JPH03100628A - レーザ描画装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザビームを用いてテレビジョン画像等
を表示するレーザ描画装置に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、レーザビームを音響光学偏向器を用いてラ
スタ走査するレーザ描画装置において、一対の音響光学
偏向器によって、レーザビームが交互に水平走査される
ようにすることによって、騒音が少なく、耐久性にも優
れ、小型軽量で、かつ高画質な画像を高速に描画できる
レーザ描画装置の実現を図ったものである。

〔従来の技術〕

強度変調されたレーザビームを、水平及び垂直方向に２
次元的にラスタ走査して、例えばテレビジョン画像を表
示するレーザ描画装置がある。

そして、このレーザ描画装置のレーザビームの走査方式
として、回転多面鏡を用いた機械方式があるが、この回
転多面鏡を用いた機械方式には、以下の欠点がある。

（ｉ）回転多面鏡を回転駆動するモータの軸振れ等によ
る振動が発生する。

（ｉｉ　）回転多面鏡の回転による風切り音等の騒音が
発生する。

（ｉｉｉ　）回転多面鏡の軸受の耐久性に問題がある。

（ｉｖ）上述した回転駆動モータの回転の立ち上がりが
速みやかでは無いので、クイック・スタ−トが困難であ
る。

（ｖ）回転駆動モータの回転安定性に問題があるため、
時間ジッターが発生する。

以上のような欠点を有する機械方式のレーザビーム走査
方式に対して、機械的な駆動部分の無い音響光学偏向器
を用いた音響光学走査方式が、例えば、「音響光学偏向
器を使用したラスタ走査型レーザデイスプレィ装置」　
（電子通信学会論文誌第５８巻Ｃ２第４号１９７５年第
２０９頁〜第２１６頁）に記載されている。

第７図は、上述した音響光学偏向器を使用したラスタ走
査型レーザデイスプレィ装置の一例の概略図である。

図において、レーザ光源（１）から出射されたレーザビ
ームはビーム絞り込みレンズ（２）を介して細く絞り込
まれ、音響光学光強度変調器（３）に供給される。この
光強度変調器（３）は、音響光学媒体に印加される超音
波の強度を変えて、レーザビームがこの超音波によって
回折される効率を変化させることで、回折レーザビーム
の強度を変調するものである。そして、この光強度変調
器（３）に、輝度信号が供給され、レーザビームが―像
信号に応じて光強度変調される。そして、この光強度変
調器（３）から出射した強度変調されたレーザビームは
、ビーム拡大レンズ（４）を介して、所定の太さのレー
ザビームに変換された後、水平走査用音響光学偏向器（
５）に供給される。

この音響光学偏向器（５）は、音響光学媒体（５ａ）の
−面に、圧電効果を利用した超音波発生器（５ｂ）が取
付けられた構造となっており、この超音波発生器（５ｂ
）に高周波発生器（５ｃ）からの電圧が印加されること
で音響光学媒体（５ａ）に超音波振動の進行波が作られ
る。この時、高周波発振器（５ｃ）の発振周波数が低い
場合には波長が長い進行波が作られ、発振周波数が高い
場合には波長の短い進行波が作られる。

そして、音響光学偏向器（５）に供給されたレーザビー
ムは、音響光学媒体（５ａ）に導かれて、超音波振動の
進行波と遭遇され、この進行波によって、回折されて、
偏向を受ける。この時、超音波振動の進行波の波長が短
い程大きな偏向を受けるので、高周波発振器（５ｃ）の
発振周波数を低い周波数から高い周波数へ鋸歯状に繰り
返し掃引することで、音響光学偏向器（５）から出射す
るレーザビームは、偏向を受けて偏向走査を繰り返す水
平走査レーザビームとなる。

