(57)【要約】【課題】  簡単な構成で明るく、かつ高画質な画像を投影することが可能な走査型投影装置を提供する。【解決手段】  本発明のレーザ光を２次元投射して画像を生成する走査型投影装置は、前記画像の画素に対応した光強度をもち楕円光束のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を収束光に変換することなく平行化するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射したレーザ光の所定方向の光束幅を縮小するビーム縮小整形素子と、前記ビーム整形手段から出射したレーザ光を投影距離に応じた収束光に変換する集光レンズと、前記集光レンズから出射したレーザ光を２次元走査して投射する２次元走査手段と、を備える構成とした。そして、前記光源から出射される楕円光束のレーザ光の楕円長軸方向と、前記ビーム縮小整形素子の光束縮小方向が一致させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を２次元投射して画像を生成する走査型投影装置において、
前記画像の画素に対応した光強度をもち楕円光束のレーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を平行化するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射したレーザ光の所定方向の光束幅を縮小するビーム縮小整形素子と、
前記ビーム整形手段から出射したレーザ光を投影距離に応じた収束光に変換する集光レンズと、
前記集光レンズから出射したレーザ光を２次元走査して投射する２次元走査手段と、
を備えたことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型投影装置において、
前記光源から出射される楕円光束のレーザ光の楕円長軸方向と、前記ビーム縮小整形素子の光束縮小方向が一致している
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項３】
請求項２に記載の走査型投影装置において、
前記ビーム縮小整形素子は、縮小幅に応じた頂角Ａを挟む２面でレーザ光の入射・出射をおこなうプリズムである
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項４】
請求項３に記載の走査型投影装置において、
前記光源楕円光束のレーザ光を出射する光軸と前記コリメータレンズとの光軸を、前記光源の波長に応じて平行移動する調整機構を有する
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項５】
請求項２に記載の走査型投影装置において、
前記ビーム縮小整形素子は、凸と凹のシリンドリカルレンズで構成する
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項６】
請求項１に記載の走査型投影装置において、
前記コリメータレンズは、前記光源のレーザ光を収束光に変換しない
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項７】
請求項１に記載の走査型投影装置において、
前記ビーム縮小整形素子は２次元走査手段の走査面の大きさ以内に光束幅を縮小する
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項８】
請求項１に記載の走査型投影装置において、
前記光源と前記コリメータレンズは、赤色・緑色・青色のそれぞれに独立に設けられ、
赤色レーザ光と緑色レーザ光と青色レーザ光のビーム合成手段を有し、
赤色・緑色・青色ごとに前記光源のレーザ光が前記コリメータレンズで平行化され、
平行化された赤色レーザ光と緑色レーザ光と青色レーザ光とが前記ビーム合成手段で合成され、
前記ビーム合成手段で合成されたビーム光が前記ビーム縮小整形素子に入射してビーム縮小され、
前記ビーム縮小整形素子の出射ビームが前記集光レンズに入射して収束光に変換され、
前記集光レンズから出射したレーザ光が前記２次元走査手段に照射される
