JP6457185B2 - 光学エンジンおよびその製造方法、ならびにプロジェクタ - Google Patents

光学エンジンおよびその製造方法、ならびにプロジェクタ Download PDF

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本発明は、光学エンジンおよびその製造方法、ならびにプロジェクタに関する。
上記技術分野において、特許文献1には、3つのLED光源からの光を3つのミラーで反射させ、一つの光束に纏めて、スクリーン上に光束を走査させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、コリメータおよびレンズ群の組合せでレーザ光の調整を行ない、またレーザ光をスキャニングミラーに導く際にミラーを用いているいるため、装置が大型化してしまう。
これに対し、特許文献2には、図19Aにおいて、1つのペリスコーププリズムを用いて3つのレーザ光源からの光を回転ミラーに導く構成が開示されている。しかし、特許文献2では、レーザ光源の調整機構などについては全く開示がされていない。
一方、特許文献3には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を用いた小型プロジェクタが開示されており、その図11〜図13にはスマートフォンや車載器、眼鏡型ディスプレイへの適用例が示されている。
特許文献4には、RGBのLED光源からの光線を一つの光束に纏めて、ミラーで反射させ、そのミラーを水平方向および垂直方向に駆動することで、スクリーン上に光束を走査させて、映像を投射する技術が開示されている。
US2011/0037953A1公報 US8009358B2公報 US8511838B2公報 US2014/0063473A1公報
しかしながら、上記特許文献には、小型化したプロジェクタの理想的な利用方法について開示があるものの、薄さ1cm以下のスマートフォンなどに内蔵できるような超小型プロジェクタについては、実現されておらず、実現のための課題すらも把握されていなかった。したがって、上記文献に記載のいずれの技術を用いても、超小型プロジェクタを実現することはできなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため本発明に係る光学エンジンは、
筐体と、
前記筐体内の一辺において、前記筐体の内部方向に向けて並べて配置され、3色のレーザ光を発射する第1、第2および第3レーザダイオードと、
前記第1および第2レーザダイオードからの2つのレーザ光を、それぞれ1度反射させ、前記第3レーザダイオードの光軸に合わせてさらに反射させるプリズムミラーと、
前記プリズムミラーから入射したレーザ光束を、前記筐体の底面に向けて反射する傾斜ミラーと、
前記傾斜ミラーからの反射光を上方に反射するため、前記筐体の底面に設けられた底面ミラーと、
前記底面ミラーからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する駆動ミラーと、
前記第1、第2および第3レーザダイオードのそれぞれと前記プリズムミラーとの間に設けられた3つのコリメータと、
を備え
前記筐体は、前記コリメータを当接させて位置決めするための2つの傾斜面と、該2つの傾斜面の下方に設けられた接着剤注入口とを3組有し、
前記2つの傾斜面に前記コリメータを当接した状態で前記接着剤注入口から接着剤を注入することで、前記3つのコリメータがそれぞれ位置決め固定された光学エンジン。
上記目的を達成するため本発明に係るプロジェクタは、上記光学エンジンを用いることを特徴とする。
上記目的を達成するため本発明に係る光学エンジンの製造方法は、
筐体と、
前記筐体内の一辺において、前記筐体の内部方向に向けて並べて配置され、3色のレーザ光を発射する第1、第2および第3レーザダイオードと、
前記第1および第2レーザダイオードからの2つのレーザ光を、それぞれ1度反射させ、前記第3レーザダイオードの光軸に合わせてさらに反射させるプリズムミラーと、
前記プリズムミラーから入射したレーザ光束を、前記筐体の底面に向けて反射する傾斜ミラーと、
前記傾斜ミラーからの反射光を上方に反射するため、前記筐体の底面に設けられた底面ミラーと、
前記底面ミラーからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する駆動ミラーと、
前記第1、第2および第3レーザダイオードのそれぞれと前記プリズムミラーとの間に設けられた3つのコリメータと、
