JP2013083770A - 光学部品および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光のビームスポットの形状の歪みを補償し、かつ波長の異なるレーザ光のビームスポットの位置ずれを抑制すること。
【解決手段】投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置に用いる光学部品５０であって、波長の異なる複数のレーザ光を同一光軸上に出射するレーザ光源２０と、レーザ光が入射する第１面３０とレーザ光が出射する第２面３２とを備えた第１プリズム２２と、第２面を出射したレーザ光が入射する第３面３４とレーザ光が出射する第４面３６を備え、第１面と第２面とが交差する側とは反対側で第３面と第４面とが交差し、第４面から出射されるレーザ光は第４面の面方向のビーム径が面方向に交差するビーム径より大きく、屈折率および分散が第１プリズムより小さい第２プリズム２４と、第２プリズムを出射した前記レーザ光を走査することにより前記投影光を出射する走査部２６と、を具備する光学部品。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学部品および画像投影装置に関し、例えば投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置およびそれに用いる光学部品に関する。

近年、携帯型の画像投影装置が用いられている。例えば、プロジェクタ機能を有する携帯電話端末等が用いられている。このような画像投影装置においては、レーザ光を走査することにより投影光とし画像を投影する。また、投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置がある。例えば、特許文献１には、画像投影装置を設置した平面に画像を投影する画像投影装置が開示されている。

特開２０１１−７０１３５号公報

投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影すると、スクリーン上のレーザ光のビームスポット形状が歪んでしまう。スクリーン上において、隣接する画素同士のビームスポットが重なると、画像の解像度が低下する。特許文献１においては、レーザ光のビームの上下をカットすることにより、ビームスポット形状の歪みを補償している。しかしながら、特許文献１の方法では、レーザ光の光量が低下してしまう。さらに、プリズム等を用いビームスポット形状の歪みを補償しようとすると、波長の異なるレーザ光のビームスポット位置が異なってしまう。波長の異なるレーザ光のビームスポット位置が画像の画素ピッチ以上に異なると、画像の解像度が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、レーザ光のビームスポットの形状の歪みを補償し、かつ波長の異なるレーザ光のビームスポットの位置ずれを抑制することを目的とする。

本発明は、投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置に用いる光学部品であって、波長の異なる複数のレーザ光を同一光軸上に出射するレーザ光源と、前記レーザ光が入射する第１面と前記レーザ光が出射する第２面とを備えた第１プリズムと、前記第２面を出射した前記レーザ光が入射する第３面と前記レーザ光が出射する第４面を備え、前記第１面と前記第２面とが交差する側とは反対側で前記第３面と前記第４面とが交差し、前記第４面から出射される前記レーザ光は前記第４面の面方向のビーム径が前記面方向に交差するビーム径より大きく、屈折率および分散が前記第１プリズムより小さい第２プリズムと、前記第２プリズムを出射した前記レーザ光を走査することにより前記投影光を出射する走査部と、を具備することを特徴とする光学部品である。本発明によれば、レーザ光のビームスポットの形状の歪みを補償し、かつ波長の異なるレーザ光のビームスポットの位置ずれを抑制することができる。

上記構成において、前記第１面および前記第４面の少なくとも一方に設けられた回折格子を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記第２面と前記第３面とは接している構成とすることができる。

上記構成において、前記レーザ光は、赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光である構成とすることができる。

上記構成において、前記第４面を出射するレーザ光は前記交差する側に出射する構成とすることができる。

上記構成において、前記画像投影装置は、平面上に設置され、前記平面に画像を投影する構成とすることができる。

本発明は、平面上に設置され、前記平面に画像を投影する画像投影装置に用いる光学部品であって、赤色、緑色および青色レーザ光を同一光軸上に出射するレーザ光源と、前記レーザ光が入射する第１面と前記レーザ光が出射する第２面とを備えた第１プリズムと、前記第２面を出射した前記レーザ光が入射する第３面と前記レーザ光が出射する第４面を備え、前記第１面と前記第２面とが交差する側とは反対側で前記第３面と前記第４面とが交差し、前記第４面を出射するレーザ光は前記第４面の面方向のビーム径が前記面方向に交差するビーム径より大きく、屈折率および分散が前記第１プリズムより小さい第２プリズムと、前記第１面および前記第４面の少なくとも一方に設けられた回折格子と、前記第２プリズムを出射した前記レーザ光を走査することにより前記投影光を出射する走査部と、を具備することを特徴とする光学部品である。