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項９】
請求項８に記載の走査型投影装置において、
前記赤色・緑色・青色ごとの光源は、出射される楕円光束のレーザ光の楕円長軸方向がそろえられて設置され、
前記コリメータレンズで平行化され、前記ビーム合成手段に入射される
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の走査型投影装置において、
前記ビーム合成手段で合成されたレーザ光の楕円長軸方向と前記ビーム縮小整形素子の光束幅を縮小する方向は一致している
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の走査型投影装置において、
前記ビーム縮小整形素子は縮小幅に応じた頂角Ａを挟む２面でレーザ光の入射・出射をおこなうプリズムであり、
前記光源の楕円光束のレーザ光を出射する光軸と前記コリメータレンズとの光軸を、前記光源の波長に応じて平行移動する調整機構を前記赤色・緑色・青色ごと有する
ことを特徴とする走査型投影装置。
【請求項１２】
レーザ光を被投影面上で走査し２次元画像を投影する走査型投影装置において、
前記レーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光を走査する走査素子と、
光学素子群とを備え、
前記光学素子群は、
前記走査素子の直径をＭとし、
前記２次元画像の幅を画素数で割った長さをＬとし、
前記レーザ光の断面において、最大強度から１／ｅｘｐ２の強度となる円径をビーム径とし、
前記走査素子上の前記ビーム径をｄｍとし、
前記被投影面上の前記ビーム径をｄとしたときに、
ｄｍ＜Ｍ
ｄ＜２Ｌ
を満足するようビーム整形することを特徴とする走査型投影装置。
【請求項１３】
レーザ光を被投影面上で走査し２次元画像を投影する走査型投影装置において、
前記レーザ光を出射する光源と、
前記レーザ光を走査する走査素子と、
光学素子群とを備え、
前記光学素子群は、
前記レーザ光を略平行光に変換するコリメータレンズと、
前記レーザ光をビーム整形するビーム縮小整形素子と、
前記レーザ光を弱収束光に変換する集光レンズとで構成し、
前記走査素子の直径をＭとし、
前記２次元画像の幅を画素数で割った長さをＬとし、
前記レーザ光の断面において、最大強度から１／ｅｘｐ２の強度となる円径をビーム径とし、
前記走査素子上の前記ビーム径をｄｍとし、
前記被投影面上の前記ビーム径をｄとしたときに、
ｄｍ＜Ｍ
ｄ＜２×Ｌ
を満足することを特徴とする走査型投影装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の走査型投影装置であって、
前記ビーム縮小整形素子は、ｄｍ＜Ｍとなるようビーム整形し、
前記集光レンズは、ｄ＜２×Ｌとなるようにレーザ光を弱収束光に変換することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１５】
請求項１３記載の走査型投影装置であって、
前記光ビーム縮小整形素子を通過する前の光ビーム光束断面は楕円形であって、
前記光ビーム縮小整形素子は、該光ビーム光束断面の長軸方向に関して縮小整形することを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１６】
請求項１３記載の走査型投影装置であって、
前記ビーム縮小整形素子は、少なくとも１個以上の台形もしくは楔形のプリズムで構成されることを特徴とする走査型投射装置。
【請求項１７】
請求項１３記載の走査型投影装置であって、