を備えた光学エンジンの製造方法であって、
前記筐体は、前記コリメータを当接させて位置決めするための2つの傾斜面と、該2つの傾斜面の下方に設けられた接着剤注入口とを3組有し、

前記筐体に対して、前記プリズムミラー、前記傾斜ミラー、前記底面ミラー、および前記駆動ミラーを固定するステップと、
前記第1、第2および第3レーザダイオードを、光軸の出力位置および精度を調整しながらX軸Y軸の2軸方向に沿って位置決めするステップと、
前記2つの傾斜面に対して前記コリメータを当接した状態で前記接着剤注入口から接着剤を注入することで、前記3つのコリメータのそれぞれをZ軸方向に沿って位置決め固定するステップと、
を含む
本発明によれば、超小型のプロジェクタを実現できる。
本発明の第1実施形態に係る光学エンジンの構成を示す外観斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンの構成を示す外観斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンの光路を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンを内蔵したレーザピコプロジェクタの構成を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンを内蔵したレーザピコプロジェクタの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンにおいて、前提技術と比した場合の、小型化および信頼性向上のための特徴をしめす図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンの筐体の外観斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンのコリメータレンズの固定方法について説明するための断面図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンのスポット調整のための調整軸を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンのスポット調整の結果例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンにおいて迷光対策をしたプリズム構成を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る光学エンジンにおいて迷光対策をしたプリズム構成を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザピコプロジェクタの適用技術を説明するための図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザピコプロジェクタの適用技術を説明するための図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザピコプロジェクタの適用技術を説明するための図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザピコプロジェクタの適用技術を説明するための図である。 本発明の第2実施形態に係る光学エンジンのレイアウトを示す図である。 本発明の第3実施形態に係る光学エンジンのレイアウトを示す図である。
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態としてのプロジェクタ用光学エンジン100について、図1A、図1Bを用いて説明する。図1A、図1Bは、プロジェクタ用の光学エンジン100の内部構成を異なる角度からみた斜視図である。光学エンジン100は3色のレーザ光から映像を生成するための装置である。
(光学エンジンの構成)
図1A、図1Bに示すように、光学エンジン100は、720Pの高解像度、高画質を達成しつつも、幅約24mm、奥行き13mm、高さ5mm、容積1.5cc以下という、驚異的な小型化を実現したレーザピコプロジェクタ用の光学エンジンである。
光学エンジン100は、RGB(Red,Green,Blue)三色のレーザダイオード(半導体レーザ)101〜103と、レーザダイオード101〜103からの光線を1つの光束に纏めるためのプリズムミラー104と、を含む。
レーザダイオード101は青、レーザダイオード102は緑、レーザダイオード103は赤の光線を放出する。波長の違いにより生じる微妙な反射角等の誤差を均等にするために短波長の青(λ=450nm)、緑(λ=515nm)、赤(λ=638nm)の順番に配置し、緑を基準に調整している。