本発明は、上記光学部品を備えることを特徴とする画像投影装置である。

本発明によれば、レーザ光のビームスポットの形状の歪みを補償し、かつ波長の異なるレーザ光のビームスポットの位置ずれを抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例に係る画像投影装置の側面図、図１（ｂ）は、上面図である。 図２は、実施例１から実施例３に係る画像投影装置内の光学部品の側面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、レーザ光のビーム形状を示す図である。 図４は、実施例４に係る光学部品の側面図である。 図５は、平面に投影された画像上の各点の配置を示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ比較例１における点Ｐ２およびＰ９におけるビームスポット形状の計算結果を示す図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ比較例２および比較例３の点Ｐ４におけるビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、それぞれ実施例１から実施例３の点Ｐ４のビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例４におけるそれぞれ点Ｐ２、Ｐ４およびＰ９のビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。 図１０は、実施例４の画像の各点のビームスポット形状の計算結果を示す図である。

以下、図面を参照し実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例に係る画像投影装置の側面図、図１（ｂ）は、上面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、平面１６上に画像投影装置１０が置かれている。画像投影装置１０は、例えば携帯電話端末、カメラ、携帯用ナビゲーション装置、パーソンルコンピュータ、ゲーム機または単独の画像投影装置でもよい。画像投影装置１０の前面に投影口１８が設けられている。投影口１８から投影光１２が出射される。投影光１２は平面１６に照射され画像１４が投影される。このように、画像投影装置１０が置かれた平面１６を画像１４を投影するスクリーンとして用いる。例えば、平面１６は壁であり、画像投影装置１０を壁に設置してもよい。また、平面１６は、ホワイトボード等でもよい。図１（ａ）において、画像１４の中心点Ｐ４を通る投影光１２ａと平面１６とのなす角度をθとする。

図２は、実施例１から実施例３に係る画像投影装置内の光学部品の側面図である。図２に示すように、光学部品５０は、レーザ光源２０、第１プリズム２２、第２プリズム２４および走査部２６を備えている。レーザ光源２０は、レーザ光４０を画像の隣の画素と重ならない程度に同一光軸上に出射する。複数の波長のレーザ光４０は、例えば、赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光である。以下の計算では、赤色レーザ光の波長は６６０ｎｍ、緑色レーザ光の波長は５３０ｎｍおよび青色レーザ光の波長は４４０ｎｍとする。

第１プリズム２２は第１面３０と第２面３２とを有する。第１面３０にレーザ光４０が入射し、第２面３２からレーザ光４０が出射される。第２プリズム２４は、第３面３４と第４面３６とを有する。第３面３４に第２面３２を出射したレーザ光４０が入射し、第４面３６からレーザ光４２が出射される。第１面３０と第２面３２とは、図２の右側の交差点（または交差線）４６において交差する。第３面３４と第４面３６とは、図２の左側の交差点（または交差線）４８において交差する。交差点４６と４８とは第１プリズム２２および第２プリズム２４を挟み反対側である。

第１面３０と第２面３２とは、第１プリズム２２から延長した面も含む。図２のように第１面３０と第２面３２とは第１プリズム２２外において交差してもよい。この場合、第１プリズム２２は台形状となる。また、第１面３０と第２面３２とは第１プリズム２２内において交差してもよい。この場合、第１プリズム２２は三角形状となる。第２プリズム２４においても同様である。さらに、第２プリズム２４の屈折率および屈折率の波長に対する分散は第１プリズム２２より小さい。第２プリズム２４を出射するレーザ光は、交差点４６側に出射する。第１プリズム２２および第２プリズム２４は例えば硝材からなる。

走査部２６は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーである。走査部２６は、第２プリズム２４を出射したレーザ光４２を走査することにより、走査されたレーザ光４４を投影光１２として出射する。例えば、ＭＥＭＳミラーの反射面３８を動かすことにより、レーザ光４４を走査することができる。図２において、レーザ光４４が複数図示しているのは、反射面３８の動作によりレーザ光４４が走査されていることを示している。レーザ光源２０からのレーザ光４０と走査部２６の走査を同期させることにより、例えば縦横マトリックス状の画素からなる画像１４を投影させることができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、レーザ光のビーム形状を示す図である。図３（ａ）のように、第１プリズム２２に入射するレーザ光４０のビーム形状は直径φ０の略真円である。第２プリズム２４を出射するレーザ光４２のビーム形状は横径φ１、縦径φ２としたとき、φ２＞φ１の長円形状である。例えば、レーザ光４２は、第４面３６の面方向（図２の奥と手前との方向）のビーム径φ２が面方向に交差する方向のビーム径φ１より大きい。また、長軸である横径φ２は、φ０とほぼ同じ長さである。ここで、第１面３０と第２面３２との角度、第３面３４と第４面３６との角度、および第１プリズム２２と第２プリズム２４の材質を適宜設定することにより、φ１／φ２を適宜設定することができる。