前記ビーム縮小整形素子は、少なくとも１個以上のシリンドリカルレンズで構成されることを特徴とする走査型投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を２次元走査して画像表示をおこなう走査型投影装置に係り、高解像な画像を提供するレーザー光の光学素子の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視光半導体レーザの高出力化と低価格により、半導体レーザから出射したレーザ光を被投影面上に２次元走査して画像を表示する走査型投影装置が実現されている。この走査型投影装置は、レーザ光の光強度を直接変調して画像を表示するため、従来の液晶パネル等を用いた投影装置に比べてコントラスト比が極めて高い利点がある。さらに、液晶パネルやデジタルミラーデバイス（DMD）を画像変調素子とする投影装置と異なり、走査型投影装置は、レーザ光の光強度を直接変調して画像を表示するため投影光のエネルギー効率が高い特徴があることから、次世代の表示デバイスとして期待されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、光走査型プロジェクタの技術の一例が開示されている。具体的には、R,G,B光のそれぞれを発光する光源部と、光源光の光束径をほぼ等しくする２つのクサビプリズムと、複数の光源光の光束を同軸上に合成する色合成部と、合成光を２次元方向に偏向するビーム走査部と、偏向された合成光の偏向角を拡大して投光する自由曲面プリズムを具備する光走査型プロジェクタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３２７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
走査型投影装置で、高輝度・高効率な投影画像を得るためには、表示画像に応じて光強度変調されたレーザ光を、走査型投影装置内部で損失することなく出射しなければならない。このため、走査ミラーの反射率の向上や、光路中のレンズやミラーの透過率・反射率の向上が求められる。
【０００６】
さらに、走査型投影装置では、被投影面上のビーム径が１画素に相当する高い画質を得るには、被投射面上のレーザ光のビーム径を解像度に合わせたサイズとする必要がある。
【０００７】
一方、光源となる半導体レーザから出力されたレーザ光の断面は楕円形状になっている。このため、レーザ光が、光学部品で損失なく通過しかつ被投影面上で所定のサイズとするためには、レーザ光をビーム整形することが望ましい。
【０００８】
上記の特許文献１には、２つのクサビプリズムにより、光軸合成するレーザ光源の光束径を等しくすることが開示されているが、レーザ光の効率および被投影面上でのビーム形状に関してなんら言及されていない。
【０００９】
本発明は、簡単な構成で明るく、かつ高画質な画像を投影することが可能な走査型投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために本発明のレーザ光を２次元投射して画像を生成する走査型投影装置は、前記画像の画素に対応した光強度をもち楕円光束のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を収束光に変換することなく平行化するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射したレーザ光の所定方向の光束幅を縮小するビーム縮小整形素子と、前記ビーム整形手段から出射したレーザ光を投影距離に応じた収束光に変換する集光レンズと、前記集光レンズから出射したレーザ光を２次元走査して投射する２次元走査手段と、を備える構成とした。そして、前記光源から出射される楕円光束のレーザ光の楕円長軸方向と、前記ビーム縮小整形素子の光束縮小方向が一致させるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、楕円形状の光源光ビームをビーム走査部の形状に合わせて整形することで、レーザ光の損失を低減できるとともに、被投射面上のレーザ光のビーム径を解像度に合わせて調整できるので、高輝度・高効率な投影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の走査型投影装置の構成図である。
【図２】ビーム縮小整形プリズムの機能を説明する図である。
【図３】走査素子上のレーザ光のビーム径を示す概略図である。
【図４】従来の走査型投影装置における走査素子上のレーザ光のビーム径を示す概略図である。
【図５】走査型投影装置で被投射面に画像を投影している模式図である。