レーザダイオード101〜103は、筐体110の一辺において、筐体110の内部方向に向けて並べて配置され、赤、緑、青の三色のレーザ光を発射する。プリズムミラー104は、レーザダイオード101、102からの2つのレーザ光を、それぞれ、レーザダイオード103側へ一度反射させる。そして、さらに、その2つの反射光を、レーザダイオード103の光軸と重なるように、もう一度、筐体110の内部方向に向けて反射させる。また、光学エンジン100は、レーザダイオード101〜103と、プリズムミラー104との間に、コリメータレンズ105を備え、レーザ光の焦点距離を無限遠に調整している。
筐体110においてレーザダイオード101〜103の取り付け面と逆側の端部には、底面向きに傾斜した傾斜ミラー106が設けられている。傾斜ミラー106は、プリズムミラー104から入射されたレーザ光束を、筐体110の底面に向けて反射する。さらに、プリズムミラー104と傾斜ミラー106との間の筐体110底面には、底面ミラー107が上向きに取り付けられている。底面ミラー107を挟み込むように、二次元MEMSミラー109とカバーガラス112が設けられている。底面ミラー107は、傾斜ミラー106から入射されたレーザ光束を二次元MEMSミラー109に向けて上方に反射する。そして、二次元MEMSミラー109に隣接した位置であって、カバーガラス112側の位置には、画像投射仰角およびサイズを決めるプリズム108が設けられている。
一方、底面ミラー107とカバーガラス112との間には、もう一つの底面ミラー113が設けられている。また、プリズムミラー104とプリズム108との間に、フォトセンサ115を備えている。フォトセンサ115は、MEMSミラー109の位置のキャリブレーションを行なうため、MEMSミラー109から底面ミラー113を介して光線が入射されたタイミングを外部のMEMS制御部に伝える。
さらに、傾斜ミラー106は、半透過ミラーになっており、その後ろ側、つまり、筐体110の壁部と傾斜ミラー106との隙間には、レーザパワーセンサ116が設けられ、レーザパワーを検出して、外部のレーザスキャン表示制御部に伝えている。
スクリーン120上の投射画像は、MEMSミラー109で反射され、プリズム108およびカバーガラス112を通過した走査光線によって形成される。
次に、図2を用いて、光学エンジン100内の光路について説明する。図2では、光路について説明するため、不要な配線や筐体等については簡略化して描いている。
レーザダイオード101〜103からの3つの光線は、コリメータレンズ105を介して、プリズムミラー104に入射され、1つの光束に纏められる。
プリズムミラー104から出た光線は、傾斜ミラー106で反射して底面ミラー107に向かう。底面ミラー107は、傾斜ミラー106から入射した光を上方に反射し、プリズム108を介して、二次元MEMSミラー109の中央部分に入射する。二次元MEMSミラー109は、外部から入力した制御信号に基づいて駆動される駆動ミラーであり、水平方向(X方向)および垂直方向(Y方向)に角度を変えて光線を反射するように振動する。
二次元MEMSミラー109からの反射光は、カバーガラス112を経てスクリーン120に投影され、スクリーン120上に映像を表示する。
(レーザピコプロジェクタ全体の構成)
図3は、光学エンジン100を含むレーザピコプロジェクタ300全体の構成を示す図である。図4は、レーザピコプロジェクタ300の機能構成図である。光学エンジン100は、図1A、図1Bを用いて説明した各構成以外に、レーザダイオード(図中LD)駆動部311とパワー管理回路312とを備えている。
また、レーザピコプロジェクタ300は、光学エンジン100以外に、MEMS制御部301とレーザスキャン表示制御部302とを備えている。
レーザスキャン表示制御部302は、外部からデジタル映像信号を入力すると、その画素数、サイズを抽出して、MEMS制御部301に伝送する。また、レーザスキャン表示制御部302は、デジタル映像信号を、R・G・Bの画素データに分解して、レーザダイオード駆動部311に送る。
電力管理回路(Power management circuits:PMCs)312は、レーザダイオード駆動部311が初期過渡区間、例えば、上昇区間(rising period)または下降区間(falling period)で誤作動しないように制御する。特に、過渡区間の間、出力電圧は必要な電圧より低い場合がある。レーザダイオード駆動部311は低い電圧および/または電圧の変動のため、誤作動しうる。このような問題を避けるために機能回路ブロックは過渡区間の間、リセット(reset)状態に置くことができる。
