JP6635725B2

JP6635725B2 - 投影装置

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Publication number: JP6635725B2
Application number: JP2015176832A
Authority: JP
Inventors: 亮介佐々木; 学松尾; 伸弘白井; 元山　貴晴; 貴晴元山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: JP2017054883A

Description

本発明は、光学素子を備えた投影装置に関する。

近年、半導体レーザは、産業用、民生用を問わず盛んに利用されるようになっており、例えば、レーザ光を走査することで、画像を投影するプロジェクタなどが知られている。半導体レーザダイオードにおいては、光学部品に照射されるスポット径が重要とされており、コリメータレンズ等での調整が必要とされている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１０３３２３号公報

特許文献１に記載の半導体レーザモジュールは、レーザ光を発生させる半導体レーザダイオードと、レーザ光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、コリメータレンズを保持し、半導体レーザダイオードの周囲に配置されるレンズカンケースと、半導体レーザモジュールとレンズカンケースとを固定する接着剤とを備えている。上述した半導体レーザモジュールでは、スポット径を測定しながら接着剤を硬化させて、半導体レーザモジュールとレンズカンケースとを接着している。

ところで、発光素子から出力されるレーザ光は、距離が離れるにつれて、照射範囲が広がるように照射されるため、発光素子から出力されたレーザ光を受ける光学機器に対して、入射せずに発散してしまう漏れ光が生じることがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、レーザ光が漏れなく光学機器に入射するようにし、光量損失を抑えることができる投影装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投影装置は、レーザ光を出力する発光部と、前記発光部から出力されたレーザ光の発散角を小さくする集束レンズ部とを有する光学素子と、前記光学素子から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、前記コリメータレンズを通過したレーザ光を、スリットによって整形するアパーチャとを含む光学装置を備えた投影装置であって、前記集束レンズ部は、前記発光部の光出射面に密接し、前記光出射面と対向する面において、外周に設けられた集光部と、中央に設けられた軽微部とを備えた構造とされ、前記スリットに向かってレーザ光を集束し、前記集光部は、前記軽微部よりもレーザ光に対する集光率が大きいことを特徴とする。

本発明に係る投影装置では、前記集束レンズ部は、前記発光部に接着されている構成としてもよい。

本発明によると、集束レンズ部を設けることで、レーザ光の発散角を小さくし、漏れ光を減少させることができる。これに対し、光学素子からのレーザ光の発散角を小さくすることで、レーザ光が漏れなく光学機器に入射するようにし、光量損失を抑えることができる。また、集束レンズ部を発光部に密接させることで、集束レンズ部の大径化を抑え、レーザ光を漏れなく集束させることができる。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の概略側面図である。光学装置の内部の構造を示す概略構造図である。図２の発光部近傍を拡大して示す概略構成図である。本実施の形態に対する比較例を示す概略構成図である。本実施の形態と比較例とにおけるビームプロファイルを示す説明図である。本発明の第２実施形態に係る光学素子の概略側面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態に係る光学素子について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光学素子の概略側面図である。

本発明の第１実施形態に係る光学素子１（第１素子１ａ）は、レーザ光ＬＺを出力する発光部１１と、発光部１１から出力されたレーザ光ＬＺの発散角を小さくする集束レンズ部１２とで構成されている。

発光部１１は、レーザダイオードであって、例えば、青色光、赤色光、および緑色光などのレーザ光ＬＺを出力する。集束レンズ部１２は、例えば、透光性樹脂やガラスで形成され、発光部１１の光出射面１１ａに密接している。

発光部１１から照射されるレーザ光ＬＺは、発光部１１からの距離が離れるに従って、扇状に広がっていく。具体的に、本実施の形態において、発光部１１から照射されるレーザ光ＬＺの第１発散角θａは、７×２３度（ＦＷＨＭ）となっている。ところで、光学素子１において、レーザ光ＬＺは、発光部１１から出力された後、集束レンズ部１２を介して外部へ照射される。この際、集束レンズ部１２を通過したレーザ光ＬＺは、第１発散角θａから第２発散角θｂへ集束されて照射される。本実施の形態において、第２発散角θｂは、１０×１０度（ＦＷＨＭ）とされている。図１に示す補助線ＳＬは、集束レンズ部１２で集束されない場合のレーザ光ＬＺを示している。