ここで、高分解能の画像を投影するには、音響光学偏向
器（５）に入射させるレーザビームの径を太くする必要
がある。然るに、ビーム径が太い場合、音響光学媒体（
５ａ）中の超音波振動の進行波の伝達速度が有限である
ため、入射したレーザビームの超音波発生器（５ｂ）に
近い部分と遠い部分では、遭遇する超音波の周波数が異
なり、偏向角度がビーム径の位置によって異なる。つま
り、超音波発生器（５ｂ）に近い部分では、高い周波数
の超音波に遭遇して大きな偏向を受け、遠い部分では低
い周波数の超音波に遭遇して小さな偏向を受けるので、
あたかもシリンドリカルレンズを透過させた如くに、レ
ーザビームは平行ビームとはならずに、集光して偏向さ
れる。これをシリンドリカルレンズ効果と呼んでいる。

そして、音響光学偏向器（５）から出射され、偏向走査
を繰り返す水平走査レーザビームとなったレーザビーム
は、補正シリンドリカルレンズ（６）に供給される。こ
の補正シリンドリカルレンズ（６）は、上述のシリンド
リカルレンズ効果を補正するためで、これを透過したレ
ーザビームは再び平行なレーザビームとなって、水平偏
向走査を繰り返す。

そして、この補正シリンドリカルレンズ（６）を透過し
た水平偏向レーザビームは、垂直走査用音客光学偏向器
（７）に供給される。この音響光学偏向器（７）は、水
平走査用音響光学偏向器（５）と同じ構造を有するもの
で、音響光学媒体（７ａ）の−面に、圧電効果を利用し
た超音波発生器（７ｂ）が取付けられ、高周波発振器（
７ｃ）からの電圧を印加することで光学媒体（７ａ）に
超音波振動の進行波を作り、高周波発振器（７ｃ）の発
振周波数を低い周波数から高い周波数へ鋸歯状に繰り返
し掃引して、入射したレーザビームを垂直方向に繰り返
し偏向させるものである。

なお、垂直偏向の走査繰り返し回数は例えば、毎秒６０
回と、上述した水平偏向に比べて遅いので、音響光学偏
向器（７）でのシリンドリカルレンズ効果は無視できる
。

そして、この音響光学偏向器（７）から出射された水平
および垂直の二次元偏向走査を繰り返すレーザビームは
拡大投影レンズ（８）および（９）を介してスクリーン
（１０）上に投影される。この拡大投影レンズ（８）お
よび（９）は偏向器での偏向角度がわずか２゜程度で極
めて小さくこのままでは、スクリーン（１０）上での画
面サイズが大きくならない為、実用的なスクリーンサイ
ズに描画サイズを拡大させる目的で用いている。

このようにしてスクリーン（１０）上にレーザビームが
ラスター走査されて、且つこの水平、垂直偏向に同期し
て光強度変調器（３）へ映像信号が与えられることでテ
レビジョン画像が表示可能となる。

そして、上述のような音響光学偏向器を使用したレーザ
デイスプレィ装置の場合、機械方式のものと比較して、
振動や騒音が無く、耐久性にも優れ、クイック・スター
トも容易で、時間ジッターも無い。また、この音響光学
偏向器を使用したレーザデイスプレィ装置は、機械方式
のものと比較して、小型軽量となる利点も有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで音響光学偏向器（５）は、上述したように、音
響光学媒体（５ａ）の−面に超音波発生器（５ｂ）を貼
り付けてこの媒体（５ａ）中に超音波の進行波を作り、
この媒体（５ａ）中に入射した光をこの超音波で回折さ
せて光の出射方向を変えるものである。

そして、この超音波の振動数が高い程、つまり超音波の
波長が短い程偏向される光の角度は大きくなる。したが
って、この音響光学偏向器（５）を用いてレーザビーム
をラスタ走査させる場合は、超音波の振動周波数を（低
い値から高い値へあるいは高い値から低い値へ）掃引す
る必要がある。

ここで、大きな偏向走査角度を得るにはこの超音波の周
波数の掃引幅Δｆを大きくすれば可能であるが、高周波
数帯域では超音波の減衰が顕著になる為実用的でなく限
界がある。通常は走査角度は２度程度の極めて小さな値
しか得ることができない。したがって、描画する隙には
上述したように投影レンズ（８）（９）を用いてこの走
査角度を拡大投影する必要が有るが、拡大比に応じてビ
ーム径も拡大する為に画像の分解能、つまり一走査線当
りのビームスポット径の連り数Ｎは拡大比に無関係とな
って、 Ｎ＝πＤΔｆ　／　２ｖｃｏｓθ で決まる。

