(57)【要約】【課題】光束の２次元走査装置およびそれを用いた画像映写装置において、装置を小型化するために、単一の筐体の中に複数の半導体レーザ光源を設けた複合型レーザ光源素子を用い、該光源素子内の各半導体レーザ光源が発生した各レーザ光束の照射位置と光束平行度の双方を一致させる。【解決手段】入射する各光束の光軸に対して略４５度傾斜し、かつ互いに所定の微小相対角度φだけ傾いた、少なくとも２枚以上の反射ミラーを備えた光束合成装置を用いる。前記反射ミラーの微小相対角度φにより、前記各レーザ光束の平行度を略一致させ、かつ前記反射ミラーの少なくとも１個の反射面に所定の波長選択性または偏光選択性を持たせることにより、前記各レーザ光束の照射位置を略一致させる。【選択図】図１
2014029395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生した光を走査して画像を表示するための光束走査装置であって、
少なくとも２個のレーザ光源を含み、当該レーザ光源の各々が前記画像に応じたレーザ光束を発生して出射する複合型レーザ光源部と、
当該複合型レーザ光源部が出射したレーザ光束の各々が入射され、当該レーザ光束の各々を弱収束または略平行なレーザ光束に変換して出射する光束変換用レンズと、
当該光束変換用レンズが出射したレーザ光束の各々が入射され、当該レーザ光束の各々の位置と傾きを略一致させて出射する光束合成部と、
当該光束合成部が出射したレーザ光束が入射され、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する光学反射面を備え、前記レーザ光束を当該光学反射面で反射しながら２次元走査して出射する２次元光束走査部と
を有することを特徴とする光束走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光束走査装置において、前記光束合成部は、入射された前記レーザ光束の各々に対して個別に備えられた反射ミラーを有し、入射された前記レーザ光束の光軸は、前記反射ミラーの反射面に対して略４５度の入射角を有することを特徴とする光束走査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光束走査装置において、各々の前記反射ミラーの反射面の角度は、互いに異なることを特徴とする光束走査装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光束走査装置において、各々の前記反射ミラーの反射面の相対的な角度φは、前記光束用変換レンズの焦点距離をｆ、前記各々のレーザ光源の間隔をＳとして、
φ≒（1／２）×ｔａｎ-1［Ｓ／ｆ］
であることを特徴とする光束走査装置。
【請求項５】
請求項２に記載の光束走査装置において、前記複合型レーザ光源部が有する各々の前記レーザ光源は互いに異なる波長のレーザ光束を発生し、前記光束合成部が有する反射ミラーのうち少なくも一つの反射ミラーにおけるレーザ光束の反射率は波長選択性を有することを特徴とする光束走査装置。
【請求項６】
請求項２に記載の光束走査装置において、前記複合型レーザ光源部が有する各々の前記レーザ光源は互いに偏光方向の異なる直線偏光のレーザ光束を発生し、前記光束合成部が有する反射ミラーのうち少なくも一つの反射ミラーにおけるレーザ光束の反射率は偏光方向選択性を有することを特徴とする光束走査装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光束走査装置と、前記２次元光束走査部が出射するレーザ光束に基づく画像を当該光束走査装置の外部に備えられた表示部に表示するためのレーザ光束出力部を有することを特徴とする光束走査型画像映写装置。
【請求項８】
請求項１に記載の光束走査装置と、前記２次元光束走査部が出射するレーザ光束が入射され当該レーザ光束に基づく画像を表示する表示部を有することを特徴とする光束走査型画像映写装置。
【請求項９】
発生した光を走査して画像を表示するための光束走査装置であって、
赤色、緑色、青色系の計３個のレーザ光源を含み、当該レーザ光源の各々が前記画像に応じたレーザ光束を発生して出射する複合型レーザ光源部と、
当該複合型レーザ光源部が出射したレーザ光束の各々が入射され、当該レーザ光束の各々を弱収束または略平行なレーザ光束に変換して出射する光束変換用レンズと、
当該光束変換用レンズが出射したレーザ光束の各々が入射され、当該レーザ光束の各々の位置と傾きを略一致させて出射する光束合成部と、
当該光束合成部が出射したレーザ光束が入射され、互いに略直交した２方向に反復偏向駆動する光学反射面を備え、前記レーザ光束を当該光学反射面で反射しながら２次元走査して出射する２次元光束走査部と