次に、光学素子１を備えた光学装置４について、図面を参照して説明する。

図２は、光学装置の内部の構造を示す概略構造図である。なお、図２では、図面の見易さを考慮して、筐体を透視的に示している。

光学装置４は、３つの光学素子１、レンズ２、およびＭＥＭＳミラー３を備えており、それらが筐体に収納された構造とされている。

３つの光学素子１では、出力されるレーザ光ＬＺが互いに異なっていてもよく、例えば、青色光、赤色光、および緑色光のうち、いずれかを出力する。なお、それぞれの光学素子１の近傍には、レーザ光ＬＺを平行光とするコリメータレンズ２０などが配置されており、後述する図３を参照して、詳細に説明する。

レンズ２は、光学素子１から出力されたレーザ光ＬＺのビーム径を変更する。なお、レンズ２は、１つに限定されず、用途に応じて複数設けられていてもよい。

ＭＥＭＳミラー３は、回転駆動するミラーであって、レンズ２を経由したレーザ光ＬＺを反射し、レーザ光ＬＺが筐体の外部へ照射される。ＭＥＭＳミラー３が駆動して反射する方向を変えることで、レーザ光ＬＺを走査させることができる。本実施の形態において、ＭＥＭＳミラー３のサイズは、直径１ｍｍとされている。

図３は、図２の発光部近傍を拡大して示す概略構成図である。

発光部１１（光学素子１）の近傍には、レーザ光ＬＺが照射される方向に沿って、コリメータレンズ２０とアパーチャ３０とが順に設けられている。

コリメータレンズ２０は、発光部１１から出射されたレーザ光ＬＺを平行光とする。つまり、ビーム径が大きくなるように発散していたレーザ光ＬＺは、コリメータレンズ２０を通過することで、一様なビーム径（第１ビーム幅ＬＷ１）を維持する平行光とされる。アパーチャ３０は、スリット３０ａが設けられ、コリメータレンズ２０を通過したレーザ光ＬＺを整形する。本実施の形態において、スリット３０ａのサイズ（アパーチャ幅ＡＷ）は、０．８〜０．９ｍｍとされている。

レーザ光ＬＺは、集束レンズ部１２によって集束されているが、集束レンズ部１２の集束率としては、レーザ光ＬＺがコリメータレンズ２０に入射する際のビーム径（第１ビーム幅ＬＷ１）を、スリット３０ａ（アパーチャ幅ＡＷ）と略同じ大きさに集束する程度とされているのが好ましい。つまり、スリット３０ａと同程度までレーザ光ＬＺを集束させることで、スリット３０ａを通過する際の光量損失を低減することができる。

図４は、本実施の形態に対する比較例を示す概略構成図である。

比較例では、図３と比較して、集束レンズ部１２が設けられていない点で異なる。そのため、発光部１１から出力されたレーザ光ＬＺは、広がった状態でコリメータレンズ２０に入射し、本実施の形態よりも大きいビーム径（第２ビーム幅ＬＷ２）とされた平行光となる。その後、レーザ光ＬＺは、アパーチャ３０で整形される際、スリット３０ａよりも大きいビーム径とされているため、スリット３０ａに対応する部分だけがアパーチャ３０を通過し、他の部分はアパーチャ３０に遮られる。つまり、発光部１１から出力されたレーザ光ＬＺは、アパーチャ３０に遮られたぶんだけ光量を損失する。また、図４では、発光部１１から出力されたレーザ光ＬＺ全体がコリメータレンズ２０に入射しているが、発光部１１から発散角（第１発散角θａ）が大きい場合、コリメータレンズ２０の外側までレーザ光ＬＺが広がり、平行光へと変換されない漏れ光が生じることがある。漏れ光は、アパーチャ３０のスリット３０ａを通過しないため、さらに光量を損失させる要因となる。

