置２のこの部分を通過するときには、大きな変化は起こらない。

次に、図５Ａ〜図５Ｃは、光学装置２のうちのビームが固定凹面鏡６から略水平の平面反射鏡４に反射される部分を示している。図５では、固定凹面鏡６のビームの中心における半径を「ｈ」で示している（他の点では、半径が異なり、収差が生じることがある）。光学装置２から約５０ｃｍ離れた距離「ｄ」において合焦点画像（focused image）を得るためには、以下の条件が必要である。

図６は、光学装置２のうちの集束レンズ１８と略水平の平面反射鏡４間に広がる部分を示している。図６に示すように、平行レーザビーム１６は、直径が数ｍｍで集束レンズ１８に到着し、集束レンズ１８は、レーザビーム１６を、上述のように計算された正確な点「ｕ」に集束する。

図７は、上述した光学装置２の対称軸におけるビーム集束プロセスを示している。説明を簡潔にするために、ここでは、略水平の平面反射鏡４（これは、上述のように、ｚ軸の回りを回転する。）の定位置（fixed position）に注目し、及び上述したように、固定凹面鏡６は、ビームを（図６で示すように）点「ｕ」に集束することを必要とすることに注目する。更に、画像をスクリーン上に合焦点させる必要があり、この見地から、ビームを同じ点「ｕ」に集束する必要があるということを考慮に入れて、スクリーンの虚像（imaginary image）について検討する。これらの２つの焦点を可能にする関数は、（図７に示すように）長軸「Ｇ」を有する楕円「Ｅ」である。また、スクリーンが無限の距離に位置する場合、楕円「Ｅ」は、放物線になる。

以下、本発明の実施の形態に基づく光学装置２の設計を示す数学的解を説明する。まず、ビームを（図９に示すように、）ｚ軸に直交する点に集束することによって単純化し、更に、２つの極間の距離を２Ｄと仮定する。次に、図１０に示すように、原点を、２つの極の中央に設定する。

上部（中心が決められた）楕円（top (centered) ellipse）は、以下の式を用いて導かれる。

上の式を解くために、２つの式が必要である。第１の式は、以下の関係を用いる。

Ｄ＝５０ｃｍ、ｄ＝６ｃｍ、α＝３０°の場合、以下のような形式の図１１に示すような放物線の解を仮定する。

放物線の２つのパラメータは、以下の制約から導くことができる。
１．入射角の公称値（nominal value）αに対して、光線は、略垂直の平面反射鏡８の中心と同じｚ値で放物線に交わらなければならない。
２．放物線のこの点における接線は、−βに等しくなければならない。

第１の制約は、以下の通りである。

第２の制約は、以下の通りである。

最後の式において、α＝２βの等式を用いた。一連の式の最後の結果を、第１の制約に代入すると、以下のようになる。

したがって、放物線の解は、以下の通りである。

α＝１５°及びｈ＝１０ｍｍを代入すると、次のようになる。

α＝３０°及びｈ＝１０．３９ｍｍを代入すると、次のようになる。

このように、得られる解は、図１２に示すような以下の特性を有する放物線の群（parabola-family）である。

２．この点における放物線の接線は、−βの傾きを有する。

本発明は、２つのミラーを互いに離間させて、光学的には、一方のミラーが他方のミラーの内部にあるようにみなすことができる構成を提供し、したがって、同様の結果をもたらす他の如何なる構成も、本発明の範囲内にあるとみなされる。更に、上述の具体例は、本発明に基づく光学装置を構成するために必要な幾何学的パラメータを得るための解析解を提供する。なお、このようなパラメータを得るために、他のプロセスを同様に適用できることは、当業者には明らかであり、例えば、最良の走査ミラーの傾き、凹面鏡の曲率半径等を特定することができる周知のコンピュータレイトレイシングプログラム（computer ray-tracing program）を用いてもよい。

なお、上述した説明は、本発明の幾つかの実施の形態のみを含み、本発明を例示的に示しているにすぎない。本発明の範囲から逸脱することなく、本発明が提供する光学装置を構成する他の多くの手法を想到でき、これらは、本発明に含まれる。

Claims (6)

1. 光ビームを投射する光学装置において、
   集束光ビームのパス内に配置され、第１の軸の回りを回転可能であり、入射光ビームを偏向する第１の平面反射鏡と、
   上記偏向光ビームのパス内に配置及び固定され、その軸の少なくとも１つに沿って広がる球面形状を有し、上記第１の平面反射鏡から、該球面形状の半径に略等しい距離だけ離間して配置された凹反射面と、
   上記第１の軸を含む平面に略垂直な平面内の第２の軸の回りを回転可能であり、上記凹反射面によって反射される光ビームのパス内に、該光ビームが、ターゲット平面上に略フラットフィールドの焦点で投射されるように配置された第２の平面反射鏡とを備える光学装置。
2. 上記凹反射面は、該凹反射面の軸のうちの１つに沿って円形に広がる上記球面形状と、該凹反射面の軸うちの他の１つに沿って広がる他の形状とによって形成される２次元曲率を有し、円形状、放物線形状及び楕円形状からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 上記他の形状は、球面形状であることを特徴とする請求項２記載の光学装置。
4. 上記２つの球面形状のそれぞれは、互いに異なる曲率半径を有することを特徴とする請求項３記載の光学装置。
5. 上記第１の平面反射鏡、上記凹反射面及び上記第２の平面反射鏡からなるグループの少なくとも１つは、反射型マイクロエレクトロメカニカルシステムからなることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
6. 当該光学装置は、画像プロジェクタであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の光学装置。

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