を有することを特徴とする光束走査装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光束走査装置において、
前記光束合成部は、第１乃至第４の計４個の反射ミラーを有し、
前記第１の反射ミラーが、入射された三つのレーザ光束の内の第１のレーザ光束を反射して前記第２の反射ミラーと第３の反射ミラーへ入射させ、
前記第４の反射ミラーが、入射された三つのレーザ光束の内の前記第１のレーザ光束とは異なる第２のレーザ光束を反射して前記第２の反射ミラーと第３の反射ミラーへ入射させ、
前記第２の反射ミラーと第３の反射ミラーが、入射された三つのレーザ光束の内の残る第３のレーザ光束を透過させ、
前記第２の反射ミラーが、入射された前記第１のレーザ光束を透過させて前記第３の反射ミラーへ入射させ、
前記第３の反射ミラーが、入射された前記第２のレーザ光束を透過させて前記第２の反射ミラーへ入射させ、
前記第２の反射ミラーが、入射された前記第２のレーザ光束を反射させ、
前記第３の反射ミラーが、入射された前記第１のレーザ光束を反射させ、
前記第１乃至第３のレーザ光束の各々の位置と傾きを略一致させて前記２次元光束走査部へ出射することを特徴とする光束走査装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光束走査装置と、前記２次元光束走査部が出射するレーザ光束に基づく画像を当該光束走査装置の外部に備えられた表示部に表示するためのレーザ光束出力部を有することを特徴とする光束走査型画像映写装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の光束走査装置と、前記２次元光束走査部が出射するレーザ光束が入射され当該レーザ光束に基づく画像を表示する表示部を有することを特徴とする光束走査型画像映写装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光束走査装置、及び光束走査型画像映写装置に係り、特に光束を２次元的に走査する小型の光束走査装置、及びそれを用いた光束走査型画像映写装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザ光源から発せられた光束をスクリーン面などに投射し、かつ２軸偏向ミラー等の偏向手段によって前記光束を前記投射スクリーン面において２次元的に走査することにより、その残像効果を用いて前記投射スクリーン面に２次元画像を映写する機能を備えた光束走査型の画像映写装置が種々提案されている。
このような画像映写装置において、光束を２次元的に走査する光束走査装置を小型化するためには、単一の筐体の中に複数の半導体レーザ光源を設けた複合型レーザ光源を用いる手段が有効である。
【０００３】
ところで、このような複合型レーザ光源を光束走査型の画像映写装置の光源として用いる場合、前記複合型レーザ光源内の各半導体レーザ光源から発した複数の光束を１本の光束に合成した状態で、前記２軸偏向ミラー等の所定の偏向手段を経て前記スクリーン面に入射させる必要がある。
この複数の光束を１本の光束に集約するための光学的手段の具体的例としては、例えば下記特許文献１に開示された光学プリズムを用いた例などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７８８３２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１では、あくまで前記偏向ミラー面で複数の光束の照射位置を合わせているだけで、これら複数の光束の平行度は一致していない。したがって、前記偏向ミラーで反射され画像の表示面である前記スクリーン面に入射するまでに、前記複数の光束は再び分離してしまい、その結果、正しく画像を映写できないという問題が生じる。
以上のような状況を鑑み、本発明の目的は、前記偏向ミラーに対して照射位置と平行度の両方を略一致させた状態で前記複数の光束を入射させることにより、前記表示面においても前記複数の光束が分離することなく、正しく合成された状態で照射されるための光学的手段を有する光束走査装置、及びそれを用いた光束走査型画像映写装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的は、特許請求の範囲に記載の発明によって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、前記複合型レーザ光源を用い前記表示面における光束の合成状態を改善した光束走査装置、及びそれを用いた走査型画像映写装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に関する第１の実施例を示す光学系概略図。
