JP4773222B2 - 空中可視像形成装置および空中可視像形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ光源からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成装置および空中可視像形成方法に関するものである。

近年、コンピューターの処理速度やデータ通信の速度の向上から、３次元の画像情報の表示装置に対する期待が高まっている。

従来からの平面ディスプレイであるＣＲＴ，液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）といった各ディスプレイを応用して、両眼視差を付け加えるなどして、３次元画像の表示を行うディスプレイの開発が進められている。

これらの平面ディスプレイは、解像度・画質の点で優れているが、３次元画像情報の表示装置として使用すると、輻輳、動体視差などの３次元画像の表示に必要な情報を十分に表示できない、視野角に制限がある、といった問題があることが知られている。

これに対して、レーザビームを使用して文字、画像等の可視像を空中に描くことのできる空中可視像形成装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。
特開２００３−２３３３３９号公報

この装置では、大気中に不可視の赤外レーザを照射し集光することにより大気プラズマを生成させ、ここから発生する可視光を光点として利用することにより、空間に三次元画像を表示する。

レーザ光を大気中において集光したときに発生する大気プラズマ中では、焦点近傍で局部的な閃光と鋭い音を伴った気体の絶縁破壊が生じる。この現象は光学的絶縁破壊（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）とよばれ、マイクロ波放電現象などでみられる無電極放電の一種であり、閃光と鋭い音を伴った気体の絶縁破壊プラズマが生成される現象である。大気の絶縁破壊を起こすのに必要なレーザ光強度のしきい値は、レーザ光の波長、レーザパルスの波形によって変化する。

大気プラズマは、大気を構成する窒素分子や酸素分子から電子が乖離し、イオンと電子になり運動している状態（プラズマ状態）であり、種々のエネルギーのやりとりが行われた後、イオンなどの励起状態から基底状態への遷移に伴う可視光領域の発光が起こり、「プラズマ発光」が観測される。

プラズマから発光する可視光の発光強度（発光輝度）は、プラズマのエネルギー密度に関係すると考えられる。すなわち、プラズマの発光輝度を上げるにはより多くのレーザー光を吸収させる必要がある。そのためには、プラズマの発生位置の安定性を向上させる、すなわち発光点の精度を向上させる必要がある。その結果、空中可視像形成装置において、高コントラストの画像描画の実現も同時に達成される。

ところが、大気プラズマの生成メカニズムは未だ不明な点が多く、プラズマ発光の輝度、発光点の安定性、また発光点の位置精度をともに向上させることは困難な課題であった。

このような背景のもとで、空間可視像形成装置では、プラズマのエネルギー密度を局所に集中させて高輝度の発光を実現させるとともに、プラズマ発光点の安定性、またプラズマ発光点の位置精度を向上させ、コントラストを向上する技術が望まれている。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、プラズマ光の輝度、発光点の安定性及び発光点の位置精度を向上させることができる空中可視像形成装置および空中可視像形成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光源からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成装置において、多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを出射するレーザ光源と、上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光する集光手段と、を有することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、レーザ光源からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成装置において、基本ガウシアンビームを出射するレーザ光源と、上記基本ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換するモード変換手段と、上記モード変換手段によって変換された多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光する集光手段と、を有することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記モード変換手段はビームの通過を十字状に妨げるビーム通過部材である、ことを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記モード変換手段はモード変換素子である、ことを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、レーザ光源からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成方法において、レーザ光源から多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを出射し、上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する、ことを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、レーザ光源からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成方法において、レーザ光源から基本ガウシアンビームを出射し、上記基本ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換し、上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する、ことを特徴としている。

この発明では、多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描くようにした。多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームは基本ガウシアンビームに比較してビーム品質が劣化するが、生成するプラズマの安定性が向上する。その結果、プラズマ光の輝度、発光点の安定性及び発光点の位置精度を向上させることができる。

この発明の空間可視像形成装置は、レーザ光源から多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを出射し、その多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する。

また、レーザ光源から基本ガウシアンビームを出射し、その基本ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換し、その多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する。

レーザビームを集光してプラズマ（レーザ生成プラズマ）を発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描くので、レーザビームをレンズやミラーを用いて集光する必要がある。この場合の一般的なレーザビームは、伝播方向と垂直向きの強度分布がガウス関数である、基本ガウシアンビームである。レーザ生成プラズマを発生させるためには集光性の良い基本ガウシアンビームが適していると考えられてきた。