レーザパワーセンサ116は、傾斜ミラー106を透過したレーザの各色毎のパワーを検知し、そのパワーデータをレーザスキャン表示制御部302にフィードバックすることにより、レーザダイオード101〜103のRGBの照度を制御して、色合いを調整する。
図4は光学エンジンを備えたレーザピコプロジェクタの機能構成図である。レーザスキャン表示制御部302に入力されたデジタル映像信号はここで変調され、レーザダイオード駆動部311に送られる。レーザダイオード駆動部311は、各色のLEDを駆動させて投射されるRGBレーザの輝度および照射タイミングをコントロールする。レーザスキャン表示制御部302は、同時にMEMS制御部301を駆動してMEMSミラー109を最適な条件で2軸に振動させる。電力管理回路312は、レーザダイオード駆動部311を制御して、レーザダイオード101〜103を適切な電圧とタイミングで発光させる。コリメータレンズ105および光学系104、106等を経て二次元MEMSミラー109で反射されたレーザー光は所定位置に設置されたスクリーン120に映像(静止画・動画)として投影される。
(小型化のための工夫)
図5は、小型化を実現するにあたっての光学系の構成上の工夫を示す図である。本実施形態の前提としての構成501に比べると、本実施形態の構成502は、超小型化、信頼性改善および生産効率の向上を実現するために、以下の3つの点で工夫している。
(1)離間していた3つのレーザダイオード511〜513に代えて、小型なレーザダイオード101〜103を間を詰めて配置した。
(2)レーザダイオード511〜513のそれぞれについて反射ミラー514〜516が用意されていたものを、1つのプリズムミラー104で置き換えた。
(3)投射映像に角度(仰角)を付け、迷光の影響を抑えるために設けていたプリズム517を削減し、新たに材料から迷光対策設計しなおしたプリズム108を設けた。
さらに、本実施形態では、前提となる構成501に比べて、MEMSミラー109そのものも小型になっている。
従来使用していた高屈折率硝材をそのままプリズム108に採用すると迷光の問題が解消されない為低屈折率硝材を使用した。そして、プリズム108の角度を変更することで迷光を投影画像に影響が出ないように対策した。
(信頼性および生産性向上のための工夫)
本実施形態の前提技術としての構成501では、目標に対してまず緑色のレーザダイオード513を調整する。その際の調整内容はミラー516の位置(2軸方向)、MEMSミラー519の位置(2軸方向)およびコリメータレンズ(不図示)(5軸方向)であった。ビームサイズが調整範囲の中で最小、所定の位置およびサイズのスクリーン上でレーザ光が中心に来ていること、MEMSミラー519のヒンジからの反射光が投影画像に出ないことを確認して調整し、適当なポイントでコリメータレンズ、ミラー516、MEMSミラー519を接着固定を実施していた。
他の赤色および青色の光線については緑色の調整接着完了後、MEMSミラー519から所定距離離れた位置を目標としてコリメータレンズ(5軸位置)調整を実施していた。
緑色調整時には7軸の調整を同時に実行する作業となっており、熟練技術者による調整作業が必要でかつ調整に長時間を要する状態であった。精密な光軸調整はマン&マシンで熟練した人間が行ってきたが、近年人件費の高騰や熟練作業者の人員不足等で大量に低コストで生産することが極めて難しくなってきている。さらには、また、コリメータレンズを空間接着していたため、環境温度変化による接着剤の収縮により折角調整したビーム位置がずれてしまうリスクが常にあり、生産効率および信頼性が悪かった。特に環境条件の厳しい車載機器等への搭載は困難であった。
本実施形態では、図6に示すダイキャスト製ハウジングとしての筐体110を使用し、コリメータレンズおよびレーザダイオードを除く光学部品をあらかじめ筐体110の位置決め部に突き当て接着する。具体的には、プリズムミラー104を位置決め部601の角に寄せて配置する。また、MEMSミラー109を、位置決め面602、603に当接させて配置する。さらに、傾斜ミラー106を位置決め面604、605に当接させて配置する。そして、底面ミラー107を位置決め面606に貼り付ける。また、プリズム108を、位置決め面607、608に当接させて貼り付ける。