【図２】本発明の第１の実施例における光学系主要部を拡大表示した概略図。
【図３】本発明に関する第２の実施例を示す光学系概略図。
【図４】本発明に関する第３の実施例を示す光学系概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施例について以下各図を用いて説明するが、当然のことながら、本発明は以下で説明する実施例の構成のみに限定されるものではない。
図１は、本発明における光束走査装置、及びそれを用いた光束走査型画像映写装置に関する光学系の一実施例を示した概略図である。
１及び２は互いに波長が異なる半導体レーザ光源である。例えば、１は波長が４００nm帯の青色のレーザ光を出射する光源であり、２は波長が６００nm帯の赤色のレーザ光を出射する光源である。
【００１０】
また該光源１、２は、同一の筐体５１内に収納されており、光源1の発光点は、該光源１の前方に配置された光束変換用レンズ４の主光軸上に略一致した位置に配置されている。一方、光源２の発光点は、光源1の発光点に対して前記光束変換用レンズ４の主光軸に対して略垂直方向に所定距離Ｓだけ離れた位置に配置されている。
ただしこれは光源１、２から出射されるレーザ光の波長の組み合わせ、および発光点位置の組み合わせの一例を示したものに過ぎず、当然のことながら本発明はこのような光源の種類や配置に限定されるものではない。例えば光源１、２の双方が、光束変換用レンズ４の主光軸から等しい距離だけ離れた位置に配置されるような実施形態も本発明の範疇にある。
【００１１】
半導体レーザ光源１、２から出射された各発散レーザ光束１０２および２０２は、前記光源１および２の各発光点から所定距離Ｌ１だけ離れた位置に配置された共通の光束変換用レンズ４を経て、それぞれ弱収束光束または略平行光束１０３および２０３に変換され、本発明の主要部である光束合成部５２に入射する。
このとき、光束１０３および２０３の中心光軸１０１および２０１は、前記各光束を出射する光源の発光点が、前記したように筐体５１内で光束変換用レンズ４の主光軸に対して略垂直方向に所定距離Ｓだけ離れて配置されているため、互いに所定角度だけ傾斜した状態で前記光束合成部５２に入射する。
図２は、本発明の内容を具体的に説明するため、図１の実施例における本発明の主要部である光束合成部５２と、それに入射する光束１０３および２０３の中心光軸１０１および２０１を拡大表示した概略図である。
【００１２】
本実施例における光束合成部５２は、２枚の反射ミラー５および６を有している。このうち反射ミラー５は波長選択性の反射率を備えており、例えば前記光束１０３（図２では簡単のためその中心光軸１０１のみを記している。）が有する波長４００nm帯の青色の光束を例えば９０％以上の透過率で透過し、一方で前記光束２０３（図２では簡単のためその中心光軸２０１のみを記している。）が有する波長６００nm帯の赤色の光束を例えば９０％の反射率で反射するような特性を備えている。したがって光束合成部５２に入射した光束１０３は、光束合成部５２内に配置された波長選択性反射ミラー５に直接入射した後、この反射ミラー５をそのまま透過して光束合成部５２から出射される。
なおこのとき反射ミラー５の反射面は入射した光束１０３の中心光軸１０１に対して略４５度傾斜して配置されている。これにより反射ミラー５と６は、互いに光軸方向の位置が略一致するよう配置できるため、光束合成部５２の光軸方向の厚さを薄くでき、光束走査装置全体の小型化に寄与できる。
【００１３】
一方、光束２０３は光束１０３に対して所定角度αだけ傾斜して進行し前記光束合成部５２に入射する。そしてその内部に配置されている反射ミラー６に入射する。この反射ミラー６は、その反射面が前記反射ミラー５の反射面とほぼ平行になるよう配置されているが、この反射ミラー６の反射面で反射された光束２０３の中心光軸２０１が、光束１０３の中心光軸１０１に対して略９０度の角度、すなわち反射ミラー５の反射面に対して略４５度の角度で該反射面に入射するよう、反射ミラー５の反射面に対して微小角度φだけ傾斜して配置されている。
【００１４】
この反射ミラー６と反射ミラー５の相対微小角度φは、光束合成部５２に入射する前記光束２０３と光束１０３間の相対角度αの半分になっている。
すなわち、
φ＝α／２  ・・・・（１）
一方、光束２０３と光束１０３間の相対角度αは、光源１、２の発光点と光束変換用レンズ４間の距離Ｌ１と、前記した半導体レーザ光源１と２間の相対間隔Ｓを用いて以下のように表される。
α≒Ｔａｎ-1[Ｓ／Ｌ１]  ・・・・（２）