ここで、Ｄはレーザビームの径、■は超音波の媒体（５
ａ）中の音速、θは走査中心角が入射レーザビームとな
す角度である。

したがって、高分解能の画像を得る為には音響光学媒体
（５ａ）に入射させるレーザビームの径を大きくする必
要がある。しかしながら、ビーム径を大きくすると走査
速度が遅くなる欠点がある。これは、ビーム径を超音波
が伝播するのに時間を費やす為である。この偏向方向を
切換るに必要な時間をτとすると、 ｒ＝πＤ／２ｖｃｏｓθ で表され、ビーム径に比例して時間τが大きなものとな
ってしまう。

すなわち、高速走査と高分解能の描画とは相反する関係
になっている。

したがって従来の音響光学偏向器を使用したレーザデイ
スプレィ装置においては、例えば水平解像度３２０本、
走査線数５２５本／フレームのＮＴＳＣテレビジョン方
式の描画が限界であって、これを上まわった、例えば水
平走査線１１２５本のハイビジョンテレビ方式への適用
は不可能であった。

そこで、この発明は上述した従来技術の欠点を改善し、
例えばハイビジョンテレビ方式の高精細度画像を音響光
学偏向器を用いたレーザ描画装置で描画可能とすること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、強度変調されたレーザ上１−ムを音響光学
偏向器を用いてラスタ走査するレーザ描画装置において
、強度変調されたレーザビームが交互に供給される一対
の音響光学偏向器（１３ａ）　（１３ｂ）を備え、この
一対の音響光学偏向器（１３ａ）　（１３ｂ）により、
レーザビームが交互に水平走査させるようにしたもので
ある。

〔作用〕

騒音が少なく、耐久性にも優れ、小型軽量で、かつ、高
画質な画像を描画できるレーザ描画装置を実現すること
ができる。

〔実施例〕

第１図は、この発明の一実施例の要部を示す図である。

図において、１０は第７図例と同様にして強度変言周さ
れたレーザビームである。そして、このレーザビーム１
０はシリンドリカルレンズ（ｌｌａ）に供給されビーム
幅が拡大された後に、シリンドリカルレンズ（ｌｌｂ）
に供給され、平行に戻され、レーザビームの断面形状が
水平走査方向にのみ拡大した扁平形にされる。そして、
この扁平レーザビームをビーム切換器（１２）に供給す
る。このビーム切換器（１２）は音響光学偏向器であり
、入射した扁平レーザビームの出射方向を上下方向に切
り替えるものである。そして、このビーム切替器（１２
）によるレーザビームの上下方向の偏向は、投影画像の
解像度に関係しないので偏光方向にビームサイズを大き
くする必要が無く、超音波の進行方向に入射偏平ビーム
の短幅の方向を一致させることで出射方向の切り替え速
度を十分に早くできる。

そして、このビーム切替器（１２）から出射する扁平レ
ーザビームは、図中上下の方向に１水平走査毎に方向が
変えられ、偏平ビーム１１あるいは偏平ビームｆ！、８
とされ、夫々水平走査用音響光学偏光器（１３）に供給
される。この水平走査用音響光学偏光器（１３）は１対
の音響光学偏光器（１３ａ）　（１３ｂ）が結合された
構成を有し、音響光学偏光器（１３ａ）　（１３ｂ）の
各々に超音波発生器（１４ａ）　、　（１４ｂ）が取り
付けられており、各々独立した周波数発振器（図示せず
）で交互に駆動される。つまり、ビーム切替器（１２）
によって出射方向が切替えられた偏平ビーム！１が水平
走査用音響光学偏光器（１３ａ）に供給された場合には
超音波発生器（１４ａ）により水平走査が行なわれ、入
射偏平ビームｐ、ｔが音響光学偏向器（１３ｂ）に供給
された場合には超音波発生器（１４ｂ）により水平走査
が行なわれる。これらの超音波発生器（１４ａ）あるい
は（１４ｂ）で発生された超音波は媒体中を図中紙面の
表側から裏側に向かって進行し、この超音波の進行方向
に偏向走査を行なうことになる。入射偏平レーザビーム
ｌ、あるいは！２の長幅方向が超音波の進行方向と一致
するようにして、水平偏向走査線のスクリーン上の画像
の分解能が十分大きく得られるようにされる。