ところが、本発明者らは鋭意検討を進めた結果、基本ガウシアンビームよりビーム品質が劣化している多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて集光させると、生成するプラズマの安定性が向上することを見いだした。すなわち、多重横モードあるいは高次横モードのビームを用いることで、強度分布がガウス分布ではなくなってしまうのにもかかわらず、発生するプラズマ発光の高輝度化、発光点の高安定化、また発光点位置の高精度化を実現できることを見いだしたのである。その理由の詳細は不明であるが、次のようなものであると推測される。

基本ガウシアンビームである基本横モードレーザビームは集光が容易であると同時に、集光点はある一定のガウス関数状ウェストを有しているため、中空状プラズマを生成し大部分のエネルギーは透過しながらさらにプラズマを生成していく、と推測される。一方、多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームの場合は、基本ガウシアンビームと比較すると、焦点付近での集光の度合いが低くなり、また生成したプラズマとレーザビームの形状がマッチングしないと考えられる。その結果、プラズマは焦点近傍でしか生成されず、その結果、発光強度が向上し、発光点の安定性が増し、発光点の位置精度も向上するものと推測される。

この場合、レーザとしては、不可視域のレーザビームを出射するレーザ光源であれば特に制限はないが、例えば、赤外域のレーザビームを出射するレーザ光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）や、炭酸ガスレーザ（波長１０６００ｎｍ）を用いることができる。また、紫外域のレーザビームを出射するレーザ光源には、Ｎｄ：ＹＡＧのＦＨＧ、すなわち、第４次高調波（波長２６６ｎｍ）を用いることができる。

多重横モードレーザビームあるいはシングル高次横モードレーザビームは、例えばレーザ光源内の絞り（アパーチャ）を取り外すことによりで容易に発生させることができる。また、レーザ光源から出射したレーザビームを、ビームの通過を十字状に妨げるビーム通過部材やモード変換素子を通過させることにより変換することも可能である。

以下にこの発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１はこの発明の空間可視像形成装置の第１の実施形態の要部構成を示す図である。図において、この発明の空中可視像形成装置は、レーザ光源１からの不可視のレーザビームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く装置であり、基本ガウシアンビームを出射するレーザ光源１と、その基本ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換するモード変換手段２と、そのモード変換手段２によって変換された多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光する集光手段３とを有している。

上記のレーザ光源１は、キャビティ１１内にレーザロッド１２と励起光源（ランプ、ＬＤなど）１３とを収容し、キャビティ１１の前後位置に光共振器を成す部分反射ミラー１４と全反射ミラー１５とを配置し、キャビティ１１内で励起光源１３の点灯によりレーザロッド１２を励起状態として光を出射させ、その光を部分反射ミラー１４及び全反射ミラー１５の相互間を往復させてレーザロッド１２に対し入出射を繰り返させることにより光共振を起こして光のエネルギーを増幅し、部分反射ミラー１４を介しレーザビームを発振し得るようにしてある。

また、レーザロッド１２と、その前後位置にある部分反射ミラー１４及び全反射ミラー１５の夫々との間に、ピンホール状の小孔１６を中央部分に穿設した薄板状のアパーチャ１７を配置し、小孔１６を通すことで余分な外側部分のレーザ光を遮断してビーム径を制限し、これにより指向性の高い良好なビーム品質を保ち得るようにしてある。

レーザ光源１は、ここではＬｕｍｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ．製Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザＳｐｅｃｔｒｏｎ^TM Ｃｌａｓｓｉｃ−Ｑ Ｓｅｒｉｅｓ ＳＬ４０１ＧＳＩを用いた。波長は１０６４．１ｎｍ、出力は１７０ｍＪ（１０Ｈｚ）；１５０ｍＪ（３０Ｈｚ）；１４０ｍＪ（５０Ｈｚ）、パルス幅は７ｎｓ、ビーム広がり角は０．８ｍｒａｄ、Ｍ²値＜１０である。

また、上記のモード変換手段２として、ここでは、レーザビームの通過を十字状に妨げるビーム通過光学部材が用いられ、集光手段３として、焦点距離ｆが１００ｍｍの集光レンズ（凸レンズ）が用いられている。

上記の空中可視像形成装置においては、図示は省略されているが、制御手段と、駆動装置と、レーザ光源１とモード変換手段２との間に配置されている走査手段とが設けられている。