【図６】実施例１の出射ビーム径ｄｙ、ｄｚおよび理想画素の幅Ｌとの関係を示した図である。
【図７】従来の走査型投影装置の出射レーザ光のビーム径ｄｚ、ｄｙと理想画素の幅Ｌとの関係を示す図である。
【図８】他の実施例の走査型投影装置の説明図である。
【図９】他の実施例の走査型投影装置の説明図である。
【図１０】他の実施例の走査型投影装置の説明図である。
【図１１】他の実施例の走査型投影装置の説明図である。
【図１２】他の実施例の走査型投影装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１の走査型投影装置１００の構成を示す図である。走査型投影装置１００は、表示画像に応じて変調されたレーザ光を出射して、被投射面１０００に投影像を形成している。図中、一点鎖線は、レーザ光の光軸を示している。図１では、被投射面１０００の面方向をｘ−ｙ軸面とし、被投射面１０００の垂直方向をｚ軸方向とする。
【００１５】
実施例の走査型投影装置１００は、レーザ光源１０１・１０２・１０３とコリメータレンズ１０４・１０５・１０６とミラー１０７・１０８とビーム縮小整形プリズム１０９と集光レンズ１１０と走査素子１１１と透明カバー１１２から構成される。
【００１６】
レーザ光源１０１・１０２・１０３は、それぞれ、緑色の波長光・赤色の波長光・青色の波長光を発散光として出力する半導体レーザである。コリメータレンズ１０４・１０５・１０６は、レーザ光源１０１・１０２・１０３の出射光を平行光に変換する。ミラー１０７・１０８は、特定波長の光を透過あるいは反射する波長選択性ミラーであり、半導体レーザ光のビーム合成をおこなう。
【００１７】
ミラー１０７は、緑色の波長の光を透過し、赤色の波長の光を反射する波長選択性ミラーである。ミラー１０７では、レーザ光源１０１から出力されコリメータレンズ１０４で平行光に変換された緑色の波長のレーザ光が透過し、レーザ光源１０２から出力されコリメータレンズ１０５で平行光に変換された赤色の波長のレーザ光が反射する。これにより、緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光の合成光を得ている。
【００１８】
ミラー１０８は、赤色および緑色の波長の光を透過し、青色の波長の光を反射する機能をもつ波長選択性ミラーである。ミラー１０８では、ミラー１０７からの緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光の合成光を透過し、レーザ光源１０３から出力されコリメータレンズ１０６で平行光に変換された青色の波長のレーザ光が反射する。これにより、緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光と青色の波長のレーザ光の合成光を得ている。
【００１９】
次に、レーザ光はビーム縮小整形プリズム１０９に入射する。ビーム縮小整形プリズム１０９は、図中ｙ方向に対しては垂直、図中ｘ−ｚ平面については斜面になっている。ビーム縮小整形プリズム１０９は、この形状によりレーザ光のビーム断面を縮小整形しているが、詳細は後述する。ビーム縮小整形プリズム１０９でビーム整形されたレーザ光は、集光レンズ１１０に入射する。
【００２０】
集光レンズ１１０は、外部に設置された被投射面１０００でビーム径が所定の解像度に合う最適なサイズとなるようレーザ光を弱収束光に変換する機能を持つ。これについても、詳細を後述する。集光レンズ１１０を通過したレーザ光は、走査素子１１１に入射する。
【００２１】
走査素子１１１は、レーザ光の反射面をもち、反射面が２方向に傾斜するように二軸で支持されている。この支持軸を水平走査軸と垂直走査軸として、各走査軸のまわりにミラー面を偏向駆動することでレーザ光を被投射面１０００上に２次元走査する。走査素子１１１は、例えばＭｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（以下、ＭＥＭＳ）ミラーや、ガルバノミラー等を用いることで実現できる。
【００２２】
走査素子１１１により２次元走査されたレーザ光の出射部には、透明カバー１１２が設けられている。透明カバー１１２は、３色の波長の透過率が十分に高い透明なガラスまたはプラスチックから構成され、走査型投影装置１００内に入り込む粉塵等による光学部品の透過率の劣化や走査素子１１１の故障などを防ぐことが可能となっている。