ところで、光束１０３および２０３が弱収束または略平行光束である場合は、距離Ｌ１は光束変換用レンズ４の焦点距離ｆとほぼ一致する。すなわち、
Ｌ１≒ｆ  ・・・・（３）
この（１）乃至（３）式により、結局、前記相対微小角度φは前記ｆおよびＳを用いて次式のように表される。
φ≒（１／２）×Ｔａｎ-1[Ｓ／ｆ]  ・・・・（４）
この（４)式を満たすような相対微小角度φだけ反射ミラー５に対して反射ミラー６を傾斜させて配置することにより、反射ミラー６の反射面で反射されて反射ミラー５に達し、さらにその波長選択性反射面で反射された光束２０３は、図のように光束１０３とほぼ同位置でほぼ平行な光路をたどり、光束１０３と共に光束合成部５２から出射される。
なお図２中において、光束合成部５２内の反射ミラー５と反射ミラー６の間隔Ｗは、前記距離Ｌ１（≒ｆ）と、光束変換用レンズ４と光束合成部５２内の反射ミラー５および反射ミラー６との配置間隔Ｌ２を用いて、次式のように表される。
Ｗ＝（Ｌ２／Ｌ１）×Ｓ≒（Ｌ２／ｆ）×Ｓ  ・・・・（５）
光束合成部５２から出射された各光束は、それぞれ光束１０４および２０４としてほぼ同じ光路をたどり、２次元光束走査部７に入射する。
この２次元光束走査部７は例えば２次元偏向ミラーを有し、互いに略垂直な回転軸の廻りに偏向ミラーを高速反復回転駆動することで、該偏向ミラーを反射した光束を２次元方向に高速走査する機能を備えている。この２次元光束走査部７に入射した光束１０４および２０４は該２次元光束走査部７で反射された後、光束１０５および２０５となり、該２次元光束走査部７の前方所定位置に置かれた投射スクリーン（図示せず。）をはじめとする表示部に入射し、該表示部を２次元走査する。この２次元走査に同期して半導体レーザ１および２の発光強度を表示する画像に応じて変調することで、２次元画像を前記スクリーン上に映し出すことができる。
【００１５】
前記表示部が光束走査装置と一体となった光束走査型画像映写装置、或いは、前記表示部が光束走査装置の外部に設けられることとして光束１０５および２０５の出力部を有する光束走査型画像映写装置を考えることができるが、いずれも本発明の範疇にある。
なお、上記の２次元走査に同期した半導体レーザ１および２の発光強度における変調方式の詳細や２次元光束走査部７の構造の詳細については、本発明と直接関係しないので詳しい説明を省略する。
【００１６】
ところで図１および図２の実施例では、光束合成部５２内の反射ミラー５と反射ミラー６は平板ミラーであったが、本発明はそれに限定されるものではない。次に、他の実施例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施例を示す概略図である。図１及び図２の実施例と同様の構成要素には同じ番号を付している。
図３の実施例では、光束合成部５２内に光学ガラスもしくは光学部品用プラスチックから成り、紙面に平行な断面形状が図に示すように台形状のプリズム１０が配置されている。そしてこのプリズム１０の台形状断面を構成する４つのプリズム面のうち、プリズム面１２が図１及び図２の実施例でおける反射ミラー５と同様の波長選択性反射率特性を備えた反射ミラーになっており、それを実現するためにプリズム面１２上には所定の波長依存性反射率特性を有する反射膜１３が積層されている。
【００１７】
一方、プリズム面１１は通常の反射面になっており、図１及び図２の実施例でおける反射ミラー６と同等の機能を有する。すなわち該プリズム面１１に入射した光束２０３を例えば９０％以上の反射率で反射し、プリズム内を進行させて面１２に導く。
なおプリズム面１１と１２は、図１及び図２の実施例における反射ミラー５と６の関係と同様に、前記（４）式で表されるような微小相対角度φで表される相対傾きを持っている。またプリズム面１１とプリズム面１２の間隔すなわちプリズム１０の厚さは、前記（５）式で表されるＷと略一致している。
またプリズム面１１および１２以外のプリズム面で、かつ光束１０３または２０３が入射するプリズム面は、例えば９０％以上の透過率で前記各光束を透過させるようになっている。
【００１８】
ところで、図１乃至図３で表される実施例１の光束合成部５２内の反射ミラー５またはプリズム面１２は、光束１０３を透過し光束２０３を反射するような波長選択性を持っているが、本発明はこれに限定されるものではない。逆に光束１０３を反射して光束２０３を透過するような波長選択性を持っていても一向に構わない。
さらに云えば、本発明では、図１乃至図３で表される実施例１及び実施例２のように光束１０３と２０３は波長を異ならせる例だけではなく、何らかの光学的手段により直線偏光の方向を互いに異ならせ、かつ光束合成部５２内の反射ミラー５またはプリズム面１２に偏光方向選択性を持たせることにより、光束１０３を透過または反射させ、同時に光束２０３を反射または透過させる機能を持たせるように構成しても一向に構わない。