上記構成の空中可視像形成装置において、レーザ光源１からのレーザビームは、走査手段の各光学部品、およびモード変換手段２を通過後、集光手段３で集光されるので、集光手段３から１００ｍｍの位置の描画予定箇所４において、気体（空気）がプラズマ状態となり、発光する。

制御手段は、空中の各描画予定箇所４に時系列的に生成される発光の残像現象として空中に可視像を描くためにレーザ光源１の発振タイミングと走査手段の走査タイミングを制御する。また、駆動装置を駆動させて集光手段３を出射光軸の方向に沿って可動する。この制御によって、予め設定されている描画予定箇所４の軌跡に沿ってプラズマ発光の発光点が移動し、それによって文字、画像等の可視像が空中に描かれる。

レーザ光源１から出射されるレーザビームは、強度分布がガウス分布を有する基本ガウシアンビームであるが、モード変換手段２を通過することで、多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換される。したがって、描画予定箇所４で生成するプラズマの安定性が向上し、プラズマ発光の位置はレンズ端から１００ｍｍの距離の位置に安定して観察され、またプラズマの形状も真球に近いことが確認できた。したがって、プラズマ光の輝度、発光点の安定性、また発光点の位置精度を向上させることができた。

なお、上記の説明では、モード変換手段２としてレーザビームの通過を十字状に妨げるビーム通過光学部材を用いるようにしたが、十字状以外の他の形状、例えば網目状の形状でもよいし、また強度分布等のビーム品質を劣化させるモード変換素子を用いるようにしてもよい。

上記の第１の実施形態と比較するために、上記の空中可視像形成装置からモード変換手段２を取り除き、従来の空中可視像形成装置を構成してプラズマ発光を観察した。この場合、基本ガウシアンビームでプラズマ発光が行われることとなり、バチバチという音とともに白い光が断続的に発生し、プラズマの発光は確認されたが、プラズマ発光の位置は安定せず、またプラズマの形状も線状に広がってしまうことが観察された。

図２はこの発明の空間可視像形成装置の第２の実施形態の要部構成を示す図である。図中、上記の第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態が上記の第１の実施形態と相違する点は、レーザ光源１の内部にアパーチャ１７を設けていない点と、モード変換手段２を設けずに、レーザ光源１からのレーザビームを直接集光手段３に入射させている点である。

この第２の実施形態では、レーザ光源１の内部にアパーチャ１７を設けていないため、レーザ光源１から出射されるレーザビームは、多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームとなり、このレーザビームが集光レンズ３に入射する。したがって、第１の実施形態の場合と同様に、描画予定箇所４で生成するプラズマの安定性が向上し、プラズマ光の輝度、発光点の安定性及び発光点の位置精度を向上させることができた。

この発明の空間可視像形成装置の第１の実施形態の要部構成を示す図である。 この発明の空間可視像形成装置の第２の実施形態の要部構成を示す図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ モード変換手段
３ 集光手段
４ 描画予定箇所
１１ キャビティ
１２ レーザロッド
１３ 励起光源（ランプ、ＬＤなど）
１４ 部分反射ミラー
１５ 全反射ミラー
１６ 小孔
１７ アパーチャ

Claims (6)

1. レーザ光源からの不可視のレーザービームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成装置において、
   多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを出射するレーザ光源と、
   上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光する集光手段と、
   を有することを特徴とする空中可視像形成装置。
2. レーザ光源からの不可視のレーザービームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成装置において、
   ガウシアンビームを出射するレーザ光源と、
   上記ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換するモード変換手段と、
   上記モード変換手段によって変換された多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを集光する集光手段と、
   を有することを特徴とする空中可視像形成装置。
3. 上記モード変換手段はビームの通過を十字状に妨げるビーム通過部材である、請求項２に記載の空中可視像形成装置。
4. 上記モード変換手段はモード変換素子である、請求項２に記載の空中可視像形成装置。
5. レーザ光源からの不可視のレーザービームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成方法において、
   レーザ光源から多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを出射し、
   上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する、
   ことを特徴とする空中可視像形成方法。
6. レーザ光源からの不可視のレーザービームを集光してプラズマを発生させ、そのプラズマから発光する可視光により文字、画像等の可視像を空中に描く空中可視像形成方法において、
   レーザ光源からガウシアンビームを出射し、
   上記ガウシアンビームを多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームに変換し、
   上記多重横モードあるいはシングル高次横モードのレーザビームを用いて空中に可視像を形成する、
   ことを特徴とする空中可視像形成方法。

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