【００２３】
つぎに、レーザ光源１０１、１０２、１０３の設置内容について説明する。通常、半導体レーザから出射したレーザ光の断面は楕円形となっている。従って、レーザ光源１０１、１０２、１０３から出射するレーザ光の断面形状も楕円形をもつ。このため、ビーム縮小整形プリズム１０９のビーム整形方向とレーザ光源１０１、１０２、１０３のビームの楕円形状の長軸方向を対応付ける。詳細は後述するように、レーザ光源１０１、１０２、１０３は、そのビーム断面の長軸方向が図中ｚ方向と平行になるよう回転調整して設置される。
【００２４】
また、一般的に、プリズムの屈折率は波長によって異なることが知られている。本実施例のビーム縮小整形プリズム１０９でも、緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光と青色の波長のレーザ光とで屈折率が異なるため、ビーム縮小整形プリズム１０９を通過した３色のレーザ光の屈折角は同一にならない。これにより、レーザ光の光軸ずれが生じてしまう。
【００２５】
この光軸ずれを解消するために、レーザ光源１０１、１０２、１０３のそれぞれをコリメータレンズ１０４、１０５、１０６に対して平面内に移動調整できるように設置する。この調整機構により、ビーム縮小整形プリズム１０９に入射する各レーザ光の光軸の角度を所定角度に変化させて、ビーム縮小整形プリズム１０９を出射した後の３色のレーザ光の光軸がほぼ同一となるように調整する。
【００２６】
続いて、図２を用いてビーム縮小整形プリズム１０９の詳細を説明する。簡単のため、走査型投影装置１００の構成部品のうちビーム縮小整形プリズム１０９のみ記載し、その他の部品は省略している。
【００２７】
一般的に、半導体レーザから出射するレーザ光の断面はガウシアン分布をしている。実施例のレーザ光源１０１、１０２、１０３から出射するレーザ光断面の強度分布もガウシアン分布となる。以下の実施例では、レーザ光の断面の最大強度から１／ｅｘｐ２（13.5％）となる円径をビーム径と定義する。
【００２８】
図２の一点鎖線は、レーザ光の光軸を示し、直線１１３ａはビーム断面の最大強度の１／ｅｘｐ２（13.5％）となる強度の光線の光路を示す。すなわち、光軸を挟む２個の直線１１３ａ間の長さがビーム径となる。ビーム縮小整形プリズム１０９に入射する前をビーム径ｄ１、出射後をビーム径ｄ２とする。
【００２９】
ビーム縮小整形プリズム１０９は、図２に示すように、ｙ軸方向に入射・出射面をもつプリズムとなっている。図示のように、ビーム縮小整形プリズム１０９の頂角を頂角Ａとする。頂角Ａを挟む２面でレーザ光の入射・出射をおこなうと、ｘ−ｚ面でレーザ光に屈折が生じ、レーザ光が縮小される。ｙ軸方向にはレーザ光の屈折が生じないため、ビーム縮小整形プリズム１０９に入射したレーザ光は、一方向のビーム径が縮小されることになる。
【００３０】
このようなプリズムのビーム縮小機能は、アナモルフィックプリズムとして知られている。頂角Ａを変化すると、レーザ光の屈折角も変化するため、頂角Ａを所定の値とすることでビーム径ｄ１とビーム径ｄ２の比率であるビーム整形比も所定の値に設計することができる。
【００３１】
本実施例では、レーザ光源１０１、１０２、１０３のビームの楕円形状の長軸方向がｚ軸方向になるようにビーム縮小整形プリズム１０９とレーザ光源１０１、１０２、１０３が設置されている。これにより、レーザ光は、ビーム縮小整形プリズム１０９により楕円形状のビーム光の長軸を縮小してビーム整形され、ビーム縮小整形プリズム１０９から出射される。
【００３２】
つぎに、図３と図４により、ＭＥＭＳミラー等の走査素子１１１とレーザ光のビーム径との関係を説明する。図４は、従来の走査型投影装置における、走査素子１５０とレーザビーム光１１３ａを示している。レーザ光の断面形状の長軸方向のビーム径をｄｍ’、長軸方向に平行な走査素子１５０の直径をＭ’とする。
【００３３】