【００１９】
また図１乃至図３で表される実施例１及び実施例２では、互いに波長が異なる２本の半導体レーザ光束を合成して、２次元光束走査部７へ導く構成を開示しているが、これにさらに何らかの光学的手段により第３の波長例えば５００nm帯の緑色のレーザ光束を前記光束１０３や２０３と合成して、２次元光束走査部７に導くよう構成しても一向に構わない。このように、赤、緑、青色のレーザ光を合成して２次元偏向ミラーを経て投射スクリーン（図示せず。）をはじめとする表示部に入射させ、該スクリーン上を２次元走査しながら、それに同期して各色のレーザ光束の発光強度を表示する画像に応じて個別に変調することで、カラー２次元画像を前記スクリーン上に映し出すことができる。
【００２０】
さらに、これら赤、緑、青色の３原色の半導体レーザ光源を同一の筐体の中に収納しても良い。図４はその具体的な実施例を示している。
図４は、本発明の第３の実施例を示した概略図で、互いに波長が異なる半導体レーザ光源１、２および３を同一の筐体５１の中に収納した例を示している。
なお図４において、図１乃至図３の実施例と同様の構成要素には同じ番号を付している。
図４の実施例の場合、光束合成部５２内には反射ミラー２０乃至２３の計４枚の反射ミラーが配置されている。
【００２１】
このうち反射ミラー２０は、光源２を出射し光束変換用レンズ４を経て光束合成部５２に入射する光束２０３（図には簡単のためその中心光軸２０１のみ記している。）が入射する位置に配置されており、該光束２０３を反射して図に示すように反射ミラー２２および２３に入射するように導く機能を備えている。
また反射ミラー２１は、光源３を出射し光束変換用レンズ４を経て光束合成部５２に入射する光束３０３（図には簡単のためその中心光軸３０１のみ記している。）が入射する位置に配置されており、やはり該光束３０３を反射して図に示すように反射ミラー２２および２３に入射するように導く機能を備えている。
【００２２】
一方、反射ミラー２２および２３は、光源２および３の中間に配置された光源１を出射し光束変換用レンズ４を経て光束合成部５２に入射する光束１０３（図には簡単のためその中心光軸１０１のみ記している。）が入射する位置に配置されており、それぞれの反射ミラーの反射面が中心光軸１０１に対して略±４５度の角度になり、かつ両反射面がクロスするように設置されている。
そして、このうち反射ミラー２２の反射面は、該反射ミラー２２に直接入射する光束１０３および反射ミラー２１を経て該反射ミラー２２の反射面に入射した光束３０３を例えば９０％以上の透過率で透過させ、かつ反射ミラー２０を経て該反射ミラー２２の反射面に入射した光束２０３を例えば９０％以上の反射率で反射するような反射率特性を備えている。
【００２３】
一方、反射ミラー２３の反射面は、該反射ミラー２３に直接入射する光束１０３および反射ミラー２０を経て該反射ミラー２３の反射面に入射した光束２０３を例えば９０％以上の透過率で透過させ、かつ反射ミラー２１を経て該反射ミラー２３の反射面に入射した光束３０３を例えば９０％以上の反射率で反射するような反射率特性を備えている。
そして反射ミラー２０の反射面と反射ミラー２２の反射面、および反射ミラー２１と反射ミラー２３の反射面はほぼ平行になっているが、それぞれ前記（４）式で表されるような微小相対角度φで表される相対傾きを持っている。
【００２４】
このような反射ミラー２０乃至２３を配置した光束合成部５２を用いることにより、例えば赤、緑、青色のように波長が異なる３個の半導体レーザ光源を同一の筐体内に収納した構成であっても、各レーザ光源から出射した光束を合成し、ほぼ同一の光路を辿り２次元光束走査部７を経て投射スクリーンをはじめとする表示部に導くことができるので、光束走査装置およびそれを用いた画像映写装置の小型化と、前記スクリーンにおける光束の合成状態を改善するうえで極めて有効である。
ここまで示した実施形態は一例であって、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨に基づきながら異なる実施形態を考えられるが、いずれも本発明の範疇にある。
【符号の説明】
【００２５】
１，２，３…半導体レーザ光源、４…光束変換用レンズ、５，２２，２３…波長選択性反射ミラー、６，２０，２１…反射ミラー、７…２次元光束走査部、５２…光束合成部、１０１，２０１…レーザ光源出射光軸。
【図１】
2014029395.tif 000003
【図２】
2014029395.tif 000004
【図３】
2014029395.tif 000005
【図４】
2014029395.tif 000006