次に、本実施の形態と比較例とにおける光量の損失を比較するため、それぞれでのレーザ光のビームプロファイルについて、図面を参照して説明する。

図５は、本実施の形態と比較例とにおけるビームプロファイルを示す説明図である。

図５は、レーザ光ＬＺのアパーチャ３０に対する位置とエネルギーとの関係を示している。具体的に、横軸は、アパーチャに対するレーザ光ＬＺの位置を示し、縦軸は、レーザ光ＬＺのエネルギーを示している。つまり、図５は、アパーチャ３０に対してレーザ光ＬＺがどのように分散しているかを示しており、エネルギーが高い位置にレーザ光ＬＺが集中し、エネルギーが低い位置は、レーザ光ＬＺの照射量が少ないことを示している。図５では、図３に示す本実施の形態でのビームプロファイルを集束プロファイルＬＰ１として示し、図４に示す比較例でのビームプロファイルを散乱プロファイルＬＰ２として示している。また、図５において、アパーチャ幅ＡＷとして示されている範囲は、アパーチャ３０のうち、スリット３０ａが存在する位置を示しており、この範囲に含まれるレーザ光ＬＺがアパーチャ３０を通過する。すなわち、アパーチャ幅ＡＷに含まれるエネルギーの総量が多く、それ以外の部分でのエネルギーの総量が少ないほど、光量の損失が小さいことを示している。

図５において、集束プロファイルＬＰ１と散乱プロファイルＬＰ２とのいずれも、アパーチャ幅ＡＷの中央でエネルギーが最も高い山型に分布している。そして、散乱プロファイルＬＰ２は、広い範囲にエネルギーが分散しており、アパーチャ幅ＡＷ外のエネルギーが集束プロファイルよりも多い。これに対し、集束プロファイルＬＰ１は、散乱プロファイルＬＰ２よりも、エネルギーの最大値が高く、アパーチャ幅ＡＷ内に略全体が収まっている。つまり、集束プロファイルＬＰ１のほうが散乱プロファイルＬＰ２よりも光量の損失が小さい。

上述したように、集束レンズ部１２を設けることで、レーザ光ＬＺの発散角を小さくし、漏れ光を減少させることができる。その結果、光学素子１からのレーザ光ＬＺの発散角が小さくなり、レーザ光ＬＺが漏れなく光学機器に入射するようにし、光量損失を抑えることができる。また、集束レンズ部１２を発光部１１に密接させることで、集束レンズ部１２の大径化を抑え、レーザ光を漏れなく集束させることができる。

また、集束レンズ部１２は、発光部１１に接着されていることが好ましい。つまり、集束レンズ部１２と発光部１１とを接着することで、確実に両者を密接させることができる。また、集束レンズ部１２は、発光部１１と個別に形成することで、容易に加工することができるので、発光部１１の製造工程に左右されず、集光率など高い精度を確保することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る光学素子の概略側面図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る光学素子１（第２素子１ｂ）は、第１素子１ａに対して、集束レンズ部１２の形状が異なる。具体的に、集束レンズ部１２は、光出射面１１ａと対向する面において、外周に設けられた集光部１２ａと、中央に設けられた軽微部１２ｂとを備えた構造とされている。集光部１２ａは、軽微部１２ｂよりもレーザ光に対する集光率が大きい構成とされている。集光部１２ａは、第１素子１ａと同様に、曲面とされており、軽微部１２ｂは、平面とされている。したがって、集束レンズ部１２の外周を通過するレーザ光のほうが、漏れ光となる割合が大きいので、外周に集光率が大きい集光部１２ａを設けることで、効率よく光量損失を抑えることができる。

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

本発明に係る光学装置は、例えば、プロジェクターなどの投影装置に好適に適用することができる。

１光学素子
２レンズ
３ＭＥＭＳミラー
４光学装置
１ａ第１素子
１ｂ第２素子
１１発光部
１１ａ光出射面
１２集束レンズ部
１２ａ集光部
１２ｂ軽微部
２０コリメータレンズ
３０アパーチャ
３０ａスリット
ＬＺレーザ光

Claims

レーザ光を出力する発光部と、前記発光部から出力されたレーザ光の発散角を小さくする集束レンズ部とを有する光学素子と、
前記光学素子から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを通過したレーザ光を、スリットによって整形するアパーチャとを含む光学装置を備えた投影装置であって、
前記集束レンズ部は、前記発光部の光出射面に密接し、前記光出射面と対向する面において、外周に設けられた集光部と、中央に設けられた軽微部とを備えた構造とされ、前記スリットに向かってレーザ光を集束し、
前記集光部は、前記軽微部よりもレーザ光に対する集光率が大きいこと
を特徴とする投影装置。
請求項１に記載の投影装置であって、
前記集束レンズ部は、前記発光部に接着されていること
を特徴とする投影装置。