そしてこの水平走査用音響光学偏向器（１３ａ）　（１
３ｂ）から出射したレーザビームは各々シリンドリカル
レンズ（１５ａ）　（１５ｂ）に透過されてシリンドリ
カルレンズ効果の補正が行なわれる。

そして、シリンドリカルレンズ（１５ａ）を通過したレ
ーザビームはプリズム（１６ａ）及び（１６ｂ）を通過
して、レーザビームｆｏｌとなる。そして、このレーザ
ビームｌ。Ｉの光路は、シリンドリカルレンズ（１５ｂ
）を通過したレーザビーム！。２の光路と平行となるも
のである。

次に、第１図例のビーム切換器（１２）及び水平走査用
音響光学偏光器（１３）の超音波による駆動方法を説明
する。

第２図Ａは音響光学偏光器（１３ａ）の超音波発生器（
１４ａ）に印加される高周波電圧の波形図、第２図Ｂは
音響光学偏光器（１３ｂ）の超音波発生器（１４ｂ）に
印加される高周波電圧の波形図、第２図Ｃはビーム切換
器（１２）に印加される高周波電圧の波形図である。

第２図Ｃにおいて、ビーム切替器（１２）に周波数ｆａ
Ｏ高周波電圧を印加すると、入射レーザビームの回折角
度が大きくなり第１図に示す光路！１の方向に出射され
、周波数ｆｂＯ高周波電圧を印加すると回折角度が小さ
くなって第１図に示す光路ｉｔの方向にレーザビームは
出射される。この周波数を１水平走査時間τ３．τ２毎
にｆａとｆｂとの間で切り替え、レーザビームの出射方
向を１．から２□に水平走査毎に切り替える。また第２
図Ａは、上述したレーザビームの光路ｌ、上にある音響
光学偏向器（１３ａ）の超音波発生器（１４ａ）に印加
すべき高周波電圧の波形図である。図中ｆ□ｘ＋　　ｆ
Ｍｉｎは夫々この音響光学偏向器（１３ａ）（１３ｂ）
の有効駆動周波数の上限及び下限を示し、この範囲内で
レーザビームは偏向を受ける。そして、ビーム切替器（
１２）に印加する電圧の周波数がｆａに切り替わった時
点り、でレーザビームはρ。

の光路に変わり、この時点ｔ１から超音波発生器（１４
ａ）への印加高周波電圧の周波数を、ｆ□、の値から走
査終了点であるｆ　ｓｉｎの値まで直線的に減少させる
。そして、下限ｆ　ｓｉｎに達する時点ｔ２以後も周波
数ｆ０となるまで減少していく。そして、次に超音波発
生器（１４ａ）への印加高周波電圧の周波数は周波数ｆ
。、８よりも大きな所定の周波数に瞬時に変化される。

一方ビーム切替器（１２）でレーザビームが１２の方向
に切り替わった時点ｔ３より第２図Ｂに示すように、音
響光学偏向器（１３ｂ）の超音波発生器（１４ｂ）への
印加高周波電圧の周波数をｆ□、からｆ　＋＋＋ｉａに
変化させる直線的な掃引を開始する。

このようにして１水平走査が終了した時点で光路を切り
替えて、既に回帰走査を終了して待期状態にある別の偏
向器にレーザビームを移動させ直ちに次の水平走査を開
始させてこの動作を繰り返す。

なお、第２図において、水平走査線１１２５本の映像信
号の場合、１水平走査時間、τ１及びτ２は共に約２５
．８６μｓｅｃであり、帰線期間、つまり例えば、時点
１１とＬ３との間の期間は３．７７μｓｅｃとなるもの
である。