前述のとおり、半導体レーザから出射するレーザ光は楕円形となっているため、走査素子１５０でのレーザ光の断面形状は、図のように楕円率の高い楕円形となる。走査素子１５０直径Ｍ’より外のレーザ光は、走査素子１５０で反射されず損失となる。このため、投影するレーザ光の利用効率が低下し、画像の明るさが低下する。
【００３４】
図３は、先に説明したビーム縮小整形プリズム１０９によりビーム整形した後にレーザ光を走査素子１１１に照射する場合の、ＭＥＭＳミラー等の走査素子１１１とレーザ光のビーム径との関係を説明する。
【００３５】
ここで、一般的に、走査素子のサイズと走査速度はトレードオフの関係となっている。高画質のため走査速度の速い走査素子を選ぶと、走査素子のサイズは小さくなる。このため、図４に示したように、走査素子でレーザ光の反射ロスが生じる可能性がある。
【００３６】
明るい画像を投影するには、走査素子でレーザ光をエネルギー損失なく反射させることが必須となる。高い走査速度で明るい画像を投影するためには、小さなサイズの走査素子でレーザ光を効率よく反射させることが重要なポイントとなる。
【００３７】
図３にもどり、実施例の走査素子１１１上におけるレーザ光のビーム径を説明する。図３の走査素子１１１は略円形となっているが、これに限定することなく、例えば四角形などでも構わない。レーザ光１１３ａの断面形状の長軸方向のビーム径をｄｍ、長軸方向に平行な走査素子１１１の直径をＭとする。
【００３８】
図３より明らかなように、本実施例では、ビーム径ｄｍが走査素子１１１の直径Ｍよりも小さくなるよう、ビーム縮小整形プリズムの頂角Ａを決定している。そのため、走査素子１１１はレーザ光のエネルギーをほぼ損失なく反射することが可能となっている。
【００３９】
このように、本実施例では、ビーム縮小整形プリズム１０９の頂角Ａを所定の角度とすることで、レーザ光を走査素子１１１のサイズに合わせた大きさにビーム整形している。そのため、走査素子１１１で効率よくレーザ光を反射することができ、明るい画像を投影することが可能となっている。
【００４０】
つぎに、図５〜７により、集光レンズ１１０の機能について説明する。
図５は、走査型投影装置１００により被投射面１０００に画像１００１を投影している状態を表す模式図である。簡単のため、走査型投影装置１００の構成部品のうち、走査素子１１１以外の部品は省略している。ここで、走査素子１１１と被投影面１０００との間の距離をＲとする。投影画像１００１は、例えば図中ｙ方向に短く、図中ｚ方向に長い長方形の画像である。投影画像１００１のｚ方向の幅をＳとする。
【００４１】
図中の投影画像１００１内にある四角は、幅Ｓを所定の画素数で割って算出した理想画素１００２である。理想画素１００２のｚ方向の幅をＬとする。例えば、理想画素１００２の形状を正方形とすると、投影する画像のｚ方向とｙ方向の解像度は等しくなる。理想画素１００２は正方形とした場合、ｙ方向の幅もｚ方向と同じ幅Ｌとなる。
【００４２】
図中の理想画素１００２内にある円は、走査型投影装置１００から出射したレーザ光の断面１００３である。レーザ光の断面１００３において、ｙ方向のビーム径をｄｙ、ｚ方向のビーム径をｄｚとする。
【００４３】
つぎに、理想画素１００２の幅Ｌと、光スポット１００３のビーム径ｄｙ、ｄｚの関係について説明する。上記のように、レーザ光の断面１００３は投影画像１００１の１画素に相当する。そのため、ビーム径ｄｙ、ｄｚが理想画素１００２の幅Ｌよりも大きすぎると、解像度が劣化する。
【００４４】
ここで、Modulation Transfer function(以下、MTF)について説明する。MTFとは、単位空間あたりのライン数である空間周波数の応答関数であり、一般的に解像度の評価に用いられる。MTFが0%となると、縞模様が認識できなくなる。本実施例は、所定の焦点距離を持つビーム径ｄｙ、ｄｚが幅Ｌの２倍以下になるようにしている。これは、１ドット毎のラインを表示した際、MTFが30％以上となり、良好な解像度が得られるようになっている。
【００４５】
図６は、実施例の集光レンズ１１０をもつ構成において、走査素子１１１と被投射面１０００との間の距離Ｒをパラメータとした、ビーム径ｄｙ、ｄｚおよび理想画素１００２の幅Ｌとの関係を示したグラフである。なお、図中の破線は、幅Ｌの２倍の値をプロットしている。ここで、走査素子１１１と被投射面１０００との間の距離Ｒは、１００ｍｍ付近を想定している。この値は、例えばアミューズメント機器での適用を想定したものだが、当該走査型投影装置の用途に合わせて設定すればよい。