図４は、実施例４に係る光学部品の側面図である。図４に示すように、実施例４の光学部品５２においては、実施例１の図２に加え、第１面３０に回折格子２８が設けられている。その他の構成は、実施例１の図４と同じであり、説明を省略する。回折格子２８のピッチは適宜設定可能であるが、以下の計算では、回折格子２８は第１面３０に約８３μｍでピッチで形成されている。

表１のような比較例１から比較例３および実施例１から実施例４についてのビームスポット形状を計算した。レーザ光源２０から出射されるレーザ光４０のビーム形状は、画素の大きさ等を考慮し適宜設定可能であるが、以下の計算では、図３（ａ）のように真円であり、直径φ０は２．５ｍｍとする。

表１のように、比較例１は、第１プリズム２２、第２プリズム２４および回折格子２８を用いない例である。ｔａｎθ＝１／１０、φ１／φ２＝１である。比較例２は、第１プリズム２２と第２プリズム２４との材料は同じであり、ショット社製のＢＫ７を用いている。回折格子２８は用いていない。ｔａｎθ＝１／１０、φ１／φ２＝１／１０である。比較例３は、回折格子２８を用いる以外は比較例２と同じである。

実施例１から実施例３は、第１プリズム２２および第２プリズム２４の材料として、それぞれショット社製のＦ２およびＢＫ７を用いている。実施例１においては、ｔａｎθ＝１／１０かつφ１／φ２＝１／１０である。実施例２においては、ｔａｎθ＝１／５かつφ１／φ２＝１／５である。実施例３においては、ｔａｎθ＝１／２．５かつφ１／φ２＝１／２．５である。実施例４は、回折格子２８を用いその他の構成は実施例１と同じである。計算では、Ｆ２の屈折率ｎｄを１．６２０１、アッベ数νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）を３６．３５６１とし、ＢＫ７の屈折率ｎｄを１．５１６３、アッベ数νｄを６４．０７４５とする。ここで、屈折率ｎｄ、ｎＦおよびｎＣはそれぞれｄ線（波長が５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（波長が４８６．１３ｎｍ）およびＣ線（波長が６５６．２７ｎｍ）の屈折率である。アッベ数νｄは、分散（例えば主分散ｎＦ−ｎＣ）が大きいと小さくなり、分散が小さくなると大きくなる。

図５は、平面に投影された画像上の各点の配置を示す図である。図５に示すように、画像１４が平面１６上に投影されている。点Ｐ４は画像１４の中心点、点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ８およびＰ９は、画像１４の四隅の点、点Ｐ１、Ｐ５、Ｐ６およびＰ７は、画像１４の四辺の各中点である。点Ｐ１からＰ３が画像１４の画像投影装置１０側の辺上に配置されている。以下の計算では、画像１４の大きさは、幅Ｗ１を２５０ｍｍ、幅Ｗ２を１８５ｍｍとする。

まず、比較例１における計算結果について説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ比較例１における点Ｐ２およびＰ９におけるビームスポット形状の計算結果を示す図である。図６（ａ）に示すように、点Ｐ２のビームスポットは長さが約２０ｍｍの細長い長円状となる。図６（ｂ）に示すように、点Ｐ９のビームスポットは長さが約４０ｍｍの細長い長円状となる。点Ｐ４におけるビームスポットの短辺／長辺は、ほぼｔａｎθとなる。このように、ビームスポット形状が細長くなると、スクリ−ン上において画素同士が重なる。また画素のビーム強度が下がる。このため、画像の解像度が著しく低下してしまう。