第３図は、この発明の他の実施例の要部を示す図であり
、第１図例と同等なものには同一の符号が付しである。

そして、第３図例が第１図例と異なるところは、プリズ
ム（１６ａ）　（１６ｂ）の代わりにビーム合成器（２
０）が配置されているところである。

つまり、音響光学偏向器（１３ａ）からシリンドリカル
レンズ（１５ａ）を通過するレーザビームｇ’ｏ＋はビ
ーム合成器（２０）に供給され、このビーム合成器（２
０）からレーザビーム１０３として出射される。また、
音響光学偏向器（１３ｂ）からシリンドリカルレンズ（
１５ｂ）を通過するレーザビームｌ′。２もビーム合成
器（２０）に供給され、このビーム合成器（２０）から
、レーザビームｌ。３として出射される。

第４図は、上述したレーザビームβ′。１とβ′。２と
カヒーム合成！　（２０）によって、レーザビーム２゜
。

とされる様子を示すものである。

同図において、シリンドリカルレンズ（１５ａ）を通過
するレーザビームｌ′。１は、１／２波長板（２１）を
通過することにより、その偏光面が１／４回転され、台
形プリズム（２２ａ）に供給される。そして、レーザビ
ームは台形プリズム（２２ａ）反射面ｍ、にて反射され
て、偏光ビームスプリンタ（２３）に供給される。この
偏光ビームスプリッタ（２３）は一対の直角プリズムを
多層誘電体膜ｍ、を介して、互いに接着させたものであ
り、この多層誘電体膜ｍ３に入射するレーザビームの偏
光状態によって、この誘電体膜ｍ３を透過するもと、反
射されるものとに分かれるものである。そして、反射面
ｍ、によって反射されたレーザビームは、誘電体膜ｍ、
によって反射され、レーザビーム１０３として偏光ビー
ムスプリッタ（２３）から出射される。

また、シリンドリカルレンズ（１５ｂ）を通過するレー
ザビームｌ′。２は、台形プリズム（２２ｂ）に入射さ
れ、この台形プリズム（２２ｂ）の反射面ｍ２にて反射
されて、偏光ビームスブリック（２３）に供給される。

そして、反射面ｍ２によって反射されたレーザビームは
偏光ビームスプリッタ（２３）の多層誘電体膜ｍ、を透
過して、レーザビーム２．３として偏光ビームスプリッ
タ（２３）から出射される。

このようにして、第３図例のように、ビーム合成器（２
０）をシリンドリカルレンズ（１５ａ）　（１５ｂ）の
後方に配置するように構成すれば、レーザビームβ′。

１及びβ′。２がビーム合成器（２０）を通過した後に
同一の光路を進むようにすることができる。したがって
、ビーム合成器（２０）を出射したレーザビームＩ−ａ
ｓはあたかも１つの音響光学偏向器で高速に水平走査さ
れたものと同様なものとする。

第５図は、この発明のさらに他の実施例の要部を示す図
であり、第６図は、第５図例の説明図である。

図において、強度変調されたレーザビーム！。

はシリンドリカルレンズ（ｌｌａ）　（ｌｌｂ）を介し
て、ビーム切換器（２４）に供給される。このビーム切
換器（２４）は上述した第１図例及び第３図例における
ビーム切換器（１２）とは異なり、入射されたレーザビ
ームをＰ波かＳ波かにモードを切り換えるものである。

そして、このビーム切換器（２４）によってＰ波又はＳ
波に切り換えられたレーザビームはシリンドリカルレン
ズ（２５）　（２６）を介して偏光ビームスプリッタ（
２７）に供給される。

そして、偏光ビームスプリッタ（２７）に供給されたレ
ーザビームがＰ波となっていれば、このビームスプリッ
タ（２７）を透過してレーザビーム！。、として、音響
光学偏向器（１３ａ）に供給される。また、偏光ビーム
スプリッタ（２７）に供給されたレーザビームがＳ波と
なっていれば、偏光ビームスプリッタ（２７）から、１
７２波長板（２８）に供給され、Ｓ波からＰ波に変換さ
れて、プリズム（２９）に供給される。