【００４６】
走査型投影装置１００で投射する投影画像１００１は、距離Ｒが遠くなるとともに大きくなる。そのため、理想画素１００２の幅Ｌも、距離Ｒに比例して大きくなる。
【００４７】
集光レンズ１１０は、所定の被投影面１０００の位置でビーム径が理想画素１００２の幅Ｌの２倍よりも小さくするよう、レーザ光を弱収束光に変換する機能をもっている。ここでは、例えば、集光レンズ１１０の焦点距離を距離Ｒと等しい約１００ｍｍとしている。図のように、距離Ｒでのビーム径ｄｚ、ｄｙは、理想画素１００２の幅Ｌの２倍以下となっており、被投影面１０００において良好な解像度の画像を投影することができる。
【００４８】
図７は、実施例のビーム縮小整形プリズム１０９と集光レンズ１１０がない従来の走査型投影装置から出射するレーザ光のビーム径ｄｚ、ｄｙと理想画素１００２の幅Ｌとの関係を示したグラフである。図６と同様に、走査素子１１１と被投射面１０００との間の距離Ｒをパラメータとている。さらに、幅Ｌは２倍の値をプロットしている。
【００４９】
従来の走査型投影装置では、所定の投写距離Ｒで良好な投影画像を得るために、コリメータレンズ１０４、１０５、１０６でレーザ光を弱収束光に変換する構成となっている。これにより、図７のビーム径ｄｚは、図６と同様の値となっているが、上記のとおり半導体レーザから出射するレーザ光は楕円形となっていることから、ビーム径ｄｙが大きくなっている。また、上記のとおり、走査素子１１１での光損失が生じる可能性もある。
【００５０】
前述のとおり、実施例のビーム縮小整形プリズム１０９により、半導体レーザから出射するレーザ光が楕円形であることによる影響は補正することができる。しかし、従来の走査型投影装置に実施例のビーム縮小整形プリズム１０９を追加するだけでは、つぎの問題が生じる。
【００５１】
従来の走査型投影装置では、前述のとおり、コリメータレンズ１０４、１０５、１０６でレーザ光を弱収束光に変換する構成となっている。このため、単に、光路中にビーム縮小整形プリズム１０９を追加した場合には、ビーム縮小整形プリズム１０９には、弱収束光のレーザ光が入射することになる。
【００５２】
上記のように、ビーム縮小整形プリズム１０９は、ビーム断面の一方を縮小することでビーム整形をする機能がある。しかし、レーザ光の波面の曲率も同時に縮小する機能を併せ持つ。縮小するｘ−ｚ平面方向と縮小しないｙ方向のレーザ光の波面の曲率が変わるため、ｘ−ｚ平面方向とｙ方向の集光点がそれぞれ異なる位置となる。一般的に、この現象を非点収差と呼ぶ。
【００５３】
レーザ光に非点収差が付与されると、被投影面１０００の配置を想定している距離Ｒが１００ｍｍ付近において、図のように、ビーム径ｄｚは幅Ｌ以下まで小さくすることができるが、ビーム径ｄｙは幅Ｌよりもきわめて大きくなる。このため、解像度が劣化する。
【００５４】
このように、従来の走査型投影装置に実施例のビーム縮小整形プリズム１０９を追加するだけでは、被投影面１０００でのビーム縮小整形プリズム１０９の効果を得ることができない。
【００５５】
本実施例の走査型投影装置１００は、コリメータレンズ１０４，１０５，１０６では弱収束光に変換することなく平行光に変換しており、ビーム縮小整形プリズム１０９に入射する光ビームの曲率は零としている。そのため、レーザ光がビーム縮小整形プリズム１０９を通過しても波面の曲率は変化せず、非点収差が付与されることはない。さらに、集光レンズ１１０で弱収束光に変換することで、被投影面１０００でビーム径ｄｙ、ｄｚの両方を理想画素１００２の幅Ｌの２倍以下にすることを可能としている。
【００５６】
以上のように、本実施例は、ビーム縮小整形プリズム１０９にて走査素子１１１のサイズよりビーム径を小さくようビーム整形することで、レーザ光のエネルギーを損失なくすべて反射させ、明るい画像を投影することができる。なおかつ、集光レンズ１１０で被投影面１０００上のビーム径を所定のサイズ以下とすることで高い解像度が得られる特徴がある。
【００５７】