これにより、調整箇所を前提技術の構成501の3部品から2部品(コリメータレンズ105およびレーザダイオード101〜103)に削減した。筐体110は、無切削無加工のハウジングであるため、精度および生産効率が格段によく、量産化に適している。なお、筐体110として、樹脂等の金型を使用した成形品を利用してもよい。
さらに、ハウジング110において、コリメータレンズ(実際にはコリメータレンズホルダ)を配置する個所には、傾斜を付けて成形した位置決め用の傾斜面609が、コリメータホルダ1つにつき、各2面ずつ用意されている。
(コリメータホルダの固定方法)
図7は、コリメータホルダの固定方法について説明するための図であり、図6のA−A断面図である。
前提技術では、レーザダイオードをハウジングに圧入し、コリメータレンズを接着固定したコリメータホルダを、ハウジング上で空間調整にて光学的に適切な位置に配置し、ハウジングとコリメータホルダの間にUV接着剤を流し込みUV照射硬化させる。
このUV照射固定の際に接着剤が体積収縮するため、コリメータホルダの位置が変動してしまうという問題がある。UV照射光を照射する際にビーム変動方向をモニタリングしながらUV光の照射量および方向を工夫しながら照射し所定の位置に固定する。さらにそのプロジェクタでは緑のコリメータホルダの位置調整後、青および赤のビーム位置を緑に対して一致させる必要があり、さらに調整作業は困難を極める。また、無事接着が成功したとしても冷熱試験等のQA試験において接着剤の応力緩和がなされてビーム位置が変動する問題が発生する。
そこで、本実施形態では、コリメータレンズ105(コリメータホルダ)を、ハウジング110に設けられた傾斜面609に対して当接させ、しっかりと位置決めする。その状態で、接着剤701を、ハウジング110下面に設けた注入口702から注入し、一定時間待つことにより、コリメータレンズ105を狙った位置にしっかりと固定することができる。いわゆる空間接着ではなく、部品同士が直接接触した状態で固定されるため、接着剤の収縮による各部品の位置変動が発生せず、安定性および信頼性が格段に向上する。
また、調整については、図8に示すように、レーザダイオード101〜103(X軸Y軸の2軸位置)、コリメータレンズ105(Z軸1軸)となり前提技術の構成501の9軸から3軸に削減でき、生産効率を向上させることができる。つまり、精密調整がスキルレスで作業者を選ばない自動化作業に集約された生産システムを利用できるため、量産が極めて容易となる。
さらに、上述のように構成することで、結果として図9の左側に示した例901のような「高低温の熱衝撃において光束が割れるという問題」を解決し、右側に示した例902のように、スポットを所定の大きさおよび位置に調整して、ビーム位置変動を大幅に改善することができる。
(迷光対策用プリズム設計)
図5を用いて上述したように、厚さ5mm以下を実現する為にカバーガラス112のそばに設けられていたプリズム517を削減し、MEMSミラー109側のプリズム108の形状最適化により迷光対策を行なう。
具体的には、図10に示すように、プリズム108の底面の幅を大きくし、高さを低くする。そして、図11に示すように、プリズム108の底面を、ハウジング110の底面に対して大きく傾けることで、迷光1100を光学エンジン100の外部に出さないように調整することができる。図10、図11に示すようにプリズム108を設計し、配置すれば、プリズム1つで台形補正と迷光対策とを両立できる。
(レーザピコプロジェクタの適用技術)
以上、超小型レーザプロジェクタの光学エンジン100について説明したが、上述のように非常に小さく薄く構成したので、図12に示すような薄型のスマートフォン1200内部に実装することが可能となる。もちろん、外付けのレーザプロジェクタの光学エンジンとしても用いることも可能である。
この場合、図13に示すとおり、折り曲げ可能なスマートフォン1300の先端部分1301にデジタルカメラ1311とプロジェクタの光学エンジン100とを内蔵させて、折り曲げ可能に構成してもよい。このように折り曲げれば、キーボード画像1320を机の上に描画し、デジタルカメラ1311でキーボード画像上のユーザの指の位置を撮像して、仮想的なキーボード入力を実現することが可能となる。
さらに上記光学エンジン100は、環境温度に対して安定なため、図14に示すように、車載用途のヘッドアップディスプレイとして用いることも、図15に示すように、投射装置のRGB光源として利用することもできる。
[第2実施形態]