比較例１のように、ビームスポットが長円状となることを抑制するためにプリズムを用いることが考えられる。図２において、例えば、第４面３６の面方向のビーム径φ２が面方向に交差する方向のビーム径φ１より大きくする。例えば、φ１／φ２＝ｔａｎθとする。第１面３０に入射するレーザ光４０を第１面３０に対しほぼ垂直に入射させる。レーザ光４２の出射方向と第４面とが鋭角になるように第４面３６からレーザ光４２を出射させる。これにより、レーザ光４２のビーム形状を長円状とすることができる。比較例１のように、第１プリズム２２と第２プリズム２４との材質を同じとしてもレーザ光４２のビーム形状を長円状とすることができる。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ比較例２および比較例３の点Ｐ４におけるビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。図７（ａ）および図７（ｂ）における赤、緑および青は、それぞれ赤色、緑色および青色レーザ光のビームスポットを示している。緑色のビームスポット位置を中心に示している。図７（ａ）に示すように、比較例２において、単一材料のプリズムを用いビームスポット形状を円形状に補正すると、波長の異なるレーザ光のビームスポット位置が異なってしまう。図７（ｂ）に示すように、比較例３のように、単一材料のプリズムの第１面に回折格子を設けても、波長の異なるレーザ光のビームスポット位置は補正されない。

図８（ａ）から図８（ｃ）は、それぞれ実施例１から実施例３の点Ｐ４のビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。実線、破線および点線は、それぞれ赤色、緑色および青色レーザ光のビームスポットを示している。図８（ａ）に示すように、実施例１においては、図７（ａ）の比較例２に比べ、波長の異なるレーザ光（赤色、緑色および青色）のビームスポット位置が近くなる。図８（ｂ）および図８（ｃ）のように、ｔａｎθ＝φ１／φ２が１に近くなると、波長の異なるレーザ光のビームスポット位置はさらに近くなる。図８（ｃ）のように、ｔａｎθ＝φ１／φ２が１／２．５では、３つのビームスポットはかなり重なっている。

実施例１から実施例３によれば、２つのプリズムを用い、第２プリズム２４の屈折率および屈折率の波長分散を第１プリズム２２より小さくする。これにより、複数のレーザ光の波長が異なっても第２プリズム２４から出射されるレーザ光４２の出射角度の波長依存を小さくできる。よって、画像１４上のビームスポット位置の波長依存を小さくできる。このように、レーザ光のビームスポットの形状の歪みを補償し、かつ波長の異なるレーザ光のビームスポットの位置ずれを抑制することができる。また、特許文献１のようにビームの一部をカットしていないため、レーザ光の光量の低下を抑制できる。

図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例４におけるそれぞれ点Ｐ２、Ｐ４およびＰ９のビームスポット形状および位置の計算結果を示す図である。実線は、赤色、緑色および青色レーザ光のビームスポットが重なっていることを示している。９（ａ）から図９（ｃ）に示すように、点Ｐ２、Ｐ４およびＰ９におけるビームスポットの大きさは４ｍｍ未満であり、真円に近い形状である。また、赤色、緑色および青色の各ビームスポットは形状および位置ともほぼ一致している。

図１０は、実施例４の画像の各点のビームスポット形状の計算結果を示す図である。図１０のように、点Ｐ１〜Ｐ９とも真円に近い形状をしている。

実施例４によれば、ｔａｎθが小さく、かつレーザ光の波長差が大きい場合であっても、第１面３０に回折格子２８を設けることにより、図９（ａ）から図９（ｃ）および図１０に示すように、異なる波長を有するレーザ光のビームスポット形状および位置をほぼ同じとすることができる。

実施例１から実施例３のように、第１プリズム２２および第２プリズム２４を用いるだけでは、複数のレーザ光の波長差が大きい場合に色補正が十分ではない。このため、回折格子２８を用いることが好ましい。特に、レーザ光の波長差が１００ｎｍ以上、１５０ｎｍ以上または２００ｎｍ以上の場合、第１プリズム２２および第２プリズム２４とともに、回折格子２８を用いることが好ましい。また、ｔａｎθが１／２．５以下、１／５以下または１／１０以下の場合、第１プリズム２２および第２プリズム２４とともに、回折格子２８を用いることが好ましい。なお、回折格子２８は第１面３０および第４面３６の少なくとも一方に設ければよいが、略垂直にレーザ光４０が入射する第１面３０に回折格子２８を設けることが好ましい。

なお、比較例３の図７（ａ）および図７（ｂ）のように、プリズムを単一材料を用い形成した場合、回折格子２８を設けても異なるレーザ光のビームスポット位置の補正はできなかった。これより、第２プリズム２４の屈折率および屈折率の分散を第１プリズム２２より小さくし、かつ、第１面３０に回折格子２８を設けることが好ましい。

実施例１から実施例４において、第１面３０でのレーザ光４０の反射を抑制するためレーザ光４０は、第１面３０の法線方向から第１面３０に入射することが好ましい。また、第３面３４でのレーザ光４０の反射を抑制するため第２面３２と第３面３４とは接しており隙間のないことが好ましい。