そして、このプリズム（２９）によって反射されたレー
ザビームはビームｆ２ｏｓとして音響光学偏向器（１３
ｂ）に供給される。

そして、この音響光学偏向器（１３ａ）　（１３ｂ）に
おいて、上述したようにして、各レーザビームｆ０４及
びｆｆ１Ｏ５が水平走査された後に、この音響光学偏向
器（１３ａ）　（１３ｂ）からＳ波モードとなった各レ
ーザビームがシリンドリカルレンズ（３０）を介して、
ビーム合成器（２０）に供給される。そして、このビー
ム合成器（２０）の１７２波長板（２１）に入射したレ
ーザビームはＰ波に変換され、台形プリズム（２２ａ）
に反射された後、偏光ビームスプリッタの多層誘電体膜
ｍ３によって反射され、レーザビームＬ６として出射さ
れる。また、ビーム合成器（２０）の台形プリズム（２
２ｂ）に入射されたレーザビームは、この台形プリズム
（２２ｂ）によって反射され、偏光ビームスプリッタ（
２３）の誘電体膜ｍ、を透過して、レーザビームＬ６と
して出射される。

そして、このレーザビー′、１Ａ１０６はシリンドリカ
ルレンズ（３１）を介して、ガルバノミラ−（３２）に
供給される。そして、ガルバノミラ−（３２）によって
反射されたレーザビームはシリンドリカルレンズ（３３
Ｌ　投影レンズ（３４）を介してスクリーン（３５）に
供給される。なお、ガルバノミラ−（３２）はレーザビ
ームの垂直走査を行なうためのものである。

こうして、上述した実施例によれば、音響光学偏向器を
使用したレーザ描画装置において、強度変調されたレー
ザビームを２つの光路又は２つのモードに分割し、この
分割されたレーザビームのそれぞれを２つの音響光学偏
向器によって、交互に水平走査を行なうようにしたので
、騒音が少なく、耐久性にも優れ、小型軽量で、かつ、
レーザビームを高速に水平走査することができ、例えば
水平走査線１１２５本のハイビジョンテレビ方式に適用
可能な、レーザ描画装置を実現することができる。

なお、この発明は、レーザデイスプレィ装置のみならず
、レーザビームを水平走査して描画を行なう装置であれ
ば、他の装置、例えばレーザプリンタにも適用すること
ができる。

〔発明の効果〕

こうして、この発明によれば、音響光学偏向器を使用し
たレーザ描画装置において、強度変調されたレーザビー
ムを２つの光路又は２つのモードに分割し、この分割さ
れたレーザビームのそれぞれを２つの音響光学偏向器に
よって、交互に水平走査を行なうようにしたので、騒音
が少なく、耐久性にも優れ、小型軽量で、かつ、レーザ
ビームを高速に水平走査することができ、例えば水平走
査線１１２５本のハイビジョンテレビ方式に適用可能な
、レーザ描画装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の要部を示す図、第２図は
音響光学偏向器に印加される高周波電圧の波形図、第３
図はこの発明の他の実施例の要部を示す図、第４図はビ
ーム合成器（２０）におけるレーザビームの状態の説明
図、第５図はこの発明のさらに他の実施例の要部を示す
図、第６図は第５図例におけるレーザビームの状態の説
明図、第７図は従来例を示す図である。 （１２）　（２４）はビーム切換器、（１３ａ）　（１
３ｂ）は水平走査用音響光学偏向器、（１４ａ）　（１
４ｂ）は超音波発生器、（２１）　（２Ｂ）はｌ／２波
長板、（２２ａ）　（２２ｂ）は台形プリズム、（２３
）　（２７）は偏光ビームスプリッタ、Ｎｏ＋ｆｌ＋ｆ
　！＋　７！’０１　＋　Ｎ’ＯＺ＋　Ｉｔ　０１　”
’　Ｉ！　０６はレーザビーム、ｍ。 は多Ｎ誘電体膜である。 代 理 人 松 隈 秀 盛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 強度変調されたレーザビームを音響光学偏向器を用いて
   ラスタ走査するレーザ描画装置において、上記強度変調
   されたレーザビームが交互に供給される一対の音響光学
   偏向器を備え、 上記一対の音響光学偏向器は、供給された上記レーザビ
   ームを交互に水平走査するようにして、高速な水平走査
   ができるようにしたレーザ描画装置。