なお、本発明は、第1実施形態に示した光学設計に限定されるものではなく、他の光学設計でもよい。例えば、図16に示すように、光学系をレイアウトしてもよい。これらの図において、図2のフォトセンサ115およびそのための底面ミラー113を省いた以外は、構成要素は第1実施形態と全て同じであり、配置のみ変えている。したがって、図16において、図2と同じ構成要素については同じ符号を付して、その説明を省略する。図16のようにレイアウトすれば、画質を維持しつつ、より一層の小型化を図ることができる。
[第3実施形態]
なお、本発明は、第1、第2実施形態に示した光学設計に限定されるものではなく、他の光学設計でもよい。例えば、図17に示すように、光学系をレイアウトしてもよい。これらの図において、図2のフォトセンサ115およびそのための底面ミラー113を省いた以外は、構成要素は第1実施形態と全て同じであり、配置のみ変えている。したがって、図17において、図2と同じ構成要素については同じ符号を付して、その説明を省略する。図17のようにレイアウトすれば、画質を維持しつつ、より一層の小型化を図ることができる。
[他の実施形態]
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範疇で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

Claims (4)

  1. 筐体と、
    前記筐体内の一辺において、前記筐体の内部方向に向けて並べて配置され、3色のレーザ光を発射する第1、第2および第3レーザダイオードと、
    前記第1および第2レーザダイオードからの2つのレーザ光を、それぞれ1度反射させ、前記第3レーザダイオードの光軸に合わせてさらに反射させるプリズムミラーと、
    前記プリズムミラーから入射したレーザ光束を、前記筐体の底面に向けて反射する傾斜ミラーと、
    前記傾斜ミラーからの反射光を上方に反射するため、前記筐体の底面に設けられた底面ミラーと、
    前記底面ミラーからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する駆動ミラーと、
    前記第1、第2および第3レーザダイオードのそれぞれと前記プリズムミラーとの間に設けられた3つのコリメータと、
    を備え
    前記筐体は、前記コリメータを当接させて位置決めするための2つの傾斜面と、該2つの傾斜面の下方に設けられた接着剤注入口とを3組有し、
    前記2つの傾斜面に前記コリメータを当接した状態で前記接着剤注入口から接着剤を注入することで、前記3つのコリメータがそれぞれ位置決め固定された光学エンジン。
  2. 前記底面ミラーと前記駆動ミラーとの間に、迷光が光学エンジン外部に漏れないように屈折させるプリズムをさらに設けたことを特徴とする請求項1に記載の光学エンジン。
  3. 請求項1または2に記載の光学エンジンを備えたプロジェクタ。
  4. 筐体と、
    前記筐体内の一辺において、前記筐体の内部方向に向けて並べて配置され、3色のレーザ光を発射する第1、第2および第3レーザダイオードと、
    前記第1および第2レーザダイオードからの2つのレーザ光を、それぞれ1度反射させ、前記第3レーザダイオードの光軸に合わせてさらに反射させるプリズムミラーと、
    前記プリズムミラーから入射したレーザ光束を、前記筐体の底面に向けて反射する傾斜ミラーと、
    前記傾斜ミラーからの反射光を上方に反射するため、前記筐体の底面に設けられた底面ミラーと、
    前記底面ミラーからの反射光を、垂直方向および水平方向に角度を変えつつ反射する駆動ミラーと、
    前記第1、第2および第3レーザダイオードのそれぞれと前記プリズムミラーとの間に設けられた3つのコリメータと、
    を備えた光学エンジンの製造方法であって、
    前記筐体は、前記コリメータを当接させて位置決めするための2つの傾斜面と、該2つの傾斜面の下方に設けられた接着剤注入口とを3組有し、
    前記筐体に対して、前記プリズムミラー、前記傾斜ミラー、前記底面ミラー、および前記駆動ミラーを固定するステップと、
    前記第1、第2および第3レーザダイオードを、光軸の出力位置および精度を調整しながらX軸Y軸の2軸方向に沿って位置決めするステップと、
    前記2つの傾斜面に対して前記コリメータを当接した状態で前記接着剤注入口から接着剤を注入することで、前記3つのコリメータのそれぞれをZ軸方向に沿って位置決め固定するステップと、
    を含む光学エンジンの製造方法。
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