なお、本実施例は、走査素子１１１と被投影面１０００との距離Ｒが１００ｍｍ付近にあることを想定しているが、これに限定されることはなく、所定の距離Ｒで所定のビーム径となるよう所定の焦点距離の集光レンズ１１０を用いればよい。
【００５８】
本実施例の走査型投影装置１００は、少なくともレーザ光源１０１、１０２、１０３、コリメータレンズ１０４、１０５、１０６、ミラー１０７、１０８、集光レンズ１１０、走査素子１１１を上記の構成とすればよく、途中に回折格子や波長版などの光学素子の追加や、ミラーで光路を折り曲げた構成であってもなんらかまわない。以下に、他の構成の実施例について説明する。
【実施例２】
【００５９】
本発明の走査型投影装置１００は、ビーム縮小整形プリズム１０９にてビーム整形することで、走査素子１１１のサイズよりビーム径を小さくし、なおかつ集光レンズ１１０で被投影面１０００上のビーム径を所定のサイズ以下となればよい。したがって、ビーム縮小整形プリズム１０９のレーザ光の出射側に集光レンズ１１０が配置されていればよく、
集光レンズ１１０と走査素子１１１の配置が入れ替わってもなんら問題ない。
図８は、図１の透明カバー１１２の代わりに集光レンズ１１０を配置したものである。
【実施例３】
【００６０】
走査型投影装置では、赤、緑色のレーザ光が画質に大きく影響する。
この特性を利用して、図９に示すように、レーザ光源１０１から出力されコリメータレンズ１０４で平行光に変換された緑色の波長のレーザ光が透過し、レーザ光源１０２から出力されコリメータレンズ１０５で平行光に変換された赤色の波長のレーザ光が反射して、緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光の合成光を出射するミラー１０７と、前記ミラー１０７からの緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光の合成光を透過し、レーザ光源１０３から出力されコリメータレンズ１０６で平行光に変換された青色の波長のレーザ光が反射して、緑色の波長のレーザ光と赤色の波長のレーザ光と青色の波長のレーザ光の合成光を得ているミラー１０８との間に、ビーム縮小整形プリズム１０９を配置する構成でもよい。
【００６１】
図９の構成では、青色のレーザ光のビーム整形は行わないが、青色の感度は低いため、画質に大きな影響はない。図９の構成では、青色のレーザ光のビーム縮小整形プリズムによる光軸ずれが発生しないので、青色レーザの取付け位置調整が不要になる。
【実施例４】
【００６２】
上記の実施例では、レーザ光の断面形状を、ビーム縮小整形プリズム１０９で整形する例を説明したが、ビーム整形はプリズム以外でもおこなうことができる。例えば、図１０に示すように、ビーム縮小整形プリズム１０９の変わりに、凸のシリンドリカルレンズ２００と凹のシリンドリカルレンズ２０１で構成してもよい。
【実施例５】
【００６３】
上記の実施例では、走査素子１１１がレーザ光を被投射面１０００上に２次元走査する例説明したが、図１１に示すように、水平走査軸を有する偏向ミラー３００と、垂直走査軸を有する偏向ミラー３０１とで構成され、この２個のミラーで被投影面１０００に２次元走査してもよい。また、走査素子は、被投影面１０００に２次元走査する構成であればよく、偏向ミラー３００と３０１が入れ替わってもなんら問題ない。
【実施例６】
【００６４】
レーザ光源１０１、１０２、１０３の合成順序は、図１、図８、図１０、図１１の順序に限定されるものでなく、レーザ光源１０１、１０２、１０３の配置が入れ替わってもなんら問題ない。また、ミラー１０７、１０８の変わりに、図１２に示すクロスプリズム４００を用いる構成でも構わない。
【符号の説明】
【００６５】
１０１、１０２、１０３・・・レーザ光源、１０２、１０３、１０４・・・コリメータレンズ、１０７、１０８・・・ミラー、１０９・・・ビーム縮小整形プリズム、１１０、集光レンズ、１１１・・・走査素子、１１２・・・透明カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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