実施例１から実施例４は、図１（ａ）のように、画像投影装置１０が、平面１６上に設置され、平面１６に画像を投影する例である。例えば、投影光の出射方向に対し略平行の平面に画像を投影する例である。この場合、図６（ａ）および図６（ｂ）のように、ビームスポットの歪が非常に大きくなる。このため、プリズムを用いてビームスポット形状を補正しようとすると、波長の異なるレーザ光間でビームスポット形状および位置がずれてしまう。そこで、実施例１から実施例４の光学部品を用いることが好ましい。実施例１から実施例４の光学部品は、投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置に用いることができる。

さらに、実施例１から実施例４においては、レーザ光として赤色、緑色および青色の３つの異なる波長を有する複数のレーザ光を例に説明したが、複数のレーザ光は、２または４以上の異なる波長を有するレーザ光でもよい。

赤色、緑色および青色レーザ光の波長の例として、それぞれ６６０ｎｍ、５３０ｎｍおよび４４０ｎｍについて計算したが、赤色、緑色および青色レーザ光の波長は、それぞれ６１０ｎｍ〜６６０ｎｍ、５１５ｎｍ〜５４０ｎｍおよび４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲でもよい。

第１プリズム２２および第２プリズム２４の硝材の例としてショット社製のＦ２およびＢＫ７を例に計算した。第１プリズム２２および第２プリズム２４の硝材の別の例として、それぞれオハラ社製のＳ−ＴＩＭ２７およびＨＯＹＡ社製のＢＡＣ４を用いることができる。Ｓ−ＴＩＭ２７の屈折率ｎｄは１．６３９８、アッベ数νｄは３４．４６６４である。ＢＡＣ４の屈折率ｎｄは１．５６８８、アッベ数νｄは５６．０４１である。その他の硝材または透明材料を用いてもよい。通常入手可能な範囲では、Ｆ２とＢＫ７との組み合わせ、またはＳ−ＴＩＭ２７とＢＡＣ４との組み合わせが、最も屈折値の差および分散の差を大きくできる硝材の組み合わせである。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 画像投影装置
１２ 投影光
１４ 画像
２０ レーザ光源
２２ 第１プリズム
２４ 第２プリズム
２６ 走査部
２８ 回折格子
３０ 第１面
３２ 第２面
３４ 第３面
３６ 第４面

Claims (8)

1. 投影光の出射方向に対して斜めに画像を投影する画像投影装置に用いる光学部品であって、
   波長の異なる複数のレーザ光を同一光軸上に出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光が入射する第１面と前記レーザ光が出射する第２面とを備えた第１プリズムと、
   前記第２面を出射した前記レーザ光が入射する第３面と前記レーザ光が出射する第４面を備え、前記第１面と前記第２面とが交差する側とは反対側で前記第３面と前記第４面とが交差し、前記第４面から出射される前記レーザ光は前記第４面の面方向のビーム径が前記面方向に交差するビーム径より大きく、屈折率および分散が前記第１プリズムより小さい第２プリズムと、
   前記第２プリズムを出射した前記レーザ光を走査することにより前記投影光を出射する走査部と、を具備することを特徴とする光学部品。
2. 前記第１面および前記第４面の少なくとも一方に設けられた回折格子を備えることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
3. 前記第２面と前記第３面とは接していることを特徴とする請求項１または２記載の光学部品。
4. 前記レーザ光は、赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の光学部品。
5. 前記第４面を出射するレーザ光は前記交差する側に出射することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の光学部品。
6. 前記画像投影装置は、平面上に設置され、前記平面に画像を投影することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の光学部品。
7. 平面上に設置され、前記平面に画像を投影する画像投影装置に用いる光学部品であって、
   赤色、緑色および青色レーザ光を同一光軸上に出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光が入射する第１面と前記レーザ光が出射する第２面とを備えた第１プリズムと、
   前記第２面を出射した前記レーザ光が入射する第３面と前記レーザ光が出射する第４面を備え、前記第１面と前記第２面とが交差する側とは反対側で前記第３面と前記第４面とが交差し、前記第４面を出射するレーザ光は前記第４面の面方向のビーム径が前記面方向に交差するビーム径より大きく、屈折率および分散が前記第１プリズムより小さい第２プリズムと、
   前記第１面および前記第４面の少なくとも一方に設けられた回折格子と、
   前記第２プリズムを出射した前記レーザ光を走査することにより前記投影光を出射する走査部と、を具備することを特徴とする光学部品。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載の記光学部品を備えることを特徴とする画像投影装置。

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